CN106413621A - 光学靶向和轨迹可视化 - Google Patents

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Abstract

可以使用增强的靶向***和方法以针对外科器械使轨迹可视化。这样的靶向***可以具有能够相对于患者固定在预定部位处的夹具、附接到夹具的第一光源和附接到夹具的第二光源。第一光源可以沿第一平面投射第一光，并且第二光源可以沿不平行于第一平面的第二平面投射第二光。在第一和第二平面的相交处，第一光和第二光可以协作以产生指示期望轨迹的靶向线。控制器可以连接到第一组马达和第二组马达，以分别使第一光源和第二光源定向。靶向线可以投射在沿轨迹引导外科器械的可视化辅助件上。

Description

光学靶向和轨迹可视化
技术领域
本发明涉及医疗***和方法。更具体地，本发明涉及用于使医疗器械对准解剖目标的***和方法。
背景技术
各种成像技术（诸如X射线、荧光透视、超声、计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI））在各种各样的医疗程序中发挥着不可或缺的作用。术语“图像辅助”已经被用于区分通过使用某些类型的基于成像的***执行的这些过程。
将图像引导***并入各种程序允许医生将患者的解剖组织上的期望部位关联至术前或术中通过使用各种成像模式（诸如X射线、超声、CT扫描或MRI）获得的图像。图像引导***的使用也赋予透过解剖组织的表层查看以使更深的所关心的目标可视化的能力。进一步地，图像引导***提供通过使用预定入口和/或目标区通达患者的解剖组织内的所关心的目标区域所需的引导。通常，当目标不能直接可视时，医生严重依赖成像***以便避免损伤周围解剖结构并且使不必要的组织创伤最小化。
在图像引导***中使用至少两种“空间”。首先是“图像空间”，其是在过程（诸如在外科手术之前对特定解剖区域的MRI扫描）之前或过程期间取得的成像。根据横截面成像，可以通过使用第一图像空间的坐标系来构建三维数据组，该坐标系通常表示为具有假定原点和主轴线的笛卡尔***（Cartesian system）。第二空间是患者周围的实际物理空间。这通常限制为特定解剖部分（诸如头部、下背部、髋关节等等），以便改善局部分辨率和***性能。图像引导***可以包括用于精确地测量患者的物理空间内的位置的机构，非常像跟踪装置。跟踪装置可以具有其自身的不同于"图像空间"的坐标系的坐标系。为了提供灵活性，通常存在被保持成相对于患者的所关系的解剖区域处于刚性关系的“参考”。参考用作患者的物理空间的假定原点，并且做出的所有三维空间测量均能够相对于该参考表示。使用参考允许在不丧失图像配准或影响引导准确性的情况下的图像引导***的运动或者对目标解剖区域的操纵。
在已经建立这两个坐标系之后，可以通过被称为图像配准的方法将图像空间关联至物理空间。图像配准指的是一个空间向另一个空间的坐标变换。这通常是线性且刚性的变换，其中仅发生平移和旋转（没有按比例缩放并且没有局部变形）。
一旦完成图像配准，则可以使用探头或其它装置来触碰物体上的各种解剖结构（物理空间），并且可以显示相同的解剖结构的对应图像（图像空间）。图像引导***可以具有多平面重建的附加优点，其允许在任意假定平面上显示三维图像数据组，进一步允许用户通过任意假定方向观察周围结构。
图像引导***可以包括信息处理单元（例如计算机），该信息处理单元（例如计算机）被用于装载患者的术前或术中图像，以及运行将执行图像空间和物理空间之间的图像配准的软件。软件程序执行图像空间和物理空间之间的图像配准，并且向操作员提供导航信息。这通常包括执行多平面重建和以入口和目标区的规格执行靶向的能力。更先进的功能包括各成像模式之间的图像融合能力（诸如融合CT成像数据与MRI成像数据），以及先进的图像分割（例如提取肿瘤或血管的图像信息并且描绘这些结构的三维模型），以向外科医生提供现场术中引导。
图像引导***的另一部件是用于空间识别的跟踪装置或参考。这种装置读取三维空间中的任意点的坐标，以允许精确跟踪患者周围的物理空间。图像引导***还可以包括各种探头，以允许在操作期间***械（诸如手术器械、内窥镜工具、活检针等），从而提供关于导航选项的灵活性。探头也可以用作跟踪装置或者参考。
基于上述构思，已经取得了产生各种图像引导***的开端的各种进步。这些***就其关于各种***部件的执行的确切细节而言是不同的；但是，***之间存在许多共性。
用于空间导航的最常见的***是诸如美国专利No. 5230623中所公开的光学***。光学***包括立体摄像机（即，安装成以已知的固定距离分开的两个摄像机），其协作以提供精确的三维定位。跟踪方法能够是被动或者主动中的任一者。在被动跟踪中，***发出红外线辐射（通常通过围绕每个摄像机安装的红外线发光二极管或LED构成的环），并且被动光学标记将辐射反射回摄像机，并且允许标记被看到。标记通常是具有预定直径的小球体，其涂覆在针对红外辐射的波长所优化的反射性涂层中。在主动跟踪的情况中，标记本身由红外LED构成，该红外LED发射能够由摄像机直接看到的红外线辐射。能够使用以预定几何构造布置的三个或更多个标记给出带有六个自由度（DOF）的唯一矢量的总体详细说明，其中所述六个自由度是3个平移和3个旋转。通过改变标记的预定几何构造，***能够识别和同时跟踪各种探头和工具，包括限定物理空间中的假定原点的特别的"参考探头"。光学***通常伴随有专有软件，其执行图像配准并且向终端用户提供导航信息。
用于空间导航的另一***是诸如由Medtronic销售的AxiEMTM导航***的磁性***。磁性***采用磁场发生器来产生均匀梯度场。传感器被用于测量磁场的强度和方向，并且基于该信息得出空间定位。同样，参考点被固定至患者并且各种探头可用于灵活导航。
用于外科引导的另一***是立体定向***。对于颅部过程，这些***依赖于围绕患者头部的刚性框架的附接。然后可以使用附接的框架对患者的头部进行横断面成像（CT或者MRI）。框架提供对患者的头部周围的物理空间的测量，并且直接与图像空间关联，这是因为在扫描时也捕捉框架。一旦在扫描时选择了共同的假定坐标系，则图像空间和物理空间的图像配准自动地发生。引导被机械地实现，这意味着外部机构通常沿加工的沟槽或孔引导外科医生的器械。外科医生必须仅依赖于轨迹计算，原因在于在缺乏实时成像（例如术中CT或者MRI扫描）的情况中没有可用的视觉反馈。
机械引导能够以各种坐标系（笛卡尔坐标系、极坐标系、球坐标系或者混合坐标系）表示。Eleckta销售的Leksell立体定向***®是现今使用中的一种常见立体定向***，并且其使用混合坐标系。其以x、y和z的笛卡尔坐标来表示目标。机械引导依赖于"弧"原则，其中弧总是在目标上居中。这允许外科医生挑选任意环或弧角度以寻找进入位置的最佳放置。替代性地，可以预先限定进入位置并且可以计算弧/环角度。各种尺寸的引导件都是可用的，以适应各种器械直径。因为***不能提供现场图像引导，所以其角色更受限于诸如活检的过程或者电极的放置。Leksell框架的更专门地应用是在伽玛刀治疗中，以帮助定位辐射目标。市场上当前可获得多种其它立体定向框架，其实质上体现了相同基本原理的各种重复。
已经证明图像导航在改善靶向精度、避免对周围重要结构的损伤以及改善患者预后方面是及其有用的。然而，深层解剖结构的精确靶向在多个学科上都具有挑战性。需要一种图像引导***，其促进鉴别不能够直接可视化的理想轨迹。
若干临床应用将受益于这样的改善的靶向方法。一种示例是脑室外引流（EVD）或脑室分流（脑室腹腔、脑室心房、脑室胸腔等）的***。执行这种过程以释放脑脊髓液（CSF）/使其改向，并且监测颅内压（ICP）。目前的护理标准涉及经由天然的外部标志从皮肤表面到脑部中的深层脑室***的脑室导管的盲通路。当前在这种过程中所用的图像引导的***依赖于头部的刚性固定以及通达手术室。此外，使用现有的图像引导的***会显著延长过程时间，从而使得它们不适用于紧急情况，特别是当需要紧急控制ICP时。
可受益于改善的靶向方法的另一临床应用是活检和相关过程的性能。可以使用软组织、骨、流体或者解剖空间的精确靶向以促进活检、装置放置和/或药剂输送。一种常见的颅部应用是立体定向活检。传统方法关注基于框架的立体定向活检，其依赖于用穿透颅骨的外板的尖锐销钉固定至颅骨的框架（例如，对于由Eleckta销售的Leksell立体定向***®用四个销钉）的应用。这种过程对于清醒患者而言是痛苦的并且设置繁琐。图像引导***的近期进步已允许研发“无框架立体定向术”。在这种状况下，避免了过程前应用框架继之以在患者的头部处于框架中的情况下对患者成像。不过，仍然需要用头颅夹（诸如由Integra LifeSciences销售的Mayfield®夹）中的穿销刚性地固定头部。因为固定颅骨的疼痛和3处销定的（3-pinned）Mayfield®***经受的固定性，通常对患者施用全身麻醉。在无框架立体定向术的情况中，靶向信息被整体地转移到引导***和屏幕。遗憾的是外科医生可能需要周期性地将视线从他的或她的手和外科器械转移，以观察帮助引导轨迹的屏幕。
已经采纳了相似的***来放置电极和其它植入物。比如，将深部脑刺激器或RF消融电极***颅部结构中采用与立体定向活检相似的步骤。在这种状况下，目的是将植入物放置到脑部的预先限定的区域内。再次，利用相似的图像引导的技术，能够精确地瞄准异常流体或者软组织采集物（包括但不限于脑脓肿、血肿或蛋白质采集物）。
在整形外科过程中存在图像引导的技术的多种潜在应用，从植入物的放置到钉、板和螺钉的放置。例如，在髋关节置换手术中，已经表明以特定角度的外展/内收以及屈曲/伸展精确放置髋臼帽在防止过早磨损和复发性髋关节脱位中是重要的因素。类似地，膝部、肩部、踝部和小关节的置换依赖于相邻骨中的准确切割，以确保植入物的解剖学对齐。另一示例是在脊柱手术中椎弓根螺钉的放置，这依赖于准确的轨迹和***角度以防止神经伤害和螺钉错置。另一常用的整形外科应用涉及长骨骨折中髓内钉的放置。髓内钉可以符合髓腔的形状，有时使得难以精确瞄准和对齐远端锁定螺钉孔。遗憾的是，虽然已经做出许多尝试，但是仍然不存在能够在不显著延长操作时间的情况下容易地解决这个问题的令人满意的***。
遗憾的是，所有这些技术，无论是主要地还是次要地，均涉及通达图像引导***、固定方法和手术室。如果需要紧急过程，那么通达这样的设施和器械可能是不可行的，在紧急过程的情况中，将患者推到手术室和设置现有图像引导***所导致的延迟将对患者产生灾难性的后果。医生通常被迫诉诸天然的外部解剖标志以便引导。这种在速度和精确性之间的权衡意味着需要紧急过程的患者通常不能够获得图像引导的益处。进一步地，在许多状况中，现有图像引导***是昂贵的，并且在更小的医疗设施中是成本过高的（cost-prohibitive）。这将通达图像引导技术限制于大型的、资金雄厚的医院。许多医院和保健设施未配备有传统的图像引导***，从而使患者失去了图像引导的过程的精确性和准确性的益处。这在发展中国家是尤其真实的，在发展中国家中，成本是采纳图像引导技术的主要障碍。另外，在平片、CT扫描、超声成像和磁共振成像的引导下执行常规放射过程（诸如活检）。所有这些成像模式需要从业者观察屏幕、计算机终端等上的图像，而不是观看物理空间中的过程。这些过程被频繁地执行并且可能会使放射技师和技术人员暴露于潜在有害剂量的辐射。当使用现有的图像引导***时，用户必须将其视线移离患者并且关注屏幕上显示的信息（"眼睛离开目标"）。对于这些关键时刻，用户没有对他们的器械的直接视觉确认。代替地，他们必须依赖感觉、肌肉记忆和/或在屏幕和患者之间快速地往复查看。因此，需要一种图像引导***，当医生瞄准隐藏在皮肤表面之下的结构时，其能够使用先前的成像研究来引导医生而不需要使用框架或销，同时提供靶向轨迹的工作区域内的直接可视化（"眼睛在目标上"）。
发明内容
响应于本领域的现有技术，并且具体地响应于本领域中尚未被当前可用的可视化***完全解决的问题和需求，已经研发了本发明的各种***和方法。本发明的***和方法可以提供促进多种医疗过程的增强的可视化***。
为实现前述目的，并且根据如本文所体现并且宽泛地描述的发明，本公开提供了增强的***，并且有相关联的方法来使期望轨迹可视化。在所公开的技术的一种示例中，靶向***包括夹具（fixture）和固定至夹具的两个或更多个光源，所述光源以彼此不平行的角度固定至夹具以促进线性轨迹的可视化。每个光源均可以是在平面内投射光的激光器。激光器能够被调谐成可见电磁光谱中的相同频率，以产生相同颜色的光。在另一实施例中，激光器被调谐成不同频率以产生不同颜色的光。
每个激光器均可以沿其主轴线投射明确的电磁辐射平面场。激光器的主轴线可以彼此不平行并且彼此不同轴，使得来自两个或更多个激光器的光相交以在三维空间中产生靶向线。光投射在其内的平面的取向的调整可以通过调整对应光源的取向（例如，滚动、俯仰和/或偏航）来实现。任一平面的取向的调整可以导致靶向线的重新定位。靶向线可以与期望可视化的轨迹同轴。靶向线可以被可视化，例如通过将其投射在器械上。使得靶向线可见为器械上的线的器械的取向可以表明器械沿轨迹恰当地取向。
***可以与横断面成像或者平面（投影）成像模式中的任一者一起操作。横断面成像的一种示例包括通过使用源图像或多平面重建中的任一者执行的轨迹规划。可以在图像获取之前将一个或更多个参考标记施加至患者，并且在轨迹规划期间识别该参考标记。在替代性实施例中，***可以包括图像捕捉装置（诸如CCD摄像机），其可以结合先前提及的可动光源来使用，以捕捉患者的3D表面信息。可以结合参考标记部位或者3D表面信息来绘制和使用所规划的轨迹，以确定在轨迹处投射靶向线所需要的光源的取向。这些取向可以被传送到靶向***并且被用于设定光源的取向。然后可以启动靶向***以投射靶向线，从而指明接近器械将进入患者的解剖组织处的点的轨迹。
平面成像的一种示例涉及将靶向***直接附接到医疗成像装置（例如，荧光透视单元的图像增强器）。采用医疗成像装置，可以取得所关心的解剖区域的彼此正交的两个图像，并且在这两个图像的捕捉之间，对于成像装置仅允许旋转运动。可以通过使用两个正交的图像投影绘制所规划的轨迹。在计算光源的取向之前，可以将医疗成像装置旋转到预定角度。预定角度可以由用户建立以保持医疗成像装置不妨碍过程，并且同时使得靶向***能够提供必要的轨迹可视化。然后，轨迹可以被用于生成光源的恰当取向，其可以被传送到靶向***并且被用于设定光源的取向。然后可以启动靶向***以投射靶向线。可视化的轨迹可以可选地与医疗成像装置的中央轴线同轴。
在一些实施例中，能够使用附加光源（例如，结合三个或更多个激光器的靶向***）以提供深度信息、允许同时可视化两个或更多个轨迹，和/或提供靶向***的取向的灵活性。因此，如果一个或多个光源和待可视化的轨迹之间的空间被物体或人员遮闭，则其余光源中的两个可以替代地被用于投射靶向线。
所公开的技术是多用途的并且具有广泛的应用，包括但不限于：瞄准解剖结构以用于诸如活检、消融、注射、电刺激等的过程，引导和/或对齐诸如关节置换物、螺钉、杆等的植入物的放置，指导截骨角度，以及引导诸如导管、超声探头、刚性内窥镜等的其它器械的放置。所公开的技术也可以被用于促进当前图像引导***以及机器人辅助过程的性能。进一步地，所公开的技术可以被用于执行牙科应用，诸如对齐和/或放置种植桩、限定根管轨迹、定位牙折等等。进一步地，所公开的技术可以用在多种工业应用中以改善诸如钻孔、焊接、精整过程等等的手动过程的对齐。
本发明的这些和其它特征和优点将从下述描述和所附权利要求中变得更加充分地显而易见，或者可以通过实践后文陈述的本发明来获悉。
附图说明
结合附图从下述描述和所附权利要求中将更加充分地显而易见到本发明的示例性实施例。应当理解这些附图仅描绘示例性实施例，并且因此不应被认为限制本发明的范围，将通过使用附图以额外的特性和细节描述本发明的示例性实施例，附图中：
图1是示出根据一个实施例的靶向***的透视图，其具有两个激光器和夹具，所述激光器在相交平面中投射不同颜色的光以在期望轨迹处产生靶向线，所述夹具呈可固定到患者的基板的形式。
图2是图1的靶向***的替代性透视图，并且基座部件可被更容易地可视化。
图3A-3C分别是图1的靶向***的基板的平面图、正视图和透视图，并且其具有铰接鳍和嵌入标记以辅助成像的可视化。
图4A-4C分别是根据一种替代性实施例的靶向***的基板的透视图、正视图和平面图，并且其具有预先限定的曲度并且没有可动鳍。
图5A-5B分别是型板（template）的正视图和透视图，该型板用于将多个点或标记附接到患者以用作诸如图1的靶向***到患者的附接的参考。
图6A-6C分别是根据另一实施例的靶向***的平面图、正视图和透视图，并且其具有手动调节的激光器角度和基柱以匹配患者上的多个基准标记（参考）。
图7A-7D分别是根据又一实施例的靶向***的正视图、透视图、平面图和侧视图，并且其具有电子角度读出器和自动（机动）激光器角度调节以及如图3所示的基板。
图8是根据又一实施例的靶向***的透视图，其在直接附接到医疗成像装置的情况下用于平面成像模式。
图9A-9B分别是图8的靶向***的透视图和平面图。
图10是手术台和患者的正视图，并且具有待使用附接到C-臂荧光透视单元的靶向***来可视化的轨迹，其以两个正交成像位置示出。
图11A-11B分别是示出如何能够将正交图像用于通过使用平面成像模式的脊柱过程的靶向***的轨迹规划和可视化的背视图和侧向图。
图12A-12B分别是示出如何能够将正交图像用于通过使用平面成像模式的整形外科过程的激光靶向***的轨迹规划和可视化的侧向图和背视图。
图13是示出在一个或多个参考标记附接到患者的情况下在横断面成像模式中使用靶向***的一种方法的框图。
图14是示出在从正交视点取得至少两个图像的情况下在穿透性平面成像模式中使用靶向***的一种方法的框图。
图15是示出根据一种实施例的具有深度测量的呈带沟槽器械引导件形式的可视化辅助件的透视图。
图16是示出呈闭合通道和深度控制件形式的另一可视化辅助件的透视图，其可以帮助可视化主要靶向线以及从靶向***的一个或两个附加光源投射出的次要靶向线。
图17是示出呈偏移的闭合通道和深度控制件形式的另一可视化辅助件的透视图，其可以帮助可视化主要靶向线以及从靶向***的一个或两个附加光源投射出的次要靶向线，并且同时提供距靶向线的实际轨迹偏移。
图18是示出根据本发明的另一替代性实施例的靶向***的透视图。
图19是示出根据本发明的又一替代性实施例的靶向***的透视图。
图20是图18和图19的控制器的透视图。
图21A和图21B分别是图18和图19的第一光模块的透视图和正视图。
图22A和图22B分别是整合有图像捕捉装置的本发明的又一替代性实施例的透视图和正视剖视图。
具体实施方式
通过参考附图将最佳地理解本发明的示例性实施例，其中贯穿本文同样的零件由同样的附图标记指代。将容易地理解，本发明的部件，如本文的附图中大体描述和图释的那样，可以以各种各样的不同构造布置和设计。因此，如图1至图22B所呈现的设备、***和方法的实施例的下述更详细的描述不试图限制如权利要求所要求保护的本发明的范围，而仅仅是本发明的示例性实施例的代表性示例。
短语"连接到"、"联接到"和"与……连通"指的是两个或更多个实体之间的任意形式的相互作用，包括机械的、电气的、磁性的、电磁的、流体的和热的相互作用。两个部件可以在功能上彼此联接，即使它们不与彼此直接接触。术语"邻接"指的是彼此直接物理接触的物品，尽管物品不必须附接在一起。短语"流体连通"指的是连接的两个特征，使得一个特征内的流体能够进入另一特征内。
词语“示例性”在本文中被用于意味着“用作示例、实例或图示”。本文中被描述为"示例性"的任意实施例均不必须被解释为比其它实施例优选或有利。虽然在附图中呈现了实施例的各种方面，但除非明确指出，否则附图不必须按比例绘制。
参考图1，透视图示出根据一种示例性实施例的靶向***或者***10。***10也可以被称为图像引导的激光靶向***、靶向***、激光引导件或者引导的靶向***。如图1中所体现的那样，***10可以被设计成直接配准在患者上，如随后将描述的那样。***10可以良好地适用于颅部过程，诸如脑室外引流（EVD's）的安装等，并且可以被用于沿着外科器械将跟随的轨迹投射靶向线以便适当地执行该过程。
如图1所示，***10包括呈第一激光器12形式的第一光源和呈第二激光器14形式的第二光源。在各种实施例中，可以使用各种各样的光源，包括但不限于激光器、发光二极管（LED's）、白炽灯、荧光灯等。可以使用相干光源和/或非相干光源。激光器可以有利地发射能够提供清楚的且容易可见的亮度的相干光，但是在其它实施例中，可以使用其它类型的光源。
第一激光器12和第二激光器14中的每一个都可以被设计成沿平面发射光。这可以例如通过用带槽的盖（其允许光仅经由槽出射）覆盖激光器的发射端和/或使激光器光源与提供平面光输出的光学透镜对齐来实现。因此，第一激光器12可以沿第一平面发射第一光，并且第二激光器14可以沿第二平面发射第二光，该第二平面可以不平行于第一平面。
第一激光器12和第二激光器14可以被附接到夹具，该夹具保持第一激光器12和第二激光器14相对于彼此且相对于患者处于固定位置。在图1的***10中，夹具可以采取基座部件13的形式，第一激光器12和第二激光器14在距离彼此固定的相对距离处附接至该基座部件13。基座部件可以被设计成在患者的解剖学特征（诸如头盖骨）上直接配准。
在***10中，第一激光器12和第二激光器14之间的距离是固定的；不过，在替代性实施例中，光源能够是相对于彼此可动的。需要精确地测量光源的位置，使得其能够在沿待可视化的轨迹精确地投射靶向线所需的计算中被考虑。可以基于期望的器械轨迹与***10的接近度优化第一激光器12和第二激光器14之间的距离。可以通过将共面的第一激光器12和第二激光器14以及轨迹的中点定位成近似等边三角形布置来提高轨迹可视化的精确性。
例如，在神经外科的设定中，***10的基座部件13可以被附接到患者的前额且靶向区域覆盖头盖骨的凸起。这种布置可以为EVD的***提供近似10 cm的最精确靶向范围，该尺寸对应于第一激光器12和第二激光器14之间的距离。
第一激光器12和第二激光器14中的每一个可以包括透镜16，该透镜16至少部分地由套管21封装。透镜16和/或套管21可以是圆筒形的。透镜16可以允许生成源自第一激光器12的第一光18和源自第二激光器14的第二光20。如图所示，可以沿第一平面发射第一光18，并且可以沿不平行于第一平面的第二平面发射第二光。
第一激光器12和第二激光器14可以被设计成使得第一光18和第二光20两者均主要由电磁光谱的可见部分内的频率构成。第二光20可以具有不同于第一光18的频率的频率，并且因此可以具有不同于第一光18的颜色的颜色。例如，第一光18可以是红色并且第二光20可以是绿色。在本说明书的其余部分中，提及红色激光器和绿色激光器将被分别解释为第一激光器和第二激光器，并且不表明红色激光器和绿色激光器是预想的仅有颜色。在其它示例中，第二激光器14可以相对于第一激光器12可动地安装，使得可以相对于第一激光器12的位置调整第二激光器14的位置。第一激光器12和/或第二激光器14的透镜16可以是高斯透镜。额外地或者替代性地，***10可以包括一个或多个额外激光器，其可以具有各种透镜类型、发射频率和/或其它参数。
第一光18和第二光20的每一个可以源自第一激光器12和第二激光器14中对应的一者内的激光源。这些激光源可以是例如第一激光器12中的红色激光二极管（未示出）和第二激光器14中的绿色激光二极管（未示出）。激光二极管可以提供紧凑的大小和有利的能量消耗，不过其它激光源可以取代激光二极管。红色激光二极管可以发射近似650 nm的电磁辐射。绿色激光二极管可以发射近似530 nm的电磁辐射。第一激光器12和第二激光器14可以被定位成使得当发射第一光18和第二光20时，它们相交以产生靶向线22，在这种示例中由于光的可加性，该靶向线22被人眼感知为黄色。通过叠加第一激光器12和第二激光器14的颜色产生的加和色可以添加目标轨迹的明显可视化的额外元素。加和色将根据由第一激光器12和第二激光器14发射的光的颜色变化。在其它实施例中，发射不同波长的光的一个或多个激光器（例如，发射具有450 nm波长的蓝色光的激光器）可以被用于代替或补充第一激光器12和/或第二激光器14。
第一激光器12和第二激光器14可以附接至基座部件13使得每个激光器均具有围绕彼此正交的旋转轴线的至少两个旋转自由度。例如，第一激光器12和第二激光器14的每一个均可以是可旋转的，使得第一激光器12和第二激光器14之间存在相对几何关系，使得与第一和第二旋转轴线正交的第三轴线在旋转中保持固定。第一激光器12和第二激光器14的运动可以沿"偏航"和"滚动"方向并且同时具有固定的"俯仰"。在其它实施例中，第一激光器12和第二激光器14可以在围绕偏航方向或滚动方向的旋转中是固定的，而围绕其它两个方向的旋转是可能的。如果激光器之间的距离可调，则可以额外地或替代地并入平移自由度。
为了精确地计算第一激光器12和第二激光器14的"滚动"和"偏航"，在激光器的旋转中心占据原点的情况下，轨迹被变换到第一激光器12和第二激光器14中的每一个的局部坐标系中。激光器之间的距离是已知的。源自第一激光器12（红色激光器）的中心并且与轨迹重合的平面是第一光18的理想路径。对应的第一平面相对于原点的角度可以被用于计算滚动和偏航角度。可以针对第二激光器14（绿色激光器）进行相同的过程。因此，与相同的线重合的两个平面必然并且仅在该线处相交（因为3-D空间中的两个平面相交形成唯一的线）。这样，这两个唯一的滚动和偏航角度组足以基于由第一激光器12发射的第一光18和第二激光器14发射的第二光20的相交确定限定三维空间中的轨迹的唯一靶向线。
参考图2，替代性透视图示出图1的***10，并且基座部件13可被更容易地看到。如图所示，基座部件13可以具有第一臂24、第二臂26、基座平台27和基板28。第一激光器12可以附接到基座部件13的第一臂24，并且第二激光器14可以附接到基座部件13的第二臂26。第一臂24和第二臂26可以在基座平台27的顶表面29处或其附近相交。基座平台27可以是能够附接到基板28的，该基板28可以在使用期间被固定到期望的解剖学特征。
如图2中所体现的，基板28可以是起到两个主要目的的通用部件。首先，基板28可以提供参考以允许精确的图像配准。第二，基板28可以提供界面以将***10附接到患者。在替代性实施例中，基板可以以不同于图2所示的构造执行这些功能中的一者或两者。根据***10待被用于的特定应用，可以对基板特征作出改变或置换，以使***10适应于具体的局部解剖组织或特征。
基板28可以包括与顶表面29相对的底表面（在图2中未示出），其形状适合于与基板28的顶部31（图3A）界面连接。基座平台27可以包括沟槽、孔、通道、柱和/或形状适合于接合基板28的顶部31上的互补特征的其它特征，以将基座平台27固定到基板28。基板28可以包括与顶部31相对的底部33（图3B），其形状适合于与执行轨迹可视化的期望解剖部分或特征界面连接。底部33可以包括粘性材料或者连接特征，诸如销、螺钉、钩环型紧固件，或者允许***10在过程期间实质上固定到恰当的解剖学特征的其它凸起和/或凹入特征。
参考图3A-3C，分别是平面图、正视图和透视图，示出图1的***10的基板28。如图所示，基板28可以是实质上平坦的，并且可以包括一个或多个铰链30，每个铰链30均限定呈鳍的形状的外侧边缘部分32。在替代性示例中，补充或取代铰链的存在，基板28可以是曲线的或者成角度的。每个铰链30可以允许对应的一个外侧边缘部分32绕铰链30旋转，以使得基板28能够符合复杂的表面形貌。在图3A-3C所示的示例中，基板28可以包括三个铰链30，使得三个外侧边缘部分32可以绕每个相关联的铰链30旋转。
参考图4A-4C，分别是透视图、正视图和平面图，示出根据一种替代性实施例的靶向***的基板128，其具有预先限定的曲度和铰链或没有可动鳍。基板128可以具有底部133，其可以具有预先限定的曲度以符合仿形解剖表面（contoured anatomical surface）。如图4A-4C所示，该曲度可以是凹曲度，使得基板128能够符合诸如颅部表面的凸表面。基板128也可以具有顶部131，该顶部131带有与联接到第一和第二光源（未示出）的对应特征（未示出）匹配的插座。
参考图5A-5B，分别是正视图和透视图，示出型板，该型板用于将多个点或标记附接到患者以用作用于将诸如图1的靶向***附接到患者的参考。如图5A-5B所示，型板可以包括带有多个柱234的基板228，所述柱234从底部233突伸。这些柱234可以被设计成接合各种图像引导***通常使用的配准标记或基准。可以将这样的基准保持在解剖学特征上的恰当位置，其中靶向***（诸如图1的***10）将通过柱234附接至该解剖学特征。另外，基板228可以包括从基板228的顶部231延伸的手柄225。在一些情况下，柱234本身可以用作配准标记。在操作中，可以通过使用诸如CT扫描或者MRI扫描的成像模式使基准（或者柱234）可视化。可以以预先限定的几何构造将柱234附接至或者嵌入基板228，并且在操作中将其用于通过配准方法计算参考点。
在使用不同于柱234的基准标记的情况下，可以通过使用基板228将基准标记以预先限定的几何构造放置到组织上。这些基准标记可以结合在基板228中并且因此可以包括诸如不透无线电的材料、MRI对比增强材料（例如，硫酸铜）等的元素。这些基准标记也可以在基板228外部，但是连接到基板228。可以经由粘性背衬等将基准标记附接到诸如皮肤的软组织，或者可以经由螺钉和/或其它紧固件将基准标记直接固定到骨。总体地，基板228至患者的附接可以涉及形成牢固连接的方法的任意组合。这包括但不限于粘结剂、诸如VelcroTM的钩环型紧固件，以及其它紧固件，包括但不限于夹子、弹簧加载的爪（grip）、螺钉和销。完成附接的方式可以取决于外科应用、解剖部位、所需的可视化类型以及解剖部位处的表面性质（例如，软组织厚度、骨质量等）。
在使用如图1-3C中的***10和如图5A-5B中的型板228的方法的一种示例中，操作者可以将基准标记放置在所关心的解剖学区域处。如果被附接到皮肤，则基准标记可以被附接到带有骨突和/或最少软组织的身体区域以便使扭曲和移位最小化。然后可以执行诸如CT扫描或者MRI扫描的横断面成像，以使这些独特的标记可视化并且生成参考坐标系。例如，对于颅部导航，具有最少软组织的部位可以有利地使皮肤移位最小化；因此，可以将基准标记附接到前额。对于整形外科应用，髂嵴和前胫骨是带有最少软组织覆盖的解剖部位的示例。
在已经进行成像之后，可以通过参考获得的图像来建立期望的轨迹。可以通过使用已知的几何变换将该轨迹用于确定对第一激光器12和第二激光器14所要求的取向。第一激光器12和第二激光器14可以以必要取向来取向，并且被启动以投射第一光18和第二光20，从而也投射靶向线22。可以将靶向线22有利地投射到外科器械上或者可视化辅助件上，如后续将更详细地示出并描述的那样。
可以自动地和/或手动地构造第一激光器12和第二激光器14的取向。如果期望，则靶向***可以包括用户可以用其读取和/或手动调节第一激光器12和第二激光器14的取向的机构。
参考图6A-6C，分别是平面图、正视图和透视图，示出根据另一实施例的靶向***或***310。***310可以具有第一激光器312和第二激光器314，并且可以提供对第一激光器312和第二激光器314的取向的手动调节。另外，***310可以具有足部，该足部与患者上的多个基准标记（未示出）匹配。如上文所述，这样的基准标记可以例如通过基板228（诸如图5A-5B的基板）的辅助来附接。足部可以采取柱334的形式，其可以配准这样的基准标记或其它配准附接件。
在一种示例中，如图6A-6C所示，***310也可以包括角度指示器336，其可以采取精密加工的盘的形式。第一激光器312和第二激光器314的每一个均可以是能够沿"滚动"和"偏航"方向旋转，但不能够沿"俯仰"方向旋转的。因此，角度指示器336也可以被称为"滚动"和"偏航"角度指示器。角度指示器336可以具有预先确定的半径并且具有蚀刻、嵌入或以其它方式提供的标记338，以指示角度的大小。可以通过使第一激光器312和第二激光器314围绕滚动轴线和/或偏航轴线旋转来将第一激光器312和第二激光器314中的每一个的滚动角度和/或偏航角度机械地调整到期望数字。一旦已经获得期望角度，就可以接合诸如紧定螺钉（setscrew）或锁定螺钉的锁定机构以将***310锁定成期望构造。
参考图7A-7D，分别是正视图、透视图、平面图和侧视图，示出根据又一实施例的靶向***或***410。***410可以具有结合像图3A-3C那样的第一臂424、第二臂426和基座部件413的电子角度读出件和自动（机动）激光角度调整件。
在图7A-7D的***410中，旋转编码器442可以被用于将第一激光器412和第二激光器414分别联接到第一臂424和第二臂426。旋转编码器 442可以提供第一激光器412和第二激光器414的角度测量（即取向）的数字读出。在这种示例中，第一激光器412和第二激光器414可以连接到控制器（在图7A-7D中未示出），该控制器可以具有信号处理单元。这样的控制器可以是专用模块、计算机、智能手机、平板电脑等。控制器可以向第一激光器412和第二激光器414以及旋转编码器442提供动力，并且也可以从旋转编码器442接收取向输出。在本申请中，术语"控制器"不需要装置向其它部件发布操作命令；而是，控制器可以是与靶向***的一个或多个其它部件界面连接的任意类型的电气装置。
这样的控制器可以额外地或者替代性地通过向马达传送将第一激光器412和第二激光器414旋转到期望取向的信号来控制第一激光器412和第二激光器414的取向。在一些实施例中，可以将控制器连接到控制第一激光器412的取向的第一组马达，并且连接到控制第二激光器414的取向的第二组马达。随后将示出和描述这样的马达，并且这样的马达可以包括伺服马达、步进马达等。这样的马达可以直接联接到第一激光器412和第二激光器414，或者可以经由齿轮或其它扭矩传递机构连接到第一激光器412和第二激光器414。在机动激光器的情况下，可以由软件程序（例如，在控制器上运行的程序或应用）数字地输入或控制期望角度，并且马达可以沿滚动、俯仰和偏航方向驱动激光单元的旋转。另一实施例将机动化单元整合到第一激光器412和第二激光器414的透镜16中，以直接执行对透镜16的微调；这可以代替或补充对第一激光器412和第二激光器414的滚动、俯仰和/或偏航取向的调整来完成。在替代性实施例中，用户可以如先前描述的那样，手动地设定第一激光器412和第二激光器414的取向。
在又一示例中，***410可以包括诸如电池的内置电源。***410也可以具有无线通信接口，其将来自旋转编码器446的角度读数无线地传送到控制器或者其它电子装置，以便向用户显示它们。也可以无线地完成对第一激光器412和第二激光器414的取向的自动控制。可以将任意公知的无线协议用于第一激光器412和第二激光器414以及控制器之间的通信。
除了患者的解剖组织之外，根据本公开的靶向***还可以附接到其它结构。任意稳定结构可以提供用于靶向***的夹具的合适锚固点。可能特别有利的是将靶向***固定到医疗成像装置；这可以促进这样的靶向***与医疗成像的一体化，原因在于光源相对于成像装置的位置可以保持恒定。这可以消除对于将在成像中使用的基准标记的需要，甚至对于带有可动部件的医疗成像***（诸如C-臂X射线机器）也是这样。
参考图8，其是示出根据又一实施例的靶向***或者***510的透视图。***510可以在直接附接到医疗成像装置的情况下能够用于平面成像模式。例如，***510可以附接到荧光透视单元上的图像增强器516。这里荧光透视单元被用于促进对构思的理解，并且应该被理解为是从多个角度取得其主题的投影的任意通用成像装置的特定实施例。***510可以容易地适应于于诸如平板电荷耦合装置（CCD）的其它成像装置一起使用。
参考图9A-9B，分别示出图8的***510的透视图和平面图。如图所示，***510可以包括第一激光器512和第二激光器514，两者均可以经由夹具安装到图像增强器516。在***510中，夹具可以采取环518的形式，该环518可以与图像增强器516同心并且经由锁定机构（诸如螺钉、卡合件、粘结剂或速释机构522）固定到图像增强器516。在公知的医疗成像装置中，图像增强器516的直径可以预计是在9-11英寸的范围中；不过，图像增强器516并且因此环518可以大于或小于该数值。环518可以延伸大约图像增强器516的整个圆周，或者可以是开口环或者仅绕图像增强器516的圆周的一部分延伸的其它结构。
第一激光器512和第二激光器514可以附接到环518，并且能够手动地和/或电子地调整第一激光器512和第二激光器514相对于环518的取向，如结合图6和图7的示例性实施例所描述的那样。此外，第一激光器512和第二激光器514之间沿环518的距离可以是可调的，只要能够获得这样的距离的精确测量并且在角度计算算法中考虑该精确测量。
***510也可以包括额外光源，其可以是额外激光器。无论使用两个激光器还是两个以上的激光器，均可以围绕图像增强器516安装激光器，使得由激光器发射的光的相交产生靶向线。靶向线可以与成像装置的中央轴线重合，但是不限于此。第一激光器512和第二激光器514可以被用于经由靶向线的投影使计划的轨迹可视化，并且与前两个激光器成斜角的第三激光器可以被用于进一步指定围绕靶向线的旋转角度、外科器械沿可视化的轨迹的***深度等。第三激光器也可以结合第一激光器512或者第二激光器514一起使用，以产生与第一靶向线共面的第二靶向线。第二靶向线可以被定位成与第一靶向线相交，以指定三维空间中的单个点。如果添加第四激光器，则可以同时产生两个独立的（不必须是共面的）靶向线。示例中的后者也能够被用于同时指定围绕第一靶向线的旋转角度，和沿第一靶向线的***深度。标记520可以是不透射线的，其可以可选地在图像增强器516上居中并且固定到环518。该标记520可以帮助识别图像增强器516的中心并且应当与X射线管的轴线对齐。
光源（例如，第一激光器512和第二激光器514，返回如图示的***510那样，其中仅存在两个光源）可以或者相对于图像增强器516固定在恰当位置，或者能够相对于图像增强器516运动。基于由***510得出的示例，固定激光器可以被放置成彼此分开90度以使精确性最大化。在设定基于C-臂的CT扫描仪时，可动激光器可以更实用。这些***依赖于锥面光束CT扫描的原理并且使C-臂摆动通过180度以获得精确的三维数据组。一些是便携的并且一些固定到其被安装于当中的房间。激光引导***能够附接到C-臂的一部分（例如平板探测器、图像增强器、X射线管或者臂本身）。3D数据组能够被用于规划轨迹。基于对C-臂和期望轨迹的空间位置的认识，能够计算第一激光器512和第二激光器514的取向，以在物理空间中重现期望轨迹。
参考图10，正视图示出手术台和患者，并且带有待用附接到呈C-臂荧光透视单元形式的成像装置的靶向***可视化的轨迹，所述C-臂荧光透视单元在两个正交成像位置示出。作为在平面成像模式的设定中的激光靶向***的实施例的延伸，研发了用于轨迹规划和角度计算的方法。呈C-臂荧光透视单元形式的成像装置被用于图示目的，而该构思能够通用于利用穿透性辐射（例如，单平面或双平面的血管造影单元）的任意平面成像模式。实线黑色轮廓示出在一个位置处取得图像的成像装置。虚线轮廓示出在旋转90度之后取得第二图像的成像装置。患者在这里被示为处于脚指向纸面内的仰卧位。图像中心处的交叉标记成像装置的理想旋转中心。这两个平面图像投影经由该共同的旋转中心彼此相关。因此，在图像获取期间，仅允许成像装置进行纯旋转。
短划线示出由图像增强器捕获的辐射场的区间。这两个辐射锥（由于不是透视的，所以在图10中呈三角形）的相交标记由靶向***用于轨迹规划和角度计算的空间（也被称为适航空间）。实心黑色箭头模拟带有指向理想化进入位置的尖端的外部指位器（pointer），其可以代表待可视化的轨迹。点线示出从辐射源延伸到图像增强器的每个C-臂位置处的指位器的反向投影。这两条线的相交标记适航空间中的唯一点。成像装置中的微小误差（结构变形、周转的旋转中心、振动等等）可以导致点线不汇聚于一点，在这种情况下，在附加误差项的情况下能够使用适航空间中距两条线距离最短的点。
以类似方式，能够选取适航空间中的第二点（例如，轨迹上的另一点）来完整地限定轨迹。轨迹相对于成像装置被限定。同样地，一旦针对***执行了适当的附接和校正，则也可以相对于成像装置执行第一激光器和第二激光器的取向计算。在平面成像模式的情况中不需要患者参考，并且只要在图像获取和轨迹可视化之间不移动患者，就不应当影响精确性。
参考图11A-11B，分别是背视图和侧向图，示出在通过使用平面成像模式的用于脊柱过程的靶向***的情况中，如何能够将正交图像用于轨迹规划和可视化。图11A和图11B示出椎弓根螺钉***的轨迹的规划。脊柱的两个正交图像（背向和侧向）被取得并显示在左和右屏幕上。黑色指位器安放在理想进入位置，在这种情况下在椎弓根的后侧缘。在侧向投影上，选取理想深度并由黑色点标记。短划线箭头示出侧向投影上的轨迹。作为示例，A:B之比能够被设定为2:1以防止椎骨体前部破口。点反向投影到背视图上成为点线。
为了固定目标点，用户在背视图上选取理想目标，在此这被示为椎弓根的内侧缘（X）。这样做以防止椎弓根内侧破口。在限定进入点和目标点的情况下，现在靶向***（诸如先前描述的***510）具有足够的信息来计算第一激光器512和第二激光器514的取向，需要这些取向以投射指示期望轨迹的靶向线。以具体角度（0、90或者其间的任意角度）锁定成像装置并且向***510提供该测量以完成激光器取向计算。
参考图12A-12B，分别是侧向图和背视图，示出如何能够将正交图像用于通过使用平面成像模式的整形外科过程的激光靶向***的轨迹规划和可视化。图12A-12B示出涉及髓内钉的远端锁定的整形外科过程。取得两个正交图像。左侧的图像示出邻近移位的孔的"理想孔"，移位孔通常是由于来自光束源的发散辐射路径导致的情况。黑色指位器安置于理想孔的中心。通过孔从辐射源到图像增强器的反向投影应该为远端锁定螺钉提供理想路径。这种反向投影被数字地添加到右侧的图像上并且由短划线示出。短划线应当穿过黑色点的尖端，并且能够将任意差异添加至误差项。
基于可用信息，形成轨迹并且能够计算激光器角度。不过，理想的是也获得相邻孔的轨迹以节省过程时间并且减少对患者和屋内工作人员的辐射暴露。再次使用左侧图像并且选定移位孔的中心（例如经由中心法，由X表示）。反向投影在右侧图像上被示为短划线箭头。因为孔应当彼此平行，所以使用来自先前孔的轨迹。这两个轨迹（短划线箭头和短划线）在右侧螺钉的中线（长度方向）处的相交允许精确瞄准第二孔。以具体角度（0度、90度或者其间的任意角度）锁定成像装置并且向靶向***（例如***510）提供该测量以完成第一激光器512和第二激光器514的取向的计算。
参考图13，框图示出用附接到患者的一个或多个参考标记以横断面成像模式使用靶向***的一种方法。将结合图1-3C的***10描述该方法，但是该方法也可以用本公开的范围内的任意靶向***来进行。方法可以开始于在参考标记被附接到患者的情况下获得图像（步骤A）。
然后显示源图像以及任意多平面重建。针对这个步骤存在多种选项，包括但不限于：诸如CT套件的成像装置终端（例如CT套件），诸如图片存档及通信***（PACS）单元的诊断单元，或者能够显示医学数字影像和通讯（DICOM）格式图像的计算机或电子装置（例如平板电脑）（步骤B）。
然后由用户采用软件接口来执行轨迹规划和角度计算。这能够在与步骤B相同的***或者能够显示所获取的图像的不同***中的任一者上完成。软件接口可以被设置成促进图像配准（这也可以被称为参考识别）、进入/目标点识别、轨迹规划/可视化以及最终激光角度计算的流程（步骤C）。
步骤C的软件实施例的一种实施例可以涉及由软件识别基准标记或基板标记（诸如图5A-5B的柱234）中的任一者。之后软件可以自动地计算执行图像空间向激光靶向***的空间的坐标变换所需的变换矩阵。之后操作者可以在横断面图像上选择进入点和目标。可以呈现多平面重建视图以促进最佳进入/目标点的识别。一旦选定这两个点，则构建代表期望轨迹的三维图像空间中的线。通过使用先前得出的变换矩阵将这条线变换到***10的靶向空间内。一旦完成该步骤，则软件可以计算第一激光器12和第二激光器14的取向的唯一组合，该组合使得第一光18和第二光20相交以产生代表期望轨迹的在三维空间中的靶向线22。
步骤C的软件实施例的另一示例可以涉及从一组正交X射线图像生成轨迹。对于诸如髋关节/膝关节成形术或者创伤外科的许多整形外科过程而言，诸如CT扫描的横断面成像并常规可用的。然而，对于许多患者，前-后（AP）和侧位X射线是病情检查的常规内容，并且术中荧光透视能够采取处于90度分开的视角的胶片。在附接参考标记（基准或者基板）之后，采取90度分开的两个X射线。然后终端用户识别在两个X射线上的点。一旦完成这一步骤，则计算一组x、y、z值。对胶片之一应用额外的旋转和按比例缩放变换以便在***10的靶向空间中生成真正的正交坐标系。之后由终端用户在这两个胶片上识别理想轨迹投影，这是考虑到在这两个胶片上识别出的轨迹线是唯一的3-D轨迹到2-D空间的投影。这两个2-D线的反向投影形成与它们的参考平面中的每一个垂直的两个平面，并且这两个平面的相交形成3-D空间中的唯一线，即轨迹。然后将3-D空间中的唯一轨迹坐标转换到***10的靶向空间并且如前进行激光器角度的计算。
这种方法使得能够基于在彼此正交的两个2-D X射线胶片上识别的投影来计算3-D空间中的轨迹。不指定任何其它的任意视角下的投影。对于常规使用平片X射线以便跟进的过程，这足以满足用户的需求，这是因为常规上并不考虑其它角度下的视图。步骤D代表使目标轨迹可视化所需要的最后步骤。
参考图14，框图示出在从正交视点取得至少两个图像的情况下以穿透性平面成像模式使用靶向***的一种方法。可以首先如图10-12所描述的那样获得关于所关心的解剖区域的至少两个正交图像（步骤E）。
显示所述图像。用于显示的选项包括但不限于：成像装置终端（例如荧光透视屏幕）、诊断单元（例如PACS）、能够显示DICOM格式的图像的计算机或电子装置（例如平板电脑）（步骤F）。
然后用户需要软件接口以执行轨迹规划和角度计算。这能够或者在与步骤F相同的***上完成，或者在能够显示所获取的图像的不同***上完成。软件接口被设置成促进进入/目标点识别、轨迹可视化以及最终激光器角度计算的流程（步骤G）。在图11和图12中根据其相应示例性实施例提供了步骤G的示例。步骤H代表对于平面成像模式，使目标轨迹可视化所需要的最后步骤。
为了帮助使外科器械的靶向线和/或恰当行进深度可视化，可以使用可视化引导件。这样的可视化引导件可以被用于促进观察靶向线和/或沿期望轨迹引导外科器械。
参考图15，透视图示出根据一种实施例的带有深度测量的呈带沟槽器械引导件形式的可视化辅助件610。将结合图1-3C的***10来描述可视化辅助件610，不过其可以与根据本公开的范围内的任意实施例的靶向***一起使用，包括那些针对横断面成像模式设计的靶向***和那些针对平面成像模式设计的靶向***。
可视化辅助件610可以进一步是简单的开口-通道轨迹引导件。可视化辅助件610可以因此具有呈开口通道形式的引导表面612，其可以被用于沿期望轨迹导领外科器械（诸如针、套管针、套管、深度探头、植入物等）。可视化辅助件610可以进一步具有可视化表面614，其在引导表面612的任一侧上延伸并且带有扩宽的形状，在该可视化表面614上例如可以投影和观察第一光18和第二光20。
可视化表面614可以可选地具有毛糙表面或其它形式的有纹理的表面，其促进来自大范围的视角的反射光的可视化。进一步地，可视化表面614可以可选地具有深度标识616，其被蚀刻、刻划、涂刷或以其它方式标记在可视化表面614上以促进外科器械的适当***。可视化表面614可以可选地是白色的，以提供反射光的增强的可见度。在替代性实施例中，可以使用任意颜色。如果可视化表面614是彩色的，则由可视化表面614反射的颜色会不匹配由第一激光器12或者第二激光器14所发射的光的颜色。可视化表面614可以替代性地是黑色的，以减少光干涉导致的炫光；在这样的情况下，由可能需要增加第一激光器12和第二激光器14提供的亮度，以补偿黑色的增加的光吸收。可视化辅助件610可以是不透明的、半透明的和/或透明的。
对于带有不透明结构的实施例，第一光18和第二光20可以反射出可视化表面614。因此，第一光18可以在可视化表面614上作为第一线可见，并且第二光20可以在可视化表面614上作为带有与第一线的颜色不同的颜色的第二线可见。如果第一线和第二线不平行，则这可以表明可视化辅助件610需要重新取向。如果第一线和第二线平行，但是彼此偏离，则这可以表明需要朝向或远离第一激光器12和/或第二激光器14平移可视化辅助件610。当第一线和第二线会聚（即，根据需要减小第一线和第二线之间的线性位移和/或角度位移）时，靶向线22可以在可视化表面614和/或引导表面612上可见。由于光的可加性，靶向线22可以具有不同于第一线的颜色且不同于第二线的颜色的颜色。因此，第一线和第二线的会聚和/或呈加和色的靶向线的存在可以表明可视化辅助件610正到达期望轨迹的位置和取向。
对于带有透明的或者半透明的结构的实施例，第一光18和第二光20可以穿透可视化辅助件610的主体，并且当可视化辅助件610与期望轨迹对齐时，引起可视化辅助件610以加和色发光，以确认可视化辅助件610与期望轨迹的适当对齐。
因此，可视化辅助件610可以改善第一光18、第二光20和靶向线22的可视化，从而简化将外科器械与期望轨迹对齐的过程。另外，引导表面612可以帮助引导装置的***。深度标识616可以允许***过程期间深度信息的可视化。可视化辅助件610可以额外地或者替代性地包括诸如封闭管、轨道、通道或者与植入物和/或外科器械相互作用以将这些植入物和/或外科器械与期望轨迹对齐的其它机械配件的特征。
在无菌性不是重要因素的过程中，能够使用能够雾化空气中的水滴、悬浮颗粒，或形成雾或雾状状态的装置。这样的过程可以使得能够在悬浮颗粒或蒸汽中使靶向线22直接可视化而不需要平坦表面来反射光。
为了进一步辅助可视化过程，可以将一个或多个光纤特征结合到引导表面612内。可以沿光纤束导引来自靶向线22的光以进一步辅助可视化。也能够将额外的电子部件结合到轨迹引导件中，以分析光的强度和颜色。例如，能够使用光电二极管或者电荷耦合装置（矩形网格或者线型CCD）或者CMOS传感器以监测入射光。信号输出能够被连接到上述电子部件并且被用于向用户提供关于轨迹对齐的精确性的反馈。此外，在替代性实施例中，可以将可视化辅助件610结合到诸如超声探头或者外科器械组（例如钻、螺丝刀、杆保持器等等）的主体的其它医疗装置中，以提供轨迹的直接可视化。
参考图16，透视图示出呈闭合通道和深度控制件的形式的另一可视化辅助件710，其可以帮助使主要靶向线以及从靶向***的一个或两个额外光源投射的次要靶向线可视化。如图所示，可视化辅助件710可以采取带有引导表面的轨迹引导件的形式，该引导表面呈封闭管712的孔的形式并且在该管的任一侧上具有可视化表面714。进一步地，可视化辅助件710可以具有正交对齐件716，其可以被用于由一个或多个额外光源（例如，第三和/或第四激光器）投射的次要靶向线或者其它特征的可视化。
可视化表面714可以以类似于先前实施例的可视化辅助件610的可视化表面614的方式起作用。封闭管712可以被用于引导外科器械（诸如套管、针、钻等）。正交对齐件716可以垂直于管712并且可以提供第三和/或第四光源的可视化。
例如，能够使用投射不平行于第一光18且不平行于第二光20的光的第三激光器。能够在正交对齐件716上使该第三激光器与靶向线的相交可视化。该对齐可以限定沿期望轨迹的旋转程度，从而固定另一自由度。能够在横断面或平面成像上规划沿规划轨迹的旋转量，并且在执行恰当计算之后能够相应地使第三光源运动。
如果添加第四激光器，则第三激光器和第四激光器的相交将形成第二靶向线。能够计算光源的取向，使得该第二靶向线与由第一激光器12和第二激光器14形成的第一（主要）靶向线相交并且正交于所述第一（主要）靶向线。这可以不仅锁定旋转，而且也可以提供深度可视化。这增加了沿期望轨迹对深度方向上的另一自由度的控制。
参考图17，透视图示出呈偏移的闭合通道和深度控制形式的另一种可视化辅助件810。可视化辅助件810可以促进主要靶向线以及从靶向***的一个或两个额外光源投射的次要靶向线的可视化，并且同时提供距靶向线的实际轨迹偏移。
可视化辅助件810可以具有呈闭合通道812的孔的形式的引导表面。在替代性实施例中，可视化辅助件810可以代替地具有引导表面，该引导表面带有开口通道、一系列环和/或任意数量的允许可视化辅助件810被用于引导器械和/或植入物的特征。可视化辅助件810类似于图16的可视化辅助件，相似之处在于根据靶向***中所用光源的数量，在次要靶向线或者提供取向和/或深度控制的可视化的其它特征之外，可以使靶向线22可视化。可视化辅助件810可以因此具有可视化表面814和正交对齐件816，其可以以类似于图16中的对应件的方式起作用。
可视化辅助件810可以将闭合通道812以相对于可视化表面814和正交对齐件816任意期望距离和/或取向定位，只要这个取向之前已知并且在计算中被考虑。在替代性实施例中，可以使引导表面和可视化表面之间的角度和/或线性位移可调，只要能够精确地测量可视化表面和引导表面之间的相对定位并且在计算中考虑该相对定位。如果在执行计算之后引导表面和可视化表面的相对取向和/或位置发生任何调整，则可能需要取得一组新的测量并且可能需要再次执行计算。
可以将本文所公开的可视化辅助件中的任意一种以各种各样的方式附接到患者或目标物体。取决于附接位置的表面性质，可以采用各种附接机构，包括粘结剂、诸如VelcroTM的钩环型紧固件、销、螺钉、夹、钳爪等等。
替代性地或者额外地，可以提供单独的桩和/或支撑臂以将可视化辅助件保持在恰当位置。这可以是带有其自身的桩和可调臂以辅助定位和/或将可视化辅助件保持在恰当位置的独立单元。替代性地或者额外地，能够将这样的可调支撑臂制成可附接到手术室的手术台、成像装置（例如C-臂）或者目标物体上的任意合适的特征。
这样的支撑臂能够进一步是机动的并且与机器人控制***一体化，以提供半自动或全自动对齐过程。这样的***能够连接到上述控制器以允许与用户通信。额外地或者替代性地，这样的支撑臂能够结合到之前概述的机器人辅助过程中。
可视化辅助件可以进一步能够相对于附接基座/臂***调整。可以提供锁定机构，并且其可以具有紧定螺钉、翼形螺钉、夹、速释机构和/或提供可释放锁定以便一旦获得恰当对齐就将可视化辅助件固定在期望构造的其它机构。这可以使操作者的手不必总是牢固地握持可视化辅助件，以允许他或者她关注过程本身。
参考图18，透视图示出根据本发明的另一种替代性实施例的靶向***或者***910。类似于图8-9B的***510，***910可以被设计成用于附接到医疗成像装置，诸如C-臂荧光透视单元的成像增强器900。***910可以包括呈第一光模块902形式的第一光源、呈第二光模块904形式的第二光源和呈第三光模块906形式的第三光源。***910也可以包括呈环918形式的夹具，以及控制器950。
第一光模块902、第二光模块904和第三光模块906中的每一个均可以被牢固地固定到环918。第一光模块902可以包含诸如第一激光器的第一光源（未示出），并且也可以包含能够改变第一激光器的取向的第一组马达（未示出）。类似地，第二光模块904可以包含第二激光器（未示出）和能够改变第二激光器的取向的第二组马达。进一步地，第三光模块906可以包含第三激光器（未示出）和能够改变第三激光器的取向的第三组马达。因此，虽然第一光模块902、第二光模块904和第三光模块906可以实质上刚性地附接到环918，但是对应光源可以以必要取向来取向，以提供期望轨迹的可视化。
如图所示，控制器950可以经由导线908电气地联接到第一光模块902、第二光模块904和第三光模块906。控制器950可以从第一光模块902、第二光模块904和第三光模块906接收数据，诸如第一、第二和第三激光器的实际取向。额外地或者替代性地，控制器可以向第一光模块902、第二光模块904和第三光模块906传送信号，以启动第一、第二和第三激光器和/或设定第一、第二和第三激光器的取向。
如前所述，使用两个以上的光源允许在期望轨迹处显示额外的可视化，诸如外科器械的期望取向和/或深度。替代性地，使用两个以上的光源允许使用最佳两个光源；因此，在一个光源被阻挡或未最佳地定位以提供期望轨迹的精确可视化的情况下，可以代替地使用其它光源。围绕图像增强器900的周边以均匀分布定位第一光模块902、第二光模块904和第三光模块906可以增加***910的至少两个光源将不受阻挡且定位成用于靶向线的精确投影的可能性。在其它实施例中，可以使用三个以上的光源。
参考图19，透视图示出根据本发明的另一替代性实施例的靶向***或者***1010。***1010可以具有与***910的构造类似的构造，除了***1010可以具有额外的光源之外。更具体地，除了第一光模块902、第二光模块904和第三光模块906之外，***1010可以具有第四光模块1002、第五光模块1004和第六光模块1006。这些可以牢固地附接到环918，而且可以包含第四、第五和第六光源，其可以是能够相对于环918运动的第四、第五和第六激光器。
使用六个光源可以使得能够实现额外特征和/或线的投影。进一步地，使用六个光源可以进一步增加***1010的至少两个光源将不受阻挡且定位成用于靶向线的精确投影的可能性。
参考图20，透视图更具体地示出图18和图19的控制器950。如图所示，控制器950可以具有显示器1110、控制接口1112和连接端口1114。显示器1110可以例如显示与其连接的光模块中的任意或全部光模块的角度。这样的数据可以源自光模块。额外地或者替代性地，控制器950可以具有内置陀螺仪或者指示控制器950所处位置的角度的其它测量装置。当在诸如活动医疗成像装置的移动平台上使用时，可以使移动平台运动回基准位置（例如，捕获成像数据的第一位置）以便提供对取向的有意义的指示。
用户可以使用控制接口1112改变***910或者***1010的设定、手动键入光源的取向、打开或关闭光模块、手动输入期望轨迹的位置和/或取向等等。连接端口1114可以被用于将控制器950连接到诸如光模块、其所附接的医疗成像装置、外部计算机等的其它部件。如果期望，则控制器950可以直接从医疗成像装置或者外部计算机接收光模块和/或期望轨迹的取向数据。因此，控制器950可以被设计成独立于任意直接用户输入来操作。
参考图21A和图21B，分别是透视图和正视图，更具体地示出图18和图19的第一光模块902。第一光模块902可以与其它光模块（即第二光模块904、第三光模块906、第四光模块1002、第五光模块1004和第六光模块1006）实质上相同。
第一光模块902可以具有外壳1120，该外壳1120具有矩形棱柱的整体形状。如果期望，则外壳1120可以由聚合物形成，以便限制靶向***的重量。外壳1120可以是中空的，并且可以包含第一光源，该第一光源可以是如前所述的第一激光器1126。第一激光器1126可以具有带槽帽1124，其引起由第一激光器1126发射的光沿平面（即如结合图1讨论的第一平面）传播。
第一光模块902也可以具有窗口1122，其是半透明的以允许来自第一激光器1126的光离开外壳1120。如果期望，则可以使窗口1122着色以用作过滤器。因此，如果期望，则窗口1122可以被用于确定形成由第一光模块902发射的第一光的光的波长。窗口1122可以仅允许特定波长范围的光离开外壳1120。替代性地，第一激光器1126可以被设计成发射期望颜色的光。在这样的情况下，窗口1122可以不着色并且不需要用作过滤器。
如图21B所示，第一光模块902也可以具有附接接口1128，其被设计成促进第一光模块902至环918的可移除且牢固的附接。附接接口1128可以采取燕尾基座的形式，其匹配形成在环918中的对应底切槽（未示出）。在替代性实施例中，可以将其它紧固***结合到附接接口内，包括但不限于螺钉安装的***、可滑动速释***等等。
第一光模块902可以具有第一组马达，其控制第一激光器1126在外壳1120内的取向。例如，第一组马达可以包括滚动控制马达1130、偏航控制马达1140和俯仰控制马达1150。滚动控制马达1130可以调整第一激光器1126的"滚动"取向，偏航控制马达1140可以调整第一激光器1126的"偏航"取向，并且俯仰控制马达1150可以调整第一激光器1126的"俯仰"取向。
俯仰控制马达1150可以被定位成在外壳1120内邻近内部框架1154。内部框架1154可以包含旋转托架（swivel bracket）1156，该旋转托架1156可枢转地连接到内部框架1154，使得旋转托架1156能够在内部框架1154内旋转以允许调整第一激光器1126的俯仰。俯仰控制马达1150可以经由俯仰控制传动装置1152联接到旋转托架1156，使得俯仰控制马达1150的输出轴的旋转引起旋转托架1156使第一激光器1126相对于图21B的视图向上或者向下成角度。
偏航控制马达1140可以定位在旋转托架1156上，邻近第一激光器1126。第一激光器1126可以经由横轴1144可枢转地联接到旋转托架1156。横轴1144可以旋转以允许第一激光器1126相对于图21B的视图向左或向右旋转。偏航控制马达1140可以经由偏航控制传动装置1142联接到横轴1144和/或旋转托架1156的相邻部分。俯仰控制马达1150的输出轴的旋转可以引起第一激光器1126相对于旋转托架1156旋转。
滚动控制马达1130可以定位在第一激光器1126上方。滚动控制马达1130可以经由滚动控制传动装置1132联接到第一激光器1126，或者仅联接到带槽帽1124。因此，滚动控制马达1130的输出轴的旋转可以引起第一激光器1126和/或带槽帽1124相对于图21B的视图绕垂直于纸面的轴线滚动。
如前所述，光源仅需要具有绕两个正交轴线的可调取向。不过，提供绕所有三个轴线的取向调整可以提供靶向***的操作中的额外的灵活性。如果期望，则可以省略滚动控制马达1130、偏航控制马达1140和俯仰控制马达1150中的任意一个，如果期望，以应用于绕对应轴线的旋转使第一激光器112 6不可动。
参考图22A和图22B，分别是透视图和正视截面图，示出根据本发明的另一替代性实施例的靶向***或***1210。可以将图像捕捉装置整合到***1210中。图像捕捉装置可以采取安装到***1210的主体的摄像机1220的形式。摄像机1220可以包括各种成像技术，包括但不限于CCD（电荷耦合显示）传感器、CMOS（互补金属氧化物半导体）传感器等等。来自摄像机1220的数字输出可以促进***1210的操作，不过在替代性实施例中，可以使用模拟摄像机和/或基于胶片的摄像机。对于需要将靶向***安装到患者上的过程而言，图22A和图22B中所描绘的***1210代表获得精确配准的无基准方法。
另外，***1210可以具有呈基座单元1230的形式的夹具、电枢1240和电枢1240上的激光器安装柱1250，第一激光模块1202和第二激光模块1204安装在激光安装柱1250上。摄像机1220可以在电枢1240上，该电枢可以能够相对于基座单元1230运动。第一激光模块1202可以具有第一激光器1212，该第一激光器1212能够在第一激光模块1202内绕先前描述的滚动、俯仰和偏航轴线中的至少两个旋转。类似地，第二激光模块1204可以具有第二激光器1214，该第二激光器1214能够在第二激光模块1204内绕滚动、俯仰和偏航轴线中的至少两个旋转。第一激光器1212和第二激光器1214在第一激光模块1202和第二激光模块1204内的运动可以通过使用如图22B中所示的马达1216来实现。
基座单元1230可以能够固定到邻近患者的外部结构，包括但不限于电枢、电极、平台等等。基座单元1230也可以能够固定到患者的解剖组织的一部分。在***1210将被用于颅部过程（诸如如先前讨论的EVD的安装）的情况下，可以将基座单元1230固定到颅部解剖组织，诸如前额。对于其它过程，***1210可以附接到患者上的不同部位。如之前提及的那样，带有相对较少的软组织覆盖下层骨的部位可以为配准提供最佳部位。这可以促进使用呈非侵入附件机构1270的形式的附接特征（诸如带、爪、粘结剂和/或类似特征）来将***1210附接到患者。额外地或者替代性地，如果期望，则可以通过使用螺钉或其它装置将***1210穿过软组织固定到下层骨。
摄像机1220被定位在距第一激光模块1202和第二激光模块1204已知距离的位置处。第一激光模块1202和第二激光模块1204可以分别沿第一平面和第二平面（未示出）投射第一光和第二光（未示出），以提供靶向线。当投射到表面（诸如患者的解剖组织的一部分）上时，第一光、第二光和/或靶向线可以从该表面反射。可以由摄像机1220捕获该反射，包括任何伴随的扭曲。通过三角测量，在给定第一平面和第二平面相对于摄像机1220的已知位置的情况下，***1210可以确定与第一光和第二光相交的解剖特征在三维空间中的坐标。因此，在第一激光器1212和摄像机之间的给定角度处，三角测量过程产生3D空间中的信息的线。通过缓慢地使激光线扫描横穿物体并且在每个角度增量捕捉图像，能够构建精确地代表3D表面的完整三维数据组。
在图22A中，第一光模块902直接地连接到控制器1222。***1210可以使用第一激光模块1202和第二激光模块1204扫描穿过所关心的患者的解剖区域。激光可以绕单个轴线以设定的角度间隔（例如以5度间隔偏航）旋转，并且摄像机1220可以在每个这样的间隔捕捉图像。控制器1222可以生成患者的解剖区域的表面的三维图。这可以例如通过将第一光、第二光和/或产生的靶向线的反射与数据库中存储的一组预先限定的参考图像相比较来完成。然后可以将该三维表面与从患者成像生成的三维表面相匹配。在这种情况下患者成像可以包括任意3D图像组，诸如一个或多个CT扫描或者MRI扫描。可以结合三维表面信息使用通过使用这样的成像所规划的轨迹，以计算第一激光器1212和第二激光器1214的俯仰、偏航和/或滚动取向。可以以恰当取向设定第一激光模块1202和第二激光模块1204，并且将其启动以产生处于期望轨迹处的靶向线，而不需要将任意基准附接到患者。
一个激光模块（即，第一激光模块1202或者第二激光模块1204中的任一者）足以从患者捕捉必要的3D表面数据。可以使用第一激光模块1202和第二激光模块1204二者以改善***精确性并且减少"盲点"。当使用第一激光模块1202和第二激光模块1204二者时，第一激光器1212可以扫描穿过患者的解剖区域，继之以第二激光器1214。捕捉和处理图像，并且将来自患者的解剖组织的第一光和第二光的反射的扭曲匹配至第一激光线和第二激光线的相应数据库。添加产生的浊点数据以生成最终的3D表面图。
图22B中，控制器1222可以连接到使电枢1240相对于基座单元1230运动的一个或多个马达。马达可以包括例如控制电枢1240相对于基座单元1230的俯仰的俯仰马达1232，和控制电枢1240相对于基座单元1230的偏航的偏航马达1234。可以经由轴承1260将电枢1240可旋转地联接到基座单元1230。如果期望，俯仰马达1232可以引起激光器安装柱1250相对于电枢1240旋转。可以将第一激光模块1202、第二激光模块1204和摄像机1220固定到激光器安装柱1250，使得激光器安装柱1250的旋转引起第一激光模块1202、第二激光模块1204和摄像机1220的俯仰改变。***1210可以引起摄像机1220、第一激光模块1202和/或第二激光模块1204的俯仰和/或偏航改变，以将摄像机1220定位在相对于所关心的解剖区域的最佳有利点处。这可以改善3D表面图的品质，并且因此改善相关解剖组织上的***1210和靶向线的投影的配准的精确性。
***1210也可以使用图像相减来进一步增加激光线扫描的对比度。摄像机1220可以首先在不打开第一激光器1212和/或第二激光器1214的情况下取得所关心的解剖区域的图像，从而获取基准线图像（baseline image）。之后可以启动第一激光器1212和/或第二激光器1214，并且可以如上文所述的那样以设定的角度间隔进行图像获取。可以从所获取的图像组中减去基准线图像，以有效地消除背景像素，仅保留来自第一激光器1212和/或第二激光器1214的反射的光。为了使配准精确性最大化，所关心的患者的解剖区域应该具有独特的3D特征。因为面部区域具有许多这样的独特特征，因此***1210良好地适用于颅部应用。
根据本公开的靶向***的通用特性可以包括轻质，原因在于图像引导***可以安置在患者的皮肤上。光源可以由轻质材料（诸如聚合物、复合材料、轻质金属合金等）制成。预想电子装置小型化；板载电子装置可以是带有小的封装（footprint）的表面安装。可以使用轻质可充电电池，诸如锂聚合物电池或者锂离子电池。
所公开的技术是多用途的并且具有各种各样的应用。上述示例是出于说明的目的，以促进构思的理解；它们不意味着本文所公开的靶向***和方法仅限于这些过程。其它应用包括但不限于其它医疗应用，其中可以利用***来瞄准解剖结构。这包括诸如组织活检的过程，其中能够指定入口和目标并且规划轨迹以避开关键的神经血管结构。进一步地，这包括消融或电刺激过程以瞄准不能够直接可视化的区域（例如，神经根切断、神经调节过程）。
进一步地，本公开的靶向***和方法可以应用于关节注射，诸如膝关节/髋关节/肩关节或者小平面关节注射。本文公开的靶向***可以适应于引导或对齐植入物。例如，髋关节假体的对齐能够或者用术前横断面成像（诸如CT扫描）或者通过使用荧光透视术在术中取得平面成像来执行。***能够提供用于例如髋臼帽和股骨干的对齐的轨迹信息。类似地，能够执行膝关节置换的对齐，其中***引导胫骨或者股骨端上的截切。能够在术前在横断面成像上或者在术中在荧光透视图像上进行恰当的规划。能够受益于轨迹可视化的其它关节置换过程包括踝关节、肘关节或肩关节置换。能够通过使用靶向***对齐人造椎间盘，以维持前后取向、侧向取向和/或实际中线位置。对于脊柱融合过程，能够使用靶向***来对齐植入物，诸如接触植骨融合器（contact cage）、骨移植物、颈椎前路钢板、侧脊板、椎弓根螺钉、间部螺钉（pars screw）、小关节面螺钉等。
本文公开的靶向***和方法也能够用于引导其它器械。示例包括导管放置过程，其中刚性或者半刚性导管被指引到解剖目标。而且，能够对于限定的入口、目标和安全轨迹在横断面或平面成像上进行规划。
用于神经外科患者的脑室外引流（EVD）是可以受益于轨迹可视化和规划以避免对关键结构的损伤的导管放置过程的示例。刚性内窥镜的端口规划是外科器械的轨迹可视化的另一示例。取决于内窥镜端口的放置和轴的角度，通过刚性内窥镜的视野能够是非常不同的。对于髋关节或膝关节范围，能够在横断面或平面成像上提前规划理想视野。然后能够计算内窥镜轨迹并且准确地标记进入端口。
本文公开的靶向***和方法也能够与超声探头一起使用，以整合多种成像模式。这允许用户利用针对给定过程的最佳的组织可视化。例如，能够经由X射线或者CT扫描上的骨标志进行初始规划。一旦限定轨迹，就能够在超声探头的中央轴线直接沿着所规划轨迹的情况下进一步通过使用该超声探头使沿该轨迹的软组织可视化。
本文公开的靶向***和方法也能够用于现有的成像引导***。激光器模块和控制器可以以各种方式安装，包括但不限于：在图像引导***的摄像机上、在固定的支撑结构外部、直接在患者上等等。控制器可以与图像引导***界面连接。软件集成可以允许图像处理终端（对于基于光学的***而言，这通常是连接到摄像机的工作站）被用于规划轨迹和激光器位置计算。然后可以将数据输出到控制单元以操纵光源到其最终位置。在这种构造中，靶向***可以增强现有的图像引导***的功能同时确保外科医生总是“眼睛在患者上”。
此外，本文公开的靶向***和方法能够用于多种机器人辅助过程。这可以帮助外科医生或者外科队伍使所规划的轨迹可视化，特别是在必须手动执行特定步骤的情况中。能够在机器人臂定位之外通过使用靶向***来进行手动步骤以改善精确性和速度。
替代性地，本文描述的靶向***可以安装在机器人臂的端部上。机器人臂能够被用于将靶向***定位在最佳位置。激光器的旋转（例如，滚动和偏航）可以允许额外自由度来定位机器人臂，使得在维持轨迹可视化精确性的同时其将不阻碍用户。示例包括机器人辅助的髋关节置换，其中在进行特定步骤（例如，髋臼的扩孔）前能够投射轨迹线。外科医生能够在机器人臂不阻碍视线的情况下视觉地确认轨迹。然后能够将钻孔器附接到机器人臂或者外科医生能够在理想轨迹直接可视化的情况下手动地进行扩孔过程。而且，机器人辅助的髋关节置换在此被用于说明构思，而且能够被概括成任意机器人辅助的过程或方法。
本文公开的靶向***和方法也能够被用于非医疗应用以提供轨迹可视化。示例包括牙科应用，诸如种植桩对齐。能够执行术前取得的全景X射线或聚焦的CT扫描，并且能够基于从X射线或CT扫描获得的图像进行规划。一旦轨迹被规划，就能够使用安装在X射线臂或患者上的靶向***使轨迹可视化。其它的牙科过程包括限定根管轨迹和寻找牙折。
本文公开的靶向***和方法能够进一步扩展到不能够使某些制造过程完全自动操作的工业应用。在需要操作者来执行任务并且轨迹对齐是关键的情形下，靶向***能够被用于提供轨迹可视化。靶向***能够被用于诸如钻孔、焊接、精整和紧固的手动过程，以将工具与预定轨迹对齐，以改善成品的品质。
权利要求不应该被解释为包括手段加功能或步骤加功能的限定，除非这样的限定在给定权利要求中通过分别使用“用于……的手段”或“用于……的步骤”被明确地表述。术语"被联接"限定为被连接，不过不必须是直接地，并且不必须是机械地。当在权利要求和/或说明书中结合术语“包括”使用词语"一"或者"一个"可以意味着“一个”，不过也符合“一个或多个”或“至少一个”的含义。术语"大约"总体上意味着所陈述的值加或减5%。在权利要求中使用术语"或者"被用于意味着"和/或"，除非明确表明仅指代二者之一或者二者间是相互排他的，不过本公开支持仅指代二者之一和"和/或"的限定。
术语"包括"（和包括的任意形式，诸如“包括了”和“包括着”）、"具有"（和具有的任意形式，诸如“具有了”和“具有着”）、"包含"（和包含的任意形式，诸如“包含了”和“包含着”）和"含有"（和含有的任意形式，诸如“含有了”和“含有着”）是开放型连系动词（linking verb）。因此，"包括"、"具有"、"包含"或者"含有"一个或多个步骤或者元件的方法或者装置拥有那些一个或多个步骤或者元件，但不限于仅拥有那些一个或多个元件。类似地，"包括"、"具有"、"包含"或者"含有"一个或多个特征的方法的步骤或装置的元件拥有那些一个或多个特征，但不限于仅拥有那些一个或多个特征。此外，以特定方式构造的装置或者结构至少以该方式构造，但是也可以以未列出的方式被构造。
在前述的具体实施方式中，出于简化公开的目的，各种特征在若干示例中被集合在一起。公开的这种方法不应该被解释成反映出本发明需要多于每个权利要求中所明确叙述的特征的特征的意图。而是，如以下权利要求所反映的那样，创造性主题存在于少于单个公开示例的所有特征。因此，以下权利要求特此结合于具体实施方式，并且每个权利要求独立作为单独的示例。
本文公开的任意方法包括用于执行所述方法的一个或多个步骤或动作。方法步骤和/或动作可以彼此互换。换言之，除非对于实施例的恰当操作需要特定次序的步骤或动作，否则可以修改特定步骤和/或动作的次序和/或使用。
贯穿本说明书，提及“一种实施例”或“该实施例”意味着结合该实施例描述的具体特征、结构或特性被包括在至少一种实施例中。因此，如贯穿本说明书叙述的那样，所引用的短语或其变型不必须全部指的是相同的实施例。
类似地，应该认识到在对实施例的以上描述中，出于简化本公开的目的，有时各种特征被集合在单个实施例、附图或其描述中。不过，公开的这种方法不应该被解释成反映出任何权利要求需要多于该权利要求中明确叙述的特征的特征的意图。而是，如以下权利要求所反映的那样，创造性方面存在于少于任意单个前文所公开的实施例的全部特征的组合。因此，本具体实施方式之后的权利要求特此明确地结合于本具体实施方式，并且每个权利要求独立地作为单独实施例。本公开包括独立权利要求及其从属权利要求的所有置换。
在权利要求中关于特征或元件对术语"第一"的叙述不必须表示存在第二或者额外的这种特征或者元件。以手段加功能格式叙述的元件旨在根据美国35 U.S.C §112第6段来解释。本领域技术人员将显而易见到，在不背离本发明的基本原理的情况下，可以对上文描述的实施例的细节作出改变。
虽然已经示出并且描述了本发明的具体实施例和应用，但是应该理解的是，本发明不限于本文所公开的准确构造和部件。在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对本文所公开的本发明的方法和***的布置、操作和细节作出本领域技术人员将显而易见到的各种修改、改变和变型。

Claims (20)

1. 一种用于为医疗器械提供轨迹的可视化的靶向***，该靶向***包括：夹具，其包括将所述夹具相对于患者固定在预定部位的第一附接特征；附接到所述夹具的第一光源，其中所述第一光源沿第一平面投射第一光；以及附接到所述夹具的第二光源，其中所述第二光源沿不平行于所述第一平面的第二平面投射第二光，使得在所述第一平面与所述第二平面相交处，所述第一光和所述第二光协作以产生表明所述轨迹的第一靶向线。
2. 根据权利要求1所述的靶向***，还包括：相对于所述第一光源在已知位置处固定到所述夹具的摄像机，其中所述摄像机捕捉表明所述第一光从患者的解剖特征的反射的图像数据；以及控制器，所述控制器接收所述图像数据以生成所述解剖特征的三维图，并且基于所述三维图确定在所述第一靶向线表明所述轨迹的情况中，所述第一光源相对于所述夹具的第一取向和所述第二光源相对于所述夹具的第二取向。
3. 根据权利要求1所述的靶向***，其中，所述第一附接特征包括形状适合于安放在所述患者上的第一部位上的第一足部，其中所述夹具还包括：形状适合于安放在所述患者上的第二部位上的第二足部；以及形状适合于安放在所述患者上的第三部位上的第三足部。
4. 根据权利要求3所述的靶向***，其中，所述医疗器械被构造成沿所述轨迹***所述患者体内，其中所述夹具被构造成使得所述第一足部、所述第二足部和所述第三足部以促进所述第一足部在所述第一部位处的放置、所述第二足部在所述第二部位处的放置和所述第三足部在所述第三部位处的放置的方式间隔分开。
5. 根据权利要求1所述的靶向***，其中，所述夹具的形状适合于固定到医疗成像装置的活动成像部件，其中所述第一光源和所述第二光源定位在所述夹具上的不同位置处。
6. 根据权利要求1所述的靶向***，其中，所述第一光源包括第一激光器并且所述第二光源包括第二激光器；其中，所述第一光包括对应于电磁光谱的可见部分内的第一颜色的第一波长；其中，所述第二光包括对应于所述电磁光谱的所述可见部分内的第二颜色的第二波长；其中，所述第二波长不同于所述第一波长并且所述第二颜色不同于所述第一颜色。
7. 根据权利要求6所述的靶向***，其中所述第一激光器能够调整地附接到所述夹具，使得所述第一激光器的第一滚动设定、第一俯仰设定和第一偏航设定中的至少一个的调整是能够调整的，以相对于所述夹具调整所述第一平面的第一取向；其中所述第二激光器能够调整地附接到所述夹具，使得所述第二激光器的第二滚动设定、第二俯仰设定和第二偏航设定中的至少一个的调整是能够调整的，以相对于所述夹具调整所述第二平面的第二取向。
8. 根据权利要求7所述的靶向***，其中，所述第一滚动设定、第一俯仰设定和所述第一偏航设定中的至少两个是能够调整的，并且所述第二滚动设定、第二俯仰设定和所述第二偏航设定中的至少两个是能够调整的。
9. 根据权利要求8所述的靶向***，其中，所述第一激光器结合在第一光模块中，所述第一光模块包括所述第一激光器和能够操作成使所述第一激光器运动以调整所述第一滚动设定、所述第一俯仰设定和所述第一偏航设定中的至少两个的第一组马达；其中，所述第二激光器结合在第二光模块中，所述第二光模块包括所述第二激光器和能够操作成使所述第二激光器运动以调整所述第二滚动设定、所述第二俯仰设定和所述第二偏航设定中的至少两个的第二组马达。
10. 根据权利要求9所述的靶向***，还包括连接到所述第一组马达和所述第二组马达的控制器，其中所述控制器接收所述轨迹并且基于所述轨迹向所述第一组马达传送第一信号以控制所述第一滚动设定、所述第一俯仰设定和所述第一偏航设定中的至少两个，并且向所述第二组马达传送第二信号以控制所述第二滚动设定、所述第二俯仰设定和所述第二偏航设定中的至少两个。
11. 根据权利要求10所述的靶向***，还包括医疗成像装置，所述医疗成像装置捕捉所述患者的至少一个图像、接收所述轨迹并且向所述控制器传送所述轨迹。
12. 根据权利要求1所述的靶向***，还包括：附接到所述夹具的第三光源，其中所述第三光源沿不平行于所述第一平面和所述第二平面的第三平面投射第三光，使得所述第一光源、所述第二光源和所述第三光源中的任意两个能够操作成产生所述第一靶向线。
13. 根据权利要求1所述的靶向***，还包括：附接到所述夹具的第三光源，其中所述第三光源沿第三平面投射第三光；以及附接到所述夹具的第四光源，其中所述第四光源沿不平行于所述第三平面的第四平面投射第四光，使得在所述第三平面与所述第四平面相交处，所述第三光和所述第四光协作以与所述第一靶向线的产生同时地产生第二靶向线。
14. 根据权利要求1所述的靶向***，还包括可视化辅助件，其包括：可视化表面，所述第一靶向线投射在所述可视化表面上；以及引导表面，所述引导表面被定位成使得在所述第一靶向线被投射到所述可视化表面上的情况下，所述医疗器械能够沿所述引导表面滑动以沿所述轨迹运动。
15. 一种用于为医疗器械提供轨迹的可视化的方法，所述方法包括：使第一光源定向为第一取向；使第二光源定向为第二取向；使用所述第一光源沿第一平面投射第一光；使用所述第二光源沿第二平面投射第二光；以及在所述第一平面与所述第二平面相交处，产生表明相对于患者的所述轨迹的靶向线。
16. 根据权利要求15所述的方法，还包括，在使所述第一光源定向之前且在使所述第二光源定向之前：捕捉患者的至少一个图像；以及基于所述至少一个图像，建立所述轨迹。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一光源结合在第一光模块中，所述第一光模块包括所述第一光源和能够操作成使所述第一光源定向的第一组马达；其中，所述第二光源结合在第二光模块中，所述第二光模块包括所述第二光源和能够操作成使所述第二光源定向的第二组马达，所述方法还包括：将所述轨迹传送至连接到所述第一组马达和所述第二组马达的控制器；在所述控制器中，基于所述轨迹确定所述第一取向和所述第二取向；以及使用所述控制器，将第一信号传送至所述第一组马达，以在所述第一取向处发起所述第一光源的定向；以及使用所述控制器，将第二信号传送至所述第二组马达，以在所述第二取向处发起所述第二光源的定向。
18. 根据权利要求15所述的方法，还包括：定位可视化辅助件；其中投射所述第一光包括将第一线投射在所述可视化辅助件的可视化表面上；其中投射所述第二光包括将第二线投射在所述可视化辅助件的可视化表面上；其中产生所述靶向线包括在所述第一光的投射期间和在所述第二光的投射期间将所述可视化辅助件定向成引导取向，使得所述第一线和所述第二线会聚以限定所述靶向线。
19. 根据权利要求18所述的方法，还包括，在所述可视化辅助件以所述引导取向定向的情况下，通过使所述医疗器械沿所述可视化辅助件的引导表面滑动来沿所述轨迹***所述医疗器械。
20. 一种用于为医疗器械提供轨迹的可视化的靶向***，所述靶向***包括：夹具，其包括将所述夹具相对于患者固定在预定部位处的第一附接特征；附接到所述夹具的第一光模块，所述第一光模块包括：沿第一平面投射第一光的第一光源；以及能够操作成使所述第一光源运动以调整所述第一光源的第一滚动设定、第一俯仰设定和第一偏航设定中的至少两个的第一组马达；附接到所述夹具的第二光模块，所述第二光模块包括：沿第二平面投射第二光的第二光源；以及能够操作成使所述第二光源运动以调整所述第二光源的第二滚动设定、第二俯仰设定和第二偏航设定中的至少两个的第二组马达；连接到所述第一组马达和所述第二组马达的控制器，其中所述控制器接收所述轨迹并且基于所述轨迹，向所述第一组马达传送第一信号以控制所述第一滚动设定、所述第一俯仰设定和所述第一偏航设定中的至少两个，并且向所述第二组马达传送第二信号以控制所述第二滚动设定、所述第二俯仰设定和所述第二偏航设定中的至少两个；以及可视化辅助件，其包括：可视化表面，响应于所述可视化辅助件以引导取向定向，在所述第一平面与所述第二平面相交处，靶向线投射在所述可视化表面上；以及引导表面，其被定位成使得在所述靶向线投射在所述可视化表面上的情况下，所述医疗器械能够沿所述引导表面滑动以沿所述轨迹运动。
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