用来对用于手术导航的坐标转换进行确定的计算机实现技术的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开总体涉及计算机辅助手术。具体地，介绍了用于确定导航参考坐标系与图像坐标系之间的转换的技术。所述技术可被实现为方法、计算机程序产品、设备或系统。
【背景技术】
[0002]在过去十年中，在手术导航系统的辅助下执行的手术操作的数目急剧增加.该增加可部分归因于手术导航系统在使用和构建上已变得较不复杂这一事实.
[0003]通常基于在手术之前获取的或在手术进行时获取的患者图像数据(例如，计算机X射线断层(或CT)扫描)执行手术导航。对于图像引导的手术而言，手术设备相对于患者的当前位置被重叠在患者图像上，并且被可视化。该重叠要求相对于图像坐标系(在该系统中提供患者图像数据)来配准导航参考坐标系(在该坐标系中跟踪手术设备与患者之间的相对移动)。从数学的角度而言，该配准涉及计算在导航参考坐标系与图像坐标系之间的转换。
[0004]在成功配准之后，所导航的手术设备与患者之间的相对移动可被跟踪，且被可视化。使用被配置为检测其视野内的一个或多个跟踪设备的跟踪相机来执行跟踪。通常，患者与手术设备二者各自与专用跟踪设备相关联。可例如从Stryker公司的专利US 8,457,719B2得知这样的导航方案。US 8,457,719 B2公开了各自包括发光二极管(LED)形式的多个分隔开的跟踪点的工具跟踪设备和患者跟踪设备。患者跟踪设备包括柔性块(patch)，该柔性块在要贴到患者身上的一侧具有粘性层，使得在块的另一侧上提供的跟踪点贴合于患者表面。
[0005]患者跟踪设备上的跟踪点和工具跟踪设备上的跟踪点是跟踪相机可检测的，该跟踪相机由三个单独的电荷耦合器件(CCD)相机阵列组成。跟踪相机被安装在推车上、手术室墙上或手术室灯上。
[0006]为了进行配准，构建要将患者跟踪设备贴在其上的患者表面的模型。构建表面模型要求通过跟踪相机定位患者跟踪设备上的跟踪点。关于这一点，配准例程指示外科医生将患者移动一次或多次，直到在跟踪相机的视野内有足够的跟踪点。应该明白，表面模型的质量极大地取决于可精确检测的跟踪点的数目。
[0007]—旦已根据检测到的跟踪点构建了可靠的表面模式，将该表面模型配准到CT扫描形式的患者图像数据。可使用表面匹配技术来执行该配准。如果可在预定误差等级内配准扫描出的患者图像和形状模型，配准例程确认配准过程成功。配准过程的成功受到表面模型的质量的极大影响。表面模型的质量继而取决于跟踪相机精确检测到的跟踪点的数目。
[0008]还存在这样的导航方案:仅跟踪患者，而使用与手术设备和跟踪相机有关的先验知识来计算手术设备相对于患者跟踪设备的位置。关于此，Activiews有限公司的US 2008/0208041 Al教导了具有患者跟踪设备的手术导航系统，该患者跟踪设备具有被配置为敷到患者的充分平坦的块的形式。该块包括可光学检测的跟踪点布置以及与该跟踪点布置具有已知空间关系的附加的不透无线电的基准布置。通过将在CT扫描中识别出的不透无线电的基准布置与贴附到手术设备的跟踪相机检测到的跟踪点布置进行匹配来完成手术前获取的CT扫描与患者之间的配准。在手术导航期间，设备上安装的跟踪相机对跟踪点布置进行跟踪，并基于与手术设备的几何尺寸、跟踪点布置的几何尺寸以及跟踪相机的成像特性有关的知识来计算手术设备相对于跟踪点布置的位置。由此，不需要单独的工具跟踪设备。
【发明内容】
[0009]本公开的目标是提高配准性能。
[0010]根据一个方案，提供给了一种确定导航参考坐标系与图像坐标系之间的转换的计算机实现的方法，所述导航参考坐标系用于相对于患者图像数据来导航手术设备，在所述图像坐标系中，所述患者图像数据定义患者表面的形状。该方法包括接收多个图片数据集，其中，所述图片数据集是从所述患者表面的不同视角得到的。该方法还包括:根据所述图片数据集并在所述导航参考坐标系中确定所述图片数据集中能够识别的多个特征的特征坐标，根据所述特征坐标确定所述导航参考坐标系中所述患者表面的形状模型，以及使用所述形状模型与由所述患者图像数据定义的患者表面的形状之间的表面匹配来确定所述导航参考坐标系与所述图像坐标系之间的转换。
[0011]可在实际的导航流程之前的配准流程期间执行该方法。应该明白，可对产生的配准进行更新或验证，使得本文中介绍的方法也可以与导航流程同时实施。
[0012]可由计算机设备执行本文中介绍的方法的步骤。用于计算机辅助手术的系统可包含该计算机设备。具体地，使用硬件组件和软件组件至少之一来执行方法步骤。例如，可由硬件和软件接口至少之一来执行接收步骤，以及可由耦接到接口的一个或多个处理器(例如，在软件控制下)执行确定步骤。
[0013]可从第一相机接收所述图片数据集。所述第一相机可以是在取得图片数据集时可相对于患者移动的。在一个变型中，第一相机是视频相机。在这样的情况下，可通过视频数据流(例如，作为视频帧)的形式从第一相机接收图片数据集。第一相机可以是非立体感相机(例如，其可针对给定时间点从单个视角提供单个图片数据集)。
[0014]第一相机可以是手持相机。备选地或附加地，第一相机可以是可贴附到手术设备的。手术设备可以是手持设备。例如，手术设备可采用手术工具的形式，例如，手术指针、手术用针(例如，活体组织穿刺针)或手术动力工具(surgical power tool)。
[0015]可对图片数据集中可识别的特征进行分组，以形成一个或多个特征组。对于各个特征组，可导致位置和定向中的至少一项。可存在与分组有关的先验知识(例如，关于:在已知特征编码方案方面，哪个特征定义哪个特征组)。应该注意到，可再次将特征组视为其自身的具有特定特征坐标的特征(例如，特征组中心的特征)。
[0016]根据一个实现，使用运动结构(SfM)技术、同时定位及映射(SLAM)技术和姿态估计技术中的一项或多项来确定特征坐标和形状模型中的至少一项。例如，SLAM可被应用于特征组。例如，SfM从不同的视角构建针对在图片数据集中可识别的各个特征(不一定是特征组)的特征跟踪。可将基于不同(相机)视角的三角测量法应用于各个特征跟踪。三角测量法可有助于在三个维度上(例如，在导航参考坐标系中)重构并可选地优化特征坐标。
[0017]可通过位于或定义表面的点云的形式确定形状模型。点云可包括20个或更多个点(例如，超过30个或更多的点)。可通过特征的(例如，特征关键点或特征组中心的)坐标来表示每个点。
[0018]—般而言，导航参考坐标系可以是旨在用于(例如，在相对于图像坐标系进行成功配准之后的)手术期间手术设备的导航的坐标系。例如，导航参考坐标系可以是在其中跟踪患者跟踪设备以对手术设备进行导航的坐标系。在一个实现中，可附加地使用专用的工具跟踪设备在导航参考坐标系中跟踪手术设备。在另一示例中，可在不使用工具跟踪设备的情况下在导航参考坐标系中计算手术设备或其一部分的位置。
[0019]可基于在图片数据集中识别出的特征中的至少一些特征确定导航参考坐标系。在一个变型中，(例如，在运行时间期间)选择识别出的特征中的一些特征来定义导航参考坐标系。在另一变型中，以下先验知识是可用的:在图片数据集中识别出的特征中的一些特征被布置为定义(或丈量(span))导航参考坐标系。在该两个变型中，识别出的特征(例如通过适当的编码)可以是彼此可区分的，但是不是必须这样。通过这种方式，可提高该确定的鲁棒性。
[0020]可针对在手术导航期间使用的患者跟踪设备的一个或多个跟踪器特征确定特征坐标，其中，患者跟踪设备在图片数据集中是至少部分可识别的，并相对于患者具有固定位置。患者跟踪设备可采用各种形式，例如头戴式设备、可贴附到患者表面的刚性或柔性的块、或可贴附到骨头的设备。患者跟踪设备可包括跟踪器特征布置。在实施本文中介绍的方法时，关于跟踪器特征布置的几何性质(例如，各个跟踪器特征之间的相对位置)和/或布置内的各个跟踪器特征的(例如，编码)特性的先验知识是可用的。
[0021]跟踪器特征可至少部分地定义导航参考坐标系。关于这一点，与如何由跟踪器特征定义导航参考坐标系有关的先验知识可以是可用的。该先验知识可允许根据识别出的跟踪器特征在空间中的位置和/或其(编码)特性来确定(例如，构建)导航参考坐标系。在某些实施例中，作为一个或多个跟踪器特征的替代，或作为一个或多个跟踪器特征的附加，图片数据集中可识别的一个或多个其他特征可被用于定义导航参考坐标系。
[0022]附加地，或作为备选，可针对在图片数据集中可识别的一个或多个解剖患者特征(包括皮肤特征)确定特征坐标。应该明白，作为识别跟踪器特征的附加或替代，可识别一个或多个解剖患者特征的特征坐标。可使用与解剖特征有关的通用知识(例如，关于其所预期的程度、位置和/或形状)来执行在图片数据集中识别一个或多个解剖患者特征。
[0023]可根据解剖患者特征至少部分地确定导航参考坐标系。关于这一点，可以使用一个或多个识别出的解剖患者特征来丈量导航参考坐标系。可通过解剖患者特征来单独丈量导航参考坐标系，或通过解剖患者特征与图片数据集中识别出的其他特征(例如，一个或多个跟踪器特征)的组合来丈量导航参考坐标系。
[0024]在一个变型中，根据解剖患者特征至少部分地确定形状模型。在这样的情况下，表面匹配可包括由患者图像数据定义的患者表面与由识别出的解剖患者特征的相对位置定义的表面之间的匹配。当然，还可根据图片数据集中可识别的附加或备选特征来确定形状模型。
[0025]在一个实现中，针对涂敷到患者并在图片数据集中可至少部分地识别的特征块的一个或多个块特征确定特征坐标。特征块可包括衬底，该衬底具有基本平坦的外观，或备选地，是柔性的，以贴合患者表面。备选地，可简单地将特征块画在患者的皮肤上，并因此特征块将会贴合患者表面。可根据块特征至少部分地确定形状模型。还可根据一个或多个块特征与一个或多个解剖患者特征的组合来确定形状模型。
[0026]—般而言，特征块可采用涂敷到患者的皮肤遮蔽物的形式。皮肤遮蔽物可具有以下形式(或外部轮廓):被剪裁成皮肤遮蔽物打算涂敷到的患者解剖特征的区域(例如，前额或在颧骨区域中)。通过这种方式，可选择性地将特征涂敷到特别适合于表面匹配(例如，表示特征的表面)的解剖区域。
[0027]此外，可根据块特征至少部分地确定导航参考坐标系。例如，可根据块特征单独确定导航参考坐标系，或根据一个或多个块特征与图片数据集中可识别的一个或多个其他特征(例如，一个或多个跟踪器特征和/或一个或多个解剖患者特征)的组合来确定导航参考坐标系。为了确定导航参考坐标系，可存在与块特征的相对位置和/或(例如，编码)特性有关的先验知识。
[0028]导航参考坐标系的确定可基于缩放因子。在一个实现中，可根据表面匹配导出缩放因子。例