用于追踪工作目标的位置的导航系统和方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及用于用可追踪设备来追踪工作目标的位置的导航系统，例如手术导航系统。本公开还涉及一种使用这种导航系统来追踪工作目标的位置的方法。
【背景技术】
[0002]在多种类型的应用中使用用于单独地或结合一个或多个各种工作工具来追踪位于体内的一个或多个工作目标的位置的导航系统。通常使用导航系统的一个应用是导航手术过程的领域。在该领域中，现在通常将手术导航系统用于帮助计划手术过程或执行所计划的手术过程，以改善手术过程的准确性，并最小化其侵害性。
[0003]在一些手术导航系统中，刚性可追踪设备被附着到患者，以相对于患者身体的某部位固定。将由计算机实现的追踪系统用于追踪可追踪设备的位置，并基于提前确定的在该可追踪设备和患者内某感兴趣区域之间的空间关系，追踪患者内的工作目标的位置。由计算机实现的追踪系统还用于例如通过附着到手术工作工具的第二可追踪设备追踪该手术工作工具的位置。根据这两个追踪位置，导航系统能够追踪该工作工具相对于患者内的工作目标的位置。然后，通过将术前扫描信息数据登记到术中追踪信息的一个或多个方法，将该追踪信息与提前定义的和一个或多个术中或术前扫描信息数据集相关的手术计划信息(例如，CT(计算机断层扫描)图像、MRI (核磁共振成像)图像、X射线图像、超声图像数据或关于患者身体的其它类似信息)联系起来。
[0004]这种导航系统的局限性在于可追踪设备通常必须被侵害性地附着到患者，例如，采用紧扣到骨头的别针或其它紧固件。这种附着可能导致在患者术后恢复中发生潜在问题的额外风险。此外，通过由计算机实现的追踪系统实现的多种导航例程基于以下假设:可追踪设备在导航过程期间不相对于患者和目标区域移动。因此，在导航过程期间可追踪设备相对于患者的移动，例如偶然性碰撞、固定松懈或其它情况可以导致大量误差，需要对导航系统的全部重新设置或重配置，这可能浪费在手术过程期间的宝贵时间。
[0005]其它手术导航系统使用由柔性衬底形成的可追踪设备，其中该柔性衬底承载有若干LED (发光二极管)。柔性衬底被以某种方式附着到患者的皮肤，用于保护或最小化相对于患者特征的变形或移动。因此，可追踪设备通常被附连到患者的多骨区域，例如，头骨和/或鼻部，以当开始导航过程后，相对于在患者内的工作目标处于固定位置。然而，这种导航系统的限制在于:在开始导航过程后，可追踪设备的任何变形可能导致大量导航误差，或需要重新配置导航系统。
【发明内容】
[0006]根据一些方面，提供了一种追踪工作目标的位置的导航系统和方法，其中所述导航系统可以检测可追踪设备在导航过程期间的扭曲。在一些情况下，导航系统可以以某种方式补偿这种扭曲，使得减小或消除导航误差和/或避免或减小在导航过程期间重新设置导航系统的需要。
[0007]根据一些方面，提供了一种用于追踪位于身体内的工作目标的位置的导航系统，其中所述身体是可压缩的并具有可扭曲的外部表面。所述导航系统包括可追踪设备和由计算机实现的追踪系统。可追踪设备包括被配置为附着到身体的外部表面的多个追踪点。追踪点配置为当被附着到身体的外部表面时相对于彼此是可移动的。由计算机实现的追踪系统用于远程追踪每个追踪点相对于坐标系统的位置。追踪系统包括用于实现包括如下步骤的导航例程的计算机处理器装置:访问可追踪设备的初始模型，所述初始模型基于追踪点的集合的初始位置具有初始形状；将所述初始模型登记到工作目标在所述工作目标的图像中的初始位置；在登记所述初始模型之后，用追踪系统感测可追踪设备的变形；创建补偿所述变型的可追踪设备的精修模型；以及根据精修模型，计算所述工作目标的当前位置。
[0008]根据一些方面，用导航系统追踪位于体内的工作目标的位置的方法包括以下步骤:访问可追踪设备的初始模型，所述初始模型的初始形状基于追踪点的集合的初始位置；将所述初始模型登记到工作目标在所述工作目标的图像中的初始位置；在登记所述初始模型之后，用追踪系统感测可追踪设备的变形；创建补偿所述变型的可追踪设备的精修模型；以及根据精修模型，计算所述工作目标的当前位置。还可以用由计算机实现的追踪系统(例如，用硬件和/或软件)实现所述方法，所述追踪系统配置为远程追踪可追踪设备的追踪点相对于坐标系统的位置。所述方法可以通过使用具有多个追踪点的可追踪设备来实现，其中多个追踪点被配置为附着到身体的外部表面，其中，所述追踪点配置为当被附着到身体的外部表面时可相对彼此移动。
[0009]这些和其它方面还可以包括本文所述的多种可选布置和特征中的任何一个或多个。
[0010]在一些布置中，可以在导航过程期间仅执行一次所述访问和登记步骤，例如在开始或接近开始所述过程时。在导航过程期间，可以将所述感测变形、创建精修模型、和计算工作目标的位置的步骤例如迭代式地执行一次或多次。
[0011]在一些布置中，所述创建精修模型的步骤可以包括:移除所述集合中的一个或多个感测的追踪点，和/或将追踪点的感测位置相对于在所述集合中的其它追踪点的感测位置进行调整。例如，所述创建精修模型的步骤可以包括:移除所述集合中变形超过了从初始形状或任何其它参照物的偏移阈值或任何其它参数的至少一个追踪点。此外，所述创建精修模型的步骤示例性地可以包括:根据在追踪点的感测位置和所述追踪点的初始位置之间的空间偏移，和/或可选地相对于一个或多个其它追踪点的初始位置的空间偏移，相对在集合中的其它追踪点的感测位置，调整所述追踪点的感测位置。
[0012]在一些布置中，感测变形可以包括:在登记初始模型之后，追踪所述集合的追踪点的后来位置，后来位置限定了变形后的形状。可追踪设备的变形模型可以基于追踪点的感测位置和变形后的形状。然后，可以基于变形后的形状和初始形状之间的差别，来识别可追踪设备的变形。
[0013]在一些布置中，所述识别变形的步骤包括:将初始形状与变形后的形状进行匹配；以及计算所述集合的追踪点的空间偏移。可选地，可以通过将追踪点的初始位置转换为追踪点的后来位置，并将两个模型中的同一点彼此进行比较以识别空间偏移，来执行匹配。例如，可以转换追踪点的初始坐标(例如，初始形状)，以试图匹配在感测到的追踪点的点云中(例如，变形后的形状)的测量坐标。这种变换可以是正交变换。这种变换和匹配可以包括最小二乘匹配算法，以发现最佳拟合的比较。然后，可以将匹配形状进行比较，以计算所述点的空间偏移，例如，测量追踪点中的一个或多个的坐标与所述追踪点初始位置的变换坐标之间的距离的绝对值。备选地或附加地，可以变换感测追踪点的坐标，并将其与相同追踪点的初始位置的坐标进行匹配，或可以使用适合于初始形状与变形后的形状的匹配和比较的其它坐标变换。
[0014]在一些实施例中，所述创建精修模型的步骤包括:当追踪点的空间偏移超过了限定的空间偏移阈值和/或具有超过该集合中的至少一个其它感测追踪点的空间偏移时，从该集合中排除感测该追踪点。可选地，只有当它的空间偏移超过了限定的空间偏移阈值并在该集合的所有追踪点中具有最大空间偏移时，才排除该追踪点，从而一次只排除一个追踪点(例如，变形最大的)。可以通过从用于形成精修模型的追踪点的集合中移除感测追踪点，来排除该感测追踪点。因此，精修模型可以基于减少的感测追踪点的集合(相对初始模型和/或变形后的模型)，而不基于被移除的追踪点的后来位置。可选地，可以从感测追踪点的集合中移除变形追踪点，而无需修改变形后的模型的其它部分的形状。
[0015]在一些布置中，所述创建精修模型的步骤包括:当识别出感测追踪点发生变形时，调整该感测追踪点的位置。可以将变形追踪点在变形模型中的位置调整为精修模型中的修正位置。因此，可以在精修模型中保留变形追踪点的修正位置，而不是从精修模型忽略变形追踪点。可以根据追踪点相对于彼此的位置以及这些相对位置和/或相对距离的空间偏移，来将一个追踪点的感测位置相对于集合中的其它追踪点的感测位置进行调整。可以以有限元方法(FEM)分析，基于患者皮肤运动的力弹簧模型假设，来执行所述调整。变形追踪点的空间偏移可以等于合力。可以计算向力弹簧模型施加的力的集合，以向初始模型中的初始位置移动变形追踪点。还可以对由此而产生的一个或多个其他追踪点的移动进行建模。可以保持一个或多个感测追踪点相对工作目标维持固定位置，而基于FEM分析中的力弹簧模型移动其它感测追踪点时。
[0016]偏移阈值可以是预定静态值和/或依赖于可选因子的动态值。可选地，偏移阈值可以基于将追踪点的空间偏移与该集合中的最多所有追踪点的平均空间偏移进行的比较。平均空间偏移可以包括直接平均、加权平均和/或其它类型的平均。当追踪点的空间偏移超过这种偏移阈值和/或超过其它追踪点的空间偏移(例如，在所有追踪点中具有最大空间偏移)时，可以将追踪点称作和/或将其认为是变形追踪点和/或认为它具有无法接受的位置误差。是否移动和/或调整精修模型中的追踪点的感测位置的决定可以取决于是否将该追踪点认为是变形追踪点和/或该追踪点是否具有不可接受的位置误差。
[0017]在一些布置中，在计算工作目标的当前位置之前，迭代式地重复以下步骤:将初始形状与变形后的形状进行匹配；计算空间偏移；以及移除追踪点。在随后的迭代中，由于排除了先前移除的追踪点，对减少数目的追踪点执行匹配。可以迭代式地重复这些步骤，直到至少不再从追踪点的集合中移除其它感测追踪点和/或感测追踪点的集合包括的追踪点数目比预定的最小追踪点数目更少。预定的最小追踪点数目可以是静态定义的数目，或可以是动态定义的数目，例如，基于在导航过程期间获得的参数。可选地，当精修模型中包括的追踪点的集合所包括的追踪点的数目小于预定的最小追踪点数目时，导航例程向用户提供通知。这种通知可以包括提供可听或可视的通知(例如警告)，和/或自动结束或暂停导航例程。
[0018]导航例程可以用于当等于或超过一个或多个误差阈值时，向用户提供通知。在一些布置中，导航例程估计根据可追踪设备的初始模型变形和/或精修模型中的追踪点的减少而计算出的工作目标的当前位置的预期误差。在一些布置中，导航例程根据空间偏移，计算在追踪点的集合中的一部分追踪点或所有追踪点的平均空间偏移。可选地，当预期误差超过工作目标的预定最大误差阈值和/或平均空间偏移超过预定最大误差阈值时，导航例程可以向用户提供指示。预定误差阈值可以是静态限定的数值和/或可以是例如基于在导航过程期间获得的参数动态限定的数值。所述指示可以包括警告消息