CN116549110A - 医疗校准方法 - Google Patents

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Abstract

本披露内容涉及一种医疗校准方法，该方法包括以下方法步骤：捕获(S100)医疗标记(20)和与之相连的医疗器械(40)的图像表示；基于该图像表示来确定(S200)该医疗标记(20)的空间位姿(53)；基于所确定的空间位姿且基于与医疗标记(20)和跟踪点(43)之间的空间位姿关系(64)相关的信息，确定(S300)该医疗器械(40)的跟踪点(43)的第一位置(61)，并基于所捕获的图像表示来确定(S400)该跟踪点(43)的第二位置(62)；确定(S500)该第一位置(61)与该第二位置(62)之间的偏差(63)；基于所确定的偏差(63)来调整(S600)与医疗标记(20)和跟踪点(43)之间的该空间位姿关系(64)相关的信息。

Description

医疗校准方法
技术领域
本发明涉及一种医疗校准方法和一种医疗校准系统，特别地用于使用医疗标记来校准医疗器械。本发明进一步涉及一种计算机程序，用于在系统中执行根据本发明的方法。
背景技术
使用技术辅助工具是现代医学的重要组成部分。将用于引导医疗器械的成像方法和机器人系统用在手术和诊断两者中同样是理所当然的事。在这种背景下，使用成像方法允许辨别患者体内的各种结构，并且在此过程中获得的图像数据可以有利地用于诊断，也可以用于治疗和手术方法。
通过示例的方式，患者的3D图像数据不仅允许外科医生更好地计划手术干预，而且3D图像数据还可以协助干预的实施。特别地，在操作中获得的图像信息可以覆盖在事先获得的诊断性3D图像数据上，以便向外科医生指出视觉效果较差的组织边界。进一步地，机器人手术器械可以基于3D图像数据进行控制，或者已经能够以部分或完全自主的方式执行某些操作。
在这种背景下，将3D图像数据正确地链接到参考坐标系对上述应用至关重要。在这种情况下，参考坐标系可以是在干预期间患者的坐标系、在干预期间捕获的图像信息的坐标系和/或手术显微镜的机器人系统的坐标系。只有这样的链接才能允许外科医生基于图像数据或机器人辅助工具通过图像数据进行后续的无误差医疗导航。
为了医疗导航的目的而将3D图像数据链接到某一参考坐标系通常被称为“配准”。这样的配准允许将患者空间的坐标唯一地映射到图像空间的对应坐标。一旦这样的映射是已知的，位于患者空间的定义坐标处的患者结构可以在图像空间的对应坐标处表示。
除了捕获和表示相对于参考坐标系而配准的图像信息外，捕获医疗器械在参考坐标系中的位置也是非常有利的。在这种情况下，位置的捕获既可以用于参考坐标系中医疗器械的导航，也可以用于捕获医疗器械所接触的结构边界的空间位姿。因此，医疗器械的跟踪还尤其用于捕获患者的轮廓，例如，以便在3D图像数据的参考坐标系中对患者进行配准。
通常，配准是使用医疗标记进行的，这些医疗标记允许在坐标系中确定这些标记的空间位置。为此，标记的几何形状是预先确定的，并且能够通过成像方法进行捕获。因此，通过评估这种标记的一个或多个图像，可以确定其在坐标系中的位姿(位置和朝向)。当使用一个相机时，通常拍摄(其相对于彼此的相对空间位姿是已知的)至少两个标记元素(以及可选地其排列)、优选地至少三个标记元素(以及可选地其排列)，以确定一个标记的位姿。
如果进一步地，该标记相对于物体的相对空间位姿是已知的，则该物体的空间位姿也可在坐标系中基于标记的位姿来确定。在这种情况下，最初将物体位姿或物体上特征点的位姿与标记的位姿进行链接被称为“校准”该物体。特别地，物体可以是医疗器械。
如果与物体的空间位姿相关的数据被提供给医疗导航系统，则该医疗导航系统可以将物体的跟踪数据与在坐标系中确定的或与之配准的其他数据一起处理。通过示例的方式，这允许对相对于解剖结构具有正确空间关系的医疗器械进行虚拟表示、使用医疗器械在患者空间中捕获轮廓和/或使用医疗器械自动实施手术干预。
将标记紧固到医疗器械在DE 202015106804 U1中是已知的，并且WO 2016/059250A1披露了使用标记进行医疗器械导航。医疗器械的医疗校准或医疗器械导航的准确性不仅受限于确定紧固到其的标记的位姿的准确性，而且还受限于与标记紧固到医疗器械的方式相关的公差。标记与医疗设备的组合几何形状的微小偏差已经对所确定的该设备的位姿产生了显著影响。配准的设备相对于紧固到其的标记的微小位姿变化已经可能导致不正确的医疗导航，特别是在标记与利用的成像传感器之间的工作距离较大的情况下。
本发明的目的是克服或最小化现有技术的缺点，并提供一种改进的医疗校准方法，特别地用于医疗器械。
发明内容
根据本发明的目的通过独立专利权利要求的主题来实现。优选发展是从属权利要求的主题。
本披露内容的第一方面涉及一种医疗校准方法，特别地用于优化确定医疗器械的相对排列和朝向或其相关点的定位，该方法包括下文所述的方法步骤。
在根据本披露内容的方法的步骤中，首先捕获医疗标记和与之相连的医疗器械的图像表示。医疗标记优选地是具有多个标记元素的医疗标记，这些标记元素可相互区分，也就是说，这些标记元素例如按照所附附图6可单独检测。优选地，至少一些标记元素、优选地为所有标记元素可相互唯一区分。在本披露内容的范围内，术语目标可以被同义地用于替换术语标记，在这种情况下，术语标记能够被同义地用于替换术语标记元素。根据这一替代性名称，目标具有多个可单独检测(可区分)的标记。优选地，目标的至少一些标记、优选地为所有标记可相互唯一区分。
通过示例的方式，医疗器械是医疗探针、指针、吸盘、尖锥等。优选地，医疗标记和医疗器械例如通过不可拆卸连接、整体连接、可拆卸连接、粘结连接、压入连接和/或互锁连接而彼此牢固连接或可牢固连接。在特别优选的实施方式中，医疗标记和医疗器械例如通过插入式连接、夹子式连接、闩锁式连接、卡口式连接和/或夹持式连接而彼此可拆卸地连接。下文中，医疗标记与医疗器械的组合被简单地称为“组合”。
原则上，标记和医疗器械的二维图像表示和三维图像表示两者均可以在本方法的范围内使用。医疗标记的图像表示可以优选地仅由医疗标记的标记元素的图像表示组成，例如，因为照明是通过IR光和IR反射标记元素进行的。同样地，医疗器械的图像表示可以仅由医疗器械的相关(跟踪)点的图像表示组成。作为替代方案或另外，然而，所捕获的图像表示也可以对标记和/或医疗器械的特定空间形状进行成像，例如，当其图像表示在可见光范围内被捕获时。
在根据本披露内容的方法的进一步步骤中，基于所捕获的图像表示来确定医疗标记的空间位姿。在这种情况下，医疗标记的空间位姿是参照参考坐标系(例如，在操作中患者的坐标系、手术显微镜的坐标系和/或手术前图像数据的坐标系)确定的。空间位姿优选地包括医疗标记的位姿，即，其位置和朝向。为此，医疗标记的几何形状被固定地预先确定或校准，这一点仍将在下文中进行详细解释。通过示例的方式，标记的标记元素的半径和相对间距是已知的，并且因此，对所捕获的医疗标记的图像表示的评估使其在空间中的位置和朝向是可确定的。
在根据本披露内容的方法中，基于所确定的医疗标记的空间位姿且基于与医疗标记和跟踪点之间的空间位姿关系相关的信息，进一步确定医疗器械的跟踪点的第一位置。特别地，跟踪点是医疗器械的特征点或相关点，例如，医疗指针、吸盘或手术刀的尖端。跟踪点是期望对其进行跟踪的点。优选地，也可以使用跟踪结构来代替跟踪点。在这种情况下，跟踪结构的空间范围大于跟踪点。跟踪结构优选地具有至少两个跟踪点。因此，虽然一个跟踪点在根据本披露内容的方法的范围内可表示为一个几何点，但一个跟踪结构在根据本披露内容的方法的范围内可由多于一个几何点表示。通过示例的方式，跟踪结构也是医疗标记的尖端，但医疗标记作为跟踪结构由多于一个几何点表示，例如，作为捕获尖端边缘的结果。为了清楚起见，下文参照一个跟踪点来描述本发明。然而，在任何适当的情况下，会对使用跟踪结构时出现的相关差异进行简要讨论。
与空间位姿关系相关的信息描述了空间关系，即，跟踪点相对于医疗标记的相对位置和排列。特别地，空间位姿关系可以描述医疗标记的某一点(目标点)与跟踪点之间的空间关系。在这种情况下，目标点相对于医疗标记的标记元素具有固定的空间关系。目标点可以预先定义或校准，并且在所披露的方法中是可选的，例如，在某种程度上，目标点可以隐含地包含在标记与跟踪点之间的空间位姿关系中。在优选实施方式中，与空间位姿关系相关的信息描述了跟踪结构(包含至少两个跟踪点)相对于医疗标记的相对位置和排列。
通过示例的方式，与空间位姿关系相关的信息是刚体变换的参数集。在这种情况下，在根据本披露内容的方法中，刚体变换的参数集优选地包括沿x轴、y轴和z轴(跟踪点)平移的至少三个值，并且特别优选地包括绕x轴、y轴和z轴旋转的三个值、以及还有沿x轴、y轴和z轴平移的三个值，即，总共六个参数(跟踪结构)。在根据本披露内容的方法中，可优选地获得与空间位姿关系相关的初始信息，并且基于该初始信息首先确定第一位置。
进一步地，在根据本披露内容的方法中，基于所捕获的图像表示来确定跟踪点的第二位置。特别地，第二位置仅基于图像表示来确定，而不借助于医疗标记的位姿或与空间位姿关系相关的信息。因此，跟踪点的第二位置仅基于所捕获的标记与医疗器械组合的图像表示中的图像信息来确定，特别地通过与所捕获的医疗器械的图像表示有关的图像分析来确定。为此，图像识别优选地在所捕获的图像表示中实施。这在计算上总是很复杂，需要一定的图像质量——特别是在跟踪点非常小的情况下(为指针尖端)——而且并不总是能实现(例如，如果跟踪点是间歇性地或部分地被遮盖的话)。在根据本披露内容的方法中，所确定的跟踪点的第二位置优选地被认为是跟踪点在所捕获图像表示中的真实位置。
在根据本披露内容的方法的范围内，进一步确定所确定的跟踪点的第一位置与所确定的跟踪点的第二位置之间的偏差。最初，该第一位置和该第二位置一般彼此不相同，所确定的偏差基于与医疗标记和医疗器械的跟踪点之间的空间位姿关系相关的不正确或不完整信息。
在根据本披露内容的方法中，基于所确定的第一位置与第二位置之间的偏差来进一步调整与医疗标记和跟踪点之间的空间位姿关系相关的信息。在这种情况下，与空间位姿关系相关的信息以使得跟踪点的第一位置和第二位置之间的偏差最小化的方式被调整。因此，通过使跟踪点的第一位置和第二位置之间的偏差最小话的约束，优化与空间位姿关系相关的信息。在这种情况下，调整与医疗标记和跟踪点之间的空间位姿关系相关的信息间接地引起对跟踪点的第一位置的调整。与空间位姿关系相关的信息的优化是通过例如变化来实施的。在刚体变换的参数集的情况下，优化优选地通过改变参数集的参数来实施，同时考虑到使跟踪点位置之间的偏差最小化。偏差的最小化可以通过要最小化的成本函数来考虑。
因此，根据本披露内容的方法可以有利地允许基于所捕获的医疗标记的位姿来优化所确定(估计)的跟踪点(例如，指针尖端)的位置。这种不准确性(其可追溯到医疗标记或医疗器械的制造公差或在连接标记与器械时的公差)有利地通过调整与空间位姿关系相关的信息来得到补偿。这种不准确性可能导致先前使用的校准或医疗导航方法出现误差。通过本文披露的方法可有利地减少这种误差。进一步有利地，如例如在DE102018119343A1中描述的，基于将跟踪点相对于校准点进行对准，不再需要校准跟踪点与医疗标记之间的空间位姿关系。此外，还可以考虑到医疗标记与医疗器械的相对位姿的可能变化。因此，医疗标记与医疗器械之间的可拆卸连接或不可拆卸连接的变形(例如，在存储期间可能已经发生的变形)有利地不会导致医疗器械的导航出现误差，并且因此有利地避免了对医疗器械的不正确导航。
在根据本披露内容的方法的优选实施方式中，捕获组合的多个图像表示。根据该实施方式，在所捕获图像表示中的每一个中，还确定上述跟踪点的第一位置和上述跟踪点的第二位置。进一步地，对于所捕获图像表示中的每一个，确定所确定的第一位置与所确定的第二位置之间的偏差，并且基于由此确定的多个偏差来调整与医疗标记和跟踪点之间的空间位姿关系相关的信息。该优选实施方式既包括在确定多个偏差之后对与空间位姿关系相关的信息进行一次性调整，也包括基于偏差对与空间位姿关系相关的信息进行连续调整。
在该优选实施方式的两个变体中，优选地首先记录组合的视频序列，即，组合的多个图像表示。在这种情况下，该组合优选地进行移动，并且特别优选地在记录期间进行移动和枢转(旋转)。跟踪点的第一位置和第二位置之间的多个偏差是基于由此确定的图像表示来确定的。在一次性调整的情况下，多个偏差用于对与空间位姿关系相关的信息进行一次性调整，由于要最小化的偏差数量较大(此外，这些偏差优选地是在不同视角下确定的)，因此与空间位姿关系相关的信息的调整质量有利地得到了提高。在连续调整的情况下，优选地基于在第一图像表示中确定的第一偏差对与空间位姿关系相关的信息进行第一次调整，并且使用由此调整的与空间位姿关系相关的信息和第二图像表示中标记的位姿来确定跟踪点在第二图像表示中的第一位置。然后，基于在第二图像表示中确定的第二偏差，对已经调整过一次的与空间位姿关系相关的信息进行第二次调整。然后，基于已经以这种方式调整了两次的与空间位姿关系相关的信息以及第三图像表示中标记的位姿来确定跟踪点在该第三图像表示中的第一位置。通过继续或重复这些步骤，同样可以有利地提高与空间位姿关系相关的信息的调整质量。此外，该实施方式还有利地允许在使用医疗器械期间连续监测从医疗标记到医疗器械的跟踪点的变换。
在根据本披露内容的方法的进一步优选实施方式中，如果第一位置与第二位置之间的偏差被确定为低于预定阈值，则获得与医疗标记和跟踪点之间的空间位姿关系相关的校准信息。换言之，根据该实施方式，所确定的位置偏差总是与阈值进行比较，并且降至阈值以下优选地表示对与空间位姿关系相关的信息进行优化的终止条件。根据本披露内容的方法特别优选地在开始使用医疗器械时执行。特别优选地，用户可能按照这方面的要求在组合的图像表示序列被捕获的同时移动该组合，并且当与空间位姿关系相关的信息的优化已经完成时，即，跟踪点相对于标记已经被校准时，通知该用户。同样优选地，在该过程中捕获的图像表示被显示在显示介质上，并且第一位置和第二位置、以及可选地所确定的这两者之间的间距在所显示的图像表示中进行描绘。通过检测到的距离减小或所显示的位置彼此接近，用户获得与推进优化相关的视觉反馈。
在根据本披露内容的方法的进一步优选实施方式中，基于连续捕获的医疗标记和与之相连的医疗器械的图像表示且基于与标记和跟踪点之间的空间位姿关系相关的校准信息，连续地确定跟踪点的第一位置。换言之，在完成与空间位姿关系相关的信息的优化之后，即，在完成跟踪点相对于医疗标记的校准之后，仅基于标记的位姿以及与空间位姿关系相关的信息所传达的变换来确定跟踪点的位置。因此，可以有利地省去基于所捕获图像表示中的图像信息(例如，作为图像识别的结果)对跟踪尖端进行资源密集型或计算上复杂的永久确定。同时，确保了对跟踪点位置的永久高质量确定。
在根据本披露内容的方法的进一步优选实施方式中，在连续捕获的组合的图像表示选集中间歇性地确定跟踪点的两个位置。进一步地，跟踪点的第一位置优选地在所有连续捕获的该组合的图像表示中(或至少在比所述选集中包含更多的图像表示中)、例如基于与空间位姿关系相关的校准信息来确定。进一步地，在连续捕获的该组合的图像表示选集中同样间歇性地确定跟踪点的第一位置和第二位置之间的偏差，并且将这些偏差与预定极限值进行比较。只要所确定的偏差之一超过预定极限值，就进一步优选地对与医疗标记和跟踪点之间的空间位姿关系相关的信息进行(重新)调整。因此，该实施方式有利地实现了对与空间位姿关系相关的信息进行连续监测，并在必要时(例如，由于安装到医疗器械的标记出现滑落)，对其进行重新调整。通过设置间歇性确定第二位置、偏差和可能的极限值超标的频率，可以设置例如在已经实施的校准之后多久应监测空间位姿关系。换言之，该实施方式代表了在已经达到上述终止条件之后或在已经获得与空间位姿关系相关的校准信息之后定期监测空间位姿关系的一种选项。
在根据本披露内容的方法的进一步优选实施方式中，医疗标记具有预定的几何形状，并且医疗标记的空间位姿是基于所捕获的医疗标记的图像表示且基于与该标记的几何形状相关的信息来确定的。换言之，医疗标记优选地具有预定(标称)的几何形状。通常，尽可能准确地生产具有预定义几何形状的医疗标记。进一步地，在基于二维图像表示来捕获标记的空间位姿方面，几何形状有利地得到了优化。因此，医疗标记的空间位姿是基于所捕获的图像表示且基于与标记的几何形状相关的信息来确定的。该信息有利地被存储，并且能够以数据集的形式存储。
在根据本披露内容的方法的进一步优选实施方式中，医疗标记的图像表示包含至少两个、优选地至少三个标记元素的图像表示，并且与医疗标记的几何形状相关的信息至少包括与这些至少两个、优选地至少三个标记元素相对于彼此的相对空间位姿相关的信息。至少两个、优选地至少三个所捕获标记元素的存在有利于地使得能够对标记的空间位姿进行准确确定。特别优选地，至少两个、优选地至少三个标记元素至少部分地布置在不同的平面中，并且进一步优选地具有完全预定的绝对尺寸和相对空间位姿。根据该实施方式，首先确定标记的空间位姿还包括确定标记的至少两个、优选地至少三个标记元素的绝对和/或相对空间位姿。
特别优选地，与医疗标记和跟踪点之间的空间位姿关系相关的信息定义了跟踪点相对于至少两个、优选地至少三个标记元素中的每一个的相对空间位姿。因此，基于所捕获的至少两个、优选地至少三个标记元素的图像表示，可以非常可靠地推断出跟踪点的位置。进一步地，与空间位姿关系相关的信息可以基于医疗标记的几个图像表示进行优化，因为这些图像表示中的每一个都包含至少两个、优选地至少三个相互不同的标记元素的图像表示，这些标记元素相对于跟踪点具有不同的空间位姿关系。在这方面，不同标记元素的图像表示对应于从不同视角对单个标记的图像表示。
同样优选地，与医疗标记和跟踪点之间的空间位姿关系相关的信息定义了跟踪点相对于目标点的相对空间位姿，该目标点与标记元素具有固定的空间关系。通过示例的方式，目标点是医疗标记的局部坐标系的原点。使用目标点有利地使与医疗标记和跟踪点之间的空间位姿关系相关的信息被细分为两个组分，具体为与标记元素和目标点之间的空间位姿关系相关的第一组分、以及与目标点和跟踪点之间的空间位姿关系相关的第二组分。通常情况下，第一组分和第二组分中只有一者会受到医疗标记的制造公差或由于医疗标记安装在医疗器械上而产生的公差的影响。通过示例的方式，由安装产生的公差仅导致第二组分的偏差，而标记的制造公差仅导致第一组分的偏差。通过将与空间位姿关系相关的信息例如划分为两个相互不同的刚体变换，上述与空间位姿关系相关的信息的优化有利地可以更具针对性的方式应用。同样有利地，与空间位姿关系相关的信息的第一组分可以通过创建医疗标记的三维表示来校准，如下所述。同样有利地，可以仅优化与空间位姿关系相关的信息的第二组分，如上所述。
在根据本披露内容的方法的优选实施方式中，与标记的几何形状相关的信息是预先确定的。因此，医疗标记具有预定(标称)的几何形状，并且是尽可能准确地根据事先预定义的这种几何形状来生产的。因此，基于与标记的标称几何形状相关的预定义信息且基于标记的图像表示，有利地以快速且节约资源的方式来确定标记的空间位姿。在该过程中，可以因此有利地省去对标记的单独校准。
在根据本披露内容的方法的进一步优选实施方式中，所述方法进一步包括对标记进行校准，并且因此在方法本身的范围内确定或优化与标记的几何形状相关的信息。进一步优选地，在校准医疗标记期间，第一次创建与医疗标记和跟踪点之间的空间位姿关系相关的信息的第一组分。根据该优选实施方式，根据本披露内容的方法进一步包括以下方法步骤：在第一视角下捕获医疗标记的第一图像表示；在第二视角下捕获医疗标记的第二图像表示；以及基于第一图像表示和第二图像表示来确定与标记的几何形状相关的信息。在本披露内容的范围内，视角优选地指示捕获标记的图像表示的、相对于标记的相对角度。
从两个视角捕获医疗标记有利地允许基于二维或三维图像表示来得出标记的几何形状的深度信息。与医疗标记的几何形状相关的信息优选地包括该标记的三维表示、优选地是该标记的形状或几何形状的三维模型。特别优选地，与医疗标记的几何形状相关的信息包括标记元素的几何形状及其相对于彼此的相对空间位姿。此外，了解标记的特定空间形状不是必需的，但也不会造成损害。通过光度测量方法，基于二维或三维图像表示来确定真实物体的三维表示是本领域技术人员从现有技术中已知的。为此，许多不同的软件解决方案是可商购的，并且因此可以省去对标记的3D表示的详细描述。优选地，在根据本披露内容的方法中，与医疗标记的几何形状相关的信息是在计算机辅助下、特别优选地是使用机器学习(AI)算法来确定的。与医疗标记的几何形状相关的信息优选地在数据介质上作为该标记的计算机可读模型提供。
根据本披露内容的方法的该优选实施方式有利地实现了标记的初始配准，并因此有利地对由于生产相关的原因或由于磨损或不正确的处置而导致的医疗标记几何形状的变化在很大程度上保持不变。此外，医疗标记的初始配准可以有利地在同一设备(例如，手术显微镜)中执行，作为跟踪点的后续校准。因此，至少在本质上有利地考虑了用于配准目的的设备的成像特性。
进一步优选地，与医疗标记的几何形状相关的预定义信息是基于标记的第一图像表示和第二图像表示(从不同视角)来调整的。与仅使用预定义信息或只对标记进行校准的上述实施方式相比，该实施方式的不同之处在于，基于所捕获的图像表示对预定(标称)的几何形状的预定义信息进行调整。有利地，这还考虑到了生产相关的变化、由于老化或出于其他原因而造成的几何形状偏差，尽管医疗标记的三维表示(特别地，采用模型的计算机可读数据集的形式)在根据本披露内容的方法开始之前已经存在了。
在对标记进行校准的优选实施方式中，第一图像表示的坐标系KA1与第二图像表示的坐标系KA2之间的关系优选地通过刚体变换的参数集来确定。最终，医疗标记的空间位姿应当在参考坐标系中确定，该参考坐标系可以不同于坐标系KA1和KA2，也可以与这两个坐标系之一相同。如果参考坐标系不同于坐标系KA1和KA2，则坐标系KA1和KA2之一与参考坐标系之间的关系优选地同样由刚体变换的参数集来确定。如果坐标系KA1和KA2对应于至少一个成像传感器的坐标系，则一个刚体变换的参数集足以将坐标系KA1和KA2中一个坐标系中的点映射到坐标系KA1和KA2中另一个坐标系中的点上。否则，第一图像表示的坐标系KA1与相关联成像传感器的坐标系之间的关系优选地由一组内部参数来确定。同样优选地，第二图像表示的坐标系KA2与相关联成像传感器的坐标系之间的关系由一组内部参数来确定。在这种情况下，内部参数确定了图像表示的坐标系与相关联成像传感器的坐标系之间的关系。在这种情况下，内部参数的类型特别地取决于所使用的成像传感器的类型，在这种情况下，成像传感器既指示实际的传感器，也指示所使用的光学器件。如果应当考虑到内部参数，则第一成像传感器的坐标系与第二成像传感器的坐标系之间的关系优选地由刚体变换的参数集来确定。
在进一步优选实施方式中，确定与医疗标记的几何形状相关的信息包括使用参数集、进一步优选地使用内部参数和参数集将标记的第一图像表示变换到第二图像表示的坐标系KA2中。通过示例的方式，标记的标记元素和/或特征点在第一图像表示的坐标系中的位置、形状和/或大小通过计算被转移到标记的标记元素和/或特征点在第二图像表示的坐标系中的位置、形状和/或大小。随后，确定标记的变换后的第一图像表示与标记的第二图像表示之间的偏差。换言之，在第二图像表示的坐标系中确定第一图像表示的变换后的位置、形状和/或大小与对应的第二图像表示的位置、形状和/或大小之间的偏差。通过示例的方式，第一图像表示中的圆形标记元素的中心和半径通过计算被变换到第二图像表示的坐标系中，并且随后在第二图像表示的坐标系中确定与第二图像表示中对应标记元素的中心和半径的偏差。根据该实施方式，与医疗标记的几何形状相关的信息最终是基于所确定的偏差来确定的。相反的程序(即，将第二图像表示变换到第一图像表示的坐标系KA1中，并确定坐标系KA1中的偏差)也是优选的。这些实施方式有利地允许通过使所确定的偏差最小化来优化与医疗标记的几何形状相关的信息。只要所确定的信息映射出医疗标记的几何形状并且所使用的成像传感器各自进行内部和外部校准，就可以基于参数集(刚体变换的参数集和/或基于外部和内部校准参数确定的参数集)通过计算对所捕获的图像表示进行相互转换，并且已经实现了对应的优化目标。
特别优选地，确定与医疗标记的几何形状相关的信息包括基于所确定的偏差来调整与标记的几何形状相关的预定义信息，目的是使这些偏差最小化。此外，这里所描述的步骤也可以用于优化所使用的参数集。为此，与医疗标记的几何形状相关的信息不会改变，相反，为使所确定的偏差最小化，参数集会发生变化。特别优选地，对与医疗标记的几何形状相关的信息进行优化以及对所使用的参数集进行优化是交替进行的，和/或使用标记的不同图像表示进行的。
在该方法的同样优选的实施方式中，医疗标记的第一图像表示由第一相机捕获，并且医疗标记的第二图像表示由第二相机捕获。换言之，两个不同的相机用于校准标记。优选地，这涉及到手术显微镜的至少一个相机。通过示例的方式，第一相机是主观察器相机，并且第二相机是同一手术显微镜的环绕相机。进一步优选地，这两个相机中的至少一个或每一个可以用于捕获医疗标记的多个或多种图像表示。在同样优选的实施方式中，主观察器相机在可见光范围内捕获医疗标记的第一图像表示，并且环绕相机在红外范围内捕获医疗标记的第二图像表示。
在上述优选实施方式中，第一相机的坐标系KK1与第一图像表示的坐标系KA1之间的关系优选地通过第一相机的第一内部参数来定义。第一内部参数特别优选地包括第一有效焦距、第一图像表示的像主点(畸变中心)的坐标、第一缩放因子和/或第一径向镜头误差系数(畸变系数)。同样优选地，第二相机的第二内部参数优选地包括第二有效焦距、第二图像表示的像主点(畸变中心)的坐标、第二缩放因子和/或第二径向镜头误差系数(畸变系数)。内部参数优选地通过蔡氏相机校准进行校准。可替代地，也可以使用其他内部参数，例如，根据张氏相机校准(参见，例如，Li等人的“A practical comparison between Zhang'sand Tsai's calibration approaches[张氏校准方法与蔡氏校准方法之间的实际比较]”，第29届新西兰图像和视觉计算国际会议论文集，2014年11月，第166-171页，DOI：10.1145/2683405.2683443)。
在上述优选实施方式中，第一相机的坐标系KK1与第二相机的坐标系KK2之间的关系可进一步优选地基于第一外部参数和第二外部参数来确定。在这种情况下，第一外部参数优选地定义坐标系KK1与参考坐标系之间的关系，并且第二外部参数优选地定义坐标系KK2与参考坐标系之间的关系。换言之，外部参数描述相应相机的外部朝向，即，相应相机在参考坐标系中的位置和排列。根据该实施方式，定义第一图像表示的坐标系KA1与第二图像表示的坐标系KA2之间的关系的参数集可优选地基于第一内部参数和第二内部参数以及第一外部参数和第二外部参数来确定。这样的参数集优选地包含第一内部参数和第二内部参数以及基于第一外部参数和第二外部参数确定的刚体变换的参数集。
在进一步优选实施方式中，第一图像表示是在相机的第一位置捕获的，并且第二图像表示是在同一相机的第二位置捕获的。特别优选地，在这种情况下，相机通过已知的运动系统从第一位置移动到第二位置。已知的运动系统允许关于相机围绕x轴、y轴和z轴的旋转以及相机沿上述轴线的平移的精确规格。因此，校准有利地可仅使用单个相机来执行。进一步优选地，该实施方式也可通过上述实施方式中的各个相机(即，通过第一相机和第二相机)来实施。至少一个相机优选地是手术显微镜的相机，例如，主观察器相机或环绕相机。在本披露内容的范围内，已知的运动系统被理解为意指能够实现明确定义的平移和/或旋转的运动系统。特别地，运动系统的几何形状必须足够精确，以实现运动系统的这种明确定义的平移和/或旋转。这优选地通过高制造质量和/或校准来实现。
在同样优选的实施方式中，由相机捕获具有医疗标记的第一位姿的第一图像表示。换言之，捕获标记处于第一位置和朝向时该标记的图像表示。然后，由同一相机捕获第二图像表示，该第二图像表示具有医疗标记的第二位姿。特别优选地，在这种情况下，标记通过已知的运动系统从第一位姿移动到第二位姿。已知的运动系统允许关于标记围绕x轴、y轴和z轴的旋转以及标记沿上述轴线的平移的精确规格。因此，标记的校准有利地可仅使用单个相机来执行。进一步优选地，该实施方式也可通过上述实施方式中的各个相机(即，通过第一相机和第二相机)来实施。同样优选地，该实施方式也可与上述相机的移动相结合，例如，以通过同一相机从不同的观察角度(视角)捕获标记的每个位姿的图像表示。至少一个相机优选地是手术显微镜的相机，例如，主观察器相机或环绕相机。
在根据本披露内容的方法的进一步优选实施方式中，跟踪点的第二位置是在(至少一个)所捕获的图像表示中通过图像识别来确定的。这优选地包括：在组合的一个所捕获图像表示中检测跟踪点，在所捕获的组合的图像表示序列中持续跟踪该跟踪点和/或确定至少一个图像表示中跟踪点的坐标。除了用于图像识别的传统算法，例如，用于确定图像表示中不同区域的基于梯度的算法，这里还可以使用机器学习算法。本领域技术人员知道多种用于检测至少一个所捕获图像表示中的跟踪点的可能算法，并且因此这里不作详细描述。通过示例的方式，已知的算法包括“SORT——简单、在线和实时跟踪”、“DeepSORT”、“FairMOT”、“TransMOT”、“ByteTrack”、“MDNET”、“GOTURN”和“ROLO”。
同样优选地，医疗标记和与之相连的医疗器械的至少一个图像表示(即，上述元素的组合的图像表示以及元素本身的图像表示)是通过单目系统捕获的。因此，原则上只需要单个相机就可以执行根据本披露内容的方法，从而确保了该方法在多种系统中的适用性。进一步地，医疗标记与医疗器械的跟踪点的组合只要由单个相机(例如，手术显微镜的环绕相机)捕获到就可以进行校准。进一步优选地，这是经校准的单目系统，也就是说，该单目系统的外部参数和/或内部参数是已知的。在这种情况下，这特别地涉及到如上所述的蔡氏或张氏相机校准的内部参数、和/或与参考坐标系相关的外部参数。
根据本披露内容的方法在单目系统中的实施进一步优选地包括：基于所捕获的医疗标记的图像表示、基于与医疗标记的几何形状相关的信息以及基于医疗标记尺寸(例如，医疗标记的长度)的假定绝对(估计)大小，捕获医疗标记的空间位姿。作为替代方案或另外，根据本披露内容的方法在单目系统中的实施优选地包括：基于所确定的医疗标记的空间位姿、基于与医疗标记和跟踪点之间的空间位姿关系相关的信息和医疗器械尺寸(例如，医疗器械的长度)的绝对(估计)大小等，确定跟踪点的第一位置。这有利地允许即使在单目系统中也可以沿单目系统的光轴来固定原本剩余的自由度，并防止医疗标记的缩放误差作为未知的深度误差被转移到通过单目优化的方式对跟踪点位置的估计。
在根据本披露内容的方法的进一步优选实施方式中，医疗标记和/或与之相连的医疗器械(特别是跟踪点)的至少一个图像表示是通过第一相机以及通过第二相机来捕获的。特别地，医疗标记和/或医疗器械(特别是跟踪点)的组合的多个图像表示是仅使用一个相机(即，使用单目系统)来捕获的，而医疗标记和/或医疗器械(特别是跟踪点)的组合的至少一个、优选地正好一个图像表示是通过两个相机来捕获的。这也有利地允许在主要以单目方式使用的系统中沿单目系统的光轴来固定原本剩余的自由度，并防止医疗标记的缩放误差作为未知的深度误差被转移到通过单目优化的方式对跟踪点位置的估计。特别地，当医疗标记至少也由第二相机间歇性地捕获时，存在优选地通过两个相机相互间的外部校准对医疗标记的绝对大小校准。作为替代方案或另外，如果跟踪点至少也由第二相机(例如，手术显微镜的第二相机)间歇性地捕获，则基于跟踪点的至少一个绝对位置来确定大小尺度，该至少一个绝对位置是通过对跟踪点进行立体记录来捕获的。
同样优选地，医疗标记和/或与之相连的医疗器械的图像表示是紧接在对单目系统的捕获相机进行定义的机器人致动之前和之后捕获的。因此，通过这种方式，也可以获得医疗标记和/或与之相连的医疗器械的至少一对立体图像表示，由于定义的机器人致动，这些图像表示彼此进行了外部校准并因此允许固定单目校准的范围内剩余的深度信息。作为捕获相机的机器人致动的替代方案，在通过单目系统的捕获相机捕获医疗标记和/或与之相连的医疗器械的两个图像表示之间，存在对医疗标记和/或与之相连的医疗器械进行机器人致动。因此，通过这种方式，也可以获得医疗标记和/或与之相连的医疗器械的至少一对立体图像表示。
进一步优选地，在根据本披露内容的方法中，医疗标记和/或医疗器械的图像表示是通过至少一种成像方法来确定的。优选地，所有图像表示都使用相同或相似的成像方法。优选地，通过至少一个相机来捕获图像表示，由相机的图像传感器捕获的光谱范围优选地取决于所使用的照明源。通过示例的方式，在手术显微镜中使用可见光和/或红外光以用于照明目的，并且该可见光和/或红外光由相机的至少一个图像传感器捕获。同样优选地，在计算机断层扫描设备中使用x射线辐射以用于照明目的，并且该x射线辐射由x射线探测器的至少一个传感器捕获。同样优选地，使用激光扫描来捕获医疗标记和/或医疗器械的图像表示。有利地，根据本发明的方法可使用多种成像方法来实现，并且因此适用于非常不同的医疗设备。进一步地，在根据本发明的方法的范围内，可以使用相同或不同的(内部和外部校准的)成像方法来捕获图像表示，因此，根据本发明的方法进一步有利地具有多功能的可用性和便携性。
本披露内容的进一步方面涉及一种医疗校准系统，该医疗校准系统包括成像传感器。成像传感器优选地是相机的图像传感器、计算机断层扫描设备的x射线传感器、或激光扫描仪的传感器。优选地，根据本发明的系统具有多个成像传感器，例如，第一相机和第二相机的图像传感器。作为替代方案或另外，根据本发明的系统包括已知的运动系统，用于对成像传感器、和/或医疗标记与器械的组合的位姿进行定义的变化。已知的运动系统优选地是手术显微镜的机器人系统。已知的运动系统优选地被设计为使成像传感器、和/或医疗标记与器械的组合以定义的方式围绕x轴、y轴和z轴旋转，并使该成像传感器、和/或该医疗标记与器械的组合以平移的方式沿x轴、y轴和z轴进行移位。
根据本发明的系统进一步包括医疗标记和医疗器械。通过示例的方式，医疗标记具有如图6所描绘的几何形状。优选地，医疗标记具有多个预定大小、形状和相对位姿的标记元素。医疗标记优选地进一步包括用于建立与医疗器械的可拆卸连接的紧固装置。标记整体、或至少标记元素能够通过至少一个成像传感器捕获。
捕获标记的图像表示使标记的空间位姿是可确定的。医疗标记整体、或至少标记元素优选地是(多个)有源标记(元素)，该(多个)有源标记(元素)被设计为发射红外、可见和/或紫外光谱中的电磁辐射。同样优选地，医疗标记整体、或至少标记元素是(多个)无源标记(元素)，该(多个)无源标记(元素)被设计为反射红外、可见和/或紫外光谱中的电磁辐射。
医疗器械优选地是医疗探针、指针、尖锥等。优选地，医疗标记和医疗器械例如通过不可拆卸连接、整体连接、可拆卸连接、粘结连接、压入连接和/或互锁连接而彼此牢固连接或可牢固连接。
根据本发明的系统进一步包括连接到成像传感器的控制单元。根据本发明的系统进一步包括连接到控制单元的存储单元。在这种情况下，存储单元包括命令，这些命令在由控制单元执行时促使控制单元执行上述根据本发明的方法。换言之，这些命令是这样的，执行这些命令来促使控制单元：通过成像传感器捕获医疗标记和与之相连的医疗器械的图像表示；基于医疗标记的图像表示来确定该医疗标记的空间位姿；基于所确定的医疗标记的空间位姿且基于与医疗标记和跟踪点之间的空间位姿关系相关的信息来确定医疗器械的跟踪点的第一位置，该信息已经存储在存储单元中；(仅)基于所捕获的医疗器械的图像表示来确定跟踪点的第二位置；确定第一位置与第二位置之间的偏差；以及基于所确定的偏差来调整所存储的与医疗标记和跟踪点之间的空间位姿关系相关的信息(并可能地存储或覆写该信息)。存储单元进一步优选地包括命令，这些命令由控制单元执行以促使控制单元执行根据本发明的方法的优选实施方式。
根据本发明的控制单元的功能可以由电气或电子设备或部件(硬件)、固件(ASIC)来实施，和/或可以通过执行合适的程序(软件)来实现。优选地，根据本发明的控制单元的功能通过硬件、固件和/或软件的组合来实现或实施。通过示例的方式，根据本发明的控制单元中用于执行各个功能的各个部件采用单独的集成电路的形式，或者被布置在公共的集成电路上。
根据本发明的控制单元的各个功能进一步优选地采用一个或多个进程的形式，该一个或多个进程在一个或多个电子计算机中的一个或多个处理器上运行，并在执行一个或多个计算机程序时生成。在这种情况下，控制单元被设计为与其他部件、特别是成像传感器合作，以实施本文所述的根据本发明的系统的功能。对本领域技术人员来说，进一步明显的是，这些功能可以由多个计算机(数据处理设备、控制单元、控制器)组合或者可以组合在单个设备中，或者可以使某一个数据处理设备的功能分散在多个设备上，以实现根据本发明的控制单元的功能。
在根据本发明的系统的特别优选的实施例中，该系统集成在手术显微镜中。在这种情况下，手术显微镜优选地包括至少一个成像传感器和一个校准的运动系统，其中校准的运动系统被设计用于对医疗器械和/或至少一个成像传感器进行定义的旋转(x，y，z)和平移(x，y，z)。根据该实施例，参考坐标系优选地是手术显微镜的坐标系。进一步优选地，成像传感器是手术显微镜的主观察器相机的图像传感器。特别优选地，进一步成像传感器是环绕相机的图像传感器。同样优选地，已知的运动系统是手术显微镜的机器人系统，用于引导医疗器械、特别是手术器械。手术显微镜的控制单元优选地被设计为根据本发明的系统的控制单元，并且特别地被设计为基于存储在手术显微镜的存储单元上的命令来执行上述根据本发明的方法。
在本披露内容的范围内，手术显微镜在最广义上被理解为适合在操作期间使用的显微镜。手术显微镜优选地具有支架，该支架允许不依靠外科医生的头部移动即可对操作区域进行成像。进一步优选地，手术显微镜包括至少一个分光器和至少两个目镜。同样优选地，手术显微镜包括至少一个成像传感器。进一步优选地，手术显微镜包括主观察器相机和环绕相机。手术显微镜可以包括用于执行手术干预的运动或机器人辅助工具。作为替代方案，手术显微镜可以指示医学工程显微镜、医学上认可的显微镜、或医学显微镜。
本披露内容的进一步方面涉及一种包括命令的计算机程序，这些命令当由上述控制单元、优选地是手术显微镜或上述系统的控制单元执行时使手术显微镜或上述系统执行上述根据本发明的方法。计算机程序优选地包括命令，这些命令当由上述控制单元、优选地是手术显微镜或上述系统的控制单元执行时使手术显微镜或上述系统根据优选实施方式之一执行上述根据本发明的方法。在这种情况下，根据本发明的计算机程序优选地存储在易失性存储器(例如，RAM元件)中，或存储在非易失性存储介质(例如，闪存等)中。
通过从属权利要求中阐述的其他特征，本发明的进一步优选实施例将变得清晰。除非另外特别说明，否则本申请中阐述的本发明的各种实施例可以有利地相互组合。
附图说明
下面在说明性实施例中且参考附图对本发明进行解释，在附图中：
图1示出了根据实施例的系统的示意性表示；
图2示出了图1和图3中系统细节的示意性表示；
图3示出了根据进一步实施例的系统的示意性表示；
图4示出了医疗标记和医疗器械的深度校准的示意性表示；
图5示出了根据实施方式的方法的流程图的示意性表示；以及
图6示出了在根据本披露内容的方法和系统中使用的标记的示意性表示。
具体实施方式
图1示出了在一个实施例中根据本披露内容的系统50的示意性表示，系统50是手术显微镜10的一部分。此外，图1(和图3)的布置具有病床56，该病床上安置有患者41。病床56和/或患者41定义了患者的坐标系55，从而形成参考坐标系。手术显微镜10进一步包括医疗设备42，该医疗设备用于通过经校准的、更特别地是机器人运动系统13来保持和引导医疗器械40。通过示例的方式，医疗器械40是指针、尖锥、手术刀、探针等。
医疗标记20布置在医疗器械40上。标记20的排列定义了相对于医疗标记20和/或相对于医疗器械40的坐标系53。医疗标记20包括两个标记元素21，这两个标记元素能够通过成像传感器捕获并且具有预定的几何形状(特别地是大小和形状)和相对空间位姿。进一步地，标记20包括紧固夹22作为紧固装置，以用于将标记20紧固到医疗器械40。即使医疗标记20是根据与几何形状相关的定义规格生产的，但标记20的实际几何形状可能由于生产相关的变化而与规格不同。原则上，将标记20紧固到医疗器械40也是明确定义的，但随时间的推移可能会松动或滑落，或者由于用户紧固不充分而可能从一开始就偏离了规格。
手术显微镜10进一步包括第一相机11。相机11进行内部和外部校准，并且相机11的坐标系51能够通过刚体变换的参数集而被映射或变换为参考坐标系55。相机11具有固定实施例。如果相机11被设计为是可枢转的，则相应地调整其参数集。
手术显微镜10进一步包括控制装置30，该控制装置为数据和信号传输目的而连接到相机11和校准的运动系统13，以便向该相机和系统传输信号并从其接收信号。控制装置30包括控制单元31、存储单元32、显示器33、以及用于接收用户输入的用户界面34。当用户通过用户界面34选择对应程序时执行的命令被存储在存储单元32中。随后由控制单元31执行的命令在下文参照图2进行详细解释。
图2示出了图1和图3中系统50的细节的示意性表示，特别地是图1和图3中由“A”指示的部分。此外，图2还展示了本披露内容的方法方面。
如已经解释的，存储在存储单元32中的命令使控制单元31执行根据本披露内容的方法的步骤。特别地，这些命令促使控制单元31检测相机11，以捕获医疗标记20和与之相连的医疗器械40的图像表示。进一步促使控制单元31基于所捕获的图像表示且优选地基于与标记20的几何形状相关的、存储在存储单元32中的信息来确定标记20的空间位姿。在这种情况下，该空间位姿例如对应于医疗标记20的局部坐标系53，如图1和图2所描绘的。医疗标记20的局部坐标系53的原点优选地定义为标记20的特征目标点23。
通过命令，进一步使控制单元31基于所确定的医疗标记20的空间位姿53且基于与医疗标记20和跟踪点43之间的空间位姿关系64相关的、存储在存储单元32中的信息来确定医疗器械40的跟踪点43的第一位置61。根据图1和图2，跟踪点43是医疗器械40的指针尖端，并且该跟踪点的第一位置61由3个空间坐标(x，y，z)给出。与标记20和医疗器械40之间的空间位姿关系64相关的信息由刚体变换的参数集给出，该参数集至少包含关于在x方向、y方向和z方向上的平移的3个参数、以及优选地关于围绕x轴、y轴和z轴的旋转的3个参数。通过该刚体变换，医疗标记20的坐标系53被转换为例如跟踪点43的坐标系54。通过来自存储单元32的指令，进一步使控制单元31通过图像识别、仅基于所捕获的医疗器械40的图像表示来确定跟踪点的第二位置62。跟踪点43的第二位置62也由3个空间坐标(x，y，z)给出。进一步促使控制单元31确定第一位置61与第二位置62之间的偏差63。优选地，由控制单元31在显示器33上呈现医疗器械40(可选择地包括标记20)的图像表示，进一步优选地，第一位置61、第二位置62、及其之间的偏差63或线性距离以图形方式呈现。这可以有利地告知用户关于作为跟踪点43的指针尖端需要校准的情况。
最后，通过来自存储单元32的命令，进一步使控制单元31基于所确定的偏差来调整所存储的与医疗标记20和跟踪点43之间的空间位姿关系64相关的信息，并将调整后的与空间位姿关系64相关的信息存储在存储单元32中。在这种情况下，与空间位姿关系64相关的信息以使得跟踪点的第一位置61和第二位置62之间的偏差63最小化的方式被调整。
基于命令，控制单元31将进一步致动相机11以捕获标记20和医疗器械40的组合的进一步图像表示，并使用这些所捕获的图像表示，重复确定标记20的空间位姿、跟踪点43的第一位置61、跟踪点43的第二位置62以及第一位置61与第二位置62之间的偏差63的步骤。在该过程中，控制单元31可以使用与空间位姿关系64相关的相应最新版本的信息，也就是说，也可以使用与空间位姿关系64相关的、基于先前的图像表示已经调整过的信息。然而，控制单元31同样也可以使用与空间位姿关系64相关的相同信息来确定多个图像表示的偏差63，并使用在各种视角下确定的多个偏差63来对与空间位姿关系64相关的该信息进行一次性调整。通过示例的方式，记录从不同视角获得的共n个图像表示，并且通过使距离63(在此情况下为f)在可用图像的数量上最小化(例如，通过成本函数)来优化从标记20到跟踪点43的空间标称变换。
优选地，在调整与空间位姿关系64相关的信息的同时，控制单元31在显示器33上呈现医疗器械40(可选地包括医疗标记20)的进一步图像表示。在这种情况下，呈现可以以不连续或连续的方式实施，并且优选地与第一位置61和第二位置62及其之间的偏差63一起实施。因此，跟踪点43的校准对用户来说是可视化的，并且一旦偏差63趋于零并且第一位置61和第二位置62彼此接近，用户就可以识别出校准已完成。通过示例的方式，然后，用户可以通过用户界面34进行输入来终止校准。可替代地，当达到终止条件时，例如，凭借最后确定的偏差63降至预定阈值以下，校准自动结束。
图3示出了在进一步实施例中根据本披露内容的系统50的示意性表示，该系统是手术显微镜10的一部分。由于系统50与参照图1描述的系统50相似，因此下面不对相同部件进行重复描述。相反，对实施例的差异进行了解释。
图3中的实施例的系统50或手术显微镜10与图1的不同之处在于，其包括相机11作为第一相机11，并且另外包括第二相机12。第一相机11进行内部和外部校准，并且第一相机11的坐标系51能够通过刚体变换的第一参数集而被映射或变换为参考坐标系55。第二相机12同样进行内部和外部校准，并且第二相机12的坐标系52能够通过刚体变换的第二参数集而被映射或变换为参考坐标系55。因此，第一相机11的坐标系51能够通过刚体变换的第三参数集而被映射或变换为第二相机12的坐标系52。第一相机11和第二相机12具有固定实施例。如果相机11、12是可枢转的，则相应地调整其参数集。
在图3的系统50中，医疗标记20和/或医疗器械40的图像表示因此能够从第一相机11的第一视角和第二相机12的第二视角捕获。这有利地实现了深度校准，同样如图4中示意性描绘的。
如图4所描绘的，单目校准——如在图1的系统中可设想到的没有绝对的长度校准或经校准的医疗标记的空间位姿变化(如上文所述的每种情况)——存在以下风险：医疗标记20的缩放误差转移到跟踪点42，从而导致跟踪点43的位置(即，特别是跟踪点43的z坐标)估计出现未知的深度误差。换言之，在纯单目校准(具体是对标记20进行绝对大小缩放，并因此可能对作为医疗器械40的一部分的跟踪点43进行绝对大小缩放)的情况下，仍存在一个自由度。图4中示意性描绘的这种自由度可以用各种方式固定。
在一个实施例中，标记20也由第二相机12至少间歇性地进行观察，并且使用两个相机11、12相对于彼此的外部校准，对标记20进行绝对大小校准，并因此也间接地对医疗器械40的跟踪点43进行绝对大小校准。可替代地，跟踪点43本身的位置由第二相机12至少间歇性地捕获，这样就可以对跟踪点43进行立体重建。有利地，由第二相机12进行的这些记录也可以在医疗器械40的使用期间实施。
固定剩余自由度的进一步选项是例如通过由校准的运动系统13带来的相机11的位置变化来使医疗器械40相对于相机11进行定义的相对平移，并在定义的平移之前和之后捕获医疗器械40的图像表示。可替代地，剩余的自由度(换言之，缩放)是通过估计大小假设、特别是标记或医疗器械40本身的长度或任何其他已知的尺寸来固定的。用于大小缩放的这两种选项有利地也可在图1中描绘的系统50中实施。
图5示出了在一个实施方式中根据本披露内容的医疗校准方法的示意性流程图。在这种情况下，在第一步骤S100中，捕获医疗标记20和与之相连的医疗器械40的图像表示。在步骤S200中，基于所捕获的图像表示来确定医疗标记20的空间位姿53。在步骤S300中，基于所确定的医疗标记20的空间位姿53且基于与医疗标记20和跟踪点43之间的空间位姿关系64相关的信息，确定医疗器械40的跟踪点43的第一位置61。在步骤S400中，基于所捕获的图像表示、优选地仅基于所捕获的图像表示并通过图像识别来确定同一跟踪点43的第二位置62。随后，在步骤S500中确定第一位置61与第二位置62之间的偏差63，并且最后，在步骤S600中，基于在步骤S500中确定的偏差63来调整与医疗标记20和跟踪点43之间的空间位姿关系64相关的信息。
图6示出了在方法和系统50中使用的标记20的示意性表示。所描绘的标记20具有两个圆形标记元素21，这两个圆形标记元素布置在两个不同的平面中。每个标记元素21都能够使用相机捕获，并且具有与其他标记元素21的颜色不同的颜色，以实现唯一可识别性。医疗标记20进一步包括紧固夹22作为紧固装置，以用于将该标记紧固到医疗器械40。
附图标记清单
10 手术显微镜
11 第一相机
12 第二相机
13 校准的运动系统
20 医疗标记
21 标记元素
22 紧固夹
23 目标点
30 控制装置
31控制单元(CPU)
32 存储单元
33 显示器
34 用户界面
40 医疗器械
41 患者
42 医疗设备
43 跟踪点
50 系统
51 第一相机的坐标系
52 第二相机的坐标系
53 标记的坐标系
54 目标点的坐标系
55 患者的坐标系
56 病床
61 跟踪点的第一位置
62 跟踪点的第二位置
63第一位置与第二位置之间的偏差
64标记与目标点之间的空间位姿关系
S100 捕获图像表示
S200 确定标记的空间位姿
S300 确定跟踪点的第一位置
S400 确定跟踪点的第二位置
S500确定第一位置与第二位置之间的偏差
S600调整与标记和跟踪点之间的空间位姿关系相关的信息

Claims (15)

1.一种医疗校准方法，包括以下方法步骤：
捕获(S100)医疗标记(20)和与之相连的医疗器械(40)的图像表示；
基于该图像表示来确定(S200)该医疗标记(20)的空间位姿(53)；基于所确定的空间位姿且基于与医疗标记(20)和跟踪点(43)之间的空间位姿关系(64)相关的信息，确定(S300)该医疗器械(40)的跟踪点(43)的第一位置(61)，并基于所捕获的图像表示来确定(S400)该跟踪点(43)的第二位置(62)；
确定(S500)该第一位置(61)与该第二位置(62)之间的偏差(63)；
基于所确定的偏差(63)来调整(S600)与医疗标记(20)和跟踪点(43)之间的该空间位姿关系相关的信息。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下方法步骤：
捕获该医疗标记(20)和与之相连的医疗器械(40)的多个图像表示；
对于所捕获的图像表示中的每一个，确定所捕获的图像表示中该跟踪点(43)的第一位置(61)和第二位置(62)以及该第一位置(61)与该第二位置(62)之间的偏差(63)；以及
基于所确定的多个偏差(63)来调整与医疗标记(20)和跟踪点(43)之间的该空间位姿关系(64)相关的信息。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，如果该第一位置(61)与该第二位置(62)之间的偏差被确定为低于预定阈值，则可获得与医疗标记(20)和跟踪点(43)之间的该空间位姿关系(64)相关的校准信息。
4.根据权利要求3所述的方法，包括基于连续捕获的该医疗标记(20)和与之相连的医疗器械(40)的图像表示且基于与医疗标记(20)和跟踪点(43)之间的该空间位姿关系(64)相关的该校准信息，连续地确定该跟踪点(43)的第一位置(61)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：
在连续捕获的该医疗标记(20)和与之相连的医疗器械(40)的图像表示选集中，间歇性地确定该跟踪点(43)的第二位置(62)；
在该连续捕获的图像表示选集中，确定该跟踪点(43)的第一位置(61)与第二位置(62)之间的偏差(63)；以及
如果所确定的偏差(63)之一超过预定极限值，则调整与医疗标记(20)和跟踪点(43)之间的该空间位姿关系(64)相关的信息。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该医疗标记(20)具有几何形状，并且该医疗标记(20)的空间位姿是基于所捕获的该医疗标记(20)的图像表示且基于与该医疗标记(20)的几何形状相关的信息来确定的。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，该医疗标记(20)的图像表示包含至少三个标记元素(21)的图像表示，与该医疗标记(20)的几何形状相关的信息包括与这些标记元素(21)相对于彼此的相对空间位姿相关的信息，并且确定该医疗标记(20)的空间位姿包括确定这些标记元素(21)的空间位姿。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，与医疗标记(20)和跟踪点(43)之间的该空间位姿关系(64)相关的信息定义了该跟踪点(43)相对于这些标记元素(21)和/或相对于目标点(23)的相对空间位姿，该目标点相对于这些标记元素(21)具有固定的空间关系。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，与该医疗标记(20)的几何形状相关的信息是预先确定的。
10.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，进一步包括以下方法步骤：
在第一视角下捕获该医疗标记(20)的第一图像表示；
在第二视角下捕获该医疗标记(20)的第二图像表示；
基于该第一图像表示和该第二图像表示来确定与该医疗标记(20)的几何形状相关的信息。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该跟踪点(43)的第二位置(62)是在所捕获的图像表示中通过图像识别和/或机器学习算法来确定的。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该医疗标记(20)和与之相连的医疗器械(40)的图像表示是通过单目系统(50)捕获的。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该医疗标记(20)和与之相连的医疗器械(40)的至少一个图像表示是通过第一相机(11)和第二相机(12)捕获的，或者该医疗标记(20)和与之相连的医疗器械(40)的图像表示是紧接在对捕获相机(11)或对该医疗标记(20)和与之相连的医疗器械(40)进行定义的机器人致动之前和之后捕获的。
14.一种医疗校准系统(50)，包括：
成像传感器(11)；
医疗标记(20)；
医疗器械(40)；
连接到该成像传感器的控制单元(31)；以及
连接到该控制单元(31)并包括命令的存储单元(32)，这些命令在由该控制单元(31)执行时使该控制单元执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法。
15.一种包括命令的计算机程序，这些命令在由根据权利要求14所述的系统(50)的控制单元(31)执行时使根据权利要求14所述的系统(50)执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法。
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