用于相对于身体跟踪对象的跟踪设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于相对于身体跟踪对象的方法和系统，用于图像引导手术。
【背景技术】
[0002]当前，主要存在基于红外(IR)摄像机(US581105)和基于电磁跟踪(US8239001)的手术导航系统。它们需要特别设计的标记刚性地固定在患者解剖结构上。对这些系统的配准和校准过程耗费宝贵的时间。这导致宝贵的手术室(0R)和外科医生的时间损失。此夕卜，手术导航系统占据手术室中相当大的空间，并且因此医院需要保留用于这些系统的宝贵手术室空间。
【发明内容】
[0003]根据本发明，这些目的借助于根据独立权利要求的跟踪设备和方法来实现。
[0004]从属权利要求指本发明的进一步实施例。
[0005]在一个实施例中，跟踪步骤包括如下步骤:由所述传感器测量三维表面；检测在测量的三维表面内身体的至少一个三维子表面和对象的至少一个三维子表面；并且基于身体的所述至少一个三维子表面和对象的所述至少一个三维子表面，计算在所述身体的所述三维模型中对象的相对位置。优选地，在该实施例中计算相对位置的步骤包括基于身体的所述至少一个三维子表面来确定在传感器坐标系统中所述身体的三维模型的位置，并且基于对象的所述至少一个三维子表面来确定在传感器坐标系统中对象的三维模型的位置。
[0006]在一个实施例中，传感器固定在对象上。
[0007]在一个实施例中，传感器固定在身体上。
[0008]在一个实施例中，传感器固定在跟踪区中，即在独立于身体或对象的运动的第三坐标系统中。
[0009]在一个实施例中，跟踪步骤包括如下步骤:由所述传感器测量三维表面；检测身体的至少一个三维子表面；并且基于身体的所述至少一个三维子表面，计算在所述身体的所述三维模型中对象的相对位置，其中传感器固定在对象上。在该实施例中，优选地，计算相对位置的步骤包括，基于身体的所述至少一个三维子表面来确定在传感器坐标系统中所述身体的三维模型的位置。
[0010]在一个实施例中，跟踪步骤包括如下步骤:由所述传感器测量三维表面；检测对象的至少一个三维子表面；并且基于身体的所述至少一个三维子表面，计算在所述身体的所述三维模型中对象的相对位置，其中传感器固定在对象上。在该实施例中，优选地，计算相对位置的步骤包括，基于对象的所述至少一个三维子表面来确定在传感器坐标系统中所述对象的三维模型的位置。
[0011]在一个实施例中，身体的所述至少一个三维子表面是测量的身体的三维表面的真子集，和/或对象的所述至少一个三维子表面是测量的对象的三维表面的真子集。
[0012]在一个实施例中，身体和/或对象的所述至少一个三维子表面是固定到身体和/或对象的形貌标记。
[0013]在一个实施例中，身体和/或对象的所述至少一个三维子表面另外由与所述传感器一起的公共壳体中包括的光学摄像机来检测。
[0014]在一个实施例中，至少一种颜色或图案标记固定在身体和/或对象的所述至少一个三维子表面的每一个的区域中，并且光学摄像机检测所述至少一种颜色或图案标记。
[0015]在一个实施例中，该方法包括进一步的步骤，定义在所述身体的三维模型中和/或在所述对象的三维模型中的至少一个点，并且检测在测量的三维表面内与所述定义的至少一个点对应的身体和/或对象的所述至少一个三维子表面。
[0016]在一个实施例中，该方法包括进一步的步骤:定义在所述身体的三维模型中和/或在所述对象的三维模型中的至少一个点用于跟踪身体和/或对象的位置。
[0017]在一个实施例中，每一个点通过检测由所述传感器测量的三维表面中的点来定义。
[0018]在一个实施例中，在检测指示事件时每一个点通过检测由所述传感器测量的三维表面中的指示符部件的点来定义。优选地，指示符部件是手的一个手指，并且指示事件是手的另一个手指的预定运动或位置。
[0019]在一个实施例中，点通过检测固定在对象上和/或在身体上的已知形貌标记来自动检测。
[0020]在一个实施例中，点从与所述对象的所述三维模型相关的数据库接收。
[0021]在一个实施例中，每一个点通过检测由与所述传感器一起的公共壳体中包括的摄像机检测的光学颜色和/或光学图案来定义。
[0022]在一个实施例中，提供对象的三维模型的步骤包括将对象的配准模型与由所述传感器测量的三维表面比较的步骤。
[0023]在一个实施例中，提供对象的三维模型的步骤包括检测在对象上的标识符并且基于检测的标识符加载所述对象的模型的步骤。
[0024]在一个实施例中，标识符包括由所述传感器检测的形貌标记。
[0025]在一个实施例中，标识符包括由与所述传感器一起的公共壳体中包括的光学摄像机检测的光学颜色和/或光学图案。
[0026]在一个实施例中，该方法包括基于对象位置来显示身体的三维模型的步骤。
[0027]在一个实施例中，检索所述对象的所述三维模型的不同点的步骤，其中身体的三维模型基于所述点来显示。
[0028]在一个实施例中，穿过所述不同点的身体的三维模型的轴向、矢状和冠状视图被显不ο
[0029]在一个实施例中，身体和对象的三维渲染场景被显示。
[0030]在一个实施例中，传感器壳体包括用于第二跟踪系统的标记，并且第二跟踪系统跟踪在传感器上的标记位置。
[0031]在一个实施例中，传感器包括第一传感器和第二传感器，其中第一传感器安装在身体、对象和跟踪空间中的一个上，而第二传感器安装在身体、对象和跟踪空间中的另一个上。
[0032]在一个实施例中，所述身体是人体或人体的一部分。
[0033]在一个实施例中，所述身体是动物体或动物体的一部分。
[0034]在一个实施例中，所述对象是手术工具。
[0035]在一个实施例中，对象是手术台、自动支持或保持装置和医疗机器人中的至少一个。
[0036]在一个实施例中，对象是显像装置，特别是内窥镜、超声波探头、计算机断层摄影扫描仪、X射线机器、正电子发射断层扫描仪、焚光镜、磁共振成像仪或手术室显微镜。
[0037]在一个实施例中，传感器固定在包括成像传感器的显像装置上。
[0038]在一个实施例中，基于由所述传感器测量的三维表面，在由所述图像传感器创建的图像中确定身体的三维模型的至少一个点的位置。
[0039]在一个实施例中，提供所述身体的三维模型的步骤包括测量所述身体的数据并且基于测量的数据来确定所述身体的三维模型的步骤。
[0040]在一个实施例中，数据由计算机断层摄影术、磁共振成像和超声波中的至少一个来测量。
[0041 ]在一个实施例中，数据在跟踪三维模型中对象的相对位置之前被测量。
[0042]在一个实施例中，数据在跟踪三维模型中对象的相对位置期间被测量。
[0043]在一个实施例中，提供所述身体的三维模型的步骤包括从存储器或从网络接收三维模型的步骤。
【附图说明】
[0044]本发明将借助于由示例给出并且由附图示出的实施例的描述来更好地理解，在附图中:
[0045]图1示出跟踪方法的实施例；
[0046]图2示出无标记的跟踪设备的实施例；
[0047]图3示出无标记的跟踪方法的实施例；
[0048]图4示出用于将身体的3D表面网格配准到身体的3D模型的方法实施例；
[0049]图5示出使用该身体的固定部件的跟踪设备和跟踪方法的实施例；
[0050]图6示出用于打开的膝盖手术的跟踪设备和跟踪方法的实施例；
[0051]图7示出具有光学标记的跟踪设备的实施例；
[0052]图8示出具有光学标记的跟踪方法的实施例；
[0053]图9示出跟踪方法与光学标记物实施例；
[0054]图10示出示例性光学标记；
[0055]图11示出用于通过码识别工具的方法；
[0056]图12示出具有代码的工具；
[0057]图13示出具有代码的工具；
[0058]图14示出具有代码的头部；
[0059]图15示出具有代码的膝盖；
[0060]图16示出使用安装在身体上的形貌编码标记的跟踪设备的实施例；
[0061]图17-20示出通过拇指运动/手势在3D表面网格中选择点和线的方法；
[0062]图21示出使用形貌编码标记的跟踪方法的实施例；
[0063]图22和23示出形貌编码标记的两个实施例；
[0064]图24示出使用固定在身体上的形貌标记的跟踪设备和跟踪方法的坐标变换的实施例；
[0065]图25示出具有安装在身体上的3D表面网格生成器的跟踪设备的实施例；
[0066]图26示出具有安装在身体上的3D表面网格生成器的跟踪设备的实施例；
[0067]图27示出具有安装在对象上的3D表面网格生成器的跟踪设备的实施例；
[0068]图28示出在适于跟踪的头部上的区域。
[0069]图29示出跟踪方法的实施例，其中3D表面网格生成器安装在工具上；
[0070]图30示出具有安装在工具上的3D表面网格生成器的跟踪设备和跟踪方法的坐标变换的实施例；
[0071]图31示出使用两个3D表面生成器的跟踪设备的实施例；
[0072]图32示出具有安装在工具上的3D表面网格生成器的跟踪设备的实施例；
[0073]图33示出将3D表面网格跟踪与IR跟踪结合的跟踪设备的实施例；
[0074]图34示出将3D表面网格跟踪与电磁跟踪结合的跟踪设备的实施例；以及
[0075]图35示出控制器的实施例。
【具体实施方式】
[0076]所提出的导航系统使用当可用时在患者上天然存在的形貌不同区域，以建立患者坐标(参见例如图2)。可替代地，小的形貌编码标记也可以被固定到患者的解剖结构来建立坐标系统(图16)。然而，没有必要将形貌编码标记刚性地固定到解剖结构，因为在标记和解剖结构之间的变换可以在检测任何相对运动之后很容易地更新。这些形貌编码标记和编码的手术指针可以使用现成的3D打印机方便地打印。由于该系统是紧凑的，所以它也可以在患者或手术工具上直接安装，并且因此节省