CN116847799A - 用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的计算机实现方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的计算机实现方法。确定所提出的脊柱棒，该脊柱棒是具有期望形状的脊柱棒的虚拟模型。基于所获取的设置在患者脊柱上的多个脊柱螺钉的位置，来确定所提出的脊柱棒。脊柱螺钉被配置用于收纳互连多个脊柱螺钉的脊柱棒。此外，脊柱棒本身被医疗导航装置校准用于跟踪。这允许通过增强现实装置来显示所提出的脊柱棒，从而将所跟踪脊柱棒与所提出脊柱棒重叠。因此，所提出的方法尤其为外科医生提供了关于脊柱棒的弯曲状态的改进的信息。

Description

用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的计算机实 现方法
技术领域
本发明涉及一种用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的计算机实现方法、医疗导航装置和相应的计算机程序。
背景技术
在脊柱手术中，脊柱棒用作植入物用于人体脊柱的稳定手术。在将脊柱螺钉插入患者的脊柱中时，脊柱螺钉通过脊柱棒互连，跨越椎骨的长度以稳定在脊柱的相应侧上。棒必须形成/弯曲成使得其配合穿过脊柱螺钉的头部。
目前，脊柱棒弯曲是在手术中进行的，基于粗略的估计，特别是通过外科医生的眼睛，以及反复试验，因此经常是耗时的反复试验过程。
另选地，棒弯曲装置依赖于所测量的螺钉头部位置的输入，并且提出了可以利用物理装置实现的棒弯曲。
因此，在规划和弯曲脊柱棒时需要外科医生更多的指导。
本发明的目的是提供一种用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的改进方法。
本发明可用于脊柱稳定手术，例如与用于图像引导手术的系统(例如Brainlab AG的产品，脊柱与创伤导航系统)结合使用。
在下文中公开了本发明的方面、示例和示例性步骤及其实施方式。只要技术上适宜和可行，本发明的不同示例性特征可以根据本发明进行组合。
本发明的示例性简短说明
在下文中，给出了本发明的具体特征的简短描述，其不应被理解为将本发明仅限制于本节中描述的特征或特征的组合。
提出了一种用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的计算机实现方法。
特别地，在该方法中，确定所提出的脊柱棒，该脊柱棒是具有期望形状的脊柱棒的虚拟模型。基于所获取的设置在患者脊柱上的多个脊柱螺钉的位置来确定所提出的脊柱棒。脊柱螺钉被配置用于收纳互连多个脊柱螺钉的脊柱棒。此外，脊柱棒本身被医疗导航装置校准用于跟踪。这允许通过增强现实装置来显示所提出的脊柱棒，从而将所跟踪脊柱棒与所提出脊柱棒重叠。因此，所提出的方法尤其为外科医生提供了关于脊柱棒的弯曲状态的改进的信息。
发明内容
在该部分中，例如通过参考本发明的可能实施方式来给出本发明的一般特征的描述。
这通过独立权利要求的主题来实现，其中在从属权利要求和以下描述中包含了进一步的实施方式。
所描述的实施方式类似地涉及用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的方法、用于脊柱棒规划和弯曲的系统以及对应的计算机程序。协同效应可以由实施方式的不同组合产生，但在下文中可能不对其进行详细描述。此外，应当注意，可以按照这里明确描述的步骤的顺序来执行本发明关于方法的所有实施方式。然而，这不必是该方法的步骤的唯一和必需顺序。本文所呈现的方法可以在不背离相应方法实施方式的情况下以所公开步骤的另一顺序来执行，除非下文明确地相反提及。
技术术语是按其常识使用的。如果将特定含义传达给某些术语，则在下文中将在使用这些术语的上下文中给出术语的定义。
根据本公开的一个方面，一种用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的计算机实现方法，所述计算机实现方法包括以下步骤：在一个步骤中，获取设置在脊柱上的多个脊柱螺钉的位置，其中，所述多个脊柱螺钉被配置用于收纳互连所述多个脊柱螺钉的脊柱棒。在另一步骤中，使用所获取的多个脊柱螺钉的位置来确定所提出的脊柱棒，该脊柱棒是具有期望形状的脊柱棒的虚拟模型。在另一步骤中，通过医疗导航装置校准所述脊柱棒以跟踪所述脊柱棒。在另一步骤中，通过增强现实装置显示所提出的脊柱棒，从而将所跟踪脊柱棒与所提出脊柱棒重叠。
本文使用的术语“脊柱棒”涉及用于稳定人体脊柱的植入物。所述脊柱棒通常是细长的圆柱形棒，其弯曲成允许外科医生在脊柱螺钉的帮助下将脊柱棒附接到患者脊柱的形状。
如本文所使用的，术语“所提出的脊柱棒”包括脊柱棒的虚拟模型，该虚拟模型反映了已经被理想地弯曲以用于脊柱手术的脊柱棒。换句话说，所提出的脊柱棒是用于根据脊柱手术的脊柱棒的数字模板。所提出的脊柱棒基于脊柱棒的预定模型(例如标准化的未弯曲脊柱棒)来确定。另选地，所提出的脊柱棒是基于脊柱棒模型确定的，该脊柱棒模型是需要被规划和弯曲的脊柱棒的虚拟模型。
本文使用的术语“脊柱螺钉”包括任何种类的脊柱骨螺钉，如椎弓根螺钉、侧块螺钉或SAI螺钉。脊柱螺钉例如通过钻入脊柱中而与患者的脊柱直接连接。
优选地，增强现实装置包括增强现实眼镜，其具体地包括至少一个3D扫描仪。
优选地，校准脊柱棒，特别是通过医疗导航装置的校准装置，包括确定脊柱棒在空间中的位置和/或形状。因此,脊柱棒和所提出的脊柱棒的位置，特别是所提出脊柱棒形状是已知的。进一步优选地，通过增强现实装置显示所提出的脊柱棒包括使用所确定的空间中脊柱棒的位置和/或形状将所跟踪的脊柱棒与所提出脊柱棒重叠。因此，为了支持外科医生弯曲脊柱棒，通过增强现实装置向外科医生显示所提出的脊柱棒。由于脊柱棒的跟踪，脊柱棒在空间中的位置特别是形状是已知的，所以增强现实装置被配置为用所提出的脊柱棒覆盖被跟踪的脊柱棒。换句话说，所提出的脊柱棒以这样的方式显示在外科医生的视野中，即，外科医生总是以相对于脊柱棒的特定空间关系看到所提出脊柱棒。例如，脊柱棒的左端总是与所提出的脊柱棒左端重叠。用所提出的脊柱棒覆盖脊柱棒的类型优选地是动态可调整的。优选地，用所提出的脊柱棒覆盖脊柱棒包括使用脊柱棒的所确定的位置和/或形状以与脊柱棒成空间关系的方式显示所提出脊柱棒。
优选地，所述方法包括跟踪脊柱棒的步骤，特别是通过医疗导航装置，进一步特别地通过医疗导航系统的跟踪装置。
增强现实装置优选地被包括在医疗导航装置中。
优选地，校准脊柱棒包括确定脊柱棒模型，其为脊柱棒的虚拟表示。换句话说，在脊柱棒校准期间，确定脊柱棒的实际形状。因此，任何类型的脊柱棒，未弯曲的或已经预弯曲的，都可用于增强现实装置以在外科医生的视野中在真实脊柱棒上显示所提出的脊柱棒。
优选地，使用脊柱棒模型和多个脊柱螺钉的位置来确定所提出的脊柱棒。换句话说，使用多个脊柱螺钉的位置来数字地调整脊柱棒模型，或者换句话说模拟弯曲，以确定所提出的脊柱棒。因此，所提出的脊柱棒以对于脊柱手术理想的弯曲形状反映校准的脊柱棒。
使用所获取的多个脊柱螺钉的位置来确定所提出的脊柱棒允许最大限度地减少用户交互，特别是外科医生的工作。
用增强现实装置覆盖所跟踪的脊柱棒和所提出的脊柱棒允许外科医生在其眼前弯曲脊柱棒，或者换句话说，不需要在示出所提出脊柱棒的单独的控制屏幕上控制其弯曲进程。因此，外科医生通过增强现实装置看到必须被弯曲的脊柱棒，并且还看到通过增强现实装置在外科医生的视野中显示的虚拟的所提出脊柱棒。
因此，提供了一种用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的改进的方法。
下面将更详细地描述优选实施方式。
在优选实施方式中，所提出的脊柱棒包括与脊柱上的多个脊柱螺钉的位置相匹配的形状。
本文使用的术语“形状”也指脊柱棒的尺寸和长度。
在患者脊柱的形状应当由脊柱棒加强的情况下，脊柱棒必须形成为与患者的实际脊柱匹配的形状。脊柱螺钉的位置，或者换句话说，多个脊柱螺钉在脊柱上的布置，限定了所提出的脊柱棒的形状。这同样适用于所提出的脊柱棒的长度。因此，所提出的脊柱棒代表了一种脊柱棒，该脊柱棒理想地成形并且具有用于其加强脊柱的目的的理想长度，特别是脊柱的形状。
优选地，脊柱棒的形状被数字化，例如通过3D扫描仪，以确定脊柱棒模型。然后，该脊柱棒模型优选地用于确定所提出的脊柱棒。这允许使用任何形状或尺寸的任何类型的脊柱棒，特别是预弯曲脊柱棒。
因此，提供了一种用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的改进的方法。
在优选实施方式中，所述方法包括使用所获取的多个脊柱螺钉的位置和脊柱的规划形状来确定所提出的脊柱棒的步骤。
在患者脊柱的形状不仅应该被加强而且应该被调整或换言之被校正的情况下，脊柱棒必须形成为与患者脊柱相匹配的形状，因为这应该通过手术来实现。脊柱的预定形状，换句话说，就是手术应该达到的脊柱形状。
换句话说，脊柱螺钉的实际位置与应当应用于脊柱的另外规划的校正相结合。将多个脊柱螺钉的位置与脊柱的规划形状组合优选地包括将多个脊椎螺钉的位置与脊柱的规划形状重叠或添加。
优选地，通过使用预定的手术计划来确定脊柱的规划形状。特别地，规划软件使用多个脊柱螺钉的位置和脊柱的规划形状来自动确定所提出的脊柱棒。
换句话说，考虑到脊柱的规划形状来分析多个脊柱螺钉的位置。特别地，通过将多个脊柱螺钉数字化而将多个椎骨螺钉的位置提供给规划软件。脊柱的规划形状特别地通过从预定手术计划中提取而提供给计划软件。基于该分析，特别是包括多个脊柱螺钉的位置与脊柱的规划形状之间的比较，自动确定所提出的脊柱棒。
进一步优选地，外科医生通过使用脊柱的规划形状和多个脊柱螺钉的位置来手动确定所提出的脊柱棒。
换句话说，规划软件被提供有多个脊柱螺钉的位置。通过规划软件为外科医生可视化多个脊柱螺钉的位置。特别地，规划软件基于多个脊柱螺钉的位置提供临时建议的脊柱棒。外科医生考虑到脊柱的规划形状来分析多个脊柱螺钉的位置。通过使用规划软件，外科医生手动确定所提出的脊柱棒，特别是通过调整所提供的临时所提出脊柱棒。例如，外科医生将进一步的脊柱前凸添加到临时提出的脊柱棒或多个脊柱螺钉的位置。
换句话说，脊柱棒的形状甚至可以比由规划软件产生的脊柱螺钉或所提出的脊柱棒数字化位置所代表的曲率更多地被校正。
例如，外科医生通过操纵所提出的脊柱棒或所显示的脊柱而在规划软件中增加更多度的“脊柱前凸”。另选地，可以选择软件界面“增加/去除数字化螺钉的进一步脊柱前凸”。
然后，优选地引导外科医生将脊柱棒弯曲到由所提出的脊柱棒表示的该新的“虚拟”位置。
因此，在手术中，通过弯曲的脊柱棒最终将期望的形状(例如具有附加的脊柱前凸)引入脊柱。换句话说，脊柱棒在期望的位置拉动解剖结构，特别是患者脊柱的椎骨。
因此，提供了一种用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的改进的方法。
在优选实施方式中，校准脊柱棒包括确定脊柱棒模型，其为脊柱棒的虚拟表示。所述方法包括使用脊柱棒模型确定支持数据的步骤，其中，所述支持数据包括链接到脊柱的信息。所述方法还包括通过增强现实装置用所述支持数据覆盖脊柱棒的步骤。
这里使用的术语“支持数据”表示应用于本脊柱的脊柱信息。然而，当脊柱棒与多个脊柱螺钉连接时，所述支持数据优选地还表示应用于脊柱的脊柱信息。换句话说，所述支持数据包含用于外科医生的脊柱的信息或换言之参数，或与脊柱的当前形状或脊柱的规划形状相关的规划软件。
优选地，规划软件或外科医生通过规划软件使用所述支持数据来调整所提出的脊柱棒。换句话说，所述支持数据提供了与患者脊柱相关的不同参数的阈值，当调整所提出的脊柱棒的形状时必须考虑这些参数。
因此，增强现实装置向外科医生提供关于脊柱棒的规划和弯曲的附加信息。
因此，提供了一种用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的改进的方法。
在优选实施方式中，确定脊柱棒模型包括相对于跟踪参考阵列识别脊柱棒的形状。
换句话说，通过检测脊柱棒的形状，特别是通过3D相机或3D激光扫描仪装置，以及检测跟踪的参考阵列，来校准脊柱棒。所检测的脊柱棒的形状用于确定表示脊柱棒的脊柱棒模型。由于还检测到参考阵列，特别是包括参考标记，脊柱棒在空间中的位置是已知的。
优选地，增强现实装置被配置为获取脊柱棒的表面模型，基于该表面模型确定脊柱棒模型。特别地，增强现实装置的光学通道的相关视频图像允许脊柱棒的表面重建。因此，增强现实装置被配置用于确定脊柱棒模型。
优选地，使用校准块或预校准数据来校准脊柱棒，如果脊柱棒的长度是已知的，则通过所跟踪的参考阵列的所检测的位置来调整所述校准块。
因此，提供了一种用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的改进的方法。
在优选实施方式中，确定脊柱棒模型包括通过跟踪装置获取脊柱棒的形状。
优选地，所述跟踪装置包括被跟踪的指针，其中，被跟踪指针在空间中的位置是已知的。通过所述跟踪装置对脊柱棒，特别是脊柱棒的多个表面点进行采样，以校准脊柱棒并确定脊柱棒模型。优选地，所述跟踪装置沿着脊柱棒的表面的至少一部分滑动，以对脊柱棒进行采样。优选地，所述跟踪装置包括具有特定形状尖端(例如，环形尖端或半管形尖端)的跟踪指针。
因此，提供了一种用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的改进的方法。
在优选实施方式中，所述方法包括使用被跟踪的脊柱棒动态调整脊柱棒模型的步骤。
换句话说，例如通过3D相机连续检测脊柱棒的形状，并且使用连续检测的脊柱棒形状来调整脊柱棒模型。因此，与脊柱棒相比，脊柱棒模型总是最新的。因此，在弯曲脊柱棒的过程中，脊柱棒模型直接反映了由于弯曲引起的脊柱棒形状的变化。换句话说，脊柱棒模型的形状与脊柱棒的形状一致。
优选地，实时调整脊柱棒模型。
因此，使用脊柱棒模型确定的支持数据也反映了脊柱棒的形状变化。例如，当所述支持数据包括指示脊柱棒应当在其上弯曲的点的不同弯曲指示符时，丢弃并且不再显示已经通过弯曲脊柱棒而确认的任何弯曲指示符。
因此，提供了一种用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的改进的方法。
在优选实施方式中，所述支持数据包括通过使用所提出的脊柱棒和脊柱棒模型确定的至少一个弯曲指示符。
优选地，弯曲指示符指示脊柱棒上的、外科医生应当在其上弯曲脊柱棒的点。因此，以改进的方式引导外科医生弯曲脊柱棒以到达所提出的脊柱棒。弯曲指示符优选地直接重叠地显示在脊柱棒上。例如，弯曲指示符包括像点或垂直线的标记。
优选地，所述至少一个弯曲指示符包括弯曲顺序。例如，至少一个弯曲指示符被编号以指示外科医生，脊柱棒应当按照该顺序弯曲以理想地到达所提出的脊柱棒。
因此，当弯曲脊柱棒时，在外科医生的视角内为外科医生提供了改进的引导。
因此，提供了一种用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的改进的方法。
在优选实施方式中，所述方法包括以下步骤。确定脊柱模型，该脊柱模型是脊柱的虚拟表示并且使用脊柱棒模型调整脊柱模型。所述支持数据包括通过使用脊柱模型确定的脊柱指示符，其指示脊柱棒上的脊柱。
优选地，使用特别预定的患者特定脊柱数据来确定脊柱模型。例如，通过使用用于在患者脊柱的可用图像数据中检测椎骨的图像分割技术(例如图集和/或人工智能方法)来确定患者特定脊柱数据。图像数据可以是术前或术中图像数据。所述图像数据优选地包括3D数据集，如CT数据集或MRT数据集。另选地，所述图像数据包括2D或3D X射线图像，允许近似重建脊柱形状。优选地，对所述图像数据进行模型增强，特别是包括将模型变形为X射线图像中的检测轮廓。
所述图像数据例如仅包括一个X射线图像以及分割技术，只要脊柱模型的调整从X射线指示脊柱的角度是可见的。
因此，所述脊柱指示符在该视野中向外科医生指示脊柱棒的调整如何影响脊柱的变形。
另外，脊柱模型以与所提出的脊柱棒模型不同的角度显示给外科医生。在许多情况下，仅从脊柱的顶部向外科医生显示脊柱模型，使得脊柱模型的调整对于外科医生几乎不可见。因此，脊柱模型也从脊柱的侧角显示，特别是不与脊柱棒重叠，但仍在外科医生的视野中。例如，脊柱模型被显示在外科医生的视野的角落中。
因此，提供了一种用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的改进的方法。
在优选实施方式中，所述方法包括确定脊柱螺钉模型的步骤，该脊柱螺钉是设置在脊柱上的多个脊柱螺钉的虚拟表示。所述支持数据包括通过使用多个脊柱螺钉的位置确定的至少一个螺钉指示符，其指示脊柱棒上的多个脊柱螺钉。
换句话说，至少一个螺钉指示符代表脊柱螺钉的数字化模型，特别是在脊柱螺钉所确定的位置处。
优选地，至少一个螺钉指示符显示在所提出的脊柱棒上。
当至少一个螺钉指示符显示在所提出的脊柱棒上时，至少一个螺钉指示符要么表示在实际定位时设置在脊柱上的多个脊柱螺钉，要么表示由于脊柱的调整而计划定位时布置在脊柱的多个脊椎螺钉。
换句话说，最初通过使用多个脊柱螺钉的位置来确定至少一个螺钉指示符，并因此反映脊柱上的脊柱螺钉形状和位置的真实性。然而，如果外科医生特别是通过确定脊柱的规划形状来调整所提出的脊柱棒，则也相应地调整至少一个脊柱螺钉指示符的位置。
因此，至少一个螺钉指示符动态地指示与所提出的脊柱棒一致的多个脊柱螺钉的形状和位置。优选地，向外科医生持续地提供关于多个脊柱螺钉的形状和位置的信息，因为多个脊柱螺钉将布置在脊柱的规划形状上。
因此，向外科医生提供了脊柱的规划调整如何影响脊柱螺钉的布置(特别是在脊柱指示符上指示的)的恒定反馈。此外，当确定所提出的脊柱棒时，优选地由规划软件使用脊柱螺钉模型。
另外，当规划脊柱棒时，特别是当确定所提出的脊柱棒的时候，外科医生或规划软件虚拟地调整脊柱螺钉相对于脊柱的位置，特别地独立于特定的规划对准。这允许例如增加生物力学强度或使皮肤切口尺寸最小化。
在脊柱棒规划和弯曲期间，这允许当前弯曲对相对的脊柱螺钉位置和患者解剖结构的影响的可视化，从而增强脊柱棒的规划和弯曲过程。
因此，提供了一种用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的改进的方法。
在优选实施方式中，所述方法包括通过使用脊柱模型和脊柱棒模型确定施加到多个脊柱螺钉的力的步骤。所述支持数据包括力指示符，该力指示符通过使用所确定的力来确定，如果脊柱棒将连接到脊柱螺钉，则指示施加到多个脊柱螺钉的力。
优选地，所述力指示符包括指示施加到脊柱和/或脊柱螺钉的力的量的矢量。
优选地，基于生物力学模型，考虑脊柱棒和脊柱螺钉的材料特性，使用有限元法、FEM法来确定力。
因此，如果脊柱棒将连接到脊柱螺钉，则向外科医生提供脊柱的规划调整如何影响施加到多个脊柱螺钉的力的恒定反馈。换句话说，脊柱的特定规划调整可能看起来是理想的，然而可能向脊柱或一个或更多个脊柱螺钉引入相对大量的张力或应力。通过力指示符，指导外科医生在将脊柱棒连接到脊柱螺钉时不选择将在脊柱或一个或更多个脊柱螺钉上引入不合理量的力的脊柱调整。此外，由规划软件使用所确定的力来确定所提出的最终棒，特别是通过将所确定力与预定阈值进行比较。
这允许防止脊柱中的脊柱螺钉由于脊柱棒的诱导力而松动。
而且，这确保了棒结构的机械稳定性，或者换句话说，确保了用脊柱螺钉连接到脊柱的脊柱棒的机械稳定。
因此，提供了一种用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的改进的方法。
在优选实施方式中，所述方法包括如果所确定的力超过预定阈值则确定力警告的步骤。所述支持数据包括通过使用所确定的力警告来确定的力警告指示符。
优选地，所述力警告指示符包括颜色代码。为了在规划和弯曲脊柱棒的过程中进一步引导外科医生，自动地将所确定的力与预定阈值进行比较并且在该视野中向外科医生显示力警告指示符，以警告外科医生在按照所提出的脊柱棒与多个脊柱螺钉连接脊柱棒时将施加到脊柱或一个或更多个脊柱螺钉上的力过大。
换句话说，如果由脊柱棒的规划弯曲所引入的脊柱的规划调整将导致脊柱或脊柱与多个脊柱螺钉之间的不希望量的张力，则主动地警告外科医生。
因此，提供了一种用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的改进的方法。
在优选实施方式中，所述方法包括通过使用脊柱模型和脊柱棒模型来确定脊柱的至少一个解剖参数的步骤。所述支持数据包括通过使用至少一个确定的解剖参数而确定的至少一个解剖参数指示符。
优选地，解剖参数包括椎间角，特别是cobb角、前凸、后凸、用于矢状和冠状平衡的脊柱侧凸，以及椎间距离或脊椎滑脱的距离。优选地，解剖参数的可用性取决于诸如被成像椎骨的数量和位置的可用信息。
因此，为外科医生提供了直接显示在外科医生的视野中的附加信息。在调整脊柱的情况下，还显示用于所提出的脊柱棒的脊柱的至少一个参数。
这允许在规划脊柱棒期间，或者换句话说在确定所提出的脊柱棒的期间预测解剖参数的结果。
因此，提供了一种用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的改进的方法。
在优选实施方式中，所述方法包括通过使用脊柱棒模型和所提出的脊柱棒来确定脊柱棒与所提出脊柱棒之间的平均偏差的步骤。所述支持数据包括通过使用所确定的平均偏差来确定的偏差指示符。
换句话说，偏差指示符允许外科医生评估已经执行的脊柱棒的弯曲有多精确以及外科医生是否必须继续弯曲或已经完成弯曲。
因此，进一步引导外科医生进行弯曲脊柱棒。
因此，提供了一种用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的改进的方法。
在优选实施方式中，校准脊柱棒包括为脊柱棒提供参考装置，限定脊柱棒坐标系的原点并确定脊柱棒-cam坐标变换，其描述了脊柱棒坐标系和相机坐标系之间的变换。
优选地，参考装置是参考星。
换句话说，脊柱棒坐标系的原点由参考装置在脊柱棒上的位置限定。
在优选实施方式中，获取多个脊柱螺钉的位置包括通过增强现实装置识别多个脊柱螺钉。
优选地，多个脊柱螺钉的位置由集成到增强现实装置中的3D扫描仪扫描，或者由增强现实装置记录的视频进行图像处理。
进一步优选地，增强现实装置的至少一个摄像机或3D深度相机的相关图像被用于脊柱螺钉(特别是螺钉头部)的表面重建，所述脊柱螺钉与通用模型或来自数据库的制造商特定模型相匹配。
例如，增强现实装置包括用于获取多个脊柱螺钉的位置的单个RGB立体相机和飞行时间相机。
因此，通过增强现实装置获取多个脊柱螺钉的位置。
在优选实施方式中，获取多个脊柱螺钉的位置包括从规划应用中提取多个脊柱螺钉的位置。
优选地，规划应用包括关于脊柱和已经设置在脊柱上的脊柱螺钉的形状的信息，特别是由术前图像数据指示的信息。换句话说，在术前图像数据中规划的脊柱螺钉在将这些数据配准到患者坐标系中之后被转移。对于单轴脊柱螺钉，预定脊柱螺钉(特别是脊柱螺钉头部)的位置和轴向取向。对于多轴脊柱螺钉，可以对最佳拟合进行建模。
因此，从外部自动获取多个脊柱螺钉的位置。
在优选实施方式中，获取多个脊柱螺钉的位置包括在术中图像数据中检测多个脊柱螺钉的位置。
优选地，在成对配准的2D图像或单次配准3D扫描中检测到的金属伪影与通用模型或来自用于脊柱螺钉的数据库的制造商特定模型相匹配。当图像数据被配准时，所识别的脊柱螺钉的3D位置在患者坐标系中是已知的。
在优选实施方式中，其中，获取所述多个脊柱螺钉的位置包括通过使用被跟踪指针校准所述多个脊柱螺钉中的每一个。
例如，被跟踪指针的尖端接触或枢转脊柱螺钉头部的中心以获取脊柱螺钉的位置。
根据本发明的另一方面，一种医疗导航装置被配置为用于执行如本文中所描述的方法。
优选地，医疗导航装置包括增强现实装置和控制单元。所述增强现实设备被配置为获取设置在脊柱上的多个脊柱螺钉的位置，其中，所述多个脊柱螺钉被配置用于收纳互连所述多个脊柱螺钉的脊柱棒。此外，增强现实装置被配置用于校准脊柱棒，以通过医疗导航装置跟踪脊柱棒。此外，增强现实装置被配置为用于显示所提出的脊柱棒，从而将所跟踪脊柱棒与所提出脊柱棒重叠。
所述控制单元被配置为使用所获取的多个脊柱螺钉的位置来确定所提出的脊柱棒，所提出的脊柱棒是脊柱棒的虚拟模型。
根据本发明的另一个方面，一种计算机程序，当在计算机上运行时或当加载到计算机上时，该计算机程序使得计算机执行如本文所述的方法的方法步骤，和/或一种程序存储介质，该程序存储介质上存储有程序；和/或包括至少一个处理器和存储器和/或者程序存储介质的计算机，其中，所述程序在所述计算机上运行或者被加载到所述计算机的存储器中；和/或表示所述程序的数据流。
例如，本发明不涉及或特别地不包括或包含侵入性步骤，该侵入性步骤将表示对身体的实质性物理干扰，需要进行专业医疗专业知识，并且即使在以所需的专业护理和专业知识进行时也带来实质性健康风险。例如，本发明不包括定位医疗植入物以将其紧固到解剖结构的步骤，或将医疗植入物紧固到解剖学结构的步骤，或准备解剖结构以使医疗植入物被紧固到其上的步骤。更具体地，本发明不涉及或特别地包括或包含任何手术或治疗活动。相反，本发明适用于在患者体外设计和弯曲脊柱棒。仅由于这个原因，实施本发明不需要或暗示手术或治疗活动，特别是不需要手术或治疗步骤。
虽然所述方法可以在手术中执行，但是所述方法的步骤不包含手术或治疗活动。
定义
在本节中，提供了本公开中使用的具体术语的定义，其也形成了本公开的一部分。
计算机实现的方法
根据本发明的方法例如是计算机实现的方法。例如，可以由计算机(例如，至少一个计算机)执行根据本发明的方法的所有步骤或仅一些步骤(即，小于步骤总数)。计算机实现的方法的一个实施方式是使用计算机来执行数据处理方法。计算机实现的方法的一个实施方式是涉及计算机的操作的方法，使得计算机被操作以执行该方法的一个、多个或所有步骤。
计算机例如包括至少一个处理器和例如至少一个存储器，以便(在技术上)例如电子地和/或光学地处理数据。处理器例如由作为半导体的物质或组合物制成，例如至少部分n型和/或p型掺杂的半导体，例如II型、III型、IV型、V型、VI型半导体材料中的至少一种，例如(掺杂的)硅和/或砷化镓。所描述的计算或确定步骤例如由计算机执行。确定步骤或计算步骤例如是在技术方法的框架内、例如在程序的框架内确定数据的步骤。计算机例如是任何类型的数据处理装置，例如电子数据处理装置。计算机可以是通常所考虑的装置，例如台式PC、笔记本、上网本等，但也可以是任何可编程设备，例如移动电话或嵌入式处理器。计算机可以例如包括“子计算机”的系统(网络)，其中，每个子计算机单独表示一台计算机。术语“计算机”包括云计算机，例如云服务器。术语“云计算机”包括云计算机系统，该云计算机系统例如包括至少一个云计算机和例如多个可操作地互连的云计算机(诸如服务器群)的系统。这种云计算机优选地连接到诸如万维网(WWW)的广域网并且位于所有连接到万维网的所谓计算机云中。这样的基础设施用于“云计算”，其描述计算、软件、数据访问和存储服务，这些服务不需要终端用户知道递送特定服务的计算机的物理位置和/或配置。例如，术语“云”在这方面被用作互联网(万维网)的隐喻。例如，云提供计算基础设施作为服务(IaaS)。云计算机可以用作用于执行本发明的方法的操作系统和/或数据处理应用的虚拟主机。云计算机例如是由Amazon Web ServicesTM提供的弹性计算云(EC2)。计算机例如包括接口以便接收或输出数据和/或执行模数转换。数据例如是表示物理特性和/或由技术信号产生的数据。技术信号例如通过(技术)检测装置(诸如例如用于检测标记装置的装置)和/或(技术)分析装置(诸如例如用于执行(医学)成像方法的装置)产生，其中，技术信号例如是电或光信号。技术信号例如表示由计算机接收或输出的数据。计算机优选可操作地联接到显示装置，该显示装置允许例如向用户显示由计算机输出的信息。显示装置的一个示例是可以用作用于导航的“置允许例的虚拟现实装置或增强现实装置(也称为虚拟现实眼镜或增强现实眼镜)。这种增强现实眼镜的具体示例是Google Glass(谷歌公司(Google,Inc.)的商标)。增强现实装置或虚拟现实装置既可以用于通过用户交互向计算机输入信息，也可以用于显示由计算机输出的信息。显示装置的另一示例是标准计算机监视器，其包括例如液晶显示器，该液晶显示器可操作地联接到计算机，用于从计算机接收显示控制数据，用于生成用于在显示装置上显示图像信息内容的信号。这种计算机监视器的特定实施方式是数字灯箱。这种数字灯箱的一个示例是Brainlab AG的产品。监视器还可以是诸如智能电话或个人数字助理或数字媒体播放器的便携式(例如手持)装置的监视器。
本发明还涉及当在计算机上运行时使计算机执行本文描述的一个或多个或全部方法步骤的程序，和/或涉及在其上(特别是以非暂时性形式)存储程序的程序存储介质和/或涉及包括所述程序存储介质的计算机和/或涉及(物理的，例如电气的，例如技术上产生的)信号波，例如数字信号波，其携带表示程序(例如前述程序)的信息，所述程序例如包括适于执行本文所述的任何或全部方法步骤的代码装置。
在本发明的框架内，计算机程序元件可以由硬件和/或软件(这包括固件、驻留软件、微代码等)来实现。在本发明的框架内，计算机程序元件可以采取计算机程序产品的形式，该计算机程序产品可以由计算机可用的、例如计算机可读数据存储介质来实现，该计算机可读数据存储介质包括计算机可用的、例如计算机可读程序指令，在所述数据存储介质中实现的用于在指令执行系统上或与指令执行系统结合使用的“代码”或“计算机程序”。这样的系统可以是计算机；计算机可以是包括用于执行根据本发明的计算机程序元件和/或程序的装置的数据处理装置，例如包括执行计算机程序元件的数字处理器(中央处理单元或CPU)的数据处理装置，以及可选地，易失性存储器(例如，随机存取存储器或RAM)，用于存储用于和/或通过执行计算机程序元件产生的数据。在本发明的框架内，计算机可用的、例如计算机可读数据存储介质可以是任何数据存储介质，其可以包括、存储、通信、传播或传输用于在指令执行系统、设备或装置上或与指令执行系统、设备或装置结合使用的程序。计算机可用的、例如计算机可读数据存储介质例如可以是但不限于电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统、设备或装置或传播介质，例如互联网。计算机可用或计算机可读数据存储介质甚至可以是例如其上打印有程序的纸张或另一适当介质，因为程序可以例如通过光学扫描纸张或其它适当介质而电子捕获，然后以适当方式进行编译、解释或以其它方式处理。数据存储介质优选地是非易失性数据存储介质。在示例实施方式中，这里描述的计算机程序产品和任何软件和/或硬件形成用于执行本发明的功能的各种装置。计算机和/或数据处理装置可以例如包括引导信息装置，该引导信息装置包括用于输出引导信息的装置。引导信息可以例如通过视觉指示装置(例如，监视器和/或灯)可视地和/或通过声学指示装置(例如，扬声器和/或数字语音输出装置)声学地和/或通过触觉指示装置(例如，结合到仪器中的振动元件或振动元件)触觉地输出给用户。为了本文件的目的，计算机是一种技术计算机，其例如包括技术部件，例如有形部件，例如机械和/或电子部件。本文件中提到的任何装置都是技术装置，例如有形装置。
获取数据
表达“获取数据”例如包括(在计算机实现的方法的框架内)其中数据由计算机实现的方法或程序确定的场景。确定数据的步骤例如包括测量物理量和将测量值转换成数据(例如数字数据)和/或通过计算机例如在根据本发明的方法的框架内计算(和例如输出)数据。“获取数据”的含义还例如包括这样的场景，其中数据由计算机实现的方法或程序接收或检索(例如输入)，例如从另一程序、先前的方法步骤或数据存储介质接收或检索，例如用于由计算机实现的方法或程序进一步处理。要获取的数据的生成可以是但不必是根据本发明的方法的一部分。因此，表述“获取数据”还可以例如表示等待接收数据和/或接收数据。所接收的数据例如可以经由接口输入。表述“获取数据”还可以指计算机实现的方法或程序执行步骤以便(主动地)从数据源(例如数据存储介质(例如ROM、RAM、数据库、硬盘驱动器等))或经由接口(例如从另一计算机或网络)接收或检索数据。分别由所公开的方法或装置获取的数据可以从位于数据存储装置中的数据库获取，该数据存储装置可操作地连接到计算机，用于在数据库和计算机之间进行数据传输，例如从数据库到计算机。计算机获取数据以用作确定数据的步骤的输入。所确定的数据可被再次输出到相同或另一数据库以存储以供以后使用。数据库或用于实现所公开方法的数据库可以位于网络数据存储装置或网络服务器(例如，云数据存储装置或云服务器)或本地数据存储装置(例如，可操作地连接到执行所公开方法的至少一个计算机的大容量存储装置)上。通过在获取步骤之前执行附加步骤，可以使数据“准备好使用”。根据该附加步骤，生成数据以便被获取。数据例如(例如通过分析装置)被检测或捕获。另选地或附加地，根据附加步骤例如经由接口输入数据。生成的数据可以例如输入到(例如计算机)。根据附加步骤(在获取步骤之前)，还可以通过执行将数据存储在数据存储介质(例如ROM、RAM、CD和/或硬盘驱动器)中的附加步骤来提供数据，使得数据准备好在根据本发明的方法或程序的框架内使用。因此，“获取数据”的步骤还可以涉及命令装置获得和/或提供要获取的数据。特别地，获取步骤不涉及侵入性步骤，该侵入性步骤将表示对身体的实质性物理干扰，需要进行专业医疗专业知识，并且即使在以所需的专业护理和专业知识进行时也带来实质性健康风险。特别地，获取数据(例如确定数据)的步骤不涉及手术步骤，并且特别地不涉及使用手术或治疗来治疗人体或动物体的步骤。为了区分本方法所使用的不同数据，将数据表示(即，称为)为“XY数据”等，并且数据根据其所描述的信息来定义，然后所描述的信息优选地被称为“XY信息”等。
注册
当实际对象(例如手术室里的身体部位)的每个点在空间内的空间位置被分配有存储在导航系统中的图像(CT、MR等)的图像数据点时，配准身体的n维图像。
图像配准
图像配准是将不同的数据集转换为一个坐标系统的过程。数据可以是来自不同传感器、不同时间或不同视点的多个照片和/或数据。其被用于计算机视觉、医学成像以及汇编和分析来自卫星的图像和数据。为了能够比较或整合从这些不同测量获得的数据，配准是必要的。
标记
标记的功能是由标记检测装置(例如，相机或超声接收器或诸如CT装置或MRI装置之类的分析装置)以能够确定其空间位置(即，其空间位置和/或对准)的方式来检测标记。检测装置例如是导航系统的一部分。标记可以是有源标记。有源标记可以例如发射可以在红外、可见和/或紫外光谱范围内的电磁辐射和/或波。然而，标记也可以是无源的，即可以例如反射红外、可见和/或紫外光谱范围内的电磁辐射，或者可以阻挡X射线辐射。为此，标记可以设置有具有相应反射特性的表面或者可以由金属制成以阻挡X射线辐射。标记也可以反射和/或发射射频范围内或超声波长下的电磁辐射和/或波。标记优选具有球形和/或球体形状，因此可称为标记球体；然而，标记也可表现出有角的，例如立方体形状。
标记装置
标记装置例如可以是参考星或指针或单个标记或多个(单独的)标记，这些标记优选地处于预定的空间关系中。标记装置包括一个、两个、三个或更多个标记，其中，两个或更多个这样的标记处于预定空间关系。该预定空间关系例如是导航系统已知的并且例如存储在导航系统的计算机中。
在另一实施方式中，标记装置包括例如在二维表面上的光学图案。光学图案可以包括多个几何形状，如圆形、矩形和/或三角形。光学图案可以在由相机捕获的图像中识别，并且标记装置相对于相机的位置可以根据图像中图案的尺寸、图像中图案的取向和图像中图案的畸变来确定。这允许从单个二维图像确定在多达三个旋转维度和多达三个平移维度中的相对位置。
标记装置的位置可以例如通过医学导航系统来确定。如果标记装置附接到对象，例如骨骼或医疗器械，则可以根据标记装置的位置和标记装置与对象之间的相对位置来确定对象的位置。确定该相对位置也被称为登记标记装置和对象。可以跟踪标记装置或对象，这意味着标记装置或对象的位置随时间被两次或更多次确定。
标记保持器
标记保持器被理解为是指用于单个标记的附接装置，其用于将标记附接到仪器、身体的一部分和/或参考星的保持元件，其中，其可被附接成使得其是固定的，并且有利地使得其可分离。标记保持器例如可以是杆形和/或圆柱形的。用于标记装置的紧固装置(例如闩锁机构)可以设置在标记保持器的面向标记的端部处，并且有助于以力配合和/或形状配合的方式将标记装置放置在标记保持器上。
指针
指针是包括一个或更多个(有利地是两个)固定到其上的标记的棒，并且该棒可以用于测量身体的一部分上的各个坐标，例如空间坐标(即，三维坐标)，其中，用户将指针(例如，指针的一部分，其具有相对于附接到指针的至少一个标记的定义的且有利地固定的位置)引导到与坐标相对应的位置，使得可以通过使用手术导航系统来检测指针上的标记来确定指针的位置。指针的标记和指针的用于测量偏离坐标的部分(例如，指针的尖端)之间的相对位置例如是已知的。然后，手术导航系统使得(三维坐标的)位置能够被分配给预定的身体结构，其中，该分配可以自动地或通过用户干预来进行。
参考星
“参考星”是指具有附接到其上的多个标记(有利地，三个标记)的装置，其中，标记(例如可拆卸地)附接到参考星，使得它们是固定的，从而提供标记相对于彼此的已知(且有利地固定的)位置。对于在手术导航方法的框架内使用的每个参考星，标记相对于彼此的位置可以单独地不同，以便使得手术导航系统能够基于其标记的相对于相互的位置来识别对应的参考星。因此，也可以相应地识别和/或区分附接有参考星的对象(例如，仪器和/或者身体的部分)。在手术导航方法中，参考星用于将多个标记附接到对象(例如，骨骼或医疗器械)，以便能够检测对象的位置(即，其空间位置和/或对准)。这样的参考星例如具有附接到对象(例如，夹具和/或螺纹)的方式和/或者确保标记与对象之间的距离的保持元件(例如为了帮助标记对于标记检测装置的可见性)和/或是机械地连接到保持元件并且标记可以附接到其上的标记保持器。
导航系统
本发明还涉及用于计算机辅助手术的导航系统。该导航系统优选地包括上述计算机，用于处理根据如本文描述的任何一个实施方式中描述的计算机实现的方法提供的数据。导航系统优选地包括检测装置，该检测装置用于检测表示主要点和辅助点的检测点的位置，以便生成检测信号并将生成的检测信号提供给计算机，使得计算机能够基于接收到的检测信号确定绝对主要点数据和绝对辅助点数据。检测点例如是解剖结构表面上的例如通过指针检测到的点。这样，可以将绝对点数据提供给计算机。导航系统还优选地包括用于接收来自计算机的计算结果(例如，主平面的位置、辅助平面的位置和/或标准平面的位置)的用户界面。用户界面将接收到的数据作为信息提供给用户。用户界面的示例包括诸如监视器或扬声器之类的显示装置。用户界面可以使用任何类型的指示信号(例如视觉信号、音频信号和/或振动信号)。显示装置的一个示例是可以用作用于导航的所谓“护目镜”的增强现实装置(也称为增强现实眼镜)。这种增强现实眼镜的具体示例是Google Glass(Google,Inc.的商标)。增强现实装置既可用于通过用户交互将信息输入到导航系统的计算机中，也可用于显示由计算机输出的信息。
本发明还涉及用于计算机辅助手术的导航系统，所述导航系统包括：
用于处理绝对点数据和相对点数据的计算机；
检测装置，该检测装置用于检测主要点和辅助点的位置，以产生绝对点数据并将该绝对点数据提供给计算机；
数据接口，该数据接口用于接收相对点数据并将相对点数据提供给计算机；以及
用户接口，该用户接口用于从所述计算机接收数据，以便向所述用户提供信息，其中，所接收的数据由所述计算机基于由所述计算机所执行的处理的结果来生成。
手术导航系统
导航系统，例如手术导航系统，被理解为是指可以包括以下各项的系统：至少一个标记装置；发射电磁波和/或辐射和/或超声波的发射器；接收电磁波和/或辐射和/或超声波的接收器；以及连接到接收器和/或发射器的电子数据处理装置，其中，所述数据处理装置(例如，计算机)例如包括处理器(CPU)和工作存储器，并且有利地包括用于发出指示信号的指示装置(例如，诸如监视器的视觉指示装置和/或诸如扬声器的音频指示装置和/或诸如振动器的触觉指示装置)和永久数据存储器，其中，所述数据处理装置处理由接收器转发到所述数据处理装置的导航数据，并且可以有利地经由指示装置向用户输出引导信息。导航数据可以存储在永久数据存储器中，并且例如与预先存储在所述存储器中的数据进行比较。
形状表示
形状表示表示解剖结构的形状的特征方面。形状表示的示例包括直线、平面和几何图形。几何图形可以是一维的例如轴或圆弧，二维的例如多边形和圆形，或三维的例如长方体、圆柱体和球体。形状表示之间的相对位置可以在参考系统中描述，例如通过坐标或矢量，或者可以通过几何变量，例如长度、角度、面积、体积和比例来描述。由形状表示表示的特征方面例如是对称性质，其例如由对称平面表示。特征方面的另一示例是解剖结构的延伸方向，其例如由纵轴表示。特征方面的另一示例是解剖结构的横截面形状，其例如由椭圆表示。特征方面的另一示例是解剖结构的一部分的表面形状，其例如由平面或半球表示。例如，特征方面构成实际形状的抽象或实际形状属性(例如其对称属性或纵向延伸)的抽象。形状表示例如表示此抽象。
参考
如果确定位置意味着在导航系统的参考系统中向导航系统通知所述位置，则将其称为参考。
图集/图集分割
优选地，采集描述(例如定义，更具体地表示和/或就是)解剖身体部位的一般三维形状的图集数据。因此，图集数据代表解剖身体部分的图集。图集通常由对象的多个通用模型组成，其中，对象的通用模型一起形成复杂结构。例如，图集构成患者身体(例如身体的一部分)的统计模型，该统计模型已经根据从多个人体收集的解剖信息(例如，根据包含这样的人体的图像的医学图像数据)而生成。原则上，图集数据因此代表对于多个人体的这种医学图像数据的统计分析的结果。该结果可以作为图像输出，因此图集数据包含医学图像数据或与医学图像数据相当。这种比较可以例如通过应用图像融合算法来进行，该算法在图集数据和医学图像数据之间进行图像融合。比较的结果可以是图集数据和医学图像数据之间的相似性度量。图集数据包括图像信息(例如，位置图像信息)，该图像信息例如可以与包含在医学图像数据中的图像信息(例如，位置图像信息)相匹配(例如通过应用弹性或刚性图像融合算法)，以便例如将图集数据与医学图像数据进行比较，从而确定与由图集数据定义的解剖结构相对应的医学图像数据中解剖结构的位置。
人体(其解剖结构用作用于生成图集数据的输入)有利地共享共同特征，诸如性别、年龄、种族、身体测量(例如大小和/或质量)和病理状态中的至少一个。解剖信息例如描述人体的解剖结构，并且例如从关于人体的医学图像信息中提取。股骨的图集例如可以包括头部、颈部、身体、大转子、小转子和下肢，作为一起构成完整结构的对象。大脑图集例如可以包括端脑、小脑、间脑、脑桥、中脑和髓质作为共同构成复杂结构的对象。这种图集的一个应用是在医学图像的分割中，其中，将图集与医学图像数据匹配，并且将图像数据与匹配的图集进行比较，以便将该图像数据的点(像素或体素)分配给匹配图集中的对象，从而将所述图像数据分割成对象。
成像方法
在医学领域中，使用成像方法(也称为成像模态和/或医学成像模态)来生成人体的解剖结构(如软组织、骨骼、器官等)的图像数据(例如二维或三维图像数据)。术语“医学成像方法”被理解为意指(有利地基于设备的)成像方法(例如所谓的医学成像模态和/或放射成像方法)，例如计算机断层摄影(CT)和锥形射束计算机断层摄影术(CBCT，如容积式CBCT)、X射线断层摄影术、磁共振断层摄影(MRT或MRI)、常规X射线、超声摄影和/或超声检查以及正电子发射断层摄影。例如，通过分析装置执行医学成像方法。由医学成像方法应用的医学成像模态的示例是：X射线照相术、磁共振成像、医学超声或超声、内窥镜检查、弹性成像、触觉成像、热成像、医疗摄影和核医学功能成像技术，如正电子发射断层照相(PET)和单光子发射计算机断层扫描(SPECT)，如维基百科所述。
这样生成的图像数据也被称为“医学成像数据”。分析装置例如用于在基于设备的成像方法中产生图像数据。成像方法例如用于医学诊断，以分析解剖体，从而生成由图像数据描述的图像。成像方法还例如用于检测人体中的病理变化。然而，解剖结构中的一些变化，诸如结构(组织)中的病理变化，可能是不可检测的，并且例如在由成像方法生成的图像中可能是不可见的。肿瘤表示解剖结构中的变化的示例。如果肿瘤生长，则可以说其表示扩张的解剖结构。该扩张的解剖结构可能是不可检测的；例如，仅扩张的解剖学结构的一部分是可检测的。当使用造影剂渗透肿瘤时，原发性/高级别脑肿瘤例如通常在MRI扫描上可见。MRI扫描代表成像方法的示例。在这种脑肿瘤的MRI扫描的情况下，MRI图像中的信号增强(由于造影剂浸润了肿瘤)被认为表示实体瘤块。因此，肿瘤是可检测的，并且例如在由成像方法生成的图像中是可辨别的。除了这些被称为“增强”肿瘤的肿瘤之外，认为大约10％的脑肿瘤在扫描上是不可辨别的，并且例如对于观看由成像方法生成的图像的用户是不可见的。
映射
映射描述了第一坐标系中第一数据集的元素(例如像素或体素)，例如元素的位置，到第二坐标系(其可以具有与第一坐标系的基础不同的基础)中第二数据集中的元素(例如像素或体素)的变换(例如，线性变换)。在一个实施方式中，通过借助弹性或刚性融合算法比较(例如，匹配)相应元素的颜色值(例如灰度值)来确定映射。映射例如通过变换矩阵(诸如定义仿射变换的矩阵)来实现。
附图说明
在下文中，参考附图描述本发明，附图给出背景解释并表示本发明的具体实施方式。然而，本发明的范围不限于在附图上下文中公开的特定特征，其中
图1示出了外科医生用于规划和弯曲脊柱棒的医疗导航装置；
图2a示出了通过增强现实装置显示被所提出的脊柱棒覆盖的未弯曲脊柱棒的示意图；
图2b示出了通过增强现实装置显示被所提出的脊柱棒覆盖的部分弯曲脊柱棒的示意图；
图3示出了通过医疗导航装置跟踪脊柱棒的示意图；
图4示出了医疗导航装置的示意图；
图5a示出了通过增强现实装置显示由所提出的脊柱棒和脊柱螺钉指示符覆盖的未弯曲脊柱棒的示意图；
图5b示出了通过增强现实装置显示由所提出的脊柱棒和弯曲指示符覆盖的未弯曲脊柱棒的示意图；
图6示出了具有由脊柱棒连接的脊柱螺钉的患者脊柱的示意图；以及
图7示出了用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的计算机实现方法的示意图。
具体实施方式
图1示出了外科医生60用于规划和弯曲脊柱棒10的医疗导航装置。脊柱棒10应该用在脊柱手术中，其中患者70的脊柱由脊柱棒10调整和/或加强。为此目的，脊柱40设置有多个脊柱螺钉。在脊柱手术中，脊柱棒10通过脊柱螺钉30连接并附接到脊柱40。因此，通过脊柱棒10对患者的脊柱40进行加固或对脊柱40施加调整。
然而，在将脊柱棒10附接到患者的脊柱40之前，必须相应地成形脊柱棒，特别是通过将脊柱棒10弯曲成实现手术的增强和/或调整效果的期望形状。虽然弯曲本身通常由弯曲装置执行，但是弯曲装置通常由外科医生60手动操作。
通常，在单独的屏幕上向外科医生60显示所提出的脊柱棒20，换句话说，反映脊柱棒的期望形状的脊柱棒10的虚拟模型。然后，在显示出所提出的脊柱棒20之后，外科医生尝试将脊柱棒10弯曲成期望的形状。
在所示的情况下，外科医生60使用通常也在脊柱手术中使用的医疗导航装置50。外科医生60佩戴增强现实装置53，特别是增强现实眼镜，其是医疗导航装置50的一部分并且用作显示所提出的脊柱棒20的屏幕。
所提出的脊柱棒20本身基于多个螺钉30的位置Ps来确定。多个螺钉30的位置Ps例如由医疗导航装置50的相机51获得。相机51例如包括3D相机，该3D相机被配置为用于获取多个脊柱螺钉30的形状和空间中的位置。
使用所获取的多个螺钉30的位置Ps，医疗导航装置50分析多个脊柱螺钉30在脊柱上的布置并且确定所提出的脊柱棒20。换句话说，所提出的脊柱棒20是脊柱棒10的虚拟模型，因为其必须被成形以实现其在脊柱手术中的任务。在第一步骤中，所提出的脊柱棒20的形状与患者70的脊柱40的形状直接相关。然而，可以通过规划软件自动地或通过外科医生60手动地调整所提出的脊柱棒20的形状。在患者70的脊柱40不仅应该被加强而且应该被调整的情况下，所提出的脊柱棒20的形状必须反映患者脊柱40的这种调整后的形状，因为其应该通过脊柱手术而变成。例如，外科医生经由规划软件的用户接口将特定量的脊柱前凸添加到所提出的脊柱棒20，以调整所提出的脊柱棒20。
规划软件优选地提供有显示给外科医生60的支持数据D。因此，外科医生虚拟地调整所提出的脊柱棒20，特别是患者70的脊柱对准，直到达到期望的医疗结果。医疗结果优选地由包括手术相关参数的支持数据Ds指示。
因此，所提出的脊柱棒20被提供给增强现实装置53以在外科医生的视野内显示。因此，当外科医生将脊柱棒10握在手中以根据所提出的脊柱棒20弯曲脊柱棒时，他总是在该视野中看到所提出的脊柱棒20。
此外，脊柱棒10本身例如通过医疗导航装置50的校准装置来校准。在这种情况下，脊柱棒10包括参考装置52，该参考装置附接到脊柱棒10上。因此，在执行校准时，脊柱棒10的所获取的位置被转换为医疗导航装置50的坐标。换句话说，医疗导航装置50掌握脊柱棒10在自身的坐标上的位置。因此，当经由增强现实装置53向外科医生60显示所提出的脊柱棒20时，增强现实装置53以与外科医生通过增强现实装置53观察到的脊柱棒10重叠的方式布置所提出的脊柱棒20。通过校准和连续跟踪脊柱棒10，增强现实装置53可以总是在外科医生60的视野中使脊柱棒与所提出的脊柱棒20重叠。这允许外科医生60在弯曲脊柱棒10时获得所提出的脊柱棒20的增强视图。
图2a示出了通过增强现实装置53显示被所提出的脊柱棒20覆盖的未弯曲脊柱棒10的示意图。换句话说，外科医生60使脊柱棒10处于其视野内，以便将脊柱棒弯曲成脊柱手术所需的形状。外科医生60希望基于所提出的脊柱棒20来弯曲脊柱棒10的形状，特别是借助于弯曲工具。因此，所提出的脊柱棒20由增强现实装置53显示在外科医生60的视野中。增强现实装置53不仅在外科医生的视野中随机地显示所提出的脊柱棒20，而且以从外科医生60的视角与脊柱棒10重叠的方式显示所提出的脊柱棒20。在这种情况下，增强现实装置53布置所提出的脊柱棒20，使得所提出脊柱棒的左端与脊柱棒10的左端相匹配。这允许为外科医生提供改进的信息显示，以便弯曲脊柱棒10。
图2b示出了通过增强现实装置53显示被所提出的脊柱棒20覆盖的未弯曲脊柱棒10的示意图。与图2a中的脊柱棒10相比，脊柱棒10已经弯曲。脊柱棒10要么已经由外科医生60根据经验预弯曲，要么已经在增强现实装置53的帮助下由外科医生预弯曲。当脊柱棒10被医疗导航装置50跟踪时，脊柱棒100不必是未弯曲的脊柱棒，以被医疗导航装置50使用。任何预弯曲的脊柱棒10都可以被医疗导航装置50校准和跟踪，并且可以被所提出的脊柱棒20覆盖。换句话说，外科医生60在其视野内具有部分弯曲的脊柱棒10，以完成将脊柱棒弯曲成脊柱手术所需的形状。类似于图2a，所提出的脊柱棒20由增强现实装置53显示在外科医生60的视野中。增强现实装置53不仅在外科医生的视野中随机地显示所提出的脊柱棒20，而且以从外科医生60的视角与脊柱棒10重叠的方式显示所提出的脊柱棒20。在这种情况下，增强现实装置53布置所提出的脊柱棒20，使得脊柱棒10的已经弯曲的部分与脊柱棒的相应部分相匹配。这允许外科医生60确保脊柱棒10的已经弯曲的部分满足所提出的脊柱棒20。
图3示出了通过医疗导航装置50跟踪脊柱棒10的示意图。脊柱棒10设置有参考装置52，在这种情况下是三个标记的参考阵列。参考装置52标记Rod坐标系Rod的原点。医疗导航装置50包括相机51，其标记Cam坐标系Cam的原点。Cam坐标系Cam对于医疗导航装置50是已知的。当校准脊柱棒10时，例如通过使用像校准块的校准装置，确定Rod坐标系和Cam坐标系之间的关系。这种关系通过脊柱棒到相机的坐标变换RodToCam来指示。
如这里所使用的，术语“这里所具体描述了两个对象之间的平移和/或旋转，这两个对象如医疗导航装置50的跟踪系统和医疗导航装置50的校准装置。由于每个对象由空间中的位置和取向来表示，因此优选地为每个对象定义坐标系，因此该变换允许根据一个系统中的坐标来描述另一系统中点的坐标。例如，在校准装置的局部坐标中给出该校准装置的校准点。使用从校准装置到脊柱棒10的变换，可以在校准装置坐标中表示脊柱棒10。每个变换具有唯一的逆变换，因此脊柱棒坐标也可以在校准装置坐标中表示。为了优化坐标系的意义，坐标系的原点通常位于坐标系的对象内的感兴趣的点处。这种变换的优选实现是使用在计算机图形领域中广泛使用的4x4矩阵，正是为了这个目的。因此，一个变换矩阵可以包括平移和旋转，理论上3D空间中的每个仿射变换，并且其使矩阵可逆。像校准装置到相机、然后相机到脊柱棒10的变换的组合由相应矩阵的乘法(以逆序)表示。通过知道一个坐标系在另一个坐标系的坐标中的原点和三个垂直轴，可以建立两个坐标系之间的变换。对于4x4矩阵，通常使用的技术是基的改变，其中轴被归一化并被写入4x5矩阵的左上3x3部分，而坐标系之间的平移被考虑在第4列中。
在用于脊柱棒10的校准的跟踪设置中，跟踪系统的参与对象的不同坐标系需要彼此相关。换句话说，跟踪系统，特别是相机51，包括相机坐标系Cam，校准装置包括校准装置坐标系，并且脊柱棒10包括在其标记阵列处的脊柱棒坐标系Rod。
为了校准脊柱棒10，必须找到脊柱棒10与校准装置之间的关系。通过将脊柱棒10保持在校准装置的已知点上，可以确定这种关系。由于假定相机坐标系Cam和校准装置坐标系之间的关系是已知的，因此可以计算相机坐标系Cam和脊柱棒坐标系Rod之间的相互关系。
仪器尖端坐标系的取向优选地相对于仪器标记坐标系来预定义。然而，校准装置的平面或其他特征可以用于具体地校准仪器的轴线，这不是本发明的主要目的。
由于脊柱棒到相机的坐标变换，脊柱棒10的位置特别是形状对于医疗导航装置50总是已知的。
图4示出了医疗导航装置50的示意图。医疗导航装置50包括相机51、增强现实装置53和控制单元54，相机51特别地被配置用于对患者70的脊柱40上的多个脊柱螺钉30进行数字化，增强现实装置53用作医疗导航装置50的显示器。相机51，特别是通过使用跟踪仪器，确定多个脊柱螺钉30的位置Ps，并将位置Ps提供给控制单元54。控制单元54使用多个脊柱螺钉30的位置Ps来确定所提出的脊柱棒20，所提出的脊柱棒20是脊柱棒10的虚拟模型，因为其必须成形为配合多个脊柱螺钉30。将所提出的脊柱棒20提供给增强现实装置53，其中将所提出的脊柱棒20显示给外科医生作为将脊柱棒10弯曲成一定形状的模板。除了所提出的脊柱棒10之外，可以由控制单元54向增强现实装置53提供附加信息。例如，控制单元54被设置有脊柱模型Ms，其表示患者70的脊柱40。脊柱模型Ms例如由控制单元54用来确定提供给增强现实装置53的支持数据Ds。脊柱模型Ms可用于确定所提出的脊柱棒20的形状如何影响脊柱40或脊柱螺钉30上的力。然后，该信息被包括在支持数据Ds中并且被增强现实装置53用来显示施加到不同对象的力。因此，向佩戴增强现实装置53的外科医生提供关于该病例的附加信息。
控制单元54优选地包括规划软件，该规划软件允许已经确定的所提出的脊柱棒20通过规划软件本身自动地或者通过外科医生60通过输入接口手动地进行调整。
图5a示出了通过增强现实装置显示由所提出的脊柱棒20和脊柱螺钉指示符Is覆盖的图2a的未弯曲脊柱棒10的示意图。脊柱螺钉指示符Is基于特别是由控制装置54提供的支持数据Ds。当脊柱棒10具有所提出的脊柱棒20的形状时，脊柱螺钉指示符Is指示多个脊柱螺钉30设置在脊柱棒上的位置。
图5b示出了通过增强现实装置显示由所提出的脊柱棒20和弯曲指示符Ib覆盖的图2a的未弯曲脊柱棒10的示意图。弯曲指示符Ib基于特别是由控制装置54提供的支持数据Ds。弯曲指示符Ib被显示为覆盖脊柱棒10，指示脊柱棒必须理想地弯曲以达到所提出的脊柱棒20的形状的点。
图6示出了具有由脊柱棒10连接的脊柱螺钉30的患者70的脊柱40的示意图。脊柱螺钉30被插入到椎骨体，特别是椎弓根或侧肌，因此直接连接到患者的脊柱40。图6示出了通常在脊柱40中插入两排平行的脊柱螺钉30，并且每排脊柱螺钉与一个脊柱棒10连接。
图7示出了用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的计算机实现方法的示意图。在第一步骤S10中，获取设置在脊柱40上的多个脊柱螺钉30的位置Ps，其中，所述多个脊柱螺钉30被配置用于收纳互连所述多个脊柱螺钉30的脊柱棒10。在另一步骤S20中，使用所获取的多个脊柱螺钉30的位置Ps来确定所提出的脊柱棒20，该脊柱棒是具有期望形状的脊柱棒10的虚拟模型。在另一步骤S30中，通过医疗导航装置50校准所述脊柱棒10以跟踪所述脊柱棒10。在另一步骤S40中，通过增强现实装置53显示所提出的脊柱棒20，从而将所跟踪脊柱棒10与所提出脊柱棒20重叠。

Claims (21)

1.一种用于导航脊柱手术的增强现实脊柱棒规划和弯曲的计算机实现方法，所述方法包括以下步骤：
获取(S10)设置在脊柱(40)上的多个脊柱螺钉(30)的位置(Ps)，其中，所述多个脊柱螺钉(30)被配置用于收纳互连所述多个脊柱螺钉(30)的脊柱棒(10)；
使用所获取的多个脊柱螺钉(30)的位置(Ps)，来确定(S20)所提出的脊柱棒(20)，该脊柱棒是具有期望形状的脊柱棒的虚拟模型；
通过医疗导航装置(50)校准所述脊柱棒(10)用于跟踪(S30)所述脊柱棒(10)；以及
通过增强现实装置(53)显示(S40)所提出的脊柱棒(20)，从而将所跟踪脊柱棒(10)与所提出脊柱棒(20)重叠。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，所提出的脊柱棒(20)包括：与所述脊柱(40)上的多个脊柱螺钉(30)的位置匹配的形状。
3.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括：
使用所获取的多个脊柱螺钉(30)的位置(Ps)和所述脊柱(40)的规划形状，来确定所提出的脊柱棒(20)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，校准(S30)所述脊柱棒(10)的步骤包括：
确定脊柱棒模型，其为所述脊柱棒(10)的虚拟表示；
其中，所述方法包括以下步骤：
使用所述脊柱棒模型确定支持数据(Ds)；其中，所述支持数据(Ds)包括链接到所述脊柱(40)的信息；以及
通过所述增强现实装置(53)，用所述支持数据(Ds)覆盖所述脊柱棒(10)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，确定所述脊柱棒模型包括：
相对于跟踪参考阵列识别所述脊柱棒(10)的形状。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，确定所述脊柱棒模型包括：
通过跟踪装置获取所述脊柱棒(10)的形状。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括以下步骤：
使用被跟踪的脊柱棒(10)动态调整所述脊柱棒模型。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的方法，其中，
所述支持数据(Ds)包括：通过使用所提出的脊柱棒(20)和脊柱棒模型确定的至少一个弯曲指示符(Id)。
9.根据权利要求4至18中任一项所述的方法，所述方法包括以下步骤：
确定脊柱模型，该脊柱模型是所述脊柱(40)的虚拟表示；并且
使用所述脊柱棒模型调整所述脊柱模型；
其中，所述支持数据(Ds)包括：通过使用所述脊柱模型确定的脊柱指示符，所述脊柱指示符指示所述脊柱棒(10)上的脊柱(40)。
10.根据权利要求4至9中任一项所述的方法，其中，
确定脊柱螺钉模型，该脊柱螺钉模型是设置在所述脊柱(40)上的多个脊柱螺钉(30)的虚拟表示；
其中，所述支持数据(Ds)包括：通过使用所述多个脊柱螺钉(30)的位置确定的至少一个螺钉指示符(Is)，所述至少一个螺钉指示符(Is)指示所述脊柱棒(10)上的多个脊柱螺钉(30)。
11.根据权利要求4至10中任一项所述的方法，所述方法包括以下步骤：
通过使用所述脊柱模型和所述脊柱棒模型，确定施加到所述多个脊柱螺钉(30)的力；
其中，所述支持数据(Ds)包括力指示符，所述力指示符通过使用所确定的力来确定，如果所述脊柱棒(10)将连接到脊柱螺钉(30)，则指示施加到所述多个脊柱螺钉(30)的力。
12.根据权利要求4至11中任一项所述的方法，所述方法包括以下步骤：
如果所确定的力超过预定阈值则确定力警告；
其中，所述支持数据(Ds)包括：通过使用所确定的力警告来确定的力警告指示符。
13.根据权利要求4至12中任一项所述的方法，所述方法包括以下步骤：
通过使用所述脊柱模型和所述脊柱棒模型，来确定所述脊柱(40)的至少一个解剖参数；
其中，所述支持数据(Ds)包括：通过使用至少一个确定的解剖参数而确定的至少一个解剖参数指示符。
14.根据权利要求4至13中任一项所述的方法，
通过使用所述脊柱棒模型和所提出的脊柱棒(20)，来确定所述脊柱棒(10)与所提出脊柱棒(20)之间的平均偏差；
其中，所述支持数据(Ds)包括：通过使用所确定的平均偏差来确定的偏差指示符。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其中，校准所述脊柱棒(10)包括：
为所述脊柱棒(10)提供参考装置(52)，限定脊柱棒坐标系(Rod)的原点；
确定脊柱棒-cam坐标变换(RodToCam)，其描述了所述脊柱棒坐标系(Rod)和相机坐标系(Cam)之间的变换。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其中，获取所述多个脊柱螺钉(30)的位置(Ps)包括：通过所述增强现实装置(53)识别所述多个脊柱螺钉(30)。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，
其中，获取所述多个脊柱螺钉(30)的位置(Ps)包括：从规划应用中提取所述多个脊柱螺钉(30)的位置(Ps)。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，
其中，获取所述多个脊柱螺钉(30)的位置(Ps)包括：在手术中的成对图像数据中检测所述多个脊柱螺钉(30)的位置(Ps)。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，
其中，获取所述多个脊柱螺钉(30)的位置(Ps)包括：通过使用被跟踪指针校准所述多个脊柱螺钉(30)中的每一个。
20.一种医疗导航装置(50)，其被配置用于执行根据权利要求1至19中任一项所述的方法。
21.一种计算机程序，当在计算机上运行时或当加载到计算机上时，所述计算机程序使所述计算机执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的方法步骤；
和/或其上存储有所述程序的程序存储介质；
和/或包括至少一个处理器和存储器和/或程序存储介质的计算机，其中，
所述程序在所述计算机上运行或加载到所述计算机的存储器中；
和/或表示所述程序的数据流。
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