用于探測和追蹤圖像姿態(tài)的圖像導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于圖像導(dǎo)航手術(shù)(image guided surgery)的系統(tǒng)，更具體地，涉及用于醫(yī)療過程中探測和追蹤圖像姿態(tài)的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]多年來圖像導(dǎo)航手術(shù)已經(jīng)具有廣泛的發(fā)展，并且目前是手術(shù)程序中非常重要的工具。大部分的改進(jìn)是以體內(nèi)極少到達(dá)的圖像位置諸如內(nèi)臟為中心。
[0003]口腔手術(shù)在本申請中被限定為任何發(fā)生在口腔內(nèi)的手術(shù)，其很難可視化進(jìn)行?？谇幌鄬^小，并且對病人來說很難長時間維持張口的狀態(tài)。即使手術(shù)位置是可見的，一旦鉆子刺入，在任何給定的時間內(nèi)也很難確定鉆子的頂端在哪兒。
[0004]圖像導(dǎo)航手術(shù)涉及使用計算或計算機(jī)化軸向斷層掃描，通常稱為CT或CAT掃描，來創(chuàng)建手術(shù)位置(通常為三維)的數(shù)字圖像。然后，外科醫(yī)生利用該圖像制定用于手術(shù)的計劃。手術(shù)期間，將之前的CT掃描產(chǎn)生的圖像與特定的儀器一起使用，以可視地描繪出儀器的頂端在病人體內(nèi)的位置。
[0005]為了這么做，來自掃描的數(shù)字圖像必須準(zhǔn)確地配準(zhǔn)到(registered)病人手術(shù)位置，使得病人的移動引起對數(shù)字圖像的調(diào)整。必須知道儀器的頂端相對于病人的準(zhǔn)確位置。
[0006]對于口腔手術(shù)，諸如在種植牙期間，醫(yī)生必須將鉆子鉆進(jìn)自由空間，同時控制鉆子隨著病人的潛在移動處于六自由度。這會使鉆子精確地鉆進(jìn)好的骨，同時避免非常困難地鉆進(jìn)牙根和神經(jīng)。因此，圖像導(dǎo)航手術(shù)近年來被用于促進(jìn)鉆孔過程，為了計劃手術(shù)事件以提供恢復(fù)方案，醫(yī)生利用對病人牙齒的CT掃描精確地判斷骨密度、寬度和高度，并且了解其他牙齒的關(guān)系以及解剖結(jié)構(gòu)，該恢復(fù)方案可能是最成功的并且具有最小的創(chuàng)傷。
[0007]現(xiàn)有的計劃軟件和構(gòu)造系統(tǒng)，其利用CT圖像幫助將術(shù)前計劃翻譯成被動手術(shù)導(dǎo)航(passive surgical guide)，即創(chuàng)建用于手術(shù)的虛擬計劃，然后在牙科實(shí)驗室中預(yù)構(gòu)造手術(shù)導(dǎo)航以實(shí)施該計劃。這些被動手術(shù)導(dǎo)航幫助醫(yī)生準(zhǔn)確地指向正確的位置、角度和深度。被動圖像導(dǎo)航手術(shù)具有局限性，他們必須在手術(shù)前在牙科實(shí)驗室中或通過導(dǎo)航制造商預(yù)構(gòu)造。這需要醫(yī)生和病人的更多的時間和花費(fèi)。如果病人的口腔有變化或者醫(yī)生想要改變計劃，那么該導(dǎo)航就不再有用了。很多情況下，病人不能將他們的嘴巴張開足夠大以容納所需的儀器和導(dǎo)航。
[0008]動態(tài)圖像導(dǎo)航(active image guided surgery)手術(shù)解決了被動導(dǎo)航系統(tǒng)的很多問題，即有限的最大嘴張開、預(yù)先構(gòu)造被動導(dǎo)航的需要以及手術(shù)期間不能改變計劃，這些問題都可以由動態(tài)導(dǎo)航系統(tǒng)克服。為了提供動態(tài)圖像導(dǎo)航手術(shù)，病人嘴巴的位置，具體的骨頭和牙齒，必須被精確地追蹤并配準(zhǔn)到掃描的圖像和手術(shù)工具上。為了這么做，大多數(shù)傳統(tǒng)的系統(tǒng)需要創(chuàng)建配準(zhǔn)設(shè)備，該設(shè)備附接至病人的頭部或插入到嘴巴里，該設(shè)備包括基準(zhǔn)標(biāo)記(fiducial marker)和傳感器。一些配準(zhǔn)設(shè)備附接至頭外部，例如安裝在頭上的夾具(fixture)。為了限制對手術(shù)區(qū)域的干擾并且允許光學(xué)傳感器追蹤夾具和手術(shù)工具的運(yùn)動，其它配準(zhǔn)設(shè)備涉及附接至顎骨的具有傳感器的夾具。
[0009]為了創(chuàng)建口腔夾具，在手術(shù)前幾周制作通常既包括上部牙齒也包括下部牙齒的印模(impress1n)。然后將該印模送到實(shí)驗室，在該實(shí)驗室里制作實(shí)質(zhì)上復(fù)制了牙齒的鑄型(cast)。由該鑄型制作口腔夾具，或者將其安放在牙齒上，或者設(shè)計將其鉆進(jìn)顎骨里。該夾具包括至少基準(zhǔn)標(biāo)記，并且如果沒有裝配有傳感器，那么就包括光學(xué)傳感器的安裝位置。
[0010]實(shí)驗室創(chuàng)建夾具之后，將其送到外科醫(yī)生那里。將戴有該夾具的病人和CT掃描帶進(jìn)實(shí)驗室。病人又一次被送回家。病人的口腔的數(shù)字圖像由該掃描創(chuàng)建，并且外科醫(yī)生制定手術(shù)計劃。
[0011]然后又將病人帶來以進(jìn)行手術(shù)。將夾具附接至病人。將光發(fā)射機(jī)定位在病人附近，并且其發(fā)射由傳感器探測到的信號。當(dāng)病人的嘴巴移動時，傳感器發(fā)送信號至軟件，從而對病人口腔的數(shù)字圖像做調(diào)整。該軟件也追蹤儀器的位置，并且描繪相對于牙齒的數(shù)字圖像處于正確位置的儀器的圖像。
[0012]除了給病人造成的不方便，現(xiàn)存系統(tǒng)常常很難精確地將病人配準(zhǔn)到數(shù)字掃描。所有目前的牙科動態(tài)圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)涉及光學(xué)追蹤，其需要將夾具放置在病人的嘴里，并且延伸到最外面以被光發(fā)射機(jī)或接收器探測到。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本申請公開了用于追蹤可移動(displaceable)物體在坐標(biāo)參考框架中的姿態(tài)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括位于或附接至被追蹤物體上的光學(xué)可視目標(biāo)圖案(pattern)。該圖案包括多個2D有鮮明對比的形狀(2D contrasting shapes)，設(shè)置該有鮮明對比的形狀從而將該圖案與其它圖案唯一地區(qū)分開。
[0014]與該物體間隔開的光學(xué)傳感器組件，將該光學(xué)傳感器組件定位并且配置以捕獲該圖案的至少部分的圖像，匹配該傳感器組件以生成該圖案的該部分的至少一對2D圖像，每個2D圖像與其它2D圖像處于該圖案的該部分的不同視角；以及
[0015]處理器，用于檢索存儲的數(shù)據(jù)，該存儲的數(shù)據(jù)用于多個不同圖案，包括光學(xué)可識別的定義點(diǎn)的一組3D坐標(biāo)，該定義點(diǎn)基于圖案中有鮮明對比的形狀的設(shè)置。該處理器配置為從該傳感器組件接收該圖案的該部分的該2D圖像?；谠?D圖像中的有鮮明對比的形狀與該存儲的數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，編程該處理器以識別該2D圖像中的不同的圖案之一。編程處理器以定位該2D圖像中的定義點(diǎn)，以及基于用于被識別的不同圖案的該2D圖像中定位的定義點(diǎn)和該存儲的數(shù)據(jù)中的該3D坐標(biāo)，利用變換確定該物體的姿態(tài)。
[0016]優(yōu)選地，該處理器配置為計算在每個該2D圖像中的該圖案中的該定位的定義點(diǎn)的3D坐標(biāo)。
[0017]在一個實(shí)施例中，其中2D有鮮明對比的形狀位于貼片(tile)上，并且其中目標(biāo)圖案包括多個貼片。該2D有鮮明對比的形狀是有鮮明對比的方框或者方格(box or square)。
[0018]為了與該存儲的數(shù)據(jù)中的該3D坐標(biāo)相關(guān)聯(lián)，該處理器利用該變換提供對該2D圖像中定位的該定義點(diǎn)的2D平移、旋轉(zhuǎn)以及縮放，該存儲的數(shù)據(jù)用于被識別的不同圖案。優(yōu)選地，該變換是剛體變換。在一個實(shí)施例中，該變換是3D仿射變換。該變換可以包括非線性變形，以使設(shè)置與非平面表面一致。優(yōu)選地，該非平面表面選自組，該組包括限定球面的一部分的表面、圓柱表面以及錐形表面。
[0019]如附圖中繪示的，根據(jù)以下對優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述和其它特征以及優(yōu)點(diǎn)將變的更加明顯。如可實(shí)現(xiàn)的，能夠以各種方式修改本發(fā)明，該修改都不脫離本發(fā)明的范圍。因此，應(yīng)將附圖和說明書認(rèn)為是本質(zhì)性的繪示而非限制目的。
【附圖說明】
[0020]出于繪示本發(fā)明的目的，在圖中展示較佳形式。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不限于圖中展示的精確配置及工具。
[0021]圖1是用于本發(fā)明實(shí)施例的具有附接至口腔夾具的圖案顯示表面的追蹤組件的透視圖。
[0022]圖2是圖1中的口腔夾具和追蹤組件的頂視圖。
[0023]圖3是根據(jù)本發(fā)明的具有附接至口腔夾具的追蹤組件的另一個實(shí)施例的透視圖。
[0024]圖4是圖3中的口腔夾具和裝置組件的側(cè)視圖。
[0025]圖5是根據(jù)本發(fā)明的用于將追蹤組件附接至口腔夾具的托架的側(cè)視圖。
[0026]圖6是圖5中的托架的不同的側(cè)視圖。
[0027]圖7是根據(jù)本發(fā)明的附接至牙科儀器一起的追蹤組件的另一個實(shí)施例的透視圖。
[0028]圖8是圖7中的牙科儀器和追蹤組件的側(cè)視圖。
[0029]圖9是移除了圖7中的牙科儀器的托架組件。
[0030]圖10是用于追蹤組件的圖案顯不表面的圖案的一個實(shí)施例的繪不。
[0031]圖11是設(shè)置有四個追蹤圖案的裝置貼片，用于唯一地追蹤該圖案。
[0032]圖11A是圖11中的追蹤圖案的部分的放大視圖。
[0033]圖12是繪示了確定模型狀態(tài)的傳統(tǒng)方法的流程圖。
[0034]圖13是繪示了根據(jù)本發(fā)明的確定模型姿態(tài)的方法的流程圖。
[0035]圖14是根據(jù)本發(fā)明的具有成像照相機(jī)的口腔夾具和牙科儀器的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]通過提供用于手術(shù)期間有效地追蹤病人的運(yùn)動的圖像導(dǎo)航系統(tǒng)，本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。以下將對本發(fā)明進(jìn)行描述，其涉及口腔手術(shù)以及對病人嘴巴的運(yùn)動的追蹤，但是本發(fā)明并不必需限定于該實(shí)施例。在一個實(shí)施例中，圖像導(dǎo)航系統(tǒng)包括多個照相機(jī)，其位于口腔外側(cè)以提供光學(xué)可視圖案的圖像，該照相機(jī)通過口腔夾具附接至病人，并且位于正在進(jìn)行飛手術(shù)區(qū)域之外。利用該圖像探測并追蹤病人嘴巴、和/或手術(shù)儀器或工具的運(yùn)動。處理系統(tǒng)接收并處理該圖像以識別圖案，并對相對于每個照相機(jī)的位置和方向作三角測量。該處理系統(tǒng)利用