本發(fā)明涉及使用導(dǎo)航系統(tǒng)，顯示線性儀器經(jīng)于3d醫(yī)學(xué)圖像導(dǎo)航后的位置和取向的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

導(dǎo)航技術(shù)已廣泛用于顯示儀器在3d醫(yī)學(xué)圖像上的位置和取向，其中3d醫(yī)學(xué)圖像是計算機斷層掃描(ct)或磁共振圖像(mri)，或任意其他類型，如錐束計算機斷層掃描(cbct)、正電子發(fā)射斷層掃描(pet)等。

常規(guī)來講，在3d圖像和追蹤裝置(也稱為定位器)之間應(yīng)用配準(zhǔn)方法，以得知儀器在附屬于圖像的坐標(biāo)系中的位置和取向。

我們尤其考慮了線性儀器，例如探針、指示器(pointer)、鉆孔導(dǎo)向件、套管、鉆頭(drillbit)、針等的顯示。

常規(guī)來講，線性儀器的位置和取向顯示在代表3d醫(yī)學(xué)圖像的重現(xiàn)切片(slice)或投影的幾張2d圖像上。

在大部分手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中，線性儀器的位置由三個視圖表示：兩個視圖是含儀器軸線的平面并且彼此近似垂直，而一個視圖與儀器軸線是正交的。

可選地，顯示第四視圖，使用體繪制技術(shù)或面繪制技術(shù)，例如使用分割解剖結(jié)構(gòu)的3d表面，示出儀器和圖像的3d表象。

為了降低向用戶顯示的信號的復(fù)雜性和數(shù)量，提出了一些系統(tǒng)，以僅顯示包含線性儀器的兩張2d圖像。

考慮到在醫(yī)學(xué)成像中使用的標(biāo)準(zhǔn)參照，這些圖像之一常常是偽軸向的，而另一圖像常常是偽矢向的。

當(dāng)用戶移動線性工具時，對兩張圖像進行實時再計算，以顯示包含儀器軸線的圖像的更新。

但是，目前可獲得的顯示線性儀器在3d圖像中的位置和取向的表象都不是真正直觀的，需要經(jīng)過培訓(xùn)和使用才能有效使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，對于想要可視化線性儀器相對于3d醫(yī)學(xué)圖像導(dǎo)航后的位置和取向以便于朝3d圖像上可見靶標(biāo)的方向插入線性儀器的用戶，降低信息的復(fù)雜性和數(shù)量。

本發(fā)明的目標(biāo)是一種顯示線性儀器相對于3d醫(yī)學(xué)圖像導(dǎo)航后的位置和取向的方法，其中：

-將所述線性儀器與導(dǎo)向件偶聯(lián)；

-導(dǎo)航系統(tǒng)相對于所述3d圖像追蹤所述導(dǎo)向件；

-將包含所述線性儀器的軸線的平面虛擬附接至所述導(dǎo)向件；

-顯示在3d圖像中重現(xiàn)的且包含所述平面的切片。

根據(jù)實施方式，將所述線性儀器的表象顯示在所重現(xiàn)的切片上。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，所述導(dǎo)向件具有非對稱的形狀，并且所虛擬附接的平面與所述導(dǎo)向件的主要縱向尺寸(mostlongitudinaldimension)相關(guān)聯(lián)。

所述線性儀器可能能夠在所述導(dǎo)向件中滑動?；蛘?，所述線性儀器剛性固定至所述導(dǎo)向件。

根據(jù)實施方式，所重現(xiàn)的切片是顯示出的3d圖像的唯一視圖。

根據(jù)實施方式，所述線性儀器的表象是在所重現(xiàn)的切片的中心中的線條。

本發(fā)明的另一目標(biāo)是一種顯示線性儀器相對于3d醫(yī)學(xué)圖像導(dǎo)航后的位置和取向的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

-處理器，所述處理器適用于與導(dǎo)航系統(tǒng)偶聯(lián)以接收導(dǎo)航數(shù)據(jù)，

-導(dǎo)向件，所述導(dǎo)向件用于與所述線性儀器偶聯(lián)并且被所述導(dǎo)航系統(tǒng)追蹤，其中包含所述線性儀器的軸線的平面虛擬附接至所述導(dǎo)向件，以允許所述導(dǎo)航系統(tǒng)相對于3d圖像追蹤虛擬附接至所述導(dǎo)向件的平面，所述處理器經(jīng)配置以計算在所述3d圖像中重現(xiàn)的且包含所述平面的切片，和

-顯示器，所述顯示器與所述處理器偶聯(lián)且經(jīng)配置以顯示所重現(xiàn)的切片。

根據(jù)實施方式，所述導(dǎo)向件具有非對稱的形狀，并且所虛擬附接的平面與所述導(dǎo)向件的主要縱向尺寸相關(guān)聯(lián)。

所述線性儀器可能能夠在所述導(dǎo)向件中滑動?；蛘?，所述線性儀器剛性固定至所述導(dǎo)向件。

根據(jù)實施方式，所述線性儀器是用于朝靶標(biāo)的方向插入患者體內(nèi)的針，所述針包括遠端尖端和近端止動件，并且所述針能在所述導(dǎo)向件內(nèi)沿所述導(dǎo)向件的縱向軸線滑動，并且，所述處理器經(jīng)配置以檢測所述針導(dǎo)向件和所述近端止動件之間的接觸，根據(jù)在所述針導(dǎo)向件與所述針的近端止動件接觸時的所述針導(dǎo)向件的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，以及所述針的長度，確定所述遠端針尖端相對于3d醫(yī)學(xué)圖像的位置；

所述系統(tǒng)進一步包括與所述處理器偶聯(lián)的用戶界面，所述用戶界面經(jīng)配置以在患者的至少一張圖像上顯示所述針的表象和在所述針的表象上的點，以代表處于所確定的位置上的針尖端。

附圖說明

根據(jù)下面的描述以及所附附圖，將顯示出本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點。在附圖中：

圖1示出了上述方法的實施方式；

圖2示出了確定針尖端位置的一般原理；

圖3示出了本發(fā)明的根據(jù)實施方式的連續(xù)步驟，其中，在確定針尖端位置的過程中，記憶針的位置；

圖4a和圖4b示出了兩種狀態(tài)，其中用戶獲知沒有準(zhǔn)確顯示針尖端的位置；

圖5示意性示出了多根針的全局數(shù)據(jù)庫(左)，和僅包含與用戶所用針相關(guān)的數(shù)據(jù)的個性化數(shù)據(jù)庫(右)；

圖6示出了校正針長度的不同實施方式。

具體實施方式

通過包括計算機和屏幕的系統(tǒng)，執(zhí)行下面所述的方法。所述計算機包括適用于集成或偶聯(lián)到導(dǎo)航系統(tǒng)以接收導(dǎo)航數(shù)據(jù)的處理器。所述系統(tǒng)進一步包括與線性儀器偶聯(lián)的導(dǎo)向件，其中包含線性儀器軸線的平面虛擬附接至導(dǎo)向件，以使導(dǎo)航系統(tǒng)相對于3d圖像進行追蹤。所述處理器還經(jīng)配置以計算在3d圖像中重現(xiàn)的且包含所述平面的切片。所述屏幕與所述處理器偶聯(lián)，且經(jīng)配置以顯示所重現(xiàn)的切片。

提供患者身體的3d圖像，其中包括線性儀器要觸及的靶標(biāo)。

3d圖像可通過計算機斷層掃描(ct)、磁共振(mr)、錐束計算機斷層掃描(cbct)、正電子發(fā)射斷層掃描(pet)等獲得。

所述線性儀器可以是探針、指示器、鉆孔導(dǎo)向件、套管、鉆頭、針等。根據(jù)實施方式，所述線性儀器是要使用例如高頻、微波或低溫技術(shù)來進行活檢或治療腫瘤的針。

3d圖像表示為由圖1中的(oxyz)所示坐標(biāo)系中的體素的體積。

所述線性儀器與導(dǎo)向件偶聯(lián)。

根據(jù)實施方式，所述線性儀器固定至所述導(dǎo)向件。在具體情況中，所述導(dǎo)向件是可放置在線性儀器尖端的非常小的傳感器，例如直徑小于兩毫米的微型電磁式傳感器。

在優(yōu)選實施方式中，所述儀器能在所述導(dǎo)向件內(nèi)側(cè)滑動和/或旋轉(zhuǎn)。所述導(dǎo)向件可以是持針器，針可插入持針器中并在其中滑動和/或旋轉(zhuǎn)。所述導(dǎo)向件可以是例如通過使用鉗子而具有可變內(nèi)直徑的可調(diào)裝置，或它可由具有適用于各種針直徑的不同直徑的幾種圓柱體制成。

所述導(dǎo)向件配備有追蹤器，通過追蹤系統(tǒng)相對于患者的3d圖像定位該追蹤器的位置和取向。使用常規(guī)導(dǎo)航技術(shù)相對于定位器定位所述追蹤器，所述定位器可以例如是電磁發(fā)射器，該電磁發(fā)射器放置在患者身上并且包含用于配準(zhǔn)所述追蹤器與所述3d圖像的基準(zhǔn)點?；蛘撸梢允枪鈱W(xué)或電磁式定位器或機器人，該光學(xué)或電磁式定位器或機器人放置在患者一側(cè)上并且與放置在患者身上的基準(zhǔn)點進行配準(zhǔn)，或相對于檢查表固定。總的來講，所述導(dǎo)向件具有相對于3d圖像實時追蹤的位置和取向。

所述導(dǎo)向件可由用戶操作。

或者，所述導(dǎo)向件可放置在機械鉸接臂、觸摸式系統(tǒng)或機器人的末端。

使用常規(guī)的手術(shù)導(dǎo)航和機器人技術(shù)，獲知所述導(dǎo)向件相對于圖像坐標(biāo)系(oxyz)的位置和取向。

通過局部坐標(biāo)系(oxyz)來表示所述位置，并且隨時獲知坐標(biāo)系(oxyz)和坐標(biāo)系(oxyz)之間的矩陣m。

按照慣例，假設(shè)局部方向y代表插入到導(dǎo)向件中的線性儀器的方向，而o是定位在線性儀器軸線上的原點。

在常規(guī)的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中，包含線性儀器軸線的平面圖像進行計算，并且顯示為在3d圖像體積中重現(xiàn)的傾斜切片。

試圖顯示包含線性儀器軸線的、在3d圖像中重現(xiàn)的切片，以便用戶可在3d圖像上看到儀器相對于靶標(biāo)行進到了哪里。但是，定義并計算與儀器的方向y正交的方向d以構(gòu)建圖像平面(o,y,d)是不容易的。

例如，計算含點o、儀器方向y和由矩陣m變換的方向x的平面，并在3d圖像中計算對應(yīng)的重現(xiàn)的切片(其為2d圖像)。這構(gòu)成了偽軸向視圖。如果方向z和z完全對齊，則在與x和y平行的平面中產(chǎn)生完美的軸向圖像。

在另一實施例中，計算含點o、儀器方向y和由矩陣m變換的方向z的平面，并在3d圖像中計算對應(yīng)的重現(xiàn)的切片(其為2d圖像)。這構(gòu)成了偽矢向視圖。如果方向x和x完全對齊，則在與y和z平行的平面中產(chǎn)生完美的矢狀圖像。

計算和顯示對應(yīng)于平面(o,y,x)和平面(o,y,z)的兩張圖像是很常見的。這在線性儀器沿包含其軸線的兩張圖像插入體內(nèi)之前，為用戶提供了線性儀器的連續(xù)模擬。用戶操縱導(dǎo)向件并且使圖像可視化，直至發(fā)現(xiàn)線性儀器將觸及靶標(biāo)，并且避開如危險器官等障礙物。使用這種表象模式，用戶必須解釋其坐標(biāo)系隨導(dǎo)向件運動而一起移動的圖像，一些用戶可能認為這樣是困難的。

所提出的方法通過將包含儀器軸線的圖像平面虛擬附接至導(dǎo)向件，從而解決了這一缺點。經(jīng)由矩陣m獲知所附接的圖像平面相對于3d醫(yī)學(xué)圖像的位置。另外，在監(jiān)控器上計算并且顯示對應(yīng)于所述平面的重現(xiàn)的切片，其中監(jiān)控器可以是任意類型，包括常規(guī)監(jiān)視器、安裝在任意儀器上的小顯示器、虛擬現(xiàn)實眼鏡或增強現(xiàn)實眼鏡。在優(yōu)選實施方式中，將尺寸在1至5英寸之間的小顯示器附接至導(dǎo)向件，以提供便于手-眼協(xié)作的完整系統(tǒng)。

將所述儀器沿方向y插入所述導(dǎo)向件。對于導(dǎo)向件在由矩陣m表示的圖像坐標(biāo)系中的任意位置來說，確定經(jīng)過點o、矢量x和矢量y的平面。顯示在3d圖像中重現(xiàn)的且包含所述平面(o,x,y)的圖像。這產(chǎn)生了醫(yī)師在他們操縱超聲探針時已知的效果：所述導(dǎo)向件起到類似虛擬超聲探針的作用。使用這樣的表象，之前已經(jīng)接受過操縱超聲探針和圖像訓(xùn)練的用戶會發(fā)現(xiàn)導(dǎo)向件在3d圖像中的導(dǎo)航是非常直觀的，這有助于節(jié)省時間并且增強程序的效率。

在3d圖像體積中重現(xiàn)的傾斜切片的計算依賴于標(biāo)準(zhǔn)算法?？赏ㄟ^很多方法進行，并且必須經(jīng)優(yōu)化以便實時進行傾斜切片的計算和顯示。這種計算通過使用下面的原理進行。對于重現(xiàn)圖像的每一像素(i,j)，對應(yīng)點p在坐標(biāo)系(oxyz)中的坐標(biāo)根據(jù)圖像的像素尺寸和點o在圖像坐標(biāo)系(oixy)中的位置來計算，而圖像坐標(biāo)系(oixy)取決于圖像的寬度和針導(dǎo)向件的已知幾何結(jié)構(gòu)(圖像的寬度和高度的方向與x矢量和y矢量一致)。然后，使用矩陣m計算對應(yīng)點p在坐標(biāo)系(oxyz)中的坐標(biāo)?，F(xiàn)在，使用3d圖像的體素尺寸可直接計算對應(yīng)于該點的體素，而且，可以用該體素數(shù)據(jù)，或者用可能需要的與所發(fā)現(xiàn)的體素接近的體素的一些插值技術(shù)(例如線性、三線性或鄰域插值)來計算要放入圖像像素(i,j)中的數(shù)據(jù)。通過使用很多公知的軟件功能和算法，可以在處理器中實施上述原理。例如，可通過軟件庫，例如由kitwareinc.(美國，紐約)開發(fā)的itk(insightsegmentationandregistrationtoolkit)和vtk(visualizationtoolkit)，提供這樣的算法。

在優(yōu)選實施方式中，所述導(dǎo)向件具有非對稱的形狀。例如，所述導(dǎo)向件具有細長的形狀，該細長的形狀具有兩個較短的尺寸y和z，和一個較長的尺寸x。

在優(yōu)選實施方式中，所述導(dǎo)向件是持針器，針可在持針器中沿軸線y自由滑動。例如，所述導(dǎo)向件可由鉗子制成，該鉗子以大到足以保持線性軌跡但小到足以使針能在鉗子內(nèi)側(cè)平移的壓力夾持針。在圖像上顯示儀器方向y的表象。該表象可以是有工具提示(tooltip)限制的或者無限的實線或虛線。用戶可首先以超聲樣模式對導(dǎo)向件進行導(dǎo)航，然后一旦發(fā)現(xiàn)包含靶標(biāo)且提供安全訪問路徑的適當(dāng)?shù)膱D像平面，就將針以朝靶標(biāo)的方向推入導(dǎo)向件內(nèi)。然后用戶可采集新的3d圖像，以檢查針相對于靶標(biāo)的校正位置。如果需要，用戶可再次調(diào)整導(dǎo)向件的位置，并且通過使在附屬于導(dǎo)向件的平面(o,x,y)中的圖像可視化，將針繼續(xù)刺入體內(nèi)。

在優(yōu)選實施方式中，所述線性儀器的表象是在所重現(xiàn)的圖像的中心中的線條，這是使用配備了線性導(dǎo)向件的超聲探針不可能實現(xiàn)的，并且提供了操作非常直觀的優(yōu)點。例如，所述線條是包含圖像中間點的垂直線。

所述系統(tǒng)如同用戶操縱具有物理附接至超聲探針的線性導(dǎo)向件的2d成像超聲探針一樣，但具有重大差異：(a)圖像不是超聲圖像，而是高質(zhì)量的ct、cbct或mr圖像；(b)沒有超聲探針，而僅有配備了追蹤器的塑料導(dǎo)向件；(c)圖像不是真實的，而是虛擬的；(d)僅需要進行一次3d圖像采集來計算盡可能多的虛擬圖像；(d)可將針插入到圖像的中間，這在超聲探針存在時是不可能實現(xiàn)的。

如果已經(jīng)將針的至少一部分插入到患者體內(nèi)，則針導(dǎo)向件環(huán)繞針的旋轉(zhuǎn)允許探測針周圍的組織。

如果還沒有將針插入患者體內(nèi)，則針導(dǎo)向件可用作檢像器，允許將針放入圖像的中心，這對于用戶來說比針被放在圖像的一側(cè)的常規(guī)系統(tǒng)更加舒服。

在優(yōu)選實施方式中，所重現(xiàn)的圖像是3d圖像呈現(xiàn)給用戶的唯一視圖，這樣消除了混亂并且提供了非常易于使用的系統(tǒng)。

在另一優(yōu)選實施方式中，所述線性儀器剛性固定至所述導(dǎo)向件。例如，所述導(dǎo)向件可附接至針的頂部，或者它可以是插入針中的微型電磁式傳感器。然后，在所重現(xiàn)的圖像上不僅可以顯示方向，而且還可以顯示儀器的尖端。儀器的表象包含經(jīng)校準(zhǔn)以代表儀器尖端的點。

圖1示出了所述方法的實施方式。

提供了3d圖像的體積v，其中3d圖像可以例如是ct或cbct圖像。

坐標(biāo)系oxyz附屬于3d圖像v。將定位器6放置在體積v中，并在3d圖像中是可見的。坐標(biāo)系oxyz與附屬于定位器6的坐標(biāo)系的配準(zhǔn)能確定定位器的坐標(biāo)系和3d圖像的坐標(biāo)系之間的變換矩陣。

導(dǎo)向件2表示為持針器，線性儀器1，例如針，可在其中沿定義的方向y滑動。局部坐標(biāo)系(oxyz)附屬于導(dǎo)向件2。線(oy)代表線性儀器的位置。追蹤器5附接于導(dǎo)向件2，并且被導(dǎo)航系統(tǒng)追蹤。因為定位器6也被導(dǎo)航系統(tǒng)追蹤，因此使用變換矩陣的組合相對于3d圖像對導(dǎo)向件2進行導(dǎo)航。

計算包含o、x和y的圖像平面4，并且表示為在3d圖像v中重現(xiàn)的切片。然后，在監(jiān)控器上顯示所重現(xiàn)的切片。

圖2示出了如何獲得在針尖端位置上的信息。

圖2中的左圖示出由皮膚s界定的患者身體的體積v，其中包括在手術(shù)干預(yù)期間要觸及的靶標(biāo)t。

例如通過ct、cbct成像，或通過mr成像，提供該體積的3d醫(yī)學(xué)圖像。

在干預(yù)期間，用戶(例如介入放射醫(yī)師)使用滑動布置在針導(dǎo)向件2中的針1。

針導(dǎo)向件配備有通過追蹤系統(tǒng)定位位置和取向的追蹤器5。所述追蹤系統(tǒng)可使用任何適當(dāng)?shù)氖中g(shù)導(dǎo)航技術(shù)，例如電磁技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、超聲技術(shù)、機械技術(shù)或慣性技術(shù)。

參考標(biāo)記物(未示出)附接到患者身體上并且被配置成在3d醫(yī)學(xué)圖像上是可見的。參考標(biāo)記物的位置和取向也通過追蹤系統(tǒng)獲知，可相對于3d醫(yī)學(xué)圖像對針導(dǎo)向件進行導(dǎo)航。

因此，不是直接對針1進行導(dǎo)航，而是利用針導(dǎo)向件2來對針1進行導(dǎo)航。因為針僅可在針導(dǎo)向件中沿一個方向滑動(和相對于針導(dǎo)向件可能發(fā)生旋轉(zhuǎn))，因此針導(dǎo)向件的導(dǎo)航允許獲知針的插入點(即當(dāng)導(dǎo)向件通過插入針而接近患者皮膚或在患者皮膚上時，導(dǎo)向件21的尖端的點)和相對于3d醫(yī)學(xué)圖像的插入方向。

導(dǎo)向件2有利地呈現(xiàn)了要與患者皮膚接觸或接近皮膚的尖端21。當(dāng)導(dǎo)向件2盡可能接近患者時，即當(dāng)尖端接近皮膚s或與皮膚s接觸時，獲得導(dǎo)航的最大精確度。導(dǎo)向件2還呈現(xiàn)了在針的插入方向上，與尖端21相對的后表面22。導(dǎo)向件2具有可在設(shè)計和制造工藝期間獲得的已知的幾何結(jié)構(gòu)，或通過校準(zhǔn)，以便尖端21和后表面22具有在追蹤器5的坐標(biāo)系中的已知坐標(biāo)，其中追蹤器5附接于導(dǎo)向件。后表面22可以非常小并且近似為一點。

所述導(dǎo)向件可由用戶或遠程操作的機器人來操縱。

針1包括遠端尖端10和擴大的近端部分11，其中遠端尖端10要觸及靶標(biāo)以遞送所需的處理。具體地，近端部分11包括止動件110，其中止動件110限制針導(dǎo)向件2相對于針1朝近端方向的滑動?！搬樀拈L度”在本文中指遠端尖端10和近端止動件110之間的距離。在本文中，術(shù)語“近端”指針的距針尖端最遠的部分，術(shù)語“遠端”指針的距針尖端最近的部分。

在圖2的左圖中，表示了處于兩種不同位置的針導(dǎo)向件2：

-第一位置(以實線表示)，其中針導(dǎo)向件2的尖端接近皮膚s——該位置(也被稱為“皮膚位置”)被認為提供了導(dǎo)航的最佳精確度；

-第二位置(也被稱為“止動位置”)(以虛線表示)，其中針導(dǎo)向件2在其后表面22處與針的止動件110接觸。

“接近皮膚”在本文中指針導(dǎo)向件和皮膚之間的距離小于針導(dǎo)向件和針的近端止動件之間的距離。為了提供導(dǎo)航的最佳精確度，該距離應(yīng)盡可能的小，即針導(dǎo)向件與皮膚接觸或距離患者皮膚至少小于10mm。

雙箭頭示出針導(dǎo)向件2相對于針1的滑動方向。

當(dāng)針導(dǎo)向件2處于第一位置時，針尖端10的位置是未知的，因為導(dǎo)航僅能確定針在皮膚上的插入點的位置以及針的插入方向，而針的插入方向?qū)?yīng)于針導(dǎo)向件的軸線。

將針部分插入患者體內(nèi)之后，用戶想知道針尖端到靶標(biāo)的距離。為了確定針尖端的位置，用戶在不移動針1的情況下，朝近端方向滑動針導(dǎo)向件2，直至接觸止動件110。從而，通過追蹤系統(tǒng)定位與針導(dǎo)向件2接觸的止動件110。

如果針的長度是已知的，則可確定針尖端10為與止動件110相距的距離等于所述長度的點。

為此，在有利的實施方式中，所述系統(tǒng)可包括用戶界面，該用戶界面經(jīng)配置以允許用戶輸入針的長度。

例如，所述系統(tǒng)可與數(shù)據(jù)庫偶聯(lián)，該數(shù)據(jù)庫包含多種市場上銷售的針的數(shù)據(jù)。所述數(shù)據(jù)可具體包括各針的長度、直徑、參考值(reference)、制造商等。

圖5(左圖)示出了這樣的全局數(shù)據(jù)庫的實施方式。

或者，如圖5的右圖所示，所述系統(tǒng)可與個性化的數(shù)據(jù)庫偶聯(lián)，該個性化的數(shù)據(jù)庫僅包含與用戶所使用的針有關(guān)的數(shù)據(jù)。這樣的數(shù)據(jù)庫可由用戶以在上述全局數(shù)據(jù)庫內(nèi)進行選擇的方式來創(chuàng)建。因此，所述用戶界面僅顯示可由用戶選擇的針的有限列表。

所述用戶界面還經(jīng)配置以為用戶提供信息。

該信息包括患者身體的至少一張圖像i，該圖像i是3d醫(yī)學(xué)圖像的切片，在上面顯示有針1的表象(在圖3的右圖中以虛線表示)，同時顯示了識別為位置如上所述已經(jīng)被確定的針尖端10的點(示為深色圓點)。另外，圖像也可以是3d醫(yī)學(xué)圖像自身，或者在3d圖像上分割的結(jié)構(gòu)的任何表象。針的尖端可表示為很多可能的圖符，例如深色圓點、圓圈、十字線或部分十字線。

所述系統(tǒng)還允許為用戶提供關(guān)于以下事實的信息：

(i)當(dāng)針導(dǎo)向件距患者皮膚盡可能近時，獲得導(dǎo)航的最佳精確度；

(ii)僅當(dāng)針導(dǎo)向件與針頂部接觸時，通知用戶所顯示的點對應(yīng)于針尖端的真正表象，否則該表象是不正確的。

使用各種介質(zhì)向用戶提供該信息。例如，介質(zhì)信息可以是用戶手冊，或者具有消息、標(biāo)志(flag)、顏色(例如綠色意指正確，紅色意指錯誤)或任意特定圖符的上述用戶界面。

有利地，所述系統(tǒng)允許在確定針尖端位置的過程中，記憶針導(dǎo)向件的位置和取向。通過用戶與用戶界面的交互，可確定必須要記憶針導(dǎo)向件的位置和取向的時間。通常來講，用戶需要按下虛擬或真實的按鈕或腳踏開關(guān)，以觸發(fā)所有事件，例如記憶針導(dǎo)向件的位置和取向。

還可通過處理器，通過自動檢測針導(dǎo)向件沿針的方向朝針的近端止動件滑動，通過分析針導(dǎo)向件的移動，來確定該時間。實際上，用戶已將一部分針插入患者體內(nèi)，并且保持針導(dǎo)向件接近皮膚。當(dāng)他想要查看針的尖端的位置時，他沿針的軸線滑動針導(dǎo)向件，直至抵達近端部的止動件，這使得針導(dǎo)向件的線性移動停止。通過使用針導(dǎo)向件的一些位置和取向的緩存，處理器自動檢測到用戶想要查看的針尖端的位置。處理器在記錄在所述緩存中的一組位置和取向中識別出對應(yīng)于后接靜止點的線段的移動模式，這樣的移動沒有顯著的旋轉(zhuǎn)分量，線段代表尖端點沿針軸線的滑動，而靜止點代表針導(dǎo)向件與針止動件接觸時的階段。如果處理器檢測到這樣的模式，則可從緩存回溯計算針導(dǎo)向件接近患者皮膚時的針導(dǎo)向件的位置和取向(即要記憶的第一位置和取向)，因為線段第一點對應(yīng)于該位置。檢測這樣的移動模式的算法可如下。在任意時間t時，記錄位置p-t，并且分析過去的包含例如20秒測量值的緩存。然后，應(yīng)用以下步驟：

(a)檢查在給定的閾值內(nèi)，位置p-t是否穩(wěn)定。如果不穩(wěn)定，則迭代至下一點，否則繼續(xù)。

(b)分析p-t過去的緩存。檢查它是否包含原點的線性移動。線性移動被定義為構(gòu)成平均線段的一組點，其中所有點在任意閾值例如2或5毫米內(nèi)都接近平均線，并且在高于另一任意閾值例如2或3厘米時具有最小延伸。如果沒有，則迭代至下一點，否則繼續(xù)。

(c)檢查位置的旋轉(zhuǎn)分量沿所檢測的線段的振幅是否低于任意閾值，例如5或10度。如果沒有，則迭代至下一點，否則繼續(xù)。

(d)計算對應(yīng)于線段起始處的第一位置pos1和對應(yīng)于線段終點的第二位置pos2，這些位置按時間排序。

(e)使用pos1在圖像上顯示針軸線的取向。

(f)使用pos2計算針的長度，并在所述圖像上顯示對應(yīng)的針尖端。

最后，還可將傳感器放置在針的近端部，以自動檢測針導(dǎo)向件與針的近端止動件接觸的時間，然后自動檢索必須要記憶針的取向和位置的時間。這樣的傳感器可以是例如接觸傳感器、力傳感器或壓力傳感器。傳感器與處理器偶聯(lián)，以向處理器傳遞傳感器所獲取的數(shù)據(jù)。

參照圖2(左圖)，所述系統(tǒng)記憶當(dāng)導(dǎo)向件2的尖端21接近皮膚s時，針1的取向。在這一階段，針尖端10相對于靶標(biāo)t的位置是未知的。

然后，如在圖3中間的圖所示，導(dǎo)向件2沿針1向近端方向滑動。在這一操作過程中，針1可能與所記憶的取向1m(以虛線示出)相比發(fā)生彎曲。

但是，如圖3中的右圖所示，處理器計算針1在針的記憶位置和取向1m上的投影，并且使用該投影計算沿針的該記憶取向1m的，針尖端21的位置。然后，對應(yīng)于針的止動件110的點可被投射到記憶取向1m上，并且使用針的總長度，根據(jù)投射的點來計算針尖端21的位置。

所述處理器還可計算曲線，該曲線連接當(dāng)針導(dǎo)向件2接近皮膚s時的針的位置和當(dāng)針導(dǎo)向件2與針的頂部110接觸時的針1的位置。通過例如公知的樣條模型，所述處理器使用這些位置的取向來計算所述曲線。然后，計算第一位置與第二位置之間的曲線距離，總的針長度與這一曲線距離相減。所得到的長度用于根據(jù)第一位置計算在記憶取向1m上的針尖端的位置。

所述處理器與用戶界面偶聯(lián)，以便在圖像i中顯示在針的記憶取向1m上的針尖端10。

當(dāng)針的彎曲受限時，即在針導(dǎo)向件接觸針止動件時，針的記憶取向和位置與針的取向和位置之間的距離小于給定閾值時，可進行上述曲線距離的投影或計算。所述閾值可以是固定值，例如5或10毫米，或考慮到?jīng)]有插入和發(fā)生彎曲的針長度，所述閾值可以是變量值。

上述距離可通過處理器來計算，同時考慮當(dāng)接近患者皮膚時和當(dāng)接觸針止動件時，針導(dǎo)向件的定位數(shù)據(jù)。

圖4a示出了針的記憶位置和取向m1與針的實際取向之間的距離d高于所述給定閾值的情況。在這種情況中，所述系統(tǒng)例如通過使顯示的針尖端消失或通過向用戶發(fā)送標(biāo)志、聲音或消息，通知用戶所顯示的代表針尖端的點不準(zhǔn)確。

圖4b示出了針具有拐點f的情況。在這種情況中，實際針在記憶位置和取向上的投影不夠準(zhǔn)確。因此，所述系統(tǒng)例如通過使顯示的針尖端消失或通過向用戶發(fā)送標(biāo)志、聲音或消息，通知用戶所顯示的代表針尖端的點不準(zhǔn)確。

上述方法可以以很多不同的方式來使用，這取決于用戶的選擇和能力。例如，一旦針已經(jīng)充分插入患者體內(nèi)了，使用上述方法，用戶可能想要使針尖端始終可視化，而不是僅可視化固定的插入。因此，用戶可滑動導(dǎo)向件，直至它觸及針的止動件，然后使導(dǎo)向件相對于針保持在這一位置，然后用戶可推動針，并且實時看到在圖像上前進的針的尖端。當(dāng)針正在靠近靶標(biāo)時，為了使針的刺入停止在精確位置上，可以使用這樣的過程。

在另一實例中，用戶可以使用如上所述的方法，首先放置導(dǎo)向件接近皮膚，以對導(dǎo)向件進行導(dǎo)航并且獲得靶向方向的最佳精確度，部分插入針；其次，沿針滑動導(dǎo)向件，直至觸及到了止動件，以可視化針尖端的位置，在腦中記住該尖端位置，或使用計算機的內(nèi)存和顯示器，或簡單地記錄他還能把針插入幾毫米，然后用戶可滑動回針導(dǎo)向件以接近皮膚，進一步推動導(dǎo)向件中的針，以受益于導(dǎo)航在方向上的最佳精確度。然后他可再次向后推動導(dǎo)向件以與針止動件接觸，檢查針尖端的位置，必要時進行多次迭代。

為了確保顯示的針尖端位置是正確的，在進行本發(fā)明之前校準(zhǔn)針長度。

圖6示出了以離線或在線的方式，校準(zhǔn)針長度的不同方式。

在圖6中的上圖，使用導(dǎo)航后的針導(dǎo)向件2來校準(zhǔn)針長度：為此，將針導(dǎo)向件2依次放置于：

-導(dǎo)向件尖端21處于與針尖端10相同的水平的位置，和

-導(dǎo)向件的后表面22與止動件110接觸的位置。

使用導(dǎo)向件的已知幾何結(jié)構(gòu)，在所述兩個位置上獲得的定位數(shù)據(jù)允許分別確定：第一點，其是在第一位置上的導(dǎo)向件的尖端；和第二點，其處于在第二位置上的導(dǎo)向件的后表面的水平。因此，針等于第一點和第二點之間的距離。在該校正程序期間，針相對于追蹤系統(tǒng)必須保持靜止。

在圖6的中間的圖中，通過尺子3測量針的長度，為尖端10和止動件110之間的距離。

在圖6的下圖中，通過使用指示器7依次指向尖端10和止動件110來確定針的長度，其中指示器7受到追蹤系統(tǒng)的追蹤。在指示器的所述兩個位置處獲得的定位數(shù)據(jù)能確定尖端10和止動件110之間的長度。

當(dāng)然，可在不偏離本發(fā)明范圍的情況下，使用校準(zhǔn)針長度的任意其他方式。

一旦校準(zhǔn)了針長度，就將針長度與其他特征以及優(yōu)選的名稱一起儲存在數(shù)據(jù)庫中，其中優(yōu)選的名稱由用戶給定或只提供制造商名稱和參考值。