[发明专利]用于估计物体中工具空间位置的系统与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在物体中，特别是在用所述工具加工的人骨(例如，人类头盖骨的颞骨的乳突)中估计工具空间位置(姿态)的系统。另外，本发明涉及用于在物体中估计工具空间位置的方法。

背景技术

目前，如计算机数控机器、机器人等可用的加工系统利用位置传感器估计相对于被操作物体的坐标系的工具姿态。通常，位置传感通过其中包括数字编码器、立体光学照相机和激光扫描仪的方式实现。

在特定情况下，可获得被操作物体的数字模型并用于定义工具到物体的动作。例如外科手术中，利用对骨的三维扫描确定待加工至骨内的空腔的最优位置。

在物体上实施(基于模型的)方案之前，模型(和加工系统)必须以物理物体为参考，过程通常被作为记录。

所述记录过程依赖于在物体与模型两者中关联可识别的标记。标记位置可在模型中通过图像处理并且在物体上通过使用测量设备利用数字化的方式而被识别。至少需要三个标记以记录物体与其模型。

但是，由于在模型和物体中的任何一个或二者上不适当的标记识别，所述记录可能不正确。这可导致物体坐标系与模型坐标系的错误的叠加而导致对物体的错误操作。例如在外科手术中，在骨模型中设计的空腔将被执行在错误的位置和/或方向上。

由于缺少额外的用于验证的标记(超出用于记录过程本身的标记)，对错误记录的变换的识别可能比较困难或者甚至是不可能的。

WO2009/092164中描述了利用了组织反馈的外科手术系统，沿预设轨迹使用组织特性的估计，并且基于实际组织特性与由外科手术工具测量的组织特性的不同对自动的外科手术任务进行调整。在该设备中所使用的控制器类型是线性控制器，其中，例如力传感器提供输入信号且自动设备(机器人)可基于该信号被控制。在为放置椎弓根螺钉的钻孔应用中给出了说明性示例。在该示例中，期望钻头保持在椎弓的内部通道中，因此如果钻头与此通道的外壁(皮质骨)相连，控制器可调整轨迹以从该边界移走。

US6718196中描述了一种方法，该方法在附着于立体定位架的单自由度执行器的控制下，用于将例如探针的工具推进如大脑的组织中。还描述了数控机构，其被训练用于基于组织特性识别异常组织和血管。传感器可包括例如力、孔隙压力、氧化、血流等模式。使用工具轨迹的起始部分以朝向控制算法的训练方向收集训练数据。该发明使得外科手术探针进步，以在组织的边界处，例如血管处被停止。

US2011/0306985中介绍了一种基于被加工材料硬度的控制加工反馈率的方法。材料(骨)硬度在空间上的不同由医疗影像数据确定。因此研磨设备的反馈率可根据局部硬度而改变，该局部硬度由影像数据导出。力反馈也可用于调节反馈率。

另外，在US2007/0225787中公开了一种可控电极和用来将该可控电极插入到体内的设备。所述插入系统包括设备，其基于对施加在工具顶端上的力的感应以主动控制工具的位置(即插入深度)。

在US2007/0181139中描述了一种系统和一种方法，用于凭借经验确定探针和组织表面的接触。该信息通过使用机械操控器和具有在其远端的附有传感器的探针确定。机械依次将探针移动到不同位置并且记录对应的组织特性。然后，基于探针测量值的变化确定工具相对于表面的位置和方向。

另外，US2011/0112397公开了通过使用三维位置追踪设备和针形探针来确定由软组织围绕的骨结构的位置的技术。实际上，所述设备工作原理与数字化坐标测量仪相似，其中，将探针穿过软组织插入且接触骨，记录一个力的峰值且由此触发记录针头的空间位置。通过从多个方向和位置重复该步骤，生成骨表面的3D图像。类似地，DE102005029002描述了一项发明，其与使用探针测量组织的力和硬度相关，该探针同时在空间上可追踪。因此，可生成机械特性的三维图像。另外，在DE 10 2008 013 429 A1中描述了一项发明，其在体内将在外科手术设备远端的力与3D位置相关联，其中，该申请的关注点为将力横向引导至工具轴。

WO 2010/147972涉及一项发明，其在手术探针可接近椎弓外边界时提供给外科医生反馈并由此阻止破坏。对力的阈值的预测基于手术前医疗影像的数据，其中影像强度值与骨的特性相关联。

在US 2004/0010190中描述了用于在体内将超声影像探针相对于预设目标体对齐的系统和方法。该系统通过机械机构可追踪并跟随移动的目标体，该机械机构可自动调节工具位置以响应来自控制系统的命令。另外，也可利用力传感器保持探针与人体的接触。