本系统涉及使用形状感测方法的配准系统，并且更具体涉及使用fiberopticrealshapetm(fors)或者诸如电磁(em)跟踪的其他跟踪方法以将使用一个或多个配准固定装置(fixture)的一个或多个被跟踪设备的坐标系与参考坐标系相配准的坐标系配准，以及其操作方法。
背景技术：
手术介入包括若干部件，诸如患者解剖结构、操作桌台、(一个或多个)成像系统、介入设备以及这些部件中的任何部件的模型，其是术前图像或软件绘制的。计算机辅助的手术(cas)需要根据所提供的辅助的程度来配准这些部件中的一些或全部部件的不同坐标系。例如，诸如手术器械的设备必须被配准到成像系统以允许器械的模型被恰当地显示在图像上。尤其是当设备难以在原始图像中区分时，这样的配准是有用的。
配准能够根据流程在手术前执行，并且可以包括机械跟踪的工具，以对配准目标上的多个界标进行采样。对界标的逐点采集是耗时的，有认知需求，对工作流有破坏性并且易于出错。尽管配准流程能够是简单直接的，但是其也可能是繁琐的，特别是当出现需要重新配准的问题时，由于手术器械、支撑桌台和/或支撑桌台上的对象的位置的改变，重新配准可能是必需的。
此外，在使用导管、针或其他柔性器械的最小侵入性手术流程中，能够使用电磁(em)跟踪来监测柔性器械在对象内部的导航，以恢复可能丢失而导致视觉遮蔽的位置信息，诸如在将柔性器械插入对象体内时。因为em场生成器能够被安装在工作空间(例如，手术桌台)的未知位置处，所以em位置信息(例如，由em场生成器所生成的)通常不与桌台的坐标系对准。为了开始导航，必须将em空间中的位置与桌台或患者/对象空间的位置对准或配准。当前所使用的方法(诸如使用两个坐标系之间基于对应点的界标或形状模型的基于特征的方法，或者将em位置读数与通过例如荧光检查的成像设施发现的对应信息相关联的方式)可能是耗时的，繁琐并且不方便，尤其是在手术介入期间。
因此，本系统的实施例可以克服常规配准系统的这些和其他缺点。
技术实现要素：
在本文中所描述的(一个或多个)系统、(一个或多个)设备、(一种或多种)方法、(一种或多种)布置、(一个或多个)用户接口、(一个或多个)计算机程序、过程等(在下文将其每者都将称为系统，除非上下文做出其他表示)解决了现有技术系统中的问题。本系统的实施例可以采用形状感测配准方法，所述方法可以采用采样点，诸如可以被视为离散化集合或者同时采样点的连续统一体(continuum)的采样点，其可以提供与坐标系的位置有关的信息，从而可以配准不同的坐标系。
根据本系统的实施例，公开了一种坐标配准系统，其可以包括具有至少一个位置传感器的形状感测设备(ssd)，所述至少一个位置传感器用于提供指示所述至少一个位置传感器的位置的对应传感器信息(si)。备选地或另外，所述ssd可以具有提供指示所述至少一个位置传感器的位置和取向中的至少一项的对应传感器信息(si)的(一个或多个)传感器。所述系统还可以包括：具有通道的配准固定装置，所述通道被配置成接收ssd的至少一部分并且界定配准路径(p)，所述配准固定装置可以被配置成附接到界定工作空间的配准目标(ro)；和/或控制器，所述控制器可以被配置成：当所述至少一个传感器位于通道(130)之内时基于从所述至少一个传感器获得的si来感测ssd穿过的路径的形状，确定所感测到的路径的形状是否与从一个或多个已知形状中选择的已知形状相对应，并且可以在确定所感测到的路径的形状与所选择的已知形状相对应时执行坐标配准。
还设想到了所述控制器可以随时间顺序地询问所述至少一个传感器以获得si。还设想到了所述ssd的至少一个传感器可以包括多个传感器，并且为了获得si，所述控制器可以随时间同步地询问所述ssd的多个传感器。还设想到了所述控制器还可以被配置成：确定ssd的至少一部分是否在通道之内；并且可以在确定ssd的至少一部分在所述通道之内时询问所述ssd以从至少一个位置传感器获得si。还设想到了，在坐标配准期间，所述控制器可以被配置成确定与所感测到的形状相对应的形状到固定装置变换(fts)。此外，在坐标配准期间，所述控制器还可以被配置成获得与所选择的已知形状相对应的固定装置到工作空间变换(wtf)。此外，在坐标配准期间，所述控制器还可以被配置成通过计算下式来确定形状到工作空间变换(wts)：wts＝wtf*fts。根据本系统的实施例，已知路径可以是配准路径(p)。还设想到了，所述系统可以包括附接或耦合机构，其用于以相对于与固定装置到工作空间变换(wtf)相对应ro的工作空间的位置和取向中的一个或多个将配准固定装置能释放地附接到ro。
根据本系统的实施例，还公开了一种用于配准坐标系的方法，所述方法由至少一个控制器执行。所述方法可以包括以下中的一个或多个动作：询问形状感测设备(ssd)的至少一个位置传感器以获得传感器信息(si)，所述传感器信息指示在被耦合到界定工作空间的配准目标(ro)的配准固定装置的通道之内至少一个位置传感器的位置，所述通道可以被配置成接收形状感测设备(ssd)的至少一部分并且可以界定配准路径(p)。备选地或另外，所获得的si可以指示至少一个位置传感器的位置和取向中的至少一个。所述方法还可以包括以下动作：当至少一个传感器在所述通道之内时，基于从所述至少一个传感器获得的si来感测ssd穿过的路径的形状；确定所感测到的路径的形状是否与从一个或多个已知形状中选择的已知形状相对应；并且当确定所感测到的路径的形状与所选择的已知形状相对应时执行坐标配准。
根据本系统的实施例，可以随时间顺序地执行询问动作。也设想到了ssd的至少一个传感器可以包括多个传感器，并且可以随时间大致同步地执行询问动作。还设想到了所述方法还可以包括确定ssd的至少一部分是否在通道之内，和/或当确定ssd的至少一部分在所述通道之内时询问ssd以从至少一个位置传感器获得si。
根据本系统的实施例，执行坐标配准的动作可以包括确定与所感测到的形状相对应的形状到固定装置变换(fts)的动作；并且执行坐标配准的动作可以包括选择与所选择的已知形状相对应的固定装置到工作空间变换(wtf)的动作；和/或执行坐标配准的动作可以包括通过计算下式来确定形状到工作空间变换(wts)的动作：wts＝wtf*fts。还设想到了所述方法可以包括向通道中插入ssd的至少一部分的动作。
根据本系统的实施例，还公开了一种包括计算机指令的计算机可读介质，所述计算机指令当由处理器运行时，可以将所述处理器配置为执行以下中的一个或多个动作：询问形状感测设备(ssd)的至少一个位置传感器以获得传感器信息(si)，所述传感器信息指示在被耦合到界定工作空间的配准目标(ro)的配准固定装置的通道之内所述至少一个位置传感器的位置，所述通道被配置成接收ssd的至少一部分并且界定配准路径(p)。备选地或另外，所获得的si可以指示所述至少一个位置传感器的位置和取向中的至少一个。所述计算机指令还可以将所述处理器配置为执行以下另外的动作：当至少一个传感器在通道之内时，基于从所述至少一个传感器获得的si来确定ssd穿过的路径的形状；确定所感测到的路径的形状是否与从一个或多个已知形状中选择的已知形状相对应；并且当确定所感测到的路径的形状与所选择的已知形状相对应时执行坐标配准。也设想到了处理器还可以被配置成执行将ssd的至少一部分插入到配准通道中的动作。此外，也设想到了当将ssd的至少一部分插入到配准通道中时可以随时间顺序地执行询问ssd的至少一个位置传感器的动作。
附图说明
在以下示范性实施例中，参考附图更详细地解释了本发明，在附图中，相同或相似的元件部分由相同或相似的附图标记来表示，并且各示范性实施例的特征可以组合。在附图中：
图1示出了根据本系统的实施例操作的配准系统的一部分的透视前视图；
图2示出了根据本系统的实施例操作的配准固定装置的一部分的透视前视图；
图3示出了根据本系统的实施例的耦合到桌台的配准固定装置的一部分的分解透视图；
图4a示出了根据本系统的实施例的沿着图2的线4a-4a截取的配准固定装置的一部分的截面视图；
图4b示出了根据本系统的实施例的配准系统的一部分的透视图；
图4c示出了根据本系统的实施例的配准固定装置的一部分的透视前视框图；
图5示出了根据本系统的实施例操作的形状感测设备(ssd)配准系统的一部分的透视前视图；
图6示出了根据本系统的实施例的过程执行的功能流程图；
图7示出了根据本系统的实施例的过程执行的功能流程图；
图8示出了根据本系统的实施例操作的配准系统的一部分的透视前视图；
图9示出了根据本系统的实施例的系统的一部分；并且
图10示出了根据本系统的实施例操作的配准系统的一部分的透视前视图。
具体实施方式
下文是对例示性实施例的描述，在结合以下附图考虑时，实施例将展示上述特征和优点以及另外的特征和优点。在下文的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了例示性细节，诸如架构、接口、技术、元件属性等。然而，本领域普通技术人员将明了的是，偏离这些细节的其他实施例仍将被理解为在随附的权利要求的范围之内。此外，为了清晰的目的，省略了对公知的设备、电路、工具、技术和方法的详细描述以免使本系统的描述模糊不清。应当明确理解，出于例示的目的包括了附图，并不表示本系统的整个范围。在附图中，不同附图中的相似的附图标记可以指代相似的元件。术语和/或其构词要素应当被理解为意指所援引的元件的仅一个或多个可能需要存在于(例如，仅存在一个所援引元件，可以存在两个所援引元件等，直到可以存在所援引元件的全部)根据权利要求引述和根据本系统的一个或多个实施例的系统中。
为了清晰起见，将结合诸如形状感测光纤的形状感测设备(ssd)来展示和描述本系统的实施例。然而，也设想到了本系统的实施例可以与可能顺序或同时对多个数据点进行采样的其他跟踪系统相兼容。此外，应当假设本系统的ssd可以单独使用或者与诸如导管、导丝等护套一起使用。
图1示出了根据本系统的实施例操作的配准系统101(在下文中为了清晰起见而称为系统101)的一部分的透视前视图100。系统101可以包括以下中的一个或多个：设备基座102，诸如fors启动固定装置、em场生成器或机器人基座；形状感测设备(ssd)104，诸如形状感测光纤(ssf)；配准固定装置106(在下文中，除非上下文以其他方式指示，称为固定装置)；配准目标119(在下文中，除非上下文以其他方式指示，称为ro或目标)，诸如桌台120；控制器110；以及存储器112，其中的一个或多个可以彼此本地和/或远程地定位，并且可以使用任何适当的有线和/或无线通信链路彼此通信。例如，适当的通信链路可以包括本地总线和/或网络(例如，因特网、局域网(lan)、广域网(wan)等)。
控制器110可以控制系统101的总体工作，并且可以包括一个或多个逻辑器件，诸如微处理器(μp)，所述微处理器具有：多个互连的半导体器件，诸如晶体管、门、阻抗器件、金属化互连等，离散和/或分布式逻辑门以及开关器件等。控制器110可以包括询问模块114和/或配准模块116，其可以包括硬件、软件和/或固件器件，在其存储器和/或存储器112中存储有指令，所述指令当由处理器μp运行时，使所述处理器执行期望的功能。
询问模块114能操作用于从ssd104获得信息(例如，经由询问过程)，诸如ssd信息(ssdi)(下文将描述)，并且可以指示ssd随时间行进的路径和/或所述ssd的一个或多个部分的形状。
配准模块116可以能操作用于，基于如可以在ssdi中阐述的配准固定装置106的工作空间(rf)，配准一个或多个ro和/或与所述ro相关联的坐标系工作空间的位置和/或取向，诸如桌台120的工作空间(rt)相对于设备基座102的工作空间(rl)，所述ssdi可以包括与所确定的配准固定装置106的位置和/或取向有关的信息。尽管为了清晰起见，在本实施例中展示和描述了单个ro，诸如桌台120，但是应当理解，本系统的实施例可以利用其他类型和/或数量的ro来操作。例如，根据本系统的实施例，可以使用若干个均具有其自身工作空间的ro。并非限制地，设想到了根据本系统的实施例，ro可以包括操作桌台、成像系统、患者的解剖结构等。
存储器112可以包括任何适当的非易失性存储器，在其中可以存储信息，诸如操作指令、系统生成的信息、用户输入和/或设置、历史信息、操作设置和/或参数、标识信息等。例如，存储器112可以存储与别处可能论述的已知形状和相关联的变换有关的信息。
ssd104可以从设备基座102延伸给定的长度(l)并且可以提供信号，所述信号诸如指示沿着ssd的长度的至少一部分(lssd)的其位置和/或取向的ssdi。如果需要，ssdi还可以包括与ssd的形状有关的信息。可以使用任何适当的形状感测设备来形成ssd104，所述形状感测设备诸如是fiberopticrealshapetm(fors)光纤等，其可以提供来自多个传感器的传感器信息(例如，ssdi)，所述传感器信息指示沿着ssd的长度lssd的多个位置的位置和/或取向。如果需要，多个形状感测位置可以接近位置的连续统一体。然而，通常，可以将所述多个形状感测位置设置成彼此间隔期望的距离，诸如40μm或其他适当的距离。适当的ssd104例如可以包括：形状感测光纤(ssf)；基于em的跟踪设备，其具有至少一个em传感器，诸如位于其顶端的em传感器等；和/或其组合，诸如在授予ramachandran等人的美国专利申请公开no.2013/0317356中所描述的，在此将其全文以引用方式并入本文，其中，位置和/或取向传感器可以是有源发光二极管、诸如球的无源反射器、光学和/或em线圈和/或放射性或不透射线的标记，能基于成像、诸如基于x射线和/或基于原子核的成像来识别所述标记。类似于光学传感器，em传感器和/或其他传感器/标记可以如期望的那样位于彼此分开的一个或多个位置处，或者可以通过累积在ssd通过路径时的位置的历史从单个点传感器重建形状。
在使用中，可以通过询问ssd104来获得ssdi。所述询问可以采用光学和/或em询问技术，其可以与系统所采用的ssd的类型相对应。例如，ssf可以采用fiberopticrealshapetm(fors)询问技术来确定其位置和/或取向，而基于em的跟踪设备可以采用em询问方法来获得ssdi。然而，应当理解，这些询问技术可以是彼此排斥或不排斥的。此外，所述光学询问技术可以在时间上同步地询问ssd的至少一个光学传感器，而所述em询问技术可以在时间上顺序地询问ssd的至少一个em传感器和/或反之亦然。
不论询问技术的类型如何，所述询问都可以获得ssdi，然后可以处理所述ssdi以执行ssd与参考工作空间坐标系(例如，rt)的配准，如在本申请中别处所描述的。控制器110能够以通信方式耦合(使用任何适当方法，诸如电子、光学等)到ssd104，使得ssd104可以被询问。为了清楚起见，将假设可以把ro的工作空间称为参考工作空间。然而，应当理解，根据本系统的实施例操作的系统中可以有若干个参考工作空间。
设备基座102可以被定位成适当的位置和/或取向，诸如可能期望的固定的和/或可变的位置。例如，设备基座102可以被耦合到任何适当的基座118，诸如被耦合到桌台120、诸如用于x射线成像的c臂型基座和/或任何其他适当的基座，其可以将设备基座102定位在期望的位置和/或取向，诸如桌台120上方、桌台处、靠近桌台等。然而，也设想到了，可以将设备基座102定位在其他位置，诸如桌台120下方、桌台120侧面等。无论设备基座102的位置和/或取向如何，所述系统都可以执行设备基座104与目标或工作空间(例如，手术桌台120)的配准，这与常规方法不同，在常规方法中，必须准确知道设备基座的位置和/或取向，以适当配准到参考坐标系，或者利用常规的基于特征的配准方法，其需要采集多个点样本，从而需要多个步骤来执行并且可能需要多个操作员来执行。因此，设备基座102的位置不需要被系统明确知道，以根据本系统的实施例执行配准。这可以简化手术例程，因为可以在手术中移动所述设备基座，并且可以容易并且方便地由所述系统重新配准到参考工作空间。因此，设备基座102可以被定位，诸如夹持到桌台120上的常规位置，例如切入侧附近，其中，近端附接到设备基座102的导管(针和/或其他柔性器械)的远端可以被插入到位于桌台120上的对象的切入部位中。因此，不再需要在导管插入之前精确地确定设备基座102的定位，因为通过向固定配准固定装置106的rc130中插入ssd104简化了配准。
设备基座102可以包括用于相对于诸如桌台120的ro在任何期望的位置和/或取向中接收ssd104和/或用于对ssd104进行定位和/或取向的耦合。设想到了设备基座102可以包括这些耦合中的多个耦合，每个耦合都用于接收多个ssd104中的对应ssd104。然而，由于这些耦合中的每个耦合都可以彼此类似，为了清晰将仅参考单个耦合。此外，设备基座102可以充当针对诸如导管等的一个或多个其他器具的基座，以插入到定位于桌台120上的对象的切入部位中。
设想到了设备基座102还可以包括固定到其上的多个导管。如果需要，每个导管可以包括一个或多个通道，以接收对应的ssd，诸如ssd104。例如，如果需要，设想到了ssd104可以至少部分被定位在导管之内，和/或沿着导管的外表面定位和/或附接到导管的外表面。根据一些实施例，设备基座102可以包括一个或多个传感器，其可以检测从其延伸的ssd104的位置和/或取向。
基座118可以根据需要是固定的和/或可移动的。可能根据需要，基座118可以包括c臂等。例如，如果需要，基座118可以在使用期间移动。
桌台120可以包括任何适当的平台，配准固定装置106可以能释放地和/或固定地耦合到其上。因此，桌台120可以包括一个或多个耦合器，其可以相对于桌台120在已知位置和/或取向中耦合到配准固定装置106。该已知位置可以具有对应的固定装置到工作空间变换(wtf)，并且可以与对应的固定装置到目标对(fop)、例如本实施例中的固定装置106到桌台120相关联地存储于系统的存储器中，并且可以当执行配准时从存储器获得。因此，由于已知(例如，相对于指示位置和/或取向的一个或多个轴和/或坐标)配准固定装置106到针对特定fop的(例如，诸如桌台120的ro的)工作空间的位置，wtf可以是已知的并且被存储在系统的存储器中，以供稍后诸如在执行配准过程时使用。尽管可能有多个固定装置到目标对(fop)，但是为了清晰，将仅论述单个固定装置到目标对。
所述ro可以具有其自己的工作空间，这可以定义其自己的工作空间坐标系rl。例如，相对于桌台120而言，桌台120可以具有其自己的工作空间rt，其可以与rl相同或不同。然而，出于清晰的目的，将假设rt和rl将是彼此不同的。
桌台120可以包括受控制器110控制的致动器，其可以在控制器110的控制下改变桌台120和/或其部分的位置和/或取向。桌台120还可以包括传感器，所述传感器可以提供涉及桌台120的一个或多个部分的位置和/或取向的信息。
尽管ro被图示为桌台120(例如，手术室桌台)，根据其他实施例，所述ro可以包括其他目标，诸如患者、成像系统等，如可能在本文中别处描述的。
配准固定装置106可以包括以下中的一个或多个：主体136、诸如耦合器的附接机构以及至少一个配准通道(rc)130，其后者可以界定具有长度(lchan)、诸如在本实施例中为7cm的路径(p)，然而，也设想到了其他长度。rc可以被配置成接收ssd104，以供诸如在配准期间使用。
所述附接机构可以被配置成将配准固定装置106附接到用于配准的期望的目标，诸如在本实施例中的桌台120。然而，也设想到了，所述耦合器可以被配置成将配准固定装置106附接到一个或多个其他目标，用于配准这些其他目标。此外，如果需要，所述耦合器可以包括能释放或不能释放的耦合器。
图2示出了根据本系统的实施例操作的配准固定装置206的一部分的透视前视图200。配准固定装置206可以类似于配准固定装置106，并且可以包括以下中的一个或多个：主体236、附接机构238以及通过主体236延伸的至少一个rc230。
rc230可以在末端开口232、234之间延伸，并且具有预定义的形状，以便界定具有长度(lchan)的已知路径(p)，以用于通过末端开口232、234中的任一个插入ssd104。备选地，rc230在一个末端处具有单个开口，以用于将ssd104插入到rc230中，直到ssd104达到rc230的另一闭合末端。路径(p)可以是对称的，以方便配准的计算。rc230可以被设定形状、设定尺寸和/或以其他方式配置以接收ssd104，使得ssd104可以至少部分通过rc230以贴合适配地延伸，使得ssd104在rc230之内的传感器位置相对于rc230在被询问时具有已知的位置和/或取向，从而允许确定插入或定位于rc230中的ssd104的部分的形状。rc230的路径(p)可以是开放的，以基于准确度、空间/尺寸约束、摩擦度等要求来设计。例如，长和/或缠结的路径可能导致改善的配准准确度，但是可能需要从ssd的rc230开始过大的长度或扭曲。因此，路径(p)的长度(lchan)和/或形状可以根据应用和/或使用而被设置。此外，如果期望，每个rc230都可以具有独有的路径以容易识别。rc230可以具有任何适当形状的截面，诸如圆形、椭圆形、正方形、多边形等。根据本系统的实施例，rc230备选地可以具有一个或多个开口，以在沿路径(p)的任何期望截面位置处界定c型或u型通道截面(例如，以形成沟槽)。还设想到了，本系统的实施例中的通道可以包括沿着其长度延伸的开口，使得ssd或其部分(例如，顶端)可以插入通道之内。rc230可以包括减小摩擦的内表面和/或增大摩擦的表面，以便在使用期间在rc230之内插入ssd104时保持期望量的摩擦。
因此，根据本系统的实施例所使用的询问类型，ssd104可以被定位于rc230之内，以通过以下操作询问：将ssd104插入到rc230的开口中，将ssd夹持到rc，使ssd接触到rc，抵靠着rc滑动ssd等。可以在rc之内静态或动态地定位ssd以进行询问。例如，光学询问技术可以在已经将其放置在rc230中之后询问ssd104，并且可以保持静态，而em询问技术可以在将其推进到rc230中和/或从ssd104回缩时询问ssd104。
还设想到了，rc可以包括一个或多个开放侧和/或附接部分，其可以在使用期间相对于rc在期望位置耦合ssd。例如，rc可以包括夹子、磁性部分、“c”通道等，其可以在使用期间将ssd保持在或保持到rc的期望路径。
主体236可以具有形状和/或尺寸，以便相对于主体236在期望的位置和/或取向接收和/或以其他方式支持rc230。例如，为了例示的缘故，示出了半圆柱体，rc230可以位于所述半圆柱体中。因此，主体236可以包括相对末端246、杆244和基座248。杆244可以在相对末端246之间延伸并且耦合到相对末端。基座248可以提供支撑平台并且可以被耦合到相对末端246。
然而，根据本系统的实施例，主体236可以包括其他形状和/或可以包括固体主体(例如，固体材料块等)，rc可以位于所述固体主体中。根据一些实施例，还设想到了rc可以与主体一体地形成。
附接机构238可以包括适用于耦合到期望的ro、诸如本实施例中的桌台120的一个或多个耦合器。因此，配准固定装置206可以与ro的工作空间相关联。
出于清晰的目的，在本文中可以用桌台120替换ro。然而，应当理解，如果需要，可以用其他ro、诸如成像系统、患者支撑体等来替换桌台120。附接机构238可以与ro的对应附接机构(例如，耦合器)相对应，并且可以相对于配准固定装置206被耦合到的ro在期望的位置和/或取向中定位rc230。因此，附接机构238可以被配置成对应于可能期望耦合的ro的耦合器，并且可以相对于其耦合到的ro的一个或多个部分在期望的位置和/或取向中保持配准固定装置206(或其部分)。
相对于附接机构238而言，适当的耦合器可以包括一个或多个凸出体240(例如，如果期望，可以用花键连接或键合以保持取向的安装楔)，其可以接合桌台120的对应部分(例如，如果期望，可以对应地花键连接和/或键合的开口)，以便将配准固定装置206以及因此将rc230相对于ro保持在期望的位置和/或取向。因此，当附接在期望的位置和/或取向时，rc230相对于桌台120并且因此相对于桌台的工作空间具有已知关系。
根据另外的实施例，设想到了一个或多个附接机构可以包括其他类型的耦合器，诸如互锁槽、图案和/或机构、可用螺钉型耦合器、卡口安装件、摩擦安装件(例如，搭扣型耦合器)、粘合剂、束带、铆钉等，根据需要，其可以是能释放的和/或不能释放的。还设想到了，如果需要，rc230可以与ro一体地形成。
无论采用什么类型的附接机构(例如，固定的和/或可移除的)，所述附接机构当被固定时应当将配准固定装置206相对于配准目标(例如，桌台120)定位在期望的位置和/或取向中，使得可以与先前确定的固定装置到工作空间变换(wtf)相对应。所述固定装置到工作空间变换(wtf)可以通过数学方式确定和/或通过实际测量来确定，并且可以存储在桌台的存储器中，以供将来例如在配准过程期间使用。换言之，可以定位该配准固定装置206，使得可以知道其位置和取向(例如，对于6d定位＝3d位置和3d取向)或者相对于ro的位置或取向(例如，3d定位)。
根据本系统的实施例，可以根据用户和/或系统设置执行仅取向(例如，3d)或标准配准(例如，6d)。仅取向配准可以配准坐标系的取向(3d)(与/地点位置相对)，而标准配准可以配准地点/位置以及取向(例如，6d＝3d+3d)。因此，当使用仅取向时，可以对图像信息并且因此对对应的图像进行正确地取向，但从参考坐标系偏移。
图3示出了根据本系统的实施例耦合到桌台120的配准固定装置206的一部分的分解透视图300。可以将凸出体240相对于配准固定装置206不对称地定位并且插入到手术桌台120中的对应开口241中，使得配准固定装置206可以在被适当地附接时相对于桌台120位于期望的位置和/或取向中。因此，配准固定装置的工作空间rf与桌台rt之间的关系对于在对应安装位置处的对应fop而言可以是恒定的，并且一旦被确定，就可以被存储在系统的存储器中，以供稍后诸如在根据本系统的实施例执行的配准过程期间使用。
图4a示出了根据本系统的实施例的沿着图2的线4a-4a取得的配准固定装置206的一部分的截面视图400a。可以将ssd404(其可以类似于ssd104)从ssd的近端附接到设备基座402(其可以类似于设备基座102)，并且可以通过rc230延伸，使得ssd404的近端403邻近于设备基座402，并且ssd404的远端405邻近于rc230的末端开口232、234之一相邻或从其延伸。
为了执行配准，ssd404可以通过rc230的至少一个末端开口232、234之一被插入，并且可以通过至少一个末端开口232、234的另一个伸出，如所示的。然而，如果期望，也设想到了，ssd404可以位于rc230之内并且可以结束于至少一个末端开口232、234的另一个处或之前。备选地，配准固定装置206可以仅在其近端具有单个开口232，以用于插入ssd404，并且可以具有闭合的远端，在插入的ssd404一旦到达配准固定装置206的闭合远端时，该闭合远端就停止其行进。备选地，ssd404可以在松弛的配置中被插入配准固定装置206中，并且配准固定装置206之内的夹紧机构被接合，将配准固定装置206之内的ssd404的部分配置到期望的已知路径中。ssd404可以包括多个传感器，所述多个传感器可以提供与ssd404的位置和/或取向有关的信息，从而可以从获取自ssd404的ssdi确定rc230的路径(p)。可以将所述传感器放置在期望的位置处，诸如沿着ssd404的长度均匀位移等。根据系统设计，所述传感器可以包括em传感器、光学传感器等，并且可以取决于所采用的询问系统的类型(例如，em和/或光学)。例如，所述传感器可以包括被图示为“o”的光学传感器450，其可以在被询问时提供光学传感器信息。
对于询问而言，如果需要，所述多个传感器可以逐传感器地区分。所述系统可以在这些传感器之间进行区分，以便选择传感器的子组，以从该组传感器接收传感器信息。因此，通过选择要从其接收传感器信息的传感器的子组，可以选择沿着ssd404的长度的点的子集。例如，可以使用ssd404的所有传感器或传感器的子集、并且因此使用沿着ssd404路径位于配准固定装置206之内的点的子集来完成配准。可以选择点的子集，使得其经由某种物理标准均匀地分布(例如，均匀地间隔)或间隔开。例如，假设配准固定装置206之内的rc230的路径(p)的形状被设定为像正弦波(在2d或3d中)，沿着为配准而选择的路径的点的子集能够是在凸起峰上的那些点，或者是在拐点上的那些点(例如，当正弦波从凹形向上过渡到凸形向下时)。这样可以简化计算。例如，对于完整路径方法(例如，使用来自一组所有传感器的传感器信息)而言，所述处理器可以采用本领域公知的算法，诸如迭代最近点、模板匹配法等。然而，对于点子集方法(例如，使用来自该组传感器的传感器的选定子集的ssdi)而言，所述过程可以采用本领域公知的算法，诸如基于点的算法，诸如procrustes、最小二乘法优化等。
图4b示出了根据本系统的实施例的配准系统401b(下文称为系统401b)的一部分的透视图400b。系统401b可以类似于系统101，并且可以包括多个配准固定装置406-1至406-m(其中，m为整数，通常为406-x)，其每个都可以在操作上类似于配准固定装置106并且可以耦合到ro(例如，桌台)420。ro420可以具有多个附接机构439-1至439-n(其中，n为整数，通常为439-x)，其每个都可以耦合到对应配准固定装置406-x的对应附接机构438-x。
尽管为了例示而示出了多个附接机构438，但是可能需要仅单个对应的附接机构对438-x和439-x耦合到单个配准固定装置406-x以执行配准。附接机构439-x的类型可以包括，例如，角部法兰480、法兰482、开口484、开口对481、楔子441等，其可以耦合到一个或多个配准固定装置406-x的对应附接机构438。例如，配准固定装置406-1的角部法兰438可以耦合到ro420的角部法兰480，ro开口484(可以是键合的)可以接收对应的配准固定装置406-x(如果需要，其每个都可以是键合的)的凸出体440或主体，ro法兰482可以接收固定装置键槽483等。对于ro法兰482而言，当被耦合到配准固定装置406-1的键槽483时，配准固定装置406-1可以如箭头470所示横向地移动。因此，对应的配准固定装置(例如，406-2)可以被用于进行仅取向配准。
对于仅取向配准方法而言，这些方法可以提供即使其仅提供旋转对准也可能有价值的配准方案。剩余的平移偏移可以更容易解决并且能够例如经由软件中简单的拖放或左/右/上/下偏移操作来完成，或者在表示中为并排显示而不是在手术或全球定位系统(gps)导航中常常发现的常规叠加。还设想到了，然后相对导航，例如，“4米后右转，并前进10英尺”可能变得可能。这可以例如在可能不需要平移偏移时减少处理计算。得益于仅取向配准的其他情形可以包括但不限于图像引导的介入系统和机器人中的原型，其中，可以在实际工作空间外部执行事件的序列，用于模拟和测试目的。
当使用仅取向配准时，本系统的实施例可以提供以一种形状因子制造的配准固定装置，其可以：(1)允许配准固定装置以直观方式被对准到工作空间；(2)可以暗示、明示或者通过这两种方式建议配准固定装置的本地坐标系。例如，能够使用具有直角的配准固定装置对具有直角的目标进行仅取向配准，所述具有直角的目标诸如是桌台、墙壁、桥梁和/或其他结构。配准固定装置(诸如图4b的配准固定装置406-1)可以被放在桌台上，使固定装置的一个角和两条边与桌台的一个角和两条边重合。可以使用图形方法(诸如标签或其他文献)和/或(例如，耦合机构的)机械性互锁来显示配准固定装置的期望取向，诸如xyz轴取向，从而在桌台上沿期望的取向放置配准固定装置，并且然后通过配准固定装置的配准通道插入ssd来进行配准，为形状感测设备世界中的桌台生成了xyz坐标系。沿着桌台的长度移动配准设备变得等价于在z方向上移动，跨桌台移动变得等价于在x方向上移动，并且上/下移动变得等价于在y方向上移动。设备基座(即，导管的近端被附接到设备基座的地方)可能不再需要与桌台对准；通常，即使偶然与一个配准目标对准了启动(launch)，其也不可能与其他对准。这种仅取向配准能力可能对于计算机辅助导航系统的快速原型有用，并且剩余的偏移可以容易地如上文所提到地管理——混合配准方法。
图4c示出了根据本系统的实施例的配准固定装置406的一部分的透视前视框图400c。配准固定装置406可以类似于配准固定装置106，并且可以包括以下中的一个或多个：主体436、附接机构和至少一个rc430、控制器410、传感器440、存储器412、发射器/接收器(tx/rx)434以及诸如显示器432和/或扬声器(spk)的用户接口(ui)。rc430可以包括具有路径(p)的通道，并且可以包括识别标记，诸如突出431，其还可以标识rc(例如，除了路径(p)的身份之外)。控制器410可以控制配准固定装置406的总体操作。tx/rx434可以从控制器410接收用于发射的信息，并且可以接收所发射的信息并且将该接收到的信息提供给控制器410以供进一步处理。传感器440可以包括至少一个传感器，所述至少一个传感器可以检测配准固定装置406相对于外部参照系的位置和/或取向，所述外部参照系诸如是通用参照系、无线电波定位系统(例如，gps定位系统、三角测量系统等)、光学定位系统(例如，使用光学对准技术)、磁性定位系统(例如，地球磁场、mri的主磁场等)、机械定位系统(例如，通过感测与机械定位系统的耦合，诸如耦合到凸出体、接收凸出体、法兰等)、重力定位系统(例如，地球重力场等)等，并且形成对应的定位信息(其可以包括取向信息)，并且将该信息提供给控制器410以供进一步处理。控制器410然后可以处理位置信息以确定配准固定装置406的位置和/或取向(取决于系统设置)，并且将该信息(例如，通过tx/rx434经由有线和/或无线传输)提供给外部设备(例如，客户端)，其可以与配准固定装置406通信。此外，控制器410可以操作用于在ui上、诸如在显示器432和/或扬声器(spk)上呈现由控制器410生成的信息，诸如位置和/或取向信息、通信信息等。
因此，配准固定装置可以包括控制器和至少一个传感器，所述少一个传感器可以检测配准固定装置的取向并且将该信息提供给控制器，从而可以向配准固定装置所在系统的系统控制器提供与对应配准固定装置有关的信息。因此，配准固定装置可以提供信息，以指示其相对于通用参照系(例如，物理世界)的取向，允许相对于笛卡尔方向(北、南、东和西)、重力、地板等进行仅取向配准。在工作空间中没有明显坐标系的情况下，相对于某种全局参考、诸如所提到的那些执行大致导航的能力可能是有用的；范例可以包括系统原型和完全配准可能不关键的相对导航情形。可以被集成到配准固定装置中以辅助找到参照系的传感器和测量设备可以包括任何适当的传感器，诸如：罗盘、水平仪、尺子、厚度计、加速度计、磁强计、量角器、gps定位器、取向传感器、光传感器、测距仪、陀螺仪、雷达、声呐等传感器。根据实施例，还设想到了配准固定装置还可以包括诸如显示器、扬声器等的呈现设备，其可以呈现由控制器所生成的信息，其可以呈现取向、距离测量结果等，以方便用户。此外，设想到了配准固定装置可以包括通信接口，其可以操作用于在控制器的控制下将来自传感器的信息中继到客户端系统。
图5示出了根据本系统的实施例操作的ssd配准系统501(在下文中为了清晰起见称为系统501)的一部分的透视前视图500。系统501可以类似于系统101，并且可以包括设备基座502、ssd504、配准固定装置506、诸如桌台520的ro、控制器510以及存储器512，其可以分别类似于图1的系统101的设备基座102、ssd104、配准固定装置106、桌台120、控制器110以及存储器112。然而，系统501可以包括电磁(em)场生成器550，其具有其自己的界定em坐标系(例如，em空间)的工作空间/坐标系(例如，em空间)rem。此外，ssd504可以包括具有至少一个em传感器505的导管507，可以随时间相对于em场生成器550的工作空间顺序地跟踪em传感器。
桌台520可以类似于桌台120，并且可以具有其自己的工作空间rt。
控制器510可以控制系统501的总体操作，并且可以包括一个或多个逻辑器件，诸如微处理器、逻辑门、开关器件等。控制器510可以包括询问模块514和/或配准模块516，其可以类似于询问模块114和/或配准模块516。
询问模块514可以类似于询问模块114，并且可以操作用于控制em场生成器550以使用em跟踪技术来跟踪至少一个传感器505。
em场生成器550可以被安装在系统501的工作空间中，诸如桌台520上方，并且可以操作用于跟踪一个或多个手术器械，诸如导管、针和/或在工作空间之内可以采用的其他柔性器械，并且形成对应的ssdi，其可以包括使用em技术获得的位置信息(包括位置和取向)。em场生成器550可以界定边界(b)，所述边界可以界定em场生成器550可以准确地执行跟踪的区域。因此，配准固定装置506可以被放置在边界(b)之内，使得至少一个传感器505在配准固定装置506的通道之内的位置和/或取向测量结果可以是准确的。
在本实施例中，为了清晰起见将假设至少一个传感器505可以包括被安装在ssd504远端的单个传感器，其中，ssd504的位置和/或取向(形成对应的ssdi)是在控制器510的控制下使用从远端传感器505获得的时序测量结果确定的，因为ssd504在配准固定装置506的rc中被移动，并且在时间上被顺序地跟踪。然而，非限制地，应当理解，至少一个传感器505可以包括沿ssd504的长度彼此间隔定位的多个传感器。em场生成器550然后可以从至少一个传感器505的多个传感器基本同时地(例如，同步地)获得位置信息，并且形成对应的ssdi。
在询问期间，系统501可以随时间顺序地询问ssd504的至少一个传感器505以从所述至少一个传感器505获得位置信息并且形成对应的ssdi。然后，可以重建该ssdi以确定通道的路径(p)。例如，在ssd504贯穿配准固定装置506的通道(例如，rc)时，可以跟踪该至少一个传感器505，并且可以在em坐标系中跟踪该至少一个传感器505行进的路径，并且可以形成对应的ssdi。所述系统然后识别路径(p)(例如，在em工作空间中)，并且利用已知的固定装置到工作空间(wtf)变换将该路径匹配到已知的路径。所述系统然后可以执行配准，如下文将参考配准过程所描述的。
因此，所述ssdi可以包括足够的信息以确定ssd504的一个或多个部分随时间行进的路径，由此确定ssd504在任意时间的形状，诸如用于在任意时间进行重新-配准。在配准过程期间，可以处理ssdi504，并且可以获得并处理与对应的固定装置到目标对(例如，如对应固定装置到目标对的固定装置到工作空间变换(wtf)所阐述的)的已知偏移有关的信息，以对准em场生成器550的参照系rem与ro的期望的参照系，诸如在根据本系统的实施例执行的配准过程期间桌台520的参照系rt。因此，系统501可以操作用于对准em场生成器550的参照系rem与ro的期望的参照系，诸如在例如根据本系统的实施例执行的配准过程期间桌台520的参照系rt(和/或其他期望的参照系，例如，患者参照系)，无论是否已知em场生成器550的位置。
因此，根据本系统的实施例执行的配准可以允许em场生成器550相对于(手术)工作空间(例如，操作桌台520上方)位于未知的位置和/或取向。可以通过配准和/或以其他方式对准em空间与位于工作空间中的其他目标来简化使用基于em的器械在工作空间中进行导航，所述其他目标诸如是手术桌台、患者、导管、机器人手术器械等和/或其(一种或多种)组合。系统501可以包括边界，所述边界可以指示可以在其中放置em场生成器550从而使通过配准固定装置506进行的测量有效的区域。
因此，本系统的实施例可以提供一种配准固定装置，其被配置成相对于诸如桌台的配准目标具有已知的空间关系。所述配准固定装置可以包括具有路径的通道，通过所述通道可以插入诸如ssd的被跟踪器械并且使用fors和/或em方法来跟踪。所述路径可以相对于配准固定装置具有已知的关系，并且由此配准诸如桌台的配准目标。本系统的实施例还公开了一种在ssd贯穿配准固定装置时跟踪ssd的方法，从而能够将在诸如em空间的期望的工作空间的坐标系中测量的路径与桌台上的已知相同路径相关联，以根据本系统的实施例产生配准。与配准固定装置一起的是边界，所述边界指示必须放置em场生成器以使通过固定装置进行的测量有效的区域。
现在将分别参考图6和图7示出和描述的分别使用在图1和图5中所示的实施例执行的fors和em配准。
图6示出了由根据本系统的实施例的过程600执行的功能流程图。可以使用通过网络通信的一个或多个处理器、计算机、控制器等来执行过程600，并且可以从一个或多个存储器获得信息和/或向一个或多个存储器存储信息，所述存储器可以是本地的和/或彼此远离。过程600可以包括以下动作中的一个或多个动作。根据本系统的实施例，可以使用根据本系统的实施例操作的一个或多个适当的坐标配准系统来执行过程600的动作。此外，这些动作中的一个或多个动作可以根据需要被组合和/或分成子动作。此外，根据设置可以跳过这些动作中的一个或多个动作。此外，为了清晰起见，将参考配准系统的单个ssd来描述该过程。然而，应当理解，可以针对配准系统中的每个ssd来重复该过程。在操作中，所述过程可以在动作601期间开始，并且然后进行到动作603。
在动作603期间，可以通过附接机构将配准固定装置(在下文称为固定装置)(例如，通过耦合)被附接到配准目标(在下文称为目标)。当被适当地附接时，所述固定装置可以相对于目标位于期望的已知位置和/或取向，使得该位置和/或取向(例如，根据6d或3d定位)可以与固定装置到目标变换(otf)相对应，这种变换可以事先已经确定和/或存储在系统的存储器中，其中，所述目标具有工作空间。因此，固定装置到目标变换(wtf)可以与固定装置到工作空间变换(wtf)相同，其中，工作空间指代目标的工作空间。在完成动作603之后，所述过程可以继续至动作605。
在动作605期间，ssd可以被完全或充分插入在配准固定装置的通道(界定路径(p))之内。ssd的插入可以由系统和/或由用户直接或经由遥控器来控制。例如，机器人操纵器可以将ssd插入(或者以其他方式放置)到配准固定装置的通道的第一端中，所述配准固定装置被附接到桌台并且具有已知的位置和/或取向，直到ssd处在通道的第二端处或者从通道的第二端延伸。如果需要，机器人操纵器可以独立于用户而工作，或者可以受到用户的控制。用户可以位于机器人操纵器的本地和/或远处。然而，在其他实施例中，所述系统可以生成用户界面(ui)，所述用户界面可以指示用户向通道中完全插入ssd并且在系统的显示器上呈现该ui。如果需要，用户然后可以人工地向通道中插入ssd。在完成动作605之后，所述过程可以继续至动作607。
在动作607期间，所述过程可以询问ssd以从ssd获得ssdi。所述ssdi可以包含足够的信息以确定ssd的形状。可以从ssdi的多个传感器同步地获得ssdi。然而，在其他实施例中，可以从ssd的至少一个传感器、诸如远端em传感器按时间顺序地获得ssdi。例如，设想到了询问可以随时间包括多个询问和/或单个询问以采集ssdi。当ssd完全或充分插入通道之内时，所述过程可以检测路径(p)和/或ssdi可以包括足够的信息以揭示配准固定装置的转换，如下文将参考动作609来描述的。在完成动作607之后，所述过程可以继续至动作609。
在动作609期间，所述过程可以确定是否揭示了形状到固定装置变换(fts)。因此，如果确定揭示了形状到固定装置变换(fts)，所述过程可以继续至动作611。然而，如果确定未揭示形状到固定装置变换(fts)，所述过程可以重复动作605和607。所述过程可以基于以下条件来确定揭示了形状到固定装置变换(fts)：ssdi的计算和/或ssdi与存储在系统存储器中的一个或多个已知形状到固定装置变换(fts(已知))的比较。因此，当作为计算的结果，所述形状到固定装置变换(fts)匹配一个或多个已知形状到固定装置变换(fts(已知))的已知形状到固定装置变换(fts(已知))时，所述过程可以确定揭示了形状到固定装置变换(fts)。备选地，如果作为计算的结果，该形状到固定装置变换(fts)不匹配一个或多个已知形状到固定装置变换(fts(已知))的已知形状到固定装置变换(fts(已知))，则所述过程可以确定未揭示形状到配准固定装置变换(fts)。换言之，当检测到通道的路径(p)时，其固定装置形状到固定装置变换(fts)被揭示，并且所述过程可以继续至动作611。相反，当未检测到通道的路径(p)时，其固定装置形状到固定装置变换(fts)未被揭示，并且所述过程可以重复动作605和动作607。通常，根据本系统的实施例，但未揭示形状到固定装置变换(fts)时，为了清晰起见，将假设这指示ssd未充分插入通道中，与通道未知相反。
在动作611期间，所述过程可以确定是否期望配准。因此，如果期望配准，则所述过程可以继续至动作613。然而，如果不期望配准，则所述过程可以继续至动作619，在此所述过程可以结束。
可以执行该动作，使得用户可以具有是否可以执行配准的输入。因此，在该动作期间，所述过程可以生成并且在系统的呈现设备上呈现用户界面(ui)，诸如显示来自用户的关于是否执行配准的请求输入。所述系统然后可以基于用户的输入来确定是否执行配准。备选地，所述系统可以具有默认设置，诸如期望配准(或者备选地，不期望配准)，可以在计时器期满时(例如，在20秒之后)对其进行选择。
在动作613期间，所述过程可以定位路径(p)。更具体而言，所述系统可以利用沿着ssd的多个采样点的提供来定位路径(p)，并且因此，定位与路径(p)相对应的配准固定装置。在完成动作613之后，所述过程可以继续至动作615。根据本系统的实施例，在该动作期间，可以一开始检查所有采样点以发现其模式与(已知)路径的模式相匹配的点的集合；换言之，仅包含在路径之内的那些点。根据本系统的实施例，然后可以仅使用这些点(例如，可以被称为路径点)进行配准。在发现是路径点的那些点中，可以使用点的连续统一体或者点的子集来计算配准。对于点的连续统一体，所述系统可以采用已知算法，诸如迭代最近点(icp)。对于路径点的子集的情况，可以基于路径特征、诸如正弦波的峰和拐点来选择特定子集。这些点可以被用于也由现有技术中已知的手段来计算配准，诸如procrustes或最小二乘法优化。
例如，所述路径(p)可以被定位，并且因此，当在ssd中提供多个传感器时，可以基于单次测量同步地确定ssd的形状，或者在仅提供一个传感器(例如，在ssd的远端处)时在时间上顺序地确定ssd的形状，以在ssd在配准固定装置的rc中移动时跟踪单个传感器的位置。
在动作615期间，所述系统可以使用以下方程ots＝otf*fts基于先前确定的形状到固定装置变换(fts)以及固定装置到目标变换(otf)来确定形状到目标变换(ots)。在完成动作615之后，所述过程可以继续至动作617。所述形状到目标变换(ots)可以使用任何适当的方法来确定，所述方法诸如是icp、互相关方法、最小二乘法优化等。
在动作617期间，所述过程可以应用配准。因此，可以将诸如桌台的配准目标的工作空间(例如，参见图1)配准到参考工作空间。在完成动作617之后，所述过程可以继续至动作619，在此所述过程可以结束。
配准过程600可以在用户请求时发起和/或当系统检测到特定事件时、诸如当ssd被插入到附接到桌台的配准固定装置的通道或rc中和/或形状被设定为通道的路径(p)时，自动地发起。因此，所述系统能够以预定义时间和/或空间间隔来询问ssd以检测这种情况的发生。还将意识到，在检测到ssd位于被附接到桌台的配准固定装置的路径(p)或rc中时，所述系统可以询问ssd以从ssd的一个或多个传感器获得ssdi。还将意识到，可以根据需要，ssd可以插入到引导件之内，例如导管之内，或者被附接到导管的外表面。
图7示出了根据本系统的实施例的过程700执行的功能流程图。可以使用通过网络通信的一个或多个处理器、计算机、控制器等执行过程700，并且可以从一个或多个存储器获得信息和/或向一个或多个存储器存储信息，所述存储器可以是本地的和/或彼此远离。过程700可以包括以下动作中的一个或多个动作。根据本系统的实施例，可以使用根据本系统的实施例操作的一个或多个适当的坐标配准系统来执行过程700的动作。此外，这些动作中的一个或多个动作可以根据需要被组合和/或分成子动作。此外，根据设置可以跳过这些动作中的一个或多个动作。此外，为了清晰起见，将参考配准系统的单个ssd来描述该过程。然而，应当理解，可以针对配准系统中的每个ssd重复该过程。在操作中，所述过程可以在动作701期间开始，并且然后进行至动作703。
在动作703期间，所述系统可以操作用于控制机器人操纵器以将具有至少一个传感器的ssd插入到附接到诸如在图5所示的桌台520的参考工作空间或目标的配准固定装置(下文为清晰起见称为固定装置)的配准通道(下文称为通道)中。备选地，所述系统可以检测用户将ssd插入到配准固定装置中。例如，位于配准固定装置的通道(rc)处的传感器可以检测ssd的插入，生成对应的信息并且将该息提供给系统的控制器以提示控制器配准过程已经开始。ssd可以类似于图5的ssd504，包括至少一个传感器，诸如位于其顶端的em传感器和/或沿着其长度定位的光学形状传感器。在完成动作703之后，所述过程可以继续至动作705。
在动作705期间，所述过程可以开始em数据收集，以从ssd的至少一个传感器获得em数据。因此，所述系统可以随着时间顺序地询问ssd的至少一个传感器，并且形成可以被包括在ssdi中的对应的em数据。所述em数据可以被具有系统的em工作空间的em生成器收集。在完成动作705之后，所述过程可以继续至动作707。
在动作707期间，可以通过配准固定装置的通道推进所述ssd。该过程可以由机器人操纵器自动地执行，其还可以将ssd插入到通道中或者由用户人工地插入。在该动作期间，所述过程可以继续收集em数据，从而可以跟踪或以其他方式随时间跟踪通过配准固定装置的通道的ssd的至少一个传感器的路径。在完成动作707之后，所述过程可以继续至动作709。
在动作709期间，可以确定ssd是否已经到达(配准)通道的末端。因此，如果确定ssd已经到达配准通道的末端，所述过程可以继续至动作711。然而，如果确定ssd尚未到达配准通道的末端，所述过程可以重复动作707。因此，可以在通道中进一步推进ssd。所述系统可以通过分析感测反馈信息(诸如通道末端的传感器可以报告ssd已经到达通道末端)和/或通过分析ssdi来确定ssd已到达通道末端。也设想到了可以假设当收集到足够的sddi时，ssd已经到达通道的末端。例如，如果ssdi包含足够的信息以识别通道的路径(p)，则所述过程可以确定ssd已经到达通道的末端。
在动作711期间，所述过程可以停止在动作705期间开始的em数据收集，其从ssd的至少一个传感器获得em数据。em生成器的其他功能可以在与当前过程无关的操作中保持。例如，em生成器可以跟踪其工作空间之内的多个目标。在完成动作711之后，所述过程可以继续至动作713。
在动作713期间，所述过程可以确定至少一个传感器在通道之内行进的路径(p)的形状。在导管已经到达路径的末端时，在该点处的ssdi之内的em数据可以包括足够的信息以识别至少一个传感器所穿过的通道的路径(p)的形状。由于路径已经被识别，所述过程可以揭示对应的em到固定装置变换(ftem)，其可以类似于并且被称为在本文中别处所讨论的形状到固定装置变换(fts)。然而，可以使用em坐标来确定形状。在完成动作713之后，所述过程可以继续至动作715。
在动作715期间，所述过程可以匹配所识别的路径(p)与已知的路径信息，以从系统的存储器获得对应的已知的固定装置到工作空间变换(wtf)。该固定装置到工作空间变换(wtf)可以被事先确定并且与固定装置-工作空间对(fwp)相关联地存储在系统存储器中。在完成动作715之后，所述过程可以继续至动作717。所述固定装置到工作空间变换(wtf)可以类似于在本文中别处所讨论的目标为桌台的固定装置到目标变换(otf)。
在动作717期间，所述过程可以根据以下方程wtem＝wtf*ftem基于上文所确定的em到固定装置变换(fts)(例如，形状到固定装置变换)和匹配的固定装置到工作空间变换(wtf)来确定em到工作空间变换(wtem)。因此，所述过程可以使用诸如icp、互相关方法等任何适当的方法来计算(例如，在动作713和动作715期间获得的)两个路径信息集合之间的变换。在完成动作717之后，所述过程可以继续至动作719。所述em到工作空间变换(wtem)可以类似于别处所讨论的形状到目标变换(ots)，目标为em工作空间(w)，并且形状为插入到配准固定装置的rc中的ssd和/或插入到被目标体内的导管的em形状，是使用至少一个em传感器、诸如ssd和/或导管远端的线圈获得的。
在动作719期间，所述过程可以应用配准并且继续至动作721，在此所述过程可以结束。
图8示出了根据本系统的实施例操作的配准系统801(在下文中为了清晰起见称为系统801)的一部分的透视前视图800。系统801可以包括控制器810，控制器810可以操作用于在机器人系统的工作空间中配准机器人操纵器870，所述机器人工作空间界定坐标系rrs，该坐标系相对于参考工作空间坐标系rref，其可以相对于rrs处于未知的位置。机器人操纵器870可以包括末端效应器872(例如，机器人末端效应器)，其可以(例如，使用任何适当的方法，诸如远程操作、向回驱动、系统控制等)被引导以跟踪配准通道(rc)830在诸如桌台820的目标上的路径(p)。rc830可以由任何适当的形状勾勒，以便界定已知的路径(p)，诸如沟槽、轨迹和/或其他路径指示器，并且可以被系统801识别。该路径p可以是已知的路径，并且可以在系统存储器中存储对应的参考信息，诸如路径信息(pi)。诸如关节编码器等的传感器874可以被耦合到机器人操纵器870，并且可以同时地和/或顺序地确定机器人操纵器870的各部分的位置和/或取向，诸如关节的位置等，并且形成对应的位置和/或取向信息，诸如与被跟踪的路径(p)有关的ssdi。控制器810然后可以至少部分基于ssdi和/或pi来执行配准。例如，控制器810可以分析ssdi以确定末端效应器872贯穿的路径。然后，一旦该路径如在ssdi中所阐述地那样被确定，就可以在机器人和工作空间坐标两者中揭示对应的形状到固定装置变换(fts)，并且可以完成配准。例如，在配准过程期间，被跟踪路径(例如，被感测路径，诸如可以与目标到工作空间变换(wto)相对应)可以被匹配到从系统的存储器获得的对应的已知的固定装置到工作空间变换(wtf)。然后，相同的路径可以在机器人和参考工作空间坐标中都变得已知，并且由此能够被配准。所述路径可以包括标识表面特征，诸如压印等，以进一步区分所述路径。
根据本系统的实施例，配准固定装置可以主要具有通道或路径，被跟踪设备(例如，ssd)穿过所述通道或路径以描绘出图案，诸如感测到的路径。然后，可以将所述图案参照已知位置(包括位置和/或取向信息)的已知图案(例如，路径的已知形状)进行匹配，以推导相对于ro的配准。根据本系统的实施例，ssd可以是柔性的或刚性的(参见图1和图2的ssd以及图8的ssd)。因此，由ssd生成被跟踪图案而不需要限于仅柔性器械能够进入的通道之内的插入运动。例如，而并非限制，可能期望使用刚性器械(例如，图8的机器人操纵器)例如通过操纵刚性器械以绕其柱枢转，跨具有凸出拓扑特征的平滑表面对其进行滑动等来生成跟踪的图案。因此，配准固定装置的作用可以是允许被跟踪设备以受约束和可识别图案来移动，其可以被检测并且用于确定配准。
例如，从ssd进入配准固定装置的时刻跟踪ssd的位置，并且在贯穿配准固定装置时积累对ssd路径的跟踪，这些可以通过直接简单的方式进行。然而，在某些情况下，可能更可靠和/或符合人体工程学的是将ssd固定到配准固定装置，并且采用配准固定装置上的机构以预定方式操控ssd，以跟踪路径(例如，感测路径)。例如，所述配准固定装置可以包括致动器，所述致动器可以抓住ssd的一个或多个部分并且引导ssd，使得ssd可以充分贯穿通道。因此，设想到了配准固定装置可以包括致动器，其可以在系统控制器的控制下增强ssd的路径/运动遍历。
还设想到了可以通过采用可以包含至少一个跟踪元件的配准固定装置来增强配准工作流和/或准确度。例如，设想到了所述配准固定装置可以包含用于插入被em跟踪的导管等的路径。一旦插入了导管，所述配准固定装置的用户或控制器就可以滑动沿导管路径运行的被跟踪滑块，并且所述系统可以跟踪滑块而不是跟踪导管(或者附接到或者被包括在导管中的ssd)，知道如果导管与路径一起插入，所生成的路径可以具有可能与导管(或其他ssd)的形状相同的形状。因此，ssd可以包括滑块。该变体可以增强系统与导管路径遍历的同步性。
在其他实施例中，可以跨一个或多个工作空间以已知空间关系分布多个配准固定装置。这种方式可以通过允许用户选择期望的配准固定装置，诸如最便于进入的配准固定装置和/或对应的工作空间，来改进方便性。每个配准固定装置可以包括配准通道，所述配准通道可以包括已知的独有的图案和/或路径，其可以对路径和/或配准固定装置的身份进行编码，并且因此，对工作空间之内的对应的路径和/或配准固定装置位置进行编码。
根据本系统的实施例，可以基于使用和/或应用来设计配准固定装置。例如，对于手术用途而言，所述配准固定装置可以能够以可预测的方式被消毒和/或可以被耦合到床边栏杆或成像系统。备选地，病床可以被设计成具有特殊狭槽以容纳配准固定装置，诸如一次性消毒配准固定装置等。此外，所述配准固定装置可以由诸如塑料的材料形成，其可以不阻挡来自通道之内的至少一个传感器的信号。
尽管可能已经在对手术导管的em引导的导航的语境中描述了本系统的实施例，但是应当理解，本系统的实施例可以包括非柔性器械、非手术流程、机器人手术以及在其中进行配准的非手术机器人任务。
图9示出了根据本系统的实施例的系统900的一部分。例如，本系统的一部分可以包括操作性地耦合到存储器920的处理器910(例如，控制器)、包括诸如显示器930的呈现设备的用户界面(ui)、传感器940以及用户输入设备970。存储器920可以是用于存储应用数据以及与所述操作有关的其他数据的任何类型的设备。所述应用数据和所述其他数据由处理器910接收，用于配置(例如，编程)处理器910以根据本系统执行操作动作。这样配置的处理器910变成了专用机器，特别适合于根据本系统的实施例操作。
操作动作可以包括由例如配准系统根据系统设置来配置系统。
处理器910可以控制一个或多个电源，以向配准系统供电，从而可以生成表示一个或多个坐标系的信号。其处理器910可以处理所接收到的信号，诸如传感器信息，将这些信号变换成位置信号，并且可以生成内容，所述内容可以包括图像信息(例如，静止或视频图像(例如，视频信息))、数据和/或曲线图，其可以被呈现于系统的ui，例如呈现于显示器930、扬声器等上。所述内容可以包括可以由医学成像系统等生成的图像信息。此外，所述内容然后可以被存储在系统的存储器中，诸如存储器920中，以供稍后使用。因此，操作动作可以包括请求、提供和/或呈现内容。处理器910可以在系统的ui、例如系统显示器上呈现诸如视频信息的内容。
用户输入部970可以包括键盘、鼠标、轨迹球或其他设备，例如触敏显示器，其可以是独立的或者是系统的部分，诸如是个人计算机、个人数字助理(pda)、移动电话(例如，智能电话)、监视器、智能或哑终端或其他用于通过任何可操作链路、诸如有线和/或无线通信链路与处理器910通信的设备的一部分。用户输入设备970可以能操作用于与处理器910进行交互，包括如在本文中所描述地实现ui之内的交互。显然，处理器910、存储器920、显示器930和/或用户输入设备970可以全部或部分是计算机系统或者诸如客户端和/或服务器的其他设备的一部分。
本系统的方法特别适于由计算机软件程序、诸如例如包含与本系统描述和/或设想到的个体步骤或动作的一个或多个相对应的模块的程序来执行。这样的程序当然可以包含于计算机可读介质中，诸如集成芯片、外围设备或存储器中，诸如存储器920或耦合到处理器910的其他存储器中。
存储器920中所包含的程序和/或程序部分可以配置处理器910以实施在本文中所公开的方法、操作动作和功能。所述存储器例如可以分布于客户端和/或服务器或者本地与处理器910之间，其中，可以提供额外的处理器，也可以是分布式或者可以是单一的。存储器可以被实现为电、磁或光存储器，或者这些或其他类型存储设备的任意组合。此外，术语“存储器”应当被足够宽泛的解释，以涵盖能够从处理器910可访问的可寻址空间中的地址读取或写入其中的任何信息。利用该定义，可以通过网络访问的信息仍然在存储器之内，例如，因为处理器910可以从网络检索信息，以根据本系统工作。
处理器910能操作用于响应于来自用户输入设备970的输入信号以及响应于网络的其他设备来提供控制信号和/或执行操作，并且执行被存储在存储器920中的指令。处理器910可以包括以下中的一个或多个：微处理器、(一个或多个)专用或通用集成电路、逻辑器件等。此外，处理器910可以是用于根据本系统工作的专用处理器，或者可以是通用处理器，其中，许多功能中的仅一种功能根据本系统来操作。处理器910可以操作利用程序部分、多个程序段，或者可以是使用专用或多用途集成电路的硬件设备。本系统的实施例可以提供成像方法以采集和/或重建图像。适当的应用可以包括成像系统，诸如mri、(计算机辅助断层摄影(cat)、超声、光学、x射线、系统和/或其组合。此外，本系统的实施例可以理想地适合于手术介入技术，其可以利用统一坐标系实时地生成和呈现来自具有不同坐标系的一个或多个成像系统(例如，超声、ct扫描、mri等)的图像和/或传感器信息。
图10示出了根据本系统的实施例操作的配准系统1001(在下文中为了清晰起见称为系统1001)的一部分的透视前视图1000。系统1001可以包括以下中的一个或多个：设备基座1002、诸如形状感测光纤(ssf)的形状感测设备(ssd)1004、配准固定装置1006、诸如桌台1020的配准目标1019(ro)以及控制器1010。在介入流程期间，患者1003可以位于桌台1020上。可以在各个位置之间移动设备基座1002，在介入流程期间诸如手术医师的医师可能需要或期望这样做，各个位置由虚线设备基座示出。一开始，当重新定位时，设备基座1002的工作空间(rl)可能是未知的，并且可以使用本系统的实施例容易地配准。例如，ssd1004可以被插入到配准固定装置1006的配准通道中，发现这种情况的系统可以执行设备基座1002的工作空间(rl)到手术桌台1020的工作空间(rt)的配准。因此，用户可以容易并且方便地在手术期间对设备基座1002进行重新定位。
因此，本系统的实施例提供了一种设备和方法，其可以提供一种配准固定装置，所述配准固定装置被设计成与用于配准的诸如手术桌台的期望的目标、em场生成器等具有已知的空间关系。所述配准固定装置可以包括路径，可以通过该路径插入被跟踪的柔性纤维器械。所述路径可以相对于配准固定装置、并且因此相对于诸如手术桌台的配准目标、em场生成器等具有已知关系。与该固定装置配合的是一种方法，所述方法可以在ssd遍历配准固定装置的路径时对其进行跟踪，从而可以将在期望坐标系空间、诸如em空间中测量的路径与桌台(或者与桌台具有相同坐标系的目标，诸如桌台上的患者)的已知相同坐标系相关联，以产生配准。与配准固定装置一起的是边界，所述边界指示应当放置em场生成器以使通过配准固定装置进行的测量有效的区域。
此外，本系统的实施例可以针对平移偏移以及旋转偏移来实时地调节参照系或一个或多个感兴趣目标(ooi)。因此，本系统的实施例可以针对角偏差和/或其他非线性运动进行检测和调节。还设想到了，本系统的实施例可以提供一种系统和方法以简化针对计算机辅助的手术(cas)系统(诸如患者解剖结构、操作桌台、(一个或多个)成像系统、介入设备等)多个部分的坐标系的配准过程。可以使用诸如fiberopticrealshapetm(fors)的形状感测方法生成用于配准和/或操作工作流的信息。
本系统的其他变化容易被本领域普通技术人员设想到并且被以下权利要求所涵盖。
最后，以上论述意在仅仅例示本系统，不应当被解释为将所附权利要求限制到任何特定实施例或实施例组。因此，尽管已经参考示范性实施例描述了本系统，但是还应当认识到，具有本领域普通技术的人可以设计出众多修改和替代实施例而不脱离如在随附权利要求中所阐述的本系统的更宽和预期主旨和范围。此外，在本文中包括的任何章节标题意在方便阅读而并非意在限制本系统的范围。因此，说明书和附图要以例示性方式被看待，并非意在限制所附权利要求的范围。
在解释所附权利要求时，应当理解：
a)“包括”一词不排除给定权利要求中列出的那些之外的其他元件或动作的存在；
b)元件前方的“一”或“一个”一词不排除存在多个这样的元件；
c)权利要求中的任何附图标记不限制其范围；
d)若干“模块”可以由相同物体或硬件或软件实现的结构或功能来表示；
e)所公开元件的任何元件可以由硬件部分(例如，包括分立和集成电子电路)、软件部分(例如，计算机程序)以及其任何组合构成；
f)硬件部分可以由模拟和数字部分之一或者这两者构成；
g)所公开设备或其部分的任何设备或部分可以被组合在一起或分成更多部分，除非专门做出其他表述；
h)除非特别指示，不预期要求动作或步骤的特性顺序；
i)术语“多个”元件包括所主张的元件中的两个或更多元件，不暗示任何特定数量范围的元件；亦即，多个元件可以少到两个元件，并且可以包括不可测量数量的元件；并且
j)术语和/或以及其词素应当被理解为表示在根据权利要求引述并根据本系统的一个或多个实施例的系统中可能需要适当存在所列元件的仅一个或多个。