包括光學(xué)傳感器和非光學(xué)傳感器的導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請
[0002] 本申請要求2012年9月26日提交的美國臨時專利申請No. 61/705, 804和2013 年9月24日提交的美國非臨時申請No. 14/035207的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，所述專利申請的全部 內(nèi)容通過引用合并于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明通常涉及導(dǎo)航系統(tǒng)，所述導(dǎo)航系統(tǒng)通過確定對象的位置和/或方向隨時間 的變化來在空間中跟蹤這樣的對象。更具體地說，本發(fā)明涉及利用光學(xué)傳感器和非光學(xué)傳 感器確定對象的位置和/或方向的導(dǎo)航系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004] 導(dǎo)航系統(tǒng)輔助用戶精確地定位對象。例如，導(dǎo)航系統(tǒng)用于工業(yè)、航空航天、防衛(wèi)和 醫(yī)療應(yīng)用。在醫(yī)療領(lǐng)域中，導(dǎo)航系統(tǒng)輔助外科醫(yī)生相對于患者的解剖結(jié)構(gòu)精確地放置外科 器械。
[0005] 使用導(dǎo)航系統(tǒng)的外科手術(shù)包括神經(jīng)外科手術(shù)和整形外科手術(shù)。通常，跟蹤器械和 解剖結(jié)構(gòu)，連同一起在顯示器上顯示它們的相對運動。導(dǎo)航系統(tǒng)可以結(jié)合解剖結(jié)構(gòu)的手術(shù) 前圖像或者手術(shù)中圖像顯示器械移動。通常手術(shù)前圖像由MRI或者CT掃描準(zhǔn)備，而手術(shù)中 圖像可以使用熒光鏡、低水平X射線或者任何類似裝置準(zhǔn)備?？蛇x地，一些系統(tǒng)是無圖像 的，其中患者的解剖結(jié)構(gòu)由導(dǎo)航探頭"描繪"并且在數(shù)學(xué)上擬合到解剖模型用于顯示。
[0006] 導(dǎo)航系統(tǒng)可以采用光信號、聲波、磁場、RF信號等等以跟蹤器械和解剖結(jié)構(gòu)的位置 和/或方向。由于光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)被廣泛使用。
[0007] 現(xiàn)有技術(shù)光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)通常包括容納一個或者多個光學(xué)傳感器（諸如電荷耦合 裝置或者CCD)的一個或者多個攝像機單元。光學(xué)傳感器檢測從跟蹤器發(fā)射的光，該跟蹤器 附接至器械和解剖結(jié)構(gòu)。每個跟蹤器具有多個光學(xué)發(fā)射器（諸如發(fā)光二極管（LED))，該光 學(xué)發(fā)射器周期性地向傳感器發(fā)送光以確定LED的位置。
[0008] 器械跟蹤器上的LED的位置與器械的工作端相對于攝像機坐標(biāo)系的坐標(biāo)相關(guān)。一 個或者多個解剖結(jié)構(gòu)跟蹤器上的LED的位置與三維空間中的解剖結(jié)構(gòu)的目標(biāo)區(qū)域相對于 攝像機坐標(biāo)系的坐標(biāo)相關(guān)。因此，可以跟蹤和顯示器械的工作端相對于解剖結(jié)構(gòu)的目標(biāo)區(qū) 域的位置和/或方向。
[0009] 可以以閉合環(huán)路方式使用導(dǎo)航系統(tǒng)以控制外科器械的運動。在這些導(dǎo)航系統(tǒng)中， 器械和正治療的解剖結(jié)構(gòu)兩者都配備有跟蹤器以使得導(dǎo)航系統(tǒng)可以跟蹤它們的位置和方 向。然后，來自導(dǎo)航系統(tǒng)的信息被饋送至控制系統(tǒng)以控制或者引導(dǎo)器械的運動。在某些情 況下，器械由機器人掌握并且將信息從導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送至機器人的控制系統(tǒng)。
[0010] 為了使控制系統(tǒng)快速引起器械與正治療的解剖結(jié)構(gòu)之間的相對運動，導(dǎo)航系統(tǒng)的 精度和速度必須滿足程序的期望公差。例如，與無粘固粉膝部移植物相關(guān)聯(lián)的公差可以是 非常小以確保植入物的充分適配和功能。因此，導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和速度可能需要大于更多 粗切割程序中的精度和速度。
[0011] 光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和速度上的限制中的一個是系統(tǒng)依賴攝像機單元的光學(xué)傳 感器與LED之間的視線。當(dāng)視線斷開時，系統(tǒng)可能不精確地確定當(dāng)前跟蹤的器械和解剖結(jié) 構(gòu)的位置和/或方向。因此，外科手術(shù)可能遭遇許多啟動和停止。例如，在對機器人輔助的 切割進行控制期間，當(dāng)視線斷開時，必須禁用切割工具直到重新獲得視線。這可能給程序帶 來顯著的延遲和附加成本。
[0012] 當(dāng)在跟蹤器上使用有源LED時出現(xiàn)精度上的另一個限制。在這種系統(tǒng)中，LED通常 依次點亮（fired)。在這種情況下，系統(tǒng)僅測量和知道主動點亮的LED的位置，而剩余未測 量的LED的位置是未知的。在這些系統(tǒng)中，剩余未測量的LED的位置是近似的。近似通常 基于從當(dāng)前未測量的LED的上一個已知的測量位置推斷的線速度數(shù)據(jù)。然而，由于LED依 次點亮，因此在任何一個LED的測量之間可能有相當(dāng)大的滯后。該滯后隨著在系統(tǒng)中使用 每個附加跟蹤器而增大。此外，該近似不考慮跟蹤器的旋轉(zhuǎn)，還導(dǎo)致跟蹤器的位置數(shù)據(jù)的可 能錯誤。
[0013] 因此，在本領(lǐng)域中需要利用附加的基于非光學(xué)的數(shù)據(jù)的光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)以改善跟蹤 并且提供這樣的精度和速度水平，以該精度和速度水平為精確的外科程序（諸如機器人輔 助的外科切割）確定對象的位置和/或方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明涉及利用光學(xué)傳感器和非光學(xué)傳感器確定對象的位置和/或方向的系統(tǒng) 和方法。
[0015] 在發(fā)明的一個版本中，提供了一種用于跟蹤對象的導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)包括從跟 蹤器上的一個或者多個標(biāo)志器接收光學(xué)信號的光學(xué)傳感器。跟蹤器還包括生成非光學(xué)信號 的非光學(xué)傳感器。計算系統(tǒng)基于第一光學(xué)信號確定在第一時間處標(biāo)志器中的一個的位置。 計算系統(tǒng)還基于第一光學(xué)信號以及來自非光學(xué)傳感器的非光學(xué)信號確定在第一時間處其 它標(biāo)志器中的一個或者多個的位置。然后，使確定的位置與對象相關(guān)以跟蹤對象的位置。
[0016] 在發(fā)明的另一個版本中，提供了用于跟蹤對象的導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)包括從跟蹤 器上的三個標(biāo)志器順序地接收光學(xué)信號的光學(xué)傳感器。跟蹤器還包括生成非光學(xué)信號的非 光學(xué)傳感器。計算系統(tǒng)基于來自第一標(biāo)志器的第一光學(xué)信號，確定在第一時間處標(biāo)志器中 的第一標(biāo)志器的位置。計算系統(tǒng)還基于第一光學(xué)信號以及來自非光學(xué)傳感器的非光學(xué)信號 確定在第一時間處標(biāo)志器中的第二標(biāo)志器和第三標(biāo)志器的位置。然后，使確定的位置與對 象相關(guān)以跟蹤對象的位置。
[0017] 在發(fā)明的又另一個版本中，提供了機器人外科切割系統(tǒng)。系統(tǒng)包括機器人操縱器 和切割工具。機器人控制系統(tǒng)在至少5個自由度上控制或者約束切割工具的運動。導(dǎo)航系 統(tǒng)與機器人控制系統(tǒng)進行通信。導(dǎo)航系統(tǒng)包括至少一個光學(xué)傳感器和安裝至機器人操縱器 的跟蹤器。還提供了用于安裝至患者的解剖結(jié)構(gòu)的跟蹤器。該解剖結(jié)構(gòu)跟蹤器包括非光學(xué) 傳感器和三個標(biāo)志器。光學(xué)傳感器從標(biāo)志器接收光學(xué)信號以及非光學(xué)傳感器生成非光學(xué)信 號。導(dǎo)航系統(tǒng)將指示解剖結(jié)構(gòu)位置的位置數(shù)據(jù)傳遞至機器人控制系統(tǒng)以控制解剖結(jié)構(gòu)的切 害J，以使得切割發(fā)生在預(yù)定義邊界內(nèi)。
[0018] 在發(fā)明的另一個版本中，提供了包括具有至少一個光學(xué)傳感器的定位器的導(dǎo)航系 統(tǒng)。跟蹤器與光學(xué)傳感器進行通信。跟蹤器包括非光學(xué)傳感器和三個標(biāo)志器。計算系統(tǒng)基 于光學(xué)信號和非光學(xué)信號確定三個標(biāo)志器中的每一個在定位器坐標(biāo)系中的位置。計算系統(tǒng) 執(zhí)行匹配算法以使標(biāo)志器中的一個或者多個在定位器坐標(biāo)系中的確定的位置與所述標(biāo)志 器中的一個或者多個在相對于跟蹤器坐標(biāo)系建立的跟蹤器的模型中的位置匹配，以獲得將 跟蹤器坐標(biāo)系變換為定位器坐標(biāo)系的變換矩陣。
[0019] 在發(fā)明的另一個版本中，提供了用于跟蹤對象的系統(tǒng)。系統(tǒng)包括至少兩個光學(xué)傳 感器和用于安裝至對象的跟蹤器。跟蹤器具有非光學(xué)傳感器和三個標(biāo)志器。至少兩個光學(xué) 傳感器按照至少IOOHz的光學(xué)感測頻率從標(biāo)志器接收光學(xué)信號。非光學(xué)傳感器按照至少 IOOHz的非光學(xué)感測頻率生成非光學(xué)信號。
[0020] 還提供了用于跟蹤對象的方法。方法包括操作光學(xué)傳感器以從標(biāo)志器順序地接收 光學(xué)信號以及操作非光學(xué)傳感器以生成非光學(xué)信號。基于來自第一標(biāo)志器的第一光學(xué)信 號，確定在第一時間處標(biāo)志器中的第一標(biāo)志器的位置?；诘谝还鈱W(xué)信號以及來自非光學(xué) 傳感器的非光學(xué)信號確定在第一時間處標(biāo)志器中的第二標(biāo)志器和第三標(biāo)志器的位置。使第 一標(biāo)志器、第二標(biāo)志器和第三標(biāo)志器的確定的位置與對象相關(guān)以在外科程序期間跟蹤對象 的位置。
[0021] 提供了用于在外科程序期間跟蹤對象的另一個方法。在該方法中，將三個標(biāo)志器 安置在光學(xué)傳感器的視場中以使得光學(xué)傳感器從標(biāo)志器順序地接收光學(xué)信號。然后，操作 計算系統(tǒng)以基于來自第一標(biāo)志器的第一光學(xué)信號確定在第一時間處標(biāo)志器中的第一標(biāo)志 器的位置以及基于第一光學(xué)信號和來自非光學(xué)傳感器的非光學(xué)信號確定在第一時間處標(biāo) 志器中的第二標(biāo)志器和第三標(biāo)志器的位置。然后，使位置與對象相關(guān)以在外科程序期間跟 蹤對象的位置。
【附圖說明】
[0022] 當(dāng)結(jié)合附圖考慮時，通過參照以下【具體實施方式】，本發(fā)明的優(yōu)點將被容易地領(lǐng)會， 從而變得更好理解，其中：
[0023] 圖1是本發(fā)明的導(dǎo)航系統(tǒng)與機器人操縱器結(jié)合使用時的透視圖；
[0024] 圖2是導(dǎo)航系統(tǒng)的示意圖；
[0025] 圖3是由導(dǎo)航系統(tǒng)使用的坐標(biāo)系的示意圖；
[0026] 圖4是通過導(dǎo)航系統(tǒng)的定位引擎實施的步驟的流程圖；
[0027] 圖4A是將測量的LED與跟蹤器模型匹配以獲得變換矩陣的示意說明；
[0028] 圖5是在第一可選實施例中由定位引擎實施的步驟的流程圖；
[0029] 圖5A是包括真實和虛擬LED的跟蹤器模型的說明；
[0030] 圖6是在第二可選實施例中由定位引擎實施的步驟的流程圖；以及
[0031] 圖7是當(dāng)一個或者多個LED被阻擋測量時由定位引擎實施的步驟的流程圖。
【具體實施方式】
[0032] I.概述
[0033] 參照圖1，圖示了外科導(dǎo)航系統(tǒng)20。在外科環(huán)境（諸如醫(yī)療設(shè)施的手術(shù)室）中顯 示了系統(tǒng)20。建立導(dǎo)航系統(tǒng)20以跟蹤手術(shù)室中的各種對象的運動。這樣的對象包括例如， 外科器械22、患者的股