指示视线误差的导航系统和方法
【专利说明】指示视线误差的导航系统和方法
[0001]相关申请
[0002]本申请要求2013年I月16日提交的美国临时专利申请N0.61/753219的优先权和权益，通过引用将其全文并入本文。
技术领域
[0003]本公开总体上涉及在跟踪一个或多个对象时用于指示并减少视线误差的导航系统和方法。
【背景技术】
[0004]导航系统帮助用户对目标进行定位。例如，导航系统被应用到工业、航天、国防和医疗应用当中。在医疗领域中，导航系统帮助外科医生相对于患者的解剖学部位来放置手术器械。采用导航系统的外科手术包括神经外科和矫形外科。利用在显示器上显示的器械和解剖学部位的相对运动，来一起跟踪他们。
[0005]导航系统可以采用光信号、声波、磁场、射频信号等，以跟踪目标的位置和/或取向。导航系统往往包括附着至受到跟踪的目标的跟踪装置。定位器与跟踪装置上的跟踪元件协作来确定跟踪装置的位置，并最终确定目标的位置和/或取向。导航系统通过跟踪装置监测目标的移动。
[0006]很多导航系统依赖于跟踪元件与从跟踪元件接收跟踪信号的传感器之间的不受阻挡的视线。在视线被阻挡时，传感器接收不到跟踪元件发送的跟踪信号。因此，可能发生错误。在这种情况下通常中止导航，并向用户传达出错信息，直到视线恢复或者对系统复位为止。在医疗领域中，在很多种情况下，出错信息显示在远离外科医生的监视器上，从而使得外科医生难以注意并及时地补救错误。这样可能导致延误手术过程。
[0007]因此，在本领域需要快速地识别出视线问题，从而能够在不发生显著延迟的情况下解决所述问题的导航系统和方法。本领域还需要有助于改善视线，并且减少与跟踪元件和传感器之间的视线阻挡相关的可能错误的导航系统和方法。
【发明内容】
[0008]在一个实施例中，提供了一种用于跟踪目标的导航系统。所述导航系统包括用于发送跟踪信号的跟踪元件。提供用于接收来自跟踪元件的跟踪信号的传感器，以判断目标的位置。所述跟踪元件和所述传感器中的一者可附着至目标。出错指示器也可附着至目标。出错指示器指示传感器从跟踪元件接收跟踪信号的过程中的错误。出错指示器包括第一光发射器和第二光发射器。计算系统判断传感器是否从跟踪元件接收到跟踪信号。如果传感器没有接收到跟踪信号那么计算系统也生成出错信号，并响应于生成出错信号来激活第一光发射器。计算系统还响应于生成出错信号来对第二光发射器去激活。
[0009]还提供了一种用于跟踪目标的方法。所述方法包括将跟踪元件和传感器之一附着至目标。所述方法还包括从跟踪元件发送跟踪信号并判断传感器是否从跟踪元件接收到跟踪信号。如果传感器没有接收到跟踪信号那么生成出错信号。响应于出错信号来激活第一光发射器，响应于出错信号对第二光发射器去激活。
[0010]该导航系统和方法的一个优点是直接在受到跟踪的目标上识别错误。因此，用户能够更好地分离出信号传输问题，并在不发生显著延误的情况下补救问题。而且，在一些情况下，与在远距离监视器上显示出错消息相比，通过将指示器放置到受到跟踪的目标上，用户更有可能注意到错误。
[0011]在另一实施例中，提供了一种导航系统，其用于在对目标进行跟踪的同时减少视线问题。所述导航系统包括跟踪装置。所述跟踪装置包括可附着至目标的底座、跟踪元件以及连接器，所述连接器将跟踪元件耦合至底座从而允许跟踪元件在至少一个自由度内相对于底座移动由此将跟踪元件置于预期取向内。计算系统判断所述跟踪元件是否处于预期取向内，如果所述跟踪元件未处于所述预期取向内，那么指示用户在所述至少一个自由度内使所述跟踪元件相对于所述底座发生移动。
[0012]还提供了一种用于对导航系统进行设置从而对目标进行跟踪的方法，其中，所述导航系统包括计算系统以及包括底座、跟踪元件和连接器的跟踪装置。所述方法包括将底座附着至目标，并判断跟踪元件是否处于预期取向内。如果跟踪元件未处于预期取向内，那么指示用户使所述跟踪元件在至少一个自由度内相对于底座移动。
[0013]该导航系统和方法的一个优点在于在跟踪装置的设置过程中引导用户，从而将跟踪装置布置到预期取向内。例如，所述预期取向可以为跟踪装置提供与其他装置(例如，导航系统的传感器)之间的必要的视线。
【附图说明】
[0014]本发明的优点将被更加容易地认识到，因为通过参考下列详细说明书并参考附图，将更好地理解本发明的优点，其中:
[0015]图1是与机器人操纵器结合使用的本发明的导航系统的透视图；
[0016]图2是导航系统的示意图；
[0017]图3是导航系统中采用的坐标系统的示意图；
[0018]图4是跟踪装置的分解图；
[0019]图5是图4的跟踪装置的立视图；
[0020]图6是图4的跟踪装置的顶视图；
[0021]图7是骨板的透视图；
[0022]图8是骨板的顶视图；
[0023]图9是大致沿图8的9-9线取得的骨板的截面图；
[0024]图10是来自图9的放大图；
[0025]图11是接骨螺钉的透视图；
[0026]图12是接骨螺钉的立视图；
[0027]图13是沿着接骨螺钉的中央取得的接骨螺钉的截面图；
[0028]图14是来自图13的放大图；
[0029]图15是图12的接骨螺钉的端视图；
[0030]图16是伸长臂的立视图；
[0031]图17是沿着伸长臂的中央取得的伸长臂的截面图；
[0032]图18是伸长臂的后视图；
[0033]图19是伸长臂的顶视图；
[0034]图20是来自图17的放大图；
[0035]图21是被示为附着至骨骼的图4的跟踪器组件的立视图；
[0036]图22是跟踪头的透视图；
[0037]图23是连接器的透视图；
[0038]图24是连接器的顶视图；
[0039]图25是大致沿图24中的25_25线取得的所述连接器的截面图；
[0040]图26是大致沿图24中的26-26线取得的所述连接器的截面图；
[0041]图27是备用跟踪头的透视图；
[0042]图28是又一备用跟踪头的透视图；
[0043]图29是光照环的透视图；
[0044]图30是导航系统的示意图；
[0045]图31是两个指示LED的电气示意图；
[0046]图32是四个跟踪LED的电气示意图；
[0047]图33A和33B是相对于重力处于不同的倾斜位置的跟踪头的示意图；
[0048]图34A和34B是处于不同的旋转位置上的跟踪头的示意图；
[0049]图35是螺丝刀的透视图；
[0050]图36是沿着螺丝刀的中央取得的螺丝刀的截面图；
[0051]图37是鼻管的透视图；
[0052]图38是沿着鼻管的中央取得的鼻管的截面图；
[0053]图39是大致沿图38中的39_39线取得的鼻管的截面图；
[0054]图40是中间管的透视图；
[0055]图41是沿着所述中间管的中央取得的所述中间管的截面图；
[0056]图42是后盖的透视图；
[0057]图43是沿着后盖的中央取得的后盖的截面图；
[0058]图44是锤子的透视图；
[0059]图45是锤子的立视图；
[0060]图46是大体沿图45的46-46线取得的锤子的截面图；
[0061]图47是触发器构件的端视图；
[0062]图48是沿着触发器构件的中央取得的触发器构件的截面图；
[0063]图49是弹簧帽的截面图；
[0064]图50是驱动杆的立视图；以及
[0065]图51是大致沿图50中的51-51线取得的驱动杆的截面图；
【具体实施方式】
[0066]参考图1，其示出了导航系统20。导航系统20被示为处于手术设置当中，例如，处于医疗机构的手术室内。导航系统20被设置为跟踪手术室内的各种目标的移动。这样的目标包括(例如)手术器械22、患者股骨F和患者胫骨T。导航系统20对这些对象进行跟踪的目的是为了将它们的相对位置和取向显示给外科医生，在有些情况下是为了控制或者限制手术器械22相对于预定义路径或解剖学边界的移动。
[0067]导航系统20包括容纳导航计算机26的计算机手推车组件24。导航接口与导航计算机26进行操作通信。导航接口包括适于处于无菌场外的第一显示器28和适于处于无菌场内的第二显示器29。将显示器28、29以可调整方式安装至计算机手推车组件24。可以采用诸如鼠标和键盘的第一和第二输入装置30、32向导航计算机26内输入信息或者以其它方式来选择/控制导航计算机26的某些方面。可以设想其他输入装置，包括显示器28、29上的触摸屏(未示出)或语音激活。
[0068]定位器34与导航计算机26通信。在图示的实施例中，定位器34是光学定位器，其包括照相机单元(又称为感测装置)。照相机单元36具有容纳一个或多个光学位置传感器40的壳38。在一些实施例中采用至少两个光学传感器40，优选采用三个。光学传感器40可以是三个单独的电荷耦合器件(CCD)。在一个实施例中采用三个一维CCD。应当认识到，也可以在手术室各处布置单独的照相机单元，每一照相机单元具有单独的CCD或者两个或更多(XD。所述C⑶检测红外(IR)信号。
[0069]将照相机单元36安装到可调整臂上，从而将光学传感器40的位置设定为使下文讨论的跟踪器的视场理想地免受阻挡。
[0070]照相机单元36包括与光学传感器40通信的照相机控制器42，以接收来自光学传感器40的信号。照相机控制器42通过有线或无线连接(未示出)与导航计算机26通信。一种这样的连接可以是IEEE1394接口，所述接口是用于高速通信和等时的实时数据传送的串行总线接口标准。所述连接还可以采用公司专有协议。在其他实施例中，光学传感器40与导航计算机26直接通信。
[0071]将位置和取向信号和/或数据传送至导航计算机26，以达到对目标进行跟踪的目的。计算机手推车组件24、显示器28和照相机单元36可以与2010年5月25日颁发给Malackowski等的发明名称为“Surgery System”的美国专利N0.7725162中所描述的类似，通过引用将该文献引入本文。
[0072]所述导航计算机26可以是个人计算机或膝上型计算机。导航计算机26具有显示器28、29、中央处理单元(CPU)和/或其他处理器、内存(未示出)和存储器(未示出)。如下文所述，向导航计算机26加载软件。所述软件将接收自照相机单元36的信号转换成表示正在被跟踪的目标的位置和取向的数据。
[0073]导航系统20包括多个跟踪装置44、46、48，文中又将其称为跟踪器。在图示的实施例中，将一个跟踪器44牢固地固定至患者的股骨F，将另一个跟踪器46牢固地固定至患者的胫骨T。将跟踪器44、46牢固地固定至骨骼的各部分。可以通过美国专利N0.7725162中所示的方式将跟踪器44、46附着至股骨F和胫骨T，通过引用将该文献引入本文。下文还将描述其他附着方法。在其他实施例中，使跟踪器(未示出)附着至膝盖骨，以跟踪膝盖骨的位置和取向。在另外的实施例中，可以将跟踪器44、46安装至解剖学结构的其他组织类型或部分。
[0074]使器械跟踪器48牢固地附着至手术器械22。可以在制造过程中将器械跟踪器48集成到手术器械22内，或者可以在手术过程的准备过程中将器械跟踪器48单独地安装到手术器械22上。手术器械22的受到跟踪的工作端可以是旋转钻、电烧蚀装置等。
[0075]可以采用内部电池对跟踪器44、46、48进行电池供电，或者所述跟踪器可以具有引线，从而通过导航计算机26来接收电力，导航计算机26与照相机单元36 —样优选接收外部电源。
[0076]在图示的实施例中，手术器械22是手术操纵器的末端执行器。在2013年8月2日提交的名为“Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrumentin Multiple Modes”的美国专利申请N0.13/958070中示出了这样的布置，通过引用将其公开内容并入本文。
[0077]在其他实施例中，可以仅由用户的手来人工地放置手术器械22，而不借助于任何切割引导、挺杆(jib)或者其他约束机构，例如，操纵器或机器人。在2012年8月31日提交的名为“Surgical Instrument Including Housing, a Cutting Accessory that Extendsfrom the Housing and Actuators that Establish the Posit1n of the CuttingAccessory Relative to the Housing” 的美国专利申请 N0.13/600888 中不出了这样的手术器械，通过引用将其公开内容并入本文。
[0078]定位器34的光学传感器40从跟踪器44、46、48接收光信号。在图示的实施例中，跟踪器44、46、48是有源跟踪器。在这一实施例中，每一跟踪器44、46、48具有用