CN103492833A - 具有集成的导航与制导系统的工具以及相关设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于集成电磁导航系统和工具以及将所述工具与目标对齐的方法和设备，所述工具包括传感器工具、工具、场发生器、显示器和计算机。所述传感器工具在相对于目标结构的独特位置附接至目标组件。所述场发生器除了围绕工具轴线旋转外相对于所述工具固定。所述显示器可调节地安装到所述工具并且自动调节图像参数。提供了目标配准和误差补偿方法。所述系统检测可能导致导航不准确的磁场和信号干扰、过滤导航数据，并基于检测的条件调节过滤参数。提供了用于朝近侧锁紧IM钉使得顺畅通过所述钉的管道得以维持的设备。

Description

具有集成的导航与制导系统的工具以及相关设备和方法
相关专利申请的引用
本专利申请要求提交于2011年2月18日的美国专利申请61/444,535、提交于2011年2月18日的美国专利申请61/444,558、提交于2011年2月18日的美国专利申请61/444,600、提交于2011年4月18日的美国专利申请61/476,709、以及提交于2011年10月31日的美国专利申请61/553,499的优先权。就美国而言，本专利申请根据35U.S.C.§119要求提交于2011年2月18日的美国专利申请61/444,535、提交于2011年2月18日的美国专利申请61/444,558、提交于2011年2月18日的美国专利申请61/444,600、提交于2011年4月18日的美国专利申请61/476,709、以及提交于2011年10月31日的美国专利申请61/553,499的优先权，所述全部专利申请据此以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及工具的制导和导航。钻和锯是工具的非限制性例子。本发明已被应用于将工具相对于可能隐藏于视野之外的结构定位。本发明可被应用于将外科工具定位，但也可应用于非外科应用。
背景技术
在包括制造、组装、修理和外科手术的许多领域中具有可用于将工具与目标路径、结构或可能隐藏于视野之外或用户无法充分看见的其他目标位置对齐的程序。例如在机身组装和修理的过程中，可能有必要钻出穿过材料层的孔，使其与定位在材料后方的无法到达的组件中的现有孔成一直线。再如，许多外科手术需要外科医生将工具例如钻、导丝驱动器、骨锯或超声波探头与不能被充分标示或看见的目标路径对齐。目标路径可以是如术前决策中所确定或使用术中技术所确定的穿过组织的理想平面或轨线，例如，如Hodgson在国际专利公布WO/2006/133573中所述的解剖结构例如股骨颈的估计中心线。目标路径还可以与植入物的结构相关，例如骨板中的固定螺孔或IM（“髓内”）钉，其中目标是当孔或孔的方向隐藏于视线之外时，将钻、导丝驱动器或其他工具相对于该孔对齐。
可通过制导建立期望的工具对齐的外科手术的一些例子为：
·股骨头表面置换。该手术涉及将导丝以计划的角度和位置沿着目标路径通过股骨颈插入。
·脊柱外科手术中的椎弓根螺钉固定，其中钻、钻导引器、导丝或螺钉必须沿着目标路径插入已知结构（椎弓根）并且插入有限深度，以免损伤骨头外的周围结构。
·腰骨外科手术中骶髂螺钉的设置，其中钻、钻导引器、导丝或螺钉必须沿着目标路径插入（穿过髂骨进入骶骨翼和椎体）并且插入有限深度，以免损伤骨头外的周围结构。
·截骨术（将骨切断），其中用于以具体的计划取向来切割骨的外科手术锯的取向对于程序的后续步骤可能至关重要，所述后续步骤为：将骨复位、放置植入物（例如膝关节成形术）
·将髋关节或膝关节成形术植入物以计划取向放置（例如在髋关节成形术中对髋臼部件进行放置）
·定位固定的实体器官（例如肝脏、胰腺、肾或其他）或非固定的中空器官（例如肠、膀胱），用于经皮放置支架或器件，或者用于建立到达隐藏于视野之外的计划位置的通路。（例如，肾盂引流管，经皮内镜胃造口管，肝、胆或胰分流支架），或者出于进行活组织检查的目的用于对隐藏于视野之外但相对于探针已知的位置处的组织块进行取样。
此外，在诸如用工具进行钻孔或切割的许多程序中，用户可以发现，有用的是了解工具从起点开始已沿着目标路径前进的距离，例如知道所钻孔的深度或者以便选择螺钉、销等的恰当长度以进行安装。例如在不同的外科手术中，外科医生可能需要估计待安装到所钻孔中的螺钉的恰当长度，使得螺钉在孔位置处贯穿骨头，但不会从骨过分突出进入周围组织内。
另外在许多工具对齐程序中，用户可能需要以相对于用户的视角的各种取向来使用工具。用户还可能倾向于用其右手或左手握持工具，这可能影响工具的取向、工具的可视性以及与目标区域的对齐。例如在许多外科手术中，外科医生可能需要以各种取向使用工具，以获得到达工作区的通路和无阻碍的工具路径，例如使工具经过患者的未累及肢体、手术台以及外科手术中使用的多个肢架、垫枕等。
一般来讲，工具制导和导航程序需要某种形式的用户界面和反馈（例如视觉显示），以便向用户提供瞄准信息。
髓内钉固定术（“IM钉固定术”）是外科手术应用的一个例子，其中有必要将工具与隐藏的结构对齐。在以下详细描述中提供IM钉固定术作为非限制性例子，以示出本发明不同方面的应用。
为稳固破碎的长骨，外科医生通常沿着骨的骨髓管插入IM钉（“髓内钉”）。为固定破碎的骨的远侧部分，横向于骨轴线来安装远侧锁紧螺钉并穿过IM钉的远端内的孔。安装远侧锁紧螺钉对外科医生构成了挑战，因为锁紧螺钉孔位于骨内并且不可见。当穿过骨朝远侧向下推动IM钉以及当将骨断片对齐时，IM钉还可能不可预见地变形，因此使用附接到钉近端的导引器可能难以确定远侧锁紧孔的位置。
外科医生通常通过使用手持导丝或钻进行反复试验以及在手术过程中拍摄的一系列x射线图像来定位远侧锁紧孔。用于采集这些图像的主要工具是C型臂荧光镜，通常将其增量移动，直至孔在图像上表现为圆圈，因而指示荧光镜与远侧锁紧孔对齐。然后通常将钻头或钻导引器定位在孔区域之上的皮肤表面上并使用更多图像进行调节，直至其居中并与孔对齐。该方法耗时，并且将外科手术团队和患者暴露于辐射中。
虽然外科医生从C型臂荧光镜接收的辐射剂量已被普遍认为是安全的，但对此仍存在争议。Hafez(2005)估计，指尖处记录的辐射剂量高达指根处记录的剂量的75倍。长期接触辐射可能是值得担忧的，尤其是对于创伤外科手术团队而言。
利用电磁位置跟踪技术辅助IM钉固定术的计算机辅助技术在Krause的US6074394和US6503249、Govari的US7060075以及Ritchey的美国已公布专利申请20100274121中有所描述。导航系统（Trigen SureshotTM远侧瞄准系统(Smith&Nephew,Memphis TN.USA)）可商购获得。这些系统使用电磁导航系统（包括发出受控磁场的场发生器，至少一个通过生成指示传感器相对于场发生器的位置的信号而响应于磁场的传感器，计算机以及相关软件）、钻导引器、以及瞄准显示器，所述瞄准显示器用于向用户显示钻导引器和传感器的相对位置，使得用户可将钻导引器对齐到相对于传感器的预定位置。现有技术中描述的一些系统包括电磁传感器，其被定位在植入物中相对于即将通过瞄准程序瞄准的结构（就IM钉固定术而言，远侧锁紧孔）的已知位置处。Ritchey的WO2010/129141描述了用于估计钻头通过钻导引器的行进的各种方法和设备。
大多数广泛使用的现代IM钉沿着其长度为空心的，该管道具有圆形横截面以及与钉的总体尺寸相关的直径。典型的IM钉除具有沿着钉的长度定位的锁紧孔外，还具有多个孔和狭槽。通常通过将插入工具附接到钉的近端并使钉管道在导丝上方通过来植入钉。然后撤出导丝，并且可以使用附接到插入工具的多个配件将钉进一步敲入、旋转、撤出或根据需要进行定位。在一些系统中，将电磁传感器工具插入管道内相对于锁紧螺钉孔的已知位置处。
由Krause和Govari描述的系统和SureshotTM系统包括单独的钻导引器，外科医生通常单手握持该钻导引器，同时用另一只手持钻。
在此类使用单独的钻导引器的系统中，钻头沿着钻头轴线朝一个方向滑动通过导引器。在具有与钻和钻导引器分离的场发生器的现有技术系统中，钻、钻导引器和钻头均可以移进和移出场发生器的测量范围，并且在该范围内来回移动。当将场发生器集成或附接到钻导引器的如一些现有技术系统中所示的固定位置时，钻头在钻孔的过程中滑进和滑出场发生器的测量范围。
在许多外科手术（包括IM钉固定术）中，希望工具的位置精确度为亚毫米和亚度数级别(Beadon2007)。电磁导航系统可能受到某些金属（尤其是铁磁材料和导电材料）的存在以及位于场发生器测量范围中和附近的磁场的影响（Kirsch2005；Beadon2007）。许多钻（包括常用的外科手术钻）包含铁磁性和导电的部件，并且还可以包含电动机，该电动机可以包含磁体并且在手术期间可以生成磁场。外科手术中常用的钻头由诸如硬化不锈钢的铁磁材料制成，该铁磁材料在电磁跟踪设备的范围内移动时，可能导致电磁场扭曲并且可能导致跟踪测量结果不准确。在特定的场发生器和环境中还可能存在影响跟踪精度的变化。
在典型的电磁位置跟踪系统中，其中系统记录传感器的位置和取向的传感器坐标系由传感器工具中的组件的相对位置和特征限定。这些在制造中是可变的。例如在圆柱体传感器工具中，所制造的传感器坐标系可以具有仅大致与圆柱体轴线同轴的轴线。要实现坐标系与传感器工具的物理形状的准确已知关系，可以通过如下方式确定一组校正因子：在制造时在校正固定装置中校正各单个传感器工具，并将校正因子写入内置于传感器中的存储设备（《AuroraTM工具设计指南》（修订版）2005年12月3日，Northern Digital Inc.(Waterloo,Ontario,Canada)）。该个体化校正和编程过程，连同合适的存储设备一起，通常增加了传感器工具的制造成本。
当将传感器工具附接到植入物以便靶向植入物中的结构时，获知传感器坐标系和结构的相对位置的准确度直接影响瞄准的准确度。该相对位置可以包含在存储器中存储的数据库中，并且如果用户正确指出所用传感器和植入物的类型，该相对位置可被调用，前提条件是植入物尺寸的数据库包含该特定植入物。在这种情况下，植入物、传感器工具和用于定位传感器工具的任何其他组件的制造公差全部变为影响瞄准精度的直接因素。以IM钉为例，如果传感器工具附接到插入工具，该插入工具继而附接到钉的近端，如Ritchey在专利申请WO2010/129141中描述的某些实施例中所示，柄部的制造公差、钉的近端到锁紧孔的距离以及传感器工具的长度全部可能促成瞄准变化。
使用电磁位置跟踪系统时，如果存在外部磁场或者由某些金属制成的物体被带入场发生器的范围内，则可能出现测量误差(Kirsch2005)。此类失真可能是不可预知的，并且在导航过程中对于用户而言可能不明显。例如，测量结果可能显得稳定，但由于铁磁工具（例如位于场发生器附近的外科手术锤）的存在，测量结果可能沿特定方向偏离若干毫米。
典型的电磁位置跟踪系统的输出可以包含低频率、高振幅的测量噪声。此类噪声可导致测量值变化。对于这些系统而言，偶尔未能向传感器返回有效读数也是很普遍的，该现象可能导致用户显示临时地冻结，直至再次接收到完好数据。小且轻的场发生器和小传感器特别容易产生具有偶然异常值的取向数据。
最后，在某些情况下且在使用某些类型的IM钉固定术时，优选的惯例是在钻孔且锁紧远侧孔之前钻通近侧孔并将近侧骨断片锁定到钉（例如，参见《TFNTM钛转子固定钉系统技术指南》，Synthes GmbH(Oberdorf,Switzerland)）。在这些情况下，近侧锁紧螺钉阻塞钉管道且使其不可能安装例如出于瞄准远侧锁紧孔的目的越过近侧锁紧螺钉穿过管道的传感器工具。
相关领域的前述例子及其相关限制旨在为示例性的，而非排他性的。在阅读说明书并研究附图后，相关领域的其他限制对于本领域的技术人员将变得显而易见。
发明内容
本发明具有多个方面。这些方面可组合应用，但也可单独和以子组合应用。这些方面包括但不限于：
·传感器工具；
·具有集成场发生器的工具；
·用于测量具有集成场发生器的工具穿过的距离的方法；
·被配置成测量工具穿过的距离以及其他位置和运动参数的工具；
·具有集成用户界面和视觉显示设备的工具；
·用于显示工具对齐到目标的方法；
·被配置成显示工具与目标的对齐的工具；
·用于校正具有集成场发生器的工具的附件；
·用于将具有集成场发生器的工具配准目标的附件；
·用于校正具有集成场发生器的工具的方法；
·被配置成具有校准功能的工具；
·用于将具有集成场发生器的工具配准目标的方法；
·被配置成具有将工具配准目标的功能的工具；
·用于监测影响与工具集成的场发生器的测量条件的方法和设备；
·用于过滤来自与工具集成并与传感器相互作用的场发生器的测量数据的方法和设备；
·用于测定和优化过滤参数的方法和设备，所述过滤参数用于过滤来自与工具集成并与传感器相互作用的场发生器的测量数据；
·存储计算机软件的实体媒介，该媒介在运行时使得处理器执行上面列出方法的任何一种；以及
·用于固定外科植入物的方法和设备，所述设备用于安装电磁传感器工具。
本发明包括但不限于所附权利要求中受权利要求保护的各方面。本发明还包括可作为附加权利要求的主题的所有其他方面，所述附加权利要求可以在本发明的说明书、附图和权利要求的支持下，在将来适当地提出。
在示例性应用中，所述工具为钻，结构为定位在不透明材料后面的组件中的孔，并且目的可以是将钻与孔对齐，使得用户可通过与孔成一直线的材料钻出孔。又如，工具可以是驱动器，目的可以是将驱动器与结构对齐，以便穿透结构安装销或螺钉。又如，工具可以是工具，结构可以是患者的解剖结构。再如，工具可以是钻，结构可以是植入物中的孔。本发明的一些实施例特别适于计算机辅助锁定IM钉（包括钉中锁紧孔的定位）、计算机辅助钻定位以及向用户提供实时术中定位反馈。
本发明的一些实施例提供了适于附接到具有目标结构的目标组件的传感器工具。根据一些实施例的传感器工具具有以下特征中的一个或多个：
·安装了一系列具有各种尺寸和形状的现有组件，
·根据需要，安装了多种现有工具或固定装置，其可结合用于定位或保持组件的组件一起使用；
·能够快速且精确地安装到相对于目标结构的独特位置；
·向用户指示传感器安装到独特位置的时间，以及
·在整个钻孔过程中保持在该位置，而不阻塞或换句话讲妨碍目标结构。
本发明的一个示例性方面提供了传感器工具，该传感器工具结合了远端处的末端部分、近端处的柄部部分以及连接末端部分和柄部部分的轴部分。电磁传感器线圈设置在工具内靠近远端的固定位置处。轴部分可以是柔性的。末端部分适于其自身安装到诸如IM钉或其他植入物的组件的管道内并居中。单个传感器工具可以具有在管道内自动定心的末端，所述管道具有在一系列直径内的各种直径。
在一些实施例中，柄部部分适于接合常用于插入IM钉或其他植入物的现有插入工具的结构。此类接合可以将传感器工具保持在相对于钉或其他植入物在所有6个自由度中均固定的预定位置，直至将其移除。柄部部分还可适于当传感器工具完全接合至插入工具时产生可听见的声音（例如咔哒声）。柄部部分还可适于向用户提供指示其已完全接合的不同指示，例如振动、或者柄部部分的一部分的形状或位置的变化。
在一些实施例中，轴部分具有足以允许传感器工具被插入IM钉或其他非直型组件的选择的柔韧性。轴部分具有与预定范围的IM钉长度匹配的选择的长度，使得工具的远端不会阻塞该范围内最短钉的远侧锁紧孔，并且使得当传感器元件用于该范围内最长的钉中时，其位于锁紧孔的预定距离（与电磁导航系统的范围相关）内。
本发明的另一个方面提供了结合场发生器的导航单元。该导航单元可以与工具集成或适于附接到工具。根据一些实施例的导航单元具有以下特征中的一个或多个：
·与多种现有工具一起工作，所述现有工具包括具有电动机并包含由铁磁材料制成的部件的那些，
·可易于附接到工具、从工具移除以及重新附接到工具，使得每次附接装置时，工具的轴线与该轴线上的点相对于场发生器具有相同的位置和取向，并且在工具为钻的情况下，能够将场发生器相对于钻轴线和钻末端点保持静止，使得唯有场发生器和钻头之间被自由地允许的相对运动围绕钻轴线旋转。
·可附接在偏离工具轴线的位置中，从而向用户提供工作区域的清晰视野，并且在工具周围提供空间，以允许用户在不移除场发生器的情况下用该工具工作，
·足够轻便小巧，以便不妨碍对工具的处理和定位，以及
·能够记录、存储和使用校正图以校正由安装在场发生器附近的工具产生的跟踪测量失真。
示例性实施例提供安装了钻的电磁场发生器和安装结构单元，该单元适于在使用前或使用中快速、轻松、临时性并精确地附接到钻的相对于钻轴线的已知位置。安装结构被设计成使得场发生器相对于钻头旋转所围绕的钻轴线以及位于轴线上钻末端处的点临时地固定。在示例性实施例中，安装结构包括钻夹头、包封钻夹头的外壳部分、远离外壳部分延伸并具有距离轴线预定距离的远端的刚性延伸臂、以及附接到延伸臂远端的场发生器安装部分。钻夹头适于在围绕钻轴线的至少一个旋转位置中附接到钻，并且适于保持钻头。
根据本发明的另一个方面，安装结构被调整成使得场发生器组件可以被移除并精确地置换到如上所述结构中的相同位置。在一些实施例中，所述结构还包封并隔离场发生器，例如用于在无菌外科领域隔离未经消毒的场发生器。
根据本发明的另一个方面，安装结构包括钻套，该钻套刚性地连接至场发生器安装部分并与钻头的杆具有紧动配合，从而限制场发生器和钻轴线之间的可能相对运动。
根据本发明的另一个方面，提供了测定工具轴线和工具轴线上的点相对于场发生器的位置的方法，该方法包括：
·将场发生器单元连接到电磁导航系统，使得可以记录场发生器相对于固定参照系的位置，
·将工具轴线保持在相对于固定参照系的固定位置，
·围绕工具轴线旋转场发生器并记录多个旋转位置处的场发生器位置；
·通过确定场发生器的最小变化的旋转轴线，计算工具轴线相对于场发生器的位置，以及
·限定轴线上的位于相对于场发生器的预定位置处的点，或者如果工具的末端位于轴线上，则通过使用枢转校正法来限定与工具的末端重合的点。
根据本发明的另一个方面，记录并分析工具轴线上的点相对于目标组件的选择的运动和运动参数，并且任选地结合其他记录的参数有利地使用，从而为用户提供建议并触发与工具的运动和状态相关的选择的动作。
根据本发明的另一个方面，提供了校准导航系统的方法，用于校正由于工具的一部分存在于导航系统的测量体积内以及工具的一部分定位在场发生器附近而导致的测量误差，该方法包括以下步骤：
·将工具附接到场发生器并记录当传感器运动通过一系列已知位点时该传感器的位置，
·计算所述系列中每个已知位点的已知位置和记录位置之间的差值，从而生成测量校正值的查找表，
·在查找表中的校正值之间插值，从而生成校正值相对传感器位置的连续函数，以及
·在导航过程中读取传感器的当前位置，从查找表找到最近的对应测量校正因子，或作为另外一种选择通过连续函数计算校正值，以及将校正值应用于传感器的当前位置，从而生成用于导航的传感器的经校正的当前位置。
在本发明的实施例中，通过将钻、钻夹头、钻头和场发生器组件安装到坐标测量机上的固定装置中，随后使传感器运动通过编入坐标测量机的一系列已知位点来生成查找表，并且将查找表存储到与场发生器集成的存储器装置中。
在本发明的另一个实施例中，通过以下方式在所用具体传感器和目标组件的使用过程中生成查找表：在钻、钻夹头、钻头和场发生器组件上安装配准工具，将传感器插入IM钉，将配准工具插入钉的远侧锁紧孔，使得钻头轴线与孔轴线重合，围绕重合的轴线旋转组件，对于围绕钻轴线记录的每个位置记录孔轴线定义，在位置之间插值以增加查找表的分辨率或生成孔轴线定义相对围绕钻轴线的位置的连续函数，并将查找表或函数存储在导航系统存储器中以供导航期间使用。作为另外一种选择，可由测量数据校准并产生校正的传感器读数的任何装置可替代示例性实施例中所用的查找表的函数。所述校正可同等效力地应用于经校准的钻孔位置或传感器读数。
要使得用户能够用一只手导航并对齐工具，并且不必将目光从工作区域移开以观察导航和对齐信息及反馈、或者不必离开工作区域以对导航系统发送操作指令，可将视觉显示器和用户界面单元有利地安装到工具上或附近，并且它们通常与工具一起运动。
对于在无菌区域中使用而言，通常将外科手术钻设计为经过蒸汽消毒（高压消毒）。然而，最适合于示例性外科手术应用并且能够以合理价格购买到的电子显示器和触摸屏设备通常不能经受蒸汽消毒。可以使用低温消毒过程，例如针对包含灵敏电子部件的物品进行环氧乙烷消毒，但这通常增加了电子部件的成本，并且就环氧乙烷消毒而言，该过程更耗时并且由于存在残留化学品而可能存在职业健康和安全问题。出于这些原因，在大多数医院中蒸汽消毒是优选的方法，因此有利的是包含电子部件并且位于无菌区域中的工具上或附近的显示器和用户界面单元能够从该工具拆卸下来，使得其可通过替代方法单独消毒，或隔离在无菌无尘套或无菌袋中，然后重新附接到位于无菌区域中的工具。
当用户界面单元与如上所述的工具集成时，可用的不同工具取向可能需要用户界面单元相对于工具具有可调节性，从而允许调节到显示屏幕易于被用户看见的位置。当显示器相对于钻运动时，并且当钻以相对于目标的多种取向使用时，有利的是显示器上显示的图像可以自动改变视野、放大倍率和/或取向以最佳地表示目标区域。
要将工具与选择的目标对齐，用户通常需要首先在大体目标区域内找到目标，并且可能地从一组可能的目标中定位期望目标，在这种情况下较大的视野是有利的。然后，当靠近期望目标时，用户通常对工具位置进行微调，使其处于合适的容差范围内，在这种情况下与所选目标对齐、在该目标上放大并以其为中心的较小视野是有利的。
因此，本发明的一些实施例提供了附接到工具并具有以下特征中的一个或多个的用户界面单元：
·安装在工具上或附近，使得其通常处于用户的视野内，并且面朝工具的工作区域；
·适于贴合多种现有工具，并与其一起使用；
·可用手进行附接和拆卸，而无需使用工具；
·在多个工具取向下对于用户可见，或可被调节成对于用户可见；
·可接收来自用户的输入并且将信息和命令传递到导航系统和从导航系统传出；
·使用关于显示器取向、患者位置和/或工具相对于目标的运动的信息自动调节图像取向、视野、和/或放大倍率，以及
·向用户显示工具相对于目标的当前位置和取向，并且向用户指示与目标的对齐何时处于基于选择的参数的选择的限值范围内，此时任何参数的限值可以取决于其他参数。
本发明的另一个方面提供了具有适于安装到工具上的安装设备的电子显示器和用户界面单元，其中用户界面单元可被移除以便进行单独的消毒或包裹上无尘套，并且易于在无菌外科区域中重新安装。
本发明的另一个方面提供了具有能够调节的安装机构的电子显示器和用户界面单元，所述能够调节的安装机构允许单元相对于工具运动到相对于用户的视野在多个工具位置中可视。
在一个实施例中，安装机构包括具有用户界面单元可围绕其旋转的轴线的回转接头，具有用户界面单元可围绕其旋转的第二轴线的第二回转接头，以及位于用户界面单元和安装机构之间的可释放接头，该安装机构被设计为容纳可释放接头的连接表面之间的柔性膜材料或无尘套材料。
一些实施例包括至少一个传感器，该传感器生成指示用户界面单元相对于重力方向的位置的信号。
一些实施例包括传感设备，该传感设备生成指示用户界面单元相对于场发生器的位置的信号。
本发明的另一个方面提供了比较工具轴线与相对于传感器具有固定位置的目标轴线的当前相对位置并将其指示给用户的方法，该方法包括以下步骤：
·监测工具轴线和工具轴线上的点相对于传感器的当前位置和取向；
·计算目标轴线到点的垂直距离，并判定该距离是否在选择的限值范围内，并且如果在选择的限值范围内，则显示第一指示器，以及
·计算工具轴线与垂直于目标轴线并穿过沿目标轴线的选择的点的平面的交点，
·计算目标轴线到交点的垂直距离，并判定该距离是否在选择的限值范围内，并且如果在选择的限值范围内并显示了第一指示器，则显示第二指示器。
点和目标轴线之间的距离测量可以是一致地反映末端-轴线距离的任何测量。在一些实施例中，点与工具轴线以及工具的末端重合。
本发明的另一个方面提供了比较工具轴线与相对于传感器具有固定位置的目标轴线的当前相对位置的替代性方法，该方法包括以下步骤：
·监测工具轴线相对于传感器的当前位置和取向，
·计算钻轴线与垂直于目标轴线并穿过沿目标轴线的第一选择的点的第一平面的第一交点，
·判定第一交点是否在围绕目标轴线的选择的第一容差区内，并且如果在该范围内，则显示第一指示器，
·计算工具轴线与垂直于目标轴线并穿过沿目标轴线的第二选择的点的第二平面之间的第二交点，以及
·判定第二交点是否在围绕目标轴线的选择的第二容差区内，并且如果在该范围内并显示了第一指示器，则显示第二指示器。
为了将成本、出错的风险、对准确制造公差的依赖、对准确存储维度的依赖、对各个传感器的工具校正以及对传感器、场发生器和环境特征的一致性的要求降至最低，有利的是使用特定的工具和场发生器组件、传感器、目标组件以及任何所用的组件插入或保持工具来将目标结构与传感器直接配准。本发明的一些实施例提供了配准工具，该配准工具具有以下特征中的一个或多个：
·贴合一系列尺寸的目标结构；
·贴合组装好以供使用的工具和导航单元，以及
·在配准测量期间，将导航单元以选择的自由度准确地保持在相对于目标结构的已知位置处。
本发明的另一个方面提供了配准工具，该配准工具包括主体部分，该主体部分适于在工具（例如锯或钻）的一部分上方滑过；以及末端部分，该末端部分适于拟合在目标组件中的目标结构内，从而使配准工具的位置以选择的自由度相对于所述结构固定。
在一个实施例中，配准工具具有在钻头上的滑动配合，使得当安装到钻头上时，末端部分具有与钻头的纵向轴线重合的轴线，目标结构为具有预定范围内的直径和圆柱体中心线的圆柱形孔，并且末端部分适于紧密贴合孔，使得当将末端部分安装在该孔内时，末端部分轴线和目标孔轴线重合，从而在所有6个自由度（除了围绕重合的轴线旋转并沿着该轴线平移的自由度之外）中固定孔和配准工具之间的相对位置。末端部分可以包括至少一个弹性元件，该弹性元件适于紧密贴合在具有处于预定直径范围内的直径的不同孔中。在一些实施例中，配合为过盈配合，并且将过盈配合选择为与弹性元件的刚度以及弹性元件与孔或其他结构之间的摩擦相结合，从而允许用手将配准工具安装到结构中并将其从结构移除。
在另一个实施例中，配准工具具有在钻头上的滑动配合，并且接合目标孔，该目标孔具有围绕孔轴线在预定尺寸和形状限值范围内的回转表面，使得钻头轴线和孔轴线重合，从而在所有6个自由度（除了围绕重合的轴线旋转并沿着该轴线平移的自由度之外）中固定孔和配准工具之间的相对位置。
在另一个实施例中，配准工具具有在钻头上的滑动配合，并且接合目标孔，该目标孔具有围绕孔轴线在预定尺寸和形状限值范围内的回转表面，使得钻头轴线和孔轴线重合，并且配准工具还接合相对于目标孔固定的第二结构，使得孔、第二结构和配准工具之间的相对位置在所有6个自由度中均固定。
本发明的另一个方面提供了通过测量目标结构相对于传感器的位置而将导航系统与目标组件的至少一个目标结构配准的方法。在一个实施例中，该方法包括以下步骤：
·将导航系统的传感器组件附接到目标组件，使得传感器在所有6个自由度中均固定在相对于目标组件的目标结构的位置处，但其中先前对相对位置的了解并未达到足够的精确度，
·将配准工具附接到工具和场发生器组件，使得配准工具的轴线位于相对于场发生器的已知位置处，
·将配准工具和组件临时地固定到目标组件的目标结构，使得配准工具轴线与目标结构具有已知的空间关系，
·记录传感器相对于场发生器的位置，
·计算结构与传感器的相对位置，以及
·将结构与传感器的相对位置存储到导航系统的存储器中。
在本发明的一个实施例中，将结构与传感器的相对位置定义为在传感器坐标系中呈现并代表目标轴线的线，并通过对选择的数量的位置测量值求平均值来记录。
本发明的一些实施例提供了控制和信号处理方法、设备和软件，它们具有以下特征中的一个或多个。所述控制和信号处理方法、设备和软件可以有利地：
·在导航过程中检测测量失真；
·在导航过程中检测外部生成的磁场；
·监测整体测量噪声并检测异常数据；
·过滤测量数据以最大程度减小信号噪声，从而生成平滑显示；
·过滤数据以排除低频率高振幅的异常数据；
·向用户呈现剩余的有效测量数据；
·提醒用户可能不准确的数据和高频率的异常数据，以及
·使用检测到的有关测量数据、测量失真和外部生成的磁场的信息以优化过滤参数。
本发明的另一个方面提供了在导航过程中检测跟踪测量失真和外部生成的磁场的方法，该方法包括以下步骤：
·跟踪第一传感器的位置并同时监测参考传感器的位置，其中第一传感器可以相对于场发生器运动，并且参考传感器在选择的自由度中相对于场发生器安装在固定位置，
·将参考传感器的位置和/或取向偏差的选择的参数（其可以包括位置、取向以及它们的时间导数，或它们的任何函数）与预定阈值进行比较，
·当选择的参数或参数的组合落在预定值范围内或超过阈值时，激活警告功能，修改导航系统的选择的特征并过滤和处理导航数据，包括向用户显示导航信息。
在一个实施例中，将来自参考传感器的数据与其已知的校准位置和取向进行比较。将参考传感器位置读数和经校准的位置之间的差值的绝对值总和与阈值进行比较。将相同程序应用于以具有单独的阈值的四元数向量表示的取向。如果位置和取向导出量中的任一者超过其相关阈值，则识别出干涉条件。一旦启动导航系统和/或用户发布的命令，参考传感器还可以自动进行自校准。来自参考传感器的数据还可以用于帮助判定某些工具状态，例如电动机是开启还是关闭，以及判定某些工具使用条件，例如电动机速度范围以及是否与目标接合。
本发明的另一个方面提供了过滤由导航系统生成的测量数据的方法，用于检测和排除或校正被干涉或测量误差改变的数据，该方法包括以下步骤：
·监测可以相对于场发生器运动的第一传感器的当前位置和取向，计算它们的时间导数，以及计算来自第一传感器的位置和取向数据在选择的一段时间内的选择的特征，
·将选择的特征与预定阈值进行比较，
·如果某些选择的特征或特征的组合超过预定阈值，则删除当前的位置和取向读数，
·监测已删除的位置和取向读数在当前读数之前的一段选择的时间内的频率，并且如果该频率超过选择的阈值，则向用户显示当前数据不可靠的指示，并且任选地向用户显示当前位置和取向的估算值，该估算值通过在选择的一段时间内收集的位置和取向数据计算得到。
在本发明的一个实施例中，通过以四元数表示的位置向量的时间导数和取向向量的时间导数的绝对值总和确定异常的传感器读数。将每个值与相关阈值进行比较，当超过任一个阈值时，将传感器读数识别为异常值。一旦已识别出特定数量的连续异常值或缺失读数，适当的指示器便显示在用户界面上。
在本方法的另一个实施例中，使用参考传感器提供干涉噪声的相关测量值以及移除第一传感器中的干涉噪声。可以用线性自适应除噪技术或使用噪声参考源作为输入的任何其他消除方法进行噪声消除。
在本方法的另一个实施例中，将卡尔曼滤波器应用于传感器读数。还可以应用任何其他使用输入信号统计学的自适应法调节其滤波行为，例如递归贝叶斯估计方法。
在示例性外科手术的某些变型中，可能需要在远侧锁紧完成前朝近侧锁紧IM钉。在这些情况下，有利的是当近侧锁紧设备就位时，传感器工具可以穿过钉管道的长度。因此在本发明的另一个方面，提供了将骨断片锁紧到IM钉的设备和方法，其中采用的锁紧方式可临时或永久地维持穿过沿钉的纵向中心线的管道的开放通道。在本发明的实施例中，锁紧设备是有孔的钻头，该钻头还适于钻通骨。在另一个实施例中，锁紧元件为钻孔后临时插入的有孔螺柱，其在安装永久性锁紧元件之前接合骨并穿过钉。在另一个实施例中，永久性锁紧元件是有孔的。在本发明的另一个实施例中，锁紧元件为一端具有膨胀元件的螺柱，该螺柱适于接合一层骨皮质和植入骨中的IM钉的锁紧孔的内部镗孔。
一个示例性实施例特别适于计算机辅助的IM钉固定术，该实施例特别关注与钉中的选择的交叉孔（称为锁紧孔）成一直线钻通骨以允许安装锁定螺钉的步骤。在该示例性实施例中，所述设备包括：
·具有铁磁钻头的外科手术钻；
·安装到钻的小且轻的场发生器，同时钻头的一部分位于场发生器的测量范围内；以及
·传感器工具，其产生指示其相对于场发生器的位置的响应，并且在手术过程中适于精确地插入植入物中直至相对于植入物的选择的结构在所有6个自由度中均固定的预定位置。
提供了显示屏幕，其用于向用户显示对齐信息。在一些实施例中，显示屏幕安装到钻或接近钻。在一些实施例中，显示屏幕安装到钻上相对于钻在4个自由度中固定的位置处，并且可在相对于钻的2个自由度中被调节至各种位置。
所示实施例特别适于连同电磁导航系统一起在计算机辅助的IM钉固定术中使用，具体地讲，在钻通骨和钉中的选择的交叉孔（称为锁紧孔）以使得锁紧螺钉能够安装的步骤中使用。
除了上述的示例性方面和实施例，通过参照附图和研究下文的详细描述，本发明的其他方面和实施例将变得显而易见。
附图说明
附图示出了本发明的非限制性示例性实施例。
图1为示出根据本发明的一个示例性实施例的系统的方框图。
图1a示出了根据本发明的一个实施例的示例性传感器工具以及传感器工具可以与其一起使用的一组IM钉。
图2和图2a示出了示例性传感器工具的末端部分的细节。
图3为示出插入工具、中空螺栓、IM钉和示例性传感器工具的分解图。
图4示出了组装用于本发明的示例性实施例的图3的组件。
图5为图4的组件的剖面图，其示出了根据示例性实施例传感器工具与中空螺栓的接合。
图6为图3的分解图的剖面图，其着眼于在根据示例性实施例的安装过程中，传感器工具向插入工具靠近。
图6a为图4的组件的剖面图，其着眼于根据示例性实施例的示例性传感器工具与插入工具的接合。
图6b示出了用于传感器工具的搭扣配合构造的另一个例子。
图6c为截取自图6b的剖面图，其示出了与具有沟槽的中空螺栓接合的搭扣配合传感器柄部。
图6d为截取自图6b的剖面图，其示出了传感器工具对植入物和插入柄部组件的旋转约束构造。
图6e为示出中空螺栓的近侧部分的细部图，该近侧部分具有延伸的顶盖、沟槽和埋头孔。
图6f示出了使用手动拧紧的紧固件将传感器工具附接到植入物的另一个例子。
图6g为截取自图6f的剖面图。
图7示出了根据本发明的一个实施例的与钻、具有锁紧孔的IM钉和传感器工具集成的示例性导航单元，并且还示出了坐标系的示例性设置。
图7a示出了从钻用户的视角沿钻轴线观察的场发生器和传感器的示例性坐标系，以及在示例性实施例和应用中至关重要的传感器位置子集的参数。
图8为由图7沿钻轴线截取的剖面图，其示出了附接到钻的示例性导航单元。
图8a示出了本发明的替代实施例，其中导航单元通过钻夹头上方而非下方的结构与钻集成。
图8b示出了本发明的另一个实施例，其中场发生器可以反复移除并替换至导航单元内的相同位置。
图9示出了沿钻孔路径的钻头距离相对于钻通骨的时间的迹线的例子。
图9a示出了图9中所述的瞄准和用户界面方法的流程图。
图10示出了根据本发明的一个实施例安装到钻的用户界面单元的例子，其显示屏幕的位置便于用竖直的钻指向前方并远离用户的身体钻孔，此时用户以右手握持钻。
图10a类似于图10，但屏幕已调节至便于用户以左手握持钻的位置。
图11示出了安装到钻的示例性用户界面单元，其屏幕的位置便于用转到水平位置的钻指向前方且远离用户的身体钻孔。
图11a类似于图11，但屏幕已调节至便于用户以相反的水平取向握持钻的位置。
图12示出了安装到钻的示例性用户界面单元，其屏幕的位置便于用转到水平位置的钻指向用户左方钻孔。
图12a类似于图12，但屏幕已调节至便于用转到水平位置的钻指向用户右方钻孔的位置。
图13示出了本发明的示例性实施例的分解图，其示出了可拆卸的用户界面单元、安装单元、以及位于显示器和安装单元之间的活动接头。
图14为示出安装在钻夹头上的示例性安装单元的剖面图。
图15为由图14垂直于钻轴线截取且朝向钻用户观察的剖面图。
图16为由图14垂直于钻轴线截取且朝向钻头观察的剖面图。
图17示出了本发明的替代实施例，其具有多个显示屏幕，而非位于用户界面单元和钻之间的活动接头。
图17a示出了图17的替代实施例，其位于第二钻孔位置。
图18示出了在示例性应用的使用过程中根据本发明的一个实施例的示例性用户界面，此时钻逐渐接近与锁紧孔对齐。
图18a示出了图18的示例性用户界面，但钻处在相对锁紧孔的对齐容差范围内，并且显示了深度指示器。
图18b示出了用于控制用户界面显示器的视野和放大率参数的方法的流程图。
图19示出了在示例性应用中使用示例性实施例的过程中骨和植入物的剖面图，其中钻与锁紧孔的对齐处于预定限度内。
图19a示出了图19中所述的瞄准和用户界面方法的流程图。
图20类似于图19，但示出了限定钻对齐限度的替代方法。
图20a示出了图20中所述的替代瞄准和用户界面方法的流程图。
图21示出了导航系统的示例性场发生器组件、与根据本发明的一个实施例的场发生器集成的钻、钻头、具有远侧锁紧孔的IM钉、插入钉中的传感器、配准工具以及钻套的分解图。
图22示出了根据示例性实施例和示例性应用组装的图21的组件，其中配准工具插入远侧锁紧孔并位于将系统与孔配准的位置。
图23示出了示例性配准工具的剖面图。
图23a示出了示例性配准工具的末端部分的剖面图。
图24示出了位于将系统与孔配准的位置的示例性配准工具和IM钉的剖面图。
图24a示出了配准设备的第一附加示例性实施例的剖面图。
图24b示出了配准设备的第二附加示例性实施例的剖面图。
图24c示出了配准设备的第三附加示例性实施例的剖面图。
图24d示出了配准设备的第四附加示例性实施例的分解图。
图24e示出了配准设备的第四附加示例性实施例的剖面图。
图24f示出了配准设备的第五附加示例性实施例的剖面图，其中附加的自由度被控制。
图25示出了典型的测量误差相对于在距场发生器各种距离处场发生器关于钻轴线的位置的示例性曲线图，此时场发生器安装到典型的钻。
图26示出了根据本发明的一个实施例的系统的配准和操作步骤的示例性流程图。
图26a示出了根据本发明的替代实施例的导航系统的术中校准的流程图，该校准还生成了校正值的查找表。
图27示出了当铁磁工具进入并离开场发生器的测量范围从而导致测量误差时，参考传感器读数的示例性曲线图。
图28示出了当附接钻的钻马达启动和停止从而产生影响导航系统测量值的外部磁场时，参考传感器读数的示例性曲线图。
图29示出了传感器取向读数相对于场发生器关于钻轴线的位置的示例性曲线图，此时场发生器安装到典型的钻。
图30示出了根据本发明的一个实施例用于平滑和校正导航过程中的传感器位置和取向数据，以及基于由系统检测到的选择的条件修改过滤参数的示例性过滤方法的流程图。
图31示出了根据本发明的一个方面的一个实施例的植入股骨的IM钉以及传感器工具，其中股骨以剖面图示出，且有孔钻头穿过股骨颈并进入股骨头。
图32示出了沿狭槽孔的轴线观察的有孔钻头。
图32a示出了垂直于狭槽孔的轴线观察的有孔钻头。
图33示出了股骨和IM钉的剖面图，所述IM钉具有在适当位置的有孔钻头并安装了传感器工具。
图34示出了根据本发明一个方面的替代实施例的中空且有孔的螺柱的顶视图。
图35为图34中所示的本发明的替代实施例的前视图。
图36示出了股骨和IM钉的剖面图，该图示出了图34的中空且有孔的螺柱，以及在导丝回缩之前在适当位置处的导丝。
图37示出了根据本发明一个方面的另一个实施例的膨胀螺柱，其仅接合一层骨皮质和钉的一个壁。
图37a为由图37沿膨胀螺柱截取的剖面图。
图38为在患者肢体内使用的图37的膨胀螺柱的剖面图。
具体实施方式
在整个以下详细说明中示出了具体细节，以便本领域的技术人员更深入透彻地理解。然而，可能未详细显示或描述众所周知的元件，以避免不必要地弱化本公开的内容。因此，具体实施方式和附图应视为示例性的，而非限制性的。
参考下文详细说明的公开内容和/或附图，将更好地理解本发明的不同方面以及它们目前优选的实施例。如果在不同的附图中使用相同的参考编号，则参考编号是指相同或相似的部件。
如本文所用，当涉及钻和附接的组件时，“远侧”是指引领进一步远离用户并朝向钻头末端的方向，并且如本文所用的“近侧”是远侧的相反方向。如本文所用，当涉及IM钉和附接到其上的组件时，“远侧”是指引领进一步远离插入工具的方向，并且如本文所用的“近侧”是远侧的相反方向。
如本文所用，“导航系统”是电磁场发生器、至少一个电磁传感器以及连接至场发生器和传感器的控制器的组合，所述控制器可以包括计算机。控制器被配置成测定传感器元件相对于场发生器的位置和取向。合适的导航系统的例子是由Northern Digital Inc.(Waterloo,Ontario,Canada)制造的AuroraTM系统，该系统可通过定制的软件适当地修改和控制，以用于如本文所述的应用。其他合适的导航系统可得自Ascension TechnologyCorporation(107Catamount Drive,Milton,VT05468USA)。
图1为示出根据本发明的一个示例性实施例的系统的方框图。控制台600包括电磁导航系统的处理器和电源组件。控制台600可以提供专用于诸如IM钉固定术的应用的附加处理和通信组件。充电座602容纳处于未使用状态的用户界面单元606并对其充电。在使用中，用户界面单元606和导航单元601附接到工具603。单元601包括场发生器和至少一个通过缆线608与控制台600通信的参考传感器。用户界面单元606通过无线通信链路604与控制台600通信。传感器工具610通过传感器缆线612与控制台600通信。可接入控制台600的存储器614包括组件的尺寸、结构和图形数据模型，并且还包括测量值校正图、查找表、参数集、软件、固件等。
数据库616包含组件的尺寸、结构和图形数据模型，还包含测量值校正图、查找表、参数集、软件、固件等，并且存储在外部存储器装置中。数据库616可以通过通信链路618链接到存储器614，用于更新存储器614的内容。通信链路618可以包括例如有线、互联网或无线链路或它们的一些组合。
用户界面单元606中存储的软件、固件和数据可以通过通信链路604以及通过从充电座602到存储器614的连接605而更新。单元601中存储的软件、固件和数据可以通过缆线608更新。在工具603包括诸如电池的电源的多个其他实施例中，缆线608可以替换为用于控制控制台600和单元601之间的信号的无线通信链路，以及将电力从工具603供应到单元601的线材。在多个其他实施例中，传感器缆线612可以替换为电源、信号放大器和传感器工具610中包括的无线通信单元，以及从传感器工具610到控制台600的无线通信链路。合适的无线链路的非限制性例子为BluetoothTM和WiFi局域无线通信系统。
本发明的一个方面提供了与导航系统一起使用的传感器工具。传感器工具包括伸长构件，该伸长构件具有包含传感器元件的自动定心末端部分。提供了搭扣配合机构，用于将传感器工具保持在组件（例如IM钉）中的适当位置，以使得传感器元件与组件上的结构（例如锁紧孔）具有已知的几何关系。
图1a至6示出了示例性传感器工具10。所示传感器工具10可以用于例如IM钉固定术。示例性传感器工具10包括多种如下文所述的期望特征。每个特征可以有利地单独存在或与其他所述特征中的一些或全部结合而存在。在本发明范围内的其他实施例可以包括示例性实施例中所述的有利特征的子集。
传感器工具10的一个期望特征是，远侧末端部分在不同管道直径的范围内自动定心。可以通过在末端部分中并入有弹性的柔性构件来提供自动定心特征，该有弹性的柔性构件径向向外偏移至最大直径，但可以径向向内有弹性地压缩至均与最大直径同心的一系列较小的直径。例如，可以通过柔性构件186（在图2和2a中示出）提供自动定心特征，当在穿过传感器工具10的纵向中心线的平面中观察时，所述柔性构件为弓形的，并且围绕末端部分的中心线成角度地间隔开。
传感器工具10的另一个期望特征是，当传感器工具10被适当地安装到诸如植入物的组件中时，向用户提供传感反馈。传感反馈可以通过搭扣配合机构提供。在独占性地接合到适当安装的位置时，搭扣配合机构可以向用户提供触觉和/或听觉反馈。搭扣配合机构可以在传感器工具10和诸如植入物的组件之间，或在传感器工具10和附连到组件的插入工具之间提供。搭扣配合机构可以通过合适的棘爪机构提供。例如，搭扣配合机构可以通过图6和6a中所示的接合沟槽195的柔性插片192提供。
传感器工具10的另一个期望特征是，其长度固定且具备单件完成构造，这使得用户能够以单一动作将传感器工具10精确安装至相对于组件的独特预定位置，而无需进行调节或参考刻度标记等以选择正确的安装位置。例如，图1a中所示的传感器工具长度176决定了末端部分154沿钉37的中心线相对于钉37和插入工具39（示于图3中）的组件的位置。
图1a示出了传感器工具10和一组IM钉37和165（统称或一般称为组164或IM钉164），传感器工具可以与该IM钉组一起使用。组164中的一个钉可以具有与另一个钉不同的特征，例如不同的长度、管道直径，或者不同的结构布置方式，例如狭槽和孔。组164中的每个IM钉具有至少一个远侧锁紧孔38，该远侧锁紧孔的尺寸和位置在组164中的不同钉之间可以有所不同，并且其可以是所关注的唯一远侧结构，或者可以是如图所示的一组远侧锁紧孔189的一部分。出于本说明书的目的，如果组189包括多于一个的孔或将被钻通的结构，则将孔38定义为组189的最近侧孔。
传感器工具10具有位于其远端处的末端部分154、轴部分156以及位于其近端处的柄部部分158。轴部分156的轴直径160小于或等于组164中存在的最小管道直径162（在图5中可见）。例如，在一些情况下轴直径160在3至4毫米的范围内。将末端直径166选择为等于或略大于组164中存在的最大管道直径168。肩部170具有肩部直径172，其大于中空螺栓173的螺栓管道直径174（均示于图5中）。将从传感器工具10的肩部170到远端的长度176选择为小于组164中的钉之间存在的最小锁紧孔距离178（在图4中示出），使得孔38在钻通过程中保持露出。
一起参见图1和图2，传感器线180从嵌入传感器工具10内的传感器元件182延伸并通过连接器184（在图3中可见）连接至导航系统（未示出）。传感器工具10可以由医疗级塑料（例如ABS或PEEK）注塑成型，并且可以由两个或更多个部件组装并粘合到一起以形成固体单元，其中传感器元件182嵌入并保持在传感器工具10内的固定位置，此时传感器元件182的纵向轴线与末端部分154和轴部分156的共同纵向轴线近似共线。
合适的传感器元件182的例子为得自Northern Digital Inc.(Waterloo,Ontario,Canada)的Mini6DOF传感器（部件号610029）。该传感器为大约1.8毫米直径×9毫米长。在替代实施例中，传感器10可以结合电池、放大器、模数转换器以及通过无线方式向导航系统发送信号的无线发射器。这些组件中的一些或全部可以容纳在柄部部分158中。
图2和2a详细地示出了传感器工具10的末端部分154。如图2a中最佳所见，柔性段186全部具有相同的横截面和形状，并且围绕末端部分154和轴部分156的共同纵向轴线均匀间隔开。柔性段186被设计为在其材料的弹性范围内弯曲，使得末端直径166可压缩到最小管道直径162，而不会破裂或永久变形，使得如果需要，可以移除、清洁、重新消毒以及重新使用传感器工具10。传感器元件182嵌入传感器工具10中的近末端部分154。由于当末端部分154位于直径小于末端直径166的圆柱形镗孔中时，柔性段186均匀地径向向内压缩，因此当末端部分154插入钉时，传感器元件182正好位于组164中的任何钉的管道中央。还示出了轴直径160。
本领域的普通技术人员将认识到，可以选择多种其他构造以提供末端部分154的自动定心特征，例如可将柔性段186替换为一系列柔性叶片，或者末端部分154可以是具有至少一个浮雕狭槽的圆柱体，所述浮雕狭槽使得圆柱体能够被压缩到较小的直径。
结合图3，根据本发明的实施例，选自组164（参见图1a）的钉37与插入工具39和中空螺栓173一起在分解图中示出，所述插入工具和中空螺栓可以与组164中的所有钉一起使用，以便将钉插入并定位在患者的骨中。使用中空螺栓173将选择的钉37附接到插入工具39，该中空螺栓螺纹旋入钉37中。插入工具39的舌端187接合钉37近端处的狭槽188，从而相对于插入工具39在所有6个自由度中将钉37固定，并且可将传感器工具10插入通过中空螺栓173并进入钉37的管道内。还示出了连接器184。
结合图4，示出了图3的分解图的组装形式，其中传感器工具10已安装好并示出了钉37、插入工具39和中空螺栓173。最小锁紧孔距离178从肩部170和中空螺栓173的接触点（如图5中所见）延伸至远侧锁紧孔38的近侧边缘，其为将被钻穿的最近侧结构。
图5为在穿过中空螺栓173的纵向中心线的平面上截取自图4的局部剖面图。当传感器工具10完全插入钉37、插入工具39和中空螺栓173的组件时，肩部170接触中空螺栓173的埋头孔表面175。当肩部170的圆形边缘与埋头孔表面175的锥形表面之间保持完全接触时，传感器工具10沿钉37的轴线固定地平移。还示出了螺栓管道直径174、轴部分156和传感器线180。
轴部分156可以具备柔韧性，该柔韧性足以允许传感器工具被插入IM钉或其他非直型组件。
图6和6a示出了传感器工具10至插入工具39的接合。图6为贯通传感器工具10的柄部部分158并且还贯通插入工具39的剖面图，其截取自图3的夹持件197区域，其中传感器工具10接近但尚未接合插入工具39。图6a为截取自图4的剖面图，其类似于图6但传感器工具10处于其安装位置，与插入工具39接合。参见图6，间隙198小于工具宽度191，使得朝远侧推动传感器工具10就位时，柔性插片192被迫向外伸展以越过插入工具39。当传感器工具10的表面193接触插入工具39的顶部表面194时，柔性插片192搭扣到如图6a中所示的沟槽195中，从而在传感器工具10到达其完全安装位置时，产生可听见的搭扣声以及用户可通过夹持件197感觉到的振动。
参见图6a，柔性插片192被设计为与沟槽195的边缘196具有过盈配合，使得在安装位置中，偏离间隙199大于间隙198，并且柔性插片192向外弯曲处于材料的弹性范围内的预定量，从而在传感器工具10上抵靠插入工具39产生朝远侧定向的落座力，该落座力在顶部表面194处并且在肩部170与中空螺栓173的埋头孔表面175（在图5中可见）的接触点处起作用。柔性插片192抵靠边缘196的过盈配合还产生定心力，从而防止传感器工具10围绕中空螺栓173的纵向轴线旋转（参见图5）。传感器工具10因此相对于插入工具39在所有6个自由度中保持固定，继而相对于钉37在所有6个自由度中固定。另外参见图1a和图2，由于传感器元件182固定在传感器工具10内相对于肩部170的已知位置处，并且在具有处于直径162至直径168范围内的直径的钉管道内居中，因此传感器元件182被保持为相对于钉37的已知固定位置和取向，并且通过参考钉37的配准测量值（在本说明书中的其他地方描述）和/或预定几何形状，可通过导航系统定位钉37的选择的结构，例如远侧锁紧孔38或孔189的组，其中在未指定管道直径的情况下将传感器元件182连接到该导航系统。
要移除传感器工具10，用户在夹持件197处朝向传感器工具10的中平面挤压传感器工具10的柄部部分158，导致柔性插片192伸展开并露出边缘196，从而允许用户沿近侧方向撤回传感器工具10。
本领域的普通技术人员将认识到，有多种传感器工具10构造可用于提供传感器工具10接合以及指示在相对于钉37的独特位置处的接合的特征。例如，可以使用多种连接方法将传感器工具10附接到插入工具39、中空螺栓173或钉37中的一个或任意组合，例如通过夹紧、螺栓连接或摩擦配合。
图6b至6e示出了使传感器工具适于接合结构（例如中空螺栓178）的搭扣配合构造的另一个例子。此类构造可适用于多种插入工具。图6b示出了具有传感器线180和替代柄部部分676的传感器工具10。传感器工具10示出为安装在插入工具39中，该插入工具组装到具有中空螺栓673的钉37。图6c为截取自图6b的剖面图，其示出了与螺栓673中的沟槽671接合的搭扣配合传感器柄部。图6d为截取自图6b的剖面图，其示出了接合在插入工具39的镗孔670中的凸台684。图6e为示出中空螺栓673的近侧部分的细部图，其具有朝近侧延伸的顶盖部分，该顶盖部分具有沟槽671和埋头孔表面672。
在该示例性实施例中，传感器工具10包括具有锥形表面682的柄部部分676。沟槽671具有围绕螺栓中心线完全旋转的恒定旋转部分，从而形成边缘674。埋头孔表面672可以是完全旋转的部分，但还可以是围绕螺栓中心线的旋转部分的均匀间隔开的段。柄部部分676还包括柔性插片678，其接合边缘674并产生座合力，该座合力以与图6和图6a中所示柔性插片192和沟槽195类似的方式抵靠螺栓673的埋头孔表面672保持锥形表面682，从而相对于螺栓673在所有自由度中（除围绕螺栓673的中心线旋转外）约束传感器工具10。
插入工具中的多种结构可以通过传感器工具的一部分接合而固定。传感器工具10的旋转位置可以通过提供适于接合插入工具中多种结构的任一种的传感器工具的一部分来固定。在所示的示例性实施例中，插入柄部39具有平行于螺栓中心线的镗孔670。圆柱形凸台684与镗孔670推入配合。凸台684具有狭缝686，以允许推入配合，从而消除在预期的扭转负载下传感器工具10和钉37之间的旋转游隙，这可应用于使用中的传感器工具10。柄部部分676还包括有角度的表面688，其接合不同类型的插入工具中的埋头孔（未示出）。
要移除传感器工具10，用户朝向螺栓中心线挤压夹持件680，以使插片678向外弯曲以露出沟槽671，然后朝近侧将传感器工具10拉出。
由于螺栓673中的接合结构为围绕与钉中心线共轴的螺栓中心线的旋转剖面，因此不论螺栓关于中心线的旋转位置如何，传感器工具10均可安装到相同的位置。因此，可以将螺栓673紧固和重新紧固到不同的旋转位置，而基本不会在重新安装传感器工具10时，影响传感器工具10相对于钉37的安装位置。作为另外一种选择，锥形表面682可以为类似于图5中示出的肩部170的肩部。作为另外一种选择，锥形表面682和埋头孔表面672可以为任何啮合面或结构，其将柄部部分676的位置固定为不论螺栓673关于其中心线的旋转位置如何，均沿螺栓673的中心线平移。
根据旨在与传感器工具10一起使用的一组不同类型的插入工具的共同特征，可使用多种其他机械构造代替凸台684或表面688，例如另外参见图6和6a，在具有共同宽度191但不享有沟槽195或镗孔670相对于中空螺栓的共同几何形状的一组工具中，类似于与工具39的外表面具有过盈配合的插片192的一组柔性插片可用于约束旋转，并且与螺栓673和插片678的附接构造相结合，用于固定传感器工具10相对于钉37的位置。
图6f示出了传感器工具与植入物的附接的例子，该例子使用手动拧紧的紧固件而非传感器工具10与插入柄部、中空螺栓和髓内钉组件的搭扣配合附接。图6g为传感器工具、插入柄部和钉的剖面图，其示出了带螺纹的手动拧紧的紧固件附接构造。在某些实施例中，包括工具702的一组插入工具可以相对于中空螺栓173的中心线具有共用的螺纹孔690，以及表面704，当将手动拧紧的紧固件698拧紧时，传感器工具10的柄部部分696的表面692可以与该表面啮合。在该实施例中，传感器工具10具有从啮合面692到传感器末端（未示出，参见图1a）的固定长度694，以及沿传感器工具10的钉37的中心线的平移位置，该平移位置由表面704和表面692确定。传感器柄部部分696和紧固件698具有埋头孔700。紧固件698通过螺纹与孔690啮合。
在该实施例中，传感器工具10具有至少在近侧区域上的轴直径706，其中当安装了传感器工具10时，传感器轴位于螺栓173内部。传感器工具10的轴部分156的直径706与螺栓173的管道直径174（在图5中可见）滑动配合。当拧紧紧固件698时，传感器工具10可以围绕孔690的中心线旋转，旋转程度仅为直径706和174的差值，并且当紧固件698被拧紧时，轴部分156将抵靠中空螺栓173的内表面。因此，当紧固件698拧紧时，传感器工具10相对于钉37以在所有6个自由度中均固定的方式固定在精确位置。紧固件698可以由例如类似于传感器工具10的材料以及由传感器工具10提供的可消毒塑性材料制成，或者可由金属或另一种可重复使用的可消毒材料制成。本领域的普通技术人员将认识到，为了与多种插入柄部相容，柄部部分698可以在不同位置处具有一批孔，并且可以具有类似于表面692的多个不同的啮合面，以啮合选择的插入柄部。
本发明的另一个方面提供了包括场发生器的工具，该场发生器被配置成在工具使用过程中相对于工具的轴线和沿该轴线的点保持固定，其中工具的一部分可以相对于所述轴线和/或所述点运动。例如，工具可以包括钻，并且活动部分可以是围绕所述轴线旋转的钻头，此时钻头的末端位于所述轴线上的所述点处。又如，工具可以包括锯，并且活动部分可以是在穿过所述点的平面内围绕所述轴线旋转的锯片。又如，工具可以是摆锯，并且活动部分可以是在穿过所述点的平面内往复旋转通过小范围旋转的锯片。该构造为有利的，因为尤其是当工具的活动部分由铁磁性和/或导电的材料制成时，工具可以影响场发生器的性能并导致测量误差。因此，将工具的位置、运动模式和运动范围以及工具的任何活动部分限定为已知的和可预测的值可以允许使用多种测量校正和误差补偿来改善场发生器的性能。
在一些实施例中，所述轴线可以偏离场发生器，这可能改善对位于轴线上的工具部分的接近，并改善用户对工具和工作区域的观察。例如，沿轴线定位并通过场发生器外部而非穿过场发生器的钻头可能更容易改变和更容易瞄准，因为用户能够沿钻头长度进行观察。
场发生器可以直接安装到工具或能够直接安装到工具。在其他实施例中，场发生器安装到或可安装到工具的附件，并且可从该附件拆卸。在其他实施例中，场发生器和/或附件单元可以能够附接到多种工具。在其他实施例中，场发生器和/或附件单元可以能够在关于所述轴线的不同旋转位置处附接，而不会改变场发生器与所述轴线或所述轴线上的所述点的关系。例如，工具可以是钻，并且场发生器可以安装到包括钻夹头的单元，该钻夹头可以配合多种不同类型的钻，并且可围绕钻头轴线相对于钻柄部以不同角度附接到钻，从而允许用户选择场发生器的位置，该位置不会阻碍对工作区域的观察或在工作区域内形成障碍。
在其他实施例中，场发生器可安装到工具的附件并且可从该附件拆卸，其中该附件适于将场发生器保持在相对于轴线和轴线上的点的选择的位置处。一些实施例还可以包括包封并隔离场发生器的外壳。例如在适于外科手术的实施例中，附件可以包括可高压消毒的外壳，并且场发生器可以是不可高压消毒的，并且在用于无菌区域时，非无菌的用户将场发生器放入由无菌用户握持的无菌附件中，然后无菌用户关闭外壳，从而将场发生器固定就位并将其与无菌区域隔离。该构造具有降低成本和延长场发生器的使用寿命的优点。
包括上述场发生器的工具的每个结构单独使用或结合所述其他结构的一些或全部使用均可能是有利的。在本发明范围内的其他实施例可包括以上和示例性实施例中描述的有利结构的子集。
图7示出了安装了钻头2的示例性导航单元1。该导航单元安装到钻3。还示出了传感器工具10和具有锁紧孔38的IM钉37。单元1包括电磁场发生器7。
已观察到，当常用类型的钻头2（部件号03.010.104，SynthesTM(Monument,CO80132)）在典型的场发生器前方运动时，测量失真为：
·当钻头2在场发生器前方来回运动时，远大于1毫米，
·当钻头2沿固定轴线在场发生器前方的区域出入时，大于1毫米，并且
·当钻头2围绕固定轴线相对于场发生器旋转时，小于1毫米。
有利地，在图7所描述的本发明的实施例中，钻头2围绕钻轴线5旋转，并且单元1通过外壳9将钻头2保持在相对于场发生器7的固定位置。点98与轴线5以及钻头2的末端重合，并且在单元1的使用过程中，连同轴5一起相对于外壳9和场发生器7固定。该构造将导航系统上的电磁失真效应（由于钻头2存在于场发生器7的测量范围中而产生）限定到可预测和可管理的水平，从而使得钻头2能够由典型的铁磁材料制成。在本发明的各种实施例中，钻头2可以替换为诸如扩孔钻、铣刀、骨钻、导丝等多种物品。
有利地，钻3和包括场发生器7的单元1可以组装成能够用单手操作的单个单元。在这种集成单元中，还可能有利的是使场发生器7的尺寸和重量最小化，以及将场发生器7相对于钻3定位，采用的方式使得将对钻3的操作、患者和手术台以及用户对工作区域的观察的妨碍降至最低程度。具体地讲，可能有利的是用户可清晰地观察钻头2。因此在某些实施例中，单元1可以在关于钻轴线5的多个旋转位置处附接到钻3，并且在使用期间可以在不同的旋转位置处移除和重新附接，而无需重新校正。
集成了场发生器7和夹头4的单元1的另一个优点可能是，钻头2的远侧末端位于相对于场发生器7的固定位置处，且传感器工具10位于相对于待钻区域的固定位置处，钻头2沿钻轴线5穿过该区域行进的距离可通过导航系统直接追踪，如下面的图9中所述。通过识别入口或起始点，可向用户报告沿钻轴线的钻孔过程。通过识别穿过骨的入口点和出口点，例如，可向用户报告所钻孔穿过骨的长度，并且该长度可用于帮助选择恰当的螺钉长度以供安装。
一般来讲，通过限制和预测铁磁性和导电的材料块在场发生器7的范围内，以及在较小程度上在场发生器7附近的引入、移除和运动，可将电磁测量失真限制到可控制水平。因此在另一个示例性实施例中，单元1适于附接到诸如摆锯的工具，并且还适于保持切割工具，使得该切割工具在有限范围内以预定模式运动，该模式处于相对于场发生器7的固定位置。例如，示例性实施例类似于图7中示出的钻，不同的是钻头2被替换为摆锯片，钻3被替换为摆锯，并且夹头4被替换为具有轴线的摆锯片夹头，锯片围绕该轴线在预定的角位移限度内振动，使得锯片围绕垂直于该轴线的平面内的轴线振动，所述平面和轴线均处于相对于场发生器7的固定位置。
现在详细观察图7中描述的示例性实施例，单元1包括作为外壳9的集成组件的夹头4、参考传感器8（在图8中可见）和钻套46，所有这些均安装在相对于场发生器7的固定位置。轴线5由夹头4和钻套46限定，因此在使用期间也处于相对于场发生器7的固定位置。用户界面单元6也安装到单元1，并且可以调节至相对于单元1的不同位置，如本说明书下文更详细地描述。本领域的普通技术人员将认识到，对于单元1上不包括用户界面单元6的实施例，例如显示屏幕可以作为另外一种选择位于术野外部。
另外参见图8，其中场发生器7发出电磁场，这导致参考传感器8和传感器工具10发出指示它们相对于场发生器7的位置的信号。场发生器7、传感器8和传感器10是导航系统（未示出）的一部分并连接至导航系统。参考传感器8将相对于场发生器7的恒定预定位置返回到导航系统，并且如果该位置变化超出预定限值，则可以向用户发送错误警告。实施例中示出的参考传感器8嵌入连接场发生器7和钻套46的结构，然而本领域的技术人员将认识到，参考传感器8可以作为另外一种选择整合进场发生器7（如图8a、图8b和图8c中所示），例如刚性地安装或铸造进场发生器7的前表面，或者安装到相对于场发生器7的固定位置并位于场发生器7的测量范围内。为了增大可靠度和冗余，可以使用一组多个参考传感器8。安装时（参见图1至6b），传感器工具10位于IM钉37中相对于锁紧孔38的固定预定位置，但不阻塞孔38或突起到孔38中。所示出的钉37为具有直的纵向中心线40的直钉，然而钉37还可以在其长度的选择的区域上弯曲。在所示实施例中，除非另有说明，否则钉37从邻近最近侧锁紧孔38的点到钉37的远端为直的，并且中心线40是指该直的部分的纵向中心线。
在典型使用中，钉37植入骨（未示出）内部。导航系统使用来自传感器10的位置数据和预定位置生成指导信息，该信息在显示器6上显示给用户，以帮助用户将轴线5与锁紧孔38对齐。包括场发生器7以及合适的传感器8和10的合适的导航系统为由Northern Digital Inc.(Waterloo,Ontario,Canada)制造的AuroraTM系统。用于该应用的合适的场发生器模型是Compact Field GeneratorTM，其具有足够小的尺寸和足够轻的重量，以便不妨碍钻3的操作；还具有足够的测量范围，以便在附接了钻头2的钻3的瞄准过程中涵盖传感器工具10。场发生器7具有集成的可擦除可重写存储器620（在图8中可见），该存储器可用于存储诸如校正因子和序列号的信息。存储器620可以是例如闪存型存储器装置。
钻3可以是典型的电动或气动外科钻，其任选地包含铁磁部件并且可以生成和发出磁场。在示例性实施例中，钻3为Synthes小电池驱动器(Synthes Small Battery Drive)(Synthes USA,West Chester,PA)），其具有由安装在钻柄部区域中的电池供电的电刷式直流电动马达。钻头2可以由诸如硬化不锈钢的铁磁材料制成。夹头4适于在轴线5周围的若干旋转位置处联接到钻3。夹头4和钻3之间的接口可以适于根据需要配合选择的类型的钻3，例如来自多个不同制造商的钻、气动钻或其他类型的工具。安装夹头4，使得其旋转轴线相对于场发生器7固定。例如，夹头4可以安装为使用合适的钻套、轴承等旋转。
虽然单元1示为与钻3分离，但在其他实施例中，单元1的结构例如场发生器7和/或显示器和/或夹头4可以与诸如钻3的工具直接集成。
对于除钻和钻头之外的工具，例如克氏针驱动器、螺丝刀、销插入器，或对于其他需要对齐工具（其具有可相对于场发生器7限定的轴线）的程序，可以替换或改装夹头4。夹头4还可以包含硬化的不锈钢或其他铁磁材料或由它们制成。
另外参见图8，场发生器7通过缆线73连接至导航系统控制台（未示出，通常位于无菌术野的外部）。参考传感器线79还接合缆线73并且还连接至导航系统。导航控制台以无线方式与显示屏幕6进行通信。还示出了覆盖件24。本领域的普通技术人员将认识到，本发明的替代实施例中可以使用有线和无线通信的多种组合，例如场发生器7可以由也对钻3进行供电的电源例如电池供电，并且场发生器7控制通信和参考传感器8信号可以通过无线方式往返于导航系统控制台来传输，从而排除了缆线73。在图8所示的实施例中，场发生器7适于与单元1一起经受消毒，且通过埋头螺钉85刚性连接至外壳9。
图7还示出了限定用于校正和导航的坐标系。可以使用各种构造的坐标系来关联目标轴线（例如孔38到传感器10的轴线）与钻轴线5。下文针对所示实施例描述的所有坐标系在本发明的其他实施例中未必需要。所示构型为外侧入路，并且箭头44示出了内侧入路的方向。场发生器坐标系130（下标“w”代表“世界”）、钻坐标系132（下标“d”）、传感器坐标系134（下标“s”）以及锁紧孔坐标系136（下标“h”）均为具有正交的X、Y、Z轴的三维右手笛卡尔坐标系。场发生器坐标系130在场发生器制造时预先确定，在所有6个自由度中相对于场发生器7的结构固定，并且是这样的坐标系，其中导航系统报告传感器（例如传感器8和传感器10）在场发生器7的测量范围内的位置（因此下标“w”代表“世界”，因为这是导航系统观察世界的方式）。依据齐次变换来描述组件的相对位置，从场发生器7的场发生器坐标系130到与钻轴线5对齐的钻坐标系132限定恒定变换Twd。钻坐标系132的坐标原点位于钻轴线5上的选择的点处，合适的点为钻头2的末端，这可以预编程到系统中，且通过用户输入钻头长度、或通过如空间跟踪文献中所述的典型枢转校正方法（也可以作为软件程序从导航系统制造商例如Northern Digital Inc.(Waterloo OntarioCanada)处获得）来确定。将钻坐标系132的Zd轴限定为与钻轴线5共线，并且具有从钻用户朝远侧延伸的正Zd方向。将钻坐标系132的Xd轴限定为垂直于钻坐标系132的Zd轴，并且位于穿过钻轴线5和场发生器坐标系130的坐标原点的平面内，且钻坐标系132的正Xd方向延伸远离场发生器7。然后通过Xd与Zd轴的向量叉积限定钻坐标系132的Yd轴，从而形成右手三维笛卡尔坐标系。传感器坐标系134在传感器制造时预先确定，并且在所有6个自由度中相对于传感器10的结构固定，当传感器10安装在钉37中时，传感器坐标系134的Zs轴与钉37的纵向中心线40近似共线。手术过程中，导航系统以20至40次每秒的速率报告从场发生器坐标系130到传感器坐标系134的变换Tws。锁紧孔坐标系136可以通过传感器工具10、钉37和插入工具39的预定尺寸限定。作为另外一种选择，锁紧孔坐标系136可以通过将钻轴线5与孔38的中心线对齐（例如通过使用如下面的图22中显示的配准工具）并进行以下直接测量来限定：
·锁紧孔坐标系136的Zh轴位于垂直于钻轴线5的线上，并穿过传感器坐标系134的坐标原点，正Zh方向朝向钉37的远端
·锁紧孔坐标系136的坐标原点位于Zh轴和钻轴线5的交点处。
·锁紧孔坐标系136的Xh轴与钻轴线5共线，且正Xh方向指向远离钻的方向。
·锁紧孔坐标系136的Yh轴为Zh轴和钻轴线5的向量叉积。
还示出了参考传感器坐标系137，其位于相对于场发生器坐标系130的固定位置处。参考传感器坐标系137可以设置在导航系统的测量体积内的任何固定位置和取向处。将距离141定义为沿场发生器坐标系130的Zw轴从场发生器坐标系130的坐标原点到传感器坐标系137的YsZs平面的距离。导航单元1相对于柄部39的组件（图3中可见）、钉37和传感器10的入路方向可按如下方式判定为外侧入路或内侧入路：
·如果Zw和Xs的向量点积为负数，则为外侧入路，并且
·如果Zw和Xs的向量点积为正数，则为内侧入路。
结合图7a，根据本发明的实施例，示出了从钻用户的视角沿钻轴线5观察的视图，并且描述了限定示例性实施例的关键传感器位置的一组参数。有利的是，限定对瞄准具体应用和实施例的目标而言至关重要的传感器位置和取向的子集，以便简化本说明书中其他地方所述的多种校正和误差补偿方法。在本发明的其他实施例中，不同的参数集可能是重要的，并且可以具有不同的定义。为清楚起见，钉37、钻3、导航单元1和传感器10的近侧部分（图7中可见）未在图7a中示出，仅示出了场发生器7的外周长。场发生器7的外周长位于距钻轴线5距离14处，以允许进入远侧部分夹头4，从而便于安装和移除钻头或其他安装到钻的工具（参见图8），以及为用户提供钻头的清晰视野。例如，距离14可以是25毫米。旋转的场发生器位置138为所示的场发生器7围绕钻轴线5旋转到航向139的虚线轮廓。当场发生器坐标系130的Yw轴与传感器坐标系134的Zs轴在场发生器坐标系130的XwYw平面内的投影平行并且方向相反时，航向139定义为0；所示的场发生器7的实线轮廓为航向139等于0处的位置。当场发生器围绕钻轴线5沿箭头140的方向旋转时，将航向139定义为正向。航向139以大于或等于0度并且小于360度的角度表示。
当保持钻轴线5与孔38的中心线同轴（例如通过使用如下面的图22中所示的配准工具）并且场发生器7围绕钻轴线5旋转通过从0至360度的各种航向139时，传感器坐标系134的坐标原点描绘出具有半径144的标称圆142，并且在示例性实施例中，由于钻轴线5标称地平行于场发生器坐标系130的Zw轴，因此标称圆142位于垂直于场发生器坐标系130的Zw轴的平面内。半径144对于钉37和传感器工具10的具体组合而言是恒定的。
示出的示例性实施例被设计为与预定范围的不同钉一起使用，所述钉具有已知长度和沿该长度的锁紧孔位置，提供的传感器工具具有多种长度并且与每种类型的钉一起使用时推荐一种或两种特定长度，由于长度176与最小距离178的关系（示于图1a和图4中），传感器坐标系134的坐标原点总是邻近孔38，因此半径144具有预定范围。相似地，另外参见图7，存在已知范围的距离141，该距离为钻头2长度和预期将遇到的骨直径范围的函数。因此，当钻轴线5与锁紧孔38对齐并且位于开始钻孔的位置，并且场发生器7处于任何航向139时，重要的是使测量精度最大化并且存在传感器10相对于场发生器7的可能位置的子集，该子集由三个参数限定：半径144、航向139和距离141。
图8为由图7沿钻轴线5截取的剖面图，为清楚起见，删除了钻3和用户界面单元6。在示例性实施例中，有利的是将夹头组件4永久地固定到外壳9，此类固定方式使得用户放弃尝试重新设置或移除并重新安装夹头组件4，这种尝试可能改变夹头组件4相对于场发生器7的位置或取向，这可能需要重新校准钻坐标系132（在图7中示出），并且还可能影响本说明书的后续部分中所述的多种误差补偿方法。外壳9具有内部镗孔43。夹头组件4在相对于外壳9的选择的旋转位置处永久地固定在镗孔43内，该固定具有足够的强度以抵抗重量和惯性负载，该惯性负载在用户移动钻3或通过抓握单元1的一部分（例如场发生器7）而拾起并保持住单元1和钻3时产生。在示例性实施例中，夹头组件4通过抵靠夹头组件4中的凹坑12推进弹簧销22而固定到外壳9。本领域的普通技术人员将认识到，可以使用多种附接方法，所述方法将足以把单元1保持在夹头组件4上的适当位置，例如可以使用合适的粘合剂、过盈配合等将夹头组件4结合到内部镗孔43中。
单元1的有利特征在于场发生器7位于偏离钻轴线5的位置处，这使得夹头4周围能够存在足够的空间以便用户操作夹头4以及安装和移除钻头，并且还为用户提供了钻头2和目标区域的更好视野。将距离14选择成使得通常情况下用户的食指能够抓住衬圈部36并沿近侧方向将其往回拉，从而取下钻头。单元1的臂部分30将单元1的场发生器安装部分32连接至单元1的外壳9，并且其厚度67和宽度（未示出）被选择成使得臂部分能够贴合在用户的食指和中指之间，因此用户能够在更换钻头时保持住钻。就臂部分30而言，合适的厚度67为10毫米，且宽度（未示出）为20毫米。外壳9还包括覆盖件24和钻套46，这两者均通过外壳9和场发生器安装部分32刚性地附接到夹头4。包括臂部分30、场发生器安装部分32、钻套46和覆盖件24的外壳9的材料优选地为有色金属并具有低导电性，以便最大程度减小对电磁导航系统的影响；且为轻质的，以便不妨碍用户对钻3的操作，但具有足够的刚度以将在使用过程中在标准的惯性负载和操作负载下场发生器7相对于钻轴线5的位置保持在1毫米和1度之内。对于示例性实施例，材料优选地经得起高压消毒或其他高温消毒过程而不会变形。合适的材料的一些例子为钛、PEEK或UltemTM。可以使用多种其他合适的材料。还示出了存储器装置620，其为场发生器7的一部分并且通过缆线73连接至导航系统。
图8a示出了本发明的替代实施例，其中导航单元1具有替代结构，该结构保持从钻轴线5下方到钻夹头4的开放通路，从而允许用钻轴线下方的附件（例如克氏针驱动器）使用钻夹头。在该替代实施例中，两个刚性臂部分81和82将外壳部分80连接至场发生器安装部分83。
图8b、图8c和图8d示出了本发明的另一个实施例，其中场发生器可以移除并置换到导航单元内相对于钻轴线5和末端点98的相同位置，然后封装并隔离在导航单元1内。该构造使得在对单元1进行清洁和消毒前，场发生器和参考传感器单元640能够与导航单元1分离。然后可以使用不同的方法对单元640进行清洁（但不必进行消毒），所述方法可以与场发生器、传感器和单元640中的相关电子组件更相容。然后可以将单元640重新安装到无菌环境中，此时单元640与单元1的任何表面之间不存在接触，所述单元1在单元640的安装完成后将暴露出来。将对单元640的封装和隔离设计为避免用户直接接触，并且当单元640安装在外壳9中时防止流体与单元640直接连通。所示实施例还可以适于非外科手术应用，其中有利的是在单元1的使用过程中，保护单元640不受环境（例如流体和灰尘）的影响。
图8b为示出了在外壳9之外的单元640的分解图。在该示例性实施例中，示出的场发生器7适于通过底座622安装在外壳9中，并且通过埋头螺钉624刚性地固定到底座622上。传感器接口电路板626、加速度计62、对接连接器插口628和参考传感器8全部安装至底座622以形成一个刚性的场发生器单元640。参考传感器8（在图8d中可见）例如通过粘结而在如图所示的场发生器7正面前方的距离642处且在场发生器7的测量范围内刚性地安装至底座622。
图8b为往外壳9里看的移除了单元640的视图。在该示例性实施例中，外壳9适于容纳场发生器7，并且包括对接连接器插头630、密封件632、门634、弹性缓冲器636以及闩锁638。缆线73安装到外壳9、连线至插头630并且连接到导航系统控制台600（在图1中可见）。
在所示的示例性实施例中，使用最小约束设计将单元640定位在外壳9中的精确位置处。在安装时，底座622在如下六个点处与外壳9接触：三个凸状接触表面648各自使得一个点与平表面650接触，凸状接触表面652使得两个点与V形沟槽654接触，并且凸状接触表面656使得一个点与平表面658接触。当落座力644在全部六个接触点处沿形成反作用力的方向从外壳9朝着单元640施加时，单元240相对于外壳9在全部6个自由度上均固定。将落座力644导向为大致穿过该组接触点的中部以便在每个点处产生大约相等的反作用力。将落座力644设计为当使用单元1时足以保持接触所有的六个点，例如，力644必须足以抵抗当用户来回移动单元1时在单元640上形成的惯性载荷。当门634关闭且闩锁638接合时，弹性缓冲器636产生落座力644，该弹性缓冲器抵靠着单元240的接触表面646压缩选择的量。
参考传感器8连线至电路板626。电路板626将来自参考传感器8的信号转换成数字信号，然后该数字信号经由插口628、插头630以及缆线660发射至导航系统控制台。当来自参考传感器8的传感器读数沿着导体中的缆线660的长度作为数字信号而非初始的传感器信号传输时，所述读数可能更可靠，所述导体与用于包含在缆线660内的场发生器7的电源导体并排运行。然而，在一些实施例中，来自参考传感器8的配线可连接至对接连接器628并且经由插口630和缆线660中的屏蔽导体继续连接至控制台600，从而消除了对单元640中的电路板626的需要。加速度计62和场发生器7连线至对接连接器插口628并且继而经由插头630和缆线660与导航系统通信。场发生器缆线73（在图8b中可见）连线至插口628。还示出了作为场发生器7的一部分的存储器装置620，其经由缆线73与导航系统通信。
合适的场发生器7的例子为Aurora的Compact Field GeneratorTM，并且合适的传感器接口电路板626的例子为部件号7000420，这两者均购自Northern Digital Inc.(Waterloo,Ontario,Canada)。合适的距离642的例子为五毫米。底座622、螺钉624、门634以及闩锁638可以全部由轻质、刚性、非铁磁性和低导电性的材料制成，例如PEEK或钛。密封件632和弹性缓冲器636可由耐高温的弹性体例如有机硅制成。又如，弹性缓冲器636可以是弹簧。可以将包含剩余组件的单元640选择并设计为使所包含的铁磁性和导电的材料的质量最小化。
在一些实施例中，多个参考传感器可在场发生器7前方的多个位置处、以及在大约等于或大于距离642的多个距离处使用。在一些实施例中，加速度计62可与电路板626集成。本领域的普通技术人员将认识到，可在安装单元640后使用多种替代性机械机构将单元640包封并密封在外壳9内并施加落座力644，并且还认识到可使用多种替代性机械机构将单元640保持在外壳9内的精确位置处。例如，可以使用螺纹夹具、偏心夹具或凸轮机构。又如，单元644可作为另外一种选择在安装到外壳9之前隔离在可密封的无菌隔离袋中，在这种情况下，插口628的接触销在安装时刺穿隔离袋。在一些实施例中，例如在不需要于无菌场所中操作的情况下或当如上所述使用隔离袋时，可能不需要密封件632和/或门634，并且可使用多种替代性固定构造来将单元640保持在适当位置。本领域的普通技术人员将会认识到，单元640被示出为结合了现有的且可用的场发生器的示例性构造，并且认识到单元640的组件的全部或一些可以集成到定制的场发生器的结构中以形成单个单元。
图9为沿钻孔路径的钻行进与时间的关系的样品迹线57。还参见图7，具有钻轴线5和在相对于场发生器7的固定位置中的轴线5上的工具末端点98的单元1的特征为可记录和分析末端点98相对于传感器10（从而相对于位于相对传感器10的已知位置处的任何结构）的移动。在各种实施例中，数据可被处理并且可有利地用于通知用户工具行进和工具性能，以便优化与工具行进相关的参数（例如，切割速度和给进速率）、警告用户可能不安全的或有破坏性的条件（例如，工具的快速钻通），并且启动或建议正确的动作（例如停止工具马达）。
在一些实施例中，此数据可结合其他记录参数一起使用，例如工具的状态（例如，工具马达是开启还是关闭）、工具功耗、工具扭矩、振动、工具马达速度、工具操作模式（例如，前进、倒退或振动钻机旋转）等，这些参数中的一些可使用参考传感器8和传感器10进行检测，并且它们中的一些可能另外需要从工具到导航系统的数据监测链接。可使用导航系统通过处理来自传感器10的数据来确定工具的某些状态。在包括参考传感器（诸如参考传感器8）的实施例中，可使用导航系统通过处理来自如在图28中更详细描述的参考传感器的数据（要么结合要么取代来自传感器10的数据）来确定工具的某些状态。
除了能够监测所钻孔的长度之外（如下文所述），对距离与时间的关系的认知还可以结合其他感测到的信息使用，以便优化钻孔方法。例如，如果期望以期望的速率前进（例如，避免由于过度加热而引起的骨坏死），则可通过采用多种已知的滤波器设计中的任意一种以估算位置信号的导数（例如，简单的有限差分微分器、结合了低通滤波器的微分器，或状态判定器设计）而估算当前的切割速率。然后可将当前的估算切割速率与期望的切割速率和提供给用户的信号（例如，在屏幕上的具有箭头和数字的视觉指示器、使用音高或响度变化的听觉指示器，或使用振动和压力以指示差异程度的触觉指示器）相比较。相似地，因为可通过突然增大在钻孔方向上的工具速度而检测钻通，所以可以使用此事件，在一些实施例中，此事件可包括控制到工具的通信链路，以减小或切断对钻的供电以便避免对基础结构造成无意损坏或生成一些其他指示（例如，视觉、听觉或触觉指示）以提醒用户注意到该事件。例如具体地讲，在如本说明中其他地方所述的其中导航单元1从钻电池获得供电的实施例中，到钻的控制连接可包括在其中。
在示例性实施例中，记录的数据为时间与单元1相对于传感器10沿钻轴线5行进的距离的关系，同时在钻具有电动马达并且可使用来自如图28中所述的参考传感器8的数据确定钻马达的状态的情况下，钻轴线5和孔38的同轴度在预定限度内并且钻马达开启。这些条件表明用户可能沿着目标钻孔路径钻孔。使用时间与距离数据的关系来估算所钻孔穿过骨的长度，以便可以快速地确定正确的锁紧螺钉长度。
这种数据的例子以时间与距离的关系迹线57示出。当穿过股骨或其他长骨钻孔时，例如，已观察到可能存在可通过分析钻末端相对于传感器的位置和时间数据而识别的迹线57中的多个特征点和区域，包括指示在钻孔开始时钻末端从何处进入骨的入口点59以及钻末端从何处退出骨的出口点61，在这两个点之间是能够报告给用户的经估算的钻孔63深度。当钻在所述点之前或之后切穿骨密质时，所述点均具有沿钻孔路径缓慢推进一段时间的特点，然后当钻头退出皮质时推进速度突然增大，并因此可通过搜索落入预定运动参数范围内的区域的迹线57而被自动地检测到。
更为详细地仔细查看迹线57，在初始瞄准的预钻孔阶段期间（在主动钻孔开始之前），可能存在定位相位，在此情况下钻末端可前进和后退，以及可以在安定好之前被调节成与骨表面平行。当该运动使钻末端安定为静止状态并靠近轴线，且钻角度可能变化、钻马达可能关闭时，迹线57在区域336处是平坦的。沿目标轴线相对稳定前进的区域337，与接近于对齐（且任选地检测马达开启状态）的钻角度相结合，指示穿过近皮层的钻孔速率。在如速度在区域338处突然增大所指示的钻通近皮层之后，存在有在区域339处以更高速度前进穿过松质骨和钉孔的区域。在穿过骨密质的钻给进速率的区域340处前进再次减缓。最后，速率在区域341处将很可能再次突然增加，在此以后，用户应当在平坦区域342处停止推进钻。在期望的钻给进速率范围内的斜率稳定区域337的起点指示入口点59，并且相似地，区域340的尽头指示出口点61。入口点59可以如图所示在从区域336少量行进之后被识别出来。本领域的普通技术人员将会认识到，不同的应用将产生不同的特征迹线57，并且可能需要通过对多种材料、工具、切割工具类型等进行实验而测定各种阈值、范围和估算因数，以便检测或估算迹线57的期望区域和点。
图9a示出了钻行进检测和钻孔深度估算方法的流程图。在步骤592中，通过识别钻尖靠近目标轴线但不沿其前进而检测定位相位。在步骤593中，通过启动沿着目标轴线在对齐容差区内的前进（任选地与启用状态的钻马达联接）而检测钻孔相位。在步骤594中，监测沿轴线前进的速率并将其与选择的阈值相比较，然后在步骤595中报告给用户。在步骤596中检测速率超过选择的阈值的快速增加，并且可在步骤597中施用相关警告和行动。
本发明的另一个方面提供了包括用户界面单元的工具。例如，该工具可包括钻，并且该界面单元可包括触摸屏显示器。该用户界面单元可以安装到该工具，或可以直接安装到该工具，并且还可以从该工具拆卸。在其他实施例中，用户界面单元被安装或可安装到工具的附件上，并且还能够从该附件拆卸。在其他实施例中，用户界面单元可相对于工具进行调节，使得当工具取向改变时，用户可将界面单元移动至合适的位置。例如，用户界面单元可以是经由回转接头附接至钻的视觉显示屏幕。又如，用户界面单元可以是经由回转接头附接至钻夹头的视觉显示屏幕，该钻夹头继而附接至钻。
在其他实施例中，用户界面单元可检测重力方向并且可将显示在单元上的图像的取向调整为与重力具有预定的关系。在其他实施例中，用户界面单元可检测单元与由导航系统限定的基准方向相对的取向并且可将显示在单元上的图像的取向调整为与基准方向具有预定的关系。例如，用户界面单元可包括视觉显示屏幕和加速度计，所述加速度计在一些实施例中可以与附接到场发生器或导航系统传感器的第二加速度计通信。
包括上述用户界面和显示器的工具的每个结构单独使用或结合所述其他结构的一些或全部使用均可能是有利的。在本发明范围内的其他实施例可包括上述的和在下文的示例性实施例中将更详细描述的有利结构的子集。
图10显示包括示出为安装到钻3的用户界面单元6的导航单元1。用户界面单元6的特征是当单元1附接到钻3时，与单元1集成并继而与钻3集成，使得在使用期间钻用户能够轻易获得显示器和用户界面功能并且用户的注意力可在使用期间保持朝向单元1和/或钻3的工作区域。在各种实施例中，可通过机械机构（例如，使单元6成为单元1的整体部分）或通过托架、紧固件、搭扣配合机构或摩擦配合而提供该集成。在示例性实施例中，所示的单元6经由旋转环13、螺柱49和在图13和图14中详细示出的附随元件而安装到单元1。
用户界面单元6的另一个特征在于其可以根据用户需求在使用期间手动地且不使用单独的工具而进行附接和拆卸。在各种实施例中，单元6可通过各种机械机构，例如用手操作的紧固件、搭扣配合机构、螺纹接头、棘爪机构、直角回转式快速释放接头或紧固件等而能够拆卸地与单元1集成。在示例性实施例中，所示的单元6经由螺柱49、扣钩69和在图14中详细示出的附随元件而可移除地附接到单元1。
如与导航单元1集成的用户界面单元6的另一个特征是用户界面单元6能够调节至相对于单元1剩余部分继而相对于钻3的多个位置和取向，使得当单元1和/或钻3移动至不同位置和取向时，用户可以选择用户界面单元6的合适的观察和进入位置。在各种实施例中，可通过使用各种机械机构（例如可调节臂或支架、连杆构造、滑动配合机构、回转接头、球形接头等）使得单元6的集成变为可调节的。在示例性实施例中，所示的单元6经由两个单独的回转接头而可相对于单元1进行调节，所述回转接头包括旋转环13、螺柱49和如在图13和图14中详细示出的附随元件。
用户界面单元6的另一个特征在于其在正常使用期间保持在其当前位置直到被后续调节至新位置为止，所述后续调节不需要用户解锁、锁定、移除、替换、张紧、放松、使用另外的工具或采取除了将用户界面单元6移动至期望位置之外的任何其他动作。在各种实施例中，该特征可通过具有摩擦接头和/或弹簧、棘爪机构等的连杆构造而提供。在示例性实施例中，所示的单元6经由棘爪机构保持在相对于单元1的选择的位置，该棘爪机构包括球柱塞71和27以及在图14、图15和图16中详细示出的附随元件。
用户界面单元6的另一个特征在于其可以具有可相对于单元1进行调节的预定范围，这种可调节的预定范围防止用户将单元6移动至多个不利位置，例如单元6可能妨碍场发生器7或钻3的功能和性能的位置。在各种实施例中，该特征可由多种机械止动或连杆构造提供。在示例性实施例中，所示的单元6围绕一条调节轴线的旋转由在图15和图16中详细示出的凸台31和沟槽33限定。
对于其中单元6包括视觉显示器且单元6与可在多个相对于目标的位置中使用的工具集成的实施例而言，有利的是实时测定重力的方向以使得单元6显示的图像可以不论工具如何取向均以选择的方式相对于重力而取向。可通过将加速度计整合到单元6内而提供取向数据。
对于其中场发生器的取向可能在使用期间（例如，当场发生器与可在多个位置中使用的工具集成时）发生改变的实施例而言，有利的是确定单元6相对于场发生器的取向，使得单元6所显示的图像可以以选择的方式相对于场发生器或继而相对于任何传感器（其有相对于场发生器的已知位置）而取向。可通过生成指示用户界面单元相对于场发生器的取向的信号的传感器提供相关的取向数据，所述传感器例如接近传感器、电触头、光编码器等。作为另外一种选择，可通过在两个单元6中且在相对于场发生器7的固定位置处整合加速度计（所述加速度计均产生指示重力方向的信号）并且比较两个重力方向以确定相对取向而提供相关的取向数据。
现在更详细地参见示例性实施例，导航单元1具有轴线5。用户界面单元6包括位于外壳中的电子触摸屏显示器，并且可另外包括用户界面装置，例如可透过隔离袋或手术单操作的按钮、开关、触控板等。导航单元1包括外壳9、其上安装有用户界面单元6的旋转环13以及保持器15。在所示的实施例中，场发生器7包括在外科导航单元1中。本领域的普通技术人员将会认识到不包括场发生器7或其他导航系统组件的其他可行的实施例，其中显示在用户界面单元6上的瞄准信息通过不需要场发生器的方法（例如光学跟踪）获得。用户界面单元6示出为被调节至适于惯用右手用户使用竖直的钻3指向前方且远离用户的身体钻孔的位置。
结合图10a，用户界面单元6示出为从图10中所示的位置围绕钻轴线5沿着方向19被调节大约180度，并且围绕轴线18在方向17上倾斜，从而获得显示器6针对惯用左手用户在使用竖直的钻3指向前方且远离用户的身体钻孔时的可视位置。
结合图11，根据本发明的实施例，将导航单元1安装到钻3，此时屏幕表面的位置适于用转至水平位置并从用户的身体指向前方的钻3钻孔。从图10a中所示的位置开始，用户界面单元6已围绕轴线5沿方向19逆时针旋转了大约90度，并且可以围绕轴线18沿方向17被调节至合适的观察角度。
结合图11a，如果用户需要将钻3保持为与图11中所示取向相对的水平取向，则用户界面单元6可围绕轴线18沿方向17旋转至合适的观察角度。
参见图10、10a、11和11a，用户界面单元6的位置可相对于钻3进行调节使得用户能够维持沿钻轴线5到在多个钻孔位置中所钻孔的区域的视线无阻挡状态。
结合图12，根据本发明的实施例，将用户界面单元6安装到钻3并调节至适于用转至水平位置并指向用户左方的钻3钻孔的位置。从图11a所示的位置开始，用户界面单元6已沿方向17旋转了大约90度，并已沿方向19旋转了45度。还参见图12a，当钻3以水平位置使用并指向用户右方时，可进行相对的调节以获得合适的显示器6的位置和角度。
参见图10至12a，本领域的技术人员将认识到可根据在特定应用中期望的钻孔位置和期望的单元6的容许位置的范围而选择用户界面单元6相对于导航单元1的多个自由度以及可调节度范围。例如，在某些实施例中，在方向17或方向19上的可调节度可能是不需要的。又如，由于操作钻3需要间隙而限制单元6定位在直接介于场发生器7和钻3之间的区域中和/或限制单元6的测量失真的影响可能是有利的。又如，限制单元6转动至显示屏幕朝远侧面向钻头2末端的位置可能是有利的。某些其他实施例可能需要额外的自由度。
结合图13，根据本发明的实施例，导航单元1的分解图示出了允许在单元6和夹头4之间具有两个自由度的结构的一个例子，其中一个是围绕钻轴线5旋转的自由度，而另一个是围绕垂直于轴线5并与之相交的单元6的轴线旋转的自由度。外壳9具有外部圆柱形表面21。外壳9固定到钻夹头4（参见图8），该钻夹头继而安装到钻3上。旋转环13在圆柱形表面21上方滑动。保持器15具有销23（未示出，参见图14），所述销径向向内延伸并且在圆柱形表面21上方滑动，使得销23接合位于外壳9中的狭槽25，并且当完全接合时，保持器15固定至外壳9的某个位置，从而抵靠外壳9的表面29推挤旋转环13的球柱塞27（未示出，参见图14）。然后旋转环13可围绕圆柱形表面21和轴线5旋转。该构造允许在无需工具的情况下快速且容易地拆卸保持器15和旋转环13以便清洁和消毒。为清楚起见，未示出钻3、场发生器7和盖24（在图8中可见）。旋转环13还包括螺柱49和衬圈50，用户界面单元6如下文所述能够拆卸地附接到该衬圈。
结合图14、图15和图16，根据本发明的实施例，穿过钻轴线5的部分被示为具有组装好的导航单元1和位于适当位置的用户界面单元6。夹头4固定在外壳9内，如图8中所述。外壳9还具有安装成与表面29齐平的三个接近传感器47（在图16中可见）和从接近传感器47通向导航系统控制台的配线48。旋转环13包括三个球柱塞27（示出了一个，全部三个在图15中可见）和三个永磁体28（在图15中可见）。保持器15具有销23，所述销接合位于外壳9中的狭槽以将保持器15锁定在相对于外壳9的适当位置，使得当用户围绕轴线5将旋转环13旋转时，安装在旋转环13中的球柱塞27沿表面29滚动。表面29具有以一定距离间隔开的径向沟槽45，使得球柱塞27以环13旋转的选择的时间间隔接合沟槽45。还示出了在用户界面单元6和旋转环13的螺柱49之间的可释放接头。用户界面单元6包括外壳34、电子触摸屏65、扣钩69（该扣钩位于销35上且在外壳34中枢转，并且被弹簧沿逆时针方向偏置）以及接合凹坑41的球柱塞71，该凹坑是围绕螺柱49的外部圆柱形表面以三十度间隔周向间隔开的一组十二个凹坑中的一个。为了将用户界面单元6安装到安装单元2上，用户将用户界面单元6滑动到螺柱49上直到扣钩37接合螺柱49的肩部42并伴随有听得见的“咔嗒”声。当用户界面单元6围绕螺柱49旋转时，球柱塞39接合凹坑41并伴随听得见的“咔嗒”声而停下来。用户界面单元6保持在该位置，直到用户将其旋转30度并且球柱塞39接合下一个凹坑41为止。衬圈50在螺柱49上间隙配合，并且衬圈50中的周向沟槽52通过间隙配合与螺柱49中的球柱塞56接合，使得衬圈50自由地围绕螺柱49旋转，但是将不会从螺柱49滑脱（除非用户将其推离以便清洁和消毒）。衬圈50使得用户界面单元6能够在安装到螺柱49上之前封装在无菌的塑料消毒盖布58中，从而允许用户界面单元6在无菌场所使用而不必进行消毒。消毒盖布58由薄的透明塑性材料制成，当用户使用户界面单元6在螺柱49上滑动时，该消毒盖布被刺穿，并且当用户界面单元6位于如图所示的位置时，在消毒盖布58中得到的刺穿孔的边缘被压缩在外壳34和衬圈50之间，从而防止用户与用户界面单元6的任何表面发生直接接触。当用户界面单元6在螺柱49上旋转时，衬圈50自由地与外壳34一起旋转，从而防止消毒盖布58缠绕或撕裂。电子触摸屏65为触摸屏单元，该触摸屏单元包括电池电源、计算机和用于接收并传输信息至导航系统的无线通信装置20。合适的电子显示屏幕为得自CompulabTM(Haifa,IL)的EMX-270嵌入式移动装置单元。无线通信装置20不需要在用户界面单元6和导航系统控制台之间具备有线连接（或者，还参见图7，经由缆线73连接到场发生器7，然后继续连接到导航系统），由于在用户界面单元1、场发生器7和位于无菌外科手术场所之外的导航系统控制台之间需具有自由度，因而这是重要的。
参见图15，其示出了截取自图14并且朝近侧观看扣环13而得到的穿过夹头4和外壳9的部分。旋转环13具有三个球柱塞27和三个以45度间隔安装的永磁体28，其中磁体粘合在适当位置。旋转环13还具有沟槽33，外壳9的凸台31以间隙配合的方式安装到该沟槽中。
参见图16，其示出了截取自图14并且朝远侧观看外壳9的表面29而得到的穿过夹头4和外壳9的部分。表面29具有围绕轴线5以45度间隔均匀间隔开的径向沟槽45（未示出，在图14中可见），使得旋转环13（未示出，在图13和图14中可见）在行进中每隔一定时间伴随着听得见的“咔嗒”声而停下来并保持在该位置处，直到用户将其移动至下一个45度间隔的位置处。外壳9还具有安装在旋转环13的沟槽33中的凸台31（参见图15），以及粘合在与表面29齐平的适当位置处且以如图所示的45度间隔定位的接近传感器47。
一起参见图15和16，沟槽33和凸台31将旋转环13的旋转限定为不超过180度，并且与径向沟槽45相结合而限定环13相对于夹具部分9的5个可能的旋转位置。在旋转环13旋转过程中每隔45度处，三个磁体28中的至少一个与三个接近传感器47中的至少一个对齐，并且在旋转环13相对于外壳9的5个可能的45度间隔位置的每一个处，接近传感器47的独特组合感测磁体28的存在。参见图14，经由连接到导航系统控制台的配线48，将激活的接近传感器的独特组合作为信号发送到导航系统，以指示用户界面单元6相对于外壳9的位置，并允许触摸屏65上的图像的取向根据需要进行旋转。
参见图16a，以与图14类似的穿过导航单元1的剖面图示出了不具有接近传感器47、磁体28和配线48的本发明的一个实施例。在该实施例中，电子触摸屏65还包括加速度计单元60，该加速度计单元感测相对于用户界面单元6的重力方向并将该信息传输到触摸屏65，并继而经由无线通信装置20传输到导航系统。场发生器7包括嵌入式加速度计62，该加速度计生成指示重力方向的信号，该信号经由场发生器缆线73发送到导航系统。通过比较加速度计60和62的重力方向矢量，能够确定用户界面单元6相对于场发生器7的取向，并且显示在单元6上的图像可相对于被导航系统跟踪的选择的传感器对齐。在本发明的另一个实施例中，例如在已知目标传感器相对于重力的取向或足以相对于重力对齐显示在单元6上的图像的应用中，无需使用加速度计62，单独使用加速度计60（取代接近传感器47、磁体28和配线48），并且使用来自加速度计60的信号，将触摸屏65上的图像与重力方向对齐。
结合图17和17a，在另一个实施例中，将多个显示屏幕在选择的位置处安装到钻，从而无需在用户界面单元6和外壳9之间具有自由度。对辅助显示屏幕74供电，并通过配线75对其提供来自触摸屏65的信号（但可以作为另外一种选择类似于具有无线通信装置、内部电池和加速度计的触摸屏65，并且可以是不同的尺寸或形状）。通过加速度计60（在图16a中可见）检测在图17中显示的水平钻孔位置，随后激活在该钻孔构型下对用户可见的辅助显示屏幕74，并且将屏幕74上的图像调节至适当取向并且沿方向76移动以优化能见度。当钻3在图17a所示的位置运行时，基于来自加速度计60（在图16a中可见）的信号，将屏幕74上的图像相对于屏幕74旋转180度并且还沿方向78移动以优化针对用户的能见度。
本发明的另一个方面提供了指示工具与目标的关系，并且还指示工具与目标对齐的容差极限的用户界面。例如，该界面可包括示出钻图标的显示屏幕，该钻图标代表相对于目标孔的图形的钻，并且该界面还可以包括在规定参数范围内的钻与孔的同轴度的指示器。
在一些实施例中，用户界面可向用户指示工具相对于目标的实时位置。该指示可根据具体的瞄准任务具有多种形式，例如，所述任务可以是对齐两个平面使其共面、将工具末端与点对齐而无需指出工具的角度，或调整工具轴线使其与目标轴线同轴，如在示例性实施例中所述。对工具和目标的展示也可以采用多种方式完成，例如，目标可以显示在显示屏幕的固定位置，与此同时对工具的展示在显示器上移动，或反之亦然；或者该展示可以是混合式的，其中工具展示在显示器上平移而目标在屏幕上以旋转方式移动，或反之亦然。已观察到当钻图标在显示屏幕上同时以平移和旋转方式移动而目标保持在屏幕上的固定位置处时，在示例性的钻对齐实施例中用户成功地瞄准目标。另外已观察到当钻由看起来像钻头和夹头的图形图标表现时，许多用户很好地理解界面。
在一些实施例中，界面可基于检测到的对齐条件而自动地调节视野和放大率。这就使得能够在无需用户另外输入的情况下优化视图参数，例如，无需按下放大或缩小命令或利用单独的选择对话框来指定目标继续放大等。例如在一个实施例中，显示器示出了显示全部潜在目标的大视野，然后当用户处于与特定目标对齐的选择的极限范围内一段选择的最短持续时间时，中心与特定目标轴线对齐并且继续放大，从而允许精细地调节对齐。相似地，该实施例推断用户何时从特定目标退回，并且缩小全局视图以允许用户定位或选择不同的目标。可应用不同的参数和阈值来进行放大和缩小。
在一些实施例中，如果选择的其他参数也在容差范围内，则仅可给出在容差范围内的对一个对齐参数的指示。例如，当钻轴线与目标孔轴线的可接受的角度对齐只在当钻末端同时处于与目标轴线相距的可接受距离内各时间指示时，观察到了用户对界面更好的响应。还观察到许多用户优选的技术是使钻末端在可接受的容差范围内对齐，可能时在所钻材料中确定一个枢轴点，然后将钻旋转到可接受的角度容差范围中。
在一些其他实施例中，一个对齐参数的容差极限可取决于至少一个其他参数。当位置与角度的瞄准极限彼此相关，而不是分别处理时，观察到许多用户有更好的瞄准结果。例如，如果工具末端点位于距目标轴线的一定距离，该距离在指定距离容差范围内，且工具轴线与目标轴线之间的角度也在指定的角度容差大小内，则角度误差的方向可造成在工具沿工具轴线推进时末端点距目标轴线更近或更远。因此，可能有利的是将可接受的角度差限制在这些大小和方向，使得末端点保持在其距离容差范围内，或者在工具推进时将末端点引到沿目标轴线的一个指定点处的目标区域。还可能有利的是选择目标轴线中工具末端距目标轴线的距离最重要的区域，例如，在目标孔的入口处，将当前的工具路径投影到此区域以计算对齐的距离参数，而不是计算距当前工具末端点位置处的目标轴线的距离。此方法使角度容差极限成为工具末端距关键目标区域有多远的函数；距离越远，角度必须保持越靠近以瞄准目标。例如，钻轴线与目标轴线之间的对齐可具有一定大小的角度容差以及从钻末端到目标轴线的距离容差，其中根据钻末端的位置，角度容差对于某些方向是降低的，使得突出的钻轴线穿过选择的容差区。在一个实施例中，位置对齐参数可以为从钻末端到目标轴线的垂直距离，而角度对齐参数可以为从目标轴线到突出的钻轴线与目标孔附近的选择平面的交点的垂直距离。
在另一个实施例中，位置对齐参数可以为从目标轴线到突出的钻轴线与目标孔附近的第一选择平面的交点的垂直距离，而角度对齐参数可以为从目标轴线到突出的钻轴线与目标孔附近的第二选择平面的交点的垂直距离，第一和第二平面限定目标轴线的区域，该区域适用钻轴线相对目标轴线的同轴度容差。
上述可视化用户界面的每个结构单独使用或结合所述其他结构的一些或全部使用均可能是有利的。在本发明范围内的其他实施例可包括上述的和在下文的示例性实施例中将更详细描述的有利结构的子集。
图18显示了瞄准过程中的用户界面单元6，其中钻与锁紧孔接近对齐。用户界面单元6向用户指示钻具相对于目标的实时位置。钻图标392在屏幕390上以平移和旋转两种方式移动，而目标钉37保持在屏幕390上的固定位置处。
钻图标392包括杆部分393，杆部分连接容差区内成功对齐的两个单独的指示器，一个是指示钻头2末端位置的末端指示器394，另一个是对齐指示器396，其表示钻轴线5上的更靠近钻3的点，从而指示钻轴线5的取向。
还参见图7，瞄准期间，显示屏幕390显示钉37的图示387，其中孔38在图中以孔图形388显示，该孔图形包括孔38的周边边缘以及在孔38中心相交的十字线。图18显示在一个目标孔中心放大的显示器，导航系统检测到钻末端已在距孔轴线选择的距离内持续至少选择量的消耗时间，如图18b中更详细描述的。末端指示器394在其未激活状态下为半透明，使得钉图形387和孔图形388在末端指示器394处于其未激活状态时可透过末端指示器394看到。同样，对齐指示器396在其未激活状态下也是半透明，使得对齐指示器396处于其未激活状态时可透过对齐指示器396看到末端指示器394、钉图形387和孔图形388。钻图标392为半透明，使得末端指示器394、钉图形387和孔图形388可始终透过钻图标392看到。例如，在示例性实施例中，末端指示器394和对齐指示器396在其未激活状态时呈现半透明的灰色，而在其激活状态时变为不透明的绿色。本领域的普通技术人员将认识到可以使用多种替代的图形，激活与未激活状态之间可以有许多其他差异，例如可见与不可见、填充与轮廓、闪烁与稳定显示、变换形状或变换填充图案。
图18a显示了瞄准过程中具有显示屏幕390的用户显示器6，其中钻在与钉图形387的锁紧孔图形388对齐的容差范围内。在此视图中，钻图标392的杆部分393（参见图18）不可见，并且末端指示器394和对齐指示器396以及深度指示器398均显示处于其激活状态。显示器390包括深度指示器398，深度指示器向用户指示由末端指示器394表示的钻头2的末端正在靠近钉37的表面，因此用户得到钻头2何时进入锁紧孔38的指示。只有在末端指示器394位于距经过锁紧孔坐标系136（在图7中示出）的Yh和Zh轴的平面的距离的预定范围内时，还位于距锁紧孔坐标系136的Xh轴的最短垂直距离内时，深度指示器398为激活的并在显示器390上显现。由于目的只是向用户指示预计钻末端大致何时进入目标孔，因此深度指示器398可以为定性指示器，故而具有三个填充条式的图形段，这些图形段以渐进填充的方式显示，从而定性表示钻头2向钉37的靠近。或者，深度指示器398可以为侧视图，其示出了钻末端靠近目标孔的实时表现。本领域的普通技术人员将认识到深度指示器398可以用不同的图形元素、声音、文本、定量信息或这些指示器的组合以多种不同的方式来实施，并将认识到深度指示器398可以始终为激活的，或由不同的或附加的参数激活，例如钻马达被检测到正在运行（参见图27和图32）。
图18b示出了用于控制用户界面显示器的视野和放大参数的方法的流程图。在步骤530中，瞄准模式为激活的，这可在目标被限定且导航系统正相对于目标跟踪工具时出现。最初，在步骤532中显示了示出所有目标的全局视图，并计算出从钻末端到每个目标的距离参数，例如到每个目标孔轴线的垂直距离。找出这些距离的最小值，然后在步骤534中与选择的阈值D近相比较，如果工具在距任何目标的距离D近范围内，则在步骤536中检查计时器T近的状态。如果T近已不运行，则其在步骤538中从零开始，并且系统返回到步骤532，保持为全局视图。如果计时器T近已经在运行，意味着工具已经在某特定目标附近一段时间，则在步骤540中针对选择的阈值T放大检查靠近目标消耗时间的值。一旦T近超过放大阈值，计时器T近就在步骤552停止，并且在步骤542中系统将显示器变为以目标为中心的放大视图，说明工具已在附近保持选择的持续时间量T放大。一旦在特定的目标上放大，系统就在步骤544中检查工具到目标的距离是否超过选择的阈值D远，如果工具已经移开，则在步骤546中检查计时器T远，如果已不运行，则在步骤548中从零开始。如果计时器T远已经运行，意味着工具已经从当前的目标移开一段时间，则在步骤550中针对选择的阈值T缩小检查远离目标的消耗时间的值。一旦T远超过缩小阈值，计时器T远就在步骤554中停止，且系统返回至步骤532中的全局视图。
本领域的普通技术人员将认识到其他参数，例如工具朝向或远离目标的速度和加速度，可以代替时间和距离使用或连同时间和距离一起使用。例如，工具的特征运动（例如闪变运动或者以特定方向快速地倾斜等）可以进行限定、检测以及用来更改视图参数。
结合图19，根据本发明的实施例，示出了钻头与植入物中的锁紧孔接近对齐时骨与植入物的剖面图，以说明根据选择的极限确定何时工具已达到与目标的可接受对齐的示例性方法。该方法的一个例子将在下文详细描述：钻头2具有末端402，并且显示穿过了皮肤和下面的软组织400，其中末端402接触骨401。钻轴线5与钻头2的纵向中心线重合。钻孔期间钻头2围绕钻轴线5旋转。钉37中的锁紧孔38具有与锁紧孔坐标系136的Xh轴共线的孔轴线404（在图7中示出）。钻轴线5显示相对于孔轴线404的方向处于对齐角度406。平面408经过锁紧孔坐标系136的Yh和Zh轴（在图7中示出），因此与孔轴线404相垂直，并且还经过钉37的纵向轴线。钻轴线5与平面408在交点410处相交。将角度406计算为钻轴线5与垂直于经过交点410的平面408的矢量之间的锐角。在瞄准期间，应持续例如以二十至四十赫兹的频率监测相对于孔坐标系136的钻末端402的位置和钻轴线5的位置和取向，如此前附图中描述。因此，在瞄准期间计算距垂直于孔轴线404的钻末端402的距离412，并且在任何时间，角度406都不等于九十度，并计算交点410及距垂直于孔轴线404的交点410的距离414。还参见图18和图18a，为了向用户指示钻头2相对孔轴线404的位置和对齐何时处于预定极限内，在距离412处于预先选择的极限（例如1毫米）内的任何时候将末端指示器394切换至其激活状态。然后为了指示角度对齐充分，在末端指示器394处于其激活状态同时距离414处于预先选择的极限内的任何时候将对齐指示器396切换至其激活状态。应注意，沿孔轴线404的平面408的位置可选择为不同于孔坐标系136原点的某个点，例如，平面408可位于距离钻末端402最近的钉37的表面附近。将钻轴线5投影到孔38附近或其内部的某个点，同时监测钻末端402到孔轴线404的距离，使位置和取向极限产生相互作用，从而确保用户不仅使钻末端402位于孔轴线404的可接受距离内，还使钻头2被取向为使得对于钻末端402的当前位置，钻头2被取向至一定路径，该路径相对于孔38的中心在预先选择的容差区内穿过。当从平面408至钻末端402的距离增加时，该方法有降低容许角度误差的作用。
图19a显示了图19中所描述的示例性瞄准和用户界面方法的流程图。还参见图19，在步骤560，瞄准模式为激活的，这可在目标被限定且导航系统正相对于目标跟踪工具时出现。在步骤562，将距离参数D末端计算为从钻末端402至钻轴线5的垂直距离412。在步骤564，如果距离412小于选择的最大D末端最大，系统会在步骤566中激活位置指示器，例如末端指示器394。如果距离参数超出了选择的极限，则当末端指示器394和角度指示器396从之前的测量样本激活时，它们两者会在步骤576中关闭。在步骤568，将角度对齐参数D孔计算为距钻轴线5和选择的平面408的交点的垂直距离414。在步骤570中，将距离414与阈值D孔最大进行比较，如果距离414大于D孔最大，则当角度指示器396仍然从之前的测量样本激活时，它会在步骤578关闭。如果距离414小于D孔最大，则在步骤572检查末端指示器394的状态，并且如果末端指示器394仍然激活，则角度指示器396被激活，并且通过同时激活末端指示器394和角度指示器396来指示可接受的对齐。
结合图20，根据本发明的替代实施例，示出了钻头与植入物中的锁紧孔接近对齐时骨与植入物的剖面图，以说明根据选择的极限确定何时工具已达到与目标的可接受对齐的替代方法。在某些应用中，可能有利的是限定对齐容差适用的目标轴线段，并且有利的是潜在指定段每端的不同容差极限。例如，在轴与孔之间的径向间隙给定的情况下，穿过孔的某个轴的容许角度容差对于短孔可能比长孔更大。在另一个例子中，就埋头螺钉而言，可能需要指定与孔的埋头边缘在一个平面中的目标轴线的某点的紧密位置容差，使得埋头孔对齐良好，而孔的另一端的位置容差可以允许较大。该方法的一个例子将在下文详细描述：图14显示并限定了钉37、锁紧孔38、皮肤和软组织400、骨401、孔轴线404和平面408。所示替代瞄准方法与图19中所描述的示例性实施例不同之处在于，近侧平面450被限定为在沿着孔轴线404距平面408的选择距离452处垂直于孔轴线404，远侧平面454被限定为在沿着孔轴线404距平面408的选择距离456处垂直于孔轴线404，且近侧平面450比远侧平面454更靠近钻头2。瞄准期间，如上所述持续监测钻轴线5相对于孔坐标系136（在图7中示出）的位置和取向。因此，在瞄准期间，在钻轴线5不与孔轴线404垂直的任何时间，限定钻轴线5与近侧平面450之间的近侧交点458并将近侧距离460计算为从交点458到轴线404的垂直距离。相似地，限定钻轴线5与远侧平面454之间的远侧交点462并将远侧距离464计算为从交点462到轴线404的垂直距离。还参见图18和图18a，为了向用户指示钻头2相对孔轴线404的位置和对齐何时处于预定极限内，在近侧距离460处于预先选择的极限内的任何时候将末端指示器394切换至其激活状态。然后为了指示角度对齐充分，在末端指示器394处于其激活状态同时远侧距离464处于预先选择的极限内的任何时候将对齐指示器396切换至其激活状态。该瞄准方法确保钻孔轴线位于孔轴线404周围的圆柱形或平截头形的容差区内，并位于如距离452和距离456限定的轴线404的唯一选择段上。例如，对于直径比孔38直径小一毫米的圆柱形螺钉杆，距离460和距离464的极限可选择为小于二分之一毫米，近侧平面距离452和远侧平面距离456可选择为等于钉37的半径（如图所示），从而确保螺钉杆不会在将螺钉与钻轴线5进行同轴安装时堵塞孔38（假设角度较小）。或者，距离460和距离464还可以应用不同的极限，例如，为了在最大程度提高容差范围的同时容纳锥形螺钉杆。
图20a显示了图20中所描述的示例性瞄准和用户界面方法的流程图。还参见图20，在步骤560，瞄准模式为激活的，这可在目标被限定且导航系统正相对于目标跟踪工具时出现。在步骤582，将距离参数D1计算为从孔轴线404到钻轴线5与选择近侧平面450的交点的垂直距离。在步骤584，如果距离D1小于选择的最大D1最大，系统会在步骤566中激活位置指示器，例如末端指示器394。如果距离参数D1超出了选择的极限，则当末端指示器394和角度指示器396从之前的测量样本激活时，它们两者会在步骤576中关闭。在步骤586，将角度对齐参数D2计算为从孔轴线404到钻轴线5和选择远侧平面454的交点的垂直距离。在步骤588，将D2与阈值D2最大进行比较，如果D2大于D2最大，则当角度指示器396仍然从之前的测量样本激活时，它会在步骤578关闭。如果D2在选择的极限D2最大之内，则在步骤590检查末端指示器394的状态，并且如果末端指示器394仍然激活，则角度指示器396被激活，并且通过同时激活末端指示器394和角度指示器396来指示可接受的对齐。
本发明的另一个方面提供配准设备，其被配置成使工具和场发生器与选择的目标结构临时地对齐，从而允许在不事先了解传感器与所关注目标结构之间关系的情况下使用本发明。例如，一些实施例不需要目标组件尺寸的数据库即可根据配准数据推断瞄准信息。
目标结构可以直接用多种不同方式测量，例如将目标的表面或边缘数字化，或使工具与目标临时地对齐，以及记录工具的理想目标位置。配准测量也可具有选择的自由度，例如配准要钻通的孔时，可能测量孔中心线便已足够，不用考虑围绕中心线的取向或沿中心线的位置，例如在只有导航工具与孔对齐重要时。
在其他情况下，可能有用的是在中心线上附加配准一个点（例如以测量工具与孔的接近度），和/或配准围绕中心线的旋转位置（例如以在单个配准测量中推断其他结构相对于孔的位置）。
与电磁导航系统特别相关，配准有利地用所有在瞄准期间将用到时并处于瞄准期间将最关键的相对位置中可影响在适当位置的当前导航测量的组件进行。配准设备可替代地近似于配准过程中可能不存在的任何组件的作用。
在一些实施例中，配准设备是可以直接安装到工具的配准工具，例如配准工具可在工具的钻头部分上滑动，并且可以由不会影响导航系统的选择材料制成。
在一些实施例中，配准设备是这样的配准工具，其临时地代替工具的部件，并近似于所代替部件对导航系统的作用。例如，配准工具可代替钻头，并且具有与钻头类似的材料、形态和质量。
在一些实施例中，配准设备是工具的一个结构或改装形式。例如，工具可包括肩部，其适于配合要配准并结合到工具的结构中的目标结构。又如，钻头可包括一系列的肩部，其适于配合选择范围的目标结构。
上述配准设备的每个结构单独使用或结合所述其他结构的一些或全部使用均可能是有利的。在本发明范围内的其他实施例可包括以上和示例性实施例中描述的有利结构的子集。
结合图21，根据本发明的实施例，示出了类似于图7的装置的分解图，另外还说明了包括在内的配准工具的例子，以允许相对于传感器10的目标孔的直接测量。导航单元1具有钻套46和夹头4，示出了绕钻轴线5旋转的钻头2、连接到导航单元1的钻3、具有远侧锁紧孔38的IM钉37、传感器10、中空螺钉173和插入工具39，还包括用于使钻轴线5与孔38临时地对齐以便直接测量和记录传感器工具10与孔38的相对位置的配准工具110。配准工具110具有主体部分112和末端部分114及纵向轴线111。
结合图22，图21的组件显示为装配有配准工具110，其插入在钉37的远侧锁紧孔38中的一定位置，用于校准系统与孔38。IM钉37、插入工具39、中空螺钉173和传感器10已装配（如图7中所描述），使得传感器10保持在一个相对于所钻物体上目标位置的固定的预定位置，在本实施例中即锁紧孔38。配准工具110滑到钻头2上并紧靠钻套46。配准工具110的主体部分112用紧密滑动配合的方式配合钻头2（还参见图24），使配准工具110的纵向轴线111与钻轴线5重合。末端部分114以过盈推入配合与锁紧孔38配合。因此，当为进行所示孔配准而装配时，锁紧孔38和钻头2同轴，且它们的轴线与钻轴线5重合，钻轴线5相对于导航单元1是固定的，而传感器10在所有自由度中固定，除了相对于导航单元1围绕钻轴线5旋转外。示出了如图7中限定的从单元1到传感器10的距离141。
结合图23，其示出了取自图21的配准工具110的剖面图。配准工具110包括主体部分112和末端部分114，该末端部分由螺纹115连接，使得末端部分114可用不同直径或形状的替代末端部分替换。纵向轴线111是末端部分114和主体部分112共用的。主体部分112沿轴线111具有孔116。孔116具有直径118，其选择为在钻头2的杆部分上紧密滑动配合（在图21中可见），使得配准工具110可通过手动摩擦配合在钻头2上滑动并从钻头2滑离，并且在配准工具110安装到钻头2上时，使钻头2的弯曲以及钻头2与配准工具110之间的游隙最小，如图24所示。还参见图24，配准工具110具有选择量的长度113，该量大于钻头2从钻套46向远侧延伸的长度，使得为校准锁紧孔而装配时（如图22所示），钻头2的远侧末端位置大致与其在手术期间钻头2进入骨并靠近孔38时相对于传感器10的位置相同。配准工具110所用的材料在理想情况下为非铁磁性的，优选低导电性的，以最小化对电磁导航系统的影响。主体部分112可以由刚性材料制成，末端部分114可以由弹性范围和模量足以在具有选择直径范围的孔中提供适当的推入配合的材料制成。例如，主体部分112可以由外径为一英寸的圆形乙缩醛棒制成，末端部分114可以由300系列的不锈钢制成。许多其他材料可适用于这两种部件，例如，钛以及诸如PEEK或UltemTM的高模量可消毒的塑料。
结合图23a，示出了配准工具110的末端部分114的剖面图。同时参见图23与图23a，末端部分114具有沿轴线5的孔121和四个狭槽123，这些狭槽从轴线111径向向外延伸，从而形成四个柔性段120，所有这些均具有由孔直径122和狭槽宽度124限定的相同截面和形状，并且所有这些围绕轴线111均匀分布。孔直径122和狭槽宽度124根据末端部分114选择的材料的材料性质进行选择，使得柔性段120在其材料的弹性范围内挠曲，从而自由直径128可以向下压缩到末端固定的直径126，而不会折断或永久变形。由于当末端部分114处于直径小于自由直径128的圆柱形镗孔中时柔性段120径向向内均匀压缩，末端部分114在末端固定直径126和自由直径128之间的任何预定直径范围内的任何圆柱形镗孔内居中。柔性段120还设计为在材料的弹性范围的子范围内挠曲，使得配准工具110可以用手动推入配合的方式插入和移除，但对趋于使轴线111与孔38的圆柱形轴线不共线的力有一定阻力（参见图21）。在经过轴线111的任何平面中经受最高5N-m的力矩时，合适的不共线极限为1度。例如，对于具有5.1毫米至5.2毫米容差范围的锁紧孔和由303不锈钢制成的末端部分114，孔直径122、狭槽宽度124、末端固定直径126和自由直径128的适当值分别为2.8、1.0、4.9和5.3毫米。本领域的技术人员将会认识到图23和23a中所示的设备可适于改装成多种形状，例如通过狭槽124和柔性段120的适当详细设计形成的狭槽孔。
参见图24，示出了取自图22的配准工具110的剖面图，其中配准工具110已安装。还参见图23，配准工具110安装在钻头2上时，纵向轴线111与钻轴线5重合。埋头孔117具有经选择的直径119、深度125和角度127，以安装在钻套46的凸台85上，凸台85具有长度87并且与埋头孔117共用直径119和角度127。长度87小于深度125。凸台85和埋头孔117从而一起提供前挡板，限定配准工具110沿轴线5的位置以及轴线111与轴线5的同轴度。
参见图24a，示出了类似于图24的配准设备的第一附加示例性实施例的剖面图，但是其中配准工具110没有使用，相反，钻套46包括改装为所示的具有配合目标结构所选的直径90的凸台85。还示出了钻头2和钻轴线5。
参见图24b，其示出了类似于图24的配准设备的第二附加示例性实施例的剖面图，但是其中配准工具110没有使用，相反，钻头2具有肩部92和94，其适于配合具有直径90和96的目标结构。还示出了钻套46和钻轴线5。
参见图24c，示出了类似于图24的配准设备的第三附加示例性实施例的剖面图，但是其中配准工具110没有使用，相反，钻头2已移除并用具有一系列肩部102、104、106的配准工具100替换，这些肩部具有配合三种不同目标结构选择的直径。在该实施例中，配准工具100的设计和材料被选择为具有与钻头2对电磁位置跟踪类似的作用。还参见图22，在该实施例中，目标结构的直径可以通过记录沿钻轴线5从导航单元1到相对于目标结构固定的传感器的距离141，从三个可能的直径中确定。
参见图24d与图24e，示出了配准设备的第四附加示例性实施例，其适于具有旋转剖面部分的目标孔，旋转剖面部分在孔的每一端（例如，锐边或最小深度的倒角边）绕孔轴线完整旋转。该实施例具有可以改装成比之前的例子更广范围的目标孔直径的优点。在图24d与图24e所示的示例性实施例中，锁紧孔38具有九十度的埋头孔，孔的两端有最小深度。锁紧配准工具250在钻头2上滑动，并且还包括锥形表面251、螺纹部分252和圆柱形部分257，并且锁紧螺母253具有锥形表面254和螺纹孔255。使用时，配准工具250穿过孔38，锁紧螺母253螺纹接合到配准工具250上并拧紧，以形成沿方向256的落座力，该落座力将锥形表面251与254紧压在孔38的埋头边缘上，从而使轴线5与孔38同轴。在该实施例中，配准工具250的圆柱形部分257只需要小于孔38的直径，因此，锁紧配准工具250可采用一系列的孔直径，用户不必操作一些其他示例性实施例中所述的过盈配合。本领域的技术人员将认识到可使用多种机械构造代替锁紧螺母253和配准工具250之间的螺纹连接；可以使用能够保持锥形表面251和254同轴并施加落座力用于沿共同轴线5朝彼此压紧锥形表面251和254的任何机构。
参见图24f、图24g和图24h，其示出了配准设备的第五附加示例性实施例，其中额外的自由度被控制。除了之前所述的实施例中将钻轴线5临时地固定在与孔38同轴的位置之外，配准工具470可另外固定导航单元1相对于钉37围绕轴线5的旋转位置，从而提供相对于传感器坐标系134经过钉纵向中心线40和孔38的轴线的平面的限定（参见图7）作为附加配准信息。此附加约束可通过多种方式实现，取决于钉37与孔38的具体形态，例如，还参见图1a，如果在一组IM钉164中每个钉37具有某个共同的几何元素，则上述示例性配准工具可以很容易地改装成约束钉围绕轴线5的旋转。例如，如果共同的几何元素是在组189中的至少两个孔，则配准工具可以添加多种结构元件以接合第二孔，也可以按照图24h中所示进行改装，以实现相对于导航单元1的固定旋转位置。在所示的示例性实施例中，钉37具有恒定的横截面，其中圆柱形外壳在孔38区域中的选择的直径范围内。孔38的中心线垂直于并穿过钉中心线40，并且孔38每端具有一个埋头孔。配准工具470包括具有多面表面476的主体部分471。螺纹衬圈488接合夹具部分478并支承在肩部473上，使得在拧紧时，夹具部分478沿方向486被拉向表面476，并产生保持钉37抵靠表面476的落座力。表面476在角度490具有至少两个平坦面，关于经过轴线5与钉中心线40的平面对称，因此，在钉37受方向486上的落座力而靠紧表面476座合时，钉37保持在两条线处与表面476发生线接触，这两条线均与钉中心线40平行并穿过接触点492和494，从而将钉37约束为相对于配准工具470围绕轴线5旋转。夹具部分478具有旋转轴线与轴线5重合的锥形表面480以及接合孔38，因此在钉37受方向486的落座力而在表面476和480之间压缩时，孔38被约束为与轴线5同轴。柱塞472具有旋转轴线与轴线5重合的锥形表面474，弹簧482使柱塞472抵靠钉37推进，从而约束钉37围绕中心线40的旋转。柱塞472受到定位螺钉498阻挡，而不会滑出主体部分471，该定位螺钉接合柱塞472中的狭槽499。夹具部分478受到定位螺钉489阻挡，而不会滑落并相对于主体部分471旋转，该定位螺钉接合主体部分471中的狭槽491。螺纹衬圈488被卡环496固定，防止从主体部分471滑落。只要穿过点492与点494的线接触中的至少一个可以保持，且锥形表面474与480保持座合在孔38的边缘，即可将钉37约束在相对于主体部分471的所有六个自由度中。本领域的技术人员将认识到可存在可用来施加上述约束的其他机械构造，并将认识到可以进行各种改装，以适应钉37和孔38的形状变化，例如钉37的非圆柱形截面，表面476可以改为具有对称面、非平坦面或者得以匹配钉的特定形态。相似地，表面476可以用多种机械钳合构造替换。参见图24h，主体部分471具有V字形沟槽493，钻套46改装成包括凸台495。沟槽493接合凸台495，并在用户将单元1和钻头2插入配准工具470中时，约束配准工具主体部分471相对于单元1围绕轴线5的旋转。
参照上面描述的示例性配准工具，本领域的普通技术人员将认识到要配准的目标结构可以具有其他形态，例如凹槽、狭槽、锥形孔或非圆柱形孔，同时相应修改配准工具形状，并将认识到可以用多种机械构造使配准工具与结构临时地对齐，例如钳合、螺栓连接、使用膨胀轴或套爪等。
结合图25，示出了在导航单元1和钻头2安装到典型的钻3情况下，围绕钻轴线5在选择距离141处的典型测量误差与场发生器航向139的曲线图（还参见图7与图7a）。当铁磁性和/或导电性金属在导航系统的测量体积内或附近时，导航系统产生的磁场可能扭曲，造成测量变得不准确。这些影响可用场发生器例如场发生器7放大，这些场发生器足够小而轻以直接安装在手持工具上；更小、更轻的场发生器一般具有更小的激励线圈并产生更弱的磁场。大质量的铁磁性和/或导电性材料，例如在典型的电钻例如钻3中发现的那些材料，可以使测量失真，即便它们放在导航系统的测量体积附近而不一定在导航系统的测量体积内。例如，将质量足够大的钢板放在单元1后面会使测量磁场的扭曲足以在单元1前的整个测量体积造成较大误差。我们观察到当钻3定位在靠近包括在单元1内的场发生器7的后面时，测量传感器越靠近单元1，测量误差就变得越大，如图25所示。因此，要将诸如钻3和铁磁钻头2的工具与场发生器7集成在一起并保持对应用而言足够准确的导航，有利的是对因工具存在而造成的磁场扭曲进行检测和补偿。在图25中，曲线图的水平轴为航向139。曲线图的垂直轴显示了在场发生器7围绕钻轴线5旋转时，传感器坐标系134原点与标称圆圈142的以毫米计的偏差。曲线146显示了传感器10描述的标称圆圈142位于在一百三十毫米的距离141处与场发生器坐标系130的Zw轴相交的平面内时的误差。相似地，曲线148、150、152分别在一百一十毫米、一百毫米和八十毫米的距离141值处产生。图25说明了当钻轴线5与孔38的轴线对齐时测量误差随场发生器7围绕钻轴线5的航向139而变化，并且随着传感器10靠近场发生器7与钻3，测量误差将增大。
本发明的另一个方面提供了用于测量相对于传感器的目标结构位置的配准方法。在一个实施例中，该方法包括如下步骤：将工具和场发生器组件在选择自由度中的已知位置处临时地固定至目标组件的目标结构，记录传感器相对于场发生器的位置，计算结构与传感器的相对位置，以及将结构与传感器的相对位置保存到导航系统的存储器中。例如，在一个实施例中，目标结构可以是孔，工具和场发生器可以是钻，钻轴线和孔轴线可在配准过程中保持同轴，并且孔可限定为目标轴线，其在传感器的坐标系中表示，并代表根据选择数量的位置测量值的平均值计算的目标轴线。
该方法还可包括生成传感器相对于工具和场发生器组件的多个不同位置处的孔位置的查找表的步骤。例如，在另一个实施例中，配准测量可如上所述进行，其中在用户围绕共同的工具和孔轴线旋转工具和场发生器组件时记录配准数据。然后，可存储目标相对于传感器的位置以汇集不同旋转位置，并且在瞄准期间当工具和场发生器组件处于类似位置时调用适当位置。在另一个实施例中，可以内插目标位置的查找表和/或可以创建目标位置与场发生器位置的连续函数。
上述配准方法的每个结构单独使用或结合所述其他结构的一些或全部使用均可能是有利的。在本发明范围内的其他实施例可包括以上和示例性实施例中描述的有利结构的子集。
结合图26，根据本发明的示例性实施例，示出了导航系统术中配准与操作的方法的流程图，其中已执行工厂校准并且查找表143存储在系统存储器中。所示的示例性方法一般包括以下步骤：配准目标结构，确定传感器的当前测量位置，以及对测量位置应用预定的校正以估计更准确的位置。该方法还可有利地包括限定关键传感器位置的子集，以及仅为这些位置确定校正图或函数。
还参见图7a和图22，图25所示的测量误差是半径144、航向139和距离141的函数，该误差在制造时测量，校正值的查找表143存储在嵌入场发生器7中的存储设备中。查找表143包括对从场发生器坐标系130到传感器坐标系134的变换Tws中的平移与旋转的校正，其由导航系统在瞄准期间测量。例如，具有钻头2的导航单元1附接到钻3，并安装到坐标测量机中，坐标测量机可经编程而通过在垂直于场发生器坐标系130的Zw轴的平面内并且具有一定范围的半径144、一定范围的距离141和多个航向139的一系列标称圆圈142（具有已知准确度和精度极限）移动钉37和传感器10。半径144的合适范围为十至九十毫米（增量为二十毫米），距离141的合适范围为八十至一百四十毫米（增量为二十毫米），并且航向139的合适数量为三十六，均匀分布于十度的增量中。因此，查找表143由七百二十对标称Tws(标称)和测量(Tws(测量))变换生成，并包含七百二十个校正变换Tws校正，使得对于半径144、航向139和距离141的每组参数i：
Tws(标称)(i)=Tws(测量)(i)*T(校正)(i)
为了开始配准程序，系统如图22所示装配，包括安装到导航单元1的钻头2，并且配准工具110在钻头2上滑动并向近侧推进直至其紧靠钻套46，并且通过拧紧中空螺钉22将选择的钉37装配到插入工具39。在步骤200，用户接通系统电源，并且在步骤202，在系统存储器中检索从场发生器坐标系130到钻坐标系132的变换Twd（参见图7）。在步骤203，用户选择右肢或左肢，并顺行或逆行靠近，从而可以确定正确的图像取向。在步骤204，用户通过在预编程的列表中选择来输入正在使用的选择钉，或者输入跳过命令以绕过特定的钉选择并使用一般的钉图形。如果在步骤204中用户从列表中选择钉，则系统进行步骤208，在该步骤，会向建议用户待使用的最佳长度传感器工具10。在某些情况下，可能有推荐用于选择的钉并在步骤208中指示的另外替代传感器工具长度。传感器可另外有颜色编码，并且步骤208可具有除了文本之外或代替文本的颜色和图形建议消息。步骤208也开始进行传感器检测程序210，其中导航系统进行检查以确定传感器是否插上。如果系统未检测到传感器，进程将返回至步骤208，并持续循环通过步骤208和步骤210，直至检测到传感器。
当检测到适当的传感器时，系统进行步骤212，提示用户开始校准锁紧孔。在示例性实施例中，合适传感器的标准是运行的传感器返回完整的位置和取向数据。在另一个实施例中，传感器工具10具有存储在存储设备中的由导航系统读取的传感器识别信息，并且只有当传感器为步骤208显示的推荐类型之一时，系统才会进行步骤212。重新参见步骤204，如果用户选择跳过正在使用的特定钉的规格，系统将绕过步骤208，建议用户使用哪个传感器，并直接进行步骤210。
在步骤212，当系统如图22所示装配时，用户选择“开始配准”，系统将开始步骤214的锁紧孔轴线测量进程。在步骤214（还参见图7和图7a），通过如下计算当前锁紧孔的恒定变换Tsh，限定相对于传感器坐标系134的锁紧孔坐标系136，其中钻轴线5与锁紧孔38的轴线保持重合。场发生器到传感器的变换Tws(测量)从导航系统记录，并计算航向139、距离141和半径144。然后用查找表143通过检索在当前位置的航向139、半径144和距离141对应的校正变换T(校正)，将Tws(测量)校正为Tws(校正)：
Tws(校正)=Tws(测量)*T(校正)
然后计算Tsw，即Tws(校正)的倒数。然后将从传感器坐标系134到钻坐标系132的变换Tsd计算为：
Tsd=Tsw*Twd，
其中Twd是在步骤206检索的恒定的场发生器到钻的变换。然后，与钻轴线5同轴的钻坐标系132的Zd轴线可在传感器坐标系134的坐标中用变换Tsd表示为一条线。然后可以按照在图7中的详细描述，限定相对于传感器坐标系134的当前锁紧孔的锁紧孔坐标系136，并表示为变换Tsh。通过记录Tws(校正)的许多样本，计算每个样本的Tsh，然后取所得变换Tsh组的平均值，来提高准确度。Tws(校正)适当的样本数为三十。将所得变换Tsh(i)存储为当前孔i的常数。
将孔配准之后，系统返回步骤212，并且当至少一个孔已经校准时，用户可以选择“完成”，使系统前进到步骤216，在此步骤中确定用户是否在步骤204中选择所用的特定钉，或选择跳过钉选择。如果在步骤204中选择了特定钉类型，系统前进到步骤218，并从存储器中检索选择的钉的立体图。如果步骤212仅校准了一个锁紧孔，则指定钉的立体图与校准孔对齐，并围绕孔轴线旋转，使得钉纵向中心线40（参见图7）与传感器Zs轴在经过Yh和Zh轴的平面上的投影重合，其中钉远侧末端处于正Zs值。如果指定钉的立体图有不止一个锁紧孔，通过将从传感器坐标系134原点到孔坐标系136原点沿Zs轴的距离（参见图7）与步骤208的指定钉和建议的传感器工具长度的期望值进行比较，确定校准的孔。如果步骤212校准了不止一个锁紧孔，系统则将立体图拟合到校准孔轴线上，使得校准孔轴线和立体图孔轴线之间的失配最小化，并且各校准孔之中的最大失配以两个失配参数报告：
·校准孔轴线与相应立体图孔轴线之间的角度差，以及
·校准孔轴线与相应立体图孔轴线的交点与经过钉立体图的纵向中心线的平面的距离。
本领域的技术人员将认识到，可替代地使用其他拟合算法例如最小二乘法或其他方法将锁紧孔坐标系内的选择点或向量拟合到立体图坐标系中。
系统进行步骤222，确定校准孔是否匹配选择钉的立体图中的标称孔位置。如果失配参数大于预定极限，系统将用户返回至步骤212以重新校准孔。如果在失配参数的预定极限内，所有校准孔轴线与立体图中的相应标称轴线重合，系统进行步骤224绘制瞄准视图，并提示用户通过确认目标图形是否显示与正确的孔良好对齐来检查配准。如果用户接受该配准，系统进行步骤226，在该步骤中，导航系统从配准模式变为瞄准模式，并开始持续读取Tws。如果该配准不恰当，用户拒绝该配准并返回至步骤212。如果用户在步骤203中选择了错误的钉设置，或在步骤204中选择了错误的钉类型，可以将系统关闭并重启，返回至步骤203。
重新参见步骤216，如果用户决定不在步骤204中选择特定钉，则系统进行步骤220，在此步骤中绘制通用钉立体图，显示校准孔在其经校准的位置，这些孔周围的典型钉形状在典型+Zs位置具有远侧末端。在步骤220中，如果校准了单个孔，则图形对齐，使得通用钉立体图纵向轴线与传感器Zs轴在经过Yh和Zh轴的平面上的投影重合，其中钉的远侧末端位于沿传感器坐标系134Zs轴的正值处（参见图7）。如果校准了两个或更多个孔，则用最小二乘法最佳拟合线将通用钉立体图的纵向轴线与所有校准孔的孔坐标系136的Zh轴组对齐（参见图7）。然后，系统可进行步骤224，并可如上所述确认配准。
在步骤226中，计算当前传感器位置、航向139、半径144和距离141的参数组，并从查找表143检索相应的校正变换T(校正)。当前读取的Tws校正值按下式计算：
Tws(校正)=Tws(测量)*T(校正)
并且系统进行步骤228，以使用校正值更新用于最终对齐的瞄准显示器。
结合图26a，根据本发明的替代实施例，显示出导航系统术中校准的替代方法流程图，该系统生成校正值的查找表并术中配准目标结构。通常阐述的替代方法包括如下步骤：配准目标结构，记录关键传感器位置子集的校正图，确定校正函数，确定传感器的当前测量位置以及对测量位置应用校正（如果适用）以估计更准确的位置。还参见图7、图7a和图22，此替代方法与图26所示的方法相同，不同的是图26的步骤214被替代孔轴线测量步骤230、234、236、238和240替换，并且所得查找表242和243用于步骤246中以在瞄准过程中补偿钻轴线5附近的场发生器7位置相关的测量失真。
如图26的步骤214所述，用导航单元1将变换Tws记录为围绕钻轴线5随机选择的航向139，与之不同的是，相反地提示用户在航向139整个范围内开始围绕钻轴线5以正方向140或与方向140相反的负方向旋转导航单元1，并通过配准工具110使钻轴线5与锁紧孔38的轴线保持重合。用户可以始终围绕钻轴线5朝任一方向旋转或来回旋转。在步骤230中，测量传感器10相对于场发生器7（表示为变换Tws）的位置，计算传感器到孔的变换Tsh（如以上针对图26所述），计算相应的航向139，并将Tsh和相应的角度存储在查找表242中。另外在步骤230中，开始持续测量Tws并计算航向139，然后计算当前测量航向139和查找表242中航向139的最后记录值之间的差值。在步骤234中，将当前测量航向139和查找表242中最后记录航向之间的差值与预定的角运动阈值进行比较。如果差值超过阈值，则记录当前测量的Tws和航向139对并存储到查找表242中。在步骤236中，将查找表242中的条目数与预定的最小读取数进行比较。在步骤238中，将查找表242中的航向139分类成数字次序，并将查找表242中连续有序的航向之间的最大差值与最大角间隙进行比较。记录持续进行，直到同时达到查找表242中最小读取数和相邻航向之间的最大允许角间隙。合适的角运动阈值为三点五度，合适的读取数为两百，以及合适的最大角间隙为两度。
在步骤240中，通过将二次多项式拟合到位置数据并将四元数拟合到与所关注点相邻的查找表段中的数据，来内插完整的查找表242，从而在相邻场发生器航向139的变换Tsh之间形成平滑过渡。或者在步骤240中，可通过将曲线拟合到步骤230至240中记录的Tsh值来确定平滑函数，所得的函数得出作为航向139的函数的校正Tsh值。系统返回步骤212，给予用户选项以校准第二锁紧孔并针对该孔生成相应的查找表243等等，直至所有需要的孔都已校准，并且每个孔都有相关的查找表。至少一个孔在步骤212校准之后，用户可以进行步骤216至224，这些步骤如图26所述。
在步骤246中，在跟踪目标锁紧孔期间，导航系统测量传感器10相对于场发生器7的位置，并表示为变换Tws，计算当前场发生器航向139，并确定当前离钻轴线5最近的校准孔。检索与最近校准孔对应的查找表，找到离当前航向最近的查找表中的航向，然后在查找表中检索相应的变换Tsh，并用于在步骤248中生成锁紧孔坐标系136和钻坐标系132之间相对位置的显示，从而校正作为航向139函数的跟踪误差。然后，可使用上述孔配准程序得出的数据通过如下方式检查钻轴线5到场发生器坐标系130变换Twd的限定：当其围绕钻轴线5相对于场发生器坐标系130旋转时，拟合穿过从传感器坐标系134原点记录的数据点的平面，将圆形拟合到数据点，并比较垂直穿过圆心的平面和钻坐标系132的Zd轴。还可通过如下方式优化变换Twd：在以上步骤230至240中，围绕钻轴线5旋转场发生器7期间，找到记录的各数据点上钻坐标系132相对于传感器坐标系134的Zd轴线（在各数据点处使用当前Twd和记录的变换Tws），生成一组轴线，并修改Twd直至该组轴线变化达到最小。例如，采用优化方法（如Nelder-Mead单纯形法）使该组的每条Zd轴和平均轴之间存在的角度范围最小化。
本发明的另一方面提供用于监测影响与工具集成的场发生器的测量条件的方法和装置。在一个实施例中，工具和场发生器组件可包括处于相对于场发生器的固定位置的参考传感器，并且参考传感器位置由导航系统持续监测，并且可分析参考传感器位置的标称持续读数的异常变化，其可表示测量失真、干扰、信号噪声等。
在一些实施例中，在导航系统刚启动时、使用过程中、和/或用户发送命令时，参考传感器可以自行校准。当不太可能出现异常干扰或失真条件时，要校准参考传感器，系统可以一次算出大量参考传感器读数的平均值。例如，在上述配准步骤过程中，参考传感器校准可自动执行。又如，不存在已知干扰条件的情况下，可提示用户运行参考传感器校准。
在一些实施例中，可比较参考传感器位置和系统存储器中存储的先前值，以指示工具和场发生器组件特性中可能的系统误差或改变。例如，系统启动时，从存储器中检索参考传感器的最后已知校准位置，并同当前值进行比较，如果差值大于选择的阈值，则可提示用户检查造成干扰或失真的条件，运行参考传感器校准程序或实施检修工序。
在一些实施例中，来自参考传感器的数据还可以用于帮助确定某些工具状态，例如马达是开启还是关闭，以及确定某些工具使用条件，例如马达速度范围以及是否与目标接合。例如，工具可具有电动马达，并且可在参考传感器数据中搜索与马达运行与否对应的特性变化。
使用参考传感器数据监测测量条件并相应修改导航系统功能的方法的例子可包括如下步骤：比较参考传感器位置和/或取向与预定阈值偏差的选择参数，然后激活警报功能，修改导航系统的选择特性，和/或当选择的参数或参数组合落在预定值范围内或超出阈值时，修改导航数据的过滤和处理（包括向用户显示导航信息）。参数可包括参考传感器的位置和取向，或其时间导数，或其任何其他函数。警报功能可为用户界面上的视觉警报、导航暂停、警报器等。导航系统的特性可包括滤波参数以平滑导航数据，例如当工具内的电动马达正在运行时，应用选择的滤波器。
上述用于监测测量条件的方法和设备的每个结构单独使用或结合所述其他结构的一些或全部使用均可能是有利的。在本发明范围内的其他实施例可包括上述的和在下文的示例性实施例中将更详细描述的有利结构的子集。
结合图27，根据本发明的实施例，同时参见图7，示出了当铁磁工具进入并离开场发生器的测量范围从而产生扭曲磁场并造成测量误差时，来自参考传感器8的读数的曲线图。垂直轴260是从场发生器坐标系130到参考传感器坐标系137的变换Twr的Zw分量（以毫米计）。水平轴262是Twr的读取数量，并且所示曲线图包括以四十赫兹频率连续不断读取Twr的三十秒，因此该曲线图显示了约一千两百个读数。曲线264为当在三十秒记录过程中铁磁工具进入并离开测量范围七次而产生测量失真峰266时的Twr的Zw分量。
结合图28，根据本发明的实施例，同时参见图7，示出了当附接的钻3的电动马达启动并关闭从而生成影响导航系统测量的外部磁场时，来自参考传感器8的读数的曲线图。我们观察到，当钻马达正在转动时，钻例如钻3可产生磁场扭曲，继而可产生影响电磁导航系统的高频信号噪声。当钻3的钻马达运行时，此信号噪声会导致瞄准显示器变得不稳定，并显示图形钻图标392（图18和18a中所示）的不真实运动。这种不稳定的显示行为使用户难以在钻孔期间保持并检查对齐。在图28中，垂直轴270是从场发生器坐标系130到参考传感器坐标系137的变换Twr的Zw分量。水平轴272是Twr的读取数量，并且所示曲线图包括以四十赫兹频率连续不断读取Twr的三十秒，因此该曲线图显示了约一千两百个读数。曲线274为当在三十秒记录过程中启动并关闭钻3从而在钻马达运行期间产生测量失真276时的Twr的Zw分量。
本发明的另一方面提供用于过滤从与工具集成的场发生器所得的测量数据的方法和设备，其可包括因干扰或测量误差来改变的数据的检测、排除、校正或估算。此方法的实施例可包括如下步骤：读取当前传感器位置和运动数据；计算选择时间段内的数据的选择特性；将这些特性与预定阈值进行比较；如果选择特性超过选择阈值，则删除当前数据；以及在当前读取之前的选择时间段内，监测删除位置和取向读数的频率，如果此频率超过选择阈值，则向用户显示警报，并且任选地显示由之前数据计算的当前位置和取向的估计值。
在另一个实施例中，处于相对于场发生器的固定位置的参考传感器用于提供干扰噪声的相关测量，并用于除去其他传感器中的干扰噪声。可以用线性自适应除噪技术或使用噪声参考源作为输入的任何其他消除方法进行噪声消除。例如，可将卡尔曼滤波器应用于传感器读数。本领域普通技术人员将认识到，还可以应用利用输入信号统计调整其滤波器行为的任何其他自适应方法，例如递归贝叶斯估计方法。
上述用于过滤从与工具集成的场发生器所得的测量数据的方法和设备的每个结构单独使用或结合所述其他结构的一些或全部使用均可能是有利的。在本发明范围内的其他实施例可包括上述的和在下文的示例性实施例中将更详细描述的有利结构的子集。
结合图29，根据本发明的实施例，示出了取向误差与场发生器航向的关系曲线图。还参见图7和图7a，该曲线图显示围绕钻轴线5完全旋转导航单元1和钻3得到的数据，其中钻3的马达关闭，并且不存在明显的磁场干扰。垂直轴290是从场发生器坐标系130到传感器坐标系134的跟踪变换Tws的角度中的角度误差。水平轴292是导航单元1和钻3围绕钻轴线5的航向139。曲线294是内翻外翻角度误差，其被限定为围绕锁紧孔坐标系136的Yh轴的旋转。曲线296是倒转角度误差，其被限定为围绕钉37的纵向中心线40的旋转。曲线294示出了基本平滑的误差函数，其在正或负的二分之一度范围内，该误差值在典型电磁跟踪系统的正常能力范围内，此系统具有要安装在手持工具上的足够小的场发生器和用于示例性应用的足够小的传感器元件。曲线296示出了倒转高达两度的误差的平滑图案，由于倒转误差是围绕传感器坐标系134的Zs轴的旋转，该误差是预测值，且该误差通常要比围绕剩余的两条轴Xs和Ys的旋转测量的精确度低二至四倍。这是电磁跟踪系统的典型特征，并且原因在于传感器10内的传感线圈物理构造被限制为配合到围绕Zs轴的小半径中，以便使传感器10足够小从而沿纵向中心线40配合到钉37的管道内。然而已观察到具有高达四度误差大小的倒转误差异常值298，造成不同航向139的跟踪准确度明显不一致，并可导致当瞄准显示器指示正确对齐时钻轴线5与锁紧孔38基本上不对齐。
结合图30，根据本发明的实施例，示出了用于导航期间平滑处理并校正传感器位置和取向数据的滤波方法的流程图。该方法一般包括使用跟踪传感器位置和运动数据，任选地与参考传感器数据组合，来确定信号处理参数并告知用户测量条件。
还参见图7，在步骤300中，从导航系统接收当前数据读数。典型导航系统返回参数和空间位置数据，指示是否存在数据，如果存在，则指示其是否有效或可能不可靠。在步骤302中，评估导航系统给出的参数，如果当前读数可用，则系统进行步骤304，在该步骤中评估来自参考传感器的数据。如果在步骤302中确定当前读数丢失或无效，则系统使丢失样本计数器变址加1，并在步骤316中将丢失数据计数器与预选极限进行比较。或者步骤316中丢失数据的极限可以为在选择时间段或自最后可用读取起的选择时间段内丢失读数的百分比。如果已达到丢失数据的极限，系统转至步骤318，并激活不可读数据状态或警报。最常见情况下传感器10超出范围会激活步骤318，然而，可根据导航系统给出的参数检测其他条件，并将此信息传到步骤318以激活更明确的警报（例如，传感器未插电、场发生器未插电、以及无法辨识的传感器类型）。
如果在步骤302中读取成功，则接收到从场发生器坐标系130到传感器坐标系134的变换Tws和从场发生器坐标系130到参考传感器坐标系137的Twr，并且在步骤304中，将当前变换Twr(i)与系统存储器内存储的常数Twr进行比较。如果当前Twr(i)与存储的常数Twr相差超出预定极限，则指示某种形式的干扰或跟踪失真，并且系统转至干扰评估与分类步骤320。
还参见图27和图28，如曲线284所示，由铁磁物体干扰引起的失真266与由钻马达干扰引起的失真276彼此可区分且与正常瞄准运动过程跟踪的参考传感器位置可区分。因此，通过在瞄准过程中持续监测参考传感器8，当检测到具有超出预定阈值的参数的、与失真266相似的失真时可以激活警报消息。磁性物体干扰检测的合适参数对于位置而言是三毫米的阈值，并且对于表示为四元数的取向而言是0.01的阈值。相似地，通过监测具有超出预定阈值的参数的、与失真276相似的失真，可以检测钻3中钻马达的激活，并且信号处理参数例如噪声滤波参数也可以相应变化。相似地，附近设备的循环干扰通常也具有不同的Twr(i)变化模式。干扰也可产生不同的Tws(i)变化，从而也可用于对干扰类型进行检测和分类。干扰也可产生不同的Tws(i)变化，从而也可用于对干扰类型进行检测和分类。在步骤320中，识别干扰类型，并将其分类为类型322、324或326。
在步骤328中，可根据检测到的干扰类型，选择滤波和数据平滑参数，使数据可以使用，或如果数据不准确（例如，由于铁磁物体太靠近场发生器7或传感器10而引起恒定场扭曲的情况），滤波无法使数据可用，于是系统进行步骤330，在该步骤激活警报。如果在步骤304中，当前Twr(i)在预定极限内匹配存储常数Twr，则系统进行步骤306，确定传感器10处于测量范围的什么区域。
通常，导航系统在远范围中具有较差的响应、准确性和精度，这可导致较高的测量噪声水平，继而出现跳跃或不稳定的瞄准显示。在示例性实施例中，场发生器7的测量范围划分为两种范围，即近范围和远范围。近范围被限定为传感器10处于围绕场发生器坐标系130的Zw轴、从Zw负五毫米处延伸到负一百八十毫米并具有一百一十毫米半径的圆柱形体积内。远范围被限定为传感器10处于围绕场发生器坐标系130的Zw轴、从Zw负五毫米处延伸到负二百七十五毫米并具有二百毫米半径的圆柱形体积内，但不包括以上限定的近范围体积。如果当前读数Tws(i)处于远范围内，则系统进行步骤332，并应用适合远范围的滤波参数。在示例性实施例中，使用移动平均滤波器，默认处于近范围时平均超过十个样本，处于远范围时则增加到二十个样本。在步骤308中，将默认低通滤波器或前述步骤中确定的滤波参数应用到Tws。在步骤310中，将当前滤波Tws(i)与前面的值进行比较，并确定Tws(i)是否为异常值298（如图29所示）。
在示例性实施例中，通过将选择时间段内的Tws变化值与阈值进行比较，来检测异常值298。如果变化值明显高于瞄准过程中正常记录的值，则指示异常值298。合适的时间段为五十毫秒，并且对于平移而言合适的变化阈值为十毫米，对于用四元数表示的取向而言合适的变化阈值为0.25，这两种阈值应用于绝对值之和。如果检测到异常值298，系统进行步骤334，并丢弃当前读数，丢失读数计数器被变址，并且系统返回至步骤316。如果在步骤310中确定Tws(i)不是异常值，则系统进行步骤312，在该步骤处用滤波数据更新瞄准显示器，然后进行步骤314，在该步骤处从导航系统检索下一个数据样本。
图31至图38示出了本发明某方面的实施例的若干例子，提供了将骨断片锁紧到IM钉的设备和方法，其中采用的锁紧方式可临时或永久地维持穿过沿钉的纵向中心线的管道的开放通道。
结合图31，根据本发明的示例性实施例，具有轴部分156和末端部分154的传感器工具10配合到植入股骨354的IM钉37内。在钉37在股骨354中插入和定位过程中，插入工具39临时螺栓连接到钉37。插入工具39还具有导向孔，以将近侧锁紧钻头344与近侧锁紧孔346对齐。近侧锁紧钻头344穿过钉37的近侧锁紧孔346，然后通过导丝374向上延伸进入股骨头348制备孔，以便在工序的后期安装永久锁紧元件（未示出）。末端部分154包含以上在图1a至图6中所述的传感器元件，并如上所述用于定位钉37的远侧锁紧孔38，特别是在钻通股骨354中引导钻与远侧锁紧孔38成一直线，以便安装远侧锁紧螺钉352。
结合图32，根据本发明的示例性实施例，近侧锁紧钻头344显示具有管道376、宽366和长368的狭槽孔356、以及与狭槽孔356对齐的标记358。标记358与狭槽孔356的尺寸和形状相同，位于沿钻头344的选择距离370，以便当钻头344穿过所需最大深度进入股骨354（参见图31）时在患者身体外面可见，并且其复制在钻头344相对侧，使得在钻头344旋转中，用户可以在一百八十度的间隔处看到狭槽孔356的取向。本领域的普通技术人员将认识到，标记358可替代地为指示狭槽孔356旋转取向的任何合适指示器（例如，箭头、孔、沟槽或狭槽），其位于围绕钻头344的纵向轴线的相对于狭槽孔356的已知固定旋转取向上，并且将认识到可使用单个标记358。
参见图31、图32和图33，钻头344的直径360选择为适于将穿过近侧锁紧孔346安装的永久锁紧元件，狭槽孔宽度366选择为与钉管道直径372相似，且足够大以便传感器工具10的末端部分154可以穿过，并且狭槽孔长度368选择为涵盖不同体格患者之中遇到的钉37和股骨头348之间距离的范围。钻头344的合适直径360为十一毫米，狭槽孔356的合适宽度366为六毫米，并且狭槽孔356的合适长度368为二十毫米。管道376具有选择的直径，以便在导丝374上滑动。合适直径的例子是对于导丝374为3.2毫米，对于管道376为3.4毫米。本领域的普通技术人员将认识到，狭槽孔356可替代地为不同形状，例如，可以使用卵圆形、椭圆形或圆柱形孔。本领域的普通技术人员还将认识到，根据传感器工具10的尺寸和柔性，狭槽孔356可以偏离钉37的中心线，无需关于钉37的中心线对称，并且可以具有凹口或凹槽的形式而非窗孔。
结合图32a，根据本发明的示例性实施例，示出了近侧锁紧钻头344的侧视图，其中管道376和标记358可见。
结合图3，根据本发明的示例性实施例，示出了仅在近侧股骨区域中的在经过股骨354中线的额状面截取的剖面图。传感器工具10的轴部分156具有轴直径160，合适的直径在三至四毫米的范围内，并且钉37具有沿其轴线的管道，该管道具有通常在四至五毫米范围内的直径372。如图所示，钻头344显示已通过导丝374钻入如外科医生确定的进入股骨头348的合适深度，并且导丝374已从侧向拉出足够长以腾空钉37中的管道直径372，并且可任选地完全取出。通过目测将标记358和患者肢体对齐，使钻头344的狭槽孔356与钉37中的管道大致对齐，使得当传感器工具10安装到钉37内时，传感器工具10的末端部分154（参见图31）和轴部分156可穿过狭槽孔356。
结合图31、图32和图33，本发明某方面的示例性使用方法如下：使用附接的插入工具39将IM钉37插入股骨354中。设置股骨354断片并固定钉37在股骨354中的位置，并且通过导丝374将钻头344穿过近侧锁紧孔346并进入股骨头348到达合适深度。然后，将钻头344旋转至一定位置，其中标记358处于相对股骨354的近侧和远侧面向位置。然后，将导丝374向后拉出股骨，而钻头344保留在原处，以便将股骨354的近侧断片保持就位。接着，将传感器工具10插入钉37中，以便于远侧锁紧螺钉352的安装。当远侧锁紧完成时，移除传感器工具10，可根据需要重新插入导丝374，取出钻头344，并且通过近侧锁紧孔346将永久近侧锁紧元件（未示出）安装到股骨头348中。
参见图31至33，本领域的技术人员将认识到，其他实施例也可行，其中作为钻头344的替代，可以使用具有与狭槽孔356相似的狭槽孔的临时螺柱或导丝（以下图34、35和36中示出了一种此类示例性替代实施例）。本领域的技术人员还将认识到，与狭槽孔356相似的狭槽孔可以直接设置在永久锁紧元件中。
结合图34，根据本发明的替代实施例，示出了临时锁紧螺柱420的顶视图。使用过程中，将螺柱420一端螺纹连接到股骨头中，其中螺纹422与股骨头断片接合。此区域中的外径424可以为例如5.4毫米。将螺柱420沿其整个长度插入，管道具有选择的直径426，以适于在导丝上滑动（参见图36）。狭槽孔428具有约等于或大于IM钉37的管道直径372（参见图33）的宽度430并具有长度432。选择长度432，以允许沿螺柱420轴线从钉37中心线向上进入股骨头348到达螺柱420末端的距离范围，使得安装螺柱420时，钉37的中心线位于长度432内。要适应患者人群中遇到的股骨颈长度范围，可提供具有不同狭槽孔长度432和总长度434的一组螺柱420。指示器孔436与狭槽孔428对齐，还具有适于插销扳手或杆插入的直径，以允许螺柱420轻松转动而插入和移除。例如，指示器孔436的合适直径为4.4毫米。
结合图35，示出了图34中所示的本发明替代实施例的前视图。示出了替代实施例的临时锁紧螺柱420。螺柱420具有纵向轴线438。狭槽孔428以角度440取向，选择此角度以使典型股骨颈与轴角匹配。角度440的合适值为一百三十度。还示出了指示器孔436。
结合图36，根据图34所示的本发明替代实施例，示出了仅在近侧股骨区域中的在经过股骨354中线的额状面截取的剖面图。如图所示，一端具有螺纹444的导丝442插入在股骨头348内，其中螺纹444接合在股骨头348外表面附近的皮质骨中。如图所示，螺柱420位于导丝442上的适当位置，其中螺纹422与导丝螺纹444侧面的股骨头348相接合。通过目测将指示器孔436与患者肢体对齐，使螺柱420中的狭槽孔428与钉37中的管道大致对齐，使得可以在不失去股骨头348稳定性的情况下，临时取出导丝442，然后当传感器工具10沿方向446安装到钉37的管道中时，传感器工具10（另参见图31）可以穿过狭槽孔428。在完成远侧锁紧并移除传感器工具10之后，可以重新插入导丝442，并将其拧回到股骨头348，移除螺柱420以及将永久锁紧元件安装在导丝442上。
结合图31和图34至36，本发明替代实施例的使用方法类似于示例性实施例的使用方法，不同的是使用钻头仅钻取股骨354的外侧皮质，并且用螺柱420替换钻头344。当优选不钻通股骨颈并进入股骨头348而是只使用导丝442来稳定股骨头348并引导永久锁紧元件安装时，可以使用此方法。
结合图37、图37a和图38，示出了适用于特定应用的本发明的第二替代实施例，该应用中锁紧孔直径类似管道直径，这种情况下，用于钻取锁紧孔的钻头太小，无法适应示例性实施例中所示的狭槽孔。图37示出了具有外部506和柱塞508的螺柱504。外径502被选择为滑动配合在骨内针对锁紧螺钉所制作的钻孔522（参见图38）中。膨胀末端部分510具有两条狭缝500，将膨胀末端部分510划分为四个象限。
图37a是螺柱504的剖面图，示出了滑动配合在外部506内的柱塞508。螺柱504可以由例如不锈钢、钛、或由高模量可热压塑料如PEEK、或由提供足够挠曲和剪切抗性的任何其他材料制成。
图38是骨512的剖面图，其中植入了IM钉514并且螺柱504显示为接合在骨512的仅一层皮质和钉514的一个壁中。钉514具有直径520的管道，该直径与锁紧孔直径518相似。锁紧孔钻直径522稍微小于锁紧孔直径518。使用时，锁紧孔钻（未示出）穿过软组织516、骨512的一层皮质、钉514以及骨512的相对皮质。螺柱504通过所得的钻孔滑动足够远以接合钉514的一个壁，并相对于外部506向下推动柱塞508，向外扩大末端部分510（参见图37和37a），使之与锁紧孔518过盈配合。在钻孔后并且在螺柱504安装前或安装后，传感器工具轴部分156可穿过钉514中的管道。因此，当传感器工具10（参见图31）在使用中时，螺柱504将钉514固定在相对于骨512的适当位置。当不再需要传感器工具10时，将其移除，移除螺柱504，并穿过骨512和钉514安装永久锁紧元件（例如锁紧螺钉，未示出）。
本发明的某些实施例包括由本文所述的一种或多种工具和装置构成的套件。例如，套件可包括如本文所述的一种或多种传感器工具和一种或多种植入物或这些传感器工具可使用的其他组件。此类套件还可包括可附接到插入物或其他组件上的一个或多个插入工具。传感器工具和插入工具可配置有允许传感器工具能够拆卸地连接到插入工具的结构。此类套件还可包括配准工具，用于使工具与植入物或其他组件配准。套件的另一个例子包括工具以及可附接到此工具的场发生器、可附接到此工具的显示器和可附接到此工具的导航单元中的一种或多种。在某个实施例中，套件包括多种不同工具和场发生器，并且工具被配置成允许场发生器连接到不同工具中的任何一种。导航单元可包括场发生器和显示器（其可以固定到导航单元或从导航单元拆下）。此类套件还可包括配准工具，用于使工具与植入物或其他组件配准。此类套件也可包括一种或多种工具构件，例如一种或多种钻头、锯、销、铣刀等。
所有专利公开、专利和专利申请以引用方式并入本文，其引用程度如同明确且独立地指明每个独立的专利公开或专利申请是以引用方式并入的。
术语解释
除非上下文另有明确要求，否则整篇说明书和权利要求中：
·“包括”、“包含”等应解释为包含性意义，而非排他性或穷举性意义；也就是说，“包括但不仅限于”的意义。
·“连接”、“联接”或其任何变体表示两个或更多个元件之间直接或间接的任何连接或联接；元件之间的联接或连接可以是物理的、逻辑的或其组合。
·“本文”、“上文”、“下文”和类似含义的词语在用来描述本说明书时，应是将本说明书视为一个整体，而非本说明书的任何具体部分。
·涉及两个或更多个项目的列表的“或”涵盖以下对该词的解释：列表中的任何一个项目、列表中的全部项目、以及列表中项目的任何组合。
·单数形式的“一个”、“一种”和“该”还包括任何适当复数形式的意思。
本说明书和任何所附权利要求（存在时）中使用的表示方向例如“垂直”、“横向”、“水平”、“向上”、“向下”、“向前”、“向后”、“向内”、“向外”、“垂直”、“横向”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“下面”、“上面”、“下方”等的词依据所描述和阐述的设备的具体取向。本文所述的主题可具有多个可供选择的取向。因此，这些方向性术语没有严格限定，不应进行狭义解释。
可使用如下实现本发明实施例的数据处理特征：专门设计的硬件；可配置硬件；通过提供能够在数据处理器中执行的软件（其可任选地包括“固件”）而配置的可编程数据处理器；专用计算机或数据处理器，其经具体编程、配置或构造以执行本文详细说明的方法中的一个或多个步骤；和/或这些之中的两种或更多种的组合。专门设计的硬件的例子为：逻辑电路、专用集成电路(“ASIC”)、大规模集成电路(“LSI”)、超大规模集成电路(“VLSI”)等。可配置硬件的例子为：一种或多种可编程逻辑设备，例如可编程阵列逻辑(“PAL”)、可编程序逻辑阵列(“PLA”)以及现场可编程门阵列(“FPGA”)。可编程数据处理器的例子为：微处理器、数字信号处理器(“DSP”)、嵌入式处理器、图形处理器、数学协处理器、通用计算机、服务器计算机、云计算机、大型计算机、计算机工作站等。例如，设备控制电路中的一种或多种数据处理器可通过执行处理器可访问的程序存储器中的软件指令来实施本文所述的方法。可以采用这些方式的任何一种实施上述方法的任何一种。根据本发明的某些实施例的系统可配置成执行本文所述的一种或多种方法。如果系统被配置成执行本文所述的不止一种功能或方法，则可使用相同或不同硬件实施不同方法或功能。例如，计算机处理器可用于为位置传感系统提供计算，也用于协调和/或实施本文所述的一种或多种方法。在其他实施例中，可使用不同硬件实施不同方法和/或不同功能。
处理可为集中式或分布式。如果处理为分布式，则包括软件和/或数据的信息可集中式或分布式保存。此类信息可经由通信网络例如局域网(LAN)、广域网(WAN)、互联网、有线或无线数据链路、电磁信号或其他数据通信信道，在不同功能单元之间交换。
软件和其他模块可存在于服务器、工作站、个人计算机、平板计算机、数据库服务器或适合本文所述目的其他设备上。
本发明的某些实施例也可以程序产品的形式提供。程序产品可包括任何非临时性介质，这些介质携带了一组计算机可读指令，这些指令在由数据处理器执行时，促使数据处理器执行本发明的方法。根据本发明的程序产品可以为各种形式中的任何一种。程序产品包括例如非临时性介质如磁性数据存储介质（包括软盘）、硬盘驱动器、光数据存储介质（包括CDROM、DVD）、电子数据存储介质（包括ROM、闪存、EPROM）、硬连线或预编程芯片（如，EEPROM半导体芯片）、纳米技术存储器等。程序产品上的计算机可读信号可任选地进行压缩或加密。
如果上文提到组件（如联接件、传感器、场发生器、显示器、工具、软件模块、处理器、组合件、装置、电路等），除非另外指明，否则所提到的该组件（包括提到的“装置”）应当理解为包括执行所述组件功能的任何组件的组件等同物（即功能上的等效），包括与执行本发明的所示示例性实施例中的功能的本发明所公开的结构在结构上不等同的组件。
出于说明的目的，系统、方法和设备的具体实例已在本文进行描述。这些仅为实例。本文提供的技术可应用于除上述示例性系统以外的系统。在本发明实践中，可以有多种变化、修改、增加、省略和排列。本发明包括对于技术人员显而易见的所述实施例的变型，包括通过以下方式得到的变型：用等同的结构、元件/或行为替换结构、元件和/或行为；混合搭配不同实施例中的结构、元件和/或行为；将本文所述实施例的结构、元件和/或行为与其他技术的结构、元件和/或行为组合；和/或省略所述实施例中组合的结构、元件和/或行为。
本文所述设备的另一个示例性应用为安装工具的显示器。该显示器可与铣刀一起使用以监测切割过程，可在锯上使用以控制对齐和/或切割深度，可在铰刀上使用以控制髋臼杯元件布置，可在销插入导向器上使用以控制克氏针的插入等。
所述方法可以变化。例如，当流程或区块按给定顺序出现时，可供选择的实例可以不同顺序执行具有步骤的程序，或应用具有区块的系统，并且一些流程或区块可以删除、移动、添加、细分、组合和/或修改以提供替代物或子组合。可以通过多种不同方式实施这些流程或区块中的每个。另外，虽然流程或区块有时显示为连续执行，但这些流程或区块可相反地并行执行，或可在不同时间执行。此外，虽然元件有时显示为按顺序执行，但它们可相反地同时执行，或按不同顺序执行。
虽然上文描述了许多示例性方面和实施例，但本领域的技术人员将识别出某些修改、变更、添加和其子组合。因此，以下所附权利要求书和下文引入的权利要求应理解为包括所有这些修改、变更、添加和子组合。

Claims (131)

1.一种手持工具，包括：
能够手持的主体；
联接到所述主体的工具构件；
联接到所述主体的场发生器，所述场发生器能够操作以发射用于通过位置传感系统的传感器进行检测的场，所述场允许测定所述传感器相对于所述场发生器的位置。
2.根据权利要求1所述的手持工具，其中所述场发生器被支撑在相对于所述工具构件的轴线固定的位置且位于所述工具构件上的点处。
3.根据权利要求1或2所述的手持工具，其中所述场发生器被配置成发射电磁场。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的手持工具，包括被联接成致动所述工具构件的运动的马达。
5.根据权利要求4所述的手持工具，其中所述工具构件包括转刀。
6.根据权利要求5所述的手持工具，其中所述场发生器相对于所述转刀在5个自由度上是固定的，使得所述转刀和所述场发生器之间的唯一显著的经允许的相对运动为所述转刀围绕所述转刀的固定旋转轴线的相对旋转。
7.根据权利要求5或6所述的手持工具，其中所述工具构件包括钻头。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的手持工具，其中所述工具构件包括锯片。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的手持工具，其中所述工具构件包括选自以下的刀具：铣刀、扩孔钻、钻头、以及锯片。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的手持工具，其中所述工具构件包含铁磁材料。
11.根据权利要求4所述的手持工具，其中将所述马达联接成使所述工具构件围绕旋转轴线旋转或枢转，并且所述场发生器位于所述旋转轴线之外。
12.根据权利要求11所述的手持工具，其中所述场发生器能够相对于所述主体在多于两个的不同位置之间运动，其中所述不同位置中的每一个与所述旋转轴线等距，并且所述不同位置中的每一个与位于所述旋转轴线上的所述工具构件中的点等距。
13.根据权利要求4所述的手持工具，其中将所述马达联接成使所述工具构件围绕旋转轴线旋转或枢转，并且所述场发生器位于所述旋转轴线上。
14.根据权利要求13所述的手持工具，其中所述工具构件延伸穿过从所述场发生器中穿过的通道。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的手持工具，其中所述场发生器通过能够调节的联接件联接到所述主体，所述联接件允许所述场发生器相对于所述主体运动。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的手持工具，其中所述场发生器能够拆卸地联接到所述主体。
17.根据权利要求15所述的手持工具，其中所述工具构件具有旋转轴线并且所述联接件被配置成允许所述场发生器围绕所述工具构件的旋转轴线旋转。
18.根据权利要求17所述的手持工具，其中所述联接件被配置成使所述场发生器与所述工具构件的旋转轴线保持固定的径向间距。
19.根据权利要求1至14中任一项所述的手持工具，其中所述工具包括多个安装联接件，并且所述场发生器能够拆卸地附连到所述多个安装联接件中的每一个。
20.根据权利要求19所述的手持工具，其中所述工具构件具有旋转轴线并且所述多个安装联接件围绕所述旋转轴线成角度地间隔开。
21.根据权利要求20所述的手持工具，其中所述安装位置位于以所述旋转轴线为中心的圆上。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的手持工具，其中所述工具构件能够以预定的模式在限定的运动范围内相对于所述主体运动。
23.根据权利要求22所述的手持工具，其中所述工具构件能够仅围绕所述工具构件的对称轴线相对于所述主体运动。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的手持工具，还包括封装所述场发生器的无菌封装件。
25.根据权利要求1至24中任一项所述的手持工具，还包括夹子，所述夹子联接到所述主体以将手术单保持到所述手持工具。
26.根据权利要求1所述的手持工具，其中所述场发生器被支撑在能够拆卸地联接到所述主体的导航单元上，所述导航单元包括衬套，并且所述工具构件穿过所述衬套。
27.根据权利要求1至14中任一项所述的手持工具，其中所述场发生器被支撑在能够拆卸地联接到所述主体的导航单元上，所述导航单元包括被联接成由所述马达转动的能够旋转的轴，并且所述工具构件联接到所述能够旋转的轴。
28.根据权利要求27所述的手持工具，包括安装到所述能够旋转的轴的远端的钻夹头。
29.根据权利要求28所述的手持工具，其中所述工具构件包括与所述钻夹头接合的钻头。
30.根据权利要求1至14中任一项所述的手持工具，其中所述场发生器被支撑在能够拆卸地联接到所述主体的导航单元上，所述导航单元包括钻夹头并且所述主体包括能够附接以驱动所述钻夹头的钻马达。
31.根据权利要求30所述的手持工具，包括被配置成显示来自导航系统的瞄准信息的显示器，所述显示器联接到所述主体。
32.根据权利要求31所述的手持工具，其中所述显示器通过联接件联接到所述主体，所述联接件允许所述显示器相对于所述主体的取向改变。
33.根据权利要求31或32所述的手持工具，其中将所述显示器联接成相对于所述工具的轴线进行枢转运动。
34.根据权利要求31至33中任一项所述的手持工具，包括联接到所述显示器的倾斜仪，所述倾斜仪提供指示所述显示器的倾斜度的输出信号。
35.根据权利要求34所述的手持工具，其中所述倾斜仪包括加速度计。
36.根据权利要求34或35所述的手持工具，其中基于来自所述倾斜仪的输出信号来控制显示于所述显示器上的内容的取向。
37.根据权利要求31至33中任一项所述的手持工具，包括编码器，所述编码器被配置成提供指示所述显示器相对于所述主体的角度位置的输出信号。
38.根据权利要求37所述的手持工具，其中基于来自所述编码器的输出信号来控制显示于所述显示器上的内容的取向。
39.根据权利要求1至39中任一项所述的手持工具，包括参考传感器，所述参考传感器能够操作以接收由所述场发生器发射的场并输出指示所述参考传感器相对于所述场发生器的位置的信号。
40.根据权利要求39所述的手持工具，其中所述参考传感器附连到所述场发生器的外壳或在所述外壳内。
41.根据权利要求39或40所述的手持工具，包括附连到所述工具的多个参考传感器。
42.根据权利要求41所述的手持工具，其中所述多个参考传感器附连到所述场发生器的外壳或在所述外壳内。
43.根据权利要求1至42中任一项所述的手持工具，所述手持工具与具有沿配准轴线突出的构件的配准工具相结合，其中所述配准工具适于临时地联接到所述工具构件，使得所述配准轴线相对于所述工具构件的轴线保持预定的空间关系。
44.根据权利要求43所述的手持工具，其中所述构件被配置成临时地联接到组件的目标结构，使得所述配准轴线相对于所述目标结构的轴线保持第一预定的空间关系。
45.根据权利要求43所述的手持工具，其中所述配准工具的构件包括末端部分，所述末端部分能够压缩以紧密贴合在多个不同尺寸的目标结构中。
46.根据权利要求43所述的手持工具，其中所述配准工具的构件包括至少一个有回弹力的弹性元件。
47.根据权利要求43至46中任一项所述的手持工具，其中当所述配准工具联接到所述工具构件时，所述配准工具的构件与所述工具构件同轴。
48.一种包括根据权利要求1至47中任一项所述的手持工具的系统，所述手持工具与包括至少一个传感器的位置传感系统相结合，所述至少一个传感器能够操作以接收由所述场发生器发射的场并输出指示所述传感器相对于所述场发生器的位置的信号。
49.根据权利要求48所述的系统，其中所述传感器具有传感器起始点和传感器轴线，所述传感器起始点在相对于所述传感器的固定位置处，所述传感器轴线在相对于所述传感器的固定取向上并且穿过所述起始点，并且其中所述场发生器还包括存储装置和存储在所述存储装置中的一组校正因子，其中每个校正因子与所述传感器相对于所述手持工具的一组预定位置之一相对应。
50.根据权利要求49所述的系统，其中在所述一组传感器位置的每个位置处，所述传感器轴线垂直于所述工具轴的轴线，并且在距所述工具上的末端点的选择的距离处与所述工具的所述轴线相交。
51.根据权利要求48至50中任一项所述的系统，包括连接成过滤来自所述至少一个传感器的信号的滤波器。
52.根据权利要求51所述的系统，其中所述滤波器包括一个或多个变量参数，所述手持工具包括一个或多个参考传感器，并且所述系统被配置成至少部分地基于来自所述一个或多个参考传感器的信号来设定所述滤波器的所述一个或多个变量参数。
53.根据权利要求49至52中任一项所述的系统，包括处理器，所述处理器被联接成接收来自所述传感器的信号，并且被配置成根据所述信号来确定在所述手持工具相对于所述传感器的当前位置和取向之间的差异并且在所述显示器上显示指示所确定的差异的信息。
54.根据权利要求53所述的系统，其中所述处理器被配置成在所述显示器上显示在所述手持工具的当前位置和期望位置之间的第一差异的第一指示器以及在所述手持工具的当前对齐和期望对齐之间的第二差异的第二指示器，其中所述系统被配置成仅在所述第一差异小于阈值差异时才显示所述第二指示器。
55.根据权利要求49至54中任一项所述的系统，其中所述系统包括校正单元，所述校正单元被配置成至少部分地基于所述传感器相对于所述工具构件的轴线以及位于所述工具构件上的固定点所确定的位置来校正根据所述信号确定的所述传感器的位置，所述场发生器与所述工具构件存在已知的空间关系。
56.根据权利要求55所述的系统，其中所述校正单元包括以下的一个或多个：查找表、诸如多项式函数的预定校正函数、样条插值、经优化以减小场发生器的输出误差的参数图、以及神经网络。
57.根据权利要求49至56中任一项所述的系统，其中所述导航系统被配置成跟踪所述传感器相对于所述场发生器的运动，并且至少部分地基于所跟踪的运动来确定所述工具构件的切割深度。
58.根据权利要求57所述的系统，其中所述导航系统还被配置成：
监测一个或多个附加参数，所述附加参数包括以下的一个或多个：所述手持工具的马达是否开启、所述手持工具的马达速度，以及
当所述传感器的被跟踪运动和所述一个或多个附加参数对应于危险状态的预定标准时生成警告。
59.根据权利要求49至58中任一项所述的系统，包括适于显示所述手持工具相对于目标的位置的可视化用户界面，所述可视化用户界面包括：
代表所述目标的目标图形元件；
代表所述工具的工具图形元件；以及
代表所述工具与所述目标的相对位置的至少一个相对位置参数。
60.根据权利要求59所述的系统，其中所述可视化用户界面包括用于确定所述目标图形元件和所述工具图形元件的所显示尺寸的变量放大因子。
61.根据权利要求60所述的系统，所述系统被配置成响应于所述相对位置参数在预选的值范围内达第一预选时间间隔来改变所述放大因子。
62.根据权利要求61所述的系统，所述系统被配置成响应于所述相对位置参数在所述预选的值范围之外达第二预选时间间隔来将所述放大因子设定为默认值。
63.根据权利要求49至62中任一项所述的系统，包括数据库，所述数据库包含多个组件的几何数据，所述几何数据包括指示所述组件中的每一个的一个或多个目标结构相对于所述组件上的一个或多个参考位置的取向和位置的数据。
64.一种具有集成的导航设备的工具，包括：
具有工具轴线和位于所述工具轴线上的末端点的工具；
电磁位置测量系统的磁场发生器组件；
其中所述工具和所述场发生器联接在一起，使得所述末端点位于相对于所述场发生器的固定位置，并且所述工具轴线位于相对于所述场发生器的固定取向。
65.一种适于在场中将工具与目标结构对齐的工具导航设备，所述设备包括：
具有工具轴线的工具；
电磁导航系统的场发生器组件；
第一传感器，所述第一传感器相对于目标固定并且适于产生指示所述第一传感器相对于所述场发生器的位置的第一信号；
第二传感器，所述第二传感器相对于所述场发生器固定并且适于产生指示所述第二传感器相对于所述场发生器的位置的第二信号；以及
被配置成至少部分地基于所述第二信号而向用户指示失真的场状态的指示器。
66.根据权利要求65所述的工具导航设备，其中所述导航系统被配置成监测包含所述第二信号的至少一个参数的第一参数集，并且当所述第一参数集超过第一预选阈值集时发送失真的磁场状态的信号。
67.根据权利要求66所述的工具导航设备，其中所述导航系统被配置成监测包含所述第二信号的至少一个参数的第二参数集，所述设备还包括适于使所述第一信号平滑的滤波器，所述滤波器具有至少一个能够选择的过滤参数，其中所述过滤参数基于所述第二参数集的一个或多个参数值进行选择。
68.根据权利要求65至67中任一项所述的工具导航设备，其中所述目标结构包括整形植入物中的孔。
69.根据权利要求65至67中任一项所述的工具导航设备，其中所述目标结构包括患者的解剖结构。
70.一种手持工具，包括：
包括工具主体的工具；
通过联接件联接到所述工具主体的显示屏幕，所述联接件允许所述显示屏幕在至少一个自由度中相对于所述工具主体运动。
71.根据权利要求70所述的工具，其中所述工具包括限定纵向轴线的工具构件，并且所述至少一个自由度包含围绕所述纵向轴线的旋转。
72.根据权利要求71所述的工具，其中所述工具包括能够相对于所述工具的主体旋转的刀具，并且所述纵向轴线为所述刀具的旋转轴线。
73.根据权利要求72所述的工具，其中所述显示屏幕能够相对于所述工具的主体围绕两条旋转轴线独立地旋转。
74.根据权利要求70至73中任一项所述的工具，其中所述联接件包括用于以相对于所述工具主体的选择的取向来保持所述显示屏幕的锁定机构。
75.一种用于校准系统的方法，所述系统包括手持工具和位置传感系统，所述位置传感系统用于测定所述手持工具相对于组件的目标结构的位置和取向，所述方法包括：
在所述手持工具上提供探针构件，所述探针构件具有在所述手持工具上的固定位置和取向；
将所述探针构件完全插入所述组件的目标结构中，所述探针构件被配置成紧密贴合所述目标结构；
用所述位置传感系统确定所述手持工具和所述组件的相对位置和取向。
76.根据权利要求75所述的方法，其中所述手持工具包括工具构件，并且所述探针构件通过将所述工具构件滑动到所述探针构件的开口中而设置在所述手持工具上。
77.根据权利要求75所述的方法，其中所述探针构件包括切割工具。
78.根据权利要求75所述的方法，其中所述探针构件包括钻头。
79.根据权利要求78所述的方法，其中所述钻头包括肩部。
80.根据权利要求76所述的方法，其中所述工具构件包括钻头，所述探针构件中的所述开口包括尺寸设定成容纳所述钻头的孔，并且所述探针构件包括与所述孔同轴的伸长突出。
81.根据权利要求80所述的方法，其中所述伸长突出包含弹性材料，并且将所述探针构件插入所述组件的目标结构中包括压缩所述伸长突出的所述弹性材料。
82.根据权利要求75至81中任一项所述的方法，包括记录所述手持工具和所述组件的相对位置和取向。
83.根据权利要求82所述的方法，包括基于所述手持工具和所述组件的相对位置和取向以及所述探针构件的已知几何形状来校准所述位置传感系统。
84.一种用于校准系统的配准设备，所述系统包括手持工具和位置传感系统，所述位置传感系统用于测定所述手持工具相对于组件的目标结构的位置和取向，所述手持工具包括工具构件，所述配准设备包括具有用于与所述目标结构紧密贴合接合的突出的构件以及用于容纳所述工具构件并且将所述工具构件保持在相对于所述突出的预定固定取向和位置的凹槽。
85.根据权利要求84所述的配准设备，其中所述目标结构包括孔，所述工具构件包括钻头，所述凹槽包括尺寸设定成在所述钻头上提供滑动配合的孔，并且所述突出包括与所述凹槽同轴的伸长构件。
86.根据权利要求84或85所述的配准设备，包括邻近所述突出构件的近端的邻接表面，所述邻接表面被配置成通过与邻近所述目标结构的所述组件的表面接合来限制所述突出构件插入所述目标结构中至预定的深度。
87.一种工具，包括：
具有工具轴线的工具构件；
电磁导航系统的场发生器组件，所述场发生器被支撑在相对于所述工具轴线和所述工具轴线上的点的固定位置处；
具有结构的整形植入物，所述结构具有结构轴线，以及
适于产生指示相对于所述场发生器的传感器工具位置的信号的传感器工具，
其中，
所述传感器工具在相对于所述结构的预定固定位置处联接到所述整形植入物；
所述工具适于临时地联接到所述结构，使得所述工具轴线相对于所述结构轴线保持第一预定空间关系；并且
所述导航系统适于记录所述结构轴线相对于所述传感器工具的位置。
88.一种适于附接到组件的传感器工具，所述传感器工具包括：
具有长度、远端和近端的轴部分；
附接到所述近端的柄部部分；
在所述远端处的末端部分，其中所述末端部分包括至少一个柔性的弹性构件；以及
附接在靠近所述远端的固定位置处的位置指示元件。
89.根据权利要求88所述的传感器工具，其中所述末端部分包括多个径向延伸的弹性构件。
90.根据权利要求89所述的传感器工具，其中所述弹性构件是弓形的并且具有附接到所述末端部分的近端和远端。
91.根据权利要求88至90中任一项所述的传感器工具，其中所述柄部部分还包括连接元件，所述连接元件适于临时地将所述柄部部分附接到插入工具，使得所述传感器工具被保持在相对于所述组件的独特且预定的固定位置。
92.根据权利要求88至91中任一项所述的传感器工具，所述传感器工具适于附接到植入式医疗装置。
93.根据权利要求92所述的传感器工具，其中所述植入式医疗装置包括IM钉。
94.根据权利要求88至93中任一项所述的传感器工具，其中所述轴部分是柔性的。
95.根据权利要求91所述的传感器工具，其中所述轴部分具有足以将目标结构近侧的所述末端部分放置到所述目标结构的期望距离内的长度。
96.根据权利要求91所述的传感器工具，其中所述连接元件包括适于接合位于所述柄部中的螺纹孔的螺钉。
97.根据权利要求88至95中任一项所述的传感器工具，其中所述连接元件包括适于接合所述柄部的一部分的夹具。
98.根据权利要求91所述的传感器工具，其中所述连接元件包括所述主体部分的至少一个柔性弹性元件，并且其中所述弹性元件适于接合所述插入工具的至少一个选择的结构。
99.根据权利要求88至98中任一项所述的传感器工具，其中所述末端部分在具有位于一定范围内的直径的镗孔中是自动定心的。
100.根据权利要求88至99中任一项所述的传感器工具，其中所述柄部部分包括用于将所述传感器工具与组件接合的搭扣配合机构。
101.一种适于插入具有目标结构的整形植入物的第一结构中的传感器工具，所述传感器工具包括插入所述第一结构中至相对于所述目标结构位于近侧的位置的末端部分、安装在所述传感器工具上位于所述末端部分处或所述末端部分附近的固定位置处的位置指示元件、以及用于直接或间接地将所述传感器工具联接到所述整形植入物的保持部分，其中所述末端部分能够压缩以安装到具有在一系列尺寸范围内的尺寸的第一结构中。
102.根据权利要求101所述的传感器工具，其中所述第一结构包括管道。
103.根据权利要求101或102所述的传感器工具，其中所述传感器工具被配置成将所述末端部分保持在距所述目标结构的预定最小距离处。
104.根据权利要求101至103中任一项所述的传感器工具，其中所述位置指示元件被配置成生成指示其相对于导航系统的元件的位置的响应。
105.根据权利要求101至104中任一项所述的传感器工具，其中所述末端部分在所述第一结构中是自动定心的。
106.一种适于与刚性连接到整形植入物的插入工具附接的传感器工具，所述传感器工具包括：
具有长度的主体部分；
嵌入在所述主体部分内的固定位置处的位置指示元件；以及
连接元件，
其中所述连接元件适于临时地将所述主体部分附接到所述插入工具，使得所述主体部分被固定在相对于所述植入物的独特预定位置。
107.一种用于提供关于工具相对于目标的位置和取向的视觉反馈的方法，所述方法包括：
显示表示所述目标的目标图形元件；
显示表示所述工具的工具图形元件；
测定表示所述工具与所述目标的相对位置的至少一个相对位置参数；以及
至少部分地基于所述相对位置参数，设定确定所述目标图形元件和所述工具图形元件的显示尺寸的放大因子的值。
108.根据权利要求107所述的方法，包括响应于所述相对位置参数在预选的值范围内达第一预选时间间隔内来将所述放大因子的值设定为替代值。
109.根据权利要求108所述的方法，包括响应于所述相对位置参数在所述预选的值范围之外达第二预选时间间隔来将所述放大因子设定为默认值。
110.一种用于提供关于工具相对于目标结构的位置和取向的视觉反馈的方法，其中所述工具具有工具轴线并且所述目标结构具有目标轴线，所述方法包括：
监测所述工具和目标结构的相对位置和取向；
确定表示所述工具轴线与在所述目标轴线上的第一选择的点的相对位置的第一相对位置参数；
确定指示所述工具轴线与所述目标轴线的相对取向的第二相对位置参数；
显示指示所述工具和所述目标结构的相对位置的位置指示器，以及指示所述工具和所述目标结构的相对对齐的对齐指示器；以及
每当所述第一相对位置参数具有超出预定范围的值时，抑制对所述对齐指示器的显示。
111.根据权利要求110所述的方法，其中所述第一相对位置参数包括从所述目标轴线上的第一选择的点垂直于所述目标轴线到所述工具轴线所测得的距离。
112.根据权利要求110或111所述的方法，其中所述第二相对位置参数包括从末端点到所述目标轴线的正交距离。
113.根据权利要求110所述的方法，其中所述第一相对位置参数包括从所述目标轴线上的第一选择的点垂直于所述目标轴线到所述工具轴线所测得的距离。
114.根据权利要求110或113所述的方法，其中所述第二相对位置参数包括从所述目标轴线上的第二选择的点垂直于所述目标轴线到所述工具轴线所测得的距离。
115.一种用于指示工具相对于目标结构的位置和取向的可视化用户界面，其中所述工具具有工具轴线并且所述目标具有目标轴线，所述界面包括：
用于确定表示所述工具轴线与所述目标轴线上的第一选择的点的相对位置的第一相对位置参数和第二相对位置参数的装置，所述第二相对位置参数与所述第一相对位置参数一起表示所述工具轴线与所述目标轴线的相对取向；
显示器；
界面控制器，所述界面控制器被配置成当所述第一相对位置参数在所述第一预选范围内时在所述显示器上显示指示所述工具的能够接受的位置的第一标记，并且当所述第一相对位置参数在所述第一预选范围内且所述第二相对位置参数同时在第二预选范围内时在所述显示器上显示指示所述工具的能够接受的取向的第二标记，其中当所述第一相对位置参数不在所述第一预选范围内时，抑制所述第二标记的显示。
116.根据权利要求115所述的可视化用户界面，其中所述第一相对位置参数包括从所述目标轴线上的第一选择的点垂直于所述目标轴线到所述工具轴线所测得的距离。
117.根据权利要求115或116所述的可视化用户界面，其中所述第二相对位置参数包括从所述工具轴线上的位于所述工具末端处的末端点到所述目标轴线的正交距离。
118.根据权利要求115所述的可视化用户界面，其中所述第一相对位置参数包括从所述目标轴线上的所述第一选择的点垂直于所述目标轴线到所述工具轴线所测得的距离。
119.根据权利要求118所述的可视化用户界面，其中所述第二相对位置参数包括从所述目标轴线上的第二选择的点垂直于所述目标轴线到所述工具轴线所测得的距离。
120.一种适于将骨断片相对于髓内钉固定的固定元件，所述钉具有沿纵向轴线的管道以及具有孔轴线的交叉孔，其中所述孔轴线与所述纵向轴线相交，
所述固定元件包括：杆部分、通过所述杆部分的窗孔、以及适于接合所述断片的末端部分，
所述固定元件的尺寸设定成滑动穿过所述交叉孔至相对于所述钉的至少一个位置处，在所述位置中所述末端部分接合所述断片，
其中，在所述至少一个位置中，所述窗孔与所述管道对齐，使得所述管道的选择的最小横截面积不被阻挡。
121.根据权利要求120所述的固定元件，其中所述元件包括钻头，并且所述末端部分还适于钻通骨。
122.根据权利要求121所述的固定元件，其中所述元件包括螺柱，并且所述末端部分包括外部螺纹部分。
123.适于将骨断片相对于具有孔的整形植入物固定的临时固定设备，所述孔具有直径，
所述固定设备包括具有杆部分和末端部分的构件，所述杆部分适于接合骨断片，所述末端部分适于接合所述孔，所述末端部分的直径能够从小于所述孔的直径的第一直径膨胀至大于所述孔的直径的第二直径。
124.根据权利要求123所述的临时固定设备，其中所述植入物包括具有纵向轴线的髓内钉并且所述孔具有孔轴线，并且其中所述孔轴线与所述纵向轴线斜交或相交。
125.根据权利要求120至124中任一项所述的固定元件或临时固定设备在不阻塞所述植入物的管道的情况下用于将植入物保持就位的用途。
126.一种用于将信息传输到手持工具的用户的方法，所述方法包括：
监测工具和组件的相对位置；
检测切割的启动；
监测切割速率；
以及以下操作中的一种或多种：
显示指示与期望的切割速率存在偏差的标记；以及
检测切割器的钻通。
127.被配置成执行如本文所述的方法或其一部分的设备。
128.一种如在图9A、18B、19A、20A、26、26A或30的任意一个或多个中所示的方法或其一部分。
129.一种包括存储计算机可读的计算机软件的实体媒介的程序产品，当所述计算机可读的计算机软件被处理器执行时，其使所述处理器执行如本文所述的方法。
130.一种方法，所述方法包括如本文所述的任何新的和具有创造性的步骤、动作、步骤和/或动作的组合或步骤和/或动作的子组合。
131.一种设备，所述设备包括如本文所述的任何新的和具有创造性的元件、元件的组合或元件的子组合。
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