對(duì)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求于2015年2月25日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)no.62/120,585的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。

本公開(kāi)一般而言涉及用于在外科手術(shù)過(guò)程中減少跟蹤中斷的導(dǎo)航系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

導(dǎo)航系統(tǒng)輔助用戶定位物體。例如，導(dǎo)航系統(tǒng)用在工業(yè)、航空航天和醫(yī)療應(yīng)用中。在醫(yī)療領(lǐng)域中，導(dǎo)航系統(tǒng)輔助外科醫(yī)生相對(duì)于患者的解剖結(jié)構(gòu)放置外科手術(shù)工具。使用導(dǎo)航系統(tǒng)的外科手術(shù)包括神經(jīng)外科和矯形外科手術(shù)。通常，工具和解剖結(jié)構(gòu)與顯示器上顯示的它們的相對(duì)移動(dòng)一起被跟蹤。

導(dǎo)航系統(tǒng)可以采用光信號(hào)、聲波、磁場(chǎng)、射頻信號(hào)等，以便跟蹤物體的位置和/或朝向。導(dǎo)航系統(tǒng)常常包括附連到被跟蹤的物體的跟蹤設(shè)備。定位器與跟蹤設(shè)備上的跟蹤元件協(xié)作，以確定跟蹤設(shè)備的位置，并最終確定物體的位置和/或朝向。導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)由跟蹤設(shè)備監(jiān)視物體的移動(dòng)。

許多導(dǎo)航系統(tǒng)依賴跟蹤元件與定位器的傳感器之間無(wú)阻礙的視線，其中傳感器接收來(lái)自跟蹤元件的跟蹤信號(hào)。這些導(dǎo)航系統(tǒng)還依賴位于定位器的視場(chǎng)內(nèi)的跟蹤元件。因此，已經(jīng)努力減少阻礙跟蹤元件與傳感器之間的視線的可能性并將跟蹤元件維持在定位器的視場(chǎng)內(nèi)。例如，在一些導(dǎo)航系統(tǒng)中，在導(dǎo)航系統(tǒng)的初始設(shè)置期間，顯示器以圖形方式表示定位器的視場(chǎng)，以指導(dǎo)跟蹤設(shè)備的初始放置，使得跟蹤元件位于視線沒(méi)有障礙的視場(chǎng)內(nèi)。但是，這種導(dǎo)航系統(tǒng)不能防止在手術(shù)過(guò)程中由于物體移動(dòng)到視線內(nèi)而可能出現(xiàn)的視線障礙，例如在初始設(shè)置之后和對(duì)患者的治療期間，或者不能防止跟蹤元件移動(dòng)到視場(chǎng)之外。

當(dāng)視線被阻擋時(shí)，或者當(dāng)跟蹤元件在視場(chǎng)之外時(shí)，由跟蹤元件發(fā)送的跟蹤信號(hào)不被定位器接收。因此，會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。通常，在這種情況下，停止導(dǎo)航，并且將錯(cuò)誤消息傳送給用戶，直到再次接收到跟蹤信號(hào)或?qū)Ш较到y(tǒng)被重置為止。這會(huì)造成外科手術(shù)的延誤。例如，如果發(fā)生這些錯(cuò)誤，那么依賴導(dǎo)航數(shù)據(jù)相對(duì)于患者組織自主定位刀具的操縱器必須停止操作。這會(huì)顯著增加外科手術(shù)時(shí)間，特別是如果在恢復(fù)視線方面出現(xiàn)困難的話。這與要求減少手術(shù)時(shí)間以便減少感染風(fēng)險(xiǎn)和延長(zhǎng)使用麻醉相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)實(shí)踐的需求相反。

因此，在本領(lǐng)域中需要減少跟蹤設(shè)備與接收來(lái)自跟蹤設(shè)備的信號(hào)的定位器之間的跟蹤中斷的導(dǎo)航系統(tǒng)和方法，使得外科手術(shù)不間斷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在一個(gè)實(shí)施例中，提供了用于減少由物體造成的跟蹤中斷的導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)包括具有視場(chǎng)的定位器。跟蹤設(shè)備放置在視場(chǎng)內(nèi)，以建立與定位器的視線關(guān)系。虛擬邊界發(fā)生器基于跟蹤設(shè)備與定位器之間的視線關(guān)系生成虛擬視線邊界。虛擬邊界發(fā)生器還更新虛擬視線邊界，以考慮在外科手術(shù)期間跟蹤設(shè)備與定位器之間的相對(duì)移動(dòng)。物體在虛擬空間中被定義為虛擬物體。碰撞檢測(cè)器評(píng)估虛擬物體相對(duì)于虛擬視線邊界的移動(dòng)，以檢測(cè)虛擬物體與虛擬視線邊界之間的碰撞，以便能夠?qū)z測(cè)進(jìn)行響應(yīng)，從而防止物體阻擋跟蹤設(shè)備與定位器之間的視線。

還提供了用于減少跟蹤設(shè)備與導(dǎo)航系統(tǒng)的定位器之間的跟蹤中斷的方法。該方法包括在定位器的視場(chǎng)內(nèi)檢測(cè)跟蹤設(shè)備?；诟櫾O(shè)備與定位器之間的視線關(guān)系生成虛擬視線邊界。更新虛擬視線邊界，以考慮跟蹤設(shè)備與定位器之間的相對(duì)移動(dòng)。虛擬物體與定位器的視場(chǎng)中的物體相關(guān)聯(lián)。基于對(duì)虛擬物體與虛擬視線邊界之間的相對(duì)移動(dòng)的評(píng)估，在虛擬物體與虛擬視線邊界之間檢測(cè)到碰撞，以便能夠?qū)z測(cè)進(jìn)行響應(yīng)，從而防止物體阻擋跟蹤設(shè)備與定位器之間的視線。

提供了用于減少跟蹤中斷的另一種導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括具有視場(chǎng)的定位器。跟蹤設(shè)備放置在視場(chǎng)內(nèi)，使得定位器能夠從跟蹤設(shè)備接收信號(hào)。虛擬物體與跟蹤設(shè)備相關(guān)聯(lián)。虛擬邊界發(fā)生器基于定位器的視場(chǎng)生成虛擬視場(chǎng)邊界。碰撞檢測(cè)器評(píng)估虛擬物體相對(duì)于虛擬視場(chǎng)邊界的移動(dòng)，以檢測(cè)虛擬物體與虛擬視場(chǎng)邊界之間的碰撞，并使得能夠?qū)ε鲎策M(jìn)行響應(yīng)，從而防止跟蹤設(shè)備移動(dòng)到定位器的視場(chǎng)之外。

還提供了用于減少跟蹤設(shè)備與導(dǎo)航系統(tǒng)的定位器之間的跟蹤中斷的另一種方法。該方法包括在定位器的視場(chǎng)內(nèi)檢測(cè)跟蹤設(shè)備?；诙ㄎ黄鞯囊晥?chǎng)生成虛擬視場(chǎng)邊界。虛擬物體與跟蹤設(shè)備相關(guān)聯(lián)。跟蹤虛擬物體相對(duì)于虛擬視場(chǎng)邊界的移動(dòng)，以便檢測(cè)虛擬物體與虛擬視場(chǎng)邊界之間的碰撞，并使得能夠?qū)ε鲎策M(jìn)行響應(yīng)，從而防止跟蹤設(shè)備移動(dòng)到定位器的視場(chǎng)之外。

這些導(dǎo)航系統(tǒng)和方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是減少跟蹤設(shè)備與接收來(lái)自跟蹤設(shè)備的信號(hào)的定位器之間的跟蹤中斷，使得可以避免外科手術(shù)的中斷。這種中斷可以由干擾跟蹤設(shè)備與定位器之間的視線的物體或者由于跟蹤設(shè)備移動(dòng)到定位器的視場(chǎng)之外而引起。

附圖說(shuō)明

當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，通過(guò)參考以下詳細(xì)描述可以更好地理解本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，其中：

圖1是用來(lái)從工件去除材料的材料去除系統(tǒng)的透視圖；

圖2是材料去除系統(tǒng)的示意圖；

圖3是在材料去除系統(tǒng)中使用的坐標(biāo)系的示意圖；

圖4是接頭(joint)馬達(dá)控制器和傳感器的示意圖；

圖5圖示了定位器坐標(biāo)系中的虛擬物體；

圖6圖示了定位器的視場(chǎng)和位于視場(chǎng)中的跟蹤器的頂視圖和側(cè)視圖；

圖7圖示了跟蹤器與定位器之間的虛擬視線邊界；

圖8是圖示虛擬物體與虛擬視線邊界之間的碰撞的顯示器的屏幕截圖；

圖9是向用戶示出指示以避免視線阻擋的顯示器的屏幕截圖；

圖10圖示了跨虛擬視線邊界的虛擬物體以及為避免或消除碰撞而生成的相關(guān)聯(lián)的反饋力；

圖11是向用戶示出指示以避免跟蹤器移動(dòng)到視場(chǎng)之外的顯示器的屏幕截圖；以及

圖12是在一個(gè)方法中執(zhí)行的步驟的流程圖。

具體實(shí)施方式

參考圖1，圖示了用于從工件去除材料的材料去除系統(tǒng)10。材料去除系統(tǒng)10在外科手術(shù)設(shè)置中示出，諸如在醫(yī)療設(shè)施的手術(shù)室中。在所示的實(shí)施例中，材料去除系統(tǒng)10包括加工臺(tái)12和導(dǎo)航系統(tǒng)20。導(dǎo)航系統(tǒng)20被設(shè)置成跟蹤手術(shù)室中的各種物體的移動(dòng)。這種物體包括例如外科手術(shù)工具22、患者的股骨f和患者的脛骨t。導(dǎo)航系統(tǒng)20跟蹤這些物體的目的是為了向外科醫(yī)生顯示它們的相對(duì)位置和朝向，并且，在一些情況下，為了控制或約束外科手術(shù)工具22相對(duì)于與股骨f和脛骨t相關(guān)聯(lián)的虛擬切割邊界(未示出)的移動(dòng)。

導(dǎo)航系統(tǒng)20包括容納導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26的計(jì)算機(jī)推車組件24。導(dǎo)航接口與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26可操作地通信。導(dǎo)航接口包括適于位于無(wú)菌場(chǎng)外的第一顯示器28以及適于位于無(wú)菌區(qū)域內(nèi)的第二顯示器29。顯示器28、29可調(diào)節(jié)地安裝到計(jì)算機(jī)推車組件24。可以使用諸如鍵盤(pán)和鼠標(biāo)的第一和第二輸入設(shè)備30、32將信息輸入到導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26中，或以其它方式選擇/控制導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26的某些方面。包括觸摸屏(未示出)或語(yǔ)音激活的其它輸入設(shè)備是預(yù)期的。

定位器34與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26通信。在所示的實(shí)施例中，定位器34是光學(xué)定位器并且包括相機(jī)單元36。相機(jī)單元36具有容納一個(gè)或多個(gè)光學(xué)位置傳感器40的外殼38。在一些實(shí)施例中，采用至少兩個(gè)光學(xué)傳感器40，優(yōu)選地是三個(gè)或四個(gè)(示出了三個(gè))。光學(xué)傳感器40可以是分離的電荷耦合器件(ccd)。在一個(gè)實(shí)施例中，采用一維ccd。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到的是，在其它實(shí)施例中，也可以在手術(shù)室周圍布置各自具有分離的ccd或者兩個(gè)或更多個(gè)ccd的分離的相機(jī)單元。ccd檢測(cè)紅外(ir)信號(hào)。

相機(jī)單元36安裝在可調(diào)節(jié)的臂上，以使光學(xué)傳感器40定位在下面討論的跟蹤器的視場(chǎng)內(nèi)，理想地，沒(méi)有障礙物。在一些實(shí)施例中，相機(jī)單元36通過(guò)圍繞旋轉(zhuǎn)接頭旋轉(zhuǎn)而在至少一個(gè)自由度中是可調(diào)節(jié)的。在其它實(shí)施例中，相機(jī)單元36可以關(guān)于兩個(gè)或更多個(gè)自由度可調(diào)節(jié)。

相機(jī)單元36包括與光學(xué)傳感器40通信的相機(jī)控制器42，以接收來(lái)自光學(xué)傳感器40的信號(hào)。相機(jī)控制器42通過(guò)或者有線或者無(wú)線連接(未示出)與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26通信。一種這樣的連接可以是ieee1394接口，其是用于高速通信和等時(shí)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送的串行總線接口標(biāo)準(zhǔn)。連接也可以使用特定于公司的協(xié)議。在其它實(shí)施例中，光學(xué)傳感器40直接與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26通信。

位置和朝向信號(hào)和/或數(shù)據(jù)被發(fā)送到導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26，用于跟蹤物體。計(jì)算機(jī)推車組件24、顯示器28和相機(jī)單元36可以類似于malackowski等人于2010年5月25日發(fā)布的標(biāo)題為“surgerysystem”的美國(guó)專利no.7,725,162中所描述的那些，該專利通過(guò)引用并入本文。

導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)或膝上型計(jì)算機(jī)。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26具有顯示器28、中央處理單元(cpu)和/或其它處理器、存儲(chǔ)器(未示出)和存儲(chǔ)裝置(未示出)。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26加載有如下所述的軟件。軟件將從相機(jī)單元36接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換為表示被跟蹤物體的位置和朝向的數(shù)據(jù)。

導(dǎo)航系統(tǒng)20可與多個(gè)跟蹤設(shè)備44、46、48一起操作，這些跟蹤設(shè)備在本文也被稱為跟蹤器。在所示的實(shí)施例中，一個(gè)跟蹤器44牢固地固定到患者的股骨f，而另一個(gè)跟蹤器46牢固地固定到患者的脛骨t。跟蹤器44、46牢固地固定到骨的部分。跟蹤器44、46可以以通過(guò)引用并入本文的美國(guó)專利no.7,725,162中所示的方式附連到股骨f和脛骨t。跟蹤器44、46也可以如2014年1月16日提交的標(biāo)題為“navigationsystemsandmethodsforindicatingandreducingline-of-sighterrors”的美國(guó)專利申請(qǐng)no.14/156,856中所示的那樣安裝，該申請(qǐng)通過(guò)引用并入本文。在附加的實(shí)施例中，跟蹤器(未示出)附連到髕骨，以跟蹤髕骨的位置和朝向。在還有另外的實(shí)施例中，跟蹤器44、46可以被安裝到解剖結(jié)構(gòu)的其它組織類型或部分。

工具跟蹤器48牢固地附連到外科手術(shù)工具22。工具跟蹤器48可以在制造期間被集成到外科手術(shù)工具22中，或者可以分開(kāi)安裝到外科手術(shù)工具22以準(zhǔn)備外科手術(shù)。通過(guò)工具跟蹤器48被跟蹤的外科手術(shù)工具22的工作端可以是旋轉(zhuǎn)鉆頭(bur)、電消融設(shè)備等。

跟蹤器44、46、48可以利用內(nèi)部電池進(jìn)行電池供電，或者可以具有引線，以通過(guò)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26接收電力，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26像相機(jī)單元36一樣優(yōu)選地接收外部電力。

在所示實(shí)施例中，外科手術(shù)工具22附連到機(jī)加工站12的操縱器56。這種布置在標(biāo)題為“surgicalmanipulatorcapableofcontrollingasurgicalinstrumentinmultiplemodes”的美國(guó)專利no.9,119,655中示出，該專利的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。

參考圖2，定位器34的光學(xué)傳感器40接收來(lái)自跟蹤器44、46、48的光信號(hào)。在所示實(shí)施例中，跟蹤器44、46、48是有源跟蹤器。在這個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)跟蹤器44、46、48具有至少三個(gè)用于將光信號(hào)發(fā)送到光學(xué)傳感器40的有源跟蹤元件或標(biāo)記。有源標(biāo)記可以是例如發(fā)送光(諸如紅外光)的發(fā)光二極管或led50。光學(xué)傳感器40優(yōu)選地具有100hz或以上的采樣率，更優(yōu)選地是300hz或以上，最優(yōu)選地是500hz或以上。在一些實(shí)施例中，光學(xué)傳感器40具有8000hz的采樣率。采樣率是光學(xué)傳感器40從順序點(diǎn)亮的led50接收光信號(hào)的速率。在一些實(shí)施例中，來(lái)自led50的光信號(hào)對(duì)于每個(gè)跟蹤器44、46、48以不同的速率被點(diǎn)亮。

led50中的每一個(gè)連接到位于相關(guān)聯(lián)的跟蹤器44、46、48的殼體中的跟蹤器控制器(未示出)，其中跟蹤器向?qū)Ш接?jì)算機(jī)26發(fā)送數(shù)據(jù)/從導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26接收數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)施例中，跟蹤器控制器通過(guò)與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26的有線連接來(lái)發(fā)送若干兆字節(jié)/秒的數(shù)量級(jí)的數(shù)據(jù)。在其它實(shí)施例中，可以使用無(wú)線連接。在這些實(shí)施例中，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26具有從跟蹤器控制器接收數(shù)據(jù)的收發(fā)器(未示出)。

在其它實(shí)施例中，跟蹤器44、46、48可以具有無(wú)源標(biāo)記(未示出)，諸如反射從相機(jī)單元36發(fā)射的光的反射器。反射光然后被光學(xué)傳感器40接收。有源和無(wú)源布置在本領(lǐng)域中是眾所周知的。

在一些實(shí)施例中，跟蹤器44、46、48還包括陀螺儀傳感器和加速度計(jì)，諸如在2013年9月24日提交的標(biāo)題為“navigationsystemincludingopticalandnon-opticalsensors”的美國(guó)專利no.9,008,757中所示的跟蹤器，該專利通過(guò)引用并入本文。

導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26包括導(dǎo)航處理器52。應(yīng)當(dāng)理解的是，導(dǎo)航處理器52可以包括一個(gè)或多個(gè)處理器，以控制導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26的操作。處理器可以是任何類型的微處理器或多處理器系統(tǒng)。術(shù)語(yǔ)“處理器”不意在將任何實(shí)施例的范圍限于單個(gè)處理器。

相機(jī)單元36從跟蹤器44、46、48的led50接收光信號(hào)，并向處理器52輸出與跟蹤器44、46、48的led50相對(duì)于定位器34的位置相關(guān)的信號(hào)?；诮邮盏降墓庑盘?hào)(并且在一些實(shí)施例中是非光學(xué)信號(hào))，導(dǎo)航處理器52生成指示跟蹤器44、46、48相對(duì)于定位器34的相對(duì)位置和朝向的數(shù)據(jù)。在一個(gè)版本中，導(dǎo)航處理器52使用眾所周知的三角測(cè)量方法來(lái)確定位置數(shù)據(jù)。

在外科手術(shù)開(kāi)始之前，附加數(shù)據(jù)被加載到導(dǎo)航處理器52中?；诟櫰?4、46、48的位置和朝向以及先前加載的數(shù)據(jù)，導(dǎo)航處理器52確定外科手術(shù)工具22的工作端(例如，外科手術(shù)鉆頭的質(zhì)心)的位置以及外科手術(shù)工具22相對(duì)于要應(yīng)用工作端的組織的朝向。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)航處理器52將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到操縱器控制器54。然后，操縱器控制器54可以使用數(shù)據(jù)來(lái)控制操縱器56，如標(biāo)題為“surgicalmanipulatorcapableofcontrollingasurgicalinstrumentinmultiplemodes”的美國(guó)專利no.9,119,655中所述，其公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。

在一個(gè)實(shí)施例中，操縱器56被控制成停留在由外科醫(yī)生(未示出)設(shè)定的術(shù)前定義的虛擬邊界內(nèi)，外科醫(yī)生定義要由外科手術(shù)工具22去除的股骨f和脛骨t的材料。更具體而言，股骨f和脛骨t中的每一個(gè)都具有由外科手術(shù)工具22的工作端去除的材料的目標(biāo)體積。目標(biāo)體積由一個(gè)或多個(gè)虛擬切割邊界定義。虛擬切割邊界定義在手術(shù)后應(yīng)當(dāng)保留的骨的表面。導(dǎo)航系統(tǒng)20跟蹤并控制外科手術(shù)工具22，以確保工作端(例如，外科手術(shù)鉆頭)僅去除目標(biāo)體積的材料，而不延伸超出虛擬切割邊界，如在標(biāo)題為“surgicalmanipulatorcapableofcontrollingasurgicalinstrumentinmultiplemodes”的美國(guó)專利no.9,119,655中所公開(kāi)的，其公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。

虛擬切割邊界可以在股骨f和脛骨t的虛擬模型內(nèi)定義并且被表示為網(wǎng)格表面、構(gòu)造性實(shí)體幾何(csg)、體素或使用其它邊界表示技術(shù)。外科手術(shù)工具22從股骨f和脛骨t切除材料，以接收植入物。外科植入物可以包括單室、雙室或全膝關(guān)節(jié)植入物，如標(biāo)題為“prostheticimplantandmethodofimplantation”美國(guó)專利申請(qǐng)no.13/530,927中所示，其公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。

導(dǎo)航處理器52還生成指示工作端與組織的相對(duì)位置的圖像信號(hào)。這些圖像信號(hào)被應(yīng)用于顯示器28、29?；谶@些信號(hào)，顯示器28、29生成允許外科醫(yī)生和工作人員查看工作端與手術(shù)部位的相對(duì)位置的圖像。如上面所討論的，顯示器28、29可以包括允許輸入命令的觸摸屏或其它輸入/輸出設(shè)備。

參考圖3，一般參考定位器坐標(biāo)系lclz進(jìn)行物體的跟蹤。定位器坐標(biāo)系具有原點(diǎn)和朝向(x、y和z軸的集合)。在該過(guò)程中，一個(gè)目標(biāo)是將定位器坐標(biāo)系lclz保持在已知位置。安裝到定位器34的加速度計(jì)(未示出)可以被用來(lái)跟蹤定位器坐標(biāo)系lclz的突然或意外移動(dòng)，如當(dāng)定位器34無(wú)意中被外科手術(shù)人員撞擊時(shí)可能發(fā)生的那樣。

每個(gè)跟蹤器44、46、48和被跟蹤的物體還具有與定位器坐標(biāo)系lclz分離的其自己的坐標(biāo)系。具有其自己的坐標(biāo)系的導(dǎo)航系統(tǒng)20的部件是骨跟蹤器44、46和工具跟蹤器48。這些坐標(biāo)系分別被表示為骨跟蹤器坐標(biāo)系btrk1、btrk2和工具跟蹤器坐標(biāo)系tltr。

導(dǎo)航系統(tǒng)20通過(guò)監(jiān)測(cè)牢固地附連到骨頭的骨跟蹤器44、46的位置來(lái)監(jiān)視患者的股骨f和脛骨t的位置。股骨坐標(biāo)系是fbone，脛骨坐標(biāo)系是tbone，它們是骨跟蹤器44、46牢固附連到的骨頭的坐標(biāo)系。

在手術(shù)開(kāi)始之前，生成股骨f和脛骨t(或者在其它實(shí)施例中是其它組織)的術(shù)前圖像。這些圖像可以基于患者解剖結(jié)構(gòu)的mri掃描、放射學(xué)掃描或計(jì)算機(jī)斷層(ct)掃描。這些圖像使用本領(lǐng)域中眾所周知的方法映射到股骨坐標(biāo)系fbone和脛骨坐標(biāo)系tbone。這些圖像固定在股骨坐標(biāo)系fbone和脛骨坐標(biāo)系tbone中。作為拍攝術(shù)前圖像的替代方案，可以在手術(shù)室(or)中從運(yùn)動(dòng)學(xué)研究、骨追蹤和其它方法開(kāi)發(fā)治療計(jì)劃。

在手術(shù)的初始階段期間，骨跟蹤器44、46牢固地固定到患者的骨頭。坐標(biāo)系fbone和tbone的姿勢(shì)(位置和朝向)分別被映射到坐標(biāo)系btrk1和btrk2。在一個(gè)實(shí)施例中，具有其自己的跟蹤器pt(參見(jiàn)圖1)的指針儀器p(參見(jiàn)圖1)，諸如在通過(guò)引用并入本文的malackowski等人的美國(guó)專利no.7,725,162中所公開(kāi)的，可以被用來(lái)將股骨坐標(biāo)系fbone和脛骨坐標(biāo)系tbone分別配準(zhǔn)到骨跟蹤器坐標(biāo)系btrk1和btrk2。給定骨頭與其骨跟蹤器44、46之間的固定關(guān)系，股骨坐標(biāo)系fbone和脛骨坐標(biāo)系tbone中股骨f和脛骨t的位置和朝向可以被變換到骨跟蹤器坐標(biāo)系btrk1和btrk2，使得相機(jī)單元36能夠通過(guò)跟蹤骨跟蹤器44、46來(lái)跟蹤股骨f和脛骨t。這些姿態(tài)描述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在與操縱器控制器54和導(dǎo)航處理器52兩者一體的存儲(chǔ)器中。

外科手術(shù)工具22的工作端(也被稱為能量施加器遠(yuǎn)端)具有其自己的坐標(biāo)系eapp。例如，坐標(biāo)系eapp的原點(diǎn)可以表示外科切割鉆頭的質(zhì)心。坐標(biāo)系eapp的姿態(tài)在手術(shù)開(kāi)始之前固定成工具跟蹤器坐標(biāo)系tltr的姿態(tài)。因而，確定這些坐標(biāo)系eapp、tltr相對(duì)于彼此的姿態(tài)。姿態(tài)描述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在與操縱器控制器54和導(dǎo)航處理器52兩者一體的存儲(chǔ)器中。

參考圖2，定位引擎100是可以被認(rèn)為是導(dǎo)航系統(tǒng)20的一部分的軟件模塊。定位引擎100的部件在導(dǎo)航處理器52上運(yùn)行。在一些實(shí)施例中，定位引擎100可以在操縱器控制器54上運(yùn)行。

定位引擎100接收來(lái)自相機(jī)控制器42的基于光學(xué)的信號(hào)以及，在一些實(shí)施例中，來(lái)自跟蹤器控制器的非基于光學(xué)的信號(hào)，作為輸入?；谶@些信號(hào)，定位引擎100確定定位器坐標(biāo)系lclz中骨跟蹤器坐標(biāo)系btrk1和btrk2的姿態(tài)?；跒楣ぞ吒櫰?8接收的相同信號(hào)，定位引擎100確定定位器坐標(biāo)系lclz中工具跟蹤器坐標(biāo)系tltr的姿態(tài)。

定位引擎100將表示跟蹤器44、46、48的姿勢(shì)的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到坐標(biāo)變換器102。坐標(biāo)變換器102是在導(dǎo)航處理器52上運(yùn)行的導(dǎo)航系統(tǒng)軟件模塊。坐標(biāo)變換器102參考定義患者的術(shù)前圖像與骨跟蹤器44、46之間的關(guān)系的數(shù)據(jù)。坐標(biāo)變換器102還存儲(chǔ)指示外科手術(shù)工具22的工作端相對(duì)于工具跟蹤器48的姿態(tài)的數(shù)據(jù)。

在手術(shù)期間，坐標(biāo)變換器102接收指示跟蹤器44、46、48相對(duì)于定位器34的姿態(tài)的數(shù)據(jù)?；谶@些數(shù)據(jù)和先前加載的數(shù)據(jù)，坐標(biāo)變換器102生成指示坐標(biāo)系eapp以及骨坐標(biāo)系fbone和tbone相對(duì)于定位器坐標(biāo)系lclz的相對(duì)位置和朝向的數(shù)據(jù)。

因此，坐標(biāo)變換器102生成指示外科手術(shù)工具22的工作端相對(duì)于施加工作端的組織(例如，骨頭)的位置和朝向的數(shù)據(jù)。表示這些數(shù)據(jù)的圖像信號(hào)被轉(zhuǎn)發(fā)到顯示器28、29，從而使外科醫(yī)生和工作人員能夠查看這種信息。在某些實(shí)施例中，表示這些數(shù)據(jù)的其它信號(hào)可以被轉(zhuǎn)發(fā)到操縱器控制器54，以引導(dǎo)操縱器56以及外科手術(shù)工具22的對(duì)應(yīng)移動(dòng)。

在圖1中所示的實(shí)施例中，外科手術(shù)工具22形成操縱器56的端部效應(yīng)器的一部分。操縱器56具有基部57、從基部57延伸的多個(gè)連桿58，以及用于使外科手術(shù)工具22相對(duì)于基部57移動(dòng)的多個(gè)有源接頭(未編號(hào))。操縱器56具有在手動(dòng)模式或半自主模式下操作的能力，其中外科手術(shù)工具22沿著預(yù)定義的工具路徑自主移動(dòng)，如標(biāo)題為“surgicalmanipulatorcapableofcontrollingasurgicalinstrumentinmultiplemodes”的美國(guó)專利no.9,119,655中所述，其公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。

操縱器控制器54可以使用患者的解剖結(jié)構(gòu)和外科手術(shù)工具22的位置和朝向數(shù)據(jù)來(lái)控制操縱器56，如在標(biāo)題為“surgicalmanipulatorcapableofcontrollingasurgicalinstrumentinmultiplemodes”的美國(guó)專利no.9,119,655中所述，其公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。

操縱器控制器54可以具有中央處理單元(cpu)和/或其它操縱器處理器、存儲(chǔ)器(未示出)和存儲(chǔ)裝置(未示出)。也稱為操縱器計(jì)算機(jī)的操縱器控制器54加載有如下所述的軟件。操縱器處理器可以包括一個(gè)或多個(gè)處理器，以控制操縱器56的操作。處理器可以是任何類型的微處理器或多處理器系統(tǒng)。術(shù)語(yǔ)“處理器”不意在將任何實(shí)施例限制為單處理器。

參考圖4，多個(gè)位置傳感器112、114、116與操縱器56的多個(gè)連桿58相關(guān)聯(lián)。在一個(gè)實(shí)施例中，位置傳感器112、114、116是編碼器。位置傳感器112、114、116可以是任何合適類型的編碼器，諸如旋轉(zhuǎn)編碼器。每個(gè)位置傳感器112、114、116與諸如馬達(dá)m的致動(dòng)器相關(guān)聯(lián)。每個(gè)位置傳感器112、114、116是監(jiān)視操縱器56的三個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)部件之一的角位置的傳感器，其中位置傳感器與馬達(dá)驅(qū)動(dòng)部件相關(guān)聯(lián)。操縱器56包括兩個(gè)附加位置傳感器117和118。位置傳感器117和118與附加的驅(qū)動(dòng)連桿相關(guān)聯(lián)。在一些實(shí)施例中，操縱器56包括在六個(gè)有源接頭處具有六個(gè)位置傳感器的兩個(gè)臂結(jié)構(gòu)。標(biāo)題為“surgicalmanipulatorcapableofcontrollingasurgicalinstrumentinmultiplemodes”的美國(guó)專利no.9,119,655中描述了一種這樣的實(shí)施例，其公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。

操縱器56可以是常規(guī)機(jī)器人系統(tǒng)或其它常規(guī)加工裝置的形式，因此不對(duì)其部件進(jìn)行詳細(xì)描述。

操縱器控制器54確定外科手術(shù)工具22應(yīng)當(dāng)移動(dòng)到的期望位置?；谶@種確定以及與外科手術(shù)工具22的當(dāng)前位置(例如，姿態(tài))相關(guān)的信息，為了將外科手術(shù)工具22從當(dāng)前位置重新定位到期望的位置，操縱器控制器54確定多個(gè)連桿58中的每一個(gè)需要移動(dòng)的程度。關(guān)于多個(gè)連桿58要定位在何處的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)發(fā)到接頭馬達(dá)控制器119，該控制器119控制操縱器56的有源接頭，以移動(dòng)多個(gè)連桿58，并由此將外科手術(shù)工具22從當(dāng)前位置移動(dòng)到期望的位置。

為了確定外科手術(shù)工具22的當(dāng)前位置，使用來(lái)自位置傳感器112、114、116、117和118的數(shù)據(jù)來(lái)確定測(cè)得的接頭角度。測(cè)得的有源接頭的接頭角度被轉(zhuǎn)發(fā)到正向運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊，如本領(lǐng)域中已知的。還施加到正向運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊的是來(lái)自位置傳感器117和118的信號(hào)。這些信號(hào)是用于與這些編碼器一體的無(wú)源接頭的測(cè)得的接頭角度?；跍y(cè)得的接頭角度和預(yù)加載的數(shù)據(jù)，正向運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊確定外科手術(shù)工具22在操縱器坐標(biāo)系mnpl中的姿態(tài)。預(yù)加載的數(shù)據(jù)是定義多個(gè)連桿58和接頭的幾何形狀的數(shù)據(jù)。利用這種信息，操縱器控制器54和/或?qū)Ш教幚砥?2可以將來(lái)自定位器坐標(biāo)系lclz的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為操縱器坐標(biāo)系mnpl，或者反之亦然。

在一個(gè)實(shí)施例中，操縱器控制器54和接頭馬達(dá)控制器119共同形成位置控制器，位置控制器操作以將外科手術(shù)工具22移動(dòng)到期望的位置和/或朝向。位置控制器在位置控制回路中操作。位置控制回路可以包括對(duì)于每個(gè)有源接頭并聯(lián)或串聯(lián)的多個(gè)位置控制回路。位置控制回路處理位置和朝向信息，以指示并指導(dǎo)外科手術(shù)工具22的姿態(tài)。

在操縱器56的操作期間，應(yīng)當(dāng)維持跟蹤器44、46、48與定位器34之間的視線，以確保外科手術(shù)工具22準(zhǔn)確地移動(dòng)到期望的位置和/或朝向。視線被阻擋或阻礙的時(shí)間段可能需要材料去除系統(tǒng)10顯示錯(cuò)誤信息并停止操縱器56的操作，直到視線返回或者導(dǎo)航系統(tǒng)20被復(fù)位為止。這會(huì)造成外科手術(shù)的延誤。這會(huì)顯著增加外科手術(shù)時(shí)間，特別是如果在恢復(fù)視線方面出現(xiàn)困難的話。

如果任何一個(gè)光學(xué)傳感器40都不能接收來(lái)自led50的信號(hào)，那么導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26確定存在錯(cuò)誤，即使另一個(gè)光學(xué)傳感器40仍然可以接收信號(hào)。在其它實(shí)施例中，如果光學(xué)傳感器40中沒(méi)有一個(gè)接收到信號(hào)，那么導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26確定存在錯(cuò)誤。在任一情況下，當(dāng)導(dǎo)航系統(tǒng)20基于一個(gè)或多個(gè)光學(xué)傳感器40不能接收來(lái)自一個(gè)或多個(gè)led50的信號(hào)而確定存在錯(cuò)誤時(shí)，由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26生成錯(cuò)誤信號(hào)。錯(cuò)誤信息然后出現(xiàn)在顯示器28、29上。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26還向跟蹤器控制器發(fā)送錯(cuò)誤信號(hào)。

在一些實(shí)施例中，跟蹤器44可以包括四個(gè)或更多個(gè)跟蹤led50，使得如果來(lái)自led50之一的跟蹤信號(hào)被阻礙，那么仍然可以使用剩余的led50獲得位置和朝向數(shù)據(jù)。在這種情況下，在生成任何錯(cuò)誤信號(hào)之前，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26將首先運(yùn)行完整的跟蹤循環(huán)。完整的跟蹤循環(huán)包括順序激活跟蹤器44上的所有l(wèi)ed50，以確定光學(xué)傳感器40是否在該跟蹤循環(huán)中從至少三個(gè)led50接收到跟蹤信號(hào)。然后，如果光學(xué)傳感器40(或者在一些實(shí)施例中是所有光學(xué)傳感器40)在跟蹤循環(huán)中沒(méi)有從至少三個(gè)led50接收到跟蹤信號(hào)，那么生成錯(cuò)誤信號(hào)，并且顯示錯(cuò)誤消息。在下面進(jìn)一步描述的一些實(shí)施例中，導(dǎo)航系統(tǒng)20減少了視線障礙的可能性，以避免這種錯(cuò)誤消息。

視線障礙阻擋從跟蹤器44、46、48的led50發(fā)送到定位器34的光學(xué)傳感器40的光信號(hào)。通過(guò)跟蹤可能導(dǎo)致這種視線障礙物的物體，并且如果有任何物體存在阻擋或阻礙跟蹤設(shè)備44、46、48中的一個(gè)與定位器34之間的視線的風(fēng)險(xiǎn)就向用戶生成反饋，導(dǎo)航系統(tǒng)20在手術(shù)中(即，在外科手術(shù)過(guò)程中)減少這些視線障礙。

可以造成視線障礙的物體包括在外科手術(shù)期間可能位于定位器34的視場(chǎng)內(nèi)的任何物理物體。這種物理物體的示例包括與跟蹤器44、46、48中的每一個(gè)或其部分相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)。其它物理物體可以包括可以位于定位器34的視場(chǎng)內(nèi)的外科手術(shù)工具22、外科手術(shù)部位的牽開(kāi)器、肢體支架、其它工具、外科手術(shù)人員或者這些當(dāng)中任何一個(gè)的部分。如果未被檢查，那么這些物理物體可能以造成視線障礙的方式移動(dòng)。導(dǎo)航系統(tǒng)20跟蹤這些物理物體中的每一個(gè)的位置和朝向，并且在視線障礙發(fā)生之前向用戶生成反饋，以至少減少并理想地防止視線障礙。

為了跟蹤這些物理物體，對(duì)可能造成視線障礙的每個(gè)物理物體在虛擬空間中建模。這些模型被稱為虛擬物體。虛擬物體是在定位器34的視場(chǎng)內(nèi)被跟蹤的每個(gè)物理物體(諸如跟蹤器44、46、48、外科手術(shù)工具22、牽開(kāi)器、肢體支架、其它工具或外科手術(shù)人員)的定位器坐標(biāo)系lclz中的映射。虛擬物體可以由多邊形表面、樣條或代數(shù)曲面(包括參數(shù)化曲面)表示。在一個(gè)更具體的版本中，這些表面呈現(xiàn)為三角形網(wǎng)格。每個(gè)多邊形的角由定位器坐標(biāo)系lclz中的點(diǎn)定義。定義每個(gè)虛擬物體邊界或網(wǎng)格的一部分的個(gè)體區(qū)域部分被稱為瓦片。虛擬物體也可以使用基于體素的模型或其它建模技術(shù)由3-d體積表示。

參考圖5，為了說(shuō)明的目的，在定位器坐標(biāo)系lclz中示出了與跟蹤器44、46、48和外科手術(shù)工具22的物理結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的虛擬物體44’、46’、48’、22’。要指出的是，為了計(jì)算效率的目的，虛擬物體44’、46’、48’、22’被建模為簡(jiǎn)單形狀。此外，與工具跟蹤器48和外科手術(shù)工具22相關(guān)聯(lián)的工具跟蹤器和工具虛擬物體48’和22’相對(duì)于彼此固定，并且可以替代地被表示為單個(gè)虛擬物體。

可以通過(guò)跟蹤工具跟蹤器48來(lái)跟蹤工具跟蹤器和工具虛擬物體48’和22’。特別地，工具跟蹤器和工具虛擬物體48’和22’的幾何模型被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，并且它們與工具跟蹤器48上的led50的關(guān)系是已知的。骨跟蹤器虛擬物體44’和46’可以通過(guò)跟蹤骨跟蹤器44、46進(jìn)行跟蹤。特別地，骨跟蹤器虛擬物體44’和46’的幾何模型被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，并且它們與骨跟蹤器44、46上的led50的關(guān)系是已知的。其它跟蹤設(shè)備(未示出)可以附連到其它物理物體(諸如位于定位器34的視場(chǎng)中的牽開(kāi)器、肢體支架、其它工具或手術(shù)人員)，以便跟蹤這些其它物理物體。

在外科手術(shù)開(kāi)始之前，跟蹤器44、46、48中的每一個(gè)被放置在定位器34的視場(chǎng)中。顯示器28、29以圖形方式從頂部和側(cè)面視角描繪定位器34的視場(chǎng)，如圖6中所示，以便可視地確認(rèn)跟蹤器44、46、48被放置到定位器34的視場(chǎng)中。視場(chǎng)由光學(xué)傳感器40的空間關(guān)系和用于接收來(lái)自跟蹤器44、46、48的led50的光的光學(xué)傳感器40的范圍定義。然后，導(dǎo)航系統(tǒng)20驗(yàn)證每個(gè)跟蹤器44、46、48在視場(chǎng)中可見(jiàn)。一旦通過(guò)驗(yàn)證，外科手術(shù)就可以開(kāi)始。

參考圖7，虛擬邊界發(fā)生器104(參見(jiàn)圖2)基于跟蹤設(shè)備44、46、48中的每一個(gè)與定位器34之間的視線關(guān)系生成虛擬視線邊界106、108、110。虛擬視線邊界106、108、110描繪物理物體應(yīng)當(dāng)被限制進(jìn)入其中的空間，使得來(lái)自每個(gè)跟蹤設(shè)備44、46、48的led50的光能夠被發(fā)送到定位器34的光學(xué)傳感器40而沒(méi)有障礙或阻擋。

在一些實(shí)施例中，虛擬視線邊界106、108、110是圓柱形、球形或截頭圓錐形，如圖7中所示。其它形狀也是可能的。在其它實(shí)施例中，虛擬視線邊界被表示為線(例如，從每個(gè)led到每個(gè)光學(xué)傳感器40的線)。圖7中所示的虛擬視線邊界106、108、110從在跟蹤設(shè)備44、46、48中的每一個(gè)上圍繞led50定義的第一端112、114、116延伸到圍繞定位器34的光學(xué)傳感器40定義的第二端118。虛擬視線邊界106、108、110尺寸可以過(guò)大，使得物理物體可以稍微地穿透到虛擬視線邊界中，以便檢測(cè)碰撞，如下面進(jìn)一步解釋的，而不會(huì)造成視線障礙。

虛擬邊界發(fā)生器104更新虛擬視線邊界106、108、110，以考慮在外科手術(shù)期間跟蹤設(shè)備44、46、48與定位器34之間的相對(duì)移動(dòng)。每當(dāng)導(dǎo)航系統(tǒng)20對(duì)于跟蹤設(shè)備44、46、48中的每一個(gè)從led50接收到完整信號(hào)集(例如，每個(gè)跟蹤設(shè)備至少三個(gè)信號(hào))時(shí)，更新可以發(fā)生。每當(dāng)為外科手術(shù)工具22確定新命令的位置時(shí)，更新可以發(fā)生。在外科手術(shù)工具22由操縱器56控制的實(shí)施例中，用于確定每個(gè)新命令的位置的時(shí)間幀可以是每0.1至2毫秒。

虛擬邊界發(fā)生器104是在導(dǎo)航處理器52或操縱器控制器54或二者之上運(yùn)行的軟件模塊。虛擬邊界發(fā)生器104生成定義虛擬視線邊界106、108、110的映射(map)。虛擬邊界發(fā)生器104的第一輸入包括定位器坐標(biāo)系lclz中用于每個(gè)跟蹤設(shè)備44、46、48的每個(gè)led50的位置和朝向。從這個(gè)led姿態(tài)數(shù)據(jù)，可以定義第一端112、114、116的位置和朝向。虛擬邊界發(fā)生器104的第二輸入包括定位器坐標(biāo)系lclz中定位器34的每個(gè)光學(xué)傳感器40的位置和朝向。從這個(gè)光學(xué)傳感器姿態(tài)數(shù)據(jù)，可以定義第二端118圍繞光學(xué)傳感器40的位置和朝向?；谏厦娴臄?shù)據(jù)并且通過(guò)指令，虛擬邊界發(fā)生器104生成定義定位器坐標(biāo)系lclz中虛擬視線邊界106、108、110的映射。

在一些實(shí)施例中，虛擬邊界發(fā)生器104將虛擬視線邊界生成為多邊形表面、樣條或代數(shù)表面(包括參數(shù)化表面)。在一個(gè)更具體的版本中，這些表面呈現(xiàn)為三角形網(wǎng)格。每個(gè)多邊形的角由定位器坐標(biāo)系lclz中的點(diǎn)定義。定義每個(gè)虛擬視線邊界或網(wǎng)格的一部分的個(gè)體區(qū)域部分被稱為瓦片(tile)。虛擬視線邊界也可以使用基于體素的模型或其它建模技術(shù)表示為3-d體積。

碰撞檢測(cè)器120(參見(jiàn)圖2)評(píng)估虛擬物體44’、46’、48’、22’相對(duì)于虛擬視線邊界106、108、110的移動(dòng)，以檢測(cè)虛擬物體44’、46’、48’、22’與虛擬視線邊界106、108、110(其也是有效地虛擬物體)之間的碰撞。更具體而言，碰撞檢測(cè)器120檢測(cè)表示虛擬物體44’、46’、48’、22’的幾何模型與表示虛擬視線邊界106、108、110的幾何模型之間的碰撞。碰撞檢測(cè)包括檢測(cè)實(shí)際的虛擬碰撞或在發(fā)生之前預(yù)測(cè)虛擬碰撞。

由碰撞檢測(cè)器120執(zhí)行的跟蹤的目的是為了防止任何物理物體阻礙跟蹤設(shè)備44、46、48的led50與定位器34的光學(xué)傳感器40之間的視線。碰撞檢測(cè)器120的第一輸入是在定位器34的視場(chǎng)中被跟蹤的虛擬物體44’、46’、48’、22’中的每一個(gè)的映射。碰撞檢測(cè)器120的第二輸入是虛擬視線邊界106、108、110中的每一個(gè)的映射。

碰撞檢測(cè)器120是在導(dǎo)航處理器52或操縱器控制器54或兩者之上運(yùn)行的軟件模塊。碰撞檢測(cè)器120可以使用用于檢測(cè)虛擬物體44’、46’、48’、22’與虛擬視線邊界106、108、110之間的碰撞的任何常規(guī)算法。例如，用于找到兩個(gè)參數(shù)化表面的交點(diǎn)的合適的技術(shù)包括細(xì)分方法、點(diǎn)陣方法、追蹤方法和分析方法。對(duì)于基于體素的虛擬物體，可以通過(guò)檢測(cè)任何兩個(gè)體素何時(shí)在定位器坐標(biāo)系lclz中重疊來(lái)執(zhí)行碰撞檢測(cè)，如通過(guò)引入并入本文的美國(guó)專利no.5,548,694中所述。

反饋發(fā)生器122(參見(jiàn)圖2)與碰撞檢測(cè)器120通信，以響應(yīng)對(duì)任何虛擬物體44’、46’、48’、22’與任何虛擬視線邊界106、108、110之間的碰撞的檢測(cè)。反饋生成器122是在導(dǎo)航處理器52或操縱器控制器54或二者之上運(yùn)行的軟件模塊。反饋發(fā)生器122通過(guò)向用戶提供一種或多種形式的反饋(包括可聽(tīng)、可視、振動(dòng)或觸覺(jué)反饋中的一個(gè)或多個(gè))來(lái)響應(yīng)碰撞的檢測(cè)。

在一個(gè)實(shí)施例中，反饋發(fā)生器122以與導(dǎo)航處理器52通信的報(bào)警器124的形式來(lái)使得反饋設(shè)備激活，以響應(yīng)于碰撞而向用戶產(chǎn)生可聽(tīng)的警報(bào)。

參考圖8，反饋發(fā)生器122還可以使顯示器28、29顯示表示碰撞的圖像，使得用戶可以確定如何避免碰撞(在已經(jīng)預(yù)測(cè)到碰撞的情況下)或者反轉(zhuǎn)碰撞(在碰撞已經(jīng)發(fā)生的情況下)。可以通過(guò)示出受影響的虛擬視線邊界106、108或110以及所涉及的物理物體與虛擬視線邊界106、108、110碰撞或?qū)⒁c之相碰撞的圖形表示來(lái)表示碰撞。也可以在顯示器28、29上顯示所涉及的特定跟蹤器44、46或48(即，將要被阻礙的跟蹤器，諸如“股骨追蹤器”)的文本描述。

在一些實(shí)施例中，使用虛擬物體被跟蹤的定位器34的視場(chǎng)中的每個(gè)物理物體可以在顯示器28、29上表示。在這種情況下，可以使用顏色編碼來(lái)圖示碰撞。例如，顏色紅色可以在與虛擬視線邊界106、108或110碰撞的物理物體的部分(通過(guò)其虛擬物體相關(guān)聯(lián))周圍示出。受影響的跟蹤器44、46或48也可以進(jìn)行顏色編碼(可能是相同或不同的顏色)，以便在視覺(jué)上讓用戶立即看到哪個(gè)物理物體將阻礙哪個(gè)跟蹤器視線，并且用戶可以直觀地避免阻礙。此外，箭頭可以在顯示器上以圖形方式描繪，以顯示物理物體應(yīng)當(dāng)移動(dòng)的方向，以避免碰撞或反轉(zhuǎn)碰撞。這些箭頭可以基于由碰撞檢測(cè)器120確定的反饋力的方向生成，如下面進(jìn)一步描述的。

參考圖9，響應(yīng)于檢測(cè)到碰撞，反饋發(fā)生器122還可以使顯示器28、29向用戶顯示消息，包括重新定位患者的特定解剖結(jié)構(gòu)的指令。特定的解剖結(jié)構(gòu)可以包括將要被阻礙的骨跟蹤器44、46附連到的解剖結(jié)構(gòu)。例如，如果發(fā)現(xiàn)表示外科手術(shù)工具22的工具虛擬物體22’和與脛骨t上的骨跟蹤器46相關(guān)聯(lián)的虛擬視線邊界108碰撞，那么導(dǎo)航處理器52可以使顯示器28、29向用戶顯示“移動(dòng)脛骨”的消息。特定消息可以存儲(chǔ)在與可能碰撞的特定場(chǎng)景相關(guān)聯(lián)的消息的查找表中。在這個(gè)示例中，這個(gè)消息位于具有工具虛擬物體22’已與虛擬視線邊界108碰撞的場(chǎng)景的查找表中。基于定義為了避免或反轉(zhuǎn)碰撞而采取的方向的避免或排斥向量，更詳細(xì)的指令也是有可能的。指令可以是“移動(dòng)脛骨”，具有如圖9中所示在顯示器28、29上進(jìn)一步顯示或閃爍的箭頭a，其中箭頭a處于避免或排斥向量的方向。

反饋發(fā)生器122還可以使顯示器28、29響應(yīng)于檢測(cè)到碰撞而向用戶顯示消息，包括重新定位定位器34的指令。例如，如果發(fā)現(xiàn)表示外科手術(shù)工具22的工具虛擬物體22’和與脛骨t上的骨跟蹤器46相關(guān)聯(lián)的虛擬視線邊界108相撞，那么導(dǎo)航處理器52可以使顯示器28、29向用戶顯示“移動(dòng)相機(jī)單元”的消息。特定消息可以存儲(chǔ)在與可能碰撞的特定場(chǎng)景相關(guān)聯(lián)的消息的查找表中。在這個(gè)示例中，這個(gè)消息位于具有工具虛擬物體22’已與虛擬視線邊界108碰撞的場(chǎng)景的查找表中。

反饋發(fā)生器122還可以使顯示器28、29響應(yīng)于檢測(cè)到碰撞而向用戶顯示消息，包括重新定位操縱器56的指令。例如，如果發(fā)現(xiàn)表示外科手術(shù)工具22的工具虛擬物體22’和與脛骨t上的骨跟蹤器46相關(guān)聯(lián)的虛擬視線邊界108已經(jīng)碰撞，那么導(dǎo)航處理器52可以使顯示器28、29向用戶顯示“移動(dòng)操縱器”的消息。特定消息可以存儲(chǔ)在與可能碰撞的特定場(chǎng)景相關(guān)聯(lián)的消息的查找表中。在這個(gè)示例中，這個(gè)消息位于具有工具虛擬物體22’已與虛擬視線邊界108碰撞的場(chǎng)景的查找表中?？梢允褂眠@種反饋的一個(gè)原因是在外科手術(shù)工具22或脛骨t不能以其它方式被操縱以避免碰撞的情況下。此外，操縱器56具有有限的運(yùn)動(dòng)范圍，并且如果操縱器56在那個(gè)受限范圍的預(yù)定義閾值內(nèi)，那么可能需要這個(gè)消息以在手術(shù)過(guò)程期間重新獲得附加的運(yùn)動(dòng)范圍以避免碰撞。

此外，反饋發(fā)生器122可以使用戶以與虛擬物體44’、46’、48’、22’相關(guān)聯(lián)的物理物體的振動(dòng)的形式經(jīng)歷振動(dòng)反饋，其中虛擬物體44’、46’、48’、22’與虛擬視線邊界106、108、110相撞或?qū)⒁c其碰撞。例如，當(dāng)用戶將外科手術(shù)工具22定位在手動(dòng)模式下時(shí)，其中用戶抓住外科手術(shù)工具22的手柄，如果工具虛擬物體22’與虛擬視線邊界106、108、110碰撞或?qū)⒁c之碰撞，那么振動(dòng)設(shè)備126(諸如偏心馬達(dá))可以被致動(dòng)。振動(dòng)設(shè)備126安裝到外科手術(shù)工具22，使得來(lái)自振動(dòng)設(shè)備126的振動(dòng)可以被發(fā)送到手柄。振動(dòng)反饋向用戶指示預(yù)期位會(huì)造成視線障礙，由此允許用戶停止進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)并防止視線障礙。然后，用戶可以確定將避免視線障礙的替代路線。

在一個(gè)實(shí)施例中，反饋發(fā)生器122通過(guò)利用避免或排斥碰撞的反饋力來(lái)響應(yīng)于碰撞而向用戶提供觸覺(jué)反饋。反饋力由碰撞檢測(cè)器120確定。反饋力可以具有這樣的力和/或扭矩分量，該力和/或扭矩分量包括多達(dá)沿x、y和z軸的力的三個(gè)分量以及圍繞這些軸的三個(gè)扭矩分量。

在一個(gè)示例中，當(dāng)操縱器56在手動(dòng)模式下操作時(shí)，反饋發(fā)生器122通過(guò)外科手術(shù)工具22向用戶提供觸覺(jué)反饋。這防止操縱器56將與外科手術(shù)工具22相關(guān)聯(lián)的工具虛擬物體22’定位到與骨跟蹤器44、46相關(guān)聯(lián)的虛擬視線邊界106、108中，由此避免任何視線障礙。在一個(gè)實(shí)施例中，碰撞檢測(cè)器120通過(guò)預(yù)測(cè)如果操縱器56將外科手術(shù)工具22移動(dòng)到命令的姿態(tài)是否將會(huì)發(fā)生虛擬碰撞但在操縱器控制器54實(shí)際將外科手術(shù)工具22移動(dòng)到所命令的姿態(tài)之前來(lái)檢測(cè)碰撞。如果預(yù)測(cè)到虛擬碰撞，那么控制操縱器56以將外科手術(shù)工具22移動(dòng)到更改的命令的姿態(tài)，以避免碰撞。

在一些實(shí)施例中，操縱器56是無(wú)源操縱器。在這種情況下，觸覺(jué)反饋在發(fā)生虛擬碰撞之后向用戶提供反饋，以防止虛擬物體44’、46’、48’、22’的任何進(jìn)一步穿透到受影響的虛擬視線邊界106、108、110或來(lái)反轉(zhuǎn)碰撞。因此，碰撞檢測(cè)可以響應(yīng)于實(shí)際的虛擬碰撞或預(yù)測(cè)的虛擬碰撞。因此，反饋發(fā)生器122確保外科手術(shù)工具22的手動(dòng)模式定位被控制，使得工具虛擬物體22’停留在虛擬視線邊界106、108之外或僅穿透到虛擬視線邊界106、108中防止手術(shù)工具22造成骨跟蹤器44、46與定位器34之間的視線障礙的程度。

當(dāng)虛擬視線邊界106、108由諸如網(wǎng)格的多邊形表面表示時(shí)，碰撞檢測(cè)器120識(shí)別工具虛擬物體22’可能在時(shí)間幀內(nèi)跨過(guò)的任何邊界定義瓦片。這個(gè)步驟常常被描述為寬階段搜索。這個(gè)步驟通過(guò)識(shí)別在工具虛擬物體22’的既定距離(d)內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)瓦片集合來(lái)執(zhí)行。這個(gè)既定的距離(d)是根據(jù)以下：工具虛擬物體22’的維度；工具虛擬物體22’相對(duì)于瓦片的速度(過(guò)去幀中的前進(jìn)速度是可接受的)；幀的時(shí)間段；定義邊界定義部分的特征尺寸的標(biāo)量；以及四舍五入因子。

作為執(zhí)行寬階段搜索的結(jié)果，碰撞檢測(cè)器120可以確定，在正在執(zhí)行這種分析的幀中，所有的瓦片都在既定的距離(d)之外。這意味著，在執(zhí)行這種分析的幀的末尾，工具虛擬物體22’將不會(huì)前進(jìn)到超出虛擬視線邊界106、108中任何一個(gè)的位置。這由圖10來(lái)圖示，其中工具虛擬物體22’遠(yuǎn)離虛擬視線邊界106而隔開(kāi)。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到的是，可以針對(duì)定義工具虛擬物體22’的點(diǎn)集合(諸如定義工具虛擬物體22’的外表面的點(diǎn)128a-128g)進(jìn)行這種分析，其中分析每個(gè)點(diǎn)，以檢測(cè)那個(gè)特定的點(diǎn)是否將跨過(guò)虛擬視線邊界106。

由于外科手術(shù)工具22的持續(xù)前進(jìn)不會(huì)造成任何視線障礙，因此碰撞檢測(cè)器120不改變最初由操縱器控制器54命令的外科手術(shù)工具22的命令的姿態(tài)或命令的速度。因此，碰撞檢測(cè)器120輸出與最初由操縱器控制器54確定的相同的、用于外科手術(shù)工具22的最終命令的姿態(tài)和最終命令的速度。

碰撞檢測(cè)器120可以替代地識(shí)別位于工具虛擬物體22’或點(diǎn)128a-128g的既定距離(d)內(nèi)的邊界定義瓦片的寬集合。碰撞檢測(cè)器120然后識(shí)別寬瓦片集合中工具虛擬物體22’或工具虛擬物體22’上的任何點(diǎn)128a-128g可以跨過(guò)的邊界定義瓦片的窄集合。這個(gè)步驟被稱為窄階段搜索?？梢酝ㄟ^(guò)初始定義邊界體積來(lái)執(zhí)行該窄階段搜索。這種設(shè)界體積在被認(rèn)為是工具虛擬物體22’的初始和最終姿態(tài)之間延伸。如果這是第一次執(zhí)行，那么工具虛擬物體22’的初始姿態(tài)基于外科手術(shù)工具22的先前命令的姿態(tài)；工具虛擬物體22’的最終姿態(tài)基于外科手術(shù)工具22的當(dāng)前命令的姿態(tài)，即，如果碰撞檢測(cè)器120沒(méi)有檢測(cè)到任何碰撞那么在這個(gè)幀內(nèi)由操縱器控制器54生成的、外科手術(shù)工具22應(yīng)當(dāng)移動(dòng)到的姿態(tài)。

以其最基本的形式，邊界體積可以是從處于初始姿態(tài)的點(diǎn)128a-128g延伸到處于最終姿態(tài)的點(diǎn)128a-128g的線。一旦作為窄階段搜索的一部分定義了設(shè)界體積，碰撞檢測(cè)器120就確定寬瓦片集合中的哪一個(gè)(如果有的話)與這個(gè)設(shè)界體相交。與設(shè)界體積相交的瓦片是窄集合瓦片。

可以確定的是，寬瓦片集合沒(méi)有一個(gè)與設(shè)界體積相交；窄集合是空集。如果這種評(píng)估測(cè)試為真，那么碰撞檢測(cè)器120將這個(gè)條件解釋為指示工具虛擬物體22’的最終姿態(tài)位于由虛擬視線邊界106、108定義的體積之外。如果工具虛擬物體22’如此定位，那么原來(lái)命令的姿態(tài)和命令的速度不被碰撞檢測(cè)器120更改，并且由碰撞檢測(cè)器120作為最終命令的姿態(tài)和最終命令的速度輸出。

可替代地，可以確定的是，設(shè)界體積跨過(guò)一個(gè)或多個(gè)瓦片；窄集合包含一個(gè)或多個(gè)瓦片。如果是這樣，那么碰撞檢測(cè)器120將這個(gè)條件解釋為指示工具虛擬物體22’的最終姿態(tài)正在穿過(guò)邊界。這個(gè)條件由圖10圖示。在這里，工具虛擬物體22’的初始姿態(tài)由實(shí)線表示，最終姿態(tài)由假想線表示。

如果入侵虛擬視線邊界106、108的條件存在，那么下一步驟是確定工具虛擬物體22’(以及延伸開(kāi)來(lái)還有外科手術(shù)工具22)的窄瓦片集合中的哪一個(gè)會(huì)首先跨過(guò)。如果設(shè)界體積包括線，那么對(duì)于每個(gè)瓦片，并且對(duì)于每條線，碰撞檢測(cè)器120確定外科手術(shù)工具虛擬物體22’在跨過(guò)瓦片之前將在該幀期間前進(jìn)的距離的百分比(參見(jiàn)圖10中百分之七十的注釋)。以最低百分比的距離被跨過(guò)的瓦片是被理解為首先被越過(guò)的瓦片。

定義最接近工具虛擬物體22’的瓦片的邊界可以不是工具虛擬物體22’可能跨過(guò)的瓦片。如圖10中所示，最初確定虛擬視線邊界106的瓦片t1-t5在既定的距離(d)內(nèi)，距離d是工具虛擬物體22’可能在時(shí)間幀內(nèi)可能移動(dòng)的距離。與工具虛擬物體22’最接近的瓦片是瓦片t4。但是，工具虛擬物體22’沿著軌跡移動(dòng)，為了說(shuō)明的目的，該軌跡朝向瓦片t3向下和向左。因此，碰撞檢測(cè)器120確定瓦片t3是設(shè)界體積將相交的瓦片。

一旦碰撞檢測(cè)器120一般而言確定如果操縱器控制器54將外科手術(shù)工具22移動(dòng)到最初命令的姿態(tài)那么工具虛擬物體22’將跨過(guò)哪個(gè)邊界定義瓦片，碰撞檢測(cè)器120就確定時(shí)間(t)和點(diǎn)p。時(shí)間(t)是當(dāng)工具虛擬物體22’將跨過(guò)虛擬視線邊界106時(shí)相對(duì)于幀的開(kāi)始的時(shí)段。這個(gè)時(shí)間(t)是基于在接觸虛擬視線邊界106之前工具虛擬物體22’將在該幀內(nèi)前進(jìn)的距離的百分比，在這種情況下，是距離的百分之七十，如圖10中所示。這種確定是基于假設(shè)在任何給定的幀期間外科手術(shù)工具22的速度以及因此工具虛擬物體22’的速度是恒定的來(lái)進(jìn)行的。點(diǎn)p是定位器坐標(biāo)系lclz中工具虛擬物體22’將跨過(guò)瓦片的點(diǎn)。這個(gè)點(diǎn)p是通過(guò)計(jì)算工具虛擬物體22’的前進(jìn)路徑在哪里跨過(guò)瓦片來(lái)確定的。兩個(gè)計(jì)算都使用首先跨過(guò)瓦片的特定點(diǎn)128a-128g的初始和最終姿態(tài)以及定義邊界瓦片的周長(zhǎng)的數(shù)據(jù)作為輸入變量。

在一些實(shí)施例中，在這種情況下，由碰撞檢測(cè)器120將原始命令的姿態(tài)更改為在與虛擬視線邊界106接觸之前外科手術(shù)工具22到達(dá)的位置和朝向，例如在距離/時(shí)間的百分之七十達(dá)到的位置和朝向。通過(guò)抓住外科手術(shù)工具22以期移動(dòng)外科手術(shù)工具22整個(gè)百分之百的運(yùn)動(dòng)，用戶將經(jīng)歷觸覺(jué)反饋，類似于當(dāng)運(yùn)動(dòng)停在百分之七十時(shí)遇到物理壁，即，僅更改位置和朝向。因此，外科手術(shù)工具22附連到的操縱器56被認(rèn)為是將觸覺(jué)反饋發(fā)送到用戶的觸覺(jué)設(shè)備。

在另一個(gè)實(shí)施例中，反饋發(fā)生器122確定要施加到外科手術(shù)工具22(被建模為虛擬剛體)的反饋力，以停止外科手術(shù)工具22超出虛擬視線邊界的不期望的進(jìn)展。反饋發(fā)生器122將反饋力確定為施加到外科手術(shù)工具22的邊界約束力。更具體而言，反饋發(fā)生器確定標(biāo)量反饋力fbndr，如果該力在時(shí)間(t)施加到外科手術(shù)工具22，那么該力將在垂直于虛擬視線邊界106并朝向其的方向上停止外科手術(shù)工具22的前進(jìn)。反饋發(fā)生器122可以使用多種不同方法中的任何一種來(lái)確定力fbndr的量值。例如，如標(biāo)題為“surgicalmanipulatorabletocontrollingasurgicalinstrumentinmultiplemodes”的美國(guó)專利no.9,119,655中所述，可以使用脈沖方法，該專利的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。

然后計(jì)算最終命令的姿態(tài)和命令的速度，以考慮力fbndr。與僅僅將外科手術(shù)工具22的運(yùn)動(dòng)停止在百分之七十以防止接觸虛擬視線邊界106相反，這種方法僅僅通過(guò)脈沖力停止與虛擬視線邊界106垂直的運(yùn)動(dòng)分量。因此，與突然停止相反，沿著虛擬視線邊界106的運(yùn)動(dòng)可以繼續(xù)整個(gè)時(shí)間幀，以向用戶提供更自然的觸覺(jué)反饋。

最終，來(lái)自碰撞檢測(cè)器120的最終命令的姿態(tài)被應(yīng)用于操縱器控制器54的反向運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊(未示出)。反向運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊是由操縱器控制器54執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)控制模塊?；诿畹淖藨B(tài)和預(yù)加載的數(shù)據(jù)，反向運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊確定操縱器56的接頭的期望接頭角度。預(yù)加載的數(shù)據(jù)是定義連桿58和接頭的幾何形狀的數(shù)據(jù)。在一些版本中，這些數(shù)據(jù)是denavit-hartenberg參數(shù)的形式。

如前面所討論的，在外科手術(shù)開(kāi)始之前，跟蹤器44、46、48中的每一個(gè)被放置到定位器34的視場(chǎng)內(nèi)。操作以減少視線障礙的導(dǎo)航系統(tǒng)20也操作以將跟蹤器44、46、48維持在視場(chǎng)內(nèi)。特別地，導(dǎo)航系統(tǒng)20操作，通過(guò)在外科手術(shù)期間跟蹤跟蹤器44、46、48的移動(dòng)并且如果跟蹤器44、46、48中的任何一個(gè)引起移動(dòng)到定位器34的視場(chǎng)之外的風(fēng)險(xiǎn)的話就向用戶生成反饋，以在外科手術(shù)時(shí)(即，在外科手術(shù)過(guò)程中)維持在視場(chǎng)內(nèi)。

定位器34的視場(chǎng)在圖6中從頂視圖和側(cè)視圖示出。虛擬邊界發(fā)生器104還基于定位器34的視場(chǎng)生成虛擬視場(chǎng)邊界113。虛擬視場(chǎng)邊界113描繪了其中可以由定位器34接收來(lái)自跟蹤器44、46、48的信號(hào)以便確定跟蹤器44、46、48的位置和/或方向的空間體積。換句話說(shuō)，可以由定位器34的每個(gè)光學(xué)傳感器40接收來(lái)自每個(gè)跟蹤器44、46、48的至少三個(gè)led50的信號(hào)。

在一些實(shí)施例中，虛擬視場(chǎng)邊界113的形狀為截頭圓錐形，如圖7中所示。在其它實(shí)施例中，虛擬視場(chǎng)邊界113的形狀為圓柱形或球形。其它形狀也是可能的。圖7中所示的虛擬視場(chǎng)邊界113從定位器34向遠(yuǎn)端向外偏離地延伸?？梢允固摂M視場(chǎng)邊界113尺寸過(guò)大，使得表示跟蹤器44、46、48的虛擬物體44’、46’、48’可以稍微穿透到虛擬視場(chǎng)邊界113中，以便檢測(cè)碰撞，如下面進(jìn)一步解釋的，而不移動(dòng)超出定位器34的實(shí)際視場(chǎng)。

虛擬視場(chǎng)邊界113意在在外科手術(shù)期間保持靜止，但是如果定位器34在外科手術(shù)過(guò)程中移動(dòng)就可能需要調(diào)節(jié)。在這種情況下，虛擬邊界發(fā)生器104更新虛擬視場(chǎng)邊界113，以在外科手術(shù)過(guò)程中考慮這種移動(dòng)。

虛擬邊界發(fā)生器104生成定義虛擬視場(chǎng)邊界113的映射。虛擬邊界發(fā)生器104的輸入包括定位器坐標(biāo)系lclz中定位器34的位置和朝向，即，光學(xué)位置傳感器40在定位器坐標(biāo)系lclz中的位置/布置，這是在制造期間建立的(例如，由cmm測(cè)量)并存儲(chǔ)在相機(jī)單元36或?qū)Ш接?jì)算機(jī)26中的存儲(chǔ)器中。從這種定位器姿態(tài)數(shù)據(jù)，可以確立虛擬視場(chǎng)邊界113的位置和朝向。虛擬視場(chǎng)邊界113也可以在制造過(guò)程中確立并存儲(chǔ)在相機(jī)單元36或?qū)Ш接?jì)算機(jī)26的存儲(chǔ)器中。虛擬視場(chǎng)邊界113的尺寸和形狀在外科手術(shù)之前預(yù)先確定并且相對(duì)于定位器34的位置是固定的。與虛擬視場(chǎng)邊界113的尺寸和形狀相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在相機(jī)單元36和/或?qū)Ш接?jì)算機(jī)26上的存儲(chǔ)器中，以便由導(dǎo)航處理器52檢索?；谏鲜鰯?shù)據(jù)并通過(guò)指令，虛擬邊界發(fā)生器104生成在定位器坐標(biāo)系lclz中定義虛擬視場(chǎng)邊界113的映射。

在一些實(shí)施例中，虛擬邊界發(fā)生器104將虛擬視場(chǎng)邊界113生成為多邊形表面、樣條或代數(shù)表面(包括參數(shù)化表面)。在一個(gè)更具體的版本中，表面被呈現(xiàn)為三角形網(wǎng)格。每個(gè)多邊形的角由定位器坐標(biāo)系lclz中的點(diǎn)定義。定義網(wǎng)格的一部分的個(gè)體區(qū)域部分被稱為瓦片。虛擬視場(chǎng)邊界113也可以使用基于體素的模型表示為3-d體積。

碰撞檢測(cè)器120評(píng)估骨跟蹤器和工具跟蹤器虛擬物體44’、46’、48’相對(duì)于虛擬視場(chǎng)邊界113的移動(dòng)，以檢測(cè)虛擬物體44’、46’、48’與虛擬視場(chǎng)邊界113(其實(shí)際上也是虛擬物體)之間的碰撞。更具體而言，碰撞檢測(cè)器120檢測(cè)表示虛擬物體44’、46’、48’的幾何模型與表示虛擬視場(chǎng)邊界113的幾何模型之間的碰撞。碰撞檢測(cè)包括檢測(cè)實(shí)際的虛擬碰撞或在其發(fā)生之前預(yù)測(cè)虛擬碰撞。

由碰撞檢測(cè)器120執(zhí)行的跟蹤的目的是防止跟蹤器44、46、48移動(dòng)到定位器34的視場(chǎng)之外。碰撞檢測(cè)器120的第一輸入是在定位器34的視場(chǎng)中被跟蹤的虛擬物體44’、46’、48’中的每一個(gè)的映射。碰撞檢測(cè)器120的第二輸入是虛擬視場(chǎng)邊界113的映射。

碰撞檢測(cè)器120可以使用用于檢測(cè)虛擬物體44’、46’、48’與虛擬視場(chǎng)邊界113之間的碰撞的任何常規(guī)算法。例如，用于找到兩個(gè)參數(shù)化表面的交點(diǎn)的合適技術(shù)包括細(xì)分方法、網(wǎng)格方法、追蹤方法和分析方法。對(duì)于基于體素的虛擬物體，可以通過(guò)檢測(cè)任何兩個(gè)體素何時(shí)在定位器坐標(biāo)系lclz中重疊來(lái)執(zhí)行碰撞檢測(cè)，如通過(guò)引用并入本文的美國(guó)專利no.5,548,694中所述。

反饋發(fā)生器122響應(yīng)于任何虛擬物體44’、46’、48’與虛擬視場(chǎng)邊界113之間的碰撞的檢測(cè)。通過(guò)向用戶提供一種或多種形式的反饋(包括可聽(tīng)、可視、振動(dòng)或觸覺(jué)反饋中的一個(gè)或多個(gè))，反饋發(fā)生器122響應(yīng)于碰撞的檢測(cè)。

在一個(gè)實(shí)施例中，響應(yīng)于碰撞，反饋發(fā)生器122造成報(bào)警器124的激活，以向用戶產(chǎn)生可聽(tīng)警報(bào)。

反饋發(fā)生器122還可以使顯示器28、29顯示表示碰撞的圖像，使得用戶可以確定如何避免碰撞(在已經(jīng)預(yù)測(cè)出碰撞的情況下)或反轉(zhuǎn)碰撞(在碰撞已經(jīng)發(fā)生的情況)?？梢酝ㄟ^(guò)示出所涉及的跟蹤器在哪里與虛擬視場(chǎng)邊界113碰撞或?qū)⑴c之碰撞的圖形表示來(lái)表示碰撞。所涉及的特定跟蹤器44、46或48(諸如“股骨跟蹤器”)的文本描述也可以顯示在顯示器28、29上。

在一些實(shí)施例中，使用虛擬物體被跟蹤的定位器34的視場(chǎng)中的每個(gè)跟蹤器44、46、48可以在顯示器28、29上表示。在這種情況下，碰撞可以使用顏色編碼示出。例如，受影響的跟蹤器44、46或48可以進(jìn)行顏色編碼，使得在視覺(jué)上用戶立即看到哪個(gè)跟蹤器將移動(dòng)到視場(chǎng)之外，并且用戶可以直觀地避免這種移動(dòng)。此外，箭頭可以在顯示器上以圖形方式描繪，以示出跟蹤器為了停留在視場(chǎng)內(nèi)而應(yīng)當(dāng)被移動(dòng)的方向。這些箭頭可以基于由碰撞檢測(cè)器120以前面描述的方式確定的反饋力的方向來(lái)生成。

參考圖11，反饋發(fā)生器122還可以使顯示器28、29響應(yīng)于檢測(cè)到碰撞而向用戶顯示消息，包括重新定位患者的特定解剖結(jié)構(gòu)的指令。特定解剖結(jié)構(gòu)可以包括即將移動(dòng)到視場(chǎng)之外的骨跟蹤器44、46附連到的解剖結(jié)構(gòu)。例如，如果脛骨t上的骨跟蹤器46即將移動(dòng)到定位器34的視場(chǎng)之外，那么導(dǎo)航處理器52可以使顯示器28、29向用戶顯示“移動(dòng)脛骨”的消息。特定消息可以存儲(chǔ)在與可能碰撞的特定場(chǎng)景相關(guān)聯(lián)的消息的查找表中。在這個(gè)示例中，這個(gè)消息位于具有骨跟蹤器虛擬物體46’已與虛擬視場(chǎng)邊界113碰撞的場(chǎng)景的查找表中?；诙x為了避免或反轉(zhuǎn)碰撞而采取的方向的回避或排斥向量，更詳細(xì)的指令也是可能的。指令可以是具有箭頭b的“移動(dòng)脛骨”，箭頭b在顯示器28、29上進(jìn)一步顯示或閃爍，其中箭頭b處于避免或排斥向量的方向。

反饋發(fā)生器122還可以使顯示器28、29響應(yīng)于檢測(cè)到碰撞而向用戶顯示消息，包括重新定位定位器34的指令。例如，如果發(fā)現(xiàn)骨跟蹤器或工具跟蹤器虛擬物體44’、46’、48’中的一個(gè)已經(jīng)與虛擬視場(chǎng)邊界113碰撞，那么導(dǎo)航處理器52可以使顯示器28、29向用戶顯示“移動(dòng)相機(jī)單元”的消息。特定消息可以存儲(chǔ)在與可能的碰撞的特定場(chǎng)景相關(guān)聯(lián)的消息的查找表中。在這個(gè)示例中，這個(gè)消息位于具有骨跟蹤器或工具跟蹤器虛擬物體44’、46’、48’中的一個(gè)已經(jīng)與虛擬視場(chǎng)邊界113碰撞的場(chǎng)景的查找表中。

反饋發(fā)生器122還可以使顯示器28、29響應(yīng)于檢測(cè)到碰撞而向用戶顯示消息，包括重新定位操縱器56的指令。例如，如果發(fā)現(xiàn)工具跟蹤器虛擬物體48’已經(jīng)與虛擬視場(chǎng)邊界113碰撞，那么導(dǎo)航處理器52可以使顯示器28、29向用戶顯示“移動(dòng)操縱器”的消息。特定消息可以存儲(chǔ)在與可能碰撞的特定場(chǎng)景相關(guān)聯(lián)的消息的查找表中。在這個(gè)示例中，這個(gè)消息位于具有工具跟蹤器虛擬物體48’與虛擬視場(chǎng)邊界113已經(jīng)碰撞的場(chǎng)景的查找表中?？梢允褂眠@種反饋的一個(gè)原因是在外科手術(shù)工具22不能以其它方式被操縱以避免碰撞的情況下。此外，操縱器56具有受限的運(yùn)動(dòng)范圍并且，如果操縱器56在那個(gè)受限范圍的預(yù)定義閾值內(nèi)，那么可能需要這個(gè)消息以在外科手術(shù)過(guò)程期間重新獲得附加的運(yùn)動(dòng)范圍以避免碰撞。

此外，反饋發(fā)生器122可以使用戶以振動(dòng)的形式經(jīng)歷振動(dòng)反饋。例如，當(dāng)用戶將外科手術(shù)工具22定位在手動(dòng)模式下時(shí)，其中用戶正在抓握外科手術(shù)工具22的手柄，如果工具跟蹤器虛擬物體48’與虛擬視場(chǎng)邊界113碰撞或?qū)⒁c之碰撞，那么振動(dòng)設(shè)備126可以被致動(dòng)。振動(dòng)反饋向用戶指示工具跟蹤器48可能接近移動(dòng)到定位器34的視場(chǎng)之外，由此允許用戶停止進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)并防止工具跟蹤器48行進(jìn)到視場(chǎng)之外。然后用戶可以確定替代路線。

在一個(gè)實(shí)施例中，反饋發(fā)生器122通過(guò)利用避免或排斥碰撞的反饋力響應(yīng)于碰撞而向用戶提供觸覺(jué)反饋。反饋力由碰撞檢測(cè)器120確定。反饋力可以具有這樣的力和/或扭矩分量，該力和/或扭矩分量包括多達(dá)沿x、y和z軸的力的三個(gè)分量以及圍繞這些軸的三個(gè)扭矩分量。

在一個(gè)示例中，當(dāng)操縱器56在手動(dòng)模式下操作時(shí)，反饋發(fā)生器122通過(guò)外科手術(shù)工具22向用戶提供觸覺(jué)反饋。這防止操縱器56將工具跟蹤器虛擬物體48’定位到虛擬視場(chǎng)邊界113中，由此避免工具跟蹤器48移動(dòng)到視場(chǎng)之外。在一個(gè)實(shí)施例中，碰撞檢測(cè)器120通過(guò)預(yù)測(cè)如果操縱器56將外科手術(shù)工具22移動(dòng)到命令的姿態(tài)是否將會(huì)發(fā)生虛擬碰撞但在操縱器控制器54實(shí)際將外科手術(shù)工具22移動(dòng)到所命令的姿態(tài)之前來(lái)檢測(cè)碰撞。如果預(yù)測(cè)到虛擬碰撞，那么控制操縱器56以將外科手術(shù)工具22移動(dòng)到更改的命令的姿態(tài)，以避免碰撞。

在一些實(shí)施例中，操縱器56是無(wú)源操縱器。在這種情況下，觸覺(jué)反饋在發(fā)生虛擬碰撞之后向用戶提供反饋，以防止工具跟蹤器虛擬物體48’任何進(jìn)一步穿透到虛擬視場(chǎng)邊界113中，或來(lái)反轉(zhuǎn)碰撞。因此，碰撞檢測(cè)可以響應(yīng)于實(shí)際的虛擬碰撞或預(yù)測(cè)的虛擬碰撞。因此，反饋發(fā)生器122確保外科手術(shù)工具22的手動(dòng)模式定位被控制，使得工具跟蹤器虛擬物體48’停留在虛擬視場(chǎng)邊界113內(nèi)或僅穿透到虛擬視場(chǎng)邊界113中防止工具跟蹤器48移動(dòng)到定位器34的視場(chǎng)之外的程度。

當(dāng)虛擬視場(chǎng)邊界113由諸如網(wǎng)格的多邊形表面表示時(shí)，碰撞檢測(cè)器120可以以與上面關(guān)于工具虛擬物體22’和圖10所述相同的方式來(lái)檢測(cè)碰撞。

反饋發(fā)生器122還可以以與上述相同的方式確定要施加到外科手術(shù)工具22的反饋力，以停止工具跟蹤器48超過(guò)虛擬視場(chǎng)邊界113的的不想要的進(jìn)展。在這種情況下，工具跟蹤器虛擬邊界48’相對(duì)于工具虛擬邊界22’固定。因此，如前所述，通過(guò)控制外科手術(shù)工具22及其虛擬邊界22’的移動(dòng)來(lái)控制工具跟蹤器虛擬邊界48’的移動(dòng)。

在外科手術(shù)過(guò)程中材料去除系統(tǒng)10的操作期間，導(dǎo)航系統(tǒng)20持續(xù)地跟蹤虛擬物體44’、46’、48’、22’中的每一個(gè)的位置和朝向，以便確定是否有與這些虛擬物體44’、46’、48’、22’相關(guān)聯(lián)的任何物理物體具有構(gòu)成跟蹤器44、46、48之一與定位器34之間的視線障礙的風(fēng)險(xiǎn)。導(dǎo)航系統(tǒng)20還為了確定與這些虛擬物體44’、46’、48’相關(guān)聯(lián)的跟蹤器44、46、48中的任何一個(gè)是否構(gòu)成移動(dòng)到定位器34的視場(chǎng)之外的風(fēng)險(xiǎn)而持續(xù)地跟蹤虛擬物體44’、46’、48’中的每一個(gè)的位置和朝向。目的是減少跟蹤中斷，使得操縱器56的操作可以繼續(xù)，而不會(huì)有由于丟失視線或移動(dòng)到視場(chǎng)之外而造成的不必要的延遲。下面概述一個(gè)示例性方法。

參考圖12的流程圖，在步驟200中，導(dǎo)航系統(tǒng)20首先在定位器34的視場(chǎng)內(nèi)檢測(cè)每個(gè)跟蹤設(shè)備44、46、48。一旦跟蹤設(shè)備44、46、48被檢測(cè)到，在步驟202中，虛擬邊界發(fā)生器104就基于跟蹤設(shè)備44、46、48與定位器之間的視線關(guān)系生成虛擬視線邊界106、108、110。虛擬邊界發(fā)生器104還基于定位器34的視場(chǎng)來(lái)生成虛擬視場(chǎng)邊界113。

一旦生成了初始虛擬邊界106、108、110、113，外科手術(shù)就在步驟204開(kāi)始。

在步驟206中，更新虛擬視線邊界106、108、110，以在外科手術(shù)期間考慮跟蹤器44、46、48與定位器34之間的相對(duì)移動(dòng)。

虛擬物體44’、46’、48’、22’在手術(shù)之前與在定位器34的視場(chǎng)中被跟蹤的物理物體相關(guān)聯(lián)。這些是構(gòu)成產(chǎn)生視線障礙的威脅的物理物體。此外，骨跟蹤器和工具跟蹤器虛擬物體44’、46’、48’與要保持在定位器34的視場(chǎng)中的跟蹤器44、46、48相關(guān)聯(lián)。

創(chuàng)建虛擬物體44’、46’、48’、22’，然后將其存儲(chǔ)在導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26或操縱器控制器54或兩者當(dāng)中的存儲(chǔ)器中，其參數(shù)相對(duì)于它們相關(guān)聯(lián)的跟蹤器44、46、48的特定坐標(biāo)系定義。例如，表示附連到股骨f的骨跟蹤器44的結(jié)構(gòu)的骨跟蹤器虛擬物體44’在手術(shù)之前被創(chuàng)建并映射到骨跟蹤器坐標(biāo)系btrk1，使得定位器34能夠通過(guò)跟蹤骨跟蹤器44來(lái)跟蹤骨跟蹤器虛擬物體44’，然后將定義骨跟蹤器虛擬物體44’的參數(shù)變換到定位器坐標(biāo)系lclz。

在步驟208中，碰撞檢測(cè)器120評(píng)估虛擬物體44’、46’、48’、22’與虛擬邊界106、108、110、113之間的相對(duì)移動(dòng)。評(píng)估虛擬物體44’、46’、48’、22’的移動(dòng)可以包括跟蹤每個(gè)虛擬物體44’、46’、48’、22’相對(duì)于虛擬邊界106、108、110、113的位置和朝向的位置和朝向，以促進(jìn)檢測(cè)虛擬物體44’、46’、48’、22’與虛擬邊界106、108、110、113之間的碰撞。

決定框210確定碰撞檢測(cè)器120是否檢測(cè)到虛擬物體44’、46’、48’、22’中的一個(gè)或多個(gè)與虛擬邊界106、108、110、113中的一個(gè)或多個(gè)之間的碰撞(或者實(shí)際的虛擬碰撞或者預(yù)測(cè)的虛擬碰撞)。如果沒(méi)有檢測(cè)到碰撞，那么該過(guò)程流向決定框214，以確定外科手術(shù)是否完成。如果外科手術(shù)尚未完成，那么過(guò)程循環(huán)回到步驟206，并且虛擬視線邊界106、108、110的位置和/或朝向被更新(并且，如果定位器34已經(jīng)移動(dòng)，那么虛擬視場(chǎng)邊界113被更新)。如果外科手術(shù)完成，那么碰撞檢測(cè)結(jié)束。

返回到?jīng)Q定框210，如果檢測(cè)到碰撞，那么在步驟212中生成反饋。反饋是以可聽(tīng)反饋、可視反饋、振動(dòng)反饋或觸覺(jué)反饋中的一個(gè)或多個(gè)的形式，如前所述。特別地，反饋發(fā)生器122指示導(dǎo)航處理器52或操縱器控制器54激活報(bào)警器124，操縱顯示器28、29，激活振動(dòng)裝置126，和/或通過(guò)操縱器56生成觸覺(jué)反饋。

一旦生成了反饋，導(dǎo)航處理器52或操縱器控制器54就在決定框214中確定外科手術(shù)是否完成。如果是，那么該過(guò)程結(jié)束。如果不是，那么該過(guò)程再次循環(huán)到步驟206，以重復(fù)直到外科手術(shù)完成。在步驟206中的虛擬視線邊界106、108、110的后續(xù)更新之間的過(guò)程循環(huán)可以在其中為操縱器56生成命令的位置的每個(gè)時(shí)間幀或者在每次定位器34檢測(cè)到跟蹤器44、46、48的新位置和/或朝向時(shí)發(fā)生。

在前面的描述中已經(jīng)討論了若干實(shí)施例。但是，本文中討論的實(shí)施例并不意在是詳盡的或者將本發(fā)明限于任何特定形式。所使用的術(shù)語(yǔ)意在描述性而非限制性的詞語(yǔ)本質(zhì)。鑒于上述教導(dǎo)，許多修改和變化是可能的，并且本發(fā)明可以以與具體描述不同的其它方式實(shí)踐。

示例性條款

條款1-用于減少由在虛擬空間中定義為虛擬物體的物理物體造成的跟蹤中斷的導(dǎo)航系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：定位器，具有視場(chǎng)；跟蹤設(shè)備，用于放置在定位器的視場(chǎng)內(nèi)，使得定位器能夠確立與跟蹤設(shè)備的視線關(guān)系；虛擬邊界發(fā)生器，被配置為基于跟蹤設(shè)備與定位器之間的視線關(guān)系生成虛擬視線邊界，并且被配置為更新虛擬視線邊界以考慮跟蹤設(shè)備與定位器界之間的相對(duì)移動(dòng)；以及碰撞檢測(cè)器，被配置為評(píng)估虛擬物體相對(duì)于虛擬視線邊界的移動(dòng)，以檢測(cè)虛擬物體與虛擬視線邊界之間的碰撞，并且啟用防止物理物體阻礙跟蹤設(shè)備與定位器之間的視線的響應(yīng)。

條款2-條款1的系統(tǒng)，包括與虛擬邊界發(fā)生器通信的反饋發(fā)生器，用于響應(yīng)于檢測(cè)虛擬物體與虛擬視線邊界之間的碰撞而生成反饋，以防止物理物體阻礙跟蹤設(shè)備與定位器之間的視線。

條款3-條款2的系統(tǒng)，包括與反饋發(fā)生器通信的反饋設(shè)備，以生成可聽(tīng)、可視、振動(dòng)或觸覺(jué)反饋中的至少一個(gè)。

條款4-條款2或3的系統(tǒng)，包括與反饋發(fā)生器通信并且被配置為振動(dòng)物理物體的振動(dòng)設(shè)備。

條款5-條款2、3或4中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，包括與反饋發(fā)生器通信并且被配置為控制物理物體的移動(dòng)的觸覺(jué)設(shè)備。

條款6-條款5的系統(tǒng)，其中觸覺(jué)設(shè)備被配置為通過(guò)約束工具的移動(dòng)來(lái)控制工具的移動(dòng)。

條款7-條款5或6的系統(tǒng)，包括與反饋發(fā)生器通信并且被配置為生成重新定位觸覺(jué)設(shè)備的指令的反饋設(shè)備。

條款8-條款2-7中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，包括與反饋發(fā)生器通信并且被配置為向用戶生成重新定位患者的解剖結(jié)構(gòu)的指令的反饋設(shè)備。

條款9-條款2-8中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，包括與反饋發(fā)生器通信并且被配置為生成重新定位定位器的指令的反饋設(shè)備。

條款10-條款1-9中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中碰撞檢測(cè)器被配置為通過(guò)預(yù)測(cè)碰撞來(lái)檢測(cè)碰撞。

條款11-條款1-10中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中定位器包括用于感測(cè)來(lái)自跟蹤設(shè)備的一個(gè)或多個(gè)標(biāo)記的光的一個(gè)或多個(gè)光學(xué)傳感器。

條款12-條款1-11中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中碰撞檢測(cè)器被配置為相對(duì)于虛擬視線邊界的位置和朝向來(lái)跟蹤虛擬物體的位置和方位。

條款13-條款1-12中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中虛擬邊界發(fā)生器被配置為通過(guò)生成被成形為其中限制物理物體進(jìn)入的空間的邊界虛擬物體來(lái)生成虛擬視線邊界，使得來(lái)自跟蹤設(shè)備的光能夠被發(fā)送到定位器而不被物理物體阻礙。

條款14-條款1-13中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中虛擬邊界發(fā)生器被配置為通過(guò)基于跟蹤設(shè)備的位置和朝向以及定位器的位置和朝向生成邊界虛擬物體來(lái)生成虛擬視線邊界。

條款15-條款1-14中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中虛擬視線邊界是圓柱形或截頭圓錐形形狀中的至少一種。

條款16-條款1-15中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中虛擬視線邊界包括一條或多條線。

條款17-條款1-16中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中虛擬邊界發(fā)生器被配置為在每次確定跟蹤設(shè)備的新位置和朝向時(shí)更新虛擬視線邊界，以考慮跟蹤設(shè)備與定位器之間的相對(duì)移動(dòng)。

條款18-條款1-17中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中虛擬邊界發(fā)生器被配置為在每0.1至2毫秒更新虛擬視線邊界，以考慮跟蹤設(shè)備與定位器之間的相對(duì)移動(dòng)。

條款19-條款1-18中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，包括第二跟蹤設(shè)備，其中虛擬邊界發(fā)生器被配置為基于第二跟蹤設(shè)備與定位器視線之間的視線關(guān)系生成第二虛擬視線邊界。

條款20-條款19的系統(tǒng)，其中虛擬邊界發(fā)生器被配置為更新第二虛擬視線邊界，以考慮第二跟蹤設(shè)備與定位器之間的相對(duì)移動(dòng)。

條款21-條款19或20的系統(tǒng)，其中碰撞檢測(cè)器被配置為評(píng)估虛擬物體與第二虛擬視線邊界之間的相對(duì)移動(dòng)。

條款22-條款19、20或21中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中碰撞檢測(cè)器被配置為檢測(cè)虛擬物體與第二虛擬視線邊界之間的碰撞，以啟用防止物理物體阻礙第二跟蹤設(shè)備與定位器之間的視線的響應(yīng)。

條款23-條款1-22中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中物理物體是工具或人的至少一部分。

條款24–一種減少導(dǎo)航系統(tǒng)的定位器與跟蹤設(shè)備之間的跟蹤中斷的方法，所述方法包括以下步驟：檢測(cè)在定位器的視場(chǎng)內(nèi)的跟蹤設(shè)備；基于定位器的視場(chǎng)生成虛擬視場(chǎng)邊界；將虛擬物體與跟蹤設(shè)備相關(guān)聯(lián)；跟蹤虛擬物體相對(duì)于虛擬視場(chǎng)邊界的移動(dòng)；以及在跟蹤的同時(shí)檢測(cè)虛擬物體與虛擬視場(chǎng)邊界之間的碰撞，以啟用防止跟蹤設(shè)備移動(dòng)到定位器的視場(chǎng)之外的響應(yīng)。

條款25-條款24的方法，包括響應(yīng)于檢測(cè)到碰撞而生成反饋。

條款26-條款25的方法，其中生成反饋包括生成可聽(tīng)、可視、振動(dòng)或觸覺(jué)反饋中的至少一個(gè)。

條款27-條款25或26的方法，其中生成反饋包括振動(dòng)物理物體。

條款28-條款25、26或27中任一項(xiàng)的方法，其中生成反饋包括控制跟蹤設(shè)備的移動(dòng)，其中跟蹤設(shè)備附連到觸覺(jué)設(shè)備。

條款29-條款28的方法，其中控制跟蹤設(shè)備的移動(dòng)包括利用觸覺(jué)設(shè)備約束跟蹤設(shè)備的移動(dòng)。

條款30–條款28或29的方法，包括生成重新定位觸覺(jué)設(shè)備的指令。

條款31-條款25-30中任一項(xiàng)的方法，其中生成反饋包括向用戶生成重新定位患者的解剖結(jié)構(gòu)的指令。

條款32-條款25-31中任一項(xiàng)的方法，其中生成反饋包括生成重新定位定位器的指令。

條款33-條款24-32中任一項(xiàng)的方法，其中檢測(cè)碰撞還被定義為預(yù)測(cè)碰撞。

條款34-條款24-33中任一項(xiàng)的方法，其中檢測(cè)在定位器的視場(chǎng)內(nèi)的跟蹤設(shè)備包括利用定位器的一個(gè)或多個(gè)光學(xué)傳感器感測(cè)來(lái)自跟蹤設(shè)備的一個(gè)或多個(gè)標(biāo)記的光。

條款35-條款24-34中任一項(xiàng)的方法，其中跟蹤虛擬物體相對(duì)于虛擬視場(chǎng)邊界的移動(dòng)包括相對(duì)于虛擬視場(chǎng)邊界的位置和朝向跟蹤虛擬物體的位置和朝向。

條款36-條款24-35中任一項(xiàng)的方法，其中生成虛擬視場(chǎng)邊界包括生成成形為描繪其中限制跟蹤設(shè)備離開(kāi)的空間的邊界虛擬物體，使得來(lái)自跟蹤設(shè)備能夠被發(fā)送到定位器。

條款37-條款24-36中任一項(xiàng)的方法，其中生成虛擬視場(chǎng)邊界包括基于定位器的位置和朝向來(lái)生成邊界虛擬物體。

條款38-條款24-37中任一項(xiàng)的方法，其中虛擬視場(chǎng)邊界是圓柱形、球形或截頭圓錐形形狀中的至少一種。

條款39–一種用于減少跟蹤中斷的導(dǎo)航系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：定位器，具有視場(chǎng)；跟蹤設(shè)備，用于放置在定位器的視場(chǎng)內(nèi)，使得定位器能夠從跟蹤設(shè)備接收信號(hào)，跟蹤設(shè)備具有與之相關(guān)聯(lián)的虛擬物體；虛擬邊界發(fā)生器，以基于定位器的視場(chǎng)來(lái)生成虛擬視場(chǎng)邊界；以及碰撞檢測(cè)器，被配置為評(píng)估虛擬物體相對(duì)于虛擬視場(chǎng)邊界的移動(dòng)，以檢測(cè)虛擬物體與虛擬視場(chǎng)邊界之間的碰撞，并啟用防止跟蹤設(shè)備移動(dòng)到定位器的視場(chǎng)之外的響應(yīng)。

條款40-條款39的系統(tǒng)，包括與虛擬邊界發(fā)生器通信的反饋發(fā)生器，用于響應(yīng)于檢測(cè)到虛擬物體與虛擬視場(chǎng)邊界之間的碰撞而生成反饋。

條款41-條款40的系統(tǒng)，包括與反饋發(fā)生器通信的反饋設(shè)備，以生成可聽(tīng)、可視、振動(dòng)或觸覺(jué)反饋中的至少一個(gè)。

條款42-條款39或40的系統(tǒng)，包括與反饋發(fā)生器通信并且被配置為振動(dòng)物理物體的振動(dòng)設(shè)備。

條款43-條款39、40或41中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，包括與反饋發(fā)生器通信并且被配置為控制跟蹤設(shè)備的移動(dòng)的觸覺(jué)設(shè)備，其中跟蹤設(shè)備附連到觸覺(jué)設(shè)備。

條款44-條款43的系統(tǒng)，其中觸覺(jué)設(shè)備被配置為通過(guò)約束跟蹤設(shè)備的移動(dòng)來(lái)控制跟蹤設(shè)備的移動(dòng)。

條款45-條款43或44的系統(tǒng)，包括與反饋發(fā)生器通信并且被配置為生成重新定位觸覺(jué)設(shè)備的指令的反饋設(shè)備。

條款46-條款40-45中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，包括與反饋發(fā)生器通信并且被配置為向用戶生成重新定位患者的解剖結(jié)構(gòu)的指令的反饋設(shè)備。

條款47-條款40-46中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，包括與反饋發(fā)生器通信并且被配置為生成重新定位定位器的指令的反饋設(shè)備。

條款48-條款39-47中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中碰撞檢測(cè)器被配置為通過(guò)預(yù)測(cè)碰撞來(lái)檢測(cè)碰撞。

條款49-條款39-48中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中定位器包括用于感測(cè)來(lái)自跟蹤設(shè)備的一個(gè)或多個(gè)標(biāo)記的光的一個(gè)或多個(gè)光學(xué)傳感器。

條款50-條款39-49中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中碰撞檢測(cè)器被配置為相對(duì)于虛擬視場(chǎng)邊界的位置和朝向跟蹤虛擬物體的位置和朝向。

條款51-條款39-50中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中虛擬邊界發(fā)生器被配置為通過(guò)生成被成形為描繪其中限制物理物體離開(kāi)的空間的邊界虛擬物體來(lái)生成虛擬視場(chǎng)邊界，使得來(lái)自跟蹤設(shè)備的光能夠被發(fā)送到定位器而不被物理物體阻礙。

條款52-條款39-51中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中虛擬邊界發(fā)生器被配置為基于定位器的位置和朝向生成邊界虛擬物體來(lái)生成虛擬視場(chǎng)邊界。

條款53-條款39-52中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中虛擬視場(chǎng)邊界是圓柱形、球形或截頭圓錐形的至少一種。