医疗程序期间用于确定和追踪运动的系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于图像导航手术(image guided surgery)的系统，更具体地，涉及用于医疗过程中利用外部可视参考点确定和追踪运动的系统。
【背景技术】
[0002]多年来图像导航手术已经具有广泛的发展，并且目前是手术程序中非常重要的工具。大部分的改进是以体内极少到达的图像位置诸如内脏为中心。
[0003]口腔手术在本申请中被限定为任何发生在口腔内的手术，其很难可视化进行。口腔相对较小，并且对病人来说很难长时间维持张口的状态。即使手术位置是可见的，一旦钻子刺入，在任何给定的时间内也很难确定钻子的顶端在哪儿。
[0004]图像导航手术涉及使用计算或计算机化轴向断层扫描，通常称为CT或CAT扫描，来创建手术位置(通常为三维)的数字图像。然后，外科医生利用该图像制定用于手术的计划。手术期间，将之前的CT扫描产生的图像与特定的仪器一起使用，以可视地描绘出仪器的顶端在病人体内的位置。
[0005]为了这么做，来自扫描的数字图像必须准确地配准到(registered)病人手术位置，使得病人的移动引起对数字图像的调整。必须知道仪器的顶端相对于病人的准确位置。
[0006]对于口腔手术，诸如在种植牙期间，医生必须将钻子钻进自由空间，同时控制钻子随着病人的潜在移动处于六自由度。这会使钻子精确地钻进好的骨，同时避免非常困难地钻进牙根和神经。因此，图像导航手术近年来被用于促进钻孔过程，为了计划手术事件以提供恢复方案，医生利用对病人牙齿的CT扫描精确地判断骨密度、宽度和高度，并且了解其他牙齿的关系以及解剖结构，该恢复方案可能是最成功的并且具有最小的创伤。
[0007]现有的计划软件和构造系统，其利用CT图像帮助将术前计划翻译成被动手术导航(passive surgical guide)，即创建用于手术的虚拟计划，然后在牙科实验室中预构造手术导航以实施该计划。这些被动手术导航帮助医生准确地指向正确的位置、角度和深度。被动图像导航手术具有局限性，他们必须在手术前在牙科实验室中或通过导航制造商预构造。这需要医生和病人的更多的时间和花费。如果病人的口腔有变化或者医生想要改变计划，那么该导航就不再有用了。很多情况下，病人不能将他们的嘴巴张开足够大以容纳所需的仪器和导航。
[0008]动态图像导航(active image guided surgery)手术解决了被动导航系统的很多问题，即有限的最大嘴张开、预先构造被动导航的需要以及手术期间不能改变计划，这些问题都可以由动态导航系统克服。为了提供动态图像导航手术，病人嘴巴的位置，具体的骨头和牙齿，必须被精确地追踪并配准到扫描的图像和手术工具上。为了这么做，大多数传统的系统需要创建配准设备，该设备附接至病人的头部或插入到嘴巴里，该设备包括基准标记(fiducial marker)和传感器。一些配准设备附接至头外部，例如安装在头上的夹具(fixture)。为了限制对手术区域的干扰并且允许光学传感器追踪夹具和手术工具的运动，其它配准设备涉及附接至颚骨的具有传感器的夹具。
[0009]为了创建口腔夹具，在手术前几周制作通常既包括上部牙齿也包括下部牙齿的印模(impress1n)。然后将该印模送到实验室，在该实验室里制作实质上复制了牙齿的铸型(cast)。由该铸型制作口腔夹具，或者将其安放在牙齿上，或者设计将其钻进颚骨里。该夹具包括至少基准标记，并且如果没有装配有传感器，那么就包括光学传感器的安装位置。
[0010]实验室创建夹具之后，将其送到外科医生那里。将戴有该夹具的病人和CT扫描带进实验室。病人又一次被送回家。病人的口腔的数字图像由该扫描创建，并且外科医生制定手术计划。
[0011]然后又将病人带来以进行手术。将夹具附接至病人。将光发射机定位在病人附近，并且其发射由传感器探测到的信号。当病人的嘴巴移动时，传感器发送信号至软件，从而对病人口腔的数字图像做调整。该软件也追踪仪器的位置，并且描绘相对于牙齿的数字图像处于正确位置的仪器的图像。
[0012]除了给病人造成的不方便，现存系统常常很难精确地将病人配准到数字扫描。所有目前的牙科动态图像导航手术系统涉及光学追踪，其需要将夹具放置在病人的嘴里，并且延伸到最外面以被光发射机或接收器探测到。
【发明内容】
[0013]公开了口腔手术期间用于追踪手术仪器的图像导航系统。该系统包括配置为可移除地附接至病人的解剖结构的夹具，该解剖结构位于临近手术区域的位置。
[0014]包括托架组件的第一追踪组件，可移除地附接至该夹具。第一追踪组件包括第一追踪图案表面，该第一追踪图案表面包括第一光学可视图案。该托架组件将该第一追踪图案定位在与该手术区域分开的位置。
[0015]系统包括在手术程序中使用的工具。第二追踪组件附接至该工具，并且第二追踪图案表面。该第二追踪图案表面包括第二光学可视图案。
[0016]多个照相机安装在远离该手术区域的位置，当该照相机启动时，该位置允许该照相机捕获位于该第一追踪图案表面和第二追踪图案表面上的光学可视图案的图像。
[0017]处理系统连接至照相机并且处理捕获的图像。处理器配置为识别光学可视图案，并且三角测量该第一追踪组件和第二追踪组件的位置和方向。该处理系统基于该参考数据集确定被追踪的工具的位置和方向，该参考数据集包括该夹具相对于CT扫描的位置和方向。该处理系统分析每个照相机的第一和第二追踪图案表面上的光学可视图案的之间的相对变换。
[0018]优选地，该夹具配置为可移除地附接至病人口腔内的一个或多个牙齿上。
[0019]该托架组件包括可移除地附接至该夹具上的法兰的托架底座。该托架组件还包括附接至该第一追踪图案表面的追踪底座，以及将该托架底座附接至该追踪底座的支撑臂。优选地，该托架底座包括与法兰啮合的两个分开的安装杆。优选地，该追踪底座至该第一追踪图案表面的附接是可调节的。
[0020]在一个实施例中中，该追踪底座包括具有一系列压痕和突起的基座。该第一追踪组件包括附接至该追踪底座的框，从而允许该框相对于该托架组件可调节。该框包括一系列压痕和突起，该压痕或突起配置为与该托架底座上的压痕或突起紧密配合，从而允许托架框相对于该基座的旋转。
[0021]该光学可视图案的每一个包括多个2D具有鲜明对比的形状，设置该具有鲜明对比的形状从而唯一地将每个光学可视图案与其它光学可视图案区分开。
[0022]定位每个照相机从而捕获每个光学可视图案的图像，该图像与由其它照相机捕获的相同的光学可视图案的图像相比，位于不同的视角。该照相机发送表示光学可视图案的2D图像的数据。
[0023]图案数据集包括用于多个图案上的有鲜明对比的形状的位置数据。处理器利用该参考数据集确定图像中的特定图案。
[0024]如附图中绘示的，根据以下对优选实施例的详细描述，本发明的前述和其它特征以及优点将变的更加明显。如可实现的，能够以各种方式修改本发明，该修改都不脱离本发明的范围。因此，应将附图和说明书认为是本质性的绘示而非限制目的。
【附图说明】
[0025]出于绘示本发明的目的，在图中展示较佳形式。然而，应当理解，本发明并不限于图中展示的精确配置及工具。
[0026]图1是用于本发明实施例的具有附接至口腔夹具的图案显示表面的追踪组件的透视图。
[0027]图2是图1中的口腔夹具和追踪组件的顶视图。
[0028]图3是根据本发明的具有附接至口腔夹具的追踪组件的另一个实施例的透视图。
[0029]图4是图3中的口腔夹具和装置组件的侧视图。
[0030]图5是根据本发明的用于将追踪组件附接至口腔夹具的托架的侧视图。
[0031]图6是图5中的托架的不同的侧视图。
[0032]图7是根据本发明的附接至牙科仪器一起的追踪组件的另一个实施例的透视图。
[0033]图8是图7中的牙科仪器和追踪组件的侧视图。
[0034]图9是移除了图7中的牙科仪器的托架组件。
[0035]图10是用于追踪组件的图像显示表面的图案的一个实施例的绘示。
[0036]图11是设置有四个追踪图案的装置贴片，用于唯一地追踪该图案。
[0037]图11A是图11中的追踪图案的部分的放大视图。
[0038]图12是绘示了确定模型状态的传统方法的流程图。
[0039]图13是绘示了根据本发明