專利名稱：用于計算機輔助外科手術(shù)的多面追蹤器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，特別是涉及用于在計算機 輔助外科手術(shù)過程中追蹤外科手術(shù)工具的儀器。
背景技術(shù)：
外科手術(shù)儀器或工具的追蹤是計算機輔助外科手術(shù)(下文中稱為 CAS)的整體部分。對該工具的位置和/或方位進行追蹤，從而獲得關(guān) 于身體部分的信息。該信息再用于對身體的各種介入，例如骨改造、 植入件定位、切口等。
通常使用兩種追蹤系統(tǒng)。主動追蹤系統(tǒng)在要追蹤工具上提供有發(fā) 射器，該發(fā)射器發(fā)射信號，該信號將由CAS系統(tǒng)的處理器接收，該處 理器計算作為接收信號的函數(shù)的工具的位置和/或方位。主動追蹤系統(tǒng)
的發(fā)射器例如通過通向CAS系統(tǒng)的電線來供電，或者通過提供有獨立 電源來供電，以便發(fā)射信號。
被動追蹤系統(tǒng)并不在工具上提供主動發(fā)射器，因此關(guān)于消毒的問 題更少。與被動追蹤相關(guān)的CAS系統(tǒng)有用于視覺檢測工具上的光學(xué)元 件的光學(xué)傳感器裝置。光學(xué)元件為無源的，因此沒有電源與它相連。
為了獲得位置和/或方位值，光學(xué)元件必須在光學(xué)傳感器裝置的瞄 準線內(nèi)。因此，通過被動追蹤系統(tǒng)，外科手術(shù)根據(jù)在光學(xué)傳感器裝置 和光學(xué)元件之間的所需可視性而以給定方位進行。
在已知實施例中，光學(xué)元件為可由CAS系統(tǒng)的光學(xué)傳感器裝置檢 測的回復(fù)反射球。該回復(fù)反射球定位成可識別的圖案，這樣，與光學(xué) 元件相關(guān)聯(lián)的工具的位置和/或方位信息可以計算?；貜?fù)反射球的幾何形狀優(yōu)選是提供良好的可視范圍。不過，回復(fù)反射球的制造相對昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種追蹤器裝置，它解決了現(xiàn)有技術(shù) 的相關(guān)問題。
因此，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種追蹤器裝置，該追蹤器裝置為與
外科手術(shù)儀器相關(guān)聯(lián)和可由CAS系統(tǒng)進行空間追蹤的類型，從而至少 可計算外科手術(shù)儀器的位置，該追蹤器裝置包括支承件，該支承件 用于與外科手術(shù)儀器相連；至少兩個光學(xué)元件，所述光學(xué)元件以第一 圖案安裝在支承件上，以便可沿第一可視范圍由CAS系統(tǒng)檢測；以及 至少兩個另外的光學(xué)元件，所述另外的光學(xué)元件以第二圖案安裝在支 承件上，以便可沿第二可視范圍由CAS系統(tǒng)檢測，該第一可視范圍和 第二可視范圍最多具有公共部分；因此，根據(jù)光學(xué)元件圖案的任意一 個的檢測而在第一和第二可視范圍內(nèi)追蹤至少外科手術(shù)儀器的位置。
而且，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，用于 在外科手術(shù)過程中追蹤外科手術(shù)儀器，包括至少一個外科手術(shù)儀器； 追蹤器裝置，該追蹤器裝置固定在外科手術(shù)儀器上，該追蹤器裝置有 沿第一可視范圍可見的、光學(xué)元件的第一幾何圖案和沿第二可視范圍 可見的、光學(xué)元件的第二幾何圖案；追蹤系統(tǒng)，該追蹤系統(tǒng)具有傳感 器單元，當儀器在第一可視范圍和/或第二可視范圍運動時，該傳感器 單元追蹤任意一個幾何圖案；數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫儲存幾何圖案數(shù)據(jù)和 儀器/追蹤器裝置的關(guān)系數(shù)據(jù)；以及位置和方位計算器，該位置和方位 計算器與傳感器單元和數(shù)據(jù)庫相連，以便由幾何圖案數(shù)據(jù)識別被追蹤
的幾何圖案，并根據(jù)由傳感器元件追蹤的識別幾何圖案來計算追蹤器 裝置的位置和方位；該追蹤系統(tǒng)根據(jù)追蹤器裝置的位置和方位以及儀 器/追蹤器裝置的關(guān)系數(shù)據(jù)來計算儀器的位置和方位。


已經(jīng)總體介紹了本發(fā)明的特性，下面將參考附圖，附圖表示了本 發(fā)明的優(yōu)選實施例，且附圖中
圖l是根據(jù)本發(fā)明實施例構(gòu)成的多面追蹤器裝置的正視圖；圖2是圖1的多面追蹤器裝置從正面看時的透視圖； 圖3是圖1的多面追蹤器裝置從后面看時的透視圖； 圖4是表示根據(jù)本發(fā)明另一實施例構(gòu)成的多面追蹤器裝置的透視
圖，它與被動追蹤器支承件連接；
圖5是圖1的多面追蹤器裝置的追蹤器端部的放大透視圖6是圖4的多面追蹤器裝置的正視圖7是沿圖1的剖面線VII-VII的追蹤器端部的剖視圖8是根據(jù)本發(fā)明另一實施例構(gòu)成的多面追蹤器裝置的透視圖9是沿圖8的剖面線IX-IX的追蹤器端部的剖視圖；以及
圖IO是使用圖l至9中任意一個的多面追蹤器裝置的計算機輔助
外科手術(shù)系統(tǒng)的方框圖。
具體實施例方式
下面參考附圖，特別是參考圖1，該實施例的多面追蹤器裝置總 體表示為10,而追蹤器裝置的另一實施例在圖4和6中表示為10'。 還一實施例在圖8和9中表示為10"。追蹤器10有支承件12和追蹤 器端部14。
支承件12用于使追蹤器裝置10與外科手術(shù)工具(例如用于CAS 中的對齊指示器、銼刀、鉆引導(dǎo)件、參考基底等儀器)相互關(guān)聯(lián)。支 承件12支承給定幾何形狀的追蹤器端部14，這樣，CAS系統(tǒng)的光學(xué) 傳感器裝置視覺識別圖案。通過對追蹤器端部14的圖案的追蹤，CAS 系統(tǒng)計算與追蹤器裝置10相關(guān)聯(lián)的外科手術(shù)儀器或工具的位置和/或方位。
追蹤器端部14支承光學(xué)元件，該光學(xué)元件構(gòu)成幾何圖案，并因此 可由CAS系統(tǒng)的光學(xué)傳感器裝置視覺檢測。
參考圖1至3，支承件12表示為具有三個臂20。各臂20在中心 會聚，每個臂20在自由端有一個追蹤器端部14。如圖3中所示，凹 形連接器21布置在支承件12的底側(cè)，且可以選擇地布置在追蹤器端 部14的底表面中。
因此，如圖4中所示，追蹤器裝置10'(大致類似于圖1至3的追蹤器裝置10)可以與外科手術(shù)工具的支承件A連接。這種支承件A 有三個凸形連接器，其中的兩個表示為B。凸形連接器B為卡扣形指 狀物，布置成將可檢測球支承在支承件A上。應(yīng)當指出，在支承件A 和追蹤器裝置10/10'之間的這種三點連接保證追蹤器裝置10/10'的結(jié) 構(gòu)強度。
因此，在實施例中，追蹤器裝置10/10V10"(圖8和9)可以與外 科手術(shù)工具的現(xiàn)有支承件A—起使用。不過可以考慮提供可選類型的 連接系統(tǒng)來使追蹤器裝置10/10'/10"與外科手術(shù)工具連接。
為了在空間中追蹤物品的位置和方位，必須知道與該物品相關(guān)聯(lián) 的至少兩點。通過兩點，可以在特定情況下追蹤物品的位置和方位(例 如，物品和這兩個追蹤點共線，且在校準后沒有視野斷開)。三個不共 線可追蹤點的幾何圖案通常用于六自由度的追蹤，且可以使用更多可 追蹤點，以便提高追蹤精度。
因此，在圖1的實施例中，三個追蹤器端部14布置成三組的三個 可檢測元件。同時參考圖1和5，各追蹤器端部14提供有錐形體40， 該錐形體40有面41A、 41B和41C (下文中表示為面41，除非另外 說明)。各面41確定了具有給定幾何形狀的開口 42。在圖l和5的實 施例中，給定幾何形狀為圓形。斜表面43布置在面41中，并包圍開 口 42。
回復(fù)反射表面位于開口 42中，以便形成分別布置在追蹤器端部 14的面41A、 41B和41C中的圓形光學(xué)元件44A、 44B和44C。光學(xué) 元件44也考慮其它形狀?；貜?fù)反射表面由回復(fù)反射材料制成，該回復(fù) 反射材料將由與CAS系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的光學(xué)傳感器裝置檢測。例如，材料 Scotch-LiteTM適合用作回復(fù)反射表面。
因為光學(xué)元件44必須是要由CAS系統(tǒng)的光學(xué)傳感器裝置識別的 給定幾何圖案，因此光學(xué)元件44在一個實施例中重新分組成三個一 組。參考圖l，第一組的三個元件44包括光學(xué)元件44A，各光學(xué)元件 44A在不同的追蹤器端部14中。類似地，第二組包括元件44B,第三 組包括元件44C。在圖l的實施例中，同一組的各元件(例如第一組元件44A)平 行于同一平面。因此，元件44A從相同視野中可見。
多組元件44相互戰(zhàn)略定位成優(yōu)化追蹤器裝置10的可視范圍。更 具體地說，多組定位成這樣， 一旦CAS系統(tǒng)的光學(xué)傳感器裝置失去一 組的視線，則另一組就可視。這保證追蹤裝置IO在給定視野中連續(xù)追 蹤。
各組形成可由CAS系統(tǒng)的光學(xué)傳感器裝置識別的幾何圖案。圓形 開口 42和回復(fù)反射表面的組合使得光學(xué)元件44有圓形形狀。根據(jù)光 學(xué)傳感器裝置的視角，這些圓將并不總是表現(xiàn)為圓形。因此，圓心的 位置可以根據(jù)從光學(xué)傳感器裝置的視角感知的形狀來計算。
因此，在圖1的實施例中，幾何圖案包括由多組光學(xué)元件44的中 心確定的三角形。優(yōu)選是，三個不同組光學(xué)元件44的三個三角形為不 同形狀，且各三角形與工具的特定方位相關(guān)聯(lián)。也可選擇，由三個不 同組形成的三個三角形可以相同，但是圓形反射表面44的感知形狀必 須用于識別所看見的反射表面44是三組中的哪一組。
盡管表示了三角形幾何圖案，但是也考慮使用其它幾何圖案，例 如直線和各種多邊形形狀。
應(yīng)當指出，其上具有追蹤器裝置10的外科手術(shù)工具標定優(yōu)選是在 使用追蹤器裝置IO之前進行，以便標定各可檢測幾何圖案相對于工具 的位置和/或方位。為了優(yōu)化追蹤器裝置IO的可視范圍，可以考慮在 追蹤器端部14上布置圓形光學(xué)元件44。
參考圖6，另一實施例的多面追蹤器裝置總體表示為10'。多面追 蹤器裝置IO，和多面追蹤器裝置IO有類似部件，因此，相同部件將有 相同附圖標記。
追蹤器裝置IO，的追蹤器端部14'與追蹤器裝置10的區(qū)別在于 各追蹤器端部14'只有兩個圓形光學(xué)元件44，即三個元件44A的組和 三個元件44B的組。因此，當與追蹤器裝置10比較時，追蹤器裝置 10'有更小的可視范圍。
可以考慮改變用于制造光學(xué)元件44的回復(fù)反射材料。更具體地說，如圖7中所示，追蹤器端部14表示為具有對著開口 42的凹腔45, 以便容納用后拋棄的回復(fù)反射材料片。因此，支承件12和空的追蹤器 端部14可以進行消毒以重新使用，并且新的回復(fù)反射片被插入追蹤器 端部14中。根據(jù)追蹤器端部10的預(yù)計使用(例如可重新使用、 一次 性使用)，支承件12和空的追蹤器端部14以塑料模制或以金屬鑄造。 可以考慮其它材料。外科手術(shù)儀器也可以是一次性的。例如，外科手 術(shù)儀器可以與追蹤器裝置10/10，模制成一體，用于單次使用。
根據(jù)外科手術(shù)的預(yù)計類型， 一些組的光學(xué)元件44可能并不需要。 例如，在某些外科介入手術(shù)中，可能并不需要較大范圍的可視性，因 此一些開口 42可以并不設(shè)置回復(fù)反射材料。
應(yīng)當指出，斜表面43用于從面41的后面設(shè)置回復(fù)反射材料。這 表示了減少在身體組織和回復(fù)反射材料之間接觸的危險的一種方式。 身體物質(zhì)可能干擾回復(fù)反射材料的反射性。
參考圖8和9，圖中更詳細地表示了追蹤器裝置10"。多面追蹤器 裝置IO"和多面追蹤器裝置10/10'(圖l至7)具有類似部件，因此相 同部件有相同附圖標記。
追蹤器裝置IO"與追蹤器裝置10 (圖1至3)類似，其中，追蹤 器裝置IO"在每個追蹤器端部14"有三個光學(xué)元件44。不過，追蹤器 裝置IO"的追蹤器端部14"設(shè)有三支腳結(jié)構(gòu)40"，與追蹤器裝置10的 錐形體40相對。
各三支腳結(jié)構(gòu)40"有三個支腳，各支腳限定了光學(xué)元件44 (即 44A、 44B和44C)。各支腳有環(huán)形帽41"(即41A"、 41B")，該環(huán)形 帽有開口 42和斜表面43。帽41"可釋放地卡在有凸緣的支承件45" 上。表示為46 (即46A、 46B、 46C )的反射材料保持被捕獲于帽41" 和支承件45"之間，并通過開口 42的周邊限定光學(xué)元件44。
在外科手術(shù)后，帽41"被取下，表示為46的反射材料被拋棄或進 行消毒。帽41"進行消毒或被拋棄，且支承件12進行消毒以便隨后使 用。
如圖9中所示，追蹤器裝置IO"的追蹤器端部14'，分別有凹形連接器47，用于與支承件(例如支承件12)的凸形連接器進行卡扣配合。 追蹤器裝置IO"有第一組凹形連接器21 (如圖3中所示設(shè)置在臂20 上)和第二組凹形連接器47 (表示更大三角形，用于更大支承件12 )。 因此，裝置IO"可以用于兩種不同尺寸的支承件12。該特征也可以用 于裝置10和10'。
而且，追蹤器端部14/14，/14"可以在沒有公共支承件12的情況下 使用，只要追蹤器端部14/14'/14"在與支承件A的凸形連接器B連接 時與特定位置對齊。
參考圖10,使用追蹤器裝置10的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)總體 表示為100。計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)100包括追蹤器裝置10，它通 過支承件而固定在外科手術(shù)儀器T上。根據(jù)圖1至9，追蹤器裝置IO 提供有兩個或三個不同幾何圖案，即圖案44A、 44B和44C。如前所 述，各圖案44A、 44B和44C與給定可視范圍相關(guān)聯(lián)。盡管圖10表 示了追蹤器裝置10，但是追蹤器IO，和IO"也可以用于計算機輔助外 科手術(shù)系統(tǒng)100。
計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)有追蹤系統(tǒng)101，該追蹤系統(tǒng)通常為具 有處理器的計算機。追蹤系統(tǒng)101有傳感器單元，該傳感器單元布置 成用于視覺追蹤圖案44A至44C的光學(xué)元件。通常，傳感器單元102 包括一對傳感器(例如NavitrackTM )。
控制器104與傳感器單元102連接。因此，控制器104接收由傳 感器單元102追蹤的圖案。
數(shù)據(jù)庫106布置成用于儲存幾何圖案數(shù)據(jù)。更具體地說，追蹤器 裝置10的各種圖案儲存在數(shù)據(jù)庫106中。類似地，儀器和追蹤器裝置 之間的關(guān)系儲存在數(shù)據(jù)庫106中。儀器/追蹤器裝置的關(guān)系可以由在使 用計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)的第一步驟中進行的標定而得出。
位置和方位計算器108與控制器104相關(guān)聯(lián)。位置和方位計算器 108接收由傳感器單元102追蹤的圖案以及幾何圖案數(shù)據(jù)。因此，位 置和方位計算器108識別追蹤器裝置10的哪一個圖案被追蹤。通過識 別被追蹤的圖案，位置和方位計算器計算追蹤器裝置10的位置和方位。
追蹤器裝置10的位置和方位被發(fā)送給控制器104?？刂破?04使 該信息與來自幾何圖案數(shù)據(jù)庫106的儀器/追蹤器裝置關(guān)系進行組合， 以便計算儀器T的位置和方位。該信息發(fā)送給用戶界面110，這樣，
式(例如視覺表示、數(shù)字值例如角度、距離等)獲得儀器T的位置和 方位的信息。應(yīng)當指出，數(shù)據(jù)庫106也可以是控制器104的一部分， 或者是位置和方位計算器108的一部分。
權(quán)利要求
1.一種追蹤器裝置，所述追蹤器裝置與外科手術(shù)儀器相關(guān)聯(lián)并可由CAS系統(tǒng)進行空間追蹤，從而至少可計算外科手術(shù)儀器的位置，所述追蹤器裝置包括支承件，所述支承件用于與外科手術(shù)儀器相連；至少兩個光學(xué)元件，所述光學(xué)元件以第一圖案安裝在支承件上，以便可沿第一可視范圍由CAS系統(tǒng)檢測；以及至少兩個另外的光學(xué)元件，所述另外的光學(xué)元件以第二圖案安裝在支承件上，以便可沿第二可視范圍由CAS系統(tǒng)檢測，所述第一可視范圍和第二可視范圍最多具有公共部分；由此根據(jù)光學(xué)元件圖案的任意一個的檢測而在第一和第二可視范圍內(nèi)追蹤至少外科手術(shù)儀器的位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的追蹤器裝置，其中所述至少兩個光學(xué) 元件為扁平的，位于分離的平面上且平行于相同的第一平面，所述至 少兩個另外的光學(xué)元件為扁平的，位于分離的平面上且平行于相同的 第二平面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的追蹤器裝置，其中第一圖案具有成第 一三角形的三個所述至少兩個光學(xué)元件，而第二圖案具有呈第二三角 形的三個所述至少兩個另外的光學(xué)元件，由此外科手術(shù)儀器可被追蹤 位置和方位。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的追蹤器裝置，還包括至少兩個更另外 的光學(xué)元件，所述更另外的光學(xué)元件以第三圖案安裝在支承件上，以 便可沿第三可視范圍由CAS系統(tǒng)檢測，所述第三可視范圍以及所述第 一和第二可視范圍中的至少一個最多具有公共部分。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的追蹤器裝置，其中各光學(xué)元件由固定 在支承件上的環(huán)形帽和由環(huán)形帽保持捕獲在支承件上的反射部件形 成，在環(huán)形帽中的開口與反射部件相對，以便限定光學(xué)元件的幾何形 狀。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的追蹤器裝置，其中所述環(huán)形帽可釋放 地固定在支承件上，以便在使用后更換反射部件。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的追蹤器裝置，其中各所述反射部件處 于由環(huán)形帽限定的凹腔中，以便防止意外接觸。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的追蹤器裝置，其中所述凹腔有包圍反 射部件的斜表面，以便增加反射部件的可視范圍。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的追蹤器裝置，其中各光學(xué)元件為圓形。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的追蹤器裝置，其中，支承件具有第 一連接結(jié)構(gòu)，以便與第一尺寸的外科手術(shù)儀器可釋放地連接；以及第 二連接結(jié)構(gòu)，以便與第二尺寸的外科手術(shù)儀器可釋放地連接。
11. 一種計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，用于在外科手術(shù)過程中追蹤 外科手術(shù)儀器，包括至少一個外科手術(shù)儀器；追蹤器裝置，所述追蹤器裝置固定在外科手術(shù)儀器上，所述追蹤 器裝置具有沿第一可視范圍可見的、光學(xué)元件的第一幾何圖案和沿第 二可視范圍可見的、光學(xué)元件的第二幾何圖案； 追蹤系統(tǒng)，所述追蹤系統(tǒng)具有傳感器單元，當儀器在第一可視范圍和/或第二可視范圍運動 時，所述傳感器單元追蹤任意一個幾何圖案；數(shù)據(jù)庫，所述數(shù)據(jù)庫儲存幾何圖案數(shù)據(jù)和儀器/追蹤器裝置的 關(guān)系數(shù)據(jù)；以及位置和方位計算器，所述位置和方位計算器與傳感器單元和 數(shù)據(jù)庫相連，以便由幾何圖案數(shù)據(jù)識別被追蹤的幾何圖案，并根 據(jù)由傳感器元件追蹤的識別幾何圖案來計算追蹤器裝置的位置和 方位；所述追蹤系統(tǒng)根據(jù)追蹤器裝置的位置和方位以及儀器/追蹤器裝 置的關(guān)系數(shù)據(jù)來計算儀器的位置和方位。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，其中儀 器/追蹤器裝置的關(guān)系數(shù)據(jù)通過標定而獲得。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，其中追 蹤器裝置具有沿第三可視范圍可見的、光學(xué)元件的笫三幾何圖案。
全文摘要
一種追蹤器裝置(10、10′、10″)，與外科手術(shù)儀器相關(guān)聯(lián)并可由CAS系統(tǒng)(100)進行空間追蹤，從而可計算外科手術(shù)儀器的位置。支承件(12)用于與外科手術(shù)儀器相連。光學(xué)元件以第一圖案(44A)安裝在支承件(12)上，以便可沿第一可視范圍由CAS系統(tǒng)檢測。另外的光學(xué)元件以第二圖案(44B、44C)安裝在支承件上，以便可沿第二可視范圍由CAS系統(tǒng)檢測，該第一可視范圍和第二可視范圍最多具有公共部分；由此根據(jù)光學(xué)元件圖案(44A、44B、44C)的任意一個的檢測而在第一和第二可視范圍內(nèi)追蹤至少外科手術(shù)儀器的位置。
文檔編號A61B19/00GK101299971SQ200680040934
公開日2008年11月5日 申請日期2006年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月3日
發(fā)明者B·佩爾捷, L-P·阿米奧, S·朱特拉斯 申請人:奧索瑟夫特公司