CN108814698A - 瞄准整形外科装置的标记 - Google Patents

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C.R.贝克
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Abstract

一种用于瞄准整形外科植入物的标记的装置包括：外壳，其被构造成接合配合结构，用于所述外壳至所述整形外科植入物的附接；以及定位于所述外壳内的已知位置的电磁传感器，其中，当所述外壳与所述配合结构接合时，所述传感器相对于所述整形外科植入物的标记的位置对至少五个自由度来说是已知的。

Description

瞄准整形外科装置的标记
本申请是申请号为201180063738.7、名称为“瞄准整形外科装置的标记”、申请日为2011年10月31日的专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年11月1日提交的序列号61/408884的美国临时申请“TargetingLandmarks of Orthopaedic Devices”以及2011年10月11日提交的序列号61/546052的美国临时申请“Targeting Landmarks of Orthopaedic Devices”的优先权和全部权益，所述申请的全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开涉及瞄准整形外科装置的标记。
背景技术
整形外科装置用于许多损伤或疾病的治疗。例如，某些骨折的治疗包括采用可植入的整形外科板和/或可植入的整形外科钉以及骨螺钉或销来稳定骨的选定部分和/或片段。作为另一实例，采用由骨螺钉或销固定的板和/或钉，关节可以融合或以其他方式固定不动。
在一些情况下，瞄准整形外科植入物的隐藏标记是有必要的或者有利的。例如，一些方法包括布置骨螺钉或销穿过所植入整形外科装置的选定孔。在某些情况下，这种瞄准可采用放射线成像来完成。遗憾的是，由于各种原因放射线成像是不合需要的。例如，曝光于成像过程中使用的辐射能量对于患者是有害的，以及对于那些治疗患者的人或辅助治疗患者的人也是有害的。此外，放射线成像是昂贵的并且耗时的，并且也潜在地不准确或者相比较于所期望的较不准确。
近来，基于电磁的整形外科植入物的瞄准被用来确定所植入整形外科装置的特征以及工具的相对位置和方向。例如，可采用电磁瞄准系统来瞄准所植入髓内钉的远端锁定孔，以便进行钻孔以及使用锁定螺钉固定，所述电磁瞄准系统例如是SMITH & NEPHEW®提供的TRIGEN®SURESHOT®远端瞄准系统。
发明内容
在一个一般性的方面，一种装置包括位置传感器和外壳。外壳可被构造成接合配合结构，所述配合结构耦合至整形外科植入物或形成于整形外科植入物上。当所述外壳接合于所述配合结构时，所述位置传感器可用于确定整形外科植入物的标记的位置。
在另一个一般性的方面，一种用于瞄准整形外科植入物的标记的装置包括外壳，其被构造成接合配合结构，用于所述外壳至所述整形外科植入物的附接。所述装置还包括电磁传感器，其定位于外壳内已知的位置，其中，当所述外壳与所述配合结构接合时，所述传感器相对于所述整形外科植入物的标记的位置对至少五个自由度来说是已知的。
实施方式可包括下列特征的一个或多个。例如，所述外壳包括具有制动部的大致圆柱形外表面和球塞中的一个，以将外壳固定地附接至植入物。外壳包括裂口端，其可扩张以接合配合结构以及将外壳固定地附接至植入物。外壳包括具有可压缩构件的外表面，该可压缩构件被构造成接合沟槽，以将外壳固定地附接至植入物。外壳包括锥形外表面，其被构造成接合基座（seat），以便将外壳固定地附接至植入物。外壳限定了中心纵向轴线，该外壳具有沿外壳的中心纵向轴线的曲率。配合结构包括多边形外部，并且其中，外壳包括互补多边形部，用于配合多边形外部。
在另一个通用方面，一种瞄准整形外科装置的标记的方法包括采用标记识别器和第一电磁场传感器定位整形外科装置的第一标记。标记识别器具有电磁场发生器，并且当定位第一标记时第一电磁场传感器处于电磁场发生器的工作空间内。该方法包括在工作空间内放置第二电磁场传感器，以及采用标记识别器和第二电磁场传感器定位整形外科装置的第二标记。
实施方式可包括下列特征的一个或多个。例如，在定位第二标记时第一电磁场传感器处于电磁场发生器的工作空间的外部。第一标记是孔。整形外科装置是骨板。附接第二电磁场传感器包括进入孔中以及经由该孔将第二电磁场传感器附接至整形外科装置。当将整形外科装置植入患者内时进入该孔。所述孔是螺纹孔，并且其中，附接第二电磁场传感器包括使钻套筒和螺纹孔相接合，以及将第二电磁场传感器附接至钻套筒。该方法还包括将第一电磁场传感器布置在相对于第一标记的已知位置。
该方法还包括校准第一电磁场传感器。校准第一电磁场传感器包括使用第二电磁场传感器和电磁场发生器中的至少一个。该方法还包括提供外壳，用于安装第一电磁场传感器，并且该外壳包括至少两个配合结构，该至少两个配合结构被构造成接合植入物上的预先选定的部位。该方法还包括提供外壳，用于安装第一电磁场传感器，其中，该外壳包括与植入物内的预先选择的特征相配合的特征。该方法还包括校准第二电磁场传感器。校准第二电磁场传感器包括当第一和第二电磁场传感器定位于电磁场发生器的操作空间内时，基于从第一电磁场传感器接收的信号校准从第二电磁场传感器接收的信号。该方法还包括从第一电磁场传感器的位置至第二电磁场传感器的位置改变瞄准系统的全局参考系。
在另一个一般性的方面，一种瞄准整形外科装置的标记的方法包括在第一位置固定地附接电磁场传感器，该电磁场传感器相对于整形外科植入物的第一标记的位置对多个自由度来说是已知的。该方法包括针对未知自由度确定电磁场传感器的位置，以及采用电磁场发生器和电磁传感器中的至少一个来校准电磁场传感器。该方法还包括采用已校准的电磁场传感器和电磁场发生器瞄准整形外科植入物的第二标记。
实施方式可包括下列特征的一个或多个。例如，该方法还包括在校准电磁场传感器后将整形外科植入物植入患者体内。该方法包括在校准电磁场传感器前将整形外科植入物植入患者体内。该方法还包括在相对于整形外科植入物的第三标记的已知位置，将接电磁场发生器固定地附接至整形外科植入物，其中，在电磁场发生器附接至整形外科植入物时校准电磁场传感器。第二标记与第三标记相同。该方法还包括在相对于整形外科植入物的第三标记的已知位置，将第二电磁场传感器固定地附接至整形外科植入物，其中，在第二电磁场传感器附接至整形外科植入物时校准电磁场传感器。第二标记与第三标记相同。该方法还包括将电磁场传感器固定地附接至整形外科植入物，包括将钻套筒附接至整形外科植入物的孔以及将外壳附接至钻套筒，电磁场传感器附接至外壳。电磁场传感器相对于整形外科植入物的孔的位置对三个平移自由度和两个旋转自由度来说是已知的。校准电磁场传感器包括在第三旋转自由度上确定电磁场传感器的旋转位置。将电磁场传感器固定地附接至整形外科植入物包括将插入手柄附接至整形外科植入物。
在另一个一般性的方面，一种确认工具相对于整形外科稳定结构的可接受定位的方法包括从传感器接收信号，该信号指示工具相对于整形外科稳定结构的标记的位置。该方法包括确定工具相对于标记的位置，以及比较所述工具的位置与紧固件相对于所述标记的可接受位置范围。该方法包括确定工具相对于标记的位置对应于紧固件相对于所述标记的位置范围内的可接受位置，以及在图形用户界面上输出工具相对于标记的位置是可接受的指示。
实施方式可包括下列特征的一个或多个。例如，输出包括输出从由如下单元组成的群组中选择的一个或多个单元：表示钻头相对于可变角度孔的中心贯通轴线的角度的单元、表示工具相对于标记的可接受位置的一个或多个单元、表示工具相对于标记的非可接受位置的一个或多个单元、钻头相对于可变角度孔的中心贯通轴线的角度的数字表征、紧固件的最大可接受插入角度的数字表征、指示工具的当前位置为可接受的单元、以及指示工具的当前位置为非可接受的单元。整形外科稳定结构包括整形外科骨板，标记是整形外科骨板的可变角度孔，并且紧固件是被构造成用于在可变角度孔内的可变角度插入的骨螺钉。标记是可变角度锁定孔。工具包括钻头，并且其中，比较包括比较钻头相对于可变角度孔的中心贯通轴线的角度与紧固件在可变角度孔内的可接受插入角度。输出包括输出从由如下单元组成的群组中选择的一个或多个单元：表示钻头相对于可变角度孔的中心贯通轴线的角度的单元、可变角度锁定螺钉或可变角度的可接受锥形范围的图形表征、表示工具相对于标记的可接受位置的一个或多个单元、表示工具相对于标记的非可接受位置的一个或多个单元、钻头相对于可变角度孔的中心贯通轴线的角度的数字表征、紧固件的最大可接受插入角度的数字表征、指示工具的当前位置为可接受的单元、以及指示工具的目前位置为非可接受的单元。
在另一个一般性的方面，一种在瞄准整形外科植入物的标记时使用的标记识别器包括外壳和布置于外壳内的至少一个电磁场发生器。所述电磁场发生器可操作以产生工作空间。标记识别器被编程以便至少操作于第一模式和第二模式，其中，当操作于第一模式时的工作空间不同于当操作于第二模式时的工作空间。
在另一个一般性的方面，提供追踪信息的方法包括：追踪器械相对于整形外科植入物的位置，确定由植入物限定的轨迹相对于整形外科植入物的位置，以及在用户界面上指示由器械限定的轨迹相对于整形外科植入物的位置。
实施方式可包括下列特征的一个或多个。例如，该方法包括识别被指示为供与整形外科植入物沿轨迹使用的一个或多个穿刺元件，以及提供识别被指示为供使用的一个或多个穿刺元件的信息。该方法包括识别一个或多个部件类型，其被指示为供整形外科植入物在由器械限定的轨迹上使用，以及提供识别被指示为供使用的一个或多个部件类型的信息。该方法包括确定器械相对于整形外科植入物已经钻进的深度，以及在用户界面上指示该深度。确定器械相对于整形外科植入物已经钻进的深度包括确定钻相对于钻导引器的相对位置。确定钻和钻导引器的相对位置包括确定耦合于钻的第一基准点（fiducial）和耦合于钻导引器的第二基准点的相对位置。该方法包括追踪器械相对于整形外科植入物钻进的位置和深度，以及存储指示器械钻进的位置和深度的信息。该方法包括存储指示已钻孔或已插入螺钉的位置的数据，确定器械的轨迹与已钻孔或已插入螺钉干涉，以及响应于确定器械的轨迹与已钻孔或已插入螺钉干涉而提供该干涉的指示。该方法包括确定穿刺元件可沿轨迹延伸而与已钻孔或已插入螺钉不干涉的最大长度，以及提供该最大长度的指示。该方法包括确定耦合于器械的基准点没有被追踪系统准确地追踪，以及在用户界面上指示器械没有被追踪系统准确地追踪。该方法包括提供一个或多个构造指示器，其识别正被追踪系统追踪的器械或植入物。追踪器械相对于整形外科植入物的位置包括追踪耦合于器械的第一光学参照点和耦合于整形外科植入物的第二光学参照点的相对位置。追踪器械相对于整形外科植入物的位置包括追踪耦合于器械的第一电磁场传感器和耦合于整形外科植入物的第二电磁场传感器的相对位置。
一个或多个实施方式的细节在附图和以下描述中阐释。本公开的其他特征、目的和优势将从所述描述、附图以及权利要求书中变得明显。
附图说明
图1是标记识别器的透视图。
图2是传感器组件和钻套筒的透视图。
图3-6是用于瞄准标记的系统的透视图。
图7是用于瞄准标记的系统的透视图。
图8A-11A是传感器组件的外壳的侧视图。
图11B是钻套筒的剖视图。
图12A是钻套筒和附接构件的剖视图。
图12B是图12A的附接构件的夹子的顶视图。
图13和图14是传感器组件的外壳的透视图。
图15是用于瞄准标记的系统的透视图。
图16A是图15的系统的导引器的透视图。
图16B是图15的系统的附件的透视图。
图16C是图15的系统的钻的透视图。
图17和图18是图15的系统的控制单元的用户界面的实例。
具体实施方式
一种用于瞄准整形外科植入物或其他的整形外科装置的标记的系统包括标记识别器，其被构造成用于附接至整形外科工具并且包括电磁场发生器，电磁场发生器可操作以产生具有已知特性的电磁场。该系统还包括一个或多个电磁场传感器和/或（一个或多个）场发生器，其被构造成用于附接至待瞄准的整形外科植入物或其他整形外科装置，并且所述系统包括控制单元，其被构造成驱动所述电磁场发生器、从（一个或多个）传感器接收输出信号、以及显示所述整形外科植入物和所述标记识别器的相对位置。例如，所述标记识别器、传感器以及控制单元可包括如WIPO国际公开号为WO2008/106593和WO2009/108214中所描述的以及如美国专利申请号为12/758747和12/768689中所描述的特征，每个文献的全部内容都合并于此。
现在参照图1-3，标记识别器10包括电磁场发生器10a，其产生具有已知特性的电磁场。电磁场发生器10a定位于标记识别器10的外壳13内。电磁场发生器10a包括一个或多个线圈或产生电磁场的其他部件。所生成的电磁场可由一个或多个电磁传感器探测，并且基于传感器的输出，可以确定传感器相对于标记识别器10的位置（包括方位和方向）。
所述标记识别器10的有用范围是围绕标记识别器10的三维区域，称为标记识别器10的工作空间。工作空间的尺寸和形状基于电磁场发生器10a产生的电磁场的特征，并且可以基于瞄准精度的需要而修改成更大或更小。例如，当瞄准髓内钉中的孔时，由于所述孔隐藏于骨内的事实则可能需要具有高精度。在一些实施方式中，由于提高了精度，工作空间较小。为了瞄准骨板内的孔，可能不需要非常高的精度，因为骨板的孔的位置在骨外，其中，该孔可被暴露用于视觉确认其位置。结果，可使得工作空间比在一些髓内钉瞄准应用中大的多。较大的工作空间使得有可能瞄准工作空间内的大量的孔。在一些实施方式中，工作空间是围绕标记识别器10的空间。例如，标记识别器10可通常居中地定位于工作空间中，并且对于一些实施方式（诸如瞄准骨板的孔），工作空间可以在宽度上延伸大约50厘米或更多并且在深度上延伸40厘米或更多，以及定位于离标记识别器10大约5厘米的距离。例如，钻套管将具有超过5厘米的长度来保证其定位于工作空间内。
定位于标记识别器10的工作空间内的电磁场发生器组件20能够生成输出信号，其指示由标记识别器10生成的电磁场的强度或磁场强度。输出信号能够用来精确地确定标记识别器10相对于传感器的位置和方向。另一方面，定位于标记识别器10的工作空间之外的传感器通常没有或不能够接收来自标记识别器10的足够电磁能量以生成可用于精确地确定标记识别器10的位置的输出信号。标记识别器10的工作空间的形状和尺寸部分地取决于电磁场发生器10a的构造、电磁场发生器10a的操作的具体特征（诸如驱动信号的特征）以及其他因素。
在一些实施方式中，标记识别器10被编程以操作于多种模式，并且通过安装于标记识别器10内的电路板上的芯片而被控制。例如，在第一操作模式，识别器10产生第一工作空间。在第二操作模式，识别器10产生与第一模式所产生的工作空间具有不同特征的工作空间。例如，第二模式产生的工作空间可以比第一模式产生的工作空间更大或更小。另外的模式以及模式之间的变化也是可能的。
标记识别器10可包括至控制单元40（图3）的有线或无线链接，以接收功率和控制信号来控制电磁场发生器10a的操作。例如，标记识别器10可包括缆线11，其提供了至控制单元40的连接。
操作者，例如外科医生，能够通过外壳13抓住标记识别器10来相对于患者、整形外科装置和/或传感器（诸如电磁传感器组件20（图2））定位标记识别器10。标记识别器10还可包括耦合构件12，工具和其他附件可以耦合到耦合构件12。采用耦合构件12，工具和其他装置可被标记识别器10附接或引导。例如，耦合构件12可接收耦合至钻导引器16的钻导引附件14。标记识别器10能够用来定位钻导引器16，从而被插入穿过钻导引器16的钻头被引导至医疗过程中需要的或适合的位置。
如图2所示，电磁场传感器组件20包括电磁场传感器22、传感器引线24以及外壳28。电磁场传感器22例如可以是感应式传感器，其被构造成通过输出一个或多个感应电流来响应标记识别器10产生的电磁场。传感器22能够产生允许确定标记识别器10的位置的信号。例如，传感器22可包括两个或更多个感应线圈，它们中的每一个输出感应电流。传感器22的输出允许确定传感器22在高达6个自由度上的位置和方向，诸如沿三个平移轴线（通常称为X、Y和Z），以及三个角取向（通常称为俯仰、偏航和滚转），其被限定为绕三个平移轴线的旋转。
传感器22包括用于传递输出信号或与信号相关的数据的连接。例如，传感器引线24提供了用于传递传感器组件20输出的有线连接。传感器引线24可承载传感器22响应于电磁场产生的信号。在一些实施方式中，所述连接可以包括无线发射器。此外，传感器引线24可以包括多于一个的连接，并且传感器引线24可以承载除了信号和数据之外的功率和控制信号，并且双向通信也是可能的。例如，关于传感器22校准的信息可以存储于传感器组件20的存储装置中。
传感器22固定至外壳28以保持传感器22相对于外壳28的位置。例如，传感器22可以在外壳28的已知位置固定地附接至外壳28。在外壳28直接或间接地附接至整形外科装置时，保持传感器22相对于外壳28的位置允许传感器22相对于整形外科装置的标记的位置对至少五个自由度来说是已知的。传感器22在外壳28的某一位置处耦合至外壳28，其可能定位成接近标记（例如外壳28的远端26），使得在试图瞄准标记时传感器22可能定位于标记识别器10的工作空间内。
传感器组件20的外壳28被构造成接合整形外科装置的配合结构或接合连接至整形外科装置的结构（诸如钻套筒18），以将传感器组件20固定至整形外科装置，例如固定至整形外科植入物30（图3）。例如，外壳28可耦合至配合结构以阻止外壳28从整形外科植入物30脱离或在传感器22使用时改变传感器22的方向。
钻套筒18可被构造成接收传感器外壳28，使得当钻套筒18附接至整形外科植入物30时，传感器外壳28和传感器22固定地附接至整形外科植入物30。传感器组件20可以通过例如进入钻套筒18的贯通孔19来附接至钻套筒18。钻套筒18可通过使钻套筒18的螺纹端（未示出）与整形外科植入物的螺纹孔径32接合来附接至整形外科植入物30。在一些实施方式中，例如螺纹孔径32或非螺纹孔径没有被获得的情况，意味着孔径内或围绕孔径没有特征用来重复地和持续地固定传感器22相对于整形外科植入物上的参照点的位置和方向。例如，将传感器22附接至整形外科植入物30可以将传感器22固定至相对于整形外科植入物30对五个自由度来说是已知的位置。具体地，由于钻套筒18与整形外科植入物30的螺纹接合以及可能由于外壳28在贯通孔19内的旋转，传感器22的旋转位置可能是未知的。当传感器22的位置对一个或多个自由度来说是未知的时候，传感器22能够在用于瞄准整形外科植入物30的一个或多个标记前被校准。
如图3所示，瞄准系统300包括控制单元40、第一传感器组件20a、第二传感器组件20b（或者用于校准第一传感器组件20a的第二场发生器组件）以及标记识别器10。系统300能够用于瞄准整形外科装置的标记，诸如整形外科植入物或整形外科稳定结构30。图3所示的整形外科植入物30是骨板，并且可以附接至骨折的骨上，以提供在愈合过程中的骨各部分的对准和支撑。作为其他实例，可采用系统300瞄准的整形外科装置包括髓内钉、骨板、人工关节部件以及外部固定装置。
整形外科植入物30包括多个标记。作为例子，标记可以是结构、空隙、凸起、通道、制动部、凸缘、沟槽、构件、分隔件、台阶、孔径、孔穴、腔体、凹窝、导管、间隙、凹口、孔口、通路、切口、孔或缝槽。例如，整形外科植入物30包括作为标记的各种孔32。孔32例如可以是可变角度的孔、可变角度锁定孔或固定角度锁定孔。
在植入过程期间或之后，可需要标记的精确位置和方向来准确地定位钻头、钉、螺钉或其他装置。然而，标记可能被组织遮盖以及可能难于定位。此外，用于确定工具相对于标记的角度的夹具或其他装置可能是难以使用且耗时的，以及可能无法提供期望的精度。标记识别器10可以用于瞄准标记，或换言之，用于确定标记的位置，即使在标记被组织遮盖时也是如此。标记识别器10还可以用于确定诸如钻的工具或紧固件相对于标记的位置，即使在标记暴露时也是如此。
系统300的控制单元40控制标记识别器10的操作，并且接收来自一个或多个传感器组件20a、20b的输入。控制单元40还包括用户界面42，其向系统300的操作者提供信息。控制单元40包括处理器，其被构造成基于来自传感器组件20a、20b的输入以及关于控制电磁场发生器10a的信号的信息来确定传感器22相对于整形外科植入物30的标记的位置和方向。基于传感器组件20a、20b和标记之间的已知位置关系以及标记识别器10相对于传感器组件20a、20b的已确定位置可以做出所述确定。
在一些实施方式中，仅需要一个传感器组件（诸如传感器组件20a）来瞄准一些标记，诸如在传感器组件20a附接至整形外科植入物30时那些在传感器组件20a有限距离内的标记。如上所描述，在瞄准标记之前可能有必要校准传感器组件20a，例如在传感器组件20a至整形外科植入物30的附接导致传感器22相对于整形外科植入物30在至少一个自由度上的位置是未知的情况中。在一些实施方式中，标记识别系统300的第一传感器组件20a能够在植入整形外科植入物30前被校准。例如，传感器22相对于植入物30的未知方向可通过在植入整形外科植入物之前使用第二传感器组件或场发生器校准第一传感器组件20a来确定。下文所述的校准也可在植入过程期间完成。
为了针对未知的第六自由度来校准第一传感器组件20a，将第一传感器组件20a固定地附接至整形外科植入物30。第一传感器组件20a被附接从而电磁传感器22相对于骨板30的第一标记33a的位置对多个自由度来说是已知的。如图所示，当外壳28被插入钻套筒18中并且钻套筒18完全地通过螺纹旋入第一标记33a中时，传感器22的位置对三个正交平移自由度来说是已知的。可替代地，传感器组件20a可直接地附接至第一标记33a。然后针对未知自由度来确定第一传感器组件20a的传感器22的位置。例如，第二传感器组件20b、或者下文描述的场发生器，在相对于骨板30的第三标记33c已知的位置固定地附接至骨板30。第一传感器组件20a和第二传感器组件20b可被定位成使得传感器组件20a、20b在校准期间同时地处于标记识别器10的工作空间内。因此，当标记识别器10被控制来生成电磁场时，每个传感器组件20a和20b输出信号或数据至控制单元40，以允许控制单元40确定第一传感器组件20a的传感器22相对于标记33a的位置和方向。
例如，在确定传感器22相对于标记33a的位置时，控制单元40能够访问有关整形外科植入物30的形状以及整形外科植入物30的特征的位置的信息。此外，控制单元40能够访问有关第一和第二传感器组件20a和20b的传感器22的位置的信息。例如，第一和第二传感器组件20a和20b可以附接至预先选定的标记33a和33c，或者有关传感器组件20a和20b所附接的标记33a和33c的信息可以被输入至控制单元40，例如通过使用者触摸界面42的一部分来指示传感器组件所附接的标记。第一传感器组件20a和第二传感器组件20b的信号可结合有关第一传感器组件20a和第二传感器组件20b的已知位置的信息以用来针对一个或多个未知自由度（诸如之前未知的旋转自由度）确定第一传感器组件20a的位置和方向。
校准第一传感器组件20a可包括在控制单元40内存储校准数据和/或可包括在第一传感器组件20a内存储校准数据。例如，在校准前，控制单元40可解释来自第一传感器组件20a的信号以指示沿箭头A的骨板30的方向。即使第一传感器组件20a的位置和方向可被精确地解释而无需校准，但是来自第一传感器组件20a的信号可能被控制单元40不准确地解释，例如，不准确地指示骨板30定向在不准确的方向31。然而，采用第二传感器组件20b的位置信号，控制单元40可以确定来自第一传感器组件20a的信号不指代箭头A，而是指代箭头B。使用该信息，控制单元40可以确定偏差，例如角度E，用于校准从第一传感器组件20a接收到的信号。在校准后，控制单元40能够基于校准数据和来自第一传感器组件20a的输入而无需来自第二传感器组件20b的其他输入，来确定骨板30的正确位置和方向。
在校准第一传感器组件20a之后，第二传感器组件20b可以从整形外科植入物30移除，并且整形外科植入物30可以被植入患者体内。在植入后，如将在下文中更加详细描述的，已校准的传感器组件20a和标记识别器10可以用来瞄准位于工作空间内的整形外科植入物30的标记32和其他的标记。位于工作空间之外的标记可通过第二传感器瞄准，这被称为跳步法，将在下文描述。
另外地或可替代地，可以通过将标记识别器10固定地附接至整形外科植入物30而不使用第二传感器组件20b来校准第一传感器组件20a。标记识别器10固定地附接至相对于骨板30的标记的已知位置，诸如通过将校准构件附接至耦合构件12以及将校准构件附接至选定的或预先选定的标记（诸如标记33b）。标记识别器10的已知位置能够被用作参照点以类似于前文关于第二传感器组件20b的已知位置所描述的方式来校准第一传感器组件20a。
可替代地，可以通过在外壳28的远端设置至少两个分离的配合结构而不使用第二传感器组件20b或者场发生器来校准第一传感器组件20a，所述配合结构用于接合整形外科植入物内或上的两个预先选定的标记或参照结构。例如，如图13所示，外壳28可接合整形外科植入物30，使得外壳相对于整形外科植入物的位置对六个自由度来说是已知的，使得没有必要采用第二传感器组件20b或场发生器来进行校准。外壳28能够通过外部附接至钻套筒18而接合整形外科植入物30。整形外科植入物30可包括许多标记132a-132d，并且钻套筒18可以在特定的已知标记132b上耦合到整形外科植入物30。
外壳28可包括延伸部130，其被构造成在外壳28相对于整形外科植入物30的特定位置接触整形外科植入物。例如，延伸部130可包括端部131，其接触整形外科植入物30的侧边。端部131与整形外科植入物30的接触指示了外壳28（由此耦合至外壳28的传感器22）被布置在相对于整形外科植入物30的已知位置。
在一些实施方式中，耦合至外壳28的钻套筒18以螺纹连接的方式接合整形外科植入物30。延伸部130可被构造成允许钻套筒18通过相对于整形外科植入物30旋转来接合标记132b。在特定的已知位置，延伸部130接触整形外科植入物30来阻止钻套筒18和外壳28的进一步旋转，并且外壳28相对于整形外科植入物30的旋转位置是已知的。由于耦合至外壳28的传感器22提供了针对五个自由度的位置信息并且已知的旋转位置指示了第六自由度，所以没有必要采用第二传感器组件或场发生器来校准传感器22。
类似地，如图14所示，外壳28可包括两个部分141和143，其被构造成接合两个分离的孔132a和132b或整形外科植入物30的其他结构。壳体28的两个分离的配合结构141和143可被构造成使得配合结构仅能在相对于整形外科植入物30的单一位置同时接合孔132a和132b。因此，由于配合结构141和143都接合整形外科植入物30的孔132a和132b时已知外壳28处于单一位置，所以基于外壳和整形外科植入物的正确接合而无需独立的校准程序，第一传感器组件20a的位置对六个自由度来说可以是已知的。
在一些实施方式中，如将参照图7在下文更加详细描述的，可以通过将传感器组件20a或传感器22耦合至手柄60而不使用第二传感器组件20b或者场发生器来校准第一传感器组件20a，手柄60可在已知位置接合整形外科植入物30。由于传感器22相对于手柄60的位置是已知的，所以当手柄60在已知的位置接合整形外科植入物30时，传感器22相对于骨板30的位置也是已知的。
现在参照图4，在校准第一传感器组件20a和植入整形外科植入物30后，标记识别器10和控制单元40可以用来瞄准位于工作空间内的整形外科植入物30的另外的标记32。例如，通过将整形外科植入物插入穿过患者皮肤中的切口52a，可将整形外科植入物30在患者皮肤52下面植入患者的骨50附近。因此，骨板30的孔32由于被患者皮肤52和其他组织遮蔽而不可见。然而，由于第一传感器组件20a相对于标记识别器的位置对六个自由度来说是已知的，处于工作空间内的整形外科植入物30的标记32在传感器组件20a也位于工作空间内时可以基于标记32相对于传感器组件20a的已知位置来定位。
为了瞄准标记32中的一个，标记识别器10被定位成接近整形外科植入物30，诸如使得钻导引器16的尖端16a接触患者皮肤。在第一传感器组件20a定位于标记识别器10的工作空间内并且电磁场发生器10a产生电磁场时，控制单元40接收由第一传感器组件20a产生的信号，该信号指示第一传感器组件20a相对于标记识别器10的位置。采用来自第一传感器组件20a的信号，控制单元40可以确定标记识别器10相对于整形外科植入物30的标记32的位置。控制单元40在用户界面42上输出有关标记识别器10相对于整形外科植入物30的标记32的位置的信息。基于用户界面42，外科医生或其他操作者能够将标记识别器10放置在一位置，在该位置，界面42指示钻导引器16的尖端16a直接处于整形外科植入物30的选定标记32之上。在一些实施方式中，界面42包括第一识别器单元44a（诸如第一圆圈），其指示了钻导引器16的远侧尖端16a的位置。因此，当第一识别器单元44a与标记单元46a（其对应于且表示被瞄准的标记32）对准时，界面42指示钻导引器16的尖端16a直接处于由标记单元46a所表示的标记32之上。界面42还可包括不同的图形单元，并且可包括声音或触觉输出。
当标记32的位置已知时，可在第一识别器单元44a与用户界面42上指示的标记单元46a对准时，诸如通过在钻导引器16的尖端16a的区域做出切口而使标记32暴露。然后，临时固定销、非锁定骨螺钉、锁定骨螺钉或者可变锁定骨螺钉可接合患者的骨和/或标记32。此外，钻或其他工具能够用来在患者骨上产生孔以接收上文提到的紧固件中的一个或多个。
控制单元40的界面42还可指示标记识别器10相对于整形外科植入物30或标记32的目前角位置，以确认工具相对于整形外科植入物30的可接受定位。例如，控制单元40能够显示钻导引器16相对于整形外科植入物30的可变角度锁定孔的当前角度，从而操作者（例如外科医生）能够确认在患者的骨50内所钻的孔将导致用于可变角度锁定紧固件的可接受角度。在一些实施方式中，界面42包括第二识别器单元44b（诸如第二圆圈）和第三识别器单元44c，第二识别器单元44b表示标记识别器10的近侧部分，第三识别器单元44c表示从第一识别器单元44a到第二识别器单元44b的轴线。如图4所示，在第一识别器单元44a和第二识别器单元44b彼此接近时，标记识别器10从参照轴线的角度接近于零度，所述参照轴线例如是整形外科植入物的孔的中心贯通轴线。因此，当第一识别器单元44a和第二识别器单元44b同心时，标记识别器10平行于参照轴线。
控制单元40接收指示标记识别器10相对于整形外科植入物30的标记32的位置的信号。该信号可从例如第一传感器组件20a的传感器22接收。采用来自传感器22的信号，控制单元40确定工具相对于标记32的位置。控制单元40还比较工具的位置和可接受的位置范围，诸如紧固件相对于标记32的可接受的位置范围。例如，标记32可以是可变角度锁定孔，并且紧固件可以是骨螺钉，其被构造成用于在可变角度孔内的可变角度锁定。可变角度锁定螺钉和可变角度锁定孔可具有限定的角度范围，对于给定程序，其使用是经认可的或指示的。作为另一实例，当工具包括钻头时，控制单元40能够比较钻头相对于可变角度锁定孔的中心贯通轴线的角度和可变角度锁定孔的可接受插入角度。此外，特定的医疗程序可能需要紧固件以相对于标记的特定角度或位置插入。例如，外科医生或其他个人可确定特定的骨片段以相对于可变角度锁定孔或非锁定孔的第一角度布置。控制单元40能够用来识别何时标记识别器10正在瞄准骨片段，从而骨片段能被紧固件俘获和固定。
在一些实施方式中，控制单元40在图形用户界面42上输出标记识别器10相对于标记32的位置是可接受的指示。例如，用户界面42上的输出可包括一个或多个单元，诸如表示标记识别器10相对于标记32的轴线的角度的单元、表示标记识别器10相对于标记32的可接受位置的一个或多个单元、表示标记识别器10相对于标记32的非可接受位置的一个或多个单元、标记识别器10相对于标记32的轴线的角度的数字表示、紧固件的最大可接受插入角度的数字表示、指示标记识别器10的当前位置为可接受位置的单元、可变角度锁定螺钉或可变角度的可接受锥形范围的图形表示、以及指示标记识别器10的当前位置为非可接受的单元。
在一些实施方式中，诸如当采用特别大的整形外科植入物30时，整形外科植入物30的一些标记可能距离第一传感器组件20a太远以至于不能使用第一传感器组件20a瞄准。在这些实施方式中，除了别的以外，第二传感器组件20b可在用于瞄准标记的第一传感器组件20a所共用的工作空间内的位置（该位置距离第一传感器组件20a太远）附接至整形外科植入物30，或者可在位于工作容积之外的位置附接至整形外科植入物30。如图5所示，第二传感器组件20b能够通过小切口附接至整形外科植入物30，可能已使用标记识别器和第一传感器组件20a形成该小切口，从而减小完成整形外科植入物30的远侧部分30b的锁定所需要的切口的数量和尺寸。
然后，可使用第一传感器组件20a的位置和方向作为参照点来校准第二传感器组件20b。例如，当第一传感器组件20a和第二传感器20b都定位于标记识别器10的同一工作空间中时，可基于从第一传感器组件20a接收的信号来校准第二传感器组件20b。第一传感器组件20a的已知位置和方向可被用作参照，其可被用来确定第二传感器组件20b的未知自由度。
一旦第二传感器组件20b已被校准，则控制单元40可以从第一传感器组件20a的位置至第二传感器组件20b的位置改变或重新定位瞄准系统300的全局参考系。在此出于解释的目的，这被称作跳步瞄准技术。例如，控制单元40可初始地关于第一传感器组件20a的位置来确定标记识别器10的标记的位置，其处于骨板30的近端。然而在第二传感器组件20b附接至整形外科植入物30并被校准后，控制单元40可改变它的全局参考系以关于第二传感器组件20b（代替第一传感器组件20a）的位置来确定标记识别器10的位置。然后，可使用第二传感器组件20b来瞄准整形外科植入物30的远端区域30b中的标记32。在需要时可以移除第一传感器组件20a，如图6所示。
全局参考系的这种重新定位可依据整形外科植入物中的标记的长度和数量按照需要多次重复。操作者可以选择将所校准的第一传感器组件20a定位在整形外科植入物的中间，从而减少操作者需要校准额外传感器的次数。例如，如果板长95厘米并且工作空间的宽度为50cm，则通过将第一传感器组件20a放置在板的中间，外科医生仅需要从传感器组件的一侧至另一侧移动标记识别器10而无需重新定位传感器组件。
在跳步技术中，在标记识别器10相对于第二传感器组件20b移动时，第二传感器组件20b产生的信号也相应改变。控制单元40能够更新用户界面42来指示标记识别器10相对于整形外科植入物30的标记32的当前位置。此外，如上文所述，控制单元40能够确认标记识别器10相对于整形外科植入物30的可接受位置。通过此信息，标记识别器10的操作者能够采用此信息使钻套筒16和/或其他工具与标记32对准，标记32例如是整形外科植入物30的特定盲孔32。
图7示出了用于瞄准标记的系统700。系统700包括控制单元40、标记识别器10以及耦合于整形外科植入物30的插入手柄60。插入手柄60能够用来在患者内的植入期间操纵整形外科植入物30。插入手柄60可移除地耦合到整形外科植入物30，从而插入手柄60能够在植入期间引导整形外科植入物30并且然后在植入完成后从整形外科植入物30移除。插入手柄60在相对于骨板30的固定位置耦合到整形外科植入物30。插入手柄60还包括电磁场传感器61，其响应标记识别器10产生的电磁场。传感器61在插入手柄60的已知、固定位置处附接至插入手柄60。因此，当插入手柄60附接至整形外科植入物30时，传感器61的所有六个自由度都是已知的，并且传感器61布置在相对于整形外科植入物30的标记32的已知位置和方向。
如果插入手柄60上的传感器61的多个自由度中的一个最初不是已知的，则可以采用附接至整形外科植入物30的第二传感器22来校准插入手柄60的传感器61，第二传感器22具有相对于整形外科植入物30的标记32或相对于插入手柄60的已知标记的已知位置和方向。可替代地，标记识别器10可以在相对于整形外科植入物30的标记或相对于插入手柄60的已知标记的已知位置和方向上附接至整形外科植入物30。在一些实施方式中，插入手柄60的传感器61可在上市时处于预先校准的状态，使得在插入手柄60附接至整形外科植入物30时，传感器61相对于整形外科植入物30的标记32的位置对六个自由度来说是已知的。
在其他实施方式中，瞄准系统包括大平面场发生器，其布置在骨折骨的主体部分的下面。瞄准系统还包括两个传感器，例如一个耦合于板以及另一个耦合于钻套筒。如果所生成的场大于预期将在系统中使用的最大植入物的体积，则不需要跳步技术，也不需要将传感器组件放置于板的中间来瞄准板的所有标记。
用来将传感器组件20附接至外壳28或将外壳28附接至整形外科植入物30的各种实施方式示于图8A-12B中。参照图8A，传感器组件20的外壳28包括延伸部62和头部64，以及位于相对于外壳28已知位置的传感器22，例如位于延伸部62的端部65。外壳28沿纵向轴线28a弯曲。例如，外壳28的延伸部62能够弯曲使得当延伸部62插入钻套筒18中时延伸部62伸直来顺应钻套筒18里的有限空间。延伸部62压靠钻套筒18的内表面从而以摩擦配合将外壳28固定至钻套筒18中。外壳28的头部64接合钻套筒18的端部来限制外壳28插入钻套筒18中。
可替代地，如图8B所示，延伸部62可包括锥形的或轻微截头圆锥形的外表面。接近头部64定位的伸长部62的近端63可具有比延伸部62的远端65更大外直径的特征。当外壳28插入钻套筒18中时，延伸部62的锥形表面和钻套筒18的内部之间的摩擦将外壳28固定至钻套筒18中。在一些实施方式中，钻套筒18可包括锥形内部，其提供了用于接合伸长部62的基座。
作为另一个替代方案，如图9所示，外壳28被构造成接合配合结构，以将外壳28附接至整形外科装置。外壳28包括裂口端66，其能够张开来接合配合结构，以便将外壳28固定地附接至整形外科装置，例如，整形外科植入物。裂口端66能够接收整形外科植入物的配合结构的脊或楔从而将外壳28附接至整形外科植入物。例如，配合结构的脊或楔能够扩张裂口端66来产生裂口端66的外表面和配合结构的一部分之间的摩擦配合。外壳28还包括多边形外部68来配合整形外科植入物的互补多边形部，例如插座。在使用中，多边形外部68阻止了外壳28相对于配合结构的不期望的旋转。
现在参照图10，可替代地，传感器组件20的外壳28可包括头部70和大致圆柱形外表面71。在大致圆柱形外表面71上，外壳28包括周向沟槽73，其中特别布置了可压缩构件72，诸如弹簧构件或弹性环。当外壳28插入钻套筒18中时，可压缩构件72在钻套筒18内压缩并提供摩擦配合以将外壳28固定至钻套筒18内。任选地，钻套筒18可以包括内部周向沟槽，其中，可压缩构件可以扩张以将外壳28固定至钻套筒18。头部70能够限制外壳28插入钻套筒18中，从而在相对于钻套筒18的已知位置上布置传感器。此外，外壳28的大致圆柱形外表面71可包括平面区域74，其可与配合结构或钻套筒18的互补平面区域对准，其能够限制外壳28在钻套筒18内的旋转和/或提供外壳28相对于钻套筒18的已知旋转位置。头部70还包括平面区域75，其可与互补表面对准，以提供对准和旋转稳定性。
作为另一替代方案，如图11A和11B所示，外壳28包括端部76，其被构造成插入到钻套筒18中。端部76包括外部周向沟槽78和/或球形制动部80。端部76还包括削边77。钻套筒18（图11B）包括球塞81，其位于钻套筒18的内部上。球塞81包括球82，其部分地延伸进入钻套筒18的贯通孔19中。球塞81还部分地布置在限定于钻套筒18的内部表面内的凹陷83内，其接收球82。球塞81包括布置于凹陷83内的弹性构件84，其朝向贯通孔偏压球并且在力施于球82上时压缩。当外壳28的端部76插入钻套筒18中时，外壳28的削边77压下球塞81的球82进入凹陷83中，从而允许外壳28的端部76越过球塞81。当周向沟槽78与球塞81对准时，球82移动到周向沟槽78中以阻止端部76进一步穿过钻套筒18。外壳28能够旋转直到球82被接收在制动部80中，这阻止了外壳28在钻套筒18内的旋转。任选地，端部76可包括周向沟槽78而没有制动部80，或者端部76可包括制动部80而没有周向沟槽78。在其他实施方式中，球塞81可被包括在外壳28的端部76上而不是钻套筒18上，并且钻套筒18的内表面可包括周向沟槽和/或制动部以接收球塞81的球82。
在一些实施方式中，外壳28可通过外部附接到钻套筒18而接合整形外科植入物。例如，如图12Ａ和12B所示，附接构件100可附接到钻套筒118以提供用于外壳28的插座。钻套筒118包括螺纹远端117，其附接到整形外科植入物30的螺纹区域98。钻套筒118包括锥形近端120和周向沟槽122。钻套筒118可包括缝槽123，其位于钻套筒118的外部上的沟槽122中或接近沟槽122。钻套筒118还包括贯通孔118a，以接纳工具和/或紧固件，例如骨销。
附接构件100包括臂102，其连接开口环104（图12B）和管状部106。开口环104被构造成接合钻套筒118的沟槽122。附接构件100还可包括位于开口环104上或接近开口环104的突出部105。为了将附接构件100耦合至钻套筒118，开口环104放置于钻套筒118的锥形端120上。由于开口环具有与钻套筒的外直径相比较小的内直径，开口环104在附接构件100沿锥形端120行进时向外弯曲。开口环104继续行进直到开口环104被接收在沟槽122中，从而将附接构件100固定至钻套筒118。附接构件100的突出部105接合钻套筒118的缝槽123，以限制附接构件100相对于钻套筒118的旋转。可替代地，突出部（未示出）可以形成于钻套筒118的外部上，例如形成在沟槽122内，以接合开口104的裂口，从而限制附接构件100相对于钻套筒118的旋转。
附接构件110的管状部106接收传感器构件20的外壳28或包括传感器22。因此，附接构件110至钻套筒118的附接在相对于钻套筒118和骨板30的已知位置处将传感器22固定至钻套筒118。附接构件100可以是外壳28的部件或传感器组件20的部件。可替代地，臂102和管状部106可以和钻套筒118为一整体。
附接构件100的臂102可形成为使得在将附接构件100耦合至钻套筒118时，附接构件不阻塞对于钻套筒118的贯通孔118a的通达。结果，采用附接构件100，传感器组件20能够耦合至钻套筒118而不阻止对于钻套筒118内部的通达。此外，附接构件100可形成为使得在将附接构件100耦合至钻套筒118以及将钻套筒118附接至骨板30时，管状部106进入或接合骨板30的标记99。可替代地，臂102可被构造成接合贯通孔118a，以保证在附接时传感器相对于钻套筒118的准确对准，并且限制传感器22和钻套筒118之间的旋转。
现在参照图15以及图16A至16C，系统400使用光学跟踪以在外科手术期间定位螺钉孔和确定钻孔或螺钉插入的轨迹。系统400包括红外（IR）照相机402，其与控制单元40和IR光源404通信。照相机402探测从外科手术区域的基准点反射的IR光。控制单元40接收来自照相机402的信号，其指示了来自基准点的反射光。采用来自照相机402的信号，控制单元40确定基准点的相对位置。基准点在已知、固定的位置附接至各种器械，使得可从基准点的位置确定器械的位置。
系统400包括钻410或其他器械以及用于耦合到整形外科植入物30的导引器420和手柄460。基准点450a-450c耦合于钻410、导引器420和手柄460中的每一个。基准点450a-450c能够直接耦合于器械，或者能够通过另一部件耦合于器械。例如，如图所示，基准点450a附接至插入手柄460的端部，插入手柄460可用于植入整形外科装置30。作为替代方案，基准点450a能够被构造成直接附接到整形外科装置30。
在一些实施方式中，基准点450a-450c是可移除部件，其可分别与插入手柄460、导引器420和钻410附接或与之脱离。在一些实施方式中，基准点450a-450c形成为固定部件，其分别形成为与插入手柄460、导引器420和钻410成为整体。
参照图16A和16B，每个基准点450a、450b包括外壳453和例如箔的反射材料，该反射材料位于外壳453内。外壳453限定了开口454，其使反射材料暴露。在一些实施方式中，基准点450a、450b限定了三个、四个或更多个开口。每个基准点450a、450b可包括开口454之间的不同间隔或开口454的不同构造，从而允许控制单元40区别基准点450a、450b，并因此区别基准点450a、450b所附接的器械，以及允许照相机追踪基准点450a、450b的位置和方向。
在一些实施方式中，不包括沿平面的开口，而是基准点450a-450c可包括多个反射球或其他元件的布置。在一些实施方式中，基准点450a、450b发出IR光。基准点450a、450b可以是被追踪部件的一体化部分或分离的部分。
导引器420包括套筒421，其限定了接收钻头或其他器械的内部通道。套筒421可引导钻头并可保护手术部位周围的组织。套筒421的尖端422的尺寸被设定为接合整形外科植入物30的标记。例如，尖端422的大小被设定为进入整形外科植入物30的孔32中的一个。具体地，尖端422的尺寸被设定为在操作者调整导引器420相对于植入物30或相对于孔32的轴线的角度时保持在孔32内或保持接触孔32。在尖端422定位于孔32中的一个的情况下，操作者可以相对于植入物30倾斜该以达到所期望的角度，例如用于钻孔或螺钉插入所期望的角度。因此，在相对于孔32调整套筒421的方向时可保持位于孔32处的位置。
基准点450a附接至插入手柄460的端部。因为基准点在已知位置耦合于插入手柄460，控制单元40能够基于基准点450a的位置确定整形外科植入物30的位置。操作者能够在整形外科植入物30植入后以及插入手柄460依然附接至整形外科植入物30时，将基准点450a附接至插入手柄460。
参照图16c，基准点450c包括反射材料的带，其包绕钻连接部411或钻头413。如图所示，反射带470绕钻连接部411定位，钻连接部411耦合于钻410的夹头412和钻头413之间。基准点450c能够限定沿导引器420的套筒421的轴线的位置，并且基于基准点450b的位置可以确定套筒421的轴线。
基准点450c可以替代地定位于夹头412、钻头413或钻410的其他部分的已知位置上。作为另一替代方案，其他类型的基准点可以用于钻410，例如，包括处于平面内的反射材料的基准点或者包括反射元件的布置的基准点。
参照图17和18，示出了用于控制单元40的用户界面500a、500b的实例。在操作者定位钻410和导引器420时，控制单元40确定钻410和导引器420相对于整形外科植入物30或相对于孔32的轴线的位置。控制单元40在例如用户界面500a或用户界面500b上显示关于相对位置的信息。控制单元可追踪附接至基准点450a-450c的部件的位置和方向。在相对位置改变时，控制单元40采用来自照相机402的信号探测所述改变，计算当前位置，并且在用户界面500a或用户界面500b上显示更新的信息。
图17中关于用户界面500a所描述的特征也可被包括在图18中的用户界面500b中，反之亦然。用户界面500a在钻孔或插入螺钉前为系统400示出了控制单元40的输出。用户界面500b示出了系统的元件处于不同的相对位置以及在使用系统400钻孔或插入螺钉后的控制单元40的输出。
为允许计算钻410、导引器420和整形外科植入物30的相对位置，基准点450a-450c应该保持在照相机402的视野或视线内。如果基准点中的一个例如变得被阻挡并且不再处于照相机402的视野内，则控制单元40可对使用者指示该阻挡。
控制单元40可指示导引器420或其他相关器械以及整形外科植入物30的相对位置。外科医生能够使用该相对位置来定位螺钉孔32或其他标记。在使用系统400来定位孔32后，操作者能够在孔32上产生切口并且能够定位导引器420以使得尖端422接合孔32。然后，操作者可使用系统400相对于孔32来定位导引器420，用于钻孔以及用于螺钉或其他穿刺部件的插入。
控制单元40可在单个用户界面500a或用户界面500b上提供多种指示器。用户界面500a、500b每个都可包括例如以下中的一个或多个：轨迹指示器510、螺钉长度指示器或钻深度指示器520、部件或螺钉类型选择指示器530、部件或轨迹碰撞指示器540、状态指示器550、以及配置指示器560。这些指示器的任意组合或子组合可被同时显示在屏幕或其他显示装置上，或者被显示在多个显示装置上。
轨迹指示器510指示了导引器420所限定的当前轨迹。轨迹指示器510可包括轨迹线511，其表示套筒421相对于整形外科植入物30或相对于孔32的轴线的方向，指示了导引器420所限定的当前轨迹。整形外科植入物30的表征512能够被显示，并且轨迹线511能够相对于表征512以三维显示。
轨迹指示器510还可包括单元514，例如圆圈，其表示套筒421的近端的位置。轨迹指示器510可包括单元515，其表示套筒421的远端或尖端422的位置，其可被显示为小于单元514的圆圈。轨迹线512可被限定在单元514、515之间。在一些实施方式中，为对准导引器420处于相对于整形外科植入物30的期望轴线或孔32的轴线，操作者移动导引器420使得单元514、515重合。该位置能够表示，例如垂直于整形外科植入物30或与孔32的轴线共轴的对准。
多个轨迹指示器能够被同时显示。例如，轨迹指示器510能够指示相对于表征512的钻孔轨迹，其被放大以显示整形外科植入物30的接近导引器420的尖端422的部分的前视图。第二轨迹指示器516能够显示，例如整个整形外科植入物30的表征517。第二轨迹指示器516因此能够给操作者提供前后关系，指示相对于整形外科植入物30的所感兴趣标记的轨迹和位置作为一整体。第二轨迹指示器516还能够显示整形外科植入物30的第二视图，例如，侧视图。轨迹指示器510、516中的任一个或全部都能在用户界面500a或用户界面500b上显示。
钻深度指示器520指示钻头插入与整形外科植入物30接触的组织的深度。例如，钻深度指示器520能够指示钻头进入骨50内的距离。在操作者沿轨迹钻孔时，数字指示器522指示当前所钻深度。图形指示器524也指示了钻深度，例如通过显示器械上所示出的记号或刻度的表征。
控制单元40能够通过确定钻410上的基准点450c和导引器420上的基准点450b的相对位置来计算当前的钻深度。控制单元40能够存储指示例如基准点450c和钻头413端部之间的距离、以及基准点450b和套筒421的尖端422之间的距离的信息。在定位于孔32时，尖端422可具有相对于骨的已知位置。例如，尖端422可定位在骨50的表面。在操作者移动钻头413穿过套筒421时，控制单元40计算基准点450b、450c的相对位置。采用这些相对位置，控制单元40计算钻深度，作为钻头413的端部延伸越过套筒421的尖端422的距离。钻深度可用于螺钉长度选择。例如，操作者可选择与钻深度基本等长的螺钉。因此，钻深度指示器520能够用来指示待插入螺钉的螺钉长度。
部件选择指示器530指示部件或部件类型，诸如锁定对非锁定螺钉、或多轴型对单轴型螺钉，它们可以用于导引器420所限定的相对于整形外科植入物30的当前轨迹。如图所示，图形表征531、532可被显示以表示可用于导引器420当前限定的轨迹的部件或技术。文本或其他符号也能用来指示可在当前轨迹上有效使用的部件。
各种穿刺部件仅被指示供在特定轨迹或角度范围使用。例如，单轴型螺钉仅可被指示用于垂直于整形外科植入物30的插入。在所示的例子中，当前轨迹不垂直于整形外科植入物。结果，单轴型锁定螺钉的表征，例如螺钉头部包括螺纹的螺钉，被从部件选择指示器530的显示中省略掉。所述的省略可以指示，例如，单轴型锁定螺钉不被指示为供使用，或者在当前轨迹使用单轴型锁定螺钉成功的可能性低于最小阈值。
相比之下，部件选择指示器530显示了具有可变形头部的多轴型（例如，可变角度）螺钉的表征531以及多轴型非锁定螺钉的表征532，以指示这些多轴型螺钉中的任一个可以被选择为供当前轨迹使用。在操作者调整用于钻孔的轨迹时，控制单元40计算能够供当前轨迹使用的部件或部件类型，并且更新部件选择指示器530以指示能够被使用的部件的当前范围。结果，在操作者倾斜导引器420穿过多个轨迹时，部件的表征531、532可出现或消失以指示能够被选择供所述轨迹使用的有效部件选项。如图18所示，部件选择指示器530还能够指示导引器420是否被定位成使得没有有效部件能够用于当前轨迹。
图18的用户界面500b包括轨迹或螺钉碰撞指示器540，其在导引器420的方向所产生的轨迹可能干涉已放置的螺钉、先前钻的孔或其他通道时进行指示。当采用系统400钻孔或放置穿刺构件时，控制单元40存储该事件的位置和深度。例如，控制单元40能够存储先前钻的孔相对于整形外科植入物30的位置。控制单元40能够指示所钻的孔或螺钉的位置作为相对于整形外科植入物30的表征512、516中的一个或两个的可视单元542。
在导引器420的方向改变时，控制单元40确定当前轨迹是否与障碍物（诸如先前钻的孔或已植入的螺钉）相交。如果当前轨迹被确定为与障碍物干涉，例如与杆或已放置的螺钉相交，则碰撞指示器540显示警告。所述警告可以是，例如，用户界面500a或用户界面500b上的颜色改变或视觉单元。
当控制单元40确定导引器420被定位成使得其可能与障碍物干涉时，控制单元40计算沿当前轨迹钻进而不产生干涉的最大距离。控制单元40显示长度指示器545，其指示例如沿当前轨迹插入的元件的长度上的限制。在一些实施方式中，长度指示器545指示能够被使用而不引起干涉或遇到障碍物的元件的最长长度，例如，达不到障碍物的最长螺钉。
用户界面500a、500b还能够显示一个或多个状态指示器550，其指示系统400的元件是否被控制单元40当前所追踪。状态指示器550可以是例如，接近系统400的部件的表征的彩条。每个状态指示器550能够与系统400的特定元件关联。例如，一个状态指示器550能够与整形外科植入物30和基准点450a关联，并且另一个状态指示器550能够与导引器420关联。例如，当基准点450a-450c处于照相机402的视野内时，状态指示器550采用例如绿色指示正确的空间追踪正在进行中。当控制单元40确定部件中的一个没有被准确地追踪时，例如，当基准点450a-450c被阻挡时，所关联的状态指示器550通过例如变为红色来指示追踪过的中断。通过改变颜色或通过其他表征，状态指示器550向操作者指示系统400的哪些部件可能需要调整以恢复准确的空间追踪。
控制单元40还能够在用户界面550a、550b上显示一个或多个配置指示器560。配置指示器560指示系统400的当前配置，例如，指示正在使用的特定的整形外科植入物30和导引器420。操作者能够通过使用屏幕界面来选择整形外科植入物30、导引器420、插入手柄460以及其他部件。控制单元40能够存储部件和器械的库，从其中操作者可以选择将要使用的部件。各种部件和器械的尺寸和特性也可被控制单元40存储，以用来计算器械和部件的不同组合的位置之间的位置。操作者还可在手术过程中按压配置指示器560来做出新的选择，例如指示从使用导引器420变化到使用具有不同尺寸的导引器。
作为使用光学追踪的替代方案，系统400可替代地使用通过电磁场传感器的追踪。电磁场传感器能够用来代替基准点450a-450c。当定位在由电磁场发生器产生的电磁场的工作空间内时，控制单元40可使用来自传感器的信号来确定相对位置，并且可在用户界面500a、500b上显示所表示的信息。
在一些实施方式中，基准点450a-450c可以是可移除的以及一次性使用的。在一些实施方式中，基准点450a-450c是耐高压加热的以及可重复使用的。基准点450a可以在制造期间被预组装为手柄460的一部分，并且基准点450b可以被预组装到导引器420。在一些实施方式中，照相机402能够与控制单元40进行无线通信。
已经描述了许多实施方式和替代方案。然而，将会理解的是，可以做出各种修改而不偏离本公开的精神和范围。因此，其他实施方式也处于所附权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种用于瞄准整形外科植入物的标记的装置，所述装置包括：
外壳，其被构造成接合配合结构，用于所述外壳至所述整形外科植入物的附接；和
电磁传感器，其定位于所述外壳内的已知位置，
其中，当所述外壳与所述配合结构接合时，所述传感器相对于所述整形外科植入物的标记的位置对至少五个自由度来说是已知的。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述外壳包括具有制动部的大致圆柱形外表面和球塞的一个，以将所述外壳固定地附接至所述植入物。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述外壳包括裂口端，其可扩张以接合所述配合结构并且将所述外壳固定地附接至所述植入物。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述外壳包括具有可压缩构件的外表面，所述可压缩构件被构造成接合沟槽以将所述外壳固定地附接至所述植入物。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述外壳包括锥形外表面，所述锥形外表面被构造成接合基座，以将所述外壳固定地附接至所述植入物。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，所述外壳限定中心纵向轴线，所述外壳具有沿所述外壳的中心纵向轴线的曲率。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述配合结构包括多边形外部，并且其中，所述外壳包括互补多边形部，用于配合所述多边形外部。
8.一种瞄准整形外科装置的标记的方法，所述方法包括：
采用标记识别器和第一电磁场传感器定位所述整形外科装置的第一标记，所述标记识别器具有电磁场发生器，并且当定位所述第一标记时，所述第一电磁场传感器处于所述电磁场发生器的工作空间内；
在所述工作空间内放置第二电磁场传感器；以及
采用所述标记识别器和所述第二电磁场传感器定位所述整形外科装置的第二标记。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在定位所述第二标记时，所述第一电磁场传感器处于所述电磁场发生器的工作空间的外部。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述整形外科装置是骨板。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中，所述第一标记是孔。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，附接所述第二电磁场传感器包括进入所述孔中以及经由所述孔将所述第二电磁场传感器附接至所述整形外科装置。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，当将所述整形外科装置植入患者内时进入所述孔。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中，所述孔是螺纹孔，并且其中，附接所述第二电磁场传感器包括使钻套筒与所述螺纹孔相接合以及将所述第二电磁场传感器附接至所述钻套筒。
15.一种确认工具相对于整形外科稳定结构的可接受定位的方法，所述方法包括：
从传感器接收信号，所述信号指示所述工具相对于所述整形外科稳定结构的标记的位置；
确定所述工具相对于所述标记的位置；
比较所述工具的位置与紧固件相对于所述标记的可接受位置范围；
确定所述工具相对于所述标记的位置对应于所述紧固件相对于所述标记的位置范围内的可接受位置；以及
在图形用户界面上输出所述工具相对于所述标记的位置是可接受的指示。
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