利用三维跟踪传感器进行配准及导航的制作方法
【专利说明】利用三维跟踪传感器进行配准及导航
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请主张2012年12月13日申请的第13/714，066号美国专利的权益和优先权，该案的全文以引用的方式并入本文中。
【背景技术】
[0003]本发明大体上涉及物体的配准及导航领域，且更特定来说涉及利用三维跟踪传感器进行配准和导航。
[0004]三维跟踪传感器(“3D跟踪传感器”)可跟踪移动物体的位置及取向(也就是姿态)。例如，用于WINDOWS的KINECT 3D跟踪传感器使用相机和红外深度传感器来实现骨骼和面部跟踪。3D跟踪传感器已经实施在(例如)游戏产业中(例如，用于XBOX 360游戏系统的KINECT跟踪传感器)，来让用户与计算机或其它装置互动，而无需实际接触所述装置。
[0005]3D跟踪传感器的另一个例子是Leap Mot1n, Inc.(加利福尼亚州圣弗朗西斯科)研发的3D跟踪传感器。由Leap Mot1n, Inc.研发的装置可跟踪位于所述装置周围3D“互动空间”内的物体。通过使物体(例如，手)在互动空间内移动，用户可与以可通信方式链接至所述装置的软件互动，并控制软件。例如，用户可将装置连接至膝上型计算机，并在3D空间中通过执行手势进行点击及滚动，而无需实际接触鼠标或膝上型计算机屏幕。
[0006]第2010/0110165号美国专利公开中公开3D跟踪传感器的另一个例子，该案的全文以引用的方式并入本文中。第2010/0110165号美国专利公开公开了用于获得和计算与一个或多个目标物体相关的三维信息。
【发明内容】
[0007]本发明的一个实施方案涉及一种手术系统。所述手术系统包括耦合至便携式手术元件的3D跟踪传感器和固定至物体的可跟踪元件。所述手术系统另外包括至少部分基于所述3D跟踪传感器所提供的信息确定所述可跟踪元件的姿态及使所述物体与所述物体的三维呈现配准的手术控制器。
[0008]本发明的另一个实施方案涉及一种利用3D跟踪传感器进行配准的方法。所述方法包括利用3D跟踪传感器跟踪可跟踪元件，其中所述3D跟踪传感器与便携式手术元件耦合，且所述可跟踪元件固定至物体；基于所述3D跟踪传感器所提供的信息确定所述可跟踪元件的姿态；及使所述物体与所述物体的三维呈现配准。
[0009]替代性示例实施方案涉及通常在权利要求书中列举的其它特征和特征组合。
【附图说明】
[0010]通过以下详细说明，结合附图将更充分理解本公开，其中相同参考数字指代相同元件，其中:
[0011]图1是根据示例性实施方案的手术控制器的框图。
[0012]图2是根据示例性实施方案的利用3D跟踪传感器进行配准的手术系统。
[0013]图3是根据另一个示例性实施方案的利用3D跟踪传感器进行配准的手术系统。
[0014]图4是根据示例性实施方案的利用3D跟踪传感器进行导航的手术系统。
[0015]图5是根据另一个示例性实施方案的利用3D跟踪传感器进行导航的手术系统。
[0016]图6是根据示例性实施方案的利用多个3D跟踪传感器进行导航的手术系统。
【具体实施方式】
[0017]在转向详细说明示例性实施方案的图示之前，应理解，本申请并不限于说明中所列或图示中所述细节或方法。还应理解，术语的目的只是为了描述，而不应视为限制。
[0018]本文所述示例性实施方案涉及利用3D跟踪传感器(诸如(上述)由LeapMot1n, Inc.所研发的装置，其可跟踪物体相对于所述3D跟踪传感器的姿态)的手术应用。两种利用3D跟踪传感器的示例性应用是手术程序期间的配准和导航。根据一个实施方案，3D跟踪传感器用于使物体(诸如患者解剖结构的一部分)与在所述手术程序之前所生成的患者解剖结构的三维呈现配准。在另一个实施方案中，3D跟踪传感器用于在手术程序期间协助跟踪物体(例如，所述患者、手术工具)。
[0019]参考图1，手术控制器10可用于实现本文所述各种功能(例如，计算、控制机制、过程)。手术控制器10包括具有处理器14和存储器16的处理电路12。处理器14可实施为通用处理器、专用集成电路(ASIC)、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、处理组件组或其它合适的电子处理组件。存储器16(例如，存储器、存储器单元、存储装置等)是一种或多种用于存储完成或协助本申请中所述各种过程的数据和/或计算机代码的装置(例如，RAM、ROM、闪速存储器、硬盘存储器等)。存储器16可以是或包括易失性存储器或非易失性存储器。存储器16可包括数据库组件、目标代码组件、脚本组件或者用于支持本申请中所述各种活动的任何其它类型信息结构。根据示例性实施方案，存储器16可与处理器14通信连接，且包括用于执行本文所述一个或多个过程的计算机代码。存储器16可包括各种模块，每个模块可存储与特定类型功能有关的数据和/或计算机代码。在一个实施方案中，存储器16包括几个与手术程序有关的模块，诸如规划模块24、导航模块26、配准模块28和机器人控制模块30。
[0020]应理解，手术控制器10无需容纳在单个壳体中。确切的说，手术控制器10的组件可位于图2中所示手术系统100的各个位置，或甚至位于远处。手术控制器10的组件可位于(例如)3D跟踪传感器36或触觉装置32中。
[0021]本公开预期任何机器可读介质上用于完成各种操作的方法、系统及程序产品。机器可读介质可以是手术控制器10的一部分或者可与其接合。本公开的实施方案可利用现有计算机处理器，或通过出于此目的或另一目的并入的用于合适系统的专用计算机处理器，或通过硬接线系统实施。本公开的范畴内的实施方案包括程序产品，其包括用于携带或在其上存储机器可执行指令或数据结构的机器可读介质。此种机器可读介质可以是可被通用或专用计算机或者其它具有处理器的机器访问的任何可用介质。举例而言，此种机器可读介质可包括RAM、ROM、EPROM, EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储器、磁盘存储器、其他磁存储装置、固态存储装置或者可用于携带或存储呈机器可执行指令或数据结构形式的期望的程序代码且可被通用计算机或专用计算机或者其它具有处理器的机器访问的任何其它介质。当通过网络或另一种通信连接(硬接线连接、无线连接或者硬接线连接或无线连接的组合)将信息转移或提供至机器时，所述机器适当地将所述连接视为机器可读介质。因此，适当地将任何此种连接称为机器可读介质。上述组合还包括在机器可读介质的范畴内。机器可执行指令包括(例如)使通用计算机、专用计算机或专用处理机器执行一定功能或功能组的指令和数据。
[0022]再次参考图1，手术控制器10进一步包括通信接口 18。通信接口 18可以是或包括经由直接连接或网络连接(例如因特网连接、LAN、WAN或WLAN连接等)与外部源进行数据通信的有线或无线接口(例如插口、天线、发射器、接收器、收发器、电线接头等)。例如，通信接口 18可包括用于经由基于以太网的通信链路或网络发送及接收数据的以太网卡及端口。在另一例子中，通信接口 18可包括经由无线通信网络进行通信的WiFi收发器。因此，如果手术控制器10与图2中所示手术系统100的其它组