CN104918573A - 用于外科手术工具的触觉控制的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种外科手术系统包括外科手术工具(36)，外科手术工具(36)与虚拟触觉交互点(60)相关联以使得所述虚拟触觉交互点的运动对应于所述外科手术工具的运动。所述外科手术系统还包括处理电路(20)以建立虚拟入口边界(50)和激活触觉对象(52)，其在所述触觉交互点穿过所述虚拟入口边界后约束所述外科手术工具。

Description

用于外科手术工具的触觉控制的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年12月21日提交的美国申请号13/725,348的权益和优先权，其全部内容以引用的方式并入本文中。

背景

本发明总体上涉及触觉领域，并且更具体地涉及外科手术工具的触觉控制。

在计算机辅助外科手术中，外科医生可利用触觉装置。“触觉”是指触摸的感觉，且触觉领域尤其涉及提供反馈给操作者的人交互式装置。反馈可以包括触觉，诸如例如，振动。反馈还可以包括提供力给用户，如运动的正向力或阻力。触觉的一个常见用途是为装置用户提供操纵所述装置的引导或限制。例如，触觉装置可以联接到外科手术工具，它可以由外科医生操纵以执行外科手术。外科医生的外科手术工具操纵可以通过使用在外科手术工具的操纵过程中提供反馈给外科医生的触觉被引导或限制。

手术方案通常在用触觉装置执行外科手术之前制定。手术方案可以是针对具体患者的。基于手术方案，外科手术系统在手术过程的部分期间引导或限制外科手术工具的运动。外科手术工具的控制用来在实施手术方案的过程中保护患者和帮助外科医生。

通常，在外科手术过程中使用的触觉装置可以具有至少两个操作模式。在自由模式中，外科医生可基本上自由地操纵联接到装置的外科手术工具。在触觉控制模式中，外科手术系统的组件(例如，触觉对象)被激活，以引导或限制外科手术工具的运动。使用现有技术的触觉装置可通过在手术过程中改进自由模式和触觉控制模式之间的转换的机制来增强。

发明概述

本发明的一个实施方案涉及一种外科手术系统。所述外科手术系统包括与虚拟触觉交互点相关联的外科手术工具，其中所述虚拟触觉交互点的运动对应于所述外科手术工具的运动。所述外科手术系统还包括处理电路，其被配置为建立虚拟入口边界和激活触觉对象，其中被激活的触觉对象被配置为在所述触觉交互点穿过所述虚拟入口边界后约束所述外科手术工具。

本发明的另一实施方案涉及一种使用外科手术系统的方法。所述方法包括提供外科手术工具和提供虚拟触觉交互点，其中所述虚拟触觉交互点的运动对应于所述外科手术工具的运动。所述方法还包括提供虚拟入口边界和激活触觉对象，其中被激活的触觉对象被配置为在所述触觉交互点穿过所述虚拟入口边界后约束所述触觉交互点。

本发明的又一实施方案涉及一种上面具有在由处理电路执行时有助于计划或执行外科手术的指令的计算机可读存储介质。所述介质包括用于使外科手术工具与虚拟触觉交互点相关联使得所述虚拟触觉交互点的运动对应于所述外科手术工具的运动的指令；用于建立虚拟入口边界和虚拟出口边界的指令；用于激活触觉对象的指令，其中被激活的触觉对象被配置为在所述触觉交互点穿过所述虚拟入口边界后约束所述外科手术工具；以及用于在所述触觉交互点穿过虚拟出口边界后停用所述触觉对象的指令。

可替代示例性实施方案涉及如一般可在权利要求中所引用的其它特征和特征的组合。

附图简述

结合附图，从以下详细说明将更全面地了解本发明，其中相同的参考标号是指相同的元件，其中：

图1是根据示例性实施方案的外科手术系统。

图2A和2B是矢状锯的实施方案。

图3A和3B示出根据示例性实施方案的计划股骨改造，以及图3C和3D阐明根据示例性实施方案的计划胫骨改造。

图4示出根据示例性实施方案的使用外科手术系统的方法。

图5A-5E示出根据示例性实施方案，当工具法线垂直于触觉对象时进入和退出触觉控制。

图6A和6B显示根据示例性实施方案的图5A-5E的触觉对象。

图7A和7B示出根据示例性实施方案的偏置触觉对象。

图8A-8E示出根据示例性实施方案，当工具轴线垂直于触觉对象时进入和退出触觉控制。

图9A和9B显示根据示例性实施方案的图8A-8E的触觉对象。

图10示出根据示例性实施方案的偏置触觉对象的另一实施方案。

图11A-11E示出根据示例性实施方案，当触觉对象为线时进入和退出触觉控制。

图12示出图11A-11E的实施方案的手术方案的各种特征。

图13A-13D示出根据示例性实施方案，当触觉对象为三维体时进入和退出触觉控制。

图14示出图13A-13D的实施方案的手术方案的各种特征。

图15示出当脱开触觉控制时所采用的触觉恢复特征。

图16示出根据示例性实施方案的入口边界。

详述

在转向详细阐明示例性实施方案的附图前，应了解，本申请不限于在描述中所陈述或在图式中所阐明的细节或方法。还应了解，术语是仅出于描述的目的且不应被视为限制性。例如，若干图解说明描绘当对患者膝盖进行特定外科手术时与触觉控制的进入和退出有关的方法。然而，本文所述触觉控制的实施方案可应用于在任何类型的外科手术过程中对患者的任何部位(包括患者的肩膀、手臂、肘、手、臀、腿、足、颈部、面部等)的外科手术工具的触觉控制。

示例性外科手术系统

参考图1，外科手术系统100包括导航系统10、计算机20和触觉装置30。导航系统追踪患者的骨骼，以及手术过程中所用的外科手术工具，以允许外科医生在显示器24上使骨骼和工具视觉化且使能够联接到触觉装置30的外科手术工具36的触觉控制。

导航系统10可以是任何类型的导航系统，其被配置为在外科手术过程中追踪患者的解剖结构和外科手术工具。例如，导航系统10可包括非机械式追踪系统、机械式追踪系统、或非机械式与机械式系统的任何组合。导航系统10获得对象关于参考坐标框的位置和取向(即姿势)。随着对象在参考坐标框中运动，导航系统追踪对象的姿势以检测对象的运动。

在一个实施方案中，导航系统10包括如图1所示的非机械式追踪系统。所述非机械式追踪系统是任选的追踪系统，其具有检测装置12和布置在被追踪对象上且可由检测装置12检测到的可追踪元件(例如，导航标志14)。在一个实施方案中，检测装置12包括基于可见光的检测器，诸如MicronTracker(加拿大多伦多的克莱伦技术公司(Claron Technology Inc.,Toronto,CN))，其检测在可追踪元件上的图案(例如，棋盘图案)。在另一个实施方案中，检测装置12包括立体照相机对，其对红外辐射敏感且可定位在将进行外科手术的手术室中。可追踪元件是以安全和稳定的方式被固定到追踪对象，并且包括具有已知与追踪对象几何关系的标志阵列。如已知，所述可追踪元件可以是有源的(例如，发光二极管或LED)或无源的(例如，反射球、棋盘图案等)，并有独特的几何形状(例如，标志的独特几何结构)，或在有源线接标志的情况下，为独特的击发图案。

在操作中，检测装置12检测可追踪元件的位置，且外科手术系统100(例如，使用嵌入式电子器件的检测装置12)基于所述可追踪元件的位置、独特的几何形状和已知与追踪对象的几何关系，计算被追踪对象的姿势。导航系统10包括用于用户期望追踪的每个对象的可追踪元件，诸如位于胫骨2上的导航标志14、位于股骨4上的导航标志16、触觉装置的标志18(以追踪触觉装置30的全局或总位置)，以及端部效应器标志19(以追踪触觉装置30的远端)。

再次参考图1中，外科手术系统100还包括处理电路，在图中表示为计算机20。所述处理电路包括处理器和存储器装置。所述处理器可以被实现为通用处理器、专用集成电路(ASIC)、一个或多个场可编程门阵列(FPGA)、一组处理组件、或其它合适的电子处理组件。所述存储器装置(例如，存储器、存储单元、存储装置等)是用于存储用于完成或便于在本申请中描述的各种进程和功能的数据和/或计算机代码的一个或多个装置(例如，RAM、ROM、闪存、硬盘存储等)。所述存储器装置可以是或包括易失性存储器或非易失性存储器。存储器装置可以包括数据库组件、对象代码组件、脚本组件、或任何其它类型的信息结构，用于支撑在本申请中描述的各种活动和信息结构。根据一个示例性实施方案，存储器装置可通信经由处理电路连接到所述处理器，并且包括用于(例如，由处理电路和/或处理器)执行本文所述的一个或多个进程的计算机代码。

计算机20被配置为与导航系统10和触觉装置30通信。另外，计算机20可接收与外科手术有关的信息，并执行与进行外科手术有关的各种功能。例如，计算机20可具有根据需要执行与图像分析、手术计划、配准、导航、图像引导和触觉引导有关的功能的软件。

触觉装置30包括基座32、机器人臂34、以及联接到机器人臂34的外科手术工具36。所述外科手术工具可以是能够被联接到机器人臂34的任何外科手术工具。例如，在图1的实施方案中，外科手术工具36是球形毛刺。外科手术工具36也可以是图2A中所示的矢状锯38、或图2B中所示的矢状锯40。矢状锯38的刀片39平行于工具轴线42对准，而矢状锯40的刀片39垂直于工具轴线42对准。外科医生可以在球形毛刺、矢状锯38、矢状锯40、或任何其它类型的外科手术工具之间进行选择，这取决于外科医生希望进行的骨改造类型(例如，孔、平面切口、弯曲边缘等)。

外科医生与触觉装置30交互以对患者进行外科手术。一般情况下，触觉装置30具有两种操作模式。在自由模式中，外科医生可基本上自由地操纵外科手术工具36的姿势。在触觉控制模式下，一个或多个触觉对象52被激活。如本文中各个实施方案中描述，触觉对象52可以约束外科手术工具36。

制定手术计划

手术计划在外科医生进行外科手术前被创建。利用患者的解剖结构的三维示图，在此也称为虚拟骨模型45(参照图3A-3D)，制定手术计划。“虚拟骨模型”可包括软骨或除骨以外的其它组织的虚拟表示。为了获得虚拟骨模型45，计算机20接收在其上将执行外科手术的患者的解剖结构的图像。患者的解剖结构可使用任何已知的成像技术，如CT、MRI或超声波进行扫描。然后将扫描数据分段以获得虚拟骨模型45。例如，在对膝盖进行外科手术之前，创建股骨4和胫骨2的三维示图。可替代地，虚拟骨模型45可以通过从骨模型的数据库或库中选择三维模型而得到。在一个实施方案中，用户可以使用输入装置22来选择合适的模型。在另一个实施方案中，计算机20可以被编程以基于图像或关于患者所提供的其它信息选择适当的模型。从数据库中选择的骨模型然后可以根据特定患者的特征变形，从而创建虚拟骨模型45，以用于如本文所述的外科手术的计划和实施。

外科医生可以基于虚拟骨模型45创建手术方案。手术方案可包括由外科医生使用外科手术系统100作出的所期望的切口、孔、或对患者骨骼的其它改造44。可以基于手术过程中待联接到骨的组件的配置，来计划所述改造。例如，进行全膝关节置换术之前，手术计划可包括图3A-3D所示的计划骨改造。图3A和3B示出了股骨4的虚拟骨模型45，其包括计划股骨4改造，包括前切46、前倒角切92、远端切84、后倒角切94和后切96。图3C和3D示出了胫骨2的虚拟骨模型45，其包括计划胫骨2改造，包括胫骨地板切49、壁切51和栓钉切53。图3A和3B中所示的计划股骨4改造对应于虚拟组件66(图6A)，它代表待联接到股骨4的组件。

手术计划还包括一个或多个触觉对象，其将通过外科手术期间使外科手术工具36约束而在手术计划实施过程中协助外科医生。触觉对象52可以形成为一维、二维或三维。例如，触觉对象可以是线(图11A)、平面(图6B)、或三维体(图13A)。触觉对象52可以是弯曲的或具有弯曲的表面，并且可以是任何形状。触觉对象52可以被创建以表示在外科手术过程中外科手术工具36运动的各种所需的结果。例如，呈线形式的触觉对象52可表示外科手术工具36的轨迹。平面的触觉对象52可以表示待在骨44表面上创建的改造，如切口。三维触觉对象的一个或多个边界可表示一个或多个待在骨44的表面上创建的改造，如切口。此外，三维触觉对象的部分可以对应于骨的待在手术过程中被除去的部分。

在进行外科手术之前，患者的解剖结构是通过任何已知的配准技术配准到患者的解剖结构的虚拟骨模型45。一种可能的配准技术是基于点的配准，如在美国专利号8,010,180中所描述，标题为“触觉导向系统和方法(Haptic Guidance System and Method)”，2011年8月30日授予，并以引用方式将其全部内容并入本文中。可替代地，配准可以通过利用手持式X射线照相成像装置的2D/3D配准来实现，如美国申请号13/562,163中所描述，标题为“X射线照相成像设备(Radiographic Imaging Device)”，2012年7月30日申请，并以引用方式将其全部内容并入本文中。患者解剖结构的配准允许在外科手术过程中精确的导航和触觉控制。当患者的解剖结构在外科手术过程中运动时，外科手术系统100对应地运动虚拟骨模型45。虚骨模型45因此对应于患者的实际(即物理)解剖结构或与此相关联。同样，在手术计划期间创建的任何触觉对象52也对应于患者的解剖结构运动，和触觉对象52对应于实际(即物理)空间的位置。在物理空间中的这些位置被称为工作边界。例如，线性触觉对象52对应于物理空间中的线性工作边界，平面触觉对象52对应于在物理空间中的平面工作边界，以及三维触觉对象52对应于在物理空间中的三维体。

外科手术系统100还包括虚拟工具47(图5A)，它是外科手术工具36的虚拟表示。在外科手术过程中通过导航系统10追踪外科手术工具36允许虚拟工具47对应于外科手术工具36运动。虚拟工具47包括一个或多个触觉交互点(HIP)，其代表物理外科手术工具36的位置且与其相关联。如下文进一步描述，HIP和触觉对象52之间的关系使外科手术系统100约束外科手术工具36。在一个实施方案中，其中外科手术工具36是球形毛刺，HIP 60可表示球形毛刺的中心(图11A)。如果外科手术工具36是不规则的形状，例如矢状锯38或40(图2A和2B)，则矢状锯的虚拟表示可以包括众多HIP。使用多个HIP以在外科手术工具上产生触觉力(例如运动的正向力反馈或阻力)是描述在美国申请号13/339,369中，标题为“提供基本稳定的触觉的系统和方法(System and Method for Providing Substantially StableHaptics)”，2011年12月28日提交，并以引用方式将其全部内容并入本文中。在本发明的一个实施方案中，表示矢状锯的虚拟工具47包括11个HIP。如本文所用，提及“HIP”被认为也包括引用“一个或多个HIP”。例如，HIP 60可以表示一个或多个HIP，以及基于HIP 60的任何计算或流程包括基于多个HIP的计算或流程。

在外科手术过程中，外科手术系统100基于HIP和触觉对象52之间的关系约束外科手术工具36。通常，如本文所用的术语“约束”，是用来描述一种限制运动的倾向。然而，施加在外科手术工具36上的约束形式取决于相关触觉对象52的形式。触觉对象52可以任何期望的形状或配置形成。如上所述，三个示例性实施方案包括线、平面或三维体。在一个实施方案中，外科手术工具36被约束，因为外科手术工具36的HIP 60被限制沿着线性触觉对象52运动。在另一个实施方案中，外科手术工具36被约束，因为平面触觉对象52基本上防止HIP 60在平面之外和在平面触觉对象52的边界之外运动。平面触觉对象52的边界充当封闭HIP 60的“围栏”。如果触觉对象52是三维体，外科手术工具36可以通过基本上防止HIP 60在由三维触觉对象52的壁所围合的体积外运动而被约束。由于虚拟环境(包括虚拟骨模型45和虚拟工具47)和物理环境(包括患者的解剖结构和实际的外科手术工具36)之间的关系，施加在HIP 60上的约束导致相应在外科手术工具36上的约束。

外科手术过程中的触觉控制

在外科手术开始时，触觉装置30(联接到外科手术工具36)通常被设定在自由模式。因此，外科医生能够运动外科手术工具36朝向骨44以准备创建计划修改，如切口或洞。本文中所呈现的各种实施方案可便于触觉装置30从自由模式切换到触觉控制模式和从触觉控制模式返回到自由模式，这可能增加用外科手术系统100的效率和方便性。

一种使用外科手术系统的方法在图4中阐明。在步骤401中，提供外科手术工具。还提供虚拟HIP，其与外科手术工具(如图1的外科手术工具36)相关联，使得HIP的运动对应于外科手术工具36的运动(步骤402)。手术方法还包括提供虚拟入口边界和虚拟出口边界(步骤403)。如下文进一步描述，入口和出口边界是在外科手术方案过程中创建的虚拟边界，且HIP和入口和出口边界之间的交互可以便于触觉装置30在外科手术过程中在自由模式和触觉控制模式之间切换。换句话说，HIP和进入和出口边界之间的交互便于进入和退出触觉控制。在步骤404，触觉对象被激活。被激活的触觉对象可以在触觉交互点穿过虚拟入口边界后约束外科手术工具。在步骤405，在HIP穿过虚拟出口边界后，触觉对象被停用。因为触觉对象可以基本上与HIP穿过虚拟出口边界同时停用，术语“后”可包括发生在基本上与HIP穿过虚拟出口边界同时的停用。

图5A-5E示出在进入和退出触觉控制的一个实施方案中的虚拟环境。在本实施方案中，虚拟骨模型45表示股骨4，和虚拟工具47表示呈矢状锯38形式(例如，如图2A中所示)的外科手术工具36。矢状锯38可以是用于在全膝关节置换术期间创建多种切口，如对应于计划前切46、后切96和胫骨地板切49的切口(图3A-3D)。在图5A-5E所阐明的实施方案中，计划改造是前切46，其对应于虚拟植入物组件66的前表面68(图6A)。图3B示出在虚拟骨模型45上的计划前切46的透视图。图5A中描绘的虚拟环境包括平面的触觉对象52。平面触觉对象52也可以是偏置触觉对象78(以下描述)。平面触觉对象52可以是任何所需形状，如在图6B中所示的形状。图6B示出触觉对象52、虚拟工具47的刀片、和虚拟植入物组件66，全部彼此叠加以帮助了解手术方案的各种组件之间的关系。在本实施方案中，触觉对象52表示待在股骨4上创建的切口。因此触觉对象52在图6A和6B中显示与虚拟植入物组件66的前表面68对准。虚拟工具47的刀片显示在触觉控制模式中，此时触觉对象52被激活，并且在刀片被局限在触觉对象52的平面。

再次参照图5A，入口边界50是手术计划制定过程中创建的虚拟边界。HIP 60和入口边界50之间的交互，触发触觉装置30以从自由模式切换为“自动对准模式”，下文更全面描述的触觉控制的一个阶段。入口边界50代表在患者的解剖结构附近的工作边界，并且被设计和定位成使得外科医生能够当触觉装置30处于自由模式时准确地引导外科手术工具36到工作边界。入口边界50可以但不一定，围合触觉对象52的一部分。例如，在图5A中，入口边界50围合触觉对象52的一部分。

图5A呈现虚拟环境的一个横截面。在本实施方案中，入口边界50是丸状体并围合三维体。丸状体入口边界50具有半径为R的圆筒部分(在图7A中所示)和两个也具有半径R的半球形端部(未示出)。目标线54形成圆筒轴线(垂直于图5A中所示的页面)。目标线54通过目标点55，其是图示横截面中入口边界50的中心。入口边界50还可以是任何其它形状或构造，例如球体、立方体、平面或曲面。

在一个实施方案中，入口边界50可以是如图16中所示的“豆子形”入口边界50a。豆子形入口边界由切出如上所述的丸状体入口边界的一个节段，以形成具有图16中所示的横截面的入口边界50a而形成。在本实施方案中，入口边界50a的因此是成形为去除节段的丸子的三维体，使得所述虚拟入口边界的截面是扇形的(即，“豆子形”)。吃豆子形入口边界50a包括两个相交的触觉壁52a。目标线54(图16中垂直于页面)表示触觉壁52a内的交叉点。目标点55为目标线54的中心。触觉壁52a是是本文所述的触觉对象52的一实施方案，并且因此可以通过基本上防止HIP 60跨越触觉壁52a来约束的外科手术工具36的运动。触觉壁52允许豆子形入口边界50a在患者的骨的前面创造安全区。豆子形入口边界50a可被用作在本文中所述任何实施方案的入口边界，以在外科手术工具正在接近患者时保护患者的骨。图16示出虚拟工具47(其对应于外科手术工具36)，当其与触觉壁52a接触。触觉壁52a防止虚拟工具47(以及因此的外科手术工具36)跨越触觉壁52a和接近患者的骨。

在外科手术开始时，外科医生引导外科手术工具36朝向由入口边界50所代表的工作边界。一旦外科医生使外科手术工具36的HIP60穿过入口边界50，外科手术系统100进入自动对准。自动对准之前或期间，外科手术系统100进行计算，以重新定位和重新定向外科手术工具36。在一个实施方案中，计算包括计算距离58(见图5B)。如果外科手术工具36是球形毛刺，距离58可以表示单个HIP 60和目标线54(例如，如图11B所述)或另一参考对象之间的最短距离线。当外科手术工具36是矢状锯38或40中，重新定位和重新定向外科手术工具36的计算可以基于多个HIP相对于目标线54或其它参考对象的位置，虽然距离58可以仍然被计算。

在执行必要的计算后，外科手术系统100能够自动地将外科手术工具36从图5B中所示的虚拟工具47的姿势对准到图5C所示的虚拟工具47的姿势。本文所述的触觉控制的实施方案可以(1)自动修改外科手术工具36的位置(即重新定位)，(2)自动修改外科手术工具36的取向(即重新定向)，或(3)既自动重新定位也重新定向外科手术工具36。短语“自动对准”可以指场景(1)、(2)或(3)中任一者，并且是用于修改外科手术工具36的位置和取向中任一者或两者的通用术语。在图5A-5E的实施方案中，例如，自动对准可改变外科手术工具36相对于骨44的位置和取向两者。重新定位是通过运动HIP 60使得HIP60位于触觉对象52的平面内来实现。在一个实施方案，HIP 60被重新定位以位于目标线54上。重新定向外科手术工具36可以通过旋转虚拟工具47使得如图5C中所示虚拟工具法线48垂直于触觉对象52(即刀具法线48平行于触觉对象法线62)来实现。当虚拟工具47表示矢状锯38，对准虚拟工具法线48垂直于触觉对象52使矢状锯38的刀片39被准确地相对于骨44定向。然而，如果外科手术工具36的切削部分是对称的，例如当外科手术工具36是球形毛刺时，它可能没有必要在自动对准期间重新定向外科手术工具36。相反，外科手术工具36可能仅被重新定位以使HIP 60在触觉对象52的平面内。自动对准完成后，外科手术工具36是到位以根据术前手术计划执行骨改造。

外科手术系统100可包括安全机构，以在自动对准期间提供控制给外科医生。安全机构可以被设计为要求由用户的特定动作(或动作的继续)以完成自动对准。在一个实施方案中，当HIP 60穿过入口边界50时，外科手术系统100产生可听噪音或其它警报。外科手术系统100随后能够启动自动对准。然而，在自动对准发生之前，外科医生必须通过按压触发器或执行其它动作起作用。如果触发器是在自动对准释放，则外科手术系统100可停止触觉装置30的任何自动运动或引起触觉装置30进入自由模式。在另一个实施方案中，触觉装置30包括传感器，当外科医生的手存在时用于感测。如果外科医生在自动对准期间把他或她的手从传感器移出，外科手术系统100可能会停止触觉装置30的任何自动运动，或导致触觉装置30进入自由模式。外科医生行动是通过继续保持他或她的手放在传感器上来确保完成自动对准。安全机构的这些实施方案允许外科医生决定是否以及何时使能自动对准，并且进一步允许外科医生停止自动对准，如果在自动对准期间另一对象(例如，组织、仪器)处在外科手术工具36的方式中。

如果正在利用上述安全机构，图16的入口边界50a是特别有益的。作为一个例子，外科医生通过引导外科手术工具36朝向患者直到外科手术工具36穿过入口边界来开始本文所述的触觉控制流程。外科手术系统100则提醒外科医生，系统已准备就绪，开始自动对准。然而，外科医生可能不会立即压下触发器或执行一些其它动作，以使系统启动自动对准模式。在此延迟期间，外科手术工具36保持在自由模式，并且外科医生可以继续引导工具朝向患者。因此，图16中所示的入口边界50a包括触觉壁52a。这些壁52a防止外科医生在(例如，通过按下触发器或一只手放在传感器上)启用自动对准前继续引导外科手术工具36(由虚拟工具47表示)朝向患者。触觉壁52a因此充当在外科手术工具36被适当地定位和定向来执行计划骨改造之前保护患者的安全机构。

参考图5C，自动对准完成且外科手术工具36的姿势已被正确地修改，并且触觉装置30保持在触觉控制模式。通常，触觉控制模式可通过以下表征：触觉对象52的激活和由触觉对象52对外科手术工具36的运动施加约束。因此自动对准实行可以是触觉控制的形式，因为触觉对象52被激活，和外科手术工具36被约束到特定运动来重新对准基于触觉对象52的外科手术工具36。在图5C中所示的触觉控制的阶段，触觉对象52被激活和HIP 60被约束在由触觉对象52限定的平面内。因此，外科医生可以在对应于触觉对象52的平面工作边界内运动外科手术工具36，但被约束(例如，防止)在平面工作边界以外运动外科手术工具36。外科医生在触觉控制模式期间执行计划切口。当外科医生切割时，虚拟工具47可在x方向上从图5C中所示的位置运动到图5D中示出的位置。虚拟工具47也可对应于外科手术工具36在z方向前后运动。然而，平面触觉对象52限制HIP60(并因此外科手术工具36)在y方向运动。图6B示出触觉对象52的形状的一个实施方案，以图5C叠加在触觉对象52上的虚拟工具47示出。外科医生可在对应于触觉对象52的工作边界内重新定位矢状锯38，但外科手术系统100防止矢状锯38穿过工作边界的外边界。图6A是与虚拟植入物组件66的前表面68对准的触觉对象52的视图。如前面提到，骨改造，因而触觉对象52，典型地被计划为对应于在外科手术过程中联接到骨的一个组件的配置。

在触觉控制模式的部分中，出口边界64被激活(参见图5C-5E)。类似入口边界50，出口边界64是手术计划制定过程中创建的虚拟边界。HIP 60和出口边界64之间的交互停用触觉对象52，并触发触觉装置30从触觉控制模式切换回自由模式。因此，外科手术系统保持在触觉控制模式并维持外科手术工具36在对应于触觉对象52的工作边界内直到HIP 60穿过出口边界64。一旦HIP 60穿过出口边界64(例如，通过从图5D中所示的位置运动到图5E中所示的位置)，触觉对象52被停用和触觉装置30从触觉控制模式切换到自由模式。当触觉控制被释放时，外科手术工具36不再束缚在工作边界的范围内，但可以由外科医生自由地操纵。

在一个实施方案中，出口边界64是平面，位于离入口边界50距离L(参见图7A)，并具有出口法线59。在触觉控制模式中，外科手术系统100连续计算从HIP 60到64年出口边界的距离。因为出口法线59点远离患者的解剖结构，从HIP 60到出口边界64的距离在进行骨改造(如切割、钻孔)期间将通常为负的。然而，当这个距离的值变为正，触觉控制通过触觉对象52的停用被释放和触觉装置30进入自由模式。在其它实施方案，出口边界64可以是弯曲、三维、或适合在外科手术过程中与HIP 60交互以脱开触觉控制的任何配置或形状。同时或切换到免费模式后不久，出口边界64停用和入口边界50被重新激活。外科医生可以通过使外科手术工具36接近患者，使得HIP 60穿过入口边界50而重返触觉控制模式。因此，外科医生可以通过操纵外科手术工具36在自由模式和触觉控制之间来回运动。

本文结合各种实施方案描述的入口边界50和出口边界64提供超过触觉控制的现有技术方法的优点。一些利用触觉对象的现有技术的实施方案需要由用户的单独动作以激活和停用触觉对象，从而进入和退出触觉控制。例如，为了从触觉对象的范围释放HIP，用户可能必须按下按钮，或执行类似的操作，以停用触觉对象。由用户的动作停用触觉对象，然后允许外科医生能够自由操纵外科手术工具。使用如本文中所述的出口边界省去外科医生执行单独的停用步骤的需要。相反，外科医生必须仅拉外科手术工具36远离患者以自动停用触觉对象52和退出触觉控制。因此，本公开内容的实施方案可以节省手术室中的时间。此外，触觉装置30的操作可以是更加直观和用户友好，由于外科医生能够在自由模式和触觉控制模式之间方便地进行切换。

图7A和7B示出触觉对象52和偏置触觉对象78。一种手术方案可以包括可调节的偏置触觉对象78以考虑到外科手术工具36的特征。在触觉装置30的触觉控制模式期间使用偏置触觉对象78可通过考虑外科手术工具36的尺寸而在外科手术过程中提供额外的精确度。因此，如果外科手术工具36是球形毛刺，偏置触觉对象78可从触觉对象52转变，使得距离80(图7B)相当于球形毛刺的半径。当偏置触觉对象78被激活时，外科手术系统100约束球形毛刺的HIP 60在平面偏置触觉对象78的边界内，而不是约束球形毛刺的HIP 60在平面触觉对象52的边界内。当被偏置触觉对象78约束时，球形毛刺的边缘与计划前切46对准。同样，如果外科手术工具36是矢状锯38，距离80可以等同于叶片39的厚度t的一半。图7B示出虚拟工具47。在本实施方案中，虚拟工具47是图2A的矢状锯38且包括虚拟刀片82。虚拟刀片82具有等同于叶片39的厚度的厚度t。当虚拟工具47的HIP 60被约束到偏置触觉对象78，虚拟刀片82的底部边缘将与计划前切46对准。手术过程中由矢状锯38创建的实际切口随后将比如果HIP 60被约束到图7B的触觉对象52更加紧密地对应于计划前切46。

在不同的实施方案中，外科手术系统100在计算可调偏置触觉对象78的参数时利用与手术计划实施有关的因素。一个因素可能是在手术过程中外科手术工具36的振动，其可导致外科手术工具36的实际尺寸和外科手术工具的有效尺寸36的差异。例如，一个半径为3mm的球形毛刺可以去除好像其半径为4mm的骨。因此毛刺具有4mm的有效半径。同样，由于振动，厚度为2mm的刀片39可创建厚度为2.5mm的骨中狭缝。因此刀片39具有2.5mm的有效厚度。偏置触觉对象78被创建以考虑外科手术工具36的振动或其它因素的影响，以提高在手术过程中产生的实际骨改造的精度。

偏置触觉对象78可以是可调的。可调性是有利的，因为它允许用户修改偏置触觉对象78而无需重新设计原始触觉对象52。外科手术系统100可以被编程以允许当新信息在外科手术之前或期间聚集时由用户容易地调整。如果手术方案包括偏置触觉对象78，手术方案的附加元件可以类似地从他们原计划位置调整到偏置位置。例如，外科手术系统100可以被编程以当偏置触觉对象78从触觉对象52转变时，转变入口边界50和出口边界64在y方向上的相同距离。同样地，目标线54和目标点55也可以从它们的原计划位置偏置。但是应理解，由本文描述的许多实施方案所提及的“触觉对象52”在技术上可以是相对于相关手术计划的原始触觉对象的“偏置触觉对象”。

图8A-8E说明在另一进入和退出触觉控制的实施方案中的虚拟环境。在本实施方案中，虚拟骨模型45表示股骨4。虚拟工具47表示呈矢状锯40(例如，如图2B所示)形式的外科手术工具36。矢状锯40可以是用于在全膝关节置换术执行各种切口，如对应于计划远端切84和前倒角切口92的切口。在图8A-8E的实施方案中，计划修改是计划远端切84，其对应于一个虚拟植入物组件66的远端表面72(图9A)。计划远端切84的立体图示于图3B中。在本实施方案中，如图5A-5E的实施方案，触觉对象52表示要在股骨4上创建的切口。触觉对象52可以是在手术计划期间制定的任何形状，如在图9B中所示的形状。

再次参照图8A-8E，进入和退出触觉控制发生类似于图5A-5E的实施方案，不同之处主要在自动对准和所得的外科手术工具36的取向。结合图5A-5E的实施方案中所公开的任何适用的特征，也可以存在于图8A-8E的实施方案。在图8A中，触觉装置30处于自由模式和入口边界50被激活。随着外科医生使外科手术工具36朝向患者的解剖结构，虚拟工具47相应地靠近入口边界50。一旦HIP 60已穿过入口边界50中，外科手术系统100进入自动对准，在此期间，外科手术系统100执行必要的计算，然后修改外科手术工具36的位置和取向(例如，从图8B到图8C)。位置被修改成使HIP 60到目标线54，并且取向被修改，使工具轴42垂直于触觉对象52。由于矢状锯40(图2B)的刀片39垂直于工具轴42，对准工具轴42垂直于触觉对象52使刀片在外科手术过程中位于x-y平面。在本实施方案中的刀具轴42的取向与图5A-5E的实施方案不同，其中刀具轴42在切割期间是平行于触觉对象52定向(例如，图5C)。

手术方案可以制定使得外科手术系统100将使外科手术工具36定向在相对于触觉对象52任何所需方向。所需定向可取决于外科手术工具的类型。例如，如果外科手术工具36是矢状锯，外科手术系统100可使外科手术工具36不同地定向，取决于矢状锯的类型(例如矢状锯38或矢状锯40)或要创建切口的类型。此外，在一些实施方案中，所述工具在自动对准期间被重新定位，但不重新定向。例如，如果外科手术工具36是球形毛刺，外科手术系统100可以不需要修改外科手术工具36的取向，来获得所需的骨改造。

一旦外科手术工具36已如图8C所示被自动对准，HIP 60被约束在由触觉对象52限定的平面内。进入这个阶段的触觉控制可以触发出口边界64的激活。外科医生通过在x方向和z方向对应于触觉对象52的平面工作边界内操纵外科手术工具36执行切割。图8C和8D示出沿x方向切割过程中的位置的变化。当外科医生将外科手术工具36从图8D中所示的位置运动到图8E中所示的位置，HIP 60穿过出口边界64。HIP 60和出口边界64之间的交互停用触觉对象52，释放外科手术工具36的触觉控制和引起触觉装置30再次进入自由模式。一旦穿过出口边界64或此后不久，出口边界64停用和入口边界50重新激活。然后，外科医生可以通过操纵外科手术工具36使得HIP 60穿过入口边界50而重新进入进行骨改造过程中的自动对准和触觉控制。

图10示出触觉对象52和相对于计划远端切84的偏置触觉对象78。如结合图7A和7B描述，可调节偏置触觉对象78可被修改，取决于各种因素，如外科手术工具36的尺寸或与执行手术计划有关的其它因素。偏置触觉对象78的调整可能会导致虚拟环境的其它计划特征，如入口边界50、目标线54、目标55点和出口边界64调整。

图7A-7B和10中描绘的外科计划可通过各种点和矢量来定义。法线原点57位于原始触觉对象52上，并且限定触觉对象法线62的原点以及出口法线59。触觉法线点61还限定触觉对象法线62，并且可以位于距法线原点57约50mm。出口法线点63还限定出口法线59，并且还可以位于距法线原点57约50mm。因此，触觉对象法线62可以被定义为从法线原点57到触觉法线点61的矢量方向，和出口法线59可以被定义为从法线原点57到出口法线点63的矢量方向。目标点55可位于偏置触觉对象78上，并且在触觉对象法线62的方向上偏移法线原点57所需量。如上所述，所需量可以考虑到球形毛刺的有效半径或矢状锯刀片39的一半有效厚度。目标线54可以通过目标点55和出口法线59和触觉对象法线62的叉积矢量被定义，端点在偏置触觉对象78的相对边缘上。

图11A-11E说明在另一进入和退出触觉控制的实施方案中的虚拟环境。在本实施方案中，虚拟骨模型45表示胫骨2。虚拟工具47表示呈球形毛刺形式的外科手术工具36，虽然外科手术工具36可以是能够创建计划孔88的任何工具。计划修改是孔88以接收胫骨组件的栓钉。球形毛刺也可以用于创建用于接收股骨、髌股的栓钉，或任何其它类型的植入物组件的孔。在图11A-11E，虚拟胫骨部件90被叠加在骨模型45上以更清楚地示出计划骨改造。在本实施方案中，触觉对象52是线。线性触觉对象52的放置可基于外科手术工具36的尺寸或有效尺寸，例如球形毛刺(图12)的半径TR加以规划。例如，相当于半径TR的空间可留在触觉对象52的端部95和栓钉尖点91的底部之间，如图12中所示。

图11A示出当触觉装置30处于自由模式时的虚拟环境。在外科手术开始时，外科医生运动外科装置36(图1)朝向患者直到HIP 60穿过入口边界50(图11B)。在本实施方案中，入口边界50为具有半径R的球体(图12)，并具有位于其中心的目标点55。一旦HIP 60穿过入口边界50，外科手术系统自动对准外科手术工具36。在一个实施方案中，外科手术系统100计算从HIP 60到目标点55的最短距离，然后重新定位HIP 60在目标点55上。外科手术系统100还可以重新定向外科手术工具36，使得工具轴线42平行于触觉对象52(图11C)。HIP 60随后被约束为沿着线性触觉对象52运动，并且外科医生可沿着对应于触觉装置52的线性工作边界运动外科手术工具36以创建孔88(图11D)。

如在先前的实施方案中，出口边界64在触觉控制的部分期间被激活。当外科医生想要释放触觉控制，外科手术工具36可以运动直到HIP 60穿过出口边界64(图11E)。然后触觉对象52将停用，释放触觉控制和引起触觉装置30重新进入自由模式。如关于其它实施方案所讨论，外科手术系统100可以连续计算HIP 60和出口边界64之间的距离，当这个距离变正时释放触觉控制。另外，如结合先前实施方案所描述，入口边界50可在触觉控制释放后被重新激活。然后，外科医生可以通过操纵外科手术工具36使得HIP 60穿过入口边界50，而重新进入触觉控制。

图12说明具有线性触觉对象52的手术方案，如图11A-11E的手术方案的附加特征。栓钉轴线是一条从位于计划孔88的顶端的栓钉尖点91到目标点55的线。线性触觉对象52可以是在栓钉轴线上的线，所述栓钉轴线在端部95具有第一端点和位于超过目标点55沿着出口法线59的第二端点。例如，触觉对象52的第二端点可以位于在出口法线59的方向超过目标点5550mm处。出口边界64可以是平面的，位于离入口边界50距离L，并具有定义为从栓钉尖点91到目标点55中的矢量方向的出口法线59。

图13A-13D示出另一个进入和退出触觉控制的实施方案。在本实施方案中，触觉对象52是三维体。虚拟骨模型45可以表示任何骨44，如股骨4，和虚拟工具47可以代表任何类型的外科手术工具36，用于执行任何类型的骨改造。在图13A的虚拟环境中，触觉装置30处于自由模式。为了进入触觉控制，用户操纵外科手术工具36朝向患者的解剖结构。包括HIP 60的虚拟工具47对应地朝向入口边界50运动。在本实施方案中，入口边界50是包括目标点55(未示出)的平面。如果HIP 60是在触觉对象52内和HIP 60穿过入口边界50，如图13B中所示，则触觉控制被接合。在触觉控制模式，HIP 60被阻止退出由触觉对象52限定的三维体的范围。此外，触觉控制的接合触发入口边界50的停用和出口边界64的激活(图13C)。

图13A-13D的实施方案不包括自动对准。换句话说，外科手术工具36的位置和取向在触觉控制期间被未修改。因此，HIP 60可以自由地运动到触觉对象52内的任意位置，和外科手术工具36的取向不受触觉对象约束。触觉控制期间，外科医生可在对应于触觉对象52的工作体积内自由运动外科手术工具36来执行必要的骨改造，诸如对应于计划远端切84、计划后倒角切92和计划后切96的切口。图13C说明虚拟工具47，作为外科医生创建对应于计划后切96的切口。在图13A-13D的实施方案中的触觉控制期间，如在前面的实施方案中，当HIP 60穿过出口边界64(图13D)，触觉控制被释放，并且触觉装置30进入自由模式。在替代实施方案中，图13A-13D中描绘的虚拟环境包括附加机构来控制HIP 60的位置。例如，沿着计划切口84、94和96的平面触觉对象可能约束HIP 60沿着这些平面触觉对象运动。虚拟环境可能也包括一些机构来控制虚拟工具47(因此，外科手术工具36)的取向，如HIP 60可被约束在其上的附加的平面或线性触觉对象。

图14示出图13A-13D手术方案。出口边界64平行于入口边界50且位于在出口法线59方向离入口边界50距离L处。出口法线59是从目标点55到出口法线点63的矢量方向。图14还包括现有技术的触觉对象98。在触觉控制的现有技术方法中，用户不能引起HIP退出触觉对象98而不执行单独的操作脱开触觉控制，如按压输入装置22上的按钮(图1)。与现有技术的触觉对象98不同，容积触觉对象52远离计划切割表面延伸。另外，与触觉对象52相关联的外科手术计划包括入口边界50和出口边界64。在本发明公开的实施方案中，当外科医生拉动外科手术工具36远离患者并导致HIP 60穿过出口边界64，外科手术系统100会自动停用触觉对象52以释放触觉控制。因此，出口边界64的规定允许外科医生在手术期间释放触觉控制的更大自由度。此外，本文中所描述的入口边界50和出口边界64的激活和停用之间的交互允许外科医生通过操纵外科手术工具36无缝和直观地进入和退出触觉控制，而无需执行单独的操作来触发进入和退出触觉控制。

图15示出可以在本文描述的任何触觉控制实施方案中采用的触觉恢复特征。触觉恢复特征只适用于当触觉控制因除了因为HIP 60已经穿过出口边界以外的原因脱开时。触觉控制的脱开可能由于各种原因发生，其中之一涉及导航系统10的暂时不能检测一个或多个被追踪对象的姿势。例如，一些导航系统需要在检测装置12和可追踪元件，诸如导航标志14和16、触觉装置标志18和端部效应器标志19(图1)之间的畅通路径。如果可追踪元件中的一个被暂时阻断(即闭塞)，导航系统10可不能够有效地确定一个或多个被追踪对象的姿势。为安全起见，当可追踪元件在手术过程中变得闭塞，外科手术系统100可以脱开外科手术工具36的触觉控制。触觉控制也可能由于被追踪对象的突然运动而脱开。例如，患者的腿或机器人臂34可以被撞击，和导航系统10无法准确地追踪突然-运动的对象。因此，外科手术系统将脱开外科手术工具36的触觉控制。触觉控制的脱开使触觉装置30进入自由模式。触觉恢复特征可随后被用于通过重新激活触觉对象52来重新接合触觉控制或保持触觉装置30在自由模式中和要求外科医生重新进入入口边界50。

为了确定是否重新接合触觉控制或是否保留触觉装置30处于自由模式，外科手术系统100被编程以评估在闭塞、突然运动，或其它因素已经引起触觉控制脱开后各种条件是否满足。在一般情况下，条件可以涉及外科手术工具36相对于外科手术工具36的所需约束的位置或取向的位置或取向，并且这些条件可以取决于外科手术工具36的类型和触觉对象52的配置。三个评估的可能条件可以是工具的取向、触觉平面中的垂直渗透和所有HIP是否在触觉边界内。例如，图15的实施方案包括虚拟刀片82，它代表矢状锯和包括多个HIP(如上面所指出，虽然只有一个HIP 60被标记，引用的HIP 60包括引用多个HIP)。图15还包括平面触觉对象52。在本实施方案中，触觉恢复特征可以包括通过计算工具法线48和触觉对象法线62之间的角度，确定虚拟刀片82相对于触觉对象52的取向。工具法线48和触觉对象法线62理想上是平行，如果外科手术工具36在切割期间被约束以位于对应于平面触觉对象52的工作边界内。一个条件可以是，例如，工具法线48和触觉对象法线62是否在彼此的二度内。外科手术系统100可以被编程以断定是否满足此条件，外科手术工具36的定向甚至在可追踪元件的暂时阻塞或患者或机器人臂的突然运动后基本上保持准确。外科手术系统100还可以评估HIP 60相对于平面触觉对象52的位置(例如，垂直穿透)。图15示出触觉对象52上方和下方的虚拟边界102、104。虚拟边界102、104，可被规划位于例如远离触觉对象52约0.5mm。第二条件可以是HIP 60是否位于这些虚拟边界102、104之间。作为另一实例，第三个条件可以是虚拟刀片82的每一个HIP 60是否位于触觉对象52的外边界内。

如果每个相关的条件得到满足，触觉恢复特征重新激活触觉对象52，它重新接合触觉控制和允许外科医生继续切割。然而，如果任何一个条件不满足，触觉装置30仍处于自由模式。然后，外科医生必须使HIP 60穿过回到入口边界50(在图15中未示出)，如本文中的各种实施方案中描述。一旦HIP 60穿过入口边界50，触觉控制可被重新接合。在图15中所示的实施方案中，HIP 60已经穿过入口边界50后触觉控制可包括自动对准和随后HIP 60在平面触觉对象52上的约束。在其它实施方案中，如图13A-13D的实施方案，HIP 60穿过入口边界50后触觉控制可不包括自动对准。

如各种示例性实施方案中所示的系统和方法的构造和配置仅是说明性的。尽管在本公开中只详细描述几个实施方案，许多修改(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数值、使用的材料、颜色、取向等的变化)是可能的。例如，元件的位置可以颠倒或以其它方式改变和离散元件或位置的性质或数目可以改变或变化。因此，所有这些修改旨在被包括在本公开的范围之内。任何过程或方法步骤的顺序或排序可以根据替代实施方案被改变或重新排序。其它的替换、修改、改变和省略可以在不脱开本公开的范围下在示例性实施方案的设计、操作条件和布置中作出。

本公开考虑上在用于实现各种操作的任何机器可读介质上的方法、系统和程序产品。本公开的实施方案可使用现有计算机处理器，或通过用于出于这个或其它目的并入的合适系统的专用计算机处理器，或通过硬连线系统来实现。本公开的范围内的实施方案包括程序产品，其包括用于携带或具有存储在其上的机器可执行指令或数据结构的机器可读介质。这种机器可读介质可以是可由通用或专用计算机或其它具有处理器的机器访问的任何可用介质。举例来说，这种机器可读介质可以包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储、其它磁存储设备、固态存储设备、或者可用于携带或存储以机器可执行指令或数据结构形式且可由通用或专用计算机或其它具有处理器的机器访问的所需程序代码的任何其它介质。当信息通过网络或另一通信连接(硬连线、无线、或硬连线或无线的组合)传输或提供给机器，机器适当地将连接视为机器可读介质。因此，任何这样的连接被适当地称为机器可读介质。上述的组合也包括在机器可读介质的范围内。机器可执行指令包括，例如，使通用计算机、专用计算机、或专用处理机器执行某一功能或功能组的指令和数据。

尽管方法步骤的特定顺序可以被描述，这些步骤的顺序可以不同于所描述。此外，两个或更多个步骤可以同时或部分同时地进行(例如，入口边界50的停用和出口边界64的激活)。这种变化将取决于所选择的软件和硬件系统以及设计者的选择。所有这样的变化都在本公开的范围之内。同样地，软件实现可以利用具有基于规则的逻辑和其它逻辑的标准编程技术来完成任何连接步骤、处理步骤、比较步骤和决策步骤。

Claims (28)

1.一种外科手术系统，其包括：

与虚拟触觉交互点相关联的外科手术工具，其中所述虚拟触觉交互点的运动对应于所述外科手术工具的运动；

处理电路，其被配置为：

建立虚拟入口边界；和

激活触觉对象，其中被激活的触觉对象被配置为在所述触觉交互点穿过所述虚拟入口边界后约束所述外科手术工具。

2.根据权利要求1所述的外科手术系统，其中所述处理电路被进一步配置为：

建立虚拟出口边界；和

在所述触觉交互点穿过所述虚拟出口边界后停用所述触觉对象。

3.根据权利要求1所述的外科手术系统，其中所述处理电路被进一步配置为自动修改所述外科手术工具的位置，其中所述自动修改是由所述触觉交互点穿过所述虚拟入口边界触发。

4.根据权利要求1所述的外科手术系统，其中所述处理电路被进一步配置为自动修改所述外科手术工具的取向，其中所述自动修改是由所述触觉交互点穿过所述虚拟入口边界触发。

5.根据权利要求1所述的外科手术系统，其中所述虚拟入口边界围合三维体且为丸状。

6.根据权利要求1所述的外科手术系统，其中所述虚拟入口边界围合三维体且成形为具有移除节段的丸状体使得所述虚拟入口边界的横截面为扇形。

7.根据权利要求1所述的外科手术系统，其中所述外科手术工具是球形毛刺。

8.根据权利要求1所述的外科手术系统，其中所述外科手术工具是矢状锯。

9.根据权利要求1所述的外科手术系统，其中所述触觉对象是线。

10.根据权利要求1所述的外科手术系统，其中所述触觉对象是平面。

11.根据权利要求1所述的外科手术系统，其中所述触觉对象是三维体。

12.根据权利要求1所述的外科手术系统，其还包括偏置触觉对象，其被配置为在外科手术之前或期间被调整。

13.根据权利要求1所述的外科手术系统，其还包括安全机构，其被配置为停用所述触觉对象。

14.根据权利要求1所述的外科手术系统，其中所述处理电路被进一步配置为：

在事件发生时停用所述触觉对象；

在所述事件已经结束后评估多个条件；

如果所述多个条件满足，则重新激活所述触觉对象。

15.一种使用外科手术系统的方法，其包括：

提供外科手术工具；

提供虚拟触觉交互点，其中所述虚拟触觉交互点的运动对应于所述外科手术工具的运动；

提供虚拟入口边界；和

激活触觉对象，其中被激活的触觉对象被配置为在所述触觉交互点穿过所述虚拟入口边界后约束所述外科手术工具。

16.根据权利要求15所述的方法，其还包括：

提供虚拟出口边界；和

在所述触觉交互点穿过所述虚拟出口边界后停用所述触觉对象。

17.根据权利要求15所述的方法，其还包括自动修改所述外科手术工具的位置的步骤，其中所述自动修改是由所述触觉交互点穿过所述虚拟入口边界触发。

18.根据权利要求15所述的方法，其还包括自动修改所述外科手术工具的取向的步骤，其中所述自动修改是由所述触觉交互点穿过所述虚拟入口边界触发。

19.根据权利要求15所述的方法，其中所述虚拟入口边界围合三维体且为丸状。

20.根据权利要求15所述的方法，其中所述虚拟入口边界围合三维体且成形为具有移除节段的丸状体，使得所述虚拟入口边界的横截面为扇形。

21.根据权利要求15所述的方法，其中所述外科手术工具是球形毛刺。

22.根据权利要求15所述的方法，其中所述外科手术工具是矢状锯。

23.根据权利要求15所述的方法，其中所述触觉对象是线。

24.根据权利要求15所述的方法，其中所述触觉对象是平面。

25.根据权利要求15所述的方法，其中所述触觉对象是三维体。

26.根据权利要求15所述的方法，其还包括提供偏置触觉对象，其被配置为在外科手术之前或期间被调整。

27.根据权利要求15所述的方法，其还包括：

在事件发生时停用所述触觉对象；

在所述事件已经结束后评估多个条件；

如果所述多个条件满足，则重新激活所述触觉对象。

28.一种上面具有在由处理电路执行时有助于计划或执行外科手术的指令的计算机可读存储介质，所述介质包括：

用于使外科手术工具与虚拟触觉交互点相关联使得所述虚拟触觉交互点的运动对应于所述外科手术工具的运动的指令；

用于建立虚拟入口边界和虚拟出口边界的指令；

用于激活触觉对象的指令，其中被激活的触觉对象被配置为在所述触觉交互点穿过所述虚拟入口边界后约束外科手术工具；以及

用于在所述触觉交互点穿过所述虚拟出口边界后停用所述触觉对象的指令。