包括光学传感器和非光学传感器的导航系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求2012年9月26日提交的美国临时专利申请No. 61/705, 804和2013 年9月24日提交的美国非临时申请No. 14/035207的优先权和权益，所述专利申请的全部 内容通过引用合并于此。
技术领域
[0003] 本发明通常涉及导航系统，所述导航系统通过确定对象的位置和/或方向随时间 的变化来在空间中跟踪这样的对象。更具体地说，本发明涉及利用光学传感器和非光学传 感器确定对象的位置和/或方向的导航系统。
【背景技术】
[0004] 导航系统辅助用户精确地定位对象。例如，导航系统用于工业、航空航天、防卫和 医疗应用。在医疗领域中，导航系统辅助外科医生相对于患者的解剖结构精确地放置外科 器械。
[0005] 使用导航系统的外科手术包括神经外科手术和整形外科手术。通常，跟踪器械和 解剖结构，连同一起在显示器上显示它们的相对运动。导航系统可以结合解剖结构的手术 前图像或者手术中图像显示器械移动。通常手术前图像由MRI或者CT扫描准备，而手术中 图像可以使用荧光镜、低水平X射线或者任何类似装置准备。可选地，一些系统是无图像 的，其中患者的解剖结构由导航探头"描绘"并且在数学上拟合到解剖模型用于显示。
[0006] 导航系统可以采用光信号、声波、磁场、RF信号等等以跟踪器械和解剖结构的位置 和/或方向。由于光学导航系统的精度，光学导航系统被广泛使用。
[0007] 现有技术光学导航系统通常包括容纳一个或者多个光学传感器（诸如电荷耦合 装置或者CCD)的一个或者多个摄像机单元。光学传感器检测从跟踪器发射的光，该跟踪器 附接至器械和解剖结构。每个跟踪器具有多个光学发射器（诸如发光二极管（LED))，该光 学发射器周期性地向传感器发送光以确定LED的位置。
[0008] 器械跟踪器上的LED的位置与器械的工作端相对于摄像机坐标系的坐标相关。一 个或者多个解剖结构跟踪器上的LED的位置与三维空间中的解剖结构的目标区域相对于 摄像机坐标系的坐标相关。因此，可以跟踪和显示器械的工作端相对于解剖结构的目标区 域的位置和/或方向。
[0009] 可以以闭合环路方式使用导航系统以控制外科器械的运动。在这些导航系统中， 器械和正治疗的解剖结构两者都配备有跟踪器以使得导航系统可以跟踪它们的位置和方 向。然后，来自导航系统的信息被馈送至控制系统以控制或者引导器械的运动。在某些情 况下，器械由机器人掌握并且将信息从导航系统发送至机器人的控制系统。
[0010] 为了使控制系统快速引起器械与正治疗的解剖结构之间的相对运动，导航系统的 精度和速度必须满足程序的期望公差。例如，与无粘固粉膝部移植物相关联的公差可以是 非常小以确保植入物的充分适配和功能。因此，导航系统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] 光学导航系统的精度和速度上的限制中的一个是系统依赖摄像机单元的光学传 感器与LED之间的视线。当视线断开时，系统可能不精确地确定当前跟踪的器械和解剖结 构的位置和/或方向。因此，外科手术可能遭遇许多启动和停止。例如，在对机器人辅助的 切割进行控制期间，当视线断开时，必须禁用切割工具直到重新获得视线。这可能给程序带 来显著的延迟和附加成本。
[0012] 当在跟踪器上使用有源LED时出现精度上的另一个限制。在这种系统中，LED通常 依次点亮（fired)。在这种情况下，系统仅测量和知道主动点亮的LED的位置，而剩余未测 量的LED的位置是未知的。在这些系统中，剩余未测量的LED的位置是近似的。近似通常 基于从当前未测量的LED的上一个已知的测量位置推断的线速度数据。然而，由于LED依 次点亮，因此在任何一个LED的测量之间可能有相当大的滞后。该滞后随着在系统中使用 每个附加跟踪器而增大。此外，该近似不考虑跟踪器的旋转，还导致跟踪器的位置数据的可 能错误。
[0013] 因此，在本领域中需要利用附加的基于非光学的数据的光学导航系统以改善跟踪 并且提供这样的精度和速度水平，以该精度和速度水平为精确的外科程序（诸如机器人辅 助的外科切割）确定对象的位置和/或方向。
【发明内容】
[0014] 本发明涉及利用光学传感器和非光学传感器确定对象的位置和/或方向的系统 和方法。
[0015] 在发明的一个版本中，提供了一种用于跟踪对象的导航系统。导航系统包括从跟 踪器上的一个或者多个标志器接收光学信号的光学传感器。跟踪器还包括生成非光学信号 的非光学传感器。计算系统基于第一光学信号确定在第一时间处标志器中的一个的位置。 计算系统还基于第一光学信号以及来自非光学传感器的非光学信号确定在第一时间处其 它标志器中的一个或者多个的位置。然后，使确定的位置与对象相关以跟踪对象的位置。
[0016] 在发明的另一个版本中，提供了用于跟踪对象的导航系统。导航系统包括从跟踪 器上的三个标志器顺序地接收光学信号的光学传感器。跟踪器还包括生成非光学信号的非 光学传感器。计算系统基于来自第一标志器的第一光学信号，确定在第一时间处标志器中 的第一标志器的位置。计算系统还基于第一光学信号以及来自非光学传感器的非光学信号 确定在第一时间处标志器中的第二标志器和第三标志器的位置。然后，使确定的位置与对 象相关以跟踪对象的位置。
[0017] 在发明的又另一个版本中，提供了机器人外科切割系统。系统包括机器人操纵器 和切割工具。机器人控制系统在至少5个自由度上控制或者约束切割工具的运动。导航系 统与机器人控制系统进行通信。导航系统包括至少一个光学传感器和安装至机器人操纵器 的跟踪器。还提供了用于安装至患者的解剖结构的跟踪器。该解剖结构跟踪器包括非光学 传感器和三个标志器。光学传感器从标志器接收光学信号以及非光学传感器生成非光学信 号。导航系统将指示解剖结构位置的位置数据传递至机器人控制系统以控制解剖结构的切 害J，以使得切割发生在预定义边界内。
[0018] 在发明的另一个版本中，提供了包括具有至少一个光学传感器的定位器的导航系 统。跟踪器与光学传感器进行通信。跟踪器包括非光学传感器和三个标志器。计算系统基 于光学信号和非光学信号确定三个标志器中的每一个在定位器坐标系中的位置。计算系统 执行匹配算法以使标志器中的一个或者多个在定位器坐标系中的确定的位置与所述标志 器中的一个或者多个在相对于跟踪器坐标系建立的跟踪器的模型中的位置匹配，以获得将 跟踪器坐标系变换为定位器坐标系的变换矩阵。
[0019] 在发明的另一个版本中，提供了用于跟踪对象的系统。系统包括至少两个光学传 感器和用于安装至对象的跟踪器。跟踪器具有非光学传感器和三个标志器。至少两个光学 传感器按照至少IOOHz的光学感测频率从标志器接收光学信号。非光学传感器按照至少 IOOHz的非光学感测频率生成非光学信号。
[0020] 还提供了用于跟踪对象的方法。方法包括操作光学传感器以从标志器顺序地接收 光学信号以及操作非光学传感器以生成非光学信号。基于来自第一标志器的第一光学信 号，确定在第一时间处标志器中的第一标志器的位置。基于第一光学信号以及来自非光学 传感器的非光学信号确定在第一时间处标志器中的第二标志器和第三标志器的位置。使第 一标志器、第二标志器和第三标志器的确定的位置与对象相关以在外科程序期间跟踪对象 的位置。
[0021] 提供了用于在外科程序期间跟踪对象的另一个方法。在该方法中，将三个标志器 安置在光学传感器的视场中以使得光学传感器从标志器顺序地接收光学信号。然后，操作 计算系统以基于来自第一标志器的第一光学信号确定在第一时间处标志器中的第一标志 器的位置以及基于第一光学信号和来自非光学传感器的非光学信号确定在第一时间处标 志器中的第二标志器和第三标志器的位置。然后，使位置与对象相关以在外科程序期间跟 踪对象的位置。
【附图说明】
[0022] 当结合附图考虑时，通过参照以下【具体实施方式】，本发明的优点将被容易地领会， 从而变得更好理解，其中：
[0023] 图1是本发明的导航系统与机器人操纵器结合使用时的透视图；
[0024] 图2是导航系统的示意图；
[0025] 图3是由导航系统使用的坐标系的示意图；
[0026] 图4是通过导航系统的定位引擎实施的步骤的流程图；
[0027] 图4A是将测量的LED与跟踪器模型匹配以获得变换矩阵的示意说明；
[0028] 图5是在第一可选实施例中由定位引擎实施的步骤的流程图；
[0029] 图5A是包括真实和虚拟LED的跟踪器模型的说明；
[0030] 图6是在第二可选实施例中由定位引擎实施的步骤的流程图；以及
[0031] 图7是当一个或者多个LED被阻挡测量时由定位引擎实施的步骤的流程图。
【具体实施方式】
[0032] I.概述
[0033] 参照图1，图示了外科导航系统20。在外科环境（诸如医疗设施的手术室）中显 示了系统20。建立导航系统20以跟踪手术室中的各种对象的运动。这样的对象包括例如， 外科器械22、患者的股