用于估计物体中工具空间位置的系统与方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种在物体中，特别是在用所述工具加工的人骨（例如，人类头盖骨 的颞骨的乳突）中估计工具空间位置（姿态）的系统。另外，本发明涉及用于在物体中估 计工具空间位置的方法。
【背景技术】
[0002] 目前，如计算机数控机器、机器人等可用的加工系统利用位置传感器估计相对于 被操作物体的坐标系的工具姿态。通常，位置传感通过其中包括数字编码器、立体光学照相 机和激光扫描仪的方式实现。
[0003] 在特定情况下，可获得被操作物体的数字模型并用于定义工具到物体的动作。例 如外科手术中，利用对骨的三维扫描确定待加工至骨内的空腔的最优位置。
[0004] 在物体上实施（基于模型的）方案之前，模型（和加工系统）必须以物理物体为 参考，过程通常被作为记录。
[0005] 所述记录过程依赖于在物体与模型两者中关联可识别的标记。标记位置可在模型 中通过图像处理并且在物体上通过使用测量设备利用数字化的方式而被识别。至少需要三 个标记以记录物体与其模型。
[0006] 但是，由于在模型和物体中的任何一个或二者上不适当的标记识别，所述记录可 能不正确。这可导致物体坐标系与模型坐标系的错误的叠加而导致对物体的错误操作。例 如在外科手术中，在骨模型中设计的空腔将被执行在错误的位置和/或方向上。
[0007] 由于缺少额外的用于验证的标记（超出用于记录过程本身的标记），对错误记录 的变换的识别可能比较困难或者甚至是不可能的。
[0008] W02009/092164中描述了利用了组织反馈的外科手术系统，沿预设轨迹使用组织 特性的估计，并且基于实际组织特性与由外科手术工具测量的组织特性的不同对自动的外 科手术任务进行调整。在该设备中所使用的控制器类型是线性控制器，其中，例如力传感器 提供输入信号且自动设备（机器人）可基于该信号被控制。在为放置椎弓根螺钉的钻孔应 用中给出了说明性示例。在该示例中，期望钻头保持在椎弓的内部通道中，因此如果钻头与 此通道的外壁（皮质骨）相连，控制器可调整轨迹以从该边界移走。
[0009] US6718196中描述了一种方法，该方法在附着于立体定位架的单自由度执行器的 控制下，用于将例如探针的工具推进如大脑的组织中。还描述了数控机构，其被训练用于基 于组织特性识别异常组织和血管。传感器可包括例如力、孔隙压力、氧化、血流等模式。使 用工具轨迹的起始部分以朝向控制算法的训练方向收集训练数据。该发明使得外科手术探 针进步，以在组织的边界处，例如血管处被停止。
[0010] US2011/0306985中介绍了一种基于被加工材料硬度的控制加工反馈率的方法。材 料（骨）硬度在空间上的不同由医疗影像数据确定。因此研磨设备的反馈率可根据局部硬 度而改变，该局部硬度由影像数据导出。力反馈也可用于调节反馈率。
[0011] 另外，在US2007/0225787中公开了一种可控电极和用来将该可控电极插入到体 内的设备。所述插入系统包括设备，其基于对施加在工具顶端上的力的感应以主动控制工 具的位置（即插入深度）。
[0012] 在US2007/0181139中描述了一种系统和一种方法，用于凭借经验确定探针和组 织表面的接触。该信息通过使用机械操控器和具有在其远端的附有传感器的探针确定。机 械依次将探针移动到不同位置并且记录对应的组织特性。然后，基于探针测量值的变化确 定工具相对于表面的位置和方向。
[0013] 另外，US2011/0112397公开了通过使用三维位置追踪设备和针形探针来确定由软 组织围绕的骨结构的位置的技术。实际上，所述设备工作原理与数字化坐标测量仪相似，其 中，将探针穿过软组织插入且接触骨，记录一个力的峰值且由此触发记录针头的空间位置。 通过从多个方向和位置重复该步骤，生成骨表面的3D图像。类似地，DE102005029002描述 了一项发明，其与使用探针测量组织的力和硬度相关，该探针同时在空间上可追踪。因此， 可生成机械特性的三维图像。另外，在DE10 2008 013 429A1中描述了一项发明，其在体 内将在外科手术设备远端的力与3D位置相关联，其中，该申请的关注点为将力横向引导至 工具轴。
[0014] WO2010/147972涉及一项发明，其在手术探针可接近椎弓外边界时提供给外科医 生反馈并由此阻止破坏。对力的阈值的预测基于手术前医疗影像的数据，其中影像强度值 与骨的特性相关联。
[0015] 在US2004/0010190中描述了用于在体内将超声影像探针相对于预设目标体对 齐的系统和方法。该系统通过机械机构可追踪并跟随移动的目标体，该机械机构可自动调 节工具位置以响应来自控制系统的命令。另外，也可利用力传感器保持探针与人体的接触。
[0016] 总体上，到目前为止的现有技术描述了基于可用工具的传感器信息的对机器的控 制或加工参数，但并没有提供在非均质体内估计工具姿态的适当方法。
【发明内容】
[0017] 本发明根本的目的在于提供一种简单的系统和方法，其允许相对于模型坐标系统 的操控工具和因此相对于被加工物体的自校准。该问题被具有权利要求1中所述的技术特 征解决。
[0018] 相应地，所述系统包括被设计为用与工具联接的传感器，用于沿实际轨迹将空腔 加工到物体中，所述传感器还被设计为用于在通过所述工具加工所述物体时产生传感器输 出信号，所述传感器输出信号依赖于沿所述实际轨迹的所述物体的材料特性（例如，材料 密度）和与传感器连接的分析装置，该分析装置被设计为用于将所述传感器输出信号，特 别是在加工所述物体时（即实时的）与至少一个或多个预设备选输出信号相比较，以确定 所述信号间的相关度/相似度，其被用于在物体中确定工具的空间位置。确定传感器输出 信号与备选输出信号之间的相关度/相似度可包括或可通过确定标量来实现，该标量表示 对测量的传感器输出信号与备选（理论的或预测的）输出信号之间的相似度/非相似度或 相关度的测量。这样的标量可指非相似度测量或相关度指数，且在求平均值时可被用作权 重。然后，工具在物体中的空间位置可至少由模型轨迹确定，与该模型轨迹相关的（预期 的）输出信号显示出与根据所确定的测量值（即显示某个相关度指数或（小的）非相关度 的测量值）测量的传感器输出信号最好的相关度/相似度。另外，可使用一些或所有模型 轨迹，根据由传感器测量的输出信号与备选输出信号之间的相关度/相似度加权平均确定 (当前）工具在物体中的空间位置，由传感器测量的输出信号和备选信号中的每一个与模 型轨迹以一特定方式相关联。
[0019] 使用所述材料特性沿相关的模型轨迹在所述物体的材料特性模型中预先生成每 个备选输出信号，所述物体可由适当的（特别是3D)物体表现（图像）来表示。
[0020] 确定工具在物体中的空间位置可包括确定所有六个或少于六个的形成刚性体工 具的自由度。根据本发明的一个方面，所述工具在物体中的空间位置（姿态）可通过使用 至少模型轨迹来确定，与备选输出信号相关的模型轨迹具有相关指数，其对应传感器输出 信号与备选输出信号之间的相关度中最高相关度。由于工具沿其（实际）轨迹加工空腔 且与空腔很好地匹配，与备选输出信号相关的模型轨迹具有与传感器输出信号最高的相关 度，直接产生了最可能的工具位置。例如，所述模型轨迹的端点（目标点）连同所述模型轨 迹的（相对于物体的）方向可被看作工具（的顶端）的空间位置。
[0021] 根据本发明的一个方面，分析装置可被配置为对至少一部分（或整个序列）的 备选输出信号Yi实施线性变换，以将后者与传感器的输出信号X进行匹配，特别是根据Zi =bYJ+c，其中Zi是变换后的备选输出信号，b是比例系数且c是移位矢量，并且T是可选 的正交旋转矩阵，且其中分析装置被设计为优化b、c和可选地优化T，使得被定义为屯= E^Xj-ZiP2的不相关度的测量值（相关指数）cU最小。这里，分析装置被配置为提取在备 选输出信号中具有最小屯的备选输出信号Y,为与测量的传感器输出信号相关度最好的那 个。所述相关模型轨迹随后可被用于确定工具的空间位置（例如，通过将所述模型轨迹的 端点和其方向（T)看作上述的工具的完整空间位置）。
[0022] 对于统计上更为稳健的方法，根据本发明的另一方面，在确定（当前）工具空间位 置时，可考虑所有的模型轨迹，但随后使用各个权重进行加权，权重反映了传感器输出信号 和备选输出信号之间的相似度/相关度，传感器输出信号和备选输出信号与它们各自的模 型轨迹相关联。对每个模型轨迹，对应的权重特别是在传感器输出信号与备选输出信号之 间的差（差距）的函数，其中与该模型轨迹相关，其中特别地各个权重是传感器信号与其对 应的备选输出信号的方差的函数。
[0023] 这样的加权平均可在模型轨迹的某些点上实施，彼此相对应，特别是模型轨迹端 点Pi和/或它们