用于探测和追踪图像姿态的图像导航系统的制作方法
【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探测和追踪图像姿态的系统。
【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]本申请公开了用于追踪可移动(displaceable)物体在坐标参考框架中的姿态的系统。该系统包括位于或附接至被追踪物体上的光学可视目标图案(pattern)。该图案包括多个2D有鲜明对比的形状(2D contrasting shapes)，设置该有鲜明对比的形状从而将该图案与其它图案唯一地区分开。
[0014]与该物体间隔开的光学传感器组件，将该光学传感器组件定位并且配置以捕获该图案的至少部分的图像，匹配该传感器组件以生成该图案的该部分的至少一对2D图像，每个2D图像与其它2D图像处于该图案的该部分的不同视角；以及
[0015]处理器，用于检索存储的数据，该存储的数据用于多个不同图案，包括光学可识别的定义点的一组3D坐标，该定义点基于图案中有鲜明对比的形状的设置。该处理器配置为从该传感器组件接收该图案的该部分的该2D图像。基于该2D图像中的有鲜明对比的形状与该存储的数据之间的相关性，编程该处理器以识别该2D图像中的不同的图案之一。编程处理器以定位该2D图像中的定义点，以及基于用于被识别的不同图案的该2D图像中定位的定义点和该存储的数据中的该3D坐标，利用变换确定该物体的姿态。
[0016]优选地，该处理器配置为计算在每个该2D图像中的该图案中的该定位的定义点的3D坐标。
[0017]在一个实施例中，其中2D有鲜明对比的形状位于贴片(tile)上，并且其中目标图案包括多个贴片。该2D有鲜明对比的形状是有鲜明对比的方框或者方格(box or square)。
[0018]为了与该存储的数据中的该3D坐标相关联，该处理器利用该变换提供对该2D图像中定位的该定义点的2D平移、旋转以及缩放，该存储的数据用于被识别的不同图案。优选地，该变换是刚体变换。在一个实施例中，该变换是3D仿射变换。该变换可以包括非线性变形，以使设置与非平面表面一致。优选地，该非平面表面选自组，该组包括限定球面的一部分的表面、圆柱表面以及锥形表面。
[0019]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】
[0020]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。
[0021]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。
[0022]图2是图1中的口腔夹具和追踪组件的顶视图。
[0023]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。
[0024]图4是图3中的口腔夹具和装置组件的侧视图。
[0025]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。
[0026]图6是图5中的托架的不同的侧视图。
[0027]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。
[0028]图8是图7中的牙科仪器和追踪组件的侧视图。
[0029]图9是移除了图7中的牙科仪器的托架组件。
[0030]图10是用于追踪组件的图案显不表面的图案的一个实施例的绘不。
[0031]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。
[0032]图11A是图11中的追踪图案的部分的放大视图。
[0033]图12是绘示了确定模型状态的传统方法的流程图。
[0034]图13是绘示了根据本发明的确定模型姿态的方法的流程图。
[0035]图14是根据本发明的具有成像照相机的口腔夹具和牙科仪器的示意图。
【具体实施方式】
[0036]通过提供用于手术期间有效地追踪病人的运动的图像导航系统，本发明解决了现有技术的缺陷。以下将对本发明进行描述，其涉及口腔手术以及对病人嘴巴的运动的追踪，但是本发明并不必需限定于该实施例。在一个实施例中，图像导航系统包括多个照相机，其位于口腔外侧以提供光学可视图案的图像，该照相机通过口腔夹具附接至病人，并且位于正在进行飞手术区域之外。利用该图像探测并追踪病人嘴巴、和/或手术仪器或工具的运动。处理系统接收并处理该图像以识别图案，并对相对于每个照相机的位置和方向作三角测量。该处理系统利用