專利名稱：光學位置測量及將堅硬或半柔軟的工具引導到目標的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學跟蹤系統(tǒng)，特別是光學位置測量及將堅硬或半柔軟的工具引 導到目標的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
針狀工具常用于醫(yī)學領域以進行局部治療。近年來，這些過程被介入式放射 學家，即善于運用成像設備指導和控制診斷和治療過程的醫(yī)生所采用。在這些過 程中，針在成像設備的控制下插入人體。
因為斷層掃描(CT)和熒光透視法使用的能量是X射線，它對活體器官有電 離和危害，成像引導系統(tǒng)已經被開發(fā)出來，基于術前CT數(shù)據，引導工具到達目 標。這種引導系統(tǒng)在6個自由度上測量身體的位置和工具的位置，通過將身體的 位置減去工具的位置得到工具相對于身體的位置。在過程的開始，CT數(shù)據和身 體被記錄以匹配它們的坐標。這通過匹配從CT數(shù)據和身體中識別出的至少3個 基準點來完成。在大多數(shù)這樣的系統(tǒng)中，兩種技術類型中的一種用來確定工具和 身體的位置，分別是光學跟蹤器和電磁跟蹤器。在光學跟蹤器中，系統(tǒng)使用兩 個空間上互相隔開的照相機，通過監(jiān)視三個或更多的安裝在被跟蹤的目標上的可 識別的光源，通過三角計算，在高達6個自由度(D0F)上計算出目標的位置和 方向。在電磁跟蹤器中，有多個天線的發(fā)射器發(fā)送出多個準靜態(tài)的磁場。有多個 天線的接收機接收到這些信號，然后基于這些信號計算出接收機相對于發(fā)射機的 位置。
在這些系統(tǒng)中，工具和身體的位置都相對于一個位于工具和身體之夕卜的居中 的參考坐標系統(tǒng)確定。在電磁系統(tǒng)情況下，參考坐標由發(fā)射天線確定。在光學跟 蹤器中，參考坐標由照相機確定。從身體的坐標中減去工具的坐標就得到工具在身體坐標中的直接位置。由于每次位置確定過程固有地增加一些位置誤差，使用 中間坐標系統(tǒng)來確定工具相對身體的位置，較直接測量而得到的工具在身體坐標 系統(tǒng)中的位置，精度要低一些。
Paltieli的美國6216029專利中描述了對朝著在身體體積內的目標的針的 徒手指引。在這個專利中，成像設備是一個手持超聲掃描器。電磁定位傳感器用 在變頻器中，以及工具把手中。兩個位置均相對由電磁跟蹤系統(tǒng)定義的參考坐標 系確定。
上述的成像引導系統(tǒng)是為將剛性工具引導到目標所設計。然而針，因為它們 在朝向彎曲的直徑4艮小。特別是當他被經過皮膚向目標推動時，用來操作針和使 針向前的力常常會造成偏斜。由于前面提到的系統(tǒng)的位置傳感器附著在針的近 部，不補償針的偏斜而測量近部的方向會導致確定針末端的位置時的定位誤差。 從而對到達目標的路線的預測也會有錯誤。身體內部的許多器官都被薄膜，如胸 膜和腹膜覆蓋。這些薄膜被介于薄膜和外部器官間的真空力所固定。如果薄膜被 刺破，空氣漏到薄膜和外部器官間的空間內，導致薄膜下沉。在肺臟內這種現(xiàn)象 叫做氣胸，而且非常普遍，發(fā)生在約30%的經由皮膚的胸部穿刺活檢過程中。
這樣就需要有一種系統(tǒng)和方法，在對針對目標的剛性或半柔性的工具進行光 學定位測量和引導時，應當在固定于身體上的坐標系中進行直接的工具位置測 量。而且更加有利的是提供一種系統(tǒng)和方法，用來將針引導到目標，包含對針的 偏斜的補償?？梢灶A見，這樣的系統(tǒng)非常有利于避免發(fā)生并發(fā)癥，諸如氣胸。

發(fā)明內容
本發(fā)明是光學位置測量及將剛性或半柔軟的工具引導到目標的系統(tǒng)和方法。 本發(fā)明提供一種在至少5個自由度上對手持工具相對于人體的位置進行測量 的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括(a)剛性或半柔性工具，具有用來插入所i^A體的遠端， 和用于在所iiA體外進行手動操作的近部；(b)用來產生圖像的照相機；(c)所 述照相機與所述工具之間的機械連接，使得(i)所述照相機與所述工具的所述 近部一起移動，和(ii)所述照相機被控制為具有包含至少一部分所述工具的所述遠端的視野；和(d)與所述照相機進行數(shù)據通訊的處理系統(tǒng)，被設定為處理 來自所述照相^/L的圖^f象用以確定至少一部分所述工具的位置。
按照本發(fā)明的一個方面，提供標識布置，應用在所iiA體的外表面，提供多個 基準點，所述的處理系統(tǒng)確定相對于所述基準點的所述位置。
按照本發(fā)明的一個方面，所述標識布置用具有所述多個基準點的單獨的片來 實現(xiàn)。
按照本發(fā)明的一個方面，所述多個基準點包括至少一組4個基準點，其中所 述片設定為保持所述一組4個基準點在一個共有平面上。
按照本發(fā)明的一個方面，所述片包括多個標識，設定為可以被非光學成像系 統(tǒng)容易地檢測到。
按照本發(fā)明的一個方面，所述標識與在所述片上的所述基準點一致。 按照本發(fā)明的一個方面，所述片設定為畫出所述工具的所述遠端進入所i^A 體時的穿透點。
按照本發(fā)明的一個方面，所述多個基準點包括第一基準點組和第二基準點組， 第二基準點組與所述第一基準點組光學地可區(qū)別，所述第一基準點組在空間上比 所述第二基準點組更靠近。
按照本發(fā)明的一個方面，所述處理系統(tǒng)進一步設定為得到所述工具的所述遠 端的當前尖端位置，所述得到包括計算所述工具的彎曲的估計，并使用所述彎曲 的估計來確定所述當前尖端位置。
按照本發(fā)明的一個方面，其中所述照相機及至少一部分所述處理系統(tǒng)在公共 的處理器芯片上實現(xiàn)。
本發(fā)明提供一種方法，用于引導剛性或半柔性工具的遠端到人體內的目標， 所述工具具有用于在所^A體外進行手動操作的近部，方法包括以下步驟(a) 確定定義在所述人體外表面的多個光學可分辨的基準參考點和目標之間的空間 關系；(b)提供與工具的近部機械連接的照相機；和(c )在將工具插入所iiA 體時(i)從照相機獲得包括多個所述基準點的所iiA體的外表面的圖像，(ii) 從所述圖像中的所述基準點的位置得到當前尖端與交叉點相對應的投影，該交叉點為從所述工具的所述遠端出發(fā)，沿著工具遠端指向的延長線和一平面的交點， 該平面包含所述目標，并與工具遠端的指向垂直，和(iii)顯示代表至少所述 目標和所述當前尖端的投影的位置的圖形。
按照本發(fā)明的一個方面，在所i^體的所述外表面的所述多個基準點通過在 人體外表面應用標識布置來定義。
按照本發(fā)明的一個方面，所述標識布置用具有所述多個基準點的單獨的片來 實現(xiàn)。
按照本發(fā)明的一個方面，所述多個基準點包括至少一組4個基準點，其中所 述片設定為保持所述一組4個基準點在一個共有平面上。
按照本發(fā)明的一個方面，所述基準參考點和所述目標的空間關系是由非光學 成像系統(tǒng)來確定的，其中所述片包括多個標識，設定為可以被所述非光學成像系 統(tǒng)容易地檢測到。
按照本發(fā)明的一個方面，所述標識與在所述片上的所述基準點一致。 按照本發(fā)明的一個方面，所述工具插入所i^A體是通過穿過所述片而實現(xiàn)的。 按照本發(fā)明的一個方面，所述片設定為畫出所述工具的所述遠端進入所述人 體時的穿透點。
按照本發(fā)明的一個方面，所述工具的所述遠端進入所iiA體的穿透點是在進
行所述方法時，通過對所述照相機的圖像進行處理得出的。
按照本發(fā)明的一個方面，所述多個基準點包括第一基準點組和第二基準點組，
第一基準點組包含第一光學可分辨標識，第二基準點組包含第二光學可分辨標
識，所述第二光學可分辨標識與所述第一光學可分辨標識光學地可區(qū)分，所述第
一基準點組距離所述穿透點比所述第二基準點組近。
按照本發(fā)明的一個方面，該非光學成像系統(tǒng)是計算才幾X-射線斷層掃描系統(tǒng)。 按照本發(fā)明的一個方面，該非光學成像系統(tǒng)為磁共振成像系統(tǒng)。 按照本發(fā)明的一個方面，該非光學成像系統(tǒng)為熒光鏡，所述基準參考點與目
標的空間關系由從至少兩個不平行的觀察方向得到的圖像來確定。
按照本發(fā)明的一個方面，該工具有沿著伸長方向的延長體，其中所述照相機機械連接到該工具的該近部，因此靠近該延長體，具有包括伸長方向的^L野。
按照本發(fā)明的一個方面，在該工具插入該人體之前，完成對長度的校正過程， 包括(a)將所述工具的所述遠端對著參考點接觸，該參考點在與所述基準點具 有一定空間關系的位置；(b)得到當前照相機的位置；和 (c)從所述當前照相才幾的位置和所述參考點的位置，得到所述遠端和該照相機 的距離。
按照本發(fā)明的一個方面，進一步包括得到工具遠端的當前尖端的位置，所述 得到包括從所述當前照相機位置和工具進入人體的穿透點的位置的結合來計 算，估計工具的彎曲，利用所述對彎曲的估計確定所述當前尖端的位置。
按照本發(fā)明的一個方面，所述圖形是覆蓋顯示在從照相機得到的圖像的上面的。
按照本發(fā)明的一個方面，所述圖形進一步包括與每個基準點相關聯(lián)的可視指 示，指示圖像中對應的基準點正在被成功地跟蹤。
按照本發(fā)明的一個方面，所述圖形進一步包括從該遠端到目標的距離指示。 按照本發(fā)明的一個方面，所述圖形進一步包括當前尖端位置的表示。 本發(fā)明提供一種引導半柔性工具的遠端到人體內的目標的方法，所述工具具 有用于在所i^A體外進行手動操作的近部，方法包括以下步驟(a)利用位置跟 蹤系統(tǒng)監(jiān)控該工具近部的當前位置；(b)確定工具i^A體的穿透位置；(c)從 所述工具的近部的當前位置和所述穿透位置得到對該工具彎曲的估計，從而得到 在身體內部的工具遠端的當前尖端位置；和(d)顯示圖形，至少表示(i)目 標的位置，和(ii)交叉點，即從所述工具的所述遠端出發(fā)，沿著工具遠端指向 的延長線和一平面的交點，該平面包含所述目標，并與遠端的指向垂直。
本發(fā)明提供一種片，附著至人體皮膚，與光學引導系統(tǒng)一起，引導剛性或半 柔性工具的遠端到人體內的目標，所述工具具有用于在所id!A體外進行手動操作 的近部，該片包括(a)下表面用來臨時粘貼到皮膚上；(b)上表面提供一組至 少4個光學可分辨基準點；(c)具有多個對比度產生特征，用來在非光學成像系 統(tǒng)的操作下提供高對比度點，使非光學成像系統(tǒng)對該片進行定位；和(d)插入裝置，用來所述工具的所述遠端進入所i^A體時的穿透點。
按照本發(fā)明的一個方面，所述對比度產生特征以射線屏蔽特征而實現(xiàn)。 按照本發(fā)明的一個方面，所述射線屏蔽特征是通過將射線屏蔽物質加入模具
來實現(xiàn)的，該^^莫具用來形成所述基準點。


本發(fā)明這里僅通過實例，并參照附圖來描述。
圖1是說明了依照本發(fā)明的內在原理的等距示意圖。
圖2是跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的等距示意圖，并依照本發(fā)明建立和操作。 圖3a和圖3b分別是側視圖和對應的照相機圖像，闡釋了引導不彎曲的針至 目標的方法。
圖4a和圖4b分別是側視圖和對應的照相機圖像，闡釋了由于針的彎曲產生 的誤差。
圖5a和圖5b分別是側視圖和對應的照相機圖像，與圖4a和圖4b相類似， 闡釋了對由于彎曲而造成的誤差的補償。
圖6是在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，對用于數(shù)學計算描述坐標系統(tǒng)的示意圖。
圖7a和圖7b是屏幕截圖，舉例證明了用塑料盒子作為樣品對象時說明的計 劃階革殳。
圖8是兩根依據本發(fā)明配備了小型照相機的針的側視圖。
圖9a和圖9b是本發(fā)明中的來自小型照相機的樣本圖像，分別是同一視角的
未校正的、失真的圖像和校正過的圖像。
圖10a到圖10d示出了本發(fā)明在圖7a和圖7b的樣品對象進行范例過程時不
同階段的顯示。
圖ll是側視表，闡釋了依照本發(fā)明來校正工具遠端指向的優(yōu)選技術。
具體實施方式
本發(fā)明是對針對目標的剛性或半柔軟的工具的光學位置測量和引導的系統(tǒng) 和方法。
參照繪圖和相應的描述，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的原理和揭:作可以被更好地理解。
通常來講，本發(fā)明提供了一種系統(tǒng)，對手持工具相對人體的位置進行至少5 個自由度的位置測量。系統(tǒng)對剛性或半柔性的工具進行4喿作，該工具具有插入人 體的遠端和為在體外進行手動操作的近部。用來產生圖像的照相積遞過機械連接 安裝在工具上，因此照相機可以隨工具的近部一同移動，因而照相初^皮控制為具 有包含工具的遠端的視野。處理系統(tǒng)與照相機進行數(shù)據通訊，被設定為處理來自 照相機的圖像，以確定工具的至少一部分的位置。
本發(fā)明還提供了 一種方法，對針對人體內的目標的剛性或半柔性的工具遠端 進行引導。概括來講，該方法包括確定定義在人體外表面的多個光學可分辨基準 參考點和目標之間的空間關系。照相機，機械地安裝在工具的近部，在工具插入 人體時使用，得到身體外表面并包含多個基準點的圖像。然后通過處理圖像，由 基準點的位置得到當前尖端對應于交叉點的投影，交叉點為從工具遠端出發(fā)，沿 著遠端指向的延長線和一平面的交點。該平面包含所述目標，并與工具遠端的指 向垂直然后圖像就會至少顯示目標的位置，以及當前尖端的投影，因而便于對針 對目標的工具的引導。
這個階段，很明顯本發(fā)明的系統(tǒng)和方法提供了相對于前述現(xiàn)有技術的深遠的 優(yōu)點。特別是，通過將照相機直接安裝在工具上，避免使用工具和人體外的附加 參照系。本發(fā)明的這個和其他的優(yōu)點通過隨后的具體描述會更加明了 。
參照附圖，依照本發(fā)明的裝置的基本設置如圖l所示。手持工具100具有近 部110和遠端122。其遠端被引導至目標150，用來通過工具對這個目標進行治 療。跟蹤模塊110剛性地安裝在工具的近部，優(yōu)選在手柄上。跟蹤模塊至少在位 置上指示出工具120的遠端122的定位，優(yōu)選還有相對于目標150的方向。確定 工具相對于人體的定位直接在跟蹤模塊和身體間完成，不需要工具和中間參考系 統(tǒng)之間的中間測量。在跟蹤模塊110的第一個優(yōu)選實施例中，它包括一個單獨的照相機115。在跟蹤模塊UO的第二個優(yōu)選實施例中，還包括了附加的第二照相 機116。這些照相才/L用來成4象和識別明顯的多個參考標記155,它們是目標150 的一部分，或在鄰近目標的一個固定位置。同時，照相才幾也對工具120的至少一 部分進行成^f象。
優(yōu)選照相機115和116是一種自動的單芯片類型，如CMOS照相機，可以將 照相機和至少一部分處理系統(tǒng)在一個通常的處理器芯片上實現(xiàn)。這種情況下，芯 片優(yōu)選包含所有必需的電子器件來產生視頻信號，典型地包含時鐘發(fā)生器、定 時發(fā)生器、行和列選擇器和/或移位寄存器、輸出驅動器、必要時的曝光補償枳』 構、必要時的增益和抵消控制及其他需要的電子線路，使這個單芯片照相機獨立 地產生視頻信號。這里使用的術語"視頻"有其更廣泛的含義，描述任意類型的 照相機輸出，用來傳送影像流，包含模擬輸出、數(shù)字輸出、壓縮數(shù)字輸出等，而 不需意味通?？紤]的一定幀率的連續(xù)視頻。盡管在外圍電子器件的支持下，照相 機可以采用CCD技術設計和制造，但優(yōu)選采用CMOS技術制造，因為它可以將邏 輯部分和感光單元結合在同一個物理晶片上。照相機的鏡頭優(yōu)選為單獨的塑料模 鏡頭。
跟蹤裝置的優(yōu)選實施例如圖2所示。照相機的視頻輸出信號送入幀捕獲器 210。視頻信號的傳送可以通過線纜112進行，但是在本發(fā)明一個優(yōu)選實施例中 用無線實現(xiàn)。被幀捕獲器210數(shù)字化的視頻信號送入計算機200，確定跟蹤模塊 110相對于被跟蹤目標的位置，然后確定在顯示器230上顯示的引導指令。在另 一個優(yōu)選實施例中，模/數(shù)轉換器是照相機的一部分，數(shù)據到計算機的傳輸用數(shù) 字化完成。計算機優(yōu)選是一臺筆記本計算機。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，采用數(shù)學式的坐標系統(tǒng)，如圖6所示。被跟 蹤的目標定義了一個笛卡爾坐標系610。目標被定義在坐標系620中的鏡頭觀察。 鏡頭投射出一個目標點612到定義在圖像坐標系630中的圖像點632。點612通 過向量^-(x,y，z)定義在坐標系610中，通過向量一(k， l,m)定義在坐標系620 中。該點在圖像平面上的沖殳影是向量(p,q, i)。我們定義從目標到鏡頭坐標系的 轉換為用矢量i^(k。，l。，m。)表示轉換，和用3x3的標準正交矩陣T表示旋轉。目標和鏡頭坐標系之間的轉換為
<formula>formula see original document page 14</formula>點612在第一照相機的焦點平面的圖像就成為
<formula>formula see original document page 14</formula>其中fa為第一照相機的鏡頭的焦距，Sa為其放大倍數(shù)。如果使用在軸k方向上的
距離為Dk的第二照相機，則點612在第二照相機的焦點平面上的圖像為 (3)
<formula>formula see original document page 14</formula>其中fb是第一照相機的鏡頭的焦距，Sb為其放大倍數(shù)。因為T是標準正交矩陣, 對矩陣的列(或行)的進行點積運算得到的積為
(4) W一—n
<formula>formula see original document page 14</formula>
利用式(4),僅僅需要確定矩陣T的4個元素，就足以解出矩陣其余的值。 利用式(1)到(4),用已知的參考標志點，測量其對應的圖像坐標并解出變換 k。和旋轉T,可以確定照相機的6個自由度(位置和方向)。 一共需要解出7個未 知數(shù)。如果僅使用一臺照相機，則需要四個參考標志612，及它們在已知的目標 坐標系中的位置。四個參考標志已經足夠，因為每個參考具有兩個線性獨立的圖 像數(shù)據(Pi和qi)，得到4x2=8個獨立等式來解出7個未知^L有了附加的照相 機，可以在參考標記的兩個圖像之間替換，這兩個圖像來自兩個不同的視點。很 明顯對于這些參考中的任何一個，這些替換發(fā)生在兩個照相機替換的方向。因此， 對于每個參考僅僅有一個附加的線性獨立測量數(shù)據，這樣三個參考，共有3x3=9個線性獨立的等式，足夠解出方程組。
參考標記，作為提供了針對"基準點"的標記，可以具有任何可識別的特點， 如通過形狀、顏色或花紋可視覺識別的點或曲線。這些參考標記可以是目標上明 顯部分的標志，或是特別添力。的物體，比如自然目標或印記。另外還可以選擇包
線反射過來的反射器?；钴S的發(fā)光標記的選擇允許將信號編碼，可以在視頻上被 簡單地分析。在用活躍的光源的情況下，每個標記可以區(qū)別地編碼，以便于對每 個標記進行明確的識別。
作為選擇，為了避免不同基準點的混淆，每組的一個或多個基準點可以區(qū)別 于其他，比如通過4吏用不同的形狀、圖案或顏色?；蛘?，用附加的標記，如箭頭 或類似的標記，可以用來唯一地定義基準點組的方向。通常情況下，我們發(fā)現(xiàn)這 樣已經能為使用者提供足夠的指示，告訴使用者怎樣將設備相對于片的方向放 置，并且信任使用者不將系統(tǒng)旋轉到可能導致在圖像處理時產生混淆的程度。
最優(yōu)選地，標記排列是作為一個單獨的粘貼在人體表面的片，并帶有多個基 準點。在優(yōu)選的實施例中，為了簡化計算位置時的數(shù)學分析，片被配置成在一個
公共平面上有一組4個基準點。這可以用多種方式完成，如，使用剛性的片，或
使用在某一時刻只在一個或兩個主要的方向上發(fā)生彎曲的有限柔性的片。需要注 意的是，系統(tǒng)并不要求參考點是共面的，而且，有足夠的處理力，可能是過量的。 在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，在目標坐標中參考的位置是已知的，比如， 校正在過程的導航階段之前就已完成。校正可以通過使用才幾械手段完成或由基于
圖像數(shù)據，如CT數(shù)據來確定。
在來自照相機的視頻輸出中對參考的識別可以通過圖像處理方法確定。此類 方法在現(xiàn)有技術中已經廣為人知，因此具有本領域技術人員的能力就可以寫出需 要的運行于計算機200的軟件代碼，并從視頻中確定參考標記的坐標。
在人體內部成像的三維掃描器已廣為人知。例如X射線熒光透視法、計算機 斷層掃描(CT)、 -茲共振成像(MRI)、正電子發(fā)射斷層攝影(PET)以及超聲波。 依照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，片應用在人體表面以提供光學基準點，同時也提供了多個標記，用來被非光學成像系統(tǒng)迅速容易得檢測到，以便于校準該片相對 于目標的位置。特別地，這樣就要求選擇適合的材料，能在^f吏用特定成像技術時
產生高對比度特征。比如，用在CT掃描器的標識優(yōu)選由鉛制小球構成。小球可 以嵌入平的塑料盤內。在片內的任何地方布置小球，這樣它們和光學基準點有已 知的空間關系，足夠進行校準。最優(yōu)選的是，用在非光學成像系統(tǒng)的標識的位置 與光學基準點一致，因此光學基準點可以從掃描數(shù)據中直接得到。比如，依照一 個優(yōu)選選擇，球體的上面打印有顏色的標識，因此所說的球體的坐標既可以由掃 描數(shù)據確定，也可以由照相^L圖^f象確定。或者，標識可以用絲網印的方法來印刷 合適的對比劑顏料來實現(xiàn)，這些顏料在CT (或MRI)圖像中容易凈支看到。比如， 將碘添加到顏料中，可以有效地使其能在CT成像中著色而容易被看到。這些標 識的坐標然后作為基準點被用來記錄照相機的方向和CT的強度數(shù)據，使其引導 工具移向由CT數(shù)據確定的目標。通過共同的基準點將一個坐標系的數(shù)據校準到 另外一個的數(shù)學原理，在本領域是廣為人知的(參看Hajnal Hill和Hawkes的 《醫(yī)學圖像配準》中的實例，CRC Press, 2001 )。
其它的技術可以用作3D成像技術的替代，如用來確定基準點和目標的相對 位置的CT或MRI。作為一個非限定的實例，兩個不平4于的、來自熒光4竟(它本 身是兩維成像設備)的視圖用來確定目標和片上標識間的相對位置。在每個視圖 中，熒光鏡在六個自由度上的位置由片上的標識的在螢光鏡上的可視圖像中的位 置確定， 一定程度上類似于對基準點的光學處理，目標位置被標記。兩個不平行 的視圖中對應目標位置的直線形成的交點，可以用來對目標相對于片進行定位。
用在工具尖端定位和指向計算的一個參^^:工具i^vA體時的穿透點。原理 上講，穿透點可以由使用者在照相機可視范圍的人體表面任意定位，而且這個定 位可以通過對來自照相機115的圖像進行處理來確定。在實踐中，典型的優(yōu)選是 利用片的存在的優(yōu)點來確定穿透點，較其它可能的方式更容易和/或具有更高的 精度。這樣，工具插^A體優(yōu)選通過片來完成。在一個特定的優(yōu)選實現(xiàn)中，片本 身配置成在上面勾畫出工具遠端進7vA體時的穿透點的形式。這可以通過提供一 個預成形的插入工具的孔來完成。這樣， 一旦在片上的標識相對目標的定位^皮才交準，插入點的位置就立即可知。在另一種實現(xiàn)中，工具遠端ii^A^體時的穿透點 可以在過程中由對照相機圖像的處理得到。在這種情況下，片可以方便地具有幾 何圖案，如矩形網格，可以便于基于圖像處理的針對穿透定位的計算。穿透定位 可以由工具的尖端在穿透前接觸定位來確定，或者在穿透后工具前進時通過計算 來確定或使其更加精確。
依照一種特定優(yōu)選的方法論，在過程開始時，將坐標貼紙或其它塊制成的
(或其它方式成像)掃描。對標識和目標的定位進行確定并送入計算機200，比 如通過"隨身碟"內存220?；谶@個數(shù)據，對朝向目標的工具的導航可以確定。 在導航中，應該將工具偏差補償考慮進去。在說明書和權利要求書中，術語"偏 差，，，"彎曲，，和"偏移，，是可以互相替換的，指工具暫時的彈性形變，即相對于 工具的不受力狀態(tài)而產生一定程度的彎曲。隨后的例子描述一個針對單照相才幾跟 蹤系統(tǒng)中的補償方法的優(yōu)選實例。在圖3a和圖3b中，描述了非偏差工具的情形。 照相機組件110安裝在工具100的近側，所處位置和方向可以使工具120的至少 一部分以及至少4個標識，310到313，能被照相機看到。這里假設工具的幾何 軸線及它在照相機坐標系統(tǒng)中的長度事先知道，無論通過設計參數(shù)得到還是通過 校正得到。具體地考慮到工具的長度，通過將工具遠端"t妄觸片的表面的任意一點， 而使系統(tǒng)確定照相機到片的距離，這些可以在過程的開始方便地確定。因為片本 身是消過毒的，這樣從手術程序講不存在任何問題。其它校正參數(shù)優(yōu)選預存在照 相機中或由數(shù)據存儲媒介提供，如下將討論。成像組件IIO相對于坐標片的位置 和方向是確定的。工具遠端122的定位可以由沿著它的軸322的軌跡來確定。端 顯示在照相初j輸出的圖〗象之上，如虛線322和交叉線301所示。沒有偏斜時，則 端的移動與照相機的移動相同。當工具偏斜時，如圖4a和圖4b所示，未對偏斜 進行^hf嘗會引入誤差。因為工具的軌跡相對于照相機確定，并且因為工具的近部 發(fā)生偏斜后照相機也隨著改變方向，工具322經過確定的軸不再與實際的工具遠 端的軸線一致。因此，交叉線301,代表工具的端(或其它沿著針方向的定位， 如針在目標平面上的軌跡)，就在顯示器上顯示出4脊i吳的定位。如果這種情況不加以糾正，特別是對于相對柔軟的針，經常會導致不成功的導航從而錯過要找的 目標。
許多模型可能被用來實現(xiàn)對工具彎曲的校正。通過一個非限定的實例，校正
可能基于這樣一個假設被確定工具進入人體的點320位于坐標片平面300內。 通過求解方程(1)到(4),平面300的位置和方向參凄a已知的。工具在人體 內的路徑，其在目標平面內的尖端定位及交叉線就被確定下來，作為所說的正切 方向的4九跡，如圖5a和5b所示。
應該注意的是各種不同的模型，可以基于實際穿透位置的任意組合、理論上 的非彎曲ii7v點，工具仍在體外的長度及任何其它測量出的參H來計算工具的 偏斜，因而得到遠端的指向。在實踐當中，發(fā)現(xiàn)用來校正遠端指向的一個^f艮簡單 的計算對于大范圍的各種實現(xiàn)有著高度有效的作用。這個計算現(xiàn)在將參照圖11 進行描述。
特別地，這里闡釋的情況，工具在片區(qū)域上的一個已知位置320穿透ii7vA 體。理論上工具的非彎曲路徑用虛線322表示，照相機的光學軸用虛線324表示。 這些軸典型地基本平行，由系統(tǒng)提供的校正數(shù)據所定義。偏斜向量326定義為從 非偏斜工具路徑322到穿透點320的向量，穿透點320在垂直于光學軸324的平 面上。為了計算出工具在人體內的校正方向，校正過的理論上的工具位置，通過 校正當前工具手柄的位置，通過校正向量328，它對應偏斜向量326的相反方向 的比例系數(shù)。這個比例系數(shù)可以是一個常數(shù)，或者是可變參凄t，如，工具在人體 外長度的函數(shù)。然后估算出的工具尖端的指向被用在從校正過的理論上的工具位 置穿過實際的插入點的直線330。
典型地，校正向量328的常數(shù)比例系數(shù)的范圍在1到3之間時效果明顯。而 且我們發(fā)現(xiàn)校正是完全校正通常并不重要。事實上，在通常情況下，試圖對偏斜 提供完全校正會導致被使用者過補償和/或增大對任何位置的測量誤差。在多個 實際的實現(xiàn)中，使用1. 5的比例系數(shù)已經收到有效的效果。
具有兩臺照相4幾的跟蹤系統(tǒng)的工具偏斜的補償《艮類似，具有如下簡化偏斜 系統(tǒng)的弧線可以直接由立體圖像對確定，而且可以利用等式(3)確定沿著工具的若干個點的位置。
在本發(fā)明的另外一個優(yōu)選實施例中，用柔軟的材料制成的貼紙可以作為坐標 片，其中一面涂覆粘合劑用來貼到患者皮膚上。柔軟的材料，優(yōu)選為聚合物如尼
龍或聚氯乙烯(PVC)制成，在其內部嵌入孩i小的參考標識。如前所述，這些標
識優(yōu)選用那些可以在非光學成像技術下可以提供高對比度的材料實現(xiàn)，用來進行
校正。在使用CT的情況下，這些標識是不能透過無線電的，比如由小鉛球制成， 典型的直徑為1-2鵬。另外，光學基準點，如"壓印"，是印在貼紙的表面上的。 這些壓印可以是線、圈或其它任何形狀，或者光學可識別的特征。這些壓印可以 用單色印刷，或者優(yōu)選用多色，以便于通過色彩分割加以區(qū)分。總體上，壓印定 義了坐標系統(tǒng)，用來將工具引導至目標。嵌入的標識用來校正工具到CT容積內 的定位。壓印這樣安排，就可以從照相機的圖像確定嵌入式標識的定位。能被跟 蹤設備光學看到的面積大小是其視野(F0V)和貼紙到鏡頭的距離的函數(shù)。當照 相機和貼紙之間的距離增加時，光學的覆蓋面積也增加。為了保持系統(tǒng)的精度， 優(yōu)選^ftt準點間的距離盡量遠。在工具插入人體時，照相機離貼紙越來越近，因 此它的視野覆蓋面積越來越小。最優(yōu)選的是，為了使基準點在初始位置和穿透最 后階段都分布最優(yōu)，將指派一系列光學可分辨的特征兩組或多組基準點，配置為 不同的間距， 一組在空間上更緊湊以便覆蓋更小的區(qū)域，另一組更加M以侵覆 蓋更大的區(qū)域。
依照附加的可選特征，片上的某些位置可以指派為與特定系統(tǒng)功能相關聯(lián)的 控制位置。這樣系統(tǒng)就可以監(jiān)控系統(tǒng)的操作者是否已將工具尖端接觸(或靠近) 其中一個控制位置，以及，如果這樣的話，執(zhí)行相應的分派系統(tǒng)功能。使用這種 方式，用來在片上進行定位分配系統(tǒng)控制功能的實例包括但不限于初始工具長 度重新校準、改變顯示模式或其它顯示參數(shù)、輸入任何其它的實時數(shù)據或更改任 何其它系統(tǒng)操作^l丈、以及關機。將工具對著一個片上的位置進行接觸，作為使 用者接口輸入，它的作用對于本發(fā)明有特別的優(yōu)勢，因為這樣就避免了系統(tǒng)操作 者需要接觸任何未經消毒的計算機設備，或者將他或她的注意力從執(zhí)行過程的周 圍M開。該系統(tǒng)可以用來引導任何細長工具，如針、指針等。工具可以是剛性的或者 半柔性的。在本文中，術語"剛性"用來指代在通常使用條件下，使用到顯著影 響了引導工具到達目標的精度的程度時，工具不發(fā)生彎曲。在本文中，術語"半 柔性"用來指代在通常使用條件下，工具發(fā)生偏斜而沒有嚴重的形變。在數(shù)字上， 術語"半柔性"可以用來指代任何通常使用下的延長的工具，其彎曲導致的曲率
半徑大于工具長度的兩倍，典型值為工具長度的至少3倍。
在本發(fā)明的一個實施例中，工具的幾何形狀是事先已知的。在另外一個實施 例中，它的幾何形狀是在成4象過程中確定的。盡管在以上描述的實施例中，工具 的遠端部分被部分地隱藏，本發(fā)明也適合在整個手術過程中工具遠端部分可見的 應用。在這樣的實施例中，對工具遠端的定位可以選擇由視頻圖像直接確定。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施例中，圖像顯示在計算機屏幕上。在本發(fā)明的另 一個實施例中，使用護目鏡顯示，可以實現(xiàn)三維顯示，給出深度的感覺。在一些 實施例中，基于對工具相對人體的相對位置和角度，人體的虛擬3D圖像可以從 3D掃描數(shù)據中產生并在計算機顯示器上顯示，顯示出工具在人體內部器官內的 路徑。
如前所述，顯示的內容優(yōu)選包括對目標位置的表示，和當前尖端沿著遠端的 指示方向在平面投影的表示，該平面包括目標并完全垂直于指示方向。該平面用 來投影，可以實際上就是包含目標并垂直于照相機光學軸的平面，但是由于偏斜 典型地相對較小，兩個投影平面都被認為是在術語"完全垂直于指向"的范圍內。
除目標位置和當前尖端的投影之外，其它各種項目也優(yōu)選顯示在顯示器上以 便于對針對目標的工具的導航。依照第一個特別優(yōu)選的選擇，對目標位置和當前 尖端投影的圖像表示是覆蓋從照相機得到的圖像上而顯示的。我們可以發(fā)現(xiàn)這樣 對使用者保持他的或她的空間方向很有幫助?；蛘?，視覺指示可以顯示成與每個 基準點相關聯(lián)，指示圖像中對應的基準點正在被成功地跟蹤。其它可以視需要而 選擇顯示的項目包括遠端到目標的距離指示，如以mm表示的數(shù)字形式，及對當 前尖端位置的表示。
一個將針向選中目標導航的過程實例如圖7到10所示?？账芰虾凶鳛槿梭w，目標用膠粘在盒子底部，坐標貼紙粘在它的蓋子上。首先，人體(盒子)被CT 掃描器掃描。掃描的數(shù)據送到計算機程序。利用程序，基準點的位置(圖7a) 及目標的位置(圖7b)被標注。小型照相機通過簡單的適配器固定在針上，如 圖8的例中所示。往往照相機的鏡頭會造成圖像的失真，如圖9a所示，因而需 要^t正，如圖9b所示。圖10a到圖10d顯示了系統(tǒng)的導4充屏幕。信息顯示在來 自照相機原始圖像1300的上方。坐標貼紙1330包括8個印好的標識，4個綠色 標識1310和4個藍色標識1314。對原色的使用方便了圖像處理中對標識的分辨， 至少對于醫(yī)學應用，紅色優(yōu)選不^f吏用，以避免因為在視野中有血的存在而造成 混淆。如前所述，可以使用其它類型的光學可識別標識。藍色標識在有綠色標志 范圍的更大空間中間隔更緊湊。針軸1120-波顯示出穿過坐標貼紙iiTv預先確定 的洞1320。在圖10a中，針是不能彎曲的，因此它的軸1322與針的軸1120是 一致的。目標1302由兩個著色的同心圓盤表示，藍色的外部圓環(huán)校正成顯示直 徑10mm的圓盤，作為在目標計劃階段的測量，內部的綠色圓盤，是直徑5腿的 圓盤，二者都以目標為圓心。針的尖端和目標之間的距離也顯示在文^匡1322 中。
將針對準其中一個目標，如圖10b所示，自動選擇這個目標，通過將綠色改 變成黃色加以指示。在引導中，系統(tǒng)確定針軸的偏斜。圖10c顯示了軸1120發(fā) 生偏斜的情況。因為偏斜，針1322的預測路徑(用虛線顯示)與軸的圖像不一 致。十字線1301優(yōu)選以距離決定的尺寸顯示，因而提供了有深度的感覺；當尖 端到目標的距離減小時，十字線的尺寸增加(反之亦然)。將針推進到人體中減 少了照相機和坐標貼紙間的距離，即減少了視野中貼紙覆蓋的面積。因而，如圖 10d中所示，綠色標識消失在照相機視野之外，僅留下藍色標識來引導工具。當 針的尖端到達目標平面，十字改變成星形刻線(1341，如圖10d所示)，警告不 再需要進一步的前進。
在估計針的偏斜時，也可以采用不同于上述光學跟蹤的其它跟蹤技術，基于 實際進入點和理論的非偏斜進入點的差別的計算方面典型地具有相似的積無念途 徑。這樣的技術包括但不僅限于，在工具的近部嵌入定位傳感器，并在臨近工具ii7vA體的實際ii7v點處嵌入另外一個定位傳感器。另外一種方法是通過掃描沿 著人體外的針軸的坐標并從那里預測人體內的路徑，預測體外的偏斜。這樣的掃 描過程可以通過諸如光學實體鏡掃描器之類的掃描器完成。
在預測針在人體內的路徑時，CT數(shù)據可以被用來評估一些組織的初^成^fL 如沿著預測路徑的撓性和密度，從而用它來預測針的偏斜。
近來，出現(xiàn)了用來進行介入過程的CT焚光透視法。在這些掃描器內，切片 圖像持續(xù)產生，使它可以像實時X射線熒光透視成像設備那樣使用。本發(fā)明的系 統(tǒng)在CT熒光透禍/鏡上引導工具到達目標方面具有許多優(yōu)點。首先，它允許對工 具的持續(xù)的實時導航而不使用有害的X射線輻射。另外，它還可以對工具進行任 何方向的導航，也包含與CT切片垂直的方向，與強制要求使用者在單個CT切片 上作出全部路徑的CT焚光透視鏡相反。
這種系統(tǒng)或方法允許從患者身體任何要求的側面對工具進行導航，而與方向 無關，甚至允許導浙/AA體的下部向上進行，應當認為這些對于任何特定的過程 都是有利的。
由于透鏡引起的失真優(yōu)選經過多項式校正，是現(xiàn)有技術中已知的。每個鏡頭 有單獨的失真，要分別進行校正。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，這些多項式作 為裝配在照相機的一部分而存儲在內存中，或者由與照相才M目配的數(shù)據存儲媒介 單獨提供。由于安裝托架或類似的東西存在制造誤差，會造成照相^4目對于工具 的排列發(fā)生一些變化，這些校正優(yōu)選還包含對由此引起的變化進行的刻度校正。 當照相機連接到系統(tǒng)時，多項式就被讀取并送到算法單元，在那里從照相機得到 的圖像通過這些多項式進行單獨的校正。
需要認識到的是，以上的描述僅僅是為了說明實例，而在可能在本發(fā)明范圍 內的任何其它實施例將在所附的權利要求中加以界定。
權利要求
1. 一種在至少5個自由度上對手持工具相對于人體的位置進行測量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括(a)剛性或半柔性工具，具有用來插入所述人體的遠端，和用于在所述人體外進行手動操作的近部；(b)用來產生圖像的照相機；(c)所述照相機與所述工具之間的機械連接，使得(i)所述照相機與所述工具的所述近部一起移動，和(ii)所述照相機被控制為具有包含至少一部分所述工具的所述遠端的視野；和(d)與所述照相機進行數(shù)據通訊的處理系統(tǒng)，被設定為處理來自所述照相機的圖像用以確定至少一部分所述工具的位置。
2. 如權利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括標識布置，應用在所i^A體的外表面， 提供多個基準點，所述的處理系統(tǒng)確定相對于所述基準點的所述位置。
3. 如權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述標識布置用具有所述多個基準點的單獨的 片來實現(xiàn)。
4. 如權利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述多個基準點包括至少一組4個基準點，其 中所述片設定為保持所述一組4個基準點在一個共有平面上。
5. 如權利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述片包括多個標識，設定為可以被非光學成 像系統(tǒng)容易地檢測到。
6. 如權利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述標識與在所述片上的所述基準點一致。
7. 如權利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述片設定為畫出所述工具的所述遠端ii^v所 ie!A體時的穿透點。
8. 如權利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述多個基準點包括第一基準點組和第二基準 點組，第二基準點組與所述第一基準點組光學地可區(qū)別，所述第一基準點組在空 間上比所述第二基準點組更靠近。
9. 如權利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述處理系統(tǒng)進一步設定為得到所述工具的所述遠端的當前尖端位置，所述得到包括計算所述工具的彎曲的估計，并使用所述 彎曲的估計來確定所述當前尖端位置。
10. 如權利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述照相機及至少一部分所述處理系統(tǒng)在公 共的處理器芯片上實現(xiàn)。
11. 一種方法，用于引導剛性或半柔性工具的遠端到人體內的目標，所述工具具 有用于在所i^A體外進行手動操作的近部，方法包括以下步驟(a )確定定義在所iiA體外表面的多個光學可分辨的基準參考點和目標之間的 空間關系；(b) 提供與工具的近部機械連接的照相機；和(c) 在將工具插入所iiA體時(i)從照相機獲得包括多個所述基準點的所iiA體的外表面的圖像， (ii )從所述圖像中的所述基準點的位置得到當前尖端與交叉點相對應的投 影，該交叉點為從所述工具的所述遠端出發(fā)，沿著工具遠端指向的延長線和一平 面的交點，該平面包含所述目標，并與工具遠端的指向垂直，和(iii)顯示代表至少所述目標和所述當前尖端的沖殳影的位置的圖形。
12. 如權利要求11所述的方法，其中在所iiA體的所述外表面的所述多個基準點 通過在人體外表面應用標識布置來定義。
13. 如權利要求12所述的方法，其中所述標識布置用具有所述多個基準點的單獨 的片來實現(xiàn)。
14. 如權利要求13所述的方法，其中所述多個基準點包括至少一組4個基準點， 其中所述片設定為保持所述一組4個基準點在一個共有平面上。
15. 如權利要求13所述的方法，其中所述基準參考點和所述目標的空間關系是由 非光學成像系統(tǒng)來確定的，其中所述片包括多個標識，設定為可以被所述非光學 成像系統(tǒng)容易地檢測到。
16. 如權利要求15所述的方法，其中所述標識與在所述片上的所述基準點一致。
17. 如權利要求13所述的方法，其中所述工具插入所iiA體是通過穿過所述片而 實現(xiàn)的。
18. 如權利要求17所述的方法，其中所述片設定為畫出所述工具的所述遠端進入所i^A體時的穿透點。
19. 如權利要求17所述的方法，其中所述工具的所述遠端ii7v所iiA體的穿透點 是在進行所述方法時，通it^"所述照相機的圖像進行處理得出的。
20. 如權利要求17所述的方法，其中所述多個基準點包括第一基準點組和第二基 準點組，第一基準點組包含第一光學可分辨標識，第二基準點組包含第二光學可 分辨標識，所述第二光學可分辨標識與所述第 一光學可分辨標識光學地可區(qū)分， 所述第一基準點組距離所述穿透點比所述第二基準點組近。
21.如權利要求11所述的方法，其中該非光學成像系統(tǒng)是計算機X-射線斷層掃 描系統(tǒng)。
22. 如權利要求11所述的方法，其中該非光學成像系統(tǒng)為磁共振成像系統(tǒng)。
23. 如權利要求11所述的方法，其中該非光學成像系統(tǒng)為熒光鏡，所述基準參考 點與目標的空間關系由從至少兩個不平行的觀察方向得到的圖像來確定。
24. 如權利要求11所述的方法，其中該工具有沿著伸長方向的延長體，其中所述 照相枳4幾械連接到該工具的該近部，因此靠近該延長體，具有包括伸長方向的視 野。
25. 如權利要求ll所述的方法，進一步包括，在該工具插入該人體之前，完成對 長度的校正過程，包括(a)將所述工具的所述遠端對著參考點接觸，該參考點在與所述基準點具有一 定空間關系的位置； (b )得到當前照相機的位置；和(c)從所述當前照相才幾的位置和所述參考點的位置，得到所述遠端和該照相機 的3巨離。
26. 如權利要求11所述的方法，進一步包括得到工具遠端的當前尖端的位置，所 述得到包括從所述當前照相機位置和工具進7vA體的穿透點的位置的結合來計 算，估計工具的彎曲，利用所述對彎曲的估計確定所述當前尖端的位置。
27. 如權利要求11所述的方法，其中所述圖形是覆蓋顯示在從照相機得到的圖像 的上面的。
28. 如權利要求27所述的方法，其中所述圖形進一步包括與每個基準點相關聯(lián)的可視指示，指示圖像中對應的基準點正在被成功地跟蹤。
29. 如權利要求11所述的方法，其中所述圖形進一步包括從該遠端到目標的距離 指示。
30. 如權利要求11所述的方法，其中所述圖形進一步包括當前尖端位置的表示。
31. 引導半柔性工具的遠端到人體內的目標的方法，所述工具具有用于在所i4A 體外進行手動操:作的近部，方法包括以下步驟(a )利用位置5艮蹤系統(tǒng)監(jiān)控該工具近部的當前位置；(b) 確定工具進入人體的穿透位置；(c )從所述工具的近部的當前位置和所述穿透位置得到對該工具彎曲的估計， 從而得到在身體內部的工具遠端的當前尖端位置；和 (d)顯示圖形，至少表示(i) 目標的位置，和(ii) 交叉點，即從所述工具的所述遠端出發(fā)，沿著工具遠端指向的延長線 和一平面的交點，該平面包含所述目標，并與遠端的指向垂直。
32. —種片，附著至人體皮膚，與光學引導系統(tǒng)一起，引導剛性或半柔性工具的 遠端到人體內的目標，所述工具具有用于在所i^A體外進行手動操作的近部，該 片包括(a)下表面用來臨時粘貼到皮膚上；(b )上表面提供一組至少4個光學可分辨基準點；(c) 具有多個對比度產生特征，用來在非光學成像系統(tǒng)的操作下提供高對比度 點，使非光學成像系統(tǒng)對該片進行定位；和(d) 插入裝置，用來所述工具的所述遠端進入所i^A體時的穿透點。
33. 如權利要求32所述的片，其中所述對比度產生特征以射線屏蔽特征而實現(xiàn)。
34. 如權利要求33所述的片，其中所述射線屏蔽特征是通過將射線屏蔽物質加入 模具來實現(xiàn)的，該模具用來形成所述基準點。
全文摘要
一種能在6個自由度上測量手持工具(100)相對于人體的位置的系統(tǒng)，通過將照相機(115)機械連接在工具上，照相機在近部與工具一起移動，從而具有了包含工具遠端(122)的視野。
文檔編號G06K9/00GK101536013SQ200780011933
公開日2009年9月16日 申請日期2007年3月29日 優(yōu)先權日2006年3月30日
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