CN115734762A - 用于辅助用户将穿透设备放置在组织中的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于辅助用户将穿透设备放置在组织中(如将椎弓根螺钉(7)放置在椎骨椎弓根中)的系统(8)。该系统生成在通过组织的模型的路径(21)的方向上的来自组织内的穿透设备尖端透视的虚拟视图(20)。该虚拟视图是基于指示穿透设备的姿态的跟踪信息、模型和路径生成的，其中，该虚拟视图被配置为使得其指示用户在将穿透设备放置在组织中时应当移动穿透设备的方向。例如，其可以示出沿着路径布置的虚拟通道(801)。如果为用户(如外科医生)提供这样的虚拟视图，则用户可以以显著增加的准确度沿着路径定位穿透设备。

Description

用于辅助用户将穿透设备放置在组织中的系统

技术领域

本发明涉及用于辅助用户将穿透设备放置在对象的组织中的系统、方法、计算机程序和包括计算机程序的数据载体。穿透设备可以是要放置在椎骨的椎弓根中的椎弓根螺钉。

背景技术

用于辅助用户将穿透设备放置在组织中的已知系统是例如WO2017/055144A1中公开的用于在脊柱融合手术期间使用的系统。椎弓根螺钉放置是脊柱融合外科手术中的关键步骤，即，由于神经血管结构中的脊柱解剖结构的重要部分对于外科医生是不可见的，因此它具有挑战性并且造成风险。通常，徒手放置椎弓根螺钉，其中外科医生依赖于解剖标志和术前采集的图像，并且其中X射线荧光透视可以用于提供引导并确认适当的螺钉放置。然而，即使使用X射线荧光透视，将椎弓根螺钉准确地定位在椎骨中对于外科医生来说也具有挑战性。

US2014/276001公开了一种用于图像引导的外科手术介入的系统。该系统生成如从诸如椎弓根螺钉的插入设备的尖端看到的视图。该视图被指代为“牛眼视图”，并且它与横向“进度视图”一起被显示。

US2020/054399公开了一种监测设备，其接收实时跟踪信息并将此与减少的解剖表示相关，并且实时位置与减少的解剖表示一起被显示。它涉及导管沿着血管的导航。

发明内容

本发明的目的是提供用于辅助用户将穿透设备放置在组织中(如椎骨的椎弓根中)的系统、方法、可选地包括在数据载体上的计算机程序，其允许更准确地和/或以更小的解剖损伤风险定位穿透设备。

在第一方面，权利要求限定了如权利要求1所限定的系统。

发明人已经发现，在穿透设备通过组织的路径的方向上从组织内(诸如在椎骨的椎弓根内)的穿透设备的尖端的透视生成虚拟视图并且在将穿透设备放置在组织中时向医学从业者(例如外科医生)示出该虚拟视图允许以显著增加的准确度沿着路径定位穿透设备。因此，这可以改进流程结果和/或降低流程成本，例如由于时间减少和/或重复流程以校正错误的次数减少。

在权利要求中，姿态包括穿透设备(优选地穿透设备的尖端部分)的位置(即定位)，并且优选地还有穿透设备(优选地穿透设备的尖端部分)的取向。路径是通过组织模型的虚拟路径，该虚拟路径指示通过组织的路线，穿透设备应当沿着该虚拟路径移动。

第一输入端、第二输入端和第三输入端被配置为将相应的接收到的数据或携带这种数据的数据信号传送到处理器。这些输入端可以都彼此分离，例如以在时间上并行地接收数据/或信号。替代地或另外地，这些输入端中的两个或全部三个可以组合成一个，并且在这种情况下，组合的输入端可以至少部分地串行地接收数据或信号。

在优选实施例中，所述处理器被配置为生成所述虚拟视图，使得它示出所述组织内的虚拟通道，其中所述虚拟通道沿着所述所提供的路径布置，使得所述虚拟视图是所述虚拟通道中的在所述所提供的路径的方向上的视图。因此应注意，实际上通道不在那里，因为假设组织是没有通道的块，特别是骨骼。通道仅仅是用于在放置穿透设备时引导用户的虚拟通道。这允许直观地引导用户，使得他/她沿着所提供的路径放置穿透设备，因为用户试图移动穿透设备，使得他/她“行走”或移动通过通道。这进一步改进了用户在将穿透设备放置在组织中时的辅助。

组织优选是骨骼，特别是椎骨的骨骼。模型优选地是椎骨的模型，其至少示出了椎骨的骨骼部分。优选地，模型提供单元被配置为提供模型，使得它还示出椎骨的另外的结构(如脊髓)和/或相邻结构(如血管)。模型优选地至少示出皮质骨，并且还可以示出松质骨。

在优选实施例中，所述组织是骨骼，并且所述虚拟通道的中空部分表示第一密度的骨骼类型，并且所述虚拟通道的壁表示第二密度的骨骼类型，其中所述第一密度小于所述第二密度。特别地，所述模型可以被提供为使得它区分具有第一密度的第一骨骼组织类型和具有第二密度的第二骨骼组织类型，其中所述第二骨骼组织类型至少部分地包围所述第一骨骼组织类型，并且其中所述虚拟通道被生成为使得所述通道的内部中空部分表示所述第一骨骼组织类型，并且所述通道的外壁表示所述第二骨骼组织类型。

穿透设备优选地是骨骼穿透设备。在实施例中，它是螺钉，如椎弓根螺钉。此外，在实施例中，穿透设备是用于在组织(如骨骼)中产生孔的设备，即仅用于产生孔而不用于永久植入的设备，如锥子、椎弓根探针、克氏针、钻头、丝锥等。穿透设备也可以是被配置为穿透组织(特别是骨骼)的另一种外科手术仪器。设备穿透组织的方式取决于设备的类型。例如，通过旋转结合向下的压力插入椎弓根螺钉、丝锥或钻头，而克氏针可以被锤击。

所述路径提供单元优选地被配置为提供通过所述椎骨的所述模型的椎弓根的路径。

所述跟踪信息提供单元可以是用于从另一设备(如跟踪设备)接收跟踪信息并提供接收到的跟踪信息的接收单元。跟踪信息提供单元本身也可以是跟踪设备。跟踪设备可以是例如光学跟踪设备、电磁跟踪设备等。

所述模型提供单元可以被配置为从另一设备接收所述三维模型，并且提供接收到的三维模型。该另一设备可以是其中存储三维模型的存储单元，或它可以是被配置为实际上例如基于组织(特别是骨骼)的图像以及可能地周围结构(如三维医学图像，诸如计算机断层摄影图像、磁共振图像等)来生成三维模型的设备。模型提供单元本身也可以是被配置为生成三维模型的设备。

因此，所述模型提供单元可以被配置为提供组织的图像并且对组织的图像进行分割，以便生成模型。所述模型提供单元可以被配置为从成像系统(如计算机断层摄影成像系统或另一解剖成像系统)接收组织的图像，对接收到的所述组织的图像进行分割以用于生成模型，并且提供所生成的模型。然而，模型提供单元本身也可以被配置为采集图像并且然后对所采集的图像进行分割，以便生成模型。

所述路径提供单元可以被配置为从另一设备接收路径，并提供接收到的路径。该另一设备可以是例如存储路径的存储单元或被配置为生成路径的设备。路径提供单元本身也可以包括存储单元，或被配置为生成路径并提供所生成的路径。在后一种情况下，路径提供单元优选地适于基于所提供的三维模型来生成路径。

为了生成虚拟视图，将跟踪信息、所提供的模型和所提供的路径彼此配准。如果所提供的模型和所提供的路径都已经基于组织的相同图像生成，或如果所提供的路径已经基于所提供的模型生成，则所提供的模型和所提供的路径彼此自动配准。否则，它们可以通过使用已知的配准技术彼此配准。为了将跟踪信息与所提供的图像配准并且因此与所提供的模型和所提供的路径配准，可以例如通过使用在图像中可识别并且可由跟踪设备跟踪的标记来将跟踪设备与图像配准。然而，其他已知的配准技术也是可能的。

所述路径提供单元优选地被配置为至少基于如由所述模型定义的所述组织的形状和尺寸来计算所述路径。在优选实施例中，所述组织是包括椎弓根的椎骨的骨骼，其中所述模型提供单元被配置为提供包括所述椎弓根的所述椎骨的所述骨骼的三维模型作为所述模型，并且其中所述路径提供单元被配置为基于由所述模型提供的所述椎弓根的形状和尺寸来计算所述路径。特别地，所述路径提供单元被配置为将沙漏形模型映射到由所述模型提供的所述椎弓根，并且基于所映射的沙漏形模型来计算所述路径。此外，所述路径提供单元可以被配置为还基于如由所述模型提供的所述椎骨的所述骨骼的主体的端板的取向来计算所述路径，其中当人站立时，所述端板在所述椎骨的顶部且在所述椎骨之下。这允许提供路径，使得如果穿透设备沿着该路径准确地放置，则很可能不会发生皮质破坏和对相邻结构的负面影响。

在实施例中，所述处理器被配置为基于跟踪信息并且基于所提供的路径生成指示a)穿透设备的当前姿态与b.1)如由路径限定的穿透设备的目标姿态之间的几何关系的可视化，和/或基于跟踪信息并且基于所提供的感兴趣区域的姿态生成指示a)穿透设备的当前姿态与b.2)所提供的组织内的感兴趣区域的姿态之间的几何关系的可视化。此外，所述处理器可以被配置为生成可视化，使得它包括几何关系在虚拟视图上的叠加。这允许进一步改进辅助用户将穿透设备放置在组织中，从而进一步降低例如皮质破坏或周围结构损伤的可能性。

所述处理器可以被配置为基于所提供的模型和所提供的跟踪信息来确定所提供的路径与如由所述跟踪信息指示的所述穿透设备的位置之间的距离，并且基于所确定的距离来生成信号。如果路径沿着椎弓根的中心旋转轴布置，则这对应于基于所提供的模型和所提供的跟踪信息确定椎弓根的中心旋转轴与如由跟踪信息指示的穿透设备的位置之间的距离，并且对应于基于所确定的距离生成信号。该距离可以被定义为穿透设备的尖端与所提供的路径之间的最短距离。该信号可以是在所确定的距离大于预定义阈值的情况下被生成的警告信号。如果距离小于预定义阈值，则也可以生成信号，以便指示用户“在正确的轨道上”。信号可以是声学和/或光学信号。这可以进一步确保穿透设备沿着路径在组织内，并且不会不利地影响周围结构，如脊髓。

在另一优选实施例中，所述处理器被配置为基于所提供的路径和所提供的模型来确定所述穿透设备进入所述组织(如椎骨的骨骼)的期望进入角度，基于所提供的跟踪信息和所提供的模型来确定所述穿透设备进入所述组织的当前进入角度，确定所述期望进入角度与当前进入角度之间的偏差，并且根据所确定的偏差来生成信号。这可以确保穿透设备以允许沿着所提供的路径放置穿透设备的角度植入组织中，从而进一步增加将穿透设备定位在组织内的准确度。

在实施例中，所述组织是骨骼，并且所述系统还包括接近度信息提供单元，所述接近度信息提供单元被配置为提供指示所述穿透设备与皮质壁之间的距离的接近度信息，其中所述接近度信息已经基于在所述穿透设备的尖端处执行的测量来确定，其中所述模型提供单元被配置为提供所述模型，使得它示出所述骨骼的所述皮质壁，其中所述处理器被配置为基于所提供的模型和由所述跟踪信息指示的所述穿透设备的位置来确定所述穿透设备与所述皮质壁之间的距离，确定由所提供的接近度信息指示的距离与所确定的距离之间的偏差，并且基于所确定的偏差来确定指示所生成的虚拟视图的准确度的准确度指示符。例如，可以基于阻抗感测来确定接近度信息。可以向用户显示准确度指示符或取决于准确度指示符的信号，如光学和/或声学信号。特别地，可以向用户指示准确度指示符是否指示所生成的虚拟视图的准确度小于预定义阈值。这导致进一步改进在植入穿透设备时对用户的辅助。所述处理器可以被配置为通过调整如由所提供的跟踪信息指示的所述穿透设备的所述姿态来调整所述虚拟视图，使得所述准确度指示符指示增加的准确度。这进一步增加虚拟视图的准确度，并且因此进一步改进在放置穿透设备时对用户的辅助。

在实施例中，所述系统还包括组织信息提供单元，所述组织信息提供单元被配置为提供关于通过使用所述穿透设备感测到的组织类型的组织类型信息，所提供的模型示出不同的组织类型，其中所述处理器被配置为基于所提供的模型和所提供的跟踪信息来确定预期组织类型，确定所述预期组织类型与如由所提供的组织类型信息定义的组织类型是否彼此匹配，并且如果所述组织类型不匹配，则生成指示所述不匹配的信号。例如，信号可以是用于在存在指示不准确的虚拟视图的这种不匹配的情况下警告用户的声学和/或光学信号。特别地，如果组织类型匹配，则虚拟视图的边界可以用第一颜色着色，并且如果组织类型不匹配，则虚拟视图的边界可以用第二颜色着色。

在实施例中，所述系统包括组织信息提供单元，所述组织信息提供单元被配置成提供关于通过使用所述穿透设备感测到的组织类型的组织类型信息，其中所述处理器被配置成生成所述虚拟视图，使得它还指示所述感测到的组织类型。此外，所述模型提供单元可以被配置为提供所述模型，使得它还示出风险结构，其中所述处理器可以被配置为针对所述模型的多个区域根据相应区域到所述风险结构的距离来确定风险值，并且在所述虚拟视图中的所述多个区域中指示所确定的风险值。在示例中，风险结构可以是皮质骨，因为皮质骨不应当被破坏。然而，风险结构也可以是血管、脊髓等。例如，可以通过将风险值分配给颜色并通过相应地对虚拟视图的对应部分进行着色来指示风险值。这向用户显示了在将穿透设备放置在组织中(特别是在椎骨中)时应当避开哪些区域，从而提供了进一步改进辅助用户放置穿透设备。

在本发明的另一方面，提出了一种用于辅助用户将穿透设备放置在组织中的方法，其中所述方法包括：

-提供指示所述穿透设备的三维姿态的跟踪信息，

-提供所述组织的三维模型，

-提供通过所述模型的路径，并且

-基于所提供的跟踪信息、所提供的模型和所提供的路径从所述组织内的所述穿透设备的尖端的透视在所提供的路径的方向上生成虚拟视图，其中所述虚拟视图被配置为使得它指示所述用户在将所述穿透设备放置在所述组织中时应当移动所述穿透设备的方向。

在本发明的另一方面，提出了一种用于辅助用户将穿透设备放置在组织中的计算机程序，其中所述计算机程序包括程序代码模块，当所述计算机程序在控制根据权利要求1至13中的任一项所述的系统的计算机上运行时，所述程序代码模块用于使所述系统执行根据权利要求14所述的方法的步骤。

应当理解，根据权利要求1所述的系统、所述权利要求14所述的方法和所述权利要求15所述的计算机程序具有相似和/或相同的优选实施例，特别地是从属权利要求中所限定的。

应当理解，本发明的优选实施例也能够是独立权利要求或以上实施例与相应从属权利要求的任何组合。

参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将是显而易见的并且得到阐述。

附图说明

在以下附图中：

图1示意性且示例性地示出了用于辅助用户将穿透设备放置在椎骨中的系统的实施例，

图2示意性且示例性地示出了椎骨，其中椎弓根螺钉放置在椎骨内，

图3示出了具有不准确放置的椎弓根螺钉的椎骨的图像，

图4图示了要用于辅助用户将椎弓根螺钉放置在椎骨中的虚拟视图的生成，

图5图示了椎弓根螺钉应当沿着其布置的椎骨内的路径的确定，

图6图示了椎弓根螺钉应当沿着其布置的椎骨内的路径的另外的确定，

图7图示了所生成的视图如何随着在椎骨的椎弓根中推进椎弓根螺钉而改变，

图8图示了光学跟踪设备与预先采集的医学图像切片的配准，

图9图示了要用于辅助用户放置用于在椎骨中生成孔的仪器的虚拟视图的生成，

图10示意性且示例性地示出了具有组织感测功能的椎弓根螺钉，

图11示意性且示例性地示出了具有不同颜色边界的虚拟视图，

图12示意性且示例性地示出了叠加在虚拟视图上的风险热图，并且

图13示出了示例性地图示用于辅助用户将穿透设备放置在椎骨中的方法的实施例的流程图。

具体实施方式

图1示出了如所要求保护的用于辅助用户将椎弓根螺钉形式的穿透设备植入椎骨的骨骼中的系统的实施例。

在图2中示出了具有椎弓根螺钉7的椎骨1。椎骨1包括皮质骨2、松质骨3、椎骨主体4、椎弓根5和脊髓6。椎弓根螺钉7通常以微小的内侧角度放置，穿过椎弓根5并进入椎骨主体4直到椎骨1的前侧上的皮质骨2。在图2中，当椎弓根螺钉7如图所示的那样在左手侧和右手侧的外边界之间具有一定距离的情况下在中间区域中穿透椎弓根5时，椎弓根螺钉7被准确地定位在椎骨1内。

图3示出了两个椎弓根螺钉已经以不正确的方式植入其中的椎骨的计算机断层摄影图像。可以看到左椎弓根螺钉107穿过左椎弓根边界，并且因此在其右侧部分地穿透椎管6，使得它在进入椎骨主体之前已经引起内侧裂口。这种不正确的放置能够引起神经损伤，具有许多伴随症状，诸如疼痛和功能丧失。右侧所示的椎弓根螺钉108也已经被不正确地放置。在这种情况下，螺钉右侧的椎弓根5位置处的皮质骨已被轻微破坏。尽管与螺钉107相比，这通常是不太严重的内侧裂口，并且常常不提供重新执行手术的原因，但是与当螺钉准确地放置在椎弓根5的左末端和右末端(外壁)两者之间时相比，它仍然可以提供机械上不太稳定的结果。

所公开的系统的实施例应当辅助用户(如外科医生)将椎弓根螺钉植入椎骨中，使得例如可以避免如针对螺钉107和/或108所示的不正确放置，或可以减小不正确放置的程度。

图1的系统8包括跟踪信息提供单元9，该跟踪信息提供单元9被配置为提供指示穿透设备7的三维姿态的跟踪信息。在该实施例中，跟踪信息提供单元9是被配置为从光学跟踪设备40接收跟踪信息并将接收到的跟踪信息提供给跟踪信息提供单元9的接收器。

在图4中示出了光学跟踪系统40的实施例。它包括两个相机41、42和处理器43以用于确定用于将椎弓根螺钉7植入椎骨1中的外科手术仪器601的姿态。该处理器具有被配置为接收相机的数据的一个或多个输入端和用于向系统8提供光学跟踪数据的输出端。

外科手术仪器601和/或椎弓根螺钉(当仍然在相机的视场中时)在由相机41、42采集的图像中可见，并且处理器43被配置为基于由相机41、42采集的图像确定外科手术仪器601的姿态并且因此随之确定椎弓根螺钉7的姿态，和/或直接确定椎弓根螺钉的姿态(当仍然在相机的视场中时)。因此，处理器可以能够自动识别外科手术仪器及其在图像内的取向。替代地或另外地，仪器和/或椎弓根螺钉可以具有标记70(例如光学标记)，其可以由相机识别并且位于仪器和/或椎弓根螺钉的限定区域上，使得它们可以帮助确定图像中的仪器和/或椎弓根螺钉的取向。处理器43还被配置为经由其输出端将对应的跟踪信息发送到系统8的跟踪信息提供单元9。如前文所述，标记可以附接到椎弓根螺钉7。然而，优选的是，标记被提供在用于放置螺钉的仪器(如螺丝刀)上。椎弓根螺钉通常刚性地附接到仪器，使得它相对于仪器定向地固定。然而，也可以针对骨骼穿透跟踪不是螺丝刀的其他类型的仪器。

在该实施例中，使用基于光学原理的跟踪设备。然而，替代地或另外地，可以使用在不同原理上操作但能够提供姿态的跟踪设备。例如，可能使用电磁跟踪设备、光学形状感测跟踪设备、基于惯性移动单元的跟踪设备等。

在该实施例中，椎弓根螺钉7刚性地连接到外科手术仪器601，其中椎弓根螺钉7和外科手术仪器601之间的空间关系(包括其相互取向)是已知的。处理器具有输入端以用于接收例如由用户经由用户接口提供的、或来自存储在存储器中的查找表的、或来自当螺钉和仪器都在相机的视场中时由相机41和42提供的图像的确定的这样的信息。使用该空间关系数据，处理器43可以基于如根据从相机接收的图像数据确定的仪器601的姿态来确定椎弓根螺钉7的姿态。所确定的椎弓根螺钉7的姿态可以仅是指椎弓根螺钉7的尖端的位置。然而，它也可以是指椎弓根螺钉7的位置和取向，特别是整个椎弓根螺钉7的位置和取向。

系统8还包括模型提供单元10，在该实施例中，模型提供单元10采用计算机或数据处理器的形式，其被配置为根据从包括要植入椎弓根螺钉的对象的椎骨的区域获得的影像来提供椎骨1的三维模型19，其中模型19示出了皮质骨2并且还可能示出了脊髓6。影像可以是具有适合于生成这种模型的特性的任何类型的影像。例如，它可以是根据已知原理使用X射线、CT、MRI、超声等模态中的一种或多种在术前从对象的相关区域获得的影像。由于更高的分辨率和/或对比度可能导致更精确的模型，因此X射线或CT影像常常是优选的。

计算机或数据处理器被配置有接收(在这种情况下)椎骨1的X射线影像18的输入端，并且还适于对影像18进行分割以基于分割来生成椎骨1的模型19。例如，计算机或数据处理器可以被配置为处理影像18内的一组解剖2D图像，以用于生成椎骨的模型。替代地，计算机或数据处理器被配置为具有接收已经分割的影像的输入端，使得计算机或数据处理器适于基于接收到的经分割影像来生成模型。在所有情况下，已知的分割技术可以用于对椎骨1的不同部分进行分割，并且特别是用于对皮质骨2以及可能地脊髓6进行分割。已知的分割技术可以基于例如本领域中已知的形状约束的可变形模型。此外，可以使用本领域中已知的技术来生成模型的三维或二维表示。

在实施例中，模型是椎骨的简单骨骼模型，其中椎骨中的包含脊髓的“空隙”表示用户需要在流程期间避免穿透的区域。在这种情况下，脊髓不被建模或从模型中排除，使得它不被表示。因此，模型可以仅是图像中的经分割的骨骼，这可以简化分割和模型生成，特别是在基于X射线或基于CT的影像中。

系统8还包括路径提供单元11，路径提供单元11被配置为提供通过椎骨1的模型19的椎弓根5的路径21，其中路径是椎弓根螺钉应当跟随的轨迹以准确地放置在椎骨中。特别地，路径提供单元11被配置为基于如由模型19提供的椎弓根的形状和尺寸来计算路径21。例如，路径提供单元11可以被配置为将沙漏形模型22映射到由模型提供的椎弓根5，并且基于映射的沙漏形模型22来计算路径21。这将参考图5更详细地描述。

图5图示了可以如何计算路径21，即期望的椎弓根螺钉轨迹。在图5的左上角，图示了具有椎弓根5的椎骨1，椎弓根螺钉7需要放置在椎弓根5中。根据所采集的对象的椎骨区域的X射线或CT影像18，生成椎骨1的三维模型19，其中椎弓根5在三维中被建模。使用体积配准或3D配准将椎弓根5的沙漏形模型22拟合到椎弓根5。因此，通过使用体积配准，椎弓根5的形状被映射到沙漏形椎弓根模型22，或反之亦然。然后确定路径21，使得它跟随通过沙漏形椎弓根模型22的中心的沙漏形椎弓根模型22的旋转轴。如果用户跟随该路径，即期望的轨迹，则椎弓根螺钉7以破坏皮质骨的最小风险直接通过椎弓根5的中心放置。此外，沙漏形椎弓根模型可以被取向为使得椎弓根螺钉要跟随的期望轨迹结合椎弓根螺钉相对于椎骨的尺寸的长度被选择为使得当插入时，椎弓根螺钉前尖端刚好在与入口位置相对的椎骨的一侧到达皮质骨2。这提供了螺钉在椎骨内的良好稳定性。

路径提供单元11还可以适于以另一种方式确定路径。例如，WO2017/186799A1中公开的技术可以用于确定路径。路径提供单元11还可以被配置为还基于如由模型19提供的椎骨的主体的端板的取向来计算路径21。椎骨端板(即椎骨的主体的端板)是椎骨主体的顶部和底部部分，如果人站立，则椎骨主体的顶部和底部部分与椎间盘接合。路径提供单元11可以适于首先基于如上所述的沙漏形椎弓根模型22在轴向平面中确定椎弓根螺钉7的理想方向。这在图6的左侧部分中示意性且示例性地图示。路径提供单元11还可以被配置为其次将螺钉路径21的方向平行于从椎骨分割获得的(即如由模型19提供的)椎骨主体的端板61、62对准。该对准在图6的右侧部分中图示，其中附图标记60指示椎管。端板61、62可以被限定为布置在相应椎骨的相对侧上的两个平行平面，其中椎骨的这些侧是椎间盘所位于的侧。

透视图提供单元

系统8还包括被配置为从椎弓根螺钉7的尖端的透视生成虚拟视图20的处理器14，其中虚拟视图至少部分地包括在路径21的方向上。虚拟视图基于所提供的跟踪信息、所提供的模型19和所提供的路径21。为了生成虚拟视图，将跟踪信息、所提供的模型和所提供的路径彼此配准。如果所提供的模型和所提供的路径都已经基于椎骨的相同图像生成，或如果所提供的路径已经基于所提供的模型生成，则所提供的模型和所提供的路径彼此自动配准。否则，它们可以通过使用已知的配准技术彼此配准。为了将跟踪信息与所提供的图像配准并且因此与所提供的模型和所提供的路径配准，跟踪设备40可以例如通过使用在图像中可识别并且可由跟踪设备40跟踪的标记与图像配准。然而，其他已知的配准技术也是可能的。

例如，所提供的图像18的图像数据坐标与利用跟踪设备40获得的椎弓根螺钉7的坐标(特别是椎弓根螺钉7的尖端的坐标)之间的配准提供了对应的坐标映射，其可以由处理器14用于生成虚拟视图20，即，为用户提供视觉导航引导。换句话说，所提供的图像18之间并且因此三维椎骨模型19与路径21之间的坐标映射以及由跟踪设备40提供的椎弓根螺钉7的尖端坐标可以用于从椎弓根螺钉7的尖端的透视为用户提供虚拟视图20。

生成虚拟视图20，使得它指示用户在将穿透设备放置在椎骨1中时应当移动穿透设备的方向。特别地，处理器14被配置为生成虚拟视图20，使得它示出椎骨1内的虚拟通道801，其中虚拟通道801沿着所提供的路径21布置，使得虚拟视图20是虚拟通道801中的在所提供的路径21的方向上的视图，以便指示用户在将穿透设备放置在椎骨1中时应当移动穿透设备的方向。应当注意，虚拟通道801不是真正存在的。它仅用于直观地引导用户。在另一实施例中，还可以生成虚拟视图，使得它以另一方式指示用户在将穿透设备放置在椎骨1中时应当移动穿透设备的方向。例如，通常，虚拟视图可以示出用户应当居中的元素，即，用户应当操纵穿透设备，使得元素中心地位于所生成的虚拟视图21中。要居中的该元素也可以是虚拟通道的虚拟端。

虚拟视图20对应于椎骨1内部的虚拟视点，使得生成螺钉尖端透视或螺钉尖端附近的内部透视。与通常也可以在导航辅助脊柱外科手术流程中使用的二维横截面或三维轮廓图像相比，来自内部透视的这种表示是不同的。在该实施例中，椎弓根5在虚拟视图20中呈现为管或通道，其中优选地，通道的内部部分具有与通道的远侧部分不同的外观，如不同的颜色。这将在下文中参考图7进一步解释。

图7示意性且示例性地图示了在将椎弓根螺钉(相机)朝向并通过椎弓根(管表示椎弓根的外边界并且沿着椎弓根螺钉需要跟随以便正确植入的计算的路径对准)导航的若干阶段期间，借助于使用相机(表示虚拟视图)从椎弓根螺钉的尖端在椎弓根螺钉的纵向轴的方向上虚拟视图(图7顶部的图片A至F)看起来像什么。因此，顶部处的虚拟视图A至F与图7的底部部分处的情况A至F相对应。因此，虚拟视图可以用作用于螺钉朝向期望的椎弓根进入点的导航并且用于其取向和与期望的路径对齐的引导，使得它沿着期望的路径穿透。特别地，在从后侧(姿态A)接近椎弓根时，虚拟视图帮助将仪器与规划的轨迹对准(姿态B)。通过使“通道的端部”居中(姿态C至F)，用户将自动跟随规划的轨迹，即规划的路径21。

如上所述，跟踪信息、所生成的模型和计算的路径彼此配准。该配准可以以任何合适的方式完成。在一个优选实施例中，利用基于光学跟踪设备40的坐标系与影像18的坐标系之间的映射的配准，所述映射由在影像18中、以及在由跟踪设备提供的跟踪数据中可见或可识别的基准或标记辅助。将参考图8描述该优选映射的示例。

在图8中，图示了光学跟踪系统40至少跟踪患者身体上的基准901的位置，并且可选地，但优选地可能还跟踪基准901的取向，其中这些基准901在影像18中作为基准图像902也是可见的。在这种情况下，影像18是具有例如使用上述成像模态中的一个或多个记录的一堆二维图像的三维图像集。如前所指示的，跟踪设备40还记录基准901位置，并且可选地但优选地记录取向，以将这些包含在跟踪信息中。因此，基准901的位置和取向(如果也被跟踪的话)在光学跟踪系统40和影像18的坐标系中是已知的，并且可以被系统8的处理器14用作相互参考，以用于将跟踪信息(的分段)或其分段与影像或其分段配准。在图8中，配准由双箭头70指示。

在参考例如图4描述的实施例中，穿透设备是椎弓根螺钉。然而，通常对于本发明或其实施例，穿透设备也可以是另一种设备，例如适于在椎弓根中产生孔的仪器。此类仪器的示例是钻头、锥子、椎弓根探针、克氏针等。如图9中示意性且示例性地示出的，用于椎弓根孔产生的仪器602包括要由光学跟踪设备40跟踪的光学标记70，其中光学标记70刚性地连接到仪器602的近端部分，即与远侧部分相对的部分，也称为用于突出到椎骨中的尖端。该仪器602的跟踪技术可以以与针对图4中的仪器601和/或椎弓根螺钉7所描述的类似的方式完成。因此，在处置期间仪器602的导航的虚拟视图引导可以以与本文之前针对仪器601和/或椎弓根螺钉的导航的引导所描述的相同的方式执行。

在处置需要多次操纵(诸如孔产生和螺钉植入)的情况下，两者的配准可能需要不同的跟踪数据，因为仪器可能彼此不同并且流程按时间顺序发生，但是可以利用相同的影像18并且可以利用相同的产生的模型和/或计算的路径。然而，应注意，在一些情况下，视图中的投影管的边界可能不同。

上文的虚拟视图包括计算的路径和边界的通道表示。可以另外地或替代地存在其他指示符。因此，指示符描绘规划的路径和/或目标区域。而且，虚拟视图透视的方向可以用中间的点或与仪器的穿透方向(诸如孔产生方向或椎弓根螺钉轴)对准的透视轴来指示。这样的指示符可以由处理器计算，并且作为输出作为到虚拟视图的叠加提供给用户。

处理器可以可选地被配置为生成用于表示外部视图的另外的虚拟视图，即来自与螺钉视点的尖端不同的外部视点的视图。在图4和9中图示了这种另外的虚拟视图301的示例。在该视图中，根据与用于计算模型19的相同的影像18和跟踪信息来计算相关解剖结构的一部分的模型，但是当模型不同时可以使用这样的图像和信息的不同部分(例如，不同的分割)。如果模型相同，则可以使用相同的模型来生成不同的透视和虚拟视图。再一次，计算的路径和沿着仪器穿透路径的虚拟轴可以在另外的虚拟视图中以良好配准被示出为叠加。

在实施例中，向用户提供另外的虚拟视图301和虚拟视图801两者。

在所有所描述的实施例和其他实施例中，路径的计算和虚拟视图的生成可以不止一次地完成。优选地，它们周期性地或甚至连续地(诸如实时地)完成。每次更新或再生越多，可以越好地执行导航的引导。以这种方式，可以提供在由诸如医学从业者的用户执行的实际处置期间的指导的电影风格表示。

系统8还包括用于由用户输入数据的一个或多个用户接口15(例如鼠标、键盘、语音控件、触控板等)和/或用于向用户输出数据的一个或多个用户接口XXX(例如扬声器、触觉输出设备或用于显示静止或视频形式的虚拟视图的一个或多个显示器)。

系统8还可以包括被配置为提供指示在使用期间由穿透设备感测到的组织类型的组织类型信息的组织信息提供单元13。具体地，组织信息提供单元13适于从处理器102接收组织信息，该处理器102已经基于接收到的光的光谱特性确定了组织类型。因此，在该实施方案中，组织信息提供单元13是用于从处理器102接收对应信息的接收器，该处理器102适于处理从穿透设备的尖端接收的信号以用于确定组织类型信息。

在图10中示意性且示例性地示出了这样的处理器102。

图10中示出了组织信息提供单元的示例。在这种情况下，该单元与椎弓根螺钉100组合示出，但是它可以与其他仪器一起使用。椎弓根螺钉在其内具有沿着椎弓根螺钉的纵向中心(不一定是中心定位)轴延伸的管腔或中空轴103，并且在螺钉的远侧(尖端)端部和螺钉的近侧(头部)端部处具有开口。定位在该轴内的是具有单元13的光学传感器设备101的尖端的管心针。管心针被定位成使得光学传感器能够从远侧螺钉尖端的外部感测其尖端处的光学信号，并且可选地，还能够将光学信号从该管心针尖端发射到远侧螺钉尖端的外部中。光学设备还包括可移除地连接到信号接收/发送接口102的输入端/输出端的波导(例如，光导)。波导适于将光学信号从接口102运输(例如引导)到管心针的尖端，并且将任何感测到的光学信号从管心针的尖端运输(例如引导)到接口102。在这种情况下，光学设备101可从椎弓根螺钉的轴103移除，使得例如在将椎弓根螺钉放置在椎弓根中之后，它可以从椎弓根螺钉移除，并且可能再次用于放置下一个椎弓根螺钉。滑动动作可以用于在轴的近侧开口处移除和/或插入光学设备。可以存在用于将光学设备(或该光学设备的管心针)暂时固定在轴内从而便于在用户放置螺钉期间使用单元13的任何合适种类的锁定机构(例如，位于螺钉头部处的夹持件)。

信号接收/发送接口适于从光学传感器设备的波导接收光学信号，并且可选地但优选地还将光学信号发送到光学传感器设备的波导中。接口还能够基于所接收的光学信号输出感测到的数据信号，该传感器数据信号可以是由处理器处理的信号。同样，如果接口也能够发送光学信号，则它适于从可以由处理器处理的所接收的发送数据信号生成这样的光学信号。

信号数据处理器适于处理感测到的数据信号，以从它提取指示椎弓根螺钉207的尖端前方的组织类型的一个或多个参数。然而，接口并且随之单元13也可以包括信号数据处理器。

随后将一个或多个指示发送到系统8的另外的部分。

通常，接口102因此可以简单到能够将光学信号转换成电信号(以用于处理)，并且反之亦然，并且因此作为信号转换器操作。在这种情况下，信号数据处理器可以是系统的一个中央处理器的一部分，并且甚至集成在系统的一个中央处理器中。在另一实施例中，信号数据处理器可以是接口102和/或单元13的一部分。然后，单元13将组织类型的指示提供给中央处理器。

将清楚的是，也可以采用实施组织感测功能的其他方式。因此，例如，可以使用不一定具有波导并且使其接口位于螺钉尖端处的二极管型传感器，而电导线穿过轴以连接到处理器102。还可以使用其他感知实施例。

具有如上例示的感测功能的穿透设备可以与关于图4和9解释的虚拟视图生成原理一起使用。为此目的，通过利用跟踪信息将感测到的组织类型信息与虚拟视图配准。例如，通过记录光学测量(光学传感器数据的采集)的时间戳并将这样的时间戳与特定跟踪信息的时间戳进行比较使得能够推断完成测量的姿态。因此，在一个特定实例处感测到的组织类型可以与该特定实例的姿态相关，恰如穿透的几何可以与如前所述的姿态相关。

在实施例中，模型19被提供为使得它针对椎骨1内的不同位置示出椎骨1的所谓的预期组织类型。这样的预期组织类型可以基于从外部数据库已知的预定数据或以其他方式可用的术前数据。例如，一些类型的成像模态可以提供包括空间分辨的组织类型数据的影像18。特定示例可以是谱CT或MRI。在该实施例中，处理器14适于确定应当出现在属于特定姿态的虚拟视图内的某些位置处的一个或多个预期组织类型，例如，它可以确定视图内的与计算的路径和/或通道视图的外边界相对应的位置处的预期组织类型。然后，该系统还被配置为能够将预期组织类型与使用光学传感器设备确定的组织类型进行比较，并且向用户提供指示对应于虚拟视图内和/或所示出的模型上的特定位置的预期和感测的组织类型的匹配程度的一个或多个匹配指示。如果不存在或存在倾倒性匹配，则匹配指示可以用对应的输出向用户表示这一点，并且同样地，如果匹配良好或完美，则可以提供另一匹配指示。输出可以是二值的以便指示不良匹配/良好匹配，或具有多个级别或连续级别以指示进一步的匹配程度。在这种情况下，可以使用可以表示这种匹配标度的任何指示，例如数值的数字或模拟输出或诸如利用热图的颜色方案。也可以使用其他输出。例如，可以使用数值或模拟颜色方案或数值方案的输出。用户输出可以是例如触觉输出、音频输出或视觉输出的形式。特别地，视觉输出是优选的。它可以作为虚拟视图的一部分提供。

利用图11描述了用于向用户提供匹配指示输出的一个优选实施例。图11示出了两个虚拟视图20。在左侧示出的视图中，测量的和预期的组织类型具有被认为是良好的匹配，并且这由具有第一颜色401的虚拟视图20的边界指示。在左侧示出的视图中，测量的和预期的组织类型具有被认为不如左侧示出的视图的匹配好的匹配，并且因此右侧示出的虚拟视图20的边界用不同于第一颜色的第二颜色402着色。如前文所指示的，可以使用热图着色标度来表示匹配程度，其中例如红色指示比绿色或蓝色(如用401)更不好的匹配(如用402)。

因此，对虚拟视图的边界进行着色可以用于指示穿透设备的尖端处的组织感测信号是否与最初从医学成像获得的信息一致。例如，如绿色401的一种颜色可以意味着如从模型并且因此从医学成像和导航信息导出的尖端处的骨骼类型与基于尖端处的组织感测估计的骨骼类型匹配。以相同的方式，两种类型的信息的不匹配导致另一种颜色(如红色402)，以警告用户这种不一致。当然，在上述实施例中可以替代地或另外地使用不同类型的阴影。

组织感测可以基于例如漫反射光谱(DRS)、超声、阻抗测量等。

处理器14还可以被配置为生成虚拟视图20，使得它还指示一个或若干个感测的组织类型。特别地，组织类型信息(即，组织感测信息)可以与跟踪信息(即，与通过光学跟踪设备40获得的三维空间信息)共同配准，从而允许将组织感测信息映射到三维坐标系上并产生场景的组织感测丰富的虚拟视图。

处理器14还可以被配置为基于所提供的组织类型信息和所提供的跟踪信息来针对椎骨的多个区域确定如果被穿透设备触碰则产生破坏风险，并且在虚拟视图中的多个区域中指示所确定的风险。因此，组织类型信息(即组织感测信息)可以用于计算在皮质骨中产生破坏风险。三维映射的组织感测信息和所导出的参数(如破坏风险)可以转换为用于生成例如投影和/或叠加在呈现给用户的虚拟视图上的热图的色调。例如，如图12中示意性且示例性地图示的，具有更高破坏风险的区域可以以特定颜色501(如红色)着色，而具有产生皮质破坏的更低风险的区域可以以另一种颜色502(如绿色)着色。

因此，在骨骼穿透设备的尖端处，可以存在提供针对破坏风险的度量的组织传感器。例如，通过使用光谱法或电阻抗，可以估计组织类型，以便指示尖端是否靠近皮质骨。然而，这是一维(即点)测量。在穿透组织之前，没有传感器数据可用，因此三维模型尚未用该信息丰富。如果在流程期间随时间记录仪器尖端的姿态(即三维位置和取向)，则这可以用于用表示破坏风险的数据点填充模型的三维坐标系。破坏风险可以例如基于到皮质骨的距离来计算，即风险可以随着到皮质骨的距离的减小而增加。以这种方式，在流程期间，传感器数据可以用于为三维模型提供颜色，其中相应的颜色表示相应的风险。这种着色可以实时完成并在穿透组织时实处给用户，如图12所指示的，并且颜色可以优选地保持在那里直到流程结束；除非有随时间“忘记”某些信息的好理由；例如，在有理由相信数据随时间变得较不可靠的情况下；或在相同姿态下的可以用于更新风险简档的新数据。

应当注意，通常穿透设备的尖端不能在骨骼中自由移动，因为它不是“空隙”。然而，能够发生的是，设备在被放置时已经太靠近虚拟通道的壁，并且用户已经决定缩回穿透设备并以不同的方式重新插入它。在这种情况下，对已经被触碰并发现有风险的壁/通道的某些部分进行着色的方法是非常有帮助的。

模型提供单元10可以被配置为提供模型，使得它还示出关键结构，如椎骨周围的血管。处理器14可以被配置为还在所生成的虚拟视图中示出关键结构。因此，可以通过从医学图像18获得的另外的解剖信息来丰富来自设备尖端透视的虚拟视图。例如，基于三维医学图像数据18，不仅对感兴趣的椎骨1的骨骼进行分割，而且还对另外的关键解剖结构(如主动脉、椎管等)进行分割。例如，处理器14可以被配置为致使椎弓根壁半透明并描绘壁后面的关键结构。处理器14还可以被配置为将椎弓根壁和关键结构之间的空间关系转换成三维风险图，该三维风险图可以被转换为用于生成热图的颜色方案，该热图可以被投影和/或叠加在呈现给用户的虚拟视图上。此外，可以从医学图像18获得的如骨骼质量参数(例如，骨质疏松症、密度等)的另外信息可以用于丰富被呈现给用户的虚拟视图。处理器14可以被配置为用特定颜色(如红色)对靠近重要解剖结构的区域进行着色，并且用另一种颜色(如绿色)对不靠近重要解剖结构的区域进行着色。因此，处理器14可以被配置为根据所示区域到重要解剖结构的距离来计算风险，并且根据所确定的风险来对这些区域进行着色。

在实施例中，系统8还可以包括被配置为提供指示穿透设备(特别是穿透设备的尖端)与皮质壁之间的距离的接近度信息的接近度信息提供单元12，其中已经基于在穿透设备的尖端处执行的测量确定了接近度信息。例如，穿透设备可以适于感测穿透设备的尖端处的电阻抗，其中穿透设备可以电连接到处理器，该处理器提供用于测量电阻抗的电流，并且该处理器处理测量的电阻抗以便确定穿透设备和椎弓根皮质壁之间的距离。该距离可以作为接近度信息被发送到接近度信息提供单元12，接近度信息提供单元12然后可以提供接近度信息。

处理器14被配置为基于所提供的模型19和如由所提供的跟踪信息指示的穿透设备的位置来确定穿透设备和椎弓根皮质壁之间的另一距离。然后，处理器14可以适于确定由所提供的接近度信息指示的距离与所确定的另一距离之间的偏差，并且基于所确定的偏差来确定指示所生成的虚拟视图20的准确度的准确度指示符。

因此，穿透设备(如椎弓根螺钉或如上所述的用于产生孔的仪器)可以配备有组织感测，例如，基于光谱组织感测或阻抗感测，允许例如穿透设备的尖端相对于椎弓根皮质壁的直接距离测量。在阻抗感测或由穿透设备执行的允许距离确定的另一感测的情况下，可以将从该感测推断出的信号与由跟踪设备确定的距离进行比较，其中两个测量系统(即跟踪设备和经由例如阻抗感测直接测量距离)之间的差异量是所提供的设备尖端透视图20的准确度的指示。可以通过给予视图或视图的一部分独特特征(例如，通过根据所确定的偏差对虚拟视图20的边缘进行着色)来在视图中指示该准确度。

处理器14还可以被配置为通过调整如由所提供的跟踪信息指示的穿透设备的姿态来调整虚拟视图20，使得准确度指示符指示增加的准确度。特别地，如果所确定的距离大于预定义阈值，则可以假设跟踪信息和/或配准不够准确。在这种情况下，可以修改用于生成虚拟视图20的穿透设备在椎骨内的假定姿态，使得偏差变得低于预定义阈值，并且特别地为零。穿透设备的该修改的假定姿态然后可以用于生成虚拟视图20。

因此，该系统可以使用例如组织感测或距离感测用于评估穿透设备的姿态估计的质量，并且使用该评估的结果以用于确定如何调节姿态估计，即假设的当前姿态，使得它将更好地匹配组织或距离感测信息。

处理器14还可以被配置为基于跟踪信息并且基于所提供的路径来生成指示穿透设备的当前姿态与如由路径限定的穿透设备的目标姿态之间的几何关系的可视化。处理器14还可以适于基于跟踪信息并且基于所提供的感兴趣区域的姿态来生成指示穿透设备的当前姿态与所提供的椎骨内的感兴趣区域的姿态之间的几何关系的可视化。所生成的可视化可以包括几何关系在虚拟视图上的叠加。例如，可以通过使用叠加在虚拟通道上的牛眼视图或目标点来指示几何关系。

处理器14还可以被配置为基于所提供的模型和所提供的跟踪信息来确定椎弓根的中心轴与如由跟踪信息指示的穿透设备的位置之间的距离，并且基于所确定的距离来生成信号。例如，如果该距离大于预定义阈值，则处理器14可以适于提供光学和/或声学信号，以便指示到椎弓根的中心轴的距离太大。

此外，处理器14可以被配置成基于所提供的路径和所提供的模型来确定穿透设备进入椎骨的期望进入角度，基于所提供的跟踪信息和所提供的模型来确定穿透设备进入椎骨的当前进入角度，并且确定期望进入角度与当前进入角度之间的偏差，并且根据所确定的偏差来生成信号。例如，这里也可以提供光学和/或声学信号，以便如果该偏差大于预定义阈值，则警告用户。

将参考图13的流程图描述用于辅助和/或引导用户将穿透设备放置在对象的解剖部分/体积(例如对象的椎骨或其他骨骼部分)中的方法的实施例。

在步骤701中，生成或提供解剖部分的三维模型。与本文之前描述的这种生成一致，可以使用用相关成像模态获得的解剖部分的术前获得的影像18来生成这种模型，其中该模型被配置为至少示出椎骨的骨骼部分。优选地，模型还示出了另外的部分，如松质骨、脊髓或其他关键结构，如周围血管。

在步骤702中，提供通过模型的椎弓根的路径，其中该路径优选地被计算为使得它跟随椎弓根的中心轴。

在步骤703中，提供指示穿透设备的三维姿态的跟踪信息。

在步骤704中，基于所提供的跟踪信息、所提供的模型和所提供的路径来生成在所提供的路径的方向上的来自椎骨内的穿透设备的尖端的透视的虚拟视图。

在步骤705中，确定是否已经满足中止准则，其中如果尚未满足中止准则，则该方法继续步骤703。因此，循环地执行步骤703、704和705，使得可以通过在放置穿透设备时查看示出在显示器上的所生成的视图来辅助用户。如果满足中止准则，则该方法在步骤706中停止。中止准则可以是例如用户是否已经经由输入单元指示应当停止该方法。

通常，在胸椎椎弓根螺钉放置中，由于形态，特别是相对小的椎弓根尺寸，准确度是一个挑战。椎弓根(特别是胸椎椎弓根)中的外侧或内侧皮质破坏可能由于关键结构的接近而潜在地产生严重的临床并发症。对于用户来说在不产生破坏的情况下将穿透设备导航通过窄椎弓根是一个挑战。此外，用户必须尽可能靠近椎骨主体前侧的皮质骨，如图2所指示的。因为通常用户不能直接观察进度，所以这两个任务在实践中是非常困难的。因此，需要一种在这种流程期间在空间上引导用户的系统。这种需要通过如上面参考例如图1、4和9描述的用于辅助用户将穿透设备放置在椎骨中的系统来满足。

用于辅助用户放置穿透设备的系统使用穿透设备的姿态的跟踪和椎骨的三维图像，其中分割算法用于对椎骨的皮质骨进行分割，并且优选地还对椎管和主要血管进行分割，以便生成椎骨的三维模型。使用算法来计算如通过三维模型示出的通过椎弓根的路径，其中穿透设备相对于经分割的椎骨(即，相对于模型)相关。基于椎骨的分割，即基于三维模型，和如由跟踪系统提供的三维姿态，从穿透设备的尖端的透视产生虚拟视图，其中虚拟视图指示通过椎弓根的路径以及优选地沿着路线的关键解剖结构。

与例如二维横截面、三维轮廓图像或相机图像叠加方法相比，来自内部透视的这种表示是不同的。如上所述，虚拟视图可以包括穿透设备的当前姿态和到期望尖端姿态的预先规划的路径或在所提供的(即预先采集的)医学图像中指示的一个或多个感兴趣位置之间的几何关系的可见指示，所述医学图像可以是计算机断层摄影图像或磁共振图像。这可以从穿透设备的尖端的透视以在模拟的内部视图上的图形叠加的形式或作为模拟的外部视图上的突出显示的位置或两者提供给用户。当穿透设备靠近椎弓根的中心轴时，可以向操作者提供可以是颜色信号或声音信号的信号。此外，当进入角度最佳时，可以提供信号。内部视图的绘制可以基于照片逼真的绘制来完成。

还如上所述，穿透设备可以配备有组织感测，例如，配备有光谱组织感测或阻抗感测，其中阻抗感测还可以用于感测到椎弓根皮质壁的接近度。组织感测还可以用于评估姿态估计的质量，即由跟踪信息限定的穿透设备的姿态的确定的质量，其中该评估的结果可以用于确定如何调节姿态估计，使得它更好地匹配组织感测信息。

尽管在上述实施例中，骨骼是椎骨的骨骼，但是在其他实施例中，骨骼也可以是人的另一部分的骨骼，以便辅助用户将穿透设备放置在人的该另一部分的骨骼中。此外，代替将组织穿透设备放置在骨骼中，即骨骼组织中，还可以将它放置在另一种类型的组织中。

本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。

在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。

单个单元或设备可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。

由一个或若干个单元或设备执行的确定(如路径的确定、模型的确定、尖端透视图的确定等)可以由任何其他数量得到单元或设备执行。这些确定和/或用于根据用于辅助用户将穿透设备放置在骨骼中的方法辅助用户将穿透设备放置在骨骼中的系统的控制可以被实施为计算机程序的程序代码器件和/或专用的硬件。

计算机程序可以被存储/分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起或作为其他硬件的部分供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以被以其他形式分布，例如经由互联网或其他有线或无线的电信系统。

权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

本发明涉及一种用于辅助用户将穿透设备放置在组织中(如将椎弓根螺钉放置在椎骨椎弓根中)的系统。该系统在通过组织模型的路径的方向上从组织内的穿透设备尖端透视生成虚拟视图。该虚拟视图是基于指示穿透设备的姿态的跟踪信息、模型和路径生成的，其中该虚拟视图被配置为使得它指示用户在将穿透设备放置在组织中时应当移动穿透设备的方向。例如，它可以示出沿着路径布置的虚拟通道。如果为用户(如外科医生)提供这样的虚拟视图，则用户可以以显著增加的准确度沿着路径定位穿透设备。

可以存在以直接方式或经由数据网络的有线和无线连接。

用于控制器的处理器是有形的且非瞬态的。如本文所使用的，术语“非瞬态”不应被解释为状态的永恒特性，而是被解释为将在时段内持续的状态的特性。术语“非瞬态”明确地否定了稍纵即逝的特性，例如载波或信号的特性或在任何时间仅在任何地方瞬态存在的其他形式。处理器是制品和/或机器部件。用于控制器的处理器被配置为执行软件指令以执行如本文的各种实施例中描述的功能。用于控制器的处理器可以是通用处理器，或可以是专用集成电路(ASIC)的一部分。用于控制器的处理器还可以是微处理器、微计算机、处理器芯片、控制器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、状态机或可编程逻辑器件。用于控制器的处理器也可以是逻辑电路，包括诸如现场可编程门阵列(FPGA)的可编程门阵列(PGA)，或包括离散门和/或晶体管逻辑的另一类型的电路。用于控制器的处理器可以是中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)或两者。此外，本文描述的任何处理器可以包括多个处理器、并行处理器或两者。多个处理器可以包括在单个设备或多个设备中，或耦合到单个设备或多个设备。本文中所使用的“处理器”涵盖能够执行程序或机器可执行指令的电子部件。对包括“处理器”的计算设备的引用应当被解读为可能包含多于一个处理器或处理核。处理器例如可以是多核处理器。处理器也可以指在单个计算机系统之内的或被分布在多个计算机系统之间的处理器的集合。术语计算设备也应当被解读为可能指多个计算设备的集合或网络，所述多个计算设备每个均包括一个或多个处理器。许多程序具有由可以在相同的计算设备之内或者甚至可以被分布在多个计算设备上的多个处理器来执行的指令。

诸如本文描述的存储器是可以存储数据和可执行指令的有形存储介质，并且在指令存储在其中的时间期间是非瞬态的。如本文所使用的，术语“非瞬态”不应被解释为状态的永恒特性，而是被解释为将在时段内持续的状态的特性。术语“非瞬态”明确地否定了稍纵即逝的特性，例如载波或信号的特性或在任何时间仅在任何地方瞬态存在的其他形式。本文描述的存储器是制品和/或机器部件。本文描述的存储器是计算机可读介质，计算机可以从其读取数据和可执行指令。本文描述的存储器可以是随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、寄存器、硬盘、可移动磁盘、磁带、光盘只读存储器(CD-ROM)、数字通用磁盘(DVD)、软盘、蓝光光盘或本领域已知的任何其他形式的存储介质。存储器可以是易失性的或非易失性的、安全的和/或加密的、不安全的和/或未加密的。“存储器”是计算机可读存储介质的示例。计算机存储器是处理器可直接访问的任何存储器。计算机存储器的示例包括但不限于RAM存储器、寄存器和寄存器文件。对“计算机存储器”或“存储器”的引用应解释为可能是多个存储器。存储器例如可以是相同计算机系统内的多个存储器。存储器也可以是分布在多个计算机系统或计算设备中间的多个存储器。

Claims (15)

1.一种用于辅助用户将穿透设备(7)放置在对象的骨骼组织中的系统，所述系统(8)包括：

-第一输入端，其用于接收指示所述穿透设备(7)的三维姿态的跟踪信息，

-第二输入端，其用于接收所述组织的三维模型(19)，

-第三输入端，其用于接收通过所述模型(19)的路径(21)，

-处理器(14)，其被配置为基于接收到的跟踪信息、接收到的模型(19)和接收到的路径(21)来生成虚拟视图(20)，所述虚拟视图包括来自所述穿透设备(7)的尖端的透视的对所提供的路径(21)的表示，其中，所述虚拟视图被配置为使得所述虚拟视图指示在将所述穿透设备放置在所述组织中时所述用户应当将所述穿透设备进行移动的方向，以及

-用户接口，其用于向用户或对象提供所述虚拟视图，所述用户例如为医学从业者，

其中，所述处理器(14)被配置为生成所述虚拟视图(20)，使得所述虚拟视图示出所述组织内的虚拟通道(801)，其中，所述虚拟通道表示由所述模型提供的不同骨骼组织类型。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述虚拟通道(801)沿着所述接收到的路径(21)被布置，使得所述虚拟视图(20)是在所述接收到的路径(21)的方向上的所述虚拟通道(801)中的视图，以便指示所述用户在将所述穿透设备放置在所述组织中时应当将所述穿透设备进行移动的方向。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述模型(19)被配置为使得其区分具有第一密度的第一骨骼组织类型与具有第二密度的第二骨骼组织类型，其中，所述第二骨骼组织类型至少部分地包围所述第一骨骼组织类型，其中，处理器(14)被配置为生成所述虚拟通道(801)，使得所述通道(801)的内部中空部分表示所述第一骨骼组织类型，并且所述通道(801)的外壁表示所述第二骨骼组织类型。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述组织是包括椎弓根的椎骨的骨骼，其中，所述模型被配置为提供包括所述椎弓根的所述椎骨(1)的所述骨骼的三维模型(19)，其中，所述系统还包括路径提供单元(11)，所述路径提供单元被配置为基于由所述模型(19)提供的所述椎弓根的形状和尺寸来计算所述路径(21)。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述路径提供单元(11)被配置为：将沙漏形模型(22)映射到由所述模型提供的所述椎弓根，并且基于所映射的沙漏形模型(22)来计算所述路径(21)。

6.根据权利要求4和5中的任一项所述的系统，其中，所述路径提供单元(11)被配置为还基于由所述模型(19)提供的所述椎骨的所述骨骼的主体的端板的取向来计算所述路径(21)，其中，当人站立时，所述端板在所述椎骨的顶部和在所述椎骨之下。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述处理器(14)被配置为：基于所提供的模型(19)和所提供的跟踪信息来确定所提供的路径与由所述跟踪信息指示的所述穿透设备(7)的位置之间的距离，并且基于所确定的距离来生成信号。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述处理器(14)被配置为：基于所提供的路径(21)和所提供的模型(19)来确定所述穿透设备(7)进入所述组织的期望进入角度，基于所提供的跟踪信息和所提供的模型(19)来确定所述穿透设备(7)进入所述组织的当前进入角度，确定所述期望进入角度与当前进入角度之间的偏差，并且根据所确定的偏差来生成信号。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述系统(8)还包括接近度信息提供单元(12)，所述接近度信息提供单元被配置为提供指示所述穿透设备(7)与所述骨骼(1)的皮质壁之间的距离的接近度信息，其中，所述接近度信息已经基于在所述穿透设备(7)的尖端处执行的测量被确定，其中，所述模型被配置为使得所述模型示出所述骨骼(1)的所述皮质壁，其中，所述处理器(14)被配置为：基于所提供的模型(19)和由所述跟踪信息指示的所述穿透设备(7)的位置来确定所述穿透设备(7)与所述皮质壁之间的距离，确定由所提供的接近度信息指示的所述距离与所确定的距离之间的偏差，并且基于所确定的偏差来确定指示所生成的虚拟视图(20)的准确度的准确度指示符。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述处理器(14)被配置为通过调整由所提供的跟踪信息指示的所述穿透设备(7)的所述姿态来调整所述虚拟视图(20)，使得所述准确度指示符指示增加的准确度。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述系统(8)还包括组织信息提供单元(13)，所述组织信息提供单元被配置为提供关于通过使用所述穿透设备(7)感测到的组织类型的组织类型信息。

12.根据权利要求11所述的系统，其中：

所提供的模型(19)示出不同的组织类型，其中，所述处理器(14)被配置为：基于所提供的模型(19)和所提供的跟踪信息来确定预期组织类型，确定所述预期组织类型与由所提供的组织类型信息定义的组织类型是否彼此匹配，并且在所述组织类型不匹配的情况下生成指示所述不匹配的信号；和/或

所述处理器(14)被配置为生成所述虚拟视图(20)，使得所述虚拟视图还指示感测到的组织类型。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述模型被配置为使得所述模型还示出风险结构，其中，所述处理器(14)被配置为：针对所述模型的多个区域根据相应区域到所述风险结构的距离来确定风险值，并且在所述虚拟视图中的所述多个区域中指示所确定的风险值。

14.一种计算机程序，所述计算机程序包括程序代码模块，当所述计算机程序在控制根据权利要求1至13中的任一项所述的系统的计算机上运行时，所述程序代码模块用于使所述系统执行用于辅助用户将穿透设备(7)放置在骨骼组织中的方法，所述方法包括：

-接收或提供指示所述穿透设备(7)的三维姿态的跟踪信息；

-接收或提供所述组织的三维模型(19)；

-接收或提供通过所述模型(19)的路径(21)；并且

-基于接收到的或所提供的跟踪信息、接收到的或所提供的模型(19)和接收到的或所提供的路径(21)来生成在接收到的或所提供的路径(21)的方向上的来自所述组织内的所述穿透设备(7)的尖端的透视的虚拟视图(20)，其中，所述虚拟视图被生成为使得所述虚拟视图指示在将所述穿透设备放置在所述组织中时所述用户应当将所述穿透设备进行移动的方向，

其中，所述虚拟视图(20)示出所述组织内的虚拟通道(801)，其中，所述虚拟通道表示由所述模型提供的不同骨骼组织类型。

15.根据权利要求14所述的计算机程序，其被存储在计算机可读介质上。

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