CN116269755A - 配准夹具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种与外科手术导航系统一起用于医学图像与三维跟踪空间的配准的配准夹具，该配准夹具包括：底部框架，该底部框架适于安装在x射线医学成像装置的平板检测器上方；和侧部框架，该侧部框架具有光学跟踪标记并且安装到该底部框架。该底部框架包括以第一预定图案嵌入其中并布置在平面上的第一组不透射线标记；和以第二预定图案嵌入其中并同样地布置在另一平面上的第二组不透射线标记，该第二组不透射线标记与该第一组不透射线标记间隔开。该侧部框架具有多个光学跟踪标记，并且被构造成可拆卸地安装到该底部框架而不刺穿待插置在该底部框架与该侧部框架之间的消毒盖布。

Description

配准夹具

技术领域

本公开涉及位置识别系统，尤其涉及医学图像与三维跟踪空间的配准。

背景技术

骨科外科手术导航能够通过减少失血量、辐射剂量以及手术和麻醉时间来改善患者的预后，此外还能够提高可执行复杂手术的准确度和便利性。实现这些预后改善的两种外科手术导航工作流程是荧光镜和术前导航工作流程，其需要C形臂成像装置和荧光镜配准夹具。

传统上，配准夹具被安装到x射线发射器侧。然而，在一些情况下，对导航系统进行配准是不准确的做法，并且由于特定的发射器壳体形状而可能不方便附接夹具。因此，希望提供用于改善的配准夹具的系统和方法。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种配准夹具，该配准夹具与外科手术导航系统一起用于医学图像与三维跟踪空间的配准。配准夹具包括底部框架，该底部框架适于安装在x射线医学成像装置的平板检测器上方；和侧部框架，该侧部框架具有光学跟踪标记并且安装到底部框架。底部框架包括以第一预定图案嵌入其中的第一组不透射线标记和以第二预定图案嵌入其中的第二组不透射线标记，该第二组不透射线标记与第一组不透射线标记竖直间隔开。侧部框架具有多个光学跟踪标记，并且被构造成可拆卸地安装到底部框架而不刺穿待插置在底部框架与侧部框架之间的消毒盖布。

根据下文对优选实施方案和附图的详细描述，本发明的这些和其他系统、方法、目的、特征和优点对于本领域的技术人员而言将显而易见。本文提及的所有文献据此全文以引用方式并入。

附图说明

本发明及其某些实施方案的以下详细描述可以通过参考以下附图来理解：

图1是在外科手术期间用于机器人系统、患者、外科医生和其他医务人员的位置的潜在布置的俯视图；

图2示出了根据一个实施方案的包括外科机器人和相机相对于患者的定位的机器人系统；

图3示出了根据示例性实施方案的外科机器人系统；

图4示出了根据示例性实施方案的外科机器人的一部分；

图5示出了根据示例性实施方案的外科机器人的框图；

图6示出了根据示例性实施方案的外科机器人；

图7A至图7C示出了根据示例性实施方案的端部执行器；

图8示出了根据一个实施方案的将外科器械插入端部执行器的导管之前和之后的外科器械和端部执行器；

图9A至图9C示出了根据示例性实施方案的端部执行器和机器人臂的部分；

图10示出了根据示例性实施方案的动态参考阵列、成像阵列和其他组件；

图11示出了根据示例性实施方案的配准方法；

图12A至图12B示出了根据示例性实施方案的成像装置的实施方案；图1 3示出了导航夹具的一个实施方案。

图14示出了x射线(荧光镜)收集器板，其示出了在距源不同距离处的两个平面内的小金属球(在下文中称为″BB″)的理论投影。

图1 5示出了从两个不同的视角从相同的不透射线点获得的两个x射线投影，以产生3D位置。

图16示出了通过平行于BB的栅格的收集器板的平面获得的x射线图像。

图17示出了在垂直于收集器板的平面的平面处观察的关键尺寸，并且其中BB位于其阴影出现在收集器板上的视场中。

图18示出了两个平行板上的bb图案和夹具的设计，该夹具安装到荧光镜单元的图像增强器。

图19示出了配准夹具的BB图案。

图20示出了由具有十字准线的平行环构成的荧光镜配准夹具。

图21示出了当x射线收集器与环的平面平行并且环与x射线收集器同心时x射线上的环配准夹具的外观。

图22示出了当夹具相对于收集器板和环成大角度时x射线上的环配准夹具的理论外观。

图23示出了在坐标系映射过程中围绕z旋转θ的转换步骤。

图24示出了在坐标系映射过程中围绕y旋转α的转换步骤。

图25示出了在平面中旋转以在坐标系映射过程中匹配射线照片的视角的转换步骤。

图26示出了在坐标系映射过程中从坐标系中心位移dx，dy的转换步骤。

图27示出了在坐标系映射过程中根据视差进行放大的转换步骤。

图28示出了在垂直于收集器板的平面的平面处观察的关键尺寸的示意图，其中环在其阴影出现在收集器板上的视场中平行于收集器。

图29示出了穿过环的视图，从穿过环平面观察的视角来看，该环与收集器平面成任意入射角，其中环平面在页面内和页面外。

图30示出了穿过一对同心环的视图，从穿过环平面观察的视角来看，该同心环与收集器平面成任意入射角，其中环平面在页面内和页面外。

图31示出了处于从旋转视角来看的任意入射角的环的视图。

图32示出了处于任意入射角的一对环的视图。

图33示出了围绕y轴出现的入射角为α＝20°的两个圆环在x射线(具有视差)上的建模外观。

图34示出了围绕y轴出现的入射角为α＝24.5°的两个平行圆环在x射线(具有视差)上的建模外观，其中两个环从x射线的中心偏移，并且两个椭圆的长轴看起来相对于y轴明显地成角度。

图35示出了围绕y轴出现的入射角为α＝24.5°的两个平行圆环在x射线(具有视差)上的建模外观，其中两个环从x射线的中心偏移，并且远场椭圆已经围绕图像的中心进行了缩放，直到近场椭圆和远场椭圆在其长轴上相等。

图36示出了枕形失真。

图37示出了s失真。

图38是根据本发明的一个方面的新型配准夹具的透视图，该配准夹具被设计成附接到医学成像装置的平板检测器。

图39是根据本发明的一个方面的射线可透板的平面图，该射线可透板具有竖直间隔开的两组嵌入的不透射线标记。

图40A是具有预定图案的不透射线标记的图39的射线可透板的第一板的平面图。

图40B是具有预定图案的不透射线标记的图39的射线可透板的第二板的平面图。

图41是图38的配准夹具的底部框架和侧部框架在组装之前的透视图。

图42是图41的侧部框架的运动安装件的侧视图，示出了非刺穿夹具。

图43A是图38的配准夹具的另选的非刺穿运动夹具的外部透视图。

图43B是图38的配准夹具的另选的非刺穿运动夹具的外部透视图。

图44是图43A的侧部框架的剖视图。

图45是图38的基座框架的透视图，该基座框架具有一组带和用于附接到平板检测器的棘轮。

图46示出了使用如图45所示的带和棘轮将图38的底部框架附接到平板检测器。

虽然已经结合某些优选实施方案描述了本发明，但其他实施方案也将被本领域的普通技术人员所理解并且被涵盖在本文中。

具体实施方式

应当理解，本公开在其应用中不限于本文描述中所示或附图中所示的构造细节和组件布置。本公开的教导内容可以在其他实施方案中使用和实践，并且以各种方式实践或执行。此外，应当理解，本文所用的措词和术语是出于描述的目的，不应该被视为限制。本文中″包含″、″包括″或″具有″及其变型的使用意指包括此后列出的项目及其等同物以及附加项目。除非另有规定或限制，否则术语″安装的″、″连接的″、″支撑的″和″耦接的″及其变型被广泛使用，并且包括直接和间接的安装、连接、支撑和耦接。此外，″连接″和″联接″不限于物理或机械连接或联接。

提供以下讨论以使本领域的技术人员能够实现和使用本公开的实施方案。对例示的实施方案进行的各种修改对本领域的技术人员而言将显而易见，并且在不脱离本公开实施方案的情况下本文的原理可应用于其他实施方案和应用。因此，实施方案不旨在限于所示出的实施方案，而是应具有符合本文所公开的原理和特征的最宽泛范围。参考附图阅读以下详细描述，在不同的附图中类似的要素具有类似的附图标记。附图未必按比例绘制，描绘了所选择的实施方案并且不旨在限制实施方案的范围。本领域的技术人员将认识到，本文提供的示例具有许多有用的另选形式并且落入实施方案的范围。

现在转向附图，图1和图2示出了根据示例性实施方案的外科机器人系统100。外科机器人系统100可包括，例如，外科机器人102、一个或多个机器人臂104、基座106、显示器110、端部执行器112(例如包括导管114)和一个或多个跟踪标记118。外科机器人系统100可包括患者跟踪装置116，该患者跟踪装置还包括一个或多个跟踪标记118，其适于直接固定到患者210(例如，到患者210的骨)。外科机器人系统100还可利用例如定位在相机支架202上的相机200。相机支架202可具有任何合适的配置，以在期望位置移动、定向和支撑相机200。相机200可包括任何合适的相机或多个相机，诸如一个或多个红外相机(例如，双焦或立体摄影测量相机)，能够识别例如从相机200的视角可视的给定测量体积中的有源和无源跟踪标记118。相机200可以扫描给定测量体积并检测来自标记118的光，以便识别和确定标记118在三维中的位置。例如，有源标记118可包括由电信号激活的红外发射标记(例如，红外发光二极管(LED))，并且无源标记118可包括反射例如由相机200上的照明器或其他合适的装置发射的红外光的回射标记(例如，它们将入射的IR辐射反射到入射光的方向中)。

图1和图2示出了用于在手术室环境中放置外科机器人系统100的潜在配置。例如，机器人102可定位在患者210附近或旁边。尽管在患者210的头部附近示出，但是应当理解，机器人102可以定位在患者210附近的任何合适位置，这取决于正在进行手术的患者210的区域。相机200可与机器人系统100分开并且定位在患者210的脚部处。该位置使相机200具有到术野208的直接视线。同样，预期相机200可以位于具有到术野208的视线的任何合适位置。在所示的配置中，外科医生120可位于机器人102的对面，但仍然能够操纵端部执行器112和显示器110。外科助手126可位于外科医生120的对面，仍然能够接近端部执行器112和显示器110。如果需要，外科医生120和助手126的位置可互换。麻醉师122和护士或擦洗技师(scrubtech)124所处的传统区域保持不受机器人102和相机200的位置的阻碍。

关于机器人102的其他组件，显示器110可以附接到外科机器人102，并且在其他示例性实施方案中，显示器110可以在带有外科机器人102的手术室内或在远程位置与外科机器人102分离。端部执行器112可以耦接到机器人臂104并由至少一个马达控制。在示例性实施方案中，端部执行器112可包括导管114，该导管能够接收和定向用于对患者210执行外科手术的外科器械608(本文进一步描述)。如本文所用，术语″端部执行器″(end-effector)可与术语″端部效应器″(end-effectuator)和″效应器元件″互换使用。尽管通常用导管114示出，但是应当理解，端部执行器112可以用任何适用于外科手术的合适器械替代。在一些实施方案中，端部执行器112可包括用于以期望方式实现外科器械608的移动的任何已知结构。

外科机器人102能够控制端部执行器112的平移和定向。例如，机器人102能够沿x轴、y轴和z轴移动端部执行器112。端部执行器112可被配置用于围绕x轴、y轴和z轴中的一者或多者以及Z框架轴选择性地旋转(使得与端部执行器112相关联的欧拉角(EulerAngle)(例如，滚动、俯仰和/或偏航)中的一者或多者可被选择性地控制)。在一些示例性实施方案中，与利用例如仅包括旋转轴线的六自由度机器人臂的传统机器人相比，对端部执行器112的平移和定向的选择性控制可允许以显著提高的准确度执行医学规程。例如，外科机器人系统100可用于对患者210进行操作，并且机器人臂104可定位在患者210的身体上方，其中端部执行器112朝向患者210的身体相对于z轴选择性地成角度。

在一些示例性实施方案中，外科器械608的位置可以动态地更新，使得外科机器人102可以在手术期间随时知道外科器械608的位置。因此，在一些示例性实施方案中，外科机器人102可以将外科器械608快速移动到期望位置，而无需医师的任何进一步辅助(除非医师期望如此)。在一些另外的实施方案中，外科机器人102可被配置为在外科器械608偏离所选择的、预先计划的轨迹时，校正外科器械608的路径。在一些示例性实施方案中，外科机器人102可被配置为允许停止、修改和/或手动控制端部执行器112和/或外科器械608的移动。因此，在使用中，在示例性实施方案中，医师或其他用户可操作系统100并且可选择停止、修改或手动控制端部执行器112和/或外科器械608的自主移动。外科机器人系统100的更多细节，包括外科机器人102对外科器械608的控制和移动，可以在共同未决的美国专利申请序列号13/924，505中找到，该申请全文以引用方式并入本文。

机器人外科系统100可包括一个或多个跟踪标记118，该跟踪标记被配置为在三维中跟踪机器人臂104、端部执行器112、患者210和/或外科器械608的移动。在示例性实施方案中，多个跟踪标记118可以安装(或以其他方式固定)到机器人102的外表面上，诸如但不限于机器人102的基座106上、机器人臂104上或端部执行器112上。在示例性实施方案中，多个跟踪标记118中的至少一个跟踪标记118可以安装或以其他方式固定到端部执行器112。一个或多个跟踪标记118可以进一步安装(或以其他方式固定)到患者210。在示例性实施方案中，多个跟踪标记118可以定位在与术野208间隔开的患者210上，以减小被外科医生、外科工具或机器人102的其他部分遮挡的可能性。此外，一个或多个跟踪标记118可以进一步安装(或以其他方式固定)到外科工具608(例如，螺丝刀、扩张器、植入物插入器等)。因此，跟踪标记118使得标记对象(例如，端部执行器112、患者210和外科工具608)中的每个对象能够被机器人102跟踪。在示例性实施方案中，系统100可以使用从标记对象中的每个对象收集的跟踪信息来计算例如端部执行器112、外科器械608(例如，定位在端部执行器112的管114中)的定向和位置以及患者210的相对位置。

在示例性实施方案中，标记118中的一个或多个标记可以是光学标记。在一些实施方案中，一个或多个跟踪标记118在端部执行器112上的定位可通过用于检查或验证端部执行器112的位置来最大限度地提高位置测量的准确度。外科机器人系统100的更多细节，包括外科机器人102和外科器械608的控制、移动和跟踪，可以在共同未决的美国专利申请序列号13/924,505中找到，该申请全文以引用方式并入本文。

示例性实施方案包括耦接到外科器械608的一个或多个标记118。在示例性实施方案中，例如耦接到患者210和外科器械608的这些标记118，以及耦接到机器人102的端部执行器112的标记118可以包括传统红外发光二极管(LED)或能够使用可商购获得的红外光学跟踪系统(诸如

)进行跟踪的/>

二极管。/>

是加拿大安大略省滑铁卢市Northern Digital Inc.的注册商标。在其他实施方案中，标记118可以包括能够使用可商购获得的光学跟踪系统(诸如Polaris Spectra)进行跟踪的传统反射球。PolarisSpectra也是Northern Digital，Inc.的注册商标。在示例性实施方案中，耦接到端部执行器112的标记118是有源标记，其包括可以打开和关闭的红外发光二极管，并且耦接到患者210和外科器械608的标记118包括无源反射球。

在示例性实施方案中，从标记118发射和/或反射的光可由相机200检测，并且可用于监测标记对象的位置和移动。在另选的实施方案中，标记118可包括射频和/或电磁反射器或收发器，并且相机200可包括射频和/或电磁收发器，或被射频和/或电磁收发器替代。

与外科机器人系统100类似，图3示出了符合本公开的示例性实施方案的处于对接配置的外科机器人系统300和相机支架302。外科机器人系统300可包括机器人301，该机器人包括显示器304、上臂306、下臂308、端部执行器310、立柱312、脚轮314、机柜316、平板电脑抽屉318、连接器面板320、控制面板322和信息环324。相机支架302可包括相机326。这些组件在图5中进行了更详细地描述。图3示出了处于对接配置的外科机器人系统300，其中相机支架302例如在不使用时与机器人301嵌套。本领域的技术人员应当理解，相机326和机器人301在外科手术期间可以彼此分离并定位在任何适当的位置，例如，如图1和图2所示。图4示出了符合本公开的示例性实施方案的基座400。基座400可以是外科机器人系统300的一部分并且包括机柜316。机柜316可容纳外科机器人系统300的某些组件，包括但不限于电池402、配电模块404、平台接口板模块406、计算机408、手柄412和平板电脑抽屉414。这些组件之间的连接和关系在图5中进行了更详细地描述。

图5示出了外科机器人系统300的示例性实施方案的某些组件的框图。外科机器人系统300可包括平台子系统502、计算机子系统504、运动控制子系统506和跟踪子系统532。平台子系统502可进一步包括电池402、配电模块404、平台接口板模块406和平板电脑充电站534。计算机子系统504可进一步包括计算机408、显示器304和扬声器536。运动控制子系统506可进一步包括驱动电路508、马达510、512、514、516、518、稳定器520、522、524、526、端部执行器31 0和控制器538。跟踪子系统532可进一步包括位置传感器540和相机转换器542。系统300还可包括脚踏开关544和平板电脑546。

输入电力经由电源548提供给系统300，该电源可提供给配电模块404。配电模块404接收输入电力，并且被配置为生成提供给系统300的其他模块、组件和子系统的不同电源电压。配电模块404可被配置为向平台接口模块406提供不同的电压供应，该平台接口模块可提供给其他组件，诸如计算机408、显示器304、扬声器536、驱动器508，以例如为马达512、514、516、518、端部执行器310、马达510、环324、相机转换器542和系统300的其他组件(例如用于冷却机柜316内的电组件的风扇)供电。

配电模块404还可以向其他组件提供电力，诸如可位于平板电脑抽屉31 8内的平板电脑充电站534。平板电脑充电站534可与平板电脑546进行无线或有线通信，以对平板电脑546充电。平板电脑546可由符合本公开并在本文中描述的外科医生使用。配电模块404还可以连接到电池402，在配电模块404没有从输入电力548接收电力的情况下，该电池充当临时电源。在其他时间，如有必要，配电模块404可用于对电池402充电。

平台子系统502的其他组件还可包括连接器面板320、控制面板322和环324。连接器面板320可用于将不同的装置和组件连接到系统300和/或相关联的组件和模块。连接器面板320可以包含容纳来自不同部件的线或连接件的一个或多个端口。例如，连接器面板320可具有：可将系统300接地到其他设备的接地端子端口、将脚踏开关544连接到系统300的端口、连接到跟踪子系统532的端口，该跟踪子系统可包括位置传感器540、相机转换器542和与相机支架302相关联的相机326。连接器面板320还可以包括其他端口，以允许与其他部件诸如计算机408进行USB、以太网、HDMI通信。

控制面板322可提供控制系统300的操作和/或提供关于系统300的信息的各种按钮或指示器。例如，控制面板322可包括打开或关闭系统300、提升或降低立柱31 2以及提升或降低稳定器520-526的按钮，其可被设计成接合脚轮31 4以锁定系统300，防止系统发生物理移动。其他按钮可能会在紧急情况下停止系统300，这可能会切断所有马达电力，并应用机械制动器来停止所有运动的发生。控制面板322还可具有指示器，通知用户某些系统条件，诸如线路电力指示器或电池402的充电状态。

环324可以是视觉指示器，用于通知系统300的用户系统300正在运行的不同模式以及向用户发出某些警告。

计算机子系统504包括计算机408、显示器304和扬声器536。计算机504包括操作系统和用于操作系统300的软件。计算机504可接收并处理来自其他组件(例如，跟踪子系统532、平台子系统502和/或运动控制子系统506)的信息，以便向用户显示信息。此外，计算机子系统504还可包括扬声器536以向用户提供音频。

跟踪子系统532可包括位置传感器504和转换器542。跟踪子系统532可对应于包括相机326的相机支架302，如图3所述。位置传感器504可以是相机326。跟踪子系统可跟踪位于系统300的不同组件和/或用户在外科手术期间使用的器械上的某些标记的位置。这种跟踪可以符合本公开的方式进行，包括使用分别跟踪诸如LED或反射标记的有源或无源元件的位置的红外技术。可以将具有这些类型标记的结构的位置、定向和位置提供给计算机408，其可以在显示器304上显示给用户。例如，具有这些类型的标记并以这种方式跟踪的外科器械608(其可称为导航空间)可以与患者的解剖结构的三维图像相关地显示给用户。运动控制子系统506可被配置为物理地移动立柱312、上臂306、下臂308或旋转端部执行器310。物理移动可以通过使用一个或多个马达510-518来进行。例如，马达510可以被配置为竖直地提升或降低竖直柱312。如图3所示，马达512可被配置为围绕与立柱312的接合点横向移动上臂308。如图3所示，马达514可被配置为围绕与上臂308的接合点横向移动下臂308。马达516和518可被配置为以使得一个马达可以控制滚动，并且一个马达可以控制倾斜的方式移动端部执行器31 0，从而提供端部执行器31 0可以移动的多个角度。这些移动可由控制器538实现，该控制器可通过设置在端部执行器31 0上的负荷传感器来控制这些移动，并且由接合这些负荷传感器的用户激活这些移动，从而以期望方式移动系统300。

此外，系统300可以通过用户在显示器304(其可以是触摸屏输入装置)上指示外科器械或组件在显示器304上的患者解剖结构的三维图像上的位置，来提供立柱312、上臂306和下臂308的自动移动。用户可通过踩下脚踏开关544或一些其他输入装置来启动该自动移动。

图6示出了符合示例性实施方案的外科机器人系统600。外科机器人系统600可包括端部执行器602、机器人臂604、导管606、器械608和机器人基座61 0。器械工具608可以附接到包括一个或多个跟踪标记(诸如标记11 8)的跟踪阵列612，并且具有相关联的轨迹614。轨迹614能够表示一旦器械工具608被定位穿过导管606或固定在导管606中时，器械工具被配置为行进的移动路径，例如，器械工具608插入患者体内的路径。在示例性操作中，机器人基座61 0可被配置为与机器人臂604和端部执行器602进行电子通信，使得外科机器人系统600可辅助用户(例如，外科医生)对患者21 0进行操作。外科机器人系统600可以与先前描述的外科机器人系统1 00和300一致。

跟踪阵列612可安装在器械608上以监测器械工具608的位置和定向。跟踪阵列612可附接到器械608，并且可包括跟踪标记804。如图8最佳所示，跟踪标记804可以是例如发光二极管和/或其他类型的反射标记(例如，如本文其他地方所述的标记11 8)。跟踪装置可以是与外科机器人系统相关联的一个或多个视线装置。例如，跟踪装置可以是与外科机器人系统1 00、300相关联的一个或多个相机200、326，并且还可以针对器械608相对于机器人臂604、机器人基座610、端部执行器602和/或患者210的定义域或相对定向来跟踪跟踪阵列612。跟踪装置可以与结合相机支架302和跟踪子系统532描述的那些结构一致。

图7A、图7B和图7C分别示出了与示例性实施方案一致的端部执行器602的顶视图、前视图和侧视图。端部执行器602可包括一个或多个跟踪标记702。跟踪标记702可以是发光二极管或其他类型的有源和无源标记，诸如先前已经描述的跟踪标记11 8。在示例性实施方案中，跟踪标记702是由电信号(例如，红外发光二极管(LED))激活的有源红外发射标记。因此，可以激活跟踪标记702，使得红外标记702对相机200、326可见，或者可以停用跟踪标记，使得红外标记702对相机200、326不可见。因此，当标记702被激活时，端部执行器602可以由系统100、300、600控制，并且当标记702被停用时，端部执行器602可被锁定在适当位置并且不能由系统100、300、600移动。

标记702可以设置在端部执行器602之上或之内，其设置方式使得标记702可被一个或多个相机200、326或与外科机器人系统100、300、600相关联的其他跟踪装置看见。相机200、326或其他跟踪装置可以通过跟踪跟踪标记702的移动，在端部执行器602移动到不同位置和视角时跟踪该端部执行器。标记702和/或端部执行器602的位置可以显示在与外科机器人系统100、300、600相关联的显示器110、304上，例如，如图2所示的显示器110和/或图3所示的显示器304。该显示器110、304可允许用户确保端部执行器602相对于机器人臂604、机器人基座61 0、患者21 0和/或用户处于期望位置。

例如，如图7A所示，标记702可以围绕端部执行器602的表面放置，使得远离术野208并朝向机器人102、301和相机200、326放置的跟踪装置能够通过端部执行器602相对于跟踪装置100、300、600的一系列共同定向来查看标记702中的至少3个。例如，以这种方式分布标记702允许在术野208中平移和旋转端部执行器602时由跟踪装置监测端部执行器602。

此外，在示例性实施方案中，端部执行器602可以配备有红外(IR)接收器，该红外接收器可以检测外部相机200、326何时准备好读取标记702。在该检测后，端部执行器602随后可照亮标记702。IR接收器检测到外部相机200、326准备好读取标记702可能表明需要将标记702(其可以是发光二极管)的占空比同步到外部相机200、326。这还可允许机器人系统整体具有较低的功率消耗，由此标记702将仅在适当时间被照亮，而不是被连续地照亮。此外，在示例性实施方案中，标记702可被断电以防止干扰其他导航工具，诸如不同类型的外科器械608。

图8示出了包括跟踪阵列612和跟踪标记804的一种类型的外科器械608。跟踪标记804可以是本文所述的任何类型，包括但不限于发光二极管或反射球。标记804由与外科机器人系统100、300、600相关联的跟踪装置监测，并且可以是视线相机200、326中的一者或多者。相机200、326可基于跟踪阵列612和标记804的位置和定向来跟踪器械608的位置。用户(诸如外科医生120)可以以使得跟踪阵列612和标记804被跟踪装置或相机200、326充分识别以在例如示例性外科机器人系统的显示器110上显示器械608和标记804的方式定向器械608。

外科医生120可将器械608放置到端部执行器602的导管606中并调整器械608的方式在图8中显而易见。端部执行器112、310、602的中空管或导管114、606的尺寸和构造被设置成接收外科器械608的至少一部分。导管114、606被配置为由机器人臂104定向，使得外科器械608的插入和轨迹能够到达患者210的身体内或之上的期望解剖目标。外科器械608可包括大致圆柱形器械的至少一部分。尽管螺丝刀被例示为外科工具608，但是应当理解，任何合适的外科工具608都可以由端部执行器602定位。举例来说，外科器械608可包括导丝、套管、牵开器、钻机、扩孔钻、螺丝刀、插入工具、移除工具等中的一者或多者。尽管中空管114、606通常被示出为具有圆柱形配置，但是本领域的技术人员应当理解，导管114、606可以具有容纳外科器械608并进入外科部位所需的任何合适的形状、大小和配置。

图9A至图9C示出了符合示例性实施方案的端部执行器602和机器人臂604的一部分。端部执行器602可进一步包括主体1202和夹具1204。夹具1204可包括手柄1206、滚珠1208、弹簧1210和唇缘1212。机器人臂604可进一步包括凹入部1214、安装板1216、唇缘1218和磁体1220。

端部执行器602可通过一个或多个联轴器与外科机器人系统和机器人臂604机械地交接和/或接合。例如，端部执行器602可通过定位联轴器和/或增强联轴器与机器人臂604接合。通过这些联轴器，端部执行器602可以在柔性无菌屏障外与机器人臂604紧固。在示例性实施方案中，定位联轴器可以是磁性运动安装件，并且增强联轴器可以是五杆过中心夹紧连杆。

关于定位联轴器，机器人臂604可包括安装板121 6(其可以是非磁性材料)、一个或多个凹入部1214、唇缘1218和磁体1220。磁体1220安装在凹入部1214中的每一个凹入部下方。夹具1204的部分可包括磁性材料，并且被一个或多个磁体1220吸引。通过夹具1204和机器人臂604的磁性吸引，滚珠1208被放置到相应的凹入部1214中。例如，如图9B所示的滚珠1208将被放置到如图9A所示的凹入部1214中。该放置可被认为是磁性辅助运动耦接。磁体1 220可被配置为足够坚固以支撑端部执行器602的整个重量，而不管端部执行器602的定向如何。定位联轴器可以是唯一限制六个自由度的任何类型的运动安装件。

关于增强联轴器，夹具1204的部分可被配置为固定接地连接件，因此夹具1 204可以用作五杆连杆。闭合夹具手柄1 206可将端部执行器602紧固到机器人臂604，因为唇缘1212和唇缘1218以固定端部执行器602和机器人臂604的方式接合夹具1204。当夹具手柄1206闭合时，弹簧1210可以在夹具1 204处于锁定位置时拉伸或受力。锁定位置可以是提供越过中心连杆的位置。由于闭合位置越过中心，在没有施加到夹具手柄1206以释放夹具1204的力时，连杆将不会打开。因此，在锁定位置，端部执行器602可以牢固地固定到机器人臂604。

弹簧1210可以是张紧的弯曲束。弹簧1210可以由表现出高刚度和高屈服应变的材料构成，诸如天然PEEK(聚醚醚酮)。端部执行器602与机器人臂604之间的连杆可提供端部执行器602与机器人臂604之间的无菌屏障，而不会阻碍两个联轴器的紧固。

增强联轴器可以是带有多个弹簧构件的连杆。增强联轴器可以用凸轮或基于摩擦的机构闩锁。增强联轴器还可以是足够强力的电磁体，其将促进将端部执行器102紧固到机器人臂604。增强联轴器可以是与端部执行器602和/或机器人臂604完全分离的多件式套环，其在端部执行器602与机器人臂604之间的接口上滑动，并用螺钉机构、过中心连杆或凸轮机构拧紧。

参考图10和图11，在外科手术之前或期间，可以进行某些配准程序，以便在导航空间和图像空间中跟踪患者210的对象和目标解剖结构。为了进行该配准，可如图10所示使用配准系统1400。

为了跟踪患者210的位置，患者跟踪装置116可包括待固定到患者210的刚性解剖结构的患者固定器械1402，并且动态参考基座(DRB)1404可以牢固地附接到患者固定器械1402。例如，患者固定器械1402可插入动态参考基座1404的开口1406中。动态参考基座1404可包含对跟踪装置(诸如跟踪子系统532)可见的标记1408。如本文先前所述，这些标记1408可以是光学标记或反射球，诸如跟踪标记118。

患者固定器械1402附接到患者210的刚性解剖结构，并且可在整个外科手术中保持附接。在示例性实施方案中，患者固定器械1402附接到患者21 0的刚性区域，例如，位于远离经受外科手术的目标解剖结构的骨。为了跟踪目标解剖结构，动态参考基座1 404通过使用临时放置在目标解剖结构上或附近的配准夹具与目标解剖结构相关联，以便将动态参考基座1 404与目标解剖结构的位置配准。

通过使用枢转臂1412将配准夹具1410附接到患者固定器械1402。通过将患者固定器械1402穿过配准夹具1410的开口1414插入，枢转臂1412被附接到患者固定器械1402。枢转臂1412通过例如将旋钮1416穿过枢转臂1412的开口1418插入而附接到配准夹具1410。

使用枢转臂1412，配准夹具1410可放置在目标解剖结构上方，并且其位置可使用配准夹具1410上的跟踪标记1420和/或基准点1422在图像空间和导航空间中确定。配准夹具1410可包含在导航空间中可见的标记1420的集合(例如，标记1420可由跟踪子系统532检测到)。如本文先前所述，跟踪标记1 420可以是红外光中可见的光学标记。配准夹具1 41 0还可包含在成像空间(例如，三维CT图像)中可见的基准点1422的集合，例如，诸如轴承滚珠。如关于图11更详细地描述的，使用配准夹具1410，目标解剖结构可以与动态参考基座1404相关联，从而允许导航空间中对象的描绘覆盖在解剖结构的图像上。位于远离目标解剖结构的位置的动态参考基座1 404可以成为参考点，从而允许从外科区域移除配准夹具141 0和/或枢转臂1412。

图11提供了符合本公开的用于配准的示例性方法1 500。方法1 500从步骤1502开始，其中目标解剖结构的图形表示(或图像)可导入系统100、300600，例如计算机408。图形表示可以是患者210的目标解剖结构的三维CT或荧光镜扫描，其包括配准夹具1410和基准点1420的可检测成像图案。

在步骤1 504处，在成像空间中检测并配准基准点1420的成像图案，并将其存储在计算机408中。任选地，此时在步骤1506处，可将配准夹具1410的图形表示覆盖在目标解剖结构的图像上。

在步骤1508处，通过识别标记1420来检测和配准配准夹具1410的导航图案。标记1420可以是通过跟踪子系统532经由位置传感器540通过红外光在导航空间中识别的光学标记。因此，目标解剖结构的位置、定向和其他信息在导航空间中配准。因此，可以通过使用基准点1422在图像空间中和通过使用标记1420在导航空间中识别配准夹具1410。在步骤1510处，将图像空间中配准夹具1410的配准转移到导航空间。例如，相对于标记1 420的导航图案的位置，通过使用基准点1 422的成像图案的相对位置来完成该转移。

在步骤1512处，将配准夹具1410的导航空间(已与图像空间配准)的配准进一步转移到附接到患者固定器械1 402的动态配准阵列1 404的导航空间。因此，由于导航空间与图像空间相关联，可以移除配准夹具1410并且可以使用动态参考基座1404来跟踪导航空间和图像空间两者中的目标解剖结构。

在步骤1514和1516处，导航空间可以覆盖在图像空间和具有在导航空间中可见的标记的对象上(例如，具有光学标记804的外科器械608)。可通过外科器械608在目标解剖结构的图像上的图形表示来跟踪对象。

图12A至图12B示出了可与机器人系统100、300、600结合使用以获取患者21 0的术前、术中、术后和/或实时图像数据的成像装置1 304。可使用成像系统1 304对任何适当的主题进行成像以用于任何适当的手术。成像系统1304可以是任何成像装置，诸如成像装置1306和/或C形臂1308装置。可能需要从多个不同位置采集患者21 0的x射线，而无需频繁地手动重新定位患者210(这在x射线系统中可能是必需的)。如图12A所示，成像系统1304可以呈C形臂1308的形式，其包括终止于″C″形状的相对远端1312的细长C形构件。C形构件1130可进一步包括x射线源1314和图像接收器1316。臂的C形臂1308内的空间可为医师提供空间来照顾患者，而基本上不受x射线支撑结构1318的干扰。如图12B所示，成像系统可包括成像装置1 306，该成像装置具有台架壳体1 324，该台架壳体附接到支撑结构成像装置支撑结构1328，诸如带有轮1332的轮式移动推车1330，其可封闭图像捕捉部分(未示出)。图像捕捉部分可包括x射线源和/或发射部分和x射线接收和/或图像接收部分，它们可以彼此相距大约一百八十度设置并相对于图像捕捉部分的轨迹安装在转子(未示出)上。图像捕获部分可能可操作为在图像采集期间旋转三百六十度。图像捕捉部分可围绕中心点和/或轴旋转，从而允许从多个方向或多个平面中获取患者21 0的图像数据。尽管本文例示了某些成像系统1304，但是应当理解，本领域的普通技术人员可以选择任何合适的成像系统。

存在用于显示覆盖在荧光镜图像上的外科工具的模拟投影以通过医学图像与跟踪空间的单向配准来辅助外科手术的方法。例如，可将校准夹具附接到荧光镜的图像增强器，诸如图1 3所示。夹具包含在x射线图像上出现的具有已知间距的成排的小金属球(在下文中称为″BB″)，并且还包含提供夹具在跟踪空间中的三维(3D)位置的光学跟踪阵列。通过图像处理和几何计算，可确定放置在x射线路径中的工具应该如何表现为x射线图像上的投影。在跟踪器(例如，相机)的坐标系中跟踪附接有跟踪阵列的工具的3D位置。然后，将工具的图形表示覆盖在x射线图像上以提供″虚拟荧光镜″，该虚拟荧光镜具有与在将工具保持在术野中的同时获得连续的x射线时将被看到的大致相同的视觉信息。该方法的益处在于，由于虚拟荧光镜可提供覆盖在单个x射线图像上的工具位置的连续更新，所以患者和医务人员暴露于更少的辐射。

尽管该方法将3D工具位置映射到二维(2D)医学图像，但该应用不必将在2D医学图像上检测到的点映射到3D跟踪空间，即，将医学图像空间与跟踪空间共同配准。然而，可通过考虑从发射器延伸到收集器的矢量来获得这种映射。图14示出了x射线(例如荧光镜)收集器板1702，其示出了BB 1710在距源1708不同距离处的两个平面1704和1706内的理论投影。x射线收集器板1702、平面1 1706和平面21704被示出为平行并且同心。在这种情况下，假设x射线发射器1 708是一个点，并且从源到收集器的射线以锥形图案从该点传播出去。由于该锥形图案，来自平面1 1706的BB 1710在x射线收集器板1702上相对于来自平面21704的BB 1710看起来被放大，尽管在该示例中它们实际上被隔开相同的距离。这种现象被称为视差。

考虑到其中一个x射线视图是从与另一个x射线视图显著不同的视角获得的情况，诸如图15所示，并且其中收集器和发射器在3D中的准确位置通过跟踪或其他手段获知，从发射器到收集器以锥形图案延伸的矢量可被追溯到它们与存在于两个视图中的感兴趣解剖点1 802相交的位置。在这种情况下，″矢量″可意指从BB的可见x射线阴影确定的矢量，或计算(例如，内插)以匹配从可见x射线阴影推导出的锥形图案的任何矢量。然后可确定感兴趣的解剖点的3D位置，因为在来自两个视图的矢量的交点处存在唯一的解。也就是说，无法从一个视图推导出参考点的3D位置，因为该点可位于沿着矢量的从源到发射器的任何位置，并且将出现在收集器板上的相同位置处。第二视图提供了沿着点必须在那里的矢量的唯一位置。

图14仅示出了两个平行平面1704和1706上的4个BB 1710。这些BB可为从多个2D x射线视图检测物体在3D中的位置的方法提供基础。然而，为了提供更好的准确度，可改为使用诸如图16所示的BB的密集栅格(例如，数十或数百个)，这将允许更准确地内插矢量。更多BB的使用允许更准确的内插和最终更好的3D准确度，但来自更多BB的x射线阴影也阻碍外科医生能够在x射线图像上显现感兴趣的解剖结构。

隐含的假设是，收集器板和发射源的位置在两个发射期间在3D中是已知的。例如，收集器板可具有附接的跟踪阵列，并且因此其3D位置将被直接跟踪。也可在发射器上放置跟踪器。然而，这样做存在缺点，主要是跟踪场需要非常大以观察两个跟踪器，其中收集器与发射器之间的距离通常可为大约一米。诸如光跟踪器的跟踪系统可仅具有小于一立方米的跟踪场。另外，对于一些临床上典型的x射线发射，发射器可被定位在视野之外。发射器源位置可改为相对于收集器阵列进行校准，但定义发射器位置的外推准确度可能较低，其中收集器与发射器之间的距离较大，并且当荧光镜被不同地定向时具有不同的下垂量。另选地，可根据具有已知间距dab1 71 2的BB的两个平行平面的荧光镜图像计算发射器源相对于收集器的距离和方向，诸如图14和图17所示。公式1中提供的公式基于图17中描绘的几何结构2000成立。

公式1：

其中，

·dec是从发射器到收集器的以mm计的距离;

·k是将荧光镜输出上的像素坐标转换为mm的缩放系数；

·1_a是平面A内BB1a与BB2a之间的以mm计的横向距离;

·l_b是平面B内BB1b与BB2b之间的以mm计的横向距离；

·y_1a是从中心梁到BB1a的以mm计的横向距离；

·y_1b是从中心梁到BBlb的以mm计的横向距离；

·y_2a是从中心梁到BB2a的以mm计的横向距离；

·y_2b是从中心梁到BB2b的以mm计的横向距离；

·z_ea是从发射器到平面A(BB1a和BB2a)的以mm计的距离；

·z_eb是从发射器到平面B(BB1b和BB2b)的以mm计的距离；

·d_ab是平面A与平面B之间的以mm计的纵向距离；

·L₂a是收集器上平面A中BB的阴影之间的以像素坐标计的距离；以及

·L_2b是收集器上平面B中BB的阴影之间的以像素坐标计的距离。

对d_ec求解得到

公式2：

因此，如果平面之间的间距是已知的并且BB之间的间距是已知的，则可通过包含这些BB的x射线图像的图像处理来确定从发射器到收集器的距离。需注意，图1 7指示测量两个平面中两个相邻BB的阴影之间的距离。在实施过程中，可测量x射线图像上若干对BB之间的距离，并且取这些距离的平均值。另外，图17示出了平面A和平面B上的BB之间的距离相同，然而，它们的物理距离可能不同，并且通过公式中的1a和1_b来说明。在实施过程中，可能期望使BB偏移而不是隔开相同的距离并且对准，以防止它们的投影部分地彼此遮挡。

这种用于限定发射器相对于收集器的位置的方法在限定发射器的方向以及距离时利用了两个平行板。在配准夹具安装到收集器的情况下，假设从发射器到收集器的方向垂直于收集器的平面和包含BB的平面。如果该假设不成立，则BB从近场和远场平面的投影将不会对称地覆盖在x射线图像上。对于x射线平面相对于BB平面的给定角度偏差量，BB阴影相对于对称投影的偏移量与BB平面之间的距离成比例，其中较大的平面间隔表现为x射线图像上投影的较大横向位移。通过几何结构，BB阴影的横向偏移可用于准确地确定BB平面相对于收集器平面的实际定向，并且由此确定发射器在3D中的位置，或者用于手动或自动地调整图像增强器上的配准夹具的定向，直到BB平面和收集器板真正共面。

缩放系数k在上述公式中给出，但该系数对于广义点的3D坐标的后续3D到2D映射是必要的。一般来讲，为了将具有坐标x，y，z的3D点映射到具有与笛卡尔坐标系的x轴和y轴对准的图像的X轴和Y轴的2D x射线图像，公式3成立。

公式3：

其中X是与笛卡尔X轴对准的2D x射线图像的坐标轴，Y是与笛卡尔y轴对准的2D x射线图像的坐标轴，并且z是垂直于x射线图像的笛卡尔轴。

如果在相隔至多90度的不同定向上获得两个荧光镜发射，诸如一个普通的临床前后发射和一个普通的临床横向发射，则(X1，Y1)可被定义为当点出现在x射线图像1(例如前后图像)上时点(x，y，z)的x射线坐标。与该x射线平面对准的局部坐标系中的点的笛卡尔坐标可被定义为(x1，y1，z1)。类似地，(X2，Y2)可被定义为在x射线图像2(例如，横向图像)上出现的相同点的x射线坐标。与该x射线平面对准的局部坐标系中的点的笛卡尔坐标可被定义为(x2，y2，z2)。因为跟踪系统可用于在荧光镜处于每个定向时检测x射线收集器的3D位置，所以从笛卡尔坐标系1到笛卡尔坐标系2的转换T12是已知的，其中T12是本领域中常用的标准4×4转换矩阵。因此，存在得出公式4的唯一解。

公式4：

以及

需注意，两个坐标系各自被定向为其z轴垂直于每个x射线平面、其z轴的原点在每个x射线平面处并且其x轴和y轴的原点在x射线平面的中心处。x和y相对于x射线平面的方向可以是任意的。通过使用例如3D光学跟踪来跟踪3D中的x射线平面的位置，可确定从第一到第二3D坐标系(T₁₂)的转换。

用于定义与两个荧光镜视图相关联的3D笛卡尔坐标系的方法可假设BB被均匀地投影到图像增强器上。然而，失真通常与从荧光镜获得的图像相关联，诸如枕形失真、s失真等。在应用本文所述的方法之前，可使用图像处理来校正这些类型的失真。失真校正可利用BB在配准装置上以对称图案布置的事实。因此，通过已知对称图案投影的x射线应产生具有匹配对称性的图像。BB之间的间距和成排的BB的对准可通过图像处理来确定，并且与BB的预期投影进行比较。图像处理中通常已知的算法(诸如仿射转换等)可用于迫使投影的x射线图像与已知和预期的对称性相匹配。由于相同的校正也可应用于x射线上的解剖图像，因此所得的x射线图像应表示未失真的投影，并且应允许如本文所述的配准的有效计算。

在实施方案中，用于校正失真的对称图案可以是如图1 6所示的正方形图案，其中BB分布在围绕图像中心的极坐标系中的径向对称图案，其中BB共享共同的半径和方位角，或者是如图18和图19中的夹具所示的任何合适的图案。只要嵌入配准夹具中的实际BB的图案是已知的，就可预测BB在x射线图像上的对应阴影，并且应用失真校正以迫使图像与预期图案相匹配。

图像的2D到3D映射的过程依赖于对x射线图像上方向的正确解释。例如，如果2D x射线图像是前后图像，则必须知道2D图像是表示发射器在前并且收集器在后的发射还是发射器在后并且收集器在前的发射。另外，由于荧光镜图像通常是圆形的，因此必须有一种方式来根据BB阴影精确地确定哪个方向指向左、右、上或下。夹具的BB平面可提供用于对准校正的信息，诸如使用最靠近x射线收集器定位的BB以提供旋转地定向x射线图像的信息，并且还提供关于反射的信息，例如，BB图案可确定正z方向是延伸离开可见平面的前面还是后面。在实施方案中，夹具可包含大BB的外环，该外环被布置成使得其唯一地识别对准的方面，诸如图像的旋转和翻转。用于识别定向和/或翻转的BB的图案可基于图案提供图像旋转和翻转的独特组合的能力以及基于图案提供多余BB以增加检测可靠性的能力来选择。多余的BB可能是重要的，因为由于工具或植入物对BB阴影的阻碍，或穿过图像一部分的x射线穿透性差，可能并非所有的BB都将在任何给定的x射线发射上可见。

在实施方案中，可采用围绕标准圆形荧光镜图像的周边具有变化间距的BB的环，诸如图19所示，其中周边BB的阴影形成位代码(例如，32位代码)。在实施方案中，具有第一点阵列的第一平面2202和具有第二点阵列的第二平面2204可被投影以形成组合图像2206。代码长度应被选择为使得BB的间距能够分开得足够远，使得在检测BB的位置时可能导致它错误地落入相邻的位位置的出错机会很小，同时仍然提供足够的信息以稳健地应对丢失的位。如果仅检测到现有BB的子集，其中一些BB阴影无法检测，则子集与已知模板的比较可提供正确的图像定向和翻转，而不管哪些BB丢失。如果检测到具有更多数量的BB丢失的子集，则算法可确定正确的图像定向和翻转。在获知算法限制的实施方案中，系统可能要求在允许算法继续进行之前检测到特定最小数量的BB。

在实施方案中，定向匹配可利用点匹配算法(例如，Kabsch点匹配算法)或其他适当的点匹配算法，其假设两个点集被相同地缩放。然后该算法可确定两个点集之间的转换，其中一个点集来自定向BB检测，并且另一个点集来自夹具3D模型。然后可将夹具的定向标记投影到图像空间中。由于两个点集需要被相同地缩放，因此该算法测试投影缩放的范围以找到最佳匹配。一旦找到最佳匹配，就适当地缩放转换，并且该算法在检测到的图像标记与物理夹具标记之间分配点对应。然后可将所得转换应用于图像，以旋转和/或翻转图像，从而产生与夹具的对准。

环配准夹具：

作为用于建立定向的BB阵列的另选形式，可以使用例如由诸如金属线的不透射线的材料形成的环或其他形状，作为配准夹具中的基准点。参考图20，示出了环配准夹具2300，其中两个平行环2304和2306具有相同或不同的直径(例如，介于50mm至300mm之间)并且同心地定位在间隔开(例如，间隔开50mm至300mm)的平行平面中。为了便于识别环2304和2306的中心，环还可具有一个或多个十字准线2308A和2308B，该十字准线由具有与环本身相同或不同直径的线材或其他不透射线材料形成。环的一些理想特征包括完全圆形的环，它们的十字准线穿过准确的中心，使得投影椭圆的直径和十字准线交点是准确的，等等。另外，可能期望环的横截面是圆形的而不是扁平的，使得如果环相对于x射线图像成一定角度，它就被正确地投影。用于形成环的可行方法包括焊接或以其他方式粘附线材段，使用不透射线构造材料进行快速成型(3D打印)，以与用于制造印刷电路板相同的方式进行蚀刻等。

当在以收集器板为中心的同时获取环配准夹具2300的x射线图像时，它应显现为两个同心圆2402和2404，诸如图21上所示。如果在环配准夹具2300不平行于收集器板或不居中时获取x射线图像，则它将显现为两个椭圆2502和2504，诸如图22所示。

此外，跟踪标记2302A-D可用作3D中的环配准夹具2300的环定位的参考，诸如利用光学标记阵列、磁传感器或其他类似的3D跟踪方法。为了参考，可能方便的是在配准夹具2300上定义局部坐标系。例如，参考局部坐标系可使其原点位于更靠近x射线发射器的环的中心，其中第二(例如平行)环更靠近收集器，并且x轴和y轴可与识别第一环的中心的十字准线重合，其中z轴与连接两个环的中心的矢量重合。

在实施方案中，使用环配准夹具从3D到2D映射点可利用穿过两个环上的已知点的矢量，该已知点被创建以形成锥形图案，其中该图案然后用于内插穿过感兴趣区域的矢量。

在实施方案中，可应用一系列公共转换(即，旋转、平移、放大)，诸如使用从图像上的特征估计的转换参数。例如，考虑基于双环夹具的3D坐标系，使得该坐标系以作为近场环的更靠近发射器的第一环和作为远场环的更靠近收集器的第二环为中心。在该示例中，近场环和远场环可具有相同的直径，其中为了将点从该坐标系映射到收集器板的坐标系，可应用多个转换。

在图23至图27中描绘了例示性转换的非限制性示例集合。图23描绘了围绕z旋转θ的转换步骤1(例如，θ是允许随后围绕y发生旋转α的角度)。需注意，在该图中，环是在没有视差的3D中观察的，并且因此近场环和远场环在起始定向上完全重叠。图24描绘了围绕y旋转α的转换步骤2。需注意，旋转是围绕近场环(例如，更靠近发射器的环)的中心发生的。图25描绘了在平面中旋转以匹配射线照片的视角的转换步骤3(例如，找到x-y平面中偏离y的角度以得到实际的旋转轴，而不是使用y轴作为入射角α的旋转轴)。图26描绘了从坐标系中心位移dx，dy的转换步骤4。图27描绘了根据视差进行放大的转换步骤5。在该示例中，在步骤5完成的情况下，x-y平面表示映射到2D平面的点。在步骤5中，根据公式3进行放大。

在该示例中，在最终图像上，由于近场环上的点具有比远场环上的点更大的z值，因此近场环比远场环看起来放大得更多。另外，根据环与x，y＝0，0的距离，环在x-y平面中的旋转可能看起来不同。

因此，为了从附接到环配准夹具的坐标系中指定的3D中的点转到x射线平面上的2D中的点，应用一系列转换，其中存在五个未知数：θ、_α、φ、dx、和dy。可以使用图像处理以根据环本身估计这五个未知数。因此，一旦定义了这五个参数并且建立了配准，则可将在参考坐标系中被指定为x，y，z的任何新点直接映射到x射线图像坐标。

对于用于根据图像确定五个参数的许多计算，需要dec/k的比率，如关于BB夹具所描述的。该比率可类似地根据平行于收集器板定向时获得的环的x射线图像来确定。图28示出了在垂直于收集器板的平面的平面处观察的关键尺寸的示意图，并且其中环在其阴影出现在收集器板上的视场中平行于收集器。基于图28，可写出以下公式来确定dec/k：

公式5：

其中

d_ec是从发射器到收集器的以mm计的距离；

k是将荧光镜输出上的像素坐标转换为mm的缩放系数；

1_a是环A的直径；

1_b是环B的直径；

y_1a是从中心梁到环A的边缘的以mm计的横向距离；

y_1b是从中心梁到环B的边缘的以mm计的横向距离；

y_2a是从中心梁到环A的相对边缘的以mm计的横向距离；

y_2b是从中心梁到环B的相对边缘的以mm计的横向距离；

z_ea是从发射器到平面A(到环A)的以mm计的距离；

ze_b是从发射器到平面B(到环B)的以mm计的距离；

d_ab是平面A与平面B之间的以mm计的纵向距离；

L_2a是收集器上环A的阴影的以像素坐标计的直径；并且

L_2b是收集器上环B的阴影的以像素坐标计的直径。

现在将描述可如何确定五个未知数(θ、α、φ、dx和dy)的非限制性示例。

计算入射角α：

考虑锥形光束撞击相对于锥体的任意角度的平面并将图像投影到收集板上，如从图29所描绘的视角所观察的，其中从穿过环平面观察的视角来看，穿过环的视图与收集器平面成任意入射角。如插图中所示，环平面在页面内和页面外，其中视图来自正z轴，并且如3D坐标系中所示引导重新格式化的x轴和y轴。在该示例中，从锥体(例如，x射线发射器)的顶部到在其上感知图像的收集器的距离dec是固定的。使用下标″a″是因为存在具有相同入射角_α和直径1_0b的平行于此的第二环，该第二环具有下标″b″。需注意，板和其上方的3D空间的坐标系被定位成使得2D图像的中心在X_p＝0处，并且3D空间的中心也在x_r＝0处。

基于图29，以下公式成立：

公式6：

参考图30，现在考虑具有不同直径的两个平行环的夹具。参数zea和ze_b表示在z方向上从发射器到每个环的中点(十字准线的交点)的距离。图30示出了穿过一对同心环的视图，从穿过环平面观察的视角来看，该同心环与收集器平面成任意入射角，其中环平面在页面内和页面外(参见插图)。基于图30，以下公式成立：

公式7：

为了求解z_ea(和z_eb)，考虑环的另一视角，如穿过如图31所示的最宽部分观察的，其提供了从图29和图30的视角旋转90度的视角来看的处于任意入射角的环的视图。由此得出：

对于环a

公式8：

对于环b

公式9：

/>

或

公式10：

代入方程7，

公式11：

z_eb-z_ea＝d_abcosα

其中

L_2a＝以像素坐标计的环a的椭圆投影的最宽直径；

L_2b＝以像素坐标计的环b的椭圆投影的最宽直径；

d_ec＝从发射器到收集器的以mm计的距离;

d_ab＝从环a到环b的以mm计的最短距离；

k＝像素到mm的转换系数；

l_0a＝以mm计的环a的已知实际直径；以及

l_0b＝以mm计的环b的已知实际直径。

公式11规定测量环的最宽和最窄投影，并且微小变化可能导致α的差异。改为基于环中心的位移寻找对误差较不敏感的方程是有用的。如果下环被″放大″以匹配上环和下环的直径的已知比率(例如，如果环具有相同的直径，则比率为1)，则这与环在垂直方向(z方向)上向上移动将是相同的，因为在环点偏离零的坐标系中针对环上的每个点的值进行了缩放。图32.示出了从与图29相同的视角来看处于任意入射角的一对环的视图。如果远场环被放大以匹配近场环的放大，则这将等同于沿z轴物理地向上移动环直到z_ea＝z_eb。

该z位置成为两个椭圆的长轴的z位置。图像处理使得能够围绕图像的中心缩放远场椭圆的图像，直到远场椭圆直径相对于近场椭圆直径与预期比率相匹配。例如，如果远场环和近场环在物理上具有相同的直径，则x射线投影的远场椭圆将看起来比近场椭圆小。然后可缩放远场椭圆上的点，使得远场椭圆的新图像将具有与近场椭圆相同的直径。具体地，需要缩放的唯一点可以是远场椭圆的中心，如由远场环的十字准线的交点所定义的。在远场椭圆缩放并且近场椭圆未缩放的情况下，椭圆中心的偏移表示在斜边等于环之间距离的三角形中的对边的以图像坐标计的测量结果。在该z位置处，斜边可以图像坐标计来确定，其中该斜边是环之间的距离乘以近场椭圆长轴与近场环直径的比率(或者乘以缩放的远场椭圆长轴与远场环直径的比率，这根据缩放系数的定义是相同的)。有了对边和斜边，可使用反正弦函数求得α。

公式12：

其中：

D_cab＝未缩放的近场中心之间的以图像坐标计的距离；椭圆和缩放的远场椭圆；

L_2a＝在旋转轴方向上测量的以图像坐标计的近场椭圆的直径(大致等同于投影椭圆的长轴)；

l_0a＝以mm计的近场环的直径；以及

d_ab＝以mm计的环之间的距离。

计算方位角φ：

可能看起来方位角φ(将环入射的旋转轴置于y轴上所需的角度)仅仅是相对于椭圆中的一个椭圆的长轴的角度。例如，图33描绘了围绕y轴出现的入射角为α＝20°的两个圆环在x射线(具有视差)上的建模外观。两个椭圆的长轴看起来被定向成与y轴一致，并且因此将预期方位角为φ＝0°。表面上，可使用图像处理来评估任一个或两个椭圆的长轴的定向并且将其用于确定θ。然而，可以看出，如果环位置偏离图像的中心，则椭圆的长轴无法准确地反映方位角。在图34所描绘的由数字数据生成的示例中，在两个椭圆的长轴方向上存在明显的差异。在图34中，在围绕y轴出现的入射角为α＝24.5°的两个平行圆环的x射线(具有视差)上描绘了建模外观。两个环均偏离x射线的中心。两个椭圆的长轴看起来相对于y轴明显地成角度；另外，较大椭圆的长轴看起来具有与较小椭圆的长轴不同的方位角。在这种情况下，方位角已知为φ＝0°，但图像处理不会正确地给出该角度。

另外的考虑是，对于小的角度，可能难以准确地评估直径最大的确切方向，因此用于使用椭圆的长轴的定向来找到θ的方法可能产生较低的准确度结果。在实施方案中，使用椭圆的长轴长度的方法应产生更好的结果。

在参考图32描述的缩放练习中，可以看出放大等同于将整个环沿z轴向上移动。因此，如果远场环被适当地缩放，则两个椭圆环图像将表示在近场环和远场环的相同z坐标处的投影。如果近场环和远场环的中心在相同的z坐标处，则在x和y上连接它们的矢量表示旋转轴的路径。实际的旋转轴应垂直于该路径并且也在x-y平面中。因此，旋转轴可通过图像处理来提取，方法是首先缩放远场环中心，然后跟踪连接远场环和近场环图像的中心的路径。在图示中，图35描绘了围绕y轴出现的入射角为α＝24.5°的两个平行圆环在x射线(具有视差)上的建模外观。两个环均偏离x射线的中心。远场椭圆已经围绕图像的中心进行了缩放，直到近场椭圆和远场椭圆在其长轴上相等。方位角已知为φ＝0°(即，围绕y轴旋转，参见图24)，这是已经执行缩放后的正确结果。

角度θ是考虑视角后近场垂直十字准线相对于Y或者水平十字准线相对于X的角度。因此，找到十字准线与椭圆的交点的位置，并且然后应用反入射角将给出平坦平面中的交点，从而允许根据十字准线交点的x，y坐标的反正切来确定角度θ。

需注意，重要的是获知哪个十字准线与X或Y对准以及十字准线的哪个方向指向+X或+Y。该信息可根据出现在x射线图像上的夹具上的附加特征来确定，诸如BB或靠近参考十字准线的正轴的线或任何其他合适的特征。

偏移位置dx，dy是近场环的中心的x，y坐标的偏移。可基于夹具上的跟踪器和所得x射线上看到的对应点来直接跟踪该点。该点可用作配准检查。也就是说，如果被导航的探针指向近场环的中心，则应看到探针的图像，其尖端位于投影椭圆的十字准线交点处。

如果配准夹具非常精确地附接到图像增强器，则上文提及的几个参数变为零。也就是说，入射角α、旋转轴参考φ、位移dx和dy均变为零，从而简化了配准过程。因此，与BB夹具一样，x射线上的十字准线与环的交点位置可用作调整工具，而不是用于提取转换参数。也就是说，如果x射线示出环中心与边缘的交点的存在差异，诸如图21所描绘的，则可在图像增强器上手动或自动地调整夹具，直到x射线示出居中，此时，转换将被简化并且映射将达到其最佳准确度。

当在配准夹具中使用环时，可以类似于应用于BB夹具的校正的方式来实现失真的校正。为了使失真校正有效，环夹具上的十字准线需要附加特征，其中沿每个十字准线设置均匀间隔的标记。这些标记可以是影线标记、圆、间隙、或出现在x射线图像上的可见投影上的任何这样的特征。然后，通过考虑十字准线的线性和十字准线上的索引之间的间距两者，可以说明和校正枕形失真和s失真。图36和图37示出了当使用环夹具时图像上的枕形失真和s失真的表现。假设由于枕形失真围绕图像的中心径向对称，因此仅需要看到一个十字准线和标记就能说明枕形失真并对其进行校正，假设十字准线从一个边缘到另一个边缘穿过图像中心。如果枕形失真在不同角度处不对称，则可能需要附加的十字准线来评估枕形在不同方向上的幅度。

图36示出了使用荧光镜可能发生的枕形失真，其将导致通过正方形栅格发射的x射线显现为枕形失真图像3602。为了清楚起见，枕形图案被示出为比典型图案更夸张。在附图的下部，具有十字准线和在十字准线中均匀间隔的间隙的环被示出为未失真3604(左)，并且然后具有枕形失真3606(右)。需注意，失真对环没有影响，但清楚地显示在十字准线中的间隙的间距上，其中从中心向外到环可见的间距增加。枕形失真的幅度被测量为从图像的中心到边缘的索引之间的间距的增加量。类似地，桶形失真将表现为从图像中心到环的十字准线中的间隙减小。

图37示出了使用荧光镜可能发生的s失真，其将导致通过正方形栅格发射的x射线显现为s失真图像3702。为了清楚起见，s图案被示出为比典型图案更夸张。在附图的下部，具有十字准线的环被示出为未失真3704(左)，并且然后具有s失真3706(右)。需注意，失真对环没有影响，但清楚地显示在已经呈s形的十字准线上。根据两个十字准线呈现s形的量来测量s失真的幅度。

2D中的3D外科手术计划：

在医学规程的计划中，诸如结合外科手术机器人平台，可基于2D图像在3D中提供用于放置诸如外科手术螺钉的医疗对象的计划。例如，在这样的计划中，可假设在2D视图之一中绘制以表示螺钉的线段具有进入和离开绘制其的平面的某个维度(例如，在z维度中)。还可假设具有进入和离开绘制其的平面的某个起始和结束z坐标。例如，如果在前后和横向x射线图像上计划椎弓根螺钉，则对z坐标的适当假设可以是：横向x射线上的螺钉尺寸代表螺钉的最大长度。也就是说，螺钉没有成角度地进入或离开平面，并且因此螺钉的尖端和尾部在横向图像的局部坐标系上的z坐标是相同的。对于尖端和尾部相等的z坐标可被假设为适合于将螺钉放置在前后图像的中心的值。也就是说，对于选择横向平面视图中的x坐标和y坐标的用户，横向图像中的任何z坐标都使得螺钉图像显现在将使用的前后图像上的屏幕的中心处。

在实施方案中，可使用其他手段来改善对未知计划平面的初始猜测。例如，前后和横向图像可用于计划，其中两个图像的顶部可被定向成表示头侧解剖方向。如果通过软件提示获知，用户将要通过将左螺钉放在横向图像上来放置左螺钉，则前后图像上螺钉的起始位置可能朝向屏幕的左侧，假设左屏幕是左解剖方向。

一旦初始位置由用户在一个视图中规定并由软件在另一视图中猜测或以其他方式指定，则螺钉在任一视图中的任何随后的重新定位可通过满足3D坐标到2D的前向映射而映射到另一视图。例如，用户可能已经在横向x射线期间在与配准夹具相关联的局部笛卡尔坐标系中定义了螺钉尖端的x，y，z坐标。如果用户随后通过软件交互选择并拖动螺钉尖端的表示，则他们必须在该笛卡尔坐标系的x-y平面中而不是在其z方向上移动尖端，因为笛卡尔坐标系的x-y平面平行于图像平面。该局部坐标系中的x移动和y移动(其中z移动＝0)可通过用户交互来更新。然后，因为通过跟踪而获知前后和横向x射线的局部坐标系之间的转换，所以也可更新与前后图像的局部坐标系相关联的所得x，y，z坐标，从而允许将螺钉的计划尖端映射在前后图像中的新位置上。通过更新一个图像并且然后更新另一个图像的序列，用户可将螺钉移动到3D位置中，该位置相对于配准夹具的两个被跟踪位置是已知的，并且因此对于相机空间和对于机器人是已知的。然后机器人可移动到允许螺钉被准确放置的位置。

需注意，如果图像的两个坐标系是垂直的，一个表示前后并且一个表示横向x射线，则通过软件交互，前后视图上螺钉尖端或尾部的计划表示在头尾方向上的移动将具有使螺钉尖端或尾部表示在横向视图中头尾移动相同量的效果。然而，螺钉尖端或尾部在前后视图中向左或向右的移动可能对横向图像中的计划尖端或尾部位置没有影响。相反，横向图像中螺钉尖端或尾部的前移动或后移动将对前后图像中螺钉尖端或尾部位置没有影响，但横向图像中螺钉尖端或尾部位置的头侧或尾侧移动将导致前后图像中螺钉尖端或尾部的表示头尾变化相同的量。如果两个x射线不是垂直获得的，则在计划螺钉尖端或尾部的一个视图中向左、向右、向上或向下的移动将导致另一个视图中的表示移动至少某个量。

尽管已经描述了两个视图用于计划，诸如一个前后和一个横向x射线，但由于可为任何x射线图像创建3D到2D的映射，因此只要在获得图像时获取配准夹具的跟踪信息，就可同时显示和更新对任何数量的x射线图像的计划。例如，可在屏幕的四个象限中显示以45度增量发射的四个图像，并且可将计划的螺钉配准到每个视图。使用软件交互来更新一个视图中的计划位置将导致每个其他视图中的图像改变。

图38至图46示出了新颖的配准夹具2，该配准夹具2被构造用于附接到医学成像装置的平板检测器4侧，而不是发射器侧。图38的配准夹具2理想地适用于在C形臂上使用数字平板检测器4以利用数字成像技术的医学成像装置，与基于图像增强器的C形臂系统相比，其包括较低的辐射剂量和增强的图像质量。

配准夹具2包括底部框架6、第一侧部框架8和第二侧部框架1 0以及可拆卸地附接到底部框架6的运动安装件1 2。根据定义，运动安装件限制侧部框架8、10相对于底部框架6的所有六个自由度。

底部框架6由体积和重量最小的铝框架构成，但也可由多种成本合理、密度低、强度和刚度高的材料中的任何材料制成。

射线可透板14附接到底部框架6。在图39所示的实施方案中，板16包括彼此垂直间隔开的两个板14、16。定向板14被定位成更靠近平板检测器4，并且配准板16被定位在定向板上方。

每个板由射线可透材料(例如，碳纤维、Rohacell泡沫、丙烯酸树脂、ABS或类似材料)制成并且容纳所嵌入的不透射线标记1 7、1 9，该不透射线标记以独特配置定向以用于图像处理和导航目的。在所示的实施方案中，不透射线标记17、19是1/8英寸的不锈钢球，但也可由任何数量的不透射线材料和各种几何结构组成。

在一个实施方案中，板14、16安装到底部框架6上的精密平坦表面，并且两个板之间的间隔距离在1 0mm和75mm之间。在另一个实施方案中，该范围在25mm和50mm之间，这可最大限度地减少临床团队的外科手术工作区域内的阻碍。然而，可增大或减小板间隔距离以提高准确度。

定向和配准板14、1 6通过孔和槽结构与精密定位销20对准，以实现最佳的板与板的对准精度。两个板的孔、槽、销结构是独特的以防止错误安装。

图40A示出了具有呈预定图案的第一组不透射线标记1 7的定向板1 6，而图40B示出了具有呈预定图案的第二组不透射线标记1 9的配准板1 8。

配准板1 8中的第二组标记1 9包括多个不透射线标记，该多个不透射线标记以圆形图案彼此等距地间隔开。在所示的实施方案中，在配准板1 8中存在24个均匀间隔的标记。

定向板16中的第一组标记17包括一组标记，该一组标记以圆形图案彼此间隔开，但它们之间的间距是不均匀的。由标记1 7形成的圆的直径小于由配准板18中的第二组标记19限定的圆的直径。由标记限定的两个圆(由标记1 7限定的较小圆和由标记1 9限定的较大圆)彼此同轴并且同心。

第一组标记1 7还包括在由不均匀标记限定的小圆中从对应标记径向向外延伸的标记(例如，针对每个对应的不均匀间隔的标记示出了两个)，使得从圆心的假想线与径向延伸的标记和圆中的对应标记相交。在所示的实施方案中，在定向板16中存在24个标记17(8个标记位于小圆上，并且2个标记的8个子集从圆中的对应标记径向延伸)。重要的是需注意，配准板18和定向板16两者中的标记数量相同，都是24个。

所有不透射线标记可以是不锈钢球或BB的形式，但它们可具有任何合适的不透射线材料。

如上所述的配准板和定向板中的不透射线标记的放置、尺寸和数量为以下项提供了最佳参数：导航准确度、准直要求(即，即使存在将截断图案的准直，也能够检测足够的标记并准确地放置外科手术植入物)、在导航手术期间对外科医生的解剖阻碍的最小化、以及允许导航跟踪软件确定性地检测图像是否未翻转1 80度或90度的定向检测。

尽管参考平板配准夹具2描述了射线可透过板14，但它们可被实现为配准夹具(诸如图1 8所示)的一部分，该配准夹具被构造成附接到成像装置的发射器侧。

侧部框架具有多个光学跟踪标记，并且适于可拆卸地安装到底部框架6而不刺穿待插置在底部框架6与侧部框架之间的消毒盖布。

如图38所示，每个侧部框架包括与不透射线标记成固定关系的六个平盘标记和六个球形标记。侧部框架8、10可由铝或相对于系统准确度要求提供足够强度、刚度、重量和光学特性的任何数量的材料构成。

在许多表面处理选择中，侧部框架8、1 0可被喷砂和黑色阳极化处理以减少潜在的反射。在所示的实施方案中，两个侧部框架8、1 0彼此成1 80度定向，并且从底部框架6垂直延伸。每个侧部框架8、1 0可包含安装特征，以使得能够使用平坦跟踪盘22和球形标记24(图38中仅示出柱)，以便允许NIR和可见光跟踪两者。

平盘标记22和球形标记24彼此交错排列。在一个实施方案中，当从它们各自的侧面(即彼此成180度)观察时，一个侧部框架8上的标记22、24的图案和间距与另一侧部框架10的图案和间距相同。

通过使用运动安装结构12，侧部框架8、10与底部框架6自对准并且精确定向。

每个侧部框架8、1 0被设计成通过结合物理键合特征而不可互换，这防止了用户意外的不正确安装。

如图38、图41和图42所示，底部框架6包括三个间隔开的运动安装点28(凹部被示出为三个V形块)，该三个间隔开的运动安装点被构造成通过自对准安装到底部框架6上的对应运动安装点26(被示出为三个截顶的球形球)。

如图42所示，非刺穿夹具30包括旋转销34和凸轮手柄36，该凸轮手柄联接到旋转销并且被构造成移动或平移U形夹具32，以便将U形夹具压靠在底部框架6上。U形夹具32具有槽42(参见图43A)，该槽容纳侧部框架8的一部分以允许相对于侧部框架的平移或滑动移动，以便压缩或释放底部框架6。在图38所示的另选实施方案中，U形夹具32能够安装在底部框架6的侧壁上方，并且手柄38具有以螺纹方式联接到U形夹具的螺纹轴40，使得手柄的旋转将U形夹具压靠在底部框架6上以便将侧部框架8固定到底部框架6。

第一侧部框架8在底部框架6的一侧上横向延伸，并且其跟踪标记22、24在远离底部框架的第一方向上背离底部框架6，而第二侧部框架1 0在底部框架6的另一侧上横向延伸，并且其跟踪标记22、24在与第一方向相反的第二方向上背离底部框架6。

如图38所示，第一侧部框架8和第二侧部框架10在安装到底部框架6时彼此平行。在所示的实施方案中，两个侧部框架8、1 0垂直安装到底部框架6。

在一个实施方案中，侧部框架8、1 0的球形跟踪标记24适于反射红外光(NIR)，而平盘标记22适于反射可见光并且在一些实施方案中也适于反射红外光(NIR)。

为了提高安装到各种平板C形臂检测器壳体的能力，已经设计和实现了多种柔性棘轮带结构。

图45示出了棘轮带组件46，该棘轮带组件包括一组带48、50；垫组件52和用于附接到平板检测器4的棘轮54。图46示出了使用如图45所示的棘轮带组件46将图38的底部框架6附接到平板检测器4。第一带50的一端可旋转地附接到底部框架6，并且另一端通过垫组件52附接到棘轮54。第二带48(梯形带)的一端可旋转地联接到底部框架6，并且另一侧联接到棘轮54以相对于第一带50进行滑动调整。棘轮54允许对带48、50进行调整以配合在各种平板检测器4上。棘轮带组件46可得自例如M2 Inc._ofC_o1chester，VT。带48、50从底部框架6延伸并且被构造成缠绕平板检测器4的下侧，以在使用期间将底部框架6临时固定到x射线医学成像装置的检测器面板。

在一种构型中，棘轮带组件的第一带50由延伸部件构成，该延伸部件包含多个通孔以提高可调整性(图45)。在另一种构型中，第一带50的一端附接到诸如弹簧加载的钩环的钩部件，该钩部件附接到设置在平板检测器4后面的环或手柄。

如上所述的平板检测器配准夹具2提供以下优点。

可进行图像准直，同时仍允许针对导航和图像处理要求进行适当的定向和配准基准标记检测。准直在图像质量方面有很大的优势，因为在没有这种准直的情况下患者解剖结构在某些场景中的可视化可能是极具挑战性的。

光学跟踪阵列利用防止刺穿消毒盖布的夹具安装到精密的运动安装结构。该夹具被设计成U形几何结构，该U形几何结构通过被集成作为致动器的凸轮手柄或用于刚性安装到底架6的螺纹手柄(充当丝杠)来移动。这种安装策略保护了消毒盖布的完整性。

具有光学跟踪标记的非刺穿侧部框架8、10便于对可分离的、消毒的和可高压灭菌的侧部框架进行夹持，这与使用盖布刺穿安装方法的传统设计不同。包含光学跟踪标记的侧部框架8、1 0能够与底部框架6分离，能够利用一次性标记，并且能够进行机洗和高压灭菌。侧部框架8、10的可分离性质允许增加优化以改善以下项的准确度：尺寸、段长优化、相对于潜在手术室障碍物的定位。

光学跟踪阵列将被动跟踪的盘和球两者结合到单个框架组件中，以便于利用NIR(球形标记)和可见光技术(平盘标记)进行跟踪。

将新颖的不透射线基准图案结合到定向和配准板中，以便于图像处理和导航工作流程。

棘轮带安装结构采用非确定性的顺应性带，以便于将荧光镜夹具安装到各种c形臂检测器面板几何结构。棘轮带包括串联紧固到具有弹簧加载的机械棘轮的顺应性垫的可调整的延伸部件，该可调整的延伸部件与柔性梯形带带组件接合。梯形带可任选地包含用于安装到固定式C形臂手柄的钩或钩环部件。结合在带组件上的任选设计安全元件包括硬止动件。

模块化棘轮带组件能够通过利用自锁U形夹销，结合弹簧加载的楔形件或等同的定位和自锁特征而沿荧光镜夹具的周边进行调整。考虑到各种C形臂检测器壳体，U形夹销的结合便于用户容易地调整棘轮带组件。

在一个实施方案中，与具有1 00mm或更大的板间隔距离的传统荧光镜夹具相比，定向和配准板间距已被最小化为介于25mm至50mm之间，以最大限度地减少临床团队的外科手术工作空间内的阻碍。可以减少或增加该板间隔以提高准确度，但为了最大限度地增加临床外科手术团队的可用工作空间，该板间隔已被最小化。

虽然已经结合详细示出和描述的优选实施方案公开了本发明，但对其的各种修改和改善对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明的实质和范围不受上述示例的限制，而应被理解为法律允许的最广泛的含义。

本文提及的所有文献据此以引用方式并入。

Claims (10)

1.一种与外科手术导航系统一起用于医学图像与三维跟踪空间的配准的配准夹具，包括：

底部框架，所述底部框架适于安装在x射线医学成像装置的平板检测器上方；

板，所述板附接到所述底部框架，所述板具有以第一预定图案嵌入其中的第一组不透射线标记和以第二预定图案嵌入其中的第二组不透射线标记；

侧部框架，所述侧部框架具有多个光学跟踪标记，并且适于可拆卸地安装到所述底部框架而不刺穿待插置在所述底部框架与所述侧部框架之间的消毒盖布。

2.根据权利要求1所述的配准夹具，其中所述侧部框架以非刺穿方式运动地安装到所述底部框架。

3.根据权利要求1所述的配准夹具，其中：

所述底部框架包括至少三个间隔开的运动安装点；

所述侧部框架包括互补的运动安装点并且适于安装到所述底部框架上的对应的运动安装点；以及

非刺穿夹具。

4.根据权利要求3所述的配准夹具，其中所述底部框架的所述运动点包括多个凹部，并且所述互补的运动点包括适于与所述凹部自对准的多个球形球。

5.根据权利要求3所述的配准夹具，其中非刺穿盖布夹具包括：

U形夹具，所述U形夹具能够安装在所述底部框架的侧壁上方；

手柄，所述手柄具有以螺纹方式联接到所述U形夹具的螺纹轴，使得所述手柄的旋转将所述U形夹具压靠在所述底部框架上，以便将所述侧部框架固定到所述底部框架。

6.根据权利要求3所述的配准夹具，其中非刺穿盖布夹具包括：

U形夹具，所述U形夹具能够安装在所述底部框架的侧壁上方；

旋转销；

凸轮手柄，所述凸轮手柄联接到所述旋转销并且被构造成移动所述U形夹具，以便将所述U形夹具压靠在所述底部框架上。

7.根据权利要求1所述的配准夹具，其中所述侧部框架包括：

第一侧部框架，所述第一侧部框架在所述底部框架的一侧上横向延伸并且具有在第一方向上背离所述底部框架的间隔开的跟踪标记；

第二侧部框架，所述第二侧部框架在所述底部框架的另一侧上横向延伸并且具有在与所述第一方向相反的第二方向上背离所述底部框架的间隔开的跟踪标记。

8.根据权利要求7所述的配准夹具，其中所述第一侧部框架和所述第二侧部框架在安装到所述底部框架时彼此平行。

9.根据权利要求1所述的配准夹具，其中所述光学跟踪标记包括适于反射光的多个间隔开的球形标记。

10.根据权利要求1所述的配准夹具，其中所述光学跟踪标记包括适于反射光的多个间隔开的平盘标记。

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