配准方法和导航系统技术方案

本发明专利技术涉及一种自动配准对象的方法，该方法包括以下步骤：

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】配准方法和导航系统


[0001]本专利技术涉及一种用于自动配准对象的配准方法。本专利技术还涉及一种导航系统，其配置用于执行这种配准方法。

技术介绍

[0002]为了帮助外科医生在外科手术中使用医疗器械，已知可以跟踪医疗器械在患者体内的位置，并在例如监视器上在患者模型的截面图像中显示器材的位置。
[0003]为此，导航系统通常包括数据处理单元、监视器、许多定位元件和位置检测系统。所述位置检测系统可以是，例如，光学的、基于超声波的或电磁位置检测系统。通常，位置检测系统配置成用于确定定位元件的位置和取向。
[0004]作为示例，已知电磁位置检测系统具有用于产生交变电磁场的场发生器。与电磁位置检测系统一起使用的医疗器械配备了定位元件，该定位元件通常包括一个或多个线圈。
[0005]当暴露于交变电磁场时，取决于相应线圈在交变电磁场中的位置和取向，在定位元件的线圈中感应出电压。通过分析表示感应电压的抽头电压信号，可以确定定位元件的位置和取向。通常，医疗器械的定位元件的位置和取向是相对于参考定位元件的位置和取向确定的，该参考定位元件同样可以包含线圈并且相对于患者保持固定。
[0006]为了能够在导航系统的监视器上在患者模型的截面图像中显示器械位置，一开始，需要配准该模型。通常，患者模型是从术前通过断层扫描获得的患者的二维，三维或四维图像生成的形貌图像，例如，通过计算机断层扫描(CT)，磁共振成像(MRI)或C臂透视成像。最初，模型是根据相应二维、三维甚至四维图像坐标系中的坐标来定义的。
[0007]配准是指获得患者在真实空间(有时也称为患者空间)中的位置和取向与根据相应二维、三维或四维图像的坐标系中的坐标(用于生成模型)定义的模型之间的空间关系。特别地，为了获得患者和模型之间的空间关系，建立了定义如何将例如患者空间中的坐标与患者模型的模型点的相应坐标相关联的变换函数，反之亦然。
[0008]为了在配准方法的范围内建立变换函数，已知各种方法，例如基于表面的配准和基于点的配准。
[0009]在基于点的配准中，布置在患者上的标记或用作基准点的解剖标志分别用于在患者处和从患者的二维、三维或四维图像生成的患者模型处建立参考坐标系。
[0010]可以执行基于点的配准，例如，通过使用由位置检测系统跟踪的指针仪器或感测仪器触摸这些标记或标志。通过用被跟踪仪器触摸标记或标志，识别患者真实表面上的点，并且用位置检测系统确定的定位元件的对应位置值与代表相同标记或标志位置的模型的各个模型点相关联。根据标记或标志的位置，在模型和患者处建立参考坐标系，并根据参考坐标系确定所需的变换函数。
[0011]如果将模型配准至患者，则可以在模型的截面图像中显示医疗器械的位置，以帮助外科医生导航医疗器械。为了在模型的截面图像中显示医疗器械的位置，将确定的医疗
器械的定位元件的位置和取向转换为患者模型的模型点的相应坐标。

技术实现思路

[0012]目的是提供一种用于自动配准对象的改进的配准方法，并提供一种配置用于执行自动配准方法的改进的导航系统。
[0013]关于配准方法，该目的通过自动配准对象的配准方法来实现。配准方法包括以下步骤：
[0014]‑
提供术前获得的对象模型，
[0015]‑
提供至少一个标记载体，该标记载体具有多个可透视检测标记和固定在其上的至少一个标记定位元件，其中所述至少一个标记定位元件配置为提供表示标记定位元件在交变电磁场中的位置和方向的传感器信号，并且其中至少一个标记定位元件和多个标记中的至少一个标记之间的相对距离和取向是已知的，
[0016]‑
在对象的外表面上设置至少一个标记载体，
[0017]‑
生成至少一个标记载体的至少一个透视图像，该标记载体与对象的至少一个区段一起布置在外表面上，使得至少一个标记载体的两个标记与对象的至少一个区段一起在所生成的透视图像中是可见的，
[0018]‑
确定布置的标记载体的至少一个标记定位元件在电磁场中的位置和取向，以及
[0019]‑
将生成的透视图像的图像点与术前获得的模型的模型点相关联。
[0020]可以使用所确定的至少一个标记定位元件的位置和取向以及至少一个标记定位元件和多个标记中的至少一个标记之间的已知的相对距离和取向执行所生成的透视图像的图像与术前获得的模型的模型点的相关联。
[0021]作为使用至少一个标记定位元件和多个标记中的至少一个标记之间的已知相对距离和取向的补充或替代，可以使用多个标记中的另一标记与相对于至少一个标记定位元件具有已知相对距离和取向的至少一个标记之间的已知空间关系来执行所生成的透视图像的图像点与所述术前获得的模型的模型点的相关联。
[0022]在这些步骤中，“生成至少一个标记载体的至少一个透视图像”的步骤可以在“确定至少一个标记定位元件的位置和取向”的步骤之前或之后进行，或者优选地与其同时执行。
[0023]使用根据本专利技术的配准方法，可以自动配准对象，而无需用指针仪器或感测仪器接触标记或标志。
[0024]特别地，利用根据本专利技术的配准方法，可以配准包括彼此相对移动的多个元件的对象，并且即使在导航过程期间对象的元件相对移动，也可以在导航过程的持续时间内保持配准精度。
[0025]当对象的元件相对于彼此移动时，为了在导航过程的持续时间内保持配准精度，通过根据本专利技术的配准方法实现了对象被分段配准，即逐段配准。
[0026]分段配准是指将对象划分为多个区段，并为每个对象区段建立单独的变换函数。优选地，每个区段与布置在相应区段上的相应标记载体相关联。可以将多个标记载体布置在对象的各个区段上。标记载体也可以逐段移位以配准对象。
[0027]区段的大小可以根据各种标准来定义。在对象包含多个元件的情况下，每个对象
区段都可以包含对象元件中的一个不同的元件，即每个区段一个元件。一个区段也可以包括对象的两个或更多个元件。在一个区段包括两个或更多个元件的情况下，可以选择区段的大小，使得由区段包括的两个或更多个元件之间的相对移动对于配准精度来说是可忽略的。分段方式也可能已经由对象本身的形状提出，例如，如果对象是患者的脊柱，则一个区段可以包括一个或多个椎骨。
[0028]在根据本专利技术的配准方法中，一开始，提供标记载体和术前获得的对象模型。
[0029]术前获得的模型可以从记录的图像数据中生成，例如，通过断层扫描。模型可以是对象的2D或3D或4D模型。然而，优选地，该模型是从配准到3D模型的2D透视图像生成的3D模型。最初，模型是通过生成模型的图像数据的坐标来定义的，例如，通过患者的断层扫描图像的坐标。
[0030]在根据本专利技术的配准方法中使用的至少一种标记载体的特征在于它具有多个可透视检测的标记和固定在其上的至少一个标记定位元件，其中至少一个标记定位元件和多个标记中的至少一个标记之间的相对距离和取向是已知的。
[0031]所述至少一个标记定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种自动配准对象的方法，该方法包括以下步骤：
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提供术前获得的对象模型，
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提供至少一个标记载体，该标记载体具有多个可透视检测标记和固定在其上的至少一个标记定位元件，其中，
‑
至少一个标记定位元件配置为提供表示标记定位元件在电磁场中的位置和取向的传感器信号，并且
‑
至少一个标记定位元件和多个标记中的至少一个标记之间的相对距离和取向是已知的，
‑
在对象的外表面上设置至少一个标记载体，
‑
生成布置在外表面上的至少一个标记载体连同对象的至少一个区段的至少一个透视图像，使得在生成的透视图像中，至少一个标记载体的至少两个标记连同对象的至少一个区段是可见的，
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确定布置的标记载体的至少一个标记定位元件在电磁场中的位置和取向，以及
‑
使用所确定的至少一个标记定位元件的位置和取向以及至少一个标记定位元件和多个标记的至少一个标记之间的已知相对距离和取向和/或多个标记的另一标记与关于至少一个标记定位元件具有已知相对距离和取向的至少一个标记之间的已知空间关系，将生成的透视图像的图像点与术前获得的模型的模型点关联。2.如权利要求1所述的方法，其中，所述模型点是术前获得的模型的模型表面的点，并且其中，所述模型表面对应于对象的外表面。3.如权利要求1或2所述的方法，其中，
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柔性标记载体布置在对象的外表面上，
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多个标记固定在所述标记载体上，使得三个标记的各个组均形成与在生成的透视图像中由其他标记组形成的图案区分开的图案，并且
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对象的至少两个区段在至少一个生成的透视图像中是可识别的，因为每个区段被分配给由所述标记形成的不同图案。4.如权利要求1或2所述的方法，其中，
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至少两个标记载体同时布置在对象的外表面上，
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至少一个透视图像由对象的至少两个区段生成，使得对于每个区段，布置的标记载体的至少两个标记连同相应区段一起在生成的透视图像中可见，并且
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使用在生成的透视图像中可见的那些标记的位置来确定生成透视图像的区段之间的空间关系。5.如权利要求1或2所述的方法，其中，
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在连续步骤中，标记载体布置在对象的外表面上，
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在连续步骤中的每个步骤中，生成布置的标记载体连同至少一个区段的透视图像，使得标记载体的至少两个标记连同对象的相应区段在透视图像中可见，并且
‑
使用在相应透视图像中可见的那些标记的位置来确定生成透视图像的区段之间的空间关系。6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，对于一个或多个区段的每个生成的透视图像，这些透视图像中的相应一个的图像点与所述术前获得的模型的模型点分段关联。
7.如权利要求6所述的方法，其中，根据与相应模型点关联的至少两个区段的图像点和至少两个区段之间的已知空间关系，确定配准误差。8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，包括以下步骤：
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在图像显示单元上可视化术前获得的模型，使得取决于图像点与模型点的关联，对齐可视化模型，使得图像显示单元上的所述模型上的观察方向对应于一记录方向，从记录方向记录用于生成至少一个区段的透视图像的透视图像数据。9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，包括以下步骤：
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通过确定术前获得的模型的至少一个模型点与生成的透视图像的对应图像点的偏差来检测对象的元件的相对运动。10.如权利要求9所述的方法，包括以下步骤：
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使用所确定的偏差来分段适配术前获得的对象模型。11.如权利要求9或10所述的方法，包括以下步骤：
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提供具有用于确定相对于电磁场的位置和取向的器械定位元件的器械，
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确定器械定位元件在电磁场中相对于至少一个标记定位元件的位置和取向的位置和取向，
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在图像显示单元上将适配的对象模型连同所述器械的至少一部分可视化，
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其中，使用所确定的至少一个模型点与生成的透视图像的对应图像点的偏差来适配所述器械在所述模型的可视化中的位置和取向。12.如权利要求11所述的方法，其中，针对在生成的透视图像中可见的对象的每个区段，分段地执行所述器械在适配的模型的可视化中的位置和取向的适配。13.如权利要求1至12中任一项所述的方法，包括以下步骤：
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将至少一个参考定位元件布置成与对象具有固定的空间关系，所述至少一个参考定位元件配置为提供表示参考定位元件在电磁场中的位置和取向的参考传感器信号，以及
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确定至少一个标记定位元件在电磁场中相对于至少一个参考标记定位的位置和取向的位置和取向。14.如权利要求13所述的方法，包括以下步骤：
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确定至少一个标记定位元件相对于至少一个参考定位元件在第一时刻和在较晚的时刻的位置和取向，以及
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【专利技术属性】
技术研发人员：D穆查，K德辛格，N诺曼，R赫德曼，
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：