基准标记布置的制作方法

专利名称：基准标记布置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种于目标物上布置基准标记(fiducial marker)的方法。 具体地，本发明的实施方案涉及于工作物(workpiece)诸如医学患者上 布置基准标记。
背景技术：
当工作物被作用时，有时有必要将工作物的实际位置与其图像配准， 以确保任何工作在所述工作物的正确区域上进;f亍。例如，当于外部不可
见的工作物的内部结构的一部分上进行工作时，可以获得工作物的内部 结构的图像，并将其用作导标。
在这种情况下，必须将用于获得工作物图像的参照框架(frame of reference )与当前的参照框架配准，4吏得将工具定向于工作物之上或之内， 以作用于感兴趣的区域(诸如工作物的内部结构的一部分)。可以利用早 先获得的工作物的图像来定向工具，然而，以该方式定向工具是困难的， 这是因为工作物的当前方向通常不同于获得早先的图像时工作物的方 向。另外，图像的格式可能不利于这样的工作。例如，工作物的图像片 层可以以其当前方向描述工作物，但基于图像片层定向工具不是容易的 操作程序。
通常，为了将工作物的图像与工作物的实际位置配准，有必要使用 既可以在图像中也可以在工作物的当前视图中可见的工作物的特征。
例如，工作物的内部结构的X射线图像必须参照同样可以在X射线 图像中可见的工作物的外部特征来解释，以实现配准。然而，图像与实 际特征的配准由于可能的特征的多个不同方向而是困难的，甚至在特征 在空间上配准时也是如此。类似地，当自动仪(robot)作用于工作物时，有必要在自动仪的空 间参照框架内确定工作物的精确方向和位置。如果不在自动仪的参照框 架内限定工作物的位置和方向，那么，自动仪不能精确地将工作工具与 工作物对齐以实施任务。
在利用自动仪以于工作物上实施任务的某些情况下，对自动仪设定 程序以对具有精确已知的尺寸和形状的工作物进行操作。将工作物以相 对于自动仪的预定位置提供给自动仪，因此，在自动仪的空间参照框架 内限定工作物。例如，自动化机动车装配线包括例如在相对于自动仪的 已知位置来放置机动车的布置。机动车(motorvehicle)的尺寸和形状是 标准的，该信息已经被设计程序至自动仪中。因此，自动仪可实施与机 动车相关的一系列任务。
另一方面，如果工作物不在相对于自动仪的预定位置，或者工作物 不具有已知的维度，(或者二者均有)，那么，有必要在工作自动仪可于 工作物上实施任何任务之前，在自动仪的参照框架内确定工作物的精确 位置、方向和维度。
物时，会出现与将工作物限定在自动仪参照框架内的相关的另外的问题。 另外，在某些情况下，在由自动仪于所述工作物上实施的任务的过程中， 所述工作物可在自动仪的参照框架内移动。因此，尽管在任务开始时可 以将工作物限定在自动仪的空间框架内，但在任务接近完成时，所述工
作物不再被精确地限定在自动仪的参照框架内。 为了克服这些问题，已经开发了基准标记。
对于使用基准标记来说，使用诸如计算机断层扫描术(CT)、核磁 共振(MR)以及超声成像的方法来获得包括基准标记的工作物的图像并 使这些图像与例如工作物的内部扫描配准是可能的。
这些标记可粘附于工作物的外部，或牢固地包埋于工作物内，使得 至少一部分标记可从工作物的外部可见或可^r测到。在某些情况下，包 括基准标记的框架与工作物连接。所述框架可使用接触工作物或被包埋 于工作物的多个销(pin)固定于工作物。框架的使用允许使用非常少的
6与工作物接触的实际点将多个基准标记牢固定位于相对于工作物的固定 位置。因此，对于工作物的潜在损害减少。另外，不需要从实际工作物 拆去标记和将标记再连接于实际工作物来调整于框架上的基准标记的位 置是可能的。
在大多数情况下，可在自动仪已经实施其一个任务或一 系列任务之 后，或在图像已经与工作物配准用于任何相关的目的之后，从工作物去 除基准标记(或框架)。
基准标记应用的 一个实例是在医学手术之前或仅出于诊断目的用于 患者脑部的医学扫描。基准标记可通过粘合剂或粘合带粘附于患者头部 皮肤上。可选地，基准标记可被包埋于患者的颅骨，以确保它们不移动 或变得松动。应理解，将基准标记包埋于患者颅骨中相对较昂贵，且对 于患者来说不舒服。通常，包埋的基准标记仅在粘附的标记移动或松动 将诱发超过植入的基准标记的有害作用的显著问题的情况下使用。如上 所述，框架的使用是优选的，这是因为它确保标记相对于患者牢固布置 而不需要大量的单独包埋的基准标记。
下面通过举例的方式解释与包埋和粘附的基准标记都有关的问题。
在从患者脑去除脑肿瘤的外科手术之前(或，例如将电极插入患者
脑中，用于治疗帕金森氏病或癫痫的研究)，有必要使用例如CTX射线 扫描、MR图像扫描或超声波扫描采集脑的多个图像。这些脑图像允许外 科医生鉴定脑肿瘤的位置(或感兴趣的其他区域)和需要在后续的手术 过程中去除的(或必须布置电极的)脑的部分。
在实施实际的手术时，外科医生理想上希望对患者的健康颅骨和组 织引起尽可能小的损害，而同时确保脑肿瘤尽可能多地去除(或确保电 极植入正确的位置)。
因此，有必要提供一种系统以将脑的扫描图像与患者头部的外部视 图配准。为了实现这点，将所述基准标记置于患者的颅骨上。自动仪可 被用于采集包括基准标记的患者颅骨的多个(例如两个)外部图像，这 些可用于将患者头部的方向与先前获得的脑的图像配准，由此相对于通 常限定的参照框架来配准患者头部。在光学图像引导的外科手术过程中，可将包括多个基准标记的框架
固定于患者(例如，固定于其头部)。患者的MRI或CTX射线图像、框 架以及标记可用来鉴定患者中感兴趣的区域。在之后的外科手术过程中， 一种工具用于实施部分外科手术，该工具包括另外的基准标记和/或可连 接至框架。安置两部摄像机，使得它们可被操作用于采集患者、具有基 准标记的框架以及工具上的基准标记(如果有一些的话)的。患者的图 像被用于参照框架上的基准标记、工具上的标记(如果有一些的话)以 及先前获得的图像(例如，MRI或CT X射线图像)来指导工具的使用(可 以是由外科医生手动操作或由自动仪自动控制)。因此，可将工具定向至 正确的位置而无对周围脑组织的不必要的损害。
应理解，如果任何基准标记移动或由于一些原因使得不能使用，那 么将患者头部的外部图像与脑的内部图像精确配准是不可能的。这可导 致多个问题，例如，在手术过程中去除健康脑组织。
由于基准标记在工作物上布置的对称性，可以产生其他问题。例如，
正方形模式的基准标记会在自动仪的参照框架内产生工作物的四个表浅 的有效方向。在某种程度上，在标记的布置过程中，可以避免明显对称 的图型。然而，从一个视野表现为不对称的图型可在另一个视野中可表 现为对称。另外，如果一个或多个标记变得不能使用，那么剩余的标记 可形成对称图型。

发明内容
本发明的目的是改进现有技术相关的问题。
根据本发明的一方面，提供了 一种确定两个或多个基准标记的预期 位置的方法，其包括以下步骤就工作物，自原点限定具有一定半径的 路径，所述半径相对于自原点的所述路径的角位移以非重复性方式改变； 以及选择各基准标记的两个或多个预期位置，使得所述预期位置相对于 所述工作物基本上定位于沿所限定的路径的点。
优选地，所述基准标记的预期位置基本使任何一个预期位置从沿所 述^^径的邻近预期位置的角位移不是互质的360。。便利地，所述路径是变波那契螺旋(Fibonacci spiral)或黄金螺旋。 可选地，所述路径是对数螺旋。
优选地，选择四个或更多个预期位置，这样的工作物的定位可通过 研究预期位置的定位使用旋转不变性来确定。
便利地，基准标记的预期位置位于工作物上。
有利地，预期位置位于在相对于工作物的固定位置上的一个或多个 表面上。
本发明的另一方面提供了一种将两个或多个基准标记布置于工作物 上的方法，其包括以下步骤就工作物，自原点限定具有一定半径的路 径，所述半径相对于自原点的所述路径的角位移以非重复性方式改变； 以及选择各基准标记的两个或多个预期位置，使得所述预期位置相对于 所述工作物基本上定位于沿所限定的路径的点；以及将基准标记基本置 于两个或多个预期位置的各位置上。
有利地，基准标记的预期位置基本使任何一个预期位置从沿所述路 径的邻近预期位置的角位移不是互质的360°。
优选地，所述路径是变波那契螺旋或黄金螺旋。
可选地，所述路径是对数螺旋。
有利地，所述方法还包括基本在两个或多个预期位置的各个位置将 基准标记固定于工作物的步骤。
优选地，所述固定包括基本在两个或多个预期位置的各个位置将基 准标记包埋于工作物的步骤。
便利地，所述固定包括基本在两个或多个预期位置的各个位置将基 准标记粘附于工作物的步骤。
有利地，所述方法还包括将基准标记固定于相对于工作物位于固定 位置的一个或多个表面。
优选地，将基准标记布置于四个或更多个预期位置，所述工作物的 位置可通过研究基准标记的位置使用旋转不变性来确定。
本发明另一方面提供了一种工作物，所述工作物上被布置有两个或 多个基准标记，使得所述标记基本位于相对于工作物限定的路径上，所述路径具有以相对于自原点的所述路径的角位移以非重复性方式改变的 半径。
优选地，基准标记的位置基本使任何一个位置从沿所述路径的邻近
位置的角位移不是互质的360°。 优选地，所述路径是对数螺旋。 可替换地，所述路径是变波那契螺旋或黄金螺旋。 1更利地，所述标记^皮固定于所述工作物。 优选地，所述标记^皮包埋于所述工作物中。
有利地，所述标记#:粘附至所述工作物。 ^更利地，四个或更多个标记被布置于所述工作物上，这样的工作物 的定位可通过研究基准标记的定位使用旋转不变性确定。
本发明的另 一 方面提供了 一种被设计程序以实施上述方法的计算机。
本发明的另 一 方面提供了 一种用于根据上述方法操作计算机的程序。


为了更容易地理解本发明，将通过举例的方式参照附图描述其实施
方案，其中
图l描述了包括多个基准标记的工作物；
图2描述了包括多个基准标记的医学患者的头部；以及
图3描述了对数旋转的近似值。
具体实施例方式
从上述与现有技术相关的问题的描述应理解，基准标记的随机布置 将不能保证当工作物的图像与工作物在三维空间配准时，工作物的方向 或位置的明确。因此，本发明的实施方案提供了确定其中应在工作物上 布置基准标记的位置的方法，使得如果一些标记不能使用(例如，脱落、 移动或被封闭)，工作物的图像可仍旧精确地与实际的工作物或工作物的其他图像配准。
将参照图l和2描述本发明。根据本发明的实施方案，如果工作物2
的表面1是平坦的(或基本平坦的)，那么可将基准标记3以沿着非重复 方式或顺序的间隔布置于投影至表面1上的数学螺旋4上。
沿螺旋4布置标记3，所述螺旋4具有相对于自原点恒定变化的角度 而非重复顺序变化的半径。
例如，可将标记3布置于具有下列通用极方程式的对数或等角螺旋4 上(见方程式1和图3):
r = a.e(be) [方程式1]
其中，r二半径，a,b二常量，以及6=角度。
常量"a"表示换算系数，常量"b"决定标绘螺旋的紧密程度和方向。某 一点从原点的角位移由e表示，其将无限增加，直至螺旋4足以包括所 讨论的工作物或位于工作物2上的感兴趣的区域。
对数或等角螺旋4的有用的近似值可通过使用斐波那契螺旋或黄金 螺旋获得。这些近似值中的任一者可用于本发明的实施方案。
对数螺旋及其近似值适于确定在工作物2上由于角度的恒定变化而 半径以增加和非重复方式增加对于基准标记3的布置。
本领域技术人员应理解其他方程式也符合上述给出的由于角度恒定 变化而具有半径的非重复顺序变化的螺旋4的标准。这些其他方程式可 用于本发明的实施方案。
如果上述螺旋4中的一个投影至工作物2的平坦表面1上，基准标 记3以规则的角度间隔粘附于位于螺旋4的投影线上的工作物的表面1, 那么会出现定标误差，即如果某些标记3变得不能使用，阻止了工作物2 的图像明确地与实际的工作物2 (或其其他图像)配准。这个问题可通过 选择与360。不互质的相邻的标记3的角距(angular separation)而改善。
因此，通过根据上述方法将基准标记3粘附于工作物2的平坦表面1 上，防止当工作物2的图像与工作物2本身或工作物2的其他图像或模 型配准时图像2对齐不良(或对准不良)。
应理解大多数工作物2不包括螺旋4投影于其上的平坦表面1 。因此，
ii本发明还提供了确定将标记3定位于三维图型上的预期位置的方法。
根据本发明的一方面，使用上述螺旋4中的一个，并以上述方式确 定预期标记位置5。然后将标记3的预期位置5投影至三维工作物2上， 并将基准标记3布置于投影的预期标记位置5和工作物2的表面之间的 交点上。当然，标记3的位置可同样在螺旋4投影至工作物2上之后计算。
应理解上述将标记3的预期位置5投影至三维工作物2上的方法与 用于产生图语的球面投影相似，但是是颠倒的。如果三维工作物2是球 断面，这变得更加明显。
根据本发明的其他方面，改变上述用于计算螺旋4的方程式以包括 深度坐标(而不仅仅在二维空间操作)。因此，螺旋4的深度还作为角度 的函数变化。
理想地，标记3应位于非平面布置中以包围工作物2中的任何感兴 趣的区域，例如，在医学患者中，标记3可包围潜在的手术耙标，例如 脑肿瘤。
如果将基准标记成簇布置使得它们具有与工作物2中感兴趣的区域 相同的质心，则可实现图像配准或对齐的精确性改进。在某些情况下， 这不总是可能的，因此，如果成簇的标记3使得任何切过感兴趣的区域 的平面还切过该标记簇，则可实现这种系统的精确性的某些改进。
例如，丘脑下核通常是医学患者脑中的感兴趣的区域。根据本发明 的多个方面布置的并意于优化该区域中的图像配准或对齐的精确性的标 记3的簇应该以其图心基本落在丘脑下核上的方式来布置。
可使用例如光投影设备将螺旋4和预期的标记位置5投影至实际的 工作物2上，或可将其投影至虚拟的工作物上。可通过从不同角度获得 工作物2的两个或多个图像和使用立体图像来形成工作物2的虚拟三维 模型来制作虚拟工作物。
在某些实施方案中，可使用工作物2的虚拟三维模型来确定预期的 标记位置5,然后通过参照工作物2的特征或用于确保实际的基准标记3 的精确布置的另外的临时基准标记(未显示)来确定实际的工作物2上的预期标记位置5 (临时标记可在实际的标记3布置之后去除)。
可将基准标记3粘附于实际工作物2上，或可通过相对于工作物2 的各标记3的位置中的一个或多个支持结构(未显示)诸如臂来支持基 准标记3。
实际上，在某些实施方案中，将标记3以布置于先前所述的螺旋4 的线上的中空圆顶(dome)或圆锥形的壳(shell)(未显示)上。将所述 壳连接至可固定于工作物2 (诸如患者)的框架上。所述壳相对于框架可 以移动，使得其可以位于(和牢固固定于)特定的感兴趣的区域上。
例如，所述工作物可以是患者的头部，可以以使得所述标记3的质 心位于患者脑中感兴趣的区域上的方式布置所述壳。
有利地，工具也可以连接至所述框架。优选地，工具包括用于配准 工具的位置的另外的基准标记。
应理解所述壳可包括多个不需要相互之间连接的表面。实际上，可 以将所述标记布置于从所述框架延伸的臂上。可选地，壳和臂均可以祐: 使用。
因此，应理解，可以使用前述任选追踪的图像引导的外科手术方法 来利用本发明的多个方面。
优选地，工作物2是人或动物机体(例如，医学患者)的一部分。 应理解本发明的几个方面适于在脑手术、研究或其他治疗(例如放射治 疗或电极布置)之前或作为其一部分用于在患者头部的基准标记3的定 位。
应理解，当本发明的实施方案应用于实际的情形中时，根据确定的 预期标记位置5对基准标记3的精确定位是不可能的。然而，本发明的 优点仍旧可使用预期标记位置5作为标记3的实际位置的近似值而获得。 因此，可将实际的标记3布置接近于预期的标记位置5，本发明的优点仍 旧可以获得。
如上所述，本发明的多个方面可用于以下目的即，对齐或配准工 作物2的两个或更多个图像，或将工作物2与自动仪的参照框架(未显 示)配准。甚至在一个或多个标记3变得不能使用时，本发明的多个方面也允许所述对齐或配准。
例如，可根据上述方法将基准标记3布置于工作物2上，在该实例 中，工作物2为患者的头部。例如，可以使用诸如MR成像的方法采集 患者脑的一个或多个图像，所述一个或多个图像包括在患者头部上的基 准标记3的位置的图像。MR图像可用于例如鉴定用于手术或进一步的研 究的区域。在基准标记3在患者头部的相同位置上(优选在间歇期没有 被去除)的情况下，可以为手术目的对患者进行准备。在该实例中，自 动仪包括在外科手术方法中，所述自动仪捕捉患者头部的至少两个图像， 以构建患者头部的三维模型。所述至少两个图像包括患者头部的基准标 记3的图像。然后，自动仪可用于将患者头部的三维模型与早先获得的 脑的MR图〗象对准、对齐或配准。因此，通过参照患者的脑和头部才莫型 的对齐图像观察患者头部来确定脑中具有外科意义的区域的位置是可能 的。
应理解，可在捕捉脑和模型的图像和随后对齐的图像之前，获得头 部的三维模型。然而，在这样的实施例中，不再于自动仪的空间参照框 架内配准患者头部，因此，自动仪的使用因不能确定在其参照框架内的 患者头部的精确位置而受限制(不从新图像重建模型)。
只要在工作物上存在至少四个标记3，上述的对齐、配准或对准可仍 旧能够进行。可选地，可以使用任何数量的标记3，工作物的一个或多个 特征可用作虚拟的基准标记。精确的对齐取决于总共有至少四个基准3 和虚拟的基准标记。
本发明的优点是可能的，这是因为根据本发明的多个方面，将标记3 布置于工作物2上的位置，使得例如在基准标记3的位置之间没有对称 性——甚至在一个或多个标记变得不能使用的情况下也是如此。
在该说明书和权利要求书中使用的术语"路径"包括无直部分的曲线 (或螺旋)和一系列限定曲线的近似值的基本直的线(或一条或多条曲 线和一条或多条直线的组合)。
在该说明书和权利要求书中使用的术语"包括(comprises)"和"包含 (comprising )"及其变化形式是指包括特定的特征、步骤或组件(integer )。这几个术语不应解释为排除其他特征、步骤或组件的存在。
前述说明书、或权利要求或附图中以其特定形式或以用于合适地实 施所揭示的功能或用于获得所揭示的结果的方法或程序的方式表述的特 征，可以分别或以所述特征的任何组合用于以不同方式来实现本发明。
权利要求
1.一种确定两个或多个基准标记的预期位置的方法，其包括以下步骤就工作物，自原点限定具有一定半径的路径，所述半径相对于自原点的所述路径的角位移以非重复性方式改变；以及选择各基准标记的两个或多个预期位置，使得所述预期位置相对于所述工作物基本上定位于沿所限定的路径的点。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述基准标记的预期位置基 本使任何一个预期位置从沿所述路径的邻近预期位置的角位移不是互质 的360。。
3. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，所述路径是变波那 契螺i走或黄金螺^走。
4. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述路径是对数螺旋。
5. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，选择四个或更多个 预期位置，所述工作物的这样的定位可通过研究预期位置的定位使用旋 转不变性来确定。
6. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，所述基准标记的预 期位置位于工作物上。
7. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，所述预期位置位于 在相对于工作物的固定位置上的 一个或多个表面上。
8. —种将两个或多个基准标记布置于工作物上的方法，其包括以下步骤就工作物，自原点限定具有一定半径的路径，所述半径相对于自原 点的所述路径的角位移以非重复性方式改变；选择各基准标记的两个或多个预期位置，使得所述预期位置相对于 所述工作物基本上定位于沿所限定的路径的点；以及将基准标记基本置于两个或多个预期位置的各位置上。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，所述基准标记的预期位置基本使任何一个预期位置从沿所述路径的邻近预期位置的角位移不是互质的360。。
10. 根据前述权利要求8至9任一项所述的方法，其中，所述路径是 变波那契螺旋或黄金螺旋。
11. 根据权利要求8或9任一项所述的方法，其中，所述路径是对数 螺旋。
12. 根据权利要求8至11任一项所述的方法，其还包括基本在两个 或多个预期位置的各个位置将基准标记固定于工作物的步骤。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中，所述固定包括基本在两个 或多个预期位置的各个位置将基准标记包埋于工作物的步骤。
14. 根据权利要求12所述的方法，其中，所述固定包括基本在两个 或多个预期位置的各个位置将基准标记粘附于工作物的步骤。
15. 根据权利要求8至11任一项所述的方法，其还包括将基准标记 固定于相对于工作物位于固定位置的一个或多个表面的步骤。
16. 根据权利要求8至15任一项所述的方法，其中，将基准标记布 置于四个或更多个预期位置，使得所述工作物的位置可通过研究基准标 记的位置使用旋转不变性来确定。
17. —种工作物，所述工作物上被布置有两个或多个基准标记，使得 所述标记基本位于相对于工作物限定的路径上，所述路径具有以相对于 自原点的所述路径的角位移以非重复性方式改变的半径。
18. 根据权利要求17所述的工作物，其中，所述基准标记的位置基 本使任何一个位置从沿所述路径的邻近位置的角位移不是互质的360°。
19. 根据权利要求17至18任一项所述的工作物，其中，所述路径是 对数螺旋。
20. 根据权利要求17或18所述的工作物，其中，所述路径是变波那 契螺S走或黄金螺:旋。
21. 根据权利要求17至20任一项所述的工作物，其中，所述标记固 定于所述工作物。
22. 根据权利要求21所述的工作物，其中，所述标记被包埋于所述工作物中。
23. 根据权利要求21所述的工作物，其中，所述标记被粘附至所述 工作物中。
24. 根据4又利要求17至23任一项所述的工作物，其中，四个或更多 个标记被布置于所述工作物上，这样的工作物的定位可通过研究基准标 记的定位使用旋转不变性确定。
25. —种被设计程序以实施权利要求1至7任一项所述的方法的计算机。
26. —种用于根据权利要求1至7任一项所述的方法操:作计算机的程序。
全文摘要
一种确定两个或多个基准标记(3)的预期位置(5)的方法，其包括以下步骤就工作物(2)，自原点限定具有一定半径的路径(4)，所述半径相对于自原点的所述路径的角位移以非重复性方式改变；以及选择各基准标记的两个或多个预期位置，使得所述预期位置相对于所述工作物基本上定位于沿所限定的路径的点。
文档编号A61B19/00GK101616633SQ200780044077
公开日2009年12月30日 申请日期2007年10月24日 优先权日2006年10月31日
发明者安东尼·圣约翰 申请人:普罗苏吉科斯有限公司