CN104994805B - 用于建立虚拟约束边界的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于建立和跟踪虚拟边界的系统和方法。虚拟边界能够勾勒出在手术流程期间不允许器械到达的区域。虚拟边界还能够勾勒出在手术流程期间允许手术器械到达的区域。虚拟边界还可以识别在手术流程期间要由器械治疗或要由器械避开的对象或结构。

Description

用于建立虚拟约束边界的系统和方法
相关申请
本申请要求享有2013年3月13日提交的美国临时专利申请No.61/780148的优先权和权益，在此通过引用将其完整内容并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及用于建立和跟踪虚拟边界的系统和方法。
背景技术
在机器人手术中，利用计算机辅助设计软件生成虚拟边界以将末端执行器被限制的区域与机器人系统的末端执行器能够动作(maneuver)的区域划界(delineate)。例如，在矫形手术中，可以生成虚拟切割边界以将要在手术之后保留的骨骼段与在手术中要由末端执行器去除的骨骼段划界。
导航系统跟踪末端执行器相对于虚拟切割边界的运动以确定末端执行器相对于虚拟切割边界的位置和/或取向。机器人系统与导航系统合作以引导末端执行器的运动，使得末端执行器不会运动超过虚拟切割边界。
典型地，在手术之前生成虚拟切割边界。常常在患者的骨骼模型中生成虚拟切割边界并相对于骨骼固定，使得在向导航系统中加载模型时，导航系统能够通过跟踪骨骼的运动来跟踪虚拟切割边界的运动。
虚拟边界可以定义要在手术中由末端执行器避开的其他解剖特征。这样的特征包括神经或要被保护以免与末端执行器接触的其他类型组织。虚拟边界还用于提供虚拟通道，该虚拟通道将末端执行器引导向被治疗的解剖结构。虚拟边界的这些范例常常与被治疗的解剖结构成固定关系，从而在解剖结构移动时所有的边界被一起跟踪。不过，一些解剖特征或手术室中的其他对象可能相对于被治疗的解剖结构来运动。例如，用于为末端执行器在组织中提供开口的牵引器(retractor)可以相对于被治疗的解剖结构来运动。如果未使用适当的动态虚拟约束边界来准确地跟踪，末端执行器可能会无意中撞击到牵引器。结果，末端执行器可能受损或变得不起作用，牵引器可能变得从其位置离开。
其他通常未被跟踪的对象也可以在末端执行器附近，且应当由末端执行器避开，然而相对于被治疗的解剖结构进行运动。因此，在现有技术中需要用于为这样的对象生成动态虚拟边界的系统和方法。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种系统，其使用多个动态虚拟边界引导器械的运动。该系统包括器械跟踪装置，以跟踪器械的运动。该系统还包括跟踪所述多个虚拟边界中的第一虚拟边界的运动的第一边界跟踪装置，其中所述第一虚拟边界与要被治疗的解剖结构相关联。所述系统还包括跟踪所述多个虚拟边界中的第二虚拟边界的运动的第二边界跟踪装置，其中所述第二虚拟边界与要由所述器械避开的对象相关联。控制器被配置成接收与跟踪装置相关联的信息，所述信息包括器械相对于第一和第二虚拟边界的位置。控制器被配置成，在所述第一虚拟边界和所述第二虚拟边界彼此相对运动时，引导所述器械相对于所述第一虚拟边界和所述第二虚拟边界的每个的运动。
在另一个实施例中，提供了一种使用多个动态虚拟边界来引导器械的运动的方法。该方法包括跟踪器械和与要被治疗的解剖结构相关联的第一虚拟边界的运动。该方法还包括跟踪第二虚拟边界相对于所述第一虚拟边界的运动，其中所述第二虚拟边界与要由所述器械避开的对象相关联。在所述第一虚拟边界和所述第二虚拟边界彼此相对运动时，所述器械被引导相对于所述第一虚拟边界和所述第二虚拟边界的每个来运动。
这些实施例的一个优点是，除了跟踪器械之外，还能够动态地跟踪可以相对于目标解剖结构运动的对象(例如其他工具或解剖结构)。第二虚拟边界可以是虚拟约束边界或者相对于与解剖结构相关联的第一虚拟边界的运动被跟踪的其他类型的虚拟边界。
附图说明
在结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，本发明的优点将得到更好理解，从而将容易被认识到，在附图中：
图1是结合机器人系统使用的本发明导航系统的透视图；
图2是导航系统的示意图；
图3是导航系统中使用的坐标系的示意图；
图4是用于由机器人系统的末端执行器访问膝关节的组织开口的透视图；
图5是用于保持组织开口的腿部支撑器和牵引器组件的正视图；
图6是牵引器的顶部透视图；
图7是替代牵引器的顶部透视图；
图8是组织开口的顶部透视图，示出了组织开口中的末端执行器以及用于跟踪组织开口的运动的柔性形状感测装置；以及
图9是组织开口的顶部透视图，示出了组织开口中的末端执行器以及用于跟踪组织开口的运动的机器视觉系统。
具体实施方式
参考图1，示出了手术导航系统20。系统20被示于手术环境中，例如医疗设施的手术室中。建立导航系统20以跟踪各种对象在手术室中的运动。这样的对象包括，例如，手术器械22、患者的股骨F和患者的胫骨T。导航系统20跟踪这些对象，以便向外科医生显示它们的相对位置和取向，并且在一些情况下，用于控制或限制手术器械22相对于与股骨F和胫骨T相关联的虚拟切割边界的运动。
手术导航系统20包括容纳导航计算机26的计算机手推车组件24。导航接口与导航计算机26操作性相通。导航接口包括适于位于消毒场地外部的第一显示器28和适于位于消毒场地内部的第二显示器29。显示器28、29可调节地安装到计算机手推车组件24。第一和第二输入装置30、32，例如键盘和鼠标，可用于向导航计算机26中输入信息或以其他方式选择/控制导航计算机26的特定方面。想到过包括触摸屏(未示出)或语音激活的其他输入装置。
定位器34与导航计算机26通信。在图示的实施例中，定位器34是光学定位器，并包括相机单元(感测装置的一个范例)。相机单元36具有容纳一个或多个光学位置传感器40的外壳38。在一些实施例中，采用至少两个，优选三个光学传感器40。光学传感器40可以是三个独立的电荷耦合器件(CCD)。在一个实施例中，采用三个一维CCD。应当认识到，在其他实施例中，还可以在手术室附近布置独立的相机单元，其每个具有独立的CCD或两个或更多CCD。CCD检测红外(IR)信号。
相机单元36安装于可调节臂上以定位光学传感器40，其中下文论述的跟踪器的视场理想地没有障碍。在一些实施例中，通过绕旋转关节旋转，相机单元36至少在一个自由度上是可调节的。在其他实施例中，相机单元36可以绕两个或更多自由度调节。
相机单元36包括与光学传感器40通信的相机控制器42，以从光学传感器40接收信号。相机控制器42通过有线或无线连接(未示出)与导航计算机26通信。一种这样的连接可以是IEEE 1394接口，这是一种用于高速通信和同步实时数据传输的串行总线接口标准。该连接还可以使用公司特有的协议。在其他实施例中，光学传感器40直接与导航计算机26通信。
向导航计算机26发送位置和取向信号和/或数据，以实现跟踪目标。计算机手推车组件24、显示器28和相机单元36可以类似于2010年5月25日授予Malackowski等人，题为“Surgery System”的美国专利No.7725162中描述的那些，在此通过引用并入本文。
导航计算机26可以是个人计算机或膝上型计算机。导航计算机26具有显示器28、中央处理单元(CPU)和/或其他处理器、存储器(未示出)和外部存储器(未示出)。如下所述，导航计算机26加载有软件。软件将从相机单元36接收的信号转换成代表被跟踪对象的位置和取向的数据。
导航系统20包括多个跟踪装置44、46、48，这里也称为跟踪器。在图示的实施例中，将一个跟踪器44牢固地固定到患者的股骨F，将另一个跟踪器46牢固地固定到患者的胫骨T。将跟踪器44、46牢固地固定到骨骼各段。可以按照美国专利No.7725162中所示的方式将跟踪器44、46附着于股骨F和胫骨T，在此通过引用将其并入本文。也可以类似于2013年1月16日提交，题为“Tracking Devices and Navigation Systems and Methods for UseThereof”的美国临时专利申请No.61/753219中所示的那些来安装跟踪器44、46，在此通过引用将其并入本文。在额外的实施例中，将跟踪器(未示出)附着于膝盖骨以跟踪膝盖骨的位置和取向。在其他实施例中，可以将跟踪器44、46安装到其他组织类型或解剖结构的部分。
器械跟踪器48牢固地附着于手术器械22。可以在制造期间将器械跟踪器48集成到手术器械22中，或者可以在为外科手术做准备时将其独立安装到手术器械22。利用器械跟踪器48跟踪的手术器械22的工作端可以是旋转的牙钻、电消融装置等。
跟踪器44、46、48可以利用内部电池由电池供电，或者可以具有引线，以通过导航计算机26接收功率，导航计算机26像相机单元36那样，优选接收外部功率。
在图示的实施例中，手术器械22附着于手术操纵器。在题为“SurgicalManipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in Multiple Modes”的美国专利申请No.13/958070中示出了这样的布置，在此通过引用将其公开并入本文。
在其他实施例中，可以仅由用户的手，无需任何切割引导部、夹具或诸如操纵器或机器人的其它约束机构的辅助，来人工地定位手术器械22。在2012年8月31日提交，题为“Surgical Instrument Including Housing，a Cutting Accessory that Extends fromthe Housing and Actuators that Establish the Position of the CuttingAccessory Relative to the Housing”的美国专利申请No.13/600888中描述了这样的手术器械，在此通过引用将其并入本文。
定位器34的光学传感器40从跟踪器44、46、48接收光信号。在图示的实施例中，跟踪器44、46、48是有源跟踪器。在这一实施例中，每个跟踪器44、46、48具有至少三个有源跟踪元件或标记器，用于向光学传感器40发送光信号。有源标记器可以是，例如发射光，例如红外光的发光二极管或LED 50。光学传感器40优选具有100Hz或更高，更优选300Hz或更高，最优选500Hz或更高的采样率。在一些实施例中，光学传感器40具有8000Hz的采样率。采样率是光学传感器40从相继发光的LED 50接收光信号的速率。在一些实施例中，对于每个跟踪器44、46、48以不同速率来点亮来自LED 50的光信号。
参考图2，每个LED 50连接到位于向/从导航计算机26发送/接收数据的相关跟踪器44、46、48的外壳(未示出)中的跟踪器控制器62。在一个实施例中，跟踪器控制器62通过与导航计算机26的有线连接以大约几兆字节/秒发送数据。在其他实施例中，可以使用无线连接。在这些实施例中，导航计算机26具有收发器(未示出)，以从跟踪器控制器62接收数据。
在其他实施例中，跟踪器44、46、48可以具有无源标记器(未示出)，例如反射从相机单元36发射的光的反射器。反射光然后被光学传感器40接收。有源和无源布置是现有技术中公知的。
在一些实施例中，跟踪器44、46、48还包括陀螺仪传感器60和加速度计70，例如，2013年1月16日提交，题为“Tracking Devices and Navigation Systems and Methodsfor Use Thereof”的美国临时专利申请No.61/753219中所示的跟踪器，在此通过引用将其并入本文。
导航计算机26包括导航处理器52。应当理解，导航处理器52可以包括一个或多个处理器以控制导航计算机26的操作。处理器可以是任何类型的微处理器或多处理器系统。词语处理器并非要将本发明的范围限制到单个处理器。
相机单元36从跟踪器44、46、48的LED 50接收光信号，并向处理器52输出与跟踪器44、46、48的LED 50相对于定位器34的位置相关的信号。基于接收到的光信号(在一些实施例中为非光信号)，导航处理器52产生表示跟踪器44、46、48相对于定位器34相对位置和取向的数据。
在开始手术流程之前，向导航处理器52中加载额外的数据。基于跟踪器44、46、48的位置和取向和先前加载的数据，导航处理器52确定手术器械22工作端的位置和手术器械22相对于要应用工作端来抵靠(against)的组织的取向。在一些实施例中，导航处理器52向操纵器控制器54转发这些数据。操纵器控制器54然后能够使用该数据控制机器人操纵器56，如题为“Surgical manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrumentin Either a Semi-Autonomous Mode or a Manual，Boundary Constrained Mode”的美国临时专利申请No.61/679258中所述，在此通过引用将其公开并入本文。
导航处理器52还产生表示手术器械工作端相对于组织的相对位置的图像信号。这些图像信号被应用于显示器28、29。显示器28、29基于这些信号，产生允许外科医生和工作人员查看手术器械工作端相对于手术部位相对位置的图像。如上所述，显示器28、29可以包括触摸屏或允许输入命令的其他输入/输出装置。
参考图3，一般参考定位器坐标系LCLZ进行对象的跟踪。定位器坐标系具有原点和取向(x-、y-和z-轴组)。在该流程期间，一个目标是将定位器坐标系LCLZ保持在已知位置。可以使用安装到相机单元36的加速度计(未示出)跟踪定位器坐标系LCLZ的突然或意外运动，在相机单元36被手术人员无意碰到时可能发生这种情况。
每个跟踪器44、46、48和被跟踪的对象都还具有独立于定位器坐标系LCLZ的其自己的坐标系。具有其自己的坐标系的导航系统20部件是骨骼跟踪器44、46和器械跟踪器48。这些坐标系分别被表示为骨骼跟踪器坐标系BTRK1、BTRK2和器械跟踪器坐标系TLTR。
导航系统20通过监测牢固地附着于骨骼的骨骼跟踪器44、46的位置来监测患者的股骨F和胫骨T的位置。股骨坐标系为FBONE，胫骨坐标系为TBONE，它们是骨骼跟踪器44、46牢固附着到的骨骼的坐标系。
在开始流程之前，产生股骨F和胫骨T(或者在其他实施例中，为其他组织)的手术前图像。这些图像可以基于患者解剖结构的MRI扫描、放射线扫描或计算层析成像(CT)扫描。利用现有技术中公知的方法将这些图像映射到股骨坐标系FBONE和胫骨坐标系TBONE。这些图像被固定在股骨坐标系FBONE和胫骨坐标系TBONE中。作为拍摄手术前图像的替代方案，可以从运动学研究、骨骼跟踪和其他方法在手术室(OR)中开发出治疗计划。
在该流程的初始阶段期间，将骨骼跟踪器44、46牢固地固定到患者的骨骼。将坐标系FBONE和TBONE的姿态(位置和取向)分别映射到坐标系BTRK1和BTRK2。在一个实施例中，可以使用具有其自己跟踪器PT(参见图2)的指示器式器械P(参见图1和2)(例如在授予Malackowski等人的美国专利No.7725162中所公开的(在此通过引用并入))来将股骨坐标系FBONE和胫骨坐标系TBONE分别配准(register)到骨骼跟踪器坐标系BTRK1和BTRK2。给定骨骼及其骨骼跟踪器44、46之间的固定关系，可以将股骨F和胫骨T在股骨坐标系FBONE和胫骨坐标系TBONE中的位置和取向变换到骨骼跟踪器坐标系BTRK1和BTRK2，使得相机单元36能够通过跟踪骨骼跟踪器44、46来跟踪股骨F和胫骨T。这些描述姿态的数据存储于与操纵器控制器54和导航处理器52一体的存储器中。
手术器械22的工作端(也称为能量施用器远端)具有其自己的坐标系EAPP。坐标系EAPP的原点可以代表例如手术切割钻的质心。在开始手术之前，坐标系EAPP的姿态被固定到器械跟踪器坐标系TLTR的姿态。因此，确定了这些坐标系EAPP、TLTR相互之间的姿态。描述姿态的数据存储于与操纵器控制器54和导航处理器52一体的存储器中。
参考图2，定位引擎100是可以被视为导航系统20一部分的软件模块。定位引擎100的部件运行于导航处理器52上。在本发明的一些版本中，定位引擎100可以运行于操纵器控制器54上。
定位引擎100从相机控制器42接收基于光的信号作为输入，在一些实施例中，从跟踪器控制器62接收非基于光的信号作为输入。基于这些信号，定位引擎100确定骨骼跟踪器坐标系BTRK1和BTRK2在定位器坐标系LCLZ中的姿态。基于与为器械跟踪器48接收的相同信号，定位引擎100确定器械跟踪器坐标系TLTR在定位器坐标系LCLZ中的姿态。
定位引擎100向坐标变换器102转发代表跟踪器44、46、48姿态的信号。坐标变换器102是运行于导航处理器52上的一种导航系统软件模块。坐标变换器102参照定义患者的手术前图像和骨骼跟踪器44、46之间关系的数据。坐标变换器102还存储表示手术器械工作端相对于器械跟踪器48的姿态的数据。
在该流程期间，坐标变换器102接收表示跟踪器44、46、48相对于定位器34的相对姿态的数据。基于这些数据和先前加载的数据，坐标变换器102产生表示坐标系EAPP以及骨骼坐标系FBONE和TBONE相对于定位器坐标系LCLZ的相对位置和取向的数据。
结果，坐标变换器102产生了表示手术器械22工作端相对于应用器械工作端来抵靠的组织(例如骨骼)的位置和取向的数据。将代表这些数据的图像信号转发到显示器28、29，使得外科医生和工作人员能够查看这种信息。在某些实施例中，可以将代表这些数据的其他信号转发到操纵器控制器54以引导操纵器56和手术器械22的对应运动。
在使用手术器械22治疗患者之前，特定的准备工作是必要的，例如覆盖患者并对手术部位进行准备以进行治疗。例如，在膝盖关节形成术中，手术人员可以在腿部支撑器中固定目标腿部，并覆盖患者和设备。在公布为美国专利申请公开No.2013/0019883，题为“Multi-position Limb Holder”的美国专利申请No.13/554010中示出了一种这样的腿部支撑器，在此通过引用将其并入。
其他准备工作包括在手术室中放置手术所需的对象。这些对象中的一些是接近手术器械22将动作的区域来使用的。这些对象可以包括腿部支撑器、牵引器、抽吸/灌注工具、手术人员等。在手术期间，要让手术器械22避开这些对象。为了便于在手术期间避开这些对象，直接或间接确定这些对象之一或多个的位置信息。在一些实施例中，在手术期间由导航系统20动态跟踪一个或多个对象。
参考图4，在一个实施例中，可以利用指示器器械P从对象间接获得位置信息，在授予Malackowski等人的美国专利No.7725162中公开了其范例，在此通过引用将其并入。指示器P具有其自己的跟踪器PT，跟踪器PT具有LED 50，其与跟踪器44、46、48以相同方式向相机单元36发送信号。指示器P尖端相对于指示器P上的LED 50的位置是已知的，且以电子格式存储于指示器P中，用于稍后经由收发器发送到相机单元36。或者，将尖端的位置信息存储于导航计算机26中或校准到现场的已知位置。在任一种情况下，由于尖端位置是已知的，所以可以使用指示器P确定要由手术器械22避开的对象的位置。
一旦尖端接触对象的某些表面，就由用户致动指示器P上的触发器或开关(未示出)，或者，尖端可以包括传感器，该传感器自动感测其何时与表面接触。对应信号被发送到相机单元36上的收发器，以从指示器跟踪器PT上的LED 50读取信号，从而可以计算尖端的位置，其相关到对象表面上的点。随着表面上更多的点被尖端触及并由导航系统20计算出其位置，可以生成对象的模型以定义对象在定位器坐标系LCLZ中的位置和取向。可以利用常规的表面绘制工具等生成这样的模型。
将生成的模型用作虚拟约束边界以引导手术器械22的运动。可以在显示器28、29上显示模型，以展示对象的位置和/或可以向操纵器控制器54转发与模型相关的信息，以引导操纵器56和手术器械22相对于这些虚拟约束边界的对应运动，防止对象被手术器械22接触。
在手术期间对象静止不动时，以上确定位置和/或取向的方法适于提供虚拟约束边界，或者如果被跟踪的对象不是静止的，但相对于另一个被跟踪对象处于固定位置时。不过，如果在手术期间对象通常会运动，需要额外的措施来实现对对象的连续跟踪。在一些实施例中，可以将可安装的跟踪器110安装到对象。这些跟踪器110相对于对象而言可以是通用的，从而不需要针对对象进行校准。在这种情况下，首先将跟踪器110附着于对象。
一种这样的对象可以是牵引器，例如图4中所示的牵引器组件104。可以通过位于牵引器组件104上的跟踪器连接器将跟踪器110附着于牵引器组件104，跟踪器连接器例如是授予Malackowski等人的美国专利No.7725162中所示那些，在此通过引用将其并入，或者可以利用常规的紧固件或夹具来安装跟踪器110以将跟踪器110固定到牵引器组件104。在公布为美国专利申请公开No.2013/0019883，题为“Multi-position Limb Holder”的美国专利申请No.13/554010中示出了可以使用的牵引器组件的范例，在此通过引用将其并入。一旦将跟踪器110固定到牵引器组件104，就可以使用指示器P来配准牵引器组件104的表面或其上的其他点。每个跟踪器110包括三个或更多LED(未示出)，与跟踪器44、46、48以相同方式向相机单元36发送信号。然后，相机单元36和/或导航计算机26能够确定每个LED在定位器坐标系LCLZ中的位置。当相机单元36从跟踪器110上的LED接收信号时，使用指示器P来接触牵引器组件104上的几个点，并向相机单元36发送对应信号，以利用指示器跟踪器PT从指示器P来确定位置信息。这使得导航计算机26能够将牵引器组件104上的点与跟踪器110上的LED的位置相关联。然后，通过由导航处理器52运行的边界生成软件模块(未示出)，可以生成与牵引器组件104相关联并可以经由跟踪器110动态跟踪的虚拟约束边界。
在一些实施例中，可以通过将拍摄点的每个连接在一起来生成边界。这样生成了界定表面边界的网或网格。如果仅拍摄了两个点，边界可以是点间的线。如果拍摄了三个点，边界可以是由连接相邻点的线形成的三角形。可以使用显示器28、29来提供所生成的边界形状的视觉反馈。可以使用诸如鼠标、触摸屏等输入装置，通过例如移动边界、放大或缩小边界、改变边界形状等，来修改边界。一旦生成之后，就可以在边界生成软件模块中将边界定义为虚拟约束边界，根据题为“Surgical Manipulator Capable of Controlling asurgical instrument in either a Semi-Autonomous Mode or a Manual，BoundaryConstrained Mode”的美国临时专利申请(在此通过引用将该公开并入)No.61/679258中描述的机器人控制功能，手术器械22被阻止跨过该虚拟约束边界来运动。操纵器控制器54还可以连续地跟踪虚拟约束边界的运动并在虚拟约束边界运动时连续地调节手术器械22的路径和/或取向，以避开虚拟约束边界。
也可以如题为“Surgical Manipulator Capable of Controlling a SurgicalInstrument in either a Semi-Autonomous Mode or a Manual，Boundary ConstrainedMode”的美国临时专利申请No.61/679258中所描述的在跟踪与股骨F或胫骨T相关联的虚拟切割边界的同时来跟踪虚拟约束边界，该美国临时专利申请在此通过引用被并入。虚拟约束边界可以在手术期间相对于虚拟切割边界来运动。跟踪边界还可以实现在这样的边界之间的相对运动的跟踪。
可以在显示器28、29上显示被跟踪的对象的模型以显示对象的位置。也可以在显示器28、29上显示虚拟边界和被治疗的解剖结构的图示。此外，可以向操纵器控制器54转发与虚拟约束边界和虚拟切割边界相关的信息，以引导操纵器56和手术器械22相对于这些虚拟边界的对应运动，使得手术器械22不会侵入虚拟边界。
在一些实施例中，虚拟边界与手术器械22相关联。经由器械跟踪器48跟踪手术器械虚拟边界。可以仅由手术器械22的模型来界定手术器械的虚拟边界。操纵器控制器54然后监测手术器械虚拟边界相对于其他虚拟约束边界的运动，其他虚拟约束边界包括虚拟切割边界和与其他对象相关联的其他虚拟约束边界。然后编程操纵器控制器54来连续地跟踪边界的运动，并在边界相对于手术器械22运动时，更新手术器械22的引导。
可以通过将对象与未直接固定到对象的一个或多个跟踪器相关联来间接地跟踪手术室中要由手术器械22避开的对象。例如，在图4中，组织中的开口106尽管未直接附着到跟踪器，但是该开口106由其上固定有跟踪器110的牵引器组件104来形成。由于牵引器组件104形成开口106，所以在开口106的尺寸和形状与牵引器组件104的位置和取向之间有着一般的相关性，如上所述，这可以利用跟踪器110通过导航系统20来跟踪。因此，也可以动态地跟踪开口106。
可以利用与牵引器组件104相关联的点，在边界生成软件模块中定义开口106，因为开口106沿着牵引器组件104的边缘布置。或者，可以利用指示器P来跟踪开口106。在后一种情况中，使用指示器P来捕获界定开口106的边缘的点，从而可以在边界生成软件模块中连接这些点以形成代表开口106的环。可以在边界生成软件模块中将环定义为虚拟约束边界，以根据题为“Surgical Manipulator Capable of Controlling a surgicalinstrument in either a Semi-Autonomous Mode or a Manual，Boundary ConstrainedMode”的美国临时专利申请No.61/679258(在此通过引用将该公开并入)中描述的与这种开口相关联的机器人控制功能，来将手术器械22的运动约束在环之内。可以额外地将开口106配准到跟踪器110，从而可利用跟踪器110来跟踪开口106的运动。可以由指示器P来类似地勾勒出要由手术器械22避开的其他组织，例如神经组织、韧带等，并与跟踪器110相关联以跟踪其运动。
参考图5，示出了用于支持患者腿部的腿部支撑器200。在公布为美国专利申请公开No.2013/0019883，题为“Multi-position Limb Holder”的美国专利申请No.13/554010中更详细地描述了腿部支撑器200，在此通过引用将其并入。图5中示出了用于附着到腿部支撑器200的替代牵引器组件105。在美国专利申请No.13/554010中更详细地描述了替代牵引器组件105，在此通过引用将其并入本文。
可以使用图6和7中的牵引器头部107、109来牵引软组织以在手术流程中访问骨骼。在美国专利申请No.13/554010中更详细地描述了使用这些类型的头部107、109来牵引组织，在此通过引用并入本文。在图6和图7中，跟踪元件被固定到头部107、109，从而由导航系统20来跟踪头部107、109。在图示的实施例中，跟踪元件是集成到每个头部107、109的结构中并彼此关系固定的三个或更多LED 50。每个头部107、109相对于LED 50的几何模型也存储于存储器(未示出)中的牵引器头部107、109上，并可以通过收发器(包括集成到牵引器头部107、109中的未示出的收发器)发送到相机单元36。或者，每个头部的模型被预先存储于导航计算机26中并在导航设置期间利用边界生成软件模块通过识别牵引器头部107、109的类型或序号而被访问。也可以通过将牵引器头部107、109上的独有LED图案与牵引器头部形状的数据库相关来识别每个牵引器头部107、109的形状。
通过生成与牵引器组件104的形状相关联的虚拟约束边界并利用跟踪器110或集成跟踪元件来跟踪虚拟约束边界的运动，操纵器控制器54能够相对于牵引器虚拟约束边界和虚拟切割边界来引导手术器械22的运动，使得手术器械22不会运动超过这些边界，由此避免与牵引器组件104或骨骼或在手术后要保留的其他组织的无意接触。可以在手术操纵器的人工模式和半自动模式两者中来使用这些虚拟边界，如题为“Surgical manipulatorCapable of Controlling a Surgical Instrument in Either a Semi-Autonomous Modeor a Manual，Boundary Constrained Mode”的美国临时专利申请No.61/679258中所述，在此通过引用将其公开并入本文。
参考图8，还可以使用柔性形状感测装置300来确定对象，例如开口106的位置。柔性形状感测装置300包括外壳302，外壳302具有其自己的形状感测坐标系SS。外壳302形成反射计的一部分，反射计例如是可从佛吉尼亚Roanoke的Luna InnovationsIncorporation商业购买到的Luna分布式感测系统。可商业购买到的反射计的另一个范例是从Luna Innovations Incorporated获得的光学反向散射反射计。
光缆304从外壳302延伸并绕开口106且密切接近开口106敷设于患者皮肤上。在一些实施例中，光缆304依附到皮肤周围，从开口106偏离。在一些实施例中，在沿着开口106周边的所有位置，距开口106的偏移量小于五毫米。在其他实施例中，可以使用不同的偏移量，或者可以在放置光缆304之后测量偏移量，从而知道光缆304相对于开口106的位置。光缆304是柔性的，从而在开口106的形状变化时，光缆304的形状也变化。光缆304的位置能够被动态地跟踪。在授予Froggatt等人的美国专利No.7772541中描述了包括反射计、光缆和其他特征件的柔性形状感测装置300及使用其确定位置的方法，在此通过引用将其并入本文。
可以将诸如LED 50的跟踪元件集成到柔性形状感测装置300中。或者，可以将跟踪器(未示出)安装到外壳302。集成到柔性形状感测装置300中的LED 50与跟踪器44、46、48的LED 50以相同方式向相机单元36发送信号。因此，可以由定位器坐标系LCLZ中的导航系统20确定形状感测坐标系SS以及外壳302的位置和取向。光缆304的运动导致相对于外壳302固定的形状感测坐标系SS中位置的变化。利用外壳302上的LED 50将坐标系SS配准到定位器坐标系LCLZ。一旦配准之后，也可以在定位器坐标系LCLZ中确定光缆304的位置变化。
可以在边界生成软件模块中将开口106定义为虚拟约束边界，以根据题为“Surgical Manipulator Capable of Controlling a surgical instrument in eithera Semi-Autonomous Mode or a Manual，Boundary Constrained Mode”的美国临时专利申请No.61/679258(，在此通过引用将其公开并入)中所描述的与这种开口相关联的机器人控制功能，来将手术器械22的运动约束在开口106之内。可以使用柔性形状感测装置300类似地跟踪要由手术器械22避开的其他组织，例如神经组织、韧带等。类似地，可以使用柔性形状感测装置300来确立其他边界，例如被集成到由手术人员佩戴的手套中，从而可以生成与手术人员相关联的边界。
机器视觉能够识别手术室中的对象并生成与对象相关联的虚拟约束边界。图9示出了机器视觉系统400。机器视觉系统400包括3维机器视觉相机402。布置视觉相机402，使得视觉相机402的视场涵盖手术部位和接近手术部位的对象。如图9所示，这样的对象可以包括手术器械22(被示为切割钻)、牵引器组件104、股骨F和胫骨T。机器视觉系统400具有与视觉相机402通信的控制单元(未示出)。控制单元包括与导航计算机26通信的处理器、存储器(memory)和储存器(storage)。
一开始，识别要被跟踪的对象。可以通过利用机器视觉软件选择控制单元上的存储器中所存储的对象来识别对象。例如，可以在控制单元中存储与不同尺寸和形状的牵引器组件104相关联的像素组。通过选择要跟踪的牵引器组件104之一，机器视觉软件识别对应的像素组，然后机器视觉软件操作以利用常规的模式识别技术来检测相似的像素组。
或者，可以利用用户在显示器28、29上勾勒或选择要跟踪的对象的界面来识别对象。例如，在显示器28、29上显示视觉相机402从手术部位上方拍摄的图像——类似于图9中所示的图像——。用户然后利用鼠标、数字笔等在显示器28、29上勾勒出要被跟踪的对象。机器视觉软件向其存储器中存储与被勾勒的对象相关联的像素。用户在机器视觉软件中，通过独有标识符，例如将对象命名为“MEDIAL RETRACTOR”(中间牵引器)来识别每个对象，使得所保存的像素组现在与独有标识符相关联。可以通过这种方式存储多个对象。机器视觉系统400利用常规的模式识别和相关的软件以稍后检测这些对象。
机器视觉系统400能够通过连续拍摄图像、审查图像并检测与对象相关联的像素组的运动来检测这些对象的运动。在一些情况下，可以向导航计算机26发送针对对象的来自机器视觉系统400的控制单元的位置信息。同样地，可以从导航计算机26向机器视觉系统400的控制单元发送来自导航计算机26的位置信息。
机器视觉系统400的控制单元可以提供对象在机器视觉坐标系MV中的位置信息。视觉相机402还包括LED 50，使得相机单元36能够相对于定位器坐标系LCLZ跟踪并从而配准机器视觉坐标系MV的位置和取向。于是，可以在定位器坐标系LCLZ中确定来自视觉相机402的位置信息。于是，可以在机器视觉系统400中使虚拟边界与对象相关联，并可以向导航计算机26传输与这些虚拟边界相关的信息。此外，可以向操纵器控制器54转发与虚拟约束边界相关的信息，以引导操纵器56和手术器械22相对于这些虚拟边界的对应运动。
也可以一开始利用指示器P将对象配准到定位器坐标系LCLZ。例如，在牵引器组件104未装备跟踪器110或集成跟踪元件时，可以在牵引器组件104静止，即不运动时，一开始使用指示器P建立与牵引器组件104相关联的虚拟约束边界。然后会在导航计算机26和/或操纵器控制器54中存储这些虚拟约束边界，以用于引导机器人操纵器56。还可以配置机器视觉系统400以如前所述，即，通过跟踪与牵引器组件104相关联的像素组的运动，来检测牵引器组件104的运动。
然后可以使用牵引器组件104运动的机器视觉检测，通过定义牵引器组件104的姿态变化(例如，沿3个轴的平移/绕3个轴的旋转)，来偏移在导航计算机中所存储的牵引器组件104的虚拟约束边界。机器视觉系统400会操作，以确立牵引器组件140在时间t1的第一姿态和在时间t2的第二姿态。会将t1和t2之间姿态的变化提供到导航计算机26和/或操纵器控制器54，以在定位器坐标系LCLZ中将关联的虚拟约束边界移动成比例的量。在一些实施例中，视觉相机402仅检测2维运动并与导航计算机26和/或操纵器控制器54共享，以更新牵引器组件104的位置。
在一些实施例中，机器人系统是用于从患者的解剖结构，例如骨骼或软组织切割掉材料的机器人手术切割系统。一旦导航系统20判定切割系统处于适当位置，切割系统切割掉要由手术植入物，例如髋部和膝部植入物(包括单腔、双腔或全膝部植入物)所替代的材料。在题为“Prosthetic Implant and Method of Implantation”的美国专利申请No.13/530927(在此通过引用将其公开并入本文)中示出了这些类型植入物中的一些。导航系统20指示外科医生进行适当流程，以在骨骼上定位这些植入物并将植入物固定于适当位置，包括使用试验植入物。
在其他系统中，器械22具有切割工具，切割工具可以相对于手持式外壳在三个自由度中运动，并由外科医生的手来人工定位，无需切割夹具、导向臂或其他约束机构的辅助。在题为“Surgical Instrument Including Housing,a Cutting Accessory thatExtends from the Housing and Actuators that Establish the Position of theCutting Accessory Relative to the Housing”的美国专利申请No.13/600888中示出了这样的系统，在此通过引用将其公开并入。
在这些实施例中，该系统包括具有切割工具的手持式手术切割器械。如题为“Surgical Instrument Including Housing,a Cutting Accessory that Extends fromthe Housing and Actuators that Establish the Position of the CuttingAccessory Relative to the Housing”的美国专利申请No.13/600888(在此通过引用将其公开并入)所示，控制系统利用内部致动器/电动机在至少三个自由度上控制切割工具的运动。导航系统20与控制系统通信。将一个跟踪器(例如跟踪器48)安装到器械。将其他跟踪器(例如，跟踪器44、46)安装到患者的解剖结构。导航系统20与手持式手术切割器械的控制系统通信。导航系统20向控制系统传输位置和/或取向数据。位置和/或取向数据表示器械22相对于解剖结构的位置和/或取向。这种通信提供了闭环控制，以控制解剖结构的切割，使得切割发生于预定义边界之内(词语预定义边界被理解为包括预定义轨迹、体积、线、其他形状或几何形式等)。
在一些实施例中，3D视频相机(未示出)附着于相机单元36。对视频相机进行取向，使得相机单元36的视场可以与视频相机的视场相关联。换言之，可以将两个视场匹配或以其他方式相关，使得如果能够在从视频相机流传输(streamed)的视频图像中看到对象，那么该对象也在相机单元36的视场之内。也可以将视频相机的坐标系变换成定位器坐标系LCLZ或反之，从而在定位器坐标系LCLZ中知道从视频相机流传输的视频图像中示出的对象的位置和/或取向。可以将来自视频相机的视频图像流传输到显示器28、29，然后用户能够利用诸如鼠标或触摸屏的输入装置在显示器28、29上识别虚拟约束边界，以划出要由器械22避开的区域。可以以2D或3D形式来提供视频图像，以便于生成这些虚拟约束边界。与这些虚拟约束边界的位置和/或取向相关的信息会被提供到定位器坐标系LCLZ中并被导航计算机26或操纵器控制器54跟踪，例如，以防止器械22侵入所生成的边界。
在一些实施例中，在操纵器控制器54或导航计算机26检测到器械22在接近虚拟约束边界之一时，可以产生警报。警报可以包括给用户的视觉、触觉或听觉反馈，该视觉、触觉或听觉反馈向用户指出与虚拟约束边界相关联的对象即将被碰到和/或可以包括距对象或关联虚拟约束边界的距离的视觉、触觉或听觉指示。
在以上描述中已经论述了几个实施例。不过，这里论述的实施例并非意在穷举或将本发明限制为特定形式。已经使用的术语意在具有描述词汇的性质而不是限制。根据以上教导，很多修改和变化都是可能的，可以以与具体描述不同的方式来实践本发明。

Claims (14)

1.一种用于使用多个虚拟边界的手术系统，所述系统包括：
器械；
跟踪所述器械的运动的器械跟踪装置；
跟踪所述多个虚拟边界中的第一虚拟边界的运动的第一边界跟踪装置，其中所述第一虚拟边界与要由所述器械治疗的解剖结构相关联；
跟踪所述多个虚拟边界中的第二虚拟边界的运动的第二边界跟踪装置，其中所述第二虚拟边界与要由所述器械避开的患者的开口的边缘相关联；以及
配置成接收与所述跟踪装置相关联的信息的控制器，所述信息包括所述器械相对于所述第一虚拟边界和所述第二虚拟边界的位置，所述控制器被配置成在所述第一虚拟边界和所述第二虚拟边界彼此相对运动时，引导所述器械相对于所述第一虚拟边界和所述第二虚拟边界的每个的运动。
2.根据权利要求1所述的系统，包括手术操纵器，具有多个臂和多个致动器，用于控制所述器械的位置。
3.根据权利要求2所述的系统，包括用于牵引临近所述开口的组织的牵引器，并且所述第二边界跟踪装置附着于所述牵引器。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第二边界跟踪装置包括能够安装到所述牵引器的跟踪器或集成到所述牵引器中的至少一个跟踪元件中的一个。
5.根据权利要求3所述的系统，包括跟踪所述多个虚拟边界中的第三虚拟边界的第三边界跟踪装置，所述第三虚拟边界与要由所述器械避开的另一个对象相关联，所述控制器被配置成引导所述器械相对于所述第一虚拟边界、所述第二虚拟边界和所述第三虚拟边界的每个的运动。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制器被配置成基于所述第二虚拟边界和所述第三虚拟边界的位置来界定所述患者中用于接收所述器械的所述开口，且所述控制器被配置成利用所述第二边界跟踪装置和所述第三边界跟踪装置来监测所述开口的所述边缘的位置。
7.根据权利要求2所述的系统，其中，所述手术操纵器是能够在人工和半自动模式中操作的机器人操纵器。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二边界跟踪装置包括柔性形状感测系统，所述柔性形状感测系统包括可定位地临近所述开口的所述边缘的光缆。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二边界跟踪装置包括指示器，所述指示器被配置成捕获与所述开口的所述边缘相关联的点，从而使用与所述点相关的信息来生成所述第二虚拟边界。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二边界跟踪装置包括机器视觉系统，所述机器视觉系统包括视觉相机和与所述控制器通信的控制单元，其中所述机器视觉系统被配置为检测所述开口的所述边缘的运动。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述跟踪装置的每个都包括一个或多个跟踪元件。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述一个或多个跟踪元件包括发光二极管。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述跟踪元件包括光学跟踪元件，且所述系统还包括多个感测装置，以从所述光学跟踪元件接收光信号。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二边界跟踪装置包括指示器，所述指示器被配置成捕获与所述开口的所述边缘相关联的点，从而使用与所述点相关的信息来生成所述第二虚拟边界，并且所述系统包括用于检测所述开口的所述边缘的运动的机器视觉相机，所述控制器接收从由所述机器视觉相机拍摄的图像所导出的位置信息，以在所述第二虚拟边界移动之后调节所述第二虚拟边界的位置。
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