用于估計物體中工具空間位置的系統與方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種在物體中，特別是在用所述工具加工的人骨（例如，人類頭蓋骨 的顳骨的乳突）中估計工具空間位置（姿態）的系統。另外，本發明涉及用于在物體中估 計工具空間位置的方法。
【背景技術】
[0002] 目前，如計算機數控機器、機器人等可用的加工系統利用位置傳感器估計相對于 被操作物體的坐標系的工具姿態。通常，位置傳感通過其中包括數字編碼器、立體光學照相 機和激光掃描儀的方式實現。
[0003] 在特定情況下，可獲得被操作物體的數字模型并用于定義工具到物體的動作。例 如外科手術中，利用對骨的三維掃描確定待加工至骨內的空腔的最優位置。
[0004] 在物體上實施（基于模型的）方案之前，模型（和加工系統）必須以物理物體為 參考，過程通常被作為記錄。
[0005] 所述記錄過程依賴于在物體與模型兩者中關聯可識別的標記。標記位置可在模型 中通過圖像處理并且在物體上通過使用測量設備利用數字化的方式而被識別。至少需要三 個標記以記錄物體與其模型。
[0006] 但是，由于在模型和物體中的任何一個或二者上不適當的標記識別，所述記錄可 能不正確。這可導致物體坐標系與模型坐標系的錯誤的疊加而導致對物體的錯誤操作。例 如在外科手術中，在骨模型中設計的空腔將被執行在錯誤的位置和/或方向上。
[0007] 由于缺少額外的用于驗證的標記（超出用于記錄過程本身的標記），對錯誤記錄 的變換的識別可能比較困難或者甚至是不可能的。
[0008] W02009/092164中描述了利用了組織反饋的外科手術系統，沿預設軌跡使用組織 特性的估計，并且基于實際組織特性與由外科手術工具測量的組織特性的不同對自動的外 科手術任務進行調整。在該設備中所使用的控制器類型是線性控制器，其中，例如力傳感器 提供輸入信號且自動設備（機器人）可基于該信號被控制。在為放置椎弓根螺釘的鉆孔應 用中給出了說明性示例。在該示例中，期望鉆頭保持在椎弓的內部通道中，因此如果鉆頭與 此通道的外壁（皮質骨）相連，控制器可調整軌跡以從該邊界移走。
[0009] US6718196中描述了一種方法，該方法在附著于立體定位架的單自由度執行器的 控制下，用于將例如探針的工具推進如大腦的組織中。還描述了數控機構，其被訓練用于基 于組織特性識別異常組織和血管。傳感器可包括例如力、孔隙壓力、氧化、血流等模式。使 用工具軌跡的起始部分以朝向控制算法的訓練方向收集訓練數據。該發明使得外科手術探 針進步，以在組織的邊界處，例如血管處被停止。
[0010] US2011/0306985中介紹了一種基于被加工材料硬度的控制加工反饋率的方法。材 料（骨）硬度在空間上的不同由醫療影像數據確定。因此研磨設備的反饋率可根據局部硬 度而改變，該局部硬度由影像數據導出。力反饋也可用于調節反饋率。
[0011] 另外，在US2007/0225787中公開了一種可控電極和用來將該可控電極插入到體 內的設備。所述插入系統包括設備，其基于對施加在工具頂端上的力的感應以主動控制工 具的位置（即插入深度）。
[0012] 在US2007/0181139中描述了一種系統和一種方法，用于憑借經驗確定探針和組 織表面的接觸。該信息通過使用機械操控器和具有在其遠端的附有傳感器的探針確定。機 械依次將探針移動到不同位置并且記錄對應的組織特性。然后，基于探針測量值的變化確 定工具相對于表面的位置和方向。
[0013] 另外，US2011/0112397公開了通過使用三維位置追蹤設備和針形探針來確定由軟 組織圍繞的骨結構的位置的技術。實際上，所述設備工作原理與數字化坐標測量儀相似，其 中，將探針穿過軟組織插入且接觸骨，記錄一個力的峰值且由此觸發記錄針頭的空間位置。 通過從多個方向和位置重復該步驟，生成骨表面的3D圖像。類似地，DE102005029002描述 了一項發明，其與使用探針測量組織的力和硬度相關，該探針同時在空間上可追蹤。因此， 可生成機械特性的三維圖像。另外，在DE10 2008 013 429A1中描述了一項發明，其在體 內將在外科手術設備遠端的力與3D位置相關聯，其中，該申請的關注點為將力橫向引導至 工具軸。
[0014] WO2010/147972涉及一項發明，其在手術探針可接近椎弓外邊界時提供給外科醫 生反饋并由此阻止破壞。對力的閾值的預測基于手術前醫療影像的數據，其中影像強度值 與骨的特性相關聯。
[0015] 在US2004/0010190中描述了用于在體內將超聲影像探針相對于預設目標體對 齊的系統和方法。該系統通過機械機構可追蹤并跟隨移動的目標體，該機械機構可自動調 節工具位置以響應來自控制系統的命令。另外，也可利用力傳感器保持探針與人體的接觸。
[0016] 總體上，到目前為止的現有技術描述了基于可用工具的傳感器信息的對機器的控 制或加工參數，但并沒有提供在非均質體內估計工具姿態的適當方法。
【發明內容】
[0017] 本發明根本的目的在于提供一種簡單的系統和方法，其允許相對于模型坐標系統 的操控工具和因此相對于被加工物體的自校準。該問題被具有權利要求1中所述的技術特 征解決。
[0018] 相應地，所述系統包括被設計為用與工具聯接的傳感器，用于沿實際軌跡將空腔 加工到物體中，所述傳感器還被設計為用于在通過所述工具加工所述物體時產生傳感器輸 出信號，所述傳感器輸出信號依賴于沿所述實際軌跡的所述物體的材料特性（例如，材料 密度）和與傳感器連接的分析裝置，該分析裝置被設計為用于將所述傳感器輸出信號，特 別是在加工所述物體時（即實時的）與至少一個或多個預設備選輸出信號相比較，以確定 所述信號間的相關度/相似度，其被用于在物體中確定工具的空間位置。確定傳感器輸出 信號與備選輸出信號之間的相關度/相似度可包括或可通過確定標量來實現，該標量表示 對測量的傳感器輸出信號與備選（理論的或預測的）輸出信號之間的相似度/非相似度或 相關度的測量。這樣的標量可指非相似度測量或相關度指數，且在求平均值時可被用作權 重。然后，工具在物體中的空間位置可至少由模型軌跡確定，與該模型軌跡相關的（預期 的）輸出信號顯示出與根據所確定的測量值（即顯示某個相關度指數或（小的）非相關度 的測量值）測量的傳感器輸出信號最好的相關度/相似度。另外，可使用一些或所有模型 軌跡，根據由傳感器測量的輸出信號與備選輸出信號之間的相關度/相似度加權平均確定 (當前）工具在物體中的空間位置，由傳感器測量的輸出信號和備選信號中的每一個與模 型軌跡以一特定方式相關聯。
[0019] 使用所述材料特性沿相關的模型軌跡在所述物體的材料特性模型中預先生成每 個備選輸出信號，所述物體可由適當的（特別是3D)物體表現（圖像）來表示。
[0020] 確定工具在物體中的空間位置可包括確定所有六個或少于六個的形成剛性體工 具的自由度。根據本發明的一個方面，所述工具在物體中的空間位置（姿態）可通過使用 至少模型軌跡來確定，與備選輸出信號相關的模型軌跡具有相關指數，其對應傳感器輸出 信號與備選輸出信號之間的相關度中最高相關度。由于工具沿其（實際）軌跡加工空腔 且與空腔很好地匹配，與備選輸出信號相關的模型軌跡具有與傳感器輸出信號最高的相關 度，直接產生了最可能的工具位置。例如，所述模型軌跡的端點（目標點）連同所述模型軌 跡的（相對于物體的）方向可被看作工具（的頂端）的空間位置。
[0021] 根據本發明的一個方面，分析裝置可被配置為對至少一部分（或整個序列）的 備選輸出信號Yi實施線性變換，以將后者與傳感器的輸出信號X進行匹配，特別是根據Zi =bYJ+c，其中Zi是變換后的備選輸出信號，b是比例系數且c是移位矢量，并且T是可選 的正交旋轉矩陣，且其中分析裝置被設計為優化b、c和可選地優化T，使得被定義為屯= E^Xj-ZiP2的不相關度的測量值（相關指數）cU最小。這里，分析裝置被配置為提取在備 選輸出信號中具有最小屯的備選輸出信號Y,為與測量的傳感器輸出信號相關度最好的那 個。所述相關模型軌跡隨后可被用于確定工具的空間位置（例如，通過將所述模型軌跡的 端點和其方向（T)看作上述的工具的完整空間位置）。
[0022] 對于統計上更為穩健的方法，根據本發明的另一方面，在確定（當前）工具空間位 置時，可考慮所有的模型軌跡，但隨后使用各個權重進行加權，權重反映了傳感器輸出信號 和備選輸出信號之間的相似度/相關度，傳感器輸出信號和備選輸出信號與它們各自的模 型軌跡相關聯。對每個模型軌跡，對應的權重特別是在傳感器輸出信號與備選輸出信號之 間的差（差距）的函數，其中與該模型軌跡相關，其中特別地各個權重是傳感器信號與其對 應的備選輸出信號的方差的函數。
[0023] 這樣的加權平均可在模型軌跡的某些點上實施，彼此相對應，特別是模型軌跡端 點Pi和/或它們