相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年10月21日提交的美国专利申请系列第14/919,411号，于2015年6月26日提交的美国临时专利申请系列第62/185,292号，以及于2015年6月12日提交的美国临时专利申请系列第62/174,949号的优先权。将以上指定的所有申请通过引用整体并入本文。
美国政府的权利
本发明在国立卫生研究院下的国家癌症研究所批准的nih基金号r21ca182956的政府支持下进行。政府在本发明中享有一定的权利。
背景技术：
组织切除手术通常由导向技术辅助，以实时引导手术操作。例如，可以通过超声成像引导活组织检查，以确保在需要的位置进行活组织检查，或者可以通过x-射线透视引导从脊髓节段移除椎间盘，以避免破坏脊髓或神经根。癌症相关的组织切除操作通常需要特别高的精确度。当进行疑似癌性组织的活组织检查时，合适的诊断依赖于来自肿瘤的样本的获取，因此其是来自特定的位置而非来自邻近的正常组织。当手术移除肿瘤时，无意中留下的任何癌组织对患者而言都将是有害的。
通常，通过穿透乳房到达肿瘤的导线或肿瘤内放置的射线不可透过的夹子来引导乳房肿瘤切除。与移除整个乳房相反，乳房肿瘤切除是仅移除癌组织。可在活组织检查操作期间将射线不可透过的夹子置于肿瘤内。通过成像，例如超声成像、磁共振成像(mri)或乳房摄影术来引导导线的插入。确保整个周界的肿瘤(包括任何丝和毛)均被移除是具有挑战性的。通常，由于在切除手术之后，乳房中仍残留癌性组织，因此，通常通过意图破坏任何未移除的癌性组织的放射处理来完成乳房肿瘤切除。然而，大约四个经受乳房肿瘤切除的女性中就有一个需要返回在原始切除位点处或邻近原始切除位点处进行进一步的癌性组织切除。
发明概述
在一个实施方案中，引导患者局部组织切除的方法包括生成至少一幅患者的图像，其中所述至少一幅图像包括局部组织的图像和患者表面的至少一部分的图像。所述方法还包括基于所述至少一幅图像至少部分地自动确定多个指示与局部组织相关的三维空间特性的手术引导提示，并产生手术引导提示相对于表面的可视化。
在一个实施方案中，用于产生用于患者局部组织切除的手术引导提示的系统包括用于处理至少一幅患者图像以确定局部组织的三维空间特性的定位模块和用于产生基于所述三维空间特性的手术引导提示的手术提示生成器。
在一个实施方案中，用于引导患者局部组织切除的患者特异性的定位器结构(locatorform)包括定位器结构表面，其匹配邻近局部组织位置的患者表面，以使患者特异性的定位器结构适合邻近局部组织位置的患者表面。患者特异性的定位器结构还包括分别指示多个手术引导提示的多个特征。
附图简要描述
如附图所阐明，根据实施方案的更具体的描述，本公开的前述以及其它特征和优势将是显而易见的，在附图中，相同的参照字符指示不同的图中的相同部分。附图不一定需要缩放，而是强调设置附图以阐明本公开的原理。
图1显示了根据一个实施方案，引导患者乳房肿瘤切除的系统。
图2a和2b显示了引导肿瘤切除的示例性手术引导提示。
图2c显示了包含体积安全边界的示例性肿瘤边界。
图3显示了根据一个实施方案的图1系统的进一步的细节。
图4a和4b显示了根据一个实施方案，引导患者乳房肿瘤切除的方法。
图5a显示了根据一个实施方案，用于从至少一幅仰卧图像产生手术引导提示的方法。
图5b和5c显示了根据一个实施方案，用于从至少一幅仰卧图像产生手术引导提示的另一种方法。
图6显示了根据一个实施方案，用于从至少一幅仰卧图像和用于肿瘤的肿瘤切除的用户定义的切口部位产生手术引导提示的方法。
图7显示了根据一个实施方案，产生仰卧图像的方法，其中那些仰卧图像包括单独的体积图像和表面图像。
图8显示了根据一个实施方案，产生至少一幅仰卧图像的方法，其中所述至少一幅仰卧图像中的每一幅均为体积图像。
图9显示了根据一个实施方案，当考虑术前成像与切除手术之间的乳房组织移位时，生成至少一幅仰卧图像的方法。
图10a和10b显示了根据一个实施方案，用于引导患者局部组织切除的方法。
图11显示了根据一个实施方案，当考虑至少一部分术前成像与切除操作之间的组织移位时，生成至少一幅与组织切除操作相关的图像的方法。
图12显示了根据一个实施方案，利用刚体变换将患者的初始体积图像与基本上如切除手术期间所摆放的患者的3d表面图像配准的方法。
图13显示了根据一个实施方案，利用刚体变换将患者的初始体积图像与基本上如切除手术期间所摆放的患者的3d表面图像配准，并进一步利用二进制图像生成和其可变形的变换来强调某些特征的方法。
图14显示了根据一个实施方案，用于生成二进制版本的图13的方法中的配准的体积图像的方法。
图15显示了根据一个实施方案，用于将乳房的俯卧体积图像与切除相关的乳房仰卧3d表面图像可变形地配准的有限元建模方法。
图16a-c和17a-c显示了根据一个实施方案的乳房俯卧位和仰卧位之间的示例性组织移位。
图18a-d显示了根据一个实施方案，将捕获的初始仰卧位乳房的乳房体积图像进行刚体变换以将体积图像与所捕获的乳房切除手术期间使用的仰卧位的3d表面图像配准的实例。
图19显示了根据一个实施方案的执行图3的系统的一部分的计算机。
图20显示了根据一个实施方案，用于引导组织切除的患者特异性定位器。
图21a显示了根据一个实施方案的图20的定位器结构的凸起的针状端口的功能性。
图21b和21c显示了根据一个实施方案的图20的定位器结构的两段式凸起的针状端口，其靶向于两个不同的位置。
图22显示了根据一个实施方案，利用定位器结构引导肿瘤切除的方法。
图23显示了根据一个实施方案的进一步包含肿瘤的材料模型的患者特异性的定位器结构。
图24显示了根据一个实施方案，制造患者特异性的定位器结构的系统。
图25显示了根据一个实施方案，制造多个相应患者的多个患者特异性的定位器结构的系统。
图26显示了根据一个实施方案，产生患者特异性的定位器结构的方法。
图27显示了根据一个实施方案，生成肿瘤的材料模型以及用于将材料模型并入患者特异性的定位器结构的连杆的方法。
图28显示了根据一个实施方案，借助手术引导提示引导自乳房切除肿瘤的导向系统。
图29显示了根据一个实施方案，利用导向系统使手术引导提示可视化的方法。
图30显示了根据一个实施方案，利用导向系统和追踪装置将手术引导提示转移至乳房的方法。
图31显示了根据一个实施方案，利用机器人系统将手术引导提示自动转移至乳房的方法。
图32显示了根据一个实施方案的引导组织的方法，其不需要图像配准。
图33显示了根据一个实施方案，基于表示切除手术期间使用的仰卧位的术前仰卧体积图像和仰卧3d表面图像来引导肿瘤切除的方法。
图34显示了根据一个实施方案的引导肿瘤切除的方法，其提取来自相同的术前体积图像的体积数据和表面数据。
图35显示了示出通过图34的方法的一个实施方案所处理的图像的示例性图像数据。
图36显示了根据一个实施方案，利用基于获自相同的术前体积图像的体积数据和表面数据所制造的患者特异性的定位器结构来引导肿瘤切除的方法。
图37显示了根据一个实施方案，基于示出切除手术期间使用的仰卧位的术前俯卧体积图像和仰卧3d表面图像来引导肿瘤切除的方法。
图38显示了根据一个实施方案的引导肿瘤切除的方法，其中在术前将手术引导提示转移至乳房。
实施方案详细描述
图1显示了自患者170的乳房172引导肿瘤175的切除的示例性系统100。切除手术在患者170处于仰卧位的情况下进行，即在患者170背部躺平，并且乳房172朝上的情况下进行。系统100利用乳房172的仰卧图像158来确定切除手术的几何特性以移除肿瘤175，并且还产生手术引导提示138以引导切除手术。在本文，“仰卧图像”指处于仰卧位的患者170的图像。各仰卧图像158是与处于仰卧位并且基本上处于进行切除手术所摆放的姿势的乳房172相对应的乳房172的图像。在患者170处于仰卧位时捕获仰卧图像158，或者可选地根据处于仰卧位和俯卧位所捕获的图像的组合来产生仰卧图像158。手术引导提示138直接和/或间接指示处于切除手术期间使用的仰卧位的肿瘤175的三维(3d)空间特性。
系统100包括处理乳房172的至少一幅仰卧图像158以确定肿瘤175的3d空间特性128的定位模块120。系统100还包括确定手术引导提示138的手术提示生成器130。外科医生180利用手术引导提示138进行患者170的切除手术以移除肿瘤175。在本文中，“外科医生(surgeon)”可以指一个或多个人，一个或多个系统、一个或多个机器人装置和/或上述的组合。
在一个实施方案中，系统100还包括使手术引导提示138对于外科医生180可视化的可视化模块140。在一个实例中，可视化模块140在乳房172的计算机生成模型上显示手术引导提示138。
在一个实施方案中，系统100包括捕获至少一幅仰卧图像158或者可选地捕获可生成至少一幅仰卧图像158的一幅或多幅图像的成像模块150。至少一幅仰卧图像158包括肿瘤175的图像和乳房172的表面174的至少一部分的图像。成像模块150包括捕获乳房172的3d图像的体积成像仪152，所述图像包括肿瘤175的图像。体积成像仪152可以包括磁共振成像(mri)扫描仪、超声成像装置、计算机断层(ct)扫描仪、乳房摄影术x-射线仪器和/或本领域已知的其它体积成像系统。成像模块150还可以包括表面成像仪154，其捕获表面174的至少一部分的3d表面图像。表面成像仪154可以包括本领域已知的立体照相机、结构化光成像装置、光学散射装置和/或光学表面成像仪。在成像模块150不包括表面成像仪154的实施方案中，通过体积成像仪152捕获的至少一幅体积图像包括表面174或其一部分的图像。例如，可在乳房172的磁共振(mr)图像中识别表面174的一部分。
图2a和2b显示了用于引导肿瘤175切除的示例性手术引导提示138。图2a是右侧乳房202的横向剖视图。右侧乳房202是乳房172的实例。图2b是右侧乳房202和相关的左侧乳房204的前视图(主视图)。图2a和2b最好一起查看。乳房202具有肿瘤210。肿瘤210是肿瘤175的实例。乳房202具有表面220。表面220是表面174的实例。图2a还指示了乳房202的胸壁240。
示例性的手术引导提示138包含(a)点222的位置，其是离肿瘤210最近的表面220的点；(b)肿瘤210在表面220上沿视线230从质心212至点222的投影；(c)肿瘤175的前边界214(即视线230与肿瘤175的前周界相交的肿瘤210的点)，其可以用前边界214与点222之间的距离226表示；和/或(d)肿瘤175的后边界216(即视线230与肿瘤175的后周界相交的肿瘤210的点)，其可以用后边界216与视线230和胸壁240相交的点232之间的距离234表示。
任选地，投影224用一组手术引导提示138表示，其包含投影224的一个或多个边界，如头边界242的位置(投影224的上极端，其中上是患者头部的方向)、尾边界244的位置(投影224的下极端，其中下是患者脚的方向)、外侧边界246的位置(投影224的最外侧点)和/或内侧边界248的位置(投影224的最内侧点)。
在用途的某些实例中，头边界242、尾边界244、外侧边界246和内侧边界248的限定包含安全边界，以使头边界242、尾边界244、外侧边界246和内侧边界248中的每一个被限定为肿瘤加额外的体积安全边界的各自的身体的上极端、下极端、外侧极端和内侧极端。在一些实施方案中，额外的体积安全边界的程度约为厘米，如0.5至2.0厘米。可以利用标准的均匀网格重采样技术来计算额外的体积安全边界。
图2c显示了包含体积安全边界的示例性的肿瘤边界。将肿瘤175的模型280延长具有厚度284的体积安全边界282。厚度284的程度可以为厘米，如0.5至2.0厘米。将头边界242、尾边界244、外侧边界246和内侧边界248限定为安全边界282对应的上极端、下极端、外侧极端和内侧极端。可依情况将安全边界282缩短为乳房172的边界，其中肿瘤175与乳房172的边界相对比较接近。
其它示例性的手术引导提示138包括质心212的位置、肿瘤210的轮廓和/或肿瘤210的完整体积范围。此外，手术引导提示138可以包括其它位置，例如以说明具有复杂几何结构的肿瘤210。在一个此类实例中，任选地，除以上讨论的手术引导提示中的一种或多种之外，手术引导提示138还包括关于肿瘤210的周界的其它位置或者肿瘤210内的其它位置。
在可选实施方案中，点222被限定为切除手术的切入点，以从乳房202移除肿瘤210。在该实施方案中，点222不一定是与肿瘤210最接近的表面220的点。点222可以是用户定义的切入点。例如，外科医生180可以至少部分基于美容方面的考虑、乳房202的表面组织的考虑(例如疤痕组织的存在)或者诸如易于到达切入点的实际考虑来选择切入点。
图3更加详细地显示了系统100。定位模块120可以包括特征定位器322、位置计算器324、方向计算器326和肿瘤周界计算器328中的一种或多种。特征定位器322识别仰卧图像158中的一个或多个特征，如肿瘤175和表面174的至少一部分。位置计算器324确定位置，如质心212的位置和/或点222的位置。方向计算器326确定视线230和/或沿视线230的向量。肿瘤周界计算器328确定肿瘤175的周界的位置和/或肿瘤175周界上的某些点，如前边界214和后边界216。定位模块120可以输出位置计算器324、方向计算器326和/或肿瘤周界计算器328计算的项目作为3d空间特性128。
手术提示生成器130可以包括切口部位计算器332、投影计算器334、体积边界计算器336和投影边界计算器338中的一种或多种。切口部位计算器332确定切除手术的最佳切口部位，以基于3d空间特性128移除肿瘤175。在一个实施中，切口部位计算器332输出通过位置计算器324确定的点222作为切口部位。投影计算器334基于3d空间特性128确定投影224，例如根据由方向计算器326确定的视线230、由肿瘤周界计算器328确定的肿瘤175的周界以及通过位置计算器324确定的使肿瘤175的周界与表面220空间相关的其它位置信息。体积边界计算器336基于3d空间特性128确定肿瘤175的一个或多个边界的位置。在一个实施中，体积边界计算器336确定距离226和/或距离234。在该实施中，体积边界计算器336可以分别通过肿瘤周界计算器328和位置计算器324确定的前边界214至点222的距离226。在该实施中，体积边界计算器336还可以分别通过肿瘤周界计算器328和位置计算器324确定后边界216至点222的距离234。在另一实例中，体积边界计算器输出通过定位模块120确定的前边界214的位置和/或后边界216的位置。投影边界计算器338确定投影224的一个或多个边界的位置，如头边界242、尾边界244、外侧边界246、和/或内侧边界248的位置，例如基于分别通过方向计算器326和肿瘤周界计算器328确定的视线230和肿瘤175的至少部分周界来确定。投影边界计算器338可以利用通过位置计算器324确定的使肿瘤175的周界与表面220空间相关的其它位置信息。手术提示生成器130输出由切口部位计算器332、投影计算器334、体积边界计算器和/或投影边界计算器338确定的一项或多项，作为手术引导提示138。
在某些实施方案中，系统100包括模型生成器340，其处理至少一幅仰卧图像158以生成乳房172的模型348。在一个实例中，模型348包括含有肿瘤175的乳房172的至少一部分的体积图。在另一实例中，模型348包括表面174的至少一部分的3d表面图。在另一实施方案中，模型348包括含有肿瘤175的乳房172的至少一部分和表面174的至少一部分的体积图。在另一实施方案中，模型348包括以上所述的图中的一些。在一个实施中，系统100还包括可视化模块140。在该实施中，模型生成器340将模型348通讯至可视化模块140，以使可视化模块140可以将一种或多种手术引导提示138在模型348上叠加。可视化模块140可以向外科医生180展示其上叠加一种或多种手术引导提示138的模型348和/或将含有一种或多种手术引导提示138的模型348通讯至手术室(or)导向系统，如本领域已知的or导向系统。在一个实例中，or导向系统包括追踪笔(trackingstylus)，其关于模型348和/或手术引导提示138的位置被追踪，以使追踪笔可以在乳房172上标记一种或多种手术引导提示138。在另一实例中，or导向系统包括增强现实系统，其将模型348和/或手术引导提示138在外科医生180的视角叠加。在另一实例中，or导向系统包括立体定位装置，其关于模型348和/或手术引导提示138的位置被追踪，以使立体定位装置可以在乳房172上或在乳房172内标记一种或多种手术引导提示138。
在一个使用情境中，通过成像模块150捕获各仰卧图像158。在另一使用情境中，成像模块150捕获一幅或多幅需要进行处理以确定仰卧图像158的图像。例如，乳房172的位置和形状在(a)手术引导提示138所至少部分基于的乳房172术前成像期间患者170的姿势和(b)切除手术期间患者170的姿势之间可能不同。在实施方案中，系统100包括图像配准模块350，其处理乳房172处于初始术前姿势时捕获的一幅或多幅图像358和当乳房172基本处于进行切除手术的仰卧位时捕获的至少一幅另外的仰卧图像358，以确定仰卧图像158。仰卧图像158和图像358可以是灰度图像或彩色图像。
在一个实例中，初始术前姿势与进行切除手术的仰卧位相同，并且图像配准模块350可以用于配准分别通过不同成像模式捕获的不同类型的图像。在该实例中，图像配准模块350可以根据体积成像仪152捕获的体积图像358或第三方体积图像来确定仰卧图像158，其中当乳房172基本处于与切除手术相关的姿势时捕获体积图像358。图像配准模块350可以进一步确定表面成像仪154捕获的3d表面图像358或第三方表面图像，其中当乳房172基本处于与切除手术相关的姿势时捕获3d表面图像358。
在另一实例中，初始术前姿势与进行切除手术的仰卧位不同，并且图像配准模块350还用于校正乳房172的组织移动。在该实例中，图像配准模块350可以根据当乳房172处于不同于与切除手术相关的姿势时，体积成像仪152捕获的体积图像358或第三方体积图像来确定仰卧图像158。图像配准模块350可以进一步确定当乳房172的姿势与切除手术期间的姿势基本相同时，表面成像仪154捕获的3d表面图像或第三方表面图像。在一个实施中，当乳房172处于不同于进行切除手术的姿势的术前姿势时捕获的图像358是乳房172的仰卧图像。即使在这种情况下，两种仰卧位之间也可能存在组织移位。例如，组织移位可能由患者170的水合水平的不同所引起和/或由与术前图像相比术中手术切口的作用所引起。在另一实施中，当乳房172处于不同于进行切除手术的姿势的术前姿势时捕获的图像358是乳房172的俯卧图像。
图像配准模块350包括鉴定图像358中的特征的特征定位器356。特征定位器356有助于将(a)乳房172处于不同于与切除手术相关的姿势时捕获的初始体积图像358与(b)乳房172处于与切除手术相关的仰卧位时捕获的切除相关的3d表面图像358配准。
在一个实施方案中，图像配准模块350包括对初始体积图像358应用刚体变换的刚体变换单元352，以配准通过特征定位器356确定的位于初始体积图像358和切除相关的3d表面图像358中的特征，从而将初始体积图像358与切除相关的3d表面图像358配准。刚体变换单元352可以对体积图像358应用平移、旋转和/或缩放。刚体变换单元352可用于例如初始体积图像358是仰卧图像的情境。在另一实施方案中，图像配准模块350包括对初始体积图像358应用可变形的变换的可变形的变换单元354，以配准通过特征定位器356确定的位于初始体积图像358和切除相关的3d表面图像358中的特征，从而将初始体积图像358与切除相关的3d表面图像358配准。在本文中，“可变形”的变换(或配准)分别指可能是非刚性的变换(或配准)。可变形的变换允许考虑初始体积图像358中的乳房172相对于切除相关的3d表面图像358的变换。可变形的变换单元354可用于例如初始体积图像358是俯卧图像的情境。可变形的变换单元354可以包括根据重力模型对初始体积图像应用变换的重力单元355，以考虑重力引起的初始体积图像与切除相关的3d表面图像358之间的组织移位。在一个实例中，可变形的变换单元354按照朝向胸壁240的2g地心引力，利用重力单元355对俯卧体积图像358进行变换，以将俯卧体积图像358与仰卧切除相关的3d表面图像358配准。在另一实施方案中，图像配准模块350包括刚体变换单元352和可变形的变换单元354。在不脱离本文的范围的情况下，可以根据多幅捕获的切除相关的3d表面图像358生成切除相关的3d表面图像。同样地，可以根据多幅捕获的初始图像358生成初始体积图像。
任选地，图像配准模块350包括生成二进制版本的图像358的二进制图像生成器357，以提高某些特征，如表面174。
尽管未在图3中示出，在不脱离本文的范围的情况下，定位模块120可对捕获的图像358进行操作，并且系统100可以执行位置校正模块以校正手术引导提示138而非校正捕获的仰卧图像358。该位置校正模块将具有与图像配准模块350类似的功能，但是被配置为对与图像358相对的3d空间特性128进行操作。
在某些实施方案中，系统100包括接口360，其接收诸如用户定义的切口部位的位置的用户输入。
在不脱离本文的范围的情况下，系统100可以用于将患者170除乳房172之外的其它部分成像，以引导患者170局部组织的切除。可以扩展系统100，以引导其它身体部分和器官(如脑或肝脏)的肿瘤切除，以及引导例如肌肉或骨骼的活组织检查操作，还引导mri上检测的乳房异常的芯针活组织检查。同样地，可将肿瘤175推广至患者170的局部组织，可将乳房172推广至患者170与切除手术相关的部分，可将表面174推广至患者170邻近局部组织的表面，并且其包括用于移除局部组织的切口部位，以及可将仰卧图像158推广至患者170与组织切除操作期间进行的组织切除操作相关的部分的图像。系统100还可以用于引导标记物的局部递送或者引导治疗剂向患者170局部组织的递送。
图4a和4b显示了引导肿瘤175切除的一个示例性方法400。可以通过系统100实施方法400或其一部分。图4a示出了方法400的第一部分以及图4b示出了方法400的第二任选部分。图4a和4b最好一起查看。
在一个实施方案中，方法400包括生成乳房172的至少一幅仰卧图像158的步骤410。在一个实例中，成像模块150直接捕获乳房172的一幅或多幅仰卧图像158或图像358。在另一实例中，系统100接收来自第三方系统的图像358。在某些实施方案中，步骤410包括将乳房172的初始体积图像与表面174的3d表面图像358配准的步骤412，其中所述3d表面图像358基本上表示与切除手术相关的乳房172的位置。在步骤412的一个实例中，如以上参考图3所讨论的，图像配准模块350将初始体积图像与切除相关的3d表面图像358配准。步骤412可以包括将初始体积图像进行刚体变换或可变形地变换，以将初始体积图像中捕获的表面174与切除相关的3d表面图像358中捕获的表面174配准的步骤414。任选地，步骤414利用初始体积图像和切除相关的3d表面图像358中可识别的表面174上的基准点。这些基准点可以是置于表面174上的基准标记和/或表面174的自然特征，如乳房172的乳头。在步骤414的一个实例中，图像配准模块350利用以上参考图3所讨论的刚体变换单元352。在步骤414的另一实例中，图像配准模块350使用以上参考图3所讨论的可变形地变换单元354。
在另一实施方案中，方法400不包括步骤410，但反而接收通过第三方系统生成的仰卧图像158。
在步骤420中，方法400自动确定手术引导提示138。步骤420包括步骤422和426。步骤422对至少一幅仰卧图像158进行处理，以确定3d空间特性128。任选地，步骤422包括识别仰卧图像158中的肿瘤175以及任选地表面174的步骤424。在步骤422的一个实例中，例如，如以上参考图3所讨论的，定位模块120确定3d空间特性128。定位模块120可以利用位置计算器324、方向计算器326和/或肿瘤周界计算器328来确定3d空间特性128。定位模块120可以调用特征定位器322来识别仰卧图像158中的肿瘤175和/或表面174的至少一部分。步骤426基于3d空间特性128产生手术引导提示138。在步骤426的一个实例中，例如，如以上参考图3所讨论的，手术提示生成器130基于3d空间特性128产生手术引导提示138。手术提示生成器130可以利用切口部位计算器322、投影计算器334、体积边界计算器336和/或投影边界计算器338来产生手术引导提示138。
在不脱离本文的范围的情况下，步骤422可以对捕获的图像358进行处理，并且步骤426可以包括校正基于捕获的图像358确定的手术引导提示138，从而考虑初始体积图像捕获时间与切除手术时间之间乳房172的组织移位。
在某些实施方案中，方法400包括使手术引导提示138相对于表面174可视化的步骤430。在一个此类实施方案中，步骤430包括步骤432和433。步骤432生成表面174的模型348，如表面174的3d表面图，并且步骤433将一种或多种手术引导提示138在该模型348上叠加。在步骤432和433的一个实例中，模型生成器340生成表面174的模型348，并且可视化模块140将一种或多种手术引导提示138在该模型348上叠加。在另一个此类实施方案中，步骤430包括步骤434和435。步骤434生成乳房172的体积模型348，其包括表面174的至少一部分的模型，如包括表面174的至少一部分的图的乳房172的体积图。步骤435将一种或多种手术引导提示138在该体积模型348上叠加。任选地，体积模型348包含至少一部分胸壁240。在步骤434和435的一个实例中，模型生成器340生成表面174的体积模型348，并且可视化模块140将一种或多种手术引导提示138在该体积模型348上叠加。
在任选步骤436中，方法400将其上叠加步骤430产生的一种或多种手术引导提示138的模型348通讯至手术导向系统，如参考图1所讨论的or导向系统。
另一任选步骤438产生适合表面174的患者特异性的定位器结构，并且其包含指示一种或多种手术引导提示138的特征或者使得一种或多种手术引导提示138能够转移至乳房172上。参考图20-27对此类患者特异性的定位器结构进行进一步讨论。
方法400可以包括将一种或多种手术引导提示138转移至表面174的步骤440。在步骤440的一个实例中，使用步骤436的导向系统将一种或多种手术引导提示138转移至表面174。在一个实例中，外科医生180使用追踪笔将一种或多种手术引导提示138转移至表面174和/或使用追踪立体定位装置将一种或多种手术引导提示138转移至乳房172的内部位置，以及任选地，转移至表面174。在步骤440的另一实例中，外科医生180将步骤438的定位器结构置于乳房172上，并且使用定位器结构上的特征将一种或多种手术引导提示138转移至表面174和/或乳房172的内部位置。
在不脱离本文的范围的情况下，可将方法400扩展为引导患者170局部组织切除的更普遍的实施方案。可将方法400扩展为引导其它身体部分和器官(如脑和肝脏)的肿瘤切除，以及引导例如乳房172、肌肉或骨骼的活组织检查操作。同样地，可将肿瘤175推广至患者170的局部组织，可将乳房172推广至与切除手术相关的患者170的部分，可将表面174推广至患者170邻近局部组织的表面，并且其包括用于移除局部组织的切口部位，以及将仰卧图像158扩展为与组织切除操作期间进行的组织切除操作相关的患者170的部分图像。方法400还可以用于引导向患者170局部递送标记物或治疗剂。
图5a显示了自至少一幅仰卧图像158产生手术引导提示138的一个示例性方法500。例如，通过定位模块120和手术提示生成器130实施方法500。方法500是方法400的步骤420的实施方案。
在步骤510中，方法500计算肿瘤175的质心位置p1。在步骤510的一个实例中，位置计算器324计算质心212的位置。
在步骤520中，方法500计算表面174上的点p2，其最接近肿瘤175。在步骤510的一个实例中，位置计算器324计算点222的位置。
在步骤525中，方法500确定最佳切口部位如点p2。在步骤525的一个实例中，手术提示生成器130确定最佳切口部位如点222。
在步骤530中，方法530确定质心p1至点p2的向量v1。在步骤530的一个实例中，方向计算器326确定质心212至点222的向量，其中该向量沿视线230定位。
在步骤532中，方法500将肿瘤175的轮廓投影至表面174以及向量v1上，以确定肿瘤175在表面174上的投影s1，在步骤532的一个实例中，投影计算器334将肿瘤210的轮廓沿视线230投影在表面220上，以形成投影224。任选地，方法500包括确定投影s1的一个或多个边界的步骤534。在步骤534的一个实例中，投影边界计算器338确定投影224的头边界242、尾边界244、外侧边界246和/或内侧边界248的位置。
在步骤536中，方法500将肿瘤175的前边界确定为(a)点p2和向量v1的交点与(b)肿瘤175的周界之间的距离。在步骤536的一个实例中，体积边界计算器336确定前边界214的位置，并且随后确定距离226。
在可选步骤540中，方法500将向量v1延伸至患者170的胸壁，以限定线l1。在步骤540的一个实例中，方向计算器326将视线230从质心212延伸至胸壁240。方法500可以包括将肿瘤175的后边界确定为(a)线l1和肿瘤175的后周界的交点与(b)线l1和患者170的胸壁的交点之间的距离的步骤542。在步骤542的一个实例中，体积边界计算器336确定后边界216的位置，并且随后确定距离234。
图5b和5c显示了方法500的可选实施方案的一个示例性方法550。图5b是方法550的流程图，以及图5c是显示方法550的某些参数的简图。图5b和5c最好一起查看。
在步骤560中，方法550将肿瘤175拟合为椭圆体。在步骤560的一个实例中，位置计算器324将肿瘤210拟合为椭圆体502。
步骤570确定步骤560的椭圆体的主轴的方向，以将线l1限定为与主轴具有相同方向的线。椭圆体的主轴是与椭圆体的最长半轴相关的轴。在步骤570的一个实例中，方向计算器326确定椭圆体502的主轴的方向以限定线504。
步骤572将最佳切口部位确定为位于线l1与表面174的交点的点。在步骤572的一个实例中，位置计算器324确定位于线504与表面220的交点的点222，并且切口部位计算器332将最佳切入点限定为点222。
步骤574将肿瘤175在表面174上的投影确定为肿瘤175的轮廓沿线l1在表面174上的投影。在步骤574的一个实例中，肿瘤周界计算器328确定肿瘤210的周界，并且投影计算器334将该周界沿线504投影在表面220上。除了基于与椭圆体502的主轴共向的线l1(与通过向量v1限定的线l1相反)之外，步骤578、580和582分别与步骤536、540和542类似。
图6显示了自至少一幅仰卧图像158和用于肿瘤175切除的用户定义的切口部位来产生手术引导提示138的一个示例性方法600。例如，通过定位模块120和手术提示生成器130实施方法600。方法600使得系统100能够在考虑用户定义的切口部位时，产生手术引导提示138。方法600是方法400的步骤420的实施方案。
方法600包括计算肿瘤175的质心p1的步骤510。方法600还包括步骤610，其接收作为点p2的用于进行切除手术的用户定义的切口部位。在步骤610的一个实例中，接口360接收用户定义的切口部位的位置。接下来，除了p2是用户定义的切口部位的位置之外，方法600继续进行如参考图5a所讨论的步骤530、532、536，以及任选地步骤534、540和542中的一个或多个。
在不脱离本文的范围的情况下，可将方法500、550和600各自扩展为引导患者170局部组织切除的更普遍的实施方案。例如，可将方法500、550和560各自扩展为引导其它身体部分或器官(如脑或肝脏)的肿瘤切除，以及引导例如乳房172、肌肉或骨骼的活组织检查操作，或者扩展为引导标记物或治疗剂向患者170的局部递送。同样地，可将肿瘤175和210各自推广为患者170的局部组织，可将乳房172和202各自推广为与组织切除操作相关的患者170的部分，可将表面174和220各自推广为邻近局部组织的患者170的表面，并且其包括用于移除局部组织的切口部位，以及可将胸壁240推广为从表面视角看时局部组织下的另一组织类型或器官。
图7显示了生成仰卧图像158的一个示例性方法700，其中仰卧图像158包括单独的体积图像和3d表面图像。方法700是方法400的步骤410的实施方案。例如，通过成像模块150和图像配准模块350实施方法700。
在步骤710中，方法700捕获至少一幅包含肿瘤175的乳房172的体积图像358，并且其中乳房172处于与切除手术相关的仰卧位。例如，通过体积成像仪152进行步骤710。
在步骤720中，方法700捕获至少一幅包含肿瘤175的乳房172的3d表面图像358，并且其中乳房172处于与切除手术相关的仰卧位。例如，通过表面成像仪154进行步骤720。
在一个实施方案中，方法700还包括下述步骤730：将(a)步骤710中捕获的配准体积图像中捕获的表面174的体积图像358与(b)步骤720的3d表面图像358中捕获的表面174进行刚体变换，使得将体积图像358与3d表面图像358配准。例如，通过图像配准模块350进行步骤730。
在另一实施方案中，将步骤710的体积图像358和步骤720的3d表面图像358进行固有配准，并且方法700不包括步骤730。反而，方法700将步骤710的体积图像358和步骤720的3d表面图像358输出为仰卧图像158。在一个实例中，体积成像仪152和表面成像仪154分别捕获绝对坐标的体积图像358和3d表面图像358，从而确保体积图像和3d表面图像的固有配准。
在不脱离本文的范围的情况下，方法700可以用接收来自一个或多个第三方成像系统的步骤710的体积图像358和步骤720的3d表面图像358的步骤来替代步骤710和720。
图8显示了生成至少一幅仰卧图像158的一个示例性方法800，其中至少一幅仰卧图像158中的每一幅是体积图像。例如，通过体积成像仪152实施方法800。方法800是步骤410的实施方案。
方法800包括步骤810，其捕获处于与移除肿瘤175的切除手术相关的仰卧位的乳房172的至少一幅体积仰卧图像158。至少一幅体积仰卧图像158包括肿瘤175的图像和表面174的至少一部分的图像。在步骤810的一个实例中，体积仰卧图像158包括肿瘤175的图像和表面174的至少一部分的图像。在另一实例中，步骤810捕获多幅体积仰卧图像158，其中至少一幅体积仰卧图像158提供肿瘤175的图像，并且至少一幅其它体积仰卧图像158提供表面174的至少一部分的图像。
图9显示了当考虑乳房172在术前成像的至少一部分与切除手术之间的组织移位时，生成至少一幅仰卧图像158的一个示例性方法900。例如，通过成像模块150和图像配准模块350实施方法900。方法900是步骤410的实施方案。
在步骤910中，方法900捕获至少一幅处于初始仰卧位的乳房172的初始体积图像。如参考图8所讨论的，该至少一幅初始体积图像包括肿瘤175的图像和表面174的至少一部分的图像。在步骤910的一个实例中，体积成像仪152捕获至少一幅乳房172的初始体积图像。
在步骤920中，方法900捕获至少一幅处于与肿瘤175的切除相关的仰卧位的乳房172的3d表面图像358。在步骤920的一个实例中，表面成像仪154捕获表面174的至少一部分的3d表面图像358。在步骤920的另一实例中，体积成像仪152捕获乳房172的体积图像358，其包含表面174的至少一部分。
在步骤930中，方法900将步骤910中捕获的初始体积图像与步骤920中捕获的3d表面图像358配准。步骤930是步骤412的实施方案，并且其可以通过图像配准模块350来进行。步骤930可以包括步骤932，其将初始体积图像进行刚体变换，从而将初始体积图像中捕获的表面174与切除相关的3d表面图像358中捕获的表面174配准。步骤932是步骤412的实施方案，并且其可以利用如参考图4a和4b所讨论的表面174上的基准点。在步骤932的一个实例中，如以上参考图3所讨论的，图像配准模块350利用刚体变换单元352。
在不脱离本文的范围的情况下，方法900可以用接收来自一个或多个第三方成像系统的步骤910的初始体积图像和步骤920的3d表面图像358的步骤来替代步骤910和920。
在不脱离本文的范围的情况下，可将方法700、800和900各自扩展为引导患者170局部组织切除的更普遍的实施方案。可将方法700、800和900各自扩展为引导其它身体部分和器官(如脑和肝脏)的肿瘤切除，以及引导例如乳房172、肌肉或骨骼的活组织检查操作，扩展为引导标记物或治疗剂向患者170的局部递送。同样地，可将肿瘤175推广至患者170的局部组织，可将乳房172推广至与组织切除操作相关的患者170的部分，可将表面174推广至患者170邻近局部组织的表面，并且其包括用于移除局部组织的切口部位，以及可将仰卧图像158推广至患者170与组织切除操作期间进行的组织切除操作相关的部分的图像。方法700、800和900中的每一个还可以用于引导标记物或治疗剂向患者170的局部递送。
图10a和10b显示了引导患者170局部组织切除的一个示例性方法1000。可以通过系统100实施方法1000或其一部分。图10a示出了方法1000的第一部分，以及图10b示出了方法1000的第二任选部分。图10a和10b最好一起查看。方法1000是用于患者170局部组织的普通切除的方法400的扩展。
在一个实施方案中，方法1000包括生成至少一幅患者170与组织切除操作相关的部分的图像158的步骤1010。该患者170与切除相关的部分包括(a)待切除的局部组织和(b)患者170邻近局部组织的表面，并且包括用于组织切除操作的切口部位。步骤1010是步骤410的一般化。通过步骤1010生成的图像158表示基本上如组织切除操作期间所摆放的患者170与切除相关的部分。在这一更普遍的实施方案中，图像158不一定是仰卧图像。在步骤1010的一个实例中，成像模块150直接捕获一幅或多幅患者170的切除相关的部分的图像158或图像358。在另一实例中，系统100接收来自第三方系统的图像358。在某些实施方案中，步骤1010包括步骤1012，其将局部组织的初始体积图像与患者170相关表面的3d表面图像358配准，其中3d表面图像358基本上表示组织切除操作期间放置的患者170的切除相关的部分。在步骤1012的一个实例中，如以上参考图3所讨论的，图像配准模块350将初始体积图像与3d表面图像358配准。步骤1012可以包括如以上参考图4a和4b所讨论的步骤414，但其扩展为患者170局部组织的一般性切除。
在另一实施方案中，方法1000不包括步骤1010，反而接收第三方系统生成的图像158。
在步骤1020中，方法100自动确定指示待切除的局部组织的3d空间特性的手术引导提示138。步骤1020包括步骤1022和1026，以及任选的步骤1024。步骤1020、1022、1024和1026是步骤420、424、424和426向患者170局部组织的一般性切除的扩展。
步骤1022处理至少一幅图像158，以确定局部组织的3d空间特性128。步骤1022可以包括步骤1024。步骤1024识别待切除的局部组织，以及任选地，识别患者170的相关表面。步骤1026利用3d空间特性128产生关于患者170的相关表面的局部组织的手术引导提示138。以与以上参考图4a和4b所讨论的步骤420、424、424和426类似的方式进行步骤1020、1022、1024和1026。
在某些实施方案中，方法1000包括使手术引导提示138相对于患者170的相关表面可视化的步骤1030。步骤1030是步骤430向患者170的组织的一般性切除的扩展。在一个实施中，步骤1030包括步骤1032和1033。步骤1032生成患者170与组织切除操作相关的表面的模型348，如该表面的3d表面图，并且步骤1033将一种或多种手术引导提示138在该模型348上叠加。以与步骤432和433类似的方式进行步骤1032和1033。在另一实施中，步骤1030包括步骤1034和1035。步骤1034生成患者170的切除相关的部分的体积模型348，其包括切除相关的表面的至少一部分的模型，如患者170的切除相关的部分的体积图，其包括切除相关的表面的至少一部分的图，并且步骤1035将一种或多种手术引导提示138在该体积模型348上叠加。以与步骤432和433类似的方式进行步骤1032和1033。
任选地，方法1000包括如以上参考图4a和4b所讨论的步骤436。
方法1000可以包括产生适合患者170的切除相关的表面的患者特异性的定位器结构的步骤1038，其包含指示一种或多种手术引导提示138的特征和/或使得能够将手术引导提示138转移至患者170。进一步参考图20-27对此类患者特异性的定位器结构进行讨论。步骤1038是步骤438向患者170局部组织的一般性切除的扩展。
方法1000还可以包括将一种或多种手术引导提示138转移至患者170的切除相关的表面的步骤1040。以与步骤440类似的方式进行步骤1040。
图11显示了当考虑术前成像的至少一部分与切除操作之间的组织移位时，生成至少一幅患者170的一部分(其包含待切除的局部组织)的图像158的一个示例性方法。例如，通过成像模块150和图像配准模块350实施方法1100。方法1100是步骤1010的实施方案，并且其是方法900向患者170局部组织的一般性切除的扩展。
在步骤1110中，方法1000捕获至少一幅处于初始位置的局部组织的初始体积图像。如参考图10a和10b所讨论的，该至少一幅初始体积图像包括待切除的局部组织的图像和患者170与切除操作相关的表面的至少一部分的图像。在步骤1110的一个实例中，体积成像仪152捕获至少一幅患者170与切除操作相关的部分的初始体积图像。
在步骤1120中，方法1100捕获至少一幅切除操作期间所摆放的患者170的切除相关的表面的3d表面图像358。可以以与步骤920类似的方式进行步骤1120。
在步骤1130中，方法1100将步骤1110中捕获的初始体积图像与步骤1120中捕获的3d表面图像358配准。步骤1130是步骤930的扩展，并且其可以通过图像配准模块350来进行。步骤1130可以包括步骤932。
图12显示了利用刚体变换将(a)患者170与切除手术相关的部分的初始体积图像与(b)基本上如切除手术期间所摆放的患者170与切除手术相关的部分的3d表面图像358配准的一个示例性方法1200。方法1200是步骤932和步骤414的实施方案，并且其可以通过刚体变换单元352与特征定位器356的合作来实施。
在步骤1210中，方法1200识别初始体积图像和3d表面图像358中患者170上的基准点的空间位置。基准点可以是置于患者170的表面上的基准标记和/或患者170的自然特征。在步骤1210的一个实例中，特征定位器356识别初始体积图像中表面174上的基准点，并且识别3d表面图像358中的相同的基准点。根据初始体积图像与3d表面图像358之间的组织移位，基准点可以处于与例如如乳房172的仰卧初始体积图像和乳房172的仰卧3d表面图像358之间相对类似的位置，或者处于与乳房172的俯卧初始体积图像和乳房172的仰卧3d表面图像358之间相对不同的位置。
在步骤1220中，方法1200进行初始体积图像的刚体变换，从而通过将初始体积图像的坐标系统中识别的基准点与3d表面图像358的坐标系统中识别的相应基准点进行匹配，来用3d表面图像358中识别的相应基准点来配准初始体积图像中识别的基准点。因此，步骤1220产生了与3d表面图像358配准的配准的体积图像。该配准的体积图像是仰卧图像158的实例。该刚体变换可以包括平移、旋转和/或缩放，但是通常不需要剪切。在步骤1220的一个实例中，根据步骤1210中的特征定位器356所识别的基准点位置，刚体变换单元352对初始体积图像应用刚体变换，从而用3d表面图像358中识别的相应基准点来配准初始体积图像中识别的基准点。
图13显示了利用刚体变换将患者170的初始体积图像与反映切除操作期间使用的姿势的患者170的3d表面图像358配准，并且进一步利用二进制图像生成和其可变形地变换来强调某些特征的一个示例性方法1300。方法1300是步骤414的实施方案，并且可以通过可变形地变换单元354和特征定位器356的合作来实施。当初始体积图像与3d表面图像358之间的组织移位很显著时，例如一般情况下是乳房172的俯卧体积图像358和表面174的相应仰卧3d表面图像358，方法1300可能特别有用。通常，方法1300可以用于患者170的部分的初始体积图像与相应的患者170的表面的3d表面图像358之间存在组织移位的情境，或者用于捕获初始体积图像和3d表面图像358的成像模式之间的差异导致明显的组织移位的情境。
方法1300包括如以上参考图12所讨论的步骤1210和1220。
在后续步骤1330中，方法1300创建了步骤1320中生成的配准的体积图像的二进制图像版本。在步骤1330的一个实例中，二进制图像生成器357对配准的体积图像进行处理，以创建其二进制版本。可以通过二进制图像生成器357来进行步骤1330。
在步骤1340中，方法1300创建了3d表面图像358的二进制图像版本。在步骤1340的一个实例中，二进制图像生成器357对3d表面图像358进行处理，以创建其二进制版本。可以通过二进制图像生成器357来进行步骤1340。
3d表面图像358和初始体积图像均可以是灰度图像，其中各像素(对于3d表面图像358而言)或体素(对于初始体积图像而言)被表示为最黑(黑色)至最浅(白色)范围内的灰色。可选地，3d表面图像358和初始体积图像中的一种或两种是还提供有强度信息的彩色图像。相比之下，二进制图像将各像素或体素表示为黑色或白色，而无其间的任何灰度阴影。因此，从灰度图像创建二进制图像是用于强调图像中某些期望的特征，并从图像中移除其它特征的技术。
在一个实例中，步骤1330生成配准的体积图像的二进制版本，其强调配准的体积图像中的表面特征，如乳房172的表面174的特征。例如，步骤1330可以通过将足够接近表面的体素的强度数值设置为统一数值以及抑或设置为零，而从配准的体积图像创建配准的体积图像的二进制版本。限定的足够接近表面的体素的典型范围可以是但不限于10mm的组织-至-空气界面内的体素。
步骤1330和1340可以用于强调配准的体积图像和3d表面图像358的共有特征，以进行二进制版本的配准的体积图像向二进制版本的3d表面图像358的可变形地变换。这些二进制图像均突出相同的组织-至-空气界面，其允许将利用步骤1320的刚体配准作为起点进行可变形地配准的两种二进制图像进行非刚体配准。
在步骤1350中，方法1300将配准的体积图像的二进制版本进行可变形地变换，从而将配准的体积图像的二进制版本与3d表面图像358的二进制版本配准。可以通过可变形的变换单元354进行步骤1350。
在一个实例中，步骤1350首先进行配准的体积图像的二进制版本向3d表面图像358的二进制版本的仿射配准，以产生中间二进制图像。接下来，在该实例中，步骤1350对中间二进制图像应用可变形地变换，以将中间二进制图像与3d表面图像358的二进制版本配准。该可变形地变换受将中间二进制图像中的基准点与二进制版本的3d表面图像358中的那些基准点进行匹配的约束。可变形地变换可以是但不限于b-样条(b-spline)可变形的配准或者本领域已知的其它可变形地变换或配准。
图14显示了生成方法1300的步骤1320中的配准的体积图像的二进制版本的一个示例性方法1400。方法1400是步骤1330的实施方案。例如，通过二进制图像生成器357实施方法1400。
步骤1410确定在方法1300中进行的步骤1220的配准的体积图像的梯度图像版本。该梯度图像指示配准的体积图像的强度和颜色的定向改变，并且可以用于识别配准的体积图像中的某些特征。梯度图像可以识别一个或多个解剖边界，例如诸如表面174的组织-至-空气界面。
步骤1420扩张了组织-至-空气界面的体素。步骤1420可以利用以上参考图13所讨论的步骤1330类似的体素范围。
步骤1430滤出步骤1420中生成的图像中低于阈强度的体素。但是总体而言，可将阈强度水平选择为任何强度，例如以提供更加细化的灰度图像，对于二进制图像而言，可将阈值设置为最大强度，以滤出扩张期间未被设置为最大强度的任何像素或体素。
诸如栅格化、高斯平滑和形态学处理的额外的配准前处理是可能的，以进一步提高图像配准(如步骤1220中进行的刚体配准)的鲁棒性。在一个实例中，可将步骤1420中生成的扩张的体积梯度图像以及3d表面图像358进行高斯平滑(例如，用5x5x5体素的核(kernel))，以降低噪声水平。可以进行扩张的体积梯度图像向3d表面图像358的配准。例如，可将扩张的体积梯度图像与3d表面图像358的栅格化版本配准。配准可以基于两种图像体积之间最大化的交互信息。
在不脱离本文范围的情况下，方法1200、1300和1400中的每一个均可以利用图像358的额外处理或过滤，以便优化特定类型的图像358的配准。此类参数优化的目标可以是强调初始体积图像中的特征，以匹配表示基本上处于切除操作期间使用的姿势的患者170的切除相关的部分的相应的3d表面图像358中固有强调的类似特征。这些参数处理可以基于根据3d表面图像358的类型预先确定的参数集，或者可选地，可以基于3d表面图像358的特定条件进行优化。
图15显示了用于将乳房172的俯卧体积图像358与表面174的切除相关的仰卧3d表面图像358可变形地配准的一个示例性的有限元建模(fem)方法1500。fem方法1500是步骤414的实施方案，并且其可以通过特征定位器356和包含重力单元355的可变形的变换单元354的实施方案来合作实施。通常，fem方法1500可以用于俯卧体积图像358和仰卧3d表面图像358之间的组织移位不适于进行刚体变换的情境。图16a-c和17a-c讨论了以下显示的示例性的俯卧位和仰卧位之间的乳房172组织移位。
fem方法1500考虑图像中的组织的物理性质。通过对组织的物理性质进行建模，fem方法1500可以更准确地将俯卧体积图像358与仰卧3d表面图像358配准。
fem方法1500利用关于体积图像和表面图像中的组织的信息来对变换进行更准确地建模。例如，在乳房172的第一区域，乳房172的组织可以显示不同于乳房172的第二区域的弹性特性的弹性特性。例如，可将乳房172对应于腺体组织的区域指定为第一弹性模量，并且可将乳房172检测到浸润性导管癌的区域指定为第二弹性模量，其中第二弹性模量大于第一弹性模量。具有已知的弹性模量的其它组织的实例包括但不限于正常的脂肪组织、正常的腺体组织、纤维组织、浸润性导管癌和原位导管癌(dcis)。然而由于不考虑不同组织区域的不同弹性特性，刚性变换可能产生错误，fem方法1500可以基于对不同组织区域的特征的更准确的建模而产生更准确的结果。
在步骤1510中，fem方法1500指定材料特性以识别体积扫描中的组织。例如，可将胸壁240视为相对缺乏弹性，并因此仅可在俯卧位和仰卧位之间进行最小变形。相比之下，腺体组织和脂肪组织可以具有较高的弹性特性，而肌肉组织或者一些其它类型的癌性组织可以具有较低的弹性特性。通过识别组织类型并基于识别的组织类型为不同类型的组织指定不同的材料特性，fem方法1500可以对俯卧位和仰卧位之间的变形进行更准确地建模。
在步骤1520中，通过对俯卧体积图像358应用计算模型，fem方法1500用有限元模型对俯卧体积图像358进行变形。该计算模型在胸壁240方向上对乳房172应用2g的模拟地心引力。因为进行了仰卧3d表面图像358，同时乳房172在朝向胸壁240的方向上受到1g的地心引力，并且在乳房172在远离胸壁240的方向受到1g的地心引力时拍摄俯卧体积图像358，因此该变形意图用仰卧3d表面图像358将俯卧体积图像358标准化。可以通过重力单元355进行步骤1520。
在步骤1530中，fem方法1500对步骤1520中生成的变形的体积图像进行刚体变换，以将变形的体积图像与仰卧3d表面图像358配准。因此，步骤1530生成与仰卧3d表面图像358配准的配准的体积图像。该配准的体积图像是仰卧图像158的实例。
任选步骤1540产生位移向量，例如在配准的体积图像中显示的表面174和3d表面图像358中显示的表面之间产生位移向量。
任选步骤1550对步骤1530中生成的体积图像进行细化。在一个实施方案中，步骤1550进行第二变形模拟。在另一实施方案中，通过匹配基准点位置集产生步骤1540的位移向量，并且步骤1550用逆建模方法对乳房172的形状进行可变形地变换，以避免过度适合可能受测量误差的不利影响的形状。
在可选的实施方案中，fem方法1500用于将仰卧体积图像358与仰卧3d表面图像358配准。根据该可选实施方案，将对图15的流程图稍加修改，其中步骤1520描述为“对胸壁应用2g的地心引力调整”。
在不脱离本文的范围的情况下，通过利用用于图像中的组织的不同数学模型，fem方法1500可以从乳房172的图像的配准扩展为患者170与不同的组织切除操作相关的其它部分的图像的配准。例如，尽管简单的线性弹性模型可以用于模拟乳房172的组织，fem方法1500的更普遍地可应用的实施方案中使用的其它模型可以包括但不限于线性弹性方法、neohookean方法、指数方法和其它非线性方法。
在方法1200、1300、1400和1500中的每一个中，可以通过将表面映射为元素网格而对表面174(或者患者170与组织切除操作相关的其它表面)进行建模。元素可以用多边形(例如三角形)表示。fem方法1500中使用的变形计算可以简化为计算映射的网格上的特定点或节点的位移向量，而非计算表面上每个点的位移向量。节点可以是，例如映射的网格中各三角形的角。在变形之后一旦计算节点的位置，则可以例如通过线性插值法估计中间点。类似地，映射的网格可以用于将体积图像中的表面位置与3d表面图像中的位置相关联。一个示例性方法是将体积图像表面上的点映射至3d表面图像上最近的节点位置(在刚体变换之后)。3d表面图像网格通常可以具有更高的密度，因此不需要节点之间的插值。可选方法是找到与最近的节点相对的3d表面图像各元素上最近的点。
图16a-c和图17a-c显示了三个患者170的俯卧位和仰卧位之间的示例性乳房172组织移位。图16a、16b和16c显示了处于俯卧位的三个患者170各自的乳房172(1)、172(2)和172(3)。图16a-c的视角是患者170的从头部往下。图17a、17b和17c显示了患者170处于仰卧位时的乳房172(1)、172(2)和172(3)。图17a-c的视角是各患者170从上往下。图16a-c和图17a-c各自指示胸壁轮廓240、表面220、肿瘤175(或者可选地其它所关注的局部组织)、乳头1610，并且显示了虚构的中心轴，其指示乳房172(1)、172(2)和172(3)相对于胸壁240的中点。图16a-c和17a-c最好一起查看。
处于仰卧位的乳房172(1)显示垂直压缩和水平位移，其中与处于俯卧位的乳房172(1)相比，乳头1610和肿瘤175相对于中心轴1620发生变形。乳房172(2)自俯卧位至仰卧位显示垂直压缩和水平位移，其中乳头1610和肿瘤175相对于中心轴1620发生变形。但是，乳房172(2)的组成部分的相关位置不同于乳房172(1)的那些位置。此类变化可能是由于乳房组织的量、乳房组织的相对密度和/或表面区域的量。相比之下，尽管乳房172(3)显示一定的垂直压缩，乳房172(3)显示显著较少的水平位移。
图18a-d显示了对处于初始仰卧位的乳房172捕获的乳房172的体积图像1810进行刚体变换，以将体积图像1810与处于肿瘤175切除期间使用的仰卧位的乳房172捕获的3d表面图像1820配准的一个实例。根据方法1200进行图18a-d中显示的刚体变换。体积图像1810是体积图像358的实例。3d表面图像1820是3d表面图像358的实例。图18a显示了体积图像1810中捕获的表面174。图18b显示了3d表面图像1820。图18c显示了将体积图像1810与光学图像1820配准之后，体积图像1810的表面174。图18d显示了将体积图像1810与光学图像1820配准之后，包含肿瘤175的体积图像1810的横截面。图18a-d最好一起查看。
如图18a和18b中所示，方法1200的步骤121识别(a)体积图像1810中的表面174上的基准标记位置1812，和(b)3d表面图像1820中的表面174上的基准标记位置1822。如图18c和18d中所示，方法1200的步骤1220对体积图像1810进行刚体变换，以使基准标记位置1812匹配基准标记位置1822。这导致体积图像1810中捕获的表面174向3d表面图像1820中捕获的表面174的配准。图18d显示了肿瘤175和肿瘤175相对于表面174的位置。
图19显示了实施定位模块120、手术提示生成器130以及任选地图像配准模块350的一个示例性计算机1900。计算机1900可以在系统100中实施。计算机1900可以实施方法400、500、550、600、900、1000、1100、1200、1300、1400和1500中的任一方法的至少一部分。
计算机1900包括非瞬时存储器1910、处理器1980和接口1990。处理器1980与存储器1920和接口1990通讯连接。存储器1910是，例如下述类型：rom、闪存、磁带、磁驱(magneticdrive)、光驱、ram、其它非瞬时介质或者以上的组合。接口1990(a)在定位模块120或图像配准模块350与成像模块150之间进行接口，(b)在手术提示生成器360与可视化模块140之间进行接口。接口1990还可以进行接口360。接口1990是，例如有线接口(如以太网、usb、火线或thunderbolt)、无线接口(如ieee802.11、wi-fi或蓝牙)和/或用户接口如显示器、触摸屏、键盘和/或定点装置。存储器1910包括存储器1910中编码为可由处理器1980执行的机器可读指令的软件1920。存储器1910还包括数据存储器1970。软件1920包括定位指令1930、手术指示生成指令1940，以及任选地图像配准指令1950。
处理器1980可以执行(a)定位指令1930，以实施定位模块120，和(b)手术提示生成指令1940，以实施手术提示生成器130。在包括图像配准指令1950的计算机1900的实施方案中，处理器1980可以执行图像配准指令1950以实施图像配准模块350。
定位指令1930可以包括特征定位指令1932、位置计算指令1934、方向计算指令1936和肿瘤周界定位指令1938中的一种或多种。处理器1980可以执行特征定位指令1932、位置计算指令1934、方向计算指令1936和/或肿瘤周界定位指令1938，以分别实施特征定位器322、位置计算器324、方向计算器326和/或肿瘤周界计算器328。
手术提示生成指令1940可以包括切口部位计算指令1942、投影计算指令1944、体积边界计算指令1946和投影边界计算指令1948中的一种或多种。处理器1980可以执行特征切口部位计算指令1942、投影计算指令1944、体积边界计算指令1946和/或投影边界计算指令1948，以分别实施切口部位计算器332、投影计算器334、体积边界计算器336和/或投影边界计算器338。
图像配准指令1950可以包括刚体变换指令1952、可变形的变换指令1954、重力变换指令1955、特征定位指令1956和二进制图像生成指令1957中的一种或多种。处理器1980可以执行刚体变换指令1952、可变形的变换指令1954、重力变换指令1955、特征定位指令1956和/或二进制图像生成指令1957，以分别实施刚体变换单元352、可变形地变换单元354、重力单元355、特征定位器356和/或二进制图像生成器357。
在一个操作实例中，处理器1980经接口1990接收一幅或多幅图像158，并将这些图像存储至数据存储1970。处理器1980恢复来自数据存储器1970的图像158，并执行定位指令1930，以基于图像158确定3d空间特性128。处理器1980将3d空间特性128存储至数据存储器1970。接下来，处理器1980恢复来自数据存储器1970的3d空间特性128，并执行手术提示生成指令1940，以基于3d空间特性128确定手术引导提示138。处理器1990可将手术引导提示138存储至数据存储器1970和/或经接口1990输出手术引导提示138。
在另一操作实例中，处理器1980经接口1990接收一幅或多幅图像358，并将这些图像存储至数据存储器1970。处理器1980恢复来自数据存储器1970的图像358，并在如以上在处理器1980经接口1990接收图像158的实例中所述进行处理之前，执行图像配准指令1950，以生成一幅或多幅图像158。
图20显示了用于引导组织切除的一个示例性患者特异性的定位器结构2000。如图20中所示，将定位器结构2000设计为引导患者170的肿瘤175切除。但是，定位器结构2000易于适用于其它组织切除操作，其包括但不限于其它身体部分和器官(如脑和肝脏)的肿瘤切除，以及例如乳房172、肌肉或骨骼的活组织检查操作。定位器结构2000还易于适用于引导标记物或治疗剂向患者170的局部递送。
定位器结构2000包括指示手术引导提示138的特征和/或使得外科医生18能够将手术引导提示138转移至乳房172的特征。定位器结构2000可以帮助确保手术引导提示138所基于的乳房172的组织位置性质和当将手术引导提示138转移至乳房172时乳房172的组织位置性质之间的良好一致。在一个用途实例中，定位器结构2000在肿瘤175切除期间停留在乳房172上。这帮助维持乳房172的稳定位置，从而确保与组织切除操作相关的组织位置性质和手术引导提示138所基于的组织位置性质之间的良好一致。在另一用途实例中，定位器结构2000用于方法400的步骤440中手术引导提示138向乳房172的转移，并且可在切除手术之前被移除。
定位器结构2000为患者170定做的，以适合乳房172。定位器结构2000包括当定位器结构2000置于乳房172上时与乳房172相邻的内表面2090。内表面2090在图20中不可见，因为内表面2090背向查看图20的观察者。
对于在除肿瘤175的切除之外的其它组织切除操作中的用途，内表面2090可以适用于适合与此类组织切除操作相关的身体部分/器官的形状。例如，内表面2090可以适用于适合经受脑部肿瘤切除或脑部组织活组织检查的患者的头盖骨。
定位器结构2000包括可以匹配乳房172上的基准点的基准点，以确保定位器结构2000在乳房172上的合适放置。在图20所示的实例中，定位器结构2000包括(a)基准点2010，其是配置为适合乳房172的乳头的开口，和(b)基准点2012，其配置为匹配应用于乳房172的标记。在不脱离本文的范围的情况下，定位器结构2000可以包括多个基准点、较少基准点或者不同于图20中所示的那些基准点的基准点。在可选实施方案中，定位器结构2000不包括基准点2010和2012，而通过内表面2090的一般形状来确保定位器结构2000的合适放置。
对于在除肿瘤175的切除之外的组织切除操作中的用途，基准点2010/2012可以适用于匹配与此类组织移除操作相关的身体部分/器官上的基准点。
定位器结构2000在用于切除肿瘤175的预期切口部位处含有切口2040。在一个实施方案中，确定切口2040的形状和尺寸以匹配投影224。因此，切口2040可以作为投影224的指示来发挥功能和/或可以使得外科医生能够在表面174上标记投影224。在另一实施方案中，与投影224相比，切口2040尺寸过大，但是其允许外科医生180在表面174上标记投影224，例如通过如参考图4a和4b所讨论的or导向系统的引导。在不脱离本文的范围的情况下，尽管未在图20中显示，切口2040可以是使得外科医生180能够在表面174上准确标记点222的小切口。此外，定位器结构2000可以包含使得外科医生180能够在表面174上准确标记投影224的一个或多个边界(如头边界242、尾边界244、外侧边界246和/或内侧边界248)和/或沿投影224的周界的其它位置或者投影224内的其它位置的一个或多个其它小切口。
定位器结构2000包含至少一个凸起的针状端口2030。各凸起的针状端口2030具有配置为接受注射器2080的针的套管2032。
在一个实施方案中，定位器结构2000由至少部分透光的材料制备，以便外科医生可以通过定位器结构2000看到乳房172。在另一实施方案中，定位器结构2000的一部分由至少部分透光的材料制备，以便外科医生可以经定位器结构2000的这一透光部分看到乳房172的至少一部分。在另一实施方案中，将定位器结构2000进行空间分割(例如根据沃罗诺伊(voronoi)模式)，以减少产生定位器结构2000所需的材料量，而不降低定位器结构2000的结构完整性或精确度。
在某些实施方案中，将定位器结构2000扩展为还包括配置为匹配患者170邻近乳房172的部分的形状的结构部分2050。在一个实例中，结构部分2050配置为匹配患者170较坚硬的解剖结构(如患者170的胸腔和/或胸骨的至少一部分)的形状。结构部分2050可以提高定位器结构2000相对于患者170的比对的精确度。
在不脱离本文的范围的情况下，定位器结构2000可以仅包含图20中显示的特征中的一些。例如，定位器结构2000的一些实施方案，如用于使用机器人注射器的那些实施方案，可以省略凸起的针状端口2030。
尽管未在图20中显示，定位器结构2000可以包含一种或多种约束机制或者配置为依附一种或多种约束机制，以使在利用基准点2010和2012将定位器结构2000与乳房172进行比对之后，将定位器结构2000束缚于乳房172上。示例性的约束机制包括弹性带和非弹性带。
在可选的用途情境中，将定位器结构2000置于患者170上，以经凸起的针状端口2030将标记物或治疗剂置于患者170的局部组织内。例如，定位器结构2000可以用于将放射性粒子注射进患者170的器官(如患者170的前列腺或乳房172)内。
图21a还显示了示例性的凸起的针状端口2030的功能性。图21a最好与图20一起查看。通过套管2032，凸起的针状端口2030限定了进入乳房172内的位置2122的方向2110。例如，方向2110可以通向与肿瘤175相关的位置2122，如肿瘤175的边界或者肿瘤175的周界内或周界上的其它位置，其中该边界或者其它内部位置或周界位置可以自肿瘤175扩展如参考图2c所讨论的体积安全边界282。凸起的针状端口2030配置为将已知长度的针被动引导至位置2122。外科医生180可以利用凸起的针状端口，将染料注射进肿瘤175内或者标记所有肿瘤175或者标记肿瘤175的边界(或者其它内部位置或周界位置)。作为染料的替代物，外科医生180可以使用其它物理标记物，其包括但不限于：生物相容性自供电发光二极管、放射性粒子、rf-敏感标记物(如美国专利8,892,185中公开的那些)、烧灼以及本领域已知的其它标记物。外科医生180可以利用凸起的针状端口2030将相关的递送装置(如美国专利8,892,185中公开的那些装置或者本领域已知的其它装置)插入乳房172内。在一个实例中，外科医生180利用凸起的针状端口2030和相关的递送装置向肿瘤210的质心212注射放射性粒子或rf-敏感标记物。肿瘤175的标记可以提供手术引导提示，以帮助切除肿瘤175，并转而帮助确保所有癌性组织均从乳房172中移除。注射器2080(或可选递送装置)可以配置为注射计量体积的染料(或可选标记物)，以避免染料(或可选标记物)向大于预期区域的过度扩散。
在可选实施方案中，将一个凸起的针状端口2030置于用于切除肿瘤175的切口部位处(例如点222处)，并且将其用于在位置2122处放置带钩导线(hookwire)，以使带钩导线的远端位于位置2122处，并且带钩导线的近端在切口部位处离开表面174。在该实施方案中，带钩导线作为手术引导提示来发挥功能，并且该凸起的针状端口2030使得能够准确放置带钩导线，以提供具有高精确度的手术引导提示。在该实施方案的一个实例中，该凸起的针状端口2030使带钩导线导向前边界214。在该实施方案的另一实例中，该凸起的针状端口2030使带钩导线导向肿瘤175的中心(在质心212处或邻近质心212处)。在该实施方案的另一实例中，该凸起的针状端口2030使带钩导线导向肿瘤175的表面，如肿瘤175的前表面或后表面。在该实例中，该凸起的针状端口2030可以使带钩导线经肿瘤175的中心导向肿瘤175的后表面，例如导向后边界216。在该实施方案的另一实例中，该凸起的针状端口2030使带钩导线导向肿瘤175内的位置。在不脱离本文的范围的情况下，可将该凸起的针状端口2030远离切入点(例如点222)放置，并且定向为使带钩导线从不同于切入点的位置导向肿瘤175(例如导向前边界214、肿瘤175的中心、肿瘤175的后表面、肿瘤175的前表面或者肿瘤175上的其它位置或肿瘤175内的其它位置)。
在某些实施方案中，定位器结构2000包含(a)一个凸起的针状端口2030，其配置为如上所述将带钩导线被动引导至肿瘤175，和(b)一个或多个凸起的针状端口2030，其各自配置为如上所述将注射器2080(或可选递送装置)被动引导至肿瘤175。
可以容易地将凸起的针状端口2030(或可选基准点)的功能性扩展为在其它身体部分/器官(如脑或肝脏)内标记肿瘤，或者可选地扩展为局部递送治疗剂。此外，凸起的针状端口2030可以配置为接受活组织检查针，从而作为用于例如乳房172、肌肉或骨骼的活组织检查操作的手术引导提示来发挥功能。
图21b和21c显示了一个示例性两段式凸起的针状端口2150，其靶向乳房172内的两个不同的位置。两段式凸起的针状端口2150是凸起的针状端口2030的实施方案。两段式凸起的针状端口2150包括最接近内表面2090的基础部分2152和离内表面2090最远的可拆卸的间隔部分2154。套管2032从基础部分2152和间隔部分2154延伸，以便可将针经套管2032插入乳房172内。图21b显示了具有间隔部分2154的两段式凸起的针状端口2150，以及图21c显示了无间隔部分2154的两段式凸起的针状端口2150。图21b和21c最好一起查看。
图21b和21c显示了定位器结构2000中实施的两段式凸起的针状端口2150。为了清楚地阐明，图21b和21c未显示定位器结构2000的其它部分。在图21b和21c显示的情境中，两段式凸起的针状端口2150配置为(a)当间隔部分2154处于合适的位置时，使注射器2080的注射器针2182经切口部位(点222)导向前边界214，以在前边界214处注射染料，和(b)当从两段式凸起的针状端口2150移除间隔部分2154时，使带钩导线插入装置2180的带钩导线插入针2184经切口部位(例如点222)导向后边界216，以将带钩导线置于后边界216处，其中带钩导线穿过切入点。但是，在不脱离本文的范围的情况下，两段式凸起的针状端口2150可以用于靶向沿套管2032限定的轴的位于乳房172内两种不同深度处的任何两处位置。此外，两段式凸起的针状端口2150可以用于靶向两处此种位置，用于将染料或其它标记物注射进这些位置。
在一个实施方案中，两段式凸起的针状端口2150配置为使用两个具有相同长度的针，并且间隔部分2154具有等于两处靶向位置之间的距离2192的长度2190。在另一实施方案中，两段式凸起的针状端口2150配置为使用两个具有不同长度的针，并且间隔部分2154具有等于校正不同的针长度的距离2192的长度2190。两段式凸起的针状端口可以接受多种口径，以便两个不同的针可以具有不同的口径。
两段式凸起的针状端口2150的功能性易于扩展为标记其它身体部分/器官(如脑或肝脏)内的肿瘤，或者扩展为局部递送治疗剂。此外，两段式凸起的针状端口2150可以配置为接受用于活组织检查的针，从而作为用于例如乳房172、肌肉或骨骼的活组织检查的手术引导提示来发挥功能。
图22显示了利用诸如定位器结构2000的定位器结构引导肿瘤175的切除的一个示例性方法2200。
在步骤2210中，将定位器结构置于乳房172上。步骤2210可以包括使定位器结构上的基准点匹配乳房172上的基准点的步骤2212。在步骤2210的一个实例中，将定位器结构2000置于乳房172上，其中内表面2090面向表面174。任选地，将基准点2010置于乳房172的乳头的位置处，并使基准点2012匹配表面174上的基准点。
在步骤2220中，利用定位器结构的特征，将手术引导提示138转移至乳房172。在步骤2220的一个实例中，利用定位器结构2000的特征，将手术引导提示138转移至乳房172。
步骤2220可以包括至少部分基于定位器结构的特征来标记用于肿瘤175的切除的切口部位的步骤2222。在步骤2222的一个实例中，基于切口2040，以及任选地通过其它or导向系统(如参考图1所讨论的那些)的进一步引导，在表面174上标记点222。在步骤2222的另一实例中，分别基于如参考图20所讨论的定位器结构2000的较小切口，在表面174上标记点222以及头边界242、尾边界244、外侧边界246和/或内侧边界248(和/或其它肿瘤周界位置)中的一个或多个。在步骤2222的另一实例中，在表面174上标记投影224的周界。在该实例中，切口2040可以匹配投影224的周界的形状和位置。
步骤2220可以包括通过定位器结构的特征的引导，在表面174上标记肿瘤175的投影224的步骤2224。在步骤2224的一个实例中，定位器结构2000的切口2040匹配投影224，并通过切口2040的引导，在表面174上标记投影224。
任选地，步骤2220包括经定位器结构的针状端口将染料(或其它标记物)注射进肿瘤175内的步骤2226。在步骤2226的一个实例中，利用由相应的凸起的针状端口2030的套管2032引导的注射器2080，将染料(或其它标记物)注射进肿瘤175内，以标记肿瘤175的体积或肿瘤175的边界(如前边界214或后边界216)(和/或肿瘤175的周界上的一处或多处其它位置)。步骤2226可以利用多个凸起的针状端口2030，以标记肿瘤175的不同部分。可选地，步骤2220可以包括例如如参考图21a-c所讨论的将带钩导线插入乳房172内的步骤2228。
任选地，在步骤2220之后的步骤2230中，从乳房172移除定位器结构。
在实施方案中，方法2200包括进行切除手术以移除肿瘤175的步骤2260。在一个实施中，在移除步骤2230中的定位器结构之后进行步骤2260。与定位器结构置于乳房172上时相比，这可以提高向乳房172的进入。在另一实施中，当定位器结构置于乳房172上时，进行步骤2260。这可以帮助维持定位器结构的特征所基于的组织位置性质。在一个实例中，用置于乳房172上的定位器结构进行活组织检查操作。在另一实例中，用置于乳房172上的定位器结构进行消融性肿瘤切除手术，如rf消融、低温消融或高强度聚焦超声消融。
方法2200易于扩展为患者170的其它身体部分/器官的肿瘤切除。此外，在不脱离本文的范围的情况下，可将方法2200扩展为其它组织切除操作、活组织检查操作或者治疗剂递送操作。在一个此类实例中，用步骤2226(或步骤2228)实施方法2200，随后在步骤2260中，将活组织检查的针插入乳房172内步骤2226中标记的位置。在另一实例中，在步骤2228中，将活组织检查的针插入乳房172内。
图23显示了患者特异性的定位器结构2300，其还包含肿瘤175的材料模型。患者特异性的定位器结构2300是患者特异性的定位器结构2000的扩展，其还包含肿瘤175的材料模型2310和连杆2330。连杆2330配置为与定位器结构2000配合，以将材料模型2310置于匹配肿瘤175相对于表面174的位置的位置内。定位器结构2300帮助外科医生180将与切除手术相关的几何结构可视化，以移除肿瘤175。
通过改进以上所讨论的定位器结构2000，并用在其它组织切除操作中待移除的组织的材料模型替代材料模型2310，使定位器结构2300易于扩展至此类其它组织切除操作。
图24显示了用于制造患者特异性的定位器结构2000的一个示例性系统2400。系统2400是系统100的扩展，其包括模型生成器340，并且还包括用于基于确定的手术引导提示138和模型348额外制造定位器结构2000的3d打印机2440。
模型生成器340将表面174的至少一部分的3d表面模型348通讯至3d打印机2440。基于该3d表面模型348，3d打印机2440额外制造定位器结构2000，以使内表面2090基本上匹配表面174。3d打印机2440利用指示一种或多种手术引导提示138特征(如切口2040)和/或可以用于将一种或多种手术引导提示138转移至乳房172特征(如凸起的针状端口2030或可选的针基准点)额外制造定位器结构2000。在某些实施中，模型生成器340还将肿瘤175的体积模型348通讯至3d打印机2440，并且3d打印机2440还制造材料模型2310和连杆2330。
在不脱离本文的范围的情况下，肿瘤175可以是除乳房肿瘤之外的其它局部组织，例如患者170的不同器官/身体部分中的肿瘤(来自其的局部组织必需进行活组织检查)或者必需向其递送治疗剂的局部组织，并且系统2400可以产生匹配患者170的相关表面的定位器结构2000。在不脱离本文的范围的情况下，系统2400还可以利用与仰卧图像158相对的乳房172的俯卧图像，以产生适合处于俯卧位的乳房172的定位器结构。
图25显示了用于基于仰卧图像158，制造多个相应的多个患者170的患者特异性的定位器结构2000的一个示例性系统2500。系统2500位于中央制造设施2580，而患者170和相关的成像模块150可以位于一个或多个远程设施2590。远程设施2590是，例如远离中央制造设施2580的一个或多个医院或操作/成像设施。远程设施2590的各成像模块150将相应患者170的乳房172的至少一幅仰卧图像经数据连接2570通讯至中央制造设施2580的定位模块120和模型生成器340。如对于单个患者170而言的参考图24所讨论的，基于仰卧图像158，定位模块120和手术提示生成器130产生用于各患者170的手术引导提示138，并且模型生成器340生成用于各患者170的模型348。如对于单个患者170而言的参考图24所讨论的，利用用于各患者170的手术引导提示138和用于各患者170的模型348，一个或个3d打印机2440额外制造各患者170特异性的定位器结构2000。
各数据连接2570可以是医学数字成像与通信(dicom)连接。
尽管未在图25中显示，在不脱离本文的范围的情况下，系统2500可以包括图像配准模块350，以便系统2500可以接收图像358来替代仰卧图像158。在不脱离本文的范围的情况下，系统2500易于扩展为产生用于引导除乳房肿瘤切除之外的其它组织切除操作的定位器结构。
图26显示了用于产生乳房172的患者特异性的定位器结构2000的一个示例性方法2600。在步骤2630中，3d打印机2440基于(a)表面174的3d表面模型348和(b)手术引导提示138来额外制造定位器结构2000。步骤2630包括基于3d表面模型348额外制造定位器结构2000以形成内表面2090的步骤2632。步骤2630还包括额外制造定位器结构2000以形成指示手术引导提示138的特征和/或使得能够将手术引导提示转移至乳房172的特征的步骤2634。在步骤2634的一个实例中，3d打印机2440形成一种或多种特征，如参考图20和21所讨论的特征。
在一个实施方案中，方法2600还包括生成表面174的3d表面模型348的步骤2610。在步骤2610的一个实例中，模型生成器340生成表面174的3d表面模型348。
在一个实施方案中，方法2600还包括产生手术引导提示138的步骤2620。在步骤2610的一个实例中，手术提示生成器130产生手术引导提示138。在不脱离本文的范围的情况下，系统2400(还有系统2500)可以实施基于手术引导提示138来指定定位器结构2000的特征的功能性。
在不脱离本文的范围的情况下，方法2600易于扩展为产生用于引导除乳房肿瘤切除之外的其它组织切除操作的定位器结构。同样地，方法2600可以利用由与仰卧图像158相对的乳房172的俯卧图像所产生的3d表面模型348和手术引导提示138，以产生适合处于俯卧位的乳房172的定位器结构。
图27显示了用于产生材料模型2310和连杆2330的一个示例性方法2700。在步骤2720中，3d打印机2440基于乳房172的体积模型348来额外制造材料模型2310和连杆2330。这一体积模型348包括肿瘤175的模型，并且指示肿瘤175相对于表面174的位置。任选地，方法2700包括步骤2710，其中模型生成器340生成该体积模型348。
在不脱离本文的范围的情况下，方法2700可以利用由与仰卧图像158相对的乳房172的俯卧图像所产生的3d表面模型348，以产生指示处于俯卧位的乳房172的材料模型2310和连杆2330。
可将方法2600和2700组合，以产生患者特异性的定位器结构2300。
图28显示了用于在手术引导提示138的帮助下，引导患者170的乳房172的肿瘤175切除的一个示例性导向系统2800。导向系统2800实施可视化模块140。
导向系统2800包括显示手术引导提示138的显示器2810。导向系统2800还包括追踪笔2820和追踪参照(trackingreference)2830。尽管未在图28中显示，导向系统2800还包括计算机模块，其(a)对由追踪笔2820和追踪参照2830所产生的追踪数据进行处理，以确定追踪笔2820的位置以及(任选地)方向，和(b)对手术引导提示138(由方法400的步骤420中的手术提示生成器130产生)和一个或多个模型(由方法400的步骤430的模型生成器340生成)进行处理，以使手术引导提示138和追踪笔2820在显示器2810上可见。导向系统2800利用追踪参照2830使追踪笔2820的位置以及(任选地)方向参考患者170的位置和方向。
在图28显示的情境中，显示器2810显示乳房172的模型，其包括乳房表面174的模型2812和肿瘤175的模型2814。显示器2810显示相互之间处于合适的位置关系的模型2812和模型2814，以向外科医生180提供可视化的乳房172。显示器2810还显示覆盖模型2812和2814的追踪笔2820的模型2816，以向外科医生180提供追踪笔2820相对于模型2812和2814中的特征的可视化的实际位置以及(任选地)方向。尽管未在图28中显示，显示器2810显示了覆盖模型2812和2814的手术引导提示138。
通过显示器2810的引导，外科医生180移动追踪笔2820，以在表面174上标记手术引导提示138，从而将一种或多种手术引导提示138转移至表面174。在图28中显示的实例中，外科医生180利用追踪笔2820在表面174上标记切口部位2850，以及在表面174上标记肿瘤175的投影2840(如参考图5a-c所讨论的)。
在不脱离本文的范围的情况下，追踪笔2820可以被追踪注射器(或其它递送装置)替代，或者与追踪注射器(或其它递送装置)联合操作。导向系统2800追踪追踪注射器的位置和方向，并使追踪注射器的位置和方向覆盖显示器2810的模型2812和2814。追踪注射器可以具有允许导向系统2800确定追踪注射器的位置和方向的三个非共线追踪节点。
可将基准标记2860置于表面174上，以帮助配准图像358，从而产生手术引导提示138。为了清楚地阐明，并非所有的基准标记2860均标记在图28上。
导向系统2800易于扩展为患者170的其它身体部分/器官的肿瘤切除。此外，在不脱离本文的范围的情况下，可将导向系统2800扩展为其它组织切除操作、活组织检查操作或治疗剂递送操作。
图29显示了利用导向系统使手术引导提示138可视化的一个示例性方法2900。方法2900是方法400的步骤430的实施方案。
步骤2920显示乳房172的体积模型。所述体积模型包括表面174的模型和肿瘤175的模型，其中显示出表面174的模型和肿瘤175的模型相互之间处于合适的位置关系，从而使乳房172可见。将表面174的模型显示为半透明的，以便肿瘤175的模型在显示器上可见。在步骤2920的一个实例中，导向系统2800在显示器2810上显示出方法400的步骤430中生成的模型2812和2814。
步骤2930使手术引导提示138覆盖步骤2920中显示的模型。在步骤2930的一个实例中，导向系统2800使手术引导提示138覆盖显示器2810上的模型2812和2814。在不脱离本文的范围的情况下，步骤2920和2930可以以相反的顺序进行或者并行进行。
任选地，步骤2920和2930在步骤2910之前，步骤2910转换为与导向系统(a)方法400的步骤430中生成的并在步骤2920中显示的模型，和(b)方法400的步骤420中产生的并在步骤2930中显示的手术引导提示138相关的坐标系。步骤2910可以将这些手术引导提示138和模型转换为参考导向系统的追踪参照的坐标系。在步骤2910的一个实例中，导向系统2800将乳房172的手术引导提示138和模型转换为参考追踪参照2830的坐标系。
步骤2940追踪相对于患者170追踪的一个或多个追踪装置的位置以及(任选地)方向。步骤2940使这些追踪装置的位置以及(任选地)方向覆盖步骤2920中显示的模型。在步骤2940的一个实例中，导向系统2800追踪追踪笔2820的位置以及(任选地)方向，并且外科医生180利用追踪笔在表面174上标记一种或多种手术引导提示138，例如切口部位(例如点222)。
在某些实施方案中，方法2900还包括步骤2950和2960中的一个或两个。在步骤2950中，通过步骤2920中生成的模型和/或步骤2930中产生的手术引导提示138的引导，外科医生180利用追踪注射器(或其它递送装置)将染料(或其它标记物或治疗剂)注射进乳房172内。在步骤2950的一个实例中，通过(a)导向系统2800和(b)步骤2920中生成的模型和/或步骤2930中产生的手术引导提示138的引导，外科医生180利用追踪注射器将染料注射进乳房172内肿瘤175的一个或多个边界中的每一处的位置，如前边界214和后边界216(和/或在肿瘤175的周界上的一处或多处其它位置)。在步骤2960中，通过步骤2920中生成的模型和/或步骤2930中产生的手术引导提示138的引导，机器人控制的注射器(或其它递送装置)将染料(或其它标记物或治疗剂)注射进行乳房172内。在步骤2960的一个实例中，通过(a)导向系统2800和(b)步骤2920中生成的模型和/或步骤2930中产生的手术引导提示138的引导，外科医生180利用追踪注射器将染料注射进乳房172内肿瘤175的一个或多个边界中的每一处位置，如前边界214和后边界216(和/或肿瘤175的周界上一处或多处其它位置)。
方法2900易于扩展为患者170的其它身体部分/器官的肿瘤切除。此外，在不脱离本文的范围的情况下，可将方法2900扩展为其它组织切除操作、活组织检查操作或治疗剂递送操作。
图30显示了利用导向系统和追踪装置将手术引导提示138转移至乳房172的一个示例性方法3000。方法3000是方法400的步骤440的实施方案。
在步骤3010中，方法3000利用追踪笔将手术引导提示138转移至表面174。在步骤3010的一个实例中，外科医生180操作追踪笔2820。基于通过方法2900产生的可视化，外科医生180对表面174进行标记，以在表面174上标明一种或多种手术引导提示138。例如，外科医生180可以标明切口部位2850和投影2840。
任选地，方法3000包括将手术引导提示138转移至乳房172的内部的步骤3020。在步骤3020中，外科医生180利用追踪的注射器将染料注射进乳房172内，以标记一种或多种手术引导提示138，如头边界242、尾边界244、外侧边界246、内侧边界248和/或肿瘤175的周界上的其它位置。外科医生180根据注射器相对于乳房172的模型的可视化的位置和方向放置追踪注射器。在步骤3020的一个实例中，外科医生180利用用追踪注射器实施的导向系统2800将追踪注射器的针尖端置于乳房172内的位置处。外科医生180通过显示器2810中显示的可视化的引导放置追踪注射器的针尖端。当针尖端处于乳房172内的期望位置处时，外科医生180经注射器将染料注射进乳房172。
方法3000易于扩展为患者170的其它身体部分/器官的肿瘤切除。此外，在不脱离本文的范围的情况下，可将方法3000扩展为其它组织切除操作、活组织检查操作或治疗剂递送操作。
图31显示了利用机器人系统将手术引导提示138自动转移至乳房172的一个示例性方法3100。方法3100是方法400的步骤440的实施方案。
在步骤3110中，方法3100利用机器人控制的笔将一种或多种手术引导提示138自动转移至表面174。根据方法400的步骤420和430中产生的手术引导提示138和模型来操作机器人控制的笔。
在任选的步骤3120中，方法3100利用机器人控制的注射器，通过将染料注射进乳房172内的一处或多处位置，如头边界242、尾边界244、外侧边界246、内侧边界248中的一处或多处和/或肿瘤175的周界上的其它位置而将一种或多种手术引导提示138自动转移至乳房172的内部。
方法3100易于扩展为患者170的其它身体部分/器官的肿瘤切除。此外，在不脱离本文的范围的情况下，可将方法3100扩展为其它组织切除操作、活组织检查操作或治疗剂递送操作。
在不脱离本文的范围的情况下，可将方法3000和3100进行组合。例如，可以如参考步骤3010所讨论的利用追踪笔将手术引导提示138转移至表面174，同时如参考步骤3120中所讨论的，利用机器人控制的注射器将手术引导提示138转移至乳房172的内部。
图32显示了用于引导肿瘤175的切除的一个示例性方法3200，其不需要图像配准。方法3200是方法400的实施方案，并且其可以通过系统100来实施。
在步骤3210中，方法3200生成处于与切除手术期间使用的姿势基本上相同的仰卧位的乳房172的至少一幅仰卧图像158。步骤3210是步骤410的实施方案。在步骤3220中，方法3200实施方法400，而无步骤410。在任选步骤3230中，外科医生180在利用步骤3220中确定的手术引导提示138的情况下实施组织切除操作以切除肿瘤175。
在方法3200的一个实例中，在步骤3210中捕获的图像和步骤3220之后进行的组织切除手术之间，乳房172不显示显著的组织移位。在方法3200的另一实例中，根据步骤3210中生成的图像158来制造定位器结构2000，并且定位器结构2000确保即使步骤3210中捕获的图像和步骤3220之后进行的组织切除手术之间发生组织移位，乳房172的组织定位也恢复至步骤3210中捕获图像时的组织定位。
图33显示了基于表示切除手术期间使用的仰卧位的术前仰卧体积图像358和仰卧3d表面图像358来引导肿瘤175的切除的一个示例性方法3300。方法3300是方法400的实施方案，并且其可以通过系统100来实施。
在步骤3310中，方法3300生成处于第一仰卧位的乳房172的至少一幅术前体积图像358。在步骤3320中，方法3300生成表面174的至少一幅仰卧3d表面图像358，其中乳房172处于与切除手术相关的姿势相同的姿势。第一仰卧位不同于切除相关的姿势，使得步骤3310和3320之间存在一定的组织移位。在步骤3330，方法3300基于步骤3310和3320中捕获的图像，利用步骤412和414来实施方法400。步骤3310、3320和3330共同形成步骤410的实施方案。在任选步骤3340中，外科医生180在利用步骤3330中确定的手术引导提示138的情况下进行组织切除操作以切除肿瘤175。
图34显示了用于引导肿瘤175的切除的一个示例性方法3400，其从同一术前体积图像中提取体积数据和表面数据。因此，方法3400去除了对共配准体积图像和表面图像的需求。方法3400是方法400的实施方案，并且其可以通过实施体积成像仪152的系统100的实施方案来实施。方法3400不需要表面成像仪154。因此，方法3400去除了对获取单独的表面图像的需求，并且其可以通过消除来自单独获取的体积图像与表面图像之间潜在的共配准错误来提供提高的精确度。
在步骤3410中，方法3400生成处于仰卧位的乳房172的至少一幅术前体积图像358。任选地，步骤3410进行生成处于仰卧位的乳房172的磁共振图像的步骤3412，所述磁共振图像可以是单幅磁共振图像或多幅基本上共配准的磁共振图像。
在步骤3420中，方法3400从步骤3410中生成的术前体积图像358提取乳房172的3d表面图像358。该3d表面图像358与步骤3410中生成的术前体积图像358固有共配准。
在步骤3430中，方法3400实施方法400，而无步骤410。步骤3430利用(a)来自步骤3410中生成的术前体积图像358的体积图像数据，和(b)步骤3420中生成的并与体积图像数据固有共配准的3d表面图像358。
在任选步骤3440中，外科医生180在利用步骤3330中基于获自步骤3410中生成的术前体积图像358确定的手术引导提示138的情况下，实施组织切除操作，以切除肿瘤175。
在实施方案中，步骤3420包括步骤3422和3424。步骤3422将步骤3410中生成的术前体积图像358中的组织体积进行分割，即步骤3422识别术前体积图像358中的组织与空气，并从术前体积图像358中提取组织体积。步骤3424对步骤3422中分割的组织体积进行处理，以生成乳房175的3d表面模型348。在一个实施方案中，步骤3424包括连续步骤3426和3427，以及任选地步骤3428。步骤3426至少部分清理步骤3422中产生的用于移动(motion)和/或信号工件(signalartifacts)的组织体积，以产生清理的组织体积。步骤3427生成步骤3426中清理的组织体积的3d表面模型。步骤3427可以利用离散算法或本领域已知的其它方法。如果步骤3427中生成的3d表面模型未完全连接，则任选步骤3428对步骤3427中生成的3d表面模型进行处理，以生成连接的(“不透水(water-tight)”)3d表面模型。步骤3428可以利用例如本领域已知的泊松表面重建算法。步骤3424还可以包括选择步骤3427中生成的3d表面模型或步骤3428中生成的连接的3d表面模型的相关部分的步骤3429。步骤3429可以包括将步骤3428或3429中生成的3d表面模型负载进网格编辑软件，以手动选择并保留可用的乳房表面，同时清除其它不需要的结构。在实施步骤3429的方法3400的一个实例中，步骤3430进行步骤438，并且步骤3429中选择的3d表面模型部分是意图匹配步骤438中产生的患者特异性的定位器结构的部分。在不脱离本文的范围的情况下，步骤3424可以包括步骤3427，但不包括步骤3426。
在不脱离本文的范围的情况下，步骤3410可以被接收来自外部系统(如图像存储库或第三方成像系统)的术前体积图像358的步骤替代。
图35显示了显示出通过方法3400的一个实施方案进行的图像处理的示例性图像数据。在该实例中，步骤3410生成或者接收乳房175的高分辨率磁共振图像3500，例如，其具有1毫米的切片间隔，并具有足以包含乳房周围的坚硬的解剖区域(如胸骨的一部分和/或下文的乳腺褶以下的部分)的视野。步骤3422将来自磁共振图像3500的组织体积3510进行分割。步骤3427(任选地与步骤3426合作)生成3d表面模型3520。步骤3428对3d表面模型3520应用泊松表面重建算法，以生成连接的3d表面模型3530。步骤3429选择连接的3d表面模型3530的一部分，其可以与步骤43中产生的患者特异性的定位器结构匹配。
图36显示了利用基于获自同一术前体积图像358的体积数据和表面数据制造的患者特异性的定位器结构来引导肿瘤175的切除的一个示例性方法3600。方法3600是方法400和方法3400的实施方案。方法3600包括方法2200的实施方案。可以通过实施体积成像仪152的系统100的实施方案或者通过实施体积成像仪152的系统2400的实施方案来实施方法3600。方法3600不需要表面成像仪154。
在步骤3610中，方法3600生成处于仰卧位的乳房175的至少一幅术前体积图像358。步骤3610是步骤3410的实施方案，其包括利用乳房175的表面174上的一个或多个基准标记以使术前体积图像358标明一个多个基准标记的位置的步骤3612。
在步骤3620中，方法3600进行方法3400的步骤3420，以提取乳房175的3d表面图像358，其中所述3d表面图像358显示一个或多个基准标记的位置。
在步骤3630中，方法3600进行方法400的步骤420、430和438(以及任选地步骤436)，以产生适合乳房175的表面174并指示步骤3612的手术引导提示138和基准标记的位置的患者特异性的定位器结构。
在某些实施方案中，方法3600包括步骤3640，其中方法3600进行方法2000的步骤2210(包括步骤2212)和步骤2220，以将患者特异性的定位器结构置于乳房175上，并基于患者特异性的定位器结构的特征而将手术引导提示138转移至乳房175。
方法3600还可以包括步骤3650，其进行方法2200的步骤2260(任选地在方法2200的步骤2230之前)以在步骤3640的手术引导提示138的帮助下进行组织切除手术。
图37显示了基于表示切除手术期间使用的仰卧位的术前俯卧体积图像358和仰卧3d表面图像358来引导肿瘤175的切除的一个示例性方法3700。方法3700是方法400的实施方案，并且其可以通过系统100来实施。
在步骤3710中，方法3700生成处于俯卧位的乳房172的至少一幅术前体积图像358。在步骤3720中，方法3700生成表面174的至少一幅仰卧3d表面图像358，其中乳房172处于与切除手术相关的姿势相同的姿势。在步骤3730中，方法3700实施方法400，其中步骤412基于步骤3710和3720生成的图像，并且其中步骤412实施fem方法1500，以考虑步骤3710和步骤3720之间的显著组织移位。步骤3710、3720和3730共同形成步骤410的实施方案。在任选步骤3740中，外科医生180在利用步骤3730中确定的手术引导提示138的情况下实施组织切除操作，以切除肿瘤175。
图38显示了用于引导肿瘤175的切除的一个示例性方法3800，其中在术前，例如在成像套件中，将手术引导提示138转移至乳房172。方法3800是方法400的实施方案，并且其可以通过系统100来实施。
在步骤3810中，方法3800生成乳房172的至少一幅术前仰卧图像158或358。步骤3810是步骤410的实施方案。在步骤3820中，方法3800实施方法400，其不包括步骤410，但是包括步骤430和440。在术前进行步骤3820，其中乳房172处于步骤3810期间使用的姿势。当乳房172处于步骤3810中的图像捕获所使用的姿势时，可以在成像套件中进行步骤3820。将手术引导提示138转移至乳房172。在任选步骤3830中，外科医生180在利用步骤3820中转移至乳房172的手术引导提示138的情况下实施组织切除操作，以切除肿瘤175。步骤3820和3830之间的组织移位不对转移至乳房172的手术引导提示138的精确度产生不利影响。
例如，可将方法3200、3300、3400、3600、3700和3800中的每一个扩展为引导其它身体部分和器官(如脑和肝脏)的肿瘤切除，以及引导例如肌肉或骨骼的活组织检查操作。同样地，可将肿瘤175推广至患者170的局部组织，可将乳房172推广至患者170与切除手术相关的部分，可将表面174推广至患者170邻近局部组织的表面，并且其包含用于移除局部组织的切口部位，以及可将仰卧图像158推广至如组织切除操作期间所摆放的患者170与组织切除操作相关的部分的图像。方法3200、3300、3400和3500中的每一个还可以用于引导标记物或治疗剂向患者170的局部递送。
特征的组合
在不脱离本文的范围的情况下，可将以上所述的特征以及以下所要求保护的特征以多种方式进行组合。例如，将会理解，本文所述的用于引导组织切除的一个系统或方法的方面可以并入本文所述的用于引导组织切除的另一系统或方法的特征，或者可以与本文所述的用于引导组织切除的另一系统或方法的特征进行交换。以下实施例显示了以上所述的实施方案的一些可能的非限制性的组合。应当清楚，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对本文的系统和方法做出许多其它改变或改进：
(a1)用于引导患者局部组织切除的方法，其可以包括：(a)生成所述患者的至少一幅第一图像，所述第一图像包括所述局部组织的图像和所述患者的表面的至少一部分的图像，(b)至少部分基于所述第一图像自动确定指示与所述局部组织相关的三维空间特性的多个手术引导提示，以及(c)产生手术引导提示相对于所述表面的可视化。
(a2)在(a1)所述的方法中，所述生成至少一幅第一图像的步骤可以包括：(a)捕获所述患者的至少一幅体积图像，所述体积图像包括所述局部组织的图像，和(b)捕获所述患者的至少一幅表面图像，所述表面图像包括所述患者的表面的至少一部分的图像。
(a3)在(a1)所述的方法中，所述生成至少一幅第一图像的步骤可以包括捕获所述患者的一部分的至少一幅体积图像，所述体积图像包括局部组织的图像和所述患者的表面的至少一部分的图像。
(a4)在(a1)所述的方法中，所述生成至少一幅第一图像的步骤可以包括：(a)捕获处于第二姿势的所述患者的至少一幅第二图像，所述第二图像包括所述局部组织的第二姿势图像和所述表面的至少一部分的第二姿势图像，(b)捕获所述局部组织和所述表面的至少一部分处于与所述切除相关的第一姿势时所述患者的至少一幅表面图像，以及(c)将所述第二图像进行变换，以将所述第二图像中捕获的表面与所述表面图像中捕获的表面配准，从而产生所述第一图像。
(a5)在(a4)所述的方法中，所述局部组织可以是所述患者的乳房中的肿瘤，所述第一姿势和所述第二姿势各自可以是仰卧位，并且所述变换步骤可以包括通过对所述第二图像进行刚体变换以将所述第二图像中捕获的表面与所述表面图像中捕获的表面配准，从而产生所述第一图像。
(a6)在(a4)所述的方法中，所述局部组织可以是所述患者的乳房中的肿瘤，所述第一姿势可以是仰卧位，所述第二姿势是俯卧位，并且当考虑所述俯卧位与所述仰卧位之间的乳房组织移位时，所述变换步骤可以包括通过对所述第二图像进行可变形地变换以将所述第二图像中捕获的表面与所述表面图像中捕获的表面配准，从而产生所述第一图像。
(a7)在(a1)至(a6)所述的任一方法中，所述产生可视化的步骤可以包括生成表面模型，并将至少一种所述手术引导提示在所述表面模型上进行叠加。
(a8)在(a7)所述的方法中，所述叠加步骤可以包括向所述模型叠加用于切除手术的切口部位以及所述局部组织沿自所述局部组织至切口部位的方向在所述表面上的投影。
(a9)在(a7)或(a8)中的一项或两项所述的方法中，产生可视化的步骤可以进一步包括在所述模型中指示用于将染料注射进所述局部组织的相对于所述表面的注射位置和方向，从而指示所述局部组织的至少一部分边界，以便为所述切除提供评估工具，其中所述注射位置和方向是所述手术引导提示的一部分。
(a10)在(a7)至(a9)所述的任一方法中，所述产生可视化的步骤可以进一步包括使其上叠加至少一种所述手术引导提示的模型通讯至追踪笔装置，以追踪所述追踪笔相对于所述患者的位置，并使所述笔的位置在所述模型中可见。
(a11)(a10)所述的方法可以进一步包括利用所述笔将至少一种所述手术指示转移至所述表面。
(a12)(a7)至(a9)所述的任一方法可以进一步包括使其上叠加至少一种所述手术引导提示的模型通讯至增强现实装置。
(a13)(a12)所述的方法可以进一步包括在所述生成可视化的步骤中(a)生成所述患者的一部分的体积模型，所述体积模型包括所述局部组织的模型和所述表面的模型，和(b)将所述手术引导提示在所述体积模型上进行叠加，并且还使其上叠加所述手术引导提示的所述体积模型通讯至增强现实装置。
(a14)在(a1)至(a6)所述的任一方法中，所述局部组织可以是所述患者的乳房中的肿瘤，所述第一图像可以是所述患者处于仰卧位时所述乳房的图像，并且所述方法可以进一步包括制造适合处于仰卧位时的乳房的定位器结构，其中所述定位器结构包含指示所述手术引导提示的至少一部分的特征。
(a15)在(a14)所述的方法中，所述定位器结构可以指示用于切除手术的切口部位和所述肿瘤沿自肿瘤至切口部位的方向在所述表面上的投影。
(a16)在(a14)和(a15)中的一项或两项所述的方法中，所述制造步骤可以进一步包括将凸起的针状端口并入所述定位器结构内，以将针引导至所述肿瘤，以便使通过注射器经所述针注射进所述肿瘤中的染料为所述切除提供评估工具或手术引导工具，所述凸起的针状端口是所述手术引导提示中的一种。
(a17)在(a14)至(a16)所述的任一方法中，所述制造步骤可以进一步包括在用于切除手术的切口部位处将凸起的针状端口并入所述定位器结构内，以将带钩导线自所述切口部位引导至所述肿瘤，所述带钩导线是所述手术引导提示中的一种。
(a18)(a1)至(a17)所述的任一方法可以进一步包括(a)在所述自动确定步骤中，对所述第一图像进行分析以自动确定最佳切口部位，和(b)在所述产生可视化的步骤中，指示相对于所述表面的所述最佳切口部位。
(a19)(a1)至(a17)所述的任一方法可以进一步包括(a)接收用户定义的切口部位的定位，和(b)在所述自动确定步骤中，基于用户定义的切口部位的定位和所述第一图像来确定多种手术引导提示。
(a20)(a1)至(a19)所述的任一方法可以进一步包括实施利用所述手术引导提示的组织切除操作，以切除所述局部组织。
(b1)产生用于乳房肿瘤切除的手术引导提示的方法，其包括(a)对乳房的至少一幅仰卧图像进行处理以确定所述肿瘤的三维空间特性，和(b)基于所述三维空间特性产生多种指示所述肿瘤相对于所述乳房表面的三维空间特性的手术引导提示。
(b2)在(b1)所述的方法中，所述处理步骤可以包括确定所述肿瘤的质心位置，并且确定自所述质心位置至用于切除手术的切口部位的向量。
(b3)在(b1)和(b2)中的一项或两项所述的方法中，所述产生步骤可以包括确定作为所述乳房的表面上最接近所述肿瘤的周界的第一表面点的所述切口部位。
(b4)在(b1)至(b3)所述的任一方法中，所述产生步骤可以包括确定所述肿瘤沿所述向量在所述乳房的表面上的投影。
(b5)(b4)所述的方法可以进一步包括通过在所述乳房的表面上表明所述投影的至少多个边界而将所述投影转移至所述乳房的表面上。
(b6)在(b5)所述的方法中，所述边界可以包括所述投影的头边界、尾边界、外侧边界和内侧边界。
(b7)(b1)至(b6)所述的任一方法可以包括(a)在所述处理步骤中，确定(i)所述周界的前端点(anteriorpoint)，其中所述向量与所述周界相交，和(ii)所述周界的后端点(posteriorpoint)，其中所述周界与穿过所述质心位置、乳房表面上最接近所述肿瘤的周界的第一表面点和与所述乳房相关的胸壁的线相交，以及(b)在所述产生步骤中，(i)将所述肿瘤的前边界确定为所述前端点和所述第一表面点之间的距离，和(ii)将所述肿瘤的后边界确定为所述后端点沿所述线与所述胸壁之间的距离。
(b8)(b1)至(b7)所述的任一方法可以进一步包括实施利用所述手术引导提示的组织切除操作以切除所述局部组织。
(c1)产生用于切除患者的局部组织的手术引导提示的系统，可以包括(a)定位模块，其对所述患者的至少一幅图像进行处理以确定所述局部组织的三维空间特性，和(b)手术提示生成器，其基于所述三维空间特性产生所述手术引导提示。
(c2)在(c1)所述的系统中，所述定位模块可以包括用于根据所述图像确定所述局部组织的质心位置的位置计算器。
(c3)在(c1)和(c2)中的一项或两项所述的系统中，所述定位模块可以进一步包括用于确定自所述质心位置至用于切除手术的切口部位的向量的方向计算器。
(c4)在(c1)至(c3)所述的任一系统中，所述手术提示生成器可以包括切口部位计算器，其用于确定作为所述患者的表面上最接近所述局部组织的周界的点的切口部位。
(c5)(c1)至(c4)所述的任一系统可以进一步包括用于接收所述切口部位的位置信息的接口。
(c6)在(c1)至(c5)所述的任一系统中，所述手术提示生成器可以包括投影计算器，其用于确定局部组织沿自所述质心位置至用于切除手术的切口部位的向量在所述患者的表面上的投影。
(c7)在权利要求29所述的系统中，所述定位模块还包括周界计算器，其用于确定(a)局部组织的周界的前端点，其中所述向量与所述周界相交，和(b)所述周界的后端点，其中所述周界与穿过所述质心位置和所述切口部位的线相交。
(c8)在(c1)至(c7)所述的任一系统中，所述局部组织可以是所述患者的乳房中的肿瘤，并且所述手术提示生成器可以包括体积边界计算器，其用于(a)将所述肿瘤的前边界确定为所述前端点和用于切除手术的切口部位之间的距离，和(b)将所述肿瘤的后边界确定为所述后端点沿穿过所述质心位置和所述切口部位的线与所述胸壁之间的距离。
(c9)在(c1)至(c8)所述的任一系统中，所述手术提示生成器可以包括投影边界计算器，其用于确定所述局部组织沿自所述质心位置至用于切除手术的切口部位的向量在所述患者的表面上的投影的头边界、尾边界、外侧边界和内侧边界。
(c10)(c1)至(c9)所述的任一系统可以进一步包括用于生成其上叠加所述手术引导提示的所述患者的皮肤模型的可视化模块。
(c11)在(c1)至(c10)所述的任一系统中，所述局部组织可以是所述患者的乳房中的肿瘤，并且所述至少一幅图像可以包括所述乳房的至少一幅仰卧图像。
(c12)在(c1)至(c11)所述的任一系统中，所述至少一幅图像可以包括(a)所述患者的一部分的体积图像，其包含所述局部组织，和(b)所述患者的表面的三维表面图像，其包含用于切除手术的切口部位的定位，并且所述系统可以进一步包括用于将所述体积图像与所述表面图像配准的图像配准模块。
(c13)在(c12)所述的系统中，所述图像配准模块可以包括用于将所述体积图像进行刚性平移或刚性缩放以将所述体积图像与所述表面图像配准的刚体变换模块。
(c14)在(c13)所述的系统中，所述局部组织可以是所述患者的乳房中的肿瘤，所述体积图像可以是处于第一仰卧位的乳房的体积图像，并且所述三维表面图像可以是处于第二仰卧位的乳房的三维表面图像。
(c15)在(c12)至(c14)所述的任一系统中，所述图像配准模块可以包括用于将所述体积图像进行可变形地变换以将所述体积图像与所述表面图像配准的可变形的变换模块。
(c16)在(c15)所述的系统中，所述局部组织可以是所述患者的乳房中的肿瘤，所述体积图像可以是处于俯卧位的乳房的体积图像，并且所述三维表面图像可以是处于仰卧位的乳房的三维表面图像。
(c17)在(c1)至(c16)所述的任一系统中，所述至少一幅图像可以包括(a)所述患者的一部分的体积图像，其包含所述局部组织，和(b)所述患者的表面的三维表面图像，其包含用于切除手术的切口部位的定位，并且所述系统可以进一步包括用于生成三维表面图像的光学表面成像仪。
(c18)在(c17)所述的系统中，所述光学表面成像仪可以是结构光成像仪，其用于(a)用结构光照亮所述表面，(b)捕获所述表面反射的结构光的一幅或多幅反射图像，以及(c)对所述一幅或多幅反射图像进行处理以确定三维表面图像。
(c19)在(c17)所述的系统中，所述光学表面成像仪可以是立体照相机。
(d1)用于引导乳房肿瘤切除的患者特异性的定位器结构，其可以包括(a)匹配处于仰卧位时所述乳房表面的第一定位器结构表面，使得当其置于处于仰卧位的所述乳房上时，所述患者特异性的定位器结构适合所述乳房，和(b)分别指示多种手术引导提示的多种特征。
(d2)(d1)所述的患者特异性的定位器结构可以进一步包括放置用于匹配所述乳房上的一个或多个相应基准点的一个或多个标记，以便所述标记帮助所述患者特异性的定位器结构在所述乳房上的定位。
(d3)在(d1)和(d2)中的一项或两项所述的患者特异性的定位器结构中，所述多种特征可以包括至少一种凸起的针状端口，当所述患者特异性的定位器结构置于所述乳房上时，其各自具有将相应的针被动引导至与所述肿瘤相关的相应位置的形状和位置。
(d4)在(d3)所述的患者特异性的定位器结构中，所述至少一种凸起的针状端口中的每一个可以具有延长的套管，当插入所述延长的套管中时所述延长的套管对相应针的方向进行限定。
(d5)在(d3)和(d4)中的一项或两项所述的患者特异性的定位器结构中，所述至少一种凸起的针状端口中的一个可以位于用于切除手术的切口部位。
(d6)在(d1)至(d4)所述的任一患者特异性的定位器结构中，所述多种特征可以包括用于切除手术的切口部位处的切口，以当所述患者特异性的定位器结构置于所述乳房上时提供通向所述肿瘤的入口。
(d7)在(d6)所述的患者特异性的定位器结构中，所述切口可以具有匹配所述肿瘤沿自所述肿瘤至所述切口部位的方向在所述乳房的表面上的投影的轮廓。
(d8)(d1)至(d7)所述的任一患者特异性的定位器结构可以进一步包括所述肿瘤的材料模型和用于使所述材料模型与所述第一定位器结构表面连接以指示肿瘤相对于所述乳房的表面的位置的至少一个杆。
(d9)在(d8)所述的患者特异性的定位器结构中，所述肿瘤的材料模型可以包含指示一个或多个相应边界的一种或多种特征。
(d10)在(d8)和(d9)中的一项或两项所述的患者特异性的定位器结构中，与所述第一定位器结构表面相关的患者特异性的定位器结构的部分可以至少部分透光，使得当所述材料模型经所述至少一个杆连接至所述第一定位器结构表面时，所述材料模型经所述第一定位器结构表面可见。
(e1)制造用于引导乳房肿瘤切除的患者特异性的定位器结构的方法，其可以包括基于处于仰卧位的所述乳房的表面的三维图像和多种手术引导提示额外制造三维定位器结构，所述三维定位器结构(a)具有匹配所述乳房表面的第一定位器结构表面，并且(b)包含分别指示多种手术引导提示的多种特征。
(e2)(e1)所述的方法可以进一步包括捕获乳房处于仰卧位时的表面的三维图像。
(e3)在(e1)和(e2)中的一项或两项所述的方法中，所述额外制造步骤可以包括在所述定位器结构中额外制造至少一种凸起的针状端口，其中当所述定位器结构置于所述乳房上时所述至少一种凸起的针状端口中的每一个具有将针被动引导至与所述肿瘤相关的相应位置的形状和位置。
(e4)在(e3)所述的方法中，所述额外制造至少一种凸起的针状端口的步骤可以包括在处于用于切除手术的切口部位的定位器结构中额外制造具有将带钩导线从所述切口部位被动引导至所述肿瘤的前边界的形状的针状端口。
(e5)在(e3)所述的方法中，所述额外制造至少一种凸起的针状端口的步骤可以包括在处于用于切除手术的切口部位的定位器结构中额外制造具有将带钩导线从所述切口部位经所述肿瘤的中心被动引导至所述肿瘤的后表面的形状的针状端口。
(e6)在(e1)和(e2)中的一项或两项所述的方法中，所述额外制造步骤可以包括在用于切除手术的切口部位形成切口，以当所述定位器结构置于所述乳房上时提供通向所述肿瘤的入口。
(e7)(e1)至(e6)所述的任一方法可以进一步包括基于所述乳房的三维表面图像和体积图像确定作为乳房表面上最接近所述肿瘤的周界的第一表面点的所述切口部位。
(e8)(e1)至(e6)所述的任一方法可以进一步包括接收用户指定的切口部位的位置。
(e9)在(e6)所述的方法中，所述形成切口的步骤可以包括形成所述切口以匹配肿瘤在所述乳房的表面上的投影。
(e10)(e1)至(e9)所述的任一方法可以进一步包括当所述定位器结构置于所述乳房上时，将第一特征并入所述定位器结构以指示所述肿瘤在所述乳房的表面上的投影。
(e11)(e9)和(e10)中的一项或两项所述的方法可以进一步包括确定来自所述乳房的三维表面图像和体积图像的投影作为肿瘤沿肿瘤的质心至用于切除手术的切口部位的方向在所述乳房的表面上的投影。
(e12)(e1)至(e11)所述的任一方法可以进一步包括分析所述乳房的三维表面图像和至少一幅体积图像以确定所述多种第一手术引导提示。
(e13)(e1)至(e12)所述的任一方法可以进一步包括制造指示所述肿瘤的一个或多个边界的材料模型。
(e14)(e13)所述的方法可以进一步包括使所述材料模型与所述第一定位器结构连接以指示所述肿瘤相对于所述乳房的表面的位置。
(f1)用于引导患者局部组织切除的患者特异性的定位器结构，其包括(a)第一定位器结构表面，其匹配邻近所述局部组织的位置的所述患者的表面，使得所述患者特异性的定位器结构适合所述表面，和(b)分别指示多种手术引导提示的多种特征。
(f2)在(f1)所述的患者特异性的定位器结构中，所述局部组织可以是所述患者乳房中的肿瘤，并且所述第一定位器结构表面匹配所述乳房表面。
(f3)(f1)和(f2)中的一项或两项所述的患者特异性的定位器结构可以进一步包括放置以匹配所述表面上的一个或多个相应的基准点的一个或多个标记，使得所述标记帮助所述患者特异性的定位器结构在所述表面上的定位。
(f4)在(f3)所述的患者特异性的定位器结构中，所述局部组织可以是所述患者乳房中的肿瘤，所述第一定位器结构表面可以匹配所述乳房的表面，并且所述标记可以包括放置以匹配所述乳房的乳头的开口。
(f5)在(f1)至(f4)所述的任一患者特异性的定位器结构中，所述多种特征可以包括至少一种凸起的针状端口，当所述患者特异性的定位器结构置于所述表面上时，各端口具有将相应针被动引导至与所述局部组织相关的相应位置的形状和位置。
(f6)在(f5)所述的患者特异性的定位器结构中，所述至少一种凸起的针状端口中的每一个可以具有延长的套管，当插入所述延长的套管中时，所述延长的套管对相应的针的方向进行限定。
(f7)在(f5)和(f6)中的一项或两项所述的患者特异性的定位器结构中，所述至少一种凸起的针状端口中的一个可以位于用于切除手术的切口部位。
(f8)在(f5)至(f7)所述的任一患者特异性的定位器结构中，所述至少一种凸起的针状端口中的一个可以包含具有一定长度的可拆卸的间隔部分，其配置为(a)当所述间隔部分处于合适的位置时，其靶向所述患者内的一个位置，和(b)当所述间隔部分被移除时，其靶向所述患者内的另一位置。
(f9)在(f1)至(f8)所述的任一患者特异性的定位器结构中，所述多种特征可以包括位于用于组织切除手术的切口部位的切口，以当所述患者特异性的定位器结构置于所述表面上时提供通向所述局部组织的入口。
(f10)在(f9)所述的患者特异性的定位器结构中，所述切口可以具有匹配所述局部组织沿自所述局部组织至所述切口部位的方向在所述表面上的投影的轮廓。
(f11)(f1)至(f10)所述的任一患者特异性的定位器结构可以进一步包括所述局部组织的材料模型和用于使所述材料模型与所述第一定位器结构表面连接以指示局部组织相对于所述表面的位置的至少一个杆。
(f12)在(f11)所述的患者特异性的定位器结构中，所述局部组织的材料模型可以包括指示所述局部组织的一个或多个相应边界的一种或多种特征。
(f13)在(f11)和(f12)中的一项或两项所述的患者特异性的定位器结构中，所述患者特异性的定位器结构与所述第一定位器结构表面相关的部分可以至少部分透光，使得当所述材料模型经所述至少一个杆与所述第一定位器结构表面连接时所述材料模型经所述定位器结构表面可见。
在不脱离本文的范围的情况下，可对以上系统和方法做出改变。因此，应当注意，以上描述中包含的以及附图中显示的内容应当被解释为说明性的并且不具有限制意义。下述权利要求意图涵盖本文所述的一般特征和特定特征以及本申请的方法和装置的范围的所有表述，在语言上上，其可以称为落入其间。