用于确定所跟踪的椎骨的姿态的技术的制作方法

1.本公开总体上涉及手术跟踪领域。具体地，呈现了一种确定所跟踪的椎骨的姿态的计算机实现的方法。还呈现了被配置成执行该方法的计算机程序产品和数据处理系统，以及用于确定姿态的跟踪系统。

背景技术：

2.不同的手术跟踪技术用于辅助外科医生或控制手术机器人的操作。例如，患者的医学图像数据可以被可视化在显示器上，并且与由跟踪系统跟踪的手持式手术工具的模型、位置或轨迹重叠。作为另一示例，可以相对于所跟踪的骨结构(诸如，椎骨)来导航保持手术工具的机器人的臂。
3.特别是在脊柱手术领域中，要求以高精确度执行跟踪和导航操作，因为任何手术错误可能导致损坏脊髓。在一些脊柱介入中，例如，通过附接到患者的跟踪器来便于椎弓根螺钉的放置。跟踪器的图像数据经由手术室中的相机获取，并且与经由(例如，手术前的)医学成像程序(诸如，计算机断层扫描(ct))获取的脊柱的图像数据配准。所导航的螺钉放置的准确性通常随着手术部位远离跟踪器而降低。准确性的这种降低是由在初始配准之后例如由于患者呼吸或由于螺钉放置本身所导致的解剖结构在手术期间的移动和变化所引起的。为了减少患者的移动，在脊柱手术期间通常降低患者的呼吸频率。然而，这种方法可能使患者面临健康风险。
4.已知用于在脊柱手术期间补偿解剖结构的移动和变化的不同方法。例如，可以重复地执行配准。而且，最初附接到特定椎骨的跟踪器可以被重新定位并且重新配准到外科医生当前正在手术的另一椎骨。可选地，如ep3369394a中所公开的，可以利用具有监测标记物的骨针来监测跟踪器与监测标记物之间的距离的变化，从而指示移动并且因此需要重新配准。重复的配准是耗时的并且导致了长时间的手术。
5.us2019/0029765a公开了提供具有两个可成像标记物的椎弓根螺钉，这使得在螺钉放置期间容易计算螺钉轨迹，以及在椎骨中放置至少两个椎弓根螺钉、或者放置椎弓根螺钉和具有一个可成像标记物的销之后，跟踪椎骨。
6.us10,485,617b公开了将具有四个可成像标记物的跟踪阵列附接到椎骨的棘突。由于它们各自的尺寸原因，如果将多个这种跟踪阵列附接到多个相邻椎骨中的每一个，则将阻碍椎骨通路。

技术实现要素：

7.需要一种有效地确定两个所跟踪的椎骨的姿态的技术。
8.根据第一方面，提供了一种当将以5个自由度(dof)可跟踪的第一跟踪器附接到第一椎骨，并且将以5个dof可跟踪的第二跟踪器附接到第二椎骨时，确定患者的至少两个椎骨的姿态的计算机实现的方法。以6个dof将跟踪坐标系与图像坐标系配准，该图像坐标系与由医学成像系统拍摄的并且指示第一椎骨和第二椎骨的第一图像数据相关联。该方法包
括：接收手术中跟踪数据，根据该手术中跟踪数据以5个dof确定第一跟踪器和第二跟踪器的跟踪器姿态，并且根据该跟踪器姿态并且基于跟踪坐标系与图像坐标系的配准，以5个dof确定第一椎骨和第二椎骨的姿态。
9.第一图像数据可以已经在手术前获取或者在手术中获取。医学成像系统可以是任何合适的成像装置，例如x射线扫描仪、磁共振成像(mri)扫描仪或ct扫描仪。第二图像数据可以在手术中获取。
10.在一些变型中，5dof跟踪提供了各个椎骨的跟踪准确性(不包括第6dof)与跟踪器尺寸或手术障碍物(每个椎骨只有一个具有两个可成像标记物的跟踪器)之间的可接受的折衷。第一跟踪器和第二跟踪器中的每一个都可以包括细长主体，并且跟踪器姿态的5个dof可以不包括与第一跟踪器和第二跟踪器相对于由各个跟踪器的细长主体所限定的旋转轴的各自旋转有关的dof。
11.根据第一实现方法，第一跟踪器和第二跟踪器中的至少一个是电磁跟踪器。在这种实现方法中，手术中跟踪数据可以包括来自能够处理(一个或多个)电磁跟踪器的输出信号的装置的数据。一个或多个电磁跟踪器中的每一个可以特别地包括以5个dof可跟踪的单个线圈。每个电磁跟踪器可以连接到各自的电磁传感器。待由(一个或多个)电磁跟踪器感测的电磁场的源在跟踪坐标系中的位置可以是已知的。
12.根据第二实现方法(其可以与第一实现方法组合)，第一跟踪器和第二跟踪器中的至少一个包括两个可成像标记物，该两个可成像标记物附接到细长主体并且沿着细长主体的长度彼此间隔开。特别地，可以以光学的方式来跟踪可成像标记物。手术中跟踪数据可以包括由跟踪系统的相机拍摄的并且指示第一跟踪器和第二跟踪器的成像标记物的第二图像数据。
13.如本文所理解的，可成像标记物是在图像数据中可检测的标记物。成像标记物可以在已使用基于光学、磁性或x射线的成像技术获取的图像数据中可检测。
14.根据一个实现方式，第一跟踪器和第二跟踪器中的每一个的各自的两个标记物具有相同的相互布置，使得第一跟踪器和第二跟踪器无法仅通过成像标记物而在图像数据中区分。成像标记物可以全部具有相同的形状，例如球形、立方体或金字塔形状。标记物可以是有源或无源标记物。有源标记物可以被配置成生成和发射电磁辐射，并且无源标记物可以被配置成反射电磁辐射。
15.根据另一实现方法，第一跟踪器和第二跟踪器的各自的两个标记物沿着细长主体的长度之间的距离是不同的。因此，可以基于各自的两个标记物沿着各自的跟踪器的细长主体的长度之间的距离(例如，通过跟踪系统)来识别各自的跟踪器。
16.根据又一实现方法，第一跟踪器和第二跟踪器中的至少一个可以包括凹口。该凹口可以被配置成接收螺钉(例如，椎弓根螺钉)的尖部。该方法可以进一步包括，基于接收螺钉的尖部的第一跟踪器或第二跟踪器的成像标记物中的一个与附接到保持螺钉的仪器的至少一个成像标记物之间的距离，来确定螺钉的长度。
17.将跟踪坐标系与图像坐标系配准可以包括6dof配准，该6dof配准基于使用具有用于配准的固定空间关系的(至少)三个可成像标记物。跟踪坐标系可以属于还包括第一跟踪器和第二跟踪器的跟踪系统。当将跟踪坐标系与图像坐标系配准时，或者在单独的配准步骤中，可以在与每一个跟踪器相关联的专用跟踪器坐标系和与第一图像数据中的每个所跟
踪的椎骨的图像数据段相关联的专用图像数据段坐标系之间执行5dof配准。
18.根据一个实现方法，该方法可以包括定义虚拟6dof跟踪器，该虚拟6dof跟踪器包括第一跟踪器和第二跟踪器的在由跟踪系统的相机拍摄的第三图像数据中成像的可成像标记物中的至少三个。可以使用虚拟6dof跟踪器的在第三图像数据中成像的至少三个可成像标记物，来将跟踪坐标系与图像坐标系配准。跟踪坐标系与图像坐标系的配准可以包括一个或多个转换(一个或多个平移和/或一个或多个旋转)，并且可以是用于确定椎骨的姿态的一系列多个已知的转换的一部分。可以在手术中获取第三图像数据。
19.根据另一实现方法，提供了与患者具有固定关系(例如，已经附接到特定椎骨)的6dof参考跟踪器。6dof跟踪器可以包括在由跟踪系统的相机拍摄的第四图像数据中成像的至少三个可成像标记物。可以使用6dof参考跟踪器的在第四图像数据中成像的至少三个可成像标记物，来将跟踪坐标系与图像坐标系配准。可以在手术中获取第四图像数据。6dof参考跟踪器可以是包括四个可成像标记物的跟踪器。
20.所述方法可以进一步包括：确定第一跟踪器和第二跟踪器中的至少一个的姿态相对于参考跟踪器的姿态的变化。这种变化一旦被确定就可以以不同的方式应用(例如，对外科医生可视化、触发新的配准程序等)。
21.根据一个实现方法，以5个dof确定第一跟踪器和第二跟踪器中的至少一个在跟踪坐标系中的姿态。以5个dof确定第一跟踪器和第二跟踪器中的至少一个在跟踪坐标系中的姿态可以基于已经拍摄了第二图像数据的相机的已知位置。
22.该方法可以进一步包括，确定第一跟踪器的姿态相对于第二跟踪器的姿态的变化。这种变化一旦被确定就可以以不同的方式应用(例如，对外科医生可视化、触发新的配准程序等)。
23.第一跟踪器和第二跟踪器可以各自包括以光学的方式(特别是以视觉的方式)可检测的识别特征。第一跟踪器和第二跟踪器的识别特征可以彼此区分。该方法可以进一步包括基于第一跟踪器和第二跟踪器的识别特征来识别(例如，通过跟踪系统)第一跟踪器和第二跟踪器中的至少一个。
24.识别特征可以包括第一跟踪器和第二跟踪器的以光学的方式可检测的表面特征，特别是各自的细长主体的以光学的方式可检测的表面特征。以光学的方式可检测的表面特征可以包括不同颜和/或不同图案(例如，红、蓝、绿、黄、和/或条纹或点)。而且，可以同时使用多个可区分特征以进一步便于跟踪器识别。识别特征可以用于便于自动地或由外科医生快速且容易地识别各个跟踪器。因此，可以减少外科医生的认知负荷。在一些变型中，可以防止由于特定跟踪器的错误识别而导致的错误。
25.第一跟踪器和第二跟踪器中的至少一个可以包括附接构件。附接构件可以被配置成将各个跟踪器附接到椎骨或椎骨植入物(诸如，椎弓根螺钉)。附接构件可以被配置成安装在椎骨中的一个的棘突处或棘突中。另外地或以替代方式，附接构件可以包括具有与细长主体的延伸部共线的延伸部的夹具或螺钉。跟踪器附接可以在准备后续导航程序(例如，放置椎弓根螺钉)时完成。
26.该方法还可以包括，基于以5个dof确定的第一椎骨和第二椎骨的姿态来定义被配置成引导手术工具的轨迹(例如，在椎弓根螺钉放置期间沿轨迹引导螺钉驱动工具)。相对于第一椎骨和第二椎骨的轨迹可以被可视化给外科医生。
27.可以实时地接收和处理在该方法期间接收的第二图像数据。因此，该方法可以实现对具有附接到其的第一跟踪器和第二跟踪器中的一个的椎骨的动态跟踪。
28.该方法可以包括使所确定的第一椎骨和第二椎骨的姿态可视化。可视化可以包括：获得包括第一椎骨的第一图像数据段和包括第二椎骨的第二图像数据段，并且基于以5个dof所确定的第一椎骨和第二椎骨的姿态，来相对于第二图像数据段布置第一图像数据段。可以将图像段覆盖在手术中获取(例如，使用锥形束ct技术、mri或超声获取)的医学图像数据上。可视化可以在显示装置上实时执行。
29.还提供了一种计算机程序产品。该计算机程序产品包括被配置成当在一个或多个处理器上执行计算机程序产品时执行本文所呈现的方法的步骤的指令。
30.还提供了一种数据处理系统。该数据处理程序包括被配置成执行用于本文所呈现的方法的任何实现的方法步骤的处理器。
31.根据其他方面，提供了用于确定患者的至少两个椎骨的姿态的跟踪器系统。该系统包括可附接到第一椎骨的第一跟踪器和可附接到第二椎骨的第二跟踪器。第一跟踪器和第二跟踪器各自包括细长主体和两个可成像标记物，该两个可成像标记物附接到细长主体并且沿着细长主体的长度彼此间隔开。第一跟踪器和第二跟踪器中的每一个的各自的两个标记物具有相同的相互布置，使得第一跟踪器和第二跟踪器无法仅通过成像标记物而在图像数据中区分。第一跟踪器和第二跟踪器各自包括以光学的方式可检测的识别特征。第一跟踪器和第二跟踪器的以光学的方式可检测的识别特征彼此以光学的方式可区分。
32.根据一个实现方法，跟踪器系统可以包括可附接到患者的参考跟踪器。参考跟踪器可以包括至少三个可成像标记物。
附图说明
33.下面参考附图描述本文所呈现的计算机实现的方法和系统的其他特征和优点。
34.图1a示出了用于确定患者的多个椎骨的姿态的跟踪器系统的示意图；
35.图1b示出了可用于图1a的系统中的光学跟踪器的示意图；
36.图1c示出了可用于图1a的系统中的另一光学跟踪器的示意图；
37.图1d示出了附接到椎骨的电磁跟踪器的示意图；
38.图2示出了用于确定患者的多个椎骨的姿态的另一跟踪器系统的示意图；
39.图3示出了用于可视化患者的多个椎骨的姿态的示例性跟踪系统的示意图；
40.图4示出了确定患者的两个椎骨的姿态的方法的流程图；
41.图5a-5c示出了在图4的方法的背景下使用的图像数据处理的示意图；
42.图6示出了根据图4的方法的第一实现方式的用于确定跟踪器姿态和椎骨姿态的一系列坐标转换的示意图；
43.图7示出了根据图4中所示的方法的第二实现方式的用于确定跟踪器姿态和椎骨姿态的一系列坐标转换的示意图；
44.图8a示出了两个椎骨的所跟踪的姿态在显示装置上的可视化的示意图；以及
45.图8b示出了图8a所示的具有单独适配的姿态的两个椎骨的可视化的示意图。
具体实施方式
46.在下文的描述中，旨在进行解释而非限制的目的，阐述了具体细节以便提供对本公开的透彻理解。将对本领域技术人员显而易见的是，可以在脱离这些具体细节的其他实施例中实践本公开。
47.相同的附图标记用于表示相同或相似的部件。
48.图1a示出了用于确定患者的多个椎骨的姿态的跟踪器系统100的示意图。跟踪器系统100包括附接到第一椎骨210的第一跟踪器200。第一跟踪器200包括细长主体220和两个可成像标记物230，所述两个可成像标记物230附接到细长主体220并且沿着细长主体220的长度彼此间隔开。跟踪器系统100还包括附接到第二椎骨310的第二跟踪器300。类似于第一跟踪器200，第二跟踪器300包括细长主体320和两个可成像标记物330，所述两个可成像标记物330附接到细长主体320并且沿着细长主体320的长度彼此间隔开。第一跟踪器200和第二跟踪器300中的每一个都被配置成以5个dof进行跟踪。
49.细长主体220、320是棒状或条状的，并且具有例如圆形或椭圆形横截面。标记物230、330是球形的并且对称地位于细长主体220、230上。换言之，细长主体220、230延伸穿过球形标记物230、330的相对极。标记物230、330具有相同的直径和相同的表面特征。在一些变型中，标记物230、330被配置成反射由包括跟踪器系统100的跟踪系统使用的(例如，在红外光谱或可见光谱内的)电磁辐射。换言之，标记物230、330可以是无源装置。
50.第一跟踪器200和第二跟踪器300中的每一个的相应的两个标记物230、330具有相同的相互布置。例如，它们具有沿着各自的细长主体220、230的彼此相同的距离。因此，第一跟踪器200和第二跟踪器300无法仅通过成像标记物230、330来在图像数据中区分。这种标记物布置确保了每个跟踪器200、300具有相同(例如，光学)性质。此外，每个跟踪器200、300可以容易地由另一相同的跟踪器替换。
51.为了仍然能够将第一跟踪器200和第二跟踪器300彼此区分，第一跟踪器200和第二跟踪器300中的每一个都包括以光学的方式可检测的识别特征240、340。这些识别特征240、340以光学的方式是彼此可区分的。图1a中示出的以光学的方式可检测的识别特征240、340在第一跟踪器200和第二跟踪器300的细长主体220、230中具有不同的颜(例如，红和蓝)。在其他变型(未示出)中，以光学的方式可检测的识别特征240、340可以附加地或替代地包括以光学的方式可区分的图案，例如细长主体220、320上的不同条纹或点。因此，第一跟踪器200和第二跟踪器300可以通过确定它们的各自的以光学的方式可检测的识别特征240、340，来在图像数据中进行区分。
52.在其他实现中，跟踪器200、300的各自的两个标记物230、330具有用于第一跟踪器200和第二跟踪器300中的每一个的不同的相互布置，该不同的相互布置作为不同的以光学的方式可检测的识别特征240、340。例如，它们具有沿着各自的细长主体220、230的彼此不同的距离。因此，第一跟踪器200和第二跟踪器300可以通过确定成像标记物230、330之间的距离来在图像数据中进行区分。
53.图1a中所示的跟踪器系统100还包括与第一跟踪器200和第二跟踪器300类似地构建的可选的第三跟踪器400(即，第三跟踪器400具有细长主体420和附接到细长主体420的两个标记物430)。第三跟踪器400附接到第三椎骨410。第三跟踪器400设置有以光学的方式可检测的识别特征440，该以光学的方式可检测的识别特征440不同于第一跟踪器200和第
二跟踪器300的以光学的方式可检测的识别特征240、340。
54.系统100所包括的跟踪器200、300、400的数量可以取决于手术需要和外科医生的偏好。通常，一个跟踪器200、300、400附接到一个椎骨210、310、410，使得跟踪器200、300、400的数量也可以取决于在脊柱介入期间待的椎骨210、310、410的数量。在一些变型中，两个或更多个跟踪器200、300、400可以附接到单个椎骨。
55.图1b示出了图1a的系统中的三个跟踪器200、300、400的示意图。跟踪器200、300、400中的每一个都包括在其纵向端部中的一个端部处的附接构件250、350、450。附接构件250、350、450被配置为骨螺钉。螺钉250、350、450中的每一个的纵向延伸部都与各自的细长主体220、320、420的纵向延伸部共线。骨螺钉250、350、450中的每一个都被配置成安装在相关联的椎骨210、310、410的棘突中(参见图1a)。在其他(未示出的)变型中，附接构件250、350、450可以是骨夹具，而不是骨螺钉。使用夹具250、350、450代替螺钉250、350、450可以减少将跟踪器200、300、400附接到椎骨210、310、410所需的时间。
56.图1c示出了另一跟踪器实现的示意图。除了上述特征之外或作为上述特征的替代，所示的跟踪器400包括在细长主体420的与细长主体420的具有附接构件450的端部相对的纵向端部处的凹口460。凹口460被配置成接收由工具500保持的螺钉(例如，椎弓根螺钉)的尖部。工具500可以包括一个或多个以光学的方式可检测的标记物(例如，布置在可拆卸的跟踪器上，未示出)，使得具有凹口460的跟踪器400的标记物中的一个与工具500的一个或多个标记物之间的距离可以由跟踪系统确定。以这种方式，提供了用于验证由工具500保持的螺钉的长度的快速且简单的方式。
57.图1d示出了附接到椎骨210、310、410的三个电磁跟踪器510、520、530的示意图。所示的跟踪器510、520、530中的每一个都包括具有单个线圈(未示出)的细长主体，该单个线圈能够感测电磁场。当电磁跟踪器510、520、530中的一个在电磁场内移动时，会感应电流。所感应的电流的幅值取决于各自的线圈与电磁场的源(即，电磁场发生器，图1d中未示出)的相对姿态。
58.图2示出了用于确定患者的多个椎骨的姿态的跟踪器系统100的另一实现方法的示意图。图2中的跟踪器系统100与图1a中所示的系统的不同之处在于，另外地包括附接到患者的骨盆或患者的任何椎骨的参考跟踪器600。参考跟踪器600包括可以以6个dof跟踪的四个成像标记物630。在其它实施例(未示出)中，参考跟踪器包括三个或多于四个的可成像标记物630。参考跟踪器600的可成像标记物630可以具有与(包括两个可成像标记物230、330、430的)跟踪器200、300、400的可成像标记物230、330、430相同或不同的配置(例如，形状)。
59.图3示出了用于以5个dof跟踪患者的至少两个椎骨的姿态的跟踪系统700的示意图。跟踪系统700包括如参考图2所讨论的跟踪器系统100，但是可以替代地包括图1a的跟踪器系统100，而不包括参考跟踪器600或任何其他跟踪器系统。
60.跟踪系统700还包括用于对跟踪器200、300、400、600的可成像标记物230、330、430、630成像的相机710。相机710被配置成生成指示可成像标记物230、330、430、630的图像数据。图像数据可以被生成为图像数据帧流(例如，以200hz和2khz之间的帧速率)。成像标记物230、330、430、630是在图像数据中可检测的(例如，通过图像处理算法)。在一些变型中，相机710是立体相机。
61.虽然图3中未示出，但是跟踪系统700可以包括(例如，在红外光谱内的)电磁辐射的源，该电磁辐射的源使手术部位充满电磁辐射。所发射的电磁辐射被成像标记物230、330、430、630反射，以用于通过相机710进行检测。在所有跟踪器200、300、400、600被配置为有源装置(例如，将可成像跟踪器配置为发光二极管)的情况下，可以省略电磁辐射的源。
62.替代地或除了包括可成像标记物230、330、430、630的跟踪器200、300、400、600中的一个或多个之外，可以使用如图1d所示的一个或多个电磁跟踪器510、520、530(未示出)。在这种情况下，场发生器(未示出)在手术部位处局部地产生电磁辐射场。电磁跟踪器510、520、530中的每一个的移动会在其相关联的线圈中感应出电流，该电流取决于线圈与电磁辐射的源的相对姿态。电磁辐射的源可以具有相对于跟踪系统700的相机710的已知位置。所感应的电流由装置715测量，跟踪器线圈经由专用电缆而连接到装置715。装置715(有时电称为“em盒”)能够测量所感应的电流，并且根据需要处理测量结果以在手术中生成输出数据。
63.跟踪系统700还包括数据处理系统720，数据处理系统720被配置成接收和处理来自相机710的图像数据和来自装置715的输出数据中的至少一个。数据处理系统720包括被配置成执行本公开的任何方法实现的步骤的处理器722(例如，如图4中所示的并且在下文中关于图4至7进行详细讨论)。数据处理系统720存储包括被配置成控制处理器722的操作的指令的计算机程序产品(未示出)。在一些变型中，数据处理系统720从云计算资源构建。在其他变型中，数据处理系统720物理地位于手术室中。
64.跟踪系统700还包括显示装置730，该显示装置730被配置成从数据处理系统720接收经处理的图像数据，并且使所接收的图像数据可视化(例如，如图8a中所示)。显示装置730位于外科医生(未示出)的视野中。可视化会实时发生。在一些变型中，可视化有助于外科医生相对于患者的椎骨中的一个来导航手术工具。在这种变型中，跟踪系统700提供导航辅助。
65.在本公开的一些变型中，数据处理系统720被配置成基于从相机710接收的图像数据来生成用于手术机器人(未示出)的控制数据。控制数据被配置成控制附接到手术机器人的臂的手术工具的移动。在这种变型中，手术机器人可以自主地导航手术工具，或者选择性地由外科医生约束手术工具的移动。
66.图4示出了当第一跟踪器200附接到第一椎骨210并且第二跟踪器300附接到第二椎骨310时确定患者的两个椎骨210、310的姿态的方法的流程图800。该方法可以由数据处理系统720执行，特别是由处理器722执行，并且将参考图5a至图5c以及图6至图8进行解释。图5a至图5c示出了有益于提供手术导航辅助的示例性图像处理技术。图6示出了不依赖于参考跟踪器600的根据本公开的第一实施方式的坐标转换(参见图1a)，而图7示出了使用参考跟踪器600的根据本公开的第二实施方式的坐标转换(参见图2和图3)。图8a示出了示例性外科导航程序。
67.在图4所示的可选的准备步骤810中，将与跟踪系统700相关联的(并且例如，位于相机710的中心处的)跟踪坐标系(cos_track)和与(第一)图像数据相关联的图像坐标系(cos_image)配准，该(第一)图像数据由医学成像系统(未示出)拍摄并且指示第一椎骨210和第二椎骨310。以6个dof完成这种配准。图像数据可以使用具有相对高分辨率的医学成像技术(诸如，ct或mri)在手术前已经获取或者在手术中已经获取。作为示例，图5a示出了患
者的一些椎骨的三维ct图像数据的示意性可视化。
68.在步骤810中的cos_track与cos_image的6dof配准涉及坐标系(cos_6d，参见图5和图6)，该坐标系与彼此具有空间固定关系的至少三个可成像标记物(例如，图1a和图2中的跟踪器200、300、400、600的多个可成像标记物230、330、430、630中的至少三个)相关联。术语cos_6d是指至少三个可成像标记物(至少是暂时的并且为了配准的目的)在被组合时是可被跟踪系统700以6个dof跟踪的事实。坐标系cos_6d可以与由相机710拍摄的图像数据相关联，并且指示彼此具有空间固定关系的至少三个可成像标记物。
69.当涉及坐标系cos_6d时，配准步骤810包括两个子步骤(未示出)。第一子步骤包括确定用于将坐标从cos_track转换到cos_6d的转换t2(如图6和图7所示)。第二子步骤包括确定用于将坐标从cos_6d转换到cos_image的转换t3(如图6和图7所示)。确定转换t3可以包括识别一方面的由相机710拍摄并且与cos_6d相关联的图像数据和另一方面的由医学成像装置拍摄的图像数据中的共同特征(参见图5a)。共同特征可以是椎骨210、310的解剖界标或人工标记物(也称为基准点)，类似于跟踪标记物230、330。共同特征的识别可以由外科医生手动执行(使用例如跟踪指针装置)，或者例如通过使用图像识别软件自动执行。基于所识别的共同特征，确定用于将坐标从cos_6d转换到cos_image的转换t3(和/或用于将坐标从cos_image转换到cos_6d的逆向转换)。在cos_6d或cos_image上应用相应的转换，使得将第一跟踪器200和第二跟踪器300两者的坐标以及第一椎骨210和第二椎骨310的坐标接收在公共坐标系中。根据所确定的转换的方向，公共坐标系为cos_6d或cos_image。
70.在可选步骤(图4中未示出)中，可以基于配准步骤810(即，基于具有与公共坐标系(诸如，cos_6d或cos_image)相关联的坐标系的跟踪器200、300、400和椎骨210、310、410)来确定跟踪器200、300、400中的哪个附接到哪个椎骨210、310、410。
71.为此目的，基于各个跟踪器200、300、400的细长主体220、320、420的识别特征240、340、440(例如，不同颜和/或图案)，可以在配准期间所使用的相机710的图像数据中手动和/或自动地识别各个跟踪器200、300、400中的每一个。在识别之后，确定每个所识别的跟踪器200、300、400在基于配准步骤810的公共坐标系(例如，cos_6d或cos_image)中的坐标。
72.此外，可以如图5a至图5c所示的来处理与cos_image相关联的图像数据。图5a示出了手术前获取的患者的椎骨(包括椎骨210、310、410)的ct图像数据。在其他变型中，椎骨的图像数据可以在手术中获取，例如使用锥束ct(cbct)。
73.表示椎骨的图像数据通过首先将椎骨彼此分离(例如，使用图5b中的如虚线指示的二维几何结构)而自动地以每椎骨分段。在图5c所示的下一步骤中，手术前获取的ct图像数据的分段包括每椎骨的边界体积的限定，其是由侧围和如图5b中所示的朝向其相邻椎骨的二维几何形状来限定，该侧围具有包括给定椎骨的完整图像数据的尺寸(该边界体积在图5c中仅通过连续线示意性地示出)。在可选的其他分段步骤中，在每个边界体积内确定椎骨表面。该椎骨表面划定了给定椎骨的手术前获取的ct图像数据的三维图像数据段。如图5c所示，基于涉及椎骨级别的通用命名规则，将这些图像数据段中的每一个与被定义为cos_li(i＝1，2，3)的局部坐标系相关联。由于图像数据段是从与cos_image相关联的图像数据分段出来的，因此每个cos_li与cos_image之间的转换可以被确定为使得：可以确定cos_li在配准步骤810的公共坐标系(例如，cos_6d或cos_image)中的坐标。类似地，可以确定从cos_image到cos_li的转换，该转换被表示为关于cos_li的转换t4_i(其中，i＝1，2，3)
(如图6和7所示)。
74.最后，由于所识别的跟踪器200、300、400的坐标和坐标系cos_li的坐标被转换到公共坐标系(例如，cos_6d或cos_image)中，因此每个跟踪器可以与椎骨坐标系cos_li相关，并因此与椎骨相关，如图5c所示。
75.可选地，根据将跟踪器200、300、400附接到椎骨210、310、410，或者根据指示跟踪器200、300、400中的每一个以及跟踪器所附接到的椎骨210、310、410的图像数据，可以知道将跟踪器200、300、400中的哪个附接到患者的脊柱的哪个椎骨210、310、410。
76.返回图4，在步骤820中，由跟踪系统700的相机710拍摄的并且指示第一跟踪器200和第二跟踪器200的成像标记物230、330的(第二)图像数据由数据处理系统720实时地且以暂时连续的方式接收。如上所解释的，图像数据可以被接收为图像数据帧流。
77.在步骤830中，由数据处理系统720根据在步骤820中接收的图像数据流，来确定第一跟踪器200和第二跟踪器300的姿态。数据处理系统720实时处理图像数据流，以确定第一跟踪器200和第二跟踪器300的实时姿态。由于第一跟踪器200和第二跟踪器300中的每一个都包括两个可成像标记物230、330，因此第一跟踪器200和第二跟踪器300的姿态可以由数据处理系统720以5个dof来确定。可以例如基于识别特征240、340，来在所接收的图像数据中手动地和/或自动地识别第一跟踪器200和第二跟踪器300。
78.可以确定第一跟踪器200及第二跟踪器300在跟踪器坐标系cos_track中的姿态。为此目的，跟踪器坐标系可以与5dof跟踪器200、300中的每一个相关联。在图6和7中，这种局部跟踪器坐标系被表示为cos_5di(其中i＝1，2，是指相应的第一跟踪器200和第二跟踪器300)。此外，表示为t1_i(i＝1，2，是指相应的cos_5di)并且在图6和7中示出的各个坐标转换可以应用于每个跟踪器坐标系cos_5di，以便将各个cos_5di的坐标转换到cos_track。
79.在步骤840中，根据在步骤830中确定的跟踪器姿态，并且基于跟踪坐标系与图像坐标系的配准(即，基于在步骤810中确定的转换)，来确定第一椎骨210和第二椎骨310的姿态。由于以5个dof来确定跟踪器姿态，并且根据跟踪器姿态来确定椎骨的姿态，因此以与跟踪器姿态相同的5个dof来确定椎骨姿态。
80.更详细地，步骤840可以包括：在应用了相应的转换t1_i之后，将在配准步骤810期间确定的一系列转换t2至t4_i以及参考图5描述的图像分段应用在在步骤830中确定的各个跟踪器姿态上(即，将转换t2至t4_i应用在各个cos_5di上)。应用转换t2和t3提供了第一跟踪器200和第二跟踪器300在图像坐标系cos_image中的相应姿态。进一步应用各自的转换t4_i则提供了与第一椎骨210和第二椎骨310相关联的坐标系cos_li的各个姿态。
81.图6示出了根据图4中所示的方法800的第一实施方式的用于根据跟踪器姿态来确定第一跟踪器200和第二跟踪器300的姿态以及第一椎骨210和第二椎骨310的姿态的一系列坐标转换的示意图。为了说明的目的，图1a中的跟踪器系统100与跟踪系统700的相机710一起示出(参见图3)。
82.在图6中，一系列转换被用于将坐标从与各个跟踪器200、300、400(可以以5个dof跟踪)相关联的坐标系cos_5di转换到与各个跟踪器200、300、400所附接到的椎骨210、310、410相关联的坐标系cos_li。在第一转换t1_i(其中，i＝1，2，3)中，将各个成像标记物230、330、430的坐标从各自的跟踪器坐标系cos_5di转换到跟踪系统700的坐标系cos_track(也就是说，可以以相机710为中心)。在第二转换t2中，将坐标从cos_track转换到与(假想)参
考跟踪器相关联的坐标系cos_6d，该参考跟踪器从图1a的第一跟踪器200和第二跟踪器300的可成像标记物230、330中的至少三个构建。第一跟踪器200和第二跟踪器300的至少三个可成像标记物230、330在彼此处于空间固定关系时限定虚拟6dof跟踪器。在第三转换t3中，将坐标从cos_6d转换到cos_image。在第四转换t4中，将坐标从cos_image转换到对应的cos_li。
83.总之，通过应用转换t＝t1_i*t2*t3*t4_i，将坐标从与例如所跟踪的第一跟踪器200和第二跟踪器300中的一个相关联的局部跟踪器坐标系(诸如，cos_5di(例如，i＝1，2))转换到与各个跟踪器200、300所附接的椎骨210，310相关联的坐标系cos_li(例如，i＝1，2)。换言之，通过应用坐标转换t，将与各个跟踪器200、300、400(可以以5个dof跟踪)相关联的跟踪器坐标系cos_5di中的一个的姿态或姿态变化转换成与各个跟踪器200、300、400所附接的椎骨210、310、410相关联的相应cos_li的姿态或姿态变化。
84.图7示意性示出了根据图4所示的方法的第二实现方法的用于从跟踪器姿态确定第一椎骨210和第二椎骨310的姿态的一系列坐标转换。相比于图6中所示的实现方法，图7的实现方法依赖于具有至少三个可成像标记物630的参考跟踪器600。坐标系cos_6d与参考跟踪器600相关联。转换t以与图6中所示的工作流程类似地定义，即定义为t＝t1_i*t2*t3*t4_i。
85.根据上述实现方法，根据跟踪器姿态并且基于跟踪坐标系与图像坐标系的配准来确定椎骨的姿态包括一系列一个或多个已知的坐标转换(例如，一个或多个平移和/或一个或多个旋转的组合)。
86.图8a和图8b示出了两个椎骨210、310、410的姿态在图3中的显示装置730上的可视化的示意图。可以基于步骤840的结果来执行该可视化，以向外科医生提供导航辅助。另外地或以替换方式，可以使用步骤840的结果来生成用于控制手术机器人的数据集。
87.参考图8a的可视化，图像数据段中的两个(每个都与参考图5所描述的一个相应的椎骨坐标系cos_li相关联)被覆盖在手术中获取的医学图像数据(例如，cbct图像数据)上。出于可视化目的，图像数据段根据在步骤840中确定的5dof椎骨姿态(即，各个坐标系cos_li的姿态(参见图5至图7))而被定向。如图8a所示，标记信息也可以被可视化，至少在与所跟踪的椎骨相关联的一个或多个图像数据段的环境中(本文中：cos_l3和cos_l4)被可视化。
88.在一些变型中，5dof椎骨姿态的可视化包括图像段和/或图像数据(例如，椎骨210、310、410或椎骨210、310、410的多个部分)的可塑性三维表示。另外地或作为替换方式，可视化包括图像段和/或图像数据的二维(例如，横截面)表示。
89.可以根据参考图6和图7描述的实现方法中的一个连续地且实时地更新各个5dof椎骨姿态。连续地更新椎骨姿态包括连续地更新转换t1_i和t4_i。每次更新姿态时，就更新转换t1_i和t4_i。然后可以根据更新后的椎骨姿态连续地且实时地更新可视化。更新图8a中所示的椎骨姿态可以包括，使用跟踪系统700来跟踪附接到椎骨210、310、410的(与cos_l3和cos_l4相关联的)跟踪器200、300、400中的一个或两个(参见图3、图6和图7)，并且根据跟踪情况，以5个dof共同地或单独地适配它们相对于彼此的姿态。图8b示出了图8a中所示的具有单独适配的5dof姿态的两个椎骨的可视化的示意图。为各个跟踪器200、300、400提供单独的坐标系cos_5di并且为跟踪器200、300、400所附接到的对应椎骨210、310、410提供
cos_li(参见图5a至图5c、图6和图7)有助于以5个dof跟踪椎骨210、310、410中的单个椎骨并且以5个dof进行它们相应的可视化。因此，外科医生获得了关于手术中椎骨姿态的有价值的信息。这种信息可以在特定实现中附加地或替代地由手术机器人处理。
90.另外，可以通过跟踪手术工具500(参见图1c)并且在显示装置730上可视化指示相对于被可视化的椎骨210、310、410的所跟踪的手术工具500(诸如，螺丝刀或钻机)的导航辅助来增强导航信息。在图8所示的情况中，工具尖部的轨迹和位置被跟踪，并且分别通过虚线和叉号进行可视化。因此，外科医生获得关于手术工具500与椎骨210、310、410(与坐标系cos_l3和cos_l4相关联)的高质量表示之间的空间关系的视觉信息。

技术特征：

1.一种当以下情况时，确定患者的至少两个椎骨的姿态的计算机实现方法(800)：将能够以5个自由度(dof)跟踪的第一跟踪器(200)附接到第一椎骨(210)，并且将能够以5个dof跟踪的第二跟踪器(300)附接到第二椎骨(310)；其中，以6个dof将跟踪坐标系与图像坐标系配准(810)，所述图像坐标系与由医学成像系统拍摄的并且指示第一椎骨(210)和第二椎骨(310)的第一图像数据相关联；所述方法(800)包括：接收(820)手术中跟踪数据；根据所述手术中跟踪数据以5个dof确定(830)第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)的跟踪器姿态，并且根据所述跟踪器姿态并且基于所述跟踪坐标系与所述图像坐标系的配准，以5个dof确定(840)第一椎骨(210)和第二椎骨(310)的姿态。2.根据权利要求1所述的方法(800)，其中，第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)中的每一个都包括细长主体(220、320)，并且其中跟踪器姿态的5个dof不包括关于第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)相对于由各个跟踪器(200、300)的细长主体(220、320)所限定的旋转轴的各自旋转的dof。3.根据权利要求1所述的方法(800)，其中，第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)中的至少一个是电磁跟踪器(510、520、530)，并且所述手术中跟踪数据包括来自能够处理所述至少一个电磁跟踪器(510、520、530)的输出信号的装置的数据。4.根据权利要求2所述的方法(800)，其中，第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)中的至少一个包括两个可成像标记物(230、330)，两个可成像标记物(230、330)附接到细长主体(220、320)并且沿着细长主体(220、320)的长度彼此间隔开，并且所述手术中跟踪数据包括由跟踪系统(700)的相机(710)拍摄的并且指示第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)的成像标记物(230、330)的第二图像数据。5.根据权利要求4所述的方法(800)，其中，第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)中的每一个的各自的两个标记物(230、330)具有相同的相互布置，使得第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)无法仅通过成像标记物(230、330)而在图像数据中区分。6.根据权利要求4所述的方法(800)，其中，第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)的各自的两个标记物(230、330)之间的沿着细长主体(220、320)的长度的距离是不同的。7.根据权利要求4所述的方法(800)，其中，第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)中的至少一个包括凹口，并且其中，所述凹口被配置成接收螺钉的尖部；并且可选地所述方法包括：基于接收所述螺钉的尖部的第一跟踪器(200)或第二跟踪器(300)的成像标记物(230、330)中的一个与附接到保持所述螺钉的仪器的至少一个成像标记物之间的距离，来确定所
述螺钉的长度。8.根据权利要求4所述的方法(800)，其中，定义虚拟6dof跟踪器，所述虚拟6dof跟踪器包括第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)的、在由跟踪系统(700)的相机(710)拍摄的第三图像数据中成像的可成像标记物(230、330)中的至少三个，并且其中，使用所述虚拟6dof跟踪器的、在所述第三图像数据中成像的所述至少三个可成像标记物(230、330)，来将所述跟踪坐标系与所述图像坐标系配准(g10)。9.根据权利要求1所述的方法(g00)，其中，6dof参考跟踪器(600)与患者具有固定关系，并且包括在由跟踪系统(700)的相机(710)拍摄的第四图像数据中成像的至少三个可成像标记物(630)；其中，使用6dof参考跟踪器(600)的、在所述第四图像数据中成像的所述至少三个可成像标记物(630)，来将所述跟踪坐标系与所述图像坐标系配准(g10)。10.根据权利要求9所述的方法(g00)，进一步包括：确定第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)中的至少一个的姿态相对于参考跟踪器(600)的姿态的变化。11.根据权利要求1所述的方法(800)，包括确定第一跟踪器(200)的姿态相对于第二跟踪器(300)的姿态的变化。12.根据权利要求1所述的方法(800)，其中，第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)各自包括以光学的方式能够检测的识别特征(240，340)，特别是以视觉的方式能够检测的识别特征(240，340)，其中第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)的识别特征(240，340)能够彼此区分，并且其中，所述方法(g00)进一步包括：基于其识别特征(240、340)来识别第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)中的至少一个。13.根据权利要求12所述的方法(g00)，其中，识别特征(240，340)包括第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)的以光学的方式能够检测的表面特征(240，340)，特别是第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)的各自细长主体(220，320)的以光学的方式能够检测的表面特征(240，340)。14.根据权利要求1所述的方法(800)，包括基于以5个dof确定的第一椎骨(210)和第二椎骨的(310)的姿态来定义用于引导手术工具(500)的轨迹。15.根据权利要求1所述的方法(800)，进一步包括：使所确定的第一椎骨(210)和第二椎骨(310)的姿态可视化或从所确定的第一椎骨(210)和第二椎骨(310)的姿态得出的信息可视化。16.根据权利要求15所述的方法(800)，其中，所述可视化包括：获得包括第一椎骨(210)的第一图像数据段和包括第二椎骨(310)的第二图像数据段，并且基于以5个dof所确定的第一椎骨(210)和第二椎骨(310)的姿态，来相对于所述第二图像数据段布置所述第一图像数据段。
17.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括指令，所述指令被配置成当在一个或多个处理器上执行所述计算机程序产品时执行当以下情况时，确定患者的至少两个椎骨的姿态的方法(800)：将能够以5个自由度(dof)跟踪的第一跟踪器(200)附接到第一椎骨(210)，并且将能够以5个dof跟踪的第二跟踪器(300)附接到第二椎骨(310)；其中，以6个dof将跟踪坐标系与图像坐标系配准(810)，所述图像坐标系与由医学成像系统拍摄的并且指示第一椎骨(210)和第二椎骨(310)的第一图像数据相关联；所述方法(800)包括：接收(820)手术中跟踪数据；根据所述手术中跟踪数据以5个dof确定(830)第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)的跟踪器姿态，并且根据所述跟踪器姿态并且基于所述跟踪坐标系与所述图像坐标系的配准，以5个dof确定(840)第一椎骨(210)和第二椎骨(310)的姿态。18.一种用于确定患者的至少两个椎骨的姿态的系统(100)，所述系统包括：第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)，第一跟踪器(200)能够以5个自由度(dof)跟踪并且能够附接到第一椎骨(210)，第二跟踪器(300)能够以5个dof跟踪并且能够附接到第二椎骨(310)，其中第一跟踪器(200)和所述第二跟踪器(300)各自包括细长主体(220，320)和两个可成像标记物(230，330)，两个可成像标记物(230，330)附接到细长主体(220，320)并且沿着细长主体(220，320)的长度彼此间隔开，其中第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)中的每一个的各自的两个标记物(230，330)具有相同的相互布置，使得第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)无法仅通过成像标记物(230，330)而在图像数据中区分，其中第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)各自包括以光学的方式能够检测的识别特征(240，340)，其中第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)的以光学的方式能够检测的识别特征(240，340)彼此能够以光学的方式区分。19.根据权利要求18所述的系统(100)，其中，所述5个dof不包括第6dof，所述第6dof与第一跟踪器(200)和第二跟踪器(300)相对于由各个跟踪器(200、300)的细长主体(220、320)所限定的旋转轴的各自旋转相关。20.根据权利要求19所述的系统(100)，进一步包括：参考跟踪器(600)，参考跟踪器(600)能够附接到患者，其中参考跟踪器(600)包括至少三个可成像标记物(630)。

技术总结

提出了一种用于确定至少两个椎骨的姿态的跟踪器系统和使用该跟踪器系统的计算机实现的方法。该跟踪器系统包括第一跟踪器和第二跟踪器，第一跟踪器以5个自由度(DOF)可跟踪并且可附接到第一椎骨，第二跟踪器以5个DOF可跟踪并且可附接到第二椎骨。在一些变型中，第一跟踪器和第二跟踪器各自包括细长主体和两个可成像标记物，该两个可成像标记物附接到细长主体并且沿着细长主体的长度彼此间隔开。以6个DOF将跟踪坐标系与图像坐标系配准，该图像坐标系与由医学成像系统拍摄的并且指示第一椎骨和第二椎骨的第一图像数据相关联。该方法包括接收手术中跟踪数据，并且根据所接收的手术中跟踪数据以5个DOF确定第一跟踪器和第二跟踪器的跟踪器姿态。此外，该方法包括根据跟踪器姿态并且基于跟踪坐标系与图像坐标系的配准，以5个DOF确定第一椎骨和第二椎骨的姿态。态。态。