用于探測和追蹤圖像姿態的圖像導航系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于圖像導航手術(image guided surgery)的系統，更具體地，涉及用于醫療過程中探測和追蹤圖像姿態的系統。
【背景技術】
[0002]多年來圖像導航手術已經具有廣泛的發展，并且目前是手術程序中非常重要的工具。大部分的改進是以體內極少到達的圖像位置諸如內臟為中心。
[0003]口腔手術在本申請中被限定為任何發生在口腔內的手術，其很難可視化進行。口腔相對較小，并且對病人來說很難長時間維持張口的狀態。即使手術位置是可見的，一旦鉆子刺入，在任何給定的時間內也很難確定鉆子的頂端在哪兒。
[0004]圖像導航手術涉及使用計算或計算機化軸向斷層掃描，通常稱為CT或CAT掃描，來創建手術位置(通常為三維)的數字圖像。然后，外科醫生利用該圖像制定用于手術的計劃。手術期間，將之前的CT掃描產生的圖像與特定的儀器一起使用，以可視地描繪出儀器的頂端在病人體內的位置。
[0005]為了這么做，來自掃描的數字圖像必須準確地配準到(registered)病人手術位置，使得病人的移動引起對數字圖像的調整。必須知道儀器的頂端相對于病人的準確位置。
[0006]對于口腔手術，諸如在種植牙期間，醫生必須將鉆子鉆進自由空間，同時控制鉆子隨著病人的潛在移動處于六自由度。這會使鉆子精確地鉆進好的骨，同時避免非常困難地鉆進牙根和神經。因此，圖像導航手術近年來被用于促進鉆孔過程，為了計劃手術事件以提供恢復方案，醫生利用對病人牙齒的CT掃描精確地判斷骨密度、寬度和高度，并且了解其他牙齒的關系以及解剖結構，該恢復方案可能是最成功的并且具有最小的創傷。
[0007]現有的計劃軟件和構造系統，其利用CT圖像幫助將術前計劃翻譯成被動手術導航(passive surgical guide)，即創建用于手術的虛擬計劃，然后在牙科實驗室中預構造手術導航以實施該計劃。這些被動手術導航幫助醫生準確地指向正確的位置、角度和深度。被動圖像導航手術具有局限性，他們必須在手術前在牙科實驗室中或通過導航制造商預構造。這需要醫生和病人的更多的時間和花費。如果病人的口腔有變化或者醫生想要改變計劃，那么該導航就不再有用了。很多情況下，病人不能將他們的嘴巴張開足夠大以容納所需的儀器和導航。
[0008]動態圖像導航(active image guided surgery)手術解決了被動導航系統的很多問題，即有限的最大嘴張開、預先構造被動導航的需要以及手術期間不能改變計劃，這些問題都可以由動態導航系統克服。為了提供動態圖像導航手術，病人嘴巴的位置，具體的骨頭和牙齒，必須被精確地追蹤并配準到掃描的圖像和手術工具上。為了這么做，大多數傳統的系統需要創建配準設備，該設備附接至病人的頭部或插入到嘴巴里，該設備包括基準標記(fiducial marker)和傳感器。一些配準設備附接至頭外部，例如安裝在頭上的夾具(fixture)。為了限制對手術區域的干擾并且允許光學傳感器追蹤夾具和手術工具的運動，其它配準設備涉及附接至顎骨的具有傳感器的夾具。
[0009]為了創建口腔夾具，在手術前幾周制作通常既包括上部牙齒也包括下部牙齒的印模(impress1n)。然后將該印模送到實驗室，在該實驗室里制作實質上復制了牙齒的鑄型(cast)。由該鑄型制作口腔夾具，或者將其安放在牙齒上，或者設計將其鉆進顎骨里。該夾具包括至少基準標記，并且如果沒有裝配有傳感器，那么就包括光學傳感器的安裝位置。
[0010]實驗室創建夾具之后，將其送到外科醫生那里。將戴有該夾具的病人和CT掃描帶進實驗室。病人又一次被送回家。病人的口腔的數字圖像由該掃描創建，并且外科醫生制定手術計劃。
[0011]然后又將病人帶來以進行手術。將夾具附接至病人。將光發射機定位在病人附近，并且其發射由傳感器探測到的信號。當病人的嘴巴移動時，傳感器發送信號至軟件，從而對病人口腔的數字圖像做調整。該軟件也追蹤儀器的位置，并且描繪相對于牙齒的數字圖像處于正確位置的儀器的圖像。
[0012]除了給病人造成的不方便，現存系統常常很難精確地將病人配準到數字掃描。所有目前的牙科動態圖像導航手術系統涉及光學追蹤，其需要將夾具放置在病人的嘴里，并且延伸到最外面以被光發射機或接收器探測到。
【發明內容】
[0013]本申請公開了用于追蹤可移動(displaceable)物體在坐標參考框架中的姿態的系統。該系統包括位于或附接至被追蹤物體上的光學可視目標圖案(pattern)。該圖案包括多個2D有鮮明對比的形狀(2D contrasting shapes)，設置該有鮮明對比的形狀從而將該圖案與其它圖案唯一地區分開。
[0014]與該物體間隔開的光學傳感器組件，將該光學傳感器組件定位并且配置以捕獲該圖案的至少部分的圖像，匹配該傳感器組件以生成該圖案的該部分的至少一對2D圖像，每個2D圖像與其它2D圖像處于該圖案的該部分的不同視角；以及
[0015]處理器，用于檢索存儲的數據，該存儲的數據用于多個不同圖案，包括光學可識別的定義點的一組3D坐標，該定義點基于圖案中有鮮明對比的形狀的設置。該處理器配置為從該傳感器組件接收該圖案的該部分的該2D圖像。基于該2D圖像中的有鮮明對比的形狀與該存儲的數據之間的相關性，編程該處理器以識別該2D圖像中的不同的圖案之一。編程處理器以定位該2D圖像中的定義點，以及基于用于被識別的不同圖案的該2D圖像中定位的定義點和該存儲的數據中的該3D坐標，利用變換確定該物體的姿態。
[0016]優選地，該處理器配置為計算在每個該2D圖像中的該圖案中的該定位的定義點的3D坐標。
[0017]在一個實施例中，其中2D有鮮明對比的形狀位于貼片(tile)上，并且其中目標圖案包括多個貼片。該2D有鮮明對比的形狀是有鮮明對比的方框或者方格(box or square)。
[0018]為了與該存儲的數據中的該3D坐標相關聯，該處理器利用該變換提供對該2D圖像中定位的該定義點的2D平移、旋轉以及縮放，該存儲的數據用于被識別的不同圖案。優選地，該變換是剛體變換。在一個實施例中，該變換是3D仿射變換。該變換可以包括非線性變形，以使設置與非平面表面一致。優選地，該非平面表面選自組，該組包括限定球面的一部分的表面、圓柱表面以及錐形表面。
[0019]如附圖中繪示的，根據以下對優選實施例的詳細描述，本發明的前述和其它特征以及優點將變的更加明顯。如可實現的，能夠以各種方式修改本發明，該修改都不脫離本發明的范圍。因此，應將附圖和說明書認為是本質性的繪示而非限制目的。
【附圖說明】
[0020]出于繪示本發明的目的，在圖中展示較佳形式。然而，應當理解，本發明并不限于圖中展示的精確配置及工具。
[0021]圖1是用于本發明實施例的具有附接至口腔夾具的圖案顯示表面的追蹤組件的透視圖。
[0022]圖2是圖1中的口腔夾具和追蹤組件的頂視圖。
[0023]圖3是根據本發明的具有附接至口腔夾具的追蹤組件的另一個實施例的透視圖。
[0024]圖4是圖3中的口腔夾具和裝置組件的側視圖。
[0025]圖5是根據本發明的用于將追蹤組件附接至口腔夾具的托架的側視圖。
[0026]圖6是圖5中的托架的不同的側視圖。
[0027]圖7是根據本發明的附接至牙科儀器一起的追蹤組件的另一個實施例的透視圖。
[0028]圖8是圖7中的牙科儀器和追蹤組件的側視圖。
[0029]圖9是移除了圖7中的牙科儀器的托架組件。
[0030]圖10是用于追蹤組件的圖案顯不表面的圖案的一個實施例的繪不。
[0031]圖11是設置有四個追蹤圖案的裝置貼片，用于唯一地追蹤該圖案。
[0032]圖11A是圖11中的追蹤圖案的部分的放大視圖。
[0033]圖12是繪示了確定模型狀態的傳統方法的流程圖。
[0034]圖13是繪示了根據本發明的確定模型姿態的方法的流程圖。
[0035]圖14是根據本發明的具有成像照相機的口腔夾具和牙科儀器的示意圖。
【具體實施方式】
[0036]通過提供用于手術期間有效地追蹤病人的運動的圖像導航系統，本發明解決了現有技術的缺陷。以下將對本發明進行描述，其涉及口腔手術以及對病人嘴巴的運動的追蹤，但是本發明并不必需限定于該實施例。在一個實施例中，圖像導航系統包括多個照相機，其位于口腔外側以提供光學可視圖案的圖像，該照相機通過口腔夾具附接至病人，并且位于正在進行飛手術區域之外。利用該圖像探測并追蹤病人嘴巴、和/或手術儀器或工具的運動。處理系統接收并處理該圖像以識別圖案，并對相對于每個照相機的位置和方向作三角測量。該處理系統利用