专利名称：用来装载图像采集器件或医疗器械的可移动操控台，用于3d扫描以及关于被扫描物体表 ...的制作方法
技术领域：
本发明的主题，一方面是用来装载图像采集器件或医疗器械的、特别是用于脑外科治疗目的的可移动操控台，它包括一个固定所述器件不动的托架；所述托架包含在一个支撑臂内，而所述支撑臂被设计为一个单组件或多组件的支撑臂；此外，所述支撑臂以可旋转或铰接的方式被连接到手术台上；所述支撑臂与至少一个移动装置相关，该装置能够相对于手术台移动支撑臂；所述支撑臂和/或移动装置与位置或移动传感器相关；并且至少一个移动装置以及位置或移动传感器被连接到控制单元上。另一方面，本发明的主题是一种用于，特别是用于对人体的所接近部分的3D扫描以及用于关于被扫描物体表面的信息的电子记录和重建的方法，在此期间，记录的图像由预定义区域单元内的并沿着预定义轨道的物体表面所构成；各个记录的图像被存储在数据库中，可以被检索，使得每个图像也被分配给一个顺序数据，该顺序数据指明记录的顺序；在重建的过程中，在被检索之后，各个记录的图像基于顺序数据被显示出来；图像采集发生在接近物体表面的过程中，在一个连续的物体表面层接着另一个表面层上相继地采集图像。
更一般地说，本发明的主题是一种便携的、机器人控制的图像处理、图像重建、图像显示设备，以及一种相关的方法，该设备可以被安装在手术台上，用于立体定向器件的空间瞄准和/或图像采集器件的空间定位和控制。所述设备和方法适合于对解剖学上的解剖和外科手术中基于多媒体的互动的(立体)图像内容进行4D记录、存储、重建和显示，适合于图像采集所要求的参数的存储、重置和再现、立体数据集，例如DICOM格式的文件的读入/解释、以及基于这些的操控台结构上托架的瞄准。重建的图像内容可以传输到数据银行中，例如，写在硬盘上，可以分发，用于训练或存档的目的，可以在容易得到的普通IT平台上运行的图像显示软件的帮助下进行研究。
背景技术：
适合于观察立体定向外科手术或解剖目的的简单、紧凑而不很贵的视频系统由许多公司之一的Stoelting Co.，Wood Dale，Illinois，US制造并出售。这种系统与计算机结合，插入计算机中的扩展卡与软件结合用来记录图像或视频系列。此外，该系统也包括一种图像处理软件和一种维持所记录图像和文件的数据库的程序，并且基本上包含一个与手术台或手术场所相关的操控台、一个装在操控台末端的托架、以及还包括一个便携显示器和一个可以装在托架上的CCD照相机。这种方案通常包括一个雁颈形的操控台，该操控台被固定在一个作为平衡物的重的基座上，在系统使用期间，借助这个支撑臂，装在托架上的照相机被定位在要记录的，或换言之，要扫描的表面的上方，而该支撑臂可以自由地在每个方向上移动和固定。这种方案的不足之处在于，为了记录一个较大的区域，必须调节照相机的目标/镜头系统，或者必须通过对支撑臂进行重复的手动定位来使照相机重新定位，另一个可能被认为是不足的地方是，作解剖或作手术的人员会被已经定位好的照相机所阻碍，然而照相机一旦移动，即使只是临时的移动，就不能被精确地再定位。
开发了几种设备和方法，用于对图像采集或医疗器械进行机器人类型的控制，在本发明主题的描述中所指定的范围中分别按情况用来记录图像或实施手术。这些包括名叫NeuroMate和Robodoc System的机器人手臂，它们是Integrated Surgical System，Inc.(集成外科系统有限公司)的产品，用来便于进行立体定向脑部手术。就我们所知，或许最成功的商用机器人器械是Automated Endoscopic System for Optimal Positioning(AESOP，用于最佳定位的自动化内窥系统)，一种机器人化的腹腔镜照相机托架，由Computer Motion Inc.设计制造，到目前为止有效地用于很多的临床领域中。这些系统的共同特点是，它们都包含一个操控台，该操控台能够以高的自由度移动和定位，将光学的和医疗的器械放在所述结构的尖端，后者的位置和移动通常以一种借助于计算机控制单元和系统也能设定时间参数的方式，由遥控，偶尔通过语音控制，来控制。所述系统的使用之处要求任何的定位/移动要以非常高的精确度来进行，而另一个到目前位置还不能充分被满足的要求是，所述设备要能够没有大的妨碍地从一个使用之地移动到另一个使用之地。
已经提到的被称作NeuroMate的设备是一个图像引导的、计算机控制的用于立体定向功能脑部手术的机器人系统。该设备包括一个术前工作站。该系统在手术区内对手术工具进行定位、取向和操作，完全如同在术前图像计划工作站上进行该手术的外科医生所计划的一样。该系统在手术期间与外科医生相互作用，很容易适应手术所需要的变化/新情形。这个方案的优点是，它可以不需要到目前为止脑部手术的手工技术中所用的以前是绝对需要的传统的头部框架，并允许将以前所获得的数据分配到治疗对象的实际位置。
其它图像引导的外科手术的设备和方法除了其它人外还由Grimson，Ettinger，Kapur，Leventon，Wells and Kikinis给予了描述1996年发表于IJPRAI的文章“Utilizing Segmented MRI Data in Image-Guided Surgery”(在图像引导的手术中使用分段MRI数据)，以及1996年在Transactions onMedical Imaging上发表的Grimson，Lorenzo-Perez，Wells，Ettinger，Whiteand Kikinis的文章“An Automatic Registration Method for FramelessStereotaxy，Image-guided Surgery and Enhanced Reality Visualisation”(一种用于无框架立体定向装置、图像引导手术和增强现实可视化的自动配准方法)。这些方案的共同特点是，它们都是图像引导的神经导航系统，被设计来保证除了别的之外要使手术过程在最精确的位置处以最安全最简单的方式进行。2000年1月在E-Reports(Technology and Trends for the OpticalEngineering Community)，No.193上发表的Hardin的名为“Image fusionaids brain surgeon”(图像融合帮助脑外科医生)的文章详细描述了将立体数据或磁共振数据用于与要进行手术的病人头部的配准中是如何能在脑手术中避免使用使人痛苦的头部框架的。在这种方案中，首先，对手术区进行激光扫描。基于捕获的图像，设备的操作者使用鼠标选择感兴趣的区域，而将这个区域之外的所有的激光点去除。然后，确定靶区内激光点的3D坐标，之后，一个两步算法将MRI得到的3D模型数据用到与视频馈入的配准中。这种设备用光学手段显示了MRI与视频之间在现实世界的坐标中小于1mm的配准。一旦MRI模型和视频流在现实世界3D坐标中配准了，MRI模型的任何部分，包括皮肤，也能够以指定的精度被显示在视频重叠图(video overlay)上。
除了上面简要描述的方案外，Balogh等人在J.Neurosurg，Vol.100.，pp.591-596，April 2004上发表的文章“Intraoperative Stereoscopic QuickTimeVirtual Reality”(外科手术中采用的立体QuickTime虚拟现实)描述了一种系统，主要用于脑外科手术和解剖中，以捕获手术操作区详细的3D图像。在这种已知的方案中，一种用于立体定向手术中的Zeiss设备被配备了某种光学图像采集器件，最常见的是CMOS或CCD照相机，相对于一个特殊的栅格系统扫描操作区，并将扫描的图像存入数据库中，其文件名中包含了指明图像采集环境的参数，以便于进行一般的检索。为了在每个时间平面，即，在每层中获得没有错误的图像，需要非常小心以防止所摄图像和它们各自的文件名的顺序和匹配出现任何错误。只有这样才能保证在图像重建/导航过程中我们获得了与所选择或所搜寻的地点匹配的图像，因为我们只能够有顺序地在通常是非常多的非常大的文件之间移动。这通常导致检索与所选择的点相关的图像所需要的时间过分地增加。这种已知解决方案的另一个缺点是，由于器件自身的特点，这个几乎是内建的Zeiss设备的定位需要花很长的时间，因此它不合适于外科手术的实时记录，只适合于作解剖的记录。
发明内容
技术问题现在所使用的立体定向操作、立体机器人显微镜(MKM STN系统，下文称作显微镜)的开发是为了实施立体定向外科手术，不是为了图像采集和重建的目的，因此，相关硬件和软件的设计有许多特点从我们现在目标的角度看是不利的。到现在为止，我们为了图像重建的目的开发了所述显微镜的机器人技术的那些优点，该技术使显微镜的光学系统能够绕着一点沿着一个球面片段、根据一个预定义的模式(即，预定义的空间位置的序列)移动，其中该点是从焦距之内选择出来的一个点。目前可用的解决方案包含一个专用软件，即修改过的(基于Zeiss的)MKM软件，以及MKM-STN系统和两个安装于其上的数字照相机。所述显微镜自身通过手动一步一步地定位，这使得图像采集过程非常消耗时间，因此使整个的图像重建技术不足以用于记录手术的过程。考虑到这样一个事实，单个图像栅格，即“层”的图像采集所需要的时间目前最小为30分钟，但经常为45分钟，这取决于图像的数目，在单个手术过程中重复这个过程10到15次，偶尔甚至更多次，不是切实可行的，因为这将增加手术的时间，增加病人的负担因而将手术的风险增加到不能接收的程度。
有另外一个问题，一旦头部被固定，即使是在死尸头上进行模拟手术也必须在一个时间段内进行，因为其任何的移动都会使其实际上不可能在毫米精度内再现所述栅格的取向和位置，这将会导致图像不能对准。这样的漂移几乎总是如此的显著，以至于不能用软件来校正(例如，通过切掉图片的边缘来校正，这无论如何都会减少混合画面(montage)的信息含量)。因此，在尸体上进行的整个模拟手术过程必须在一个时间段内完成，这进一步限制了对感兴趣的手术的所有阶段进行记录的可能性，空间栅格的尺寸以及图片和层的数目各自都必定受到限制。在这种类型的模拟手术的情形中，记录由150个图片构成的10-20层的一个栅格需要手术工作不间断地进行约30-40小时。
本发明所建议的操控台和优选计算机化的控制单元具有一个允许(用手)携带的尺寸。该设备很轻，它可以用相对便宜的技术来实现并且被安装在手术台上，这一点与已知的立体定向操作机器人化的显微镜相反，而该显微镜是一个带手臂的机器人，重量几乎是一吨，因此非常难以移动。后者的移动要求特殊的运输器械和移动装置(电动马达)。这个显微镜的可接近性不仅受其重量的限制，而且也受其尺寸的限制(约2×1.5×1m，即，7×5×3ft)。除了显微镜的尺寸和重量外，妨碍这个设计来作其它用途的操作显微镜在如上所述的图像采集和重建上的广泛使用的最显著的障碍是，所述结构所含技术的非常高的对立价值(counter-value)。应该在本文中提及，所述显微镜的商用现有软件在用于图像采集的每种情形中都必须进行重新编程。只有这种修改过的软件才能使我们能够绕着一个点建立一个空间栅格，并手动地从一个点到另一个点移动显微镜，同时在这个过程中产生图片，以用于随后的图像重建。所以，在所述已知的机器人化的显微镜情形中，这个实际上难以达到的、修改过的软件对于使用现有的技术是必不可少的。
整个图像采集过程是手动控制的这个事实相当大地减小了这种方法的速度。结果，在其目前的状态下，不能够用于手术过程的记录、不能用于不同手术阶段中的图像采集和手术图像重建，只能用于实验室环境下在尸体上进行的模拟手术的图像采集。然而，就上述的硬件限制来看，使用这种技术即使是在实验室环境下也是一个困难而麻烦、通常是累人而冗长的过程。目前可用的技术的另一个缺点是，在一个栅格，在一个层中记录的图像的数目依赖于时间和人的操作。因此，在一个栅格中记录足够数目的图片(200×10-15s＝～50min)以便在最终的重建中浏览时保证平滑的图像过渡需要作冗长乏味的工作。在一个栅格中拍摄的图片越多，在最终的图像重建混合画面中运动的过程就越细腻越平滑，这使图像之间的移动较小。然而，在一个栅格中拍摄的图片越多，图像采集的时间就越长，因为机器人化的显微镜从一个位置到另一个位置的移动在每个情形中都是手动控制的。使用目前的系统，机器人显微镜的图像采集和手动再定位费时约10-15秒，因此我们经常被迫限制空间栅格的大小或图像的数目，这样反过来就不可避免地限制了最终重建中的“光场(optical field)”，并使得最终的图像混合画面中的移动具有令人不悦的颠簸，“不连续”、“不细腻”。手动照相机控制是另一个产生误差的源头，使最终的图像重建混合画面的质量退化。或许会发生这样的情况，在一个给定的点，两个照相机中只有一个在拍摄，因此在这个点，立体图像对中只有一个成员是可用的。结果是，在那个点只能产生一个单一图像，不可能产生图像对。因此，在这个位置处不得不进行“欺骗”，引入邻近的图象对，即，在给定的栅格位置上重复图像，这就会使图像混合画面的总体质量退化。这种情形中的另外一个不利之处是，在多层映射的情形中，当在下一层的同一点处精确地作出合适的图像对时，在同一空间位置处在“搞乱”的层和“正确”的层之间会发生未对准。由于所述显微镜的软件相当简单，到现在为止，在某些地方“搞乱”后不可能返回到同一位置上并在那个位置上重复图像采集过程。因此，我们或者接受图像被搞乱的事实并如上所述用一个邻近对去替换它，或者重新开始图像采集，这意味着重复40-50分钟的工作。我们工作的越久，通常为30到40小时，这种类型的错误就越变得频繁，因为注意力减弱了，疲劳出现了。
技术解决方案本发明所建议的操控台和优选计算机化的控制单元具有允许(用手)携带的尺寸。该设备很轻，它可以用相对便宜的技术来实现并且被安装在手术台上，这一点与已知的立体定向操作机器人化的显微镜相反，而该显微镜是一个带手臂的机器人，重量几乎是一吨，因此非常难以移动。后者的移动要求特殊的运输器械和移动装置(电动马达)。这个显微镜的可接近性不仅受其重量的限制，而且也受其尺寸的限制(约2×1.5×1m，即，7×5×3ft)。除了显微镜的尺寸和重量外，妨碍这个设计来作其它用途的操作显微镜在如上所述的图像采集和重建上的广泛使用的最显著的障碍是，所述结构所含技术的非常高的对立价值(counter-value)。应该在本文中提及，所述显微镜的商用现有软件在用于图像采集的每种情形中都必须进行重新编程。只有这种修改过的软件才能使我们能够绕着一个点建立一个空间栅格，并手动地从一个点到另一个点移动显微镜，同时在这个过程中产生图片以用于随后的图像重建。所以，在所述已知的机器人化的显微镜情形中，这个实际上难以达到的、修改过的软件对于使用现有的技术是必不可少的。
整个图像采集过程是手动控制的这个事实相当大地减小了这种方法的速度。结果，在其目前的状态下，不能够用于手术过程的记录、不能用于不同手术阶段中的图像采集和手术图像重建，只能用于实验室环境下在尸体上进行的模拟手术的图像采集。然而，就上述的硬件限制来看，使用这种技术即使是在实验室环境下也是一个困难而麻烦、通常是累人而冗长的过程。目前可用的技术的另一个缺点是，在一个栅格，在一个层中记录的图像的数目依赖于时间和人的操作。因此，在一个栅格中记录足够数目的图片(200×10-15s＝～50min)以便在最终的重建中浏览时保证平滑的图像过渡需要作冗长乏味的工作。在一个栅格中拍摄的图片越多，使得图像之间的移动越小，在最终的图像重建混合画面中运动的过程就越细腻越平滑。然而，在一个栅格中拍摄的图片越多，图像采集的时间就越长，因为机器人化的显微镜从一个位置到另一个位置的移动在每个情形中都是手动控制的。使用目前的系统，机器人显微镜的图像采集和手动再定位费时约10-15秒，因此我们经常被迫限制空间栅格的大小或图像的数目，这样反过来就不可避免地限制了最终重建中的“光场”，并使得最终的图像混合画面中的移动具有令人不悦的颠簸，“不连续”、“不细腻”。手动照相机控制是另一个产生误差的源头，使最终的图像重建混合画面的质量退化。或许会发生这样的情况，在一个给定的点，两个照相机中只有一个在拍摄，因此在这个点，立体图像对中只有一个成员是可用的。结果是，在那个点只能产生一个单一图像，不可能产生图像对。因此，在这个位置处不得不进行“欺骗”，引入邻近的图象对，即，在给定的栅格位置上重复图像，这就会使图像混合画面的总体质量退化。这种情形中的另外一个不利之处是，在多层映射的情形中，当在下一层的同一点处精确地作出合适的图像对时，在同一空间位置处在“搞乱”的层和“正确”的层之间会发生未对准。由于所述显微镜的软件相当简单，到现在为止，在“搞乱”了某些东西后不可能返回到同一位置上并在那个位置上重复图像采集过程。因此，我们或者接受图像被搞乱的事实并如上所述用一个邻近对去替换它，或者重新开始图像采集，这意味着重复40-50分钟的工作。我们工作的越久，通常为30到40小时，这种类型的错误就越变得频繁，因为注意力减弱了，疲劳出现了。
尽管解决方法自身绝对是唯一的，但是目前可用的图像重建方法是基于两种已知的程序发展起来的。借助于商用程序可以产生和显示扩展名为.MOV的QTVR图像文件。因为在市场上没有能够作类似的多层图像存储体互动显示的应用软件，所以我们开发了一种方法，用来链接和显示源自实际上堆叠在一起的图像栅格的同一位置的图像。创新之处在于，不像可用软件产品的通常作法那样使用一个交织的文件(interlacing file)来显示立体图像存储体，而是通过下载置于一个文件中的左目镜和右目镜图片，来产生显示给观察者的图像。
本发明的目标是，借助于一个最好是容易输运和安装的设备，甚至是在活体手术中也能满足实时4D图像采集的要求，在随后的检索或回放中允许在记录的图像资料的记录空间和时间中自由导航。
有巨大的需求以某种方式将整个技术从具有上面详细描述的不利因素的、笨重而贵重的机器人显微镜中分离出来，并使之自动化，使其也可以被其他人容易地使用。因此，目标就是，特别地开发一种专用器械，用于图像重建技术，但是，如果需要的话，在其立体定向特点的基础上，适合于用来替代直到目前一直使用的手动控制立体定向结构。
尽管严格精确地再现同一点需要机器人技术，但必须开发一种系统，该系统能够使照相机(或其它专用器件)作精确的空间定位和寻靶，并且更小、更轻，比使用MKM机器人显微镜的系统能更好地适合于这个目的。
实际上，MKM显微镜本身也不是必需的，因为其物镜系统被专门用于图像采集，但是那个设备在摄影(扫描)期间也不能用于手术的目的。在图像采集过程中，物镜只覆盖约50×50cm，即，20×20英寸的有用面积。如果照相机能够在这个空间安全地移动，没有振动的话，结果与用MKM-STN系统是一样的。
在这种情况下，手术也必须停下来等待扫描的时间，之后再恢复。通过使用一个专用结构，将之引入手术区，专门用于扫描期间，这样是完全可行的。因此，操控台最好在任何时候都能从手术区移开。
一方面，所设定的目标可以通过一个可移动的操控台来实现，该操控台用来装载一个图像采集或医疗器件，特别用于脑手术的目的，它包含一个固定所述器件不动的托架和一个含有该托架的支撑臂，其中，所述托架被设计成一个单部分或多部分的托架；此外，所述托架以转动和铰链的方式连接到一个台子上，并与至少一个使之相对于所述台子移动的移动装置相关联；所述支撑臂和/或移动装置与位置传感器或移动传感器相关；至少一个的移动装置和位置传感器或移动传感器被连接到一个控制单元上。根据本发明，所述支撑臂包含一个拱形部分；所述托架被安装在所说拱形部分上，可以移动；拱形部分的半径大于包围着要观察或要处理目标的假想圆的半径，所述半径的转动中心落入所述圆的中心的区域中；所述拱形部分连接到另一个可以垂直移动的支撑臂部分，并可以倾斜，所述支撑臂部分被连接到一个组件上，该组件包含一个能被引导沿着平行于所述台子的纵向移动的支撑臂部分和一个能被引导沿垂直于所述台子的纵向而移动的支撑臂部分。
另一种选择是，所述支撑臂包括一个L形部分，所述托架被安装在L形部分的水平段上，可以移动。
另一方面，本发明的目标通过一种用于特别是着手处理的人体部分的3D扫描以及用于关于被扫描物体表面的信息的电子记录和重建的方法来实现，在此过程期间，记录的图像由在预定区域内沿着预定轨道的物体表面构成；各个记录的图像被存储在数据库中，可以被检索，使得每个图像还被分配给一个顺序数据，表明记录的顺序；在重建的过程中，在被检索之后，各个记录的图像基于顺序数据被显示出来；图像采集发生在接近物体表面的过程中，在一个连续的物体表面层相继地接着另一个表面层上采集图像。这个解决办法的创新之处在于，各个图像不仅与匹配的序列数据一起存储，而且也存储它们各自的相对于一个预定参考点而指定的位置和/或记录时间参数，基于序列数据或者位置参数或者记录时间参数中的任何一项，进行检索的基础上重建的图像被显示。
本发明的优选实施例及实现公布在附属的权利要求书中。
有益效果类似于已知的解决方法，所提出的操控台和方法适合于立体定向操作，但是它也支持4D图像采集和重建。这种装置容易(用手)携带的事实使得它甚至更适合于外科手术阶段的4D记录，因为它可以按照需要被安装在几个手术室的手术台上，或者几台设备可以用在一个研究所里。此外，贵重的光学系统用容易获得的适合于数字图像处理的照相机来替代。
因为轨道参数(trajectory parameters)被安排进操作步骤(approaches)中，而操作步骤反过来被安排进计划方案(projects)中，所以，为了图像采集的目的，可以识别同一个计划方案中几个操作步骤的不同轨道。这种安排允许在任何时候从一个操作步骤改变为另一个操作步骤，结果是，在最终的图像重建混合画面中，不仅可以比较这些操作步骤的同一阶段，而且可以比较它们的同一坐标深度。
早些开发的方法局限于多层图像栅格中邻近图像的重建和显示，不能够基于所述图像的空间采集和空间坐标来重建和显示所述图像，因此，不可能看到在任何的空间位置所记录的图像，除非在图像移动的过程中“去到那里”。
新的方法根据图象的坐标，即按照它们采集顺序，重建所有的图像。这很重要，因为这个解决方法允许在图像之间随意自由导航，并且，通过简单地加载实际上在3D图像控制器中选择的图像的掩模，轮廓投影也更加容易地得到解决。
附图描述下面，我们将参考附图更详细地描述本发明，这些图显示了所建议操控台的一些示范性实施例以及所建议方法的一个可能的实施，其中
图1显示了根据本发明的操控台在手术条件下使用的一个可能的实施例；图2a-2b解释了，借助于所建议的操控台，图像采集的可能的可调节区域；图3显示了侧视图中的支撑臂的拱形部分的可能的实施例；图4显示了沿着图3中的拱形支撑臂部分导动的托架的可能的实施例；图5显示了支撑和移动拱形支撑臂部分的另外一个支撑臂部分，以及移动装置；图6显示了实现拱形支撑臂部分的定位所要求的3D移动的支撑臂部分连接的可能的解决办法；图7是一个装在拱形支撑臂部分上的托架以及被安装在该托架上的照相机的示意图；图8显示了图7中的拱形支撑臂部分、托架、和照相机，其中照相机被移动到了拱形部分的末端；图9显示了使装在托架上的照相机转动的单独的移动装置的可能的实现形式；图10是支撑臂的示意图，该支撑臂含有两个相交成一个角度直线部分，用来替代拱形的支撑臂部分；图11-13显示了用在手术条件下的根据本发明的操控台的其它可能的实施例；以及图14-23显示了所建议方法的主要阶段的可能的实现过程的流程图。
最佳模式整个发明所涉及的可移动操控台包含两个主要部分，即一个立体定向操控台，它能够基于空间坐标将图像采集系统、照相机定位。如果所述器件不是一个图像采集单元，而是一个专用的立体定向器件，那么，所述托架也能用于所述照相机的寻靶和定位(见图1)；以及一种方法，用于所述操控台和图像采集器件的协调控制，以及用于所记录图像的存储、处理和显示，以及用于存储和重置扫描参数。也可以用一个操纵杆手动控制操控台的托架。
在设计操控台时考虑下面的标准1.在手术或解剖过程中的任何时刻都能容易地将拱形部分从手术区移走，并允许在任何时刻将另一个辅助器件，如手术显微镜或X射线设备，通过其侧面推入。
2.不会影响拱形部分周围手术设备的传统布置，即，操控台可以在一个还“没有被限制”的区域使用。
3.容易清洗，而且各部分大多数被盖着，只要它们的移动允许这样做。
4.比已知的系统覆盖更大的靶区。
5.轻6.尺寸小，甚至可以装在手袋中携带7.保证照相机或托架作快速而连续的移动，在移动过程中结构的振动最小。
8.这个设计的精髓是，允许照相机自身在拱形部分所界定的极限范围之内的区域中的任何先前标记的点处进行定位，以及允许绕着该点在一个球面之上移动，使得目标的照相机(托架)“概览”不会改变，甚至在移动中也不会改变。这个设计允许对不仅在一个球面上而且在一个柱面上的移动进行编程，或者允许按照需要构造一个图像栅格。
9.基于操控台移动部分、其单元的位移的长度和角度，通过计算可以知道在每个位置处操控台上托架的空间坐标。
10.可以为照相机提供PAL光学系统，允许在每个位置上拍摄全景图片，随后，基于所述光学系统的参数该图片随后可以被软件程序打开，即被解释。因此，不仅在一个位置，而且可在每一个位置处，在空间扫描过程的任何时刻都可以拍摄全景图片。
11.也可用操纵杆对操控台的托架进行定位。
12.可以在同一硬件平台上看图像，该平台不仅能移动操控台，也能移动最终的图像重建混合画面。
图1显示了根据本发明的操控台的一个可能的实施例在诊疗中的应用。说明书中将主要使用术语“手术台”，但很明显，它可以指治疗主体的器官所放置于上或者能支撑该器官的任何其它表面。在本例中，操控台被安在架子1上放置的台子2的窄端，这一端是病人的头所在的一端。台子2上躺着的病人3的头4在治疗中被支撑件6上放置的头部框架5以通常并熟知的方式固定在适当的位置。所述支撑臂包括几个支撑臂部分，这些部分以相对可转动、可倾斜和可滑动的方式维系在一起。从本发明的观点看，支撑臂最重要的部分为拱形部分7，在本例中照相机9通过一个托架8连接到其上。然而，用于所关心的治疗中的其它器件、仪器或工具也可以取代所述照相机9而被安在托架8上。支撑臂通过无线或者如在本例中的情形通过电缆10连接到由例如计算机11所实现的中央单元，并连接到移动装置上，显示在这里的本例中的是操纵杆12，移动装置将照相机9和支撑臂的各个支撑臂部分移动到所希望的它们各自的位置处。植入移动装置13的拱形部分7位于转动机座14上。
图2a在较大的尺度上显示了图1中的安排上的重要细节。可以看到，通过沿着拱形部分7移动照相机9，以及通过绕着图中虚线所指示的转动轴15倾斜拱形部分7自身，可以以通过判断选定的清晰度用照相机9来扫描一个球面片段16，在本例中，该球面片段的半径由病人头部4中的一个假想中心点来定义(脑部手术)，在图像采集期间照相机9的焦点被设定到该假想中心点处，同时扫描各个层，并从身体表面到假想中心点推进。
图2b显示了一种变化，其中拱形部分7没有相对于转动轴15来回倾斜，而是留在其原始的垂直平面中，并且通过沿着其它支撑臂部分的移动，在本例中是沿着那些与台子2平行的部分移动，可以扫描一个柱面片段17，该片段的对称轴平行于台子2的纵轴，或者，通过沿着平行于台子2的短边移动，可以从其对称轴垂直于台子2的纵轴的柱面片段17上获得图像。
图3显示了拱形部分7的侧面图，如所看到的，托架8被置于拱形部分7上，该拱形部分具有一个成型的截面作为一个可移动的滑架，所述托架在拱形部分中受到导引，使其可以在箭头18所示的移动方向上被推动。支撑电缆的线轴19被固定在拱形部分7上，而拱形部分7自身用螺丝20固定在一个支撑臂部分上，该部分作为一个固定拱形部分的支撑件21。
基本的一点是，图像采集应该产生具有足够分辨率的图像，做到这一点的一个前提是，记录器件被正确地设置而且在记录期间设置不应改变。所以，固定在托架8上的照相机9应该能无空隙地沿着拱形部分7移动。这可以通过例如图4中所示的方式来保证。该截面显示，拱形部分7被设计为T形导轨，托架8通过转轮22置于其上。转轮22的无空隙移动可以通过本技术领域中所熟知的方式来保证，即通过弹簧力对其进行预加载来保证。如果托架8不是在转轮22上进行移动，而是例如与拱形部分滑动接触，那么托架8的无空隙移动可以通过内植于其中的柔性元件来保证。通过一种特殊的移动装置沿着拱形部分7来移动托架8，在这里描绘的情形中是通过一个步进马达23来移动的，在马达的轴上固定着钝齿轮24，使得照相机9的移动通过钝齿轮24和这里象征性描绘的建造在拱形部分7上的嵌齿的拱25的协作来保证。
当然，与图4所示的例子形成对照，也可以不用将拱形部分7设计成截面为例如T形的导轨，而是将其作得厚一些，这是一种增强硬度的解决办法，并在其中形成截面为例如T形的凹槽，使托架8的合适的形状互补的部分可以插入其中。托架8的无空隙移动可以通过例如上面所提出的方式来保证。对托架8以及拱形部分7的材料的唯一限制是，它应该是一种被允许用于卫生保健的材料，以及它应该保证充分的机械可靠性，即，允许彼此相对转动或滑动的部分能够永久可靠地在一起工作，不需要特殊润滑剂。转轮22或者钝齿轮24的材料可以是聚四氟乙烯(polytetrafluorethylene)，钝齿轮24和嵌齿的拱25的材料可以是铍青铜或一些其它类似的常用材料。
图5显示了在可能的实施例中的支撑并移动拱形部分7的另一支撑臂部分以及相关移动装置的示图。如图5所示，间接地装载照相机9的拱形部分7的一端通过固定拱的支撑件21和螺丝20固定在L形的中间块26的一条腿上。中间块26的另一条腿被连接到操控台27上，操控台通过轴承28被附着到支撑臂的垂直部分29上，由例如螺丝30来固定。中间块26与负责拱形部分7绕着转动轴15转动/倾斜的转动装置相关联。图2中所绘出的转动轴15由固定拱的支撑件21的位置来确定。所述转动装置包含一个步进马达31，该马达可以通过这里显示的本例中所用的传动单元32或者直接与拱形部分7的固定拱支撑件21相连。
图6显示了保证拱形部分7能作所希望的六个自由度运动的支撑臂的设计的一个例子。如所看到的，各个支撑臂部分，例如在给定的情形中由SKF所制造的直线驱动机构Type LZBB 085来实现，它们提供平行于台子2的纵轴的运动，用箭头T表示，提供与其在同一个在水平的平面内的运动，用箭头K表示，提供支撑臂部分29的垂直运动，垂直于前面的两个运动方向并用箭头M表示。各个支撑臂部分要满足充分的机械稳定性和无振动的要求，这些要求自然由例如任何的直线驱动机构来满足，并且最后一段支撑臂部分，即拱形部分7，连同其上的托架8和照相机9的质量要非常小以容易实现这些要求。
图7显示了拱形部分7的底视图，该部分被设计成导轨33，具有T形截面，可以用其轴34来固定，照相机9位于其中间部分。图8显示了照相机9由托架8移动到了拱形部分7的靠近固定点的一端，并且由于拱形部分7，照相机9的光学轴不同于图7所示的设置中的光学轴。
图9在更大一些的尺度上显示了该选择方案，沿拱形部分7或在其内被引导的托架8配有一个单独的移动装置35，该装置与支撑照相机9的支撑面22可移动地连接，并允许照相机9绕着其自己的光学轴转动或被转动。这样是有利的，因为这样能容易地从对进行治疗的人而言是最有利的方向用已经安置的照相机9来观看待观察的区域。
图10显示了一种变化，其中，与其名字所表明的相反，拱形部分7包含以一个角度，例如，90度角相交接的两个部分，带有照相机9的托架8被置于位于台子2上方的部分中，与台子平行，即水平放置，并使得能够滑动。容易理解，显示在此图中的设计中所述支撑臂部分仍然以能够绕着轴34转动的方式被安置，该设计不是观看/扫描一个球面片段16，而是一个柱面片段17。如果操控台按图10所示来安装，即，可以沿着台子2的长边移动，就可以扫描一个与台子2相截的柱面片段17，而如果安装的操控台可以沿台子2的短边移动，那么可以扫描一个与台子2平行的柱面片段27。
图11-13显示了根据本发明的操控台的更多可能的实施例的一些例子及其布置。图11显示了一种可能的变化，其中所建议的操控台不是被固定在台子2上，而是作为一个独立的、分开的操控台来实现。这种解决方案有明显的好处，能够非常容易地移动操控台到其它的地方，或者在不再需要的时候将它移动到不妨碍手术的地方去。在优选示范性实施例中，操控台直线移动机构的与台子2的短边平行的水平部分被直接固定到操控台上，水平的平行于台子纵边的另一个部分与上述的部分连接，直线移动机构的垂直的第三个部分被连接到所述第二部分上，拱形部分7以例如已经被显示的方式与该第三个部分连接。
作为对照，图12所示的实施例中，直线移动机构被固定到台子2上，这个安排允许以与先前所示安排不同的顺序作3D移动，因此，与图11或图13中所示实施例的情形相比，操控台以不同的方式定位在台子2的区域中，甚至是在闭合状态中。
在图13所示的实施例的情形中，操控台被安装在台子2的短边边缘处一个固定护架中，代表了直线移动机构与台子2的短边平行的部分，与台子2的长边平行或者沿着长边移动的第二部分被连接到上述部分，能够垂直移动的第三部分则被连接到上述第二部分。对于这个实施例，我们也显示了优选用在某些情形中的拱形部分7的另一种设计，其中拱形部分不是完全的，即，没有像到现在为止所显示的那样达到了圆弧的全长，而是只达到了全长的一半，但是设置为能够伸缩，使得下部能够被拉出来以获得完全的拱形部分。当然，托架8被固定在下半部分，并能沿着该部分移动，所期望的位置不仅可以通过沿着拱形部分7推动托架8来得到，而且也可以通过拉出拱形部分的下半部分来获得。
上面显示和勾勒的实施例只是一些例子，说明了如何调节各个支撑臂部分来实现前述装置所提供的可能的移动，以及如何减小拱形部分7的尺寸，即采取一些措施来保证所建议采取的结构不妨碍实施治疗的人的移动、站位和工作。
如所见到的，操控台自身包含几个部分。每个部分能够例如被电动马达驱动，操控台上的托架8的位置通过传感器来探测。传感器反馈使得照相机9在任何时候相对于操控台绝对坐标系的原点的位置被得知。在这里所显示的例子中，操控台包括了拱形部分7，该部分跨在手术区的上方，还包括一个单元，用来固定和移动该拱形部分7。沿着拱形部分7的纵向移动的托架8绕着拱形部分7的原点等距离地移动，并且朝着坐标的原点垂直地“观看”场景。
同样可以将一个照相机9或者一个立体定向操作器件附着到托架8上。为了方便“俯视”的调节，可以通过在照相机9或立体定向器件和托架8之间插入一个转动平面而将照相机9或立体定向器件自身安装在托架8上，假设需要使所谓的“俯视”在移动的过程中可调节。所述固定和移动单元的设计要能够允许拱形部分7围绕一个半圆的主平面以直径为轴倾斜，整个拱形部分7能够向前、向后、侧向、向上、向下移动/定位。为了设定拱形部分7的一个交叉主平面，所述固定和移动单元的设计要使得这个选择可以电动地或手动地调节。
拱形部分7不一定是这样小的尺寸。如果需要，类似的技术可以用来例如记录车辆的装配，用于归档或记录。在这种情况中，操控台可以有房子那么大的尺寸，大到足以在其下容纳一辆车，以便记录各装配阶段，所述记录在之后也可以应用在装配车间里。
操控台运载着照相机9在整个扫描面，即所谓的轨道上移动，用照相机9在轨道的每个位置上摄取相片(立体相片对，stereoscopic picturepairs)，每次达到轨道上的一个点后，启动照相机。在确定了记录顺序和栅格步长之后，在其空间坐标的基础上用图像重建设备来处理图片。
下面参考一个示范性实施方式，我们将更详细地描述本发明所建议的方法。图14-23用粗体显示了所述方法的各个阶段。所述方法自身可以被选择在转动头上或选择在从DICOM文件重建的头上。扫描图式也可以从立体数据集中产生，使得照相机9通过图像控制器来移动，并因此占据所选择的位置。
所述方法包括几个主要单元，即模块空间位置规划模块；图像重建模块；操控台控制模块；神经导航模块；
立体图像显示模块。
图14显示了所述方法第一个主要阶段加入新的计划。
要开始进行的子过程在这个菜单下选择。关于新病人的数据将在这里被加入。将显示一个窗口，用来设置分别与病人以及所希望的方法相关的各种参数。因此，下面的内容可以在这里加入病人的个人数据、关于疾病的数据、将图像存入数据库的位置和方式、扫描所要求的参数、扫描分辨率。扫描参数基于照相机9在通过手动、通过操纵杆、或通过语音控制的定位过程中所发布的位置或时间坐标来设定。一旦设定了数据，它们就被存入数据库中。
图15显示了该过程随后的主要阶段配准(registration)。
这个命令的前提条件是初始病人数据输入；病人的立体数据集(volumetric data set)；在加入病人的数据之后，用户要选择是否用或不用神经导航设备的支持来实施这个方法。如果立体数据集可用，在病人数据输入之后输入立体数据，立体数据可以以DICOM文件格式存在，通过能够读并解释这种文件格式的读器件输入。这个输入过程之后是立体数据集的3D图像重建，并显示结果。用户在这个3D数据集中自由浏览的同时可以按需要在显示器件上选择点。由于先前固定到病人头部的标记也会出现在这个立体数据集中，所以也可以手动指定这些标记。指定之后，每个标记被分配一个托架位置，使得所述托架被设定在病人头顶上的标记上，所述标记和托架间的距离用例如照相机9的自动聚焦函数来计算。照相机9的空间位置在任何时候都可以由计算照相机9的空间位置的命令“计算实际的效应器的位置(Calculate ActualEffector Position)”来确定。在为每个标记分配了匹配的托架空间位置之后，病人的实际几何位置就被计算出来，与这两套数据集之间的分歧相同，后者可以被接受，只要它在先前固定的误差极限之内。随后，配准的关键信息(registration keys)，即所述标记和空间位置坐标，连同同一病人的其它信息一起被存储。因此，不需要为每个人存储一个DICOM立体数据集，并且例如，输入DICOM文件并重新设置了配准的关键信息后，可以再做一次配准，立体数据集和被识别为轨道点的图像可以在任何时刻被匹配。
图16显示了随后所述过程的主要阶段立体定向寻靶该过程类似于已知的神经导航设备所具有的特点。在配准之后，可以随意在立体数据集中标记一个位置。其立体坐标在配准单元(registering unit)内被“翻译”，以提供一个也可以被控制单元所解释的点。然后，源自配准单元的信息激活“扫描初始化”命令，结果，系统调入照相机9的实际位置以发布命令“计算实际效应器的位置”，并通过激活命令“计算并存储轨道”计算从实际空间位置移动到所希望的位置所需要的轨道。随后，通过激活命令“协调马达运动”、“马达控制器”和“转到P1”将照相机9移动到所希望的位置上。
图17显示了该过程随后的主要阶段计算轨道。
这个命令的前提条件是初始病人信息输入(加入新的计划)；初始扫描参数输入(扫描参数)；病人的立体数据集；以及配准在计划方案输入和配准之后，如果需要的话，可以基于准备好的参数计算轨道上的每个点，并在数据库中存储之，与病人的数据进行匹配。在发布命令“选择扫描计划”后出现的窗口中的菜单上通过发布命令“计算”来选择这个功能。
另一种选择是，可以通过神经导航单元来指定轨道参数，如图18所示。
这个命令的前提条件是初始病人信息输入(加入新的计划)；病人的立体数据集(DICOM文件)；以及配准然而另一个解决方案是，在没有要求立体数据集的情况下，手动设定轨道参数，参见图20。
在配准之后，将使用从病人立体数据集中选择的并通过神经导航单元的配准器(registrator)转换为操控台坐标的空间位置坐标。
在配准(这次不是通过操控台的手动定位进行的)之后进行的是用来在立体数据集中建立轨道的所述系统所要求的位置的辨认。然而，为了使操控台的控制单元“理解”这些立体数据，后者必须被饲入配准器(registrator)中，在那里它们被转换为实际空间位置坐标(所有数据应该落入操控台的作用范围内，这一点要被检查，如果落在这个范围之外，则给出一个信号)，然后，通过发布命令“指定操控台的位置”，将它们与这个系统所要求的设置相匹配，以建立轨道，然后，将它们与病人数据一道存入数据库中，作为配准的“关键信息”。因此，借助于DICOM文件，一旦完成了配准，如果图像重建也要求进行立体数据的图像重建的话，配准就能在任何时候被再现。
图21显示了所述过程随后的主要阶段选择扫描计划这个命令的前提条件是初始病人信息输入(加入新的计划)；初始扫描参数输入(扫描参数)；手动，例如，用操纵杆，或者通过语音命令；或者通过神经导航单元；计算轨道；标记图像(为图像分配空间位置坐标)；病人的立体数据集；配准在病人和扫描参数输入、配准以及轨道计算之后，执行命令“选择扫描计划”将产生一个窗口，从中可以选择病人，然后“开始”命令会启动过程的初始化。在初始化期间，计算从托架的实际位置引导到扫描轨道上的点P1的轨道，然后，所述托架从实际位置处被移动到扫描轨道上的点P1，使得首先协调步进马达的运作，然后给马达控制器发布命令，马达随后将托架移动到点P1，然后扫描过程就从那里开始。在扫描期间，每个时刻托架的位置都是已知的，所述位置是通过一个实际托架位置辨认步骤来计算的。在扫描期间，信息从这里被传输到轨道监视器，监视器监视着建立起来的轨道，一旦托架到达了预定的点，然后根据正在使用的是照相机还是视频采集器，给出指令来产生一个图像或采集一个帧(“拍照/抓图”)。一旦照了相片，将其直接存入图像数据库中，或者根据拍照的轨道点的空间坐标的指示来存储。
图22显示了所述过程随后的主要阶段明确而唯一地标记所获图像这个命令的前提条件是加入新的计划；手动设定轨道/通过神经导航单元设定；计算轨道；病人的立体数据集；配准。
如果图像存储时没有其空间位置的指示，那么，基于采集顺序和轨道点，通过发布命令系列“标记图像”，可以在事后加入这段信息。因此，每个图像将被分配匹配的空间位置坐标，尽管在这种情形中是在第二轮中进行的。在加入病人/扫描参数以及在相关人员的数据的重复搜寻之后，上述命令以上面详细描述的方式发布。
图23显示了所述过程另一个主要阶段要察看的计划方案的选择或搜寻。
这个命令的前提条件是加入新的计划；手动设定轨道/通过神经导航单元设定；计算轨道；标记图像；体病人数据；配准。
这里不仅可以通过名字，而且可以根据需要通过任何包含在数据库中的参数来进行搜寻。命令“选择/搜寻要察看的计划方案”将从数据库中选出所希望的计划方案或方法。“建造”命令启动所选择方法的空间构建，并且该系统重新建造所选择的轨道，并将其作为一个棱柱显示在图像控制器中，使得在柱状显示中只使用这些点的X、Y、Z坐标。在这个图像控制器中的导航可以通过鼠标、操纵杆或语音来控制。借助于对图像和各个空间位置进行匹配的设施，从图像数据库/神经导航单元检索与通过导航到达的空间点相匹配的图像。如果使用了神经导航单元，在立体病人数据输入和重建之后，借助于配准关键信息将立体空间位置分配给每个空间位置，其中，立体图像与摄影图像同时被重建并显示。该系统以两种方式工作，即，在立体图像中移动/浏览时显示摄影图像。
更精确地说，当通过对图像和虚拟空间坐标进行匹配而在图像控制器中识别空间位置的时候，这些坐标在配准单元内进行转换。在此之前，通过DICOM阅读器输入并由“图像重建单元”编译的立体数据集被显示在监视器上。因此，一个立体位置被分配给由配准单元所转换的空间位置，其图像被重建，然后被返回显示单元，用来与现实世界图像同时显示。
要察看的计划方案也可以从显示单元，例如，屏幕上来选择和搜寻。借助于图23也可以追踪那个过程。
所述过程类似于在菜单中寻找所选择的方法步骤，不同之处在于，在响应“加入新计划”过程中的“画出扫描区域”命令而指定的区域的基础上，所述方法步骤在显示单元上出现的转动头上被识别。在所述转动头转向的同时该区域出现，通过指向众多区域中的一个区域，可以以上述方式调入图像和立体重建图像两者，如果有这两者的话。
空间位置规划模块这个模块建立扫描表面，或者换言之，建立轨道，并且计算其上的每个点的空间坐标。所述轨道最常见的是球形或柱形表面段，但也可以是简单的平面。该设计的精髓在于，它适合于设定任何轨道，即扫描表面，无论是什么表面，当然是在操控台移动范围的限制之内，这个限制是由操控台移动部分和非移动部分的机械连接所确定的。目标是，设计操控台使之具有一个移动的范围，该范围允许相对于拱形部分中部的转动中心处的一个垂直轴而言在每个方向上都有最小是约45度的自由。定义轨道所要求的参数(空间坐标)通过基于两种输入数据(例如，源自两种单位的空间坐标)的计算来设定。
一种选择是，手动或电动(例如用操纵杆)地对拱形部分上的托架进行定位，因为机器人部分的精确位置在每个时刻都由位置传感器传送，根据这些，可以在操控台的坐标系统内相对于其原点计算照相机9(其托架)在任何时间的空间位置坐标。
另一种选择(假设，在病人头部的固定位置配准之后，所述系统被连接到一个神经导航设备)是，在由例如病人头部构成的立体数据集的(图像)重建之后不久指定该立体数据集中的任何点，并因此将操控台上的托架定位。通过将位于操控台上的托架上的指针(虚拟指针的长度是可调节的；所述指针或为照相机9的自动焦点，或为装在托架上的激光打印机)设定到先前固定在病人头部上的标记上，完成操控台绝对坐标系统和病人3D立体数据集的匹配，即配准，因而完成病人头部空间位置的识别。在输入转动的中心/线/面和定义轨道的空间位置的坐标之后，可以指定不同的轨道。
在使用空间位置规划模块定义了轨道的每个点之后，通过操控台和照相机控制模块沿着轨道移动照相机9，这就是所谓的扫描。在到达轨道上的每个点后照相机9给操控台和照相机控制模块发射一个信号，该模决在每个位置处拍摄一个图片。
操控台和照相机控制模块操控台和照相机控制模决允许给操控台的电子系统以及照相机9一个协调的命令系列，以将操控台的托架沿着由空间位置计算模块所计算的轨道带到一个预定的位置，并激活照相机9。
所述操控台和照相机控制模块或许与神经导航单元有持久的接触(见下面)，或许接收持久的关于病人位置的具有空间坐标形式的输入数据。这就可以在立体数据集的基础上设定操控台。为了能够在开始手术之前(在配准和头部的固定之后)规划手术中要扫描的且随后要进行图像重建的区域，这是必要的。因为操控台发射位置坐标数据，这些数据连续地通过神经导航单元与病人的空间坐标配准，所以，神经导航单元可以连续地显示操控台上托架相对于病人头部的位置，并重建立体数据集的任何部分。为了通过抽取显示器的输出在立体数据集各部分的轨道的每个不同点上产生一个打印屏版本，这个功能是需要的，其中，立体数据集实际上被显示在显示单元上的给定位置处。
如果该模块自身能够读出立体数据集的话，可以更漂亮地实现这个功能。在这种情况中，在配准之后，通过神经导航单元，可以在现实世界图像内容和立体数据集之间建立起一个双向系统，允许在立体数据集中浏览的同时，相应的图片(图像)信息也被显示出来，但这也可以以另外的方式发生，即在图片信息中浏览的同时，在主要平面中的那些空间坐标处重建的图像同时出现。因此，通过空间图像重建模块，从MR、CT和其它立体数据集中重建的图像也可以被交互地显示。就是说，可以将从立体数据集(MR、CT)重建的图像的合适部分分配给每个图像。
操控台和照相机控制模块不断地被告知照相机9的位置，即空间坐标。因此，如果不需要神经导航单元，那么图像采集和处理就在没有神经导航的情况下进行。一旦托架到达空间的某个位置-沿着由空间位置规划模块所规划的轨道-，操控台和照相机控制模块也激活照相机9，使得在每个位置上产生一个立体图像对，但是立体效应的产生也可以通过使用一个照相机9并用邻近图像来产生立体效应。在下载了图像之后，根据轨道，将空间位置坐标分配给每个图像。
操控台和照相机控制模块能够用模拟的或数字的手段来控制操控台的速度、虚拟转动轴的长度以及焦距。
各个轨道的参数，连同神经导航单元产生的配准以及扫描所产生的层在数据库中被组织成方法步骤(approaches)，这些方法步骤反过来再组织成计划(projects)。这样就可以按照需要对它们进行检索、设定、偶尔的修改、删除或再现。
由操控台和照相机控制模块沿着轨道来移动照相机9。为达此目的，需要有一个能以稳定而无振动的方式移动托架的硬件系统，使得移动过程中偶尔的摇晃不会引起图像的漂移，而图像的漂移随后会影响最终的重建混合画面的移动并导致混乱(然而，这种混乱随后应该用软件来纠正)。
空间图像重建模块空间图像重建过程是一个浏览图像的程序，它基于一个概念，即允许将3D或4D图像存储体中的每个图像基于它们各自的空间位置放在由计算机虚拟重建的空间中。在浏览期间，图像可以以任何顺序被检索和显示。该过程的精髓在于，在操控台的坐标系统与立体数据集配准之后，应该为该空间中的每个图像分配位置坐标(以上面描述的方式)，该位置坐标相对于操控台自己的坐标系统的原点，或者相对于立体数据集的坐标系统的原点来定义。在显示之后，可以如愿对重建的图像存储体及其各部分进行操作。
图像重建方法的一种可能的实施例包括下面的步骤/特点为图像采集过程中产生的每个图像提供空间坐标，该坐标描述其相对于预定义轨道的点的位置。图像按相继的顺序下载，轨道的点也被顺序组织到例如一个记录文件中，在其基础上，随后图像被重命名，使得它们各自的文件名指定它们的坐标，这些坐标是图像识别/重建以及图像检索所需要的。
重建意味着图像根据它们各自的坐标在空间中被重建并虚拟排列。这也可以通过前面提到的空间位置规划模块来完成。所述空间位置规划模块总得用点来定义轨道。另一方面，例如，借助于鼠标滚动按钮(即，在这种情况中，监视带着给定偏差Z的坐标)或用其它方式，在立体数据集的情况中或在图像控制单元自身中，通过调节焦距设置，可以指定单个的图像层。
通过指向一个已经画出来的图像栅格(基于轨道的参数X、Y、和Z而产生)的表面上的任何地方来显示图像，在这种情况中，产生在那里的图像将显示出来。为了这个目的，让一个棱柱形点集作为图像控制器，使得图像只按照其X、Y和Z坐标来排列就足够了，因为在计算机监视器上无论如何都看不到其它的3D移动了。另一方面，如果采用PAL光学系统来进行图像采集，那么图像控制器单元将提供一个移动，允许在任何时候在转动(从上面观看)不能进行时通过两个另外的坐标或方向，即倾斜和垂直倾斜来加载图像。转动将是只有通过图像的数字转动来进行的单一移动。该新的解决方案允许不是只能跳到邻近的图像(如同到目前为止所用过程中的情况)，而是可以从图像栅格上的任何点加载一个图像，并从那里开始观看和浏览图像。如果鼠标，这么说，沿着邻近点拖动，图像显示将类似于在已知过程中所发生的情况。另一方面，用一个辅助功能或通过按一个按钮来执行图像层之间的移位，如上面所详细叙述的，但是后者也依赖于显示单元和附在其上的图像观察硬件，例如，图像观察镜。
可以转换目前的程序以便保留图像中的移动并在图像栅格中加入移动。在图像栅格的情况中，重建可以基于空间坐标，但也可以分别基于水平线和垂直线的数目。根据图像的顺序，它们被放置在图像栅格中，然后产生一个对应着位置数的图像栅格，每个栅格点分配一个图像。指向或拖着鼠标到图像栅格中的一点将使得实际图像被显示出来。
由于立体数据集的相关平面部分也是可用的，这些相关平面部分也可以以已经概述的方式分配空间位置坐标，与图像的情况类似，在立体空间中浏览也将加载与给定图像相关的MR或CT图像。因此，实际的手术或解剖图像将会与立体数据(图像)一起出现。然而，如果读入并解释立体数据集-DICOM文件，则会更为有利，而且，保持神经导航系统的配准，在图像控制器中浏览将不仅加载实际图像，而且也加载在同一空间位置中重建的立体图像。如果所述方法步骤借助于神经导航系统来做(因为，是神经导航系统能够基于操控台上照相机9的空间坐标从立体数据集再次重建实际的平面)，那么，指向立体数据集将在任何时候加载在那个位置上重建的图像，甚至在垂直于照相机9的轴的方向的一个平面内。
这就使得显示在任何模式基础上产生的图像成为可能，而不仅是在到目前为止通常选用的一个扫描模式的基础上产生图像。
图像处理之后是它们的自动空间定位，可以察看混合画面并在有的时候可以马上删掉或处理它。
图像层被组织到方法步骤中，而方法步骤反过来组织到计划中。它们的参数可以按照需要被检索，可以在任何时候重复扫描，不必要的图像层可以被删掉或被替换。
方法步骤的安排如下。通过在显示器上显示的虚拟头部上选择某一区域，并在其中选择动画、实况手术或解剖，在图像重建混合画面中进行浏览也是可行的。
在有几个方法步骤的情形中，图像窗口的同步(如果同时研究几个图像重建混合画面，例如为了比较的目的)是非常容易的，因为图像的加载是基于它们的空间坐标的。在图像重建混合画面之间总是可以确定从转动中心计算的同一深度。
命名图像各部分所需要的轮廓绘制可以完成如下。分配给同一图像/图像部分的轮廓不仅被分配颜色，而且被分配图像的位置坐标，在这种情形中，它们可以从一个单个文件加载，不需要使用应用在MIGRT中的解决方法，即不需要使用指定每个图像轮廓的屏蔽文件(mask file)。在包含一个层的图像存储体的文件夹中包括一个含有关于轮廓信息的单个补充文件就足够了。
从上面应该注意到，我们已经解决了在本发明的引言部分中所详细描述的问题。所述拱形部分是便携的、小的(约50厘米×50厘米×1厘米，即20×20×0.4英寸)、可安装在手术台上的、轻的(约10-15kg)。便携性允许从一个手术室到另一个手术室快速转移，以及进行快速安装，但是所述装置也能因需要被安装在其它的操控台上或者安装在天花板上。其制造并不昂贵。它被设计来主要用于图像采集的目的，但是它也能方便立体定向方法步骤。本发明所引入的用于图像采集和图像重建目的的操控台克服了现有系统的许多程序上的和结构上的局限。从此，操控台上托架的定位将完全是自动化的，但和过去一样精确。这种形式的连续扫描将减少图像采集所需要的时间(减小到0.5到1min)到这样的程度，使得整个技术可以用于手术室，而不意味着持续时间、因而手术的风险有显著的增加。操控台的参数将使得这种技术可以广泛地用于图像采集、图像重建和立体定向规划及寻靶的目的，在这些领域中替代基本上过时的、笨重的机器人显微镜，这种显微镜不再制造了。图像采集将更快，而且也是完全自动化的。由于神经导航单元允许在任何时间返回到同一空间栅格位置处(唯一的规范将是配准误差的范围)，可以在实验室尸体上准确而精细地进行模拟手术，不需要将35-40小时的工作投入单个时段中。此外，在用于图像采集目的的本例中，借助于本发明所述的操控台，由于图像采集时间显著地减少，以及由于事实上导航提高了术前规划，如上面所详细描述的，也可以将之用于外科手术中。
所述系统完全自动化的事实有助于克服主要的障碍轨道大小以及图像数目将不再是一个问题；视野可以被扩展，图像的数目可以增加以增强最终的图像重建混合画面的质量和数量并使其平滑没有颠簸。
上面详述的由于手动地控制系统而产生的误差也可以被去掉不再可能“忘记”触发照相机，因为整个过程将是自动化的，万一由于某种原因而省略了一副图片的话，可以再现同一位置，并且重复甚至是那个单个的曝光。这些因素也将提高图像重建技术的质量。由于参数可以在任何时候再现，可以在短时间内重复/删掉整个扫描过程。由于基于保持结构(holdingstructure)的技术，也不需要限制层的数目，这意味着在最后的分析中，可以记录更多的手术或者其它过程的阶段。快速的图像采集将允许通过重复及增强配准精度来容易地对层间的未对准进行校正。
在手术、所谓的活组织检查、样品收集中使用本发明所述的立体定向操控台也意味着与现有的立体定向结构设计相比有很多创新处。现有的结构，没有神经导航单元，将所述结构固定到头部(侵入性地，invasively)是不可缺少的。活组织取样目前包括几个阶段。首先，病人的头皮在无菌条件下被麻醉，与外科方法的规则一致，然后在一个短的操作中将所述结构固定到头部(在头骨中钻螺孔)。所述结构自身的设计要使得允许根据X、Y、Z坐标瞄准头部上的靶。在这个小操作之后，病人在CT或MR设备中被扫描，然后，返回手术室，在手动地设置(根据基于CT或MR图像的计算)使用毫米尺度的结构的寻靶器件之后，继续进行手术。通过使用立体定向操控台，其中CT和MR图像的3D数据集由计算机来解释，可以避免所有这些阶段。并且在头部的固定(例如，通过无创遮罩，non-invasive mask)以及神经导航所要求的配准之后，可进行导航，而且在计算机上进行靶选择之后，可以将操控台上的托架设置在靶上。这个过程类似于已知系统，但是不采用机器人显微镜，而是将操控台上的托架移动到适当的位置，所述托架可以装载一个立体定向寻靶器件或者甚至是一个照相机。不是被固定在病人的头部，立体定向器件被安装到，例如，手术台上，这使得用手术作的有创螺孔钻孔和结构固定不再需要。
空间图像重建技术基于一个新的概念。与现有方法相比，单个图像不分配名字，而是分配指明它们空间位置的坐标，即在它们的采集期间的照相机位置的坐标，该坐标显示在文件名中或其它地方。因此，不管图像采集的方式是什么，所产生的图像集中的每个图像基于所选定的标记规则(例如，文件名的前三个数字可以表示X，而下面三个数字表示Y)被分配以空间坐标。因此，图像重建不是简单地按照图像采集的顺序，其扫描模式，即图像采集的顺序和模式来进行，这些可以由已知的设备/软件程序来解释，而是用于轨道规划的数据被用来进行这个虚拟轨道的图像重建；因此，每个轨道位置被连接到匹配的图像上。通过在图像控制器，例如在含有轨道X、Y、Z坐标的3D棱柱中移动鼠标，用图像察看器、显示单元和监视器来加载和显示图像。这种方法的优点是，导航或机动的自由度要大得多，从跳到/察看邻近图像扩展为加载/显示与由用户所指向的空间栅格上的任何点匹配的图像。如果鼠标被拖过邻近点，那么邻近图像就被显示出来，如在已知方法中的那样。用坐标标记图像的另一个可能的优点是，可以为在空间位置处获得的真实图像分配相匹配的重建立体(CT、MR等)图像，因此可以同时察看两种成像形式。
相对于已知解决方案而言，空间图像重建技术的创新之处为与本发明最接近的已知解决方案是两个现有商用软件产品的升级版本，按照图像采集的顺序将各图像层，即多层，的图像连接起来，这是一个局限于根据图像窗口中鼠标的状态而显示邻近图像的程序，与其它已知软件产品的情形相同。
在确定了栅格尺寸之后，通过在虚拟空间或虚拟图像栅格中或沿着轨道，根据记录图像各自的空间位置坐标或者基于它们的采集顺序来排列这些记录图像，所述空间图像重建方法可以为机动操作提供大得多的自由度。导航可以按已知的方式进行，但是整个过程位于一个图像控制器中，该图像控制器基本上是轨道上的每个点或图像栅格上的每个点的重建。在图像控制器的表面上移动鼠标将会加载曾对应着鼠标指针位置的图像。
所述方法在产生更多功能上是有革新的，例如图像窗口操作转动放大/缩小图像窗口同步图像材料移动控制器图像的标记和拖动单元将新计划加入现有模块中压缩到文件中图像重命名镜像(mirroring)等通过从显示器中的工具栏中选择一个钻，然后开始钻具有坐标的图像，就可以加入一个“钻孔”特性。由于在任何深度处的转动选择，即在任何层中的转动选择，可以从另一个角度返回到这个钻的动作。
可以保留上一个图像察看的顺序，可以按照需要设定所存顺序的数目。
如果图像是用PAL光学系统记录的，软件必须打开映射过的图片(mapped picture)。这种解决方法的另一个优点是，在连续扫描的每个时刻拍摄完整的、无失真的、全景图片，因此，在重建之后，可以在每个时刻及时“察看”，以观看所述的全景图片。有一种移动是这种解决方法所不允许的，即概览取向的变更，但是这一点可以通过例如软件来解决。
神经导航单元可以结合到该设备中，或者作为一个单独的单元与操控台协调在一起，如果是用于医疗的话，适合于对病人的立体(CT、MR等)数据存储体进行处理和显示。病人实际的头部位置与存储在神经导航单元中的立体数据集的配准可以通过两种办法来完成。一种办法是，通过代表部分神经导航单元的红外照相机(infra-camera)，通过指向置于病人头部的标记，识别并配准存储在神经导航单元中的立体数据集中对应的点，然后由软件计算病人实际的头部位置和立体数据集之间配准的分歧，即误差。考虑到神经导航单元的红外照相机观看到操控台上的托架上的标记，以及在病人实际的头部位置的配准之后，神经导航单元与操控台有长久的接触，可以在任何时候确定相对于病人头部的空间位置的照相机的空间位置，因此，神经导航单元在照相机移动过程中重建立体数据集，使得也为这些图像提供永久的坐标，它可以与真实图像一起被重建，但是这样也就将我们带回到在序言中所涉及的已知程序。
另一种方法是，可以通过操控台的可调节的焦距来指定标记，与已知系统的情形相同，不需要红外照相机。由于操控台的坐标是知道的，因此可以将所述标记放在操控台的坐标系统中，这必须只能与存储在神经导航单元中的立体数据集相配准。如果有另外的配准，神经导航单元允许将照相机设定在同一个位置上，因此，可以避免图像之间源于不精确设置导致的任何未对准。可以用软件来校正小的偏移。
有几种解决方案用来显示4D图像重建混合画面。首先，操控台的图像接收系统可以被直接附在镜片上，该镜片连着一个小监视器，这样就可以使用设备来直接记录发生的事件，因此可替代目前广泛使用的光学系统。然而，混合画面不仅可以通过这些镜片来观看，而且可以用任何监视器或用显示立体定向图像的设备来观看。
图像重建混合画面的移动可以在程序内实现，或者通过一个外部硬件元件(例如操纵杆)来实现，它们能够模拟操控台的自由度，并且能够在同一PC上显示这个4D材料。可以用一个图像控制器或者用一个探测头部位置任何移动的设备来实现显示(后者是一种已经开发了的、可用的技术，具有合适的硬件元件)。因此，一旦头部有任何移动，图像材料将自动在合适的方向移动。根据另一个解决方法，这种方法借助于另一种众所周知的技术来完成，安装在操控台上的照相机的位置将随着头部的移动/转动而按比例地变化。这个转动的基本特点是，除了可转动的图像存储体之外，通过改变头部的位置，图像材料的变更比实际中绕着焦点转动能够产生一个甚至更为逼真的效果。聚焦可以随意调节，观察者头部移动所引起的图像转动的灵敏度也可以调节。
图像重建混合画面，连同浏览、空间图像重建软件可以被写在CD上，作为一个完成的产品。
权利要求
1.可移动的操控台，用于装载医疗设备的图像采集系统，主要用于脑外科手术，-包含固定所述设备不动的托架(8)；-包含装有所述托架(8)的支撑臂，其中，-所述支撑臂被设计成单组件或多组件的支撑臂；-所述支撑臂以能够转动和铰链连接的方式被连接到一个台子(2)上；-所述支撑臂与至少一个移动装置相关联，该至少一个移动装置相对于所述台子(2)移动该支撑臂；-所述支撑臂和/或所述移动装置与位置/轨道传感器相关联；-所述移动装置和所述位置/轨道传感器被连接到控制单元；其特征在于-所述支撑臂包括拱形部分(7)；-所述托架(8)被可移动地安装在所述拱形部分(7)上；-所述拱形部分(7)的半径超过了围绕着目标物体的虚拟圆的半径，且所述半径的转动中心落在所述圆的圆心区域；-所述拱形部分(7)被连接到另一个能以垂直移动方式运动的支撑臂部分(29)上，能够倾斜，所述支撑臂部分(29)被连接到一个组件上，该组件包含能沿着平行于所述台子(2)的纵向被引导移动的支撑臂部分和能沿着垂直于所述台子(2)的纵向的方向被引导移动的支撑臂部分。
2.根据权利要求1所述的可移动操控台，其特征在于，所述拱形部分(7)包括T形导轨(33)，而所述托架具有一个互补形状的凹槽。
3.根据权利要求1所述的可移动操控台，其特征在于，所述拱形部分(7)包括T形凹槽，而所述托架(8)具有互补形状的延伸部分。
4.根据权利要求1所述的可移动操控台，其特征在于，所述托架(8)通过辊子/轮子(22)被嵌入所述拱形部分(7)，确保无空隙连接。
5.根据权利要求1所述的可移动操控台，其特征在于，所述移动装置为步进马达。
6.根据权利要求1所述的可移动操控台，其特征在于，所述托架(8)具有自己的移动装置。
7.根据权利要求1所述的可移动操控台，其特征在于，一个能弯曲但纵向有刚性的条带的末端被连接到所述托架(8)上，而所述条带的另一端盘绕在位于所述拱形部分(7)末端的所述移动装置的轴上，所述条带在凹槽中被引导运动。
8.根据权利要求1所述的可移动操控台，其特征在于，托架(8)的所述移动装置能够绕着通过所述拱形部分(7)中心点的转动轴(5)转动。
9.根据权利要求1所述的可移动操控台，其特征在于，所述拱形部分(7)具有刚性成型截面。
10.根据权利要求1所述的可移动操控台，其特征在于，所述拱形部分(7)以可移动的方式被安装。
11.可移动的操控台，用于装载医疗设备的图像采集系统，主要用于脑外科手术，-包含固定所述设备不动的托架(8)；-包含装有所述托架(8)的支撑臂，其中，-所述支撑臂被设计成单组件或多组件的支撑臂；-所述支撑臂以能够转动和铰链连接的方式被连接到一个台子(2)上；-所述支撑臂与至少一个移动装置相关联，该至少一个移动装置相对于所述台子(2)移动该支撑臂；-所述支撑臂和/或所述移动装置与位置/轨道传感器相关联；-所述移动装置和所述位置/轨道传感器被连接到控制单元；其特征在于-所述支撑臂包括L形部分；-所述托架(8)被安装在所述L形部分上，并能够移动；-所述L形部分被连接到另一个能被垂直地引导移动的支撑臂部分上，并能够倾斜，所述支撑臂部分被连接到一个组件上，该组件包含一个能沿着平行于所述台子(2)的纵向被引导移动的支撑臂部分和一个能沿着垂直于所述台子(2)的纵向的方向被引导移动的支撑臂部分。
12.一种方法，用于特别是被处理人体部分的3D扫描以及用于关于被扫描物体表面的信息的电子记录和重建，包含的步骤有，在预定义区域内并沿着一个预定义轨道记录所述物体表面的图像；通过为每个图像也分配一个指明记录顺序的序列数据，在数据库中存储各图像记录，使之能够被检索；在基于所述顺序数据的检索之后的重建过程中，显示各图像记录；在逼进所述物体表面的过程中，在一个连续的物体表面层相继地接着另一个物体表面层上采集图像；其特征在于，与各图像存储在一起的不仅有所述匹配的顺序数据，而且还有它们各自的相对于一个预定参考点而指定的位置和/或记录时间参数，基于检索而显示重建图像，而检索则基于所述顺序数据、或所述位置参数或所述记录时间参数中的任何一个。
全文摘要
一种可移动的操控台，用于装载一个图像采集或医疗设备，特别用于脑外科手术的目的，它包含一个托架(8)，将所述设备(9)固定不动；所述托架(8)被安装在一个支撑臂的拱形部分或水平部分，可以移动，所述支撑臂被设计成一个单组件或多组件的臂，以转动和铰链的方式连接到手术台上，并与至少一个移动装置相关联，该移动装置相对于所述台子来移动它；所述支撑臂和/或移动装置与位置传感器或移动传感器相关联；并且至少一个移动装置和位置传感器或移动传感器被连接到一个控制单元。所述拱形部分(7)被连接到另一个支撑臂部分(29)，可以倾斜，该支撑臂部分能够以垂直可移动的方式运动，所述支撑臂部分(29)被连接到一个组件上，该组件包括一个能沿着平行于所述台子(2)的纵向移动的支撑臂部分和一个能沿着垂直于所述台子(2)的纵向的方向移动的支撑臂部分，而且所述拱形部分(7)的半径超过了围绕着目标物体的虚拟圆的半径，所述半径的转动中心落在所述圆的圆心区域中。一种方法，用于特别是被处理人体部分的3D扫描以及用于关于被扫描物体表面的信息的电子记录和重建，在这个过程中，记录的图像由预定义区域内或沿着一个预定义轨道的物体表面构成；各记录的图像被存储在数据库中，可检索，使得每个图像也被分配一个序列数据，指明记录的顺序；在重建的过程中，各记录的图像在基于所述顺序数据的检索之后被显示出来；图像采集发生在逼进物体表面的过程中，在一个连续的物体表面层相继地接着另一个物体表面层上进行。与各图像一起存储的不仅有匹配的顺序数据，而且还有它们各自的相对于一个预定参考点而指定的位置和/或记录时间参数，重建图像的显示基于检索，而检索则基于所述顺序数据、或位置参数或记录时间参数中的任何一个。
文档编号A61B6/02GK101090678SQ200580039568
公开日2007年12月19日 申请日期2005年9月16日 优先权日2004年9月20日
发明者阿蒂拉·鲍洛格 申请人:阿蒂拉·鲍洛格