用于相對于身體跟蹤對象的跟蹤設備的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于相對于身體跟蹤對象的方法和系統，用于圖像引導手術。
【背景技術】
[0002]當前，主要存在基于紅外(IR)攝像機(US581105)和基于電磁跟蹤(US8239001)的手術導航系統。它們需要特別設計的標記剛性地固定在患者解剖結構上。對這些系統的配準和校準過程耗費寶貴的時間。這導致寶貴的手術室(0R)和外科醫生的時間損失。此夕卜，手術導航系統占據手術室中相當大的空間，并且因此醫院需要保留用于這些系統的寶貴手術室空間。
【發明內容】
[0003]根據本發明，這些目的借助于根據獨立權利要求的跟蹤設備和方法來實現。
[0004]從屬權利要求指本發明的進一步實施例。
[0005]在一個實施例中，跟蹤步驟包括如下步驟:由所述傳感器測量三維表面；檢測在測量的三維表面內身體的至少一個三維子表面和對象的至少一個三維子表面；并且基于身體的所述至少一個三維子表面和對象的所述至少一個三維子表面，計算在所述身體的所述三維模型中對象的相對位置。優選地，在該實施例中計算相對位置的步驟包括基于身體的所述至少一個三維子表面來確定在傳感器坐標系統中所述身體的三維模型的位置，并且基于對象的所述至少一個三維子表面來確定在傳感器坐標系統中對象的三維模型的位置。
[0006]在一個實施例中，傳感器固定在對象上。
[0007]在一個實施例中，傳感器固定在身體上。
[0008]在一個實施例中，傳感器固定在跟蹤區中，即在獨立于身體或對象的運動的第三坐標系統中。
[0009]在一個實施例中，跟蹤步驟包括如下步驟:由所述傳感器測量三維表面；檢測身體的至少一個三維子表面；并且基于身體的所述至少一個三維子表面，計算在所述身體的所述三維模型中對象的相對位置，其中傳感器固定在對象上。在該實施例中，優選地，計算相對位置的步驟包括，基于身體的所述至少一個三維子表面來確定在傳感器坐標系統中所述身體的三維模型的位置。
[0010]在一個實施例中，跟蹤步驟包括如下步驟:由所述傳感器測量三維表面；檢測對象的至少一個三維子表面；并且基于身體的所述至少一個三維子表面，計算在所述身體的所述三維模型中對象的相對位置，其中傳感器固定在對象上。在該實施例中，優選地，計算相對位置的步驟包括，基于對象的所述至少一個三維子表面來確定在傳感器坐標系統中所述對象的三維模型的位置。
[0011]在一個實施例中，身體的所述至少一個三維子表面是測量的身體的三維表面的真子集，和/或對象的所述至少一個三維子表面是測量的對象的三維表面的真子集。
[0012]在一個實施例中，身體和/或對象的所述至少一個三維子表面是固定到身體和/或對象的形貌標記。
[0013]在一個實施例中，身體和/或對象的所述至少一個三維子表面另外由與所述傳感器一起的公共殼體中包括的光學攝像機來檢測。
[0014]在一個實施例中，至少一種顏色或圖案標記固定在身體和/或對象的所述至少一個三維子表面的每一個的區域中，并且光學攝像機檢測所述至少一種顏色或圖案標記。
[0015]在一個實施例中，該方法包括進一步的步驟，定義在所述身體的三維模型中和/或在所述對象的三維模型中的至少一個點，并且檢測在測量的三維表面內與所述定義的至少一個點對應的身體和/或對象的所述至少一個三維子表面。
[0016]在一個實施例中，該方法包括進一步的步驟:定義在所述身體的三維模型中和/或在所述對象的三維模型中的至少一個點用于跟蹤身體和/或對象的位置。
[0017]在一個實施例中，每一個點通過檢測由所述傳感器測量的三維表面中的點來定義。
[0018]在一個實施例中，在檢測指示事件時每一個點通過檢測由所述傳感器測量的三維表面中的指示符部件的點來定義。優選地，指示符部件是手的一個手指，并且指示事件是手的另一個手指的預定運動或位置。
[0019]在一個實施例中，點通過檢測固定在對象上和/或在身體上的已知形貌標記來自動檢測。
[0020]在一個實施例中，點從與所述對象的所述三維模型相關的數據庫接收。
[0021]在一個實施例中，每一個點通過檢測由與所述傳感器一起的公共殼體中包括的攝像機檢測的光學顏色和/或光學圖案來定義。
[0022]在一個實施例中，提供對象的三維模型的步驟包括將對象的配準模型與由所述傳感器測量的三維表面比較的步驟。
[0023]在一個實施例中，提供對象的三維模型的步驟包括檢測在對象上的標識符并且基于檢測的標識符加載所述對象的模型的步驟。
[0024]在一個實施例中，標識符包括由所述傳感器檢測的形貌標記。
[0025]在一個實施例中，標識符包括由與所述傳感器一起的公共殼體中包括的光學攝像機檢測的光學顏色和/或光學圖案。
[0026]在一個實施例中，該方法包括基于對象位置來顯示身體的三維模型的步驟。
[0027]在一個實施例中，檢索所述對象的所述三維模型的不同點的步驟，其中身體的三維模型基于所述點來顯示。
[0028]在一個實施例中，穿過所述不同點的身體的三維模型的軸向、矢狀和冠狀視圖被顯不ο
[0029]在一個實施例中，身體和對象的三維渲染場景被顯示。
[0030]在一個實施例中，傳感器殼體包括用于第二跟蹤系統的標記，并且第二跟蹤系統跟蹤在傳感器上的標記位置。
[0031]在一個實施例中，傳感器包括第一傳感器和第二傳感器，其中第一傳感器安裝在身體、對象和跟蹤空間中的一個上，而第二傳感器安裝在身體、對象和跟蹤空間中的另一個上。
[0032]在一個實施例中，所述身體是人體或人體的一部分。
[0033]在一個實施例中，所述身體是動物體或動物體的一部分。
[0034]在一個實施例中，所述對象是手術工具。
[0035]在一個實施例中，對象是手術臺、自動支持或保持裝置和醫療機器人中的至少一個。
[0036]在一個實施例中，對象是顯像裝置，特別是內窺鏡、超聲波探頭、計算機斷層攝影掃描儀、X射線機器、正電子發射斷層掃描儀、焚光鏡、磁共振成像儀或手術室顯微鏡。
[0037]在一個實施例中，傳感器固定在包括成像傳感器的顯像裝置上。
[0038]在一個實施例中，基于由所述傳感器測量的三維表面，在由所述圖像傳感器創建的圖像中確定身體的三維模型的至少一個點的位置。
[0039]在一個實施例中，提供所述身體的三維模型的步驟包括測量所述身體的數據并且基于測量的數據來確定所述身體的三維模型的步驟。
[0040]在一個實施例中，數據由計算機斷層攝影術、磁共振成像和超聲波中的至少一個來測量。
[0041 ]在一個實施例中，數據在跟蹤三維模型中對象的相對位置之前被測量。
[0042]在一個實施例中，數據在跟蹤三維模型中對象的相對位置期間被測量。
[0043]在一個實施例中，提供所述身體的三維模型的步驟包括從存儲器或從網絡接收三維模型的步驟。
【附圖說明】
[0044]本發明將借助于由示例給出并且由附圖示出的實施例的描述來更好地理解，在附圖中:
[0045]圖1示出跟蹤方法的實施例；
[0046]圖2示出無標記的跟蹤設備的實施例；
[0047]圖3示出無標記的跟蹤方法的實施例；
[0048]圖4示出用于將身體的3D表面網格配準到身體的3D模型的方法實施例；
[0049]圖5示出使用該身體的固定部件的跟蹤設備和跟蹤方法的實施例；
[0050]圖6示出用于打開的膝蓋手術的跟蹤設備和跟蹤方法的實施例；
[0051]圖7示出具有光學標記的跟蹤設備的實施例；
[0052]圖8示出具有光學標記的跟蹤方法的實施例；
[0053]圖9示出跟蹤方法與光學標記物實施例；
[0054]圖10示出示例性光學標記；
[0055]圖11示出用于通過碼識別工具的方法；
[0056]圖12示出具有代碼的工具；
[0057]圖13示出具有代碼的工具；
[0058]圖14示出具有代碼的頭部；
[0059]圖15示出具有代碼的膝蓋；
[0060]圖16示出使用安裝在身體上的形貌編碼標記的跟蹤設備的實施例；
[0061]圖17-20示出通過拇指運動/手勢在3D表面網格中選擇點和線的方法；
[0062]圖21示出使用形貌編碼標記的跟蹤方法的實施例；
[0063]圖22和23示出形貌編碼標記的兩個實施例；
[0064]圖24示出使用固定在身體上的形貌標記的跟蹤設備和跟蹤方法的坐標變換的實施例；
[0065]圖25示出具有安裝在身體上的3D表面網格生成器的跟蹤設備的實施例；
[0066]圖26示出具有安裝在身體上的3D表面網格生成器的跟蹤設備的實施例；
[0067]圖27示出具有安裝在對象上的3D表面網格生成器的跟蹤設備的實施例；
[0068]圖28示出在適于跟蹤的頭部上的區域。
[0069]圖29示出跟蹤方法的實施例，其中3D表面網格生成器安裝在工具上；
[0070]圖30示出具有安裝在工具上的3D表面網格生成器的跟蹤設備和跟蹤方法的坐標變換的實施例；
[0071]圖31示出使用兩個3D表面生成器的跟蹤設備的實施例；
[0072]圖32示出具有安裝在工具上的3D表面網格生成器的跟蹤設備的實施例；
[0073]圖33示出將3D表面網格跟蹤與IR跟蹤結合的跟蹤設備的實施例；
[0074]圖34示出將3D表面網格跟蹤與電磁跟蹤結合的跟蹤設備的實施例；以及
[0075]圖35示出控制器的實施例。
【具體實施方式】
[0076]所提出的導航系統使用當可用時在患者上天然存在的形貌不同區域，以建立患者坐標(參見例如圖2)。可替代地，小的形貌編碼標記也可以被固定到患者的解剖結構來建立坐標系統(圖16)。然而，沒有必要將形貌編碼標記剛性地固定到解剖結構，因為在標記和解剖結構之間的變換可以在檢測任何相對運動之后很容易地更新。這些形貌編碼標記和編碼的手術指針可以使用現成的3D打印機方便地打印。由于該系統是緊湊的，所以它也可以在患者或手術工具上直接安裝，并且因此節省