CN116997291A - 位置跟踪系统 - Google Patents

Abstract

一种信号跟踪系统，其包括：‑一个固定元件(12)，其待被固定到患者的目标身体部位周围的刚性身体部位，固定元件(12)还包括映射元件(16)；‑一个跟踪器元件，其待被固定到固定元件(12)以实时跟踪内部跟踪器；‑控制单元，其包括存储器，用于存储：内部参考(R)、显示目标身体部位和一个固定元件(12)的一个图像，其中，控制单元被设计成在内部参考(R)内定义附于所述至少一个固定元件(12)的至少一个3D框架位置，并且精确定位目标身体部位的每个点，控制单元还被设计为实时精确定位目标身体部位内的内部跟踪器。

Description

位置跟踪系统

技术领域

本发明涉及一种跟踪系统和一种定位方法，以实时精确跟踪和定位患者体内的信号发射源。

背景技术

在现代医学中，能够实时精确定位插入患者体内的信号发射设备从而完成一些外科手术或一些精确且有针对性的药物输送变得越来越重要。

例如，这适用于基因治疗或细胞移植、改进的肿瘤切除术和局部递送抗肿瘤活性药物。例如，为了获得具有挑战性的深部脑肿瘤，众所周知，外科医生需要一种能够定位毫米级设备以实时精确到达手术部位的系统。此外，已经很复杂的医疗环境需要跟踪系统“易于使用”，即微创、可重复和适用于患者。

此外，由于希望减少对患者的副作用(由麻醉和身体例如颅骨的开口引起)和精度要求，对微创手术进行了越来越广泛的探索。关于颅骨的具体示例，颅骨开口会造成脑脊液泄漏，从而导致大脑移位(可能高达几cm)，从而伪造从术前成像技术获得的目标手术部位(目标身体部位).因此，寻找巨大颅骨开口的替代解决方案具有重要意义。

减少侵入性能够通过减小颅骨开口大小或甚至根本不打开颅骨来实现。然而，在信号发射源位于大脑内部的情况下，这会导致信号穿过颅骨层。定位系统的性能直接受该层的影响，该颅骨层增加了信号路径的深度和衰减。这可以说是针对任何潜在的目标身体部位。

因此，身体开口的限制或减少导致对可以从患者体内发出并从体外正确读取的信号的搜索。

在已知的信号跟踪技术中，磁场技术的定位精度在毫米级左右，不适用于定位日益广泛使用的微型器件。电磁射频(EM RF)波技术受其厘米位置精度的限制，也不符合微型器件的要求。EM光波技术在人体组织中受到强烈吸收，因此强烈限制了手术深度并强加侵入性以绕过骨层。众所周知，超过最大剂量的EM甚高频(EM VHF)波会对人体组织产生不利影响。磁共振成像(MRI)技术受到时间和空间分辨率之间固有权衡的限制。使用MRI还禁止使用磁性材料，大大减少了可嵌入系统的数量。超声波在组织层中会受到一定程度的衰减并在界面处反射，但是，这些限制远低于与电磁技术相关的限制。

关于技术的发展，能够在外科手术过程中实时定位亚毫米级设备(例如机器人或导管末端)，同时即使在高扰动下也能保持精度变得越来越重要。在这种情况下，跟踪系统应满足多个标准：对人类安全、侵入性最小、定位精度最佳、能够在整个身体(特别是大脑)内操作、实时工作、尽可能小并消耗最少的能量。

例如，在当前的神经导航中，外科医生使用众所周知的参考外部3D框架，并假设大脑不会相对于该外部3D框架移动。该外部3D框架是一个巨大的类似笼子的结构，它被拧入患者的颅骨内并环绕患者的整个头部。这个巨大的外部3D框架非常笨重，迫使患者很长时间保持静止。因此背起来很不舒服。它也很长且难以固定在患者身上。它还会引起一些空间位阻，这可能会限制外科医生在手术过程中的运动自由度。然而，这种外部3D框架使外科医生能够在MRI和CT成像上都有一个参考点，从而能够对准所有图像。

在该应用程序中，3D框架被定义为一个坐标系，其原点、方向和比例由一组参考点指定。其位置在数学上(使用数字坐标值)和物理上(通过传统标记发出信号)来识别。

本发明的目的是为外科医生和患者提供一种能够以安全、准确和舒适的方式对准通过不同成像技术获得的不同图像的方法。

发明内容

因此，本发明涉及一种信号跟踪系统，所述系统被配置为跟踪位于患者目标身体部位内的内部跟踪器，所述系统包括：

-至少一个固定元件，其被设计成固定到患者的刚性身体部位，所述刚性身体部位至少部分地围绕目标身体部位，固定元件还包括映射元件，

-至少一个跟踪器元件，其被配置为固定到固定元件，所述至少一个传感器元件被设计为实时跟踪内部跟踪器，

-控制单元，其被配置为实时收集来自所述至少一个跟踪器元件的跟踪信息，控制单元还包括存储器，存储器被设计成存储：

o内部参考，

o至少一个预先建立的独特图像，其至少显示患者的目标身体部位的部分或位于所述目标身体部位内的元件，所述预先建立的独特图像还显示所述至少一个固定元件和所述至少一个映射元件，其中，控制单元被设计成在内部参考内定义附于所述至少一个固定元件的至少一个3D框架位置，并且相对于3D框架位置精确地定位目标身体部位的每个点，

其中，内部参考被定义在预先建立的独特图像内，该图像至少显示患者的目标身体部位的部分或位于所述目标身体部位内部的元件，

其中，控制单元还被设计成在内部参考内相对于所述至少一个3D框架位置实时精确地定位目标身体部位内的内部跟踪器。

这样，该解决方案能够实现上述目标。尤其是，它能够在单个内部参考内在医学图像上配准超声跟踪信息。它还能够通过自动检测所述图像内的植入物来最小化配准错误。

根据本发明的系统可以包括以下特征中的一个或多个，这些特征彼此分开或彼此组合：

-存储器还被设计成存储：

o内部参考，

o至少一个第一预先建立的图像，其显示患者目标部位，

o至少一个第二预先建立的图像，其显示刚性身体部位，所述至少一个固定元件和所述至少一个映射元件固定在所述刚性身体部位上，

其中，内部参考被定义在第一预先建立的图像内，该图像至少显示患者的目标身体部位的部分或位于所述目标身体部位内的元件，

其中，控制单元被设计成将所述至少一个第一预先建立的图像和第二预先建立的图像在内部参考内对准，以便在内部参考内定义附于所述至少一个固定元件的至少一个3D框架位置，并且相对于3D框架位置精确定位目标身体部位的每个点，

其中，控制单元还被设计成在内部参考内相对于所述至少一个3D框架位置实时精确地定位目标身体部位内的内部跟踪器，

-所述至少一个跟踪器元件被配置为可移除地固定到固定元件，

-所述至少一个固定元件被设计成固定在患者的刚性身体部位内，所述至少一个跟踪器元件也被固定到刚性身体部位内的固定元件，

-所述系统包括围绕目标身体部位规则分布的至少三个跟踪器元件，

-所述至少一个固定元件、映射元件和跟踪器元件都是CT兼容的，所述至少一个第二图像是CT图像，

-固定元件和映射元件都是MRI兼容的，所述至少一个第一图像是MRI图像，

-内部跟踪器是信号发射源，

-内部跟踪器是次级源，其被设计成反射初级源发出的信号，

-初级源在目标身体的外部，

-初级源是所述至少一个跟踪器元件。

-内部跟踪器是由微型设备滴下的造影剂，

-内部跟踪器是微型设备的一部分。

本发明还涉及一种信号跟踪方法，所述方法被配置为借助于根据前述权利要求中任一项所述的跟踪系统在内部参考中定位位于目标身体部位内的内部跟踪器，所述方法按照表述的时间顺序包括以下步骤：

-借助至少一个固定元件，将至少一个映射元件固定在患者的刚性身体部位上，

-建立至少一个独特图像，其至少显示患者目标身体部位的部分或位于所述目标身体部位内的元件，所述图像还显示所述至少一个固定元件和所述至少一个映射元件，

-将所述至少一个独特图像存储在控制单元的存储器中，

-将所述至少一个独特图像与内部参考对准，

-借助于控制单元，检测所述至少一个映射元件的位置，以确定每个固定元件相对于内部参考的3D框架位置，

-在必要时将跟踪器元件固定在固定元件上，

-启动内部跟踪器的信号发射，

-借助于控制单元，实时跟踪和定位内部跟踪器。

所述方法可以包括以下彼此独立或彼此组合的步骤：

-所述方法按照表述的时间顺序包括以下步骤：

-建立显示患者目标身体部位的至少一个第一图像并将其存储在控制单元的存储器中，

-借助于至少一个固定元件，将至少一个映射元件固定在患者的刚性身体部位上，

-建立显示刚性身体部位的至少一个第二图像，所述至少一个固定元件和所述至少一个映射元件固定在所述刚性身体部位上，

-借助于控制单元，将所述至少一个第一图像和第二图像相对于内部参考对准，

-借助于控制单元，检测所述至少一个映射元件的位置，以确定每个固定元件相对于内部参考的3D框架位置，

-在必要时将跟踪器元件固定在固定元件上，

-启动内部跟踪器的信号发射，

-借助于控制单元，实时跟踪和定位内部跟踪器，

-所述方法还能够包括在借助于至少一个固定元件将至少一个映射元件固定在患者的刚性身体部位上之后发生的另外两个步骤，

-建立显示患者目标身体部位的至少一个新的第一图像，并替换控制单元的存储器中的先前图像，

-建立显示患者刚性身体部位的至少一个新的第二图像，并替换控制单元存储器中的先前图像，

-最后一步能够是：在所述至少第一预先建立的图像内或在实时获取的图像上实时可视化内部跟踪器。

附图说明

图1是显示与控制单元通信并围绕目标身体部位规则地固定到人头上的多个固定元件和传感器元件的系统的透视图，

图2是根据本发明的传感器元件的透视图，

图3是根据本发明的固定元件的透视图，

图4是根据本发明的映射元件的透视图，

图5是固定到人颅骨的固定元件和映射元件的透视图，

图6是根据本发明的跟踪方法的示意图。

具体实施方式

为了执行包括毫米级或亚毫米级植入式或可导入设备在内的外科手术，例如使用植入式微型机器人系统的神经外科手术或使用导管的心脏手术，所述设备需要在用于计划手术和/或实时监控手术的医学成像上配准。

换句话说，必须监控设备。这通过本发明的信号跟踪系统10来获得。

从临床角度来看，任何患者都需要安装在待手术身体部位周围的特定外部3D框架系统，特别是在脑部手术的特定情况下围绕着他们的头部安装的外部3D框架系统。该外部3D框架系统对于跟踪毫米级或亚毫米级设备至关重要，例如在大脑内部运行的微型机器人。因此，根据本发明的信号跟踪系统10包括：

-至少一个固定元件12，其被设计成固定到患者的刚性身体部位14，例如颅骨，

-至少一个映射元件16，

-至少一个跟踪器元件18，

-控制单元20。

如图1所示，为了最大化效率，跟踪系统10需要多个跟踪器元件18分布在目标身体部位22周围，以便创建外部3D框架系统。跟踪器元件18分布在目标身体部位22周围，以允许外科医生在足够大的工作空间中进行手术。在该视角中，多个跟踪器元件18固定在围绕所述目标身体部位22的患者的刚性身体部位14上。在当前描述的实施例中，目标身体部位22是患者的大脑并且需要将多个跟踪器元件18拧在颅骨上。在所描述的实施例中，每个跟踪器元件18包括至少一个跟踪器头18a和一个跟踪器固定杆18b(参见图2)。每个跟踪头18a包括至少一个超声换能器。因此，类似于GPS系统，所述多个跟踪器元件18规则地围绕对象的头部分布并形成卫星状植入物。

每个跟踪器头18a还与控制单元20持续实时地通信。因此，测量信号由每个跟踪器元件18持续且实时地发送到控制单元20。

如图2所示，在一些实施例中，每个跟踪器固定杆18b都具有外螺纹，该外螺纹被设计成与形成在每个固定元件12内的内螺纹24配合(见图3)。为了将每个跟踪器元件18固定到对象的刚性身体部位14，跟踪系统10包括相同数量的固定元件12。固定元件12的示例在图3中示出。固定元件12采用众所周知的生物相容性和惰性材料，如PEEK、硅胶或钛制成。每个固定元件12使跟踪器元件18和映射元件16能够安全地固定到患者的颅骨。在一些实施例中，跟踪器元件18可移除地固定到固定元件12，并且在一些其他实施例中，它们是同部件的一部分。在任何情况下，跟踪器元件18到刚性身体部位14的固定都需要切开患者的身体，特别是患者的头皮，头皮是高度血管化的组织，因此限制了切口的数量。此外，每次切开组织时，感染风险都会随着手术时间的延长而增加，特别是在神经外科手术中。因此重要的是允许固定元件12以最小的组织开口被快速固定。在一些替代实施例中，胶合固定元件12可以是将固定元件12拧到刚性身体部位14的替代方案。根据实施例，跟踪器元件18能够固定在患者皮肤之上或之下：在一些实施例中，固定元件12被固定在患者的刚性身体部位14内并且所述至少一个跟踪器元件18因此也被固定在刚性身体部位14内，并且因此被固定在皮肤下。这需要在刚性身体部位14内钻一个小孔，但皮肤能够闭合，因此提高了安全性。

根据实施例，可能有两种固定元件12：

-固定到刚性身体部位14或固定在刚性身体部位14内，这意味着刚性身体部位14(或其一部分)保持在目标身体部位22和跟踪器元件18之间(在所描绘的实施例中，这意味着固定元件12拧在或粘在颅骨上)，或

-固定穿过刚性身体部位14，这意味着固定元件12穿过刚性身体部位14并且使跟踪器元件18与目标身体部位14直接接触(在所描绘的实施例中，这意味着固定元件12被拧着穿过颅骨并且跟踪器元件18与大脑直接接触)。

直接接触实施例能够限制跟踪信号衰减，因为跟踪器元件18没有通过刚性身体部位14(在这种情况下分别是对象的大脑和颅骨)与目标身体部位22分开。在该实施例中，以及在固定元件12被固定在刚性身体部位14内的实施例中，外科医生制作直径约1cm(最大2cm)的半钻孔。然而，该姿势需要神经麻醉师处理非期望事件，例如大出血或部分颅骨塌陷。在没有直接接触的实施例中，固定元件12的尺寸受刚性身体部位14的形状限制，在这种情况下，固定元件12的尺寸受颅骨的圆形形状的限制。在固定元件12固定在刚性身体部位14内的实施例中，外科医生制造了直径约1cm(最大2cm)的相同类型的半钻孔，并且呈现与直接接触实施例相同的约束和风险。然而，如上所述，该实施例使得能够闭合固定元件12和跟踪器元件18上方的皮肤，并因此提高了安全性。对于固定元件12固定在刚性身体部位14上的实施例，在颅骨病例中，每个固定元件12需要与颅骨接触并且不能固定在高曲率点上。

固定元件12的尺寸被最小化以减小螺钉的尺寸并因此减小患者的压力。固定元件12的尺寸应与局部麻醉兼容，因此它们具有2cm的直径和1cm的高度，尤其是在固定元件12必须固定在(或嵌入在)刚性身体部位14内的情况下。

如上所述，为了执行包括毫米级或亚毫米级植入式或可引入设备在内的外科手术，所述设备需要在用于计划手术和/或实时监控手术的医学成像上进行配准。为了获得医学成像，例如对于在对象大脑内运行的微型机器人，外科医生通常会在MRI和/或CT图像上计划并跟踪手术。计算机断层扫描(CT)扫描仪由X射线管和闪烁检测器组成，X射线管和闪烁检测器面对面安装在旋转机架上。CT扫描通过传感器阵列的预计划平移和旋转提供目标器官的图像切片。

磁共振成像(MRI)使用人体内移动的氢(质子)发出的信号。由于质子的电荷，质子的自旋生成可检测的磁场。MRI测量包括三个步骤：

-超导磁体创建固定的外部磁场，所述外部磁场导致百万分之几的可移动质子排列并达到低能态，

-发射线圈生成RF辐射，

-RF辐射停止后，质子弛豫并以其共振频率发射光子，

-测量弛豫时间常数以获得MRI图像。

在一些情况下，例如紧急情况下，外科医生能够获取至少一个独特图像，其至少显示患者的目标身体部位22的部分或位于所述目标身体部位20内的元件，以及所述至少一个固定元件12和所述至少一个映射元件16。控制单元20然后能够在坐标系(或内部参考R)中定义附于所述至少一个固定元件12的至少一个3D框架位置，并且因此能够相对于3D框架位置精确地定位目标身体部位22的每个点。

由于刚性身体部位14的组织和目标身体部位22的组织的不同生理特性，外科医生大部分时间都在MRI和CT图像上计划手术(MRI图像用于软目标身体部位22，CT图像用于刚性身体部位14)。这些不同的图像能够利用多模式配准过程来对准。根据任何本领域技术人员，图像配准过程的目标是在不同的图像中找到最佳对准相关结构(目标身体部位22、刚性身体部位14和由固定元件12形成的外部3D框架)的最佳变换。关于本发明，配准过程将显示目标身体部位22的至少一个第一图像(例如MRI图像)与显示刚性身体部位14的至少一个第二图像(例如CT图像)对准，固定元件12固定在该刚性身体部位14上。

在一些替代实施例中，配准过程首先将所述至少一个第一图像与显示刚性身体部位14的图像对准，固定元件12固定在该刚性身体部位14上。配准过程然后将所述两个先前图像与显示刚性身体部位14的至少一个第二图像对准，固定元件12固定在该刚性身体部位14上。

正如任何本领域技术人员所熟知的，配准过程是一种算法，它通过多次迭代向相似性测量最大值收敛，并将所述至少两个图像对准到坐标系(或内部参考R)中，在现有技术中众所周知的先前的几何变换中找到所述坐标系。配准过程算法使用图像信息来建立称为相似性的特定测量。这些算法通常基于待对准图像中的体素强度、梯度强度、频率研究(傅里叶空间)或关于强度或特征(边缘、轮廓等)的统计信息。这样，内部参考R被定义在预先建立的图像内，该图像至少显示患者的目标身体部位22的部分或位于所述目标身体部位20内部的元件。

因此，本发明使得能够在目标身体部位22的第一3D图像上定义内部参考，其被设置为参考并且定义/包括内部参考R。

外科手术期间的配准过程的目标是在外部3D框架和内部3D框架之间建立3D变换，即目标身体部位22的3D框架。根据本发明，如上所述，所述多个固定到对象的刚性身体部位14的固定元件12形成外部3D框架。这意味着，为了继续进行配准过程，必须精确检测每个固定元件12并在预定参考R内获得其精确位置。该参考R可以例如是刚性身体部位14或存在于图像之一中的任何其他元件。参考R也可能是独立于图像上所见内容定义的外部元件。该内部参考R存储在控制单元20的存储器26中。控制单元20的存储器26还存储：

-所述至少一个第一图像，其显示患者的目标部位22(内部3D框架)，

-所述至少一个第二图像，其显示固定元件12和映射元件16被固定其上的刚性身体部位14(外部3D框架)，以及

-任何可能用于获得清晰且精确对准的另外的图像。

控制单元20运行配准过程算法，并因此被设计成对准内部参考R内的所有图像，然后能够在所述内部参考R内定位目标身体部位22的每个点。

该图像对准还使控制单元20能够为每个固定元件12建立内部参考R内的3D框架位置。当控制单元20对准外部和内部3D框架时，每个3D框架位置因此被定义，正如在内部参考R内的目标身体部位10的任何点。每个固定元件12的3D框架位置因此相对于目标身体部位10被清楚地建立。为了允许在内部参考R内直接建立3D框架位置或允许配准过程算法运行，每个固定元件12包括映射元件16。如图4所示，映射元件16包括映射头16a和连接杆16b。在所示实施例中，映射元件16能够可移除地固定到固定元件12。在其他实施例中，映射元件16与固定元件12形成单件(未示出)。在所示实施例中，每个连接杆16b具有被设计成与形成在每个固定元件12内的内螺纹24配合的外螺纹(见图3)。连接杆16b因此与固定元件12协作以便将映射元件16固定到固定元件12。可以设想一些未示出的其他实施例。

如在图4可见，映射头16a具有特定形状，其允许容易识别和定位映射头16a并因此容易识别和定位映射头16a所连接到的固定元件12。映射元件16的头16a因此是3D正方形基准点。

在一些实施例中，映射元件16和跟踪器元件18都是CT兼容的。

当在内部参考R内精确地定位每个固定元件12和目标身体部位10的点时，控制单元20和跟踪器元件18实时地在内部参考R内精确定位任何内部跟踪器28，例如，位于目标身体部位22内的信号发射源。更准确地说，当检测到目标身体部位图像中的所述至少一个固定元件12时，这允许获得该固定元件12在内部参考R中的3D位置。因为每个跟踪器元件18附接到每个固定元件12，所以能够直接知道它们在内部参考R内的3D位置。因此能够在内部参考R内直接跟踪任何内部跟踪器28。

这使得能够进行更直接、可靠和有效的跟踪，这与其他系统相反，其他系统需要定义至少两个参考，一个关于患者，一个关于系统本身。

该内部跟踪器28也可以是信号传感器，其被配置为感测由跟踪器元件18发出的一些信号。在本申请中，术语“传感器”被理解为接收器。在一些实施例中，内部跟踪器28能够是由微型设备滴下的造影剂。造影剂可以是大小约为1微米的任何微元件，其高度反射超声波，例如微泡。在一些实施例中，内部跟踪器28可以是可以从患者体外操纵的微型设备的一部分。

在内部跟踪器28是信号发射源的情况下，它能够是初级源(有源植入式设备)或次级源。次级源被设计成反射另一个初级源发出的信号。该次级源能够是无源植入式设备，例如无源微型跟踪器。在信号发射源是次级源的情况下，初级源能够在患者身体外部，并且更特别地，初级源能够是围绕目标身体部位22固定的多个跟踪器元件18之一。在这种情况下，初级源在目标身体部位22内发送信号并且信号源将该信号反射回固定到刚性身体部位14的跟踪器元件18。在跟踪器元件18是超声换能器的特定情况下，固定在患者的刚性身体部位14(例如颅骨)上的跟踪器元件18之一在目标身体部位22(例如患者的大脑)内发送超声波。在任何情况下，信号发射源发射波，波朝向植入了一个或更多个另外的跟踪器元件18的刚性身体部位14行进。初始发送和接收之间的飞行时间用于获取波传播的距离。由于涉及多个跟踪器元件18(至少三个)，允许获得发射信号源相对于跟踪器元件18的3D位置。

在内部跟踪器28是传感器的情况下，它以类似的方式工作：从跟踪器元件18初始发送和接收之间的飞行时间用于获得波传播的距离。由于涉及多个跟踪器元件18(至少三个)，其允许获得内部跟踪器28相对于跟踪器元件18的3D位置。

任何本领域技术人员都知道，大多数跟踪器元件18(例如超声换能器)由于其组成而与CT图像兼容但与MRI图像不兼容。这极大地限制了这种系统在越来越基于MRI的临床环境中的使用，因为MRI通常允许外科医生在手术期间检查目标身体部位22的状态。

然而，由于控制单元20的存储器26存储与包括固定元件12的外部3D框架和刚性身体部位14的准确图像对准的目标身体部位22的准确图像，内部跟踪器28的位置因此能够在手术期间实时地由控制单元20转换成在屏幕上显示给外科医生的图像。外科医生因此能够精确地看到患者的目标身体部位22内的内部跟踪器28。

根据本发明的跟踪系统10使外科医生能够执行如图6所示的信号定位方法。该方法允许在内部参考R内定位位于患者的目标身体部位22内的内部跟踪器28。在只需要一张独特图像的情况下，所述方法按照表述的时间顺序包括以下步骤：

-借助于至少一个固定元件12，将至少一个映射元件16固定在患者的刚性身体部位14上，

-建立至少显示患者的目标身体部位22的部分或位于所述目标身体部位22内的元件的至少一个独特图像，所述图像还显示所述至少一个固定元件12和所述至少一个映射元件16，

-将所述至少一个独特图像存储在控制单元20的存储器26中，

-将至少一个独特图像与内部参考R对准，

-借助于控制单元20，检测所述至少一个映射元件16的位置，以确定每个固定元件12相对于内部参考R的3D框架位置，

-在必要时将跟踪器元件18固定在固定元件12上，

-启动内部跟踪器28的信号发射，

-借助于控制单元20，实时跟踪和定位内部跟踪器28。

如果所述独特图像的质量足够好，则所述方法可以包括实时地可视化预先建立的至少一个独特图像内的内部跟踪器28。内部跟踪器也可以在实时获取的图像上可视化。该实时获取的图像能够通过外部装置获取，例如超声探头。

如果需要两个或更多个图像，所述方法按照表述的时间顺序包括以下步骤：

-借助于MRI成像建立显示患者的目标身体部位22的至少一个第一图像，并将其存储在控制单元20的存储器26中，

-在一些情况下，借助于CT成像建立显示患者的刚性身体部位14的至少一个另外的图像，并将其存储在控制单元20的存储器26中，

-设计定义机器人外科手术的术前计划，

-借助于至少一个固定元件12将至少一个映射元件16固定在患者的刚性身体部位14上，

-建立至少一个第二图像，其显示刚性身体部位14，在所述刚性身体部位14上固定有至少一个固定元件12、至少一个映射元件16和跟踪器元件18(如果跟踪器元件18和固定元件12被制成单件)，

-借助于控制单元20，将至少一个第一图像、第二图像和第三图像关于内部参考R对准，

-借助于控制单元20，检测至少一个映射元件16的位置，以确定每个固定元件12相对于内部参考R的3D框架位置，

-在一些情况下，如果跟踪器元件18可从固定元件移除，则将跟踪器元件18固定在固定元件12上，

-启动内部跟踪器28的信号发射，

-借助于控制单元20，实时跟踪和定位内部跟踪器28，

-在至少第一预先建立的图像内或在实时获取的图像上实时可视化内部跟踪器28。该实时获取的图像能够通过外部装置获取，例如超声探头。

更准确地说，在放置固定元件12之后，拍摄新的CT和MRI图像并将其在控制单元20的存储器26内记录在放置固定元件12之前拍摄的先前图像上。在这些新图像中，借助于固定到固定元件12的映射元件16的映射头16a检测和定位固定元件12。这使得控制单元20能够实现超声跟踪和大脑图像之间的配准。由于大多数传感器元件18不是MRI兼容的，所以在一些实施例中，传感器元件18在MRI图像建立之后被固定到固定元件12。因此，在配准过程之后，映射元件16从固定元件12移除(如果映射元件16是可移除的)并且由传感器元件18替换。在固定元件12和映射元件16形成不可分离的元件的情况下，跟踪器元件18简单地固定到固定元件12。并且在跟踪器元件18和固定元件12被制成同一件的情况下，它们一起都固定到刚性身体部位10。根据实施例，这意味着跟踪器元件18是MRI兼容的。

除了配准构思之外，植入物还能够用于估计MRI图像的几何误差以及CT和MRI图像之间的配准误差。

在将固定元件12固定在刚性身体部位14上的步骤之后：

-患者的皮肤用缝线闭合，或

-固定元件12足够小(大约2mm至6mm)以刚好被敷料覆盖。

如图1和图5所示，跟踪系统10是微型到非侵入性的，对对象的身体无害，并且提供亚毫米级精度，直到对象的目标身体部位22(例如大脑)内100mm至500mm深，其频率高于20Hz。

根据本发明的跟踪系统10和定位方法提高了深部手术介入的舒适性和安全性。例如，它能够对每个固定元件12进行局部麻醉，而不是重度整体麻醉。

另一个非常重要的因素是错误限制：根据本发明的跟踪系统允许绕过固定元件12位置的手动设置。此外，利用传感器元件18，一旦信号被发射或被感测到，任何内部跟踪器28就被直接检测到。

最后，根据本发明的跟踪系统10消除了与设备相关的调整的需要，因此通过手动设置(基于3D框架的系统)降低了人为干扰的风险。它还取消了对图像引导的不断验证的需要，并且不依赖于外科医生的手眼协调。

更准确地说，主要技术优势之一是创建附接到患者而不是附接到例如手术室的唯一参考。这允许移动患者而不会失去本发明实现的对准，这与一旦患者的身体相对于定位在手术室中的外部参考移动就失去这种对准的其他系统不同。

Claims (15)

1.一种信号跟踪系统(10)，其被配置为跟踪位于患者的目标身体部位(22)内的内部跟踪器(28)，所述系统(10)包括：

-至少一个固定元件(12)，其被设计成固定到患者的刚性身体部位，所述刚性身体部位(14)至少部分地围绕所述目标身体部位(22)，所述固定元件(12)还包括映射元件(16)，

-至少一个跟踪器元件(18)，其被配置为固定到所述固定元件(12)，所述至少一个传感器元件(18)被设计成实时跟踪所述内部跟踪器(28)，

-控制单元(20)，其配置为实时收集来自所述至少一个跟踪器元件(18)的跟踪信息，所述控制单元(20)还包括存储器(26)，所述存储器(26)被设计为存储：

o内部参考(R)，

o至少一个预先建立的独特图像，其至少显示患者的目标身体部位(22)的部分或位于所述目标身体部位(20)内的元件，所述预先建立的独特图像还显示所述至少一个固定元件(12)和至少一个映射元件(16)，

其中，所述内部参考(R)被定义在至少显示患者的目标身体部位(22)的部分或位于所述目标身体部位(20)内的元件的预先建立的独特图像内，

其中，所述控制单元(20)被设计成在所述内部参考(R)内定义附于所述至少一个固定元件(12)的至少一个3D框架位置，并相对于所述3D框架位置精确定位所述目标身体部位(22)的每个点，

其中，所述控制单元(20)还被设计成在所述内部参考(R)内相对于所述至少一个3D框架位置实时精确地定位所述目标身体部位(22)内的内部跟踪器(28)。

2.根据前一项权利要求所述的跟踪系统(10)，其中，所述存储器(26)还被设计成存储：

o所述内部参考(R)，

o至少一个第一预先建立的图像，其显示患者的目标部位(22)，

o至少一个第二预先建立的图像，其显示所述刚性身体部位(14)，

所述至少一个固定元件(12)和所述至少一个映射元件(16)固定在所述刚性身体部位(14)上，

其中，所述内部参考(R)被定义在至少显示患者的目标身体部位(22)的部分或位于所述目标身体部位(20)内的元件的第一预先建立的图像内，

其中，所述控制单元(20)被设计成将所述至少一个第一预先建立的图像和第二预先建立的图像在所述内部参考(R)内对准，以便在所述内部参考(R)内定义附于所述至少一个固定元件(12)的至少一个3D框架位置，并相对于所述3D框架位置精确定位所述目标身体部位(22)的每个点，

其中，所述控制单元(20)还被设计成在所述内部参考(R)内相对于所述至少一个3D框架位置实时精确地定位所述目标身体部位(22)内的内部跟踪器(28)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的跟踪系统(10)，其中，所述至少一个跟踪器元件(18)被配置为可移除地固定到所述固定元件(12)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的跟踪系统(10)，其中，所述至少一个固定元件(12)被设计成固定在患者的刚性身体部位(14)内，所述至少一个跟踪器元件(18)也被固定到所述刚性身体部位(14)内的固定元件(12)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的跟踪系统(10)，其中，所述至少一个固定元件(12)、映射元件(16)和跟踪器元件(18)都是CT兼容的，所述至少一个第二图像是CT图像。

6.根据前述权利要求中任一项所述的跟踪系统(10)，其中，所述固定元件(12)和所述映射元件(16)都是MRI兼容的，所述至少一个第一图像是MRI图像。

7.根据前述权利要求中任一项所述的跟踪系统(10)，其中，所述内部跟踪器(28)是信号发射源。

8.根据前一项权利要求所述的跟踪系统(10)，其中，所述内部跟踪器(28)是被设计成反射由初级源发射的信号的次级源。

9.根据前一项权利要求所述的跟踪系统(10)，其中，所述初级源在对象身体的外部。

10.根据前一项权利要求所述的跟踪系统(10)，其中，所述初级源是所述至少一个跟踪器元件(18)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的跟踪系统(10)，其中，所述内部跟踪器(28)是由微型设备滴下的造影剂。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的跟踪系统(10)，其中，所述内部跟踪器(28)是微型设备的一部分。

13.一种信号跟踪方法，其被配置为借助于根据前述权利要求中任一项所述的跟踪系统(10)，在内部参考(R)内定位位于目标身体部位(22)内的内部跟踪器(28)，所述方法按表述的时间顺序包括以下步骤：

-借助于至少一个固定元件(12)，将至少一个映射元件(16)固定在患者的刚性身体部位(14)上，

-建立至少一个独特图像，其至少显示患者的目标身体部位(22)的部分或位于所述目标身体部位(22)内的元件，所述图像还显示所述至少一个固定元件(12)和所述至少一个映射元件(16)，

-将所述至少一个独特图像存储在所述控制单元(20)的存储器(26)中，

-将所述至少一个独特图像与所述内部参考(R)对准，

-借助于所述控制单元(20)，检测所述至少一个映射元件(16)的位置，以确定每个固定元件(12)相对于所述内部参考(R)的3D框架位置，

-在必要时将所述跟踪器元件(18)固定在所述固定元件(12)上，

-启动所述内部跟踪器(28)的信号发射，

-借助于所述控制单元(20)，实时跟踪和定位所述内部跟踪器(28)。

14.根据前一项权利要求所述的信号跟踪方法，其中，所述方法按照表述的时间顺序包括以下步骤：

-建立显示患者的目标身体部位(22)的至少一个第一图像并将其存储在所述控制单元(20)的存储器(26)中，

-借助于至少一个固定元件(12)，将至少一个映射元件(16)固定在患者的刚性身体部位(14)上，

-建立显示所述刚性身体部位(14)的至少一个第二图像，所述至少一个固定元件(12)和所述至少一个映射元件(16)固定在所述刚性身体部位(14)上，

-借助于所述控制单元(20)，将所述至少一个第一图像和第二图像相对于所述内部参考(R)对准，

-借助于所述控制单元(20)，检测所述至少一个映射元件(16)的位置，以确定每个固定元件(12)相对于所述内部参考(R)的3D框架位置，

-在必要时将所述跟踪器元件(18)固定在所述固定元件(12)上，

-启动所述内部跟踪器(28)的信号发射，

-借助于所述控制单元(20)，实时跟踪和定位所述内部跟踪器(28)。

15.根据前一项权利要求所述的方法，其中，所述方法包括在借助于至少一个固定元件(12)将至少一个映射元件(16)固定在患者的刚性身体部位(14)上之后发生的另外两个步骤，

-建立显示患者的目标身体部位(22)的至少一个新的第一图像，并替换所述控制单元(20)的存储器(26)中的先前图像，

-建立显示患者的刚性身体部位(14)的至少一个新的第二图像，并替换所述控制单元(20)的存储器(26)中的先前图像。