触觉引导系统及方法

专利名称：触觉引导系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种外科系统，更具体而言，本发明涉及一种用于矫 形关节置换的外科系统及方法。
背景技术：
微创手术(MIS)是指经小切口实施的外科手术，这种手术的切 口显著地小于传统外科方法所需的切口。例如，在诸如全膝置换手术 等的整形外科场合中，MIS的切口长度可控制在约4到6英寸的范围 内，而传统全膝手术的切口长度通常是在约6到12英寸的范围内。由 于切口长度较小，MIS手术过程的侵害性通常要小于传统外科方法， MIS手术减小了对软组织的损伤，减轻了术后疼痛，促进患者在术后 尽早活动，缩短了住院时期，并加速了术后复原。
MIS的一个缺点在于小的切口尺寸削弱了外科医生观察并接近 解剖体的能力。例如，在微创矫形关节置换手术中，对关节部位的观 察和接近能力受限，这将会增大评估正确植入位置、并对骨头进行整 形的复杂性。结果就是，精确地布置植入件将变得更为困难。用于克 服这些问题地常规技术例如包括外科导航术(surgical navigation )、
将腿定位成使得关节获得最佳的暴露状态、以及采用特别设计的小尺 寸仪器及复杂的外科技巧。但是，这些技术通常需要大量的专业器械、 大量的训练课程、以及高超的技巧。此外，某个外科医生的手术结果 以及多个不同外科医生的手术结果都不具有足够的可预测性、重复性、
和/或精确性。结果就是，植入件的性能以及使用寿命对于不同的患者 是因人而异的。
在整形外科的场合下，无论是MIS还是传统的外科方法都存在一 个缺点当对骨头进行准备以接纳植入件时，不仅病变的骨头被去掉 了，健康的骨头也被连同去掉了。例如，全膝置换手术需要在膝盖的 三个隔区(compartment )上各去除多达1/2英寸的骨头。用于保留健 康骨的一种常见方案是进行局部(或单隔区)的膝盖置换，在此条件 下，膝盖上只有一个隔区受到了损伤。单隔区的方法涉及到这样的操 作仅在膝盖的一个隔区上去除已损坏部分或患有关节炎的部分。例 如，REPICCI 的单髁膝盖系统通常需要从膝盖的一个隔区上去除约 1/4英寸的骨头。REPICCI 系统需要利用球形磨锥经微创切口徒手对 骨头进行刮刻，该微创切口的长度通常约为3英寸。球形磨锥使得切 面呈现为圆形形状，而这样的形状是无法用外科锯再造出来的。但是， 相比于使用传统的切割锯或导锯器的方法，徒手磨削的方法是难于掌 握的，需要外科医生具有更高的手工刮刻技能。结果就是，徒手切割 操作需要很高的技能，以使得手术结果能实现足够的可预测性、重复 性、和/或精确性。此外，REPICCI⑧技术和传统的外科方法无法形成 具有复杂几何形状或高曲度几何形状的切面。因而，这些方法通常需 要随病变/损坏的骨头去除至少部分的健康骨头。
MIS与传统矫形外科方法共有的另一个缺点在于这些方法不能 使使外科医生以协作的方式提高自身的外科技能。例如，用于进行关 节置换的某些常规方法使用自主机械手系统来协作外科医生。但这些 系统一般主要是用来加强骨头的机械加工工作的，其中，通过如下的 操作可加强加工工作利用高速磨锥执行自动切削操作；或者将钻具 的引导件移动就位、并在外科医生经引导件插入切割刀具时保持钻具
引导件的位置。尽管这些系统能精确地完成骨切除工作，从而能改善 植入件的配合和置换状况，但它们的工作方式是自主完成的(而不是 与外科医生协作完成的)，从而需要外科医生向机械手让出一定程度的
控制权。自主系统的另一些缺点包括机械手的尺寸大、人机工程性 差、需要在配准及切削过程中刚性地夹住骨头、为了使机械手获得足 够的接近性而增大切口长度、且由于系统的自主特性而使外科医生和 管理机构对其的认可度有限。
另外一些常见的机械手系统包括与外科医生相互交互配合的机械 手。普通交互式机械手系统的一个缺点在于这些系统缺乏适应手术 方案规划(planning)的能力、以及为动态的手术进行环境实施实时 导航的能力。例如，第10/470314号美国专利申请(公告号为US 2004/0128026)公开了 一种交互式的机械手系统，且该系统中编程设 置有三维的虚拟限界区域，患者被配准(register)到该区域内，其中， 该专利文献的内容被结合到本申请中作为参考。该机械手系统具有三 自由度(3-DOF)的臂件，臂件带有配备了力传感器的手柄。外科医 生利用手柄来操作臂件，从而移动切割刀具。需要借助于手柄来使臂 件移动，因而，力传感器能测量由外科医生施加到手柄上的作用力。 然后，利用测得的作用力来控制电机，以协作或阻止切割刀具的运动。 例如，在膝盖置换手术过程中，患者的股骨和胫骨被相对于机械手系 统固定就位。在外科医生向手柄施加作用力以移动切割刀具时，随着 切割刀具逐渐接近虚拟限界区域的边界，交互式机械手系统将向切割 刀具施加增大的阻力，以限制切割刀具的运动。按照这种方式，在进 行骨准备工作时，机械手系统通过将切割刀具保持在虚拟限界区域中， 可对外科医生进行引导。但是，与上述的自主式系统一样，交互式机 械手系统的作用主要是在于增强对骨的加工作业。交互式机械手系统 还需要相应的解剖体被刚性地约束起来，且机械手系统被固定在粗略 的位置上，因而，缺乏对手术进行中情景的实时适应能力。此外，臂 件的3-DOF构造、以及需要外科医生利用力手柄来操控臂件的需求导 致机械手系统的灵活性和灵巧性有限，使得机械手系统不适用于某些
MIS应用场合。
考虑到上述状况，需要研制这样的外科系统在矫形关节置换的 应用场合中，其能以显像微创外科手术的形式直接置换多余的健康骨， 实现了手术进行中的适应性、并实现了外科手术规划，不论医生的技 术为任何等级，该系统所获得的手术结果都具有足够的可预测性、重 复性、和/或精确性。外科系统不必为了先进而满足所有需求或部分需 求，但满足这些需求的系统将是更为理想的。

发明内容
本发明的 一个方面涉及一种外科设备。该外科设备包括计算机系 统和外科装置，该设备被设置成由使用者进行操控而在患者上执行手 术流程。计算机系统被编程设置成执行用于对外科装置进行控制的 控制参数，以便于基于患者解剖体与外科装置一部分至少一个指标之 间的关系，实现如下操作的至少之一向使用者提供触觉引导、以及 限制使用者对外科装置的操控，其中的指标是位置、定向、速度、以 及加速度；以及在手术过程中，响应于解剖体的移动而对控制参数进 行调节。
本发明的另一方面涉及一种外科设备。该外科设备包括一种触觉 装置，其被设计成由使用者进行操控而在患者上执行手术流程。触觉 装置包括至少一个反馈机构，其被设计成向操控触觉装置的使用者提 供反馈。该外科设备还包括计算机系统，其被编程设置成基于患者 解剖体与触觉装置一部分的至少一个指标之间的关系，在使用者操控 触觉装置时，执行用于对至少一个反馈机构进行控制的控制参数，以 便于向使用者提供触觉引导，其中的指标是位置、定向、速度、以及 力口速度。
本发明的再一方面涉及一种外科方法。该外科方法包括步骤创 建患者解剖体的表像(representation);利用解剖体的表像将解剖体 与外科装置关联起来；通过使外科装置的一部分在解剖体的区域内移 动而操控外科装置，以在患者上执行手术流程；基于解剖体的表像与 外科装置一个部分至少一个指标之间的关系，对外科装置进行控制，
以实现如下的至少一种操作一触觉引导及限制对外科装置的操控，其
中，指标是指位置、定向、速度、以及加速度；以及在手术执行过程 中，响应于解剖体的移动而调节解剖体的表像。
本发明的另一方面涉及一种外科方法。该外科方法包括步骤创 建患者解剖体的表像；利用解剖体的表像将解剖体与触觉装置关联起 来；通过使触觉装置的一部分在解剖体的区域内移动而操控触觉装置， 以在患者上执行手术流程，其中，触觉装置包括至少一个反馈机构， 其被设置成在操控过程中提供反馈作用。该外科方法还包括步骤在 对触觉装置进行操控的过程中，基于患者解剖体的表像与触觉装置一 个部分至少 一个指标之间的关系，对至少 一个反馈机构进行控制以提 供触觉引导，其中的指标是位置、定向、速度、以及加速度。
本发明的又一方面涉及一种用于关节置换的方法。该方法包括步 骤创建第一骨头的表像；创建第二骨头的表像；为用于将第一植入 件植入到第一骨头中的骨准备工作制定规划；操控外科工具刮刻第一 骨头，以此来对第一骨头进行准备，以利于接纳第一植入件；在对第 一骨头进行了准备之后，为用于将第二植入件植入到第二骨头中的骨 准备工作制定规划；以及操控外科工具刮刻第二骨头，以此来对第二 骨头进行准备，以利于接纳第二植入件。
本发明的再一方面涉及一种外科规划方法。该外科规划方法包括 步骤检测骨头上方软骨表面的高度；创建骨头的表像以及软骨表面 高度的表像；以及，至少在部分上基于检测到的软骨表面高度，对用 于将植入件植入到骨头中的骨准备工作制定规划。
本发明的另一方面涉及一种外科规划方法。该外科规划方法包括 步骤创建关节骨头的表像；将关节移动到第一位置；当关节处于第 一位置时，识别出与关节中第一部位相对应的第一点；将关节移动到 第二位置；当关节处于第二位置时，识别出与关节中第二部位相对应 的笫二点；以及，至少在部分上基于第一、第二点，为用于向骨头中 植入植入件的骨准备工作制定规划。


附图被包含在本说明书中，并作为说明书的组成部分，其表示了 本发明的实施方式，并与文字描述一起来解释本发明的原理。在附图中图1中的立体图表示了根据本发明的外科系统的一种实施方式； 图2A中的立体图表示了根据本发明的触觉装置的一种实施方式； 图2B中的立体图表示了根据本发明的触觉装置的一种实施方式； 图2C是图2A所示触觉装置的立体图，其表示了根据本发明的触 觉装置操作方式的实施方式；图3中的立体图表示了图2A所示触觉装置中末端执行器的实施方式；图4中的立体图表示了根据本发明的解剖跟踪器的实施方式；图5中的立体图表示了根据本发明的触觉装置的实施方式；图6A中的立体图表示了根据本发明的末端执行器跟踪器的实施方式；图6B中的立体图表示了图5A所示的末端执行器被连接到触觉装 置上时的情形；图7是根据本发明的器械跟踪器的一种实施方式的立体图； 图8表示了根据本发明的机械跟踪系统的一种实施方式； 图9中的立体图表示出了股骨和胫骨，该视图表示了根据本发明 的触觉目标体的图示表像的一种实施方式；图10A中的立体图表示了根据本发明的股骨构件的一种实施方式；图10B中的立体图表示了根据本发明的胫骨构件的一种实施方式；图11A中的图线表示的是根据本发明一种实施方式的力反馈曲线；图11B中的图线表示了当图IIA所示的力反馈曲线被移动到左侧时的情形；图lic是根据本发明的斥力触觉目标体的一种实施方式的图示表像；图llD是根据本发明的斥力触觉目标体的一种实施方式的图示表像；图IIE是根据本发明的虚拟工具的实施方式的图示表像；图IIF是根据本发明的虚拟工具的实施方式的图示表像；图IIG表示了根据本发明的图形选择界面的一种实施方式；图IIH表示了根据本发明的图形选择界面的一种实施方式；图12表示了根据本发明的CAS系统的显示器的实施方式；图13中的方框图表示了根据本发明的、用于单髁膝盖置换手术的方法的实施方式；图14A表示了根据本发明的腿保持器的实施方式； 图14B表示了根据本发明的腿保持器的实施方式； 图15表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的分割步骤；图16表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的分割步骤；图17表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的界标选择步骤；图18表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的界标选择步骤；图19表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的界标选择步骤；图20表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的界标选择步骤；图2l表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的界标选择步骤；图22表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的界标选择步骤；图23表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本
发明的界标选择步骤；图24表示了外科导航屏幕的一种实施方式 发明的探针校准确认步骤；图25表示了外科导航屏幕的一种实施方式 发明的解剖跟踪器安装步骤；图26表示了外科导航屏幕的一种实施方式 发明的配准步骤；图27表示了外科导航屏幕的一种实施方式 发明的配准步骤；图28表示了外科导航屏幕的一种实施方式 发明的配准步骤；图29表示了外科导航屏幕的一种实施方式 发明的配准步骤；图30表示了外科导航屏幕的一种实施方式 发明的配准步骤；图31表示了外科导航屏幕的一种实施方式 发明的配准步骤；图32表示了外科导航屏幕的一种实施方式 发明的配准步骤；图33表示了外科导航屏幕的一种实施方式 发明的配准步骤；图34表示了外科导航屏幕的一种实施方式 发明的触觉装置校准步骤；图35表示了外科导航屏幕的一种实施方式 发明的、对植入件的放置进行规划的步骤；图36表示了外科导航屏幕的一种实施方式 发明的骨准备步骤；图37表示了外科导航屏幕的一种实施方式发明的骨准备步骤；该屏幕表示了根据本 该屏幕表示了根据本 该屏幕表示了根据本 该屏幕表示了根据本 该屏幕表示了根据本 该屏幕表示了根据本 该屏幕表示了根据本 该屏幕表示了根据本 该屏幕表示了根据本 该屏幕表示了根据本 该屏幕表示了根据本 该屏幕表示了根据本 该屏幕表示了根据本 该屏幕表示了根据本
图38表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本 发明的、对植入件的放置进行规划的步骤；图39表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本 发明的骨准备步骤；图40中的方框图表示了根据本发明的触觉呈现方法的一种实施方式；图41是被叠置起来的多个触觉目标体的表像； 图42表示了根据本发明的3D几何触觉目标体的实施方式； 图43中的框图表示了根据本发明的、基于多边形体的触觉呈现方 法的实施方式；图44表示了根据本发明的多边形表面目标体的实施方式；图45表示了根据本发明的体素位图的实施方式；图46A表示了根据本发明的体素查询表的实施方式；图46B表示了根据本发明的多边形查询表的实施方式；图47表示了根据本发明的虛拟引导线实施方式的实现形式；图48中的图线表示了坐标变换；图49A表示了虚拟代理点的方位； 图49B表示了虚拟代理点的方位；图50中的流程图表示了根据本发明的触觉呈现算法的实施方式； 图51A图示地表示了主动性的多边形优先行为； 图51B图示地表示了优先依据多边形的行为； 图51C图示地表示了优先连续表面的行为； 图51D图示地表示了优先最小作用力的行为； 图52A图示地表示了增强的凹拐角行为在x-y面内的表像；以及 图52B图示地表示了增强的凹拐角行为在y-z面内的表像。
具体实施方式
附图表示了本发明当前的优选实施方式。尽管本说明书主要针对 的是涉及膝关节的整形外科过程，但应当理解本发明所述的主题也 适用于人体中的其它关节，例如肩关节、肘关节、腕关节、脊关节、 髋关节、或踝关节，本发明的主题还适用于其它任何的矫形和/或肌骨 骼植入件，这些植入件包括由常用材料制成的植入件和较为奇异的植 入件，例如生物矫形的、输送药物的植入件以及输送细胞的植入件。图l表示了根据本发明的外科系统10的一种实施方式。该外科系 统10包括运算系统20、触觉装置30、以及跟踪(或定位)系统40。 在工作中，该外科系统IO能进行全面的、处于手术进行过程中的外科 规划。在使用者执行外科手术的过程中，外科系统IO还向使用者(例 如外科医生)提供了触觉引导和/或限制使用者对触觉装置30的操控。运算系统20包括用于对外科系统IO进行操作和控制的硬件及软 件。如图l所示，运算系统20包括计算机21、显示装置23、以及输 入装置25。运算系统20还可包括手推车29。计算机21可以是任何已有的运算系统，但优选地是可编程的、基 于处理器类型的系统。例如，计算机21可包括微处理器、硬盘、随机 访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出(I/O)电路、 以及任何其它公知的计算机部件。优选地是，计算机21适于与多种类 型的储存装置(固定安装型与可拆卸型)配套使用，这些储存装置例 如是便携式驱动器、磁性存储器(例如软盘)、固态存储器(例如闪存 卡)、光学存储器(例如CD盘或压缩盘)、和/或网络/互联网储存器。 计算机21可包括一台或多台电脑，例如包括以Windows、 MS-DOS、 UNIX、或其它合适的操作系统为操作系统的个人计算机(例如 IBM-PC兼容计算机)或工作站(例如SUN或Smcon Graphics工作 站)，优选地是，其中的操作系统具有图形用户界面(GUI)。在一种 实施方式中，计算机21包括从MAKO SURGICAL CORPTM购得的、 产品识别号码为0040TAS00001的导航才莫块。显示装置23是运算系统20与使用者之间的视觉界面。显示装置 23与计算机21相连，其可以是适于显示文字、图像、图形、和/或其 它视觉输出信息的任何装置。例如，显示装置23可包括标准的显示屏 (例如LCD、 CRT、等离子显示器等)、触摸屏、佩带式显示器(例如 眼睛或护目镜等的眼镜用品)、投影显示器、头戴式显示器、全息显示
器、和/或其它视像输出装置。显示装置23可被布置在计算机21上或 计算机的附近(例如位于图1所示的手推车29上)，或者也可远离计 算机21 (例如安装在手术室的墙壁上、或适于使用者观察的其它位置 上)。优选地是，显示装置23是可调节的，从而在外科手术的进行过 程中，使用者可根据需要对显示装置23进行定位/重新定位。例如， 显示装置23可被布置在与手推车29相连的可调节臂件(图中未示出) 上，或者可被布置在易于使用者观察的任何其它位置上。显示装置23 可被用于显示对医疗过程有用的任何信息，该信息例如是由图像数据 集(利用常用的成像技术获得)生成的解剖体的图像、图形模型(例 如植入件、器械、解剖体等的CAD模型)、被跟踪物体(例如解剖体、 刀具、植入件等)的图形表像、数字或视频图像、配准信息、校准信 息、患者的数据、使用者的数据、测量数据、软件菜单、选择按钮、 状态信息等。除了显示装置23之外，运算系统20可包括声学装置(图中未示 出)，以便于向使用者提供声响反馈。声学装置与计算机21相连，其 可以是用于发出声音的任何现有装置。例如，声学装置可包括扬声器 和声卡、集成有音频支持功能的主板、和/或外部的声音控制器。在工 作中，声学装置可被设计成向使用者发送信息。例如，计算机21可被 编程设置成向声学装置发送信号，以产生出声音，该声音例如是合成 的语音指示"DONE"，以指示外科流程的某个步骤已经完成。类似地， 声学装置可被用于向使用者提供关于敏感状态的警报，例如发出哔哔 声以指示外科切割刀具正在接近软组织的临界部分。运算系统20的输入装置25使得使用者能与外科系统10进行通 讯。输入装置25与计算机21相连，其可以包括允许使用者向计算机 进行输入的任何装置。例如，输入装置25可以是公知的输入装置，譬 如键盘、鼠标、轨迹球、触摸屏、触控垫、声音识别硬件、拨盘、开 关、按钮、可跟踪的探针、脚踏板、遥控装置、扫描器、摄像机、麦 克风、和/或操纵杆。运算系统20 (整体或部分)可被布置在手推车29上，以节省空
间，减小运算系统20的物理占用面积，和/或实现可移动性。手推车 29例如可以是现有的手推车、平台、或设备支架，且优选地是，其被 设计成使得运算系统20易于移动。例如，如图l所示，手推车29可 包括滚动构件28 (例如滚轮或脚轮)，以使得手推车29可被移动。手 推车29还可包括用于将其固定就位的机构。例如，手推车29上可设 置有车轮锁止件或滚动构件28的制动件、脚踏锁止装置、举升支架、 和/或用于将手推车固定在位置上的其它现有机构。按照这种方式，手 推车29可将运算系统20从一个地点移动到另一地点，并按照各种外 科状况所必需的那样进行定位，且在储放及手术的过程中固定在所需 的位置上。作为备选方案，运算系统20 (整体或部分)可被安装在将 要执行外科手术流程的空间(例如安装在墙壁或工作台上)、安装在远 处的地点处、与触觉装置30集成到一起、与成像装置(例如计算断层 照相装置CT、磁共振成像装置MRI、荧光检查装置、超声装置等) 集成到一起、和/或与医疗系统(例如位于执行外科流程的空间的医疗 设备推车)集成到一起。运算系统20适于使外科系统10能完成与外科规划、导航、图像 引导、和/或触觉引导相关的各种功能。例如，计算机21可具有运算 算法、程序规划、以及软件等功用，这些功用与基本操作、数据存储 及读取、计算机辅助外科(CAS)、应用、触觉控制、和/或任何其它 合适的功能相关。在一种实施方式中，运算系统20包括用在导航模块 中的软件，该导航模块是从MAKO SURGICAL CORPTM购得的、产 品识别号码为0040TAS00001。与一般操作相关的功用被设计成可完成基本的运算功能，该基本 运算功能实现并支持着外科系统10的总体工作。基本操作功用例如包 括用于快速图形处理功能的公知特性、用于支持输入/输出(I/O) 装置的功能、用于与医院网络进行连接的功能、用于管理数据库(例 如植入件和器械数据库)的功能、用于保证系统安全(例如登录特点、 访问限制等)的功能、和/或用于支持外科系统10总体工作的其它有 用功能。 与数据储存及提取相关的功用被设计成可实现对多种格式数据的 储存和访问，其中的数据例如是图像数据(例如利用任何合适的成像机理获得的二维或三维图像数据集，其中的成像机理例如是x-射线、计算机断层照相CT、磁共振MR、正电子放射断层照相PET、单光 子放射计算机层析扫描SPECT、超声等)、应用数据、植入件的数据、 器械的数据、解剖体模型数据、患者数据、使用者的优选数据等。数与计算机辅助外科相关的功用被设计成能实现外科手术规划、导 航、以及由基础图像引导的外科性能。例如，如公知的那样，CAS应 用可包括如下的功能从图像数据集产生出图像并显示图像数据的功 能、用于确定外科器械顶端位置以及轴线定向的功能、用于使患者与 图像数据集配准以调整跟踪系统40的构架的功能。这些功能例如使得 运算系统20能在显示装置23上显示出关于被跟踪的手术器械叠置在 患者解剖体的一个或多个图像上的虚拟表像，并能在手术的进行过程中实时地更新被跟踪器械的虛拟表像。从图像数据集产生出的图像可 以是二维图像，或者在图像数据集为三维图像数据集的情况下，图像 例如是基于图像数据集的分段进行重建所得的三维图像。在显示装置 23上显示一个以上图像的情况下，优选地是，运算系统20将被跟踪 器械的表像在多个不同的图像之中进行协调。作为由图像数据集所生 成的图像的补充或替代，运算系统20可使用解剖模型(例如基于CAD 模型、线条图、草图、卡通图、艺术性透视图、通用数据集或变体数 据集等)。与外科系统10的应用相关的功用包括一些特定的应用程序，这些 程序被设计成通过手术规划和导航来协助使用者。与应用性功用有关 的程序可被设计成用在多种医疗过程中和/或可被定制成专用于某种 特定的医疗过程。例如，应用性的功用可包括与一个或多个矫形过程 有关的程序，其中的矫形过程例如是全膝置换、部分膝盖置换、髋置 换、肩关节置换、肘关节置换、腕关节置换、踝关节置换、脊骨外科 手术、和/或安装矫形植入件和/或肌骨骼植入件，这些植入件包括由
常用材料制成的植入件和较为奇异的植入件，例如生物矫形的、输送 药物的植入件以及输送细胞的植入件。应用性的功用可被用在外科规 划和导航的各个方面一包括手术前的活动、手术进行中的活动、以及 手术后的活动。例如，应用功用可包括针对于规划和设置的程序或方法，这些程序或方法例如为系统初始化方法、规划方法、可^L化方法、 诊断成〗象方法、配准方法、以及校准方法。应用性的功用还可包括与 目标体跟踪和系统控制相关的程序或方法，这些程序或方法例如是坐 标变换方法、插值方法、工具及功率控制方法、解剖体定位方法、模 式控制方法、安全方法、梗塞检测算法、以及前向的运动学算法。应 用性的功用可包括与触觉装置30相关的程序或方法，此程序或方法例 如是触觉力运算方法、触觉力映射方法、用于产生触觉目标体的方法、 以及触觉呈现算法。应用性的功用还可包括在手术过程中与使用者进 行通讯的程序和方法_例如用于显示与手术流程特定步骤相对应的页 面或图像的软件、用于促使使用者执行某一任务的软件、以及用于向 使用者提供反馈(例如视觉反馈、声响反馈、触感反馈、和/或力反馈) 的软件。与触觉控制相关的功用被设计成可实施与触觉装置30的控制、性 能、稳定性、和/或安全性有关的各种功能。例如，触觉控制功用可包 括实时的操作系统(RTOS)、运动控制软件、用于为触觉装置30的 控制提供高频度更新的硬件和软件、用于确保触觉装置30失效保障工 作(例如对制动件的控制、对冗余传感器的监控等)的软件、和/或适 于改善或促进触觉装置30性能及稳定性和/或安全性的其它任何功用。 触觉控制功用可由运算系统20的计算机21执行，只要计算机21具有 足以支持触觉控制功用的操作需求的运算架构即可。例如，与触觉控 制相关的程序所需的工作频率通常要高于计算机21上运行的其它程 序的所需频率。在一种实施方式中，触觉控制方法的工作频率约为 2kHz。在另一实施方式中，触觉控制方法的工作频率在约0.1 kHz到 约10kHz的范围内。在再一种实施方式中，触觉控制方法的工作频率 在约500Hz到2400Hz的范围内。与此相反，计算机21可工作在低很
多的频率上，例如工作在约15Hz到约20Hz的频率上。在另一实施方 式中，计算机21的频率可以处于约2Hz到约60Hz的范围内。在另外 的实施方式中，计算机21的频率可以大体上等于触觉控制方法所需的 工作频率(例如约为2 kHz)。如果计算机21的架构不足以支持触觉 控制方法的工作，则运算系统20可包括用于执行触觉控制功用的计算 机31。在一种优选的实施方式中，计算机31集成或嵌入到触觉装置 30中。计算机31 (如图1所示)可以是与计算机21类似的机器，但优 选地是被设计成满足触觉装置30的特别工作需要一例如能满足对更 高工作频率的需求。计算机31可包括一台或多台计算机。在一种实施 方式中，计算机31是兼容Intel的x86 3U紧凑型PCI单板机，其处 理器的时钟频率至少为1.6GHz，并具有至少2GByte的非易失性存储 器(例如硬盘驱动器、Compact闪存等)、至少256MB的RAM、400MHz 或更快的前端总线、至少lMByte的二级緩存、以及实时性的操作系 统。可从市场上购得的一种实例产品包括由Inova Computers GmbH 出品的ICP-PM-1004-DG-8A型计算机，其与QNX软件系统Ltd公司 出品的QNX6.1 (或更高版本)操作系统配套使用。除了触觉控制功用之外，计算机31还可包括使得触觉装置30能 使用从跟踪系统40得到的数据的程序。例如，跟踪系统40可定期地 产生出被跟踪目标体的姿态(位置和定向)数据。在一种实施方式中， 大致以每秒30次或30Hz的频率来产生目标体的姿态数据。在另外的 实施方式中，产生目标体姿态数据的频率更高，例如约为500Hz或更 高。目标体的姿态数据被从跟踪系统40传送给计算机31 (例如经过 接口 100b)，并被按照常规的方式进行了调制一例如如公知的那样使 用噪声滤波器进行滤波。此外，在跟踪系统40的工作频率低于触觉控 制程序的频率的实施方式中，可使用公知的插值滤波器来对目标体的 姿态数据进行调制。插值滤波器通过填充离散数据采样之间的间距而 使目标体姿态数据平滑化，以此使得目标体姿态数据可被用在高频率 的触觉控制方法中。计算机31还包括坐标变换程序，其用于将一个空 间内的坐标映射(或变换)到另一空间中的座标上，以便于实现空间对准或对应。例如，外科系统IO可利用该坐标变换程序来将被跟踪目 标体(例如外科工具、患者解剖体等)的位置映射到运行在计算机31 和/或计算机21上的程序所使用的坐标系统中。如公知的那样，坐标 变换程序可包括任何合适的变换技术一例如刚性体变换技术、非刚性 体变换技术、仿射变换技术等。在计算系统20中设置多个计算机(例如计算机21和计算机31) 的一个优点在于每个计算机都能被单独地进行设置。因而，计算机 21可针对于外科规划和导航进行定制，且计算机31可针对触觉装置 30的控制性能、稳定性、和/或安全性进行定制。例如，计算机31可 包括实时的操作系统(RTOS)，以维持对触觉控制系统的可靠更新、 以及为触觉装置30设置的稳定的工作平台。与此相反，计算机21可 包括非RTOS的系统，原因在于运算系统20并不需要具备与触觉装 置30相同的稳定程度。因而，计算机21则可被定制设置成满足外科 导航的特定需求一例如图形处理。设置多个具有单独运算架构的计算 机的其它优点在于对触觉系统了解有限的软件开发者可为计算机21 创建CAS功用，该功用可与多种触觉装置配套使用。类似地，对CAS 了解有限的软件开发者可创建致力于增强特定触觉装置的性能、稳定 性、和/或安全性的触觉功用。作为对分散计算机的替代方案，触觉装 置30和运算系统20的运算功能例如可被集中到单台计算机(例如计 算机21或计算机31)、成像装置(例如CT装置、MRI装置、荧光装 置等)的运算系统中、和/或医院的计算系统(例如网络系统、将要进 行手术流程的房间内的设备推车等)中。如图l所示，运算系统20与触觉装置30通过接口 100a联接起来。 接口 100a包括物理接口和软件接口 。物理接口可以是任何公知的接口 一例如有线接口 (例如串行接口、 USB、以太网、CAN总线、和/或 其它电缆通讯接口)、和/或无线接口 (例如无线以太网、无线串口、 红外接口、和/或其它无线通讯系统)。软件接口可驻留在计算机21和 /或计算机31中，使得运算系统20能与触觉装置30进行通讯，并控
制触觉装置30的工作。在一种实施方式中，软件接口包括一种功用， 其能允许运算系统20向触觉装置30发出指令。例如，计算机21可向 计算机31发送指令，要求触觉装置30进入某种特定的模式(例如接 近模式、触觉模式、自由模式、输入模式、保持模式)。作为响应，计 算机31可被编程设置成对各个参数进行检查，以验证向所要求模式的 进入是否是安全的，也就是说是否是可以接受的，从而，或者是使触 觉装置30进入到所要求的模式中，或者是返回适当的错误信息。触觉装置30是这样的外科装置其被设计成由使用者进行操控， 以移动外科工具50,从而对患者执行手术流程。在手术过程中，运算 系统20例如基于患者解剖体与触觉装置30上一部分(例如外科工具 50)的指标而执行一些控制参数，用于对触觉装置30进行控制，其中 的指标是位置、定向、速度、和/或加速度。在一种实施方式中，触觉 装置30被控制得为使用者对装置的操控设置限制作用(例如通过限制 使用者对触觉装置30的物理操控能力)。在另外的实施方式中，触觉 装置30被控制成对使用者提供触觉引导作用(即触感反馈和/或力反 馈)。"触觉，，一词是指有关接触的感觉。且触觉领域涉及与人体交互式 装置相关的研究，其中的人体交互式装置可向操作者输出触感反馈和/ 或力反馈。触感反馈一般包括一些触感性的知觉，这些知觉例如是振 动，而力反馈则是指以力的形式(例如对运动的阻力)和/或力矩的形 式(也被称为"扭转")表现出的反馈。扭转例如包括以力、力矩、或 力与力矩组合的形式表现的反馈作用。与计算机辅助外科(CAS )功用相关联的触觉装置30所产生的引 导作用使得外科医生能主动而精确地控制手术动作(例如骨切除)和 局部治疗药物的输送(例如在脑中)。例如，运算系统20被编程设置 成基于代表患者解剖体的数据(例如术前的CT影像数据、超声数 据)、与解剖体相关(或配准)的虚拟目标体(或触觉)、关于解剖体 的参数(例如相对于解剖体的一个部分所限定的深度)、和/或解剖体， 确定出控制参数。运算系统20可基于工具50相对于虚拟目标体、参 数、和/或解剖体的位置对触觉装置30进行控制，以产生出力、力矩、和/或振动。例如，工具50受到约束而不能进入与解剖体的表像相关 的虚拟边界、和/或受到约束而不能超过针对解剖体的表像而限定的参 数。因而，在手术中，在外科医生操控触觉装置30以移动工具50的 过程中，可使用虚拟的路线将工具50引导向特定的目标体，并使用虛 拟的边界来限定切割形状或防止工具50与重要组织接触，且可使用预 定的参数来限制工具50的行程(例如限制到预定的深度)。运算系统 20还可被编程设置为在手术过程中，响应于实际解剖体的移动而对 控制参数进行调节(例如通过对检测到的实际解剖体的运动进行监控， 然后再响应于检测到的运动而调节虚拟目标体)。按照这种方式，外科 系统IO可补充或取代对手术部位直接的可视化，增强了外科医生的自 然触感和体能灵敏度，有助于通过各种尺寸的入口瞄准、修复、置换 人体中的各种结构，其中的入口是从常规尺寸的入口 (其长度例如为 12英寸或更大)到直径小到lmm的入口的各种入口。例如在整形外科的应用中，触觉装置30通过协助外科医生工作， 使其能正确地刮刻骨头，从而能精确而可重复地完成骨切除操作，由 此被用来解决骨准备工作的不精确、无预测性、且无重复性的问题， 同时使得外科医生在骨准备的过程中能保持对手术过程的密切参予。 此外，由于在切割骨头的操作中触觉装置30对外科医生进行了触觉上 的引导，所以，外科医生的技能水平并不是至关重要的。结果就是， 技能水平和经验不同的外科医生都能执行精确的、可重复的骨切除操 作。在一种实施方式中，外科工具例如与触觉装置30相连。外科医生 可通过抓握和移动工具和/或通过抓握并操控触觉装置30来移动工具， 以此来操作工具以对骨头进行刮刻。在外科医生执行切割操作时，外 科系统10 (利用跟踪系统40)对工具的位置进行跟踪，且在大多数情 况下，允许外科医生在工作空间内自由地移动工具。但是，当工具接 近于与患者配准的虚拟边界时，外科系统10就对触觉装置30进行控 制，以提供触觉引导作用，该引导作用将趋于对外科医生进行约束， 避免使工具进入虚拟边界。例如，虚拟边界可由触觉目标体限定，且 触觉引导作用可包括输出的扭转(即力和/或力矩)，该扭转作用与触 觉目标体映射，外科医生可感觉到该作用，以限制工具在靠近虛拟边 界的方向上进一步移动。因而，外科医生感觉到就像工具已碰到了实 际的物体一例如墙壁。按照这种方式，虛拟目标体起到了虛拟切割引导体的作用。因而，触觉装置30向外科医生传递了关于工具相对于虛 拟边界的方位的信息，并在实际切割过程中提供了物理引导作用。触 觉装置30还可被用于限制使用者操控外科工具的能力，在第 10/470314号美国专利申请(公开号为2004/0128026)中例如就公开了 这样的内容，该专利申请的内容被结合到本申请中作为参考。触觉装置30可包括适于向使用者传递触感反馈(例如振动)和/ 或力反馈(例如扭转)的机械或机电装置。触觉装置30可以是机械手 系统、非机械手系统、或机械手系统与非机械手系统的组合系统。例 如，触觉装置30可包括如下专利文件中公开的触觉装置于2003年 3月6日提交的第10/384072号美国专利申请(其
公开日为2004年2 月5日)；于2003年3月6日提交的第10/384077号美国专利申请(其
公开日为2004年2月19日)；于2003年3月6日提交的第10/384078 号美国专利申请(其
公开日为2004年2月19日)；于2003年3月6 日提交的第10/384194号美国专利申请(其
公开日为2004年2月19 日)；于2003年7月16日提交的第10/621119号美国专利申请(其公 开日为2004年6月3日)、和/或于2005年2月22日提交的第60/655642 号美国临时专利申请。上述各个公开申请的内容都被结合到本申请中 作为参考。在一种实施方式中，触觉装置30包括机械手。在该实施方式中， 如图2A所示，触觉装置30包括基座32、臂件33、末端执行器35、 以及用户接口37。触觉装置30还可包括平台39。基座32为触觉装置30提供了基础。如图2所示，基座32支撑着 臂件33,还可能包容和/或支撑着触觉装置30的其它部件—例如控制 器、放大器、致动器、马达、传动部件、离合器、制动件、电源、传 感器、计算机硬件、和/或任何公知的其它机械手部件。基座32可用 任何合适的金属材料和/或合成材料制成，这些材料例如是铝或塑料，
基座优选地包括可拆卸的面板，以便于能接近基座32中所包容的部 件。臂件33被布置在基座32上，其适于使得触觉装置30可由使用者 进行操控。臂件33可以是任何合适的机构或机电结构，但优选地是具 有四个或多个自由度(运动轴线)的关节臂，其例如是目前被称为"全 臂操纵器"或WAMTM的机械臂，这种机械臂是由Barrett技术公司制 造的。如图2A所示，在一种实施方式中，臂件33包括第一区段33a、 第二区段33b、以及第三区段33c。第一区段33a和第二区段33b在第 一关节33d (例如肩关节)处连接起来，第二区段33b与第三区段33c 在第二关节33e (例如肘关节)处连接起来。如图2B所示，臂件33 例如具有第一自由度DOFp第二自由度DOF2、第三自由度DOF3、 以及第四自由度DOF4。因而，区段33a、 33b、以及33c以及关节33e 和33d构成了关节式的机械连接机构，其可被操纵为各种位置或姿态。 臂件33的尺寸被设计成适于应用在多种手术流程中，例如可被用在矫 形外科、神经科手术、和/或外科流程中，且足够紧凑，以使得触觉装 置30具有机动性，并能在操作室中有效地对触觉装置30进行定位。 例如，臂件33的尺寸可被设计成略大于人的手臂。在一种实施方式中， 臂件33的伸展范围约为lm，且区段33b和33c的直径约为89mm。 臂件33还适于包容和/或布置触觉装置30的部件，这些部件例如是仪 器、电源线、马达、传动部件、控制器、致动器、放大器、制动件、 离合器、电源、传感器、和/或计算机硬件。例如，区段33a、 33b、 以及33c可具有内部通道和/或在可设置触觉装置30部件的内部的中 空部分。区段33a、 33b、以及33c可用任何合适的金属材料和/或合成 材料制成，这些材料例如是铝或塑料，区段优选地包括可拆卸的面板 和/或进入口 ，以便于能接近臂件33中所包容的部件。例如可通过增加额外的自由度来提高臂件33的灵巧性。例如，臂 件33可包括腕部36。如图2A所示，腕部36可被布置在臂件33上(例 如位于第三区段33c的远端)，且具有一个或多个自由度，以增加臂件 33的自由度DOF^ DOF2、 DOF3、以及DOF4。例如，如图2B所示，
腕部36可具有自由度DOF5。在一种实施方式中，腕部36具有两个 自由度，且臂件33的自由度DOF3被取消了。腕部36也可以是由 Barrett技术公司制造的单自由度或三自由度WAMtm腕件。臂件33包括反馈机构，以使得触觉装置30能在使用者对其进行 操纵时向使用者发送信息。在工作中，运算系统20对反馈机构进行控 制，以产生出触感反馈和/或力反馈，并将反馈作用传递到使用者上， 从而向其传达信息，该信息例如是关于触觉装置一部分(例如工具50) 相对于虛拟目标体的位置、有关解剖体的参数、和/或解剖体的信息。 优选地是，反馈机构被设计成可产生出力、力矩、和/或振动。反馈机 构可包括由一个或多个致动器(例如电机)和机械传动装置组成的驱 动系统(图中未示出)。优选地是，致动器适于产生与使用者对触觉装 置30的操作相反的力反馈作用。致动器例如可包括由正弦整流电流放 大器/控制器驱动的钐-钴无刷电机、由空间矢量整流电流放大器/控制 器驱动的钕-铁无刷电机、和/或适于用在机械手系统中的任何合适的 电机和变换机理。传动装置例如是张力元件型驱动系统(例如缆索、 钢带、或聚合物筋束型传动器)、直接驱动系统、和/或适于用在机械 手系统中的任何低静摩擦且低游隙的传动系统。在一种示例性的实施 方式中，驱动系统包括高速的缆索传动装置和零游隙、低摩擦的缆索 型差速器。在一种实施方式中，缆索型传动装置可以是用在由Barrett 技术公司制造的WAMTM机械臂中的缆索型传动装置、和/或美国专利 4903536中介绍的缆索型传动装置，其中该美国专利的内容被结合到 本申请中作为参考。缆索型传动装置的一个优点在于缆索型传动装 置允许臂件33的大部分体积被布置在与手术部位足够远的位置处，从 而在手术过程中，使用者不会受到臂件33上结构或部件的妨碍或阻 挡。优选地是，驱动系统被设计成低摩擦的、小惯性的、高刚性的、 大带宽、游隙接近于零的、具有力保真性、和/或具有反向驱动性能， 且还适于将臂件33保持在这样的状态下使得使用者感觉臂件33就 像没有重量一样。例如，在一种实施方式中，臂件33的结构可基本上 是平衡的。例如可通过对驱动系统进行控制、以产生出用于修正不平 衡状态的力和/或力矩，从而可抵消臂件中的任何不平衡作用(例如由 于重量效应)。驱动系统的马达还可被用于产生振动或振荡，从而使得触觉装置30能向使用者提供触感反馈。除了驱动系统之外，反馈机构 还可包括与马达分离开的、用于产生振动的振动装置一例如振荡器。臂件33可包括用于确定臂件33位置和定向(即姿态)的位置传 感器(图中未示出)。位置传感器可包括用于确定或跟踪目标体位置的 任何公知的传感器一例如编码器、解算器、电位计、线性可变差动变 压器(LVDT)、倾斜传感器、指向(导向)传感器、重量方向传感器 (或加速计)、光学传感器(例如红外传感器、光纤传感器、或激光传 感器)、磁性传感器(例如磁阻或限磁性传感器)、和/或声学传感器(例 如超声传感器)。位置传感器可被布置在触觉装置30上或装置内任何 合适的位置上。例如，位置传感器包括安装在关节33d、 33e上的编码 器和/或安装在各个马达转轴上的解算器。还可使用适于用在外科场合 中的任何跟踪系统来跟踪臂件33的姿态，这些系统例如是光学系统、 磁性系统、射频系统、或声学跟踪系统，且包括下面介绍的跟踪系统 40。除了位置传感器之外，臂件33可包括冗余的传感器(图中未示 出)。冗余传感器与位置传感器是类似的，其被用于在触觉装置30工 作的过程中检测不一致和/或不稳定的情况。例如，如果冗余传感器与 位置传感器的输出存在差异，则表明驱动系统和/或位置传感器存在问 题。冗余传感器还可通过产生数据来提高对臂件33姿态的判断精度， 其中的数据使得触觉装置30的控制系统能减小或消除驱动系统和/或 臂件33的部件挠曲所带来的影响。在臂件33带有缆索型传动装置的 情况下，冗余传感器将是特别有利的。末端执行器35构成了触觉装置30的工作端，其被设计成使得使 用者能执行与外科手术相关的各种动作。例如，在一种实施方式中， 末端执行器35作为臂件33与工具50之间的适配器或联接件。通过更 换不同的工具50，使用者可将触觉装置30用于不同的活动—例如配 准、骨准备、测量/验证、和/或植入件安装。如图2A所示，在一种实 施方式中，末端执行器35包括适于与臂件33相连的近端部分、以及 带有器械或工具50的远端部分。工具50例如是外科刀具(例如磨锥、 钻具、探针、锯等)、医疗器械、显微镜、激光测距仪、摄像机、灯光、 内窥镜、超声探头、冲洗装置、抽吸装置、放射治疗装置、和/或用于 手术/外科规划/和/或外科导航的其它任何部件。优选地是，末端执行 器35被设计成与工具50可拆卸地接合，从而，使用者可针对特定的 流程安装合适的工具50,并根据需要进行更换。例如，工具50可利 用常规的硬件(例如螺钉、销、夹具等)、键式连接件、锁销、螺紋连 接件、过盈配合等固定到末端执行器35上。作为备选方案，工具50 可以是末端执行器35上的整体部件，从而，当使用者想要更换工具时 将替换掉整个末端执行器35。优选地是，工具50可相对于臂件33进 行移动，以使得使用者能控制工具50的精确位置。例如，工具50可 绕着轴线C-C (如图2C所示)进行转动。如图3所示，在一种实施 方式中，工具50包括工具保持器51，其被接纳在末端执行器35远端 部分的孔洞52中。可利用公知的方式一例如键式连接或螺紋连接方式 将工具保持器51固定在孔洞中。工具保持器51被设计成可释放地接 合着工具50 (例如球形磨锥的顶端)，且带有用于向工具50供电(或 输送气压)的动力线路(图中未示出)。在一种实施方式中，工具保持 器51包括用于驱动工具50 (例如磨锥、锯、或其它动力工具)的马 达。工具50可以是单个工具，或者可包括多个工具。例如，工具50 可包括用于骨切除的球形磨锥、以及用于在切除过程中清洁手术部位 的抽吸管线和冲洗管线。在一种实施方式中，工具50和工具保持器 51带有电动的、由空气冷却的外科工具，这种外科工具目前是由 ANSPACH⑧制造的，其产品编号为EMAX2 (马达)、EMAX2-FP (脚 踏板)、SC2000 (控制台)、L-2SB ( 2mm带槽球)、L-4B ( 4mm带槽 球)、L曙6B (6mm带槽球)、L画1R (12 ) (1.2mmxl2.8mm带槽刳刨工 具)。末端执行器35与臂件33的远端以任何常规的方式实现机械及电 气连接，且具有用于向工具50输送动力、压缩空气、抽吸力、冲洗物 的一条或多条管线。
末端执行器35可被设计成使得使用者能向外科系统10中输入信 息。例如，在一种实施方式中，末端执行器35适于起到输入装置一例 如操纵杆的作用。在该实施方式中，末端执行器35具有一个或多个自 由度，以实现操纵杆的功能。如图3所示，末端执行器35可具有一个 自由度，该自由度允许末端执行器35绕着轴线A-A转动。因而，使 用者可使末端执行器35绕着轴线A-A转动(扭转)，以对外科系统10 进行输入。当使用者旋转末端执行器35时，代表旋转方向和旋转量的 对应编码器信号将被传递给计算机21和/或计算机31。例如，绕着轴 线A-A在第一方向上转动一定角度的旋转将表明"前进"(例如进行到 该流程中的另 一步骤或执行另 一应用，使显示装置23的屏幕进行到下 一屏幕显示等)，绕着轴线A-A在第二方向上转动规定的角度则表明 "后退，，(例如返回到流程中的上一步骤或返回到另一应用，使显示装 置23返回到前次屏幕等)。末端执行器35 (和/或臂件33的其它部件) 还可具有另外的自由度，以实现其它的输入。除了操纵杆的功能之外， 末端执行器35 (和/或触觉装置30的任何其它部分)可具有一个或多 个按钮、拨盘、和/或开关，以完成输入功能。按照这种方式，通过为 使用者提供了方便的输入机构，就能提高外科系统10的效率及易于使 用性。触觉装置30的用户接口 37使得使用者与触觉装置30之间实现了 物理上的相互作用。例如，接口 37可被设计成使得使用者能物理性地 接触接口 37,并操纵工具50，同时还能从触觉装置30接收触觉引导 作用。接口 37可以是连接到触觉装置30上的单独的部件(例如手柄 或把手)，或者可以只是触觉装置30上已有结构的一部分。例如接口 37可与部件33、末端执行器35、和/或工具50相关联。由于接口 37 被连接到触觉装置30上和/或是触觉装置30的组成部分，所以，当使 用者与接口 37相接触时，触觉装置30产生的任何触感反馈或力反馈 输出都被直接地传递给使用者。如图2A所示，在一种实施方式中， 用户接口 37包括第一部件(例如臂件33的肘部关节33e)和第二部 件(例如工具50和/或臂件33的远端一例如末端执行器35 )，第一部
件被设计成使得使用者能改变臂件33的构造，第二部件被设计成允许 使用者将工具50相对于臂件33进行移动。如图2C所示，在工作中， 使用者160将其一只手放到第一部件(例如肘关节33e)上，并用另 一只手抓握住第二部件(例如工具50)。然后，使用者160根据需要 施加作用力，以操纵臂件33,并移动工具50。按照这种方式，使用者 对接口37进行操控，同时改变了臂件33的构造，并使工具50相对于 臂件33产生了移动。在两个部位(例如工具50处和肘关节33e处) 与触觉装置30相接触的操作能有利地实现对触觉装置30的粗略控制 和精细控制。例如，使用者160能同时实现两方面的控制对臂件33 大致构造的控制(例如通过肘关节33e );以及对工具50尖端精细(或 精确)位置的控制(例如通过使工具50相对于臂件33移动)，在进行 那些需要高度精确性和灵活性的活动时一例如在将工具50操纵到手 术部位以及对骨头进行刮刻时，这样的特性是重要的。优选地是，使用者接口 37的尺寸被设计成这样使得使用者能容 易地抓握住该接口 37。例如，接口 37的直径可对应着易于被使用者 的手和/或手指抓握住的直径大小。接口 37的直径例如可以在约5mm 到约75mm的范围内。在一种实施方式中，使用者接口 37与末端执 行器35是一体的。在该实施方式中，末端执行器35包括一个或多个 其直径适于被使用者抓握的部分。例如，末端执行器35近端部分的直 径可以约为43mm;末端执行器35远端部分的直径可以约为36mm; 工具保持器51的直径可以约为19mm;且工具50的直径可以约为 6mm。在一种实施方式中，末端执行器35的远端部分为使用者的食 指设置了把手。可选地是，接口 37可带有一定的锥度，以适应手尺寸 不同的不同使用者。接口 37的形状或轮廓还可被设计成与使用者手掌 和/或手指的形状相配，且可包括其它的人机工程学特性，目的例如是 为了增加使用者的舒适感，并防止打滑(例如在使用者的手套是湿滑/ 沾有血液时)。触觉装置30的一个优点在于使用者接口 37能有利地使得触觉 装置30与使用者配合地保持着工具50。与此相反，用在远程外科系
统中的触觉装置具有"从属，，装置和"主控"装置，其中的"从属"装置专 用于保持着工具，而外科医生则借助于"主控"装置对工具进行控制。 主控装置通常远离手术地点，以允许外科医生在一定距离处执行手术， 或者为外科医生提供更为符合人机工程学的工作位置/环境。因而，对 于远程触觉系统，外科医生的缺憾在于其完全依赖于远程系统来观察手术部位并进行手术。与此相反，利用本发明的外科系统10，在使用 者在触觉装置30的引导下移动工具50时，可密切地保持对手术部位 的物理接近性和视觉接近性。触觉装置30的另一个优点在于触觉装置30将不会自主地移动。 与此相反，用于执行关节矫形置换手术的自主式外科机械手系统则利 用高速磨锥自动地执行骨切除操作。尽管外科医生监控着机械手的进 程，且如果必要的话可中断其操作，但外科医生对手术过程并非完全 地掌控着。但是，对于本发明的触觉装置30,外科医生(而不是机械 手)操纵着工具50。因而，外科医生保持着对切割操作的控制，其只 是从触觉装置30接收引导作用和协作。结果就是，不需要外科医生向 触觉装置30的机械手出让控制权，这将增大了外科医生在手术过程中 的舒适程度。如上所述，与运算系统20相关，触觉装置30可包括计算机31。 计算机31可被设置在外科系统10中任何方便的位置处，例如可被设 置在布置了触觉装置30的机架上或设备箱柜中(例如图1所示的平台 39)。计算机31可被用来取代或补充运算系统20中的计算机21。触 觉装置30(包括计算机31)还可包括其它的计算机、电子设备、或适 于用在机械手和/或触觉装置中的其它任何机电部件，例如可包括用于 从编码器和臂件33上冗余传感器接收信息的控制器、用于向马达提供 动力的放大器、离合器、制动件、用于故障保护制动器的电源、和/ 或模式开关，其中的模式开关用于将触觉装置30置于所需的操作模式 下(例如接近模式、触觉模式、自由模式、输入模式、保持模式)。优选地是，触觉装置30的尺寸被设计成这样触觉装置30可被 装配到手术室中，且不会妨碍其它设备或使用者在手术室中的走动。 例如，在一种实施方式中，触觉装置30 (臂件33处于储放状态或缩 回状态)的高度约为1.4m，且触觉装置30的占地面积在约0.251112到 约0.6m2的范围内。在另一实施方式中，占地面积在约0.09m2到0.13m2 的范围内。类似地，优选地是，触觉装置30的重量使得该触觉装置 30能被相对容易地从一个位置移动到另一位置。例如，在一种实施方 式中，触觉装置30的重量在约IOO磅到500磅的范围内。在另一实施 方式中，触觉装置30的重量在约50磅到约200磅的范围内。优选地 是，触觉装置30的重量轻、尺寸小，这既使得触觉装置易于移动，也 使得触觉装置30能被针对于手术过程优选地进行定位。例如，触觉装 置30 (或其任何部分)可被设计成位于手术室的地板上、安装在手术 台(或手术室中的其它设备体)上、固定到患者的骨头上。如图l所示，触觉装置30 (或其一部分，例如机械手)可被安装 到平台39上。平台39可以是任何公知的台板、推车、或设备支架， 其可包括设备搁架和/或箱拒(例如为了容纳计算机31)，且优选地是 被设计为有利于触觉装置30的活动性。例如，平台39可包括滚动构 件38 (例如滚轮或脚轮)，以使得平台39可以移动。平台39还可包 括用于将其固定在位置上的机构。例如，平台39上可为滚动构件38 设置有轮锁或制动件、脚踏板锁止装置、千斤顶支架、和/或用于将平 台或推车固定就位的任何公知机构。如图2A所示，在一种实施方式 中，平台39包括刚性的支脚39a，可利用机构39b对其进行操作而使 其在缩回状态(见图2A)与伸长状态(图中未示出)之间动作。为了 将平台39从一个位置移动到另一位置，可将刚性支脚39a缩回，使得 平台39在滚动机构38上移动。为了将平台39固定在位置上，将刚性 支脚39a伸出，以使得平台39支撑在刚性支脚39a上。作为备选方案， 刚性支脚39a可^皮固定到平台39上，而滚动构件38却是可伸出/缩回 的。因而，平台39使得触觉装置39能被从一个地点移动到另一地点、 按照各个手术情况所必需的那样进行定位、以及在存放与手术过程中 固定到所需的位置上。作为备选方案，触觉装置30 (整体或部分)可 被安装在将要进行手术的房间中(例如安装在地板、墙壁、或工作台 上)、与运算系统20集成到一起、与成像装置(例如CT装置、荧光 检查装置、超声装置等)集成为一体、和/或与医疗系统(例如将要执 行手术流程的房间中的医疗设备推车)集成为一体。如图1所示，优选地是，触觉装置30和运算系统20被设置成单 独的单元。作为备选方案，触觉装置30(部分或整体)与运算系统20 (部分或整体)可被集合成一个单元。触觉装置30和运算系统20 (或 它们的部分)还可与其它设备件集成到一起，其中，其它的设备件例 如是成像装置(例如CT装置、MRI装置、荧光检查装置、超声装置 等)、和/或医院系统(例如在执行外科手术的房间内的设备推车等)。 在一种实施方式中，计算机21与计算机31被布置在触觉装置30的平 台39上，且运算系统20的显示装置23和输入装置25被布置在轻质 支架上，以利于使用者能从外科系统IO获得信息、以及输入信息。外科系统10的跟踪(或位置确定)系统40被用于在手术过程中 确定一个或多个目标体的姿态(即位置和定向)，以检测目标体的运动。 例如，跟踪系统40可包括检测装置，其能获得目标体相对于检测装置 的参考坐标系的姿态。随着目标体在参考坐标系中的移动，检测装置 对目标体的姿态进行跟踪，以检测(或使得外科系统10能确定)目标 体的移动。结果就是，运算系统20可响应于被跟踪目标体的移动而对 控制参数进行调节(例如通过调节虚拟目标体来实现)。被跟踪的目标 体例如包括工具/器械、患者解剖体、植入件/假体装置、以及外科系 统10的部件。外科系统IO利用从跟踪系统40获得姿态数据，还能将 某个空间中的坐标与另 一个空间中的坐标实现匹配(映射或关联)，以 实现空间内的对准或对应(例如使用公知的坐标变换方法)。在物理空 间内的目标体可被匹配到任何合适的坐标系统中一例如由运行在计算 机21和/或计算机31上的程序所使用的坐标系统。例如，利用从跟踪 系统40获得姿态数据，外科系统10能将物理上的解剖体和工具50(和 /或触觉装置30)与解剖体的表像(例如显示在显示装置23上的图像) 关联起来。基于被跟踪的目标体以及配准数据，外科系统10例如可确 定出U)解剖体图像与相关解剖体之间的空间关系、以及(b)相关
解剖体与工具50之间的空间关系，从而，在虛拟表像一图像之间关系 与工具50—实际解剖体之间关系基本上等同的情况下，运算系统20 可将工具50的虚拟表像叠合到图像上(并连续地更新)。在外科手术 过程中，通过跟踪工具50和相关的解剖体，外科系统10可对相关解 剖体的运动进行补偿(例如，通过响应于测得的运动对虛拟目标体进 行调节)。配准可包括任何公知的配准技术一例如图像与图像的配准(在 图像为相同类型或相同形态的情况下进行单模态配准，其中的图像例 如是荧光检查图像或MR图像，和/或在图像属于不同类型或形态的情 况下进行多模态配准，其中的图像例如是MRI图像和CT图像)；图 像与物理空间的配准(例如在由常规成像技术所获得的患者解剖体数 据集要与患者实际解剖体进行配准的情况下，执行的图像-患者配准)； 和/或图像-图像配准与图像-物理空间配准的组合形式(例如将术前的 CT和MRI图像与术中的情景进行配准)。跟踪系统40可以是使得外科系统10能连续确定(或跟踪)患者 相关解剖体姿态和工具50 (和/或触觉装置30)姿态的任何跟踪系统。 例如，跟踪系统40可包括非机械式的跟踪系统、机械式if艮踪系统、或 适于被用在外科环境中的任何非机械式与机械式的组合系统。非机械 式的跟踪系统可包括光学(或视觉)系统、磁性系统、射频系统、或 声学跟踪系统。这样的系统一般包括检测装置，该检测装置适于对处 于预定坐标空间内的、可被特别识别出且可被该检测装置检测到的可 跟踪元件进行定位，其或者被设计成与要被跟踪的目标体相连，或者 是要被跟踪的目标体上的固有部件。例如，可跟踪元件可包括标记阵 列，其中的标记具有独特的几何格局，且当可跟踪元件被连接到被跟 踪目标体上时，其相对于被跟踪的目标体具有已知的几何关系。已知 的几何关系例如可以是可跟踪元件与被跟踪目标体的端点和轴线之间 的预定几何关系。因而，检测装置至少在部分上根据从标记位置推导 出来的标记(如果独特的话)几何形状、轴线的定向、以及端点在坐 标系中的位置识别出特定的跟踪目标体。标记可包括任何公知的标记
物一例如外来标记(基准)和/或跟踪目标体的固有特征。外来标记是 人造的目标体，其被连接到患者上(例如固定到皮肤上的标记、植入 到骨头中的标记、趋实体性构架等)，且被设计成对检测装置而言是可 见的，从而可被精确地检测到。固有特征是被跟踪目标体上显著且可 精确定位的部分(例如界标、解剖结构的外轮廓、形状、颜色、或任 何足以被识别出的视觉指示物)，其具有作为可识别标记所需的足够确 定性和可识别性。可利用任何合适的检测方法来对标记进行定位，所 述方法例如是已知的光学、电磁、射频或声学方法。例如，可使用具 有对红外辐射敏感的两固定立体摄像机的光学跟踪系统来跟踪发射红 外辐射的标记，其中，该标记或者主动发射红外线(例如发光二极管或LED)，或者是被动地发射(例如其表面可反射红外辐射的球形标 记)。类似地，磁性跟踪系统可包括固定的磁场发生器，其能发射出在 空间中变化的磁场，设置在被跟踪目标体中的小线圏可感测到该磁场。如图l所示，在一种实施方式中，跟踪系统40包括非机械式的跟 踪系统。在该实施方式中，非机械式的跟踪系统是光学跟踪系统，其 包括检测装置41和至少一个可跟踪元件(或跟踪器)，其中的跟踪器 被设计成布置在(或集成到)被跟踪目标体上，且可由检测装置41 检测到。如图1所示，检测装置41例如包括对红外辐射敏感的两个立 体摄像机，它们可被布置在将要进行外科手术的手术室中。跟踪器被 设计成以牢固而可靠的形式固定到被跟踪目标体上，且包括标记阵列 (例如图4中的阵列Sl )，其相对于被跟踪目标体具有已知的几何关系。 标记可以是主动(例如发光二极管或LED)的，或者可以是被动的(例 如反光球、棋盘图案等)，且优选地是，其具有独特的几何结构(例如 标记独特的几何布局)，或者在主动标记的情况下，带有电线的标记排 列成独特的发光图样。在手术中，检测装置41检测标记的位置、独特 的几何格局(或发光图样)、以及与被跟踪目标体的已知几何关系，以 便于使得外科系统10能基于标记的位置计算出被跟踪目标体的姿态。由于非机械式跟踪系统依赖于检测装置41的性能来从光学上"看 到"标记，所以，检测装置41和跟踪器应当被定位成这样在外科手 术过程中，使得检测装置41与标记之间可保持清晰的视线。作为防护 措施，优选地是，外科系统IO被设计成这样如果检测装置41在手 术过程中不能检测到跟踪器(例如当检测装置41与一个或多个标记之 间的视线被遮挡和/或当标记的反射被遮蔽时)，就向使用者发出警报。 例如，外科系统10可包括声响(和/或视觉)警报器，其被编程设置 成当人员走入到标记与检测装置41之间时、当在标记与检测装置 41之间放置了物体时、当摄像机的镜头被遮挡(例如被灰尘)时、和 /或当标记的发光被遮蔽(例如被血液、组织、灰尘、骨屑)时，其可 发声(和/或闪光)。外科系统IO还可包括触发其它安全特征的程序一 例如带有电源关断特性的闭塞检测算法(下文将结合图13中的步骤 Sll进行讨论)，当检测装置41无法捕捉到标记时，该算法能停止工 具50的工作。非机械式的跟踪系统可以为使用者希望跟踪的每个目标体都设置 可跟踪元件(或跟踪器)。例如，在一种实施方式中，非机械式跟踪系 统包括解剖体跟踪器43 (用于跟踪患者的解剖体)、触觉装置跟踪器 45 (用于跟踪触觉装置30的总体位置或大体位置)、末端执行器跟踪 器47 (用于跟踪触觉装置30的远端)、以及器械跟踪器49 (用于跟踪 由使用者手动把握的器械/工具)。如图1所示，解剖体跟踪器43被布置在患者解剖体(例如骨头) 的相关部分上，且适于使得该相关解剖体可被检测装置41进行跟踪。 解剖体跟踪器43包括用于附接到解剖体上的固定装置。固定装置例如 可以是骨钉、外科钉、螺钉、夹具、可佩戴装置、髓内杆体等。在一 种实施方式中，解剖体跟踪器43被用在膝盖置换手术过程中，用于跟 踪患者的股骨F和胫骨T。在该实施方式中，如图l所示，解剖体跟 踪器43包括适于被布置在股骨F上的第一跟踪器43a和适于被布置 到胫骨T上的第二跟踪器43b。如图4所示，第一跟踪器43a包括由 骨钉P构成的固定装置和独特的标记阵列Sl (例如反光球体)。阵列 Sl被附着到连接机构400上，该连接机构适于被可拆卸地固定到两骨 钉P上。例如，如图4所示，连接机构400可包括第一部分442、笫 。为了将第一跟踪器43a安装到股骨F上， 使用者将骨钉P旋拧到股骨F中，并在骨钉P上滑动连接机构400， 然后再旋紧螺钉445，以将第一部分442和第二部分444拉紧到一起， 由此将连接机构400牢固地固定到骨钉P上。 一旦固定之后，连接机 构400就额外地增大了骨钉P的稳定性。第二跟踪器43b除了被安装 到胫骨T上、且具有自己独特的标记阵列之外，与第一跟踪器43a是 相同的。当被安装到患者上之后，第一、第二跟踪器43a和43b使得 检测装置41能在膝盖置换手术过程中对股骨F和胫骨T的运动进行 跟踪。结果就是，外科系统10能在手术过程中实时地补偿骨头的运动。 如图2A所示，触觉装置跟踪器45被布置在触觉装置30上，其 被设计成使得外科系统10能监控触觉装置30在物理空间内的总体位 置或大体位置。特别是，触觉装置跟踪器45使得外科系统10能确定 出触觉装置30是否相对于外科环境中的其它物体(例如患者)产生了 移动。由于工具50被连接到触觉装置30上，所以，上述的信息是重 要的。例如，如果使用者在用工具50切割股骨F时有意地重新布置 触觉装置30或无意中撞击了触觉装置30,跟踪系统40就将检测到触 觉装置跟踪器45的运动。作为响应，外科系统10可对计算机21和/ 或计算机31上运行的程序作出适当的调节，以补偿触觉装置30 (及 所连的工具50)相对于股骨F的总体运动或大体运动。结果就是，可保持股骨准备过程的完整性。如图2A和图5所示，触觉装置跟踪器45包括独特的标记(例如 反光球)阵列S3,且适于被安装到触觉装置30的底座32上。优选地 是，触觉装置跟踪器45被安装成这样使其能被固定成相对于基座 32处于固定的位置上。该固定位置相对于触觉装置30进行校准标定 (下文将结合图13中的步骤S9进行讨论)，以使得外科系统10能知晓 触觉装置跟踪器45相对于触觉装置30的基座32处于何处。 一旦校准 之后，在手术过程中就要保持该固定位置。如图2A和图5所示，在 一种实施方式中，触觉装置跟踪器45包括臂件34，该臂件的近端与 基座32相连(例如通过螺钉、铆钉、焊接、夹具、磁体等)，远端上
支撑着标记阵列S3。臂件34可包括一个或多个具有刚性结构的支撑 构件(例如支架、撑杆、连杆等)，以使得触觉装置跟踪器45可相对 于触觉装置30固定在永久性的位置上。但优选地是，臂件34是适于 调整的，以使得阵列S3可相对于触觉装置30在第一位置与第二位置 之间移动。因而，阵列S3在被固定到固定位置之前，可相对于触觉装 置30的基座32独立地定位。可调节性的一个优点在于阵列S3的位 置可针对于各种外科情况进行定制(例如基于患者的体格尺寸、手术 台的高度等)。可调节性的另一个优点在于阵列S3可被定位得不会 在手术过程中对使用者造成妨碍。可按照任何现有的方式来使得臂件 34具备可调节性(例如关节臂、柔性颈部等)。例如，如图5所示， 在一种实施方式中，臂件34包括球窝接头34b，触觉装置跟踪器45 被设置在该接头上。球窝接头34b包括由手柄34a操作的锁止机构。 在工作中，使用者可旋松手柄34a来释放球窝接头34b，并对球窝接 头34b进行操作，直到使触觉装置跟踪器45处于所需的位置为止，然 后再旋紧手柄34a，直到使球窝接头34b被牢固地固定为止。按照这 种方式，可将触觉装置跟踪器45固定到所需的位置上。作为将触觉装 置跟踪器45固定在固定位置、并将该固定位置校准于触觉装置30的 替代措施，臂件34可包括位置传感器(例如编码器)。这些位置传感 器可与臂件33的位置传感器类似，且可与合适的软件(例如在计算机 21或计算机31上运行的软件)配合使用，以测量臂件34相对于基座 32的姿态。如果在臂件34上设置了位置传感器，则由于外科系统IO 可基于由位置传感器提供的关于臂件34姿态的信息而确定出触觉装 置跟踪器45相对于基座32的位置，所以下文将要介绍的校准过程S11 可萍皮取消。末端执行器跟踪器47适于使得外科系统10能确定出触觉装置30 远端(例如工作端)的姿态。优选地是，末端执行器跟踪器37被设计 成位于臂件33的远端或工具50上。例如，如图6B所示，末端执行 器跟踪器47可被布置在末端执行器35上。如图6A所示，末端执行 器跟踪器47可包括独特的标记(例如反射球)阵列S4,且适于以公
知的方式连接到末端执行器35上，其中的连接方式例如是夹持装置、 螺紋连接件、磁体等。如图6A所示，在一种实施方式中，末端执行 器跟踪器47利用夹具1500附接到末端执行器35上。夹具1500可与 阵列S4制成一体，或者以常规的方式(例如机械硬件、粘接剂、焊接 等)附接到阵列S4上。夹具1500包括第一部分1505、第二部分1510、 以及指旋螺丝1515。第一、第二部分1505和1510的形状被设计成可 接纳末端执行器的一个部分一例如工具50的圆柱形部分或工具保持 器51。例如，如图6A所示，第一部分1505可具有平面，第二部分 1510可具有V形的沟槽，从而，第一部分1505和第二部分1510在被 拧紧到一起时，可牢固地接纳着工具50或工具保持器51。为了将末 端执行器跟踪器47安装到末端执行器35上，夹具1500的第一部分 1505和第二部分1510可被布置成环绕着工具50或工具保持器51,并 由指旋螺丝1515拧紧。末端执行器跟踪器47还可包括这样的特征 当将末端执行器跟踪器47安装到触觉装置30上时，其有助于对末端 执行器跟踪器47正确地进行定向。例如，末端执行器跟踪器47可包 括如图6B所示的凹窝(divot) 47a。在一种实施方式中，仅在对触觉装置30进行标定(下文将结合图 13中的步骤S9进行讨论)时才使用末端执行器跟踪器47，而在执行 外科手术之前，要将其拆卸掉。在这种实施方式中，末端执行器跟踪 器47被布置到末端执行器35上(如图6B所示)，且触觉装置跟踪器 45被安装到触觉装置30的基座32上(例如如图2A所示那样通过可 调节臂件34进行安装)，从而可调节触觉装置跟踪器45相对于触觉装 置30的位置。由于触觉装置跟踪器45的位置是可调节的(与永久固 定的情况相反)，外科系统IO无法知晓触觉装置跟踪器45相对于触觉 装置30的方位。为了确定触觉装置30与触觉装置跟踪器45之间的几 何关系，标定过程要用到末端执行器跟踪器47。尽管在整个外科手术 过程中(或手术过程的任何部分中)末端执行器跟踪器47都可留在触 觉装置30上，但最好是在完成了标定过程后将末端执行器跟踪器47 去掉。例如，使用者可能希望将末端执行器跟踪器47去掉，以防止跟
踪器47干扰使用者对触觉装置30、患者解剖体、医疗器械和设备、 和/或手术室中其他人员的抓握。拆除末端执行器跟踪器47的另一优 点在于由于跟踪系统40对末端执行器跟踪器47进行测量时存在延 迟或带宽有限，所以，末端执行器跟踪器47在手术过程中的移动可能 导致外科系统10的性能下降。在一种备选的实施方式中，可取消末端执行器跟踪器47。在该实 施方式中，触觉装置跟踪器45被固定在触觉装置30上的永久位置处。 由于触觉装置跟踪器45在触觉装置30上被固定在永久位置上，所以， 触觉装置跟踪器45与触觉装置30坐标系之间的关系是已知的。因而， 外科系统10并不需要末端执行器跟踪器47进行标定来确立触觉装置 跟踪器45与触觉装置30坐标系之间的关系。在该实施方式中，触觉 装置跟踪器45可被刚性地安装到触觉装置30上的任何位置上，只要 这些位置允许跟踪系统40能探测到触觉装置跟踪器45阵列S3即可， 其中，这些位置与手术部位足够地靠近，因而不会降低精度，且应当 不会妨碍使用者或对手术环境中的其他人员或物体造成干涉。在一种备选的实施方式中，触觉装置30被牢固地锁定就位。例如， 触觉装置30可被螺栓固定到手术室的地板上，或用其它方式固定在位 置上。结果就是，触觉装置30的总体位置或大体位置不会发生大的改 变，以使得外科系统10无需对触觉装置30的总体位置或大体位置进 行跟踪。因而，可取消触觉装置跟踪器45。在该实施方式中，在触觉 装置30被锁定就位之后，可使用末端执行器跟踪器47来确定触觉装 置30的初始位置。在另一种备选的实施方式中，跟踪系统40被连接到触觉装置30 上永久固定的位置上。例如，跟踪系统40 (包括检测装置41 )可被直 接安装到触觉装置30上，或者可通过刚性的安装臂或支架连接到触觉 装置30上，以使得跟踪系统相对于触觉装置30处于固定的位置上。 在这样的实施方式中，由于跟踪系统40相对于触觉装置30的位置是 固定的，且可在执行标定的过程中(例如在制造或装配触觉装置30 的过程中)进行确定，所以可取消触觉装置跟踪器45和末端执行器跟
踪器47。在另一种备选的实施方式中，跟踪系统40以可调的方式连接到触 觉装置30上。例如，跟踪系统40 (包括检测装置41)可利用臂件连 接到触觉装置30上，其中的臂件例如是可调节臂件34 (上文结合触 觉装置跟踪器45进行了讨论)，从而使得跟踪系统40可相对于触觉装 置30从第一位置移动到第二位置。在臂件和跟踪系统40被锁定在位 置上之后，可进行标定工作，以确定跟踪系统40相对于触觉装置30 的位置。例如可利用末端执行器跟踪器47来执行标定。器械跟踪器49适于被联接到由使用者手动把握的器械150上(与 此相反，工具50例如是被连接到末端执行器35上)。器械150例如是 探针—例如配准探针(例如直线形或带钩的探针)。如图7所示，器械跟踪器49可包括独特的标记(例如反射球)阵列S5，其与器械150 制成一体或按照公知的方式连接到器械150上，其中的连接方式例如 是机械硬件、粘接剂、焊接、螺紋连接、夹紧装置、夹箍等。当器械 跟踪器49被可拆卸地连接到器械150上时(例如利用夹箍或夹紧装 置)，器械跟踪器49应当被标定到器械150上，以确定器械跟踪器49 与器械150几何结构之间的关系。可按照任何合适的方式来完成标定， 例如可使用具有凹窝或V形槽的工具标定器(例如在第2003/0209096 号美国专利申请中的公开内容，该专利被结合到本申请中作为参考)。 采用夹箍或夹紧装置(例如图6A所示的夹具1500 )来将跟踪器49 连接到器械150上的一个优点在于夹箍或夹紧装置可被进行调节以 适应不同尺寸的器械。因而，多个器械可使用同一个夹具或夹紧装置。 外科系统IO在知晓了阵列S5与器械150之间几何关系的基础上，能 计算出器械150顶端在物理空间内的位置。因而，可通过使器械150 的尖端与某个物体的相关部分进行接触，就可使用器械来配准该物体。 例如，通过使器械150接触患者骨头上的界标或骨头表面上的点，可 使用器械150来配准患者的骨头。还可使器械150与位于植入件上的 预定验证特征(例如凹窝)相接触，使用器械150来验证安装在患者 上的植入件是否对准。 器械跟踪器49还可被设计成对器械150的标定进行验证。例如， 另一个跟踪器(例如跟踪器43、 45或47)可带有凹窝，使用者可将 器械150的尖端插入到该凹窝中。如图6B所示，在一种实施方式中， 末端执行器跟踪器47具有凹窝47a，使用者可将器械150的尖端插入 到该凹窝中。然后，检测装置41就能从器械跟踪器49和末端执行器 跟踪器47获得姿态数据，外科系统10可将跟踪器47、 49之间的实际 几何关系与预期的几何关系进行比较。实际几何关系与预期几乎关系 之间的偏差就表明器械150的物理参数(例如直线度、尖端位置等) 不符合标定条件。如图29所示，在验证过程中，外科系统10在显示 装置23上显示出的屏幕表示了器械150的几何表像、器械跟踪器49、 以及末端执行器跟踪器47。作为补充措施或替代措施，跟踪系统40可包括机械跟踪系统。与 非机械式的跟踪系统(其包括远离跟踪器43、 45、 47和49的检测装 置41)相反，机械式的跟踪系统可被设计成包括与被跟踪目标体机械 相联(即存在物理连接)的检测装置(例如具有关节编码器的关节臂)。 跟踪系统40可包括任何公知的机械跟踪系统一例如在第6033415号和 第6322567号美国专利中描述的机械跟踪系统，上述两专利的全部内 容被结合到本申请中作为参考。在一种实施方式中，跟踪系统40包括 具有关节式机械臂241 (例如具有六个或更多个自由度的关节臂)的 机械跟踪系统，其适于对患者的骨头进行跟踪。如图8所示，臂件241 的近端被连接到触觉装置30的基座32上，其可自由运动的远端被固 定到患者的股骨F上。作为备选方案，近端可被连接到任何合适的位 置(例如手术台的导轨、腿保持器等)上，但优选地是，近端被连接 (直接连接或通过支架)到触觉装置30的基座32上，以使得臂件241 可与触觉装置30—起移动。臂件241的远端带有固定装置245，其适 于将例如骨钉、骨螺钉、夹具、可佩戴装置、外科钩钉等刚性地固定 到股骨F上。臂件241被设计成具有多个自由度。例如，如图8所示， 在一种实施方式中，臂件241包括连接到关节244上的多根连杆242。 每个关节244都包括一个或多个位置传感器(图中未示出)，用于跟踪
臂件241的姿态。位置传感器可以是任何合适的传感器一例如上文针 对触觉装置30的臂件33所描述的位置传感器。在工作中，随着股骨 F的移动，臂件的远端也随之而移动。位置传感器(以及合适的软件) 测量出臂件远端相对于固定到触觉装置30上近端的姿态。按照这种方 式，就可捕捉到股骨F相对于触觉装置30的运动。机械式的跟踪系 统240还可包括第二臂件，其与臂件214相同，但被刚性地连接到胫 骨T上，以使得跟踪系统240可对胫骨T的运动进行跟踪。按照这种 方式，可利用机械式的跟踪系统240来对股骨F和胫骨T进行跟踪， 从而外科系统10在手术过程中能实时地检测骨头的运动。与适当的软 件配合，在手术过程中，外科系统IO可利用骨头运动数据来对骨头的 运动实时地进行补偿。机械式跟踪系统相比于非机械式跟踪系统的 一个优点在于检测 装置(即臂件241)与被跟踪目标体是物理连接关系，因而无需与相 关部位连线、以"看到"被跟踪目标体上标记。因而，在手术过程中， 使用者和其它人员可在手术室中自由地走动，而不必担心阻挡标记组 与光学摄像机之间不可见的视线。机械式跟踪系统的另 一优点在于臂 件241可与触觉装置30实现物理连接(例如与基座32 )。这样的结构 消除了要对触觉装置30相对于患者的总体位置或大体位置进行跟踪 (例如使用上述的触觉装置跟踪器45)的需要。由于臂件241随着触 觉装置30 —起移动，所以不必对触觉装置30的总体位置或大体位置 进行跟踪。结果就是，在手术过程中，触觉装置30可被重新定位，而 不必对骨头运动跟踪系统重新进行标定。另外，机械式跟踪系统的精 度可高于非机械式跟踪系统的精度，且使得计算机21和/或计算机31 具有更快的刷新率。由于机械式跟踪系统硬连线到计算机21和/或计 算机31,从而能实现更快的刷新率。因而，刷新率仅受计算机21和/ 或计算机31速度的限制。在一种备选实施方式中，机械式跟踪系统的臂件241可与手术台、 腿保持器62 (例如如图14A所示)、或手术环境中的其它结构相连。 在这样的实施方式中，执行标定操作来确定臂件241相对于触觉装置 30的姿态。例如，在一种实施方式中，通过将触觉装置30的远端(例 如末端执行器35 )布置成与臂件241的远端具有已知的几何关系来进 行标定。在另一实施方式中，臂件241的远端被布置成与触觉装置30 的基座32具有已知的几何关系。在再一种实施方式中，触觉装置30 的远端(例如末端执行器35 )可被布置成与臂件241的基座具有已知 的几何关系。如果跟踪系统40包括机械式跟踪系统，则可使用臂件241来配准 患者的解剖体。例如，使用者可使用臂件241来配准胫骨T，而第二 臂件(即与臂件241相同、但被固定到胫骨T上的臂件)则对胫骨T 的运动进行跟踪。例如，通过将臂件241的远端的尖端指向胫骨T上 的解剖学界标和/或通过使臂件241远端的尖端与胫骨T表面上的点相 接触(或"涂抹")，来完成配准工作。随着使用者接触胫骨T上的界 标和/或涂抹胫骨T的表面。外科系统10就从臂件241中的位置传感 器获得了数据，并确定出了臂件241尖端的姿态。与此同时，第二臂 件提供了关于胫骨T运动的数据，从而，外科系统10在配准过程中 能考虑到骨头的运动。基于骨头运动数据以及关于臂件241尖端位置 的信息，外科系统10能将胫骨T与运算系统20中的诊断图像和/或患 者解剖体的解剖学模型配准。按照类似的方式，第二臂件可被用来与 股骨F进行配准，而臂件241 (其被固定到股骨F上)则可对股骨F 的运动进行跟踪。例如还可组合地使用非机械式的跟踪系统与被跟踪 的探针(例如带有器械跟踪器49的器械150)和/或使用触觉装置30 (例如下文结合图13中步骤S8所描述的那样)对患者的解剖体进行配 准。如图l所示，跟踪系统40可通过接口 100b与触觉装置30相联。 接口 100b包括物理接口和软件接口。物理接口可以是任何公知的接口 —例如有线接口 (例如串行、USB、以太网、CAN总线、和/或其它 线缆通讯接口)、和/或无线接口 (例如无线以太网、无线串行、红外 接口、和/或其它无线通讯系统)。软件接口可被驻留在计算机21和/ 或计算机31中，以使得触觉装置30和运算系统20可与跟踪系统40 进行通讯，并对跟踪系统的工作进行控制。外科系统10适于与动力源相连。动力源可以是任何公知的电源一例如电力输出线、电池、燃料电池、和/或发电机，且可利用常规的硬件(例如电线、电缆、浪涌保护器、开关、备份电池/UPS、隔离变压 器等)与外科系统IO相连。优选地是，外科系统10包括由使用者激 活的装置，用于手动地控制工具50的供电。例如，外科系统10可包 括脚踏板(或其它开关装置)，其可被定位在手术室的地板上，并靠近 使用者。踩压脚踏板将使得电源向工具50供电(在气动工具50的情 况下，则是供送压缩空气)。与此相反，松开脚踏板将中断能量向工具 50的输送。外科系统10还适于自动地中断能量向工具50的输送，以 提高安全性。例如，外科系统10可包括程序或流程(例如在计算机 21和/或计算机31上运行)，其被用于在检测到危险状况时关闭工具 50，其中的危险状况例如是在诸如骨头切割等重要的操作过程中， 当解剖体跟踪器43和/或触觉装置跟踪器45被遮挡住时的情形。在工作中，运算系统20、触觉装置30、以及跟踪系统40相互配 合而使得外科系统10能在手术过程中对使用者提供触觉引导。外科系 统10通过利用力反馈触觉接口 (即触觉装置30)来模拟人体的触感 系统，以使得使用者能与虛拟的环境相互作用，从而提供了触觉引导。 触觉装置30产生出由计算机控制的作用力，以向使用者传达对于虚拟 环境和虚拟环境中虚拟(或触觉)目标体的自然感受。由计算机控制 的作用力被显示给(即反映或传送给)使用者，以使其感觉到虛拟目 标体的触感。例如，随着使用者对工具50的操控，外科系统10确定 出工具50的位置和定向。对工具50的虚拟表像与虛拟环境中虚拟目 标体之间的碰撞进行检测。如果发生了碰撞，外科系统10基于虚拟工具进入到虚拟目标体的深度来计算触觉反作用力。计算出的反作用力 被映射到虚拟目标体的表面上，并通过触觉装置30将合适的力矢量反 馈给使用者。在本文的语境中，术语"虚拟目标体"(或"触觉目标体") 可被用来指代不同的目标体。例如，虚拟目标体可以是物理物体一例 如植入件或外科工具的表像。作为备选方案，虚拟目标体可代表要被
从解剖体上去除的材料、要被留在解剖体上的材料、和/或要避免与工具50相接触的解剖体(或其它目标体)。虚拟目标体还可以代表路线、 引导线、边界、限界、或其它限度或边线。为了使得使用者能与虛拟环境实现相互作用，外科系统10采用了 触觉呈现流程。图40图示地表示了该流程的一种实施方式。在工作中， 触觉装置30 (模块2500)的位置传感器(模块2502)向前向运动程 序(模块2504)提供数据。前向运动程序的输出信息被输入到坐标变 换程序(模块2506 )中。触觉呈现算法(模块2508 )从坐标变换程序 接收到数据，并向力映射程序(模块2510)提供输入信息。基于力映 射程序的结果，触觉装置30的致动器(模块2512)被启动，以向使 用者传输合适的触觉扭力(即作用力和/或扭矩)。上文已结合触觉装 置30的臂件33对模块2502的位置传感器和模块2512的致动器进行 了介绍。下文将结合图43中的步骤S708对模块2504的前向运动程序 和模块2506的坐标变换程序进行描述。并结合图50对模块2508的触 觉呈现算法和模块2510的力映射程序进行描述。触觉呈现程序可包括任何合适的触觉呈现方法一例如公开在如下 文献中的方法第6111577号美国专利；由C.B.Zilles与J.K.Salisbury 撰写的、公开在《Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems》1995年第3巻第146-51 页的"A constraint-based god-object method for haptic display"—文'， 由T.V.Thompson II、 D.E.Johnson与E.Cohen撰写的、公开在 《Proceedings of the Symposium on Interactive 3D Graphics》(1997年 第167-76页)的"Direct haptic rendering of sculptured models"—文； 由K.Salisbury和C.Tar撰写的、公开在《Proceedings of the ASME Dynamic Systems and Control Division〉X DSC-1997年第61巻第61-67 页)中的"Haptic rendering of surface defined by implicit functions" 一文；和/或由J.E.Colgate, M.C.Stanley和J.M. Brown撰写的、公开 在《Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems〉X 1995年第3巻笫140-45 )上的"Issues in the haptic display of tools use"—文。这些文献^皮结合到本申请中作 为参考。由触觉呈现程序创建的虛拟环境包括虛拟(或触觉)目标体，其 与工具50的虛拟表像相互作用。虛拟目标体与工具50虚拟表像之间 的相互作用可以是基于位置点或基于射线的。在一种优选实施方式中， 外科系统IO采用基于位置点的触觉相互作用，在此条件下，只有虛拟 的点或触觉相互作用点(HIP)与虚拟环境中的虚拟目标体相互作用。 HIP对应于触觉装置30上的物理点一例如工具50的尖端。HIP通过 虚拟弹簧/阻尼模型与物理触觉装置30上的物理点相关联。与HIP相 互作用的虚拟目标体例如可以是具有表面707和触觉力法向矢量Fn 的触觉目标体705 (参见图42)。透入深度di是HIP与表面707上最 近点之间的距离。透入深度dj代表了 HIP透入到触觉目标体705中的 深度。可利用3D几何基本物体、3D多边形物体、数学方程、计算机模 型、表面模型、和/或体素阵列来为虛拟(或触觉)目标体建模。触觉 目标体可以是静态的、准静态的、动态的、连续的、非连续的、随时 间变化的、和/或只在特定的时刻存在。在一种实施方式中，利用关于 工具位置、定向、速度、和/或加速度的一个或多个函数来为触觉目标 体建模。因而，在切割骨头的外科手术的情况下，触觉呈现程序可生 成输出扭力相对工具位置的映射关系。该映射关系可被设计成这样 使得反馈给使用者的输出扭力足以阻止虚拟工具(或HIP)进一步地 透入到虚拟物体中。按照这种方式，建立起了虚拟的切割边界。虚拟 边界与患者的实际解剖体、解剖体的图像、和/或所涉及的其它坐标系 相关联(例如进行配准)。由触觉呈现程序表达出的触觉目标体可起到 路线(例如引导线)的功能，且可以是排斥性的(例如被设计成排斥 工具50,防止其进入到触觉目标体的内部)，还可起到容器的功能(例 如将工具50保持在触觉目标体的内部)，和/或可以具有排斥性的部分 和所包含的部分。如图41所示，多个触觉目标体701被叠加使得各触 觉目标体701的力矢量F被组合到一起而产生出合成的触觉力矢量 Fv。在一种实施方式中，各个触觉目标体701的输出包括相对于惯性 坐标系、且具有线性特性的笛卡尔力矢量。可根据运算成本来决定触 觉目标体的最大数目。触觉目标体可被进行定制，以具备任何所需的形状，例如可以是 具有解剖学轮廓的植入件形状、为敏感结构(例如关节内解剖体)设 置的保护性边界、可获得图像的肿瘤边界、以及用于在活体内组装植 入件部件的虚拟固定件。在一种实施方式中，触觉目标体可被设计成 独特的轮廓，以与患者的疾病状态相适配。例如，触觉目标体可限定 虚拟的切割边界，该边界只将病变的骨头包容在其中。因而，触觉目 标体可被用来引导使用者来去除病变的骨头，同时能保留周围健康的 骨头。按照这种方式，外科系统IO使得使用者可按照定制的方式来刮 刻骨头，此工作包括复杂的几何形状和曲线，而这样的形状和曲线利 用常规的切割具和锯具引导件是不可能完成的。结果就是，外科系统 IO有利于保留健康骨头的手术操作，并有利于设计尺寸更小、且适于 患者特定病变状态的植入件。触觉目标体可具有相关的空间或几何表像，该表像可被以图形的 显示显示在显示装置23上。图形表像可被选择为能向使用者传递有用 的信息。例如，如图l所示，用于协助使用者将工具50引导到手术部 位的触觉目标体300可被以图形的形式表达为漏斗形的体积。随着与300相互作用，触觉力被反映给使用者，以将工具50指向手术部位。 作为备选方案，如图9所示，触觉目标体310可被以图形的形式表达 为引导线。随着虚拟工具沿触觉目标体310移动并与之相互作用，触 觉力被反映给使用者，以将工具50引导向手术部位。在一种实施方式 中，为植入件限定了虚拟切割边界的触觉目标体在显示装置23上可被 描绘为其形状基本上对应着植入件形状的图像。因而，为股骨部件72 (如图IOA所示)限定了虚拟切割边界的触觉目标体208可具有如图9 所示的对应图形表像。类似地，为胫骨部件74 (如图IOB所示)限定 了虛拟切割边界的触觉目标体206也具有如图9所示的对应图形表像。
优选地是，利用3D隐含表面物体(例如平面、球体、锥体、圆 柱体等)的组合来为体积简单的触觉目标体建模。例如，图42所示的 触觉目标体705是球体。触觉目标体705的表面是连续光滑的，从基 于触觉相互作用点(HIP)的简化的数学表面函数，可以用便宜的、 固定的运算成本来求得透入深度dj以及触觉力法向矢量Fn的解。对于 更为复杂的物体，可使用基于多边形的触觉呈现技术。图43表示了根据本发明的、基于多边形的触觉呈现方法的一种实 施方式。在步骤S702中，例如利用计算机辅助设计(CAD)软件来 生成可与使用者相互作用的虚拟环境。例如使用清晰的表面模型来创 建虚拟环境。在一种实施方式中，虚拟环境包括3D虚拟(或触觉) 目标体，其包括多个多边形的表面物体。如图44所示，优选地是，每 个表面物体都是三角形，其由三个节点(或顶点)VO、 VI、 V2和法 向矢量n表达。虚拟目标体可被重新造形，以补偿工具50的物理直径 —例如可将虛拟目标体的壁面偏移工具50的半径量。为了提高运算性 能(在实时应用的情况下，此性能是很重要的)，可重新筛选多边形表 面物体，例如来消除那些小于所需空间解析度的多边形。在虚拟目标 体为封闭空腔的情况下，可通过生成具有两个表面一物体外表面和空 腔内表面的方法来简化利用CAD系统生成虛拟目标体的工作。但是， 只使用内部空腔表面的措施能有利地减小进行呈现所需的容量以及多 边形目标体(例如三角形、多边形)的数目。在一种实施方式中，呈现程序可支持进入封闭虚拟物体的单向进入行为，此条件下，HIP只 有在从外部移动到内部时，才被允许穿过虚拟目标体。在图43的步骤S704中，触觉呈现程序创建了多边形表面物体在 虛拟环境中的体素映射图。为了创建体素映射图，虚拟环境中的虚拟 目标体在空间中被分隔成更小的单元(体素)，以减少多边形表面物体 的数目，并避免不必要的碰撞检测检查。如图45所示，虚拟目标体被 分隔成niXnjXnk的网格。该网格的间隔是规则的，且可改变解析度。每个体素都具有占据该体素或与该体素相交的多边形的指针。在给定 一组多边形的情况下，可通过如下的步骤来建立起体素的查询表提取感兴趣的多边形的多边形数据(即顶点V0、 VI、 V2的xyz分量)； 围绕着多边形创建边界框；为处于边界框内的体素添加唯一识别的多 边形数目；以及增大占据着体素的多边形的总数目。重复进行这些步 骤，直到处理完最后一个多边形为止。如图44 (多重坐标系)和图45 (体素坐标系)所示，多重坐标系中的点p被方程式vijk= (int) floor (p/s)转换到体素坐标系中，其中，s是体素的尺寸。图46A和图46B 分别表示了体素和多边形查询表的实例。在图43的步骤S706中，触觉呈现程序创建了指向目标点或目标 区域的引导线。该引导线起到了路线或指示线的作用，其将HIP引导 向特定的位置。引导线是有用的，例如对使用者移动物理工具50的运 动进行引导，以使得工具50避开重要的解剖体。对于使用者不能横穿 的封闭触觉体积，引导线也是有用的。下文将参照图47对引导线的实 施进行介绍，图47表示了虛拟的球体720。球体720包括由球体720 的中心和半径限定的有效区域。当HIP位于有效区域的外部时，使用 者可自由地移动触觉装置30。当HIP进入到有效区域时，触觉装置 30被置于接近模式，在该模式中，创建引导线的线段722。引导线的 线段722例如从球体720表面上的进入点723延伸到目标点721 (例 如目标点对(pe, pt})。 一般情况下，球体720的中心可与目标点重合 (或位于目标区域内)。当引导线线段722被激活时，HIP沿着引导线 线段723自由地移动。HIP偏离引导线线段722的运动(例如垂直于 引导线线段722的运动)将产生出反馈给使用者的阻力。随着HIP接 近于目标点，对HIP当前位置与目标点之间的距离进行监控。如果距 离小于限界半径，则例如通过采用单向限制的虚拟限界球体724来约 束HIP的行为。随着HIP进一步移近目标点，限界球体724的半径将 减小。当HIP与目标点之间的距离小于转换半径(在图47中由转换 球体725代表)时，开始呈现虚拟目标体的触感。在图43所示的步骤S708中，触觉呈现程序将物理HIP (例如工 具50的尖端)映射到虚拟空间中。例如，图40中的前向运动程序(模 块2504)运算出物理HIP相对于惯性坐标系Ri的笛卡儿位置。图40 所示的坐标变换程序(模块2506)在惯性坐标系Ri、多重坐标系Rp (与多边形虛拟物体相关联的坐标系)、以及图48所示的体素坐标系 RV (与体素阵列相关联的坐标系)之间执行坐标变换。 一旦触觉呈现 程序已经确定出HIP相对于多重坐标系Rp的位置，触觉呈现程序就 运行到步骤S710,并通过查看被占据的体素和相邻的体素来查询候选 的多边形物体。在步骤S712中，触觉呈现程序检查碰撞(例如自从上 次呈现循环之后，HIP已经穿过多边形物体)，并基于所希望的虚拟代 理行为(下文将结合图49对此进行描述)确定虚拟代理点位置(例如 HIP沿着虛拟目标体表面的受限位置)。在步骤S714中，在工具的坐在步骤S716中，基于所需的虚拟表面硬度而运算出通过触觉装置30 反馈给使用者的触觉力，其中，虚拟表面的硬度是由将HIP与触觉装 置30联接起来的虚拟弹簧和阻尼力确定的。在步骤S718中，利用触 觉装置30将运算出的触觉力显示或反映给使用者。如图49A和49B所示，可基于HIP在当前时刻t的位置HIP (t) 和前一时刻t-l的位置HIP (t-l)来确定出初始虚拟代理点的位置。 例如，当HIP位于虛拟目标体的外部时，触觉呈现程序通过检测包括 虚拟目标体的多边形表面物体与线段L之间的相交来检查HIP与虚拟 目标体表面之间的初始接触，其中，线段L在位置HIP (t)与HIP (t-l)之间延伸。初始虚拟代理点的位置VP (t)被算出，其作为线 段L与多边形表面物体之间的相交点。图50表示的流程图详细地介绍了根据本发明的、基于多边形表面 物体的触觉呈现算法(图40所示模块2508)的一种实施方式。在步 骤S100中，对HIP (t)的位置进行更新，并将位置变换到多重坐标 系中。在步骤S101中，算法确定碰撞检测特征位(t-l )数值是否为1。 如果判断是否定性的，则进入步骤S103,该算法将HIP (t)映射到 体素坐标中。在步骤S105中，算法确定出HIP (t)是否位于体素边 界框的内部。如果判断是否定的，则没有检测到任何碰撞，算法进行 到步骤S115，在该步骤中，触觉力被设定为零，然后是步骤S117，在
该步骤中，碰撞检测特征位(t)被设定为零，在步骤S119中，将时 间递加至t-t+l。如果步骤S105确定出HIP (t)位于体素边界框的 内部，算法就进行到步骤S107,并沿着HIP (t)的线段从体素查询 表来寻找候选的多边形。在步骤S109中，算法从多边形查询表来提取 多边形的信息。在步骤S111中，算法测试HIP (t)的线段与多边形 的相交性，且在步骤S113中，确定出是否检测到初始碰撞。如果没有 检测到任何碰撞，算法就进行到上述的步骤S115、 S117、 S119。如果 检测到碰撞，算法就进行到步骤S132 (下文将进行介绍)。与此相反，在步骤S101中，如果碰撞检测特征位(t-l)的数值 为1，算法就沿着流程图的右侧分支进行。在步骤S102中，算法将 HIP (t)映射到体素坐标系中。在步骤S104中，算法从体素查询表 中寻找在HIP (t)处的相邻多边形。在步骤106中，算法从多边形查 词表来提取多边形的信息。在步骤S108中，对各个相邻多边形进行测 试，以确定其是否与从HIP (t-l)到HIP (t)的线段相交。在步骤 S110中，算法利用该信息来决定HIP (t)是否从多边形中退出。如 果判断是肯定的，则HIP就不再进入到触觉目标体中了，算法进行到 上述步骤S115、 S117和S119中。如果步骤S110确定出HIP尚未从 多边形中退出，则算法就进行到步骤S112中，在该步骤中，算法将 HIP( t)沿着多边形的对应表面法向矢量投影到各个相邻的多边形上。 如果被投影的HIP (t)位于多边形内，算法就将该多边形设定为在位 多边形(ON-Polygon )，并存储相交点。不然的话，算法在多边形的 边界上找到一个最为接近投影HIP( t )的点(都位于多边形的平面内)， 并存储该位置点。对各个相邻的多边形都重复地执行该过程。然后， 算法根据前一时间循环的有效多边形AP (t-l)是否在步骤S22中被 设定为在位多边形、以及在当前循环中是否只有单个多边形被设定为 在位多边形而获得了判定点。下文将介绍如何处理上述两种情况。在步骤S114中，算法判断前次的有效多边形(虚拟代理点与其接 触)是否仍然是在位多边形。如果情况是这样，则进入步骤S124(有 效多边形优先)，该多边形表面具有作为有效多边形的优先权一即使在 另一个多边形也被认定为在位多边形的情况下。因而，保持着AP(t)， 且VP (t)被设定为有效多边形表面上的最接近点。例如，图51A表 示了由两个邻接表面540和542形成的虚拟目标体的凸出部分。如果 t-l时刻的HIP位于位置544处，则表面540就是在位多边形，而表 面540则不是在位多边形。t-l时刻的虚拟代理点位置处于位置548处。 如果HIP移动到位置546处，则两表面540和542都是在位多边形， 位置550和552都是代理点位置的候选对象。在此情形下，表面540 将被选择为有效多边形，且代理点位置将被更新为位置550。按照这 种方式赋予前次有效多边形的优先权将防止将位置552选择为代理 点，否则的话，将导致代理点位置出现不自然的跳变，并进而使得使 用者感受到的触觉相互作用力出现不自然的跳动。如果步骤S114判断出前次的有效多边形并非在位多边形，则算法 就进行到步骤S116，以判断是否检测到单个在位多边形。如果在步骤 S116中没有检测到单个在位多边形，算法将在步骤S120中再次进行 检查。如果在步骤S116中检测到了单个在位多边形，算法就执行步骤 S118,并在再次执行步骤S120、以检查单个在位多边形之前增大在位 多边形的凹角。如果在步骤S120中检测到了单个在位多边形，算法就 进行到步骤S126 (下文将进行描述)。如果未在步骤S120中检测到单 个在位多边形，算法进行到步骤S122，并判断是否检测到了多个在位 多边形。如果情况是这样，算法执行步骤S128 (下文将进行介绍)。 不然的话，算法就进行到步骤S130 (下文介绍)。在步骤S126 (在位多边形优先)中，利用新的在位多边形对AP (t)进行更新，且VP (t)被设定为有效多边形表面上的最近点。例 如，如图51B所示，虚拟目标体具有两个邻接的表面554和556。在 时刻t-l， HIP位于位置558处，代理点位于位置562处。如果HIP 随着从位置558移动到位置560而越过了表面边界线564,表面556 就变成了在位多边形，且位置566变成了新的代理点位置。因而，如 果检测到了新的单个在位多边形，则新的单个在位多边形就变成了有 效多边形。
在步骤S128 (连续表面优先)中，基于力矢量偏差原则来选定 AP (t)，且将VP (t)选定为有效多边形表面上的最近点。如图51C 所示，算法检测到多个新的在位多边形，图51C表示了由三个表面 568、 570、以及572形成的虚拟目标体的凸出部分。随着HIP从位置 574移动到位置578，算法检测到两个新的在位多边形表面570和572。 因而，位置580和582就是新的虚拟代理点位置的候选对象。在此情 况下，算法运算出力矢量的可能候选对象，并排除掉阻尼分量，且将 力矢量偏差值与前次的力矢量偏差值进行比较。算法确定出有效多边 形，从而减小了如下的目标函数式中fa代表由HIP的当前位置限定的弹簧力矢量以及第i个多 边形上虚拟代理点的可能位置，fw代表前一时刻的触觉力。在一种实 施方式中，表面570将是新的有效多边形，位置580将是新的代理点 位置。在步骤S130 (最小力优先)中，根据最小力原则来确定AP (t)， 且VP(t)被设定为有效多边形表面上的最近点。如图51D所示，HIP 处在不能检测到任何在位多边形的位置处。图51D表示了由三个表面 584、 586、以及588形成的虚拟目标体的凹入部分。当HIP从位置590 移动到位置594时，没有任何表面是在位多边形。位置596是最为靠 近表面586和584的位置点，位置598是最为靠近表面588的位置点。 在此情况下，算法计算出当前HIP与可能的代理点位置之间的距离， 并确定出虚拟代理位置，以减小如下目标函数的数值其中，Xi，yp代表第i个多边形上可能的虚拟代理点的位置，x叫代 表当前的触觉接口点的位置。在此情况下，算法根据表面584和表面 586的处理次序而将表面584或586作为在位多边形，且位置596将 称为代理点的位置。在步骤S132 (接触多边形优先)中，利用相交多边形对AP (t) 进行更新，且VP (t)被设定为有效多边形表面上的最接近点。在算
法检测到 一个在位多边形和多个凹面的情况下，如果触觉接口点位于 凹钝角中，算法就将在位多边形的物体放大。在此情况下，当前应用 将凹面的多边形表面设定为在位多边形，从而可在凹钝角处发生连续的触觉呈现作用。图52A和图52B表示了由三个表面500、 502、和 504代表的凹钝角的一部分。随着触觉接口点从位置506(带有代理点 位置508)移动到位置510，表面504变成了唯一的在位多边形物体。 为了避免出现如下的情况，算法将两个凹面500和502增大而使它们 成为在位多边形由于在位多边形优先的行为规则，算法将表面504 设定为有效多边形表面，并将位置514设定为代理点位置。结果就是， 按照连续表面优先的行为规则，位置512将成为代理点位置。在步骤S134中，在工具坐标系中被定义为常量参数的刚度矩阵和 阻尼矩阵被变换到惯性坐标系中。当物理触觉装置30具有不同的传动 装置(例如缆索驱动型传动装置和直接驱动型传动装置)时，由于物 理系统在不同的方向上具有不同的动态特性，所以，在空间内各向同 性的刚度和阻尼增益会带来不稳定。为此，可针对于工具的坐标、以 及变换到惯性坐标系中的需求来限定空间刚度矩阵和阻尼矩阵。算法 基于当前的转动矩阵和平移矩阵算出变换伴随矩阵，并对空间刚度矩 阵和阻尼矩阵进行变换。假定TKs和ZKs分别代表在工具坐标系和惯性 坐标系中测得的刚度矩阵。Adg代表变换伴随矩阵，且定义为<formula>formula see original document page 74</formula>假定矢量p- (px， py， pz) 代表斜对称矩阵，其被用来代表作为矩阵一矢量乘积的向量积:<formula>formula see original document page 74</formula>其中，R是转动矩阵，p是平动矢量。 算法计算出惯性坐标系中的刚度矩阵:X = AdTgKsAdg
在步骤S136中，算法根据胡克定律、基于触觉接口点的位置和虚 拟代理点位置计算出弹性触觉力矢量FSpring ( t ) = KS (其中，Xvp代表当前虚拟代理点的位置，Xhip代表当前触觉接口点 的位置。在步骤S138中，算法基于触觉接口点与虚拟代理点之间的相对运 动而计算出阻尼触觉力矢量其中，、代表虚拟代理点的运动，、代表触觉接口点的运动，代表惯性坐标系中的空间阻尼矩阵。在步骤S140中，阻尼力与弹性力的总和被发送给物理触觉装置 30,以作为所需的力输出量(图43中的步骤S718)，在对触觉装置30 的致动器(图40中的模块2512)进行控制以输出力反馈作用之前，力映射程序(图40中的模块2510)将所需的力Fdesired转变为关节力矩t:t 一 J Fdesired其中，JT是雅可比转置矩阵。然后，运算系统20对触觉装置30 的致动器进行控制而输出关节力矩t。在步骤S142中，碰撞检测特征位(t)的数值为1。在步骤S144 中，时间前进到t + l时刻。在传动线路上的触觉装置驱动件(例如马 达)与位置输出量(例如关节)之间存在柔度、游隙、迟滞或非线性 的情况下，最好是在传动装置的驱动端与负载端都设置位置传感器。 负载端传感器可被用来运算所有的关节位置和端点位置，原因在于它 们能最为精确地反映实际的数值。驱动端传感器被用来在任何阻尼运 算过程(例如上述的Fdamping)中计算速度，这有助于避免传动装置出 现动态作用。根据一种实施方式，基于触觉装置30某个部分(例如工具50) 对虚拟(或触觉)边界的接近程度来确定触觉装置30所需的力反馈(或 输出扭力)，其中，所述的边界与解剖体的表像相关联。因而，如果工 具50被布置成与触觉边界具有足够的距离，控制器就不会产生任何的 触觉力，使用者能自由地移动工具50，就像在空旷的空间内探测 一样。 但是，随着工具50接近或接触到触觉边界，控制器就向马达发出力矩 指令，从而通过接口界面37向使用者的手施加适当的扭力。优选地是， 随着工具50接近于虚拟边界而增大力反馈的幅度，且不会出现不连续 的阶段，而该不连续的阶段是会带来振荡或不良振动的。例如，随着 工具50接近于触觉边界，触觉装置30可在与使用者接口 37运动方向 相反的方向上施加作用力，以使得使用者感受到推斥力或抵抗力，这 减慢和/或阻止了工具50的运动。在一种实施方式中，作用力随着工 具50连续移动向触觉边界的增加率例如是在5N/mm到50N/mm的范 围内。在另一实施方式中，作用力的增加率约为20N/mm。按照这种 方式，使用者受到约束，而无法太深地透入到触觉边界中。当工具50 接触到触觉边界时，作用力可以是这样使得使用者感觉到就像工具 50已与实际物体一例如墙壁相碰撞一样。作用力的幅度可防止使用者 穿过触觉边界(例如幅度约为IOON或更大)，但优选地是，其被设定 为使得使用者可在需要的情况突破触觉边界(例如幅度可在约20N到 约60N的范围内)。因而，运算系统20可被编程为这样允许使用者 克服力反馈作用将触觉装置30移动到所需的地点。按照这种方式，触 觉装置30约束着使用者，防止其在无意中违反触觉边界，但使用者可 有选择地强制触觉装置30动作，因而保持着对手术过程的完全控制。 在一种实施方式中，外科系统IO包括触觉调谐特性，用于针对特 定的使用者来定制触觉目标体的力反馈功能。由于各个使用者具有各 自不同的手术技能，这样的特性是有利的。因而，不同的使用者在操 纵工具50时可使用不同量的作用力。例如，以轻触方式操纵工具50 的使用者感受到触觉反馈作用的时间要早于接触较重的使用者。触觉 调谐特性并不是要接触较重的使用者改变其外科技能以充分地感受触 觉反馈，而是使得力反馈功能是可以调节的，以适应于各种特定的用 户。通过调节(或调谐)力反馈功能，使用者能利用其优选的力度来 操纵工具50,并能充分地感受到由触觉装置30施加的触觉反馈作用。
结果就是，改善了使用者将工具保持在触觉边界中的能力。例如如图IIA所示，力反馈曲线包括函数F (d),该函数将力F与距离d相关 起来。函数F (d)例如可从触觉目标体、连接刚度、或刚度函数导出 或求得。在一种实施方式中，Fi是对于一般使用者(或使用者群体) 的触觉相互作用力，di是透入深度或距离(例如工具50进入到触觉目 标体中的深度)，此条件下，Fj = F (di)是成立的。如图11B所示， 例如将函数F (d)向左偏移或平移di将获得力反馈函数F (d + di), 其效果在于在工具接近于触觉边界的过程中，更早地施加作用力F (也就是说，在透入距离为-di就开始施力，而不是在零进入距离处施 力)。类似地，将函数F (d)向右偏移或平移使得作用力F在工具接 近于触觉边界的过程中较晚出现。因而，对于手术技能较为有力的使 用者，优选地是将函数F (d)向左偏移，以防止使用者无意中太深地 推入到触觉边界中。因而，通过将用于控制触觉装置30的力反馈曲线 偏移所需的量就能完成对触觉的调谐。还可改变触觉目标体的尺寸来 完成触觉调谐。例如，可增大排斥性触觉目标体120a的尺寸(如图 IIC所示)，从而获得触觉目标体120b (如图IID所示)。类似地，与 触觉装置30相联的外科工具的表像的尺寸也可被改变。例如，与触觉 目标体122相互作用的虚拟工具124a(如图IIE所示)尖端的半径尺 寸可被增大，从而获得虚拟工具124b (如图IIF所示)。对于作为容 器的触觉目标体，例如可通过减小触觉目标体的尺寸来完成调谐。为了使得使用者能对力反馈函数进行调谐，优选地是，运算系统 20具有实现图形选择界面的程序，其中的选择界面可被显示在显示装 置23上。例如，如图IIG和IIH分别所示，图形选择界面可以是允 许使用者设定调谐值的图形界面217a (例如在0.0到1.0之间)、和/ 或允许使用者例如在"轻，，"中等""重"接触三者间进行选择的图形界面 217b。运算系统20还可被编程设置成存储了调谐设定的所需数值，并 将所需的数值与特定的使用者关联起来(例如利用使用者的ID将使 用者优选的数据文件联系起来)，从而使用者每次在使用外科系统10 时不必先选择调谐设定。
优选地是，触觉装置30被设置成可按照多种工作模式来进行工 作。例如，触觉装置30可被编程设置成以输入模式、保持模式、安全 模式、自由模式、接近模式、触觉(或去除)模式、和/或任何合适的 其它模式来工作。工作模式可由使用者手动选择(例如使用以图形形 式显示在显示装置23上的选择按钮、或设置在触觉装置30和/或运算 系统20上的模式开关)、和/或由控制器或软件程序自动选择。在输入 模式下，触觉装置30能被用作输入装置，以向外科系统IO输入信息。 当触觉装置30处于输入模式时，使用者可将触觉装置30当作操纵杆 或其它输入装置来进行操作，其中的其它输入装置例如是上文结合末 端执行器35描述的装置和/或第10/384078号美国专利申请(公开号 为US 2004/0034282 )中公开的装置，其中，该美国专利文献的全部内 容被结合到本申请中作为参考。向外科系统IO输入信息的其它方法例 如包括移动腕部36、移动臂件33的关节、和/或移动臂件33 (或其部 分)。例如，将臂件33移向某个物体(例如被跟踪的目标体)可构成 第一输入。类似地，将臂件33移向该物体并扭转腕部36可构成第二 输入。因而，外科系统10例如可基于触觉装置30相对于被跟踪物体 的姿态、触觉装置30 —部分(例如腕部36)的运动、或姿态与运动 的组合而识别或分辨出使用者的输入。在保持模式下，触觉装置30 的臂件33可被锁定在特定的姿态上。例如，可利用制动件、控制伺服 技术、和/或用于稳定臂件33的任何合适的硬件和/或软件来锁定臂件 33。例如在骨头切除工作的停息期间、与同事进行商议期间、清理或 冲洗手术部位期间等，使用者可能希望将触觉装置30置于保持模式。 在安全模式下，与触觉装置30相联的工具50被解除作用一例如通过 切断工具50的动力来完成。在一种实施方式中，安全模式和保护模式 可被同时执行，以便于在将触觉装置30的臂件33锁定在原位的同时 解除工具50的作用。在自由模式下，触觉装置30的末端执行器35可在触觉装置30 的工作空间内自由地移动。优选地是，工具50的动力被关闭，且触觉 装置30被设计成使得使用者感觉该装置是没有重量的。例如可通过计 算出作用在臂件33的区段33a、 33b、以及33c上的重力负载、并控 制触觉装置30的马达以抵消重力负载，来获得无重量的感受。结果就 是，使用者不必支撑着臂件的重量。触觉装置30可一直处于自由模式， 例如直到使用者准备将工具50引导到患者解剖体上的手术部位处为 止。在接近模式下，触觉装置30被用来将工具50引导到目标物体处， 同时能避开重要的结构和解剖体，其中的目标物体例如是手术部位、 患者解剖体上感兴趣的特征、和/或与患者配准的触觉目标体。例如，在一种实施方式中，接近模式使得工具50实现了相互作用的触觉定位 —第10/384194美国专利申请(公开号为2004/0034283 )就介绍了这 样的定位，该专利文献的全部内容被结合到本申请中作为参考。在另 一实施方式中，呈现触觉的应用可包括触觉目标体，其限定了一个接 近体积(或边界)，该体积对移向目标物体的工具50进行约束，同时 能避开诸如血管、肌腱、神经、软组织、骨头、已有植入件等的敏感 特征。例如，如图1所示，接近体积可包括触觉目标体300，其基本 上是锥形的，该目标体的直径在朝向目标物体(例如胫骨T的近端或 股骨F的远端)的方向上逐渐减小。在工作中，在接近体积的边界内， 使用者可自由地移动工具50。但是，随着使用者使工具50移动通过 接近体积，锥形的漏斗形结构对工具的运动进行约束，以使得工具50 不会越过接近体积的边界。按照这种方式，工具50可被直接引导到手 术部位处。如图9所示，在另一实施方式中，触觉呈现应用创建了虚 拟的目标体，其代表了从第一位置到第二位置的路线。例如，虚拟目 标体可包括触觉目标体310，其是一条虚拟的引导线(例如直线)，其 限定了从第一位置(例如工具50在物理空间中的位置)到包括解剖体 目标区域(例如目标物体一譬如触觉目标体206)的第二位置的路线。 在接近模式中，虚拟目标体被激活，从而沿着由触觉目标体310限定 的路线对触觉装置30 —部分(例如工具50)的运动进行约束。当工 具50到达第二位置时，外科系统IO使虚拟目标体无效，并激活目标 物体(例如触觉目标体206)。当触觉目标体206 一皮激活时，工具50
可被自动置于触觉(或去除)模式。在一种优选的实施方式中，虛拟目标体可被无效化以使得工具50偏离路线。因而，使用者可越过与触 觉目标体310相关联的触觉引导作用而偏离引导线的路线，并使得工 具50在那些在创建虚拟引导线时无法考虑到的、且未被跟踪的目标体 (例如牵引器、照射灯等)附近机动动作。因而，接近模式使得使用者 可将工具50快速运送到目标目标体处，同时避开了重要的结构和解剖 体。在接近模式下，优选地是，关断工具50的动力，从而，例如在使 用者将工具经关节上的切口或导航软组织插入时，工具不会意外地获得能量。接近模式一般位于触觉模式之前。在触觉(磨削)模式中，触觉装置30被用于在执行手术活动(例 如骨准备)的过程中对使用者提供触觉引导。如图9所示，在一种实 施方式中，触觉呈现应用可包括触觉目标体206,其在胫骨T上限定 了切除体积。触觉目标体206的形状基本上对应着胫骨部件74表面 74a的形状(如图IOB所示)。作为备选方案，触觉目标体206的形状 可略微大于胫骨部件74表面74a的形状。使触觉目标体206大于植入 件的一个好处在于这样的话，由触觉目标体206限定的切除体积将 足以容纳植入件和粘结套膜，其中的套膜被布置在植入件与骨头之间， 以将植入件固定到骨头上。尺寸偏离植入件尺寸的触觉目标体还能实 现上文结合图IIA到图11F所描述的触觉调谐特性。例如当工具50 的尖端接近于感兴趣特征上的预定点时，自动将触觉装置30置于触觉 模式。在触觉模式中，在刮刻复杂形状或大曲率形状时(例如如美国 专利申请10/384194所描述的那样，其7>开号为US 2004/0034283，该 文献的全部内容被结合到本申请中作为参考)，触觉目标体206还可被 动态地改变(例如通过启用或停用触觉表面的某些部分)，以提高触觉 装置30的性能。在触觉模式中，启动工具50的动力，且对工具50 的尖端进行约束，使其处于切除体积内，以完成精确的骨头切除工作。触觉装置30可采用任何合适的触觉控制策略一例如导纳控制、阻 抗控制、或混合控制。在导纳控制模式中，触觉装置30接收力的输入， 并产生出位置(或运动)输出。例如，触觉装置30测量或感测其上特
定位置处(例如用户接口 37处)的扭力，并产生动作而改变触觉装置 30的位置。在阻抗控制模式中，触觉装置30接收位置(或运动)输 入，产生出扭力输出。例如，触觉装置30测量、感测、和/或计算工 具50的位置(即位置、定向、速度、和/或加速度)，并施加合适的相 应扭力。在混合控制模式中，触觉装置30既采用导纳控制也采用阻抗 控制。例如，触觉装置30的工作空间可被分割成第一子空间和第二子 空间，在第一子空间中，使用导纳控制，而在第二子空间内，使用阻 抗控制。在一种优选的实施方式中，触觉装置30以阻抗控制模式工作。在手术过程中，运算系统20全程对使用者进行引导。例如，运算 系统20可被编程设置成产生出显示画面，用来全程引导使用者对触觉 装置30的操控。显示画面可包括显示在显示装置23上的屏幕画面， 该屏幕画面例如包括预定的页面和/或与手术特定步骤相对应的图像。 显示画面还可促使使用者执行一项或多项任务。例如，显示画面可指 示使用者在解剖体的表像上选择解剖学界标(下文将结合图13中的步 骤S3和S4进行讨论)。如图12所示，在一种实施方式中，屏幕画面 可包括导航方框600，其用于显示与手术当前步骤有关的图形；被 跟踪目标体的方框602，其用于表示出被跟踪物体相互之间的关系； 信息方框604，其用于显示与手术当前步骤有关的信息一例如测量数 据、错误数据、状态信息、选择按钮等；以及用于前进到流程中后续 步骤和/或返回到前面步骤的方框606。与手术流程有关的显示画面或屏幕可被用于向使用者传达关于手 术的视觉信息。例如如图12所示，导航方框600可创建并显示解剖体 的表像(例如骨头的图像或表像)以及外科工具50的表像616。对于 骨准备的过程，外科系统IO可通过如下的操作来有利于对骨头进行准 备以接纳植入件的步骤为要被从骨头上去除的材料部分创建表像 612;将要被去除的材料部分的表像612叠加到骨头的表像上；以及随 着使用者操控触觉装置30而利用由工具50实际切除下来的材料部分 的表像614来更新要被去除的材料部分的表像612。为了进一步有助 于使用者，外科系统10可随着骨头和工具50的移动而更新骨头的表
像和工具50的表像616。在一种实施方式中，要被去除的材料部分的 表像612对应着与骨头相关(或配准)的虛拟目标体的一部分。因而， 虚拟目标体代表了要被从解剖体上去除的材料部分。例如，虛拟目标体的形状可大体上对应着要被装配到解剖体上的植入件的表面形状 (例如在无粘接剂的植入场合中)。对于带有粘接剂植入体的应用场合， 虚拟目标体的形状要大于植入件的形状，以便于为植入件与骨头之间的粘接剂套膜留出空间。上述的骨准备步骤例如可以在第一骨头(例 如胫骨T)上执行，然后再在第二骨头(例如股骨F)上重复进行。在一种实施方式中，例如使用不同于周围骨头颜色的颜色将要被 去除的骨头部分标记出。例如，要被去除的骨头部分可被染成绿色， 而周围的骨头则被涂成白色。随着使用者用工具50对骨头的切除，运 算系统20对导航方框600中的图像进行更新，从而当工具50达到所 需的切割深度时，颜色从绿色改变为白色。类似地，如果工具50的切 割超出了所需的切割深度，颜色就从白色变成了红色。因而，外科系 统IO用第一种颜色创建了要被去除的材料部分的表像，当已经去除了 所需量的材料时，用第二种颜色创建已被触觉装置30去除的材料的表 像。如果被触觉装置去除的材料超过了所需的材料量，外科系统10 用第三种颜色创建切除下来的材料的表像。在一种优选实施方式中， 触觉目标体具有体积元素(即体素)的阵列，该阵列具有第一部分， 其对应于要被去除的骨头部分；第二部分，其对应于周围的骨头；以 及第三部分，其对应于位于预定切割体积之外的切割深度。第一部分 中的体素可以是第一颜色(例如绿色)，第二部分中的体素可以是第二 颜色(例如白色)、第三部分中的体素可以是第三颜色(例如红色)。 随着工具50对体素的覆盖，体素被清除掉，从而露出邻近的、下面的 体素。因而，如果使用者利用工具50切割得太深了，绿色和/或白色 的体素就被清除掉了，而露出下面的红色体素。在另一实施方式中， 外科系统10可为工具50尖端与配准着患者的触觉目标体的表面之间 的距离提供视觉指示，例如在美国专利申请NO.10/621U9 (其公开号 为2004/0106916)中就介绍了这样的技术，该专利文件的全部内容被
结合到本申请中作为参考。导航方框600例如还可具有工具50当前位 置的表像、工具50的理想轨迹、植入件表像等。除了利用视觉方法与使用者进行通讯之外，运算系统20还可被编 程设置成发出声响信号(例如通过声学装置)。例如，在一种实施方式 中，运算系统20可发出声音(例如哔哔声)来指示工具50的切割深 度太浅、大致正确、或太深。在另一实施方式中，外科系统10可产生 声响指示，来指示工具50尖端与配准着患者的触觉目标体的表面之间 的距离，例如在美国专利申请NO.10/621119 (其公开号为 2004/0106916 )中就介绍了这样的技术，该专利文件的全部内容被结 合到本申请中作为参考。运算系统20还可被编程设置成这样对触觉 装置30进行控制，以向使用者提供触感反馈，例如用振动来提示工具 50已到达或超过所需的切割深度。运算系统20的软件还可包括这样 的程序或方法其自动地促使使用者执行某些任务一例如对诊断图像 数据集进行分段、在患者的解剖体上选择点以定义机械轴线、利用配 准探针接触(或"涂抹，，)骨头表面上的点、输入数据(例如植入件尺 寸、磨锥尺寸等)等。图13表示了使用外科系统IO来执行手术规划、并对单髁膝盖置 换手术进行导航的一种实施方式。图13所示的方法仅是作为示例。在 其它实施方式中，可按照与特定手术场合相适应的其它方式来重新排 布该方法中各个步骤的次序。另外，其它的实施方式可能包括图13 所示的全部、某些、或仅仅一部分步骤，并将图13中的步骤与现有的 和/或以后出现的外科方法进行结合。图13详细描述的单髁膝盖置换 过程是针对于膝盖的内侧的。但膝盖的外侧也可以采用同样的方法。 此外，图示的单髁手术仅是作为举例。外科系统IO还可被用来执行全 膝置换手术或涉及植入件安装的其它关节置换手术。植入件可包括任 何的植入体或假体装置一例如全膝植入件、单髁膝盖植入件、膝盖模 块植入件、其它关节(包括髋关节、肩关节、肘关节、腕关节、踝关 节、以及脊关节)的植入件、和/或其它整形外科和/或肌骨骼植入件 (包括普通材料的植入件和更为奇特的植入件一例如生物矫形植入件、
药物输送植入件、输送细胞的植入件)。在一种实施方式中，植入件是模块化的膝盖植入件，例如在美国专利申请N0.11/312741 (其申请曰 为2005年12月30日)中就介绍了这样的技术，该专利文件的全部内 容被结合到本申请中作为参考。在图13所示的实施方式中，步骤Sl到S4是在手术前进行的， 步骤S5到S14是在手术中进行的。在步骤S1中，将患者的信息或数 据输入到外科系统10中。在步骤S2中，将术前的诊断图像(例如CT 数据文件)装载到外科系统10中，并进行分段。在步骤S3中，选择 股骨界标。在步骤S4中，选择胫骨界标。在步骤S5中，对触觉装置 30执行复位处理，以对触觉装置30臂件33上的位置传感器进行初始 化。在步骤S6中，验证配准探针的标定。在步骤S7中，将解剖体跟 踪器43a和43b附接到患者上。在步骤S8中，对患者的解剖体进行 配准。在步骤S9中，对触觉装置30进行标定。在步骤S10中，对胫 骨植入件(例如图16B所示的胫骨部件74)的初始布置进行规划。利 用在胫骨高台软骨表面上选定的位置点对初始布置的深度进行引导， 并利用步骤S8中运算出的配准结果将该深度传送给显示装置23上的 规划屏幕。在步骤Sll中，对胫骨T进行整备或刮刻。在步骤S12中， 将胫骨的试验植入件装配到胫骨T上准备好的表面上。在步骤S13中， 例如利用与胫骨试验植入件的位置相关的点，对股骨植入件(例如图 16A所示的股骨部件72)的初始布置进行规划，其中，胫骨试验植入 件处于各种弯曲度的腿上。在步骤S14中，对股骨F进行准备或刮刻。 在步骤S15中，股骨试验植入件被装配到股骨F上已准备好的表面上。 在对股骨部件72和胫骨部件74进行安装之前，执行试验性的缩减过 程，在该过程中，使用者评价股骨试验植入件和胫骨试验植入件的装 配效果，并作出所需的调整(例如重新规划植入件和/或骨头的刮刻工 作)。在步骤S1中，将患者的信息输入到外科系统10中。例如，外科 系统10可在显示装置23上显示出有关患者的请求信息的屏幕。患者 信息可包括任何相关的患者数据一例如姓名、生日、身份证号码、性 别、身高、以及体重。患者信息还可包括与所要执行的手术相关的信 息一例如指明合适的腿(例如左腿或右腿)、指明要被置换的关节的部 分(例如内侧、外侧、或全关节)、以及选择患者解剖体的术前诊断图像数据文件(例如CT数据文件)。可按照任何公知的方式将患者信息 输入到外科系统10中。例如，使用者可直接输入患者的信息、或将患 者的信息从医院网或电子存储介质中下载到外科系统10中。优选地 是，当对患者的解剖体进行成像时将患者的信息记录下来，并将其保 存成图像数据文件(例如CT数据文件)，且在步骤S2中将该文件与 图像数据文件一道装入到外科系统10中。运算系统20也会要求那些 与使用者相关的信息(例如姓名、身份证号码、PIN号码等)、外科科 室、和/或用于识别/安全/或记录保持目的的其它任何信息。如同患者 的数据一样，使用者的信息也可被包含在图像数据文件中。作为安全 措施，运算系统20可包括验证特征，其促使外科医生(或其它有执照 的医疗专业人员)对已输入到外科系统10中的患者信息进行验证。在步骤S2中，通过将含有术前诊断图像(例如大腿图像、膝盖图 像、以及小腿图像)的图像数据文件装入到外科系统10中来创建解剖 体的表像。诊断图像构成了解剖体的表像。可通过对图像进行分段来 生成解剖体的其余表像。例如，外科系统10可显示出一个屏幕81a(如 图15所示)，以便于在对股骨F进行分段的过程中对使用者进行引导， 并显示出屏幕81b (如图16所示)，以便于在对胫骨T进行分段的过 程中对使用者进行引导。如图15和图16所示，术前的诊断图像被分 割成区段或切片，这些区段或切片包涵了所针对的解剖体。外科系统 10使用分段数据来创建患者解剖体的表像，该表像例如包括第 一 骨头 的表像和第二骨头的表像。第一、第二骨头可以是股骨F和胫骨T(反 之亦是)。在一种实施方式中，基于由分段工作生成的目标边界(例如 骨头或软骨的表面)，创建出代表解剖体的三维计算机模型。区段或切 片的数目越大，模型的精度越高。在一种实施方式中，将所针对的解 剖体部分分切开的切片的数目为30。在另一实施方式中，所采用的切 片数在20到100的范围内。分段过程可采用任何合适的分切方法一例
如基于组织的分段方法、基于阈值的互动分段方法、基于区域的物体 分段方法、和/或基于多边形的手工描绘方法。在一种实施方式中，采 用了基于"边缘测量"的互动分段方法，这种方法被称为"活性线，，方法(likewire )。在步骤S3和S4中，使用者在第一骨头和第二骨头的表像上指定 界标。例如，在步骤S3中，使用者可在股骨F的图像上指定股骨界 标。外科系统IO可使用股骨界标来将患者的实际解剖体与解剖体的表 像(例如诊断图像、由分段过程生成的模型、解剖学模型等)联系起 来(或配准)。如图17到图19所示，外科系统10分别产生出屏幕82a、 82b、以及82c，以引导使用者指定股骨上的界标。例如，外科系统IO 可指引使用者，以指定髋部的中心(图17)、内上髁(图18)、外上髁 (图19)。在一种实施方式中，使用者可利用鼠标或触摸屏在显示出的 图像上选择股骨界标。在另一实施方式中，计算机可被编程设置成例 如使用 一些算法来确定股骨界标在图像上的位置，其中的算法被用于 在诊断图像上定位区别特征。类似地，在步骤S4中，使用者可在胫骨T的图像上指定胫骨的 界标。外科系统IO可使用胫骨界标来将患者的实际解剖体与解剖体的 表像(例如诊断图像、由分段过程生成的模型、解剖学模型等)联系 起来(或配准)。如图20到图23所示，外科系统10分别生成屏幕83a、 83b、 83c以及83d，以引导使用者指定胫骨上的界标。例如，外科系 统10可指引使用者，以指定内踝(图20)、外踝(图21)、转动界标 (图22)、以及膝部中心(图23)。如图22所示，转动界标例如可以是 相交的轴线183，使用者可将其调节为与解剖体在屏幕83c上横断面 视图的前面部分和后面部分相平行。转动界标使得外科系统10能考虑 到腿L在诊断图像中的任何转动(例如，如果在进行CT扫瞄时腿L 斜靠向侧旁，而不是处于精确的前-后对正状态)，并对横断面图像进 行调节，使得前-后部分对正(例如如图35中的框图806所示)。在一 种实施方式中，使用者可利用鼠标或触摸屏在显示出的图像上选择胫 骨界标。在另一实施方式中，计算机可被编程设置成例如使用一些算 法来确定胫骨界标，其中的算法被用于在诊断图像上定位区别特征。在步骤S5中，复位程序对触觉装置30的位置传感器(例如编码 器)进行初始化，以确定臂件33的初始姿态。例如可通过对臂件33 进行操控以使得各个关节编码器进行转动 一直到读取到编码器上的索 引标记为止，由此来完成复位程序。索引标记是编码器上的绝对基准， 其与关节上已知的绝对位置相关联。因而， 一旦读取到索引标记，触 觉装置30的控制系统就知晓了关节的绝对位置。随着臂件33持续地 移动，基于绝对位置和编码器的随后位移可计算出关节的后续位置。 在整个复位过程中，外科系统10可通过发出关于使用者应当将臂件 33置于何处的指令来对使用者进行引导。这些指令例如包括显示在显 示装置23上的图像，其表示了臂件33应当移入的位置。在步骤S6中，对器械(例如配准探针一譬如器械150)进行检查， 以验证该器械是否经过标定。例如，步骤S6可被用来验证配准探针是 否具有正确的物理结构。如上文结合器械跟踪器49讨论的那样，可通 过如下的操作来完成对带有器械跟踪器49的探针的标定将探针的尖 端插入到末端执行器跟踪器47的凹窝47a中；将尖端保持在位置上； 并利用检测装置41对器械跟踪器49和末端执行器跟踪器47进行检 测。检测装置41获得姿态数据，外科系统10将跟踪器49、 47之间实 际的几何关系与它们之间预期的几何关系进行比较。实际几何关系与 预期几何关系之间的偏差表明探针的一个或多个物理参数尚未被校准 标定。如图24所示，在验证过程中，外科系统10可在显示装置23 上显示出屏幕84，其表示了探针的图形表像、器械跟踪器49、以及末 端执行器跟踪器47。在步骤S7之前，患者到达手术室中。如图1所示，患者(图中仅 表示出了腿L)被布置在手术台102上，且触觉装置30被相对于患者 进行定位，以使得触觉装置30能实现多种有利于进行手术的姿态。为 了达到适度的无菌性，可按照合适的方式对触觉装置30进行无菌处 理。例如，可利用常规的消毒方法对末端执行器35和工具50进行消 毒，且触觉装置30的其它部分也可被进行消毒和/或由无菌覆盖层或
披覆层进行覆盖。在一种实施方式中，利用无菌的塑料包装层对臂件33和触觉装置30的基座32进行包覆，平台39则由无菌披覆层进行 覆盖。为了抬高患者的腿L、并使得腿L能被弯曲成不同的角度，将腿 L支撑或支在可被移动到不同位置的腿保持器(或支撑装置)中。在 一种实施方式中，腿保持器是可手动调节的腿保持器62。如图14A所 示，腿保持器62包括滑动布置在底座64上、且在铰链62c处连接起 来的第一部分62a和第二部分62b。底座64包括用于将第一部分62a 和第二部分62b固定在位置上的锁止机构(图中未示出)。腿L可被 按照任何合适的方式固定到腿保持器62上，其中的固定方式例如是使 用一条或多条束带63。作为跟踪腿L骨头姿态的工作(例如利用解剖 体跟踪器43a和43b或机械跟踪系统240)的补充措施或替代措施， 可对腿保持器62的姿态进行跟踪(例如利用上述的位置传感器、非机 械式跟踪系统、或机械式跟踪系统进行)。如果仅对腿保持器62进行 跟踪，则腿L应当被充分地固定到腿保持器62 (例如利用束带63), 以防止腿L与腿保持器62之间产生相对运动。在工作中，为了移动 腿L，使用者对腿L (或腿保持器62)进行操作，以使得第一、第二 部分62a和62b沿着底座64滑动，并绕着铰链62c枢转。绕着铰链 62c的枢转使得腿保持器62的角度a或者增大、或者减小。优选地是， 腿保持器62的结构被设计成这样使得角度a可在约0°到约180°的范 围内调节。结果就是，腿L可在完全伸展姿态与完全弯曲状态之间移 动。随着腿L的移动，开在患者膝盖侧面上的切口 128 (例如微创切 口 )将沿着腿L移动。切口 128的移动使得外科医生可利用同一切口 来插入器械，既能对胫骨T的近端进行刮刻，也能对股骨F的远端进 行刮刻。结果就是，避免了多个切口，且能保持切口 128尺寸的小型 化。在另一实施方式中，例如可通过增设位置传感器(例如编码器) 和由计算机21和/或计算机31控制的马达来实现腿保持器62的自动 化。马达使得腿保持器62可到达完全自动化，或者仅是执行一些助动
功能，以协助使用者对腿保持器62进行定位。将腿保持器62完全自 动化的一个优点在于自动化的腿保持器可由外科系统IO进行控制， 以便于将腿L自动地移动到正确的位置，这就免除了使用者要实际移 动腿L并猜测腿L正确位置的困难操作。例如，用于控制自动腿保持 器(或支撑装置)的方法可包括操作将第一骨头(例如胫骨T)和/ 或第二骨头(例如股骨F)布置在腿保持器62中，并启动腿保持器 62，以将第一骨头和/或第二骨头从第一位置移动到第二位置。该方法 还可包括确定第一骨头和/或第二骨头实际姿态的步骤(例如利用解 剖体跟踪器43a和43b);确定第一骨头和/或第二骨头所需姿态的步 骤；以及启动腿保持器62以将第一骨头和/或第二骨头从实际姿态移 动到所需姿态的步骤。随着腿保持器62的移动，外科系统10可对第 一骨头和/或第二骨头的位置进行监控。当第一骨头和/或第二骨头处 于所需姿态时，过程结束。除了对第一、第二骨头的位置进行跟踪之 外，也可对腿保持器62的位置进行监控(例如使用腿保持器62上的 位置传感器)。如图14B所示，在另一实施方式中，外科系统10包括腿保持器 162。在手术过程中，腿保持器162可被安装到手术台102或其它合适 的结构上。患者腿L的大腿侧部分被放置在腿保持器162的支撑件164 上，以使得腿L的小腿部分自由地悬垂着。由于作用在腿L悬垂部分 上的重力将膝盖关节拉开，从而使得关节具有更好的接近性，因而， 这样的设计是有利的。在步骤S7中，外科系统10促使使用者将解剖体跟踪器43a、 43b 附接到患者上。如图25所示，外科系统10还可生成屏幕85，以使得 使用者可优化被跟踪目标体相对于检测装置41的定位。例如，屏幕 85可包括检测装置41的表像85a以及检测装置41视场图的表像85b。 屏幕还可表示出解剖体跟踪器43a的表像Fl、解剖体跟踪器43b的表 像T1、触觉装置跟踪器45的表像H、和/或任何其它可跟踪元件相对 于检测装置41视场图85a的表像。在一种实施方式中，各个表像F1、 Tl、以及H被显示为不同的颜色，以使得使用者能分辨出各个被跟踪 的目标体。在另一实施方式中，当被跟踪的目标体靠近检测装置41 视场图的边界时，表像F1、 Tl、以及H1可改变为不同的颜色。按照 这种方式，使用者可确定出被跟踪的目标体是否充分地位于检测装置 41的视场图内。在一种实施方式中，一旦解剖体跟踪器43a和43b被连接上之后， 膝盖关节的运动范围(ROM)就可被获得了 (例如通过使膝盖关节在 整个ROM中移动，同时利用跟踪系统40跟踪解剖体跟踪器43a和 43b)。获得的ROM数据可被用来评价股骨植入件与胫骨植入件的相 对布置。例如通过将物理患者与术前的数据配准起来，可将ROM数 据放大，这使得使用者对植入件相对位置的规划能与患者软组织的当 前状况相符合(例如基于疾病的状况、年龄、体重、当前的ROM等)。 在一种实施方式中，可对植入件的深度进行规划，以使得所安装的植 入件能填充患者膝盖关节中预先存在的间隙(即胫骨T与股骨F之间 在术前存在的间隙)。此外，还可在膝盖关节的整个ROM内对其它重 要的植入件参数进行评价，其它的参数例如是充分的接触、前/后覆盖 范围、以及植入件对之间正确的相对转动。按照这种方式，在切割任 何骨头之前，对两侧的植入件进行了全面的布置规划。ROM数据还 可被用来在显示装置23上显示出当腿伸展、弯曲、以及处于伸展和弯 曲之间各种角度时股骨植入件与胫骨植入件之间的相对位置。在解剖体跟踪器43a和43b被固定到患者上之后，程序进行到步 骤S8，在该步骤中，患者的实际解剖体被配准到解剖体的表像上。例 如，可按照标准的形式、利用点配对/表面匹配方法对患者的股骨F和 胫骨T进行配准，其中的方法是基于步骤S3和S4中指定的股骨界标 和胫骨界标进行的。外科系统IO产生出在整个配准过程中对使用者进 行引导的屏幕。例如，屏幕86a (见图26)指示使用者对股骨F进行 旋转，以找到腿L髋部的中心。在一种实施方式中，在股骨F的转动 过程中，外科系统10通过基于解剖体跟踪器43a的运动确定出股骨F 枢转点的中心而确定出髋部中心。屏幕86b、 86c、 86d、 86e、以及86f (分别如图27、 28、 29、 30、和31所示)指示使用者将配准探针指向
各个解剖学界标(例如内踝、外踝、内上髁、外上踝、前十字性韧带(ACL)附件的后边界等)，并选择界标。例如，使用者可将被跟踪配 准探针的尖端放置到相关的界标上，并利用脚踏板或其它输入装置25 来选定界标。当使用者选定界标时，检测装置41获得了与配准探针的 姿态相关的数据，在随后，这些数据将被用来计算界标的位置。基于 界标的姿态数据和诊断图像上的指定界标(在步骤S3和S4中)，外 科系统10通过确定患者上物理界标与诊断图像上界标之间的对应关 系，而将实际的解剖体与诊断图像配准起来。可通过获取股骨F和胫 骨T的表面数据来提高这种基于界标的配准方法的精度。例如，外科 系统10可产生出屏幕86g (见图32)，其指示使用者利用配准探针接 触(或"涂抹")股骨F远端表面上的点。随着使用者涂抹表面(例如 通过将配准探针的尖端穿插过切口 128),外科系统10周期性地获得 探针尖端的位置，并将获得的尖端位置以圆点900的形式显示在屏幕 86g上。对于那些覆盖着软骨的骨头表面，可采用尖锐的探针来刺穿 软骨，并收集骨头表面上位置点的信息(相对于软骨表面上的点)。类 似地，外科系统10产生出屏幕86h (见图33)，其指示使用者利用配 准探针涂抹胫骨T近端的表面。随着使用者对表面的涂抹(例如通过 将探针的尖端穿插过切口 128),外科系统10周期性地获得探针尖端 的位置，并将获得的尖端位置以圓点900的形式显示在屏幕上。与股 骨的情况一样，可使用尖锐的探针来刺穿任何软骨，从而收集到了骨 头表面上的位置点(与软骨表面上的点相对)。另外，可使用带钩的探 针，以利于收集位于胫骨高台后边缘处的点。在步骤S9中，触觉装置30被进行标定，以便于在触觉装置30 的坐标系与触觉装置跟踪器45之间建立起几何关系。如果触觉装置跟 踪器45被固定在触觉装置30上的永久位置上，则由于跟踪器45与触 觉装置30之间的几何关系是固定且已知的(例如在制造或组装过程 中，在初始标定时就可获得)，标定过程就是没必要的了。与此相反， 如果跟踪器45可相对于触觉装置30移动(例如，如果其上安装着跟 踪器45的臂件34是可调节的)，则标定过程就是必要的，以确定跟踪 器45与触觉装置30之间的几何关系。外科系统10通过产生出屏幕 87 (图34所示)来指示使用者对触觉装置30进行标定，由此来启动 标定程序。标定工作涉及的操作有将触觉装置跟踪器45固定在触觉 装置30上的固定位置处；将末端执行器跟踪器47临时固定到末端执 行器35上。然后，将末端执行器35移动到解剖体附近的不同位置处 (例如膝盖关节上方和下方的位置、膝盖关节内侧和外侧的位置)，与 此同时，跟踪系统40从跟踪器45和47获得关于它们相对于跟踪系统 40在各个位置时的姿态数据。此外，外科系统10基于从臂件33上位 置传感器获得的数据而确定出末端执行器35相对于触觉装置30的姿 态。利用获得的数据，外科系统10能计算出触觉装置跟踪器45与触 觉装置30坐标系之间的几何关系。然后，末端执行器跟踪器47可被 从触觉装置30上拆下。在手术过程中，外科系统IO可基于如下信息 确定出工具50的姿态(a )工具50与末端执行器35之间已知的几何 关系；(b)末端执行器35相对于触觉装置30的姿态(例如从臂件33 上的位置传感器获得)；(c )触觉装置30与触觉装置跟踪器45之间的 几何关系一在标定过程中确定出；以及(d)触觉装置30的总体位置 或大体位置(例如从触觉装置跟踪器45相对于跟踪系统40的姿态得 知)。如果触觉装置跟踪器45并不相对于触觉装置30移动，则由于前 面的标定过程和所获得的标定数据仍然是可靠的，则不必执行步骤S9 的标定过程。在步骤SIO中，使用者对用于将第一植入件植入到第一骨头上的 骨准备工作进行规划。在优选的实施方式中，第一骨头是胫骨T,第 一植入件是胫骨部件74，且通过在胫骨T的近端上选择安装胫骨部件 74的位置来对骨准备工作进行规划。为了便于对植入件的规划，外科 系统10产生出屏幕88b (见图35)，其具有第一骨头和第二骨头(分 别为胫骨T和股骨F)表像的各个视图。例如，屏幕88b可带有框 图800，其表示出了三维透视图；框图802，其表示了矢面图；框图 804，其表示了冠状图；以及框图806，其表示了横断面图。另外，框 图807可显示出选择按钮和与植入件布置和选择有关的数据(这些数
据例如是植入件的尺寸、深度、内/外角度、内翻/外翻角度、弯曲角度等)。另外，还可显示出股骨F的机械轴线(例如从髋部中心或股 骨头中心延伸向膝盖中心的轴线)和/或胫骨T的机械轴线(例如从膝 盖中心到踝骨中心的轴线)，以有助于对植入件的规划。使用者可选择 和显示多个不同的切片或三维的图像重建面，并将代表胫骨T (或股 骨F)表面的轮廓图重叠到切片图像上，以利于植入件的规划。在一 种实施方式中，外科系统10建议了尺寸适当的胫骨植入件和布置方 位，并将胫骨植入件的表像(或植入件模型)808b与胫骨T的表像联 系起来。为了对使用者提供视觉协助，外科系统10还可将胫骨植入件 的表像808b叠合到胫骨T的表像上。使用者可选择改变所提议的布 置方案。例如，使用者可改变植入件模型808b的尺寸、前/后位置、 内/外位置、以及转动(例如通过用鼠标拖拉或调整植入件模型808b)。 在其中一个框图中对植入件模型808b的改动使得其余框图中的植入 件模型808b也自动地更新。当使用者完成对胫骨的植入规划之后，外 科系统IO将选定的位置保存起来。在手术过程中，可在任何时候(例 如在骨准备之前、之中、和/或之后)重复进行植入件的规划操作，并 进行调整。例如可基于外科上的判断将胫骨部件74的位置选定成这样使胫 骨部件74在胫骨高台上基本上对中；将胫骨部件74定位在硬骨上， 以防止长时间后出现沉降；将胫骨部件74定位成与一个或多个界标具 有所需的距离；和/或基于由被跟踪的工具识别出的软骨表面上。在一 种实施方式中，使用者通过将植入件模型808b (图35所示)移动到 总的植入区域内来为胫骨部件74选定位置。利用框图806中的横断面 图，使用者可转动地调节植入件模型808b，以使得植入件模型808b 的平坦侧基本上平行于前十字性韧带(ACL)和后十字性韧带(PCL) 的连接点。框图807中的内外角度(标为"外部(External)")显示 的是最终形成的内/外角度。利用框图804中的冠状图，使用者可调节 植入件模型808b的内翻/外翻角度。框图807中的内翻/外翻角度(标 为"内翻"Varus)显示的是所形成的内翻/夕卜翻角度。利用框图802中 的矢状图，使用者可调节植入件模型808b的后坡面。框图807中的弯 曲角度(标为"弯曲"Flexion)显示的是所形成的弯曲角度。使用者可 通过调节框图807中的深度条(标为"深度")来调整植入件模型808b 在胫骨T中的深度。使用者还可利用框图807中的尺寸选择框(标为 "尺寸"Size)来改变植入件模型808b的尺寸。为了有助于对植入件模 型808b进行定位，使用者可利用框图807中的按钮(标为"显示轴 线"Display Axes )来显示出机械轴线。框图807还包括使得使用者能 在屏幕88b上同时显示胫骨和股骨植入件的按钮(标为"两植入 件"Both Implants )。在优选的实施方式中，当为胫骨部件74选择布置方案时，还考虑 到了膝盖关节缝隙中的软组织。例如，可这样来规划第一植入件(即 胫骨植入件74):使得胫骨部件74的上表面与关节间隙中软骨的顶面 对正。这样的方法可有利地保留了关节空间的自然结构，而这样的结 构能提高植入件的性能和服务寿命。在这样的实施方式中，对第一骨 头(即胫骨T)上方软骨表面的高度进行检测，并创建第一骨头的表 像和软骨表面高度的表像，且至少在部分上基于软骨表面的测得高度 来执行为将第一植入件植入到第一骨头中的骨准备工作。例如，可通 过将被跟踪探针的尖端放置在软骨顶面上的点上、并利用框图807中 的按钮(标为"映射点"Map Point)选择位置点，来对软骨的顶面进行 检测(或映射)。软骨表面高度的表像可包括数字表达(例如从第一骨 头到软骨表面的距离)和/或视觉表像(例如可被显示为框图800中点 809的映射点)。可对数个软骨点进行映射(例如前点、后点、内侧点 等)。使用者将第一植入件表像(即植入件模型808b)的至少一部分 与软骨表面高度的表像(即点809)对正，例如可通过对植入件模型 808b的深度进行调节，以使得植入件模型808b的上边缘与映射的软 骨点809对正，由此来完成上述的操作。因而，在这样的实施方式中， 外科系统10至少在部分上基于软骨在第一骨头区域内的测得位置、将 第一植入件的表像与第一骨头的表像关联起来。按照这种方式，可基 于胫骨高台上软骨的厚度来选择胫骨部件的深度。因而，外科系统IO 允许使用者将胫骨部件74的布置方案确定为这样在执行任何骨切除 之前，使胫骨部件74的顶面与软骨的顶面对正。如果需要的话，在步骤S10中，使用者还可在术前对第二植入件 (即股骨部件72)在第二骨头(即股骨F)上的初始布置进行规划。 但优选地是，步骤S10只包括对第一植入件(即胫骨部件74)的术前 规划。而股骨规划则被延后，直到完成了对胫骨T的刮刻(步骤Sll) 和试用(步骤S12)之后，以便于可基于胫骨试验件相对于股骨F的 位置来确定出股骨部件的尺寸、内部/外部转动、以及内侧/外侧位置。步骤Sll到S15包含了骨准备的过程。在步骤S11中，通过操纵 工具50来刮刻第一骨头，以此对第一骨头(例如胫骨T)进行整备， 以接纳第一植入件(例如胫骨部件74)。在步骤S12中，将试验植入 件装配到第一骨头上已准备好的特征上。在步骤S13中，对笫二植入 件(即股骨部件)的初始布置进行规划(或对之前规划的第二植入件 的放置再次访问并调整)。在步骤S14中，在完成了对第一骨头的准备 之后，对第二骨头(例如股骨F)进行准备，以接纳第二植入件。在 步骤S15中，将试验性植入件装配到第二骨头已准备好的特征上。例如可利用球形磨锥来刮刻骨头或对骨头进行修型，以使得骨头 的形状与植入件配对表面的形状基本上一致，由此来完成骨准备(或 刮刻)工作。使用者可选择是首先准备股骨F、还是先准备胫骨T。 在优选的实施方式中，首先对胫骨T进行准备(步骤Sll)，并将胫骨 的试验植入件装配到胫骨T已准备好的表面上(步骤S12 )。而后对股 骨部件72的布置进行规划(步骤S13 )，之后再对股骨F进行准备(步 骤S14)。这样的方法是有利的，原因在于使用者可基于胫骨试验植 入件与股骨F在腿处于各种弯曲状态时的物理关系来为股骨部件72 的布置进行规划。另外，在对胫骨T和股骨F进行刮刻之前，优选地 是，利用矢面锯将股骨F内侧后髁的一部分(例如3mm厚的部分) 去掉。去掉后髁的这个部分可减小后髁与胫骨部件74发生骨冲突的可 能性，并在膝盖关节中形成了另外的工作空间。在整个手术过程中，外科系统IO对解剖体的运动进行监控，以检 测解剖体的运动，并对计算机21和/或计算机31上运行的程序作适当 的调整。在一种实施方式中，外科系统IO响应于测得的运动对解剖体 的表像进行调整。例如，外科系统10响应于第一骨头(即胫骨T)的 运动对第一骨头的表像进行调整，并响应于第二骨头(即股骨F)的 运动对第二骨头的表像进行调整。外科系统IO还可响应于解剖体的测得运动对与解剖体相关的虛拟目标体进行调节。例如，虚拟目标体可 包括虛拟边界，其包含着植入件的表像(例如，虚拟边界可与植入件 的表面形状相对应)。在对骨准备工作进行规划时，外科系统10将植 入件的表像与其上将要植入植入件的骨头的表像关联起来。在手术过 程中，外科系统10响应于骨头的移动对虛拟边界进行调节。在步骤Sll中，通过操纵着工具50对第一骨头进行刮刻，来对第 一骨头进行准备，以便于接纳第一植入件。在一种实施方式中，通过 在胫骨T的近端上形成胫骨内侧包袋结构来对胫骨T进行准备。在安 装了胫骨部件74之后，胫骨内侧包袋结构将与胫骨部件74的表面74a 相配合(见图10B)。如图36所示，外科系统10显示出屏幕89,该 屏幕表示了胫骨T的图形表像，该表像例如包括要被去除的骨头部分 618的表像612、以及工具50的图形表像，其中，工具的表像表示出 了工具的尖端616a和工具的轴杆616b。屏幕89可选择性地显示出相 对骨头(即第二骨头或股骨F)的位置，以引导使用者，使使用者避 免在无意中切割相对骨头的表面。优选地是，要被切除的骨头部分618 的着色不同于周围骨头的颜色。例如，部分618可被着色成绿色，而 周围的骨头可被着色成白色。触觉装置30进入接近模式中，在该模式 中，触觉目标体(例如图1所示的触觉目标体300、图9所示的触觉 目标体310)为接近路线的形式，其协助使用者来对工具50的尖端进 行引导，以穿过切口 128,并移向患者身体上感兴趣的特征(即患者 解剖体上的骨头部分，其对应于屏幕89上图示表示的部分618)。在 接近模式中，工具50被停用，以防止工具50在穿过切口 128时发生 意外切割，且工具被导引向感兴趣的特征。例如当工具50的尖端接近 于与感兴趣的特征相关的预定点时，外科系统IO将触觉装置30自动 地置于触觉(磨削)模式。当触觉装置30被置于触觉模式时，外科系 统IO还启动了遮挡检测算法。遮挡检测算法是安全措施，在触觉装置30处于触觉(磨削)模式 时，不论在任何时候，如果触觉装置跟踪器45或解剖体跟踪器43a、 43b中的之一被遮挡住，则该算法就将工具50的动力切断。如果检测 到了被遮挡的状态，遮挡检测算法还可以在显示装置23上显示出警报 信息，并使声响警报器报警，和/或将工具50的动力关断。因而，在 跟踪系统40不能对工具50和解剖体的相对位置进行跟踪时，遮挡检 测算法可防止工具50对解剖体造成损伤。例如，在一种实施方式中， 如果遮挡检测算法检测到出现了被遮挡的状态，外科系统10就判断工 具50是否正在接触触觉目标体的触觉边界。如果工具50不与触觉边 界相接触，遮挡检测算法就将触觉装置30置于自由模式，从而，工具 50将随着患者移动，且如果必要的话，可从患者中撤出。当遮挡状态 结束时(例如当被遮挡的跟踪器变得再次可见时)，外科系统10将触 觉装置30置于接近模式，以使得使用者可重新开始进行手术。与此相 反，如果在遮挡状态期间外科系统10判断出工具50正在接触触觉边 界，遮挡检测算法就等待预定的时长(例如1秒钟)，以观察被遮挡的 跟踪器是否变为可见。如果触觉装置跟踪器45和解剖体跟踪器43a 和43b在预定的时长内全部变成可见的了，则重新进行触觉(磨削) 模式。不然的话，触觉装置30被置于自由模式，从而，工具50将随 着患者移动，如果必要的话，可被从患者中撤出。如上文的情况一样， 当遮挡状态结束时(例如当被遮挡的跟踪器变得再次可见时)，外科系 统10将触觉装置30置于接近模式，以使得使用者可重新开始进行手 术。一旦触觉装置30进入到触觉模式中之后，使用者就可进行骨刮刻 操作。为了刮刻骨头，使用者通过将触觉装置30的一部分(例如工具 50)在解剖体(例如骨头)的区域内移动而对触觉装置30进行操控。 从图37可最为清楚地看出，随着使用者使用工具50从骨头上去除材 料，外科系统10对屏幕89上胫骨T的图像进行更新，以表示出已被
去除的骨头深度。在去除骨头的过程中，触觉装置30向使用者施加力 反馈作用一例如根据其形状和体积与骨头要被去除的部分618相对应 的触觉目标体(例如图9中所示的触觉目标体206)进行。对于胫骨 内侧的表面特征，触觉目标体的边界例如可基本上对应于将要与胫骨 T的被刮刻表面相配的胫骨部件74的表面74a (如图10b所示)。力 反馈作用促使使用者将工具50的尖端保持在触觉目标体的边界内。例 如，力反馈作用对工具50进行约束，防止其越过触觉目标体的至少一 部分一例如虚拟边界。尽管触觉目标体是虚拟的，且工具50是在物理 空间中移动，但外科系统10将解剖体、触觉目标体、以及触觉装置 30与解剖体的表像联系了起来。因而，触觉目标体和工具50都与患 者的解剖体实现了配准。结果就是，虚拟的触觉目标体能限制或约束 实际工具50的运动。除了在骨刮刻过程中向使用者提供触觉引导之外，外科系统10 还向使用者提供了视觉反馈。例如，当工具50在部分618中的特定位 置处达到所需的切割深度时，特定位置的颜色可从绿色变成白色，以 指示不应再从该部位处去除骨头了。类似地，如果工具50的切割超出 了所需的深度，该特定位置的颜色可从白色变成红色，以警告使用者 其切得太深了。为了进一步降低对健康组织造成损伤的可能性，外科 系统IO还可被编程设置成切断工具50的动力，以防使用者切割太 深。在完成了对胫骨内侧包袋结构的刮刻时，使用者可发出信号(例 如利用脚踏板或其它输入装置25)，表明其已经准备形成新的特征、 或其希望将工具50撤出。在刮刻过程中，即使尚未完成对特征的塑造 工作，也可在任何时候将工具50撤出。例如，使用者可能希望将工具 50撤出，以更换工具的尖端、对手术部位进行冲洗、执行试验性的缩 减操作、重新进行植入件规划、解决出现的问题等。如果使用者发出 信号表示其希望将工具50撤出，则遮挡检测算法就被中止，触觉装置 30被置于自由模式，以完成工具50的撤出。步骤S12是试验性的缩减过程，在该过程中，第一植入件(即胫 骨部件74 )或试验植入件(例如胫骨试验件)被装配到第一骨头(即
胫骨T上已准备好的胫骨内侧包袋结构)上。使用者评价胫骨部件或 胫骨试验件的装配效果，并根据需要进行调整一例如重新进行植入件 的规划和/或骨刮刻，以实现更好的配合。在步骤S13中，在完成了对第一骨头的准备之后，使用者对用于 将第二植入件植入到第二骨头中的骨准备工作进行规划。在优选的实 施方式中，第二骨头是股骨F,第二植入件是股骨部件72，且通过在 将要安装股骨部件72的股骨F远端上选择位置来对骨准备工作进行 规划。如果股骨部件72事先已被规划好了 (例如在步骤S10中)，则 如果需要的话，可以重新考虑并调节先前的设置。与步骤S10—样， 外科系统10通过产生出屏幕88a (如图38所示)，以利于对植入件进 行规划。除了框图800、 802、 804、 806、以及807之外，屏幕88a与 用于对胫骨部件74进行规划的屏幕88b(见图35)类似，其包括了与 股骨部件72的布置相关的图像、数据、和选择按钮，并包括了第二植 入件(即股骨部件72 )的表像(植入件模型)808b。例如可相对于已有植入件的位置和周围的结构来确定股骨部件 72的位置。可按照与上文步骤SIO中处理软骨点相同的方式，利用受 跟踪的工具来对这些位置点进行映射。映射点包括关节中解剖学结构 (例如骨头、神经、软组织等)上的点、和/或关节中已有植入件上的 点(例如，边缘、拐角、表面、验证特征、凹窝、沟槽、中线标记等)。 已有的植入件例如包括第一植入件(即胫骨部件74 )、试验植入件(例 如胫骨试验件)、和/或以前手术的植入件。可在腿L处于从完全伸展 到完全弯曲之间的各种角度时选择这些位置点。例如，可在腿L处于 弯曲伸展时、处于90°时、以及完全弯曲时来映射位置点。在一种实 施方式中，膝盖关节被移动到第一状态(例如弯曲状态或伸展状态)， 在关节处于第一状态时，使用者确定出与关节中第一位置相对应的第 一位置点，膝盖关节被移动到第二状态(例如弯曲状态和伸展状态中 的另一者)，在关节处于第二状态时，使用者确定出与关节中第二位置 相对应的第二位置点。外科系统10在屏幕88a的框图800中显示出第 一、第二位置点(作为点810)。点810对使用者提供了帮助其使得
第二植入件(即股骨部件72)的布置实现了可视化。因而，使用者能 至少在部分上基于第一、第二位置点对用于将第二植入件植入到第二 骨头上的骨准备工作进行规划。在一种实施方式中，通过在腿处于伸展状态时映射绘制胫骨试验 植入件前边缘中心线上的第一位置点、并在腿弯曲时映射绘制胫骨试 验植入件前边缘中心线上的第二位置点，可确定出股骨部件72的尺寸 和位置。伸展时的位置点被用来设计股骨部件72的尺寸。例如，股骨 部件72的尺寸可被选择为这样使得胫骨部件74在膝盖移动到伸展 状态时不会越过股骨部件72的前边缘。弯曲时的位置点和伸展时的位 置点被一起用来确定股骨部件72的内部/外部转动，以确保股骨部件 72正确地座压在胫骨部件74(例如根据患者的正常运动范围和关节动 力学状况)。例如，第二植入件表像(例如股骨部件72鼓凸(keel) 72c的表像)的中心线可与弯曲位置点和伸展位置点对正。可选地是， 后"切口"边缘上的点可被用来确定股骨部件72的后方布置方案。在该 实施方式中，使用者通过将植入件模型808a(见图38)移动到总的植 入区域，可为股骨部件72选择位置。利用框图806中的横断面视图， 使用者转动地调节植入件模型808a，以使得植入件模型808a的中心 线与代表伸展和弯曲时的胫骨试验植入件的中心线对齐。框图807中 的内部/外部角度(标为"External")显示的是所形成的内部/夕卜部角度。 利用框图804中的冠状图，使用者可对植入件模型808a的内翻/外翻 角度进行调节。框图807中的内翻/外翻(标为"外翻"(Valgus))角 度显示的是所形成的内翻/外翻角度。利用框图802中的矢面图，使用 者对植入件模型808a的后方转动进行调节。框图807中的弯曲角度(标 为"弯曲"Flexion)显示所形成的弯曲角。在一种实施方式中，后方转 动被调节为这样使得股骨部件72的主干相对于骨头图像的解剖学轴 线处于约5°到8°的范围内。使用者可通过调节框图807中的深度条(标 为"深度"Depth)来调节植入件模型808a在股骨F中的远侧深度。使 用者还可利用框图807中的尺寸选择框(标为"尺寸")来改变植入件 模型808a的尺寸。按照这种方式，至少在部分上基于第一植入件在第一骨头(即胫骨T)上的测得位置，使第二植入件(植入件模型808a) 与第二骨头(即股骨F)的表像关联起来。在步骤S14中，通过操纵着工具50对第二骨头进行刮刻，来对第 二骨头进行准备，以便于接纳第二植入件。在一种实施方式中，通过 在股骨F的远端上形成股骨内侧表面、柱干、以及鼓凸结构来对股骨 F进行准备。在安装了股骨部件72之后，将股骨内侧表面、柱干、以 及鼓凸结构与股骨部件72的表面72a、柱干72b、以及鼓凸72c相配 合(见图IOA)。对股骨特征的制备基本上类似于胫骨内侧表面特征的 制备。如图39所示，外科系统10显示出屏幕91，该屏幕表示了股骨 F的图形表像。与准备胫骨的屏幕89—样，屏幕91包括要被去除的 骨头部分618的表像612、以及工具50的图形表像，其中，工具的图 形表像表示出了工具的尖端616a和工具的轴杆616b。屏幕91可选择 性地显示出相对骨头(即胫骨T)的位置，以引导使用者，使使用者 避免在无意中切割相对骨头的表面。与上文的情况相同，要被切除的 骨头部分618的着色优选地是不同于周围骨头的颜色。触觉装置30 进入接近模式中，在该模式中，触觉目标体(例如图1所示的触觉目 标体300、图9所示的触觉目标体310)为接近路线的形式，其协助使 用者来对工具50的尖端进行引导，以使其穿过切口 128，并移向患者 身体上感兴趣的特征(即患者解剖体上的骨头部分，其对应于屏幕91 上图示表示的部分618)。例如当工具50的尖端接近于与感兴趣的特 征相关的预定点时，外科系统10将触觉装置30自动地置于触觉(磨 削)模式。当触觉装置30被置于触觉模式时，外科系统10还启动了 遮挡检测算法。一旦触觉装置30进入到触觉模式中之后，使用者就可进行骨刮刻 操作。如图39所示，随着使用者使用工具50去掉骨头，外科系统IO 对屏幕91上股骨F的图像进行更新，以表示出已被去除的骨头深度。 在去除骨头的过程中，触觉装置30向使用者施加力反馈作用一例如根 据其形状和体积与要被去除的部分618相对应的触觉目标体(例如图 9中所示的触觉目标体208)进行。对于股骨内侧的表面特征，触觉目
标体的边界例如可基本上对应于将要与股骨F的被刮刻表面相配的股 骨部件72的表面72a (如图IOA所示)。力反馈作用促使使用者将工 具50的尖端保持在触觉目标体的边界内。在刮刻过程中，使用者可能会希望改变工具50。例如，在一种实 施方式中，使用者使用6mm的磨锥来形成大部分的股骨内侧表面特 征，并用2mm的磨锥来刮刻"拐角"(例如垂直壁面特征过渡到水平 底部特征的区域)。为了更换磨锥，使用者发出信号，表明其想将工具 50撤出。作为响应，遮挡检测算法被中止，触觉装置30被置于自由 模式，以允许工具50的撤出。 一旦磨锥更换完成之后，触觉装置被置 于接近模式，以使得使用者可将工具50送到手术部位，从而完成形成 股骨内侧表面特征的工作。在优选的实施方式中，在初始配准的步骤 S8中，在重新开始刮刻之前，使用者将工具50(或被跟踪的探针)与 设置在骨头(例如股骨F或胫骨T)上的标记相接触。该标记起到了 检查点的作用，该检查点使得外科系统IO能验证正确的系统结构。例 如，检查点可被用来验证跟踪系统40的构造是否正确(例如跟踪器是 否仍然相对于解剖体正确地对正，而没有被闭塞或遮挡等)、验证工具 50是否被正确地安装(例如是否正确地落座、轴杆是否不弯曲等)、 和/或验证其它物体是否被正确地安装/装配/组装等。如果该检查表明 系统的结构存在问题(例如，在更换工具的过程中，其中的一个跟踪 器被使用者碰到，现在没有对正)，就必须要重复进行配准操作(步骤 S8)。使用者在需要时可在任何时候执行这种检查点验证工作，以确认 系统的结构一例如当工具50被从患者中撤出、然后被重新插入到患者 中时可执行该工作。在完成了对股骨内侧表面特征的刮刻时，使用者 可发出信号(例如利用脚踏板或其它输入装置25)，表明其已经准备 形成股骨内侧柱干结构。在一种实施方式中，在形成内侧柱干结构之 前，使用者将用于形成股骨内侧表面结构拐角的2mm磨锥更换为 4mm的磨雄。刮刻股骨内侧柱干结构的过程基本上类似于刮刻股骨内侧表面特 征的过程。与股骨表面特征的情况相同，外科系统10显示出屏幕91(见图39)，该屏幕表示了股骨F的图形表像、要被去除的骨头部分 618的表像612、以及工具50的表像，可选地是，屏幕91还可显示出 相对骨头(即胫骨T)的表像，其中，工具50的表像表示出了工具尖 端616a的表像和工具轴杆616b的表像。与上文的情况相同，要被切 除的骨头部分618的着色优选地是不同于周围骨头的颜色。在一种实 施方式中，外科系统10仅在屏幕91上显示工具50尖端616a的表像。 但是，由于工具50的接近角度对于柱干和鼓凸结构的形成过程是至关 重要的，优选地是，在刮刻柱干和鼓凸结构特征时，外科系统10要指 示出所能允许的工具50轴杆倾斜角。例如，可显示出轴杆616b的表 像，以使得使用者能观察到轴杆616b相对于解剖体是如何定向的。因 而，使用者可判断在刮刻更深部分的股骨特征时轴杆是否擦着先前刮 刻的骨头壁(或其它物体)。屏幕91还表示出了工具角度(例如倾斜 角度)的数值。外科系统IO还包括这样的触觉目标体其形状被设计 成可将工具50轴杆的角度约束到预定的数值。在一种实施方式中，该 预定数值使得工具50的轴杆保持着与工具50所切入的骨表面基本上 垂直的状态。例如，预定的数值是相对于工具50所切入的骨头表面， 在约80°到90。的范围内。屏幕91还可包括对约束轴杆的触觉目标体 的图形描述，且如果工具的角度超过预定数值，屏幕可将触觉目标体 的颜色改变(例如改变为红色)。作为补充或替代措施，工具50可具 有套筒，其围绕着轴杆和/或工具50的尖端设置，其防止转动的轴杆 和/或尖端与骨头直接接触。触觉装置30进入接近模式中，在该模式中，触觉目标体(例如图 1所示的触觉目标体300、图9所示的触觉目标体310)为接近路线的 形式，其协助使用者来对工具50的尖端进行引导，使其朝向患者身体 上感兴趣的特征(即患者解剖体上的骨头部分，其对应于屏幕91上图 示表示的部分618)。例如当工具50的尖端接近于与感兴趣的特征相 关的预定点时，外科系统10将触觉装置30自动地置于触觉(磨削) 模式。如果遮挡检测算法在先前已被中止(例如在形成了股骨表面特 征之后为了将工具50撤出)，当触觉装置30进入触觉模式时，外科系
统10将遮挡检测算法启动。一旦触觉装置30进入到触觉模式中之后，使用者就可进行骨刮刻 操作。随着使用者使用工具50去除骨头，外科系统10对屏幕91上股 骨F的图像进行更新，以表示出已被去除的骨头深度。在去除骨头的 过程中，触觉装置30向使用者施加力反馈作用一例如根据其形状和体 积与要被去除的骨头部分618相对应的触觉目标体进行。对于股骨内 侧的柱干结构特征，触觉目标体的边界例如可基本上对应于将要与股 骨F的被刮刻表面相配的股骨部件72的柱干72a (如图10A所示) 的表面。在完成了对股骨内侧柱干特征时，使用者可发出信号(例如 利用脚踏板或其它输入装置25)，表明其已经准备形成股骨内侧鼓凸 结构。在一种实施方式中，在形成鼓凸结构之前，使用者将4mm的 磨锥更换为直线磨锥。如同上文结合股骨内侧表面结构的拐角所讨论 的那样，为了更换磨锥，使用者发出信号，表明其想将工具50撤出。 作为响应，遮挡检测算法被中止，触觉装置30被置于自由模式，以允 许工具50的撤出。 一旦更换了磨锥之后，使用者就可进行形成股骨内 侧鼓凸结构的工作。优选地是，使用者在重新启动骨刮刻工作之前， 执行上述的检查点验证操作。刮刻股骨内侧鼓凸结构的过程基本上类似于刮刻股骨内侧表面和 柱干特征的过程。与股骨表面特征和柱千特征的情况相同，外科系统 10显示出屏幕91 (见图39),该屏幕表示了股骨F的图形表像、要被 去除的骨头部分618的表像612、以及工具50的图形表像，可选地是， 屏幕91还可显示出相对骨头(即胫骨T)的表像，其中，工具50的 图形表像表示出了工具的尖端616a和工具的轴杆616b。与上文的情 况相同，要被切除的骨头部分618的着色优选地是不同于周围骨头的 颜色。另外，与上文结合股骨内侧柱干特征的情况进行讨论的一样， 屏幕91可包括这样的特征其使得使用者能对工具的角度进行监控， 以防止工具50的转动轴杆对周围的骨头造成损伤。触觉装置30进入接近模式中，在该模式中，触觉目标体(例如图 1所示的触觉目标体300、图9所示的触觉目标体310)为接近路线的
形式，其协助使用者来对工具50的尖端进行引导，以使其穿过切口 128，并移向患者身体上感兴趣的特征(即患者解剖体上的骨头部分， 其对应于屏幕91上图示表示的部分618)。例如当工具50的尖端接近 于与感兴趣的特征相关的预定点时，外科系统IO将触觉装置30自动 地置于触觉(磨削)模式。当触觉装置30进入触觉模式时，外科系统 10还将遮挡检测算法启动。 一旦触觉装置30进入到触觉模式中之后， 使用者就可进行骨刮刻操作。随着使用者使用工具50去掉骨头，外科 系统10对屏幕91上股骨F的图像进行更新，以表示出已被去除的骨 头深度。在去除骨头的过程中，触觉装置30向使用者施加力反馈作用 一例如根据其形状和体积与要被去除的部分618相对应的触觉目标体 进行。对于股骨内侧的鼓凸结构特征，触觉目标体的边界例如可基本 上对应于将要与股骨F的被刮刻表面相配的股骨部件72的鼓凸72c (如图IOA所示)的表面。在完成了对股骨内侧鼓凸特征时，使用者 可发出信号(例如利用脚踏板或其它输入装置25)，表明其想将工具 50从患者体内撤出。作为响应，外科系统10中止遮挡检测算法，将 触觉装置30置于自由模式，以允许工具50的撤出。步骤S15是试验性的缩减过程，在该过程中，第二植入件(即股 骨部件72 )或试验植入件(例如股骨试验件)被装配到股骨F上已准 备好的股骨内侧表面、柱干、鼓凸结构特征上。使用者评价股骨部件 72或股骨试验件的装配效果，并根据需要进行调整一例如重新进行植 入件的规划和/或骨刮刻，以实现更好的配合。在步骤S15中，还可对 胫骨T进行调整。为了有利于该试验性的缩减过程，外科系统10可 产生出屏幕(图中未示出)，其图示地表示了股骨F和胫骨T被跟踪 的运动，并显示出一些测量结果一例如弯曲、内翻/外翻、以及内部/ 外部转动角度。另外，股骨和/或胫骨的试验植入件可包括一些固有特征(例如凹窝、标记等)，在试验植入件被装配到骨头上之后，这些特 征可与被跟踪的探针相接触，以验证试验植入件。固有特征还可被用 来利用 一个植入件的位置确定另 一植入件的位置(例如在模块化植入 件的情况下)。如果使用者满意试验植入件的装配效果，使用者可开始
安装股骨部件72和胫骨部件74,进而完成手术过程。因而，本发明的实施方式提供了触觉引导系统和方法，其可取代微创手术中的直接目视、在关节矫形置换的场合中保留健康骨头、实现了在术中的适应和规划，并使得手术结果具有足够高的可重复性、可预测性、和/或精度，而与外科技能等级无关。对于本领域技术人员而言，从对文中所描述的本发明详细内容、实施形式、以及考虑因素，可明显地设想出其它的实施方式。本文的详细说明和实例应当仅被看作是示例性的。
权利要求
1.一种外科设备，其包括外科装置，其被设置成由使用者进行操控而对患者执行手术流程；以及计算机系统，其被编程设置成执行用于对外科装置进行控制的控制参数，以便于基于患者解剖体与外科装置一部分至少一个指标之间的关系，实现如下操作的至少之一向使用者提供触觉引导、以及限制使用者对外科装置的操控，其中的指标是位置、定向、速度、以及加速度；以及在手术过程中，响应于解剖体的运动而对控制参数进行调节。
2. 根据权利要求l所述的外科设备，其特征在于外科装置包括 臂件、与臂件相联的外科工具、以及与臂件和外科工具中至少之一相 联的接口。
3. 根据权利要求2所述的外科设备，其特征在于接口包括第一 部分和第二部分，第一部分被设计成使得使用者能改变臂件的构造， 第二部分被设计成使得使用者能将外科工具相对于臂件进行移动。
4. 根据权利要求3所述的外科设备，其特征在于第一部分包括 臂件的关节，第二部分包括臂件远端与外科工具中的至少之一。
5. 根据权利要求2所述的外科设备，其特征在于计算机系统被 编程设置成对外科装置进行控制，以便于基于外科工具相对于至少一 个因素的状态而产生出力、力矩、以及振动的至少之一，其中的因素 是与解剖体相关的虚拟目标体、涉及解剖体的参数、以及解剖体。
6. 根据权利要求l所述的外科设备，其特征在于外科装置包括 反馈机构；且计算机系统被设计成对反馈机构进行控制，以便于在使 用者操控外科装置时向使用者发送信息，其中的信息是关于外科装置 的所述部分相对于至少一个因素的位置的，其中的因素是与解剖体相 关的虚拟目标体、涉及解剖体的参数、以及解剖体。
7. 根据权利要求6所述的外科设备，其特征在于反馈机构包括 至少一台马达，其用于产生力、力矩、以及振动的至少之一。
8. 根据权利要求l所述的外科设备，其特征在于外科装置包括 至少 一个反馈机构，其被设计成向操控外科装置的使用者提供反馈作 用；以及，计算机系统被编程设置成对至少一个反馈机构进行控制， 以便于在使用者操控外科装置时，基于患者解剖体与所述至少一个指 标之间的关系，向使用者提供触觉引导作用，其中的指标是外科装置 所述部分的位置、定向、速度、以及加速度。
9. 根据权利要求8所述的外科设备，其特征在于至少一个反馈 机构包括马达，其被用于提供与使用者对外科装置的操控相反的力反 馈作用。
10. 根据权利要求9所述的外科设备，其特征在于计算机系统 被编程设置为允许使用者克服力反馈作用并将外科装置移动到所需的 位置。
11. 根据权利要求8所述的外科设备，其特征在于至少一个力 反馈机构包括用于产生振动的振荡器。
12. 根据权利要求1所述的外科设备，其特征在于计算机系统 被编程设置成利用阻抗控制对外科装置进行控制。
13. 根据权利要求1所述的外科设备，其特征在于计算机系统被 编程设置成至少在部分上基于与解剖体相关的虚拟目标体确定出控 制参数。
14. 根据权利要求1所述的外科设备，其特征在于计算机系统被 编程设置成响应于手术过程中解剖体的运动而调整与解剖体相关的 虚拟目标体，其中，该操作是通过对解剖体受检测的运动进行监控、 而后再响应于检测到的运动调节虚拟目标体来实现的。
15. 根据权利要求1所述的外科设备，其特征在于还包括用于 确定目标体姿态的检测装置。
16. 根据权利要求15所述的外科设备，其特征在于检测装置被 安装到外科装置上。
17. 根据权利要求16所述的外科设备，其特征在于检测装置可 相对于外科装置从第一位置移动到第二位置。
18. 根据权利要求16所述的外科设备，其特征在于检测装置相 对于外科装置的位置是固定的。
19. 根据权利要求15所述的外科设备，其特征在于还包括至少 一个可跟踪元件，其可被检测装置进行检测，且被设置成与要被跟踪 的目标体相连。
20. 根据权利要求19所述的外科设备，其特征在于至少一个可 跟踪元件包括标记阵列，其具有独特的几何格局，且当至少一个可跟 踪元件被连接到目标体上时，其相对于目标体具有已知的几何关系。
21. 根据权利要求19所述的外科设备，其特征在于计算机系统被 编程设置为如果在手术过程中检测装置不能检测到至少 一个可跟踪 元件，则向使用者示警。
22. 根据权利要求19所述的外科设备，其特征在于至少一个可 跟踪元件包括用于附接到解剖体上的固定装置。
23. 根据权利要求22所述的外科设备，其特征在于固定装置包 括至少一个骨钉。
24. 根据权利要求19所述的外科设备，其特征在于至少一个可 跟踪元件被布置到外科装置上。
25. 根据权利要求24所述的外科设备，其特征在于至少一个可 跟踪元件可相对于外科装置在第一位置与第二位置之间移动。
26. 根据权利要求24所述的外科设备，其特征在于至少一个可 跟踪元件的位置相对于外科装置是固定的。
27. 根据权利要求19所述的外科设备，其特征在于外科装置包 括臂件，其被设计成与外科工具相接合，其中，将至少一个可跟踪元 件设置为其被布置在臂件远端与外科工具的至少之一上。
28. 根据权利要求19所述的外科设备，其特征在于至少一个可 跟踪元件与探针相联。
29. 根据权利要求19所述的外科设备，其特征在于至少一个可 跟踪元件包括用于对探针的校准进行验证的特征。
30. 根据权利要求29所述的外科设备，其特征在于所述特征包 括凹窝。
31. 根据权利要求15所述的外科设备，其特征在于检测装置被 设计成与要被跟踪的目标体相连接。
32. 根据权利要求31所述的外科设备，其特征在于检测装置包 括用于附接到患者骨头上的固定装置。
33. —种外科设备，其包括触觉装置，其被设置成由使用者进行操控而对患者执行手术流程， 触觉装置包括至少一个反馈机构，该反馈机构被设置成向操控触觉装 置的使用者提供反馈作用；以及计算机系统，其被编程设置成执行用于对至少一个反馈机构进行 控制的控制参数，以便于在使用者操作触觉装置时、基于患者解剖体 与触觉装置一部分的至少一个指标之间的关系向使用者提供触觉引 导，其中的指标是位置、定向、速度、以及加速度。
34. 根据权利要求33所述的外科设备，其特征在于计算机系统被 编程设置成在手术过程中，响应于解剖体的运动而对控制参数进行 调节。
35. 根据权利要求33所述的外科设备，其特征在于触觉装置包 括臂件、与臂件相连的外科工具、以及与臂件和外科工具中至少之一 相关联的接口。
36. 根据权利要求34所述的外科设备，其特征在于接口包括第 一部分和第二部分，第一部分被设计成使得使用者能改变臂件的构造， 第二部分被设计成使得使用者能将外科工具相当于臂件进行移动。
37. 根据权利要求36所述的外科设备，其特征在于第一部分包 括臂件的关节，第二部分包括臂件远端与外科工具中的至少之一。
38. 根据权利要求34所述的外科设备，其特征在于计算机系统 被编程设置成对触觉装置进行控制，以便于基于外科工具相对于至少 一个因素的状态而产生出力、力矩、以及振动的至少之一，其中的因 素是与解剖体相关的虚拟目标体、涉及解剖体的参数、以及解剖体。
39. 根据权利要求33所述的外科设备，其特征在于计算机系统 被设计成对反馈机构进行控制，以便于在使用者操控触觉装置时向使 用者发送信息，其中的信息是关于触觉装置的所述部分相对于至少一 个因素的位置的，其中的因素是与解剖体相关的虚拟目标体、涉及解 剖体的参数、以及解剖体。
40. 根据权利要求33所述的外科设备，其特征在于反馈机构包 括至少一台马达，其用于产生力、力矩、以及振动的至少之一。
41. 根据权利要求33所述的外科设备，其特征在于至少一个反 馈机构包括马达，其被用于提供与使用者对触觉装置的操控相反的力 反馈作用。
42. 根据权利要求41所述的外科设备，其特征在于计算机系统 被编程设置为允许使用者克服力反馈作用并将触觉装置移动到所需的 位置。
43. 根据权利要求33所述的外科设备，其特征在于计算机系统 被编程设置成利用阻抗控制对触觉装置进行控制。
44. 根据权利要求33所述的外科设备，其特征在于计算机系统被 编程设置成至少在部分上基于与解剖体相关的虚拟目标体确定出控 制参数。
45. 根据权利要求33所述的外科设备，其特征在于计算机系统被 编程设置成响应于手术过程中解剖体的运动而调整与解剖体相关的 虛拟目标体，其中，该操作是通过对解剖体受检测的运动进行监控、 而后再响应于检测到的运动调节虚拟目标体来实现的。
46. 根据权利要求33所述的外科设备，其特征在于还包括用于 确定目标体姿态的检测装置。
47. 根据权利要求46所述的外科设备，其特征在于检测装置被 安装到触觉装置上。
48. 根据权利要求47所述的外科设备，其特征在于检测装置可 相对于触觉装置从第一位置移动到第二位置。
49. 根据权利要求47所述的外科设备，其特征在于检测装置相 对于触觉装置的位置是固定的。
50. 根据权利要求46所述的外科设备，其特征在于还包括至少 一个可跟踪元件，其可被检测装置进行检测，且被设置成与要被跟踪 的目标体相连。
51. 根据权利要求50所述的外科设备，其特征在于至少一个可 跟踪元件包括标记阵列，其具有独特的几何格局，且当至少一个可跟 踪元件被连接到目标体上时，其相对于目标体具有已知的几何关系。
52. 根据权利要求50所述的外科设备，其特征在于计算机系统被 编程设置为如果在手术过程中检测装置不能检测到至少 一个可跟踪 元件，则向使用者示警。
53. 根据权利要求50所述的外科设备，其特征在于至少一个可 跟踪元件包括用于附接到解剖体上的固定装置。
54. 根据权利要求53所述的外科设备，其特征在于固定装置包 括至少一个骨钉。
55. 根据权利要求50所述的外科设备，其特征在于至少一个可 跟踪元件被布置到触觉装置上。
56. 根据权利要求55所述的外科设备，其特征在于至少一个可 跟踪元件可相对于触觉装置在第一位置与第二位置之间运动。
57. 根据权利要求55所述的外科设备，其特征在于至少一个可 跟踪元件的位置相对于触觉装置是固定的。
58. 根据权利要求50所述的外科设备，其特征在于触觉装置包 括臂件，其被设计成与外科工具相接合，其中，将至少一个可跟踪元 件设置为其被布置在臂件远端与外科工具的至少之一上。
59. 根据权利要求50所述的外科设备，其特征在于至少一个可 跟踪元件与探针相联。
60. 根据权利要求50所述的外科设备，其特征在于至少一个可 跟踪元件包括用于对探针的校准进行验证的特征。
61. 根据权利要求60所述的外科设备，其特征在于所述特征包 括凹窝。
62. 根据权利要求46所述的外科设备，其特征在于检测装置被 设计成与要被跟踪的目标体相连接。
63. 根据权利要求62所述的外科设备，其特征在于检测装置包 括用于附接到患者骨头上的固定装置。
64. —种外科方法，其包括步骤 创建患者解剖体的表像；利用解剖体的表像将解剖体与外科装置关联起来； 通过使外科装置的一部分在解剖体的区域内移动而操控外科装 置，以对患者执行手术流程；基于解剖体的表像与外科装置一个部分的至少一个指标之间的关系，对外科装置进行控制，以提供触觉引导及对外科装置操控的限制 的至少之一，其中，指标是指位置、定向、速度、以及加速度；以及 在手术执行过程中，响应于解剖体的运动而调节解剖体的表像。
65. 根据权利要求64所述的方法，其特征在于还包括步骤定义 与解剖体的表像相关的参数。
66. 根据权利要求65所述的方法，其特征在于所述参数包括距离。
67. 根据权利要求65所述的方法，其特征在于还包括步骤 基于所述参数和外科装置所述部分的位置、定向、速度、以及加速度的至少之一，对外科装置进行控制，以提供触觉引导、以及对外 科装置操控的限制的至少之一 。
68. 根据权利要求64所述的方法，其特征在于还包括步骤将虛 拟目标体与解剖体的表像关联起来。
69. 根据权利要求68所述的方法，其特征在于还包括步骤 基于虚拟目标体和外科装置所述部分位置、定向、速度、以及加速度的至少之一，对外科装置进行控制，以实现至少一项操作提供 触觉引导、以及限制对外科装置的操控。
70. 根据权利要求68所述的方法，其特征在于还包括步骤 监控解剖体的位置，以检测解剖体的运动；以及响应于检测到的运动对虚拟目标体进行调节。
71. 根据权利要求68所述的方法，其特征在于对外科装置进行控 制的步骤包括操作约束外科装置的所述部分，防止其穿过虛拟目标 体的至少一个部分。
72. 根据权利要求68所述的方法，其特征在于虛拟目标体的至 少一个部分代表了要被从解剖体上去除的材料部分。
73. 根据权利要求68所述的方法，其特征在于虚拟目标体至少 一部分的形状基本上对应着要被装配到解剖体上的植入件的表面形 状。
74. 根据权利要求68所述的方法，其特征在于还包括步骤将虚 拟目标体的表像叠加到解剖体的表像上。
75. 根据权利要求68所述的方法，其特征在于虚拟目标体代表 从第一位置到第二位置的路线。
76. 根据权利要求75所述的方法，其特征在于第二位置包括解 剖体的目标区域。
77. 根据权利要求75所述的方法，其特征在于还包括步骤 激活虚拟目标体，以便于沿所述路线约束外科装置所述部分的运动；以及当外科装置的所述部分到达第二位置时，停止虚拟目标体的作用。
78. 根据权利要求77所述的方法，其特征在于还包括步骤 停止虚拟目标体的作用，以使得外科装置的所述部分偏离所述路线。
79. 根据权利要求64所述的方法，其特征在于外科装置包括臂 件、与臂件相连的外科工具、以及与臂件和外科工具中至少之一相关 联的接口。
80. 根据权利要求79所述的方法，其特征在于接口包括第一部 分和第二部分，第一部分被设计成使得使用者能改变臂件的构造，第二部分被设计成使得使用者能将外科工具相对于臂件进行移动。
81. 根据权利要求79所述的方法，其特征在于还包括步骤对接 口进行操控，以同时改变臂件的构造并使外科工具相对于臂件移动。
82. 根据权利要求64所述的方法，其特征在于对外科装置进行控 制的步骤包括操作控制反馈机构，以产生出力、力矩、以及振动的 至少之一。
83. 根据权利要求64所述的方法，其特征在于对外科装置进行控 制的步骤包括操作产生出与使用者对外科装置的操控相反的力反馈 作用。
84. 根据权利要求83所述的方法，其特征在于基于外科装置所 述部分向与解剖体表像相关的虚拟边界的接近程度确定力反馈。
85. 根据权利要求83所述的方法，其特征在于随着外科装置所 述部分接近于与解剖体表像相关的虚拟边界而增大力反馈的幅度。
86. 根据权利要求64所述的方法，其特征在于触觉引导向操控 外科装置的使用者发送信息，其中的信息是关于外科装置的所述部分 相对于至少一个因素的状态的，其中的因素是与解剖体的表像相关的 虚拟边界、涉及解剖体表像的参数、以及解剖体。
87. 根据权利要求64所述的方法，其特征在于还包括步骤对用 于控制外科装置的力反馈曲线偏移所需的数值。
88. 根据权利要求87所述的方法，其特征在于还包括步骤 存储所需的数值；以及 将所需数值与使用者联系起来。
89. 根据权利要求87所述的方法，其特征在于对力反馈曲线进行 偏移的步骤包括操作增大或减小触觉目标体的尺寸。
90. 根据权利要求87所述的方法，其特征在于对力反馈曲线进行 偏移的步骤包括操作增大或减小与外科装置相联的外科工具的表像 尺寸。
91. 根据权利要求64所述的方法，其特征在于还包括步骤对外 科装置的位置进行监控。
92. 根据权利要求64所述的方法，其特征在于还包括步骤创建 与外科装置相联的外科工具的表像。
93. 根据权利要求92所述的方法，其特征在于还包括步骤 随着使用者对外科装置进行操控以对患者执行手术，对外科工具的表像进行更新。
94. 根据权利要求92所述的方法，其特征在于外科工具的表像 包括对外科工具顶端与外科工具轴杆中至少之一的表像。
95. 根据权利要求92所述的方法，其特征在于还包括步骤 指示出外科工具轴杆所允许的倾斜角。
96. 根据权利要求64所述的方法，其特征在于还包括步骤 为要被从解剖体上去除的材料的至少一部分创建表像； 对外科装置进行操控，以从解剖体上去除材料；以及 为被外科装置去除的材料创建表像。
97. 根据权利要求96所述的方法，其特征在于还包括步骤 用第一种颜色为要被去除的材料部分创建表像；当已去除所需的材料量时，将被外科装置去除的材料的表像创建 为第二颜色；以及当被外科装置去除的材料超过所需的材料量时，将由外科装置去 除的材料的表像创建为第三颜色。
98. 根据权利要求64所述的方法，其特征在于还包括步骤 产生出至少一个显示图像，其被用于在整个手术过程中对操控外科装置的使用者进行引导。
99. 根据权利要求98所述的方法，其特征在于至少一个显示图 像促使使用者执行某一任务。
100. —种外科方法，其包括步骤 创建患者解剖体的表像；利用解剖体的表像将解剖体与触觉装置关联起来； 通过使触觉装置的一部分在解剖体的区域内移动而操控外科装置，以对患者执行手术流程，触觉装置包括至少一个反馈机构，其被用于在操控过程中产生反馈作用；以及在对触觉装置进行操控的过程中，基于患者解剖体的表像与触觉 装置一个部分至少一个指标之间的关系，对至少一个反馈机构进行控 制，以提供触觉引导，其中，指标是指位置、定向、速度、以及加速 度。
101. 根据权利要求100所述的方法，其特征在于还包括步骤在 手术执行过程中，响应于患者解剖体的移动而调节解剖体的表像。
102. 根据权利要求100所述的方法，其特征在于还包括步骤定 义与解剖体的表像相关的参数。
103. 根据权利要求102所述的方法，其特征在于所述参数包括 距离。
104. 根据权利要求102所述的方法，其特征在于还包括步骤 基于所述参数和触觉装置所述部分位置、定向、速度、以及加速度的至少之一，对触觉装置进行控制，以实现至少一项操作提供触 觉引导。
105. 根据权利要求100所述的方法，其特征在于还包括步骤将 虛拟目标体与解剖体的表像关联起来。
106. 根据权利要求105所述的方法，其特征在于还包括步骤 基于虚拟目标体和触觉装置所述部分位置、定向、速度、以及加速度的至少之一，对触觉装置进行控制，以提供触觉引导。
107. 根据权利要求105所述的方法，其特征在于还包括步骤 监控解剖体的位置，以检测解剖体的移动；以及响应于检测到的移动对虚拟目标体进行调节。
108. 根据权利要求105所述的方法，其特征在于对触觉装置进行 控制的步骤包括操作约束触觉装置的所述部分，防止其穿过虚拟目 标体的至少一个部分。
109. 根据权利要求105所述的方法，其特征在于虚拟目标体的 至少 一 个部分代表要被从解剖体上去除的材料部分。
110. 根据权利要求105所述的方法，其特征在于虚拟目标体的 至少一部分的形状基本上对应着要被装配到解剖体上的植入件的表面 形状。
111. 根据权利要求105所述的方法，其特征在于还包括步骤将 虛拟目标体的表像叠加到解剖体的表像上。
112. 根据权利要求105所述的方法，其特征在于虛拟目标体代 表从第一位置到第二位置的路线。
113. 根据权利要求112所述的方法，其特征在于第二位置包括 解剖体的目标区域。
114. 根据权利要求112所述的方法，其特征在于还包括步骤 激活虛拟目标体，以便于沿所述路线约束触觉装置所述部分的移动；以及当触觉装置的所述部分到达第二位置时，停止虚拟目标体的作用。
115. 根据权利要求114所述的方法，其特征在于还包括步骤 停止虚拟目标体的作用，以使得触觉装置的所述部分偏离所述路线。
116. 根据权利要求IOO所述的方法，其特征在于触觉装置包括 臂件、与臂件相连的外科工具、以及与臂件和外科工具中至少之一相 关联的接口。
117. 根据权利要求116所述的方法，其特征在于触觉装置包括第一部分和第二部分，第一部分被设计成使得使用者能改变臂件的构 造，第二部分被设计成使得使用者能将外科工具相对于臂件进行移动。
118. 根据权利要求116所述的方法，其特征在于还包括步骤对 接口进行操控，以同时改变臂件的构造并使外科工具相对于臂件移动。
119. 根据权利要求100所述的方法，其特征在于由反馈机构提 供的反馈作用包括力、力矩、以及振动的至少之一。
120. 根据权利要求100所述的方法，其特征在于由反馈机构产 生的反馈作用与使用者对触觉装置的操控相反。
121. 根据权利要求120所述的方法，其特征在于基于触觉装置 所述部分向与解剖体表像相关的虚拟边界的接近程度确定出反馈作 用。
122. 根据权利要求120所述的方法，其特征在于随着触觉装置 勿<wc《j "^/tiT节'J下"^^i个4A:^:B,J胜"J""^"i、T^吓 度。
123. 根据权利要求100所述的方法，其特征在于触觉引导向操 控外科装置的使用者发送信息，其中的信息是关于外科装置的所述部 分相对于至少一个因素的状态的，其中的因素是与解剖体的表像相关 的虚拟边界、涉及解剖体表像的参数、以及解剖体。
124. 根据权利要求100所述的方法，其特征在于还包括步骤对 用于控制触觉装置的力反馈曲线偏移所需的数值。
125. 根据权利要求124所述的方法，其特征在于还包括步骤 存储所需的数值；以及 将所需数值与使用者联系起来。
126. 根据权利要求124所述的方法，其特征在于对力反馈曲线进 行偏移的步骤包括操作增大或减小触觉目标体的尺寸。
127. 根据权利要求124所述的方法，其特征在于对力反馈曲线进 行偏移的步骤包括操作增大或减小与触觉装置相联的外科工具的表 像尺寸。
128. 根据权利要求100所述的方法，其特征在于还包括步骤对触觉装置的位置进行监控。
129. 根据权利要求100所述的方法，其特征在于还包括步骤创建与触觉装置相联的外科工具的表像。
130. 根据权利要求129所述的方法，其特征在于还包括步骤 随着使用者对触觉装置进行操控以对患者执行手术，对外科工具的表像进行更新。
131. 根据权利要求129所述的方法，其特征在于外科工具的表 像包括对外科工具顶端与外科工具轴杆中至少之一的表像。
132. 根据权利要求129所述的方法，其特征在于还包括步骤 指示出外科工具轴杆所允许的倾斜角。
133. 根据权利要求100所述的方法，其特征在于还包括步骤 为要被从解剖体上去除的材料的至少一部分创建表像； 对触觉装置进行操控，以从解剖体上去除材料；以及 为被外科装置去除的材料创建表像。
134. 根据权利要求133所述的方法，其特征在于还包括步骤 用第 一 种颜色为要被去除的材料部分创建表像； 当已去除所需的材料量时，将被触觉装置去除的材料的表像创建为第二颜色；以及当被触觉装置去除的材料超过所需的材料量时，将由触觉装置去 除的材料的表像创建为第三颜色。
135. 根据权利要求100所述的方法，其特征在于还包括步骤 产生出至少一个显示图像，其被用于在整个手术过程中对操控触觉装置的使用者进行引导。
136. 根据权利要求135所述的方法，其特征在于至少一个显示 图像促使使用者执行某一任务。
137. —种用于关节置换的方法，该方法包括步骤创建第一骨头的表像； 创建第二骨头的表像；为用于将第 一植入件植入到第 一骨头中的骨准备工作制定规划； 操控外科工具刮刻第一骨头，以此来对第一骨头进行准备，以接 纳第一植入件；在对第一骨头进行了准备之后，为用于将第二植入件植入到第二 骨头中的骨准备工作制定规划；以及操控外科工具刮刻第二骨头，以此来对第二骨头进行准备，以接 纳第二植入件。
138. 根据权利要求137所述的方法，其特征在于还包括步骤 在第一骨头的表像上指定界标；以及 在第二骨头的表像上指定界标。
139. 根据权利要求138所述的方法，其特征在于第一骨头表像上 的界标包括如下的至少之一内踝、外踝、转动界标、膝盖中心、髋 骨中心、内上髁、以及外上髁。
140. 根据权利要求138所述的方法，其特征在于第二骨头表像上 的界标包括如下的至少之一内踝、外踝、转动界标、膝盖中心、髋 骨中心、内上髁、以及外上髁。
141. 根据权利要求137所述的方法，其特征在于为用于植入第一 植入件的骨准备工作制定规划的步骤包括操作将第 一植入件的表像 叠加到第一骨头的表像上。
142. 根据权利要求137所述的方法，其特征在于为用于植入第二 植入件的骨准备工作制定规划的步骤包括操作将第二植入件的表像 叠加到第二骨头的表像上。
143. 根据权利要求137所述的方法，其特征在于为用于植入第一 植入件的骨准备工作制定规划的步骤包括操作将第 一植入件的表像与第一骨头的表像联系起来。
144. 根据权利要求137所述的方法，其特征在于为用于植入第二 植入件的骨准备工作制定规划的步骤包括操作将第二植入件的表像 与第二骨头的表像联系起来。
145. 根据权利要求137所述的方法，其特征在于为用于植入第一 植入件的骨准备工作制定规划的步骤包括操作对第 一植入件表像的 至少一个指标进行调节，其中的指标为深度、转动、内/外位置、前/ 后位置、内部/外部角度、内翻/夕卜翻角度、弯曲角度、以及尺寸。
146. 根据权利要求137所述的方法，其特征在于为用于植入第二 植入件的骨准备工作制定规划的步骤包括操作对第二植入件表像的 至少一个指标进行调节，其中的指标为深度、转动、内/外位置、前/ 后位置、内部/夕卜部角度、内翻/外翻角度、弯曲角度、以及尺寸。
147. 根据权利要求137所述的方法，其特征在于还包括步骤 在显示装置上显示第一植入件表像的至少一个指标，该指标为深度、内部/外部角度、内翻/夕卜翻角度、弯曲角度、以及尺寸。
148. 根据权利要求137所述的方法，其特征在于还包括步骤 在显示装置上显示第二植入件表像的至少一个指标，该指标为深度、内部/外部角度、内翻/外翻角度、弯曲角度、以及尺寸。
149. 根据权利要求137所述的方法，其特征在于为用于植入第一 植入件的骨准备工作制定规划的步骤包括操作至少在部分上基于第 一骨头区域内软骨的检测位置，将第一植入件的表像与第一骨头的表 像联系起来。
150. 根据权利要求137所述的方法，其特征在于还包括步骤响应于第一骨头的移动对第一骨头的表像进行调节。
151. 根据权利要求137所述的方法，其特征在于还包括步骤响 应于第二骨头的移动对第二骨头的表像进行调节。
152. 根据权利要求137所述的方法，其特征在于为用于植入第一 植入件的骨准备工作制定规划的步骤包括操作对第一骨头上方的软 骨表面的高度进行检测。
153. 根据权利要求152所述的方法，其特征在于为用于植入第一 植入件的骨准备工作制定规划的步骤包括操作将第一植入件表像的 至少一个部分与软骨表面高度的表像相对准。
154. 根据权利要求137所述的方法，其特征在于还包括步骤将 第一植入件装配到第一骨头上。
155. 根据权利要求154所述的方法，其特征在于为用于植入第二 植入件的骨准备工作制定规划的步骤包括操作至少在部分上基于第 一植入件在第一骨头上的检测位置，将第二植入件的表像与第二骨头 的表像联系起来。
156. 根据权利要求154所述的方法，其特征在于还包括步骤 将关节移动到第一位置；当关节处于第一位置时，识别出与关节中第一部位相对应的第一点；将关节移动到第二位置；当关节处于第二位置时，识别出与关节中第二部位相对应的第二 点；以及至少在部分上基于第一、第二点，为用于向第二骨头中植入第二 植入件的骨准备工作制定规划。
157. 根据权利要求156所述的方法，其特征在于将关节移动到第 一位置的步骤包括操作将关节移动到弯曲状态或伸展状态。
158. 根据权利要求156所述的方法，其特征在于将关节移动到第 二位置的步骤包括操作将关节移动到弯曲状态或伸展状态。
159. 根据权利要求156所述的方法，其特征在于第一部位与第 二部位的至少之一包括位于装配在第一骨头上的第一植入件上的部 位。
160. 根据权利要求156所述的方法，其特征在于第一部位与第 二部位的至少之一包括位于布置在关节中的已有植入件上的部位。
161. 根据权利要求156所述的方法，其特征在于为用于植入第二 植入件的骨准备工作制定规划的步骤包括操作使第二植入件表像的 中心线与第一、第二点对准。
162. 根据权利要求137所述的方法，其特征在于对第一骨头进行 准备的步骤包括操作对外科工具进行约束，以防止其出现如下的至 少一种情形越过与第一骨头表像相关的虚拟边界；超过针对第一骨 头的表像而限定的参数。
163. 根据权利要求137所述的方法，其特征在于对第二骨头进行 准备的步骤包括操作对外科工具进行约束，以防止其出现如下的至 少一种情形越过与第二骨头表像相关的虚拟边界；超过针对第二骨 头的表像而限定的参数。
164. 根据权利要求137所述的方法，其特征在于还包括步骤 利用外科工具对第一骨头进行刮刻；以及对外科工具进行约束，从而限制外科工具的顶端，防止其越过虛 拟边界。
165. 根据权利要求164所述的方法，其特征在于虚拟边界的至 少一个部分包括第一植入件的表像。
166. 根据权利要求164所述的方法，其特征在于虚拟边界至少 一部分的形状与第一植入件的表面形状相对应。
167. 根据权利要求164所述的方法，其特征在于还包括步骤响应于第一骨头的移动而对虛拟边界进行调节。
168. 根据权利要求137所述的方法，其特征在于还包括步骤 利用外科工具对第二骨头进行刮刻；以及对外科工具进行约束，从而限制外科工具的顶端，防止其越过虚 拟边界。
169. 根据权利要求168所述的方法，其特征在于虚拟边界的至 少一个部分包括第二植入件的表像。
170. 根据权利要求168所述的方法，其特征在于虚拟边界至少 一部分的形状与第二植入件的表面形状相对应。
171. 根据权利要求168所述的方法，其特征在于还包括步骤响 应于第二骨头的移动而对虚拟边界进行调节。
172. 根据权利要求137所述的方法，其特征在于对第一骨头进行 准备的步骤包括操作将要被从第一骨头上去除的材料部分的表像叠加到第一骨头的表 像上；以及利用被外科工具实际去除的材料部分的表像，对要被从第一骨头 上去除的材料部分的表像进行更新。
173. 根据权利要求172所述的方法，其特征在于要被去除的材 料部分对应于与第一骨头表像相关的虚拟目标体的至少一部分。
174. 根据权利要求137所述的方法，其特征在于对第二骨头进行 准备的步骤包括以下步骤将要被从第二骨头上去除的材料部分的表像叠加到第二骨头的表 <象上；以及利用被外科工具实际去除的材料部分的表像，对要被从第二骨头 上去除的材料部分的表像进行更新。
175. 根据权利要求174所述的方法，其特征在于要被去除的材 料部分对应于与第二骨头表像相关的虚拟目标体的至少一部分。
176. 根据权利要求137所述的方法，其特征在于还包括步骤 创建外科工具的表像；以及随着外科工具以及第一骨头和/或第二骨头的移动，对外科工具的 表像以及第 一 骨头表像和/或第二骨头表像进行更新。
177. 根据权利要求137所述的方法，其特征在于还包括步骤 将第一骨头和第二骨头的至少之一布置在支撑装置上；以及 启动支撑装置，以将第一骨头和/或第二骨头从第一位置移动到第二位置。
178. 根据权利要求177所述的方法，其特征在于启动支撑装置的 布置包括操作确定第一骨头和第二骨头中至少之一的实际姿态； 确定第一骨头和第二骨头中至少之一的所需姿态；以及 启动支撑装置，以将第一骨头和/或第二骨头从实际姿态移动到所 需姿态。
179. —种外科规划方法，其包括步骤 检测骨头上方软骨表面的高度； 创建骨头的表像以及软骨表面高度的表像；以及 至少在部分上基于检测到的软骨表面高度，对用于将植入件植入到骨头中的骨准备工作制定规划。
180. 根据权利要求179所述的方法，其特征在于为骨准备工作进 行规划的步骤包括操作使植入件表像的至少 一部分与软骨表面高度 的表像对准。
181. 根据权利要求179所述的方法，其特征在于为骨准备工作进 行规划的步骤包括操作对植入件表像的深度、转动、内/外位置、前 /后位置、内部/外部角度、内翻/夕卜翻角度、弯曲角度、以及尺寸中的 至少之一进行调节。
182. 根据权利要求179所述的方法，其特征在于还包括步骤 在显示装置上显示植入件表像的至少一个指标，该指标为深度、内部/外部角度、内翻/夕卜翻角度、弯曲角度、以及尺寸。
183. 根据权利要求180所述的方法，其特征在于软骨表面高度 的表像包括视觉表像和数字表像的至少之一 。
184. 根据权利要求180所述的方法，其特征在于还包括步骤将 植入件的表像叠加到骨头的表像上。
185. 根据权利要求179所述的方法，其特征在于还包括步骤将 植入件的表像与骨头的表像联系起来。
186. 根据权利要求179所述的方法，其特征在于还包括步骤 利用外科工具对骨头进行刮刻；以及对外科工具进行约束，从而限制外科工具的顶端，防止其越过虚 拟边界。
187. 根据权利要求186所述的方法，其特征在于虚拟边界的至 少 一 个部分包括植入件的表像。
188. 根据权利要求186所述的方法，其特征在于虚拟边界至少 一部分的形状与植入件的表面形状相对应。
189. 根据权利要求179所述的方法，其特征在于还包括步骤 刮刻骨头以接纳植入件；以及 将植入件装配到骨头上。
190. 根据权利要求189所述的方法，其特征在于还包括步骤 为关节的第二骨头创建表像；将关节移动到第一位置；当关节处于第一位置时，识别出与关节中第一部位相对应的第一点；将关节移动到第二位置；当关节处于第二位置时，识别出与关节中第二部位相对应的第二 点；以及至少在部分上基于第一、第二点，为用于向第二骨头中植入第二 植入件的骨准备工作制定规划。
191. 根据权利要求190所述的方法，其特征在于将关节移动到第 一位置的步骤包括操作将关节移动到弯曲状态或伸展状态。
192. 根据权利要求l卯所述的方法，其特征在于将关节移动到第 二位置的步骤包括操作将关节移动到弯曲状态或伸展状态。
193. 根据权利要求190所述的方法，其特征在于第一部位与第 二部位的至少之一包括位于装配在骨头上的植入件上的部位。
194. 根据权利要求190所述的方法，其特征在于第一部位与第 二部位的至少之一包括位于布置在关节中的已有植入件上的部位。
195. 根据权利要求190所述的方法，其特征在于为用于植入第二 植入件的骨准备工作制定规划的步骤包括操作使第二植入件表像的 中心线与第一、第二点对准。
196. 根据权利要求190所述的方法，其特征在于为用于植入第二 植入件的骨准备工作制定规划的步骤包括操作对第二植入件表像的 深度、转动、内/夕卜位置、前/后位置、内部/夕卜部角度、内翻/夕卜翻角度、 弯曲角度、以及尺寸中的至少之一进行调节。
197. 根据权利要求190所述的方法，其特征在于还包括步骤将 第二植入件的表像叠加到第二骨头的表像上。
198. 根据权利要求190所述的方法，其特征在于还包括步骤 在显示装置上显示第二植入件表像的至少一个指标，该指标为深度、内部/外部角度、内翻/外翻角度、弯曲角度、以及尺寸。
199. 根据权利要求190所述的方法，其特征在于还包括步骤将 第二植入件的表像与第二骨头的表像联系起来。
200. 根据权利要求190所述的方法，其特征在于还包括步骤 利用外科工具对第二骨头进行刮刻；以及对外科工具进行约束，从而限制外科工具的顶端，防止其越过虚 拟边界。
201. 根据权利要求200所述的方法，其特征在于虚拟边界的至 少一个部分包括第二植入件的表像。
202. 根据权利要求200所述的方法，其特征在于虚拟边界至少 一部分的形状与第二植入件的表面形状相对应。
203. 根据权利要求200所述的方法，其特征在于还包括步骤响 应于第二骨头的移动对虛拟边界进行调节。
204. —种外科规划方法，其包括步骤创建关节骨头的表像； 将关节移动到第一位置；当关节处于第一位置时，识别出与关节中第一部位相对应的第一点；将关节移动到第二位置；当关节处于第二位置时，识别出与关节中第二部位相对应的第二 点；以及至少在部分上基于第一、第二点，为用于向骨头中植入植入件的 骨准备工作制定规划。
205. 根据权利要求204所述的方法，其特征在于将关节移动到第 一位置的步骤包括操作将关节移动到弯曲状态或伸展状态。
206. 根据权利要求204所述的方法，其特征在于将关节移动到第 二位置的步骤包括操作将关节移动到弯曲状态或伸展状态。
207. 根据权利要求204所述的方法，其特征在于第一部位与第 二部位的至少之一包括位于布置在与关节相对骨头上的植入件上的部 位。
208. 根据权利要求204所述的方法，其特征在于第一部位与第 二部位的至少之一包括位于布置在关节中的第二植入件上的部位。
209. 根据权利要求204所述的方法，其特征在于骨准备的规划步 骤包括操作使植入件表像的中心线与第一、第二点对准。
210. 根据权利要求204所述的方法，其特征在于骨准备的规划步 骤包括操作对植入件表像的深度、转动、内/外位置、前/后位置、 内部/夕卜部角度、内翻/外翻角度、弯曲角度、以及尺寸中的至少之一 进行调节。
211. 根据权利要求204所述的方法，其特征在于还包括步骤将 植入件的表像叠加到骨头的表像上。
212. 根据权利要求204所述的方法，其特征在于还包括步骤 在显示装置上显示植入件表像的至少一个指标，该指标为深度、内部/外部角度、内翻/夕卜翻角度、弯曲角度、以及尺寸。
213. 根据权利要求204所述的方法，其特征在于还包括步骤将 植入件的表像与骨头的表像联系起来。
214. 根据权利要求204所述的方法，其特征在于还包括步骤 利用外科工具对骨头进行刮刻；以及对外科工具进行约束，从而限制外科工具的顶端，防止其越过虚 拟边界。
215. 根据权利要求214所述的方法，其特征在于虚拟边界的至 少 一个部分包括植入件的表像。
216. 根据权利要求214所述的方法，其特征在于虚拟边界至少 一部分的形状与植入件的表面形状相对应。
217. 根据权利要求214所述的方法，其特征在于还包括步骤响 应于骨头的移动对虚拟边界进行调节。
全文摘要
一种外科设备，其包括外科装置和计算机系统，其中的外科装置被设置成由使用者进行操控而在患者上执行手术流程。计算机系统被编程设置成执行用于对外科装置进行控制的控制参数，以便于基于患者解剖体与外科装置一部分至少一个指标之间的关系，实现如下操作的至少之一向使用者提供触觉引导、以及限制使用者对外科装置的操控，其中的指标是位置、定向、速度、以及加速度；以及在手术过程中，响应于解剖体的移动而对控制参数进行调节。
文档编号A61B19/00GK101160104SQ200680012488
公开日2008年4月9日 申请日期2006年2月21日 优先权日2005年2月22日
发明者A·E·奎德, A·S·杜加尔, A·莫泽斯, B·哈加, D·C·米尔斯, D·摩西, H·康, J·萨尔西多, L·K·阿拉塔, M·罗奇, M·费雷, P·埃比特, R·A·阿博维茨, R·汉德, S·伊尔斯利, S·格劳瑟, S·艾莉, T·贝克韦尔, W·塔皮亚 申请人:马科外科公司