[发明专利]用于为了诊断、外科或介入医学目的而在医学应用中映射三维空间的装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于在医学程序的执行过程中向医学操作人员提供支持的装置与方法的领域。

更具体地说，本发明涉及为了诊断、外科或介入医学目的而在医学应用中映射三维空间的装置与方法。

背景技术

在医学程序的执行过程中，能够提供病人身体部位或内部器官的实时图像的设备常常如何使用是众所周知的。

例如，这些设备用来允许医学操作人员确定在所执行的医学程序中要使用的医学仪器（例如，导管、针、切割仪器等）的最佳操作定位。

荧光检查器是最常用来获得病人内部解剖结构的实时图像的设备，其中假定它们的特征是相对有限的尺度，这允许它们很容易在医学操作人员的操作区附近使用。

一种常见的荧光检查器在图1中示意性地说明。

设备（标记50）包括主体51和C形臂52，该臂52可关于主体以六个自由度移动。X射线源54和荧光屏53固定到臂52相对的端。

为了记录内部器官或身体部位的图像，臂52是以使病人身体位于源和屏之间的空间中这样一种方式定位的。一般来说，屏53与摄像机操作关联，从而允许所采集的图像很容易地在监视器上再现。

用于病人解剖结构的实时图像采集的、不使用电离辐射的其他类型的装置在现有技术中是可以获得的。这些装置的一个例子是由常见的超声探头来代表的。

由荧光检查器或者由超声探头提供的图像通常是二维的而且没有绝对参考。

因此，为了让这些图像在医学程序中成为有效的帮助，有必要映射病人身体位于其中的三维空间，以便获知其点相对于绝对参考系统的坐标（并因此获知病人内部器官与身体部位的位置）。

有些映射方法，例如在专利申请EP1942662中所描述的方法，包括记录病人身体的立体图像并且建立与在预操作阶段记录并具有预定义绝对参考的病人身体的图像的相关性。适当的图像识别算法用于建立这种相关性。

这种类型的映射方法通常漫长（需要超过30分钟）而且必须由专业技术人员执行，这些人通常不是医学队伍的一部分。

而且，假定病人内部器官的位置在预操作阶段中和医学程序执行过程中经常不相同，这些方法的可靠性是有限的。

其他的映射方法，例如在专利US6167292中所描述的方法，包括使用与病人身体刚性关联的标记元件，标记元件定义感兴趣的三维空间的参考系统。在医学程序开始的时候，标记元件被操作人员利用操作连接到计算机化设备的指针“触摸”，其中计算机化设备执行配准由标记元件定义的三维参考系统与已知参考系统的匹配算法。

尽管确保了高精度，但是这些映射方法对于在本领域中的使用是相对费力的。

而且，假定这些标记元件实际上可能由于病人的突然或轻率移动而经受偏移，把标记元件整体固定到病人身体也是不方便的。而且，这些异物是让在相对长的时间段内被迫忍受它们的存在的病人感到不适的显著来源。

专利EP1910040B1和US6349245B1描述了用于映射三维空间的装置，其中具有摄像机的机械臂用于自动检测与病人身体一体化的标记元件的位置。计算机化工具计算标记元件相对于已知参考系统的坐标。

尽管操作连接到病人身体的标记元件的使用具有缺点，但是这些装置允许减少执行映射操作所需的时间。

但是，它们的特征是相对低的精度，其中假定每个标记元件的位置是从非立体的检测开始计算的。

进一步的映射方法包括把标记元件放在固定位置的目标上而不是与病人的身体操作关联。

这些方法包括记录来自不同位置的目标，识别出可在不同视图中识别的同源点并且基于所识别出的同源点之间所存在的几何关系映射感兴趣的三维空间。

为了正确地执行，这些映射技术需要利用其记录目标的图像完美地等中心而且需要目标在记录过程中在空间中保持固定。

由于上述约束，难以使用常见的荧光检查器来记录感兴趣的三维空间的图像。

事实上，为了获得等中心的图像，荧光检查器必须被沿至少五个运动轴锁定，这导致其操作灵活性的显著下降。

因此，就算不是不可能，记录相对大的三维空间的图像也是极端困难的。

在现有技术中，计算机辅助的导航设备是可用的，这些设备旨在增加医学程序执行过程中医学操作人员的视觉感知。

这些设备能够提供病人身体部位的三维重建，这通常是通过整合在现场采集的图像与计算机生成的视觉结构获得的。

由于这些导航系统通常与摄像机立体系统操作关联，因此它们可以用于相对于适当的绝对参考系统映射三维空间。