CN104936556A - 用于导航和控制植入体定位装置的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本文讨论了一种用于导航和控制植入体定位装置的系统和方法。例如，方法包括用于访问植入规划、建立3-D坐标系、接收跟踪信息、产生控制信号以及发送控制信号给植入体定位装置的步骤。植入规划包括描述关于植入受体的理想植入体位置和方向的位置和方向数据。3-D坐标系提供用于植入体定位装置和植入受体的空间方向。在手术期间跟踪信息识别用于植入体定位装置和植入受体的在3-D坐标系内的当前位置和方向数据。控制信号控制植入体定位装置的操作，以辅助外科医生根据植入规划定位植入体。

Description

用于导航和控制植入体定位装置的系统和方法

优先权要求

本申请要求于2012年11月9日递交的美国临时申请No.61/724,601的权益，该临时申请的全部内容通过引用并入本文中。

背景技术

使用计算机技术、机器人技术和成像技术辅助进行整形外科手术已为现有技术所知。已有大量用来引导外科手术操作的计算机辅助导航和机器人系统的研究和进展。已经出现两种通常类型的半主动外科手术机器人技术，并已应用于整形操作，例如关节置换术。第一种类型的半主动机器人技术将外科手术工具附接于机器人手臂上，机器人手臂阻止外科医生偏离规划的程序的运动，例如在骨骼切除术中。该第一种类型通常靠术语触觉(haptic or haptics)判断，术语触觉(haptic or haptics)来自希腊语，指触摸(touch)。第二种类型的半主动机器人技术专注于外科手术工具的控制方面，例如切割头的速度。因为机器人手臂不会限制外科医生，因此该第二种类型的半主动机器人技术有时被称作不受约束(free-hand)机器人技术。

这两种外科手术机器人利用导航或跟踪系统在操作期间严密监视外科手术工具和病人。导航系统可用来建立虚拟的三维(3-D)坐标系，在该坐标系内病人和外科手术装置都将被跟踪。

髋关节置换是一个使用外科手术机器人、先进成像和计算机辅助导航技术正在被大家认可的领域。自20世纪60年代初已经开始进行了全髋关节置换(THR)或关节成形术(THA)手术，以修复髋臼和围绕它的区域并替换髋关节部件，例如已经退化的股骨头。当前，仅在美国每年有约200,000例THR手术，其中约40,000例为重做手术，也称作修正手术。由于在植入部件的寿命内可能出现大量问题，例如错位、部件磨损和退化、以及植入体从骨骼上松脱，所以修正手术变得必要。

由于错位带来的突然的身体和情绪上的困难，所以股骨头从髋臼部件或髋臼杯上错位被认为是早期与THR伴随的最常见的问题之一。对于初次的THR外科手术错位的发病率约为2-6％，并且对于修正手术该比例甚至更高。尽管错位可能起因于多种原因，例如软组织的松弛和植入体的松脱，但是最常见的原因是股骨颈与或者髋臼杯植入体的边缘或者围绕植入体的软组织或骨骼的碰撞。碰撞最常发生的原因是髋臼杯部件在骨盆内的错误定位。

一些临床医生和研究人员已经发现：如果杯被特别地定向为前倾约15°并外展45°，那么能够降低碰撞和错位的发生率；然而，这个发生率也与外科手术方法相关。例如，麦科勒姆(McCollum)等人援引了在整形外科文献中报告的THA的比较，其揭示了在采用后外侧的方法进行THA的病人中，具有更高的错位发病率。McCollum，D.E.和W.J.Gray，“全髋关节成形术后的错位(原因和预防)”，临床整形外科和相关研究(ClinicalOrthopaedics and Related Research)，Vol.261，p.159-170(1990)。麦科勒姆的数据示出，当病人在侧卧位进行后外侧的THA方法时，腰椎脊柱前凸的曲线变平，骨盆可能被弯曲多达35°。如果杯被定向成相对于人体的纵轴弯曲15°-20°，那么当病人站起并且手术后腰椎脊柱的前凸恢复时，杯将向后弯曲多达10°-15°，导致不稳定的杯的布置。Lewinnek等人进行了一项研究，考虑了所使用的外科手术方法，并且发现落在前倾15°±10°和外展40°±10°区域内的案例具有1.5％的不稳定率，与之相比，落在该区域之外的案例具有6％的不稳定率。Lewinnek G.E.等，“全髋关节置换术后的错位”，骨与关节外科手术杂志(Journal of Bone and Joint Surgery)，Vol.60-A，No.2，p.217-220(1978年3月)。Lewinnek的工作基本上证实了如人们预期的那样，错位与位置异常的程度有关。该研究没有解决其它变量，例如植入体的设计和个体的解剖结构，而它们都是已知的极大影响植入体性能的因素。

植入体的设计还显著影响稳定性。大量研究人员已经发现股骨部件的头颈比是植入体碰撞的关键因素，参见Amstutz H.C等人的“全髋关节置换活动范围的研究”，临床整形外科和相关研究(Clinical Orthopaedics andRelated Research)，Vol.1 11，p.124-130(1975年9月)。此外，Krushell等人还发现模块化植入体的某些长颈或额外长颈的设计可能对活动范围有不利影响。Krushell，R.J.、Burke D.W.、和Harris W.H.，“当代的全髋关节成形术的活动范围(模块化头颈部件的影响)”，关节成形术杂志，Vol.6，p.97-101(1991年2月)。Krushell等人还发现在髋臼杯植入体中最佳定向的带高边的内衬可相对于植入体碰撞改善关节的稳定性。Krushell，R.J.、Burke D.W.和Harris W.H.，“带高边的髋臼部件：在全髋关节成形术中对活动范围和稳定性的影响”，关节成形术杂志，Vol.6增刊，p.1-6(1991年10月)。Cobb等人已经揭示出在采用带高边的内衬的情况下，与标准内衬相比，统计上错位显著降低。Cobb T.K.，Morrey B.F.，Ilstrup D.M.，“在全髋关节成形术中带高边的髋臼内衬：与手术后错位的关系”，骨与关节外科手术杂志，Vol 78-A，No.1，p.80-86(1996年1月)。对于高内衬，两年错位的概率是2.19％，与之相比，标准内衬为3.85％。Maxian等人使用有限元模型的初步研究显示对于带高边的内衬接触应力以及由此带来的聚乙烯磨损并未显著增大；然而，如所预期的，对于不同内衬设计的碰撞点以及随后的错位角度是不同的。Maxian T.A.等，“在全髋关节成形术中股骨头的组成：标准的vs.带扩展唇的内衬”，第42届年会，整形外科研究学会，p.420，佐治亚州，亚特兰大，(1996年2月19-22日)；和Maxian T.A.等，“在全髋关节成形术中错位倾向的有限元模型”，第42届年会，整形外科研究学会，p.259-64，佐治亚州，亚特兰大，(1996年2月19-22日)。

在植入体错位倾向的评估中，同等重要的考虑是个体解剖结构的不同。由于解剖结构的不同，所以不存在髋关节置换部件和外科手术的单一最佳设计和方向以最小化植入体的错位倾向。例如，骨盆会根据个体是否仰卧(在CT扫描或例行的X-射线照射期间)、处于侧卧位置(在手术期间)或处于正常的日常生活的活动期间的关键位置(如弯腰系鞋带或正常走路期间)而显示不同的位置和方向。当限定了从其计算移动、前倾、外展等角度的“中立(neutral)”面，骨盆和腿的相对位置将显著影响在碰撞和错位发生之前测量的、允许的活动量。因此，有必要唯一限定用于相关位置和活动的股骨相对于骨盆中立方向、以及在腿活动的每一段过程中的股骨相对于病人的骨盆的关系。

当前，用于髋臼植入体的放置和尺寸选择的大多数规划通过使用骨盆的髋臼模板和单个的前后X-射线制定。髋臼模板对于确定髋臼部件的近似尺寸是最有用的；然而，因为X-射线只提供骨盆的二维图像，所以对于植入体的定位它仅具有有限的用途。此外，如上面讨论的，不能更加充分地考虑骨盆方向的不同。

目前外科医生所使用的术中定位装置试图将髋臼部件与病人的矢状面和冠状面对准。编者B.F.Morrey，“关节的重建外科手术”，关节置换术章，605-608页，Churchill Livingston，1996。这些装置显示假定病人的骨盆和躯干在已知的方向上对准，并且不考虑病人解剖结构或在手术台上的骨盆位置的个体不同。这类定位器会导致期望植入体布置和实际植入体布置的大的差异，可能导致活动范围降低、碰撞和随后的错位。

已经做了很多努力以更精确地为植入体部件准备髋臼区域。授权给Woolson的美国专利US5,007,936涉及建立一个参考平面，通过它髋臼能被钻孔并通常地准备好接收髋臼杯植入体。该方法基于选择的三个参考点来建立参考平面，该三个参考点优选地为在髋臼的上边缘上12点钟的位置和两个其它参考点，例如在后边缘和内壁上的、距离上边缘已知距离的点。上边缘的位置通过执行一系列计算机断层(CT)扫描确定，扫描集中在接近髋臼区域内上边缘和其它参考位置的位置。

在Woolson的方法中，然后进行计算以确定髋臼杯的边缘应被定位在其中以允许股骨头在杯中的预定旋转的平面。当定向夹具被安装在参考点上时，该点和该面之间的距离被计算，并且定向夹具被校准以限定该平面。在外科手术期间，外科医生必须识别上边缘的12点钟方向和参考点。在优选的模式中，借助于在髋臼的内壁上钻出通过参考点的孔并且将夹具附接于髋臼上，夹具被固定至髋臼上。夹具容纳钻削导向件，以在选定的平面中对髋臼钻孔。

Woolson的方法存在很多困难。例如，优选的方法要求在髋臼内钻孔。而且，必须要求视觉上能够识别参考点，并且在外科手术的设置中需要在参考点上准确布置夹具。此外，钻孔装置的正确对准不能保证植入体将被合适定位，由此导致更漫长且费钱的手术，而不能保证更好的结果。这些问题是Woolson的方法没有在医学团体中被广泛接受的原因。

在授权给Raab的美国专利US5,251,127和US5,305,203中，公开了一种计算机辅助外科手术装置，其中参考夹具附接至双自分度丝杠，双自分度丝杠预先附接至病人，以提供与Woolson的方法相似的切割仪器更一致的对准。然而，不像Woolson的方法，Raab等人采用数字转换器和计算机来确定在外科手术期间参考夹具和病人的方向，并将在外科手术期间参考夹具和病人的方向与通过断层摄影术确定的骨骼的形状联系起来。

相似地，授权给Glassman等的美国专利US5,086,401、US5,299,288和US5,408,409公开了一种图像指导的外科手术机器人系统，用于在人体股骨上使用机器人切割系统钻孔以容纳股骨干和头的植入。在该系统中，至少三个定位销被插入股骨中，并且在包含定位销的区域进行股骨的CT扫描。如Glassman的’401专利中第9栏第19-68行所讨论的那样，在植入手术期间，定位销在病人身上被识别。在外科手术期间，销的位置被计算机使用，以将CT扫描坐标转换为机器人切割器坐标，它被用来在钻孔操作期间引导机器人切割器。

Woolson、Raab和Glassman的专利提供了这样的方法和装置，其在髋臼区域准备中提供了增加的精度和一致性来接收植入部件，这些文献中没有一篇文献提到在植入手术期间使用微创辅助设备。

此外，Raab和Glassman的方法和装置要求在病人执行断层摄影术之前将基准标记附于病人上。随着断层摄影术，标记必须保持附于病人上直至外科手术被执行，或者标记必须被再次附于准确的位置，以允许断层摄影的数据传输到机器人坐标系。无论哪种都是不期望的和/或在实际中困难的。

这样，除持续地需要提供改进的系统和方法以提供合适的布置规划和关节制备技术，以确保在活动范围和使用方面最佳的效果之外，还需要改进的手术期间植入体布置系统和方法。

发明内容

本发明人已经意识到，除了别的之外，某些假体的植入体手术能从植入体定位装置的导航和机器人控制中获得更好的结果。目前的关节置换术，例如髋关节置换，典型地包括将假体的植入体机械的插入目标关节中的步骤。例如，在髋关节置换外科手术中，假体的髋臼杯被插入到病人的髋臼内。在外科医生仅凭经验将髋臼杯状物敲击入位以及在只用视觉和触觉检查来验证合适位置的情况下，通常手动地完成假体的髋臼杯的插入。本发明人认识到与预插入规划结合的机器人导航控制的植入装置可以使例如髋臼杯植入体的假体的植入体更加可重复和精确地布置。

下文的非限制性示例详述了本系统和方法的某些方面，以解决本文所讨论的问题并提供优点。

示例1包括一种用于导航和控制植入体定位装置的方法。该方法可以包括访问植入规划、建立三维(3-D)坐标系、接收跟踪信息、产生控制信号以及发送控制信号。植入规划可以包括描述相对于植入受体的植入体的理想植入位置和方向的位置和方向数据。参照植入体定位装置和植入受体可以建立3-D坐标系。跟踪信息可以在3-D坐标系内识别当前植入体定位装置的位置和当前植入受体的位置。可以基于跟踪信息和植入规划产生控制信号。可以通过与植入体定位装置连接的通信线路发送控制信号，控制信号控制植入体定位装置的操作，以辅助外科医生根据植入规划定位植入体，植入体可移除地连接至植入体定位装置的末端执行器。

在示例2中，示例1的方法可以可选地包括通过产生控制由植入体定位装置传递的冲击的幅度的信号来产生控制信号。

在示例3中，示例1或2的任一个的方法可以可选地包括通过产生控制由植入体定位装置传递的冲击的频率的信号来产生控制信号。

在示例4中，示例1-3中的任一个的方法可以可选地包括通过产生控制植入体定位装置内的可伸长元件的信号来产生控制信号。

在示例5中，示例1-4中的任一个的方法可以可选地包括通过产生引导由植入体定位装置传递的定位冲击的信号来产生控制信号，其中定位冲击引起沿着植入体的特定轴线的旋转。

在示例6中，示例1-5中的任一个的方法可以可选地包括显示界面的步骤，该界面提供反馈以辅助外科医生对准植入体和植入受体。

在示例7中，示例6的方法可以可选地包括通过产生用于显示3-D图像来显示界面，3-D图像图示植入受体、植入体定位装置和植入体，3-D图像提供实时的反馈以辅助外科医生对准植入体和植入受体。

在示例8中，示例7的方法可以可选地包括产生3-D图像，3-D图像具有所述植入体相对于所述植入受体的位置以及所述理想的植入位置和方向的指示的彩色编码。

在示例9中，示例6-8中的任一个的方法可以可选地包括显示具有十字对准标记的界面，十字对准标记与植入体定位装置的图案相关，用于在植入期间辅助对准假体。

在示例10中，示例1-9中的任一个的方法可以可选地包括通过提取植入体模型和植入受体模型来访问植入规划，并且包括在3-D坐标系内将植入受体模型和植入体模型与植入受体对准的步骤。

示例11可以可以包括一种用于导航和控制植入体定位装置的系统。该系统可以包括植入体定位装置、跟踪系统和控制系统。植入体定位装置可以包括跟踪部件、用于接收控制信号的通信线路和用于与植入体部件可移除地连接的末端执行器。跟踪系统可以包括跟踪传感器，跟踪系统实时监视植入体定位装置和植入受体的三维位置和方向。控制系统包括通信接口以及与存储装置连接的一个或多个处理器。通信接口通过通信线路和跟踪系统与植入体定位装置可通信地连接，通信接口给植入体定位装置发送控制信号，并接收识别当前植入体定位装置的位置和当前植入受体的位置的跟踪信息。存储装置包括指令，当指令被一个或多个处理器执行时，指令促使控制系统基于跟踪信息和植入规划生成控制信号，控制信号控制植入体定位装置的操作以辅助外科医生根据植入规划定位植入体。

在示例12中，示例11的系统可以可选地包括计算机控制的动力冲击器形式的植入体定位装置，冲击器包括通信线路以接收用于控制冲击力的参数，该冲击力施加附接于植入体定位装置的末端执行器的植入体。

在示例13中，示例12的系统可以可选地包括具有可伸长元件的植入体定位装置，可伸长元件附接于末端执行器，可伸长元件控制末端执行器相对于外科医生的相对位置。

在示例14中，示例13的系统可以可选地包括适于接收包括控制冲击幅度、冲击频率和末端执行器的位置的参数的控制信号的植入体定位装置的通信线路。

在示例15中，示例11-14中任一个系统可以可选地包括与控制系统可通信地连接的显示装置，显示装置适于显示界面，该界面提供反馈辅助外科医生对准植入体和植入受体。

在示例16中，示例15的系统可以可选地包括进一步适于显示3-D动画的显示装置，3-D动画图示植入受体、植入体定位装置和植入体，3-D动画提供实时反馈辅助外科医生对准植入体和植入受体。

示例17可以包括一种用于导航和控制植入体定位装置的机器可读存储介质。在一个示例中，机器可读存储介质可以包括指令，当指令被机器执行时，指令促使机器访问植入规划、建立3-D坐标系、接收跟踪信息、产生控制信号并发送控制信号。植入规划可以包括描述植入体的相对于植入受体的理想植入位置和方向的位置和方向数据。可以建立关于植入体定位装置和植入受体的3-D坐标系。跟踪信息在3-D坐标系内识别当前植入体定位装置的位置和当前植入受体的位置。基于跟踪信息和植入规划产生控制信号。通过通信线路发送控制信号给植入体定位装置，控制信号控制植入体定位装置的操作，以辅助外科医生根据植入规划定位植入体，植入体可移除地连接植入体定位装置的末端执行器。

在示例18中，示例17的机器可读存储介质可以可选地包括产生信号的指令，以控制由植入体定位装置传递的冲击的控制幅度和频率。

在示例19中，示例18的机器可读存储介质可以可选地包括产生信号的指令，以控制在植入体定位装置上的可伸长的末端执行器。

在示例20中，示例19的机器可读存储介质可以可选地包括促使机器产生三维(3-D)图像的指令，该图像图示出植入受体、植入体定位装置和植入体，该3-D图像提供实时反馈以辅助外科医生对准植入体和植入受体。

示例21可以包括具有指令的机器可读存储介质，当在用于导航和控制植入体定位装置的系统内执行时，该指令执行示例1-10的任一个中描述的方法。

附图说明

通过举例示出了一些实施例，但本发明并不限于附图中的各个图，其中：

图1为描绘根据示例性实施例的用于给植入体定位装置提供导航和控制的系统的框图。

图2为示出根据示例性实施例的用于操作用于植入体定位装置的导航和控制的系统的环境的简图。

图3为示出根据示例性实施例的用于植入体定位装置的导航和控制的方法的流程图。

图4为示出根据示例性实施例的用于建立三维坐标系的方法的流程图。

图5为示出根据示例性实施例的用于产生控制植入体定位装置的控制信号的方法的流程图。

图6为示出根据示例性实施例的用于给操作植入体定位装置的外科医生提供辅助的方法的流程图。

图7为示出根据示例性实施例的植入体定位装置的简图。

图8A-8B为示出根据示例性实施例的用于植入体定位装置的可选的末端执行器的框图。

图9为示出根据示例性实施例的用于圆周致动器的另一可选装置的框图。

图10A-10B为示出根据示例性实施例的动力冲击冲击器的关节部的框图。

图11显示为计算机系统的示例形式中的机器的示意图，在该计算机系统中可以执行用于使机器执行本文讨论的任一个或多个方法的一组指令。

定义

植入体——为了描绘本文的说明书和相关的权利要求书的目的，术语“植入体”被用来指被制造用于取代或加强生物结构的假体的器官或结构。例如，在全髋关节置换术中，假体的髋臼杯(植入体)被用来取代或加强病人的磨损或损坏的髋臼。尽管术语“植入体”通常指人造的结构(与移植的器官相对)，但是，为了本文说明书的目的，植入体还可以包括用于取代或加强生物结构的移植的生物组织或材料。

植入受体——为了描绘本文的说明书和相关的权利要求书的目的，术语“植入受体”被用来指代病人。在某些示例中，术语植入受体也可用来更具体地指代在特定的病人的解剖结构中的意图植入的特定的关节或位置。例如，在全髋关节置换术中，植入受体可指代将被取代或修复的病人的髋关节。

实时——为了描绘本文的说明书和相关的权利要求书的目的，术语“实时”被用来指当事件发生或输入被可操作系统接收时动态实时地执行的计算或操作。然而，术语“实时”的使用并非意在排除导致在输入和反应之间的一些延迟的操作，只要该延迟是由机器的性能特性引起的非故意的结果。

具体实施方式

描述用于提供和使用导航的和计算机控制的植入体定位装置的示例性的系统和方法。在一些示例性实施例中，用于植入体定位装置的计算机辅助导航和控制的系统和方法包括计算机可控制的动力冲击器。在一个示例中，计算机可控制的动力冲击器可被外科医生用于将假体的髋臼杯插入植入受体(例如病人)的髋臼。在其它示例中，可以使用一种替代的植入体定位装置来辅助相似的关节成形术，例如全膝关节置换术。在下文的描述中，出于解释的目的，提出了许多具体细节以提供对示例性实施例的完整理解。然而，对本领域技术人员来说明显的是，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实施。同样明显的是，计算机控制的植入体定位系统并不限于所提供的示例，并且可包括其它没有具体讨论的方案。

在一个示例中，所讨论的系统包括配备有附加的冲击装置的髋臼定位装置。定位装置可被连接至计算机的跟踪系统在至少2个旋转度中跟踪。在控制系统上运行的程序可与跟踪系统通信，以使得当使用者相对于病人的身体(其也被跟踪系统跟踪)定向髋臼植入体时监测髋臼植入体的方向以及可选地监测其位置，以获取预期的手术前规划，该手术前规划被存储在控制系统的存储器中。控制系统还可包括为使用者(例如外科医生)提供关于相对于身体位置和/或相对于手术前规划的当前位置和/或方向的信息的显示装置。控制系统还可以与冲击装置(多个通信装置)通信。可使用各种算法来计算应启动哪一个冲击装置以及如何启动冲击装置。最简单的算法是当使用者将髋臼植入体与手术前的规划一致对准时启动冲击装置。而且，该启动可由使用者的二次输入决定，如扳机、脚踏信号或语音命令。

冲击装置可安装至髋臼定位器，以使得冲击用已知的方式将力或扭矩施加于植入体上，并且计算机算法可使用机器人路径规划技术，以优化一系列的冲击，从而以最佳的模式将髋臼部件推向最终的手术前规划。

在定位工具上可以部署附加的传感器，以反馈施加在定位工具上的力和扭矩，或者以测量定位装置施加在部分或完全固定的髋臼植入体上的力和扭矩，这会影响所采用的冲击模式的结果。

示例性系统

图1为描绘根据示例性实施例的用于为植入体定位装置130提供导航和控制的系统100的框图。在一个示例中，系统100可包括控制系统110、跟踪系统120和植入体定位装置130。可选地，系统100还可以包括显示装置140和数据库150。在一个示例中，这些部件可以组合起来以在整形外科(或类似的)假体的植入手术期间提供植入体定位装置130的导航和控制。

控制系统100可包括被配置为协调接收自跟踪系统120的信息并为植入体定位装置130提供控制的一个或多个计算装置。在一个示例中，控制系统110可包括规划模块112、导航模块114、控制模块116和通信接口118。规划模块112可提供使临床医生能够在进入手术室之前虚拟地规划手术的手术前规划服务。背景技术讨论了多种用在全髋关节置换术(全髋关节成形术(THA))中的手术前规划程序，其可用在外科手术机器人辅助的关节置换手术上。此外，授予Digioia等人的、名称为“计算机辅助的外科手术规划器和手术期间的引导系统”的美国专利US6,205,411还讨论了另一种手术前规划的方法。在此美国专利US6,205,411的全部内容通过引用被并入。

在一个示例中，例如THA，规划模块112可被用来参照虚拟植入受体模型来操纵植入体的虚拟模型。植入受体模型可通过目标病人的实际扫描构建，该实际扫描例如为对关节和周围结构的计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、正电子扫描技术(PET)或超声波扫描。可替代地，可通过基于病人测量或其它临床医生选定的输入从一组模型中选择预定的植入受体模型，来执行手术前规划。在某些示例中，通过测量病人(目标植入受体)的实际解剖结构来在手术期间细化手术前的规划。在一个示例中，与跟踪系统120连接的点探测器可被用来测量目标植入受体的实际解剖结构。

在一个示例中，导航模块114可协调跟踪植入体、植入受体和植入体定位装置130的位置和方向。在某些示例中，导航模块114还可在用规划模块112中进行手术前规划过程中协调模拟模型的跟踪。跟踪虚拟模型可包括例如通过经由跟踪系统120获得的数据将虚拟模型与植入受体对准的操作。在这些示例中，导航模块114从跟踪系统120接收关于植入体定位装置130和植入受体的物理位置和方向的输入。对植入受体的跟踪可包括跟踪多个单独的骨骼结构。例如，在全膝关节置换术期间，跟踪系统120可用固定在单独的骨骼上的跟踪装置单独跟踪股骨和胫骨。

在一个示例中，控制模块116可处理由导航模块114提供的信息，以产生用于控制植入体定位装置130的控制信号。在某些示例中，控制模块116还可与导航模块114协作以产生可视化的动画，从而在手术期间辅助外科医生。可视化的动画可由例如显示装置140的显示装置显示。在一个示例中，可视化的动画包括植入体、植入受体和植入体定位装置130以及其它物体的实时3-D显示。在某些示例中，可视化的动画为彩色编码，以进一步辅助外科医生对植入体定位和定向。

在一个示例中，通信接口118促进控制系统110和外部系统和装置之间的通信。通信接口118可包括有线和无线的通信接口，例如以太网(Ethernet)、IEEE 802.11无线通信或蓝牙、以及其它方式。如图1所示，在该示例中，通过通信接口118连接的主要的外部系统包括跟踪系统120和植入体定位装置130。虽然未示出，但是数据库150和显示装置140以及其它装置也可通过通信接口118连接至控制系统110。在一个示例中，通信接口118经内部总线与控制系统110内的其它模块和硬件系统通信。

在一个示例中，跟踪系统120为外科手术装置和部分植入受体的解剖结构提供位置和方向信息，以辅助对半主动机器人外科手术装置进行导航和控制。跟踪系统120可包括跟踪器，该跟踪器包括跟踪数据或者基于至少三个位置和至少三个角度提供跟踪数据。跟踪器可包括与植入受体相关的一个或多个第一跟踪标记、和与外科手术装置(例如植入体定位装置130)相关的一个或多个第二标记。标记或标记中的一些可为一个或多个红外线源、射频(RF)源、超声波源和/或变送器。因此，跟踪系统120可为红外线跟踪系统、光学跟踪系统、超声波跟踪系统、惯量跟踪系统、有线系统和/或RF跟踪系统。一个示意性的跟踪系统可为本文描述的3-D运动和位置测量以及跟踪系统，然而本领域技术人员能认识到也可使用其它精度和/或分辨率的跟踪系统。

授予Brisson等人的、名称为“控制成形工具的方法和系统”的美国专利US6,757,582提供了关于跟踪系统在外科手术环境中使用的补充细节，例如跟踪系统120。在此美国专利US6,757,582的全部内容通过引用被并入。

在一个示例中，外科医生可以在外科手术期间使用植入体定位装置130来辅助植入体插入植入受体内。例如，在THA中，外科医生通常将假体的髋臼杯插入植入受体的髋臼内。插入假体的髋臼杯通常包括手动的或动力的冲击装置。当使用手动冲击器时，外科医生将用棒槌锤击冲击器的端部，以使人造的髋臼杯(例如植入体)进入合适的位置就位。虽然一些手动的冲击装置已经与例如跟踪系统120的跟踪系统连接，但是提供给外科医生的辅助限于手动的冲击装置的对准。当前可用的系统缺乏提供冲击装置的导航控制以辅助外科医生将植入体植入理想植入位置(如通过手术前和手术期间规划确定的)的能力。下文参考附图7提供诸如植入体定位装置130的示例性导航植入体定位装置的补充的细节。

示例性的操作环境

图2为示出根据示例性实施例的用于操作用于导航和控制植入体定位装置130的系统200的环境的简图。在一个示例中，系统200可包括参照系统100的上述讨论的部件相似的部件。例如，系统200可包括控制系统110、跟踪系统120、植入体定位装置130和例如显示装置140A和140B的一个或多个显示装置。系统200还图示了植入受体10、跟踪标记160、162和164以及脚踏控制170。

在一个示例中，跟踪标记160、162和164可被跟踪系统120使用以跟踪植入受体10、植入体定位装置130以及例如手术台(跟踪标记164)的参照物的位置和方向。在该示例中，跟踪系统120使用光学跟踪以监测跟踪标记160、162和164的位置和方向。每个跟踪标记(160、162和164)包括三个或多个跟踪球，该跟踪球提供容易操作的目标以确定高达6个自由度中的位置和方向。跟踪系统120可以被校准以提供局部的3-D坐标系，在该坐标系中植入受体10和植入体定位装置130(通过参考植入体)可被空间地跟踪。例如，只要跟踪系统120可以成像例如跟踪标记160的跟踪标记上的跟踪球中的三个跟踪球，跟踪系统120就可以利用图像处理算法在3-D坐标系中产生点。随后，跟踪系统120(或控制系统110中的导航模块114(图1))可以使用3个点三角测量诸如植入受体10或植入体定位装置130的与跟踪标记所附接的装置相关的精确的3-D位置和方向。一旦知道了植入体定位装置130的精确位置和方向，系统200可以使用植入体定位装置130的已知特性来精确地计算与植入体相关的位置和方向(在跟踪系统120不能看见植入体的情况下，其中植入体可能位于植入受体10内并且对外科医生或跟踪系统120不可见)。

下面参考附图3-6进一步讨论系统100(图1)和系统200的操作和能力。

示例性方法

图3为示出了根据示例性实施例的用于导航和控制植入体定位装置130(图2)的方法的流程图。在一个示例中，方法300可包括如下步骤：在310中访问植入规划，在320中建立3-D坐标系，在330中接收跟踪信息，在335中确定植入体位置和方向，在340中确定是否已经到达规划位置，在345中生成控制信号，并且在350中传输控制信号。可选地，方法300还可以包括例如在305中生成植入规划，在315中初始化通信连接，以及在355中提供反馈给外科医生。通常地，与方法300相关所讨论的步骤在控制系统100(图1)中执行。然而，在某些示例中，一些步骤可在例如跟踪系统120(图2)的系统100或200的其它部件中执行。此外，在一些示例中，可以不需要所记载的步骤中的一些，来提供对植入体定位装置130(图2)的导航和控制。

在一个示例中，方法300可以可选地开始于305，使用规划模块112(图1)以辅助临床医生生成植入规划。生成植入规划可包括从植入受体10的适当的解剖结构的CT、MRI或类似的医学扫描生成虚拟的植入受体模型。生成植入规划还可包括参照虚拟的植入受体模型操纵虚拟的植入体模型。此外，生成植入规划可包括在植入体插入植入受体10之前规划待执行的骨骼成形程序。在一个示例中，在该步骤中生成的植入规划可提供在例如植入受体10的植入受体内的与理想植入位置相关的位置和方向数据。

在310中，方法300可使用控制系统110(图1)继续进行，访问植入规划，例如在步骤305中生成的植入规划。可替代地，控制系统110可访问数据库150(图1)中存储的植入规划。在一个示例中，必要时，在植入规划中的与植入体、期望的(理想的)的植入位置和植入受体10相关的数据可以被用于导航模块114和控制模块116，以对例如植入体定位装置130(图2)的植入体定位装置提供导航和控制。

在315中，方法300可以可选地使用控制系统110继续进行，经由通信接口118初始化与植入体定位装置130和/或跟踪系统120(图1)连接的通信连接。在某些示例中，初始化通信连接可包括验证植入体定位装置130的控制能力。例如，系统100和200(图1和图2)可以适于与具有或不具有伸长能力的计算机控制的动力冲击器一起使用，该伸长能力提供可控制的可伸缩的伸长，用于辅助植入体的插入。初始化与植入体定位装置130连接的通信连接能够确定连接的装置是否包括动力伸长能力。

在320中，方法300可以使用控制系统110继续进行，建立3-D坐标系以在手术期间跟踪外科手术器械和植入受体10(图2)。在一个示例中，控制系统110连同跟踪系统120(图2)一起工作，以建立局部的3-D坐标系。在某些示例中，控制系统110能够引导临床医生通过包括例如跟踪标记160、162和164(图2)的跟踪标记的对准和校准步骤来建立3-D坐标系。建立3-D坐标系还可以包括使用与跟踪系统120相关的点探测器。下面参考图4讨论与步骤320有关的进一步细节。

在330中，方法300可以使用控制系统110继续进行，从跟踪系统120(图1)接收跟踪信息。在该示例中，在步骤330中，方法300进入手术中阶段。在手术中阶段，外科手术器械、植入受体10(图2)和植入体可被跟踪以辅助临床医生执行外科手术。在步骤330中接收到的跟踪信息可包括用于例如植入受体10和植入体定位装置130(图1和图2)的系统100或200的部件的位置和方向信息。在其它示例中，在步骤330中接收到的跟踪信息可以仅包括用于每个跟踪部件检测的参考点，例如跟踪标记160(图2)上的跟踪球的识别位置。在这些示例中，导航模块114(图1)可以使用参考点计算与所跟踪的部件相关的位置和方向数据。

在一个示例中，在335中，方法300可以使用导航模块114(图1)继续进行，确定植入体的位置和方向。在某些其它示例中，确定植入体的位置和方向可使用跟踪系统120(图2)完成。在一个示例中，植入体位置和方向基于植入体定位装置130的已知位置和方向以及植入体定位装置130与植入体之间的已知关系计算。例如，跟踪系统120可以提供与植入体定位装置130相关的3-D坐标系内的点的位置和方向。植入体定位装置130的手术前校准可以确定植入体定位装置130的末端执行器的相对位置，这使得能够确定附接于末端执行器上的植入体的位置和方向。校准所述关系使得导航模块114能够通过接收植入体定位装置130的跟踪位置来跟踪植入体的精确位置。

在340中，方法300可以使用控制系统110继续进行，确定植入体是否已到达参照植入受体10(图2)的规划的(例如，理想的)位置。如果已经到达理想的植入位置，那么方法300可以结束。如果植入体还未到达理想的植入位置，那么方法300可以在345中使用控制模块116(图1)继续进行，生成控制信号以导航和控制植入体定位装置130(图2)。下面参考图5讨论与控制信号生成有关的补充细节。

在350中，方法300使用控制模块116继续进行，通过通信接口118将控制信号传输给植入体定位装置130(图1)。步骤330至350所表示的接收跟踪信息、确定植入位置、生成控制信号和传输控制信号的过程可以以每几毫秒就发生一次这样频繁地发生，以允许控制系统110(图2)快速改变发送给植入体定位装置130的控制参数。本文提供的周期时间只是示例性的，并且可以通过应用专业化的处理硬件或最佳化的算法而改变。此外，例如振动稳定时间的物理限制在操作中也可影响控制周期的时间。快速改变控制参数的能力允许精确控制植入体在植入受体10(图2)内的布置和方向。

在355中，方法可以可选地使用控制系统110(图2)继续进行，提供反馈给外科医生以进一步辅助定位植入体。如下面参考图6更详细讨论的那样，提供给外科医生的反馈可为视觉的、听觉的和触觉的。

如上所述，方法300可以通过步骤330-355循环，直至在步骤340中确定植入体已经到达理想的位置和方向。在一个示例中，在植入过程中，方法300还可以由临床医生终止或暂停。如果暂停，控制系统110(图2)可允许临床医生继续植入程序。如果方法300被终止，临床医生可以选择取出植入体或在终止导航和控制方法之前将植入体留在到达的位置中。在某些示例中，植入体定位装置130(图2)可包括扳机致动器，该扳机致动器可被配置为开始并且随后暂停参考图3所讨论的步骤。

下面的方法提供了关于上面参考图3引入的步骤的补充细节。下面的方法所讨论的步骤是可选的，并且可以不同于下面示例讨论的顺序或在不同的系统上执行。此外，上面参考图3讨论的步骤对于提供例如提供植入体定位装置130(图2)的植入体定位装置的导航和控制并不是所有都是必需的。此外，上面讨论的步骤的顺序仅仅是示例性的，所讨论的步骤可以不同于上面时论的步骤和在不同的系统上执行。

图4为示出了根据示例性实施例的用于建立三维(3-D)坐标系的方法320的流程图。在一个示例中，方法320可包括如下步骤：在410中的系统校准，在420中的植入受体10的配准，在430中的植入体定位装置130的配准，在440中的将植入受体模型与植入受体10对准，以及在450中的将植入体模型与植入受体10(图2)对准。方法320对应于图3中介绍的步骤320。参照方法320所讨论的步骤代表步骤320的示例性实施例。

方法320可以使用控制系统110和跟踪系统120(图2)从步骤410开始，执行系统校准。跟踪系统120的校准能够实现跟踪标记在跟踪系统120的视场内的精确跟踪。在一个示例中，跟踪系统120可包括点探测器和校准固定装置，用于校准跟踪系统120。跟踪系统120或控制系统110连同跟踪系统120可以引导临床医生使用校准固定装置逐步进行点探测器的校准。校准固定装置可提供3-D坐标系的精确方向，并且然后点探测器可以被用来配准(例如校准)例如植入受体10和植入体定位装置130(图2)的将被跟踪的其它部件。跟踪系统120或控制系统110连同跟踪系统120可以可选地使用校准固定装置引导临床医生逐步进行点探测器的校准。校准过程限定了与点探测器(特别是在它的尖端处)相关的3-D坐标系的精确位置和方向。然后探测器被用来配准(例如校准)例如植入受体10和植入体定位装置130的将被跟踪的其它部件。

在420中，方法320可以使用控制系统110继续进行，便于植入受体10与跟踪系统120(图2)的配准(registration)。在一个示例中，例如跟踪标记162(图2)的跟踪标记可以被附接于植入受体10上。通过所附的跟踪标记，临床医生可以使用校准的点探测器将地标定位在植入受体10上，以配准关键的解剖结构与跟踪系统120。配准为控制系统110和/或跟踪系统120提供了将跟踪标记162的位置转化为相对于将参与到外科手术中的植入受体10的解剖结构的位置和方向所必需的信息。例如，在THA中，配准程序可定位植入受体10的髋臼的相对位置。

在430中，方法320可以使用控制系统110和/或跟踪系统120继续进行，便于在由跟踪系统120(图2)建立的3-D坐标系内配准植入体定位装置130。在一个示例中，植入体定位装置130的配准可以包括使用校准至3-D坐标系的点探测器以将地标位置定位在植入体定位装置130上。跟踪系统120使用用于附接于植入体定位装置130上的跟踪标记160(图2)连同由点探测器识别的地标点的位置信息，以配准植入体定位装置130上的关键尺寸和相对位置。

在440中，方法320可以使用控制系统110继续进行，将虚拟的植入受体模型与植入受体10(图2)对准。如上面讨论的，植入规划可包括虚拟的植入受体模型，该植入受体模型可用于植入体位置和方向的手术前规划。在某些示例中，虚拟的植入受体模型可以在跟踪系统120建立的3-D坐标系中对准，以辅助导航和控制植入体定位装置130(图2)。虚拟的植入受体模型的对准可根据植入受体10配准期间集中在植入受体10上的地标位置完成。对准的虚拟的植入受体模型可被用来辅助外科医生通过例如在显示装置140(图2)的显示装置上的3-D图像来观察植入体的位置。

在450中，方法320可以使用控制系统110继续进行，将虚拟的植入体模型与植入受体10(图2)对准。与虚拟的植入受体模型相似，虚拟的植入体模型在手术前规划期间可被用来识别植入体在例如植入受体10的植入受体中的理想位置。为了正确地导航和控制植入体定位装置130，用于规划的虚拟的植入体模型能够在由跟踪系统120(图2)建立的3-D坐标系内对准在规划期间确定的理想位置。在某些示例中，虚拟的植入体模型还可用于辅助外科医生在插入过程中观察植入体的位置。

图5为示出了根据示例性实施例的用于产生控制植入体定位装置130(图2)的控制信号的方法345的流程图。在一个示例中，方法345可包括例如下面的步骤：在510中确定冲击的幅度，在520中确定冲击的频率，在530中确定冲击的持续时间，在540中确定伸长或收缩参数，在550中确定方向参数，以及在560中确定释放参数和时刻。图5示出的控制信号产生步骤针对计算机控制的动力冲击装置，例如下面参考附图7描述的装置。在使用不同类型植入体定位装置的示例中，可应用不同的组的控制信号产生步骤。

在该示例中，方法345可以使用控制模块116(图1)从510开始，基于例如相对于理想的植入位置的当前的插入体位置和方向的参数来确定冲击幅度。这里冲击幅度用于指植入体定位装置130(图2)施加给植入体的力的幅度。在520中，方法345可以使用控制模块116继续进行，确定将发送到植入体定位装置130的冲击频率。这里冲击频率被用于指植入体定位装置130多长时间传递规划幅度的冲击。

在530中，方法345可以使用控制模块116(图1)继续进行，确定将被传输的具有当前幅度和频率参数的冲击的持续时间。在另一个示例中，持续时间可被计算以辅助临床医生确定植入体定位装置130(图2)的特定方向应被保持多长时间。在某些示例中，控制系统110可以利用具有与施加的幅度和频率相关的变化的持续时间的脉冲-测量-脉冲-测量控制方案。在其它示例中，设定的冲击持续时间可被用来使外科医生参与对准过程，并允许有时间检查自发运动之间的过程。

在某些示例中，植入体定位装置130(图2)可包括伸长和/或收缩装置的一部分的能力。在这些示例中，方法345可包括步骤540。在540中，方法345可以使用控制模块116(图1)继续进行，确定伸长或收缩参数，以发送至植入体定位装置130。例如，在假体的髋臼杯插入计算机控制的动力冲击装置期间，装置可被设计为使得临床医生仅保持正确的对准，同时该装置使带有植入体的冲击头(例如，末端执行器)延伸进合适的位置中。

在550中，方法345可以使用控制模块116继续进行，确定将被送到植入体定位装置130(图1)的方向参数。在某些示例中，植入体定位装置130可以具有控制末端执行器上的植入体的方向的能力。例如以假体的髋臼杯为例，末端执行器可被配置为使冲击被引导到植入体圆周上的局部部分上。对圆周小部分的局部冲击可以在植入体上诱发旋转力。在其它示例中，植入体定位装置130的末端执行器能够枢转或旋转，以便于其它方向的调节。

最后，在560中，方法345可以在控制模块116(图1)确定释放参数和时刻的情况下结束。在一个示例中，植入体定位装置130(图2)可以包括一旦植入体已经到达理想位置就释放植入体的机构。释放参数可以包括用于指示植入体定位装置130释放植入体保持机构或触发释放致动器以将植入体从末端执行器移除的参数。在一个示例中，释放致动器可包括在末端执行器内的简单的空气致动或电致动的气缸，以释放植入体。

图6为示出了根据示例性实施例的用于为外科医生操作植入体定位装置130(图2)提供辅助的方法350的流程图。在一个示例中，方法350可以包括例如下面的步骤：在610中确定植入体定位装置130的位置和方向，在615中确定植入受体10(图2)的对准和方向，在620中生成3-D图像，在625中显示十字对准标记(guide)，在630中显示3-D图像，在635中显示理想的植入位置，在640中显示植入受体模型，在645中形成听觉的对准指示器，并且在650中生成触觉的控制信号。下面的步骤强调计算机辅助导航和控制的许多潜在优点之一，即在手术期间在植入受体10的解剖结构和植入体可能被部分或全部阻挡而不能看见的地方，通过可视化植入受体10的解剖结构和植入体这些方面辅助临床医生的能力。

在一个示例中，方法350可以使用导航模块114从610开始，确定植入体定位装置130(图1)的位置和方向。在某些示例中，植入体定位装置130的位置和方向已被计算出来，以确定植入体的位置和方向(参见图3的步骤335)。在615中，如必要，方法350可以使用导航模块114继续进行，以确定植入受体10(图2)的位置和方向。和步骤610类似，步骤615先前已经被执行，以相对植入受体10确定植入体位置。

在620中，方法350可以使用控制系统110继续进行，生成部件的3-D图像，例如植入体和植入体定位装置130以及植入受体10(图2)的3-D图像。生成的图像可被用来为外科医生提供实时的可视化图像。在625中，方法350可以使用控制系统110继续进行，生成并显示十字对准标记，以辅助外科医生对准植入体定位装置130。在一个示例中，包括当前植入体位置、理想的(规划的)植入位置、植入体定位装置130的位置和方向、以及植入受体10的位置和方向的信息可被用来生成十字对准标记。在一个示例中，十字对准显示器上的两个维度(例如，x和y)可以对应于在与植入规划对准的球坐标系上的植入体定位装置130的方位和高度。XY平面图的中心对应于植入规划，并且植入体定位装置130的XY坐标为植入体定位装置130和植入规划之间的方位差和高度差。在某些场景中，这个定义可导致植入体定位装置130的运动和屏幕上十字的移动之间非直观的相关性。因此，角度参考平面可对准到全局参考，例如重力或使用者的面对方向。这些参考允许使用者的左移对应于屏幕上的向左移动，并且植入体定位装置130的向上方向(相对于重力)的移动操作为十字的上移。参考坐标的这种方式的转换对机器人或外科手术导航领域的技术人员是显而易见的。

在625中，方法350可以使用控制系统110继续进行，在例如显示装置140(图2)显示装置上显示3-D图像。在一个示例中，在步骤620中生成的3-D图像能被显示以辅助外科医生可视化植入体定位装置130(图2)以及其它物体的植入定位和定向。在一些示例中，3-D可视化图像能被彩色编码，以为外科医生提供额外的反馈。例如，每个不同的部件，例如植入体、植入受体10(图2)和植入体定位装置130，能以不同的颜色显示。在另一个示例中，植入体能被彩色编码以显示相对于植入受体10的对准。在该示例中，彩色编码能从红色到绿色(在其间具有不同的阴影)改变，以显示植入体被对准或没有正确对准的位置。在635中，方法350可以使用控制系统110继续进行，显示相对于各个其它3-D图像的理想的植入体位置，例如相对于植入受体10、实际的植入体和植入体定位装置130。在640中，方法350可以使用控制系统110继续进行，增加用于显示的植入受体模型的3-D可视化图像。在一个示例中，显示在显示装置140上的3-D可视化图像的性质可通过脚踏控制170(图2)由外科医生控制。对显示的控制能使外科医生通过多个视角滚动或控制在给定时间显示哪个部件。

在645中，方法350可以使用控制系统110(图2)继续进行，生成听觉对准指示器。听觉对准指示器根据植入规划指示植入体对准或植入体定位装置130(图2)对准。最后，在650中，方法350可以使用控制系统110结束，生成触觉的控制信号，以发送给植入体定位装置130。触觉控制信号能指示植入体定位装置130以产生振动，以提供触觉反馈给外科医生。在一个示例中，触觉反馈可被用来指示植入体定位装置130相对于植入规划特别糟糕的对准。可选地，触觉反馈能被用来指示植入体的成功放置。

示例性的植入体定位装置

图7为示出根据示例性实施例的植入体定位装置130的简图。在一个示例中，植入体定位装置130可以包括例如下的部件：本体705、把手710、电池715、卡盘720、可伸缩定位臂730、稳定把手735、末端执行器740、植入体保持装置745、扳机750、跟踪标记760、手动冲击表面770和通信线路780。图7示出的示例性的植入体定位装置130为无线计算机控制冲击器，其能被用在THA手术中。设计用于其它手术的其它植入体定位装置可包括与该示例中描述的装置相似的部件。

在该示例中，植入体定位装置130的主要部件包括主体705、把手710、电池(例如电力供应)715、卡盘720和扳机750。主体705包括需要在末端执行器740上产生期望冲击的电机和其它控制电路。卡盘720可被配置为允许互换的定位臂，例如可伸缩定位臂730。在某些示例中，扳机750提供手动控制(override)，以允许临床医生即使在植入体定位装置130正在从控制系统110接收控制信号时也能控制植入进程。

在该示例中，植入体定位装置130包括可伸缩定位臂730。可伸缩定位臂730包括近端固定部732和远端可移动部734。在一些示例中，稳定把手735能被附接至可伸缩定位臂730的近端固定部732。远端可移动部734包括附接至远端的末端执行器740。末端执行器740可被配置为与植入体相配以降低插入期间对植入体的任何潜在的损坏。末端执行器740可包括保持装置745，其被配置为在插入期间相对于末端执行器740将植入体保持在固定位置。

植入体定位装置130可以包括跟踪标记760，其使得植入体定位装置130的位置和方向被跟踪系统120(图2)跟踪。在一个示例中，跟踪标记760可以包括三个或多个跟踪球765A……765N(共同地被称为跟踪球765)。跟踪球765可为主动的或被动的装置。例如，主动的跟踪球可包括红外线的LED，其使用红外线传感器使例如市面上可买到的的3-D运动和定位测量以及跟踪系统的跟踪系统跟踪植入体定位装置130。其它跟踪系统可使用响应于其它波长的摄像机，这表示使用发射兼容波长(或反射兼容波长的光)的跟踪球。

在该示例中，植入体定位装置130可以包括手动冲击表面770。手动冲击表面770使外科医生能在计算机辅助导航和控制没有正确工作的情况下恢复到手动冲击方式。

最后，植入体定位装置130可以包括通信线路780。在该示例中，通信线路780被示出为有线连接。然而，在其它示例中，通信线路780可以通过例如IEEE 802.11或蓝牙以及其它的任何合适的无线协议执行。

图8A-8B为示出根据示例性实施例的用于植入体定位装置130的可替代的末端执行器800的框图。可替代的末端执行器800包括一系列定位在远端可移动部734和末端执行器740之间的致动器815A-815C(共同地被称为致动器815)。致动器815可以沿着末端执行器740的圆周诱发在局部上作用的力(例如冲击)。如前面所述，引导围绕末端执行器740的圆周的力的致动器位置可以在冲击期间在植入体上诱发期望的旋转运动。图8B示出了致动器815如何绕末端执行器740设置的截面图。

图9为示出根据示例性实施例的另一可替代的用于圆周的致动器915A-915C的装置的框图。在该示例中，圆周的致动器915A-915C设置在远端可移动部734和近端固定部732之间。

图10A-10B为示出根据示例性实施例的动力冲击器的用关节连接起来的部分的框图。在该示例中，可伸缩定位臂730的一部分可以包括连接关节905。图示的示例包括位于可伸缩定位臂730的远端可移动部734内的连接关节。在另一个示例中，连接关节905可包括在可伸缩定位臂730的近端固定部732内。连接关节905可配有动力装置或手动操作，以在外科手术期间辅助定位植入体。

模块、部件以及逻辑电路

本文描绘的计算机系统的某些实施例包括逻辑电路或大量部件、模块或机制。模块可由软件模块(例如表现在机器可读介质上的或在传输信号中的代码)或硬件模块组成。硬件模块为能够执行某些操作并以某种方式配置或设置的有形的单元。在示例性实施例中，一个或多个计算机系统(例如，单机、客户或服务器计算系统)或计算机系统的一个或多个硬件系统(例如处理器或一组处理器)可由软件(例如应用程序或应用程序部分)配置为操作执行本文所期望的某些应用程序的硬件模块。

在各个实施例中，硬件模块可机械地或电子地执行。例如，硬件模块可包括专用电路或被永久配置(例如，作为专用处理器，例如现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC))为执行某些应用程序的逻辑电路。硬件模块还可包括由软件临时配置为执行某些操作的可编程逻辑或电路(例如，作为包含在通用处理器或其它可编程处理器中)。可以认识到的是，在专用和永久配置的电路中或在临时配置的电路(例如由软件配置)中机械地执行硬件模块的决定可考虑花费和时间。

因此，术语“硬件模块”应被理解为包含有形的实体，其为物理构造、永久配置(例如，电路的)或临时配置(例如，程序的)以便以某种方式操作和/或执行本文所期望的应用程序的实体。考虑硬件模块为临时配置(例如，程序的)的实施例，每个硬件模块不需要在某个示例中及时被配置或具体化。例如，在硬件模块包括被配置为使用软件的通用处理器的情况下，通用处理器在不同时期可被配置为各自不同的硬件模块。由此，软件可配置处理器，例如在一个示例的时候构成特殊的硬件模块，而在不同的示例的时候构成不同的硬件模块。

硬件模块能提供信息给其它硬件模块，并从其它硬件模块接收信息。因此，所期望的硬件模块可被认为可通信地连接。在多个这样的硬件模块同时存在的情况下，可通过连接硬件模块的信号传输(例如，通过合适的电路和总线)获得通信。在多个硬件模块在不同时期被配置或被具体化的实施例中，这些硬件模块之间的通信可例如通过存储和取回多个硬件模块已经进入的存储结构中的信息实现。例如，一个硬件模块可执行操作并在与其可通信地连接的存储装置中存储该操作的输出。然后，其它硬件模块在随后进入该存储装置取回并处理所存储的输出。硬件模块也可初始化与输入装置或输出装置之间的通信，并能在资源(例如信息的收集)上操作。

本文所描述的示例性方法的各种操作可至少部分由一个或多个临时配置(例如，通过软件)或永久配置为执行相关操作的处理器执行。无论临时还是永久配置，这种处理器可由操作执行一个或多个步骤或功能的处理器执行模块构成。在一些示例性实施例中，本文所称的模块可包括处理器执行模块。

相似地，本文所描述的方法可至少部分被处理器执行。例如，至少本方法的一些步骤可由一个或多个处理器或处理器执行模块执行。某些步骤的执行可分布在一个或多个处理器上，不只部署于单机，而且部署在大量机器上。在一些示例性实施例中，一个或多个处理器可位于单一位置(例如在家环境内，办公室环境或服务器区)，而在其它实施例中，处理器可分布在大量位置。

一个或多个处理器也可操作以支持相关操作在云计算环境执行或作为“软件即服务”(SaaS)执行。例如，至少一些操作可由大量计算机(作为包括处理器的机器的示例)执行，其中这些操作是经网络(例如，因特网)并经一个或多个合适的接口(例如，APIs)可接近的。

电子装置和系统

示例性实施例可在数字电子电路或计算机硬件、固件、软件或它们的组合中执行。示例性实施例可使用计算机程序产品执行，计算机程序产品例如为明确表现在信息载体内的计算机程序，信息载体例如为用于通过数据处理装置执行，或执行以控制数据处理装置的操作的机器可读介质，数据处理装置例如为可编程处理器、计算机或多个计算机。植入体定位装置130(图7)的某些示例性实施例包括存储将被植入体定位装置130执行的可执行指令的机器可读介质。

计算机程序可以任何形式的程序语言撰写，包括编译语言或解释语言，并且它可以任何形式部署，包括作为单机程序或作为模块、子程序或其它适于在计算环境使用的单元。计算机程序可被部署以在一个计算机或在一个站点或分布在多个站点以及由通信网络相互连接的多个计算机上执行。

在示例性实施例中，各步骤可通过一个或多个执行计算机程序的可编程处理器执行，以通过操作输入数据和生成的输出操作各功能。方法步骤也可通过专用逻辑电路(例如，FPGA或ASIC)执行，并且示例性实施例的装置也可作为专用逻辑电路执行。

计算系统包括客户端和服务器。客户端和服务器通常彼此远离，并且典型地通过通信网络交互。客户端和服务器的关系由运行在各自的计算机上并具有相对彼此的客户端-服务器关系的计算机程序建立。在部署可编程计算系统的实施例中，可以领会的是，硬件和软件体系结构都需要考虑。具体地，可以领会的是，是否选择在永久配置的硬件(例如，ASIC)、在临时配置的硬件(例如，软件和可编程处理器的组合)、或在永久地和临时地配置的硬件中执行某个功能可以为设计选择。下面是可被部署在各个示例性实施例中的硬件(例如，机器)和软件体系结构。

示例性的机器结构和机器可读介质

图11为计算机系统100的示例形式的机器的框图，在该计算机系统中用于促使机器执行本文讨论的一个或多个方法的指令将被执行。在可选实施例中，机器作为单机装置操作或与其它机器连接(例如网络连接)。在网络部署中，机器可在服务器-客户端网络环境中作为服务器或客户端机器操作，或在对等(或分布)网络环境中作为对等机器操作。机器可为个人计算机(PC)、平板电脑、机顶盒(STB)、PDA、移动电话、web应用、网络路由器、交换机或桥、或任何能够执行由该机器进行具体动作的指令的机器。而且，虽然只说明了单机，术语“机器”也应被认为包括任何独自地或连接地执行一系列(多个系列)指令以执行任何一个或多个本文所讨论的方法的机器群。

示例性的计算机系统1100包括处理器1102(例如，中央处理单元(CPU)、图像处理单元(GPU)或二者)、主存储1104和静态存储1106，它们通过总线1108相互通信。计算机系统1100还包括视频显示单元1110(例如，液晶显示装置(LCD)或阴极管射线显示器(CRT))。计算机系统1100还包括字母数字输入装置1112(例如，键盘)、用户接口(UI)导航设备(或光标控制装置)1114(例如，鼠标)、盘驱动单元1116、信号生成装置1118(例如，扬声器)和网络接口装置1120。

机器可读介质

盘驱动单元1116包括机器可读介质1122，在其上存储一组或多组指令和数据结构(例如软件)1124，其表现本文描述的任何一种或多种方法或功能，或由本文描述的任何一种或多种方法或功能使用。指令1124也可在它的执行过程中由计算机系统1100、主存储1104和也构成机器可读介质的处理器1102完全或至少部分存储在主存储1104、静态存储1106和/或处理器1102中。

虽然在示例性实施例中，机器可读介质1122被示出为单一的介质，然而术语“机器可读介质”可包括存储一个或多个指令或数据结构的单一的介质或多个媒介(例如，集中的或分布的数据库，和/或关联的缓冲和服务器)。术语“机器可读介质”也包括能存储、编码或运载用于由机器执行的指令的任何有形的介质，并且有形的介质导致机器执行本发明的任一个或多个方法，或者有形的介质能够存储、编码或运载由这些指令使用的数据结构或与这些指令相关的数据结构。术语“机器可读介质”将相应地包括，但不限于，固态存储和光学的和磁性介质。机器可读介质的具体的示例包括非易失性存储器，举例来说包括半导体存储装置(例如，可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM))和闪存装置；磁盘，例如内置硬盘和可移动硬盘；磁光盘；和CD-ROM和DVD-ROM盘。“机器可读存储介质”还应包括被解释为暂时的、如寄存器存储器、处理器缓存和RAM及其它的装置。即使可读存储介质特征为永久的，本文对机器可读介质和机器可读存储介质的定义也是使用的。例如，任何添加了“永久的”，如永久的机器可读存储介质，也意在继续包含寄存器存储器、处理器缓存和RAM、以及其它存储装置。

传输介质

指令1124可进一步使用传输介质在通信网络1126上被传输或接收。指令1124可使用网络接口装置1120和大量已知的传输协议中的任一种(例如，HTTP)被传输。通信网络的示例包括LAN、WAN、因特网、移动电话网络、普通老式电话(POTS)网络和无线数据网络(例如，WiFi和WiMax网络)。术语“传输介质”包括任何无形的能够存储、编码或运载用于由机器执行的指令的、并且包括数字或模拟的通信信号的介质，或其它无形介质，以便于这些软件的通信。

这样，已经描述了用于植入体定位装置的导航和控制的方法和系统。虽然是参考具体的示例性实施例描述的本发明，然而显然的是，在不偏离本发明的宽泛的精神和范围的情况下，可以对这些实施例作出各种修改和改变。因此，说明书和附图是说明性的，而非限制性的。

虽然已经参照具体的示例性实施例描述了实施方式，然而显然的是，在不偏离本发明的宽泛的精神和范围的情况下，可以对这些实施例作出各种修改和改变。因此，说明书和附图是说明性的，而非限制性的。形成本发明一部分的附图以图示的方式，而非限制的方式示出了可以实践本发明主题的具体的实施例。示出的实施例被充分详细地描述，以使本领域技术人员能够实践本文公开的教导。可以使用并从中推导出其他实施例，以便在不偏离本公开范围的情况下进行结构上和逻辑上的替换和改变。因此，详细的说明书不是限制性的，并且各个实施例的范围仅由所附的权利要求书连同这样权利要求的全部范围的等价方式限定。

本文具有创造性的主题的这些实施例可指单独的和/或共同的，通过术语“发明”仅仅为了方便，并且如果实际公开多于一项发明，并非意在主动将本申请的范围限制为任何单独的发明或具有创造性的概念。这样，虽然本文说明和描述了具体地实施例或示例，然而可以领会的是，任何打算获得相同目的的设置可代替示出的具体实施例。本公开意在覆盖各种实施例的任何和所有的改变或变形。回顾上文的说明，上面实施例的组合，以及本文没有具体描述的其它实施例对本领域技术人员也将是显而易见的。

在本文档中被提及的所有公开、专利和专利文档以其全文引入结合入本文作为参考，仿佛单独地结合入本文作为参考。在本文档与那些作为参考结合的文档之间存在不一致用法的情况下，结合的文献中的用法应被认为是本文档的补充；对于矛盾，以本文档的用法为准。

在本文档中，如在专利文档中常见的，术语“一”(a)或“一个”(an)独立于任何其它示例，包括一个或多于一个的情况，或“至少一个”或“一个或多个”。在该文档中，术语“或”、“或者”被用来指非排他性的，或者这样的情况：除非有其它指示，“A或者B”包括“A非B”、“B非A”和“A和B”。在所附的权利要求书中，术语“包括”(″including″)和“其中”(″in which″)被分别用作术语“包括”(″comprising″)和“其中”(″wherein″)的通俗英语的等价表达。此外，在下面的权利要求书中，术语“包括”(″including″和″comprising″)是开放式的；即包括除列在权利要求中这样的术语之后的那些元素之外的元素的系统、装置、物品或方法也被认为落在该权利要求的保护范围之内。而且，在下面的权利要求书中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用作标记，并且并非意在给它们的对象强加数量要求。

公开的摘要是用于提供对本公开主题的快速概览，不是用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在前述详细说明中，可以看出，为了流畅地公开本申请的目的，各种特征一起组合在单独的实施例中。这种公开方法不应被解释为意在：所要求保护的实施例要求比每个权利要求清楚引用的特征更多的特征。

Claims (20)

1.一种方法，包括如下步骤：

访问植入规划，所述植入规划包括描述关于植入受体的理想的植入位置和方向的位置和方向数据；

建立与植入体定位装置和所述植入受体相关的三维(3-D)坐标系；

接收跟踪信息，所述跟踪信息在3-D坐标系内识别当前的植入体定位装置的位置和当前的植入受体的位置；

基于所述跟踪信息和所述植入规划产生控制信号；以及

通过与所述植入体定位装置连接的通信线路发送所述控制信号，所述控制信号控制所述植入体定位装置的操作，以辅助外科医生根据所述植入规划定位植入体，所述植入体可移除地连接至所述植入体定位装置的末端执行器。

2.根据权利要求1所述的方法，其中产生控制信号的步骤包括产生信号以控制由所述植入体定位装置传递的冲击的幅度。

3.根据权利要求1所述的方法，其中产生控制信号的步骤包括产生信号以控制由所述植入体定位装置传递的冲击的频率。

4.根据权利要求1所述的方法，其中产生控制信号的步骤包括产生信号以控制所述植入体定位装置内的可伸长元件。

5.根据权利要求1所述的方法，其中产生控制信号的步骤包括产生信号以引导由所述植入体定位装置传递的定位冲击，其中所述定位冲击引起沿着所述植入体的特定轴线的旋转。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括显示界面的步骤，所述界面提供反馈以辅助所述外科医生对准所述植入体和所述植入受体。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述显示界面的步骤包括显示3-D图像，所述3-D图像图示所述植入受体、所述植入体定位装置和所述植入体，所述3-D图像提供实时的反馈以辅助所述外科医生对准所述植入体和所述植入受体。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述显示3-D图像的步骤包括对所述植入体相对于所述植入受体的位置以及所述理想的植入位置和方向的指示进行彩色编码。

9.根据权利要求6所述的方法，所述显示界面的步骤包括显示与所述植入体定位装置的图示相关的十字对准标记。

10.根据权利要求1所述的方法，访问植入规划的步骤包括提取植入体模型和植入受体模型；并且

其中，建立3-D坐标系的步骤包括将所述植入受体模型和所述植入体模型与所述植入受体对准。

11.一种系统，包括：

植入体定位装置，所述植入体定位装置包括跟踪部件、用于接收控制信号的通信线路和用于可移除地连接至植入体部件的末端执行器；

跟踪系统，所述跟踪系统包括跟踪传感器，所述跟踪系统实时监测所述植入体定位装置和植入受体的三维位置和方向；

控制系统，所述控制系统包括：

通信接口，所述通信接口经由所述通信线路和所述跟踪系统与所述植入体定位装置连接，所述通信接口给所述植入体定位装置发送控制信号，并且接收识别当前的植入体定位装置的位置和当前的植入受体的位置的跟踪信息；

一个或多个处理器，所述一个或多个处理器与存储装置连接，所述存储装置包括指令，当所述指令被所述一个或多个处理器执行时，所述指令促使所述控制系统基于所述跟踪信息和植入规划生成控制信号，所述控制信号控制所述植入体定位装置的操作以辅助外科医生根据所述植入规划定位植入体。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述植入体定位装置为计算机控制的动力冲击器，所述冲击器包括通信线路以接收用于控制冲击力的参数，所述冲击力施加给附接于所述植入体定位装置的末端执行器上的植入体。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述植入体定位装置包括附接于所述末端执行器上的可伸长元件，所述可伸长元件控制所述末端执行器相对于所述外科医生的相对位置。

14.根据权利要求13所述的系统，其中所述植入体定位装置的通信线路接收包括控制冲击幅度、冲击频率和末端执行器的位置的参数的控制信号。

15.根据权利要求11所述的系统，还包括显示装置，所述显示装置可通信地连接至所述控制系统，所述显示装置显示界面，所述界面提供反馈以辅助所述外科医生对准所述植入体和所述植入受体。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述显示装置显示图示所述植入受体、所述植入体定位装置和所述植入体的3-D动画，所述3-D动画提供实时反馈以辅助所述外科医生对准所述植入体和所述植入受体。

17.一种机器可读存储介质，包括指令，当所述指令被机器执行时，所述指令促使所述机器执行如下的步骤：

访问植入规划，所述植入规划包括描述关于植入受体的理想植入位置和方向的位置和方向数据；

建立与植入体定位装置和所述植入受体相关的三维(3-D)坐标系；

接收跟踪信息，所述跟踪信息在3-D坐标系内识别当前的植入体定位装置的位置和当前的植入受体的位置；

基于所述跟踪信息和所述植入规划产生控制信号；并且

通过与所述植入体定位装置连接的通信线路发送所述控制信号，所述控制信号控制所述植入体定位装置的操作，以辅助外科医生根据所述植入规划定位所述植入体，所述植入体可移除地连接至所述植入体定位装置的末端执行器。

18.根据权利要求17所述的机器可读存储介质，其中产生控制信号的指令包括产生信号以控制由所述植入体定位装置传递的冲击的幅度和频率的附加指令。

19.根据权利要求18所述的机器可读存储介质，其中产生控制信号的指令包括产生信号以控制在所述植入体定位装置上的可伸长的末端执行器的附加指令。

20.根据权利要求17所述的机器可读存储介质，还包括促使机器产生三维(3-D)图像的指令，所述三维图像图示出所述植入受体、所述植入体定位装置和所述植入体，所述3-D图像提供实时反馈以辅助所述外科医生对准所述植入体和所述植入受体。