机器人与图像之间的自动联机配准制造技术

一种配准系统和方法，包括具有一个或多个能移动特征（122）的能配置设备（104），使得能够确定所述能移动特征相对于参考的移动，以定义所述能配置设备的具体配置。一种成像系统（110），具有显示器，在所述显示器上能够察看所述能配置设备。一种处理设备（112），其被配置为基于所述能配置设备的所述具体配置，将所述能配置设备与所述成像系统的坐标系配准。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及设备配准，并且具体而言涉及用于基于所述设备的配置进行现场配准的系统、设备和方法。
技术介绍
配准是寻找对相同数据的不同观察之间的关系的过程。更具体地，其为对所述相同数据（因不同的视角造成的，或属于不同坐标系的）多个测量结果的对准的计算。需要配准，以确定机器人（robot）坐标系中的物理位置与其在成像空间中的位置之间的一致性。在临床设置中，在手术之前执行超声图像与机器人坐标之间的配准。术前配准（针对其存在有公知的技术）最适合如下情况，其中相对于世界或全局坐标系固定至少一个坐标系。如果两个坐标系都移动，则一次配准变得无效并且必须被重新计算。在基于超声的机器人引导中，非常可能有以下情况：两个设备（即超声换能器与所述机器人）在程序期间将相对于彼此移动。尽管所述超声可能有时被固定在一个位置，但是在定位中具有灵活性是有益的，给定超声在机器人引导介入中的角色是用于引导所述机器人以及用于在感兴趣区域上提供成像两者。要求超声换能器（以及因此，超声图像）与机器人之间的配准的程序的范例包括机器人结构性心脏修复。在该情况中，采用经食管超声心动描记（TEE）设备。探头安装在非刚性线缆上，引起其因呼吸而移动。在该情况中，一旦被建立，配准即可能失败。可以采用用于对所述机器人与所述超声探头的连续配准的电磁（EM）轨迹。该解决方案复杂且消耗资源。同样，EM轨迹容易因EM场中的干扰而有误差。术前配准为已有的复杂手术流程增加了复杂度，同时基准标记物的安装也增加了手术时间和复杂度。跟踪坐标系至少因额外的硬件要求而较为笨重。
技术实现思路
根据本专利技术的原理，一种配准系统和方法，包括能配置设备，其具有一个或多个能移动特征，使得可以相对于参考确定所述能移动特征的移动，以定义所述能配置设备的具体配置。一种成像系统，具有显示器，在所述显示器上能够察看所述能配置设备。一种处理设备，其被配置为基于所述能配置设备的所述具体配置，将所述能配置设备与所述成像系统的坐标系配准。一种配准系统，包括机器人，其具有通过N个接合点连接的一个或多个能移动特征，使得所述能移动特征相对于参考的移动定义所述机器人的具体配置。一种超声成像系统，具有显示器，在所述显示器上能够察看所述机器人。一种处理设备，其被配置为基于所述机器人的所述具体配置，将所述机器人与超声探头的坐标系配准。一种配准方法，包括：在能配置设备的操作图像中检测所述能配置设备的参考特征；确定所述能配置设备的具体配置；使用所述参考特征，在成像坐标系中计算所述能配置设备的所述具体配置；并且确定所述能配置设备的所述具体配置与所述成像坐标系之间的变换，以将所述能配置设备的坐标系与所述成像坐标系配准。根据对示例性实施例的以下详细描述，本公开的这些以及其他目标、特征和优点将变得显而易见，应结合附图对其进行阅读。附图说明本公开将参考附图详细提供对优选实施例的以下描述，其中：图1的方框图/流程图示出了根据本专利技术的原理的用于将机器人或其他能配置设备与成像流或图像配准的系统/方法；图2的框图/流程图示出了根据一个示例性实施例的用于将机器人与成像系统配准的方法；图3的示图示出了根据有用的实施例的机器人的轴或连接器，所述机器人包括用于在图像流中识别所述轴或连接器的部分的一个或多个标记物；图4的示图示出了根据有用的实施例的机器人的轴或连接器，所述机器人包括用于在图像流中识别所述轴或连接器的取向的两个标记物；图5的示图示出了根据一个示例性实施例的计算的轴端部与图像的坐标系之间的x、y和z坐标的运动轨迹；图6的示图示出了根据有用的实施例的机器人的轴或连接器，所述机器人上安装有用于识别所述轴或连接器的位置的形状感测光纤；图7的示图示出了根据一个实施例的机器人的轴或连接器，所述机器人上安装有用于在超声环境中识别所述轴或连接器的位置的振动机构；图8的示图示例性示出了根据一个实施例的用于将机器人的轴或连接器与图像帧/成像探头配准的变换计算；图9的方框图/流程图示出了根据示例性实施例的用于将机器人设备与成像坐标系配准的步骤。具体实施方式根据本原理，提供了用于执行成像设备（例如超声（US）探头，例如三维（3D）超声探头）与机器人操纵系统之间的自动且实时的配准的系统与方法。这些配准系统与方法可以被用于执行多种任务，例如定位目标、缓解对与成像探头的对齐相关联的认知负担、确定图像与物理世界的关系、将手术工具引导到目标，等等。在采用这些成像和机器人功能的本专利技术的实施例的辅助下，可以由外科医师执行更为复杂的手术程序。根据一个尤其有用的实施例，提供机器人到成像探头或图像的实时配准，其使用允许在所述图像中检测所述机器人或安装在所述机器人上的手术仪器的各种方法和设备。也提供允许监测配准准确度的质量控制方案。应理解，将关于医学仪器描述本专利技术；然而，本专利技术的教导要宽泛得多，并且可应用于在轨迹或分析复杂的生物或机械系统中采用的任意仪器。尤其地，本原理可应用于生物系统的内部轨迹程序，在身体的所有区域中的程序，例如肺、胃肠道、排泄器官、血管等等。可以以硬件与软件的各种组合实施附图中所描绘的元件，并且所述元件提供可以被合并在单个元件或多个元件中的功能。可以通过使用专用硬件以及能够与与合适的软件相关联而运行软件的硬件，来提供附图中所示的各种元件的功能。当由处理器提供时，所述功能可以由单个专用处理器、单个共用处理器或由多个个体处理器提供，所述个体处理器中的一些可以是共用的。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被解释为排他性指代能够运行软件的硬件，而是可以暗含地、不作为限制地包括数字信号处理器（“DSP”）硬件、用于存储软件的只读存储器（“ROM”）、随机存取存储器（“RAM”）、非易失性存储器等等。此外，本文中记载本专利技术的原理、方面和实施例的全部陈述，以及其具体范例，意图包括其结构性和功能性的等价方案。额外地，这些等价方案意图包括当前已知的等价方案以及未来开发的等价方案（即所开发的执行相同功能的任意元件，不管其结构如何）两者。因此，例如，本领域技术人员将认识到本文提供的方框图表示实施本专利技术的原理的示例性系统部件和/或电路的概念图。类似地，将认识到，任意流程图、作业图等等均表示可以被基本上表示在计算机可读存储介质中并这样由计算机或处理器运行的各个过程，不管是否明确示出这样的计算机或处理器。...

【技术保护点】
一种配准系统，包括：能配置设备（104），其具有一个或多个能移动特征（122），使得能够确定所述能移动特征相对于参考的移动，以确定所述能配置设备的具体配置；成像系统（110），其具有显示器，在所述显示器上能够察看所述能配置设备；以及处理设备（112），其被配置为基于所述能配置设备的所述具体配置，将所述能配置设备与所述成像系统的坐标系配准。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.09.13 US 61/533,8081.一种配准系统，包括：
能配置设备（104），其具有一个或多个能移动特征（122），使得能够
确定所述能移动特征相对于参考的移动，以确定所述能配置设备的具体配
置；
成像系统（110），其具有显示器，在所述显示器上能够察看所述能配
置设备；以及
处理设备（112），其被配置为基于所述能配置设备的所述具体配置，
将所述能配置设备与所述成像系统的坐标系配准。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述能配置设备（104）包括具
有至少一个连接器的机器人。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述至少一个连接器（122）被
耦合到接合点（111）并且还包括被配置为测量所述接合点的所述移动的编
码器（113）。
4.如权利要求2所述的系统，其中，所述至少一个连接器（122）包
括形状感测光纤（606），并且使用来自所述光纤的信号测量轴的移动。
5.如权利要求2所述的系统，其中，所述至少一个连接器（122）包
括末端部分，并且所述末端部分包括至少一个标记物（108），用于在所述
成像系统的图像中指定一位置。
6.如权利要求5所述的系统，其中，所述至少一个标记物（108）包
括形状或配置，以指定所述至少一个连接器的所述位置或取向。
7.如权利要求5所述的系统，其中，所述成像系统（110）包括超声
系统，并且所述至少一个标记物包括振动机构（706），以指定所述至少一

\t个连接器的所述位置或取向。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述能配置设备（104）包括设
置在生物体内的机器人，并且所述成像系统（110）包括对所述体中的感兴
趣区域进行成像的超声系统。
9.如权利要求1所述的系统，还包括被配置为基于测得的配准误差来
停用所述能配置设备的开关（126）。
10.一种配准系统，包括：
机器人（104），其具有通过N个接合点（111）连接的一个或多个能移
动特征（122），使得所述能移动特征相对于参考的移动定义所述机器人的
具体配置；
超声成像系统（110），其具有显示器，在所述显示器上能够察看所述
机器人；以及
处理设备（112），其被配置为基于所述机器人的所述具体配置，将所
述机器人与所述成像系统的超声探头（105）的坐标系配准。
11.如权利要求10所述的系统，其中，所述一个或多个能移动特征（122）
包括轴或连接器。
12.如权利要求10所述的系统，其中，所述N个接合点（1...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·西恩帕波，B·拉马钱德兰，A·波波维奇，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL