骨F以及患者的胫骨T。导航系统20跟踪这些对象是为了向外科医 生显示它们的相对位置和方向，以及在某些情况下，为了控制或者约束外科器械22相对于 预定路径或者解剖边界的运动。
[0034] 外科导航系统20包括容纳导航计算机26的计算机推车组件24。导航接口与导 航计算机26操作性通信。导航接口包括适合位于无菌区域外部的显示器28以及适合位于 无菌区域内部的显示器29。显示器28、29可调节地安装至计算机推车组件24。输入装置 30、32(诸如鼠标和键盘）可以用于将信息输入到导航计算机26中或者以其它方式选择/ 控制导航计算机26的某些方面。可设想其它输入装置，包括显示器28、29上的触摸屏（未 示出）或者语音激活。
[0035] 定位器34与导航计算机26进行通信。在所示实施例中，定位器34是光学定位器 并且包括摄像机单元36。摄像机单元36具有容纳一个或者多个光学传感器40的外壳38。 在一些实施例中，采用至少两个光学传感器40，优选地采用三个。光学传感器40可以是三 个单独的高分辨率电荷耦合装置（CCD)。在一个实施例中，采用三个一维CCD。应当理解， 在其它实施例中，还可以围绕手术室布置各自具有单独的CCD或者两个或更多个CCD的单 独摄像机单元。C⑶检测红外（IR)信号。
[0036] 摄像机单元36安装在可调节臂上以将光学传感器40安置到将进行程序的区域上 方，以向摄像机单元36提供下面讨论的跟踪器理想地不受阻挡的视场。
[0037] 摄像机单元36包括与光学传感器40通信的摄像机控制器42用以从光学传感器 40接收信号。摄像机控制器42通过有线连接或者无线连接（未示出）与导航计算机26进 行通信。一个这种连接可以是IEEE 1394接口，该IEEE 1394接口是用于高速通信和等时 实时数据传送的串行总线接口标准。连接还可以使用公司特定的协议。在其它实施例中， 光学传感器40与导航计算机26直接通信。
[0038] 为了跟踪对象，将位置和方向信号和/或数据传输至导航计算机26。计算机推 车组件24、显示器28和摄像机单元36可以如2010年5月25日授权的、标题为"Surgery System"的Malackowski等人的美国专利No. 7, 725, 162中描述的那些一样，该专利通过引 用合并于此。
[0039] 导航计算机26可以是个人计算机或者膝上型计算机。导航计算机26具有显示器 28、中央处理单元（CPU)和/或其它处理器、存储器（未示出）和存储装置（未示出）。如 下所述，导航计算机26装载有软件。软件将从摄像机单元36接收的信号转换成表示正跟 踪的对象的位置和方向的数据。
[0040] 导航系统20包括多个跟踪装置44、46、48(此处还称为跟踪器）。在图示的实施 例中，一个跟踪器44牢固地固定至患者的股骨F以及另一个跟踪器46牢固地固定至患 者的的胫骨T。跟踪器44、46牢固地固定至骨骼的部分。跟踪器44、46可以以美国专利 No. 7, 725，162(其通过引用合并于此）中示出的方式附接至股骨F。在另外的实施例中，附 加的跟踪器（未示出）附接至膝盖骨以跟踪膝盖骨的位置和方向。在另外的实施例中，跟 踪器44、46可以安装至解剖结构的其它组织类型或者部分。
[0041] 器械跟踪器48牢固地附接至外科器械22。器械跟踪器48可以在制造期间集成 到外科器械22中或者可以在外科程序的准备中单独地安装至外科器械22。当前跟踪的 外科器械22的工作端可以是旋转钻、电消融装置等等。在所示实施例中，外科器械22是 外科操纵器的末端效应器。在标题为"Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in either a Semi-Autonomous Mode or a Manual, Boundary Constrained Mode"的美国临时专利申请No. 61/679, 258 (其公开内容通过引用合并于此） 以及也在标题为"Navigation System for use with a Surgical Manipulator Operable in Manual or Semi-Autonomous Mode" 的美国专利申请 No. 13/958, 834(其公开内容通过 引用合并于此）中示出了这种布置。
[0042] 跟踪器44、46、48可以用内部电池进行电池供电或者可以具有引线以通过导航计 算机26接收电力（像摄像机单元36那样优选地接收外部电力）。
[0043] 在其它实施例中，可以仅通过用户的手手动地安置外科器械22,而不需要任何 切割引导装置、悬臂或者其它约束机构（诸如操纵器或者机器人）的帮助。在标题为 "Surgical Instrument Including Housing, a Cutting Accessory that Extends from the Housing and Actuators that Establish the Position of the Cutting Accessory Relative to the Housing"的美国临时专利申请No. 61/662, 070(其通过引用合并于此） 中以及也在标题为 "Surgical Instrument Including Housing, a Cutting Accessory that Extends from the Housing and Actuators that Establish the Position of the Cutting Accessory Relative to the Housing" 的美国专利申请 No. 13/600, 888(其通过 引用合并于此）中描述了这种外科器械。
[0044] 定位器34的光学传感器40从跟踪器44、46、48接收光信号。在图示的实施例中， 跟踪器44、46、48是有源跟踪器。在该实施例中，每个跟踪器44、46、48具有至少三个有源标 志器50用于将光信号发送至光学传感器40。有源标志器50可以是发光二极管或者LED50。 光学传感器40优选地具有100Hz或者更高的采样率，更优选地具有300Hz或者更高的采 样率，以及最优选地具有500Hz或者更高的采样率。在一些实施例中，光学传感器40具有 1000Hz的采样率。采样率是光学传感器40从顺序点亮的LED 50接收光信号的速率。在一 些实施例中，对于每个跟踪器44、46、48，按照不同的速率点亮来自1^0 50的光信号。
[0045] 参照图2，LED 50中的每一个连接至位于相关联的跟踪器44、46、48的壳体（未示 出）中的跟踪器控制器62,该跟踪器控制器62向/从导航计算机26传输/接收数据。在 一个实施例中，跟踪器控制器62通过与导航计算机26的有线连接以几兆字节/秒的数量 级传输数据。在其它实施例中，可以使用无线连接。在这些实施例中，导航计算机26具有 收发器（未示出）用以从跟踪器控制器62接收数据。
[0046] 在其它实施例中，跟踪器44、46、48可以具有无源标志器（未示出），诸如反射从摄 像机单元36发射的光的反射器。然后，由光学传感器40接收所反射的光。有源布置和无 源布置在本领域中是众所周知的。
[0047] 跟踪器44、46、48中的每一个还包括测量跟踪器44、46、48的角速度的3维陀螺仪 传感器60。如本领域技术人员所熟知的，陀螺仪传感器60输出指示相对于陀螺仪坐标系的 X轴、y轴和z轴的角速度的读数。这些读数乘以由制造商定义的转换常量以获得相对于陀 螺仪坐标系的X轴、y轴和z轴的每个的以度/秒为单位的测量值。然后，这些测量值可以 被转换为以弧度/秒定义的角速度矢量5Γ 〇
[0048] 由陀螺仪传感器60测量的角速度为导航系统20提供附加的基于非光学的运动学 数据用以跟踪跟踪器44、46、48。陀螺仪传感器60可以沿着跟踪器44、46、48的每个坐标系 的轴取向。在其它实施例中，将每个陀螺仪坐标系转换为其跟踪器坐标系，以使得陀螺仪数 据反映相对于跟踪器44、46、48的坐标系的X轴、y轴和z轴的角速度。
[0049] 陀螺仪传感器60中的每一个与位于相关联跟踪器的壳体内的跟踪器控制器进行 通信，该跟踪器控制器62向/从导航计算机26传输/接收数据。导航计算机26具有一个 或者多个收发器（未示出）用以从陀螺仪传感器60接收数据。可以通过有线连接或者无 线连接接收数据。
[0050] 陀螺仪传感器60优选地具有IOOHz或者更高的采样率，更优选地具有300Hz或者 更高的采样率，以及最优选地具有500Hz或者更高的采样率。在一些实施例中，陀螺仪传感 器 60具有I000Hz的采样率。陀螺仪传感器60的采样率是从陀螺仪传感器60发出信号以 转换成角速度数据的速率。
[0051] 确立或者校准陀螺仪传感器60和光学传感器40的采样率，使得对于位置的每个 光学测量值都有对应的角速度的非光学测量值。
[0052] 跟踪器44、46、48中的每一个还包括3轴加速度计70,该3轴加速度计70测量沿 着加速度计坐标系的X轴、y轴和z轴中的每一个的加速度。加速