CN101299971A - 用于计算机辅助外科手术的多面追踪器装置 - Google Patents

Abstract

一种追踪器装置(10、10′、10″)，与外科手术仪器相关联并可由CAS系统(100)进行空间追踪，从而可计算外科手术仪器的位置。支承件(12)用于与外科手术仪器相连。光学元件以第一图案(44A)安装在支承件(12)上，以便可沿第一可视范围由CAS系统检测。另外的光学元件以第二图案(44B、44C)安装在支承件上，以便可沿第二可视范围由CAS系统检测，该第一可视范围和第二可视范围最多具有公共部分；由此根据光学元件图案(44A、44B、44C)的任意一个的检测而在第一和第二可视范围内追踪至少外科手术仪器的位置。

Description

用于计算机辅助外科手术的多面追踪器装置

相关申请的交叉引用

本发明要求美国临时专利申请No.60/732674的优先权，该美国临时专利申请No.60/732674由本申请人在2005年11月3日提交。

技术领域

本发明涉及计算机辅助外科手术系统，特别是涉及用于在计算机辅助外科手术过程中追踪外科手术工具的仪器。

背景技术

外科手术仪器或工具的追踪是计算机辅助外科手术(下文中称为CAS)的整体部分。对该工具的位置和/或方位进行追踪，从而获得关于身体部分的信息。该信息再用于对身体的各种介入，例如骨改造、植入件定位、切口等。

通常使用两种追踪系统。主动追踪系统在要追踪工具上提供有发射器，该发射器发射信号，该信号将由CAS系统的处理器接收，该处理器计算作为接收信号的函数的工具的位置和/或方位。主动追踪系统的发射器例如通过通向CAS系统的电线来供电，或者通过提供有独立电源来供电，以便发射信号。

被动追踪系统并不在工具上提供主动发射器，因此关于消毒的问题更少。与被动追踪相关的CAS系统有用于视觉检测工具上的光学元件的光学传感器装置。光学元件为无源的，因此没有电源与它相连。

为了获得位置和/或方位值，光学元件必须在光学传感器装置的瞄准线内。因此，通过被动追踪系统，外科手术根据在光学传感器装置和光学元件之间的所需可视性而以给定方位进行。

在已知实施例中，光学元件为可由CAS系统的光学传感器装置检测的回复反射球。该回复反射球定位成可识别的图案，这样，与光学元件相关联的工具的位置和/或方位信息可以计算。回复反射球的几何形状优选是提供良好的可视范围。不过，回复反射球的制造相对昂贵。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种追踪器装置，它解决了现有技术的相关问题。

因此，根据本发明，提供了一种追踪器装置，该追踪器装置为与外科手术仪器相关联和可由CAS系统进行空间追踪的类型，从而至少可计算外科手术仪器的位置，该追踪器装置包括：支承件，该支承件用于与外科手术仪器相连；至少两个光学元件，所述光学元件以第一图案安装在支承件上，以便可沿第一可视范围由CAS系统检测；以及至少两个另外的光学元件，所述另外的光学元件以第二图案安装在支承件上，以便可沿第二可视范围由CAS系统检测，该第一可视范围和第二可视范围最多具有公共部分；因此，根据光学元件图案的任意一个的检测而在第一和第二可视范围内追踪至少外科手术仪器的位置。

而且，根据本发明，提供了一种计算机辅助外科手术系统，用于在外科手术过程中追踪外科手术仪器，包括：至少一个外科手术仪器；追踪器装置，该追踪器装置固定在外科手术仪器上，该追踪器装置有沿第一可视范围可见的、光学元件的第一几何图案和沿第二可视范围可见的、光学元件的第二几何图案；追踪系统，该追踪系统具有传感器单元，当仪器在第一可视范围和/或第二可视范围运动时，该传感器单元追踪任意一个几何图案；数据库，该数据库储存几何图案数据和仪器/追踪器装置的关系数据；以及位置和方位计算器，该位置和方位计算器与传感器单元和数据库相连，以便由几何图案数据识别被追踪的几何图案，并根据由传感器元件追踪的识别几何图案来计算追踪器装置的位置和方位；该追踪系统根据追踪器装置的位置和方位以及仪器/追踪器装置的关系数据来计算仪器的位置和方位。

附图说明

已经总体介绍了本发明的特性，下面将参考附图，附图表示了本发明的优选实施例，且附图中：

图1是根据本发明实施例构成的多面追踪器装置的正视图；

图2是图1的多面追踪器装置从正面看时的透视图；

图3是图1的多面追踪器装置从后面看时的透视图；

图4是表示根据本发明另一实施例构成的多面追踪器装置的透视图，它与被动追踪器支承件连接；

图5是图1的多面追踪器装置的追踪器端部的放大透视图；

图6是图4的多面追踪器装置的正视图；

图7是沿图1的剖面线VII-VII的追踪器端部的剖视图；

图8是根据本发明另一实施例构成的多面追踪器装置的透视图；

图9是沿图8的剖面线IX-IX的追踪器端部的剖视图；以及

图10是使用图1至9中任意一个的多面追踪器装置的计算机辅助外科手术系统的方框图。

具体实施方式

下面参考附图，特别是参考图1，该实施例的多面追踪器装置总体表示为10，而追踪器装置的另一实施例在图4和6中表示为10′。还一实施例在图8和9中表示为10″。追踪器10有支承件12和追踪器端部14。

支承件12用于使追踪器装置10与外科手术工具(例如用于CAS中的对齐指示器、锉刀、钻引导件、参考基底等仪器)相互关联。支承件12支承给定几何形状的追踪器端部14，这样，CAS系统的光学传感器装置视觉识别图案。通过对追踪器端部14的图案的追踪，CAS系统计算与追踪器装置10相关联的外科手术仪器或工具的位置和/或方位。

追踪器端部14支承光学元件，该光学元件构成几何图案，并因此可由CAS系统的光学传感器装置视觉检测。

参考图1至3，支承件12表示为具有三个臂20。各臂20在中心会聚，每个臂20在自由端有一个追踪器端部14。如图3中所示，凹形连接器21布置在支承件12的底侧，且可以选择地布置在追踪器端部14的底表面中。

因此，如图4中所示，追踪器装置10′(大致类似于图1至3的追踪器装置10)可以与外科手术工具的支承件A连接。这种支承件A有三个凸形连接器，其中的两个表示为B。凸形连接器B为卡扣形指状物，布置成将可检测球支承在支承件A上。应当指出，在支承件A和追踪器装置10/10′之间的这种三点连接保证追踪器装置10/10′的结构强度。

因此，在实施例中，追踪器装置10/10′/10″(图8和9)可以与外科手术工具的现有支承件A一起使用。不过可以考虑提供可选类型的连接系统来使追踪器装置10/10′/10″与外科手术工具连接。

为了在空间中追踪物品的位置和方位，必须知道与该物品相关联的至少两点。通过两点，可以在特定情况下追踪物品的位置和方位(例如，物品和这两个追踪点共线，且在校准后没有视野断开)。三个不共线可追踪点的几何图案通常用于六自由度的追踪，且可以使用更多可追踪点，以便提高追踪精度。

因此，在图1的实施例中，三个追踪器端部14布置成三组的三个可检测元件。同时参考图1和5，各追踪器端部14提供有锥形体40，该锥形体40有面41A、41B和41C(下文中表示为面41，除非另外说明)。各面41确定了具有给定几何形状的开口42。在图1和5的实施例中，给定几何形状为圆形。斜表面43布置在面41中，并包围开口42。

回复反射表面位于开口42中，以便形成分别布置在追踪器端部14的面41A、41B和41C中的圆形光学元件44A、44B和44C。光学元件44也考虑其它形状。回复反射表面由回复反射材料制成，该回复反射材料将由与CAS系统相关联的光学传感器装置检测。例如，材料Scotch-Lite^TM适合用作回复反射表面。

因为光学元件44必须是要由CAS系统的光学传感器装置识别的给定几何图案，因此光学元件44在一个实施例中重新分组成三个一组。参考图1，第一组的三个元件44包括光学元件44A，各光学元件44A在不同的追踪器端部14中。类似地，第二组包括元件44B，第三组包括元件44C。

在图1的实施例中，同一组的各元件(例如第一组元件44A)平行于同一平面。因此，元件44A从相同视野中可见。

多组元件44相互战略定位成优化追踪器装置10的可视范围。更具体地说，多组定位成这样，一旦CAS系统的光学传感器装置失去一组的视线，则另一组就可视。这保证追踪装置10在给定视野中连续追踪。

各组形成可由CAS系统的光学传感器装置识别的几何图案。圆形开口42和回复反射表面的组合使得光学元件44有圆形形状。根据光学传感器装置的视角，这些圆将并不总是表现为圆形。因此，圆心的位置可以根据从光学传感器装置的视角感知的形状来计算。

因此，在图1的实施例中，几何图案包括由多组光学元件44的中心确定的三角形。优选是，三个不同组光学元件44的三个三角形为不同形状，且各三角形与工具的特定方位相关联。也可选择，由三个不同组形成的三个三角形可以相同，但是圆形反射表面44的感知形状必须用于识别所看见的反射表面44是三组中的哪一组。

尽管表示了三角形几何图案，但是也考虑使用其它几何图案，例如直线和各种多边形形状。

应当指出，其上具有追踪器装置10的外科手术工具标定优选是在使用追踪器装置10之前进行，以便标定各可检测几何图案相对于工具的位置和/或方位。为了优化追踪器装置10的可视范围，可以考虑在追踪器端部14上布置圆形光学元件44。

参考图6，另一实施例的多面追踪器装置总体表示为10′。多面追踪器装置10′和多面追踪器装置10有类似部件，因此，相同部件将有相同附图标记。

追踪器装置10′的追踪器端部14′与追踪器装置10的区别在于：各追踪器端部14′只有两个圆形光学元件44，即三个元件44A的组和三个元件44B的组。因此，当与追踪器装置10比较时，追踪器装置10′有更小的可视范围。

可以考虑改变用于制造光学元件44的回复反射材料。更具体地说，如图7中所示，追踪器端部14表示为具有对着开口42的凹腔45，以便容纳用后抛弃的回复反射材料片。因此，支承件12和空的追踪器端部14可以进行消毒以重新使用，并且新的回复反射片被插入追踪器端部14中。根据追踪器端部10的预计使用(例如可重新使用、一次性使用)，支承件12和空的追踪器端部14以塑料模制或以金属铸造。可以考虑其它材料。外科手术仪器也可以是一次性的。例如，外科手术仪器可以与追踪器装置10/10′模制成一体，用于单次使用。

根据外科手术的预计类型，一些组的光学元件44可能并不需要。例如，在某些外科介入手术中，可能并不需要较大范围的可视性，因此一些开口42可以并不设置回复反射材料。

应当指出，斜表面43用于从面41的后面设置回复反射材料。这表示了减少在身体组织和回复反射材料之间接触的危险的一种方式。身体物质可能干扰回复反射材料的反射性。

参考图8和9，图中更详细地表示了追踪器装置10″。多面追踪器装置10″和多面追踪器装置10/10′(图1至7)具有类似部件，因此相同部件有相同附图标记。

追踪器装置10″与追踪器装置10(图1至3)类似，其中，追踪器装置10″在每个追踪器端部14″有三个光学元件44。不过，追踪器装置10″的追踪器端部14″设有三支脚结构40″，与追踪器装置10的锥形体40相对。

各三支脚结构40″有三个支脚，各支脚限定了光学元件44(即44A、44B和44C)。各支脚有环形帽41″(即41A″、41B″)，该环形帽有开口42和斜表面43。帽41″可释放地卡在有凸缘的支承件45″上。表示为46(即46A、46B、46C)的反射材料保持被捕获于帽41″和支承件45″之间，并通过开口42的周边限定光学元件44。

在外科手术后，帽41″被取下，表示为46的反射材料被抛弃或进行消毒。帽41″进行消毒或被抛弃，且支承件12进行消毒以便随后使用。

如图9中所示，追踪器装置10″的追踪器端部14″分别有凹形连接器47，用于与支承件(例如支承件12)的凸形连接器进行卡扣配合。追踪器装置10″有第一组凹形连接器21(如图3中所示设置在臂20上)和第二组凹形连接器47(表示更大三角形，用于更大支承件12)。因此，装置10″可以用于两种不同尺寸的支承件12。该特征也可以用于装置10和10′。

而且，追踪器端部14/14′/14″可以在没有公共支承件12的情况下使用，只要追踪器端部14/14′/14″在与支承件A的凸形连接器B连接时与特定位置对齐。

参考图10，使用追踪器装置10的计算机辅助外科手术系统总体表示为100。计算机辅助外科手术系统100包括追踪器装置10，它通过支承件而固定在外科手术仪器T上。根据图1至9，追踪器装置10提供有两个或三个不同几何图案，即图案44A、44B和44C。如前所述，各图案44A、44B和44C与给定可视范围相关联。尽管图10表示了追踪器装置10，但是追踪器10′和10″也可以用于计算机辅助外科手术系统100。

计算机辅助外科手术系统有追踪系统101，该追踪系统通常为具有处理器的计算机。追踪系统101有传感器单元，该传感器单元布置成用于视觉追踪图案44A至44C的光学元件。通常，传感器单元102包括一对传感器(例如Navitrack^TM)。

控制器104与传感器单元102连接。因此，控制器104接收由传感器单元102追踪的图案。

数据库106布置成用于储存几何图案数据。更具体地说，追踪器装置10的各种图案储存在数据库106中。类似地，仪器和追踪器装置之间的关系储存在数据库106中。仪器/追踪器装置的关系可以由在使用计算机辅助外科手术系统的第一步骤中进行的标定而得出。

位置和方位计算器108与控制器104相关联。位置和方位计算器108接收由传感器单元102追踪的图案以及几何图案数据。因此，位置和方位计算器108识别追踪器装置10的哪一个图案被追踪。通过识别被追踪的图案，位置和方位计算器计算追踪器装置10的位置和方位。

追踪器装置10的位置和方位被发送给控制器104。控制器104使该信息与来自几何图案数据库106的仪器/追踪器装置关系进行组合，以便计算仪器T的位置和方位。该信息发送给用户界面110，这样，计算机辅助外科手术系统的用户以计算机辅助外科手术已知的各种形式(例如视觉表示、数字值例如角度、距离等)获得仪器T的位置和方位的信息。应当指出，数据库106也可以是控制器104的一部分，或者是位置和方位计算器108的一部分。

Claims (13)

1.一种追踪器装置，所述追踪器装置与外科手术仪器相关联并可由CAS系统进行空间追踪，从而至少可计算外科手术仪器的位置，所述追踪器装置包括：

支承件，所述支承件用于与外科手术仪器相连；

至少两个光学元件，所述光学元件以第一图案安装在支承件上，以便可沿第一可视范围由CAS系统检测；以及

至少两个另外的光学元件，所述另外的光学元件以第二图案安装在支承件上，以便可沿第二可视范围由CAS系统检测，所述第一可视范围和第二可视范围最多具有公共部分；

由此根据光学元件图案的任意一个的检测而在第一和第二可视范围内追踪至少外科手术仪器的位置。

2.根据权利要求1所述的追踪器装置，其中：所述至少两个光学元件为扁平的，位于分离的平面上且平行于相同的第一平面，所述至少两个另外的光学元件为扁平的，位于分离的平面上且平行于相同的第二平面。

3.根据权利要求2所述的追踪器装置，其中：第一图案具有成第一三角形的三个所述至少两个光学元件，而第二图案具有呈第二三角形的三个所述至少两个另外的光学元件，由此外科手术仪器可被追踪位置和方位。

4.根据权利要求1所述的追踪器装置，还包括：至少两个更另外的光学元件，所述更另外的光学元件以第三图案安装在支承件上，以便可沿第三可视范围由CAS系统检测，所述第三可视范围以及所述第一和第二可视范围中的至少一个最多具有公共部分。

5.根据权利要求1所述的追踪器装置，其中：各光学元件由固定在支承件上的环形帽和由环形帽保持捕获在支承件上的反射部件形成，在环形帽中的开口与反射部件相对，以便限定光学元件的几何形状。

6.根据权利要求5所述的追踪器装置，其中：所述环形帽可释放地固定在支承件上，以便在使用后更换反射部件。

7.根据权利要求5所述的追踪器装置，其中：各所述反射部件处于由环形帽限定的凹腔中，以便防止意外接触。

8.根据权利要求7所述的追踪器装置，其中：所述凹腔有包围反射部件的斜表面，以便增加反射部件的可视范围。

9.根据权利要求1所述的追踪器装置，其中：各光学元件为圆形。

10.根据权利要求1所述的追踪器装置，其中，支承件具有：第一连接结构，以便与第一尺寸的外科手术仪器可释放地连接；以及第二连接结构，以便与第二尺寸的外科手术仪器可释放地连接。

11.一种计算机辅助外科手术系统，用于在外科手术过程中追踪外科手术仪器，包括：

至少一个外科手术仪器；

追踪器装置，所述追踪器装置固定在外科手术仪器上，所述追踪器装置具有沿第一可视范围可见的、光学元件的第一几何图案和沿第二可视范围可见的、光学元件的第二几何图案；

追踪系统，所述追踪系统具有：

传感器单元，当仪器在第一可视范围和/或第二可视范围运动时，所述传感器单元追踪任意一个几何图案；

数据库，所述数据库储存几何图案数据和仪器/追踪器装置的关系数据；以及

位置和方位计算器，所述位置和方位计算器与传感器单元和数据库相连，以便由几何图案数据识别被追踪的几何图案，并根据由传感器元件追踪的识别几何图案来计算追踪器装置的位置和方位；

所述追踪系统根据追踪器装置的位置和方位以及仪器/追踪器装置的关系数据来计算仪器的位置和方位。

12.根据权利要求11所述的计算机辅助外科手术系统，其中：仪器/追踪器装置的关系数据通过标定而获得。

13.根据权利要求11所述的计算机辅助外科手术系统，其中：追踪器装置具有沿第三可视范围可见的、光学元件的第三几何图案。

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