CN115590620A - 用于外科导航的虚拟6-dof跟踪器 - Google Patents

Abstract

一种用于在外科导航中使用的方法，所述方法由计算系统执行并且包括：确定第一跟踪器在恰好四个DOF中的第一姿态、确定第二跟踪器在恰好四个DOF中的第二姿态，以及基于所述第一姿态和所述第二姿态确定虚拟跟踪器在六个DOF中的第三姿态，所述虚拟跟踪器在所述第三姿态的六个DOF中相对于解剖对象具有固定的空间关系。本公开还涉及一种计算系统、一种外科导航系统和一种计算机程序产品。

Description

用于外科导航的虚拟6-DOF跟踪器

技术领域

本公开总体上涉及外科导航。特别地，描述了一种用于在外科导航中使用的方法、一种计算系统、一种外科导航系统和一种计算机程序产品。

背景技术

在外科导航中，外科器械相对于解剖对象(例如，骨骼(诸如椎骨)、器官(诸如大脑)等)的姿态(即，位置和取向中的至少一个)可以被跟踪。可以为外科医生提供视图，在该视图中，外科器械的姿态被相对于患者图像数据指示出来。在解剖对象对于外科医生不可见的情况下，例如在微创外科过程的情况下，这样的视图是特别有利的。

为了跟踪外科器械相对于解剖对象的姿态，可以提供光学跟踪系统，其被配置为识别图像中的一个或更多个(例如，无源或有源)光学跟踪标记，所述图像由光学跟踪系统的(例如，立体)相机在术中获取。替代地或附加地，可以提供电磁跟踪系统，其被配置为确定一个或更多个电磁传感器相对于电磁跟踪系统的电磁场发生器的姿态。光学跟踪标记或电磁传感器中的一些可以处于相对于解剖对象固定的姿态，并且可以被用作患者跟踪器。光学标记或电磁传感器中的一些可以被布置在外科器械上并且可以被用作器械跟踪器。这种方法允许确定患者跟踪器和器械跟踪器之间的空间关系。为了显示外科器械相对于患者图像数据的姿态，如本领域中已知的，可能需要术前图像数据的坐标系与患者跟踪器的被跟踪的姿态之间的转换或配准。

在当前的外科导航设置中，包括多个光学标记或多个电磁线圈的布置被使用，每个布置形成单个跟踪器，以允许对单个跟踪器在六个自由度(DOF)中的姿态的确定。通常，这种布置包括被非对称布置的至少三个光学标记或彼此被不平行地布置的至少两个电磁线圈。

上述6-DOF跟踪器在一些外科场景中可能占用大量空间。例如，在微创脊柱外科中，患者跟踪器可以被附接在椎弓根螺钉(pedicle screws)要被插入其中的椎骨上。尽管这可能导致椎骨的准确跟踪，但是患者跟踪器可能占用另外可由外科医生用于执行外科过程的空间。

在当前解决方案中的跟踪器必须相对于解剖对象或外科器械刚性地附接。在跟踪器相对于跟踪器所附接的对象(例如，解剖对象)的位置或取向方面，任何改变都要被避免。即，这样的改变可能导致基于所附接的跟踪器的被跟踪的姿态进行的对所述对象的当前姿态的确定不准确。在跟踪器和解剖对象之间提供刚性连接可能是麻烦的，例如在小解剖对象或有限操作空间的情况下(例如，在微创外科手术中)。在外科过程期间保持这种刚性连接可能对外科医生施加移动束缚并对外科医生和其他相关临床人员增加压力，从而可能负面影响临床结果。

发明内容

需要一种解决一个或更多个上述或其它问题的技术。

根据第一方面，提供了一种用于在外科导航中使用的方法。该方法由计算系统执行并且包括：获得第一跟踪器在跟踪坐标系中的第一跟踪数据，其中第一跟踪器与解剖对象相关联；以及基于第一跟踪数据确定第一跟踪器的第一姿态(例如，在恰好或仅四个自由度DOF中)。该方法还包括：获得第二跟踪器在(例如，所述)跟踪坐标系中的第二跟踪数据，其中第二跟踪器与解剖对象相关联；以及基于第二跟踪数据确定第二跟踪器的第二姿态(例如，在恰好或仅四个DOF中)。该方法还包括基于第一姿态和第二姿态确定虚拟跟踪器在六个DOF中的第三姿态，虚拟跟踪器在第三姿态的六个DOF中相对于解剖对象具有固定空间关系。

第一跟踪数据可以从一个或更多个(例如，光学或电磁)跟踪系统(例如，与第一跟踪数据的跟踪坐标系相关联)获得。第二跟踪数据可以从(例如，所述)一个或更多个跟踪系统(例如，与第二跟踪数据的跟踪坐标系相关联)获得。第一跟踪数据和第二跟踪数据可以从相同的一个或更多个跟踪系统被获得。第一和第二跟踪数据的坐标系可以彼此对应。第一姿态可以在与第二姿态相同的坐标系中被确定。第三姿态可以在与第一姿态和第二姿态中的至少一个相同的坐标系中被确定。

该方法还可以包括确定或获得在(i)解剖对象的图像数据的图像坐标系中的解剖对象的第四姿态(例如，在六个DOF中)与(ii)第三姿态(例如，在跟踪坐标系中)之间的转换。可以通过将通过跟踪配准器械获取的相对于解剖对象的位置匹配到图像数据来确定所述转换。点匹配、点云匹配或表面匹配算法可以被用于该匹配操作。可以使用用于确定所述转换的另一变形，其中的一个在下面被进一步描述。图像数据可以不从(例如，光学)跟踪系统获得。图像数据可以包括术前图像数据和术中图像数据中的至少一个。图像数据可以从诸如计算机断层扫描、CT、扫描仪、磁共振、MR、扫描仪或X射线成像设备的图像采集设备获得。

该方法还可以包括基于第三姿态和所述转换以确定解剖对象在六个DOF中(例如，在跟踪坐标系中)的第五姿态。该方法还可以包括：获得第三跟踪器在(例如，所述)跟踪系统中的第三跟踪数据、确定相对于第三跟踪器具有固定空间位置的外科器械的姿态，以及确定所述外科器械相对于解剖对象的姿态的可视化。可视化可以被显示。

第一跟踪器可以在仅(例如，所述)四个或五个DOF中相对于解剖对象以固定的空间关系布置。第二跟踪器可以在仅(例如，所述)四个或五个DOF中相对于解剖对象以固定的空间关系布置。所确定的第一姿态可以在第一姿态的仅(例如，所述)四个或五个DOF中限定第一跟踪器相对于解剖对象的固定的空间关系。所确定的第二姿态可以在第二姿态的仅(例如，所述)四个或五个DOF中限定第二跟踪器相对于解剖对象的固定的空间关系。

(例如，第一姿态和第二姿态中的至少一个的)四个或五个DOF可以包括两个平移DOF和两个旋转DOF。第一跟踪器的第一姿态可以在恰好四个自由度中被确定，并且第二跟踪器的第二姿态可以在相同的四个自由度中被确定。

两个平移DOF中的第一平移DOF和两个旋转DOF中的第一旋转DOF可以与第一轨迹相关联。两个平移DOF中的第二平移DOF和两个旋转DOF中的第二旋转DOF可以与第二轨迹相关联。第二轨迹可以是与第一轨迹不同、与第一轨迹不平行和与第一轨迹正交中的至少一种。

确定虚拟跟踪器的第三姿态可以包括，基于第一姿态和第二姿态中的一个确定由与第一姿态和第二姿态中的所述一个相关联的第一跟踪器或第二跟踪器所限定的第三轨迹；以及进一步基于第三轨迹确定虚拟跟踪器的第三姿态。

第三轨迹可以与被第一姿态和第二姿态中的一个的四个或五个DOF排除的至少一个DOF相关联。第三轨迹可以与至少一个DOF相关联，在该至少一个DOF中所述第一或第二跟踪器相对于解剖对象在空间上不固定。所述至少一个DOF可以包括恰好一个平移DOF和恰好一个旋转DOF中的至少一个。第三轨迹可以是与第一轨迹和第二轨迹中的一个或两者不同、与第一轨迹和第二轨迹中的一个或两者不平行和与第一轨迹和第二轨迹中的一个或两者正交中的至少一种。

确定虚拟跟踪器的第三姿态可以包括基于第一姿态确定第三轨迹的第一实例。确定虚拟跟踪器的第三姿态还可以包括基于第二姿态确定第三轨迹的第二实例。第三轨迹的第二实例可以相对于第三轨迹的第一实例不平行(例如，偏斜)。

确定虚拟跟踪器的第三姿态还可以包括基于第三轨迹的第一实例和第三轨迹的第二实例确定虚拟坐标系(例如，在跟踪坐标系中或相对于跟踪坐标系)。虚拟坐标系可以具有相对于虚拟跟踪器的第三姿态的预限定的空间关系。虚拟坐标系可以对应于或限定虚拟跟踪器的第三姿态。

确定虚拟坐标系可以包括确定第三轨迹的第一实例的第一方向矢量、确定第三轨迹的第二实例的第二方向矢量，以及将虚拟坐标系的坐标轴限定为位于由第一方向矢量和第二方向矢量跨过的平面内。

确定虚拟坐标系可以包括将虚拟坐标系的坐标轴限定为与第三轨迹的第一实例和第三轨迹的第二实例中的一个重合。

确定虚拟坐标系可以包括确定在第三轨迹的第一实例与第三轨迹的第二实例之间的最小距离的方向，并且将虚拟坐标系的坐标轴限定为与该方向重合。

确定转换可以包括检测在图像数据中的对准轨迹，对准轨迹具有相对于第一跟踪器和第二跟踪器中的至少一个已知的空间关系，并且使用已知的空间关系将检测到的对准轨迹匹配到第一跟踪器和第二跟踪器中的至少一个的姿态。确定转换可以包括检测在图像数据中的两个对准轨迹，每个对准轨迹具有相对于第一跟踪器和第二跟踪器中的一个的已知的空间关系，并且使用已知的空间关系将每个检测到的对准轨迹匹配到第一跟踪器和第二跟踪器中的一个的姿态。已知的空间关系可以限定：对准轨迹中的第一对准轨迹与基于第一姿态所确定的第三轨迹平行或重合，并且对准轨迹中的第一对准轨迹可以匹配到基于第一姿态所确定的第三轨迹。已知的空间关系可以限定：对准轨迹中的第二对准轨迹与基于第二姿态所确定的第三轨迹平行或重合，并且对准轨迹中的第二对准轨迹可以匹配到基于第二姿态所确定的第三轨迹。

第一跟踪器和第二跟踪器中的至少一个可以沿相对于解剖对象具有固定空间关系的(例如，所述)对准轨迹被可移动地布置。第一跟踪器和第二跟踪器中的至少一个可以沿对准轴线平移地可移动。替代地或附加地，第一跟踪器和第二跟踪器中的至少一个可以围绕对准轴线旋转地可移动。

第一跟踪器和第二跟踪器中的至少一个可以被机械地耦接到选自以下的一个或更多个元件：(i)线性构件，所述线性构件相对于解剖对象以固定空间关系被布置，其中对准轨迹对应于或平行于线性构件的纵向轴线；(ii)套管式植入物，套管式植入物相对于解剖对象以固定空间关系被布置，其中对准轨迹对应于或平行于在套管式植入物内的套管的纵向轴线；(iii)外科器械，外科器械相对于解剖对象以固定空间关系被布置，其中对准轨迹对应于或平行于在外科器械内的套管或跟踪器接收部的纵向轴线；以及(iv)在解剖对象中的线性孔，其中对准轨迹对应于或平行于线性孔的纵向轴线。

第一跟踪数据可以指示第一跟踪器在五个或六个DOF中的被跟踪的姿态。确定第一姿态可以包括选择性地忽视第一跟踪器的被跟踪的姿态的DOF中的一个或两个以获得恰好四个DOF中的第一姿态。替代地或附加地，第二跟踪数据可以指示第二跟踪器在五个或六个DOF中的被跟踪的姿态。确定第二姿态可以包括选择性地忽视第二跟踪器的被跟踪的姿态的DOF中的一个或两个以获得恰好四个DOF中的第二姿态。

第一跟踪器和第二跟踪器中的至少一个可以是包括线圈(例如，围绕中心轴线延伸)的3-DOF、4-DOF或5-DOF跟踪器，其中线圈被配置成由电磁跟踪系统跟踪。中心轴线可以与对准轨迹平行或重合。替代地或附加地，第一跟踪器和第二跟踪器中的至少一个可以为3-DOF、4-DOF或5-DOF跟踪器，其包括限定空间中的线的一个、两个或更多个光学跟踪标记，其中标记被配置为由光学跟踪系统跟踪。在空间中的线可以与对准轨迹平行或重合。

解剖对象可以包括(例如，人或动物)患者的身体的部分。解剖对象可以包括或是人类患者的脊柱的椎骨。

根据第二方面，提供了一种计算系统。计算系统包括至少一个处理器和至少一个存储器，至少一个存储器储存指令，在所述指令被所述至少一个处理器执行时，所述指令将该至少一个处理器配置为执行根据第一方面的方法。当所述指令由处理器执行时，所述指令可以将至少一个处理器配置成，获得第一跟踪器在跟踪坐标系中的第一跟踪数据，其中第一跟踪器与解剖对象相关联，基于第一跟踪数据确定第一跟踪器的第一姿态(例如，在恰好四个自由度DOF中)，获得第二跟踪器用于在(例如，所述)跟踪坐标系中的第二跟踪数据，其中第二跟踪器与解剖对象相关联，基于第二跟踪数据确定第二跟踪器的第二姿态(例如，在恰好四个DOF中)，以及基于第一姿态和第二姿态确定虚拟跟踪器在六个DOF中的第三姿态，虚拟跟踪器在第三姿态的六个DOF中相对于所述解剖对象具有固定空间关系。

根据第三方面，提供了一种计算机程序产品。计算机程序产品包括指令，当在至少一个处理器上执行所述指令时，所述指令使得至少一个处理器执行根据第一方面的方法。计算机程序产品可以被存储在一个或更多个计算机可读记录介质(例如，硬盘、非暂时性数据存储介质或云存储单元)上。计算机程序产品可以在数据流中被传输。

根据第四方面，提供了一种外科导航系统。外科导航系统包括根据第三方面的计算系统。外科导航系统还可以包括第一跟踪器和第二跟踪器(例如，被配置为如以上对于第一方面所讨论的)。外科导航系统还可以包括至少一个跟踪系统，其被配置为提供选自第一跟踪数据和第二跟踪数据中的至少一个数据。至少一个跟踪系统可以包括从光学跟踪系统和电磁跟踪系统中选择的至少一个系统。

每次在本文中使用表达“基于”时，取决于上下文，它可以具有“仅基于”或“至少基于”的含义。

附图说明

从以下结合附图的实施例中，本公开的其他细节、优点和方面将变得显而易见，其中：

图1图示了根据本公开的外科导航系统的实施例；

图2A-图2D图示了根据本公开的布置跟踪器的选项；

图3示出了根据本公开的方法的实施例；

图4图示了根据本公开的多个轨迹；和

图5图示了根据本公开的多个轨迹和虚拟坐标系。

具体实施例

在以下描述中，外科导航系统、方法、计算系统和计算机程序产品的示例性实施例将参考附图被解释。相同的附图标记将被用于表明相同或类似的结构特征。

图1图示了根据本公开的外科导航系统1000的实施例。外科导航系统1000包括计算系统100。计算系统100包括至少一个处理器2和至少一个存储器4，至少一个存储器4储存指令，当所述指令被至少一个处理器2执行时，所述指令将所述至少一个处理器2配置成执行如本文中所描述的(一种或更多种)方法。

外科导航系统1000还可以包括光学跟踪系统6和电磁跟踪系统8中的至少一个。光学跟踪系统6和电磁跟踪系统8可以各自经由计算系统100的接口10被连接到计算系统100。如在图1中可见，外科导航系统1000还可以包括显示器12。显示器12可以经由接口10被连接到计算系统100。

外科导航系统1000还可以包括第一跟踪器14和第二跟踪器16。

在所图示的示例中，第一跟踪器14是光学跟踪器。第一跟踪器14可以包括被配置成由光学跟踪系统6跟踪的一个、两个或更多个无源或有源光学跟踪标记18、20。光学跟踪标记18、20可以限定在空间中的线。例如，两个或更多个光学跟踪标记18、20沿在空间中的线被布置。光学跟踪标记18、20中的每一个可以被配置为使得仅相应光学跟踪标记的空间位置可以被光学跟踪系统6确定，但其空间取向不能被确定。

在一个示例中，两个或更多个光学跟踪标记18、20沿在空间中的线彼此以预限定的相对位置被布置。在另一示例中，两个或更多个光学跟踪标记18、20沿在空间中的线彼此以未知的相对位置被布置。在该情况下，两个或更多个光学跟踪标记18、20中的一个或更多个可以是相对于第一跟踪器14的其他光学跟踪标记18、20沿在空间中的线可移动的。在所有这些示例中，基于对第一跟踪器14的光学跟踪标记中的每一个标记的(例如，当前)位置的跟踪，在空间中的线可以被检测到(例如，通过连接被跟踪的位置或对被跟踪的位置进行内插(interpolating))。

在又一示例中，第一跟踪器14可以仅包括一个光学跟踪标记18或20，所述标记沿在空间中的线被可移动地布置，从而限定在空间中的线。在该情况下，第一跟踪器14可以被称作3-DOF跟踪器。所述一个光学跟踪标记18或20的移动可以被光学跟踪系统6跟踪以确定在空间中的线。这可以包括在(例如，至少)两个时间点处对所述一个光学跟踪标记18或20的(例如，当前)位置进行跟踪，其中，所述一个光学跟踪标记18或20在两个时间点之间沿空间中的线被移动(例如，手动地或自动地)。

在图1所图示的示例中，第二跟踪器16是电磁跟踪器。第二跟踪器16可以包括线圈32。线圈32可以被配置成被电磁跟踪系统8跟踪。线圈32可以围绕中心轴线延伸或缠绕。

第二跟踪器16可以被配置为使得空间位置和在两个轴线上的空间取向可以被电磁跟踪系统8确定。在该情况下，第二跟踪器16可以被称作5-DOF跟踪器。

在替代实施方式中，第二跟踪器16可以被配置为使得只有跟踪器16的空间位置可以被电磁跟踪系统8确定，但其空间取向不能被确定。在该情况下，第二跟踪器16可以被称为3-DOF跟踪器，并且线圈可以沿中心轴线可移动(例如，即使线圈32不围绕中心轴线延伸或不围绕中心轴线缠绕)。只有第二跟踪器16的被跟踪的空间位置，而不是其被跟踪的取向，可以被用于或用作本文所述的第二跟踪数据。线圈32的移动可以被电磁跟踪系统8跟踪，以确定所述中心轴线，线圈32沿所述中心轴线被可移动地布置。这可以包括在(例如，至少)两个时间点处对线圈32的(例如，当前)位置进行跟踪，其中，线圈32在两个时间点之间沿中心轴线移动(例如，手动地或自动地)。

在又一实施方式中，第二跟踪器16可以包括沿(例如，跟踪器)中心轴线布置的两个或更多个线圈。两个或更多个线圈中的至少一个、可能全部可以相对于中心轴线具有不同的、可变的和/或未知的取向(例如，在该情况下，线圈可以不围绕中心轴线延伸或不围绕中心轴线缠绕)。中心轴线可以延伸通过两个或更多个线圈的中心点。电磁跟踪系统8可以被配置为确定两个或更多个线圈中的每一个的中心点的空间位置。第二跟踪器16的两个或更多个线圈可以沿中心轴线以彼此预限定的相对位置布置。两个或更多个线圈可以沿中心轴线以彼此未知的相对位置布置。在该情况下，两个或更多个线圈中的一个或更多个可以是相对于第二跟踪器16的其他线圈沿中心轴线可移动的。为了确定第二跟踪器16的被跟踪的姿态，可以仅考虑两个或更多个线圈的空间位置，而不考虑两个或更多个线圈的取向。换句话说，只有两个或更多个线圈的被跟踪的空间位置(例如，两个或更多个线圈的中心点)，而不是两个或更多个线圈的被跟踪的取向，可以被用在本文所述的第二跟踪数据中或被用作本文所述的第二跟踪数据。这仍然可以使得，中心轴线在电磁跟踪系统8的跟踪坐标系中的姿态能够被确定(例如，通过对线圈的被跟踪的位置进行内插或连接线圈的被跟踪的位置)。实质上，该方法将与上述对两个或更多个光学跟踪标记的使用类似，所述光学跟踪标记可以不允许其取向的确定。

应该注意，第一跟踪器14和第二跟踪器16二者都可以为光学跟踪器，或第一跟踪器14和第二跟踪器16二者都可以为电磁跟踪器。在第一种情况下，可以仅提供光学跟踪系统6，而在第二种情况下，可以仅提供电磁跟踪系统8。

在一个变体中，第一跟踪器14可以是5-DOF跟踪器，因为围绕由光学跟踪标记18、20所限定的在空间中的线的旋转状态可能不能被跟踪光学跟踪标记18、20的光学跟踪系统6确定。在另一变体中，第一跟踪器14可以包括至少三个光学跟踪标记并且被配置为6-DOF跟踪器。在又一变体中，第一跟踪器14可以被配置为3-DOF跟踪器，例如如上所述通过仅包括单个光学跟踪标记。在所有三个变体中，第一跟踪器14或其至少一个或更多个光学跟踪标记18、20被布置成可以沿对准轨迹22可移动，所述对准轨迹22相对于解剖对象24具有固定的空间关系。在该情况下，即使第一跟踪器14被配置为6-DOF跟踪器，由于第一跟踪器14或其(一个或更多个)光学跟踪标记沿对准轨迹22的可移动性，第一跟踪器14和解剖对象24之间的相对位置可能被部分地未限定。由(一个或更多个)光学跟踪标记18、20限定的在空间中的线可以与对准轨迹22重合或平行。这可以使得，能够确定(例如，第三)轨迹，如下面将进一步讨论的。

在一个变体中，第二跟踪器16可以为5-DOF跟踪器，因为围绕线圈32的中心轴线的旋转状态可能不能被跟踪线圈32的电磁跟踪系统8确定。在另一变体中，第二跟踪器16可以包括多个线圈且配置为6-DOF跟踪器。在又一变体中，第二跟踪器16可以如以上所述地被配置为3-DOF跟踪器。在所有三种变体中，第二跟踪器16或其至少一个或更多个线圈可以被布置为沿相对于解剖对象24具有固定空间关系的对准轨迹30可移动。在该情况下，即使第二跟踪器16被配置为6-DOF跟踪器，由于第二跟踪器16或其(一个或更多个)线圈沿对准轨迹30的可移动性，第二跟踪器16和解剖对象24之间的相对位置可能被部分地未限定。中心轴线可以与对准轨迹30重合或平行。这可以使得，能够确定(例如，第三)轨迹，如下面将进一步讨论的。

在所图示的示例中，解剖对象24是人类患者28的脊柱26的椎骨。应该注意，解剖对象24不需要是椎骨。解剖对象可以例如是脊柱26、患者28的骨骼、患者28的器官、患者28的肢体、患者28的头部等中的一个。一般而言，解剖对象24可以是患者28的身体的部分。

第一跟踪器14和第二跟踪器16不一定需要被直接固定到解剖对象24上。作为非限制性示例，第一跟踪器14可以被可移动地布置在线性引导件上，线性引导件使用粘合剂贴片被附接到患者28的身体的表面。作为另一非限制性示例，第二跟踪器16可以被可移动地布置在被附接到外科台(或者说手术台)的线性轨道上，其中患者28被固定到外科台(例如，使用带)。跟踪器14、16的其他附接变体也是可能的。也就是说，第一跟踪器14和第二跟踪器16可能不需要通过与患者28的身体的彼此实质作用来被附接到患者28。

本公开提供了用于相对于解剖对象24布置第一跟踪器14和第二跟踪器16的若干选项。这些选项中的一些现在将参考图2A-图2D被讨论。

如在图2A中示例性图示的，第一跟踪器14和第二跟踪器16中的一个或两者可以被(例如，直接或间接地)机械地耦接到线性构件，所述线形构件以相对于解剖对象24的固定空间关系被布置，其中对准轨迹22、30对应于或平行于线性构件的纵向轴线。线性构件可以例如是销、克氏针(k-wire)、钉、钻(drill)或螺钉。线性构件可以是以上所提到的线性引导件或线性轨道。例如，第二跟踪器16可以被滑到被附接到解剖对象24的销上。

在图2A的图示中，第二跟踪器16被机械地耦接到作为线性构件的金属销33，销33被附接到患者28的脊柱26的椎骨35的椎弓根(pedicle)。在该示例中，线圈32被滑到销33上。在所图示的示例中，对准轴线30与销的纵向轴线重合。线圈32可以沿销33被平移地移动。线圈32可以是围绕销33可旋转的。

如在图2B中示例性所图示的，第一跟踪器14和第二跟踪器16中的一个或两者可以被(例如，直接或间接地)机械耦接到套管式植入物(cannulated implant)，套管式植入物被布置成相对于解剖对象24处于固定的空间关系中，其中对准轨迹22、30对应于或平行于在套管式植入物内的套管的纵向轴线。套管式植入物可以例如是套管式(例如，骨)螺钉、套管式椎弓根螺钉、套管式(例如，骨)钉、套管式骨置换植入物、用于椎间盘置换手术的套管式笼(cage)或套管式假体。例如，第一跟踪器14可以被附接到套管式椎弓根螺钉的套管，所述椎弓根螺钉被插入患者的脊椎26中的椎骨。

在图2B的图示中，第一跟踪器14被机械地耦接到套管式椎弓根螺钉37，该椎弓根螺钉37被插入患者28的脊柱26的椎骨35中。在该示例中，由光学跟踪标记18、20所限定的在空间中的线与对准轴线22以及与套管式椎弓根螺钉37内的套管39的纵向轴线重合。第一跟踪器14可以是能够沿套管39的纵向轴线平移地移动的。第一跟踪器14可以是能够围绕套管39的纵向轴线旋转的。

如在图2C中示例性图示的，第一跟踪器14和第二跟踪器16中的一个或两者可以被(例如，直接或间接地)机械地耦接到外科器械，外科器械相对于解剖对象24以固定的空间关系布置，其中对准轨迹22、30对应于或平行于在外科器械内的套管或跟踪器接收部的纵向轴线。外科器械可以是指示针/指示器(pointer)、钻引导件、钻、螺丝刀或被附接到克氏针的引导器械。套管或跟踪器接收部的纵向轴线相对于外科器械的末端的纵向轴线可以是固定的，所述末端是(例如，被配置为是)与解剖对象24或患者28的身体的另一部分接触。例如，第二跟踪器16的线圈32可以被放置在贯穿钻引导件延伸的套管内部，钻引导件被附接到解剖对象24。

在图2C的图示中，第二跟踪器16被机械地耦接到外科器械41，所述外科器械41相对于患者28的脊柱26的椎骨35的椎弓根以固定的空间关系放置。在该示例中，线圈32被滑入外科器械41的细长轴45中的套管43内。在图示的示例中，对准轴线30与套管43的纵向轴线和轴43的纵向轴线重合。线圈32可以是能够沿套管43的纵向轴线平移地移动的。线圈32可以是能够围绕套管43的纵向轴线旋转的。

替代地，第二跟踪器16可以被放置在外科器械41的跟踪器接收部47内部。跟踪器接收部47可以具有纵向轴线，并且被插入的第二跟踪器16可以是能够沿跟踪器接收部16的纵向轴线平移地移动的，并且可选地能够围绕跟踪器接收部16的纵向轴线旋转。在该情况下，外科器械可以不包括套管43。

如图2D中示例性所示的，第一跟踪器14和第二跟踪器16中的一个或两者可以被(例如，直接或间接地)机械地耦接到在解剖对象24中的线性孔，其中对准轨迹22、30对应于或平行于线性孔的纵向轴线。线性孔可以是圆柱形的。线性孔可以例如是钻孔或在解剖对象24内自然出现的孔。例如，第二跟踪器16可以被放置在被钻入患者的脊椎26的椎骨的椎弓根中的孔内部。

在图2D的图示中，第一跟踪器14被机械地耦接到被钻入患者28的脊柱26的椎骨35中的线性孔49。在该示例中，由光学跟踪标记18、20所限定的在空间中的线与对准轴线22重合并与孔49的纵向轴线重合。第一跟踪器14可以是沿孔49的纵向轴线可平移地移动的。第一跟踪器14可以是围绕孔49的纵向轴线可旋转的。

应该注意，跟踪器14、16中的一个或两者可以根据以上选项中的两个或更多个被布置。例如，第一跟踪器14可以被机械地耦接到线性构件和套管式植入物两者。作为另一示例，第二跟踪器16可以被机械地耦接到外科器械和线性孔两者。

使用以上的跟踪器14、16可能是有利的，因为这种跟踪器可能不需要相对于解剖对象24被布置在固定的位置中，而是仅仅沿相应的对准轨迹22、30布置。例如，通过将第一跟踪器14耦接到被插入椎骨35中的套管式椎弓根螺钉37内的套管39上，第一跟踪器14可以沿对准轨迹22被布置在任意轴向位置中。作为另一示例，通过将线圈32滑到被附接到脊柱26的椎骨的金属销33上，第二跟踪器16可以沿对准轨迹30被布置在任意轴向位置中。

从以上明显的是，第一跟踪器14和第二跟踪器16中的每一个可能不能单独地跟踪解剖对象24在6个DOF中的姿态。例如，跟踪器14、16可以是3-DOF或5-DOF跟踪器。替代地或附加的，跟踪器14、16(或例如其一个或更多个线圈或一个或更多个光学跟踪标记)可以是关于相应的对准轨迹22、30能够平移地和/或旋转地移动的，相应的对准轨迹22、30与解剖对象24具有固定的空间关系。跟踪器16的线圈可以相对于相应的对准轨迹30具有可变或未知的取向。即使这样的跟踪器被配置为6-DOF跟踪器，当仅使用所述跟踪器中的一个时，跟踪器的可移动性也可以阻止在6个DOF中确定解剖对象24和跟踪器之间的相对姿态。

本公开提供了组合两个(例如，3-、5-或6-DOF)跟踪器的跟踪数据以用于确定单个虚拟跟踪器的有利方法。特别地，本文所描述的方法可以允许使用以上的第一跟踪器14和第二跟踪器16以用于在6个DOF中确定具有固定姿态的虚拟6-DOF跟踪器相对于解剖对象24的姿态。虚拟6-DOF跟踪器可以在外科导航期间被用作参考，例如用于相对于虚拟6-DOF跟踪器显示被跟踪的外科器械的代表(representation)。虚拟6-DOF跟踪器还可以与解剖对象24的图像数据配准，这意味着虚拟6-DOF跟踪器与图像数据的坐标系之间的转换可以被确定或被获得。因此，即使独立的跟踪器是关于相应的对准轨迹22、30可平移地和/或旋转地移动的，该方法也可以允许确定图像数据的坐标系相对于所使用的(一个或更多个)跟踪系统的姿态。

图3示出了根据本公开的方法的实施例。该方法可以由计算系统100的至少一个处理器2执行，或由另一处理器执行。

在步骤300中，第一跟踪器14在跟踪坐标系中的第一跟踪数据被获得。如以上所述，第一跟踪器14与解剖对象24相关联。第一跟踪数据可以从光学跟踪系统6获得。跟踪坐标系可以与光学跟踪系统6相关联，或者可以是与多个跟踪系统(例如，跟踪系统6和8两者)相关联的全局跟踪坐标系。第一已知转换可以被用于将姿态(例如，第一跟踪器14的被跟踪的姿态)从光学跟踪系统6的跟踪坐标系转换到全局跟踪坐标系，并且可以反过来。

在步骤302中，基于第一跟踪数据，第一跟踪器14在恰好四个DOF中的第一姿态被确定。所确定的第一姿态可以在第一姿态的仅四个DOF中限定第一跟踪器14相对于解剖对象24的固定的空间关系。第一姿态的四个DOF可以包括两个平移DOF和两个旋转DOF。

如在图4中示意性所图示的，第一姿态的两个平移DOF中的第一平移DOF和第一姿态的两个旋转DOF中的第一旋转DOF可以与第一轨迹(trajectory)34相关联。这意味着第一姿态的两个平移DOF中的第一平移DOF可以对应于沿第一轨迹34的平移，并且第一姿态的两个旋转DOF中的第一旋转DOF可以对应于围绕第一轨迹34的旋转。

第一姿态的两个平移DOF中的第二平移DOF和第一姿态的两个旋转DOF中的第二旋转DOF可以与第二轨迹36相关联。第二轨迹36可以与第一轨迹34正交。类似地，这意味着第一姿态的两个平移DOF中的第二平移DOF可以对应于沿第二轨迹36的平移，并且第一姿态的两个旋转DOF中的第二旋转DOF可以对应于围绕第二轨迹36的旋转。

可以说，第一姿态包括沿第一轨迹34所限定的位置、沿第二轨迹36所限定的位置、围绕第一轨迹34所限定的旋转和围绕第二轨迹36所限定的旋转。

第一姿态未限定的仅两个剩余DOF可以对应于沿第三轨迹38的平移和围绕第三轨迹38的旋转。第三轨迹38可以与第一轨迹34和第二轨迹36两者正交。对准轨迹22可以与第三轨迹38重合。

在步骤304中，第二跟踪器16在跟踪坐标系中的第二跟踪数据被获得。如上所述，第二跟踪器16与解剖对象24相关联。第二跟踪数据可以从电磁跟踪系统8被获得。所述跟踪坐标系可以与电磁跟踪系统8相关联，或者可以是全局跟踪坐标系。第二已知转换可以被用于将姿态(例如，第二跟踪器16的被跟踪的姿态)从电磁跟踪系统8的跟踪坐标系转换到全局跟踪坐标系，并且可以反过来。

第一跟踪数据和第二跟踪数据可以是相应跟踪器14、16在相同(例如，全局)跟踪坐标系中的跟踪数据。步骤300可以包括在光学跟踪系统6的跟踪坐标系中获得第一跟踪器14的被跟踪的姿态，并且使用第一已知转换将被跟踪的姿态转换到全局跟踪坐标系中，或者使用第三已知转换将被跟踪的姿态转换到电磁跟踪系统8的跟踪坐标系中，以确定第一跟踪数据。步骤304可以包括在电磁跟踪系统6的跟踪坐标系中获得第二跟踪器16的被跟踪的姿态，并且使用第二已知转换将被跟踪的姿态转换到全局跟踪坐标系中，或者使用第四已知转换将被跟踪的姿态转换到光学跟踪系统6的跟踪坐标系中，以确定第二跟踪数据。第四已知转换可以是第三已知转换的逆转。

如何确定第一、第二、第三和/或第四已知转换的不同技术落入本公开的范围内。四个示例性技术现在将被更详细地解释，尽管各种其它技术也可以被使用。

在第一技术中，光学跟踪标记(未被示出)可以在相对于电磁跟踪系统8的跟踪坐标系的已知位置中被附接到电磁跟踪系统8。然后，基于这些附接的光学跟踪标记在光学跟踪系统6的跟踪坐标系中的跟踪位置，并且基于它们相对于电磁跟踪系统8的跟踪坐标系的已知位置，电磁跟踪系统8的跟踪坐标系的姿态可以被确定。然后，在光学跟踪系统6的跟踪坐标系中的电磁跟踪系统8的跟踪坐标系的姿态可以被用作或用于确定第一、第二、第三和/或第四已知转换。

在第二技术中，一个或更多个电磁跟踪器(未被示出)可以在相对于光学跟踪系统6的跟踪坐标系的已知位置中被附接到光学跟踪系统6。然后，基于这些附接的跟踪器在电磁跟踪系统8的跟踪坐标系中的跟踪位置，并且基于它们相对于光学跟踪系统6的跟踪坐标系的已知位置，光学跟踪系统6的跟踪坐标系的姿态可以被确定。然后，在电磁跟踪系统8的跟踪坐标系中的光学跟踪系统8的跟踪坐标系的姿态可以被用作或用于确定第一、第二、第三和/或第四已知转换。

在第三技术中，光学跟踪系统6相对于电磁跟踪系统8以固定空间姿态布置，使得光学跟踪系统6的跟踪坐标系相对于电磁跟踪系统8的跟踪坐标系以预限定的空间姿态布置。然后，预限定空间姿态可以被用作或用于确定第一、第二、第三和/或第四已知转换。

在第四技术中，提供了混合配准装置。混合配准装置被配置为由光学跟踪系统6和电磁跟踪系统8两者跟踪。例如，混合配准装置包括一个或更多个光学跟踪标记以及一个或更多个电磁跟踪器，这些跟踪器各自被布置在混合配准装置上或混合配准装置中的预限定的固定位置中。通过经由光学跟踪系统6跟踪一个或更多个光学跟踪标记的姿态，并且基于所述标记相对于混合配准装置的已知的预限定的固定位置，混合配准装置在光学跟踪系统6的跟踪坐标系中的姿态可以被确定。类似地，通过经由电磁跟踪系统8跟踪一个或更多个电磁跟踪器的姿态，并且基于所述电磁跟踪器相对于混合配准装置的已知的预限定的固定位置，混合配准装置在电磁跟踪系统8的跟踪坐标系中的姿态可以被确定。基于在光学跟踪系统6的跟踪坐标系中和在电磁跟踪系统8的跟踪坐标系中所确定的混合配准装置的姿态，第一、第二、第三和/或第四已知转换可以被确定。混合配准装置可以限定全局坐标系(例如，相对于全局坐标系被固定)。

再次应该注意的是，代替光学跟踪器14和电磁跟踪器16，两个跟踪器可以都使用相同的跟踪模态。换句话说，跟踪器14、16两者可以都是光学跟踪器(例如，类似于本文所描述的光学跟踪器14被配置)，或者跟踪器14、16两者可以都是电磁跟踪器(例如，类似于本文所描述的电磁跟踪器16被配置)。取决于所使用的跟踪器，第一和第二跟踪数据可以从相同或不同的跟踪系统被获得。

在步骤306中，基于第二跟踪数据，第二跟踪器16在恰好四个DOF中的第二姿态被确定。所确定的第二姿态可以仅在第二姿态的四个DOF中限定第二跟踪器16相对于解剖对象24的固定空间关系。第二姿态的四个DOF可以包括两个平移DOF和两个旋转DOF。

第一跟踪器14的第一姿态和第二跟踪器16的第二姿态可以在相同的坐标系中被确定，例如在全局跟踪坐标系中、在光学跟踪系统6的跟踪坐标系中或在电磁跟踪系统8的跟踪坐标系中。第一跟踪器14的(例如，在光学跟踪系统6的坐标系中的)姿态可以被确定，然后使用第一和第三已知转换中的至少一个，第一跟踪器14的姿态被转换到相同的坐标系中，从而确定第一姿态。第二跟踪器16的(例如，在电磁跟踪系统8的坐标系中的)姿态可以被确定，然后使用第二和第四已知转换中的至少一个，第二跟踪器16的姿态被转换到相同的坐标系中，从而确定第二姿态。

再次参考图4，第二姿态的两个平移DOF中的第一平移DOF和第二姿态的两个旋转DOF中的第一旋转DOF可以与第一轨迹40相关联。这意味着第二姿态的两个平移DOF中的第一平移DOF可以对应于沿第一轨迹40的平移，并且第二姿态的两个旋转DOF中的第一旋转DOF可以对应于围绕第一轨迹40的旋转。

第二姿态的两个平移DOF中的第二平移DOF和第二姿态的两个旋转DOF中的第二旋转DOF可以与第二轨迹42相关联。第二轨迹42可以与第一轨迹40正交。类似地，这意味着第二姿态的两个平移DOF中的第二平移DOF可以对应于沿第二轨迹42的平移，并且第二姿态的两个旋转DOF中的第二旋转DOF可以对应于围绕第二轨迹42的旋转。

可以说，第二姿态包括沿第一轨迹40所限定的位置、沿第二轨迹42所限定的位置、围绕第一轨迹40所限定的旋转和围绕第二轨迹42所限定的旋转。

被第二姿态未限定的仅两个剩余DOF可以对应于沿第三轨迹44的平移和围绕第三轨迹44的旋转。第三轨迹44可以与第一轨迹40和第二轨迹42两者正交。对准轨迹30可以与第三轨迹44重合。

在步骤308中，基于第一姿态和第二姿态，虚拟跟踪器在六个DOF中的第三姿态被确定，虚拟跟踪器在第三姿态的六个DOF中相对于解剖对象24具有固定的空间关系。虚拟跟踪器可以被称为(例如，虚拟)6-DOF跟踪器。

步骤300-306的顺序可以被改变，但是步骤300应当在步骤302之前被执行，并且步骤304应当在步骤306之前被执行。

步骤308可以包括基于第一姿态确定由第一跟踪器14限定并且与第一姿态相关联的第三轨迹38。第一轨迹34可以与第二轨迹36正交，并且第三轨迹38可以与第一轨迹34和第二轨迹36正交，如在图3中所图示的。如以上所提到的，第一姿态未限定的仅两个剩余DOF可以对应于沿第三轨迹38的平移和围绕第三轨迹38的旋转。换句话说，第三轨迹38可以与被第一跟踪器14的第一姿态的恰好四个DOF排除的平移DOF和旋转DOF中的至少一个相关联。对准轴线22可以与第三轨迹38平行或重合。对准轴线22可以与被第一跟踪器14的第一姿态的恰好四个DOF排除的平移DOF和旋转DOF相关联。

步骤308还可以包括基于第二姿态确定由第二跟踪器16限定并且与第二姿态相关联的第三轨迹44。第一轨迹40可以与第二轨迹42正交，并且第三轨迹44可以与第一轨迹40和第二轨迹42正交，如在图3中所图示的。如以上所提到的，被第二姿态未限定的仅两个剩余DOF可以对应于沿第三轨迹44的平移和围绕第三轨迹44的旋转。换句话说，第三轨迹44可以与被第二跟踪器16的第二姿态的恰好四个DOF排除的平移DOF和旋转DOF中的至少一个相关联。对准轴线30可以与第三轨迹44平行或重合。对准轴线30可以与被第二跟踪器16的第二姿态的恰好四个DOF排除的平移DOF和旋转DOF相关联。

第一跟踪器14和第二跟踪器16可以沿相对于彼此不平行(例如，偏斜)的对准轴线22、30可移动地布置。如在图4中可见，两个第三轨迹38、44可以相对于彼此偏斜。这对于确定虚拟跟踪器在六个DOF中的第三姿态可以是有利的。第三姿态如何基于第一姿态和第二姿态可以被确定的细节现在将参考图5被解释。

图5示出了相对于虚拟跟踪器的第三姿态具有预限定的空间关系的虚拟坐标系46。可以说虚拟坐标系46对应于、限定或指示出虚拟跟踪器的第三姿态。

第三轨迹38、44可以被用于在跟踪坐标系中确定出虚拟坐标系46。如以上所提出的，跟踪坐标系可以是与光学跟踪系统6相关联的坐标系、与电磁跟踪系统8相关联的坐标系或与光学跟踪系统6和电磁跟踪系统8两者相关联的(例如，全局)坐标系。确定虚拟坐标系46可以涉及确定第三轨迹38的第一方向矢量48和第三轨迹44的第二方向矢量50。沿相应的第三轨迹38、44的两个可能方向中的哪一个被用来确定方向矢量48、50可以被任意选择。也就是说，方向矢量48、50可以沿与图5相反的方向延伸。

虚拟坐标系46的第一坐标轴可以被限定为与第三轨迹38和第三轨迹44中的一个重合。在图5所示的示例中，虚拟坐标系46的第一坐标轴52与第三轨迹44重合。

确定虚拟坐标系46可以包括确定在第三轨迹38与第三轨迹44之间的最小距离的方向54，并且将虚拟坐标系46的第二坐标轴56限定为与该方向54重合。如果第三轨迹38、44相交，则第二坐标轴56可以被限定为与轨迹38、44两者都位于其中的平面的法线重合。

确定虚拟坐标系46可以包括限定虚拟坐标系46的第三坐标轴58，使得其对应于第二方向矢量50和第三方向矢量60之间的叉积，第三方向矢量60沿所述方向54或沿所述法线延伸。替代地，第三坐标系58可以被限定为使得其对应于所述第三方向矢量60和第二方向矢量50之间的叉积。参照于第三轨迹44与第一坐标轴52重合的情况，第三方向矢量60可以延伸到第三轨迹38的方向中，或者延伸到相反方向中。

可以说，虚拟坐标系46相对于第三轨迹38和第三轨迹44(例如，其组合)在六个DOF中限定第三姿态。跟踪器14、16沿相应的对准轴线22、30的轴向位置因此可以对由虚拟坐标系46限定的第三姿态没有影响，其中轴线22、30可以与第三轨迹38、44平行或重合。换句话说，本文描述的方法可以允许确定(例如，由虚拟坐标系46限定的)虚拟跟踪器在六个DOF中的第三姿态，第三姿态具有相对于解剖对象24的固定的空间关系，尽管跟踪器14、16相对于解剖对象24是可移动的。

跟踪器14、16中的一个或两者可以是5-DOF跟踪器或6-DOF跟踪器，但是由于跟踪器相对于解剖对象24的可移动性，由跟踪器14、16限定的一个或更多个DOF可以被忽视。第一跟踪数据可以在五个或六个DOF中指示第一跟踪器14的被跟踪的姿态，并且确定第一姿态可以包括选择性地忽视第一跟踪器14的被跟踪的姿态的DOF中的一个或两个，以获得在恰好四个DOF中的第一姿态。替代地或附加地，第二跟踪数据可以在五个或六个DOF中指示第二跟踪器16的被跟踪的姿态，并且确定第二姿态可以包括选择性地忽视第二跟踪器16的被跟踪的姿态的DOF中的一个或两个以获得在恰好四个DOF中的第二姿态。该方法可以包括获得信息数据，所述信息数据限定要忽视所述一个或两个DOF中的哪一个，或者要忽视哪一个或两个DOF。

如上所述，跟踪器14、16中的一个或两者可以是3-DOF跟踪器。(例如，第一或第二)跟踪器14、16的第一临时姿态和第二临时姿态可以被获得。在第一时间点，第一临时姿态可以在跟踪坐标系中限定跟踪器14、16在三个DOF中的空间位置。在稍后的第二时间点，第二临时姿态可以在跟踪坐标系中限定跟踪器14、16在三个DOF中的空间位置。第一临时姿态可以不同于第二临时姿态。基于第一临时姿态和第二临时姿态，(例如，第一或第二)跟踪数据可以被确定。如上所述，跟踪数据可以指示跟踪器14、16在五个或六个DOF中的被跟踪的姿态。基于如此确定的跟踪数据，或者基于第一临时姿态和第二临时姿态，(例如，第一或第二)跟踪器14、16的(例如，第一或第二)姿态可以在恰好四个DOF中被确定(例如，在步骤302或306中)。如上所述，这可以涉及选择性地忽视由跟踪数据指示的被跟踪的姿态的DOF中的一个或两个。

换言之，在第一时间点和第二时间点之间的跟踪器14、16的移动可以限定移动轴线。然后，移动轴线可以类似于包括两个光学跟踪标记18、20的5-DOF跟踪器的空间中的线地被使用。例如，被(例如，第一或第二)跟踪器14、16的(例如，第一或第二)姿态排除的DOF可以仅是对应于沿移动轴线的平移和围绕移动轴线的旋转。移动轴线可以对应于由(一个或更多个)光学跟踪标记限定的空间中的线或线圈32的中心轴线。

换句话说，可以使用仅包括一个光学跟踪标记18或20的3-DOF跟踪器，并且使用在不同时间点跟踪的3-DOF跟踪器的不同位置以确定跟踪器在多于3个DOF(例如，4个DOF或5个DOF)中的被跟踪的姿态。第一跟踪数据可以在5DOF中指示如此确定的第一跟踪器14被跟踪的姿态。如上所述，5个DOF中的一个可以被选择性地忽视，以确定第一跟踪器14在恰好4个DOF中的第一姿态。这同样可以适用于第二跟踪器16的第二跟踪数据和第二姿态。

类似的技术可以与5-DOF或6-DOF跟踪器组合被使用。也就是说，即使在这种5-DOF或6-DOF跟踪器的情况下，跟踪器沿相应移动轴线的移动也可以被跟踪。特别地，(例如，第一或第二)跟踪器14、16的第一临时姿态及第二临时姿态可以被获得。在第一时间点处第一临时姿态可以在跟踪坐标系中限定跟踪器14、16在五个或六个DOF中的空间位置。在稍后的第二时间点第二临时姿态可以在跟踪坐标系中限定跟踪器14、16在五个或六个DOF中的空间位置。第一临时姿态可以不同于第二临时姿态。基于第一临时姿态和第二临时姿态，(例如，第一或第二)跟踪数据可以被确定。

例如，(例如，第一或第二)跟踪器14、16的跟踪器信息可以限定，与跟踪器轴线相关联的特定平移DOF以及与跟踪器轴线相关联的特定旋转DOF要被忽略。在该情况下，跟踪器14、16可以关于跟踪器轴线可移动地被布置。跟踪器轴线可以对应于本文所述的空间中的线、中心轴线、移动轴线和对准轴线中的至少一个。特定跟踪器14、16的跟踪器轴线可以与基于特定跟踪器14、16的跟踪数据所确定的第三轨迹重合。在如上所提到的(例如，3-DOF、5-DOF或6-DOF)跟踪器的移动被跟踪的情况下，可能不需要获得跟踪器信息。相反，从跟踪数据(例如，其基于第一临时姿态和第二临时姿态被确定)导出的移动轴线可以被认为限定被跟踪器的在恰好4个DOF中所确定的第一或第二姿态排除的平移DOF和旋转DOF。

该方法还可以包括确定或获得在以下两者之间的转换：(i)在解剖对象24的图像数据的图像坐标系中，解剖对象24在六个DOF中的第四姿态，(ii)在跟踪坐标系中的第三姿态。

获得所述转换可以包括：将现有配准从6-DOF配准跟踪器转移到虚拟跟踪器。在该情况下，配准跟踪器的第六姿态可以在跟踪坐标系中的六个DOF中被获得，配准跟踪器相对于解剖对象24具有固定的空间关系。在第四姿态和第六姿态之间的现有转换可以被获得。在第六姿态与第一姿态和第二姿态中的至少一个之间的一个或更多个中间转换可以被确定。接下来，基于现有转换和(一个或更多个)中间转换，在(i)和(ii)之间的转换可以被确定。

确定转换可以包括在图像数据中检测对准轨迹22和30。如以上所描述的，每个对准轨迹可以具有相对于相应跟踪器14、16的已知空间关系，因为跟踪器14、16可以各自沿对准轨迹22、30中的一个被可移动地布置。检测到的对准轨迹22可以被匹配到第一跟踪器14的姿态，并且检测到的对准轨迹30可以使用已知的空间关系被匹配到第二跟踪器16的姿态，从而确定转换。已知的空间关系可以限定，每个对准轨迹22、30与相应的第三轨迹38、44重合。在该情况下，检测到的对准轨迹22、30可以被匹配到相应的第三轨迹38、44，以确定转换。

通过进行图像分析以识别至少一个部件(所述部件选自从相对于解剖对象24以固定的空间关系布置的线性构件、套管式植入物、外科器械以及在解剖对象24中的线性孔)，对准轨迹22、30可以在图像中被检测到。所识别的部件与对准轴线22或30之间的预限定的空间关系可以被用于在图像数据中检测对准轴线22、30。例如，销可以在图像数据中被检测，并且在第二跟踪器16的线圈32被滑到销上的情况下(例如，在已经获取图像数据之后)，其纵向轴线可以被设置为对准轴线30。以这种方式，即使在图像采集期间没有将跟踪器附接在解剖元件24上，虚拟跟踪器与图像数据之间的配准也可以被获得。

该方法还可以包括，基于第三姿态和转换，在跟踪坐标系中确定解剖对象在六个DOF中的第五姿态。这可以使得能够在跟踪坐标系中跟踪解剖对象24。此外，这可以使得能够相对于如图像数据所描述的解剖对象24来跟踪外科器械。因此，被跟踪的外科器械的姿态可以被相对于图像数据地确定，并且其指示可以被显示在显示器12上。

如以上所显而易见的，本公开提供了一种用于在外科导航中使用的有利方法。该方法可以将两个或更多个3-DOF跟踪器、4-DOF跟踪器、5-DOF跟踪器或6-DOF跟踪器的被跟踪的姿态组合到相对于解剖对象具有固定关系的虚拟跟踪器在六个DOF中的第三姿态中。该方法可以允许关于对准轴线被可移动地布置的3-DOF跟踪器、4-DOF跟踪器、5-DOF跟踪器或6-DOF跟踪器的使用，所述对准轴线具有相对于解剖对象的固定的空间姿态。这可以允许使用紧凑的低成本跟踪器。该方法可能不需要沿对准轴线准确且稳定的跟踪器的定位。此外，对准轴线可以由现有的(例如，钻)孔或部件(例如，被插入的套管式椎弓根螺钉或附接的销)限定。这可以改进外科医生的可用性并确保准确的跟踪结果。在没有在图像采集期间将跟踪器附接到解剖元件的情况下，并且无需外科医生采集患者的身体上的配准点，就可以确定在解剖元件的图像数据与虚拟跟踪器之间的配准。本公开不限于这些有利效果。当参考本公开时，附加的优点对于本领域技术人员而言可以变得显而易见。

Claims (20)

1.一种用于在外科导航中使用的方法，所述方法由计算系统执行并且包括：

获得第一跟踪器在跟踪坐标系中的第一跟踪数据，其中所述第一跟踪器与解剖对象相关联；

基于所述第一跟踪数据，确定所述第一跟踪器在恰好四个自由度(DOF)中的第一姿态；

获得第二跟踪器在跟踪坐标系中的第二跟踪数据，其中所述第二跟踪器与解剖对象相关联；

基于所述第二跟踪数据，确定所述第二跟踪器在恰好四个DOF中的第二姿态；和

基于所述第一姿态和所述第二姿态，确定虚拟跟踪器在六个DOF中的第三姿态，在所述第三姿态的六个DOF中，所述虚拟跟踪器相对于所述解剖对象具有固定的空间关系。

2.根据权利要求1的所述方法，还包括：

确定或获得在以下两者之间的转换：

(i)所述解剖对象在所述解剖对象的图像数据的图像坐标系中的六个DOF中的第四姿态，

(ii)所述第三姿态。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括：

基于所述第三姿态和所述转换确定所述解剖对象在六个DOF中的第五姿态。

4.根据权利要求1的所述方法，其中

在所述第一姿态的仅四个DOF中，被确定的所述第一姿态限定所述第一跟踪器相对于所述解剖对象的固定空间关系，并且其中，在所述第二姿态的仅四个DOF中，被确定的所述第二姿态限定所述第二跟踪器相对于所述解剖对象的固定空间关系。

5.根据权利要求1的所述方法，其中

所述第一姿态和所述第二姿态中的至少一者的所述四个DOF包括两个平移DOF和两个旋转DOF。

6.根据权利要求5的所述方法，其中

所述两个平移DOF中的第一平移DOF和所述两个旋转DOF中的第一旋转DOF与第一轨迹相关联，并且其中所述两个平移DOF中的第二平移DOF和所述两个旋转DOF中的第二旋转DOF与第二轨迹相关联，所述第二轨迹不同于所述第一轨迹。

7.根据权利要求6的所述方法，其中

确定所述虚拟跟踪器的所述第三姿态包括：

基于所述第一姿态和所述第二姿态中的一者，确定由与所述第一姿态和所述第二姿态中的所述一者相关联的所述第一跟踪器或所述第二跟踪器所限定的第三轨迹，所述第三轨迹不同于所述第一轨迹和所述第二轨迹；和

进一步基于所述第三轨迹确定所述虚拟跟踪器的所述第三姿态。

8.根据权利要求7的所述方法，其中

确定所述虚拟跟踪器的所述第三姿态包括：

基于所述第一姿态确定所述第三轨迹的第一实例；

基于所述第二姿态确定所述第三轨迹的第二实例，其中所述第三轨迹的第二实例相对于所述第三轨迹的第一实例是不平行的；和

基于所述第三轨迹的第一实例和所述第三轨迹的第二实例确定虚拟坐标系，所述虚拟坐标系相对于所述虚拟跟踪器的所述第三姿态具有预限定的空间关系。

9.根据权利要求8的所述方法，其中

确定所述虚拟坐标系包括：确定所述第三轨迹的第一实例的第一方向矢量，确定所述第三轨迹的第二实例的第二方向矢量，以及将所述虚拟坐标系的坐标轴限定为位于由所述第一方向矢量和所述第二方向矢量跨过的平面内。

10.根据权利要求8的所述方法，其中

确定所述虚拟坐标系包括：将所述虚拟坐标系的坐标轴限定为与所述第三轨迹的第一实例和所述第三轨迹的第二实例中的一个重合。

11.根据权利要求8的所述方法，其中

确定所述虚拟坐标系包括：确定所述第三轨迹的第一实例与所述第三轨迹的第二实例之间的最小距离的方向，并且将所述虚拟坐标系的坐标轴限定为与所述方向重合。

12.根据权利要求2的所述方法，其中

确定所述转换包括：

在所述图像数据中检测对准轨迹，所述对准轨迹相对于所述第一跟踪器和所述第二跟踪器中的至少一个具有已知的空间关系；和

使用所述已知的空间关系将检测到的所述对准轨迹匹配到所述第一跟踪器和所述第二跟踪器中的至少一个的所述姿态。

13.根据权利要求1的所述方法，其中

所述第一跟踪器和所述第二跟踪器中的至少一个跟踪器被沿对准轨迹可移动地布置，所述对准轨迹相对于所述解剖对象具有固定的空间关系。

14.根据权利要求12的所述方法，其中

所述第一跟踪器和所述第二跟踪器中的所述至少一个跟踪器被机械地耦接到选自以下的一个或更多个元件：

(i)线性构件，所述线性构件布置成相对于所述解剖对象成固定的空间关系，其中所述对准轨迹对应于或平行于所述线性构件的纵向轴线；

(ii)套管式植入物，所述套管式植入物布置成相对于所述解剖对象成固定的空间关系，其中所述对准轨迹对应于或平行于在所述套管式植入物内的套管的纵向轴线；

(iii)外科器械，所述外科器械布置成相对于所述解剖对象成固定的空间关系，其中所述对准轨迹对应于或平行于在所述外科器械内的套管或跟踪器接收部的纵向轴线；和

(iv)所述解剖对象中的线性孔，其中，所述对准轨迹对应于或平行于所述线性孔的纵向轴线。

15.根据权利要求1的所述方法，其中

所述第一跟踪数据指示所述第一跟踪器在五个或六个DOF中的被跟踪的姿态，并且其中，确定所述第一姿态包括选择性地忽视所述第一跟踪器的所述被跟踪的姿态的DOF中的一个或两个，以获得在恰好四个DOF中的所述第一姿态；和/或

其中，所述第二跟踪数据指示所述第二跟踪器在五个或六个DOF中的被跟踪的姿态，并且其中，确定所述第二姿态包括选择性地忽视所述第二跟踪器的所述被跟踪的姿态的DOF中的一个或两个，以获得在恰好四个DOF中的所述第二姿态。

16.根据权利要求1的所述方法，其中

所述第一跟踪器和所述第二跟踪器中的至少一个是包括线圈的3-DOF、4-DOF或5-DOF跟踪器，其中所述线圈被配置成由电磁跟踪系统跟踪；和/或

所述第一跟踪器和所述第二跟踪器中的至少一个是包括一个、两个或更多个限定空间中的线的光学跟踪标记的3-DOF、4-DOF或5-DOF跟踪器，其中所述标记被配置为被光学跟踪系统跟踪。

17.根据权利要求1所述的方法，其中

所述解剖对象包括人类患者的脊柱的椎骨，或者是人类患者的脊柱的椎骨。

18.一种计算系统，包括至少一个处理器和至少一个存储器，所述至少一个存储器储存指令，当所述指令被所述至少一个处理器执行时，所述指令将所述至少一个处理器配置为：

获得第一跟踪器在跟踪坐标系中的第一跟踪数据，其中所述第一跟踪器与解剖对象相关联；

基于所述第一跟踪数据，确定所述第一跟踪器在恰好四个自由度(DOF)中的第一姿态；

获得第二跟踪器在跟踪坐标系中的第二跟踪数据，其中所述第二跟踪器与解剖对象相关联；

基于所述第二跟踪数据，确定所述第二跟踪器在恰好四个DOF中的第二姿态；和

基于所述第一姿态和所述第二姿态，确定虚拟跟踪器在六个DOF中的第三姿态，在所述第三姿态的六个DOF中，所述虚拟跟踪器相对于所述解剖对象具有固定的空间关系。

19.根据权利要求18所述的计算系统，其中，

所述第一姿态和所述第二姿态中的至少一者的所述四个DOF包括两个平移DOF和两个旋转DOF。

20.一种包括指令的计算机程序产品，当所述指令被在至少一个处理器上执行时，所述指令使得所述至少一个处理器：

获得第一跟踪器在跟踪坐标系中的第一跟踪数据，其中所述第一跟踪器与解剖对象相关联；

基于所述第一跟踪数据，确定所述第一跟踪器在恰好四个自由度(DOF)中的第一姿态；

获得第二跟踪器在跟踪坐标系中的第二跟踪数据，其中所述第二跟踪器与解剖对象相关联；

基于所述第二跟踪数据，确定所述第二跟踪器在恰好四个DOF中的第二姿态；和

基于所述第一姿态和所述第二姿态，确定虚拟跟踪器在六个DOF中的第三姿态，在所述第三姿态的六个DOF中，所述虚拟跟踪器相对于所述解剖对象具有固定的空间关系。

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