本發(fā)明涉及醫(yī)療系統(tǒng)和方法。更具體地，本發(fā)明涉及用于使醫(yī)療器械對(duì)準(zhǔn)解剖目標(biāo)的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

各種成像技術(shù)（諸如X射線(xiàn)、熒光透視、超聲、計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）和磁共振成像（MRI））在各種各樣的醫(yī)療程序中發(fā)揮著不可或缺的作用。術(shù)語(yǔ)“圖像輔助”已經(jīng)被用于區(qū)分通過(guò)使用某些類(lèi)型的基于成像的系統(tǒng)執(zhí)行的這些過(guò)程。

將圖像引導(dǎo)系統(tǒng)并入各種程序允許醫(yī)生將患者的解剖組織上的期望部位關(guān)聯(lián)至術(shù)前或術(shù)中通過(guò)使用各種成像模式（諸如X射線(xiàn)、超聲、CT掃描或MRI）獲得的圖像。圖像引導(dǎo)系統(tǒng)的使用也賦予透過(guò)解剖組織的表層查看以使更深的所關(guān)心的目標(biāo)可視化的能力。進(jìn)一步地，圖像引導(dǎo)系統(tǒng)提供通過(guò)使用預(yù)定入口和/或目標(biāo)區(qū)通達(dá)患者的解剖組織內(nèi)的所關(guān)心的目標(biāo)區(qū)域所需的引導(dǎo)。通常，當(dāng)目標(biāo)不能直接可視時(shí)，醫(yī)生嚴(yán)重依賴(lài)成像系統(tǒng)以便避免損傷周?chē)馄式Y(jié)構(gòu)并且使不必要的組織創(chuàng)傷最小化。

在圖像引導(dǎo)系統(tǒng)中使用至少兩種“空間”。首先是“圖像空間”，其是在過(guò)程（諸如在外科手術(shù)之前對(duì)特定解剖區(qū)域的MRI掃描）之前或過(guò)程期間取得的成像。根據(jù)橫截面成像，可以通過(guò)使用第一圖像空間的坐標(biāo)系來(lái)構(gòu)建三維數(shù)據(jù)組，該坐標(biāo)系通常表示為具有假定原點(diǎn)和主軸線(xiàn)的笛卡爾系統(tǒng)（Cartesian system）。第二空間是患者周?chē)膶?shí)際物理空間。這通常限制為特定解剖部分（諸如頭部、下背部、髖關(guān)節(jié)等等），以便改善局部分辨率和系統(tǒng)性能。圖像引導(dǎo)系統(tǒng)可以包括用于精確地測(cè)量患者的物理空間內(nèi)的位置的機(jī)構(gòu)，非常像跟蹤裝置。跟蹤裝置可以具有其自身的不同于"圖像空間"的坐標(biāo)系的坐標(biāo)系。為了提供靈活性，通常存在被保持成相對(duì)于患者的所關(guān)系的解剖區(qū)域處于剛性關(guān)系的“參考”。參考用作患者的物理空間的假定原點(diǎn)，并且做出的所有三維空間測(cè)量均能夠相對(duì)于該參考表示。使用參考允許在不喪失圖像配準(zhǔn)或影響引導(dǎo)準(zhǔn)確性的情況下的圖像引導(dǎo)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)或者對(duì)目標(biāo)解剖區(qū)域的操縱。

在已經(jīng)建立這兩個(gè)坐標(biāo)系之后，可以通過(guò)被稱(chēng)為圖像配準(zhǔn)的方法將圖像空間關(guān)聯(lián)至物理空間。圖像配準(zhǔn)指的是一個(gè)空間向另一個(gè)空間的坐標(biāo)變換。這通常是線(xiàn)性且剛性的變換，其中僅發(fā)生平移和旋轉(zhuǎn)（沒(méi)有按比例縮放并且沒(méi)有局部變形）。

一旦完成圖像配準(zhǔn)，則可以使用探頭或其它裝置來(lái)觸碰物體上的各種解剖結(jié)構(gòu)（物理空間），并且可以顯示相同的解剖結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)圖像（圖像空間）。圖像引導(dǎo)系統(tǒng)可以具有多平面重建的附加優(yōu)點(diǎn)，其允許在任意假定平面上顯示三維圖像數(shù)據(jù)組，進(jìn)一步允許用戶(hù)通過(guò)任意假定方向觀(guān)察周?chē)Y(jié)構(gòu)。

圖像引導(dǎo)系統(tǒng)可以包括信息處理單元（例如計(jì)算機(jī)），該信息處理單元（例如計(jì)算機(jī)）被用于裝載患者的術(shù)前或術(shù)中圖像，以及運(yùn)行將執(zhí)行圖像空間和物理空間之間的圖像配準(zhǔn)的軟件。軟件程序執(zhí)行圖像空間和物理空間之間的圖像配準(zhǔn)，并且向操作員提供導(dǎo)航信息。這通常包括執(zhí)行多平面重建和以入口和目標(biāo)區(qū)的規(guī)格執(zhí)行靶向的能力。更先進(jìn)的功能包括各成像模式之間的圖像融合能力（諸如融合CT成像數(shù)據(jù)與MRI成像數(shù)據(jù)），以及先進(jìn)的圖像分割（例如提取腫瘤或血管的圖像信息并且描繪這些結(jié)構(gòu)的三維模型），以向外科醫(yī)生提供現(xiàn)場(chǎng)術(shù)中引導(dǎo)。

圖像引導(dǎo)系統(tǒng)的另一部件是用于空間識(shí)別的跟蹤裝置或參考。這種裝置讀取三維空間中的任意點(diǎn)的坐標(biāo)，以允許精確跟蹤患者周?chē)奈锢砜臻g。圖像引導(dǎo)系統(tǒng)還可以包括各種探頭，以允許在操作期間跟蹤器械（諸如手術(shù)器械、內(nèi)窺鏡工具、活檢針等），從而提供關(guān)于導(dǎo)航選項(xiàng)的靈活性。探頭也可以用作跟蹤裝置或者參考。

基于上述構(gòu)思，已經(jīng)取得了產(chǎn)生各種圖像引導(dǎo)系統(tǒng)的開(kāi)端的各種進(jìn)步。這些系統(tǒng)就其關(guān)于各種系統(tǒng)部件的執(zhí)行的確切細(xì)節(jié)而言是不同的；但是，系統(tǒng)之間存在許多共性。

用于空間導(dǎo)航的最常見(jiàn)的系統(tǒng)是諸如美國(guó)專(zhuān)利No. 5230623中所公開(kāi)的光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)包括立體攝像機(jī)（即，安裝成以已知的固定距離分開(kāi)的兩個(gè)攝像機(jī)），其協(xié)作以提供精確的三維定位。跟蹤方法能夠是被動(dòng)或者主動(dòng)中的任一者。在被動(dòng)跟蹤中，系統(tǒng)發(fā)出紅外線(xiàn)輻射（通常通過(guò)圍繞每個(gè)攝像機(jī)安裝的紅外線(xiàn)發(fā)光二極管或LED構(gòu)成的環(huán)），并且被動(dòng)光學(xué)標(biāo)記將輻射反射回?cái)z像機(jī)，并且允許標(biāo)記被看到。標(biāo)記通常是具有預(yù)定直徑的小球體，其涂覆在針對(duì)紅外輻射的波長(zhǎng)所優(yōu)化的反射性涂層中。在主動(dòng)跟蹤的情況中，標(biāo)記本身由紅外LED構(gòu)成，該紅外LED發(fā)射能夠由攝像機(jī)直接看到的紅外線(xiàn)輻射。能夠使用以預(yù)定幾何構(gòu)造布置的三個(gè)或更多個(gè)標(biāo)記給出帶有六個(gè)自由度（DOF）的唯一矢量的總體詳細(xì)說(shuō)明，其中所述六個(gè)自由度是3個(gè)平移和3個(gè)旋轉(zhuǎn)。通過(guò)改變標(biāo)記的預(yù)定幾何構(gòu)造，系統(tǒng)能夠識(shí)別和同時(shí)跟蹤各種探頭和工具，包括限定物理空間中的假定原點(diǎn)的特別的"參考探頭"。光學(xué)系統(tǒng)通常伴隨有專(zhuān)有軟件，其執(zhí)行圖像配準(zhǔn)并且向終端用戶(hù)提供導(dǎo)航信息。

用于空間導(dǎo)航的另一系統(tǒng)是諸如由Medtronic銷(xiāo)售的AxiEM^TM導(dǎo)航系統(tǒng)的磁性系統(tǒng)。磁性系統(tǒng)采用磁場(chǎng)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生均勻梯度場(chǎng)。傳感器被用于測(cè)量磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，并且基于該信息得出空間定位。同樣，參考點(diǎn)被固定至患者并且各種探頭可用于靈活導(dǎo)航。

用于外科引導(dǎo)的另一系統(tǒng)是立體定向系統(tǒng)。對(duì)于顱部過(guò)程，這些系統(tǒng)依賴(lài)于圍繞患者頭部的剛性框架的附接。然后可以使用附接的框架對(duì)患者的頭部進(jìn)行橫斷面成像（CT或者M(jìn)RI）?？蚣芴峁?duì)患者的頭部周?chē)奈锢砜臻g的測(cè)量，并且直接與圖像空間關(guān)聯(lián)，這是因?yàn)樵趻呙钑r(shí)也捕捉框架。一旦在掃描時(shí)選擇了共同的假定坐標(biāo)系，則圖像空間和物理空間的圖像配準(zhǔn)自動(dòng)地發(fā)生。引導(dǎo)被機(jī)械地實(shí)現(xiàn)，這意味著外部機(jī)構(gòu)通常沿加工的溝槽或孔引導(dǎo)外科醫(yī)生的器械。外科醫(yī)生必須僅依賴(lài)于軌跡計(jì)算，原因在于在缺乏實(shí)時(shí)成像（例如術(shù)中CT或者M(jìn)RI掃描）的情況中沒(méi)有可用的視覺(jué)反饋。

機(jī)械引導(dǎo)能夠以各種坐標(biāo)系（笛卡爾坐標(biāo)系、極坐標(biāo)系、球坐標(biāo)系或者混合坐標(biāo)系）表示。Eleckta銷(xiāo)售的Leksell立體定向系統(tǒng)^?是現(xiàn)今使用中的一種常見(jiàn)立體定向系統(tǒng)，并且其使用混合坐標(biāo)系。其以x、y和z的笛卡爾坐標(biāo)來(lái)表示目標(biāo)。機(jī)械引導(dǎo)依賴(lài)于"弧"原則，其中弧總是在目標(biāo)上居中。這允許外科醫(yī)生挑選任意環(huán)或弧角度以尋找進(jìn)入位置的最佳放置。替代性地，可以預(yù)先限定進(jìn)入位置并且可以計(jì)算弧/環(huán)角度。各種尺寸的引導(dǎo)件都是可用的，以適應(yīng)各種器械直徑。因?yàn)橄到y(tǒng)不能提供現(xiàn)場(chǎng)圖像引導(dǎo)，所以其角色更受限于諸如活檢的過(guò)程或者電極的放置。Leksell框架的更專(zhuān)門(mén)地應(yīng)用是在伽瑪?shù)吨委熤?，以幫助定位輻射目?biāo)。市場(chǎng)上當(dāng)前可獲得多種其它立體定向框架，其實(shí)質(zhì)上體現(xiàn)了相同基本原理的各種重復(fù)。

已經(jīng)證明圖像導(dǎo)航在改善靶向精度、避免對(duì)周?chē)匾Y(jié)構(gòu)的損傷以及改善患者預(yù)后方面是及其有用的。然而，深層解剖結(jié)構(gòu)的精確靶向在多個(gè)學(xué)科上都具有挑戰(zhàn)性。需要一種圖像引導(dǎo)系統(tǒng)，其促進(jìn)鑒別不能夠直接可視化的理想軌跡。

若干臨床應(yīng)用將受益于這樣的改善的靶向方法。一種示例是腦室外引流（EVD）或腦室分流（腦室腹腔、腦室心房、腦室胸腔等）的插入。執(zhí)行這種過(guò)程以釋放腦脊髓液（CSF）/使其改向，并且監(jiān)測(cè)顱內(nèi)壓（ICP）。目前的護(hù)理標(biāo)準(zhǔn)涉及經(jīng)由天然的外部標(biāo)志從皮膚表面到腦部中的深層腦室系統(tǒng)的腦室導(dǎo)管的盲通路。當(dāng)前在這種過(guò)程中所用的圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)依賴(lài)于頭部的剛性固定以及通達(dá)手術(shù)室。此外，使用現(xiàn)有的圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)會(huì)顯著延長(zhǎng)過(guò)程時(shí)間，從而使得它們不適用于緊急情況，特別是當(dāng)需要緊急控制ICP時(shí)。

可受益于改善的靶向方法的另一臨床應(yīng)用是活檢和相關(guān)過(guò)程的性能?？梢允褂密浗M織、骨、流體或者解剖空間的精確靶向以促進(jìn)活檢、裝置放置和/或藥劑輸送。一種常見(jiàn)的顱部應(yīng)用是立體定向活檢。傳統(tǒng)方法關(guān)注基于框架的立體定向活檢，其依賴(lài)于用穿透顱骨的外板的尖銳銷(xiāo)釘固定至顱骨的框架（例如，對(duì)于由Eleckta銷(xiāo)售的Leksell立體定向系統(tǒng)^?用四個(gè)銷(xiāo)釘）的應(yīng)用。這種過(guò)程對(duì)于清醒患者而言是痛苦的并且設(shè)置繁瑣。圖像引導(dǎo)系統(tǒng)的近期進(jìn)步已允許研發(fā)“無(wú)框架立體定向術(shù)”。在這種狀況下，避免了過(guò)程前應(yīng)用框架繼之以在患者的頭部處于框架中的情況下對(duì)患者成像。不過(guò)，仍然需要用頭顱夾（諸如由Integra LifeSciences銷(xiāo)售的Mayfield^?夾）中的穿銷(xiāo)剛性地固定頭部。因?yàn)楣潭B骨的疼痛和3處銷(xiāo)定的（3-pinned）Mayfield^?系統(tǒng)經(jīng)受的固定性，通常對(duì)患者施用全身麻醉。在無(wú)框架立體定向術(shù)的情況中，靶向信息被整體地轉(zhuǎn)移到引導(dǎo)系統(tǒng)和屏幕。遺憾的是外科醫(yī)生可能需要周期性地將視線(xiàn)從他的或她的手和外科器械轉(zhuǎn)移，以觀(guān)察幫助引導(dǎo)軌跡的屏幕。

已經(jīng)采納了相似的系統(tǒng)來(lái)放置電極和其它植入物。比如，將深部腦刺激器或RF消融電極插入顱部結(jié)構(gòu)中采用與立體定向活檢相似的步驟。在這種狀況下，目的是將植入物放置到腦部的預(yù)先限定的區(qū)域內(nèi)。再次，利用相似的圖像引導(dǎo)的技術(shù)，能夠精確地瞄準(zhǔn)異常流體或者軟組織采集物（包括但不限于腦膿腫、血腫或蛋白質(zhì)采集物）。

在整形外科過(guò)程中存在圖像引導(dǎo)的技術(shù)的多種潛在應(yīng)用，從植入物的放置到釘、板和螺釘?shù)姆胖?。例如，在髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)中，已經(jīng)表明以特定角度的外展/內(nèi)收以及屈曲/伸展精確放置髖臼帽在防止過(guò)早磨損和復(fù)發(fā)性髖關(guān)節(jié)脫位中是重要的因素。類(lèi)似地，膝部、肩部、踝部和小關(guān)節(jié)的置換依賴(lài)于相鄰骨中的準(zhǔn)確切割，以確保植入物的解剖學(xué)對(duì)齊。另一示例是在脊柱手術(shù)中椎弓根螺釘?shù)姆胖?，這依賴(lài)于準(zhǔn)確的軌跡和插入角度以防止神經(jīng)傷害和螺釘錯(cuò)置。另一常用的整形外科應(yīng)用涉及長(zhǎng)骨骨折中髓內(nèi)釘?shù)姆胖谩Ｋ鑳?nèi)釘可以符合髓腔的形狀，有時(shí)使得難以精確瞄準(zhǔn)和對(duì)齊遠(yuǎn)端鎖定螺釘孔。遺憾的是，雖然已經(jīng)做出許多嘗試，但是仍然不存在能夠在不顯著延長(zhǎng)操作時(shí)間的情況下容易地解決這個(gè)問(wèn)題的令人滿(mǎn)意的系統(tǒng)。

遺憾的是，所有這些技術(shù)，無(wú)論是主要地還是次要地，均涉及通達(dá)圖像引導(dǎo)系統(tǒng)、固定方法和手術(shù)室。如果需要緊急過(guò)程，那么通達(dá)這樣的設(shè)施和器械可能是不可行的，在緊急過(guò)程的情況中，將患者推到手術(shù)室和設(shè)置現(xiàn)有圖像引導(dǎo)系統(tǒng)所導(dǎo)致的延遲將對(duì)患者產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。醫(yī)生通常被迫訴諸天然的外部解剖標(biāo)志以便引導(dǎo)。這種在速度和精確性之間的權(quán)衡意味著需要緊急過(guò)程的患者通常不能夠獲得圖像引導(dǎo)的益處。進(jìn)一步地，在許多狀況中，現(xiàn)有圖像引導(dǎo)系統(tǒng)是昂貴的，并且在更小的醫(yī)療設(shè)施中是成本過(guò)高的（cost-prohibitive）。這將通達(dá)圖像引導(dǎo)技術(shù)限制于大型的、資金雄厚的醫(yī)院。許多醫(yī)院和保健設(shè)施未配備有傳統(tǒng)的圖像引導(dǎo)系統(tǒng)，從而使患者失去了圖像引導(dǎo)的過(guò)程的精確性和準(zhǔn)確性的益處。這在發(fā)展中國(guó)家是尤其真實(shí)的，在發(fā)展中國(guó)家中，成本是采納圖像引導(dǎo)技術(shù)的主要障礙。另外，在平片、CT掃描、超聲成像和磁共振成像的引導(dǎo)下執(zhí)行常規(guī)放射過(guò)程（諸如活檢）。所有這些成像模式需要從業(yè)者觀(guān)察屏幕、計(jì)算機(jī)終端等上的圖像，而不是觀(guān)看物理空間中的過(guò)程。這些過(guò)程被頻繁地執(zhí)行并且可能會(huì)使放射技師和技術(shù)人員暴露于潛在有害劑量的輻射。當(dāng)使用現(xiàn)有的圖像引導(dǎo)系統(tǒng)時(shí)，用戶(hù)必須將其視線(xiàn)移離患者并且關(guān)注屏幕上顯示的信息（"眼睛離開(kāi)目標(biāo)"）。對(duì)于這些關(guān)鍵時(shí)刻，用戶(hù)沒(méi)有對(duì)他們的器械的直接視覺(jué)確認(rèn)。代替地，他們必須依賴(lài)感覺(jué)、肌肉記憶和/或在屏幕和患者之間快速地往復(fù)查看。因此，需要一種圖像引導(dǎo)系統(tǒng)，當(dāng)醫(yī)生瞄準(zhǔn)隱藏在皮膚表面之下的結(jié)構(gòu)時(shí)，其能夠使用先前的成像研究來(lái)引導(dǎo)醫(yī)生而不需要使用框架或銷(xiāo)，同時(shí)提供靶向軌跡的工作區(qū)域內(nèi)的直接可視化（"眼睛在目標(biāo)上"）。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

響應(yīng)于本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，并且具體地響應(yīng)于本領(lǐng)域中尚未被當(dāng)前可用的可視化系統(tǒng)完全解決的問(wèn)題和需求，已經(jīng)研發(fā)了本發(fā)明的各種系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以提供促進(jìn)多種醫(yī)療過(guò)程的增強(qiáng)的可視化系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)前述目的，并且根據(jù)如本文所體現(xiàn)并且寬泛地描述的發(fā)明，本公開(kāi)提供了增強(qiáng)的系統(tǒng)，并且有相關(guān)聯(lián)的方法來(lái)使期望軌跡可視化。在所公開(kāi)的技術(shù)的一種示例中，靶向系統(tǒng)包括夾具（fixture）和固定至夾具的兩個(gè)或更多個(gè)光源，所述光源以彼此不平行的角度固定至夾具以促進(jìn)線(xiàn)性軌跡的可視化。每個(gè)光源均可以是在平面內(nèi)投射光的激光器。激光器能夠被調(diào)諧成可見(jiàn)電磁光譜中的相同頻率，以產(chǎn)生相同顏色的光。在另一實(shí)施例中，激光器被調(diào)諧成不同頻率以產(chǎn)生不同顏色的光。

每個(gè)激光器均可以沿其主軸線(xiàn)投射明確的電磁輻射平面場(chǎng)。激光器的主軸線(xiàn)可以彼此不平行并且彼此不同軸，使得來(lái)自?xún)蓚€(gè)或更多個(gè)激光器的光相交以在三維空間中產(chǎn)生靶向線(xiàn)。光投射在其內(nèi)的平面的取向的調(diào)整可以通過(guò)調(diào)整對(duì)應(yīng)光源的取向（例如，滾動(dòng)、俯仰和/或偏航）來(lái)實(shí)現(xiàn)。任一平面的取向的調(diào)整可以導(dǎo)致靶向線(xiàn)的重新定位。靶向線(xiàn)可以與期望可視化的軌跡同軸。靶向線(xiàn)可以被可視化，例如通過(guò)將其投射在器械上。使得靶向線(xiàn)可見(jiàn)為器械上的線(xiàn)的器械的取向可以表明器械沿軌跡恰當(dāng)?shù)厝∠颉?/p>

系統(tǒng)可以與橫斷面成像或者平面（投影）成像模式中的任一者一起操作。橫斷面成像的一種示例包括通過(guò)使用源圖像或多平面重建中的任一者執(zhí)行的軌跡規(guī)劃?？梢栽趫D像獲取之前將一個(gè)或更多個(gè)參考標(biāo)記施加至患者，并且在軌跡規(guī)劃期間識(shí)別該參考標(biāo)記。在替代性實(shí)施例中，系統(tǒng)可以包括圖像捕捉裝置（諸如CCD攝像機(jī)），其可以結(jié)合先前提及的可動(dòng)光源來(lái)使用，以捕捉患者的3D表面信息。可以結(jié)合參考標(biāo)記部位或者3D表面信息來(lái)繪制和使用所規(guī)劃的軌跡，以確定在軌跡處投射靶向線(xiàn)所需要的光源的取向。這些取向可以被傳送到靶向系統(tǒng)并且被用于設(shè)定光源的取向。然后可以啟動(dòng)靶向系統(tǒng)以投射靶向線(xiàn)，從而指明接近器械將進(jìn)入患者的解剖組織處的點(diǎn)的軌跡。

平面成像的一種示例涉及將靶向系統(tǒng)直接附接到醫(yī)療成像裝置（例如，熒光透視單元的圖像增強(qiáng)器）。采用醫(yī)療成像裝置，可以取得所關(guān)心的解剖區(qū)域的彼此正交的兩個(gè)圖像，并且在這兩個(gè)圖像的捕捉之間，對(duì)于成像裝置僅允許旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。可以通過(guò)使用兩個(gè)正交的圖像投影繪制所規(guī)劃的軌跡。在計(jì)算光源的取向之前，可以將醫(yī)療成像裝置旋轉(zhuǎn)到預(yù)定角度。預(yù)定角度可以由用戶(hù)建立以保持醫(yī)療成像裝置不妨礙過(guò)程，并且同時(shí)使得靶向系統(tǒng)能夠提供必要的軌跡可視化。然后，軌跡可以被用于生成光源的恰當(dāng)取向，其可以被傳送到靶向系統(tǒng)并且被用于設(shè)定光源的取向。然后可以啟動(dòng)靶向系統(tǒng)以投射靶向線(xiàn)。可視化的軌跡可以可選地與醫(yī)療成像裝置的中央軸線(xiàn)同軸。

在一些實(shí)施例中，能夠使用附加光源（例如，結(jié)合三個(gè)或更多個(gè)激光器的靶向系統(tǒng)）以提供深度信息、允許同時(shí)可視化兩個(gè)或更多個(gè)軌跡，和/或提供靶向系統(tǒng)的取向的靈活性。因此，如果一個(gè)或多個(gè)光源和待可視化的軌跡之間的空間被物體或人員遮閉，則其余光源中的兩個(gè)可以替代地被用于投射靶向線(xiàn)。

所公開(kāi)的技術(shù)是多用途的并且具有廣泛的應(yīng)用，包括但不限于：瞄準(zhǔn)解剖結(jié)構(gòu)以用于諸如活檢、消融、注射、電刺激等的過(guò)程，引導(dǎo)和/或?qū)R諸如關(guān)節(jié)置換物、螺釘、桿等的植入物的放置，指導(dǎo)截骨角度，以及引導(dǎo)諸如導(dǎo)管、超聲探頭、剛性?xún)?nèi)窺鏡等的其它器械的放置。所公開(kāi)的技術(shù)也可以被用于促進(jìn)當(dāng)前圖像引導(dǎo)系統(tǒng)以及機(jī)器人輔助過(guò)程的性能。進(jìn)一步地，所公開(kāi)的技術(shù)可以被用于執(zhí)行牙科應(yīng)用，諸如對(duì)齊和/或放置種植樁、限定根管軌跡、定位牙折等等。進(jìn)一步地，所公開(kāi)的技術(shù)可以用在多種工業(yè)應(yīng)用中以改善諸如鉆孔、焊接、精整過(guò)程等等的手動(dòng)過(guò)程的對(duì)齊。

本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)點(diǎn)將從下述描述和所附權(quán)利要求中變得更加充分地顯而易見(jiàn)，或者可以通過(guò)實(shí)踐后文陳述的本發(fā)明來(lái)獲悉。

附圖說(shuō)明

結(jié)合附圖從下述描述和所附權(quán)利要求中將更加充分地顯而易見(jiàn)到本發(fā)明的示例性實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解這些附圖僅描繪示例性實(shí)施例，并且因此不應(yīng)被認(rèn)為限制本發(fā)明的范圍，將通過(guò)使用附圖以額外的特性和細(xì)節(jié)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，附圖中：

圖1是示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的靶向系統(tǒng)的透視圖，其具有兩個(gè)激光器和夾具，所述激光器在相交平面中投射不同顏色的光以在期望軌跡處產(chǎn)生靶向線(xiàn)，所述夾具呈可固定到患者的基板的形式。

圖2是圖1的靶向系統(tǒng)的替代性透視圖，并且基座部件可被更容易地可視化。

圖3A-3C分別是圖1的靶向系統(tǒng)的基板的平面圖、正視圖和透視圖，并且其具有鉸接鰭和嵌入標(biāo)記以輔助成像的可視化。

圖4A-4C分別是根據(jù)一種替代性實(shí)施例的靶向系統(tǒng)的基板的透視圖、正視圖和平面圖，并且其具有預(yù)先限定的曲度并且沒(méi)有可動(dòng)鰭。

圖5A-5B分別是型板（template）的正視圖和透視圖，該型板用于將多個(gè)點(diǎn)或標(biāo)記附接到患者以用作諸如圖1的靶向系統(tǒng)到患者的附接的參考。

圖6A-6C分別是根據(jù)另一實(shí)施例的靶向系統(tǒng)的平面圖、正視圖和透視圖，并且其具有手動(dòng)調(diào)節(jié)的激光器角度和基柱以匹配患者上的多個(gè)基準(zhǔn)標(biāo)記（參考）。

圖7A-7D分別是根據(jù)又一實(shí)施例的靶向系統(tǒng)的正視圖、透視圖、平面圖和側(cè)視圖，并且其具有電子角度讀出器和自動(dòng)（機(jī)動(dòng)）激光器角度調(diào)節(jié)以及如圖3所示的基板。

圖8是根據(jù)又一實(shí)施例的靶向系統(tǒng)的透視圖，其在直接附接到醫(yī)療成像裝置的情況下用于平面成像模式。

圖9A-9B分別是圖8的靶向系統(tǒng)的透視圖和平面圖。

圖10是手術(shù)臺(tái)和患者的正視圖，并且具有待使用附接到C-臂熒光透視單元的靶向系統(tǒng)來(lái)可視化的軌跡，其以?xún)蓚€(gè)正交成像位置示出。

圖11A-11B分別是示出如何能夠?qū)⒄粓D像用于通過(guò)使用平面成像模式的脊柱過(guò)程的靶向系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃和可視化的背視圖和側(cè)向圖。

圖12A-12B分別是示出如何能夠?qū)⒄粓D像用于通過(guò)使用平面成像模式的整形外科過(guò)程的激光靶向系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃和可視化的側(cè)向圖和背視圖。

圖13是示出在一個(gè)或多個(gè)參考標(biāo)記附接到患者的情況下在橫斷面成像模式中使用靶向系統(tǒng)的一種方法的框圖。

圖14是示出在從正交視點(diǎn)取得至少兩個(gè)圖像的情況下在穿透性平面成像模式中使用靶向系統(tǒng)的一種方法的框圖。

圖15是示出根據(jù)一種實(shí)施例的具有深度測(cè)量的呈帶溝槽器械引導(dǎo)件形式的可視化輔助件的透視圖。

圖16是示出呈閉合通道和深度控制件形式的另一可視化輔助件的透視圖，其可以幫助可視化主要靶向線(xiàn)以及從靶向系統(tǒng)的一個(gè)或兩個(gè)附加光源投射出的次要靶向線(xiàn)。

圖17是示出呈偏移的閉合通道和深度控制件形式的另一可視化輔助件的透視圖，其可以幫助可視化主要靶向線(xiàn)以及從靶向系統(tǒng)的一個(gè)或兩個(gè)附加光源投射出的次要靶向線(xiàn)，并且同時(shí)提供距靶向線(xiàn)的實(shí)際軌跡偏移。

圖18是示出根據(jù)本發(fā)明的另一替代性實(shí)施例的靶向系統(tǒng)的透視圖。

圖19是示出根據(jù)本發(fā)明的又一替代性實(shí)施例的靶向系統(tǒng)的透視圖。

圖20是圖18和圖19的控制器的透視圖。

圖21A和圖21B分別是圖18和圖19的第一光模塊的透視圖和正視圖。

圖22A和圖22B分別是整合有圖像捕捉裝置的本發(fā)明的又一替代性實(shí)施例的透視圖和正視剖視圖。

具體實(shí)施方式

通過(guò)參考附圖將最佳地理解本發(fā)明的示例性實(shí)施例，其中貫穿本文同樣的零件由同樣的附圖標(biāo)記指代。將容易地理解，本發(fā)明的部件，如本文的附圖中大體描述和圖釋的那樣，可以以各種各樣的不同構(gòu)造布置和設(shè)計(jì)。因此，如圖1至圖22B所呈現(xiàn)的設(shè)備、系統(tǒng)和方法的實(shí)施例的下述更詳細(xì)的描述不試圖限制如權(quán)利要求所要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍，而僅僅是本發(fā)明的示例性實(shí)施例的代表性示例。

短語(yǔ)"連接到"、"聯(lián)接到"和"與……連通"指的是兩個(gè)或更多個(gè)實(shí)體之間的任意形式的相互作用，包括機(jī)械的、電氣的、磁性的、電磁的、流體的和熱的相互作用。兩個(gè)部件可以在功能上彼此聯(lián)接，即使它們不與彼此直接接觸。術(shù)語(yǔ)"鄰接"指的是彼此直接物理接觸的物品，盡管物品不必須附接在一起。短語(yǔ)"流體連通"指的是連接的兩個(gè)特征，使得一個(gè)特征內(nèi)的流體能夠進(jìn)入另一特征內(nèi)。

詞語(yǔ)“示例性”在本文中被用于意味著“用作示例、實(shí)例或圖示”。本文中被描述為"示例性"的任意實(shí)施例均不必須被解釋為比其它實(shí)施例優(yōu)選或有利。雖然在附圖中呈現(xiàn)了實(shí)施例的各種方面，但除非明確指出，否則附圖不必須按比例繪制。

參考圖1，透視圖示出根據(jù)一種示例性實(shí)施例的靶向系統(tǒng)或者系統(tǒng)10。系統(tǒng)10也可以被稱(chēng)為圖像引導(dǎo)的激光靶向系統(tǒng)、靶向系統(tǒng)、激光引導(dǎo)件或者引導(dǎo)的靶向系統(tǒng)。如圖1中所體現(xiàn)的那樣，系統(tǒng)10可以被設(shè)計(jì)成直接配準(zhǔn)在患者上，如隨后將描述的那樣。系統(tǒng)10可以良好地適用于顱部過(guò)程，諸如腦室外引流（EVD's）的安裝等，并且可以被用于沿著外科器械將跟隨的軌跡投射靶向線(xiàn)以便適當(dāng)?shù)貓?zhí)行該過(guò)程。

如圖1所示，系統(tǒng)10包括呈第一激光器12形式的第一光源和呈第二激光器14形式的第二光源。在各種實(shí)施例中，可以使用各種各樣的光源，包括但不限于激光器、發(fā)光二極管（LED's）、白熾燈、熒光燈等?？梢允褂孟喔晒庠春?或非相干光源。激光器可以有利地發(fā)射能夠提供清楚的且容易可見(jiàn)的亮度的相干光，但是在其它實(shí)施例中，可以使用其它類(lèi)型的光源。

第一激光器12和第二激光器14中的每一個(gè)都可以被設(shè)計(jì)成沿平面發(fā)射光。這可以例如通過(guò)用帶槽的蓋（其允許光僅經(jīng)由槽出射）覆蓋激光器的發(fā)射端和/或使激光器光源與提供平面光輸出的光學(xué)透鏡對(duì)齊來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，第一激光器12可以沿第一平面發(fā)射第一光，并且第二激光器14可以沿第二平面發(fā)射第二光，該第二平面可以不平行于第一平面。

第一激光器12和第二激光器14可以被附接到夾具，該夾具保持第一激光器12和第二激光器14相對(duì)于彼此且相對(duì)于患者處于固定位置。在圖1的系統(tǒng)10中，夾具可以采取基座部件13的形式，第一激光器12和第二激光器14在距離彼此固定的相對(duì)距離處附接至該基座部件13?；考梢员辉O(shè)計(jì)成在患者的解剖學(xué)特征（諸如頭蓋骨）上直接配準(zhǔn)。

在系統(tǒng)10中，第一激光器12和第二激光器14之間的距離是固定的；不過(guò)，在替代性實(shí)施例中，光源能夠是相對(duì)于彼此可動(dòng)的。需要精確地測(cè)量光源的位置，使得其能夠在沿待可視化的軌跡精確地投射靶向線(xiàn)所需的計(jì)算中被考慮?？梢曰谄谕钠餍弟壽E與系統(tǒng)10的接近度優(yōu)化第一激光器12和第二激光器14之間的距離?？梢酝ㄟ^(guò)將共面的第一激光器12和第二激光器14以及軌跡的中點(diǎn)定位成近似等邊三角形布置來(lái)提高軌跡可視化的精確性。

例如，在神經(jīng)外科的設(shè)定中，系統(tǒng)10的基座部件13可以被附接到患者的前額且靶向區(qū)域覆蓋頭蓋骨的凸起。這種布置可以為EVD的插入提供近似10 cm的最精確靶向范圍，該尺寸對(duì)應(yīng)于第一激光器12和第二激光器14之間的距離。

第一激光器12和第二激光器14中的每一個(gè)可以包括透鏡16，該透鏡16至少部分地由套管21封裝。透鏡16和/或套管21可以是圓筒形的。透鏡16可以允許生成源自第一激光器12的第一光18和源自第二激光器14的第二光20。如圖所示，可以沿第一平面發(fā)射第一光18，并且可以沿不平行于第一平面的第二平面發(fā)射第二光。

第一激光器12和第二激光器14可以被設(shè)計(jì)成使得第一光18和第二光20兩者均主要由電磁光譜的可見(jiàn)部分內(nèi)的頻率構(gòu)成。第二光20可以具有不同于第一光18的頻率的頻率，并且因此可以具有不同于第一光18的顏色的顏色。例如，第一光18可以是紅色并且第二光20可以是綠色。在本說(shuō)明書(shū)的其余部分中，提及紅色激光器和綠色激光器將被分別解釋為第一激光器和第二激光器，并且不表明紅色激光器和綠色激光器是預(yù)想的僅有顏色。在其它示例中，第二激光器14可以相對(duì)于第一激光器12可動(dòng)地安裝，使得可以相對(duì)于第一激光器12的位置調(diào)整第二激光器14的位置。第一激光器12和/或第二激光器14的透鏡16可以是高斯透鏡。額外地或者替代性地，系統(tǒng)10可以包括一個(gè)或多個(gè)額外激光器，其可以具有各種透鏡類(lèi)型、發(fā)射頻率和/或其它參數(shù)。

第一光18和第二光20的每一個(gè)可以源自第一激光器12和第二激光器14中對(duì)應(yīng)的一者內(nèi)的激光源。這些激光源可以是例如第一激光器12中的紅色激光二極管（未示出）和第二激光器14中的綠色激光二極管（未示出）。激光二極管可以提供緊湊的大小和有利的能量消耗，不過(guò)其它激光源可以取代激光二極管。紅色激光二極管可以發(fā)射近似650 nm的電磁輻射。綠色激光二極管可以發(fā)射近似530 nm的電磁輻射。第一激光器12和第二激光器14可以被定位成使得當(dāng)發(fā)射第一光18和第二光20時(shí)，它們相交以產(chǎn)生靶向線(xiàn)22，在這種示例中由于光的可加性，該靶向線(xiàn)22被人眼感知為黃色。通過(guò)疊加第一激光器12和第二激光器14的顏色產(chǎn)生的加和色可以添加目標(biāo)軌跡的明顯可視化的額外元素。加和色將根據(jù)由第一激光器12和第二激光器14發(fā)射的光的顏色變化。在其它實(shí)施例中，發(fā)射不同波長(zhǎng)的光的一個(gè)或多個(gè)激光器（例如，發(fā)射具有450 nm波長(zhǎng)的藍(lán)色光的激光器）可以被用于代替或補(bǔ)充第一激光器12和/或第二激光器14。

第一激光器12和第二激光器14可以附接至基座部件13使得每個(gè)激光器均具有圍繞彼此正交的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。例如，第一激光器12和第二激光器14的每一個(gè)均可以是可旋轉(zhuǎn)的，使得第一激光器12和第二激光器14之間存在相對(duì)幾何關(guān)系，使得與第一和第二旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)正交的第三軸線(xiàn)在旋轉(zhuǎn)中保持固定。第一激光器12和第二激光器14的運(yùn)動(dòng)可以沿"偏航"和"滾動(dòng)"方向并且同時(shí)具有固定的"俯仰"。在其它實(shí)施例中，第一激光器12和第二激光器14可以在圍繞偏航方向或滾動(dòng)方向的旋轉(zhuǎn)中是固定的，而圍繞其它兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)是可能的。如果激光器之間的距離可調(diào)，則可以額外地或替代地并入平移自由度。

為了精確地計(jì)算第一激光器12和第二激光器14的"滾動(dòng)"和"偏航"，在激光器的旋轉(zhuǎn)中心占據(jù)原點(diǎn)的情況下，軌跡被變換到第一激光器12和第二激光器14中的每一個(gè)的局部坐標(biāo)系中。激光器之間的距離是已知的。源自第一激光器12（紅色激光器）的中心并且與軌跡重合的平面是第一光18的理想路徑。對(duì)應(yīng)的第一平面相對(duì)于原點(diǎn)的角度可以被用于計(jì)算滾動(dòng)和偏航角度。可以針對(duì)第二激光器14（綠色激光器）進(jìn)行相同的過(guò)程。因此，與相同的線(xiàn)重合的兩個(gè)平面必然并且僅在該線(xiàn)處相交（因?yàn)?-D空間中的兩個(gè)平面相交形成唯一的線(xiàn)）。這樣，這兩個(gè)唯一的滾動(dòng)和偏航角度組足以基于由第一激光器12發(fā)射的第一光18和第二激光器14發(fā)射的第二光20的相交確定限定三維空間中的軌跡的唯一靶向線(xiàn)。

參考圖2，替代性透視圖示出圖1的系統(tǒng)10，并且基座部件13可被更容易地看到。如圖所示，基座部件13可以具有第一臂24、第二臂26、基座平臺(tái)27和基板28。第一激光器12可以附接到基座部件13的第一臂24，并且第二激光器14可以附接到基座部件13的第二臂26。第一臂24和第二臂26可以在基座平臺(tái)27的頂表面29處或其附近相交?；脚_(tái)27可以是能夠附接到基板28的，該基板28可以在使用期間被固定到期望的解剖學(xué)特征。

如圖2中所體現(xiàn)的，基板28可以是起到兩個(gè)主要目的的通用部件。首先，基板28可以提供參考以允許精確的圖像配準(zhǔn)。第二，基板28可以提供界面以將系統(tǒng)10附接到患者。在替代性實(shí)施例中，基板可以以不同于圖2所示的構(gòu)造執(zhí)行這些功能中的一者或兩者。根據(jù)系統(tǒng)10待被用于的特定應(yīng)用，可以對(duì)基板特征作出改變或置換，以使系統(tǒng)10適應(yīng)于具體的局部解剖組織或特征。

基板28可以包括與頂表面29相對(duì)的底表面（在圖2中未示出），其形狀適合于與基板28的頂部31（圖3A）界面連接?；脚_(tái)27可以包括溝槽、孔、通道、柱和/或形狀適合于接合基板28的頂部31上的互補(bǔ)特征的其它特征，以將基座平臺(tái)27固定到基板28。基板28可以包括與頂部31相對(duì)的底部33（圖3B），其形狀適合于與執(zhí)行軌跡可視化的期望解剖部分或特征界面連接。底部33可以包括粘性材料或者連接特征，諸如銷(xiāo)、螺釘、鉤環(huán)型緊固件，或者允許系統(tǒng)10在過(guò)程期間實(shí)質(zhì)上固定到恰當(dāng)?shù)慕馄蕦W(xué)特征的其它凸起和/或凹入特征。

參考圖3A-3C，分別是平面圖、正視圖和透視圖，示出圖1的系統(tǒng)10的基板28。如圖所示，基板28可以是實(shí)質(zhì)上平坦的，并且可以包括一個(gè)或多個(gè)鉸鏈30，每個(gè)鉸鏈30均限定呈鰭的形狀的外側(cè)邊緣部分32。在替代性示例中，補(bǔ)充或取代鉸鏈的存在，基板28可以是曲線(xiàn)的或者成角度的。每個(gè)鉸鏈30可以允許對(duì)應(yīng)的一個(gè)外側(cè)邊緣部分32繞鉸鏈30旋轉(zhuǎn)，以使得基板28能夠符合復(fù)雜的表面形貌。在圖3A-3C所示的示例中，基板28可以包括三個(gè)鉸鏈30，使得三個(gè)外側(cè)邊緣部分32可以繞每個(gè)相關(guān)聯(lián)的鉸鏈30旋轉(zhuǎn)。

參考圖4A-4C，分別是透視圖、正視圖和平面圖，示出根據(jù)一種替代性實(shí)施例的靶向系統(tǒng)的基板128，其具有預(yù)先限定的曲度和鉸鏈或沒(méi)有可動(dòng)鰭?；?28可以具有底部133，其可以具有預(yù)先限定的曲度以符合仿形解剖表面（contoured anatomical surface）。如圖4A-4C所示，該曲度可以是凹曲度，使得基板128能夠符合諸如顱部表面的凸表面?；?28也可以具有頂部131，該頂部131帶有與聯(lián)接到第一和第二光源（未示出）的對(duì)應(yīng)特征（未示出）匹配的插座。

參考圖5A-5B，分別是正視圖和透視圖，示出型板，該型板用于將多個(gè)點(diǎn)或標(biāo)記附接到患者以用作用于將諸如圖1的靶向系統(tǒng)附接到患者的參考。如圖5A-5B所示，型板可以包括帶有多個(gè)柱234的基板228，所述柱234從底部233突伸。這些柱234可以被設(shè)計(jì)成接合各種圖像引導(dǎo)系統(tǒng)通常使用的配準(zhǔn)標(biāo)記或基準(zhǔn)。可以將這樣的基準(zhǔn)保持在解剖學(xué)特征上的恰當(dāng)位置，其中靶向系統(tǒng)（諸如圖1的系統(tǒng)10）將通過(guò)柱234附接至該解剖學(xué)特征。另外，基板228可以包括從基板228的頂部231延伸的手柄225。在一些情況下，柱234本身可以用作配準(zhǔn)標(biāo)記。在操作中，可以通過(guò)使用諸如CT掃描或者M(jìn)RI掃描的成像模式使基準(zhǔn)（或者柱234）可視化。可以以預(yù)先限定的幾何構(gòu)造將柱234附接至或者嵌入基板228，并且在操作中將其用于通過(guò)配準(zhǔn)方法計(jì)算參考點(diǎn)。

在使用不同于柱234的基準(zhǔn)標(biāo)記的情況下，可以通過(guò)使用基板228將基準(zhǔn)標(biāo)記以預(yù)先限定的幾何構(gòu)造放置到組織上。這些基準(zhǔn)標(biāo)記可以結(jié)合在基板228中并且因此可以包括諸如不透無(wú)線(xiàn)電的材料、MRI對(duì)比增強(qiáng)材料（例如，硫酸銅）等的元素。這些基準(zhǔn)標(biāo)記也可以在基板228外部，但是連接到基板228。可以經(jīng)由粘性背襯等將基準(zhǔn)標(biāo)記附接到諸如皮膚的軟組織，或者可以經(jīng)由螺釘和/或其它緊固件將基準(zhǔn)標(biāo)記直接固定到骨?？傮w地，基板228至患者的附接可以涉及形成牢固連接的方法的任意組合。這包括但不限于粘結(jié)劑、諸如Velcro^TM的鉤環(huán)型緊固件，以及其它緊固件，包括但不限于夾子、彈簧加載的爪（grip）、螺釘和銷(xiāo)。完成附接的方式可以取決于外科應(yīng)用、解剖部位、所需的可視化類(lèi)型以及解剖部位處的表面性質(zhì)（例如，軟組織厚度、骨質(zhì)量等）。

在使用如圖1-3C中的系統(tǒng)10和如圖5A-5B中的型板228的方法的一種示例中，操作者可以將基準(zhǔn)標(biāo)記放置在所關(guān)心的解剖學(xué)區(qū)域處。如果被附接到皮膚，則基準(zhǔn)標(biāo)記可以被附接到帶有骨突和/或最少軟組織的身體區(qū)域以便使扭曲和移位最小化。然后可以執(zhí)行諸如CT掃描或者M(jìn)RI掃描的橫斷面成像，以使這些獨(dú)特的標(biāo)記可視化并且生成參考坐標(biāo)系。例如，對(duì)于顱部導(dǎo)航，具有最少軟組織的部位可以有利地使皮膚移位最小化；因此，可以將基準(zhǔn)標(biāo)記附接到前額。對(duì)于整形外科應(yīng)用，髂嵴和前脛骨是帶有最少軟組織覆蓋的解剖部位的示例。

在已經(jīng)進(jìn)行成像之后，可以通過(guò)參考獲得的圖像來(lái)建立期望的軌跡?？梢酝ㄟ^(guò)使用已知的幾何變換將該軌跡用于確定對(duì)第一激光器12和第二激光器14所要求的取向。第一激光器12和第二激光器14可以以必要取向來(lái)取向，并且被啟動(dòng)以投射第一光18和第二光20，從而也投射靶向線(xiàn)22?？梢詫邢蚓€(xiàn)22有利地投射到外科器械上或者可視化輔助件上，如后續(xù)將更詳細(xì)地示出并描述的那樣。

可以自動(dòng)地和/或手動(dòng)地構(gòu)造第一激光器12和第二激光器14的取向。如果期望，則靶向系統(tǒng)可以包括用戶(hù)可以用其讀取和/或手動(dòng)調(diào)節(jié)第一激光器12和第二激光器14的取向的機(jī)構(gòu)。

參考圖6A-6C，分別是平面圖、正視圖和透視圖，示出根據(jù)另一實(shí)施例的靶向系統(tǒng)或系統(tǒng)310。系統(tǒng)310可以具有第一激光器312和第二激光器314，并且可以提供對(duì)第一激光器312和第二激光器314的取向的手動(dòng)調(diào)節(jié)。另外，系統(tǒng)310可以具有足部，該足部與患者上的多個(gè)基準(zhǔn)標(biāo)記（未示出）匹配。如上文所述，這樣的基準(zhǔn)標(biāo)記可以例如通過(guò)基板228（諸如圖5A-5B的基板）的輔助來(lái)附接。足部可以采取柱334的形式，其可以配準(zhǔn)這樣的基準(zhǔn)標(biāo)記或其它配準(zhǔn)附接件。

在一種示例中，如圖6A-6C所示，系統(tǒng)310也可以包括角度指示器336，其可以采取精密加工的盤(pán)的形式。第一激光器312和第二激光器314的每一個(gè)均可以是能夠沿"滾動(dòng)"和"偏航"方向旋轉(zhuǎn)，但不能夠沿"俯仰"方向旋轉(zhuǎn)的。因此，角度指示器336也可以被稱(chēng)為"滾動(dòng)"和"偏航"角度指示器。角度指示器336可以具有預(yù)先確定的半徑并且具有蝕刻、嵌入或以其它方式提供的標(biāo)記338，以指示角度的大小?？梢酝ㄟ^(guò)使第一激光器312和第二激光器314圍繞滾動(dòng)軸線(xiàn)和/或偏航軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)來(lái)將第一激光器312和第二激光器314中的每一個(gè)的滾動(dòng)角度和/或偏航角度機(jī)械地調(diào)整到期望數(shù)字。一旦已經(jīng)獲得期望角度，就可以接合諸如緊定螺釘（setscrew）或鎖定螺釘?shù)逆i定機(jī)構(gòu)以將系統(tǒng)310鎖定成期望構(gòu)造。

參考圖7A-7D，分別是正視圖、透視圖、平面圖和側(cè)視圖，示出根據(jù)又一實(shí)施例的靶向系統(tǒng)或系統(tǒng)410。系統(tǒng)410可以具有結(jié)合像圖3A-3C那樣的第一臂424、第二臂426和基座部件413的電子角度讀出件和自動(dòng)（機(jī)動(dòng)）激光角度調(diào)整件。

在圖7A-7D的系統(tǒng)410中，旋轉(zhuǎn)編碼器442可以被用于將第一激光器412和第二激光器414分別聯(lián)接到第一臂424和第二臂426。旋轉(zhuǎn)編碼器 442可以提供第一激光器412和第二激光器414的角度測(cè)量（即取向）的數(shù)字讀出。在這種示例中，第一激光器412和第二激光器414可以連接到控制器（在圖7A-7D中未示出），該控制器可以具有信號(hào)處理單元。這樣的控制器可以是專(zhuān)用模塊、計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、平板電腦等。控制器可以向第一激光器412和第二激光器414以及旋轉(zhuǎn)編碼器442提供動(dòng)力，并且也可以從旋轉(zhuǎn)編碼器442接收取向輸出。在本申請(qǐng)中，術(shù)語(yǔ)"控制器"不需要裝置向其它部件發(fā)布操作命令；而是，控制器可以是與靶向系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)其它部件界面連接的任意類(lèi)型的電氣裝置。

這樣的控制器可以額外地或者替代性地通過(guò)向馬達(dá)傳送將第一激光器412和第二激光器414旋轉(zhuǎn)到期望取向的信號(hào)來(lái)控制第一激光器412和第二激光器414的取向。在一些實(shí)施例中，可以將控制器連接到控制第一激光器412的取向的第一組馬達(dá)，并且連接到控制第二激光器414的取向的第二組馬達(dá)。隨后將示出和描述這樣的馬達(dá)，并且這樣的馬達(dá)可以包括伺服馬達(dá)、步進(jìn)馬達(dá)等。這樣的馬達(dá)可以直接聯(lián)接到第一激光器412和第二激光器414，或者可以經(jīng)由齒輪或其它扭矩傳遞機(jī)構(gòu)連接到第一激光器412和第二激光器414。在機(jī)動(dòng)激光器的情況下，可以由軟件程序（例如，在控制器上運(yùn)行的程序或應(yīng)用）數(shù)字地輸入或控制期望角度，并且馬達(dá)可以沿滾動(dòng)、俯仰和偏航方向驅(qū)動(dòng)激光單元的旋轉(zhuǎn)。另一實(shí)施例將機(jī)動(dòng)化單元整合到第一激光器412和第二激光器414的透鏡16中，以直接執(zhí)行對(duì)透鏡16的微調(diào)；這可以代替或補(bǔ)充對(duì)第一激光器412和第二激光器414的滾動(dòng)、俯仰和/或偏航取向的調(diào)整來(lái)完成。在替代性實(shí)施例中，用戶(hù)可以如先前描述的那樣，手動(dòng)地設(shè)定第一激光器412和第二激光器414的取向。

在又一示例中，系統(tǒng)410可以包括諸如電池的內(nèi)置電源。系統(tǒng)410也可以具有無(wú)線(xiàn)通信接口，其將來(lái)自旋轉(zhuǎn)編碼器446的角度讀數(shù)無(wú)線(xiàn)地傳送到控制器或者其它電子裝置，以便向用戶(hù)顯示它們。也可以無(wú)線(xiàn)地完成對(duì)第一激光器412和第二激光器414的取向的自動(dòng)控制?？梢詫⑷我夤臒o(wú)線(xiàn)協(xié)議用于第一激光器412和第二激光器414以及控制器之間的通信。

除了患者的解剖組織之外，根據(jù)本公開(kāi)的靶向系統(tǒng)還可以附接到其它結(jié)構(gòu)。任意穩(wěn)定結(jié)構(gòu)可以提供用于靶向系統(tǒng)的夾具的合適錨固點(diǎn)?？赡芴貏e有利的是將靶向系統(tǒng)固定到醫(yī)療成像裝置；這可以促進(jìn)這樣的靶向系統(tǒng)與醫(yī)療成像的一體化，原因在于光源相對(duì)于成像裝置的位置可以保持恒定。這可以消除對(duì)于將在成像中使用的基準(zhǔn)標(biāo)記的需要，甚至對(duì)于帶有可動(dòng)部件的醫(yī)療成像系統(tǒng)（諸如C-臂X射線(xiàn)機(jī)器）也是這樣。

參考圖8，其是示出根據(jù)又一實(shí)施例的靶向系統(tǒng)或者系統(tǒng)510的透視圖。系統(tǒng)510可以在直接附接到醫(yī)療成像裝置的情況下能夠用于平面成像模式。例如，系統(tǒng)510可以附接到熒光透視單元上的圖像增強(qiáng)器516。這里熒光透視單元被用于促進(jìn)對(duì)構(gòu)思的理解，并且應(yīng)該被理解為是從多個(gè)角度取得其主題的投影的任意通用成像裝置的特定實(shí)施例。系統(tǒng)510可以容易地適應(yīng)于于諸如平板電荷耦合裝置（CCD）的其它成像裝置一起使用。

參考圖9A-9B，分別示出圖8的系統(tǒng)510的透視圖和平面圖。如圖所示，系統(tǒng)510可以包括第一激光器512和第二激光器514，兩者均可以經(jīng)由夾具安裝到圖像增強(qiáng)器516。在系統(tǒng)510中，夾具可以采取環(huán)518的形式，該環(huán)518可以與圖像增強(qiáng)器516同心并且經(jīng)由鎖定機(jī)構(gòu)（諸如螺釘、卡合件、粘結(jié)劑或速釋機(jī)構(gòu)522）固定到圖像增強(qiáng)器516。在公知的醫(yī)療成像裝置中，圖像增強(qiáng)器516的直徑可以預(yù)計(jì)是在9-11英寸的范圍中；不過(guò)，圖像增強(qiáng)器516并且因此環(huán)518可以大于或小于該數(shù)值。環(huán)518可以延伸大約圖像增強(qiáng)器516的整個(gè)圓周，或者可以是開(kāi)口環(huán)或者僅繞圖像增強(qiáng)器516的圓周的一部分延伸的其它結(jié)構(gòu)。

第一激光器512和第二激光器514可以附接到環(huán)518，并且能夠手動(dòng)地和/或電子地調(diào)整第一激光器512和第二激光器514相對(duì)于環(huán)518的取向，如結(jié)合圖6和圖7的示例性實(shí)施例所描述的那樣。此外，第一激光器512和第二激光器514之間沿環(huán)518的距離可以是可調(diào)的，只要能夠獲得這樣的距離的精確測(cè)量并且在角度計(jì)算算法中考慮該精確測(cè)量。

系統(tǒng)510也可以包括額外光源，其可以是額外激光器。無(wú)論使用兩個(gè)激光器還是兩個(gè)以上的激光器，均可以圍繞圖像增強(qiáng)器516安裝激光器，使得由激光器發(fā)射的光的相交產(chǎn)生靶向線(xiàn)。靶向線(xiàn)可以與成像裝置的中央軸線(xiàn)重合，但是不限于此。第一激光器512和第二激光器514可以被用于經(jīng)由靶向線(xiàn)的投影使計(jì)劃的軌跡可視化，并且與前兩個(gè)激光器成斜角的第三激光器可以被用于進(jìn)一步指定圍繞靶向線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)角度、外科器械沿可視化的軌跡的插入深度等。第三激光器也可以結(jié)合第一激光器512或者第二激光器514一起使用，以產(chǎn)生與第一靶向線(xiàn)共面的第二靶向線(xiàn)。第二靶向線(xiàn)可以被定位成與第一靶向線(xiàn)相交，以指定三維空間中的單個(gè)點(diǎn)。如果添加第四激光器，則可以同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的（不必須是共面的）靶向線(xiàn)。示例中的后者也能夠被用于同時(shí)指定圍繞第一靶向線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)角度，和沿第一靶向線(xiàn)的插入深度。標(biāo)記520可以是不透射線(xiàn)的，其可以可選地在圖像增強(qiáng)器516上居中并且固定到環(huán)518。該標(biāo)記520可以幫助識(shí)別圖像增強(qiáng)器516的中心并且應(yīng)當(dāng)與X射線(xiàn)管的軸線(xiàn)對(duì)齊。

光源（例如，第一激光器512和第二激光器514，返回如圖示的系統(tǒng)510那樣，其中僅存在兩個(gè)光源）可以或者相對(duì)于圖像增強(qiáng)器516固定在恰當(dāng)位置，或者能夠相對(duì)于圖像增強(qiáng)器516運(yùn)動(dòng)?；谟上到y(tǒng)510得出的示例，固定激光器可以被放置成彼此分開(kāi)90度以使精確性最大化。在設(shè)定基于C-臂的CT掃描儀時(shí)，可動(dòng)激光器可以更實(shí)用。這些系統(tǒng)依賴(lài)于錐面光束CT掃描的原理并且使C-臂擺動(dòng)通過(guò)180度以獲得精確的三維數(shù)據(jù)組。一些是便攜的并且一些固定到其被安裝于當(dāng)中的房間。激光引導(dǎo)系統(tǒng)能夠附接到C-臂的一部分（例如平板探測(cè)器、圖像增強(qiáng)器、X射線(xiàn)管或者臂本身）。3D數(shù)據(jù)組能夠被用于規(guī)劃軌跡。基于對(duì)C-臂和期望軌跡的空間位置的認(rèn)識(shí)，能夠計(jì)算第一激光器512和第二激光器514的取向，以在物理空間中重現(xiàn)期望軌跡。

參考圖10，正視圖示出手術(shù)臺(tái)和患者，并且?guī)в写酶浇拥匠蔆-臂熒光透視單元形式的成像裝置的靶向系統(tǒng)可視化的軌跡，所述C-臂熒光透視單元在兩個(gè)正交成像位置示出。作為在平面成像模式的設(shè)定中的激光靶向系統(tǒng)的實(shí)施例的延伸，研發(fā)了用于軌跡規(guī)劃和角度計(jì)算的方法。呈C-臂熒光透視單元形式的成像裝置被用于圖示目的，而該構(gòu)思能夠通用于利用穿透性輻射（例如，單平面或雙平面的血管造影單元）的任意平面成像模式。實(shí)線(xiàn)黑色輪廓示出在一個(gè)位置處取得圖像的成像裝置。虛線(xiàn)輪廓示出在旋轉(zhuǎn)90度之后取得第二圖像的成像裝置?；颊咴谶@里被示為處于腳指向紙面內(nèi)的仰臥位。圖像中心處的交叉標(biāo)記成像裝置的理想旋轉(zhuǎn)中心。這兩個(gè)平面圖像投影經(jīng)由該共同的旋轉(zhuǎn)中心彼此相關(guān)。因此，在圖像獲取期間，僅允許成像裝置進(jìn)行純旋轉(zhuǎn)。

短劃線(xiàn)示出由圖像增強(qiáng)器捕獲的輻射場(chǎng)的區(qū)間。這兩個(gè)輻射錐（由于不是透視的，所以在圖10中呈三角形）的相交標(biāo)記由靶向系統(tǒng)用于軌跡規(guī)劃和角度計(jì)算的空間（也被稱(chēng)為適航空間）。實(shí)心黑色箭頭模擬帶有指向理想化進(jìn)入位置的尖端的外部指位器（pointer），其可以代表待可視化的軌跡。點(diǎn)線(xiàn)示出從輻射源延伸到圖像增強(qiáng)器的每個(gè)C-臂位置處的指位器的反向投影。這兩條線(xiàn)的相交標(biāo)記適航空間中的唯一點(diǎn)。成像裝置中的微小誤差（結(jié)構(gòu)變形、周轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)中心、振動(dòng)等等）可以導(dǎo)致點(diǎn)線(xiàn)不匯聚于一點(diǎn)，在這種情況下，在附加誤差項(xiàng)的情況下能夠使用適航空間中距兩條線(xiàn)距離最短的點(diǎn)。

以類(lèi)似方式，能夠選取適航空間中的第二點(diǎn)（例如，軌跡上的另一點(diǎn)）來(lái)完整地限定軌跡。軌跡相對(duì)于成像裝置被限定。同樣地，一旦針對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行了適當(dāng)?shù)母浇雍托Ｕ?，則也可以相對(duì)于成像裝置執(zhí)行第一激光器和第二激光器的取向計(jì)算。在平面成像模式的情況中不需要患者參考，并且只要在圖像獲取和軌跡可視化之間不移動(dòng)患者，就不應(yīng)當(dāng)影響精確性。

參考圖11A-11B，分別是背視圖和側(cè)向圖，示出在通過(guò)使用平面成像模式的用于脊柱過(guò)程的靶向系統(tǒng)的情況中，如何能夠?qū)⒄粓D像用于軌跡規(guī)劃和可視化。圖11A和圖11B示出椎弓根螺釘插入的軌跡的規(guī)劃。脊柱的兩個(gè)正交圖像（背向和側(cè)向）被取得并顯示在左和右屏幕上。黑色指位器安放在理想進(jìn)入位置，在這種情況下在椎弓根的后側(cè)緣。在側(cè)向投影上，選取理想深度并由黑色點(diǎn)標(biāo)記。短劃線(xiàn)箭頭示出側(cè)向投影上的軌跡。作為示例，A:B之比能夠被設(shè)定為2:1以防止椎骨體前部破口。點(diǎn)反向投影到背視圖上成為點(diǎn)線(xiàn)。

為了固定目標(biāo)點(diǎn)，用戶(hù)在背視圖上選取理想目標(biāo)，在此這被示為椎弓根的內(nèi)側(cè)緣（X）。這樣做以防止椎弓根內(nèi)側(cè)破口。在限定進(jìn)入點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的情況下，現(xiàn)在靶向系統(tǒng)（諸如先前描述的系統(tǒng)510）具有足夠的信息來(lái)計(jì)算第一激光器512和第二激光器514的取向，需要這些取向以投射指示期望軌跡的靶向線(xiàn)。以具體角度（0、90或者其間的任意角度）鎖定成像裝置并且向系統(tǒng)510提供該測(cè)量以完成激光器取向計(jì)算。

參考圖12A-12B，分別是側(cè)向圖和背視圖，示出如何能夠?qū)⒄粓D像用于通過(guò)使用平面成像模式的整形外科過(guò)程的激光靶向系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃和可視化。圖12A-12B示出涉及髓內(nèi)釘?shù)倪h(yuǎn)端鎖定的整形外科過(guò)程。取得兩個(gè)正交圖像。左側(cè)的圖像示出鄰近移位的孔的"理想孔"，移位孔通常是由于來(lái)自光束源的發(fā)散輻射路徑導(dǎo)致的情況。黑色指位器安置于理想孔的中心。通過(guò)孔從輻射源到圖像增強(qiáng)器的反向投影應(yīng)該為遠(yuǎn)端鎖定螺釘提供理想路徑。這種反向投影被數(shù)字地添加到右側(cè)的圖像上并且由短劃線(xiàn)示出。短劃線(xiàn)應(yīng)當(dāng)穿過(guò)黑色點(diǎn)的尖端，并且能夠?qū)⑷我獠町愄砑又琳`差項(xiàng)。

基于可用信息，形成軌跡并且能夠計(jì)算激光器角度。不過(guò)，理想的是也獲得相鄰孔的軌跡以節(jié)省過(guò)程時(shí)間并且減少對(duì)患者和屋內(nèi)工作人員的輻射暴露。再次使用左側(cè)圖像并且選定移位孔的中心（例如經(jīng)由中心法，由X表示）。反向投影在右側(cè)圖像上被示為短劃線(xiàn)箭頭。因?yàn)榭讘?yīng)當(dāng)彼此平行，所以使用來(lái)自先前孔的軌跡。這兩個(gè)軌跡（短劃線(xiàn)箭頭和短劃線(xiàn)）在右側(cè)螺釘?shù)闹芯€(xiàn)（長(zhǎng)度方向）處的相交允許精確瞄準(zhǔn)第二孔。以具體角度（0度、90度或者其間的任意角度）鎖定成像裝置并且向靶向系統(tǒng)（例如系統(tǒng)510）提供該測(cè)量以完成第一激光器512和第二激光器514的取向的計(jì)算。

參考圖13，框圖示出用附接到患者的一個(gè)或多個(gè)參考標(biāo)記以橫斷面成像模式使用靶向系統(tǒng)的一種方法。將結(jié)合圖1-3C的系統(tǒng)10描述該方法，但是該方法也可以用本公開(kāi)的范圍內(nèi)的任意靶向系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行。方法可以開(kāi)始于在參考標(biāo)記被附接到患者的情況下獲得圖像（步驟A）。

然后顯示源圖像以及任意多平面重建。針對(duì)這個(gè)步驟存在多種選項(xiàng)，包括但不限于：諸如CT套件的成像裝置終端（例如CT套件），諸如圖片存檔及通信系統(tǒng)（PACS）單元的診斷單元，或者能夠顯示醫(yī)學(xué)數(shù)字影像和通訊（DICOM）格式圖像的計(jì)算機(jī)或電子裝置（例如平板電腦）（步驟B）。

然后由用戶(hù)采用軟件接口來(lái)執(zhí)行軌跡規(guī)劃和角度計(jì)算。這能夠在與步驟B相同的系統(tǒng)或者能夠顯示所獲取的圖像的不同系統(tǒng)中的任一者上完成。軟件接口可以被設(shè)置成促進(jìn)圖像配準(zhǔn)（這也可以被稱(chēng)為參考識(shí)別）、進(jìn)入/目標(biāo)點(diǎn)識(shí)別、軌跡規(guī)劃/可視化以及最終激光角度計(jì)算的流程（步驟C）。

步驟C的軟件實(shí)施例的一種實(shí)施例可以涉及由軟件識(shí)別基準(zhǔn)標(biāo)記或基板標(biāo)記（諸如圖5A-5B的柱234）中的任一者。之后軟件可以自動(dòng)地計(jì)算執(zhí)行圖像空間向激光靶向系統(tǒng)的空間的坐標(biāo)變換所需的變換矩陣。之后操作者可以在橫斷面圖像上選擇進(jìn)入點(diǎn)和目標(biāo)?？梢猿尸F(xiàn)多平面重建視圖以促進(jìn)最佳進(jìn)入/目標(biāo)點(diǎn)的識(shí)別。一旦選定這兩個(gè)點(diǎn)，則構(gòu)建代表期望軌跡的三維圖像空間中的線(xiàn)。通過(guò)使用先前得出的變換矩陣將這條線(xiàn)變換到系統(tǒng)10的靶向空間內(nèi)。一旦完成該步驟，則軟件可以計(jì)算第一激光器12和第二激光器14的取向的唯一組合，該組合使得第一光18和第二光20相交以產(chǎn)生代表期望軌跡的在三維空間中的靶向線(xiàn)22。

步驟C的軟件實(shí)施例的另一示例可以涉及從一組正交X射線(xiàn)圖像生成軌跡。對(duì)于諸如髖關(guān)節(jié)/膝關(guān)節(jié)成形術(shù)或者創(chuàng)傷外科的許多整形外科過(guò)程而言，諸如CT掃描的橫斷面成像并常規(guī)可用的。然而，對(duì)于許多患者，前-后（AP）和側(cè)位X射線(xiàn)是病情檢查的常規(guī)內(nèi)容，并且術(shù)中熒光透視能夠采取處于90度分開(kāi)的視角的膠片。在附接參考標(biāo)記（基準(zhǔn)或者基板）之后，采取90度分開(kāi)的兩個(gè)X射線(xiàn)。然后終端用戶(hù)識(shí)別在兩個(gè)X射線(xiàn)上的點(diǎn)。一旦完成這一步驟，則計(jì)算一組x、y、z值。對(duì)膠片之一應(yīng)用額外的旋轉(zhuǎn)和按比例縮放變換以便在系統(tǒng)10的靶向空間中生成真正的正交坐標(biāo)系。之后由終端用戶(hù)在這兩個(gè)膠片上識(shí)別理想軌跡投影，這是考慮到在這兩個(gè)膠片上識(shí)別出的軌跡線(xiàn)是唯一的3-D軌跡到2-D空間的投影。這兩個(gè)2-D線(xiàn)的反向投影形成與它們的參考平面中的每一個(gè)垂直的兩個(gè)平面，并且這兩個(gè)平面的相交形成3-D空間中的唯一線(xiàn)，即軌跡。然后將3-D空間中的唯一軌跡坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)10的靶向空間并且如前進(jìn)行激光器角度的計(jì)算。

這種方法使得能夠基于在彼此正交的兩個(gè)2-D X射線(xiàn)膠片上識(shí)別的投影來(lái)計(jì)算3-D空間中的軌跡。不指定任何其它的任意視角下的投影。對(duì)于常規(guī)使用平片X射線(xiàn)以便跟進(jìn)的過(guò)程，這足以滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，這是因?yàn)槌Ｒ?guī)上并不考慮其它角度下的視圖。步驟D代表使目標(biāo)軌跡可視化所需要的最后步驟。

參考圖14，框圖示出在從正交視點(diǎn)取得至少兩個(gè)圖像的情況下以穿透性平面成像模式使用靶向系統(tǒng)的一種方法?？梢允紫热鐖D10-12所描述的那樣獲得關(guān)于所關(guān)心的解剖區(qū)域的至少兩個(gè)正交圖像（步驟E）。

顯示所述圖像。用于顯示的選項(xiàng)包括但不限于：成像裝置終端（例如熒光透視屏幕）、診斷單元（例如PACS）、能夠顯示DICOM格式的圖像的計(jì)算機(jī)或電子裝置（例如平板電腦）（步驟F）。

然后用戶(hù)需要軟件接口以執(zhí)行軌跡規(guī)劃和角度計(jì)算。這能夠或者在與步驟F相同的系統(tǒng)上完成，或者在能夠顯示所獲取的圖像的不同系統(tǒng)上完成。軟件接口被設(shè)置成促進(jìn)進(jìn)入/目標(biāo)點(diǎn)識(shí)別、軌跡可視化以及最終激光器角度計(jì)算的流程（步驟G）。在圖11和圖12中根據(jù)其相應(yīng)示例性實(shí)施例提供了步驟G的示例。步驟H代表對(duì)于平面成像模式，使目標(biāo)軌跡可視化所需要的最后步驟。

為了幫助使外科器械的靶向線(xiàn)和/或恰當(dāng)行進(jìn)深度可視化，可以使用可視化引導(dǎo)件。這樣的可視化引導(dǎo)件可以被用于促進(jìn)觀(guān)察靶向線(xiàn)和/或沿期望軌跡引導(dǎo)外科器械。

參考圖15，透視圖示出根據(jù)一種實(shí)施例的帶有深度測(cè)量的呈帶溝槽器械引導(dǎo)件形式的可視化輔助件610。將結(jié)合圖1-3C的系統(tǒng)10來(lái)描述可視化輔助件610，不過(guò)其可以與根據(jù)本公開(kāi)的范圍內(nèi)的任意實(shí)施例的靶向系統(tǒng)一起使用，包括那些針對(duì)橫斷面成像模式設(shè)計(jì)的靶向系統(tǒng)和那些針對(duì)平面成像模式設(shè)計(jì)的靶向系統(tǒng)。

可視化輔助件610可以進(jìn)一步是簡(jiǎn)單的開(kāi)口-通道軌跡引導(dǎo)件。可視化輔助件610可以因此具有呈開(kāi)口通道形式的引導(dǎo)表面612，其可以被用于沿期望軌跡導(dǎo)領(lǐng)外科器械（諸如針、套管針、套管、深度探頭、植入物等）?？梢暬o助件610可以進(jìn)一步具有可視化表面614，其在引導(dǎo)表面612的任一側(cè)上延伸并且?guī)в袛U(kuò)寬的形狀，在該可視化表面614上例如可以投影和觀(guān)察第一光18和第二光20。

可視化表面614可以可選地具有毛糙表面或其它形式的有紋理的表面，其促進(jìn)來(lái)自大范圍的視角的反射光的可視化。進(jìn)一步地，可視化表面614可以可選地具有深度標(biāo)識(shí)616，其被蝕刻、刻劃、涂刷或以其它方式標(biāo)記在可視化表面614上以促進(jìn)外科器械的適當(dāng)插入?？梢暬砻?14可以可選地是白色的，以提供反射光的增強(qiáng)的可見(jiàn)度。在替代性實(shí)施例中，可以使用任意顏色。如果可視化表面614是彩色的，則由可視化表面614反射的顏色會(huì)不匹配由第一激光器12或者第二激光器14所發(fā)射的光的顏色。可視化表面614可以替代性地是黑色的，以減少光干涉導(dǎo)致的炫光；在這樣的情況下，由可能需要增加第一激光器12和第二激光器14提供的亮度，以補(bǔ)償黑色的增加的光吸收。可視化輔助件610可以是不透明的、半透明的和/或透明的。

對(duì)于帶有不透明結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，第一光18和第二光20可以反射出可視化表面614。因此，第一光18可以在可視化表面614上作為第一線(xiàn)可見(jiàn)，并且第二光20可以在可視化表面614上作為帶有與第一線(xiàn)的顏色不同的顏色的第二線(xiàn)可見(jiàn)。如果第一線(xiàn)和第二線(xiàn)不平行，則這可以表明可視化輔助件610需要重新取向。如果第一線(xiàn)和第二線(xiàn)平行，但是彼此偏離，則這可以表明需要朝向或遠(yuǎn)離第一激光器12和/或第二激光器14平移可視化輔助件610。當(dāng)?shù)谝痪€(xiàn)和第二線(xiàn)會(huì)聚（即，根據(jù)需要減小第一線(xiàn)和第二線(xiàn)之間的線(xiàn)性位移和/或角度位移）時(shí)，靶向線(xiàn)22可以在可視化表面614和/或引導(dǎo)表面612上可見(jiàn)。由于光的可加性，靶向線(xiàn)22可以具有不同于第一線(xiàn)的顏色且不同于第二線(xiàn)的顏色的顏色。因此，第一線(xiàn)和第二線(xiàn)的會(huì)聚和/或呈加和色的靶向線(xiàn)的存在可以表明可視化輔助件610正到達(dá)期望軌跡的位置和取向。

對(duì)于帶有透明的或者半透明的結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，第一光18和第二光20可以穿透可視化輔助件610的主體，并且當(dāng)可視化輔助件610與期望軌跡對(duì)齊時(shí)，引起可視化輔助件610以加和色發(fā)光，以確認(rèn)可視化輔助件610與期望軌跡的適當(dāng)對(duì)齊。

因此，可視化輔助件610可以改善第一光18、第二光20和靶向線(xiàn)22的可視化，從而簡(jiǎn)化將外科器械與期望軌跡對(duì)齊的過(guò)程。另外，引導(dǎo)表面612可以幫助引導(dǎo)裝置的插入。深度標(biāo)識(shí)616可以允許插入過(guò)程期間深度信息的可視化?？梢暬o助件610可以額外地或者替代性地包括諸如封閉管、軌道、通道或者與植入物和/或外科器械相互作用以將這些植入物和/或外科器械與期望軌跡對(duì)齊的其它機(jī)械配件的特征。

在無(wú)菌性不是重要因素的過(guò)程中，能夠使用能夠霧化空氣中的水滴、懸浮顆粒，或形成霧或霧狀狀態(tài)的裝置。這樣的過(guò)程可以使得能夠在懸浮顆粒或蒸汽中使靶向線(xiàn)22直接可視化而不需要平坦表面來(lái)反射光。

為了進(jìn)一步輔助可視化過(guò)程，可以將一個(gè)或多個(gè)光纖特征結(jié)合到引導(dǎo)表面612內(nèi)。可以沿光纖束導(dǎo)引來(lái)自靶向線(xiàn)22的光以進(jìn)一步輔助可視化。也能夠?qū)㈩~外的電子部件結(jié)合到軌跡引導(dǎo)件中，以分析光的強(qiáng)度和顏色。例如，能夠使用光電二極管或者電荷耦合裝置（矩形網(wǎng)格或者線(xiàn)型CCD）或者CMOS傳感器以監(jiān)測(cè)入射光。信號(hào)輸出能夠被連接到上述電子部件并且被用于向用戶(hù)提供關(guān)于軌跡對(duì)齊的精確性的反饋。此外，在替代性實(shí)施例中，可以將可視化輔助件610結(jié)合到諸如超聲探頭或者外科器械組（例如鉆、螺絲刀、桿保持器等等）的主體的其它醫(yī)療裝置中，以提供軌跡的直接可視化。

參考圖16，透視圖示出呈閉合通道和深度控制件的形式的另一可視化輔助件710，其可以幫助使主要靶向線(xiàn)以及從靶向系統(tǒng)的一個(gè)或兩個(gè)額外光源投射的次要靶向線(xiàn)可視化。如圖所示，可視化輔助件710可以采取帶有引導(dǎo)表面的軌跡引導(dǎo)件的形式，該引導(dǎo)表面呈封閉管712的孔的形式并且在該管的任一側(cè)上具有可視化表面714。進(jìn)一步地，可視化輔助件710可以具有正交對(duì)齊件716，其可以被用于由一個(gè)或多個(gè)額外光源（例如，第三和/或第四激光器）投射的次要靶向線(xiàn)或者其它特征的可視化。

可視化表面714可以以類(lèi)似于先前實(shí)施例的可視化輔助件610的可視化表面614的方式起作用。封閉管712可以被用于引導(dǎo)外科器械（諸如套管、針、鉆等）。正交對(duì)齊件716可以垂直于管712并且可以提供第三和/或第四光源的可視化。

例如，能夠使用投射不平行于第一光18且不平行于第二光20的光的第三激光器。能夠在正交對(duì)齊件716上使該第三激光器與靶向線(xiàn)的相交可視化。該對(duì)齊可以限定沿期望軌跡的旋轉(zhuǎn)程度，從而固定另一自由度。能夠在橫斷面或平面成像上規(guī)劃沿規(guī)劃軌跡的旋轉(zhuǎn)量，并且在執(zhí)行恰當(dāng)計(jì)算之后能夠相應(yīng)地使第三光源運(yùn)動(dòng)。

如果添加第四激光器，則第三激光器和第四激光器的相交將形成第二靶向線(xiàn)。能夠計(jì)算光源的取向，使得該第二靶向線(xiàn)與由第一激光器12和第二激光器14形成的第一（主要）靶向線(xiàn)相交并且正交于所述第一（主要）靶向線(xiàn)。這可以不僅鎖定旋轉(zhuǎn)，而且也可以提供深度可視化。這增加了沿期望軌跡對(duì)深度方向上的另一自由度的控制。

參考圖17，透視圖示出呈偏移的閉合通道和深度控制形式的另一種可視化輔助件810?？梢暬o助件810可以促進(jìn)主要靶向線(xiàn)以及從靶向系統(tǒng)的一個(gè)或兩個(gè)額外光源投射的次要靶向線(xiàn)的可視化，并且同時(shí)提供距靶向線(xiàn)的實(shí)際軌跡偏移。

可視化輔助件810可以具有呈閉合通道812的孔的形式的引導(dǎo)表面。在替代性實(shí)施例中，可視化輔助件810可以代替地具有引導(dǎo)表面，該引導(dǎo)表面帶有開(kāi)口通道、一系列環(huán)和/或任意數(shù)量的允許可視化輔助件810被用于引導(dǎo)器械和/或植入物的特征?？梢暬o助件810類(lèi)似于圖16的可視化輔助件，相似之處在于根據(jù)靶向系統(tǒng)中所用光源的數(shù)量，在次要靶向線(xiàn)或者提供取向和/或深度控制的可視化的其它特征之外，可以使靶向線(xiàn)22可視化?？梢暬o助件810可以因此具有可視化表面814和正交對(duì)齊件816，其可以以類(lèi)似于圖16中的對(duì)應(yīng)件的方式起作用。

可視化輔助件810可以將閉合通道812以相對(duì)于可視化表面814和正交對(duì)齊件816任意期望距離和/或取向定位，只要這個(gè)取向之前已知并且在計(jì)算中被考慮。在替代性實(shí)施例中，可以使引導(dǎo)表面和可視化表面之間的角度和/或線(xiàn)性位移可調(diào)，只要能夠精確地測(cè)量可視化表面和引導(dǎo)表面之間的相對(duì)定位并且在計(jì)算中考慮該相對(duì)定位。如果在執(zhí)行計(jì)算之后引導(dǎo)表面和可視化表面的相對(duì)取向和/或位置發(fā)生任何調(diào)整，則可能需要取得一組新的測(cè)量并且可能需要再次執(zhí)行計(jì)算。

可以將本文所公開(kāi)的可視化輔助件中的任意一種以各種各樣的方式附接到患者或目標(biāo)物體。取決于附接位置的表面性質(zhì)，可以采用各種附接機(jī)構(gòu)，包括粘結(jié)劑、諸如Velcro^TM的鉤環(huán)型緊固件、銷(xiāo)、螺釘、夾、鉗爪等等。

替代性地或者額外地，可以提供單獨(dú)的樁和/或支撐臂以將可視化輔助件保持在恰當(dāng)位置。這可以是帶有其自身的樁和可調(diào)臂以輔助定位和/或?qū)⒖梢暬o助件保持在恰當(dāng)位置的獨(dú)立單元。替代性地或者額外地，能夠?qū)⑦@樣的可調(diào)支撐臂制成可附接到手術(shù)室的手術(shù)臺(tái)、成像裝置（例如C-臂）或者目標(biāo)物體上的任意合適的特征。

這樣的支撐臂能夠進(jìn)一步是機(jī)動(dòng)的并且與機(jī)器人控制系統(tǒng)一體化，以提供半自動(dòng)或全自動(dòng)對(duì)齊過(guò)程。這樣的系統(tǒng)能夠連接到上述控制器以允許與用戶(hù)通信。額外地或者替代性地，這樣的支撐臂能夠結(jié)合到之前概述的機(jī)器人輔助過(guò)程中。

可視化輔助件可以進(jìn)一步能夠相對(duì)于附接基座/臂系統(tǒng)調(diào)整?？梢蕴峁╂i定機(jī)構(gòu)，并且其可以具有緊定螺釘、翼形螺釘、夾、速釋機(jī)構(gòu)和/或提供可釋放鎖定以便一旦獲得恰當(dāng)對(duì)齊就將可視化輔助件固定在期望構(gòu)造的其它機(jī)構(gòu)。這可以使操作者的手不必總是牢固地握持可視化輔助件，以允許他或者她關(guān)注過(guò)程本身。

參考圖18，透視圖示出根據(jù)本發(fā)明的另一種替代性實(shí)施例的靶向系統(tǒng)或者系統(tǒng)910。類(lèi)似于圖8-9B的系統(tǒng)510，系統(tǒng)910可以被設(shè)計(jì)成用于附接到醫(yī)療成像裝置，諸如C-臂熒光透視單元的成像增強(qiáng)器900。系統(tǒng)910可以包括呈第一光模塊902形式的第一光源、呈第二光模塊904形式的第二光源和呈第三光模塊906形式的第三光源。系統(tǒng)910也可以包括呈環(huán)918形式的夾具，以及控制器950。

第一光模塊902、第二光模塊904和第三光模塊906中的每一個(gè)均可以被牢固地固定到環(huán)918。第一光模塊902可以包含諸如第一激光器的第一光源（未示出），并且也可以包含能夠改變第一激光器的取向的第一組馬達(dá)（未示出）。類(lèi)似地，第二光模塊904可以包含第二激光器（未示出）和能夠改變第二激光器的取向的第二組馬達(dá)。進(jìn)一步地，第三光模塊906可以包含第三激光器（未示出）和能夠改變第三激光器的取向的第三組馬達(dá)。因此，雖然第一光模塊902、第二光模塊904和第三光模塊906可以實(shí)質(zhì)上剛性地附接到環(huán)918，但是對(duì)應(yīng)光源可以以必要取向來(lái)取向，以提供期望軌跡的可視化。

如圖所示，控制器950可以經(jīng)由導(dǎo)線(xiàn)908電氣地聯(lián)接到第一光模塊902、第二光模塊904和第三光模塊906?？刂破?50可以從第一光模塊902、第二光模塊904和第三光模塊906接收數(shù)據(jù)，諸如第一、第二和第三激光器的實(shí)際取向。額外地或者替代性地，控制器可以向第一光模塊902、第二光模塊904和第三光模塊906傳送信號(hào)，以啟動(dòng)第一、第二和第三激光器和/或設(shè)定第一、第二和第三激光器的取向。

如前所述，使用兩個(gè)以上的光源允許在期望軌跡處顯示額外的可視化，諸如外科器械的期望取向和/或深度。替代性地，使用兩個(gè)以上的光源允許使用最佳兩個(gè)光源；因此，在一個(gè)光源被阻擋或未最佳地定位以提供期望軌跡的精確可視化的情況下，可以代替地使用其它光源。圍繞圖像增強(qiáng)器900的周邊以均勻分布定位第一光模塊902、第二光模塊904和第三光模塊906可以增加系統(tǒng)910的至少兩個(gè)光源將不受阻擋且定位成用于靶向線(xiàn)的精確投影的可能性。在其它實(shí)施例中，可以使用三個(gè)以上的光源。

參考圖19，透視圖示出根據(jù)本發(fā)明的另一替代性實(shí)施例的靶向系統(tǒng)或者系統(tǒng)1010。系統(tǒng)1010可以具有與系統(tǒng)910的構(gòu)造類(lèi)似的構(gòu)造，除了系統(tǒng)1010可以具有額外的光源之外。更具體地，除了第一光模塊902、第二光模塊904和第三光模塊906之外，系統(tǒng)1010可以具有第四光模塊1002、第五光模塊1004和第六光模塊1006。這些可以牢固地附接到環(huán)918，而且可以包含第四、第五和第六光源，其可以是能夠相對(duì)于環(huán)918運(yùn)動(dòng)的第四、第五和第六激光器。

使用六個(gè)光源可以使得能夠?qū)崿F(xiàn)額外特征和/或線(xiàn)的投影。進(jìn)一步地，使用六個(gè)光源可以進(jìn)一步增加系統(tǒng)1010的至少兩個(gè)光源將不受阻擋且定位成用于靶向線(xiàn)的精確投影的可能性。

參考圖20，透視圖更具體地示出圖18和圖19的控制器950。如圖所示，控制器950可以具有顯示器1110、控制接口1112和連接端口1114。顯示器1110可以例如顯示與其連接的光模塊中的任意或全部光模塊的角度。這樣的數(shù)據(jù)可以源自光模塊。額外地或者替代性地，控制器950可以具有內(nèi)置陀螺儀或者指示控制器950所處位置的角度的其它測(cè)量裝置。當(dāng)在諸如活動(dòng)醫(yī)療成像裝置的移動(dòng)平臺(tái)上使用時(shí)，可以使移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)回基準(zhǔn)位置（例如，捕獲成像數(shù)據(jù)的第一位置）以便提供對(duì)取向的有意義的指示。

用戶(hù)可以使用控制接口1112改變系統(tǒng)910或者系統(tǒng)1010的設(shè)定、手動(dòng)鍵入光源的取向、打開(kāi)或關(guān)閉光模塊、手動(dòng)輸入期望軌跡的位置和/或取向等等。連接端口1114可以被用于將控制器950連接到諸如光模塊、其所附接的醫(yī)療成像裝置、外部計(jì)算機(jī)等的其它部件。如果期望，則控制器950可以直接從醫(yī)療成像裝置或者外部計(jì)算機(jī)接收光模塊和/或期望軌跡的取向數(shù)據(jù)。因此，控制器950可以被設(shè)計(jì)成獨(dú)立于任意直接用戶(hù)輸入來(lái)操作。

參考圖21A和圖21B，分別是透視圖和正視圖，更具體地示出圖18和圖19的第一光模塊902。第一光模塊902可以與其它光模塊（即第二光模塊904、第三光模塊906、第四光模塊1002、第五光模塊1004和第六光模塊1006）實(shí)質(zhì)上相同。

第一光模塊902可以具有外殼1120，該外殼1120具有矩形棱柱的整體形狀。如果期望，則外殼1120可以由聚合物形成，以便限制靶向系統(tǒng)的重量。外殼1120可以是中空的，并且可以包含第一光源，該第一光源可以是如前所述的第一激光器1126。第一激光器1126可以具有帶槽帽1124，其引起由第一激光器1126發(fā)射的光沿平面（即如結(jié)合圖1討論的第一平面）傳播。

第一光模塊902也可以具有窗口1122，其是半透明的以允許來(lái)自第一激光器1126的光離開(kāi)外殼1120。如果期望，則可以使窗口1122著色以用作過(guò)濾器。因此，如果期望，則窗口1122可以被用于確定形成由第一光模塊902發(fā)射的第一光的光的波長(zhǎng)。窗口1122可以?xún)H允許特定波長(zhǎng)范圍的光離開(kāi)外殼1120。替代性地，第一激光器1126可以被設(shè)計(jì)成發(fā)射期望顏色的光。在這樣的情況下，窗口1122可以不著色并且不需要用作過(guò)濾器。

如圖21B所示，第一光模塊902也可以具有附接接口1128，其被設(shè)計(jì)成促進(jìn)第一光模塊902至環(huán)918的可移除且牢固的附接。附接接口1128可以采取燕尾基座的形式，其匹配形成在環(huán)918中的對(duì)應(yīng)底切槽（未示出）。在替代性實(shí)施例中，可以將其它緊固系統(tǒng)結(jié)合到附接接口內(nèi)，包括但不限于螺釘安裝的系統(tǒng)、可滑動(dòng)速釋系統(tǒng)等等。

第一光模塊902可以具有第一組馬達(dá)，其控制第一激光器1126在外殼1120內(nèi)的取向。例如，第一組馬達(dá)可以包括滾動(dòng)控制馬達(dá)1130、偏航控制馬達(dá)1140和俯仰控制馬達(dá)1150。滾動(dòng)控制馬達(dá)1130可以調(diào)整第一激光器1126的"滾動(dòng)"取向，偏航控制馬達(dá)1140可以調(diào)整第一激光器1126的"偏航"取向，并且俯仰控制馬達(dá)1150可以調(diào)整第一激光器1126的"俯仰"取向。

俯仰控制馬達(dá)1150可以被定位成在外殼1120內(nèi)鄰近內(nèi)部框架1154。內(nèi)部框架1154可以包含旋轉(zhuǎn)托架（swivel bracket）1156，該旋轉(zhuǎn)托架1156可樞轉(zhuǎn)地連接到內(nèi)部框架1154，使得旋轉(zhuǎn)托架1156能夠在內(nèi)部框架1154內(nèi)旋轉(zhuǎn)以允許調(diào)整第一激光器1126的俯仰。俯仰控制馬達(dá)1150可以經(jīng)由俯仰控制傳動(dòng)裝置1152聯(lián)接到旋轉(zhuǎn)托架1156，使得俯仰控制馬達(dá)1150的輸出軸的旋轉(zhuǎn)引起旋轉(zhuǎn)托架1156使第一激光器1126相對(duì)于圖21B的視圖向上或者向下成角度。

偏航控制馬達(dá)1140可以定位在旋轉(zhuǎn)托架1156上，鄰近第一激光器1126。第一激光器1126可以經(jīng)由橫軸1144可樞轉(zhuǎn)地聯(lián)接到旋轉(zhuǎn)托架1156。橫軸1144可以旋轉(zhuǎn)以允許第一激光器1126相對(duì)于圖21B的視圖向左或向右旋轉(zhuǎn)。偏航控制馬達(dá)1140可以經(jīng)由偏航控制傳動(dòng)裝置1142聯(lián)接到橫軸1144和/或旋轉(zhuǎn)托架1156的相鄰部分。俯仰控制馬達(dá)1150的輸出軸的旋轉(zhuǎn)可以引起第一激光器1126相對(duì)于旋轉(zhuǎn)托架1156旋轉(zhuǎn)。

滾動(dòng)控制馬達(dá)1130可以定位在第一激光器1126上方。滾動(dòng)控制馬達(dá)1130可以經(jīng)由滾動(dòng)控制傳動(dòng)裝置1132聯(lián)接到第一激光器1126，或者僅聯(lián)接到帶槽帽1124。因此，滾動(dòng)控制馬達(dá)1130的輸出軸的旋轉(zhuǎn)可以引起第一激光器1126和/或帶槽帽1124相對(duì)于圖21B的視圖繞垂直于紙面的軸線(xiàn)滾動(dòng)。

如前所述，光源僅需要具有繞兩個(gè)正交軸線(xiàn)的可調(diào)取向。不過(guò)，提供繞所有三個(gè)軸線(xiàn)的取向調(diào)整可以提供靶向系統(tǒng)的操作中的額外的靈活性。如果期望，則可以省略滾動(dòng)控制馬達(dá)1130、偏航控制馬達(dá)1140和俯仰控制馬達(dá)1150中的任意一個(gè)，如果期望，以應(yīng)用于繞對(duì)應(yīng)軸線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)使第一激光器112 6不可動(dòng)。

參考圖22A和圖22B，分別是透視圖和正視截面圖，示出根據(jù)本發(fā)明的另一替代性實(shí)施例的靶向系統(tǒng)或系統(tǒng)1210?？梢詫D像捕捉裝置整合到系統(tǒng)1210中。圖像捕捉裝置可以采取安裝到系統(tǒng)1210的主體的攝像機(jī)1220的形式。攝像機(jī)1220可以包括各種成像技術(shù)，包括但不限于CCD（電荷耦合顯示）傳感器、CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）傳感器等等。來(lái)自攝像機(jī)1220的數(shù)字輸出可以促進(jìn)系統(tǒng)1210的操作，不過(guò)在替代性實(shí)施例中，可以使用模擬攝像機(jī)和/或基于膠片的攝像機(jī)。對(duì)于需要將靶向系統(tǒng)安裝到患者上的過(guò)程而言，圖22A和圖22B中所描繪的系統(tǒng)1210代表獲得精確配準(zhǔn)的無(wú)基準(zhǔn)方法。

另外，系統(tǒng)1210可以具有呈基座單元1230的形式的夾具、電樞1240和電樞1240上的激光器安裝柱1250，第一激光模塊1202和第二激光模塊1204安裝在激光安裝柱1250上。攝像機(jī)1220可以在電樞1240上，該電樞可以能夠相對(duì)于基座單元1230運(yùn)動(dòng)。第一激光模塊1202可以具有第一激光器1212，該第一激光器1212能夠在第一激光模塊1202內(nèi)繞先前描述的滾動(dòng)、俯仰和偏航軸線(xiàn)中的至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)。類(lèi)似地，第二激光模塊1204可以具有第二激光器1214，該第二激光器1214能夠在第二激光模塊1204內(nèi)繞滾動(dòng)、俯仰和偏航軸線(xiàn)中的至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)。第一激光器1212和第二激光器1214在第一激光模塊1202和第二激光模塊1204內(nèi)的運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)使用如圖22B中所示的馬達(dá)1216來(lái)實(shí)現(xiàn)。

基座單元1230可以能夠固定到鄰近患者的外部結(jié)構(gòu)，包括但不限于電樞、電極、平臺(tái)等等?；鶈卧?230也可以能夠固定到患者的解剖組織的一部分。在系統(tǒng)1210將被用于顱部過(guò)程（諸如如先前討論的EVD的安裝）的情況下，可以將基座單元1230固定到顱部解剖組織，諸如前額。對(duì)于其它過(guò)程，系統(tǒng)1210可以附接到患者上的不同部位。如之前提及的那樣，帶有相對(duì)較少的軟組織覆蓋下層骨的部位可以為配準(zhǔn)提供最佳部位。這可以促進(jìn)使用呈非侵入附件機(jī)構(gòu)1270的形式的附接特征（諸如帶、爪、粘結(jié)劑和/或類(lèi)似特征）來(lái)將系統(tǒng)1210附接到患者。額外地或者替代性地，如果期望，則可以通過(guò)使用螺釘或其它裝置將系統(tǒng)1210穿過(guò)軟組織固定到下層骨。

攝像機(jī)1220被定位在距第一激光模塊1202和第二激光模塊1204已知距離的位置處。第一激光模塊1202和第二激光模塊1204可以分別沿第一平面和第二平面（未示出）投射第一光和第二光（未示出），以提供靶向線(xiàn)。當(dāng)投射到表面（諸如患者的解剖組織的一部分）上時(shí)，第一光、第二光和/或靶向線(xiàn)可以從該表面反射?？梢杂蓴z像機(jī)1220捕獲該反射，包括任何伴隨的扭曲。通過(guò)三角測(cè)量，在給定第一平面和第二平面相對(duì)于攝像機(jī)1220的已知位置的情況下，系統(tǒng)1210可以確定與第一光和第二光相交的解剖特征在三維空間中的坐標(biāo)。因此，在第一激光器1212和攝像機(jī)之間的給定角度處，三角測(cè)量過(guò)程產(chǎn)生3D空間中的信息的線(xiàn)。通過(guò)緩慢地使激光線(xiàn)掃描橫穿物體并且在每個(gè)角度增量捕捉圖像，能夠構(gòu)建精確地代表3D表面的完整三維數(shù)據(jù)組。

在圖22A中，第一光模塊902直接地連接到控制器1222。系統(tǒng)1210可以使用第一激光模塊1202和第二激光模塊1204掃描穿過(guò)所關(guān)心的患者的解剖區(qū)域。激光可以繞單個(gè)軸線(xiàn)以設(shè)定的角度間隔（例如以5度間隔偏航）旋轉(zhuǎn)，并且攝像機(jī)1220可以在每個(gè)這樣的間隔捕捉圖像?？刂破?222可以生成患者的解剖區(qū)域的表面的三維圖。這可以例如通過(guò)將第一光、第二光和/或產(chǎn)生的靶向線(xiàn)的反射與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的一組預(yù)先限定的參考圖像相比較來(lái)完成。然后可以將該三維表面與從患者成像生成的三維表面相匹配。在這種情況下患者成像可以包括任意3D圖像組，諸如一個(gè)或多個(gè)CT掃描或者M(jìn)RI掃描?？梢越Y(jié)合三維表面信息使用通過(guò)使用這樣的成像所規(guī)劃的軌跡，以計(jì)算第一激光器1212和第二激光器1214的俯仰、偏航和/或滾動(dòng)取向?？梢砸郧‘?dāng)取向設(shè)定第一激光模塊1202和第二激光模塊1204，并且將其啟動(dòng)以產(chǎn)生處于期望軌跡處的靶向線(xiàn)，而不需要將任意基準(zhǔn)附接到患者。

一個(gè)激光模塊（即，第一激光模塊1202或者第二激光模塊1204中的任一者）足以從患者捕捉必要的3D表面數(shù)據(jù)?？梢允褂玫谝患す饽K1202和第二激光模塊1204二者以改善系統(tǒng)精確性并且減少"盲點(diǎn)"。當(dāng)使用第一激光模塊1202和第二激光模塊1204二者時(shí)，第一激光器1212可以?huà)呙璐┻^(guò)患者的解剖區(qū)域，繼之以第二激光器1214。捕捉和處理圖像，并且將來(lái)自患者的解剖組織的第一光和第二光的反射的扭曲匹配至第一激光線(xiàn)和第二激光線(xiàn)的相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)。添加產(chǎn)生的濁點(diǎn)數(shù)據(jù)以生成最終的3D表面圖。

圖22B中，控制器1222可以連接到使電樞1240相對(duì)于基座單元1230運(yùn)動(dòng)的一個(gè)或多個(gè)馬達(dá)。馬達(dá)可以包括例如控制電樞1240相對(duì)于基座單元1230的俯仰的俯仰馬達(dá)1232，和控制電樞1240相對(duì)于基座單元1230的偏航的偏航馬達(dá)1234。可以經(jīng)由軸承1260將電樞1240可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到基座單元1230。如果期望，俯仰馬達(dá)1232可以引起激光器安裝柱1250相對(duì)于電樞1240旋轉(zhuǎn)?？梢詫⒌谝患す饽K1202、第二激光模塊1204和攝像機(jī)1220固定到激光器安裝柱1250，使得激光器安裝柱1250的旋轉(zhuǎn)引起第一激光模塊1202、第二激光模塊1204和攝像機(jī)1220的俯仰改變。系統(tǒng)1210可以引起攝像機(jī)1220、第一激光模塊1202和/或第二激光模塊1204的俯仰和/或偏航改變，以將攝像機(jī)1220定位在相對(duì)于所關(guān)心的解剖區(qū)域的最佳有利點(diǎn)處。這可以改善3D表面圖的品質(zhì)，并且因此改善相關(guān)解剖組織上的系統(tǒng)1210和靶向線(xiàn)的投影的配準(zhǔn)的精確性。

系統(tǒng)1210也可以使用圖像相減來(lái)進(jìn)一步增加激光線(xiàn)掃描的對(duì)比度。攝像機(jī)1220可以首先在不打開(kāi)第一激光器1212和/或第二激光器1214的情況下取得所關(guān)心的解剖區(qū)域的圖像，從而獲取基準(zhǔn)線(xiàn)圖像（baseline image）。之后可以啟動(dòng)第一激光器1212和/或第二激光器1214，并且可以如上文所述的那樣以設(shè)定的角度間隔進(jìn)行圖像獲取?？梢詮乃@取的圖像組中減去基準(zhǔn)線(xiàn)圖像，以有效地消除背景像素，僅保留來(lái)自第一激光器1212和/或第二激光器1214的反射的光。為了使配準(zhǔn)精確性最大化，所關(guān)心的患者的解剖區(qū)域應(yīng)該具有獨(dú)特的3D特征。因?yàn)槊娌繀^(qū)域具有許多這樣的獨(dú)特特征，因此系統(tǒng)1210良好地適用于顱部應(yīng)用。

根據(jù)本公開(kāi)的靶向系統(tǒng)的通用特性可以包括輕質(zhì)，原因在于圖像引導(dǎo)系統(tǒng)可以安置在患者的皮膚上。光源可以由輕質(zhì)材料（諸如聚合物、復(fù)合材料、輕質(zhì)金屬合金等）制成。預(yù)想電子裝置小型化；板載電子裝置可以是帶有小的封裝（footprint）的表面安裝?？梢允褂幂p質(zhì)可充電電池，諸如鋰聚合物電池或者鋰離子電池。

所公開(kāi)的技術(shù)是多用途的并且具有各種各樣的應(yīng)用。上述示例是出于說(shuō)明的目的，以促進(jìn)構(gòu)思的理解；它們不意味著本文所公開(kāi)的靶向系統(tǒng)和方法僅限于這些過(guò)程。其它應(yīng)用包括但不限于其它醫(yī)療應(yīng)用，其中可以利用系統(tǒng)來(lái)瞄準(zhǔn)解剖結(jié)構(gòu)。這包括諸如組織活檢的過(guò)程，其中能夠指定入口和目標(biāo)并且規(guī)劃軌跡以避開(kāi)關(guān)鍵的神經(jīng)血管結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，這包括消融或電刺激過(guò)程以瞄準(zhǔn)不能夠直接可視化的區(qū)域（例如，神經(jīng)根切斷、神經(jīng)調(diào)節(jié)過(guò)程）。

進(jìn)一步地，本公開(kāi)的靶向系統(tǒng)和方法可以應(yīng)用于關(guān)節(jié)注射，諸如膝關(guān)節(jié)/髖關(guān)節(jié)/肩關(guān)節(jié)或者小平面關(guān)節(jié)注射。本文公開(kāi)的靶向系統(tǒng)可以適應(yīng)于引導(dǎo)或?qū)R植入物。例如，髖關(guān)節(jié)假體的對(duì)齊能夠或者用術(shù)前橫斷面成像（諸如CT掃描）或者通過(guò)使用熒光透視術(shù)在術(shù)中取得平面成像來(lái)執(zhí)行。系統(tǒng)能夠提供用于例如髖臼帽和股骨干的對(duì)齊的軌跡信息。類(lèi)似地，能夠執(zhí)行膝關(guān)節(jié)置換的對(duì)齊，其中系統(tǒng)引導(dǎo)脛骨或者股骨端上的截切。能夠在術(shù)前在橫斷面成像上或者在術(shù)中在熒光透視圖像上進(jìn)行恰當(dāng)?shù)囊?guī)劃。能夠受益于軌跡可視化的其它關(guān)節(jié)置換過(guò)程包括踝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)或肩關(guān)節(jié)置換。能夠通過(guò)使用靶向系統(tǒng)對(duì)齊人造椎間盤(pán)，以維持前后取向、側(cè)向取向和/或?qū)嶋H中線(xiàn)位置。對(duì)于脊柱融合過(guò)程，能夠使用靶向系統(tǒng)來(lái)對(duì)齊植入物，諸如接觸植骨融合器（contact cage）、骨移植物、頸椎前路鋼板、側(cè)脊板、椎弓根螺釘、間部螺釘（pars screw）、小關(guān)節(jié)面螺釘?shù)取?/p>

本文公開(kāi)的靶向系統(tǒng)和方法也能夠用于引導(dǎo)其它器械。示例包括導(dǎo)管放置過(guò)程，其中剛性或者半剛性導(dǎo)管被指引到解剖目標(biāo)。而且，能夠?qū)τ谙薅ǖ娜肟?、目?biāo)和安全軌跡在橫斷面或平面成像上進(jìn)行規(guī)劃。

用于神經(jīng)外科患者的腦室外引流（EVD）是可以受益于軌跡可視化和規(guī)劃以避免對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的損傷的導(dǎo)管放置過(guò)程的示例。剛性?xún)?nèi)窺鏡的端口規(guī)劃是外科器械的軌跡可視化的另一示例。取決于內(nèi)窺鏡端口的放置和軸的角度，通過(guò)剛性?xún)?nèi)窺鏡的視野能夠是非常不同的。對(duì)于髖關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié)范圍，能夠在橫斷面或平面成像上提前規(guī)劃理想視野。然后能夠計(jì)算內(nèi)窺鏡軌跡并且準(zhǔn)確地標(biāo)記進(jìn)入端口。

本文公開(kāi)的靶向系統(tǒng)和方法也能夠與超聲探頭一起使用，以整合多種成像模式。這允許用戶(hù)利用針對(duì)給定過(guò)程的最佳的組織可視化。例如，能夠經(jīng)由X射線(xiàn)或者CT掃描上的骨標(biāo)志進(jìn)行初始規(guī)劃。一旦限定軌跡，就能夠在超聲探頭的中央軸線(xiàn)直接沿著所規(guī)劃軌跡的情況下進(jìn)一步通過(guò)使用該超聲探頭使沿該軌跡的軟組織可視化。

本文公開(kāi)的靶向系統(tǒng)和方法也能夠用于現(xiàn)有的成像引導(dǎo)系統(tǒng)。激光器模塊和控制器可以以各種方式安裝，包括但不限于：在圖像引導(dǎo)系統(tǒng)的攝像機(jī)上、在固定的支撐結(jié)構(gòu)外部、直接在患者上等等?？刂破骺梢耘c圖像引導(dǎo)系統(tǒng)界面連接。軟件集成可以允許圖像處理終端（對(duì)于基于光學(xué)的系統(tǒng)而言，這通常是連接到攝像機(jī)的工作站）被用于規(guī)劃軌跡和激光器位置計(jì)算。然后可以將數(shù)據(jù)輸出到控制單元以操縱光源到其最終位置。在這種構(gòu)造中，靶向系統(tǒng)可以增強(qiáng)現(xiàn)有的圖像引導(dǎo)系統(tǒng)的功能同時(shí)確保外科醫(yī)生總是“眼睛在患者上”。

此外，本文公開(kāi)的靶向系統(tǒng)和方法能夠用于多種機(jī)器人輔助過(guò)程。這可以幫助外科醫(yī)生或者外科隊(duì)伍使所規(guī)劃的軌跡可視化，特別是在必須手動(dòng)執(zhí)行特定步驟的情況中。能夠在機(jī)器人臂定位之外通過(guò)使用靶向系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行手動(dòng)步驟以改善精確性和速度。

替代性地，本文描述的靶向系統(tǒng)可以安裝在機(jī)器人臂的端部上。機(jī)器人臂能夠被用于將靶向系統(tǒng)定位在最佳位置。激光器的旋轉(zhuǎn)（例如，滾動(dòng)和偏航）可以允許額外自由度來(lái)定位機(jī)器人臂，使得在維持軌跡可視化精確性的同時(shí)其將不阻礙用戶(hù)。示例包括機(jī)器人輔助的髖關(guān)節(jié)置換，其中在進(jìn)行特定步驟（例如，髖臼的擴(kuò)孔）前能夠投射軌跡線(xiàn)。外科醫(yī)生能夠在機(jī)器人臂不阻礙視線(xiàn)的情況下視覺(jué)地確認(rèn)軌跡。然后能夠?qū)@孔器附接到機(jī)器人臂或者外科醫(yī)生能夠在理想軌跡直接可視化的情況下手動(dòng)地進(jìn)行擴(kuò)孔過(guò)程。而且，機(jī)器人輔助的髖關(guān)節(jié)置換在此被用于說(shuō)明構(gòu)思，而且能夠被概括成任意機(jī)器人輔助的過(guò)程或方法。

本文公開(kāi)的靶向系統(tǒng)和方法也能夠被用于非醫(yī)療應(yīng)用以提供軌跡可視化。示例包括牙科應(yīng)用，諸如種植樁對(duì)齊。能夠執(zhí)行術(shù)前取得的全景X射線(xiàn)或聚焦的CT掃描，并且能夠基于從X射線(xiàn)或CT掃描獲得的圖像進(jìn)行規(guī)劃。一旦軌跡被規(guī)劃，就能夠使用安裝在X射線(xiàn)臂或患者上的靶向系統(tǒng)使軌跡可視化。其它的牙科過(guò)程包括限定根管軌跡和尋找牙折。

本文公開(kāi)的靶向系統(tǒng)和方法能夠進(jìn)一步擴(kuò)展到不能夠使某些制造過(guò)程完全自動(dòng)操作的工業(yè)應(yīng)用。在需要操作者來(lái)執(zhí)行任務(wù)并且軌跡對(duì)齊是關(guān)鍵的情形下，靶向系統(tǒng)能夠被用于提供軌跡可視化。靶向系統(tǒng)能夠被用于諸如鉆孔、焊接、精整和緊固的手動(dòng)過(guò)程，以將工具與預(yù)定軌跡對(duì)齊，以改善成品的品質(zhì)。

權(quán)利要求不應(yīng)該被解釋為包括手段加功能或步驟加功能的限定，除非這樣的限定在給定權(quán)利要求中通過(guò)分別使用“用于……的手段”或“用于……的步驟”被明確地表述。術(shù)語(yǔ)"被聯(lián)接"限定為被連接，不過(guò)不必須是直接地，并且不必須是機(jī)械地。當(dāng)在權(quán)利要求和/或說(shuō)明書(shū)中結(jié)合術(shù)語(yǔ)“包括”使用詞語(yǔ)"一"或者"一個(gè)"可以意味著“一個(gè)”，不過(guò)也符合“一個(gè)或多個(gè)”或“至少一個(gè)”的含義。術(shù)語(yǔ)"大約"總體上意味著所陳述的值加或減5%。在權(quán)利要求中使用術(shù)語(yǔ)"或者"被用于意味著"和/或"，除非明確表明僅指代二者之一或者二者間是相互排他的，不過(guò)本公開(kāi)支持僅指代二者之一和"和/或"的限定。

術(shù)語(yǔ)"包括"（和包括的任意形式，諸如“包括了”和“包括著”）、"具有"（和具有的任意形式，諸如“具有了”和“具有著”）、"包含"（和包含的任意形式，諸如“包含了”和“包含著”）和"含有"（和含有的任意形式，諸如“含有了”和“含有著”）是開(kāi)放型連系動(dòng)詞（linking verb）。因此，"包括"、"具有"、"包含"或者"含有"一個(gè)或多個(gè)步驟或者元件的方法或者裝置擁有那些一個(gè)或多個(gè)步驟或者元件，但不限于僅擁有那些一個(gè)或多個(gè)元件。類(lèi)似地，"包括"、"具有"、"包含"或者"含有"一個(gè)或多個(gè)特征的方法的步驟或裝置的元件擁有那些一個(gè)或多個(gè)特征，但不限于僅擁有那些一個(gè)或多個(gè)特征。此外，以特定方式構(gòu)造的裝置或者結(jié)構(gòu)至少以該方式構(gòu)造，但是也可以以未列出的方式被構(gòu)造。

在前述的具體實(shí)施方式中，出于簡(jiǎn)化公開(kāi)的目的，各種特征在若干示例中被集合在一起。公開(kāi)的這種方法不應(yīng)該被解釋成反映出本發(fā)明需要多于每個(gè)權(quán)利要求中所明確敘述的特征的特征的意圖。而是，如以下權(quán)利要求所反映的那樣，創(chuàng)造性主題存在于少于單個(gè)公開(kāi)示例的所有特征。因此，以下權(quán)利要求特此結(jié)合于具體實(shí)施方式，并且每個(gè)權(quán)利要求獨(dú)立作為單獨(dú)的示例。

本文公開(kāi)的任意方法包括用于執(zhí)行所述方法的一個(gè)或多個(gè)步驟或動(dòng)作。方法步驟和/或動(dòng)作可以彼此互換。換言之，除非對(duì)于實(shí)施例的恰當(dāng)操作需要特定次序的步驟或動(dòng)作，否則可以修改特定步驟和/或動(dòng)作的次序和/或使用。

貫穿本說(shuō)明書(shū)，提及“一種實(shí)施例”或“該實(shí)施例”意味著結(jié)合該實(shí)施例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在至少一種實(shí)施例中。因此，如貫穿本說(shuō)明書(shū)敘述的那樣，所引用的短語(yǔ)或其變型不必須全部指的是相同的實(shí)施例。

類(lèi)似地，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到在對(duì)實(shí)施例的以上描述中，出于簡(jiǎn)化本公開(kāi)的目的，有時(shí)各種特征被集合在單個(gè)實(shí)施例、附圖或其描述中。不過(guò)，公開(kāi)的這種方法不應(yīng)該被解釋成反映出任何權(quán)利要求需要多于該權(quán)利要求中明確敘述的特征的特征的意圖。而是，如以下權(quán)利要求所反映的那樣，創(chuàng)造性方面存在于少于任意單個(gè)前文所公開(kāi)的實(shí)施例的全部特征的組合。因此，本具體實(shí)施方式之后的權(quán)利要求特此明確地結(jié)合于本具體實(shí)施方式，并且每個(gè)權(quán)利要求獨(dú)立地作為單獨(dú)實(shí)施例。本公開(kāi)包括獨(dú)立權(quán)利要求及其從屬權(quán)利要求的所有置換。

在權(quán)利要求中關(guān)于特征或元件對(duì)術(shù)語(yǔ)"第一"的敘述不必須表示存在第二或者額外的這種特征或者元件。以手段加功能格式敘述的元件旨在根據(jù)美國(guó)35 U.S.C §112第6段來(lái)解釋。本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見(jiàn)到，在不背離本發(fā)明的基本原理的情況下，可以對(duì)上文描述的實(shí)施例的細(xì)節(jié)作出改變。

雖然已經(jīng)示出并且描述了本發(fā)明的具體實(shí)施例和應(yīng)用，但是應(yīng)該理解的是，本發(fā)明不限于本文所公開(kāi)的準(zhǔn)確構(gòu)造和部件。在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)本文所公開(kāi)的本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的布置、操作和細(xì)節(jié)作出本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見(jiàn)到的各種修改、改變和變型。