CN116801830A - 用于术中重新配准的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种重新配准方法包括：接收第一图像，该第一图像描绘附接到患者并且相对于该患者以第一姿态取向的参考框架，该第一图像由安装到已被锁定在选定姿态的可移动支撑件的成像装置获得；接收第二图像，该第二图像描绘相对于该患者以第二姿态取向的该参考框架，该第二图像由该成像装置在该可移动支撑件被锁定在该选定姿态的情况下获得；以及更新该参考框架与该患者之间的配准，以反映该参考框架已从该第一姿态移动到该第二姿态。

Description

用于术中重新配准的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年2月8日提交的标题为“用于术中重新配准的系统和方法(SYSTEMS AND METHODS FOR INTRAOPERATIVE RE-REGISTRATION)”的美国临时申请63/147,062号的权益，该临时申请全文以引用方式并入本文。

技术领域

本技术总体上涉及需要患者坐标空间与另一坐标空间之间的配准的外科手术程序，并且更具体地涉及在此类程序期间的术中重新配准。

背景技术

外科手术机器人可以辅助外科医生或其他医疗提供者执行外科手术程序，或者可以自主完成一个或多个外科手术程序。另外，一个或多个导航系统可用于在外科手术期间跟踪附接到外科手术工具、解剖元件和/或其他对象的各种参考标记的位置。在开始给定的外科手术程序之前，可以完成配准过程以使两个或更多个坐标空间彼此相关，包括例如一个或多个机器人、导航系统、成像装置、参考框架和/或患者的坐标空间。

发明内容

本公开的示例性方面包括：

一种重新配准方法包括：接收第一图像，该第一图像描绘附接到患者并且相对于该患者以第一姿态取向的参考框架，该第一图像由安装到已被锁定在选定姿态的可移动支撑件的成像装置获得；接收第二图像，该第二图像描绘相对于该患者以第二姿态取向的该参考框架，该第二图像由该成像装置在该可移动支撑件被锁定在该选定姿态的情况下获得；以及更新该参考框架与该患者之间的配准，以反映该参考框架已从该第一姿态移动到该第二姿态。

本文的方面中的任一方面，该方法包括：接收参考框架与患者之间的初始配准，该初始配准基于该参考框架相对于该患者处于该第一姿态。

本文的方面中的任一方面，其中参考框架经由可调节参考框架安装件附接到患者。

本文的方面中的任一方面，其中当参考框架处于第一姿态时，可调节参考框架安装件固定到患者的椎骨。

本文的方面中的任一方面，其中当参考框架处于第二姿态时，可调节参考框架安装件仍被固定到患者的椎骨。

本文的方面中的任一方面，其中可移动支撑件是机器人臂。

本文的方面中的任一方面，其中可移动支撑件包括至少一个可选择性锁定的关节。

本文的方面中的任一方面，其中该第二图像是由该成像装置在该参考框架到达该第二姿态的三十秒内获得的。

本文的方面中的任一方面，其中成像装置是导航系统相机。

本文的方面中的任一方面，其中该成像装置是结构光相机。

本文的方面中的任一方面，其中更新配准的步骤包括基于先前的配准来计算新的参考框架坐标空间与患者坐标空间之间的变换。

一种用于术中重新配准的系统，该系统包括：机器人臂；成像装置，该成像装置安装到该机器人臂；处理器；和存储器，该存储器存储用于由该处理器执行的指令。该指令在被执行时致使该处理器：致使该成像装置在第一时间捕获第一图像，该第一图像描绘附接到患者并且相对于该患者以第一姿态取向的参考框架；致使该成像装置在该第一时间之后的第二时间捕获第二图像，该第二图像描绘附接到该患者且相对于该患者以第二姿态取向的参考框架，该第二姿态不同于该第一姿态；以及更新该参考框架与该患者之间的配准，以反映该参考框架已从该第一姿态移动到该第二姿态。

本文的方面中的任一方面，其中该存储器存储用于由该处理器执行的附加指令，该附加指令在被执行时进一步致使该处理器：在该第一时间之前并且基于用户输入传输致使机器人臂锁定在选定姿态的信号。

本文的方面中的任一方面，其中该选定姿态是与在传输该信号时的该机器人臂的姿态不同的预定姿态。

本文的方面中的任一方面，其中该存储器存储用于由该处理器执行的附加指令，这些附加指令在被执行时进一步致使该处理器：确定在第一时间的第一成像装置姿态；确定在第二时间的第二成像装置姿态；以及基于该第一图像、该第一成像装置姿态、该第二图像和该第二成像装置姿态，确定该第二姿态与该第一姿态之间的变换。

本文的方面中的任一方面，其中该存储器存储用于由该处理器执行的附加指令，该附加指令在被执行时进一步致使该处理器：基于所确定的变换来更新参考框架与患者之间的配准，以反映参考框架已从第一姿态移动到第二姿态。

本文的方面中的任一方面，其中致使该成像装置捕获该第一图像响应于用户输入而发生。

一种重新配准系统包括：参考框架安装件，该参考框架安装件能够固定地附接到患者；参考框架，该参考框架可调节地附接到该参考框架安装件；惯性测量单元(IMU)，该惯性测量单元牢固地固定到该参考框架；通信接口；处理器；和存储器。该存储器存储用于由该处理器执行的指令，这些指令在被执行时致使该处理器：经由该通信接口接收与由IMU检测到的运动相对应的信息；基于该信息确定该参考框架的姿态变化；以及基于所确定的姿态变化来更新参考框架与患者之间的现有配准。

本文的方面中的任一方面，其中该存储器存储用于由该处理器执行的附加指令，这些附加指令在被执行时进一步致使该处理器：接收指示将调整参考框架的姿态的第一用户输入；以及接收指示对该参考框架的姿态的调整完成的第二用户输入；其中该信息对应于在接收到该第一用户输入与接收到该第二用户输入之间由IMU检测到的运动。

本文的方面中的任一方面，其中该IMU为第一IMU，该重新配准系统还包括第二IMU，该第二IMU不同于该第一IMU并且可相对于患者的解剖元件牢固地固定。

本文的方面中的任一方面，其中该信息是第一信息，该参考框架的姿态变化是第一姿态变化，并且该存储器存储用于由该处理器执行的附加指令，该附加指令在被执行时进一步致使该处理器：经由通信接口接收与由第二IMU检测到的运动相对应的第二信息；基于该第二信息来确定解剖元件的姿态变化；以及基于所确定的第一姿态变化和所确定的第二姿态变化来更新参考框架与患者之间的现有配准。

一种术中重新配准系统包括：参考框架安装件，该参考框架安装件能够固定地附接到患者；参考框架，该参考框架附接到该参考框架安装件并且可在相对于该参考框架安装件的第一预定姿态与相对于该参考框架安装件的第二预定姿态之间进行调整；处理器；和存储器。该存储器存储关于该第一预定姿态和该第二预定姿态的信息以及用于由该处理器执行的指令，该指令在被执行时致使该处理器：接收指示该参考框架已从该第一预定姿态移动到该第二预定姿态的输入；以及响应于该输入，基于该信息来更新该参考框架与该患者之间的现有配准。

本文的方面中的任一方面，其中输入是自动生成的。

本文的方面中的任一方面，其中输入是由用户提供的。

任何方面与任一个或多个其他方面组合。

本文所公开特征中的任一个或多个特征。

本文大体上公开特征中的任一个或多个特征。

本文大体上公开的特征中的任一个或多个特征与本文大体上公开的任一个或多个其他特征组合。

方面/特征/实施方案中的任一个与任一个或多个其他方面/特征/实施方案组合。

使用本文所公开的方面或特征中的任一个或多个方面或特征。

应当了解，本文描述的任何特征可与如本文描述的任何其他特征组合来要求保护，而不管特征是否来自同一描述的实施方案。

本公开的一个或多个方面的细节在以下附图和说明书中示出。根据说明书和附图以及权利要求书，本公开中描述的技术的其他特征、目的和优点将显而易见。

短语“至少一个”、“一个或多个”以及“和/或”是在操作中具有连接性和分离性两者的开放式表述。例如，表述“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”、“A、B或C中的一个或多个”以及“A、B和/或C”中一者意指仅A、仅B、仅C、A和B一起、A和C一起、B和C一起，或A、B和C一起。当上述表述中的A、B和C中的每一者都指诸如X、Y和Z的一个元素或诸如X₁-X_n、Y₁-Y_m和Z₁-Z_o的一类元素时，短语意图指选自X、Y和Z的单个元素、选自同一类的元素(例如，X₁和X₂)的组合以及选自两类或更多类的元素(例如，Y₁和Z_o)的组合。

术语“一个(a/an)”实体是指一个或多个该实体。因此，术语“一个(a/an)”、“一个或多个”和“至少一个”在本文中可以可互换地使用。还应当注意，术语“包括(comprising/including)”、和“具有”可以可互换地使用。

前述内容是本公开的简化概述以提供对本公开的一些方面的理解。本发明内容既不是对本公开及其各个方面、实施方案和配置的广泛性概述也不是详尽性概述。其既不意图确定本公开的关键或重要元素，也不意图划定本公开的范围，而是以简化形式呈现本公开的选定概念，作为对下文呈现的更详细描述的介绍。如应当了解的，本公开的其他方面、实施方案和配置可能单独或组合地利用上文所阐述或下文所详细描述的特征中的一个或多个。

在考虑下文提供的实施方案描述之后，本发明的许多附加特征和优点对于本领域技术人员将变得显而易见。

附图说明

附图并入并形成本说明书的一部分以示出本公开的几个示例。这些附图连同描述一起解释本公开的原理。附图仅示出如何实施和使用本公开的优选和替代示例，并且这些示例不应解释为仅将本公开限制于所示出和所描述的示例。另外的特征和优点将根据以下对本公开的各个方面、实施方案和配置的更详细的描述变得显而易见，如通过以下参考的附图所示出。

图1是根据本公开的至少一个实施方案的系统的框图；

图2是根据本公开的至少一个实施方案的流程图；

图3是根据本公开的至少一个实施方案的流程图；

图4是根据本公开的至少一个实施方案的流程图；

图5是根据本公开的至少一个实施方案的流程图；并且

图6是根据本公开的至少一个实施方案的流程图。

具体实施方式

应当理解，本文所公开的各个方面可以与说明书和附图中具体呈现的组合不同的组合进行组合。还应当理解，取决于示例或实施方案，本文描述的任何过程或方法的某些动作或事件可以不同的顺序执行，和/或可添加、合并或完全省略(例如，根据本公开的不同实施方案，实施所公开技术可能不需要所有描述的动作或事件)。此外，虽然为了清楚起见，本公开的某些方面被描述为由单个模块或单元执行，但应当理解，本公开的技术可由与例如计算装置和/或医疗装置相关联的单元或模块的组合执行。

在一个或多个示例中，所描述的方法、过程和技术可在硬件、软件、固件或它们的任何组合中实施。如果在软件中实施，则功能可作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上并且由基于硬件的处理单元执行。计算机可读介质可包括非暂时性计算机可读介质，其对应于有形介质，诸如数据存储介质(例如，RAM、ROM、EEPROM、闪存存储器，或可用于存储指令或数据结构形式的期望程序代码并且可由计算机访问的任何其他介质)。

指令可由一个或多个处理器执行，诸如一个或多个数字信号处理器(DSP)、通用微处理器(例如，Intel Core i3、i5、i7或i9处理器；Intel Celeron处理器；Intel Xeon处理器；Intel Pentium处理器；AMD Ryzen处理器；AMD Athlon处理器；AMD Phenom处理器；Apple A10或10X Fusion处理器；Apple A11、A12、A12X、A12Z或A13 Bionic处理器；或任何其他通用微处理器)、图形处理单元(例如，Nvidia GeForce RTX 2000系列处理器、NvidiaGeForce RTX 3000系列处理器、AMD Radeon RX 5000系列处理器、AMD Radeon RX 6000系列处理器或任何其他图形处理单元)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)或其他等效的集成或离散逻辑电路系统。因此，如本文所用的术语“处理器”可指前述结构或适合于实施所描述的技术的任何其他物理结构中的任一种。另外，本技术可在一个或多个电路或逻辑元件中完全实施。

在详细地解释本公开的任何实施方案之前，应当理解，本公开在其应用方面不限于以下描述中阐述或附图中示出的构造细节和部件布置。本公开能够具有其他实施方案并且能够以各种方式实践或实施。另外，应当理解，本文所用的措词和术语是出于描述的目的，而不应被视为是限制性的。本文中使用“包括(including/comprising)”、或“具有”及其变化形式意在涵盖其后列出的项目及其等效物，以及附加项目。此外，本公开可使用示例来示出其一个或多个方面。除非另有明确说明，否则使用或列出一个或多个示例(其可由“例如(for example)”、“借助于示例”、“例如(e.g.)”、“诸如”或类似语言指示)不意图且并不限制本公开的范围。

脊柱的图像引导外科手术可以利用来自CT或3D荧光镜检查的3D图像数据来创建患者解剖结构的虚拟图，该虚拟图可以被配准到患者的物理位置。该虚拟图允许利用配备有跟踪技术和软件的计算机系统在3D空间中相对于患者的解剖结构实时地定位器械和植入物。该图像数据可以在手术前数天采集或就在手术前采集，手动和自动配准技术均可用于将图像数据配准到患者。手动和自动配准两者的关键组成部分涉及对患者参考框架的使用，其中在收集图像数据期间将跟踪器械或成像假体附接到患者，并且图像引导软件利用该跟踪器械或成像假体相对于成像系统的位置的位置来将图像数据取向和定位到患者在3D空间中的物理位置。

图像引导系统的局限是不能考虑到在配准之后参考框架相对于患者解剖结构的移动。如果参考框架相对于患者解剖结构从其初始位置移出或碰撞出，则可能需要收集附加图像(例如，利用电离辐射)。如果参考框架从其先前位置移出或碰撞出，则可能需要执行或重复劳动密集型(尤其是对于脊柱手术)手动配准过程。本公开的实施方案允许在不需要采集新的图像数据或执行或重复完整的手动(例如，基于触摸的)配准的情况下对参考框架进行术中重新定位。

根据本公开的一些实施方案，可使用利用可见光或红外光相机的基于光学的测量或利用惯性测量单元的基于传感器的测量来确定参考框架的姿态变化和/或将该变化传送到图像引导系统(例如，导航系统)。本公开的实施方案还包括用于基于参考框架姿态的所测得的变化来更新图像配准的算法，包括应用变换以将图像数据重新配准到新框架姿态；以及用于在需要时在重新配准之后更新特定解剖结构的姿态的算法(如果在配准之间发生解剖移位，则使用来自被跟踪器械的先前保存的位置来校正不准确)。

成像引导外科手术和机器人外科手术显著提高了脊柱外科手术程序的准确性和再现性。然而，对用于定位的物理参考框架的依赖可能会破坏程序工作流程，其中框架的尺寸可能会干扰程序步骤，并且对框架的无意碰撞可能会导致图像配准的丢失，从而在一些情况下需要对患者和手术室工作人员的附加X射线暴露。能够在不需要附加成像(例如，不使用电离辐射)和/或不需要执行或重复需要宝贵时间且因此昂贵的手动配准过程的情况下更新图像配准将向外科医生提供在程序期间重新定位框架以适应程序和患者解剖结构的需要的灵活性，从而提高效率并改善患者满意度和结果。

本公开的实施方案提供针对以下问题中的一个或多个问题的技术解决方案：(1)使得能够在术中(有意地或无意地)移动参考框架，而不需要冗长且昂贵的重新配准程序；(2)检测参考框架相对于患者的有意和/或无意的移动；(3)在术中更新现有配准，而不使用电离辐射并且不执行或重复完整的手动(例如，基于触摸的)配准；以及(4)减少患者和/或医护人员在外科手术程序期间暴露于的电离辐射的量。

首先转向图1，示出了根据本公开的至少一个实施方案的系统100的框图。系统100可以用于一个坐标空间到另一个坐标空间(例如，参考框架和/或导航坐标空间到患者坐标空间)的术中重新配准，而不将患者暴露于电离辐射并且不执行或重复完整的手动(例如，基于触摸的)配准，以及/或者执行本文公开的方法中的一种或多种方法的一个或多个其他方面。系统100包括计算装置102、一个或多个成像装置112、机器人114、导航系统118、数据库130、云或其他网络134、可调节参考框架安装件138、参考框架142、一个或多个惯性测量单元(IMU)146和通信接口150。根据本公开的其他实施方案的系统可包括比系统100更多或更少的部件。例如，系统100可以不包括成像装置112、机器人114、导航系统118、计算装置102的一个或多个部件、数据库130、云134、可调节参考框架安装件138、参考框架142、一个或多个惯性测量单元(IMU)146和通信接口150。另外，系统100可包括一个或多个工具，跟踪器(其可以与参考框架142相同或相似)牢固地固定到该一个或多个工具，以使得导航系统118能够跟踪该一个或多个工具。

计算装置102包括处理器104、存储器106、通信接口108和用户接口110。根据本公开的其他实施方案的计算装置可包括比计算装置102更多或更少的部件。

计算装置102的处理器104可为本文描述的任何处理器或任何类似的处理器。处理器104可以被配置为执行存储在存储器106中的指令，这些指令可致使处理器104利用或基于从成像装置112、机器人114、导航系统118、数据库130、云134和/或一个或多个IMU 146接收的数据来执行一个或多个计算步骤。

存储器106可为或包括RAM、DRAM、SDRAM、其他固态存储器、本文描述的任何存储器或用于存储计算机可读数据和/或指令的任何其他有形的非暂时性存储器。存储器106可存储对于完成例如本文描述的方法200、300、400、500、和/或600或任何其他方法的任何步骤有用的信息或数据。存储器106可存储例如一个或多个图像处理算法120、一个或多个姿态算法122、一个或多个变换算法124和/或一个或多个配准算法126。在一些实施方案中，此类指令或算法可被组织成一个或多个应用程序、模块、包、层或引擎。算法和/或指令可致使处理器104操控存储在存储器106中的和/或从或经由成像装置112、机器人114、数据库130、云134和/或一个或多个IMU 146接收的数据。

计算装置102还可包括通信接口108。通信接口108可用于从外部源(诸如成像装置112、机器人114、导航系统118、数据库130、云134、一个或多个IMU 146和/或任何系统或部件)接收图像数据、移动信息或其他数据或信息，和/或用于将指令、图像或其他信息传输到外部系统或装置(例如，另一计算装置102、成像装置112、机器人114、导航系统118、数据库130、云134和/或任何其他系统或部件)。通信接口108可以包括一个或多个有线接口(例如，USB端口、以太网端口、火线端口)和/或一个或多个无线收发器或接口(被配置为例如经由例如802.11a/b/g/n、蓝牙、NFC、ZigBee等一个或多个无线通信协议传输和/或接收信息)。在一些实施方案中，通信接口108可用于使得装置102能够与一个或多个其他处理器104或计算装置102通信，无论是减少完成计算密集型任务所需的时间还是出于任何其他原因。

计算装置102也可包括一个或多个用户接口110。用户接口110可以是或包括键盘、鼠标、轨迹球、监测器、电视、屏幕、触摸屏和/或用于从用户接收信息和/或用于向用户提供信息的任何其他装置。用户接口110可用于例如接收关于本文所描述的任何方法的任何步骤的用户选择或其他用户输入。尽管如此，本文所描述的任何方法的任何步骤的任何所需输入可由系统100(例如，由处理器104或系统100的另一部件)自动生成或由系统100从系统100外部的源接收。在一些实施方案中，用户接口110可用于允许外科医生或其他用户根据本公开的一个或多个实施方案修改待由处理器104执行的指令，和/或修改或调整显示在用户接口110上或与其相对应的其他信息的设置。

尽管用户接口110被示出为计算装置102的一部分，但在一些实施方案中，计算装置102可利用与计算装置102的一个或多个其余部件分开容纳的用户接口110。在一些实施方案中，用户接口110可位于计算装置102的一个或多个其他部件附近，而在其他实施方案中，用户接口110可位于远离计算机装置102的一个或多个其他部件之处。

成像装置112可用于对解剖特征(例如，骨骼、静脉、组织等)和/或患者解剖结构的其他方面进行成像以产生图像数据(例如，描绘或对应于骨骼、静脉、组织等的图像数据)。本文所使用的“图像数据”指代由成像装置112生成或捕获的数据，包含呈机器可读形式、图形/视觉形式和呈任何其他形式的数据。在不同示例中，图像数据可包括与患者的解剖特征或其一部分相对应的数据。图像数据可以是或包括术前图像、术中图像、术后图像、或独立于任何外科手术程序拍摄的图像。在一些实施方案中，第一成像装置112可用于在第一时间获得第一图像数据(例如，第一图像)，并且第二成像装置112可用于在第一时间之后的第二时间获得第二图像数据(例如，第二图像)。成像装置112可能够拍摄2D图像或3D图像以产生图像数据。成像装置112可以是或包括例如超声扫描仪(其可以包括例如物理上分离的换能器和接收器，或单个超声收发器)、磁共振成像(MRI)扫描仪、光学相干断层摄影(OCT)扫描仪、内窥镜、显微镜、热成像相机(例如，红外相机)、光学相机、结构光相机、雷达系统(其可以包括例如传输器、接收器、处理器和一个或多个天线)，或适于获得患者的参考标记和/或解剖特征的图像的任何其他成像装置112。当结合初始配准使用时，但仅在明确陈述的情况下，成像装置112可以是O形臂、C形臂、G形臂或利用基于X射线的成像的任何其他装置(例如，荧光镜、CT扫描仪或其他X射线机)。成像装置112可以完全包含在单个外壳内，或可以包括在单独外壳中或以其他方式物理上分离的传输器/发射器和接收器/检测器。

在一些实施方案中，成像装置112可包括多于一个的成像装置112。例如，第一成像装置可以提供第一图像数据和/或第一图像，并且第二成像装置可以提供第二图像数据和/或第二图像。在其他实施方案中，同一成像装置可用于提供第一图像数据和第二图像数据两者和/或本文所描述的任何其他图像数据。成像装置112可用于生成图像数据流。例如，成像装置112可以被配置为使用打开的快门操作，或者使用在打开与关闭之间连续交替的快门操作，以便捕获连续的图像。出于本公开的目的，除非另外规定，否则如果图像数据表示每秒两个或更多个帧，则可以将图像数据视为连续的和/或提供为图像数据流。

机器人114可以是任何外科手术机器人或外科手术机器人系统。机器人114可以是或包括例如Mazor X^TMStealth Edition机器人引导系统。机器人114可以被配置为将成像装置112、外科手术工具和/或任何其他对象以一个或多个精确姿态、位置和取向定位，和/或使该对象在稍后时间点返回至同一位置和/或取向。附加地或另选地，机器人114可以被配置为操控外科手术工具(无论是否基于来自导航系统118的引导)以完成或辅助外科手术任务。在一些实施方案中，机器人114可以被配置为在外科手术程序期间或结合外科手术程序而保持和/或操控解剖元件。机器人114可以包括一个或多个机器人臂116。在一些实施方案中，机器人臂116可以包括第一机器人臂和第二机器人臂，但机器人114可以包括多于两个机器人臂。在一些实施方案中，机器人臂116中的一个或多个机器人臂可以用于保持和/或操纵成像装置112。在成像装置112包括两个或更多个物理上分离的部件(例如，传输器和接收器)的实施方案中，一个机器人臂116可以保持一个此类部件，并且另一机器人臂116可以保持另一此类部件。每个机器人臂116可以独立于其他机器人臂定位。可以在单个共享坐标空间中或在单独坐标空间中控制机器人臂。

机器人114连同机器人臂116可以具有例如一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个或更多个自由度。进一步地，机器人臂116可以以任何姿态、平面和/或焦点定位或可定位。该姿态包含位置和取向。因此，由机器人114(或更具体地，由机器人臂116)固持的成像装置112、外科手术工具或其他对象可以是能够被精确地定位在一个或多个所需位置和特定位置和取向。

机器人臂116可以包括一个或多个传感器，其使得处理器104(或机器人114的处理器)能够确定机器人臂(以及由机器人臂保持或固定到机器人臂的任何对象或元件)在空间中的精确姿态。

在一些实施方案中，参考标记(即，导航标记)可以放置在机器人114(包括例如在机器人臂116上)、成像装置112或外科手术空间中的任何其他对象上。例如，参考框架142是适于经由安装件(诸如可调节参考框架安装件138)固定到患者的解剖元件的参考标记。参考框架142和任何其他参考标记可以由导航系统118跟踪，并且跟踪的结果可以由机器人114和/或系统100或其任何部件的操作者使用。在一些实施方案中，导航系统118可以用于跟踪系统的其他部件(例如，成像装置112)，并且系统可以在不使用机器人114的情况下操作(例如，外科医生例如基于由导航系统118生成的信息和/或指令手动地操纵成像装置112和/或一个或多个外科手术工具)。

根据本公开的实施方案的参考标记(包括参考框架142)可包括一个或多个反射球、发光二极管(LED)、红外发射二极管(IRED)和/或可由导航系统118的相机或其他传感器检测的其他元件。这种可检测元件(其可以是有源的(诸如LED或IRED)或无源的(诸如反射球))可以各自设置在给定参考标记的单独的臂、拐角和/或其他特征上。在一些实施方案中，在特定外科手术中使用的每个参考标记可以在其上包括可检测元件的独特布置，以便使导航系统118能够将一个参考标记与另一个参考标记区分开。

在操作期间，导航系统118可以为外科医生和/或外科手术机器人提供导航。导航系统118可以是任何已知的或未来开发的导航系统，包括例如美敦力公司(Medtronic)StealthStation^TMS8手术导航系统或其任何后续产品。导航系统118可以包括一个或多个相机或其他传感器，用于跟踪手术室或系统100的部分或全部所在的其他房间内的一个或多个参考标记、导航跟踪器或其他对象。一个或多个相机可以是光学相机、红外相机或其他相机。在一些实施方案中，导航系统118可包括一个或多个电磁传感器。在各种实施方案中，导航系统118可以用于跟踪成像装置112、机器人114和/或机器人臂116、参考框架142和/或一个或多个外科手术工具的位置和取向(即，姿态)(或更具体地，用于跟踪直接或间接地以固定关系附接到前述各项中的一者或多者的导航跟踪器的姿态)。导航系统118可以包括用于显示来自外部源(例如，计算装置102、成像装置112或其他源)的一个或多个图像或用于显示来自导航系统118的一个或多个相机或其他传感器的图像和/或视频流的显示器。在一些实施方案中，系统100可以在不使用导航系统118的情况下操作。导航系统118可被配置为向外科医生或系统100的其他用户或其部件、向机器人114或系统100的任何其他元件提供关于例如一个或多个解剖元件的姿态、工具是否处于恰当轨迹中和/或如何根据术前或其他外科手术计划将工具移动到恰当轨迹中以执行外科手术任务的引导。

可调节参考框架安装件138可以是能够被牢固地固定到患者的解剖元件并且能够以相对于解剖元件的选定姿态支撑参考框架(例如，参考框架142)的任何装置。可调节参考框架安装件138可以例如包括销、螺钉、夹具、夹持件或用于将安装件138牢固地固定到解剖元件(例如，椎骨或其部分，或骨盆)的其他夹持或紧固机构。可调节参考框架安装件138可以是能够在一个或多个维度上调整的，使得安装件138能够相对于患者的解剖元件以多个姿态保持参考框架142。在一些实施方案中，可调节参考框架142可被配置为仅以有限数目的(例如，1、2、3、4、5、6、7、8、9或10个)特定姿态固持参考框架安装件。在其他实施方案中，可调节参考框架142可被配置为在一个或多个自由度中以任何期望的姿态固持参考框架。

惯性测量单元146可以是对于检测对象的移动有用的任何IMU。IMU 146可以是或包括微电机系统(例如，由硅或石英制成)；光纤、环形激光器或其他类型的陀螺仪；一个或多个加速度计；航姿参考系统(AHRS)；和/或任何其他类型的IMU或其部件。在系统100中使用的特定类型的IMU 146可基于其误差容限来选择，以确保任何此类误差充分小，以便不会在临床上有意义的程度上负面地影响本文参考的任何位置确定。IMU 146可例如由内部电池、外部电源或任何其他合适的构件供电。为了在由IMU感测或以其他方式收集的数据方面产生改进的分辨率，本文利用的任何IMU 146可在对象上在远离对象的旋转中心的点处安装到该对象。

利用一个或多个IMU的本公开的实施方案可另选地使用电磁导航或跟踪系统，该电磁导航或跟踪系统包括例如磁场生成器和附接到需要跟踪或确定其姿态的任何对象的一个或多个磁场传感器。换句话说，本文描述的任何IMU可用磁场传感器或可检测所生成的磁场(或其他电磁能)且基于检测到的数据实现姿态和/或移动确定的其他电磁传感器来取代。在一些实施方案中，IMU或其他传感器以及IMU或其他传感器所安装到的对象的坐标系可在制造期间或以其他方式通过校准而彼此相关。

惯性测量单元146可被配置为经由通信接口150传输由此生成的数据。通信接口150可以是有线和/或无线的，并且可以被配置为向例如通信接口108传输数据。通信接口150可与通信接口108相同或基本上相似。

系统100或类似系统可用于例如执行本文描述的方法200、300、400、500和/或600中的任一方法的一个或多个方面。系统100或类似系统还可用于其他目的。

图2描绘了可以用于例如在术中更新现有配准的方法200。方法200可单独使用和/或与本文描述的任何其他方法(或其方面)组合使用。

方法200(和/或其一个或多个步骤)可以例如由至少一个处理器执行或以其他方式执行。至少一个处理器可与上文描述的计算装置102的处理器104相同或相似。至少一个处理器可以为机器人(诸如机器人114)的一部分或导航系统(诸如导航系统118)的一部分。除了本文描述的任何处理器之外的处理器也可以用于执行方法200。至少一个处理器可以通过执行存储在存储器(诸如存储器106)中的指令来执行方法200。这些指令可以对应于下文描述的方法200的一个或多个步骤。这些指令可以致使处理器执行一种或多种算法，诸如图像处理算法120、姿态算法122、变换算法124和/或配准算法126。

方法200包括接收参考框架与患者之间的初始配准(步骤204)。初始配准包括导航坐标空间与患者坐标空间之间的配准，但初始配准还可包括导航坐标空间与机器人坐标空间之间、机器人坐标空间与患者坐标空间之间和/或成像装置坐标空间与机器人坐标空间、患者坐标空间和/或导航坐标空间中的一者或多者之间的配准。初始配准可以包括使得能够将相对于一个坐标空间定义特定位置的坐标转换为相对于另一坐标空间定义该特定位置的坐标的映射、变换或其他关联或相关算法。

该初始配准可以是使用附接到患者或更具体地附接到患者的解剖元件的参考框架或者以其他方式基于该参考框架完成的配准。参考框架可以是例如参考框架142。参考框架可以以特定姿态固定到患者，并且配准的准确性可以取决于相对于患者保持在该特定姿态的参考框架。

初始配准可以是紧接在外科手术程序之前或在外科手术程序开始时进行的配准，或者是在接收到初始配准之前的任何时间进行的配准。可以例如从存储器(诸如存储器106)、从数据库(诸如数据库130)、从网络(诸如云134)或经由该网络、从导航系统(诸如导航系统118)、从机器人(诸如机器人114)，和/或经由通信接口108来接收初始配准。

方法200还包括接收描绘相对于患者处于第一姿态的参考框架的第一图像(步骤208)。该参考框架可以是例如参考框架142，并且可以经由参考框架安装件安装到患者(或者，更具体地，安装到患者的解剖元件)。在一些实施方案中，参考框架安装件可以是可调节参考框架安装件，诸如可调节参考框架安装件138。该参考框架可经由参考框架安装件以对应于初始配准的第一姿态固定到患者。换句话说，初始配准可能已基于参考框架处于第一姿态而完成，并且只要参考框架处于第一姿态，该初始配准就有效。因此，如果参考框架被有意地或无意地移出第一姿态，则该初始配准可能不再可在外科手术程序期间用于引导或其他，并且可能需要重新配准。

可以使用成像装置(诸如成像装置112)来获得第一图像，该成像装置可以安装到可移动但可选择性锁定的支撑件。例如，该可移动支撑件可以包括具有由一个或多个关节连接的两个或更多个段的框架，以便提供一个或多个移动自由度，以便于将成像装置定位在用于任何给定外科手术任务的有用位置。然而，每个关节可以是可锁定的，使得当成像装置需要保持在固定位置时，诸如在按照方法200的重新配准过程期间，可移动框架可以选择性地锁定在其当时的姿态，从而防止成像装置移动。在一些实施方案中，可移动支撑件可包括例如机器人臂，诸如机器人114的机器人臂116。在这些实施方案中，机器人臂同样可以是可选择性锁定的，使得一旦机器人臂已经被操纵以将成像装置放置在期望的姿态，机器人臂就可以被锁定在适当的位置以防止其无意的移动。可以通过机械锁、电子锁、磁锁或任何其他已知的锁定机构或装置中的一者或多者将机器人臂锁定就位。

成像装置可以是光学成像装置、红外成像装置、结构光成像装置或不使用电离辐射的任何其他成像装置。在使用结构光成像装置的情况下，成像装置可以将光图案投射到例如患者解剖结构上；检测图像中的一个或多个特征；以及使用投射的光图案将检测到的特征与模型或另一图像对准。

方法200还包括接收描绘相对于患者处于第二姿态的参考框架的第二图像。该第二图像是使用处于与第一图像相同姿态的相同成像装置获得的。换句话说，用于捕获第一图像的成像装置也用于捕获第二图像，并且当捕获第二图像时，成像装置处于与当捕获第一图像时相同的位置和取向。因此，图像中的参考框架或任何其他对象的任何移动反映参考框架或其他对象本身的移动，这与用于捕获第二图像的成像装置的移动形成对比。

在第二图像中描绘的参考框架处于不同于第一姿态的第二姿态。该第二姿态可以是例如允许外科医生、外科手术机器人或任何其他人或工具更好地接近手术部位的姿态。换句话说，该第二姿态可以是以下姿态：参考框架对于完成特定外科手术任务或程序不呈现物理障碍。

因此，例如，如果特定外科手术程序需要将椎弓根螺钉沿着患者的脊柱植入五个不同的椎骨中，则参考框架可以(无论直接地还是经由参考框架安装件)附连到位于将在其中植入椎弓根螺钉的五个椎骨中的任何两个椎骨之间的椎骨。参考框架最初可以以第一姿态取向(例如，为了初始配准的目的)，该第一姿态允许钻孔/攻丝/螺钉植入接近所讨论的椎骨中的一些椎骨但阻止接近所讨论的椎骨中的其他椎骨。然而，一旦已经将椎弓根螺钉植入第一椎骨子集中，就可能需要将参考框架从第一姿态移动到第二姿态，该第二姿态允许接近所讨论的其余椎骨，同时阻止接近已经在其中植入一个或多个椎弓根螺钉的一个或多个椎骨。在此示例中，将在将参考框架从第一姿态移动到第二姿态之前获得(步骤208的)第一图像，并且将在将参考框架从第一姿态移动到第二姿态之后获得(本步骤212的)第二图像。

在一些实施方案中，第二姿态可反映参考框架围绕轴线的简单旋转，或参考框架沿着线性路径的简单平移。在其他实施方案中，第二姿态可以是参考框架的更实质的重新定位和/或重新定向，但参考框架到患者的附接点无任何改变(无论附接是直接的还是经由参考框架安装件)。在其他实施方案中，第二姿态可涉及从患者的第一解剖元件卸下参考框架(和/或参考框架安装件(如果使用的话))，并且将参考框架(和/或参考框架安装件)重新附接到第一解剖元件上的不同位置或与第一解剖元件不同的第二解剖元件。

方法200还包括更新参考框架与患者之间的初始配准(或另一配准)以反映参考框架从第一姿态到第二姿态的移动(步骤216)。例如，该更新可包括：检测如在第二图像中描绘的处于第二姿态的参考框架；确定第一姿态与第二姿态之间的偏移；计算从第一姿态到第二姿态的变换或反之亦然；以及/或者使用初始配准连同所计算的变换来生成更新后的配准。如结合本文公开的任何其他方法所描述的更新配准的任何一个或多个方面还可以结合步骤216来使用，且反之亦然。步骤216可以利用图像处理算法120、姿态算法122、变换算法124和/或配准算法126中的一者或多者。

在初始配准是导航、参考框架或其他图像引导系统坐标空间与患者坐标空间之间的配准的情况下，更新配准可以包括识别第一姿态与第二姿态之间的变换、映射或其他相关性，其然后可以与初始配准一起用于将患者坐标空间中的一个或多个坐标转变为图像引导系统坐标空间中的一个或多个坐标和/或反之亦然。在这些实施方案中，使用更新后的配准的转变过程可以包括两个步骤：第一步骤，其涉及使用初始配准(其不再准确)将一个或多个坐标从患者坐标空间转变到图像引导系统坐标空间(或反之亦然)；和第二步骤，其涉及使用所识别的变换、映射或其他相关性将第一步骤的不准确结果转变为准确坐标。

在其他实施方案中，更新该配准可包括利用第一姿态与第二姿态之间的所识别的变换、映射或其他相关性连同该初始配准来确定从一个坐标空间直接到不再需要使用该初始配准的另一坐标空间的新的直接变换。

在其他实施方案中，更新配准可以包括利用导航的指示器工具(例如，在其近端上具有参考框架，诸如参考框架142，或者可由导航系统118跟踪的任何其他参考标记的金属杆)来触摸患者的一个或多个解剖元件上的多个点(例如，利用该指示器工具的远端)。触摸点可以是例如其相对于处于其第一姿态的参考框架的精确位置是已知的点(无论是由于使用导航的指示器工具用于初始配准的目的，还是在方法200的准备中，还是以其他方式)。虽然一些基于触摸的配准过程要求触摸点在CT扫描中是可清楚识别的，但是在本公开的至少一些实施方案中，可以使用导航的指示器工具在空间中识别触摸点，并且该触摸点在CT扫描或其他影像或模型中是不可识别的。换句话说，本公开涵盖使用在CT扫描或其他影像或模型中不可识别的触摸点。通过在参考框架142已经被移动到第二姿态之后使用导航的指示器工具来触摸所讨论的点，患者相对于处于第二姿态的参考框架142的新位置可以被确定，并且用于更新初始配准。这在患者在第二图像中的姿态不同于患者在第一图像中的姿态的情况下(或者如果有任何其他原因相信患者已经移动)可能是特别有用的。在这些实施方案中，可独立于初始配准来使用更新后的配准，因为可在处于第二姿态的参考框架的坐标系统与患者坐标系统之间建立直接相关。

不管如何精确地获得或实现更新后的配准，只要患者与参考框架之间的空间关系保持固定，就可以使用该配准。换句话说，假如框架相对于患者保持在第二姿态，则更新后的配准可以用于提供与对患者的外科手术程序相关的导航或其他基于图像的引导。

本公开涵盖方法200的实施方案，这些实施方案包括比上文描述的步骤更多或更少的步骤，和/或与上文描述的步骤不同的一个或多个步骤。

图3描绘了可用于例如在术中更新现有配准的方法300。方法300可单独使用和/或与本文描述的任何其他方法(或其方面)组合使用。

方法300(和/或其一个或多个步骤)可以例如由至少一个处理器执行或以其他方式执行。至少一个处理器可与上文描述的计算装置102的处理器104相同或相似。至少一个处理器可以为机器人(诸如机器人114)的一部分或导航系统(诸如导航系统118)的一部分。除了本文描述的任何处理器之外的处理器也可以用于执行方法300。至少一个处理器可以通过执行存储在存储器(诸如存储器106)中的指令来执行方法300。这些指令可以对应于下文描述的方法300的一个或多个步骤。这些指令可以致使处理器执行一种或多种算法，诸如图像处理算法120、姿态算法122、变换算法124和/或配准算法126。

方法300包括接收指示参考框架将从第一预定姿态移动到第二预定姿态的用户输入(步骤304)。第一预定姿态可以是例如参考框架相对于参考框架安装件的有限数目的可能姿态中的一个姿态。此外，关于参考框架相对于参考框架安装件的有限数目的可能姿态中的每个姿态的信息可存储在存储器(例如，存储器106和/或数据库130)中和/或另外可由执行方法300的处理器访问。该信息可以是或包括关于该有限数目的可能姿态中的每个姿态相对于另一个或多个可能姿态和/或相对于参考角度的角度的信息，并且可用于使得处理器能够计算该参考框架的每个元件相对于其他一个或多个可能姿态和/或相对于该参考角度的姿态。

另选地，关于当参考框架处于有限数目的可能姿态中的每个姿态时参考框架的每个元件的姿态和/或参考框架作为整体的姿态的信息可存储于存储器中和/或另外可由执行方法300的处理器访问。该信息可以是计算出的信息(例如，基于关于参考框架的信息和关于有限数目的可能姿态中的每个姿态的信息来计算)或所测得的信息(例如，通过将参考框架放置在有限数目的可能姿态中的每个姿态中并且进行任何所需的测量来测量)。

可例如经由用户接口(诸如用户接口110)来接收用户输入。在一些实施方案中，用户输入可包括指示参考框架将从现有姿态移动到新姿态的第一输入，和指示移动已完成的第二输入。在这些实施方案中，第一用户输入可指定参考框架当前占据的有限数目的可能姿态中的一个姿态，和/或参考框架将移动到的有限数目的可能姿态中的一个姿态。附加地或另选地，第二用户输入可指示参考框架从其移动的有限数目的可能姿态中的一个姿态，和/或参考框架移动到的有限数目的可能姿态中的一个姿态。然而，在一些实施方案中，可使用影像来确定参考框架的先前和/或新的预定姿态(例如，通过将参考框架在其先前姿态和/或在其新姿态的一或多个图像与关于有限数目的可能姿态的已知信息进行比较)。

尽管步骤304被描述为接收指示参考框架将从第一预定姿态移动到第二预定姿态的用户输入，但在本公开的一些实施方案中，步骤304可另选地包括接收指示参考框架将从第一预定姿态移动(或正移动，或已移动)到第二预定姿态的自动生成的输入。在这些实施方案中，可通过例如跟踪参考框架相对于患者姿态的姿态的一个或多个传感器自动生成输入(或反之亦然)。

方法300还包括响应于用户输入而更新参考框架与患者之间的现有配准(步骤308)。步骤308可以与方法200的步骤216相同或相似(并且/或者可利用其任何方面)。现有配准可以与上述初始配准相同或相似。更新可包括例如访问关于先前和/或新的预定姿态的信息，该信息可存储于存储器(诸如存储器106)、导航系统(诸如导航系统118)、数据库(诸如数据库130)和/或网络(诸如云134)中。因为参考框架的可能预定姿态中的每个预定姿态是已知的，所以可能不需要参考框架在其新姿态的一或多个图像。而是，现有配准信息(其基于参考框架被固定到患者的特定解剖元件而使处于其先前姿态的参考框架与该患者相关)可以与关于参考框架的新(预定)姿态的信息一起使用以生成更新后的配准。

然而，如果参考框架移动到患者的不同解剖元件(而不是简单地从相对于参考框架安装件的第一预定姿态移动到相对于参考框架安装件的第二预定姿态)，并且到不同解剖元件的附接不对应于参考框架的已知预定姿态，则可能需要一个或多个图像来基于参考框架到患者的新附接点使参考框架与患者恰当地相关。

响应于在步骤304中接收到的用户输入，在步骤308中更新配准。这确保了仅在参考框架已经从第一预定姿态移动到第二预定姿态之后才更新配准。虽然结合用户输入来描述方法300，但是在一些实施方案中，一个或多个传感器(例如，被配置为检测参考框架相对于参考框架安装件的位置和/或取向的位置传感器)可以被配置为在检测到参考框架的位置和/或取向的变化时自动生成信号(其可以由执行方法300的处理器作为输入接收)。用于在参考框架的姿态变化已经发生时触发对现有配准的更新的任何其他自动或半自动手段都涵盖在本公开的范围内。

本公开涵盖方法300的实施方案，这些实施方案包括比上文描述的步骤更多或更少的步骤，和/或与上文描述的步骤不同的一个或多个步骤。

图4描绘了可用于例如在术中更新现有配准的方法400。方法400可单独使用和/或与本文描述的任何其他方法(或其方面)组合使用。

方法400(和/或其一个或多个步骤)可以例如由至少一个处理器执行或以其他方式执行。至少一个处理器可与上文描述的计算装置102的处理器104相同或相似。至少一个处理器可以为机器人(诸如机器人114)的一部分或导航系统(诸如导航系统118)的一部分。除了本文描述的任何处理器之外的处理器也可以用于执行方法400。至少一个处理器可以通过执行存储在存储器(诸如存储器106)中的指令来执行方法400。这些指令可以对应于下文描述的方法400的一个或多个步骤。这些指令可以致使处理器执行一种或多种算法，诸如图像处理算法120、姿态算法122、变换算法124和/或配准算法126。

方法400包括传输致使机器人臂锁定在选定姿态的信号(步骤404)。可以响应于用户输入而发送该信号。例如，如果外科医生或其他用户希望重新定向用于初始配准的参考框架，无论是获得对当前被参考框架阻挡的患者解剖结构的一部分的接近还是其他，则用户可以为了该效果提供输入(例如，经由用户接口，诸如用户接口110)。在一些实施方案中，可以基于外科手术计划发送信号。例如，对于自主机器人外科手术，或者甚至对于涉及使用导航系统的图像引导的外科手术，可以自动地跟踪外科手术计划的进展，并且当需要相对于患者重新定向参考框架时，该外科手术计划可以识别外科手术程序中的特定点。当到达该特定点时，可以传输致使机器人臂锁定在选定姿态的信号。

被锁定在选定姿态的机器人臂可以是机器人臂116或任何其他机器人臂。机器人臂支撑成像装置，该成像装置将用于在按照方法400的重新配准期间捕获图像。可将成像装置固持在机器人臂的远端(例如，机器人臂的最靠近患者且最远离支撑机器人臂的机器人基座的端)处，或沿着机器人臂的任何其他地方。

选定姿态是这样的姿态：从该姿态成像装置的视场包括固定到患者(或者，更具体地，固定到患者的解剖元件)的参考框架，以及患者的至少一部分。在成像装置至少对于下述步骤408和416保持在选定姿态的情况下，该选定姿态可以是多种可能姿态中的任一姿态。

可响应于所传输的信号(例如，在接收到所传输的信号之后)通过一个或多个机械锁、机电锁、气动锁、液压锁、磁性锁或任何其他类型的锁将机器人臂锁定在选定姿态。在一些实施方案中，锁定可包括关闭用于移动机器人臂的一个或多个致动器、伺服机构或其他装置或以其他方式将它们断电，使得机器人臂不能从选定姿态无意地移动。在其他实施方案中，步骤404包括传输信号，该信号致使机器人臂主动地使用一个或多个致动器、伺服机构或其他装置，以便将机器人臂移动到选定姿态和/或将机器人臂保持在选定姿态，而不管可能施加在其上的一个或多个力。

在一些实施方案中，将机器人臂锁定在选定姿态可包括不仅将机器人臂的一个或多个关节锁定在特定姿态以将机器人臂保持在选定姿态，而且将机器人基座锁定在适当位置，不管是通过使用本文描述的任何锁定机构或装置将机器人基座锁定到支撑机器人基座的框架，和/或锁定支撑机器人基座的一个或多个轮子，使得机器人基座不能滚动或被滚动到不同位置，或其他。

在一些实施方案中，方法400可以省略步骤404。

方法400还包括致使成像装置在第一时间捕获描绘处于第一姿态的参考框架的第一图像(步骤408)。该第一图像可与上文结合方法200的步骤208描述的第一图像相同或相似。成像装置可以是本文描述的不发射电离辐射的成像装置。该致使可以包括向成像装置传输触发成像装置的快门的信号。该致使可以响应于用户输入而发生，或者基于到达外科手术计划的特定点、机器人臂被锁定在选定姿态或者任何其他预定触发事件而自动地发生。第一时间是参考框架在其期间处于第一姿态的时间。在一些实施方案中，该第一姿态是对应于涉及该参考框架的初始或现有配准的姿态。例如，第一时间可以是紧接在初始或现有配准完成之后的时间(在这种情况下，例如，如果参考框架在外科手术程序期间被无意地碰撞或以其他方式移动，因此需要重新配准，则可以使用第一图像)。作为另一示例，第一时间可以是紧接在参考框架被有意移动之前立即或在参考框架不久的时间。

方法400还包括确定成像装置在第一时间的第一姿态(步骤412)。如果选定姿态是已知的和/或与成像装置从其捕获结合以下步骤416描述的第二图像的姿态相同，则当机器人臂在第一时间被锁定在选定姿态时(例如，由于步骤404的完成)，该确定可以是不必要的。该确定可以包括接收关于机器人臂的姿态和/或关于成像装置相对于机器人臂的姿态的信息，并且使用该信息来确定成像装置相对于所关注的坐标空间(例如，患者坐标空间或图像引导坐标空间)的第一姿态。关于机器人臂的姿态和/或关于成像装置相对于机器人臂的姿态的信息可以从以下各项接收：机器人臂中的一个或多个机器人臂(例如，从机器人臂上的一个或多个传感器)、包括机器人臂的机器人(例如，机器人的控制器)、导航系统(诸如导航系统118)(其可利用机器人臂上和/或成像装置上的参考标记来跟踪其相应姿态)、存储器(诸如存储器106)、数据库(诸如数据库130)和/或网络(诸如云134)。在一些实施方案中，该确定可包括简单地从导航系统接收关于成像装置的所跟踪姿态的姿态信息，而不考虑机器人臂的姿态。在其他实施方案中，成像装置的第一姿态可由机器人臂(或对应的机器人)提供，而不需要涉及机器人臂的姿态的任何计算或其他确定。

在一些实施方案中，尤其当成像装置未被机器人臂固持时，确定成像装置在第一时间的姿态可包括从附接到成像装置的IMU接收信息，该信息可指定成像装置的姿态或可用于计算成像装置的姿态(例如，基于成像装置的先前已知位置)。附接到成像装置的IMU可用于本公开的任何实施方案中，并且可用于确认成像装置在从捕获第一图像的时间到捕获第二图像的时间尚未移动，和/或用于确定成像装置在特定时间的姿态。

方法400还包括致使成像装置在第一时间之后的第二时间捕获描绘处于第二姿态的参考框架的第二图像(步骤416)。步骤416可与步骤408相同或相似，不同之处在于，第二图像是在第二时间而非第一时间被捕获，并且参考框架处于第二姿态而非第一姿态。因此，在第一时间与第二时间之间，参考框架从第一姿态移动到第二姿态。参考框架从第一姿态到第二姿态的移动可自动发生(例如，使用参考框架上和/或参考框架安装件上的一个或多个致动器、伺服机构或其他装置；使用机器人臂来移动参考框架；或以其他方式)、手动地发生(例如，通过外科医生或其他用户物理地移动参考框架)，或在机器人辅助(例如，使用由外科医生或其他用户控制的机器人臂)下发生。

第二时间可(但不必)紧随参考框架移动到第二姿态之后。

方法400还包括确定成像装置在第二时间的第二姿态(步骤420)。步骤420是步骤412的镜像。

例如，当不是针对在步骤408中捕获的第一图像和在步骤416中捕获的第二图像将成像装置固定在特定姿态，而是允许或致使成像装置在捕获第一图像与捕获第二图像之间移动时，可以使用步骤412和420。在这些实施方案中，假设成像装置在第一时间和在第二时间的姿态分别是已知的或者可以被确定，可使用成像装置在第一时间和第二时间的已知姿态来考虑当拍摄两个图像时的成像装置的改变的位置，并且确定在第一图像和第二图像中描绘的参考框架的姿态变化。

方法400还包括基于第一图像、成像装置的第一姿态、第二图像和成像装置的第二姿态来确定第一姿态与第二姿态之间的变换(步骤424)。在机器人臂在第一时间和第二时间被锁定在选定姿态的情况下，该确定可以仅基于第一图像和第二图像，并且更具体地，基于在第一图像和第二图像中描绘的参考框架的姿态。步骤424可以利用一种或多种算法(诸如变换算法124)来确定变换。该变换可使得能够相对于处于第二姿态的参考框架来识别相对于处于第一姿态的参考框架所识别的点。换句话说，变换可以是或包括第一姿态与第二姿态之间的映射或其他相关性。

方法400还包括更新参考框架与患者之间的配准，以反映参考框架已从第一姿态移动到第二姿态(步骤428)。该配准可以是在参考框架处于第一姿态时完成的初始配准或现有配准，并且可以被更新，使得在参考标记相对于患者的相对姿态已经改变的情况下，可以基于参考标记的检测到的位置(例如，使用导航系统118或其他图像引导系统)准确地确定相对于患者的给定位置。该更新可基于在步骤424中确定的变换。该更新可以产生更新后的配准，该更新后的配准利用二步过程来识别准确的坐标。例如，更新后的配准可以使用初始配准来确定相对于患者的初始(不准确的)坐标集，并且然后使用所确定的变换来将初始(不准确的)坐标集转换为相对于患者的最终准确的坐标集。另选地，该更新可以产生对于直接获得相对于患者的最终准确的坐标集是有用的更新后的配准，而不继续依赖于初始配准。

本公开涵盖方法400的实施方案，这些实施方案包括比上文描述的步骤更多或更少的步骤，和/或与上文描述的步骤不同的一个或多个步骤。

图5描绘了可用于例如在术中更新现有配准的方法500。方法500可单独使用和/或与本文描述的任何其他方法(或其方面)组合使用。

方法500(和/或其一个或多个步骤)可以例如由至少一个处理器执行或以其他方式执行。至少一个处理器可与上文描述的计算装置102的处理器104相同或相似。至少一个处理器可以为机器人(诸如机器人114)的一部分或导航系统(诸如导航系统118)的一部分。除了本文描述的任何处理器之外的处理器也可以用于执行方法500。至少一个处理器可以通过执行存储在存储器(诸如存储器106)中的指令来执行方法500。这些指令可以对应于下文描述的方法500的一个或多个步骤。这些指令可以致使处理器执行一种或多种算法，诸如图像处理算法120、姿态算法122、变换算法124和/或配准算法126。

方法500包括接收指示将调整参考框架的姿态的第一用户输入(步骤504)。参考框架可以是例如参考框架142，并且可以经由参考框架安装件(诸如参考框架安装件138)固定到患者，该参考框架安装件继而可以牢固地固定到患者的解剖元件。可经由用户接口(诸如用户接口110)提供第一用户输入。在接收到第一用户输入之前，参考框架的任何检测到的运动可以被理解为和/或视为反映患者的移动。然而，在接收到第一用户输入之后(并且在第二用户输入之前)，参考框架的任何检测到的运动可以被理解为和/或视为独立于任何患者移动的参考框架的运动。

在一些实施方案中，不是接收指示将调整参考框架的姿态的用户输入，而是可作出将调整参考框架的姿态的确定。该确定可基于例如外科手术计划。例如，对于自主机器人外科手术，或者甚至对于涉及使用导航系统的图像引导的外科手术，可以自动地跟踪外科手术计划的进展，并且当需要相对于患者重新定向参考框架时，该外科手术计划可以识别外科手术程序中的特定点。当到达该特定点时，可作出将调整参考框架的姿态的确定。

方法500还包括接收对应于由IMU检测到的运动的信息(步骤508)。该IMU可以是IMU 146或任何其他IMU，并且可以固定到参考框架，诸如参考框架142。可例如经由诸如通信接口108和/或150的一个或多个通信接口来接收信息。因此，可以无线地或经由有线连接来接收该信息。该信息可识别参考框架的新姿态，并且/或者可用于计算或以其他方式确定参考框架的新姿态(例如，基于关于参考框架的先前姿态或当接收到第一用户输入时的参考框架的姿态的已知信息)。

方法500还包括接收指示对参考框架的姿态的调整完成的第二用户输入(步骤512)。与第一用户输入一样，可经由用户接口(诸如用户接口110)提供第二用户输入。该第二用户输入提供以下指示：参考框架的任何进一步检测到的移动对应于参考框架再次固定地附接到的患者的移动。

在这里同样地，在一些实施方案中，不是接收第二用户输入，而是可作出对参考框架的姿态的调整完成的确定。该确定可基于例如一段时间(例如，1秒、2秒、3秒、4秒、5秒、10秒)流过却没有参考框架的任何检测到的移动(例如，没有从附接到参考框架的IMU接收到参考框架的任何移动指示)。

方法500还包括确定参考框架的姿态变化(步骤516)。姿态变化可例如基于在步骤508中接收到的且对应于由IMU检测到的运动的信息来确定。可使用诸如姿态算法122的算法来确定姿态变化。在信息提供参考框架的新姿态而不需要对其进行任何计算或其他确定的情况下，步骤516可以是不必要的。

方法500还包括基于所确定的姿态变化来更新参考框架与患者之间的现有配准(步骤520)。步骤520可以与方法200的步骤216、方法300的步骤308和/或方法400的步骤428相同或相似，或者包括这些步骤的一个或多个方面的组合。现有配准可以是在接收到第一用户输入之前并且基于参考框架的先前姿态完成的配准。更新后的配准反映了在接收到第二用户输入之后参考框架的姿态。在一些实施方案中，更新后的配准可以利用二步过程来基于相对于参考框架的已知位置识别相对于患者的准确坐标。例如，更新后的配准可以使用初始配准来确定相对于患者的初始(不准确的)坐标集，并且然后使用参考框架相对于患者的所确定的姿态变化来将初始(不准确的)坐标集变换为相对于患者的最终准确的坐标集。另选地，更新后的配准可以准许基于相对于参考框架的已知位置直接确定相对于患者的准确坐标集，而不继续依赖于初始配准。

本公开涵盖方法500的实施方案，这些实施方案包括比上文描述的步骤更多或更少的步骤，和/或与上文描述的步骤不同的一个或多个步骤。

图6描绘了可用于例如在术中更新现有配准的方法600。方法600可单独使用和/或与本文描述的任何其他方法(或其方面)组合使用。特别地，方法600可以与方法500的一个或多个方面组合使用，以准许连续地更新现有配准，和/或当在调整参考框架的姿态期间不能阻止患者移动(或至少假设不太可能发生)时实现重新配准。

方法600(和/或其一个或多个步骤)可以例如由至少一个处理器执行或以其他方式执行。至少一个处理器可与上文描述的计算装置102的处理器104相同或相似。至少一个处理器可以为机器人(诸如机器人114)的一部分或导航系统(诸如导航系统118)的一部分。除了本文描述的任何处理器之外的处理器也可以用于执行方法600。至少一个处理器可以通过执行存储在存储器(诸如存储器106)中的指令来执行方法600。这些指令可以对应于下文描述的方法600的一个或多个步骤。这些指令可以致使处理器执行一种或多种算法，诸如图像处理算法120、姿态算法122、变换算法124和/或配准算法126。

方法600包括接收对应于由牢固地固定到患者的解剖元件的IMU检测到的运动的信息(步骤604)。IMU可为IMU 146或任何其他IMU，并且可直接固定到解剖元件(例如，固定到其表面)，或固定到被配置为相对于解剖元件保持固定的参考框架安装件或其他工具的一部分(例如，归因于参考框架安装件与解剖元件之间的机械、化学或其他类型的附接)。可例如经由诸如通信接口108和/或150的一个或多个通信接口来接收信息。因此，可以无线地或经由有线连接来接收该信息。该信息可以识别解剖元件的新姿态，和/或可用于计算或以其他方式确定解剖元件的新姿态(例如，基于关于解剖元件的先前姿态或者当接收到方法500的步骤504的第一用户输入时的解剖元件的姿态的已知信息)。

方法600还包括确定解剖元件的姿态变化(步骤608)。姿态变化可例如基于在步骤604中接收到的且对应于由IMU检测到的运动的信息来确定。可使用诸如姿态算法122的算法来确定姿态变化。在信息提供解剖元件的新姿态而不需要对其进行任何计算或其他确定的情况下，步骤608可以是不必要的。

方法600还包括基于关于参考框架的姿态变化的信息并且基于解剖元件的姿态变化来更新参考框架与患者之间的现有配准(步骤612)。关于参考框架的姿态变化的信息可以是例如诸如在方法500的步骤508中接收到的信息，或者是从在方法500的步骤516中确定参考框架的姿态变化而得到的信息。更新后的配准可以使得能够基于参考框架和患者两者的当前位置将相对于参考框架的已知位置变换为相对于患者的已知位置。

更具体地，现有配准提供例如参考框架的坐标空间与患者的坐标空间之间的映射或其他相关性。现有配准使得能够将参考框架坐标空间中的一个或多个坐标转变或转换为患者坐标空间中的一个或多个坐标，和/或反之亦然。然而，参考框架相对于患者的任何未考虑的移动将误差引入到该配准中，该误差可能阻止将配准用于其预期目的(例如，在手术期间启用基于图像的引导)。通过将一个IMU附连到患者并且将另一个IMU附连到参考框架，它们之间的任何相对移动都可以被识别并且用于更新现有配准，因此保留了准确的配准。另外，此过程可以在整个外科手术程序中连续地发生，因此避免了需要在外科手术程序中暂停以完成重新配准程序。另外，方法600使得能够在配准中检测到并考虑到参考框架相对于患者的意外碰撞或其他移动。而且，与至少一些现有的重新配准程序相比，方法600可以在不使患者暴露于电离辐射的情况下完成。

虽然方法600涉及使用附接到参考框架和患者的IMU来检测参考框架与患者之间的相对移动，但是本公开的其他实施方案可以利用一种或多种其他技术(包括例如特征检测、分割等)来检测这种相对移动。

本公开涵盖方法600的实施方案，这些实施方案包括比上文描述的步骤更多或更少的步骤，和/或与上文描述的步骤不同的一个或多个步骤。

如上文所述，本公开涵盖具有比图2、图3、图4、图5和图6中识别的所有步骤少的步骤的方法(以及方法200、300、400、500和600的对应描述)，以及包括除了图2、图3、图4、图5和图6中识别的那些步骤之外的附加步骤的方法(以及方法200、300、400、500和600的对应描述)。本公开还涵盖包括来自本文描述的一种方法的一个或多个步骤和来自本文描述的另一种方法的一个或多个步骤的方法。本文描述的任何相关性可以是或包括配准或任何其他相关性。

前述内容并不意图将本公开限于本文所公开的一种或多种形式。在前述的具体实施方式中，例如，出于简化本公开的目的，将本公开的各种特征一起分组在一个或多个方面、实施方案和/或配置中。本公开的方面、实施方案和/或配置的特征可组合在除了上文所论述的那些之外的替代方面、实施方案和/或配置中。本公开的方法不应被解释为反映以下意图：权利要求需要比每项权利要求中明确叙述的特征更多的特征。相反，如以下权利要求书所反映，本发明方面在于少于单个前述公开的方面、实施方案和/或配置的全部特征。因此，以下权利要求特此并入这个具体实施方式中，其中每项权利要求作为本公开的单独的优选实施方案而独立存在。

此外，尽管前述已经包含对一个或多个方面、实施方案和/或配置以及某些变化和修改的描述，但在理解了本公开之后，其他变化、组合和修改在本公开的范围内，例如，可在本领域技术人员的技能和知识范围内。意图在准许的范围内获得包括替代方面、实施方案和/或配置的权利，包括所要求保护的那些的替代、可互换和/或等效的结构、功能、范围或步骤，而不管这些替代、可互换和/或等效的结构、功能、范围或步骤是否在本文中公开，而且不意图公开用于任何可获专利的主题。

Claims (20)

1.一种重新配准方法，所述重新配准方法包括：

接收第一图像，所述第一图像描绘附接到患者并且相对于所述患者以第一姿态取向的参考框架，所述第一图像由安装到已被锁定在选定姿态的可移动支撑件的成像装置获得；

接收第二图像，所述第二图像描绘相对于所述患者以第二姿态取向的所述参考框架，所述第二图像由所述成像装置在所述可移动支撑件被锁定在所述选定姿态的情况下获得；以及

更新所述参考框架与所述患者之间的配准，以反映所述参考框架已从所述第一姿态移动到所述第二姿态。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括：

接收参考框架与患者之间的初始配准，所述初始配准基于所述参考框架相对于所述患者处于所述第一姿态。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述参考框架经由可调节参考框架安装件附接到所述患者。

4.根据权利要求3所述的方法，其中当所述参考框架处于所述第一姿态时，所述可调节参考框架安装件被固定到所述患者的椎骨。

5.根据权利要求4所述的方法，其中当所述参考框架处于所述第二姿态时，所述可调节参考框架安装件仍被固定到所述患者的所述椎骨。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述可移动支撑件是机器人臂。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述可移动支撑件包括至少一个可选择性锁定的关节。

8.根据权利要求1所述的方法，其中由所述成像装置在所述参考框架到达所述第二姿态的三十秒内获得所述第二图像。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述成像装置是导航系统相机。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述成像装置是结构光相机。

11.根据权利要求1所述的方法，其中更新所述配准的步骤包括基于先前的配准来计算新的参考框架坐标空间与患者坐标空间之间的变换。

12.一种用于术中重新配准的系统，所述系统包括：

机器人臂；

成像装置，所述成像装置安装到所述机器人臂；

处理器；和

存储器，所述存储器存储用于由所述处理器执行的指令，所述指令在被执行时致使所述处理器：

致使所述成像装置在第一时间捕获第一图像，所述第一图像描绘附接到患者并且相对于所述患者以第一姿态取向的参考框架；

致使所述成像装置在所述第一时间之后的第二时间捕获第二图像，所述第二图像描绘附接到所述患者并且相对于所述患者以第二姿态取向的所述参考框架，所述第二姿态不同于所述第一姿态；以及

更新所述参考框架与所述患者之间的配准，以反映所述参考框架已从所述第一姿态移动到所述第二姿态。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述存储器存储用于由所述处理器执行的附加指令，所述附加指令在被执行时进一步致使所述处理器：

在所述第一时间之前并且基于用户输入传输致使所述机器人臂锁定在选定姿态的信号。

14.根据权利要求13所述的系统，其中所述选定姿态是与在传输所述信号时的所述机器人臂的姿态不同的预定姿态。

15.根据权利要求12所述的系统，其中所述存储器存储用于由所述处理器执行的附加指令，所述附加指令在被执行时进一步致使所述处理器：

确定在所述第一时间的第一成像装置姿态；

确定在所述第二时间的第二成像装置姿态；以及

基于所述第一图像、所述第一成像装置姿态、所述第二图像和所述第二成像装置姿态，确定所述第二姿态与所述第一姿态之间的变换。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述存储器存储用于由所述处理器执行的附加指令，所述附加指令在被执行时进一步致使所述处理器：

基于所确定的变换来更新所述参考框架与所述患者之间的所述配准，以反映所述参考框架已从所述第一姿态移动到所述第二姿态。

17.根据权利要求12所述的系统，其中致使所述成像装置捕获所述第一图像响应于用户输入而发生。

18.一种重新配准系统，所述重新配准系统包括：

参考框架安装件，所述参考框架安装件能够固定地附接到患者；

参考框架，所述参考框架可调节地附接到所述参考框架安装件；

惯性测量单元(IMU)，所述惯性测量单元牢固地固定到所述参考框架；

通信接口；

处理器；和

存储器，所述存储器存储用于由所述处理器执行的指令，所述指令在被执行时致使所述处理器：

经由所述通信接口接收与由所述IMU检测到的运动相对应的信息；

基于所述信息确定所述参考框架的姿态变化；以及

基于所确定的姿态变化来更新所述参考框架与所述患者之间的现有配准。

19.根据权利要求18所述的重新配准系统，其中所述存储器存储用于由所述处理器执行的附加指令，所述附加指令在被执行时进一步致使所述处理器：

接收指示将调整所述参考框架的姿态的第一用户输入；以及

接收指示对所述参考框架的所述姿态的调整完成的第二用户输入；

其中所述信息对应于在接收到所述第一用户输入与接收到所述第二用户输入之间由所述IMU检测到的运动。

20.根据权利要求18所述的重新配准系统，其中所述IMU是第一IMU，所述重新配准系统还包括第二IMU，所述第二IMU不同于所述第一IMU并且能够相对于患者的解剖元件牢固地固定。