CN111714206A - 神经导航配准和机器人轨迹引导***及相关方法和装置 - Google Patents

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S·曼察维诺斯
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S·乔许
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Abstract

本申请涉及一种神经导航配准和机器人轨迹引导***及相关方法和装置。确定图像体积中多个基准标记中的每个基准标记的位置。基于所确定的位置，确定配准固定装置相对于解剖特征的位置和取向。在跟踪数据帧中，为在配准固定装置上的第一多个被跟踪标记和在机器人臂上的第二多个被跟踪标记中的每个被跟踪标记确定位置。基于所确定的被跟踪标记的位置，确定配准固定装置和手术机器人的机器人臂相对于跟踪空间的位置和取向。

Description

神经导航配准和机器人轨迹引导***及相关方法和装置
技术领域
本公开涉及医疗装置，更具体地涉及神经导航配准和机器人轨迹引导***及相关方法和装置。
背景技术
用于机器人辅助手术的位置辨识***用于以三维(3D)方式确定特定对象的位置且跟踪特定对象。举例来说，在机器人辅助手术中，例如当机器人或医生定位和移动器械时，需要高度精确地跟踪某些对象，例如手术器械。
位置辨识***可使用无源和/或有源传感器或标记来配准和跟踪对象的位置。使用这些传感器，***可以基于来自或关于一个或多个摄像机、信号或传感器等的信息，以几何方式解析传感器的3维位置。因此，这些手术***可以利用位置反馈来精确地引导机器人臂和工具相对于患者手术部位的运动。因此，需要一种在手术环境中有效且准确地提供神经导航配准和机器人轨迹引导的***。
发明内容
根据本发明构思的一些实施例，一种***包括处理器电路和耦合至处理器电路的存储器。存储器包括机器可读指令，该机器可读指令被配置为使处理器电路基于包括患者的解剖特征的第一图像体积确定相对于患者的解剖特征固定的配准固定装置，以及相对于配准固定装置固定的第一多个基准标记，对于第一多个基准标记中的每个基准标记，确定基准标记相对于所述图像体积的位置。机器可读指令还被配置为使处理器电路基于所确定的第一多个基准标记的位置确定配准固定装置相对于解剖特征的位置和取向。机器可读指令还被配置为使处理器电路基于来自包括相对于配准固定装置固定的第二多个跟踪标记的跟踪***的数据帧，针对第二多个跟踪标记的每个跟踪标记，确定跟踪标记的位置。机器可读指令还被配置为使处理器电路基于所确定的第二多个跟踪标记的位置确定配准固定装置相对于手术机器人的机器人臂的位置和取向。机器可读指令还被配置为使处理器电路基于所确定的配准固定装置相对于解剖特征的位置和取向以及所确定的配准固定装置相对于机器人臂的位置和取向，确定解剖特征相对于机器人臂的位置和取向。机器可读指令还被配置为使处理器电路基于所确定的解剖特征相对于机器人臂的位置和取向控制机器人臂。
根据本发明概念的一些其它实施例，公开一种计算机执行的方法。该计算机执行的方法包括基于包括患者的解剖特征的第一图像体积、相对于患者的解剖特征固定的配准固定装置、以及相对于配准固定装置固定的第一多个基准标记，对于第一多个基准标记中的每个基准标记，确定基准标记的位置。该计算机执行的方法还包括基于所确定的第一多个基准标记的位置确定配准固定装置相对于解剖特征的位置和取向。该计算机执行的方法还包括基于来自包括相对于配准固定装置固定的第二多个跟踪标记的跟踪数据帧，针对第二多个跟踪标记的每个跟踪标记，确定跟踪标记的位置。该计算机执行的方法还包括基于所确定的第二多个跟踪标记的位置确定配准固定装置相对于手术机器人的机器人臂的位置和取向。该计算机执行的方法还包括基于所确定的配准固定装置相对于解剖特征的位置和取向以及所确定的配准固定装置相对于机器人臂的位置和取向，确定解剖特征相对于机器人臂的位置和取向。该计算机执行的方法还包括基于所确定的解剖特征相对于机器人臂的位置和取向控制机器人臂。
根据本发明概念的一些其它实施例，公开一种手术***。该手术***包括具有处理器电路和存储器的术中手术跟踪计算机。该存储器包括被配置为使处理器电路提供限定图像空间的医学图像体积的机器可读指令。医学图像体积包括患者的解剖特征、相对于患者的解剖特征固定的配准固定装置、以及相对于配准固定装置固定的多个基准标记。机器可读指令还被配置为使处理器电路基于医学图像体积，针对多个基准标记中的每个基准标记，确定基准标记相对于图像空间的位置。机器可读指令还被配置为使处理器电路基于所确定的多个基准标记的位置确定配准固定装置相对于解剖特征的位置和取向。机器可读指令还被配置为使处理器电路提供限定跟踪空间的跟踪数据帧，该跟踪数据帧包括相对于配准固定装置固定的第一多个被跟踪标记的位置。机器可读指令还被配置为使处理器电路基于跟踪数据帧确定解剖特征相对于跟踪空间中的第一多个被跟踪标记的位置。手术***还包括手术机器人，该手术机器人具有被配置为定位手术末端执行器的机器人臂。手术机器人还包括连接至机器人臂的控制器。控制器被配置为执行操作，包括基于跟踪数据帧，确定机器人臂相对于跟踪空间的位置。控制器被配置为执行操作，包括基于所确定的解剖特征相对于跟踪空间的位置和取向以及所确定的机器人臂相对于跟踪空间的位置和取向，确定解剖特征相对于机器人臂的位置和取向。控制器被配置为执行操作，包括基于所确定的解剖特征相对于机器人臂的位置和取向控制所述机器人臂的运动，以相对于患者上的位置定位所述手术末端执行器，以便于在患者上进行手术。
在审阅以下附图和详细描述之后，对于本领域技术人员将或变得显而易见的是根据实施例的其它方法和相关装置和***以及对应的方法和计算机程序产品。预期的是所有此类装置和***以及对应的方法和计算机程序产品包含在本说明书内、在本公开的范围内且受所附权利要求书保护。此外，预期本文中所公开的所有实施例可单独地实施或者以任何方式和/或组合而组合。
附图说明
被包含以提供对本公开的进一步理解且被并入在本申请的一部分中并构成本申请的一部分的附图示出了本发明概念的某些非限制性实施例。在附图中：
图1A是根据一些实施例的用于机器人***、患者、外科医生和其它医务人员在手术过程期间的位置布置的俯视图；
图1B是根据一些实施例的用于机器人***、患者、外科医生和其它医务人员在颅骨手术过程期间的另一位置布置的俯视图；
图2示出了根据一些实施例的包含手术机器人和摄像机相对于患者的定位的机器人***；
图3是示出根据一些实施例的用于确定患者的解剖特征相对于手术机器人的机器人臂的位置和取向的计算机执行的操作的流程图；
图4是示出根据一些实施例的用于确定患者的解剖特征相对于手术机器人的机器人臂的位置和取向的数据的处理的图；
图5A-5C示出了根据一些实施例的用于使用计算机断层扫描(CT)***、帧参考阵列(FRA)和动态参考基座(DRB)来配准患者的解剖特征的***；
图6A和6B示出了根据一些实施例的用于使用荧光检查(荧光)成像来配准患者的解剖特征的***；
图7示出了根据一些实施例的用于使用术中CT固定装置(ICT)和DRB来配准患者的解剖特征的***；
图8A和8B示出了根据一些实施例的用于使用DRB和X射线锥束成像装置配准患者的解剖特征的***；
图9示出了根据一些实施例的用于使用导航探针和基准来对患者的解剖特征进行配准的***，以用于解剖特征的点对点映射；
图10示出根据一些实施例的中心点-弧机构的调节范围的二维可视化；和
图11示出了根据一些实施例的虚拟点旋转机构的二维可视化。
具体实施方式
应该理解的是，本公开在其应用方面不限于在本文的描述中阐述的或者在图中示出的组件的构造和布置的细节。本公开的教导可以在其它实施例中使用和实践，并且以各种方式实践或实行。并且，应理解，本文所使用的措词和术语是出于描述的目的且不应被视为是限制性的。本文中使用“包含”、“包括”或“具有”及其变化形式意在涵盖其后列出的项目和其等效物以及额外项目。除非另外指定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变型广泛地使用，并且涵盖直接和间接安装、连接、支撑和联接。此外，“连接”和“联接”不限于物理或机械连接或联接。
呈现以下讨论以使所属领域的技术人员能够制造和使用本公开的实施方案。所属领域的技术人员将容易了解对所示出的实施例的各种修改，且本文的原理可应用于其它实施例和应用，而不脱离本公开的实施例。因此，实施例并不意图限于所示出的实施例，而是应被赋予与本文中所公开的原理和特征相一致的最广范围。以下详细描述应参考附图来阅读，其中不同图中的相似元件具有相似参考标号。不一定按比例的图描绘了所选择的实施例并且并不打算限制实施例的范围。本领域的技术人员将认识到，本文提供的实施例具有许多有用的替代方案并且落入实施方案的范围内。
根据一些其他实施例，公开了用于神经导航配准和机器人轨迹引导的***以及相关的方法和设备。在一些实施例中，分析具有患者的解剖特征的第一图像体积、相对于患者的解剖特征固定的配准固定装置、以及相对于配准固定装置固定的第一多个基准标记，并且对于第一多个基准标记中的每个基准标记，确定位置。接下来，基于所确定的第一多个基准标记的位置，确定配准固定装置相对于解剖特征的位置和取向。还分析包括相对于配准固定装置固定的第二多个跟踪标记的数据帧，并且针对第二多个跟踪标记的每个跟踪标记，确定位置。基于第二多个跟踪标记的确定的位置，确定配准固定装置相对于手术机器人的机器人臂的位置和取向。基于所确定的配准固定装置相对于解剖特征的位置和取向以及所确定的配准固定装置相对于机器人臂的位置和取向，确定解剖特征相对于机器人臂的位置和取向，这允许基于确定的解剖特征相对于机器人臂的位置和取向来控制机器人臂。
该实施例和其他实施例的优点包括将神经导航和机器人轨迹对准结合到一个***中的能力，并支持多种不同的配准硬件和方法。例如，如下面将详细描述的，实施例可以支持计算机断层扫描(CT)和荧光检查(荧光)配准技术，并且可以利用基于框架的和/或无框架的手术布置。此外，在许多实施例中，如果由于配准固定装置的移动而损害了初始(例如术前)配准，则可以在术中重新建立配准固定装置(以及延伸的解剖特征)的配准，而无需暂停手术并重新捕获术前图像。
现转而参看附图，图1A示出了根据实施例的手术机器人***100。手术机器人***100可包含例如手术机器人102、一个或多个机器人臂104、基座106、显示器110、例如包含引导管114的末端执行器112，以及一个或多个跟踪标记118。响应于来自用户的输入、从处理装置接收的命令，或其他方法，机器人臂104可以沿着和/或围绕相对于基座106的轴线是可移动的。手术机器人***100可包含患者跟踪装置116，所述患者跟踪装置116也包含一个或多个跟踪标记118，所述跟踪标记118适于被直接地固定到患者210(例如固定到患者210的骨骼)。如在下文将更详细地讨论的，跟踪标记118可以固定到或可以是相对于患者210的解剖特征固定的立体定向框架的一部分。立体定向框架还可以被固定到固定装置，以防止在手术过程中患者210的移动。
根据替代实施例，图1B是用于机器人***100、患者210、外科医生120和其它医务人员在颅骨手术过程期间的另一位置布置的俯视图。在颅骨手术中，例如机器人102可定位在患者210的头部128后面。机器人102的机器人臂104具有末端执行器112，其可在手术过程中保持手术器械108。在该实例中，立体定向框架134相对于患者的头部128固定，以及患者210和/或立体定向框架134也可以固定到患者基座211以防止患者头部128相对于患者基座211的运动。此外，患者210、立体定向框架134和/或患者基座211可以被固定到机器人基座106，诸如经由辅助臂107，以防止手术过程中患者210相对于机器人102的组件相对运动。不同的装置可以相对于患者的头部128和/或患者基座211按需要定位，以有利于该过程，诸如术中CT装置130、麻醉站132、擦洗站136、神经调节站138和/或用于在手术过程中控制机器人102和/或其他装置或***的一个或多个远程挂件140。
图1A和/或图1B的实例中的手术机器人***100还可使用传感器，例如摄像机200，其例如定位于摄像机支架202上。摄像机支架202可具有任何合适的构造以将摄像机200移动、定向并支撑在期望的位置。摄像机200可包含任何合适一个或多个摄像机，例如一个或多个摄像机(例如，双焦或立体摄影测量摄像机)，所述摄像机能够在从摄像机200的视角可检视的给定测量体积中识别例如有源或无源跟踪标记118(展示为图2中的患者跟踪装置116的一部分)。在该实例中，摄像机200可扫描给定测量体积并且检测来自跟踪标记118的光，以便识别和确定跟踪标记118在三维中的位置。举例来说，有源跟踪标记118可包含由电信号激活的红外发射标记(例如，红外发光二极管(LED))，和/或无源跟踪标记118可包含反射红外光或其他光的回射标记(例如，其将传入的IR辐射反射到入射光的方向中)，所述红外光由摄像机200或其它合适的传感器或其它装置上的照明器发射。
在许多外科手术程序中，一个或多个手术目标，例如大脑内的目标，被定位在外部参考框架上。例如，立体定向神经外科手术可以使用外部安装的立体定向框架，该框架有利于患者通过框架固定弧进行定位和植入物***。神经导航用于基于术前或术中成像在脑内配准(例如映射)目标。使用这种术前或术中成像，可以在手术环境中在成像与实际解剖结构之间建立链接和关联，并且这些链接和关联可以在手术期间由机器人轨迹***利用。
根据一些实施例，可以组合各种软件和硬件元件以创建可用于规划、配准、放置和验证大脑中的器械或植入物的位置的***。这些***可整合手术机器人，诸如图1A和/或图1B的手术机器人102，并且可以使用手术导航***和规划软件对手术机器人进行编程和控制。另外地或替代地，手术机器人102可以被远程地控制，例如通过非无菌人员。
机器人102可以定位在患者210的附近或旁边，并且应当理解，机器人102可以位于患者210附近的任何合适的位置，这取决于患者210正在进行手术的区域。摄像机200可以与手术机器人***100分离并且也以在允许摄像机200对手术区域208具有直接视线的任何合适位置中定位在患者210附近或旁边。在所示的配置中，外科医生120可以定位在机器人102的对面，但仍然能够操纵末端执行器112和显示器110。手术助理126可以再次与外科医生120对置地定位，并且可以触及末端执行器112和显示器110两者。如果需要，外科医生120与助理126的位置可以颠倒。麻醉师122和护士或擦洗技术人员124的传统区域可保持不受机器人102和摄像机200的位置阻碍。
关于机器人102的其它组件，显示器110可附接到手术机器人102，并且在其它实施例中，显示器110可与手术机器人102分开，不管是在具有手术机器人102的手术室内，还是在远程位置。末端执行器112可以联接到机器人臂104并且由至少一个发动机控制。在一些实施例中，末端执行器112可包括导管114，所述导管能够收纳并定向用于对患者210执行手术的手术器械108。如本文所使用，术语“末端执行器”与术语“末端施行器”和“施行器元件”可互换使用。虽然通常用引导管114示出，但应理解，末端执行器112可以用适用于外科手术的任何合适的仪器代替。在一些实施例中，末端执行器112可包括任何已知结构，所述任何已知结构用于以所要方式实现手术器械108的移动。
手术机器人102能够控制末端执行器112的平移和定向。机器人102能够例如沿着x轴、y轴和z轴移动末端执行器112。末端执行器112可以配置成用于围绕x轴、y轴和z轴中的一个或多个选择性旋转，使得与末端执行器112相关联的一个或多个欧拉角(例如滚动、倾斜和/或偏航)可以被选择性地控制。在一些实施例中，与使用例如仅包括旋转轴的六自由度机器人臂的常规机器人相比，对末端执行器112的平移和定向的选择性控制可准许医疗手术的执行具有显著提高的准确度。举例来说，手术机器人***100可以用于在患者210上操作，并且机器人臂104可以被定位在患者210的身体上方，末端执行器112选择性地相对于z轴朝向患者210身体成角度。
在一些实施例中，手术仪器108的位置可动态更新，使得手术机器人102可在手术过程期间始终知道手术器械108的位置。因此，在一些实施例中，手术机器人102可将手术器械108快速移动到所要位置，而无需医师的任何进一步帮助(除非医师需要)。在一些其它实施例中，手术机器人102可配置成在手术器械108偏离选定的预先规划的轨迹的情况下校正手术器械108的路径。在一些实施例中，手术机器人102可配置成准许停止、修改和/或手动控制末端执行器112和/或手术器械108的移动。因此，在使用中，在一些实施例中，医师或其它用户可操作***100，并且可选择停止、修改或手动地控制末端执行器112和/或手术器械108的自主移动。包含手术机器人102对手术器械108的控制和移动的手术机器人***100的进一步细节可以查阅第2013/0345718号共同待决美国专利公开，其全部内容以引用的方式并入本文中。
如下文将更详细地描述，手术机器人***100可包括一个或多个跟踪标记，其配置成跟踪机器人臂104、末端执行器112、患者210和/或手术器械108在三维中的移动。在一些实施例中，多个跟踪标记可安装(或以其它方式固定)在机器人102的外表面上，例如但不限于机器人102的基座106上、机器人臂104上，和/或末端执行器112上。在一些实施例中，例如下文的图3的实施例，例如一个或多个跟踪标记可安装或以其它方式固定到末端执行器112。一个或多个跟踪标记可进一步安装(或以其它方式固定)到患者210。在一些实施例中，多个跟踪标记可定位在患者210上与手术视野208间隔开，以减少被外科医生、手术工具或机器人102的其它部分遮挡的可能性。此外，一个或多个跟踪标记可进一步安装(或以其它方式固定)到手术工具108(例如螺丝刀、扩张器、植入物***器等)。因此，跟踪标记使得被标记对象中的每一个(例如，末端执行器112、患者210和手术器械108)能够被手术机器人***100跟踪。在一些实施例中，***100可使用从被标记对象中的每一个收集的跟踪信息以计算例如末端执行器112、手术器械108(例如，定位于末端执行器112的管114中)的定向和位置以及患者210的相对位置。包含手术机器人102和手术器械108的控制、移动和跟踪的手术机器人***100的其它细节可查阅美国专利公开第2016/0242849号，所述专利公开的全文以引用的方式并入本文中。
在一些实施例中，术前成像可用于识别手术中要靶向的解剖结构。如果外科医生需要，则规划包将允许限定重新格式化的坐标系。重新格式化的坐标系将具有锚固到特定解剖学界标的坐标轴，例如神经外科手术的前联合(AC)和后联合(PC)。在一些实施例中，多个术前检查图像(例如，CT或磁共振(MR)图像)可以被共同配准，使得可以将解剖学上的任何给定点的坐标转换为所有其他术前检查图像上的对应点。
如本文所使用的，配准是确定从一个坐标系到另一坐标系的坐标变换的过程。例如，在术前图像的共同配准中，将CT扫描共同配准到MR扫描意味着可以将解剖点的坐标从CT扫描转换为MR扫描中的相应解剖位置。也可能有利的是将至少一个检查图像坐标系配准到共同配准固定装置的坐标系，例如动态参考基座(DRB)，其可允许摄像机200实时保持患者位置在摄像机空间中的轨迹，使得在手术室的患者上的解剖点的任何术中移动可由机器人***100检测和由手术机器人102的补偿运动弥补。
图3是示出根据一些实施例的用于确定患者的解剖特征相对于手术机器人的机器人臂的位置和取向的计算机执行的操作300的流程图；操作300可包括在第一时间从术前图像捕获装置接收第一图像体积，例如CT扫描(框302)。第一图像体积包括患者的解剖特征和相对于患者的解剖特征固定的配准固定装置的至少一部分。配准固定装置包括相对于配准固定装置固定的第一多个基准标记。操作300进一步包括对于所述第一多个基准标记中的每个基准标记确定相对于第一图像体积的基准标记的位置(框304)。操作300进一步包括，基于所确定的第一多个基准标记的位置，确定配准固定装置上的跟踪标记阵列(基准配准阵列或FRA)相对于解剖特征的位置(框306)。
操作300还可以包括在晚于所述第一时间的第二时间从包括多个跟踪摄像机的术中跟踪装置接收跟踪数据帧(方框308)。跟踪帧包括相对于配准固定装置(FRA)固定的多个跟踪标记和相对于机器人固定的多个跟踪标记的位置。操作300还包括基于配准固定装置的跟踪标记的位置，确定解剖特征相对于跟踪摄像机的位置和取向(框310)。操作300进一步包括确定，基于在机器人上多个跟踪标记的确定的位置，确定手术机器人的机器人臂相对于跟踪摄像机的位置和取向(方框312)。
操作300还包括基于所确定的解剖特征相对于跟踪摄像机的位置和取向以及所确定的机器人臂相对于跟踪摄像机的位置和取向，确定解剖特征相对于机器人臂的位置和取向(框314)。操作300还包括基于所确定的解剖特征相对于机器人臂的位置和取向，控制机器人臂相对于解剖特征的运动，例如沿着一个或多个限定的轴线和/或绕一个或多个限定的轴线旋转(框316)。
图4是示出根据一些实施例的能够确定患者的解剖特征相对于手术机器人的机器人臂的位置和取向的多个坐标转换系的数据流程400的图。在该实例中，可以转换基于多个检查图像的来自多个检查图像空间402的数据并组合成共同检查图像空间404。来自共同检查图像空间404的数据和来自基于验证图像的验证图像空间406的数据可以被转换和组合为配准图像空间408。来自配准图像空间408的数据可以被转换成患者基准坐标410，其被转换成用于DRB 412的坐标。跟踪摄像机414可以检测DRB 412(由DRB 412′表示)的移动，并且还可以检测探针***416的位置以随着时间跟踪DRB 412的坐标。机器人臂***418基于来自机器人规划***(RPS)空间420或类似建模***的转换数据，和/或来自跟踪摄像机414的转换数据，确定机器人臂的坐标。
应当理解，可以以不同方式使用和组合这些和其他特征，以实现图像空间(即，来自图像体积的坐标)到跟踪空间(即，供手术机器人实时使用的坐标)的配准。如以下将详细讨论的，这些特征可能包括基于基准的配准，例如带有CT***的立体定向框架，使用术中荧光镜检查配准的术前CT或MRI，校准的扫描器配准——其中任何获取的扫描的坐标相对于跟踪空间进行了预先校准，和/或使用跟踪探针的表面配准。
在一实例中，图5A-5C示出了用于配准患者的解剖特征的***500。在该实例中，立体定向框架基座530固定于患者例如患者的头部的解剖特征528。如图5A所示，立体定向框架基座530可以在配准前使用销夹紧颅骨或其他方法固定到患者的头部528。立体定向框架基座530既可以用作固定平台，以将患者的头部528固定在固定位置，也可以用作配准和跟踪平台，以交替地固定CT***536或FRA固定装置534。CT***536包括多个基准标记532(例如，N-图案不透射线的杆或其他基准)，其使用图像处理在图像空间中被自动检测。由于CT***536到基座530的精确附接机制，这些基准标记532相对于立体定向框架基座530处于已知的空间中。拍摄附接有CT***536的患者的3D CT扫描，其具有的图像体积同时包括患者的头部528和CT***536的基准标记532。该配准图像可以例如在手术室或放射线中术中或术前拍摄。捕获的3D图像数据集被存储到计算机内存中。
如图5B所示，在配准图像被捕获之后，将CT***536从立体定向框架基座530移去并且将框架参考阵列固定装置534附接到立体定向框架基座530。然而，立体定向框架基座530保持固定到患者的头部528，以及用于在手术过程中固定患者，并且用作框架参考阵列固定装置534的连接点。框架参考阵列固定装置534包括框架参考阵列(FRA)，其是三个或更多个被跟踪标记539的刚性阵列，其可以是用于光学跟踪的主参考。通过定位FRA的被跟踪标记539在相对于立体定向框架基座530的固定的已知位置和取向，患者的头部528的位置和取向可以被实时跟踪。在FRA固定装置534和立体定向框架基座530上的安装点可以被设计为使得FRA固定装置534以最小的(即亚毫米级)的变化再现地附接到立体定向框架基座530。立体定向框架基座530上的这些安装点可以是CT***536所使用的相同的安装点，其在进行扫描后除去。辅助臂(如图1B的辅助臂107)或其他附接机构也可以用来牢固地固定患者到机器人基座，以确保机器人基座不允许相对于患者移动。
如图5C所示，动态参考基座(DRB)540也可附接至立体定向框架基座530。DRB 540在该实例中包括三个或多个被跟踪标记542的刚性阵列。在该实例中，DRB 540和/或其它被跟踪的标记可以使用辅助安装臂541、销或其他附接机构附接至立体定向框架基座530和/或直接至患者头部528。不同于FRA固定装置534——其仅以用于立体定向框架基座530的明确定位的一种方式安装，DRB 540一般可以根据需要附接，以允许不受阻碍的手术和设备接入。一旦DRB 540和FRA固定装置534被附接，最初与FRA的跟踪标记539相关的配置可任选地转移至或与DRB 540的跟踪标记542相关。例如，如果FRA固定装置534的任何部分阻碍手术进入，外科医生可以仅使用DRB 540移除FRA固定装置534和导航。但是，如果FRA固定装置534不阻碍手术，则外科医生可以选择从FRA标记539导航，而无需使用DRB 540，或者可以同时使用FRA标记539和DRB 540导航。在该实例中，FRA固定装置534和/或DRB 540使用光学标记，其被跟踪的位置在相对于立体定向框架基座530的已知位置，类似于CT***536，但应当理解，可以使用许多其他附加和/或替代技术。
图6A和6B示出了根据一些实施例的用于使用荧光检查(荧光)成像来配准患者的解剖特征的***600。在本实施例中，使用利用被跟踪的配准固定装置644拍摄的多个术中荧光镜检查(荧光)图像，图像空间被配准到跟踪空间。患者的解剖特征(例如，患者的头部628)被放置并牢固地固定在夹紧设备643中的静止位置，以进行其余的手术。用于刚性患者固定的夹紧设备643可以是三销固定***，如Mayfield夹具、连接到手术台的立体定向框架基座、或根据需要的另一种固定方法。夹紧设备643还可以用作患者跟踪阵列或DRB 640的支撑结构。可以使用辅助安装臂641或其他方式将DRB附接在夹紧设备上。
一旦患者被定位，所述荧光固定装置644附接荧光单元的x射线采集图像增强器(未示出)，并通过拧紧夹紧脚632进行固定。荧光固定装置644包含基准标记(例如，在该实例中跨两个平面布置的金属球，未示出)，其在由荧光图像捕获装置捕获的2D荧光图像上可见，并且可以使用标准***模型用于计算x射线源相对于图像增强器的位置，其通常与患者对侧相距约1米。对由荧光图像捕获装置捕获的荧光图像中的金属球的检测还使得软件能够使荧光图像去扭曲(即，去除针垫形和S形失真)。此外，荧光固定装置644含有3或多个跟踪标记646，用于确定跟踪空间中荧光固定装置644的位置和取向。在一些实施例中，软件可以基于先前捕获的CT图像，通过CT图像体积投影矢量，以基于CT图像中的对比度水平生成合成图像，所述合成图像看起来类似于实际的荧光图像(即，数字重建射线照片(DRR))。通过迭代通过荧光束的理论位置，直到DRR匹配实际荧光拍摄，可在荧光图像和DRR之间在两个或更多的视角发现匹配，并基于此匹配，计算患者的头部628相对于X射线源和探测器的位置。因为在荧光固定装置644上的跟踪标记646跟踪图像增强器的位置并且从投影在2D图像上的荧光固定装置644上的金属基准计算X射线源相对于图像增强器的位置，因此X射线源和检测器在跟踪空间中的位置是已知的，并且该***能够实现图像到跟踪的配准。
如图6A和6B所示，两个或更多个拍摄从两个不同的视角由荧光图像捕获装置对患者的头部628进行，同时跟踪DRB 640的阵列标记642和荧光固定装置644上的跟踪标记646，所述阵列标记经由安装臂641被固定到配准固定装置630。基于跟踪数据和荧光数据，一种算法计算头部628或其他解剖特征相对于跟踪空间的位置以用于手术过程。通过图像到跟踪的配准，可以计算出任何被跟踪工具在图像体积空间中的位置。
例如，在一个实施例中，可以将从第一荧光视角拍摄的第一荧光图像与从第一视角通过CT图像体积构造的第一DRR进行比较，并且可以将从第二荧光视角拍摄的第二荧光图像与从第二视角通过相同的CT图像体积构造的第二个DRR进行比较。基于比较，可以确定相对于解剖特征的投影视图，第一DRR基本等效于第一荧光图像，并且相对于解剖特征的投影视图，第二DRR基本等效于第二荧光图像。等效性确认在摄像机空间中跟踪的实际荧光机上从发射器到收集器的x射线路径的位置和取向与在CT空间中生成DRR时指定的从发射器到收集器的x射线路径的位置和取向相匹配，因此实现了跟踪空间到CT空间的配准。
图7示出了根据一些实施例的用于使用术中CT固定装置(ICT)和DRB来配准患者的解剖特征的***700。如图7所示，在一个应用中，可以利用基于基准的图像到跟踪的配准，其使用术中CT固定装置(ICT)750，其具有多个跟踪标记751和不透射线的基准参考标记732，以将CT空间配准到跟踪空间。在使用夹紧装置730例如三销Mayfield框架和/或立体定向框架稳定解剖特征728(例如患者头部)后，外科医生将ICT 750固定到解剖特征728、DRB740或夹紧设备730，使得其相对于DRB 740的跟踪标记742在静止位置，其可以由安装臂741或其他刚性手段保持到位。CT扫描被捕获，其包括ICT 750的基准参考标记732，同时捕获解剖特征728的相关解剖结构。一旦将CT扫描加载到软件中，***就会自动(通过图像处理)识别ICT体积中ICT的基准参考标记732的位置，这些位置相对于TCT 750的跟踪标记处于固定位置，提供了图像到跟踪的配准。最初基于ICT 750的跟踪标记751的该配准然后涉及或转移到DRB 740的跟踪标记742并且然后可以移除ICT750。
图8A示出了根据一些实施例的用于使用DRB和X射线锥束成像装置配准患者的解剖特征的***800。术中扫描器852，例如X光机或其他扫描装置，可以具有安装在其上用于配准的跟踪阵列854，其带有跟踪标记855。基于扫描装置上跟踪阵列854的固定的已知位置，该***可被校准，以直接映射(配准)跟踪空间到***获取的任何扫描的图像空间。一旦实现配准，最初基于扫描器的阵列854的跟踪标记855(例如台架标记)的配准涉及或转移到DRB 840的跟踪标记842，其可以通过安装臂841或其它刚性手段被固定到夹紧固定装置830，从而保持患者的头部828。转移配准后，不再使用扫描器上的标记，并且可以根据需要将其移除、停用或覆盖。在一些实施例中，以这种方式将跟踪空间配准到由扫描器获取的任何图像可以避免在图像空间中需要基准或其他参考标记。
图8B示出了替代性***800′，其使用便携式术中扫描器，在本文中称为C型臂扫描器853。在该实例中，C型臂扫描器853包括C形臂856，其联接到可动基座858以允许C型臂扫描器853被移动到位，并根据需要去除，而不干扰手术的其他方面。臂856在术中被定位在患者头部828的周围，并且臂856相对于患者头部828旋转和/或平移，以捕获X射线或其他类型的扫描以实现配准，该点处C型臂扫描器853可以从患者中移除。
根据一些实施例，用于患者例如患者头部的解剖特征的另一种配准方法可以是使用该解剖特征的表面轮廓图。可以使用被导航或跟踪的探针或其他测量或传感装置(例如激光指示器、3D摄像机等)构造表面轮廓图。例如，外科医生可以用被导航的探针拖动或依次触摸头部表面上的点，以捕获独特突起(例如颧骨、超睫状弓、鼻梁、眉等)上的表面。然后，***将所得的表面轮廓与从CT和/或MR图像检测到的轮廓进行比较，以寻找提供最近匹配的轮廓的位置和取向。为了考虑患者的运动并确保相对于同一解剖特征获取所有轮廓点，每个轮廓点都与记录时患者身上DRB上的跟踪标记相关。由于轮廓图的位置在跟踪空间中是从被跟踪的探针和被跟踪的DRB已知的，因此一旦在图像空间中找到了相应的轮廓，就可以获得跟踪与图像的配准。
图9示出了根据一些实施例的用于使用被导航霍跟踪的探针和基准来对患者的解剖特征进行配准的***900，以用于解剖特征928(例如患者头部)的点对点映射。软件将指示用户使用被跟踪的探针指向可以在CT或MR图像中找到的一系列解剖界标点。当用户指向软件指示的界标时，***将捕获被跟踪数据的帧以及跟踪标记在探针和DRB上的跟踪位置。根据标记在探针上的被跟踪位置，可以计算出探针尖端的坐标，并与DRB上标记的位置相关。一旦在两个空间中找到3个或更多点，就实现了跟踪与图像的配准。作为指向天然解剖学界标的替代，也可以使用基准954(即基准标记)，如贴纸基准或金属基准。外科医生将基准954附加至患者，其由对成像不透明的材料构成，例如，如果与CT一起使用，其包含金属，如果与MR一起使用，其包含维生素E。成像(CT或MR)在放置基准954之后进行。然后，外科医生或用户将在图像体积中手动找到基准的坐标，或者软件将通过图像处理自动找到它们。将具有跟踪标记942的DRB 940与患者通过连接到夹紧设备930或其它刚性装置的安装臂941附连之后，外科医生或用户也可以通过用被跟踪的探针触摸基准954，在物理空间中相对于DRB 940定位基准954，同时在探针和DRB 940上记录跟踪标记(未示出)。因为在图像空间和跟踪空间中已知相同点的坐标，所以实现了配准。
本文描述的实施例的一种用途是规划轨迹并控制机器人移动到期望的轨迹，此后，外科医生将通过机器人保持的导管放置诸如电极的植入物。其他功能包括导出与现有的立体定向框架(例如Leksell框架)一起使用的坐标，该框架使用五个坐标：X、Y、Z、环形角和圆弧角。这五个坐标是使用在规划阶段相对于图像空间确定的目标和轨迹并知道圆环和圆弧相对于立体定向框架基座或其他配准固定装置的位置和取向来建立的。
如图10所示，立体定向框架允许解剖特征1028(例如，患者的头部)的目标位置1058被当作球体的中心处理并且所述轨迹可绕目标位置1058旋转。到目标位置1058的轨迹由立体定向框架(例如Leksell框架)的环和弧角度调整。可以手动设置这些坐标，并且在机器人发生故障或无法成功跟踪或配准时，可以将立体定向框架用作备用或冗余***。线性x、y、z向中心点(即目标位置1058)偏移经由所述框架的机制调节。锥体1060绕目标位置1058居中，并且示出了可以通过改变Leksell框架或其他类型框架的环和弧角度来实现所述调节区。该图说明具有环和弧调整的立体定向框架非常适合在更改进入颅骨的进入点的同时从一定角度范围到达固定目标位置。
图11示出了根据一些实施例的虚拟点旋转机构的二维可视化。在该实施例中，机器人臂能够创建不同类型的点旋转功能，该功能使得能够实现新的运动模式，该运动模式使用5轴机械框架不容易实现，但是可以使用本文所述的实施例来实现。通过使用本文所述的配准技术对机器人的轴进行协调控制，此模式允许用户围绕空间中的任何固定点旋转机器人的导管。例如，机器人可围绕入口点1162旋转到解剖特征1128(例如患者的头部)。此入口点旋转是有利的，因为它允许用户进行小的钻孔，但不限制其在术中调整目标位置1164的能力。锥体1160表示可以通过单个入口孔到达的轨迹范围。此外，入口点枢转是有利的，因为它允许用户通过相同的小入口钻孔到达两个不同的目标位置1164和1166。替代地，机器人可以绕颅骨内的目标点(例如，图10所示的位置1058)枢转以从不同的角度或轨迹到达目标位置，如图10所示。这种内部机器人式枢转具有与立体定向框架相同的优点，因为它允许用户从多种途径接近相同的目标位置1058，例如在照射肿瘤时或在调节路径时，使得关键结构诸如血管或神经当超过它们到达目标时不会交叉。与依靠固定的环形和弧形铰接来保持目标/枢轴点固定的立体定向框架不同，机器人通过轴的受控激活来调整枢轴点，因此机器人可以动态地调整其枢轴点并根据需要在模式之间进行切换，如图10和11所示。
在使用机器人或环形和弧形固定装置***植入物或器械之后，这些和其他实施例可以允许使用术中成像来验证植入物的位置。可以定性和/或定量地向用户显示器械或植入物相对于规划轨迹的放置精度。比较规划的位置和放置的位置的一种选择是将术后验证CT图像合并到任何术前图像。一旦合并了术前和术后的图像并显示了规划覆盖，就可以将术后CT上的植入物阴影与规划进行比较，以评估放置的准确性。可以通过图像处理自动执行术后CT上的阴影伪影的检测，并在以尖端和入口处的毫米偏移和沿路径的角度偏移方面数字地显示偏移。由于基于骨骼解剖轮廓执行图像到图像配准，因此该选项不需要在验证图像中出现任何基准。
比较规划的位置和最终放置的第二种选择是使用术中荧光，无论是否连接荧光固定装置。将拍摄两个平面外的荧光图像，并将这些荧光图像与术前CT或MR生成的DRR进行匹配，如上所述，以进行配准。但是，与上述某些配准方法不同，跟踪荧光图像可能不太重要，因为关键信息是电极相对于荧光图像中的解剖结构所处的位置。可以在荧光图像上找到电极的线性或略微弯曲的阴影，并且一旦找到了与该荧光照片相对应的DRR，就可以在CT图像体积中复制该阴影作为面向荧光图像的射线方向和DRR内或向外定向的平面或片。也就是说，***可能不知道电极在给定的照片上位于荧光图像平面内或外的深度，但是可以计算出可能位置的平面或片，并在3D体积上表示该平面或片。在第二荧光视图中，可以确定不同的平面或片并将其覆盖在3D图像上。这两个平面或片在3D图像上相交的位置是检测到的电极路径。***可以将该检测到的路径表示为3D图像体积上的图形，并允许用户重新切分图像体积以从任意期望视角显示该路径和规划路径，还允许自动或手动计算与电极的规划路径与放置位置之间的偏差。跟踪荧光固定装置是不必要的，但可以这样做以帮助使荧光图像变形并计算x射线发射器的位置以提高DRR计算的准确性，迭代查找匹配的DRR和荧光镜头时的收敛速度，以及在3D扫描中放置代表电极的片/平面的位置。
在该实例和其他实例中，期望保持导航完整性，即，确保在整个过程中配准和跟踪保持准确。建立和维护导航完整性的两种主要方法包括：跟踪监视标记相对于DRB上标记的位置，以及检查图像中的界标。在第一种方法中，如果此位置由于例如DRB碰撞而发生变化，则***可能会警告用户导航完整性可能会损失。在第二种方法中，如果界标检查显示屏幕上显示的切片中表示的解剖结构与探针尖端指向的解剖结构不匹配，那么外科医生也将意识到导航完整性的损失。在这两种方法中，如果使用CT***和框架参考阵列(FRA)的配准方法，则外科医生可以选择重新连接FRA，该FRA仅以一种可能的方式安装到框架基座上，并根据FRA跟踪标记和来自CT***536的存储基准，恢复跟踪与图像的配准。然后可以转移此配准或与重新定位的DRB上的跟踪标记相关联。转移配准后，可以根据需要移除FRA。
在本发明构思的各种实施例的上述描述中，应理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不意图限制本发明构思。除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包含技术和科学术语)具有与本发明构思所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。将进一步理解的是，例如在常用词典中定义的那些术语应被解释为具有与其在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且除非本文明确定义，否则不应在理想化或过度正式的意义上解释。
当一个元件被称为“连接”、“联接”、“响应”(或其变型)于另一元件时，它可以直接连接、耦合或响应于另一元件，或者可以存在中间元件。相比之下，当元件被称为“直接连接”、“直接联接”、“直接响应”(或其变型)于另一元件时，不存在中间元件。相同的数字始终指代相同的元件。此外，本文使用的“耦合”、“连接”、“响应”或其变型可以包含无线耦合、连接或响应。如本文所使用，单数形式“一”、“一个”和“所述”也希望包含复数形式，除非上下文另有明确说明。为了简洁和/或清楚起见，可能未详细描述众所周知的功能或配置。术语“和/或”包含一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
应当理解，尽管本文可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件/操作，但是这些元件/操作不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件/操作与另一元件/操作区分开。因此，在不脱离本发明构思的教示的情况下，在一些实施方案中的第一元件/操作可以在其它实施方案中被称为第二元件/操作。在整个说明书中，相同的附图标记或相同的参考标记表示相同或相似的元件。
如本文所使用，术语“包括”、“包含”、“具有”或其变型是开放式的，并且包含一个或多个所陈述的特征、整数、元件、步骤、组件或功能，但不排除一个或多个其它特征、整数、元件、步骤、组件、功能或其群组的存在或添加。此外，如本文所使用，源自拉丁语短语“例如(exempli gratia)”的通用缩写“eg”可用于引入或指定先前提及的项目的一个或多个一般实例，并且不希望限制此项目。源自拉丁语短语“即(id est)”的通用缩写“ie”可用于依据更一般的叙述指定特定项目。
本文参考计算机实施的方法、设备(***和/或装置)和/或计算机程序产品的框图和/或流程图图示来描述示例实施例。应当理解，框图和/或流程图图示的框以及框图和/或流程图图示中的框的组合可以由一个或多个计算机电路执行的计算机程序指令来实施。这些计算机程序指令可以被提供给通用计算机电路、专用计算机电路和/或其它可编程数据处理电路的处理器电路，以产生机器，使得指令经由计算机的处理器和/或其它可编程数据处理设备、转换和控制晶体管、存储在存储器位置中的值，以及此电路内的其它硬件组件执行，以实施在框图和/或流程图框中指定的功能/动作，从而创建用于实施框图和/或流程图框中指定的功能/动作的构件(功能性)和/或结构。
这些计算机程序指令还可以存储在有形计算机可读媒体中，所述有形计算机可读媒体可以指示计算机或其它可编程数据处理设备以特定方式起作用，使得存储在计算机可读媒体中的指令产生包含实施框图和/或流程图框中指定的功能/动作的指令的制品。因此，本发明构思的实施例可以体现在例如数字信号处理器之类的处理器上运行的硬件和/或软件(包含固件、常驻软件、微代码等)中，这些处理器可以统称为“电路”、“模块”或其变型。
还应注意，在一些替代实施例中，框中提到的功能/动作可以不按流程图中所示的顺序发生。例如，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者这些框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能/动作。此外，流程图和/或框图的给定框的功能性可以分成多个框，且/或流程图和/或框图的两个或两个以上框的功能性可以至少部分地集成。最后，可以在所示的框之间添加/***其它框，且/或可以省略框/操作而不脱离本发明构思的范围。此外，尽管一些图包含通信路径上的箭头以示出通信的主要方向，但是应该理解，通信可以在与所示箭头相反的方向上发生。
虽然在前面的说明书中已经公开了本发明构思的几个实施例，但应该理解，在受益于前述说明和相关附图中呈现的教示的情况下，将能够设想出本发明构思所涉及的本发明构思的许多修改和其它实施例。因此应该理解，本发明构思不限于上文公开的特定实施例，并且许多修改和其它实施例希望包含在所附权利要求书的范围内。进一步设想，来自一个实施例的特征可以与来自本文描述的不同实施例的特征组合或一起使用。此外，虽然在本文以及在所附权利要求书中使用了特定术语，但是它们仅在一般和描述性意义上被使用，而不是为了限制所描述发明构思或所附权利要求书的目的。本文引用的每个专利和专利公开的全部公开内容全文以引用的方式并入本文中，如同每个此专利或公开个别地以引用的方式并入本文中。本发明构思的各种特征和/或潜在优点在所附权利要求书中陈述。

Claims (10)

1.一种***，其包括：
处理器电路；和
包括机器可读指令的存储器，所述机器可读指令被配置为使所述处理器电路：
提供限定图像空间的医学图像体积，所述医学图像体积包括：
患者的解剖特征；
相对于所述患者的解剖特征固定的配准固定装置；和
相对于所述配准固定装置固定的第一多个基准标记；
基于所述医学图像体积，针对所述多个基准标记中的每个基准标记，确定所述基准标记相对于所述图像空间的位置；
基于所确定的第一多个基准标记的位置，确定所述配准固定装置相对于所述解剖特征的位置和取向；
提供限定跟踪空间的跟踪数据帧，所述跟踪数据帧包括相对于所述配准固定装置固定的第一多个被跟踪标记的位置；和
基于所述跟踪数据帧，确定所述解剖特征相对于所述跟踪空间中的第一多个被跟踪标记的位置。
2.根据权利要求1所述的***，其中所述跟踪数据帧还包含相对于患者支撑结构固定的第二多个被跟踪标记的位置，
其中所述患者的解剖特征相对于所述患者支撑结构固定，并且
其中所述机器可读指令还被配置为使所述处理器电路：
基于所述跟踪数据帧和确定的所述解剖特征相对于所述跟踪空间中的第一多个被跟踪标记的位置，确定所述解剖特征相对于所述跟踪空间中的第二多个被跟踪标记的位置。
3.根据权利要求2所述的***，其中在确定所述解剖特征相对于所述跟踪空间中第二多个被跟踪标记的位置之后，从所述患者移除第一多个被跟踪标记。
4.根据权利要求2所述的***，其中所述配准固定装置包括固定到所述患者的立体定向框架。
5.根据权利要求4所述的***，其中所述第二多个被跟踪标记固定地连接到可拆卸地连接至所述立体定向框架的动态参考基座(DRB)。
6.根据权利要求1所述的***，其中所述配准固定装置包括固定到所述患者的立体定向框架。
7.根据权利要求6所述的***，其中所述医学图像体积包含所述立体定向框架、所述患者的解剖特征和可拆卸地连接至所述立体定向框架的CT***的计算机断层扫描(CT)图像，所述CT***包括所述多个基准标记。
8.根据权利要求6所述的***，其中所述第一多个被跟踪标记固定地连接在可拆卸地连接至所述立体定向框架的框架参考阵列(FRA)上。
9.根据权利要求1所述的***，其中所述配准固定装置包括固定地连接到荧光镜检查(荧光)图像捕获装置的图像增强器的固定装置，并且
其中所述医学图像体积包含：
由所述荧光图像捕获装置从第一荧光图像视角捕获的所述配准固定装置、所述患者的解剖特征以及所述多个基准标记的第一荧光图像，其中所述多个基准标记引起从第一视角相对于所述配准固定装置固定的第一荧光图像上的第一多个阴影；和
由所述荧光图像捕获装置从不同于第一荧光图像视角的第二荧光图像视角捕获的所述配准固定装置、所述患者的解剖特征以及所述多个基准标记的第二荧光图像，其中所述多个基准标记引起从第二视角相对于所述配准固定装置固定的第二荧光图像上的第二多个阴影。
10.根据权利要求9所述的***，其中确定所述配置固定装置相对于所述解剖特征的位置和取向还包括：
将第一荧光图像与通过具有第一DRR视角的计算机断层扫描(CT)图像体积投影的第一数字重建射线照片(DRR)进行比较；
基于比较所述第一荧光图像与所述第一DRR，确定所述第一DRR相对于所述解剖特征的视角基本等于所述第一荧光图像相对于所述解剖特征的视角；
将第二荧光图像与通过具有不同于第一DRR视角的第二DRR视角的CT图像体积投影的第二DRR进行比较；
基于比较所述第二荧光图像与所述DRR，确定所述第二DRR相对于所述解剖特征的视角基本等于所述第二荧光图像相对于所述解剖特征的视角；
确定所述解剖特征相对于第一DRR视角和第二DRR视角的位置和取向；和
基于确定所述解剖特征相对于第一DRR视角和第二DRR视角的位置和取向、确定第一DRR视角基本等于第一荧光图像视角和确定第二DRR视角基本上等于第二荧光图像视角，确定了所述配准固定装置相对于所述解剖特征的位置和取向。
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