用于追蹤工作目標的位置的導航系統(tǒng)和方法
【技術領域】
[0001]本公開涉及用于用可追蹤設備來追蹤工作目標的位置的導航系統(tǒng)，例如手術導航系統(tǒng)。本公開還涉及一種使用這種導航系統(tǒng)來追蹤工作目標的位置的方法。
【背景技術】
[0002]在多種類型的應用中使用用于單獨地或結合一個或多個各種工作工具來追蹤位于體內的一個或多個工作目標的位置的導航系統(tǒng)。通常使用導航系統(tǒng)的一個應用是導航手術過程的領域。在該領域中，現(xiàn)在通常將手術導航系統(tǒng)用于幫助計劃手術過程或執(zhí)行所計劃的手術過程，以改善手術過程的準確性，并最小化其侵害性。
[0003]在一些手術導航系統(tǒng)中，剛性可追蹤設備被附著到患者，以相對于患者身體的某部位固定。將由計算機實現(xiàn)的追蹤系統(tǒng)用于追蹤可追蹤設備的位置，并基于提前確定的在該可追蹤設備和患者內某感興趣區(qū)域之間的空間關系，追蹤患者內的工作目標的位置。由計算機實現(xiàn)的追蹤系統(tǒng)還用于例如通過附著到手術工作工具的第二可追蹤設備追蹤該手術工作工具的位置。根據這兩個追蹤位置，導航系統(tǒng)能夠追蹤該工作工具相對于患者內的工作目標的位置。然后，通過將術前掃描信息數據登記到術中追蹤信息的一個或多個方法，將該追蹤信息與提前定義的和一個或多個術中或術前掃描信息數據集相關的手術計劃信息(例如，CT(計算機斷層掃描)圖像、MRI (核磁共振成像)圖像、X射線圖像、超聲圖像數據或關于患者身體的其它類似信息)聯(lián)系起來。
[0004]這種導航系統(tǒng)的局限性在于可追蹤設備通常必須被侵害性地附著到患者，例如，采用緊扣到骨頭的別針或其它緊固件。這種附著可能導致在患者術后恢復中發(fā)生潛在問題的額外風險。此外，通過由計算機實現(xiàn)的追蹤系統(tǒng)實現(xiàn)的多種導航例程基于以下假設:可追蹤設備在導航過程期間不相對于患者和目標區(qū)域移動。因此，在導航過程期間可追蹤設備相對于患者的移動，例如偶然性碰撞、固定松懈或其它情況可以導致大量誤差，需要對導航系統(tǒng)的全部重新設置或重配置，這可能浪費在手術過程期間的寶貴時間。
[0005]其它手術導航系統(tǒng)使用由柔性襯底形成的可追蹤設備，其中該柔性襯底承載有若干LED (發(fā)光二極管)。柔性襯底被以某種方式附著到患者的皮膚，用于保護或最小化相對于患者特征的變形或移動。因此，可追蹤設備通常被附連到患者的多骨區(qū)域，例如，頭骨和/或鼻部，以當開始導航過程后，相對于在患者內的工作目標處于固定位置。然而，這種導航系統(tǒng)的限制在于:在開始導航過程后，可追蹤設備的任何變形可能導致大量導航誤差，或需要重新配置導航系統(tǒng)。

【發(fā)明內容】

[0006]根據一些方面，提供了一種追蹤工作目標的位置的導航系統(tǒng)和方法，其中所述導航系統(tǒng)可以檢測可追蹤設備在導航過程期間的扭曲。在一些情況下，導航系統(tǒng)可以以某種方式補償這種扭曲，使得減小或消除導航誤差和/或避免或減小在導航過程期間重新設置導航系統(tǒng)的需要。
[0007]根據一些方面，提供了一種用于追蹤位于身體內的工作目標的位置的導航系統(tǒng)，其中所述身體是可壓縮的并具有可扭曲的外部表面。所述導航系統(tǒng)包括可追蹤設備和由計算機實現(xiàn)的追蹤系統(tǒng)?？勺粉櫾O備包括被配置為附著到身體的外部表面的多個追蹤點。追蹤點配置為當被附著到身體的外部表面時相對于彼此是可移動的。由計算機實現(xiàn)的追蹤系統(tǒng)用于遠程追蹤每個追蹤點相對于坐標系統(tǒng)的位置。追蹤系統(tǒng)包括用于實現(xiàn)包括如下步驟的導航例程的計算機處理器裝置:訪問可追蹤設備的初始模型，所述初始模型基于追蹤點的集合的初始位置具有初始形狀；將所述初始模型登記到工作目標在所述工作目標的圖像中的初始位置；在登記所述初始模型之后，用追蹤系統(tǒng)感測可追蹤設備的變形；創(chuàng)建補償所述變型的可追蹤設備的精修模型；以及根據精修模型，計算所述工作目標的當前位置。
[0008]根據一些方面，用導航系統(tǒng)追蹤位于體內的工作目標的位置的方法包括以下步驟:訪問可追蹤設備的初始模型，所述初始模型的初始形狀基于追蹤點的集合的初始位置；將所述初始模型登記到工作目標在所述工作目標的圖像中的初始位置；在登記所述初始模型之后，用追蹤系統(tǒng)感測可追蹤設備的變形；創(chuàng)建補償所述變型的可追蹤設備的精修模型；以及根據精修模型，計算所述工作目標的當前位置。還可以用由計算機實現(xiàn)的追蹤系統(tǒng)(例如，用硬件和/或軟件)實現(xiàn)所述方法，所述追蹤系統(tǒng)配置為遠程追蹤可追蹤設備的追蹤點相對于坐標系統(tǒng)的位置。所述方法可以通過使用具有多個追蹤點的可追蹤設備來實現(xiàn)，其中多個追蹤點被配置為附著到身體的外部表面，其中，所述追蹤點配置為當被附著到身體的外部表面時可相對彼此移動。
[0009]這些和其它方面還可以包括本文所述的多種可選布置和特征中的任何一個或多個。
[0010]在一些布置中，可以在導航過程期間僅執(zhí)行一次所述訪問和登記步驟，例如在開始或接近開始所述過程時。在導航過程期間，可以將所述感測變形、創(chuàng)建精修模型、和計算工作目標的位置的步驟例如迭代式地執(zhí)行一次或多次。
[0011]在一些布置中，所述創(chuàng)建精修模型的步驟可以包括:移除所述集合中的一個或多個感測的追蹤點，和/或將追蹤點的感測位置相對于在所述集合中的其它追蹤點的感測位置進行調整。例如，所述創(chuàng)建精修模型的步驟可以包括:移除所述集合中變形超過了從初始形狀或任何其它參照物的偏移閾值或任何其它參數的至少一個追蹤點。此外，所述創(chuàng)建精修模型的步驟示例性地可以包括:根據在追蹤點的感測位置和所述追蹤點的初始位置之間的空間偏移，和/或可選地相對于一個或多個其它追蹤點的初始位置的空間偏移，相對在集合中的其它追蹤點的感測位置，調整所述追蹤點的感測位置。
[0012]在一些布置中，感測變形可以包括:在登記初始模型之后，追蹤所述集合的追蹤點的后來位置，后來位置限定了變形后的形狀?？勺粉櫾O備的變形模型可以基于追蹤點的感測位置和變形后的形狀。然后，可以基于變形后的形狀和初始形狀之間的差別，來識別可追蹤設備的變形。
[0013]在一些布置中，所述識別變形的步驟包括:將初始形狀與變形后的形狀進行匹配；以及計算所述集合的追蹤點的空間偏移?？蛇x地，可以通過將追蹤點的初始位置轉換為追蹤點的后來位置，并將兩個模型中的同一點彼此進行比較以識別空間偏移，來執(zhí)行匹配。例如，可以轉換追蹤點的初始坐標(例如，初始形狀)，以試圖匹配在感測到的追蹤點的點云中(例如，變形后的形狀)的測量坐標。這種變換可以是正交變換。這種變換和匹配可以包括最小二乘匹配算法，以發(fā)現(xiàn)最佳擬合的比較。然后，可以將匹配形狀進行比較，以計算所述點的空間偏移，例如，測量追蹤點中的一個或多個的坐標與所述追蹤點初始位置的變換坐標之間的距離的絕對值。備選地或附加地，可以變換感測追蹤點的坐標，并將其與相同追蹤點的初始位置的坐標進行匹配，或可以使用適合于初始形狀與變形后的形狀的匹配和比較的其它坐標變換。
[0014]在一些實施例中，所述創(chuàng)建精修模型的步驟包括:當追蹤點的空間偏移超過了限定的空間偏移閾值和/或具有超過該集合中的至少一個其它感測追蹤點的空間偏移時，從該集合中排除感測該追蹤點?？蛇x地，只有當它的空間偏移超過了限定的空間偏移閾值并在該集合的所有追蹤點中具有最大空間偏移時，才排除該追蹤點，從而一次只排除一個追蹤點(例如，變形最大的)?？梢酝ㄟ^從用于形成精修模型的追蹤點的集合中移除感測追蹤點，來排除該感測追蹤點。因此，精修模型可以基于減少的感測追蹤點的集合(相對初始模型和/或變形后的模型)，而不基于被移除的追蹤點的后來位置?？蛇x地，可以從感測追蹤點的集合中移除變形追蹤點，而無需修改變形后的模型的其它部分的形狀。
[0015]在一些布置中，所述創(chuàng)建精修模型的步驟包括:當識別出感測追蹤點發(fā)生變形時，調整該感測追蹤點的位置?？梢詫⒆冃巫粉欬c在變形模型中的位置調整為精修模型中的修正位置。因此，可以在精修模型中保留變形追蹤點的修正位置，而不是從精修模型忽略變形追蹤點。可以根據追蹤點相對于彼此的位置以及這些相對位置和/或相對距離的空間偏移，來將一個追蹤點的感測位置相對于集合中的其它追蹤點的感測位置進行調整?？梢砸杂邢拊椒?FEM)分析，基于患者皮膚運動的力彈簧模型假設，來執(zhí)行所述調整。變形追蹤點的空間偏移可以等于合力?？梢杂嬎阆蛄椈赡Ｐ褪┘拥牧Φ募?，以向初始模型中的初始位置移動變形追蹤點。還可以對由此而產生的一個或多個其他追蹤點的移動進行建模。可以保持一個或多個感測追蹤點相對工作目標維持固定位置，而基于FEM分析中的力彈簧模型移動其它感測追蹤點時。
[0016]偏移閾值可以是預定靜態(tài)值和/或依賴于可選因子的動態(tài)值?？蛇x地，偏移閾值可以基于將追蹤點的空間偏移與該集合中的最多所有追蹤點的平均空間偏移進行的比較。平均空間偏移可以包括直接平均、加權平均和/或其它類型的平均。當追蹤點的空間偏移超過這種偏移閾值和/或超過其它追蹤點的空間偏移(例如，在所有追蹤點中具有最大空間偏移)時，可以將追蹤點稱作和/或將其認為是變形追蹤點和/或認為它具有無法接受的位置誤差。是否移動和/或調整精修模型中的追蹤點的感測位置的決定可以取決于是否將該追蹤點認為是變形追蹤點和/或該追蹤點是否具有不可接受的位置誤差。
[0017]在一些布置中，在計算工作目標的當前位置之前，迭代式地重復以下步驟:將初始形狀與變形后的形狀進行匹配；計算空間偏移；以及移除追蹤點。在隨后的迭代中，由于排除了先前移除的追蹤點，對減少數目的追蹤點執(zhí)行匹配?？梢缘降刂貜瓦@些步驟，直到至少不再從追蹤點的集合中移除其它感測追蹤點和/或感測追蹤點的集合包括的追蹤點數目比預定的最小追蹤點數目更少。預定的最小追蹤點數目可以是靜態(tài)定義的數目，或可以是動態(tài)定義的數目，例如，基于在導航過程期間獲得的參數?？蛇x地，當精修模型中包括的追蹤點的集合所包括的追蹤點的數目小于預定的最小追蹤點數目時，導航例程向用戶提供通知。這種通知可以包括提供可聽或可視的通知(例如警告)，和/或自動結束或暫停導航例程。
[0018]導航例程可以用于當等于或超過一個或多個誤差閾值時，向用戶提供通知。在一些布置中，導航例程估計根據可追蹤設備的初始模型變形和/或精修模型中的追蹤點的減少而計算出的工作目標的當前位置的預期誤差。在一些布置中，導航例程根據空間偏移，計算在追蹤點的集合中的一部分追蹤點或所有追蹤點的平均空間偏移?？蛇x地，當預期誤差超過工作目標的預定最大誤差閾值和/或平均空間偏移超過預定最大誤差閾值時，導航例程可以向用戶提供指示。預定誤差閾值可以是靜態(tài)限定的數值和/或可以是例如基于在導航過程期間獲得的參數動態(tài)限定的數值。所述指示可以包括警告消息