[发明专利]用来对用于手术导航的坐标转换进行确定的计算机实现技术

说明书

技术领域

本公开总体涉及计算机辅助手术。具体地，介绍了用于确定导航参考坐标系与图像坐标系之间的转换的技术。所述技术可被实现为方法、计算机程序产品、设备或系统。

背景技术

在过去十年中，在手术导航系统的辅助下执行的手术操作的数目急剧增加.该增加可部分归因于手术导航系统在使用和构建上已变得较不复杂这一事实.

通常基于在手术之前获取的或在手术进行时获取的患者图像数据(例如，计算机X射线断层(或CT)扫描)执行手术导航。对于图像引导的手术而言，手术设备相对于患者的当前位置被重叠在患者图像上，并且被可视化。该重叠要求相对于图像坐标系(在该系统中提供患者图像数据)来配准导航参考坐标系(在该坐标系中跟踪手术设备与患者之间的相对移动)。从数学的角度而言，该配准涉及计算在导航参考坐标系与图像坐标系之间的转换。

在成功配准之后，所导航的手术设备与患者之间的相对移动可被跟踪，且被可视化。使用被配置为检测其视野内的一个或多个跟踪设备的跟踪相机来执行跟踪。通常，患者与手术设备二者各自与专用跟踪设备相关联。可例如从Stryker公司的专利US 8,457,719 B2得知这样的导航方案。US 8,457,719 B2公开了各自包括发光二极管(LED)形式的多个分隔开的跟踪点的工具跟踪设备和患者跟踪设备。患者跟踪设备包括柔性块(patch)，该柔性块在要贴到患者身上的一侧具有粘性层，使得在块的另一侧上提供的跟踪点贴合于患者表面。

患者跟踪设备上的跟踪点和工具跟踪设备上的跟踪点是跟踪相机可检测的，该跟踪相机由三个单独的电荷耦合器件(CCD)相机阵列组成。跟踪相机被安装在推车上、手术室墙上或手术室灯上。

为了进行配准，构建要将患者跟踪设备贴在其上的患者表面的模型。构建表面模型要求通过跟踪相机定位患者跟踪设备上的跟踪点。关于这一点，配准例程指示外科医生将患者移动一次或多次，直到在跟踪相机的视野内有足够的跟踪点。应该明白，表面模型的质量极大地取决于可精确检测的跟踪点的数目。

一旦已根据检测到的跟踪点构建了可靠的表面模式，将该表面模型配准到CT扫描形式的患者图像数据。可使用表面匹配技术来执行该配准。如果可在预定误差等级内配准扫描出的患者图像和形状模型，配准例程确认配准过程成功。配准过程的成功受到表面模型的质量的极大影响。表面模型的质量继而取决于跟踪相机精确检测到的跟踪点的数目。

还存在这样的导航方案：仅跟踪患者，而使用与手术设备和跟踪相机有关的先验知识来计算手术设备相对于患者跟踪设备的位置。关于此，Activiews有限公司的US 2008/0208041 A1教导了具有患者跟踪设备的手术导航系统，该患者跟踪设备具有被配置为敷到患者的充分平坦的块的形式。该块包括可光学检测的跟踪点布置以及与该跟踪点布置具有已知空间关系的附加的不透无线电的基准布置。通过将在CT扫描中识别出的不透无线电的基准布置与贴附到手术设备的跟踪相机检测到的跟踪点布置进行匹配来完成手术前获取的CT扫描与患者之间的配准。在手术导航期间，设备上安装的跟踪相机对跟踪点布置进行跟踪，并基于与手术设备的几何尺寸、跟踪点布置的几何尺寸以及跟踪相机的成像特性有关的知识来计算手术设备相对于跟踪点布置的位置。由此，不需要单独的工具跟踪设备。

发明内容

本公开的目标是提高配准性能。

根据一个方案，提供给了一种确定导航参考坐标系与图像坐标系之间的转换的计算机实现的方法，所述导航参考坐标系用于相对于患者图像数据来导航手术设备，在所述图像坐标系中，所述患者图像数据定义患者表面的形状。该方法包括接收多个图片数据集，其中，所述图片数据集是从所述患者表面的不同视角得到的。该方法还包括：根据所述图片数据集并在所述导航参考坐标系中确定所述图片数据集中能够识别的多个特征的特征坐标，根据所述特征坐标确定所述导航参考坐标系中所述患者表面的形状模型，以及使用所述形状模型与由所述患者图像数据定义的患者表面的形状之间的表面匹配来确定所述导航参考坐标系与所述图像坐标系之间的转换。

可在实际的导航流程之前的配准流程期间执行该方法。应该明白，可对产生的配准进行更新或验证，使得本文中介绍的方法也可以与导航流程同时实施。

可由计算机设备执行本文中介绍的方法的步骤。用于计算机辅助手术的系统可包含该计算机设备。具体地，使用硬件组件和软件组件至少之一来执行方法步骤。例如，可由硬件和软件接口至少之一来执行接收步骤，以及可由耦接到接口的一个或多个处理器(例如，在软件控制下)执行确定步骤。