專利名稱：觸覺引導(dǎo)系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種外科系統(tǒng)，更具體而言，本發(fā)明涉及一種用于矯 形關(guān)節(jié)置換的外科系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
微創(chuàng)手術(shù)(MIS)是指經(jīng)小切口實(shí)施的外科手術(shù)，這種手術(shù)的切 口顯著地小于傳統(tǒng)外科方法所需的切口。例如，在諸如全膝置換手術(shù) 等的整形外科場(chǎng)合中，MIS的切口長(zhǎng)度可控制在約4到6英寸的范圍 內(nèi)，而傳統(tǒng)全膝手術(shù)的切口長(zhǎng)度通常是在約6到12英寸的范圍內(nèi)。由 于切口長(zhǎng)度較小，MIS手術(shù)過程的侵害性通常要小于傳統(tǒng)外科方法， MIS手術(shù)減小了對(duì)軟組織的損傷，減輕了術(shù)后疼痛，促進(jìn)患者在術(shù)后 盡早活動(dòng)，縮短了住院時(shí)期，并加速了術(shù)后復(fù)原。
MIS的一個(gè)缺點(diǎn)在于小的切口尺寸削弱了外科醫(yī)生觀察并接近 解剖體的能力。例如，在微創(chuàng)矯形關(guān)節(jié)置換手術(shù)中，對(duì)關(guān)節(jié)部位的觀 察和接近能力受限，這將會(huì)增大評(píng)估正確植入位置、并對(duì)骨頭進(jìn)行整 形的復(fù)雜性。結(jié)果就是，精確地布置植入件將變得更為困難。用于克 服這些問題地常規(guī)技術(shù)例如包括外科導(dǎo)航術(shù)(surgical navigation )、
將腿定位成使得關(guān)節(jié)獲得最佳的暴露狀態(tài)、以及采用特別設(shè)計(jì)的小尺 寸儀器及復(fù)雜的外科技巧。但是，這些技術(shù)通常需要大量的專業(yè)器械、 大量的訓(xùn)練課程、以及高超的技巧。此外，某個(gè)外科醫(yī)生的手術(shù)結(jié)果 以及多個(gè)不同外科醫(yī)生的手術(shù)結(jié)果都不具有足夠的可預(yù)測(cè)性、重復(fù)性、
和/或精確性。結(jié)果就是，植入件的性能以及使用壽命對(duì)于不同的患者 是因人而異的。
在整形外科的場(chǎng)合下，無論是MIS還是傳統(tǒng)的外科方法都存在一 個(gè)缺點(diǎn)當(dāng)對(duì)骨頭進(jìn)行準(zhǔn)備以接納植入件時(shí)，不僅病變的骨頭被去掉 了，健康的骨頭也被連同去掉了。例如，全膝置換手術(shù)需要在膝蓋的 三個(gè)隔區(qū)(compartment )上各去除多達(dá)1/2英寸的骨頭。用于保留健 康骨的一種常見方案是進(jìn)行局部(或單隔區(qū))的膝蓋置換，在此條件 下，膝蓋上只有一個(gè)隔區(qū)受到了損傷。單隔區(qū)的方法涉及到這樣的操 作僅在膝蓋的一個(gè)隔區(qū)上去除已損壞部分或患有關(guān)節(jié)炎的部分。例 如，REPICCI 的單髁膝蓋系統(tǒng)通常需要從膝蓋的一個(gè)隔區(qū)上去除約 1/4英寸的骨頭。REPICCI 系統(tǒng)需要利用球形磨錐經(jīng)微創(chuàng)切口徒手對(duì) 骨頭進(jìn)行刮刻，該微創(chuàng)切口的長(zhǎng)度通常約為3英寸。球形磨錐使得切 面呈現(xiàn)為圓形形狀，而這樣的形狀是無法用外科鋸再造出來的。但是， 相比于使用傳統(tǒng)的切割鋸或?qū)т徠鞯姆椒ǎ绞帜ハ鞯姆椒ㄊ请y于掌 握的，需要外科醫(yī)生具有更高的手工刮刻技能。結(jié)果就是，徒手切割 操作需要很高的技能，以使得手術(shù)結(jié)果能實(shí)現(xiàn)足夠的可預(yù)測(cè)性、重復(fù) 性、和/或精確性。此外，REPICCI⑧技術(shù)和傳統(tǒng)的外科方法無法形成 具有復(fù)雜幾何形狀或高曲度幾何形狀的切面。因而，這些方法通常需 要隨病變/損壞的骨頭去除至少部分的健康骨頭。
MIS與傳統(tǒng)矯形外科方法共有的另一個(gè)缺點(diǎn)在于這些方法不能 使使外科醫(yī)生以協(xié)作的方式提高自身的外科技能。例如，用于進(jìn)行關(guān) 節(jié)置換的某些常規(guī)方法使用自主機(jī)械手系統(tǒng)來協(xié)作外科醫(yī)生。但這些 系統(tǒng)一般主要是用來加強(qiáng)骨頭的機(jī)械加工工作的，其中，通過如下的 操作可加強(qiáng)加工工作利用高速磨錐執(zhí)行自動(dòng)切削操作；或者將鉆具 的引導(dǎo)件移動(dòng)就位、并在外科醫(yī)生經(jīng)引導(dǎo)件插入切割刀具時(shí)保持鉆具
引導(dǎo)件的位置。盡管這些系統(tǒng)能精確地完成骨切除工作，從而能改善 植入件的配合和置換狀況，但它們的工作方式是自主完成的(而不是 與外科醫(yī)生協(xié)作完成的)，從而需要外科醫(yī)生向機(jī)械手讓出一定程度的
控制權(quán)。自主系統(tǒng)的另一些缺點(diǎn)包括機(jī)械手的尺寸大、人機(jī)工程性 差、需要在配準(zhǔn)及切削過程中剛性地夾住骨頭、為了使機(jī)械手獲得足 夠的接近性而增大切口長(zhǎng)度、且由于系統(tǒng)的自主特性而使外科醫(yī)生和 管理機(jī)構(gòu)對(duì)其的認(rèn)可度有限。
另外一些常見的機(jī)械手系統(tǒng)包括與外科醫(yī)生相互交互配合的機(jī)械 手。普通交互式機(jī)械手系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)在于這些系統(tǒng)缺乏適應(yīng)手術(shù) 方案規(guī)劃(planning)的能力、以及為動(dòng)態(tài)的手術(shù)進(jìn)行環(huán)境實(shí)施實(shí)時(shí) 導(dǎo)航的能力。例如，第10/470314號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)(公告號(hào)為US 2004/0128026)公開了 一種交互式的機(jī)械手系統(tǒng)，且該系統(tǒng)中編程設(shè) 置有三維的虛擬限界區(qū)域，患者被配準(zhǔn)(register)到該區(qū)域內(nèi)，其中， 該專利文獻(xiàn)的內(nèi)容被結(jié)合到本申請(qǐng)中作為參考。該機(jī)械手系統(tǒng)具有三 自由度(3-DOF)的臂件，臂件帶有配備了力傳感器的手柄。外科醫(yī) 生利用手柄來操作臂件，從而移動(dòng)切割刀具。需要借助于手柄來使臂 件移動(dòng)，因而，力傳感器能測(cè)量由外科醫(yī)生施加到手柄上的作用力。 然后，利用測(cè)得的作用力來控制電機(jī)，以協(xié)作或阻止切割刀具的運(yùn)動(dòng)。 例如，在膝蓋置換手術(shù)過程中，患者的股骨和脛骨被相對(duì)于機(jī)械手系 統(tǒng)固定就位。在外科醫(yī)生向手柄施加作用力以移動(dòng)切割刀具時(shí)，隨著 切割刀具逐漸接近虛擬限界區(qū)域的邊界，交互式機(jī)械手系統(tǒng)將向切割 刀具施加增大的阻力，以限制切割刀具的運(yùn)動(dòng)。按照這種方式，在進(jìn) 行骨準(zhǔn)備工作時(shí)，機(jī)械手系統(tǒng)通過將切割刀具保持在虛擬限界區(qū)域中， 可對(duì)外科醫(yī)生進(jìn)行引導(dǎo)。但是，與上述的自主式系統(tǒng)一樣，交互式機(jī) 械手系統(tǒng)的作用主要是在于增強(qiáng)對(duì)骨的加工作業(yè)。交互式機(jī)械手系統(tǒng) 還需要相應(yīng)的解剖體被剛性地約束起來，且機(jī)械手系統(tǒng)被固定在粗略 的位置上，因而，缺乏對(duì)手術(shù)進(jìn)行中情景的實(shí)時(shí)適應(yīng)能力。此外，臂 件的3-DOF構(gòu)造、以及需要外科醫(yī)生利用力手柄來操控臂件的需求導(dǎo) 致機(jī)械手系統(tǒng)的靈活性和靈巧性有限，使得機(jī)械手系統(tǒng)不適用于某些
MIS應(yīng)用場(chǎng)合。
考慮到上述狀況，需要研制這樣的外科系統(tǒng)在矯形關(guān)節(jié)置換的 應(yīng)用場(chǎng)合中，其能以顯像微創(chuàng)外科手術(shù)的形式直接置換多余的健康骨， 實(shí)現(xiàn)了手術(shù)進(jìn)行中的適應(yīng)性、并實(shí)現(xiàn)了外科手術(shù)規(guī)劃，不論醫(yī)生的技 術(shù)為任何等級(jí)，該系統(tǒng)所獲得的手術(shù)結(jié)果都具有足夠的可預(yù)測(cè)性、重 復(fù)性、和/或精確性。外科系統(tǒng)不必為了先進(jìn)而滿足所有需求或部分需 求，但滿足這些需求的系統(tǒng)將是更為理想的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的 一個(gè)方面涉及一種外科設(shè)備。該外科設(shè)備包括計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)和外科裝置，該設(shè)備被設(shè)置成由使用者進(jìn)行操控而在患者上執(zhí)行手 術(shù)流程。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被編程設(shè)置成執(zhí)行用于對(duì)外科裝置進(jìn)行控制的 控制參數(shù)，以便于基于患者解剖體與外科裝置一部分至少一個(gè)指標(biāo)之 間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)如下操作的至少之一向使用者提供觸覺引導(dǎo)、以及 限制使用者對(duì)外科裝置的操控，其中的指標(biāo)是位置、定向、速度、以 及加速度；以及在手術(shù)過程中，響應(yīng)于解剖體的移動(dòng)而對(duì)控制參數(shù)進(jìn) 行調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的另一方面涉及一種外科設(shè)備。該外科設(shè)備包括一種觸覺 裝置，其被設(shè)計(jì)成由使用者進(jìn)行操控而在患者上執(zhí)行手術(shù)流程。觸覺 裝置包括至少一個(gè)反饋機(jī)構(gòu)，其被設(shè)計(jì)成向操控觸覺裝置的使用者提 供反饋。該外科設(shè)備還包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其被編程設(shè)置成基于患者 解剖體與觸覺裝置一部分的至少一個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系，在使用者操控 觸覺裝置時(shí)，執(zhí)行用于對(duì)至少一個(gè)反饋機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制的控制參數(shù)，以 便于向使用者提供觸覺引導(dǎo)，其中的指標(biāo)是位置、定向、速度、以及 力口速度。
本發(fā)明的再一方面涉及一種外科方法。該外科方法包括步驟創(chuàng) 建患者解剖體的表像(representation);利用解剖體的表像將解剖體 與外科裝置關(guān)聯(lián)起來；通過使外科裝置的一部分在解剖體的區(qū)域內(nèi)移 動(dòng)而操控外科裝置，以在患者上執(zhí)行手術(shù)流程；基于解剖體的表像與 外科裝置一個(gè)部分至少一個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系，對(duì)外科裝置進(jìn)行控制，
以實(shí)現(xiàn)如下的至少一種操作一觸覺引導(dǎo)及限制對(duì)外科裝置的操控，其
中，指標(biāo)是指位置、定向、速度、以及加速度；以及在手術(shù)執(zhí)行過程 中，響應(yīng)于解剖體的移動(dòng)而調(diào)節(jié)解剖體的表像。
本發(fā)明的另一方面涉及一種外科方法。該外科方法包括步驟創(chuàng) 建患者解剖體的表像；利用解剖體的表像將解剖體與觸覺裝置關(guān)聯(lián)起 來；通過使觸覺裝置的一部分在解剖體的區(qū)域內(nèi)移動(dòng)而操控觸覺裝置， 以在患者上執(zhí)行手術(shù)流程，其中，觸覺裝置包括至少一個(gè)反饋機(jī)構(gòu)， 其被設(shè)置成在操控過程中提供反饋?zhàn)饔?。該外科方法還包括步驟在 對(duì)觸覺裝置進(jìn)行操控的過程中，基于患者解剖體的表像與觸覺裝置一 個(gè)部分至少 一個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系，對(duì)至少 一個(gè)反饋機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制以提 供觸覺引導(dǎo)，其中的指標(biāo)是位置、定向、速度、以及加速度。
本發(fā)明的又一方面涉及一種用于關(guān)節(jié)置換的方法。該方法包括步 驟創(chuàng)建第一骨頭的表像；創(chuàng)建第二骨頭的表像；為用于將第一植入 件植入到第一骨頭中的骨準(zhǔn)備工作制定規(guī)劃；操控外科工具刮刻第一 骨頭，以此來對(duì)第一骨頭進(jìn)行準(zhǔn)備，以利于接納第一植入件；在對(duì)第 一骨頭進(jìn)行了準(zhǔn)備之后，為用于將第二植入件植入到第二骨頭中的骨 準(zhǔn)備工作制定規(guī)劃；以及操控外科工具刮刻第二骨頭，以此來對(duì)第二 骨頭進(jìn)行準(zhǔn)備，以利于接納第二植入件。
本發(fā)明的再一方面涉及一種外科規(guī)劃方法。該外科規(guī)劃方法包括 步驟檢測(cè)骨頭上方軟骨表面的高度；創(chuàng)建骨頭的表像以及軟骨表面 高度的表像；以及，至少在部分上基于檢測(cè)到的軟骨表面高度，對(duì)用 于將植入件植入到骨頭中的骨準(zhǔn)備工作制定規(guī)劃。
本發(fā)明的另一方面涉及一種外科規(guī)劃方法。該外科規(guī)劃方法包括 步驟創(chuàng)建關(guān)節(jié)骨頭的表像；將關(guān)節(jié)移動(dòng)到第一位置；當(dāng)關(guān)節(jié)處于第 一位置時(shí)，識(shí)別出與關(guān)節(jié)中第一部位相對(duì)應(yīng)的第一點(diǎn)；將關(guān)節(jié)移動(dòng)到 第二位置；當(dāng)關(guān)節(jié)處于第二位置時(shí)，識(shí)別出與關(guān)節(jié)中第二部位相對(duì)應(yīng) 的笫二點(diǎn)；以及，至少在部分上基于第一、第二點(diǎn)，為用于向骨頭中 植入植入件的骨準(zhǔn)備工作制定規(guī)劃。


附圖被包含在本說明書中，并作為說明書的組成部分，其表示了 本發(fā)明的實(shí)施方式，并與文字描述一起來解釋本發(fā)明的原理。在附圖中圖1中的立體圖表示了根據(jù)本發(fā)明的外科系統(tǒng)的一種實(shí)施方式； 圖2A中的立體圖表示了根據(jù)本發(fā)明的觸覺裝置的一種實(shí)施方式； 圖2B中的立體圖表示了根據(jù)本發(fā)明的觸覺裝置的一種實(shí)施方式； 圖2C是圖2A所示觸覺裝置的立體圖，其表示了根據(jù)本發(fā)明的觸 覺裝置操作方式的實(shí)施方式；圖3中的立體圖表示了圖2A所示觸覺裝置中末端執(zhí)行器的實(shí)施方式；圖4中的立體圖表示了根據(jù)本發(fā)明的解剖跟蹤器的實(shí)施方式；圖5中的立體圖表示了根據(jù)本發(fā)明的觸覺裝置的實(shí)施方式；圖6A中的立體圖表示了根據(jù)本發(fā)明的末端執(zhí)行器跟蹤器的實(shí)施方式；圖6B中的立體圖表示了圖5A所示的末端執(zhí)行器被連接到觸覺裝 置上時(shí)的情形；圖7是根據(jù)本發(fā)明的器械跟蹤器的一種實(shí)施方式的立體圖； 圖8表示了根據(jù)本發(fā)明的機(jī)械跟蹤系統(tǒng)的一種實(shí)施方式； 圖9中的立體圖表示出了股骨和脛骨，該視圖表示了根據(jù)本發(fā)明 的觸覺目標(biāo)體的圖示表像的一種實(shí)施方式；圖10A中的立體圖表示了根據(jù)本發(fā)明的股骨構(gòu)件的一種實(shí)施方式；圖10B中的立體圖表示了根據(jù)本發(fā)明的脛骨構(gòu)件的一種實(shí)施方式；圖11A中的圖線表示的是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的力反饋曲線；圖11B中的圖線表示了當(dāng)圖IIA所示的力反饋曲線被移動(dòng)到左側(cè)時(shí)的情形；圖lic是根據(jù)本發(fā)明的斥力觸覺目標(biāo)體的一種實(shí)施方式的圖示表像；圖llD是根據(jù)本發(fā)明的斥力觸覺目標(biāo)體的一種實(shí)施方式的圖示表像；圖IIE是根據(jù)本發(fā)明的虛擬工具的實(shí)施方式的圖示表像；圖IIF是根據(jù)本發(fā)明的虛擬工具的實(shí)施方式的圖示表像；圖IIG表示了根據(jù)本發(fā)明的圖形選擇界面的一種實(shí)施方式；圖IIH表示了根據(jù)本發(fā)明的圖形選擇界面的一種實(shí)施方式；圖12表示了根據(jù)本發(fā)明的CAS系統(tǒng)的顯示器的實(shí)施方式；圖13中的方框圖表示了根據(jù)本發(fā)明的、用于單髁膝蓋置換手術(shù)的方法的實(shí)施方式；圖14A表示了根據(jù)本發(fā)明的腿保持器的實(shí)施方式； 圖14B表示了根據(jù)本發(fā)明的腿保持器的實(shí)施方式； 圖15表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式，該屏幕表示了根據(jù)本發(fā)明的分割步驟；圖16表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式，該屏幕表示了根據(jù)本發(fā)明的分割步驟；圖17表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式，該屏幕表示了根據(jù)本發(fā)明的界標(biāo)選擇步驟；圖18表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式，該屏幕表示了根據(jù)本發(fā)明的界標(biāo)選擇步驟；圖19表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式，該屏幕表示了根據(jù)本發(fā)明的界標(biāo)選擇步驟；圖20表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式，該屏幕表示了根據(jù)本發(fā)明的界標(biāo)選擇步驟；圖2l表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式，該屏幕表示了根據(jù)本發(fā)明的界標(biāo)選擇步驟；圖22表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式，該屏幕表示了根據(jù)本發(fā)明的界標(biāo)選擇步驟；圖23表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式，該屏幕表示了根據(jù)本
發(fā)明的界標(biāo)選擇步驟；圖24表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式 發(fā)明的探針校準(zhǔn)確認(rèn)步驟；圖25表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式 發(fā)明的解剖跟蹤器安裝步驟；圖26表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式 發(fā)明的配準(zhǔn)步驟；圖27表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式 發(fā)明的配準(zhǔn)步驟；圖28表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式 發(fā)明的配準(zhǔn)步驟；圖29表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式 發(fā)明的配準(zhǔn)步驟；圖30表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式 發(fā)明的配準(zhǔn)步驟；圖31表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式 發(fā)明的配準(zhǔn)步驟；圖32表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式 發(fā)明的配準(zhǔn)步驟；圖33表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式 發(fā)明的配準(zhǔn)步驟；圖34表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式 發(fā)明的觸覺裝置校準(zhǔn)步驟；圖35表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式 發(fā)明的、對(duì)植入件的放置進(jìn)行規(guī)劃的步驟；圖36表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式 發(fā)明的骨準(zhǔn)備步驟；圖37表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式發(fā)明的骨準(zhǔn)備步驟；該屏幕表示了根據(jù)本 該屏幕表示了根據(jù)本 該屏幕表示了根據(jù)本 該屏幕表示了根據(jù)本 該屏幕表示了根據(jù)本 該屏幕表示了根據(jù)本 該屏幕表示了根據(jù)本 該屏幕表示了根據(jù)本 該屏幕表示了根據(jù)本 該屏幕表示了根據(jù)本 該屏幕表示了根據(jù)本 該屏幕表示了根據(jù)本 該屏幕表示了根據(jù)本 該屏幕表示了根據(jù)本
圖38表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式，該屏幕表示了根據(jù)本 發(fā)明的、對(duì)植入件的放置進(jìn)行規(guī)劃的步驟；圖39表示了外科導(dǎo)航屏幕的一種實(shí)施方式，該屏幕表示了根據(jù)本 發(fā)明的骨準(zhǔn)備步驟；圖40中的方框圖表示了根據(jù)本發(fā)明的觸覺呈現(xiàn)方法的一種實(shí)施方式；圖41是被疊置起來的多個(gè)觸覺目標(biāo)體的表像； 圖42表示了根據(jù)本發(fā)明的3D幾何觸覺目標(biāo)體的實(shí)施方式； 圖43中的框圖表示了根據(jù)本發(fā)明的、基于多邊形體的觸覺呈現(xiàn)方 法的實(shí)施方式；圖44表示了根據(jù)本發(fā)明的多邊形表面目標(biāo)體的實(shí)施方式；圖45表示了根據(jù)本發(fā)明的體素位圖的實(shí)施方式；圖46A表示了根據(jù)本發(fā)明的體素查詢表的實(shí)施方式；圖46B表示了根據(jù)本發(fā)明的多邊形查詢表的實(shí)施方式；圖47表示了根據(jù)本發(fā)明的虛擬引導(dǎo)線實(shí)施方式的實(shí)現(xiàn)形式；圖48中的圖線表示了坐標(biāo)變換；圖49A表示了虛擬代理點(diǎn)的方位； 圖49B表示了虛擬代理點(diǎn)的方位；圖50中的流程圖表示了根據(jù)本發(fā)明的觸覺呈現(xiàn)算法的實(shí)施方式； 圖51A圖示地表示了主動(dòng)性的多邊形優(yōu)先行為； 圖51B圖示地表示了優(yōu)先依據(jù)多邊形的行為； 圖51C圖示地表示了優(yōu)先連續(xù)表面的行為； 圖51D圖示地表示了優(yōu)先最小作用力的行為； 圖52A圖示地表示了增強(qiáng)的凹拐角行為在x-y面內(nèi)的表像；以及 圖52B圖示地表示了增強(qiáng)的凹拐角行為在y-z面內(nèi)的表像。
具體實(shí)施方式
附圖表示了本發(fā)明當(dāng)前的優(yōu)選實(shí)施方式。盡管本說明書主要針對(duì) 的是涉及膝關(guān)節(jié)的整形外科過程，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明所述的主題也 適用于人體中的其它關(guān)節(jié)，例如肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、脊關(guān)節(jié)、 髖關(guān)節(jié)、或踝關(guān)節(jié)，本發(fā)明的主題還適用于其它任何的矯形和/或肌骨 骼植入件，這些植入件包括由常用材料制成的植入件和較為奇異的植 入件，例如生物矯形的、輸送藥物的植入件以及輸送細(xì)胞的植入件。圖l表示了根據(jù)本發(fā)明的外科系統(tǒng)10的一種實(shí)施方式。該外科系 統(tǒng)10包括運(yùn)算系統(tǒng)20、觸覺裝置30、以及跟蹤(或定位)系統(tǒng)40。 在工作中，該外科系統(tǒng)IO能進(jìn)行全面的、處于手術(shù)進(jìn)行過程中的外科 規(guī)劃。在使用者執(zhí)行外科手術(shù)的過程中，外科系統(tǒng)IO還向使用者(例 如外科醫(yī)生)提供了觸覺引導(dǎo)和/或限制使用者對(duì)觸覺裝置30的操控。運(yùn)算系統(tǒng)20包括用于對(duì)外科系統(tǒng)IO進(jìn)行操作和控制的硬件及軟 件。如圖l所示，運(yùn)算系統(tǒng)20包括計(jì)算機(jī)21、顯示裝置23、以及輸 入裝置25。運(yùn)算系統(tǒng)20還可包括手推車29。計(jì)算機(jī)21可以是任何已有的運(yùn)算系統(tǒng)，但優(yōu)選地是可編程的、基 于處理器類型的系統(tǒng)。例如，計(jì)算機(jī)21可包括微處理器、硬盤、隨機(jī) 訪問存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、輸入/輸出(I/O)電路、 以及任何其它公知的計(jì)算機(jī)部件。優(yōu)選地是，計(jì)算機(jī)21適于與多種類 型的儲(chǔ)存裝置(固定安裝型與可拆卸型)配套使用，這些儲(chǔ)存裝置例 如是便攜式驅(qū)動(dòng)器、磁性存儲(chǔ)器(例如軟盤)、固態(tài)存儲(chǔ)器(例如閃存 卡)、光學(xué)存儲(chǔ)器(例如CD盤或壓縮盤)、和/或網(wǎng)絡(luò)/互聯(lián)網(wǎng)儲(chǔ)存器。 計(jì)算機(jī)21可包括一臺(tái)或多臺(tái)電腦，例如包括以Windows、 MS-DOS、 UNIX、或其它合適的操作系統(tǒng)為操作系統(tǒng)的個(gè)人計(jì)算機(jī)(例如 IBM-PC兼容計(jì)算機(jī))或工作站(例如SUN或Smcon Graphics工作 站)，優(yōu)選地是，其中的操作系統(tǒng)具有圖形用戶界面(GUI)。在一種 實(shí)施方式中，計(jì)算機(jī)21包括從MAKO SURGICAL CORPTM購(gòu)得的、 產(chǎn)品識(shí)別號(hào)碼為0040TAS00001的導(dǎo)航才莫塊。顯示裝置23是運(yùn)算系統(tǒng)20與使用者之間的視覺界面。顯示裝置 23與計(jì)算機(jī)21相連，其可以是適于顯示文字、圖像、圖形、和/或其 它視覺輸出信息的任何裝置。例如，顯示裝置23可包括標(biāo)準(zhǔn)的顯示屏 (例如LCD、 CRT、等離子顯示器等)、觸摸屏、佩帶式顯示器(例如 眼睛或護(hù)目鏡等的眼鏡用品)、投影顯示器、頭戴式顯示器、全息顯示
器、和/或其它視像輸出裝置。顯示裝置23可被布置在計(jì)算機(jī)21上或 計(jì)算機(jī)的附近(例如位于圖1所示的手推車29上)，或者也可遠(yuǎn)離計(jì) 算機(jī)21 (例如安裝在手術(shù)室的墻壁上、或適于使用者觀察的其它位置 上)。優(yōu)選地是，顯示裝置23是可調(diào)節(jié)的，從而在外科手術(shù)的進(jìn)行過 程中，使用者可根據(jù)需要對(duì)顯示裝置23進(jìn)行定位/重新定位。例如， 顯示裝置23可被布置在與手推車29相連的可調(diào)節(jié)臂件(圖中未示出) 上，或者可被布置在易于使用者觀察的任何其它位置上。顯示裝置23 可被用于顯示對(duì)醫(yī)療過程有用的任何信息，該信息例如是由圖像數(shù)據(jù) 集(利用常用的成像技術(shù)獲得)生成的解剖體的圖像、圖形模型(例 如植入件、器械、解剖體等的CAD模型)、被跟蹤物體(例如解剖體、 刀具、植入件等)的圖形表像、數(shù)字或視頻圖像、配準(zhǔn)信息、校準(zhǔn)信 息、患者的數(shù)據(jù)、使用者的數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)、軟件菜單、選擇按鈕、 狀態(tài)信息等。除了顯示裝置23之外，運(yùn)算系統(tǒng)20可包括聲學(xué)裝置(圖中未示 出)，以便于向使用者提供聲響反饋。聲學(xué)裝置與計(jì)算機(jī)21相連，其 可以是用于發(fā)出聲音的任何現(xiàn)有裝置。例如，聲學(xué)裝置可包括揚(yáng)聲器 和聲卡、集成有音頻支持功能的主板、和/或外部的聲音控制器。在工 作中，聲學(xué)裝置可被設(shè)計(jì)成向使用者發(fā)送信息。例如，計(jì)算機(jī)21可被 編程設(shè)置成向聲學(xué)裝置發(fā)送信號(hào)，以產(chǎn)生出聲音，該聲音例如是合成 的語音指示"DONE"，以指示外科流程的某個(gè)步驟已經(jīng)完成。類似地， 聲學(xué)裝置可被用于向使用者提供關(guān)于敏感狀態(tài)的警報(bào)，例如發(fā)出嗶嗶 聲以指示外科切割刀具正在接近軟組織的臨界部分。運(yùn)算系統(tǒng)20的輸入裝置25使得使用者能與外科系統(tǒng)10進(jìn)行通 訊。輸入裝置25與計(jì)算機(jī)21相連，其可以包括允許使用者向計(jì)算機(jī) 進(jìn)行輸入的任何裝置。例如，輸入裝置25可以是公知的輸入裝置，譬 如鍵盤、鼠標(biāo)、軌跡球、觸摸屏、觸控墊、聲音識(shí)別硬件、撥盤、開 關(guān)、按鈕、可跟蹤的探針、腳踏板、遙控裝置、掃描器、攝像機(jī)、麥 克風(fēng)、和/或操縱桿。運(yùn)算系統(tǒng)20 (整體或部分)可被布置在手推車29上，以節(jié)省空
間，減小運(yùn)算系統(tǒng)20的物理占用面積，和/或?qū)崿F(xiàn)可移動(dòng)性。手推車 29例如可以是現(xiàn)有的手推車、平臺(tái)、或設(shè)備支架，且優(yōu)選地是，其被 設(shè)計(jì)成使得運(yùn)算系統(tǒng)20易于移動(dòng)。例如，如圖l所示，手推車29可 包括滾動(dòng)構(gòu)件28 (例如滾輪或腳輪)，以使得手推車29可被移動(dòng)。手 推車29還可包括用于將其固定就位的機(jī)構(gòu)。例如，手推車29上可設(shè) 置有車輪鎖止件或滾動(dòng)構(gòu)件28的制動(dòng)件、腳踏鎖止裝置、舉升支架、 和/或用于將手推車固定在位置上的其它現(xiàn)有機(jī)構(gòu)。按照這種方式，手 推車29可將運(yùn)算系統(tǒng)20從一個(gè)地點(diǎn)移動(dòng)到另一地點(diǎn)，并按照各種外 科狀況所必需的那樣進(jìn)行定位，且在儲(chǔ)放及手術(shù)的過程中固定在所需 的位置上。作為備選方案，運(yùn)算系統(tǒng)20 (整體或部分)可被安裝在將 要執(zhí)行外科手術(shù)流程的空間(例如安裝在墻壁或工作臺(tái)上)、安裝在遠(yuǎn) 處的地點(diǎn)處、與觸覺裝置30集成到一起、與成像裝置(例如計(jì)算斷層 照相裝置CT、磁共振成像裝置MRI、熒光檢查裝置、超聲裝置等) 集成到一起、和/或與醫(yī)療系統(tǒng)(例如位于執(zhí)行外科流程的空間的醫(yī)療 設(shè)備推車)集成到一起。運(yùn)算系統(tǒng)20適于使外科系統(tǒng)10能完成與外科規(guī)劃、導(dǎo)航、圖像 引導(dǎo)、和/或觸覺引導(dǎo)相關(guān)的各種功能。例如，計(jì)算機(jī)21可具有運(yùn)算 算法、程序規(guī)劃、以及軟件等功用，這些功用與基本操作、數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 及讀取、計(jì)算機(jī)輔助外科(CAS)、應(yīng)用、觸覺控制、和/或任何其它 合適的功能相關(guān)。在一種實(shí)施方式中，運(yùn)算系統(tǒng)20包括用在導(dǎo)航模塊 中的軟件，該導(dǎo)航模塊是從MAKO SURGICAL CORPTM購(gòu)得的、產(chǎn) 品識(shí)別號(hào)碼為0040TAS00001。與一般操作相關(guān)的功用被設(shè)計(jì)成可完成基本的運(yùn)算功能，該基本 運(yùn)算功能實(shí)現(xiàn)并支持著外科系統(tǒng)10的總體工作?；静僮鞴τ美绨?括用于快速圖形處理功能的公知特性、用于支持輸入/輸出(I/O) 裝置的功能、用于與醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接的功能、用于管理數(shù)據(jù)庫(kù)(例 如植入件和器械數(shù)據(jù)庫(kù))的功能、用于保證系統(tǒng)安全(例如登錄特點(diǎn)、 訪問限制等)的功能、和/或用于支持外科系統(tǒng)10總體工作的其它有 用功能。 與數(shù)據(jù)儲(chǔ)存及提取相關(guān)的功用被設(shè)計(jì)成可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種格式數(shù)據(jù)的 儲(chǔ)存和訪問，其中的數(shù)據(jù)例如是圖像數(shù)據(jù)(例如利用任何合適的成像機(jī)理獲得的二維或三維圖像數(shù)據(jù)集，其中的成像機(jī)理例如是x-射線、計(jì)算機(jī)斷層照相CT、磁共振MR、正電子放射斷層照相PET、單光 子放射計(jì)算機(jī)層析掃描SPECT、超聲等)、應(yīng)用數(shù)據(jù)、植入件的數(shù)據(jù)、 器械的數(shù)據(jù)、解剖體模型數(shù)據(jù)、患者數(shù)據(jù)、使用者的優(yōu)選數(shù)據(jù)等。數(shù)與計(jì)算機(jī)輔助外科相關(guān)的功用被設(shè)計(jì)成能實(shí)現(xiàn)外科手術(shù)規(guī)劃、導(dǎo) 航、以及由基礎(chǔ)圖像引導(dǎo)的外科性能。例如，如公知的那樣，CAS應(yīng) 用可包括如下的功能從圖像數(shù)據(jù)集產(chǎn)生出圖像并顯示圖像數(shù)據(jù)的功 能、用于確定外科器械頂端位置以及軸線定向的功能、用于使患者與 圖像數(shù)據(jù)集配準(zhǔn)以調(diào)整跟蹤系統(tǒng)40的構(gòu)架的功能。這些功能例如使得 運(yùn)算系統(tǒng)20能在顯示裝置23上顯示出關(guān)于被跟蹤的手術(shù)器械疊置在 患者解剖體的一個(gè)或多個(gè)圖像上的虛擬表像，并能在手術(shù)的進(jìn)行過程中實(shí)時(shí)地更新被跟蹤器械的虛擬表像。從圖像數(shù)據(jù)集產(chǎn)生出的圖像可 以是二維圖像，或者在圖像數(shù)據(jù)集為三維圖像數(shù)據(jù)集的情況下，圖像 例如是基于圖像數(shù)據(jù)集的分段進(jìn)行重建所得的三維圖像。在顯示裝置 23上顯示一個(gè)以上圖像的情況下，優(yōu)選地是，運(yùn)算系統(tǒng)20將被跟蹤 器械的表像在多個(gè)不同的圖像之中進(jìn)行協(xié)調(diào)。作為由圖像數(shù)據(jù)集所生 成的圖像的補(bǔ)充或替代，運(yùn)算系統(tǒng)20可使用解剖模型(例如基于CAD 模型、線條圖、草圖、卡通圖、藝術(shù)性透視圖、通用數(shù)據(jù)集或變體數(shù) 據(jù)集等)。與外科系統(tǒng)10的應(yīng)用相關(guān)的功用包括一些特定的應(yīng)用程序，這些 程序被設(shè)計(jì)成通過手術(shù)規(guī)劃和導(dǎo)航來協(xié)助使用者。與應(yīng)用性功用有關(guān) 的程序可被設(shè)計(jì)成用在多種醫(yī)療過程中和/或可被定制成專用于某種 特定的醫(yī)療過程。例如，應(yīng)用性的功用可包括與一個(gè)或多個(gè)矯形過程 有關(guān)的程序，其中的矯形過程例如是全膝置換、部分膝蓋置換、髖置 換、肩關(guān)節(jié)置換、肘關(guān)節(jié)置換、腕關(guān)節(jié)置換、踝關(guān)節(jié)置換、脊骨外科 手術(shù)、和/或安裝矯形植入件和/或肌骨骼植入件，這些植入件包括由
常用材料制成的植入件和較為奇異的植入件，例如生物矯形的、輸送 藥物的植入件以及輸送細(xì)胞的植入件。應(yīng)用性的功用可被用在外科規(guī) 劃和導(dǎo)航的各個(gè)方面一包括手術(shù)前的活動(dòng)、手術(shù)進(jìn)行中的活動(dòng)、以及 手術(shù)后的活動(dòng)。例如，應(yīng)用功用可包括針對(duì)于規(guī)劃和設(shè)置的程序或方法，這些程序或方法例如為系統(tǒng)初始化方法、規(guī)劃方法、可^L化方法、 診斷成〗象方法、配準(zhǔn)方法、以及校準(zhǔn)方法。應(yīng)用性的功用還可包括與 目標(biāo)體跟蹤和系統(tǒng)控制相關(guān)的程序或方法，這些程序或方法例如是坐 標(biāo)變換方法、插值方法、工具及功率控制方法、解剖體定位方法、模 式控制方法、安全方法、梗塞檢測(cè)算法、以及前向的運(yùn)動(dòng)學(xué)算法。應(yīng) 用性的功用可包括與觸覺裝置30相關(guān)的程序或方法，此程序或方法例 如是觸覺力運(yùn)算方法、觸覺力映射方法、用于產(chǎn)生觸覺目標(biāo)體的方法、 以及觸覺呈現(xiàn)算法。應(yīng)用性的功用還可包括在手術(shù)過程中與使用者進(jìn) 行通訊的程序和方法_例如用于顯示與手術(shù)流程特定步驟相對(duì)應(yīng)的頁(yè) 面或圖像的軟件、用于促使使用者執(zhí)行某一任務(wù)的軟件、以及用于向 使用者提供反饋(例如視覺反饋、聲響反饋、觸感反饋、和/或力反饋) 的軟件。與觸覺控制相關(guān)的功用被設(shè)計(jì)成可實(shí)施與觸覺裝置30的控制、性 能、穩(wěn)定性、和/或安全性有關(guān)的各種功能。例如，觸覺控制功用可包 括實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)(RTOS)、運(yùn)動(dòng)控制軟件、用于為觸覺裝置30的 控制提供高頻度更新的硬件和軟件、用于確保觸覺裝置30失效保障工 作(例如對(duì)制動(dòng)件的控制、對(duì)冗余傳感器的監(jiān)控等)的軟件、和/或適 于改善或促進(jìn)觸覺裝置30性能及穩(wěn)定性和/或安全性的其它任何功用。 觸覺控制功用可由運(yùn)算系統(tǒng)20的計(jì)算機(jī)21執(zhí)行，只要計(jì)算機(jī)21具有 足以支持觸覺控制功用的操作需求的運(yùn)算架構(gòu)即可。例如，與觸覺控 制相關(guān)的程序所需的工作頻率通常要高于計(jì)算機(jī)21上運(yùn)行的其它程 序的所需頻率。在一種實(shí)施方式中，觸覺控制方法的工作頻率約為 2kHz。在另一實(shí)施方式中，觸覺控制方法的工作頻率在約0.1 kHz到 約10kHz的范圍內(nèi)。在再一種實(shí)施方式中，觸覺控制方法的工作頻率 在約500Hz到2400Hz的范圍內(nèi)。與此相反，計(jì)算機(jī)21可工作在低很
多的頻率上，例如工作在約15Hz到約20Hz的頻率上。在另一實(shí)施方 式中，計(jì)算機(jī)21的頻率可以處于約2Hz到約60Hz的范圍內(nèi)。在另外 的實(shí)施方式中，計(jì)算機(jī)21的頻率可以大體上等于觸覺控制方法所需的 工作頻率(例如約為2 kHz)。如果計(jì)算機(jī)21的架構(gòu)不足以支持觸覺 控制方法的工作，則運(yùn)算系統(tǒng)20可包括用于執(zhí)行觸覺控制功用的計(jì)算 機(jī)31。在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，計(jì)算機(jī)31集成或嵌入到觸覺裝置 30中。計(jì)算機(jī)31 (如圖1所示)可以是與計(jì)算機(jī)21類似的機(jī)器，但優(yōu) 選地是被設(shè)計(jì)成滿足觸覺裝置30的特別工作需要一例如能滿足對(duì)更 高工作頻率的需求。計(jì)算機(jī)31可包括一臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)。在一種實(shí)施 方式中，計(jì)算機(jī)31是兼容Intel的x86 3U緊湊型PCI單板機(jī)，其處 理器的時(shí)鐘頻率至少為1.6GHz，并具有至少2GByte的非易失性存儲(chǔ) 器(例如硬盤驅(qū)動(dòng)器、Compact閃存等)、至少256MB的RAM、400MHz 或更快的前端總線、至少lMByte的二級(jí)緩存、以及實(shí)時(shí)性的操作系 統(tǒng)?？蓮氖袌?chǎng)上購(gòu)得的一種實(shí)例產(chǎn)品包括由Inova Computers GmbH 出品的ICP-PM-1004-DG-8A型計(jì)算機(jī)，其與QNX軟件系統(tǒng)Ltd公司 出品的QNX6.1 (或更高版本)操作系統(tǒng)配套使用。除了觸覺控制功用之外，計(jì)算機(jī)31還可包括使得觸覺裝置30能 使用從跟蹤系統(tǒng)40得到的數(shù)據(jù)的程序。例如，跟蹤系統(tǒng)40可定期地 產(chǎn)生出被跟蹤目標(biāo)體的姿態(tài)(位置和定向)數(shù)據(jù)。在一種實(shí)施方式中， 大致以每秒30次或30Hz的頻率來產(chǎn)生目標(biāo)體的姿態(tài)數(shù)據(jù)。在另外的 實(shí)施方式中，產(chǎn)生目標(biāo)體姿態(tài)數(shù)據(jù)的頻率更高，例如約為500Hz或更 高。目標(biāo)體的姿態(tài)數(shù)據(jù)被從跟蹤系統(tǒng)40傳送給計(jì)算機(jī)31 (例如經(jīng)過 接口 100b)，并被按照常規(guī)的方式進(jìn)行了調(diào)制一例如如公知的那樣使 用噪聲濾波器進(jìn)行濾波。此外，在跟蹤系統(tǒng)40的工作頻率低于觸覺控 制程序的頻率的實(shí)施方式中，可使用公知的插值濾波器來對(duì)目標(biāo)體的 姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制。插值濾波器通過填充離散數(shù)據(jù)采樣之間的間距而 使目標(biāo)體姿態(tài)數(shù)據(jù)平滑化，以此使得目標(biāo)體姿態(tài)數(shù)據(jù)可被用在高頻率 的觸覺控制方法中。計(jì)算機(jī)31還包括坐標(biāo)變換程序，其用于將一個(gè)空 間內(nèi)的坐標(biāo)映射(或變換)到另一空間中的座標(biāo)上，以便于實(shí)現(xiàn)空間對(duì)準(zhǔn)或?qū)?yīng)。例如，外科系統(tǒng)IO可利用該坐標(biāo)變換程序來將被跟蹤目 標(biāo)體(例如外科工具、患者解剖體等)的位置映射到運(yùn)行在計(jì)算機(jī)31 和/或計(jì)算機(jī)21上的程序所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)中。如公知的那樣，坐標(biāo) 變換程序可包括任何合適的變換技術(shù)一例如剛性體變換技術(shù)、非剛性 體變換技術(shù)、仿射變換技術(shù)等。在計(jì)算系統(tǒng)20中設(shè)置多個(gè)計(jì)算機(jī)(例如計(jì)算機(jī)21和計(jì)算機(jī)31) 的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于每個(gè)計(jì)算機(jī)都能被單獨(dú)地進(jìn)行設(shè)置。因而，計(jì)算機(jī) 21可針對(duì)于外科規(guī)劃和導(dǎo)航進(jìn)行定制，且計(jì)算機(jī)31可針對(duì)觸覺裝置 30的控制性能、穩(wěn)定性、和/或安全性進(jìn)行定制。例如，計(jì)算機(jī)31可 包括實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)(RTOS)，以維持對(duì)觸覺控制系統(tǒng)的可靠更新、 以及為觸覺裝置30設(shè)置的穩(wěn)定的工作平臺(tái)。與此相反，計(jì)算機(jī)21可 包括非RTOS的系統(tǒng)，原因在于運(yùn)算系統(tǒng)20并不需要具備與觸覺裝 置30相同的穩(wěn)定程度。因而，計(jì)算機(jī)21則可被定制設(shè)置成滿足外科 導(dǎo)航的特定需求一例如圖形處理。設(shè)置多個(gè)具有單獨(dú)運(yùn)算架構(gòu)的計(jì)算 機(jī)的其它優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)觸覺系統(tǒng)了解有限的軟件開發(fā)者可為計(jì)算機(jī)21 創(chuàng)建CAS功用，該功用可與多種觸覺裝置配套使用。類似地，對(duì)CAS 了解有限的軟件開發(fā)者可創(chuàng)建致力于增強(qiáng)特定觸覺裝置的性能、穩(wěn)定 性、和/或安全性的觸覺功用。作為對(duì)分散計(jì)算機(jī)的替代方案，觸覺裝 置30和運(yùn)算系統(tǒng)20的運(yùn)算功能例如可被集中到單臺(tái)計(jì)算機(jī)(例如計(jì) 算機(jī)21或計(jì)算機(jī)31)、成像裝置(例如CT裝置、MRI裝置、熒光裝 置等)的運(yùn)算系統(tǒng)中、和/或醫(yī)院的計(jì)算系統(tǒng)(例如網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、將要進(jìn) 行手術(shù)流程的房間內(nèi)的設(shè)備推車等)中。如圖l所示，運(yùn)算系統(tǒng)20與觸覺裝置30通過接口 100a聯(lián)接起來。 接口 100a包括物理接口和軟件接口 。物理接口可以是任何公知的接口 一例如有線接口 (例如串行接口、 USB、以太網(wǎng)、CAN總線、和/或 其它電纜通訊接口)、和/或無線接口 (例如無線以太網(wǎng)、無線串口、 紅外接口、和/或其它無線通訊系統(tǒng))。軟件接口可駐留在計(jì)算機(jī)21和 /或計(jì)算機(jī)31中，使得運(yùn)算系統(tǒng)20能與觸覺裝置30進(jìn)行通訊，并控
制觸覺裝置30的工作。在一種實(shí)施方式中，軟件接口包括一種功用， 其能允許運(yùn)算系統(tǒng)20向觸覺裝置30發(fā)出指令。例如，計(jì)算機(jī)21可向 計(jì)算機(jī)31發(fā)送指令，要求觸覺裝置30進(jìn)入某種特定的模式(例如接 近模式、觸覺模式、自由模式、輸入模式、保持模式)。作為響應(yīng)，計(jì) 算機(jī)31可被編程設(shè)置成對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢查，以驗(yàn)證向所要求模式的 進(jìn)入是否是安全的，也就是說是否是可以接受的，從而，或者是使觸 覺裝置30進(jìn)入到所要求的模式中，或者是返回適當(dāng)?shù)腻e(cuò)誤信息。觸覺裝置30是這樣的外科裝置其被設(shè)計(jì)成由使用者進(jìn)行操控， 以移動(dòng)外科工具50,從而對(duì)患者執(zhí)行手術(shù)流程。在手術(shù)過程中，運(yùn)算 系統(tǒng)20例如基于患者解剖體與觸覺裝置30上一部分(例如外科工具 50)的指標(biāo)而執(zhí)行一些控制參數(shù)，用于對(duì)觸覺裝置30進(jìn)行控制，其中 的指標(biāo)是位置、定向、速度、和/或加速度。在一種實(shí)施方式中，觸覺 裝置30被控制得為使用者對(duì)裝置的操控設(shè)置限制作用(例如通過限制 使用者對(duì)觸覺裝置30的物理操控能力)。在另外的實(shí)施方式中，觸覺 裝置30被控制成對(duì)使用者提供觸覺引導(dǎo)作用(即觸感反饋和/或力反 饋)。"觸覺，，一詞是指有關(guān)接觸的感覺。且觸覺領(lǐng)域涉及與人體交互式 裝置相關(guān)的研究，其中的人體交互式裝置可向操作者輸出觸感反饋和/ 或力反饋。觸感反饋一般包括一些觸感性的知覺，這些知覺例如是振 動(dòng)，而力反饋則是指以力的形式(例如對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力)和/或力矩的形 式(也被稱為"扭轉(zhuǎn)")表現(xiàn)出的反饋。扭轉(zhuǎn)例如包括以力、力矩、或 力與力矩組合的形式表現(xiàn)的反饋?zhàn)饔?。與計(jì)算機(jī)輔助外科(CAS )功用相關(guān)聯(lián)的觸覺裝置30所產(chǎn)生的引 導(dǎo)作用使得外科醫(yī)生能主動(dòng)而精確地控制手術(shù)動(dòng)作(例如骨切除)和 局部治療藥物的輸送(例如在腦中)。例如，運(yùn)算系統(tǒng)20被編程設(shè)置 成基于代表患者解剖體的數(shù)據(jù)(例如術(shù)前的CT影像數(shù)據(jù)、超聲數(shù) 據(jù))、與解剖體相關(guān)(或配準(zhǔn))的虛擬目標(biāo)體(或觸覺)、關(guān)于解剖體 的參數(shù)(例如相對(duì)于解剖體的一個(gè)部分所限定的深度)、和/或解剖體， 確定出控制參數(shù)。運(yùn)算系統(tǒng)20可基于工具50相對(duì)于虛擬目標(biāo)體、參 數(shù)、和/或解剖體的位置對(duì)觸覺裝置30進(jìn)行控制，以產(chǎn)生出力、力矩、和/或振動(dòng)。例如，工具50受到約束而不能進(jìn)入與解剖體的表像相關(guān) 的虛擬邊界、和/或受到約束而不能超過針對(duì)解剖體的表像而限定的參 數(shù)。因而，在手術(shù)中，在外科醫(yī)生操控觸覺裝置30以移動(dòng)工具50的 過程中，可使用虛擬的路線將工具50引導(dǎo)向特定的目標(biāo)體，并使用虛 擬的邊界來限定切割形狀或防止工具50與重要組織接觸，且可使用預(yù) 定的參數(shù)來限制工具50的行程(例如限制到預(yù)定的深度)。運(yùn)算系統(tǒng) 20還可被編程設(shè)置為在手術(shù)過程中，響應(yīng)于實(shí)際解剖體的移動(dòng)而對(duì) 控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)(例如通過對(duì)檢測(cè)到的實(shí)際解剖體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控， 然后再響應(yīng)于檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)而調(diào)節(jié)虛擬目標(biāo)體)。按照這種方式，外科 系統(tǒng)IO可補(bǔ)充或取代對(duì)手術(shù)部位直接的可視化，增強(qiáng)了外科醫(yī)生的自 然觸感和體能靈敏度，有助于通過各種尺寸的入口瞄準(zhǔn)、修復(fù)、置換 人體中的各種結(jié)構(gòu)，其中的入口是從常規(guī)尺寸的入口 (其長(zhǎng)度例如為 12英寸或更大)到直徑小到lmm的入口的各種入口。例如在整形外科的應(yīng)用中，觸覺裝置30通過協(xié)助外科醫(yī)生工作， 使其能正確地刮刻骨頭，從而能精確而可重復(fù)地完成骨切除操作，由 此被用來解決骨準(zhǔn)備工作的不精確、無預(yù)測(cè)性、且無重復(fù)性的問題， 同時(shí)使得外科醫(yī)生在骨準(zhǔn)備的過程中能保持對(duì)手術(shù)過程的密切參予。 此外，由于在切割骨頭的操作中觸覺裝置30對(duì)外科醫(yī)生進(jìn)行了觸覺上 的引導(dǎo)，所以，外科醫(yī)生的技能水平并不是至關(guān)重要的。結(jié)果就是， 技能水平和經(jīng)驗(yàn)不同的外科醫(yī)生都能執(zhí)行精確的、可重復(fù)的骨切除操 作。在一種實(shí)施方式中，外科工具例如與觸覺裝置30相連。外科醫(yī)生 可通過抓握和移動(dòng)工具和/或通過抓握并操控觸覺裝置30來移動(dòng)工具， 以此來操作工具以對(duì)骨頭進(jìn)行刮刻。在外科醫(yī)生執(zhí)行切割操作時(shí)，外 科系統(tǒng)10 (利用跟蹤系統(tǒng)40)對(duì)工具的位置進(jìn)行跟蹤，且在大多數(shù)情 況下，允許外科醫(yī)生在工作空間內(nèi)自由地移動(dòng)工具。但是，當(dāng)工具接 近于與患者配準(zhǔn)的虛擬邊界時(shí)，外科系統(tǒng)10就對(duì)觸覺裝置30進(jìn)行控 制，以提供觸覺引導(dǎo)作用，該引導(dǎo)作用將趨于對(duì)外科醫(yī)生進(jìn)行約束， 避免使工具進(jìn)入虛擬邊界。例如，虛擬邊界可由觸覺目標(biāo)體限定，且 觸覺引導(dǎo)作用可包括輸出的扭轉(zhuǎn)(即力和/或力矩)，該扭轉(zhuǎn)作用與觸 覺目標(biāo)體映射，外科醫(yī)生可感覺到該作用，以限制工具在靠近虛擬邊 界的方向上進(jìn)一步移動(dòng)。因而，外科醫(yī)生感覺到就像工具已碰到了實(shí) 際的物體一例如墻壁。按照這種方式，虛擬目標(biāo)體起到了虛擬切割引導(dǎo)體的作用。因而，觸覺裝置30向外科醫(yī)生傳遞了關(guān)于工具相對(duì)于虛 擬邊界的方位的信息，并在實(shí)際切割過程中提供了物理引導(dǎo)作用。觸 覺裝置30還可被用于限制使用者操控外科工具的能力，在第 10/470314號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)(公開號(hào)為2004/0128026)中例如就公開了 這樣的內(nèi)容，該專利申請(qǐng)的內(nèi)容被結(jié)合到本申請(qǐng)中作為參考。觸覺裝置30可包括適于向使用者傳遞觸感反饋(例如振動(dòng))和/ 或力反饋(例如扭轉(zhuǎn))的機(jī)械或機(jī)電裝置。觸覺裝置30可以是機(jī)械手 系統(tǒng)、非機(jī)械手系統(tǒng)、或機(jī)械手系統(tǒng)與非機(jī)械手系統(tǒng)的組合系統(tǒng)。例 如，觸覺裝置30可包括如下專利文件中公開的觸覺裝置于2003年 3月6日提交的第10/384072號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)(其
公開日為2004年2 月5日)；于2003年3月6日提交的第10/384077號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)(其
公開日為2004年2月19日)；于2003年3月6日提交的第10/384078 號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)(其
公開日為2004年2月19日)；于2003年3月6 日提交的第10/384194號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)(其
公開日為2004年2月19 日)；于2003年7月16日提交的第10/621119號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)(其公 開日為2004年6月3日)、和/或于2005年2月22日提交的第60/655642 號(hào)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)。上述各個(gè)公開申請(qǐng)的內(nèi)容都被結(jié)合到本申請(qǐng)中 作為參考。在一種實(shí)施方式中，觸覺裝置30包括機(jī)械手。在該實(shí)施方式中， 如圖2A所示，觸覺裝置30包括基座32、臂件33、末端執(zhí)行器35、 以及用戶接口37。觸覺裝置30還可包括平臺(tái)39?；?2為觸覺裝置30提供了基礎(chǔ)。如圖2所示，基座32支撐著 臂件33,還可能包容和/或支撐著觸覺裝置30的其它部件—例如控制 器、放大器、致動(dòng)器、馬達(dá)、傳動(dòng)部件、離合器、制動(dòng)件、電源、傳 感器、計(jì)算機(jī)硬件、和/或任何公知的其它機(jī)械手部件。基座32可用 任何合適的金屬材料和/或合成材料制成，這些材料例如是鋁或塑料，
基座優(yōu)選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，其適于使得觸覺裝置30可由使用者 進(jìn)行操控。臂件33可以是任何合適的機(jī)構(gòu)或機(jī)電結(jié)構(gòu)，但優(yōu)選地是具 有四個(gè)或多個(gè)自由度(運(yùn)動(dòng)軸線)的關(guān)節(jié)臂，其例如是目前被稱為"全 臂操縱器"或WAMTM的機(jī)械臂，這種機(jī)械臂是由Barrett技術(shù)公司制 造的。如圖2A所示，在一種實(shí)施方式中，臂件33包括第一區(qū)段33a、 第二區(qū)段33b、以及第三區(qū)段33c。第一區(qū)段33a和第二區(qū)段33b在第 一關(guān)節(jié)33d (例如肩關(guān)節(jié))處連接起來，第二區(qū)段33b與第三區(qū)段33c 在第二關(guān)節(jié)33e (例如肘關(guān)節(jié))處連接起來。如圖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，區(qū)段33a、 33b、以及33c以及關(guān)節(jié)33e 和33d構(gòu)成了關(guān)節(jié)式的機(jī)械連接機(jī)構(gòu)，其可被操縱為各種位置或姿態(tài)。 臂件33的尺寸被設(shè)計(jì)成適于應(yīng)用在多種手術(shù)流程中，例如可被用在矯 形外科、神經(jīng)科手術(shù)、和/或外科流程中，且足夠緊湊，以使得觸覺裝 置30具有機(jī)動(dòng)性，并能在操作室中有效地對(duì)觸覺裝置30進(jìn)行定位。 例如，臂件33的尺寸可被設(shè)計(jì)成略大于人的手臂。在一種實(shí)施方式中， 臂件33的伸展范圍約為lm，且區(qū)段33b和33c的直徑約為89mm。 臂件33還適于包容和/或布置觸覺裝置30的部件，這些部件例如是儀 器、電源線、馬達(dá)、傳動(dòng)部件、控制器、致動(dòng)器、放大器、制動(dòng)件、 離合器、電源、傳感器、和/或計(jì)算機(jī)硬件。例如，區(qū)段33a、 33b、 以及33c可具有內(nèi)部通道和/或在可設(shè)置觸覺裝置30部件的內(nèi)部的中 空部分。區(qū)段33a、 33b、以及33c可用任何合適的金屬材料和/或合成 材料制成，這些材料例如是鋁或塑料，區(qū)段優(yōu)選地包括可拆卸的面板 和/或進(jìn)入口 ，以便于能接近臂件33中所包容的部件。例如可通過增加額外的自由度來提高臂件33的靈巧性。例如，臂 件33可包括腕部36。如圖2A所示，腕部36可被布置在臂件33上(例 如位于第三區(qū)段33c的遠(yuǎn)端)，且具有一個(gè)或多個(gè)自由度，以增加臂件 33的自由度DOF^ DOF2、 DOF3、以及DOF4。例如，如圖2B所示，
腕部36可具有自由度DOF5。在一種實(shí)施方式中，腕部36具有兩個(gè) 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技術(shù)公司制造的單自由度或三自由度WAMtm腕件。臂件33包括反饋機(jī)構(gòu)，以使得觸覺裝置30能在使用者對(duì)其進(jìn)行 操縱時(shí)向使用者發(fā)送信息。在工作中，運(yùn)算系統(tǒng)20對(duì)反饋機(jī)構(gòu)進(jìn)行控 制，以產(chǎn)生出觸感反饋和/或力反饋，并將反饋?zhàn)饔脗鬟f到使用者上， 從而向其傳達(dá)信息，該信息例如是關(guān)于觸覺裝置一部分(例如工具50) 相對(duì)于虛擬目標(biāo)體的位置、有關(guān)解剖體的參數(shù)、和/或解剖體的信息。 優(yōu)選地是，反饋機(jī)構(gòu)被設(shè)計(jì)成可產(chǎn)生出力、力矩、和/或振動(dòng)。反饋機(jī) 構(gòu)可包括由一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器(例如電機(jī))和機(jī)械傳動(dòng)裝置組成的驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)(圖中未示出)。優(yōu)選地是，致動(dòng)器適于產(chǎn)生與使用者對(duì)觸覺裝 置30的操作相反的力反饋?zhàn)饔谩Ｖ聞?dòng)器例如可包括由正弦整流電流放 大器/控制器驅(qū)動(dòng)的釤-鈷無刷電機(jī)、由空間矢量整流電流放大器/控制 器驅(qū)動(dòng)的釹-鐵無刷電機(jī)、和/或適于用在機(jī)械手系統(tǒng)中的任何合適的 電機(jī)和變換機(jī)理。傳動(dòng)裝置例如是張力元件型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(例如纜索、 鋼帶、或聚合物筋束型傳動(dòng)器)、直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、和/或適于用在機(jī)械 手系統(tǒng)中的任何低靜摩擦且低游隙的傳動(dòng)系統(tǒng)。在一種示例性的實(shí)施 方式中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括高速的纜索傳動(dòng)裝置和零游隙、低摩擦的纜索 型差速器。在一種實(shí)施方式中，纜索型傳動(dòng)裝置可以是用在由Barrett 技術(shù)公司制造的WAMTM機(jī)械臂中的纜索型傳動(dòng)裝置、和/或美國(guó)專利 4903536中介紹的纜索型傳動(dòng)裝置，其中該美國(guó)專利的內(nèi)容被結(jié)合到 本申請(qǐng)中作為參考。纜索型傳動(dòng)裝置的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于纜索型傳動(dòng)裝 置允許臂件33的大部分體積被布置在與手術(shù)部位足夠遠(yuǎn)的位置處，從 而在手術(shù)過程中，使用者不會(huì)受到臂件33上結(jié)構(gòu)或部件的妨礙或阻 擋。優(yōu)選地是，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成低摩擦的、小慣性的、高剛性的、 大帶寬、游隙接近于零的、具有力保真性、和/或具有反向驅(qū)動(dòng)性能， 且還適于將臂件33保持在這樣的狀態(tài)下使得使用者感覺臂件33就 像沒有重量一樣。例如，在一種實(shí)施方式中，臂件33的結(jié)構(gòu)可基本上 是平衡的。例如可通過對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制、以產(chǎn)生出用于修正不平 衡狀態(tài)的力和/或力矩，從而可抵消臂件中的任何不平衡作用(例如由 于重量效應(yīng))。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的馬達(dá)還可被用于產(chǎn)生振動(dòng)或振蕩，從而使得觸覺裝置30能向使用者提供觸感反饋。除了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之外，反饋機(jī)構(gòu) 還可包括與馬達(dá)分離開的、用于產(chǎn)生振動(dòng)的振動(dòng)裝置一例如振蕩器。臂件33可包括用于確定臂件33位置和定向(即姿態(tài))的位置傳 感器(圖中未示出)。位置傳感器可包括用于確定或跟蹤目標(biāo)體位置的 任何公知的傳感器一例如編碼器、解算器、電位計(jì)、線性可變差動(dòng)變 壓器(LVDT)、傾斜傳感器、指向(導(dǎo)向)傳感器、重量方向傳感器 (或加速計(jì))、光學(xué)傳感器(例如紅外傳感器、光纖傳感器、或激光傳 感器)、磁性傳感器(例如磁阻或限磁性傳感器)、和/或聲學(xué)傳感器(例 如超聲傳感器)。位置傳感器可被布置在觸覺裝置30上或裝置內(nèi)任何 合適的位置上。例如，位置傳感器包括安裝在關(guān)節(jié)33d、 33e上的編碼 器和/或安裝在各個(gè)馬達(dá)轉(zhuǎn)軸上的解算器。還可使用適于用在外科場(chǎng)合 中的任何跟蹤系統(tǒng)來跟蹤臂件33的姿態(tài)，這些系統(tǒng)例如是光學(xué)系統(tǒng)、 磁性系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、或聲學(xué)跟蹤系統(tǒng)，且包括下面介紹的跟蹤系統(tǒng) 40。除了位置傳感器之外，臂件33可包括冗余的傳感器(圖中未示 出)。冗余傳感器與位置傳感器是類似的，其被用于在觸覺裝置30工 作的過程中檢測(cè)不一致和/或不穩(wěn)定的情況。例如，如果冗余傳感器與 位置傳感器的輸出存在差異，則表明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和/或位置傳感器存在問 題。冗余傳感器還可通過產(chǎn)生數(shù)據(jù)來提高對(duì)臂件33姿態(tài)的判斷精度， 其中的數(shù)據(jù)使得觸覺裝置30的控制系統(tǒng)能減小或消除驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和/或 臂件33的部件撓曲所帶來的影響。在臂件33帶有纜索型傳動(dòng)裝置的 情況下，冗余傳感器將是特別有利的。末端執(zhí)行器35構(gòu)成了觸覺裝置30的工作端，其被設(shè)計(jì)成使得使 用者能執(zhí)行與外科手術(shù)相關(guān)的各種動(dòng)作。例如，在一種實(shí)施方式中， 末端執(zhí)行器35作為臂件33與工具50之間的適配器或聯(lián)接件。通過更 換不同的工具50，使用者可將觸覺裝置30用于不同的活動(dòng)—例如配 準(zhǔn)、骨準(zhǔn)備、測(cè)量/驗(yàn)證、和/或植入件安裝。如圖2A所示，在一種實(shí) 施方式中，末端執(zhí)行器35包括適于與臂件33相連的近端部分、以及 帶有器械或工具50的遠(yuǎn)端部分。工具50例如是外科刀具(例如磨錐、 鉆具、探針、鋸等)、醫(yī)療器械、顯微鏡、激光測(cè)距儀、攝像機(jī)、燈光、 內(nèi)窺鏡、超聲探頭、沖洗裝置、抽吸裝置、放射治療裝置、和/或用于 手術(shù)/外科規(guī)劃/和/或外科導(dǎo)航的其它任何部件。優(yōu)選地是，末端執(zhí)行 器35被設(shè)計(jì)成與工具50可拆卸地接合，從而，使用者可針對(duì)特定的 流程安裝合適的工具50,并根據(jù)需要進(jìn)行更換。例如，工具50可利 用常規(guī)的硬件(例如螺釘、銷、夾具等)、鍵式連接件、鎖銷、螺紋連 接件、過盈配合等固定到末端執(zhí)行器35上。作為備選方案，工具50 可以是末端執(zhí)行器35上的整體部件，從而，當(dāng)使用者想要更換工具時(shí) 將替換掉整個(gè)末端執(zhí)行器35。優(yōu)選地是，工具50可相對(duì)于臂件33進(jìn) 行移動(dòng)，以使得使用者能控制工具50的精確位置。例如，工具50可 繞著軸線C-C (如圖2C所示)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖3所示，在一種實(shí)施 方式中，工具50包括工具保持器51，其被接納在末端執(zhí)行器35遠(yuǎn)端 部分的孔洞52中?？衫霉姆绞揭焕珂I式連接或螺紋連接方式 將工具保持器51固定在孔洞中。工具保持器51被設(shè)計(jì)成可釋放地接 合著工具50 (例如球形磨錐的頂端)，且?guī)в杏糜谙蚬ぞ?0供電(或 輸送氣壓)的動(dòng)力線路(圖中未示出)。在一種實(shí)施方式中，工具保持 器51包括用于驅(qū)動(dòng)工具50 (例如磨錐、鋸、或其它動(dòng)力工具)的馬 達(dá)。工具50可以是單個(gè)工具，或者可包括多個(gè)工具。例如，工具50 可包括用于骨切除的球形磨錐、以及用于在切除過程中清潔手術(shù)部位 的抽吸管線和沖洗管線。在一種實(shí)施方式中，工具50和工具保持器 51帶有電動(dòng)的、由空氣冷卻的外科工具，這種外科工具目前是由 ANSPACH⑧制造的，其產(chǎn)品編號(hào)為EMAX2 (馬達(dá))、EMAX2-FP (腳 踏板)、SC2000 (控制臺(tái))、L-2SB ( 2mm帶槽球)、L-4B ( 4mm帶槽 球)、L曙6B (6mm帶槽球)、L畫1R (12 ) (1.2mmxl2.8mm帶槽刳刨工 具)。末端執(zhí)行器35與臂件33的遠(yuǎn)端以任何常規(guī)的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)械及電 氣連接，且具有用于向工具50輸送動(dòng)力、壓縮空氣、抽吸力、沖洗物 的一條或多條管線。
末端執(zhí)行器35可被設(shè)計(jì)成使得使用者能向外科系統(tǒng)10中輸入信 息。例如，在一種實(shí)施方式中，末端執(zhí)行器35適于起到輸入裝置一例 如操縱桿的作用。在該實(shí)施方式中，末端執(zhí)行器35具有一個(gè)或多個(gè)自 由度，以實(shí)現(xiàn)操縱桿的功能。如圖3所示，末端執(zhí)行器35可具有一個(gè) 自由度，該自由度允許末端執(zhí)行器35繞著軸線A-A轉(zhuǎn)動(dòng)。因而，使 用者可使末端執(zhí)行器35繞著軸線A-A轉(zhuǎn)動(dòng)(扭轉(zhuǎn))，以對(duì)外科系統(tǒng)10 進(jìn)行輸入。當(dāng)使用者旋轉(zhuǎn)末端執(zhí)行器35時(shí)，代表旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)量的 對(duì)應(yīng)編碼器信號(hào)將被傳遞給計(jì)算機(jī)21和/或計(jì)算機(jī)31。例如，繞著軸 線A-A在第一方向上轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度的旋轉(zhuǎn)將表明"前進(jìn)"(例如進(jìn)行到 該流程中的另 一步驟或執(zhí)行另 一應(yīng)用，使顯示裝置23的屏幕進(jìn)行到下 一屏幕顯示等)，繞著軸線A-A在第二方向上轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)定的角度則表明 "后退，，(例如返回到流程中的上一步驟或返回到另一應(yīng)用，使顯示裝 置23返回到前次屏幕等)。末端執(zhí)行器35 (和/或臂件33的其它部件) 還可具有另外的自由度，以實(shí)現(xiàn)其它的輸入。除了操縱桿的功能之外， 末端執(zhí)行器35 (和/或觸覺裝置30的任何其它部分)可具有一個(gè)或多 個(gè)按鈕、撥盤、和/或開關(guān)，以完成輸入功能。按照這種方式，通過為 使用者提供了方便的輸入機(jī)構(gòu)，就能提高外科系統(tǒng)10的效率及易于使 用性。觸覺裝置30的用戶接口 37使得使用者與觸覺裝置30之間實(shí)現(xiàn)了 物理上的相互作用。例如，接口 37可被設(shè)計(jì)成使得使用者能物理性地 接觸接口 37,并操縱工具50，同時(shí)還能從觸覺裝置30接收觸覺引導(dǎo) 作用。接口 37可以是連接到觸覺裝置30上的單獨(dú)的部件(例如手柄 或把手)，或者可以只是觸覺裝置30上已有結(jié)構(gòu)的一部分。例如接口 37可與部件33、末端執(zhí)行器35、和/或工具50相關(guān)聯(lián)。由于接口 37 被連接到觸覺裝置30上和/或是觸覺裝置30的組成部分，所以，當(dāng)使 用者與接口 37相接觸時(shí)，觸覺裝置30產(chǎn)生的任何觸感反饋或力反饋 輸出都被直接地傳遞給使用者。如圖2A所示，在一種實(shí)施方式中， 用戶接口 37包括第一部件(例如臂件33的肘部關(guān)節(jié)33e)和第二部 件(例如工具50和/或臂件33的遠(yuǎn)端一例如末端執(zhí)行器35 )，第一部
件被設(shè)計(jì)成使得使用者能改變臂件33的構(gòu)造，第二部件被設(shè)計(jì)成允許 使用者將工具50相對(duì)于臂件33進(jìn)行移動(dòng)。如圖2C所示，在工作中， 使用者160將其一只手放到第一部件(例如肘關(guān)節(jié)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根據(jù)需要 施加作用力，以操縱臂件33,并移動(dòng)工具50。按照這種方式，使用者 對(duì)接口37進(jìn)行操控，同時(shí)改變了臂件33的構(gòu)造，并使工具50相對(duì)于 臂件33產(chǎn)生了移動(dòng)。在兩個(gè)部位(例如工具50處和肘關(guān)節(jié)33e處) 與觸覺裝置30相接觸的操作能有利地實(shí)現(xiàn)對(duì)觸覺裝置30的粗略控制 和精細(xì)控制。例如，使用者160能同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩方面的控制對(duì)臂件33 大致構(gòu)造的控制(例如通過肘關(guān)節(jié)33e );以及對(duì)工具50尖端精細(xì)(或 精確)位置的控制(例如通過使工具50相對(duì)于臂件33移動(dòng))，在進(jìn)行 那些需要高度精確性和靈活性的活動(dòng)時(shí)一例如在將工具50操縱到手 術(shù)部位以及對(duì)骨頭進(jìn)行刮刻時(shí)，這樣的特性是重要的。優(yōu)選地是，使用者接口 37的尺寸被設(shè)計(jì)成這樣使得使用者能容 易地抓握住該接口 37。例如，接口 37的直徑可對(duì)應(yīng)著易于被使用者 的手和/或手指抓握住的直徑大小。接口 37的直徑例如可以在約5mm 到約75mm的范圍內(nèi)。在一種實(shí)施方式中，使用者接口 37與末端執(zhí) 行器35是一體的。在該實(shí)施方式中，末端執(zhí)行器35包括一個(gè)或多個(gè) 其直徑適于被使用者抓握的部分。例如，末端執(zhí)行器35近端部分的直 徑可以約為43mm;末端執(zhí)行器35遠(yuǎn)端部分的直徑可以約為36mm; 工具保持器51的直徑可以約為19mm;且工具50的直徑可以約為 6mm。在一種實(shí)施方式中，末端執(zhí)行器35的遠(yuǎn)端部分為使用者的食 指設(shè)置了把手?？蛇x地是，接口 37可帶有一定的錐度，以適應(yīng)手尺寸 不同的不同使用者。接口 37的形狀或輪廓還可被設(shè)計(jì)成與使用者手掌 和/或手指的形狀相配，且可包括其它的人機(jī)工程學(xué)特性，目的例如是 為了增加使用者的舒適感，并防止打滑(例如在使用者的手套是濕滑/ 沾有血液時(shí))。觸覺裝置30的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于使用者接口 37能有利地使得觸覺 裝置30與使用者配合地保持著工具50。與此相反，用在遠(yuǎn)程外科系
統(tǒng)中的觸覺裝置具有"從屬，，裝置和"主控"裝置，其中的"從屬"裝置專 用于保持著工具，而外科醫(yī)生則借助于"主控"裝置對(duì)工具進(jìn)行控制。 主控裝置通常遠(yuǎn)離手術(shù)地點(diǎn)，以允許外科醫(yī)生在一定距離處執(zhí)行手術(shù)， 或者為外科醫(yī)生提供更為符合人機(jī)工程學(xué)的工作位置/環(huán)境。因而，對(duì) 于遠(yuǎn)程觸覺系統(tǒng)，外科醫(yī)生的缺憾在于其完全依賴于遠(yuǎn)程系統(tǒng)來觀察手術(shù)部位并進(jìn)行手術(shù)。與此相反，利用本發(fā)明的外科系統(tǒng)10，在使用 者在觸覺裝置30的引導(dǎo)下移動(dòng)工具50時(shí)，可密切地保持對(duì)手術(shù)部位 的物理接近性和視覺接近性。觸覺裝置30的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于觸覺裝置30將不會(huì)自主地移動(dòng)。 與此相反，用于執(zhí)行關(guān)節(jié)矯形置換手術(shù)的自主式外科機(jī)械手系統(tǒng)則利 用高速磨錐自動(dòng)地執(zhí)行骨切除操作。盡管外科醫(yī)生監(jiān)控著機(jī)械手的進(jìn) 程，且如果必要的話可中斷其操作，但外科醫(yī)生對(duì)手術(shù)過程并非完全 地掌控著。但是，對(duì)于本發(fā)明的觸覺裝置30,外科醫(yī)生(而不是機(jī)械 手)操縱著工具50。因而，外科醫(yī)生保持著對(duì)切割操作的控制，其只 是從觸覺裝置30接收引導(dǎo)作用和協(xié)作。結(jié)果就是，不需要外科醫(yī)生向 觸覺裝置30的機(jī)械手出讓控制權(quán)，這將增大了外科醫(yī)生在手術(shù)過程中 的舒適程度。如上所述，與運(yùn)算系統(tǒng)20相關(guān)，觸覺裝置30可包括計(jì)算機(jī)31。 計(jì)算機(jī)31可被設(shè)置在外科系統(tǒng)10中任何方便的位置處，例如可被設(shè) 置在布置了觸覺裝置30的機(jī)架上或設(shè)備箱柜中(例如圖1所示的平臺(tái) 39)。計(jì)算機(jī)31可被用來取代或補(bǔ)充運(yùn)算系統(tǒng)20中的計(jì)算機(jī)21。觸 覺裝置30(包括計(jì)算機(jī)31)還可包括其它的計(jì)算機(jī)、電子設(shè)備、或適 于用在機(jī)械手和/或觸覺裝置中的其它任何機(jī)電部件，例如可包括用于 從編碼器和臂件33上冗余傳感器接收信息的控制器、用于向馬達(dá)提供 動(dòng)力的放大器、離合器、制動(dòng)件、用于故障保護(hù)制動(dòng)器的電源、和/ 或模式開關(guān)，其中的模式開關(guān)用于將觸覺裝置30置于所需的操作模式 下(例如接近模式、觸覺模式、自由模式、輸入模式、保持模式)。優(yōu)選地是，觸覺裝置30的尺寸被設(shè)計(jì)成這樣觸覺裝置30可被 裝配到手術(shù)室中，且不會(huì)妨礙其它設(shè)備或使用者在手術(shù)室中的走動(dòng)。 例如，在一種實(shí)施方式中，觸覺裝置30 (臂件33處于儲(chǔ)放狀態(tài)或縮 回狀態(tài))的高度約為1.4m，且觸覺裝置30的占地面積在約0.251112到 約0.6m2的范圍內(nèi)。在另一實(shí)施方式中，占地面積在約0.09m2到0.13m2 的范圍內(nèi)。類似地，優(yōu)選地是，觸覺裝置30的重量使得該觸覺裝置 30能被相對(duì)容易地從一個(gè)位置移動(dòng)到另一位置。例如，在一種實(shí)施方 式中，觸覺裝置30的重量在約IOO磅到500磅的范圍內(nèi)。在另一實(shí)施 方式中，觸覺裝置30的重量在約50磅到約200磅的范圍內(nèi)。優(yōu)選地 是，觸覺裝置30的重量輕、尺寸小，這既使得觸覺裝置易于移動(dòng)，也 使得觸覺裝置30能被針對(duì)于手術(shù)過程優(yōu)選地進(jìn)行定位。例如，觸覺裝 置30 (或其任何部分)可被設(shè)計(jì)成位于手術(shù)室的地板上、安裝在手術(shù) 臺(tái)(或手術(shù)室中的其它設(shè)備體)上、固定到患者的骨頭上。如圖l所示，觸覺裝置30 (或其一部分，例如機(jī)械手)可被安裝 到平臺(tái)39上。平臺(tái)39可以是任何公知的臺(tái)板、推車、或設(shè)備支架， 其可包括設(shè)備擱架和/或箱拒(例如為了容納計(jì)算機(jī)31)，且優(yōu)選地是 被設(shè)計(jì)為有利于觸覺裝置30的活動(dòng)性。例如，平臺(tái)39可包括滾動(dòng)構(gòu) 件38 (例如滾輪或腳輪)，以使得平臺(tái)39可以移動(dòng)。平臺(tái)39還可包 括用于將其固定在位置上的機(jī)構(gòu)。例如，平臺(tái)39上可為滾動(dòng)構(gòu)件38 設(shè)置有輪鎖或制動(dòng)件、腳踏板鎖止裝置、千斤頂支架、和/或用于將平 臺(tái)或推車固定就位的任何公知機(jī)構(gòu)。如圖2A所示，在一種實(shí)施方式 中，平臺(tái)39包括剛性的支腳39a，可利用機(jī)構(gòu)39b對(duì)其進(jìn)行操作而使 其在縮回狀態(tài)(見圖2A)與伸長(zhǎng)狀態(tài)(圖中未示出)之間動(dòng)作。為了 將平臺(tái)39從一個(gè)位置移動(dòng)到另一位置，可將剛性支腳39a縮回，使得 平臺(tái)39在滾動(dòng)機(jī)構(gòu)38上移動(dòng)。為了將平臺(tái)39固定在位置上，將剛性 支腳39a伸出，以使得平臺(tái)39支撐在剛性支腳39a上。作為備選方案， 剛性支腳39a可^皮固定到平臺(tái)39上，而滾動(dòng)構(gòu)件38卻是可伸出/縮回 的。因而，平臺(tái)39使得觸覺裝置39能被從一個(gè)地點(diǎn)移動(dòng)到另一地點(diǎn)、 按照各個(gè)手術(shù)情況所必需的那樣進(jìn)行定位、以及在存放與手術(shù)過程中 固定到所需的位置上。作為備選方案，觸覺裝置30 (整體或部分)可 被安裝在將要進(jìn)行手術(shù)的房間中(例如安裝在地板、墻壁、或工作臺(tái) 上)、與運(yùn)算系統(tǒng)20集成到一起、與成像裝置(例如CT裝置、熒光 檢查裝置、超聲裝置等)集成為一體、和/或與醫(yī)療系統(tǒng)(例如將要執(zhí) 行手術(shù)流程的房間中的醫(yī)療設(shè)備推車)集成為一體。如圖1所示，優(yōu)選地是，觸覺裝置30和運(yùn)算系統(tǒng)20被設(shè)置成單 獨(dú)的單元。作為備選方案，觸覺裝置30(部分或整體)與運(yùn)算系統(tǒng)20 (部分或整體)可被集合成一個(gè)單元。觸覺裝置30和運(yùn)算系統(tǒng)20 (或 它們的部分)還可與其它設(shè)備件集成到一起，其中，其它的設(shè)備件例 如是成像裝置(例如CT裝置、MRI裝置、熒光檢查裝置、超聲裝置 等)、和/或醫(yī)院系統(tǒng)(例如在執(zhí)行外科手術(shù)的房間內(nèi)的設(shè)備推車等)。 在一種實(shí)施方式中，計(jì)算機(jī)21與計(jì)算機(jī)31被布置在觸覺裝置30的平 臺(tái)39上，且運(yùn)算系統(tǒng)20的顯示裝置23和輸入裝置25被布置在輕質(zhì) 支架上，以利于使用者能從外科系統(tǒng)IO獲得信息、以及輸入信息。外科系統(tǒng)10的跟蹤(或位置確定)系統(tǒng)40被用于在手術(shù)過程中 確定一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)體的姿態(tài)(即位置和定向)，以檢測(cè)目標(biāo)體的運(yùn)動(dòng)。 例如，跟蹤系統(tǒng)40可包括檢測(cè)裝置，其能獲得目標(biāo)體相對(duì)于檢測(cè)裝置 的參考坐標(biāo)系的姿態(tài)。隨著目標(biāo)體在參考坐標(biāo)系中的移動(dòng)，檢測(cè)裝置 對(duì)目標(biāo)體的姿態(tài)進(jìn)行跟蹤，以檢測(cè)(或使得外科系統(tǒng)10能確定)目標(biāo) 體的移動(dòng)。結(jié)果就是，運(yùn)算系統(tǒng)20可響應(yīng)于被跟蹤目標(biāo)體的移動(dòng)而對(duì) 控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)(例如通過調(diào)節(jié)虛擬目標(biāo)體來實(shí)現(xiàn))。被跟蹤的目標(biāo) 體例如包括工具/器械、患者解剖體、植入件/假體裝置、以及外科系 統(tǒng)10的部件。外科系統(tǒng)IO利用從跟蹤系統(tǒng)40獲得姿態(tài)數(shù)據(jù)，還能將 某個(gè)空間中的坐標(biāo)與另 一個(gè)空間中的坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)匹配(映射或關(guān)聯(lián))，以 實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)的對(duì)準(zhǔn)或?qū)?yīng)(例如使用公知的坐標(biāo)變換方法)。在物理空 間內(nèi)的目標(biāo)體可被匹配到任何合適的坐標(biāo)系統(tǒng)中一例如由運(yùn)行在計(jì)算 機(jī)21和/或計(jì)算機(jī)31上的程序所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)。例如，利用從跟蹤 系統(tǒng)40獲得姿態(tài)數(shù)據(jù)，外科系統(tǒng)10能將物理上的解剖體和工具50(和 /或觸覺裝置30)與解剖體的表像(例如顯示在顯示裝置23上的圖像) 關(guān)聯(lián)起來。基于被跟蹤的目標(biāo)體以及配準(zhǔn)數(shù)據(jù)，外科系統(tǒng)10例如可確 定出U)解剖體圖像與相關(guān)解剖體之間的空間關(guān)系、以及(b)相關(guān)
解剖體與工具50之間的空間關(guān)系，從而，在虛擬表像一圖像之間關(guān)系 與工具50—實(shí)際解剖體之間關(guān)系基本上等同的情況下，運(yùn)算系統(tǒng)20 可將工具50的虛擬表像疊合到圖像上(并連續(xù)地更新)。在外科手術(shù) 過程中，通過跟蹤工具50和相關(guān)的解剖體，外科系統(tǒng)10可對(duì)相關(guān)解 剖體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償(例如，通過響應(yīng)于測(cè)得的運(yùn)動(dòng)對(duì)虛擬目標(biāo)體進(jìn) 行調(diào)節(jié))。配準(zhǔn)可包括任何公知的配準(zhǔn)技術(shù)一例如圖像與圖像的配準(zhǔn)(在 圖像為相同類型或相同形態(tài)的情況下進(jìn)行單模態(tài)配準(zhǔn)，其中的圖像例 如是熒光檢查圖像或MR圖像，和/或在圖像屬于不同類型或形態(tài)的情 況下進(jìn)行多模態(tài)配準(zhǔn)，其中的圖像例如是MRI圖像和CT圖像)；圖 像與物理空間的配準(zhǔn)(例如在由常規(guī)成像技術(shù)所獲得的患者解剖體數(shù) 據(jù)集要與患者實(shí)際解剖體進(jìn)行配準(zhǔn)的情況下，執(zhí)行的圖像-患者配準(zhǔn))； 和/或圖像-圖像配準(zhǔn)與圖像-物理空間配準(zhǔn)的組合形式(例如將術(shù)前的 CT和MRI圖像與術(shù)中的情景進(jìn)行配準(zhǔn))。跟蹤系統(tǒng)40可以是使得外科系統(tǒng)10能連續(xù)確定(或跟蹤)患者 相關(guān)解剖體姿態(tài)和工具50 (和/或觸覺裝置30)姿態(tài)的任何跟蹤系統(tǒng)。 例如，跟蹤系統(tǒng)40可包括非機(jī)械式的跟蹤系統(tǒng)、機(jī)械式if艮蹤系統(tǒng)、或 適于被用在外科環(huán)境中的任何非機(jī)械式與機(jī)械式的組合系統(tǒng)。非機(jī)械 式的跟蹤系統(tǒng)可包括光學(xué)(或視覺)系統(tǒng)、磁性系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、或 聲學(xué)跟蹤系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)一般包括檢測(cè)裝置，該檢測(cè)裝置適于對(duì)處 于預(yù)定坐標(biāo)空間內(nèi)的、可被特別識(shí)別出且可被該檢測(cè)裝置檢測(cè)到的可 跟蹤元件進(jìn)行定位，其或者被設(shè)計(jì)成與要被跟蹤的目標(biāo)體相連，或者 是要被跟蹤的目標(biāo)體上的固有部件。例如，可跟蹤元件可包括標(biāo)記陣 列，其中的標(biāo)記具有獨(dú)特的幾何格局，且當(dāng)可跟蹤元件被連接到被跟 蹤目標(biāo)體上時(shí)，其相對(duì)于被跟蹤的目標(biāo)體具有已知的幾何關(guān)系。已知 的幾何關(guān)系例如可以是可跟蹤元件與被跟蹤目標(biāo)體的端點(diǎn)和軸線之間 的預(yù)定幾何關(guān)系。因而，檢測(cè)裝置至少在部分上根據(jù)從標(biāo)記位置推導(dǎo) 出來的標(biāo)記(如果獨(dú)特的話)幾何形狀、軸線的定向、以及端點(diǎn)在坐 標(biāo)系中的位置識(shí)別出特定的跟蹤目標(biāo)體。標(biāo)記可包括任何公知的標(biāo)記
物一例如外來標(biāo)記(基準(zhǔn))和/或跟蹤目標(biāo)體的固有特征。外來標(biāo)記是 人造的目標(biāo)體，其被連接到患者上(例如固定到皮膚上的標(biāo)記、植入 到骨頭中的標(biāo)記、趨實(shí)體性構(gòu)架等)，且被設(shè)計(jì)成對(duì)檢測(cè)裝置而言是可 見的，從而可被精確地檢測(cè)到。固有特征是被跟蹤目標(biāo)體上顯著且可 精確定位的部分(例如界標(biāo)、解剖結(jié)構(gòu)的外輪廓、形狀、顏色、或任 何足以被識(shí)別出的視覺指示物)，其具有作為可識(shí)別標(biāo)記所需的足夠確 定性和可識(shí)別性?？衫萌魏魏线m的檢測(cè)方法來對(duì)標(biāo)記進(jìn)行定位，所 述方法例如是已知的光學(xué)、電磁、射頻或聲學(xué)方法。例如，可使用具 有對(duì)紅外輻射敏感的兩固定立體攝像機(jī)的光學(xué)跟蹤系統(tǒng)來跟蹤發(fā)射紅 外輻射的標(biāo)記，其中，該標(biāo)記或者主動(dòng)發(fā)射紅外線(例如發(fā)光二極管或LED)，或者是被動(dòng)地發(fā)射(例如其表面可反射紅外輻射的球形標(biāo) 記)。類似地，磁性跟蹤系統(tǒng)可包括固定的磁場(chǎng)發(fā)生器，其能發(fā)射出在 空間中變化的磁場(chǎng)，設(shè)置在被跟蹤目標(biāo)體中的小線圏可感測(cè)到該磁場(chǎng)。如圖l所示，在一種實(shí)施方式中，跟蹤系統(tǒng)40包括非機(jī)械式的跟 蹤系統(tǒng)。在該實(shí)施方式中，非機(jī)械式的跟蹤系統(tǒng)是光學(xué)跟蹤系統(tǒng)，其 包括檢測(cè)裝置41和至少一個(gè)可跟蹤元件(或跟蹤器)，其中的跟蹤器 被設(shè)計(jì)成布置在(或集成到)被跟蹤目標(biāo)體上，且可由檢測(cè)裝置41 檢測(cè)到。如圖1所示，檢測(cè)裝置41例如包括對(duì)紅外輻射敏感的兩個(gè)立 體攝像機(jī)，它們可被布置在將要進(jìn)行外科手術(shù)的手術(shù)室中。跟蹤器被 設(shè)計(jì)成以牢固而可靠的形式固定到被跟蹤目標(biāo)體上，且包括標(biāo)記陣列 (例如圖4中的陣列Sl )，其相對(duì)于被跟蹤目標(biāo)體具有已知的幾何關(guān)系。 標(biāo)記可以是主動(dòng)(例如發(fā)光二極管或LED)的，或者可以是被動(dòng)的(例 如反光球、棋盤圖案等)，且優(yōu)選地是，其具有獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)(例如 標(biāo)記獨(dú)特的幾何布局)，或者在主動(dòng)標(biāo)記的情況下，帶有電線的標(biāo)記排 列成獨(dú)特的發(fā)光圖樣。在手術(shù)中，檢測(cè)裝置41檢測(cè)標(biāo)記的位置、獨(dú)特 的幾何格局(或發(fā)光圖樣)、以及與被跟蹤目標(biāo)體的已知幾何關(guān)系，以 便于使得外科系統(tǒng)10能基于標(biāo)記的位置計(jì)算出被跟蹤目標(biāo)體的姿態(tài)。由于非機(jī)械式跟蹤系統(tǒng)依賴于檢測(cè)裝置41的性能來從光學(xué)上"看 到"標(biāo)記，所以，檢測(cè)裝置41和跟蹤器應(yīng)當(dāng)被定位成這樣在外科手 術(shù)過程中，使得檢測(cè)裝置41與標(biāo)記之間可保持清晰的視線。作為防護(hù) 措施，優(yōu)選地是，外科系統(tǒng)IO被設(shè)計(jì)成這樣如果檢測(cè)裝置41在手 術(shù)過程中不能檢測(cè)到跟蹤器(例如當(dāng)檢測(cè)裝置41與一個(gè)或多個(gè)標(biāo)記之 間的視線被遮擋和/或當(dāng)標(biāo)記的反射被遮蔽時(shí))，就向使用者發(fā)出警報(bào)。 例如，外科系統(tǒng)10可包括聲響(和/或視覺)警報(bào)器，其被編程設(shè)置 成當(dāng)人員走入到標(biāo)記與檢測(cè)裝置41之間時(shí)、當(dāng)在標(biāo)記與檢測(cè)裝置 41之間放置了物體時(shí)、當(dāng)攝像機(jī)的鏡頭被遮擋(例如被灰塵)時(shí)、和 /或當(dāng)標(biāo)記的發(fā)光被遮蔽(例如被血液、組織、灰塵、骨屑)時(shí)，其可 發(fā)聲(和/或閃光)。外科系統(tǒng)IO還可包括觸發(fā)其它安全特征的程序一 例如帶有電源關(guān)斷特性的閉塞檢測(cè)算法(下文將結(jié)合圖13中的步驟 Sll進(jìn)行討論)，當(dāng)檢測(cè)裝置41無法捕捉到標(biāo)記時(shí)，該算法能停止工 具50的工作。非機(jī)械式的跟蹤系統(tǒng)可以為使用者希望跟蹤的每個(gè)目標(biāo)體都設(shè)置 可跟蹤元件(或跟蹤器)。例如，在一種實(shí)施方式中，非機(jī)械式跟蹤系 統(tǒng)包括解剖體跟蹤器43 (用于跟蹤患者的解剖體)、觸覺裝置跟蹤器 45 (用于跟蹤觸覺裝置30的總體位置或大體位置)、末端執(zhí)行器跟蹤 器47 (用于跟蹤觸覺裝置30的遠(yuǎn)端)、以及器械跟蹤器49 (用于跟蹤 由使用者手動(dòng)把握的器械/工具)。如圖1所示，解剖體跟蹤器43被布置在患者解剖體(例如骨頭) 的相關(guān)部分上，且適于使得該相關(guān)解剖體可被檢測(cè)裝置41進(jìn)行跟蹤。 解剖體跟蹤器43包括用于附接到解剖體上的固定裝置。固定裝置例如 可以是骨釘、外科釘、螺釘、夾具、可佩戴裝置、髓內(nèi)桿體等。在一 種實(shí)施方式中，解剖體跟蹤器43被用在膝蓋置換手術(shù)過程中，用于跟 蹤患者的股骨F和脛骨T。在該實(shí)施方式中，如圖l所示，解剖體跟 蹤器43包括適于被布置在股骨F上的第一跟蹤器43a和適于被布置 到脛骨T上的第二跟蹤器43b。如圖4所示，第一跟蹤器43a包括由 骨釘P構(gòu)成的固定裝置和獨(dú)特的標(biāo)記陣列Sl (例如反光球體)。陣列 Sl被附著到連接機(jī)構(gòu)400上，該連接機(jī)構(gòu)適于被可拆卸地固定到兩骨 釘P上。例如，如圖4所示，連接機(jī)構(gòu)400可包括第一部分442、笫 。為了將第一跟蹤器43a安裝到股骨F上， 使用者將骨釘P旋擰到股骨F中，并在骨釘P上滑動(dòng)連接機(jī)構(gòu)400， 然后再旋緊螺釘445，以將第一部分442和第二部分444拉緊到一起， 由此將連接機(jī)構(gòu)400牢固地固定到骨釘P上。 一旦固定之后，連接機(jī) 構(gòu)400就額外地增大了骨釘P的穩(wěn)定性。第二跟蹤器43b除了被安裝 到脛骨T上、且具有自己獨(dú)特的標(biāo)記陣列之外，與第一跟蹤器43a是 相同的。當(dāng)被安裝到患者上之后，第一、第二跟蹤器43a和43b使得 檢測(cè)裝置41能在膝蓋置換手術(shù)過程中對(duì)股骨F和脛骨T的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行 跟蹤。結(jié)果就是，外科系統(tǒng)10能在手術(shù)過程中實(shí)時(shí)地補(bǔ)償骨頭的運(yùn)動(dòng)。 如圖2A所示，觸覺裝置跟蹤器45被布置在觸覺裝置30上，其 被設(shè)計(jì)成使得外科系統(tǒng)10能監(jiān)控觸覺裝置30在物理空間內(nèi)的總體位 置或大體位置。特別是，觸覺裝置跟蹤器45使得外科系統(tǒng)10能確定 出觸覺裝置30是否相對(duì)于外科環(huán)境中的其它物體(例如患者)產(chǎn)生了 移動(dòng)。由于工具50被連接到觸覺裝置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時(shí)有意地重新布置 觸覺裝置30或無意中撞擊了觸覺裝置30,跟蹤系統(tǒng)40就將檢測(cè)到觸 覺裝置跟蹤器45的運(yùn)動(dòng)。作為響應(yīng)，外科系統(tǒng)10可對(duì)計(jì)算機(jī)21和/ 或計(jì)算機(jī)31上運(yùn)行的程序作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，以補(bǔ)償觸覺裝置30 (及 所連的工具50)相對(duì)于股骨F的總體運(yùn)動(dòng)或大體運(yùn)動(dòng)。結(jié)果就是，可保持股骨準(zhǔn)備過程的完整性。如圖2A和圖5所示，觸覺裝置跟蹤器45包括獨(dú)特的標(biāo)記(例如 反光球)陣列S3,且適于被安裝到觸覺裝置30的底座32上。優(yōu)選地 是，觸覺裝置跟蹤器45被安裝成這樣使其能被固定成相對(duì)于基座 32處于固定的位置上。該固定位置相對(duì)于觸覺裝置30進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定 (下文將結(jié)合圖13中的步驟S9進(jìn)行討論)，以使得外科系統(tǒng)10能知曉 觸覺裝置跟蹤器45相對(duì)于觸覺裝置30的基座32處于何處。 一旦校準(zhǔn) 之后，在手術(shù)過程中就要保持該固定位置。如圖2A和圖5所示，在 一種實(shí)施方式中，觸覺裝置跟蹤器45包括臂件34，該臂件的近端與 基座32相連(例如通過螺釘、鉚釘、焊接、夾具、磁體等)，遠(yuǎn)端上
支撐著標(biāo)記陣列S3。臂件34可包括一個(gè)或多個(gè)具有剛性結(jié)構(gòu)的支撐 構(gòu)件(例如支架、撐桿、連桿等)，以使得觸覺裝置跟蹤器45可相對(duì) 于觸覺裝置30固定在永久性的位置上。但優(yōu)選地是，臂件34是適于 調(diào)整的，以使得陣列S3可相對(duì)于觸覺裝置30在第一位置與第二位置 之間移動(dòng)。因而，陣列S3在被固定到固定位置之前，可相對(duì)于觸覺裝 置30的基座32獨(dú)立地定位。可調(diào)節(jié)性的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于陣列S3的位 置可針對(duì)于各種外科情況進(jìn)行定制(例如基于患者的體格尺寸、手術(shù) 臺(tái)的高度等)?？烧{(diào)節(jié)性的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于陣列S3可被定位得不會(huì) 在手術(shù)過程中對(duì)使用者造成妨礙?？砂凑杖魏维F(xiàn)有的方式來使得臂件 34具備可調(diào)節(jié)性(例如關(guān)節(jié)臂、柔性頸部等)。例如，如圖5所示， 在一種實(shí)施方式中，臂件34包括球窩接頭34b，觸覺裝置跟蹤器45 被設(shè)置在該接頭上。球窩接頭34b包括由手柄34a操作的鎖止機(jī)構(gòu)。 在工作中，使用者可旋松手柄34a來釋放球窩接頭34b，并對(duì)球窩接 頭34b進(jìn)行操作，直到使觸覺裝置跟蹤器45處于所需的位置為止，然 后再旋緊手柄34a，直到使球窩接頭34b被牢固地固定為止。按照這 種方式，可將觸覺裝置跟蹤器45固定到所需的位置上。作為將觸覺裝 置跟蹤器45固定在固定位置、并將該固定位置校準(zhǔn)于觸覺裝置30的 替代措施，臂件34可包括位置傳感器(例如編碼器)。這些位置傳感 器可與臂件33的位置傳感器類似，且可與合適的軟件(例如在計(jì)算機(jī) 21或計(jì)算機(jī)31上運(yùn)行的軟件)配合使用，以測(cè)量臂件34相對(duì)于基座 32的姿態(tài)。如果在臂件34上設(shè)置了位置傳感器，則由于外科系統(tǒng)IO 可基于由位置傳感器提供的關(guān)于臂件34姿態(tài)的信息而確定出觸覺裝 置跟蹤器45相對(duì)于基座32的位置，所以下文將要介紹的校準(zhǔn)過程S11 可萍皮取消。末端執(zhí)行器跟蹤器47適于使得外科系統(tǒng)10能確定出觸覺裝置30 遠(yuǎn)端(例如工作端)的姿態(tài)。優(yōu)選地是，末端執(zhí)行器跟蹤器37被設(shè)計(jì) 成位于臂件33的遠(yuǎn)端或工具50上。例如，如圖6B所示，末端執(zhí)行 器跟蹤器47可被布置在末端執(zhí)行器35上。如圖6A所示，末端執(zhí)行 器跟蹤器47可包括獨(dú)特的標(biāo)記(例如反射球)陣列S4,且適于以公
知的方式連接到末端執(zhí)行器35上，其中的連接方式例如是夾持裝置、 螺紋連接件、磁體等。如圖6A所示，在一種實(shí)施方式中，末端執(zhí)行 器跟蹤器47利用夾具1500附接到末端執(zhí)行器35上。夾具1500可與 陣列S4制成一體，或者以常規(guī)的方式(例如機(jī)械硬件、粘接劑、焊接 等)附接到陣列S4上。夾具1500包括第一部分1505、第二部分1510、 以及指旋螺絲1515。第一、第二部分1505和1510的形狀被設(shè)計(jì)成可 接納末端執(zhí)行器的一個(gè)部分一例如工具50的圓柱形部分或工具保持 器51。例如，如圖6A所示，第一部分1505可具有平面，第二部分 1510可具有V形的溝槽，從而，第一部分1505和第二部分1510在被 擰緊到一起時(shí)，可牢固地接納著工具50或工具保持器51。為了將末 端執(zhí)行器跟蹤器47安裝到末端執(zhí)行器35上，夾具1500的第一部分 1505和第二部分1510可被布置成環(huán)繞著工具50或工具保持器51,并 由指旋螺絲1515擰緊。末端執(zhí)行器跟蹤器47還可包括這樣的特征 當(dāng)將末端執(zhí)行器跟蹤器47安裝到觸覺裝置30上時(shí)，其有助于對(duì)末端 執(zhí)行器跟蹤器47正確地進(jìn)行定向。例如，末端執(zhí)行器跟蹤器47可包 括如圖6B所示的凹窩(divot) 47a。在一種實(shí)施方式中，僅在對(duì)觸覺裝置30進(jìn)行標(biāo)定(下文將結(jié)合圖 13中的步驟S9進(jìn)行討論)時(shí)才使用末端執(zhí)行器跟蹤器47，而在執(zhí)行 外科手術(shù)之前，要將其拆卸掉。在這種實(shí)施方式中，末端執(zhí)行器跟蹤 器47被布置到末端執(zhí)行器35上(如圖6B所示)，且觸覺裝置跟蹤器 45被安裝到觸覺裝置30的基座32上(例如如圖2A所示那樣通過可 調(diào)節(jié)臂件34進(jìn)行安裝)，從而可調(diào)節(jié)觸覺裝置跟蹤器45相對(duì)于觸覺裝 置30的位置。由于觸覺裝置跟蹤器45的位置是可調(diào)節(jié)的(與永久固 定的情況相反)，外科系統(tǒng)IO無法知曉觸覺裝置跟蹤器45相對(duì)于觸覺 裝置30的方位。為了確定觸覺裝置30與觸覺裝置跟蹤器45之間的幾 何關(guān)系，標(biāo)定過程要用到末端執(zhí)行器跟蹤器47。盡管在整個(gè)外科手術(shù) 過程中(或手術(shù)過程的任何部分中)末端執(zhí)行器跟蹤器47都可留在觸 覺裝置30上，但最好是在完成了標(biāo)定過程后將末端執(zhí)行器跟蹤器47 去掉。例如，使用者可能希望將末端執(zhí)行器跟蹤器47去掉，以防止跟
蹤器47干擾使用者對(duì)觸覺裝置30、患者解剖體、醫(yī)療器械和設(shè)備、 和/或手術(shù)室中其他人員的抓握。拆除末端執(zhí)行器跟蹤器47的另一優(yōu) 點(diǎn)在于由于跟蹤系統(tǒng)40對(duì)末端執(zhí)行器跟蹤器47進(jìn)行測(cè)量時(shí)存在延 遲或帶寬有限，所以，末端執(zhí)行器跟蹤器47在手術(shù)過程中的移動(dòng)可能 導(dǎo)致外科系統(tǒng)10的性能下降。在一種備選的實(shí)施方式中，可取消末端執(zhí)行器跟蹤器47。在該實(shí) 施方式中，觸覺裝置跟蹤器45被固定在觸覺裝置30上的永久位置處。 由于觸覺裝置跟蹤器45在觸覺裝置30上被固定在永久位置上，所以， 觸覺裝置跟蹤器45與觸覺裝置30坐標(biāo)系之間的關(guān)系是已知的。因而， 外科系統(tǒng)10并不需要末端執(zhí)行器跟蹤器47進(jìn)行標(biāo)定來確立觸覺裝置 跟蹤器45與觸覺裝置30坐標(biāo)系之間的關(guān)系。在該實(shí)施方式中，觸覺 裝置跟蹤器45可被剛性地安裝到觸覺裝置30上的任何位置上，只要 這些位置允許跟蹤系統(tǒng)40能探測(cè)到觸覺裝置跟蹤器45陣列S3即可， 其中，這些位置與手術(shù)部位足夠地靠近，因而不會(huì)降低精度，且應(yīng)當(dāng) 不會(huì)妨礙使用者或?qū)κ中g(shù)環(huán)境中的其他人員或物體造成干涉。在一種備選的實(shí)施方式中，觸覺裝置30被牢固地鎖定就位。例如， 觸覺裝置30可被螺栓固定到手術(shù)室的地板上，或用其它方式固定在位 置上。結(jié)果就是，觸覺裝置30的總體位置或大體位置不會(huì)發(fā)生大的改 變，以使得外科系統(tǒng)10無需對(duì)觸覺裝置30的總體位置或大體位置進(jìn) 行跟蹤。因而，可取消觸覺裝置跟蹤器45。在該實(shí)施方式中，在觸覺 裝置30被鎖定就位之后，可使用末端執(zhí)行器跟蹤器47來確定觸覺裝 置30的初始位置。在另一種備選的實(shí)施方式中，跟蹤系統(tǒng)40被連接到觸覺裝置30 上永久固定的位置上。例如，跟蹤系統(tǒng)40 (包括檢測(cè)裝置41 )可被直 接安裝到觸覺裝置30上，或者可通過剛性的安裝臂或支架連接到觸覺 裝置30上，以使得跟蹤系統(tǒng)相對(duì)于觸覺裝置30處于固定的位置上。 在這樣的實(shí)施方式中，由于跟蹤系統(tǒng)40相對(duì)于觸覺裝置30的位置是 固定的，且可在執(zhí)行標(biāo)定的過程中(例如在制造或裝配觸覺裝置30 的過程中)進(jìn)行確定，所以可取消觸覺裝置跟蹤器45和末端執(zhí)行器跟
蹤器47。在另一種備選的實(shí)施方式中，跟蹤系統(tǒng)40以可調(diào)的方式連接到觸 覺裝置30上。例如，跟蹤系統(tǒng)40 (包括檢測(cè)裝置41)可利用臂件連 接到觸覺裝置30上，其中的臂件例如是可調(diào)節(jié)臂件34 (上文結(jié)合觸 覺裝置跟蹤器45進(jìn)行了討論)，從而使得跟蹤系統(tǒng)40可相對(duì)于觸覺裝 置30從第一位置移動(dòng)到第二位置。在臂件和跟蹤系統(tǒng)40被鎖定在位 置上之后，可進(jìn)行標(biāo)定工作，以確定跟蹤系統(tǒng)40相對(duì)于觸覺裝置30 的位置。例如可利用末端執(zhí)行器跟蹤器47來執(zhí)行標(biāo)定。器械跟蹤器49適于被聯(lián)接到由使用者手動(dòng)把握的器械150上(與 此相反，工具50例如是被連接到末端執(zhí)行器35上)。器械150例如是 探針—例如配準(zhǔn)探針(例如直線形或帶鉤的探針)。如圖7所示，器械跟蹤器49可包括獨(dú)特的標(biāo)記(例如反射球)陣列S5，其與器械150 制成一體或按照公知的方式連接到器械150上，其中的連接方式例如 是機(jī)械硬件、粘接劑、焊接、螺紋連接、夾緊裝置、夾箍等。當(dāng)器械 跟蹤器49被可拆卸地連接到器械150上時(shí)(例如利用夾箍或夾緊裝 置)，器械跟蹤器49應(yīng)當(dāng)被標(biāo)定到器械150上，以確定器械跟蹤器49 與器械150幾何結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系?？砂凑杖魏魏线m的方式來完成標(biāo)定， 例如可使用具有凹窩或V形槽的工具標(biāo)定器(例如在第2003/0209096 號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)中的公開內(nèi)容，該專利被結(jié)合到本申請(qǐng)中作為參考)。 采用夾箍或夾緊裝置(例如圖6A所示的夾具1500 )來將跟蹤器49 連接到器械150上的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于夾箍或夾緊裝置可被進(jìn)行調(diào)節(jié)以 適應(yīng)不同尺寸的器械。因而，多個(gè)器械可使用同一個(gè)夾具或夾緊裝置。 外科系統(tǒng)IO在知曉了陣列S5與器械150之間幾何關(guān)系的基礎(chǔ)上，能 計(jì)算出器械150頂端在物理空間內(nèi)的位置。因而，可通過使器械150 的尖端與某個(gè)物體的相關(guān)部分進(jìn)行接觸，就可使用器械來配準(zhǔn)該物體。 例如，通過使器械150接觸患者骨頭上的界標(biāo)或骨頭表面上的點(diǎn)，可 使用器械150來配準(zhǔn)患者的骨頭。還可使器械150與位于植入件上的 預(yù)定驗(yàn)證特征(例如凹窩)相接觸，使用器械150來驗(yàn)證安裝在患者 上的植入件是否對(duì)準(zhǔn)。 器械跟蹤器49還可被設(shè)計(jì)成對(duì)器械150的標(biāo)定進(jìn)行驗(yàn)證。例如， 另一個(gè)跟蹤器(例如跟蹤器43、 45或47)可帶有凹窩，使用者可將 器械150的尖端插入到該凹窩中。如圖6B所示，在一種實(shí)施方式中， 末端執(zhí)行器跟蹤器47具有凹窩47a，使用者可將器械150的尖端插入 到該凹窩中。然后，檢測(cè)裝置41就能從器械跟蹤器49和末端執(zhí)行器 跟蹤器47獲得姿態(tài)數(shù)據(jù)，外科系統(tǒng)10可將跟蹤器47、 49之間的實(shí)際 幾何關(guān)系與預(yù)期的幾何關(guān)系進(jìn)行比較。實(shí)際幾何關(guān)系與預(yù)期幾乎關(guān)系 之間的偏差就表明器械150的物理參數(shù)(例如直線度、尖端位置等) 不符合標(biāo)定條件。如圖29所示，在驗(yàn)證過程中，外科系統(tǒng)10在顯示 裝置23上顯示出的屏幕表示了器械150的幾何表像、器械跟蹤器49、 以及末端執(zhí)行器跟蹤器47。作為補(bǔ)充措施或替代措施，跟蹤系統(tǒng)40可包括機(jī)械跟蹤系統(tǒng)。與 非機(jī)械式的跟蹤系統(tǒng)(其包括遠(yuǎn)離跟蹤器43、 45、 47和49的檢測(cè)裝 置41)相反，機(jī)械式的跟蹤系統(tǒng)可被設(shè)計(jì)成包括與被跟蹤目標(biāo)體機(jī)械 相聯(lián)(即存在物理連接)的檢測(cè)裝置(例如具有關(guān)節(jié)編碼器的關(guān)節(jié)臂)。 跟蹤系統(tǒng)40可包括任何公知的機(jī)械跟蹤系統(tǒng)一例如在第6033415號(hào)和 第6322567號(hào)美國(guó)專利中描述的機(jī)械跟蹤系統(tǒng)，上述兩專利的全部?jī)?nèi) 容被結(jié)合到本申請(qǐng)中作為參考。在一種實(shí)施方式中，跟蹤系統(tǒng)40包括 具有關(guān)節(jié)式機(jī)械臂241 (例如具有六個(gè)或更多個(gè)自由度的關(guān)節(jié)臂)的 機(jī)械跟蹤系統(tǒng)，其適于對(duì)患者的骨頭進(jìn)行跟蹤。如圖8所示，臂件241 的近端被連接到觸覺裝置30的基座32上，其可自由運(yùn)動(dòng)的遠(yuǎn)端被固 定到患者的股骨F上。作為備選方案，近端可被連接到任何合適的位 置(例如手術(shù)臺(tái)的導(dǎo)軌、腿保持器等)上，但優(yōu)選地是，近端被連接 (直接連接或通過支架)到觸覺裝置30的基座32上，以使得臂件241 可與觸覺裝置30—起移動(dòng)。臂件241的遠(yuǎn)端帶有固定裝置245，其適 于將例如骨釘、骨螺釘、夾具、可佩戴裝置、外科鉤釘?shù)葎傂缘毓潭?到股骨F上。臂件241被設(shè)計(jì)成具有多個(gè)自由度。例如，如圖8所示， 在一種實(shí)施方式中，臂件241包括連接到關(guān)節(jié)244上的多根連桿242。 每個(gè)關(guān)節(jié)244都包括一個(gè)或多個(gè)位置傳感器(圖中未示出)，用于跟蹤
臂件241的姿態(tài)。位置傳感器可以是任何合適的傳感器一例如上文針 對(duì)觸覺裝置30的臂件33所描述的位置傳感器。在工作中，隨著股骨 F的移動(dòng)，臂件的遠(yuǎn)端也隨之而移動(dòng)。位置傳感器(以及合適的軟件) 測(cè)量出臂件遠(yuǎn)端相對(duì)于固定到觸覺裝置30上近端的姿態(tài)。按照這種方 式，就可捕捉到股骨F相對(duì)于觸覺裝置30的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械式的跟蹤系 統(tǒng)240還可包括第二臂件，其與臂件214相同，但被剛性地連接到脛 骨T上，以使得跟蹤系統(tǒng)240可對(duì)脛骨T的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤。按照這種 方式，可利用機(jī)械式的跟蹤系統(tǒng)240來對(duì)股骨F和脛骨T進(jìn)行跟蹤， 從而外科系統(tǒng)10在手術(shù)過程中能實(shí)時(shí)地檢測(cè)骨頭的運(yùn)動(dòng)。與適當(dāng)?shù)能?件配合，在手術(shù)過程中，外科系統(tǒng)IO可利用骨頭運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)來對(duì)骨頭的 運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)地進(jìn)行補(bǔ)償。機(jī)械式跟蹤系統(tǒng)相比于非機(jī)械式跟蹤系統(tǒng)的 一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于檢測(cè) 裝置(即臂件241)與被跟蹤目標(biāo)體是物理連接關(guān)系，因而無需與相 關(guān)部位連線、以"看到"被跟蹤目標(biāo)體上標(biāo)記。因而，在手術(shù)過程中， 使用者和其它人員可在手術(shù)室中自由地走動(dòng)，而不必?fù)?dān)心阻擋標(biāo)記組 與光學(xué)攝像機(jī)之間不可見的視線。機(jī)械式跟蹤系統(tǒng)的另 一優(yōu)點(diǎn)在于臂 件241可與觸覺裝置30實(shí)現(xiàn)物理連接(例如與基座32 )。這樣的結(jié)構(gòu) 消除了要對(duì)觸覺裝置30相對(duì)于患者的總體位置或大體位置進(jìn)行跟蹤 (例如使用上述的觸覺裝置跟蹤器45)的需要。由于臂件241隨著觸 覺裝置30 —起移動(dòng)，所以不必對(duì)觸覺裝置30的總體位置或大體位置 進(jìn)行跟蹤。結(jié)果就是，在手術(shù)過程中，觸覺裝置30可被重新定位，而 不必對(duì)骨頭運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定。另外，機(jī)械式跟蹤系統(tǒng)的精 度可高于非機(jī)械式跟蹤系統(tǒng)的精度，且使得計(jì)算機(jī)21和/或計(jì)算機(jī)31 具有更快的刷新率。由于機(jī)械式跟蹤系統(tǒng)硬連線到計(jì)算機(jī)21和/或計(jì) 算機(jī)31,從而能實(shí)現(xiàn)更快的刷新率。因而，刷新率僅受計(jì)算機(jī)21和/ 或計(jì)算機(jī)31速度的限制。在一種備選實(shí)施方式中，機(jī)械式跟蹤系統(tǒng)的臂件241可與手術(shù)臺(tái)、 腿保持器62 (例如如圖14A所示)、或手術(shù)環(huán)境中的其它結(jié)構(gòu)相連。 在這樣的實(shí)施方式中，執(zhí)行標(biāo)定操作來確定臂件241相對(duì)于觸覺裝置 30的姿態(tài)。例如，在一種實(shí)施方式中，通過將觸覺裝置30的遠(yuǎn)端(例 如末端執(zhí)行器35 )布置成與臂件241的遠(yuǎn)端具有已知的幾何關(guān)系來進(jìn) 行標(biāo)定。在另一實(shí)施方式中，臂件241的遠(yuǎn)端被布置成與觸覺裝置30 的基座32具有已知的幾何關(guān)系。在再一種實(shí)施方式中，觸覺裝置30 的遠(yuǎn)端(例如末端執(zhí)行器35 )可被布置成與臂件241的基座具有已知 的幾何關(guān)系。如果跟蹤系統(tǒng)40包括機(jī)械式跟蹤系統(tǒng)，則可使用臂件241來配準(zhǔn) 患者的解剖體。例如，使用者可使用臂件241來配準(zhǔn)脛骨T，而第二 臂件(即與臂件241相同、但被固定到脛骨T上的臂件)則對(duì)脛骨T 的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤。例如，通過將臂件241的遠(yuǎn)端的尖端指向脛骨T上 的解剖學(xué)界標(biāo)和/或通過使臂件241遠(yuǎn)端的尖端與脛骨T表面上的點(diǎn)相 接觸(或"涂抹")，來完成配準(zhǔn)工作。隨著使用者接觸脛骨T上的界 標(biāo)和/或涂抹脛骨T的表面。外科系統(tǒng)10就從臂件241中的位置傳感 器獲得了數(shù)據(jù)，并確定出了臂件241尖端的姿態(tài)。與此同時(shí)，第二臂 件提供了關(guān)于脛骨T運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，從而，外科系統(tǒng)10在配準(zhǔn)過程中 能考慮到骨頭的運(yùn)動(dòng)?；诠穷^運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以及關(guān)于臂件241尖端位置 的信息，外科系統(tǒng)10能將脛骨T與運(yùn)算系統(tǒng)20中的診斷圖像和/或患 者解剖體的解剖學(xué)模型配準(zhǔn)。按照類似的方式，第二臂件可被用來與 股骨F進(jìn)行配準(zhǔn)，而臂件241 (其被固定到股骨F上)則可對(duì)股骨F 的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤。例如還可組合地使用非機(jī)械式的跟蹤系統(tǒng)與被跟蹤 的探針(例如帶有器械跟蹤器49的器械150)和/或使用觸覺裝置30 (例如下文結(jié)合圖13中步驟S8所描述的那樣)對(duì)患者的解剖體進(jìn)行配 準(zhǔn)。如圖l所示，跟蹤系統(tǒng)40可通過接口 100b與觸覺裝置30相聯(lián)。 接口 100b包括物理接口和軟件接口。物理接口可以是任何公知的接口 —例如有線接口 (例如串行、USB、以太網(wǎng)、CAN總線、和/或其它 線纜通訊接口)、和/或無線接口 (例如無線以太網(wǎng)、無線串行、紅外 接口、和/或其它無線通訊系統(tǒng))。軟件接口可被駐留在計(jì)算機(jī)21和/ 或計(jì)算機(jī)31中，以使得觸覺裝置30和運(yùn)算系統(tǒng)20可與跟蹤系統(tǒng)40 進(jìn)行通訊，并對(duì)跟蹤系統(tǒng)的工作進(jìn)行控制。外科系統(tǒng)10適于與動(dòng)力源相連。動(dòng)力源可以是任何公知的電源一例如電力輸出線、電池、燃料電池、和/或發(fā)電機(jī)，且可利用常規(guī)的硬件(例如電線、電纜、浪涌保護(hù)器、開關(guān)、備份電池/UPS、隔離變壓 器等)與外科系統(tǒng)IO相連。優(yōu)選地是，外科系統(tǒng)10包括由使用者激 活的裝置，用于手動(dòng)地控制工具50的供電。例如，外科系統(tǒng)10可包 括腳踏板(或其它開關(guān)裝置)，其可被定位在手術(shù)室的地板上，并靠近 使用者。踩壓腳踏板將使得電源向工具50供電(在氣動(dòng)工具50的情 況下，則是供送壓縮空氣)。與此相反，松開腳踏板將中斷能量向工具 50的輸送。外科系統(tǒng)10還適于自動(dòng)地中斷能量向工具50的輸送，以 提高安全性。例如，外科系統(tǒng)10可包括程序或流程(例如在計(jì)算機(jī) 21和/或計(jì)算機(jī)31上運(yùn)行)，其被用于在檢測(cè)到危險(xiǎn)狀況時(shí)關(guān)閉工具 50，其中的危險(xiǎn)狀況例如是在諸如骨頭切割等重要的操作過程中， 當(dāng)解剖體跟蹤器43和/或觸覺裝置跟蹤器45被遮擋住時(shí)的情形。在工作中，運(yùn)算系統(tǒng)20、觸覺裝置30、以及跟蹤系統(tǒng)40相互配 合而使得外科系統(tǒng)10能在手術(shù)過程中對(duì)使用者提供觸覺引導(dǎo)。外科系 統(tǒng)10通過利用力反饋觸覺接口 (即觸覺裝置30)來模擬人體的觸感 系統(tǒng)，以使得使用者能與虛擬的環(huán)境相互作用，從而提供了觸覺引導(dǎo)。 觸覺裝置30產(chǎn)生出由計(jì)算機(jī)控制的作用力，以向使用者傳達(dá)對(duì)于虛擬 環(huán)境和虛擬環(huán)境中虛擬(或觸覺)目標(biāo)體的自然感受。由計(jì)算機(jī)控制 的作用力被顯示給(即反映或傳送給)使用者，以使其感覺到虛擬目 標(biāo)體的觸感。例如，隨著使用者對(duì)工具50的操控，外科系統(tǒng)10確定 出工具50的位置和定向。對(duì)工具50的虛擬表像與虛擬環(huán)境中虛擬目 標(biāo)體之間的碰撞進(jìn)行檢測(cè)。如果發(fā)生了碰撞，外科系統(tǒng)10基于虛擬工具進(jìn)入到虛擬目標(biāo)體的深度來計(jì)算觸覺反作用力。計(jì)算出的反作用力 被映射到虛擬目標(biāo)體的表面上，并通過觸覺裝置30將合適的力矢量反 饋給使用者。在本文的語境中，術(shù)語"虛擬目標(biāo)體"(或"觸覺目標(biāo)體") 可被用來指代不同的目標(biāo)體。例如，虛擬目標(biāo)體可以是物理物體一例 如植入件或外科工具的表像。作為備選方案，虛擬目標(biāo)體可代表要被
從解剖體上去除的材料、要被留在解剖體上的材料、和/或要避免與工具50相接觸的解剖體(或其它目標(biāo)體)。虛擬目標(biāo)體還可以代表路線、 引導(dǎo)線、邊界、限界、或其它限度或邊線。為了使得使用者能與虛擬環(huán)境實(shí)現(xiàn)相互作用，外科系統(tǒng)10采用了 觸覺呈現(xiàn)流程。圖40圖示地表示了該流程的一種實(shí)施方式。在工作中， 觸覺裝置30 (模塊2500)的位置傳感器(模塊2502)向前向運(yùn)動(dòng)程 序(模塊2504)提供數(shù)據(jù)。前向運(yùn)動(dòng)程序的輸出信息被輸入到坐標(biāo)變 換程序(模塊2506 )中。觸覺呈現(xiàn)算法(模塊2508 )從坐標(biāo)變換程序 接收到數(shù)據(jù)，并向力映射程序(模塊2510)提供輸入信息?；诹τ?射程序的結(jié)果，觸覺裝置30的致動(dòng)器(模塊2512)被啟動(dòng)，以向使 用者傳輸合適的觸覺扭力(即作用力和/或扭矩)。上文已結(jié)合觸覺裝 置30的臂件33對(duì)模塊2502的位置傳感器和模塊2512的致動(dòng)器進(jìn)行 了介紹。下文將結(jié)合圖43中的步驟S708對(duì)模塊2504的前向運(yùn)動(dòng)程序 和模塊2506的坐標(biāo)變換程序進(jìn)行描述。并結(jié)合圖50對(duì)模塊2508的觸 覺呈現(xiàn)算法和模塊2510的力映射程序進(jìn)行描述。觸覺呈現(xiàn)程序可包括任何合適的觸覺呈現(xiàn)方法一例如公開在如下 文獻(xiàn)中的方法第6111577號(hào)美國(guó)專利；由C.B.Zilles與J.K.Salisbury 撰寫的、公開在《Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems》1995年第3巻第146-51 頁(yè)的"A constraint-based god-object method for haptic display"—文'， 由T.V.Thompson II、 D.E.Johnson與E.Cohen撰寫的、公開在 《Proceedings of the Symposium on Interactive 3D Graphics》(1997年 第167-76頁(yè))的"Direct haptic rendering of sculptured models"—文； 由K.Salisbury和C.Tar撰寫的、公開在《Proceedings of the ASME Dynamic Systems and Control Division〉X DSC-1997年第61巻第61-67 頁(yè))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撰寫的、公開 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。這些文獻(xiàn)^皮結(jié)合到本申請(qǐng)中作 為參考。由觸覺呈現(xiàn)程序創(chuàng)建的虛擬環(huán)境包括虛擬(或觸覺)目標(biāo)體，其 與工具50的虛擬表像相互作用。虛擬目標(biāo)體與工具50虛擬表像之間 的相互作用可以是基于位置點(diǎn)或基于射線的。在一種優(yōu)選實(shí)施方式中， 外科系統(tǒng)IO采用基于位置點(diǎn)的觸覺相互作用，在此條件下，只有虛擬 的點(diǎn)或觸覺相互作用點(diǎn)(HIP)與虛擬環(huán)境中的虛擬目標(biāo)體相互作用。 HIP對(duì)應(yīng)于觸覺裝置30上的物理點(diǎn)一例如工具50的尖端。HIP通過 虛擬彈簧/阻尼模型與物理觸覺裝置30上的物理點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。與HIP相 互作用的虛擬目標(biāo)體例如可以是具有表面707和觸覺力法向矢量Fn 的觸覺目標(biāo)體705 (參見圖42)。透入深度di是HIP與表面707上最 近點(diǎn)之間的距離。透入深度dj代表了 HIP透入到觸覺目標(biāo)體705中的 深度?？衫?D幾何基本物體、3D多邊形物體、數(shù)學(xué)方程、計(jì)算機(jī)模 型、表面模型、和/或體素陣列來為虛擬(或觸覺)目標(biāo)體建模。觸覺 目標(biāo)體可以是靜態(tài)的、準(zhǔn)靜態(tài)的、動(dòng)態(tài)的、連續(xù)的、非連續(xù)的、隨時(shí) 間變化的、和/或只在特定的時(shí)刻存在。在一種實(shí)施方式中，利用關(guān)于 工具位置、定向、速度、和/或加速度的一個(gè)或多個(gè)函數(shù)來為觸覺目標(biāo) 體建模。因而，在切割骨頭的外科手術(shù)的情況下，觸覺呈現(xiàn)程序可生 成輸出扭力相對(duì)工具位置的映射關(guān)系。該映射關(guān)系可被設(shè)計(jì)成這樣 使得反饋給使用者的輸出扭力足以阻止虛擬工具(或HIP)進(jìn)一步地 透入到虛擬物體中。按照這種方式，建立起了虛擬的切割邊界。虛擬 邊界與患者的實(shí)際解剖體、解剖體的圖像、和/或所涉及的其它坐標(biāo)系 相關(guān)聯(lián)(例如進(jìn)行配準(zhǔn))。由觸覺呈現(xiàn)程序表達(dá)出的觸覺目標(biāo)體可起到 路線(例如引導(dǎo)線)的功能，且可以是排斥性的(例如被設(shè)計(jì)成排斥 工具50,防止其進(jìn)入到觸覺目標(biāo)體的內(nèi)部)，還可起到容器的功能(例 如將工具50保持在觸覺目標(biāo)體的內(nèi)部)，和/或可以具有排斥性的部分 和所包含的部分。如圖41所示，多個(gè)觸覺目標(biāo)體701被疊加使得各觸 覺目標(biāo)體701的力矢量F被組合到一起而產(chǎn)生出合成的觸覺力矢量 Fv。在一種實(shí)施方式中，各個(gè)觸覺目標(biāo)體701的輸出包括相對(duì)于慣性 坐標(biāo)系、且具有線性特性的笛卡爾力矢量。可根據(jù)運(yùn)算成本來決定觸 覺目標(biāo)體的最大數(shù)目。觸覺目標(biāo)體可被進(jìn)行定制，以具備任何所需的形狀，例如可以是 具有解剖學(xué)輪廓的植入件形狀、為敏感結(jié)構(gòu)(例如關(guān)節(jié)內(nèi)解剖體)設(shè) 置的保護(hù)性邊界、可獲得圖像的腫瘤邊界、以及用于在活體內(nèi)組裝植 入件部件的虛擬固定件。在一種實(shí)施方式中，觸覺目標(biāo)體可被設(shè)計(jì)成 獨(dú)特的輪廓，以與患者的疾病狀態(tài)相適配。例如，觸覺目標(biāo)體可限定 虛擬的切割邊界，該邊界只將病變的骨頭包容在其中。因而，觸覺目 標(biāo)體可被用來引導(dǎo)使用者來去除病變的骨頭，同時(shí)能保留周圍健康的 骨頭。按照這種方式，外科系統(tǒng)IO使得使用者可按照定制的方式來刮 刻骨頭，此工作包括復(fù)雜的幾何形狀和曲線，而這樣的形狀和曲線利 用常規(guī)的切割具和鋸具引導(dǎo)件是不可能完成的。結(jié)果就是，外科系統(tǒng) IO有利于保留健康骨頭的手術(shù)操作，并有利于設(shè)計(jì)尺寸更小、且適于 患者特定病變狀態(tài)的植入件。觸覺目標(biāo)體可具有相關(guān)的空間或幾何表像，該表像可被以圖形的 顯示顯示在顯示裝置23上。圖形表像可被選擇為能向使用者傳遞有用 的信息。例如，如圖l所示，用于協(xié)助使用者將工具50引導(dǎo)到手術(shù)部 位的觸覺目標(biāo)體300可被以圖形的形式表達(dá)為漏斗形的體積。隨著與300相互作用，觸覺力被反映給使用者，以將工具50指向手術(shù)部位。 作為備選方案，如圖9所示，觸覺目標(biāo)體310可被以圖形的形式表達(dá) 為引導(dǎo)線。隨著虛擬工具沿觸覺目標(biāo)體310移動(dòng)并與之相互作用，觸 覺力被反映給使用者，以將工具50引導(dǎo)向手術(shù)部位。在一種實(shí)施方式 中，為植入件限定了虛擬切割邊界的觸覺目標(biāo)體在顯示裝置23上可被 描繪為其形狀基本上對(duì)應(yīng)著植入件形狀的圖像。因而，為股骨部件72 (如圖IOA所示)限定了虛擬切割邊界的觸覺目標(biāo)體208可具有如圖9 所示的對(duì)應(yīng)圖形表像。類似地，為脛骨部件74 (如圖IOB所示)限定 了虛擬切割邊界的觸覺目標(biāo)體206也具有如圖9所示的對(duì)應(yīng)圖形表像。
優(yōu)選地是，利用3D隱含表面物體(例如平面、球體、錐體、圓 柱體等)的組合來為體積簡(jiǎn)單的觸覺目標(biāo)體建模。例如，圖42所示的 觸覺目標(biāo)體705是球體。觸覺目標(biāo)體705的表面是連續(xù)光滑的，從基 于觸覺相互作用點(diǎn)(HIP)的簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)表面函數(shù)，可以用便宜的、 固定的運(yùn)算成本來求得透入深度dj以及觸覺力法向矢量Fn的解。對(duì)于 更為復(fù)雜的物體，可使用基于多邊形的觸覺呈現(xiàn)技術(shù)。圖43表示了根據(jù)本發(fā)明的、基于多邊形的觸覺呈現(xiàn)方法的一種實(shí) 施方式。在步驟S702中，例如利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件來 生成可與使用者相互作用的虛擬環(huán)境。例如使用清晰的表面模型來創(chuàng) 建虛擬環(huán)境。在一種實(shí)施方式中，虛擬環(huán)境包括3D虛擬(或觸覺) 目標(biāo)體，其包括多個(gè)多邊形的表面物體。如圖44所示，優(yōu)選地是，每 個(gè)表面物體都是三角形，其由三個(gè)節(jié)點(diǎn)(或頂點(diǎn))VO、 VI、 V2和法 向矢量n表達(dá)。虛擬目標(biāo)體可被重新造形，以補(bǔ)償工具50的物理直徑 —例如可將虛擬目標(biāo)體的壁面偏移工具50的半徑量。為了提高運(yùn)算性 能(在實(shí)時(shí)應(yīng)用的情況下，此性能是很重要的)，可重新篩選多邊形表 面物體，例如來消除那些小于所需空間解析度的多邊形。在虛擬目標(biāo) 體為封閉空腔的情況下，可通過生成具有兩個(gè)表面一物體外表面和空 腔內(nèi)表面的方法來簡(jiǎn)化利用CAD系統(tǒng)生成虛擬目標(biāo)體的工作。但是， 只使用內(nèi)部空腔表面的措施能有利地減小進(jìn)行呈現(xiàn)所需的容量以及多 邊形目標(biāo)體(例如三角形、多邊形)的數(shù)目。在一種實(shí)施方式中，呈現(xiàn)程序可支持進(jìn)入封閉虛擬物體的單向進(jìn)入行為，此條件下，HIP只 有在從外部移動(dòng)到內(nèi)部時(shí)，才被允許穿過虛擬目標(biāo)體。在圖43的步驟S704中，觸覺呈現(xiàn)程序創(chuàng)建了多邊形表面物體在 虛擬環(huán)境中的體素映射圖。為了創(chuàng)建體素映射圖，虛擬環(huán)境中的虛擬 目標(biāo)體在空間中被分隔成更小的單元(體素)，以減少多邊形表面物體 的數(shù)目，并避免不必要的碰撞檢測(cè)檢查。如圖45所示，虛擬目標(biāo)體被 分隔成niXnjXnk的網(wǎng)格。該網(wǎng)格的間隔是規(guī)則的，且可改變解析度。每個(gè)體素都具有占據(jù)該體素或與該體素相交的多邊形的指針。在給定 一組多邊形的情況下，可通過如下的步驟來建立起體素的查詢表提取感興趣的多邊形的多邊形數(shù)據(jù)(即頂點(diǎn)V0、 VI、 V2的xyz分量)； 圍繞著多邊形創(chuàng)建邊界框；為處于邊界框內(nèi)的體素添加唯一識(shí)別的多 邊形數(shù)目；以及增大占據(jù)著體素的多邊形的總數(shù)目。重復(fù)進(jìn)行這些步 驟，直到處理完最后一個(gè)多邊形為止。如圖44 (多重坐標(biāo)系)和圖45 (體素坐標(biāo)系)所示，多重坐標(biāo)系中的點(diǎn)p被方程式vijk= (int) floor (p/s)轉(zhuǎn)換到體素坐標(biāo)系中，其中，s是體素的尺寸。圖46A和圖46B 分別表示了體素和多邊形查詢表的實(shí)例。在圖43的步驟S706中，觸覺呈現(xiàn)程序創(chuàng)建了指向目標(biāo)點(diǎn)或目標(biāo) 區(qū)域的引導(dǎo)線。該引導(dǎo)線起到了路線或指示線的作用，其將HIP引導(dǎo) 向特定的位置。引導(dǎo)線是有用的，例如對(duì)使用者移動(dòng)物理工具50的運(yùn) 動(dòng)進(jìn)行引導(dǎo)，以使得工具50避開重要的解剖體。對(duì)于使用者不能橫穿 的封閉觸覺體積，引導(dǎo)線也是有用的。下文將參照?qǐng)D47對(duì)引導(dǎo)線的實(shí) 施進(jìn)行介紹，圖47表示了虛擬的球體720。球體720包括由球體720 的中心和半徑限定的有效區(qū)域。當(dāng)HIP位于有效區(qū)域的外部時(shí)，使用 者可自由地移動(dòng)觸覺裝置30。當(dāng)HIP進(jìn)入到有效區(qū)域時(shí)，觸覺裝置 30被置于接近模式，在該模式中，創(chuàng)建引導(dǎo)線的線段722。引導(dǎo)線的 線段722例如從球體720表面上的進(jìn)入點(diǎn)723延伸到目標(biāo)點(diǎn)721 (例 如目標(biāo)點(diǎn)對(duì)(pe, pt})。 一般情況下，球體720的中心可與目標(biāo)點(diǎn)重合 (或位于目標(biāo)區(qū)域內(nèi))。當(dāng)引導(dǎo)線線段722被激活時(shí)，HIP沿著引導(dǎo)線 線段723自由地移動(dòng)。HIP偏離引導(dǎo)線線段722的運(yùn)動(dòng)(例如垂直于 引導(dǎo)線線段722的運(yùn)動(dòng))將產(chǎn)生出反饋給使用者的阻力。隨著HIP接 近于目標(biāo)點(diǎn)，對(duì)HIP當(dāng)前位置與目標(biāo)點(diǎn)之間的距離進(jìn)行監(jiān)控。如果距 離小于限界半徑，則例如通過采用單向限制的虛擬限界球體724來約 束HIP的行為。隨著HIP進(jìn)一步移近目標(biāo)點(diǎn)，限界球體724的半徑將 減小。當(dāng)HIP與目標(biāo)點(diǎn)之間的距離小于轉(zhuǎn)換半徑(在圖47中由轉(zhuǎn)換 球體725代表)時(shí)，開始呈現(xiàn)虛擬目標(biāo)體的觸感。在圖43所示的步驟S708中，觸覺呈現(xiàn)程序?qū)⑽锢鞨IP (例如工 具50的尖端)映射到虛擬空間中。例如，圖40中的前向運(yùn)動(dòng)程序(模 塊2504)運(yùn)算出物理HIP相對(duì)于慣性坐標(biāo)系Ri的笛卡兒位置。圖40 所示的坐標(biāo)變換程序(模塊2506)在慣性坐標(biāo)系Ri、多重坐標(biāo)系Rp (與多邊形虛擬物體相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系)、以及圖48所示的體素坐標(biāo)系 RV (與體素陣列相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系)之間執(zhí)行坐標(biāo)變換。 一旦觸覺呈現(xiàn) 程序已經(jīng)確定出HIP相對(duì)于多重坐標(biāo)系Rp的位置，觸覺呈現(xiàn)程序就 運(yùn)行到步驟S710,并通過查看被占據(jù)的體素和相鄰的體素來查詢候選 的多邊形物體。在步驟S712中，觸覺呈現(xiàn)程序檢查碰撞(例如自從上 次呈現(xiàn)循環(huán)之后，HIP已經(jīng)穿過多邊形物體)，并基于所希望的虛擬代 理行為(下文將結(jié)合圖49對(duì)此進(jìn)行描述)確定虛擬代理點(diǎn)位置(例如 HIP沿著虛擬目標(biāo)體表面的受限位置)。在步驟S714中，在工具的坐在步驟S716中，基于所需的虛擬表面硬度而運(yùn)算出通過觸覺裝置30 反饋給使用者的觸覺力，其中，虛擬表面的硬度是由將HIP與觸覺裝 置30聯(lián)接起來的虛擬彈簧和阻尼力確定的。在步驟S718中，利用觸 覺裝置30將運(yùn)算出的觸覺力顯示或反映給使用者。如圖49A和49B所示，可基于HIP在當(dāng)前時(shí)刻t的位置HIP (t) 和前一時(shí)刻t-l的位置HIP (t-l)來確定出初始虛擬代理點(diǎn)的位置。 例如，當(dāng)HIP位于虛擬目標(biāo)體的外部時(shí)，觸覺呈現(xiàn)程序通過檢測(cè)包括 虛擬目標(biāo)體的多邊形表面物體與線段L之間的相交來檢查HIP與虛擬 目標(biāo)體表面之間的初始接觸，其中，線段L在位置HIP (t)與HIP (t-l)之間延伸。初始虛擬代理點(diǎn)的位置VP (t)被算出，其作為線 段L與多邊形表面物體之間的相交點(diǎn)。圖50表示的流程圖詳細(xì)地介紹了根據(jù)本發(fā)明的、基于多邊形表面 物體的觸覺呈現(xiàn)算法(圖40所示模塊2508)的一種實(shí)施方式。在步 驟S100中，對(duì)HIP (t)的位置進(jìn)行更新，并將位置變換到多重坐標(biāo) 系中。在步驟S101中，算法確定碰撞檢測(cè)特征位(t-l )數(shù)值是否為1。 如果判斷是否定性的，則進(jìn)入步驟S103,該算法將HIP (t)映射到 體素坐標(biāo)中。在步驟S105中，算法確定出HIP (t)是否位于體素邊 界框的內(nèi)部。如果判斷是否定的，則沒有檢測(cè)到任何碰撞，算法進(jìn)行 到步驟S115，在該步驟中，觸覺力被設(shè)定為零，然后是步驟S117，在
該步驟中，碰撞檢測(cè)特征位(t)被設(shè)定為零，在步驟S119中，將時(shí) 間遞加至t-t+l。如果步驟S105確定出HIP (t)位于體素邊界框的 內(nèi)部，算法就進(jìn)行到步驟S107,并沿著HIP (t)的線段從體素查詢 表來尋找候選的多邊形。在步驟S109中，算法從多邊形查詢表來提取 多邊形的信息。在步驟S111中，算法測(cè)試HIP (t)的線段與多邊形 的相交性，且在步驟S113中，確定出是否檢測(cè)到初始碰撞。如果沒有 檢測(cè)到任何碰撞，算法就進(jìn)行到上述的步驟S115、 S117、 S119。如果 檢測(cè)到碰撞，算法就進(jìn)行到步驟S132 (下文將進(jìn)行介紹)。與此相反，在步驟S101中，如果碰撞檢測(cè)特征位(t-l)的數(shù)值 為1，算法就沿著流程圖的右側(cè)分支進(jìn)行。在步驟S102中，算法將 HIP (t)映射到體素坐標(biāo)系中。在步驟S104中，算法從體素查詢表 中尋找在HIP (t)處的相鄰多邊形。在步驟106中，算法從多邊形查 詞表來提取多邊形的信息。在步驟S108中，對(duì)各個(gè)相鄰多邊形進(jìn)行測(cè) 試，以確定其是否與從HIP (t-l)到HIP (t)的線段相交。在步驟 S110中，算法利用該信息來決定HIP (t)是否從多邊形中退出。如 果判斷是肯定的，則HIP就不再進(jìn)入到觸覺目標(biāo)體中了，算法進(jìn)行到 上述步驟S115、 S117和S119中。如果步驟S110確定出HIP尚未從 多邊形中退出，則算法就進(jìn)行到步驟S112中，在該步驟中，算法將 HIP( t)沿著多邊形的對(duì)應(yīng)表面法向矢量投影到各個(gè)相鄰的多邊形上。 如果被投影的HIP (t)位于多邊形內(nèi)，算法就將該多邊形設(shè)定為在位 多邊形(ON-Polygon )，并存儲(chǔ)相交點(diǎn)。不然的話，算法在多邊形的 邊界上找到一個(gè)最為接近投影HIP( t )的點(diǎn)(都位于多邊形的平面內(nèi))， 并存儲(chǔ)該位置點(diǎn)。對(duì)各個(gè)相鄰的多邊形都重復(fù)地執(zhí)行該過程。然后， 算法根據(jù)前一時(shí)間循環(huán)的有效多邊形AP (t-l)是否在步驟S22中被 設(shè)定為在位多邊形、以及在當(dāng)前循環(huán)中是否只有單個(gè)多邊形被設(shè)定為 在位多邊形而獲得了判定點(diǎn)。下文將介紹如何處理上述兩種情況。在步驟S114中，算法判斷前次的有效多邊形(虛擬代理點(diǎn)與其接 觸)是否仍然是在位多邊形。如果情況是這樣，則進(jìn)入步驟S124(有 效多邊形優(yōu)先)，該多邊形表面具有作為有效多邊形的優(yōu)先權(quán)一即使在 另一個(gè)多邊形也被認(rèn)定為在位多邊形的情況下。因而，保持著AP(t)， 且VP (t)被設(shè)定為有效多邊形表面上的最接近點(diǎn)。例如，圖51A表 示了由兩個(gè)鄰接表面540和542形成的虛擬目標(biāo)體的凸出部分。如果 t-l時(shí)刻的HIP位于位置544處，則表面540就是在位多邊形，而表 面540則不是在位多邊形。t-l時(shí)刻的虛擬代理點(diǎn)位置處于位置548處。 如果HIP移動(dòng)到位置546處，則兩表面540和542都是在位多邊形， 位置550和552都是代理點(diǎn)位置的候選對(duì)象。在此情形下，表面540 將被選擇為有效多邊形，且代理點(diǎn)位置將被更新為位置550。按照這 種方式賦予前次有效多邊形的優(yōu)先權(quán)將防止將位置552選擇為代理 點(diǎn)，否則的話，將導(dǎo)致代理點(diǎn)位置出現(xiàn)不自然的跳變，并進(jìn)而使得使 用者感受到的觸覺相互作用力出現(xiàn)不自然的跳動(dòng)。如果步驟S114判斷出前次的有效多邊形并非在位多邊形，則算法 就進(jìn)行到步驟S116，以判斷是否檢測(cè)到單個(gè)在位多邊形。如果在步驟 S116中沒有檢測(cè)到單個(gè)在位多邊形，算法將在步驟S120中再次進(jìn)行 檢查。如果在步驟S116中檢測(cè)到了單個(gè)在位多邊形，算法就執(zhí)行步驟 S118,并在再次執(zhí)行步驟S120、以檢查單個(gè)在位多邊形之前增大在位 多邊形的凹角。如果在步驟S120中檢測(cè)到了單個(gè)在位多邊形，算法就 進(jìn)行到步驟S126 (下文將進(jìn)行描述)。如果未在步驟S120中檢測(cè)到單 個(gè)在位多邊形，算法進(jìn)行到步驟S122，并判斷是否檢測(cè)到了多個(gè)在位 多邊形。如果情況是這樣，算法執(zhí)行步驟S128 (下文將進(jìn)行介紹)。 不然的話，算法就進(jìn)行到步驟S130 (下文介紹)。在步驟S126 (在位多邊形優(yōu)先)中，利用新的在位多邊形對(duì)AP (t)進(jìn)行更新，且VP (t)被設(shè)定為有效多邊形表面上的最近點(diǎn)。例 如，如圖51B所示，虛擬目標(biāo)體具有兩個(gè)鄰接的表面554和556。在 時(shí)刻t-l， HIP位于位置558處，代理點(diǎn)位于位置562處。如果HIP 隨著從位置558移動(dòng)到位置560而越過了表面邊界線564,表面556 就變成了在位多邊形，且位置566變成了新的代理點(diǎn)位置。因而，如 果檢測(cè)到了新的單個(gè)在位多邊形，則新的單個(gè)在位多邊形就變成了有 效多邊形。
在步驟S128 (連續(xù)表面優(yōu)先)中，基于力矢量偏差原則來選定 AP (t)，且將VP (t)選定為有效多邊形表面上的最近點(diǎn)。如圖51C 所示，算法檢測(cè)到多個(gè)新的在位多邊形，圖51C表示了由三個(gè)表面 568、 570、以及572形成的虛擬目標(biāo)體的凸出部分。隨著HIP從位置 574移動(dòng)到位置578，算法檢測(cè)到兩個(gè)新的在位多邊形表面570和572。 因而，位置580和582就是新的虛擬代理點(diǎn)位置的候選對(duì)象。在此情 況下，算法運(yùn)算出力矢量的可能候選對(duì)象，并排除掉阻尼分量，且將 力矢量偏差值與前次的力矢量偏差值進(jìn)行比較。算法確定出有效多邊 形，從而減小了如下的目標(biāo)函數(shù)式中fa代表由HIP的當(dāng)前位置限定的彈簧力矢量以及第i個(gè)多 邊形上虛擬代理點(diǎn)的可能位置，fw代表前一時(shí)刻的觸覺力。在一種實(shí) 施方式中，表面570將是新的有效多邊形，位置580將是新的代理點(diǎn) 位置。在步驟S130 (最小力優(yōu)先)中，根據(jù)最小力原則來確定AP (t)， 且VP(t)被設(shè)定為有效多邊形表面上的最近點(diǎn)。如圖51D所示，HIP 處在不能檢測(cè)到任何在位多邊形的位置處。圖51D表示了由三個(gè)表面 584、 586、以及588形成的虛擬目標(biāo)體的凹入部分。當(dāng)HIP從位置590 移動(dòng)到位置594時(shí)，沒有任何表面是在位多邊形。位置596是最為靠 近表面586和584的位置點(diǎn)，位置598是最為靠近表面588的位置點(diǎn)。 在此情況下，算法計(jì)算出當(dāng)前HIP與可能的代理點(diǎn)位置之間的距離， 并確定出虛擬代理位置，以減小如下目標(biāo)函數(shù)的數(shù)值其中，Xi，yp代表第i個(gè)多邊形上可能的虛擬代理點(diǎn)的位置，x叫代 表當(dāng)前的觸覺接口點(diǎn)的位置。在此情況下，算法根據(jù)表面584和表面 586的處理次序而將表面584或586作為在位多邊形，且位置596將 稱為代理點(diǎn)的位置。在步驟S132 (接觸多邊形優(yōu)先)中，利用相交多邊形對(duì)AP (t) 進(jìn)行更新，且VP (t)被設(shè)定為有效多邊形表面上的最接近點(diǎn)。在算
法檢測(cè)到 一個(gè)在位多邊形和多個(gè)凹面的情況下，如果觸覺接口點(diǎn)位于 凹鈍角中，算法就將在位多邊形的物體放大。在此情況下，當(dāng)前應(yīng)用 將凹面的多邊形表面設(shè)定為在位多邊形，從而可在凹鈍角處發(fā)生連續(xù)的觸覺呈現(xiàn)作用。圖52A和圖52B表示了由三個(gè)表面500、 502、和 504代表的凹鈍角的一部分。隨著觸覺接口點(diǎn)從位置506(帶有代理點(diǎn) 位置508)移動(dòng)到位置510，表面504變成了唯一的在位多邊形物體。 為了避免出現(xiàn)如下的情況，算法將兩個(gè)凹面500和502增大而使它們 成為在位多邊形由于在位多邊形優(yōu)先的行為規(guī)則，算法將表面504 設(shè)定為有效多邊形表面，并將位置514設(shè)定為代理點(diǎn)位置。結(jié)果就是， 按照連續(xù)表面優(yōu)先的行為規(guī)則，位置512將成為代理點(diǎn)位置。在步驟S134中，在工具坐標(biāo)系中被定義為常量參數(shù)的剛度矩陣和 阻尼矩陣被變換到慣性坐標(biāo)系中。當(dāng)物理觸覺裝置30具有不同的傳動(dòng) 裝置(例如纜索驅(qū)動(dòng)型傳動(dòng)裝置和直接驅(qū)動(dòng)型傳動(dòng)裝置)時(shí)，由于物 理系統(tǒng)在不同的方向上具有不同的動(dòng)態(tài)特性，所以，在空間內(nèi)各向同 性的剛度和阻尼增益會(huì)帶來不穩(wěn)定。為此，可針對(duì)于工具的坐標(biāo)、以 及變換到慣性坐標(biāo)系中的需求來限定空間剛度矩陣和阻尼矩陣。算法 基于當(dāng)前的轉(zhuǎn)動(dòng)矩陣和平移矩陣算出變換伴隨矩陣，并對(duì)空間剛度矩 陣和阻尼矩陣進(jìn)行變換。假定TKs和ZKs分別代表在工具坐標(biāo)系和慣性 坐標(biāo)系中測(cè)得的剛度矩陣。Adg代表變換伴隨矩陣，且定義為<formula>formula see original document page 74</formula>假定矢量p- (px， py， pz) 代表斜對(duì)稱矩陣，其被用來代表作為矩陣一矢量乘積的向量積:<formula>formula see original document page 74</formula>其中，R是轉(zhuǎn)動(dòng)矩陣，p是平動(dòng)矢量。 算法計(jì)算出慣性坐標(biāo)系中的剛度矩陣:X = AdTgKsAdg
在步驟S136中，算法根據(jù)胡克定律、基于觸覺接口點(diǎn)的位置和虛 擬代理點(diǎn)位置計(jì)算出彈性觸覺力矢量FSpring ( t ) = KS (其中，Xvp代表當(dāng)前虛擬代理點(diǎn)的位置，Xhip代表當(dāng)前觸覺接口點(diǎn) 的位置。在步驟S138中，算法基于觸覺接口點(diǎn)與虛擬代理點(diǎn)之間的相對(duì)運(yùn) 動(dòng)而計(jì)算出阻尼觸覺力矢量其中，、代表虛擬代理點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，、代表觸覺接口點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，代表慣性坐標(biāo)系中的空間阻尼矩陣。在步驟S140中，阻尼力與彈性力的總和被發(fā)送給物理觸覺裝置 30,以作為所需的力輸出量(圖43中的步驟S718)，在對(duì)觸覺裝置30 的致動(dòng)器(圖40中的模塊2512)進(jìn)行控制以輸出力反饋?zhàn)饔弥?，力映射程?圖40中的模塊2510)將所需的力Fdesired轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)節(jié)力矩t:t 一 J Fdesired其中，JT是雅可比轉(zhuǎn)置矩陣。然后，運(yùn)算系統(tǒng)20對(duì)觸覺裝置30 的致動(dòng)器進(jìn)行控制而輸出關(guān)節(jié)力矩t。在步驟S142中，碰撞檢測(cè)特征位(t)的數(shù)值為1。在步驟S144 中，時(shí)間前進(jìn)到t + l時(shí)刻。在傳動(dòng)線路上的觸覺裝置驅(qū)動(dòng)件(例如馬 達(dá))與位置輸出量(例如關(guān)節(jié))之間存在柔度、游隙、遲滯或非線性 的情況下，最好是在傳動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)端與負(fù)載端都設(shè)置位置傳感器。 負(fù)載端傳感器可被用來運(yùn)算所有的關(guān)節(jié)位置和端點(diǎn)位置，原因在于它 們能最為精確地反映實(shí)際的數(shù)值。驅(qū)動(dòng)端傳感器被用來在任何阻尼運(yùn) 算過程(例如上述的Fdamping)中計(jì)算速度，這有助于避免傳動(dòng)裝置出 現(xiàn)動(dòng)態(tài)作用。根據(jù)一種實(shí)施方式，基于觸覺裝置30某個(gè)部分(例如工具50) 對(duì)虛擬(或觸覺)邊界的接近程度來確定觸覺裝置30所需的力反饋(或 輸出扭力)，其中，所述的邊界與解剖體的表像相關(guān)聯(lián)。因而，如果工 具50被布置成與觸覺邊界具有足夠的距離，控制器就不會(huì)產(chǎn)生任何的 觸覺力，使用者能自由地移動(dòng)工具50，就像在空曠的空間內(nèi)探測(cè) 一樣。 但是，隨著工具50接近或接觸到觸覺邊界，控制器就向馬達(dá)發(fā)出力矩 指令，從而通過接口界面37向使用者的手施加適當(dāng)?shù)呐ち?。?yōu)選地是， 隨著工具50接近于虛擬邊界而增大力反饋的幅度，且不會(huì)出現(xiàn)不連續(xù) 的階段，而該不連續(xù)的階段是會(huì)帶來振蕩或不良振動(dòng)的。例如，隨著 工具50接近于觸覺邊界，觸覺裝置30可在與使用者接口 37運(yùn)動(dòng)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，這 減慢和/或阻止了工具50的運(yùn)動(dòng)。在一種實(shí)施方式中，作用力隨著工 具50連續(xù)移動(dòng)向觸覺邊界的增加率例如是在5N/mm到50N/mm的范 圍內(nèi)。在另一實(shí)施方式中，作用力的增加率約為20N/mm。按照這種 方式，使用者受到約束，而無法太深地透入到觸覺邊界中。當(dāng)工具50 接觸到觸覺邊界時(shí)，作用力可以是這樣使得使用者感覺到就像工具 50已與實(shí)際物體一例如墻壁相碰撞一樣。作用力的幅度可防止使用者 穿過觸覺邊界(例如幅度約為IOON或更大)，但優(yōu)選地是，其被設(shè)定 為使得使用者可在需要的情況突破觸覺邊界(例如幅度可在約20N到 約60N的范圍內(nèi))。因而，運(yùn)算系統(tǒng)20可被編程為這樣允許使用者 克服力反饋?zhàn)饔脤⒂|覺裝置30移動(dòng)到所需的地點(diǎn)。按照這種方式，觸 覺裝置30約束著使用者，防止其在無意中違反觸覺邊界，但使用者可 有選擇地強(qiáng)制觸覺裝置30動(dòng)作，因而保持著對(duì)手術(shù)過程的完全控制。 在一種實(shí)施方式中，外科系統(tǒng)IO包括觸覺調(diào)諧特性，用于針對(duì)特 定的使用者來定制觸覺目標(biāo)體的力反饋功能。由于各個(gè)使用者具有各 自不同的手術(shù)技能，這樣的特性是有利的。因而，不同的使用者在操 縱工具50時(shí)可使用不同量的作用力。例如，以輕觸方式操縱工具50 的使用者感受到觸覺反饋?zhàn)饔玫臅r(shí)間要早于接觸較重的使用者。觸覺 調(diào)諧特性并不是要接觸較重的使用者改變其外科技能以充分地感受觸 覺反饋，而是使得力反饋功能是可以調(diào)節(jié)的，以適應(yīng)于各種特定的用 戶。通過調(diào)節(jié)(或調(diào)諧)力反饋功能，使用者能利用其優(yōu)選的力度來 操縱工具50,并能充分地感受到由觸覺裝置30施加的觸覺反饋?zhàn)饔谩?br> 結(jié)果就是，改善了使用者將工具保持在觸覺邊界中的能力。例如如圖IIA所示，力反饋曲線包括函數(shù)F (d),該函數(shù)將力F與距離d相關(guān) 起來。函數(shù)F (d)例如可從觸覺目標(biāo)體、連接剛度、或剛度函數(shù)導(dǎo)出 或求得。在一種實(shí)施方式中，F(xiàn)i是對(duì)于一般使用者(或使用者群體) 的觸覺相互作用力，di是透入深度或距離(例如工具50進(jìn)入到觸覺目 標(biāo)體中的深度)，此條件下，F(xiàn)j = F (di)是成立的。如圖11B所示， 例如將函數(shù)F (d)向左偏移或平移di將獲得力反饋函數(shù)F (d + di), 其效果在于在工具接近于觸覺邊界的過程中，更早地施加作用力F (也就是說，在透入距離為-di就開始施力，而不是在零進(jìn)入距離處施 力)。類似地，將函數(shù)F (d)向右偏移或平移使得作用力F在工具接 近于觸覺邊界的過程中較晚出現(xiàn)。因而，對(duì)于手術(shù)技能較為有力的使 用者，優(yōu)選地是將函數(shù)F (d)向左偏移，以防止使用者無意中太深地 推入到觸覺邊界中。因而，通過將用于控制觸覺裝置30的力反饋曲線 偏移所需的量就能完成對(duì)觸覺的調(diào)諧。還可改變觸覺目標(biāo)體的尺寸來 完成觸覺調(diào)諧。例如，可增大排斥性觸覺目標(biāo)體120a的尺寸(如圖 IIC所示)，從而獲得觸覺目標(biāo)體120b (如圖IID所示)。類似地，與 觸覺裝置30相聯(lián)的外科工具的表像的尺寸也可被改變。例如，與觸覺 目標(biāo)體122相互作用的虛擬工具124a(如圖IIE所示)尖端的半徑尺 寸可被增大，從而獲得虛擬工具124b (如圖IIF所示)。對(duì)于作為容 器的觸覺目標(biāo)體，例如可通過減小觸覺目標(biāo)體的尺寸來完成調(diào)諧。為了使得使用者能對(duì)力反饋函數(shù)進(jìn)行調(diào)諧，優(yōu)選地是，運(yùn)算系統(tǒng) 20具有實(shí)現(xiàn)圖形選擇界面的程序，其中的選擇界面可被顯示在顯示裝 置23上。例如，如圖IIG和IIH分別所示，圖形選擇界面可以是允 許使用者設(shè)定調(diào)諧值的圖形界面217a (例如在0.0到1.0之間)、和/ 或允許使用者例如在"輕，，"中等""重"接觸三者間進(jìn)行選擇的圖形界面 217b。運(yùn)算系統(tǒng)20還可被編程設(shè)置成存儲(chǔ)了調(diào)諧設(shè)定的所需數(shù)值，并 將所需的數(shù)值與特定的使用者關(guān)聯(lián)起來(例如利用使用者的ID將使 用者優(yōu)選的數(shù)據(jù)文件聯(lián)系起來)，從而使用者每次在使用外科系統(tǒng)10 時(shí)不必先選擇調(diào)諧設(shè)定。
優(yōu)選地是，觸覺裝置30被設(shè)置成可按照多種工作模式來進(jìn)行工 作。例如，觸覺裝置30可被編程設(shè)置成以輸入模式、保持模式、安全 模式、自由模式、接近模式、觸覺(或去除)模式、和/或任何合適的 其它模式來工作。工作模式可由使用者手動(dòng)選擇(例如使用以圖形形 式顯示在顯示裝置23上的選擇按鈕、或設(shè)置在觸覺裝置30和/或運(yùn)算 系統(tǒng)20上的模式開關(guān))、和/或由控制器或軟件程序自動(dòng)選擇。在輸入 模式下，觸覺裝置30能被用作輸入裝置，以向外科系統(tǒng)IO輸入信息。 當(dāng)觸覺裝置30處于輸入模式時(shí)，使用者可將觸覺裝置30當(dāng)作操縱桿 或其它輸入裝置來進(jìn)行操作，其中的其它輸入裝置例如是上文結(jié)合末 端執(zhí)行器35描述的裝置和/或第10/384078號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)(公開號(hào) 為US 2004/0034282 )中公開的裝置，其中，該美國(guó)專利文獻(xiàn)的全部?jī)?nèi) 容被結(jié)合到本申請(qǐng)中作為參考。向外科系統(tǒng)IO輸入信息的其它方法例 如包括移動(dòng)腕部36、移動(dòng)臂件33的關(guān)節(jié)、和/或移動(dòng)臂件33 (或其部 分)。例如，將臂件33移向某個(gè)物體(例如被跟蹤的目標(biāo)體)可構(gòu)成 第一輸入。類似地，將臂件33移向該物體并扭轉(zhuǎn)腕部36可構(gòu)成第二 輸入。因而，外科系統(tǒng)10例如可基于觸覺裝置30相對(duì)于被跟蹤物體 的姿態(tài)、觸覺裝置30 —部分(例如腕部36)的運(yùn)動(dòng)、或姿態(tài)與運(yùn)動(dòng) 的組合而識(shí)別或分辨出使用者的輸入。在保持模式下，觸覺裝置30 的臂件33可被鎖定在特定的姿態(tài)上。例如，可利用制動(dòng)件、控制伺服 技術(shù)、和/或用于穩(wěn)定臂件33的任何合適的硬件和/或軟件來鎖定臂件 33。例如在骨頭切除工作的停息期間、與同事進(jìn)行商議期間、清理或 沖洗手術(shù)部位期間等，使用者可能希望將觸覺裝置30置于保持模式。 在安全模式下，與觸覺裝置30相聯(lián)的工具50被解除作用一例如通過 切斷工具50的動(dòng)力來完成。在一種實(shí)施方式中，安全模式和保護(hù)模式 可被同時(shí)執(zhí)行，以便于在將觸覺裝置30的臂件33鎖定在原位的同時(shí) 解除工具50的作用。在自由模式下，觸覺裝置30的末端執(zhí)行器35可在觸覺裝置30 的工作空間內(nèi)自由地移動(dòng)。優(yōu)選地是，工具50的動(dòng)力被關(guān)閉，且觸覺 裝置30被設(shè)計(jì)成使得使用者感覺該裝置是沒有重量的。例如可通過計(jì) 算出作用在臂件33的區(qū)段33a、 33b、以及33c上的重力負(fù)載、并控 制觸覺裝置30的馬達(dá)以抵消重力負(fù)載，來獲得無重量的感受。結(jié)果就 是，使用者不必支撐著臂件的重量。觸覺裝置30可一直處于自由模式， 例如直到使用者準(zhǔn)備將工具50引導(dǎo)到患者解剖體上的手術(shù)部位處為 止。在接近模式下，觸覺裝置30被用來將工具50引導(dǎo)到目標(biāo)物體處， 同時(shí)能避開重要的結(jié)構(gòu)和解剖體，其中的目標(biāo)物體例如是手術(shù)部位、 患者解剖體上感興趣的特征、和/或與患者配準(zhǔn)的觸覺目標(biāo)體。例如，在一種實(shí)施方式中，接近模式使得工具50實(shí)現(xiàn)了相互作用的觸覺定位 —第10/384194美國(guó)專利申請(qǐng)(公開號(hào)為2004/0034283 )就介紹了這 樣的定位，該專利文獻(xiàn)的全部?jī)?nèi)容被結(jié)合到本申請(qǐng)中作為參考。在另 一實(shí)施方式中，呈現(xiàn)觸覺的應(yīng)用可包括觸覺目標(biāo)體，其限定了一個(gè)接 近體積(或邊界)，該體積對(duì)移向目標(biāo)物體的工具50進(jìn)行約束，同時(shí) 能避開諸如血管、肌腱、神經(jīng)、軟組織、骨頭、已有植入件等的敏感 特征。例如，如圖1所示，接近體積可包括觸覺目標(biāo)體300，其基本 上是錐形的，該目標(biāo)體的直徑在朝向目標(biāo)物體(例如脛骨T的近端或 股骨F的遠(yuǎn)端)的方向上逐漸減小。在工作中，在接近體積的邊界內(nèi)， 使用者可自由地移動(dòng)工具50。但是，隨著使用者使工具50移動(dòng)通過 接近體積，錐形的漏斗形結(jié)構(gòu)對(duì)工具的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行約束，以使得工具50 不會(huì)越過接近體積的邊界。按照這種方式，工具50可被直接引導(dǎo)到手 術(shù)部位處。如圖9所示，在另一實(shí)施方式中，觸覺呈現(xiàn)應(yīng)用創(chuàng)建了虛 擬的目標(biāo)體，其代表了從第一位置到第二位置的路線。例如，虛擬目 標(biāo)體可包括觸覺目標(biāo)體310，其是一條虛擬的引導(dǎo)線(例如直線)，其 限定了從第一位置(例如工具50在物理空間中的位置)到包括解剖體 目標(biāo)區(qū)域(例如目標(biāo)物體一譬如觸覺目標(biāo)體206)的第二位置的路線。 在接近模式中，虛擬目標(biāo)體被激活，從而沿著由觸覺目標(biāo)體310限定 的路線對(duì)觸覺裝置30 —部分(例如工具50)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行約束。當(dāng)工 具50到達(dá)第二位置時(shí)，外科系統(tǒng)IO使虛擬目標(biāo)體無效，并激活目標(biāo) 物體(例如觸覺目標(biāo)體206)。當(dāng)觸覺目標(biāo)體206 一皮激活時(shí)，工具50
可被自動(dòng)置于觸覺(或去除)模式。在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，虛擬目標(biāo)體可被無效化以使得工具50偏離路線。因而，使用者可越過與觸 覺目標(biāo)體310相關(guān)聯(lián)的觸覺引導(dǎo)作用而偏離引導(dǎo)線的路線，并使得工 具50在那些在創(chuàng)建虛擬引導(dǎo)線時(shí)無法考慮到的、且未被跟蹤的目標(biāo)體 (例如牽引器、照射燈等)附近機(jī)動(dòng)動(dòng)作。因而，接近模式使得使用者 可將工具50快速運(yùn)送到目標(biāo)目標(biāo)體處，同時(shí)避開了重要的結(jié)構(gòu)和解剖 體。在接近模式下，優(yōu)選地是，關(guān)斷工具50的動(dòng)力，從而，例如在使 用者將工具經(jīng)關(guān)節(jié)上的切口或?qū)Ш杰浗M織插入時(shí)，工具不會(huì)意外地獲得能量。接近模式一般位于觸覺模式之前。在觸覺(磨削)模式中，觸覺裝置30被用于在執(zhí)行手術(shù)活動(dòng)(例 如骨準(zhǔn)備)的過程中對(duì)使用者提供觸覺引導(dǎo)。如圖9所示，在一種實(shí) 施方式中，觸覺呈現(xiàn)應(yīng)用可包括觸覺目標(biāo)體206,其在脛骨T上限定 了切除體積。觸覺目標(biāo)體206的形狀基本上對(duì)應(yīng)著脛骨部件74表面 74a的形狀(如圖IOB所示)。作為備選方案，觸覺目標(biāo)體206的形狀 可略微大于脛骨部件74表面74a的形狀。使觸覺目標(biāo)體206大于植入 件的一個(gè)好處在于這樣的話，由觸覺目標(biāo)體206限定的切除體積將 足以容納植入件和粘結(jié)套膜，其中的套膜被布置在植入件與骨頭之間， 以將植入件固定到骨頭上。尺寸偏離植入件尺寸的觸覺目標(biāo)體還能實(shí) 現(xiàn)上文結(jié)合圖IIA到圖11F所描述的觸覺調(diào)諧特性。例如當(dāng)工具50 的尖端接近于感興趣特征上的預(yù)定點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)將觸覺裝置30置于觸覺 模式。在觸覺模式中，在刮刻復(fù)雜形狀或大曲率形狀時(shí)(例如如美國(guó) 專利申請(qǐng)10/384194所描述的那樣，其7>開號(hào)為US 2004/0034283，該 文獻(xiàn)的全部?jī)?nèi)容被結(jié)合到本申請(qǐng)中作為參考)，觸覺目標(biāo)體206還可被 動(dòng)態(tài)地改變(例如通過啟用或停用觸覺表面的某些部分)，以提高觸覺 裝置30的性能。在觸覺模式中，啟動(dòng)工具50的動(dòng)力，且對(duì)工具50 的尖端進(jìn)行約束，使其處于切除體積內(nèi)，以完成精確的骨頭切除工作。觸覺裝置30可采用任何合適的觸覺控制策略一例如導(dǎo)納控制、阻 抗控制、或混合控制。在導(dǎo)納控制模式中，觸覺裝置30接收力的輸入， 并產(chǎn)生出位置(或運(yùn)動(dòng))輸出。例如，觸覺裝置30測(cè)量或感測(cè)其上特
定位置處(例如用戶接口 37處)的扭力，并產(chǎn)生動(dòng)作而改變觸覺裝置 30的位置。在阻抗控制模式中，觸覺裝置30接收位置(或運(yùn)動(dòng))輸 入，產(chǎn)生出扭力輸出。例如，觸覺裝置30測(cè)量、感測(cè)、和/或計(jì)算工 具50的位置(即位置、定向、速度、和/或加速度)，并施加合適的相 應(yīng)扭力。在混合控制模式中，觸覺裝置30既采用導(dǎo)納控制也采用阻抗 控制。例如，觸覺裝置30的工作空間可被分割成第一子空間和第二子 空間，在第一子空間中，使用導(dǎo)納控制，而在第二子空間內(nèi)，使用阻 抗控制。在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，觸覺裝置30以阻抗控制模式工作。在手術(shù)過程中，運(yùn)算系統(tǒng)20全程對(duì)使用者進(jìn)行引導(dǎo)。例如，運(yùn)算 系統(tǒng)20可被編程設(shè)置成產(chǎn)生出顯示畫面，用來全程引導(dǎo)使用者對(duì)觸覺 裝置30的操控。顯示畫面可包括顯示在顯示裝置23上的屏幕畫面， 該屏幕畫面例如包括預(yù)定的頁(yè)面和/或與手術(shù)特定步驟相對(duì)應(yīng)的圖像。 顯示畫面還可促使使用者執(zhí)行一項(xiàng)或多項(xiàng)任務(wù)。例如，顯示畫面可指 示使用者在解剖體的表像上選擇解剖學(xué)界標(biāo)(下文將結(jié)合圖13中的步 驟S3和S4進(jìn)行討論)。如圖12所示，在一種實(shí)施方式中，屏幕畫面 可包括導(dǎo)航方框600，其用于顯示與手術(shù)當(dāng)前步驟有關(guān)的圖形；被 跟蹤目標(biāo)體的方框602，其用于表示出被跟蹤物體相互之間的關(guān)系； 信息方框604，其用于顯示與手術(shù)當(dāng)前步驟有關(guān)的信息一例如測(cè)量數(shù) 據(jù)、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息、選擇按鈕等；以及用于前進(jìn)到流程中后續(xù) 步驟和/或返回到前面步驟的方框606。與手術(shù)流程有關(guān)的顯示畫面或屏幕可被用于向使用者傳達(dá)關(guān)于手 術(shù)的視覺信息。例如如圖12所示，導(dǎo)航方框600可創(chuàng)建并顯示解剖體 的表像(例如骨頭的圖像或表像)以及外科工具50的表像616。對(duì)于 骨準(zhǔn)備的過程，外科系統(tǒng)IO可通過如下的操作來有利于對(duì)骨頭進(jìn)行準(zhǔn) 備以接納植入件的步驟為要被從骨頭上去除的材料部分創(chuàng)建表像 612;將要被去除的材料部分的表像612疊加到骨頭的表像上；以及隨 著使用者操控觸覺裝置30而利用由工具50實(shí)際切除下來的材料部分 的表像614來更新要被去除的材料部分的表像612。為了進(jìn)一步有助 于使用者，外科系統(tǒng)10可隨著骨頭和工具50的移動(dòng)而更新骨頭的表
像和工具50的表像616。在一種實(shí)施方式中，要被去除的材料部分的 表像612對(duì)應(yīng)著與骨頭相關(guān)(或配準(zhǔn))的虛擬目標(biāo)體的一部分。因而， 虛擬目標(biāo)體代表了要被從解剖體上去除的材料部分。例如，虛擬目標(biāo)體的形狀可大體上對(duì)應(yīng)著要被裝配到解剖體上的植入件的表面形狀 (例如在無粘接劑的植入場(chǎng)合中)。對(duì)于帶有粘接劑植入體的應(yīng)用場(chǎng)合， 虛擬目標(biāo)體的形狀要大于植入件的形狀，以便于為植入件與骨頭之間的粘接劑套膜留出空間。上述的骨準(zhǔn)備步驟例如可以在第一骨頭(例 如脛骨T)上執(zhí)行，然后再在第二骨頭(例如股骨F)上重復(fù)進(jìn)行。在一種實(shí)施方式中，例如使用不同于周圍骨頭顏色的顏色將要被 去除的骨頭部分標(biāo)記出。例如，要被去除的骨頭部分可被染成綠色， 而周圍的骨頭則被涂成白色。隨著使用者用工具50對(duì)骨頭的切除，運(yùn) 算系統(tǒng)20對(duì)導(dǎo)航方框600中的圖像進(jìn)行更新，從而當(dāng)工具50達(dá)到所 需的切割深度時(shí)，顏色從綠色改變?yōu)榘咨?。類似地，如果工?0的切 割超出了所需的切割深度，顏色就從白色變成了紅色。因而，外科系 統(tǒng)IO用第一種顏色創(chuàng)建了要被去除的材料部分的表像，當(dāng)已經(jīng)去除了 所需量的材料時(shí)，用第二種顏色創(chuàng)建已被觸覺裝置30去除的材料的表 像。如果被觸覺裝置去除的材料超過了所需的材料量，外科系統(tǒng)10 用第三種顏色創(chuàng)建切除下來的材料的表像。在一種優(yōu)選實(shí)施方式中， 觸覺目標(biāo)體具有體積元素(即體素)的陣列，該陣列具有第一部分， 其對(duì)應(yīng)于要被去除的骨頭部分；第二部分，其對(duì)應(yīng)于周圍的骨頭；以 及第三部分，其對(duì)應(yīng)于位于預(yù)定切割體積之外的切割深度。第一部分 中的體素可以是第一顏色(例如綠色)，第二部分中的體素可以是第二 顏色(例如白色)、第三部分中的體素可以是第三顏色(例如紅色)。 隨著工具50對(duì)體素的覆蓋，體素被清除掉，從而露出鄰近的、下面的 體素。因而，如果使用者利用工具50切割得太深了，綠色和/或白色 的體素就被清除掉了，而露出下面的紅色體素。在另一實(shí)施方式中， 外科系統(tǒng)10可為工具50尖端與配準(zhǔn)著患者的觸覺目標(biāo)體的表面之間 的距離提供視覺指示，例如在美國(guó)專利申請(qǐng)NO.10/621U9 (其公開號(hào) 為2004/0106916)中就介紹了這樣的技術(shù)，該專利文件的全部?jī)?nèi)容被
結(jié)合到本申請(qǐng)中作為參考。導(dǎo)航方框600例如還可具有工具50當(dāng)前位 置的表像、工具50的理想軌跡、植入件表像等。除了利用視覺方法與使用者進(jìn)行通訊之外，運(yùn)算系統(tǒng)20還可被編 程設(shè)置成發(fā)出聲響信號(hào)(例如通過聲學(xué)裝置)。例如，在一種實(shí)施方式 中，運(yùn)算系統(tǒng)20可發(fā)出聲音(例如嗶嗶聲)來指示工具50的切割深 度太淺、大致正確、或太深。在另一實(shí)施方式中，外科系統(tǒng)10可產(chǎn)生 聲響指示，來指示工具50尖端與配準(zhǔn)著患者的觸覺目標(biāo)體的表面之間 的距離，例如在美國(guó)專利申請(qǐng)NO.10/621119 (其公開號(hào)為 2004/0106916 )中就介紹了這樣的技術(shù)，該專利文件的全部?jī)?nèi)容被結(jié) 合到本申請(qǐng)中作為參考。運(yùn)算系統(tǒng)20還可被編程設(shè)置成這樣對(duì)觸覺 裝置30進(jìn)行控制，以向使用者提供觸感反饋，例如用振動(dòng)來提示工具 50已到達(dá)或超過所需的切割深度。運(yùn)算系統(tǒng)20的軟件還可包括這樣 的程序或方法其自動(dòng)地促使使用者執(zhí)行某些任務(wù)一例如對(duì)診斷圖像 數(shù)據(jù)集進(jìn)行分段、在患者的解剖體上選擇點(diǎn)以定義機(jī)械軸線、利用配 準(zhǔn)探針接觸(或"涂抹，，)骨頭表面上的點(diǎn)、輸入數(shù)據(jù)(例如植入件尺 寸、磨錐尺寸等)等。圖13表示了使用外科系統(tǒng)IO來執(zhí)行手術(shù)規(guī)劃、并對(duì)單髁膝蓋置 換手術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航的一種實(shí)施方式。圖13所示的方法僅是作為示例。在 其它實(shí)施方式中，可按照與特定手術(shù)場(chǎng)合相適應(yīng)的其它方式來重新排 布該方法中各個(gè)步驟的次序。另外，其它的實(shí)施方式可能包括圖13 所示的全部、某些、或僅僅一部分步驟，并將圖13中的步驟與現(xiàn)有的 和/或以后出現(xiàn)的外科方法進(jìn)行結(jié)合。圖13詳細(xì)描述的單髁膝蓋置換 過程是針對(duì)于膝蓋的內(nèi)側(cè)的。但膝蓋的外側(cè)也可以采用同樣的方法。 此外，圖示的單髁手術(shù)僅是作為舉例。外科系統(tǒng)IO還可被用來執(zhí)行全 膝置換手術(shù)或涉及植入件安裝的其它關(guān)節(jié)置換手術(shù)。植入件可包括任 何的植入體或假體裝置一例如全膝植入件、單髁膝蓋植入件、膝蓋模 塊植入件、其它關(guān)節(jié)(包括髖關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、踝關(guān) 節(jié)、以及脊關(guān)節(jié))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為奇特的植入件一例如生物矯形植入件、
藥物輸送植入件、輸送細(xì)胞的植入件)。在一種實(shí)施方式中，植入件是模塊化的膝蓋植入件，例如在美國(guó)專利申請(qǐng)N0.11/312741 (其申請(qǐng)?jiān)?為2005年12月30日)中就介紹了這樣的技術(shù)，該專利文件的全部?jī)?nèi) 容被結(jié)合到本申請(qǐng)中作為參考。在圖13所示的實(shí)施方式中，步驟Sl到S4是在手術(shù)前進(jìn)行的， 步驟S5到S14是在手術(shù)中進(jìn)行的。在步驟S1中，將患者的信息或數(shù) 據(jù)輸入到外科系統(tǒng)10中。在步驟S2中，將術(shù)前的診斷圖像(例如CT 數(shù)據(jù)文件)裝載到外科系統(tǒng)10中，并進(jìn)行分段。在步驟S3中，選擇 股骨界標(biāo)。在步驟S4中，選擇脛骨界標(biāo)。在步驟S5中，對(duì)觸覺裝置 30執(zhí)行復(fù)位處理，以對(duì)觸覺裝置30臂件33上的位置傳感器進(jìn)行初始 化。在步驟S6中，驗(yàn)證配準(zhǔn)探針的標(biāo)定。在步驟S7中，將解剖體跟 蹤器43a和43b附接到患者上。在步驟S8中，對(duì)患者的解剖體進(jìn)行 配準(zhǔn)。在步驟S9中，對(duì)觸覺裝置30進(jìn)行標(biāo)定。在步驟S10中，對(duì)脛 骨植入件(例如圖16B所示的脛骨部件74)的初始布置進(jìn)行規(guī)劃。利 用在脛骨高臺(tái)軟骨表面上選定的位置點(diǎn)對(duì)初始布置的深度進(jìn)行引導(dǎo)， 并利用步驟S8中運(yùn)算出的配準(zhǔn)結(jié)果將該深度傳送給顯示裝置23上的 規(guī)劃屏幕。在步驟Sll中，對(duì)脛骨T進(jìn)行整備或刮刻。在步驟S12中， 將脛骨的試驗(yàn)植入件裝配到脛骨T上準(zhǔn)備好的表面上。在步驟S13中， 例如利用與脛骨試驗(yàn)植入件的位置相關(guān)的點(diǎn)，對(duì)股骨植入件(例如圖 16A所示的股骨部件72)的初始布置進(jìn)行規(guī)劃，其中，脛骨試驗(yàn)植入 件處于各種彎曲度的腿上。在步驟S14中，對(duì)股骨F進(jìn)行準(zhǔn)備或刮刻。 在步驟S15中，股骨試驗(yàn)植入件被裝配到股骨F上已準(zhǔn)備好的表面上。 在對(duì)股骨部件72和脛骨部件74進(jìn)行安裝之前，執(zhí)行試驗(yàn)性的縮減過 程，在該過程中，使用者評(píng)價(jià)股骨試驗(yàn)植入件和脛骨試驗(yàn)植入件的裝 配效果，并作出所需的調(diào)整(例如重新規(guī)劃植入件和/或骨頭的刮刻工 作)。在步驟S1中，將患者的信息輸入到外科系統(tǒng)10中。例如，外科 系統(tǒng)10可在顯示裝置23上顯示出有關(guān)患者的請(qǐng)求信息的屏幕?；颊?信息可包括任何相關(guān)的患者數(shù)據(jù)一例如姓名、生日、身份證號(hào)碼、性 別、身高、以及體重?；颊咝畔⑦€可包括與所要執(zhí)行的手術(shù)相關(guān)的信 息一例如指明合適的腿(例如左腿或右腿)、指明要被置換的關(guān)節(jié)的部 分(例如內(nèi)側(cè)、外側(cè)、或全關(guān)節(jié))、以及選擇患者解剖體的術(shù)前診斷圖像數(shù)據(jù)文件(例如CT數(shù)據(jù)文件)?？砂凑杖魏喂姆绞綄⒒颊咝畔?輸入到外科系統(tǒng)10中。例如，使用者可直接輸入患者的信息、或?qū)⒒?者的信息從醫(yī)院網(wǎng)或電子存儲(chǔ)介質(zhì)中下載到外科系統(tǒng)10中。優(yōu)選地 是，當(dāng)對(duì)患者的解剖體進(jìn)行成像時(shí)將患者的信息記錄下來，并將其保 存成圖像數(shù)據(jù)文件(例如CT數(shù)據(jù)文件)，且在步驟S2中將該文件與 圖像數(shù)據(jù)文件一道裝入到外科系統(tǒng)10中。運(yùn)算系統(tǒng)20也會(huì)要求那些 與使用者相關(guān)的信息(例如姓名、身份證號(hào)碼、PIN號(hào)碼等)、外科科 室、和/或用于識(shí)別/安全/或記錄保持目的的其它任何信息。如同患者 的數(shù)據(jù)一樣，使用者的信息也可被包含在圖像數(shù)據(jù)文件中。作為安全 措施，運(yùn)算系統(tǒng)20可包括驗(yàn)證特征，其促使外科醫(yī)生(或其它有執(zhí)照 的醫(yī)療專業(yè)人員)對(duì)已輸入到外科系統(tǒng)10中的患者信息進(jìn)行驗(yàn)證。在步驟S2中，通過將含有術(shù)前診斷圖像(例如大腿圖像、膝蓋圖 像、以及小腿圖像)的圖像數(shù)據(jù)文件裝入到外科系統(tǒng)10中來創(chuàng)建解剖 體的表像。診斷圖像構(gòu)成了解剖體的表像?？赏ㄟ^對(duì)圖像進(jìn)行分段來 生成解剖體的其余表像。例如，外科系統(tǒng)10可顯示出一個(gè)屏幕81a(如 圖15所示)，以便于在對(duì)股骨F進(jìn)行分段的過程中對(duì)使用者進(jìn)行引導(dǎo)， 并顯示出屏幕81b (如圖16所示)，以便于在對(duì)脛骨T進(jìn)行分段的過 程中對(duì)使用者進(jìn)行引導(dǎo)。如圖15和圖16所示，術(shù)前的診斷圖像被分 割成區(qū)段或切片，這些區(qū)段或切片包涵了所針對(duì)的解剖體。外科系統(tǒng) 10使用分段數(shù)據(jù)來創(chuàng)建患者解剖體的表像，該表像例如包括第 一 骨頭 的表像和第二骨頭的表像。第一、第二骨頭可以是股骨F和脛骨T(反 之亦是)。在一種實(shí)施方式中，基于由分段工作生成的目標(biāo)邊界(例如 骨頭或軟骨的表面)，創(chuàng)建出代表解剖體的三維計(jì)算機(jī)模型。區(qū)段或切 片的數(shù)目越大，模型的精度越高。在一種實(shí)施方式中，將所針對(duì)的解 剖體部分分切開的切片的數(shù)目為30。在另一實(shí)施方式中，所采用的切 片數(shù)在20到100的范圍內(nèi)。分段過程可采用任何合適的分切方法一例
如基于組織的分段方法、基于閾值的互動(dòng)分段方法、基于區(qū)域的物體 分段方法、和/或基于多邊形的手工描繪方法。在一種實(shí)施方式中，采 用了基于"邊緣測(cè)量"的互動(dòng)分段方法，這種方法被稱為"活性線，，方法(likewire )。在步驟S3和S4中，使用者在第一骨頭和第二骨頭的表像上指定 界標(biāo)。例如，在步驟S3中，使用者可在股骨F的圖像上指定股骨界 標(biāo)。外科系統(tǒng)IO可使用股骨界標(biāo)來將患者的實(shí)際解剖體與解剖體的表 像(例如診斷圖像、由分段過程生成的模型、解剖學(xué)模型等)聯(lián)系起 來(或配準(zhǔn))。如圖17到圖19所示，外科系統(tǒng)10分別產(chǎn)生出屏幕82a、 82b、以及82c，以引導(dǎo)使用者指定股骨上的界標(biāo)。例如，外科系統(tǒng)IO 可指引使用者，以指定髖部的中心(圖17)、內(nèi)上髁(圖18)、外上髁 (圖19)。在一種實(shí)施方式中，使用者可利用鼠標(biāo)或觸摸屏在顯示出的 圖像上選擇股骨界標(biāo)。在另一實(shí)施方式中，計(jì)算機(jī)可被編程設(shè)置成例 如使用 一些算法來確定股骨界標(biāo)在圖像上的位置，其中的算法被用于 在診斷圖像上定位區(qū)別特征。類似地，在步驟S4中，使用者可在脛骨T的圖像上指定脛骨的 界標(biāo)。外科系統(tǒng)IO可使用脛骨界標(biāo)來將患者的實(shí)際解剖體與解剖體的 表像(例如診斷圖像、由分段過程生成的模型、解剖學(xué)模型等)聯(lián)系 起來(或配準(zhǔn))。如圖20到圖23所示，外科系統(tǒng)10分別生成屏幕83a、 83b、 83c以及83d，以引導(dǎo)使用者指定脛骨上的界標(biāo)。例如，外科系 統(tǒng)10可指引使用者，以指定內(nèi)踝(圖20)、外踝(圖21)、轉(zhuǎn)動(dòng)界標(biāo) (圖22)、以及膝部中心(圖23)。如圖22所示，轉(zhuǎn)動(dòng)界標(biāo)例如可以是 相交的軸線183，使用者可將其調(diào)節(jié)為與解剖體在屏幕83c上橫斷面 視圖的前面部分和后面部分相平行。轉(zhuǎn)動(dòng)界標(biāo)使得外科系統(tǒng)10能考慮 到腿L在診斷圖像中的任何轉(zhuǎn)動(dòng)(例如，如果在進(jìn)行CT掃瞄時(shí)腿L 斜靠向側(cè)旁，而不是處于精確的前-后對(duì)正狀態(tài))，并對(duì)橫斷面圖像進(jìn) 行調(diào)節(jié)，使得前-后部分對(duì)正(例如如圖35中的框圖806所示)。在一 種實(shí)施方式中，使用者可利用鼠標(biāo)或觸摸屏在顯示出的圖像上選擇脛 骨界標(biāo)。在另一實(shí)施方式中，計(jì)算機(jī)可被編程設(shè)置成例如使用一些算 法來確定脛骨界標(biāo)，其中的算法被用于在診斷圖像上定位區(qū)別特征。在步驟S5中，復(fù)位程序?qū)τ|覺裝置30的位置傳感器(例如編碼 器)進(jìn)行初始化，以確定臂件33的初始姿態(tài)。例如可通過對(duì)臂件33 進(jìn)行操控以使得各個(gè)關(guān)節(jié)編碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng) 一直到讀取到編碼器上的索 引標(biāo)記為止，由此來完成復(fù)位程序。索引標(biāo)記是編碼器上的絕對(duì)基準(zhǔn)， 其與關(guān)節(jié)上已知的絕對(duì)位置相關(guān)聯(lián)。因而， 一旦讀取到索引標(biāo)記，觸 覺裝置30的控制系統(tǒng)就知曉了關(guān)節(jié)的絕對(duì)位置。隨著臂件33持續(xù)地 移動(dòng)，基于絕對(duì)位置和編碼器的隨后位移可計(jì)算出關(guān)節(jié)的后續(xù)位置。 在整個(gè)復(fù)位過程中，外科系統(tǒng)10可通過發(fā)出關(guān)于使用者應(yīng)當(dāng)將臂件 33置于何處的指令來對(duì)使用者進(jìn)行引導(dǎo)。這些指令例如包括顯示在顯 示裝置23上的圖像，其表示了臂件33應(yīng)當(dāng)移入的位置。在步驟S6中，對(duì)器械(例如配準(zhǔn)探針一譬如器械150)進(jìn)行檢查， 以驗(yàn)證該器械是否經(jīng)過標(biāo)定。例如，步驟S6可被用來驗(yàn)證配準(zhǔn)探針是 否具有正確的物理結(jié)構(gòu)。如上文結(jié)合器械跟蹤器49討論的那樣，可通 過如下的操作來完成對(duì)帶有器械跟蹤器49的探針的標(biāo)定將探針的尖 端插入到末端執(zhí)行器跟蹤器47的凹窩47a中；將尖端保持在位置上； 并利用檢測(cè)裝置41對(duì)器械跟蹤器49和末端執(zhí)行器跟蹤器47進(jìn)行檢 測(cè)。檢測(cè)裝置41獲得姿態(tài)數(shù)據(jù)，外科系統(tǒng)10將跟蹤器49、 47之間實(shí) 際的幾何關(guān)系與它們之間預(yù)期的幾何關(guān)系進(jìn)行比較。實(shí)際幾何關(guān)系與 預(yù)期幾何關(guān)系之間的偏差表明探針的一個(gè)或多個(gè)物理參數(shù)尚未被校準(zhǔn) 標(biāo)定。如圖24所示，在驗(yàn)證過程中，外科系統(tǒng)10可在顯示裝置23 上顯示出屏幕84，其表示了探針的圖形表像、器械跟蹤器49、以及末 端執(zhí)行器跟蹤器47。在步驟S7之前，患者到達(dá)手術(shù)室中。如圖1所示，患者(圖中僅 表示出了腿L)被布置在手術(shù)臺(tái)102上，且觸覺裝置30被相對(duì)于患者 進(jìn)行定位，以使得觸覺裝置30能實(shí)現(xiàn)多種有利于進(jìn)行手術(shù)的姿態(tài)。為 了達(dá)到適度的無菌性，可按照合適的方式對(duì)觸覺裝置30進(jìn)行無菌處 理。例如，可利用常規(guī)的消毒方法對(duì)末端執(zhí)行器35和工具50進(jìn)行消 毒，且觸覺裝置30的其它部分也可被進(jìn)行消毒和/或由無菌覆蓋層或
披覆層進(jìn)行覆蓋。在一種實(shí)施方式中，利用無菌的塑料包裝層對(duì)臂件33和觸覺裝置30的基座32進(jìn)行包覆，平臺(tái)39則由無菌披覆層進(jìn)行 覆蓋。為了抬高患者的腿L、并使得腿L能被彎曲成不同的角度，將腿 L支撐或支在可被移動(dòng)到不同位置的腿保持器(或支撐裝置)中。在 一種實(shí)施方式中，腿保持器是可手動(dòng)調(diào)節(jié)的腿保持器62。如圖14A所 示，腿保持器62包括滑動(dòng)布置在底座64上、且在鉸鏈62c處連接起 來的第一部分62a和第二部分62b。底座64包括用于將第一部分62a 和第二部分62b固定在位置上的鎖止機(jī)構(gòu)(圖中未示出)。腿L可被 按照任何合適的方式固定到腿保持器62上，其中的固定方式例如是使 用一條或多條束帶63。作為跟蹤腿L骨頭姿態(tài)的工作(例如利用解剖 體跟蹤器43a和43b或機(jī)械跟蹤系統(tǒng)240)的補(bǔ)充措施或替代措施， 可對(duì)腿保持器62的姿態(tài)進(jìn)行跟蹤(例如利用上述的位置傳感器、非機(jī) 械式跟蹤系統(tǒng)、或機(jī)械式跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行)。如果僅對(duì)腿保持器62進(jìn)行 跟蹤，則腿L應(yīng)當(dāng)被充分地固定到腿保持器62 (例如利用束帶63), 以防止腿L與腿保持器62之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在工作中，為了移動(dòng) 腿L，使用者對(duì)腿L (或腿保持器62)進(jìn)行操作，以使得第一、第二 部分62a和62b沿著底座64滑動(dòng)，并繞著鉸鏈62c樞轉(zhuǎn)。繞著鉸鏈 62c的樞轉(zhuǎn)使得腿保持器62的角度a或者增大、或者減小。優(yōu)選地是， 腿保持器62的結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成這樣使得角度a可在約0°到約180°的范 圍內(nèi)調(diào)節(jié)。結(jié)果就是，腿L可在完全伸展姿態(tài)與完全彎曲狀態(tài)之間移 動(dòng)。隨著腿L的移動(dòng)，開在患者膝蓋側(cè)面上的切口 128 (例如微創(chuàng)切 口 )將沿著腿L移動(dòng)。切口 128的移動(dòng)使得外科醫(yī)生可利用同一切口 來插入器械，既能對(duì)脛骨T的近端進(jìn)行刮刻，也能對(duì)股骨F的遠(yuǎn)端進(jìn) 行刮刻。結(jié)果就是，避免了多個(gè)切口，且能保持切口 128尺寸的小型 化。在另一實(shí)施方式中，例如可通過增設(shè)位置傳感器(例如編碼器) 和由計(jì)算機(jī)21和/或計(jì)算機(jī)31控制的馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)腿保持器62的自動(dòng) 化。馬達(dá)使得腿保持器62可到達(dá)完全自動(dòng)化，或者僅是執(zhí)行一些助動(dòng)
功能，以協(xié)助使用者對(duì)腿保持器62進(jìn)行定位。將腿保持器62完全自 動(dòng)化的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于自動(dòng)化的腿保持器可由外科系統(tǒng)IO進(jìn)行控制， 以便于將腿L自動(dòng)地移動(dòng)到正確的位置，這就免除了使用者要實(shí)際移 動(dòng)腿L并猜測(cè)腿L正確位置的困難操作。例如，用于控制自動(dòng)腿保持 器(或支撐裝置)的方法可包括操作將第一骨頭(例如脛骨T)和/ 或第二骨頭(例如股骨F)布置在腿保持器62中，并啟動(dòng)腿保持器 62，以將第一骨頭和/或第二骨頭從第一位置移動(dòng)到第二位置。該方法 還可包括確定第一骨頭和/或第二骨頭實(shí)際姿態(tài)的步驟(例如利用解 剖體跟蹤器43a和43b);確定第一骨頭和/或第二骨頭所需姿態(tài)的步 驟；以及啟動(dòng)腿保持器62以將第一骨頭和/或第二骨頭從實(shí)際姿態(tài)移 動(dòng)到所需姿態(tài)的步驟。隨著腿保持器62的移動(dòng)，外科系統(tǒng)10可對(duì)第 一骨頭和/或第二骨頭的位置進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)?shù)谝还穷^和/或第二骨頭處 于所需姿態(tài)時(shí)，過程結(jié)束。除了對(duì)第一、第二骨頭的位置進(jìn)行跟蹤之 外，也可對(duì)腿保持器62的位置進(jìn)行監(jiān)控(例如使用腿保持器62上的 位置傳感器)。如圖14B所示，在另一實(shí)施方式中，外科系統(tǒng)10包括腿保持器 162。在手術(shù)過程中，腿保持器162可被安裝到手術(shù)臺(tái)102或其它合適 的結(jié)構(gòu)上。患者腿L的大腿側(cè)部分被放置在腿保持器162的支撐件164 上，以使得腿L的小腿部分自由地懸垂著。由于作用在腿L懸垂部分 上的重力將膝蓋關(guān)節(jié)拉開，從而使得關(guān)節(jié)具有更好的接近性，因而， 這樣的設(shè)計(jì)是有利的。在步驟S7中，外科系統(tǒng)10促使使用者將解剖體跟蹤器43a、 43b 附接到患者上。如圖25所示，外科系統(tǒng)10還可生成屏幕85，以使得 使用者可優(yōu)化被跟蹤目標(biāo)體相對(duì)于檢測(cè)裝置41的定位。例如，屏幕 85可包括檢測(cè)裝置41的表像85a以及檢測(cè)裝置41視場(chǎng)圖的表像85b。 屏幕還可表示出解剖體跟蹤器43a的表像Fl、解剖體跟蹤器43b的表 像T1、觸覺裝置跟蹤器45的表像H、和/或任何其它可跟蹤元件相對(duì) 于檢測(cè)裝置41視場(chǎng)圖85a的表像。在一種實(shí)施方式中，各個(gè)表像F1、 Tl、以及H被顯示為不同的顏色，以使得使用者能分辨出各個(gè)被跟蹤 的目標(biāo)體。在另一實(shí)施方式中，當(dāng)被跟蹤的目標(biāo)體靠近檢測(cè)裝置41 視場(chǎng)圖的邊界時(shí)，表像F1、 Tl、以及H1可改變?yōu)椴煌念伾?。按?這種方式，使用者可確定出被跟蹤的目標(biāo)體是否充分地位于檢測(cè)裝置 41的視場(chǎng)圖內(nèi)。在一種實(shí)施方式中，一旦解剖體跟蹤器43a和43b被連接上之后， 膝蓋關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍(ROM)就可被獲得了 (例如通過使膝蓋關(guān)節(jié)在 整個(gè)ROM中移動(dòng)，同時(shí)利用跟蹤系統(tǒng)40跟蹤解剖體跟蹤器43a和 43b)。獲得的ROM數(shù)據(jù)可被用來評(píng)價(jià)股骨植入件與脛骨植入件的相 對(duì)布置。例如通過將物理患者與術(shù)前的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)起來，可將ROM數(shù) 據(jù)放大，這使得使用者對(duì)植入件相對(duì)位置的規(guī)劃能與患者軟組織的當(dāng) 前狀況相符合(例如基于疾病的狀況、年齡、體重、當(dāng)前的ROM等)。 在一種實(shí)施方式中，可對(duì)植入件的深度進(jìn)行規(guī)劃，以使得所安裝的植 入件能填充患者膝蓋關(guān)節(jié)中預(yù)先存在的間隙(即脛骨T與股骨F之間 在術(shù)前存在的間隙)。此外，還可在膝蓋關(guān)節(jié)的整個(gè)ROM內(nèi)對(duì)其它重 要的植入件參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其它的參數(shù)例如是充分的接觸、前/后覆蓋 范圍、以及植入件對(duì)之間正確的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。按照這種方式，在切割任 何骨頭之前，對(duì)兩側(cè)的植入件進(jìn)行了全面的布置規(guī)劃。ROM數(shù)據(jù)還 可被用來在顯示裝置23上顯示出當(dāng)腿伸展、彎曲、以及處于伸展和彎 曲之間各種角度時(shí)股骨植入件與脛骨植入件之間的相對(duì)位置。在解剖體跟蹤器43a和43b被固定到患者上之后，程序進(jìn)行到步 驟S8，在該步驟中，患者的實(shí)際解剖體被配準(zhǔn)到解剖體的表像上。例 如，可按照標(biāo)準(zhǔn)的形式、利用點(diǎn)配對(duì)/表面匹配方法對(duì)患者的股骨F和 脛骨T進(jìn)行配準(zhǔn)，其中的方法是基于步驟S3和S4中指定的股骨界標(biāo) 和脛骨界標(biāo)進(jìn)行的。外科系統(tǒng)IO產(chǎn)生出在整個(gè)配準(zhǔn)過程中對(duì)使用者進(jìn) 行引導(dǎo)的屏幕。例如，屏幕86a (見圖26)指示使用者對(duì)股骨F進(jìn)行 旋轉(zhuǎn)，以找到腿L髖部的中心。在一種實(shí)施方式中，在股骨F的轉(zhuǎn)動(dòng) 過程中，外科系統(tǒng)10通過基于解剖體跟蹤器43a的運(yùn)動(dòng)確定出股骨F 樞轉(zhuǎn)點(diǎn)的中心而確定出髖部中心。屏幕86b、 86c、 86d、 86e、以及86f (分別如圖27、 28、 29、 30、和31所示)指示使用者將配準(zhǔn)探針指向
各個(gè)解剖學(xué)界標(biāo)(例如內(nèi)踝、外踝、內(nèi)上髁、外上踝、前十字性韌帶(ACL)附件的后邊界等)，并選擇界標(biāo)。例如，使用者可將被跟蹤配 準(zhǔn)探針的尖端放置到相關(guān)的界標(biāo)上，并利用腳踏板或其它輸入裝置25 來選定界標(biāo)。當(dāng)使用者選定界標(biāo)時(shí)，檢測(cè)裝置41獲得了與配準(zhǔn)探針的 姿態(tài)相關(guān)的數(shù)據(jù)，在隨后，這些數(shù)據(jù)將被用來計(jì)算界標(biāo)的位置?；?界標(biāo)的姿態(tài)數(shù)據(jù)和診斷圖像上的指定界標(biāo)(在步驟S3和S4中)，外 科系統(tǒng)10通過確定患者上物理界標(biāo)與診斷圖像上界標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān) 系，而將實(shí)際的解剖體與診斷圖像配準(zhǔn)起來?？赏ㄟ^獲取股骨F和脛 骨T的表面數(shù)據(jù)來提高這種基于界標(biāo)的配準(zhǔn)方法的精度。例如，外科 系統(tǒng)10可產(chǎn)生出屏幕86g (見圖32)，其指示使用者利用配準(zhǔn)探針接 觸(或"涂抹")股骨F遠(yuǎn)端表面上的點(diǎn)。隨著使用者涂抹表面(例如 通過將配準(zhǔn)探針的尖端穿插過切口 128),外科系統(tǒng)10周期性地獲得 探針尖端的位置，并將獲得的尖端位置以圓點(diǎn)900的形式顯示在屏幕 86g上。對(duì)于那些覆蓋著軟骨的骨頭表面，可采用尖銳的探針來刺穿 軟骨，并收集骨頭表面上位置點(diǎn)的信息(相對(duì)于軟骨表面上的點(diǎn))。類 似地，外科系統(tǒng)10產(chǎn)生出屏幕86h (見圖33)，其指示使用者利用配 準(zhǔn)探針涂抹脛骨T近端的表面。隨著使用者對(duì)表面的涂抹(例如通過 將探針的尖端穿插過切口 128),外科系統(tǒng)10周期性地獲得探針尖端 的位置，并將獲得的尖端位置以圓點(diǎn)900的形式顯示在屏幕上。與股 骨的情況一樣，可使用尖銳的探針來刺穿任何軟骨，從而收集到了骨 頭表面上的位置點(diǎn)(與軟骨表面上的點(diǎn)相對(duì))。另外，可使用帶鉤的探 針，以利于收集位于脛骨高臺(tái)后邊緣處的點(diǎn)。在步驟S9中，觸覺裝置30被進(jìn)行標(biāo)定，以便于在觸覺裝置30 的坐標(biāo)系與觸覺裝置跟蹤器45之間建立起幾何關(guān)系。如果觸覺裝置跟 蹤器45被固定在觸覺裝置30上的永久位置上，則由于跟蹤器45與觸 覺裝置30之間的幾何關(guān)系是固定且已知的(例如在制造或組裝過程 中，在初始標(biāo)定時(shí)就可獲得)，標(biāo)定過程就是沒必要的了。與此相反， 如果跟蹤器45可相對(duì)于觸覺裝置30移動(dòng)(例如，如果其上安裝著跟 蹤器45的臂件34是可調(diào)節(jié)的)，則標(biāo)定過程就是必要的，以確定跟蹤 器45與觸覺裝置30之間的幾何關(guān)系。外科系統(tǒng)10通過產(chǎn)生出屏幕 87 (圖34所示)來指示使用者對(duì)觸覺裝置30進(jìn)行標(biāo)定，由此來啟動(dòng) 標(biāo)定程序。標(biāo)定工作涉及的操作有將觸覺裝置跟蹤器45固定在觸覺 裝置30上的固定位置處；將末端執(zhí)行器跟蹤器47臨時(shí)固定到末端執(zhí) 行器35上。然后，將末端執(zhí)行器35移動(dòng)到解剖體附近的不同位置處 (例如膝蓋關(guān)節(jié)上方和下方的位置、膝蓋關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)和外側(cè)的位置)，與 此同時(shí)，跟蹤系統(tǒng)40從跟蹤器45和47獲得關(guān)于它們相對(duì)于跟蹤系統(tǒng) 40在各個(gè)位置時(shí)的姿態(tài)數(shù)據(jù)。此外，外科系統(tǒng)10基于從臂件33上位 置傳感器獲得的數(shù)據(jù)而確定出末端執(zhí)行器35相對(duì)于觸覺裝置30的姿 態(tài)。利用獲得的數(shù)據(jù)，外科系統(tǒng)10能計(jì)算出觸覺裝置跟蹤器45與觸 覺裝置30坐標(biāo)系之間的幾何關(guān)系。然后，末端執(zhí)行器跟蹤器47可被 從觸覺裝置30上拆下。在手術(shù)過程中，外科系統(tǒng)IO可基于如下信息 確定出工具50的姿態(tài)(a )工具50與末端執(zhí)行器35之間已知的幾何 關(guān)系；(b)末端執(zhí)行器35相對(duì)于觸覺裝置30的姿態(tài)(例如從臂件33 上的位置傳感器獲得)；(c )觸覺裝置30與觸覺裝置跟蹤器45之間的 幾何關(guān)系一在標(biāo)定過程中確定出；以及(d)觸覺裝置30的總體位置 或大體位置(例如從觸覺裝置跟蹤器45相對(duì)于跟蹤系統(tǒng)40的姿態(tài)得 知)。如果觸覺裝置跟蹤器45并不相對(duì)于觸覺裝置30移動(dòng)，則由于前 面的標(biāo)定過程和所獲得的標(biāo)定數(shù)據(jù)仍然是可靠的，則不必執(zhí)行步驟S9 的標(biāo)定過程。在步驟SIO中，使用者對(duì)用于將第一植入件植入到第一骨頭上的 骨準(zhǔn)備工作進(jìn)行規(guī)劃。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，第一骨頭是脛骨T,第 一植入件是脛骨部件74，且通過在脛骨T的近端上選擇安裝脛骨部件 74的位置來對(duì)骨準(zhǔn)備工作進(jìn)行規(guī)劃。為了便于對(duì)植入件的規(guī)劃，外科 系統(tǒng)10產(chǎn)生出屏幕88b (見圖35)，其具有第一骨頭和第二骨頭(分 別為脛骨T和股骨F)表像的各個(gè)視圖。例如，屏幕88b可帶有框 圖800，其表示出了三維透視圖；框圖802，其表示了矢面圖；框圖 804，其表示了冠狀圖；以及框圖806，其表示了橫斷面圖。另外，框 圖807可顯示出選擇按鈕和與植入件布置和選擇有關(guān)的數(shù)據(jù)(這些數(shù)
據(jù)例如是植入件的尺寸、深度、內(nèi)/外角度、內(nèi)翻/外翻角度、彎曲角度等)。另外，還可顯示出股骨F的機(jī)械軸線(例如從髖部中心或股 骨頭中心延伸向膝蓋中心的軸線)和/或脛骨T的機(jī)械軸線(例如從膝 蓋中心到踝骨中心的軸線)，以有助于對(duì)植入件的規(guī)劃。使用者可選擇 和顯示多個(gè)不同的切片或三維的圖像重建面，并將代表脛骨T (或股 骨F)表面的輪廓圖重疊到切片圖像上，以利于植入件的規(guī)劃。在一 種實(shí)施方式中，外科系統(tǒng)10建議了尺寸適當(dāng)?shù)拿劰侵踩爰筒贾梅?位，并將脛骨植入件的表像(或植入件模型)808b與脛骨T的表像聯(lián) 系起來。為了對(duì)使用者提供視覺協(xié)助，外科系統(tǒng)10還可將脛骨植入件 的表像808b疊合到脛骨T的表像上。使用者可選擇改變所提議的布 置方案。例如，使用者可改變植入件模型808b的尺寸、前/后位置、 內(nèi)/外位置、以及轉(zhuǎn)動(dòng)(例如通過用鼠標(biāo)拖拉或調(diào)整植入件模型808b)。 在其中一個(gè)框圖中對(duì)植入件模型808b的改動(dòng)使得其余框圖中的植入 件模型808b也自動(dòng)地更新。當(dāng)使用者完成對(duì)脛骨的植入規(guī)劃之后，外 科系統(tǒng)IO將選定的位置保存起來。在手術(shù)過程中，可在任何時(shí)候(例 如在骨準(zhǔn)備之前、之中、和/或之后)重復(fù)進(jìn)行植入件的規(guī)劃操作，并 進(jìn)行調(diào)整。例如可基于外科上的判斷將脛骨部件74的位置選定成這樣使脛 骨部件74在脛骨高臺(tái)上基本上對(duì)中；將脛骨部件74定位在硬骨上， 以防止長(zhǎng)時(shí)間后出現(xiàn)沉降；將脛骨部件74定位成與一個(gè)或多個(gè)界標(biāo)具 有所需的距離；和/或基于由被跟蹤的工具識(shí)別出的軟骨表面上。在一 種實(shí)施方式中，使用者通過將植入件模型808b (圖35所示)移動(dòng)到 總的植入?yún)^(qū)域內(nèi)來為脛骨部件74選定位置。利用框圖806中的橫斷面 圖，使用者可轉(zhuǎn)動(dòng)地調(diào)節(jié)植入件模型808b，以使得植入件模型808b 的平坦側(cè)基本上平行于前十字性韌帶(ACL)和后十字性韌帶(PCL) 的連接點(diǎn)?？驁D807中的內(nèi)外角度(標(biāo)為"外部(External)")顯示 的是最終形成的內(nèi)/外角度。利用框圖804中的冠狀圖，使用者可調(diào)節(jié) 植入件模型808b的內(nèi)翻/外翻角度。框圖807中的內(nèi)翻/外翻角度(標(biāo) 為"內(nèi)翻"Varus)顯示的是所形成的內(nèi)翻/夕卜翻角度。利用框圖802中 的矢狀圖，使用者可調(diào)節(jié)植入件模型808b的后坡面?？驁D807中的彎 曲角度(標(biāo)為"彎曲"Flexion)顯示的是所形成的彎曲角度。使用者可 通過調(diào)節(jié)框圖807中的深度條(標(biāo)為"深度")來調(diào)整植入件模型808b 在脛骨T中的深度。使用者還可利用框圖807中的尺寸選擇框(標(biāo)為 "尺寸"Size)來改變植入件模型808b的尺寸。為了有助于對(duì)植入件模 型808b進(jìn)行定位，使用者可利用框圖807中的按鈕(標(biāo)為"顯示軸 線"Display Axes )來顯示出機(jī)械軸線?？驁D807還包括使得使用者能 在屏幕88b上同時(shí)顯示脛骨和股骨植入件的按鈕(標(biāo)為"兩植入 件"Both Implants )。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，當(dāng)為脛骨部件74選擇布置方案時(shí)，還考慮 到了膝蓋關(guān)節(jié)縫隙中的軟組織。例如，可這樣來規(guī)劃第一植入件(即 脛骨植入件74):使得脛骨部件74的上表面與關(guān)節(jié)間隙中軟骨的頂面 對(duì)正。這樣的方法可有利地保留了關(guān)節(jié)空間的自然結(jié)構(gòu)，而這樣的結(jié) 構(gòu)能提高植入件的性能和服務(wù)壽命。在這樣的實(shí)施方式中，對(duì)第一骨 頭(即脛骨T)上方軟骨表面的高度進(jìn)行檢測(cè)，并創(chuàng)建第一骨頭的表 像和軟骨表面高度的表像，且至少在部分上基于軟骨表面的測(cè)得高度 來執(zhí)行為將第一植入件植入到第一骨頭中的骨準(zhǔn)備工作。例如，可通 過將被跟蹤探針的尖端放置在軟骨頂面上的點(diǎn)上、并利用框圖807中 的按鈕(標(biāo)為"映射點(diǎn)"Map Point)選擇位置點(diǎn)，來對(duì)軟骨的頂面進(jìn)行 檢測(cè)(或映射)。軟骨表面高度的表像可包括數(shù)字表達(dá)(例如從第一骨 頭到軟骨表面的距離)和/或視覺表像(例如可被顯示為框圖800中點(diǎn) 809的映射點(diǎn))?？蓪?duì)數(shù)個(gè)軟骨點(diǎn)進(jìn)行映射(例如前點(diǎn)、后點(diǎn)、內(nèi)側(cè)點(diǎn) 等)。使用者將第一植入件表像(即植入件模型808b)的至少一部分 與軟骨表面高度的表像(即點(diǎn)809)對(duì)正，例如可通過對(duì)植入件模型 808b的深度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使得植入件模型808b的上邊緣與映射的軟 骨點(diǎn)809對(duì)正，由此來完成上述的操作。因而，在這樣的實(shí)施方式中， 外科系統(tǒng)10至少在部分上基于軟骨在第一骨頭區(qū)域內(nèi)的測(cè)得位置、將 第一植入件的表像與第一骨頭的表像關(guān)聯(lián)起來。按照這種方式，可基 于脛骨高臺(tái)上軟骨的厚度來選擇脛骨部件的深度。因而，外科系統(tǒng)IO 允許使用者將脛骨部件74的布置方案確定為這樣在執(zhí)行任何骨切除 之前，使脛骨部件74的頂面與軟骨的頂面對(duì)正。如果需要的話，在步驟S10中，使用者還可在術(shù)前對(duì)第二植入件 (即股骨部件72)在第二骨頭(即股骨F)上的初始布置進(jìn)行規(guī)劃。 但優(yōu)選地是，步驟S10只包括對(duì)第一植入件(即脛骨部件74)的術(shù)前 規(guī)劃。而股骨規(guī)劃則被延后，直到完成了對(duì)脛骨T的刮刻(步驟Sll) 和試用(步驟S12)之后，以便于可基于脛骨試驗(yàn)件相對(duì)于股骨F的 位置來確定出股骨部件的尺寸、內(nèi)部/外部轉(zhuǎn)動(dòng)、以及內(nèi)側(cè)/外側(cè)位置。步驟Sll到S15包含了骨準(zhǔn)備的過程。在步驟S11中，通過操縱 工具50來刮刻第一骨頭，以此對(duì)第一骨頭(例如脛骨T)進(jìn)行整備， 以接納第一植入件(例如脛骨部件74)。在步驟S12中，將試驗(yàn)植入 件裝配到第一骨頭上已準(zhǔn)備好的特征上。在步驟S13中，對(duì)笫二植入 件(即股骨部件)的初始布置進(jìn)行規(guī)劃(或?qū)χ耙?guī)劃的第二植入件 的放置再次訪問并調(diào)整)。在步驟S14中，在完成了對(duì)第一骨頭的準(zhǔn)備 之后，對(duì)第二骨頭(例如股骨F)進(jìn)行準(zhǔn)備，以接納第二植入件。在 步驟S15中，將試驗(yàn)性植入件裝配到第二骨頭已準(zhǔn)備好的特征上。例如可利用球形磨錐來刮刻骨頭或?qū)穷^進(jìn)行修型，以使得骨頭 的形狀與植入件配對(duì)表面的形狀基本上一致，由此來完成骨準(zhǔn)備(或 刮刻)工作。使用者可選擇是首先準(zhǔn)備股骨F、還是先準(zhǔn)備脛骨T。 在優(yōu)選的實(shí)施方式中，首先對(duì)脛骨T進(jìn)行準(zhǔn)備(步驟Sll)，并將脛骨 的試驗(yàn)植入件裝配到脛骨T已準(zhǔn)備好的表面上(步驟S12 )。而后對(duì)股 骨部件72的布置進(jìn)行規(guī)劃(步驟S13 )，之后再對(duì)股骨F進(jìn)行準(zhǔn)備(步 驟S14)。這樣的方法是有利的，原因在于使用者可基于脛骨試驗(yàn)植 入件與股骨F在腿處于各種彎曲狀態(tài)時(shí)的物理關(guān)系來為股骨部件72 的布置進(jìn)行規(guī)劃。另外，在對(duì)脛骨T和股骨F進(jìn)行刮刻之前，優(yōu)選地 是，利用矢面鋸將股骨F內(nèi)側(cè)后髁的一部分(例如3mm厚的部分) 去掉。去掉后髁的這個(gè)部分可減小后髁與脛骨部件74發(fā)生骨沖突的可 能性，并在膝蓋關(guān)節(jié)中形成了另外的工作空間。在整個(gè)手術(shù)過程中，外科系統(tǒng)IO對(duì)解剖體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控，以檢 測(cè)解剖體的運(yùn)動(dòng)，并對(duì)計(jì)算機(jī)21和/或計(jì)算機(jī)31上運(yùn)行的程序作適當(dāng) 的調(diào)整。在一種實(shí)施方式中，外科系統(tǒng)IO響應(yīng)于測(cè)得的運(yùn)動(dòng)對(duì)解剖體 的表像進(jìn)行調(diào)整。例如，外科系統(tǒng)10響應(yīng)于第一骨頭(即脛骨T)的 運(yùn)動(dòng)對(duì)第一骨頭的表像進(jìn)行調(diào)整，并響應(yīng)于第二骨頭(即股骨F)的 運(yùn)動(dòng)對(duì)第二骨頭的表像進(jìn)行調(diào)整。外科系統(tǒng)IO還可響應(yīng)于解剖體的測(cè)得運(yùn)動(dòng)對(duì)與解剖體相關(guān)的虛擬目標(biāo)體進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，虛擬目標(biāo)體可 包括虛擬邊界，其包含著植入件的表像(例如，虛擬邊界可與植入件 的表面形狀相對(duì)應(yīng))。在對(duì)骨準(zhǔn)備工作進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，外科系統(tǒng)10將植 入件的表像與其上將要植入植入件的骨頭的表像關(guān)聯(lián)起來。在手術(shù)過 程中，外科系統(tǒng)10響應(yīng)于骨頭的移動(dòng)對(duì)虛擬邊界進(jìn)行調(diào)節(jié)。在步驟Sll中，通過操縱著工具50對(duì)第一骨頭進(jìn)行刮刻，來對(duì)第 一骨頭進(jìn)行準(zhǔn)備，以便于接納第一植入件。在一種實(shí)施方式中，通過 在脛骨T的近端上形成脛骨內(nèi)側(cè)包袋結(jié)構(gòu)來對(duì)脛骨T進(jìn)行準(zhǔn)備。在安 裝了脛骨部件74之后，脛骨內(nèi)側(cè)包袋結(jié)構(gòu)將與脛骨部件74的表面74a 相配合(見圖10B)。如圖36所示，外科系統(tǒng)10顯示出屏幕89,該 屏幕表示了脛骨T的圖形表像，該表像例如包括要被去除的骨頭部分 618的表像612、以及工具50的圖形表像，其中，工具的表像表示出 了工具的尖端616a和工具的軸桿616b。屏幕89可選擇性地顯示出相 對(duì)骨頭(即第二骨頭或股骨F)的位置，以引導(dǎo)使用者，使使用者避 免在無意中切割相對(duì)骨頭的表面。優(yōu)選地是，要被切除的骨頭部分618 的著色不同于周圍骨頭的顏色。例如，部分618可被著色成綠色，而 周圍的骨頭可被著色成白色。觸覺裝置30進(jìn)入接近模式中，在該模式 中，觸覺目標(biāo)體(例如圖1所示的觸覺目標(biāo)體300、圖9所示的觸覺 目標(biāo)體310)為接近路線的形式，其協(xié)助使用者來對(duì)工具50的尖端進(jìn) 行引導(dǎo)，以穿過切口 128,并移向患者身體上感興趣的特征(即患者 解剖體上的骨頭部分，其對(duì)應(yīng)于屏幕89上圖示表示的部分618)。在 接近模式中，工具50被停用，以防止工具50在穿過切口 128時(shí)發(fā)生 意外切割，且工具被導(dǎo)引向感興趣的特征。例如當(dāng)工具50的尖端接近 于與感興趣的特征相關(guān)的預(yù)定點(diǎn)時(shí)，外科系統(tǒng)IO將觸覺裝置30自動(dòng) 地置于觸覺(磨削)模式。當(dāng)觸覺裝置30被置于觸覺模式時(shí)，外科系 統(tǒng)IO還啟動(dòng)了遮擋檢測(cè)算法。遮擋檢測(cè)算法是安全措施，在觸覺裝置30處于觸覺(磨削)模式 時(shí)，不論在任何時(shí)候，如果觸覺裝置跟蹤器45或解剖體跟蹤器43a、 43b中的之一被遮擋住，則該算法就將工具50的動(dòng)力切斷。如果檢測(cè) 到了被遮擋的狀態(tài)，遮擋檢測(cè)算法還可以在顯示裝置23上顯示出警報(bào) 信息，并使聲響警報(bào)器報(bào)警，和/或?qū)⒐ぞ?0的動(dòng)力關(guān)斷。因而，在 跟蹤系統(tǒng)40不能對(duì)工具50和解剖體的相對(duì)位置進(jìn)行跟蹤時(shí)，遮擋檢 測(cè)算法可防止工具50對(duì)解剖體造成損傷。例如，在一種實(shí)施方式中， 如果遮擋檢測(cè)算法檢測(cè)到出現(xiàn)了被遮擋的狀態(tài)，外科系統(tǒng)10就判斷工 具50是否正在接觸觸覺目標(biāo)體的觸覺邊界。如果工具50不與觸覺邊 界相接觸，遮擋檢測(cè)算法就將觸覺裝置30置于自由模式，從而，工具 50將隨著患者移動(dòng)，且如果必要的話，可從患者中撤出。當(dāng)遮擋狀態(tài) 結(jié)束時(shí)(例如當(dāng)被遮擋的跟蹤器變得再次可見時(shí))，外科系統(tǒng)10將觸 覺裝置30置于接近模式，以使得使用者可重新開始進(jìn)行手術(shù)。與此相 反，如果在遮擋狀態(tài)期間外科系統(tǒng)10判斷出工具50正在接觸觸覺邊 界，遮擋檢測(cè)算法就等待預(yù)定的時(shí)長(zhǎng)(例如1秒鐘)，以觀察被遮擋的 跟蹤器是否變?yōu)榭梢?。如果觸覺裝置跟蹤器45和解剖體跟蹤器43a 和43b在預(yù)定的時(shí)長(zhǎng)內(nèi)全部變成可見的了，則重新進(jìn)行觸覺(磨削) 模式。不然的話，觸覺裝置30被置于自由模式，從而，工具50將隨 著患者移動(dòng)，如果必要的話，可被從患者中撤出。如上文的情況一樣， 當(dāng)遮擋狀態(tài)結(jié)束時(shí)(例如當(dāng)被遮擋的跟蹤器變得再次可見時(shí))，外科系 統(tǒng)10將觸覺裝置30置于接近模式，以使得使用者可重新開始進(jìn)行手 術(shù)。一旦觸覺裝置30進(jìn)入到觸覺模式中之后，使用者就可進(jìn)行骨刮刻 操作。為了刮刻骨頭，使用者通過將觸覺裝置30的一部分(例如工具 50)在解剖體(例如骨頭)的區(qū)域內(nèi)移動(dòng)而對(duì)觸覺裝置30進(jìn)行操控。 從圖37可最為清楚地看出，隨著使用者使用工具50從骨頭上去除材 料，外科系統(tǒng)10對(duì)屏幕89上脛骨T的圖像進(jìn)行更新，以表示出已被
去除的骨頭深度。在去除骨頭的過程中，觸覺裝置30向使用者施加力 反饋?zhàn)饔靡焕绺鶕?jù)其形狀和體積與骨頭要被去除的部分618相對(duì)應(yīng) 的觸覺目標(biāo)體(例如圖9中所示的觸覺目標(biāo)體206)進(jìn)行。對(duì)于脛骨 內(nèi)側(cè)的表面特征，觸覺目標(biāo)體的邊界例如可基本上對(duì)應(yīng)于將要與脛骨 T的被刮刻表面相配的脛骨部件74的表面74a (如圖10b所示)。力 反饋?zhàn)饔么偈故褂谜邔⒐ぞ?0的尖端保持在觸覺目標(biāo)體的邊界內(nèi)。例 如，力反饋?zhàn)饔脤?duì)工具50進(jìn)行約束，防止其越過觸覺目標(biāo)體的至少一 部分一例如虛擬邊界。盡管觸覺目標(biāo)體是虛擬的，且工具50是在物理 空間中移動(dòng)，但外科系統(tǒng)10將解剖體、觸覺目標(biāo)體、以及觸覺裝置 30與解剖體的表像聯(lián)系了起來。因而，觸覺目標(biāo)體和工具50都與患 者的解剖體實(shí)現(xiàn)了配準(zhǔn)。結(jié)果就是，虛擬的觸覺目標(biāo)體能限制或約束 實(shí)際工具50的運(yùn)動(dòng)。除了在骨刮刻過程中向使用者提供觸覺引導(dǎo)之外，外科系統(tǒng)10 還向使用者提供了視覺反饋。例如，當(dāng)工具50在部分618中的特定位 置處達(dá)到所需的切割深度時(shí)，特定位置的顏色可從綠色變成白色，以 指示不應(yīng)再?gòu)脑摬课惶幦コ穷^了。類似地，如果工具50的切割超出 了所需的深度，該特定位置的顏色可從白色變成紅色，以警告使用者 其切得太深了。為了進(jìn)一步降低對(duì)健康組織造成損傷的可能性，外科 系統(tǒng)IO還可被編程設(shè)置成切斷工具50的動(dòng)力，以防使用者切割太 深。在完成了對(duì)脛骨內(nèi)側(cè)包袋結(jié)構(gòu)的刮刻時(shí)，使用者可發(fā)出信號(hào)(例 如利用腳踏板或其它輸入裝置25)，表明其已經(jīng)準(zhǔn)備形成新的特征、 或其希望將工具50撤出。在刮刻過程中，即使尚未完成對(duì)特征的塑造 工作，也可在任何時(shí)候?qū)⒐ぞ?0撤出。例如，使用者可能希望將工具 50撤出，以更換工具的尖端、對(duì)手術(shù)部位進(jìn)行沖洗、執(zhí)行試驗(yàn)性的縮 減操作、重新進(jìn)行植入件規(guī)劃、解決出現(xiàn)的問題等。如果使用者發(fā)出 信號(hào)表示其希望將工具50撤出，則遮擋檢測(cè)算法就被中止，觸覺裝置 30被置于自由模式，以完成工具50的撤出。步驟S12是試驗(yàn)性的縮減過程，在該過程中，第一植入件(即脛 骨部件74 )或試驗(yàn)植入件(例如脛骨試驗(yàn)件)被裝配到第一骨頭(即
脛骨T上已準(zhǔn)備好的脛骨內(nèi)側(cè)包袋結(jié)構(gòu))上。使用者評(píng)價(jià)脛骨部件或 脛骨試驗(yàn)件的裝配效果，并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整一例如重新進(jìn)行植入件 的規(guī)劃和/或骨刮刻，以實(shí)現(xiàn)更好的配合。在步驟S13中，在完成了對(duì)第一骨頭的準(zhǔn)備之后，使用者對(duì)用于 將第二植入件植入到第二骨頭中的骨準(zhǔn)備工作進(jìn)行規(guī)劃。在優(yōu)選的實(shí) 施方式中，第二骨頭是股骨F,第二植入件是股骨部件72，且通過在 將要安裝股骨部件72的股骨F遠(yuǎn)端上選擇位置來對(duì)骨準(zhǔn)備工作進(jìn)行 規(guī)劃。如果股骨部件72事先已被規(guī)劃好了 (例如在步驟S10中)，則 如果需要的話，可以重新考慮并調(diào)節(jié)先前的設(shè)置。與步驟S10—樣， 外科系統(tǒng)10通過產(chǎn)生出屏幕88a (如圖38所示)，以利于對(duì)植入件進(jìn) 行規(guī)劃。除了框圖800、 802、 804、 806、以及807之外，屏幕88a與 用于對(duì)脛骨部件74進(jìn)行規(guī)劃的屏幕88b(見圖35)類似，其包括了與 股骨部件72的布置相關(guān)的圖像、數(shù)據(jù)、和選擇按鈕，并包括了第二植 入件(即股骨部件72 )的表像(植入件模型)808b。例如可相對(duì)于已有植入件的位置和周圍的結(jié)構(gòu)來確定股骨部件 72的位置。可按照與上文步驟SIO中處理軟骨點(diǎn)相同的方式，利用受 跟蹤的工具來對(duì)這些位置點(diǎn)進(jìn)行映射。映射點(diǎn)包括關(guān)節(jié)中解剖學(xué)結(jié)構(gòu) (例如骨頭、神經(jīng)、軟組織等)上的點(diǎn)、和/或關(guān)節(jié)中已有植入件上的 點(diǎn)(例如，邊緣、拐角、表面、驗(yàn)證特征、凹窩、溝槽、中線標(biāo)記等)。 已有的植入件例如包括第一植入件(即脛骨部件74 )、試驗(yàn)植入件(例 如脛骨試驗(yàn)件)、和/或以前手術(shù)的植入件?？稍谕萀處于從完全伸展 到完全彎曲之間的各種角度時(shí)選擇這些位置點(diǎn)。例如，可在腿L處于 彎曲伸展時(shí)、處于90°時(shí)、以及完全彎曲時(shí)來映射位置點(diǎn)。在一種實(shí) 施方式中，膝蓋關(guān)節(jié)被移動(dòng)到第一狀態(tài)(例如彎曲狀態(tài)或伸展?fàn)顟B(tài))， 在關(guān)節(jié)處于第一狀態(tài)時(shí)，使用者確定出與關(guān)節(jié)中第一位置相對(duì)應(yīng)的第 一位置點(diǎn)，膝蓋關(guān)節(jié)被移動(dòng)到第二狀態(tài)(例如彎曲狀態(tài)和伸展?fàn)顟B(tài)中 的另一者)，在關(guān)節(jié)處于第二狀態(tài)時(shí)，使用者確定出與關(guān)節(jié)中第二位置 相對(duì)應(yīng)的第二位置點(diǎn)。外科系統(tǒng)10在屏幕88a的框圖800中顯示出第 一、第二位置點(diǎn)(作為點(diǎn)810)。點(diǎn)810對(duì)使用者提供了幫助其使得
第二植入件(即股骨部件72)的布置實(shí)現(xiàn)了可視化。因而，使用者能 至少在部分上基于第一、第二位置點(diǎn)對(duì)用于將第二植入件植入到第二 骨頭上的骨準(zhǔn)備工作進(jìn)行規(guī)劃。在一種實(shí)施方式中，通過在腿處于伸展?fàn)顟B(tài)時(shí)映射繪制脛骨試驗(yàn) 植入件前邊緣中心線上的第一位置點(diǎn)、并在腿彎曲時(shí)映射繪制脛骨試 驗(yàn)植入件前邊緣中心線上的第二位置點(diǎn)，可確定出股骨部件72的尺寸 和位置。伸展時(shí)的位置點(diǎn)被用來設(shè)計(jì)股骨部件72的尺寸。例如，股骨 部件72的尺寸可被選擇為這樣使得脛骨部件74在膝蓋移動(dòng)到伸展 狀態(tài)時(shí)不會(huì)越過股骨部件72的前邊緣。彎曲時(shí)的位置點(diǎn)和伸展時(shí)的位 置點(diǎn)被一起用來確定股骨部件72的內(nèi)部/外部轉(zhuǎn)動(dòng)，以確保股骨部件 72正確地座壓在脛骨部件74(例如根據(jù)患者的正常運(yùn)動(dòng)范圍和關(guān)節(jié)動(dòng) 力學(xué)狀況)。例如，第二植入件表像(例如股骨部件72鼓凸(keel) 72c的表像)的中心線可與彎曲位置點(diǎn)和伸展位置點(diǎn)對(duì)正?？蛇x地是， 后"切口"邊緣上的點(diǎn)可被用來確定股骨部件72的后方布置方案。在該 實(shí)施方式中，使用者通過將植入件模型808a(見圖38)移動(dòng)到總的植 入?yún)^(qū)域，可為股骨部件72選擇位置。利用框圖806中的橫斷面視圖， 使用者轉(zhuǎn)動(dòng)地調(diào)節(jié)植入件模型808a，以使得植入件模型808a的中心 線與代表伸展和彎曲時(shí)的脛骨試驗(yàn)植入件的中心線對(duì)齊。框圖807中 的內(nèi)部/外部角度(標(biāo)為"External")顯示的是所形成的內(nèi)部/夕卜部角度。 利用框圖804中的冠狀圖，使用者可對(duì)植入件模型808a的內(nèi)翻/外翻 角度進(jìn)行調(diào)節(jié)。框圖807中的內(nèi)翻/外翻(標(biāo)為"外翻"(Valgus))角 度顯示的是所形成的內(nèi)翻/外翻角度。利用框圖802中的矢面圖，使用 者對(duì)植入件模型808a的后方轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)?？驁D807中的彎曲角度(標(biāo) 為"彎曲"Flexion)顯示所形成的彎曲角。在一種實(shí)施方式中，后方轉(zhuǎn) 動(dòng)被調(diào)節(jié)為這樣使得股骨部件72的主干相對(duì)于骨頭圖像的解剖學(xué)軸 線處于約5°到8°的范圍內(nèi)。使用者可通過調(diào)節(jié)框圖807中的深度條(標(biāo) 為"深度"Depth)來調(diào)節(jié)植入件模型808a在股骨F中的遠(yuǎn)側(cè)深度。使 用者還可利用框圖807中的尺寸選擇框(標(biāo)為"尺寸")來改變植入件 模型808a的尺寸。按照這種方式，至少在部分上基于第一植入件在第一骨頭(即脛骨T)上的測(cè)得位置，使第二植入件(植入件模型808a) 與第二骨頭(即股骨F)的表像關(guān)聯(lián)起來。在步驟S14中，通過操縱著工具50對(duì)第二骨頭進(jìn)行刮刻，來對(duì)第 二骨頭進(jìn)行準(zhǔn)備，以便于接納第二植入件。在一種實(shí)施方式中，通過 在股骨F的遠(yuǎn)端上形成股骨內(nèi)側(cè)表面、柱干、以及鼓凸結(jié)構(gòu)來對(duì)股骨 F進(jìn)行準(zhǔn)備。在安裝了股骨部件72之后，將股骨內(nèi)側(cè)表面、柱干、以 及鼓凸結(jié)構(gòu)與股骨部件72的表面72a、柱干72b、以及鼓凸72c相配 合(見圖IOA)。對(duì)股骨特征的制備基本上類似于脛骨內(nèi)側(cè)表面特征的 制備。如圖39所示，外科系統(tǒng)10顯示出屏幕91，該屏幕表示了股骨 F的圖形表像。與準(zhǔn)備脛骨的屏幕89—樣，屏幕91包括要被去除的 骨頭部分618的表像612、以及工具50的圖形表像，其中，工具的圖 形表像表示出了工具的尖端616a和工具的軸桿616b。屏幕91可選擇 性地顯示出相對(duì)骨頭(即脛骨T)的位置，以引導(dǎo)使用者，使使用者 避免在無意中切割相對(duì)骨頭的表面。與上文的情況相同，要被切除的 骨頭部分618的著色優(yōu)選地是不同于周圍骨頭的顏色。觸覺裝置30 進(jìn)入接近模式中，在該模式中，觸覺目標(biāo)體(例如圖1所示的觸覺目 標(biāo)體300、圖9所示的觸覺目標(biāo)體310)為接近路線的形式，其協(xié)助使 用者來對(duì)工具50的尖端進(jìn)行引導(dǎo)，以使其穿過切口 128，并移向患者 身體上感興趣的特征(即患者解剖體上的骨頭部分，其對(duì)應(yīng)于屏幕91 上圖示表示的部分618)。例如當(dāng)工具50的尖端接近于與感興趣的特 征相關(guān)的預(yù)定點(diǎn)時(shí)，外科系統(tǒng)10將觸覺裝置30自動(dòng)地置于觸覺(磨 削)模式。當(dāng)觸覺裝置30被置于觸覺模式時(shí)，外科系統(tǒng)10還啟動(dòng)了 遮擋檢測(cè)算法。一旦觸覺裝置30進(jìn)入到觸覺模式中之后，使用者就可進(jìn)行骨刮刻 操作。如圖39所示，隨著使用者使用工具50去掉骨頭，外科系統(tǒng)IO 對(duì)屏幕91上股骨F的圖像進(jìn)行更新，以表示出已被去除的骨頭深度。 在去除骨頭的過程中，觸覺裝置30向使用者施加力反饋?zhàn)饔靡焕绺?據(jù)其形狀和體積與要被去除的部分618相對(duì)應(yīng)的觸覺目標(biāo)體(例如圖 9中所示的觸覺目標(biāo)體208)進(jìn)行。對(duì)于股骨內(nèi)側(cè)的表面特征，觸覺目
標(biāo)體的邊界例如可基本上對(duì)應(yīng)于將要與股骨F的被刮刻表面相配的股 骨部件72的表面72a (如圖IOA所示)。力反饋?zhàn)饔么偈故褂谜邔⒐?具50的尖端保持在觸覺目標(biāo)體的邊界內(nèi)。在刮刻過程中，使用者可能會(huì)希望改變工具50。例如，在一種實(shí) 施方式中，使用者使用6mm的磨錐來形成大部分的股骨內(nèi)側(cè)表面特 征，并用2mm的磨錐來刮刻"拐角"(例如垂直壁面特征過渡到水平 底部特征的區(qū)域)。為了更換磨錐，使用者發(fā)出信號(hào)，表明其想將工具 50撤出。作為響應(yīng)，遮擋檢測(cè)算法被中止，觸覺裝置30被置于自由 模式，以允許工具50的撤出。 一旦磨錐更換完成之后，觸覺裝置被置 于接近模式，以使得使用者可將工具50送到手術(shù)部位，從而完成形成 股骨內(nèi)側(cè)表面特征的工作。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，在初始配準(zhǔn)的步驟 S8中，在重新開始刮刻之前，使用者將工具50(或被跟蹤的探針)與 設(shè)置在骨頭(例如股骨F或脛骨T)上的標(biāo)記相接觸。該標(biāo)記起到了 檢查點(diǎn)的作用，該檢查點(diǎn)使得外科系統(tǒng)IO能驗(yàn)證正確的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。例 如，檢查點(diǎn)可被用來驗(yàn)證跟蹤系統(tǒng)40的構(gòu)造是否正確(例如跟蹤器是 否仍然相對(duì)于解剖體正確地對(duì)正，而沒有被閉塞或遮擋等)、驗(yàn)證工具 50是否被正確地安裝(例如是否正確地落座、軸桿是否不彎曲等)、 和/或驗(yàn)證其它物體是否被正確地安裝/裝配/組裝等。如果該檢查表明 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)存在問題(例如，在更換工具的過程中，其中的一個(gè)跟蹤 器被使用者碰到，現(xiàn)在沒有對(duì)正)，就必須要重復(fù)進(jìn)行配準(zhǔn)操作(步驟 S8)。使用者在需要時(shí)可在任何時(shí)候執(zhí)行這種檢查點(diǎn)驗(yàn)證工作，以確認(rèn) 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一例如當(dāng)工具50被從患者中撤出、然后被重新插入到患者 中時(shí)可執(zhí)行該工作。在完成了對(duì)股骨內(nèi)側(cè)表面特征的刮刻時(shí)，使用者 可發(fā)出信號(hào)(例如利用腳踏板或其它輸入裝置25)，表明其已經(jīng)準(zhǔn)備 形成股骨內(nèi)側(cè)柱干結(jié)構(gòu)。在一種實(shí)施方式中，在形成內(nèi)側(cè)柱干結(jié)構(gòu)之 前，使用者將用于形成股骨內(nèi)側(cè)表面結(jié)構(gòu)拐角的2mm磨錐更換為 4mm的磨雄。刮刻股骨內(nèi)側(cè)柱干結(jié)構(gòu)的過程基本上類似于刮刻股骨內(nèi)側(cè)表面特 征的過程。與股骨表面特征的情況相同，外科系統(tǒng)10顯示出屏幕91(見圖39)，該屏幕表示了股骨F的圖形表像、要被去除的骨頭部分 618的表像612、以及工具50的表像，可選地是，屏幕91還可顯示出 相對(duì)骨頭(即脛骨T)的表像，其中，工具50的表像表示出了工具尖 端616a的表像和工具軸桿616b的表像。與上文的情況相同，要被切 除的骨頭部分618的著色優(yōu)選地是不同于周圍骨頭的顏色。在一種實(shí) 施方式中，外科系統(tǒng)10僅在屏幕91上顯示工具50尖端616a的表像。 但是，由于工具50的接近角度對(duì)于柱干和鼓凸結(jié)構(gòu)的形成過程是至關(guān) 重要的，優(yōu)選地是，在刮刻柱干和鼓凸結(jié)構(gòu)特征時(shí)，外科系統(tǒng)10要指 示出所能允許的工具50軸桿傾斜角。例如，可顯示出軸桿616b的表 像，以使得使用者能觀察到軸桿616b相對(duì)于解剖體是如何定向的。因 而，使用者可判斷在刮刻更深部分的股骨特征時(shí)軸桿是否擦著先前刮 刻的骨頭壁(或其它物體)。屏幕91還表示出了工具角度(例如傾斜 角度)的數(shù)值。外科系統(tǒng)IO還包括這樣的觸覺目標(biāo)體其形狀被設(shè)計(jì) 成可將工具50軸桿的角度約束到預(yù)定的數(shù)值。在一種實(shí)施方式中，該 預(yù)定數(shù)值使得工具50的軸桿保持著與工具50所切入的骨表面基本上 垂直的狀態(tài)。例如，預(yù)定的數(shù)值是相對(duì)于工具50所切入的骨頭表面， 在約80°到90。的范圍內(nèi)。屏幕91還可包括對(duì)約束軸桿的觸覺目標(biāo)體 的圖形描述，且如果工具的角度超過預(yù)定數(shù)值，屏幕可將觸覺目標(biāo)體 的顏色改變(例如改變?yōu)榧t色)。作為補(bǔ)充或替代措施，工具50可具 有套筒，其圍繞著軸桿和/或工具50的尖端設(shè)置，其防止轉(zhuǎn)動(dòng)的軸桿 和/或尖端與骨頭直接接觸。觸覺裝置30進(jìn)入接近模式中，在該模式中，觸覺目標(biāo)體(例如圖 1所示的觸覺目標(biāo)體300、圖9所示的觸覺目標(biāo)體310)為接近路線的 形式，其協(xié)助使用者來對(duì)工具50的尖端進(jìn)行引導(dǎo)，使其朝向患者身體 上感興趣的特征(即患者解剖體上的骨頭部分，其對(duì)應(yīng)于屏幕91上圖 示表示的部分618)。例如當(dāng)工具50的尖端接近于與感興趣的特征相 關(guān)的預(yù)定點(diǎn)時(shí)，外科系統(tǒng)10將觸覺裝置30自動(dòng)地置于觸覺(磨削) 模式。如果遮擋檢測(cè)算法在先前已被中止(例如在形成了股骨表面特 征之后為了將工具50撤出)，當(dāng)觸覺裝置30進(jìn)入觸覺模式時(shí)，外科系
統(tǒng)10將遮擋檢測(cè)算法啟動(dòng)。一旦觸覺裝置30進(jìn)入到觸覺模式中之后，使用者就可進(jìn)行骨刮刻 操作。隨著使用者使用工具50去除骨頭，外科系統(tǒng)10對(duì)屏幕91上股 骨F的圖像進(jìn)行更新，以表示出已被去除的骨頭深度。在去除骨頭的 過程中，觸覺裝置30向使用者施加力反饋?zhàn)饔靡焕绺鶕?jù)其形狀和體 積與要被去除的骨頭部分618相對(duì)應(yīng)的觸覺目標(biāo)體進(jìn)行。對(duì)于股骨內(nèi) 側(cè)的柱干結(jié)構(gòu)特征，觸覺目標(biāo)體的邊界例如可基本上對(duì)應(yīng)于將要與股 骨F的被刮刻表面相配的股骨部件72的柱干72a (如圖10A所示) 的表面。在完成了對(duì)股骨內(nèi)側(cè)柱干特征時(shí)，使用者可發(fā)出信號(hào)(例如 利用腳踏板或其它輸入裝置25)，表明其已經(jīng)準(zhǔn)備形成股骨內(nèi)側(cè)鼓凸 結(jié)構(gòu)。在一種實(shí)施方式中，在形成鼓凸結(jié)構(gòu)之前，使用者將4mm的 磨錐更換為直線磨錐。如同上文結(jié)合股骨內(nèi)側(cè)表面結(jié)構(gòu)的拐角所討論 的那樣，為了更換磨錐，使用者發(fā)出信號(hào)，表明其想將工具50撤出。 作為響應(yīng)，遮擋檢測(cè)算法被中止，觸覺裝置30被置于自由模式，以允 許工具50的撤出。 一旦更換了磨錐之后，使用者就可進(jìn)行形成股骨內(nèi) 側(cè)鼓凸結(jié)構(gòu)的工作。優(yōu)選地是，使用者在重新啟動(dòng)骨刮刻工作之前， 執(zhí)行上述的檢查點(diǎn)驗(yàn)證操作。刮刻股骨內(nèi)側(cè)鼓凸結(jié)構(gòu)的過程基本上類似于刮刻股骨內(nèi)側(cè)表面和 柱干特征的過程。與股骨表面特征和柱千特征的情況相同，外科系統(tǒng) 10顯示出屏幕91 (見圖39),該屏幕表示了股骨F的圖形表像、要被 去除的骨頭部分618的表像612、以及工具50的圖形表像，可選地是， 屏幕91還可顯示出相對(duì)骨頭(即脛骨T)的表像，其中，工具50的 圖形表像表示出了工具的尖端616a和工具的軸桿616b。與上文的情 況相同，要被切除的骨頭部分618的著色優(yōu)選地是不同于周圍骨頭的 顏色。另外，與上文結(jié)合股骨內(nèi)側(cè)柱干特征的情況進(jìn)行討論的一樣， 屏幕91可包括這樣的特征其使得使用者能對(duì)工具的角度進(jìn)行監(jiān)控， 以防止工具50的轉(zhuǎn)動(dòng)軸桿對(duì)周圍的骨頭造成損傷。觸覺裝置30進(jìn)入接近模式中，在該模式中，觸覺目標(biāo)體(例如圖 1所示的觸覺目標(biāo)體300、圖9所示的觸覺目標(biāo)體310)為接近路線的
形式，其協(xié)助使用者來對(duì)工具50的尖端進(jìn)行引導(dǎo)，以使其穿過切口 128，并移向患者身體上感興趣的特征(即患者解剖體上的骨頭部分， 其對(duì)應(yīng)于屏幕91上圖示表示的部分618)。例如當(dāng)工具50的尖端接近 于與感興趣的特征相關(guān)的預(yù)定點(diǎn)時(shí)，外科系統(tǒng)IO將觸覺裝置30自動(dòng) 地置于觸覺(磨削)模式。當(dāng)觸覺裝置30進(jìn)入觸覺模式時(shí)，外科系統(tǒng) 10還將遮擋檢測(cè)算法啟動(dòng)。 一旦觸覺裝置30進(jìn)入到觸覺模式中之后， 使用者就可進(jìn)行骨刮刻操作。隨著使用者使用工具50去掉骨頭，外科 系統(tǒng)10對(duì)屏幕91上股骨F的圖像進(jìn)行更新，以表示出已被去除的骨 頭深度。在去除骨頭的過程中，觸覺裝置30向使用者施加力反饋?zhàn)饔?一例如根據(jù)其形狀和體積與要被去除的部分618相對(duì)應(yīng)的觸覺目標(biāo)體 進(jìn)行。對(duì)于股骨內(nèi)側(cè)的鼓凸結(jié)構(gòu)特征，觸覺目標(biāo)體的邊界例如可基本 上對(duì)應(yīng)于將要與股骨F的被刮刻表面相配的股骨部件72的鼓凸72c (如圖IOA所示)的表面。在完成了對(duì)股骨內(nèi)側(cè)鼓凸特征時(shí)，使用者 可發(fā)出信號(hào)(例如利用腳踏板或其它輸入裝置25)，表明其想將工具 50從患者體內(nèi)撤出。作為響應(yīng)，外科系統(tǒng)10中止遮擋檢測(cè)算法，將 觸覺裝置30置于自由模式，以允許工具50的撤出。步驟S15是試驗(yàn)性的縮減過程，在該過程中，第二植入件(即股 骨部件72 )或試驗(yàn)植入件(例如股骨試驗(yàn)件)被裝配到股骨F上已準(zhǔn) 備好的股骨內(nèi)側(cè)表面、柱干、鼓凸結(jié)構(gòu)特征上。使用者評(píng)價(jià)股骨部件 72或股骨試驗(yàn)件的裝配效果，并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整一例如重新進(jìn)行植 入件的規(guī)劃和/或骨刮刻，以實(shí)現(xiàn)更好的配合。在步驟S15中，還可對(duì) 脛骨T進(jìn)行調(diào)整。為了有利于該試驗(yàn)性的縮減過程，外科系統(tǒng)10可 產(chǎn)生出屏幕(圖中未示出)，其圖示地表示了股骨F和脛骨T被跟蹤 的運(yùn)動(dòng)，并顯示出一些測(cè)量結(jié)果一例如彎曲、內(nèi)翻/外翻、以及內(nèi)部/ 外部轉(zhuǎn)動(dòng)角度。另外，股骨和/或脛骨的試驗(yàn)植入件可包括一些固有特征(例如凹窩、標(biāo)記等)，在試驗(yàn)植入件被裝配到骨頭上之后，這些特 征可與被跟蹤的探針相接觸，以驗(yàn)證試驗(yàn)植入件。固有特征還可被用 來利用 一個(gè)植入件的位置確定另 一植入件的位置(例如在模塊化植入 件的情況下)。如果使用者滿意試驗(yàn)植入件的裝配效果，使用者可開始
安裝股骨部件72和脛骨部件74,進(jìn)而完成手術(shù)過程。因而，本發(fā)明的實(shí)施方式提供了觸覺引導(dǎo)系統(tǒng)和方法，其可取代微創(chuàng)手術(shù)中的直接目視、在關(guān)節(jié)矯形置換的場(chǎng)合中保留健康骨頭、實(shí)現(xiàn)了在術(shù)中的適應(yīng)和規(guī)劃，并使得手術(shù)結(jié)果具有足夠高的可重復(fù)性、可預(yù)測(cè)性、和/或精度，而與外科技能等級(jí)無關(guān)。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，從對(duì)文中所描述的本發(fā)明詳細(xì)內(nèi)容、實(shí)施形式、以及考慮因素，可明顯地設(shè)想出其它的實(shí)施方式。本文的詳細(xì)說明和實(shí)例應(yīng)當(dāng)僅被看作是示例性的。
權(quán)利要求
1.一種外科設(shè)備，其包括外科裝置，其被設(shè)置成由使用者進(jìn)行操控而對(duì)患者執(zhí)行手術(shù)流程；以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其被編程設(shè)置成執(zhí)行用于對(duì)外科裝置進(jìn)行控制的控制參數(shù)，以便于基于患者解剖體與外科裝置一部分至少一個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)如下操作的至少之一向使用者提供觸覺引導(dǎo)、以及限制使用者對(duì)外科裝置的操控，其中的指標(biāo)是位置、定向、速度、以及加速度；以及在手術(shù)過程中，響應(yīng)于解剖體的運(yùn)動(dòng)而對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的外科設(shè)備，其特征在于外科裝置包括 臂件、與臂件相聯(lián)的外科工具、以及與臂件和外科工具中至少之一相 聯(lián)的接口。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的外科設(shè)備，其特征在于接口包括第一 部分和第二部分，第一部分被設(shè)計(jì)成使得使用者能改變臂件的構(gòu)造， 第二部分被設(shè)計(jì)成使得使用者能將外科工具相對(duì)于臂件進(jìn)行移動(dòng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的外科設(shè)備，其特征在于第一部分包括 臂件的關(guān)節(jié)，第二部分包括臂件遠(yuǎn)端與外科工具中的至少之一。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的外科設(shè)備，其特征在于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被 編程設(shè)置成對(duì)外科裝置進(jìn)行控制，以便于基于外科工具相對(duì)于至少一 個(gè)因素的狀態(tài)而產(chǎn)生出力、力矩、以及振動(dòng)的至少之一，其中的因素 是與解剖體相關(guān)的虛擬目標(biāo)體、涉及解剖體的參數(shù)、以及解剖體。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的外科設(shè)備，其特征在于外科裝置包括 反饋機(jī)構(gòu)；且計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成對(duì)反饋機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，以便于在使 用者操控外科裝置時(shí)向使用者發(fā)送信息，其中的信息是關(guān)于外科裝置 的所述部分相對(duì)于至少一個(gè)因素的位置的，其中的因素是與解剖體相 關(guān)的虛擬目標(biāo)體、涉及解剖體的參數(shù)、以及解剖體。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的外科設(shè)備，其特征在于反饋機(jī)構(gòu)包括 至少一臺(tái)馬達(dá)，其用于產(chǎn)生力、力矩、以及振動(dòng)的至少之一。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的外科設(shè)備，其特征在于外科裝置包括 至少 一個(gè)反饋機(jī)構(gòu)，其被設(shè)計(jì)成向操控外科裝置的使用者提供反饋?zhàn)?用；以及，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被編程設(shè)置成對(duì)至少一個(gè)反饋機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制， 以便于在使用者操控外科裝置時(shí)，基于患者解剖體與所述至少一個(gè)指 標(biāo)之間的關(guān)系，向使用者提供觸覺引導(dǎo)作用，其中的指標(biāo)是外科裝置 所述部分的位置、定向、速度、以及加速度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的外科設(shè)備，其特征在于至少一個(gè)反饋 機(jī)構(gòu)包括馬達(dá)，其被用于提供與使用者對(duì)外科裝置的操控相反的力反 饋?zhàn)饔谩?br> 10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的外科設(shè)備，其特征在于計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 被編程設(shè)置為允許使用者克服力反饋?zhàn)饔貌⑼饪蒲b置移動(dòng)到所需的 位置。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的外科設(shè)備，其特征在于至少一個(gè)力 反饋機(jī)構(gòu)包括用于產(chǎn)生振動(dòng)的振蕩器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的外科設(shè)備，其特征在于計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 被編程設(shè)置成利用阻抗控制對(duì)外科裝置進(jìn)行控制。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的外科設(shè)備，其特征在于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被 編程設(shè)置成至少在部分上基于與解剖體相關(guān)的虛擬目標(biāo)體確定出控 制參數(shù)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的外科設(shè)備，其特征在于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被 編程設(shè)置成響應(yīng)于手術(shù)過程中解剖體的運(yùn)動(dòng)而調(diào)整與解剖體相關(guān)的 虛擬目標(biāo)體，其中，該操作是通過對(duì)解剖體受檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控、 而后再響應(yīng)于檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)虛擬目標(biāo)體來實(shí)現(xiàn)的。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的外科設(shè)備，其特征在于還包括用于 確定目標(biāo)體姿態(tài)的檢測(cè)裝置。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的外科設(shè)備，其特征在于檢測(cè)裝置被 安裝到外科裝置上。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的外科設(shè)備，其特征在于檢測(cè)裝置可 相對(duì)于外科裝置從第一位置移動(dòng)到第二位置。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的外科設(shè)備，其特征在于檢測(cè)裝置相 對(duì)于外科裝置的位置是固定的。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的外科設(shè)備，其特征在于還包括至少 一個(gè)可跟蹤元件，其可被檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)，且被設(shè)置成與要被跟蹤 的目標(biāo)體相連。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的外科設(shè)備，其特征在于至少一個(gè)可 跟蹤元件包括標(biāo)記陣列，其具有獨(dú)特的幾何格局，且當(dāng)至少一個(gè)可跟 蹤元件被連接到目標(biāo)體上時(shí)，其相對(duì)于目標(biāo)體具有已知的幾何關(guān)系。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的外科設(shè)備，其特征在于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被 編程設(shè)置為如果在手術(shù)過程中檢測(cè)裝置不能檢測(cè)到至少 一個(gè)可跟蹤 元件，則向使用者示警。
22. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的外科設(shè)備，其特征在于至少一個(gè)可 跟蹤元件包括用于附接到解剖體上的固定裝置。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的外科設(shè)備，其特征在于固定裝置包 括至少一個(gè)骨釘。
24. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的外科設(shè)備，其特征在于至少一個(gè)可 跟蹤元件被布置到外科裝置上。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的外科設(shè)備，其特征在于至少一個(gè)可 跟蹤元件可相對(duì)于外科裝置在第一位置與第二位置之間移動(dòng)。
26. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的外科設(shè)備，其特征在于至少一個(gè)可 跟蹤元件的位置相對(duì)于外科裝置是固定的。
27. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的外科設(shè)備，其特征在于外科裝置包 括臂件，其被設(shè)計(jì)成與外科工具相接合，其中，將至少一個(gè)可跟蹤元 件設(shè)置為其被布置在臂件遠(yuǎn)端與外科工具的至少之一上。
28. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的外科設(shè)備，其特征在于至少一個(gè)可 跟蹤元件與探針相聯(lián)。
29. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的外科設(shè)備，其特征在于至少一個(gè)可 跟蹤元件包括用于對(duì)探針的校準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)證的特征。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的外科設(shè)備，其特征在于所述特征包 括凹窩。
31. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的外科設(shè)備，其特征在于檢測(cè)裝置被 設(shè)計(jì)成與要被跟蹤的目標(biāo)體相連接。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的外科設(shè)備，其特征在于檢測(cè)裝置包 括用于附接到患者骨頭上的固定裝置。
33. —種外科設(shè)備，其包括觸覺裝置，其被設(shè)置成由使用者進(jìn)行操控而對(duì)患者執(zhí)行手術(shù)流程， 觸覺裝置包括至少一個(gè)反饋機(jī)構(gòu)，該反饋機(jī)構(gòu)被設(shè)置成向操控觸覺裝 置的使用者提供反饋?zhàn)饔?；以及?jì)算機(jī)系統(tǒng)，其被編程設(shè)置成執(zhí)行用于對(duì)至少一個(gè)反饋機(jī)構(gòu)進(jìn)行 控制的控制參數(shù)，以便于在使用者操作觸覺裝置時(shí)、基于患者解剖體 與觸覺裝置一部分的至少一個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系向使用者提供觸覺引 導(dǎo)，其中的指標(biāo)是位置、定向、速度、以及加速度。
34. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的外科設(shè)備，其特征在于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被 編程設(shè)置成在手術(shù)過程中，響應(yīng)于解剖體的運(yùn)動(dòng)而對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行 調(diào)節(jié)。
35. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的外科設(shè)備，其特征在于觸覺裝置包 括臂件、與臂件相連的外科工具、以及與臂件和外科工具中至少之一 相關(guān)聯(lián)的接口。
36. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的外科設(shè)備，其特征在于接口包括第 一部分和第二部分，第一部分被設(shè)計(jì)成使得使用者能改變臂件的構(gòu)造， 第二部分被設(shè)計(jì)成使得使用者能將外科工具相當(dāng)于臂件進(jìn)行移動(dòng)。
37. 根據(jù)權(quán)利要求36所述的外科設(shè)備，其特征在于第一部分包 括臂件的關(guān)節(jié)，第二部分包括臂件遠(yuǎn)端與外科工具中的至少之一。
38. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的外科設(shè)備，其特征在于計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 被編程設(shè)置成對(duì)觸覺裝置進(jìn)行控制，以便于基于外科工具相對(duì)于至少 一個(gè)因素的狀態(tài)而產(chǎn)生出力、力矩、以及振動(dòng)的至少之一，其中的因 素是與解剖體相關(guān)的虛擬目標(biāo)體、涉及解剖體的參數(shù)、以及解剖體。
39. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的外科設(shè)備，其特征在于計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 被設(shè)計(jì)成對(duì)反饋機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，以便于在使用者操控觸覺裝置時(shí)向使 用者發(fā)送信息，其中的信息是關(guān)于觸覺裝置的所述部分相對(duì)于至少一 個(gè)因素的位置的，其中的因素是與解剖體相關(guān)的虛擬目標(biāo)體、涉及解 剖體的參數(shù)、以及解剖體。
40. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的外科設(shè)備，其特征在于反饋機(jī)構(gòu)包 括至少一臺(tái)馬達(dá)，其用于產(chǎn)生力、力矩、以及振動(dòng)的至少之一。
41. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的外科設(shè)備，其特征在于至少一個(gè)反 饋機(jī)構(gòu)包括馬達(dá)，其被用于提供與使用者對(duì)觸覺裝置的操控相反的力 反饋?zhàn)饔谩?br> 42. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的外科設(shè)備，其特征在于計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 被編程設(shè)置為允許使用者克服力反饋?zhàn)饔貌⒂|覺裝置移動(dòng)到所需的 位置。
43. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的外科設(shè)備，其特征在于計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 被編程設(shè)置成利用阻抗控制對(duì)觸覺裝置進(jìn)行控制。
44. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的外科設(shè)備，其特征在于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被 編程設(shè)置成至少在部分上基于與解剖體相關(guān)的虛擬目標(biāo)體確定出控 制參數(shù)。
45. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的外科設(shè)備，其特征在于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被 編程設(shè)置成響應(yīng)于手術(shù)過程中解剖體的運(yùn)動(dòng)而調(diào)整與解剖體相關(guān)的 虛擬目標(biāo)體，其中，該操作是通過對(duì)解剖體受檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控、 而后再響應(yīng)于檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)虛擬目標(biāo)體來實(shí)現(xiàn)的。
46. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的外科設(shè)備，其特征在于還包括用于 確定目標(biāo)體姿態(tài)的檢測(cè)裝置。
47. 根據(jù)權(quán)利要求46所述的外科設(shè)備，其特征在于檢測(cè)裝置被 安裝到觸覺裝置上。
48. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的外科設(shè)備，其特征在于檢測(cè)裝置可 相對(duì)于觸覺裝置從第一位置移動(dòng)到第二位置。
49. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的外科設(shè)備，其特征在于檢測(cè)裝置相 對(duì)于觸覺裝置的位置是固定的。
50. 根據(jù)權(quán)利要求46所述的外科設(shè)備，其特征在于還包括至少 一個(gè)可跟蹤元件，其可被檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)，且被設(shè)置成與要被跟蹤 的目標(biāo)體相連。
51. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的外科設(shè)備，其特征在于至少一個(gè)可 跟蹤元件包括標(biāo)記陣列，其具有獨(dú)特的幾何格局，且當(dāng)至少一個(gè)可跟 蹤元件被連接到目標(biāo)體上時(shí)，其相對(duì)于目標(biāo)體具有已知的幾何關(guān)系。
52. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的外科設(shè)備，其特征在于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被 編程設(shè)置為如果在手術(shù)過程中檢測(cè)裝置不能檢測(cè)到至少 一個(gè)可跟蹤 元件，則向使用者示警。
53. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的外科設(shè)備，其特征在于至少一個(gè)可 跟蹤元件包括用于附接到解剖體上的固定裝置。
54. 根據(jù)權(quán)利要求53所述的外科設(shè)備，其特征在于固定裝置包 括至少一個(gè)骨釘。
55. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的外科設(shè)備，其特征在于至少一個(gè)可 跟蹤元件被布置到觸覺裝置上。
56. 根據(jù)權(quán)利要求55所述的外科設(shè)備，其特征在于至少一個(gè)可 跟蹤元件可相對(duì)于觸覺裝置在第一位置與第二位置之間運(yùn)動(dòng)。
57. 根據(jù)權(quán)利要求55所述的外科設(shè)備，其特征在于至少一個(gè)可 跟蹤元件的位置相對(duì)于觸覺裝置是固定的。
58. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的外科設(shè)備，其特征在于觸覺裝置包 括臂件，其被設(shè)計(jì)成與外科工具相接合，其中，將至少一個(gè)可跟蹤元 件設(shè)置為其被布置在臂件遠(yuǎn)端與外科工具的至少之一上。
59. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的外科設(shè)備，其特征在于至少一個(gè)可 跟蹤元件與探針相聯(lián)。
60. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的外科設(shè)備，其特征在于至少一個(gè)可 跟蹤元件包括用于對(duì)探針的校準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)證的特征。
61. 根據(jù)權(quán)利要求60所述的外科設(shè)備，其特征在于所述特征包 括凹窩。
62. 根據(jù)權(quán)利要求46所述的外科設(shè)備，其特征在于檢測(cè)裝置被 設(shè)計(jì)成與要被跟蹤的目標(biāo)體相連接。
63. 根據(jù)權(quán)利要求62所述的外科設(shè)備，其特征在于檢測(cè)裝置包 括用于附接到患者骨頭上的固定裝置。
64. —種外科方法，其包括步驟 創(chuàng)建患者解剖體的表像；利用解剖體的表像將解剖體與外科裝置關(guān)聯(lián)起來； 通過使外科裝置的一部分在解剖體的區(qū)域內(nèi)移動(dòng)而操控外科裝 置，以對(duì)患者執(zhí)行手術(shù)流程；基于解剖體的表像與外科裝置一個(gè)部分的至少一個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系，對(duì)外科裝置進(jìn)行控制，以提供觸覺引導(dǎo)及對(duì)外科裝置操控的限制 的至少之一，其中，指標(biāo)是指位置、定向、速度、以及加速度；以及 在手術(shù)執(zhí)行過程中，響應(yīng)于解剖體的運(yùn)動(dòng)而調(diào)節(jié)解剖體的表像。
65. 根據(jù)權(quán)利要求64所述的方法，其特征在于還包括步驟定義 與解剖體的表像相關(guān)的參數(shù)。
66. 根據(jù)權(quán)利要求65所述的方法，其特征在于所述參數(shù)包括距離。
67. 根據(jù)權(quán)利要求65所述的方法，其特征在于還包括步驟 基于所述參數(shù)和外科裝置所述部分的位置、定向、速度、以及加速度的至少之一，對(duì)外科裝置進(jìn)行控制，以提供觸覺引導(dǎo)、以及對(duì)外 科裝置操控的限制的至少之一 。
68. 根據(jù)權(quán)利要求64所述的方法，其特征在于還包括步驟將虛 擬目標(biāo)體與解剖體的表像關(guān)聯(lián)起來。
69. 根據(jù)權(quán)利要求68所述的方法，其特征在于還包括步驟 基于虛擬目標(biāo)體和外科裝置所述部分位置、定向、速度、以及加速度的至少之一，對(duì)外科裝置進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)至少一項(xiàng)操作提供 觸覺引導(dǎo)、以及限制對(duì)外科裝置的操控。
70. 根據(jù)權(quán)利要求68所述的方法，其特征在于還包括步驟 監(jiān)控解剖體的位置，以檢測(cè)解剖體的運(yùn)動(dòng)；以及響應(yīng)于檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)對(duì)虛擬目標(biāo)體進(jìn)行調(diào)節(jié)。
71. 根據(jù)權(quán)利要求68所述的方法，其特征在于對(duì)外科裝置進(jìn)行控 制的步驟包括操作約束外科裝置的所述部分，防止其穿過虛擬目標(biāo) 體的至少一個(gè)部分。
72. 根據(jù)權(quán)利要求68所述的方法，其特征在于虛擬目標(biāo)體的至 少一個(gè)部分代表了要被從解剖體上去除的材料部分。
73. 根據(jù)權(quán)利要求68所述的方法，其特征在于虛擬目標(biāo)體至少 一部分的形狀基本上對(duì)應(yīng)著要被裝配到解剖體上的植入件的表面形 狀。
74. 根據(jù)權(quán)利要求68所述的方法，其特征在于還包括步驟將虛 擬目標(biāo)體的表像疊加到解剖體的表像上。
75. 根據(jù)權(quán)利要求68所述的方法，其特征在于虛擬目標(biāo)體代表 從第一位置到第二位置的路線。
76. 根據(jù)權(quán)利要求75所述的方法，其特征在于第二位置包括解 剖體的目標(biāo)區(qū)域。
77. 根據(jù)權(quán)利要求75所述的方法，其特征在于還包括步驟 激活虛擬目標(biāo)體，以便于沿所述路線約束外科裝置所述部分的運(yùn)動(dòng)；以及當(dāng)外科裝置的所述部分到達(dá)第二位置時(shí)，停止虛擬目標(biāo)體的作用。
78. 根據(jù)權(quán)利要求77所述的方法，其特征在于還包括步驟 停止虛擬目標(biāo)體的作用，以使得外科裝置的所述部分偏離所述路線。
79. 根據(jù)權(quán)利要求64所述的方法，其特征在于外科裝置包括臂 件、與臂件相連的外科工具、以及與臂件和外科工具中至少之一相關(guān) 聯(lián)的接口。
80. 根據(jù)權(quán)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，第一部分被設(shè)計(jì)成使得使用者能改變臂件的構(gòu)造，第二部分被設(shè)計(jì)成使得使用者能將外科工具相對(duì)于臂件進(jìn)行移動(dòng)。
81. 根據(jù)權(quán)利要求79所述的方法，其特征在于還包括步驟對(duì)接 口進(jìn)行操控，以同時(shí)改變臂件的構(gòu)造并使外科工具相對(duì)于臂件移動(dòng)。
82. 根據(jù)權(quán)利要求64所述的方法，其特征在于對(duì)外科裝置進(jìn)行控 制的步驟包括操作控制反饋機(jī)構(gòu)，以產(chǎn)生出力、力矩、以及振動(dòng)的 至少之一。
83. 根據(jù)權(quán)利要求64所述的方法，其特征在于對(duì)外科裝置進(jìn)行控 制的步驟包括操作產(chǎn)生出與使用者對(duì)外科裝置的操控相反的力反饋 作用。
84. 根據(jù)權(quán)利要求83所述的方法，其特征在于基于外科裝置所 述部分向與解剖體表像相關(guān)的虛擬邊界的接近程度確定力反饋。
85. 根據(jù)權(quán)利要求83所述的方法，其特征在于隨著外科裝置所 述部分接近于與解剖體表像相關(guān)的虛擬邊界而增大力反饋的幅度。
86. 根據(jù)權(quán)利要求64所述的方法，其特征在于觸覺引導(dǎo)向操控 外科裝置的使用者發(fā)送信息，其中的信息是關(guān)于外科裝置的所述部分 相對(duì)于至少一個(gè)因素的狀態(tài)的，其中的因素是與解剖體的表像相關(guān)的 虛擬邊界、涉及解剖體表像的參數(shù)、以及解剖體。
87. 根據(jù)權(quán)利要求64所述的方法，其特征在于還包括步驟對(duì)用 于控制外科裝置的力反饋曲線偏移所需的數(shù)值。
88. 根據(jù)權(quán)利要求87所述的方法，其特征在于還包括步驟 存儲(chǔ)所需的數(shù)值；以及 將所需數(shù)值與使用者聯(lián)系起來。
89. 根據(jù)權(quán)利要求87所述的方法，其特征在于對(duì)力反饋曲線進(jìn)行 偏移的步驟包括操作增大或減小觸覺目標(biāo)體的尺寸。
90. 根據(jù)權(quán)利要求87所述的方法，其特征在于對(duì)力反饋曲線進(jìn)行 偏移的步驟包括操作增大或減小與外科裝置相聯(lián)的外科工具的表像 尺寸。
91. 根據(jù)權(quán)利要求64所述的方法，其特征在于還包括步驟對(duì)外 科裝置的位置進(jìn)行監(jiān)控。
92. 根據(jù)權(quán)利要求64所述的方法，其特征在于還包括步驟創(chuàng)建 與外科裝置相聯(lián)的外科工具的表像。
93. 根據(jù)權(quán)利要求92所述的方法，其特征在于還包括步驟 隨著使用者對(duì)外科裝置進(jìn)行操控以對(duì)患者執(zhí)行手術(shù)，對(duì)外科工具的表像進(jìn)行更新。
94. 根據(jù)權(quán)利要求92所述的方法，其特征在于外科工具的表像 包括對(duì)外科工具頂端與外科工具軸桿中至少之一的表像。
95. 根據(jù)權(quán)利要求92所述的方法，其特征在于還包括步驟 指示出外科工具軸桿所允許的傾斜角。
96. 根據(jù)權(quán)利要求64所述的方法，其特征在于還包括步驟 為要被從解剖體上去除的材料的至少一部分創(chuàng)建表像； 對(duì)外科裝置進(jìn)行操控，以從解剖體上去除材料；以及 為被外科裝置去除的材料創(chuàng)建表像。
97. 根據(jù)權(quán)利要求96所述的方法，其特征在于還包括步驟 用第一種顏色為要被去除的材料部分創(chuàng)建表像；當(dāng)已去除所需的材料量時(shí)，將被外科裝置去除的材料的表像創(chuàng)建 為第二顏色；以及當(dāng)被外科裝置去除的材料超過所需的材料量時(shí)，將由外科裝置去 除的材料的表像創(chuàng)建為第三顏色。
98. 根據(jù)權(quán)利要求64所述的方法，其特征在于還包括步驟 產(chǎn)生出至少一個(gè)顯示圖像，其被用于在整個(gè)手術(shù)過程中對(duì)操控外科裝置的使用者進(jìn)行引導(dǎo)。
99. 根據(jù)權(quán)利要求98所述的方法，其特征在于至少一個(gè)顯示圖 像促使使用者執(zhí)行某一任務(wù)。
100. —種外科方法，其包括步驟 創(chuàng)建患者解剖體的表像；利用解剖體的表像將解剖體與觸覺裝置關(guān)聯(lián)起來； 通過使觸覺裝置的一部分在解剖體的區(qū)域內(nèi)移動(dòng)而操控外科裝置，以對(duì)患者執(zhí)行手術(shù)流程，觸覺裝置包括至少一個(gè)反饋機(jī)構(gòu)，其被用于在操控過程中產(chǎn)生反饋?zhàn)饔?；以及在?duì)觸覺裝置進(jìn)行操控的過程中，基于患者解剖體的表像與觸覺 裝置一個(gè)部分至少一個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系，對(duì)至少一個(gè)反饋機(jī)構(gòu)進(jìn)行控 制，以提供觸覺引導(dǎo)，其中，指標(biāo)是指位置、定向、速度、以及加速 度。
101. 根據(jù)權(quán)利要求100所述的方法，其特征在于還包括步驟在 手術(shù)執(zhí)行過程中，響應(yīng)于患者解剖體的移動(dòng)而調(diào)節(jié)解剖體的表像。
102. 根據(jù)權(quán)利要求100所述的方法，其特征在于還包括步驟定 義與解剖體的表像相關(guān)的參數(shù)。
103. 根據(jù)權(quán)利要求102所述的方法，其特征在于所述參數(shù)包括 距離。
104. 根據(jù)權(quán)利要求102所述的方法，其特征在于還包括步驟 基于所述參數(shù)和觸覺裝置所述部分位置、定向、速度、以及加速度的至少之一，對(duì)觸覺裝置進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)至少一項(xiàng)操作提供觸 覺引導(dǎo)。
105. 根據(jù)權(quán)利要求100所述的方法，其特征在于還包括步驟將 虛擬目標(biāo)體與解剖體的表像關(guān)聯(lián)起來。
106. 根據(jù)權(quán)利要求105所述的方法，其特征在于還包括步驟 基于虛擬目標(biāo)體和觸覺裝置所述部分位置、定向、速度、以及加速度的至少之一，對(duì)觸覺裝置進(jìn)行控制，以提供觸覺引導(dǎo)。
107. 根據(jù)權(quán)利要求105所述的方法，其特征在于還包括步驟 監(jiān)控解剖體的位置，以檢測(cè)解剖體的移動(dòng)；以及響應(yīng)于檢測(cè)到的移動(dòng)對(duì)虛擬目標(biāo)體進(jìn)行調(diào)節(jié)。
108. 根據(jù)權(quán)利要求105所述的方法，其特征在于對(duì)觸覺裝置進(jìn)行 控制的步驟包括操作約束觸覺裝置的所述部分，防止其穿過虛擬目 標(biāo)體的至少一個(gè)部分。
109. 根據(jù)權(quán)利要求105所述的方法，其特征在于虛擬目標(biāo)體的 至少 一 個(gè)部分代表要被從解剖體上去除的材料部分。
110. 根據(jù)權(quán)利要求105所述的方法，其特征在于虛擬目標(biāo)體的 至少一部分的形狀基本上對(duì)應(yīng)著要被裝配到解剖體上的植入件的表面 形狀。
111. 根據(jù)權(quán)利要求105所述的方法，其特征在于還包括步驟將 虛擬目標(biāo)體的表像疊加到解剖體的表像上。
112. 根據(jù)權(quán)利要求105所述的方法，其特征在于虛擬目標(biāo)體代 表從第一位置到第二位置的路線。
113. 根據(jù)權(quán)利要求112所述的方法，其特征在于第二位置包括 解剖體的目標(biāo)區(qū)域。
114. 根據(jù)權(quán)利要求112所述的方法，其特征在于還包括步驟 激活虛擬目標(biāo)體，以便于沿所述路線約束觸覺裝置所述部分的移動(dòng)；以及當(dāng)觸覺裝置的所述部分到達(dá)第二位置時(shí)，停止虛擬目標(biāo)體的作用。
115. 根據(jù)權(quán)利要求114所述的方法，其特征在于還包括步驟 停止虛擬目標(biāo)體的作用，以使得觸覺裝置的所述部分偏離所述路線。
116. 根據(jù)權(quán)利要求IOO所述的方法，其特征在于觸覺裝置包括 臂件、與臂件相連的外科工具、以及與臂件和外科工具中至少之一相 關(guān)聯(lián)的接口。
117. 根據(jù)權(quán)利要求116所述的方法，其特征在于觸覺裝置包括第一部分和第二部分，第一部分被設(shè)計(jì)成使得使用者能改變臂件的構(gòu) 造，第二部分被設(shè)計(jì)成使得使用者能將外科工具相對(duì)于臂件進(jìn)行移動(dòng)。
118. 根據(jù)權(quán)利要求116所述的方法，其特征在于還包括步驟對(duì) 接口進(jìn)行操控，以同時(shí)改變臂件的構(gòu)造并使外科工具相對(duì)于臂件移動(dòng)。
119. 根據(jù)權(quán)利要求100所述的方法，其特征在于由反饋機(jī)構(gòu)提 供的反饋?zhàn)饔冒?、力矩、以及振?dòng)的至少之一。
120. 根據(jù)權(quán)利要求100所述的方法，其特征在于由反饋機(jī)構(gòu)產(chǎn) 生的反饋?zhàn)饔门c使用者對(duì)觸覺裝置的操控相反。
121. 根據(jù)權(quán)利要求120所述的方法，其特征在于基于觸覺裝置 所述部分向與解剖體表像相關(guān)的虛擬邊界的接近程度確定出反饋?zhàn)?用。
122. 根據(jù)權(quán)利要求120所述的方法，其特征在于隨著觸覺裝置 勿<wc《j "^/tiT節(jié)'J下"^^i個(gè)4A:^:B,J勝"J""^"i、T^嚇 度。
123. 根據(jù)權(quán)利要求100所述的方法，其特征在于觸覺引導(dǎo)向操 控外科裝置的使用者發(fā)送信息，其中的信息是關(guān)于外科裝置的所述部 分相對(duì)于至少一個(gè)因素的狀態(tài)的，其中的因素是與解剖體的表像相關(guān) 的虛擬邊界、涉及解剖體表像的參數(shù)、以及解剖體。
124. 根據(jù)權(quán)利要求100所述的方法，其特征在于還包括步驟對(duì) 用于控制觸覺裝置的力反饋曲線偏移所需的數(shù)值。
125. 根據(jù)權(quán)利要求124所述的方法，其特征在于還包括步驟 存儲(chǔ)所需的數(shù)值；以及 將所需數(shù)值與使用者聯(lián)系起來。
126. 根據(jù)權(quán)利要求124所述的方法，其特征在于對(duì)力反饋曲線進(jìn) 行偏移的步驟包括操作增大或減小觸覺目標(biāo)體的尺寸。
127. 根據(jù)權(quán)利要求124所述的方法，其特征在于對(duì)力反饋曲線進(jìn) 行偏移的步驟包括操作增大或減小與觸覺裝置相聯(lián)的外科工具的表 像尺寸。
128. 根據(jù)權(quán)利要求100所述的方法，其特征在于還包括步驟對(duì)觸覺裝置的位置進(jìn)行監(jiān)控。
129. 根據(jù)權(quán)利要求100所述的方法，其特征在于還包括步驟創(chuàng)建與觸覺裝置相聯(lián)的外科工具的表像。
130. 根據(jù)權(quán)利要求129所述的方法，其特征在于還包括步驟 隨著使用者對(duì)觸覺裝置進(jìn)行操控以對(duì)患者執(zhí)行手術(shù)，對(duì)外科工具的表像進(jìn)行更新。
131. 根據(jù)權(quán)利要求129所述的方法，其特征在于外科工具的表 像包括對(duì)外科工具頂端與外科工具軸桿中至少之一的表像。
132. 根據(jù)權(quán)利要求129所述的方法，其特征在于還包括步驟 指示出外科工具軸桿所允許的傾斜角。
133. 根據(jù)權(quán)利要求100所述的方法，其特征在于還包括步驟 為要被從解剖體上去除的材料的至少一部分創(chuàng)建表像； 對(duì)觸覺裝置進(jìn)行操控，以從解剖體上去除材料；以及 為被外科裝置去除的材料創(chuàng)建表像。
134. 根據(jù)權(quán)利要求133所述的方法，其特征在于還包括步驟 用第 一 種顏色為要被去除的材料部分創(chuàng)建表像； 當(dāng)已去除所需的材料量時(shí)，將被觸覺裝置去除的材料的表像創(chuàng)建為第二顏色；以及當(dāng)被觸覺裝置去除的材料超過所需的材料量時(shí)，將由觸覺裝置去 除的材料的表像創(chuàng)建為第三顏色。
135. 根據(jù)權(quán)利要求100所述的方法，其特征在于還包括步驟 產(chǎn)生出至少一個(gè)顯示圖像，其被用于在整個(gè)手術(shù)過程中對(duì)操控觸覺裝置的使用者進(jìn)行引導(dǎo)。
136. 根據(jù)權(quán)利要求135所述的方法，其特征在于至少一個(gè)顯示 圖像促使使用者執(zhí)行某一任務(wù)。
137. —種用于關(guān)節(jié)置換的方法，該方法包括步驟創(chuàng)建第一骨頭的表像； 創(chuàng)建第二骨頭的表像；為用于將第 一植入件植入到第 一骨頭中的骨準(zhǔn)備工作制定規(guī)劃； 操控外科工具刮刻第一骨頭，以此來對(duì)第一骨頭進(jìn)行準(zhǔn)備，以接 納第一植入件；在對(duì)第一骨頭進(jìn)行了準(zhǔn)備之后，為用于將第二植入件植入到第二 骨頭中的骨準(zhǔn)備工作制定規(guī)劃；以及操控外科工具刮刻第二骨頭，以此來對(duì)第二骨頭進(jìn)行準(zhǔn)備，以接 納第二植入件。
138. 根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其特征在于還包括步驟 在第一骨頭的表像上指定界標(biāo)；以及 在第二骨頭的表像上指定界標(biāo)。
139. 根據(jù)權(quán)利要求138所述的方法，其特征在于第一骨頭表像上 的界標(biāo)包括如下的至少之一內(nèi)踝、外踝、轉(zhuǎn)動(dòng)界標(biāo)、膝蓋中心、髖 骨中心、內(nèi)上髁、以及外上髁。
140. 根據(jù)權(quán)利要求138所述的方法，其特征在于第二骨頭表像上 的界標(biāo)包括如下的至少之一內(nèi)踝、外踝、轉(zhuǎn)動(dòng)界標(biāo)、膝蓋中心、髖 骨中心、內(nèi)上髁、以及外上髁。
141. 根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其特征在于為用于植入第一 植入件的骨準(zhǔn)備工作制定規(guī)劃的步驟包括操作將第 一植入件的表像 疊加到第一骨頭的表像上。
142. 根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其特征在于為用于植入第二 植入件的骨準(zhǔn)備工作制定規(guī)劃的步驟包括操作將第二植入件的表像 疊加到第二骨頭的表像上。
143. 根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其特征在于為用于植入第一 植入件的骨準(zhǔn)備工作制定規(guī)劃的步驟包括操作將第 一植入件的表像與第一骨頭的表像聯(lián)系起來。
144. 根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其特征在于為用于植入第二 植入件的骨準(zhǔn)備工作制定規(guī)劃的步驟包括操作將第二植入件的表像 與第二骨頭的表像聯(lián)系起來。
145. 根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其特征在于為用于植入第一 植入件的骨準(zhǔn)備工作制定規(guī)劃的步驟包括操作對(duì)第 一植入件表像的 至少一個(gè)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中的指標(biāo)為深度、轉(zhuǎn)動(dòng)、內(nèi)/外位置、前/ 后位置、內(nèi)部/外部角度、內(nèi)翻/夕卜翻角度、彎曲角度、以及尺寸。
146. 根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其特征在于為用于植入第二 植入件的骨準(zhǔn)備工作制定規(guī)劃的步驟包括操作對(duì)第二植入件表像的 至少一個(gè)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中的指標(biāo)為深度、轉(zhuǎn)動(dòng)、內(nèi)/外位置、前/ 后位置、內(nèi)部/夕卜部角度、內(nèi)翻/外翻角度、彎曲角度、以及尺寸。
147. 根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其特征在于還包括步驟 在顯示裝置上顯示第一植入件表像的至少一個(gè)指標(biāo)，該指標(biāo)為深度、內(nèi)部/外部角度、內(nèi)翻/夕卜翻角度、彎曲角度、以及尺寸。
148. 根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其特征在于還包括步驟 在顯示裝置上顯示第二植入件表像的至少一個(gè)指標(biāo)，該指標(biāo)為深度、內(nèi)部/外部角度、內(nèi)翻/外翻角度、彎曲角度、以及尺寸。
149. 根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其特征在于為用于植入第一 植入件的骨準(zhǔn)備工作制定規(guī)劃的步驟包括操作至少在部分上基于第 一骨頭區(qū)域內(nèi)軟骨的檢測(cè)位置，將第一植入件的表像與第一骨頭的表 像聯(lián)系起來。
150. 根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其特征在于還包括步驟響應(yīng)于第一骨頭的移動(dòng)對(duì)第一骨頭的表像進(jìn)行調(diào)節(jié)。
151. 根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其特征在于還包括步驟響 應(yīng)于第二骨頭的移動(dòng)對(duì)第二骨頭的表像進(jìn)行調(diào)節(jié)。
152. 根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其特征在于為用于植入第一 植入件的骨準(zhǔn)備工作制定規(guī)劃的步驟包括操作對(duì)第一骨頭上方的軟 骨表面的高度進(jìn)行檢測(cè)。
153. 根據(jù)權(quán)利要求152所述的方法，其特征在于為用于植入第一 植入件的骨準(zhǔn)備工作制定規(guī)劃的步驟包括操作將第一植入件表像的 至少一個(gè)部分與軟骨表面高度的表像相對(duì)準(zhǔn)。
154. 根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其特征在于還包括步驟將 第一植入件裝配到第一骨頭上。
155. 根據(jù)權(quán)利要求154所述的方法，其特征在于為用于植入第二 植入件的骨準(zhǔn)備工作制定規(guī)劃的步驟包括操作至少在部分上基于第 一植入件在第一骨頭上的檢測(cè)位置，將第二植入件的表像與第二骨頭 的表像聯(lián)系起來。
156. 根據(jù)權(quán)利要求154所述的方法，其特征在于還包括步驟 將關(guān)節(jié)移動(dòng)到第一位置；當(dāng)關(guān)節(jié)處于第一位置時(shí)，識(shí)別出與關(guān)節(jié)中第一部位相對(duì)應(yīng)的第一點(diǎn)；將關(guān)節(jié)移動(dòng)到第二位置；當(dāng)關(guān)節(jié)處于第二位置時(shí)，識(shí)別出與關(guān)節(jié)中第二部位相對(duì)應(yīng)的第二 點(diǎn)；以及至少在部分上基于第一、第二點(diǎn)，為用于向第二骨頭中植入第二 植入件的骨準(zhǔn)備工作制定規(guī)劃。
157. 根據(jù)權(quán)利要求156所述的方法，其特征在于將關(guān)節(jié)移動(dòng)到第 一位置的步驟包括操作將關(guān)節(jié)移動(dòng)到彎曲狀態(tài)或伸展?fàn)顟B(tài)。
158. 根據(jù)權(quán)利要求156所述的方法，其特征在于將關(guān)節(jié)移動(dòng)到第 二位置的步驟包括操作將關(guān)節(jié)移動(dòng)到彎曲狀態(tài)或伸展?fàn)顟B(tài)。
159. 根據(jù)權(quán)利要求156所述的方法，其特征在于第一部位與第 二部位的至少之一包括位于裝配在第一骨頭上的第一植入件上的部 位。
160. 根據(jù)權(quán)利要求156所述的方法，其特征在于第一部位與第 二部位的至少之一包括位于布置在關(guān)節(jié)中的已有植入件上的部位。
161. 根據(jù)權(quán)利要求156所述的方法，其特征在于為用于植入第二 植入件的骨準(zhǔn)備工作制定規(guī)劃的步驟包括操作使第二植入件表像的 中心線與第一、第二點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。
162. 根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其特征在于對(duì)第一骨頭進(jìn)行 準(zhǔn)備的步驟包括操作對(duì)外科工具進(jìn)行約束，以防止其出現(xiàn)如下的至 少一種情形越過與第一骨頭表像相關(guān)的虛擬邊界；超過針對(duì)第一骨 頭的表像而限定的參數(shù)。
163. 根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其特征在于對(duì)第二骨頭進(jìn)行 準(zhǔn)備的步驟包括操作對(duì)外科工具進(jìn)行約束，以防止其出現(xiàn)如下的至 少一種情形越過與第二骨頭表像相關(guān)的虛擬邊界；超過針對(duì)第二骨 頭的表像而限定的參數(shù)。
164. 根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其特征在于還包括步驟 利用外科工具對(duì)第一骨頭進(jìn)行刮刻；以及對(duì)外科工具進(jìn)行約束，從而限制外科工具的頂端，防止其越過虛 擬邊界。
165. 根據(jù)權(quán)利要求164所述的方法，其特征在于虛擬邊界的至 少一個(gè)部分包括第一植入件的表像。
166. 根據(jù)權(quán)利要求164所述的方法，其特征在于虛擬邊界至少 一部分的形狀與第一植入件的表面形狀相對(duì)應(yīng)。
167. 根據(jù)權(quán)利要求164所述的方法，其特征在于還包括步驟響應(yīng)于第一骨頭的移動(dòng)而對(duì)虛擬邊界進(jìn)行調(diào)節(jié)。
168. 根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其特征在于還包括步驟 利用外科工具對(duì)第二骨頭進(jìn)行刮刻；以及對(duì)外科工具進(jìn)行約束，從而限制外科工具的頂端，防止其越過虛 擬邊界。
169. 根據(jù)權(quán)利要求168所述的方法，其特征在于虛擬邊界的至 少一個(gè)部分包括第二植入件的表像。
170. 根據(jù)權(quán)利要求168所述的方法，其特征在于虛擬邊界至少 一部分的形狀與第二植入件的表面形狀相對(duì)應(yīng)。
171. 根據(jù)權(quán)利要求168所述的方法，其特征在于還包括步驟響 應(yīng)于第二骨頭的移動(dòng)而對(duì)虛擬邊界進(jìn)行調(diào)節(jié)。
172. 根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其特征在于對(duì)第一骨頭進(jìn)行 準(zhǔn)備的步驟包括操作將要被從第一骨頭上去除的材料部分的表像疊加到第一骨頭的表 像上；以及利用被外科工具實(shí)際去除的材料部分的表像，對(duì)要被從第一骨頭 上去除的材料部分的表像進(jìn)行更新。
173. 根據(jù)權(quán)利要求172所述的方法，其特征在于要被去除的材 料部分對(duì)應(yīng)于與第一骨頭表像相關(guān)的虛擬目標(biāo)體的至少一部分。
174. 根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其特征在于對(duì)第二骨頭進(jìn)行 準(zhǔn)備的步驟包括以下步驟將要被從第二骨頭上去除的材料部分的表像疊加到第二骨頭的表 <象上；以及利用被外科工具實(shí)際去除的材料部分的表像，對(duì)要被從第二骨頭 上去除的材料部分的表像進(jìn)行更新。
175. 根據(jù)權(quán)利要求174所述的方法，其特征在于要被去除的材 料部分對(duì)應(yīng)于與第二骨頭表像相關(guān)的虛擬目標(biāo)體的至少一部分。
176. 根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其特征在于還包括步驟 創(chuàng)建外科工具的表像；以及隨著外科工具以及第一骨頭和/或第二骨頭的移動(dòng)，對(duì)外科工具的 表像以及第 一 骨頭表像和/或第二骨頭表像進(jìn)行更新。
177. 根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其特征在于還包括步驟 將第一骨頭和第二骨頭的至少之一布置在支撐裝置上；以及 啟動(dòng)支撐裝置，以將第一骨頭和/或第二骨頭從第一位置移動(dòng)到第二位置。
178. 根據(jù)權(quán)利要求177所述的方法，其特征在于啟動(dòng)支撐裝置的 布置包括操作確定第一骨頭和第二骨頭中至少之一的實(shí)際姿態(tài)； 確定第一骨頭和第二骨頭中至少之一的所需姿態(tài)；以及 啟動(dòng)支撐裝置，以將第一骨頭和/或第二骨頭從實(shí)際姿態(tài)移動(dòng)到所 需姿態(tài)。
179. —種外科規(guī)劃方法，其包括步驟 檢測(cè)骨頭上方軟骨表面的高度； 創(chuàng)建骨頭的表像以及軟骨表面高度的表像；以及 至少在部分上基于檢測(cè)到的軟骨表面高度，對(duì)用于將植入件植入到骨頭中的骨準(zhǔn)備工作制定規(guī)劃。
180. 根據(jù)權(quán)利要求179所述的方法，其特征在于為骨準(zhǔn)備工作進(jìn) 行規(guī)劃的步驟包括操作使植入件表像的至少 一部分與軟骨表面高度 的表像對(duì)準(zhǔn)。
181. 根據(jù)權(quán)利要求179所述的方法，其特征在于為骨準(zhǔn)備工作進(jìn) 行規(guī)劃的步驟包括操作對(duì)植入件表像的深度、轉(zhuǎn)動(dòng)、內(nèi)/外位置、前 /后位置、內(nèi)部/外部角度、內(nèi)翻/夕卜翻角度、彎曲角度、以及尺寸中的 至少之一進(jìn)行調(diào)節(jié)。
182. 根據(jù)權(quán)利要求179所述的方法，其特征在于還包括步驟 在顯示裝置上顯示植入件表像的至少一個(gè)指標(biāo)，該指標(biāo)為深度、內(nèi)部/外部角度、內(nèi)翻/夕卜翻角度、彎曲角度、以及尺寸。
183. 根據(jù)權(quán)利要求180所述的方法，其特征在于軟骨表面高度 的表像包括視覺表像和數(shù)字表像的至少之一 。
184. 根據(jù)權(quán)利要求180所述的方法，其特征在于還包括步驟將 植入件的表像疊加到骨頭的表像上。
185. 根據(jù)權(quán)利要求179所述的方法，其特征在于還包括步驟將 植入件的表像與骨頭的表像聯(lián)系起來。
186. 根據(jù)權(quán)利要求179所述的方法，其特征在于還包括步驟 利用外科工具對(duì)骨頭進(jìn)行刮刻；以及對(duì)外科工具進(jìn)行約束，從而限制外科工具的頂端，防止其越過虛 擬邊界。
187. 根據(jù)權(quán)利要求186所述的方法，其特征在于虛擬邊界的至 少 一 個(gè)部分包括植入件的表像。
188. 根據(jù)權(quán)利要求186所述的方法，其特征在于虛擬邊界至少 一部分的形狀與植入件的表面形狀相對(duì)應(yīng)。
189. 根據(jù)權(quán)利要求179所述的方法，其特征在于還包括步驟 刮刻骨頭以接納植入件；以及 將植入件裝配到骨頭上。
190. 根據(jù)權(quán)利要求189所述的方法，其特征在于還包括步驟 為關(guān)節(jié)的第二骨頭創(chuàng)建表像；將關(guān)節(jié)移動(dòng)到第一位置；當(dāng)關(guān)節(jié)處于第一位置時(shí)，識(shí)別出與關(guān)節(jié)中第一部位相對(duì)應(yīng)的第一點(diǎn)；將關(guān)節(jié)移動(dòng)到第二位置；當(dāng)關(guān)節(jié)處于第二位置時(shí)，識(shí)別出與關(guān)節(jié)中第二部位相對(duì)應(yīng)的第二 點(diǎn)；以及至少在部分上基于第一、第二點(diǎn)，為用于向第二骨頭中植入第二 植入件的骨準(zhǔn)備工作制定規(guī)劃。
191. 根據(jù)權(quán)利要求190所述的方法，其特征在于將關(guān)節(jié)移動(dòng)到第 一位置的步驟包括操作將關(guān)節(jié)移動(dòng)到彎曲狀態(tài)或伸展?fàn)顟B(tài)。
192. 根據(jù)權(quán)利要求l卯所述的方法，其特征在于將關(guān)節(jié)移動(dòng)到第 二位置的步驟包括操作將關(guān)節(jié)移動(dòng)到彎曲狀態(tài)或伸展?fàn)顟B(tài)。
193. 根據(jù)權(quán)利要求190所述的方法，其特征在于第一部位與第 二部位的至少之一包括位于裝配在骨頭上的植入件上的部位。
194. 根據(jù)權(quán)利要求190所述的方法，其特征在于第一部位與第 二部位的至少之一包括位于布置在關(guān)節(jié)中的已有植入件上的部位。
195. 根據(jù)權(quán)利要求190所述的方法，其特征在于為用于植入第二 植入件的骨準(zhǔn)備工作制定規(guī)劃的步驟包括操作使第二植入件表像的 中心線與第一、第二點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。
196. 根據(jù)權(quán)利要求190所述的方法，其特征在于為用于植入第二 植入件的骨準(zhǔn)備工作制定規(guī)劃的步驟包括操作對(duì)第二植入件表像的 深度、轉(zhuǎn)動(dòng)、內(nèi)/夕卜位置、前/后位置、內(nèi)部/夕卜部角度、內(nèi)翻/夕卜翻角度、 彎曲角度、以及尺寸中的至少之一進(jìn)行調(diào)節(jié)。
197. 根據(jù)權(quán)利要求190所述的方法，其特征在于還包括步驟將 第二植入件的表像疊加到第二骨頭的表像上。
198. 根據(jù)權(quán)利要求190所述的方法，其特征在于還包括步驟 在顯示裝置上顯示第二植入件表像的至少一個(gè)指標(biāo)，該指標(biāo)為深度、內(nèi)部/外部角度、內(nèi)翻/外翻角度、彎曲角度、以及尺寸。
199. 根據(jù)權(quán)利要求190所述的方法，其特征在于還包括步驟將 第二植入件的表像與第二骨頭的表像聯(lián)系起來。
200. 根據(jù)權(quán)利要求190所述的方法，其特征在于還包括步驟 利用外科工具對(duì)第二骨頭進(jìn)行刮刻；以及對(duì)外科工具進(jìn)行約束，從而限制外科工具的頂端，防止其越過虛 擬邊界。
201. 根據(jù)權(quán)利要求200所述的方法，其特征在于虛擬邊界的至 少一個(gè)部分包括第二植入件的表像。
202. 根據(jù)權(quán)利要求200所述的方法，其特征在于虛擬邊界至少 一部分的形狀與第二植入件的表面形狀相對(duì)應(yīng)。
203. 根據(jù)權(quán)利要求200所述的方法，其特征在于還包括步驟響 應(yīng)于第二骨頭的移動(dòng)對(duì)虛擬邊界進(jìn)行調(diào)節(jié)。
204. —種外科規(guī)劃方法，其包括步驟創(chuàng)建關(guān)節(jié)骨頭的表像； 將關(guān)節(jié)移動(dòng)到第一位置；當(dāng)關(guān)節(jié)處于第一位置時(shí)，識(shí)別出與關(guān)節(jié)中第一部位相對(duì)應(yīng)的第一點(diǎn)；將關(guān)節(jié)移動(dòng)到第二位置；當(dāng)關(guān)節(jié)處于第二位置時(shí)，識(shí)別出與關(guān)節(jié)中第二部位相對(duì)應(yīng)的第二 點(diǎn)；以及至少在部分上基于第一、第二點(diǎn)，為用于向骨頭中植入植入件的 骨準(zhǔn)備工作制定規(guī)劃。
205. 根據(jù)權(quán)利要求204所述的方法，其特征在于將關(guān)節(jié)移動(dòng)到第 一位置的步驟包括操作將關(guān)節(jié)移動(dòng)到彎曲狀態(tài)或伸展?fàn)顟B(tài)。
206. 根據(jù)權(quán)利要求204所述的方法，其特征在于將關(guān)節(jié)移動(dòng)到第 二位置的步驟包括操作將關(guān)節(jié)移動(dòng)到彎曲狀態(tài)或伸展?fàn)顟B(tài)。
207. 根據(jù)權(quán)利要求204所述的方法，其特征在于第一部位與第 二部位的至少之一包括位于布置在與關(guān)節(jié)相對(duì)骨頭上的植入件上的部 位。
208. 根據(jù)權(quán)利要求204所述的方法，其特征在于第一部位與第 二部位的至少之一包括位于布置在關(guān)節(jié)中的第二植入件上的部位。
209. 根據(jù)權(quán)利要求204所述的方法，其特征在于骨準(zhǔn)備的規(guī)劃步 驟包括操作使植入件表像的中心線與第一、第二點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。
210. 根據(jù)權(quán)利要求204所述的方法，其特征在于骨準(zhǔn)備的規(guī)劃步 驟包括操作對(duì)植入件表像的深度、轉(zhuǎn)動(dòng)、內(nèi)/外位置、前/后位置、 內(nèi)部/夕卜部角度、內(nèi)翻/外翻角度、彎曲角度、以及尺寸中的至少之一 進(jìn)行調(diào)節(jié)。
211. 根據(jù)權(quán)利要求204所述的方法，其特征在于還包括步驟將 植入件的表像疊加到骨頭的表像上。
212. 根據(jù)權(quán)利要求204所述的方法，其特征在于還包括步驟 在顯示裝置上顯示植入件表像的至少一個(gè)指標(biāo)，該指標(biāo)為深度、內(nèi)部/外部角度、內(nèi)翻/夕卜翻角度、彎曲角度、以及尺寸。
213. 根據(jù)權(quán)利要求204所述的方法，其特征在于還包括步驟將 植入件的表像與骨頭的表像聯(lián)系起來。
214. 根據(jù)權(quán)利要求204所述的方法，其特征在于還包括步驟 利用外科工具對(duì)骨頭進(jìn)行刮刻；以及對(duì)外科工具進(jìn)行約束，從而限制外科工具的頂端，防止其越過虛 擬邊界。
215. 根據(jù)權(quán)利要求214所述的方法，其特征在于虛擬邊界的至 少 一個(gè)部分包括植入件的表像。
216. 根據(jù)權(quán)利要求214所述的方法，其特征在于虛擬邊界至少 一部分的形狀與植入件的表面形狀相對(duì)應(yīng)。
217. 根據(jù)權(quán)利要求214所述的方法，其特征在于還包括步驟響 應(yīng)于骨頭的移動(dòng)對(duì)虛擬邊界進(jìn)行調(diào)節(jié)。
全文摘要
一種外科設(shè)備，其包括外科裝置和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其中的外科裝置被設(shè)置成由使用者進(jìn)行操控而在患者上執(zhí)行手術(shù)流程。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被編程設(shè)置成執(zhí)行用于對(duì)外科裝置進(jìn)行控制的控制參數(shù)，以便于基于患者解剖體與外科裝置一部分至少一個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)如下操作的至少之一向使用者提供觸覺引導(dǎo)、以及限制使用者對(duì)外科裝置的操控，其中的指標(biāo)是位置、定向、速度、以及加速度；以及在手術(shù)過程中，響應(yīng)于解剖體的移動(dòng)而對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
文檔編號(hào)A61B19/00GK101160104SQ200680012488
公開日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2006年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月22日
發(fā)明者A·E·奎德, A·S·杜加爾, A·莫澤斯, B·哈加, D·C·米爾斯, D·摩西, H·康, J·薩爾西多, L·K·阿拉塔, M·羅奇, M·費(fèi)雷, P·埃比特, R·A·阿博維茨, R·漢德, S·伊爾斯利, S·格勞瑟, S·艾莉, T·貝克韋爾, W·塔皮亞 申請(qǐng)人:馬科外科公司