CN106999247A - 用于执行导航外科手术过程的跟踪标记支承结构以及采用其的表面配准方法 - Google Patents

用于执行导航外科手术过程的跟踪标记支承结构以及采用其的表面配准方法 Download PDF

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Abstract

提供了用于促进表面成像***的配准和校准的装置和方法。描述了跟踪标记支承结构，其包括一个或多个基准参考标记，其中跟踪标记支承结构配置成可移除地且牢固地附接到患者的骨骼区域。提供了跟踪标记支承结构在预先选定的定向上附接到骨骼区域的方法，从而建立与患者的术中位置相关联的术中参考方向，其用于引导术中获取的表面数据与体积图像数据之间的初始配准。在其他示例性实施方式中，跟踪标记支承结构可以用于评估跟踪***与表面成像***之间的校准变换的有效性。还提供了示例性方法来检测跟踪标记支承结构在手术期间是否已从其初始位置移动。

Description

用于执行导航外科手术过程的跟踪标记支承结构以及采用其 的表面配准方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年9月24日提交的题为“用于执行导航外科手术过程的跟踪标记支承结构以及采用其的表面配准方法”的第62/054,784号美国临时申请的优先权，该美国临时申请的全部内容通过引用并入本文。
背景技术
外科手术导向使外科医生能够在外科手术过程中相对于人体定位手术器械的位置，而无需完全的视觉访问。外科手术导向常规地用于涉及解剖学位置(诸如脊柱、大脑、髋部或其他器官)的外科手术中。
一般来说，外科手术导向包括两个步骤：第一步骤包括获取身体的相关解剖区域的三维(3D)数据集。此步骤可以涉及单个或多个成像模式，诸如计算机断层扫描(CT)、磁共振断层扫描(MRT)、正电子发射断层扫描(PET)和超声(US)。3D数据集可以在外科手术过程之前和/或期间获取。在第二步骤中，在外科手术过程中追踪身体的空间位置和外科手术器械与解剖区域的位置的空间关系。随后使用特定的图像配准技术将此解剖区域的空间位置映射到其3D数据集。在配准后，外科医生正在使用的外科手术器械的空间位置可以相对于解剖区域的先前获得的3D数据集来显示。外科手术导向***通常与参考结构的使用结合，参考结构固定到患者以跟踪患者运动和呼吸，以使得工具跟踪在手术过程中保持准确。
在一些应用中，基于光学的***用于在外科手术过程中跟踪工具的空间位置和参考系。这些***基于两个摄像机，两个摄像机检测附接到跟踪的外科手术器械的至少三个标记的位置，并且需要从摄像机到标记的视线(例如，安装有LED或者安装有反射探针)。这需要仔细定位摄像机并设计跟踪仪器，以使得在外科手术过程中维持视线。
发明内容
提供了用于促进表面成像***的配准和校准的装置和方法。描述了跟踪标记支承结构，其包括一个或多个基准参考标记，其中跟踪标记支承结构被配置成可移除地且牢固地附接到患者的骨骼区域。提供了一种方法，其中跟踪标记支承结构在预先选定的定向上附接到骨骼区域，从而建立与患者的术中位置相关联的术中参考方向，其用于引导术中获取的表面数据与体积图像数据之间的初始配准。在其他示例性实施方式中，跟踪标记支承结构可以用于评估跟踪***与表面成像***之间的校准变换的有效性。还提供了示例性方法以用于检测跟踪标记支承结构在手术期间是否已从其初始位置移动。
因此，在第一方面中，提供了一种在术中配准表面数据与体积图像数据的方法，该方法包括：
利用跟踪***检测与位于跟踪标记支承结构上的基准标记相关联的信号，其中跟踪标记支承结构在相对于骨骼特征的预先选定的定向上可移除地附接到受试者的骨骼特征；
处理信号并采用预先选定的定向来确定与受试者的术中位置和定向相关联的术中参考方向；
从感兴趣的手术区域在术中获取表面数据；以及
当将表面数据配准到体积图像数据时，采用术中参考方向。
在另一方面，提供了一种评估表面成像***与跟踪***之间的先前确定的校准变换的有效性的方法，该方法包括：
利用跟踪***检测与位于跟踪标记支承结构上的基准标记相关联的信号，其中跟踪标记支承结构可移除地附接到患者，以及使用表面成像***获取表面数据，其中表面数据从包括跟踪标记支承结构的至少一部分的空间区域获得；
处理信号以确定跟踪标记支承结构的位置和定向；
基于跟踪标记支承结构的术中位置和定向，并且基于表面成像***的参考系与跟踪***的参考系之间的先前确定的校准变换，在表面成像***的参考系中确定与跟踪标记支承结构相关联的空间子区域；
对空间子区域内的表面数据分段以获得与跟踪标记支承结构相关联的分段表面；
将分段表面配准到表征跟踪标记支承结构的表面的参考表面数据，由此获得空间配准的参考表面；以及
采用空间配准的参考表面来评估先前获得的校准变换的有效性。
在另一方面，提供了一种用于相对于暴露的椎骨定位基准标记的装置，该装置包括：
一对夹钳，具有与其相关联的纵向轴线；
一对夹爪，位于夹钳的远侧区域附近，其中夹爪被配置成当将力施加到夹钳时与棘突的相对侧接触；
锁定机构，其可操作地连接到夹钳，以用于将夹钳可移除地维持在夹紧配置中；以及
跟踪框架，具有在远离夹爪的位置处连接到夹钳的近端，其中跟踪框架在其远侧区域附近支承基准标记；
其中夹钳从夹爪延伸，以使得当夹爪夹紧到棘突时，与夹钳相关联的纵向轴线相对于与受试者相关联的前后法线方向成角度，其中法线方向位于矢状平面中并且垂直于脊柱的上下方向，以使得与骨骼特征相邻的骨骼区域不受夹钳阻挡，从而允许骨骼区域的顶部数据获取；以及
其中跟踪框架的至少一部分相对于夹钳的纵向轴线成角度，以使得避免在基准标记与抓握夹钳的使用者之间的接触。
在另一方面，提供了一种用于相对于暴露的椎骨固定基准标记的装置，该装置包括：
一对夹钳，其具有纵向轴线；
一对夹爪，其位于夹钳的远侧区域附近，其中夹爪被配置成当将力施加到夹钳时与暴露的椎骨的棘突的相对侧接触；
锁定机构，其可操作地连接到夹钳，以用于将夹钳可移除地维持在夹紧配置中；以及
跟踪框架，其具有在远离夹爪的位置处连接到夹钳的近端，其中跟踪框架在其远侧区域附近支承基准标记；
其中夹爪的特征在于当夹爪夹紧到棘突时垂直于脊柱的上下方向的法向轴线；
其中夹钳的纵向轴线相对于夹爪的法向轴线成角度，并且使得与骨骼特征相邻的骨骼区域不受夹钳阻挡；以及
其中跟踪框架的至少一部分相对于夹钳的纵向轴线成角度，以使得避免在基准标记与抓握夹钳的使用者之间的接触。
在另一方面，提供了一种用于相对于暴露的椎骨固定基准标记的装置，该装置包括：
一对夹钳，其具有纵向轴线；
一对夹爪，其位于夹钳的远侧区域附近；
跟踪框架，其具有在远离夹爪的位置处连接到夹钳的近端，其中跟踪框架在其远侧区域附近支承基准标记；
锁定机构，其可操作地连接到夹钳，以用于将夹钳可移除地维持在夹紧配置中；
其中夹爪被成形为独特地接触骨骼特征的相对侧，以使得基准标记相对于骨骼特征定向在预先选定的定向上。
在另一方面，提供了一种用于夹紧到棘突的夹紧装置，该装置包括：
一对夹钳，其具有纵向轴线；
一对夹爪，其位于夹钳的远侧区域附近；
锁定机构，其可操作地连接到夹钳，以用于将夹钳可移除地维持在夹紧配置中；
其中每个夹爪包括具有两个共平面的外平坦表面和连接两个外平坦表面的向内指向的表面的夹紧表面，以使得夹爪被配置成用于夹紧到宽范围的棘突几何形状，并且其中外平坦表面和向内指向的表面各自包含尖端。
在另一方面，提供了一种检测跟踪标记支承结构相对于跟踪标记支承结构所附接到的患者的位置和定向的变化的方法，该方法包括：
利用跟踪***检测与位于跟踪标记支承结构上的基准标记相关联的信号，以及使用表面成像***从感兴趣的手术区域获取表面数据；
基于此信号来确定跟踪标记支承结构的当前位置和定向；
从感兴趣的手术区域获得先前测量的表面数据和跟踪标记支承结构的相关联的先前确定的位置和定向；
利用先前获取的表面数据来配准表面数据以获得术中变换；
将术中变换和跟踪标记支承结构的当前位置和定向与跟踪标记支承结构的先前确定的位置和定向之间的转移进行比较，并且确定跟踪标记支承结构的位置和定向相对于患者的变化。
在另一方面，提供了一种对表面数据分段以去除与仪器相关联的表面伪影的方法，该仪器具有附接到其的基准标记，该方法包括：
使用表面成像***从感兴趣的手术区域在术中获取表面数据；
利用跟踪***检测与位于仪器上的基准标记相关联的信号，
处理信号以确定仪器的术中位置和定向；
采用仪器的术中位置和定向，并且采用与跟踪***相关联的参考系和与表面成像***相关联的参考系之间的校准变换，以确定裁剪掩模的适当位置和定向以移除与仪器相关联的表面伪影；以及
对表面数据分段以去除与裁剪掩模相关联的区域内的表面伪影。
附图说明
现在将参考附图仅通过示例来描述实施方式，其中：
图1A示出示例性外科手术导向***的示意图，其包括采用结构化光表面检测以用于具有标记附接件的医疗仪器和医疗装置的图像配准和光学跟踪的架空集成跟踪***。
图1B是示出包括控制和处理单元的各种示例性部件的示例性***配置的框图。
图2示出示例性框图，该框图示出跟踪标记支承结构的部件。
图3A和图3B提供了跟踪标记支承结构的示例性实施方式的(A)等距视图和(B)俯视图。
图4和图5分别提供了使用示例性跟踪标记支承结构以用于将跟踪标记支承结构夹紧在预先配置的定向中的侧视图和顶视图。
图6A和图6B示出采用弹簧锁定机构的跟踪标记支承结构的示例性实施方式，其中图6B提供了弹簧锁定机构的详细视图。
图7A和图7B示出采用翼形螺钉机构的跟踪标记支承结构的示例性实施方式，其中图7B提供了翼形螺钉机构的详细视图。
图8A和图8B示出采用翼形螺钉机构的跟踪标记支承结构的替代示例性实施方式，其中图8B提供了翼形螺钉机构的详细视图。
图9A至图9I示出由夹持机构采用的夹爪的不同示例性实施例。
图10A至图10H示出基于弯曲板的夹爪的另外的示例性实施例。
图11A是示出采用跟踪标记支承结构来支持术中获取的表面数据与体积(例如，操作前获取的)图像数据的配准的示例性方法的流程图。
图11B是示出采用跟踪标记支承结构来支持术中获取的表面数据与多个椎骨水平的体积图像数据的配准的示例性方法的流程图。
图12A示出可以用于获得关于患者的术中位置的信息的示例性屏幕截图。
图12B至图12I示出不同裁剪掩模的使用，这些裁剪掩模可以用于在空间区域内或者与跟踪标记支承结构的附接位置相关联的规定距离内对表面进行分段。
图13A示出采用跟踪标记支承结构来进行跟踪***与表面成像***之间的先前确定的校准变换的有效性的术中评估的示例性方法。
图13B和图13C示出使用裁剪掩模以用于当执行主动校准时，对与跟踪标记支承结构相关联的表面进行分段。
图14A至图14E示出主动校准过程，其中采用跟踪标记支承结构来验证跟踪***与表面成像***之间的校准变换。
图15示出跟踪标记支承结构的示例性实施例，其包含具有提供用于配准过程的附加非对称表面的特征结构的附加表面。
图16详细列举示例性跟踪标记支承结构的特征特性和相关联的设计约束。
图17示出用于脊柱手术的导航的示例性跟踪标记支承结构的通用轮廓，从而识别一组特征几何参数。
图18提供了图17中识别的特征几何参数的尺寸的示例性值。
图19A至图19D示出基于图16所示的特征集并且涉及颅骨和/或颌面外科实施方式应用的跟踪标记支承结构的示例性实施例。
图19E示出用于颅骨和/或颌面外科手术的导航的示例性跟踪标记支承结构的通用轮廓，从而识别一组特征几何参数。
图19F提供了图19E中识别的特征几何参数的尺寸的示例性值。
图20示出流程图，该流程图示出一种示例性方法，其中基于表面成像的外科手术导向***被用来检测跟踪标记支承结构是否已经在术中从其初始位置凸起或移动。
图21是示出基于可能存在于表面成像***的视场内的工具或仪器的已知属性来执行选择性表面分段的这种示例性方法的流程图。
图22A至图22D示出基于图16所示的特征集并且涉及基于颅骨的外科手术的跟踪标记支承结构的示例性实施例。
图22E示出用于基于颅骨的外科手术的导航的示例性跟踪标记支承结构的通用轮廓，从而识别一组特征几何参数。
图22F提供了图22D中识别的特征几何参数的尺寸的示例性值。
具体实施方式
将参照下面讨论的细节来描述本公开的各种实施方式和方面。以下描述和附图是对本公开内容的说明，而不应被解释为限制本公开。描述了许多具体细节以提供对本公开的各种实施方式的透彻理解。然而，在某些情况下，未描述公知的或常规的细节，以便提供本公开的实施方式的简明讨论。
如本文所使用的，术语“包括(comprises)”和“包括(comprising)”应被解释为包含性的和开放式的，而不是排他性的。具体地，当在说明书和权利要求书中使用时，术语“包括(comprises)”和“包括(comprising)”及其变型是指包括指定的特征、步骤或部件。这些术语不应被解释为排除其他特征、步骤或部件的存在。
如本文所使用的，术语“示例性”是指“用作示例、例子或说明”，并且不应被解释为比本文公开的其他配置优选或有利。
如本文所使用的，术语“约”和“近似”意在覆盖可能存在于值的范围的上限和下限中的变化，诸如性质、参数和尺寸的变化。除非另有说明，否则术语“约”和“近似”意味着加上或减去25％或更少。
应当理解，除非另有说明，否则任何指定的范围或组都可以作为单独地涉及范围或组中的每一个成员以及其中包含的每一个可能的子范围或子组以及类似地关于其中的任何子范围或子组的简写方式。除非另有说明，本公开涉及并明确地包含每个具体成员以及子范围或子组的组合。
如本文所使用的，当与数量或参数结合使用时，术语“大约”是指跨越所述数量或参数的近似十分之一到十倍的范围。
除非另外定义，否则本文所用的所有技术和科学术语旨在具有与本领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。除非另外指明，诸如通过上下文，否则如本文所用的，以下术语旨在具有以下含义：
如本文所使用的，术语“位置”是指坐标系内的三维(3D)中的物体的位置(例如，x、y、z)及其(例如相对于一个或多个旋转轴的)定向。
如本文所使用的，术语“跟踪***”是指允许在三维中检测物体的位置的***。跟踪***的示例是利用可见光或红外光操作的光学跟踪***，其可以采用立体摄像机来检测无源光学标记(例如反射球体)和/或有源光学标记(例如发光二极管(LED))的位置。跟踪***的其他非限制性示例包括电磁跟踪***和表面成像跟踪***。
如本文所使用的，术语“标记”是指定位指示器，该定位指示器可以固定至或以其他方式连接至外科手术***或外科手术领域的柔性或刚性手持式器具、患者、受试者、仪器、工具或其他部件并且可以通过跟踪***来检测以在确定位置中使用。标记可以是有源的或无源的，并且可以使用光学或电磁检测器来检测。示例性光学无源标记是反射球体或其一部分，并且示例性有源光学标记是LED。标记的另一示例是标志符号，其可以包含用于确定三维位置和定向的足够的空间和/或几何共面特征。例如，标志符号标记可以包括至少三个角部特征，其中三个角部特征限定平面。
如本文所使用的，术语“表面成像***”是指在视场内检测3D表面的拓扑(例如获取描述表面拓扑的一组表面数据)的***。表面成像技术的示例包括结构光照明、激光测距和摄影测量。
如本文所使用的，术语“校准变换”是指涉及表面成像***的坐标系到跟踪***的坐标系的变换。术语“最后校准变换”是指***的最后有效或正确的校准变换。最后的校准可以在最后的服务维护期间或者由***本身使用验证步骤来确定。
如本文所使用的，术语“跟踪标记支承结构”是指包括用于术中跟踪的一个或多个基准或参考标记的刚性结构，其被配置成牢固地附接到受试者(例如椎骨或头部)，例如以便进行配准过程。
图1A示出用于在脊柱外科手术期间跟踪医疗器械相对于患者解剖结构的术中位置的外科导向***的示例的图示。患者10被示出为处于俯卧(面朝下)位置，其中脊柱15暴露出来。虽然本示例性***采用了光学跟踪***和结构化光表面成像***的组合，但是应当理解，可以采用其他类型的跟踪***(即非光学跟踪***)，并且可以采用其他类型的表面成像***(即除了采用结构光之外的***)。
光学跟踪子***用于检测医疗器械40的位置。在图1所示的示例性实施方式中，光学跟踪子***包括具有集成红外照明25的立体摄像机和附接到医疗器械40的高反射标记65。由于标记65对红外光的高反射率，标记65可以容易地定位在两个摄像机25的每个图像中。这些图像位置被用于通过几何三角测量来计算每个标记65的3D位置。如果至少三个标记65被刚性地附接到医疗器械40，那么可能计算其位置(六自由度—6-DOF)。应当理解，在一些实施方式中，可以采用少于三个标记来进行位置跟踪。例如，可以提供用于位置跟踪的单个标记，只要单个标记包括足够的空间结构和/或内容。这种单个标记的示例是包括共面空间特征(诸如角部或边缘特征)的标志符号。
在本文提供的示例性图示中，用于光学跟踪***的标记65被示出为反射球，其通常用于无源光学跟踪。然而，可以取决于所使用的跟踪***来使用任何其他类型的标记或标记属性，例如但不限于LED(其不需要集成额外的照明)、反射球、标志符号、变化的标记颜色、变化的标记大小、变化的标记形状。
示例性实施方式中所示的结构化光成像子***用于生成表面数据集。它包括至少一个照明装置30和至少一个摄像机35。当摄像机35捕获被照明表面的图像时，照明装置30将时间和/或空间调制的光投影到将要成像的表面上。这种有源照明使得能够鲁棒且有效地识别校准的摄像机投影仪(投影仪可以被认为是反摄像机)或校准的摄像机-摄像机***之间的像素对应关系。随后可以通过几何三角测量将对应关系(差异)数据转换成校准的摄像机35和/或投影仪30的坐标系中的现实空间坐标数据。在外科手术期间，结构化光成像***被定位成使得外科手术部位的3D表面(例如，暴露的脊柱15的骨表面)被获取。随后通过处理单元50使用例如第PCT/CA2011/050257号国际专利申请中描述的方法来将所创建的3D表面的虚拟表示配准到体积图像数据(例如CT、MRI、US、PET等)。体积图像数据可以预操作地获取，但不一定是在操作前获取的。例如，在一些应用中，体积图像数据也可以在术中获取。
图1B提供了示出用于表面成像的***的示例性实施例的框图。体积数据95被提供给控制和处理单元50，以用于配准到术中获得的表面数据。表面成像***92扫描物体1000，并且将表面拓扑数据提供给控制和处理单元50，表面拓扑数据与体积图像数据95配准。跟踪***94被用于跟踪外科手术器械和跟踪标记支承结构的位置和定向，如下所述。在表面成像***92与跟踪***94的参考系之间确定校准变换。
表面成像***92可以是用于使用光学辐射或声波(例如超声波)来检测、测量、成像或以其他方式确定一个或多个物体的表面拓扑的任何合适的***。合适的光学装置的非限制性示例包括激光测距仪、摄影测量***和结构光成像***，其将表面拓扑检测光投射到感兴趣的区域上，并且检测从感兴趣的区域散射或反射的表面拓扑光。检测到的光信号可以用于生成包括点云或网格的表面拓扑数据集。使用声波来确定表面拓扑的其他示例可以包括超声检查。
图1B还提供了控制和处理单元50的示例性实施例，其包括一个或多个处理器70(例如，CPU/微处理器或图形处理单元，或者中央处理单元或图形处理单元的组合)、总线72、存储器74(其可以包括随机存取存储器(RAM)和/或只读存储器(ROM))、一个或多个内部存储装置76(例如硬盘驱动器、光盘驱动器或内部闪存)、电源84、一个或多个通信接口80、外部存储装置86、显示器78和各种输入/输出装置和/或接口82(例如，接收器、发射器、扬声器、显示器、诸如在数字静态摄像机或数字视频摄像机中使用的成像传感器、时钟、输出端口、用户输入装置(诸如键盘、小键盘)、鼠标、位置跟踪电子笔、位置跟踪探针、脚踏开关和/或用于捕获语音命令的麦克风)。
控制和处理单元50可以利用包含可执行指令的程序、子例程、应用程序或模块来编程，可执行指令当由处理器执行时，引起***执行本公开中描述的一种或多种方法。这类指令可以存储在例如存储器74和/或内部存储装置76中。具体地，在示出的示例性实施方式中，配准模块88包括用于生成执行图像配准的可执行指令。例如，配准模块88可以包括用于执行本文公开的方法的可执行指令，诸如图11A、图11B、图13A、图20和图21所示的方法。
尽管在图1B中仅示出每个部件中的一个，但是在控制和处理单元50中可以包括任何数量的每个部件。例如，计算机通常包含多个不同的数据存储介质。此外，虽然总线72被描绘为所有部件之间的单个连接，但是应当理解，总线72可以表示链接两个或更多个部件的一个或多个电路、装置或通信信道。例如，在个人计算机中，总线72通常包括母板或者是母板。控制和处理单元50可以包括比所示更多或更少的许多部件。
在一个实施方式中，控制和处理单元50可以是或包括通用计算机或任何其他硬件等同物。控制和处理单元50还可以被实现为通过一个或多个通信信道或接口而联接到处理器70的一个或多个物理装置。例如，可以使用专用集成电路(ASIC)来实现控制和处理单元50。可替代地，控制和处理单元50可以被实现为硬件和软件的组合，其中软件从存储器或通过网络连接而被加载到处理器中。例如，图1A中的可实现各种***之间的信号或数据的通信的各种部件和/或模块之间的连接可以是直接连接，诸如总线或物理电缆(例如用于递送电信号或光信号)，诸如LAN或WAN连接，或者可以是无线连接，例如作为光传输模式或者无线传输模式，诸如Wifi、NFC或
虽然已经在全功能计算机和计算机***的上下文中描述了一些实施方式，但是本领域技术人员将理解，各种实施方式能够作为各种形式的程序产品来分配，并且能够被应用而不管用于实际影响分配的特定类型的机器或计算机可读介质。
计算机可读介质可以用于存储软件和数据，当软件和数据由数据处理***执行时，其引起***执行各种方法。可执行软件和数据可以存储在包括例如ROM、易失性RAM、非易失性存储器和/或高速缓存的各种位置中。这种软件和/或数据的部分可以存储在这些存储装置中的任何一个中。一般来讲，机器可读介质包括以机器(例如，计算机、网络装置、个人数字助理、制造工具、具有一组一个或多个处理器的任何装置等)可访问的形式提供(即，存储和/或发送)信息的任何机制。
除了其他之外，计算机可读介质的示例包括但不限于可记录和不可记录类型的介质，诸如易失性和非易失性存储装置、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪速存储装置、软盘和其他可移动磁盘、磁盘存储介质、光学存储介质(例如，光盘(CD)、数字通用盘(DVD))等)。指令可以体现在用于电、光、声或其他形式的传播信号(诸如载波、红外信号、数字信号等)的数字和模拟通信链路中。如本文所使用的，短语“计算机可读材料”和“计算机可读存储介质”是指除了瞬时传播信号本身之外的所有计算机可读介质。
本公开的一些方面可以至少部分地体现在软件中。也就是说，这些技术可以在计算机***或其他数据处理***中响应于其处理器(诸如微处理器)来执行，从而执行包含在诸如ROM、易失性RAM、非易失性存储器、高速缓存、磁盘和光盘或远程存储装置的存储器中的指令序列。此外，指令可以以编译和链接版本的形式通过数据网络下载到计算装置中。可替代地，执行如上讨论的过程的逻辑可以在附加的计算机和/或机器可读介质中实现，诸如作为大规模集成电路(LSI)的分立硬件部件、专用集成电路(ASIC)或者固件(诸如电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和现场可编程门阵列(FPGA))。
为了将跟踪数据与用于手术导航的表面数据组合，需要校准过程，校准过程使跟踪***的坐标系与表面成像***的坐标系关联。如果跟踪***和表面成像***的相对位置是固定的，那么可以通过从两个***获得来自校准目标的至少3个点的位置来执行此校准，并且对准这些点来获得校准变换，如第PCT/CA2011/050257号国际专利申请中所描述的。
在替代实施方式中，如第PCT/CA2011/050257号国际专利申请中所公开的，表面成像装置可以具有附接到其上的基准标记，基准标记可以由跟踪***来进行跟踪。在这种配置中，可以使用校准程序来获得从表面***的坐标系到附接的基准标记的校准变换。跟踪***的坐标系与表面成像***之间的校准变换随后随着表面成像装置的位置改变而不断地更新。
在校准之后，跟踪***的坐标系与表面成像***之间的校准变换是已知的。因此，配准表面数据集和体积图像数据等同于在跟踪***的坐标系中识别体积图像数据的位置。因此，然后利用跟踪子***来跟踪的任何医疗器械40可以作为外科手术器械40的覆盖物55在显示器60或其他可视化装置上的配准的3D图像数据上呈现给外科医生。
多种因素可影响校准变换的持续有效性。例如，如果***经受重大的机械冲击，那么表面成像***和跟踪***的相对定位可能稍微偏移。在另一示例中，变换可以取决于其运行的环境温度，并且因此仅在环境温度的指定范围内有效。在这两个示例中，验证校准变换的准确性和/或在使用时产生新的校准变换而不影响外科手术工作流程将是有利的。
尽管以下讨论的大部分假设使用具有两个子***(跟踪和表面成像)的***，但是应注意，可以采用替代***配置来同时执行使用集成***的解剖表面的工具跟踪和获取，例如通过识别工具上的表面拓扑，如在第PCT/CA2011/050257号国际专利申请中所描述的。在另一示例性***配置中，***可以利用一对普通的摄像机来进行工具跟踪(例如通过标志符号或反射球)和表面成像(例如在可见光或IR中)。使用相同的摄像机***来进行工具跟踪和表面成像省略了对上述两种***之间的校准的需要。
为了补偿患者或***运动，使用附接到患者的解剖结构(例如，附接到患者的解剖结构的骨骼特征)的跟踪装置也是有利的。因此，如图1所示，在获取表面数据集时通过跟踪***同时(即在足够小的持续时间内，以排除与患者运动相关联的误差)记录跟踪标记支承结构45的位置。表面数据集被(使用先前获得的校准变换)变换到跟踪***的坐标系，并且随后配准到体积图像数据。外科手术器械相对于体积图像数据的后续跟踪可以相对于所跟踪的跟踪标记支承结构来执行，其中对患者或***运动进行补偿，而不需要连续获取表面数据。
在外科手术过程中，通常优选的是，跟踪标记支承结构45不应阻挡外科医生在外科手术目标上的视线。由外科医生的移动而可能造成的障碍的风险应当最小化，特别是当其他跟踪的医疗器械是在跟踪附接件可能彼此遮蔽的手术领域中时。外科医生能够相对容易地牢固地附接和移除跟踪标记支承结构也是有益的。这对于脊柱外科手术尤为重要，在脊柱外科手术中通常多于一个椎骨使用仪器，并且外科医生意外触摸跟踪标记支承结构而错放的风险很高。此外，为了最小化成本，可重复使用并且可消毒跟踪的标记支承结构45是优选的。这可以通过使用适当的材料(例如不锈钢、碳化钨或钛)来实现。
对于使用跟踪***和表面成像***的组合(如图1所示的示例性***中所示)的手术引导，应当理解，为了获取表面图像数据，跟踪标记支承结构45不应当阻挡结构化光***在外科手术目标上的视线。为了实现与体积图像数据的配准，表面成像***应覆盖感兴趣的解剖部位，其方式为使得特征解剖结构呈现在获取的表面数据中。例如，在导航的脊柱手术中，如果所获取的表面捕获椎板和棘突的表面，以便优化脊柱(椎骨)的特定水平的配准，那么这将有助于配准。然而，跟踪标记支承结构可能阻碍骨表面对表面成像***的可见性。
将跟踪标记支承结构附接到相邻的椎骨层可以避免阻挡视线，但是这可能降低导航的准确性，因为脊柱是柔性的并且椎骨的相对位置可能在获取术前图像和患者在手术台上之间的时间内改变。因此，具有跟踪标记支承结构是有益的，其可以牢固地附接到正在进行手术的椎骨上，同时最小限度地阻挡表面成像***到此椎骨的相关结构的视线。
图2示意性地示出用于外科手术引导的示例性跟踪标记支承结构45，其与用于执行导航的脊柱手术的跟踪***和表面成像***进行组合。示例性跟踪标记支承结构45被示出为包括可移除地附接的夹持机构110，夹持机构110稳固地并且可移除地附接到感兴趣的椎骨，并且避免或减少相对表面(棘突的顶部和椎板)阻挡表面***和外科医生的视线。跟踪标记支承结构45还示出为包括锁定机构120，锁定机构120确保跟踪标记支承结构45保持牢固地附接到椎骨并且可以容易地附接和移除。跟踪标记支承结构45还被示出具有跟踪框架130，跟踪框架130包含基准/跟踪标记，基准/跟踪标记由跟踪***94来跟踪。如上所述，跟踪框架130不应干扰外科医生在椎骨附近使用工具，跟踪标记支承结构45被附接到椎骨。
图3A示出跟踪标记支承结构200的示例性实施例，其符合跟踪和表面成像的组合的上述标准。这种跟踪标记支承结构200基于骨夹设计。跟踪标记支承结构200采用夹钳(其可以被称为一对夹钳)，其包括限定纵向轴线201并且围绕销210枢转的两个构件205，以使得具有尖状部的爪215旋转以夹住棘突。
如图3B所示，锁定机构被可操作地连接到夹钳。在本示例性实施例中，锁定机构包括一系列互锁齿220，互锁齿220与构件205的另一端上的两个把手225配合，以允许外科医生紧固并将跟踪标记支承结构200锁定就位。
如图3A所示，提供了标记附接件230，其包括在其远侧区域附近的跟踪(基准)标记，其中标记附接件230的近端在从夹爪215的位置远离的位置处机械地联接(例如，附接、连接或整体成形)夹钳，以允许跟踪***跟踪跟踪标记支承结构的位置。在本示例性实施例中，跟踪框架被机械地联接到互锁齿220中的一个，但是应当理解，标记附接件230可以被机械地联接到夹钳的其他部分，诸如联接到把手中的一个或者联接到纵向构件205中的一个。在此示例性实施方式中，三个无源反射球被用作标记240以用于跟踪跟踪标记支承结构的位置。然而，如上所述，应当理解，可以采用其他配置和其他类型的基准标记。
为了夹持，外科医生用一只手300握住跟踪标记支承结构200，如图4所示。例如，外科医生可以将拇指310和中指320穿过两个把手225放置。食指330可以用于推靠枢轴销210，这有助于进一步稳定外科医生的手300内的夹具200。
如在图3A和图4中可以清楚地看到的，标记附接件230在朝向患者解剖结构的方向上相对于纵向轴线201成角度，从而确保外科医生的手300在夹紧期间不会接触标记附接件230或标记240。这是跟踪标记支承结构200的有用特征，因为外科医生的手300可能覆盖有血液或其他液体，这可能会阻挡标记物240并引起对跟踪***的干扰。
为了将跟踪标记支承结构200附接到棘突或者与棘突分离，外科医生将使用把手225来调节互锁齿220的夹紧力，并且因此将爪215夹到互锁骨上。这种锁定机构可以允许外科医生在短时间内(例如，小于10秒)改变跟踪标记支承结构200在两个棘突之间的位置。
如图4和图5所示，夹钳的构件205从夹爪215延伸，以使得当夹爪被夹紧到感兴趣的椎骨440的棘突410时，与夹钳相关联的纵向轴线201相对于与受试者相关的前后(AP)方向202成角度，其中法线方向位于矢状平面中并且垂直于脊柱的上下(SI)203方向，以使得邻近骨骼特征的骨骼区域420或430未受夹钳阻挡，从而允许骨骼区域的架空表面数据获取。
在图3A和图4所示的示例性实施方式中，夹爪215的特征在于，当夹钳爪215被夹到棘突410时，法向轴线204被配置成垂直于脊柱的SI方向203。因此，爪215被配置成以预先选定的定向唯一地夹紧到棘突410，以使得夹爪215的法向轴线204与AP方向202重合。因此，将跟踪标记支承结构200附接到患者建立了与患者的术中定向相关联的参考方向。如下所述，可以采用此参考方向来引导由表面成像***在术中获取的表面与体积成像数据之间的初始配准过程。
图5示出牢固地附接到椎骨400的棘突410的示例性跟踪标记支承结构200。在这种配置中，跟踪标记支承结构200不会阻挡外科医生分别到棘突410和左侧椎板420或右侧椎板430上的视线，并且为表面成像***维持清晰的成像区域。此外，具有标记240的标记附接件230对于组合导航***的跟踪部件是清晰可见的。
应当理解，图2所示的锁定机构仅是合适的锁定机构的一个示例，并且可以采用各种可选的锁定机构。例如，图6A示出采用弹簧锁定机构510的跟踪标记支承结构500的示例性实施方式。拉伸弹簧520将两个构件205推在一起，这使枢轴销210的相对侧上的夹爪215变紧。具有标记240的标记附接件230被连接到构件205中的一个。如图6B的更详细的视图所示，拉伸弹簧520具有接纳在拉伸弹簧520内的引导线或销530。引导线530被连接到构件205中的一个上的一个弹簧挡块540，并且穿过另一构件205上的第二弹簧挡块550中的孔或孔口。引导线530上的另一挡块560限制了构件205的可能的移动范围。为了将跟踪标记支承结构500附接到棘突，外科医生通过推动分开把手225来打开夹具并且保持参考部靠近棘突上的期望位置夹持。当把手225被释放时，拉伸弹簧520自动地将跟踪标记支承结构500夹到棘突上。
图7A示出可以用于组合的跟踪和结构化光成像的跟踪标记支承结构600的另一示例性实施例。同样，分别具有用于夹到骨骼上的爪215的两个纵向构件630和640通过枢轴销210连接。在本示例性实施方式中，具有标记240的标记附接件230是构件630中的超过枢轴销210的一个的刚性延伸部。翼形螺钉机构610用于将夹具的夹持部紧固骨骼上或从骨骼松开并且将爪215锁定在适当位置。此机构在图7B中更详细地示出。螺纹心轴660定位在两个圆柱体保持器670之间，圆柱体保持器670通过旋转轴线680连接到夹具的两个构件630和640。外科医生可以使用心轴660上的旋转轮690来附接或分离跟踪标记支承结构600。心轴660上的螺纹是自锁的，以使得当不使用旋转轮690时，跟踪标记支承结构600的附接是固定的。
在替代示例性实施例中，可以将翼形螺钉机构610和夹爪215定位在枢轴销210的相对侧上，而不是将其定位在枢轴销210的同一侧上。例如，在图8A所示的实施方式中，具有跟踪标记支承结构700的标记240的标记附接件230被直接连接到枢轴销210，并且使用狭缝720(详见图8B)将翼形螺钉机构710的旋转轮650进行集成。
上述三个示例性锁定机构(互锁齿、拉伸弹簧和翼形螺钉)允许将跟踪标记支承结构容易、快速且安全地附接到棘突。然而，如上所述，本领域技术人员将理解可以采用类似的锁定机构。
图9A至图9I示出用于夹持机构110(参见图2)的不同的爪215设计，其可以用于例如将跟踪标记支承结构附接到棘突。图9A示出用于夹持诸如在脊柱的腰椎和胸下区域中发现的那些平坦表面的矩形板结构。表面上带有多个锥形尖状物，当爪被压在骨骼上时，这些锥形尖状物增加夹持力。尖状物的数量和位置可以因具体设计而异。在矩形板的短边上与构件205进行连接。然而，应当理解，如果跟踪标记支承结构应当用于较短的棘突，那么也可以在矩形板的长边上进行连接，例如如图9C和图9D所示。
在其他实施方式中，爪可以被构造成包含两个或更多个指状物。例如，图9E和图9F示出两个指状物配置的示例，其更适合于粗糙的骨骼表面。图9G至图9I示出具有四个倾斜尖状物的两个指状物配置的替代示例。
图10A至图10H示出基于弯曲板的另外的示例性爪215设计。如图10A和图10B中示出的示例性成角度的支架夹持板更适合夹持位于脊柱的上胸部和颈部区域中的圆形棘突。
图10C和图10D示出也可以用于脊柱的上胸部和颈部区域的弯曲支架。
图10E至图10H示出多个夹持板配置，其由于平板区域和弯曲或成角度结构的组合而能够在脊柱的任何区域中实现良好的夹持。更具体地，图10F和图10H所示的示例性夹持板(夹爪)配置各自包括共面平坦表面805和810，并且还包括连接两个外部平坦表面805和810的向内指向的表面，以使得夹爪被配置成用于夹紧到宽范围的棘突几何形状。在图10E中，向内指向的表面820由两个平面表面段形成。图10H示出其中向内指向的表面830是弯曲表面的替代实施例。外部平坦表面805和810以及向内指向的表面812和820各自包含尖状物。
应当理解，图9A至图9I和图10A至图10H所示的夹爪配置可以设置有任何类型的外科手术夹紧装置，而不管夹紧装置是否包含跟踪框架。此外，本领域技术人员将理解，除了图9A至图9I和图10A至图10H所示的示例性实施例之外，可以采用多种替代的爪(夹持板)几何形状和配置。
在下面提供的示例性实施方式中，描述了在外科手术引导过程中使用跟踪标记支承结构的示例。然而，应理解，使用跟踪标记支承结构和下文的方法在脊柱外科手术的示例性上下文中解释时，可以适用于并应用在范围广泛的其他外科手术中。下文提供可以受益于使用本文公开的装置和方法的另外的外科手术的示例。
在当前的非限制性示例中，在导航的后路脊柱手术开始时，患者被放置成在手术台上的俯卧(面朝下)配置中(参见图1)并施用麻醉。外科医生从背部接近患者的脊柱，并通过缩回软组织部件而暴露出感兴趣的椎骨的骨表面。
在对患者进行准备时，手术的导航部分开始，这在图11A所示的示例性流程图中示出。在步骤1010中，将跟踪标记支承结构45牢固地附接到待导航的椎骨的棘突中。在步骤1020中，表面成像***(诸如结构化光***)获得椎骨的表面扫描，并且采用跟踪***来使用标记(例如如图3A所示的无源光学基准标记240)的三角测量来记录跟踪标记支承结构45的位置。
在步骤1030中，外科手术导向***可以设置有配准支持信息，其可以促进和/或提高所获取的表面与体积(例如，操作前获取的)图像数据的配准的效率或准确性(如以下进一步详细描述的)。在步骤1040中，配准过程利用获取的可见椎板和/或棘突区域的表面以及配准支持信息来配准体积图像数据(例如，来自CT扫描)。
一旦完成配准，***就可以呈现任何跟踪工具相对于配准的体积图像数据的覆盖图像(如步骤1050中所示)，以便对椎骨上进行的外科手术(例如***椎弓根螺钉)进行导航。跟踪标记支承结构允许外科手术导向***在导航期间检测并补偿椎骨的(由于呼吸、患者移动或***移动而引起的)任何移动，而不需要将另外的表面数据获取以及与体积图像数据配准。在步骤1060中，外科医生从椎骨移除跟踪标记支承结构，并且如果需要可选地重新开始下一个椎骨上的过程。因此该过程可以重复一次或多次以处理一个或多个椎骨层。
图11B示出用于当针对另外的椎骨层重复上述过程时执行配准的示例性方法。在此示例性方法中，重复图10A中所示的对第一棘突进行夹紧和对准的方法。然而，在移除跟踪标记支承结构1060之后，将跟踪标记支承件重新夹紧到第二棘突1015。在步骤1025中，由表面成像***和跟踪***分别记录第二表面扫描和位置。将通过跟踪***在步骤1020中从第一椎骨体获取的位置数据与在步骤1025中从第二椎骨体获取的位置数据进行组合，以计算另外的配准支持数据1035。这种数据的示例包括脊柱的轴向估计(可以用作配准1040的初始条件)以及椎骨体之间的近似间距(可以用于指定配准程序1040的裁剪区域)。应注意，即使跟踪标记支承件没有移动到相邻层，其仍然可以估计椎骨体之间的平均距离，因为标准操作确保外科医生总是(通过用户界面元件)指定他们已经放置夹具的层。
在图11A和图11B中所示的过程的一个示例性实施例中，可以询问外科医生或***操作者以提供配准支持信息。例如，在步骤1030中，可以请求外科医生或***操作者指定术前扫描上的一组匹配的点对和患者身体作为初始信息，以引导配准过程(例如，可以请求并提供三个点对)。例如，可以例如使用触摸患者的解剖结构的跟踪工具来在患者身体上选择点，或者实际上在获得的表面上(无接触配准)选择点。脊柱手术的典型点选择可包括左侧椎板和右侧椎板以及棘突顶部(或在其上方延伸的韧带)中的每一个上的1个点。
在另一个实施方式中，可以在步骤1030中提供并采用一组不同的配准支持信息。例如，一条配准支持信息可以是指定所获取的表面中的特定解剖方向(例如头脚(上下)方向)的信息。
此信息可以通过询问外科医生或操作者来获得，或者例如通过***相对于患者的定位来推断此方向。例如，如果***被定位在手术台的头部附近，那么可以以足够的准确度估计头脚方向以用于配准。图12A示出图形用户界面的示例，其中外科医生或***操作者可以在外科手术开始时指定***的定向。此信息可以在术前成像过程中(其通常存储在数据标头内)与已知患者定位一起用作配准支持信息(即，先验信息)，以支持配准过程。
此外或可替代地，可以在外科手术开始时使用类似于图12A所示的图形用户界面来询问外科医生或***操作者来输入手术特定信息(例如手术类型、患者定位、手术方法或切口定向)。例如，经历后路脊柱外科手术的患者将在手术台上处于俯卧(面朝下)位置，这允许在所获取的表面中推断前后方向(因为***总是位于患者上方)。此信息可以可替代地基于预定的外科手术计划来获得。
配准支持信息的另一种形式可以是在术前扫描和患者身体或获得的表面上选择的一个匹配点对。匹配点对的方便点可以是感兴趣的椎骨的棘突的顶部。可以使用跟踪标记支承结构的已知附接点，而不是请求外科医生或***操作者来选择棘突上的点。假设夹具的附接点始终在棘突上，那么可以使用来自跟踪***的跟踪的跟踪标记支承结构位置来近似患者身体上的棘突的位置。
在本文所述的若干实施方式中，跟踪标记支承结构被配置成以已知的相对定向来附接给定的骨骼特征。骨骼特征可以是骨骼突起部，诸如棘突。与其相关联的这种骨骼特征在矢状平面中具有已知的解剖方向。例如，在脊柱外科手术的示例性应用中，本文所述的跟踪标记支承结构被配置成夹紧到棘突，以使得跟踪标记支承结构以相对于附接点的固定位置和定向附接到患者解剖结构。例如，图5所示的跟踪标记支承结构被配置成以自动确定脊柱的上下方向的预先选择的定向夹紧到棘突上。
跟踪标记支承结构相对于患者解剖结构的这种已知定向允许确定与患者的术中位置和定向相关联的术中参考方向。随后可以使用此术中参考方向，可选地具有附加的配准支持信息(诸如一个或多个匹配点对)作为对配准过程的输入，以便提高配准过程的效率和/或准确性。如上所述，由于体积图像数据通常在头文件中具有定向信息，并且因此确定与术中患者定向相关联的术中参考方向和因此所获取表面的术中定向可以有助于提高效率和/或配准过程的准确性。
例如，由于跟踪标记支承结构相对于骨骼特征的已知定向以及表面成像装置的参考系与跟踪***的参考系之间的校准变换，可以基于跟踪标记支承结构的测量位置来确定患者的术中位置和定向(或者至少是感兴趣的局部解剖区域)。
足够用于配准过程的一整组配准支持信息可能需要上述类型的配准支持信息的组合。如上所述，在一些实施方式中，配准支持信息可以包括与跟踪标记支承结构的位置和/或定向相关联的信息，诸如附接位置(与已知解剖特征相关联)和/或跟踪标记支承结构相对于已知解剖特征的定向的定向。
表面成像***通常具有比所感兴趣的暴露的椎骨大得多的视野，以使得外科医生能够在多个椎骨层上进行手术，而无需每次重新定位***。在感兴趣的椎骨附近之外的附加表面区域通常不能帮助配准。实际上，如果在手术室中的脊柱与术前成像期间不在相同的位置处或者如果外科手术切口边界处的软组织表面被扫描，那么这些附加表面区域可能是有害的，从而潜在地导致不正确的配准。
在一个示例性实施方式中，跟踪标记支承结构45被用于提供空间参考以确定在何处对所获取的表面进行分段，以使得仅保留感兴趣的椎骨的接近周围以便进行配准。
在执行此分段之前，首先使用两个***之间的已知校准变换将来自跟踪***的跟踪标记支承结构45的空间位置变换成表面成像***的坐标系。随后通过使用空间区域内或者与跟踪标记支承结构的附接位置相关联的规定距离内的适当掩模来裁剪表面数据来执行分段。例如，围绕附接点的球形掩模可以用于确定空间区域，在该空间区域上将依据分段过程来裁剪所获取的表面。
此分段产生主要覆盖感兴趣的椎骨的部分表面，以便进行配准。其他掩模几何形状可以用于裁剪表面数据。示例是矩形框、圆柱形盘或其他类型的棱镜，其主轴与脊柱对准，其中对准可以通过与棘突对准的跟踪标记支承结构的夹紧轴线的位置来确定。
这种裁剪结构的示例在图12B至图12G中示出，并且包括球形、雪茄形和患者特定的裁剪掩模。在这些示例中，在刚性地连接到标记附接件230的构件上的爪215和构件210的相交处限定标记支承结构跟踪点206是有用的。
在图12B和图12C中，球形裁剪区域208被示出为以标记支承结构跟踪点206为中心。在图12D和图12E中，示出未以标记支承结构跟踪点206为中心的雪茄形裁剪掩模208。在图12F和图12G中，示出从CT扫描数据生成的患者特定的裁剪掩模。最后，在图12H和图12I中，示出以标记支承结构跟踪点206为中心的简单框裁剪区域。
这些裁剪掩模可以在配准过程的不同阶段处独立地或彼此结合地使用。例如，在配准过程的早期阶段，可以使用大的球形区域来将表面数据中的多个椎骨体对准到体积图像。在第二阶段，可以使用雪茄形裁剪区域来完善指定椎骨层的配准。最后，在第三阶段，可以使用从特定层的术前CT扫描所产生的严格的患者特定裁剪掩模(通过使用配准支持信息)来进一步完善配准。
如前所述，表面成像***与跟踪***的校准使得能够进行基于表面成像的外科手术导向。然而，如果跟踪***与表面成像***之间的相对位置例如由于物理影响而改变，那么校准变换的有效性可能受到损害。
在一个示例性实施方式中，跟踪标记支承结构45被用于计算跟踪***与表面成像***之间的实时校准变换，例如以评估先前确定的校准变换的有效性。如下所述，这可以通过执行表面检测来确定跟踪标记支承结构在表面成像***的参考系中的位置和定向，并且将此位置与通过跟踪***基于来自标记的信号的检测而确定的跟踪标记支承结构的位置进行比较来实现，其中比较采用上一次的校准变换(先前确定的校准变换)。因此，可以通过确定计算的位置和定向是否在规定的公差内来评估最后的校准变换的有效性。
此方法可以在外科手术之前或期间的任何时间处执行，诸如在每次执行配准时，以及可选地每次将跟踪标记支承结构附接到患者的新的骨骼特征时。例如，在脊柱外科手术的情况下，当跟踪标记支承结构(或附加的跟踪标记支承结构)被附接到新的椎骨层时，可以执行或重复此方法。
此方法在本文中将被称为“主动校准”，并且在图13A中示出示例性过程图。在将跟踪标记支承结构附接1010到棘突并且获取外科手术领域的表面1020之后，此方法在与图11所示的过程相比时包括一些附加步骤。
对于主动校准，如图13A所示，所获取的表面应包括跟踪标记支承结构45的至少一部分，其中所包括的部分具有足够的表面拓扑(即包括一个或多个参考结构或表面特征)以允许通过表面成像来确定跟踪标记支承结构的位置和定向。在脊柱外科手术的示例性情况下，通常容易促进这一点，因为跟踪标记支承结构45通常直接附接到感兴趣的椎骨。
假设先前确定的校准变换仍然足够精确，那么可以使用来自表面成像***与跟踪***之间的最后校准1210的变换来识别子区域，在子区域内基于在步骤1220中由跟踪***跟踪的位置来对与来自所获取表面的跟踪标记支承结构相关联的表面数据进行分段。
由于跟踪标记支承结构通常是孤立的空间结构，所以在步骤1220中，在利用最后校准1210而预测的位置周围利用掩模(例如，球面掩模)进行的简单裁剪将可能是足够的。然而，可以基于跟踪标记支承结构的已知形状来设想其他裁剪掩模。图13B和图13C示出用于先前在图3A和图3B中所示的标记支承结构的球形1270和更适形的裁剪掩模1280的示例。
再次参考图13A，步骤1230，基于当前由跟踪***测量的位置和定向将来自获取的表面的分段的跟踪标记支承结构配准到表征跟踪标记支承结构的已知表面的参考表面数据(例如，跟踪标记支承结构的3D模型，或者例如配准到先前获取的跟踪标记支承结构的表面)，这在表面获取1020时产生主动校准变换。
在步骤1240和1250中将主动校准与最后校准1210进行比较。如果主动校准变换和最后的校准变换在指定的公差范围内，那么最后的校准变换被认为是有效的，并且可以用于以下配准(可替代地，新的校准变换可以用于将来的成像配准)。然而，如果校准变换在指定公差内不一致，那么最后的校准转换被视为无效。在步骤1260中，可以用主动校准变换自动地替换最后的校准变换(可替代地，可以使用校准参考装置来执行新的校准变换)。
在此决策之后，配准过程在步骤1030处继续，其中接收到配准支持信息，并且在1040处，其中(使用最后的校准变换(如果有效)或者利用更新的主动校准变换)将获取的表面与体积图像配准。随后可以使用(最后的或新更新的)校准变换，如1050处所示，以便跟踪外科手术工具。在外科手术完成之后，或者当外科手术的一部分完成时，(例如，与跟踪标记支承结构所固定到的解剖特征的位置有关的部分，诸如给定的椎骨层)以及跟踪标记支承结构可以从棘突中移除，如1060处所示。
应当理解，可以根据若干种不同的方法来执行图13A的步骤1230和1240。例如，如上所述，可以计算新的校准变换(主动变换)，并且与上一次的校准变换进行比较。在另一示例中，配准到参考表面数据的分段表面数据可以与上一次的校准变换一起用于在跟踪***的参考系中预测跟踪标记支承结构的当前位置。此预测位置可以与跟踪***当前测量的位置进行比较。如果预测和测量的位置在规定的公差内，那么上一次的校准变换可以认为是有效的。另一方面，如果预测和测量的位置超出规定的公差，那么上一次的校准变换可以认为是无效的，并且可以计算出产生与测量位置一致的预测位置的新的校准变换。应当理解，可以根据上述方法的变型，在跟踪***的参考系中或在表面成像***的参考系中进行位置之间的比较。
图14A至图14E示出来自图13A所示的过程图的主要步骤的数据输出的示例。在步骤1020中获取的表面图像在图14A中示出。跟踪标记支承结构1310(示出一些部分和对应的阴影)被附接到棘突1320，跟踪标记支承结构1310将在配准之后被跟踪。具有标记1340的跟踪框架1330在表面图像中清晰可见，并且在此示例中用于主动校准。
使用由跟踪***获取的标记位置和上一次的校准变换，识别与跟踪标记支承结构的估计位置和定向相关联的空间子区域，以使得跟踪标记支承结构的至少一部分(在目前情况下，跟踪框架1330)可以在步骤1220中从表面图像分段，如图14B所示。跟踪框架的已知3D模型1350在图14C中示出。如果上一次的校准无效或损坏，那么基于跟踪数据的3D模型1350到跟踪框架的表面图像1330的校准变换导致如图14C所示的明显的未对准。图14E示出在步骤1230中配准图14D所示的数据之后的结果。这产生了可以在步骤1240和1250之后作为步骤1260中的主动校准变换而采用的新的校准变换。
在上述主动校准方法的一个示例性实施例中，如果在校准测试1240和1250中主动校准变换和上一次的校准变换不同样处于指定公差范围内，那么***可以在步骤1260中(参见图13)向外科医生或***操作者提供警告。例如，可能会要求用户提供配准是否应当继续使用上一次的校准变换还是使用主动校准、或者甚至中止配准的输入指令。
虽然在上文使用附接到患者的解剖结构(例如棘突)的跟踪标记支承结构描述了主动校准方法，但是应当理解，在其他示例性实施例中，具有已知3D设计的任何其他工具或跟踪标记支承结构可以用于主动校准，只要工具在获取结构光的过程中被跟踪并且在获取的表面中可见。
在其他示例性实施方式中，跟踪框架(例如，如图2所示的跟踪框架130)的形状可以被设计成使得表面成像***将总是获取适于(或最佳)配准的参考表面。例如，可以并入跟踪标记支承结构的形状中的参考表面包括诸如金字塔、立方体、台阶或倒角的几何特征，或者确保表面成像***将从多个可能视图中获取表面的其他这类特征(即表面成像***与工具之间的相对位置)。
例如，图15示出并入具有特征结构1420的附加表面1410的跟踪标记支承结构1400的示例性实施例。这些特征结构提供了用于配准过程的附加非对称表面。首先，它们使得配准是唯一的，而具有高度对称性的简单平面或球形结构可能导致配准模糊。其次，它们同时降低表面成像***和/或环境照明条件对所有特征结构的过度曝光的可能性。此外，还可以调整特征结构的表面特性(粗糙度/反射率)，以基于表面成像***规格和将要使用表面成像***的外部环境条件来优化表面图像获取。
图16列出了跟踪标记支承结构的特征特性，并且提供了关于如何选择用于给定外科应用的参数值的说明。
图17示出用于导航脊柱手术的跟踪标记支承结构的一般性轮廓1500。该轮廓包括夹爪215、构件205、连接构件的销210以及标记附接件230。箭头1510表示组合的跟踪和表面成像***在旨在用于一部分俯卧位置躺着的患者的示例过程中到跟踪标记支承结构上的视线。
图17限定了识别示例性跟踪标记支承结构的一组特征几何参数。图18中指定了用于脊柱外科手术的示例性应用的这些尺寸的示例性值。
参考图18，夹持尖端215的长度1520和宽度1525由棘突的常规尺寸给出，跟踪标记支承结构将被夹紧到棘突。为了抵消扭矩并且确保夹具稳定地附接到棘突，使爪的夹持表面与棘突的重叠最大化可以是有利的。因此，应当理解，爪215的合适尺寸可以取决于装置将要附接到的脊柱(腰椎、胸椎和颈椎)的解剖区域。还将理解，爪的合适尺寸可以根据患者子群(例如小儿与老年人与健康成年人)而变化。
再次参考图17，为了避免阻挡表面成像***至侧椎板上的视线1510，在不损害材料的机械完整性的情况下，夹爪的厚度应尽可能小。在法线方向1540与和构件210相关联的纵向轴线之间对向的角度1530应大于约20°(例如在20°与40°之间)，以使得跟踪标记不定位在棘突表面的正上方。
还应注意，位于构件205之间的枢轴销210可能潜在地阻挡到棘突上的视线。因此，取决于构件205的角度1530，枢转点210与到爪215之间的(沿着与构件205相关联的纵向轴线)最小距离1570可以是有益的。另一方面，必要的夹持力和机构以及当释放夹持机构时远端臂的伸展将限定枢轴销210的位置。
如上所述，跟踪标记支承结构旨在跟踪患者的运动，如由棘突的运动所表征的。因此，跟踪标记支承结构不应接触外科手术腔中的任何其他结构，这可以将不期望的运动转移到标记附接件230。然而，标记附接件230需要最小的轮廓尺寸以便实现良好的跟踪特征，并且可能接近或甚至大于外科手术腔的轮廓。因此，当跟踪标记支承结构附接到棘突时，标记附接件位于外科手术腔外部是有利的。
这可以例如通过定位标记附接件230以使得标记附接件230位于相对于大约80mm的垂直偏移1540处来实现。
然而，跟踪标记支承结构的总体尺寸应尽可能地小，以避免阻挡外科医生移动或放置例如像外科手术显微镜的其他外科手术器械。因此，标记附接件相对于夹持尖端1530的垂直偏移1540不应超过约120mm。
另一个相关问题是跟踪标记支承结构与其他跟踪的外科手术器械之间的碰撞、遮蔽或其他干扰的可能性。跟踪的外科手术器械通常采用一组基准标记，其被定位在具有相对于跟踪的器械的轴约40mm至70mm的半径的空间区域内。
为了避免这种跟踪的工具由跟踪标记支承结构的标记附接件遮蔽，标记附接件与爪之间的距离应为大约70mm或更大。这将标记附接件放置在距离感兴趣的外科手术区域足够远的距离处，从而导致与跟踪的外科手术工具的空间干涉。此距离还确保跟踪标记支承结构的标记附接件230将不会阻挡外科医生或结构光***1510到椎骨上的视线。
由于可包括附加表面1410和附加特征结构1420的标记附接件的重量显著高于跟踪标记支承结构的其余部分的可能性，所以标记附接件与夹爪之间的较长距离增加了围绕夹爪施加的扭矩，这可能损坏夹紧的跟踪标记支承结构或者需要可能破坏上面夹有跟踪标记支承结构的棘突的夹持力。
从图17可以看出，标记附接件230与夹爪215之间的水平距离D-1550和标记附接件230相对于夹持尖端215的距离H-1540直接限定了构件205的方向，以及因此限定了朝向夹持尖端215的角度α1530。组合的跟踪和表面成像***通常定位在外科手术腔的正上方，这允许具有最小遮蔽效果的直接视线1510。由于标记附接件230应垂直于光轴1510以确保最佳跟踪，所以标记附接件1560的角度应在70°与110°之间的范围内。
虽然本文提供的示例中所示的角度被示出为固定角度，但是应当理解，任何或所有角度可以由可调节的角度代替，这些可调的角度具有跨越指定的角度范围或这些范围的子集的可锁定接合点。同样，虽然本文提供的示例中示出的各种部件和构件的长度被示出为固定的，但是应当理解，任何或所有长度可以由可调节长度(例如通过可滑动地接合的伸缩构件)代替，这些可调节长度具有跨越指定的长度范围或这些范围的子集的两个或更多个可锁定配置。
应当理解，在图17中的配置中示出为不连续性的任何或所有角度可以由平滑的弧或覆盖相同角度和距离范围的其他形状代替。例如，应当理解，本文描述和要求保护的角度可以指在一个部件到另一个部件的附接点处的局部角度，或者指与和各个部件相关联的纵向轴线的交点相关联的虚拟角度。
可以生成基于图16中描述的特征集的其他跟踪标记支承结构设计以用于不同的解剖位置。事实上，本文提供的示例中所示的跟踪标记支承结构的许多实现可以用于矫形肩部外科手术中，其中跟踪标记支承结构被夹持到肩胛骨的脊状突起。
在其他外科手术应用中，跟踪标记支承结构可以例如根据图16并且基于局部解剖结构来进行配置。
在图19A和图19B中示出基于图16所示的特征集并且涉及颅骨和/或颌面外科手术应用的跟踪标记支承结构的示例。在此示例性实施例中，跟踪标记支承结构1600包括护口器状部分1610，护口器状部分1610在口内部被夹紧到爪/牙齿的上部分(图19A)或下部分(图19B)，这取决于下部构件或颅骨的剩余部分是否将要被跟踪。跟踪框架1620从嘴部突出，以使得其对于导航***是可见的，并且基于螺钉的铰链机构1630被用于将夹具锁定就位。在图19C和图19D中分别示出护口器和基于螺钉的铰链机构的主视和后视的详细视图。为了连接跟踪标记支承结构1600，将护口器1610压在齿线上。通过拧紧铰链机构1630的两个螺钉1640，齿被夹紧在两个固定板1650与护口器1660的内缘之间。通过松开螺钉1640，将标记支承结构1600从牙齿上移除。此示例提供了跟踪标记支承结构的另一说明性实施方式，其被配置成以预先选定的定向附接到患者解剖结构，如上所述，其可以提供配准支持信息，该配准支持信息用于在执行具有体积图像数据的所获取的表面数据的配准中使用。
图19E示出适用于颅骨和/或颌面外科手术应用的跟踪标记支承结构的一般性轮廓。该轮廓的主要特征包括标记附接件1620和夹爪168。箭头1510表示组合的跟踪和表面成像***在旨在用于在俯卧位置中保持在立体框架中的患者的示例过程中到跟踪标记支承结构上的视线。适用于脊柱手术并且如图17所示的一般性跟踪标记支承结构1500的特征、尺寸和角度的大多相同的动机也直接继续存在于此应用中。尺寸和角度的示例值在图19F中示出。图22A至图22D示出用于神经外科应用的跟踪标记支承结构2100的示例。在软组织已经从颅骨缩回并且已经形成一个或多个穿孔之后，使用跟踪标记支承结构2100。将标记支承结构钩2110***到穿孔2125中的一个中，其中将钩2110定位在硬脑膜与颅骨之间。在***期间，将钩定位成远离颅骨瓣2140指向，以使得在颅骨瓣移除之后维持夹持，并且维持皮质表面的良好可视化。定位螺钉2105用于使用爪2120将跟踪标记支承结构固定就位。使用上述***和方法执行对颅骨表面的下一次配准。最后移除颅骨瓣2140，并且以标准方式进行导航的外科手术过程。可替代地，大脑或其他内部结构的表面也可以在已移除颅骨瓣2140之后用于配准。图22E示出适用于颅骨手术的跟踪标记支承结构2100的一般性轮廓。关键特征包括爪2325和标记附接件230。图22E所示的一般性轮廓的尺寸和角度的示例值在图22F中示出。钩宽度的尺寸由穿孔的常规尺寸决定，而爪与钩之间的距离由常规的颅骨厚度决定。其他距离范围主要指定为用于不阻挡跟踪***的视线和外科医生的运动范围。
图20示出流程图，该流程图示出一种示例性方法，其中基于表面成像的外科导向***被用来检测跟踪标记支承结构是否已经在术中从其初始位置凸起或移动。此方法包括在术中重新获取感兴趣的解剖区域的表面数据，并记录跟踪标记支承结构的当前位置，如步骤1710所示。在步骤1720中，将新的表面数据配准到初始获取的表面数据，以获得表面成像***的参考系内的术中变换。随后，如步骤1730处所示，采用此术中转换来基于跟踪标记支承结构的先前已知的位置来估计跟踪标记支承结构在跟踪***的参考系中的当前位置和定向。如果跟踪标记支承结构位置相对于患者几乎没有或没有移动，那么描述两个时间点之间的跟踪标记支承结构运动和患者表面运动的变换将处于预先选定的阈值内。换句话说，为了检测跟踪标记支承结构相对于患者的位置和定向的变化，可以将术中变换与跟踪标记支承结构的当前位置和定向与先前位置和定向之间的差进行比较。
此检查在步骤1740中执行，其中如果转换显著不同，那么输出1750就触发警告(例如，提醒***的用户)并且可能停止跟踪1760，或者如果跟踪标记支承结构的相对位置和定向的变化位于预先选定的公差之内那么就允许跟踪继续。可以在将跟踪标记支承结构初始附接到患者解剖结构之后的任何时间处执行此过程。例如，此方法可以以预先选定的频率来执行，或者例如根据由外科医生或操作者发起的要求来执行，或者例如每次执行外科手术计划中的新步骤时都可以执行此方法。
应当理解，如果表面成像子***用于测量跟踪标记支承结构的新位置(用于与估计位置进行比较)，那么上述和图20所示的验证过程同样有效。还应当理解，图13中描述的主动校准过程也可以与验证方法结合应用，以便同时减轻表面成像子***与跟踪子***之间的相对运动的影响。
在另一实施方式中，呈现了与表面成像外科手术导向***相关的数据分段方法。在一些应用中，将与由跟踪***跟踪的仪器相关的表面数据从由表面成像子***获取的表面数据中移除可能是有利的。这可以例如通过使用由跟踪子***跟踪的工具的已知形状或几何形状(例如由CAD/工程设计文件或已知3D模型提供)来实现。
在一种示例性实施例中，此方法涉及使用表面成像***在术中获取表面数据，表面数据包括与仪器表面相关联的表面伪影，利用跟踪***检测与位于仪器上的基准标记相关联的信号并且处理信号以确定仪器的术中位置和定向。随后可以使用仪器的术中位置和定向连同与跟踪***和表面成像***相关联的参考系之间的校准变换一起来确定用于去除与仪器相关联的表面伪影的裁剪掩模的合适位置和定向。随后可以采用相对于表面数据正确定位的裁剪掩模(例如，其中裁剪掩模已经被转换成表面成像装置的参考系)，以对表面数据进行分段以去除与裁剪掩模相关联的区域内的表面伪影。
图21是示出基于可能存在于表面成像***的视场内的工具或仪器的已知属性来执行选择性表面分段的这种示例性方法的流程图。首先，在步骤1810中，基于工具CAD文件的已知几何特性来生成特定工具裁剪区域。如步骤1820处所示，当获取到解剖区域的表面数据时，确定工具位置和定向(例如，利用跟踪***来测量)。如基于从跟踪子***获取的数据来确定的，基于工具的检测到的位置和定向来定位和定向裁剪区域。最初可以在跟踪子***的参考系中指定此裁剪区域，并且随后如步骤1830处所示，使用链接两个子***的变换来将裁剪区域转入表面成像子***的坐标系中。可替代地，可以在表面成像***的参考系内生成工具在表面成像***的参考系内的位置和定向以及裁剪区域。如步骤1840处所示，将裁剪区域随后用于拒绝所获取的表面数据内的位于裁剪区域内的点。可以采用此方法或其变型来提高表面数据与体积图像数据和/或在两个或更多个时间点处获得的表面数据(其中外科手术工具可能在两个不同的位置)之间的配准过程的质量和鲁棒性。
已经通过示例示出上述具体实施方式，并且应当理解，这些实施方式可以易于进行各种修改和替代形式。还应当理解，权利要求不旨在限于所公开的特定形式，而是覆盖落入本公开的精神和范围内的所有修改、等效物和替代方案。

Claims (39)

1.一种使表面数据与体积图像数据进行术中配准的方法，所述方法包括：
利用跟踪***检测与位于跟踪标记支承结构上的基准标记相关联的信号，其中所述跟踪标记支承结构在相对于受试者的骨骼特征的预先选定的定向上可移除地附接至所述骨骼特征；
处理信号，并采用所述预先选定的定向来确定与所述受试者的术中位置和定向相关联的术中参考方向；
在术中从感兴趣的手术区域获取所述表面数据；以及
当将所述表面数据配准至所述体积图像数据时，采用所述术中参考方向。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述跟踪标记支承结构配置成在相对于所述骨骼特征的所述预先选定的定向可移除地夹紧到所述骨骼特征。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述骨骼特征是骨骼突起部。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述骨骼特征在矢状平面内具有相关联的方向。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述骨骼特征位于椎骨上。
6.根据权利要求5所述的方法，另外，其中所述骨骼特征是棘突。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述跟踪标记支承结构包括：
一对夹钳，所述夹钳具有纵向轴线；
一对夹爪，位于所述夹钳的远侧区域附近，其中所述夹爪配置成当将力施加到所述夹钳时与所述棘突的相对侧接触；
锁定机构，可操作地连接到所述夹钳，以用于可移除地将所述夹钳维持在夹紧配置中；以及
跟踪框架，具有在远离夹爪的位置处连接到所述夹钳的近端，其中所述跟踪框架在其远侧区域附近支承所述基准标记；
其中，所述夹钳从所述夹爪延伸，以使得当所述夹爪夹紧到所述棘突时，与所述夹钳相关联的所述纵向轴线相对于与所述受试者相关联的前后法线方向成角度，其中所述法线方向位于所述矢状平面中，并且垂直于所述脊柱的上下方向，以使得与所述骨骼特征相邻的骨骼区域不受所述夹钳阻挡，从而允许从顶部进行所述骨骼区域的数据获取；以及
其中，所述跟踪框架的至少部分相对于所述夹钳的所述纵向轴线成角度，以使得避免所述基准标记与抓握所述夹钳的使用者之间的接触。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，还包括处理所述信号以确定所述骨骼特征的所述位置，以及当将所述表面数据配准到所述体积图像数据时采用所述骨骼特征的所述位置。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述表面数据进行分段以在与所述骨骼特征的所述位置相关联的空间区域内获得分段的表面。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述空间区域位于距离所述骨骼特征的规定距离内。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述表面数据在与所述跟踪标记支承结构的所述位置相关联的空间区域内进行分段。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述空间区域位于距离所述跟踪标记支承结构可移除地附接到所述骨骼特征的位置的规定距离内。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，还包括在所述跟踪标记支承结构夹紧到所述骨骼特征的同时，在术中检测来自所述跟踪标记支承结构的附加信号，以及处理所述附加信号以校正所述受试者的位置或定向的变化，而不需要获取另外的表面数据并将所述另外的表面数据配准到所述体积图像数据。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中所述骨骼特征是第一骨骼特征，所述术中参考方向是第一术中参考方向，以及所述表面数据是第一组表面数据，所述方法还包括：在所述跟踪标记支承结构或附加跟踪标记支承结构已可移除地附接到第二骨骼特征之后：
利用所述跟踪***，检测与位于所述跟踪标记支承结构或所述附加跟踪标记支承结构上的所述基准标记相关联的第二信号，其中所述跟踪标记支承结构或所述附加跟踪标记支承结构在相对于所述第二骨骼特征的第二预先选定的定向上可移除地附接到所述受试者的所述第二骨骼特征；
处理所述第二信号，并采用所述预先选定的定向来确定与所述受试者的所述术中位置和定向相关联的第二术中参考方向；
在术中获取第二组表面数据；以及
当将所述第二组表面数据配准到所述体积图像数据时，采用所述第二术中参考方向。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括处理所述第二信号以确定所述第二骨骼特征的位置，并且当将所述第二组表面数据配准到所述体积图像数据时，采用所述第二骨骼特征的所述位置。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第二组表面数据在与所述第二骨骼特征的位置相关联的空间区域内进行分段。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中所述第二组表面数据在与所述跟踪标记支承结构或所述附加跟踪标记支承结构的位置相关联的空间区域内进行分段。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其中当将所述第二组表面数据配准到所述体积图像数据时，还采用所述第一术中参考方向。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，其中所述第一骨骼特征是第一椎骨，以及所述第二骨骼特征是第二椎骨。
20.一种评估表面成像***与跟踪***之间的先前确定的校准变换的有效性的方法，所述方法包括：
利用所述跟踪***检测与位于跟踪标记支承结构上的基准标记相关联的信号，其中所述跟踪标记支承结构可移除地附接到患者，以及使用所述表面成像***获取表面数据，其中所述表面数据从空间区域获得，所述空间区域包括所述跟踪标记支承结构的至少部分；
处理所述信号以确定所述跟踪标记支承结构的位置和定向；
基于所述跟踪标记支承结构的术中位置和定向，并且基于所述表面成像***的参考系与所述跟踪***的参考系之间的先前确定的校准变换，在所述表面成像***的所述参考系中确定与所述跟踪标记支承结构相关联的空间子区域；
对所述空间子区域内的所述表面数据进行分段，以获得与所述跟踪标记支承结构相关联的分段表面；
将所述分段表面配准到表征所述跟踪标记支承结构的表面的参考表面数据，从而获得空间配准的参考表面；以及
采用所述空间配准的参考表面来评估先前获得的校准变换的有效性。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述表面数据在与所述跟踪标记支承结构的形状相关联的掩模内进行分段。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述参考表面数据从所述跟踪标记支承结构的至少部分的三维模型获得。
23.根据权利要求20所述的方法，其中所述参考表面数据包括先前测量的表面数据。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的方法，其中评估所述先前确定的校准变换的有效性包括：
基于所述表面成像参考系与所述跟踪***之间的所述先前确定的校准变换，将所述分段表面与所述参考表面数据配准，以获得所述跟踪标记支承结构在所述跟踪***的参考系中的位置和定向的第一测量；
处理所述信号，以确定所述跟踪标记支承结构在所述跟踪***的参考系中的位置和定向的第二测量；以及
比较所述第一测量和所述第二测量，以确定所述表面成像参考系与所述跟踪参考系之间的先前计算的校准变换的有效性。
25.根据权利要求20所述的方法，还包括采用所述空间配准的参考表面来在所述表面成像参考系与所述光学跟踪参考系之间产生新的校准变换。
26.根据权利要求25所述的方法，其中当发现所述先前确定的校准变换无效时，采用所述新的校准变换。
27.一种用于相对于暴露的椎骨定位基准标记的装置，所述装置包括：
一对夹钳，具有与所述夹钳相关联的纵向轴线；
一对夹爪，位于所述夹钳的远侧区域附近，其中所述夹爪配置成当将力施加到所述夹钳时与棘突的相对侧接触；
锁定机构，可操作地连接到所述夹钳，以用于将所述夹钳可移除地维持在夹紧配置中；以及
跟踪框架，具有在远离所述夹爪的位置处连接到所述夹钳的近端，其中所述跟踪框架在其远侧区域附近支承所述基准标记；
其中，所述夹钳从所述夹爪延伸，以使得当所述夹爪夹紧到所述棘突时，与所述夹钳相关联的所述纵向轴线相对于与所述受试者相关联的前后方向成角度，以使得与所述骨骼特征相邻的骨骼区域不受所述夹钳阻挡，从而允许在顶部进行所述骨骼区域的数据获取；以及
其中，所述跟踪框架的至少部分相对于所述夹钳的所述纵向轴线成角度，以使得避免所述基准标记与抓握所述夹钳的使用者之间的接触。
28.一种用于相对于暴露的椎骨固定基准标记的装置，所述装置包括：
一对夹钳，具有纵向轴线；
一对夹爪，位于所述夹钳的远侧区域附近，其中所述夹爪配置成当将力施加到所述夹钳时与所述暴露的椎骨的棘突的相对侧接触；
锁定机构，可操作地连接到所述夹钳，以用于将所述夹钳可移除地维持在夹紧配置中；以及
跟踪框架，具有在远离所述夹爪的位置处连接到所述夹钳的近端，其中所述跟踪框架在其远侧区域附近支承所述基准标记；
其中，所述夹爪的特征在于当所述夹爪夹紧到所述棘突时垂直于所述脊柱的上下方向的法向轴线；
其中，所述夹钳的所述纵向轴线相对于所述夹爪的所述法向轴线成角度，并且使得与所述骨骼特征相邻的骨骼区域不受所述夹钳阻挡；以及
其中，所述跟踪框架的至少部分相对于所述夹钳的所述纵向轴线成角度，以使得避免所述基准标记与抓握所述夹钳的使用者之间的接触。
29.根据权利要求28所述的装置，其中与所述夹钳相关联的所述纵向轴线以相对于所述法向轴线的约20度与40度之间的角度进行引导。
30.根据权利要求28或29所述的装置，其中所述夹爪的厚度在约3mm与6mm之间。
31.根据权利要求28至30中任一项所述的装置，其中所述跟踪框架在距离所述夹爪约70mm至120mm的距离处连接到所述夹钳。
32.一种用于相对于暴露的椎骨固定基准标记的装置，所述装置包括：
一对夹钳，具有纵向轴线；
一对夹爪，位于所述夹钳的远侧区域附近；
跟踪框架，具有在远离所述夹爪的位置处连接到所述夹钳的近端，其中所述跟踪框架在其远侧区域附近支承所述基准标记；
锁定机构，可操作地连接到所述夹钳，以用于将所述夹钳可移除地维持在夹紧配置中；
其中，所述夹爪成形为独特地接触骨骼特征的相对侧，以使得所述基准标记相对于所述骨骼特征定向在在预先选定的定向上。
33.根据权利要求32所述的装置，其中所述跟踪框架的至少部分相对于所述夹钳的所述纵向轴线成角度，以使得避免所述基准标记与抓握所述夹钳的使用者之间的接触。
34.一种用于夹紧到棘突的夹紧装置，所述夹紧装置包括：
一对夹钳，具有纵向轴线；
一对夹爪，位于所述夹钳的远侧区域附近；
锁定机构，其可操作地连接到所述夹钳，以用于将所述夹钳可移除地维持在夹紧配置中；
其中，每个夹爪都包括夹紧表面，所述夹紧表面具有两个共平面的外平坦表面和连接所述两个外平坦表面的向内指向的表面，以使得所述夹爪配置成用于夹紧到宽范围的棘突几何形状，以及其中所述外平坦表面和所述向内指向的表面各自包括尖端。
35.一种检测跟踪标记支承结构相对于所述跟踪标记支承结构所附接到的患者的位置和定向的变化的方法，所述方法包括：
利用跟踪***，检测与位于所述跟踪标记支承结构上的所述基准标记相关联的信号，以及使用表面成像***从感兴趣的手术区域获取表面数据；
基于所述信号来确定所述跟踪标记支承结构的当前位置和定向；
从所述感兴趣的手术区域获得先前测量的表面数据、以及所述跟踪标记支承结构的相关联的先前确定的位置和定向；
利用先前获取的表面数据来配准所述表面数据以获得术中变换；
将所述术中变换和所述跟踪标记支承结构的当前位置和定向与所述跟踪标记支承结构的所述先前确定的位置和定向之间的转移进行比较，以及确定所述跟踪标记支承结构的位置和定向相对于所述患者的变化。
36.根据权利要求35所述的方法，还包括当所述跟踪标记支承结构相对于所述患者的所述位置和定向的所述变化超过预先选定阈值时向用户报警。
37.一种对表面数据进行分段以去除与仪器相关联的表面伪影的方法，所述仪器具有附接到所述仪器的基准标记，所述方法包括：
使用表面成像***，在术中从感兴趣的手术区域获取所述表面数据；
利用跟踪***，检测与位于所述仪器上的所述基准标记相关联的信号，
处理所述信号以确定所述仪器的术中位置和定向；
采用所述仪器的所述术中位置和定向，并且采用与所述跟踪***相关联的参考系和与所述表面成像***相关联的参考系之间的校准变换，确定裁剪掩模的适当位置和定向，以移除与所述仪器相关联的所述表面伪影；以及
对所述表面数据分段，以去除与所述裁剪掩模相关联的区域内的所述表面伪影。
38.根据权利要求37所述的方法，其中所述仪器是附接到所述患者的跟踪标记支承结构。
39.根据权利要求38所述的方法，其中所述跟踪标记支承结构可移除地附接到所述患者的骨骼特征。
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