专利名称：基于图像伺服的荧光透视下的机器人定标的系统和方法
技术领域：
本发明涉及仪器定标的机器人装置和方法。具体地说，涉及基于图像伺服的便携式X射线荧光透视下的计算机辅助基于图像的仪器定标的系统和方法。
背景技术：
极小创伤和无创伤外科手术正获得广泛的增长，这主要是因为它减少了对病人的损伤，并改进了恢复时间。极小创伤手术遇到的一个主要问题是，与开放式外科手术相反，外科医生的视觉感知能力明显减少。因此，在介入操作过程中采用微波、超声和磁共振成像技术来对解剖上的空间结构进行成像。
用于图像引导仪器定标的系统和方法是公知的。手动和计算机辅助仪器定标也是公知的。一些已有的荧光透视下的计算机辅助仪器定标的方法采用复杂的机器人图像注册算法。但是，这些方法都是采用基准标记的静态图像来估测机器人图像坐标成像，然后用于定标。
手动荧光透视引导介入通常基于反复试验，这需要相当多的外科技能和操作训练。自动定标能够减少在这种类型的手术过程中对外科医生的外科经验和应变能力的要求。
便携式超声和荧光透视单元(通常称为C型臂)在现代化手术室中普遍存在。这两种可获得的成像设备均提供实时二维(2-D)造影。采用这些2-D成像设备的共同缺陷是缺少立体空间显示，这需要更深入的外科练习来达到对三维(3-D)的正确理解。在普通的C型臂上“花样翻新”计算机基于图像的3-D导航系统是一个复杂的问题，因为绝大多数便携式荧光透视系统不提供C型臂的位置和取向的代码。这在估计成像设备关于病人的姿态方面产生了困难，因此采用这种图像信息使计算机辅助过程复杂化。目前已提出了许多帮助外科医生进行荧光透视指导的解决方法。参见DesbatL.，Champlebous g.，Fleute M.，Komarek P.，Mennessier C.，MonteilB.，Rodet T.，Bessou Pl，Coulomb M.，Ferretti G.，“3D InterventionalImaging with 2D X-Ray Detectors”，Medical Image Computing andComputer-Assisted Intervention，September 1999，Cambridge，England；Lecture Notes in Computer Science，Springer-Verlag，Vol.1679，pp973-980，1999；Gueziec A.，Kazanzides P.，Williamson B.，Taylor R.H.，“Anatomy-Based Registration of CT-Scan and Intraoperative X-RayImages for Guiding a Surgical Robot”，IEEE Transactions on medicalImaging，17(5)715-728，1998；在此引入其内容作为参考例如，Navab，N.，Bani-Hashemi，A.，Nadar，M.S.，Wiesent，K.，Durlak，P.，Brunner，T.，Barth，K.，Graumann，R.“3D Reconstruction fromProjection matrices in a C-Arm Based 3D-Angiography system”，1998MICCAL，Lecture Notes in Computer Science，Springer-Verlag，Vol.1679，pp 688-705，1999的文章提供了一种有效的算法，能够采用多个2-D图像来完全重建解剖的空间结构(volumetric anatomy)；在此引入其内容作为参考。
同一时期，其它研究者致力于开发用于各种荧光透视引导介入的图像引导与注册的技术。参见上述Desbat等人的文章；上述Gueziec等人的文章；Potamiakos，P.，Davies，B.L.；Hilbert R.D.“Intra-operativeimaging guidance for keyhole surgery methodology and calibration”，Proc.First Int.Symposium on Medical Robotics and Computer AssistedSurgery，Pittsburgh，PA.P.98-104；Stoianovivi，D.，Cadedu，J.A.，Demaree R.D.，Basile H.A.，Taylor，R.Whitcomb，L.L.，Sharpe，W.N.Jr.，Kavoussi，L.R.“An efficient Needle Injection Techniqueand Radiological Guidance Method for Percutaneous Procedures”，1997CVRMed-MrCas，Lecture Notes in Computer Science，Springer-Verlag，Vol.1205，pp.295-198，1997；在此引入其内容作为参考。
大多数图像导引仪器定标过程，例如针经皮进入、微波和超声切除需要将特定仪器/探头精确定标于器官位置。这些过程的临床结果明显依赖于定标的精度。
为了解决这一问题，目前已提出了基于特定图像注册算法的计算机辅助仪器定标系统。这种方法通常采用的是一个具有复杂空间结构、能阻隔射线的空间标记物，或者一系列以一定方式分布的一维标记的至少两个影像。参见Bzostek，A.，Schreiner，S.，Barnes，A.C.，Cadeddu，L.A.Boterts，W.，Anderson，J.H.，Taylor，R.H.，Kavoussi，L.R.“Anautomated system for precise percutaneous access of the renalcollecting system”，Lecture Notes in Computer Sceince，Springer-Verlag，Vol.1205，pp.299-308，1997；在此引入其内容作为参考。
标记物的X射线投射用于估测仪器图像坐标映射，然后用于定标。这些算法计算有关仪器定标的精确位置和成像设备的几何参数，例如发射源位置、放大倍数等。在这些过程中，基于提高精度的需要而常常采用干扰校正和图像校准技术。这些解决途径被认为是“完全校准的”系统和方法。参见上述Bzostek等人的文章；Jao J.，Taylor，R.H.，Goldberg，R.P.，Kumar，R，Bzostek，A.，Van Vorhis，R.，Kazanzides，P.，Guezniec，A.，Funda，J.，“A progressive cut Refinement Scheme for Revision TotalHip Replacement Surgery Using C-arm Fluoroscopy”，lecture Notes inComputer Science，MICCAI 1999，pp.1010-1019；在此引入其内容作为参考。因此，需要一类新改进的基于图像的定标导向系统和方法，这些系统和方法采用通常利用的成像技术，并解决现有技术中的问题。
发明内容
根据本发明的一种实施例，提供“未校准的”系统和方法，该系统和方法不需要精确的相机/成像设备校准而获得精确的针放置位置。
根据本发明的一种实施例，提供用于图像导向仪器定标的系统。该系统包括与仪器连接的机器人单元、成像单元和与机器人单元以及成像单元连接的第一控制单元。控制单元接收来自成像单元的与目标和仪器有关的成像数据，并根据成像数据来控制机器人单元，以使仪器能正确插入。
根据本发明的一种实施例，提供一种导引仪器至定标位置的方法。该方法包括使成像设备在第一成像位置定位并对目标成像的步骤，以及一种能生成与目标和仪器有关的第一组成像数据的仪器。接下来，基于第一组成像数据在第一视场进行仪器对准。然后，使成像设备在第二成像位置定位并对目标成像，仪器生成与目标和仪器有关的第二组成像数据。基于第二组成像数据在第二视场进行仪器对准。第一定位位置和第二定位位置为不相同的定位位置。
根据本发明的另一实施例，提供用于图像导向仪器定标的系统。该系统包括用于保持和定位仪器的机器人单元、用于成像目标区域并提供成像数据的成像单元，以及与机器人单元和成像单元连接的第一控制单元，该第一控制单元用于接收来自成像单元的与目标和仪器有关的成像数据，并基于成像数据控制所述机器人单元以正确定位仪器。
本发明提供基于图像伺服的便携式X射线荧光透视下的机器人定标系统和方法。该系统和方法可以实现经皮过程的针对准，并可以使用现有技术中的模块化手术机器人。这种机器人可包括被动臂、低DOF(自由度)主动臂手术机器人以及针驱动器。
根据本发明的实施例，提供采用位于机器人/终端效应器之上的标记来直接进行定标、并进行连续成像的荧光透视的系统和方法。利用C型臂的任意定位所取得的两个不同的视场并进行相应的对准可实现三维定标。
根据本发明的实施例，可实现对特定的目标进行自动的针对准。然后采用侧视荧光透视反馈可控制针的插入。本发明具高度的精确性、简易性和可重复操作的特点。
参照下面的说明和附图将更容易地理解本发明的目的的特征，其中图1为根据本发明的实施例的图像伺服仪器导向系统的结构图；图2-2b为示意图；以及图3和图4根据本发明的实施例的用于导向仪器的示例性过程的流程图。
具体实施例方式
为了讨论“未校准”显示方法的优缺点，请参见Hager，G.，Hespanha，J.，Dodds，Z.，Morse.A.S.，“What Tasks Can Be Performed with anUncalibrated Stereo Vision System？”，IJCV 35(1)pp.65-85，Nov.1999，在此引入其内容作为参考。
“未校准”方法是基于有经验的外科医生在荧光透视下进行手动进针时使用的技术。基于该技术，发展了用于基于将针叠印在目标，即肾盂上，经皮进针的定标方法。参见上述Stoianovivi等人的文章(1997)。
上述方法得以运用在肾脏经皮进入(PAKY)针驱动器上，随后增加了运动远程中心(RCM)机器人和GREY支撑臂技术。请参见Stoianovici，D.，Witcomb，L.L.，Anderson，J.H.，Taylor，R.H.，Kavoussi，L.R.“AModular Surgical Robotic System for Image Guides PercutaneousProcedures”，1998 MICCAI，Lecture Notes in Computer Science，Springer-Verlag，Vol.1496，pp.404-410，1998；Lerner，G.，Stoianovici，D.，Whitcomb，L.，L.，Kavoussi，L.，R.，(1999)，“APassive Positioning and Supporting Device for Surgical Robots andInstrumentation”，medical Image Computing and Computer-assistedIntervention，September 1999，Cambridge，EnglandLecture Notes inComputer Science，Springer-Verlag，Vol.1679，pp.1052-1061；在此引入其内容作为参考。
该方法确实是对手动方式进行了重大改进。但是，定标仍是通过外科医生控制机器人来完成。请参见Cadeddu，J.A.，Stoianovici，D.，Chen，R.N.，Moore，R.G.，Kavoussi，L.R.，(1998)，“Stereotacticmechanical percutaneous renal access”，Journal of Endorology，Vol.12，No.2，April 1998，p.121-126；在此引入其内容作为参考。根据本发明的一个实施例，提供了一种计算机控制图像导向系统和方法，以采用类似系统来自动定标。在，本发明的系统和方法是采用荧光伺服在不同的C型臂取向位置上采集的两个任意图像视场(基于C型臂直接图像反馈的机器人控制)。在基于视频照相机图像的工业机器人导向方面，某些导向技术已经得到成功地应用。请参见Batixta，J.，Araujo，H.，Almeida A.T.“Iterative multistep explicit camera calibration”，IEEETransactions on Robotics and Automation，Vol.15，No.5，October 1999，P.897；Bernadero，A.，Victor，J.S.，“Binocular TrackingIntergrating perception and control”，IEEE Transactions on Roboticsand Automation，Vol.15，No.6，December 1999；Hsu，L.，P.L.S.“Adaptive visual tracking with uncertain manipulator dynamics anduncalibrated camera”，Proceeding of the 38thIEEE Conference onDecision and Control(1999)，p.5，Vol.(xvii+5325)；Hager，G.，Hutchinson，G.，and Corke，P.A Tutorial Introduction to Visual ServoControl IEEE Transactions on Robotics and Automation，12(5)，pp.651-670，1996；Molis，E.，Chaumette，F.，Boudet，S.“21/2-D VisualServoing”，IEEE Transactions on Robotics and Automation.Vol.15，No.2，April 1999，p.238；在此引入其内容作为参考。
根据本发明的一个实施例，图1示出了用于图像定标的系统100。系统100可以包括用于移动工具，例如针等，的手术操作机器人，用于进行图像处理和机器人控制的PC104，与荧光透视单元108相连的C型臂成像设备106和操作室工作台110。C型臂成像设备106可以是数字C型臂(0EC-9600)并提供X射线图像。C型臂成像设备106和荧光透视单元108与PC104相连并受其控制。因此，PC104可构造成例如通过视频卡(例如Matrol MeteorTM)采集图像。机器人102可通过滑轨或其它安装部件，最好是可调节安装部件，连接在操作台110上，并由PC104采用实时移动控制卡(例如MotionEngineering，Inc.的PCX-DSP8)控制。PC104可包括荧光伺服算法或程序，通过C型臂成像设备106和荧光透视单元108的微波反馈来控制针的取向位置。本领域普通技术人员将很容易理解，本发明的方法可采用各种方式，包括硬件、软件、固件或其组合来实现。
机器人102可以是模块化手术机器人，可以做成能够自由活动，包括臂的移动和旋转。机器人102的优选例包括被动臂102e，该被动臂与三接头低DOF(自由度)主动臂手术机器人102d相连，后者与针驱动器102c相连。被动臂102e最好是刚性的被动机械臂，具有高硬度和有效载荷，用于移动终端效应器并固定在手术位置。例如，在上述Stoanovici(1999)的文章中展示和说明了可采用GREY臂。终端效应器优选采用包括针驱动器PAKY102c和RCM手术机器人102d的PAKY-RCM机器人组件。PAKY为可透射线的针驱动器，用于在经皮进入过程中导引和主动地驱动套管针。其设计成让射线可透过是保证不妨碍对上述过程中针和解剖目标的观察。
PAKY驱动器的构造用于“叠印针定位方法”。根据本发明，PAKY102c的构造与的计算机导向荧光伺服算法相适应，这在后面将要详细描述。因此，图1只将PAKY102c简示为矩形条。RCM102d部是用于手术的小型机器人，它构成一个机构末端的支点。RCM102d自由地绕RCM点(支点)旋转，机械刚性均匀，并且消除了特异点。
更详细地了解PAKY和RCM机器人的示例，请参见上述Stoianovivi等人(1997)；Stoianovici等人(1999)的文章。
机器人102的构造可以在空间上精确地定位终端效应器(即手术仪器)，同时保持它的其中一个点的位置。这种机械结构在需要特异进入点的应用中特别有用，例如用于腹腔镜检查和经皮进入。
机器人组件(102a-102d)支撑在被动臂102e上，该被动臂固定在操作台110上。这样在贴近器官进行手术时能够实现机器人的定位和稳定支撑。PAKY102c和RCM102d(统称为PAKY-RCM组件)能够定位针的方向，同时保持其尖端位置(即通过旋转等)。这使机器人102能够让针对准任何目标，同时设定皮肤插入点，并将针的尖端定位在选定位置。这样，绕支点对针进行定位时仅需进行两次移动。参见上述Lerner等人的文章。根据本发明，如后面所述，优点是可通过简单的机械运动来完成定标。
荧光伺服是采用X射线荧光透视反馈的可视伺服的详述。可视伺服是采用图像反馈来进行定位和跟踪操作的机器人控制算法分级的通用名称。例如，参见上述Batista等人；Bemadero等人；Hsu等人；Hager等人的文章。
进行便携式荧光透视计算机辅助手术的主要困难是缺乏成像设备有关病人的姿态的信息。作为可运动单元的C型臂106在手术过程中可移动和重新定位来满足手术的需要。根据本发明，实现仪器(针)定标的精确处理，该处理独立于C型臂106的定位。该处理采用图像伺服，并且优选为荧光伺服，以使针相对于位于其尖端的支点定位。
针102b采用在C型臂106不同的取向位置中获得的两个视场进行针对准的方式瞄准所需目标。这就是说，通过定位针102b以在两个视场中均能使之伸入目标。由于对准是按次序进行，因此希望第二次的对准不会破坏第一次的对准。
每次对准可通过导向算法自动进行，该算法基于图像反馈来校正针的位置。为了便于自动测知针图像中的102b的位置，可以在自由端给针102b装配一个能阻隔射线的圆形球(未示出)，这样为荧光透视单元108提供易于辨认的标志。在PC104的视频采集板上运行的模型匹配算法可用于在X射线图像中快速定位圆形球。所有计算可在位于针尖端中央的固定参考框中进行，并根据机器人的初始位置的定向。
根据优选实施例，图2-2b展现了本发明操作和处理的原理，并将进一步参考图3和4进行解释。
处理开始于步骤S3-1。在步骤S3-2中，针102b由PAKY驱动器102c支撑，并利用位于皮肤进入点(F)处的尖端定位。中间的图示为3-D表示法，而两侧视场为分别从如箭头所示的视场1和视场2对此空间的X射线映射。附图中位于不同位置的针在两次对准期间被扫描。在这种移动中，针的尖端保持在支点(F)处，同时针端(球端)的位置如后面所述从P0改变至P7。针初始位于P0。大体上说，根据分别由图2a和图2b所示的C型臂的取向视场1和视场2，基本上可用两个步骤实现定标。
参见图2a，采用圆锥形针轨迹来获得相对机器人图像取向的初始估计。在步骤S3-3中，从任意方向P0P1进行快速进入的移动将针102b放置在圆锥上。圆锥角的设定是使目标位于针的延伸部分扫过的空间之内。
在步骤S3-4中，从P1开始，采用与取向误差成正比的步进度使针在圆锥上移动，其中取向误差由X射线投影测量得到的角180°-＜TFP1给出。这种比例算法集中于针位置P2，在步骤S3-5中，在针位置P2，位于P2F点的针102b朝向目标T。继续圆锥形路线，在步骤S3-6中，以类似的方式在点P3处进行第二次对准。
现有平面FP2P3为初始伺服平面。该平面具有如下特性在该平面内的任何位置，针102b将保持视场1目标对准。当该平面的识别精度不恒定时，误差的出现取决于该平面与起始点P0的距离。很明确，当点P2和P3在圆锥的侧面靠得很近时，可能出现更大的误差。
为了克服上述问题，当保持最小圆锥角时，在步骤S3-7中，可按照如下所述的路径P3→P0→P4→P5→P6校正伺服平面。
参见图4，在步骤S4-1中，针102b快速到达起始位置P0，然后在步骤S4-2中移动到垂直于伺服平面的平面FP0P4中。然后，在该路径中，在步骤S4-3，采用荧光伺服使针精确对准点P4。该处理可采用前面参考步骤S3-4~S3-6描述的相同角反馈比例控制。
然后在步骤S4-4，把轴FP4作为枢轴，伺服平面绕其旋转以反复校正。在步骤S4-5，针102b从点P4在瞬时伺服平面方向上以前述角度步骤向点P5移动，然后向点P6移动。在每个步骤中，通过横向搜索可再次评估目标对准，并且可相应地校正伺服平面的取向。这样，通过调节伺服平面与枢轴FP4的角度来实现校正，所述角度与角度定标误差成比例。
新伺服平面FP5P6与确定初始圆锥的平面FP2P3类似。但是，新平面确保端点P5和P6在空间上有足够的距离，以提供一致确定的伺服平面，并且使在P4→P5→P6轨迹上的多个扫描点的误差被均分。在本发明的优选实施例中，有限点P5和P6分布在与伺服平面上测得的初始圆锥角相等的针角度上。伺服平面确保针的取向在该平面内是独立的，针102b在第一视场适当地对准目标。
三维定标需要额外确定在通过支点F和目标T的平面内的轴。参见图2b，在步骤S3-8中，再次定位C型臂106来选择第二视场。该平面的取向是任意的，除非在该视场中伺服平面没有投影成一条线。根据优选实施例，通过把视场设置成垂直于伺服平面会获得高精度。
在步骤S3-9，基于相同角误差反馈，如图2b中表示的X射线投影，在事先确定的伺服平面内通过修正针的取向来进行针的对准。在步骤S3-10，算法集中于针的位置FP7。在该取向中，目标位于针的轴上，并且可以精确地将针插入。
通过采用伺服平面，也使第一视场的对准数据在第二视场对准时得以保存。通过综合两个二维对准的数据可获得三维定标。
机器人系统102优选适用于上述方法。对针驱动器102c可以作特殊设计以满足整体的要求。采用本发明伺服定标算法的系统通过特别的引证实验来测试其精确度和稳定性，然后在临床上应用于经皮肾介入。
为了在软件设计和计算中受到的射线照射最小，可以采用安装在定位架上的视频照相机(未示出)来测试。可采用白色背景和黑色针来获得适当的对比。可采用2mm的圆球来代表目标。反复进行的测试发现定标精确度不大于0.5mm。
在薄的射线可透过的板上安装等距钢球，这样构造的模板可用于判断成像设备的失真。对于OEC-9000成像设备，在图像中心旁边区域的整个失真应低于0.75mm，包括球探测器算法误差。荧光透视的放大功能使得能够维持图像中心附近失真减小区域的视场。采用位于针尖(支点/皮肤进入点)下80mm处的2mm球目标时，本发明图像导向处理的误差应低于1.5mm。系统的外科应用安全取决于机器人元件的运动学设计。
本发明的PAKY-RCM组件提供了相互无影响的取向和针插入能力，允许两个阶段独立被激活。这确保了针可以在定位期间不会无意间插入，而在针插入期间不会发生意外重新取向。参见上述Stoianovic等人(1998)的文章。
同样参见Bauer J.J.，Stoianovici D.，Lee B.R.，Bishoff J.，Caddeu J.A.，Whitcomb L.L.，Taylor R.H.，Macali S.，Kavoussi L.R.，(1999)，“Transcontinental Telesurgical Robotic PercutaneousRenal AccessCase Study”，American Telemedicine Association(ATA)conference，Salt Lake City，Utah，Abstract#18D，April 18-21，1999，Telemedicine Journal，5(1)271999，在此引入其内容作为参考。
本发明的荧光定标系统和方法也可用于经皮肾介入。在肾介入中，手术室和病人可按标准步骤准备。病人优选全身麻醉。荧光透视台110可配备特殊的刚性的导轨。机器人102可安装在目标肾侧的导轨上，并覆盖有无菌袋。针驱动器102c在手术前经过了消毒。在手动过程中，C型臂106可放置在台的相对侧，并且针进入前的所有步骤采用前面参考图2、2a和2b已经描述的方式进行。
首先，可按手动过程中的正常方法选择皮肤插入点，可通过操纵被动臂来定位机器人组件102，这样针尖(位于RCM的支点处)被定位于所选点。C型臂106应取向成适于观察肾和针。然后，在图像上人工选择一个点，从而在PC监示器上确定目标肾盂。然后通过系统100自动地进行第一视场的针对准。接下来旋转C型臂106到可再次确定目标的不同视场下。通过系统100自动地进行第二次针对准。采用不同的C型臂取向，通过直接的侧向观察中可检测针的定标，并可进行针的插入。
在所有步骤中，在定标选择之前的图像采集过程中和针插入过程中，病人最好短时间内屏住呼吸。病人在所有其它阶段，包括伺服定标时均可呼吸。
在临床测试中，在少于10分钟内的第一次定标过程中进行肾介入。但是，针需要轻轻地回抽并再次插入，因为开始时会由于组织偏差和针的弯曲而将肾推到一旁。这不是定标误差造成的，因为适当地轻轻回抽和再次插入有助于定标。这个问题也会出现在这样一些病人身上目标位于周边较低极性的肾盂处。
在该过程中病人暴露于射线下的总时间为90秒。在伺服移动时设定成像设备受控驱动可减少照射。即使不经过过滤，与通常的人工方法相比也能明显减少总照射量，因为事实上本发明的系统和方法提供了明确的步进算法，消除了需要理解疑难解剖结构的问题。
示例性的寻球(ball-finder)算法可由硬件实现，例如采用Martox卡TM。
尽管已经基于这些优选实施例描述了本发明，但对本领域技术人员来说，显然在保持本发明的精神和范围内可以在结构上作某些修饰、变化和替代。为了确定本发明的保护范围，应参考所附的权利要求。
例如，本发明的系统和方法可应用于泌尿学和其它医学领域。系统和方法还经证实可用于类似的成像设备，例如双平面荧光透视单元。
权利要求
1.一种图像导向仪器定标系统，包括与仪器连接的机器人单元，成像单元；以及与所述机器人单元和所述成像单元连接的第一控制单元，所述控制单元接收来自所述成像单元的与定标和所述仪器有关的成像数据，并且基于所述成像数据控制所述机器人单元以正确定位所述仪器。
2.根据权利要求1的系统，进一步包括一个手术室操作台，其中所述仪器包括一个针；所述机器人单元与所述操作台连接，并包括机器人控制单元、被动臂、主动臂和针驱动器，所述机器人控制单元与所述第一控制单元连接，并基于所述第一控制单元发出的命令控制所述机器人单元的移动；以及所述成像单元包括C型臂成像设备。
3.据权利要求1的系统，其中所述第一控制单元控制所述成像单元和所述机器人单元来达到图像伺服随动，以把所述仪器定位到所期望的位置和取向。
4.根据权利要求2的系统，其中所述第一控制单元控制所述成像单元和所述机器人单元来达到图像伺服随动，以把所述针定位到所期望的位置和取向。
5.根据权利要求4的系统，其中所述第一控制单元通过在两个不同的视场中进行对准来计算所述针的所述期望的对准，不同视场由所述成像单元在C型臂处于两个任意取向位置时取得。
6.根据权利要求1的系统，其中所述机器人单元包括位于终端效应器上的标记，所述成像数据包括所述标记的位置数据，并且所述仪器的取向进一步基于所述位置数据。
7.根据权利要求2的系统，其中所述机器人单元包括位于终端效应器上的标记，所述成像数据包括所述标记的位置数据，并且所述仪器的取向还基于所述位置数据。
8.根据权利要求1的系统，其中成像单元为便携式C型臂荧光透视单元。
9.根据权利要求2的系统，其中成像单元为便携式C型臂荧光透视单元。
10.根据权利要求5的系统，其中成像单元为便携式C型臂荧光透视单元。
11.根据权利要求10的系统，其中所述图像伺服包括在持续成像情况下进行的荧光伺服。
12.根据权利要求10的系统，其中所述图像伺服包括在过滤成像情况下进行的荧光伺服。
13.根据权利要求10的系统，其中进一步基于误差角把所述针定位到所期望的位置和对准，所述误差角是所述仪器的圆锥轨线的轴和边之间的夹角。
14.一种导引仪器至目标位置的方法，所述方法包括如下步骤使成像设备在第一取向位置定位并目标成像，同时一仪器产生与所述目标和所述仪器自身有关的第一组成像数据；基于所述第一组成像数据在第一视场进行所述仪器的对准；使成像设备在第二取向位置定位并目标成像，同时所述仪器产生与所述目标和所述仪器自身有关的第二组成像数据；并且基于所述第二组成像数据在第二视场进行所述仪器的对准；其中所述第一取向位置不同于所述第二取向位置。
15.根据权利要求14的方法，其中在持续成像情况下在所述第一视场和所述第二视场中进行所述仪器的所述对准。
16.根据权利要求14的方法，其中在选通成像情况下在所述第一视场和所述第二视场中进行所述仪器的所述对准。
17.根据权利要求14的方法，其中所述成像设备为便携式C型臂荧光透视仪。
18.根据权利要求17的方法，其中在荧光伺服情况下在所述第一视场和所述第二视场中，利用所述第一和第二组成像数据的反馈进行所述仪器的所述对准。
19.根据权利要求18的方法，进一步包括如下步骤计算在所述荧光伺服过程中的取向误差，所述取向误差是基于所述仪器的圆锥轨线的轴和边所形成的夹角；并且其中在所述第一视场和所述第二视场中所述仪器的所述对准进一步基于所述取向误差。
20.根据权利要求19的方法，进一步包括如下步骤在所述成像设备定位在所述第二取向位置之前进行所述仪器伺服平面的校正。
21.根据权利要求19的方法，其中所述第一对准步骤和所述第二对准步骤包括采用与取向误差成比例的跟进步骤来在所述圆锥轨线上跟进移动所述仪器。
22.一种图像导向仪器定标系统，包括用于容纳和定位仪器的机器人装置，用于区域成像并提供成像数据的成像装置；以及与所述机器人装置和所述成像装置连接的第一控制装置，用于接收来自所述成像装置的与定标和所述仪器有关的成像数据，并基于所述成像数据控制所述机器人装置以正确定位所述仪器。
23.根据权利要求22的系统，进一步包括一个手术室操作台，其中所述仪器包括一个针；所述机器人装置与所述操作台装置连接，并包括机器人控制装置、用于精确定位所述针的主动臂装置、用于定位所述主动臂装置的被动臂装置和用于保持和插入所述针的针驱动器装置，所述机器人控制装置与所述第一控制装置连接，并基于所述第一控制单元发出的命令控制所述机器人装置的移动；以及所述成像单元包括C型臂成像设备。
24.根据权利要求23的系统，其中所述第一控制装置控制所述成像装置和所述机器人装置来达到图像伺服随动，以把所述仪器定位到要求的位置和取向。
25.根据权利要求24的系统，其中所述第一控制装置控制所述成像装置和所述机器人装置来达到图像伺服随动，以把所述针定位到要求的位置和取向。
26.根据权利要求25的系统，其中所述第一控制装置通过在两个不同的视场中进行对准来计算所述针的所述期望的对准，其中两个不同的视场采集自两个任意的C型臂取向位置内的所述成像单元。
27.根据权利要求22的系统，其中所述机器人装置包括在成像过程中用于标识终端效应器的标记装置，所述成像数据包括所述标记装置的位置数据，并且所述仪器装置的取向还基于所述位置数据。
28.根据权利要求23的系统，其中所述机器人装置包括在成像过程中用于标识终端效应器的标记装置，所述成像数据包括所述标记装置的位置数据，并且所述仪器的取向还基于所述位置数据。
29.根据权利要求22的系统，其中成像装置包括便携式C型臂荧光透视单元。
30.根据权利要求23的系统，其中成像装置包括便携式C型臂荧光透视单元。
31.根据权利要求26的系统，其中成像装置包括便携式C型臂荧光透视单元。
32.根据权利要求31的系统，其中所述图像伺服包括在持续成像情况下进行的荧光伺服。
33.根据权利要求31的系统，其中所述图像伺服包括在过滤成像情况下进行的荧光伺服。
34.根据权利要求31的系统，其中把所述针定位到所期望的位置并进一步基于误差角进行对准，所述误差角是所述仪器的圆锥轨线的轴和边之间的夹角。
全文摘要
用于图像导引仪器定标的系统和方法，包括与仪器连接的机器人单元、成像单元和第一控制单元，该第一控制单元与机器人单元连接，并且与成像单元连接。控制单元接收来自成像单元的与目标和仪器相关的成像数据，并基于成像数据控制机器人单元以正确取定仪器的插入方向。
文档编号B25J13/08GK1612711SQ02826892
公开日2005年5月4日 申请日期2002年11月8日 优先权日2001年11月8日
发明者丹尼尔·斯托拉诺维奇, 亚力桑德鲁·帕奇修, 让·卡沃斯 路易斯 申请人:约翰·霍普金斯大学