所公開的技術(shù)一般涉及跟蹤系統(tǒng)，并且具體來說涉及用于使用與跟蹤系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的參考坐標(biāo)系登記對象的模型的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

使用與醫(yī)療跟蹤系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系登記與患者的圖像相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系能夠在其各自的位置和方向顯示關(guān)于患者的感興趣的身體部位的圖像的術(shù)中信息(例如，醫(yī)療工具的表示，導(dǎo)航信息)。因此，用戶可以查看這些術(shù)中信息以及感興趣的患者身體部位。

robbins等人的美國專利申請公布u.s.2011/0098553涉及使用圖像引導(dǎo)系統(tǒng)自動登記磁共振(mr)圖像。通過將mr可見標(biāo)記放置在相對于相機(jī)跟蹤系統(tǒng)中可見的標(biāo)記的已知位置來實現(xiàn)登記。標(biāo)記被固定到公共的固定裝置上，該固定裝置與參考標(biāo)記一起附接到頭夾(當(dāng)標(biāo)記被覆蓋或去除時使用)。跟蹤系統(tǒng)包括具有用于檢測可見光的檢測陣列的相機(jī)，以及被布置成分析陣列的輸出的處理器。要檢測的每個對象攜帶單個標(biāo)記，其具有在其上的特定單個特征點處相交的明暗的對比區(qū)域的圖案，并具有圍繞特定位置的陣列。這使得處理器能夠檢測圖案的旋轉(zhuǎn)角度并且將每個標(biāo)記與其他標(biāo)記區(qū)分開。

schoepp的美國專利申請公布2012/0078236涉及一種用于使用與掃描圖像相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系自動登記與導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系的方法。最初，包括基準(zhǔn)標(biāo)記的導(dǎo)航系統(tǒng)的相機(jī)組件固定地附接到患者(例如，使用粘合劑)。此后，獲取使用相機(jī)的患者的掃描圖像。掃描圖像包括帶有基準(zhǔn)標(biāo)記的相機(jī)。登記模塊自動辨認(rèn)和識別在掃描圖像中可見的基準(zhǔn)標(biāo)記，并且從中確定相機(jī)組件的位置(即，基準(zhǔn)標(biāo)記相對于相機(jī)坐標(biāo)系和相機(jī)的焦點幾何形狀的位置是已知的)。通過識別掃描圖像內(nèi)的相機(jī)坐標(biāo)系的位置，登記模塊自動登記相對于掃描圖像中患者位置的相機(jī)空間。在自動登記相機(jī)時，通過外科手術(shù)工具、相機(jī)坐標(biāo)系和掃描圖像坐標(biāo)系之間已知的關(guān)系可立即獲得外科手術(shù)工具的跟蹤。

本公開技術(shù)的概述

特別地，所公開的技術(shù)的目的是提供一種用于使用與跟蹤系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的參考坐標(biāo)系登記對象的模型的新穎的方法和系統(tǒng)。

根據(jù)所公開的技術(shù)，因此提供了一種用于使用與對象相關(guān)聯(lián)的參考坐標(biāo)系登記與對象的模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系的系統(tǒng)。系統(tǒng)包括便攜式單元、跟蹤系統(tǒng)和處理器。便攜式單元包括顯示器。處理器與便攜式單元和跟蹤系統(tǒng)耦合。跟蹤系統(tǒng)跟蹤參考坐標(biāo)系中的便攜式單元。處理器確定便攜式單元在參考坐標(biāo)系中的位置和方向。處理器進(jìn)一步根據(jù)跟蹤指針和各自的位置相關(guān)信息中的至少一個，確定位于對象上的至少一個標(biāo)記在參考坐標(biāo)系中的位置。處理器也在顯示器上顯示登記相關(guān)信息，登記相關(guān)信息和登記相關(guān)信息的顯示位置中的至少一個與便攜式單元在參考坐標(biāo)系中的位置和方向相關(guān)。

根據(jù)所公開的技術(shù)的另一方面，因此提供了一種用于顯示登記相關(guān)信息的方法，其包含以下程序：確定標(biāo)記在與對象的模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系中的位置，標(biāo)記位于對象上；以及確定便攜式單元在參考坐標(biāo)系中的位置和方向，便攜式單元包括顯示器。方法進(jìn)一步包括以下程序：確定至少三個標(biāo)記在參考坐標(biāo)系中的位置；以及根據(jù)至少三個標(biāo)記在兩個坐標(biāo)系中的各自確定的位置，使用參考坐標(biāo)系登記與對象的模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系。方法也包括以下程序：在顯示器上顯示登記相關(guān)信息，登記相關(guān)信息和登記相關(guān)信息的顯示位置中的至少一個與便攜式單元在參考坐標(biāo)系中的位置和方向相關(guān)。

附圖說明

從以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中將更全面地理解和了解所公開的技術(shù)，其中：

圖1a、圖1b和圖1c是根據(jù)所公開的技術(shù)的實施方案的用于確定位于對象上的基準(zhǔn)標(biāo)記的位置的示例性方法的示意圖；

圖2是根據(jù)所公開的技術(shù)的另一實施方案的用于使用與醫(yī)療跟蹤系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系登記與患者身體部位的模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系的示例性光學(xué)跟蹤系統(tǒng)的示意圖；

圖3是根據(jù)所公開的技術(shù)的另一實施方案構(gòu)造和操作的用于使用參考坐標(biāo)系登記模型坐標(biāo)系的示例性電磁跟蹤系統(tǒng)的示意圖；

圖4是根據(jù)所公開的技術(shù)的另一實施方案構(gòu)造和操作的跟蹤便攜式單元在參考坐標(biāo)系中的位置的光學(xué)跟蹤系統(tǒng)的示意圖；

圖5是根據(jù)所公開的技術(shù)的另一實施方案構(gòu)造和操作的跟蹤便攜式單元在參考坐標(biāo)系中的位置的光學(xué)跟蹤系統(tǒng)的示意圖；

圖6a、圖6b、圖6c和圖6d是根據(jù)所公開的技術(shù)的另一實施方案的在登記過程期間向用戶顯示登記相關(guān)信息的示例性登記過程的示意圖；

圖7是根據(jù)所公開的技術(shù)的另一實施方案的用于向用戶顯示登記相關(guān)信息的方法的示意圖；

圖8是根據(jù)所公開的技術(shù)的另一實施方案的用于登記模型坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系的方法的示意圖；

圖9a和圖9b是示例性標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記的示意圖；

圖9c至圖9e是根據(jù)所公開的技術(shù)的另一實施方案構(gòu)造和操作的示例性有源登記標(biāo)記的示意圖；

圖10是根據(jù)所公開的技術(shù)的另一實施方案構(gòu)造和操作的無源登記標(biāo)記的橫截面圖的示意圖；以及

圖11a和圖11b是根據(jù)所公開的技術(shù)的另一實施方案的可以用于模型獲取和登記的兩個示例性基準(zhǔn)標(biāo)記的示意圖。

實施方案的詳細(xì)描述

所公開的技術(shù)通過提供一種用于使用與跟蹤系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的參考坐標(biāo)系登記對象的模型的新穎的系統(tǒng)和方法來克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點。跟蹤系統(tǒng)可以是光學(xué)跟蹤系統(tǒng)、電磁跟蹤系統(tǒng)、超聲波跟蹤系統(tǒng)、光學(xué)飛行時間跟蹤系統(tǒng)。根據(jù)所公開的技術(shù)，跟蹤系統(tǒng)跟蹤便攜式單元在參考坐標(biāo)系中的位置和方向。便攜式單元包括光學(xué)檢測組件(例如，傳感器陣列相機(jī)、位置敏感設(shè)備psd、立體相機(jī)或飛行時間相機(jī))。在登記過程之前，確定對象的模型(例如，患者的頭部的2d或3d圖像)。此外，確定至少三個標(biāo)記(即，基準(zhǔn)或解剖學(xué)標(biāo)志)在與模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系中的位置。

在登記過程期間，為了確定基準(zhǔn)標(biāo)記在參考坐標(biāo)系中的位置，便攜式單元被保持在離對象一定距離處。用戶將對象周圍的便攜式單元移動通過至少一個登記位置。每個登記位置與基準(zhǔn)的各自的視角相關(guān)聯(lián)。例如，當(dāng)便攜式單元的光學(xué)檢測組件包括光學(xué)檢測器(例如，傳感器陣列相機(jī)或psd)時，則登記位置的數(shù)量為至少兩個。當(dāng)便攜式單元的光學(xué)檢測組件包括立體相機(jī)或tof相機(jī)時，則登記位置的數(shù)量為至少一個。對于每個登記位置，跟蹤系統(tǒng)確定便攜式單元在參考坐標(biāo)系中的位置和方向(p&o)。大體上與此同時，對于每個登記位置，跟蹤系統(tǒng)根據(jù)所獲取的基準(zhǔn)圖像來確定每個基準(zhǔn)的各自的位置相關(guān)信息。當(dāng)便攜式單元包括光學(xué)檢測器(例如，電荷耦合設(shè)備ccd相機(jī)或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體cmos相機(jī)或psd)時，位置相關(guān)信息包括朝向位于對象上的至少一個基準(zhǔn)標(biāo)記中的每個的各自的方向。每個方向在參考坐標(biāo)系中定義一條線。與每個基準(zhǔn)相關(guān)聯(lián)的至少兩條線(即，對于每個登記位置的一條線)的交點在參考坐標(biāo)系中定義該基準(zhǔn)的位置。當(dāng)便攜式單元包括例如立體相機(jī)或tof相機(jī)時，位置相關(guān)信息可以直接與基準(zhǔn)在參考坐標(biāo)系中的位置相關(guān)(例如，來自立體相機(jī)中的兩個檢測器的兩個方向或來自tof相機(jī)的像素深度信息)。此外，可以用在參考坐標(biāo)系中跟蹤的指針來確定標(biāo)記(即，基準(zhǔn)標(biāo)記或解剖學(xué)標(biāo)志中的任何一個)的位置。由于與模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系中的標(biāo)記的坐標(biāo)是已知的，所以系統(tǒng)可以確定標(biāo)記在參考坐標(biāo)系中的位置和標(biāo)記在模型坐標(biāo)系中的位置之間的對應(yīng)關(guān)系。因此，實現(xiàn)與模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系和與跟蹤系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系之間的登記。此外，便攜式單元可以包括顯示器。此外，這里，術(shù)語“定位標(biāo)記”是指確定參考坐標(biāo)系中的位置的標(biāo)記。

當(dāng)跟蹤系統(tǒng)是光學(xué)跟蹤系統(tǒng)時，跟蹤系統(tǒng)可以呈現(xiàn)輸入-輸出配置、輸入-輸出-輸出-輸入配置或輸出-輸入配置。在輸入-輸出配置中，便攜式單元包括至少一個光學(xué)檢測器，并且處于相對于被跟蹤對象的固定位置和方向的參考單元包括至少三個光發(fā)射器。在輸出-輸入配置中，便攜式單元包括至少三個光發(fā)射器，并且參考單元包括至少一個光學(xué)檢測器。在輸入-輸出-輸出-輸入配置中，光學(xué)跟蹤系統(tǒng)包括至少兩個光學(xué)檢測器，一個位于便攜式單元上，并且另一個位于參考單元上。此外，在輸入-輸出-輸出-輸入配置中，至少一個光發(fā)射器位于便攜式單元和參考單元中的一個上，并且至少兩個光發(fā)射器位于便攜式單元和參考單元中的另一個上(即，總共使用至少三個光發(fā)射器)。在輸入-輸出配置和輸入-輸出-輸出-輸入配置中，光學(xué)檢測器可以位于便攜式單元上并且用于跟蹤和標(biāo)記檢測(即，在登記過程期間)。

在根據(jù)所公開的技術(shù)的用于登記的跟蹤系統(tǒng)中，參考單元的位置和方向相對于患者身體部位是固定的。例如，參考單元直接固定到患者身體部位。根據(jù)另一實例，患者身體部位是固定的，并且參考單元也是固定的，因此參考單元處于相對于患者身體部位的固定的位置和方向，而不附接在其上。所公開的技術(shù)也可以用于其他增強(qiáng)現(xiàn)實場景中。

最初，在登記程序之前，確定患者的模型。該模型可以是例如患者身體的感興趣區(qū)域的二維或三維圖像(例如，x射線圖像、計算機(jī)斷層掃描ct圖像、磁共振成像mri圖像、超聲圖像、質(zhì)子發(fā)射斷層掃描pet圖像等)?？梢栽谛g(shù)前或術(shù)中獲取該模型。模型包括至少三個標(biāo)記的表示，其被用作在坐標(biāo)系登記期間的位置參考點。如上所述，這些標(biāo)記可以是人工標(biāo)記(即，基準(zhǔn))，其在獲取模型之前附接到患者，并且直到和在登記程序期間以及可選地在隨后的醫(yī)療程序期間保持附接到患者?；蛘呋蛄硗?，標(biāo)記可以是在模型中可見的解剖學(xué)標(biāo)志(例如，鼻梁或耳朵中的耳屏)。這些標(biāo)記在模型坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)通過使用圖像處理技術(shù)或通過在圖像上的手動定位(例如，借助于光標(biāo))來確定。

此后，并且在醫(yī)療程序之前，確定標(biāo)記在與跟蹤系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的參考坐標(biāo)系中的位置?，F(xiàn)在參考圖1a、圖1b和圖1c，其是根據(jù)所公開的技術(shù)的實施方案的用于確定位于對象上的基準(zhǔn)標(biāo)記的位置，以便使用與跟蹤系統(tǒng)(通常被引用為100)相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系登記與對象的模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系的示例性方法的示意圖。圖1a、圖1b和圖1c中的跟蹤系統(tǒng)100是呈現(xiàn)輸入-輸出-輸出-輸入配置的光學(xué)跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)100包括參考單元108和便攜式單元101。便攜式單元101包括與兩個光發(fā)射器1041和1042相關(guān)聯(lián)的移動光學(xué)檢測器102。參考單元101例如位于用戶106的頭部上。參考單元108包括與光發(fā)射器110相關(guān)聯(lián)的參考光學(xué)檢測器109。參考單元108，并因此光發(fā)射器110和光學(xué)檢測器109處于相對于患者112的身體部位的固定的位置和方向。在圖1a至圖1c中，參考單元108位于患者112的頭部上。一般來說，參考單元108可以相對于患者的身體部位固定，而不物理地附接到患者。換句話說，參考單元108和患者112的身體部位不相對于另一個移動一個。在圖1a至圖1c中所示的實例中，光學(xué)檢測器109是傳感器陣列相機(jī)或psd。因此，需要至少兩個登記位置。

為了使用與跟蹤系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系登記與模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系，應(yīng)該確定標(biāo)記在與跟蹤系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系中的位置。為此，跟蹤系統(tǒng)確定標(biāo)記在參考坐標(biāo)系中的位置。因此，參考圖1a，用戶106從第一登記位置查看患者112。移動光學(xué)檢測器102檢測光發(fā)射器110和標(biāo)記1141、1142、1143和1144。參考光學(xué)檢測器109檢測光發(fā)射器1041和1042。處理器確定在該第一登記位置處的移動光學(xué)檢測器102和參考光學(xué)檢測器109之間的相對位置和方向，并且因此確定參考坐標(biāo)系116中的便攜式單元101和參考單元108之間的相對位置和方向。參考坐標(biāo)系116與參考單元108相關(guān)聯(lián)。此外，根據(jù)由移動光學(xué)檢測器102檢測的標(biāo)記1141、1142、1143和1144的表示，處理器相對于移動光學(xué)檢測器102確定從移動光學(xué)檢測器102朝向每個標(biāo)記1141、1142、1143和1144的第一方向，如下所述。

參考圖1b，用戶106從第二登記位置查看患者112。移動光學(xué)檢測器102從該第二登記位置檢測光發(fā)射器110和標(biāo)記1141、1142、1143和1144，并且參考光學(xué)檢測器108再次檢測光發(fā)射器1041和1042。處理器確定在該第二登記位置處的第一檢測器102和參考單元108之間的相對位置和方向，并且因此確定參考坐標(biāo)系116中的便攜式單元101和參考單元108之間的相對位置和方向。此外，根據(jù)由移動光學(xué)檢測器102檢測的標(biāo)記1141、1142、1143和1144的表示，處理器相對于移動光學(xué)檢測器102確定從移動光學(xué)檢測器102朝向每個標(biāo)記1141、1142、1143和1144的第二方向。

參考圖1c，用戶104從第三登記位置查看患者112。移動光學(xué)檢測器102還從該第三登記位置檢測光發(fā)射器110和標(biāo)記1141、1142、1143和1144，并且參考光學(xué)檢測器108再次檢測光發(fā)射器1041和1042。處理器確定在該第三登記位置處的第一檢測器102和參考單元108之間的相對位置和方向，并且因此確定參考坐標(biāo)系116中的便攜式單元101和參考單元108之間的相對位置和方向。此外，根據(jù)由移動光學(xué)檢測器102檢測的標(biāo)記1141、1142、1143和1144的表示，處理器相對于移動光學(xué)檢測器102確定從移動光學(xué)檢測器102朝向每個標(biāo)記1141、1142、1143和1144的第三方向。

處理器根據(jù)與標(biāo)記1141、1142、1143和1144中的每一個相關(guān)聯(lián)的三個方向，確定每個標(biāo)記1141、1142、1143和1144在參考坐標(biāo)系116中的位置。例如，每個方向在參考坐標(biāo)系116中定義一條線，并且與每個標(biāo)記相關(guān)聯(lián)的這三條線的交點定義該標(biāo)記在參考坐標(biāo)系116中的位置。實際上，由于測量誤差和噪聲，三條線可能不會相交。因此，例如，將顯示與三條線的距離的最小和的空間點確定為標(biāo)記的位置?；蛘撸纾總€確定的方向可以與品質(zhì)因數(shù)(fom)相關(guān)聯(lián)，并且根據(jù)其fom對每個方向進(jìn)行加權(quán)。

結(jié)合圖1a至圖1c的上述描述描述了通過使用三個不同的登記位置，使用與跟蹤系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系登記與模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系。然而，一般來說，兩個登記位置足以確定標(biāo)記在參考坐標(biāo)系中的位置。然而，實際上，使用兩個以上登記位置。例如，登記系統(tǒng)自動選擇多個離散時間點(例如，根據(jù)用戶移動的速度)，確定用戶在那些時間點的位置和方向，并且確定每個識別的基準(zhǔn)的方向，如上所述。也應(yīng)注意，便攜式單元可以包括大體上朝向相同視場指向的兩個光學(xué)檢測器(例如，立體相機(jī))。因此，從單個用戶位置(即，假設(shè)大體上同時檢測到基準(zhǔn))檢測兩個檢測器中的每個的基準(zhǔn)是足夠的。然后，系統(tǒng)可以對檢測的基準(zhǔn)進(jìn)行三角測量，以便確定其在參考坐標(biāo)系中的位置。

此外，結(jié)合圖1a至圖1c的上述描述涉及基準(zhǔn)標(biāo)記(即，標(biāo)記中的至少一個是無源或有源基準(zhǔn)，如下面進(jìn)一步解釋的)，并且基準(zhǔn)發(fā)射光(即，基準(zhǔn)包括光源或光反射器)，該光除了由成像機(jī)檢測之外，還可以由光學(xué)檢測器檢測，如下面進(jìn)一步解釋的。

所有或一些標(biāo)記(即，基準(zhǔn)標(biāo)記或解剖學(xué)標(biāo)志)的位置也可以通過使用跟蹤指針來確定，如下面進(jìn)一步解釋的。例如，用戶將指針的尖端放置在標(biāo)記上，并且跟蹤系統(tǒng)確定指針的尖端在參考坐標(biāo)系中的位置(即，類似于在手動登記中執(zhí)行的)。應(yīng)注意，如果僅使用跟蹤指針來確定標(biāo)記的位置，則便攜式單元不需要包括光學(xué)檢測組件。由于標(biāo)記在模型坐標(biāo)系中的位置是已知的，所以系統(tǒng)可以確定標(biāo)記在參考坐標(biāo)系中的位置和標(biāo)記在模型坐標(biāo)系中的位置之間的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)使用跟蹤指針時，便攜式單元不需要移動通過登記位置，如上面解釋的。

現(xiàn)在參考圖2，其是根據(jù)所公開的技術(shù)的另一實施方案的用于使用與醫(yī)療跟蹤系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系登記與患者身體部位的模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系的示例性光學(xué)跟蹤系統(tǒng)(通常被引用為200)的示意圖。系統(tǒng)200可以進(jìn)一步用于跟蹤參考坐標(biāo)系中的醫(yī)療工具。該工具可以疊加在患者226的模型上。系統(tǒng)200包括第一光學(xué)檢測器202、第二光學(xué)檢測器204和參考單元210。參考單元210進(jìn)一步包括參考光發(fā)射器2121、2122和2123。系統(tǒng)200進(jìn)一步包括處理器214、數(shù)據(jù)庫216和顯示器(諸如hmd218)。hmd218包括面板220。hmd218也可以是近眼顯示器的形式。hmd218和第一光學(xué)檢測器202限定便攜式單元。hmd218也可以用常規(guī)屏幕(例如，手持平板計算機(jī))代替。

處理器214與數(shù)據(jù)庫216、第一光學(xué)檢測器202、hmd218、第二光學(xué)檢測器204耦合。當(dāng)光發(fā)射器2061和2062或參考光發(fā)射器2121、2122和2123是led時，處理器214可選地與其耦合。hmd218以及第一光學(xué)檢測器202和光發(fā)射器2061和2062由醫(yī)生224穿戴。第二光學(xué)檢測器204附接到醫(yī)療工具222。參考單元210以及參考光發(fā)射器2121、2122和2123都附接到患者226的身體位置(例如，頭部、脊椎、股骨)，或相對于其固定。患者226躺在治療床228上。在圖2中，患者226的身體位置是患者226的頭部。系統(tǒng)200與參考坐標(biāo)系230相關(guān)聯(lián)，參考坐標(biāo)系230在系統(tǒng)200中也是與參考單元210相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系。在圖2中，便攜式單元和參考單元210呈現(xiàn)輸入-輸出配置。此外，hmd218與各自的坐標(biāo)系234相關(guān)聯(lián)。此外，標(biāo)記(諸如標(biāo)記2321、2322和2323)可以附接到患者226。盡管在圖2中僅描繪了三個標(biāo)記，但是通常類似于圖1a至圖1c中所描述的，可以使用三個以上標(biāo)記。此外，標(biāo)記2321、2322和2323中的至少一個是基準(zhǔn)標(biāo)記。此外，標(biāo)記2321、2322和2323中的剩余標(biāo)記可以是解剖學(xué)標(biāo)志。

處理器214可以集成在hmd218內(nèi)或附接到用戶(例如，借助于帶或在用戶口袋中)。醫(yī)療工具222例如是用于確定用于登記的標(biāo)記的位置的指針。醫(yī)療工具222也可以是超聲波成像器、醫(yī)用刀、導(dǎo)尿管導(dǎo)引器、腹腔鏡、內(nèi)窺鏡、醫(yī)用觸針，或在對患者226進(jìn)行的程序期間由醫(yī)生224使用的任何其他工具。此外，這里的術(shù)語耦合涉及通過有線或無線耦合進(jìn)行耦合。

一般來說，系統(tǒng)200可以用于使用參考坐標(biāo)系230登記與患者226的模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系，以及用于跟蹤醫(yī)療工具222。類似于如上所述，在登記之前，確定患者的模型，其包括標(biāo)記(諸如標(biāo)記2321、2323和2323)。標(biāo)記2321、2323和2323在登記程序期間被用作位置參考點，并且確定這些標(biāo)記在模型坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)(即，使用圖像處理技術(shù)或通過在模型上的手動定位)。然后將該模型與標(biāo)記的位置坐標(biāo)一起存儲在數(shù)據(jù)庫216中。

此后，醫(yī)生224移動通過至少兩個登記位置。對于每個登記位置，第一光學(xué)檢測器202檢測標(biāo)記2321、2322和2323以及光發(fā)射器2121、2122和2123。對于每個登記位置，處理器214根據(jù)光發(fā)射器2121、2122和2123的檢測方向以及光發(fā)射器2121、2122和2123在參考單元210上的已知位置(例如，這些位置被存儲在數(shù)據(jù)庫216中)，確定hmd218的位置和方向(即，在參考坐標(biāo)系230中)。此外，對于每個登記位置，處理器214確定從hmd218朝向每個標(biāo)記2321、2322和2323的各自的方向。處理器214根據(jù)標(biāo)記在每個登記位置的各自的方向來確定每個標(biāo)記2321、2322和2323的位置(例如，由每個各自的方向限定的線的交點定義參考坐標(biāo)系230中的位置點)。

此外，醫(yī)生224可以使用指針來定位標(biāo)記(即，基準(zhǔn)標(biāo)記或解剖學(xué)標(biāo)志)。在這種情況下，醫(yī)療工具222采用指針的形式。為了確定標(biāo)記的位置，醫(yī)生224將指針的尖端放置在標(biāo)記上。第二光學(xué)檢測器204也獲取光發(fā)射器2121、2122和2123的圖像，并且處理器214確定指針(即，醫(yī)療工具222)的位置，并因此確定標(biāo)記在參考坐標(biāo)系230中的位置。類似于如上所述，一旦處理器214確定標(biāo)記2321、2322和2323(即，基準(zhǔn)和解剖學(xué)標(biāo)志)在參考坐標(biāo)系230中的位置，處理器214可以使用參考坐標(biāo)系230登記與患者226的身體部位的模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系。

當(dāng)處理器214至少在與患者226的身體部位的模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系230之間確定初始登記(例如，具有相對較大誤差的登記)時，處理器214可以在面板220上顯示登記相關(guān)信息，如下面進(jìn)一步解釋的。一旦使用參考坐標(biāo)系230登記與患者226的身體部位的模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系，跟蹤系統(tǒng)200可以用于跟蹤參考坐標(biāo)系230中的另一醫(yī)療工具(例如，醫(yī)療工具222采取針的形式)。此外，跟蹤系統(tǒng)可以將這種醫(yī)療工具的表示疊加在患者222的模型上。此外，根據(jù)醫(yī)療工具222、hmd218和患者226之間的確定的相對位置和方向，以及患者226的模型和參考坐標(biāo)系230之間的登記，處理器214可以將患者226的模型呈現(xiàn)在正確的視角，并且將呈現(xiàn)的模型提供給hmd218。此外，與醫(yī)療工具222相關(guān)聯(lián)的導(dǎo)航信息(例如，表示目標(biāo)位置的標(biāo)記，表示工具的軌跡和投影軌跡的線)可以疊加在模型上。作為另一實例，當(dāng)醫(yī)療工具222是超聲波成像器時，系統(tǒng)200可以用于在從中獲取數(shù)據(jù)的位置處呈現(xiàn)由醫(yī)療工具222獲取的數(shù)據(jù)。

上文結(jié)合圖1a至圖1c和圖2描述的光發(fā)射器可以是有源光發(fā)射器(例如，led)或無源光發(fā)射器，其反射環(huán)境光或指向其的專用光(例如，來自位于便攜式單元上的led的光)。無源光發(fā)射器可以是反射器(例如，反射球體)或回射器，其將光朝向其所照射的方向反射。上文結(jié)合圖1a至圖1c和圖2描述的基準(zhǔn)標(biāo)記也可以是無源基準(zhǔn)或有源基準(zhǔn)。無源基準(zhǔn)也反射照射在其上的光。有源基準(zhǔn)包括led和電池，并且就在登記過程開始之前被激活，如下面結(jié)合圖9c至圖9e和圖11a進(jìn)一步解釋的。

如上所述，用于登記的跟蹤系統(tǒng)也可以是電磁跟蹤系統(tǒng)，其跟蹤便攜式單元在參考坐標(biāo)系中的位置?，F(xiàn)在參考圖3，其是根據(jù)所公開的技術(shù)的另一實施方案構(gòu)造和操作的用于使用參考坐標(biāo)系登記模型坐標(biāo)系的示例性電磁跟蹤系統(tǒng)(通常被引用為250)的示意圖。系統(tǒng)250包括參考單元252、便攜式單元254和處理器256。參考單元252包括電流發(fā)生器260和磁場傳輸元件(例如，線圈)2621、2622和2623。便攜式單元254包括光學(xué)檢測組件264和磁場接收器2661和2662。便攜式單元254也包括顯示器268。便攜式單元254可以實施為類似于hmd218(圖2)的hmd或手持單元(例如，手持平板計算機(jī))。光學(xué)檢測組件264例如是傳感器陣列相機(jī)、psd、立體相機(jī)或tof相機(jī)。

處理器256與磁流發(fā)生器260、光學(xué)檢測組件264、磁場接收器2661和2662以及顯示器268耦合。系統(tǒng)250旨在使用參考坐標(biāo)系272登記與對象258的模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系。對象258包括至少三個標(biāo)記2701、2702和2703。標(biāo)記2701、2702和2703中的至少一個是基準(zhǔn)標(biāo)記。在系統(tǒng)250中，參考單元252相對于對象258的位置和方向是固定的。例如，參考單元252直接固定到對象258。或者，對象258是固定的，并且參考單元258也是固定的。因此，參考單元252處于相對于對象258的固定的位置和方向，而不附接在其上?；蛘?，至少兩個額外的磁場接收器(未示出)附接到對象258。因此，處理器256可以確定參考單元252和對象258之間的相對位置和方向。

類似于上面結(jié)合圖1a至圖1c和圖2所述，用戶(未示出)將便攜式單元254移動通過至少兩個登記位置。對于每個登記位置，處理器256根據(jù)由傳輸元件2621、2622和2623傳輸并由磁場接收器2661和2662接收的磁場，確定便攜式單元254在參考坐標(biāo)系272中的位置和方向。對于每個登記位置，光學(xué)檢測組件264獲取標(biāo)記2701、2702和2703中的基準(zhǔn)標(biāo)記的圖像。對于每個登記位置，處理器256根據(jù)由光學(xué)檢測組件264獲取的圖像，相對于光學(xué)檢測組件264確定朝向標(biāo)記2701、2702和2703中的每個基準(zhǔn)標(biāo)記的各自的方向。每個方向在參考坐標(biāo)系272中定義一條線，并且與每個標(biāo)記相關(guān)聯(lián)的三條線的交點定義該標(biāo)記在參考坐標(biāo)系中的位置。用戶也可以使用跟蹤指針(未示出)來確定標(biāo)記2701、2702和2703的位置。由于標(biāo)記2701、2702和2703在與模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系中的坐標(biāo)是已知的，所以系統(tǒng)250可以確定標(biāo)記2701、2702和2703在參考坐標(biāo)系272中的位置和標(biāo)記在模型坐標(biāo)系中的位置之間的對應(yīng)關(guān)系。因此，實現(xiàn)模型坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系272之間的登記。當(dāng)處理器256至少在與對象258的模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系272之間確定初始登記時，處理器256可以在顯示器268上顯示登記相關(guān)信息，如下面進(jìn)一步解釋的。

現(xiàn)在參考圖4，其是根據(jù)所公開的技術(shù)的另一實施方案構(gòu)造和操作的跟蹤便攜式單元在參考坐標(biāo)系中的位置的光學(xué)跟蹤系統(tǒng)(通常被引用為300)的示意圖。系統(tǒng)300包括光學(xué)跟蹤模塊302、便攜式單元304和呈現(xiàn)輸出-輸入配置的處理器306。便攜式單元304包括光學(xué)檢測組件310和至少三個光發(fā)射器3141、3142和314。便攜式單元304也包括顯示器312。在圖4中，光發(fā)射器3141、3142和314采取反射照射在其上的光的反射球體的形式。光學(xué)檢測組件310例如是傳感器陣列相機(jī)、psd、立體相機(jī)或tof相機(jī)。

處理器306與光學(xué)跟蹤模塊302、光學(xué)檢測組件310和顯示器312耦合。系統(tǒng)300旨在使用參考坐標(biāo)系318登記與對象308的模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系。對象308包括至少三個標(biāo)記3161、3162和3163。標(biāo)記3161、3162和3163中的至少一個是基準(zhǔn)標(biāo)記。在系統(tǒng)300中，參考單元光學(xué)跟蹤模塊302相對于對象308的位置和方向是固定的。

光學(xué)跟蹤模塊302可以實施為立體相機(jī)(即，兩個相機(jī)，其指向大體上相同的視場并呈現(xiàn)這兩個相機(jī)之間的固定和已知的相對位置和方向)?；蛘?，光學(xué)跟蹤模塊302可以實施為飛行時間(tof)相機(jī)，其包括發(fā)射調(diào)制光(例如，連續(xù)波調(diào)制光或脈沖調(diào)制光)的光發(fā)射器和光學(xué)檢測器。當(dāng)光學(xué)跟蹤模塊302實施為立體相機(jī)時，處理器306使用三角測量來確定光發(fā)射器3141、3142和3143中的每一個的位置。因此，處理器306可以確定便攜式單元304在參考坐標(biāo)系318中的位置和方向。當(dāng)光學(xué)跟蹤模塊302實施為tof相機(jī)時，每個圖像包括每個像素的深度信息(即，tof相機(jī)和被成像的對象之間的距離)，并且每個像素提供從tof相機(jī)朝向被成像的對象的方向。因此，光發(fā)射器3141、3142和3143的圖像包括與這些光發(fā)射器在參考坐標(biāo)系318中的位置相關(guān)的信息。因此，處理器306可以確定便攜式單元304在參考坐標(biāo)系318中的位置和方向。

類似于上面結(jié)合圖1a至圖1c和圖2所述，用戶(未示出)將便攜式單元304移動通過至少兩個登記位置。對于每個登記位置，處理器306根據(jù)由光學(xué)跟蹤模塊302獲取的圖像，確定便攜式單元304在參考坐標(biāo)系318中的位置和方向。對于每個登記位置，光學(xué)檢測器304獲取標(biāo)記3161、3162和3163中的基準(zhǔn)標(biāo)記的圖像。對于每個登記位置，處理器306根據(jù)由光學(xué)檢測組件310獲取的圖像，相對于光學(xué)檢測組件310確定朝向標(biāo)記3161、3162和3163中的基準(zhǔn)標(biāo)記的各自的方向。每個方向在參考坐標(biāo)系318中定義一條線，并且與每個標(biāo)記相關(guān)聯(lián)的兩條線的交點定義該標(biāo)記在參考坐標(biāo)系中的位置。用戶可以替代地使用跟蹤指針來確定標(biāo)記3161、3162和3163的位置。由于標(biāo)記3161、3162和3163在與模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系中的坐標(biāo)是已知的，所以系統(tǒng)30可以確定標(biāo)記3161、3162和3163在參考坐標(biāo)系318中的位置和標(biāo)記在模型坐標(biāo)系中的位置之間的對應(yīng)關(guān)系。因此，實現(xiàn)模型坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系318之間的登記。當(dāng)處理器306至少在與對象308的模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系318之間確定初始登記時，處理器306可以在顯示器268上顯示登記相關(guān)信息，如下面進(jìn)一步解釋的。

現(xiàn)在參考圖5，其是根據(jù)所公開的技術(shù)的另一實施方案構(gòu)造和操作的跟蹤便攜式單元在參考坐標(biāo)系中的位置的光學(xué)跟蹤系統(tǒng)(通常被引用為350)的示意圖。系統(tǒng)350包括便攜式單元352、參考單元354和處理器356。便攜式單元352包括與處理器356耦合的光學(xué)跟蹤模塊362。便攜式單元352進(jìn)一步包括也與處理器356耦合的顯示器。參考單元354包括至少三個光發(fā)射器3601、3602和3603，并且附接到對象358。在圖5中所示的實例中，光發(fā)射器3601、3602和3603是led。對象358包括三個標(biāo)記3661、3662和3663，其中一個是基準(zhǔn)。此外，參考單元354和對象358之間的相對位置是固定的。

類似于光學(xué)跟蹤模塊302(圖4)，光學(xué)跟蹤模塊362可以實施為立體相機(jī)或tof相機(jī)。當(dāng)光學(xué)跟蹤模塊包括立體相機(jī)或tof相機(jī)時，單個登記位置足以確定標(biāo)記3661、3662和3663在參考坐標(biāo)系368中的位置(即，假設(shè)標(biāo)記3661、3662和3663中的所有基準(zhǔn)標(biāo)記都在光學(xué)跟蹤模塊362的視場內(nèi))。

因此，光學(xué)跟蹤模塊362獲取光發(fā)射器3601、3602和3603的一個或多個圖像，并且處理器356確定光學(xué)跟蹤單元362的位置，并因此確定便攜式單元352在參考坐標(biāo)系368中的位置。此外，光學(xué)跟蹤模塊362獲取標(biāo)記3661、3662和3663中的基準(zhǔn)標(biāo)記的一個或多個圖像，并且處理器356相對于光學(xué)跟蹤模塊362確定標(biāo)記3661、3662和3663的位置。由于處理器356確定光學(xué)跟蹤單元362在參考坐標(biāo)系368中的位置，所以處理器356可以確定標(biāo)記3661、3662和3663中的基準(zhǔn)標(biāo)記在參考坐標(biāo)系368中的位置。用戶可以替代地使用跟蹤指針(例如，在與便攜式單元352相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系中跟蹤)來確定標(biāo)記3661、3662和3663的位置。由于標(biāo)記3661、3662和3663在與模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系中的坐標(biāo)是已知的，所以系統(tǒng)360可以確定標(biāo)記3661、3662和3663在參考坐標(biāo)系368中的位置和標(biāo)記在模型坐標(biāo)系中的位置之間的對應(yīng)關(guān)系。因此，實現(xiàn)模型坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系368之間的登記。當(dāng)處理器356至少在與對象358的模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系368之間確定初始登記時，處理器356可以在顯示器268上顯示登記相關(guān)信息，如下面進(jìn)一步解釋的。

在上面結(jié)合圖1a至圖1c、圖2和圖5給出的實例中，位于便攜式單元上的光學(xué)檢測組件用于跟蹤便攜式單元并用于登記。然而，便攜式單元可以包括兩個單獨(dú)的光學(xué)檢測組件，一個用于跟蹤便攜式單元，并且另一個用于登記。

關(guān)于上文結(jié)合圖1a至圖1c、圖2、圖3、圖4和圖5描述的任何跟蹤系統(tǒng)，在登記過程期間，可以向用戶顯示與登記過程相關(guān)的信息(即，在與上文結(jié)合圖1a至圖1c、圖2、圖3、圖4和圖5描述的任何一個跟蹤系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的各自的顯示器上)。該登記相關(guān)信息可以是例如標(biāo)記標(biāo)識符(例如，數(shù)字、字符)，標(biāo)記已被識別的指示，標(biāo)記已被定位的指示，與標(biāo)記的確定位置相關(guān)聯(lián)的誤差，指示登記質(zhì)量的分?jǐn)?shù)(例如，登記的估計誤差)，對用戶的指令等。例如，一旦確定標(biāo)記的位置，例如通過將指示符(例如，圓、正方形、箭頭等)疊加在標(biāo)記上，可以向用戶顯示標(biāo)記指示符，從而向用戶提供關(guān)于登記過程的進(jìn)展的信息。每種標(biāo)記(即，基準(zhǔn)或解剖學(xué)標(biāo)志)可以具有相應(yīng)的指示符(例如，用于基準(zhǔn)的圓和用于解剖學(xué)標(biāo)志的正方形)。當(dāng)確定足夠數(shù)量的標(biāo)記的位置(即，在登記三維坐標(biāo)系時至少三個)并且計算登記時，可以向用戶顯示指示登記質(zhì)量的分?jǐn)?shù)。登記相關(guān)信息可以進(jìn)一步包括用戶相關(guān)信息，諸如用戶選擇或用戶指南。例如，用戶可以指示跟蹤系統(tǒng)該分?jǐn)?shù)是否足夠好或是否繼續(xù)登記過程(例如，通過使系統(tǒng)能夠定位額外的標(biāo)記)。例如，當(dāng)標(biāo)記位于頭部的兩側(cè)時，則系統(tǒng)可以指示用戶從另一側(cè)物理地觀察患者的頭部，以允許系統(tǒng)識別額外的標(biāo)記。為了提高登記的準(zhǔn)確性，即使僅使用來自患者的頭部的一側(cè)的標(biāo)記已經(jīng)成功地登記，系統(tǒng)還可以進(jìn)一步引導(dǎo)用戶從另一側(cè)觀察患者的頭部。一旦確定初始登記(例如，可能出現(xiàn)大的誤差)，系統(tǒng)也可以將用戶(例如，經(jīng)由顯示器)引導(dǎo)到其位置尚未確定或其位置被確定具有大的誤差的標(biāo)記。系統(tǒng)也可以向用戶指示每個標(biāo)記有助于最終計算登記的誤差。用戶也可以在計算登記時丟棄特定標(biāo)記的使用。丟棄的標(biāo)記可以用與用于登記的標(biāo)記不同的指示符來指示(例如，丟棄的標(biāo)記應(yīng)用紅色方塊標(biāo)示)。例如，如果用戶懷疑某些標(biāo)記可能已經(jīng)被移動，因為已經(jīng)獲取了術(shù)前圖像。此外，外科醫(yī)生可以要求在不使用某些標(biāo)記的情況下重新計算登記。

現(xiàn)在參考圖6a、圖6b、圖6c和圖6d，其是根據(jù)所公開的技術(shù)的另一實施方案的在登記過程期間例如在面板400上向用戶顯示登記相關(guān)信息的示例性登記過程的示意圖。用戶觀察躺在治療床404上的患者402。在圖6a至圖6d中所示的實例中，參考單元406處于相對于患者402的頭部的固定位置和方向。參考單元406可以是上面結(jié)合圖1a至圖1c、圖2、圖3、圖4和圖5描述的參考單元中的任何一個。在圖6a至圖6d中所示的實例中，參考單元406包括三個led4081、4082和4083?；蛘?，參考單元可以包括如上所述的磁場發(fā)射器或接收器。此外，標(biāo)記4011、4102、4103、4104、4105、4106和4107位于患者402上(即，基準(zhǔn)或解剖學(xué)標(biāo)志或兩者)。

參考圖6a，用戶位于第一登記位置。在該第一登記位置，用戶查看標(biāo)記4101、4102、4103和4104。根據(jù)所公開的技術(shù)的登記系統(tǒng)識別標(biāo)記4101、4102、4103和4104(例如，標(biāo)記4101、4102、4103和4104在光學(xué)檢測器的視場內(nèi))，并且通知用戶(例如，通過在面板400上顯示文本)已經(jīng)識別出四個標(biāo)記。此外，系統(tǒng)(例如，上文描述的任何系統(tǒng))指示用戶改變其視點。應(yīng)注意，當(dāng)立體相機(jī)或tof相機(jī)與便攜式單元一起使用時，系統(tǒng)也能夠從單個登記位置確定標(biāo)記4101、4102、4103和4103的位置。

參考圖6b，用戶位于第二登記位置。在該第二登記位置，用戶查看標(biāo)記4102、4103、4104、4105和4106。根據(jù)所公開的技術(shù)的登記系統(tǒng)進(jìn)一步識別標(biāo)記4105和4106(例如，標(biāo)記4102、4103、4104、4105和4106在光學(xué)檢測器的視場內(nèi))，并且通知用戶已經(jīng)識別出6個標(biāo)記。此外，登記系統(tǒng)確定標(biāo)記4102、4103和4104的位置，并且在顯示器400上顯示疊加在其各自的標(biāo)記上的各自的標(biāo)記指示符4122、4123和4124，如用戶通過透明面板所見。由于根據(jù)所公開的技術(shù)的系統(tǒng)跟蹤參考坐標(biāo)系中的便攜式單元，所以系統(tǒng)可以確定顯示器的p&o。由于系統(tǒng)也確定標(biāo)記的位置，所以系統(tǒng)可以在與顯示器上或通過顯示器看到的標(biāo)記的位置相關(guān)的顯示位置處疊加標(biāo)記指示符。一般來說，登記系統(tǒng)在對應(yīng)于便攜式單元的位置和方向的顯示位置處顯示登記相關(guān)信息。登記系統(tǒng)可以在與標(biāo)記的位置相關(guān)的顯示位置處顯示登記相關(guān)信息。在圖6b至圖6d中，標(biāo)記指示符4122、4123和4124采取圓的形式。登記系統(tǒng)也向用戶提供其確定位置的誤差的指示。例如，登記系統(tǒng)確定標(biāo)記4102誤差為0.9mm，標(biāo)記4103誤差為0.3mm的位置，并且以0.5mm的誤差定位標(biāo)記4104。應(yīng)注意，標(biāo)記指示符的大小、顏色或形狀可能和與該標(biāo)記的位置相關(guān)聯(lián)的誤差相關(guān)。例如，圓的直徑與在上面疊加該圓的標(biāo)記的位置成比例。由于已經(jīng)識別出三個標(biāo)記，所以系統(tǒng)可以估計參考坐標(biāo)系和與患者的模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系之間的登記。然而，該登記可以是具有相對較大誤差的初始登記(例如，在圖6b中所示的實例中為2.5毫米)。然而，由于標(biāo)記之間的空間關(guān)系(即，相對位置)是已知的，所以系統(tǒng)可以指示用戶朝向尚未被檢測的標(biāo)記移動(即，一般來說，登記相關(guān)信息包括對用戶的指令)。在圖6b中，系統(tǒng)通知用戶已經(jīng)識別出6個標(biāo)記并定位3個標(biāo)記。此外，系統(tǒng)在顯示器400上向用戶顯示向左移動的指令。

參考圖6c，用戶位于第三登記位置。在該第三登記位置，用戶查看標(biāo)記4104、4105、4106和4147。根據(jù)所公開的技術(shù)的登記系統(tǒng)進(jìn)一步識別標(biāo)記4107(例如，標(biāo)記4104、4105、4106和4107在光學(xué)檢測器的視場內(nèi))。根據(jù)所公開的技術(shù)的登記系統(tǒng)確定標(biāo)記4105和標(biāo)記4106的位置，并且用各自的圓4125和4126標(biāo)示這些標(biāo)記。系統(tǒng)確定標(biāo)記4105誤差為0.4mm，標(biāo)記4106誤差為0.5mm的位置。此外，系統(tǒng)提高標(biāo)記4104的位置估計，并且與標(biāo)記4104相關(guān)聯(lián)的位置誤差現(xiàn)在為0.3mm。系統(tǒng)不能確定標(biāo)記4147以及標(biāo)記4101的位置。系統(tǒng)也提高登記誤差(例如，在圖6c中所示的實例中為0.66毫米)。系統(tǒng)進(jìn)一步指示用戶向左移動。

參考圖6d，根據(jù)所公開的技術(shù)的登記系統(tǒng)在顯示器400上顯示用戶的登記過程的概要，并且指示登記完成并顯示登記誤差(即，登記相關(guān)信息包括例如用戶的登記過程的概要，并且指示登記完成并顯示登記誤差)。系統(tǒng)進(jìn)一步顯示與用于登記的標(biāo)記相關(guān)的信息以及用戶可供選擇的各種選項。一般來說，如上面解釋的，系統(tǒng)在與便攜式單元的位置和方向相關(guān)的顯示位置處向用戶顯示登記相關(guān)信息。應(yīng)注意，由于系統(tǒng)確定標(biāo)記的位置，所以系統(tǒng)可以相應(yīng)地調(diào)整顯示在顯示器上的信息。例如，可以在對應(yīng)于顯示器上或通過顯示器看到的標(biāo)記的位置的顯示位置處顯示標(biāo)記指示符，而可以在不干擾標(biāo)記指示符的不同選擇位置處顯示登記誤差、對用戶的指令等。

現(xiàn)在參考圖7，其是根據(jù)所公開的技術(shù)的另一實施方案的用于向用戶顯示登記相關(guān)信息的方法的示意圖。在程序420中，識別在光學(xué)檢測器的視場內(nèi)的標(biāo)記。標(biāo)記固定到對象。這些標(biāo)記可以是基準(zhǔn)標(biāo)記或解剖學(xué)標(biāo)志。參考圖6a至圖6d，識別在光學(xué)檢測器的視場內(nèi)的標(biāo)記4101、4102、4103、4104、4105、4106和4107。

在程序422中，確定至少一些識別的標(biāo)記在參考坐標(biāo)系中的位置。此外，也確定識別標(biāo)記的位置誤差。參考圖6a至圖6d，處理器(未示出)確定至少一些標(biāo)記4101、4102、4103、4104、4105、4106和4107在參考坐標(biāo)系414中的位置。當(dāng)識別出至少三個標(biāo)記的位置時，方法進(jìn)入程序424。否則，方法返回到程序420。

在程序424中，根據(jù)至少三個識別的標(biāo)記在兩個坐標(biāo)系中的各自的位置，使用參考坐標(biāo)系登記與對象的模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系。此外，確定登記誤差。參考圖6a至圖6d，處理器使用與患者的模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系登記參考坐標(biāo)系414。

在程序426中，登記相關(guān)信息被確定并顯示給用戶。如上所述，登記相關(guān)信息可以進(jìn)一步包括用戶相關(guān)信息，諸如用戶選擇或用戶指南。參考圖6a至圖6d，將登記相關(guān)信息顯示在面板400上。

在程序428中，用戶被指示在額外的標(biāo)記將在光學(xué)檢測組件的視場內(nèi)的方向上移動。由于至少確定初始登記，所以可以估計所有標(biāo)記在參考坐標(biāo)系中的位置。因此，也可以確定這些標(biāo)記相對于便攜式單元的位置的位置。應(yīng)注意，指示用戶在額外的標(biāo)記將在光學(xué)檢測組件的視場內(nèi)的方向上是可選的，并且可能在登記過程尚未完成時發(fā)生(例如，當(dāng)?shù)怯浾`差高于閾值或用戶選擇繼續(xù)登記過程時)。參考圖6b，用戶被指示向右移動，以便識別和定位額外的標(biāo)記。在程序428之后，方法返回到程序420。

一般來說，有在登記過程中涉及的三種類型的誤差估計。第一種誤差估計(這里是“第一類誤差估計”)涉及單個標(biāo)記在參考坐標(biāo)系中的位置誤差。該誤差產(chǎn)生于三角測量過程(即，線交點)的殘留誤差，線之間的角度差和便攜式單元的位置誤差。當(dāng)標(biāo)記被某些方向部分地遮蔽，被血液等污染時，或當(dāng)與標(biāo)記相關(guān)聯(lián)的方向之間的角度差相對較小時，該誤差可能相對較大。在這種情況下，可以指示用戶移動到另一個登記位置，從而可以從額外的方向?qū)?biāo)記進(jìn)行采樣。如果用戶在標(biāo)記被采樣時(即，當(dāng)確定從便攜式單元朝向標(biāo)記的方向時)相對較快地移動，則誤差也可能很大?？梢宰詣訖z測到這種誤差，并且可以指示用戶例如較慢移動。用于每個標(biāo)記的第二類型的誤差估計(這里是“第二類誤差估計”)涉及標(biāo)記在登記的模型坐標(biāo)系(即，根據(jù)所計算的登記在旋轉(zhuǎn)和平移到跟蹤器坐標(biāo)系上之后的圖像坐標(biāo)系)中的位置和標(biāo)記在參考坐標(biāo)系中的位置之間的距離。特定標(biāo)記可能在執(zhí)行成像的時間和執(zhí)行登記的時間之間已被移位，但仍然被準(zhǔn)確地定位。在這種情況下，該標(biāo)記將呈現(xiàn)第一類型的小估計誤差和第二類型的大估計誤差，并且系統(tǒng)可以自動丟棄標(biāo)記或推薦給用戶手動丟棄標(biāo)記。因此，可以改善登記。第三類型的誤差估計(這里是“第三類誤差估計”)是登記計算的品質(zhì)因數(shù)，其可以是所有標(biāo)記的第二類型的誤差的平均值，或任何其他目標(biāo)函數(shù)(即，登記計算的目標(biāo)是最小化該誤差)?？梢杂嬎闼猩鲜鲱愋偷恼`差估計，并顯示給用戶(例如，以毫米為單位)。

現(xiàn)在參考圖8，其是根據(jù)所公開的技術(shù)的另一實施方案的用于登記模型坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系的方法的示意圖。在程序450中，確定至少三個標(biāo)記中的每個在與對象的模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系中的位置。至少三個標(biāo)記中的至少一個是基準(zhǔn)標(biāo)記。當(dāng)模型是例如圖像時，可以通過使用圖像處理技術(shù)來確定標(biāo)記的位置?；蛘撸梢栽谄聊簧鲜謩訕?biāo)示標(biāo)記的位置。在程序450之后，方法進(jìn)入程序460。

在程序452中，當(dāng)至少一個解剖學(xué)標(biāo)志被用作標(biāo)記時，確定至少一個解剖學(xué)標(biāo)志在參考坐標(biāo)系中的位置。參考圖2，當(dāng)標(biāo)記的至少一部分是解剖學(xué)標(biāo)志時，醫(yī)生224使用指針。在這種情況下，醫(yī)療工具222采取指針的形式。醫(yī)生224將指針的尖端放置在解剖學(xué)標(biāo)志上。處理器214確定指針(即，醫(yī)療工具222)的位置，并因此確定標(biāo)記在參考坐標(biāo)系230中的位置，如上所述。在程序452之后，方法進(jìn)入程序460。

在程序454中，對于至少一個登記位置中的每個，確定便攜式單元在參考坐標(biāo)系中的位置和方向。便攜式單元包括光學(xué)檢測組件。當(dāng)光學(xué)檢測組件是光學(xué)檢測器(例如，傳感器陣列相機(jī)或psd)時，則登記位置的數(shù)量是至少兩個。當(dāng)光學(xué)檢測組件是立體相機(jī)或tof相機(jī)時，登記位置的數(shù)量是至少一個。參考圖1a至圖1c，用戶106移動該移動光學(xué)檢測器102(即，如上所述，其與光發(fā)射器1041和1042一起限定便攜式單元)通過至少兩個登記位置。移動光學(xué)檢測器102獲取光發(fā)射器110的至少一個圖像，并且移動光學(xué)檢測器獲取光發(fā)射器1041和1042的至少一個圖像。處理器(例如，圖2中的處理器214)根據(jù)光發(fā)射器1041、1042和110的表示，確定在參考坐標(biāo)系116中確定的參考光學(xué)檢測器和移動光學(xué)檢測器之間的相對位置的位置和方向。參考圖5，光學(xué)跟蹤模塊362可以實施為tof相機(jī)或立體相機(jī)，其獲取光發(fā)射器3601、3602和3603的一個或多個圖像。處理器356確定光學(xué)跟蹤單元362的位置，并因此確定便攜式單元352在參考坐標(biāo)系368中的位置。

在程序456中，對于至少一個登記位置中的每個，確定在光學(xué)檢測組件的視場內(nèi)的至少一個基準(zhǔn)中的每個的各自的位置相關(guān)信息。當(dāng)便攜式單元包括光學(xué)檢測器(例如，傳感器陣列相機(jī)或psd)時，位置相關(guān)信息包括朝向位于對象上的至少一個基準(zhǔn)標(biāo)記中的每個的各自的方向。當(dāng)便攜式單元包括例如立體相機(jī)或tof相機(jī)時，位置相關(guān)信息可以直接與基準(zhǔn)在參考坐標(biāo)系中的位置相關(guān)(例如，來自立體相機(jī)中的兩個檢測器的兩個方向或來自tof相機(jī)的像素深度信息)。參考圖1a至圖1c，當(dāng)移動光學(xué)檢測器102獲取光發(fā)射器110的一個或多個圖像時，移動光學(xué)檢測器102也獲取標(biāo)記1141、1142、1143和1144的圖像。對于每個登記位置，處理器根據(jù)標(biāo)記1141、1142、1143和1144的圖像，相對于移動光學(xué)檢測器102確定標(biāo)記1141、1142、1143和1144的位置相關(guān)信息。參考圖5，光學(xué)跟蹤模塊362參考圖5，光學(xué)跟蹤模塊362可以實施為tof相機(jī)或立體相機(jī)，其獲取標(biāo)記3661、3662和3663的一個或多個圖像。處理器356確定標(biāo)記3661、3662和3663的位置，確定標(biāo)記3661、3662和3663中的基準(zhǔn)標(biāo)記在參考坐標(biāo)系368中的位置。

在程序458中，根據(jù)便攜式單元在至少兩個登記位置中的每個中的位置和方向和至少一個基準(zhǔn)標(biāo)記中的每個的各自的位置相關(guān)信息，確定位于對象上的至少一個基準(zhǔn)標(biāo)記中的每個在參考坐標(biāo)系中的位置。例如，每個方向在參考坐標(biāo)系中定義一條線。與每個基準(zhǔn)相關(guān)聯(lián)的至少兩個方向的交點定義該基準(zhǔn)在參考坐標(biāo)系中的位置。如上所述，實際上這些線可能不相交。在這種情況下，顯示與每個位置的最小距離的點被確定為標(biāo)記的位置。參考圖1a至圖1c和圖2，處理器(例如，圖2中的處理器214)確定至少三個標(biāo)記(例如，圖2中的標(biāo)記1141、1142、1143和1144或圖2中的2321、2322、2333)中的每個在參考坐標(biāo)系(例如，圖1中的參考坐標(biāo)系116或圖2中的參考坐標(biāo)系230)中的位置。

在程序460中，根據(jù)至少三個標(biāo)記中的至少三個在兩個坐標(biāo)系中的各自的位置，使用參考坐標(biāo)系登記與對象的模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系。參考圖2，處理器214根據(jù)標(biāo)記在兩個坐標(biāo)系中的各自的位置，使用參考坐標(biāo)系230登記與對象的模型相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系。

上述描述涉及具有增強(qiáng)現(xiàn)實環(huán)境的自動登記過程，其中登記系統(tǒng)在對應(yīng)于便攜式單元的位置和方向以及標(biāo)記在參考坐標(biāo)系中的位置的顯示位置處顯示覆蓋在顯示器上的登記相關(guān)信息。一般來說，上面描述的顯示器中的每一個可以是手持式或頭戴式的，或一般任何便攜式單元的一部分(例如，附接到活動臂)。例如，視頻透視便攜式單元包括平板計算機(jī)和相機(jī)。視頻透視便攜式單元可以替代地包括具有非透明近眼顯示器和攝影機(jī)的hmd。在視頻透視便攜式單元中，來自相機(jī)的視頻被增強(qiáng)并顯示給顯示器中的用戶。當(dāng)光學(xué)跟蹤系統(tǒng)用于跟蹤視頻透視便攜式單元時，用于跟蹤和用于視頻透視的相機(jī)可能是同一個。光學(xué)透視便攜式單元包括例如具有透明顯示器的平板計算機(jī)，或附接到活動臂的投影儀和半鍍銀鏡。光學(xué)透視便攜式單元可以替代地包括具有面板投影顯示器或透明近眼顯示器的hmd。

上述描述例示了用戶移動通過至少兩個不同的登記位置的登記過程。然而，實際上，當(dāng)借助于便攜式單元確定標(biāo)記的位置時，用戶可以在患者周圍無限制地移動便攜式單元，同時將患者保持在便攜式單元的光學(xué)檢測器的fov內(nèi)。光學(xué)檢測器在便攜式單元的運(yùn)動期間檢測標(biāo)記(例如，當(dāng)使用成像傳感器時獲取圖像)。跟蹤系統(tǒng)在每次檢測到標(biāo)記時確定便攜式單元的位置和方向，并且如上所述，都以相對較高的頻率(例如，大約每秒幾十次)來確定標(biāo)記的位置。

現(xiàn)在參考圖9a至圖9e。圖9a和圖9b是示例性標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記(通常被引用為500)的示意圖。在模型獲取期間(例如，在ct或mri成像期間)使用標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記500。圖9c至圖9e是根據(jù)所公開的技術(shù)的另一實施方案構(gòu)造和操作的示例性有源登記標(biāo)記(通常被引用為510)的示意圖，該有源登記標(biāo)記可以附接到標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記500。在登記期間使用有源登記標(biāo)記510。圖9a是標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記500的頂視圖，并且圖9b是標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記500的橫截面圖。在這里提出的實例中，標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記500是以形成空腔508的環(huán)的形式。標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記500包括標(biāo)記體502和底部標(biāo)簽504。底部標(biāo)簽504用于將標(biāo)記350附接到患者。標(biāo)記體502由可以在所獲取的模型中檢測的材料(例如，用于ct成像的不透射線的材料)制成。標(biāo)記500也可以具有蓋506，其保護(hù)標(biāo)記免受損壞并且在登記過程之前被去除。

如上所述，上文結(jié)合圖1a至圖1c、圖2、圖3、圖4、圖5和圖6a至圖6d描述的標(biāo)記可以是無源標(biāo)記或有源標(biāo)記。無源標(biāo)記反射照射在其上的光。有源標(biāo)記包括led和電池，并且就在登記過程的啟動開始之前被激活。參考圖9c，有源登記標(biāo)記510包括殼體512、led514、電源516、可拆卸隔離器518、突起520和標(biāo)簽522。led514與電源516耦合。可拆卸隔離器518將led514與電源516隔離。一般來說，電源516采取電池的形式。然而，電源516也可以采取預(yù)加載的電容器的形式。參考圖9d，在有源登記標(biāo)記510附接到標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記500之前，去除標(biāo)簽522從而露出粘合劑。此后，突起520插入空腔508中，并且殼體512固定地附接到標(biāo)記體502。參考圖9e，一旦有源登記標(biāo)記510附接到標(biāo)記體502，去除可拆卸隔離器518，由此將led514連接到電源516。因此，led514開始發(fā)射光。

如上所述，登記標(biāo)記也可以是無源登記標(biāo)記。這種無源登記標(biāo)記可以是反射器或回射器?，F(xiàn)在參考圖10，其是根據(jù)所公開的技術(shù)的另一實施方案構(gòu)造和操作的無源登記標(biāo)記(通常被引用為550)的橫截面圖的示意圖。無源登記標(biāo)記550在本文中例示為角立方回射器。無源登記標(biāo)記包括殼體552、角立方回射器554、突起558和標(biāo)簽560。角立方回射器554包括三個反射鏡。在圖8中描繪包括在角立方反射器554中的三個反射鏡中的兩個反射鏡5561和5562。照射在角立方回射器上的光被反射回到該光到達(dá)的方向。類似于有源登記標(biāo)記510(圖7c至圖7e)，無源登記標(biāo)記可以在模型獲取過程之后并且在登記過程之前固定地附接到標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記(諸如標(biāo)記500)(圖5a至圖5b)。

一般來說，用位于便攜式單元上的led(例如，圖1的led1041和1042或圖2的led2061和2062)照明無源登記標(biāo)記550。位于便攜式單元上的光學(xué)檢測器(例如，圖1的光學(xué)檢測器102或圖2的光學(xué)檢測器202)獲取從無源登記標(biāo)記550反射的光的圖像。因此，當(dāng)無源登記標(biāo)記550實施為回射器時，重要的是，便攜式單元的光發(fā)射器位于足夠靠近光學(xué)檢測器的位置，使得可以通過光學(xué)檢測器檢測從無源登記550回射的光。

應(yīng)注意，根據(jù)所公開的技術(shù)，可以在模型獲取和登記期間使用單個基準(zhǔn)標(biāo)記。現(xiàn)在參考圖11a和圖11b，其是根據(jù)所公開的技術(shù)的另一實施方案的可以用于模型獲取和登記的兩個示例性基準(zhǔn)標(biāo)記(通常分別被引用為600和620)的示意圖?；鶞?zhǔn)標(biāo)記600是有源基準(zhǔn)標(biāo)記，并且基準(zhǔn)標(biāo)記620是無源基準(zhǔn)標(biāo)記。

參考圖11a，基準(zhǔn)標(biāo)記600包括由可以在所獲取的模型中檢測的材料(例如，用于ct成像的不透射線的材料)制成的主體602、標(biāo)簽604、led606、電源608(例如，電池或電容器)和可拆卸隔離器610。led606與電源608耦合?？刹鹦陡綦x器610將led606與電源608隔離。底部標(biāo)簽604用于將標(biāo)記600附接到患者。此后，獲取患者的模型。在登記過程之前，去除可拆卸隔離器610，由此將led606連接到電源608。因此，led606開始發(fā)射光。

參考圖11b，基準(zhǔn)標(biāo)記620包括由可以在所獲取的模型中檢測的材料制成的主體622、標(biāo)簽624和角立方回射器626。角立方回射器626包括三個反射鏡。在圖7b中描繪包括在角立方反射器626中的三個反射鏡中的兩個反射鏡6281和6282。底部標(biāo)簽624用于將標(biāo)記620附接到患者。此后，獲取患者的模型。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解，所公開的技術(shù)不限于上文特定示出和描述的內(nèi)容。相反，所公開的技術(shù)的范圍僅由所附權(quán)利要求限定。