专利名称：基于距离的位置跟踪方法和系统的制作方法用于对手术工具进行空间定位的一种已知方法是使用电磁(“EM”)跟踪。不过， 这种解决方案涉及额外的装置，例如，外部场发生器和手术工具中的线圈。此外，精确度可能受到支气管镜的金属或手术区附近其他物体引入的场畸变的影响。此外，EM跟踪中的配准流程涉及到外部坐标系(例如，EM场发生器的坐标系或动态参照基础的坐标系)和计算断层摄影(“CT”)图像空间之间的关系设定。典型地，通过点到点匹配来执行配准，这导致了额外的延迟。即使有配准，患者的活动，例如呼吸，也可能意味着实际位置和计算位置之间的误差。用于手术工具的图像引导的已知方法涉及到利用光学位置跟踪系统来跟踪工具。 为了在CT坐标系或磁共振成像(“MRI”)坐标系中定位工具末端，必须要为工具装配以具有红外(“顶”)反射球的受跟踪刚体。必须要在插入工具之前执行配准和校准，以便能够跟踪工具的位置并将其关联到CT或MRI上的位置。如果将内窥镜用作手术工具，用于对内窥镜进行空间定位的另一种已知方法是将手术前三维(“3D”)数据集与来自支气管镜的二维(“2D”)内窥镜图像配准。具体而言， 将来自视频流的图像与支气管树的3D模型和摄像机掠过的相关截面进行匹配，以找到视频帧在患者图像的坐标系中的相对位置。这种2D/3D配准的主要问题是复杂性。为了解决这个问题，通过EM跟踪支持2D/3D配准，以首先获得粗略配准，然后通过2D/3D配准对变换参数进行细调。本发明的前提是利用手术前计划以在由外部成像系统(例如，CT、MRI、超声波、X 射线和其他外部成像系统)拍摄的身体解剖区域的手术前扫描图像之内产生手术工具(例如，导管、内窥镜或嵌套插管)距对象距离的虚拟测量。例如，如这里将进一步解释的，根据本发明的虚拟导航是一种手术前内窥镜流程，其利用手术工具的运动学性质在受检者解剖区域(例如，支气管树)的扫描图像之内产生运动学上的正确的工具路径，并在扫描图像之内虚拟地模拟由工具执行手术前计划，其中，虚拟模拟包括虚拟耦合到手术工具的一个或多个距离传感器，其提供在解剖区域的扫描图像之内工具与对象(例如支气管壁)距离的虚拟测量。在手术工具为导管、内窥镜或针的情况下，可以使用Trovato等人的、2007年4月 17 日公开的、题为“3D Tool Path Planning, Simulation and Control System” 的国际申请TO 2007/04^86A2教导的路径规划技术来在由受检者解剖区域的3D数据集表示的身体解剖区域之内产生导管、内窥镜或针的运动学正确路径。在手术工具为成像嵌套插管的情况下，可以使用Trovato等人的、2008年3月20日公开的、题为"Active Cannula Configuration For Minimally Invasive Surgery，，的国际申请WO 2008/032230A1教导的路径规划/嵌套插管配置技术，以在由受检者解剖区域的3D数据集表示的身体解剖区域之内产生用于嵌套插管的运动学正确路径。本发明的另一前提在于利用信号匹配技术将在解剖区域的3D扫描图像之内手术工具与对象距离的手术前虚拟测量与通过物理耦合到手术工具的一个或多个距离传感器对在解剖区域之内手术工具与对象距离的手术中物理测量进行比较。现有技术中已知的信号匹配技术的范例包括，但不限于，(I)Yu. -Te. ffu, Li-Fen Chen, Po-Lei Lee, Tzu-Chen Yeh,Jen-Chuen Hsieh 的"Discrete signal matching using coarse-to-fine wavelet basis functions，，, Pattern Recognition,第 36 卷，第 1 其月，2003 年 1 月，171-192 页；(2)Dragotti, P. L. Vetterli, M. StJ "Wavelet footprints theory, algorithms, and applications", Signal Processing, IEEE Transactions, 51 卷，第 5 期，1306-1323 页；(3) Jong-Eun Byun, Ta-i Nagata,"Determining the 3-D pose of a flexible object by stereo matching of curvature representations，，，Pattern Recognition,第 29 卷， 第 8 期，1996 年 8 月，1297-1307 页。
本发明的一种形式是一种位置跟踪方法，其具有手术前阶段，手术前阶段包括产生图示身体解剖区域的扫描图像，以及在手术工具相对于扫描图像之内的手术路径的虚拟模拟期间产生虚拟信息。虚拟信息包括与扫描图像中手术工具距对象的虚拟距离测量相关联的手术工具在扫描图像之内的虚拟位姿的预测。在手术前阶段的示范性实施例中，使用扫描图像和手术工具的运动学属性产生扫描图像之内的手术路径。之后，在执行扫描图像之内的手术路径闪掠时，使用虚拟耦合到手术工具的一个或多个虚拟距离传感器的感测属性模拟表示在扫描图像之内手术工具与对象壁的距离测量的虚拟感测信号(一个或多个)，并在数据库中存储距离传感器提供的虚拟感测信号的采样点。该位置跟踪方法还具有手术中阶段，包括在手术工具相对于在解剖区域之内的手术路径物理导航期间产生在解剖区域之内手术工具与对象壁的物理距离的测量，以及产生从物理距离测量到虚拟距离测量的匹配导出的跟踪信息。所述跟踪信息包括与所述手术工具相对于在所述扫描图像之内的手术路径的虚拟位姿的预测对应的、所述手术工具相对于在所述解剖区域之内的内窥镜路径的位姿估计。在手术中阶段的示范性实施例中，物理耦合到手术工具的距离传感器提供表示手术工具与在解剖区域之内的对象距离的物理测量的物理感测信号(一个或多个)，将物理感测信号(一个或多个)与存储的虚拟感测信号(一个或多个)匹配以确定手术工具相对于在解剖区域之内的手术路径的物理导航期间手术工具在解剖区域之内的位姿(即位置和取向)。出于本发明的目的，这里使用的术语“产生”被宽泛地定义成包括本领域当前已知或接下来已知的任何技术，用于创建、供给、供应、获得、生产、形成、开发、演化、修改、变换、 改变或以其他方式制造可用信息(例如，数据、文本、图像、语音和视频)，以进行计算机处理和存储器存储/检索，尤其是图像数据集和视频帧。此外，这里使用的短语“从......导出”被宽泛定义为包括本领域当前或接下来已知的用于从源信息集产生目标信息集的任何技术。此外，这里使用的术语“手术前”被宽泛定义成描述在内窥镜应用之前发生或与内窥镜应用之前的时期或准备相关的任何活动(例如，用于内窥镜的路径规划)，这里使用的术语“手术中”被宽泛地定义成描述在内窥镜应用过程中发生、执行或遇到的任何活动(例如，根据规划的路径操作内窥镜)。内窥镜应用的范例包括，但不限于支气管镜检查、结肠镜检查、腹腔镜检查和大脑内窥镜检查。在大多数情况下，手术前活动和手术中活动将在明确分开的时间周期内发生。尽管如此，本发明包括涉及到手术前和手术中时间周期在任何程度的重叠的情况。此外，术语“内窥镜”在这里被宽泛定义为具有从身体内部成像的能力的任何装置，术语“距离传感器”在这里被宽泛地定义为具有在不与对象有任何物理接触的情况下感测与对象的距离的能力的任何装置。用于本发明目的的内窥镜范例包括，但不限于任何类型的柔性或刚性的观测器(例如关节内窥镜、支气管窥镜、胆道镜、结肠镜、膀胱镜、十二指肠镜、胃窥镜、宫腔镜、腹窥镜、喉镜、神经窥镜(neuroscope)、耳镜、推式肠镜、鼻喉镜、乙状结肠镜、弯曲窥镜、胸腔窥镜等)以及类似于装备有图像系统的观测器的任何装置(例如， 能够成像的嵌套插管)。成像是局部的，可以利用光纤、透镜或小型化(例如基于CCD的) 成像系统获得表面图像。用于本发明目的的距离传感器范例包括，但不限于结合了三角测量技术、飞行时间声学测量技术、飞行时间电磁波技术、光学干涉测量技术和/或振动光源技术的装置，所有这些技术都是现有技术中已知的。具体而言，根据微机电系统技术设计的距离传感器可以在毫米空间中提供精确的感测。结合附图阅读本发明各实施例的以下详细描述，本发明的前述形式和其他形式以及本发明的各种特征和优点将变得更加显而易见。详细描述和附图仅仅图示本发明而不是加以限制，本发明的范围由所附权利要求及其等同要件界定。图1图示了表示本发明的基于距离的位置跟踪方法的一个实施例的流程图。图2图示了用于根据本发明的内窥镜的示范性距离传感器配置。图3图示了图1所示流程图的示范性手术应用。图4图示了表示本发明的位姿预测方法的一个实施例的流程图。图5图示了根据图4所示的流程图用于支气管窥镜的示范性手术路径产生。图6图示了根据图4所示的流程图用于嵌套插管的示范性手术路径产生。图7图示了根据图4所示的流程图的示范性虚拟测量。图8图示了根据图4所示的流程图的第一示范性虚拟信号产生。图9图示了根据图4所示的流程图的第二示范性虚拟信号产生。图10图示了表示本发明的位姿估计方法的一个实施例的流程图。图11图示了根据图10所示的流程图的示范性物理测量。图12图示了根据图10所示流程图的示范性信号匹配。图13图示了本发明的基于距离的位置跟踪系统的一个实施例。
踪方法。图4中示出了表示本发明的位姿预测方法的流程图60。流程图60是图1的手术前阶段S31的示范性实施例。参考图4，流程图60的阶段S61包括使用扫描图像20和手术工具的运动学属性执行规划的路径技术(例如，快速匹配或A*搜索技术)以便在扫描图像20之内为手术工具产生运动学上的定制路径。例如，在手术工具为导管、内窥镜或针的情况下，可以使用 Trovato 等人的、日期为 2007 年 4 月 17 日且题为 “3D Tool Path Planning, Simulation and Control System”的国际申请WO 2007/0^986A2中教导的已知路径规划技术，以生成在扫描图像20(例如，CT扫描数据集)之内的运动学定制路径，在此通过引用将该申请全文并入本文。图5示出了用于支气管树的扫描图像70之内支气管窥镜的示范性手术路径 71。手术路径71在进入位置72和目标位置73之间延伸。同样作为范例，在手术工具为成像嵌套插管的情况下，可以使用Trovato等人的、 2008年 3 月 20 日公开的、题为“Active Cannula Configuration For Minimally Invasive Surgery”的国际申请WO 2008/032230A1教导的路径规划/嵌套插管配置技术，以产生在受检者解剖区域(例如CT扫描数据集)之内用于成像套管的运动学定制路径，在此通过引用将该申请全文并入本文。图6示出了在支气管树的图像74之内用于成像嵌套插管的示范性路径75。手术路径75在进入位置76和目标位置77之间延伸。在图4中继续，产生表示按照手术工具相对于手术路径的预测位姿(即位置和取向)的运动学定制路径的手术路径数据23，用于(如接下来本文要解释的)流程图60的阶段S62，并用于在手术中阶段32期间经由手术工具执行手术中流程(图1)。阶段S61的手术前路径生成方法涉及现有技术中已知的离散化配置空间，根据适用邻域所贯穿的配置空间的坐标生成手术路径数据23。优选地，阶段S61涉及根据本发明连续使用离散化配置空间，从而根据离散化配置空间上邻域的精确位置值产生手术路径数据23。采用阶段S61的手术前路径生成方法作为路径发生器，因为其在不精确的离散化配置空间中提供了精确的运动学定制路径。此外，该方法能够在3D空间中计算和存储路径的6维规格。例如，配置空间可以基于3D障碍空间，例如通常由CT产生的各向异性(非立方体体素)图像。尽管体素是分立的和非立方的，但规划器仍能够产生连续的平滑路径，例如一系列相连的弧。这意味着需要少得多的存储并可以迅速计算路径。离散化的选择将会影响障碍区域，从而影响获得的可行路径。结果是在手术工具连续坐标系中平滑的、运动学可行的路径。在Trovato等人的，分别于2008年6月沈日和2008年9月23日提交的题为 “Method and System for Fast Precise Planning” 的美国专利申请 No. 61/075886 和 61/099233中更详细地描述了这种情况，在此通过引用将其全文并入。返回到图4，流程图60的阶段S62包括对手术工具相对于手术路径的虚拟导航，其包括在扫描图像20中手术工具与对象虚拟距离的测量。具体而言，沿着手术路径逐点推进虚拟手术工具，并在手术路径的每个路径点测量手术工具与对象的虚拟距离。这种距离采样将等于或大于手术中阶段S32上的物理距离测量的分辨率(图1)。在一个示范性实施例中，通过以下方程[1]计算采样点的数目N:N > (F/V)*L [1]其中V是手术中流程期间手术工具导航以毫米每秒为单位的最大预计速度，F是距离传感器53以赫兹为单位的采样率，L是手术路径以毫米为单位的长度。例如，参考图7，示出了沿路径的给定点X的扫描图像20的2D帧80，虚拟耦合到手术工具51的两个( 虚拟距离传感器5 和54b分别测量对于该给定点X距支气管的支气管壁41的虚拟距离vdl和vd2。具体而言，在帧80中通过它们在手术工具51上的相应位置描述距离传感器M，距离度量是从传感器表面到支气管壁41的正交矢量。在实践中，将在3D的扫描图像中执行虚拟距离测量，每个采样点沿手术路径取在3D对象之内。在一个示范性实施例中，如图8所示，可以绘制相应距离传感器5 和54b进行的虚拟距离测量vdl和vd2，使实测距离在Y轴上，并且X轴的已完成路径的百分比取决于手术工具51正被导航通过的支气管的扫描图像20a。或者，如图9所示，可以绘制两个虚拟距离测量vdl和vd2的差别vdd，差别vdd在Y轴上，虚拟导航的时间在X轴上。返回到图4，阶段S62的结果是虚拟数据集21a，其表示对于每个采样点，在与虚拟距离测量相关联的手术前扫描图像20的坐标空间中唯一的位置(X，y，ζ)和取向(α，θ， φ)。流程图60的阶段S63包括在具有适当参数字段(field)的数据库之内存储虚拟数据集 21a。下面的表1是在数据库之内存储虚拟数据集21a的范例。表

基于距离的位置跟踪方法(30)的手术前阶段涉及在手术工具(51)相对于图示身体解剖区域(40)的扫描图像(20)之内的手术路径(52)的虚拟导航期间产生从扫描图像(20)导出的虚拟信息(21)。虚拟信息(21)包括与手术工具(51)距扫描图像(20)之内的对象的虚拟距离测量相关联的、对手术工具(51)相对于扫描图像(20)之内的手术路径(52)的虚拟位姿预测。该方法(30)的手术中阶段涉及在手术工具(51)相对于解剖区域(40)之内的手术路径(52)的物理导航期间产生从手术工具(51)与解剖区域(40)之内的对象的物理距离测量导出的跟踪信息(23)。跟踪信息(23)包括对应于手术工具(51)相对于扫描图像(20)之内的手术路径(52)的虚拟位姿预测的、对手术工具(51)相对于解剖区域(40)之内的手术路径(52)的位姿估计。