CN115666409A - 为基于荧光透视的导航系统生成图像的系统 - Google Patents

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Essentiel Robotics
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Abstract

本公开涉及一种方法和数据处理系统，用于使用X射线成像系统、定位系统和成像套件为基于荧光透视的导航系统生成患者的至少一个感兴趣区域ROI的可导航图像，所述成像套件被配置为允许在优选参照系中的图像配准和手术工具的跟踪。

Description

为基于荧光透视的导航系统生成图像的系统
技术领域
本公开涉及用于生成适合由基于荧光透视的导航系统使用的图像的方法和系统的领域。具体地，本公开涉及一种成像套件和一种方法，以及实施所述方法的系统，用于生成患者的感兴趣区域的图像，其中图像中表示的感兴趣区域的每个点的位置在优选坐标系中是已知的。
背景技术
在骨科和创伤手术期间，基于荧光透视的导航系统允许跟踪手术器械并实时将其轮廓叠加到荧光透视图像上。为了进行荧光导航，在手术干预期间使用的器械配备有耦合到定位系统的跟踪器。另一个跟踪器被安装在患者身上，并且也被定位系统看到。这使得外科医生能够在手术过程中的任何时候准确地知道手术器械的位置，而无需拍摄额外的X射线图像。
然而，在微创手术或开放手术期间，附着在手术场附近患者身上的跟踪器可能会阻碍外科医生的手势、自动手术机器人手臂的运动或遮挡手术进入点。
发明内容
本公开的目的是提供上述缺点的解决方案。
本公开涉及一种用于包括定位系统的基于荧光透视的导航系统的成像套件，所述成像套件包括：
-配准跟踪套件，其包括：
·至少一个配准体模，其包括具有多个辐射不透的基准点的基本上辐射透明的材料的基准支架；
·参考跟踪器；
其中，所述配准跟踪套件是整体式的，并且被配置为刚性地固定到患者的骨骼上，或者包括被配置为刚性固定到患者的骨骼的基座，配准体模和参考跟踪器被配置为可拆卸地附接到基座
-至少一个被配置为植入患者体内的可植入元件和至少一个植入跟踪器，可植入元件和植入跟踪器具有各自协作的固定装置，该固定装置被配置为将至少一个植入跟踪器可移动地附接到至少一个可植入元件；
其中，参考跟踪器和植入跟踪器被配置为由定位系统跟踪。
本公开的成像套件有利地允许将配准体模定位在由x射线成像系统要获取的感兴趣区域(即手术场)的中心，同时将参考跟踪器固定在所述感兴趣区域附近。有利的是，参考跟踪器可被用于导航手术工具以在患者体内植入至少一个可植入元件。由于可植入元件被配置为携带自身的植入跟踪器，因此作为配准体模的参考跟踪器可以被移除，有利地为外科医生和医务人员留下更多空间，以在可植入元件被植入后在ROI内执行手术操作。
根据一个实施例，协作固定装置包括互补磁性元件，该互补磁性元件被配置为维持至少一个植入跟踪器和至少一个可植入元件附接在一起。
根据一个实施例，配准跟踪套件还包括由基本上辐射透明的材料制成的基座，该基座被配置为刚性地固定到患者的骨骼上；其中，所述基座包括至少一个基座固定元件，配准体模包括至少一个体模固定元件，并且参考跟踪器包括跟踪器固定元件，所述基座固定元件、体模固定元件和跟踪器固定元件被配置将参考跟踪器和配准体模单独地或一起附接到基座。该实施例有利地允许将配准体模定位在由x射线成像系统要获取的感兴趣区域(即手术场)的中心，同时将基座固定在所述感兴趣区域附近的患者身体部位上。有利的是，由于基座不需要被固定在手术场内，因此外科医生将有一个清晰的手术部位，允许他执行执行更大变化的动作。此外，该套件有利地允许将基座固定在患者的更容易接近的解剖部位上。
根据一个实施例，成像套件包括两个可植入元件和一个用于每个可植入元件的植入跟踪器，其中，每个可植入元件是被配置为植入椎骨的椎弓根螺钉。该实施例可以在手术期间被有利地用于矫正畸形和/或治疗创伤，或固定脊柱的一部分，以通过将骨结构保持在一起来协助融合。
根据一个实施例，可植入元件是关节假体。
根据一个实施例，成像套件包括至少两个可植入元件，每个可植入元件是被配置为植入到关节的骨骼中的骨螺钉。
本公开还涉及一种使用X射线成像系统和定位系统为基于荧光透视的导航系统生成患者的至少一个感兴趣区域的至少一个可导航图像的方法。
在一些实施例中，所述方法包括以下步骤：
提供：
至少一个配准体模，其包括具有多个辐射不透的基准点的基本上辐射透明的材料的基准支架；
参考跟踪器；
基座，其被配置为刚性地固定到患者的骨骼上，配准体模和参考跟踪器被配置为可拆卸地单独或一起附接到基座；
被配置成植入到患者身体部位的至少一个可植入元件和可拆卸地附接到可植入元件的至少一个植入跟踪器，
将基座附接到患者的骨骼；
将配准体模附接到基座；
获取感兴趣区域的至少一部分的至少一组2D X射线图像，其中，所述一组2D图像包括至少两个2D图像，每个2D图像包含配准体模的至少一个可检测的辐射不透的基准点；
将参考跟踪器附接到基座；
接收关于基准支架的位置和参考跟踪器的位置在患者坐标系中的信息，该患者坐标系相对于附接有基座的患者的骨骼固定；
通过使用所述患者坐标系中的基准支架的已知位置在患者坐标系中配准该组2D图像来生成至少一个配准图像；
将可植入元件植入到患者的身体部位中，并将至少一个第一植入跟踪器附接到可植入元件；
从定位系统接收第一组数据，该第一组数据包括关于参考跟踪器的位置和3D空间方位以及至少一个第一植入跟踪器的位置和3D位置方向的数据；
使用第一组数据来计算患者坐标系和至少一个第一植入跟踪器的坐标系之间的第一刚性变换；
通过对至少一个配准图像应用第一刚性变换来生成至少一个第一可导航图像。
该方法还可以包括使用该组2D图像的至少一部分计算患者坐标系内的至少一个3D图像，通过使用所述患者坐标系中的基准支架的已知位置在患者坐标系中配准至少一个3D图像来生成3D配准图像，并通过对3D配准图像应用第一刚性变换来生成至少一个第一可导航图像。
该方法还可以包括：
-将第二可植入元件植入到患者的身体部位中，并将第二植入跟踪器附接到第二可植入元件；
-从定位系统接收第二组数据，所述第二组数据包括关于参考跟踪器的位置和3D空间方位以及第二植入跟踪器3D的空间方位的数据；
-使用第二组数据来计算患者坐标系和第二植入跟踪器的坐标系之间的第二刚性变换；
-通过对至少一个配准图像应用第二刚性变换来生成至少一个第二可导航图像。
该方法可以包括接收用户指令，从第一刚性变换或第二刚性变换中选择一个应用于至少一个配准图像。
该方法还可以包括：
-选择第一植体跟踪器作为固定参考；
-为至少一个第一可导航图像定义包括第一植入跟踪器的第一感兴趣子区域和包括第二植入跟踪器的第二感兴趣子区；
-从定位系统接收第三组数据，该组数据包括关于作为时间函数的第一植入跟踪器和第二植入跟踪器的位置和3D空间方位的数据；
-使用第三组数据来计算第一植入跟踪器的坐标系和第二植入跟踪器的坐标系之间的作为时间函数的第三刚性变换；
-将作为时间函数的第三刚性变换应用于至少一个第一可导航图像的第二感兴趣子区域，以便在时间期间针对第一植入跟踪器和第二植入跟踪器之间的相对位置的任何偏移来动态地校正所述可导航图像。
可以使用分割算法或通过用户的手动输入在至少一个第一可导航图像上定义感兴趣的第一感兴趣子区域和第二感兴趣子区域。
每个第一感兴趣子区域和第二感兴趣子区域可以包括患者的椎骨，并且第一可植入元件和第二可植入元件是被固定到每个椎骨上的椎弓根螺钉。
第一感兴趣子区域和第二感兴趣子区域可以各自包括患者关节的一部分，并且第一可植入元件和第二可植入元件是被配置为固定到关节的相应部分的骨螺钉。
在一些实施例中，一组2D图像包括为感兴趣区域的前后视图的至少一个2D图像和为感兴趣区域的侧视图的至少一个2D图像。
该方法还可以包括使用至少一个第一可导航图像在感兴趣区域中导航包括跟踪器的至少一个手术器械。
在一些实施例中，该方法还可以包括，在获取至少一组2D X射线图像之后，从基座移除配准体模。
在一些实施例中，该方法还可以包括，在生成至少一个配准图像后，从基座移除参考跟踪器。
在一些实施例中，该方法包括：
提供：
至少一个配准体模，其包括具有多个辐射不透的基准点的基本上辐射透明的材料的基准支架；
参考跟踪器；
所述至少一个配准体模和所述参考跟踪器被永久地附接在一起，并且被配置为刚性地固定到患者的骨骼上；
被配置为植入到患者身体部位中的至少一个可植入元件和可拆卸地附接到可植入元件的至少一个植入跟踪器，
将配准体模和参考跟踪器附接到患者的骨骼；
获取感兴趣区域的至少一部分的至少一组2D X射线图像，其中，所述一组2D图像包括至少两个2D图像，每个2D图像包含配准体模的至少一个可检测的辐射不透的基准点；
接收关于基准支架的位置和参考跟踪器的位置在相对于患者的骨骼固定的患者坐标系中的信息；
通过使用所述患者坐标系中的基准支架的已知位置在患者坐标系中配准该组2D图像来生成至少一个配准图像；
将可植入元件植入到患者的身体部位中，并将至少一个第一植入跟踪器附接到可植入元件；
接收使用定位系统获得的第一组数据，该第一组数据包括关于参考跟踪器的位置和3D空间方位以及至少一个第一植入跟踪器的位置和3D空间方位的数据；
使用从定位系统获得的第一组数据来计算患者坐标系和至少一个第一植入跟踪器的坐标系之间的第一刚性变换；
通过对至少一个配准图像应用第一刚性变换来生成至少一个可导航图像。
本公开还涉及一种包括指令的计算机程序，当由计算机执行时，该程序使得计算机执行根据上述任一实施例的方法的步骤。
本公开还涉及一种包括指令的计算机可读存储介质，当由计算机执行时，该指令使得计算机执行根据上述任一实施例的方法的步骤。
本公开还涉及一种数据处理系统，用于使用X射线成像系统、根据上述任一实施例的成像套件和定位系统为基于荧光透视的导航系统生成患者的至少一个感兴趣区域ROI的可导航图像，所述定位系统被配置为跟踪成像套件的参考跟踪器和至少一个植入跟踪器。具体地，成像套件可以包括：
(a)配准跟踪套件，包括：
-至少一个配准体模，其包括具有多个辐射不透的基准点的基本上辐射透明的材料的基准支架；
-参考跟踪器；
其中，配准跟踪套件是整体式的，并且被配置为刚性地固定到患者的骨骼上，或者包括被配置为刚性固定到患者的骨骼上的基座，配准体模和参考跟踪器被配置为可拆卸地附接到基座上；以及
(b)被配置为植入患者体内的至少一个可植入元件和可拆卸地附接到可植入元件的至少一个植入跟踪器。
所述数据处理系统包括：
-输入模块，其被配置为接收ROI的至少一部分的至少一组2D X射线图像，其中，配准体模已被预先附接到患者的骨骼，使得在获取该组2D X射线图像期间，配准体模至少部分被包括在ROI中，使得所述一组2D图像包括至少两个2D图像，每个2D图像包含配准体模的至少一个可检测的辐射不透的基准点；所述输入模块还被配置为接收关于基准支架和参考跟踪器在患者坐标系中的位置的信息，该患者坐标系相对于附接有配准体模的患者的骨骼来固定；
-配准模块，其被配置为通过使用患者坐标系中的基准支架的已知位置在患者坐标系中配准该组2D图像来生成至少一个配准图像；
-变换计算模块，其被配置为：
·接收使用定位系统获得的第一组数据，该第一组数据包括关于被预先附接到配准体模附近的患者的骨骼的参考跟踪器的位置和3D空间方位的数据，以及关于附接到至少一个第一可植入元件的至少一个第一植入跟踪器的位置和3D空间方位的数据，所述至少一个第一可植入元件被预先刚性地固定到患者的身体部位；
·使用第一组数据计算患者坐标系和至少一个第一植入跟踪器的坐标系之间的第一刚性变换；
·通过对至少一个配准图像应用第一刚性变换来生成至少一个第一可导航图像，使得至少一个第一可导航图像中ROI的每个点在至少一个第一植入跟踪器的坐标系中具有已知位置。
根据一个实施例，配准模块还被配置为使用该组2D图像的至少一部分来计算患者坐标系内的至少一个3D图像。
根据一个实施例，变换计算模块还被配置为：
-接收从定位系统获得的第二组数据，其中第二植入跟踪器附接到预先固定在患者身体部位上的第二可植入元件，所述第二组信息包括关于参考跟踪器的位置和3D空间方位以及第二植入跟踪器的3D空间方位的数据；
-使用从定位系统获得的第二组数据来计算患者坐标系和第二植入跟踪器的坐标系之间的第二刚性变换；
-通过将第二刚性变换应用于至少一个配准图像来生成至少一个第二可导航图像，使得至少一个第二可导航图像中的ROI的每个点在至少第一个第二植入跟踪器的坐标系中具有已知位置。
根据一个实施例，数据处理系统还包括可视化模块，该可视化模块被配置为接收用户指令，在第一刚性变换或第二刚性变换中选择一个以应用于至少一个配准图像。
根据一个实施例，数据处理系统还包括动态图像校正模块，其被配置为：
-选择第一植入跟踪器作为固定参考；
-为至少一个第一可导航图像定义包括第一植入跟踪器的第一感兴趣子区域和包括第二植入跟踪器的第二感兴趣子区；
-接收使用定位系统获得的第三组数据，其包括关于作为时间函数的第一植入跟踪器和第二植入跟踪器的位置和3D空间方位的数据；
-使用第三组数据来计算第一植入跟踪器的坐标系和第二植入跟踪器的坐标系之间作为时间函数的的刚性变换；
-将作为时间函数的刚性变换应用于至少一个第一可导航图像的第二感兴趣子区域，以便在时间期间针对第一植入跟踪器和第二植入跟踪器之间的相对位置的任何偏移动态校正所述可导航图像。
根据一个实施例，使用分割算法或通过用户的手动输入在至少一个第一可导航图像上定义第一感兴趣子区域和第二感兴趣子区域。
根据一个实施例，每个感兴趣子区域包括患者的椎骨，并且第一可植入元件和第二可植入元件是固定到每个椎骨的椎弓根螺钉。
根据一个实施例，第一感兴趣子区域和第二感兴趣子区域各自包括患者的关节的一部分，并且第一可植入元件及第二可植入元件是被配置为固定到关节的所述部分的骨螺钉。
根据一个实施例，该组2D图像包括为ROI的前后视图的至少一个2D图像和为ROI的侧视图的至少一个2D图像。
根据一个实施例，数据处理系统还包括导航模块，其被配置为使用至少一个可导航图像在ROI中导航包括跟踪器的至少一个手术器械。
定义
在本公开中，以下术语具有以下含义：
“坐标系”是指使用一个或多个数字或坐标来唯一地确定流形(诸如欧几里得空间)上的点或其他几何元素的位置的系统。
“荧光透视导航”或“荧光导航”是指相对于患者的解剖结构定位手术器械的位置的技术。通过将器械的几何形状叠加到荧光透视图像(即X射线图像)上，外科医生可以实时跟踪干预的进展。
“图像配准”是指将不同的数据集变换到一个坐标系中的过程。
“患者”是指哺乳动物，优选人类。在本公开的意义上，受试者可以是患者，即接受医疗护理、正在或已经接受医疗治疗或被监测疾病发展的人。
“刚性变换”是指欧几里得空间的几何变换，它保留了每对点之间的欧几里得距离。刚性变换包括旋转、平移、反射或它们的组合。
附图说明
从以下对系统的实施例的描述中，本发明的特征和优点将变得显而易见，该描述仅通过示例并参考附图给出，其中：
图1示意性地示出了根据一个实施例，基座被刚性地固定在患者的骨骼上，同时配准体模和跟踪器被固定在基座上，并且可植入元件被刚性地固定到附接有植入跟踪器的患者的骨骼上。
图2a和图2b是根据一个实施例的一个配准体模的前视和后视透视图，并且图2c是基座的前视图。
图3a和图3b是根据一个实施例的一个配准体模的前视和后视透视图，其中，配准体模包括细长构件。
图4是表示根据一个实施例的本公开的方法的主要步骤的框图。
图5示意性地示出了根据一个实施例，基座被刚性地固定到患者的长骨，同时配准体模和跟踪器被固定在基座上，并且携带植入跟踪器的可植入元件被刚性地固定到配准体模附近的同一长骨上。
图6a示意性地示出了根据一个实施例，配准跟踪套件的元件附接到脊柱的一个脊骨，以及各自携带植入跟踪器的两个可植入元件被固定在两个附近的脊骨上，同时图6b显示了在移除配准跟踪套件的元件之后与图6a相同的配置。
图7是表示根据一个实施例的本公开的方法的步骤的框图。
图8a示意性地示出了根据一个实施例，配准跟踪套件的元件附接到脊柱中央部分上一个椎骨，以及两个可植入元件附接到固定在脊柱的两个远端椎骨上的植入跟踪器，同时图8b显示了移除配准跟踪套件的元件之后与图8a相同的配置。
图9示意性地示出了根据一个实施例，两个可植入元件各自携带一个植入跟踪器，一个被刚性地固定在股骨上并且在患者的骨盆上。
具体实施方式
当结合附图阅读时，将更好地理解以下详细描述。出于说明的目的，成像套件在优选实施例中被示出。然而，应当理解，本公开并不限于所示的精确布置、结构、特征、实施例和方面。
附图不是按比例绘制，并且不旨在将权利要求的范围限制于所描绘的实施例。因此，应当理解，在所附权利要求中提及的特征后面紧跟着参考符号的情况下，这些符号仅用于增强权利要求的可理解性，并不限制权利要求的范围。
本发明是在基于荧光透视的导航手术的背景下进行的，以便允许在2D X射线图像或由X射线成像系统在优选坐标系中获取的重建3D图像中，对由定位系统跟踪的手术工具进行有效和准确的导航。
本公开涉及用于基于荧光透视的导航系统的成像套件。
基于荧光透视的导航系统通常包括X射线成像系统和定位系统，该定位系统被配置为跟踪放置在例如患者或手术工具上的不同跟踪器。
更详细地，本公开的成像套件被配置为允许用X射线成像系统获取2D图像，并获取有关跟踪器的3D空间方位和位置的数据，所述2D图像和数据适合于根据本公开的方法的步骤进行处理。
通常在基于荧光透视的导航系统中使用的X射线成像系统包括至少一个X射线源和至少一个X射线检测器。例如，医疗成像系统可以是C形臂、O形臂或扫描仪。C形臂被设计为允许源和检测器沿着C形台架旋转，同时获得放置在X射线源和台架的X射线检测器之间的患者或物体的投影图像。C形臂能够获取大约200°的投影图像，例如被用于锥束计算机断层扫描3D图像重建。
X射线成像系统可以是机动化的，特别是C形臂可以包括允许水平、垂直和围绕旋转轴运动的电机，使得从几乎任何角度产生患者的X射线图像。每个电机与编码器相关联，允许随时知道医学成像系统相对于参考位置的相对位置。当获取2D图像时，X射线成像系统的相应位置被记录。因此，每个2D图像被记录在X射线成像系统的参照系中。
从两个垂直视图(例如前后和横向)获取至少两个图像，以允许三维确定手术工具的位置。通常，在手术开始时会获取感兴趣区域(即手术场)的几个2D图像，并且可以被用于3D图像的重建。此外，在手术干预期间，可以获取一个或多个额外的2D图像，并且可以重建3D图像，以便检查手术的进度。通常为了获得3D、类似CT的图像，C形臂系统在患者周围进行扫描，获取多达数百个2D投影。
定位系统通常是被配置为跟踪定位在患者和手术工具上的跟踪器的摄像机。因此，由所述摄像机实施的技术取决于跟踪器的类型。定位系统主要被配置为跟踪手术工具尖端的位置，使得手术工具的位置和方向可以被同时叠加在所有获取的X射线图像或3D重建图像上。
成像套件包括配准跟踪套件，配准跟踪套件包括至少一个配准体模和参考跟踪器。
配准体模包括基本上辐射透明的材料的基准支架，基准支架包括多个辐射不透的基准点，这些基准点被设置在所述配准体模的坐标系中的已知3D位置。
辐射不透的基准点提供了相对于基本上辐射透明的材料和身体组织的基准支架的射线照相对比度。对于包括在100和200keV之间的X射线束的能量，不透射线材料可以具有包括在从1.0cm2/g至5.5cm2/g范围内的质量衰减系数。基准点的厚度可以在从约0.5mm到约10mm的范围，并且不透射线材料可以具有原子序数为从约22到约83的至少一种元素。基准点可以包括具有原子序数从约22到约83的至少一种元素的氧化物或盐材料。基准点可以包括硫酸钡、三氧化铋、碘、碘化物、氧化钛、氧化锆、金、铂、银、钽、铌、不锈钢或其组合。基准点可以被涂覆有辐射不透的材料或与辐射不透的材料合金化，对于被包括在100到200keV之间的X射线束的能量，该材料的质量衰减系数被包括在在1.0cm2/g到5.5cm2/g之间的范围内。
当用X射线成像系统获取2D图像时，辐射不透的基准点在2D图像中是可见的。由于辐射不透的基准点的形状、大小和布置是已知的，因此图像可以位于配准体模的参照系中，并且可以使用每个2D图像中辐射不透的基准点的位置进行3D图像的重建，以进行配准。基准支架被放置在手术场的中心，即ROI的中心，并且C形臂被放置使得配准体模位于C形臂的视场的中心区域。
辐射不透的基准点具有预定的空间布置，其可能会由于制造固有的不确定性而受到可变性的影响。例如，通过计量学或基于体模的制造过程是精确的和可重复的足以确保获得所需基准位置的假设，可以知道不透射线基准点的所述配准体模的坐标系中的精确3D位置。有利的是，体模的几何形状和不透射线基准点的布置特定于要成像的感兴趣区域。
配准体模被配置为被附接到患者。在优选实施例中，配准体模被配置为被刚性地附接到患者的骨骼。
在一个实施例中，配准体模被配置为直接附接到患者的骨骼，并且为此目的，它包括固定装置，诸如骨螺钉、板、钉、销、线等。可替选地，配准体模可以被配置为被间接附接到患者的骨骼，例如使用骨骼外部的附接装置，诸如靠近骨骼的皮肤上的胶布、带子等，以相对于固定配准体模而不穿过患者的皮肤，或者通过在骨骼上使用夹具(即固定在棘突上的夹具)的开放手术。
根据一个实施例，基准支架包括中央部分和在所述中央部分的任一侧上延伸的两个侧翼。优选地，侧翼与中央部分是一体的。根据应用，中央部分和侧翼可以基本上在平面内延伸；否则，侧翼可以相对于中央部分倾斜。在另一个实施例中，翼可以延伸到中央部分上方。配准体模的基准支架可以具有适合于预期应用的任何形状和尺寸。
根据一个实施例，基准支架中的基准点被设置在具有预定义曲率半径的曲面上。在该实施例中，中央部分和侧翼可以基本上在具有预定义曲率半径的曲面中延伸。所述曲率半径与X射线成像系统C形臂的设计(即X射线源和X射线检测器之间的尺寸和距离以及由C形臂用于采集的轨迹)以及被采集的患者的解剖结构的形状(即背部或小腿的曲面)间接相关。基准支架的曲率半径被配置为符合从X射线成像设备获取的3D图像的重建体积的曲率。有利的是，该实施例允许优化要重建的3D体积的位置。
参考跟踪器被配置为被附接到患者。在优选实施例中，参考跟踪器被配置为被刚性地附接到患者。
在一个实施例中，参考跟踪器被配置为直接附接到患者的骨骼，并且为此目的，它包括固定装置，诸如骨螺钉。在一个替代实施例中，参考跟踪器可以间接地被附接到患者的骨骼，例如使用骨骼外部的附接装置，诸如靠近骨骼的皮肤上的胶布、带子等，以相对于骨骼固定参考跟踪器而不穿过患者的皮肤，或者通过在骨骼上使用夹具(即固定在棘突上的夹具)的开放手术。
在一个实施例中，参考跟踪器和配准体模被独立地刚性固定到患者的一块骨骼上。可替选地，参考跟踪器和配准体模可以分别被刚性地固定在患者的不同骨骼上。
参考跟踪器被配置为放置在配准体模附近。相对于患者，特别是相对于ROI中包括的患者身体部位，刚性固定参考跟踪器和配准体模，允许定义唯一的优选坐标系(即参照系)，其中，ROI中包括的参考跟踪器、配准体模和患者的身体部位具有固定的位置，并且不会随时间变化。
根据一个实施例，跟踪器是光学跟踪器(主动或被动)。可替选地，跟踪器可以是电磁跟踪器，其具有比光学跟踪器更紧凑的优点。
在优选实施例中，电磁跟踪器包含可被用于检测伪影存在的惯性传感器。
根据一个替代实施例，跟踪器是基于超声波的跟踪器或本领域技术人员已知的任何其他跟踪技术。
根据一个实施例，参考跟踪器和配准体模形成独特的整体件。在该实施例中，所述独特的整体件包括固定元件，以将其直接固定到患者的骨骼上。当该实施例的整体配准跟踪套件被用于实施本公开的方法时，可以进行预备校准步骤，以获取刚性固定在患者的骨骼上的配准跟踪套件的3D空间方位和位置的数据。此外，在所述预备校准步骤中，也可以使用关于参考跟踪器和配准体模相对于彼此的相对位置的制造信息。数据(和制造信息)被用于预备校准步骤，以了解基准支架和参考跟踪器在唯一首选坐标系中的空间位置和方向。由于配准跟踪套件被刚性地固定到患者的骨骼上，因此，所述唯一优选坐标系可以是患者的骨骼的坐标系。在该患者坐标系中，骨骼表面的每个点以及定义整体配准跟踪套件表面的点都是固定的。
成像套件包括至少一个配置为被植入患者体内的可植入元件和至少一个植入跟踪器。可植入元件和植入跟踪器各自具有协作的固定装置，其被配置为将至少一个植入物跟踪器可移动地附接到至少一个可植入元件。
可植入元件是一种骨科植入物，其被制造用于替换缺失的关节或骨骼或者支撑受损的骨骼。可植入元件可以是板、螺钉、钉、销、线等。可植入元件可以是预期在患者整个生命周期中在人体内服务的永久性植入物，或者是被配置为在手术结束时或手术后预定时间段(例如，等于让骨骼愈合所需的时间)后从患者体内移除的临时性植入物。
将植入物跟踪器直接附接到可植入元件，可植入元件无论如何都要被固定在患者的骨骼上，这有利地避免了将例如一个或多个销固定到患者身上的侵入性行为，其在手术结束时必须被移除，并且这可能会损坏所固定的骨骼。事实上，将配准体模和参考跟踪器刚性地固定到骨骼上是相对于患者具有固定参照系的基础。在本文中“刚性固定”是指在手术干预期间，基座不会相对于骨骼移动。
参考跟踪器和植入跟踪器被配置为由基于荧光透视的导航系统的定位系统来跟踪。
根据一个实施例，协作固定装置包括互补磁性元件，该互补磁性元件被配置为维持至少一个植入跟踪器和至少一个可植入元件附接在一起。在该实施例中，植入跟踪器有利地被磁性固定在适当位置，使得如果医务人员意外击中植入跟踪器，则它将从可植入元件中拉出，而不会损坏所述可植入元件或使所述可植入元件从其在患者的骨骼上的初始固定位置移位。此外，由于该实施例，植入物跟踪器的附接和移除可以容易地进行，而不需要任何工具。
可替选地，协作固定装置可以是夹式固定、螺钉固定或夹具固定。
根据一个实施例，每个植入元件被配置为携带一个植入元件。
根据一个实施例，成像套件包括至少两个可植入元件和一个用于每个可植入元件的植入跟踪器。在该实施例中，每个可植入元件是配置为植入到椎骨中的椎弓根螺钉。
根据一个实施例，可植入元件是关节假体，诸如肩、髋、膝、踝或手指假体。
根据一个实施例，成像套件包括至少两个可植入元件，每个可植入元件是被配置为植入到关节的骨骼中的骨螺钉。该实施例可以有利地用于手术，诸如关节置换手术，在此期间，关节的骨骼之间的相对位置在手术期间可能改变。
根据一个实施例，成像套件还包括由基本上辐射透明的材料制成的基座，以便在X射线图像上尽可能不可见。对于基本辐射透明上的材料，它是指具有较小质量衰减系数的材料，并且因此不会快速衰减穿过的X射线束。更准确地说，在本公开的意义上，对于被包括在100和200keV之间的X射线束的能量，基本上辐射透明的材料具有低于2.0·10-1cm2/g的质量衰减系数。这种材料的定义包括例如PMMA和聚乙烯。
在一个实施例中，基座被配置为刚性地固定在患者的骨骼上。固定可以是直接的，使用例如至少一个经皮销、针、拉刀或螺钉以微创的方式植入到骨骼中，也可以是间接的，通过使用例如骨骼外部的附接装置，诸如靠近骨骼的皮肤上的胶布、带子等，以相对于骨骼固定基座而不穿过患者的皮肤，或者通过在骨骼上使用夹具(即固定在棘突上的夹具)的开放手术。
根据一个实施例，基座包括至少一个基座固定元件，配准体模包括至少一个体模固定元件，并且参考跟踪器包括跟踪器固定元件，其中，所述基座固定元件、体模固定元件和跟踪器固定元件被配置为将参考跟踪器和配准体模单独或一起附接到基座。
该实施例有利地允许具有模块化配准跟踪套件，其中，只有基座被刚性地固定在患者的骨骼上。这样，仅在获取2D X射线图像期间，配准体模可以单独被附接到基座上，并且在导航期间被参考跟踪器移除和替换。
根据一个实施例，基座具有旨在面向骨骼、骨骼周围的组织和/或患者的皮肤的支撑表面。当基座被直接固定到骨骼上时，患者的皮肤或骨骼周围的组织可能位于基座和骨骼之间。基座和支撑表面可以具有适合于预期应用的任何形状(例如圆形、矩形等)和尺寸，特别是取决于基座必须固定的身体部位的形状和尺寸。例如，对于脊柱外科手术，基座优选地具有细长的形状，以便被固定到至少两个或三个相邻的椎骨上，而对于肩部外科手术，基座是具有长方形延伸的圆形，以便被固定到肩峰上。支撑表面可以在平面内延伸，或者可以是凹的或凸的、刚性的或可变形的。
有利的是，基座可以具有小于20mm的高度，以致非常紧凑，并且从患者的皮肤仅突出有限的程度。因此，在手术干预期间，医护人员无意中撞到基座并因此使其相对于骨骼移位是非常不可能的。
根据一个实施例，基座固定元件包括从与支撑表面相对的基座表面突出的至少一个销，并且体模固定元件包括至少一个相应的互补开口。可替选地，基座固定元件包括与支撑表面相对的基座表面中的至少一个开口，并且体模固定元件包括至少一个相应的互补销突出。
根据一个实施例，基座固定元件和体模固定元件包括互补磁性元件，该互补磁性元件被配置为维持基座和配准假体彼此附接。在该实施例中，体模固定元件有利地被磁性固定在适当位置，使得如果配准体模被医护人员意外击中，则它将从基座中拉出，而不会损坏基座固定元件或使基座从其在患者的骨骼上的初始固定位置移位。此外，由于该实施例，配准体模和跟踪器(如果合适的话)的附接和移除可以容易地进行，而无需任何工具。
根据一个实施例，附接到基座上的配准体模和参考跟踪器的位置和方位，无论是一起还是单独，在唯一优选坐标系中是已知的。所述唯一优选坐标系可以是患者的坐标系，或者等效地是配准跟踪套件基座的坐标系，因为基座被刚性固定在患者的骨骼上。
根据一个实施例，基座固定元件包括从与支撑表面相对的基座表面突出的至少一个销，并且跟踪器固定元件包括至少一个相应的互补开口。可替选地，基座固定元件包括与支撑表面相对的基座表面中的至少一个开口，并且跟踪器固定元件包括至少一个相应的互补销突出。
根据一个实施例，基座固定元件和跟踪器固定元件包括互补磁性元件，该互补磁性元件被配置为维持基座和配准体模彼此附接。
在模块化配准跟踪套件的实施例中，配准体模的基准支架可以具有适合于预期应用的任何形状和尺寸。特别地，由于配准体模仅可以在需要进行图像采集时被附接到基座上，因此基准支架可以具有接近X射线成像系统的视场的尺寸。这有利地使辐射不透的基准点彼此相距更大的距离，从而提高了配准的准确性。
根据一个实施例，基准支架的中央部分承载着体模固定元件。
根据一个实施例，成像套件包括至少两个配准体模，其中，第一配准体模和第二配准体模包括协作固定元件，其被配置为将第一配准体模型附接到第二配准体模，同时可再现地被固定到基座上。
根据图1所示的本公开的实施例，配准跟踪套件1包括基座2和配准体模3。由基本上辐射透明的材料制成的基座2被配置为被刚性地固定到患者的骨骼上，如图1所述。在该实施例中，成像套件包括可植入元件5，可植入元件5是植入到固定有基座2的同一椎骨中的椎弓根螺钉。植入跟踪器51可拆卸地被附接到可植入元件5。
如图2a和2b所示，配准体模3包括基本上辐射透明的材料的基准支架31，其包括多个辐射不透的基准点32，基准点32被设置在所述配准体模3的坐标系中的已知3D位置。根据图2c所示的该实施例，基座2包括基座固定元件21，并且配准体模3包括体模固定元件314，用于将配准体模3可重复地附接到基座2。
图2a和2b显示了配准体模3的后部和前部的两个透视图。在该实施例中，基准支架31包括中央部分312和分别在所述中央部分312的任一侧延伸的两个侧翼313。在该实施例中，翼313延伸至中央部分312下方，并具有弯曲表面。在该实施例中，基准翼313包括辐射不透的基准点32。
根据图3a和3b所示的实施例，配准体模3包括从基准支架31沿纵轴A延伸的细长构件315。在该实施例中，细长构件315承载体模固定元件314。细长构件315和基座固定元件21以及体模固定元件314被配置为提供至少一个固定位置，其中基准支架31相对于基座2被推出。在该实施例中，细长构件直接被固定在基座上，并且细长构件与基座的宽度和长度相适应。
本公开涉及一种用于为基于荧光透视的导航系统生成患者的至少一个感兴趣区域ROI的至少一个可导航图像IN的方法M。所述基于荧光透视的导航系统使用以上实施例中描述的成像套件和定位系统6，定位系统6被配置为跟踪参考跟踪器4和植入跟踪器51。方法M的步骤由图4中的框图说明。
本方法包括预备接收ROI的至少一部分的至少一组2D X射线图像IX的步骤M10。
配准体模被定位以便在用X射线成像系统获取图像期间至少部分地被包括在ROI中，使得所述获取的一组2D图像IX包括至少两个2D图像，每个2D图像包含配准体模的至少一个可检测的辐射不透的基准点。在优选实施例中，如上所述，将配准体模放置在ROI的中心，并定位C形臂，使得在图像获取期间配准体模位于其视场的中心。该配置允许获得该组2D图像IX的大量图像，其中每个图像包含配准体模的两个以上可检测的辐射不透的基准点。
为了在获取一组2D图像IX期间使配准体模正确定位在ROI中，配准体模已经被预先刚性固定到患者的骨骼上。
第二步骤M20包括接收关于基准支架31的位置和参考跟踪器4在患者坐标系pcS中的位置的信息I31,4，患者坐标系pcS相对于配准体模所附接的患者的骨骼而固定。
换言之，信息I31,4包含坐标列表，坐标列表允许在一个坐标系(即患者坐标系)中明确标识基准支架和参考跟踪器的准确位置。由于每个基准点的位置在配准体模的坐标系中是已知的，并且基准支架的位置在患者参考系统pcS中是已知的，因此计算患者参考系统pcS中每个基准点的位置以在配准步骤M30中使用。
患者坐标系相对于与配准体模附接的患者的骨骼是固定的这一事实，意味着所述骨骼表面的每个点在患者坐标系pcS中具有固定的位置，该位置不随改变。图5示意性地示出了具有平行于长骨的纵轴的x轴的患者坐标系pcS的可能示例。
根据实施例，其中参考跟踪器和配准体模被独立刚性地固定到患者的一个或两个不同的骨骼上，执行使用定位系统6的校准步骤。在校准期间，定位系统获取基准支架31相对于参考跟踪器4的相对位置和空间方位信息，使得它们的位置可以在患者坐标系pcS的唯一参照系内被计算。
在参考跟踪器和配准体模形成整体的实施例中，基准支架相对于参考跟踪器的相对位置和空间方位是从制造设计和模型中知道的。然后，使用基准支架和参考跟踪器的相对位置和空间方位，结合由定位系统在参考跟踪器被刚性附接到患者的骨骼时获取关于参考跟踪器的位置和空间方位的信息，计算关于基准支架和参考跟踪器在患者坐标系pcS中的位置的信息。
在配准跟踪系统为模块化的实施例中，当基准点一起或单独被附接到基座时，基准支架相对于参考跟踪器的相对位置从制造设计和模型中已知。如前所述，当参考跟踪器4被附接到被预先刚性固定到患者的骨骼的基座时，利用定位系统6会获取关于参考跟踪器4的位置和空间方位的信息。然后，使用基准支架和参考跟踪器的相对位置和空间方位，结合由定位系统在参考跟踪器被刚性附接到患者的骨骼时获取的关于参考跟踪器的位置和空间方位的信息，计算关于基准支架31和参考跟踪器4在患者坐标系pcS中的位置的信息I31,4。由于基座2被刚性固定到患者的骨骼上，因此也相当于参考在基座的坐标系中基准支架和参考跟踪器的位置。
根据一个实施例，该方法包括用X射线成像系统获取该组2D图像IX的步骤。
该方法还包括通过在患者坐标系中配准该组2D图像IX中的至少一个图像来生成至少一个配准图像IR的步骤M30。使用所述患者坐标系中的基准支架的已知位置来获得配准步骤。
根据一个实施例，步骤M30首先包括在配准体模的坐标系中配准该组2D图像IX的至少一个图像。如以上实施例所述，基准点在配准体模的坐标系中的精确位置是已知的。在以下对“一组2D图像”的描述中，应理解为该组2D图像中的至少一个图像。
在一个实施例中，步骤M30还包括：
-通过优化配准体模的至少一个基准点的已知3D位置和在至少两个不同图像中检测到的所述基准点的相应2D位置之间的配准，计算X射线系统的坐标系和配准体模的坐标系之间的最佳刚性变换；
-将所述最佳刚性变换应用于配准体模的所述至少一个基准点的3D位置，以确定其在X射线成像系统的坐标系中各自变换的3D位置；以及
-使用患者坐标系pcS中的基准支架的已知位置，在患者坐标系pcS中配准该组2D图像IX。
本公开的方法还包括接收使用定位系统获得的第一组数据SD1的步骤M40。
所述第一组数据SD1包括：
-使用定位系统6获得的关于参考跟踪器4的位置和3D空间方位的数据，其中，参考跟踪器被预先附接到配准体模附近的患者的骨骼上；以及
-当第一植入跟踪器51附接到至少一个第一可植入元件时，关于至少一个第一植入跟踪器51的位置和3D空间方位的数据，其中，至少一个第一可植入元件被预先刚性固定到患者的身体部位。
参考跟踪器4和第一可植入元件51可以被固定在患者的同一块骨骼上，如图1(即椎骨)和图5(即股骨)所示，或两块不同的骨骼上。
该方法包括步骤M50，使用从定位系统6获得的第一组数据SD1计算患者坐标系pcS和至少一个第一植入跟踪器cST1的坐标系之间的第一刚性变换RT1。在该步骤中，第一组数据SD1被用于计算第一刚性变换RT1中包括的至少一个旋转和一个平移。
图5显示了与第一植入跟踪器cST1相关联的可能坐标系的示意图。该示意图中的cST1坐标系具有平行于第一可植入元件51的纵轴的y’轴。在cST1坐标系统中，由于可植入元件5被刚性地固定到骨骼上，第一植入跟踪器51的每个点都是固定的。
第一刚性变换RT1有利地允许将至少一个配准图像IR中的每个点从患者坐标系pcS变换到第一植入跟踪器cST1的坐标系。
该方法包括步骤M60，通过将第一刚性变换RT1应用于至少一个配准图像IR来生成至少一个可导航图像IN，使得至少一个可导航图像中的ROI的每个点在至少一个第一植入跟踪器cST1的坐标系中具有已知位置。这有利地允许外科医生在至少一个可导航图像IN中导航手术工具，即使在使用第一植入跟踪器51移除参考跟踪器4之后。
根据一个实施例，步骤M30还包括使用该组2D图像IX的至少一部分来计算患者坐标系pcS内的至少一个3D图像的步骤M31。每当步骤M30也包括计算至少一个3D图像的步骤M31时，至少一个配准图像IR是在患者坐标系pcS中配准的3D重建图像。等效地，当实施步骤M31时，步骤M60的至少一个可导航图像是可导航3D图像，其中表示的ROI的每个点在至少一个第一植入跟踪器cST1的坐标系中具有已知位置。
根据一个实施例，该组2D图像包括是ROI的前后视图的至少一个2D图像和是ROI的侧视图的至少一个2D图像。获取至少两个ROI垂直视图有利于手术工具位置的正确三维确定。这使导航所需的图像数量减少，并且因此有利地使在X射线图像获取期间患者和医务人员所接收的辐射量减少。
根据一个实施例，当存在具有至少一个第二植入跟踪器的第二可植入元件51b时，如图6所示，该方法还包括图7的框图中所示的多个步骤。根据该实施例，该方法包括步骤M402，当第二植入跟踪器51b被附接到第二可植入元件时接收从定位系统获得的第二组数据SD2，其中，所述第二可植入元件被预先固定在患者的身体部位上。所述第二组数据SD2包括关于参考跟踪器51的位置和3D空间方位的数据以及关于第二植入跟踪器51b的位置和3D空间方位的数据。在步骤M502中，所述第二组数据SD2被用于计算患者坐标系pcS和第二植入跟踪器cST2的坐标系之间的第二刚性变换RT2。然后实施步骤M602，以通过将第二刚性变换TR2应用于步骤M30的至少一个配准图像IR来生成至少一个第二可导航图像IN2，使得至少一个第二可导航图像的每个图像中的ROI的每个点在至少一个第二植入跟踪器pcT2的坐标系中具有已知位置。
根据一个实施例，成像套件包括多于N个可植入元件和至少N个协作植入跟踪器，N大于2。在该实施例中，该方法包括另外的步骤，以便在患者坐标系和第i个植入跟踪器pcTi的每个坐标系之间生成第i个刚性变换。该方法可以被配置为通过将第N个刚性变换应用于至少一个配准图像来生成N个可导航图像。
根据一个实施例，该方法包括步骤M70，接收从第一刚性变换RT1或第二刚性变换RT2中选择一个应用于至少一个配准图像的用户指令。如果已将多于两个植入跟踪器附接到患者并且计算了N个刚性变换，则用户可以从N个刚性变换中选择一个应用于至少一个配准图像。该实施例有利于使用户选择相对于必须对患者执行的手术姿势更有利的坐标系。
根据一个实施例，该方法还包括步骤M71，生成至少一个可导航图像IN的动态校正。当至少两个可植入元件已被预先固定在两个不同的骨骼上时，特别是当这两个骨骼的相对位置在手术期间可能改变时，可以有利地完成该步骤。实际上，该动态校正步骤在可导航图像的手术期间提供实时校正，以便考虑至少两个植入跟踪器之间的相对位置的任何偏移，并且因此考虑通过可植入元件固定的两块骨骼之间的偏移。脊柱外科手术尤其如此，其中脊柱的两个椎骨在手术期间可能改变它们的相对位置，诸如例如在椎间盘上的关节成形术或椎间盘置换中，其中，受伤的椎间盘被人造椎间盘替换，或者脊柱融合，其被用于使用例如杆和/或螺钉来连接两个椎骨。
如图6所示，在椎间盘上进行关节成形术的情况下，通过将第一可植入元件和第二可植入元件固定在邻近椎间盘的两个椎骨上以进行操作，可以有利地实施该实施例。在这种情况下，每个椎骨与感兴趣子区域和由第一可植入元件和第二可植入元件携带的植入跟踪器的坐标系相关联。因此，即使椎间盘被替换或移除，由于这些独立的感兴趣子区域的定义，可导航图像IN也可以被实时校正。
该动态校正步骤可以直接在实施步骤M31时获得的2D可导航图像IN上或3D可导航图像IN上被实施。
在一个实施例中，步骤M71包括选择第一植入跟踪器作为固定参考。步骤M71还包括在至少一个可导航图像IN中定义包括第一植入跟踪器的第一感兴趣子区域和包括第二植入跟踪器的第二感兴趣子区域。在多个2D可导航图像的情况下，第一子区域和第二子区域至少为两个图像被定义。包括第一可植入元件和植入跟踪器的第一感兴趣子区域的每个点在第一植入跟踪器的坐标系cST1中具有固定位置。等效地，包括第二可植入元件和植入跟踪器的第二感兴趣子区域的每个点在第二植入跟踪器的坐标系cST2中具有固定位置。感兴趣子区域可以包括椎骨、关节的一部分、肢体等。将携带植入跟踪器的可植入元件刚性地固定到包括在子区域中的元件(即骨骼)并且至少部分不可变形，从而满足感兴趣子区域的每个点必须在子区域包括的植入跟踪器的坐标系中具有固定位置的要求。
在一个实施例中，使用分割算法在至少一个第一可导航图像上定义第一感兴趣子区域和第二感兴趣子空间。可替选地，用户可以提供手动输入，诸如例如手动描绘每个感兴趣子区域的轮廓。
根据一个实施例，步骤M71包括接收使用定位系统获得的第三组数据。所述第三组数据包括关于作为时间函数的第一植入跟踪器的位置和3D空间方位的数据，以及关于作为时间函数的第二植入跟踪器的位置和3D空间方位的数据。因此，所述第三组数据可被用于计算第一植入跟踪器的坐标系cST1和第二植入跟踪器的坐标系pcT2之间的作为时间函数的刚性变换。
作为时间函数的刚性变换可以应用于至少一个第一可导航图像的第二感兴趣子区域，以便针对第一植入跟踪器51a和第二植入跟踪器51b之间的相对位置的任何偏移，获得作为可导航图像IN(t)的时间的函数的动态校正。
在一个实施例中，其中，第一可导航图像IN是一组2D图像，第一子区域和第二子区域被定义在至少一个第一可导航影像IN的至少两个图像上，并且因此，作为时间函数的刚性变换被应用在至少一个第一可导航图像的至少两个图像上定义的第二子区域上。
在一个实施例中，其中，第一可导航图像IN是3D图像，第一子区域和第二子区域被定义为3D可导航图像的两个3D子图像，并且因此作为时间函数的刚性变换被应用在对应于第二子区域的3D子图像上。
在一个实施例中，仅当检测到第一植入跟踪器和第二植入跟踪器之间的相对位置的变化时，才计算时间t的刚性变换。该变化可以使用第三组数据来计算。
步骤M71可以通过选择第二植入跟踪器作为固定参考并因此将作为时间函数的刚性变换应用于至少一个第一可导航图像的第一感兴趣子区域的等效方式实施。
根据一个实施例，每个感兴趣子区域包括患者的椎骨。在该实施例中，第一植入元件和第二植入元件都是被预先固定到患者每个椎骨上的椎弓根螺钉，如图6和图7所示。
根据一个实施例，每个感兴趣子区域均包括患者关节的一部分，优选地，每个子区域对应于关节的一块骨骼的至少一部分。例如，第一子区域可以包括股骨的一部分并且第二子区域可以包括胫骨或腓骨的一部分。在该实施例中，第一可植入元件和第二可植入元件是被配置为固定到关节的所述部分的骨螺钉。
根据其中配准跟踪套件1是模块化的并且包括基座的实施例，本公开的方法包括接收感兴趣区域的至少一部分的至少一组2D X射线图像IX的第一步骤，，其中，在获取该组2D X射线图像期间，配准体模3被附接在基座2上，所述基座被预先固定到患者的骨骼上，使得所述一组2D图像包括至少两个2D图像，每个2D图像均包含配准体模的至少一个可检测的辐射不透的基准点。基准支架在基座坐标系中的位置是已知的。
根据该实施例，该方法包括一个步骤，即通过使用基座坐标系中基准支架的已知位置在基座的坐标系中配准一组2D图像IX来生成至少一个配准图像IR。
在该实施例中，该方法还接收使用定位系统6获得的第一组数据SD1，其中，在获取所述第一组数据期间，参考跟踪器4被附接到基座2，并且至少一个第一植入跟踪器51被附接到至少一个第一植入元件5，该至少一个第一植入元件5被预先刚性固定到患者身体部位。因此，所述第一组数据包括关于附接在基座上的参考跟踪器的方向和3D空间方位的数据，以及关于附接在至少一个第一可植入元件上的至少一个第一植入跟踪器方向和3D空间方位的数据。
最后，根据该实施例，第一组数据SD1被用于计算基座的坐标系和至少一个第一植入物跟踪器的坐标系之间的第一刚性变换RT1，并通过将第一刚性变换RT1应用于至少一个配准图像IR来生成至少一个可导航图像IN，使得可导航图像中ROI的每个点在至少一个第一植入物跟踪器的坐标系中具有已知位置。
用于为基于荧光透视的导航系统生成患者的至少一个ROI的可导航图像的方法也可以根据以下步骤来执行。
第一步骤可以包括根据上述任一实施例提供成像套件，并将配准跟踪套件1的配准体模3和参考跟踪器4固定到感兴趣区域附近的患者的身体部位。
在模块化配准跟踪套件的情况下，只有基座2首先被刚性地固定在ROI附近的患者身体部位上，然后使用基座固定元件和体模固定元件将至少一个配准体模3附接到基座上。在这种情况下，基准支架的位置在基座的坐标系中是已知的。
一旦配准体模已经被正确定位在ROI中，并且X射线成像系统已被定位，使得配准体模至少部分地被包括在其视场中(优选地位于其视场的中心)，X射线成像系统可被用于获取ROI的至少一组2D图像，其中，该组2D图像的至少两个图像各自包含配准体模的至少一个可检测的辐射不透的基准点。
在该具体实施例中，该方法包括一个步骤，即接收关于基准支架的位置和参考跟踪器在患者坐标系pcS中相对于附接有配准体模的患者的骨骼被固定的位置的信息。然后，可以通过使用基准支架31在所述患者坐标系中的已知位置在患者坐标系pcS中配准该组2D图像IX来生成至少一个配准图像IR。
在模块化配准跟踪套件的情况下，信息I31,4包括基准支架31的位置和基准跟踪器4在基座坐标系中的位置。然后，可以通过使用基准支架31在基座坐标系中的已知位置在基座的坐标系中配准该组2D图像IX来生成至少一个配准图像IR。在这种情况下，可以从基座移除配准体模3，并且使用基座固定元件和跟踪器固定元件将参考跟踪器4附接至基座2。
定位系统6可以与参考跟踪器4相关联。
一个步骤还可以包括将成像套件的至少一个可植入元件5刚性地固定到感兴趣区域附近的患者的身体部位，并将至少一个植入跟踪器51附接到至少一个可以植入元件5上。
参考跟踪器4可被用于在将至少一个可植入元件5固定到患者的骨骼期间导航手术工具。
定位系统6还可以被配置为跟踪附接在可植入元件5上的植入跟踪器51。定位系统6获取所获得的第一组数据SD1，其包括关于参考跟踪器的位置和3D空间方位的数据，以及附接到至少一个第一可植入元件的至少一个第一植入跟踪器的位置和3D空间方位的数据。
然后，从定位系统获得的第一组数据SD1可被用于计算患者坐标系pcS和植入跟踪器坐标系cST1之间的刚性变换RT1。
在模块化配准跟踪套件的情况下，在基座的坐标系和植入跟踪器的坐标系cST1之间的计算刚性变换。
在接下来的步骤中，第一刚性变换RT1可以应用于至少一个配准图像IR，以便生成至少一个可导航图像IN，其中，所述至少一个可导航图像中的ROI的每个点在至少一个第一植入跟踪器的坐标系cST1中具有已知位置。
最后，由于可导航图像IN中ROI的每个点在第一植入跟踪器的坐标系cST1中具有已知位置，因此就有可能从患者身上移除基座、参考跟踪器和配准体模。最后步骤如图6b和8b所示，其中配准跟踪套件1的元件被移除，并且仅留下具有相关植入跟踪器的第一可植入元件和第二可植入元件用于导航。
本公开涉及一种数据处理系统，用于根据上述方法为基于荧光透视的导航系统生成患者的至少一个感兴趣区域ROI的可导航图像。
数据处理系统使用根据本公开的成像套件为基于荧光透视的导航系统生成可导航图像IN，该导航系统包括X射线成像系统和定位系统。所述定位系统被配置为跟踪本公开的成像套件的参考跟踪器4和至少一个植入跟踪器51。
在一个实施例中，数据处理系统输入模块，该输入模块被配置为接收ROI的至少一部分的至少一组2D X射线图像IX。所述一组2D X射线图像IX是在将配准体模3附接到患者的骨骼时预先获得的。值得注意的是，将配准体模3放置在ROI的中心，并定位X射线成像系统，使得在获取该组2D X射线图像IX期间，配准体模3至少部分地被包括在ROI中，以便获得包括至少两个2D图像的一组2D图像，每个2D图像具有配准体模3的至少一个可检测的辐射不透的基准点。输入模块还被配置为接收关于基准支架31和参考跟踪器4在患者坐标系pcS中的位置的信息，该患者坐标系相对于附接有配准体模3的患者的骨骼是固定的。
在一个实施例中，数据处理系统包括数据存储介质，该数据存储介质包括基准支架31和基准点32在配准体模坐标系中的3D空间位置。由于被配准体模3刚性附接的患者的骨骼在患者坐标系pcS中具有固定位置，因此配准体模3也在患者坐标系统pcS中具有固定位置。因此，可以精确计算基准支架在患者参考系pcS中的位置。
在一个实施例中，数据存储介质包括基准支架31相对于基准跟踪器4的相对位置和空间方位的预备信息。
根据实施例，其中，参考跟踪器4和配准体模3被独立地刚性固定到患者的一块相同的骨骼或两块不同的骨骼，所述预备信息是在校准步骤期间获得的，其中，定位系统6获取关于基准支架相对于参考跟踪器4的相对位置和空间方位的信息，使得它们的位置可以在患者坐标系pcS的唯一参照系内被计算。
在参考跟踪器4和配准体模3形成整体的实施例中，预备信息从制造设计和模型中得知。
在配准跟踪套件是模块化的实施例中，预备信息从制造设计和模型中得知。
对于整体式和模块化配准工具包，数据处理系统可以使用基准支架和参考跟踪器的相对位置和空间方位，结合定位系统6在参考跟踪器被刚性地附接到患者的骨骼上时获取的关于参考跟踪器的位置和空间方位的信息，然后计算基准支架31和参考跟踪器4在患者坐标系pcS中的位置信息。
在一个实施例中，数据处理系统包括配准模块，该配准模块被配置为通过使用基准支架31在患者坐标系pcS中的已知位置在患者坐标系pcS中配准该组2D图像来生成至少一个配准图像IR。
根据一个实施例，配准模块被配置为首先在配准体模的坐标系中配准该组2D图像的至少一个图像。
如上述实施例所述，基准点在配准体模的坐标系中的精确位置是已知的。如上对于“一组2D图像”，应理解为该组2D图像中的至少一个图像。配准模块通过优化配准体模的至少一个基准点的已知3D位置和在至少两个不同的2D图像中检测到的所述基准点的相应2D位置之间的配准，进一步计算X射线系统坐标系和配准体模坐标系之间的最佳刚性变换。由该模块执行的下一步骤是将所述最佳刚性变换应用于配准体模的所述至少一个基准点的3D位置，以确定其在X射线成像系统坐标系中相应变换的3D位置。最后，配准模块的最后步骤包括使用患者坐标系中基准支架的已知位置在患者坐标系中配准该组2D图像。
根据一个实施例，配准模块还被配置为使用该组2D图像的至少一部分计算患者坐标系pcS内的至少一个3D图像。
根据一个实施例，数据处理系统包括变换计算模块，该变换计算模块被配置为由于至少三个步骤的实施而生成至少一个第一可导航图像IN。
第一步骤包括接收使用定位系统6获得的第一组数据SD1。所述第一组数据SD 1包括关于参考跟踪器4和附接到至少一个第一植入元件5的至少一个第一植入跟踪器51的方向和3D空间方位的数据。使用定位系统6获得的数据是在参考跟踪器4被附接到靠近配准体模3的患者的骨骼上并且至少一个第一可植入元件5被刚性固定到患者的身体部位时获取的。
如前所述的方法，参考跟踪器4和第一可植入元件5可以被固定在两个不同固定点的同一骨骼上，如图5所示，或固定在两块不同的骨上，例如属于一个关节(图9)。
第二步骤包括使用从定位系统6获得的第一组数据SD1来计算患者坐标系pcS和至少一个第一植入跟踪器的坐标系cST1之间的第一刚性变换RT1。
第三步骤包括通过将第一刚性变换RT1应用于至少一个配准图像IR来生成至少一个第一可导航图像IN，使得至少一个第一可导航图像IN中的ROI的每个点在至少一个第一植入跟踪器的坐标系cST1中具有已知位置。
一旦第一可导航图像IN在第一植入跟踪器的坐标系cST1中进行变换，就不再需要移除参考跟踪器4以及配准体模3来执行手术。因此，本公开的方法有利地允许提供可导航图像IN以由任何手术工具导航，而无需对患者进行繁琐的参考。
根据一个实施例，变换计算模块还被配置为对附接到固定在患者的骨骼上的至少一个可植入元件的每个植入跟踪器迭代执行上文所述的三个步骤。
例如，变换计算模块还可以被配置为：
-接收从定位系统6获得的第二组数据SD2，其中第二植入跟踪器51b附接到预先固定在患者身体部位的第二可植入元件，所述第二组数据SD2包括关于参考跟踪器4的位置和3D空间方位以及第二植入跟踪器51b的3D空间方位的数据；
-使用从定位系统获得的第二组数据SD2来计算患者坐标系pcS和第二植入跟踪器pcT2的坐标系之间的第二刚性变换RT2；
-通过将第二刚性变换RT2应用于至少一个配准图像IR来生成至少一个第二可导航图像IN2，使得至少一个第二可导航图像中的ROI的每个点在至少一个第二植入跟踪器的坐标系pcT2中具有已知位置。
根据一个实施例，数据处理系统还包括可视化模块，该可视化模块被配置为接收用户指令，该用户指令在第一刚性变换TR1或第二刚性变换TR2中选择一个应用于至少一个配准图像。这些实施例有利地允许使用可导航图像IN同时表示患者的多个解剖学上独立的ROI。事实上，如图6和图8所示，取决于手术类型，携带植入跟踪器的植入元件可以被固定到相邻骨骼或远处骨骼上。
根据一个实施例，数据处理系统还包括动态图像校正模块，其被配置为当至少两个可植入元件(每个元件携带至少一个跟踪的植入物)被固定在患者的两块不同骨骼上时使用，如图6、图8或图9所示。
事实上，在基于荧光透视的导航手术期间，X射线2D图像在手术期间通常仅获取一次。因此，导航时不考虑可能由手术本身引起的ROI解剖结构的修改。例如，这可能会导致骨螺钉在患者体内的不正确放置。动态图像校正模块有利地允许校正ROI解剖结构的这些修改，以便真实地表示ROI的当前解剖结构。
在一个实施例中，动态图像校正模块被配置为：
-选择第一植入跟踪器51a作为固定参考；
-为至少一个第一可导航图像定义包括第一植入跟踪器51a的第一感兴趣子区域和包括第二植入跟踪器51b的第二感兴趣子区域；
-接收使用定位系统获得的第三组数据，包括关于作为时间函数的第一植入跟踪器和第二植入跟踪器的位置和3D空间方位的数据；
-使用第三组数据计算第一植入跟踪器的坐标系cST1和第二植入跟踪器的坐标系pcT2之间作为时间函数的刚性变换；
-将作为时间函数的刚性变换应用于至少一个第一可导航图像的第二感兴趣子区域，以便在时间期间针对第一植入跟踪器和第二植入跟踪器之间的相对位置的任何偏移动态校正所述可导航图像。
如上所述，第一步骤可以等效地选择第二植入跟踪器51b作为固定参考。
根据一个实施例，动态图像校正模块还被配置为使用分割算法在至少一个第一可导航图像上自动定义第一感兴趣子区域和第二感兴趣子区域。
可替选地，动态图像校正模块可以被配置为接收作为用户手动输入的第一感兴趣子区域和第二感兴趣子区域的定义，例如作为每个感兴趣子区域的轮廓的手动描绘。
根据一个实施例，每个感兴趣子区域包括患者的椎骨，并且第一可植入元件和第二可植入元件是固定到每个椎骨的椎弓根螺钉，如图6和图8所示。
根据一个实施例，每个感兴趣子区域各自包括患者关节的一部分，第一可植入元件和第二可植入元件是被配置为固定到关节的所述部分的骨螺钉。髋关节的具体情况如图9所示，其中一个带有第一植入跟踪器51a的第一可植入元件被固定在股骨上，并且另一个带有第二植入跟踪器51b的第二可植入元件被固定在患者的骨盆上。
根据一个实施例，由输入模块接收的一组2D图像包括为ROI的前后视图的至少一个2D图像和为ROI的侧视图的至少一个2D图像。
根据一个实施例，还包括导航模块，其被配置为在ROI中导航至少一个手术工具，该手术工具包括具有至少一个可导航图像的跟踪器。手术工具的跟踪器与定位系统6相关联。
本方法和数据处理系统有利地允许从手术场移除参考跟踪器和配准体模，这两者在微创或开放手术期间可能阻碍外科医生手势、自动手术机器人手臂的运动会或遮挡手术进入点，这是由于使用了附接在一个或多个可植入元件上的植入跟踪器，该植入跟踪器在手术期间无论如何都会固定到患者身上。将植入跟踪器固定在可植入元件上，而不是直接将它们固定在患者身上，可以减少对患者的侵入动作，并且因此减少手术期间造成的不必要损伤的数量。
本公开还涉及一种包括指令的计算机程序，当该程序由计算机执行时，使得计算机执行上述方法的步骤。
执行如上所述的方法的计算机程序产品可以被写成计算机程序、代码段、指令或其任何组合，用于单独或共同地指示或配置处理器或计算机，使其作为机器或专用计算机操作，以执行由硬件组件执行的操作。在一个示例中，计算机程序产品包括由处理器或计算机直接执行的机器代码，诸如由编译器产生的机器代码。在另一个示例中，计算机程序产品包括由处理器或计算机使用解释器执行的高级代码。本领域普通技术人员基于附图中所示的框图和流程图以及说明书中的相应描述来可以容易地编写指令或软件，其公开了用于执行如所述的方法的操作的算法。
本公开还涉及一种包括指令的计算机可读存储介质，该指令当由计算机执行时使得计算机执行该方法的步骤的指令。
根据一个实施例，计算机可读存储介质是非暂时性计算机可读存储介质。
实施本实施例的方法的计算机程序通常可以在分布式计算机可读存储介质上分发给用户，该介质诸如但不限于SD卡、外部存储设备、微芯片、闪存设备、便携式硬盘驱动器和软件网站。计算机程序可以从分发介质被复制到硬盘或类似的中间存储介质。计算机程序可以通过将计算机指令从它们的分发介质或它们的中间存储介质加载到计算机的执行存储器中来运行，将计算机配置为按照本公开的方法操作。所有这些操作对于计算机系统领域的技术人员来说都是众所周知的。
控制处理器或计算机实施硬件组件和执行上述方法的指令或软件，以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构被记录、存储或固定在一个或多个非暂时性计算机可读存储介质中或上。非暂时性计算机可读存储介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存、CD-ROM、CD-R、CD+R、CD-RW、CD+RW、DVD-ROM、DVD-R、DVD+R、DVD-RW、DVD+RW，DVD-RAM、BD-ROM、BD-Rs、BD-RLTH、BD-RE、磁带、软盘、磁光数据存储设备、光学数据存储设备、硬盘、固态盘，以及本领域技术人员已知的任何设备，其能够以非暂时方式存储指令或软件以及任何相关联数据、数据文件和数据结构，并且向处理器或计算机提供指令或软件及任何相关联数据、数据文件和数据结构，使得处理器或计算机能够执行指令。在一个示例中，指令或软件以及任何相关联数据、数据文件和数据结构被分布在网络耦合的计算机系统上，使得指令和软件以及任何相关联数据、数据文件和数据结构由处理器或计算机以分布式方式存储、访问和执行。
虽然已经描述和示出了各种实施例，但详细描述不应被解释为局限于此。在不脱离由权利要求所限定的本公开的真正精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对实施例进行各种修改。

Claims (10)

1.一种数据处理系统，用于使用X射线成像系统、成像套件和定位系统为基于荧光透视的导航系统生成患者的至少一个感兴趣区域的可导航图像，
其中，所述成像套件包括：
(a)配准跟踪套件(1)，其包括：
-至少一个配准体模(3)，其包括具有多个辐射不透的基准点的基本上辐射透明的材料的基准支架；
-参考跟踪器(4)；
其中，所述配准跟踪套件是整体式的，并且被配置为刚性地固定到患者的骨骼，或者包括被配置为刚性地固定到患者的骨骼的基座(2)，所述配准模体(3)和参考跟踪器(4)被配置为可拆卸地附接到所述基座(2)；以及
(b)至少一个可植入元件(5)，其被配置为植入患者体内，以及至少一个植入跟踪器(51)，其可拆卸地附接到所述可植入元件；
所述定位系统(6)被配置为跟踪所述成像套件的所述参考跟踪器和所述至少一个植入跟踪器，
所述数据处理系统包括：
-输入模块，其被配置为接收所述感兴趣区域的至少一部分的至少一组2DX射线图像(IX)，其中，所述配准体模(3)已经被预先附接到患者的骨骼，使得在获取所述一组2D X射线图像期间，所述配准体模(3)至少部分地被包括在所述感兴趣区域中，使得所述一组2D图像包括至少两个2D图像，每个2D图像包含所述配准体模(3)的至少一个可检测的辐射不透的基准点；所述输入模块还被配置为接收关于所述基准支架(31)和所述参考跟踪器(4)在患者坐标系(pcS)中的位置的信息(I31,4)，所述患者坐标系(pcS)相对于附接有所述配准体模(3)的所述患者的骨骼来固定；
-配准模块，其被配置为通过使用所述患者坐标系(pcS)中所述基准支架(31)的已知位置在所述患者坐标系中配准所述一组2D图像来生成至少一个配准图像(IR)；
-变换计算模块，其被配置为：
·接收使用所述定位系统(6)获得的第一组数据(SD1)，其包括关于被预先附接到所述配准体模(3)附近的所述患者的骨骼的所述参考跟踪器(4)的位置和3D空间方位的数据，以及关于附接到所述至少一个第一可植入元件(5)的所述至少一个第一植入跟踪器(51)的位置和3D空间方位的数据，所述至少一个第一可植入元件(5)被预先刚性地固定到所述患者的身体部位；
·使用所述第一组数据来计算所述患者坐标系(pcS)和所述至少一个第一植入跟踪器的坐标系(cST1)之间的第一刚性变换(RT1)；
·通过对所述至少一个配准图像(IR)应用所述第一刚性变换(RT1)来生成至少一个第一可导航图像(IN)。
2.根据权利要求1所述的数据处理系统，其中，所述配准模块还被配置为使用所述一组2D图像的至少一部分来计算所述患者坐标系(pcS)内的至少一个3D图像。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的数据处理系统，其中，所述变换计算模块还被配置为：
-接收从所述定位系统(6)获得的第二组数据(SD2)，所述定位系统(6)具有附接到预先固定在所述患者的身体部位上的第二可植入元件的第二植入跟踪器，所述第二组数据包括关于所述参考跟踪器的位置和3D空间方位以及所述第二植入跟踪器的3D空间方位的数据；
-使用从所述定位系统(6)获得的所述第二组数据(SD2)来计算所述患者坐标系(pcS)和所述第二植入跟踪器的坐标系(pcT2)之间的第二刚性变换(RT2)；
-通过对所述至少一个配准图像应用所述第二刚性变换来生成至少一个第二可导航图像(IN2)，使得所述至少一个第二可导航图像中所述ROI的每个点在所述至少一个第二植入跟踪器的坐标系(pcT2)中具有已知位置。
4.根据权利要求3所述的数据处理系统，还包括可视化模块，其被配置为接收从所述第一刚性变换(RT1)或所述第二刚性变换(RT2)中选择一个以应用于所述至少一个配准图像(IR)的用户指令。
5.根据权利要求3或4所述的数据处理系统，还包括动态图像校正模块，其被配置为：
-选择所述第一植入跟踪器作为固定参考；
-为所述至少一个第一可导航图像定义包括所述第一植入跟踪器的第一感兴趣子区域和包括所述第二植入跟踪器的第二感兴趣子区域；
-接收使用所述定位系统(6)获得的第三组数据，其包括作为时间函数的关于所述第一植入跟踪器和所述第二植入跟踪器的位置和3D空间方位的数据；
-使用所述第三组数据来计算所述第一植入跟踪器的坐标系(cST1)和所述第二植入追踪器的坐标系(pcT2)之间的作为时间函数的刚性变换；
-将作为时间函数的所述刚性变换应用于所述至少一个第一可导航图像的所述第二感兴趣子区域，以便在时间期间针对所述第一植入跟踪器和所述第二植入跟踪器之间的所述相对位置的任何偏移来动态地校正所述可导航图像。
6.根据权利要求5所述的数据处理系统，其中，使用分割算法或通过用户的手动输入在所述至少一个第一可导航图像上定义所述第一感兴趣子区域和第二感兴趣子区域。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的数据处理系统，其中，每个感兴趣子区域包括所述患者的椎骨，并且所述第一植入元件和所述第二植入元件是固定到每个所述椎骨的椎弓根螺钉。
8.根据权利要求3至6中任一项所述的数据处理系统，其中，所述第一感兴趣子区域和第二感兴趣子区域各自包括所述患者的关节的一部分，并且所述第一可植入元件和所述第二可植入元件是被配置为固定到所述关节的所述部分的骨螺钉。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的数据处理系统，其中，所述一组2D图像包括作为所述感兴趣区域的前后视图的至少一个2D图像和作为所述感兴趣区域的侧视图的至少一个2D图像。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的数据处理系统，还包括导航模块，所述导航模块被配置为使用所述至少一个可导航图像(IN)在所述感兴趣区域中导航包括跟踪器的至少一个手术器械。
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