專利名稱：跟蹤系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及例如用于計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)的跟蹤系統(tǒng)，并且更具體地，涉及在計(jì) 算機(jī)輔助手術(shù)期間用于手術(shù)器械跟蹤的器具以及涉及用于標(biāo)定慣性傳感器的方法。
背景技術(shù)：
手術(shù)器具或器械的跟蹤是計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)(下文稱CAS)的必要部分。以獲得與 身體部分有關(guān)的信息的方式來跟蹤器械的位置和/或方向。這些信息隨后被用于對(duì)于身體 的各種介入(例如，整形外科手術(shù)、神經(jīng)手術(shù))，比如手術(shù)期間的骨骼改變，植入物定位，切
割等等。跟蹤系統(tǒng)可使用不同的技術(shù)，例如機(jī)械、聲學(xué)、磁、光學(xué)和射頻跟蹤。取決于所應(yīng)用 的技術(shù)，不同類型的可跟蹤部件被永久地或臨時(shí)地固定于需要被跟蹤的物體上。例如，在整 膝蓋替換(TKR)手術(shù)期間，可跟蹤部件固定在肢體和不同的手術(shù)器具上，并且這些可跟蹤 部件由跟蹤系統(tǒng)跟蹤。CAS系統(tǒng)計(jì)算與跟蹤有關(guān)的位置和方向數(shù)據(jù)，并且這些由計(jì)算機(jī)顯示 的信息被外科醫(yī)生所利用，以便顯現(xiàn)被操縱的器具相對(duì)于肢體的位置，或以數(shù)值的形式顯
7J\ ο通常使用兩種類型的跟蹤系統(tǒng)。有源跟蹤系統(tǒng)提供發(fā)射器作為被跟蹤的器械上的 可跟蹤部件，該發(fā)射器發(fā)射由CAS系統(tǒng)的處理器所接收的信號(hào)，該處理器將根據(jù)所接收到 的信號(hào)計(jì)算器械的位置和/或方向。有源跟蹤系統(tǒng)的發(fā)射器，例如通過導(dǎo)線連接到CAS系 統(tǒng)或通過提供有獨(dú)立的電源來供電，以便發(fā)出信號(hào)。無源跟蹤系統(tǒng)不在器械上提供有源發(fā)射器作為可跟蹤部件。與無源跟蹤有關(guān)的 CAS系統(tǒng)提供有光學(xué)傳感器裝置，以便視覺檢測器械上的光學(xué)元件。光學(xué)元件是無源的，由 此，沒有電源與其相關(guān)聯(lián)。為了獲得位置和/或方向值，光學(xué)元件必須在光學(xué)傳感器裝置的視線內(nèi)。相應(yīng)地， 利用無源跟蹤系統(tǒng)，根據(jù)光學(xué)傳感器裝置和光學(xué)元件之間所要求的可見性，在給定方向上 進(jìn)行手術(shù)。當(dāng)前使用的可跟蹤部件，無論有源的還是無源的，取決于所使用的技術(shù)，都具有較 大的尺寸。對(duì)于電磁系統(tǒng)來說，殼體導(dǎo)線連接到CAS系統(tǒng)并固定到器具或病人上。對(duì)光學(xué) 系統(tǒng)來說，可跟蹤部件通常包括至少三個(gè)光學(xué)元件。例如，光學(xué)元件為導(dǎo)線連接到CAS系統(tǒng) 并形成不等邊三角形的光源。光源可以單獨(dú)地固定或安裝到基座上。在該第二種結(jié)構(gòu)中， 部件較大且有妨礙。作為一種替代方式，無源反射體球或片可用于代替光源，并利用光源照亮它們 (在紅外光譜內(nèi))
4
在選擇跟蹤系統(tǒng)的類型時(shí)必須考慮到一些因素有源可跟蹤部件的導(dǎo)線在無菌區(qū) 域中出現(xiàn)；當(dāng)使用光學(xué)跟蹤時(shí)導(dǎo)航所需要的視線；手術(shù)期間為了實(shí)現(xiàn)所需要的精確度的可 跟蹤部件的尺寸；外科醫(yī)生對(duì)于在計(jì)算機(jī)屏幕上顯現(xiàn)手術(shù)過程中的對(duì)準(zhǔn)信息的需要；外科 醫(yī)生對(duì)于將骨骼上的標(biāo)志數(shù)字化以構(gòu)建坐標(biāo)系的需要；由于當(dāng)前光學(xué)、電磁或射頻傳感器 的體積而帶來的在一次性器具(例如切割導(dǎo)向裝置)中將它們集成的難度。

發(fā)明內(nèi)容
因而，本申請(qǐng)的一個(gè)目的是提供一種新的可跟蹤部件和跟蹤系統(tǒng)。本申請(qǐng)的進(jìn)一步的目的是將跟蹤系統(tǒng)用于計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)中。根據(jù)第一實(shí)施方式，提供一種用于在手術(shù)期間跟蹤器具和骨骼的計(jì)算機(jī)輔助手術(shù) 系統(tǒng)，其包括第一可跟蹤部件，其具有至少產(chǎn)生基于方向的數(shù)據(jù)的第一慣性傳感器單元； 第二可跟蹤部件，其具有至少產(chǎn)生基于方向的數(shù)據(jù)的第二慣性傳感器單元，其中，可跟蹤部 件中的一個(gè)連接到器具，可跟蹤部件中的另一個(gè)連接到骨骼；以及處理單元，其用于從可跟 蹤部件接收基于方向的數(shù)據(jù)，該處理單元具有方向計(jì)算器，該方向計(jì)算器根據(jù)兩個(gè)所述可 跟蹤部件的基于方向的數(shù)據(jù)來計(jì)算第二可跟蹤部件相對(duì)于第一可跟蹤部件的方向，由此， 所述處理單元計(jì)算器具相對(duì)于骨骼的方向。進(jìn)一步，根據(jù)第一實(shí)施方式，第一可跟蹤部件和第二可跟蹤部件產(chǎn)生基于位置的 數(shù)據(jù)，并且處理單元存儲(chǔ)幾何數(shù)據(jù)，該幾何數(shù)據(jù)至少使可跟蹤部件中的一個(gè)與骨骼相關(guān)聯(lián) 而可跟蹤部件中的另一個(gè)與器具相關(guān)聯(lián)，由此，方向計(jì)算器計(jì)算器具相對(duì)于骨骼的位置和 方向。再進(jìn)一步，根據(jù)第一實(shí)施方式，處理單元實(shí)際上為第二可跟蹤部件的一部分。再進(jìn)一步，根據(jù)第一實(shí)施方式，第二可跟蹤部件具有顯示第二可跟蹤部件相對(duì)于 第一可跟蹤部件的方向的用戶界面。再進(jìn)一步，根據(jù)第一實(shí)施方式，可跟蹤部件中的至少一個(gè)具有確認(rèn)指示器，該確認(rèn) 指示器從處理單元接收信號(hào)，以可視地顯示對(duì)來自至少一個(gè)可跟蹤部件的命令的確認(rèn)。再進(jìn)一步，根據(jù)第一實(shí)施方式，第一慣性傳感器單元為適于附著于骨骼的基于加 速度計(jì)的單元，用于產(chǎn)生兩個(gè)方向自由度的方向數(shù)據(jù)；第二慣性傳感器單元為適于附著于 骨骼的基于加速度計(jì)的單元，用于產(chǎn)生兩個(gè)方向自由度的方向數(shù)據(jù)；當(dāng)骨骼關(guān)于第一慣性 傳感器單元的兩個(gè)自由度中的僅僅一個(gè)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，方向計(jì)算器確定第一慣性傳感器單元 和第二慣性傳感器單元變化的角速度；以及處理單元進(jìn)一步包括標(biāo)定計(jì)算器，其用于通過 利用所確定的變化的角速度來標(biāo)定骨骼相對(duì)于第一慣性傳感器單元的方向，以確定第一慣 性傳感器單元的第三個(gè)方向自由度，由此，骨骼在三個(gè)方向自由度上是可跟蹤的。根據(jù)第二實(shí)施方式，提供一種跟蹤物體的三個(gè)方向自由度的方法，該方法包括從 附著于物體的基于加速度計(jì)的參考跟蹤部件接收兩個(gè)方向自由度的方向數(shù)據(jù)；從附著于物 體的基于加速度計(jì)的標(biāo)定跟蹤部件接收兩個(gè)方向自由度的方向數(shù)據(jù)；當(dāng)物體關(guān)于參考跟 蹤部件的兩個(gè)方向自由度中的僅僅一個(gè)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，確定參考跟蹤元件和標(biāo)定跟蹤元件的 變化的角速度；以及通過利用所確定的變化的角速度，來標(biāo)定物體相對(duì)于參考跟蹤部件的 方向，以確定參考跟蹤部件的第三個(gè)方向自由度；由此，物體在三個(gè)方向自由度上是可跟蹤 的。
5
進(jìn)一步，根據(jù)第二實(shí)施方式，接收方向數(shù)據(jù)包括從附著于骨骼的參考和標(biāo)定跟蹤 部件接收方向數(shù)據(jù)。再進(jìn)一步，根據(jù)第二實(shí)施方式，確定參考跟蹤部件和標(biāo)定跟蹤部件的變化的角速 度包括顯示與關(guān)于參考跟蹤部件的兩個(gè)方向自由度中的僅僅一個(gè)的軸的變化的角速度有 關(guān)的數(shù)據(jù)，以便于引導(dǎo)操作者移動(dòng)物體。再進(jìn)一步，根據(jù)第二實(shí)施方式，該方法對(duì)骨骼模型或尸體執(zhí)行。再進(jìn)一步，根據(jù)第二實(shí)施方式，在標(biāo)定后，在界面上，以三個(gè)方向自由度顯示對(duì)物 體的跟蹤。再進(jìn)一步，根據(jù)第二實(shí)施方式，確定變化的角速度包括如果關(guān)于所述軸的方向變 化超出最大值，則拒絕該變化的角速度。根據(jù)第三實(shí)施方式，提供一種用于跟蹤物體的三個(gè)方向自由度的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包 括適于附著于物體的基于加速度計(jì)的參考跟蹤部件，該參考跟蹤部件產(chǎn)生兩個(gè)方向自由 度的方向數(shù)據(jù)；適于附著于物體的基于加速度計(jì)的標(biāo)定跟蹤部件，該標(biāo)定跟蹤部件產(chǎn)生兩 個(gè)方向自由度的方向數(shù)據(jù)；處理單元，其用于從參考跟蹤部件和標(biāo)定跟蹤部件接收方向數(shù) 據(jù)，該處理單元包括方向計(jì)算器，其用于在物體關(guān)于參考跟蹤部件的兩個(gè)自由度中的僅僅 一個(gè)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)確定參考跟蹤部件和標(biāo)定跟蹤部件的變化的角速度，以及標(biāo)定計(jì)算器，其 用于通過利用所確定的變化的角速度，來標(biāo)定物體相對(duì)于參考跟蹤部件的方向，以確定參 考跟蹤部件的第三個(gè)方向自由度；由此，物體在三個(gè)方向自由度上是可跟蹤的。進(jìn)一步，根據(jù)第三實(shí)施方式，所述系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)，所述物體為骨骼， 并且所述參考跟蹤部件和標(biāo)定跟蹤部件附著于骨骼。再進(jìn)一步，根據(jù)第三實(shí)施方式，所述系統(tǒng)包括用戶界面，該用戶界面用于顯示與關(guān) 于參考跟蹤部件的兩個(gè)方向自由度中的僅僅一個(gè)的軸的變化的角速度相關(guān)的數(shù)據(jù)，以引導(dǎo) 操作者移動(dòng)物體。再進(jìn)一步，根據(jù)第三實(shí)施方式，在標(biāo)定后，用戶界面在界面上以三個(gè)方向自由度顯 示對(duì)物體的跟蹤。再進(jìn)一步，根據(jù)第三實(shí)施方式，如果關(guān)于所述軸的方向變化超出最大值，則處理單 元拒絕該變化的角速度。


圖1是根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施方式的跟蹤系統(tǒng)的框圖；圖2是根據(jù)本申請(qǐng)的另一個(gè)實(shí)施方式的自封閉跟蹤系統(tǒng)的框圖；圖3是根據(jù)本申請(qǐng)的另一個(gè)實(shí)施方式的跟蹤一對(duì)可跟蹤部件的跟蹤系統(tǒng)的框圖；圖4是根據(jù)本申請(qǐng)的另一個(gè)實(shí)施方式的、與可跟蹤部件一起使用的自封閉跟蹤系 統(tǒng)的框圖；以及圖5是示出利用圖3和圖4的跟蹤系統(tǒng)跟蹤物體的三個(gè)方向自由度的方法的流程 圖。
具體實(shí)施例方式參考圖1，以12總體示出根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施方式的MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))可跟蹤部件，其被固定于被跟蹤部分10，例如手術(shù)器械或身體部分(例如，骨骼)。MEMS可跟蹤部件12用于跟蹤系統(tǒng)(例如CAS跟蹤系統(tǒng))中，并包括跟蹤電路 20 (即，慣性傳感單元)、發(fā)射器21 (或類似的通信電路，例如無線發(fā)射器、收發(fā)器等等)、以 及可選的確認(rèn)指示器22和無源可跟蹤子部件23。除非另外聲明，在下文中提及的發(fā)射器將 包括收發(fā)器。在本公開的一個(gè)實(shí)施方式中，跟蹤電路可以是6自由度(下文稱D0F)微電路。跟 蹤電路20輸出與可跟蹤部件12的位置和方向有關(guān)的數(shù)據(jù)。用作跟蹤電路20的合適的器件的示例為電容式加速度計(jì)傳感器(CAPAS)、電解傾 斜傳感器和三軸傳感器(TAS)，等等。通過將CAPAS固定于被跟蹤部分10，CAPAS提供被跟 蹤部分10的加速度(例如，g力)的兩軸測量結(jié)果。在一個(gè)實(shí)施方式中，CAPAS的尺寸大小 為 7. 4X7. 0X3. 5mm。下文中描述一種方法和系統(tǒng)，用于對(duì)基于加速度計(jì)的跟蹤電路20進(jìn)行標(biāo)定，以使 基于加速度計(jì)的跟蹤電路20提供3個(gè)方向自由度。在一些應(yīng)用中，對(duì)3個(gè)方向自由度的跟 蹤是足夠的——不需要將跟蹤電路20配置為提供超過3個(gè)方向自由度，或?qū)⒏欕娐?0 連接到提供位置自由度的無源可跟蹤部件。在CAPAS的有源工作狀態(tài)下，加速度的變化反映CAPAS的方向上的改變。CAPAS的 輸出是2軸相對(duì)角度值(或者，如果CAPAS被標(biāo)定，則為3軸)。因此，標(biāo)定過的跟蹤電路 20或具有兩個(gè)上述配置的CAPAS的跟蹤電路20提供跟蹤電路20的實(shí)時(shí)方向數(shù)據(jù)，并由此 提供被跟蹤部分10的實(shí)時(shí)方向數(shù)據(jù)。在另一個(gè)實(shí)施方式中，可跟蹤子部件23可作為可跟蹤部件12的一部分提供，以便 提供與可跟蹤部件12相關(guān)的位置數(shù)據(jù)。因而，由跟蹤電路20輸出的方向數(shù)據(jù)與從可跟蹤 子部件23的跟蹤中得到的位置數(shù)據(jù)組合，以提供被跟蹤部分的空間位置和方向。已知的技 術(shù)，例如超聲波、光學(xué)元件和射頻發(fā)送器技術(shù)，可被用于可跟蹤子部件23。在一個(gè)實(shí)施方式 中，利用了反向反射元件(例如，球，幾何形片)。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)可跟蹤子部件23被用于獲 取位置數(shù)據(jù)時(shí)，需要單個(gè)可跟蹤子部件23 (例如，一個(gè)球)。然而，在光學(xué)跟蹤的情形中，可 使用多于一個(gè)的可跟蹤子部件23，以便提高位置數(shù)據(jù)的精度，或提高可跟蹤部件23的可視 性。因而，使用CAPAS作為帶有單個(gè)可跟蹤子部件23的跟蹤電路20，可跟蹤部件12以緊湊 的裝置的形式，提供位置和方向的6個(gè)自由度。在另一個(gè)實(shí)施方式中，使用3軸加速度計(jì)以提供可跟蹤子部件23的位置數(shù)據(jù)。通 過將線性加速度在時(shí)間上積分，可計(jì)算出從已知初始位置的偏移，以便提供子部件23的當(dāng) 前位置。作為用于跟蹤電路20的CAPAS的替代，TAS提供位置和方向數(shù)據(jù)。TAS包括嵌入 微電路的三個(gè)陀螺儀和三個(gè)加速度計(jì)。例如，可得到的TAS的物理尺寸為23X32X5mm。因 而，使用這些TAS中的一個(gè)，就能像一對(duì)CAPAS和可跟蹤子部件23組合的情況那樣，提供位 置和方向數(shù)據(jù)，但是比后者的組合要大。發(fā)射器21連接到跟蹤電路20，以將跟蹤電路20的跟蹤數(shù)據(jù)發(fā)送到CAS系統(tǒng)的處 理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)的發(fā)送可以是無線的，或可以通過有線連接?？蛇x擇在手術(shù)環(huán)境中工作的技 術(shù)，例如射頻技術(shù)，用于發(fā)射器21。作為例子，Bluetooth , Zigbee 或Wi-Fi發(fā)射器由于 其廣泛的可用性而被考慮，并且它們?cè)试S將可跟蹤部件12集成到手術(shù)器具中。可跟蹤部件12可以被制作成單個(gè)一次性的單元，其可以集成到植入器具中(例如，用于TKR的一次性 的、可自跟蹤的切割導(dǎo)向裝置)中。作為可替換的實(shí)施方式，傳感器可以配置為在它們自身 之間傳遞必要的信息。對(duì)可跟蹤部件12要考慮的另一個(gè)特征是將數(shù)據(jù)提供給操作者或外科醫(yī)生的確認(rèn) 指示器22。例如，可以直接在手術(shù)器械上提供關(guān)于手術(shù)器械的適當(dāng)?shù)奈恢?方向的指示，以 使得有助于外科醫(yī)生/操作者操作器械的過程。確認(rèn)指示器22為具有通/斷LED (例如， 紅和綠LED)或者響應(yīng)于從CAS系統(tǒng)接收的信號(hào)或命令的其它合適形式的緊湊電子顯示器 的電路。在可跟蹤部件12使用確認(rèn)指示器22的實(shí)施方式中，發(fā)射器21為從CAS系統(tǒng)的處 理系統(tǒng)接收信號(hào)的收發(fā)器。確認(rèn)指示器22連接到收發(fā)器電路以接收信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為提 供給操作者/外科醫(yī)生的可視信號(hào)。確認(rèn)指示器22的另一個(gè)實(shí)施方式包括一系列的LED或其它合適形式的緊湊的電 子顯示器，它們將根據(jù)固定有可跟蹤部件12的器具的位置和方向而被開啟。這使得在外科 醫(yī)生/操作者操作各種手術(shù)器具時(shí)，能夠傳送各種手術(shù)器具的對(duì)準(zhǔn)/位置信息，從而外科醫(yī) 生不必通過觀看計(jì)算機(jī)屏幕來得到等同的信息。用作被跟蹤部分10的手術(shù)器械為記錄指示器、切割塊、鉆孔器、粗銼刀、書寫棒等寸。在被跟蹤部分10是手術(shù)器具的情況下，為了標(biāo)定具有可跟蹤部件12的被跟蹤部 分10，使器具的頂端緊靠著參考點(diǎn)(標(biāo)定標(biāo)志)以使CAS系統(tǒng)能夠跟蹤器具的方向。其它 類型的標(biāo)定也可以被應(yīng)用于可跟蹤部件12。例如，下文中參考圖5描述了一種用于標(biāo)定被 跟蹤部分10的方向的方法。仍然參考圖1，包含可跟蹤部件12的跟蹤系統(tǒng)總體上以100示出，且其與一個(gè)或多 個(gè)可跟蹤部件12—起使用。跟蹤系統(tǒng)可以是計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)(CAS系統(tǒng))，并具有處理 單元101，其典型地包括具有處理器的計(jì)算機(jī)。接收器102設(shè)置在處理單元101，以便從可 跟蹤部件12接收位置/方向數(shù)據(jù)信號(hào)。在可跟蹤部件12具有確認(rèn)指示器22的實(shí)施方式 中，接收器201為向可跟蹤部件12發(fā)送確認(rèn)信號(hào)的收發(fā)器?？刂破?04連接到接收器102。因此，控制器104從接收器102接收信號(hào)數(shù)據(jù)。位置/方向計(jì)算器105用于將從接收器/發(fā)送器102接收的信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可 跟蹤部件12的位置/方向數(shù)據(jù)。更具體地，如果跟蹤電路20為CAPAS的組合或標(biāo)定后的 CAPAS，則信號(hào)數(shù)據(jù)將被轉(zhuǎn)換為可跟蹤部件12的方向。如果跟蹤電路20為TAS，則信號(hào)數(shù)據(jù) 將被轉(zhuǎn)換為可跟蹤部件12的位置和方向。為給定的CAS應(yīng)用、物體的軸和坐標(biāo)系提供幾何數(shù)據(jù)庫106，以便存儲(chǔ)標(biāo)定數(shù)據(jù)和 其它外科手術(shù)進(jìn)行時(shí)發(fā)生的數(shù)據(jù)，例如利用記錄指示器定義的骨骼模型。因而，當(dāng)對(duì)于應(yīng)用 需要位置數(shù)據(jù)時(shí)，標(biāo)定數(shù)據(jù)因此為被跟蹤部分10和可跟蹤部件12之間的關(guān)系。在使用可 跟蹤子部件23的實(shí)施方式中，標(biāo)定數(shù)據(jù)包括使可跟蹤子部件23與被跟蹤部分10關(guān)聯(lián)的幾 何數(shù)據(jù)。因而，在需要位置數(shù)據(jù)的應(yīng)用中，控制器104從位置/方向計(jì)算器105接收位置/ 方向數(shù)據(jù)，并利用由數(shù)據(jù)庫106提供的關(guān)系數(shù)據(jù)計(jì)算被跟蹤部分10的位置/方向。相應(yīng)地， 控制器104將位置/方向數(shù)據(jù)輸出到用戶界面110。在可跟蹤子部件23與一對(duì)CAPAS或標(biāo)定過的CAPAS組合應(yīng)用的實(shí)施方式中，處
8理單元101可選地具有傳感器單元107 (例如，光學(xué)傳感器裝置)，提供該傳感器單元以便 跟蹤可跟蹤部件12的可跟蹤子部件23。典型地，傳感器單元107包括一對(duì)傳感器(例如， Navitrack )。位置計(jì)算器108可與控制器104相關(guān)聯(lián)地提供。位置計(jì)算器108從控制器104接 收跟蹤數(shù)據(jù)，其中跟蹤數(shù)據(jù)是從傳感器單元107進(jìn)行的跟蹤得到的。利用由數(shù)據(jù)庫106提 供的幾何數(shù)據(jù)，位置計(jì)算器108計(jì)算被跟蹤部分10的位置。被跟蹤部分10的位置被發(fā)送到控制器104，并與被跟蹤部分10的方向相聯(lián)合，由 此，控制器104產(chǎn)生被跟蹤部分10的位置和方向。跟蹤系統(tǒng)10可設(shè)置有標(biāo)定計(jì)算器109。如圖3和圖4所示的，標(biāo)定計(jì)算器109與 一對(duì)2方向自由度可跟蹤部件12(例如CAPAS) —起使用，并且標(biāo)定可跟蹤部件12中的一 個(gè)，以獲知并可以跟蹤方向的第三個(gè)自由度。該信息被發(fā)送到用戶界面110，使得系統(tǒng)100的用戶得到使用計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)已 知的各種形式(例如，視覺表示、諸如角度、距離等的數(shù)值)的、與被跟蹤部分的位置和方向 相關(guān)的信息。應(yīng)當(dāng)指出，數(shù)據(jù)庫106也可以是控制器104的一部分。參考圖2，以12’示出了可跟蹤部件的一個(gè)實(shí)施方式，其中自封閉的處理單元連接 到被跟蹤部分10?？筛櫜考?2’具有上述的用于可跟蹤部件12的跟蹤電路20、收發(fā)器 21和確認(rèn)指示器22，而且還具有控制器104、位置/方向計(jì)算器105、幾何數(shù)據(jù)庫106、標(biāo)定 計(jì)算器109以及用戶界面110，所有的部件都處于直接固定到被跟蹤部分10的緊湊的自封 閉的殼體內(nèi)。相應(yīng)地，收發(fā)器21用于與在手術(shù)過程中同時(shí)使用的其它可跟蹤部件12’共享 fn息ο在圖3和圖4的實(shí)施方式中，至少兩個(gè)可跟蹤部件12/12’結(jié)合使用，其中可跟蹤 部件12’中的第一個(gè)被固定于骨骼或其它身體部分，而可跟蹤部件12/12’中的第二個(gè)被安 裝于器械/器具，或者為了標(biāo)定而安裝于骨骼。因此，骨骼的可跟蹤部件12’的跟蹤電路20 可捕捉到骨骼的任何偏移，該信息被發(fā)送到器械/器具上的可跟蹤部件12’。在可跟蹤部 件12’之間共享跟蹤數(shù)據(jù)，以使得在用戶界面110上提供的信息表示骨骼和器械/器具之 間的相對(duì)偏移。在一些情況下，僅僅需要骨骼和器具之間的方向(例如，軸)。在這種情況下，可跟 蹤部件12’的跟蹤電路21方便地使用CAPAS。參考圖5，提供一種標(biāo)定具有加速度計(jì)的可跟蹤部件12/12’的方法，該加速度計(jì) 提供2個(gè)方向自由度的方向數(shù)據(jù)，以便提供可跟蹤部件12/12’的第三個(gè)自由度。如圖3-5所示，該方法包括提供兩個(gè)具有加速度計(jì)的可跟蹤部件12/12’，以及將 兩個(gè)可跟蹤部件12/12’都安裝到物體10上?？筛櫜考?2/12’中的一個(gè)為參考跟蹤部 件，另一個(gè)為標(biāo)定跟蹤部件。相應(yīng)地，可跟蹤部件12/12’都產(chǎn)生與物體相關(guān)的2個(gè)自由度 的方向數(shù)據(jù)。根據(jù)150和154，來自于兩個(gè)可跟蹤部件12/12’的方向數(shù)據(jù)由跟蹤系統(tǒng)100的處 理單元接收。然后操作者使物體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，以使物體關(guān)于可跟蹤部件12/12’的一個(gè)自由度 移動(dòng)。例如，參考跟蹤部件12/12’被手動(dòng)地限制運(yùn)動(dòng)，使得兩個(gè)自由度中的一個(gè)方向不變， 而兩個(gè)自由度中的另一個(gè)方向和由標(biāo)定跟蹤部件12/12’跟蹤的兩個(gè)自由度的方向變化。根據(jù)158，如上所述，當(dāng)物體10關(guān)于參考跟蹤部件的兩個(gè)方向自由度中的僅僅一
9個(gè)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，跟蹤系統(tǒng)100的處理單元確定參考跟蹤部件12/12’和標(biāo)定跟蹤部件12/12’ 的變化的角速度。利用這些角度的變化，跟蹤系統(tǒng)100的處理單元可以確定參考跟蹤部件12/12’的 第3個(gè)自由度。相應(yīng)地，在162處，跟蹤系統(tǒng)100的處理單元通過利用所確定的變化的角速 度，相對(duì)于參考跟蹤部件12/12’標(biāo)定物體的方向，以確定參考跟蹤部件12/12’的第3個(gè)方 向自由度。利用該標(biāo)定過程，通過由參考跟蹤部件12/12’提供的跟蹤數(shù)據(jù)，物體10在3個(gè) 方向自由度上都是可跟蹤的。該方法包括定義與重力矢量和參考跟蹤部件12/12’的一個(gè)軸對(duì)準(zhǔn)的局部坐標(biāo) 系，限定參考跟蹤部件12/12’的第3個(gè)自由度。在上述所限定的轉(zhuǎn)動(dòng)之前和之后，參考跟蹤 部件12/12’和標(biāo)定跟蹤部件12/12’的方向可以在該局部坐標(biāo)系中表示。這提供了完全確 定的方程系統(tǒng)，其具有與在限定的轉(zhuǎn)動(dòng)之前和之后的局部坐標(biāo)系中的標(biāo)定跟蹤部件12/12’ 的第3個(gè)自由度相應(yīng)的兩個(gè)未知量。求解該方程系統(tǒng)給出了與參考跟蹤部件12/12’有關(guān) 的標(biāo)定跟蹤部件12/12’的全部三個(gè)自由度。對(duì)于圖5的方法，優(yōu)選地，參考跟蹤部件12/12’和標(biāo)定跟蹤部件12/12’的兩個(gè)方 向自由度中的任何一個(gè)軸都不對(duì)準(zhǔn)。而且，優(yōu)選地，在158，使物體進(jìn)行較大幅度的移動(dòng)，這 是因?yàn)樗麄兊囊苿?dòng)將導(dǎo)致變化的角速度的值較大。利用較大的變化的角速度，在標(biāo)定第3 個(gè)自由度時(shí)可獲得更高的精確度。雖然對(duì)于與參考跟蹤部件12/12’的轉(zhuǎn)動(dòng)軸相關(guān)的自由度不存在變化的角速度是 優(yōu)選的，但是微小的誤差可以被接受。在收集用于標(biāo)定的數(shù)據(jù)期間，可編程處理單元101，從 而當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的方向的角度變化超出最大閾值時(shí)，不接受用于標(biāo)定的跟蹤數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
一種用于在手術(shù)期間跟蹤器具和骨骼的計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)，其包括第一可跟蹤部件，其具有至少產(chǎn)生基于方向的數(shù)據(jù)的第一慣性傳感器單元；以及第二可跟蹤部件，其具有至少產(chǎn)生基于方向的數(shù)據(jù)的第二慣性傳感器單元，其中可跟蹤部件中的一個(gè)連接到所述器具，可跟蹤部件中的另一個(gè)連接到骨骼；以及處理單元，用于從可跟蹤部件接收基于方向的數(shù)據(jù)，所述處理單元具有方向計(jì)算器，所述方向計(jì)算器根據(jù)兩個(gè)所述可跟蹤部件的基于方向的數(shù)據(jù)，計(jì)算第二可跟蹤部件相對(duì)于第一可跟蹤部件的方向，由此所述處理單元計(jì)算所述器具相對(duì)于所述骨骼的方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)，其中，所述第一可跟蹤部件和所述第二可 跟蹤部件產(chǎn)生基于位置的數(shù)據(jù)，并且所述處理單元存儲(chǔ)幾何數(shù)據(jù)，該幾何數(shù)據(jù)至少使可跟 蹤部件中的一個(gè)與所述骨骼相關(guān)聯(lián)并使可跟蹤部件中的另一個(gè)與所述器具相關(guān)聯(lián)，由此所 述方向計(jì)算器計(jì)算所述器具相對(duì)于所述骨骼的位置和方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)，其中，所述處理單元實(shí)際上是所述第二可 跟蹤部件的一部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)，其中，所述第二可跟蹤部件具有用于顯示 所述第二可跟蹤部件相對(duì)于所述第一可跟蹤部件的方向的用戶界面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)，其中，可跟蹤部件中的至少一個(gè)具有確認(rèn) 指示器，所述確認(rèn)指示器從所述處理單元接收信號(hào)以視覺顯示對(duì)來自至少一個(gè)可跟蹤部件 的命令的確認(rèn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)，其中所述第一慣性傳感器單元為適于附著 于所述骨骼、用以產(chǎn)生兩個(gè)方向自由度的方向數(shù)據(jù)的基于加速度計(jì)的單元；所述第二慣性傳感器單元為適于附著于所述骨骼、用以產(chǎn)生兩個(gè)方向自由度的方向數(shù) 據(jù)的基于加速度計(jì)的單元；所述方向計(jì)算器，當(dāng)所述骨骼關(guān)于所述第一慣性傳感器單元的兩個(gè)自由度中的僅僅一 個(gè)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，確定第一慣性傳感器單元和第二傳感器單元的變化的角速度；以及所述處理單元進(jìn)一步包括標(biāo)定計(jì)算器，其用于通過利用所確定的變化的角速度標(biāo)定所 述骨骼相對(duì)于所述第一慣性傳感器單元的方向，以確定所述第一慣性傳感器單元的第三個(gè) 方向自由度，由此可在三個(gè)方向自由度上跟蹤所述骨骼。
7.一種用于跟蹤物體的三個(gè)方向自由度的方法，該方法包括從附著于物體的基于加速度計(jì)的參考跟蹤部件接收兩個(gè)方向自由度的方向數(shù)據(jù)； 從附著于物體的基于加速度計(jì)的標(biāo)定跟蹤部件接收兩個(gè)方向自由度的方向數(shù)據(jù)； 當(dāng)物體關(guān)于所述參考跟蹤部件的兩個(gè)方向自由度中的僅僅一個(gè)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，確定所述 參考跟蹤部件和所述標(biāo)定跟蹤部件的變化的角速度；以及通過利用所確定的變化的角速度，標(biāo)定物體相對(duì)于所述參考跟蹤部件的方向，以確定 所述參考跟蹤部件的第三個(gè)方向自由度； 由此，可在三個(gè)方向自由度上跟蹤物體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中，接收方向數(shù)據(jù)包括從附著于所述骨骼的所述參考跟 蹤部件和所述標(biāo)定跟蹤部件接收方向數(shù)據(jù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中，確定所述參考跟蹤部件和所述標(biāo)定跟蹤部件的變化 的角速度包括顯示與關(guān)于所述參考跟蹤部件的兩個(gè)方向自由度中的僅僅一個(gè)的軸的變化的角速度有關(guān)的數(shù)據(jù)，以指導(dǎo)操作者移動(dòng)物體。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括對(duì)骨骼模型或尸體執(zhí)行該方法。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，進(jìn)一步包括在標(biāo)定后以三個(gè)方向自由度在界面上顯示對(duì) 物體的跟蹤。
12.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中，確定變化的角速度包括如果關(guān)于所述軸的方向變 化超過最大值，則拒絕變化的角速度。
13.一種用于跟蹤物體的三個(gè)方向自由度的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括適于附著于物體的基于加速度計(jì)的參考跟蹤部件，所述參考跟蹤部件產(chǎn)生兩個(gè)方向自 由度的方向數(shù)據(jù)；適于附著于物體的基于加速度計(jì)的標(biāo)定跟蹤部件，所述標(biāo)定跟蹤部件產(chǎn)生兩個(gè)方向自 由度的方向數(shù)據(jù)；用于從所述參考跟蹤部件和所述標(biāo)定跟蹤部件接收方向數(shù)據(jù)的處理單元，所述處理單 元包括方向計(jì)算器，其用于當(dāng)物體關(guān)于所述參考跟蹤部件的兩個(gè)方向自由度中的僅僅一個(gè)的 軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，確定所述參考跟蹤部件和所述標(biāo)定跟蹤部件的變化的角速度；以及標(biāo)定計(jì)算器，其用于通過利用所確定的變化的角速度來標(biāo)定物體相對(duì)于所述參考跟蹤 部件的方向，以確定所述參考跟蹤部件的第三個(gè)方向自由度；由此，可在三個(gè)方向自由度上跟蹤物體。
14.根據(jù)權(quán)要求13的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)，所述物體是骨骼， 并且所述參考跟蹤部件和所述標(biāo)定跟蹤部件附著于所述骨骼。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用戶界面，其用于顯示與關(guān)于所述參考跟蹤 部件的兩個(gè)方向自由度中的僅僅一個(gè)的軸的變化的角速度有關(guān)的數(shù)據(jù)，以指導(dǎo)操作者移動(dòng) 物體。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中，所述用戶界面在標(biāo)定后以三個(gè)方向自由度在界面 上顯示對(duì)物體的跟蹤。
17.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中，如果關(guān)于所述軸的方向變化超出最大值，則所述處 理單元拒絕變化的角速度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于跟蹤物體的跟蹤系統(tǒng)。第一和第二可跟蹤部件均具有至少產(chǎn)生基于方向的數(shù)據(jù)的慣性傳感器單元。處理單元從可跟蹤部件接收基于方向的數(shù)據(jù)。處理單元具有方向計(jì)算器，其根據(jù)兩個(gè)所述可跟蹤部件的基于方向的數(shù)據(jù)來計(jì)算第二可跟蹤部件相對(duì)于第一可跟蹤部件的方向，由此，處理單元計(jì)算物體的方向。本發(fā)明還提供了一種方法。
文檔編號(hào)A61B19/00GK101978243SQ200980109999
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2009年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月25日
發(fā)明者A·理查德, B·佩爾蒂埃, C·普羅克斯, K·杜瓦爾, L-P·阿米歐特, M·瓦林, Y·布廷, Y·布里頓 申請(qǐng)人:奧索瑟夫特公司