CN110023729A - 扭矩传感器锯片防刮削系统 - Google Patents

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Abstract

系统和方法可使用传感器来检测锯片上的或来自锯片的扭矩。一种方法以包括使用传感器检测机器人臂上的扭矩,该扭矩由被接收在被附接于机器人臂的切割引导件内的锯片引起,响应于接收来自传感器的表示机器人臂上的扭矩的信号生成扭矩的至少一部分的视觉表示,以及使用显示装置显示该扭矩的视觉表示。

Description

扭矩传感器锯片防刮削系统
要求优先权
本申请要求于2016年12月7日提交的美国临时专利申请No.62/431,23 6的权益,并且还要求于2017年2月15日提交的美国临时专利申请No.62/4 59,194的权益,在此要求这两篇美国临时专利申请中的每一篇的优先权,并且每一篇都被通过引用全部结合到本文中。
背景技术
在手术中使用引导件以使切割装置、去毛刺装置或锯切装置与目标物体对准。切割引导件可用于为切割作出规划并且甚至是在存在切割装置的振动或移动的情况下也允许进行精确切割。然而,切割引导件由于患者运动、缺乏经验、骨密度变化或视觉访问受阻导致有时并不足以确保进行精确切割。
当正被利用锯片进行切割时,例如由于骨的密度或硬度的变化导致的骨中阻力可能导致刮削,其中,锯片在意外或不期望的方向上移动,这在切割时导致误差。当锯片离开该骨时,刮削导致角运动。用以防止刮削的当前技术是不精确的或是昂贵的,例如需要外科医生缓慢地移动该锯片。此外,激光有时被用在工业应用中以防止或至少识别出刮削,但在手术环境中则可能是不实用的
附图说明
在不一定按比例绘制的附图中,相同的数字可在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相同数字可表示相似部件的不同实例。附图通过示例而非通过限制的方式示出了本文献中所讨论的多个实施例。
图1A-1D在第一视图中示出了根据一些实施例的用于检测手术锯的锯片上的扭矩的系统的多种构型。
图2A-2B在第二视图中示出了根据一些实施例的用于检测手术锯的锯片上的扭矩的系统的多种构型。
图3示出了根据一些实施例的用于显示于手术锯的锯片上的扭矩相关的反馈的多个用户界面。
图4示出了根据一些实施例的手术锯,其包括锯片和用于检测锯片上的扭矩的跟踪器。
图5示出了根据一些实施例的手术锯,其包括锯片和锯片上的用于检测锯片上的扭矩的标记。
图6A示出了根据一些实施例的包括锯片和用于检测锯片上的扭矩的力-扭矩传感器的手术锯的侧视图,并且图6B示出了其斜视图。
图7示出了根据一些实施例的手术锯,其包括锯片和用于检测锯片上的扭矩的手术辅助装置。
图8示出了根据一些实施例的用以利用锯片监控手术切割的系统。
图9示出了一幅流程图,其示出了根据一些实施例的用于利用锯片监控手术切割的技术。
图10示出了根据一些实施例的手术锯,其包括锯片和锯片上的用于检测锯片上的扭矩的应变仪。
具体实施方式
如上所述,引导件可用于将切割装置、去毛刺装置或锯切装置与目标物体(例如目标骨骼)对准。切割引导件通常由外科医生手动放置在该目标对象上。在其它示例中,使用完全或部分自主的机器人切割装置进行切割。本文描述的系统和技术使用切割引导件来引导手术锯的锯片以进行手术切割。
本文描述了用于使用手术锯的系统和方法。如上所述,刮削是由锯片以不希望的角度或以非预期的扭矩切割骨而产生的问题。骨密度或硬度的变化可能导致刮削,并且没有经验的外科医生在培训中也可能发生刮削。为了防止刮削,本文所述的系统和方法提供了锯片、锯片或骨上的扭矩、锯片的弯曲或屈曲或用以警告外科医生存在潜在的刮削问题的刮削发生率的视觉指示。
手术锯用于在各种外科手术中切割骨,例如以制备用于接收植入物的骨或插入用于设置断骨的加固装置。切割引导件可用于将手术锯的锯片与切割平面对准。锯片可被放置在切割引导件内以进行切割。切割引导件可包括具有宽于锯片的宽度的公差的孔,使得锯片可在切割引导件上移动或施加扭矩。在另一示例中,由锯片施加在切割引导件上的扭矩可致使切割引导件的锚固臂经受扭矩。锚固臂可包括手动臂、静态臂或机器人臂。臂可被锁定在适当位置中或由马达进行控制。切割引导件可被(例如,使用螺钉或胶水)固定到骨,或者可以相对自由地相对于该骨移动。通常,切割引导件将被固定到该骨或被通过机器人装置相对于该骨保持在恒定位置中。
当使用臂的远端处的切割引导件时,锯片可在切割的同时转动,从而致使将扭矩施加在臂上。由锯片施加的或施加在锯片上的扭矩可表示潜在的刮削问题。所施加的扭矩可以沿着内-外平面、沿着前-后平面、上-下平面或者一个或多个平面的组合。这些平面被相对于患者或切割引导件定向。在一个示例中,传感器可被用于一个平面以沿着那个平面检测扭矩。例如,第一传感器可用于检测内-外扭矩,第二传感器可用于检测前-后扭矩。为了检测扭矩,可使用多种类型的传感器,例如加速度计、力传感器、压力传感器等。在其它示例中,单个传感器可能够沿不止一个平面检测扭矩。
当呈现(例如,扭矩、锯片等的)视觉指示或表示时,可使用显示器。该显示器可被安装在控制锯片的手术锯上、手术区中(例如,在连接到轮床或诸如照明装置或其它显示屏之类的其它手术装置的平板电脑上)、虚拟现实或增强现实显示器中等。例如,发光二极管(LED)可以闪烁以表示扭矩。在另一示例中,示出了该扭矩的锯片的表示可被在显示屏上示出。可以显示反馈,例如用以改变扭矩的所建议的校正力或行为。在一个示例中,虚拟切割引导件或锯片可被以虚拟或增强现实的方式示出。虚拟切割引导件或锯片可包括彩色图,例如以示出切割引导件或锯片的已经施加了过大的力的多个方面或示出在何处发生了锯片的弯曲或屈曲。例如,彩色图可被以增强现实的方式覆盖在实际切割引导件或锯片上,或者以虚拟现实的方式示出带有彩色部分的切割引导件或锯片。指示箭头可被以虚拟或增强现实的方式显示以帮助用户校正力、扭矩、弯曲或屈曲。例如,可以显示校正力的箭头以向用户示出如何移动锯片以减小力、扭矩、弯曲或屈曲。
在一个示例中,可在附接到机器人臂的切割引导件中检测扭矩。例如,当外科医生在锯片上施加力时,该力被传递到切割引导件和传感器(例如,力或扭矩传感器),从而产生力矩(扭矩)。用户界面可被用于显示所施加的力并引导外科医生抵消该扭矩并产生直线切割。
图1B-1D和图2A-2B中描述的锯片上的扭矩或力可以是单个平面中或多个平面中的扭矩或力。例如,锯片的旋转可由控制锯片的手术锯的旋转或平移引起。可在锯片上的一个或多个点(例如在锯片与臂的其它部分或切割引导件接触的点或者锯片连接到手术锯的点)处产生力或扭矩。
图1A-1D在第一视图中示出了根据一些实施例的用于检测手术锯104的锯片106上的扭矩的系统的多种构型(例如,100A-100D)。为了说明的效果,手术锯104或锯片106的位置或角度可在多种构型100A-100D中被放大。
图1A示出了包括手术锯104、锯片106和臂102的该系统的第一构型100A。臂102可以是手动臂、静态臂或机器人臂。锯片106在第一构型100A中被示出为处于使得锯片106在臂102上不施加扭矩(或施加最小扭矩)的位置中。第一构型100A可包括锯片106执行手术切割的理想位置。
图1B示出了第二构型100B,其中,锯片106在臂102上施加扭矩。第一视图示出了前-后平面,并且由锯片106施加的扭矩包括前-后扭矩。例如,在第二构型100B中示出的扭矩是会致使臂102远离图1B的观察者移动到页面中的扭矩。由锯片106施加的扭矩可能(例如,由于锯的振动、视线遮挡等)并不能被保持手术锯104的外科医生检测到。用于检测该扭矩的传感器可被定位在锯片106、机器人臂102的切割引导件、机器人臂102等上。在一个示例中,前-后扭矩可被以与其它平面扭矩无关的方式进行检测,并且可以与那些其它平面扭矩一起或单独地显示。
图1C示出了第三构型100C,其中,锯片106在机器人臂102上施加扭矩。在第三构型100C中由锯片106施加的扭矩可包括会致使臂102朝向图1C的观察者远离页面移动的扭矩。
图1D示出了第四构型100D,其中,手术锯104可相对于臂102沿轴线110移动,这可在锯片106上产生力。在该示例性构型中,锯片106通过手术锯104的平移运动而非通过手术锯104的旋转(如在图1B和图1C中所见)在臂102上施加扭矩。手术锯104的平移运动可通过在锯片106的进入点或离开点处从锯片106的切割引导件108在锯片106上施加力而在锯片106中产生扭矩、弯曲或屈曲。
图2A-2B在第二视图中示出了根据一些实施例的用于检测手术锯的锯片上的扭矩的系统200的多种构型。图2A示出了处于第二视图中的系统200,该系统200具有臂202和切割引导件204以及锯片的多种取向或角度(例如,在图2中为了可视化的效果而夸大的取向206-210)。第二视图示出了切割引导件204和臂202的内-外平面。锯片的第一取向206在切割引导件204上包括扭矩,例如会致使臂202朝向图2的观察者移出页面的扭矩。锯片的第二取向208示出了在切割引导件204或臂202上没有扭矩(或具有最小或可忽略的扭矩)的取向。锯片的第三取向210在切割引导件204上包括扭矩,例如会致使臂202远离图2A的观察者移动到页面中的扭矩。
在一个示例中,锯片可沿着轴线212相对于切割引导件204在平移方向上移动。锯片的平移运动可由控制锯片的锯的平移运动引起。由于与切割引导件204的相互作用,平移运动可能在锯片上产生扭矩、弯曲或屈曲。锯片可被悬臂安装到锯,并且切割引导件可在锯与锯片的连接点处或在切割引导件204的开口的顶部或底部处产生扭矩。
图2B示出了臂202、切割引导件204和锯片的面内取向214。在图2B中,当锯片在切割引导件204的开口内例如沿着切割平面移动,并且与切割引导件204的开口的壁218接触时,锯片可以在切割引导件上施加力。当锯片保持面内取向214时的锯片和壁218之间的接触可通过壁218在锯片上产生力。该力可能在锯片和壁218之间产生摩擦,从而降低了精度。
为了抵消该力和不期望的效果,可以控制臂202或切割引导件204以沿着面内取向214的平面移动。这可防止力的副作用,同时保持锯片的取向不变。当锯片与切割引导件的(例如,与壁218相对的)另一壁接触时,可能出现类似的力和发生随后的移动。臂202或切割引导件204的移动可以伴随有其它警报(例如,视觉、听觉、触觉警报等),或者可在不对外科医生作出警告的情况下执行。臂202或切割引导件204的移动可以是自动的,例如,由马达、控制系统或其它自动系统进行控制。该移动可被限制在沿着该平面的范围内,例如,在任一方向上的几厘米的移动,限制在预定范围(包括例如臂202的最大或最小范围)等。
图3示出了根据一些实施例的用于显示与手术锯的锯片上的扭矩相关的反馈的多个用户界面(例如,302、310和318)。参考图3描述的用户界面可被显示在锯上、平板电脑或移动装置上、连接到手术轮床的装置上、虚拟或增强现实显示器中、平视显示器上等。
第一用户界面302包括前-后扭矩杆,以示出在前-后方向上检测到的扭矩。第一用户界面302包括检测到的指示304、306和308,其分别对应于零扭矩、第一检测扭矩和第二检测扭矩。指示304可用于说明系统何时在前-后平面中没有扭矩或具有可忽略的扭矩。可忽略的扭矩的范围可包括不太可能发生刮削(例如用于小扭矩值)的范围。在一个示例中,前-后杆可表示以零扭矩为中心的从最大向外扭矩到最大向内扭矩的可能扭矩范围。前-后杆的极限值表示可能导致刮削的扭矩,并且前-后杆的中间表示可能将并不导致刮削的扭矩。
第二用户界面310示出了内-外扭矩杆,以表示内-外平面中的扭矩。内-外平面中的扭矩可以在内-外杆上表示,从向外极限扭矩到向内极限扭矩,在中间为零扭矩。零或可忽略的扭矩的指示可由指示312表示。向外扭矩由指示314表示,并且向内扭矩由指示316表示。
第一用户界面302和第二用户界面310可以被单独地显示或者可被组合以在单个用户界面上一起显示前-后扭矩和内-外扭矩。在另一示例中,上-下扭矩杆可被以类似于前-后扭矩杆或内-外扭矩杆的方式用于显示上-下平面中的扭矩的指示。在一个示例中,这些平面中的任两个的组合可被用于显示例如通过切割引导件由锯片施加在臂(例如,机器人臂)上的扭矩的二维表示。
例如,图3中示出了第三用户界面318,其示出了扭矩的二维视觉表示。在一个示例中,第三用户界面318示出了前-后扭矩和内-外扭矩的二维表示。例如,y轴326可表示前-后平面,前侧极限扭矩位于y轴326的顶部且后侧极限扭矩位于y轴326的底部。x轴324可表示内-外平面,内侧极限扭矩处于x轴324的左侧且外侧极限扭矩位于x轴324的右侧。
作为示例,第三用户界面318包括第一阈值322和第二阈值320。第一阈值320和第二阈值322可以是当被超过时就致使警报或反馈发生的阈值。例如,当这些阈值中的一个或两个被超过时,可能发出警告声或其它可听反馈、诸如闪光之类的视觉指示或触觉反馈。在另一示例中,第三用户界面318可显示基于扭矩水平的渐变着色,例如从第三用户界面318的中心周围的绿色到第三用户界面318的边缘附近的红色。第一阈值320可对应于颜色从更绿到更黄的改变,第二阈值322可对应于颜色从更黄到更红的改变。在一个示例中,第一用户界面302或第二用户界面310可使用彩色编码来示出扭矩的程度。例如,指示308或314的位置处的杆可以是红色的,指示306或316的位置处的杆可以是黄色的,或者指示304或312的位置处的杆可以是绿色的。用户界面302或310中的杆可以包括渐变着色,例如从杆的中间处的绿色到杆的顶部或底部或左侧或右侧的红色。
一个或多个阈值(例如,320和322)可对应于控制锯片所采取的行为。例如,穿越第一阈值320可致使锯片减速(例如,可以控制马达以减慢锯片的移动速度)。在另一示例中,第一阈值320或第二阈值322可致使锯片停止切割。例如,锯片可被缩回,可将引导件插入到锯片和正被切割的骨之间,或者可以停止该锯片。在又一示例中,超过阈值可触发听觉反馈、视觉反馈或触觉反馈。
在第三用户界面318中示出了检测到的扭矩的示例性指示,但是可以一次表示单个扭矩。指示328、330和332被显示在二维图中的多个位置中,从而表示不同的检测到的扭矩。例如,第一指示328可位于第一阈值320的中央,并且第一指示328可表示处于正常操作公差内的扭矩(尽管该扭矩可引起轻微的前侧力和外侧力,如由第一指示328在第三用户界面318内的象限位置所示)。第三用户界面318的二维性质允许同时监控和显示前-后扭矩和内-后扭矩(或者上-下扭矩可被利用其它扭矩之一加以替代)。第二指示330可表示已经超过第一阈值320但并未超过第二阈值322的扭矩。刮削的风险可以由第二指示330表示的扭矩所呈现。在一个示例中,第二指示330可表示超过第一阈值320并且致使向外科医生发出警报或反馈的扭矩,或者可致使锯片减速。第二指示330可表示不存在足够明显大的刮削风险以致使锯片停止的扭矩。第三指示332可表示已经超过第一阈值320和第二阈值322两者的扭矩。与第三指示332相关联的扭矩可导致显著的刮削风险。在该位置处检测到的扭矩可能致使锯片停止或发出警告反馈。
在一个示例中,可以在用户界面302、310或318中的一个中提供方向指示。例如,如在第三用户界面318中所示,方向箭头334示出了使手术锯移动以减小不希望的扭矩的方向。箭头334可以是动态的,例如改变方向或长度(例如,显示为力矢量),以指示由不期望的扭矩所引起的力的方向或力的变化(例如,当通过沿箭头334的方向移动而减小不期望的扭矩时,箭头334的长度可以减小)。在另一示例中,锯表示336可被显示为方向指示。例如,钻表示336可以是动画形式的并且从第一指示328朝向中心点(即,x轴324和y轴326的交点)移动,从而指示应该执行以移除该扭矩的手术锯的移动。在另一示例中,锯表示336可具有变化的长度或方向,类似于上述箭头334。在其它示例中,可以在用户界面302、310或318中的一个上显示移动方向或不期望的扭矩源的指示。例如,文本显示器可指示扭矩是内侧的或手术锯应该被沿向后的方向移动。
在一个示例中,切割引导件的平移或移动可由锯片施加在切割引导件上的(例如,处于远侧-近侧平面中的)力引起。用户界面可被用于指示切割引导件的平移,或者可以示出如何重新排列该切割引导件的指示。在另一示例中,可以发出反馈以警告外科医生切割引导件已经移动并显示可选择的指示,该可选择的指示一旦选择就可以使用机器人臂将切割引导件自动地移回到适当位置中。
在一个示例中,可以使用用户界面显示由锯片施加在臂上的扭矩的三维表示。例如,可以使用平视或增强现实显示器来示出扭矩(例如,同时在前-后平面、内-外平面和上-下平面中示出扭矩)的三维表示。在另一示例中,可以在锯片、锯或臂上显示或覆盖三维表示以示出所施加的扭矩。例如,可以在切割引导件、锯片或臂上以彩色部件示出扭矩。
图4示出了根据一些实施例的手术锯402,其包括锯片404和用于检测锯片上的扭矩的跟踪器406。跟踪器406可在制造之后(例如恰好在手术进行时)添加到手术锯402。在另一示例中,手术锯402可包括在制造时被集成的或者被作为永久的或可移除的部件添加的跟踪器406。跟踪器406可以是与现有手术锯相适应的附件。在一个示例中,跟踪器406可以是作为光学跟踪系统的一部分的光学跟踪器(例如,包括远程相机)。也可以使用其它跟踪系统(例如,超声波)。
跟踪系统可被用于跟踪该跟踪器406的位置。跟踪器406可在锯片404和手术锯402之间的连接点处连接到手术锯402。跟踪系统可被用于确定该跟踪器406何时移动。第二跟踪器可被放置在切割引导件上,或者该切割引导件可具有该跟踪系统获知的位置(例如,切割引导件可位于机器人臂的远端,机器人臂可通过跟踪系统进行控制或与该跟踪系统通信)。可以将在空间中进行跟踪的跟踪器406的位置与前一位置或切割引导件的位置进行比较。跟踪器406的位置或移动的变化可指示由锯片施加在切割引导件或该切割引导件所附接的臂上的扭矩。可以显示检测到的扭矩或者可以如本文所述来控制该锯片。
在将切割引导件固定到机器人臂的端部的一个示例中,可以将切割引导件的位置和取向与利用跟踪器获知的锯的已知位置和取向进行比较。在该示例中,用户界面可提供位置引导,并且可以通过锯位置和取向与切割引导件位置和取向的比较结果推导出所引起的转矩。跟踪锯和切割引导件位置和取向将并不提供关于由骨密度或正被切割的物体的其它方面所引起的扭矩的准确信息。因此,位置和方向跟踪最好与扭矩传感器和/或锯片跟踪结合使用,以向外科医生提供关于该切割的质量的最佳反馈。
图5示出了根据一些实施例的手术锯502,其包括锯片504和锯片504上的用于检测锯片上的扭矩的标记(例如,506)。图5包括锯片504的局部放大的自顶向下视图508,以示出标记位置(例如,标记506)。标记(例如,标记506)可被用于跟踪锯片504的移动。标记(例如,标记506)可被(例如,作为标签或利用胶水或磁性地)固定到锯片504,蚀刻到锯片504中,或者绘制在锯片504上。可以类似于图4的跟踪器406的方式使用标记(例如,标记506),这是因为可以使用跟踪系统(例如,光学跟踪系统)跟踪标记(例如,标记506)。该跟踪系统可以通过标记(例如,标记506)确定移动并基于该移动来检测扭矩。
在一个示例中,一些扭矩传感器可作出反应以便在锯片的基部处发现弯曲或扭矩。通过将标记(例如,标记506)直接放置在锯片504上,可以对锯片本身的扭矩而非仅对锯片504的基部处的扭矩进行监控。使用锯片504上的标记可以允许跟踪整个锯片504的而不仅仅是基部处的弯曲,这可以是更为精确的或可以识别基部处的不明显的扭矩。
图6A和图6B分别示出了根据一些实施例的手术锯602的侧视图和斜视图,该手术锯602包括锯片604和用于检测锯片604上的扭矩的力-扭矩传感器606。在一个示例中,力-扭矩传感器606可以从手术锯602上卸下。力-扭矩传感器606可与现有的手术锯相适应并且在制造之后进行添加。在另一示例中,力-扭矩传感器606可在制造时与手术锯602集成。力-扭矩传感器606可被用于检测锯片604上的扭矩(例如,由锯片604在切割引导件上施加的力的往复力)。由力-扭矩传感器606检测到的扭矩可被用于如本文中所述提供反馈,停止锯片604等。
在一个示例中,传感器606可包括多轴(例如,6轴)力矩传感器。传感器606可被集成于机器人臂的端部,或者被集成在机器人臂和端部执行器(例如,切割引导件)之间。在另一示例中,传感器606可被定位在手术锯602的锯片604和手柄之间。力扭矩传感器可包括一个或多个应变仪以测量一个方向上的力或扭矩。传感器606中可包括多个应变仪,以测量多个相应方向上的力或扭矩。由传感器606测量到的力或扭矩可与施加到锯片604或手术锯602的力或扭矩相关,并且可基于该系统的已知几何形状予以确定。
在一个示例中,一个或多个应变仪可被包括在锯片604上或中,以检测锯片的弯曲或屈曲。这一个或多个应变仪可被链接在网格中以覆盖锯片604的多个方面。可以经由本文中所述的用户界面元件之一显示警告指示器以警告用户锯片604的过度弯曲或屈曲或者可以显示、可听地指示锯片604中的弯曲度或屈曲度的指示等。当弯曲或屈曲超过一个或多个可配置的阈值时,可以采取行为来控制如本文中所述的锯片604(例如,自动地移动切割引导件、端部执行器或机器人臂,停止锯片604等)。检测到的锯片的弯曲或屈曲可以由跟踪系统用于校正锯片604或图4、5或7中所述的跟踪系统的光学跟踪位置。例如,检测到的弯曲或屈曲可利用使用增强现实显示器来显示,这可指示或建议例如通过使用锯片606的虚拟模型来校正锯片606的弯曲或屈曲的方向或行为。
图7示出了根据一些实施例的手术锯702,其包括锯片704和用于检测锯片704上的扭矩的手术辅助装置706。手术辅助装置706可包括来自印第安纳州华沙市的Zimmer的iAssist,用于全膝关节成形术。iAssist包括可被附接到手术锯702的显示器。在一个示例中,手术辅助装置706可与本文中所述的传感器或技术组合使用以检测扭矩并在手术辅助装置706的显示器上显示扭矩的视觉表示。iAssist是包括电子引导系统的装置,该电子引导系统可使用惯性导航来确定位置、移动、力等。iAssist可被用于膝关节外科手术,例如帮助外科医生在手术区内实时对准或验证骨切除术。在图7中,iAssist可被用于跟踪手术锯702或锯片704的位置以及例如通过使用iAssist内的惯性传感器来测量或检测锯片704上的扭矩,。
手术辅助装置706可被用于确定锯片704相对于切割引导件的相对取向。手术辅助装置706中的基于加速度计或陀螺仪的技术可被用于确定切割引导件或切割平面相对于锯片704的平面的取向是否存在差异。响应于确定取向存在差异,手术辅助装置706可建议操作手术锯702的外科医生例如通过呈现视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈进行校正。例如,所确定的角度差可被显示在用户界面中或手术辅助装置706自身上。
图8示出了根据一些实施例的用于利用锯片监控手术切割的系统800。系统800包括手术锯802,该手术锯802包括锯片804。锯片804可装配到切割引导件816中,该切割引导件816可被固定到臂(例如机器人臂)814的远端。手术锯802可包括处理器806以确定扭矩是否超过阈值。在一个示例中,处理器可远离手术锯802并且与手术锯802的部件(例如传感器812A)通信。处理器806可被用于响应于来自传感器(例如,812A-E)的信号控制手术锯802的操作,这些信号表示锯片804上的扭矩。处理器806可确定检测到的扭矩是否超过阈值,并且为了控制手术锯的操作,处理器806可响应于确定检测到的扭矩超过该阈值而控制手术锯804的操作。例如,处理器806可响应于确定检测到的扭矩超过该阈值而致使锯片804停止操作。停止锯片804的操作可被通过插入防护装置,致使马达停止该锯片804或将锯片804缩回到手术锯802的轴中来实现。
传感器(例如,812A)可被定位在手术锯802上、锯片上(例如,812B,锯片804的位于该锯片804连接到手术锯802的位置处的一部分上,或812C,锯片804的从手术锯802延伸的一部分上)、切割引导件816上(例如,812D),或臂814上(例如,812E)。多种传感器812A-E可被用于检测扭矩,例如由锯片804(例如,经由切割引导件816)施加在臂814上的扭矩或由产生该扭矩的力相等且相反的力所产生的扭矩。可以使用多个传感器,例如以检测不同平面中的扭矩或检测正交扭矩。例如,传感器812E可包括用于检测扭矩的两个或多个传感器,例如前-后扭矩和内-外扭矩。传感器812A-E可包括加速度计、力传感器或压力传感器。
在另一示例中,一个或多个应变仪(例如,826A-C)可被定位在锯片804上。应变仪826A-C可被用于检测扭矩,例如直接施加在锯片804的一部分上的扭矩,该扭矩可能是在锯片804的基部处或在手术锯802处无法检测到的。可以使用多个应变仪,例如以沿不同的轴线检测不同平面中的扭矩,或检测正交扭矩。例如,应变仪826A可检测前-后扭矩,并且应变仪826B可检测内-外扭矩。
来自传感器812A-E中的一个或多个的传感器数据可被用于显示扭矩的指示或视觉表示。还可以显示锯片804或手术锯802的表示。可以响应于处理器806确定检测到的扭矩已经超过阈值,显示警报。指示、视觉表示、警报或锯片804表示可以被示出在手术锯808上的显示器、增强现实或虚拟现实用户界面818、手术区820内的显示器(例如,平板电脑)或平视显示器822上。在这些可选择的显示器中的一个或多个上显示的视觉指示可以包括二维扭矩图中的对应于检测到的前-后扭矩的前-后扭矩杆、对应于检测到的内-外扭矩的内-外扭矩杆,或者对应于检测到的前-后扭矩的前-后扭矩轴和对应于检测到的内-外扭矩的内-外扭矩轴。视觉指示可以包括利用锯片804相对于切割引导件816的取向的视觉描绘来表示检测到的扭矩。
手术锯802可包括反馈控制器811,以控制呈现给外科医生或正被培训成为外科医生的学生的反馈。反馈控制器811可控制视觉反馈、听觉反馈、触觉反馈等。手术锯802可被用于由学生使用锯片804执行的培训切割。在学生设置中,手术锯802可使用反馈控制器811来提供表示待采取以改变检测到的扭矩的校正行为的反馈,例如定性反馈(例如,“向下倾斜该手术锯”)、视觉指示(例如,使显示器(例如手术锯808上的显示器)上的灯闪烁)、听觉指示(例如,嘟嘟声或发声反馈)或触觉反馈(例如,致使手术锯802在扭矩超过该阈值时振动-当并未处于学生设置中时,这可能不是有用的特征)。在一个示例中,手术锯802可以使用反馈控制器811来提供与锯片804的弯曲或屈曲相关的反馈。例如,可以(例如,使用平视显示器、手术区802内的显示器、增强现实(AR)/虚拟现实(VR)用户界面(UI)818或手术锯808上的显示器)显示弯曲或屈曲的视觉指示或者可现实校正行为或建议。在另一示例中,响应于检测到锯片804的弯曲或屈曲,可以输出听觉反馈、触觉反馈等。
在一个示例中,AR/VR UI 818可被用于显示反馈,例如与锯片804上的力、扭矩、弯曲或屈曲相关的反馈。例如,可以使用AR/VR UI 818以虚拟或增强现实的方式示出虚拟切割引导件或锯片。虚拟切割引导件或锯片可包括彩色图,例如以示出切割引导件或锯片的施加过大的力或扭矩或锯片正发生弯曲或屈曲的多个方面。例如,彩色图可被以增强现实的方式覆盖在实际切割引导件或锯片上,或者可以使用AR/VR UI 818以虚拟现实的方式示出具有彩色部分的虚拟切割引导件或锯片。可以虚拟或增强现实的方式在AR/VR UI 818上显示指示器箭头,以帮助用户校正力、扭矩、弯曲或屈曲。例如,可以显示校正力的箭头以向用户示出如何移动该锯片以减小力、扭矩、弯曲或屈曲。
手术锯802的部件(例如处理器806或传感器812A)可与装置824(例如,计算机或移动装置)通信,装置824可包括处理器和显示屏。装置824可被用于从传感器(例如,812A-E)接收表示检测到的扭矩的信号。装置824可以生成表示检测到的扭矩的视觉指示,以显示在该装置上。在一个示例中,装置824被固定到手术锯802。在一个示例中,装置824可基于接收都的信号确定检测到的扭矩是否超过阈值。该装置824可响应于确定检测到的扭矩超过该阈值,(例如,在该装置824的显示器上)呈现所检测到的扭矩超过该阈值的视觉指示。在另一示例中,装置824远离手术锯802,并且被用在手术区中。
图9示出了一幅流程图,其示出了根据一些实施例的用于利用锯片监控手术切割的技术900。技术900包括用于检测臂(例如,机器人臂)上的扭矩的操作502。可以使用传感器来检测该扭矩,并且检测到的扭矩可由锯片引起并且被接收在被附接到臂(其可包括机器人臂)的切割引导件内。技术900包括操作904以产生该扭矩的至少一部分的视觉表示。操作904可被响应于从传感器接收表示臂上的扭矩的信号而产生。
技术900包括操作906以例如通过使用显示装置来显示扭矩的视觉表示。显示该视觉表示可包括在二维扭矩图内显示对应于检测到的前-后扭矩的前-后扭矩杆或对应于检测到的内-外扭矩的内-外扭矩杆或者显示检测到的扭矩的表示。显示二维扭矩图可包括显示表示检测到的内-外扭矩和检测到的前-后扭矩的扭矩部件。可以使用例如基于扭矩水平的渐变着色来显示二维扭矩图。渐变着色可从绿色变为红色(例如,图的中心为绿色,边缘为红色)。在一个示例中,视觉表示可被显示在手术区中的显示器、虚拟现实显示器、增强现实显示器或平视显示器中的至少一种上。在另一示例中,该显示装置可被定位在控制锯片的手术锯上。
技术900可包括确定检测到的扭矩是否超过阈值以及响应于确定检测到的扭矩超过该阈值而控制手术锯的操作的操作。控制手术锯的操作可包括响应于确定检测到的扭矩超过该阈值而致使锯片停止操作。在一个示例中,响应于确定扭矩超过阈值,技术900可包括停止锯片,缩回锯片或者例如利用防护装置阻挡住锯片。
图10示出了根据一些实施例的手术锯1002,其包括锯片1004和锯片1004上的用于检测锯片1004上的扭矩的应变仪(例如,1006)。图10包括锯片1004的局部放大自顶而下的视图1008,以示出应变仪位置(例如,应变仪1006)。应变仪(例如,应变仪1006)可被用于跟踪锯片1004的移动。应变仪(例如,应变仪1006)可被(例如,作为标签或利用胶水或磁性地)固定或联接到锯片1004。应变仪(例如,应变仪1006)可将应变(例如,作为电压、值等)输出到处理器、存储器、经由接收器或发射器输出到远程装置(例如,手术锯1002或计算机)等。应变仪可被沿着不同的轴定向以例如沿着锯片1004的长轴(例如,应变仪1006)、沿着锯片1004的短轴(例如,应变仪1010)、沿着与短轴或长轴中的一个成45度的轴或者当测量锯片1004上的潜在扭矩时由外科医生所需的任何其它角度测量不同的应变。
在一个示例中,一些扭矩传感器可作出反应以在锯片的基部处发现弯曲或扭矩。通过将应变仪(例如,应变仪1006)直接放置在锯片1004上,可以监控锯片1004本身的扭矩,而非仅仅是锯片1004的基部处的扭矩。使用锯片1004上的应变仪可以允许跟踪整个锯片1004上而非仅仅是基部上的弯曲或屈曲,这可以是更为精确的或识别在基部处不明显的扭矩。
诸如锯片1006之类的锯片可被与用于检测上述刮削的多种方法和装置结合使用或代替其使用。例如,技术900可利用从锯片1006推导出的信息来显示锯片扭矩信息和/或警告外科医生可能的刮削。在一个示例中,锯片1006可与包括应变仪826A-C的系统800一起使用,例如作为锯片804。
在一个示例中,术语“机器可读介质”可包括被配置为存储一个或多个指令的单个介质或多个介质(例如,集中式或分布式数据库或相关联的高速缓存器和服务器)。术语“机器可读介质”可包括能够存储、编码或承载用于由机器执行的指令并且使该机器执行本公开的技术中的任一种或多种或能够存储、编码或承载由这些指令使用或与这些指令相关联的数据结构的任何介质。非限制性机器可读介质示例可包括固态存储器、以及光学和磁性介质。机器可读介质的具体示例可包括:非易失性存储器,例如半导体存储装置(例如,电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM))和闪存装置;磁盘,例如内部硬盘和可移动磁盘;磁光盘;和CD-ROM盘和DVD-ROM盘。
多种注释及示例
这些非限制性示例中的每一个可独立存在,或者可以多种排列组合的方式或与其它示例中的一个或多个组合的方式组合。
示例1是一种手术切割系统,包括:手术锯,其包括锯片以执行手术切割;切割引导件,其用于在进行手术切割时引导该锯片;传感器,其用于在手术切割过程中检测锯片上的由与切割引导件相互作用引起的扭矩;以及包括处理器和显示屏的装置,其被配置为:从传感器接收表示检测到的扭矩的信号;并产生用于显示在该装置上的表示检测到的扭矩的视觉指示。
在示例2中,示例1所述的主题包括,其中,该装置被固定到手术锯。
在示例3中,示例1-2所述的主题包括,其中,该装置还被配置成基于接收到的信号确定检测到的扭矩是否超过阈值。
在示例4中,示例3所述的主题包括,其中,该装置还被配置成响应于确定检测到的扭矩超过该阈值,呈现检测到的扭矩超过该阈值的视觉指示。
在示例5中,示例1-4所述的主题包括,其中,该视觉指示包括对应于检测到的前-后扭矩的前-后扭矩杆或对应于检测到内-外扭矩的内-外扭矩杆。
在示例6中,示例1-5所述的主题包括第二传感器,以用于检测在与传感器正交的方向上的扭矩。
在示例7中,示例6所述的主题包括,其中,该传感器检测前-后扭矩,并且第二传感器检测内-外扭矩。
在示例8中,示例6-7所述的主题包括,其中,视觉指示包括二维扭矩图中的对应于检测到的前-后扭矩的前-后扭矩轴和对应于检测到的内-外扭矩的内-外扭矩轴。
在示例9中,示例1-8所述的主题包括,其中,该装置远离手术锯并且被用在手术区中。
在示例10中,示例1-9所述的主题包括,其中,传感器被定位在切割引导件内。
在示例11中,示例1-10所述的主题包括,其中,显示器是虚拟现实显示器、增强现实显示器或平视显示器。
在示例12中,示例1-11所述的主题包括,其中,显示器被定位在手术锯上。
在示例13中,示例1-12所述的主题包括,其中,传感器是加速度计、力传感器或压力传感器或应变仪中的一种。
在示例14中,示例1-13所述的主题包括,其中,表示检测到的扭矩的视觉指示包括锯片相对于切割引导件的取向的视觉描绘。
示例15是一种手术锯,包括:锯片,其使用切割引导件进行手术切割;传感器,其被定位在锯片上,该传感器在手术切割过程中通过切割引导件检测锯片上的扭矩;处理器,其用于响应来自传感器的表示锯片上的扭矩的信号来控制手术锯的操作。
在示例16中,示例15所述的主题包括,其中,处理器还用于确定检测到的扭矩是否超过阈值,并且为了控制手术锯的操作,处理器用于响应于确定检测到的扭矩超过该阈值来控制手术锯的操作。
在示例17中,示例16所述的主题包括,其中,控制手术锯的操作包括响应于确定检测到的扭矩超过该阈值而致使锯片停止操作。
在示例18中,示例17所述的主题包括,其中,为了致使锯片停止操作,处理器致使防护装置阻挡住该锯片。
在示例19中,示例17-18所述的主题包括,其中,为了致使锯片停止操作,处理器致使马达停止该锯片。
在示例20中,示例17-19所述的主题包括,其中,为了使锯片停止操作,处理器将致使锯片缩回到手术锯的轴中。
在示例21中,示例16-20所述的主题包括,其中,手术锯还包括显示器,该显示器用以响应于处理器确定检测到的扭矩超过阈值,呈现检测到的扭矩超过该阈值的视觉指示。
在示例22中,示例16-21所述的主题包括,其中,处理器还用以生成用于在显示屏上显示的表示检测到的扭矩的视觉指示。
在示例23中,示例22所述的主题包括,其中,视觉指示包括对应于检测到的前-后扭矩的前-后扭矩杆或对应于检测到的内-外扭矩的内-外扭矩杆。
在示例24中,示例22-23所述的主题包括,其中,视觉指示包括在二维扭矩图内的检测到的扭矩的表示。
在示例25中,示例22-24所述的主题包括,其中,显示屏被定位在移动装置、锯片或手术锯中的一种上。
在示例26中,示例15-25所述的主题包括,其中,传感器是加速度计、力传感器或压力传感器或应变仪中的一种。
在示例27中,示例15-26所述的主题包括,其中,手术切割是由学生使用锯片执行的培训切割,并且手术锯还包括反馈部件以提供表示检测到的扭矩的反馈。
在示例28中,示例27所述的主题包括,其中,反馈包括视觉指示、听觉指示或触觉反馈中的至少一种。
在示例29中,示例15-28所述的主题包括,其中,锯片包括被定位在锯片上的多个应变仪,以确定锯片中的弯曲或屈曲,并且处理器进一步用于响应于所确定的弯曲或屈曲来控制手术锯的操作。
示例30是一种方法,包括:使用传感器检测机器人臂上的扭矩,该扭矩由被接收在被附接到机器人臂的切割引导件内的锯片引起;响应于从传感器接收表示机器人臂上的扭矩的信号,产生该扭矩的至少一部分的视觉表示;并且使用显示装置来显示该扭矩的视觉表示。
在示例31中,示例30所述的主题包括,其中,显示扭矩的视觉表示包括显示对应于检测到的前-后扭矩的前-后扭矩杆或对应于检测到的内-外扭矩的内-外扭矩杆。
在示例32中,示例30-31所述的主题包括,其中,显示扭矩的视觉表示包括在二维扭矩图内显示检测到的扭矩的表示。
在示例33中,示例32所述的主题包括,其中,显示二维扭矩图包括显示表示检测到的内-外扭矩和检测到的前-后扭矩的扭矩部件。
在示例34中,示例32-33所述的主题包括,其中,显示二维扭矩图包括显示基于扭矩水平的渐变着色。
在示例35中,示例34所述的主题包括,其中,渐变着色从绿色变为红色。
在示例36中,示例30-35所述的主题包括,其中,显示扭矩的视觉表示包括在手术区中的显示器、虚拟现实显示器、增强现实显示器或平视显示器中的至少一种上显示该视觉表示。
在示例37中,示例30-36所述的主题包括,其中,显示装置被定位在控制锯片的手术锯上。
在示例38中,示例30-37所述的主题包括确定检测到的扭矩是否超过阈值以及响应于确定检测到的扭矩超过该阈值来控制手术锯的操作。
在示例39中,示例38所述的主题包括,其中,控制手术锯的操作包括响应于确定检测到的扭矩超过该阈值而致使锯片停止操作。
在示例40中,示例38-39所述的主题包括响应于确定扭矩超过该阈值而停止该锯片。
在示例41中,示例38-40所述的主题包括响应于确定扭矩超过该阈值而缩回该锯片。
在示例42中,示例38-41所述的主题包括响应于确定扭矩超过该阈值而利用防护部件阻挡住该锯片。
示例43是至少一种机器可读介质,其包括用于操作手术锯的指令,该指令由处理器执行,致使处理器执行操作以:使用传感器检测机器人臂上的扭矩,该扭矩由接收在被附接于机器人臂的切割引导件内的锯片引起;响应于从传感器接收到表示机器人臂上的扭矩的信号,生成该扭矩的至少一部分的视觉表示;并使用显示装置显示扭矩的视觉表示。
在示例44中,示例43所述的主题包括,其中,显示扭矩的视觉表示包括显示对应于检测到的前-后扭矩的前-后扭矩杆或对应于检测到的内-外扭矩的内-外扭矩杆。
在示例45中,示例43-44所述的主题包括,其中,显示扭矩的视觉表示包括在二维扭矩图内显示检测到的扭矩的表示。
在示例46中,示例45所述的主题包括,其中,显示二维扭矩图包括显示表示检测到的内-外扭矩和检测到的前-后扭矩的扭矩部件。
在示例47中,示例45-46所述的主题包括,其中,显示二维扭矩图包括显示基于扭矩水平的渐变着色。
在示例48中,示例47所述的主题包括,其中,渐变着色从绿色变为红色。
在示例49中,示例43-48所述的主题包括,其中,显示扭矩的视觉表示包括在手术区中的显示器、虚拟现实显示器、增强现实显示器或平视显示器中的至少一种上显示该视觉表示。
在示例50中,示例43-49所述的主题包括,其中,显示装置被定位在控制锯片的手术锯上。
在示例51中,示例43-50所述的主题包括确定检测到的扭矩是否超过阈值以及响应于确定检测到的扭矩超过该阈值来控制手术锯的操作。
在示例52中,示例51所述的主题包括,其中,控制手术锯的操作包括响应于确定检测到的扭矩超过该阈值而致使锯片停止操作。
在示例53中,示例51-52所述的主题包括响应于确定扭矩超过阈值而停止锯片。
在示例54中,示例51-53所述的主题包括响应于确定扭矩超过阈值而缩回锯片。
在示例55中,示例51-54所述的主题包括响应于确定扭矩超过阈值而利用防护部件阻挡住锯片。
示例56是至少一种机器可读介质,其包括指令,当由处理电路执行时,这些指令致使处理电路执行操作以实现示例1-55中的任一个。
示例57是一种设备,其包括用以实施示例1-55中的任一个的装置。
示例58是用以实施示例1-55中的任一个的系统。
示例59是用以实施示例1-55中的任一个的方法。
本文中描述的方法示例可以至少部分地是机器或计算机实现的。一些示例可包括编码有指令的计算机可读介质或机器可读介质,这些指令可操作以配置电子装置以执行如上所述的方法。这种方法的实现可以包括代码,例如微代码、汇编语言代码、更高级的语言代码等。此类代码可包括用于执行多种方法的计算机可读指令。代码可形成计算机程序产品的多个部分。此外,在一个示例中,代码可以被例如在执行期间或在其它时间有形地存储在一个或多个易失性、非暂时性或非易失性有形计算机可读介质上。这些有形计算机可读介质的示例可包括但不限于硬盘、可移动磁盘、可移动光盘(例如,紧致盘和数字视频盘)、磁带、存储卡或棒、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等。

Claims (25)

1.一种手术切割系统,包括:
手术锯,所述手术锯包括锯片以进行手术切割;
切割引导件,所述切割引导件用于在进行所述手术切割时引导所述锯片;
传感器,所述传感器用于在所述手术切割的过程中检测所述锯片上的由与所述切割引导件的相互作用所引起的扭矩;和
包括处理器和显示屏的装置,所述装置被配置成:
从所述传感器接收表示检测到的扭矩的信号;并
生成用于在所述装置上显示的表示所述检测到的扭矩的视觉指示。
2.根据权利要求1所述的手术切割系统,其中,所述装置还被配置成基于接收到的信号确定所述检测到的扭矩是否超过阈值。
3.根据权利要求2所述的手术切割系统,其中,所述装置还被配置成响应于确定所述检测到的扭矩超过所述阈值,呈现所述检测到的扭矩超过所述阈值的视觉指示。
4.根据权利要求1所述的手术切割系统,其中,所述装置的所述显示屏被定位在所述手术锯上。
5.根据权利要求1所述的手术切割系统,其中,所述传感器是加速度计、力传感器、压力传感器或应变仪中的一种。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的手术切割系统,其中,表示所述检测到的扭矩的所述视觉指示包括所述锯片相对于所述切割引导件的取向的视觉描绘。
7.一种手术锯,包括:
锯片,所述锯片用于使用切割引导件进行手术切割;
传感器,所述传感器被定位在所述锯片上,所述传感器用以在所述手术切割的过程中通过所述切割引导件检测所述锯片上的扭矩;
处理器,所述处理器用于响应于来自所述传感器的表示所述锯片上的扭矩的信号来控制所述手术锯的操作。
8.根据权利要求7所述的手术锯,其中,所述处理器还用于确定所述检测到的扭矩是否超过阈值,并且为了控制所述手术锯的操作,所述处理器用于响应于确定所述检测到的扭矩超过所述阈值来控制所述手术锯的操作。
9.根据权利要求8所述的手术锯,其中,控制所述手术锯的操作包括响应于确定所述检测到的扭矩超过所述阈值,致使所述锯片停止操作。
10.根据权利要求9所述的手术锯,其中,为了致使所述锯片停止操作,所述处理器用以致使防护装置阻挡住所述锯片,致使马达停止所述锯片,或致使所述锯片被缩回到所述手术锯的轴中。
11.根据权利要求8所述的手术锯,其中,所述处理器还用于生成用于显示在显示屏上的表示所述检测到的扭矩的视觉指示。
12.根据权利要求11所述的手术锯,其中,所述视觉指示包括在二维扭矩图内的所述检测到的扭矩的表示。
13.根据权利要求7所述的手术锯,其中,所述传感器是加速度计、力传感器、压力传感器或应变仪中的一种。
14.根据权利要求7-13中的任一项所述的手术锯,其中,所述手术切割是由学生使用所述锯片执行的培训切割。
15.根据权利要求7所述的手术锯,其中,所述手术锯还包括反馈部件,以提供表示所述检测到的扭矩的反馈。
16.根据权利要求15所述的手术锯,其中,所述反馈包括视觉指示、听觉指示或触觉反馈中的至少一种。
17.一种方法,包括:
使用传感器检测机器人臂上的扭矩,所述扭矩由被接收在被附接于所述机器人臂的切割引导件内的锯片引起;
响应于从所述传感器接收到表示所述机器人臂上的所述扭矩的信号,生成所述扭矩的至少一部分的视觉表示;以及
使用显示装置显示所述扭矩的所述视觉表示。
18.根据权利要求17所述的方法,其中,显示所述扭矩的所述视觉表示包括在二维扭矩图内显示检测到的扭矩的表示,所述显示包括显示表示检测到的内-外扭矩和检测到的前-后扭矩的扭矩部件。
19.至少一种机器可读介质,包括用于操作手术锯的由处理器执行的指令,所述指令致使所述处理器执行以下操作:
使用传感器检测机器人臂上的扭矩,所述扭矩由在被附接于所述机器人臂的切割引导件内接收到的锯片引起;
响应于从所述传感器接收到表示所述机器人臂上的所述扭矩的信号,生成所述扭矩的至少一部分的视觉表示;以及
使用显示装置显示所述扭矩的所述视觉表示。
20.根据权利要求19所述的至少一种机器可读介质,其中,显示所述扭矩的所述视觉表示包括显示对应于检测到的前-后扭矩的前-后扭矩杆或对应于检测到的内-外扭矩的内-外扭矩杆。
21.如权利要求19所述的至少一种机器可读介质,其中,显示所述扭矩的所述视觉表示包括在二维扭矩图内显示所述检测到的扭矩的表示。
22.根据权利要求21所述的至少一种机器可读介质,其中,显示所述二维扭矩图包括显示表示检测到的内-外扭矩和检测到的前-后扭矩的扭矩部件。
23.根据权利要求21所述的至少一种机器可读介质,其中,显示所述二维扭矩图包括显示基于扭矩水平的渐变着色。
24.根据权利要求23所述的至少一种机器可读介质,其中,所述渐变着色从绿色变为红色。
25.根据权利要求19-24中的任一项所述的至少一种机器可读介质,其中,显示所述扭矩的所述视觉表示包括在手术区中的显示器、虚拟现实显示器、增强现实显示器或平视显示器中的至少一种上显示所述视觉表示。
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