CN105377175A - 工具承载的追踪系统以及计算机辅助手术方法 - Google Patents

工具承载的追踪系统以及计算机辅助手术方法 Download PDF

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Abstract

提供众多与使用工具承载的追踪系统的计算机辅助手术有关的改进。各种改进总体涉及计算机辅助手术期间使用的方法和在该过程期间使用的装置。其他改进涉及在过程期间使用的工具结构以及如何使用OTT装置控制工具。其他改进涉及在手术期间提供反馈以改进包括取决于CAS式进行处理的速度和数据类型的手术的效率或品质或两者的方法。

Description

工具承载的追踪系统以及计算机辅助手术方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年3月15日提交的、发明名称为"ON-BOARDTOOLTRACKINGSYSTEMANDMETHODSOFCOMPUTERASSISTEDSURGERY"的美国申请No.13/842,526的优先权，其为2012年6月27日提交的、发明名称为"ON-BOARDTOOLTRACKINGSYSTEMANDMETHODSOFCOMPUTERASSISTEDSURGERY"的国际申请号PCT/US2012/044486的部分继续申请，该国际申请要求2011年6月27日提交的、发明名称为"SYSTEMFORCOMPUTERASSISTEDNAVIGATIONANDCONTROLOFAPOWERTOOL"的美国临时专利申请No.61/501,489的优先权，出于所有目的每个文献在此全文引用以供参考。
援引加入
本说明书提及的所有公开文本和专利申请在此援引加入，仿佛每一个单独的公开文本或专利申请都具体且逐一地表示为援引加入。
关于联邦资助研究的声明
本发明是在国防部授予的No.0578104资助的政府支持下做出的。政府具有本发明中的某些权益。
技术领域
本发明涉及计算机辅助手术领域。具体地，本发明涉及手术间的各个方面，在手术间内，工具上的追踪系统在手术程序期间提供引导或辅助。
背景技术
多数手术程序是要求众多对准夹具的复杂手术和错综复杂的软组织手术。准备和布置对准夹具和其他准备工作通常是手术的重要环节，并且涉及各种各样的差错。例如，在进行全膝置换手术("TKR")时，假体必须是精确植入的，以确保关节表面恰当对准。如果未准确对准，这种不对准会损害功能并且最终导致关节故障，需要置换膝假体的一个或多个部分的复杂任务。
为了确保假体是精确植入的，在TKR手术期间，外科医生使用各种夹具来指导股骨、胫骨以及有时为膝盖骨的切割。夹具是在手术程序期间需要大量的时间和技能来定位且附接到患者的复杂且昂贵的装置。
计算机辅助手术(CAS)的出现提供了简化手术程序的众多复杂性的希望。迄今为止，系统已经发展为使用设计为监视切割夹具、工具和患者的、基于单个房间的追踪系统。在某些情况下，计算机被用来在手术期间指导外科医生。已经建议，房间内照相机的布置更靠近工具。然而，还需要改进以解决视线要求以及手术程序的其他实时动态环境的挑战。
虽然计算机辅助手术带来希望，仍有许多方面待解决以使系统商业化并对外科医生有用处。继续存在计算机辅助手术的众多方面需要改进，以改进处理CAS数据以及对使用者来说更有用的输出的程序的效率和/或品质。
发明内容
总的来说，在一个实施方式中，工具承载的追踪与引导装置包括(1)壳体，其具有用于与一部分手术工具可拆卸式接合的表面，(2)如下布置的第一照相机和第二照相机，第一照相机和第二照相机中的每一个都提供选择用于观察选择用于计算机辅助手术程序的基本上所有手术区域的图像输出，第一照相机和第二照相机联接到壳体上或位于其内，(3)任选地联接到壳体上或位于其内的传感器，(4)联接到壳体上或位于其内的投影机，其被配置为至少部分地在手术视场内提供输出；以及(5)位于壳体内或与其通讯的电子图像处理器，其被配置为从第一和第二照相机中的每一个接收输出并使用来自第一和第二照相机的至少一部分输出执行图像处理操作，以用于计算机辅助手术程序。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。作为第二对照相机的位于壳体内或与其相联的第三照相机和第四照相机。
一般来说，在一个实施方式中，工具承载的追踪与引导装置包括(1)壳体，其具有用于与一部分手持式手术工具可拆卸式接合的表面，(2)第一对照相机，其包括位于壳体内或与其相联的第一照相机和第二照相机，以及(3)第二对照相机，其包括位于壳体内或与其相联的第三照相机和第四照相机。壳体可联接到手术工具上，并且第一、第二、第三和第四照相机可处于适当位置以提供具有视场的图像输出，该视场包括联接到壳体上的手持式手术工具的至少一部分活动元件(activeelement)。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具承载的追踪与引导装置可进一步包括位于壳体内或与其相联的一个或多个传感器。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具承载的追踪与引导装置可进一步包括位于壳体内或与其相联的电子图像处理器，其被配置为从第一和第二对照相机接收输出并使用至少一部分来自第一和第二对照相机的输出执行图像处理操作，促成计算机辅助手术程序的至少一个步骤。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具承载的追踪与引导装置可进一步包括联接到壳体上或位于其内的投影机，其被配置为至少部分地在视场内提供输出。
工具承载的追踪与引导装置的实施方式及其他实施方式可包括一个或多个传感器。一个或多个传感器选自由(1)倾角计、(2)陀螺仪、(3)双轴陀螺仪、(4)三轴陀螺仪或其他多轴陀螺仪、(5)单轴-双轴-三轴或多轴加速计、(6)电位计和(7)被配置为提供与工具承载的追踪装置有关的翻滚、俯仰、偏航、定位或振动信息中的一个或多个的MEMS仪器组成的组。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具承载的追踪与引导装置可进一步包括作为第三对照相机位于壳体内或与其相联的第五照相机和第六照相机。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。手术区域可包括手术工具的活动元件。活动元件可以是锯条、骨钻或钻。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。第一和第二照相机为近场立体照相机而第三和第四照相机为宽视场照相机。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具承载的追踪与引导装置可进一步包括第四对照相机，其包括位于壳体内或与其相联的第七照相机和第八照相机。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。第一对照相机或第二对照相机包括用于在红外光谱内可见的物理或者电子滤波器。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。第一、第二、第三和第四照相机具有大约50mm到大约250mm的视场。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。第一照相机的视轴和第二照相机的视轴可相对于大体平行于壳体的纵向轴线或者附接到壳体上的手术工具的纵向轴线的线朝向彼此倾斜。第三照相机的视轴和第四照相机的视轴可相对于大体平行于壳体的纵向轴线或者附接到壳体上的手术工具的纵向轴线的线朝向彼此倾斜。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。第一照相机的视轴和第二照相机的视轴可相对于大体平行于联接到壳体上的手持式手术工具的活动元件的纵向轴线的线以介于大约0°到大约20°之间的角度倾斜。第三照相机的视轴和第四照相机的视轴可相对于大体平行于联接到壳体上的手持式手术工具的活动元件的纵向轴线的线以介于大约0°到大约20°之间的角度倾斜。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。壳体可联接到手术工具上，并且第一、第二、第三和第四照相机和投影机与手术工具成固定空间关系。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。手术工具的活动元件和投影机、第一照相机、第二照相机、第三照相机和第四照相机之间的偏移距离可根据壳体的构造以及壳体与手术工具的接合来确定。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。投影机是微型投影机。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。来自投影机的输出可进行修改用于投影在一部分患者解剖结构上或者手术区域上或其内。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。解剖结构的一部分为骨头。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。修改后的输出可出于曲度、粗糙度或者解剖结构状况进行调整。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。电子图像处理器可与壳体无线通讯并且位于壳体外部。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。计算机辅助手术程序可以是徒手操纵的计算机辅助手术程序。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。用于与手持式手术工具的一部分可拆卸式接合的表面包括鞍座，其成形为形成与一部分手持式手术工具互补的曲线。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。手术工具的所述部分是可变化的以实现与壳体表面的可拆卸式接合。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。用于与一部分手术工具可拆卸式接合的表面是可修改和配置的，使得在该表面联接到手术工具上时，手术工具的至少一部分活动段位于水平视场和竖直视场内。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。手术工具的所述至少一部分活动段为计算机辅助手术程序期间使用的几乎所有的手术工具活动元件。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。投影机输出基本完全位于水平视场和竖直视场内。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。第一照相机的视轴和第二照相机的视轴可相对于大体平行于壳体的纵向轴线或者附接到壳体上的手术工具的纵向轴线的线朝向彼此倾斜。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。第一照相机的视轴和第二照相机的视轴可相对于大体平行于壳体的纵向轴线的线以介于大约0°到大约20°之间的角度倾斜。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。第一照相机的视轴和第二照相机的视轴可相对于大体平行于与联接到壳体上的手术工具相连的仪器的纵向轴线的线以介于大约0°到大约20°之间的角度倾斜。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。投影机可置于壳体内。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。投影机可置于壳体内并且来自投影机的输出处于第一照相机和第二照相机之间的位置。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。来自投影机的输出更靠近第一照相机或者第二照相机。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。来自投影机的输出进行投影以出现在与附接到壳体上的手术工具相连的活动元件的前面。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。来自投影机的输出投影到与附接到壳体上的手术工具相连的活动元件上或其附近。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。投影机可置于壳体内，位于包含第一照相机和第二照相机的平面上方。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。投影机可置于壳体内，位于包含第一照相机和第二照相机的平面下方
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。经过照相机轴线的水平视场大体平行于由经过活动元件轴线的水平面限定的平面或与其成锐角。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该装置进一步包括位于壳体上的显示器。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。显示器可被配置为提供进一步包括来自工具承载的追踪计算机辅助手术(CAS)处理步骤的信息的视觉输出。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。显示器可被配置为为手术工具的使用者提供与CAS步骤有关的指导。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。显示器可被配置为为手术工具的使用者提供指导以调整手术工具的速度。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。显示器可被配置为为手术工具的使用者提供与CAS数据有关的指导，这些数据是由工具承载的追踪装置收集并在CAS程序期间进行评估的。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。显示器可被配置为为手术工具的使用者提供视觉指示。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具承载的追踪装置可被进一步配置为收集和处理计算机辅助手术数据；并且工具承载的追踪装置或者与工具承载的追踪装置通讯的处理系统可被配置为在计算机辅助手术程序期间实时评估CAS数据。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。评估CAS数据可进一步包括比较由工具承载的追踪装置接收的数据和使用计算机辅助手术的手术计划提供的数据。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具承载的追踪装置可被配置为处理与来自成对照相机的一个或多个视觉数据有关的数据、来自位于工具承载的追踪装置上的传感器的数据、以及与手术工具的工作特性有关的数据。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。手术工具可被配置为从工具承载的追踪装置接收控制信号以便根据CAS数据调整手术工具的性能参数。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该装置进一步包括位于工具承载的追踪装置和手术工具之间的电子界面以将来自工具承载的追踪装置的控制信号发送到手术工具上来控制手术工具的操作。性能参数可进一步包括改变工具切割速度或者停止工具操作。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具承载的追踪装置可被配置为确定计算机辅助手术(CAS)处理模式。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。确定CAS处理模式可基于如下的一个或多个的评估：(1)手术区域内的物理参数，例如通过附接于其上的参考框架(referenceframes)在区域内追踪的元件的位置或者位置的组合，(2)参考框架输入，(3)提取投影图像，(4)传感器探测到的动作，(5)来自计算的动作检测，(6)计算机辅助手术程序的总进展，以及(7)来自先前准备的计算机辅助手术计划的测量或者预测偏差。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该装置进一步包括，确定CAS处理模式选择多个预定处理模式中的一个。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。预定处理模式可以是悬停模式、部位接近模式(siteapproachmode)和实际步骤模式(activestepmode)，
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。预定处理模式可以是悬停模式并且工具承载的追踪装置被配置为接收和使用悬停模式CAS算法处理数据。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该装置被进一步配置为为手术工具使用者提供作为将悬停模式CAS算法应用到使用工具承载的追踪装置接收到的数据的结果的输出。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。预定处理模式可以是部位接近模式并且工具承载的追踪装置被配置为接收和使用部位接近模式CAS算法处理数据。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该装置被进一步配置为为手术工具使用者提供作为将部位接近模式CAS算法应用到使用工具承载的追踪装置接收到的数据的结果的输出。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。预定处理模式可以是实际步骤模式并且工具承载的追踪装置被配置为接收和使用实际步骤模式CAS算法处理数据。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该装置被进一步配置为为手术工具使用者提供作为将实际步骤模式CAS算法应用到使用工具承载的追踪装置接收到的数据的结果的输出。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具承载的追踪装置可如此配置以至于每一个预定处理模式都可调整工具承载的追踪装置承载的处理系统或者与工具承载的追踪装置通讯的计算机辅助手术计算机所采用的一个或多个处理因素。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具承载的追踪CAS处理模式因素可选自以下的一个或多个：(1)照相机帧大小，(2)工具承载的追踪照相机定向，(3)根据要求的调整对照相机软件程序或固件进行的调整，(4)对工具承载的追踪照相机或其他照相机图像输出的调整以改变照相机的水平视场、竖直视场或者水平以及竖直视场内的感兴趣区域的大小，(5)用于可调整镜头调整或定位的驱动信号，(6)图像帧频，(7)图像输出质量，(8)刷新速率，(9)抓帧速率，(10)参考框架2，(11)参考框架1，(12)开启参考框架基准选择，(13)关闭参考框架基准选择，(14)可见光谱处理，(15)IR光谱处理，(16)反射光谱处理，(17)LED或者照明光谱处理，(18)手术工具马达/致动器速度和方向，总的CAS程序进展，(19)特定的CAS步骤进展，(20)图像数据阵列修改，(21)工具承载的追踪微型投影机刷新速率，(22)工具承载的追踪微型投影机精度，(23)一种或多种图像分割技术，(24)基于CAS进展的、一个或多个图像部分的基于逻辑抽取，(25)信噪比调整，(26)一个或多个图像放大过程，一个或多个图像过滤过程，(27)对图像速率、像素或者子像素视觉处理的动态实时增强或减弱应用加权平均或者其他因素，(28)手颤补偿，(29)对锯、钻或者其他电动手术工具的基于仪器的噪声补偿以及(30)基于来自工具承载的追踪信息的振动补偿过程，每个上述CAS处理模式因素单独或者任意组合。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该装置可被配置为基于选定一个预定处理模式的结果调整提供给使用者的输出。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。投影机可被配置为向使用者提供输出。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具承载的追踪装置可被配置为基于投影机输出显示期间给出的手术部位的物理特性调整投影机输出。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。物理特性可以是如下的一个或多个：投影机输出可获得的一部分部位形状；投影机投影区域的地形和投影机相对于投影机输出可获得的部位部分的定向。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。投影机可被配置为投影输出，该输出包括当手术工具用于手术部位时，手术工具的使用者可见的信息。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。投影机可被配置为投影输出，该输出包括对手术工具使用者可见的、用来根据手术计划指示位置、相对运动、定位或与手术工具的活动元件在手术区域定位有关的其他引导参数的信息。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具承载的追踪装置可被配置为在与膝有关的手术程序期间改变对使用者的CAS输出。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具承载的追踪装置可被进一步配置为将输出显示在工具承载的追踪装置的显示器或移动装置屏幕上显示的图形用户界面上。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具承载的追踪装置可被配置为在与膝有关的手术程序期间改变CAS处理技术或者对使用者的输出。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具承载的追踪装置可被配置为作为使用者在膝上进行计算机辅助手术程序的一个或多个步骤的结果改变对使用者的CAS输出以及改变CAS处理技术，该手术可进一步包括(1)形成远端股骨切口，(2)形成远端股骨前部切口，(3)形成远端股骨后部外髁切口，(4)形成远端股骨后部内髁切口，(5)形成远端股骨前部斜切口，(6)形成远端股骨后部外髁斜切口，(7)形成远端股骨后部内髁斜切口，以及(8)形成近端胫骨切口。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具承载的追踪装置可被配置为根据使用者在膝上执行计算机辅助手术程序的一个或多个步骤的结果改变对使用者的CAS输出以及改变CAS处理技术，该手术进一步包括(1)形成远端股骨切口，(2)形成远端股骨前部切口，(3)形成远端股骨后部外髁切口，(4)形成远端股骨后部内髁切口，(5)形成远端股骨前部斜切口，(6)形成远端股骨后部外髁斜切口，(7)形成远端股骨后部内髁斜切口，(8)形成远端股骨开槽切口(在需要时)，(9)在远端股骨稳定柱上钻出空腔，(10)形成近端胫骨切口，(11)形成近端胫骨脊(keel)切口或者(12)钻出近端胫骨孔。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具承载的追踪装置可被配置为在与肩、髋、踝、脊椎或肘中的一个有关的CASOTT实现的手术程序期间改变对使用者的CAS输出。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具承载的追踪装置可被配置为在与肩、髋、踝、脊椎或肘中的一个有关的CASOTT实现的(enabled)手术程序期间改变CAS处理技术或者对使用者的输出。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该装置可进一步包括位于工具承载的追踪装置内的处理系统，其被配置为评估与CAS程序有关的数据。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该装置可进一步包括电子指令，其包含在可接入处理系统的电子存储器内，与CAS处理步骤的性能有关。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该装置可进一步包括与工具承载的追踪装置通讯的处理系统，其被配置为评估与CAS程序有关的数据。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该装置可进一步包括电子指令，其包含在可接入与工具承载的追踪装置通讯的处理系统的电子存储器内，与CAS处理步骤的性能有关。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。可以选择手术工具的所述部分，使得在与手术工具一起使用时，照相机可置于与手术工具相连的活动元件下方。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。可以选择手术工具的所述部分，使得在与手术工具一起使用时，照相机和投影机可置于与手术工具相连的活动元件下方或其一侧。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。显示器可被配置为工具承载的追踪装置使用者的输入装置。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。投影机可在倾斜基部上置于壳体内。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。投影机是微型投影机。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。投影机输出可以激光形式提供。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。可以选择手术工具的所述部分，使得在与手术工具一起使用时，照相机和投影机可置于与手术工具相连的活动元件上方。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。可以选择手术工具的所述部分，使得在与手术工具一起使用时，照相机和投影机可置于与手术工具相连的活动元件下方或其一侧。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该装置可进一步包括位于壳体内的通讯元件，其被配置为向与壳体分离的部件提供与图像处理操作有关的信息。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。通讯元件可进一步包括无线提供往返于与壳体分离的部件的信息。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。通讯元件可进一步包括经由有线连接向与壳体分离的部件提供信息。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。与壳体分离的部件可以是计算机，其包含计算机可读介质形式的、与使用手术工具活动段的计算机辅助手术信息的使用有关的指令。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。壳体内的通讯元件可被配置为向与壳体分离的部件提供与图像处理操作有关的信息。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该装置可进一步包括位于壳体内的通讯元件，其被配置为接收并向投影机提供指令从而至少部分地在第一照相机和第二照相机的视场内形成输出，该输出包括与使用来自电子图像处理器操作的输出进行的计算机辅助外科处理步骤有关的至少一个视觉可见的指示。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。视觉可感知的指示对使用者是可感知的。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。视觉可感知的指示对成对照相机是可感知的。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该装置进一步包括具有触发器以及由触发器的操作进行控制的活动元件的手术工具。壳体可以可拆卸式接合的方式与手术工具附接。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。第一和第二照相机布置可进一步包括包含至少一部分活动元件的竖直视场和水平视场。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。水平视场和竖直视场可选择为观察包含了基本所有活动元件的体积。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。经过照相机轴线的水平视场大体平行于由经过活动元件轴线的水平面限定的平面或与其成锐角。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。第一照相机和第二照相机可设置在壳体内以便位于活动段的纵向轴线的任一侧。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。第一照相机和第二照相机可朝向活动段的纵向轴线倾斜。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。投影机可与活动段的纵向轴线大体上水平对准地位于壳体内。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。投影机可以与活动段的纵向轴线成一定角度的收敛关系位于壳体内。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该装置可进一步包括配置在该装置内用来控制工具操作的电子设备、通讯设备和软件构件。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该装置可进一步包括配置为与触发器协作的触觉反馈机构。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该装置可进一步包括被配置为更换手术工具触发器的触觉反馈机构。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。触觉反馈机构可进一步包括与机构内的剪式连杆相联的至少一个复位元件。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。触觉反馈机构可进一步包括至少一个约束元件，其与机构内的剪式连杆相联以便可控地改变连杆的移动范围或者响应性。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该装置可进一步包括配置为与触发器并排放置的触觉反馈机构。
该装置可进一步包括配置为放置在触发器上方的触觉反馈机构。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该机构的运动特性可传递至壳体内的部件。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。来自第一照相机的输出可通过第一照相机信号传递至位于工具承载的追踪装置外部的电子图像处理器，而来自第二照相机的输出通过第二照相机信号传递至位于工具承载的追踪装置外部的电子图像处理器。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。来自第一照相机的输出和来自第二照相机的输出可通过组合式照相机信号传递至位于工具承载的追踪装置外部的电子图像处理器。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该装置可进一步包括图像处理器，其被配置为分析来自照相机的图像数据来识别一个或多个追踪元件以及将一个或多个追踪元件的图像数据转换为相对于工具承载的追踪装置位置的数学坐标。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。图像处理器可位于工具承载的追踪装置的壳体内。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。图像处理器可位于工具承载的追踪装置的外部。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。投影机可被配置为根据图像数据在成对照相机提取图像数据的33ms内提供输出。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该装置包括可相对于壳体移动的第一照相机、第二照相机、第三照相机、第四照相机、第五照相机、第六照相机、第七照相机和第八照相机中的一个或多个。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。显示器可包括触摸屏。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。一个或多个传感器可包括多个加速计。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。一个或多个传感器可包括在壳体内支撑在电路板上的一个或多个传感器。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。一个或多个传感器可包括位于电路板顶部的一个或多个传感器。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。一个或多个传感器可包括位于电路板下面的一个或多个传感器。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。一个或多个传感器可包括在电路板上纵向分离的两个传感器。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。一个或多个传感器可包括附接到壳体的壁上或位于该壁中的一个或多个传感器。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。一个或多个传感器可包括位于该装置前部的传感器和位于该装置后部的传感器。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。一个或多个传感器可包括位于该装置相对侧上的传感器。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。一个或多个传感器可包括邻近第一照相机和第二照相机的传感器。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。第一和第二照相机的视场可不同于第三和第四照相机的视场。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。第一和第二照相机的视场可被配置为包括手术程序期间附接到患者上的基本上所有的参考框架。
一般来说，在一个实施方式中，使用徒手操作的手术工具的计算机辅助手术(CAS)方法包括对患者将要进行骨头或组织切割手术的一部分生成三维表示，(1)识别与将要使用徒手操作的手术工具的活动元件进行手术的骨头或组织部分相对应的三维表示区域，(2)生成与这部分骨头或组织相对应的三维表示区域的手术计划，(3)确定将要进行手术的那部分骨头或组织的位置，(4)确定徒手操作的手术工具的位置，(5)计算那部分骨头或组织的位置与手持式手术工具位置之间的距离，(6)如果那部分骨头或组织与手持式手术工具之间的距离大于第一临界距离，将手持式手术工具的模式设置为正常追踪模式，(7)如果那部分骨头或组织与手持式手术工具之间的距离小于第一临界距离且大于第二临界距离，将手持式手术工具的模式设置为强化追踪模式，以及(8)如果那部分骨头或组织与手持式手术工具之间的距离小于第二临界距离，将手持式手术工具的模式设置为切割模式。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该方法可进一步包括，在手术工具处于切割模式时使骨头或组织与徒手操作的手术工具的活动元件接触。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该方法可包括，使骨头或组织与活动元件接触包括给股骨或胫骨或膝形成多个平面切口。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该方法可包括，使骨头或组织与活动元件接触包括给肩、髋、踝、脊椎或肘形成多个切口。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。多个平面切口可以是整个膝置换手术的一部分。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。多个平面切口可根据待植入患者体内的预先确定的假体的构造预先选择。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。多个CASOTT引导切口可根据待植入患者肩、髋、踝、脊椎或肘内的预先确定的假体构造预先选择。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该方法进一步包括，在形成多个CASOTT引导切口之后将手持式手术工具模式变化为植入物匹配度评估模式。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该方法进一步包括，比较手术计划的多个切口和待植入假体以确定植入物与多个切口可的相容性。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该方法可进一步包括，重复确定这部分骨头或组织的位置以及确定OTT实现的手持式手术工具的位置。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。正常追踪模式和强化追踪模式允许选自下组的辅助任务，该组由(1)计算股骨和胫骨间的动作，(2)再次校准参考框架，和(3)确定手持式手术工具接近配准平台(registrationdeck)组成，其中切割模式不允许选自下组的辅助任务，该组由(a)计算股骨和胫骨间的动作，(b)再次校准参考框架，和(c)确定手持式手术工具接近配准平台组成，其中切割模式不允许辅助任务。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。将模式设置为正常追踪模式和强化追踪模式可包括关闭手持式手术工具的马达控制功能。将模式设置为切割模式可包括启动手持式手术工具的马达控制功能。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。将模式设置为正常追踪模式可包括关闭与手持式手术工具相连的二维引导图形界面(GUI)。将模式设置为强化追踪模式和切割模式包括打开与手持式手术工具相连的二维引导GUI。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。将模式设置为正常追踪模式和强化追踪模式可包括关闭手持式手术工具上的投影机。将模式设置为切割模式包括打开投影机。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。将模式设置为正常追踪模式可包括关闭手持式手术工具上的显示器。将模式设置为强化追踪模式和切割模式包括打开显示器。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。将模式从正常追踪模式变化为强化追踪模式可包括增加适用于手持式手术工具的导向和错误计算的资源。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。将模式从强化追踪模式变化为切割模式可包括增加适用于导向和错误计算的资源、工具马达控制器、与手持式手术工具相连的二维引导图形界面以及手持式手术工具上的投影机或显示器。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。第一临界距离可大于200mm并且第二临界距离为100mm到200mm。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。第二临界距离可以是70mm到100mm。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。第二临界距离可以是10mm到0mm。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该方法可进一步包括，在确定将进行手术的那部分骨头或组织的位置之前设定第一临界距离和第二临界距离。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该方法可进一步包括，在相对于那部分骨头或组织的预定空间定向上将包括一个或多个患者位置标记的参考框架附接到患者，其中确定那部分骨头或组织的位置包括确定参考框架的位置。
该方法可进一步包括使用多个照相机来确定一个或多个位置标记的位置。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。一个或多个位置标记的位置可使用图像处理器确定，该图像处理器被配置为分析来自照相机的图像数据来识别一个或多个位置标记以及将一个或多个位置标记的图像数据转换为相对于工具承载的追踪装置和徒手操作的手术工具的位置的数学坐标。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。多个照相机可位于壳体内或与其相联。
一般来说，在一个实施方式中，使用具有其上附接有工具承载的追踪装置的手持式手术仪器进行计算机辅助手术程序(CAS)过程的方法包括，(1)使用工具承载的追踪装置收集和处理CAS数据，包括使用源自第一对照相机和一个或多个传感器的数据确定工具位置，第一对照相机和一个或多个传感器位于工具承载的追踪装置壳体上或其内部，(2)在CAS程序中实时评估CAS数据，(3)通过为使用者提供与CAS步骤有关的指导使用工具承载的追踪装置执行CAS的相关操作；以及(4)通过投影或显示与CAS程序有关的输出为手术仪器的使用者提供与评估步骤有关的输出。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。一个或多个传感器可选自由倾角计、陀螺仪、双轴陀螺仪、三轴陀螺仪或其他多轴陀螺仪、单轴-双轴-三轴或多轴加速计、电位计和被配置为提供与工具承载的追踪装置有关的翻滚、俯仰、偏航、定位或振动信息中的一个或多个的MEMS仪器组成的组。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该方法可进一步包括对由工具承载的追踪装置接收的数据和使用计算机辅助手术的手术计划提供的数据的比较结果进行评估。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该方法可进一步包括，根据评估步骤的结果确定预定的计算机辅助手术处理模式，该预定的处理模式选自由悬停模式、部位接近模式和实际步骤模式组成的组。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。作为使用者在膝上进行计算机辅助手术程序的一个或多个步骤的结果改变给使用者提供CAS输出的步骤以及修改工具承载的追踪CAS处理技术或输出，该手术程序包括(1)形成远端股骨切口，(2)形成远端股骨前部切口，(3)形成远端股骨后部外髁切口，(4)形成远端股骨后部内髁切口，(5)形成远端股骨前部斜切口，(6)形成远端股骨后部外髁斜切口，(7)形成远端股骨后部内髁斜切口，(8)形成远端股骨开槽切口，(9)在远端股骨稳定柱上钻出空腔，(10)形成近端胫骨切口，(11)形成近端胫骨脊(keel)切口或者(12)钻出近端胫骨脊的孔。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具的位置可根据第一对照相机的位置与附接到患者的一个或多个参考框架之间的空间关系以及来自一个或多个传感器的数据进行计算。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。使用工具承载的追踪装置收集和处理CAS数据可进一步包括从位于工具承载的追踪装置的壳体上或其内部的第二对照相机接收数据。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具的位置可根据第一和第二对照相机的位置与附接到患者的一个或多个参考框架之间的空间关系以及来自一个或多个传感器的数据进行计算。
一般来说，在一个实施方式中，用于使用其上附接有工具承载的追踪装置的手持式手术仪器进行计算机辅助手术(CAS)的方法包括，(1)使用工具承载的追踪装置收集和处理CAS数据，包括使用源自位于工具承载的追踪装置壳体上或其内部的第一对照相机和第二对照相机的数据确定工具位置，(2)在CAS程序中实时评估CAS数据，(3)通过为使用者提供与CAS步骤有关的指导使用工具承载的追踪装置执行CAS的相关操作；以及(4)通过投影或显示与CAS程序有关的输出向手术仪器的使用者提供与评估步骤有关的输出。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该方法可进一步包括对由工具承载的追踪装置接收的数据和使用计算机辅助手术的手术计划提供的数据的比较结果进行评估。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该方法可进一步包括，根据评估步骤的结果确定预定的计算机辅助手术处理模式，该预定的处理模式选自由悬停模式、部位接近模式和实际步骤模式组成的组。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。可作为使用者在膝上进行计算机辅助手术程序的一个或多个步骤的结果改变给使用者提供CAS输出的步骤以及修改工具承载的追踪CAS处理技术或输出，该手术包括(1)形成远端股骨切口，(2)形成远端手术前部切口，(3)形成远端股骨后部外髁切口，(4)形成远端股骨后部内髁切口，(5)形成远端股骨前部斜切口，(6)形成远端股骨后部外髁斜切口，手术)形成远端股骨后部内髁斜切口，(8)形成远端股骨开槽切口，(9)在远端股骨稳定柱上钻出空腔，(10)形成近端胫骨切口，(11)形成近端胫骨脊(keel)切口或者(12)钻出近端胫骨脊的孔。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。使用工具承载的追踪装置收集和处理CAS数据可进一步包括从位于工具承载的追踪装置的壳体上或其内部的一个或多个传感器接收数据。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。一个或多个传感器选自由倾角计、陀螺仪、双轴陀螺仪、三轴陀螺仪或其他多轴陀螺仪、单轴-双轴-三轴或多轴加速计、电位计和被配置为提供与工具承载的追踪装置有关的翻滚、俯仰、偏航、定向或振动信息中的一个或多个的MEMS仪器组成的组。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。根据第一和第二对照相机相对于附接到患者的一个或多个参考框架的位置之间的空间关系计算工具的位置。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该方法可进一步包括显示、投影或指示与计算机辅助手术处理步骤有关的输出中的一个或多个。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。提供步骤大体上通过附接到手术仪器上的工具承载的追踪装置提供给使用者。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该方法可进一步包括触觉指示、触感指示、声音指示或视觉指示中的一个或多个。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。触觉指示可进一步包括温度指示。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。触感指示可进一步包括力指示或振动指示。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。提供输出步骤可通过工具承载的追踪装置的部件执行。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该评估步骤可进一步包括，比较由工具承载的追踪装置接收的数据和使用计算机辅助手术的手术计划提供的数据。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。在评估步骤其间执行的数据处理步骤可根据自工具承载的追踪装置接收的信息进行修改。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。信息可与来自手术区域信息的视觉数据、源自工具承载的追踪装置上的传感器的数据、获得的与手术仪器的操作特性有关的数据中的一个或多个有关。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。输出可以是自动生成的用来响应于评估步骤的结果调整手术工具的性能参数的控制信号。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。性能参数包括改变工具切割速度或者停止工具操作，提供步骤的输出可进一步包括用来控制动力工具操作(改变切割速度和/或停止工具)的电子设备。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。该方法可进一步包括，根据评估步骤的结果确定计算机辅助手术处理模式。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。确定步骤可基于如下的一个或多个的评估：(1)手术区域内的物理参数，例如通过附接于其上的参考框架(referenceframes)在区域内追踪的元件的位置或者位置的组合，参考框架输入，(3)提取投影图像，传感器探测到的动作，来自计算的动作检测，计算机辅助手术程序的总进展，来自先前准备的计算机辅助手术计划的测量或者预测偏差。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。确定步骤选择众多预定的处理模式中的一个。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。预定处理模式可以是悬停模式、部位接近模式(siteapproachmode)和实际步骤模式(activestepmode)。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。预定处理模式可以是悬停模式并且使用悬停模式CAS算法处理从工具承载的追踪装置接收的数据。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。提供步骤可进一步包括作为将悬停模式CAS算法应用到使用工具承载的追踪装置接收的数据上的结果给出的输出。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。预定处理模式可以是部位接近模式并且使用部位接近模式CAS算法处理从工具承载的追踪装置接收的数据。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。提供步骤可进一步包括作为将部位接近模式CAS算法应用到使用工具承载的追踪装置接收的数据上的结果给出的输出。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。预定处理模式可以是实际步骤模式并且使用实际步骤模式CAS算法处理从工具承载的追踪装置接收的数据。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。提供步骤可进一步包括作为将实际步骤模式CAS算法应用到使用工具承载的追踪装置接收的数据上的结果给出的输出。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。每一个预定处理模式都可调整工具承载的追踪装置承载的计算机辅助手术计算机或处理系统所采用的一个或多个处理因素。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具承载的追踪CAS处理模式因素可选自以下的一个或多个：(1)照相机帧尺寸，(2)工具承载的追踪照相机定向，(3)根据要求的调整对照相机软件程序或固件进行的调整，(4)对工具承载的追踪照相机或其他照相机图像输出的调整以改变照相机的水平视场、竖直视场或者水平以及竖直视场内的感兴趣区域的大小，(5)用于可调整照相机镜头调整或定位的驱动信号，(6)图像帧率，(7)图像输出质量，(8)刷新速率，(9)抓帧速率，(10)参考框架2，(11)参考框架1，(12)开启参考框架基准选择，(13)关闭参考框架基准选择，(14)可见光谱处理，(15)IR光谱处理，(16)反射光谱处理，(17)LED或者照明光谱处理，(18)手术工具马达/致动器速度和方向，总的CAS程序进展，(19)特定的CAS步骤进展，(20)图像数据阵列修改，(21)工具承载的追踪微型投影机刷新速率，(22)工具承载的追踪微型投影机精度，(23)一种或多种图像分割技术，(24)基于CAS进展的、一个或多个图像部分的基于逻辑抽取，(25)信噪比调整，(26)一个或多个图像放大过程，一个或多个图像过滤过程，(27)对图像速率、像素或者子像素视觉处理的动态实时增强或减弱应用加权平均或者其他因素，(28)手颤补偿，(29)对锯、钻或者其他电动手术工具的基于仪器的噪声补偿以及基于单独或者任意组合的工具承载的追踪信息的振动补偿过程。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。输出是可基于一个预定处理模式的选择结果进行调整的。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。可使用工具承载的追踪装置上的投影机将输出提供给使用者。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。投影机输出可基于投影机输出显示期间给出的手术部位的物理特性进行调整。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。物理特性可以是如下的一个或多个，投影机输出可获得的一部分尺寸的形状；投影机投影区域的地形和投影机相对于投影机输出可获得的部位部分的定向。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。投影机输出包括当手术工具用于手术部位时，手术工具的使用者可见的信息。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。投影机输出包括对手术工具使用者可见的、用来根据手术计划指示位置、相对运动、定向或与手术工具的活动元件在手术区域内的定位有关的其他导向参数的信息。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。向使用者输出CAS输出的步骤作为与膝有关的手术程序期间执行的上述步骤中的一个的结果进行变化。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。提供输出的步骤可进一步包括在系统屏幕、工具承载的追踪或者移动设备屏幕上的GUI界面上显示输出。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具承载的追踪CAS处理技术或者输出作为与膝盖有关的手术程序期间执行的上述步骤中的一个的结果进行变化。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。可作为使用者在膝上进行计算机辅助手术程序的一个或多个步骤的结果改变给使用者输出CAS输出的步骤以及修改工具承载的追踪CAS处理技术或输出，该手术进一步包括(1)形成远端股骨切口，(2)形成远端股骨前部切口，(3)形成远端股骨后部外髁切口，(4)形成远端股骨后部内髁切口，(5)形成远端股骨前部斜切口，(6)形成远端股骨后部外髁斜切口，(7)形成远端股骨后部内髁斜切口，以及(8)形成近端胫骨切口。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。向使用者输出CAS输出的步骤可作为与肩、髋、踝、脊椎或肘中的一个有关的手术程序期间执行的一个步骤的结果进行变化。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具承载的追踪CAS处理技术或输出作为与肩、髋、踝、脊椎或肘中的一个有关的手术程序期间执行的所述步骤中的一个的结果进行变化。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。评估数据的步骤可使用在工具承载的追踪装置内的处理系统进行。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。可以有包含在可接入处理系统的电子存储器内、与工具承载的追踪CAS处理步骤的性能有关的电子指令。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。评估数据的步骤可使用与工具承载的追踪装置通讯的处理系统进行。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。可以有包含在可接入处理系统的电子存储器内、与工具承载的追踪CAS处理步骤的性能有关的电子指令。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。工具的位置可相对于附接到患者的一个或多个位置标记确定；并且进一步包括：使用被配置为分析来自照相机的图像数据的图像处理器来识别一个或多个位置标记以及将一个或多个位置标记的图像数据转换为相对于工具承载的追踪装置位置和手持式手术仪器的数学坐标。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。图像处理器可位于工具承载的追踪装置内。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。图像处理器可位于工具承载的追踪装置的外部。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。用于进行计算机辅助手术的系统可进一步包括具有与工具的手术功能相对应的活动元件的手术工具。工具承载的追踪装置可使用被配置为与至少一部分手术工具接合的壳体联接到工具上；具有存储在电子存储器内、用于使用至少部分地从工具承载的追踪装置获得的数据进行计算机辅助手术程序以及在手术步骤中提供可用输出的计算机可读指令的计算机。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。投影机可进一步包括下列项目中的一个或多个，(1)将输出投影到一部分患者解剖结构上的投影能力，(2)位于手术场景内的表面，(3)电子设备，或(4)投影机输出范围内的其他物体。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。计算机可处于壳体内。
该实施方式及其他实施方式可包括一个或多个下列特征。计算机可与工具承载的追踪装置分离并经由有线或无线连接相连。
一方面，触觉反馈机构包括第一平台；第二平台；通过联接到第二连杆上的第一连杆形成的剪式连杆，该剪式连杆在第一平台和第二平台之间延伸，其中第一连杆的第一端联接到第一平台上并且第一连杆的第二端联接到第二平台上，而第二连杆的第一端联接到第一平台上并且第二连杆的第二端联接到第二平台上；以及至少一个复位元件，其联接到剪式连杆上以调整第一平台与第二平台之间的相对运动的力响应。在某些方面，至少一个复位元件联接在第一连杆的第一端和第二连杆的第二端之间。另一方面，至少一个复位元件沿第二平台延伸并且联接到剪式连杆上以调整第二连杆第二端相对于第二平台的运动。在一个实施方式中，第一平台和第二平台被配置为并排操作，部分遮盖、部分围绕、部分位于或者完全位于手术工具的开关和/或速度控制触发器上方。在一个实施方式中，触发器罩置于第一平台内用于接合触发器。
在触觉反馈机构的又一结构中，联接至少一个复位元件使得在第一平台和第二平台之间延伸，该复位元件联接到剪式连杆上以调整第一平台和第二平台之间的相对运动的力响应。更进一步，提供联接到剪式连杆上并且沿第二平台延伸的复位元件。在触觉反馈机构的一个特定结构中，复位元件为联接到第二连杆第二端的复位弹簧，并且有联接到复位弹簧上的超控弹簧(overridespring)，同时有联接到超控弹簧上的致动器。在触觉反馈机构的另一个实施方式中，复位元件为相对于第二平台拉伸联接剪式连杆的第二端的运动的弹簧。在又一个复位元件构造中，弹簧相对于第二平台压缩联接剪式连杆的第二端的运动。在某些反馈机构中，还有从第二平台上的开口内伸出且联接到剪式连杆上的轴，在这里剪式连杆的运动形成轴相对于开口的相应运动。轴的替代物包括，例如，挠性轴部分、缆索部分、空心轴部分或者挠性连杆部分。
在又一个构造中，触觉反馈机构的实施方式可与被配置为用于计算机辅助手术的工具承载的追踪(OTT)装置的实施方式结合使用。这种OTT装置例如包括在工具承载的追踪装置内的部件或者协作工作的系列部件，这些部件或部件系列可进行修改并且被配置为将轴的相对运动转换为用于计算机辅助手术程序中的信号。一方面，部件可以是致动器、螺线管、马达、电位计、线性电位计和感应式位置传感器，或者线性编码器或者邻近缆索设置以配准(register)和测量缆索位移的其他装置。一方面，缆索运动涉及表示手术工具触发器操作的信号。在又一个实施方式中，同一部件或者不同部件可同样用作致动器以对轴施加运动来影响第一平台和第二平台之间的相对运动。各种部件和功能分别用于支持被配置为施加运动或者响应于与计算机辅助手术程序期间控制手术工具操作有关的信号对轴做出响应。
在另一个实施方式中，提供用于带有导向的计算机辅助手术程序中的参考框架。参考框架包括具有由周边界定或未界定的平面或三维表面或标记簇的框架；从该框架伸出的杆；杆上的联结件；具有第一平面和第二平面的基部，第一平面被配置为接合与手术有关的手术区域内的解剖结构的一部分，而第二平面与联结件接合。在某些构造中，还设有位于联结件上的至少一个配准元件和位于第二表面上的至少一个配准元件，其中在联结件与第二表面接合时，配准元件被修改并被配置为以一个或多个可重复的3D相对定位和定向配合协作。在又一个结构中，多个配准元件位于联结件上，并且多个配准元件位于第二表面上，其中联结件上的一部分配准元件在与第二表面上的一部分配准元件接合时会将框架在第一定向上定向在手术区域内。一方面，用于接合其他所述多个配准元件的、第二表面上的联结件之间的运动将框架沿第二不同定向定位在手术区域内。在某些方面，第一和第二定向是已知的位置并且用在手术预先计划中。参考框架可包括其他特征，诸如用于接合解剖结构的表面和用于固定元件或构造以与特定的解剖结构目标配合的孔。另一方面，提供一种根据权利要求C1的参考框架，进一步包括：具有框架和从框架伸出的杆的参考框架引导件，其中该杆具有被配置为与解剖结构特征接合以辅助参考框架布置的弯度或形状。一方面，参考框架引导件进一步包括：沿着框架的一个或多个接合元件，用于暂时接合参考框架周边或一部分以允许正确的定位和调整与参考框架相连的基部。一方面，骨骼解剖结构部分涉及杆相对于髁的布置。另一方面，参考框架包括修改并被配置为保持联结件和第二表面的相对位置和定向的安装联结件。一方面，安装联结件设在参考框架内，使得在安装联结件装配到基部上时，安装联结件处于参考框架内部。另一方面，安装联结件设在参考框架内，使得在安装联结件附接到参考框架时，安装联结件基本上或者完全围绕联结件和第二表面之间的配合接触区域。
在一个替换实施方式中，提供一种用于在手术区域进行计算机辅助手术程序的方法。第一，在手术区域内将第一参考框架附接在第一位置的步骤；然后，在手术区域内将第二参考框架附接在第二位置；以及随后在保持用在计算机辅助手术程序期间、从第一和第二参考框架获得的定位信息时使用手术工具开始手术的实际步骤。在一个替换方面，存在如下步骤，在保持用在计算机辅助手术程序期间、从附接到解剖结构部分上的第一和/或第二参考框架获得的定位信息时，在步骤期间或者作为手术的一部分，调整手术工具相对于解剖结构部分的位置。在一个替换实施方式中，还有如下步骤，在保持用在计算机辅助手术程序期间、从第一和/或第二参考框架获得的定位信息时，在作为手术一部分的步骤其间悬停手术工具。在又一方面，有包括开始、调整或悬停步骤中的一个或多个的方法，执行这些方法以促成膝上计算机辅助手术程序中的一个或多个步骤。在又一个替换方案中，存在如下方法，包括一个或多个膝部计算机辅助手术程序的步骤，包括：形成单个远端髁切口或者单独的远端中间髁和外髁切口，形成前部切口，形成后部外髁切口，形成后部内髁切口，形成前部斜切口，形成后部外髁斜切口，形成后部内髁斜切口，形成股骨开槽切口，在一部分手术部位上钻一个或多个孔，形成胫骨近端切口和相连的、膝胫骨部件固定锚固特征的孔或切口。在又一个替换实施方式中，该方法在完成附接步骤之后同时分别使第一参考框架和第二参考框架保持在第一位置和第二位置时，改变一部分参考框架相对于手术区域的定位以及其后使用来自一部分计算机辅助手术程序的改变后的定位的位置信息时进行。又一方面，与第一参考框架和第二参考框架在开始和改变后的定向上的定向有关的位置信息可用作计算机辅助手术的预先计划程序的一部分。
在另一个替换实施方式中，有工具承载的追踪和引导装置。一方面，该装置具有壳体，该壳体具有用于与一部分手术工具可拆卸式接合的表面或特征；第一照相机，以及任选地立体视觉布置的第二照相机，其中第一照相机和第二照相机(如果提供的话)中的每一个都提供图像输出，该输出选择为观察选择为计算机辅助手术程序的基本上所有或者一部分的手术区域。OTT装置一方面包括用于将与正在进行的OTTCAS过程有关的信息通讯至使用者的简单的输出装置。又一方面，OTT装置可包括单独的或者在载投影机，其被配置为至少部分地在手术视场中提供输出。在此描述的各种各样的OTT装置的实施方式将各式各样的电子图像处理能力和图像通讯能力结合到壳体内。更进一步地，附加实施方式可被配置为从OTT装置的实施方式所提供的一个、两个或多个照相机中的每一个接收输出。另外或者任意地，OTT装置的电子设备和处理能力可被用来执行各种各样的数字处理功能。一方面，包括在OTT中的电子设备使用来自被配置为用于计算机辅助手术程序的一个或两个照相机的至少一部分输出执行图形处理操作。一方面，选为与OTT装置一起使用的照相机包括距第一和第二照相机大约70mm到大约200mm的视场，或者任选地，大约40mm到250mm的视场。其他范围和照相机构造可用于各种各样的其他实施方式中。
在又一个实施方式中，用于与一部分手术工具可拆卸式接合的OTT壳体表面成形为形成与一部分手术工具或者选来与壳体接合的变形手术工具互补的曲线，在某些情况下，改变手术工具的一部分以适应与壳体表面的可拆卸式接合。在一个实施方式中，用于与一部分手术工具可拆卸式接合的表面是可修改和配置的，使得在该表面联接到手术工具上时，手术工具的至少一部分活动段位于水平视场和竖直视场内。
又一方面，在载的或者单独的投影机包括这些属性，如：来自投影机的输出投影到与附接到壳体上的手术工具相连的活动元件上或其附近；来自投影机的输出被修改用于投影到一部分患者解剖结构上，诸如骨头和/或周围组织，或者投影到手术场景中手术区域表面上或其内；修改程序给出修改后的投影机输出，其可出于曲度、粗糙度或者解剖结构状况进行调整。一方面，投影机是大家所熟悉的微型投影机。
在一个实施方式中，有用手持式手术仪器进行计算机辅助手术程序的方法，该仪器具有附接于其上的工具承载的追踪装置，该方法包括使用工具承载的追踪装置收集和处理计算机辅助手术数据；在计算机辅助手术程序期间实时评估数据；使用工具承载追踪装置执行选自如下至少两个的CAS相关操作：控制工具的操作，控制工具速度和向使用者提供涉及CAS步骤的指导；控制工具的操作或速度或者给使用者提供指导来调整工具速度；以及向手术仪器的使用者提供与评估步骤有关的输出。在其他或者替换方面，还有显示、投影或指示与计算机辅助手术处理步骤有关的输出中的一个或多个。
在附加或替代方面，还可以有包括触觉指示、触感指示、声音指示或视觉指示中的一个或多个的输出；触觉指示包括温度指示，而触感指示包括力指示或振动指示。又一方面，输出为自动生成的用来响应于评估步骤的结果调整手术工具的性能参数的控制信号。其他方面，性能参数包括改变工具切割速度或者停止工具操作。提供步骤的输出进一步包括用来控制动力工具操作(改变切割速度或停止工具)的电子设备。在附加或替换方面，还可以有基于如下一个或多个的评估的确定步骤：手术区域内的物理参数，例如通过附接于其上的参考框架在该区域内追踪的元件的位置或者位置的组合，参考框架输入，投影图像提取，传感器探测到的动作，来自计算的动作检测，计算机辅助手术程序的总进展，以及来自先前准备的计算机辅助手术计划的测量或者预测偏差。更进一步地，确定阶段选择众多预定处理模式中的一个，举例来说例如悬停模式，部位接近模式和实际步骤模式。在这些模式中的每一个中都有特定的输出、处理技术和应用到CAS数据的算法。
在又一方面，有OTTCAS处理模式因素，其选自如下的一个或多个：照相机帧尺寸，OTT照相机定向，根据要求的调整对照相机软件程序或固件进行的调整，对OTT照相机或其他照相机图像输出的调整以改变照相机的水平视场、竖直视场或者水平以及竖直视场内的感兴趣区域的大小，用于可调整镜头调整或定位的驱动信号，图像帧率，图像输出质量，刷新速率，抓帧速率，参考框架2，参考框架1，开启参考框架基准选择，关闭参考框架基准选择，可见光谱处理，IR光谱处理，反射光谱处理，LED或者照明光谱处理，手术工具马达/致动器速度和方向，总的CAS程序进展，特定的CAS步骤进展，图像数据阵列修改，OTT微型投影机刷新速率，OTT微型投影机精度，一种或多种图像分割技术，基于CAS进展的、一个或多个图像部分的基于逻辑抽取，信噪比调整，一个或多个图像放大过程，一个或多个图像过滤过程，对图像速率、像素或者子像素视觉处理的动态实时增强或减弱应用加权平均或者其他因素，手颤补偿，对锯、钻或者其他电动手术工具的基于仪器的噪声补偿和振动补偿过程,以及如果其为带有任何一个或多个附加的OTTCAS处理模式因素的承载式OTT装置，基于单独或者任一组合的OTT信息通过LCD触摸屏设置的任一使用者偏好。
又一方面，利用工具承载的追踪装置将输出提供给使用者。另外，投影机输出是可基于投影机输出显示期间给出的手术部位的物理特性进行自动或手动调整的。可以理解的是，物理特性是如下的一个或多个：投影机输出可获得的一部分尺寸的形状；投影机投影区域的地形和投影机相对于投影机输出可获得的部位部分的定位。任选地，OTT装置上的投影机或者显示器具有输出，该输出包括当手术工具用于手术部位时，手术工具的使用者可见的信息。又一方面，OTT装置上的投影机和显示器输出包括对手术工具使用者可见的、用来根据手术计划指示位置、相对运动、定向或与手术工具的活动元件在手术部位的定位有关的其他导向或引导参数的信息。还有，由OTT装置提供输出的步骤包括在系统屏幕、OTT或者移动设备屏幕上的GUI界面显示输出。
又一方面，作为使用者在膝上进行的计算机辅助手术程序的一个或多个步骤的结果，任选地，可以改变使用者输出CAS或者引导输出的上述任一步骤以及修改OTTCAS处理技术或输出，该手术进一步包括：形成一个或多个远端股骨切口，形成远端股骨前部切口，形成远端股骨后部外髁切口，形成远端股骨后部内髁切口，形成远端股骨前部斜切口，形成远端股骨后部外髁斜切口，形成远端股骨后部内髁斜切口，形成用来迎合胫骨部件上任一锚固固定特征的近端胫骨切口或者任一胫骨孔或切口，例如桩钉、杆、脊等等。在又一替换方案中，向使用者输出CAS输出的方法可作为与肩、髋、踝、脊椎或肘中的一个有关的手术程序或者畸形矫正或者骨折复位骨切除期间执行的上述步骤中的一个的结果进行变化。另外，OTTCAS处理技术或输出可以作为与肩、髋、踝、脊椎或肘中的一个有关的手术程序或者畸形矫正或者骨折复位骨切除期间执行的上述步骤中的一个的结果进行变化。
又一方面，提供一种用于执行计算机辅助手术的系统，具有手术工具，该手术工具包括与工具的手术功能相对应的活动元件；工具承载的追踪装置，其可使用壳体联接到工具上，壳体被配置为与至少一部分手术工具接合；位于壳体内的至少一个照相机，其被配置为获得与手术工具和手术区域有关的图像信息；输出装置，像是位于壳体内的图像屏幕显示器或者任选地投影机，其被配置为提供手术工具活动元件上或其附近的投影输出；计算机，具有存储在电子存储器内、用于使用至少部分地从工具承载的追踪装置获得的数据进行计算机辅助手术程序以及提供在手术步骤其间使用的输出的计算机可读指令。当系统包括处于OTT能力内的投影机时，投影机进一步包括如下的一个或多个：用来将输出投影到患者解剖结构的一部分、手术场景内的表面、电子设备或投影机输出范围内的其他物体上的投影能力。在一种结构中，计算机位于壳体内。计算机可与工具承载的追踪装置分离并经由有线或无线连接相连。又一方面，系统包括用于执行任一如上所述的CAS模式选择方法的一个或多个计算机可读指令。又一方面，系统可包括具有一个或多个如上所述元件的工具承载的追踪装置。系统可以修改并被配置为与一个或多个参考框架以及在此描述的相关方法一起使用。又一方面，系统可以修改并被配置为结合在此描述的触觉反馈机构一起使用。
附图说明
本发明的新颖特征将在后附的权利要求书中特别阐述。参考阐述了利用本发明原理的示例性实施方式的以下详细说明和伴随附图，可获得对本发明的特征和优势的更好理解，其中：
图1图示出附接到手术仪器上的工具承载的追踪装置的实例的等距视图。
图2图示出附接到手术仪器上的工具承载的追踪装置的等距视图。
图3图示出图1的工具承载的追踪装置的等距视图，移开罩以显示内部部件。
图4图示出图2的工具承载的追踪装置的等距视图，移开罩以显示内部部件。
图5图示出图4的工具承载的追踪装置的俯视图。
图6图示出与手术工具分离的、图5的工具承载的追踪装置的等距视图。
图7图示出图5和图6中可见但在该视图中从OTT壳体移除的电子设备包和控制回路。
图8A、8B、9和10提供基于某些OTT装置结构中的照相机视角的、与照相机区域改变有关的图像信息。
图11A、11B、11C和11D提供与照相机视角变化有关的附加信息。
图12A和13A分别提供了与工具承载的追踪装置一起使用的投影机的侧视图和等距视图。
图12B、13B和13C分别提供了与工具承载的追踪装置一起使用的、处于角度定向的投影机的侧视图、等距视图和俯视图。
图14A、14B、15A和15B各自图示出某些工具承载的追踪装置实施方式所使用的若干不同的电子元件构造的示意图。
图16A、16B和16C图示出参考框架的不同视图。
图17图示出参考框架引导件的等距视图，而图18图示出附接到图16A的参考框架上的图17的引导件。
图19图示出被移动并且位置为连接到解剖结构的图18的部件，而图20为图示所述连接的等距视图。
图21图示出移开引导框架，而图22图示出在解剖结构上处于合适位置的其余框架。
图23图示出胫骨上处于合适位置的另一个参考框架。
图24A、24B和24C图示出参考框架及其部件。
图25图示出胫骨上的植入部位。
图26A、26B和26C图示出另一个参考框架实施方式，其具有结合框架部件的挠性连杆。
图26B1a图示出在如图26B所示的上下安装部附近使用的挠性联结件。图26B1b为图26B1a的挠性联结件的等距视图。
图26B2a图示出在如图26B所示的上下安装部附近使用的挠性联结件。图26B2b为图26B2a的挠性联结件的等距视图。
图27A和27B图示出两个替代的参考框架表面。
图28是靠近示意性绘出的远端股骨的示例性膝假体的等距视图。
图29A-29I和30图示出用于执行全膝替换OTTCAS程序的、处于合适位置的工具承载的追踪系统和有关的手术工具的各种视图。
图31A为流程图，给出了循环OTTCAS方法的示例性回路(即按时循环或重复)。
图31B为流程图，提供了使用图31A中所述方法执行示例性处理步骤的其他细节。
图32为流程图，提供了用来确定CAS处理模式的处理步骤的示例性其他细节。
图33为流程图，图示出被认为用于确定CAS处理模式的输入以及典型输出的多个因素。
图34为流程图，表示用来确定用于悬停模式、部位接近模式和实际步骤模式的处理量的示例性OTTCAS模式调整处理因素。
图35为流程图，表示包括OTTCAS处理修改和合成模式算法的结果及其变化的输出的示例性OTTCAS处理。
图36为流程图，表示包括任一上述OTTCAS处理的变化的示例性OTTCAS处理，以包括有关的手术工具操作特性、参数或与任一OTTCAS处理或程序中的活动元件的使用有关的其他数据。
图37A-44涉及各种替代触觉反馈机构以及相关的运动学响应和设计标准。
图37A图示出偏转以便响应于触发力移动致动器的弯曲形式。
图37B图示出响应于触发力变形并恢复其形状的滑动梯形形式。
图37C图示出用来对触发力提供转动响应的转动读取器或编码器。
图37D图示出响应于触发力移动以将轴压入基部的框架，在这里轴的运动被配准为触发力指示。
图37E图示出可偏转以指示触发力的值的销接(pinned)元件。
图38A和38B图示出分别处于升高和降低位置的简单的四连杆机构，其可被用来配准触发力以及移位轴。
图39A、39B和39C各自图示出没有复位元件(图39A)、带有作为复位元件的拉伸弹簧(图39B)和带有作为复位元件的压缩弹簧(图39C)的剪式机构。
图40A和40B图示出根据某些实施方式分别处于升高和降低结构的剪式机构的侧视图。
图40C和40D是与图40A和40B的剪式机构的位移特性有关的图表。
图41图示出具有外科医生系统超控能力的剪式机构的实施方式。
图42图示出与图41图示的示意性机构相类似的剪式机构。
图43和44图示出图42的机构的操作特性。
图45是触觉反馈机构的等距视图。
图46A-46F图示出图45的机构的部件与操作的各种视图。
图47和48图示出安装在手术仪器上的工具承载的追踪装置的侧视图，该手术仪器具有带有处于合适位置以与手术仪器的触发器相互作用的、图45的触觉反馈机构的工具(这里为锯)。图47图示出处于展开状态的触觉反馈机构，其被配置为盖住触发器以防止或者削弱触发器的手动挤压，而图48图示出收缩以露出触发器并且允许手动控制的触觉反馈机构。
图49A-49B图示出处于打开或展开状态(图49A)和闭合状态(图49B)的触觉反馈机构的另一个变形。
图49C-49E图示出图49A和49B中的装置的内部机构的各种视图。
图50图示出联接用于与具有图49A和49B的机构的实施方式的手术工具一起使用的OTT的实施方式，该机构安装用于与手术工具的触发器协作并且被配置为利用OTT中的部件发送和接收触发器相关信号。
图51是利用两个复位元件的剪式机构的替代实施方式的剖视图。
图52A和52B分别是工具承载的追踪和导向装置(OTT)的前后等距视图，该装置包括带有联接到手术工具上的OTT壳体的显示器，该手术工具具有联接到OTT的基于触发器的反馈机构。该视图还显示出与OTT通讯的示例性计算机系统。
图53-59B图示出各种OTT模块和多个照相机实施方式。
图60-62图示出各种OTT实现的传感器定位。
图63、64和65为与各种OTTCAS方法有关的流程图。
图66A、66B和67涉及各种CAS显示器。
具体实施方式
本发明为一种用于执行计算机辅助整形手术的系统和用于操作该系统的新型工具。本发明通过将计算机辅助手术的所有元件(工具、显示器和追踪)任选地结合到单个智能仪器中来克服现有计算机辅助手术系统的限制。该仪器不依赖于外部导向系统但是该工具包含以自包含组件形式位于工具本身上的所有追踪设备。因此，整个系统显然没有那么复杂、没有那么妨碍外科医生并且易于整合到整形手术的现行实践中。
以概述方式，系统包括主要子系统。首先是工具本身，其被用来携带独立的工具承载的追踪装置或者变化为包含子系统或者子系统的元件以提供工具承载追踪(OTT)功能。变化可以是简单的，例如扩展的底盘以保持附加部件，或者是复杂的，例如变化的动力系统以为附加子系统提供动力和/或停止或控制马达转速或动力工具上的其他致动器。第二子系统为追踪子系统，其包括一个或多个追踪器和一个或多个追踪元件。追踪器可以是一个、两个(立体视觉)或更多个照相机，这些照相机对可见光或者来自另一波长的光敏感。可替换地，追踪器为电磁追踪器或者其他非基于照相机的系统。追踪元件为追踪器追踪的任何元件。例如，在追踪器为红外照相机的情况下，追踪元件为红外LED，或者反射由照相机附近或者其他地方发出的红外光的无源表面。在追踪器为对可见光敏感的成对高分辨率照相机的情况下，追踪元件为患者的特定解剖结构或者直接形成在解剖结构上的标志，包括标记或参考框架。子系统可利用以各种构造安装在工具上的一个或多个追踪器来追踪一个或多个追踪元件。一方面，追踪器(用来追踪要求追踪工具、患者和其他有关物体以便进行OTTCAS程序的传感器)以自包含方式在载地至少部分地位于手术工具上。导向系统在追踪子系统感应和计算追踪元件相对于工具的位置(定位和定向/姿态)时进行导向。
第三子系统为OTTCAS计算机系统，其包括合适的CAS计划软件和程序来执行实施手术计划的OTTCAS功能。制定手术计划并通过各种方式表示手术计划，但是最终包括三维空间内操作者打算使用的切除的定位、定向、尺寸及其他属性(例如，切口、钻孔、待去除组织的体积)。该系统还包括来自患者解剖结构图像的参考数据组，例如患者解剖结构的计算机层析图像(数据组)以及患者解剖结构的2D或3D虚拟重构模型，或者作为参考点按照比例匹配患者解剖结构的演变模型。计算机系统编译来自追踪系统和手术计划的数据来计算限定通过工具计划切除的边界的相对位置。在某些结构中，计算机系统可以是与其他部件无线通讯的完全分离的部件。在其他结构中，计算机系统集成到其他系统中。追踪系统和计算机系统一起可确定外科医生的定位、工具的定向和运动(手术路径)是否会产生希望的切除。重点注意的是，计算机子系统和追踪子系统一起工作以建立手术部位的三维空间。追踪子系统实现功能所需的元件可位于计算机子系统或者将追踪数据传递到计算机子系统的某些中间模式内。
最后的子系统为指示器，用来在实时(或半实时)OTTCAS步骤中为外科医生提供与其位置、工具的定向和运动有关的OTTCAS合适的输出以及要进行的切除和两者之间的偏差(误差)。指示器可以是用来使手术路径和要进行的切除对准/定位的任何一种类型的装置：标记方向以纠正外科医生的光板，带有声音指令的扩音器，位于显示工具和患者的3D表示的装配有OTT的工具上的屏幕，触摸屏或iPhone或iPad或iPod类似设备(即，所谓的"智能手机")，具有到切除的适当位置的患者解剖结构上的增加引导图像或数字投影(例如，通过微型投影机)。指示器用来提供合适的OTTCAS输出来指导外科医生基于实时(或半实时)信息进行正确的切除。
现在来看具体的子系统：
用于计算机辅助手术的手术间包括用于术前计划用途的第一计算机。例如，可在第一计算机上进行患者的术前分析、各种元件的选择和植入体在模型解剖结构上的计划对准。手术间还可包括被称为OR计算机的第二计算机，其在手术期间使用以辅助外科医生和/或控制一个或多个手术仪器。另外，手术间可包括通过工具承载的追踪系统的实施方式安装在手术仪器上的计算机(独立的或者与另一个计算机合作的)。最后，一个或多个计算机被用作衔接到切割仪器追踪系统、马达控制系统或投影或显示系统的实现通讯和中间阶段数据处理功能的专用驱动器。在当前例子下提供第一计算机，但是由于计算机功能也可在独立的OR计算机上实现，其可在某些构造中省略。此外，整个"术前计划"最终瞬间发生在主要结合OTT使用OR计算机的OR内部。尽管如此，如果特定应用需要，可以使用第一计算机。术前计划和过程也可以来自在线网络链接的数据或主动指导作为辅助。正如这里所使用的，术语CAS系统或CAS计算机指的是以任一组合形式提供以执行CAS功能的那些计算机或电子元件。而且，系统的微型处理单元可位于工具承载的追踪仪器上。在这种结构中，计算和用户交互可在正使用的手术工具上的计算机内进行，或者通过有线或无线通讯与主系统计算机协作，其中的一些可通过子系统"驱动"计算机进行。通过直接的无线通讯或者间接通过中间驱动计算机与主OTTCAS计算机协作，这种系统进行切割仪器相对于要进行的理想切口的定位误差分析，并在作为工具承载的追踪器的一部分的屏幕上单独显示修正动作和其他信息或者与配有出于该目的的OTT的一个或多个投影机提供的输出任意组合。
因此，OTTCAS手术间包括允许实时追踪若干元件空间内的定位与定向的追踪/导向系统，包括：(a)患者的结构，例如骨头或其他组织；(b)手术工具，例如，骨锯和/或OTT，其承载OTT并且由外科医生基于来自OR计算机的信息进行控制，或者(c)外科医生/辅助特定工具，诸如导向指针、配准工具或按照要求的其他物体。OR计算机或OTT还可在仪器上进行某些控制。基于工具的定位和定向(姿态)以及来自OTT的反馈，系统或CAS计算机能够改变手术工具的速度以及关闭工具来防止潜在的损坏。另外，CAS计算机可为使用者提供变量反馈。伴随说明书中所示的手术仪器为手术锯。可以理解的是，许多其他仪器可如在此所述的那样进行控制和/或导向，诸如钻、扩孔器、骨钻、锉刀、拉刀、手术刀、管心针或其他仪器。因此在接下来的论述中，OTT实现的CAS系统不被限制为所述的特定工具，而是应用到各式各样的仪器和手术中。
正如下面进一步论述的，手术间的一个示例性应用包括使用将要进行手术的患者的一部分的虚拟模型。特别是，在手术前，使用CT扫描、MRI扫描或者其他技术重建患者相关部分的三维模型。在手术程序前，外科医生可以观察和操纵患者模型以评估进行实际手术的策略。
一种可能的方法在手术期间使用患者模型作为导向装置。例如，在手术前，外科医生可分析患者部分的虚拟模型并绘制在手术期间待切除的组织。然后该模型用于在实际手术期间引导外科医生。特别是，在手术期间，工具承载的追踪装置监视手术进程。作为执行的OTTCAS程序的结果，程序/结果实时显示在OR计算机或者OTT监视器(例如，在载LCD屏幕)上，因此外科医生可以看见相对于患者模型的进程。重要地，还为外科医生提供OTT投影机来基于OTTCAS处理步骤(接下来更详细地论述)提供真实反馈。
为了在OTTCAS程序期间提供导向辅助，工具承载的追踪装置监视手术区域内相关手术工具的位置。OTTCAS系统可以不使用或者使用一个或多个参考框架，取决于正在进行的OTTCAS程序要求，该框架包括一个或多个位置传感器或者一个或多个基准标记。任一上述标记都可用于有源或者无源结构。标记可任选地为与该系统通讯的有线或者无线传感器。有源标记发射可由OTT装置接收的信号。在某些结构中，无源标记为(自然是无线的)不需与OTTCAS系统电连接的标记。一般来说，无源标记将红外光反射回OTT装置上的合适传感器。当使用无源标记时，手术视场暴露于随后被反射回且被OTT接收的红外光，无源标记的数据定位是由OTTCAS确定的，并且通过些数据，手术部位以及其他仪器的定位和定向都是相对于OTT以及彼此进行计算的。OTT装置的某些实施方式可配有红外传输装置和红外接收器。OTT从有源标记接收发射光并从无源标记接收反射光，以及接收到达OTT的其他视场信息。OTTCAS系统进行计算并基于包括标记位置以及手术区域内其他图像信息的图像视觉处理对工具的三维定位和定向进行三角测量。工具承载的追踪装置的实施方式可操作以检测OTT实现的工具相对于三个正交轴的定位与定向。以这种方式，使用来自OTT装置的信息，OTTCAS系统确定工具的定位和定向，然后使用这些信息来确定OTTCAS处理模式并为使用者产生合适的OTTCAS输出。
正如导向及其他CAS系统中典型的，一系列的点或表面被用来配准或关联患者解剖结构的位置和患者的虚拟模型。为了集合该信息，导向指针被用来获取解剖地标处的点或患者解剖结构内的表面上的一组点。被称为图像变形的过程(或者动态配准)可替代地被用来将患者相对于患者的近似(成比例的)虚拟模型配准，该模型选自图谱或数据库而非源自特定患者的实际图像。在该过程期间，外科医生使患者部分和某些策略性解剖地标数字化。OTTCAS计算机分析数据并识别通用解剖特征，以因而识别与虚拟模型上的特定点相对应的患者的点的定位。
因此，正如上所述，工具承载的追踪装置视觉上实时监视若干项目的位置，包括：相关手术工具的位置，患者的位置以及手术期间使用的项目位置，例如一个或多个参考框架或者一个或多个标记。因此，OTTCAS计算机处理与相关手术工具的位置有关的OTTCAS数据、OTT图像数据中的视场信息、与患者位置有关的数据和与患者模型有关的数据。OTTCAS计算机处理的结果提供动态的、实时交互的定位与定向反馈信息，其可在OTT装置(如果提供)所提供的监视器上或者作为OTT投影机的显示输出被外科医生观察。更进一步地，如前所述，在手术前，外科医生可分析患者模型并且识别要切除的组织以及计划或指示用在OTTCAS步骤或者CAS程序期间的要求OTTCAS模式。然后该信息在手术期间使用，基于CAS处理的模式及其他因素使用动态调整的输出来引导外科医生。
图1为设置为使用手术仪器50在计算机辅助手术期间进行追踪并提供引导的工具承载的追踪装置(OTT)100的等距视图。OTT100具有壳体105，其包括位于投影机输出110的开口内的一对照相机115。OTT100以及壳体105具有修改且被配置为与手术仪器50配合的表面120。手术仪器50包括用于操作具有活动元件56的工具54的触发器52。图1中工具54的示例性实施方式为锯，并且活动元件56为位于其远端的锯条的锯齿状边缘。
图2为设置为使用手术仪器50在计算机辅助手术期间进行追踪并提供引导的工具承载的追踪装置(OTT)200的等距视图。OTT200具有壳体205，其包括位于投影机输出210的开口内的一对照相机215。OTT200以及壳体205具有修改且被配置为与手术仪器50配合的表面220。手术仪器50包括用于操作具有活动元件56的工具54的触发器52。图2中工具54的示例性实施方式为锯，并且活动元件56为位于其远端的锯齿状边缘。
图3和4是图1和2的工具承载的追踪装置的等距视图，移开了壳体的顶罩。由图3看来，露出的壳体105的内部显示出处理电路130、投影机125和照相机115的布置。投影机125在该实施方式图示处于包括照相机115的平面上方的位置，但是倾斜以使投影机125的输出在照相机110的平面上方和下方更对称。投影机可竖直或者有些水平地进一步或较少地倾斜，如果在特定情况下需要的话，以就各种标准优化其投影的图像，例如咬合(例如，由图3和4中的锯条或者钻)或者其上投影有图像的解剖结构或表面的本质、形状、反射及其他方面的细节。在图4的视图中，壳体205露出的内部显示出处理电路230、投影机225和照相机215的布置。投影机225的输出210在该实施方式中图示为位于包括照相机215的平面上方并与其成锐角的位置。
图5、6和7表示出工具承载的追踪器200的一个俯视图和两个等距视图。在图4所示的工具承载的追踪器的俯视图中，电子元件的定向和布置是清晰可见的。由于用于该结构的投影机225的类型，投影机已经成一定角度设置在壳体205内，并如图6所示位于略有倾斜的表面上。在一个实施方式中，工具承载的追踪装置的照相机或投影机或两者可以任一定向设置，并且随后该定向对相应装置的操作的结果以在此描述的其他方式进行补偿。以此方式，由于可调整少量的物理偏差用于使用在此所述的软件技术，各种不同的OTT电子电路和元件设计都是可能的。图7图示出与壳体205分离的工具承载追踪器200的电子元件的等距视图。该图图示出采用一件式"OTT电子元件包的一个实施方式，其包括位于一个板235上用于布置在壳体205内的照相机215、投影机225和相关的系统和处理电子设备230。
图8A、8B、9和10都图示了在工具承载的追踪装置内包括的照相机的各种角度定向的照相机视场上的结果。图8A中照相机115以相对于彼此和手术工具54的轴线几乎平行的布置方式定向。在考虑了由其他部件引起的阻挡之后，该结构提供大约70mm到大约200mm范围的照相机视场。在其他实施方式中，示例性OTT装置的照相机系统可在大约50mm到大约250mm范围内的照相机视场内操作。可以理解的是，照相机视场可取决于OTT装置将要执行的特定的计算机辅助手术程序所需的要求视场物理或者电子地改变。
与图8A中几乎平行布置的照相机对比，图8B、9和10各自图示出不同照相机倾角结果和照相机视场的最终变化。参考图11A、11B、11C和11D可更好地理解OTT照相机位置和倾角的关系以及其与视角、最小目标距离和最大目标长度的关系。图11A图示出用来生成图11B中图表的、用于进行计算的几何集合函数和公式，该图表使以度表示的倾角与众多视场因素联系起来。源自该图表与倾角有关的数据在图11C和11D图示的曲线中重现。这些图中出现的光场信息在所述的OTT装置的各种实施方式的一些内的照相机定位的设计和优化中有用。
与各种OTT实施方式一起使用的投影机的其他方面可参考图12A、12B、13A、13B和13C进行理解。通过比较图12A和图12B表明基于位于OTT壳体内的投影机定位对投影机输出的影响。如图12A和13A所示，投影机125看起来与工具54成近似平面关系。然而，注意到投影机输出126的一部分如何伸出超过且在工具(在此情况下为锯条)远端56下方。与此相比，投影机225相对于工具54成锐角设置。另外，投影机210输出与其在照相机215之间的相对位置相比偏向一侧。然而，投影机输出226大部分位于锯条54上方并且仅在远端56交叉。一旦看见图13A和13B的视图，投影机输出226的其他方面就显而易见了。可以理解的是，在这些实施方式中描述的投影机输出、投影机尺寸和定向不限于所有的OTT装置实施方式。合适的OTT投影机可以众多令人满意的方式进行配置并布置在OTT壳体内，并且可基于所需投影机的包装大小进行调整。正如投影机225的样值输出所清楚图示的，许多不同的投影机尺寸、定向和角度关系可以被使用并且仍然可以有效地用来满足OTTCAS处理系统的投影机要求。换句话说，各式各样的投影机类型、输出定位和包装可以使用并且仍然保持在在此描述的OTT装置的各个实施方式内。
取决于特定OTTCAS系统所需的特定操作特性，本发明的OTT装置实施方式可具有各种图像、投影机和电子元件。可提供后面的示例性实施方式，以便品种繁多的特征和设计因素可理解为OTTCAS系统的一部分。
图14A图示出OTT装置实施方式的示意图。在该图示实施方式中，提供如图所示布置在OTT壳体内的：
照相机/dsp/处理(例如NaturalPointOptitrakSL-V120范围)
计算机：PC-Windows2000/XP/Vista/7；1.5GHz处理器；256MBRAM；5MB可用硬盘空间；USB2.0高速端口(最小值，更快更好)
COM：无线通讯(例如，带有无线USB支持的USB端口复制器)
投影机：(激光微型投影机)。
该实施方式使用众所周知的"智能型照相机"-具有执行局部图像处理能力的照相机。这种处理通常是可通过现场可编程门阵列(FPGA)进行编程的。该特定实施方式中部件的结构可被用来提供出现在OTT装置和OTTCAS计算机上的图像处理。例如，OTT装置上的DSP检测标记数据并在将其传递至OTTCAS计算机之前处理标记数据。该构造极大地减少了主计算机所需的处理能力，同时还使需要传递的数据最小化。可以理解的是，示意图虽然主要用于图示图像类型、特定OTT装置或者OTT装置和OTTCAS计算机之间或者OTT装置和一个或多个中间装置驱动计算机之间的数据处理和通用计算机处理能力，该视图可能不反映特定部件之间的实际定向、间距和/或对准。电子通讯能力(COM)是由有线连接或者往来于计算机的任一合适的无线数据传送模式提供的，所述模式可修改并被配置为与在此描述的OTTCAS程序、算法和模式一起使用。OTT装置和OTTCAS计算机(如果使用)之间的处理数据交换的类型、多样性、数量和质量将取决于所用的特定OTTCAS程序、模式或系统的具体参数和因素而变化。
图14B图示出OTT装置实施方式的示意图。在该图示实施方式中，提供如图所示布置在OTT壳体内的：
照相机：有线或无线的模拟照相机；例如FPV无线照相机
DSP：uCFG微控制器抓帧器。其连接到PCPCI母线上并成为PC的一部分。
计算机：计算机：PC-Windows2000/XP/Vista/7；1.5GHz处理器；256MBRAM；5MB可用硬盘空间；USB2.0高速端口(最小值，更快更好)
COM：硬接线或模拟无线发射器
投影机：Microvision的SHOWWX型激光微型投影机。
使用该具体实施方式中的部件结构来提供低成本商品照相机的使用，在这里不在OTT本身上进行追踪的图形处理，图像信号被作为PC一部分的专用抓帧器捕获。抓帧器接收捕获的图像并将其存放在PC存储器内，而不经过PC的任何开销处理(overheadprocessing)。该实施方式给出较小、较轻且较低成本的OTT装置。
可以理解的是，示意图虽然主要用于图示图像类型、特定OTT装置或者OTT装置和OTTCAS计算机之间或者通过一个或多个中间装置驱动计算机的数据处理和通用计算机处理能力，该视图可能不反映特定部件之间的实际定向、间距和/或对准。电子通讯能力(COM)是由有线连接或者往来于计算机的任一合适的无线数据传送模式提供的，所述模式可修改并被配置为与在此描述的OTTCAS程序、算法和模式一起使用。OTT装置和OTTCAS计算机(如果使用)之间的处理数据交换的类型、多样性、数量和质量将取决于所用的特定OTTCAS程序、模式或系统的具体参数和因素而变化。
图15A图示出OTT装置实施方式的示意图。该实施方式使用带有集成电子电路的商品化USB照相机，该电子电路从照相机捕获图像并将其调节为与USB兼容。该输出被压缩然后通过有线或无线传送，不进一步追踪相关的处理。
在该图示实施方式中，提供如图所示布置的：
照相机：(例如，微型摄像头)
计算机：(例如，Dell精密R5500架工作站)
COM：[例如，Carambola8装置核，或者DTW-200D(CDMA20001X)和DTW-500D(EVDORevA)]
小型投影机：(例如，Microvision的SHOWWX型激光微型投
影机)。
该特定实施方式中的部件结构可被用来提供用于提供电子OTT部件的模块化解决方案。该实施方式使用商品化低成本照相机并且允许照相机以模块化形式使用，其中照相机可以改变或升级以反映技术的进步，而不会干扰OTT或地面系统。
如果优化OTTCAS或者中间驱动计算机用于DSP，不需要使用工具承载的DSP。该实施方式能够使用任何一种商业上可用的图像处理库。例如，源自开放源或商业库的现代图形处理软件例程仅仅需要大约1ms来处理斑点(骨参考框架LED)并计算其质心。因此图像可从OTT工具直接发送到OTTCAS计算机进行处理。重要的是，与其他实施方式相比，COM需要被选为处理更高带宽。类似地，中间驱动器或OTTCAS计算机需要被选为处理更繁重的计算工作。
可以理解的是，示意图虽然主要用于图示图像类型、特定OTT装置或者OTT装置和中间驱动器或OTTCAS计算机之间的数据处理和通用计算机处理能力，该视图可能不反映特定部件之间的实际定向、间距和/或对准。电子通讯能力(COM)是由有线连接或者往来于计算机的任一合适的无线数据传送模式提供的，所述模式可修改并被配置为与在此描述的OTTCAS程序、算法和模式一起使用。OTT装置和中间驱动器(如果使用)或者OTTCAS计算机(如果使用)之间的处理数据交换的类型、多样性、数量和质量将取决于所用的特定OTTCAS程序、模式或系统的具体参数和因素而变化。
图15B图示出OTT装置实施方式的示意图。在该图示实施方式中，提供如图所示布置的：
照相机：如图15A中的智能照相机或者如图15C中的USB照相
机
惯性传感器：(例如，BoschSMB380、FreescalePMMA7660、KionixKXSD9)
机载处理器：(例如，ARM处理器)
计算机：[例如，PC-Windows2000/XP/Vista/7；1.5GHz处理器；256MBRAM；5MB可用硬盘空间；USB2.0或USB3.0高速端口(最小值，更快更好)]
COM:(标准IEEE802.11通讯协议或者OTT衍生处理器和地面
站中间驱动器PC或OTTCASPC之间的类似通讯协议)。
投影机：(例如，Microvision的SHOWWX型激光微型投影机)该具体实施方式中的部件构造被用来提供在OTT装置本身上执行复杂处理以完成为了OTTCAS程序的目的所需的大多数身体追踪的实施方式。该装置是完全独立的追踪装置。OTT装置还包含一个或多个惯性传感器。DSP涉及使用惯性传感器来预测基准在“下一个框架”中的位置。因此，OTT装置上的DSP上的计算负载最小化。
可以理解的是，示意图虽然主要用于图示图像类型、特定OTT装置或者OTT装置和中间驱动器或OTTCAS计算机之间的数据处理和通用计算机处理能力，该视图可能不反映特定部件之间的实际定向、间距和/或对准。电子通讯能力(COM)是由有线连接或者往来于计算机的任一合适的无线数据传送模式提供的，所述模式可修改并被配置为与在此描述的OTTCAS程序、算法和模式一起使用。OTT装置和与直接到OTTCAS计算机(如果使用)或者经由中间驱动计算机之间的处理数据交换的类型、多样性、数量和质量将取决于所用的特定OTTCAS程序、模式或系统的具体参数和因素而变化。
除了上述细节和具体实施方式，可以理解的是，OTT装置的替代实施方式可具有包括带有处理能力的部件以及软件和固件的电子元件和电子指令以提供符合在此描述的OTTCAS处理方法、模式和算法的一种或多种下列示例性类型的OTTCAS数据：
接收并处理视觉和IR光谱图像数据
确定图像帧中每个标记质心的坐标
确定图像帧中所有标记的尺寸
报告一个或多个基准的尺寸和坐标
子像素分析以确定图像帧中质心的定位、标记布置或选择的标记布置
基于来自中央计算机的输入或内部指令或者响应于OTTCAS处理模式的变化从10到60帧/秒的可变且可控帧率
图示并描述在图1-15B和图47-52B的本发明的工具承载的追踪装置100/200还可包括，例如，一个或多个附加照相机、不同类型的照相机功能、以及在此以及图31A-36、63、64和65中所述的OTTCAS系统采用的传感器。将参考图53-63A和63B描述各种不同的OTT结构。
图53为安装在手术工具50上的工具承载的追踪装置100的等距视图。在图53所示的工具承载的追踪装置100的实施方式中，修改壳体105和在载电子设备以包括成对的近场立体照相机245a、245b。在该实施方式内，照相机245a、245b靠近位于OTT壳体105顶部附近的投影机输出或开口110安装。正如在此所述的，照相机115可被用来提供宽视场。照相机115安装在壳体105的中点。宽视场立体照相机115恰好位于包含手术工具54的平面上方，该手术工具可由OTTCAS系统进行追踪。一方面，照相机或宽视场照相机115在OTTCAS引导下位于工具54的相对侧上。OTTCAS系统操作与接下来使用可用于OTTCAS方法和技术的附加照相机输入和数据在图31A到36以及图63、65和65中描述的类似。执行徒手操作的OTTCAS的OTTCAS系统和方法可改变以接收来自一个或成组照相机115、245a、245b或来自任意组合的一个或多个照相机115、245a、245b的输入。此外，图示的那些照相机中的任一个可被用于在在此所述的OTTCAS系统的控制下在一个或多个操作模式中单独或者与投影机225结合地追踪、显示、测量或引导。
图54为安装在手术工具50上的工具承载的追踪装置200的等距视图。正如在此描述的，照相机215用于提供宽视场、安装在壳体205的中点。在图54图示的工具承载的追踪装置的替代实施方式中，壳体205和在载电子设备进行变化以包括如图53中那样的一对近场立体照相机245a、245b以及附加的照相机317a、317b、319a和319b。附加的照相机可提供，例如，附加的宽视场(即，比照相机215提供的要宽)或者被配置为IR照相机。像图53一样，照相机245a、245b靠近位于OTT壳体205顶部附近的投影机输出或开口110安装。照相机319a和319b图示为靠近位于OTT壳体205顶部附近的投影机输出或开口210安装。宽视场立体照相机215恰好位于包含手术工具54的平面上方，该手术工具可由OTTCAS系统进行追踪。附加的照相机317a、317b设在照相机245a、245b和照相机215之间。一方面，照相机或宽视场照相机215在OTTCAS引导下位于工具54的相对侧上。OTTCAS系统操作与接下来使用可用于OTTCAS方法和技术的附加照相机输入和数据在图31A到36以及图63、65和65中描述的类似。执行徒手操作的OTTCAS的OTTCAS系统和方法可改变以接收来自一个或成组照相机215、245a、245b、317a、317b、319a或319b或任意组合的一个或多个照相机215、245a、245b、317a、317b、319a或319b的输入。此外，图示的那些照相机中的任一个可被用于在在此所述的OTTCAS系统的直接或间接(经由中间驱动计算机)控制下在一个或多个操作模式中单独或者与投影机225结合地追踪、显示、测量或引导。
图55为安装在手术工具50上的工具承载的追踪装置100的等距视图。图55所示的工具承载的追踪装置的实施方式具有变形壳体105和在载电子设备以包括位于投影机输出110上方的一个中心定位的照相机321。在该实施方式中，照相机321靠近形成在OTT壳体105顶部中的投影机输出或开口110安装。正如在此所述的，照相机321可被用来单独或与基于软件的图像处理相结合地通过机械或电子镜头控制提供各种不同的视场。如图所示，照相机321安装在工具54的中心轴线上或其附近，具有活动元件56或者工具50上的其他追踪点的清晰视场。立体照相机115还图示为恰好位于包含手术工具54的平面上方，该手术工具可由OTTCAS系统进行追踪。一方面，照相机115在OTTCAS引导下位于工具54的相对侧上。OTTCAS系统操作与接下来使用可用于OTTCAS方法和技术的附加照相机输入和数据在图31A到36以及图63、65和65中描述的类似。执行徒手操作的OTTCAS的OTTCAS系统和方法可改变以接收来自一个或成组照相机115或321或来自任意组合的一个或多个照相机115或321的输入。此外，图示的那些照相机中的任一个可被用于在在此所述的OTTCAS系统的直接或间接控制下在一个或多个操作模式中单独或者与投影机225结合地追踪、显示、测量或引导。
图56为安装在手术工具50上的工具承载的追踪装置200的等距视图。该OTT装置实施方式与图54的类似，带有图55中提供的另外的单个照相机。与图55对比，图56中的单个照相机323设在工具53和借助OTTCAS系统追踪的活动元件56的下方。照相机323定位的一个优势在于某些工具54-例如图示的锯-可阻挡可用于其他照相机的视图的部分。在这种情况下，来自照相机323的输入可被用来增补提供至OTTCAS系统的其他图像输入。另外，照相机323在监视一个或多个参考框架或用作所附手术工具50的OTTCAS引导的一部分的标记方面特别有用。正如在此描述的，照相机215安装在壳体205的中点，用于提供宽视场。在该实施方式中，照相机323安装在位于工具54下方的壳体205的前方投影内。正如在此所述的，照相机323可被用来单独或与基于软件的图像处理相结合地通过机械或电子镜头控制提供各种不同的视场。如图所示，照相机323安装在工具54的中心轴线上或其附近，具有活动元件56下侧或者工具50上的其他追踪点的清晰视场。在图54所示的工具承载的追踪装置的替代实施方式中，壳体205和在载电子设备可以变形以包括图54的各种照相机以及单个照相机323。OTTCAS系统操作与使用可用于OTTCAS方法和技术的附加照相机输入和数据在上面参考图54描述以及接下来参考图31A到36以及图63、65和65中描述的类似。执行徒手操作的OTTCAS的OTTCAS系统和方法可改变以接收来自一个或成组照相机215、245a、245b、317a、317b、319a、319b或323来自或任意组合的一个或多个照相机215、245a、245b、317a、317b、319a、319b或323的输入。此外，图示的那些照相机中的任一个可被用于在在此所述的OTTCAS系统的控制下在一个或多个操作模式中单独或者与投影机225结合地追踪、显示、测量或引导。可以理解的是，如图55和56所示的单个照相机可结合到图55中所示的OTT装置内或与其他OTT装置实施方式结合。
图57A为安装在手术工具50上的工具承载的追踪装置100的等距视图。图57所示的工具承载的追踪装置100实施方式具有变形的壳体105和在载电子设备以包括设置在关于与照相机115相同的方面和投影机输出110下方的另外一对照相机241a、241b。在该实施方式中，照相机241a、241b像照相机115一样安装在OTT壳体105内。正如在此所述的，照相机115、241a、241b可被用来单独或与基于软件的图像处理相结合地通过机械或电子镜头控制提供各种不同的视场。正如图57B所示，照相机可被用来通过使照相机成一定角度或者使照相机115、241a、241b安装在用来改变照相机定向方向的可动台上提供不同视场。图57B图示出这个实施方式，照相机115向内指向工具的中心轴线，而照相机241a、241b指向中心轴线的外部。照相机可通过固定或可动台获得图57B的定向。图57A、57B中的照相机还图示为恰好位于包括手术工具54的平面上方，该手术工具可由OTTCAS系统进行追踪。一方面，每对照相机中的一个照相机在OTTCAS引导下位于工具54的相对侧上。OTTCAS系统操作与接下来使用可用于OTTCAS方法和技术的附加照相机输入和数据在图31A到36以及图63、65和65中描述的类似。执行徒手操作的OTTCAS的OTTCAS系统和方法可改变以接收来自一个或成组照相机115或241a、241b或来自任意组合的一个或多个照相机115或241a、241b的输入。此外，图示的那些照相机中的任一个可被用于在在此所述的OTTCAS系统的控制下在一个或多个操作模式中单独或者与投影机225结合地追踪、显示、测量或引导。
图58图示出用于图57A和57B所示构造的照相机变形的另一个替代实施方式。在一个替代方面，图57A的照相机可通过软件或其他合适的图像处理程序进行调整以提供图58图示的影像。在该实施方式中，提供两对像图57A的实施方式一样的照相机。在OTT系统的照相机的实施方式中，照相机视角A没有重叠，如图所示。A角度被用来加强工具54的侧面。在该图像处理系统中，各种影像通过CAS追踪和引导系统的图像处理系统合成为统一影像(unifiedview)。图58图示出具有手术区域内狭窄且无重叠视场的上部照相机(241a、241b或A照相机)。下部照相机(115或B照相机)具有较宽且重叠的视场。在该实施方式中，图像追踪系统能够使用较宽的重叠视场和狭窄的聚焦视场以便通过从所提供的各种照相机影像合成并获得信息来提供各式各样的不同追踪方案。OTTCAS系统操作与接下来使用可用于OTTCAS方法和技术的附加照相机输入和数据在图31A到36以及图63、65和65中描述的类似。执行徒手操作的OTTCAS的OTTCAS系统和方法可改变以接收来自一个或成组照相机115或241a、241b或来自任意组合的一个或多个照相机115或241a、241b的输入。此外，图示的那些照相机中的任一个可被用于在在此所述的OTTCAS系统的控制下在一个或多个操作模式中单独或者与投影机225结合地追踪、显示、测量或引导。
图59A为安装在手术工具50上的工具承载的追踪装置200的等距视图。该OTT装置实施方式与图54的类似，使用可移动的照相机台244代替照相机对315a、315b并且没有照相机对319a、319b。在图59A所示的工具承载的追踪装置的替代实施方式中，壳体205和在载电子设备可以变形以包括可移动的照相机台244以及包括照相机对247a、247b。正如图54所示，图59A的实施方式还包括照相机215、317a和317b。附加照相机可以通过由OTTCAS系统控制的台244的操作提供例如附加的视场或可变的视场。台244图示为靠近位于OTT壳体205顶部附近的投影机输出或开口210安装。台244配有马达、台或者允许照相机247a、247b的间距和/或角度和/或焦点改变的其他可控运动装置。最佳如图59B所示，照相机247a、247b可从宽角度位置("a"位置)、中间范围位置("b"位置)或窄范围位置("c"位置)移动。
另外或者替代地，照相机运动和影像的选择以及照相机马达、台或其他运动装置的控制，在某些实施方式中，都是基于使用者选择的输入进行控制的，例如在智能影像系统中的预设照相机影像。在又一个备选方案中，照相机或照相机台或运动装置的位置或定向可基于在此描述的CAS悬停控制系统的实施方式的操作自动变化。通过使用该实施方式的照相机移动能力，图像追踪系统还能使用照相机马达控制器来根据其他CAS悬停系统参数和指令按照要求获得较宽的、中间范围的或者狭窄的区域图像。因而，OTT系统的这个实施方式的运动照相机能力通过从照相机移动提供的各种照相机影像合成并获得信息来提供各式各样的不同追踪方案。OTTCAS系统操作与接下来使用可用于OTTCAS方法和技术的附加照相机输入和数据以及OTTCAS系统根据在此描述的OTTCAS技术和方法控制照相机247a、247b的运动的能力在图31A到36以及图63，65和65中描述的类似。执行徒手操作的OTTCAS的OTTCAS系统和方法可改变以接收来自一个或成组照相机215、247a、247b、245b、317a或317b或来自任意组合的一个或多个照相机215、247a、247b、317a或317b的输入。此外，图示的那些照相机中的任一个可被用于在在此所述的OTTCAS系统的控制下在一个或多个操作模式中单独或者与投影机225结合地追踪、显示、测量或引导。
在又一个备选方案中，可以理解的是，在此描述的任何一个OTT装置实施方式，除了具有多个照相机或者成组照相机之外，都可为每个照相机提供经由硬件和/或软件的滤波器因此每个照相机都可用于可见光谱和红外光谱中的一个或两个。在这种情况下，两对照相机可被认作四组照相机，因为在某种意义上，照相机在可见区域内操作然后同样的照相机在红外区域内通过滤波器操作。
在又一个备选方案中，在此描述的OTT装置实施方式，除了具有多个照相机或成组照相机之外，都可使用任何一个或多个在载照相机来捕捉图像以便记录以及在记录程序的某些方面时缩放用于存档、培训或评估目的。在又一方面，提供一种软件或固件指令模式的OTT模块，滚动记录预设持续时间的循环。持续时间可以是任何一段与完整的OTTCAS程序、步骤或者一部分步骤或者计划有关的时间，或者与OTTCAS程序或者OTTCAS装置的使用有关的配准。有直接设置在OTTCAS或者相关计算机系统上的存储器。一方面，OTTCAS模块或电子设备装置包括存储卡开槽或进口以允许记录/存储照相机和/或投影机输出以及所有或部分OTTCAS程序计划或用于OTTCAS计划的图像。更进一步地，视频数据和图像存储可位于OTT上，USB或其他端口上，或者就是与手提式摄像机通用的存储卡。来自一个或多个OTT照相机的馈送被按照命令记录、一直按照使用者或者系统输入或响应于使用者或者系统输入进行，例如鼠标点击、触屏输入、语音命令等等。图像数据可存储在OTT本身或者装置或者另一个计算机上。在一个实施方式中，这里所指的OTTCAS图像数据例如存储在中间驱动计算机上。又一方面，在此提到的记录是根据由主CAS计算机远程发送到OTT的指令，或者可选择地根据OTT装置机载的LCD屏幕的触屏指令人工启动的。指令可以是"开始视频记录"、"停止视频记录"、"捕获单个图像"等等。记录的数据或存储的图像可本地存储在OTT上，和/或立刻或稍后转换到中间驱动计算机或者与手术案例文件有关的主CAS计算机。
图60、61、62A和62B提供了参考图5、6和7图示并描述的OTT装置电子设备包的不同备选视图。图60、61、62A和62B的不同视图图示出多种多样的定位和传感器类型，其可选择性地结合到OTT装置的不同实施方式中以及对不同备选OTTCAS系统实施方式和使用该系统的备选方法提供进一步的输入、处理数据或者改进。在图60-62B的示例性图示中，提供众多不同的传感器定位。更多的或者不同的定位以及传感器的布置都是可能的，在每个示例性定位以不同定向布置或者使得多种类型的传感器或者同一类型的传感器布置在一个定位。
此外，对传感器实现的OTT装置的每个实施方式来说，采用的每个传感器定位都要根据需要以这些实施方式所采用的传感器的数量和种类为基础对壳体110/210、电子设备130、230以及图5-15B的相关描述和细节进行相应的变化。另外，OTT装置还可以改变并被配置为根据需要提供合适数量和种类的电子卡口、机械或结构支撑、电绝缘或防振隔离、电/数据连接、硬件、软件、固件和所有相关的结构以保证每个传感器类型的操作和使用。采用OTT装置上传感器的类型、数量和定位来与OTTCAS系统已经采用且在此描述的其他追踪和操作参数相结合提供有关OTT装置和/或CAS操作环境的强化信息。
在利用传感器强化的OTT装置的各种备选操作方案中，OTTCAS系统操作、决策、模式选择和执行指令都基于来自一个或多个OTT装置传感器的数据的增加进行改变以提供如下的一个或多个：位置、运动、振动、定向、加速度、翻滚、俯仰和/或偏航，单独一个或者任意组合，都与OTT装置本身或在OTT追踪和指导下的手术工具有关。更进一步地，同一类型的多个传感器或者检测或测量装置可在不同位置处放置在OTT装置上，然后那些来自每个不同定位的同一输入类型也可被用来提供额外的OTTCAS操作输入、决策或控制因素。单独的传感器输出或读数中的每一个都可被分别使用，或者来自同类传感器的数据可被收集到一起并根据传感器类型和数据用途进行平均。更进一步地，传感器数据的收集和使用(即，采样率、加权因子或基于悬停模式状态施加的其他变量、和/或一个或多个CAS系统参数的调整)可根据图31A-36中所描述的各种操作方案进行调整，尤其是对如图63中所描述的诸如信号响应速率(slewrate)和数据收集率的操作参数的调整。
现在转向图60，图示出OTT装置200的实施方式的俯视图，移开了壳体205的顶部。传感器定位1、2、3、4、5和6在该视图中可见。传感器定位1和2位于OTT装置中线两侧的外部。在这个实施方式中，传感器定位1、2靠近照相机215。辅加传感器定位3图示为处于OTT装置的中心部。传感器定位3可置于例如OTT装置的几何中心、OTT装置的质心或重心、或组合式OTT装置/工具的质心或重心。传感器位置3的定位因此可根据附接到OTT装置上的工具50的类型进行改变。另外或者可替代地，对于被配置为以各式各样不同工具类型操作的OTT装置实施方式，相应数量的合适定位的传感器可取决于所使用的特定类型的工具进行放置。在这些实施方式中，OTTCAS系统还被配置为根据附接到OTT装置上的工具类型识别或接收输入，然后选择或利用来自传感器定位上的一个或多个传感器的输出以及与特定工具结构有关的传感器类型。
传感器定位4和5在OTT壳体205的左右外边缘上朝着后部设置。传感器位置6位于靠近壳体205的后部的中心部上。单独或以任意组合使用传感器定位1、2、4、5和6也可用于获得在这些定位中的每一个中的翻滚、俯仰或偏航角数据以及倾向和/或多个轴线运动速度或振动读数中的一个或多个。
图61是图60的视图中的OTT壳体205的透视图。由该视图，可以看出传感器定位3处于靠近系统中心的点。在壳体205内部的传感器位置7以虚线顺着壳体左侧显示。传感器位置7朝向OTT壳体205后部位于左壁部上或位于其内。图61图示出传感器定位7的坐标位置。在该示例性实施方式中，传感器定位7相对于中心OTT定位，在这里指传感器定位3。任一参考点可直接或者通过传感器中间驱动计算机由OTTCAS系统使用用于各种传感器输入的坐标和交叉引用。在该实施方式中，传感器定位7相对于中间定位3向后方间隔距离d。另外，传感器定位号7与传感器定位3的高度(elevation)间隔高度h。每一个传感器的特殊定位可被用来在使用中确定OTT各种参数时占据优势。可以理解的是，OTTCAS系统可以使用绝对x、y、z坐标，或者OTT装置实施方式所采用的针对传感器定位的相对坐标。
图62A是与图61类似的等距视图，移开了下部OTT壳体部分。图62A的视图被用来图示若干个其他可选的传感器定位。传感器定位8、9、10、11和12图示于该实施方式中。传感器定位12、9和8图示为顺着OTT装置的中心纵向轴线在中心传感器定位3前后。传感器定位10、11提供与位置4和5类似但彼此纵向分离的其他外侧定位。虽然这些示例性定位中的多个图示为顺着OTT装置的纵向中心线或靠近纵向中心线，其他的传感器定位也是可能的。例如，传感器还可位于板235或者位于OTT装置壳体内、OTT装置壳体的部分或附接到该壳体上的其他结构的下侧。传感器定位可置于板235内、沿其设置、位于其上或其下，或者基于其他部件以及OTT装置电子设备包的设计和空间要求位于其他定位。
除了图60、61和62A中所描述的传感器定位，传感器平台20也可设在OTT壳体205内。示例性传感器基部20的透视图图示于图62B中。传感器基部20图示为带有典型的传感器定位1、2、13、14、15、16、17、18和7。传感器基部20图示出传感器在基部20上的备选布置7，而不是位于图61的壁内或壁上。类似地，传感器位置1和2从图60所示的位置移向基部20。另外，传感器位置15的定位被选择为提供如上所述的传感器定位3的功能。各种备选的传感器类型、数量和定位可如上所述地集成到恰当配置的传感器基部20中。在各种执行过程中，一个传感器基部或多于一个传感器基部可如图62B所示那样设计尺寸，其中传感器基部模仿OTT装置壳体205的尺寸和形状。传感器基部可包括对于与特定OTT装置构造有关的特定定位或位置或功能来说具有特定类型、特定定向的所有传感器。考虑到电子设备和传感器小型化的速度，尤其是在微型电子机械系统(MEMS)领域，可以理解的是，OTT装置中所采用的所有或者基本上所有传感器都是适当小型化的市场上买得到的部件形式。
图62B图示出与照相机定位以及传感器定位1、2的前方相对应的传感器定位13和14。传感器位置13、14、1和2都设在照相机定位附近。传感器定位15、16和18在传感器板20处于合适位置时靠近OTT装置模块的中心线。传感器定位15或16可设置在OTT引导工具的感兴趣的具体位置上方，例如工具竖直中心轴线、触发器定位或对便利工具追踪有意义的其他特征。一方面，传感器定位设置成表示用于CAS系统中的手术工具的触发器。在一个实施方式中，传感器定位17和7设置在位于工具质心后方的左右外侧位置。传感器定位18是在传感器板20安装到OTT壳体205内时离OTT模块的后部最远的后方传感器定位。
参考图60-62B以及本说明书其他地方图示和描述的每一个传感器定位都可被用来提供各式各样的、可被在此描述的位置和追踪系统使用的不同传感器或仪器类型。通过举例而非限制的方式，与OTT装置结合使用的各种仪器或传感器包括：倾角计、陀螺仪、双轴陀螺仪、三轴陀螺仪或其他多轴陀螺仪、单轴-双轴-三轴或多轴加速计、电位计、MEMS传感器或微传感器或MEMS仪器，其被配置为提供与OTT装置、或OTT装置/手术工具组合的操作或者附接到OTT装置并在在此提供的OTTCAS系统下使用或者以其他方式在OTT系统操作环境中使用的用于工具或假体配准、匹配评估或手术计划、手术计划修订等等的工具的操作、使用和状态有关的翻滚、俯仰、偏航、定向或振动信息中的一个或多个。
图16A、16B和16C提供用于计算机辅助手术程序的参考框架300的不同视图。提供具有由周边315界定的平面或者大体3D表面310的305框架。一个或多个有源或无源基准标记70在表面310上以图案72设置或者分别通过某些帧结构支撑。有从框架305伸出的杆320和位于杆上的联结件325。联结件325用来连接框架305和基部330。基部330具有第一表面335，其被配置为接合与程序相关的手术区域内的一部分解剖结构。基部330具有用来与联结件325接合的第二表面340。联结件325和第二表面340在图16A中接合但在图16B和16C中分离。在图16C和16C的视图中，在联结件上可见至少一个配准元件，并且在第二表面上可见至少一个配准元件。在所示实施方式中，配准元件342b是联结件325上的凹形特征，而第二表面340上的联结件325a为凸形特征。配准元件的大小和位置被设计为在联结件325和第二表面340接合时配合协作。可以理解的是，各式各样不同的配准元件类型和位置可改变并被配置为当联结件接合到第二表面时提供配合协作。
基部330包括用以接合解剖结构的第二表面335。表面的全部或表面的一部分可以包括锯齿形边缘以辅助与解剖结构、尤其围绕关节的骨解剖结构接合。基部第一表面335包括与基部第一表面在手术程序过程中附接到其上的解剖部位互补的曲度。一方面，曲度与包括解剖结构的皮肤部分的解剖部位互补，在该部位骨头不能露出但是参考框架利用螺钉或者下面提及的其他紧固装置通过皮肤与其附接。在一个附加实施方式中，解剖结构的骨部分邻近作为手术程序的目标的关节。关节可以选自膝、肩、腕、踝、髋、椎骨或即将进行骨头切除术的任一其他手术部位。基部330包括至少一个孔口337，所述至少一个孔口337可以改变并构造用于固定元件，所述固定元件用以将基部附加到人体上的部位。固定元件可以选自如下的一个或多个：销、螺钉、钉子、手术钉或者将被应用到元件或者要露出(例如，双面胶带的剥落)的任一形式的胶或水泥。
图17图示参考框架引导件350的示意图。参考框架引导件350具有框架355和从框架355延伸的杆360。杆360具有被构造成与解剖特征部接合的曲度或形状，以在框架引导件附接到框架305时辅助参考框架300在手术区域内以期望位置和定向布置。参考框架引导件350还包括沿着框架355的一个或多个接合元件365，用于与参考框架305的周边315或一部分暂时接合，以允许与使用元件365附接的参考框架300相联的基部330的适当定位和调节。图18图示附接到参考框架300的框架305的参考框架引导件。在使用中，接合元件365可以断裂，以在手术程序过程中从引导框架移除参考框架。尽管图示为与参考框架300配合协作，参考框架引导件350可以适于并构造成与不同形状和尺寸的参考框架(诸如图24中的参考框架400)形成配合接合。
在一种特定实施方式中，杆360的曲度或形状362被构造用于杆关于髁的布置，以提供参考框架300沿着股骨在手术区域内的对准。图19和20示出基部330沿着股骨10的定位。关节参考框架引导件和参考框架结构(参照图18)被定位(沿着图19中的箭头)，以使杆360的曲度362在股骨10的髁12之间对准，从而使基部330如图20中所示以适当定向布置在股骨上。之后，参考框架300通过利用诸如螺钉或钉子施加到孔口337或使用生物相容性骨接合剂的一种或多种方法连结基部第一表面335来附接到股骨10。一旦参考框架300被确认处于适当位置，参考框架引导件350被移除(图21)，仅留下根据待进行的手术计划(图22)与髁12成期望关系且沿着股骨10处于期望位置的参考框架。
图23图示参考框架400和沿着胫骨15的位置的实施方式。在图示的实施方式中，参考框架400附接在胫骨粗隆上或围绕胫骨粗隆(图25中更清楚地示出)并利用上述关于参考框架300描述的若干固定方法中任一种紧固到骨。参考框架400的附加细节可以在阅读图24A、24B和24C后提供。这些附图提供在计算机辅助手术程序中使用的参考框架400的各种视图。设有框架405，其具有由周边415界定的表面410。一个或多个有源或无源基准标记70经过表面410以型式74布置。设有从框架405延伸的杆420和在杆上的联结件425。联结件425用以将框架405连结到基部430。基部430具有能够接合与手术相关的手术区域内的解剖结构的一部分的第一表面435。基部430具有第二表面440以与联结件425接合。联结件425和第二表面440在图24A中接合，但在图24B和24C中分离。在图24C和24C的视图中，在联结件上可见至少一个配准元件，并且在第二表面上可见至少一个配准元件。在图示的实施方式中，配准元件442b是在联结件425上的凹形特征部，而在第二表面440上的联结元件425a是凸形特征部。配准元件的尺寸和位置被设定成在联结件425和第二表面440接合时配合协作。可以理解，各种不同的配准元件类型和位置可以适于并构造成用于在联结件接合到第二表面时提供配合协作。
基部430包括用以接合解剖结构的第二表面435。所有表面或表面的一部分可以包括锯齿形边缘以辅助与解剖结构、尤其围绕关节的骨解剖结构接合。基部第一表面435包括与基部第一表面在手术程序过程中附接到其上的解剖部位互补的曲度。在一种实施方式中，解剖结构的骨部分邻近作为手术程序的目标的关节。关节可以从膝、肩、腕、踝、髋或椎骨选择。基部430包括至少一个孔口437，所述至少一个孔口437适于并构造用于固定元件，所述固定元件用以将基部附加到人体上的部位。固定元件可以选自如下的一个或多个：销、螺钉、钉子、手术钉或者胶或粘合剂基的固定件。
现在转向图26A、26B和26C，描述被设计的参考框架的附加方面。参照图26A，框架305和基部300之间的定向可以在多种预设定向之间调节。改变这两个部件之间的关系是通过改变在部件接合时多个配准元件中的哪些配准元件对于关节可用来完成的。一方面，在联结件上设有多个配准元件，并且在第二表面上设有多个配准元件。参考框架的定向可以基于哪一组配准元件用于将基部330连结到框架305在第一定向382和不同的第二定向384之间调节。在一种实施方式中，其中，联结件上的配准元件的一部分与第二表面上的配准元件的一部分接合，结果将框架在手术区域内以第一定向定向。另一方面，联结件上的不同的配准元件与第二表面上的不同的配准元件配合，结果是框架305将在手术区域内以不同的第二定向呈现。一方面，第一定向是在外科预先计划中使用的已知位置。另一方面，第二定向是在外科预先计划中使用的另一个已知位置。第一定向和/或第二定向可以在这里描述的OTTCAS技术的促进中使用。每次两者可顺序使用而不用新的软件配准。首先一旦只进行每个结构的配准或者只配准一个，另一个的软件配准是由分别测量的几何形状及其存储的、在需要时可读取的数据进行计算的。
图26A还图示可改变并被配置为维持联结件和第二表面的相对位置和定向的安装联结件的一种实施方式。在该实施方式中，挠性连杆380被示出为在这两个部件之间，并且其在参考框架内的尺寸、形状和定向用以维持框架305在手术区域内的定向。换句话说，安装联结件具有足够的刚性，使得如果框架305在手术程序中遭撞击，其部件会通过联结件中弹性元件的变形相对于彼此临时移位，但是随后会由使用者返回或者回复到原始对准，因此不会由于其内部的配准元件而失去对准。如果参考框架的撞击十分强烈，配准元件将脱开而不会自动复位，但是使用者会使其返回并且原始的软件配准对准仍未失去。在该示例性实施方式中，挠性连杆380在使用中完全置于结构中，在这里为基部330。最佳如图26A中所见，一部分连杆380附接到上部基部330而另一部分附接到下部基部330。在另一替代方面，安装联结件设置成使得当安装联结件附接到参考框架时，安装联结件基本上或完全环绕联结件和第二表面之间配合接触的区域。图26B1a示出完全环绕上部和下部基部330之间的交接部的挠性安装联结件383的透视图。图26Blb图示出挠性安装联结件383的透视图。图26B2a图示出基本上环绕上部和下部基部330之间的交接部的挠性安装联结件384的透视图。联结件384包括通过连杆相连的四个转角安装件。转角安装件和连杆都像联结件383一样被设计为在上下安装件之间的交接部附近适贴配合。图26B2b图示出挠性安装联结件383的透视图。
图27A和27B提供替代参考框架表面形状以及替代的高度以显示标记型式。图27A图示具有以型式78设置的多个基准标记70的参考框架的大致矩形框架390。图27B图示框架395上的大致梯形表面形状310。多个基准标记70以型式设置在表面305上。
图28图示在全膝置换手术中使用的假体20的表示的等轴测图。在假体20上标出的数字是在膝手术过程中作出的切口的类型的表示。图29A-29I和30图示这里描述的OTTCAS系统的独特组合之一。尽管上述参考框架中的每个可以独立地或结合其它解剖部位或外科设备使用，参考框架300和400对于这里描述的工具承载的追踪装置和OTTCAS程序具有特别的优势。将工具承载的追踪装置用于手持式预切手术的一个挑战是在程序过程中获得相关追踪信息并维持追踪的参考框架。通过独特的设计和布置，参考框架300和400可以用以利用这里描述的OTT追踪技术正好提供这种类型的动态参考框架追踪。如以下附图中所示，在用于植入假体20的代表性切口的每一个中，在OTT100上承载的视觉系统能够视觉上识别并与参考框架300和参考框架400全部或一部分配准。尽管这些特定构造是针对膝手术的OTTCAS系统和工具的能力的说明，可以理解，这里描述的参考框架和视觉引导技术可以适于人体中的其它关节和其它手术。
图29A-29I和30每个图示针对参考框架300在股骨10上的布置和参考框架400沿着胫骨15、特别是在胫骨粗隆18上或围绕胫骨粗隆18的布置的代表性外科设置。可以理解，随后图示的OTTCAS程序利用参考框架300、400，它们在随后的所有OTTCAS处理步骤过程中不运动而是保持在相同位置。工具承载的追踪装置100联结到手术工具50，用于具有活动元件56的工具54的定位和使用。
在图29A的示意性实施方式中，OTT100提供引导，用于使用活动元件56制造远端外侧髁切口。在该切割过程中，在OTT100上承载的照相机在图示的切割的所有或主要部分过程中基于从参考框架300和参考框架400接收的信息捕获、成像并提供相对导向和定位信息。
在图29B的示意性实施方式中，OTT100提供引导，用于使用活动元件56制造远端内侧髁切口。在该切割过程中，在OTT100上承载的照相机在图示的切割的所有或主要部分过程中基于从参考框架300和参考框架400接收的信息捕获、成像并提供相对导向和定位信息。
在图29C的示意性实施方式中，OTT100提供引导，用于使用活动元件56制造前部切口。在该切割过程中，在OTT100上承载的照相机在图示的切割的所有或主要部分过程中基于从参考框架300和参考框架400接收的信息捕获、成像并提供相对导向和定位信息。
在图29D的示意性实施方式中，OTT100提供引导，用于使用活动元件56制造后部外侧髁切口。在该切割过程中，在OTT100上承载的照相机在图示的切割的所有或主要部分过程中基于从参考框架300和参考框架400接收的信息捕获、成像并提供相对导向和定位信息。
在图29E的示意性实施方式中，OTT100提供引导，用于使用活动元件56制造后部内侧髁切口。在该切割过程中，在OTT100上承载的照相机在图示的切割的所有或主要部分过程中基于从参考框架300和参考框架400接收的信息捕获、成像并提供相对导向和定位信息。
在图29F的示意性实施方式中，OTT100提供引导，用于使用活动元件56制造前部斜切口。在该切割过程中，在OTT100上承载的照相机在图示的切割的所有或主要部分过程中基于从参考框架300和参考框架400接收的信息捕获、成像并提供相对导向和定位信息。
在图29G的示意性实施方式中，OTT100提供引导，用于使用活动元件56制造后部外侧髁斜切口。在该切割过程中，在OTT100上承载的照相机在图示的切割的所有或主要部分过程中基于从参考框架300和参考框架400接收的信息捕获、成像并提供相对导向和定位信息。
在图29H的示意性实施方式中，OTT100提供引导，用于使用活动元件56制造后部内侧髁斜切口。在该切割过程中，在OTT100上承载的照相机在图示的切割的所有或主要部分过程中基于从参考框架300和参考框架400接收的信息捕获、成像并提供相对导向和定位信息。
在图29I的示意性实施方式中，OTT100提供引导，用于使用活动元件56制造胫骨切口。在该切割过程中，在OTT100上承载的照相机在图示的切割的所有或主要部分过程中基于从参考框架300和参考框架400接收的信息捕获、成像并提供相对导向和定位信息。
图30图示联结到具有工具54和活动元件56的手术仪器50的OTT100。参考框架300、400也关于围绕膝的OTTCAS手术部位示出。具有杆398和末端399的附加参考框架397用于手术区域的进一步配准或标记。参考框架397的配准通过具有工具的OTT100的成像系统提供。配准框架397连同配准框架300和/或配准框架400一起配准。尽管这里描述的OTTCAS方法的实施方式利用参考框架300和参考框架400，可以理解，由于OTT和OTTCAS处理的改进的基于图像追踪能力，OTTCAS系统具有两个可用的参考框架，但在处理过程中选择以仅使用来自一个参考框架的追踪信息。
当考虑这里描述的独特的参考框架实施方式的使用时，考虑OTTCAS系统使用者优选可以进行观察的方式。OTTCAS系统是预编程序的，使得对于某些切口来说，某些观察是默认示出的。例如，在制备用于TKR手术的股骨假体中切除股骨的例子中，如图29和30中所示，若干表面待切除。每个表面可以在程序过程中从不同角度最佳观察。当切割内侧髁的前表面时，第一观察可以是期望的，而在切割外侧髁的前表面时，第二观察可以是期望的。相应地，系统设置预定第一观察，用于在内侧髁的前表面被切除时观察虚拟模型。类似地，针对多种共同的切除手术能够限定默认视觉观察。当OTTCAS系统确定待执行切割时，系统确定用于切口的最佳匹配并且在没有外科医生介入的情况下自动显示默认。以几乎相同的方式，由OTTCAS计算机执行的基于视觉的过程可以被预选择，以根据环境自动地使用来自一个或两个参考框架的所有或一部分可得到的追踪信息。另外，OTTCAS可以引导使用者调节参考框架在手术区域内的定向，以改进来自该框架的引导信息。在这里描述在保持基部的配准位置时框架的可调节定向。
在另一代替方面，有参考图16A-30所描述的空缺(divot)或者呈现在一个或多个参考框架上的其他特征。一方面，使用手术工具、触摸屏或者导向指针接触空缺并且在系统中产生表示步骤开始或完成的结果。在一个实施例中，接触参考框架(例如，与导向指针接触)OTTCAS系统配准操作的开始或者替代地操作的完成。在一个特定实施方式中，接触参考框架的动作表示包括特定参考框架的操作开始。利用参考框架进行的一个示例性操作为骨配准。在其他方面，输入和/或与特定参考框架的相互作用还是CAS悬停模式、智能影像、显示或其他功能选择标准的输入或一部分。
可以理解，多种多样的动力或非动力工具中的任意一种能够与这里描述的OTTCAS系统一起利用。例如，在整形手术领域中，系统能够在单个整形动力锯(诸如，Stryker系统6精密振动锯)上建立。类似地，系统能够与整形手术中通常使用的其它动力工具(诸如，骨钻或钻子)一起使用。在这种应用中，系统可以集成在手术工具的设计内或者作为改型增加。另外，系统可以利用不需要任何外部动力源的工具(诸如，指针、标记或手术刀)。理想地，系统可以容纳多个待在手术程序的不同阶段使用的智能工具并且使得系统足够稳健以执行很多种手术程序。可以理解的是，OTT100可进行改变以匹配各式各样手术工具、如上以及本说明书其他地方所论述的徒手操作工具的壳体。可替换地，OTT可构造(完全集成)到徒手操作工具或手持式动力仪器以及与这种工具一起制造的壳体的设计中。接下来参考图68a-72图示和论述其他的OTT壳体结构，例如各种两部件壳体。
系统可以在整形手术之外的其它应用中使用。例如，其可以在模拟和用于指导和训练整形手术外科医生的模拟器中使用。替代地，系统可以用于要求硬组织的精确定向和操纵的其它医疗手术。本技术的计算机辅助手术可以容易地便利这种牙科手术。系统还能够在非医疗应用中使用，例如，在木工、金属板加工和所有其它工程标记和加工过程中，以引导使用者制造特定型式的材料切割或钻孔。
这里描述的OTTCAS系统的实施方式通过在工具本身上布置一个或多个追踪器消除了对外部追踪装置的需要。本发明能够完全消除对外部追踪系统的需要或者利用追踪子系统以增加新的追踪数据。在任一构造中，与外部追踪器追踪工具和患者的解剖结构两者以确定彼此的相对位置截然不同，工具本身追踪患者的解剖结构，或者相对于患者解剖结构追踪其本身。此外，由于向追踪系统提供输入的部件位于工具本身上，系统的所有被追踪元件相对于工具被追踪。因此，由工具承载的追踪器产生的追踪数据非常不同。工具的位置例如不必被独立追踪，因为所有其它被追踪的目标均从工具的有利地位被追踪。在载追踪系统减轻由外部被追踪系统面对的问题，其中，包括手术仪器的系统的所有部件由外部装置追踪。逻辑上，本发明通过将追踪或向追踪系统的处理部分提供输入的部件布置在工具本身上允许手术室消除或至少最小化在手术室中对单独件设备的需要。通过用于追踪的传感器在工具上，带来更靠近被追踪目标的另一优点，并且由此可以得到更高分辨率和精度以及在追踪器和其它系统的被追踪元件之间对“视线”接近的较松要求。
追踪器-追踪子系统还包括能够被手术仪器上的追踪器检测到的一个或多个追踪元件。在系统中能够利用很多种追踪元件。例如，包含一个或多个反射表面的参考框架能够将红外或可见光反射回到手术工具。发光二极管能够类似地指示被追踪目标回到手术工具的位置。诸如基准点或图像识别的其它方式可以消除对待布置在需要被追踪的诸如患者组织的目标上的外部参考框架的需要。在其它实施方式中，在没有任何其它参考点辅助的情况下，患者的解剖结构的具体图像能够用作追踪元件。
手术仪器借助于一个或多个追踪器追踪被追踪元件的位置。在一种实施方式中，系统利用作为追踪器的两个照相机的立体布置。照相机在锯条/钻/骨钻等的任一侧上以适用于立体视觉的角度范围并排倾斜。对于其它工具，诸如钻子，照相机能够类似地立体并排布置在钻或任何其它工具的端部执行器的任一侧上。
照相机相对于工具的端部执行器的布置影响追踪器-追踪元件子系统的操作。例如，一个或多个照相机远离端部执行器的布置扩大视场。对于像关节置换的应用，或者当工具紧靠患者的解剖结构时，宽的视场是有益的。通过扩大的视场，工具能够更容易地找到追踪元件。将一个或多个照相机更靠近工具的端部执行器布置限制视场，但增加对诸如牙科手术的应用有用的放大率和分辨率。另外，照相机的布置必须考虑子系统的其它元件的相对位置。将照相机布置成使其轴线处于工具的端部执行器的平面内将使端部执行器阻挡照相机的观察的程度最小化。但是，可以设想，照相机可以以被认为合适于手术程序中追踪一个或多个追踪元件的任意构造布置。随着技术进步，这些当前描述的构造之外的构造对于特定工具和手术环境可能更有利。
子系统能够利用很多种照相机或照相机的系统。通常，系统利用数码照相机。另外，系统利用至少两个照相机以提供立体视觉。可以使用模拟照相机，只要有数字转换的有效方式，诸如有时被称为‘抓帧器’或‘捕获卡’的定型图像格式转换技术。立体视觉以及基于来自两个照相机的图像中的不同获得进一步信息的能力有助于系统在位置和定向或姿态方面更好地三维定位追踪元件。系统可以利用多于两个照相机，其利用所谓的’冗余’以改进导向的能力，诸如在被追踪元件中的一些对照相机中的一个或多个不可见并且由此两个照相机在这些情况下不足够时的情况中。附加地，系统可以利用单个照相机，但将需要附加的图像处理以像立体系统那样精确地导向。
替代地，子系统可以利用追踪器和追踪元件的不同系统。在一种替代方案中，追踪器是在标准手术室条件中存在的可见光谱下对图像识别优化的高分辨率照相机。追踪元件是基于存储在手术计划中的医疗图像的患者的解剖结构。另外，较窄的视场还可以对患者的解剖结构的有效识别有益。最后，手术计划本身可能需要并入或识别患者的特定解剖标志以建立功能追踪元件。
不管构造如何，照相机需要具有足够的分辨率以准确地追踪追踪元件到某一预定的精度水平。例如，具有作为带红外LED的参考框架的追踪元件的系统，具有640×480分辨率的照相机具有足够的分辨率以便以手术精度追踪追踪元件。系统能够利用诸如红外滤波器的附加元件，并且使追踪元件与照相机隔离。在这种系统中较低分辨率的照相机能够足以产生高准确度的追踪。
分辨率不是照相机影响系统操作的唯一特征。根据系统的特定构造，帧率是重要的考量。例如，约100Hz(帧每秒)的非常高的帧率将产生最小等待，但将在图像处理器上非常繁重。系统可以要求强大的处理器，以便在给定时间单位内从非常多的捕获图像中提取追踪元件。替代地，如果帧率非常低，那么系统将产生过多等待。如果操作员过快地运动工具，那么系统将不能继续追踪工具。在系统中应当利用可接受的最小帧率。对于连同VGA照相机阵列一起利用参考框架中的红外LED的系统，30Hz的帧率将产生适于徒手整形手术的系统。
这些例子一起图示用于追踪元件和照相机的的各种构造，包括追踪器-追踪元件子系统的示例性照相机-追踪实施方式。除追踪元件的准确布置之外，追踪元件的位置必须从由照相机捕获的图像提取。从照相机接收的图像信号必须经历数字信号处理(DSP)，以将追踪元件的图像转换成相对于工具的数学坐标。数学坐标随后发送到计算机系统并且相对于手术计划进行比较，允许计算机系统确定手术路径是否遵循意指的切除。
考虑到有若干步骤将来自照相机的原始数据处理为数学坐标。最初，系统必须获取图像。对于检测标记(例如，红外LED的、反射体、基准等)的照相机，系统必须：确定在总的追踪元件中使用的每个单独标记的形心的坐标、确定每个元件的尺寸并且向计算机系统报告每个LED的尺寸、形状和坐标。用以处理捕获的图像的附加操作(诸如子像素分析以确定形心的位置)能够改进精度。
对于以30Hz操作的系统，步骤必须在大约33ms完成，并且计算机将需要确定单独的LED之间的关系并且计算追踪元件的位置和定向。计算机必须从该数据确定模型的定向和骨与手术工具之间的相对位置。信号处理仅具有在两个连续帧之间的时间量，以执行任何需要的操作。(例如，对于30Hz的帧率，处理系统具有上述33ms时间段以执行这些操作)。在一种实施方式中，前述步骤中的大多数能够在工具本身上通常通过集成在照相机(或其它追踪器)本身上的CPU完成。
例如，由照相机捕获的图像的附加处理能够经由集成到照相机内或在计算机系统上或这两者的一些组合的CPU完成。例如，许多小的照相机具有能够在输出数据信号之前运行数字信号处理算法的集成的CPU。DSP能够包括简单的步骤，像将彩色图像转换为灰度，或复杂操作，像将视频图像剪切为环绕识别的LED的小框。最初的处理使得从在照相机上捕获的图像最终提取追踪元件的计算任务较轻并且总的追踪过程更有效。
照相机-追踪元件子系统能够通过数字图像传输或通过无线传输利用数码照相机。有很多种具有数字图像传输的照相机，其一般被叫做’IP’或’Wifi’照相机。许多小且低成本的方案能够被利用，以任何格式(例如，Mpeg)并且通过许多已知的数字流媒体协议之一供给到处理电子设备的流媒体图像(其能够在两个照相机之间同步)。替代地，模拟图像传输能够利用所谓的第一人视角(FPV)技术，如用在航空模型中的。这有利于容易地得到商品照相机，其具有最小重量和尺寸、小的无线传输和低成本。在用于被追踪元件的图像处理和坐标提取之后，附加处理是必须的以形成足以通知计算机系统的追踪数据。被追踪元件的坐标与关于照相机的信息(诸如说明和校准数据)结合，以进一步细化每个被追踪元件的位置空间。基于每个被追踪元件的细化位置，子系统利用针对特定追踪元件(有时称为参考框架)的用户限定的集群定义，以检测用于追踪元件的有效集群以及其在空间中的位置和定向。确定空间中的位置和定向的数据是格式化的，以便使用。例如，系统能够将特殊的坐标布置在与手术计划中使用的空间的总的定义兼容的矩阵内。
前述处理与能够在工具上进行的处理不同并且不是图像调节和空间提取。其能够通过专用软件处理，专用软件可以在手术计划和计划的切除被计算的相同计算机系统中，或者其可以在中间计算机上发生，该中间计算机可以在工具上或者与工具和计算机系统均分离。
附加导向数据能够扩展照相机-追踪元件系统。工具还能够包含一个或多个加速计或惯性传感器，以确定工具沿着手术路径的定向和运动。除来自一个或多个照相机的追踪数据之外，加速计能够向计算机系统提供附加数据。替代地，外部追踪系统能够扩展工具的在载追踪。这种应用不是必需的，但能够用以主要通过‘预期’使用者的运动来扩展系统的追踪能力。系统还可以包括多个追踪器-追踪元件模态。例如，系统可以包括红外照相机和具有红外LED的追踪元件以及用于光学分辨率的可见光照相机。来自这两者的追踪信息可以被处理以建立工具的三维坐标。
如在计算机辅助手术中典型的，手术计划在开始期望的手术程序之前或者在执行期望的手术程序中的步骤之前被确定。手术计划基于在患者的解剖结构的计算机重现上由外科医生指定的意指切除部。患者的解剖结构的计算机重现可以通过诸如CT或MRI扫描的各种医疗成像技术产生。另外，锯子、钻子、骨钻、植入物或任何手术仪器或其部分的计算机重现可以通过在计算机系统内编程的设计说明(或模型)取得。一旦通过诸如显示器、鼠标、键盘、触摸屏或用于与计算机系统交互的任何其它装置的计算机交互装置可访问患者的解剖结构的计算机重现，外科医生可以通过将待执行的一个或多个切口、待钻孔的区域或待移除的组织体积输入计算机系统来手动指定用于手术计划的切除部。替代地，计算机系统可以被构造成基于由外科医生选择的一组具体参数来产生手术计划。具体参数可以对应于例如外科医生希望附接到患者的解剖结构的植入物的形状、尺寸和/或位置。计算机可以相应地产生包括将植入物配合到患者的解剖结构所需的切除部的手术计划。一旦手术计划由外科医生指定，计算机系统将手术计划转变为一个或多个数学限定的表面，所述表面限定包括手术计划的意指的切除部的边界。通过之前描述的追踪器-追踪元件子系统获取的数据随后能够用以将仪器的手术路径与手术计划进行比较，以便确定手术路径的偏差。
接着，手术计划被描绘为在诸如笛卡尔、球面或柱面坐标的可接受的三维坐标系统或其它基于解剖学的坐标系统中数学地限定的一个或多个表面。例如，在使用笛卡尔坐标的手术计划中，切口可以被限定为距限定原点的XYZ坐标沿着X、Y和Z轴中的每个的具体距离。沿着每个轴的具体距离不必是线性的。例如，代表在患者的解剖结构中待钻孔的区域的柱面可以在笛卡尔坐标中被限定为圆形表面，该圆形表面具有围绕原点定位的具体直径并在垂直于圆形表面的方向上从原点突出具体距离。任何切口、一系列切口或待移除的组织体积可以通过限定表面的类似方式被数学地限定，所述表面描绘手术仪器必须遵循以完成指定的切除的手术计划的边界。
如之前注意到的，外科医生可以在患者的解剖结构的计算机重现上手动指定手术计划的切除部。在一种实施方式中，外科医生能够使用计算机交互装置来观察并操纵患者的解剖结构的三维重现并且作出表示切口的标记。在三维重现上作出的标记随后转变为描绘外科医生使用手术仪器必须遵循的手术计划的数学表面。
在诸如全膝置换手术的利用植入物的手术程序中，在描绘用于更好地确保植入物将正确地配合在患者的解剖结构上的手术计划时，使用植入物的物理说明是有利的。在这种实施方式中，外科医生能够使用计算机交互装置以观察并操纵患者的解剖结构的三维重现以及一个或多个具体植入物。例如，外科医生能够从具有诸如尺寸、形状等不同物理特征的植入物目录进行选择。外科医生可以选择合适的植入物并操纵植入物的三维重现，以便以期望的对准配合在患者的解剖结构的三维重现上。外科医生接着能够为计算机系统选择选项，以产生包括制备患者的解剖结构以接收植入物所需的计划的切除部的手术计划。相应地，计算机系统可以被构造成通过计算在由外科医生对准的植入物和患者的解剖结构的计算机重现之间的每个交叉部处的表面产生合适的数学表面以描绘手术计划。
为了引导外科医生利用手术仪器遵循手术计划，必须有用于将手术仪器的路径与计划的切除进行比较的方式。追踪器-追踪元件子系统可以相应地追踪手术计划的数学地限定的表面相对于工具的三维位置和定向。在一种实施方式中，数学表面通过在患者的解剖结构上的固定位置处定位的追踪元件参考。为了更好的准确度，追踪元件可以在可容易识别的位置处固定到硬组织。这样做将简化患者的解剖结构与追踪系统的配准并且将避免可能由软组织的不可预知的运动引起的不希望的错误。一旦患者的解剖结构与追踪系统配准，在计算机系统中限定的数学表面能够基于其相对于追踪元件的固定位置的坐标的坐标被追踪。由于追踪系统位于手术仪器上，由追踪系统收集的关于患者的解剖结构的位置和定向和手术计划的相应数学表面的追踪数据是相对于手术仪器上限定的参考点的。相应地，在手术过程中，计算机系统可以使用追踪数据来作出由手术仪器遵循的手术路径和手术计划的表面之间的偏差的迭代计算。手术路径和手术计划之间对准的错误以及矫正动作可以通过诸如计算机屏幕上的图形通知、LCD、或投影的显示器、闪光灯、声音报警、触觉反馈机构的指示器或用于指示偏差错误的任何其它方式向外科医生通信。
一方面，指示器是向外科医生提供关于如何对准手术路径以实现手术计划的意指切除的引导的系统。在一种实施方式中，指示器是计算机系统的用以向手术室中的外科医生提供信息的元件。美国专利申请序列号No.11/927429在[0212]段处教导手术室计算机的使用以引导外科医生对手术工具的操作。‘429专利中教导的指示的一种方式是手术仪器的致动。随着由在载照相机-追踪元件子系统检测到的外科医生的手术路径从意指的切除部偏离，计算机系统将与手术工具通信以减缓或者甚至停止工具操作。在这种系统中，手术工具的致动是如‘429申请在[0123]段处进一步教导的外科医生从计算机辅助手术系统接收指示的方式。
在另一实施方式中，计算机系统可以经由外部显示器指示手术路径何时从意指的切除部偏离。计算机系统能够显示手术工具和患者的解剖结构的三维重现。覆盖在该图像上的是手术计划的三维重现。计算机系统更新由照相机-追踪元件子系统确定的手术工具和患者的解剖结构的相对位置，并且覆盖意指的切除部。外科医生随后能够利用显示器以使手术路径与意指的切除部对准。类似地，手术工具和患者的解剖结构的相对位置能够显示在诸如个人眼镜显示的其它屏、手术室中的大型投影显示器、附接到工具的智能手机或屏幕上。诸如在计算机系统上的外部屏幕和诸如在工具本身上的屏幕的其它屏幕的组合可以向外科医生提供最佳信息量。例如，计算机系统上的屏幕能够向外科医生提供手术的总体概览，而工具上的屏幕能够针对手术中的具体切除部或步骤提供特定引导。
‘429申请在[0215]段处教导了在手术工具上的屏幕。在载屏幕可以显示如上所述的外部显示器上的相同类型的图像。OTT装置环境中的示例性植入在图52A和52B中示出并描述。在载屏幕可以显示手术路径和意指的切除部的对准的简化描绘。在一种实施方式中，简化的显示包括三条线。手术路径通过一小一大的两条线描绘。小线描绘手术路径的远端，而较宽的线描绘手术路径的近端。第三条线描绘意指的切除部。前两条线由手术工具的导向位置(定向和定位)计算。计算机系统编译所有三条线以显示在手术工具上的屏幕上。显示示出手术路径的近侧部分和远侧部分，向外科医生指示其三维相对位置。当手术路径与意指的切除部对准时，所有三条线对准。指示器向外科医生示出如何校正工具的三维位置。
在一种实施方式中，显示被优化以提供用于导向锯子的引导。手术路径由大致对应于锯子制造的切口的形状的线描绘。在另一实施方式中，简化的描绘可以由两个圈描绘：小圈描绘手术路径的远端，较大圈描绘近端。尺寸大致等同的第二形状(诸如十字形或菱形)描绘意指的切除部。如之前描述的，外科医生能够通过排列形状来使手术路径对准于意指的切除部。圈描绘像钻子的不同工具的手术路径。以此方式，系统能够为很多种手术工具提供引导。在一种实施方式中，在指示器中描述的所有元件的位置应当以比人的反应时间快的速率通过计算机和追踪子系统更新。
手术显示的一个限制是它们将外科医生的注意力从患者转移。一种方案是将指示信息直接投影在进行手术的患者身体的部分上。任何种类的投影机可以布置在工具上并且在患者上显示任何指示方法。在一种实施方式中，在载微型投影机可以显示上述三条线简化方式。在许多方面，第三条线将非常有用，因为其将在患者上精确描绘意指的切除部相对于患者的解剖结构的剩余部分开始的位置。另外，指示器能够提供有关如何校正手术路径以便与意指的切除部对准的更多直接引导，并且将引导信息直接投影在患者上。例如，投影机能够描绘指向外科医生需要运动以校正手术路径的方向的箭头。
将指示信息准确地投影在患者解剖结构上存在若干挑战。首先，对于在载在工具上的方式，投影平台将不断地运动。另外，投影机投影在其上的表面是不平的。为了解决第二个问题，系统利用在手术计划过程中获得的信息。首先，系统知晓患者的解剖结构的表面的几何形状。手术计划包含患者的医疗图像，诸如CT扫描，其能够自此提取指示器将在其上投影的表面的几何形状。系统相应地投影引导信息，使得通过外科医生观察适当地看到在患者的解剖结构的表面上的投影信息。例如，如果系统通过利用直线指示外科医生用锯子应当切割的位置，那么系统能够弯曲并弧形化线，使得当投影在患者的解剖结构上时，其将显示为直的。利用该方式，指示器能够投影上面教导的对准的三条线简化描绘。
类似地，系统还借助于追踪系统计算工具的相对位置。通过该信息，系统能够连续地修改投影角度，以确保指示器投影到患者的解剖结构上的意指的切除部的适当位置。指示器能够使用很多种投影机，诸如迷你标准LED投影机或激光扫描微型投影机系统。然而，前述中的任何都不阻止利用不在工具上或者以计算机辅助手术程序的任何其它形式使用的投影机。例如，外部追踪的系统可以包括单独的投影系统，其类似地将指示信息投影在患者的解剖结构上。
除在锯子上的屏幕或投影机之外，系统能够利用智能手机或平板电脑，诸如苹果IPhone4G，以向外科医生提供指示。使用智能手机或平板电脑的指示器具有可移除屏幕的进一步优点。附加地，正像在载屏幕，智能手机能够显示工具和患者两者的重现或简化的图像，诸如两条线实施方式。不同的简化的显示可以提供手术路径和意指的切除部何时对准以及它们未对准的方向的指示。例如，如果外科医生过慢地接近切除部，那么屏幕能够描绘指向上的箭头。箭头能够以三维显示，向外科医生提供进一步指示。
对于简化的指示器，显示不必像智能手机或其它高分辨率屏幕那样稳定。一组LED例如可以显示之前描述的三条线或箭头指示。指示方法不必是视觉上的。如‘429申请在第[0122]段处进一步描述的，系统可以向使用者听觉地指示手术路径何时偏离意指的切除部。
如上具体描述的，计算机辅助手术从基于计算机的解剖模型(诸如，基于利用任何已知的医疗成像模态获得的图像和重构的基于计算机的解剖模型)，或者从为了在基于计算机的解剖模型的辅助下使解剖或骨模型用在计算机辅助手术中而通过变形或其它已知过程产生的解剖模型进行，针对具体患者和手术开发待进行的手术计划。手术预先计划包括多个步骤，诸如获得手术前图像数据、针对待进行的具体手术进行手术计划、针对患者具体解剖结构或状况以及如果合适的话，针对待在CAS程序过程中放置在、连结到或用在所选三维对准处的任何具体假体、装置、植入物或其它结构进行计划的适应性改变。利用手头的该总的手术前计划信息，外科医生移至手术程序部位处的待进行的患者具体术中计划。患者具体术中手术计划将适于解决具体部位或诸如可以通过使用计算机辅助手术增强的任何整形手术或侵入性最小手术的具体手术。例如，具体关节可以针对修补的一些形式、针对局部置换或针对全置换被对准。可以理解，这里描述的技术可以应用于诸如踝、髋、腕、肩的其它关节或将受益于这里描述的对计算机辅助手术的改进的骨骼解剖结构的其它部分(例如，截骨或脊柱手术程序)。可以受益于这些技术的骨骼解剖结构的例子包括但不限于脊柱椎骨、肩胛带、臂中的骨、腿中的骨以及脚或手中的骨。
借助于非限制性例子，全膝关节成形术将用作具体例子。出于讨论的目的，全膝关节成形术将通常包括用于股骨的五个手术切口(在CR或PCL保留上以及在PS或PCL牺牲上八个切口)和用于胫骨的一个或多个切口，每个切口将在下面更详细描述。可以理解，这些切口可以被修改为着重手术程序或步骤的一部分的一个或多个特定方面。例如，用于特定手术的假体装置的具体几何结构、定位或特征可以导致在手术计划的某些方面的修改。在另一例子中，特定手术或假体可以受益于切口、工具或手术方式的具体类型。这些因素中的任意因素还可以用以调节计算机辅助手术根据这里描述的实施方式进行的方式。作为非限制性例子，计算机辅助手术系统可以在计算机辅助手术步骤之前或过程中将切口的表面(例如，平面)选择作为向外科医生呈现的最重要信息。另一方面，OTTCAS将允许使用者使用二维、三维或与使用的手术工具或所造成的该工具在解剖结构上的使用的表示有关的其它输出信息选择或基于手术步骤决定。例如，如果手术工具是锯子，那么使用者可以从尺寸大致设定为对应于锯子的轮廓或对应于与通过锯子在解剖结构中形成的得到的切口相对应的一个或多个表面(在该具体例子中为平面)的矩形形状选择。在附加例子中，手术工具包括钻子，使用对应于钻子的尺寸的圈、与钻子的使用的解剖影响有关的柱以及可能表示钻子切割末端与解剖结构接合的其它因素向使用者提供系统基础处理决定。在另一例子中，手术工具包括铰刀或其它球形工具。在该例子中，系统或使用者被提供有圆形、柱形、半球形或球形表示，其也用于向使用者显示并反馈或者作为OTTCAS系统内使用的处理决定的一部分。在最后的例子中，手术工具包括平锉刀，所述表示将再次为描绘由接触到解剖表面导致的锉动作的一定厚度的平表面(或薄矩形块)。
在以下实施方式中，工具承载的追踪系统(OTT)实施方式用以获取、执行一些机载数据处理，并且向计算机辅助手术计算机提供有关手术程序的实时数据，并且用以接收来自后者的指令以设置其自身的马达速度、减弱速度或者甚至停止以防止意外切割。工具承载的追踪系统用以提供用于计算机辅助手术系统使用的各种数据。一种数据形式是来自由工具承载的追踪器提供的成像传感器的成像数据。由这些成像传感器提供的数据包括例如立体图像，其一旦被处理，能够用于追踪通过独立的或包含的投影机或工具承载的追踪系统使用的任何类型的投影机投影在手术区域上的信息。由成像传感器提供的其它数据包括用于限定手术区域的参考框架的参考框架位置、定位、对准或其它物理表征。一个或多个参考框架可以围绕区域、围绕关节、围绕膝定位，或者其尺寸和形状关于在手术程序的所有或主要步骤的至少一部分过程中可见参考框架的手术区域设定。(参照例如针对图16-30描述的参考框架实施方式)。另外，可以基于CAS程序或CAS步骤的动态实时评估仅从相关参考框架或其部分选择数据。
例如，在两个框架都存在的CAS程序中，这两个框架可以在切割开始时使用并且随后系统转为仅使用在切割过程中使用的一个参考框架。以类似的方式，系统可以在促进以下描述的模式调节中在手术的过程中使用少于在具体参考框架上可得到的所有基准标记。较少的基准要处理可以允许更快的更新或减少的图像处理计算机循环时间。如这里示出和描述的，参考框架可以具有相同的形状或不同的形状，并且可以包含由OTT中的可见或红外追踪系统检测的以各种适当的布置中的任意布置的各种基准标记中的任意基准标记。从成像传感器可得到的另外的数据包括诸如真实或人造解剖结构或结构的解剖构造、定位在患者上的标记、围绕诸如指针、标记的手术区域或在区域中使用的像锯子、钻子、骨钻、锉刀的器械定位的附加目标的场景信息，场景信息是指图像捕获、图像处理或照相机调节，以基于实时动态CAS程序和CAS手术计划、铰刀或工具承载的追踪系统安装到的任何其它手术工具的考量选择并处理框架的一部分、调节照相机以归零或聚焦或放大到手术区域中感兴趣的一部分。
当切除各个部分时，可以期望修改在OTT监视器上显示的虚拟模型的影像。例如，当沿着第一平面切割时，可以期望从第一角度观察虚拟模型，并且当沿着第二平面切割时，可以期望从第二角度观察虚拟模型。相应地，OTTCAS系统追踪有关手术状态的各种数据，包括但不限于：手术工具相对于待切除的组织的位置和手术工具相对于待切除的组织的定位。基于组织和手术工具的位置和定位，系统计算在程序过程中哪个表面即将被切割并且相应地更新OTT监控器。
另外，OTTCAS系统能够被构造成考虑每个使用者的喜好以及使用OTT装置的仪器的特征。具体地，外科医生可能针对特定切除步骤或切割平面期望与默认影像不同的影像。系统允许外科医生推翻默认选择并指定针对特定切割的影像。系统存储有关特定外科医生针对特定切割的期望影像的信息，并在将来当系统确定制造类似切口时将该影像用作默认影像。系统基于被输入OTTCAS系统内的使用者来追踪使用者喜好。
除上述数据的类型之外，工具承载的追踪系统还可以在工具承载的追踪器上提供其他类型的数据，诸如来自一个或多个传感器的输出。示例性传感器包括位置传感器、倾斜计、加速计、振动传感器和可以用于监控、确定或补偿承载工具承载的追踪系统的工具的运动的其它传感器。例如，工具承载的追踪系统内可以设有传感器，以补偿由工具产生的噪音或振动，使得噪音和振动可以被补偿，即，抵消被传输至计算机辅助手术系统计算机的成像数据或其它OTT数据。在另一例子中，可以提供加速计或运动传感器，以向在基于工具和追踪系统的运动预测下一个框架或估计成像框架中的相关信息所处位置中使用的计算机辅助手术系统产生输出。在另一方面，承载于工具承载的追踪系统上的传感器可以用以检测、测量并辅助取消可能干扰CAS或OTT图像处理、损害其质量或使其复杂化的不期望的运动。这种类型的反馈的具体例子包括用以检测并辅助取消使用者手颤或运动的传感器。在另一例子中，传感器可以被提供用以检测并辅助取消或补偿在实际手术步骤过程中产生的不期望的运动或其它干扰。
在其它变型中，图像捕获、处理和照相机调节还可以用在或变为补偿技术的主题，包括用以动态地优化视场和感兴趣的体积。在一个例子中，设置在OTT上的照相机包含自动对焦能力，其在来自CAS计算机的指令和这里描述的各种因素下将动态地调节照相机和观察以放大、追踪、摇转或聚焦在框架、框架的一部分或天然或人造特征部上。在另一方面，在OTT上的照相机的成像部分设有适当的在载运动系统，以倾斜或调节镜头，从而在CAS计算机的方向上将镜头引导至一个或多个特征部。这种倾斜的镜头可以结合上述动态镜头或结合具有固定特征(即，不可调节特征)的镜头使用。在一方面，支承照相机的微型机械基部根据来自CAS计算机的指令调节。可以理解，尽管镜头/照相机调节可以在MEMS结构内部进行，这也可以在其外部进行。例如，壳体中的照相机可以通过动态阶段(例如，x-y-z或x-y运动)承载，其中，来自CAS计算机的状态接收器指令用以根据这里描述的OTTCAS过程调节照相机位置。另外形式的补偿提供针对诸如OTT安装在顶部、OTT安装在左侧或OTT安装在右侧的OTT-工具定位的图像处理或其它调节。另外，用于连同对手术区域内感兴趣的体积的调节一起控制视场(包括单独或以任何组合的水平视场和/或竖直视场)的上述各个方面可以利用包含在OTTCAS系统内的指令、CAS模式选择处理次序和/或包括基于视觉的算法或具体模式算法的具体CAS模式算法中的任意算法动态地完成且实时优化。
设置和补偿技术的另一例子包括布置在照相机镜头前方的红外滤波器的实施和开/关，使得成像能够仅为红外的或通过参考框架标记发射或反射，以切断白光噪音并使图像处理和标记检测容易。
可以理解，补偿的这些方面可以由每个单独或以任意组合的机械部件、电气部件或软件实施。
出于讨论且不限制的目的，来自工具承载的追踪系统的数据将被归类为成像数据和传感器数据以捕获上述宽分类。使用工具承载的追踪系统本身上提供或由计算机辅助手术计算机提供的系统资源，数据被处理以提供由计算机辅助手术系统使用的输出。数据处理的期望的输出根据如以下更详细描述的被评估的具体过程以多种不同形式出现。出于这种概览的目的，可以考虑到从工具承载的追踪系统获得的数据输出可以包括诸如工具承载的追踪器在手术区域中的定位、工具或工具承载的追踪器关于手术区域的位置、有关手术区域的信息(诸如对经受手术的解剖结构的物理改变)、OTT被追踪工具在手术区域内的运动、工具在手术区域内的移位、被追踪的手术步骤的明显进展以及有关启动、进展或完成手术步骤或计算机辅助手术程序的其它信息这样的事项。
接下来，将工具承载的追踪器的以适于进行的特定计算机辅助手术程序的任何形式的输出与根据手术计划进行的步骤或手术进行比较。该比较的结果产生返回机载工具承载的追踪器的输出，其给出与计划、步骤或手术计划的步骤进展有关的信息。一般地，该输出作为来自工具承载的追踪器上的投影机的投影的图像的结果向使用者呈现，但其也能够包括声音反馈、计算机屏幕(如果可得到)中的变化/消息、切割工具上的动作(例如，切割速度、方向和停止的改变)等。可以理解，来自该投影机(作为例子)的输出可以基于诸如图像可以投影在其上的可得到的手术区域、工具承载的追踪器及其工具到手术区域的可能位置和定位以及使投影的图像对使用者可见的可能挑战的多种考量进行适应。因此，在载投影机能够基于在手术程序过程中存在的动态实时环境以各种构造投影图像。此外，工具承载的追踪系统可以设有附加的照明源，以使系统或使用者能够在可见光谱、红外光谱中或在适于使用工具承载的追踪系统的图像处理的任何其它光谱中获得图像数据。在另外的方面中，这里描述的CAS模式处理方法中的一种或多种可以被修改以并入各种型式识别、计算机视觉或其它基于计算机的追踪算法的任意的使用，以便在空间中相对于手术部位或相对于手术程序部位附近的其它器械追踪OTT器械的位置和定位以及OTTCAS手术程序步骤的进展，且不或基本不使用基于参考框架的追踪信息。换句话说，OTTCAS方法的实施方式包括使用从OTT上的追踪器或照相机获得的视觉信息，以便识别、评估、追踪并以其它方式提供CAS数据，该CAS数据足以向使用者提供合适的CAS输出以完成一个或多个CAS处理步骤。一方面，手术区域内的解剖结构的一部分被标记或者彩绘，以便增强基于视觉的追踪和基于视觉的算法过程。由于被提供来自在载追踪系统的投影机的信息，使用者可以通过不改变其动作或者通过如在步骤或手术的环境下必要地调节工具在手术区域中的操作、布置、定位、速度或位置中的一个或多个来响应于该信息。来自投影机的信息可以单独或与诸如触觉或触感反馈的其它OTT部件或反馈或指示结合提供。
接着，使用者的继续动作或动作改变通过工具承载的追踪系统检测，并且提供数据处理数据并将其提供用于通过计算机辅助手术程序系统进行比较和评估的过程继续。
再次，该总的概览被理解为这里描述的工具承载的追踪启用的计算机辅助手术程序系统的实施方式相对于计划的计算机辅助手术手术程序在使用中如何监控并评估使用工具承载的追踪器的器械的位置、运动、使用、预测运动中的一个或多个，并且至少部分地基于通过计算机辅助手术系统的实时计算机辅助手术评估向使用者产生合适的计算机辅助手术输出。
现在从总的概览转向通过这里描述的工具承载的追踪系统的使用如何修改计算机辅助手术的更具体讨论。图31A图示用于计算机辅助手术的信息的总的处理流程。图31B类似地表示在计算机辅助手术计划的实际传递过程中使用的总的步进式方式。这两个流程图将用以提供根据这里描述的实施方式改进计算机辅助手术的总的框架作业。
参照图31A，从系统获得的信息被处理。其能够包括来自位于手术区域内的各个源或来自在继续运行反馈环路中的手术程序过程中使用的器械的信息。接着，使用合适的计算机辅助手术算法评估已获得且被处理的信息。最后，从评估产生输出，以辅助使用者执行手术程序。产生的输出可以包括显示、投影的图像或指示中的一种或多种。指示可以包括例如触觉反馈信号(包括例如温度变化)、具有不同频率和/或振幅的力或振动的触感反馈信号、器械的马达或致动器关于其速度、方向、制动和停止的远程或在载控制、以合适于环境和工具承载的追踪系统和附接到其上的器械的使用的方式向使用者提供的听觉信号或视觉信号。
虽然在一些方面类似于传统计算机辅助手术，这里描述的系统和技术是不同的并且相对于传统的计算机辅助手术系统和方法提供独特的优点。
工具承载的图像和投影模块基于进行的计算机辅助手术的类型适于并构造有多种不同的特征。投影在水平视场适应范围和竖直视场适应范围上的在用于CAS程序的期望使用过程中关于手术区域的OTT位置、投影机到被引导的工具的定位、手术区域中的表面的形状和表面状况(即，血液或手术碎屑的不平滑存在)仅仅是在这里描述的实施方式中采用的一些考量。
这里描述的计算机辅助手术系统的另外其它实施方式补偿对由上述特征导致的部件选择和构造的改变和替代。一种示例性补偿涉及针对手术步骤的照相机调节或图像调节(上面讨论的)或基于特定计算机辅助手术技术的区域调节。另一示例性补偿涉及在特定实施方式上的实际投影机位置。特定实施方式的投影机位置基于水平或竖直视场可以不在装置的中心线上或最佳位置中，或者可以倾斜，以便解决诸如使装置更小或容纳其它装置部件的其它设计考量。针对该方面的一种补偿形式是基于实际投影机位置调节投影机输出。这种补偿类型类似于针对投影机输出的基础调节。设置在工具承载的追踪系统上的投影机可以使其输出补偿投影机输出将显示的手术区域的期望或实际部分。在手术程序过程中，手术程序部位可能不是平坦的，这样将无法如实地反映来自投影机的意指的图像。但是，由于目标解剖结构的几何结构(例如，骨表面)已知，由投影机投影的图像能够通过软件改变以补偿，使得当投影在不平坦表面上时，其将如意指的那样对于使用者看起来更清楚。用于投影的目标解剖结构表面的形状、定位、曲度或碎屑、血液的存在可以变化，并且另外，OTT投影机的输出可以基于诸如由OTT视觉系统和物体检测技术检测的因素的实时因素进行调节。当切割开始时，将有新的‘非平坦’源，即，骨的原始天然表面之间的界面和由切口引入的新的表面。这能够通过输入制造切口的位置在切割过程中计算(并补偿)，或者假定为期望的理想/计划的表面，或者在每次切割之后数字化(例如，利用指针)。
OTT手术技术和传统计算机辅助手术技术之间的另外的区别包括提供输出或接收来自工具承载的追踪系统或使用者的输入的类型和方式。用以提供触觉、触感或运动反馈的传感器和系统以及诸如警报、视觉指示器或针对具体OTT系统的能力的其它使用者输入的各种指示器可以被使用。
图31B涉及具有附加细节的总的OTT启用的CAS过程，以得到OTTCAS系统的附加方面。当手术开始时，使用者具有选择的手术工具，该手术工具具有以由使用者和OTTCAS计划确定的顶部安装、右侧安装、左侧安装或底部安装安装到其上的工具承载的追踪系统。具有附接的OTT的工具通过诸如工具传输识别信号的工具配准程序或自配准过程或其它适当的配准过程向系统识别。手术前计划步骤如需要根据待进行的程序完成。用计算机辅助手术计划开始，使用者启动计算机辅助手术步骤。作为工具承载的追踪系统的使用的结果，产生工具承载的追踪数据。工具承载的追踪数据被处理，并随后向计算机系统提供，其将计划的手术步骤信息与从工具承载的追踪数据接收的信息进行比较和评估。作为工具承载的追踪数据的这种比较和评估的结果，向使用者或向OTT的在载马达控制电路提供作为马达或致动器控制信号的合适的输出，以减慢、停止或反向器械或通过手动在载手触发器使其以使用者期望的速度继续。该输出通过工具承载的追踪系统检测并作用，其提供再次供给追踪计算机的附加数据。接着，使用者响应于所提供的输出并且或者继续当前动作，或者改变由工具承载的追踪系统追踪的工具的使用。使用者的响应不论是否涉及动作都由工具承载的追踪检测，并且变为到手术计算机的附加数据输入。这些过程随着计算机系统处理步骤相对于手术计划的进展而继续。如果对步骤完成的答案为否，则继续数据比较和向使用者输出。如果对步骤完成的答案为是，那么使用者可以启动接下来的手术步骤或者手术计划计算机可以向使用者提供输出以通知他一个步骤被完成并且其它剩余的步骤中的任一个能够进行。待执行的CAS步骤的次序完全由使用者决定，除非一个步骤在没有其它步骤在设置的手术计划中被确认的前提不能被执行的情况中。控制完全在使用者的手中，计算机仅(可选地)建议哪些步骤能够进行，或者(可选地)禁止哪些步骤不能够进行。这些过程根据计算机辅助手术程序继续，直到计划被履行。如果计划完成，使用者可以确定是否进行手术区域的任何实时修订。修订过程也可以被追踪和监控以向使用者提供信息。如果不需要修订或者CAS计划完成，那么CAS计划完成。
图32提供用以描述对由这里描述的工具承载的追踪系统的实施方式提供的计算机辅助手术的另外改进的流程图。如前，系统将收集并处理计算机辅助手术数据。接着，计算机辅助手术系统将在CAS程序过程中评估CAS数据。作为该评估的结果，CAS计算机将确定CAS处理模式。之后，基于模式的处理的适应将应用于CAS过程中使用的数据。最后，OTTCAS系统基于处理模式向使用者或器械马达/致动器提供CAS输出(或速度和马达方向设置点)。
模式选择涉及用于动态实时评估和CAS操作的多个方面的交换的OTTCAS系统能力，包括更新使用者、处理率、切割器械马达控制/致动瞬时速度和预期响应时间的需要以及基于CAS步骤进展或与患者或有关OTTCAS系统的总的响应的其它因素的相互作用获得改进的或不同的数据、数据的相对重要部分的要求。参照图33可以理解确定上面在图32中描述的CAS处理模式的步骤的附加方面。图33涉及系统为确定处理模式考量的输入以及该确定的结果。由OTTCAS系统用于确定处理模式所使用的示例性输入包括(作为例子但不限制)以下各项中的一个或多个：工具的速度或运动或其马达/致动器速度、来自工具监控装置的输入或指示、来自使用者的声音输入或指示、手术区域中的包括天然或人造参数的物理参数、参考框架输入、投影的图像、来自传感器的运动检测、来自计算的运动检测、总的CAS程序状态、CAS步骤状态、使用者输入(例如，CAS屏幕、OTT触摸屏、触摸屏、运动传感器、姿态识别、GUI界面等)、包括例如完成百分比、与计划的偏差、实时调节的CAS步骤进展。作为由OTTCAS计算机执行的确定步骤的结果，处理模式将基于由用于OTT计算机的CAS的算法作出的手术程序的实时环境和评估进行选择。用于确定模式由OTTCAS计算机使用的标准包括如手术工具到患者解剖结构的物理接近、由使用者进行的动作、工具运动的传感器输入、预期的工具运动、工具运动的速度、工具的马达或切割致动器的速度这样的因素以及涉及手术工具在OTT图像区域内的布置、定位或使用的其它因素。作为非限制性例子，CAS处理模式可以包括悬停模式、部位接近模式和实际步骤模式。一般来说，悬停模式涉及在OTTCAS程序过程中当工具承载的追踪器和工具靠近或在手术区域内但工具和患者之间没有接触时的情况。一般来说，部位接近模式涉及在OTTCAS程序过程中当工具承载的追踪器和工具位于手术区域内且与患者接触，但工具不主动地接合患者解剖结构以执行诸如锯、切割、铰除、钻孔、磨光、修面、锉等手术步骤时的情况。一般来说，实际步骤模式涉及在OTTCAS程序过程中当工具承载的追踪器和工具与患者解剖结构接合以执行诸如锯、切割、铰除、钻孔、磨光、修面、锉等手术步骤时的情况。作为确定CAS处理模式决定的结果，OTTCAS计算机将在情况合适时使CAS处理模式适应于悬停模式、部位接近模式或实际步骤模式或在悬停模式、部位接近模式或实际步骤模式之间适应。
参照图34进一步描述使CAS过程适应于上面关于图33描述的特定模式的步骤。一般来说，OTTCAS计算机适于并构造成基于调节因素适应CAS过程模式以产生特定模式处理算法。作为例子，图34中示出各种模式调节处理因素。基于如在上面的流程图中具体说明的处理输入，OTTCAS计算机将基于以下CAS模式处理调节因素的组合或变型中的一种或多种调节为OTTCAS进行的处理步骤：照相机帧尺寸和/或照相机定位(如果照相机软件或硬件提供这种调节)、对照相机图像输出的调节以修改在照相机的水平视场、竖直视场或水平和竖直视场内感兴趣的区域的尺寸、用于可调节照相机镜头调节或定位的驱动信号、图像帧率、图像输出质量、刷新率、抓帧率、参考框架二、参考框架一、开启参考框架基准选择、关闭参考框架基准选择、视觉光谱处理、IR光谱处理、反射光谱处理、LED或照明光谱处理、手术工具马达/致动器速度和方向、总的CAS程序进展、具体CAS步骤进展、图像数据阵列修改、微型投影机刷新率、微型投影机准确度、设置投影机或其他OTT电子设备为’OFF’或休眠模式或省电模式、图像分段技术、基于CAS进展的图像部分的基于逻辑的提取、信噪比调节、图像放大和过滤、用于动态、实时加强或减小成像速率、像素或子像素视觉处理的加权平均或其他因素、手震颤补偿、基于器械的噪声补偿(即，锯子振动补偿)。换句话说，上面列出的各种因素可以被分组到提供照相机的调节的各种方式中，所述方式基于能够在照相机内进行的那些调节、诸如在由照相机电子设备本身提供的软件或硬件或操作模块中进行。并且另一方面，在更广泛的范围内，照相机在其壳体中的总体调节是相对于OTT壳体的。以此方式，照相机运动涉及整个照相机本体或照相机镜头本身的更一般的移位，而非基于照相机图像信息的电子设备处理的照相机输出的内部电子设备修改或适应。对于在照相机变型内，这些是诸如焦点、缩放、暴露、光圈和将照相机输出作为成像调节的一部分进行调节的其它基于照相机的修改。在一个具体例子中，上述特征中的一个或多个用以产生在悬停模式处理适应过程中使用的悬停模式CAS算法。在一个具体例子中，上述特征中的一个或多个用以产生在接近模式处理适应过程中使用的接近模式CAS算法。在一个具体例子中，上述特征中的一个或多个用以产生在实际步骤模式处理适应过程中使用的实际步骤模式CAS算法。
图35图示建立在上述步骤上的示例性OTTCAS过程的流程图。收集并处理CAS数据。在CAS程序过程中评估CAS数据。确定CAS处理模式。进行基于模式的CAS评估适应。在基于模式的确定的结果基础上，如果是悬停模式，应用悬停模式CAS算法以处理。向使用者提供悬停模式CAS输出，或向OTT马达控制电路提供速度控制指令/信号。示例性使用者输出包括悬停模式显示输出、悬停模式投影的图像输出、诸如适于在悬停模式中使用的处理步骤的触觉、触感、听觉和视觉指示的悬停模式指示。在基于模式的确定的结果基础上，如果是部位接近模式，应用部位接近模式CAS算法以处理。向使用者提供部位接近模式CAS输出。示例性输出包括接近模式显示输出、接近模式投影的图像输出、诸如适于在接近部位模式中使用的处理步骤的触觉、触感、听觉和视觉指示的接近模式指示。
在基于模式的确定的结果基础上，如果是实际步骤模式，应用实际步骤模式CAS算法以处理。向使用者提供实际步骤模式CAS输出。示例性输出包括实际步骤模式显示输出、实际步骤模式投影的图像输出、诸如适于在实际步骤模式中使用的处理步骤的触觉、触感、听觉和视觉指示的实际步骤模式指示。
图36图示基于上述但使用独特的触发器动作指示器、工具监控器或触觉或触感反馈以进一步向OTTCAS系统的使用者提供益处的示例性OTTCAS过程间的流程图。以下关于图37A-52B提供触发器动作指示器的各种替代实施方式。如同之前，通过收集和处理CAS数据进行OTTCAS过程。在一个替代方面中，收集和处理还可以包括来自触发器动作的指示。接着，跟随上述过程，OTTCAS系统将在CAS程序过程中评估CAS数据。这里再次，触发器动作指示也可以连同其它CAS数据一起应用于该步骤并进行评估。之后，将基于如上所述一个或多个触发器动作指示器的使用向使用者提供合适的CAS输出。合适的CAS输出可以包括显示、投影的图像或诸如如上所述或在CAS程序中典型的触觉指示、触感指示、听觉指示或视觉指示的多种指示中的任意指示。
针对该OTTCAS过程的各个方面的背景，提供以下例子。
可以理解，OTTCAS模式可以由许多因素(例如，参考框架、位置、相对运动等)检测和确定。附加地，在手术程序的情况，基于工具/目标接近或使用来关联OTTCAS模式的限定属性也是有益的。考量以下例子：A)悬停：工具和目标都在手术区域内，但不接触；B)接近：工具和目标都在手术区域内，并且它们接触；和C)实际步骤模式：工具和目标都在手术区域内，并且它们接触，并且工具与组织主动接合。一方面，OTT装置电子元件器将该模式选择功能并入‘智能观察’模块中。该模块设置在主CAS系统计算机内或在OTT装置内(其中，电子元器件包括实施所有模式检测算法或其主要部分的软件和硬件)，并且触发OTTCAS模式选择功能的不同事件。
在OTTCAS模式控制的一些附加方面中，以下变型或替代中的一个或多个可以被并入：
1.由于一般地在OTTCAS系统和CAS系统上的时间/特别分辨率，当工具和目标位于给定使用者预选择的(可设置的)距离包封内时，接近模式的一些实施方式可以被认为是合适的。距离包封可以以测量范围指定。一个示例性范围可以在由OTTCAS系统确定的10mm至0mm之间。其它方面，接近模式可以由OTTCAS系统划定，确定在手术工具的活动元件和OTTCAS手术区域内的解剖结构之间可能有接触。
2.在一些方面，OTTCAS模式设有‘迟滞’因素。该OTTCAS迟滞因素被选择以包括环境或CAS状况的类型，其如果满足、诸如在预定时间段连续，将导致CAS模式被维持。换句话说，OTTCAS模式迟滞的参数必须在时间段内被连续满足以‘锁定到模式’或维持该OTTCAS模式。如这里使用的，连续是指在OTT处理时间的时域和取样率的范围内，并且不意于表示被监控状况的绝对非中断。作为类似的例子，迟滞或迟滞状况中的一些在一定时间段中必须不被连续满足，以‘解锁’或允许OTTCAS模式的调节。OTTCAS模式迟滞因素的使用改进系统瞬时响应、避免或降低系统从一个OTTCAS模式不合适地跳至另一OTTCAS模式的可能性并且改进系统的可用性，因为随着系统将从单个OTTCAS模式提供OTTCAS输出，使用者可能看到更稳定的OTTCAS输出。
3.在一些OTTCAS步骤过程中，存在使用者执行的动作，其可能不需要使用投影机、可能需要不同的输入-输出(IO)装置(例如，在植入物位置评估过程中，其可能无法在骨上投影信息)，并且/或者可能不具有限定的目标-工具关系(例如，膝运动范围评估仅要求看到胫骨和股骨参考框架)。可以理解，OTTCAS系统还可以接收来自其它源的输入，并且存在OTTCAS输出，其中，不提供或利用投影机输出。
4.一般来说，处理算法和OTTCAS模式因素是基于有关诸如骨、器械、植入物等的相对运动将随着OTTCAS模式从悬停模式进展到实际步骤模式而减小的机率或可能性来选择的。针对该一般过程假定的一个例外是OTTCAS装置或系统用于针对涉及的关节在手术区域内或该关节作为OTTCAS程序或步骤的目标的运动范围的评估过程时。
OTTCAS模式例子
骨配准：
目标：找出参考框架的原点和骨模型的原点之间的几何关系。
程序：利用工具(例如，导向指针)使骨表面上的点数字化，并且相对于骨模型的预定几何结构数据处理这些点
OTTCAS系统如何识别该任务：
-指针的和骨(胫骨或股骨)的参考框架(RF)对OTT可见。
启动任务：
-OTTCAS系统识别共存于现场中(至少适于该配准的最小时间段)的两个参考框架。
-附加‘推测’因素是程序的阶段，因为例如切割直到骨配准才能够进行。在这种情况中，用于该事件的触发可以是OTT装置维持就位，以将两个参考框架保持在视场内，直到骨配准过程完成。该触发能够任选地通过系统计算机提示使用者来确认和他们响应而被确认。
-在OTT装置骨配准过程中获得的信息如果需要可以通过使用者的输入(触摸屏、声音指令、利用指针在骨的参考框架上的具体皮层上接触等)标注或重写。
-后者(皮层)是参考框架上由导向指针触摸时的具体点(位置)，将告诉系统使用者打算执行涉及该参考框架本身的任务(或者专门任务之一)。例如，这可以是附接到该参考框架的骨配准，这也可以引起模式例如从悬停/智能影像到配准屏幕等的改变。
OTTCAS模式
悬停：
-范围状况：OTT装置距离RF很远，或者2个RF分开很远。用以触发该状况的范围是在系统的校准/调谐过程中或者通过使用者的喜好可设置的，并且被指定为照相机到目标解剖结构参考框架之间超过最佳FOV的距离阈值(在本实施情况中大于200mm)。
追踪器：较低刷新率
投影机：可能不在骨上投影任何图像(由于骨位置尚未限定)，但能够在途中出现的任何反射表面上投影诸如确认该模式/状态等初步有用的信息。低刷新率，由追踪器限定。
系统：在‘全局’坐标中监控指针的末端和骨的RF位置。驱动追踪器、投影机和其它IO装置。
接近：
-范围状况：中间OTT/RF和RF/RF距离。用以触发该状况的范围是在系统的校准/调谐过程中或者通过使用者的喜好可设置的，并且被指定为自目标解剖结构参考框架的距离范围，诸如100-200mm。
-
追踪器：高刷新率，优化指针和骨RF读数(例如，忽略或不管其它RF)。
投影机：如上，可能不投影任何限定的图像(由于骨位置尚未限定)，但能够投影基于‘准备’改变颜色(例如，红、黄和绿)的立体屏，以开始收集配准点。
系统：在‘全局’坐标中监控指针的末端和骨的RF位置。驱动追踪器、投影机和其它IO装置。
实际：
-较小OTT/RF和RF/RF距离。例如，自目标参考框架的距离小于70-100mm，再次如上通过使用者喜好可设置。
追踪器：高刷新率，优化指针和骨RF读数。
投影机：如上。
系统：在‘全局’坐标中监控指针的末端和骨的RF位置。针对每个数字化骨，记录指针的末端位置。驱动追踪器、投影机和其它IO装置。监控配准过程的进展，并且当完成时其计算最终配准矩阵。
可以要求或不要求附加IO装置(例如，触摸屏)。
用于在模式之间转换的OTTCAS考量：
-模式转换基于距离阈值。
如果没有骨配准信息，那么无法确定骨-指针‘接触’或‘靠近’。系统替代地着眼于指针(其被配准)和骨的参考框架(代替骨本身)之间的标称距离。得到的标称距离随后可以用以基于该(骨)参考框架通常被推荐布置的标称位置(参照图表18-23)评估或假定近似配准。另一种替代是为了确定系统应当处于何种’模式’，(任选地)由系统(另一默认骨的或来自之前的患者或手术的系统)简单使用任何旧的配准信息以进行近似配准。该选项的可用性也是通过使用者可设置/可选择的。
-或者通过使用者的输入。
任务结束：
-所有配准标志已被访问并指出(配准过程全完成)。
-或者系统停止以观察指针的RF(至少最小时间段)。
-替代地，过程可以由使用者的输入(触摸屏、声音指令、利用指针在骨的参考框架上的具体皮层上接触等)补充或重写。
骨切割/钻孔：
目标：利用工具(通常为电源、智能器械，诸如锯子、钻子、骨钻、锉刀等)对骨重新塑形以分配和植入。
程序：跟随系统的方向，使用者每次切割/钻孔(通常)一个表面。该特定动作应用于每个骨上的不同的单独的‘目标表面’，每个表面待执行一个切口/孔，使得系统将在使用或处理工具相对于骨的位置或定位错误时维持这种参考。不同的工具具有不同的活动元件(例如，切割末端)，并且当工具或工具活动元件与手术区域中的解剖结构相互作用时，使得每个工具形状的不同的活动元件导致解剖结构的不同二维和三维修改。这样，用于每个工具的引导将随着在OTTCAS过程步骤中使用的工具和活动元件的类型变化。
系统OTTCAS系统如何识别该任务：
-OTT检测至少一个骨的参考框架(RF)。
-指定的骨被配准。
-被切割的骨的参考框架在使用者可选择的最大距离(假设仅例如小于200mm)内。
启动任务：
-系统识别共存于现场中(至少最小时间段)的两个RF。
-这可以通过使用者的输入(触摸屏、声音指令、利用指针或切割器械在骨的参考框架或骨本身上的具体皮层或标记上接触等)补充或重写。
模式
悬停：
-OTT距离骨很远。例如，大于200mm(可由使用者设置的值)。
追踪器：较低刷新率
投影机：可能不投影任何图像(骨可以在投影机的视野之外)，或仅可以显示大致形状(例如，箭头以指示在哪个方向运动器械-例如，锯子、钻子等-以使其与骨对准)。任选地，投影机输出被修改以简单显示如在之前例子中的不同颜色。低刷新率，由追踪器的刷新设置限定。
系统：监控工具相对于骨(即，在骨的坐标中)的位置和定向。驱动追踪器、投影机和其它IO装置。双向通信并且驱动智能器械。
接近：
-OTT在距离骨的中间距离处。例如，在100mm和200mm之间。
追踪器：高刷新率，优化指针和骨RF读数。
投影机：显示以中间刷新率针对骨几何结构校正的对准辅助(彩色文本、线、圈、箭头等)。
系统：监控工具相对于骨的位置(即，在骨的坐标中)并且计算横滚、俯仰、偏航和距离偏差。驱动追踪器、投影机和其它IO装置。双向通信并且驱动智能器械。
实际：
-OTT靠近骨。例如，在70mm和100mm之间。
追踪器：高刷新率，优化指针和骨RF读数。
投影机：显示以高刷新率针对骨几何结构校正的对准辅助(彩色文本、线、圈、箭头等)。
系统：监控工具相对于骨的位置(即，在骨的坐标中)并且计算横滚、俯仰、偏航和距离偏差。驱动追踪器、投影机和其它IO装置。双向通信并且以较高速度驱动智能器械。
模式之间的转换：
-转换可以基于距离阈值。
-转换基于使用者输入。
任务结束：
-使用者移至另一任务。
-所有切口和细化全完成。
-在一种替代方案中，OTTCAS系统停止以观察骨的RF(至少最小时间段)。
-该步骤可以由使用者的输入(触摸屏、声音指令、利用指针在骨的参考框架上的具体皮层上接触等)修改、补充或重写。
骨切口的评定：
目标：评估新表面(例如，平面、柱形孔等)定向、表面粗糙度、深度等。
程序：使表面全部或局部数字化(例如，利用导向指针接触/穿过该表面)，利用‘表面监控器’(具有位于平切口上的平坦表面的导向工具)评定切口位置和定位、利用导向指针测量孔的深度等。
OTTCAS系统如何识别该任务：
-OTT观察到至少一个骨的参考框架(RF)以及评定器械的(表面监控器或指针)RF。
-指定的骨和器械已被配准。
-至少一切口已执行。
-被切割的骨在最大距离‘D’内。
启动任务：
-系统识别共存于现场中(至少最小时间段)的两个RF(骨和器械)，同时上述状况被满足。
-这可以通过使用者的输入(触摸屏、声音指令、利用指针或切割器械在骨的参考框架或骨本身上的具体皮层或标记上接触等)补充或重写。
模式
悬停：
-OTT距离RF很远，或者2个RF分开很远。
追踪器：较低刷新率
投影机：可能不投影任何限定的图像(因为骨能够在投影机的视野之外)，或者其能够投影基于‘准备’改变颜色(例如，红、黄和绿)以开始过程的立体屏。低刷新率，由追踪器的限定。
系统：监控工具相对于骨(即，在骨的坐标中)的位置。驱动追踪器、投影机和其它IO装置。
接近：
-OTT在距离两个RF中间距离处和中间骨-工具距离。
追踪器：高刷新率，针对器械和骨RF读数优化。
投影机：可能不投影任何限定的图像(因为骨能够在投影机的视野之外)，或者其能够投影基于‘准备’改变以开始过程的立体屏。中间刷新率。
系统：监控工具相对于骨的位置(即，在骨的坐标中)。驱动追踪器、投影机和其它IO装置。
实际：
-OTT在距离两个RF中间/靠近距离处和小的骨-工具距离。
追踪器：高刷新率，针对指针和骨RF读数优化。
投影机：可能不投影任何限定的图像(因为骨能够在投影机的视野之外)，或者其能够投影基于过程状态(数据收集开始到结束)改变的立体屏。高刷新率。
系统：监控工具相对于骨的位置(即，在骨的坐标中)。针对每个数字化点或表面监控位置和定位，记录指针的末端位置。驱动追踪器、投影机和其它IO装置。监控评定过程的进展，并且当完成时，其计算、记录并显示计算的参数。
可以要求或不要求附加的IO装置(例如，触摸屏)。
模式之间的转换：
-简单地基于距离阈值。
-或者通过使用者输入。
任务结束：
-评定过程全完成。
-任选地，OTTCAS系统停止以观察器械的RF(至少最小时间段)。
-这可以由使用者的输入(触摸屏、声音指令、利用指针在骨的参考框架上的具体皮层上接触等)补充或重写。
植入物配合和对准的评定：
目标：将骨上的植入物(或试验品)的实际位置相对于根据计划所期望的进行比较。这能够在试验过程中并且在植入物粘合或锁定之前/过程中/之后进行。
程序：植入物(例如，股骨部件、胫骨托盘等)附加有RF，并且在‘骨’坐标系统中被追踪。在任意给定时间，系统能够显示/记录其位置(相对于骨)，并且将瞬时错误(若有的话)与假定的进行比较。
系统如何识别该任务：
-OTT观察到至少一个骨的参考框架(RF)以及对应的植入物的RF。
-指定的骨和植入物已被配准。
-所有切口已执行。
-骨和植入物在最大距离‘D’内。
启动任务：
-系统识别共存于现场中(至少最小时间段)的两个RF(骨和植入物)，同时上述状况被满足。
-这可以通过使用者的输入(触摸屏、声音指令、利用指针或切割器械在骨的参考框架或骨本身上的具体皮层或标记上接触等)补充或重写。
模式
悬停：
-OTT距离RF很远，或者2个RF分开很远。
追踪器：较低刷新率
投影机：可能不投影任何限定的图像(因为骨能够在投影机的视野之外)，或者其能够投影基于‘准备’改变颜色(例如，红、黄和绿)以开始过程的立体屏。低刷新率，由追踪器的限定。
系统：监控植入物/试验品相对于骨(即，在骨的坐标中)的位置。驱动追踪器、投影机和其它IO装置。
接近：
-中间OTT/RF距离并且植入物/试验品相对靠近骨。
追踪器：高刷新率，针对植入物/试验品和骨RF读数优化。
投影机：可能不投影任何限定的图像(因为骨能够在投影机的视野之外)，或者其能够投影基于‘准备’改变以开始过程的立体屏。中间刷新率。
系统：监控植入物相对于骨的位置(即，在骨的坐标中)。驱动追踪器、投影机和其它IO装置。
实际：
-较小OTT/RF距离并且植入物/试验品靠近/接触骨。
追踪器：高刷新率，针对植入物和骨RF读数优化。
投影机：可能不投影任何限定的图像(因为骨能够在投影机的视野之外)，或者其能够投影基于过程状态(数据收集开始到结束)改变的立体屏。高刷新率。
系统：监控植入物/试验品相对于骨的位置(即，在骨的坐标中)。计算并显示(并且当需要时记录)由被导向植入物的实际位置/定位相对于根据计划应当所处的限定的错误。驱动追踪器、投影机和其它IO装置。监控评定过程的进展，并且当完成时，其计算、记录并显示计算的参数。
可以要求或不要求附加的IO装置(例如，触摸屏)。
模式之间的转换：
-简单地基于距离阈值。
-或者通过使用者输入。
任务结束：
-评定过程全完成。
-(或者)系统停止以观察器械的RF(至少最小时间段)。
-这可以由使用者的输入(触摸屏、声音指令、利用指针在骨的参考框架上的具体皮层上接触等)补充或重写。
运动范围：
目标：在植入之后评定关节的运动范围和生物力学性。其能够利用试验品或最终植入物进行。
程序：在布置试验品(或实际植入物)之后，在移除骨的RF并闭合伤口之前，外科医生挠曲膝并且执行操作关节，达到像最大挠曲和超伸展的极限位置。该操纵是在将OTT指向胫骨和股骨RF的同时执行的。动态测量(胫骨相对于股骨)在解剖方面表示。
系统如何识别该任务：
-OTT观察到胫骨的和股骨的参考框架(RF)。
-两个骨已被切割。(骨切割和植入物位置可以已被执行或者未被执行)
启动任务：
-系统识别共存于现场中(至少最小时间段)的两个RF，同时上述状况被满足。
-这可以通过使用者的输入(触摸屏、声音指令、利用指针或切割器械在骨的参考框架或骨本身上的具体皮层或标记上接触等)补充或重写。
模式
悬停：
-OTT距离RF很远。
追踪器：较低刷新率
投影机：可能不投影任何限定的图像(因为骨能够在投影机的视野之外)，或者其能够投影基于‘准备’改变颜色(例如，红、黄和绿)以开始过程的立体屏。低刷新率，由追踪器的限制。
系统：监控胫骨相对于股骨的位置。驱动追踪器、投影机和其它IO装置。
接近：
-中间OTT/RF距离。
追踪器：高刷新率，针对骨的RF读数优化。
投影机：可能不投影任何限定的图像(因为骨能够在投影机的视野之外)，或者其能够投影基于‘准备’改变以开始过程的立体屏。中间刷新率。
系统：监控植入物相对于骨的位置(即，在骨的坐标中)。驱动追踪器、投影机和其它IO装置。
实际：
-较小OTT/RF距离并且植入物/试验品靠近/接触骨。
追踪器：高刷新率，针对植入物和骨RF读数优化。
投影机：可能不投影任何限定的图像(因为骨能够在投影机的视野之外)，或者其能够投影基于过程状态(数据收集开始到结束)改变的立体屏。高刷新率。
系统：监控胫骨相对于股骨的位置。计算并显示(并且当需要时记录)动态运动(挠性/伸展、内翻/外翻、内部/外部旋转、AP运动等)。驱动追踪器、投影机和其它IO装置。监控评定过程的进展，并且当完成时，其保存记录的所有参数并通知使用者。
可以要求或不要求附加的IO装置(例如，触摸屏)。
模式之间的转换：
-简单地基于距离阈值。
-或者通过使用者输入。
任务结束：
-评定过程全完成。
-(或者)系统停止以观察骨的RF(至少最小时间段)。
-这可以由使用者的输入(触摸屏、声音指令、利用指针在骨的参考框架上的具体皮层上接触等)补充或重写。
其它动作(例如，配准核实、骨切割细化等)能够被认为是上述的子情况。
在上述例子中的任意例子的一方面中，较低刷新率是指刷新率从约30-100Hz到低至1-10Hz的改变。
当切除骨的一部分时，外科医生可以在切割工具距离待切除的面积的边界相对远时更快速且侵入地切割。随着OTTCAS检测外科医生接近切除面积的边界，外科医生可以接收合适的OTTCAS输出以减慢切割步调，从而确保切除维持在期望的边界内。为了帮助外科医生容易评定接近于切除边界，OTTCAS系统可以随着外科医生接近边界向外科医生提供多种合适的OTTCAS输出。另外，OTTCAS系统可以被构造成提供有关装备有OTT的手术工具响应于工具接近切除边界的操作控制以及相应OTTCAS数据处理响应和得到的CAS输出的反馈。
如上所述，OTTCAS系统提供患者模型的手术前分析和待切除的组织的识别。在确定待切除的组织部分之后，OTTCAS系统可以分析用于模型的数据并且识别用于切除的边界。随后可以基于与切除边界的关系使用多种颜色在OTT投影机输出中识别待切除的组织。
例如，OTT投影机输出可以基于OTTCAS处理因素适应，从而以红色投影在不被去除的一部分组织上。任选地，OTT投影机输出可以黄色指示相对靠近于切除边界的待切除的一部分组织。在另一替代方案中，OTTCAS过程可以产生OTT投影机输出，由此待切除的组织的剩余部分可以用绿色排除。以此方式，随着外科医生在程序过程中观察手术区域，外科医生可以在OTT投影机输出指示工具在绿色区域的组织上操作时快速且侵入地切割。随着外科医生接近切除边界，基于OTT的投影机输出指示工具在黄色区域的组织上操作。这些OTTCAS确定的投影机输出用作向外科医生的指示，以随着工具接近切除边界更缓慢地进行。以此方式，OTTCAS系统直接在手术区域上提供可容易识别的视觉和图形显示，其通知外科医生当前手术动作接近于切除边界。类似地，OTTCAS系统能够用以视觉上认识并使用基于OTT的投影机输出，以识别手术工具接近于敏感的解剖结构，诸如神经、脉管、韧带等。向投影机的OTTCAS输出可以包括作为用于使用者的OTTCAS输出的一部分的区别性配色方案以识别手术区域内的结构。
图37A-44涉及连同相关运动响应和设计标准一起的各种替代触觉反馈机构。
图37A图示偏转以响应于触发力运动致动器的弯曲形式。图37B图示将响应于触发力变形并恢复其形状的滑动梯形形式。图37C图示用以向触发力提供旋转响应的旋转读取器或编码器。图37D图示响应于触发力运动以将轴压入基部内的框架，其中，轴的运动可以被当作触发力的指示。图37E图示可以偏转以指示触发力的量的销连接元件。
图38A和38B图示分别处于升高位置和降低位置的简单的四杆机构，其可以用以配准触发力并且使轴移位。
图39A、39B和39C每个图示没有复位元件的剪式机构80(39A)，和驱动致动器80，利用拉力弹簧作为复位元件84(39B)，和利用压缩弹簧作为复位元件84(39C)。所示致动器的运动确定剪式臂的上端的高度，由此确定剪式机构的高程。该高度将挤压，并且将通过使用者将他或她的手指放置在工具触发器上来感觉。
图40A和40B图示分别处于升高和降低构造的剪式机构的侧视图。剪式机构80包括在枢转点处联结的第一联接件86和第二联接件88，由此剪式机构的运动升高并降低第一平台90和第二平台92。这里作为弹簧示出的复位元件84联结到第二联接件的一端和致动器82。平台在图40中所示的升高状况中具有大约22mm的长度和大约20mm的最大上升。
图40C和40D是有关图40A和40B的剪式机构80的移位特征的图表。图40C使平台轨迹与装置的高度相关。图40D使剪式机构角度与装置的移位变化相关。
图41图示具有外科医生系统超控能力的另一剪式机构80。超控能力经由包括与通过致动器施加的力一致的弹簧来提供。致动器可以是部件140，其用于在计算机辅助手术程序过程中提供或接收OTTCAS数据。在该方面，工具承载的追踪装置包括适于并构造用于将从反馈机构(诸如从轴80相对运动)接收的运动转换成计算机辅助手术程序中使用的信号的部件140。部件140可以以多种不同的构造(诸如编码器、致动器或运动传感器)提供。一方面，信号涉及由触发器操作的手术工具的操作。在另一实施方式中，部件是或者适于包括致动器，以向轴施加运动，从而影响第一平台和第二平台之间的相对运动。另一方面，致动器被构造用于响应于与计算机辅助手术程序过程中控制手术工具的操作有关的信号向轴施加运动。
图示的剪式机构实施方式显示由剪式机构80的联接件86、88承载的第一平台90和第二平台92的关系。另外，该实施方式显示具有结合剪式机构80使用的一对复位元件的剪式机构。一个复位元件是定位在剪式机构80内的复位弹簧。另一复位元件是定位在剪式机构和致动器或部件140之间的超控弹簧。
图42图示类似于图41中图示的示意机构的剪式机构。剪式机构80包括在联接件86、88的一端处与第一平台和第二平台成枢转关系并且与联接件88、86的另一端成滑动关系连接的第一平台90和第二平台92。这里为弹簧的复位元件布置在致动器或缆索和剪式联接件88的滑动部之间。该实施方式还包括第一和第二平台的细长槽的细节，以允许联接件第一端相对于第一和第二平台的滑动运动。联接件88、86的第二端与第一平台90和第二平台92成枢转关系联结。这里，第一平台和第二平台的运动根据弹簧的使用或在致动器的影响下调节。参照图表和图43和44可以更好地理解图42的机构的操作特征。
图45是触觉反馈机构的等轴测图。图45和46A分别图示触觉反馈机构150的等轴测图和侧视图。图45的视图显示用于附接到邻近触发器52的手术工具50的基板152。剪式机构(图46A中最佳显示)被由第一平台183承载的罩191覆盖并且随同平台一起运动。致动缆索82联结到剪式机构并且响应于剪式机构的运动运动。
图46B图示图46A的剪式机构155的等轴测图，其中没有罩191或平台183、184。Y形连杆160和165被销接163以形成剪式机构155。复位元件84定位在第一联接件的第一端和第二联接件的第一端之间。在该视图中还可见用以沿着平台中的槽178滑动的轴173。
图46A-46F图示图45的机构的部件和操作的各种视图。图46C和46D显示具有(图46D)和不具有(图46C)顶部平台183且在扩展状况中的图45和46A的TFM150。缆索82关于联接件沿着槽178的运动的长度从较低平台184运动位移+y。
图46E和46F显示具有(图46F)和不具有(图46E)顶部平台183且在闭合或缩回状况中的图45和46A的TFM150。缆索82关于联接件沿着槽178的运动的长度从较低平台184运动位移+x。
图47和48是在具有邻近手术工具的触发器定位的TFM150的手术工具50上的OTT100的侧视图。致动器82从TFM延伸到OTT100中。OTT内的部件140被构造成接收并提供输出到TFM或者从TFM接收。在该实施方式中，罩191远离基部152扩展，暴露基部184的一部分。
当TFM将罩191移入所示位置时，手术工具上的触发器功能由阻挡接近触发器152的罩191损害。图48图示处于触发器52可接近的下降结构的罩191。
图47和48图示安装在具有工具(这里为锯子)的手术仪器上的工具承载的追踪装置的侧视图，其中，图45的触觉反馈机构就位以与手术仪器的触发器相互作用。图47图示处于覆盖触发器的扩展构造的触觉反馈机构，图48示出塌缩以暴露触发器的触觉反馈机构。
图49A-49B图示处于打开或扩展状态(图49A)和闭合状态(图49B)的触觉反馈机构的另一替代方案。图49C-49E图示图49A和49B中的装置的内部机构的各种视图。
图49A和49B分别图示处于升高和降低状况的超控触发器(overtrigger)触觉反馈机构600的等轴测图。超控触发器触觉反馈机构600具有附接到第一平台183的触发器适配器605。修改的触发器种子(seedtext)适于与触发器52接合。修改的触发器种子配合在触发器适配器605内并且相对于触发器适配器605可动。剪式机构155如前提供以运动第一平台和第二平台。
视图中平台的相对位置图示在塌缩状况中修改的触发器座610如何升高到触发器适配器605之上。相反，在升高状况中，修改的触发器座610被收回到触发器适配器605的上表面内且在其下方。
图49C是上部平台和触发器适配器被移除的处于升高状态的剪式机构155的等轴测图。图49D类似于图49C的视图，其中上部平台183附接到剪式机构155。上部平台183中设有孔口620。孔口620用以在修改的触发器座610和触发器52之间提供联结。
图49E类似于其它实施方式，其中增加了触发器适配器605，其就位在第一平台183的顶部上。图50图示联结到手术工具50的OTT100的实施方式，其中，工具50的触发器52由触觉反馈机构600覆盖。
在图50的构造中，使用者操纵触发器52的能力由触觉反馈机构600的操作覆盖。
图50图示联结用于与具有图49A和49B的机构的实施方式的手术工具一起使用的OTT的实施方式，其中OTT安装用于与手术工具的触发器协作并且能够发送和接收与OTT中的部件相关的触发。
图51是利用两个复位元件的剪式机构的替代实施方式。图51图示类似于图42的剪式机构。相比于图42的剪式机构，该实施方式中图示的剪式机构包括一对复位元件。一个复位元件84是在第一平台和第二平台之间延伸并且联结到联接件86、88的第一端的复位弹簧。复位弹簧用以修改运动平台并且因此修改控制触发器响应。另一复位元件是沿着第二平台延伸的超控弹簧。超控弹簧联结到联接件88的滑动部和缆索82。复位弹簧与超控弹簧协作以向触觉反馈机构提供如图51示意性表示的各种不同的响应特征。因此，使用多于一个不同类型的复位元件将为这里描述的触觉反馈机构提供很多种响应特征。
图52A和52B分别图示联结到手术工具50的另一OTT实施方式的前等轴测图和后等轴测图。OTT700包括具有照相机安装件705和投影机710的壳体710。在该实施方式中，照相机安装件705在壳体710的上表面上。安装件705包含指向工具74用于成像活动元件56的一对照相机707。另外，该实施方式包括在工具50的触发器上方的TFM。出于这里描述的触觉反馈的各种目的，缆索80在TFM600和OTT700之间提供交接部。OTT700还包括在壳体710的上表面上的显示器702。显示器702可以用以为使用者提供OTTCAS输出信息。附加地或替代地，显示器702用作用于使用者输入的使用者交互装置。显示器702可以被构造为图形用户界面(GUI)或其它类型的计算机输入装置。还示出与OTT700通信的计算机，用于利用在促进计算机辅助手术完成中在CAS程序过程中从OTT的使用获得的信息。计算机包括针对工具承载的追踪计算机辅助手术可访问到处理单元指令的电子存储器。在一种实施方式中，计算机包括在作为壳体中的电子元器件包的一部分的OTT700内。在另一实施方式中，计算机是外部部件，其被构造用于无线地或经由到和自OTT700的有线连接接收并传输与OTTCAS过程相关的数据。
如图示实施方式中的上述例子显示，本发明的TFM机构的实施方式可以适于或构造用于提供与触发器运动或位置有关或用于由OTTCAS计算机进一步处理的输出。这里提供的各种TFM机构可以用于以侵入最小的方式提供由OTTCAS系统使用的工具操作、特征或参数(速度、位置、旋转、设置、功率水平等)的指示。来自触觉反馈机构的输出可以经由机构中、OTT装置中或安装在手术工具本身上的编码器/读取器提供。另外，反馈机构实施方式可以包括用于传输触觉反馈机构信息或触发器信息以便在OTT装置或OTTCAS计算机中进一步处理的无线通信。在另外的方面中，触觉反馈机构的一个或多个部件可以在基于OTTCAS过程、模式或算法接收的指令下被驱动。在一些实施方式中，触觉反馈机构指示和数据用以从OTTCAS系统提供动态实时反馈回路。来自触觉反馈机构的指示也可以用以提供一个或多个手术工具控制特征的自动控制，诸如，工具的马达，致动器减弱其马达/切割/钻孔动作速度或使其停止，作为合适的OTTCAS处理输出的一部分。一方面，反馈回路控制基于OTTCAS系统关于需要手术工具功能的自动干涉以防止不适当的切割或者有害于OTTCAS手术区域内的解剖结构的确定来提供。
在另外的方面，被构造成利用来自这里描述的系统和方法的输出的触觉反馈机构或其它反馈机构的实施方式可以用以自动地或半自动地控制利用工具承载的追踪装置的手术工具的活动元件的一个或多个操作特征。另外，OTTCAS系统的实施方式还可以被构造用于响应于手术工具相对于期望边界的位置的确定控制手术工具的操作。具体地，如果系统确定工具位于不接近边界的待切除的组织内(即，在绿色区域内)，系统可以允许手术工具由外科医生根据需要控制。如果系统确定工具位于接近边界的待切除的组织内(即，黄色区域)，系统可以减少或减弱手术工具的操作。例如，如果工具是锯子，并且其进入黄色区域，系统可以随着锯子运动接近切除边界使锯子的往复运动或旋转减慢。另外，如果系统检测工具位于边界处或不被切除或操作的组织上，系统可以通过完全停止工具来控制手术工具。虽然系统可以自动地控制手术工具的操作，系统包括超控功能，其允许外科医生超控工具的控制。以此方式，如果外科医生确定应当切除的一部分组织未在手术前分析过程中被识别为切除，外科医生能够超控系统并且在程序过程中切除组织。
触觉反馈机构的实施方式包括很多种触觉模拟。例如，模拟可以像增强的振动那样简单，以指示手术路径从意指的切除偏离。触觉模拟根据由这里描述的OTTCAS方法提供的各种修改和输出提供用于更复杂的指示的机会。
一般来说，动力手术工具借助于触发器启动，并且这里描述的基于反馈的机构的实施方式在触发器上提供可检测和可变(在OTTCAS计算机的控制下增大和减小)的阻力，或者在致动工具的外科医生的手指上提供压力，其方式用以向外科医生指示活动元件的手术路径或当前使用何时从根据OTTCAS手术计划的意指的切除或其它动作偏离。可以理解，用于提供触觉反馈的各种不同的构造可以与用于致动与OTT装置一起使用的手术工具的未修改、修改或替换的触发器一起使用。在一些各种替代实施方式中，基于触发器的反馈组件包括动态构件，其联结到剪式机构，剪式机构又联结到固定基部(通常安装在手术工具的手柄上)。组件的位置或刚度(通常作为与传动轴或缆索相互作用的结果)由OTT内的控制单元支配。控制单元可以被构造用于提供很多种与OTT相关的反馈功能，作为例子，包括致动器用以操作传动轴，其又改变用以闭合剪式机构的力、使触发器机构运动到全扩展位置、使触发器机构运动到全缩回位置、运动到用以削弱触发器的操作的位置、或者可选地，停止工具的活动元件的操作。一方面，传动轴或缆索或元件是鲍登缆索。在其它实施方式中，将剪式机构联结到OTT中的相联部件的传动轴可以是任何适当的元件，诸如杆、弹簧、螺线管、链、齿轮或迷你气动或液压致动系统。另外，可以理解，用于上述控制的致动器还可以包括在接近触发器的反馈机构内。在该方面的一种替代方案中，致动器可以经由有线或无线连接连接到OTT装置，以在促进上述OTTCAS技术中向致动器提供合适的OTTCAS过程控制信号。
控制单元还能够接收来自计算机系统的数据。当系统通过将工具的位置与手术计划的意指切除进行比较确定超过具体阈值水平的偏差存在于手术路径和手术计划之间时，控制单元致动传动装置，增加拉动触发器所需的阻力。指示能够以防止触发器压下的形式提供，使得外科医生不能启动工具。替代地，指示能够采用增加的阻力的形式，其能够由外科医生通过施加更大的力来克服。
参考图37A-51描述的触发器及其他工具控制实施方式还可与外部追踪工具一起使用，例如在悬而未决且已共同转让的、2007年6月18日提交的申请序号No.11/764,505和2007年10月29日提交的序号No.11/927,429中描述的那些，这些申请中的每一个都在此引入以供参考。
图52A和52B分别是包括显示器的工具承载的追踪和导向装置(OTT)的前视和后视等轴测图，其中，OTT壳体联结到手术工具，手术工具具有联结到OTT的基于触发器的反馈机构。视图还示出与OTT通信的示例性计算机系统。
图36是表示示例性OTTCAS过程的流程图，所述过程包括上述OTTCAS过程中的任意过程的修改，以包括相联手术工具操作特征、参数或与在任何OTTCAS过程或手术中活动元件的使用相关的其它数据。OTTCAS过程3600包括在前关于图31A中的OTTCAS过程3100描述的许多相同处理步骤。
图63图示出流程图6300，其图示出在以悬停模式操作时CAS引导系统执行的各个步骤。各步骤通过在步骤6302使骨头和工具位置配准开始。接下来，在步骤6304计算偏差(即，骨头和工具相对于计划的误差)。接下来在步骤6306，确定计算出的偏差是否小于或等于TH-1。TH-1为外部临界间距。在上下文中，外部临界间距被用来确定，当工具处于足够远离手术点的距离时，可以利用系统资源使用某些方面或者辅助操作，或者高误差追踪或控制是不关键的。如果在步骤6306回答为是，那么程序进入步骤6308。在步骤6308，计算误差和作为临界值TH-2的较小偏差进行比较。临界值TH-2被用作内部临界值以在系统接近手术区域时触发。如果对步骤6308的回答为是，方法进入步骤6310来确定这是否是临界值TH-2被触发的第一次。如果在6310的回答为是，那么方法进入步骤6312，在那里所有辅助任务都不允许操作，并且图63图示了方框6312中的那些实施例。在步骤6312，系统基本上改写了所有其他操作，因此追踪模式可获得最大资源，因为在步骤6306和步骤6308的比较已经确定系统接近切割模式或处于该模式中。在这期间不会操作的辅助任务的实施例包括，例如，RF重新校准、数据备份、配准接近度以及系统所执行的各种数据测试。在步骤6312之后，下一个步骤6314使骨头以处于屏幕中心的方式设在OTT使用的显示器上，除非使用者推翻或者使用者使用相反设置的优先选择。接下来在步骤6316,在系统内发送其他控制信号。在示例性步骤6316中，OTT实施例中马达控制打开，2-D引导打开，投影机打开。此外，这里以及该点以前，说明书假设使用者没有设定与此描述相反的选择。如果ETT系统正在使用，iPod屏幕也打开并且显示合适使用者可选择的默认初始视图。另外，引导和误差计算功能继续工作。接下来在步骤6318,各种信号响应速率被设为100％。在示例性步骤6318中，引导、误差计算、马达控制和通讯、2-D引导、投影机和iPod屏幕都被设为100％。接下来在步骤6320，操作回路的这个模式重复，并且系统继续使骨头和工具处于步骤6302的位置。
从6302开始继续在6304计算骨头和工具误差，接下来在步骤6306，如果在步骤6306响应为"否"，那么系统进入步骤6322以确定这是否是第一次系统配准大于接近临界值TH-1的误差。如果对步骤6322的回答为是，方法进入允许把系统的某些方面置于不同状态的步骤6324。接下来在步骤6326，信号响应速率被设为与步骤6316中的信号响应速率设定值相比各种不同的级别。接下来在步骤6328，辅助任务通过系统执行。在步骤6328，允许辅助任务并且系统资源可用于其他动作，因为系统可能未处于切割模式。尔后，系统回到6302基本步骤以获得骨头和工具位置信息。方法向下从6302返回到计算步骤6304以及与接近临界值TH-1进行比较的较小偏差，如果在步骤6306回答为是并且在近场偏差TH-2(步骤6308)回答为否，那么方法进入决策步骤6330。如果第一次在6330对该问题的回答为否，表示这不是第一次出现近临界值误差大于误差临界值TH-2，然后方法回到步骤6302以获得骨头和工具信息。如果，在步骤6330的第一次查询回答为是，那么系统进入步骤6332。在步骤6332，各种控制功能基于工具位置的计算机确定结构被设为不同值。接下来在步骤6334，各种信号响应速率被设为引导、误差计算和2-D引导。尔后，在步骤6336还允许类似于步骤6328地操作辅助任务。允许辅助任务，因为系统已经确定系统资源可同时用于除了具有马达控制功能的关键引导之外的方面。在第一次子程序6322和6330和6310中的每一个中，简化批准和锁定过程以防止非必要时状态的重复开关以及增加一些滞后性以防止双态键(toggling)基于状态的随机形成来回地从一种状态到另一种状态。通过将临界值TH-1和TH-2设到合适的级别，然后系统确定OTT的使用者运动是否为故意的并且远离手术区域指向或者故意朝向手术区域或者仅仅利用微调继续切割步骤，举例来说。这种预定的滞后性自然减少了数字噪音和随机误差的作用，尤其是接近不同系统状态的边界处。
一般来说，在方法6300中，左侧步骤(6328，6326和6324)表示正常的悬停状态，在该状态下系统在不要求时间棘手的任务时为辅助任务释放资源。在方法6300的右侧(步骤6332，6334和6336)在系统表示其对目标骨头非常感兴趣但仍旧不在用来切割目标骨头的位置时(像传感器和资源在短时间内可用来转换马达控制时的备用品)使用。在该状态下仍旧允许辅助任务，但是时间棘手的方面需比左侧的如上所述的前一种情况更紧密地监视。在方法6300的底部，表示时间棘手的任务在活动切割期间起作用。方法步骤6312,63146316和6318都被用来确保，整体信号响应速率被用于所有与切割有关的程序。在此期间，系统资源不专用于辅助资源或者辅助活动同时被忽视。
一般来说，在方法6300中，左侧步骤(6328，6326和6324)表示正常的悬停状态，在该状态下系统首先保存电池组动力并减少热量产生和消散，以及在不要求时间棘手的任务时为辅助任务释放资源。在方法6300的右侧(步骤6332，6334和6336)在系统表示其对目标骨头非常感兴趣但仍旧不在用来切割目标骨头的位置时(像传感器和资源在短时间内可用来转换马达控制时的备用品)使用。在另一个方面，步骤6326,6324,6332或6334中的其他因素或考虑因素为一个或多个电子设备关闭，置于备用模式或者调节为节能。由于OTTCAS系统的确定类型，可以相信的是，OTT模块中的电池寿命延长，因为如果OTTCAS模式视为实际步骤，将像是投影机的高耗能装置，例如，置于节能模式。
图64图示出简化的悬停模式状态图。模式状态图在启动步骤6405开始。接下来，系统在步骤6410进入悬停模式。尔后，如果系统参数表示正在进行骨配准，系统将在步骤6415进入骨配准模式。在骨配准完成时，系统结束追踪或者返回最初步骤6405。可替换地，当骨配准完结时，系统设置悬停模式并返回悬停模式步骤6410。另外，由悬停模式步骤6410，系统检测骨切割步骤。在这种情况下，系统将进入如步骤6420所示的骨切割模式。当骨切割步骤完结时，系统在步骤6410返回悬停模式，或者停止追踪并返回最初模式6405。来自悬停模式6410的另一个选择是在步骤6425进入骨植入体匹配度评估。当所有植入体匹配度评估完结时，系统在步骤6410返回悬停模式，或者停止追踪并返回最初模式状态6405。评估的一个实施例(其未在示意图中图示以避免杂乱)被用来使用引导表面检查仪评估切割质量，其中测试切削表面定向和定位来评估其质量并进一步建议切割改进(refinements)，如果需要的话。来自悬停模式6410的又一个备选路径为在步骤6430进入中点值追踪。从中点值追踪步骤6430开始，系统停止追踪并回到最初状态6405。可替换地，中点值追踪步骤6430结束并返回悬停模式追踪步骤6410。
图65图示出悬停模式操作的另一个替代视图。按照图65图示的顺序，系统图示为在三个模式间移动：悬停模式6506，骨切割模式6510或植入植入体或切割匹配度评估模式6515。当处于悬停模式6505时，使用锯以及使骨头靠近仪器将使系统进入骨切割追踪模式6510。可替换地，当骨头远离仪器移动时，或者反过来，锯远离骨头，系统将检测这种运动并从骨切割模式6510移出回到远程6505悬停模式。可替换地，如果系统检测到引导植入体试验品或引导骨(切割)，表面评估工具可见或者植物体试验品或者这种工具接近骨头，然后系统将从悬停模式6505变化为植入体匹配或者骨表面评估步骤6515。当上述评估完结时，就像当骨头当前远离试验品植入体或者评估工具时，系统将回到悬停模式6505。图66A,66B和67图示出取决于OTT操作的各种室内显示器以及工具承载的显示器或者投影机影像。现在转向图66A，室内景象(A)图示出活动切割步骤。由于涉及活动切割步骤，工具承载的显示器(图66A视图的部分B)显示角度误差(两个轴附近的定位偏差)或者与误差率或者刀片相对于在此所描述的手术计划的定位(调整偏差)有关的其他切割信息。在图66B的视图中，室内显示器显示出工具以及跟进手术计划与骨头接触的刀片的侧视图。确定2D引导显示器的定位。
在主CAS计算机上图形用户界面(GUI)的各个方位上，有时使用类似的(2D)图形引导系统66B的飞行模拟器。该显示器引导用户移动仪器，因此平面(标记的)通过翻转或者改变向下的距的间距以及滚动与目标表面平面(标记的)融合，以使两条线彼此重合(因此锯间距是正确的)并且都沿水平线设置(因此锯辊是正确的)。引导线上升还是下降取决于引导锯被正常固定或者上下颠倒(后者是可能的)。
为了确定引导上升还是下降取决于锯是上下颠倒还是正常的，计算机录入位置以存储最近的历史(例如几毫秒或几秒)并研究移动平均值。如果回看追踪的最后一百或十个或所说的一秒时，计算机会告诉使用者上升但是我们还在下降，那么我们就必须使锯上下颠倒。因此，如果发现使用者进一步离开而它们试图移向目标，将使引导转过180度并且口头通知(通过语音)。如果你想反对功能并且推翻它，你可选择性地停止它。
此外，计算机会告知你是否几乎对准(3D上接近目标)以及在几度内。那么就知道你处于正确定位。但是如果你处于与目标近似180度上下颠倒(即，与目标平行但是在近似180度之内)，就表示你使锯上下颠倒因此其将自动转换坐标系来调整。如果看出你坚持使锯处于朝向目标平面180度(你接近目标平面但是你使其处于大约180度加减某一临界值，所述加减10度)，其相反地自动转换引导，因此引导实际上进入正确方向。
构思依靠知识系统以及下列附带条件：使用者差不多知道他们在做什么并且他们差不多是对的，但是由于使用者上下颠倒翻转装置，系统允许坐标系反向。我们在几毫秒或小于一秒内自动进行检测和修正。
图67显示出OTT系统在逼近或评估步骤相对于骨头的定位。在图67A的视图中，室内影像，工具图示为接近手术区域。室内显示器B还显示出工具在手术领域接近骨头。图67C的视图显示出工具承载系统上的显示，其表示工具相对于骨头的定位。图67C图示的影像是可使用在此以及其他地方描述的智能影像指令进行调整。
另外或者可替换地，在此描述的任一OTT模块可以改变以具有其他功能。例如，OTT可以改变为包括显示。可替换地，OTT可适用于与远程控制一起工作来驱动主系统，诸如，例如，经由iPod、iPad或者其他iOS或者可拆卸地安装在OTT上的安卓(或智能手机类)装置。在其他方面，这种OTT可描述为OTT手写板。在一个实施方式中，OTT模块具有屏幕(例如，彩色LCD型)或者集成到OTT壳体表面上的其他显示器。在替代实施方式中，显示器提供为可拆卸的零部件。在一个实施方式中，显示在iOS设备上运行以及在iPod、iPads等等上运行。另外或者可替换地，iPod或其他装置可被用作远程控制来驱动主系统。也就是说，远程控制装置为承载式OTT装置，或者恰好是松散的。在使用中，为此目的的iPod、iPad或智能手机类装置置于无菌袋中并将其放在手术部位，因此外科医生和/或和/或护士可从那驱动系统设定。
便携式显示屏
附带屏幕目前体现为iPhone并且可以是任何一种其他类似尺寸的智能手机，例如Droid或者黑莓或者定制的触摸显示器。
附接到锯上，显示器通常被设计为供姿态和偏距显示。还可利用3D绘制发动机软件以及显示3D表面或者体积模型以及提供如自动选择的视图中指定的同样引导和视图参数选择。
另外，用户可在屏幕上移动模型。这种变化与主OTTCAS屏幕上的影像类似，具有如下优势，与终端屏幕以及无菌环境中触摸屏幕与无菌(选择性地)或者非无菌的主计算机屏幕的影响相比更接近附带屏幕，或者方便地靠近外科医生或者辅助人员。
在另一个实施例中，影像或者显示的任一参数可通过使用触摸屏幕界面进行改变。
附带的屏幕还可以移开并用作拆卸式显示器或远程控制装置。
在另一方面，提供一种使用微型投影机或用于自动或半自动骨配准技术的承载式OTT上的其他投影机。一方面，提供一种用于使用参考框架在OTT范围内计算或确定骨配准矩阵的方法。这可以针对OTT和动态3D扫描过程描述的3D追踪组合来实现，例如那些用于市场上买得到的图像处理和追踪过程的。
一方面，这种基于OTT的配准过程或技术包括如下步骤：a)获得解剖结构(例如骨头)的3D模型，通常是在术前计划期间。例如，基于图像安装(animage-basedsetup)，其可为根据患者的计算机层析成象术(CT)或核磁共振成像(MRI)数据或寰椎的全身性骨头的变形(按比例的)进行的3D重建。b)将追踪参考框架附接到骨头上。追踪参考框架对OTT照相机是可见的。c)通过使用OTT的投影机进行解剖结构(例如骨头)的3D扫描以在OTT照相机系统感兴趣的表面上投影出图案(例如点(s)、线(s)、网格(s)等等)以在兴趣表面上收集和处理光反射。d)与c)同时，使用在此描述的任一技巧3D追踪附接到兴趣目标(例如骨头)的参考框架。虽然OTT照相机可用于3D扫描和追踪两个过程，如何协调两个过程的一个实施例是通过高速地从一个功能转换为另一个功能，并且使每个3D扫描数据取样与3D追踪位置/定位配对。e)基于来自c)和d)的数据，获得相对于附接到兴趣目标(例如骨头)上的参考框架定位和定向的解剖结构(例如骨头)表面的表面模型。f)表面匹配a)和c)。该过程计算使一个表面与另一个匹配的变换矩阵。该过程还可手动(用用户图形干预或验证)或者以各种水平的自动化进行。后者利用图像处理和模式识别以及使用相关或其他已知的技巧匹配程序。g)结合e)和f)计算最终的解剖结构(例如骨头)配准矩阵。
可以使用多种不同变形改变或强化上述过程。如上概述的步骤的某些变形包括，示例性而非限制性：(a)使用骨配准微型投影机与如上步骤类似，但是选择性包括使用不同的波长滤波器来优化步骤d)；或(b)使用骨配准微型投影机与如上步骤类似，但是选择性包括使用来自a)的已知解剖结构形状以优化c)上的3D扫描过程。
无参考框架的OTT追踪
在该替代实施方式中，OTT系统可以改变并被配置为利用OTT进行无参考框架3D追踪。一方面，存在利用投影机(例如，单铬或多铬的、红外等等的点(s)、线(s)、网格(s)等等)在已知几何形状(例如骨头)上投影已知图案，以及在反射光上应用图像识别和计算机视觉算法以3D(例如相对于OTT内部原点和坐标系)追踪的兴趣目标(例如，骨头)的定位和定向。可以考虑使用引导投影网格形式。用于实现这种徒手操作的手术引导技术的一个方法包括，举例而非限制的：a)获得解剖结构(例如骨头)的3D某些，通常在术前计划期间。例如，基于图像安装(animage-basedsetup)，其可为根据患者的计算机层析成象术(CT)数据或如上所述的其他方法进行的3D重建。b)利用投影机将已知图案(例如，单铬或多铬、红外等等，点(s)、线(s)、网格(s)等等)动态投影到实际患者解剖结构(例如骨头)上。c)将图像识别和计算机视觉算法(以及2)中给出的技术)应用到投影到解剖结构(例如骨头)上的图像上来技术其在空间内的定位与定向。
可以使用多种不同变形改变或强化上述过程。如上概述的步骤的某些变形包括，示例性而非限制性：(a)使用OTT的投影机进行3D追踪和显示信息以在切割、钻进等等期间引导用户，系统对两组图像使用不同的配色方案以避免防碍图像处理以及干涉用户对投影引导的解释；(b)使用追踪图案的发射红外光来避免干涉用户对可见光投影引导的解释；(c)使用OTT从网格到引导的高度变化以形成频闪效应，但是仍能防止两过程(目标追踪和用户指导)彼此干涉。
多参考框架
对于不是骨头参考框架的单一定位的特定手术案例，在该定位照相机可从需要切割(或者钻，或者锉等等)的任一定位处“看到”骨头。在这种案例中，可以是使用“组合式”参考框架(多朝向的)：单个配准过程(使用任一表面)允许系统后来在不考虑表面在那时可见时追踪目标。
然而，指示器子系统的任何元件可以以任何方式容易地用于计算机辅助手术，其中，计算机辅助手术系统建立工具的三维位置并且计算根据手术计划外科医生意于制造切除的位置。在一个替代方面，这里描述的方法、系统和程序被修改以并入于2007年6月18日提交且被公布为US2008/0009697的题为"MethodandApparatusforComputerAidedSurgery"的美国非临时专利申请序列号11/764505中描述的技术、装置或方法中的一种或多种，该美国非临时专利申请出于所有目的整体合并在此。
本领域技术人员将认识到可以对上述实施方式作出改变或修改，而不背离本发明的宽的发明构思。因此，应当理解，本发明不限于这里描述的特定实施方式，但意于包括在权利要求中提及的本发明的范围和精神内的所有改变和修改。

Claims (214)

1.一种工具承载的追踪与引导装置，包括：
具有用于与手术工具的一部分可拆卸接合的表面的壳体；
如下布置的第一照相机和第二照相机，其中第一照相机和第二照相机中的每一个都提供选择用于观察选择用于计算机辅助手术程序的基本上所有手术区域的图像输出，第一照相机和第二照相机联接到壳体上或位于壳体内；
联接到壳体上或位于壳体内的传感器；
联接到壳体上或位于壳体内的投影机，其被配置为至少部分地在手术视场内提供输出；以及
位于壳体内或与壳体通讯的电子图像处理器，其被配置为从第一照相机和第二照相机中的每一个接收输出并使用来自第一照相机和第二照相机的输出的至少一部分执行图像处理操作以用于计算机辅助手术程序。
2.如权利要求1所述的工具承载的追踪与引导装置，进一步包括作为第二对照相机位于壳体内或与壳体相联的第三照相机和第四照相机。
3.一种工具承载的追踪与引导装置，包括：
具有用于与手持式手术工具的一部分可拆卸接合的表面的壳体；
包括位于壳体内或与壳体相联的第一照相机和第二照相机的第一对照相机；以及
包括位于壳体内或与壳体相联的第三照相机和第四照相机的第二对照相机，
其中当壳体联接到手术工具时，第一照相机、第二照相机、第三照相机和第四照相机处于适当位置以提供具有视场的图像输出，该视场包括联接到壳体上的手持式手术工具的活动元件的至少一部分。
4.如权利要求4所述的工具承载的追踪与引导装置，进一步包括位于壳体内或与壳体相联的一个或多个传感器。
5.如权利要求3-4中任一项所述的工具承载的追踪与引导装置，进一步包括：位于壳体内或与壳体相联的电子图像处理器，其被配置为从第一对照相机和第二对照相机接收输出并使用来自第一对照相机和第二对照相机的输出的至少一部分执行图像处理操作，以促成计算机辅助手术程序的至少一个步骤。
6.如权利要求3-5中任一项所述的工具承载的追踪与引导装置，进一步包括联接到壳体上或位于壳体内的投影机，其被配置为至少部分地在视场内提供输出。
7.如权利要求1、2和4-6中任一项所述的工具承载的追踪与引导装置，其特征在于，传感器选自如下项组成的组：倾角计、陀螺仪、双轴陀螺仪、三轴陀螺仪或其他多轴陀螺仪、单轴-双轴-三轴或多轴加速计、电位计和被配置为提供与工具承载的追踪装置有关的翻滚、俯仰、偏航、定向或振动信息中的一个或多个的MEMS仪器。
8.如权利要求2-7中任一项所述的工具承载的追踪与引导装置，进一步包括作为第三对照相机位于壳体内或与壳体相联的第五照相机和第六照相机。
9.如权利要求1-8中任一项所述的工具承载的追踪和引导装置，其特征在于，手术区域包括手术工具的活动元件，其中活动元件可以是锯条、骨钻或钻。
10.如权利要求2-9中任一项所述的工具承载的追踪与引导装置，其特征在于，第一照相机和第二照相机为近场立体照相机而第三照相机和第四照相机为宽视场照相机。
11.如权利要求8-10中任一项所述的工具承载的追踪与引导装置，进一步包括第四对照相机，其包括位于壳体内或与壳体相联的第七照相机和第八照相机。
12.如权利要求2-11中任一项所述的工具承载的装置与引导装置，其特征在于，第一对照相机或第二对照相机包括用于在红外光谱内观察的物理或者电子滤波器。
13.如权利要求2-12中任一项所述的工具承载的追踪与引导装置，其特征在于，第一照相机、第二照相机、第三照相机和第四照相机具有大约50mm到大约250mm的视场。
14.如权利要求2-13中任一项所述的工具承载的追踪与引导装置，其特征在于，第一照相机的视轴和第二照相机的视轴相对于大体平行于壳体的纵向轴线或者附接到壳体上的手术工具的纵向轴线的线朝向彼此倾斜，第三照相机的视轴和第四照相机的视轴相对于大体平行于壳体的纵向轴线或者附接到壳体上的手术工具的纵向轴线的线朝向彼此倾斜。
15.如权利要求2-14中任一项所述的工具承载的追踪与引导装置，其特征在于，第一照相机的视轴和第二照相机的视轴相对于大体平行于联接到壳体上的手持式手术工具的活动元件的纵向轴线的线以介于大约0°到大约20°之间的角度倾斜，第三照相机的视轴和第四照相机的视轴相对于大体平行于联接到壳体上的手持式手术工具的活动元件的纵向轴线的线以介于大约0°到大约20°之间的角度倾斜。
16.如权利要求2-15中任一项所述的工具承载的追踪与引导装置，其特征在于，当壳体联接到手术工具上时，第一照相机、第二照相机、第三照相机和第四照相机和投影机与手术工具成固定空间关系。
17.如权利要求1、2和6-16中任一项所述的工具承载的追踪与引导装置，其特征在于，手术工具的活动元件和投影机、第一照相机、第二照相机、第三照相机和第四照相机之间的偏移距离根据壳体的构造以及壳体与手术工具的接合来确定。
18.如权利要求1、2和6-17中任一项所述的工具承载的追踪与引导装置，其特征在于，投影机是微型投影机。
19.如权利要求1、2和6-18中任一项所述的工具承载的追踪与引导装置，其特征在于，来自投影机的输出适于投影在患者解剖结构的一部分上或者手术区域上或手术区域内。
20.如权利要求19所述的工具承载的追踪与引导装置，其特征在于，解剖结构的所述部分为骨头。
21.如权利要求19所述的工具承载的追踪与引导装置，其特征在于，修改后的输出可出于曲度、粗糙度或者解剖结构状况进行调整。
22.如权利要求1、2和5-21中任一项所述的工具承载的追踪与引导装置，其特征在于，电子图像处理器可与壳体无线通讯并且位于壳体外部。
23.如权利要求1-22中任一项所述的工具承载的追踪与引导装置，其特征在于，计算机辅助手术程序是徒手操纵的计算机辅助手术程序。
24.如权利要求1-23中任一项所述的工具承载的追踪与引导装置，其特征在于，用于与手持式手术工具的一部分可拆卸接合的表面包括鞍座，其成形为形成与手持式手术工具的所述部分互补的曲线。
25.如权利要求1-24中任一项所述的装置，其特征在于，手术工具的所述部分被修改以实现与壳体表面的可拆卸接合。
26.如权利要求1-25中任一项所述的装置，其特征在于，用于与手术工具的所述部分可拆卸接合的表面可修改和配置成使得在该表面联接到手术工具上时，手术工具的活动段的至少一部分位于水平视场和竖直视场内。
27.如权利要求26所述的装置，其特征在于，手术工具的活动段的所述至少一部分为计算机辅助手术程序期间使用的几乎所有的手术工具活动元件。
28.如权利要求1-27中任一项所述的装置，其特征在于，投影机输出基本完全位于水平视场和竖直视场内。
29.如权利要求1-28中任一项所述的装置，其特征在于，第一照相机的视轴和第二照相机的视轴相对于大体平行于壳体的纵向轴线或者附接到壳体上的手术工具的纵向轴线的线朝向彼此倾斜。
30.如权利要求1-29中任一项所述的装置，其特征在于，第一照相机的视轴和第二照相机的视轴相对于大体平行于壳体的纵向轴线的线以介于大约0°到大约20°之间的角度倾斜。
31.如权利要求1-30中任一项所述的装置，其特征在于，第一照相机的视轴和第二照相机的视轴相对于大体平行于与联接到壳体上的手术工具相连的仪器的纵向轴线的线以介于大约0°到大约20°之间的角度倾斜。
32.如权利要求1、2和6-31中任一项所述的装置，其特征在于，投影机置于壳体内。
33.如权利要求1、2和6-32中任一项所述的装置，其特征在于，投影机置于壳体内并且来自投影机的输出处于第一照相机和第二照相机之间的位置。
34.如权利要求33所述的装置，其特征在于，来自投影机的输出更靠近第一照相机或者第二照相机。
35.如权利要求1、2和6-34中任一项所述的装置，其特征在于，来自投影机的输出进行投影以出现在与附接到壳体上的手术工具相连的活动元件的前面。
36.如权利要求1、2和6-35中任一项所述的装置，其特征在于，来自投影机的输出投影到与附接到壳体上的手术工具相连的活动元件上或其附近。
37.如权利要求1、2和6-36中任一项所述的装置，其特征在于，投影机置于壳体内，位于包含第一照相机和第二照相机的平面上方。
38.如权利要求1、2和6-37中任一项所述的装置，其特征在于，投影机置于壳体内，位于包含第一照相机和第二照相机的平面下方。
39.如权利要求1-38中任一项所述的装置，其特征在于，当手术工具联接到壳体上时，经过照相机轴线的水平视场大体平行于由经过手术工具的活动元件轴线的水平面限定的平面或与其成锐角。
40.如权利要求1-39中任一项所述的装置，进一步包括：位于壳体上的显示器。
41.如权利要求40中任一项所述的装置，其特征在于，显示器被配置为提供包括来自工具承载的追踪计算机辅助手术(CAS)处理步骤的信息的视觉输出。
42.如权利要求41所述的装置，其特征在于，显示器被配置为为与CAS步骤有关的手术工具的使用者提供指导。
43.如权利要求41所述的装置，其特征在于，显示器被配置为为手术工具的使用者提供指导以调整手术工具的速度。
44.如权利要求41所述的装置，其特征在于，显示器被配置为为手术工具的使用者提供与CAS数据有关的指导，这些数据由工具承载的追踪装置收集并在CAS程序期间进行评估。
45.如权利要求41-44中任一项所述的装置，其特征在于，投影机和显示器被配置为为手术工具的使用者提供视觉指示。
46.如权利要求41-45中任一项所述的装置，其特征在于，工具承载的追踪装置可被进一步配置为收集和处理计算机辅助手术数据；并且工具承载的追踪装置或者与工具承载的追踪装置通讯的处理系统被配置为在计算机辅助手术程序期间实时评估CAS数据。
47.如权利要求46所述的装置，其特征在于，评估CAS数据包括比较自工具承载的追踪装置接收的数据和使用计算机辅助手术的手术计划提供的数据。
48.如权利要求46或47所述的装置，其特征在于，工具承载的追踪装置被配置为处理与来自成对照相机的一个或多个视觉数据有关的数据、来自位于工具承载的追踪装置上的传感器的数据、以及与手术工具的操作特性有关的数据。
49.如权利要求1-48中任一项所述的装置，其特征在于，手术工具被配置为从工具承载的追踪装置接收控制信号以便根据CAS数据调整手术工具的性能参数。
50.如权利要求49所述的装置，进一步包括：位于工具承载的追踪装置和手术工具之间的电子界面以将来自工具承载的追踪装置的控制信号发送到手术工具来控制手术工具的操作，其中，性能参数包括改变工具切割速度或者停止工具操作。
51.如权利要求1-50所述的装置，其特征在于，工具承载的追踪装置被配置为确定计算机辅助手术(CAS)处理模式。
52.如权利要求51所述的装置，其特征在于，确定CAS处理模式基于如下的一个或多个的评估：手术区域内的物理参数，例如通过附接于其上的参考框架在区域内追踪的元件的位置或者位置的组合，参考框架输入，提取投影图像、传感器探测到的动作、来自计算的动作检测、计算机辅助手术程序的总进展、与先前准备的计算机辅助手术计划的测量或者预测偏差。
53.如权利要求51或52中任一项所述的装置，其特征在于，确定CAS处理模式选择多个预定处理模式中的一个。
54.如权利要求53所述的装置，其特征在于，预定处理模式是悬停模式、部位接近模式和实际步骤模式。
55.如权利要求54所述的装置，其特征在于，预定处理模式是悬停模式并且工具承载的追踪装置被配置为接收和使用悬停模式CAS算法处理数据。
56.如权利要求55所述的装置，进一步被配置为为手术工具的使用者提供输出，该输出作为将悬停模式CAS算法应用到使用工具承载的追踪装置接收到的数据的结果产生。
57.如权利要求54所述的装置，其特征在于，预定处理模式是部位接近模式并且工具承载的追踪装置被配置为接收和使用部位接近模式CAS算法处理数据。
58.如权利要求57所述的装置，进一步被配置为为手术工具的使用者提供输出，该输出作为将部位接近模式CAS算法应用到使用工具承载的追踪装置接收到的数据的结果产生。
59.如权利要求54所述的装置，其特征在于，预定处理模式是实际步骤模式并且工具承载的追踪装置被配置为接收和使用实际步骤模式CAS算法处理数据。
60.如权利要求59所述的装置，进一步被配置为为手术工具的使用者提供输出，该输出作为将实际步骤模式CAS算法应用到使用工具承载的追踪装置接收到的数据的结果产生。
61.如权利要求53所述的装置，其特征在于，工具承载的追踪装置被配置为使得每一个预定处理模式调整工具承载的追踪装置承载的处理系统或者与工具承载的追踪装置通讯的计算机辅助手术计算机所采用的一个或多个处理因素。
62.如权利要求61所述的装置，其特征在于，工具承载的追踪CAS处理模式因素可选自以下的一个或多个：照相机帧尺寸；工具承载的追踪照相机定向；根据要求的调整对照相机软件程序或固件进行的调整；对工具承载的追踪照相机或其他照相机图像输出的调整以改变照相机的水平视场、竖直视场或者水平以及竖直视场内的感兴趣区域的大小；用于可调整照相机镜头调整或定位的驱动信号；图像帧率；图像输出质量；刷新速率；抓帧速率；参考框架2；参考框架1；开启参考框架基准选择；关闭参考框架基准选择；可见光谱处理；IR光谱处理；反射光谱处理；LED或者照明光谱处理；手术工具马达/致动器速度和方向，总的CAS程序进展；特定的CAS步骤进展；图像数据阵列修改；工具承载的追踪微型投影机刷新速率；工具承载的追踪微型投影机精度；一种或多种图像分割技术；基于CAS进展的图像部分的一个或多个基于逻辑抽取；信噪比调整；一个或多个图像放大过程，一个或多个图像过滤过程；对图像速率、像素或者子像素视觉处理的动态实时增强或减弱应用加权平均或者其他因素；手颤补偿；对锯、钻或者其他电动手术工具的基于仪器的噪声补偿；以及基于单独或者任意组合来自工具承载的追踪信息的振动补偿过程。
63.如权利要求53所述的装置，进一步被配置为基于选定一个预定处理模式的结果调整提供给使用者的输出。
64.如权利要求63所述的装置，其特征在于，投影机被配置为向使用者提供输出。
65.如权利要求64所述的装置，其特征在于，工具承载的追踪装置被配置为基于投影机输出显示期间给出的手术部位的物理特性调整投影机输出。
66.如权利要求65所述的装置，其特征在于，物理特性是如下的一个或多个：投影机输出可获得的一部分部位形状；投影机投影区域的地形和投影机相对于投影机输出可获得的部位部分的定向。
67.如权利要求64所述的装置，其特征在于，投影机被配置为投影输出，该输出包括当手术工具用于手术部位时，手术工具的使用者可见的信息。
68.如权利要求64所述的装置，其特征在于，投影机被配置为投影输出，该输出包括对手术工具的使用者可见的、用来根据手术计划指示位置、相对运动、定向或与手术工具的活动元件在手术区域内的定位有关的其他导向参数的信息。
69.如权利要求41-68中任一项所述的装置，其特征在于，工具承载的追踪装置被配置为在与膝有关的手术程序期间改变对使用者的CAS输出。
70.如权利要求41-69中任一项所述的装置，工具承载的追踪装置被进一步配置为将输出显示在工具承载的追踪装置的显示器或移动装置屏幕上显示的图形用户界面上。
71.如权利要求41-70中任一项所述的装置，其特征在于，工具承载的追踪装置被配置为在与膝有关的手术程序期间改变CAS处理技术或者对使用者的输出。
72.如权利要求1-71中任一项所述的装置，其特征在于，工具承载的追踪装置被配置为根据使用者在膝上进行计算机辅助手术程序的一个或多个步骤改变对使用者的CAS输出以及改变CAS处理技术，包括：形成远端股骨切口，形成远端股骨前部切口，形成远端股骨后部外髁切口，形成远端股骨后部内髁切口，形成远端股骨前部斜切口，形成远端股骨后部外髁斜切口，形成远端股骨后部内髁斜切口，以及形成近端胫骨切口。
73.如权利要求1-72中任一项所述的装置，其特征在于，工具承载的追踪装置被配置为根据使用者在膝上进行计算机辅助手术程序的一个或多个步骤改变对使用者的CAS输出以及改变CAS处理技术，包括：形成远端股骨切口，形成远端股骨前部切口，形成远端股骨后部外髁切口，形成远端股骨后部内髁切口，形成远端股骨前部斜切口，形成远端股骨后部外髁斜切口，形成远端股骨后部内髁斜切口，形成远端股骨开槽切口(在需要时)，在远端股骨稳定柱上钻出空腔，形成近端胫骨切口，形成近端胫骨脊切口或者钻出近端胫骨孔。
74.如权利要求1-73中任一项所述的装置，其特征在于，工具承载的追踪装置被配置为在与肩、髋、踝、脊椎或肘中的一个有关的手术程序期间改变对使用者的CAS输出。
75.如权利要求1-74中任该项所述的装置，其特征在于，工具承载的追踪装置被配置为在与肩、髋、踝、脊椎或肘中的一个有关的手术程序期间改变CAS处理技术或者对使用者的输出。
76.如权利要求1-75中任一项所述的装置，进一步包括：位于工具承载的追踪装置内的处理系统被配置为评估与CAS程序有关的数据。
77.如权利要求76所述的装置，进一步包括：包含在可接入处理系统的电子存储器内、与CAS处理步骤的性能有关的电子指令。
78.如权利要求1-77中任一项所述的装置，进一步包括：与工具承载的追踪装置通讯的处理系统，其被配置为评估与CAS程序有关的数据。
79.如权利要求78所述的装置，进一步包括：包含在可接入与工具承载的追踪装置通讯的处理系统的电子存储器内、与CAS处理步骤的性能有关的电子指令。
80.如权利要求1-79中任一项所述的装置，其特征在于，手术工具的所述部分被选择成使得在与手术工具一起使用时，照相机置于与手术工具相连的活动元件下方。
81.如权利要求1-80中任一项所述的装置，其特征在于，手术工具的所述部分被选择成使得在与手术工具一起使用时，照相机和投影机置于与手术工具相连的活动元件下方或其一侧。
82.如权利要求34-81中任一项所述的装置，其特征在于，显示器被配置为工具承载的追踪装置的使用者的输入装置。
83.如权利要求1、2和6-82中任一项所述的装置，其特征在于，投影机在倾斜基部上置于壳体内。
84.如权利要求1、2和6-83中任一项所述的装置，其特征在于，投影机是微型投影机。
85.如权利要求1、2和6-84中任一项所述的装置，其特征在于，投影机输出以激光形式提供。
86.如权利要求1、2和6-85中任一项所述的装置，其特征在于，手术工具的所述部分被选择成使得在与手术工具一起使用时，照相机和投影机置于与手术工具相连的活动元件上方。
87.如权利要求1、2和6-86中任一项所述的装置，其特征在于，手术工具的所述部分被选择成使得在与手术工具一起使用时，照相机和投影机置于与手术工具相连的活动元件下方或其一侧。
88.如权利要求1-87中任一项所述的装置，进一步包括：位于壳体内的通讯元件，其被配置为向与壳体分离的部件提供与图像处理操作有关的信息。
89.如权利要求88所述的装置，其特征在于，通讯元件无线提供往返于与壳体分离的部件的信息。
90.如权利要求88所述的装置，其特征在于，通讯元件经由有线连接向与壳体分离的部件提供信息。
91.如权利要求88所述的装置，其特征在于，与壳体分离的部件是计算机，其包含计算机可读介质形式的、与使用手术工具活动段的计算机辅助手术信息的使用有关的指令。
92.如权利要求88所述的装置，其特征在于，壳体内的通讯元件被配置为向与壳体分离的部件提供与图像处理操作有关的信息。
93.如权利要求1-92中任一项所述的装置，进一步包括：位于壳体内的通讯元件，其被配置为接收并向投影机提供指令从而至少部分地在第一照相机和第二照相机的视场内形成输出，该输出包括与使用来自电子图像处理器操作的输出进行的计算机辅助外科处理步骤有关的至少一个视觉可感知的指示。
94.如权利要求93所述的装置，其特征在于，视觉可感知的指示对使用者是可感知的。
95.如权利要求93所述的装置，其特征在于，视觉可感知的指示对该成对照相机是可感知的。
96.如权利要求1-95中任一项所述的装置，进一步包括：具有触发器以及由触发器的操作进行控制的活动元件的手术工具，其特征在于，壳体可以可拆卸式接合的方式与手术工具附接。
97.如权利要求96所述的装置，其特征在于，第一照相机和第二照相机布置提供包含至少一部分活动元件的竖直视场和水平视场。
98.如权利要求96所述的装置，其特征在于，水平视场和竖直视场被选择为观察包含了基本所有活动元件的体积。
99.如权利要求96所述的装置，其特征在于，经过照相机轴线的水平视场大体平行于由经过活动元件轴线的水平面限定的平面或与其成锐角。
100.如权利要求96所述的装置，其特征在于，第一照相机和第二照相机设置在壳体内以便位于活动段的纵向轴线的任一侧。
101.如权利要求96所述的装置，其特征在于，第一照相机和第二照相机朝向活动段的纵向轴线倾斜。
102.如权利要求96所述的装置，其特征在于，投影机与活动段的纵向轴线大体上水平对准地位于壳体内。
103.如权利要求96所述的装置，其特征在于，投影机以与活动段的纵向轴线成一定角度的收敛关系位于壳体内。
104.如权利要求96所述的装置，进一步包括：配置在该装置内用来控制工具操作的电子设备、通讯设备和软件构件。
105.如权利要求96所述的装置，进一步包括：配置为与触发器协作的触觉反馈机构。
106.如权利要求96所述的装置，进一步包括被配置为更换手术工具触发器的触觉反馈机构。
107.如权利要求105所述的装置，触觉反馈机构进一步包括与机构内的剪式连杆相联的至少一个复位元件。
108.如权利要求105所述的装置，触觉反馈机构进一步包括至少一个约束元件，其与机构内的剪式连杆相联以便可控地改变连杆的移动范围或者响应性。
109.如权利要求105所述的装置，触觉反馈机构配置为与触发器并排放置。
110.如权利要求105所述的装置，触觉反馈机构配置为放置在触发器上方。
111.如权利要求105所述的装置，其特征在于，该机构的运动特性传递至壳体内的部件。
112.如权利要求1-111中任一项所述的装置，其特征在于，来自第一照相机的输出通过第一照相机信号传递至位于工具承载的追踪装置外部的电子图像处理器，而来自第二照相机的输出通过第二照相机信号传递至位于工具承载的追踪装置外部的电子图像处理器。
113.如权利要求1-112中任一项所述的装置，其特征在于，来自第一照相机的输出和来自第二照相机的输出通过组合式照相机信号传递至位于工具承载的追踪装置外部的电子图像处理器。
114.如权利要求1-113中任一项所述的装置，进一步包括图像处理器，其被配置为分析来自照相机的图像数据来识别一个或多个追踪元件以及将一个或多个追踪元件的图像数据转换为相对于工具承载的追踪装置位置的数学坐标。
115.如权利要求114所述的装置，其特征在于，图像处理器位于工具承载的追踪装置的壳体内。
116.如权利要求114所述的装置，其特征在于，图像处理器位于工具承载的追踪装置的外部。
117.如权利要求1、2和6-116中任一项所述的装置，其特征在于，投影机被配置为根据图像数据在成对照相机提取图像数据的33ms内提供输出。
118.如权利要求1-117中任一项所述的装置，其特征在于，第一照相机、第二照相机、第三照相机、第四照相机、第五照相机、第六照相机、第七照相机和第八照相机中的一个或多个能够相对于壳体移动。
119.如权利要求40-118中任一项所述的装置，其特征在于，显示器包括触摸屏。
120.如权利要求1、2和4-119中任一项所述的装置，其特征在于，一个或多个传感器包括多个加速计。
121.如权利要求1、2和4-120中任一项所述的装置，其特征在于，一个或多个传感器包括在壳体内支撑在电路板上的一个或多个传感器。
122.如权利要求121所述的装置，其特征在于，一个或多个传感器包括位于电路板顶部的一个或多个传感器。
123.如权利要求121所述的装置，其特征在于，一个或多个传感器包括位于电路板下面的一个或多个传感器。
124.如权利要求121所述的装置，其特征在于，一个或多个传感器包括在电路板上纵向分离的两个传感器。
125.如权利要求1、2和4-124中任一项所述的装置，其特征在于，一个或多个传感器包括附接到壳体的壁上或位于该壁中的一个或多个传感器。
126.如权利要求1、2和4-125中任一项所述的装置，其特征在于，一个或多个传感器包括位于该装置前部的传感器和位于该装置后部的传感器。
127.如权利要求1、2和4-126中任一项所述的装置，其特征在于，一个或多个传感器包括位于该装置相对侧上的传感器。
128.如权利要求1、2和4-127中任一项所述的装置，其特征在于，一个或多个传感器包括邻近第一照相机和第二照相机的传感器。
129.如权利要求1-128中任一项所述的装置，其特征在于，第一照相机和第二照相机的视场不同于第三和第四照相机的视场。
130.如权利要求1-129中任一项所述的装置，其特征在于，第一照相机和第二照相机的视场被配置为包括手术程序期间附接到患者上的基本上所有的参考框架。
131.一种使用徒手操作的手术工具的计算机辅助手术(CAS)方法，该方法包括：
对患者将要进行骨头或组织切割手术的一部分生成三维表示；
识别与将要使用徒手操作的手术工具的活动元件进行手术的骨头或组织部分相对应的三维表示区域；
生成与这部分骨头或组织相对应的三维表示区域的手术计划；
确定将要进行手术的那部分骨头或组织的位置；
确定徒手操作的手术工具的位置；
计算那部分骨头或组织的位置与手持式手术工具位置之间的距离；
如果那部分骨头或组织与手持式手术工具之间的距离大于第一临界距离，将手持式手术工具的模式设置为正常追踪模式；
如果那部分骨头或组织与手持式手术工具之间的距离小于第一临界距离且大于第二临界距离，将手持式手术工具的模式设置为强化追踪模式；以及，
如果那部分骨头或组织与手持式手术工具之间的距离小于第二临界距离，将手持式手术工具的模式设置为切割模式。
132.如权利要求131所述的方法，进一步包括在手术工具处于切割模式时使骨头或组织与徒手操作的手术工具的活动元件接触。
133.如权利要求132所述的方法，其特征在于，使骨头或组织与活动元件接触包括给股骨或胫骨或膝形成多个平面切口。
134.如权利要求133所述的方法，其特征在于，多个平面切口是整个膝置换手术的一部分。
135.如权利要求134所述的方法，其特征在于，多个平面切口根据待植入患者体内的预先确定的假体的构造预先选择。
136.如权利要求135所述的方法，进一步包括在形成多个切口之后将手持式手术工具模式变化为植入物匹配度评估模式。
137.如权利要求136所述的方法，进一步包括比较手术计划的多个平面切口和待植入假体以确定植入物与多个切口的相容性。
138.如权利要求131所述的方法，进一步包括重复确定那部分骨头或组织的位置以及确定手持式手术工具的位置。
139.如权利要求131所述的方法，其特征在于，正常追踪模式和强化追踪模式允许选自下组的辅助任务，该组包括：计算股骨和胫骨间的动作，再次校准参考框架，以及确定手持式手术工具接近配准平台，其中切割模式不允许选自下组的辅助任务，该组包括：计算股骨和胫骨间的动作，再次校准参考框架，以及确定手持式手术工具接近配准平台，其中切割模式不允许辅助任务。
140.如权利要求131所述的方法，其特征在于，将模式设置为正常追踪模式和强化追踪模式包括关闭手持式手术工具的马达控制功能，将模式设置为切割模式包括启动手持式手术工具的马达控制功能。
141.如权利要求131所述的方法，其特征在于，将模式设置为正常追踪模式包括关闭与手持式手术工具相连的二维引导图形界面(GUI)，将模式设置为强化追踪模式和切割模式包括打开与手持式手术工具相连的二维引导GUI。
142.如权利要求131所述的方法，其特征在于，将模式设置为正常追踪模式和强化追踪模式包括关闭手持式手术工具上的投影机，将模式设置为切割模式包括打开投影机。
143.如权利要求131所述的方法，其特征在于，将模式设置为正常追踪模式包括关闭手持式手术工具上的显示器，将模式设置为强化追踪模式和切割模式包括打开显示器。
144.如权利要求131所述的方法，其特征在于，将模式从正常追踪模式变化为强化追踪模式包括增加适用于手持式手术工具的导向和错误计算的资源。
145.如权利要求131所述的方法，其特征在于，将模式从强化追踪模式变化为切割模式包括增加适用于导向和错误计算的资源、工具马达控制器、与手持式手术工具相连的二维引导图形界面以及手持式手术工具上的投影机或显示器。
146.如权利要求131所述的方法，其特征在于，第一临界距离大于200mm并且第二临界距离为100mm到200mm。
147.如权利要求131所述的方法，其特征在于，第二临界距离为70mm到100mm。
148.如权利要求131所述的方法，其特征在于，第二临界距离为10mm到0mm。
149.如权利要求131所述的方法，进一步包括在确定将进行手术的那部分骨头或组织的位置之前设定第一临界距离和第二临界距离。
150.如权利要求149所述的方法，进一步包括，在相对于那部分骨头或组织的预定空间定向上将包括一个或多个位置标记的参考框架附接到患者，其中确定那部分骨头或组织的位置包括确定参考框架的位置。
151.如权利要求150所述的方法，进一步包括，使用多个照相机来确定一个或多个位置标记的位置。
152.如权利要求151所述的方法，其特征在于，一个或多个位置标记的位置使用图像处理器确定，该图像处理器被配置为分析来自照相机的图像数据来识别一个或多个位置标记以及将一个或多个位置标记的图像数据转换为相对于工具承载的追踪装置和徒手操作的手术工具的位置的数学坐标。
153.如权利要求151所述的方法，其特征在于，多个照相机位于壳体内或与壳体相联。
154.一种使用具有其上附接有工具承载的追踪装置的手持式手术仪器进行计算机辅助手术(CAS)过程的方法，该方法包括：
使用工具承载的追踪装置收集和处理CAS数据，包括使用源自第一对照相机和一个或多个传感器的数据确定工具位置，第一对照相机和一个或多个传感器位于工具承载的追踪装置的壳体上或壳体内部；
在CAS程序中实时评估CAS数据；
通过为使用者提供与CAS步骤有关的指导使用工具承载的追踪装置执行CAS的相关操作；以及
通过投影或显示与CAS程序有关的输出为手术仪器的使用者提供与评估步骤有关的输出。
155.如权利要求154所述的方法，其特征在于，一个或多个传感器选自如下组，该组包括：倾角计、陀螺仪、双轴陀螺仪、三轴陀螺仪或其他多轴陀螺仪、单轴-双轴-三轴或多轴加速计、电位计和被配置为提供与工具承载的追踪装置有关的翻滚、俯仰、偏航、定向或振动信息中的一个或多个的MEMS仪器。
156.如权利要求154-155中任一项所述的方法，评估进一步包括：
比较从工具承载的追踪装置接收的数据和使用计算机辅助手术的手术计划提供的数据。
157.如权利要求154-156中任一项所述的方法，进一步包括：
根据评估步骤的结果确定预定的计算机辅助手术处理模式，该预定的处理模式选自由悬停模式、部位接近模式和实际步骤模式组成的组。
158.如权利要求154-157中任一项所述的方法，其特征在于，被作为使用者在膝上进行计算机辅助手术程序的一个或多个步骤的结果改变给使用者提供CAS输出的步骤以及修改工具承载的追踪CAS处理技术或输出，该手术程序包括：形成远端股骨切口，形成远端股骨前部切口，形成远端股骨后部外髁切口，形成远端股骨后部内髁切口，形成远端股骨前部斜切口，形成远端股骨后部外髁斜切口，形成远端股骨后部内髁斜切口，形成远端股骨开槽切口，在远端股骨稳定柱上钻出空腔，形成近端胫骨切口，形成近端胫骨脊切口或者钻出近端胫骨脊的孔。
159.如权利要求154-158所述的方法，其特征在于，工具的位置根据第一对照相机的位置与附接到患者的一个或多个参考框架之间的空间关系以及来自一个或多个传感器的数据进行计算。
160.如权利要求154-159中任一项所述的方法，其特征在于，使用工具承载的追踪装置收集和处理CAS数据进一步包括从位于工具承载的追踪装置的壳体上或内的第二对照相机接收数据。
161.如权利要求160所述的方法，其特征在于，工具的位置根据第一对照相机和第二对照相机的位置与附接到患者的一个或多个参考框架之间的空间关系以及来自一个或多个传感器的数据进行计算。
162.一种使用具有其上附接有工具承载的追踪装置的手持式手术仪器进行计算机辅助手术(CAS)程序的方法，该方法包括：
使用工具承载的追踪装置收集和处理CAS数据，包括使用源自位于工具承载的追踪装置壳体上或内的第一对照相机和第二对照相机的数据确定工具的位置；
在CAS程序中实时评估CAS数据；
通过为使用者提供与CAS步骤有关的指导使用工具承载的追踪装置执行CAS的相关操作；以及
通过投影或显示与CAS程序有关的输出向手术仪器的使用者提供与评估步骤有关的输出。
163.如权利要求162所述的方法，评估进一步包括：
比较从工具承载的追踪装置接收的数据和使用计算机辅助手术的手术计划提供的数据。
164.如权利要求162-163中任一项所述的方法，进一步包括：
根据评估步骤的结果确定预定的计算机辅助手术处理模式，该预定的处理模式选自由悬停模式、部位接近模式和实际步骤模式组成的组。
165.如权利要求162-164中任一项所述的方法，其特征在于，作为使用者在膝上进行计算机辅助手术程序的一个或多个步骤的结果改变给使用者提供CAS输出的步骤以及修改工具承载的追踪CAS处理技术或输出，该手术程序包括：形成远端股骨切口，形成远端股骨前部切口，形成远端股骨后部外髁切口，形成远端股骨后部内髁切口，形成远端股骨前部斜切口，形成远端股骨后部外髁斜切口，形成远端股骨后部内髁斜切口，形成远端股骨开槽切口，在远端股骨稳定柱上钻出空腔，形成近端胫骨切口，形成近端胫骨脊切口或者钻出近端胫骨脊的孔。
166.如权利要求162-165中任一项所述的方法，其特征在于，使用工具承载的追踪装置收集和处理CAS数据进一步包括从位于工具承载的追踪装置的壳体上或内的一个或多个传感器接收数据。
167.如权利要求166所述的方法，其特征在于，一个或多个传感器选自如下组，该组包括：倾角计、陀螺仪、双轴陀螺仪、三轴陀螺仪或其他多轴陀螺仪、单轴-双轴-三轴或多轴加速计、电位计和被配置为提供与工具承载的追踪装置有关的翻滚、俯仰、偏航、定向或振动信息中的一个或多个的MEMS仪器。
168.如权利要求162-167中任一项所述的方法，其特征在于，根据第一对照相机和第二对照相机相对于附接到患者的一个或多个参考框架的位置之间的空间关系计算工具的位置。
169.如权利要求154-168中任一项所述的方法，提供步骤进一步包括：显示、投影或指示与计算机辅助手术处理步骤有关的输出中的一个或多个。
170.如权利要求169所述的方法，其特征在于，提供步骤大体上通过附接到手术仪器上的工具承载的追踪装置提供给使用者。
171.如权利要求154-170中任一项所述的方法，提供步骤的输出进一步包括触觉指示、触感指示、声音指示或视觉指示中的一个或多个。
172.如权利要求171所述的方法，其特征在于，触觉指示包括温度指示。
173.如权利要求171所述的方法，其特征在于，触感指示包括力指示或振动指示。
174.如权利要求171所述的方法，其特征在于，提供输出步骤通过工具承载的追踪装置的部件执行。
175.如权利要求154-174中任一项所述的方法，评估步骤进一步包括比较自工具承载的追踪装置接收的数据和使用计算机辅助手术的手术计划提供的数据。
176.如权利要求154-175中任一项所述的方法，其特征在于，在评估步骤期间执行的数据处理步骤根据自工具承载的追踪装置接收的信息进行修改。
177.如权利要求176所述的方法，其特征在于，信息与来自所涉手术区域信息的视觉数据、源自工具承载的追踪装置上的传感器的数据、获得的与手术仪器的操作特性有关的数据中的一个或多个有关。
178.如权利要求154-177中任一项所述的方法，其特征在于，输出为自动生成的用来响应于评估步骤的结果调整手术工具的性能参数的控制信号。
179.如权利要求178所述的方法，其特征在于，性能参数包括改变工具切割速度或者停止工具操作，提供步骤的输出进一步包括用来控制动力工具操作(改变切割速度和/或停止工具)的电子设备。
180.如权利要求154-179中任一项所述的方法，进一步包括：
根据评估步骤的结果确定计算机辅助手术处理模式。
181.如权利要求180所述的方法，其特征在于，确定步骤基于如下的一个或多个的评估：手术区域内的物理参数，例如通过附接于其上的参考框架在区域内追踪的元件的位置或者位置的组合，参考框架输入，提取投影图像，传感器探测到的动作，来自计算的动作检测，计算机辅助手术程序的总进展，与先前准备的计算机辅助的测量或者预测偏差。
182.如权利要求180所述的方法，其特征在于，确定步骤选择众多预定处理模式中的一个。
183.如权利要求182所述的方法，其特征在于，预定处理模式是悬停模式、部位接近模式和实际步骤模式。
184.如权利要求183所述的方法，其特征在于，预定处理模式为悬停模式并且使用悬停模式CAS算法处理从工具承载的追踪装置接收的数据。
185.如权利要求184所述的方法，提供步骤包括作为将悬停模式CAS算法应用到使用工具承载的追踪装置接收的数据上的结果给出的输出。
186.如权利要求183所述的方法，其特征在于，预定处理模式是部位接近模式并且使用部位接近模式CAS算法处理从工具承载的追踪装置接收的数据。
187.如权利要求186所述的方法，提供步骤包括作为将部位接近模式CAS算法应用到使用工具承载的追踪装置接收的数据上的结果给出的输出。
188.如权利要求183所述的方法，其特征在于，预定处理模式是实际步骤模式并且使用实际步骤模式CAS算法处理从工具承载的追踪装置接收的数据。
189.如权利要求188所述的方法，提供步骤包括作为将实际步骤模式CAS算法应用到使用工具承载的追踪装置接收的数据上的结果给出的输出。
190.如权利要求182所述的方法，其特征在于，每个预定处理模式调整工具承载的追踪装置承载的计算机辅助手术计算机或处理系统所采用的一个或多个处理因素。
191.如权利要求190所述的方法，其特征在于，工具承载的追踪CAS处理模式因素选自以下的一个或多个：照相机帧尺寸；工具承载的追踪照相机定向；根据要求的调整对照相机软件程序或固件进行的调整；对工具承载的追踪照相机或其他照相机图像输出的调整以改变照相机的水平视场、竖直视场或者水平以及竖直视场内的感兴趣区域的大小；用于可调整照相机镜头调整或定位的驱动信号；图像帧率；图像输出质量；刷新速率；抓帧速率；参考框架2；参考框架1；开启参考框架基准选择；关闭参考框架基准选择；可见光谱处理；IR光谱处理；反射光谱处理；LED或者照明光谱处理；手术工具马达/致动器速度和方向，总的CAS过程的进展；特定的CAS步骤进展；图像数据阵列修改；工具承载的追踪微型投影机刷新速率；工具承载的追踪微型投影机精度；一种或多种图像分割技术；基于CAS进展的图像部分的一个或多个基于逻辑抽取；信噪比调整；一个或多个图像放大过程，一个或多个图像过滤过程；对图像速率、像素或者子像素视觉处理的动态实时增强或减弱应用加权平均或者其他因素；手颤补偿；对锯、钻或者其他电动手术工具的基于仪器的噪声补偿；以及基于单独或者任意组合来自工具承载的追踪信息的振动补偿过程。
192.如权利要求182所述的方法，其特征在于，输出基于一个预定处理模式的选择结果进行调整。
193.如权利要求192所述的方法，其特征在于，使用工具承载的追踪装置上的投影机将输出提供给使用者。
194.如权利要求193所述的方法，其特征在于，投影机输出基于投影机输出显示期间给出的手术部位的物理特性进行调整。
195.如权利要求194所述的方法，其特征在于，物理特性是如下的一个或多个：投影机输出可获得的一部分尺寸的形状；投影机投影区域的地形和投影机相对于投影机输出可获得的部位部分的定向。
196.如权利要求193所述的方法，其特征在于，投影机输出包括当手术工具用于手术部位时，对于手术工具的使用者可见的信息。
197.如权利要求193所述的方法，其特征在于，投影机输出包括对手术工具使用者可见的、用来根据手术计划指示位置、相对运动、定向或与手术工具的活动元件在手术区域内的定位有关的其他导向参数的信息。
198.如权利要求154-197中任一项所述的方法，向使用者输出CAS输出的步骤作为与膝有关的手术程序期间执行的上述步骤中的一个的结果变化。
199.如权利要求154-198中任一项所述的方法，提供输出的步骤进一步包括：在系统屏幕、工具承载的追踪或者移动设备屏幕上的GUI界面上显示输出。
200.如权利要求154-199中任一项所述的方法，工具承载的追踪CAS处理技术或者输出作为与膝有关的手术程序期间执行的上述步骤中的一个的结果进行修改。
201.如权利要求154-200中任一项所述的方法，其特征在于，作为使用者在膝上进行计算机辅助手术程序的一个或多个步骤的结果改变给使用者输出CAS输出的步骤以及修改工具承载的追踪CAS处理技术或输出，该手术程序包括：形成远端股骨切口，形成远端股骨前部切口，形成远端股骨后部外髁切口，形成远端股骨后部内髁切口，形成远端股骨前部斜切口，形成远端股骨后部外髁斜切口，形成远端股骨后部内髁斜切口，以及形成近端胫骨切口。
202.如权利要求154-201中任一项所述的方法，向使用者输出CAS输出的步骤作为与肩、髋、踝、脊椎或肘中的一个有关的手术程序期间执行的其中一个步骤的结果而改变。
203.如上述权利要求154-202中任一项所述的方法，其特征在于，工具承载的追踪CAS处理技术或输出作为与肩、髋、踝、脊椎或肘中的一个有关的手术程序期间执行的所述步骤中的一个的结果而改变。
204.如上述权利要求154-203中任一项所述的方法，其特征在于，评估数据的步骤使用在工具承载的追踪装置内的处理系统进行。
205.如权利要求204所述的方法，其特征在于，有包含在可接入处理系统的电子存储器内、与工具承载的追踪CAS处理步骤的性能有关的电子指令。
206.如上述权利要求154-205中任一项所述的方法，其特征在于，评估数据的步骤使用与工具承载的追踪装置通讯的处理系统进行。
207.如权利要求206所述的方法，其特征在于，有包含在可接入处理系统的电子存储器内、与工具承载的追踪CAS处理步骤的性能有关的电子指令。
208.如权利要求154-207中任一项所述的方法，其特征在于，工具的位置相对于附接到患者的一个或多个位置标记确定；并且进一步包括：使用被配置为分析来自照相机的图像数据的图像处理器来识别一个或多个位置标记以及将一个或多个位置标记的图像数据转换为相对于工具承载的追踪装置位置和手持式手术仪器的数学坐标。
209.如权利要求208所述的方法，其特征在于，图像处理器位于工具承载的追踪装置内。
210.如权利要求208所述的方法，其特征在于，图像处理器位于工具承载的追踪装置外部。
211.一种用于进行计算机辅助手术的系统，包括：
具有与工具的手术功能相对应的活动元件的手术工具；
使用被配置为与至少一部分手术工具接合的壳体联接到工具上的、如权利要求1-130中任一项所述的工具承载的追踪装置；
具有存储在电子存储器内、用于使用至少部分地从工具承载的追踪装置获得的数据进行计算机辅助手术程序以及在手术步骤中提供可用输出的计算机可读指令的计算机。
212.如权利要求211所述的系统，投影机进一步包括以下的一个或多个：将输出投影到一部分患者解剖结构上的投影能力，位于手术场景内的表面，电子设备，或投影机输出范围内的其他物体。
213.如权利要求211所述的系统，其特征在于，计算机位于壳体内。
214.如权利要求211所述的系统，其特征在于，计算机与工具承载的追踪装置分离并经由有线或无线连接相连。
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