配准方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于确定对象相对于位置检测系统的位置和取向的配准方法，其中所述方法包括以下步骤：

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】配准方法和装置


[0001]本专利技术涉及一种用于确定对象相对于位置检测系统的位置和取向的配准方法和配准装置。

技术介绍

[0002]例如在医学领域中支持器械(例如手术器械)的导航的位置检测系统本身是已知的。此类位置检测系统可以是光学、基于超声或电磁位置检测系统，并且用于检测位置传感器相对于位置检测系统的位置和取向。
[0003]例如，电磁位置检测系统是已知的，其中场发生器产生交变电磁场，并且提供给包括线圈的位置传感器。交变电磁场在线圈中感应的电流取决于相应线圈相对于交变电磁场的取向。如果可移动器械配备有例如传感器线圈形式的此类位置传感器，则可以确定器械相对于参考传感器的放置点和位置，所述参考传感器例如可同样包括线圈。此类参考传感器优选地刚性地连接到患者的身体部位(要不然不同的对象)。
[0004]为了支持外科医生在患者体内导航手术器械，通常借助于此类位置检测系统检测具有位置传感器的手术器械的位置，并且在通过断层摄影术获得的身体部位的截面图像中显示器械的位置。
[0005]为实现此操作，必须将器械的位置传感器提供的位置值传输到患者的断层摄影图像的坐标中。举例而言，从患者的断层摄影图像生成身体部位的表面的局部解剖图像的做法是已知的，以便使局部解剖图像的表面(下文也称为模型表面)上的点与真实身体部位的表面上的分别由指针仪器或感测仪器接触的那些点相互关联。因此，可以在配准方法的范围内产生用于将借助于位置检测系统检测到的位置值变换成模型坐标的变换指示。为此，感测身体部位的真实表面上的多个点，并且使表示真实表面上的点的相关联位置值与模型表面上的点相互关联，同时以产生最小可能误差的方式维持它们相对于彼此的相对位置。指定如何将检测到的位置值变换成局部解剖图像(在本文中也被称为局部解剖模型)的坐标并且因此也变换成断层摄影图像或模型的坐标的变换指示由此产生。
[0006]患者配准是指建立变换函数，以使手术期间检测到的位置数据与手术前例如通过断层摄影术获得的图像数据中的位置信息相对应。举例来说，出于患者配准的目的，如上文所描述的，检测患者模型且建立变换函数，该变换函数在配准方法的范围内使检测到的位置数据和由此产生的患者模型与关于手术之前获得的图像数据的位置信息相对应。
[0007]为了确定变换函数(即所谓的配准)，在相应的坐标系中建立模型和(例如，通过断层摄影术获得的)图像数据中的相同几何特征。然后，借助于这些特征将这两个坐标系相互关联。借助于指针仪器进行的表面配准通常是普遍的。此处，患者的皮肤表面充当相应的特征。在手术期间借助于指针仪器感测皮肤表面，并且使皮肤表面与来自图像数据的提取的皮肤表面相对应。
[0008]还描述了非触觉配准方法。
[0009]如在US 9208561 B2中所述的用于配准患者图像数据的非触觉配准方法利用图像
传感器单元(单焦相机或3D相机)作为参考传感器。图像传感器单元产生皮肤表面的表面模型，以光学方式检测参考传感器并使其位置与皮肤表面模型相关。由于参考传感器也被位置检测系统跟踪，因此可以确定皮肤表面模型点从表面模型的坐标系到位置检测系统的坐标系的变换，并且由此计算到患者图像数据的配准。
[0010]另一种非触觉配准方法利用与光学位置检测系统刚性组合的结构化光或激光发射器/接收器单元。光学位置检测系统通常包括光发射器/接收器单元和被配置成反射由光发射器/接收器单元发射的光的位置传感器。发射器/接收器单元接着检测反射光，位置传感器的位置和取向可以从该反射光获得。这样，由结构化光或激光发射器/接收器单元生成的表面模型在光学位置检测系统的坐标系中是已知的。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目标是提供一种改进的非触觉配准方法和一种改进的配准装置。
[0012]关于配准方法，此目标是通过用于确定对象相对于位置检测系统的位置和取向的配准方法来实现的，其中所述方法包括以下步骤
[0013]‑
利用包括至少一个运动传感器和/或至少一个位置传感器的图像传感器单元捕获对象的表面的图像，
[0014]‑
通过处理由所述运动传感器提供的运动传感器信号和/或由所述位置传感器提供的位置信号来确定所述图像传感器单元的捕获位置，
[0015]‑
从所捕获的图像以摄影测量生成所述对象的表面模型，以及
[0016]‑
将以摄影测量生成的表面模型变换到位置检测系统的坐标系中。
[0017]在本说明书的框架内，术语“捕获位置”是指图像传感器单元在捕获对象的图像时的位置。例如，术语“捕获位置”是指在捕获图像时作为图像传感器单元的一部分的相机的入射光瞳(entrance pupil)的位置。
[0018]在这些步骤中，步骤“利用图像传感器单元捕获对象的表面的图像”、“确定图像传感器单元的捕获位置”和“从所捕获的图像以摄影测量生成对象的表面模型”的顺序无关紧要。因此，可以首先拍摄对象的表面的图像，并且仅在之后确定图像传感器单元的捕获位置。甚至可以在以摄影测量生成对象的表面模型之后确定图像传感器单元的捕获位置。然而，需要图像传感器单元的捕获位置，以便将以摄影测量生成的表面模型变换到位置检测系统的坐标系中。下文将更详细地解释这一点。
[0019]本专利技术包括这样的认识：一般来说，非触觉配准方法具有以下优点：可避免在借助于指针仪器的已知配准方法的情况下由于例如患者的柔软皮肤在与指针仪器接触期间可能变形而出现的问题。此外，由于表面模型的光学生成允许同时检测身体部位或对象的表面的较大部分，因此也可以更快速地且同时更准确地执行配准。
[0020]当捕获表面的图像时，优选的是将图像传感器单元布置在距对象的表面的足够距离处。这通常意味着电磁位置检测系统的电磁场在图像传感器单元的捕获位置处太弱，而不允许借助于电磁位置检测系统确定图像传感器单元的位置。
[0021]确定对象相对于位置检测系统的位置和取向的一般构思可以描述如下：
[0022]优选地，由图像传感器单元以摄影测量生成对象的表面模型。表面模型可以由点云表示，其中点云的点的坐标在表面模型的坐标系中定义。表面模型的坐标系是图像传感
器单元的固有坐标系，或更准确地是图像传感器单元中包括的相机的固有坐标系。优选地，表面模型的坐标系被定义为使得其原点在图像传感器单元的相机的入射光瞳的位置处。
[0023]表示对象的表面的点云的点在表面模型的坐标系和位置检测系统的坐标系两者中均具有坐标。
[0024]通过从所捕获的图像以摄影测量生成表面模型，首先在表面模型的坐标系中获得点云的点的坐标。可以通过变换获得表示点云的这些点在位置检测系统的坐标系中的坐标。
[0025]为了执行此类变换，变换函数可用于将表面模型的坐标系中定义的点云的点的相应坐标变换成位置检测系统的坐标系中的坐标。变换函数可以包括变换矩阵或者可以由变换矩阵表示。
[0026]为了获得用于将图像传感器单元的坐标系的坐标变换成位置检测系统的坐标系的坐标的变换函数，需本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于确定对象相对于位置检测系统的位置和取向的配准方法，其中所述方法包括以下步骤
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利用包括至少一个运动传感器和/或至少一个位置传感器的图像传感器单元捕获对象的表面的图像，
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通过处理由所述运动传感器提供的运动传感器信号和/或由所述位置传感器提供的位置信号来确定所述图像传感器单元的捕获位置，
‑
从所捕获的图像以摄影测量生成所述对象的表面模型，以及
‑
将以摄影测量生成的表面模型变换到位置检测系统的坐标系中。2.根据权利要求1所述的方法，包括以下步骤
‑
提供至少一个图像传感器单元，所述至少一个图像传感器单元包括用于独立于所述位置检测系统检测随时间推移的线性加速度和/或转速的至少一个运动传感器。3.根据权利要求2所述的方法，其中确定所述图像传感器单元的捕获位置的步骤包括以下子步骤
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相对于所述位置检测系统沿着空间路径移动所述图像传感器单元，
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通过处理由运动传感器提供的运动传感器信号来记录所述图像传感器单元的所述路径，
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将所述确定的路径的至少一个点与所述位置检测系统的坐标系中的坐标相关.以及
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基于所述确定的路径以及所述确定的路径上的至少一个点与所述坐标的已知空间关系确定所述图像传感器单元的捕获位置。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述图像传感器单元沿着所述路径从所述位置检测系统的坐标系中的已知位置移动或移动到所述位置检测系统的坐标系中的已知位置，以在所述位置检测系统的坐标系中的已知位置与所述确定的路径的至少一个点之间建立空间关系。5.根据权利要求1至4中至少一项所述的方法，其中将所述以摄像测量生成的表面模型变换到位置检测系统的坐标系中的步骤包括以下子步骤
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通过校准，将所生成的表面模型的至少一个点与所述运动传感器和/或位置传感器的坐标系中的坐标相关。6.根据权利要求5所述的方法，包括
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通过校准确定变换函数，所述变换函数用于所述运动传感器的坐标系和/或位置传感器的坐标系与所述图像传感器单元的坐标系之间的坐标的变换，并且
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分别在所述运动传感器和/或所述位置传感器的坐标系中确定所述图像传感器单元的捕获位置的坐标。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述确定的变换函数用于将所述表面模型的坐标系中的表示所述以摄影测量生成的表面模型的坐标变换成所述位置检测系统的坐标系中的表示所述表面模型的坐标。8.根据权利要求3或4所述的方法，其中
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所述图像传感器单元移动所沿的路径开始于所述位置检测系统的坐标系中的所述坐标处，并且结束于所述捕获位置处，并且所述图像传感器单元在所述图像被捕获之前沿着此路径移动，并且
‑
基于所记录的路径以及至少所述路径的起点和所述坐标的已知空间关系在所述位置检测系统的坐标系中确定所述捕获位置。9.根据权利要求3或4所述的方法，其中
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所述图像传感器单元移动所沿的路径开始于所述捕获位置处，并且结束于所述位置检测系统的坐标系中的所述坐标处，并且所述图像传感器单元在所述图像已被捕获之后沿着此路径移动，并且
‑
基于所记录的路径以及至少所述路径的终点和所述坐标的已知空间关系在所述位置检测系统的坐标系中确定所述捕获位置。10.根据权利要求1至9中至少一项所述的方法，包括在捕获图像时检测所述对象的移动，以及借助于位置传感器提供表示检测到的移动以及时间戳的移动信号，所述位置传感器用于检测布置在所述对象上的位置检测系统的坐标系中的位置和取向。11.根据权利要求1至10中至少一项所述的方法，包括检测组成所述图像传感器单元的位置传感器在所述位置检测系统的坐标系中的位置和取向，并且从所确定的所述位置传感器的位置和取向，计算所述图像传感器单元在所述位置检测系统的坐标系中的位置和取向。12.根据权利要求1至11中至少一项所述的方法，包括：捕获所述对象以及相对于所述对象定位的参考位置传感器的图像，所述参考位置传感器用于检测布置在所述对象上的位置检测系统的坐标系中的位置和取向；以及从所捕获的图像以摄影测量生成所述表面模型以及所述参考位置传感器，使得确定所述参考位置传感器在所述以摄影测量生成的表面模型的坐标系中的位置，同时根据所述位置检测系统的坐标系的坐标提供位置信息。13.根据权利要求12所述的方法，包括在已将所述表面模型变换到所述位置检测系统的坐标系中之后，通过计算基于经处理的运动传感器信号和/或位置信号的所述确定的位置与所述参考位置传感器在所述位置检测系统的坐标系中的位置的偏差，使用所述位置信息来验证基于经处理的运动传感器信号和/或位置信号的所生成的表面模型在所述位置检测系统的坐标系中的确定的位置。14.根据权利要求1至13中至少一项所述的方法，其中所述图像传感器单元包括单焦图像传感器，并且其中在移动所述单焦图像传感器时，分别在位于所述路径上的不同捕获位置处捕获所述对象的多个图像。15.根据权利要求1至14中至少一项所述的方法，其中所述图像传感器单元包括光学立体相机或光学多相机或飞行时间相机。16.根据权利要求1至15中至少一项所述的方法，包括在捕获所述图像时将所述图像传感器单元可检测的图案投射到所述对象的表面上。17.根据权利要求16所述的方法，其中使用红外光投射所述图案，并且其中所述图像传感器单元包括用于检测所述图案的红外敏感图像传感器。18.根据权利要求1至17中至少一项所述的方法，包括为每个所捕获...

【专利技术属性】
技术研发人员：D，
申请(专利权)人：因特尔赛克特耳鼻喉国际有限责任公司，
类型：发明
国别省市：