CN101160104B - 触觉引导系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种外科设备，其包括外科装置和计算机系统，其中的外科装置被设置成由使用者进行操控而在患者上执行手术流程。计算机系统被编程设置成：执行用于对外科装置进行控制的控制参数，以便于基于患者解剖体与外科装置一部分至少一个指标之间的关系，实现如下操作的至少之一：向使用者提供触觉引导、以及限制使用者对外科装置的操控，其中的指标是位置、定向、速度、以及加速度；以及在手术过程中，响应于解剖体的移动而对控制参数进行调节。

Description

触觉引导系统及方法

与相关申请的交叉引用

如下各个申请的内容被结合到本申请中作为参考：于2006年1月17日提交的第60/759186号美国临时专利申请；于2005年2月22日提交的第60/655642号美国临时专利申请；于2003年7月16日提交的第10/621119号美国专利申请；于2003年3月6日提交的第10/384194号美国专利申请；于2003年3月6日提交的第10/384078号美国专利申请；于2003年3月6日提交的第10/384077号美国专利申请；于2003年3月6日提交的第10/384072号美国专利申请；以及于2002年3月6日提交的第60/362368号美国临时专利申请。

技术领域

本发明涉及一种外科系统，更具体而言，本发明涉及一种用于矫形关节置换的外科系统及方法。

背景技术

微创手术(MIS)是指经小切口实施的外科手术，这种手术的切口显著地小于传统外科方法所需的切口。例如，在诸如全膝置换手术等的整形外科场合中，MIS的切口长度可控制在约4到6英寸的范围内，而传统全膝手术的切口长度通常是在约6到12英寸的范围内。由于切口长度较小，MIS手术过程的侵害性通常要小于传统外科方法，MIS手术减小了对软组织的损伤，减轻了术后疼痛，促进患者在术后尽早活动，缩短了住院时期，并加速了术后复原。

MIS的一个缺点在于：小的切口尺寸削弱了外科医生观察并接近解剖体的能力。例如，在微创矫形关节置换手术中，对关节部位的观察和接近能力受限，这将会增大评估正确植入位置、并对骨头进行整形的复杂性。结果就是，精确地布置植入件将变得更为困难。用于克服这些问题地常规技术例如包括：外科导航术(surgical navigation)、将腿定位成使得关节获得最佳的暴露状态、以及采用特别设计的小尺寸仪器及复杂的外科技巧。但是，这些技术通常需要大量的专业器械、大量的训练课程、以及高超的技巧。此外，某个外科医生的手术结果以及多个不同外科医生的手术结果都不具有足够的可预测性、重复性、和/或精确性。结果就是，植入件的性能以及使用寿命对于不同的患者是因人而异的。

在整形外科的场合下，无论是MIS还是传统的外科方法都存在一个缺点：当对骨头进行准备以接纳植入件时，不仅病变的骨头被去掉了，健康的骨头也被连同去掉了。例如，全膝置换手术需要在膝盖的三个隔区(compartment)上各去除多达1/2英寸的骨头。用于保留健康骨的一种常见方案是进行局部(或单隔区)的膝盖置换，在此条件下，膝盖上只有一个隔区受到了损伤。单隔区的方法涉及到这样的操作：仅在膝盖的一个隔区上去除已损坏部分或患有关节炎的部分。例如，REPICCI

的单髁膝盖系统通常需要从膝盖的一个隔区上去除约1/4英寸的骨头。REPICCI

系统需要利用球形磨锥经微创切口徒手对骨头进行刮刻，该微创切口的长度通常约为3英寸。球形磨锥使得切面呈现为圆形形状，而这样的形状是无法用外科锯再造出来的。但是，相比于使用传统的切割锯或导锯器的方法，徒手磨削的方法是难于掌握的，需要外科医生具有更高的手工刮刻技能。结果就是，徒手切割操作需要很高的技能，以使得手术结果能实现足够的可预测性、重复性、和/或精确性。此外，REPICCI

技术和传统的外科方法无法形成具有复杂几何形状或高曲度几何形状的切面。因而，这些方法通常需要随病变/损坏的骨头去除至少部分的健康骨头。

MIS与传统矫形外科方法共有的另一个缺点在于：这些方法不能使使外科医生以协作的方式提高自身的外科技能。例如，用于进行关节置换的某些常规方法使用自主机械手系统来协作外科医生。但这些系统一般主要是用来加强骨头的机械加工工作的，其中，通过如下的操作可加强加工工作：利用高速磨锥执行自动切削操作；或者将钻具的引导件移动就位、并在外科医生经引导件插入切割刀具时保持钻具引导件的位置。尽管这些系统能精确地完成骨切除工作，从而能改善植入件的配合和置换状况，但它们的工作方式是自主完成的(而不是与外科医生协作完成的)，从而需要外科医生向机械手让出一定程度的控制权。自主系统的另一些缺点包括：机械手的尺寸大、人机工程性差、需要在配准及切削过程中刚性地夹住骨头、为了使机械手获得足够的接近性而增大切口长度、且由于系统的自主特性而使外科医生和管理机构对其的认可度有限。

另外一些常见的机械手系统包括与外科医生相互交互配合的机械手。普通交互式机械手系统的一个缺点在于：这些系统缺乏适应手术方案规划(planning)的能力、以及为动态的手术进行环境实施实时导航的能力。例如，第10/470314号美国专利申请(公告号为US2004/0128026)公开了一种交互式的机械手系统，且该系统中编程设置有三维的虚拟限界区域，患者被配准(register)到该区域内，其中，该专利文献的内容被结合到本申请中作为参考。该机械手系统具有三自由度(3-DOF)的臂件，臂件带有配备了力传感器的手柄。外科医生利用手柄来操作臂件，从而移动切割刀具。需要借助于手柄来使臂件移动，因而，力传感器能测量由外科医生施加到手柄上的作用力。然后，利用测得的作用力来控制电机，以协作或阻止切割刀具的运动。例如，在膝盖置换手术过程中，患者的股骨和胫骨被相对于机械手系统固定就位。在外科医生向手柄施加作用力以移动切割刀具时，随着切割刀具逐渐接近虚拟限界区域的边界，交互式机械手系统将向切割刀具施加增大的阻力，以限制切割刀具的运动。按照这种方式，在进行骨准备工作时，机械手系统通过将切割刀具保持在虚拟限界区域中，可对外科医生进行引导。但是，与上述的自主式系统一样，交互式机械手系统的作用主要是在于增强对骨的加工作业。交互式机械手系统还需要相应的解剖体被刚性地约束起来，且机械手系统被固定在粗略的位置上，因而，缺乏对手术进行中情景的实时适应能力。此外，臂件的3-DOF构造、以及需要外科医生利用力手柄来操控臂件的需求导致机械手系统的灵活性和灵巧性有限，使得机械手系统不适用于某些MIS应用场合。

考虑到上述状况，需要研制这样的外科系统：在矫形关节置换的应用场合中，其能以显像微创外科手术的形式直接置换多余的健康骨，实现了手术进行中的适应性、并实现了外科手术规划，不论医生的技术为任何等级，该系统所获得的手术结果都具有足够的可预测性、重复性、和/或精确性。外科系统不必为了先进而满足所有需求或部分需求，但满足这些需求的系统将是更为理想的。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种外科设备。该外科设备包括计算机系统和外科装置，该设备被设置成由使用者进行操控而在患者上执行手术流程。计算机系统被编程设置成：执行用于对外科装置进行控制的控制参数，以便于基于患者解剖体与外科装置一部分至少一个指标之间的关系，实现如下操作的至少之一：向使用者提供触觉引导、以及限制使用者对外科装置的操控，其中的指标是位置、定向、速度、以及加速度；以及在手术过程中，响应于解剖体的移动而对控制参数进行调节。

本发明的另一方面涉及一种外科设备。该外科设备包括一种触觉装置，其被设计成由使用者进行操控而在患者上执行手术流程。触觉装置包括至少一个反馈机构，其被设计成向操控触觉装置的使用者提供反馈。该外科设备还包括计算机系统，其被编程设置成：基于患者解剖体与触觉装置一部分的至少一个指标之间的关系，在使用者操控触觉装置时，执行用于对至少一个反馈机构进行控制的控制参数，以便于向使用者提供触觉引导，其中的指标是位置、定向、速度、以及加速度。

本发明的再一方面涉及一种外科方法。该外科方法包括步骤：创建患者解剖体的表像(representation)；利用解剖体的表像将解剖体与外科装置关联起来；通过使外科装置的一部分在解剖体的区域内移动而操控外科装置，以在患者上执行手术流程；基于解剖体的表像与外科装置一个部分至少一个指标之间的关系，对外科装置进行控制，以实现如下的至少一种操作—触觉引导及限制对外科装置的操控，其中，指标是指位置、定向、速度、以及加速度；以及在手术执行过程中，响应于解剖体的移动而调节解剖体的表像。

本发明的另一方面涉及一种外科方法。该外科方法包括步骤：创建患者解剖体的表像；利用解剖体的表像将解剖体与触觉装置关联起来；通过使触觉装置的一部分在解剖体的区域内移动而操控触觉装置，以在患者上执行手术流程，其中，触觉装置包括至少一个反馈机构，其被设置成在操控过程中提供反馈作用。该外科方法还包括步骤：在对触觉装置进行操控的过程中，基于患者解剖体的表像与触觉装置一个部分至少一个指标之间的关系，对至少一个反馈机构进行控制以提供触觉引导，其中的指标是位置、定向、速度、以及加速度。

本发明的又一方面涉及一种用于关节置换的方法。该方法包括步骤：创建第一骨头的表像；创建第二骨头的表像；为用于将第一植入件植入到第一骨头中的骨准备工作制定规划；操控外科工具刮刻第一骨头，以此来对第一骨头进行准备，以利于接纳第一植入件；在对第一骨头进行了准备之后，为用于将第二植入件植入到第二骨头中的骨准备工作制定规划；以及操控外科工具刮刻第二骨头，以此来对第二骨头进行准备，以利于接纳第二植入件。

本发明的再一方面涉及一种外科规划方法。该外科规划方法包括步骤：检测骨头上方软骨表面的高度；创建骨头的表像以及软骨表面高度的表像；以及，至少在部分上基于检测到的软骨表面高度，对用于将植入件植入到骨头中的骨准备工作制定规划。

本发明的另一方面涉及一种外科规划方法。该外科规划方法包括步骤：创建关节骨头的表像；将关节移动到第一位置；当关节处于第一位置时，识别出与关节中第一部位相对应的第一点；将关节移动到第二位置；当关节处于第二位置时，识别出与关节中第二部位相对应的第二点；以及，至少在部分上基于第一、第二点，为用于向骨头中植入植入件的骨准备工作制定规划。

附图说明

附图被包含在本说明书中，并作为说明书的组成部分，其表示了本发明的实施方式，并与文字描述一起来解释本发明的原理。在附图中：

图1中的立体图表示了根据本发明的外科系统的一种实施方式；

图2A中的立体图表示了根据本发明的触觉装置的一种实施方式；

图2B中的立体图表示了根据本发明的触觉装置的一种实施方式；

图2C是图2A所示触觉装置的立体图，其表示了根据本发明的触觉装置操作方式的实施方式；

图3中的立体图表示了图2A所示触觉装置中末端执行器的实施方式；

图4中的立体图表示了根据本发明的解剖跟踪器的实施方式；

图5中的立体图表示了根据本发明的触觉装置的实施方式；

图6A中的立体图表示了根据本发明的末端执行器跟踪器的实施方式；

图6B中的立体图表示了图5A所示的末端执行器被连接到触觉装置上时的情形；

图7是根据本发明的器械跟踪器的一种实施方式的立体图；

图8表示了根据本发明的机械跟踪系统的一种实施方式；

图9中的立体图表示出了股骨和胫骨，该视图表示了根据本发明的触觉目标体的图示表像的一种实施方式；

图10A中的立体图表示了根据本发明的股骨构件的一种实施方式；

图10B中的立体图表示了根据本发明的胫骨构件的一种实施方式；

图11A中的图线表示的是根据本发明一种实施方式的力反馈曲线；

图11B中的图线表示了当图11A所示的力反馈曲线被移动到左侧时的情形；

图11C是根据本发明的斥力触觉目标体的一种实施方式的图示表像；

图11D是根据本发明的斥力触觉目标体的一种实施方式的图示表像；

图11E是根据本发明的虚拟工具的实施方式的图示表像；

图11F是根据本发明的虚拟工具的实施方式的图示表像；

图11G表示了根据本发明的图形选择界面的一种实施方式；

图11H表示了根据本发明的图形选择界面的一种实施方式；

图12表示了根据本发明的CAS系统的显示器的实施方式；

图13中的方框图表示了根据本发明的、用于单髁膝盖置换手术的方法的实施方式；

图14A表示了根据本发明的腿保持器的实施方式；

图14B表示了根据本发明的腿保持器的实施方式；

图15表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的分割步骤；

图16表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的分割步骤；

图17表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的界标选择步骤；

图18表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的界标选择步骤；

图19表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的界标选择步骤；

图20表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的界标选择步骤；

图21表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的界标选择步骤；

图22表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的界标选择步骤；

图23表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的界标选择步骤；

图24表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的探针校准确认步骤；

图25表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的解剖跟踪器安装步骤；

图26表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的配准步骤；

图27表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的配准步骤；

图28表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的配准步骤；

图29表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的配准步骤；

图30表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的配准步骤；

图31表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的配准步骤；

图32表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的配准步骤；

图33表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的配准步骤；

图34表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的触觉装置校准步骤；

图35表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的、对植入件的放置进行规划的步骤；

图36表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的骨准备步骤；

图37表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的骨准备步骤；

图38表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的、对植入件的放置进行规划的步骤；

图39表示了外科导航屏幕的一种实施方式，该屏幕表示了根据本发明的骨准备步骤；

图40中的方框图表示了根据本发明的触觉呈现方法的一种实施方式；

图41是被叠置起来的多个触觉目标体的表像；

图42表示了根据本发明的3D几何触觉目标体的实施方式；

图43中的框图表示了根据本发明的、基于多边形体的触觉呈现方法的实施方式；

图44表示了根据本发明的多边形表面目标体的实施方式；

图45表示了根据本发明的体素位图的实施方式；

图46A表示了根据本发明的体素查询表的实施方式；

图46B表示了根据本发明的多边形查询表的实施方式；

图47表示了根据本发明的虚拟引导线实施方式的实现形式；

图48中的图线表示了坐标变换；

图49A表示了虚拟代理点的方位；

图49B表示了虚拟代理点的方位；

图50中的流程图表示了根据本发明的触觉呈现算法的实施方式；

图51A图示地表示了主动性的多边形优先行为；

图51B图示地表示了优先依据多边形的行为；

图51C图示地表示了优先连续表面的行为；

图51D图示地表示了优先最小作用力的行为；

图52A图示地表示了增强的凹拐角行为在x-y面内的表像；以及

图52B图示地表示了增强的凹拐角行为在y-z面内的表像。

具体实施方式

附图表示了本发明当前的优选实施方式。尽管本说明书主要针对的是涉及膝关节的整形外科过程，但应当理解：本发明所述的主题也适用于人体中的其它关节，例如肩关节、肘关节、腕关节、脊关节、髋关节、或踝关节，本发明的主题还适用于其它任何的矫形和/或肌骨骼植入件，这些植入件包括由常用材料制成的植入件和较为奇异的植入件，例如生物矫形的、输送药物的植入件以及输送细胞的植入件。

图1表示了根据本发明的外科系统10的一种实施方式。该外科系统10包括运算系统20、触觉装置30、以及跟踪(或定位)系统40。在工作中，该外科系统10能进行全面的、处于手术进行过程中的外科规划。在使用者执行外科手术的过程中，外科系统10还向使用者(例如外科医生)提供了触觉引导和/或限制使用者对触觉装置30的操控。

运算系统20包括用于对外科系统10进行操作和控制的硬件及软件。如图1所示，运算系统20包括计算机21、显示装置23、以及输入装置25。运算系统20还可包括手推车29。

计算机21可以是任何已有的运算系统，但优选地是可编程的、基于处理器类型的系统。例如，计算机21可包括微处理器、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出(I/O)电路、以及任何其它公知的计算机部件。优选地是，计算机21适于与多种类型的储存装置(固定安装型与可拆卸型)配套使用，这些储存装置例如是便携式驱动器、磁性存储器(例如软盘)、固态存储器(例如闪存卡)、光学存储器(例如CD盘或压缩盘)、和/或网络/互联网储存器。计算机21可包括一台或多台电脑，例如包括以Windows、MS-DOS、UNIX、或其它合适的操作系统为操作系统的个人计算机(例如IBM-PC兼容计算机)或工作站(例如SUN或Silicon Graphics工作站)，优选地是，其中的操作系统具有图形用户界面(GUI)。在一种实施方式中，计算机21包括从MAKO SURGICAL CORPTM购得的、产品识别号码为0040TAS00001的导航模块。

显示装置23是运算系统20与使用者之间的视觉界面。显示装置23与计算机21相连，其可以是适于显示文字、图像、图形、和/或其它视觉输出信息的任何装置。例如，显示装置23可包括标准的显示屏(例如LCD、CRT、等离子显示器等)、触摸屏、佩带式显示器(例如眼睛或护目镜等的眼镜用品)、投影显示器、头戴式显示器、全息显示器、和/或其它视像输出装置。显示装置23可被布置在计算机21上或计算机的附近(例如位于图1所示的手推车29上)，或者也可远离计算机21(例如安装在手术室的墙壁上、或适于使用者观察的其它位置上)。优选地是，显示装置23是可调节的，从而在外科手术的进行过程中，使用者可根据需要对显示装置23进行定位/重新定位。例如，显示装置23可被布置在与手推车29相连的可调节臂件(图中未示出)上，或者可被布置在易于使用者观察的任何其它位置上。显示装置23可被用于显示对医疗过程有用的任何信息，该信息例如是由图像数据集(利用常用的成像技术获得)生成的解剖体的图像、图形模型(例如植入件、器械、解剖体等的CAD模型)、被跟踪物体(例如解剖体、刀具、植入件等)的图形表像、数字或视频图像、配准信息、校准信息、患者的数据、使用者的数据、测量数据、软件菜单、选择按钮、状态信息等。

除了显示装置23之外，运算系统20可包括声学装置(图中未示出)，以便于向使用者提供声响反馈。声学装置与计算机21相连，其可以是用于发出声音的任何现有装置。例如，声学装置可包括扬声器和声卡、集成有音频支持功能的主板、和/或外部的声音控制器。在工作中，声学装置可被设计成向使用者发送信息。例如，计算机21可被编程设置成向声学装置发送信号，以产生出声音，该声音例如是合成的语音指示“DONE”，以指示外科流程的某个步骤已经完成。类似地，声学装置可被用于向使用者提供关于敏感状态的警报，例如发出哔哔声以指示外科切割刀具正在接近软组织的临界部分。

运算系统20的输入装置25使得使用者能与外科系统10进行通讯。输入装置25与计算机21相连，其可以包括允许使用者向计算机进行输入的任何装置。例如，输入装置25可以是公知的输入装置，譬如键盘、鼠标、轨迹球、触摸屏、触控垫、声音识别硬件、拨盘、开关、按钮、可跟踪的探针、脚踏板、遥控装置、扫描器、摄像机、麦克风、和/或操纵杆。

运算系统20(整体或部分)可被布置在手推车29上，以节省空间，减小运算系统20的物理占用面积，和/或实现可移动性。手推车29例如可以是现有的手推车、平台、或设备支架，且优选地是，其被设计成使得运算系统20易于移动。例如，如图1所示，手推车29可包括滚动构件28(例如滚轮或脚轮)，以使得手推车29可被移动。手推车29还可包括用于将其固定就位的机构。例如，手推车29上可设置有车轮锁止件或滚动构件28的制动件、脚踏锁止装置、举升支架、和/或用于将手推车固定在位置上的其它现有机构。按照这种方式，手推车29可将运算系统20从一个地点移动到另一地点，并按照各种外科状况所必需的那样进行定位，且在储放及手术的过程中固定在所需的位置上。作为备选方案，运算系统20(整体或部分)可被安装在将要执行外科手术流程的空间(例如安装在墙壁或工作台上)、安装在远处的地点处、与触觉装置30集成到一起、与成像装置(例如计算断层照相装置CT、磁共振成像装置MRI、荧光检查装置、超声装置等)集成到一起、和/或与医疗系统(例如位于执行外科流程的空间的医疗设备推车)集成到一起。

运算系统20适于使外科系统10能完成与外科规划、导航、图像引导、和/或触觉引导相关的各种功能。例如，计算机21可具有运算算法、程序规划、以及软件等功用，这些功用与基本操作、数据存储及读取、计算机辅助外科(CAS)、应用、触觉控制、和/或任何其它合适的功能相关。在一种实施方式中，运算系统20包括用在导航模块中的软件，该导航模块是从MAKO SURGICAL CORPTM购得的、产品识别号码为0040TAS00001。

与一般操作相关的功用被设计成可完成基本的运算功能，该基本运算功能实现并支持着外科系统10的总体工作。基本操作功用例如包括：用于快速图形处理功能的公知特性、用于支持输入/输出(I/O)装置的功能、用于与医院网络进行连接的功能、用于管理数据库(例如植入件和器械数据库)的功能、用于保证系统安全(例如登录特点、访问限制等)的功能、和/或用于支持外科系统10总体工作的其它有用功能。

与数据储存及提取相关的功用被设计成可实现对多种格式数据的储存和访问，其中的数据例如是图像数据(例如利用任何合适的成像机理获得的二维或三维图像数据集，其中的成像机理例如是X-射线、计算机断层照相CT、磁共振MR、正电子放射断层照相PET、单光子放射计算机层析扫描SPECT、超声等)、应用数据、植入件的数据、器械的数据、解剖体模型数据、患者数据、使用者的优选数据等。数据储存及提取的应用可包括任何适于储存并处理相关数据的功用。

与计算机辅助外科相关的功用被设计成能实现外科手术规划、导航、以及由基础图像引导的外科性能。例如，如公知的那样，CAS应用可包括如下的功能：从图像数据集产生出图像并显示图像数据的功能、用于确定外科器械顶端位置以及轴线定向的功能、用于使患者与图像数据集配准以调整跟踪系统40的构架的功能。这些功能例如使得运算系统20能在显示装置23上显示出关于被跟踪的手术器械叠置在患者解剖体的一个或多个图像上的虚拟表像，并能在手术的进行过程中实时地更新被跟踪器械的虚拟表像。从图像数据集产生出的图像可以是二维图像，或者在图像数据集为三维图像数据集的情况下，图像例如是基于图像数据集的分段进行重建所得的三维图像。在显示装置23上显示一个以上图像的情况下，优选地是，运算系统20将被跟踪器械的表像在多个不同的图像之中进行协调。作为由图像数据集所生成的图像的补充或替代，运算系统20可使用解剖模型(例如基于CAD模型、线条图、草图、卡通图、艺术性透视图、通用数据集或变体数据集等)。

与外科系统10的应用相关的功用包括一些特定的应用程序，这些程序被设计成通过手术规划和导航来协助使用者。与应用性功用有关的程序可被设计成用在多种医疗过程中和/或可被定制成专用于某种特定的医疗过程。例如，应用性的功用可包括与一个或多个矫形过程有关的程序，其中的矫形过程例如是全膝置换、部分膝盖置换、髋置换、肩关节置换、肘关节置换、腕关节置换、踝关节置换、脊骨外科手术、和/或安装矫形植入件和/或肌骨骼植入件，这些植入件包括由常用材料制成的植入件和较为奇异的植入件，例如生物矫形的、输送药物的植入件以及输送细胞的植入件。应用性的功用可被用在外科规划和导航的各个方面—包括手术前的活动、手术进行中的活动、以及手术后的活动。例如，应用功用可包括针对于规划和设置的程序或方法，这些程序或方法例如为系统初始化方法、规划方法、可视化方法、诊断成像方法、配准方法、以及校准方法。应用性的功用还可包括与目标体跟踪和系统控制相关的程序或方法，这些程序或方法例如是坐标变换方法、插值方法、工具及功率控制方法、解剖体定位方法、模式控制方法、安全方法、梗塞检测算法、以及前向的运动学算法。应用性的功用可包括与触觉装置30相关的程序或方法，此程序或方法例如是触觉力运算方法、触觉力映射方法、用于产生触觉目标体的方法、以及触觉呈现算法。应用性的功用还可包括在手术过程中与使用者进行通讯的程序和方法—例如用于显示与手术流程特定步骤相对应的页面或图像的软件、用于促使使用者执行某一任务的软件、以及用于向使用者提供反馈(例如视觉反馈、声响反馈、触感反馈、和/或力反馈)的软件。

与触觉控制相关的功用被设计成可实施与触觉装置30的控制、性能、稳定性、和/或安全性有关的各种功能。例如，触觉控制功用可包括实时的操作系统(RTOS)、运动控制软件、用于为触觉装置30的控制提供高频度更新的硬件和软件、用于确保触觉装置30失效保障工作(例如对制动件的控制、对冗余传感器的监控等)的软件、和/或适于改善或促进触觉装置30性能及稳定性和/或安全性的其它任何功用。触觉控制功用可由运算系统20的计算机21执行，只要计算机21具有足以支持触觉控制功用的操作需求的运算架构即可。例如，与触觉控制相关的程序所需的工作频率通常要高于计算机21上运行的其它程序的所需频率。在一种实施方式中，触觉控制方法的工作频率约为2kHz。在另一实施方式中，触觉控制方法的工作频率在约0.1kHz到约10kHz的范围内。在再一种实施方式中，触觉控制方法的工作频率在约500Hz到2400Hz的范围内。与此相反，计算机21可工作在低很多的频率上，例如工作在约15Hz到约20Hz的频率上。在另一实施方式中，计算机21的频率可以处于约2Hz到约60Hz的范围内。在另外的实施方式中，计算机21的频率可以大体上等于触觉控制方法所需的工作频率(例如约为2kHz)。如果计算机21的架构不足以支持触觉控制方法的工作，则运算系统20可包括用于执行触觉控制功用的计算机31。在一种优选的实施方式中，计算机31集成或嵌入到触觉装置30中。

计算机31(如图1所示)可以是与计算机21类似的机器，但优选地是被设计成满足触觉装置30的特别工作需要—例如能满足对更高工作频率的需求。计算机31可包括一台或多台计算机。在一种实施方式中，计算机31是兼容Intel的x86 3U紧凑型PCI单板机，其处理器的时钟频率至少为1.6GHz，并具有至少2GByte的非易失性存储器(例如硬盘驱动器、Compact闪存等)、至少256MB的RAM、400MHz或更快的前端总线、至少1MByte的二级缓存、以及实时性的操作系统。可从市场上购得的一种实例产品包括由Inova Computers GmbH出品的ICP-PM-1004-DG-8A型计算机，其与QNX软件系统Ltd公司出品的QNX6.1(或更高版本)操作系统配套使用。

除了触觉控制功用之外，计算机31还可包括使得触觉装置30能使用从跟踪系统40得到的数据的程序。例如，跟踪系统40可定期地产生出被跟踪目标体的姿态(位置和定向)数据。在一种实施方式中，大致以每秒30次或30Hz的频率来产生目标体的姿态数据。在另外的实施方式中，产生目标体姿态数据的频率更高，例如约为500Hz或更高。目标体的姿态数据被从跟踪系统40传送给计算机31(例如经过接口100b)，并被按照常规的方式进行了调制—例如如公知的那样使用噪声滤波器进行滤波。此外，在跟踪系统40的工作频率低于触觉控制程序的频率的实施方式中，可使用公知的插值滤波器来对目标体的姿态数据进行调制。插值滤波器通过填充离散数据采样之间的间距而使目标体姿态数据平滑化，以此使得目标体姿态数据可被用在高频率的触觉控制方法中。计算机31还包括坐标变换程序，其用于将一个空间内的坐标映射(或变换)到另一空间中的座标上，以便于实现空间对准或对应。例如，外科系统10可利用该坐标变换程序来将被跟踪目标体(例如外科工具、患者解剖体等)的位置映射到运行在计算机31和/或计算机21上的程序所使用的坐标系统中。如公知的那样，坐标变换程序可包括任何合适的变换技术—例如刚性体变换技术、非刚性体变换技术、仿射变换技术等。

在计算系统20中设置多个计算机(例如计算机21和计算机31)的一个优点在于：每个计算机都能被单独地进行设置。因而，计算机21可针对于外科规划和导航进行定制，且计算机31可针对触觉装置30的控制性能、稳定性、和/或安全性进行定制。例如，计算机31可包括实时的操作系统(RTOS)，以维持对触觉控制系统的可靠更新、以及为触觉装置30设置的稳定的工作平台。与此相反，计算机21可包括非RTOS的系统，原因在于运算系统20并不需要具备与触觉装置30相同的稳定程度。因而，计算机21则可被定制设置成满足外科导航的特定需求—例如图形处理。设置多个具有单独运算架构的计算机的其它优点在于：对触觉系统了解有限的软件开发者可为计算机21创建CAS功用，该功用可与多种触觉装置配套使用。类似地，对CAS了解有限的软件开发者可创建致力于增强特定触觉装置的性能、稳定性、和/或安全性的触觉功用。作为对分散计算机的替代方案，触觉装置30和运算系统20的运算功能例如可被集中到单台计算机(例如计算机21或计算机31)、成像装置(例如CT装置、MRI装置、荧光装置等)的运算系统中、和/或医院的计算系统(例如网络系统、将要进行手术流程的房间内的设备推车等)中。

如图1所示，运算系统20与触觉装置30通过接口100a联接起来。接口100a包括物理接口和软件接口。物理接口可以是任何公知的接口—例如有线接口(例如串行接口、USB、以太网、CAN总线、和/或其它电缆通讯接口)、和/或无线接口(例如无线以太网、无线串口、红外接口、和/或其它无线通讯系统)。软件接口可驻留在计算机21和/或计算机31中，使得运算系统20能与触觉装置30进行通讯，并控制触觉装置30的工作。在一种实施方式中，软件接口包括一种功用，其能允许运算系统20向触觉装置30发出指令。例如，计算机21可向计算机31发送指令，要求触觉装置30进入某种特定的模式(例如接近模式、触觉模式、自由模式、输入模式、保持模式)。作为响应，计算机31可被编程设置成对各个参数进行检查，以验证向所要求模式的进入是否是安全的，也就是说是否是可以接受的，从而，或者是使触觉装置30进入到所要求的模式中，或者是返回适当的错误信息。

触觉装置30是这样的外科装置：其被设计成由使用者进行操控，以移动外科工具50，从而对患者执行手术流程。在手术过程中，运算系统20例如基于患者解剖体与触觉装置30上一部分(例如外科工具50)的指标而执行一些控制参数，用于对触觉装置30进行控制，其中的指标是位置、定向、速度、和/或加速度。在一种实施方式中，触觉装置30被控制得为使用者对装置的操控设置限制作用(例如通过限制使用者对触觉装置30的物理操控能力)。在另外的实施方式中，触觉装置30被控制成对使用者提供触觉引导作用(即触感反馈和/或力反馈)。“触觉”一词是指有关接触的感觉。且触觉领域涉及与人体交互式装置相关的研究，其中的人体交互式装置可向操作者输出触感反馈和/或力反馈。触感反馈一般包括一些触感性的知觉，这些知觉例如是振动，而力反馈则是指以力的形式(例如对运动的阻力)和/或力矩的形式(也被称为“扭转”)表现出的反馈。扭转例如包括以力、力矩、或力与力矩组合的形式表现的反馈作用。

与计算机辅助外科(CAS)功用相关联的触觉装置30所产生的引导作用使得外科医生能主动而精确地控制手术动作(例如骨切除)和局部治疗药物的输送(例如在脑中)。例如，运算系统20被编程设置成：基于代表患者解剖体的数据(例如术前的CT影像数据、超声数据)、与解剖体相关(或配准)的虚拟目标体(或触觉)、关于解剖体的参数(例如相对于解剖体的一个部分所限定的深度)、和/或解剖体，确定出控制参数。运算系统20可基于工具50相对于虚拟目标体、参数、和/或解剖体的位置对触觉装置30进行控制，以产生出力、力矩、和/或振动。例如，工具50受到约束而不能进入与解剖体的表像相关的虚拟边界、和/或受到约束而不能超过针对解剖体的表像而限定的参数。因而，在手术中，在外科医生操控触觉装置30以移动工具50的过程中，可使用虚拟的路线将工具50引导向特定的目标体，并使用虚拟的边界来限定切割形状或防止工具50与重要组织接触，且可使用预定的参数来限制工具50的行程(例如限制到预定的深度)。运算系统20还可被编程设置为：在手术过程中，响应于实际解剖体的移动而对控制参数进行调节(例如通过对检测到的实际解剖体的运动进行监控，然后再响应于检测到的运动而调节虚拟目标体)。按照这种方式，外科系统10可补充或取代对手术部位直接的可视化，增强了外科医生的自然触感和体能灵敏度，有助于通过各种尺寸的入口瞄准、修复、置换人体中的各种结构，其中的入口是从常规尺寸的入口(其长度例如为12英寸或更大)到直径小到1mm的入口的各种入口。

例如在整形外科的应用中，触觉装置30通过协助外科医生工作，使其能正确地刮刻骨头，从而能精确而可重复地完成骨切除操作，由此被用来解决骨准备工作的不精确、无预测性、且无重复性的问题，同时使得外科医生在骨准备的过程中能保持对手术过程的密切参予。此外，由于在切割骨头的操作中触觉装置30对外科医生进行了触觉上的引导，所以，外科医生的技能水平并不是至关重要的。结果就是，技能水平和经验不同的外科医生都能执行精确的、可重复的骨切除操作。在一种实施方式中，外科工具例如与触觉装置30相连。外科医生可通过抓握和移动工具和/或通过抓握并操控触觉装置30来移动工具，以此来操作工具以对骨头进行刮刻。在外科医生执行切割操作时，外科系统10(利用跟踪系统40)对工具的位置进行跟踪，且在大多数情况下，允许外科医生在工作空间内自由地移动工具。但是，当工具接近于与患者配准的虚拟边界时，外科系统10就对触觉装置30进行控制，以提供触觉引导作用，该引导作用将趋于对外科医生进行约束，避免使工具进入虚拟边界。例如，虚拟边界可由触觉目标体限定，且触觉引导作用可包括输出的扭转(即力和/或力矩)，该扭转作用与触觉目标体映射，外科医生可感觉到该作用，以限制工具在靠近虚拟边界的方向上进一步移动。因而，外科医生感觉到就像工具已碰到了实际的物体—例如墙壁。按照这种方式，虚拟目标体起到了虚拟切割引导体的作用。因而，触觉装置30向外科医生传递了关于工具相对于虚拟边界的方位的信息，并在实际切割过程中提供了物理引导作用。触觉装置30还可被用于限制使用者操控外科工具的能力，在第10/470314号美国专利申请(公开号为2004/0128026)中例如就公开了这样的内容，该专利申请的内容被结合到本申请中作为参考。

触觉装置30可包括适于向使用者传递触感反馈(例如振动)和/或力反馈(例如扭转)的机械或机电装置。触觉装置30可以是机械手系统、非机械手系统、或机械手系统与非机械手系统的组合系统。例如，触觉装置30可包括如下专利文件中公开的触觉装置：于2003年3月6日提交的第10/384072号美国专利申请(其公开日为2004年2月5日)；于2003年3月6日提交的第10/384077号美国专利申请(其公开日为2004年2月19日)；于2003年3月6日提交的第10/384078号美国专利申请(其公开日为2004年2月19日)；于2003年3月6日提交的第10/384194号美国专利申请(其公开日为2004年2月19日)；于2003年7月16日提交的第10/621119号美国专利申请(其公开日为2004年6月3日)、和/或于2005年2月22日提交的第60/655642号美国临时专利申请。上述各个公开申请的内容都被结合到本申请中作为参考。

在一种实施方式中，触觉装置30包括机械手。在该实施方式中，如图2A所示，触觉装置30包括基座32、臂件33、末端执行器35、以及用户接口37。触觉装置30还可包括平台39。

基座32为触觉装置30提供了基础。如图2所示，基座32支撑着臂件33，还可能包容和/或支撑着触觉装置30的其它部件—例如控制器、放大器、致动器、马达、传动部件、离合器、制动件、电源、传感器、计算机硬件、和/或任何公知的其它机械手部件。基座32可用任何合适的金属材料和/或合成材料制成，这些材料例如是铝或塑料，基座优选地包括可拆卸的面板，以便于能接近基座32中所包容的部件。

臂件33被布置在基座32上，其适于使得触觉装置30可由使用者进行操控。臂件33可以是任何合适的机构或机电结构，但优选地是具有四个或多个自由度(运动轴线)的关节臂，其例如是目前被称为“全臂操纵器”或WAMTM的机械臂，这种机械臂是由Barrett技术公司制造的。如图2A所示，在一种实施方式中，臂件33包括第一区段33a、第二区段33b、以及第三区段33c。第一区段33a和第二区段33b在第一关节33d(例如肩关节)处连接起来，第二区段33b与第三区段33c在第二关节33e(例如肘关节)处连接起来。如图2B所示，臂件33例如具有第一自由度DOF₁、第二自由度DOF₂、第三自由度DOF₃、以及第四自由度DOF₄。因而，区段33a、33b、以及33c以及关节33e和33d构成了关节式的机械连接机构，其可被操纵为各种位置或姿态。臂件33的尺寸被设计成适于应用在多种手术流程中，例如可被用在矫形外科、神经科手术、和/或外科流程中，且足够紧凑，以使得触觉装置30具有机动性，并能在操作室中有效地对触觉装置30进行定位。例如，臂件33的尺寸可被设计成略大于人的手臂。在一种实施方式中，臂件33的伸展范围约为1m，且区段33b和33c的直径约为89mm。臂件33还适于包容和/或布置触觉装置30的部件，这些部件例如是仪器、电源线、马达、传动部件、控制器、致动器、放大器、制动件、离合器、电源、传感器、和/或计算机硬件。例如，区段33a、33b、以及33c可具有内部通道和/或在可设置触觉装置30部件的内部的中空部分。区段33a、33b、以及33c可用任何合适的金属材料和/或合成材料制成，这些材料例如是铝或塑料，区段优选地包括可拆卸的面板和/或进入口，以便于能接近臂件33中所包容的部件。

例如可通过增加额外的自由度来提高臂件33的灵巧性。例如，臂件33可包括腕部36。如图2A所示，腕部36可被布置在臂件33上(例如位于第三区段33c的远端)，且具有一个或多个自由度，以增加臂件33的自由度DOF₁、DOF₂、DOF₃、以及DOF₄。例如，如图2B所示，腕部36可具有自由度DOF₅。在一种实施方式中，腕部36具有两个自由度，且臂件33的自由度DOF₃被取消了。腕部36也可以是由Barrett技术公司制造的单自由度或三自由度WAMTM腕件。

臂件33包括反馈机构，以使得触觉装置30能在使用者对其进行操纵时向使用者发送信息。在工作中，运算系统20对反馈机构进行控制，以产生出触感反馈和/或力反馈，并将反馈作用传递到使用者上，从而向其传达信息，该信息例如是关于触觉装置一部分(例如工具50)相对于虚拟目标体的位置、有关解剖体的参数、和/或解剖体的信息。优选地是，反馈机构被设计成可产生出力、力矩、和/或振动。反馈机构可包括由一个或多个致动器(例如电机)和机械传动装置组成的驱动系统(图中未示出)。优选地是，致动器适于产生与使用者对触觉装置30的操作相反的力反馈作用。致动器例如可包括由正弦整流电流放大器/控制器驱动的钐-钴无刷电机、由空间矢量整流电流放大器/控制器驱动的钕-铁无刷电机、和/或适于用在机械手系统中的任何合适的电机和变换机理。传动装置例如是张力元件型驱动系统(例如缆索、钢带、或聚合物筋束型传动器)、直接驱动系统、和/或适于用在机械手系统中的任何低静摩擦且低游隙的传动系统。在一种示例性的实施方式中，驱动系统包括高速的缆索传动装置和零游隙、低摩擦的缆索型差速器。在一种实施方式中，缆索型传动装置可以是用在由Barrett技术公司制造的WAM^TM机械臂中的缆索型传动装置、和/或美国专利4903536中介绍的缆索型传动装置，其中该美国专利的内容被结合到本申请中作为参考。缆索型传动装置的一个优点在于：缆索型传动装置允许臂件33的大部分体积被布置在与手术部位足够远的位置处，从而在手术过程中，使用者不会受到臂件33上结构或部件的妨碍或阻挡。优选地是，驱动系统被设计成低摩擦的、小惯性的、高刚性的、大带宽、游隙接近于零的、具有力保真性、和/或具有反向驱动性能，且还适于将臂件33保持在这样的状态下：使得使用者感觉臂件33就像没有重量一样。例如，在一种实施方式中，臂件33的结构可基本上是平衡的。例如可通过对驱动系统进行控制、以产生出用于修正不平衡状态的力和/或力矩，从而可抵消臂件中的任何不平衡作用(例如由于重量效应)。驱动系统的马达还可被用于产生振动或振荡，从而使得触觉装置30能向使用者提供触感反馈。除了驱动系统之外，反馈机构还可包括与马达分离开的、用于产生振动的振动装置—例如振荡器。

臂件33可包括用于确定臂件33位置和定向(即姿态)的位置传感器(图中未示出)。位置传感器可包括用于确定或跟踪目标体位置的任何公知的传感器—例如编码器、解算器、电位计、线性可变差动变压器(LVDT)、倾斜传感器、指向(导向)传感器、重量方向传感器(或加速计)、光学传感器(例如红外传感器、光纤传感器、或激光传感器)、磁性传感器(例如磁阻或限磁性传感器)、和/或声学传感器(例如超声传感器)。位置传感器可被布置在触觉装置30上或装置内任何合适的位置上。例如，位置传感器包括安装在关节33d、33e上的编码器和/或安装在各个马达转轴上的解算器。还可使用适于用在外科场合中的任何跟踪系统来跟踪臂件33的姿态，这些系统例如是光学系统、磁性系统、射频系统、或声学跟踪系统，且包括下面介绍的跟踪系统40。

除了位置传感器之外，臂件33可包括冗余的传感器(图中未示出)。冗余传感器与位置传感器是类似的，其被用于在触觉装置30工作的过程中检测不一致和/或不稳定的情况。例如，如果冗余传感器与位置传感器的输出存在差异，则表明驱动系统和/或位置传感器存在问题。冗余传感器还可通过产生数据来提高对臂件33姿态的判断精度，其中的数据使得触觉装置30的控制系统能减小或消除驱动系统和/或臂件33的部件挠曲所带来的影响。在臂件33带有缆索型传动装置的情况下，冗余传感器将是特别有利的。

末端执行器35构成了触觉装置30的工作端，其被设计成使得使用者能执行与外科手术相关的各种动作。例如，在一种实施方式中，末端执行器35作为臂件33与工具50之间的适配器或联接件。通过更换不同的工具50，使用者可将触觉装置30用于不同的活动—例如配准、骨准备、测量/验证、和/或植入件安装。如图2A所示，在一种实施方式中，末端执行器35包括适于与臂件33相连的近端部分、以及带有器械或工具50的远端部分。工具50例如是外科刀具(例如磨锥、钻具、探针、锯等)、医疗器械、显微镜、激光测距仪、摄像机、灯光、内窥镜、超声探头、冲洗装置、抽吸装置、放射治疗装置、和/或用于手术/外科规划/和/或外科导航的其它任何部件。优选地是，末端执行器35被设计成与工具50可拆卸地接合，从而，使用者可针对特定的流程安装合适的工具50，并根据需要进行更换。例如，工具50可利用常规的硬件(例如螺钉、销、夹具等)、键式连接件、锁销、螺纹连接件、过盈配合等固定到末端执行器35上。作为备选方案，工具50可以是末端执行器35上的整体部件，从而，当使用者想要更换工具时将替换掉整个末端执行器35。优选地是，工具50可相对于臂件33进行移动，以使得使用者能控制工具50的精确位置。例如，工具50可绕着轴线C-C(如图2C所示)进行转动。如图3所示，在一种实施方式中，工具50包括工具保持器51，其被接纳在末端执行器35远端部分的孔洞52中。可利用公知的方式—例如键式连接或螺纹连接方式将工具保持器51固定在孔洞中。工具保持器51被设计成可释放地接合着工具50(例如球形磨锥的顶端)，且带有用于向工具50供电(或输送气压)的动力线路(图中未示出)。在一种实施方式中，工具保持器51包括用于驱动工具50(例如磨锥、锯、或其它动力工具)的马达。工具50可以是单个工具，或者可包括多个工具。例如，工具50可包括用于骨切除的球形磨锥、以及用于在切除过程中清洁手术部位的抽吸管线和冲洗管线。在一种实施方式中，工具50和工具保持器51带有电动的、由空气冷却的外科工具，这种外科工具目前是由ANSPACH

制造的，其产品编号为EMAX2(马达)、EMAX2-FP(脚踏板)、SC2000(控制台)、L-2SB(2mm带槽球)、L-4B(4mm带槽球)、L-6B(6mm带槽球)、L-1R(12)(1.2mm×12.8mm带槽刳刨工具)。末端执行器35与臂件33的远端以任何常规的方式实现机械及电气连接，且具有用于向工具50输送动力、压缩空气、抽吸力、冲洗物的一条或多条管线。

末端执行器35可被设计成使得使用者能向外科系统10中输入信息。例如，在一种实施方式中，末端执行器35适于起到输入装置—例如操纵杆的作用。在该实施方式中，末端执行器35具有一个或多个自由度，以实现操纵杆的功能。如图3所示，末端执行器35可具有一个自由度，该自由度允许末端执行器35绕着轴线A-A转动。因而，使用者可使末端执行器35绕着轴线A-A转动(扭转)，以对外科系统10进行输入。当使用者旋转末端执行器35时，代表旋转方向和旋转量的对应编码器信号将被传递给计算机21和/或计算机31。例如，绕着轴线A-A在第一方向上转动一定角度的旋转将表明“前进”(例如进行到该流程中的另一步骤或执行另一应用，使显示装置23的屏幕进行到下一屏幕显示等)，绕着轴线A-A在第二方向上转动规定的角度则表明“后退”(例如返回到流程中的上一步骤或返回到另一应用，使显示装置23返回到前次屏幕等)。末端执行器35(和/或臂件33的其它部件)还可具有另外的自由度，以实现其它的输入。除了操纵杆的功能之外，末端执行器35(和/或触觉装置30的任何其它部分)可具有一个或多个按钮、拨盘、和/或开关，以完成输入功能。按照这种方式，通过为使用者提供了方便的输入机构，就能提高外科系统10的效率及易于使用性。

触觉装置30的用户接口37使得使用者与触觉装置30之间实现了物理上的相互作用。例如，接口37可被设计成使得使用者能物理性地接触接口37，并操纵工具50，同时还能从触觉装置30接收触觉引导作用。接口37可以是连接到触觉装置30上的单独的部件(例如手柄或把手)，或者可以只是触觉装置30上已有结构的一部分。例如接口37可与部件33、末端执行器35、和/或工具50相关联。由于接口37被连接到触觉装置30上和/或是触觉装置30的组成部分，所以，当使用者与接口37相接触时，触觉装置30产生的任何触感反馈或力反馈输出都被直接地传递给使用者。如图2A所示，在一种实施方式中，用户接口37包括第一部件(例如臂件33的肘部关节33e)和第二部件(例如工具50和/或臂件33的远端—例如末端执行器35)，第一部件被设计成使得使用者能改变臂件33的构造，第二部件被设计成允许使用者将工具50相对于臂件33进行移动。如图2C所示，在工作中，使用者160将其一只手放到第一部件(例如肘关节33e)上，并用另一只手抓握住第二部件(例如工具50)。然后，使用者160根据需要施加作用力，以操纵臂件33，并移动工具50。按照这种方式，使用者对接口37进行操控，同时改变了臂件33的构造，并使工具50相对于臂件33产生了移动。在两个部位(例如工具50处和肘关节33e处)与触觉装置30相接触的操作能有利地实现对触觉装置30的粗略控制和精细控制。例如，使用者160能同时实现两方面的控制：对臂件33大致构造的控制(例如通过肘关节33e)；以及对工具50尖端精细(或精确)位置的控制(例如通过使工具50相对于臂件33移动)，在进行那些需要高度精确性和灵活性的活动时—例如在将工具50操纵到手术部位以及对骨头进行刮刻时，这样的特性是重要的。

优选地是，使用者接口37的尺寸被设计成这样：使得使用者能容易地抓握住该接口37。例如，接口37的直径可对应着易于被使用者的手和/或手指抓握住的直径大小。接口37的直径例如可以在约5mm到约75mm的范围内。在一种实施方式中，使用者接口37与末端执行器35是一体的。在该实施方式中，末端执行器35包括一个或多个其直径适于被使用者抓握的部分。例如，末端执行器35近端部分的直径可以约为43mm；末端执行器35远端部分的直径可以约为36mm；工具保持器51的直径可以约为19mm；且工具50的直径可以约为6mm。在一种实施方式中，末端执行器35的远端部分为使用者的食指设置了把手。可选地是，接口37可带有一定的锥度，以适应手尺寸不同的不同使用者。接口37的形状或轮廓还可被设计成与使用者手掌和/或手指的形状相配，且可包括其它的人机工程学特性，目的例如是为了增加使用者的舒适感，并防止打滑(例如在使用者的手套是湿滑/沾有血液时)。

触觉装置30的一个优点在于：使用者接口37能有利地使得触觉装置30与使用者配合地保持着工具50。与此相反，用在远程外科系统中的触觉装置具有“从属”装置和“主控”装置，其中的“从属”装置专用于保持着工具，而外科医生则借助于“主控”装置对工具进行控制。主控装置通常远离手术地点，以允许外科医生在一定距离处执行手术，或者为外科医生提供更为符合人机工程学的工作位置/环境。因而，对于远程触觉系统，外科医生的缺憾在于其完全依赖于远程系统来观察手术部位并进行手术。与此相反，利用本发明的外科系统10，在使用者在触觉装置30的引导下移动工具50时，可密切地保持对手术部位的物理接近性和视觉接近性。

触觉装置30的另一个优点在于：触觉装置30将不会自主地移动。与此相反，用于执行关节矫形置换手术的自主式外科机械手系统则利用高速磨锥自动地执行骨切除操作。尽管外科医生监控着机械手的进程，且如果必要的话可中断其操作，但外科医生对手术过程并非完全地掌控着。但是，对于本发明的触觉装置30，外科医生(而不是机械手)操纵着工具50。因而，外科医生保持着对切割操作的控制，其只是从触觉装置30接收引导作用和协作。结果就是，不需要外科医生向触觉装置30的机械手出让控制权，这将增大了外科医生在手术过程中的舒适程度。

如上所述，与运算系统20相关，触觉装置30可包括计算机31。计算机31可被设置在外科系统10中任何方便的位置处，例如可被设置在布置了触觉装置30的机架上或设备箱柜中(例如图1所示的平台39)。计算机31可被用来取代或补充运算系统20中的计算机21。触觉装置30(包括计算机31)还可包括其它的计算机、电子设备、或适于用在机械手和/或触觉装置中的其它任何机电部件，例如可包括用于从编码器和臂件33上冗余传感器接收信息的控制器、用于向马达提供动力的放大器、离合器、制动件、用于故障保护制动器的电源、和/或模式开关，其中的模式开关用于将触觉装置30置于所需的操作模式下(例如接近模式、触觉模式、自由模式、输入模式、保持模式)。

优选地是，触觉装置30的尺寸被设计成这样：触觉装置30可被装配到手术室中，且不会妨碍其它设备或使用者在手术室中的走动。例如，在一种实施方式中，触觉装置30(臂件33处于储放状态或缩回状态)的高度约为1.4m，且触觉装置30的占地面积在约0.25m²到约0.6m²的范围内。在另一实施方式中，占地面积在约0.09m²到0.13m²的范围内。类似地，优选地是，触觉装置30的重量使得该触觉装置30能被相对容易地从一个位置移动到另一位置。例如，在一种实施方式中，触觉装置30的重量在约100磅到500磅的范围内。在另一实施方式中，触觉装置30的重量在约50磅到约200磅的范围内。优选地是，触觉装置30的重量轻、尺寸小，这既使得触觉装置易于移动，也使得触觉装置30能被针对于手术过程优选地进行定位。例如，触觉装置30(或其任何部分)可被设计成位于手术室的地板上、安装在手术台(或手术室中的其它设备体)上、固定到患者的骨头上。

如图1所示，触觉装置30(或其一部分，例如机械手)可被安装到平台39上。平台39可以是任何公知的台板、推车、或设备支架，其可包括设备搁架和/或箱柜(例如为了容纳计算机31)，且优选地是被设计为有利于触觉装置30的活动性。例如，平台39可包括滚动构件38(例如滚轮或脚轮)，以使得平台39可以移动。平台39还可包括用于将其固定在位置上的机构。例如，平台39上可为滚动构件38设置有轮锁或制动件、脚踏板锁止装置、千斤顶支架、和/或用于将平台或推车固定就位的任何公知机构。如图2A所示，在一种实施方式中，平台39包括刚性的支脚39a，可利用机构39b对其进行操作而使其在缩回状态(见图2A)与伸长状态(图中未示出)之间动作。为了将平台39从一个位置移动到另一位置，可将刚性支脚39a缩回，使得平台39在滚动机构38上移动。为了将平台39固定在位置上，将刚性支脚39a伸出，以使得平台39支撑在刚性支脚39a上。作为备选方案，刚性支脚39a可被固定到平台39上，而滚动构件38却是可伸出/缩回的。因而，平台39使得触觉装置39能被从一个地点移动到另一地点、按照各个手术情况所必需的那样进行定位、以及在存放与手术过程中固定到所需的位置上。作为备选方案，触觉装置30(整体或部分)可被安装在将要进行手术的房间中(例如安装在地板、墙壁、或工作台上)、与运算系统20集成到一起、与成像装置(例如CT装置、荧光检查装置、超声装置等)集成为一体、和/或与医疗系统(例如将要执行手术流程的房间中的医疗设备推车)集成为一体。

如图1所示，优选地是，触觉装置30和运算系统20被设置成单独的单元。作为备选方案，触觉装置30(部分或整体)与运算系统20(部分或整体)可被集合成一个单元。触觉装置30和运算系统20(或它们的部分)还可与其它设备件集成到一起，其中，其它的设备件例如是成像装置(例如CT装置、MRI装置、荧光检查装置、超声装置等)、和/或医院系统(例如在执行外科手术的房间内的设备推车等)。在一种实施方式中，计算机21与计算机31被布置在触觉装置30的平台39上，且运算系统20的显示装置23和输入装置25被布置在轻质支架上，以利于使用者能从外科系统10获得信息、以及输入信息。

外科系统10的跟踪(或位置确定)系统40被用于在手术过程中确定一个或多个目标体的姿态(即位置和定向)，以检测目标体的运动。例如，跟踪系统40可包括检测装置，其能获得目标体相对于检测装置的参考坐标系的姿态。随着目标体在参考坐标系中的移动，检测装置对目标体的姿态进行跟踪，以检测(或使得外科系统10能确定)目标体的移动。结果就是，运算系统20可响应于被跟踪目标体的移动而对控制参数进行调节(例如通过调节虚拟目标体来实现)。被跟踪的目标体例如包括工具/器械、患者解剖体、植入件/假体装置、以及外科系统10的部件。外科系统10利用从跟踪系统40获得姿态数据，还能将某个空间中的坐标与另一个空间中的坐标实现匹配(映射或关联)，以实现空间内的对准或对应(例如使用公知的坐标变换方法)。在物理空间内的目标体可被匹配到任何合适的坐标系统中—例如由运行在计算机21和/或计算机31上的程序所使用的坐标系统。例如，利用从跟踪系统40获得姿态数据，外科系统10能将物理上的解剖体和工具50(和/或触觉装置30)与解剖体的表像(例如显示在显示装置23上的图像)关联起来。基于被跟踪的目标体以及配准数据，外科系统10例如可确定出(a)解剖体图像与相关解剖体之间的空间关系、以及(b)相关解剖体与工具50之间的空间关系，从而，在虚拟表像—图像之间关系与工具50—实际解剖体之间关系基本上等同的情况下，运算系统20可将工具50的虚拟表像叠合到图像上(并连续地更新)。在外科手术过程中，通过跟踪工具50和相关的解剖体，外科系统10可对相关解剖体的运动进行补偿(例如，通过响应于测得的运动对虚拟目标体进行调节)。

配准可包括任何公知的配准技术—例如：图像与图像的配准(在图像为相同类型或相同形态的情况下进行单模态配准，其中的图像例如是荧光检查图像或MR图像，和/或在图像属于不同类型或形态的情况下进行多模态配准，其中的图像例如是MRI图像和CT图像)；图像与物理空间的配准(例如在由常规成像技术所获得的患者解剖体数据集要与患者实际解剖体进行配准的情况下，执行的图像-患者配准)；和/或图像-图像配准与图像-物理空间配准的组合形式(例如将术前的CT和MRI图像与术中的情景进行配准)。

跟踪系统40可以是使得外科系统10能连续确定(或跟踪)患者相关解剖体姿态和工具50(和/或触觉装置30)姿态的任何跟踪系统。例如，跟踪系统40可包括非机械式的跟踪系统、机械式跟踪系统、或适于被用在外科环境中的任何非机械式与机械式的组合系统。非机械式的跟踪系统可包括光学(或视觉)系统、磁性系统、射频系统、或声学跟踪系统。这样的系统一般包括检测装置，该检测装置适于对处于预定坐标空间内的、可被特别识别出且可被该检测装置检测到的可跟踪元件进行定位，其或者被设计成与要被跟踪的目标体相连，或者是要被跟踪的目标体上的固有部件。例如，可跟踪元件可包括标记阵列，其中的标记具有独特的几何格局，且当可跟踪元件被连接到被跟踪目标体上时，其相对于被跟踪的目标体具有已知的几何关系。已知的几何关系例如可以是可跟踪元件与被跟踪目标体的端点和轴线之间的预定几何关系。因而，检测装置至少在部分上根据从标记位置推导出来的标记(如果独特的话)几何形状、轴线的定向、以及端点在坐标系中的位置识别出特定的跟踪目标体。标记可包括任何公知的标记物—例如外来标记(基准)和/或跟踪目标体的固有特征。外来标记是人造的目标体，其被连接到患者上(例如固定到皮肤上的标记、植入到骨头中的标记、趋实体性构架等)，且被设计成对检测装置而言是可见的，从而可被精确地检测到。固有特征是被跟踪目标体上显著且可精确定位的部分(例如界标、解剖结构的外轮廓、形状、颜色、或任何足以被识别出的视觉指示物)，其具有作为可识别标记所需的足够确定性和可识别性。可利用任何合适的检测方法来对标记进行定位，所述方法例如是已知的光学、电磁、射频或声学方法。例如，可使用具有对红外辐射敏感的两固定立体摄像机的光学跟踪系统来跟踪发射红外辐射的标记，其中，该标记或者主动发射红外线(例如发光二极管或LED)，或者是被动地发射(例如其表面可反射红外辐射的球形标记)。类似地，磁性跟踪系统可包括固定的磁场发生器，其能发射出在空间中变化的磁场，设置在被跟踪目标体中的小线圈可感测到该磁场。

如图1所示，在一种实施方式中，跟踪系统40包括非机械式的跟踪系统。在该实施方式中，非机械式的跟踪系统是光学跟踪系统，其包括检测装置41和至少一个可跟踪元件(或跟踪器)，其中的跟踪器被设计成布置在(或集成到)被跟踪目标体上，且可由检测装置41检测到。如图1所示，检测装置41例如包括对红外辐射敏感的两个立体摄像机，它们可被布置在将要进行外科手术的手术室中。跟踪器被设计成以牢固而可靠的形式固定到被跟踪目标体上，且包括标记阵列(例如图4中的阵列S1)，其相对于被跟踪目标体具有已知的几何关系。标记可以是主动(例如发光二极管或LED)的，或者可以是被动的(例如反光球、棋盘图案等)，且优选地是，其具有独特的几何结构(例如标记独特的几何布局)，或者在主动标记的情况下，带有电线的标记排列成独特的发光图样。在手术中，检测装置41检测标记的位置、独特的几何格局(或发光图样)、以及与被跟踪目标体的已知几何关系，以便于使得外科系统10能基于标记的位置计算出被跟踪目标体的姿态。

由于非机械式跟踪系统依赖于检测装置41的性能来从光学上“看到”标记，所以，检测装置41和跟踪器应当被定位成这样：在外科手术过程中，使得检测装置41与标记之间可保持清晰的视线。作为防护措施，优选地是，外科系统10被设计成这样：如果检测装置41在手术过程中不能检测到跟踪器(例如当检测装置41与一个或多个标记之间的视线被遮挡和/或当标记的反射被遮蔽时)，就向使用者发出警报。例如，外科系统10可包括声响(和/或视觉)警报器，其被编程设置成：当人员走入到标记与检测装置41之间时、当在标记与检测装置41之间放置了物体时、当摄像机的镜头被遮挡(例如被灰尘)时、和/或当标记的发光被遮蔽(例如被血液、组织、灰尘、骨屑)时，其可发声(和/或闪光)。外科系统10还可包括触发其它安全特征的程序—例如带有电源关断特性的闭塞检测算法(下文将结合图13中的步骤S11进行讨论)，当检测装置41无法捕捉到标记时，该算法能停止工具50的工作。

非机械式的跟踪系统可以为使用者希望跟踪的每个目标体都设置可跟踪元件(或跟踪器)。例如，在一种实施方式中，非机械式跟踪系统包括解剖体跟踪器43(用于跟踪患者的解剖体)、触觉装置跟踪器45(用于跟踪触觉装置30的总体位置或大体位置)、末端执行器跟踪器47(用于跟踪触觉装置30的远端)、以及器械跟踪器49(用于跟踪由使用者手动把握的器械/工具)。

如图1所示，解剖体跟踪器43被布置在患者解剖体(例如骨头)的相关部分上，且适于使得该相关解剖体可被检测装置41进行跟踪。解剖体跟踪器43包括用于附接到解剖体上的固定装置。固定装置例如可以是骨钉、外科钉、螺钉、夹具、可佩戴装置、髓内杆体等。在一种实施方式中，解剖体跟踪器43被用在膝盖置换手术过程中，用于跟踪患者的股骨F和胫骨T。在该实施方式中，如图1所示，解剖体跟踪器43包括适于被布置在股骨F上的第一跟踪器43a和适于被布置到胫骨T上的第二跟踪器43b。如图4所示，第一跟踪器43a包括由骨钉P构成的固定装置和独特的标记阵列S1(例如反光球体)。阵列S1被附着到连接机构400上，该连接机构适于被可拆卸地固定到两骨钉P上。例如，如图4所示，连接机构400可包括第一部分442、第二部分444、以及螺钉445。为了将第一跟踪器43a安装到股骨F上，使用者将骨钉P旋拧到股骨F中，并在骨钉P上滑动连接机构400，然后再旋紧螺钉445，以将第一部分442和第二部分444拉紧到一起，由此将连接机构400牢固地固定到骨钉P上。一旦固定之后，连接机构400就额外地增大了骨钉P的稳定性。第二跟踪器43b除了被安装到胫骨T上、且具有自己独特的标记阵列之外，与第一跟踪器43a是相同的。当被安装到患者上之后，第一、第二跟踪器43a和43b使得检测装置41能在膝盖置换手术过程中对股骨F和胫骨T的运动进行跟踪。结果就是，外科系统10能在手术过程中实时地补偿骨头的运动。

如图2A所示，触觉装置跟踪器45被布置在触觉装置30上，其被设计成使得外科系统10能监控触觉装置30在物理空间内的总体位置或大体位置。特别是，触觉装置跟踪器45使得外科系统10能确定出触觉装置30是否相对于外科环境中的其它物体(例如患者)产生了移动。由于工具50被连接到触觉装置30上，所以，上述的信息是重要的。例如，如果使用者在用工具50切割股骨F时有意地重新布置触觉装置30或无意中撞击了触觉装置30，跟踪系统40就将检测到触觉装置跟踪器45的运动。作为响应，外科系统10可对计算机21和/或计算机31上运行的程序作出适当的调节，以补偿触觉装置30(及所连的工具50)相对于股骨F的总体运动或大体运动。结果就是，可保持股骨准备过程的完整性。

如图2A和图5所示，触觉装置跟踪器45包括独特的标记(例如反光球)阵列S3，且适于被安装到触觉装置30的底座32上。优选地是，触觉装置跟踪器45被安装成这样：使其能被固定成相对于基座32处于固定的位置上。该固定位置相对于触觉装置30进行校准标定(下文将结合图13中的步骤S9进行讨论)，以使得外科系统10能知晓触觉装置跟踪器45相对于触觉装置30的基座32处于何处。一旦校准之后，在手术过程中就要保持该固定位置。如图2A和图5所示，在一种实施方式中，触觉装置跟踪器45包括臂件34，该臂件的近端与基座32相连(例如通过螺钉、铆钉、焊接、夹具、磁体等)，远端上支撑着标记阵列S3。臂件34可包括一个或多个具有刚性结构的支撑构件(例如支架、撑杆、连杆等)，以使得触觉装置跟踪器45可相对于触觉装置30固定在永久性的位置上。但优选地是，臂件34是适于调整的，以使得阵列S3可相对于触觉装置30在第一位置与第二位置之间移动。因而，阵列S3在被固定到固定位置之前，可相对于触觉装置30的基座32独立地定位。可调节性的一个优点在于：阵列S3的位置可针对于各种外科情况进行定制(例如基于患者的体格尺寸、手术台的高度等)。可调节性的另一个优点在于：阵列S3可被定位得不会在手术过程中对使用者造成妨碍。可按照任何现有的方式来使得臂件34具备可调节性(例如关节臂、柔性颈部等)。例如，如图5所示，在一种实施方式中，臂件34包括球窝接头34b，触觉装置跟踪器45被设置在该接头上。球窝接头34b包括由手柄34a操作的锁止机构。在工作中，使用者可旋松手柄34a来释放球窝接头34b，并对球窝接头34b进行操作，直到使触觉装置跟踪器45处于所需的位置为止，然后再旋紧手柄34a，直到使球窝接头34b被牢固地固定为止。按照这种方式，可将触觉装置跟踪器45固定到所需的位置上。作为将触觉装置跟踪器45固定在固定位置、并将该固定位置校准于触觉装置30的替代措施，臂件34可包括位置传感器(例如编码器)。这些位置传感器可与臂件33的位置传感器类似，且可与合适的软件(例如在计算机21或计算机31上运行的软件)配合使用，以测量臂件34相对于基座32的姿态。如果在臂件34上设置了位置传感器，则由于外科系统10可基于由位置传感器提供的关于臂件34姿态的信息而确定出触觉装置跟踪器45相对于基座32的位置，所以下文将要介绍的校准过程S11可被取消。

末端执行器跟踪器47适于使得外科系统10能确定出触觉装置30远端(例如工作端)的姿态。优选地是，末端执行器跟踪器37被设计成位于臂件33的远端或工具50上。例如，如图6B所示，末端执行器跟踪器47可被布置在末端执行器35上。如图6A所示，末端执行器跟踪器47可包括独特的标记(例如反射球)阵列S4，且适于以公知的方式连接到末端执行器35上，其中的连接方式例如是夹持装置、螺纹连接件、磁体等。如图6A所示，在一种实施方式中，末端执行器跟踪器47利用夹具1500附接到末端执行器35上。夹具1500可与阵列S4制成一体，或者以常规的方式(例如机械硬件、粘接剂、焊接等)附接到阵列S4上。夹具1500包括第一部分1505、第二部分1510、以及指旋螺丝1515。第一、第二部分1505和1510的形状被设计成可接纳末端执行器的一个部分—例如工具50的圆柱形部分或工具保持器51。例如，如图6A所示，第一部分1505可具有平面，第二部分1510可具有v形的沟槽，从而，第一部分1505和第二部分1510在被拧紧到一起时，可牢固地接纳着工具50或工具保持器51。为了将末端执行器跟踪器47安装到末端执行器35上，夹具1500的第一部分1505和第二部分1510可被布置成环绕着工具50或工具保持器51，并由指旋螺丝1515拧紧。末端执行器跟踪器47还可包括这样的特征：当将末端执行器跟踪器47安装到触觉装置30上时，其有助于对末端执行器跟踪器47正确地进行定向。例如，末端执行器跟踪器47可包括如图6B所示的凹窝(divot)47a。

在一种实施方式中，仅在对触觉装置30进行标定(下文将结合图13中的步骤S9进行讨论)时才使用末端执行器跟踪器47，而在执行外科手术之前，要将其拆卸掉。在这种实施方式中，末端执行器跟踪器47被布置到末端执行器35上(如图6B所示)，且触觉装置跟踪器45被安装到触觉装置30的基座32上(例如如图2A所示那样通过可调节臂件34进行安装)，从而可调节触觉装置跟踪器45相对于触觉装置30的位置。由于触觉装置跟踪器45的位置是可调节的(与永久固定的情况相反)，外科系统10无法知晓触觉装置跟踪器45相对于触觉装置30的方位。为了确定触觉装置30与触觉装置跟踪器45之间的几何关系，标定过程要用到末端执行器跟踪器47。尽管在整个外科手术过程中(或手术过程的任何部分中)末端执行器跟踪器47都可留在触觉装置30上，但最好是在完成了标定过程后将末端执行器跟踪器47去掉。例如，使用者可能希望将末端执行器跟踪器47去掉，以防止跟踪器47干扰使用者对触觉装置30、患者解剖体、医疗器械和设备、和/或手术室中其他人员的抓握。拆除末端执行器跟踪器47的另一优点在于：由于跟踪系统40对末端执行器跟踪器47进行测量时存在延迟或带宽有限，所以，末端执行器跟踪器47在手术过程中的移动可能导致外科系统10的性能下降。

在一种备选的实施方式中，可取消末端执行器跟踪器47。在该实施方式中，触觉装置跟踪器45被固定在触觉装置30上的永久位置处。由于触觉装置跟踪器45在触觉装置30上被固定在永久位置上，所以，触觉装置跟踪器45与触觉装置30坐标系之间的关系是已知的。因而，外科系统10并不需要末端执行器跟踪器47进行标定来确立触觉装置跟踪器45与触觉装置30坐标系之间的关系。在该实施方式中，触觉装置跟踪器45可被刚性地安装到触觉装置30上的任何位置上，只要这些位置允许跟踪系统40能探测到触觉装置跟踪器45阵列S3即可，其中，这些位置与手术部位足够地靠近，因而不会降低精度，且应当不会妨碍使用者或对手术环境中的其他人员或物体造成干涉。

在一种备选的实施方式中，触觉装置30被牢固地锁定就位。例如，触觉装置30可被螺栓固定到手术室的地板上，或用其它方式固定在位置上。结果就是，触觉装置30的总体位置或大体位置不会发生大的改变，以使得外科系统10无需对触觉装置30的总体位置或大体位置进行跟踪。因而，可取消触觉装置跟踪器45。在该实施方式中，在触觉装置30被锁定就位之后，可使用末端执行器跟踪器47来确定触觉装置30的初始位置。

在另一种备选的实施方式中，跟踪系统40被连接到触觉装置30上永久固定的位置上。例如，跟踪系统40(包括检测装置41)可被直接安装到触觉装置30上，或者可通过刚性的安装臂或支架连接到触觉装置30上，以使得跟踪系统相对于触觉装置30处于固定的位置上。在这样的实施方式中，由于跟踪系统40相对于触觉装置30的位置是固定的，且可在执行标定的过程中(例如在制造或装配触觉装置30的过程中)进行确定，所以可取消触觉装置跟踪器45和末端执行器跟踪器47。

在另一种备选的实施方式中，跟踪系统40以可调的方式连接到触觉装置30上。例如，跟踪系统40(包括检测装置41)可利用臂件连接到触觉装置30上，其中的臂件例如是可调节臂件34(上文结合触觉装置跟踪器45进行了讨论)，从而使得跟踪系统40可相对于触觉装置30从第一位置移动到第二位置。在臂件和跟踪系统40被锁定在位置上之后，可进行标定工作，以确定跟踪系统40相对于触觉装置30的位置。例如可利用末端执行器跟踪器47来执行标定。

器械跟踪器49适于被联接到由使用者手动把握的器械150上(与此相反，工具50例如是被连接到末端执行器35上)。器械150例如是探针—例如配准探针(例如直线形或带钩的探针)。如图7所示，器械跟踪器49可包括独特的标记(例如反射球)阵列S5，其与器械150制成一体或按照公知的方式连接到器械150上，其中的连接方式例如是机械硬件、粘接剂、焊接、螺纹连接、夹紧装置、夹箍等。当器械跟踪器49被可拆卸地连接到器械150上时(例如利用夹箍或夹紧装置)，器械跟踪器49应当被标定到器械150上，以确定器械跟踪器49与器械150几何结构之间的关系。可按照任何合适的方式来完成标定，例如可使用具有凹窝或V形槽的工具标定器(例如在第2003/0209096号美国专利申请中的公开内容，该专利被结合到本申请中作为参考)。采用夹箍或夹紧装置(例如图6A所示的夹具1500)来将跟踪器49连接到器械150上的一个优点在于：夹箍或夹紧装置可被进行调节以适应不同尺寸的器械。因而，多个器械可使用同一个夹具或夹紧装置。外科系统10在知晓了阵列S5与器械150之间几何关系的基础上，能计算出器械150顶端在物理空间内的位置。因而，可通过使器械150的尖端与某个物体的相关部分进行接触，就可使用器械来配准该物体。例如，通过使器械150接触患者骨头上的界标或骨头表面上的点，可使用器械150来配准患者的骨头。还可使器械150与位于植入件上的预定验证特征(例如凹窝)相接触，使用器械150来验证安装在患者上的植入件是否对准。

器械跟踪器49还可被设计成对器械150的标定进行验证。例如，另一个跟踪器(例如跟踪器43、45或47)可带有凹窝，使用者可将器械150的尖端插入到该凹窝中。如图6B所示，在一种实施方式中，末端执行器跟踪器47具有凹窝47a，使用者可将器械150的尖端插入到该凹窝中。然后，检测装置41就能从器械跟踪器49和末端执行器跟踪器47获得姿态数据，外科系统10可将跟踪器47、49之间的实际几何关系与预期的几何关系进行比较。实际几何关系与预期几乎关系之间的偏差就表明器械150的物理参数(例如直线度、尖端位置等)不符合标定条件。如图29所示，在验证过程中，外科系统10在显示装置23上显示出的屏幕表示了器械150的几何表像、器械跟踪器49、以及末端执行器跟踪器47。

作为补充措施或替代措施，跟踪系统40可包括机械跟踪系统。与非机械式的跟踪系统(其包括远离跟踪器43、45、47和49的检测装置41)相反，机械式的跟踪系统可被设计成包括与被跟踪目标体机械相联(即存在物理连接)的检测装置(例如具有关节编码器的关节臂)。跟踪系统40可包括任何公知的机械跟踪系统—例如在第6033415号和第6322567号美国专利中描述的机械跟踪系统，上述两专利的全部内容被结合到本申请中作为参考。在一种实施方式中，跟踪系统40包括具有关节式机械臂241(例如具有六个或更多个自由度的关节臂)的机械跟踪系统，其适于对患者的骨头进行跟踪。如图8所示，臂件241的近端被连接到触觉装置30的基座32上，其可自由运动的远端被固定到患者的股骨F上。作为备选方案，近端可被连接到任何合适的位置(例如手术台的导轨、腿保持器等)上，但优选地是，近端被连接(直接连接或通过支架)到触觉装置30的基座32上，以使得臂件241可与触觉装置30一起移动。臂件241的远端带有固定装置245，其适于将例如骨钉、骨螺钉、夹具、可佩戴装置、外科钩钉等刚性地固定到股骨F上。臂件241被设计成具有多个自由度。例如，如图8所示，在一种实施方式中，臂件241包括连接到关节244上的多根连杆242。每个关节244都包括一个或多个位置传感器(图中未示出)，用于跟踪臂件241的姿态。位置传感器可以是任何合适的传感器—例如上文针对触觉装置30的臂件33所描述的位置传感器。在工作中，随着股骨F的移动，臂件的远端也随之而移动。位置传感器(以及合适的软件)测量出臂件远端相对于固定到触觉装置30上近端的姿态。按照这种方式，就可捕捉到股骨F相对于触觉装置30的运动。机械式的跟踪系统240还可包括第二臂件，其与臂件214相同，但被刚性地连接到胫骨T上，以使得跟踪系统240可对胫骨T的运动进行跟踪。按照这种方式，可利用机械式的跟踪系统240来对股骨F和胫骨T进行跟踪，从而外科系统10在手术过程中能实时地检测骨头的运动。与适当的软件配合，在手术过程中，外科系统10可利用骨头运动数据来对骨头的运动实时地进行补偿。

机械式跟踪系统相比于非机械式跟踪系统的一个优点在于：检测装置(即臂件241)与被跟踪目标体是物理连接关系，因而无需与相关部位连线、以“看到”被跟踪目标体上标记。因而，在手术过程中，使用者和其它人员可在手术室中自由地走动，而不必担心阻挡标记组与光学摄像机之间不可见的视线。机械式跟踪系统的另一优点在于臂件241可与触觉装置30实现物理连接(例如与基座32)。这样的结构消除了要对触觉装置30相对于患者的总体位置或大体位置进行跟踪(例如使用上述的触觉装置跟踪器45)的需要。由于臂件241随着触觉装置30一起移动，所以不必对触觉装置30的总体位置或大体位置进行跟踪。结果就是，在手术过程中，触觉装置30可被重新定位，而不必对骨头运动跟踪系统重新进行标定。另外，机械式跟踪系统的精度可高于非机械式跟踪系统的精度，且使得计算机21和/或计算机31具有更快的刷新率。由于机械式跟踪系统硬连线到计算机21和/或计算机31，从而能实现更快的刷新率。因而，刷新率仅受计算机21和/或计算机31速度的限制。

在一种备选实施方式中，机械式跟踪系统的臂件241可与手术台、腿保持器62(例如如图14A所示)、或手术环境中的其它结构相连。在这样的实施方式中，执行标定操作来确定臂件241相对于触觉装置30的姿态。例如，在一种实施方式中，通过将触觉装置30的远端(例如末端执行器35)布置成与臂件241的远端具有已知的几何关系来进行标定。在另一实施方式中，臂件241的远端被布置成与触觉装置30的基座32具有已知的几何关系。在再一种实施方式中，触觉装置30的远端(例如末端执行器35)可被布置成与臂件241的基座具有已知的几何关系。

如果跟踪系统40包括机械式跟踪系统，则可使用臂件241来配准患者的解剖体。例如，使用者可使用臂件241来配准胫骨T，而第二臂件(即与臂件241相同、但被固定到胫骨T上的臂件)则对胫骨T的运动进行跟踪。例如，通过将臂件241的远端的尖端指向胫骨T上的解剖学界标和/或通过使臂件241远端的尖端与胫骨T表面上的点相接触(或“涂抹”)，来完成配准工作。随着使用者接触胫骨T上的界标和/或涂抹胫骨T的表面。外科系统10就从臂件241中的位置传感器获得了数据，并确定出了臂件241尖端的姿态。与此同时，第二臂件提供了关于胫骨T运动的数据，从而，外科系统10在配准过程中能考虑到骨头的运动。基于骨头运动数据以及关于臂件241尖端位置的信息，外科系统10能将胫骨T与运算系统20中的诊断图像和/或患者解剖体的解剖学模型配准。按照类似的方式，第二臂件可被用来与股骨F进行配准，而臂件241(其被固定到股骨F上)则可对股骨F的运动进行跟踪。例如还可组合地使用非机械式的跟踪系统与被跟踪的探针(例如带有器械跟踪器49的器械150)和/或使用触觉装置30(例如下文结合图13中步骤S8所描述的那样)对患者的解剖体进行配准。

如图1所示，跟踪系统40可通过接口100b与触觉装置30相联。接口100b包括物理接口和软件接口。物理接口可以是任何公知的接口—例如有线接口(例如串行、USB、以太网、CAN总线、和/或其它线缆通讯接口)、和/或无线接口(例如无线以太网、无线串行、红外接口、和/或其它无线通讯系统)。软件接口可被驻留在计算机21和/或计算机31中，以使得触觉装置30和运算系统20可与跟踪系统40进行通讯，并对跟踪系统的工作进行控制。

外科系统10适于与动力源相连。动力源可以是任何公知的电源—例如电力输出线、电池、燃料电池、和/或发电机，且可利用常规的硬件(例如电线、电缆、浪涌保护器、开关、备份电池/UPS、隔离变压器等)与外科系统10相连。优选地是，外科系统10包括由使用者激活的装置，用于手动地控制工具50的供电。例如，外科系统10可包括脚踏板(或其它开关装置)，其可被定位在手术室的地板上，并靠近使用者。踩压脚踏板将使得电源向工具50供电(在气动工具50的情况下，则是供送压缩空气)。与此相反，松开脚踏板将中断能量向工具50的输送。外科系统10还适于自动地中断能量向工具50的输送，以提高安全性。例如，外科系统10可包括程序或流程(例如在计算机21和/或计算机31上运行)，其被用于在检测到危险状况时关闭工具50，其中的危险状况例如是：在诸如骨头切割等重要的操作过程中，当解剖体跟踪器43和/或触觉装置跟踪器45被遮挡住时的情形。

在工作中，运算系统20、触觉装置30、以及跟踪系统40相互配合而使得外科系统10能在手术过程中对使用者提供触觉引导。外科系统10通过利用力反馈触觉接口(即触觉装置30)来模拟人体的触感系统，以使得使用者能与虚拟的环境相互作用，从而提供了触觉引导。触觉装置30产生出由计算机控制的作用力，以向使用者传达对于虚拟环境和虚拟环境中虚拟(或触觉)目标体的自然感受。由计算机控制的作用力被显示给(即反映或传送给)使用者，以使其感觉到虚拟目标体的触感。例如，随着使用者对工具50的操控，外科系统10确定出工具50的位置和定向。对工具50的虚拟表像与虚拟环境中虚拟目标体之间的碰撞进行检测。如果发生了碰撞，外科系统10基于虚拟工具进入到虚拟目标体的深度来计算触觉反作用力。计算出的反作用力被映射到虚拟目标体的表面上，并通过触觉装置30将合适的力矢量反馈给使用者。在本文的语境中，术语“虚拟目标体”(或“触觉目标体”)可被用来指代不同的目标体。例如，虚拟目标体可以是物理物体—例如植入件或外科工具的表像。作为备选方案，虚拟目标体可代表要被从解剖体上去除的材料、要被留在解剖体上的材料、和/或要避免与工具50相接触的解剖体(或其它目标体)。虚拟目标体还可以代表路线、引导线、边界、限界、或其它限度或边线。

为了使得使用者能与虚拟环境实现相互作用，外科系统10采用了触觉呈现流程。图40图示地表示了该流程的一种实施方式。在工作中，触觉装置30(模块2500)的位置传感器(模块2502)向前向运动程序(模块2504)提供数据。前向运动程序的输出信息被输入到坐标变换程序(模块2506)中。触觉呈现算法(模块2508)从坐标变换程序接收到数据，并向力映射程序(模块2510)提供输入信息。基于力映射程序的结果，触觉装置30的致动器(模块2512)被启动，以向使用者传输合适的触觉扭力(即作用力和/或扭矩)。上文已结合触觉装置30的臂件33对模块2502的位置传感器和模块2512的致动器进行了介绍。下文将结合图43中的步骤S708对模块2504的前向运动程序和模块2506的坐标变换程序进行描述。并结合图50对模块2508的触觉呈现算法和模块2510的力映射程序进行描述。

触觉呈现程序可包括任何合适的触觉呈现方法—例如公开在如下文献中的方法：第6111577号美国专利；由C.B.Zilles与J.K.Salisbury撰写的、公开在《Proceedings of the IEEE/RSJ InternationalConference on Intelligent Robots and Systems》1995年第3卷第146-51页的“A constraint-based god-object method for haptic display”一文；由T.V.Thompson II、D.E.Johnson与E.Cohen撰写的、公开在《Proceedings of the Symposium on Interactive 3D Graphics》(1997年第167-76页)的“Direct haptic rendering of sculptured models”一文；由K.Salisbury和C.Tar撰写的、公开在《Proceedings of the ASMEDynamic Systems and Control Division》(DSC-1997年第61卷第61-67页)中的“Haptic rendering of surface defined by implicit functions”一文；和/或由J.E.Colgate，M.C.Stanley和J.M.Brown撰写的、公开在《Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference onIntelligent Robots and Systems》(1995年第3卷第140-45)上的“Issuesin the haptic display of tools use”一文。这些文献被结合到本申请中作为参考。

由触觉呈现程序创建的虚拟环境包括虚拟(或触觉)目标体，其与工具50的虚拟表像相互作用。虚拟目标体与工具50虚拟表像之间的相互作用可以是基于位置点或基于射线的。在一种优选实施方式中，外科系统10采用基于位置点的触觉相互作用，在此条件下，只有虚拟的点或触觉相互作用点(HIP)与虚拟环境中的虚拟目标体相互作用。HIP对应于触觉装置30上的物理点—例如工具50的尖端。HIP通过虚拟弹簧/阻尼模型与物理触觉装置30上的物理点相关联。与HIP相互作用的虚拟目标体例如可以是具有表面707和触觉力法向矢量F_n的触觉目标体705(参见图42)。透入深度d_i是HIP与表面707上最近点之间的距离。透入深度d_i代表了HIP透入到触觉目标体705中的深度。

可利用3D几何基本物体、3D多边形物体、数学方程、计算机模型、表面模型、和/或体素阵列来为虚拟(或触觉)目标体建模。触觉目标体可以是静态的、准静态的、动态的、连续的、非连续的、随时间变化的、和/或只在特定的时刻存在。在一种实施方式中，利用关于工具位置、定向、速度、和/或加速度的一个或多个函数来为触觉目标体建模。因而，在切割骨头的外科手术的情况下，触觉呈现程序可生成输出扭力相对工具位置的映射关系。该映射关系可被设计成这样：使得反馈给使用者的输出扭力足以阻止虚拟工具(或HIP)进一步地透入到虚拟物体中。按照这种方式，建立起了虚拟的切割边界。虚拟边界与患者的实际解剖体、解剖体的图像、和/或所涉及的其它坐标系相关联(例如进行配准)。由触觉呈现程序表达出的触觉目标体可起到路线(例如引导线)的功能，且可以是排斥性的(例如被设计成排斥工具50，防止其进入到触觉目标体的内部)，还可起到容器的功能(例如将工具50保持在触觉目标体的内部)，和/或可以具有排斥性的部分和所包含的部分。如图41所示，多个触觉目标体701被叠加使得各触觉目标体701的力矢量F被组合到一起而产生出合成的触觉力矢量F_v。在一种实施方式中，各个触觉目标体701的输出包括相对于惯性坐标系、且具有线性特性的笛卡尔力矢量。可根据运算成本来决定触觉目标体的最大数目。

触觉目标体可被进行定制，以具备任何所需的形状，例如可以是具有解剖学轮廓的植入件形状、为敏感结构(例如关节内解剖体)设置的保护性边界、可获得图像的肿瘤边界、以及用于在活体内组装植入件部件的虚拟固定件。在一种实施方式中，触觉目标体可被设计成独特的轮廓，以与患者的疾病状态相适配。例如，触觉目标体可限定虚拟的切割边界，该边界只将病变的骨头包容在其中。因而，触觉目标体可被用来引导使用者来去除病变的骨头，同时能保留周围健康的骨头。按照这种方式，外科系统10使得使用者可按照定制的方式来刮刻骨头，此工作包括复杂的几何形状和曲线，而这样的形状和曲线利用常规的切割具和锯具引导件是不可能完成的。结果就是，外科系统10有利于保留健康骨头的手术操作，并有利于设计尺寸更小、且适于患者特定病变状态的植入件。

触觉目标体可具有相关的空间或几何表像，该表像可被以图形的显示显示在显示装置23上。图形表像可被选择为能向使用者传递有用的信息。例如，如图1所示，用于协助使用者将工具50引导到手术部位的触觉目标体300可被以图形的形式表达为漏斗形的体积。随着与物理工具50相对应的虚拟工具移动经过触觉目标体300并与该目标体300相互作用，触觉力被反映给使用者，以将工具50指向手术部位。作为备选方案，如图9所示，触觉目标体310可被以图形的形式表达为引导线。随着虚拟工具沿触觉目标体310移动并与之相互作用，触觉力被反映给使用者，以将工具50引导向手术部位。在一种实施方式中，为植入件限定了虚拟切割边界的触觉目标体在显示装置23上可被描绘为其形状基本上对应着植入件形状的图像。因而，为股骨部件72(如图10A所示)限定了虚拟切割边界的触觉目标体208可具有如图9所示的对应图形表像。类似地，为胫骨部件74(如图10B所示)限定了虚拟切割边界的触觉目标体206也具有如图9所示的对应图形表像。

优选地是，利用3D隐含表面物体(例如平面、球体、锥体、圆柱体等)的组合来为体积简单的触觉目标体建模。例如，图42所示的触觉目标体705是球体。触觉目标体705的表面是连续光滑的，从基于触觉相互作用点(HIP)的简化的数学表面函数，可以用便宜的、固定的运算成本来求得透入深度d_i以及触觉力法向矢量F_n的解。对于更为复杂的物体，可使用基于多边形的触觉呈现技术。

图43表示了根据本发明的、基于多边形的触觉呈现方法的一种实施方式。在步骤S702中，例如利用计算机辅助设计(CAD)软件来生成可与使用者相互作用的虚拟环境。例如使用清晰的表面模型来创建虚拟环境。在一种实施方式中，虚拟环境包括3D虚拟(或触觉)目标体，其包括多个多边形的表面物体。如图44所示，优选地是，每个表面物体都是三角形，其由三个节点(或顶点)V0、V1、V2和法向矢量n表达。虚拟目标体可被重新造形，以补偿工具50的物理直径—例如可将虚拟目标体的壁面偏移工具50的半径量。为了提高运算性能(在实时应用的情况下，此性能是很重要的)，可重新筛选多边形表面物体，例如来消除那些小于所需空间解析度的多边形。在虚拟目标体为封闭空腔的情况下，可通过生成具有两个表面—物体外表面和空腔内表面的方法来简化利用CAD系统生成虚拟目标体的工作。但是，只使用内部空腔表面的措施能有利地减小进行呈现所需的容量以及多边形目标体(例如三角形、多边形)的数目。在一种实施方式中，呈现程序可支持进入封闭虚拟物体的单向进入行为，此条件下，HIP只有在从外部移动到内部时，才被允许穿过虚拟目标体。

在图43的步骤S704中，触觉呈现程序创建了多边形表面物体在虚拟环境中的体素映射图。为了创建体素映射图，虚拟环境中的虚拟目标体在空间中被分隔成更小的单元(体素)，以减少多边形表面物体的数目，并避免不必要的碰撞检测检查。如图45所示，虚拟目标体被分隔成n_i×n_i×n_k的网格。该网格的间隔是规则的，且可改变解析度。每个体素都具有占据该体素或与该体素相交的多边形的指针。在给定一组多边形的情况下，可通过如下的步骤来建立起体素的查询表：提取感兴趣的多边形的多边形数据(即顶点V0、V1、V2的xyz分量)；围绕着多边形创建边界框；为处于边界框内的体素添加唯一识别的多边形数目；以及增大占据着体素的多边形的总数目。重复进行这些步骤，直到处理完最后一个多边形为止。如图44(多重坐标系)和图45(体素坐标系)所示，多重坐标系中的点p被方程式v_ijk＝(int)floor(p/s)转换到体素坐标系中，其中，s是体素的尺寸。图46A和图46B分别表示了体素和多边形查询表的实例。

在图43的步骤S706中，触觉呈现程序创建了指向目标点或目标区域的引导线。该引导线起到了路线或指示线的作用，其将HIP引导向特定的位置。引导线是有用的，例如对使用者移动物理工具50的运动进行引导，以使得工具50避开重要的解剖体。对于使用者不能横穿的封闭触觉体积，引导线也是有用的。下文将参照图47对引导线的实施进行介绍，图47表示了虚拟的球体720。球体720包括由球体720的中心和半径限定的有效区域。当HIP位于有效区域的外部时，使用者可自由地移动触觉装置30。当HIP进入到有效区域时，触觉装置30被置于接近模式，在该模式中，创建引导线的线段722。引导线的线段722例如从球体720表面上的进入点723延伸到目标点721(例如目标点对{pe，pt})。一般情况下，球体720的中心可与目标点重合(或位于目标区域内)。当引导线线段722被激活时，HIP沿着引导线线段723自由地移动。HIP偏离引导线线段722的运动(例如垂直于引导线线段722的运动)将产生出反馈给使用者的阻力。随着HIP接近于目标点，对HIP当前位置与目标点之间的距离进行监控。如果距离小于限界半径，则例如通过采用单向限制的虚拟限界球体724来约束HIP的行为。随着HIP进一步移近目标点，限界球体724的半径将减小。当HIP与目标点之间的距离小于转换半径(在图47中由转换球体725代表)时，开始呈现虚拟目标体的触感。

在图43所示的步骤S708中，触觉呈现程序将物理HIP(例如工具50的尖端)映射到虚拟空间中。例如，图40中的前向运动程序(模块2504)运算出物理HIP相对于惯性坐标系Ri的笛卡儿位置。图40所示的坐标变换程序(模块2506)在惯性坐标系Ri、多重坐标系Rp(与多边形虚拟物体相关联的坐标系)、以及图48所示的体素坐标系Rv(与体素阵列相关联的坐标系)之间执行坐标变换。一旦触觉呈现程序已经确定出HIP相对于多重坐标系Rp的位置，触觉呈现程序就运行到步骤S710，并通过查看被占据的体素和相邻的体素来查询候选的多边形物体。在步骤S712中，触觉呈现程序检查碰撞(例如自从上次呈现循环之后，HIP已经穿过多边形物体)，并基于所希望的虚拟代理行为(下文将结合图49对此进行描述)确定虚拟代理点位置(例如HIP沿着虚拟目标体表面的受限位置)。在步骤S714中，在工具的坐标中预先确定出的所需刚度矩阵和阻尼矩阵被变换到惯性坐标系中。在步骤S716中，基于所需的虚拟表面硬度而运算出通过触觉装置30反馈给使用者的触觉力，其中，虚拟表面的硬度是由将HIP与触觉装置30联接起来的虚拟弹簧和阻尼力确定的。在步骤S718中，利用触觉装置30将运算出的触觉力显示或反映给使用者。

如图49A和49B所示，可基于HIP在当前时刻t的位置HIP(t)和前一时刻t-1的位置HIP(t-1)来确定出初始虚拟代理点的位置。例如，当HIP位于虚拟目标体的外部时，触觉呈现程序通过检测包括虚拟目标体的多边形表面物体与线段L之间的相交来检查HIP与虚拟目标体表面之间的初始接触，其中，线段L在位置HIP(t)与HIP(t-1)之间延伸。初始虚拟代理点的位置VP(t)被算出，其作为线段L与多边形表面物体之间的相交点。

图50表示的流程图详细地介绍了根据本发明的、基于多边形表面物体的触觉呈现算法(图40所示模块2508)的一种实施方式。在步骤S100中，对HIP(t)的位置进行更新，并将位置变换到多重坐标系中。在步骤S101中，算法确定碰撞检测特征位(t-1)数值是否为1。如果判断是否定性的，则进入步骤S103，该算法将HIP(t)映射到体素坐标中。在步骤S105中，算法确定出HIP(t)是否位于体素边界框的内部。如果判断是否定的，则没有检测到任何碰撞，算法进行到步骤S115，在该步骤中，触觉力被设定为零，然后是步骤S117，在该步骤中，碰撞检测特征位(t)被设定为零，在步骤S119中，将时间递加至t＝t+1。如果步骤S105确定出HIP(t)位于体素边界框的内部，算法就进行到步骤S107，并沿着HIP(t)的线段从体素查询表来寻找候选的多边形。在步骤S109中，算法从多边形查询表来提取多边形的信息。在步骤S111中，算法测试HIP(t)的线段与多边形的相交性，且在步骤S113中，确定出是否检测到初始碰撞。如果没有检测到任何碰撞，算法就进行到上述的步骤S115、S117、S119。如果检测到碰撞，算法就进行到步骤S132(下文将进行介绍)。

与此相反，在步骤S101中，如果碰撞检测特征位(t-1)的数值为1，算法就沿着流程图的右侧分支进行。在步骤S102中，算法将HIP(t)映射到体素坐标系中。在步骤S104中，算法从体素查询表中寻找在HIP(t)处的相邻多边形。在步骤106中，算法从多边形查词表来提取多边形的信息。在步骤S108中，对各个相邻多边形进行测试，以确定其是否与从HIP(t-1)到HIP(t)的线段相交。在步骤S110中，算法利用该信息来决定HIP(t)是否从多边形中退出。如果判断是肯定的，则HIP就不再进入到触觉目标体中了，算法进行到上述步骤S115、S117和S119中。如果步骤S110确定出HIP尚未从多边形中退出，则算法就进行到步骤S112中，在该步骤中，算法将HIP(t)沿着多边形的对应表面法向矢量投影到各个相邻的多边形上。如果被投影的HIP(t)位于多边形内，算法就将该多边形设定为在位多边形(ON-Polygon)，并存储相交点。不然的话，算法在多边形的边界上找到一个最为接近投影HIP(t)的点(都位于多边形的平面内)，并存储该位置点。对各个相邻的多边形都重复地执行该过程。然后，算法根据前一时间循环的有效多边形AP(t-1)是否在步骤S22中被设定为在位多边形、以及在当前循环中是否只有单个多边形被设定为在位多边形而获得了判定点。下文将介绍如何处理上述两种情况。

在步骤S114中，算法判断前次的有效多边形(虚拟代理点与其接触)是否仍然是在位多边形。如果情况是这样，则进入步骤S124(有效多边形优先)，该多边形表面具有作为有效多边形的优先权—即使在另一个多边形也被认定为在位多边形的情况下。因而，保持着AP(t)，且VP(t)被设定为有效多边形表面上的最接近点。例如，图51A表示了由两个邻接表面540和542形成的虚拟目标体的凸出部分。如果t-1时刻的HIP位于位置544处，则表面540就是在位多边形，而表面540则不是在位多边形。t-1时刻的虚拟代理点位置处于位置548处。如果HIP移动到位置546处，则两表面540和542都是在位多边形，位置550和552都是代理点位置的候选对象。在此情形下，表面540将被选择为有效多边形，且代理点位置将被更新为位置550。按照这种方式赋予前次有效多边形的优先权将防止将位置552选择为代理点，否则的话，将导致代理点位置出现不自然的跳变，并进而使得使用者感受到的触觉相互作用力出现不自然的跳动。

如果步骤S114判断出前次的有效多边形并非在位多边形，则算法就进行到步骤S116，以判断是否检测到单个在位多边形。如果在步骤S116中没有检测到单个在位多边形，算法将在步骤S120中再次进行检查。如果在步骤S116中检测到了单个在位多边形，算法就执行步骤S118，并在再次执行步骤S120、以检查单个在位多边形之前增大在位多边形的凹角。如果在步骤S120中检测到了单个在位多边形，算法就进行到步骤S126(下文将进行描述)。如果未在步骤S120中检测到单个在位多边形，算法进行到步骤S122，并判断是否检测到了多个在位多边形。如果情况是这样，算法执行步骤S128(下文将进行介绍)。不然的话，算法就进行到步骤S130(下文介绍)。

在步骤S126(在位多边形优先)中，利用新的在位多边形对AP(t)进行更新，且VP(t)被设定为有效多边形表面上的最近点。例如，如图51B所示，虚拟目标体具有两个邻接的表面554和556。在时刻t-1，HIP位于位置558处，代理点位于位置562处。如果HIP随着从位置558移动到位置560而越过了表面边界线564，表面556就变成了在位多边形，且位置566变成了新的代理点位置。因而，如果检测到了新的单个在位多边形，则新的单个在位多边形就变成了有效多边形。

在步骤S128(连续表面优先)中，基于力矢量偏差原则来选定AP(t)，且将VP(t)选定为有效多边形表面上的最近点。如图51C所示，算法检测到多个新的在位多边形，图51C表示了由三个表面568、570、以及572形成的虚拟目标体的凸出部分。随着HIP从位置574移动到位置578，算法检测到两个新的在位多边形表面570和572。因而，位置580和582就是新的虚拟代理点位置的候选对象。在此情况下，算法运算出力矢量的可能候选对象，并排除掉阻尼分量，且将力矢量偏差值与前次的力矢量偏差值进行比较。算法确定出有效多边形，从而减小了如下的目标函数：

$J_{\mathrm{continuousSurface}}=\underset{i}{\min }\left|\right|f_{\mathrm{sit}}\·f_{t-1}\left|\right|$

式中：f_sit代表由HIP的当前位置限定的弹簧力矢量以及第i个多边形上虚拟代理点的可能位置，f_i-1代表前一时刻的触觉力。在一种实施方式中，表面570将是新的有效多边形，位置580将是新的代理点位置。

在步骤S130(最小力优先)中，根据最小力原则来确定AP(t)，且VP(t)被设定为有效多边形表面上的最近点。如图51D所示，HIP处在不能检测到任何在位多边形的位置处。图51D表示了由三个表面584、586、以及588形成的虚拟目标体的凹入部分。当HIP从位置590移动到位置594时，没有任何表面是在位多边形。位置596是最为靠近表面586和584的位置点，位置598是最为靠近表面588的位置点。在此情况下，算法计算出当前HIP与可能的代理点位置之间的距离，并确定出虚拟代理位置，以减小如下目标函数的数值：

$J_{\min /\mathrm{mumSpringForce}}=\underset{i}{\min }\left|\right|x_{\mathrm{hip}}-x_{i,\mathrm{vp}}\left|\right|$

其中，x_i，vp代表第i个多边形上可能的虚拟代理点的位置，x_hip代表当前的触觉接口点的位置。在此情况下，算法根据表面584和表面586的处理次序而将表面584或586作为在位多边形，且位置596将称为代理点的位置。

在步骤S132(接触多边形优先)中，利用相交多边形对AP(t)进行更新，且VP(t)被设定为有效多边形表面上的最接近点。在算法检测到一个在位多边形和多个凹面的情况下，如果触觉接口点位于凹钝角中，算法就将在位多边形的物体放大。在此情况下，当前应用将凹面的多边形表面设定为在位多边形，从而可在凹钝角处发生连续的触觉呈现作用。图52A和图52B表示了由三个表面500、502、和504代表的凹钝角的一部分。随着触觉接口点从位置506(带有代理点位置508)移动到位置510，表面504变成了唯一的在位多边形物体。为了避免出现如下的情况，算法将两个凹面500和502增大而使它们成为在位多边形：由于在位多边形优先的行为规则，算法将表面504设定为有效多边形表面，并将位置514设定为代理点位置。结果就是，按照连续表面优先的行为规则，位置512将成为代理点位置。

在步骤S134中，在工具坐标系中被定义为常量参数的刚度矩阵和阻尼矩阵被变换到惯性坐标系中。当物理触觉装置30具有不同的传动装置(例如缆索驱动型传动装置和直接驱动型传动装置)时，由于物理系统在不同的方向上具有不同的动态特性，所以，在空间内各向同性的刚度和阻尼增益会带来不稳定。为此，可针对于工具的坐标、以及变换到惯性坐标系中的需求来限定空间刚度矩阵和阻尼矩阵。算法基于当前的转动矩阵和平移矩阵算出变换伴随矩阵，并对空间刚度矩阵和阻尼矩阵进行变换。假定^TK_s和^IK_s分别代表在工具坐标系和惯性坐标系中测得的刚度矩阵。Ad_g代表变换伴随矩阵，且定义为：

${\mathrm{Ad}}_g=\left[\begin{array}{cc}R& \hat{p}R\\ 0& R\end{array}\right]$

假定矢量 $p={(\mathrm{px},\mathrm{py},\mathrm{pz})}^T\hat{p}$ 代表斜对称矩阵，其被用来代表作为矩阵—矢量乘积的向量积：

$\hat{p}=\left[\begin{array}{ccc}0& {-p}_x& p_y\\ p_x& 0& {-p}_z\\ {-p}_y& p_z& 0\end{array}\right]$

其中，R是转动矩阵，p是平动矢量。

算法计算出惯性坐标系中的刚度矩阵：

^IK_s＝Ad^T _gK_sAd_g

在步骤S136中，算法根据胡克定律、基于触觉接口点的位置和虚拟代理点位置计算出弹性触觉力矢量：

F_spring(t)＝^IK_S(x_vp-x_hip)

其中，x_vp代表当前虚拟代理点的位置，x_hip代表当前触觉接口点的位置。

在步骤S138中，算法基于触觉接口点与虚拟代理点之间的相对运动而计算出阻尼触觉力矢量：

$F_{\mathrm{da}\min g}\left(t\right)=K_D^I({\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{vp}}-{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{hip}})$

其中，

代表虚拟代理点的运动，

代表触觉接口点的运动，^IK_D代表惯性坐标系中的空间阻尼矩阵。

在步骤S140中，阻尼力与弹性力的总和被发送给物理触觉装置30，以作为所需的力输出量(图43中的步骤S718)，在对触觉装置30的致动器(图40中的模块2512)进行控制以输出力反馈作用之前，力映射程序(图40中的模块2510)将所需的力F_desired转变为关节力矩τ：

τ＝J^TF_desired

其中，J^T是雅可比转置矩阵。然后，运算系统20对触觉装置30的致动器进行控制而输出关节力矩τ。

在步骤S142中，碰撞检测特征位(t)的数值为1。在步骤S144中，时间前进到t+1时刻。在传动线路上的触觉装置驱动件(例如马达)与位置输出量(例如关节)之间存在柔度、游隙、迟滞或非线性的情况下，最好是在传动装置的驱动端与负载端都设置位置传感器。负载端传感器可被用来运算所有的关节位置和端点位置，原因在于它们能最为精确地反映实际的数值。驱动端传感器被用来在任何阻尼运算过程(例如上述的F_damping)中计算速度，这有助于避免传动装置出现动态作用。

根据一种实施方式，基于触觉装置30某个部分(例如工具50)对虚拟(或触觉)边界的接近程度来确定触觉装置30所需的力反馈(或输出扭力)，其中，所述的边界与解剖体的表像相关联。因而，如果工具50被布置成与触觉边界具有足够的距离，控制器就不会产生任何的触觉力，使用者能自由地移动工具50，就像在空旷的空间内探测一样。但是，随着工具50接近或接触到触觉边界，控制器就向马达发出力矩指令，从而通过接口界面37向使用者的手施加适当的扭力。优选地是，随着工具50接近于虚拟边界而增大力反馈的幅度，且不会出现不连续的阶段，而该不连续的阶段是会带来振荡或不良振动的。例如，随着工具50接近于触觉边界，触觉装置30可在与使用者接口37运动方向相反的方向上施加作用力，以使得使用者感受到推斥力或抵抗力，这减慢和/或阻止了工具50的运动。在一种实施方式中，作用力随着工具50连续移动向触觉边界的增加率例如是在5N/mm到50N/mm的范围内。在另一实施方式中，作用力的增加率约为20N/mm。按照这种方式，使用者受到约束，而无法太深地透入到触觉边界中。当工具50接触到触觉边界时，作用力可以是这样：使得使用者感觉到就像工具50已与实际物体—例如墙壁相碰撞一样。作用力的幅度可防止使用者穿过触觉边界(例如幅度约为100N或更大)，但优选地是，其被设定为使得使用者可在需要的情况突破触觉边界(例如幅度可在约20N到约60N的范围内)。因而，运算系统20可被编程为这样：允许使用者克服力反馈作用将触觉装置30移动到所需的地点。按照这种方式，触觉装置30约束着使用者，防止其在无意中违反触觉边界，但使用者可有选择地强制触觉装置30动作，因而保持着对手术过程的完全控制。

在一种实施方式中，外科系统10包括触觉调谐特性，用于针对特定的使用者来定制触觉目标体的力反馈功能。由于各个使用者具有各自不同的手术技能，这样的特性是有利的。因而，不同的使用者在操纵工具50时可使用不同量的作用力。例如，以轻触方式操纵工具50的使用者感受到触觉反馈作用的时间要早于接触较重的使用者。触觉调谐特性并不是要接触较重的使用者改变其外科技能以充分地感受触觉反馈，而是使得力反馈功能是可以调节的，以适应于各种特定的用户。通过调节(或调谐)力反馈功能，使用者能利用其优选的力度来操纵工具50，并能充分地感受到由触觉装置30施加的触觉反馈作用。结果就是，改善了使用者将工具保持在触觉边界中的能力。例如如图11A所示，力反馈曲线包括函数F(d)，该函数将力F与距离d相关起来。函数F(d)例如可从触觉目标体、连接刚度、或刚度函数导出或求得。在一种实施方式中，F_i是对于一般使用者(或使用者群体)的触觉相互作用力，d_i是透入深度或距离(例如工具50进入到触觉目标体中的深度)，此条件下，F_i＝F(d_i)是成立的。如图11B所示，例如将函数F(d)向左偏移或平移d_i将获得力反馈函数F(d+d_i)，其效果在于：在工具接近于触觉边界的过程中，更早地施加作用力F(也就是说，在透入距离为-d_i就开始施力，而不是在零进入距离处施力)。类似地，将函数F(d)向右偏移或平移使得作用力F在工具接近于触觉边界的过程中较晚出现。因而，对于手术技能较为有力的使用者，优选地是将函数F(d)向左偏移，以防止使用者无意中太深地推入到触觉边界中。因而，通过将用于控制触觉装置30的力反馈曲线偏移所需的量就能完成对触觉的调谐。还可改变触觉目标体的尺寸来完成触觉调谐。例如，可增大排斥性触觉目标体120a的尺寸(如图11C所示)，从而获得触觉目标体120b(如图11D所示)。类似地，与触觉装置30相联的外科工具的表像的尺寸也可被改变。例如，与触觉目标体122相互作用的虚拟工具124a(如图11E所示)尖端的半径尺寸可被增大，从而获得虚拟工具124b(如图11F所示)。对于作为容器的触觉目标体，例如可通过减小触觉目标体的尺寸来完成调谐。

为了使得使用者能对力反馈函数进行调谐，优选地是，运算系统20具有实现图形选择界面的程序，其中的选择界面可被显示在显示装置23上。例如，如图11G和11H分别所示，图形选择界面可以是允许使用者设定调谐值的图形界面217a(例如在0.0到1.0之间)、和/或允许使用者例如在“轻”“中等”“重”接触三者间进行选择的图形界面217b。运算系统20还可被编程设置成存储了调谐设定的所需数值，并将所需的数值与特定的使用者关联起来(例如利用使用者的ID将使用者优选的数据文件联系起来)，从而使用者每次在使用外科系统10时不必先选择调谐设定。

优选地是，触觉装置30被设置成可按照多种工作模式来进行工作。例如，触觉装置30可被编程设置成以输入模式、保持模式、安全模式、自由模式、接近模式、触觉(或去除)模式、和/或任何合适的其它模式来工作。工作模式可由使用者手动选择(例如使用以图形形式显示在显示装置23上的选择按钮、或设置在触觉装置30和/或运算系统20上的模式开关)、和/或由控制器或软件程序自动选择。在输入模式下，触觉装置30能被用作输入装置，以向外科系统10输入信息。当触觉装置30处于输入模式时，使用者可将触觉装置30当作操纵杆或其它输入装置来进行操作，其中的其它输入装置例如是上文结合末端执行器35描述的装置和/或第10/384078号美国专利申请(公开号为US 2004/0034282)中公开的装置，其中，该美国专利文献的全部内容被结合到本申请中作为参考。向外科系统10输入信息的其它方法例如包括移动腕部36、移动臂件33的关节、和/或移动臂件33(或其部分)。例如，将臂件33移向某个物体(例如被跟踪的目标体)可构成第一输入。类似地，将臂件33移向该物体并扭转腕部36可构成第二输入。因而，外科系统10例如可基于触觉装置30相对于被跟踪物体的姿态、触觉装置30一部分(例如腕部36)的运动、或姿态与运动的组合而识别或分辨出使用者的输入。在保持模式下，触觉装置30的臂件33可被锁定在特定的姿态上。例如，可利用制动件、控制伺服技术、和/或用于稳定臂件33的任何合适的硬件和/或软件来锁定臂件33。例如在骨头切除工作的停息期间、与同事进行商议期间、清理或冲洗手术部位期间等，使用者可能希望将触觉装置30置于保持模式。在安全模式下，与触觉装置30相联的工具50被解除作用—例如通过切断工具50的动力来完成。在一种实施方式中，安全模式和保护模式可被同时执行，以便于在将触觉装置30的臂件33锁定在原位的同时解除工具50的作用。

在自由模式下，触觉装置30的末端执行器35可在触觉装置30的工作空间内自由地移动。优选地是，工具50的动力被关闭，且触觉装置30被设计成使得使用者感觉该装置是没有重量的。例如可通过计算出作用在臂件33的区段33a、33b、以及33c上的重力负载、并控制触觉装置30的马达以抵消重力负载，来获得无重量的感受。结果就是，使用者不必支撑着臂件的重量。触觉装置30可一直处于自由模式，例如直到使用者准备将工具50引导到患者解剖体上的手术部位处为止。

在接近模式下，触觉装置30被用来将工具50引导到目标物体处，同时能避开重要的结构和解剖体，其中的目标物体例如是手术部位、患者解剖体上感兴趣的特征、和/或与患者配准的触觉目标体。例如，在一种实施方式中，接近模式使得工具50实现了相互作用的触觉定位—第10/384194美国专利申请(公开号为2004/0034283)就介绍了这样的定位，该专利文献的全部内容被结合到本申请中作为参考。在另一实施方式中，呈现触觉的应用可包括触觉目标体，其限定了一个接近体积(或边界)，该体积对移向目标物体的工具50进行约束，同时能避开诸如血管、肌腱、神经、软组织、骨头、已有植入件等的敏感特征。例如，如图1所示，接近体积可包括触觉目标体300，其基本上是锥形的，该目标体的直径在朝向目标物体(例如胫骨T的近端或股骨F的远端)的方向上逐渐减小。在工作中，在接近体积的边界内，使用者可自由地移动工具50。但是，随着使用者使工具50移动通过接近体积，锥形的漏斗形结构对工具的运动进行约束，以使得工具50不会越过接近体积的边界。按照这种方式，工具50可被直接引导到手术部位处。如图9所示，在另一实施方式中，触觉呈现应用创建了虚拟的目标体，其代表了从第一位置到第二位置的路线。例如，虚拟目标体可包括触觉目标体310，其是一条虚拟的引导线(例如直线)，其限定了从第一位置(例如工具50在物理空间中的位置)到包括解剖体目标区域(例如目标物体—譬如触觉目标体206)的第二位置的路线。在接近模式中，虚拟目标体被激活，从而沿着由触觉目标体310限定的路线对触觉装置30一部分(例如工具50)的运动进行约束。当工具50到达第二位置时，外科系统10使虚拟目标体无效，并激活目标物体(例如触觉目标体206)。当触觉目标体206被激活时，工具50可被自动置于触觉(或去除)模式。在一种优选的实施方式中，虚拟目标体可被无效化以使得工具50偏离路线。因而，使用者可越过与触觉目标体310相关联的触觉引导作用而偏离引导线的路线，并使得工具50在那些在创建虚拟引导线时无法考虑到的、且未被跟踪的目标体(例如牵引器、照射灯等)附近机动动作。因而，接近模式使得使用者可将工具50快速运送到目标目标体处，同时避开了重要的结构和解剖体。在接近模式下，优选地是，关断工具50的动力，从而，例如在使用者将工具经关节上的切口或导航软组织插入时，工具不会意外地获得能量。接近模式一般位于触觉模式之前。

在触觉(磨削)模式中，触觉装置30被用于在执行手术活动(例如骨准备)的过程中对使用者提供触觉引导。如图9所示，在一种实施方式中，触觉呈现应用可包括触觉目标体206，其在胫骨T上限定了切除体积。触觉目标体206的形状基本上对应着胫骨部件74表面74a的形状(如图10B所示)。作为备选方案，触觉目标体206的形状可略微大于胫骨部件74表面74a的形状。使触觉目标体206大于植入件的一个好处在于：这样的话，由触觉目标体206限定的切除体积将足以容纳植入件和粘结套膜，其中的套膜被布置在植入件与骨头之间，以将植入件固定到骨头上。尺寸偏离植入件尺寸的触觉目标体还能实现上文结合图11A到图11F所描述的触觉调谐特性。例如当工具50的尖端接近于感兴趣特征上的预定点时，自动将触觉装置30置于触觉模式。在触觉模式中，在刮刻复杂形状或大曲率形状时(例如如美国专利申请10/384194所描述的那样，其公开号为US 2004/0034283，该文献的全部内容被结合到本申请中作为参考)，触觉目标体206还可被动态地改变(例如通过启用或停用触觉表面的某些部分)，以提高触觉装置30的性能。在触觉模式中，启动工具50的动力，且对工具50的尖端进行约束，使其处于切除体积内，以完成精确的骨头切除工作。

触觉装置30可采用任何合适的触觉控制策略—例如导纳控制、阻抗控制、或混合控制。在导纳控制模式中，触觉装置30接收力的输入，并产生出位置(或运动)输出。例如，触觉装置30测量或感测其上特定位置处(例如用户接口37处)的扭力，并产生动作而改变触觉装置30的位置。在阻抗控制模式中，触觉装置30接收位置(或运动)输入，产生出扭力输出。例如，触觉装置30测量、感测、和/或计算工具50的位置(即位置、定向、速度、和/或加速度)，并施加合适的相应扭力。在混合控制模式中，触觉装置30既采用导纳控制也采用阻抗控制。例如，触觉装置30的工作空间可被分割成第一子空间和第二子空间，在第一子空间中，使用导纳控制，而在第二子空间内，使用阻抗控制。在一种优选的实施方式中，触觉装置30以阻抗控制模式工作。

在手术过程中，运算系统20全程对使用者进行引导。例如，运算系统20可被编程设置成产生出显示画面，用来全程引导使用者对触觉装置30的操控。显示画面可包括显示在显示装置23上的屏幕画面，该屏幕画面例如包括预定的页面和/或与手术特定步骤相对应的图像。显示画面还可促使使用者执行一项或多项任务。例如，显示画面可指示使用者在解剖体的表像上选择解剖学界标(下文将结合图13中的步骤S3和S4进行讨论)。如图12所示，在一种实施方式中，屏幕画面可包括：导航方框600，其用于显示与手术当前步骤有关的图形；被跟踪目标体的方框602，其用于表示出被跟踪物体相互之间的关系；信息方框604，其用于显示与手术当前步骤有关的信息—例如测量数据、错误数据、状态信息、选择按钮等；以及用于前进到流程中后续步骤和/或返回到前面步骤的方框606。

与手术流程有关的显示画面或屏幕可被用于向使用者传达关于手术的视觉信息。例如如图12所示，导航方框600可创建并显示解剖体的表像(例如骨头的图像或表像)以及外科工具50的表像616。对于骨准备的过程，外科系统10可通过如下的操作来有利于对骨头进行准备以接纳植入件的步骤：为要被从骨头上去除的材料部分创建表像612；将要被去除的材料部分的表像612叠加到骨头的表像上；以及随着使用者操控触觉装置30而利用由工具50实际切除下来的材料部分的表像614来更新要被去除的材料部分的表像612。为了进一步有助于使用者，外科系统10可随着骨头和工具50的移动而更新骨头的表像和工具50的表像616。在一种实施方式中，要被去除的材料部分的表像612对应着与骨头相关(或配准)的虚拟目标体的一部分。因而，虚拟目标体代表了要被从解剖体上去除的材料部分。例如，虚拟目标体的形状可大体上对应着要被装配到解剖体上的植入件的表面形状(例如在无粘接剂的植入场合中)。对于带有粘接剂植入体的应用场合，虚拟目标体的形状要大于植入件的形状，以便于为植入件与骨头之间的粘接剂套膜留出空间。上述的骨准备步骤例如可以在第一骨头(例如胫骨T)上执行，然后再在第二骨头(例如股骨F)上重复进行。

在一种实施方式中，例如使用不同于周围骨头颜色的颜色将要被去除的骨头部分标记出。例如，要被去除的骨头部分可被染成绿色，而周围的骨头则被涂成白色。随着使用者用工具50对骨头的切除，运算系统20对导航方框600中的图像进行更新，从而当工具50达到所需的切割深度时，颜色从绿色改变为白色。类似地，如果工具50的切割超出了所需的切割深度，颜色就从白色变成了红色。因而，外科系统10用第一种颜色创建了要被去除的材料部分的表像，当已经去除了所需量的材料时，用第二种颜色创建已被触觉装置30去除的材料的表像。如果被触觉装置去除的材料超过了所需的材料量，外科系统10用第三种颜色创建切除下来的材料的表像。在一种优选实施方式中，触觉目标体具有体积元素(即体素)的阵列，该阵列具有：第一部分，其对应于要被去除的骨头部分；第二部分，其对应于周围的骨头；以及第三部分，其对应于位于预定切割体积之外的切割深度。第一部分中的体素可以是第一颜色(例如绿色)，第二部分中的体素可以是第二颜色(例如白色)、第三部分中的体素可以是第三颜色(例如红色)。随着工具50对体素的覆盖，体素被清除掉，从而露出邻近的、下面的体素。因而，如果使用者利用工具50切割得太深了，绿色和/或白色的体素就被清除掉了，而露出下面的红色体素。在另一实施方式中，外科系统10可为工具50尖端与配准着患者的触觉目标体的表面之间的距离提供视觉指示，例如在美国专利申请NO.10/621119(其公开号为2004/0106916)中就介绍了这样的技术，该专利文件的全部内容被结合到本申请中作为参考。导航方框600例如还可具有工具50当前位置的表像、工具50的理想轨迹、植入件表像等。

除了利用视觉方法与使用者进行通讯之外，运算系统20还可被编程设置成发出声响信号(例如通过声学装置)。例如，在一种实施方式中，运算系统20可发出声音(例如哔哔声)来指示工具50的切割深度太浅、大致正确、或太深。在另一实施方式中，外科系统10可产生声响指示，来指示工具50尖端与配准着患者的触觉目标体的表面之间的距离，例如在美国专利申请NO.10/621119(其公开号为2004/0106916)中就介绍了这样的技术，该专利文件的全部内容被结合到本申请中作为参考。运算系统20还可被编程设置成这样：对触觉装置30进行控制，以向使用者提供触感反馈，例如用振动来提示工具50已到达或超过所需的切割深度。运算系统20的软件还可包括这样的程序或方法：其自动地促使使用者执行某些任务—例如对诊断图像数据集进行分段、在患者的解剖体上选择点以定义机械轴线、利用配准探针接触(或“涂抹”)骨头表面上的点、输入数据(例如植入件尺寸、磨锥尺寸等)等。

图13表示了使用外科系统10来执行手术规划、并对单髁膝盖置换手术进行导航的一种实施方式。图13所示的方法仅是作为示例。在其它实施方式中，可按照与特定手术场合相适应的其它方式来重新排布该方法中各个步骤的次序。另外，其它的实施方式可能包括图13所示的全部、某些、或仅仅一部分步骤，并将图13中的步骤与现有的和/或以后出现的外科方法进行结合。图13详细描述的单髁膝盖置换过程是针对于膝盖的内侧的。但膝盖的外侧也可以采用同样的方法。此外，图示的单髁手术仅是作为举例。外科系统10还可被用来执行全膝置换手术或涉及植入件安装的其它关节置换手术。植入件可包括任何的植入体或假体装置—例如全膝植入件、单髁膝盖植入件、膝盖模块植入件、其它关节(包括髋关节、肩关节、肘关节、腕关节、踝关节、以及脊关节)的植入件、和/或其它整形外科和/或肌骨骼植入件(包括普通材料的植入件和更为奇特的植入件—例如生物矫形植入件、药物输送植入件、输送细胞的植入件)。在一种实施方式中，植入件是模块化的膝盖植入件，例如在美国专利申请NO.11/312741(其申请日为2005年12月30日)中就介绍了这样的技术，该专利文件的全部内容被结合到本申请中作为参考。

在图13所示的实施方式中，步骤S1到S4是在手术前进行的，步骤S5到S14是在手术中进行的。在步骤S1中，将患者的信息或数据输入到外科系统10中。在步骤S2中，将术前的诊断图像(例如CT数据文件)装载到外科系统10中，并进行分段。在步骤S3中，选择股骨界标。在步骤S4中，选择胫骨界标。在步骤S5中，对触觉装置30执行复位处理，以对触觉装置30臂件33上的位置传感器进行初始化。在步骤S6中，验证配准探针的标定。在步骤S7中，将解剖体跟踪器43a和43b附接到患者上。在步骤S8中，对患者的解剖体进行配准。在步骤S9中，对触觉装置30进行标定。在步骤S10中，对胫骨植入件(例如图16B所示的胫骨部件74)的初始布置进行规划。利用在胫骨高台软骨表面上选定的位置点对初始布置的深度进行引导，并利用步骤S8中运算出的配准结果将该深度传送给显示装置23上的规划屏幕。在步骤S11中，对胫骨T进行整备或刮刻。在步骤S12中，将胫骨的试验植入件装配到胫骨T上准备好的表面上。在步骤S13中，例如利用与胫骨试验植入件的位置相关的点，对股骨植入件(例如图16A所示的股骨部件72)的初始布置进行规划，其中，胫骨试验植入件处于各种弯曲度的腿上。在步骤S14中，对股骨F进行准备或刮刻。在步骤S15中，股骨试验植入件被装配到股骨F上已准备好的表面上。在对股骨部件72和胫骨部件74进行安装之前，执行试验性的缩减过程，在该过程中，使用者评价股骨试验植入件和胫骨试验植入件的装配效果，并作出所需的调整(例如重新规划植入件和/或骨头的刮刻工作)。

在步骤S1中，将患者的信息输入到外科系统10中。例如，外科系统10可在显示装置23上显示出有关患者的请求信息的屏幕。患者信息可包括任何相关的患者数据—例如姓名、生日、身份证号码、性别、身高、以及体重。患者信息还可包括与所要执行的手术相关的信息—例如指明合适的腿(例如左腿或右腿)、指明要被置换的关节的部分(例如内侧、外侧、或全关节)、以及选择患者解剖体的术前诊断图像数据文件(例如CT数据文件)。可按照任何公知的方式将患者信息输入到外科系统10中。例如，使用者可直接输入患者的信息、或将患者的信息从医院网或电子存储介质中下载到外科系统10中。优选地是，当对患者的解剖体进行成像时将患者的信息记录下来，并将其保存成图像数据文件(例如CT数据文件)，且在步骤S2中将该文件与图像数据文件一道装入到外科系统10中。运算系统20也会要求那些与使用者相关的信息(例如姓名、身份证号码、PIN号码等)、外科科室、和/或用于识别/安全/或记录保持目的的其它任何信息。如同患者的数据一样，使用者的信息也可被包含在图像数据文件中。作为安全措施，运算系统20可包括验证特征，其促使外科医生(或其它有执照的医疗专业人员)对已输入到外科系统10中的患者信息进行验证。

在步骤S2中，通过将含有术前诊断图像(例如大腿图像、膝盖图像、以及小腿图像)的图像数据文件装入到外科系统10中来创建解剖体的表像。诊断图像构成了解剖体的表像。可通过对图像进行分段来生成解剖体的其余表像。例如，外科系统10可显示出一个屏幕81a(如图15所示)，以便于在对股骨F进行分段的过程中对使用者进行引导，并显示出屏幕81b(如图16所示)，以便于在对胫骨T进行分段的过程中对使用者进行引导。如图15和图16所示，术前的诊断图像被分割成区段或切片，这些区段或切片包涵了所针对的解剖体。外科系统10使用分段数据来创建患者解剖体的表像，该表像例如包括第一骨头的表像和第二骨头的表像。第一、第二骨头可以是股骨F和胫骨T(反之亦是)。在一种实施方式中，基于由分段工作生成的目标边界(例如骨头或软骨的表面)，创建出代表解剖体的三维计算机模型。区段或切片的数目越大，模型的精度越高。在一种实施方式中，将所针对的解剖体部分分切开的切片的数目为30。在另一实施方式中，所采用的切片数在20到100的范围内。分段过程可采用任何合适的分切方法—例如基于组织的分段方法、基于阈值的互动分段方法、基于区域的物体分段方法、和/或基于多边形的手工描绘方法。在一种实施方式中，采用了基于“边缘测量”的互动分段方法，这种方法被称为“活性线”方法(likewire)。

在步骤S3和S4中，使用者在第一骨头和第二骨头的表像上指定界标。例如，在步骤S3中，使用者可在股骨F的图像上指定股骨界标。外科系统10可使用股骨界标来将患者的实际解剖体与解剖体的表像(例如诊断图像、由分段过程生成的模型、解剖学模型等)联系起来(或配准)。如图17到图19所示，外科系统10分别产生出屏幕82a、82b、以及82c，以引导使用者指定股骨上的界标。例如，外科系统10可指引使用者，以指定髋部的中心(图17)、内上髁(图18)、外上髁(图19)。在一种实施方式中，使用者可利用鼠标或触摸屏在显示出的图像上选择股骨界标。在另一实施方式中，计算机可被编程设置成例如使用一些算法来确定股骨界标在图像上的位置，其中的算法被用于在诊断图像上定位区别特征。

类似地，在步骤S4中，使用者可在胫骨T的图像上指定胫骨的界标。外科系统10可使用胫骨界标来将患者的实际解剖体与解剖体的表像(例如诊断图像、由分段过程生成的模型、解剖学模型等)联系起来(或配准)。如图20到图23所示，外科系统10分别生成屏幕83a、83b、83c以及83d，以引导使用者指定胫骨上的界标。例如，外科系统10可指引使用者，以指定内踝(图20)、外踝(图21)、转动界标(图22)、以及膝部中心(图23)。如图22所示，转动界标例如可以是相交的轴线183，使用者可将其调节为与解剖体在屏幕83c上横断面视图的前面部分和后面部分相平行。转动界标使得外科系统10能考虑到腿L在诊断图像中的任何转动(例如，如果在进行CT扫瞄时腿L斜靠向侧旁，而不是处于精确的前-后对正状态)，并对横断面图像进行调节，使得前-后部分对正(例如如图35中的框图806所示)。在一种实施方式中，使用者可利用鼠标或触摸屏在显示出的图像上选择胫骨界标。在另一实施方式中，计算机可被编程设置成例如使用一些算法来确定胫骨界标，其中的算法被用于在诊断图像上定位区别特征。

在步骤S5中，复位程序对触觉装置30的位置传感器(例如编码器)进行初始化，以确定臂件33的初始姿态。例如可通过对臂件33进行操控以使得各个关节编码器进行转动—直到读取到编码器上的索引标记为止，由此来完成复位程序。索引标记是编码器上的绝对基准，其与关节上已知的绝对位置相关联。因而，一旦读取到索引标记，触觉装置30的控制系统就知晓了关节的绝对位置。随着臂件33持续地移动，基于绝对位置和编码器的随后位移可计算出关节的后续位置。在整个复位过程中，外科系统10可通过发出关于使用者应当将臂件33置于何处的指令来对使用者进行引导。这些指令例如包括显示在显示装置23上的图像，其表示了臂件33应当移入的位置。

在步骤S6中，对器械(例如配准探针—譬如器械150)进行检查，以验证该器械是否经过标定。例如，步骤S6可被用来验证配准探针是否具有正确的物理结构。如上文结合器械跟踪器49讨论的那样，可通过如下的操作来完成对带有器械跟踪器49的探针的标定：将探针的尖端插入到末端执行器跟踪器47的凹窝47a中；将尖端保持在位置上；并利用检测装置41对器械跟踪器49和末端执行器跟踪器47进行检测。检测装置41获得姿态数据，外科系统10将跟踪器49、47之间实际的几何关系与它们之间预期的几何关系进行比较。实际几何关系与预期几何关系之间的偏差表明探针的一个或多个物理参数尚未被校准标定。如图24所示，在验证过程中，外科系统10可在显示装置23上显示出屏幕84，其表示了探针的图形表像、器械跟踪器49、以及末端执行器跟踪器47。

在步骤S7之前，患者到达手术室中。如图1所示，患者(图中仅表示出了腿L)被布置在手术台102上，且触觉装置30被相对于患者进行定位，以使得触觉装置30能实现多种有利于进行手术的姿态。为了达到适度的无菌性，可按照合适的方式对触觉装置30进行无菌处理。例如，可利用常规的消毒方法对末端执行器35和工具50进行消毒，且触觉装置30的其它部分也可被进行消毒和/或由无菌覆盖层或披覆层进行覆盖。在一种实施方式中，利用无菌的塑料包装层对臂件33和触觉装置30的基座32进行包覆，平台39则由无菌披覆层进行覆盖。

为了抬高患者的腿L、并使得腿L能被弯曲成不同的角度，将腿L支撑或支在可被移动到不同位置的腿保持器(或支撑装置)中。在一种实施方式中，腿保持器是可手动调节的腿保持器62。如图14A所示，腿保持器62包括滑动布置在底座64上、且在铰链62c处连接起来的第一部分62a和第二部分62b。底座64包括用于将第一部分62a和第二部分62b固定在位置上的锁止机构(图中未示出)。腿L可被按照任何合适的方式固定到腿保持器62上，其中的固定方式例如是使用一条或多条束带63。作为跟踪腿L骨头姿态的工作(例如利用解剖体跟踪器43a和43b或机械跟踪系统240)的补充措施或替代措施，可对腿保持器62的姿态进行跟踪(例如利用上述的位置传感器、非机械式跟踪系统、或机械式跟踪系统进行)。如果仅对腿保持器62进行跟踪，则腿L应当被充分地固定到腿保持器62(例如利用束带63)，以防止腿L与腿保持器62之间产生相对运动。在工作中，为了移动腿L，使用者对腿L(或腿保持器62)进行操作，以使得第一、第二部分62a和62b沿着底座64滑动，并绕着铰链62c枢转。绕着铰链62c的枢转使得腿保持器62的角度α或者增大、或者减小。优选地是，腿保持器62的结构被设计成这样：使得角度α可在约0°到约180°的范围内调节。结果就是，腿L可在完全伸展姿态与完全弯曲状态之间移动。随着腿L的移动，开在患者膝盖侧面上的切口128(例如微创切口)将沿着腿L移动。切口128的移动使得外科医生可利用同一切口来插入器械，既能对胫骨T的近端进行刮刻，也能对股骨F的远端进行刮刻。结果就是，避免了多个切口，且能保持切口128尺寸的小型化。

在另一实施方式中，例如可通过增设位置传感器(例如编码器)和由计算机21和/或计算机31控制的马达来实现腿保持器62的自动化。马达使得腿保持器62可到达完全自动化，或者仅是执行一些助动功能，以协助使用者对腿保持器62进行定位。将腿保持器62完全自动化的一个优点在于：自动化的腿保持器可由外科系统10进行控制，以便于将腿L自动地移动到正确的位置，这就免除了使用者要实际移动腿L并猜测腿L正确位置的困难操作。例如，用于控制自动腿保持器(或支撑装置)的方法可包括操作：将第一骨头(例如胫骨T)和/或第二骨头(例如股骨F)布置在腿保持器62中，并启动腿保持器62，以将第一骨头和/或第二骨头从第一位置移动到第二位置。该方法还可包括：确定第一骨头和/或第二骨头实际姿态的步骤(例如利用解剖体跟踪器43a和43b)；确定第一骨头和/或第二骨头所需姿态的步骤；以及启动腿保持器62以将第一骨头和/或第二骨头从实际姿态移动到所需姿态的步骤。随着腿保持器62的移动，外科系统10可对第一骨头和/或第二骨头的位置进行监控。当第一骨头和/或第二骨头处于所需姿态时，过程结束。除了对第一、第二骨头的位置进行跟踪之外，也可对腿保持器62的位置进行监控(例如使用腿保持器62上的位置传感器)。

如图14B所示，在另一实施方式中，外科系统10包括腿保持器162。在手术过程中，腿保持器162可被安装到手术台102或其它合适的结构上。患者腿L的大腿侧部分被放置在腿保持器162的支撑件164上，以使得腿L的小腿部分自由地悬垂着。由于作用在腿L悬垂部分上的重力将膝盖关节拉开，从而使得关节具有更好的接近性，因而，这样的设计是有利的。

在步骤S7中，外科系统10促使使用者将解剖体跟踪器43a、43b附接到患者上。如图25所示，外科系统10还可生成屏幕85，以使得使用者可优化被跟踪目标体相对于检测装置41的定位。例如，屏幕85可包括检测装置41的表像85a以及检测装置41视场图的表像85b。屏幕还可表示出解剖体跟踪器43a的表像F1、解剖体跟踪器43b的表像T1、触觉装置跟踪器45的表像H、和/或任何其它可跟踪元件相对于检测装置41视场图85a的表像。在一种实施方式中，各个表像F1、T1、以及H被显示为不同的颜色，以使得使用者能分辨出各个被跟踪的目标体。在另一实施方式中，当被跟踪的目标体靠近检测装置41视场图的边界时，表像F1、T1、以及H1可改变为不同的颜色。按照这种方式，使用者可确定出被跟踪的目标体是否充分地位于检测装置41的视场图内。

在一种实施方式中，一旦解剖体跟踪器43a和43b被连接上之后，膝盖关节的运动范围(ROM)就可被获得了(例如通过使膝盖关节在整个ROM中移动，同时利用跟踪系统40跟踪解剖体跟踪器43a和43b)。获得的ROM数据可被用来评价股骨植入件与胫骨植入件的相对布置。例如通过将物理患者与术前的数据配准起来，可将ROM数据放大，这使得使用者对植入件相对位置的规划能与患者软组织的当前状况相符合(例如基于疾病的状况、年龄、体重、当前的ROM等)。在一种实施方式中，可对植入件的深度进行规划，以使得所安装的植入件能填充患者膝盖关节中预先存在的间隙(即胫骨T与股骨F之间在术前存在的间隙)。此外，还可在膝盖关节的整个ROM内对其它重要的植入件参数进行评价，其它的参数例如是充分的接触、前/后覆盖范围、以及植入件对之间正确的相对转动。按照这种方式，在切割任何骨头之前，对两侧的植入件进行了全面的布置规划。ROM数据还可被用来在显示装置23上显示出当腿伸展、弯曲、以及处于伸展和弯曲之间各种角度时股骨植入件与胫骨植入件之间的相对位置。

在解剖体跟踪器43a和43b被固定到患者上之后，程序进行到步骤S8，在该步骤中，患者的实际解剖体被配准到解剖体的表像上。例如，可按照标准的形式、利用点配对/表面匹配方法对患者的股骨F和胫骨T进行配准，其中的方法是基于步骤S3和S4中指定的股骨界标和胫骨界标进行的。外科系统10产生出在整个配准过程中对使用者进行引导的屏幕。例如，屏幕86a(见图26)指示使用者对股骨F进行旋转，以找到腿L髋部的中心。在一种实施方式中，在股骨F的转动过程中，外科系统10通过基于解剖体跟踪器43a的运动确定出股骨F枢转点的中心而确定出髋部中心。屏幕86b、86c、86d、86e、以及86f(分别如图27、28、29、30、和31所示)指示使用者将配准探针指向各个解剖学界标(例如内踝、外踝、内上髁、外上踝、前十字性韧带(ACL)附件的后边界等)，并选择界标。例如，使用者可将被跟踪配准探针的尖端放置到相关的界标上，并利用脚踏板或其它输入装置25来选定界标。当使用者选定界标时，检测装置41获得了与配准探针的姿态相关的数据，在随后，这些数据将被用来计算界标的位置。基于界标的姿态数据和诊断图像上的指定界标(在步骤S3和S4中)，外科系统10通过确定患者上物理界标与诊断图像上界标之间的对应关系，而将实际的解剖体与诊断图像配准起来。可通过获取股骨F和胫骨T的表面数据来提高这种基于界标的配准方法的精度。例如，外科系统10可产生出屏幕86g(见图32)，其指示使用者利用配准探针接触(或“涂抹”)股骨F远端表面上的点。随着使用者涂抹表面(例如通过将配准探针的尖端穿插过切口128)，外科系统10周期性地获得探针尖端的位置，并将获得的尖端位置以圆点900的形式显示在屏幕86g上。对于那些覆盖着软骨的骨头表面，可采用尖锐的探针来刺穿软骨，并收集骨头表面上位置点的信息(相对于软骨表面上的点)。类似地，外科系统10产生出屏幕86h(见图33)，其指示使用者利用配准探针涂抹胫骨T近端的表面。随着使用者对表面的涂抹(例如通过将探针的尖端穿插过切口128)，外科系统10周期性地获得探针尖端的位置，并将获得的尖端位置以圆点900的形式显示在屏幕上。与股骨的情况一样，可使用尖锐的探针来刺穿任何软骨，从而收集到了骨头表面上的位置点(与软骨表面上的点相对)。另外，可使用带钩的探针，以利于收集位于胫骨高台后边缘处的点。

在步骤S9中，触觉装置30被进行标定，以便于在触觉装置30的坐标系与触觉装置跟踪器45之间建立起几何关系。如果触觉装置跟踪器45被固定在触觉装置30上的永久位置上，则由于跟踪器45与触觉装置30之间的几何关系是固定且已知的(例如在制造或组装过程中，在初始标定时就可获得)，标定过程就是没必要的了。与此相反，如果跟踪器45可相对于触觉装置30移动(例如，如果其上安装着跟踪器45的臂件34是可调节的)，则标定过程就是必要的，以确定跟踪器45与触觉装置30之间的几何关系。外科系统10通过产生出屏幕87(图34所示)来指示使用者对触觉装置30进行标定，由此来启动标定程序。标定工作涉及的操作有：将触觉装置跟踪器45固定在触觉装置30上的固定位置处；将末端执行器跟踪器47临时固定到末端执行器35上。然后，将末端执行器35移动到解剖体附近的不同位置处(例如膝盖关节上方和下方的位置、膝盖关节内侧和外侧的位置)，与此同时，跟踪系统40从跟踪器45和47获得关于它们相对于跟踪系统40在各个位置时的姿态数据。此外，外科系统10基于从臂件33上位置传感器获得的数据而确定出末端执行器35相对于触觉装置30的姿态。利用获得的数据，外科系统10能计算出触觉装置跟踪器45与触觉装置30坐标系之间的几何关系。然后，末端执行器跟踪器47可被从触觉装置30上拆下。在手术过程中，外科系统10可基于如下信息确定出工具50的姿态：(a)工具50与末端执行器35之间已知的几何关系；(b)末端执行器35相对于触觉装置30的姿态(例如从臂件33上的位置传感器获得)；(c)触觉装置30与触觉装置跟踪器45之间的几何关系—在标定过程中确定出；以及(d)触觉装置30的总体位置或大体位置(例如从触觉装置跟踪器45相对于跟踪系统40的姿态得知)。如果触觉装置跟踪器45并不相对于触觉装置30移动，则由于前面的标定过程和所获得的标定数据仍然是可靠的，则不必执行步骤S9的标定过程。

在步骤S10中，使用者对用于将第一植入件植入到第一骨头上的骨准备工作进行规划。在优选的实施方式中，第一骨头是胫骨T，第一植入件是胫骨部件74，且通过在胫骨T的近端上选择安装胫骨部件74的位置来对骨准备工作进行规划。为了便于对植入件的规划，外科系统10产生出屏幕88b(见图35)，其具有第一骨头和第二骨头(分别为胫骨T和股骨F)表像的各个视图。例如，屏幕88b可带有：框图800，其表示出了三维透视图；框图802，其表示了矢面图；框图804，其表示了冠状图；以及框图806，其表示了横断面图。另外，框图807可显示出选择按钮和与植入件布置和选择有关的数据(这些数据例如是植入件的尺寸、深度、内/外角度、内翻/外翻角度、弯曲角度等)。另外，还可显示出股骨F的机械轴线(例如从髋部中心或股骨头中心延伸向膝盖中心的轴线)和/或胫骨T的机械轴线(例如从膝盖中心到踝骨中心的轴线)，以有助于对植入件的规划。使用者可选择和显示多个不同的切片或三维的图像重建面，并将代表胫骨T(或股骨F)表面的轮廓图重叠到切片图像上，以利于植入件的规划。在一种实施方式中，外科系统10建议了尺寸适当的胫骨植入件和布置方位，并将胫骨植入件的表像(或植入件模型)808b与胫骨T的表像联系起来。为了对使用者提供视觉协助，外科系统10还可将胫骨植入件的表像808b叠合到胫骨T的表像上。使用者可选择改变所提议的布置方案。例如，使用者可改变植入件模型808b的尺寸、前/后位置、内/外位置、以及转动(例如通过用鼠标拖拉或调整植入件模型808b)。在其中一个框图中对植入件模型808b的改动使得其余框图中的植入件模型808b也自动地更新。当使用者完成对胫骨的植入规划之后，外科系统10将选定的位置保存起来。在手术过程中，可在任何时候(例如在骨准备之前、之中、和/或之后)重复进行植入件的规划操作，并进行调整。

例如可基于外科上的判断将胫骨部件74的位置选定成这样：使胫骨部件74在胫骨高台上基本上对中；将胫骨部件74定位在硬骨上，以防止长时间后出现沉降；将胫骨部件74定位成与一个或多个界标具有所需的距离；和/或基于由被跟踪的工具识别出的软骨表面上。在一种实施方式中，使用者通过将植入件模型808b(图35所示)移动到总的植入区域内来为胫骨部件74选定位置。利用框图806中的横断面图，使用者可转动地调节植入件模型808b，以使得植入件模型808b的平坦侧基本上平行于前十字性韧带(ACL)和后十字性韧带(PCL)的连接点。框图807中的内外角度(标为“外部(External)”)显示的是最终形成的内/外角度。利用框图804中的冠状图，使用者可调节植入件模型808b的内翻/外翻角度。框图807中的内翻/外翻角度(标为“内翻”Varus)显示的是所形成的内翻/外翻角度。利用框图802中的矢状图，使用者可调节植入件模型808b的后坡面。框图807中的弯曲角度(标为“弯曲”Flexion)显示的是所形成的弯曲角度。使用者可通过调节框图807中的深度条(标为“深度”)来调整植入件模型808b在胫骨T中的深度。使用者还可利用框图807中的尺寸选择框(标为“尺寸”Size)来改变植入件模型808b的尺寸。为了有助于对植入件模型808b进行定位，使用者可利用框图807中的按钮(标为“显示轴线”Display Axes)来显示出机械轴线。框图807还包括使得使用者能在屏幕88b上同时显示胫骨和股骨植入件的按钮(标为“两植入件”Both Implants)。

在优选的实施方式中，当为胫骨部件74选择布置方案时，还考虑到了膝盖关节缝隙中的软组织。例如，可这样来规划第一植入件(即胫骨植入件74)：使得胫骨部件74的上表面与关节间隙中软骨的顶面对正。这样的方法可有利地保留了关节空间的自然结构，而这样的结构能提高植入件的性能和服务寿命。在这样的实施方式中，对第一骨头(即胫骨T)上方软骨表面的高度进行检测，并创建第一骨头的表像和软骨表面高度的表像，且至少在部分上基于软骨表面的测得高度来执行为将第一植入件植入到第一骨头中的骨准备工作。例如，可通过将被跟踪探针的尖端放置在软骨顶面上的点上、并利用框图807中的按钮(标为“映射点”Map Point)选择位置点，来对软骨的顶面进行检测(或映射)。软骨表面高度的表像可包括数字表达(例如从第一骨头到软骨表面的距离)和/或视觉表像(例如可被显示为框图800中点809的映射点)。可对数个软骨点进行映射(例如前点、后点、内侧点等)。使用者将第一植入件表像(即植入件模型808b)的至少一部分与软骨表面高度的表像(即点809)对正，例如可通过对植入件模型808b的深度进行调节，以使得植入件模型808b的上边缘与映射的软骨点809对正，由此来完成上述的操作。因而，在这样的实施方式中，外科系统10至少在部分上基于软骨在第一骨头区域内的测得位置、将第一植入件的表像与第一骨头的表像关联起来。按照这种方式，可基于胫骨高台上软骨的厚度来选择胫骨部件的深度。因而，外科系统10允许使用者将胫骨部件74的布置方案确定为这样：在执行任何骨切除之前，使胫骨部件74的顶面与软骨的顶面对正。

如果需要的话，在步骤S10中，使用者还可在术前对第二植入件(即股骨部件72)在第二骨头(即股骨F)上的初始布置进行规划。但优选地是，步骤S10只包括对第一植入件(即胫骨部件74)的术前规划。而股骨规划则被延后，直到完成了对胫骨T的刮刻(步骤S11)和试用(步骤S12)之后，以便于可基于胫骨试验件相对于股骨F的位置来确定出股骨部件的尺寸、内部/外部转动、以及内侧/外侧位置。

步骤S11到S15包含了骨准备的过程。在步骤S11中，通过操纵工具50来刮刻第一骨头，以此对第一骨头(例如胫骨T)进行整备，以接纳第一植入件(例如胫骨部件74)。在步骤S12中，将试验植入件装配到第一骨头上已准备好的特征上。在步骤S13中，对第二植入件(即股骨部件)的初始布置进行规划(或对之前规划的第二植入件的放置再次访问并调整)。在步骤S14中，在完成了对第一骨头的准备之后，对第二骨头(例如股骨F)进行准备，以接纳第二植入件。在步骤S15中，将试验性植入件装配到第二骨头已准备好的特征上。

例如可利用球形磨锥来刮刻骨头或对骨头进行修型，以使得骨头的形状与植入件配对表面的形状基本上一致，由此来完成骨准备(或刮刻)工作。使用者可选择是首先准备股骨F、还是先准备胫骨T。在优选的实施方式中，首先对胫骨T进行准备(步骤S11)，并将胫骨的试验植入件装配到胫骨T已准备好的表面上(步骤S12)。而后对股骨部件72的布置进行规划(步骤S13)，之后再对股骨F进行准备(步骤S14)。这样的方法是有利的，原因在于：使用者可基于胫骨试验植入件与股骨F在腿处于各种弯曲状态时的物理关系来为股骨部件72的布置进行规划。另外，在对胫骨T和股骨F进行刮刻之前，优选地是，利用矢面锯将股骨F内侧后髁的一部分(例如3mm厚的部分)去掉。去掉后髁的这个部分可减小后髁与胫骨部件74发生骨冲突的可能性，并在膝盖关节中形成了另外的工作空间。

在整个手术过程中，外科系统10对解剖体的运动进行监控，以检测解剖体的运动，并对计算机21和/或计算机31上运行的程序作适当的调整。在一种实施方式中，外科系统10响应于测得的运动对解剖体的表像进行调整。例如，外科系统10响应于第一骨头(即胫骨T)的运动对第一骨头的表像进行调整，并响应于第二骨头(即股骨F)的运动对第二骨头的表像进行调整。外科系统10还可响应于解剖体的测得运动对与解剖体相关的虚拟目标体进行调节。例如，虚拟目标体可包括虚拟边界，其包含着植入件的表像(例如，虚拟边界可与植入件的表面形状相对应)。在对骨准备工作进行规划时，外科系统10将植入件的表像与其上将要植入植入件的骨头的表像关联起来。在手术过程中，外科系统10响应于骨头的移动对虚拟边界进行调节。

在步骤S11中，通过操纵着工具50对第一骨头进行刮刻，来对第一骨头进行准备，以便于接纳第一植入件。在一种实施方式中，通过在胫骨T的近端上形成胫骨内侧包袋结构来对胫骨T进行准备。在安装了胫骨部件74之后，胫骨内侧包袋结构将与胫骨部件74的表面74a相配合(见图10B)。如图36所示，外科系统10显示出屏幕89，该屏幕表示了胫骨T的图形表像，该表像例如包括要被去除的骨头部分618的表像612、以及工具50的图形表像，其中，工具的表像表示出了工具的尖端616a和工具的轴杆616b。屏幕89可选择性地显示出相对骨头(即第二骨头或股骨F)的位置，以引导使用者，使使用者避免在无意中切割相对骨头的表面。优选地是，要被切除的骨头部分618的着色不同于周围骨头的颜色。例如，部分618可被着色成绿色，而周围的骨头可被着色成白色。触觉装置30进入接近模式中，在该模式中，触觉目标体(例如图1所示的触觉目标体300、图9所示的触觉目标体310)为接近路线的形式，其协助使用者来对工具50的尖端进行引导，以穿过切口128，并移向患者身体上感兴趣的特征(即患者解剖体上的骨头部分，其对应于屏幕89上图示表示的部分618)。在接近模式中，工具50被停用，以防止工具50在穿过切口128时发生意外切割，且工具被导引向感兴趣的特征。例如当工具50的尖端接近于与感兴趣的特征相关的预定点时，外科系统10将触觉装置30自动地置于触觉(磨削)模式。当触觉装置30被置于触觉模式时，外科系统10还启动了遮挡检测算法。

遮挡检测算法是安全措施，在触觉装置30处于触觉(磨削)模式时，不论在任何时候，如果触觉装置跟踪器45或解剖体跟踪器43a、43b中的之一被遮挡住，则该算法就将工具50的动力切断。如果检测到了被遮挡的状态，遮挡检测算法还可以在显示装置23上显示出警报信息，并使声响警报器报警，和/或将工具50的动力关断。因而，在跟踪系统40不能对工具50和解剖体的相对位置进行跟踪时，遮挡检测算法可防止工具50对解剖体造成损伤。例如，在一种实施方式中，如果遮挡检测算法检测到出现了被遮挡的状态，外科系统10就判断工具50是否正在接触触觉目标体的触觉边界。如果工具50不与触觉边界相接触，遮挡检测算法就将触觉装置30置于自由模式，从而，工具50将随着患者移动，且如果必要的话，可从患者中撤出。当遮挡状态结束时(例如当被遮挡的跟踪器变得再次可见时)，外科系统10将触觉装置30置于接近模式，以使得使用者可重新开始进行手术。与此相反，如果在遮挡状态期间外科系统10判断出工具50正在接触触觉边界，遮挡检测算法就等待预定的时长(例如1秒钟)，以观察被遮挡的跟踪器是否变为可见。如果触觉装置跟踪器45和解剖体跟踪器43a和43b在预定的时长内全部变成可见的了，则重新进行触觉(磨削)模式。不然的话，触觉装置30被置于自由模式，从而，工具50将随着患者移动，如果必要的话，可被从患者中撤出。如上文的情况一样，当遮挡状态结束时(例如当被遮挡的跟踪器变得再次可见时)，外科系统10将触觉装置30置于接近模式，以使得使用者可重新开始进行手术。

一旦触觉装置30进入到触觉模式中之后，使用者就可进行骨刮刻操作。为了刮刻骨头，使用者通过将触觉装置30的一部分(例如工具50)在解剖体(例如骨头)的区域内移动而对触觉装置30进行操控。从图37可最为清楚地看出，随着使用者使用工具50从骨头上去除材料，外科系统10对屏幕89上胫骨T的图像进行更新，以表示出已被去除的骨头深度。在去除骨头的过程中，触觉装置30向使用者施加力反馈作用—例如根据其形状和体积与骨头要被去除的部分618相对应的触觉目标体(例如图9中所示的触觉目标体206)进行。对于胫骨内侧的表面特征，触觉目标体的边界例如可基本上对应于将要与胫骨T的被刮刻表面相配的胫骨部件74的表面74a(如图10b所示)。力反馈作用促使使用者将工具50的尖端保持在触觉目标体的边界内。例如，力反馈作用对工具50进行约束，防止其越过触觉目标体的至少一部分—例如虚拟边界。尽管触觉目标体是虚拟的，且工具50是在物理空间中移动，但外科系统10将解剖体、触觉目标体、以及触觉装置30与解剖体的表像联系了起来。因而，触觉目标体和工具50都与患者的解剖体实现了配准。结果就是，虚拟的触觉目标体能限制或约束实际工具50的运动。

除了在骨刮刻过程中向使用者提供触觉引导之外，外科系统10还向使用者提供了视觉反馈。例如，当工具50在部分618中的特定位置处达到所需的切割深度时，特定位置的颜色可从绿色变成白色，以指示不应再从该部位处去除骨头了。类似地，如果工具50的切割超出了所需的深度，该特定位置的颜色可从白色变成红色，以警告使用者其切得太深了。为了进一步降低对健康组织造成损伤的可能性，外科系统10还可被编程设置成：切断工具50的动力，以防使用者切割太深。在完成了对胫骨内侧包袋结构的刮刻时，使用者可发出信号(例如利用脚踏板或其它输入装置25)，表明其已经准备形成新的特征、或其希望将工具50撤出。在刮刻过程中，即使尚未完成对特征的塑造工作，也可在任何时候将工具50撤出。例如，使用者可能希望将工具50撤出，以更换工具的尖端、对手术部位进行冲洗、执行试验性的缩减操作、重新进行植入件规划、解决出现的问题等。如果使用者发出信号表示其希望将工具50撤出，则遮挡检测算法就被中止，触觉装置30被置于自由模式，以完成工具50的撤出。

步骤S12是试验性的缩减过程，在该过程中，第一植入件(即胫骨部件74)或试验植入件(例如胫骨试验件)被装配到第一骨头(即胫骨T上已准备好的胫骨内侧包袋结构)上。使用者评价胫骨部件或胫骨试验件的装配效果，并根据需要进行调整—例如重新进行植入件的规划和/或骨刮刻，以实现更好的配合。

在步骤S13中，在完成了对第一骨头的准备之后，使用者对用于将第二植入件植入到第二骨头中的骨准备工作进行规划。在优选的实施方式中，第二骨头是股骨F，第二植入件是股骨部件72，且通过在将要安装股骨部件72的股骨F远端上选择位置来对骨准备工作进行规划。如果股骨部件72事先已被规划好了(例如在步骤S10中)，则如果需要的话，可以重新考虑并调节先前的设置。与步骤S10一样，外科系统10通过产生出屏幕88a(如图38所示)，以利于对植入件进行规划。除了框图800、802、804、806、以及807之外，屏幕88a与用于对胫骨部件74进行规划的屏幕88b(见图35)类似，其包括了与股骨部件72的布置相关的图像、数据、和选择按钮，并包括了第二植入件(即股骨部件72)的表像(植入件模型)808b。

例如可相对于已有植入件的位置和周围的结构来确定股骨部件72的位置。可按照与上文步骤S10中处理软骨点相同的方式，利用受跟踪的工具来对这些位置点进行映射。映射点包括关节中解剖学结构(例如骨头、神经、软组织等)上的点、和/或关节中已有植入件上的点(例如，边缘、拐角、表面、验证特征、凹窝、沟槽、中线标记等)。已有的植入件例如包括第一植入件(即胫骨部件74)、试验植入件(例如胫骨试验件)、和/或以前手术的植入件。可在腿L处于从完全伸展到完全弯曲之间的各种角度时选择这些位置点。例如，可在腿L处于弯曲伸展时、处于90°时、以及完全弯曲时来映射位置点。在一种实施方式中，膝盖关节被移动到第一状态(例如弯曲状态或伸展状态)，在关节处于第一状态时，使用者确定出与关节中第一位置相对应的第一位置点，膝盖关节被移动到第二状态(例如弯曲状态和伸展状态中的另一者)，在关节处于第二状态时，使用者确定出与关节中第二位置相对应的第二位置点。外科系统10在屏幕88a的框图800中显示出第一、第二位置点(作为点810)。点810对使用者提供了帮助：其使得第二植入件(即股骨部件72)的布置实现了可视化。因而，使用者能至少在部分上基于第一、第二位置点对用于将第二植入件植入到第二骨头上的骨准备工作进行规划。

在一种实施方式中，通过在腿处于伸展状态时映射绘制胫骨试验植入件前边缘中心线上的第一位置点、并在腿弯曲时映射绘制胫骨试验植入件前边缘中心线上的第二位置点，可确定出股骨部件72的尺寸和位置。伸展时的位置点被用来设计股骨部件72的尺寸。例如，股骨部件72的尺寸可被选择为这样：使得胫骨部件74在膝盖移动到伸展状态时不会越过股骨部件72的前边缘。弯曲时的位置点和伸展时的位置点被一起用来确定股骨部件72的内部/外部转动，以确保股骨部件72正确地座压在胫骨部件74(例如根据患者的正常运动范围和关节动力学状况)。例如，第二植入件表像(例如股骨部件72鼓凸(keel)72c的表像)的中心线可与弯曲位置点和伸展位置点对正。可选地是，后“切口”边缘上的点可被用来确定股骨部件72的后方布置方案。在该实施方式中，使用者通过将植入件模型808a(见图38)移动到总的植入区域，可为股骨部件72选择位置。利用框图806中的横断面视图，使用者转动地调节植入件模型808a，以使得植入件模型808a的中心线与代表伸展和弯曲时的胫骨试验植入件的中心线对齐。框图807中的内部/外部角度(标为“External”)显示的是所形成的内部/外部角度。利用框图804中的冠状图，使用者可对植入件模型808a的内翻/外翻角度进行调节。框图807中的内翻/外翻(标为“外翻”(Valgus))角度显示的是所形成的内翻/外翻角度。利用框图802中的矢面图，使用者对植入件模型808a的后方转动进行调节。框图807中的弯曲角度(标为“弯曲”Flexion)显示所形成的弯曲角。在一种实施方式中，后方转动被调节为这样：使得股骨部件72的主干相对于骨头图像的解剖学轴线处于约5°到8°的范围内。使用者可通过调节框图807中的深度条(标为“深度”Depth)来调节植入件模型808a在股骨F中的远侧深度。使用者还可利用框图807中的尺寸选择框(标为“尺寸”)来改变植入件模型808a的尺寸。按照这种方式，至少在部分上基于第一植入件在第一骨头(即胫骨T)上的测得位置，使第二植入件(植入件模型808a)与第二骨头(即股骨F)的表像关联起来。

在步骤S14中，通过操纵着工具50对第二骨头进行刮刻，来对第二骨头进行准备，以便于接纳第二植入件。在一种实施方式中，通过在股骨F的远端上形成股骨内侧表面、柱干、以及鼓凸结构来对股骨F进行准备。在安装了股骨部件72之后，将股骨内侧表面、柱干、以及鼓凸结构与股骨部件72的表面72a、柱干72b、以及鼓凸72c相配合(见图10A)。对股骨特征的制备基本上类似于胫骨内侧表面特征的制备。如图39所示，外科系统10显示出屏幕91，该屏幕表示了股骨F的图形表像。与准备胫骨的屏幕89一样，屏幕91包括要被去除的骨头部分618的表像612、以及工具50的图形表像，其中，工具的图形表像表示出了工具的尖端616a和工具的轴杆616b。屏幕91可选择性地显示出相对骨头(即胫骨T)的位置，以引导使用者，使使用者避免在无意中切割相对骨头的表面。与上文的情况相同，要被切除的骨头部分618的着色优选地是不同于周围骨头的颜色。触觉装置30进入接近模式中，在该模式中，触觉目标体(例如图1所示的触觉目标体300、图9所示的触觉目标体310)为接近路线的形式，其协助使用者来对工具50的尖端进行引导，以使其穿过切口128，并移向患者身体上感兴趣的特征(即患者解剖体上的骨头部分，其对应于屏幕91上图示表示的部分618)。例如当工具50的尖端接近于与感兴趣的特征相关的预定点时，外科系统10将触觉装置30自动地置于触觉(磨削)模式。当触觉装置30被置于触觉模式时，外科系统10还启动了遮挡检测算法。

一旦触觉装置30进入到触觉模式中之后，使用者就可进行骨刮刻操作。如图39所示，随着使用者使用工具50去掉骨头，外科系统10对屏幕91上股骨F的图像进行更新，以表示出已被去除的骨头深度。在去除骨头的过程中，触觉装置30向使用者施加力反馈作用—例如根据其形状和体积与要被去除的部分618相对应的触觉目标体(例如图9中所示的触觉目标体208)进行。对于股骨内侧的表面特征，触觉目标体的边界例如可基本上对应于将要与股骨F的被刮刻表面相配的股骨部件72的表面72a(如图10A所示)。力反馈作用促使使用者将工具50的尖端保持在触觉目标体的边界内。

在刮刻过程中，使用者可能会希望改变工具50。例如，在一种实施方式中，使用者使用6mm的磨锥来形成大部分的股骨内侧表面特征，并用2mm的磨锥来刮刻“拐角”(例如垂直壁面特征过渡到水平底部特征的区域)。为了更换磨锥，使用者发出信号，表明其想将工具50撤出。作为响应，遮挡检测算法被中止，触觉装置30被置于自由模式，以允许工具50的撤出。一旦磨锥更换完成之后，触觉装置被置于接近模式，以使得使用者可将工具50送到手术部位，从而完成形成股骨内侧表面特征的工作。在优选的实施方式中，在初始配准的步骤S8中，在重新开始刮刻之前，使用者将工具50(或被跟踪的探针)与设置在骨头(例如股骨F或胫骨T)上的标记相接触。该标记起到了检查点的作用，该检查点使得外科系统10能验证正确的系统结构。例如，检查点可被用来验证跟踪系统40的构造是否正确(例如跟踪器是否仍然相对于解剖体正确地对正，而没有被闭塞或遮挡等)、验证工具50是否被正确地安装(例如是否正确地落座、轴杆是否不弯曲等)、和/或验证其它物体是否被正确地安装/装配/组装等。如果该检查表明系统的结构存在问题(例如，在更换工具的过程中，其中的一个跟踪器被使用者碰到，现在没有对正)，就必须要重复进行配准操作(步骤S8)。使用者在需要时可在任何时候执行这种检查点验证工作，以确认系统的结构—例如当工具50被从患者中撤出、然后被重新插入到患者中时可执行该工作。在完成了对股骨内侧表面特征的刮刻时，使用者可发出信号(例如利用脚踏板或其它输入装置25)，表明其已经准备形成股骨内侧柱干结构。在一种实施方式中，在形成内侧柱干结构之前，使用者将用于形成股骨内侧表面结构拐角的2mm磨锥更换为4mm的磨锥。

刮刻股骨内侧柱干结构的过程基本上类似于刮刻股骨内侧表面特征的过程。与股骨表面特征的情况相同，外科系统10显示出屏幕91(见图39)，该屏幕表示了股骨F的图形表像、要被去除的骨头部分618的表像612、以及工具50的表像，可选地是，屏幕91还可显示出相对骨头(即胫骨T)的表像，其中，工具50的表像表示出了工具尖端616a的表像和工具轴杆616b的表像。与上文的情况相同，要被切除的骨头部分618的着色优选地是不同于周围骨头的颜色。在一种实施方式中，外科系统10仅在屏幕91上显示工具50尖端616a的表像。但是，由于工具50的接近角度对于柱干和鼓凸结构的形成过程是至关重要的，优选地是，在刮刻柱干和鼓凸结构特征时，外科系统10要指示出所能允许的工具50轴杆倾斜角。例如，可显示出轴杆616b的表像，以使得使用者能观察到轴杆616b相对于解剖体是如何定向的。因而，使用者可判断在刮刻更深部分的股骨特征时轴杆是否擦着先前刮刻的骨头壁(或其它物体)。屏幕91还表示出了工具角度(例如倾斜角度)的数值。外科系统10还包括这样的触觉目标体：其形状被设计成可将工具50轴杆的角度约束到预定的数值。在一种实施方式中，该预定数值使得工具50的轴杆保持着与工具50所切入的骨表面基本上垂直的状态。例如，预定的数值是：相对于工具50所切入的骨头表面，在约80°到90°的范围内。屏幕91还可包括对约束轴杆的触觉目标体的图形描述，且如果工具的角度超过预定数值，屏幕可将触觉目标体的颜色改变(例如改变为红色)。作为补充或替代措施，工具50可具有套筒，其围绕着轴杆和/或工具50的尖端设置，其防止转动的轴杆和/或尖端与骨头直接接触。

触觉装置30进入接近模式中，在该模式中，触觉目标体(例如图1所示的触觉目标体300、图9所示的触觉目标体310)为接近路线的形式，其协助使用者来对工具50的尖端进行引导，使其朝向患者身体上感兴趣的特征(即患者解剖体上的骨头部分，其对应于屏幕91上图示表示的部分618)。例如当工具50的尖端接近于与感兴趣的特征相关的预定点时，外科系统10将触觉装置30自动地置于触觉(磨削)模式。如果遮挡检测算法在先前已被中止(例如在形成了股骨表面特征之后为了将工具50撤出)，当触觉装置30进入触觉模式时，外科系统10将遮挡检测算法启动。

一旦触觉装置30进入到触觉模式中之后，使用者就可进行骨刮刻操作。随着使用者使用工具50去除骨头，外科系统10对屏幕91上股骨F的图像进行更新，以表示出已被去除的骨头深度。在去除骨头的过程中，触觉装置30向使用者施加力反馈作用—例如根据其形状和体积与要被去除的骨头部分618相对应的触觉目标体进行。对于股骨内侧的柱干结构特征，触觉目标体的边界例如可基本上对应于将要与股骨F的被刮刻表面相配的股骨部件72的柱干72a(如图10A所示)的表面。在完成了对股骨内侧柱干特征时，使用者可发出信号(例如利用脚踏板或其它输入装置25)，表明其已经准备形成股骨内侧鼓凸结构。在一种实施方式中，在形成鼓凸结构之前，使用者将4mm的磨锥更换为直线磨锥。如同上文结合股骨内侧表面结构的拐角所讨论的那样，为了更换磨锥，使用者发出信号，表明其想将工具50撤出。作为响应，遮挡检测算法被中止，触觉装置30被置于自由模式，以允许工具50的撤出。一旦更换了磨锥之后，使用者就可进行形成股骨内侧鼓凸结构的工作。优选地是，使用者在重新启动骨刮刻工作之前，执行上述的检查点验证操作。

刮刻股骨内侧鼓凸结构的过程基本上类似于刮刻股骨内侧表面和柱干特征的过程。与股骨表面特征和柱干特征的情况相同，外科系统10显示出屏幕91(见图39)，该屏幕表示了股骨F的图形表像、要被去除的骨头部分618的表像612、以及工具50的图形表像，可选地是，屏幕91还可显示出相对骨头(即胫骨T)的表像，其中，工具50的图形表像表示出了工具的尖端616a和工具的轴杆616b。与上文的情况相同，要被切除的骨头部分618的着色优选地是不同于周围骨头的颜色。另外，与上文结合股骨内侧柱干特征的情况进行讨论的一样，屏幕91可包括这样的特征：其使得使用者能对工具的角度进行监控，以防止工具50的转动轴杆对周围的骨头造成损伤。

触觉装置30进入接近模式中，在该模式中，触觉目标体(例如图1所示的触觉目标体300、图9所示的触觉目标体310)为接近路线的形式，其协助使用者来对工具50的尖端进行引导，以使其穿过切口128，并移向患者身体上感兴趣的特征(即患者解剖体上的骨头部分，其对应于屏幕91上图示表示的部分618)。例如当工具50的尖端接近于与感兴趣的特征相关的预定点时，外科系统10将触觉装置30自动地置于触觉(磨削)模式。当触觉装置30进入触觉模式时，外科系统10还将遮挡检测算法启动。一旦触觉装置30进入到触觉模式中之后，使用者就可进行骨刮刻操作。随着使用者使用工具50去掉骨头，外科系统10对屏幕91上股骨F的图像进行更新，以表示出已被去除的骨头深度。在去除骨头的过程中，触觉装置30向使用者施加力反馈作用—例如根据其形状和体积与要被去除的部分618相对应的触觉目标体进行。对于股骨内侧的鼓凸结构特征，触觉目标体的边界例如可基本上对应于将要与股骨F的被刮刻表面相配的股骨部件72的鼓凸72c(如图10A所示)的表面。在完成了对股骨内侧鼓凸特征时，使用者可发出信号(例如利用脚踏板或其它输入装置25)，表明其想将工具50从患者体内撤出。作为响应，外科系统10中止遮挡检测算法，将触觉装置30置于自由模式，以允许工具50的撤出。

步骤S15是试验性的缩减过程，在该过程中，第二植入件(即股骨部件72)或试验植入件(例如股骨试验件)被装配到股骨F上已准备好的股骨内侧表面、柱干、鼓凸结构特征上。使用者评价股骨部件72或股骨试验件的装配效果，并根据需要进行调整—例如重新进行植入件的规划和/或骨刮刻，以实现更好的配合。在步骤S15中，还可对胫骨T进行调整。为了有利于该试验性的缩减过程，外科系统10可产生出屏幕(图中未示出)，其图示地表示了股骨F和胫骨T被跟踪的运动，并显示出一些测量结果—例如弯曲、内翻/外翻、以及内部/外部转动角度。另外，股骨和/或胫骨的试验植入件可包括一些固有特征(例如凹窝、标记等)，在试验植入件被装配到骨头上之后，这些特征可与被跟踪的探针相接触，以验证试验植入件。固有特征还可被用来利用一个植入件的位置确定另一植入件的位置(例如在模块化植入件的情况下)。如果使用者满意试验植入件的装配效果，使用者可开始安装股骨部件72和胫骨部件74，进而完成手术过程。

因而，本发明的实施方式提供了触觉引导系统和方法，其可取代微创手术中的直接目视、在关节矫形置换的场合中保留健康骨头、实现了在术中的适应和规划，并使得手术结果具有足够高的可重复性、可预测性、和/或精度，而与外科技能等级无关。

对于本领域技术人员而言，从对文中所描述的本发明详细内容、实施形式、以及考虑因素，可明显地设想出其它的实施方式。本文的详细说明和实例应当仅被看作是示例性的。

Claims (23)

1.一种外科设备，其包括：

外科装置，其被设置成由使用者进行操控而对患者执行手术过程；以及

计算机系统，其被编程设置成：

执行用于对外科装置进行控制的控制参数，以便于基于患者解剖体与外科装置的一部分的至少一个指标之间的关系，实现如下操作的至少之一：向使用者提供触觉引导、以及限制使用者对外科装置的操控，其中的指标是位置、定向、速度、以及加速度；

以及

在手术过程中，响应于解剖体的运动而对控制参数进行调节；

所述外科装置包括至少一个反馈机构，其被设计成向操控外科装置的使用者提供反馈作用；以及，计算机系统被编程设置成对至少一个反馈机构进行控制，以便于在使用者操控外科装置时，基于患者解剖体与所述外科装置的所述部分的至少一个指标之间的关系，向使用者提供触觉引导，其中的指标是位置、定向、速度、以及加速度。

2.根据权利要求1所述的外科设备，其特征在于：外科装置包括臂件、与臂件相联的外科工具、以及与臂件和外科工具中至少之一相联的接口。

3.根据权利要求2所述的外科设备，其特征在于：接口包括第一部分和第二部分，第一部分被设计成使得使用者能改变臂件的构造，第二部分被设计成使得使用者能将外科工具相对于臂件进行移动。

4.根据权利要求3所述的外科设备，其特征在于：第一部分包括臂件的关节，第二部分包括臂件的远端与外科工具中的至少之一。

5.根据权利要求2所述的外科设备，其特征在于：计算机系统被编程设置成对外科装置进行控制，以便于基于外科工具的位置相对于至少一个因素的状态而产生出力、力矩、以及振动的至少之一，其中的因素是与解剖体相关的虚拟目标体、涉及解剖体的参数、以及解剖体。

6.根据权利要求1所述的外科设备，其特征在于：外科装置包括反馈机构；且计算机系统被设计成对反馈机构进行控制，以便于在使用者操控外科装置时向使用者发送信息，其中的信息是关于外科装置的所述部分相对于至少一个因素的位置，其中的因素是与解剖体相关的虚拟目标体、涉及解剖体的参数、以及解剖体。

7.根据权利要求1所述的外科设备，其特征在于计算机系统被编程设置成：至少在部分上基于与解剖体相关的虚拟目标体确定出控制参数。

8.根据权利要求1所述的外科设备，其特征在于计算机系统被编程设置成：通过对解剖体受检测的运动进行监控、而后再响应于检测到的运动调节虚拟目标体，从而响应于手术过程中解剖体的运动而调整与解剖体相关的虚拟目标体。

9.根据权利要求1所述的外科设备，其特征在于还包括：用于确定解剖体或外科装置中至少一个的姿态的检测装置。

10.根据权利要求9所述的外科设备，其特征在于：检测装置被安装到外科装置上。

11.根据权利要求10所述的外科设备，其特征在于：检测装置可相对于外科装置从第一位置移动到第二位置。

12.根据权利要求10所述的外科设备，其特征在于：检测装置相对于外科装置的位置是固定的。

13.根据权利要求9所述的外科设备，其特征在于还包括：至少一个可跟踪元件，其可被检测装置进行检测，且被设置成与要被跟踪的解剖体或外科装置中的至少一个相连。

14.根据权利要求13所述的外科设备，其特征在于计算机系统被编程设置为：如果在手术过程中检测装置不能检测到所述至少一个可跟踪元件，则向使用者示警。

15.根据权利要求13所述的外科设备，其特征在于：所述至少一个可跟踪元件被布置到外科装置上。

16.根据权利要求15所述的外科设备，其特征在于：所述至少一个可跟踪元件可相对于外科装置在第一位置与第二位置之间移动。

17.根据权利要求15所述的外科设备，其特征在于：所述至少一个可跟踪元件的位置相对于外科装置是固定的。

18.根据权利要求13所述的外科设备，其特征在于：外科装置包括臂件，其被设计成与外科工具相接合，其中，将所述至少一个可跟踪元件设置为其被布置在臂件的远端与外科工具的至少之一上。

19.根据权利要求13所述的外科设备，其特征在于：所述至少一个可跟踪元件包括用于对探针的校准进行验证的特征。

20.根据权利要求19所述的外科设备，其特征在于：所述对探针的校准进行验证的特征包括凹窝。

21.根据权利要求9所述的外科设备，其特征在于：检测装置被设计成与要被跟踪的解剖体或外科装置中的至少一个相连接。

22.根据权利要求21所述的外科设备，其特征在于：检测装置包括用于附接到患者骨头上的固定装置。

23.一种外科设备，其包括：

触觉装置，其被设置成由使用者进行操控而对患者执行手术过程，触觉装置包括至少一个反馈机构，所述反馈机构被设置成向操控触觉装置的使用者提供反馈作用；以及

计算机系统，其被编程设置成：

执行用于对至少一个反馈机构进行控制的控制参数，以便于在使用者操作触觉装置时、基于患者解剖体与触觉装置的一部分的至少一个指标之间的关系向使用者提供触觉引导，其中的指标是位置、定向、速度、以及加速度；以及

在手术过程中，响应于解剖体的运动而对控制参数进行调节。

Images