用于跟踪和引导传感器和仪器的方法和系统.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104271046 A (43)申请公布日 2015.01.07 C N 1 0 4 2 7 1 0 4 6 A (21)申请号 201380022670.7 (22)申请日 2013.03.07 61/607,676 2012.03.07 US 61/699,750 2012.09.11 US 13/789,143 2013.03.07 US A61B 8/00(2006.01) (71)申请人齐特奥股份有限公司 地址美国加利福尼亚 (72)发明人 L.米黑尔斯库 V.A.尼格特 (74)专利代理机构北京市柳沈律师事务所 11105 代理人郭定辉 匡霖 (54) 发。

2、明名称 用于跟踪和引导传感器和仪器的方法和系统 (57) 摘要 公开了共享外壳超声变换器和机器视觉相机 系统，用于记录变换器相对于诸如患者身体的对 象在空间中的x、y、z位置以及俯仰、偏转和滚转。 位置和方位与变换器扫描数据相关，并且将对象 的相同区域的扫描进行比较，以减小超声赝象和 斑点。该系统能够扩展到术中伽马探测器或者其 他非接触式传感器探测器和医疗仪器。公开了计 算机或者传感器探测器或者仪器的远程指导相对 于保存的传感器探测器的位置和方位的方法。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2014.10.29 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/US2013/02。

3、9710 2013.03.07 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2013/134559 EN 2013.09.12 (51)Int.Cl. 权利要求书4页 说明书26页 附图17页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书4页 说明书26页 附图17页 (10)申请公布号 CN 104271046 A CN 104271046 A 1/4页 2 1.一种空间对准设备，包括： 刚性外壳组件； 超声变换器，具有由外壳包裹的部分； 相机，具有由外壳组件包裹的部分，并且与超声变换器刚性连接；以及 至少一个处理器，与存储器和相机操作地耦合，该存储器具有由至少一个处理器。

4、执行 的指令，配置为利用由相机捕获的图像确定超声变换器相对于对象的空间位置和方位。 2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述存储器具有由至少一个处理器执行的指令， 配置为将来自超声变换器的扫描数据与超声变换器的空间位置和方位相关联，从而产生并 且保存空间对准扫描。 3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述存储器具有由至少一个处理器执行的指令， 配置为利用保存的空间对准扫描和另一空间对准扫描，减少超声赝象或者斑点。 4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述存储器具有由至少一个处理器执行的指令， 配置为利用保存的空间对准扫描和另一空间对准扫描，识别组织类型或者弹性特性。 5.根据权利要求4所述的设。

5、备，其中，所述存储器具有由至少一个处理器执行的指令， 配置为利用保存的空间对准扫描和另一空间对准扫描，构造组织相对于对象的三维(3-D) 模型。 6.根据权利要求2所述的设备，其中，所述存储器具有由至少一个处理器执行的指令， 配置为利用保存的第一扫描面的空间对准扫描和来自第二扫描面的第二空间对准扫描，呈 现对象的三维(3-D)结构。 7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述相机从包括光学相机、红外相机、扫描激光 相机、闪速激光相机、飞行时间相机和结构光相机的组中选择出。 8.根据权利要求1所述的设备，还包括： 第二相机，具有位于外壳内的部分， 其中，所述存储器包括由至少一个处理器执行的指令，配。

6、置为利用由相机捕获的图像， 确定超声变换器相对于对象的空间位置和方位。 9.根据权利要求8所述的设备，其中，一个相机是飞行时间相机，并且另一相机是非飞 行时间相机。 10.根据权利要求1所述的设备，还包括： 惯性测量单元(IMU)，由外壳支撑， 其中，所述存储器包括由至少一个处理器执行的指令，配置为利用来自IMU的输出，确 定超声变换器相对于对象的空间位置和方位。 11.根据权利要求1所述的设备，还包括： 显示器，与处理器操作地相连，所述显示器配置为可视化由确定的空间位置和方位以 及来自超声变换器的输出产生或者细化的对象的三维(3-D)表示。 12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述外壳包括。

7、多个壳体。 13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述存储器具有由至少一个处理器执行的指 令，配置为解释交互元素的运动以执行处理。 14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述相机是具有显示器的头戴跟踪与可视化系 统的一部分。 权 利 要 求 书CN 104271046 A 2/4页 3 15.一种空间对准设备，包括： 医疗仪器或者传感器探测器； 相机，与医疗仪器或者传感器探测器或者与操作员身体的一部分刚性连接； 至少一个处理器，与存储器和相机操作地耦合，所述存储器具有由至少一个处理器执 行的指令，配置为利用由所述相机捕获的图像确定医疗仪器或者传感器探测器相对于对象 的当前空间位置和方位；以及 。

8、至少一个处理器，与存储器操作地耦合，所述存储器具有由至少一个处理器执行的指 令，配置为从具有与医疗仪器或者传感器探测器的当前位置和方位对应的位置和方位的保 存的空间对准扫描导出可视化数据，并且向用户显示所述可视化数据。 16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述用户远离医疗仪器或者传感器探测器。 17.根据权利要求15所述的设备，其中，所述保存的空间对准扫描包括对象中的感兴 趣标记项。 18.一种空间对准设备，包括： 医疗仪器或者非成像传感器探测器； 相机，与医疗仪器或者非成像传感器探测器刚性连接或者与操作员身体的一部分连 接；以及 至少一个处理器，与存储器和相机操作地耦合，所述存储器具有由。

9、至少一个处理器执 行的指令，配置为利用由所述相机捕获的图像确定医疗仪器或者非成像传感器探测器相对 于对象的当前空间位置和方位。 19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述传感器探测器从包括雷达、太赫兹辐射检 测器、术中伽马射线探测器、辐射检测器、辐射剂量计和化学传感器的组中选择出。 20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述传感器探测器是术中伽马射线探测器，其 中所述存储器具有由至少一个处理器执行的指令，配置为存储来自所述伽马射线探测器的 辐射计数数据以及所述伽马射线探测器的当前空间位置和方位。 21.根据权利要求18所述的设备，还包括： 基准标记，所述至少一个处理器配置为利用对象上的基准。

10、标记的由所述相机捕获的图 像，确定医疗仪器或者传感器探测器相对于对象的空间位置和方位。 22.根据权利要求21所述的设备，其中，所述基准标记包括二进制编码。 23.根据权利要求21所述的设备，其中，所述基准标记包括一个或者多个发光二极管 (LED)。 24.根据权利要求21所述的设备，还包括： 柔性带，具有至少一个基准标记，所述至少一个处理器配置为利用对象上的柔性带的 至少一个基准标记的由所述相机捕获的图像，确定医疗仪器或者传感器探测器相对于对象 的空间位置和方位。 25.根据权利要求24所述的设备，其中，所述对象具有曲面，并且所述柔性带符合所述 曲面。 26.根据权利要求25所述的设备，其中。

11、，所述对象包括人体。 27.根据权利要求24所述的设备，其中，所述至少一个基准标记中的每个都具有刚性 衬底，所述柔性带包括相对于彼此可分段旋转的两个或者两个以上的刚性衬底基准标记。 权 利 要 求 书CN 104271046 A 3/4页 4 28.根据权利要求24所述的设备，其中，所述至少一个基准标记包括多个基准标记，每 个基准标记都具有彼此不同的二进制编码。 29.一种用于指导医疗过程的方法，所述方法包括： 提供医疗仪器或者传感器探测器； 提供相机，所述相机刚性地附于医疗仪器或者传感器探测器，或者与用户身体的一部 分刚性连接； 利用由所述相机捕获的图像，计算医疗仪器或者传感器探测器相对于对。

12、象的当前位置 和方位；以及 利用计算出的当前位置和方位，向用户显示感兴趣项目的位置或者先前保存的传感器 探测器相对于医疗仪器或者传感器探测器的位置和方位。 30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述显示包括图形指导元素。 31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述图形指导元素包括方向箭头。 32.根据权利要求29所述的方法，其中，所述显示包括感兴趣项目或者先前保存的传 感器探测器相对于对象的位置和方位的三维(3-D)呈现。 33.根据权利要求29所述的方法，还包括 响应于所述显示移动医疗仪器或者传感器探测器。 34.根据权利要求29所述的方法，其中，对其显示感兴趣项目或者先前保存的位置和 。

13、方位的用户远离对象。 35.根据权利要求29所述的方法，其中，对其显示感兴趣项目或者先前保存的位置和 方位的用户在对象的本地。 36.一种空间对准设备，包括： 非光学传感器探测器；以及 夹子接头，适于将便携式计算装置可拆卸和刚性地配合到传感器探测器，所述便携式 计算装置具有相机和与存储器操作地耦合的至少一个处理器，所述存储器具有由至少一个 处理器执行的指令，配置为利用由相机捕获的图像确定传感器探测器相对于对象的空间位 置和方位。 37.根据权利要求36所述的设备，其中，所述便携式计算装置包括智能电话。 38.一种用于传感器探测器的空间对准的方法，所述方法包括： 向感兴趣对象应用具有至少一个基准。

14、标记的柔性带； 以传感器探测器扫描对象； 利用相机对柔性带的至少一个基准标记成像，以产生至少一个基准标记的一个或者多 个图像，同时进行扫描和成像： 利用至少一个基准标记的一个或者多个图像，计算传感器探测器相对于对象的空间位 置和方位；以及 利用计算出的空间位置和方位，使由传感器探测器检测到的对象的特征相关。 39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述对象具有曲面，所述应用包括： 使柔性带符合所述曲面。 40.根据权利要求38所述的方法，还包括： 解码基准标记的二进制编码，所述相关使用所述解码。 权 利 要 求 书CN 104271046 A 4/4页 5 41.根据权利要求38所述的方法，还。

15、包括： 利用计算出的空间位置和方位，呈现对象的三维(3-D)特征的图像。 42.根据权利要求38所述的方法，还包括： 将智能电话可拆卸地配合到传感器探测器，所述智能电话具有相机并且执行成像、计 算和相关。 43.一种空间对准设备，包括： 仪器或者传感器探测器； 基准元件，附加到仪器或者传感器探测器； 相机，机械地连接到用户身体的一部分，将所述相机准直以观看用户操纵仪器或者传 感器探测器的区域；以及 至少一个处理器，与存储器和相机操作地耦合，所述存储器具有由至少一个处理器执 行的指令，配置为利用由所述相机捕获的图像确定仪器或者传感器探测器相对于对象的空 间位置和方位。 权 利 要 求 书CN 1。

16、04271046 A 1/26页 6 用于跟踪和引导传感器和仪器的方法和系统 0001 相关专利申请的相互应用 0002 本申请是2013年3月7日提交的第13/789,143号美国专利申请的继续并且要求 其权益，该美国专利申请要求2012年9月11日提交的第61/699,750号美国临时专利申请 和2012年3月7日提交的第61/607,676号美国临时专利申请的权益，在此，为了各种目的， 通过引用合并这些美国专利申请。 0003 关于在联邦政府资助的研究和开发中做出的发明的权利的声明 0004 不适用 技术领域 0005 本申请总的来说涉及用于外科手术和其他环境的位置和方位确定装置。具体地。

17、 说，本申请涉及用于医疗仪器和传感器探测器的计算机视觉和测距跟踪系统。 背景技术 0006 当前，手持传感器系统用于几种应用，范围从环境化学调查、生物和放射性环境到 医学诊断调查、疾病特征和术中指导和成像。因为它们是手持的，所以能够利用操作员的手 的几乎全部的出色的灵活性和适应性立即对它们进行定位和定向。 0007 在某些情况下，用户可能希望准确地知道传感器系统如何指向和指向什么地方。 然而，手持传感器的灵活性和适应性还使得它们难以跟踪。在空间上使传感器和仪器对准 的现有技术的方法困难、繁琐、昂贵、也不切实际。在几个例子中，传感器系统装备有全球定 位系统(GPS)天线、惯性导航单元(INU)、。

18、磁传感器或者光学标记。 0008 不幸的是，GPS仅提供粗略的有限空间分辨率并且当卫星的GPS信号弱时，工作不 可靠。INU系统随着时间偏移。磁传感器通常用于跟踪空间上体积小的、约0.1至1平方米 (m 3 )的对象。在受控的实验室环境下，磁传感器能够提供在约0.2m 3 的体积内提供约1毫米 (mm)的位置分辨率和在度范围内的定向精度。然而，当用于存在金属被测物的实际应用中， 或者当相邻电子设备产生其他磁场时，0.2m 3 体积内的位置分辨率降低到几厘米。对于许多 应用，包括采用多个电子仪器和金属物体的医学诊断和医疗干预，该位置分辨率都太粗了。 附加到探测器上的光学标记要求对外部坐标测量机(。

19、CMM)相加系统具有直接和连续视线。 通常，CMM相机系统笨重、昂贵并且对于采用手持系统或者希望采用手持系统的大多数应用 不切实际。 0009 第2009/0259123 A1号美国专利申请提出了一种CMM型系统，用于跟踪用于术中 导航的乳腺癌前哨淋巴结活检的手持传感器和仪器。在此提出的系统利用外部红外线相机 跟踪附加在手持探测器上或者手持仪器上的编码红外反射标记。该方法的一个缺点是需要 在布置于手术台上方的外部相机与布置于探测器、仪器和样品上的所有标记之间存在连续 视线。在手术过程中，外科医生的手、臂和头容易截断视线。 0010 第2012/0253200 A1号美国专利申请利用以附加到现有。

20、成像探测器的托架结构的 形式的放大装置以将结构光的图形投影到患者的皮肤或者器官上，以便于立体对象识别。 说 明 书CN 104271046 A 2/26页 7 0011 需要更好的廉价的并且更准确和精确地跟踪手持传感器和医疗仪器。 发明内容 0012 公开了一种与机器视觉相机系统共享外壳的超声变换器。集成相机观看诸如患者 身体的对象，并且确定超声变换器相对于对象的在空间中的x、y、z位置以及俯仰、偏转和 滚转。将该时点的位置和方位与同一个时点的超声扫描一起保存在记录文件中作为“空间 对准扫描”。将身体同一个区域的多个空间对准扫描进行比较，以减小超声赝象和斑点，并 且能够改善组织类型和弹性特性。。

21、对用户示出组织的三维(3-D)模型。 0013 对于具有许多曲面的对象，能够将基准标记固定到对象，或者作为分段柔性带重 叠。该标记可以用采用二维编码，从而将它们互相识别开。 0014 3-D模型能够用于远程医疗和立体定向。系统或者计算机的远程用户能够指导本 地操作员或者机器人装置将医疗仪器移动到特定点上或者在患者身体内移动。诸如方向箭 头或者虚拟空间渲染之类的图形指导元素能够用于指导本地操作员。 0015 超声变换器之外的其他传感器探测器也可以用于空间对准扫描，诸如雷达、太赫 兹辐射检测器、术中伽马射线探测器、辐射检测器、辐射剂量计和化学传感器。 0016 本发明的某些实施例涉及一种空间对准设。

22、备，包括：刚性外壳组件；超声变换器， 具有由外壳包裹的部分；相机，具有由外壳组件包裹的部分，并且与超声变换器刚性连接； 以及至少一个处理器，与存储器和相机可操作地耦合，该存储器具有由至少一个处理器执 行的指令，配置为利用由相机捕获的图像确定超声变换器相对于对象的空间位置和方位。 0017 该存储器可以具有由至少一个处理器执行的指令，配置为使来自超声变换器的扫 描数据与超声变换器的空间位置和方位相关联，从而产生并且保存空间对准扫描。该存储 器可以具有由至少一个处理器执行的指令，配置为利用保存的空间对准扫描和另一个空间 对准扫描，降低超声赝象或者斑点。该存储器可以具有由至少一个处理器执行的指令，配。

23、 置为利用保存的空间对准扫描和另一个空间对准扫描，识别组织类型或者弹性。该存储器 具有由至少一个处理器执行的指令，配置为利用保存的空间对准扫描和另一个空间对准扫 描，构造组织相对于对象的三维(3-D)模型。该存储器具有由至少一个处理器执行的指令， 配置为利用保存的第一扫描面的空间对准扫描和来自第二扫描面的第二空间对准扫描，呈 现对象的三维(3-D)结构。从包括光学相机、红外相机、扫描激光相机、闪速激光相机、飞行 时间相机和结构光相机的组中选择相机。 0018 该设备还可以包括：第二相机，具有位于外壳内的部分，其中该存储器包括由至少 一个处理器执行的指令，配置为利用相机捕获的图像，确定超声变换器。

24、相对于对象的空间 位置和方位。一个相机可以是飞行时间相机，而另一相机是非飞行时间相机。惯性测量单 元(IMU)由外壳支撑，其中该存储器包括由至少一个处理器执行的指令，配置为利用IMU的 输出，确定超声变换器相对于对象的空间位置和方位。显示器与处理器可操作地相连，配置 该显示器，以将由确定的空间位置和方位以及超声变换器的输出创建的或者细化的对象的 三维(3-D)表示可视化。 0019 外壳可以包括多个壳体。该存储器可以具有由至少一个处理器执行的指令，配置 为解释交互元素的运动，从而执行处理。相机是具有显示器的头戴跟踪与可视化系统的一 部分。 说 明 书CN 104271046 A 3/26页 8。

25、 0020 某些实施例涉及一种空间对准设备，包括：医疗仪器或者传感器探测器；相机，与 医疗仪器或者传感器探测器或者与操作员身体的一部分刚性连接；至少一个处理器，与存 储器和相机可操作地相联，该存储器具有由至少一个处理器执行的指令，配置为利用相机 捕获的图像确定医疗仪器或者传感器探测器相对于对象的当前空间位置和方位；以及至少 一个处理器，与存储器可操作地耦合，该存储器具有由至少一个处理器执行的指令，配置为 从具有与医疗仪器或者传感器探测器的当前位置和方位对应的位置和方位的保存空间对 准扫描，导出可视化数据，并且对用户显示该可视化数据。 0021 用户可以远离医疗仪器或者传感器探测器，也可以在医疗。

26、仪器或者传感器探测器 的本地。 0022 某些实施例涉及一种空间对准设备，包括：医疗仪器或者非成像传感器探测器； 相机，与医疗仪器或者非成像传感器探测器刚性连接或者与操作员身体的一部分连接；以 及至少一个处理器，与存储器和相机可操作地耦合，该存储器具有由至少一个处理器执行 的指令，配置为利用相机捕获的图像确定医疗仪器或者非成像传感器探测器相对于对象的 当前空间位置和方位。 0023 可以从包括雷达、太赫兹辐射检测器、术中伽马射线探测器、辐射检测器、辐射剂 量计和化学传感器的组中选择传感器探测器。传感器探测器可以是术中伽马射线探测器， 其中该存储器具有由至少一个处理器执行的指令，配置为存储来自伽。

27、马射线探测器的辐射 计数数据，与伽马射线探测器的当前空间位置和方位。 0024 该设备可以包括基准标记，配置该至少一个处理器，以利用对象上的基准标记的 相机捕获的图像，确定医疗仪器或者传感器探测器相对于对象的空间位置和方位。基准标 记可以包括二进制编码和/或者一个或者多个发光二极管(LED)。该设备可以包括：柔性 带，具有至少一个基准标记，配置该至少一个处理器，以利用对象上的柔性带的至少一个基 准标记的相机捕获的图像，确定医疗仪器或者传感器探测器相对于对象的空间位置和方 位。在实施例中，该对象可以具有曲面，诸如人体的曲面，并且柔性带符合该曲面。至少一 个基准标记中的每个都具有刚性衬底，该柔性带。

28、包括两个或者两个以上的互相可分段旋转 的刚性衬底基准标记。至少一个基准标记可以包括多个基准标记，每个基准标记都具有互 相不同的二进制编码。 0025 某些实施例涉及一种用于指导医疗过程的方法。该方法包括：提供医疗仪器或者 传感器探测器；提供相机，该相机刚性地附于医疗仪器或者传感器探测器，或者与用户身体 的一部分连接；利用相机捕获的图像，计算医疗仪器或者传感器探测器相对于对象的当前 位置和方位；以及利用计算出的当前位置和方位，对用户显示感兴趣项目的位置或者先前 保存的传感器探测器相对于医疗仪器或者传感器探测器的位置和方位。 0026 该显示可以包括图形指导元素，诸如方向箭头。该显示可以包括感兴趣。

29、项目或者 先前保存的传感器探测器相对于对象的位置和方位的三维(3-D)呈现。该方法还可以包 括：响应于显示，移动医疗仪器或者传感器探测器。对其显示感兴趣项目或者先前保存的位 置和方位的用户可以远离对象或者在对象的本地。 0027 某些实施例涉及一种空间对准设备，包括：非光学传感器探测器；以及夹子接头， 该夹子接头适于将传感器探测器与便携式计算装置可拆卸地刚性配合，该便携式计算装置 具有相机和存储器可操作地耦合的至少一个与处理器，该存储器具有由至少一个处理器执 说 明 书CN 104271046 A 4/26页 9 行的指令，配置为利用相机捕获的图像确定传感器探测器相对于对象的空间位置和方位。 。

30、0028 该便携式计算装置可以包括智能电话。 0029 某些实施例涉及一种用于传感器探测器的空间对准的方法。该方法包括：对感兴 趣对象应用具有至少一个基准标记的柔性带；利用传感器探测器扫描对象；利用相机对柔 性带的至少一个基准标记成像，以产生至少一个基准标记的一个或者多个图像，同时进行 该扫描和成像：利用至少一个基准标记的一个或者多个图像，计算传感器探测器相对于对 象的空间位置和方位；以及利用计算的空间位置和方位，将由传感器探测器检测到的对象 特征相关。 0030 该方法可以包括：使柔性带符合该曲面。该方法可以包括：解码基准标记的二进 制编码，该相关使用该解码。该方法可以包括利用计算的空间位置。

31、和方位，呈现对象的三维 (3-D)特征的图像。该方法可以包括：将智能电话可拆卸地配合到传感器探测器，该智能电 话具有相机并且执行成像、计算和相关。 0031 该方法可以包括使柔性带符合对象的曲面。该方法还可以包括将智能电话可拆卸 地配合到传感器探测器，该智能电话具有相机并且执行成像、计算和相关。 0032 某些实施例涉及一种空间对准设备，包括：仪器或者传感器探测器；基准元件，附 于仪器或者传感器探测器；相机，机械地连接到用户身体的一部分，使该相机准直，以观看 用户操纵仪器或者传感器探测器的区域；以及至少一个处理器，与存储器和相机可操作地 耦合，该存储器具有由至少一个处理器执行的指令，配置为利用。

32、相机捕获的图像确定仪器 或者超声变换器相对于对象的空间位置和方位。 0033 参考说明书的其余部分，包括附图和权利要求书，所属技术领域内的技术人员将 认识本发明的其他特征和优点。下面将参考附图详细描述本发明的其他特征和优点以及本 发明的各种实施例的结构和操作。附图中，同样的参考编号表示相同或者功能相同的单元。 附图说明 0034 图1示出根据实施例采用利用机械地与探测器对准的测距装置的医疗仪器或者 传感器探测器的跟踪和空间对准。 0035 图2是根据实施例采用利用机械地与探测器对准的通用跟踪与测距系统的数据 处理步骤的流程图。 0036 图3示出根据实施例对于采用各种光学方法的调查环境的探测器。

33、的跟踪和空间 对准。 0037 图4A示出根据实施例的典型基准对象。 0038 图4B示出根据实施例的另一基准对象。 0039 图5示出根据实施例的带状分段(piece-wise)刚性基准对象。 0040 图6是根据实施例采用机械地与探测器对准的通用机械视觉系统的数据处理步 骤的流程图。 0041 图7示出根据实施例对于采用机械地与探测器对准的电磁测距系统的调查环境 的探测器的跟踪和空间对准。 0042 图8示出根据实施例对于采用机械地与探测器对准的超声测距系统的调查环境 探测器的跟踪和空间对准。 说 明 书CN 104271046 A 5/26页 10 0043 图9示出根据实施例跟踪用于检。

34、测前哨淋巴结的已启动伽马射线探测器。 0044 图10A示出根据实施例共享具有跟踪与空间对准相机和IMU的壳组件的超声探测 器。 0045 图10B示出根据实施例具有由机械地与探测器对准的机械视觉系统和IMU启动的 跟踪和空间对准能力的的超声探测器刚性壳体组件。 0046 图11A示出根据实施例具有由机械地与探测器对准的测距系统和IMU启动的跟踪 和空间对准能力的超声探测器组件的侧视图。 0047 图11B示出根据实施例具有由机械地与探测器对准的测距系统和IMU启动的跟踪 和空间对准能力的超声探测器组件的后视图。 0048 图11C示出根据实施例具有由机械地与探测器对准的测距系统和IMU启动的。

35、双相 机跟踪和空间对准能力的超声探测器组件的后视图。 0049 图12A示出根据实施例具有探测器跟踪能力的超声读出器。 0050 图12A示出根据实施例具有探测器跟踪能力的另一超声读出器。 0051 图13是根据实施例利用跟踪和空间对准能力的超声方法的示意图。 0052 图14是根据实施例基于虚拟现实的远程医疗和指导系统的数据流的系统图。 0053 图15示出根据实施例具有远程医疗、立体定位和专家系统指导能力的超声系统 的图形用户界面(GUI)。 0054 图16示出根据实施例的空间对准医疗调查，其中相机或者测距系统由操作员的 手安装的跟踪与可视化(HMTV)系统支持。 0055 图17A示出。

36、根据实施例附于智能电话的诸如剂量计、辐射探测器或者化学传感器 的探测器的前视图。 0056 图17B示出图17A所示探测器的后视图。 0057 图17C示出图17A所示探测器的侧视图。 0058 图18A示出根据实施例具有集成空间对准系统的手持探测器的前视图。 0059 图18B示出图18A所示手持探测器的后视图。 0060 图18C示出图18A所示手持探测器的侧视图。 0061 图19示出根据实施例用于手持探测器空间对准与单束激光雷达(lidar)组合的 计算机视觉相机的使用。 具体实施方式 0062 在此描述意在使用对于调查对象和环境对象，对诸如手持探测器、传感器、扫描 仪、成像器或者其他。

37、仪器的各种仪器提供定位和定向(或者空间对准)的这些方法的方法 和系统。可以将仪器统称为“探测器”。 0063 空间对准的目的可以是多方面的。一个好处是能够引入提供调查对象的三维(3D) 模型的能力。这些3D模型可以包括诸如物理特性的多层信息以及探测器提供的其他特性。 另一个好处是以与调查环境的关系确定探测器的位置和方位。通过这样做，能够确定探测 器测量的量的三维分布。如果发现与给定应用更相关，则还能够确定一维(1D)或者二维 (2D)分布。 0064 在此描述的方法能够使非成像探测器或者具有有限维数的成像探测器提供调查 说 明 书CN 104271046 A 10 6/26页 11 对象的良好。

38、三维映射。从该方面受益的探测器的两个例子是：(1)用于医疗调查的超声扫 描仪；和(2)用于放射性热点的定向搜索的伽马探测器。感测探测器的其他例子是诸如康 普顿成像器或者基于准直仪的成像器的伽马射线成像相机、超声扫描仪或者成像器、热红 外扫描仪或者成像器、光谱红外扫描仪或者成像器、探地雷达和化学传感器。 0065 除了手术领域，本发明的方面能够产生影响的一个领域是环境调查。最常见的情 况是，手持调查传感器的操作员应当规定以手动方式进行调查的位置。环境调查将从方便 地以与调查对象或者相邻环境对象的关系提供系统的位置和方位并且保持调查位置的自 动日志的方法受益。这种能力还考虑到调查特征的自动映射。从。

39、这种能力受益的应用的一 个特定例子是测量结构内的放射性剂量或者辐射场。 0066 本发明的方面能够产生影响的另一个领域是医疗调查和干预过程以及远程医疗。 通常将“远程医疗”定义为利用远程通信和信息技术在远程提供临床保健。随着最近宽带 通信和信息技术的进步，远程医疗领域日益受到关注，这是因为其能够降低保健成本，并且 对偏远地区的公众或者运动能力降低的患者提供高质量的保健服务。 0067 远程医疗的一个特殊成分是远程临床咨询和诊断。特别是，超声成像对于医疗点 的临床评估是有吸引力的工具，因为可承受性、可用性和便利性。这些特征使得超声成像系 统适合用于多个远程位置，而无需昂贵的基础设施支持。妨碍在医。

40、疗点良好使用和大规模 采用超声成像的一个障碍是操作员的经验和训练不同。因为超声特别难以找到适当“窗口” 来调查感兴趣的器官，并且因为有限的成像分辨率、存在赝象和斑点，所以超声探测器用户 或者操作员应当经过非常专业的训练并且具有多方面的经验，从而正确定位探测器和解释 图像，将良好解剖特征与赝象和斑点区分开。依赖于操作员的准确性是限制在资源有限的 设置应用超声的一个因素。为了克服与位于医疗点的超声操作员的不同训练水平和不同经 验水平相关的限制，现有的电话会议系统使远程专家通过对本地超声操作员提供口头指导 支持调查过程。该过程可能繁琐，因为关于在6维空间(即，3个平移、3个旋转)内，以应 当小于2-。

41、3毫米的平移分辨率和小于2度的旋转分辨率的精度，如何最佳定位超声探测器 的口头通信指导有困难。有时为了捕获临床相关的图像面，需要该定位性能。程度不高地 错失最相关图像面足以错失从诊断上说是重要的解剖特征。为了支持定位超声探测器的过 程，先前的几种方法都包括在虚拟现实3-D模型中对本地操作员提供更多关于所调查区域 的解剖的信息。该方法的目的是使本地操作员更多地根据情境意识到正调查的解剖结构。 这些解决方案包括复杂的增强现实系统，并且它们仍没有提供使远程熟练用户对本地操作 员有效指导最佳操作过程的方式。 0068 在实施例中，公开了比现有技术更容易并且更廉价实现的不同方法和系统。此外， 还提出了方。

42、法和系统，该方法和系统允许操作员从自动计算机指导系统、先前保存的协议、 立体定位标记或者这些的组合接收指令、这样就不需要熟练操作员的帮助了。 0069 在此讲述的“立体定位超声”与立体定位成像不同，特别是采用CT和MRI的立体 定位成像用于指导活体解剖和其他手术过程。在其最宽泛的解释中，立体定位成像指成像 系统以3-D方式识别、标识和记录感兴趣解剖特征的能力，使得跟踪医疗干预和调查能够 使用这些3-D坐标精确指导医疗仪器或者用于预评估。根据实施例的立体定位超声仪器能 够以3-D方式标识感兴趣特征，并且相对于解剖标志登记它们，使得跟踪调查能够容易地 利用这些坐标重新评估各种医疗情况。 说 明 书。

43、CN 104271046 A 11 7/26页 12 0070 某些实施例的另一方面是利用位于另一个对象上的，或者头戴跟踪与可视化系统 上的相机或者测距系统，对诸如外科医生或者内科医生的用户互相提供在视距内跟踪对象 的能力。不需要使用单独的跟踪相机或者发光装置。 0071 优点 0072 在其他方面中，某些实施例采用测距系统的最新发展，诸如飞行时间相机、激光雷 达系统、结构光系统、电磁发射机-接收机组件以及声纳系统，这对于环境的物理模型的构 造并且考虑到对于所述物理模型的仪器和/或者传感器探测器的定位和跟踪是允许的。 0073 在其他方面中，某些实施例采用计算机视觉算法的最新发展，结合位于仪器。

44、上、传 感器探测器上、调查对象上或者该环境中的基准标记，利用简单并且廉价的视觉相机，该计 算机视觉算法提供相对于调查对象或者环境仪器和/或者传感器的定位和跟踪，并且创建 调查对象或者环境的物理模型。 0074 因此，一个或者多个方面的几个优点是以方便和廉价的方式在该环境中对移动传 感器和仪器提供定位和定向。一个或者多个方面的其他优点是提供传感器和仪器的空间跟 踪和记录。一个或者多个方面的其他优点是提供以一维(1-D)、二维(2-D)或者三维(3-D) 方式重构调查区所需的空间信息。一个或者多个方面的其他优点是提供对于远程用户将其 关于相对于环境、调查对象或者其他仪器的仪器或者传感器的位置或者方。

45、位的选择传递到 本地操作员、人或者机器人的形态。一个或者多个方面的其他优点是提供使用超声的立体 定位调查的能力。 0075 “立体定位超声”是标识由超声扫描仪识别的感兴趣特征，并且将它们对于解剖标 志登记，使得跟踪调查能够利用它们的坐标重新估计或者处理各种医疗情况，或者本领域 内以其它方式所知的情况的能力。一个或者多个方面的其他优点是对传感器和仪器的操作 员提供指导。一个或者多个方面的其他优点是当操纵传感器和仪器时对本地和远程操作员 提供直观可视化图形界面。 0076 某些方面的另一优点是允许诸如内科医生或者外科医生的用户通过移动对象、他 或者她的身体的一部分与计算机交互，而无需物理地接触人机。

46、界面，而且能够同时互相相 对跟踪或者相对于用户跟踪仪器和传感器探测器的位置的方位，并且操纵医疗仪器或者传 感器探测器。 0077 通过研究随后的描述和附图，一个或者多个方面的这些以及其他优点显而易见。 0078 附图及描述 0079 图1示出能够可以向探测器提供的空间对准的第一形态。测距装置相机RS 102 通过机械安装件103与探测器P 101机械地对准。可以将由与探测器101机械地对准的部 件组成的整个组件称为“探测器组件”。 0080 能够使用的测距装置相机的例子有：飞行时间相机、结构光相机或者激光雷达扫 描仪。 0081 计算单元104也与或者也可以不与探测器测距装置组件对准，计算单元。

47、104通过 连接105从探测器接收数据或者电信号和将数据或者电信号发送到探测器，在需要这些数 据或者信号的情况下，计算单元104通过连接106从测距相机102接收数据或者电信号和 将数据或者电信号发送到测距相机102。连接105和106可以是无线的，也可以由物理线缆 制成。计算机104接收处理来自探测器和测距相机的数据，并且使来自探测器和测距相机 说 明 书CN 104271046 A 12 8/26页 13 的数据同步，并执行另外的处理。 0082 调查对象或者环境107和108位于图的左侧。测距相机102发出从对象漫反射的 携带有关于到这些对象的距离的信息的信号。在该图中，信号发射机由10。

48、9表示，点划线 110表示发出的信号的例示，对象在信号接收机方向上的反射由线111表示，并且测距相机 系统的信号接收传感器由112表示。 0083 在“飞行时间(TOF)测距相机”中，发射信号是优选地由激光器或者发光二极管 (LED)发出的、照射接收机112的部分或者整个视距的时间调制光或者脉冲光，并且信号接 收机112是飞行时间相机。对于结构光测距相机的情况下，发出的光可以是红外光(IR)、可 视或者紫外(UV)结构光或者调制光制式，并且信号接收机是IR、可视或者UV光相机。在这 种情况下，能够优化源109与接收机112之间的空间距离(或者杠杆臂)，以对要求的距离 范围提供最佳距离分辨率。利。

49、用立体算法能够实现对来自这些系统的数据进行处理以获得 对象的3D模型。对于激光雷达扫描仪，发出的信号是脉冲激光光束，并且接收机是通过直 接能量检测或者相敏测量能够测量飞行时间信息的光传感器。对于3D闪速激光雷达，发出 的信号是照射整个视野(FOV)的脉冲激光光束，并且接收机是能够测量飞行时间信息的专 用光感测阵列。计算单元104分析该范围数据，以确定与探测器101相关的坐标系113相 对于与相邻环境或者调查对象相关的任意坐标系114的相对位移和旋转。 0084 激光雷达测距相机或者其他飞行时间相机可以具有发射机和接收机的公共光学 元件。 0085 对于提高的测距性能，光源109可以由多个物理上分离的单元制成，并且信号接 收机112可以由物理上分离的，但是在机械上互相对准的多个接收机制成。这种实现能够 带来益处的例子就是采用结构光测距相机。将图案光的光源布置于两个或者两个以上的光 相机之间保证该光源射出的图案将被至少一个相机看到。此外，利用多个这种相。