用于计算坐标系变换的系统和方法

医药医疗技术的改进;医疗器械制造及应用技术用于计算坐标系变换的系统和方法1.本发明涉及医疗系统和相应的方法，并且特别地涉及医疗断层成像和外科手术技术。它特别适用于图像引导外科手术（igs）和机器人外科手术，但也适用于其他应用。2.医疗断层成像对于以非侵入性方式获得患者的内部解剖结构和/或病理学的准确模型是有价值的。在手术之前，可以通过ct或锥形束扫描仪、磁共振成像（mri）扫描仪、伽马相机和其他医疗诊断成像装备来生成感兴趣的解剖结构的断层图像数据集。典型地，这些成像模态提供具有亚毫米分辨率的结构细节。解剖结构的重建图像可以贯穿外科手术或介入过程使用，以帮助通过和/或围绕各种解剖结构导航。3.通常，igs系统包括计算机和系统，用于通过光学跟踪、磁跟踪、飞行时间跟踪或其他方式对器械和患者的解剖结构的各方面进行空间和时间跟踪。在对断层医疗图像数据集和可用姿态数据（器械的姿态和目标结构的姿态之间的相对姿态）进行联合配准（co-registration）时，可以相应地计算和显示医疗图像数据集中虚拟器械的相应姿态。此外，可以使用可用的跟踪信息经由开环或闭环控制机制来引导外科手术机器人。4.利用患者的断层摄影图像数据，已经开发了各种立体定向igs手术，包括但不限于针活检、分流放置、肿瘤消融、开颅和耳蜗植入。5.另一种igs手术是脊柱融合外科手术，包括螺钉放置和固定、骨折减压和脊柱肿瘤去除。具体地，在脊柱螺钉固定过程期间，在脊椎中形成螺钉孔，螺钉被旋入其中。外科医生依靠igs或荧光透视引导来优化孔和螺钉的位置。在没有帮助的情况下，或者使用当前的引导模态进行，这种方法可能导致螺钉的放置不是最佳，这进而可能损伤神经、血管或脊髓。6.然而，igs的使用与受试者的真实世界解剖结构与其在图像空间中的相应模型的对准中的不准确性相关联。在实际的外科手术过程中，结构的位置和取向可能由于物理操纵和通过器械施加的力而改变，从而导致相对于术前获取的图像的几何误差。该误差将最终导致器械或工具的不准确引导，这进而可能导致外科手术并发症或次优的外科手术结果。当距离是小的时（例如小于10 cm）以及相同的实心和刚性节段（segment）（例如一块椎骨、颅骨、一块没有关节的骨骼等）被用于配准和作为igs的目标时，几何误差减小。当距离增加（例如大于20 cm）并且涉及多于一个节段，并且节段彼此（两个或多个椎骨、具有关节的骨骼等）柔性附着并且用于配准的节段不同于用作igs的目标的节段时，几何误差增加。7.在许多当前的应用中，仅一个节段（诸如骶骨）被可用的跟踪系统跟踪，而另一节段以igs为目标（其中执行外科手术过程的节段），导致针对离被跟踪节段更远的节段的不断增加的空间误差。在感兴趣的各种解剖特征的相对空间关系与获得图像时相比已经移位或以其他方式改变的情况下，螺钉错位将被预期。8.因此，几何变换将受试者的特定目标椎骨（在空间和时间上被跟踪）与相应的图像（在图像空间中）配准。受到由操纵、呼吸等以及通过由先前操纵产生的静态位移引起的动态变形的影响，单个变换不能准确地将任何其他椎骨映射到图像空间中的相应图像。随后，给定的变换只能准确地映射相对于目标椎骨的外科手术工具姿态。使用给定的变换无法导航任何其他椎骨。结果，器械引导将导致外科手术工具和附近解剖结构之间的相对空间关系的不准确表示。9.迄今为止，没有系统可用于允许跟踪另一个结构（受试者身体）内的多于一个非刚性解剖结构（即脊柱的各个节段）。此外，没有方法可用于通过将坐标系从身体外部的特征传递到身体内部的特征（本文中也称为内部结构）来导出几何变换。同样，没有系统可用于将应用于几个节段系统（例如，多于两个脊柱的椎骨）的坐标系分割成几个子坐标系，并且将这些子坐标系一个接一个地移交（hand-over）给特定的一个节段单元（即，只有一个椎骨），而不损失准确性并且没有附加的成像。10.在现有技术中，描述了将内部结构配准到模型数据集的各种方法，包括用各种成像模态配准三维模型的方法，诸如a.超声（wo2012177470、de102011106812），b.荧光透视（us2011270072、ep3326564）；c.热成像（us2012281898）；d.光学表面扫描（wo2016015760、wo2015074158、wo2014094811）；e.基于视频的成像（ep1657678、单焦点de102012208389）；或者经由使用非成像方法，诸如f.基于通用图像信息（即图集）的方法（ep2912630）；g.附加参考结构的成像（us6674916）；h.由人和通过使用通用图形用户接口（us2008300477）和/或基于增强现实的系统（wo2018171880）进行视觉对准；在wo2011063840中，附着到对象的基准在对象的模型中被标识，并且基准在模型内（经由图像分析）和在对象内（经由跟踪）的空间配置被用于确定基准的空间移位。11.可以使用关于几何（大小、形状）和物理（即密度）属性的先验知识在图像体积中自动确定基准（人工界标）（ep0732899和us5769789）。此外，已经公开了用于通过将空间体的空间信息与来自数据库中相应点的可用数据进行比较来标识空间体上的点的系统和方法（ep0927403）。因此，立体定向外科手术可以通过基于放置在患者的解剖结构上的多个固定参考点（例如，基准点）的相对位置的导航来执行。（wo2018/191057）。12.此外，通过经过使用经由ct扫描仪对物体进行重复扫描来跟踪刚性地附着在身体的基准，可以在空间和时间上跟踪移动物体（ep2070478）。此外，已经公开了用于使用可跟踪标记来跟踪动态参考系（frame）的系统，标记中的一些在3d空间中是可移动的。这已经被应用于脊柱外科手术中的基准标记。（us2019/0209080）。此外，算法解决方案可以用于通过三维图像数据集中的图像分析来跟踪结构（wo2016206743）。13.已经公开了用于在机器人坐标系和图像数据集之间配准沿着目标对象（骨骼）间隔开的两个位置坐标和穿过位置坐标中的至少一个的方向向量的发明。（wo9836371）。类似地，已经公开了相对于患者身上的跟踪阵列来优化机器人外科手术系统的末端执行器的跟踪的发明。（us2017/0348061）。14.基于现有技术未满足的上述需求，本发明的目的是提供一种医疗系统和方法，其两者允许精确和准确地跟踪多种受试者的内部结构（例如，单独的节段）并相对于图像坐标系跟踪/配准该姿态信息。15.该问题通过具有权利要求1的特征的医疗系统以及通过具有权利要求14的特征的方法来解决。16.本发明的这些方面的优选实施例在相应的从属权利要求中陈述，并在下文中描述。17.根据权利要求1，公开了一种用于确定物理对象内部的内部结构的坐标系和其3d图像或模型的坐标系之间的坐标变换的医疗系统，其中该医疗系统包括：‑ꢀ多个表面基准标记，其被配置成附着到物理对象的外表面，特别是在相对于彼此的任意空间配置中（例如，人体或人体的一部分），其中任何几何布置都是可能的‑ꢀ至少一个适配器，其被配置成附着到物理对象的内部结构（例如，脊椎），其中该系统可以包括至少一个结构基准标记，该结构基准标记被配置成可释放地连接到至少一个适配器（例如，用于在外科手术期间跟踪内部结构），‑ꢀ医疗成像单元，例如计算断层摄影术（ct）扫描仪或磁共振成像（mri）设备，其被配置成生成所述物理对象和附着到所述外表面的表面基准标记的3d图像，‑ꢀ处理单元，其被配置用于测量（例如，手动或自动地）每个表面基准标记在3d图像内的并且相对于3d图像的图像坐标系（ima）的姿态，并根据表面基准的位置以及从图像坐标系到表面基准标记的坐标系（sur）的第一坐标变换（surtima）来计算表面基准的坐标系（sur）；‑ꢀ测量单元（例如立体定向照相机），用于当相应的表面基准标记被附着到所述外表面时，测量表面基准标记相对于测量单元的坐标系（wor）的姿态，‑ꢀ其中处理单元被进一步配置成经由表面基准标记的坐标系（sur）计算从测量单元的坐标系（wor）到图像坐标系（ima）的第二坐标变换（imatwor），从而允许将所述外表面上的点与3d图像内的点进行参考，‑ꢀ其中该医疗系统被配置成当至少一个适配器被附着到物理对象的内部结构时，测量至少一个适配器相对于表面基准标记的姿态，并且其中处理单元被配置成计算从表面基准的坐标系（sur）到内部结构的坐标系（inn1）的第三坐标变换（inn1tsur），并且其中处理单元被配置成将第二坐标变换imatwor与第一坐标变换（surtima）以及与第三坐标变换（inn1tsur）相结合，以创建从测量单元的坐标系（wor）到内部结构的坐标系（inn1）中的坐标变换（inn1twor），从而允许测量所述测量单元的坐标系中的至少一个适配器的姿态。18.特别地，组合第二、第一和第三坐标变换对应于矩阵乘法inn1tsursurtimaimatwor=inn1twor。19.特别地，第一坐标系x和第二坐标系x’之间的相应坐标变换可以以公知的方式被表示为具有三个垂直列和三个水平行的3×3矩阵t，其表达了第一坐标系x中的向量a的分量如何与第二坐标系x’中的相同向量a’的分量相关：a’=x’txax’tx和a之间的矩阵向量乘法产生向量a’的分量a’i，所述分量由矩阵x’tx的相应行的条目与向量a的分量ai相乘并求和来确定：其中tij是矩阵x’tx的条目，其中i表示第i行，并且j表示第j列。逆矩阵（x’tx）-1等于x’tx的转置，其被表示为（x’tx）t。当对矩阵进行转置时，（x’tx）t的第i行第j列元素是x’tx的第j行第i列元素。20.特别地，如上所述，处理单元被配置成经由表面基准标记的坐标系（sur）计算从测量单元的坐标系（wor）到图像坐标系（ima）的第二坐标系变换imatwor。例如，这可以通过计算（surtima）-1和surtwor之间的矩阵乘法来实现：即通过从测量单元的坐标系（wor）变换到表面基准标记的坐标系（sur），并且然后通过从表面基准标记的坐标系（sur）变换到图像坐标系（ima）（后面的变换对应于（surtima）-1）。21.由于相应的最终坐标变换的特定生成，可以相对于先前获取的图像数据集在空间和时间上跟踪受试者的特定内部结构（诸如脊椎）。结果，由上述平移和误差的源（诸如动态操纵、呼吸运动和器械活动）引起的不准确性可以被大大地降低。22.在本发明的框架中，概念“位置”描述了包括三个自由度的空间中的点或向量，并且可以使用例如沿着线性独立空间方向的三个坐标（例如垂直右手坐标系的坐标轴x、y、z）来定义。23.此外，概念“姿态”描述了扩展物体的空间位置及其在六个自由度内的空间中的取向。可以使用例如沿着线性独立空间方向的三个坐标（例如垂直右手坐标系的坐标轴x、y、z）以及围绕这些方向/坐标轴的旋转角度来定义对象（诸如基准标记）的姿态。这些角度通常被表示为滚动（围绕x轴旋转）、俯仰（围绕y轴旋转）和偏航（围绕z轴旋转）。24.此外，根据医疗系统的实施例，后者被配置成使用例如表面基准标记来跟踪所述外表面，其中特别地，医疗系统被配置成例如通过使用以下技术之一来跟踪每个单独的表面基准标记的位置或姿态：光学测量原理、视频-光学测量原理、电磁测量原理、飞行时间测量原理。25.替代地或附加地，医疗系统可以被配置成通过使用以下技术之一来跟踪所述外表面：激光扫描外表面，用结构光扫描外表面。26.根据医疗系统的实施例，其被配置成使用表面基准标记来跟踪所述外表面，其中特别地，医疗系统被配置成跟踪每个单独的表面基准标记的位置（3 dof）或姿态（6 dof，即位置和取向）。为此，可以使用以下各项之一：光学测量原理、视频-光学测量原理、电磁测量原理、飞行时间测量原理或本领域已知的能够使用表面基准标记跟踪外表面的任何其他测量原理。替代地，外表面的跟踪也可以通过使用以下各项之一来实现：激光扫描外表面，或用结构光扫描外表面。27.此外，依据根据本发明的医疗系统的实施例，医疗系统包括一个坐标系内的不同的测量模态，以允许使用不同的测量模态同时跟踪表面基准标记和结构基准标记。此外，依据根据本发明的医疗系统的实施例，该医疗系统包括优选姿态可跟踪的外科手术机器人设备，其被配置成生成对物理对象/患者的身体的内部结构的访问，并且递送并且特别是将至少一个适配器附着到内部结构。特别地，在所有实施例中，内部结构可以例如是患者的脊椎。28.外科手术机器人设备可以用两个独立的跟踪的源进行姿态跟踪——运动跟踪并且其中标记被附着到机器人上的点。29.此外，依据根据本发明的医疗系统的实施例，该医疗系统被配置成独立地跟踪同一物理对象（例如患者的身体）内的若干内部结构（例如椎骨），并建立和跟踪那些内部结构和物理对象/身体的外表面之间的若干几何变换。30.此外，依据根据本发明的医疗系统的实施例，该医疗系统被配置成相对于彼此相对地跟踪若干内部结构，并且同时相对于外表面绝对地跟踪那些内部结构。31.此外，依据根据本发明的医疗系统的实施例，所述至少一个适配器包括连接部分和锚定部分，该连接部分被配置成可释放地连接到系统的至少一个结构基准标记，该锚定部分被配置成被附着到内部结构，使得在将释放的结构基准标记重新连接到至少一个适配器时，再现适配器或结构基准标记相对于内部结构的初始配准姿态。特别地，连接部分例如一体地被连接到锚定部分。32.此外，依据根据本发明的医疗系统的实施例，锚定部分包括在锚定部分的外侧上的螺纹，用于通过将锚定部分拧入到内部结构的钻孔中而将至少一个适配器锚定到内部结构。特别地，锚定部分可以是锥形的，以形成锚定部分和/或螺纹的尖端。33.此外，依据根据本发明的医疗系统的实施例，适配器的连接部分被配置成当锚定部分被锚定到内部结构时布置在内部结构的外表面上，其中连接部分包括集成到连接部分中的多个图像定位特征，其中特别地，相应的图像定位特征是不透射线的标记。34.特别地，在实施例中，相应的图像定位特征由圆柱形杆形成，其中杆可以相对于彼此倾斜地布置。35.在医疗系统包括若干结构基准标记的情况下，针对每个结构基准标记提供适配器，使得所有结构基准标记可以经由专用适配器附着到内部结构（例如，椎骨）。36.根据医疗系统的又一实施例，图像定位特征可以被用于经由术中成像方法更新或替换现有的配准变换inn1twor（例如，当现有的变换已经丢失时），其中，通过算法地定位在得到的图像中的至少一个适配器的内部结构和定位特征，并通过计算随后的增量配准变换inn’twor，来细化/或替换先前存在的坐标变换inn1twor。37.特别地，为此，医疗系统可以被配置成计算从内部结构的坐标系inn’到术中获得的图像的图像坐标系ima的坐标变换imatinn’，并且通过将该变换imatinn’与坐标变换imatwor相结合来实现从测量单元的坐标系wor到内部结构的坐标系inn’的所述坐标变换：。38.特别地，依据根据本发明的医疗系统的实施例，医疗系统，特别是处理单元，被配置成通过使用第一表面基准标记（f1）的位置作为表面基准标记（fi）的坐标系（sur）的中心来计算表面基准标记（fi）的坐标系（sur），其中，所述医疗系统被进一步配置成将从第一表面基准标记（f1）扩展到第二表面基准标记（f2）的归一化向量用作表面基准标记（fi）的坐标系（sur）的第一坐标轴（x），并且将从第一表面基准标记（f1）扩展到第三表面基准标记（f3）的归一化向量用作第二坐标轴（y），并且将第一坐标轴和第二坐标轴之间的叉积用作第三主轴（z）。可以使用更多的表面基准标记来细化准确性。构建表面基准标记的坐标系（sur）的其他方式也是可设想的。39.本发明的又一（第二）方面涉及一种用于确定物理对象内部的内部结构的坐标系和内部结构的3d图像的图像坐标系之间的坐标变换的方法，其中生成该坐标变换包括以下步骤：（a）计算从3d图像的图像坐标系（ima）到附着到物理对象的外侧的表面基准标记的坐标系（sur）的第一坐标变换surtima（即配准）；（b）从附着到物理对象的外表面的表面基准标记的坐标系（sur）和物理对象内部的内部结构的坐标系（inn1）计算坐标变换inn1tsur；（c）通过在步骤（b）中计算的坐标变换来自动扩展在步骤（a）中计算的坐标变换，以创建从3d图像的图像坐标系（ima）到内部结构的坐标系（inn1）的坐标变换。40.特别是在物理对象是活的人类或动物患者的身体的情况下，根据本发明的方法不包括任何外科手术步骤。将例如至少一个适配器布置在内部结构上（或者将若干个这样的标记布置在若干个内部结构上）不形成要求保护的方法的部分。41.依据根据本发明的方法的实施例，通过单独跟踪表面基准标记的姿态或位置来跟踪外表面，特别是通过以下各项中的一项来跟踪外表面：光学跟踪、视频-光学跟踪、电磁跟踪、飞行时间跟踪或本领域已知的任何其他合适的跟踪方法。42.替代地，代替这样的跟踪方法，根据该方法的实施例，也可以采用通过激光扫描或用结构光扫描直接跟踪外表面。43.此外，依据根据本发明的方法的实施例，使用不同的测量模态同时跟踪表面基准标记和连接到至少一个适配器的结构基准标记的至少一个适配器（也参见上文）。44.特别地，依据根据本发明的方法的实施例，彼此独立地跟踪同一物理对象（例如患者的身体）内的若干个内部结构，并且其中建立和跟踪每个内部结构和外表面之间的坐标变换。45.此外，本发明的第三方面涉及一种包括指令的计算机程序，当由计算机执行该计算机程序时，该指令使得计算机执行根据本发明的第二方面的上述方法的步骤。此外，本发明的第四方面涉及一种其上存储有根据本发明的第三方面的计算机程序的计算机可读数据载体。46.此外，根据本发明的第五方面，公开了一种适配器，其中该适配器包括连接部分和锚定部分，该连接部分被配置成可释放地连接到基准标记，该锚定部分被配置成附着到物理对象（例如患者的身体）的内部结构，使得在将释放的基准标记重新连接到适配器时，再现适配器和/或结构基准标记相对于内部结构的初始配准姿态。特别地，连接部分被连接到锚定部分，其中连接部分可以被一体地连接到锚定部分。内部结构可以是骨骼，例如椎骨。47.此外，根据适配器的实施例，锚定部分包括在锚定部分的外侧上的螺纹，用于通过将锚定部分拧入到内部结构的钻孔中而将所述至少一个适配器锚定到内部结构。特别地，锚定部分可以是锥形的，以形成锚定部分和/或螺纹的尖端。48.此外，根据适配器的实施例，适配器的连接部分被配置成当锚定部分被锚定到内部结构时从内部结构的外部突出，其中连接部分包括集成到连接部分中的多个图像定位特征，其中特别地，相应的图像定位特征是不透射线的标记。49.特别地，在适配器的实施例中，相应的图像定位特征由圆柱形杆形成，其中杆可以相对于彼此倾斜地布置。50.根据本发明的第六方面，公开了一种方法，其中该方法优选地使用根据本发明的医疗系统，并且其中该方法包括以下步骤：-使用医疗成像单元生成物理对象的3d图像，其中表面基准标记被布置在物理对象的外表面上，-测量每个表面基准标记在3d图像内并且相对于3d图像的图像坐标系（ima）的姿态，并且根据表面基准标记的位置自动计算表面基准标记的坐标系（sur），并且自动计算从图像坐标系（ima）到表面基准标记的坐标系（sur）的第一坐标变换（surtima）；-使用测量单元（例如立体定向相机）来获取表面基准标记相对于测量单元的坐标系（wor）的姿态，-经由表面基准标记的坐标系（sur）自动计算从测量单元的坐标系（wor）到图像坐标系（ima）的第二坐标变换（imatwor），-测量附着到物理对象的内部结构的至少一个适配器的姿态，并且自动计算从表面基准标记的坐标系（sur）到内部结构的坐标系（inn1）的第三坐标变换（inn1tsur），并且自动地将第二坐标变换（imatwor）与第一坐标变换（surtima）和与第三坐标变换（inn1tsur）相结合，以创建从测量单元的坐标系（wor）到内部结构的坐标系（inn1）的坐标变换（inn1twor），从而允许测量所述测量单元的坐标系（wor）中的至少一个适配器的姿态。51.根据本发明的第七方面，公开了一种计算机程序，其中该计算机程序包括使根据本发明的医疗系统执行根据本发明的第六方面的方法的指令。52.本发明的又一方面涉及一种计算机可读数据载体，其上存储有根据本发明的第七方面的计算机程序。53.依据根据本发明的方法的另外的实施例（第二方面），另外至少一个适配器通过姿态可跟踪的外科手术机器人设备附着到内部结构，并且其中，可以通过计算坐标变换（surtima和inn1tsur和inn1tima）的处理单元相对于表面基准标记跟踪该至少一个适配器。54.本发明的另外的方面涉及一种医疗系统，包括：‑ꢀ多个表面基准标记，其被配置成以相对于彼此的任意空间配置附着到物理对象的外表面，‑ꢀ至少一个适配器，其被配置成附着到物理对象的内部结构，‑ꢀ医疗成像单元，其被配置成在预定义的图像坐标系（ima）内生成所述物理对象和附着到所述外表面的表面基准标记的3d图像，‑ꢀ处理单元，其被配置用于测量每个表面基准标记在3d图像内的并且相对于图像坐标系（ima）的姿态，并根据表面基准标记的位置来计算表面基准标记的坐标系（sur），以及图像坐标系（ima）和表面基准标记的坐标系（sur）之间的第一坐标变换（surtima）；‑ꢀ测量单元，其被配置成当相应的表面基准标记被附着到所述外表面时，获取表面基准标记相对于测量单元的坐标系（wor）的姿态，‑ꢀ其中，所述处理单元被进一步配置成经由表面基准标记的坐标系（sur）计算测量单元的坐标系（wor）和图像坐标系（ima）之间的第二坐标系变换（imatwor），从而允许根据将所述外表面上的点与3d图像内的点进行参考，‑ꢀ其中，所述医疗系统通过其至少一个适配器的姿态可跟踪放置被配置成当至少一个适配器被附着到所述物理对象的内部结构时测量至少一个适配器相对于表面基准标记的姿态，并且其中处理单元被配置成计算表面基准标记的坐标系（sur）和内部结构的坐标系（inn1）之间的第三坐标变换（inn1tsur），并且其中处理单元被配置成将第二坐标变换（imatwor）与第一坐标变换（surtima）以及与第三坐标变换（inn1tsur）相结合，以根据inn1tsur*surtima*imatwor=inn1twor创建所述测量单元的坐标系（wor）和内部结构的坐标系（inn1）之间的坐标变换（inn1twor），从而允许医疗系统测量所述测量单元的坐标系（wor）中的至少一个适配器的姿态。55.根据医疗系统的实施例，所述医疗系统被配置成在测量单元的坐标系（wor）和物理对象的另外的内部结构的坐标系（inn2）之间建立至少一个另外的坐标变换（inn2twor），其中所述医疗系统被配置成执行以下各项中的至少一项：‑ꢀ当另外的适配器被附着到所述物理对象的另外的内部结构时，测量另外的适配器相对于表面基准标记的姿态，并且其中处理单元被配置成计算表面基准标记的坐标系（sur）和另外的内部结构的坐标系（inn2）之间的另外的第三坐标变换（inn2tsur），并且其中，处理单元被配置成将第二坐标变换（imatwor）与第一坐标变换（surtima）以及与另外的第三坐标变换（inn2tsur）相结合，以创建测量单元的坐标系（wor）和另外的内部结构的坐标系（inn2）之间的另外的坐标变换（inn2twor），从而允许测量所述测量单元的坐标系（wor）中的另外的适配器的姿态，或者通过‑ꢀ通过将测量单元的坐标（wor）和内部结构的坐标系（inn1）之间的坐标变换（inn1twor）与内部结构的坐标系（inn1）和另外的内部结构的坐标系（inn2）之间的坐标变换（inn2tinn1）相结合。56.根据医疗系统的另外的实施例，所述医疗系统被配置成使用以下各项中的一项来跟踪所述外表面（2）：a.表面基准标记，其中特别地，所述医疗系统被配置成跟踪每个单独的表面基准标记的位置或姿态，特别地使用以下各项中的一项来跟踪：光学测量原理、视频-光学测量原理、电磁测量原理、飞行时间测量原理；b.通过使用以下各项中的一项来跟踪外表面：激光扫描外表面，用结构光扫描外表面。57.根据医疗系统的另外的实施例，所述医疗系统包括一个坐标系内的不同测量模态，以允许使用不同测量模态同时跟踪表面基准标记和至少一个适配器。58.根据医疗系统的另外的实施例，所述医疗系统包括姿态可跟踪外科手术机器人设备，其被配置成生成对物理对象的内部结构的访问，并将所述至少一个适配器递送到内部结构并将所述至少一个适配器定位在内部结构上。59.根据医疗系统的另外的实施例，所述医疗系统被配置成独立地跟踪物理对象内的若干内部结构，并且建立和跟踪那些内部结构和外表面之间的若干坐标变换，其中至少一个适配器已经由姿态可跟踪外科手术机器人设备递送到若干内部结构中的每个。60.根据医疗系统的另外的实施例，所述医疗系统被配置成相对于彼此并且同时绝对相对于所述外表面跟踪若干内部结构。61.根据医疗系统的另外的实施例，所述至少一个适配器包括连接部分和锚定部分，所述连接部分被配置成可释放地连接到结构基准标记，所述锚定部分被配置成附着到内部结构，使得在将结构基准标记重新连接到适配器时，再现结构基准标记相对于内部结构的初始配准姿态。62.根据医疗系统的另外的实施例，所述锚定部分包括在锚定部分的外侧上的螺纹，用于通过将锚定部分拧入到内部结构的钻孔中而将所述至少一个适配器锚定到内部结构。63.根据医疗系统的另外的实施例，所述连接部分被配置成当所述锚定部分被锚定到所述内部结构时从所述内部结构的外部突出，其中，所述连接部分包括被集成到所述连接部分中的多个图像定位特征，其中，特别地，相应的图像定位特征是不透射线的标记。64.根据医疗系统的另外的实施例，所述医疗系统被配置成术中获取内部结构的至少一个图像和适配器的图像定位特征，以及在至少一个术中获取的图像中定位内部结构和图像定位特征，并且计算所述测量单元的坐标系（wor）和内部结构的坐标系（inn’）之间的坐标变换（inn’twor）。65.根据医疗系统的另外的实施例，相应的图像定位特征由圆柱形杆形成，其中，特别地，杆相对于彼此倾斜地布置。66.根据医疗系统的另外的实施例，所述医疗系统被配置成通过使用第一表面基准标记的位置作为所述表面基准标记的坐标系（sur）的中心来计算所述表面基准标记的坐标系（sur），其中，所述医疗系统被进一步配置成将从第一表面基准标记扩展到第二表面基准标记的归一化向量用作表面基准标记的坐标系（sur）的第一坐标轴（x），并且将从第一表面基准标记扩展到第三表面基准标记的归一化向量用作第二坐标轴（y），并且将第一和第二坐标轴（x，y）之间的叉积用作第三坐标轴（z）。67.本发明的又一方面涉及一种用于确定物理对象内部的内部结构的坐标系（inn1）和内部结构的3d图像的图像坐标系（ima）之间的坐标变换的方法，其中所述方法包括以下步骤：（a）计算附着到物理对象的外侧的表面基准标记的坐标系（sur）和3d图像的图像坐标系（ima）之间的第一坐标变换（surtima）；（b）计算附着到物理对象的外侧的表面基准标记的坐标系（sur）和物理对象内部的内部结构的坐标系（inn1）之间的第二坐标变换（inn1tsur）；（c）通过在步骤（b）中计算的坐标变换（inn1tsur）来自动扩展在步骤（a）中计算的坐标变换（surtima），以创建3d图像的图像坐标系（ima）和内部结构的坐标系（inn1）之间的坐标变换（inn1tima）。68.根据方法的另外的实施例，所述外表面通过以下各项中的一项进行跟踪：a.单独跟踪所述表面基准标记的姿态或位置，特别是通过以下各项中的一项来跟踪：光学跟踪、视频-光学跟踪、电磁跟踪、飞行时间跟踪；b.通过激光扫描或用结构光扫描来跟踪外表面。69.此外，根据方法的另外的实施例，另外至少一个适配器通过姿态可跟踪外科手术机器人设备被附着到所述内部结构，并且其中所述至少一个适配器能够通过计算所述坐标变换（surtima和inn1tsur和inn1tima）的处理单元）相对于所述表面基准标记被跟踪。70.在下面的实施例中，以及参考附图描述本发明的另外的特征和优点，其中图1示出了根据本发明的医疗系统的示意图；图2示出了当附着到患者的内部结构（例如，椎骨）时，用于保持根据图1的系统的结构基准标记的适配器的详细图示，图3a示出了表面基准标记的实施例的图示；图3b示出了表面基准标记的另外的实施例的图示；图4示出了医疗系统的适配器的实施例，该适配器被配置成附着到内部结构（例如，椎骨）并允许结构基准标记与适配器的可释放但可再现的连接；图5示出了可以被连接到图4中所示的适配器的结构基准标记的实施例；以及图6示出了使用术中获得的图像对内部结构的坐标系和测量单元的坐标系之间的坐标变换的细化。71.图1示出了根据本发明的医疗系统100的实施例，其允许确定物理对象1（即患者的身体1）内部的内部结构i1（诸如脊椎）和对象/身体1的3d图像之间的几何变换。为此，医疗系统100包括测量单元10、处理单元7、医疗成像单元6（例如ct扫描仪或mri设备）并且优选地还包括外科手术机器人设备8。很好理解的是，光学跟踪系统可以被用于跟踪外科手术器械、外科手术机器人设备8和适配器设备的姿态。处理单元7可以包括任何合适的计算机。处理单元7可以是独立的单元，但是也可以是系统100的另一组件的组成部分。处理单元7优选地包括用于连接到医疗成像单元6（例如用于接收患者的3d图像）并且特别是连接到外科手术机器人设备8的接口，例如用于控制后者。此外，处理单元7可以包括用于连接到测量单元10的接口。72.此外，医疗系统100包括多个表面基准标记fi（其中i是标记表面基准标记的自然数），每个表面基准标记可以如下面在图3a中所示进行配置。每个表面基准标记fi被设计成以相对于彼此的任意空间配置附着到物理对象1（例如患者的身体1的皮肤2）的外表面2。73.此外，医疗系统100包括至少一个适配器a1，用于提供相关联的结构基准标记s1到适配器a1的可再现连接（在应跟踪若干个内部结构ii的情况下，使用若干个这样的适配器ai/结构基准标记si，其中i再次是分别标记适配器、表面基准标记和内部结构的自然数），其中适配器a1被配置成附着到物理对象1的内部结构i1。下面将结合图4进一步详细描述优选适配器a1的实施例。74.特别地，医疗成像单元6被配置成相对于图像坐标系ima生成所述物理对象1和附着到对象1的所述外表面2的表面基准标记fi的3d图像。75.借助于处理单元7（例如在其上执行合适软件的计算机），在3d图像内并相对于图像坐标系ima测量每个表面基准标记的姿态。这可以自动执行或者由用户/医生指导。此外，处理单元7被配置成根据表面基准标记的位置计算表面基准标记fi的坐标系sur，以及图像坐标系ima和表面基准标记fi的坐标系sur之间的第一坐标变换surtima。76.此外，测量单元10（例如立体定向相机）被配置成当相应的表面基准标记fi被附着到对象1的所述外表面2时，获取表面基准标记fi相对于测量单元10的坐标系wor的姿态，如图1中所示。77.关于该测量单元10，处理单元7被进一步配置成经由表面基准标记fi的坐标系sur计算测量单元10的坐标系wor和图像坐标系ima之间的第二坐标系变换imatwor，从而允许对象1的所述外表面2上的点与借助医疗成像单元6生成的3d图像或模型内的点之间的参考。78.系统1现在被配置成测量附着到内部结构i1的至少一个适配器a1相对于表面基准标记fi的姿态。特别地，外科手术机器人设备8可以在借助于系统100的机器人设备8将适配器a1附着到内部结构i1时测量适配器a1的姿态。本领域技术人员将理解，机器人设备8的姿态也可以通过跟踪相机结合定位在机器人设备8上（例如，在机器人设备8的关节上）的跟踪标记来测量，或者可以通过医疗成像单元6来推断，该医疗成像单元6提供关于附着到机器人设备8的外科手术器械的位置的数据。在这方面中，跟踪相机的坐标系可以测量机器人设备8的末端执行器在空间中的位置以及患者上的表面基准标记的位置两者，从而允许推断末端执行器相对于患者坐标系的位置。此外，处理单元7被配置成计算表面基准标记fi的坐标系sur和内部结构i1的坐标系inn1之间的第三坐标变换inn1tsur。79.处理单元7然后将第二坐标变换imatwor与第一坐标变换surtima和与第三坐标变换inn1tsur组合，例如通过将相关联的矩阵相乘：inn1tsursurtimaimatwor=inn1twor以创建由矩阵inn1twor表示的最终坐标变换，从而允许测量坐标系wor中的适配器a1的（或连接到适配器a1的结构基准标记s1的）姿态。80.为了能够以高效且可再现的方式将结构基准标记s1附着到相应的内部结构ii，医疗系统100优选地包括至少一个适配器a1，如图4中所示。系统100可以包括若干个适配器ai和相关联的结构基准标记si）。81.至少一个适配器a1包括连接部分5b，其被配置成可释放地连接到至少一个结构基准标记s1（参考例如图5）。为此，适配器a1可以包括连接器53，其例如由布置在适配器5的连接部分5b的正面5a中的开口53形成。基准标记s1可以被配置成与连接器/开口53接合（engage），以在标记s1和适配器a1之间产生可释放的机械连接（结构基准标记s1在图2中未指示，但在图5中示出）。此外，适配器a1包括锚定部分5c，该锚定部分5c被配置成附着到内部结构i1。在系统100包括若干个适配器ai和结构基准标记si的情况下，这些适配器和结构基准标记可以分别被设计为适配器a1和标记s1。82.由于至少一个适配器a1的特定设计，在释放的结构基准标记20重新连接到适配器a1时，结构基准标记s1（当连接到适配器a1时）相对于内部结构i1的初始配准姿态被再现。83.为了将锚定部分5c锚定在内部结构（例如，骨骼，特别是椎骨）i1中，适配器a1包括形成在锚定部分5c的外侧上的螺纹51。因此，锚定部分5c可以被拧入到内部结构i1中提供的钻孔中（例如，通过姿态可跟踪外科手术机器人设备8）。特别地，锚定部分5c是锥形的，以形成锚定部分5c的尖端，这改善了在钻孔中的插入。84.特别地，连接部分5b被配置成当锚定部分5c如上所述被锚定到内部结构i1时沿着内部结构i1的外侧延伸，其中连接部分5c包括被集成到连接部分5b中的多个图像定位特征52，其中特别地，相应的图像定位特征52是不透射线的标记。在实施例中，相应的图像定位特征52由圆柱形杆形成，其中杆相对于彼此倾斜布置，如图4中所指示的那样。85.图5中示出了结构基准标记s1的实施例，该结构基准标记s1可以例如被用于在外科手术期间进行跟踪，并且对于根据本发明的配准过程来说不是必需的。据此，标记s1包括基部21，该基部21被配置成与适配器a1的连接器53接合，以便将标记s1可释放地连接到适配器a1。此外，标记s1可以包括若干个（例如三个）单独可跟踪的基准元件23（特别是以球体的形式），其可以经由臂22连接到基部21部分。86.此外，图3a示出了表面基准标记f1的实施例，其包括扁平圆柱形主体40，视觉可跟踪基准元件41可以被嵌入到该扁平圆柱形主体40中。87.图3b示出了表面基准标记f1的替代实施例，其中这里基准元件41由回射球体形成，其中跟踪元件41可以被连接到圆形基部40，并且可以进一步被连接到基部40的透明盖42覆盖。88.此外，图6示出了变换inn1twor可以经由术中成像方法被进一步细化或替换，其中通过算法地定位在得到的图像中的适配器a1的内部结构i1和图像定位特征52以及通过计算随后的增量配准变换inn’twor来细化先前存在的坐标系变换inn1twor。特别地，医疗系统100可以被配置成计算从术中获得的图像im中的内部结构i1的坐标系inn’到术中获得的图像im的图像坐标系ima的坐标变换imatinn’，如图6中所指示，并且通过将该变换imatinn’与已经计算的坐标变换imatwor相结合来确定从测量单元10的坐标系wor到内部结构的坐标系inn’的细化坐标变换inn’twor。89.如本文中描述的根据本发明的医疗系统100特别适合于执行根据本发明的方法。90.非外科手术方法允许确定物理对象1内部的如图1中所示的内部结构i1的坐标系inn1和其3d图像（例如利用医疗成像单元6获得）的坐标系之间的坐标变换，其中通过以下步骤逐步实现生成该变换：（a）计算附着到物理对象1的外侧2的表面基准标记fi（i=1，2，…）的坐标系sur和3d图像之间的初始坐标变换surtima（即配准）；（b）计算附着到物理对象的外侧2的表面基准标记fi（i=1，2，…）的坐标系sur和内部结构i1的坐标系inn1之间的坐标变换inn1tsur，至少一个适配器a1已经在物理对象1内部被附着到该内部结构i1。特别地，适配器a1用于以之后可以跟踪（例如在外科手术期间）的可再现的方式将结构基准标记s1（参考图5）连接到适配器a1；以及（c）通过步骤（b）中计算的坐标变换来扩展步骤（a）中计算的坐标变换，以创建3d图像的图像坐标系ima和与内部结构i1相关联的坐标系inn1之间的坐标变换。91.特别地，在实施例中，该方法可以用于由脊椎形成的患者的内部结构ii（i=1，2，…），其中物理对象1是患者的上身。然而，本发明也可以被应用于允许放置适配器或结构基准标记的任何其他内部结构。92.特别地，使用根据本发明的方法，可以执行与跟踪椎骨（或其他内部结构）ii相关的以下过程：1）将在由医疗成像单元6（例如ct或mri）和测量单元（例如诸如立体定向相机）10中创建的3d图像中可见的表面基准标记fi附着到受试者的身体的外表面2（即皮肤）；2）使用医疗成像单元6产生3d图像，并确定表面基准标记在图像坐标系ima内的位置或姿态。从表面基准标记的位置计算（例如垂直右手）坐标系sur。93.3）在对象的身体/外表面上执行经由所述表面基准标记fi设置对外表面2的跟踪和随后的跟踪（特别是基于只要没有外科手术干预（切割、螺钉放置等）就不存在变形的假设）。94.4）将3d图像传递到软件系统（例如，处理单元）7，并标记合适的位置，以钻孔并将用于结构基准标记s1的适配器a1插入到内部结构（例如，受试者的椎骨）i1中。该步骤可以根据需要重复多次，以预先准备根据本发明的方法，但不构成要求保护的方法的步骤。95.5）使用合适的外科手术设备或控制姿态可跟踪的外科手术机器人设备8以在计划的位置和取向处在椎骨i1中钻孔（根据步骤4）。特别地，表面基准标记fi的变形最小至没有变形（该步骤也不构成要求保护的方法的步骤）。96.6）将适配器a1附着到内部结构/椎骨i1（该步骤也不构成要求保护的方法的步骤）。特别地，适配器a1的姿态经由姿态可跟踪外科手术机器人设备8而为系统100所知，该姿态可跟踪外科手术机器人设备8可以在附着适配器a1时测量适配器a1的精确姿态（并因此测量稍后连接到适配器的标记20的精确姿态）。97.7）跟踪系统（例如，包括测量单元10）记录表面基准标记fi和适配器a1或连接到适配器a1的结构基准标记s1的相对位置或姿态，并且医疗系统100计算表面和适配器a1/结构基准标记s1之间的相对几何变换。然后使得被跟踪的内部结构（例如椎骨）i1和3d图像数据集之间的配准可用。98.8）针对每个内部结构（例如椎骨）ii（i》1）和相应的适配器ai（i》1）重复步骤4-7。99.参考数字1 物理对象（例如患者的身体或身体部分）2 物理对象的外表面ii 物体的第i个内部结构，其否则不可从外部访问fi 附着到外表面的第i个表面基准标记ai （在创建访问后）附着到对象内部结构的第i个适配器，其可连接到结构基准标记5a 正面5b 连接部分5c 锚定部分6 医疗成像设备（例如ct扫描仪或mri设备）7 处理单元8 外科手术机器人10 测量单元ima （3d图像/模型的）图像坐标系wor 测量单元的坐标系sur 表面基准标记的坐标系inn1 物体内部结构的坐标系inn’ 内部结构的坐标系si 内部结构的第i个结构基准标记51 螺纹52 图像定位特征53 用于将结构基准标记连接到适配器的开口/连接器100 医疗系统。









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