CN117398185A - 用于恢复3d图像体积的配准的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于恢复3D图像体积的配准的系统。在一种方式中，术中2D医学图像被用于配准术前未配准的3D医学图像。基于在图像捕获时跟踪装置对成像装置上和患者上的跟踪标记的同时跟踪来配准2D医学图像。将2D图像与从术前3D图像体积生成的相应模拟2D图像匹配。因此，实现了术前3D图像到患者的配准，而无需执行对患者的另一3D扫描。

Description

用于恢复3D图像体积的配准的系统

相关申请的交叉引用

本申请是2023年3月15日提交的美国专利申请18/184,192号的延续，该美国专利申请要求于2022年7月15日提交的美国临时专利申请63/389,691号的优先权，这些申请全部以引用的方式并入本文。

本申请还涉及但不要求以下申请的优先权：(1)2016年6月13日提交的专利申请15/180,126号(美国专利10,842,453号)和(2)2016年5月18日提交的专利申请15/157,444号(美国公布2016/0256225号)，这些申请全部以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及导航系统，并且更具体地，涉及将成像空间中的患者的医学图像配准到物理空间中的患者的系统和方法。

背景技术

外科导航已经通过允许外科医生准确地且可重复地放置植入物硬件而彻底改变了微创脊柱外科手术，与常规外科技术相反，其减少了辐射和手术时间。在外科导航中，使用位置传感器来跟踪外科器械相对于配准到患者参考系的医学图像的全刚体运动。位置感测的最常见形式是光学跟踪，特别是以被称为阵列的图案布置的近红外(NIR)无源回射标记或有源NIR LED。被跟踪器械的位置通常作为器械的叠加在医学图像上的CAD模型被显示给外科医生用户。

机器人引导是一种技术，其中机器人臂被定位在期望的轨迹上并且用于在准确且可重复的轨迹上引导器械。随着来自宾夕法尼亚州奥杜邦的Globus医疗公司(GlobusMedical,Inc.)的ExcelsiusGPS(“eGPS”)的发布，机器人引导已经与外科导航集成在被称为机器人导航的单个系统中。机器人导航在单个流线型系统中提供两种技术的益处。

所有的外科导航、机器人引导和机器人导航系统都需要通过使用系统的参考系将医学图像配准到患者的解剖结构。光学导航系统的配准通常涉及使用配准夹具，其包含相对于嵌入的不透射线基准点的阵列定位在已知位置的跟踪标记的阵列。夹具被附接到患者和诸如成像系统的周围结构，使得基准点被嵌入医学图像中并且跟踪标记对于位置传感器(例如，跟踪装置的立体相机)是可见的。在捕获图像之后，软件算法然后使用计算机视觉和图像处理来识别图像中的不透射线基准点位置。由于基准点相对于夹具上的跟踪标记的位置是已知的，并且相机能够识别夹具阵列中的跟踪标记相对于患者参考阵列(也称为动态参考阵列或DRB)的位置，系统然后可以计算多个变换以将医学图像配准到跟踪系统。

在术中使用配准夹具存在若干缺点。主要缺点是需要在不透射线基准点已经在患者上就位的情况下捕获图像体积，这意味着术前对患者进行的扫描不能用于导航。附加缺点是由于在图像体积/区域内包括夹具基准点而损失了可用图像空间。另外，基准点有时会妨碍对关键解剖结构的观察。当用配准夹具捕获图像时，必须特别小心以确保包括必要数目的基准点并且与背景形成足够的对比度。最后，配准夹具是附加硬件组件，其必须在术中被存储、清洁、覆盖/消毒和安装，导致对于外科手术人员而言增加的时间和复杂性。

作为响应，一些公司(例如，美敦力公司(Medtronic)的O-arm和SteathStation)已经开发了在不需要配准夹具(自动配准)的情况下获得配准的术中图像的方法。为了实现这一点，这些系统在成像系统的已知位置处具有集成的或可拆卸的跟踪阵列。然后可以使用相关联的导航系统来跟踪成像系统导航阵列相对于患者参考阵列的位置，以完成图像配准。

然而，现有的解决方案在其适应于流线型系统中的外科导航和机器人工作流程的灵活性方面受到限制。使用术中扫描仪来配准对医学图像体积的跟踪需要再次照射患者并且捕获新图像。仍然需要能够使用在不存在基准点的情况下拍摄的现有医学图像体积的解决方案。

此外，导航外科手术的主要失败模式是由于患者解剖结构相对于患者参考阵列的移位而导致的配准丢失。如果配准在外科手术期间丢失，则外科团队需要将3D成像系统返回到外科手术部位并捕获新的配准图像。对该附加3D图像的需要将患者暴露于显著的附加辐射，增加了麻醉时间，并且降低了医院的效率。

因此，期望提供一种在不使用任何嵌入的不透射线基准点的情况下用于将医学图像配准到患者的解剖结构的系统和方法。此外，当配准在外科手术期间丢失时，将期望提供在无需对患者进行另一次全3D扫描的情况下用于快速恢复配准的系统和方法。

发明内容

根据本发明的一个方面，公开了一种将成像空间中的患者的术前3D医学图像配准到被跟踪空间中的患者的系统和方法。该方法接收患者解剖结构的3D图像，该3D图像是术前利用成像装置拍摄的。此时，3D图像还没有与躺在手术台上的患者配准。一旦患者已经准备好并且躺在手术台上，成像装置被滚入并且患者解剖结构的术中2D图像被成像装置捕获，该成像装置具有可由跟踪装置(例如，光学或电磁跟踪系统)跟踪的成像跟踪标记。

该系统在图像捕获时从跟踪装置接收患者的对应光学图像，该光学图像包含成像跟踪标记和包括可由跟踪装置跟踪的患者跟踪标记的动态参考基座(DRB)。

然后将2D图像与对应的2D模拟医学图像匹配，该2D模拟医学图像是在选定的定向和位置处合成生成的医学图像，其已经从术前3D图像数字地重建。在X射线医学成像装置的情况下，模拟图像是术前3D图像的DRR(数字重建射线照片)。在所示的实施方案中，DRR是在选定的定向和角度的模拟2D荧光透视图像，其已经从术前3D图像(例如，3D图像体积的2D切片的集合/堆叠)数字地重建。在超声的情况下，它将是合成生成的2D图像，其表示来自术前3D图像的在特定定向和位置处的超声扫描。

系统然后基于匹配的DRR以及包含在所接收的光学图像中的患者跟踪标记和成像跟踪标记来确定所接收的术前3D图像相对于动态参考基座的姿态的配准。因为匹配的DRR的姿态对应于实际2D图像的被跟踪姿态，所以实现了配准。

然后，该方法在显示器上显示配准的3D图像和3D图像的任何选定的2D DRR，以及被跟踪的外科器械、其计划的轨迹和叠加在显示的3D图像上的端部执行器，以用于视觉导航辅助。

有利地，该配准方法不需要在医学图像中存在不透射线基准点，并且不需要如先前所必需的那样将任何配准夹具附接到成像装置。因此，本方法可显著减少手术时间并增加患者安全性。

根据本发明的另一方面，公开了一种在图像中不嵌入基准点(例如，不透射线标记)的情况下将成像空间中的患者的术中3D图像(诸如3D CT或MRI图像)配准到被跟踪物理空间中的物理患者的系统和方法。该系统接收已由具有可由跟踪装置跟踪的成像跟踪标记的成像装置捕获的患者解剖结构的术中图像，该患者具有包括可由跟踪装置跟踪的患者跟踪标记的动态参考基座。该系统还在图像捕获时从跟踪装置接收患者的光学图像，该光学图像包含患者跟踪标记和成像跟踪标记。

然后该方法确定变换A、B和C。基于所接收的光学图像来确定表示成像装置相对于动态参考基座的姿态的变换A。基于所接收的光学图像来确定表示所接收的患者解剖结构的图像相对于成像装置的姿态的变换B。通过将变换A与变换B相乘来确定表示所接收的图像相对于动态参考基座的姿态的变换C。变换C表示成像空间中的患者图像到物理空间中的物理患者的配准，在不使用任何基准点的情况下执行所有变换。

然后，该方法在显示器上显示配准的图像以及被跟踪的外科器械、其计划的轨迹和叠加在显示的3D图像上的端部执行器，以用于视觉导航辅助。

有利地，由于配准方法在医学图像中不需要不透射线基准点，所以本方法可以显著减少手术时间并且增加患者安全性。而且，因为不需要患者的术前扫描，所以可以节省成本并且可以消除对患者的任何不必要的辐射暴露。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于恢复成像空间中的患者的3D图像到物理空间中的物理患者的配准的系统和方法。该系统接收患者解剖结构的3D图像并且配准所接收的3D图像相对于包含患者跟踪标记的动态参考基座的姿态。然后在外科手术期间使用配准的3D图像。

然而，在配准丢失时，重新建立配准而不执行对患者的另一次全3D扫描。该系统接收患者解剖结构的在不同定向处的两个或更多个术中2D图像(例如，荧光透视或超声)，这些图像已经由具有可由跟踪装置(例如，光学或电磁)跟踪的成像跟踪标记的成像装置捕获。该系统还在图像捕获时从跟踪装置接收患者的对应光学图像，该光学图像包含患者跟踪标记和成像跟踪标记。

将所接收的2D图像与3D图像的对应模拟2D图像(例如，DRR)匹配。基于匹配的对应DRR以及包含在光学图像中的患者跟踪标记和成像跟踪标记来重建3D图像的配准。

然后，该方法在显示器上显示所配准的3D图像以及所跟踪的外科器械、其计划的轨迹和叠加在显示的3D图像上的端部执行器，以用于视觉导航辅助。

有利地，由于仅利用几个2D图像恢复配准而不进行对患者的另一次全3D扫描，因此本方法可以显著减少手术时间并且增加患者安全性。

根据本发明的另一方面，提供了一种将成像空间中的患者的术中2D医学图像配准到物理空间中的物理患者的系统和方法。该系统接收患者解剖结构的在不同定向处的术中2D图像，这些图像已经由具有可由跟踪装置跟踪的成像跟踪标记的成像装置捕获；患者具有包括可由跟踪装置跟踪的患者跟踪标记的动态参考基座。该系统还在图像捕获时从跟踪装置接收患者的对应光学图像，该光学图像包含患者跟踪标记和成像跟踪标记。

对于每个所接收的2D图像，该方法然后确定如上所述的变换A、B和C。变换C表示成像空间中的患者图像到物理空间中的物理患者的配准，在不使用任何不透射线基准点的情况下执行所有变换。

然后，该方法在显示器上显示配准的2D图像以及被跟踪的外科器械、其计划的轨迹和叠加在显示的2D图像上的端部执行器，以用于视觉导航辅助。

根据本发明的另一方面，提供了一种将成像空间中的患者的术中2D图像配准到物理空间中的物理患者的系统和方法。该系统接收患者解剖结构的在不同定向处的术中2D图像，这些图像已经由具有可由跟踪装置跟踪的成像跟踪标记的成像装置捕获；患者具有包括可由跟踪装置跟踪的患者跟踪标记的动态参考基座。该系统还在图像捕获时从跟踪装置接收患者的对应光学图像，该光学图像包含患者跟踪标记和成像跟踪标记。

基于所接收的2D图像和通用3D模型，该方法创建定制的3D模型。对于每个所接收的2D图像，该方法确定如上所述的变换A、B和C以配准2D图像。2D图像与定制的3D模型的对应DRR匹配，使得定制的模型可以基于匹配的DRR被配准。

该方法然后在显示器上显示配准的3D图像以及被跟踪的外科器械、其计划的轨迹和叠加在显示的2D图像上的端部执行器，以用于视觉导航辅助。即使当对3D扫描成像装置的访问不可用时，该方法也允许利用合成创建的3D模型进行导航。

具体实施方式

图1是根据本发明的一个实施方案的成像系统的透视后视图。

图2是根据本发明的一个实施方案的成像控制器系统40的示意图。

图3是图1的成像系统的透视前视图。

图4是图1的成像系统的透视图，其中台架已经围绕X轴旋转90度。

图5是部分地示出布线布置的台架的透视图。

图6是示出布线布置的台架的透视图。

图7是示出布线布置的台架的侧视图。

图8示出了用于伸缩地控制台架的C形臂的马达组件。

图9A至图9G示出了台架以60度为增量的360度旋转。

图10是在外科手术期间用于机器人系统、患者、外科医生和其他医务人员的位置的潜在布置的俯视图；

图11示出了根据一个实施方案的包括外科机器人和相机相对于患者的定位的机器人系统；

图12示出了根据示例性实施方案的外科机器人系统；

图13示出了根据示例性实施方案的外科机器人的一部分；

图14示出了根据示例性实施方案的外科机器人的框图；

图15示出了根据示例性实施方案的外科机器人；

图16A至图16C示出了根据示例性实施方案的端部执行器；

图17示出了根据一个实施方案的将外科器械插入端部执行器的导管之前和之后的外科器械和端部执行器；

图18A至图18C示出了根据示例性实施方案的端部执行器和机器人臂的部分；

图19示出了根据示例性实施方案的动态参考阵列、成像阵列和其他组件；

图20示出了根据示例性实施方案的配准方法；

图21A至图21B示出了根据示例性实施方案的成像装置的实施方案；

图22A示出了根据示例性实施方案的包括机器人臂和端部执行器的机器人的一部分；

图22B是图22A中所示的端部执行器的近视图，其中多个跟踪标记刚性地固定到其上；

图22C是根据一个实施方案的工具或器械，其中多个跟踪标记刚性地固定到其上；

图23A是端部执行器的另选版本，其中可移动跟踪标记处于第一配置；

图23B是图23A中所示的端部执行器，其中可移动跟踪标记处于第二配置；

图23C示出了来自图23A的处于第一配置的跟踪标记的模板；

图23D示出了来自图23B的处于第二配置的跟踪标记的模板；

图24A示出了仅具有固定到其上的单个跟踪标记的端部执行器的另选版本；

图24B示出了具有穿过导管设置的器械的图24A的端部执行器；

图24C示出了器械处于两个不同位置的图24A的端部执行器，以及确定器械是定位在导管内还是定位在导管外部的所得逻辑；

图24D示出了其中器械在导管中处于两个不同的帧处的图24A的端部执行器，以及其与导管上的单个跟踪标记的相对距离；

图24E示出了相对于坐标系的图24A的端部执行器；

图25是用于将机器人的端部执行器导航和移动到期望的目标轨迹的方法的框图；

图26A至图26B描绘了用于插入可扩张植入物的器械，该可扩张植入物具有分别处于收缩和扩张位置的固定和可移动跟踪标记；并且

图27A至图27B描绘了用于插入铰接植入物的器械，该铰接植入物具有分别处于插入和成角度位置的固定和可移动的跟踪标记。

图28示出了根据本发明的一个方面的用于将成像空间中的患者图像配准到相机空间中的物理患者的系统，优选地在图像中不使用任何嵌入的不透射线基准点。

图29是根据本发明的另一个方面的将成像空间中的患者的术中3D图像配准到物理空间中的物理患者的方法的流程图，优选地在图像中不使用任何嵌入的不透射线基准点。

图30是根据本发明的另一个方面的将成像空间中的患者的术中3D图像配准到物理空间中的物理患者并且恢复3D图像与术中2D图像的配准的方法的流程图，优选地在图像中不使用任何嵌入的不透射线基准点。

图31是根据本发明的另一个方面的将成像空间中的患者的术前3D图像配准到物理空间中的物理患者并且恢复3D图像与术中2D图像的配准的方法的流程图，优选地在图像中不使用任何嵌入的不透射线基准点。

图32是根据本发明的另一个方面的将成像空间中的患者的术中2D图像配准到物理空间中的物理患者并且恢复2D图像与另一组术中2D图像的配准的方法的流程图，优选地在图像中不使用任何嵌入的不透射线基准点。

图33是基于患者的术中2D图像配准合成创建的3D图像的方法的流程图，优选地在图像中不使用任何嵌入的不透射线基准点。

图34是根据本发明的另一个方面的用于校准成像装置的校准夹具的透视图。

具体实施方式

出于本申请的目的，术语“代码”、“软件”、“程序”、“应用程序”、“软件代码”、“软件模块”、“模块”及“软件程序”可互换使用以意指可由处理器执行的软件指令。“用户”可以是医师或其他医疗专业人员。

图1是示出根据本发明的一个实施方案的成像系统10(诸如计算机断层(CT)x射线扫描仪)的示意图。成像系统10包括可移动站60和台架56。可移动站包括竖直轴59和可旋转地附接到竖直轴的台架安装件58。可移动站60包括两个前全向轮62和两个后全向轮64，它们一起提供可移动站60在X-Y平面中的任何方向上的移动。全向轮62、64可以从例如英国萨默赛特的Active机器人有限公司(Active Robots Limited)获得。安装到可移动站60的壳体上的一对手柄13允许用户手动操纵该站。

附接到竖直轴59上的马达66被设计成使台架安装件58围绕X轴旋转全360度，并且马达67在控制模块51的控制下使台架安装件58沿z轴竖直移动。

台架56包括可滑动地耦接到台架安装件58的第一C形臂70和可滑动地耦接到第一C形臂的第二C形臂72。在所示的实施方案中，第一C形臂70和第二C形臂72分别是外C形臂和内C形臂。在所示的实施方案中，外C形臂70和内C形臂72为圆形形状并且围绕中心轴线周向地旋转，以便允许对躺在床16上的患者成像而不需要转移患者。

成像信号发射器74(诸如X射线束发射器)被安装到第二C形臂72的一侧，而成像传感器74(诸如X射线探测器阵列)被安装到第二C形臂的另一侧并且面向发射器。在操作中，X射线发射器74发射X射线束，该X射线束在穿过患者(未示出)的相关部分之后由X射线探测器76接收。

在一个实施方案中，系统10是考虑外科手术而设计的多模态x射线成像系统。三种成像模态包括荧光透视、2D放射摄影和锥形束CT。荧光透视是一种医学成像技术，其在监视器上示出连续的X射线图像，很像X射线电影。2D放射摄影是使用X射线来观察诸如人体等非均匀组成且不透明的对象的内部结构的成像技术。CBCT(锥形束3D成像或锥形束计算机断层摄影)也被称为C形臂CT，是一种由X射线计算机断层摄影组成的医学成像技术，其中X射线是发散的，形成锥形。

可移动站60包括成像控制器系统40，其提供双重功能：(1)控制全向轮62、64、台架安装件58和台架56的移动以相对于患者定位成像信号发射器74，以及(2)一旦台架56已被适当地定位则控制用于对患者成像的成像功能。

现在参考图2，本发明的成像控制器系统40通过诸如USB(通用串行总线)接口等I/O接口42连接到通信链路52，该I/O接口从通信链路52接收信息并通过通信链路52发送信息。成像控制器系统40包括存储器存储装置44(诸如RAM(随机存取存储器))、处理器(CPU)46、程序存储装置48(诸如ROM或EEPROM)以及数据存储装置50(诸如硬盘)，所有这些装置均通过总线53彼此共同连接。其中，程序存储装置48存储成像控制模块54和运动控制模块51，每个模块都包含要由处理器46执行的软件。由处理器46执行的运动控制模块51控制可移动站60的轮62、64以及在台架安装件58和台架56中的各种马达，以将站60定位在患者附近并且将台架定位在用于对患者的相关部分进行成像的适当位置。

由处理器46执行的成像控制模块54控制成像信号发射器74和探测器阵列76以对患者身体进行成像。在一个实施方案中，成像控制模块对身体的不同平面层成像并将它们存储在存储器44中。另外，成像控制模块54可以处理存储在存储器44中的图像堆叠并且生成三维图像。另选地，所存储的图像可以被发送到用于图像处理的主机系统(未示出)。

运动控制模块51和成像控制模块54包括用户接口模块，其通过显示装置11a和11b以及输入装置(诸如键盘和按钮12和操纵杆14)与用户交互。安装到手柄15上的应变仪13耦接到I/O装置42，并且当用户用手握住手柄15时，可方便地提供可移动台12在任何方向(X，Y，Wag)上的移动，这将在下面更详细地讨论。用户接口模块帮助用户定位台架56。程序存储器48中的任何软件程序模块和来自数据存储装置50的数据可以根据需要被传送到存储器44，并且由CPU 46执行。显示装置11a在台架安装件58附近附接到可移动台60的壳体，并且显示装置11b通过三个可旋转显示器臂16、18和20耦接到可移动台。第一显示器臂16可旋转地附接到可移动台60，第二显示器臂18可旋转地附接到第一臂16，并且第三显示器臂20可旋转地附接到第二显示器臂。显示装置11a、11b可以具有触摸屏，以便还通过使用模块51和54中的用户接口模块来用作输入装置，从而为用户提供最大的灵活性。

放置在台架安装件58上的导航标记68通过链路52连接到成像控制器系统40。在运动控制模块51的控制下，标记68允许经由导航系统(未示出)相对于病床或OR(手术室)台自动或半自动定位台架56。标记68可以是光学的、电磁的等。

导航系统可以提供信息以命令台架56或系统10精确定位。一个示例将是外科医生将被导航探头保持在期望定向，该期望定向告诉成像系统10沿着该指定轨迹采集荧光或放射摄影图像。有利地，这将消除对侦察拍摄的需要，从而减少对患者和OR人员的x射线暴露。台架56上的导航标记68还将允许由系统10采集的2D或3D图像的自动配准。标记68还将允许在患者已经移动的情况下精确重新定位系统10。

在所示的实施方案中，系统10以所有6个自由度(“DOF”)提供大范围的运动。在运动控制模块51的控制下，存在两种主要的运动模式：可移动站60的定位和台架56的定位。

可移动站60的定位经由四个全向轮62、64完成。这些轮62、64允许可移动站60围绕水平平面(X，Y，Wag)以所有三个DOF定位。“Wag”是系统10围绕竖直轴线(Z轴)的旋转，“X”是系统沿着X轴的向前和向后定位，并且“Y”是系统10沿着Y轴的横向运动。在控制模块51的控制下，系统10可以以X、Y和Wag(由于使用全向轮62、64而绕任意Z轴摇摆)的任意组合定位，具有无限制的运动范围。特别地，全向轮62、64允许定位在狭窄的空间、狭窄的走廊中，或者允许精确地上下移动OR台或病床的长度。

台架56的定位围绕(Z,Tilt,Rotor)完成。“Z”是台架56的竖直定位，“Tilt”是如上所述绕平行于X轴的水平轴线的旋转，并且“Rotor”是如上所述绕平行于Y轴的水平轴线的旋转。

与可移动台60定位和台架56定位一起，系统10提供所有6个DOF(X，Y，Wag，Z，Tilt和Rotor)的运动范围，以将可移动台60和成像发射器74和传感器76精确地放置在需要它们的地方。有利地，可以执行3D成像，而不管患者是站立、坐下还是卧床，并且不必移动患者。

系统10的精确位置可以被存储在存储器50中并且在任何时间由运动控制模块51调用。这不限于台架56定位，而是还包括由于全向轮62、64导致的系统10的定位。

如图3所示，台架安装件58、外C形臂70和内C形臂72中的每一者分别具有一对彼此面对的侧框架86、88、90。多个均匀间隔的滚子84安装在台架安装件58的侧框架86的内侧上。外C形臂70在侧框架88的外侧具有一对导轨78。滚子84耦接到导轨78上。如图所示，滚子84和导轨78被设计成允许外C形臂78沿着台架安装件58伸缩地滑动，以便允许C形臂绕其中心轴线相对于台架安装件旋转至少180度。

多个均匀间隔的滚子80安装在外C形臂70的侧框架88的内侧上。内C形臂72在侧框架90的外侧具有一对导轨82。滚子80耦接到导轨82上。如图所示，滚子80和导轨82被设计成允许内C形臂72沿着外C形臂70伸缩地滑动，以便允许C形臂绕其中心轴线相对于外C形臂旋转至少180度。

因此，如本文所公开的本发明有利地允许台架56围绕其中心轴线旋转全360度，以在定位成像系统10时以对患者的最小干扰提供最大的灵活性。

在本发明的另一个方面中，提供了一种独特的布线布置以使得成像系统10更加紧凑并且在视觉上更加吸引人。如图5和图6所示，线缆载体/线束92包括线缆以在成像控制器系统40与各种马达、X射线发射器74、成像传感器76和台架56中的各种电子电路之间传送信号。第一走线器(cable router)94安装在外C形臂70的外表面上，而第二走线器96安装在内C形臂72的外表面上。每个走线器94、96具有通孔95、97，线缆载体92穿过该通孔。

线缆载体92从台架安装件56在第一C形臂70的外表面上延伸，穿过第一走线器94的通孔95并且在第二C形臂72的外表面上延伸。覆盖第一C形臂70的线缆载体92在第一圆周方向(如图所示顺时针方向)98上延伸，并且在与第一圆周方向相反的第二圆周方向(如图所示逆时针方向)99上进入第一走线器94，以在第一C形臂的外表面上产生180度服务环路。

从那里，线缆载体92在第一圆周方向98上延伸并且在第二圆周方向99上进入第二走线器以在第二C形臂72的外表面上产生另一服务环路。

第一走线器94和第二走线器96的特定位置结合服务环路允许线缆载体92中的松弛，以向台架56提供全360度旋转，而不会缠结或引起线缆载体中的应力。在所示的实施方案中，路由器安装在C形臂的中点附近。

图8示出了马达组件101的一个实施方案，该马达组件可用于使外C形臂70相对于台架安装件58以及使内C形臂72相对于外C形臂伸缩地旋转。每个马达组件101包括具有编码器反馈的伺服马达103、改变转速比的齿轮箱105、驱动皮带轮107、空转皮带轮108以及在驱动皮带轮和空转皮带轮之间穿过的皮带111。一个马达组件101被安装到台架安装件以相对于台架安装件移动外C形臂70，并且另一个马达组件在臂中心附近被安装到外C形臂70以相对于外C形臂移动内C形臂70。

图9A至图9G示出了台架56在逆时针方向上以60度为增量的360度旋转，其中图9A表示成像传感器76和发射器74的零度位置。图9B表示台架56的60度转动/位置。对于台架56的每个60度转动，马达组件101在运动控制模块51的控制下使内C形臂72逆时针转动30度，并且还使外C形臂70逆时针转动30度，以进行组合的60度转动。图9G表示台架56的全360度转动。可以看出，外C形臂70和内C形臂72各自从图9A的初始零度位置移动了180度。

如以上详细描述的，各种实施方案中的本发明提供以下益处：(1)通过使用全方位轮62、64使系统在任何X-Y方向上绕任何Z轴摇摆而移动；(2)用于全360度成像束旋转的双伸缩C形台架；(3)在卧床、坐着或站着时成像，诸如站立CBCT；(4)系统10和台架56位置的存储和调用；(5)准同时多平面x射线成像；(6)经由机器人或导航坐标调用位置。

现在转向附图，图10和图11示出了根据示例性实施方案的外科机器人系统100。外科机器人系统100可包括，例如，外科机器人102、一个或多个机器人臂104、基座106、显示器110、端部执行器112(例如包括导管114)和一个或多个跟踪标记118。外科机器人系统100可包括患者跟踪装置116，该患者跟踪装置还包括一个或多个跟踪标记118，其适于直接固定到患者210(例如，到患者210的骨)。外科机器人系统100还可利用例如定位在相机支架202上的相机200。相机支架202可具有任何合适的配置，以在期望位置移动、定向和支撑相机200。相机200可包括任何合适的相机或多个相机，诸如一个或多个红外相机(例如，双焦或立体摄影测量相机)，能够识别例如从相机200的视角可视的给定测量体积中的有源和无源跟踪标记118。相机200可以扫描给定测量体积并检测来自标记118的光，以便识别和确定标记118在三维中的位置。例如，有源标记118可包括由电信号激活的红外发射标记(例如，红外发光二极管(LED))，并且无源标记118可包括反射例如由相机200上的照明器或其他合适的装置发射的红外光的回射标记(例如，它们将入射的IR辐射反射到入射光的方向中)。

图10和图11示出了用于在手术室环境中放置外科机器人系统100的潜在配置。例如，机器人102可定位在患者210附近或旁边。尽管在患者210的头部附近示出，但是应当理解，机器人102可以定位在患者210附近的任何合适位置，这取决于正在进行手术的患者210的区域。相机200可与机器人系统100分开并且定位在患者210的脚部处。该位置使相机200具有到术野208的直接视线。同样，预期相机200可以位于具有到术野208的视线的任何合适位置。在所示的配置中，外科医生120可位于机器人102的对面，但仍然能够操纵端部执行器112和显示器110。外科助手126可位于外科医生120的对面，仍然能够接近端部执行器112和显示器110。如果需要，外科医生120和助手126的位置可互换。麻醉师122和护士或擦洗技师(scrub tech)124所处的传统区域保持不受机器人102和相机200的位置的阻碍。

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

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

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

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

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

示例性实施方案包括耦接到外科器械608的一个或多个标记118。在示例性实施方案中，例如耦接到患者210和外科器械608的这些标记118，以及耦接到机器人102的端部执行器112的标记118可以包括传统红外发光二极管(LED)或能够使用可商购获得的红外光学跟踪系统(诸如)进行跟踪的/>二极管。/>是加拿大安大略省滑铁卢市Northern Digital Inc.的注册商标。在其他实施方案中，标记118可以包括能够使用可商购获得的光学跟踪系统(诸如Polaris Spectra)进行跟踪的传统反射球。PolarisSpectra也是Northern Digital Inc.的注册商标。在示例性实施方案中，耦接到端部执行器112的标记118是有源标记，其包括可以打开和关闭的红外发光二极管，并且耦接到患者210和外科器械608的标记118包括无源反射球。

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

与外科机器人系统100类似，图12示出了符合本公开的示例性实施方案的处于对接配置的外科机器人系统300和相机支架302。外科机器人系统300可包括机器人301，该机器人包括显示器304、上臂306、下臂308、端部执行器310、立柱312、脚轮314、机柜316、平板电脑抽屉318、连接器面板320、控制面板322和信息环324。相机支架302可包括相机326。这些组件在图14中进行了更详细地描述。图12示出了处于对接配置的外科机器人系统300，其中相机支架302例如在不使用时与机器人301嵌套。本领域的技术人员应当理解，相机326和机器人301在外科手术期间可以彼此分离并定位在任何适当的位置，例如，如图10和图11所示。

图13示出了符合本公开的示例性实施方案的基座400。基座400可以是外科机器人系统300的一部分并且包括机柜316。机柜316可容纳外科机器人系统300的某些组件，包括但不限于电池402、配电模块404、平台接口板模块406、计算机408、手柄412和平板电脑抽屉414。这些组件之间的连接和关系在图14中进行了更详细地描述。

图14示出了外科机器人系统300的示例性实施方案的某些组件的框图。外科机器人系统300可包括平台子系统502、计算机子系统504、运动控制子系统506和跟踪子系统532。平台子系统502可进一步包括电池402、配电模块404、平台接口板模块406和平板电脑充电站534。计算机子系统504可进一步包括计算机408、显示器304和扬声器536。运动控制子系统506可进一步包括驱动电路508、马达510、512、514、516、518、稳定器520、522、524、526、端部执行器310和控制器538。跟踪子系统532可进一步包括位置传感器540和相机转换器542。系统300还可包括脚踏开关544和平板电脑546。

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

配电模块404还可以向其他组件提供电力，诸如可位于平板电脑抽屉318内的平板电脑充电站534。平板电脑充电站534可与平板电脑546进行无线或有线通信，以对平板电脑546充电。平板电脑546可由符合本公开并在本文中描述的外科医生使用。

配电模块404还可以连接到电池402，在配电模块404没有从输入电力548接收电力的情况下，该电池充当临时电源。在其他时间，如有必要，配电模块404可用于对电池402充电。

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

控制面板322可提供控制系统300的操作和/或提供关于系统300的信息的各种按钮或指示器。例如，控制面板322可包括打开或关闭系统300、提升或降低立柱312以及提升或降低稳定器520-526的按钮，其可被设计成接合脚轮314以锁定系统300，防止系统发生物理移动。其他按钮可能会在紧急情况下停止系统300，这可能会切断所有马达电力，并应用机械制动器来停止所有运动的发生。控制面板322还可具有指示器，通知用户某些系统条件，诸如线路电力指示器或电池402的充电状态。

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

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

跟踪子系统532可包括位置传感器504和转换器542。跟踪子系统532可对应于包括相机326的相机支架302，如关于图12所述。位置传感器504可以是相机326。跟踪子系统可跟踪位于系统300的不同组件和/或用户在外科手术期间使用的器械上的某些标记的位置。此类跟踪可以符合本公开的方式进行，包括使用分别跟踪诸如LED或反射标记的有源或无源元件的位置的红外技术。可以将具有这些类型标记的结构的位置、定向和位置提供给计算机408，其可以在显示器304上显示给用户。例如，具有这些类型的标记并以这种方式跟踪的外科器械608(其可称为导航空间)可以与患者的解剖结构的三维图像相关地显示给用户。

运动控制子系统506可被配置为物理地移动立柱312、上臂306、下臂308或旋转端部执行器310。物理移动可以通过使用一个或多个马达510-518来进行。例如，马达510可以被配置为竖直地提升或降低竖直柱312。如图12所示，马达512可被配置为围绕与立柱312的接合点横向移动上臂308。如图12所示，马达514可被配置为围绕与上臂308的接合点横向移动下臂308。马达516和518可被配置为以使得一个马达可以控制滚动，并且一个马达可以控制倾斜的方式移动端部执行器310，从而提供端部执行器310可以移动的多个角度。这些移动可由控制器538实现，该控制器可通过设置在端部执行器310上的负荷传感器来控制这些移动，并且由接合这些负荷传感器的用户激活这些移动，从而以期望方式移动系统300。

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

图15示出了符合示例性实施方案的外科机器人系统600。外科机器人系统600可包括端部执行器602、机器人臂604、导管606、器械608和机器人基座610。器械工具608可以附接到包括一个或多个跟踪标记(诸如标记118)的跟踪阵列612，并且具有相关联的轨迹614。轨迹614能够表示一旦器械工具608被定位穿过导管606或固定在该导管中时，器械工具被配置为行进的移动路径，例如，器械工具608插入患者体内的路径。在示例性操作中，机器人基座610可被配置为与机器人臂604和端部执行器602进行电子通信，使得外科机器人系统600可辅助用户(例如，外科医生)对患者210进行操作。外科机器人系统600可以与先前描述的外科机器人系统100和300一致。

跟踪阵列612可安装在器械608上以监测器械工具608的位置和定向。跟踪阵列612可附接到器械608，并且可包括跟踪标记804。如图17最佳所示，跟踪标记804可以是例如发光二极管和/或其他类型的反射标记(例如，如本文其他地方所述的标记118)。跟踪装置可以是与外科机器人系统相关联的一个或多个视线装置。例如，跟踪装置可以是与外科机器人系统100、300相关联的一个或多个相机200、326，并且还可以针对器械608相对于机器人臂604、机器人基座610、端部执行器602和/或患者210的定义域或相对定向来跟踪跟踪阵列612。跟踪装置可以与结合相机支架302和跟踪子系统532描述的那些结构一致。

图16A、图16B和图16C分别示出了与示例性实施方案一致的端部执行器602的顶视图、前视图和侧视图。端部执行器602可包括一个或多个跟踪标记702。跟踪标记702可以是发光二极管或其他类型的有源和无源标记，诸如先前已经描述的跟踪标记118。在示例性实施方案中，跟踪标记702是由电信号(例如，红外发光二极管(LED))激活的有源红外发射标记。因此，可以激活跟踪标记702，使得红外标记702对相机200、326可见，或者可以停用跟踪标记，使得红外标记702对相机200、326不可见。因此，当标记702被激活时，端部执行器602可以由系统100、300、600控制，并且当标记702被停用时，端部执行器602可被锁定在适当位置并且不能由系统100、300、600移动。

标记702可以设置在端部执行器602之上或之内，其设置方式使得标记702可被一个或多个相机200、326或与外科机器人系统100、300、600相关联的其他跟踪装置看见。相机200、326或其他跟踪装置可以通过跟踪跟踪标记702的移动，在端部执行器602移动到不同位置和视角时跟踪该端部执行器。标记702和/或端部执行器602的位置可以显示在与外科机器人系统100、300、600相关联的显示器110、304上，例如，如图11所示的显示器110和/或图12所示的显示器304。该显示器110、304可允许用户确保端部执行器602相对于机器人臂604、机器人基座610、患者210和/或用户处于期望位置。

例如，如图16A所示，标记702可以围绕端部执行器602的表面放置，使得远离术野208并朝向机器人102、301和相机200、326放置的跟踪装置能够通过端部执行器602相对于跟踪装置100、300、600的一系列共同定向来查看标记702中的至少3个。例如，以这种方式分布标记702允许在术野208中平移和旋转端部执行器602时由跟踪装置监测端部执行器602。

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

图17示出了包括跟踪阵列612和跟踪标记804的一种类型的外科器械608。跟踪标记804可以是本文所述的任何类型，包括但不限于发光二极管或反射球。标记804由与外科机器人系统100、300、600相关联的跟踪装置监测，并且可以是视线相机200、326中的一者或多者。相机200、326可基于跟踪阵列612和标记804的位置和定向来跟踪器械608的位置。用户(诸如外科医生120)可以以使得跟踪阵列612和标记804被跟踪装置或相机200、326充分识别以在例如示例性外科机器人系统的显示器110上显示器械608和标记804的方式定向器械608。

外科医生120可将器械608放置到端部执行器602的导管606中并调整器械608的方式在图17中显而易见。端部执行器112、310、602的中空管或导管114、606的尺寸和构造被设置成接收外科器械608的至少一部分。导管114、606被配置为由机器人臂104定向，使得外科器械608的插入和轨迹能够到达患者210的身体内或之上的期望解剖目标。外科器械608可包括大致圆柱形器械的至少一部分。尽管螺丝刀被例示为外科工具608，但是应当理解，任何合适的外科工具608都可以由端部执行器602定位。举例来说，外科器械608可包括导丝、套管、牵开器、钻机、扩孔钻、螺丝刀、插入工具、移除工具等中的一者或多者。尽管中空管114、606通常被示出为具有圆柱形配置，但是本领域的技术人员应当理解，导管114、606可以具有容纳外科器械608并进入外科手术部位所需的任何合适的形状、大小和配置。

图18A至图18C示出了符合示例性实施方案的端部执行器602和机器人臂604的一部分。端部执行器602可进一步包括主体1202和夹具1204。夹具1204可包括手柄1206、滚珠1208、弹簧1210和唇缘1212。机器人臂604可进一步包括凹入部1214、安装板1216、唇缘1218和磁体1220。

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

关于定位联轴器，机器人臂604可包括安装板1216(其可以是非磁性材料)、一个或多个凹入部1214、唇缘1218和磁体1220。磁体1220安装在凹入部1214中的每一个凹入部下方。夹具1204的部分可包括磁性材料，并且被一个或多个磁体1220吸引。通过夹具1204和机器人臂604的磁性吸引，滚珠1208被放置到相应的凹入部1214中。例如，如图18B所示的滚珠1208将被放置到如图18A所示的凹入部1214中。该放置可被认为是磁性辅助运动耦接。磁体1220可被配置为足够坚固以支撑端部执行器602的整个重量，而不管端部执行器602的定向如何。定位联轴器可以是唯一限制六个自由度的任何类型的运动安装件。

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

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

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

参考图10和图11，在外科手术之前或期间，可以进行某些配准程序，以便在导航空间和图像空间中跟踪患者210的对象和目标解剖结构。为了进行该配准，可如图19所示使用配准系统1400。

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

患者固定器械1402附接到患者210的刚性解剖结构，并且可在整个外科手术中保持附接。在示例性实施方案中，患者固定器械1402附接到患者210的刚性区域，例如，位于远离经受外科手术的目标解剖结构的骨。为了跟踪目标解剖结构，动态参考基座1404通过使用临时放置在目标解剖结构上或附近的配准夹具与目标解剖结构相关联，以便将动态参考基座1404与目标解剖结构的位置配准。

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

使用枢转臂1412，配准夹具1410可放置在目标解剖结构上方，并且其位置可使用配准夹具1410上的跟踪标记1420和/或基准点1422在图像空间和导航空间中确定。配准夹具1410可包含在导航空间中可见的标记1420的集合(例如，标记1420可由跟踪子系统532检测到)。如本文先前所述，跟踪标记1420可以是红外光中可见的光学标记。配准夹具1410还可包含在成像空间(例如，三维CT图像)中可见的基准点1422的集合，例如，诸如轴承滚珠。如关于图20更详细地描述的，使用配准夹具1410，目标解剖结构可以与动态参考基座1404相关联，从而允许导航空间中对象的描绘覆盖在解剖结构的图像上。位于远离目标解剖结构的位置的动态参考基座1404可以成为参考点，从而允许从外科区域移除配准夹具1410和/或枢转臂1412。

图20提供了符合本公开的用于配准的示例性方法1500。方法1500从步骤1502开始，其中目标解剖结构的图形表示(或图像)可导入系统100、300 600，例如计算机408。图形表示可以是患者210的目标解剖结构的三维CT或荧光镜扫描，其包括配准夹具1410和基准点1420的可检测成像图案。

在步骤1504处，在成像空间中检测并配准基准点1420的成像图案，并将其存储在计算机408中。任选地，此时在步骤1506处，可将配准夹具1410的图形表示覆盖在目标解剖结构的图像上。

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

在步骤1512处，将配准夹具1410的导航空间(已与图像空间配准)的配准进一步转移到附接到患者固定器械1402的动态配准阵列1404的导航空间。因此，由于导航空间与图像空间相关联，可以移除配准夹具1410并且可以使用动态参考基座1404来跟踪导航空间和图像空间两者中的目标解剖结构。

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

图21A至图21B示出了可与机器人系统100、300、600结合使用以获取患者210的术前、术中、术后和/或实时图像数据的成像装置1304。可使用成像系统1304对任何适当的主题进行成像以用于任何适当的手术。成像系统1304可以是任何成像装置，诸如成像装置1306和/或C形臂1308装置。可能需要从多个不同位置采集患者210的x射线，而无需频繁地手动重新定位患者210(这在x射线系统中可能是必需的)。如图21A所示，成像系统1304可以呈C形臂1308的形式，其包括终止于“C”形状的相对远侧端部1312的细长C形构件。C形构件1130可进一步包括x射线源1314和图像接收器1316。臂的C形臂1308内的空间可为医师提供空间来照顾患者，而基本上不受x射线支撑结构1318的干扰。如图21B所示，成像系统可包括成像装置1306，该成像装置具有台架壳体1324，该台架壳体附接到支撑结构成像装置支撑结构1328，诸如带有轮1332的轮式移动推车1330，其可封闭图像捕获部分(未示出)。图像捕获部分可包括x射线源和/或发射部分和x射线接收和/或图像接收部分，它们可以彼此相距大约一百八十度设置并相对于图像捕获部分的轨迹安装在转子(未示出)上。图像捕获部分可能可操作为在图像采集期间旋转三百六十度。图像捕获部分可围绕中心点和/或轴线旋转，从而允许从多个方向或多个平面中获取患者210的图像数据。尽管本文例示了某些成像系统1304，但是应当理解，本领域的普通技术人员可以选择任何合适的成像系统。

现在转到图22A至图22C，外科机器人系统100、300、600依赖于端部执行器112、602、外科器械608和/或患者210(例如，患者跟踪装置116)相对于期望的外科区域的准确定位。在图22A至图22C所示的实施方案中，跟踪标记118、804刚性地附接到器械608和/或端部执行器112的一部分。

图22A描绘了外科机器人系统100的一部分，其中机器人102包括基座106、机器人臂104和端部执行器112。如本文所述，也可存在未示出的其他元件，诸如显示器、相机等。图22B描绘了端部执行器112的近视图，其中导管114和多个跟踪标记118刚性地固定到端部执行器112。在该实施方案中，多个跟踪标记118附接到导管112。图22C描绘了器械608(在这种情况下，探头608A)，其中多个跟踪标记804刚性地固定到器械608。如本文其他地方所述，器械608可包括任何合适的外科器械，诸如但不限于导丝、套管、牵开器、钻头、铰刀、螺丝刀、插入工具、移除工具等。

当跟踪器械608、端部执行器112或其他要在3D中跟踪的对象时，跟踪标记118、804的阵列可以刚性地附接到工具608或端部执行器112的一部分。优选地，跟踪标记118、804被附接使得标记118、804不碍事(例如，不妨碍外科手术、可见性等)。标记118、804可以被固定到器械608、端部执行器112或例如用阵列612跟踪的其他对象。通常，阵列612使用三个或四个标记118、804。阵列612可以包括线性部段、交叉件，并且可以是不对称的，使得标记118、804相对于彼此处于不同的相对位置和地点。例如，如图22C所示，示出了具有4标记跟踪阵列612的探头608A，并且图22B描绘了具有不同的4标记跟踪阵列612的端部执行器112。

在图22C中，跟踪阵列612用作探头608A的手柄620。因此，四个标记804附接到探头608A的手柄620，该手柄不妨碍轴622和尖端624。对这四个标记804的立体摄影测量跟踪允许器械608作为刚体被跟踪，并且当探头608A在跟踪相机200、326的前面四处移动时，允许跟踪系统100、300、600精确地确定尖端624的位置和轴622的定向。

为了能够自动跟踪一个或多个工具608、端部执行器112或要在3D中跟踪的其他对象(例如，多个刚体)，每个工具608、端部执行器112等上的标记118、804以已知的标记间间距非对称地布置。不对称对准的原因是使得哪个标记118、804对应于刚体上的特定位置以及标记118、804是从前面还是从后面观察(即，镜像)是明确的。例如，如果标记118、804以正方形布置在工具608或端部执行器112上，则系统100、300、600将不清楚哪个标记118、804对应于正方形的哪个角。例如，对于探头608A，哪个标记804最接近轴622将是不清楚的。因此，将不知道轴622正以何种方式从阵列612延伸。因此，每个阵列612以及因此每个工具608、端部执行器112或待跟踪的其他对象应具有唯一标记图案以允许其与其他工具608或被跟踪的其他对象区分开。不对称和唯一标记图案允许系统100、300、600检测单独的标记118、804，然后对照存储的模板检查标记间距，以确定它们代表哪个工具608、端部执行器112或其他对象。检测到的标记118、804然后可以被自动地分类并且以正确的顺序分配给每个被跟踪的对象。在没有该信息的情况下，则不能执行刚体计算以提取关键几何信息，例如，诸如工具尖端624以及轴622的对准，除非用户手动指定哪个检测到的标记118、804对应于每个刚体上的哪个位置。这些概念对于3D光学跟踪方法中的技术人员是公知的。

现在转到图23A至图23D，示出了具有可移动跟踪标记918A至918D的端部执行器912的另选版本。在图23A中，具有可移动跟踪标记918A至918D的阵列示出为处于第一配置，并且在图23B中，可移动跟踪标记918A至918D示出为处于第二配置，其相对于第一配置成角度。图23C示出了图23A的处于第一配置的例如由相机200、326所看到的跟踪标记918A至918D的模板；图23D示出了图23B的处于第二配置的例如由相机200、326所看到的跟踪标记918A至918D的模板。

在该实施方案中，设想了4标记阵列跟踪，其中标记918A至918D并非都相对于刚体处于固定位置，而是例如在测试期间可以调整阵列标记918A至918D中的一个或多个标记，以给出关于正被跟踪的刚体的更新信息，而不中断用于被跟踪的标记918A至918D的自动检测和分类的过程。

当跟踪任何工具(诸如连接到机器人系统100、300、600的端部执行器912的导管914)时，跟踪阵列的主要目的是更新端部执行器912在相机坐标系中的位置。当使用刚性系统时，例如，如图22B所示，反射标记118的阵列612从导管114刚性地延伸。因为跟踪标记118是刚性连接的，所以对相机坐标系中的标记位置的了解还提供了导管114的中心线、尖端和尾部在相机坐标系中的精确位置。典型地，来自此类阵列612的关于端部执行器112的位置的信息和来自另一个被跟踪源的关于目标轨迹的位置的信息被用于计算必须针对机器人102的每个轴线输入的所需移动，该机器人将使导管114移动成与轨迹对准并且沿着轨迹向量将尖端移动到特定位置。

有时，期望轨迹处于难处理的或不可到达的位置，但是如果导管114能够旋转，则其能够到达。例如，如果导管114能够向上旋转超过俯仰(手腕上下角度)轴线的极限，则指向远离机器人102的基座106的非常陡峭的轨迹可能是可到达的，但是如果导管114平行于将其连接到手腕端部的板被附接，则可能是不可到达的。为了达到这样的轨迹，机器人102的基座106可以被移动，或者具有不同导管附件的不同端部执行器112可以与工作端部执行器交换。这两种解决方案可能是耗时且麻烦的。

如图23A和图23B中最佳所见，如果阵列908被配置为使得标记918A至918D中的一个或多个标记不处于固定位置且替代地，标记918A至918D中的一个或多个标记可被调整、旋转、枢转或移动，则机器人102可提供关于正被跟踪的对象的更新信息而不中断检测和跟踪过程。例如，标记918A至918D中的一个标记可被固定在适当位置，而其他标记918A至918D可以是可移动的；标记918A至918D中的两个标记可以被固定在适当位置，并且其他标记918A至918D可以是可移动的；标记918A至918D中的三个标记可以被固定在适当位置，并且另一个标记918A至918D可以是可移动的；或者所有标记918A至918D都可以是可移动的。

在图23A和图23B所示的实施方案中，标记918A、918B直接刚性连接到端部执行器912的基座906，并且标记918C、918D刚性连接到管914。类似于阵列612，可以提供阵列908以将标记918A至918D附接到端部执行器912、器械608或待跟踪的其他对象。然而，在这种情况下，阵列908由多个单独的组件组成。例如，标记918A、918B可利用第一阵列908A连接到基座906，并且标记918C、918D可以利用第二阵列908B连接到导管914。标记918A可以被固定到第一阵列908A的第一端部，并且标记918B可以被分开线性距离并且被固定到第一阵列908A的第二端部。虽然第一阵列908基本上是线性的，但是第二阵列908B具有弯曲或V形配置，其中相应的根端连接到导管914并且从其以V形分叉到远侧端部，其中标记918C在一个远侧端部处并且标记918D在另一个远侧端部处。尽管本文中例示了特定配置，但将了解，涵盖包含不同数目及类型的阵列908A、908B和不同布置、数目及类型的标记918A至918D的其他非对称设计。

导管914可以相对于基座906是可移动的、可旋转的或可枢转的，例如，跨过铰链920或其他到基座906的连接器。因此，标记918C、918D是可移动的，使得当导管914枢转、旋转或移动时，标记918C、918D也枢转、旋转或移动。如在图23A中最佳所见，导管914具有纵向轴线916，该纵向轴线以基本上法向或竖直定向对齐，使得标记918A至918D具有第一配置。现在转到图23B，导管914被枢转、旋转或移动，使得纵向轴线916现在相对于竖直定向成角度，使得标记918A至918D具有不同于第一配置的第二配置。

与针对图23A至图23D描述的实施方案相比，如果在导管914和臂104之间存在转环(例如，手腕附件)，其中所有四个标记918A至918D保持刚性地附接到导管914并且该转环由用户调整，则机器人系统100、300、600将不能自动地检测导管914的定向已经改变。机器人系统100、300、600将跟踪标记阵列908的位置并且将计算不正确的机器人轴线移动，假设导管914以先前的定向被附接到手腕(机器人臂104)。通过将一个或多个标记918A至918D(例如，两个标记918C、918D)刚性地保持在管914上并且将一个或多个标记918A至918D(例如，两个标记918A、918B)保持跨过转环，新位置的自动检测成为可能并且基于对机器人臂104的端部上的新工具或端部执行器112、912的检测来计算正确的机器人移动。

标记918A至918D中的一个或多个标记被配置为根据任何合适的方式被移动、枢转、旋转等。例如，标记918A至918D可通过铰链920(诸如夹具、弹簧、杠杆、滑块、肘节等)或任何其他合适的机构来移动，该其他合适的机构用于单独地或组合地移动标记918A至918D，单独地或组合地移动阵列908A、908B，相对于另一部分移动端部执行器912的任何部分，或相对于另一部分移动工具608的任何部分。

如图23A和图23B所示，阵列908和导管914可以通过简单地松开夹具或铰链920、使阵列908A、908B的一部分相对于另一部分908A、908B移动、以及重新拧紧铰链920而变得可重新配置，使得导管914被定向在不同位置。例如，两个标记918C、918D可以与管914刚性地互连，并且两个标记918A、918B可以跨铰链920刚性地互连到附接到机器人臂104的端部执行器912的基座906。铰链920可以是夹具的形式，诸如蝶形螺母等，其可以被松开和重新拧紧以允许用户在第一配置(图23A)和第二配置(图23B)之间快速切换。

相机200、326检测到例如在图23C和图23D中标识的模板之一中的标记918A至918D。如果阵列908处于第一配置(图23A)且跟踪相机200、326检测到标记918A至918D，则所跟踪的标记匹配阵列模板1，如图23C中所示。如果阵列908为第二配置(图23B)且跟踪相机200、326检测到相同标记918A至918D，则被跟踪的标记匹配阵列模板2，如图23D中所示。阵列模板1和阵列模板2被系统100、300、600识别为两个不同的工具，每个工具在导管914、标记918A至918D和机器人附件之间具有其自己唯一限定的空间关系。因此，用户可以调整端部执行器912在第一配置和第二配置之间的位置，而不通知系统100、300、600该变化，并且系统100、300、600将适当地调整机器人102的移动以停留在轨迹上。

在该实施方案中，存在两个组件位置，其中标记阵列匹配唯一模板，这些唯一模板允许系统100、300、600将组件识别为两个不同工具或两个不同端部执行器。在这两个位置(即，分别在图23C和图23D中示出的阵列模板1和阵列模板2)之间或之外的转环的任何位置，标记918A至918D将不与任何模板匹配，并且系统100、300、600将不检测存在的任何阵列，尽管单独的标记918A至918D被相机200、326检测到，结果与标记918A至918D被暂时阻挡在相机200、326的视野中的情况相同。应当理解，对于其他配置，可以存在其他阵列模板，例如，识别不同器械608或其他端部执行器112、912等。

在所述实施方案中，在图23A和图23B中示出了两个离散组件位置。然而，应当理解，在旋转接头、线性接头、旋转接头和线性接头的组合、钉板或其他组件上可以存在多个离散位置，其中可以通过调整阵列的一个或多个标记918A至918D相对于其他标记的位置来创建唯一标记模板，其中每个离散位置匹配唯一模板并且限定具有不同已知属性的唯一工具608或端部执行器112、912。此外，尽管针对端部执行器912进行了例示，但是应当理解，可移动且固定的标记918A至918D可以与任何合适的器械608或待跟踪的其他对象一起使用。

当使用外部3D跟踪系统100、300、600来跟踪附接到机器人的端部执行器112的三个或更多个标记的全刚体阵列时(例如，如图22A和图22B中所描绘)，可以直接跟踪或计算机器人102的每个部段在相机200、326的坐标系中的3D位置。通过设计获知接头相对于跟踪器的几何定向，并且从机器人102的每个马达的编码器获知接头的线性位置或角位置，从而完全限定从端部执行器112到基座116的所有移动部件的3D位置。类似地，如果跟踪器安装在机器人102的基座106上(未示出)，则同样可以基于来自每个马达的编码器的已知关节几何形状和关节位置来跟踪或计算机器人102的从基座106到端部执行器112的每个部段的3D位置。

在一些情况下，可能期望从少于三个刚性地附接到端部执行器112的标记118跟踪机器人102的所有区段的位置。具体地，如果工具608被引入到导管114中，则可能期望仅利用被跟踪的一个附加标记118来跟踪机器人902的全刚体运动。

现在转到图24A至图24E，示出了仅具有单个跟踪标记1018的端部执行器1012的另选版本。端部执行器1012可类似于本文所述的其他端部执行器，并且可包括沿着纵向轴线1016延伸的导管1014。类似于本文所述的其他跟踪标记，单个跟踪标记1018可刚性地固定到导管1014。该单个标记1018可用于增加缺失的自由度以允许全刚体跟踪的目的和/或可用于充当监视标记以确保关于机器人和相机定位的假设是有效的目的。

单个跟踪标记1018可作为端部执行器1012的刚性延伸部被附接到机器人端部执行器1012，该端部执行器在任何方便的方向上突出并且不会妨碍外科医生的视野。跟踪标记1018可固定到导管1014或端部执行器1012上的任何其他合适位置。当固定到导管1014时，跟踪标记1018可定位在导管1014的第一端部和第二端部之间的位置处。例如，在图24A中，单个跟踪标记1018被示出为安装在狭窄轴1017的端部上的反射球，该狭窄轴从导管1014向前延伸并且纵向定位在导管1014的中点上方和导管1014的入口下方。该位置允许标记1018通常可被相机200、326看见，但也不会妨碍外科医生120的视线或与外科手术附近的其他工具或物体碰撞。另外，在该位置具有标记1018的导管1014被设计成使得被引入到导管1014中的任何工具608上的标记阵列是可见的，同时导管1014上的单个标记1018是可见的。

如图24B所示，当紧密配合的工具或器械608被放置在导管1014内时，器械608被机械地约束在6个自由度中的4个自由度中。即，器械608除了围绕导管1014的纵向轴线1016之外不能沿任何方向旋转，并且器械608除了沿着导管1014的纵向轴线1016之外不能沿任何方向平移。换句话说，器械608仅可沿着导管1014的中心线平移和绕其旋转。如果另外两个参数是已知的，诸如(1)围绕导管1014的纵向轴线1016的旋转角度；以及(2)沿着导管1014的位置，则端部执行器1012在相机坐标系中的位置变成完全限定的。

现在参考图24C，系统100、300、600应当能够知道工具608何时实际定位在导管1014内部而不是在导管1014外部，并且仅在相机200、326的视野中的某处。工具608具有纵向轴线或中心线616以及具有多个被跟踪标记804的阵列612。刚体计算可用于基于阵列612在工具608上的被跟踪位置来确定工具608的中心线616在相机坐标系中位于何处。

从单个标记1018到导管1014的中心线或纵向轴线1016的固定法向(垂直)距离DF是固定的并且在几何上是已知的，并且单个标记1018的位置可以被跟踪。因此，当从工具中心线616到单个标记1018的检测距离DD匹配从导管中心线1016到单个标记1018的已知固定距离DF时，可以确定工具608在导管1014内(工具608和导管1014的中心线616、1016重合)或者恰好在该距离DD匹配固定距离DF的可能位置的轨迹中的某个点处。例如，在图24C中，在由透明工具608在两个位置表示的两个数据帧(被跟踪标记坐标)中，从工具中心线616到单个标记1018的正常检测距离DD匹配从导管中心线1016到单个标记1018的固定距离DF，并且因此，可能需要额外的考虑来确定工具608何时位于导管1014中。

现在转到图24D，编程逻辑可用于寻找跟踪数据帧，其中尽管工具608在空间中相对于单个球体1018移动超过某个最小距离，从工具中心线616到单个标记1018的检测距离DD保持固定在正确长度，以满足工具608在导管1014内移动的条件。例如，可以用工具608在第一位置检测第一帧F1，并且可以用工具608在第二位置(即，相对于第一位置线性地移动)检测第二帧F2。工具阵列612上的标记804可以从第一帧F1向第二帧F2移动超过给定量(例如，总共超过5mm)。即使有该移动，从工具中心线向量C’到单个标记1018的检测距离DD在第一帧F1和第二帧F2中都大致相同。

在逻辑上，外科医生120或用户可以将工具608放置在导管1014内并且将其轻微地旋转或将其向下滑入导管1014中，并且系统100、300、600将能够通过跟踪五个标记(工具608上的四个标记804加上导管1014上的单个标记1018)来检测工具608在导管1014内。已知工具608在导管1014内，可计算限定机器人端部执行器1012在空间中的位置和定向的所有6个自由度。在没有单个标记1018的情况下，即使肯定地知道工具608在导管1014内，也不知道导管1014沿着工具的中心线向量C’位于何处以及导管1014如何相对于中心线向量C’旋转。

强调图24E，存在被跟踪的单个标记1018以及工具608上的四个标记804，可以构建导管1014和工具608的中心线向量C’以及穿过单个标记1018并穿过中心线向量C’的法向向量。该法向向量具有的定向相对于机器人的在手腕远侧的前臂处于已知定向(在该示例中，平行于该区段定向)，并且在特定固定位置与中心线向量C’相交。为了方便起见，可以构建三个相互正交的向量k’、j’、i’，如图24E中所示，限定导管1014的刚体位置和定向。从中心线向量C’构建三个相互正交的向量中的一个向量k’，从法向向量穿过单个标记1018构建第二向量j’，并且第三向量i’是第一向量k’和第二向量j’的向量叉积。当所有关节都处于零时，机器人的相对于这些向量k’、j’、i’的关节位置是已知的并且是固定的，并且因此当机器人处于原始位置时，刚体计算可用于确定机器人的任何部段相对于这些向量k’、j’、i’的位置。在机器人移动期间，如果从跟踪系统检测到工具标记804的位置(当工具608在导管1014中时)和单个标记1018的位置，并且从编码器获知每个关节的角度/线性位置，则可以确定机器人的任何部段的位置和定向。

在一些实施方案中，固定工具608相对于导管1014的定向可能是有用的。例如，端部执行器导管1014可围绕其轴线1016定向在特定位置，以允许加工或植入物定位。尽管从工具608上的被跟踪标记1018获知附接到插入导管1014中的工具608的任何东西的定向，但是在没有导管1014上的附加跟踪标记804(或在其他实施方案中的多个跟踪标记)的情况下，导管1014本身在相机坐标系中的旋转定向是未知的。基于标记1018相对于中心线向量C’的定向，该标记1018基本上提供从-180°到+180°的“时钟位置”。因此，单个标记1018可以提供额外的自由度以允许全刚体跟踪和/或可以充当监视标记以确保关于机器人和相机定位的假设是有效的。

图25是用于将机器人102的端部执行器1012(或本文所述的任何其他端部执行器)导航和移动至期望的目标轨迹的方法1100的框图。机器人端部执行器1012或导管1014上的单个标记1018的另一用途是作为方法1100的一部分，实现自动安全地移动机器人102，而无需将全跟踪阵列附接到机器人102。该方法1100在跟踪相机200、326不相对于机器人102移动(即，它们处于固定位置)时起作用，跟踪系统的坐标系和机器人的坐标系共同配准，并且机器人102被校准使得导管1014的位置和定向可以仅基于每个机器人轴线的编码位置在机器人的笛卡尔坐标系中被准确地确定。

对于该方法1100，跟踪器和机器人的坐标系必须共同配准，这意味着需要从跟踪系统的笛卡尔坐标系到机器人的笛卡尔坐标系的坐标变换。为了方便起见，该坐标变换可以是机器人领域中公知的平移和旋转的4x4矩阵。此类变换化将被称为Tcr，以指代“相机到机器人的变换”。一旦该变换已知，作为每个被跟踪标记的向量形式的x、y、z坐标被接收的任何新跟踪数据帧可以乘以4×4矩阵，并且所得到的x、y、z坐标将处在机器人的坐标系中。为了获得Tcr，当机器人上的全跟踪阵列在机器人坐标系中已知的位置处刚性地附接到机器人时，对其进行跟踪，然后使用已知的刚体方法来计算坐标的变换。显然，当附加标记1018也被读取时，插入到机器人102的导管1014中的任何工具608可以提供与刚性附接的阵列相同的刚体信息。即，仅需要将工具608插入到导管1014内的任何位置并且在导管1014内进行任何旋转，而不需要插入到固定位置和定向。因此，有可能通过将具有跟踪阵列612的任何工具608插入到导管1014中并且读取工具的阵列612加上导管1014的单个标记1018来确定Tcr，同时从每个轴线上的编码器确定导管1014在机器人坐标系中的当前位置。

在图25的方法1100中提供用于将机器人102导航和移动到目标轨迹的逻辑。在进入循环1102之前，假设先前存储了变换Tcr。因此，在进入循环1102之前，在步骤1104中，在机器人基座106被固定之后，存储在机器人静止时插入到导管中的工具的大于或等于一个跟踪数据帧；在步骤1106中，根据该静态数据和先前的校准数据计算机器人导管位置从相机坐标到机器人坐标的变换Tcr。只要相机200、326不相对于机器人102移动，Tcr就应保持有效。如果相机200、326相对于机器人102移动，并且需要重新获得Tcr，则可以使系统100、300、600提示用户将工具608插入到导管1014中，然后自动执行必要的计算。

在方法1100的流程图中，收集的每个数据帧由患者210上的DRB 1404的被跟踪位置、端部执行器1014上的单个标记1018的被跟踪位置以及每个机器人轴线的位置的快照组成。根据机器人的轴线的位置，计算端部执行器1012上的单个标记1018的位置。将该计算出的位置与从跟踪系统记录的标记1018的实际位置进行比较。如果这些值一致，则可以确保机器人102处于已知位置。变换Tcr被应用于DRB 1404的被跟踪位置，使得可以根据机器人坐标系来提供机器人102的目标。然后可以命令机器人102移动以到达目标。

在步骤1104、1106之后，循环1102包括从跟踪系统接收DRB 1404的刚体信息的步骤1108；将目标尖端和轨迹从图像坐标变换到跟踪系统坐标的步骤1110；以及将目标尖端和轨迹从相机坐标变换到机器人坐标(应用Tcr)的步骤1112。循环1102还包括从跟踪系统接收机器人的单个杂散标记位置的步骤1114；以及将单个杂散标记从跟踪系统坐标变换到机器人坐标(应用所存储的Tcr)的步骤1116。循环1102还包括根据正向运动学确定单个机器人标记1018在机器人坐标系中的当前位置的步骤1118。来自步骤1116和1118的信息用于确定步骤1120：来自变换的被跟踪位置的杂散标记坐标是否与小于给定容差的计算坐标一致。如果是，则进行到步骤1122，计算并应用机器人移动到目标x、y、z和轨迹。如果否，则进行到步骤1124，停止并且在进行之前需要将全阵列插入到导管1014中；阵列被插入后的步骤1126，重新计算Tcr；以及然后继续重复步骤1108、1114和1118。

该方法1100具有优于省略了对单个标记1018的连续监测以验证位置的方法的优点。在没有单个标记1018的情况下，仍然可以使用Tcr确定端部执行器1012的位置并且将端部执行器1012发送到目标位置，但是将不可能验证机器人102实际上处在预期位置。例如，如果相机200、326已被撞击且Tcr不再有效，则机器人102将移动到错误位置。因此，单个标记1018提供关于安全性的价值。

对于机器人102的给定固定位置，理论上可以将跟踪相机200、326移动到其中单个被跟踪标记1018保持不移动的新位置，因为该标记是单个点而不是阵列。在这种情况下，系统100、300、600将不会检测到任何错误，因为在单个标记1018的计算位置和被跟踪位置中存在一致。然而，一旦机器人的轴线导致导管1012移动到新的位置，计算位置和被跟踪位置将不一致，并且移动将是有效的。

例如，术语“监视标记”可用于指相对于DRB 1404处于固定位置的单个标记。在这种情况下，如果DRB 1404被撞击或以其他方式离开原位，则监视标记的相对位置改变并且可以警告外科医生120导航可能存在问题。类似地，在本文所述的实施方案中，通过机器人的导管1014上的单个标记1018，系统100、300、600可连续地检查相机200、326是否已相对于机器人102移动。如果跟踪系统的坐标系到机器人的坐标系的配准丢失，诸如由于相机200、326被撞击或出现故障或者由于机器人故障，则系统100、300、600可以警告用户并且可以进行校正。因此，该单个标记1018也可以被认为是机器人102的监视标记。

应当清楚，利用永久安装在机器人102上的全阵列(例如，图16A至图16C中所示出的端部执行器602上的多个跟踪标记702)，不需要单个标记1018作为机器人监视标记的此类功能，因为不要求相机200、326相对于机器人102处于固定位置，并且基于机器人102的被跟踪位置在每一帧处更新Tcr。使用单个标记1018而不是全阵列的原因在于，全阵列更庞大且更突出，从而比单个标记1018更多地阻挡外科医生对术野208的观察和接近，并且到全阵列的视线比到单个标记1018的视线更容易被阻挡。

现在转到图26A至图26B和图27A至图27B，器械608诸如植入物保持器608B、608C被描绘为包括固定跟踪标记804和可移动跟踪标记806两者。植入物保持器608B、608C可具有手柄620和从手柄620延伸的外轴622。轴622可基本上垂直于手柄620定位，如图所示，或以任何其他合适的定向定位。内轴626可延伸穿过在一端具有旋钮628的外轴622。植入物10、12在植入物保持器608B、608C的尖端624处使用本领域技术人员已知的典型连接机构在另一端连接到轴622。旋钮628可被旋转，例如以扩张或铰接植入物10、12。美国专利8,709,086号和8,491,659号描述了可扩张融合装置和安装方法，这些专利以引用的方式并入本文中。

当跟踪工具608(例如植入物保持器608B、608C)时，跟踪阵列612可包含固定标记804和一个或多个可移动标记806的组合，一个或多个可移动标记构成阵列612或以其他方式附接到植入物保持器608B、608C。导航阵列612可包括至少一个或多个(例如，至少两个)固定位置标记804，其相对于植入物保持器器械608B、608C以已知位置定位。这些固定标记804将不能相对于器械几何形状在任何定向上移动，并且在限定器械608在空间中的位置方面将是有用的。另外，存在至少一个标记806，其可附接到阵列612或能够相对于固定标记804在预定边界内移动(例如，滑动、旋转等)的器械本身。系统100、300、600(例如，软件)将可移动标记806的位置与植入物10的特定位置、定向或其他属性(诸如图26A至图26B中所示的可扩张椎体间间隔物的高度或图27A至图27B中所示的铰接椎体间间隔物的角度)相关。因此，系统和/或用户可以基于可移动标记806的位置确定植入物10、12的高度或角度。

在图26A至图26B所示的实施方案中，四个固定标记804用于限定植入物保持器608B，并且第五可移动标记806能够在预定路径内滑动以提供关于植入物高度(例如，收缩位置或扩张位置)的反馈。图26A示出了处于其初始高度的可扩张间隔件10，并且图26B示出了处于扩张状态的间隔件10，其中可移动标记806平移到不同位置。在这种情况下，当植入物10扩张时，可移动标记806移动更靠近固定标记804，尽管预期这种移动可以是相反的或不同的。标记806的线性平移的量将对应于植入物10的高度。尽管仅示出了两个位置，但是可以将其作为连续函数，由此任何给定的扩张高度可以与可移动标记806的特定位置相关。

现在转到图27A至图27B，四个固定标记804用于限定植入物保持器608C，并且第五可移动标记806被配置为在预定路径内滑动以提供关于植入物铰接角度的反馈。图27A示出了处于其初始线性状态的铰接间隔件12，并且图27B示出了处于成某个偏移角度的铰接状态的间隔件12，其中可移动标记806平移到不同位置。标记806的线性平移的量将对应于植入物12的铰接角度。尽管仅示出了两个位置，但是可以将其作为连续函数，由此任何给定的铰接角度可以与可移动标记806的特定位置相关。

在这些实施方案中，可移动标记806连续地滑动以基于位置提供关于植入物10、12的属性的反馈。还考虑到可移动标记806必须处于的离散位置，该离散位置也能够提供关于植入物属性的进一步信息。在这种情况下，所有标记804、806的每个离散配置与植入物保持器608B、608C和植入物10、12在特定定向或特定高度的特定几何形状相关。另外，可移动标记806的任何运动可用于任何其他类型的被导航植入物的其他可变属性。

尽管关于可移动标记806的线性移动进行了描绘和描述，但可移动标记806不应限于仅滑动，因为可能存在标记806的旋转或其他移动可用于提供关于植入物10、12的信息的应用。该组固定标记804和可移动标记806之间的任何相对位置变化可以是植入物10、12或其他装置的相关信息。此外，尽管例示了可扩张和铰接植入物10、12，但器械608可与其他医疗装置和材料一起工作，诸如间隔件、笼、板、紧固件、钉、螺钉、杆、销、线结构、缝线、锚定夹、缝钉、支架、骨移植物、生物制品等。

根据本发明的原理，系统420被提供用于将来自成像空间中的被导航成像装置10的患者图像配准到相机空间中的实际患者解剖结构，而不使用嵌入在图像中的任何不透射线基准点。本发明的一般实施方案包括术中成像系统10、导航和/或机器人引导系统100以及成像传送和数据跟踪装置(I/O)42、52。

术中成像系统10能够：(1)捕获三维(3D)图像(例如，CT、CBCT、MCT、PET、血管造影、MRI、超声等)，(2)捕获二维(2D)图像(例如，荧光透视、数字放射摄影、超声等)，以及(3)包含具有跟踪标记(例如，NIR回射的、NIR LED、可见的等)的集成或可拆卸导航阵列68，其被校准到2D和3D图像的图像空间。

导航和/或机器人引导系统100能够：(1)使用配准的2D和/或3D图像用于各种工作流程(例如，术中3D、术中2D、术前3D至2D以及术中3D至2D等)中的外科计划、导航和引导，(2)包含能够跟踪标记116、68、702、612、804(例如，NIR回射的、NIR LED、可见的等)的集成的或可拆卸的立体跟踪相机200。

患者参考阵列(DRB 116)(1)能够刚性地附着到患者解剖结构，并且(2)包含跟踪标记(例如，NIR回射的、NIR LED、可见的等)的阵列。

连接在成像系统10和导航系统100之间的成像传送和数据跟踪装置(I/O)42、52(例如，有线数据传送、无线数据传送、经由便携式存储装置的数据传送等)(1)能够传送完整的患者配准信息和相关联的图像，以及(2)能够基于图像的发送者(术中成像系统)和图像的接收者(导航和/或机器人引导系统)的系统类型兼容性来识别和建立唯一的点对点连接。

移动台架的马达66、67、102具有编码器，这些编码器跟踪内C形臂70和外C形臂72的位置，并且因此跟踪检测X射线透射的探测器面板的位置。具体地，系统跟踪俯仰(彩虹)、滚动(倾斜)、甚至偏航(使用使竖直轴59旋转的马达中的编码器)。另选地，单独的跟踪阵列可以在已知位置处被附接到x射线发射器或探测器面板以跟踪探测器位置。

在如图28所示的实施方案中，使用变换矩阵、特别是齐次变换矩阵T来执行配准，如下所述，尽管可以使用任何其他处理方法。

如本文所使用，齐次变换矩阵T具有表示两个刚体之间的三维几何定位的四行和四列，其示例在下面示出。

在该矩阵T内编码的是相对旋转/定向和位置/平移。定向被表示为由三行和三列组成的旋转矩阵，如上所示，每个列定义围绕x、y和z轴的旋转并且由具有x、y和z分量的三维相互正交的单位向量组成。相对位置/平移被表示为由这两个主体的x、y和z分量(如以上用“px”、“py”和“pz”所示)组成的三维向量。[0,0,0,1]的最后一行是任选行，并且用于简化数学函数以允许单个矩阵运算中的整个变换(旋转和平移两者)。然后可以使用该变换矩阵T来完全定义在三维空间中的两个主体之间的三维姿态(位置和定向)的移位。

假设在空间中存在两个相似的物体(物体A和物体B)或者同一物体的两个位置(位置A和位置B)。定义从B的姿态相对于A的姿态的移位的齐次变换T可以被表示为A_X_B。如果存在第三个物体或位置C且其相对于B的姿态被定义为B_X_C，则可通过将这两个变换相乘在一起来计算C相对于A的姿态：A_X_B*B_X_C＝A_X_C。

在导航外科手术中的配准的背景下，一个目的可以被定义为计算患者与由成像装置10拍摄的图像IM之间的齐次变换T。对于患者姿态，可使用DRB 116，因为其牢固地附接到患者。因此，患者与图像IM之间的变换可以表示为“DRB_X_IM”，即，定义成像时DRB 116相对于X射线图像IM的位置和定向的相对位置和定向的变换。

如先前所讨论的，DRB 116包括图像跟踪标记的阵列并且充当表示患者的坐标系的光学跟踪器。图像IM是由成像系统10(诸如可在宾夕法尼亚州奥杜邦的Globus医疗公司(Globus Medical,Inc.)获得的Excelsius3D(下文称为“E3D”))捕获的图像的坐标系统。图像IM可以是3D扫描(例如，CT扫描或MRI)或2D荧光透视/放射摄影拍摄。

在以上介绍了刚体之间的齐次变换T的情况下，现在将描述将成像空间中的患者图像IM配准到物理空间中的物理患者的方法，优选地不使用嵌入在患者图像中的任何不透射线基准点。

DRB_X_Image是DRB的坐标系的原点与图像的坐标系的原点之间的变换。在定义医学图像的坐标系的位置和方向性方面存在许多不同的标准。例如，可以使用LPS(左、后、上)标准，其将原点放置在图像空间的前、下、患者右拐角处。该3D坐标系的轴线从原点向后、向上和朝患者左侧指向(因此为LPS速记)。

该DRB_X_Image变换(变换C)因此产生经由物理空间中的患者参考阵列DRB 116的患者物理坐标系与嵌入图像空间中的图像IM中的患者虚拟坐标系之间的相对姿态。这被定义为“患者配准”。该变换过程允许外科机器人系统100在3D扫描/2D拍摄上虚拟地跟踪工具，并且还向机器人臂104和端部执行器112提供导航引导，以基于虚拟图像IM空间中的轨迹计划知道相对于患者在何处移动。在捕获图像IM时由成像系统10的处理器自动计算该配准。

为了计算DRB_X_Image(变换C)，在拍摄图像IM时计算几个中间变换(变换A和B)。跟踪装置200(相机系统)包括与图2的系统40类似的计算系统，并且能够跟踪安装到台架安装件58的DRB 116和E3D阵列68两者的光学跟踪标记(为了变换符号的目的，表示为“E3D”)，并且收集它们相对于相机的相对姿态：DRB_X_Camera和E3D_X_Camera。E3D_X_Camera可以被反转(矩阵求逆的数学运算)以产生Camera_X_E3D。将这两个矩阵相乘得到：DRB_X_Camera*Camera_X_E3D＝DRB_X_E3D。该变换(变换A)DRB_X_E3D因此表示E3D 68相对于DRB116的姿态。

还计算第二变换(变换B)E3D_X_Image。E3D_X_Image通过两重运算获得：E3D_X_Detector 76和Detector_X_image(“Detector”表示E3D上的X射线探测器面板76的坐标系)。

从E3D 10的运动学配置计算E3D_X_Detector。这在本质上是机械的，并且表示E3D阵列68和探测器面板76之间的几何配置。探测器面板76相对于阵列68的位置和定向从来自马达66、67、102中的编码器以及台架安装件58和台架56中的其他马达的信息导出。另选地，可以使用安装到探测器面板76或X射线发射器74的单独光学阵列夹具。

Detector_X_Image是从图像构建过程收集的，并且是X射线探测器/发射器的布局以及成像装置10如何构建所得图像的属性。将这两个变换相乘得到：E3D_X_Detector*Detector_X_Image＝E3D_X_Image(变换B)。

为了计算总体患者配准，将两个先前计算的变换DRB_X_E3D(变换A)和E3D_X_Image(变换B)相乘在一起以产生：DRB_X_E3D*E3D_X_Image＝DRB_X_Image(变换C，其表示总体患者配准变换)。

在将E3D_X_Detector确定为导出变换B的一部分时，成像装置10可能需要被校准，因为C形臂根据它们的定向以不同的量弯曲。当E3D 10将台架70倾斜到非零角度时，由于重力在台架上向下拉动，台架有一定量的机械弯曲。这种弯曲可能导致E3D_X_Detector变换中的微小差异，因为这两个机械零件的运动学配置改变(在一些情况下为大约几毫米)。弯曲的量取决于系统本身以及所使用的台架倾斜程度。因此，针对每个单独的系统10并且在台架倾斜和转子角度的网格上完成该校准过程。该校准过程涉及具有嵌入的不透射线基准点418(例如，BB)的不透射线的校准夹具416，其在X射线下是可见的。夹具416在一侧还具有光学标记420，其对于相机200是可见的，从而产生Fixture_X_Camera变换。基准点418相对于夹具416上的标记420的位置是基于夹具本身的制造的已知变换。该变换本质上是机械的，并且产生BBs_X_Fixture。将这两个变换相乘得到：BBs_X_Fixture*Fixture_X_Camera＝BBs_X_Camera。由于E3D(或其阵列68)相对于相机200的位置(E3D_X_Camera)是已知的，因此BBs_X_Camera变换可被反转并且可计算下式：E3D_X_Camera*Camera_X_BBs＝E3D_X_BBs。该E3D_X_BBs变换表示夹具BB 416相对于E3D阵列68的真实弯曲补偿的物理姿态。

当用E3D 10拍摄校准夹具416的X射线图像/CT扫描时，不透射线BB 416出现在图像中。它们在图像内的位置可以利用图像处理算法来检测。将该定位与已知的E3D_X_Image组合产生：E3D_X_Detector*Detector_X_Image*Image_X_DetectedBBs＝E3D_X_DetectedBBs。该E3D_X_DetectedBBs变换表示遵循计算的配准路径的BB 418相对于E3D阵列68的所检测物理姿态，因此包含经由E3D_X_Detector变换的潜在错误。

现在存在表示BB 418与E3D阵列68之间的相同物理姿态的两个变换：E3D_X_BB和E3D_X_DetectedBBs。E3D_X_BBs表示真实姿态(控制值)，并且E3D_X_DetectedBBs表示所检测的潜在易错姿态。分析E3D_X_BBs和E3D_X_DetectedBBs之间在定向和平移两个方面的差异。该差异被存储在成像装置10的存储器中作为要被应用于E3D_X_Detector的偏移，以考虑由重力引起的机械弯曲。该偏移确保E3D_X_BBs和E3D_X_DetectedBBs将具有相同的所得变换，从而确保在患者配准过程中利用E3D_X_Detector变换的充足准确性。

该校准过程跨台架56的倾斜和转子角度的大组合完成，并且优选地对于每个单独的系统10分别完成。偏移校准数据被存储在系统10的存储器上并且在完成配准过程时被利用，从而确保计算的DRB_X_Image患者配准变换的准确性。

作为示例，在校准过程期间，系统10以特定俯仰角度每旋转10度就拍摄校准框架/夹具416的图像，这意味着拍摄36个图像。以高10度的俯仰重复相同的过程。因此，总共拍摄1,296张图像以校准C形臂并进行存储。当成像系统10用于以不同于10度增量的角度对实际患者成像时，间隔10度的两个周围校准数据之间的插值用于在运行中微调校准数据，并且用于确定患者配准变换，该患者配准变换已经针对特定位置和定向处的台架56的机械弯曲被进行了补偿。

在一个实施方案中，对于2D校准，E3D_X_FocalSpot(发射器/成像装置10的焦点)和E3D_X_Detector(成像装置的探测器面板)被存储在存储器中。对于给定的采集图像，使用相机模型来计算焦点和探测器面板相对于对标记68进行成像的E3D 10的位置。针对一系列倾斜角度和彩虹角度确定这些校准位置，并将其存储在存储器/文件中以供将来使用。在使用期间，捕获期望的配准位置并且确定边界校准点。将存在四个拐角。焦点和探测器面板变换被球面地双线性内插到所得到的焦点和探测器位置，并且这些用于计算由导航/机器人系统100使用的4x4投影矩阵。

在一个实施方案中，对于3D校准，E3D_X_image3D(3D图像)以一系列倾斜角度变换并存储在存储器/文件中以供将来使用。在使用期间，捕获期望的配准位置并且确定边界校准点。将存在两个校准变换。这些变换将被球形地内插以创建当前位置的期望E3D_X_image3D变换。这是从成像装置发送到导航/机器人系统100的配准信息(由成像装置10计算)。

图29是将成像空间中的患者的术中3D图像配准到物理空间中的物理患者的方法的流程图，优选地在图像中不使用任何嵌入的不透射线基准点。该方法不需要用于患者配准目的的任何术前图像。

除非另有说明，图29的步骤和其他图中的所有其他流程图主要由成像装置10的成像控制模块54执行。

在步骤422中，将患者210定位在手术台上，并且将具有患者跟踪标记118的阵列的动态参考基座(“DRB”)116牢固地附接到患者解剖结构(例如，附接到患者的盆骨)。

在步骤424中，成像系统10被定位在手术区域内，使得相机200对于DRB 116和在台架安装件58的任一侧的成像跟踪标记68的阵列具有良好的可见性。

在步骤426中，机器人系统100的跟踪系统/处理器532开始从来自相机200的光学图像中所包含的成像跟踪标记68连续跟踪成像装置10的校准姿态(即，位置和定向)。

在步骤428中，机器人系统100的跟踪系统532也开始经由DRB 116连续跟踪患者姿态。

一旦通过机器人系统的I/O建立了机器人系统100到成像装置10的连接，机器人系统的处理器408就开始通过通信链路52向成像装置10发送相机帧数据，其包含在相机空间中从成像跟踪标记68到DRB 116的相对位置(例如，成像装置10和DRB 116的连续跟踪数据)。相机200使用可见的任何参考阵列68(台架安装件58两侧的左阵列或右阵列)。

在步骤430中，在相机200跟踪DRB 116和成像跟踪标记68的同时，由成像装置10捕获感兴趣的患者解剖结构的3D图像。如之前所讨论的，成像装置10能够旋转内c形臂70和外c形臂72，从而以完全360度旋转对患者成像。例如，成像装置执行全3D x射线CT扫描，然后基于公知的CT转换过程将其转换为3D图像或图像体积，其中，由处理器46处理从围绕患者解剖结构的不同角度拍摄的一系列X射线图像，以创建患者解剖结构的一系列横截面切片。该系列横截面切片作为DICOM(医学中的数字成像和通信)文件存储在存储器中，该DICOM文件包含头文件和一系列图像数据，每个图像数据典型地表示对应的横截面切片。

在步骤432中，如上所述，配准从步骤430获得的3D图像。具体地，通过将变换A和变换B相乘来导出由变换C表示的DRB_X_Image。从机器人系统100接收各种变换所需的跟踪数据，并将其存储在存储器44中以供配准算法使用。

如上文所讨论的，变换C表示经由由相机200看到的物理空间中的患者参考阵列DRB 116的患者的物理坐标系与嵌入图像空间中的图像IM中的患者的虚拟坐标系之间的相对姿态。然后，将变换C数据嵌入表示患者解剖结构的3D图像的DICOM文件的私有标签/头部段中。

在步骤434中，将DICOM文件形式的配准的3D图像(变换C)从成像装置10传送到机器人系统100，该DICOM文件在头部中包含配准信息。

然后，机器人系统100中的软件从3D图像中提取患者参考扫描变换(变换C)，将其存储在存储器中，并在相对于DRB 116跟踪其他外科器械阵列时将其用于导航，因为机器人系统使用变换C知道器械在图像空间中的位置。

在步骤436中，现在可以从手术区域移除成像装置10。在步骤438中，机器人系统100使用所配准的3D图像进行导航和机器人外科手术。例如，机器人系统100可以移动端部执行器(其也被相机200通过标记702跟踪)以沿着用于插入骨螺钉的选定轨迹放置端部执行器。机器人系统100还可以在显示器上显示配准的3D图像并且在端部执行器移动时操纵显示的图像。系统100还显示计划的器械轨迹，以及光学跟踪的外科器械608和端部执行器112/114的动态更新的轨迹，以及被跟踪器械的虚拟表示，所有这些都叠加在显示的3D图像和其他显示的2D图像(A/P、横向和轴向)上。此外，系统100还可以显示3D医学图像的任何数量的2D视图，诸如例如，A/P、横向和轴向视图，其是模拟荧光透视拍摄(例如，DRR图像)或已经通过图像处理从3D图像生成的平面切片。

机器人系统100还可以显示被跟踪的外科器械，该外科器械被叠加在显示的3D图像上以帮助医师可视化。

机器人系统还可以在显示器上显示各种图像以帮助医师。例如，可以同时显示四个不同的图像，包括Ap、横向、轴向和探头的眼(3D)图像。表示骨在计划轨迹的点处的水平切片的视图的轴向视图(DRR图像或切片图像)是特别有用的，并且可以通过从3D图像合成在正确定向处的正确切片或DRR图像来生成。

在步骤439中，机器人系统100检测到配准受到损害。例如，如果从监视标记到DRB116的距离改变超过阈值量，则此类损害可以被检测到。然后，重复步骤424至438以重新配准患者。

图30是将成像空间中的患者的术中3D图像配准到物理空间中的物理患者并且恢复3D图像与术中2D图像的配准的方法的流程图，优选地在图像中不使用任何嵌入的不透射线基准点。

图30的配准术中3D图像的步骤422至439与图29中的步骤相同。一旦在步骤439中检测到配准丢失，则由成像装置10的处理器46执行步骤440。

在步骤440中，成像系统10被带出并且被定位在手术区域内，使得相机200对于DRB116和在台架安装件58的任一侧的成像跟踪标记68的阵列具有良好的可见性。

在步骤442中，机器人系统100的跟踪系统/处理器532开始从来自相机200的光学图像中所包含的成像跟踪标记68连续跟踪成像装置10的校准的姿态(即，位置和定向)。

在步骤444中，机器人系统100的跟踪系统532也开始经由DRB 116连续跟踪患者姿态。

一旦通过机器人系统的I/O建立了机器人系统100到成像装置10的连接，机器人系统的处理器408就开始通过通信链路52向成像装置10发送相机帧数据，其包含在相机空间中从成像跟踪标记68到DRB 116的相对位置(例如，成像装置10和DRB 116的连续跟踪数据)。相机200使用可见的任何参考阵列68(台架安装件58两侧的左阵列或右阵列)。

在步骤446中，由成像装置10捕获在感兴趣的患者解剖结构的两个不同定向(诸如A/P和横向)处的一组2D图像。这些图像可以由用户手动拍摄或者由成像装置10自动拍摄，该成像装置将第二图像从第一图像旋转预先选定的角度，诸如90度。

对于每个图像，执行上面讨论的变换(变换A、B和C)，使得图像空间中的每个图像被配准到患者坐标系中的物理患者，如以DRB 116的形式表示的。

可以以几种不同的方法执行每个图像的配准。在第一种方法中，使用临时安装到荧光夹具(图像增强器或平板)的荧光夹具跟踪成像装置10。在2016年9月16日提交的美国专利申请15/267,950号(专利10,799,298号)中公开了荧光夹具2100的一个示例，该专利申请被并入本文。该夹具具有BB的两个平面，允许荧光图像被处理，使得成像装置10的荧光x射线发射器的被跟踪位置可以从荧光收集器的被跟踪位置准确地外推，并且由此准确地外推成像空间中的图像IM位置。

在该方法的另一变型中，优选地利用例如成像跟踪标记68以及发射器和收集器的位置来光学地跟踪成像装置，并且由此使用如上所述的变换(变换A、B和C)来准确地外推图像IM。

对于每个图像，在跟踪成像跟踪标记68的位置的同时，安装在患者上的DRB 116的位置由同一光学跟踪系统200同时跟踪，使得成像空间中的图像位置与表示患者的物理空间的DRB 116坐标系相关。换句话说，对于每个图像，如上所述计算变换C，并且该图像被存储为DICOM文件，该DICOM文件具有包含相关联的配准信息的头部。

在步骤446中，DICOM文件通过通信链路52被发送到外科机器人系统100以用于进一步处理。如可以理解的，用于2D图像的DICOM文件包括间隔信息，该间隔信息包括一个2D图像相对于另一个2D图像的角度和偏移(位移)，该信息可以稍后用于合并操作。

在步骤450中，现在可以从手术区域移除成像装置10。

步骤452由机器人系统100的计算机408中的处理器执行。在步骤452中，将配准的2D图像与在步骤430中获得的3D图像合并。

在一种合并方法中，从3D图像创建被称为数字重建射线照片或DRR的模拟荧光拍摄。每个DRR图像表示通过图像处理人工或合成创建的荧光透视图像，其基于理论荧光机器相对于扫描体积的特定定向和位置。在从CT扫描体积导出3D图像的情况下，通过计算由从CT体积的一侧上的点源(发射器)通过发散路径到另一侧上的平面(收集器)的穿过CT扫描体积的射线所交叉和累积的像素强度来生成DRR图像。任选地，可以用高通滤波器处理DRR图像、2D图像或3D图像体积以增强骨边界周围的对比度。

在每次比较时，两个DRR图像以选定角度生成并且彼此偏移。选定角度和偏移基于在步骤446中用于捕获两个2D图像(A/P和横向)的已知(被跟踪)角度和偏移。以这种方式，两个生成的DRR图像可以通过图像处理算法同时与两个2D图像进行比较。如果DRR图像和2D图像上的图像内容(骨边缘的对比度梯度)在给定阈值内的任何地方都不匹配，则稍微修改3D图像相对于来自2D图像的x射线收集器和发射器的固定位置的理论位置和定向，并且生成两个新的DRR图像。

当生成新的DRR图像时，相对于理论x射线收集器和发射器的固定位置轻推(位置和定向的增量变化)3D图像体积的方向和角度基于先前轻推(增量变化)是否导致DRR图像的图像内容相对于实际2D荧光透视图像的改进或恶化偏移。

一旦对3D图像体积相对于理论x射线收集器和发射器的固定位置的定向和位置的进一步微调不再提供2D图像内容与DRR图像的更好匹配，迭代就停止。

在另选实施方案中，使用两步过程来执行匹配，由此使用上述合并方法将两个2D图像中的一个图像与特定DRR图像匹配，然后使用上述合并方法将两个2D图像中的另一个图像进行匹配。

一旦已知理论发射器和收集器相对于图像体积(3D图像)的位置，则实现配准，因为理论发射器和收集器位置向DRB 116空间中的实际发射器和收集器的已知被跟踪位置提供了成像空间(例如，CT空间)中的对应位置。因此，恢复3D图像的配准，并且将配准信息存储在机器人系统100的存储器中。

在另选的合并方法中，当在步骤446中使用具有成像跟踪标记的超声换能器而不是成像装置10来捕获2D图像时，从3D图像体积创建模拟2D超声图像。每个2D超声图像表示来自相对于3D体积保持在特定位置的理论超声成像机头的人工或合成创建的超声图像。在从CT扫描体积导出的3D图像的情况下，通过计算由来自超声源(发射器)、从不同类型的组织(骨、软组织、血液)反射并且由超声接收器监测的穿过CT扫描体积的声波所交叉和累积的像素强度来生成合成2D超声图像。任选地，可以用高通滤波器处理模拟2D超声图像、3D图像体积或两者以增强骨边界周围的对比度。

在每次比较时，以选定角度并且彼此偏移地生成两个模拟超声图像。选定角度基于在步骤446中用于捕获两个2D跟踪超声图像(A/P和横向)的角度和偏移。以这种方式，可以通过图像处理算法同时将两个模拟2D超声图像与两个实际2D超声图像进行比较。如果模拟图像和实际图像上的图像内容(骨边缘的对比度梯度)在给定阈值内的任何地方都不匹配，则稍微修改3D图像体积相对于来自2D图像的理论超声机头的固定位置的理论位置和定向，并且生成两个新的模拟2D超声图像。

当生成新的2D模拟超声图像时，相对于理论超声机头的位置轻推(位置和定向的增量变化)图像体积的方向和角度是基于先前轻推(增量变化)是否导致2D模拟超声图像的图像内容相对于2D实际超声图像的改进或恶化偏移。

一旦对图像体积定向和位置的进一步微调不再提供实际2D超声图像内容与模拟2D超声图像的更好匹配，迭代就停止。如上所述使用超声换能器来生成2D图像可以用作使用成像装置10的任何配准或配准恢复过程中的另选方法。

在步骤454中，机器人系统100使用配准的3D图像(具有恢复的配准的3D图像)用于导航和机器人外科手术，诸如用于控制其臂104和端部执行器112以及显示器110的内容。类似于步骤438，处理器/计算机408在显示器304上显示配准的3D图像和两个2D图像(A/P和横向)以及计划的器械轨迹、被光学跟踪的外科器械608和端部执行器112/114的动态更新的轨迹、以及被跟踪器械的虚拟表示，所有这些都被叠加在显示的3D和2D图像上。

在步骤456中，机器人系统100再次检测到配准受到损害。如果是，则控制返回到步骤440，并且仅需要2D图像来重新配准3D图像，而不需要对患者的另一次全3D扫描。

图31是将成像空间中的患者的术前3D图像配准到物理空间中的物理患者并且恢复3D图像与术中2D图像的配准的方法的流程图，优选地在图像中不使用任何嵌入的不透射线基准点。

步骤458，在手术之前由成像装置10捕获感兴趣的患者解剖结构的3D图像。例如，成像装置10可以执行全3D X射线CT扫描，然后基于公知的CT转换过程将其转换成3D图像或图像体积。然后将3D图像作为DICOM文件存储在存储器中。

为了简洁起见，省略了对具有与先前附图中相同的附图标记的步骤的讨论。

在步骤456中，机器人系统100检测到配准已受到损害。如果是，则控制进行到步骤424，使得可以仅使用两个2D图像(例如，A/P和横向)来恢复配准，并且将它们合并到术前3D图像，而不进行对患者的另一次全3D扫描，从而减少总手术时间并且减少对于患者的有害x射线暴露。

图32是将成像空间中的患者的术中2D图像配准到物理空间(如由如图28中所示的相机/光学空间表示)中的物理患者并且恢复2D图像与另一组术中2D图像的配准的方法的流程图，优选地在图像中不使用任何嵌入的不透射线基准点。

当没有可用的3D成像系统时，该方法可以是有用的。图32中的步骤422至428和446至454与其他图中那些的相同。

作为步骤454的一部分，处理器/计算机408在显示器304上显示配准的2D图像(A/P和横向)以及被光学跟踪的外科器械608和端部执行器112/114的动态更新的轨迹和被跟踪器械的虚拟表示。

在步骤456中，由机器人系统100检测配准的损害。如果是，则控制进行到步骤424，其中通过执行变换A、B和C从成像装置10获得并配准两个附加2D图像，变换C最终表示成像空间中的2D图像与相机200空间(物理患者坐标系)中的DRB 116之间的配准信息。

然而，如本领域普通技术人员可以理解的，仅基于显示在显示器304上的两个2D图像进行导航可能不是容易的。作为其中不存在对3D成像装置的访问的图32的方法的替代方案，可以从通用模型诸如Atlas模型合成地创建3D图像。

图33是基于患者的术中2D图像配准合成创建的3D图像的方法的流程图，优选地在图像中不使用任何嵌入的不透射线基准点。图像处理技术(诸如统计形状建模和人工智能或机器学习模型技术)可以用于使用来自患者的2D图像(例如，A/P和侧面)来定制通用模型。因此，在步骤448之后，机器人系统100在步骤460中基于通用模型和2D图像生成合成创建的3D图像。一种方式是基于2D图像来拉伸和压缩通用3D模型。在此之前，可以处理2D图像以进行分割，从而识别每个椎骨水平和它们的公知点。

在步骤452中，将配准的2D图像与在步骤460中获得的定制3D图像合并，然后在显示器304上显示除了两个2D图像之外的配准的合成3D图像。以那种方式，使用被显示并叠加在显示的3D和2D图像上的被跟踪器械、其轨迹和端部执行器的导航可以更容易可视化并且更准确。

另选地，步骤460和452被同时或以相反的顺序执行，因为一旦通用3D模型已经被定制，定制模型的姿态将已经被同步到2D图像。在那种情况下，配准步骤简单地是将3D图像姿态信息(与2D图像的定向相匹配的信息)转换成可以由外科机器人系统100使用的形式的问题。

根据前述说明书，本发明的这些和其他优点对于本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的广泛发明构思的情况下，可以对上述实施方案进行变化或修改。因此，应当理解，本发明不限于本文所述的特定实施方案，而是旨在包括在权利要求所限定的本发明的范围和精神内的所有变化和修改。

Claims (10)

1.一种用于恢复3D图像体积的配准的系统，所述系统包括：

便携式成像系统，所述便携式成像系统具有成像跟踪标记阵列(ITMA)；

动态参考基座(DRB)，所述动态参考基座包括患者跟踪标记并且可附接到患者；

跟踪装置，所述跟踪装置被配置为同时跟踪所述ITMA和所述DRB两者的位置和定向；

外科机器人，所述外科机器人被配置为辅助所述患者的外科手术并且与所述成像系统通信，所述外科机器人包括基座、耦接到所述基座的机器人臂和耦接到所述机器人臂的端部执行器；

处理器，所述处理器可操作以控制所述机器人臂和所述端部执行器的移动，并且适于检测所述3D图像体积到所述患者的配准的损害，并且如果检测到损害，则在所述检测之后执行以下操作：

接收不同定向处的第一2D图像和第二2D图像，所述第一2D图像和所述第二2D图像已经由所述成像系统在术中捕获；

在图像捕获时从所述跟踪装置接收所述患者的对应光学图像，所述光学图像包含所述ITMA和所述DRB；

使用从所述成像系统捕获的图像和包含所述ITMA和所述DRB的所述光学图像将所述第一2D图像和所述第二2D图像配准到所述患者；

将所述第一2D图像和所述第二2D图像与从所述3D图像体积生成的对应模拟2D图像匹配；

基于所匹配的模拟2D图像恢复所述3D图像体积到所述患者的配准。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器被配置为通过将所接收的2D图像与模拟多个对应的荧光透视图像的在不同定向处的多个2D数字重建射线照片(DRR)图像进行比较来匹配所接收的2D图像。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器被配置为通过以下步骤来匹配所接收的2D图像：

以选定定向合成地生成所述3D图像体积的数字重建射线照片(DRR)图像；

将所接收的2D图像与所生成的DRR图像进行比较；

重复所述合成生成和所述比较，直到在所接收的2D图像和所述DRR图像之间发现匹配。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述处理器：

接收术中超声图像作为所述2D图像；以及

从所述3D图像体积合成地生成模拟超声图像。

5.根据权利要求3所述的系统，其中所述处理器被配置为将所接收的2D图像的骨边缘的对比度梯度与对应的DRR图像进行比较。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述处理器被配置为基于先前的比较结果是改善还是恶化所述匹配来综合地选择用于合成地生成新DRR图像的新定向和偏移。

7.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述2D图像包括第一2D图像和与所述第一2D图像成选定角度的第二2D图像；

所述处理器对所接收的2D图像进行的匹配包括：

合成地生成来自所述3D图像体积的第一数字重建射线照片(DRR)图像和与所述第一DRR图像成所述选定角度的第二DRR图像；

同时将所述第一2D图像和所述第二2D图像与所述3D图像体积的所述第一DRR图像和所述第二DRR图像进行比较；

重复所述生成和比较的步骤，直到在所述第一2D图像和所述第二2D图像与所述3D图像体积的所述第一DRR图像和所述第二DRR图像之间发现匹配。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器被配置为通过以下步骤来恢复配准：

基于所接收的光学图像确定变换A，所述变换A表示在捕获所述第一2D图像时所述成像空间中的所述成像系统相对于所述物理空间中的所述DRB的姿态。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器被配置为通过以下步骤来恢复配准：

基于所接收的光学图像确定变换B，所述变换B表示所述成像空间中的所述第一2D图像相对于所述物理空间中的所述成像系统的姿态。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述处理器被配置为通过确定所述第一2D图像与所述ITMA之间的空间关系来确定所述变换B，所述空间关系已经利用与在所述成像系统的不同定向处的成像臂的弯曲量相关的校准数据进行调整。