CN113558763A - 荧光透视成像系统的固定装置以及相关导航系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及荧光透视成像系统的固定装置以及相关导航系统和方法。本发明讨论了一种用于荧光透视x射线成像系统的固定装置，其中所述荧光透视成像系统包含C形臂、在所述C形臂的第一端的x射线源和在所述C形臂的第二端的x射线检测器。所述固定装置包含处理器和与所述处理器耦合的存储器。所述存储器包含可由所述处理器执行的指令，使得所述处理器被配置成检测从所述x射线源朝向所述x射线检测器的x射线发射，响应于检测到所述x射线发射来确定所述x射线源相对于所述x射线检测器的偏移，并且向医疗导航系统提供所述x射线源的所述偏移的指示。还讨论了相关方法和机器人系统。

Description

荧光透视成像系统的固定装置以及相关导航系统和方法

技术领域

本公开涉及医疗装置，并且更具体地，涉及荧光透视x射线成像系统以及相关方法和装置。

背景技术

在使用手术导航执行外科手术之前和/或期间，可能需要荧光透视x射线成像系统的坐标系、跟踪系统的坐标系(例如，相机坐标系)和/或解剖结构的手术前图像的坐标系(例如，MRI或CT扫描)之间的配准。因为荧光透视成像系统是一个大件装备，其具有支撑在大型C形臂相对两端的x射线源和x射线检测器，所以C形臂可能在不同位置不同地挠曲，使得x射线源和x射线检测器的相对位置在C形臂的不同位置可能不同，使得难以相对于其它坐标系正确地配准所得图像。

发明内容

根据本发明概念的一些实施例，手术成像系统被配置成与荧光透视成像系统一起使用。荧光透视成像系统包含C形臂、在C形臂的第一端的x射线源和在C形臂的第二端的x射线检测器，并且荧光透视成像系统被配置成基于在x射线检测器处从x射线源接收的x射线来生成x射线图像。手术成像系统包含固定装置和医疗导航系统。固定装置在单个平面中包含x射线不透基准图案，并且所述固定装置与x射线检测器耦合，使得x射线不透基准图案位于x射线检测器和x射线发射器之间的x射线检测器的表面上。医疗导航系统被配置成从荧光透视成像系统接收对应于C形臂的第一定向的第一患者图像，其中所述第一患者图像包含对应于x射线不透基准图案的第一阴影。医疗导航系统还被配置成从荧光透视成像系统接收对应于C形臂的第二定向的第二患者图像，其中所述第二患者图像包含对应于x射线不透基准图案的第二阴影。所述医疗导航系统还被配置成基于作为x射线检测器相对于重力的定向的函数的x射线源相对于x射线检测器的偏移的相关性，并基于第一患者图像中的第一阴影和第二患者图像中的第二阴影，提供由跟踪相机监测的物理空间的跟踪坐标系与第一患者图像和第二患者图像的图像坐标系之间的配准。

根据本发明概念的一些实施例，提供用于荧光透视x射线成像系统的固定装置，其中所述荧光透视x射线成像系统包含C形臂、在所述C形臂的第一端的x射线源和在所述C形臂的第二端的x射线检测器。所述固定装置包含处理器和与所述处理器耦合的存储器。存储器包含可由处理器执行的指令，使得固定装置被配置成检测从x射线源朝向x射线检测器的x射线发射，响应于检测到x射线发射来确定x射线源相对于x射线检测器的偏移，并且向医疗导航系统提供x射线源的偏移的指示。

根据本发明概念的一些其它实施例，提供一种用于操作荧光透视x射线成像系统的固定装置的方法，所述荧光透视x射线成像系统包含C形臂、在C形臂的第一端的x射线源和在C形臂的第二端的x射线检测器。检测从x射线源朝向x射线检测器的x射线发射。响应于检测到x射线发射来确定x射线源相对于x射线检测器的偏移。x射线源的偏移被提供给医疗导航系统。

根据本发明概念的其它实施例，医疗导航系统包含处理器和与处理器耦合的存储器，其中所述存储器包含可由处理器执行的指令，使得医疗导航系统被配置成执行以下操作。处理器被配置成从荧光透视x射线成像系统接收限定第一图像的信息，其中所述荧光透视x射线成像系统包含C形臂、在所述C形臂的第一端的x射线源和在所述C形臂的第二端的x射线检测器。处理器被配置成提供/接收x射线源相对于x射线检测器的第一偏移的指示，其中第一偏移与第一图像相关联。处理器被配置成从荧光透视x射线成像系统接收限定第二图像的信息，其中第一图像和第二图像不同。处理器被配置成提供/接收x射线源相对于x射线检测器的第二偏移的指示，其中第二偏移与第二图像相关联，并且第一偏移和第二偏移不同。处理器被配置成提供由跟踪传感器监测的物理空间的跟踪坐标系和来自荧光透视x射线成像系统的第一图像和第二图像的图像坐标系之间的配准，其中配准是基于第一偏移和第二偏移的指示而提供的。

根据本发明概念的又一其它实施例，提供一种用于操作医疗导航系统的方法。从荧光透视x射线成像系统接收限定第一图像的信息，所述荧光透视x射线成像系统包含C形臂、在C形臂的第一端的x射线源和在C形臂的第二端的x射线检测器。提供/接收x射线源相对于x射线检测器的第一偏移的指示，其中第一偏移与第一图像相关联。从荧光透视x射线成像系统接收限定第二图像的信息，其中第一图像和第二图像是不同的。提供/接收所述x射线源相对于所述x射线检测器的第二偏移的指示，其中所述第二偏移与所述第二图像相关联，并且所述第一偏移和所述第二偏移不同。基于第一偏移和第二偏移的指示，提供由跟踪传感器监测的物理空间的跟踪坐标系和来自荧光透视x射线成像系统的第一图像和第二图像的图像坐标系之间的配准。

通过阅读以下附图和具体实施方式，根据本发明主题的实施例的其它方法和相关系统以及对应的方法和计算机程序产品对于本领域技术人员来说将变得显而易见。意图将所有此类系统以及对应的方法和计算机程序产品都包含在本说明书中，都在本发明主题的范围内，并且都由所附权利要求保护。而且，意图是可以以任何方式和/或组合来单独或组合实现本文公开的所有实施例。

附图说明

附图被包含进来以提供对本公开的进一步理解，并且被并入本申请并且构成本申请的一部分，附图绘示了公开概念的某些非限制性实施例。在附图中：

图1是外科手术过程期间机器人系统、患者、外科医生和其他医务人员的位置的可能布置的俯视图；

图2示出了根据一个实施例包含手术机器人和相机相对于患者的定位的机器人系统；

图3示出了根据示范性实施例的手术机器人系统；

图4示出了根据示范性实施例的手术机器人的一部分；

图5示出了根据示范性实施例的手术机器人的框图；

图6示出了根据示范性实施例的手术机器人；

图7A至图7C示出了根据示范性实施例的末端执行器；

图8示出了根据一个实施例在将手术器械插入到末端执行器的导管中之前和之后的手术器械和末端执行器；

图9A至图9C示出了根据示范性实施例的末端执行器和机器人臂的部分；

图10示出了根据示范性实施例的动态参考阵列、成像阵列和其它组件；

图11示出了根据示范性实施例的配准方法；

图12A至图12B示出了根据示范性实施例的成像装置的实施例；

图13A示出了根据示范性实施例包含机器人臂和末端执行器的机器人的一部分；

图13B是图13A所示的末端执行器的特写视图，其具有刚性附连在其上的多个跟踪标记；

图13C是根据一个实施例具有刚性附连在其上的多个跟踪标记的工具或器械；

图14A是在第一配置中具有可移动跟踪标记的末端执行器的替代型式；

图14B是在第二配置中具有可移动跟踪标记的图14A中示出的末端执行器；

图14C示出了来自图14A的第一配置中的跟踪标记的模板；

图14D示出了来自图14B的第二配置中的跟踪标记的模板；

图15A示出了仅附连有单个跟踪标记的末端执行器的替代型式；

图15B示出图15A的末端执行器，其中器械穿过引导管设置；

图15C示出图15A的末端执行器，其中器械在两个不同位置中，以及所得的用以确定该器械定位于引导管内还是引导管外的逻辑；

图15D示出图15A的末端执行器，其中器械在引导管中在两个不同框架处，以及其距引导管上的单个跟踪标记的相对距离；

图15E示出相对于坐标系的图15A的末端执行器；

图16是用于将机器人的末端执行器导航并移动到期望的目标轨迹的方法的框图；

图17A-17B分别描绘用于将具有固定和可移动跟踪标记的可膨胀植入物插入于收缩和膨胀位置中的器械；

图18A-18B分别描绘用于将具有固定和可移动跟踪标记的铰接式植入物插入于插入和成角位置中的器械；

图19A描绘具有可互换或替代性末端执行器的机器人的实施例；

图19B描绘了具有耦合到其的器械型末端执行器的机器人的实施例；

图20是绘示包含多个BB/基准平面的固定装置的照片；

图21是绘示针孔相机模型的示意图；

图22是绘示根据本发明概念的一些实施例的荧光透视x射线成像系统的配置的图；

图23A、图23B和图23C是绘示根据本发明概念的一些实施例的重力矢量的示意图；

图24A和图24B是绘示根据本发明概念的一些实施例的重力矢量的照片；

图25和图26是绘示根据本发明概念的一些实施例的校准操作的流程图；

图27A、图27B和图27C是绘示根据本发明概念的一些实施例的可以用于校准的固定装置的照片；

图28是绘示根据本发明概念的一些实施例的如关于图25所讨论的参考荧光透视图像/快照的照片；

图29A、图29B和图29C是绘示根据本发明概念的一些实施例在固定装置中使用BB/基准来提供上下/左右准直的照片；

图30绘示了根据本发明概念的一些实施例的十字准线作为基准的使用；

图31绘示了根据本发明概念的一些实施例的荧光透视x射线成像系统上监视标记的使用；

图32是绘示根据本发明概念的一些实施例的校准固定装置的使用的流程图；

图33是绘示根据本发明概念的一些实施例的用于x射线检测器上的固定装置的示意图；

图34是绘示根据本发明概念的一些实施例的固定装置控制器的框图；

图35是绘示根据本发明概念的一些实施例的机器人控制器的框图。

图36A和图36B是绘示根据本发明概念的一些实施例的固定装置的操作的流程图；

图37是绘示根据本发明概念的一些实施例的机器人系统的操作的流程图；

图38A和图38B是绘示根据本发明概念的一些实施例的图33的固定装置的平面图；

图39是根据本发明概念的一些实施例的包含用于固定装置的安装插口的荧光透视x射线成像系统的平面图；

图40是根据本发明概念的一些实施例的安装在荧光透视x射线成像系统的x射线检测器上的固定装置的平面图；

图41是根据本发明概念的一些实施例的安装在荧光透视x射线成像系统的x射线检测器上的固定装置和临时x射线不透基准图案的平面图；

图42是根据本发明概念的一些实施例的包含安装插口的荧光透视x射线成像系统的x射线检测器的放大平面图；

图43是根据本发明概念的一些实施例的安装在荧光透视x射线成像系统的x射线检测器上的固定装置的放大平面图；

图44是根据本发明概念的一些实施例的安装在荧光透视x射线成像系统的x射线检测器上的固定装置和临时x射线不透基准图案的放大平面图；

图45A、图45B和图45C是绘示了根据本发明概念的一些实施例的安装在荧光透视成像系统的x射线检测器上的固定装置、覆盖固定装置和x射线检测器的无菌盖布以及在无菌盖布上/穿过无菌盖布的跟踪标记的应用的放大平面图。

具体实施方式

应当理解，本公开在其应用方面不限于在本文的描述中阐述的或者在附图中图示的部件的构造和布置的细节。本公开的教导可在其它实施例中使用和实践，并且以各种方式实践或实行。并且，应当理解，本文所使用的措词和术语是出于描述的目的且不应被视为是限制性的。本文中使用“包括”、“包含”或“具有”及其变化形式意在涵盖其后列出的项目和其等效物以及附加项目。除非另外指定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦合”及其变型广泛地使用，并且涵盖直接和间接安装两者、连接、支撑和耦合。此外，“连接”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合。

呈现以下论述以使所属领域的技术人员能够制造和使用本公开的实施例。所属领域的技术人员将容易了解对所图示的实施例的各种修改，并且在不脱离本公开的实施例的情况下，本文的原理可应用于其它实施例和应用。因此，实施例并不旨在限于所示出的实施例，而是应被赋予与本文中所公开的原理和特征相一致的最广范围。以下详细描述应参考附图来阅读，其中不同图中的相似元件具有相似参考标号。不一定按比例的图描绘了所选择的实施例，并且并不旨在限制实施例的范围。本领域的技术人员将认识到，本文提供的实施例具有许多有用的替代方案并且落入实施例的范围内。

现转而参看附图，图1和图2示出了根据示范性实施例的手术机器人系统100。手术机器人系统100可包含例如手术机器人102、一个或多个机器人臂104、基座106、显示器110、例如包含引导管114的末端执行器112，以及一个或多个跟踪标记118。手术机器人系统100可包含患者跟踪装置116，所述患者跟踪装置也包含一个或多个跟踪标记118，所述跟踪标记适于被直接地固定到患者210(例如固定到患者210的骨骼)。手术机器人系统100还可使用例如定位在相机支架202上的相机200。相机支架202可具有任何合适的构造以将相机200移动、定向并支撑在期望的位置。相机200可包含任何合适的一个或多个相机，例如一个或多个红外相机(例如，双焦或立体摄影测量相机)，所述相机能够在从相机200的角度可检视的给定测量体积中识别例如有源和无源跟踪标记118(示出为图2中的患者跟踪装置116的一部分，且由图13A-13B中的放大视图示出)。相机200可以扫描给定测量体积并且检测来自标记118的光，以便识别和确定标记118在三维中的位置。举例来说，有源标记118可包含由电信号(例如红外发光二极管(LED))激活的红外发射标记，和/或无源标记118可包含反射红外光的回射标记(例如它们将进入的IR辐射反射到入射光的方向中)，所述红外光例如由相机200上的照明器或其它合适的装置发射。

图1和图2示出了用于将手术机器人系统100放置在手术室环境中的可能配置。举例来说，机器人102可以位于患者210附近或旁边。虽然描绘在患者210的头部附近，但是应当理解，机器人102可以位于患者210附近的任何合适的位置，这取决于患者210正在进行手术的区域。相机200可以与机器人系统100分开并且定位在患者210的足部。所述位置允许相机200对手术视野208具有直接的视线。再次，可以设想相机200可以位于具有到手术视野208的视线的任何合适的位置。在所示的配置中，外科医生120可以定位在机器人102的对面，但仍然能够操纵末端执行器112和显示器110。手术助手126可以再次与外科医生120对置地定位，并且可以触及末端执行器112和显示器110两者。如果需要，外科医生120与助理126的位置可以颠倒。麻醉师122和护士或擦洗技术人员124的传统区域可保持不受机器人102和相机200的位置阻碍。

关于机器人102的其它组件，显示器110可以被附接到手术机器人102，并且在其它示范性实施例中，显示器110可以与手术机器人102分开，不管是在具有手术机器人102的手术室内，还是在远程位置。末端执行器112可以耦合到机器人臂104并且由至少一个马达控制。在示范性实施例中，末端执行器112可包括导管114，导管能够接收和定向用于对患者210进行外科手术的手术器械608(本文进一步描述)。如本文所使用，术语“末端执行器”与术语“末端施行器”和“施行器元件”可互换使用。虽然通常用导管114示出，但应理解，末端执行器112可以用适用于外科手术的任何合适的仪器代替。在一些实施例中，末端执行器112可包括用于以期望的方式实现手术器械608的移动的任何已知结构。

手术机器人102能够控制末端执行器112的平移和定向。机器人102能够例如沿着x轴、y轴和z轴移动末端执行器112。末端执行器112可以配置成用于围绕x轴、y轴和z轴中的一个或多个以及Z框轴线选择性旋转(使得与末端执行器112相关联的一个或多个欧拉角(例如翻滚、俯仰和/或偏转)可以被选择性地控制)。在一些示范性实施例中，与使用例如仅包括旋转轴的六自由度机器人臂的传统机器人相比，对末端执行器112的平移和定向的选择性控制可以允许医疗过程的执行具有显著提高的准确度。举例来说，手术机器人系统100可以用于在患者210上操作，并且机器人臂104可以被定位在患者210的身体上方，末端执行器112选择性地相对于z轴朝向患者210身体成角度。

在一些示范性实施例中，手术器械608的位置可以动态地更新，使得手术机器人102可以在手术期间始终知道手术器械608的位置。因此，在一些示范性实施例中，手术机器人102可以将手术器械608快速移动到期望位置，而无需医师的任何进一步帮助(除非医师需要)。在一些进一步的实施例中，手术机器人102可以配置成在手术器械608偏离所选择的预先规划的轨迹的情况下校正手术器械608的路径。在一些示范性实施例中，手术机器人102可配置成允许停止、修改和/或手动控制末端执行器112和/或手术器械608的移动。因此，在示范性实施例中，在使用中，医师或其他使用者可以操作系统100，并且可以选择停止、修改或手动控制末端执行器112和/或手术器械608的自主移动。包含由手术机器人102对手术器械608的控制和移动的手术机器人系统100的另外细节可查阅共同待决的第9,782,229号美国专利，所述专利的全部公开内容以引用的方式并入本文中。

机器人手术系统100可包括一个或多个跟踪标记118，所述跟踪标记配置成在三维中跟踪机器人臂104、末端执行器112、患者210和/或手术器械608的移动。在示范性实施例中，多个跟踪标记118可以被安装(或以其它方式被固定)在机器人102的外表面上，例如但不限于机器人102的基座106上、机器人臂104上，和/或末端执行器112上。在示范性实施例中，所述多个跟踪标记118中的至少一个跟踪标记118可以被安装或以其它方式被固定到末端执行器112。一个或多个跟踪标记118可以进一步被安装(或以其它方式被固定)到患者210。在示范性实施例中，多个跟踪标记118可以位置在与手术区域208间隔开的患者210上，以减小被外科医生、手术工具或机器人102的其它部分遮挡的可能性。此外，一个或多个跟踪标记118还可以安装(或以其它方式固定)到手术工具608(例如，螺丝刀、扩张器、植入物插入器等)。因此，跟踪标记118使得机器人102能够跟踪被标记的对象(例如，末端执行器112、患者210和手术工具608)中的每一个。在示范性实施例中，系统100可以使用从每个被标记对象收集的跟踪信息计算例如末端执行器112、手术器械608(例如定位在末端执行器112的管114中)的定向和位置、以及患者的相对位置210。

标记118可包含射线不透或光学标记。标记118可呈适合的形状，包含球面、球形、圆柱形、立方体、长方体等等。在示范性实施例中，标记118中的一个或多个可以是光学标记。在一些实施例中，通过用于检查或验证末端执行器112的位置，末端执行器112上的一个或多个跟踪标记118的定位可使位置测量的准确性增加/最大化。包含手术机器人102和手术器械608的控制、移动和跟踪的手术机器人系统100的进一步细节可查阅第2016/0242849号美国专利公开，所述专利公开的全部公开内容以引用的方式并入本文中。

示范性实施例包含耦合到手术器械608的一个或多个标记118。在示范性实施例中，例如耦合到患者210和手术器械608的这些标记118，以及耦合到机器人102的末端执行器112的标记118可包括传统的红外发光二极管(LED)或能够使用商业上可获得的红外光学跟踪系统(例如

)跟踪的

二极管。

是加拿大安大略省滑铁卢北方数字公司(Northern Digital Inc.)的注册商标。在其它实施例中，标记118可包括能够使用商业上可获得的光学跟踪系统(例如Polaris Spectra)跟踪的常规反射球。PolarisSpectra也是北方数字公司的注册商标。在示范性实施例中，耦合到末端执行器112的标记118是有源标记，其包括可以接通和关断的红外发光二极管，并且耦合到患者210和手术器械608的标记118包括无源反射球。

在示范性实施例中，由标记118发射和/或反射的光可以由相机200检测并且可以用于监视被标记对象的位置和移动。在替代实施例中，标记118可包括射频和/或电磁反射器或收发器，并且相机200可包含射频和/或电磁收发器，或由射频和/或电磁收发器代替。

类似于手术机器人系统100，图3示出了与本公开的示范性实施例一致的处于对接配置的手术机器人系统300和相机支架302。手术机器人系统300可包括机器人301，机器人包含显示器304、上臂306、下臂308、末端执行器310、竖直柱312、脚轮314、机柜316、平板抽屉318、连接器面板320、控制面板322和信息环324。相机支架302可包括相机326。这些组件参照图5更详细地描述。图3示出了处于对接配置的手术机器人系统300，其中相机支架302例如在不使用时与机器人301嵌套。所属领域的技术人员将认识到，相机326和机器人301可以在手术程序期间彼此分离并且定位在任何适当的位置处，例如如图1和2所示。

图4示出了与本公开的示范性实施例一致的基座400。基座400可以是手术机器人系统300的一部分并且包括机柜316。机柜316可以容纳手术机器人系统300的某些组件，包含但不限于电池402、配电模块404、平台接口板模块406、计算机408、手柄412和平板抽屉414。这些组件之间的连接和关系参照图5更详细地描述。

图5示出了手术机器人系统300的示范性实施例的某些组件的框图。手术机器人系统300可包括平台子系统502、计算机子系统504、运动控制子系统506和跟踪子系统532。平台子系统502可以进一步包括电池402、配电模块404、平台接口板模块406和平板充电站534。计算机子系统504可以进一步包括计算机408、显示器304和扬声器536。运动控制子系统506可以进一步包括驱动器电路508、马达510、512、514、516、518、稳定器520、522、524、526、末端执行器310和控制器538。跟踪子系统532可进一步包括位置传感器540和相机转换器542。系统300还可包括脚踏板544和平板546。

经由可以被提供给配电模块404的电源548，将输入电力供应给系统300。配电模块404接收输入电力并且配置成产生不同的电源电压，所述电源电压被提供给系统300的其它模块、组件和子系统。配电模块404可以配置成向平台接口模块406提供不同的电压供应，所述不同电压供应可以被提供给如计算机408、显示器304、扬声器536、驱动器508等其它组件，以例如为马达512、514、516、518和末端执行器310、马达510、环324、相机转换器542以及用于系统300的其它组件供电，所述其它组件例如用于冷却机柜316内的电气组件的风扇。

配电模块404还可以将电力提供给其它组件，例如可以位于平板抽屉318内的平板充电站534。平板充电站534可以与平板546进行无线或有线通信以用于为平板546充电。平板546可以由与本公开一致并在本文描述的外科医生来使用。

配电模块404还可以连接到电池402，所述电池在配电模块404没有从输入电力548接收电力的情况下用作临时电源。在其它时间，如果必要，配电模块404可以用以对电池402进行充电。

平台子系统502的其它组件还可包含连接器面板320、控制面板322和环324。连接器面板320可以用于将不同的装置和组件连接到系统300和/或相关联的组件和模块。连接器面板320可以包含接收来自不同组件的线路或连接的一个或多个端口。举例来说，连接器面板320可以具有可以将系统300接地到其它设备的接地端子端口、将脚踏板544连接到系统300的端口、连接到跟踪子系统532的端口，跟踪子系统可包括位置传感器540、相机转换器542、以及与相机支架302相关联的相机326。连接器面板320还可包含其它端口以允许与其它组件(例如计算机408)进行USB、以太网、HDMI通信。

控制面板322可以提供控制系统300的操作和/或提供关于系统300的信息的各种按钮或指示器。举例来说，控制面板322可包含按钮，其用于使系统300通电或断电、升高或下降竖直柱312、以及升高或下降稳定器520-526，所述稳定器可被设计成接合脚轮314以锁定系统300以免于物理移动。其它按钮可以在紧急情况下停止系统300，这可以移除所有马达功率并施加机械制动器来阻止发生所有运动。控制面板322还可以具有指示器，其用于向用户通知某些系统状况，例如线路电力指示器或电池402的充电状态。

环324可以是视觉指示器，以向系统300的用户通知系统300正在操作的不同模式以及对用户的某些警告。

计算机子系统504包含计算机408、显示器304和扬声器536。计算机504包含操作系统和用于操作系统300的软件。计算机504可以接收和处理来自其它组件(例如跟踪子系统532、平台子系统502和/或运动控制子系统506)的信息以向用户显示信息。此外，计算机子系统504还可包含扬声器536以向用户提供音频。

跟踪子系统532可包含位置传感器504和转换器542。跟踪子系统532可以对应于包含相机326的相机支架302，如参照图3所描述。位置传感器504可以是相机326。跟踪子系统可以跟踪位于系统300的不同组件和/或在手术程序期间由用户使用的器械上的某些标记的位置。此跟踪可以与本公开一致的方式进行，包含使用分别跟踪例如LED或反射标记等有源或无源元件的位置的红外技术。具有这些类型的标记的结构的定位、定向和位置可以被提供给计算机408，可以在显示器304上向用户展示。举例来说，具有这些类型的标记并且以这种方式(其可以被称为导航空间)跟踪的手术器械608可以向用户展示相关的患者的解剖结构的三维图像。

运动控制子系统506可以配置成物理地移动竖直柱312、上臂306、下臂308或旋转末端执行器310。物理移动可以通过使用一个或多个马达510-518来进行。举例来说，马达510可以配置成竖直地升高或降低竖直柱312。如图3所示，马达512可以配置成围绕与竖直柱312接合的点横向移动上臂308。如图3所示，马达514可以配置成围绕与上臂308接合的点横向移动下臂308。马达516和518可以配置成以可控制翻转并且可控制倾斜的方式来移动末端执行器310，由此提供可以移动末端执行器310的多个角度。这些移动可以通过控制器538来实现，所述控制器可以通过测压元件(load cell)来控制这些移动以便以期望的方式移动系统300，所述测压元件设置在末端执行器310上并且由接合这些测压元件的使用者激活。

此外，系统300可以通过使用者在显示器304(其可以是触摸屏输入装置)上指示手术器械或组件在显示器304上的患者解剖结构的三维图像上的位置，来提供垂直柱312、上臂306和下臂308的自动移动。使用者可以通过踩踏脚踏板544或一些其它输入装置来启始此自动移动。

图6示出了与示范性实施例一致的手术机器人系统600。手术机器人系统600可包括末端执行器602、机器人臂604、导管606、器械608和机器人基座610。器械工具608可以附接到包含一个或多个跟踪标记(例如标记118)的跟踪阵列612，并且具有相关联的轨迹614。轨迹614可以代表器械工具608配置成一旦其穿过或固定在导管606中而行进的移动路径，例如器械工具608插入到患者体内的路径。在示范性操作中，机器人基座610可以配置成与机器人臂604和末端执行器602进行电子通信，使得手术机器人系统600可以辅助用户(例如外科医生)在患者210上操作。手术机器人系统600可以与之前描述的手术机器人系统100和300一致。

跟踪阵列612可以安装在器械608上以监视器械工具608的定位和定向。跟踪阵列612可以附接到器械608并且可包括跟踪标记804。如图8中最佳所见，跟踪标记804可以是例如发光二极管和/或其它类型的反射标记(例如如本文其它地方描述的标记118)。跟踪装置可以是与手术机器人系统相关联的一个或多个视线装置。作为实例，跟踪装置可以是与手术机器人系统100、300相关联的一个或多个相机200、326，并且还可跟踪跟踪阵列612以获得器械608相对于机器人臂604、机器人基座610、末端执行器602和/或患者210的限定域或相对定向。跟踪装置可以与结合相机支架302和跟踪子系统532描述的那些结构一致。

图7A、7B和7C分别示出了与示范性实施例一致的末端执行器602的俯视图、前视图和侧视图。末端执行器602可包括一个或多个跟踪标记702。跟踪标记702可以是发光二极管或其它类型的有源和无源标记，例如之前已经描述的跟踪标记118。在示范性实施例中，跟踪标记702是由电信号(例如红外发光二极管(LED))激活的有源红外发射标记。因此，跟踪标记702可以被激活，使得红外标记702对于相机200、326可见，或者可以被解除激活，使得红外标记702对于相机200、326不可见。因此，当标记702为有源时，末端执行器602可以由系统100、300、600来控制，并且当标记702被解除激活时，末端执行器602可以被锁定在适当位置并且不能被系统100、300、600移动。

标记702可以使得标记702可被一个或多个相机200、326或与手术机器人系统100、300、600相关联的其它跟踪装置可见的方式设置在末端执行器602上或所述末端执行器内。相机200、326或其它跟踪装置可在通过跟随跟踪标记702的移动而移动到不同位置和视角时跟踪末端执行器602。标记702和/或末端执行器602的位置可显示在与手术机器人系统100、300、600相关联的显示器110、304上，例如图2所示的显示器110和/或图3所示的显示器304。此显示器110、304可以允许使用者确保末端执行器602相对于机器人臂604、机器人基座610、患者210和/或使用者处于理想位置。

举例来说，如图7A所示的那样，可以将标记702放置在末端执行器602的表面周围，使得远离手术视野208并且面向机器人102、301和相机200、326放置的跟踪装置能够通过末端执行器602相对于跟踪装置的一系列共同定向来检视标记702中的至少3个。举例来说，以这种方式分布标记702允许当末端执行器602在手术视野208中平移和旋转时通过跟踪装置来监视末端执行器602。

另外，在示范性实施例中，末端执行器602可以配备有红外(infrared，IR)接收器，所述红外(IR)接收器可以检测何时外部相机200、326准备好读取标记702。在此检测后，末端执行器602然后可以照亮标记702。由IR接收器检测到外部相机200、326准备好读取标记702可以将同步标记702(其可以是发光二极管)的占空比的需要通过信号发送给外部相机200、326。这也可以允许机器人系统作为整体实现较低的功耗，由此标记702将仅在适当的时间被照亮而不是被持续照亮。此外，在示范性实施例中，可以关闭标记702以防止干扰其它导航工具(例如不同类型的手术器械608)。

图8描绘了一种类型的手术器械608，其包含跟踪阵列612和跟踪标记804。跟踪标记804可以是本文所描述的任何类型，包含但不限于发光二极管或反射球。由与手术机器人系统100、300、600相关联的跟踪装置来监视标记804，并且所述标记可以是视线相机200、326中的一个或多个。相机200、326可以基于跟踪阵列612和标记804的位置和定向来跟踪器械608的定位。外科医生120等用户可以以某种方式定向器械608，使得由跟踪装置或相机200、326充分辨识跟踪阵列612和标记804以例如在示范性手术机器人系统的显示器110上显示器械608和标记804。

外科医生120可以将器械608放置到末端执行器602的导管606中并调整器械608，这种方式在图8中是明显的。末端执行器112、310、602的中空管或导管114、606的尺寸和配置被设定为接收手术器械608的至少一部分。导管114、606配置成通过机器人臂104定向，使得手术器械608的插入和轨迹能够到达患者210体内或体上的期望解剖目标。手术器械608可以包含大体上圆柱形的器械的至少一部分。尽管以螺丝刀为例，作为手术工具608，但是应理解，任何合适的手术工具608都可由末端执行器602定位。举例来说，手术器械608可以包含导丝、套管、牵引器、钻头、铰刀、螺丝刀、插入工具、移除工具等中的一者或多者。尽管中空管114、606通常示出为具有圆柱形配置，但是本领域技术人员将会理解，导管114、606可以具有容纳手术器械608和进入手术部位期望的任何合适的形状、尺寸和配置。

图9A至图9C示出了与示范性实施例一致的末端执行器602和机器人臂604的一部分。末端执行器602可进一步包括主体1202和夹具1204。夹具1204可包括手柄1206、球1208、弹簧1210和唇缘1212。机器人臂604可进一步包括凹陷1214、安装板1216、唇缘1218和磁体1220。

末端执行器602可以通过一个或多个耦合件机械地介接和/或接合手术机器人系统和机器人臂604。举例来说，末端执行器602可以通过定位耦合件和/或增强耦合件与机器人臂604接合。通过这些耦合件，末端执行器602可以与柔性无菌屏障外的机器人臂604紧固。在示范性实施例中，定位耦合件可以是磁力运动学支架，并且增强耦合件可以是五杆跨中心夹紧联动件。

关于定位耦合件，机器人臂604可包括安装板1216(其可以是非磁性材料)、一个或多个凹陷1214、唇缘1218和磁体1220。磁体1220安装在每个凹陷1214下方。夹具1204的部分可包括磁性材料并且被一个或多个磁体1220吸引。通过夹具1204和机器人臂604的磁性吸引，球1208变成安置到相应的凹陷1214中。举例来说，如图9B所示的球1208将安置在凹陷1214中，如图9A所示。此安置可以被认为是磁力辅助的运动学耦合。无论末端执行器602的定向如何，磁体1220都可以配置成足够坚固以支撑末端执行器602的整个重量。定位耦合件可以是唯一地约束六个自由度的任何类型的运动学安装件。

关于增强耦合件，夹具1204的部分可以配置为固定的接地联动件，并且这种夹具1204可以用作五杆联动件。当唇缘1212和唇缘1218以固定末端执行器602和机器人臂604的方式接合夹具1204时，闭合夹具手柄1206可将末端执行器602固定到机器人臂604。当夹具手柄1206闭合时，当夹具1204处于锁定位置时弹簧1210可被拉伸或受到应力。锁定位置可以是提供经过中心的联动件的位置。由于闭合位置经过中心，因此在没有施加到夹具手柄1206以释放夹具1204的力的情况下，连接件不会打开。因此，在锁定位置中，末端执行器602可稳健地固定到机器人臂604。

弹簧1210可以是张紧的弯曲梁。弹簧1210可由表现出高刚度和高屈服应变的材料组成，例如原始PEEK(聚醚醚酮)。末端执行器602和机器人臂604之间的连接可以在末端执行器602和机器人臂604之间提供无菌屏障而不妨碍两个耦合件的紧固。

增强耦合件可以是具有多个弹簧构件的联动件。增强耦合件可以与凸轮或基于摩擦的机构锁定。增强耦合件还可以是足够强大的电磁体，其将支持将末端执行器102紧固到机器人臂604。增强耦合件可以是多件式套环，所述多件式套环完全与末端执行器602和/或机器人臂604分开，所述末端执行器和/或机器人臂在末端执行器602与机器人臂604之间的接口上滑动，并且用螺旋机构、跨中心连接件或凸轮机构紧固。

参考图10和图11，在手术过程之前或期间，可以进行某些配准程序以在导航空间和图像空间两者中跟踪对象和患者210的目标解剖结构。为了进行此类配准，可以使用如图10所绘示的配准系统1400。

为了跟踪患者210的位置，患者跟踪装置116可以包含要固定到患者210的刚性解剖结构的患者固定器械1402，并且动态参考基座(DRB)1404可以牢固地附接到患者固定器械1402。例如，患者固定器械1402可以插入动态参考基座1404的开口1406中。动态参考基座1404可包含对跟踪装置(例如跟踪子系统532)可见的标记1408。这些标记1408可以是光学标记或反射球，例如跟踪标记118，如前所述。

患者固定器械1402附接到患者210的刚性解剖结构并且可以在整个手术程序中保持附接。在示范性实施例中，患者固定器械1402被附接到患者210的刚性区域，例如远离经受手术程序的目标解剖结构定位的骨骼。为了跟踪目标解剖结构，通过使用临时放置在目标解剖结构上或附近的配准固定装置以便将动态参考基座1404与目标解剖结构的位置配准，使动态参考基座1404与目标解剖结构相关联。

通过使用枢转臂1412，将配准固定装置1410附接到患者固定器械1402。通过将患者固定器械1402插入穿过配准固定装置1410的开口1414，将枢转臂1412附接到患者固定器械1402。通过例如将旋钮1416插入穿过枢转臂1412的开口1418，将枢转臂1412附接到配准固定装置1410。

使用枢转臂1412，配准固定装置1410可以放置在目标解剖结构上方，并且其位置可以使用配准固定装置1410上的跟踪标记1420和/或基准点1422在成像空间和导航空间中确定。配准固定装置1410可以包含在导航空间中可见的标记1420的集合(例如标记1420可以被跟踪子系统532检测到)。如本文先前所描述，跟踪标记1420可以是在红外光下可见的光学标记。配准固定装置1410还可以包含在成像空间(例如三维CT图像)中可见的基准点1422的集合，例如轴承球。如关于图11更详细描述，使用配准固定装置1410，目标解剖结构可以与动态参考基座1404相关联，从而允许将导航空间中的对象的描绘叠加在解剖结构的图像上。位于远离目标解剖结构的位置处的动态参考基座1404可以成为参考点，从而允许从手术区域移除配准固定装置1410和/或枢转臂1412。

图11提供了与本公开一致的用于配准的示范性方法1500。方法1500在步骤1502处开始，其中可以将目标解剖结构的图形表示(或图像)导入到系统100、300、600，例如计算机408。图形表示可以是患者210的目标解剖结构的三维CT或者荧光镜扫描，其包含配准固定装置1410和基准点1420的可检测成像图案。

在步骤1504处，检测基准点1420的成像图案并将其配准在成像空间中并存储在计算机408中。可选地，此时在步骤1506处，配准固定装置1410的图形表示可以叠加在目标解剖结构的图像上。

在步骤1508处，通过辨识标记1420来检测并配准配准固定装置1410的导航图案。标记1420可以是经由位置传感器540由跟踪子系统532通过红外光在导航空间中辨识的光学标记。因此，目标解剖结构的定位、定向以及其它信息被配准在导航空间中。因此，可以通过使用基准点1422在成像空间中辨识配准固定装置1410，并且可以通过使用标记1420在导航空间中辨识所述配准固定装置。在步骤1510处，将成像空间中的配准固定装置1410的配准转移到导航空间。举例来说，通过使用基准点1422的成像图案相较于标记1420的导航图案的位置的相对位置来完成此转移。

在步骤1512处，配准固定装置1410的导航空间(已经与成像空间一起配准)的配准被进一步转移到附接到患者固定器械1402的动态配准阵列1404的导航空间。因此，配准固定装置1410可以被移除，并且因为导航空间与成像空间相关联，所以可以使用动态参考基座1404来跟踪导航空间和成像空间两者中的目标解剖结构。

在步骤1514和1516处，导航空间可以叠加在成像空间上，并且对象具有在导航空间中可见的标记(例如具有光学标记804的手术器械608)。可以通过手术器械608在目标解剖结构的图像上的图形表示来跟踪对象。

图12A-12B示出了可与机器人系统100、300、600结合使用以获取患者210的手术前、手术中、手术后和/或实时图像数据的成像装置1304。使用成像系统1304，可以针对任何适当的程序使任何适当的主题成像。成像系统1304可以是任何成像装置，例如成像装置1306和/或C形臂1308装置。可能需要从多个不同位置拍摄患者210的x射线，而不需要x射线系统中可能需要的患者210的频繁手动重新定位。如图12A所绘示，成像系统1304可以是C形臂1308的形式，其包含终止于“C”形的相对远端1312的细长C形构件。C形构件1130还可以包括x射线源1314和x射线检测器1316(也称为图像接收器)。臂的C形臂1308内的空间可以为医生提供空间来照顾病人而基本上不受x射线支撑结构1318的干扰。如图12B所示，成像系统可包含成像装置1306，所述成像装置具有附接到支撑结构成像装置支撑结构1328的机架外壳1324，例如具有轮1332的轮式移动手推车1330，其可包围图像捕获部分(未示出)。图像捕获部分可包含x射线源和/或发射部分以及x射线接收和/或图像接收部分，其可安置成彼此相隔大约一百八十度，并且相对于图像捕获部分的轨道安装在转子上(未示出)。图像捕获部分可操作以在图像获取期间旋转三百六十度。图像捕获部分可围绕中心点和/或轴旋转，从而允许从多个方向或多个平面获取患者210的图像数据。虽然本文举例说明了某些成像系统1304，但应该理解，所属领域的普通技术人员可以选择任何合适的成像系统。

现转而参看图13A-13C，手术机器人系统100、300、600依靠末端执行器112、602、手术器械608和/或患者210(例如患者跟踪装置116)相对于期望的手术区域的准确定位。在图13A-13C所示的实施例中，跟踪标记118、804刚性地附接到器械608和/或末端执行器112的一部分。

图13A描绘了手术机器人系统100的一部分，其具有机器人102，机器人包含基座106、机器人臂104和末端执行器112。未示出的其它元件，例如显示器、相机等也可以如本文所描述存在。图13B描绘了末端执行器112的特写视图，其具有导管114和刚性固定到末端执行器112的多个跟踪标记118。在此实施例中，多个跟踪标记118附接到导管112。图13C描绘了具有多个刚性固定到器械608上的跟踪标记804的器械608(在这种情况下，是探针608A)。如本文其它地方所描述的，器械608可以包含任何合适的手术器械，如但不限于导丝、套管、牵引器、钻头、铰刀、螺丝刀、插入工具、移除工具等。

当跟踪器械608、末端执行器112或其它要在3D中跟踪的对象时，跟踪标记118、804的阵列可以刚性地附接到工具608或末端执行器112的部分。优选地，跟踪标记118、804被附接，使得标记118、804不妨碍(例如不妨碍手术操作、可视性等)。标记118、804可以附连到器械608、末端执行器112或例如要用阵列612跟踪的其它对象。通常，三个或四个标记118、804与阵列612一起使用。阵列612可包含线性区段、交叉件，并且可以是不对称的，使得标记118、804相对于彼此处于不同的相对位置和定位。举例来说，如图13C所示，示出了具有4标记跟踪阵列612的探针608A，并且图13B描绘了具有不同4标记跟踪阵列612的末端执行器112。

在图13C中，跟踪阵列612用作探针608A的手柄620。因此，四个标记804附接到探针608A的手柄620，不妨碍轴杆622和尖端624。这四个标记804的立体摄影测量跟踪允许器械608作为刚性主体被跟踪并且允许跟踪系统100、300、600在探针608A在跟踪相机200、326前方四处移动时精确地确定尖端624的位置和轴杆622的定向。

为了能够自动跟踪一个或多个工具608、末端执行器112或其它要以3D跟踪的对象(例如多个刚性主体)，每个工具608、末端执行器112或类似物上的标记118、804以已知的标记间隔不对称地布置。不对称对准的原因是，使得哪一标记118、804对应于刚性主体上的特定位置以及标记118、804是从前方还是后方检视(即，镜像)都是明确的。举例来说，如果标记118、804被布置在工具608或末端执行器112上的正方形中，那么系统100、300、600将不清楚哪个标记118、804对应于正方形的哪个角。举例来说，对于探针608A，不清楚哪个标记804最接近轴杆622。因此，不知道轴杆622从阵列612延伸的方向。因此，每个阵列612以及因此每个工具608、末端执行器112或其它要跟踪的对象应该具有唯一的标记图案，以使其能够与正被跟踪的其它工具608或其它对象区分。不对称且唯一的标记图案允许系统100、300、600检测各个标记118、804，然后对照所存储的模板检查标记间隔以确定它们代表哪个工具608、末端执行器112或其它对象。然后可以将检测到的标记118、804自动分类并以正确的顺序指派给每个所跟踪对象。如果没有该信息，则除非用户手动指定哪个检测到的标记118、804对应于每个刚性主体上的哪个位置，否则不能执行刚性主体计算以提取关键的几何信息，例如工具尖端624和轴杆622的对准。这些概念对于3D光学跟踪方法的技术人员来说通常是已知的。

现转而参看图14A到14D，示出了具有可移动跟踪标记918A-标记918D的末端执行器912的替代型式。在图14A中，具有可移动跟踪标记918A-918D的阵列示出于第一配置中，且在图14B中，可移动跟踪标记918A-918D示出于相对于第一配置成角的第二配置中。图14C示出例如在图14A的第一配置中如由相机200、326看见的跟踪标记918A-标记918D的模板；且图14D示出例如在图14B的第二配置中如由相机200、326看见的跟踪标记918A-标记918D的模板。

在此实施例中，涵盖了4标记阵列跟踪，其中标记918A-918D并非全部相对于刚性主体位于固定位置中，且替代地，可例如在测试期间调整阵列标记918A-918D中的一个或多个，以给出关于正被跟踪的刚性主体的更新后信息，而不妨碍对所跟踪标记918A-918D的自动检测和分类的过程。

当跟踪任何工具，例如连接到机器人系统100、300、600的末端执行器912的导管914时，跟踪阵列的主要目的是在相机坐标系中更新末端执行器912的位置。当使用例如如图13B中示出的刚性系统时，反射标记118的阵列612从导管114刚性地延伸。因为跟踪标记118刚性地连接，所以对相机坐标系中的标记位置的了解还在相机坐标系中提供导管114的中心线、尖端和尾部的准确位置。通常，关于末端执行器112距此阵列612的位置的信息和关于目标轨迹距另一被跟踪源的位置的信息用以计算必须针对机器人102的每个轴线输入的将使导管114移动成与轨迹对准并沿着轨迹向量将尖端移动到特定位置的所需移动。

有时，期望的轨迹在不方便或不可达的位置中，但如果可转动导管114，那么可到达期望的轨迹。举例来说，如果导管114可超出间距(手腕上下角度)轴线的限度朝上转动，那么远离机器人102的基座106指向的极陡峭轨迹可能是可到达的，但如果导管114平行于将其连接到手腕的末端的板而附接，那么所述极陡峭轨迹可能并非可到达的。为了到达此轨迹，机器人102的基座106可移动，或具有不同导管附接的不同末端执行器112可与工作的末端执行器交换。这两个解决方案可能是费时且繁琐的。

如图14A和14B中最佳所见，如果阵列908配置成使得标记918A-918D中的一个或多个不在固定位置中，且替代地，可调整、转动、枢转或移动标记918A-918D中的一个或多个，那么机器人102可提供关于正被跟踪的对象的更新后信息，而不妨碍检测和跟踪过程。举例来说，标记918A-918D中的一个可固定在适当位置，且其它标记918A-918D可以是可移动的；标记918A-918D中的两个可固定在适当位置且其它标记918A-918D可以是可移动的；标记918A-918D中的三个可固定在适当位置且其它标记918A-918D可以是可移动的；或所有标记918A-918D可以是可移动的。

在图14A和14B中示出的实施例中，标记918A、918B刚性地直接连接到末端执行器912的基座906，且标记918C、918D刚性地连接到管914。类似于阵列612，可提供阵列908以将标记918A-918D附接到末端执行器912、器械608或要跟踪的其它对象。但是，在此状况下，阵列908由多个单独组件组成。举例来说，标记918A、918B可通过第一阵列908A连接到基座906，且标记918C、918D可通过第二阵列908B连接到导管914。标记918A可附连到第一阵列908A的第一端，且标记918B可分离一段直线距离并附连到第一阵列908A的第二端。虽然第一阵列908是大体上线性的，但是第二阵列908B具有弯曲或V形配置，相应根端连接到导管914，且以V形状从其发散到远端，其中标记918C在一个远端处且标记918D在另一远端处。虽然在本文中举例说明了具体配置，但是应了解，涵盖了包含不同数目个和不同类型的阵列908A、908B以及不同布置、数目和类型的标记918A-918D的其它非对称设计。

导管914可例如跨越铰链920或到基座906的其它连接器相对于基座906可移动、可转动或可枢转。因此，标记918C、918D是可移动的，使得当导管914枢转、转动或移动时，标记918C、918D也枢转、转动或移动。如图14A中最佳所见，导管914具有纵向轴线916，所述纵向轴线在大体上正交或竖直的定向上对准，使得标记918A-918D具有第一配置。现转而参看图14B，导管914枢转、转动或移动，使得纵向轴线916现相对于竖直定向成角，使得标记918A-918D具有不同于第一配置的第二配置。

相比于对于图14A-14D描述的实施例，如果在导管914与臂104(例如手腕附接)之间存在转动，其中所有四个标记918A-918D保持刚性地附接到导管914，且此转动由用户调整，那么机器人系统100、300、600将不能够自动地检测到导管914定向已改变。机器人系统100、300、600将跟踪标记阵列908的位置，并将假设导管914在先前定向上附接到手腕(机器人臂104)而计算错误的机器人轴线移动。通过保持一个或多个标记918A-918D(例如两个标记918C、918D)刚性地在管914上并保持一个或多个标记918A-918D(例如两个标记918A、918B)跨越转动，对新位置的自动检测变得可能，且基于在机器人臂104的末端上检测到新工具或末端执行器112、912而计算正确的机器人移动。

标记918A-918D中的一个或多个配置成根据任何合适的方式而移动、枢转、转动等等。举例来说，标记918A-918D可由例如夹具、弹簧、杠杆、滑动件、肘节等等铰链920或用于执行以下操作的任何其它合适的机构移动：个别地或组合地移动标记918A-918D、个别地或组合地移动阵列908A、908B、相对于另一部分移动末端执行器912的任何部分、或相对于另一部分移动工具608的任何部分。

如图14A和14B中示出，通过仅松开夹具或铰链920、相对于其它部分908A、908B移动阵列908A、908B的部分并再收紧铰链920使得导管914定向于不同位置中，阵列908和导管914可变得可重新配置。举例来说，两个标记918C、918D可与管914刚性地互连，且两个标记918A、918B可跨越到附接到机器人臂104的末端执行器912的基座906的铰链920刚性地互连。铰链920可呈例如翼形螺母等夹具的形式，可松开并再收紧夹具以允许用户在第一配置(图14A)与第二配置(图14B)之间快速切换。

相机200、326检测例如图14C和14D中标识的模板中的一个中的标记918A-918D。如果阵列908在第一配置(图14A)中且跟踪相机200、326检测到标记918A-918D，那么所跟踪标记与如图14C中示出的阵列模板1匹配。如果阵列908是第二配置(图14B)且跟踪相机200、326检测到相同标记918A-918D，那么所跟踪标记与如图14D中示出的阵列模板2匹配。阵列模板1和阵列模板2由系统100、300、600辨识为两个相异工具，其各自具有导管914、标记918A-918D与机器人附接之间的其自有的唯一限定的空间关系。用户可因此在第一配置与第二配置之间调整末端执行器912的位置，而不向系统100、300、600通知改变，且系统100、300、600将适当地调整机器人102的移动以保持在轨迹上。

在此实施例中，存在两个组装位置，其中标记阵列与允许系统100、300、600将组合件辨识为两个不同工具或两个不同末端执行器的唯一模板匹配。在这两个位置(即，分别在图14C和14D中示出的阵列模板1和阵列模板2)之间或外部转动的任何位置中，标记918A-918D将不与任何模板匹配，且虽然相机200、326检测到个别标记918A-918D，但系统100、300、600将不会检测到任何阵列存在，其结果与从相机200、326的视野临时阻挡标记918A-918D的情况相同。应了解，对于其它配置可存在其它阵列模板例如识别不同器械608或其它末端执行器112、912等等。

在所描述的实施例中，在图14A和14B示出了两个离散组装位置。但是，应了解，在转动接点、线性接点、转动接点与线性接点的组合、木栓板或其它组合件上可存在多个离散位置，其中可通过调整阵列的一个或多个标记918A-918D相对于其它标记的位置来产生唯一标记模板，其中每个离散位置与特定模板匹配，并通过不同已知属性限定唯一工具608或末端执行器112、912。另外，虽然对于末端执行器912举例说明，但是应了解，可移动且固定的标记918A-918D可与任何合适的器械608或要跟踪的其它对象一起使用。

当使用外部3D跟踪系统100、300、600来跟踪附接到机器人的末端执行器112的三个或更多个标记的完全刚性主体阵列(例如如图13A和13B中所描绘)时，有可能直接跟踪或计算相机200、326的坐标系中的机器人102的每个区段的3D位置。接点相对于跟踪器的几何定向通过设计已知，且接点的线性位置或角位置从机器人102的每个马达的编码器已知，从而完全限定从末端执行器112到基座116的所有移动部分的3D位置。类似地，如果跟踪器安装于机器人102的基座106上(未示出)，那么同样地有可能基于从每个马达的编码器已知的接点几何形状和接点位置而跟踪或计算从基座106到末端执行器112的机器人102的每个区段的3D位置。

在一些情形中，可能需要从刚性地附接到末端执行器112的少于三个标记118跟踪机器人102的所有片段的位置。具体地说，如果工具608被引入到导管114中，那么可能需要通过正被跟踪的仅一个额外标记118跟踪机器人902的完全刚性主体运动。

现转而参看图15A-15E，示出了仅具有单个跟踪标记1018的末端执行器1012的替代型式。末端执行器1012可类似于本文中所描述的另一末端执行器，并可包含沿着纵向轴线1016延伸的导管1014。类似于本文中所描述的其它跟踪标记，单个跟踪标记1018可刚性地附连到导管1014。此单个标记1018可起到添加缺失的自由度以允许完全刚性主体跟踪的作用，和/或可起到充当监视标记以确保关于机器人和相机定位的假设有效的作用。

单个跟踪标记1018可作为到末端执行器1012的刚性延伸部附接到机器人末端执行器1012，刚性延伸部在任何方便的方向上突出且并不阻挡外科医生的视野。跟踪标记1018可附连到导管1014或末端执行器1012上的任何其它合适的位置。当附连到导管1014时，跟踪标记1018可定位在导管1014的第一端与第二端之间的位置处。举例来说，在图15A中，单个跟踪标记1018示出为安装于窄轴1017的末端上的反射球面，所述窄轴从导管1014前向延伸，并在导管1014的中点上方和导管1014的入口下方纵向定位。此位置允许标记1018由相机200、326大体上可见，而且将不阻挡外科医生120的视觉或与手术附近的其它工具或对象碰撞。另外，在此位置中具有标记1018的导管1014被设计成使引入到导管1014中的任何工具608上的标记阵列在导管1014上的单个标记1018可见的同时可见。

如图15B中示出，当紧密配合的工具或器械608放置在导管1014内时，器械608变得在6个自由度中的4个中以机械方式受约束。也就是说，除了围绕导管1014的纵向轴线1016之外，器械608无法在任何方向上旋转，且除了沿着导管1014的纵向轴线1016之外，器械608无法在任何方向上平移。换句话说，器械608可仅沿着导管1014的中心线平移并围绕所述中心线旋转。如果另外两个参数，例如(1)围绕导管1014的纵向轴线1016的旋转角度；和(2)沿着导管1014的位置，是已知的，那么相机坐标系中的末端执行器1012的位置被完全限定。

现参考图15C，系统100、300、600应该能够知晓工具608何时实际上定位于导管1014内部，而非替代地定位于导管1014外部，和仅位于相机200、326的视野内某处。工具608具有纵向轴线或中心线616和具有多个所跟踪标记804的阵列612。刚性主体计算可用以基于阵列612在工具608上的所跟踪位置而确定工具608的中心线616定位于相机坐标系中的何处。

从单个标记1018到导管1014的中心线或纵向轴线1016的固定法线(竖直)距离D_F是固定的并在几何学上已知，且可跟踪单个标记1018的位置。因此，当从工具中心线616到单个标记1018的检测到的距离D_D与从导管中心线1016到单个标记1018的已知固定距离D_F匹配时，可确定工具608在导管1014内(工具608的中心线616、1016与导管1014重合)或恰好在此距离D_D与固定距离D_F匹配的可能位置的地点中的某一点处。举例来说，在图15C中，从工具中心线616到单个标记1018的检测到的法线距离D_D与由两个位置中的透明工具608表示的两个数据框架(所跟踪标记坐标)中从导管中心线1016到单个标记1018的固定距离D_F匹配，且因此可需要额外的考量以确定工具608何时定位在导管1014中。

现转而参看图15D，已编程逻辑可用以寻找跟踪数据的框架，其中从工具中心线616到单个标记1018的检测到的距离D_D保持固定在正确长度，而不管工具608在空间上相对于单个球面1018按大于某一最小距离移动，以满足工具608在导管1014内移动的条件。举例来说，可通过第一位置中的工具608检测到第一框架F1，且可通过第二位置(即，相对于第一位置线性移动)中的工具608检测到第二框架F2。工具阵列612上的标记804可从第一框架F1向第二框架F2移动多于既定量(例如大于总共5mm)。即使在此移动的情况下，从工具中心线向量C'到单个标记1018的检测到的距离D_D在第一框架F1与第二框架F2两者中大体上相同。

逻辑上，外科医生120或用户可将工具608放置于导管1014内，并使工具608略微地旋转或使其向下滑动到导管1014中，且系统100、300、600将能够从跟踪五个标记(工具608上的四个标记804加导管1014上的单个标记1018)来检测到所述工具在导管1014内。知道了工具608在导管1014内后，可计算在空间上限定机器人末端执行器1012的位置和定向的所有6个自由度。在无单个标记1018的情况下，即使确定地已知工具608在导管1014内，也不知道导管1014沿着工具的中心线向量C'定位于何处，以及导管1014如何相对于中心线向量C'旋转。

侧重于图15E，在跟踪到单个标记1018的存在以及工具608上有四个标记804的情况下，有可能通过单个标记1018和通过中心线向量C'建构导管1014和工具608的中心线向量C'和法线向量。此法线向量具有定向，所述定向相对于在手腕(在此实例中，平行于该片段定向)远端的机器人的前臂在已知定向上并在特定固定位置处与中心线向量C'相交。为方便起见，可建构三个相互正交的向量k'、j'、i'，如图15E中示出，从而限定导管1014的刚性主体位置和定向。三个相互正交的向量中的一个k'由中心线向量C'构成，第二向量j'由穿过单个标记1018的法线向量构成，且第三向量i'是第一向量k'与第二向量j'的向量叉积。当所有接点处于零处时，相对于这些向量k'、j'、i'的机器人接点位置已知且固定，且因此刚性主体计算可用以在机器人处于起始位置处时确定机器人的任何区段相对于这些向量k'、j'、i'的位置。在机器人移动期间，如果从跟踪系统检测到工具标记804的位置(此时工具608在导管1014中)和单个标记1018的位置，且每个接点的角度/线性位置从编码器已知，那么可确定机器人的任何区段的位置和定向。

在一些实施例中，固定工具608相对于导管1014的定向可能是有用的。举例来说，末端执行器导管1014可围绕其轴线1016在特定位置中定向以允许机械加工或植入物定位。虽然附接到插入到导管1014中的工具608的任何物件的定向从工具608上的所跟踪标记804已知，但是在导管1014上没有额外跟踪标记1018(或在其它实施例中没有多个跟踪标记)的情况下，相机坐标系中的导管1014自身的旋转定向未知。此标记1018基于标记1018相对于中心线向量C'的定向而提供从-180°到+180°的基本上“时钟位置”。因此，单个标记1018可提供额外的自由度以允许完全刚性主体跟踪，和/或可充当监视标记以确保关于机器人和相机定位的假设有效。

图16是用于将机器人102的末端执行器1012(或本文中所描述的任何其它末端执行器)导航并移动到期望目标轨迹的方法1100的框图。单个标记1018在机器人末端执行器1012或导管1014上的另一用途是在没有附接到机器人102的完全跟踪阵列的情况下作为方法1100的部分实现机器人102的自动化安全移动。当跟踪相机200、326不相对于机器人102移动(即，它们在固定位置中)，跟踪系统的坐标系与机器人的坐标系共配准，且机器人102经校准使得可仅基于每个机器人轴线的经编码位置而在机器人笛卡尔坐标系中准确地确定导管1014的位置和定向时，此方法1100起作用。

对于此方法1100，跟踪器的坐标系和机器人的坐标系必须共配准，这意味着需要从跟踪系统的笛卡尔坐标系到机器人的笛卡尔坐标系的坐标变换。为方便起见，此坐标变换可以是机器人技术的领域中众所周知的平移和旋转的4×4矩阵。此变换将被称为Tcr以指“变换-相机到机器人”一旦此变换已知，那么对于每个被跟踪标记以向量形式作为x、y、z坐标接收到的跟踪数据的任何新框架可乘以4×4矩阵，且所得x、y、z坐标将处于机器人的坐标系中。为了获得Tcr，在机器人上的完全跟踪阵列在机器人的坐标系中已知的位置处刚性地附接到机器人时跟踪所述完全跟踪阵列，接着使用已知刚性主体方法来计算坐标的变换。应显而易见，当还读取额外标记1018时，插入到机器人102的导管1014中的任何工具608可与刚性附接的阵列提供相同的刚性主体信息。也就是说，工具608仅需要插入到导管1014内的任何位置并在导管1014内处于任何旋转，而不是插入到固定位置和定向。因此，有可能通过以下操作来确定Tcr：将具有跟踪阵列612的任何工具608插入到导管1014中并读取工具的阵列612加导管1014的单个标记1018，同时从每个轴线上的编码器确定机器人的坐标系中的导管1014的当前位置。

在图16的方法1100中提供了用于将机器人102导航并移动到目标轨迹的逻辑。在进入循环1102之前，假设先前已存储了变换Tcr。因此，在进入循环1102之前，在步骤1104中，在紧固机器人基座106之后，当机器人静态时，存储导管中插入的工具的大于或等于一帧跟踪数据；且在步骤1106中，从此静态数据和先前校准数据计算从相机坐标到机器人坐标的机器人导管位置的变换Tcr。Tcr应保持有效，只要相机200、326不相对于机器人102移动即可。如果相机200、326相对于机器人102移动，且需要重新获得Tcr，则可使系统100、300、600提示用户将工具608插入到导管1014中并接着自动执行必需的计算。

在方法1100的流程图中，每一帧所收集数据由患者210身上的DRB 1404的所跟踪位置、末端执行器1014上的单个标记1018的所跟踪位置和每个机器人轴线的位置的快照组成。从机器人的轴线的位置，计算出末端执行器1012上的单个标记1018的位置。此计算出的位置与如从跟踪系统记录的标记1018的实际位置相比较。如果值一致，那么可保证机器人102在已知位置中。变换Tcr应用于DRB 1404的所跟踪位置，以使得可根据机器人的坐标系提供机器人102的目标。可接着命令机器人102移动以到达目标。

在步骤1104、1106之后，循环1102包含从跟踪系统接收DRB 1404的刚性主体信息的步骤1108；将目标尖端和轨迹从图像坐标变换到跟踪系统坐标的步骤1110；以及将目标尖端和轨迹从相机坐标变换到机器人坐标(应用Tcr)的步骤1112。循环1102进一步包含从跟踪系统接收机器人的单个杂散标记位置的步骤1114；以及将单个杂散标记从跟踪系统坐标变换到机器人坐标(应用所存储Tcr)的步骤1116。循环1102还包含根据正向运动学确定机器人坐标系中单个机器人标记1018的当前位置的步骤1118。来自步骤1116和1118的信息用以确定来自变换后的所跟踪位置的杂散标记坐标是否与小于既定容限的计算出的坐标一致的步骤1120。如果是，那么继续进行到步骤1122，计算并将机器人移动应用于目标x、y、z和轨迹。如果否，那么继续进行到步骤1124：在继续进行之前停止并要求全阵列插入到导管1014中；步骤1126：在插入阵列之后重新计算Tcr；以及继续进行以重复步骤1108、1114和1118。

相比于省略对单个标记1018的连续监视以检验位置的方法，此方法1100具有优点。在不具有单个标记1018的情况下，将仍有可能使用Tcr来确定末端执行器1012的位置并将末端执行器1012发送到目标位置，但将不可能检验机器人102实际上在预期位置中。举例来说，如果相机200、326已凸起且Tcr不再有效，那么机器人102将移动到错误的位置。出于此原因，单个标记1018提供安全价值。

对于机器人102的既定固定位置，理论上有可能将跟踪相机200、326移动到单个所跟踪标记1018保持未移动的新位置，这是因为单个所跟踪标记是单点而非阵列。在此状况下，系统100、300、600将不会检测到任何错误，这是因为在单个标记1018的计算出的和所跟踪位置方面将存在一致。但是，一旦机器人的轴线致使导管1012移动到新位置，那么计算出的和所跟踪位置将不一致且安全检查将起作用。

举例来说，术语“监视标记”可参考相对于DRB 1404在固定位置中的单个标记使用。在此实例中，如果DRB 1404凸起或以其它方式移开，那么监视标记的相对位置改变且可警告外科医生120导航可能存在问题。类似地，在本文中所描述的实施例中，通过机器人的导管1014上的单个标记1018，系统100、300、600可持续检查相机200、326是否已相对于机器人102移动。如果跟踪系统的坐标系与机器人的坐标系的配准丢失(例如因为相机200、326凸起或发生故障或因为机器人发生故障)，那么系统100、300、600可警告用户且可作出校正。因此，此单个标记1018还可被认为是用于机器人102的监视标记。

应显而易见的是，在全阵列永久地安装于机器人102上(例如多个跟踪标记702安装于图7A-7C中示出的末端执行器602上)的情况下，不需要作为机器人监视标记的单个标记1018的此类功能性，这是因为不需要相机200、326相对于机器人102在固定位置中，且基于机器人102的所跟踪位置而在每个框架处更新Tcr。使用单个标记1018而非全阵列的原因是，全阵列更庞大且具干扰性，由此阻挡外科医生的视野和对大于单个标记1018的手术视野208的访问，且到全阵列的视线比到单个标记1018的视线更容易受到阻挡。

现转而参看图17A-17B和18A-18B，描绘了例如植入物固持器608B、608C等器械608，所述器械包含固定跟踪标记804和可移动跟踪标记806两者。植入物固持器608B、608C可具有手柄620和从手柄620延伸的外轴622。轴杆622可大体上垂直于手柄620定位，如所示出，或可在任何其它合适的定向上定位。内轴626可在一端处通过旋钮628延伸穿过外轴622。使用所属领域的技术人员已知的典型连接机构，在另一端处，植入物10、12在植入物固持器608B、608C的尖端624处连接到轴杆622。可旋转旋钮628例如以使植入物10、12扩展或铰接。第8,709,086号和第8,491,659号美国专利描述了可扩展融合装置和安装方法，所述美国专利的公开内容以引用的方式并入本文中。

当跟踪例如植入物固持器608B、608C等工具608时，跟踪阵列612可含有固定标记804与一个或多个可移动标记806的组合，可移动标记构成阵列612或以其它方式附接到植入物固持器608B、608C。导航阵列612可包含至少一个或多个(例如至少两个)固定位置标记804，所述固定位置标记相对于植入物固持器器械608B、608C定位在已知位置。这些固定标记804将不能够相对于器械几何形状在任何定向上移动，并将适用于限定器械608在空间上的位置。另外，存在可附接到阵列612或器械自身的至少一个标记806，其能够相对于固定标记804在预定边界内移动(例如滑动、旋转等等)。系统100、300、600(例如软件)使可移动标记806的位置与植入物10的特定位置、定向或其它属性(例如图17A-17B中示出的可膨胀椎间体间隔件的高度，或图18A-18B中示出的铰接式椎间体间隔件的角度)相关。因此，系统和/或用户可基于可移动标记806的位置而确定植入物10、12的高度或角度。

在图17A至图17B中示出的实施例中，四个固定标记804用以限定植入物固持器608B，且第五可移动标记806能够在预定路径内滑动以提供关于植入物高度(例如收缩位置或膨胀位置)的反馈。图17A示出其初始高度处的可膨胀间隔件10，且图17B示出膨胀状态下的间隔件10，其中可移动标记806平移到了不同位置。在此状况下，当植入物10膨胀时，可移动标记806移动成更接近固定标记804，但预期此移动可逆转或以其它方式不同。标记806的线性平移的量将对应于植入物10的高度。虽然仅示出了两个位置，但是将有可能将此作为连续功能，可通过此连续功能使任何既定膨胀高度与可移动标记806的特定位置相关。

现转而参看图18A到18B，四个固定标记804用以限定植入物固持器608C，且第五可移动标记806配置成在预定路径内滑动以提供关于植入物铰接角度的反馈。图18A示出处于其初始线性状态下的铰接式间隔件12，且图18B示出按某一偏移角处于铰接式状态下的间隔件12，其中可移动标记806平移到不同位置。标记806的线性平移的量将对应于植入物12的铰接角度。虽然仅示出了两个位置，但是将有可能将此作为连续功能，可通过此连续功能使任何既定铰接高度与可移动标记806的特定位置相关。

在这些实施例中，可移动标记806持续滑动以基于位置而提供关于植入物10、12的属性的反馈。还预期，可存在可移动标记806必须处于的缜密位置，所述缜密位置将还能够提供关于植入物属性的其它信息。在此状况下，所有标记804、806的每个缜密配置与特定定向上或特定高度下的植入物固持器608B、608C和植入物10、12的特定几何形状相关。另外，可针对任何其它类型的已导航植入物的其它可变属性而使用可移动标记806的任何运动。

虽然相对于可移动标记806的线性移动描绘并描述，但是可移动标记806不应限于仅滑动，这是因为可存在标记806的旋转或其它移动可适用于提供关于植入物10、12的信息的应用。所述组固定标记804与可移动标记806之间的任何相对位置改变可以是植入物10、12或其它装置的相关信息。另外，虽然举例说明了可膨胀和铰接式植入物10、12，但是器械608可对其它医疗设备和材料起作用，例如间隔件、笼、板、紧固件、钉子、螺杆、杆、插销、导线结构、缝合线、锚链夹、卡钉、支架、移植骨、生物制剂、接合剂等等。

现转而参看图19A，据设想，机器人末端执行器112可与其它类型的末端执行器112互换。此外，预期每个末端执行器112可以能够基于期望的手术程序而执行一个或多个功能。举例来说，具有引导管114的末端执行器112可用于导引如本文中所描述的器械608。另外，末端执行器112可由控制例如手术装置、器械或植入物的不同或替代性末端执行器112替换。

替代性末端执行器112可包含耦合到机器人且可由机器人控制的一个或多个装置或器械。作为非限制性实例，如图19A中所描绘的末端执行器112可包括回缩器(例如第8,992,425号和第8,968,363号美国专利中公开的一种或多种回缩器)或用于插入或安装手术装置的一个或多个机构，所述手术装置例如可膨胀椎间融合装置(例如第8,845,734号、第9,510,954号和第9,456,903号美国专利中举例说明的可膨胀植入物)、单独椎间融合装置(例如第9,364,343号和第9,480,579号美国专利中举例说明的植入物)、可膨胀椎体切除术装置(例如第9,393,128号和第9,173,747号美国专利中举例说明的椎体切除术植入物)、铰接式间隔件(例如第9,259,327号美国专利中举例说明的植入物)、刻面假体(例如第9,539,031号美国专利中举例说明的装置)、椎板成形术装置(例如第9,486,253美国专利中举例说明的装置)、棘突间隔件(例如第9,592,082号美国专利中举例说明的植入物)、可充气物、紧固件，包含多轴螺杆、单面螺杆、椎弓根螺杆、后螺杆等等、骨固定板、杆建构物和修改装置(例如第8,882,803美国专利中举例说明的装置)、人造和自然椎间盘、运动保持装置和植入物、脊髓刺激剂(例如第9,440,076号美国专利中举例说明的装置)和其它手术装置。末端执行器112可以包含直接或间接耦合到机器人的一个或多个器械，用于向手术目标提供骨水泥、骨移植物、活细胞、药物或其它可输送的物质。末端执行器112还可以包含设计用于执行椎间盘切除术、椎体后凸成形术、椎体支架术、扩张术或其它外科手术的一个或多个器械。

末端执行器本身和/或植入物，装置或器械可以包含一个或多个标记118，使得标记118的位置和位置可在三个维度上被标识。可以设想，标记118可以包含有源或无源标记118，如本文所描述的，其对于相机200可以是直接或间接可见的。因此，举例来说，定位于植入物10上的一个或多个标记118可实现在植入之前、期间和之后对植入物10的跟踪。

如图19B中示出，末端执行器112可包含器械608，或其耦合到机器人臂104(举例来说，器械608可通过图9A-9C中示出的耦合机构耦合到机器人臂104)并可由机器人系统100控制的部分。因此，在图19B中示出的实施例中，机器人系统100能够将植入物10插入到患者体内，并可使可膨胀植入物10膨胀或收缩。因此，机器人系统100可配置成辅助外科医生或者部分或完全独立于外科医生进行操作。因此，据设想，机器人系统100可以能够针对其指定的功能或手术程序而控制每个替代性末端执行器112。虽然参考脊柱应用大体上描述了本文中所描述的机器人和相关联系统，但是还预期机器人系统配置成用于其它外科手术应用中，包含但不限于外伤手术或其它矫形应用(例如放置髓内钉、板等等)、颅侧、神经、心胸、血管、结肠直肠、肿瘤、牙科和其它外科手术及程序。根据下面讨论的一些实施例，机器人系统可以用于脑部手术应用。

当在手术导航中使用仅荧光或术前计算机断层扫描(CT)扫描工作流程时，将荧光透视x射线图像(也称为荧光透视图像、荧光图像、荧光透视快照、荧光快照、荧光透视x射线快照等)配准到光学跟踪相机的当前2-BB平面方法可能具有如下所讨论的缺点。

1)在荧光透视x射线图像上存在其它阴影的情况下，可能难以自动和/或准确地定位透视固定装置的金属BB的阴影。

2)荧光透视x射线图像上存在多个BB或其它射线不透基准可能会在图像上造成不必要的混乱。

3)外BB平面的高度可能会使得荧光透视x射线检测器难以足够靠近患者，导致荧光透视x射线图像被放大太大(例如，视野太窄)。

4)因为配准算法可能需要在荧光透视x射线图像上准确地找到若干BB，所以可能无法将图像准直到期望的程度。

根据本发明概念的一些实施例，可以解决上述问题中的一些或全部。

手术导航通常使用/需要将一对荧光透视x射线图像配准到用于提供机器人控制/导航和/或手术规划的光学跟踪系统。例如，当前的ExcelsiusGPS应用允许仅基于两个已配准的荧光透视x射线图像快照(荧光工作流程)来规划螺钉的放置、机器人的位置和/或工具的导航。当前的ExcelsiusGPS应用程序还允许将一对配准的荧光透视x射线图像快照与先前的CT扫描(术前CT工作流程)进行配准。在两个工作流程中，可能需要将所述一对荧光图像准确配准到光学跟踪相机。

在图22中绘示了C形臂荧光透视x射线成像系统(也称为透视单元/系统或透视单元/系统)。如示出的，x射线源3001(也称为源、发射器、x射线发射器等)和x射线检测器3005(也称为检测器、收集器或图像增强器)安装在C形臂3009上。C形臂3009可以经由定位机构3015安装到系统的基座3011，所述定位机构被配置成提供进出Tx和上下Ty平移移动，并且提供C形臂3009相对于基座3011的倾斜Rx、摇摆Ry和轨道Rz旋转移动。通过将源3001和检测器3005定位在患者(例如，躺在手术台上的患者)的相对侧上，x射线辐射可由源3001通过患者传输到检测器3005，并且来自检测器3005的检测到的辐射可以被处理以生成患者解剖结构的荧光透视x射线图像(也称为荧光快照)，并且C形臂3009可以围绕倾斜Rx、摇摆Ry和/或轨道Rz旋转，从而可以从倾斜Rx、摇摆Ry和/或轨道Rz的不同角度生成相同解剖结构/组织的多个图像。可以使用从倾斜Rx、摇摆Ry和/或轨道Rz的不同角拍摄的两个图像来确定3-D参考跟踪体积，并且所述3-D参考跟踪体积可以用于预测x射线路径中的对象将如何出现在图像上，并且反之亦然。也就是说，通过在拍摄x射线快照时跟踪收集器和发射器的位置并且检测这些x射线快照中的参考基准的阴影，存在封闭形式的数学解决方案，其允许出现在3-D参考体积(在相机坐标中限定)中的任何新对象的位置被映射到2-D快照，并且允许同时出现在两个2-D快照中的任何对象的位置被映射到相机的3-D参考空间。

在荧光工作流程中，所跟踪的参考空间与x射线图像的配准是进行规划和导航所使用或需要的全部内容，其中螺钉或其它手术植入物被规划在2-D快照上，并且工具和机器人的位置可在它们出现在2-D快照上的地方被驱动或观察。将上面描述的3-D参考空间配准到CT扫描的3-D图像体积、锥束CT体积或MRI体积通常是有用的。一旦参考空间和图像体积被配准，就可以相对于3-D图像体积来执行手术植入物的规划和导航。本文公开的一些实施例涉及将跟踪的3-D参考空间配准到2-D荧光快照。

一种将一对荧光快照记录到光学跟踪系统的方法是利用固定装置21001(也称为荧光固定装置)，所述固定装置附接到图22的荧光透视系统的检测器3005(也称为图像增强器)。如图20中示出的，所述固定装置21001具有光学跟踪标记21005(例如，反射球体或发光二极管)，所述光学跟踪系统使用光学跟踪标记来跟踪其相对于患者的位置，并且固定装置21001具有多个金属球体阵列(BB)或其它射线不透基准，所述多个金属球体阵列或其它射线不透基准分散/嵌入在至少两个平面中，以在荧光透视图像/快照上形成x射线阴影图案。在图20的实例中，第一BB平面21009a与检测器3005间隔开，并且第二BB平面21009b邻近检测器3005安装，使得第二BB平面21009b位于第一BB平面21009a和检测器3005之间。图20的BB是不可见的，但是嵌入在包括相应BB平面的射线可透材料中，使得每个BB阻挡x射线，以在使用检测器3005生成的荧光透视图像中提供相应的阴影。在拍摄荧光透视快照/图像时，光学跟踪系统捕获荧光透视固定装置的光学跟踪标记21005的位置，从而允许准确地跟踪检测器3005的图像平面的位置。从图像处理来看，由BB形成的阴影和投射在图像平面上的阴影允许使用针孔相机模型的几何约束准确地确定源3001的位置，如图21中示出的。

图20绘示了Globus荧光透视配准固定装置21001。固定装置21001夹紧在C形臂荧光透视系统的x射线检测器3005(例如，图像增强器)上。六个反射球体21005用于通过光学跟踪系统提供光学跟踪，并且示出了由黑色塑料(其中嵌入有161个BB)组成的两个BB平面21009a和21009b。

图21是绘示针孔相机模型的概念的示意图。来自点源的x射线(即，x射线源3001，也称为x射线发射器、发射器或源)行进穿过组织(在x射线源3001和第一BB平面21009a之间)，直到到达检测器3005(图像增强器)，在那里生成图像。如果BB和平面之间的间隔是已知的，则投影在检测器3005的2D图像平面上的x射线阴影的图案指示x射线源3001必须相对于检测器3005位于何处以形成快照。

随着源3001和检测器3005的位置在(光学跟踪系统的)相机空间中被准确地确定，有可能准确地限定在(光学跟踪系统的)相机空间和2D图像平面(一对荧光透视图像中的每一个的一个平面)之间来回移动的数学变换。例如，如果对象在相机空间中的已知位置，则它的投影表示可以精确地出现在每个图像平面上，在所述图像平面上，所述对象的投影将看起来好像一对新的荧光透视图像/快照是从C形臂3009、源3001和检测器3005的相同定向拍摄的。相反，如果对象的投影被添加到两个2D图像平面(像添加到前后(A-P)和横向荧光透视图像/快照上的手术规划的投影螺钉图像)，则可以精确地确定对象在相机空间中的3D位置。请注意，对象的投影图像可以同时放置在两个2D图像平面上的哪个位置是正确地同时投影在两个图像上的有效位置是有限制的。考虑从正面和侧面的视角观察空间中某个点的类比。从正面视角来看，不清楚所述点位于前方或后方多远，但可以确定所述点从左至右和从上至下的位置。从侧面看同一个点，不清楚所述点在3D(3维)空间的左侧或右侧多远，但可以确定所述点从前到后和从上到下的位置。如果从正面视角来观察，移动点的2D(2维)位置，则允许其从左到右移动到任何位置，并且从侧面视角来观察，点的位置将保持不变，但是它不能从上到下位于不同的位置，除非侧面视角上的点的位置改变其上下位置以匹配。

尽管上述用于使用图20的被跟踪的固定装置21001和几何约束的方法在准确确定光学相机空间中的检测器3005图像平面和源3001的位置方面是有效的，以使得荧光透视图像/快照能够配准到光学相机空间，但是所述方法可能存在缺点。例如，在荧光透视图像上存在例如由金属手术植入物引起的其它阴影的情况下，可能难以自动定位或准确定位荧光透视固定装置21001的金属BB(或其它基准)的阴影。一些荧光透视图像/快照可能具有与BB或其它基准中的金属相当的对比暗区。在此类情况下，所述算法可能无法找到或使用这些基准阴影进行配准，并且配准的准确性可能会减小，或者配准可能无法进行。

使用固定装置21001的方法的另一个缺点是必须存在荧光透视图像上的许多BB或其它射线不透基准以进行配准，但是BB对于使用图像作为手术视觉辅助的外科医生来说可能是不期望的。例如，BB或其它基准可能会遮挡外科医生需要看清的解剖结构的部分。

使用图20的固定装置21001的方法的另一个缺点是，如果荧光透视图像用于配准，则可能难以/不可能准直所述荧光透视图像。准直是将铅屏蔽从x射线源3001的一个或多个侧面移入，以防止x射线到达收集器3005的外部并且出现在荧光透视图像上。当一些x射线穿过组织，而其它x射线仅穿过空气时，准直可能是有用的。例如，当拍摄患者的横向荧光透视图像/快照时，要可视化的区域(躯干)非常宽和深，但在前后(A-P)方向(从上到下)上非常短。因此，从顶部(或顶部和底部)准直x射线图像以减小/防止否则会看到的组织和空气之间的图像对比度的急剧变化可能是有用的。然而，用于配准的荧光透视图像/快照依赖于能够在每个快照中可视化足够的基准BB，并且准直会阻挡一些BB。

使用图20的固定装置21001的方法的另一个缺点是针孔相机模型用来/需要定位源3001的BB的两个平面是庞大且显眼的。尽管BB的一个平面与x射线检测器3005的表面齐平，但是第二个平面通常必须从x射线检测器3005的表面向外突出至少100m，以实现源3001定位中的期望准确性。外BB平面的这种突出可能使得荧光透视单元难以足够靠近患者。荧光透视单元离患者越远，由于视差(导致视野范围变窄)，荧光透视图像显示得越放大。由于这种限制，荧光透视图像可能比外科医生想要的放大得多，例如，仅涵盖一个脊柱水平而不是两个。

上面讨论的所有问题都源于校准算法中对BB两个平面的使用，并且因此消除对BB多个平面的需求可能是有益的。代替在上述方法中使用检测到的BB来确定检测器3005图像平面和源3001的位置，可以基于安装到检测器3005(图像增强器)的光学跟踪器的位置来外推源3001的位置。然而，由于x射线检测器3005(图像增强器或平板)、源3001(发射器/阳极)和C形臂3009本身都是有些笨重件的装备，所以荧光透视系统的C形臂3009在不同的定向上可能会挠曲少量，因此不能准确地外推源3001的位置。由于C形臂3009的挠曲，源3001相对于检测器3005的位置可能在C形臂3009的典型位置(如前后A-P和横向)之间变化几毫米，在用于配准的源3001的预测位置中形成不可接受的不准确性。

根据本发明概念的一些实施例，代替使用固定装置基准的投影和针孔相机模型的几何约束来确定x射线源3001的位置，C形臂3009的当前监测定向被用于准确预测C形臂3009如何挠曲，并且因此准确确定源3001位于何处。有几种不同的方法来监测C形臂3009的定向，以及几种使用所讨论的信息来确定源3001的位置的方法，这将在下面进行讨论。

监测C形臂3009的定向的一种方式是自动或手动读取C形臂轴的值，并且将这些值提供给算法，所述算法利用它们来确定对源3001位置的影响。通常，C形臂3009具有三个旋转移动：轨道(Rz)、倾斜(Rx)和摇摆(Ry)，如图22中示出的。C形臂3009上还有一些线性平移轴。由于摇摆轴线Ry与重力几乎精确对准，因此可以假设，由于摇摆Ry的变化，C形臂3009的挠曲不会有差异。此外，线性平移位置Tx和Ty不应影响C形臂3009如何挠曲。因此，可以相对于检测器3005的位置来表征源3001位置的变化，这主要知道轨道Rz和倾斜Rx的变化。

图22绘示了荧光透视系统的配置，示出的了包含倾斜Rx、进出Tx、上下Ty、摇摆Ry和轨道Rz的不同的移动轴。除非在斜坡上操作C形臂3009，否则发生摇摆的轴线(示出为Ry)通常与重力对准，并且因此仅轨道Rz和倾斜Rx会显著影响C形臂3009在正常条件下的挠曲方式。

较旧的C形臂荧光透视系统有锁定和解锁机构，以允许手动改变轨道Rz和倾斜Rx，并且具有在+/-1度内指示每个轴线的位置的刻度。因此，软件用户接口可以允许用户在每次进行荧光透视快照时输入这些值，并且将使用这些值来计算源3001相对于检测器3005的偏移。替代地，C形臂3009的轴线可以安装光学、磁性或其它编码器，以自动检测每个轴线的位置，并且将所述信息馈送给导航系统进行处理。

较新的C形臂荧光透视系统具有内置编码器，以数字方式记录每个轴线的位置。这些系统将轴线坐标存储到机载存储器中，并且在拍摄的每个荧光透视图像的DICOM(医学数字成像和通信)标题中写入坐标。因此，软件可以通过C形臂荧光透视系统和导航系统之间的串行电缆或其它方式使用数字数据流来传达当前的轴线位置，特别是在荧光透视快照期间的轨道Rz和倾斜Rx。或者，软件可以通过以太网、串行通信或无线数据传送将每个图像/快照检索为DICOM文件，并且通过标准软件方法读取DICOM标签，以检索关于轨道Rz和倾斜Rx位置的信息。

监测C形臂3009的定向的另一个方式是在C形臂3009的C上的某个位置放置电子倾斜传感器或惯性测量单元(IMU)，以监测其角度定向，并且在拍摄荧光透视快照时将所述信息馈送给导航系统。

两个倾斜传感器将用于监测对应于轨道Rz和倾斜Rx的C形臂3009中的偏移。IMU通常监测3或6个自由度，并且当它们安装在C形臂3009上时将被定向，使得当C形臂3009处于参考位置时，重力方向最初与IMU的竖直轴线对准。来自倾斜传感器和/或IMU的数据将在拍摄荧光透视快照时经由以太网、WiFi、蓝牙、串行端口或任何合适的方式传达到导航系统进行配准。

在不同的快照期间监测C形臂3009定向的另一个方式是利用已经用于跟踪检测器3005(也称为收集器)位置的光学跟踪系统。这样做将要求系统首先限定系统的竖直方向，并且在随后维持所述限定。例如，软件特征可以提示用户将C形臂3009定位为轨道Rz在0°，倾斜Rx在0°，然后点击按钮以捕获所述直立位置。只要光学跟踪系统的相机没有移动，对C形臂3009上的光学跟踪器的后续测量然后就能够确定定向的变化。或者，如果光学跟踪相机确实移动了，如果还观察到指示重力方向的另外的跟踪参考固定装置，如固定在桌子上的跟踪标记或在所述情况下不改变其相对于重力的定向的其它特征，则仍然可以推断出竖直定向。

在不同的快照期间监测C形臂3009的定向的不同实施例是利用包含如反射球体的光学跟踪要素的重力矢量。此类重力矢量可以紧邻用于跟踪检测器3005的位置的固定装置位置，并且将仅需要另外的两个标记，作为单独的杂散而被跟踪。如果使用反射球体，则形成重力矢量的两个球体可以通过旋转特征连接到基座，并且可在第二个球体的远侧增加重量，以迫使两个球体在重力方向上悬挂，如图23A、图23B、图23C、图24A和图24B中示出的。所述实施例相对于使用手动或自动轴线输入和/或依赖于被跟踪的固定装置定向来确定C形臂3009的位置可能是有用的，因为它较少受到用户误差的影响。也就是说，使用重力矢量的方法可以是自动的，其中只需要使用/需要少量的另外的装备，并且此类方法不需要用户输入或维护其它数据流的通信。

图23A、图23B和图23C绘示了包含两个另外的反射跟踪标记4001A和4001B的重力矢量，所述两个另外的反射跟踪标记邻近用于跟踪检测器3005的位置的4标记C形臂跟踪器(包含四个反射跟踪标记4005A、4005B、4005C和4005D)或由其所占据的空间内。表示了C形臂3009的三个角度位置，并且演示了重力矢量如何在不同位置改变其相对于固定装置坐标系的定向。重力矢量包含两个反射式跟踪球体4001A和4001B，所述两个反射式跟踪球体和通过刚性或非刚性连杆连接，并且通过自由旋转的接口(如线或球头节)连接到基座(在所述实例中为固定装置跟踪器的框架)。远侧跟踪球体4001B可以被加重，或者另外的重物可以附接到跟踪球体4001B的远侧，以提供/确保其与重力对准地竖直悬挂。

图24A和图24B是检测器固定装置4000的照片，所述检测器固定装置包含带有跟踪标记4001A和4001B的重力矢量，所述跟踪标记安装在带有光学/反射跟踪标记4005A、4005B、4005C和4005D的框架4021上。在所述实例中的旋转特征是类似于用于灯拉绳的那些的链4007。这种设计可能是优选的，因为链条4007围绕其长轴线自由旋转，同时还在链接点处弯曲，因此在移动到新的定向时不太可能被阻碍或挂住。钓重4009也附接到重力矢量的远侧跟踪球体4001B的远侧。如下面参考图27A所讨论的，检测器固定装置可以永久地安装到检测器3005和/或邻近检测器3005的C形臂3009的部分。例如，检测器固定装置可以以检测器固定装置在源3001和检测器3005之间的x射线路径之外的方式安装到检测器3005和/或C形臂3009的部分。

如上所描述的重力矢量的一个潜在问题是，在将C形臂3009移动到新位置之后，由旋转接头连接的两个球体可能会继续摆动不期望的长时间，迫使用户在继续配准过程之前浪费时间。根据一些实施例，可以通过使用填充有流体的球体窝接头将球体4001A和4001B连接到基座来实现对重力矢量的移动的阻尼，所述球体窝接头在接头的特征中具有小孔或通道，所述小孔或通道允许接头移动，但是仅以流体(例如，水或油)能够流过孔的速率。根据一些其它实施例，一系列两个垂直阻尼铰链接头，一个对应于轨道Rz，并且一个对应于倾斜Rx，可以用于实现相同的行为。每个铰链接头都可以使用已知的方法进行阻尼，如在接头上安装一个缓冲器，就像控制家用门关闭速度的机构一样。

基于在进行荧光透视快照时通过上述任何技术检测到的C形臂3009的定向，系统将利用校准来确定源3001的位置。可在荧光透视跟踪器安装在荧光透视单元上时进行此类校准。在一些实施例中，如下面参考图25的流程图所讨论的，将遵循一系列操作来校准，然后确定源3001和检测器3005的精确位置。

图25是示出根据本发明概念的一些实施例的基于C形臂3009定向的知识来建立校准以便于对外推源3001位置的调整的操作的流程图。在完成校准之后，可以移除临时固定装置，并且可以根据存储的关系和跟踪的重力矢量来确定任何新的荧光透视快照的源3001位置中的偏移。根据图25的一些实施例，可以使用图27A、图27B和图27C的固定装置，并且可以省略图27A的重力矢量。

在框25001处，如图27A中示出的，具有跟踪阵列(包含标记4005A-D)的永久固定装置4000附接在x射线检测器3005(也称为收集器)附近，并且具有射线不透基准和跟踪阵列的临时固定装置8010和8050附接在x射线源3001(也称为发射器)和x射线检测器3005附近，如图27B和图27C中示出的。

在框25003处，将C形臂3009定位在参考位置，并且在捕获C形臂3009的定向的同时快照跟踪的参考荧光透视快照。因此，基于用于参考位置的固定装置4000、8010和8050的跟踪阵列来确定x射线源3001、x射线检测器3005和C形臂3009的位置/定向。

在框25005处，C形臂3009被移动到正常操作范围内的新定向。

在框25007处，捕获来自所有跟踪器阵列(即，由标记4005A-D、标记8075A-D和标记8053A-D限定的跟踪阵列)的跟踪数据和C形臂3009的角度定向。

在框25009处，基于来自固定装置8010和8050的临时跟踪阵列的数据，计算x射线源3001和x射线检测器3005相对于永久固定装置4000的位置。

在框25011处，重复框25005、25007和25009处的操作，直到收集到关于在C形臂3009的整个操作范围上采取的C形臂3009的定向的数据为止。

在框25015处，x射线源3001相对于参考x射线源3001位置的偏移(来自框25003)与C形臂3009相对于C形臂3009的参考定向的定向变化(来自框25003)相关，并且相对于永久固定装置4000的跟踪阵列的关系被存储，用于x射线源3001在将来拍摄荧光透视快照时的位置。

图26是用于具有重力矢量的实施例的具体使用的流程图(例如，使用具有重力矢量的图27A的固定装置4000)。如果用于确定C形臂定向的方法是重力矢量，则图25的流程图可以表示为图26的流程图。

在框26001处，如图27A中示出的，具有跟踪阵列(包含标记4005A-D)和重力矢量(包含标记4001A-B)的永久固定装置4000附接在x射线检测器3005(也称为收集器)附近，并且具有射线不透基准和跟踪阵列的临时固定装置8010和8050附接在x射线源3001(也称为发射器)和x射线检测器3005附近，如图27B和图27C中示出的。

在框26003处，将C形臂3009定位在参考位置，并且在捕获C形臂3009的定向和重力矢量的同时拍摄跟踪的参考荧光快照。因此，基于用于参考位置的固定装置4000、8010和8050的跟踪阵列来确定x射线源3001、x射线检测器3005、C形臂3009和重力矢量的位置/定向。

在框26005处，C形臂3009被移动到正常操作范围内的新定向。

在框26007处，捕获来自所有跟踪器阵列(即，由标记4005A-D、标记8075A-D和标记8053A-D限定的跟踪阵列)的跟踪数据和重力矢量。

在框26009处，基于来自固定装置8010和8050的临时跟踪阵列的数据，计算x射线源3001和x射线检测器3005相对于永久固定装置4000的位置。

在框26011处，重复框26005、26007和26009处的操作，直到收集到关于在C形臂3009的整个操作范围上采取的C形臂3009的定向的数据为止。

在框26015处，x射线源3001相对于参考x射线源3001位置的偏移(来自框26003)与重力矢量相对于参考重力矢量定向的定向变化(来自框26003)相关，并且相对于永久固定装置4000的跟踪阵列的关系被存储，用于x射线源3001在将来拍摄荧光透视快照时的位置。

图27A、图27B和图27C示出了在图25和/或图26的第一操作中提到的附接到C形臂3009、检测器3005和/或源3001的永久和临时固定装置的示范性实施例。

图27A绘示了根据图24A和图24B中示出的结构的永久检测器固定装置4000，所述永久检测器固定装置安装到邻近检测器3005上表面的C形臂3009的部分，使得检测器3005在检测器固定装置4000和源3001之间。因此，永久检测器固定装置4000不阻挡x射线从源3001到检测器3005的路径。

图27B绘示了安装在检测器3005和源3001之间的检测器3005的面3006上的临时检测器固定装置8010。

图27C绘示了安装在源3001和检测器3005之间的源3001上的临时源固定装置8050。如示出的，源固定装置8050包含框架8051和多个光学跟踪标记8053A、8053B、8053C和8053D。

因此，图27A、图27B和图27C绘示了用于基于使用光学跟踪标记4005A、4005B、4005C、4005D、8053A、8053B、8053C、8053D、8075A、8075B、8075C和8075D(例如，作为光学反射球体提供)的光学跟踪来校准荧光透视成像系统的固定装置。

如图27A中示出的，永久检测器固定装置4000附接在检测器3005上/附近。在所述实例中，永久检测器固定装置4000还具有附接到其框架4021的重力矢量(包含光学跟踪标记4001A和4001B以及重量4009)，以及光学跟踪标记4005A、4005B、4005C和4005D(例如，作为反射球体提供)。

如图27B中示出的，临时固定装置8010附接在检测器3005的成像平面上/附近。固定装置8010具有跟踪阵列，所述跟踪阵列包含从检测器3005的面3006垂直延伸的框架8073的部分8073A和框架部分8073A上的光学跟踪标记8075A、8075B、8075C和8075D。固定装置8010还包含在框架8073的部分8073B中的BB平面，所述BB平面平靠并且平行于检测器3005的面3006，使得BB平面和框架的部分8073B在检测器3005和源3001之间。光学跟踪阵列(包含光学跟踪标记8075A、8075B、8075C和8075D)因此处于相对于BB平面的已知/固定位置，因为所述跟踪阵列和所述平面的BB都固定到和/或设置在同一刚性框架8073中/上，从而允许使用光学跟踪阵列准确地跟踪BB平面的位置(以及其中BB的位置)。

如图27C中示出的，临时固定装置8050附接在源3001附近(例如，在源3001和检测器3005之间)。固定装置8050具有嵌入在源3001和检测器3005之间的框架8051中的跟踪阵列(包含光学跟踪标记8053A、8053B、8053C和8053D)以及BB平面8055(也称为x射线不透基准图案)。跟踪阵列(包含光学跟踪标记8053A、8053B、8053C和8053D)相对于BB平面8055处于已知位置，因为两者都固定到和/或设置在同一刚性框架8051中/上，从而允许使用光学跟踪阵列准确地跟踪BB平面8055的位置(以及其中BB的位置)。BB平面8055垂直于x射线的路径(从源3001到检测器3005)，并且距离x射线源3001几英寸。

图28绘示了图25(操作25003)或图26(操作26003)中描述的可以是前后快照的标准位置的参考荧光透视图像/快照的实施例，其中检测器3005在手术台上方，并且源3001在手术台下方。在标准透视C形臂系统中，所述位置通常被标记为0°倾斜Rx和0°轨道Rz。针孔相机模型约束将被应用于在参考位置(操作25003或操作26003)拍摄的荧光透视图像/快照，以基于BB从源3001上的固定装置8050的BB平面8055的投影并基于BB从检测器3005上的固定装置8010的BB平面的投影来准确定位源3001。将使用固定装置8010和8050上的光学跟踪标记(8075A、8075B、8075C、8075D、8053A、8053B、8053C和8053D)来跟踪针孔相机模型所需的BB平面之间的距离。将投影约束应用于数据集的方法在所述领域是已知的，并且可以通过开源软件如OpenCV(开源计算机视觉，http://openCV.org)获得。由于参考荧光透视快照仅用于校准目的，所以荧光透视快照可在固定装置8010和8050之间的区域中没有任何东西的情况下进行。通过进行此类“空气快照”，可以提供/确保将实现良好的图像对比度，并且图像处理将能够有效地检测BB阴影，如图28中示出的。

图28绘示了用相应地附接到检测器3005和源3001的临时固定装置8010和8050拍摄的荧光透视x射线空气图像/快照28000的实例。BB阴影28011的内部环和BB阴影28015的内部环来自源固定装置8050的BB，并且BB阴影28017的外部环来自检测器固定装置8010。源3001(包含在固定装置8050中)附近的BB的直径是检测器3005(包含在固定装置8010中)附近的BB的直径的32％，但是由于投影期间的视差，BB阴影看起来大致相同。较浅的阴影来自固定装置8010的框架8073。

图27A(包含光学跟踪标记4001A和4001B)的重力矢量的定向(也称为重力矢量值)可以显示为具有X、Y和Z分量的单位矢量，并且可由软件连续更新重力矢量值以监测C形臂3009的当前定向。所述实时重力矢量值可以用作运动感应控制特征。如果重力矢量不是静态的，则C形臂在最后一次移动后仍然在运动或者重力矢量仍然在摆动。因此，感测到的重力矢量的运动可以用于减小/防止/限制帧抓取器通过软件拍摄或获取不可用的荧光透视快照。重力矢量的定向(即，重力矢量值)还可以被记录作为参考，并且所述参考值可以被用于相同或不同的手术情况，以帮助引导用户从C形臂的先前定向到特定的角度定向或角度增量。例如，如果重力矢量为一次荧光透视快照指出了特定的定向，但后来发现所述定向在配准中无效，并且用户希望尝试与先前定向精确10°不同的新的C形臂定向，则重力矢量的存储值可以通过显示和比较当前和先前的重力矢量来帮助精确地找到新的位置。软件还可以显示先前重力矢量值和当前重力矢量值之间的计算角度差，作为两个单位矢量的矢量点积的反余弦。

在图25的循环或图26的循环中，当跟踪图27A、图27B和图27C的固定装置上的标记阵列和重力矢量(或无论使用何种方式的C形臂定向)时，C形臂3009将摆动通过其标准操作位置范围。重要的是，如果使用重力矢量，重力矢量不会移动到它悬挂在自身或固定装置的另一部分上的任何位置，或者在研究的范围内由于任何原因不能自由悬挂。因此，重力矢量的附接可以由此以此类方式设计，使得当其处于最常见的定向时，它垂下，而在最不常见的定向时，它被180°倒置。最不常见的定向可能是x射线检测器3005位置在手术台下方。所述定向是不可能的，因为检测器3005上的跟踪阵列(即，包含图27A的固定装置中的光学跟踪标记4005A、4005B、4005C和4005D)在此类定向上可能不可见。

在收集C形臂3009的可用定向范围的数据时，应收集足够的样本，使得C形臂3009的定向和源3001偏移(相对于检测器3005)之间的关系被很好地表征。要采样的主要数据是源3001和检测器3005位置，所述源和检测器位置是相对于它们在参考快照中的跟踪阵列而建立的。不需要另外的荧光透视x射线快照，因为跟踪阵列应比投影数据同等或更准确地定位源3001和检测器3005。

对于C形臂3009的不同定向(也称为C形臂定向)的采样数据，必须建立源3001偏移和C形臂定向之间的关系。建立这种关系有不同的方式。一种方式是使用插值查找表，其中对应于轨道Rz和倾斜Rx的不同角度定向与源3001在X、Y和Z维度上的偏移一起被列表。然后，当在C形臂3009的特定定向上快照新的荧光透视x射线快照时，从查找表中读取X、Y和Z偏移。如果使用的轨道Rz和倾斜Rx的组合没有条目，则从最近的可用条目线性或非线性插值偏移。

设置源3001偏移和C形臂定向之间的关系的不同方式是制作C形臂3009的物理模型。可以用精确预测C形臂3009如何在不同定向挠曲的材料和几何特性来校准物理模型。当在不同定向采样时收集的数据将被用于调整或优化模型，使得当给定不属于调整数据集的新的x射线荧光透视快照的C形臂3009的新定向时，模型能够生成准确的输出。

设置源3001偏移和C形臂定向之间的关系的第三种方式是利用机器学习，如神经网络。训练数据集将是在扫描C形臂3009和对应的源3001偏移期间收集的数据。基于C形臂定向预测源3009偏移的神经网络模型的准确性将取决于在其训练中向神经网络提供多少数据。

建立源3001偏移和C形臂定向之间的关系的另一个方法是，将两个输入参数的通常函数拟合到输出，所述输出可以是源位置的X、Y或Z笛卡尔坐标移位。两个输入参数i1和i2可以是轨道Rz和倾斜Rx角或者重力矢量的两个分量(因为单位定向矢量具有两个自由度)。因此，函数可以写成：

X＝f1(i1,i2)

Y＝f2(i1,i2)

Z＝f3(i1,i2)

一旦校准，三个此类方程将完全限定源3001移位作为C形臂定向的函数。采样数据可以通过适当的计算方法(如莱文伯格-马夸特优化(Levenberg-MarquardtOptimization))来拟合每个函数。拟合此类过程的函数形式可以是正弦-余弦关系、多项式模型、高斯混合模型或具有任意自由度的通常曲线。在实施例的一个实例中，基于i1和i2，函数可以拟合于X、Y和Z笛卡尔坐标，使得

X＝p1*i1²*i2+p2*i2²*i1+p3*i1²+p4*i2²+p5*i1*i2+p6*i1+p7*i2+p8

其中p1至p8是通过优化方法求解的参数，并且每个参数代表分量对所述函数的所述贡献的权重。可以为Y和Z编写类似的函数，每个函数都有自己的分别求解的权重集。

在完成校准程序并且记录源3001在一系列C形臂定向上的偏移之后，图27B和图27C的临时固定装置将被移除，仅留下图27A的永久固定装置用于手术/情况期间的实际使用。在数据收集期间，可以提供/确保参考图27A的永久固定装置建立关系。检测器3005上从永久固定装置到临时固定装置的偏移应是固定的，因此很容易确定/计算检测器3005位置与图27A的永久阵列的关系。在图25或图26的流程图的第二步中，已经捕获了从图27A的永久固定装置到直立位置的源3001的偏移，然后在数据收集期间，源3001的偏移将与图27A的永久固定装置的坐标系中的所述位置相关，以保持关系总是根据永久固定装置。替代地，可以在校准完成之后添加图27A的永久固定装置，并且可以使用类似于我们在别处描述的“配准转移”的操作来将先前根据图27B的临时固定装置的关系变换为根据图27A的永久固定装置的关系，之后移除临时夹具固定装置。

重力矢量可以作为“归一化”值存储和访问，而不是试图将重力矢量与特定的跟踪固定装置相关联，或者设计跟踪固定装置附接以确保固定装置总是以可再现的方式相对于彼此附接。为了归一化，两个特定的定向可以对应于参考位置。在归一化概念的一个实施例中，C形臂3009的直立位置可以对应于(0,0,1)，或者与Z轴线精确对准，并且横向位置可以对应于(1,0,0)，或者与X轴线最靠近对准。为了在实践中实现重力矢量的归一化，C形臂3009将被置于直立位置，并且相对于任何参考跟踪固定装置捕获重力矢量(图23A、图23B、图23C、图24A、图24B或图27A)。然后，将C形臂3009置于横向位置，并且捕获相对于所述位置的重力矢量值。在每个位置处，将记录从直立旋转到实际定向的3x3旋转矩阵；也就是说，R₀可以表示重力矢量相对于处于直立位置的固定装置的3x3旋转，R₉₀可以表示重力矢量相对于处于横向位置的固定装置的3x3旋转。如果最初与Z轴线g＝(0,0,1)对准的单位矢量g旋转了R₀，则与重力Z精确对准的新矢量g_Z将描述为：

g_Z＝R₀*g。

类似地，如果将同一矢量旋转R90，则近似与重力X对准的新矢量g_Xa将描述为：

g_Xa＝R₉₀*g。

这些矢量的叉积(归一化为单位矢量后)将是与重力Y精确对准的单位矢量g_Y：

g_Y＝g_Z x g_Xa。

将g_Y和g_Z交叉给出与重力X精确对准的单位矢量：

g_X＝g_Y x g_Z。

因此，使用这些矢量作为3x3旋转矩阵R的列给出了从单位矩阵到归一化重力矢量定向的旋转变换：

R＝[g_X g_Y g_Z]。

当应用于相对于跟踪固定装置获得的任何重力矢量g_F时，所述矩阵R_inv的逆给出了归一化的重力矢量：

g_N＝R_inv*g_F。

较新的C形臂荧光透视系统利用平板x射线检测器，所述平板x射线检测器可以形成不失真的x射线图像。然而，仍在许多医院使用的较旧的C形臂荧光透视系统利用图像增强器作为x射线检测器。与使用平板x射线检测器创建的图像相比，使用较旧的C形臂荧光透视系统创建的图像可能会受到更大的s形失真和枕形失真。噪声水平足够大且足够不可预测，以至于原始图像可能缺乏使用前面提到的针孔相机约束来检测源3001位置所需的准确性。因此，来自基于图像增强器的检测器的原始图像可能需要另外的步骤来对图像进行去扭曲处理，然后才能用于任何类型的工作流程(如仅荧光或术前CT工作流程)的配准。在配准方法中，其中荧光透视跟踪固定装置上存在两个BB平面，如以上关于图20所讨论的，来自最靠近检测器3005的平面21009b的BB通过应用去扭曲算法用于去扭曲。一种此类去扭曲算法是变形算法，其中由三个检测到的BB阴影形成的三角形内的像素在二维中被拉伸/收缩，使得三角形匹配已知的形状。在建议的新配准方法中，还可以继续使用检测器3005上的BB进行去扭曲。与旧的固定装置不同，BB仅需要一个平面(而不是两个平面)。所述单个平面将用于支持去扭曲，并且还提供定向界标，以提供/确保每个新图像与可能因图像而异的任意屏幕定向和偏移相匹配。此外，与旧方法不同的是，由于去扭曲仅发生在可见BB界定的区域内，因此应能够根据期望/需要尽可能多的准直。至少3个定向BB仍需要在准直区域内可见，以提供/确保正确的图像定向。由于在校准过程中，检测器3005上的图27B的跟踪固定装置也使用/需要BB平面，所以基于图像增强器的检测器3005上的图27B的临时跟踪器可以兼作永久跟踪器。

使用两个BB平面21009a和21009b的图20的荧光透视固定装置具有一些用于说明用户控制的屏幕图像旋转、图像放大和图像翻转的特征。重要的是要考虑这些因素，这些因素可能取决于用户如何调整设置和系统固有的噪声而因快照而异，以获得3D坐标系到2D图像的准确映射，并且反之亦然。考虑到放大，一些BB可以布置成具有已知直径的环，并且去扭曲BB之间的间距可以是已知的。考虑到屏幕上的图像旋转，现有的图像增强器固定装置中的BB以不对称的图案布置。不对称图案是旋转不对称的，并且从前到后也是不对称的，因此翻转和/或旋转的图像可以立即被标识。

当与平板装置一起使用时，带有单个平面的新荧光透视固定装置不需要利用任何BB进行去扭曲，而只需考虑图像定向、翻转和放大。旧固定装置远平面21009a上的现有图案使用6个定向BB，所述6个定向BB分布在距固定装置中心恒定半径的不同旋转位置(未示出)。此类布置将满足考虑定向、翻转和放大的要求，但是对于准直的快照可能有些限制。另一个可能的BB布局可以利用3个一组的BB集群，以允许从上下或左右准直，如图29A、图29B和图29C中示出的。如图29A中示出的，固定装置29001可以设置在检测器3005和源3001之间的检测器3005的面3006上。固定装置29001可以包含4组BB(也称为基准)29005A、29005B、29005C和29005D，每组包含三个BB，并且其中每组3个BB以不同的图案提供。在图29A中，固定装置29001包含光学跟踪阵列，所述光学跟踪阵列具有以相对于组29005A、29005B、29005C和29005D的BB固定的关系提供的光学跟踪标记29011A、29011B、29011C和29011D。因此，固定装置29001可以像图27B的固定装置8010一样用于校准，但是因为固定装置29001打算在手术期间维持在检测器3005上，所以跟踪阵列(包含跟踪标记29011A、29011B、29011C和29011D)延伸到检测器3005的一侧并且远离源3001，如图29A中示出的。

图29B和图29C提供使用图29A的固定装置29001准直拍摄的图像的实例。在图29B中，BB组29005B和29005D的阴影29005B'和29005D'存在于图像中，并且这些BB组的图案可以用于确定所述图像的定向。在图29C中，BB组29005A和29005C的阴影29005A'和29005C'存在于图像中，并且这些BB组的图案可以用于确定所述图像的定向。

另一个可能的最小基准布局可以是穿过屏幕中心的十字准线，带有另外的十字准线或空间以及不对称特征，如图30中示出的。可以提供具有不对称和间隔的有用/必要特性的其它可能特征来检测这些因素。除了可用于检测图像旋转、放大和/或翻转之外，这些基准可以通过软件重新投影到图像上，并且如果校准正确，这些基准应完美重叠，从而使用户对有效配准有信心。此类软件特征类似于如何将旧的荧光透视固定装置中两个平面的BB重新投影到图像上，以检查配准是否良好。

图29A绘示了固定装置29001上的BB的配置，在顶部(29005D)、底部(29005B)、左侧(29005A)和右侧(29005C)区域具有3个BB的集群。以这种方式定位BB，即使在高度准直的快照中，也可以容易地检测到6个BB，其中图29B是具有左右准直的x射线荧光快照图像，而图29C是具有上下准直的x射线荧光快照图像。

图30绘示了添加到图29A的检测器固定装置29001的特征的基准配置的实例，所述特征可以出现在荧光透视x射线快照上，以用作图像旋转、平移、放大和/或翻转的参考。环30001具有已知的直径，并且相应的间隙30007A、30007b和30007C之前的每个线段30005A、30005B和30005C的长度也是已知的。间隙被不对称地放置，使得旋转地并且关于翻转知道间隙应在图像上的什么位置。十字准线还可以通过软件投影到图像上，向用户提供相关校准认为是图像平面中心的反馈。

因为在校准系统之后捕获的每个新图像通过变换(例如，旋转、缩放、平移和/或翻转)而与参考图像相关联，所以固定装置应安全地附接到x射线检测器3005(图像平面)是重要的。如果固定装置滑动，则即使根据重力进行了调整，源相对于图像的位置也将不再准确。一种方法是在手术/情况开始时收集一个新的、校准的参考空气快照，以及直立和横向位置的重力矢量信息。参考空气快照将不存在任何解剖结构，并且将存在第二BB平面，以允许使用针孔相机模型来准确计算源3001的位置。第二个平面可以是被跟踪的BB平面，如图27C的源固定装置的平面8055，或者是从主平面偏移已知量的刚性附接的临时平面。另一个方法是设计检测器固定装置，以使其始终保持良好的附接，或者如果将其卸下，则可以将其重新安装到精确相同的位置。

因为准确性依赖于检测器固定装置29001以可再现的准确方式被固定和/或准确地重新附接到检测器3005，所以可能期望提供一种方式来知道校准在一段时间后是否仍然有效。根据一些实施例，评估校准有效性的方法是附接一个或多个监视标记8091和8093。在一些实施例中，一个监视标记8091附接在检测器3005上/附近，并且一个监视标记8093附接在源3001上/附近，如图31中示出的。例如，这些监视标记可以是反射球体、反射标签或可由跟踪系统检测到的激活标记，其检测/跟踪方式与永久固定装置的方式相同。在执行校准时，将相对于永久固定装置进行光学跟踪这些标记的位置。稍后，当检查校准时，检测器3005附近的监视标记8091应相对于永久跟踪固定装置4000和/或8010处于与校准期间相同的固定位置。如果永久跟踪固定装置或其跟踪阵列移位或弯曲，则可以使用监视标记来检测其预测位置的偏移，并且这显然是有问题的。另外，由于源3001附近的监视标记8093应以与源3001随着改变C形臂和/或检测器3005定向而移动相同的方式移动，所以系统应能够计算和预测源3001附近的监视标记将在任何C形臂和/或检测器3005定向上移动到哪里。在检查校准时，C形臂3009可以放置在几个不同的定向上，而无需拍摄x射线。如果在C形臂3009和/或检测器3005的所有测试定向上，被跟踪的监视标记位置不在预测位置(基于被调整到校准偏移的召回的监视标记直立位置)，则校准不正确，需要重新运行。

图31是带有固定装置8050、8010和4000的C形臂3009的照片，并且在两个位置绘制了监视标记8091和8093，一个在源3001上/附近，并且一个在检测器3005上/附近。监视标记将允许在开始程序/案例之前检查校准的准确性。

图32的流程图总结了在校准后使用所述固定装置时的总体工作流程。进入的每个新图像都与参考图像对准，并且源3001相对于参考图像具有已知的移位，因此如果参考图像的图像到固定装置的变换是已知的或者先前已经使用两个平面找到，则可以根据所述工作流程使用单个平面固定装置。

图32是根据本发明概念的一些实施例的在手术/病例(例如，手术)当天利用校准的固定装置时的总体工作流程的流程图。

在方框32001处，固定装置4000被附接到C形臂3009，如图31所绘示。

在框32005处，如果固定装置4000在C形臂3009上的附接/对准不可再现，则可以执行另外的操作。如果在框32005处固定装置4000在C形臂3009上的附接/对准不可再现，则在框32009处拍摄前后A-P荧光透视图像/快照(其中检测器3005在源3001上竖直对准)，并且拍摄横向荧光透视图像/快照(其中检测器3005和源3001水平对准)，并且这些荧光透视快照用于归一化固定装置4000的重力矢量。如果在框32009处固定装置4000的附接/对准是可再现的，则可以省略框32009处的荧光透视快照。

在框32011处，在跟踪固定装置4000和重力矢量的同时，捕获荧光透视图像。

在框32015处，考虑到旋转、平移、放大和/或翻转，图像被变换以匹配参考图像。

在框32019处，为检测到的重力矢量找到源3001偏移。

在框32021处，通过基于源3001偏移/移位来调整参考图像的现有变换来计算图像到固定装置的变换。

根据一些实施例，可以提供特征来检测和指示x射线的存在。此类特征是有用的，因为与快照相关的跟踪信息必须与图像数据同步，以便配准准确。当前，系统会检测通过视频捕获板的图像何时更改，此时会轮询跟踪数据。然而，新的图像检测可能出现假阴性或假阳性，或者在快照捕获期间C形臂3009的移动可能导致不准确。

根据一些实施例，同步成像和跟踪数据的一种机构是通过无线(例如，WiFi、蓝牙等)或有线方法将电子x射线检测器的状态传输到机器人系统(例如，传输到图35的机器人控制器35000)。所述同步信号可以通过DIO(数字输入输出)端口读取，并且由软件使用，以确保仅在x射线激活时收集跟踪数据。

根据一些其它实施例，同步成像和跟踪数据的另一个机构是使用来自电子x射线存在传感器33019的信息作为信号，所述信号使得一个或多个跟踪标记(例如，激活标记阵列33001的跟踪标记)仅在x射线存在/被检测到时闪烁。如果阵列的所有标记仅在检测到x射线时才闪烁，则所述系统将只能在x射线荧光透视快照期间跟踪固定装置。或者，如果响应于检测到x射线而仅打开阵列上或邻近阵列的一个标记，则即使没有收集到x射线快照，系统仍然可以确定固定装置是否在相机的视野内。在图33中绘示了此类有源标记阵列33001。

根据一些其它实施例，枢轴或活塞上的无源反射标记(也称为可移动标记)可以被致动以指示何时进行x射线荧光透视快照。当存在/检测到x射线时，将打开马达或其它驱动器，并且将迫使枢轴或活塞到一个位置。当不存在/未检测到x射线时，马达将关闭，并且枢轴或活塞将在弹簧加载的机构下将无源标记返回到其静止位置。跟踪相机将检测标记的位置，并且仅在x射线激活时记录固定装置的位置。此类可移动标记阵列可以用来代替图33的33001的激活标记阵列。

根据一些实施例，在图33中绘示了检测器固定装置的电子版本。所述检测器固定装置可以使用发射红外光并且可以比无源反射球体更准确地跟踪的有源标记33001的阵列。另外，检测器固定装置可以使用IMU 33005来代替光学跟踪的重力矢量，以准确地检测C形臂3009和/或检测器3005相对于重力的定向。所述固定装置可以包含机载存储器33009A，所述机载存储器可以通过USB快闪驱动器或其它便携式存储器存储装置加载，或者通过无线通信加载，以保存查找表或函数的参数，所述查找表或函数将IMU输出与源3001相对于检测器3005的偏移(也称为移位)相关联。可以使用近场通信NFC标签、快速响应QR和读取器、条形码、射频标识符RFID标签或安装在C形臂检测器3005上靠近固定装置附接处的其它类型的接近装置来自动接收/检索正在使用的荧光透视C形臂系统的标识ID，以提供/确保为检测器固定装置所附接的C形臂荧光系统加载正确的参数，并且允许相同的检测器固定装置用于不同的荧光透视C形臂系统。检测器固定装置可以是无线的和电池供电的，或者是有线的A/C电源。在任一种情况下，阵列33001的有源标记可以电耦合到固定装置的其余部分和/或使用电感耦合或其它方法供电，从而允许标记被提供为无菌的，并且类似于机器人的末端执行器当前如何附接到盖布上方的机器人臂，通过固定装置和检测器周围的无菌盖布33015的外部附接到固定装置的阵列安装件33011。所述固定装置可以另外具有x射线存在传感器33019，以将跟踪数据与荧光透视x射线快照同步。

图33的检测器固定装置还可以包含如上面所讨论的BB平面，例如关于图29A的固定装置。总的来说，图33的固定装置可以类似于图29A的固定装置，增加/替换了有源部件，如IMU 33005、x射线存在传感器33019和有源标记阵列33001。而且，图33的固定装置可以包含阵列安装件33011，所述阵列安装件允许通过无菌盖布33015可拆卸地耦合有源标记阵列33001。

1)如以上关于图29A、图29B和图29C所讨论，图33的固定装置可以允许准直而不影响配准的准确性。如图33中示出的，固定装置可以包含基准29000(也称为x射线不透基准图案，例如，使用金属BB或另一个x射线不透材料提供)，如以上关于图29A、图29B和图29C所讨论的。例如，可以以不同的图案/定向提供3个基准(例如，使用BB提供)的每个分组(也称为集群)，以允许在荧光透视x射线图像中标识每个分组/集群。而且，x射线不透基准图案可以设置在也称为基准平面的x射线透明材料的层中/上。

2)因为不需要BB的多个平面，所以图33中的固定装置可能不太显眼，从而允许其更靠近患者定位。

3)通过减小BB阴影(也称为基准阴影)的数量，用图33的固定装置产生的x射线图像中的伪影可能更少。

4)由于根据一些实施例可以减小图像处理，所以不能区分基准的x射线可能不会造成太大问题。

图38A和图38B是绘示根据本发明概念的一些实施例的图33的固定装置38000的平面图。在图38A和图38B中，x射线不透基准图案被提供在使用x射线透明材料层提供的基准平面38011(也称为BB平面)中/上，使得x射线不透基准图案的所有要素都在单个平面中。如示出的，可以使用BB集群(即，球形金属球，也称为滚珠轴承)来提供x射线不透基准图案。根据一些其它实施例，可以使用由基准段组成的十字准线图案来提供x射线不透基准图案，如以上关于图30所讨论的。根据其它实施例，可以使用圆形x射线不透盘(例如，金属盘)，其中每个圆形盘具有平坦的上表面和下表面，或者使用打印/涂画的圆形图案(使用x射线不透材料/涂料)来提供x射线不透基准图案的要素。例如，x射线不透基准图案可以被涂画/打印在基准平面38011的上/下表面上。

在图38A和图38B中，可以使用阵列安装框架33011a来提供图33的阵列安装件，并且可以使用支撑在阵列安装框架33011a上的跟踪标记33001a、33001b、33001c和33001d来提供图33的有源标记阵列33001。跟踪标记33001a、33001b、33001c和33001d可以与阵列安装框架33011a可拆卸地耦合(例如，使用可拆卸的机械和/或磁性耦合)，以允许如图45A、图45B和图45C中示出的在无菌盖布上/通过无菌盖布进行附接。另外，可在固定装置的相对侧上为第二有源标记阵列提供第二阵列安装框架33011b(和相应的跟踪标记)。利用两个有源标记阵列，跟踪传感器(例如，相机)可以从x射线检测器的任一侧或两侧跟踪x射线检测器。

如图40、图41、图43、图44和图45A中示出的，固定装置安装销38001a、38001b、38001c和38001d为x射线检测器提供可拆卸的安装。在图38A和图38B的一些实施例中，每个安装销可以包含一对卡扣配合突起，其中每个卡扣配合突起包含柔性杆和面向外的头部，所述面向外的头部具有相对于杆成锐角的入口表面和相对于杆正交的保持表面。因此，安装销的两个卡扣配合突起可以插入相应的安装插口中。两个头部的入口表面便于安装销进入安装插口以及相应杆的向内挠曲。一旦安装销完全插入到安装插口中，并且两个头部离开安装插口开口，则两个卡扣配合突起就会弹出，使得两个卡扣配合突起的保持表面接合安装插口的外部表面，以将固定装置牢固地附接到x射线检测器。可以通过夹紧安装销的两个头部来释放安装，使得相应头部的保持表面与安装插口的外表面脱离，从而允许安装销被拉出/推出安装插口。因此，安装销38001a、38001b、38001c和38001d中的每一个可以被配置成与相应的安装插口可拆卸地配合。

另外，固定装置可以包含安装点38015，以在第二个平面中为第二x射线不透基准图案提供临时安装，如参考图41和图44所讨论的。

因此，图39和图42绘示了x射线检测器3005上的安装插口39001a、39001b、39001c和39001d。安装插口中的每一个被配置成接收相应的安装销，如以上关于图38A和图38B所讨论的。因此，如图40、图41、图43、图44和图45A中示出的，图38A和图38B的固定装置可以由此可拆卸地安装在x射线检测器3005上。例如，在图43中，每个安装销可以通过夹紧头部并且将其推入相应的安装插口而从相应的插口释放。

如图41和图44中示出的，可以在第二基准图案平面41001中设置第二x射线不透基准图案44001(例如BB的图案)，第二基准图案平面41001使用腿44009和安装销44005临时安装在固定装置上，安装销44005可拆卸地与安装点38015配合(以上关于图38A和图38B进行了讨论)，并且第二x射线不透基准图案44001可以用于生成x射线源3001相对于x射线检测器3005的偏移的相关性，作为x射线检测器3005相对于重力的定向的函数。例如，荧光透视x射线成像系统可以拍摄空气快照图像(即，不存在患者的图像)在C形臂3009的定向上(例如，C形臂的参考定向，例如，其中x射线检测器3005竖直地位置在x射线源3001上方)，其中两个固定装置包含第一基准图案和第二基准图案。因此，空气快照图像包含对应于不同平面中的两个基准图案的阴影，并且所述空气快照图像可以被提供给医疗导航系统。对于空气快照图像，固定装置还可以基于来自IMU 33005的信息提供关于x射线检测器3005相对于重力的定向的信息，或者医疗导航系统可以使用经由跟踪传感器(例如，相机系统)接收的信息基于重力矢量的定向来确定x射线检测器3005相对于重力的定向，如以上关于图23A、图23B、图23C、图24A、图24B、图27A和图31所讨论的。因此，医疗导航系统可以基于包含两个基准图案的阴影的空气快照图像并且使用关于x射线检测器3005相对于空气快照图像的重力的定向的信息来生成偏移的相关性。根据一些其它实施例，第二x射线不透基准图案可以临时设置在x射线源3001上，如以上关于图27C所讨论的。根据一些其它实施例，光学跟踪阵列可以与x射线源3001耦合，如以上关于图27C所讨论的，并且医疗导航系统可以使用经由跟踪传感器接收的用于空气快照图像的信息来确定x射线源3001的位置/定向，并且除了上面讨论的信息之外，可以使用x射线源3001的位置/定向来确定偏移的相关性。

根据本发明概念的一些实施例，医疗导航系统被配置成基于来自荧光透视成像系统的空气快照图像来生成偏移的相关性，其中空气快照图像对应于C形臂的一个定向(例如，C形臂的参考定向，例如，其中x射线检测器3005竖直地位置在x射线源3001上方)。例如，可以用固定装置38000的x射线不透基准图案29000和x射线不透基准图案44001来生成空气快照图像，如图41和图44中示出的，x射线不透基准图案临时与固定装置和x射线源之间的x射线检测器耦合，使得空气快照图像包含对应于x射线不透基准图案29000和44001的阴影。医疗导航系统可以被配置成基于包含对应于x射线不透基准图案29000和44001的阴影的空气快照图像，和/或基于对应于C形臂的相应的不同定向的x射线源和/或x射线检测器的位置，生成偏移的相关性，其中基于与x射线源耦合的光学跟踪阵列来确定x射线源的位置，和/或基于光学跟踪阵列33001来确定x射线检测器的位置。

根据本发明概念的一些其它实施例，医疗导航系统被配置成基于来自荧光透视成像系统的空气快照图像来生成偏移的相关性，其中空气快照图像对应于C形臂的一个定向(例如，C形臂的参考定向，例如，其中x射线检测器3005竖直地位置在x射线源3001上方)。例如，可以用固定装置38000的x射线不透基准图案29000和x射线不透基准图案8055来生成空气快照图像，其中x射线不透基准图案临时与固定装置和x射线源之间的x射线源耦合，如图27C和图31中示出的，使得空气快照图像包含对应于x射线不透基准图案29000和8055的阴影。医疗导航系统可以被配置成基于包含对应于第一x射线不透基准图案29000和8055的阴影的空气快照图像，和/或基于对应于C形臂的相应的不同定向的x射线源和/或x射线检测器的位置，生成偏移的相关性，其中基于与x射线源耦合的光学跟踪阵列来确定x射线源的位置，和/或基于光学跟踪阵列33001来确定x射线检测器的位置。

一旦确定了偏移的相关性，就可在执行医疗手术之前移除(固定装置上或x射线源3001上的)第二x射线不透基准图案和/或x射线源3001上的跟踪阵列。偏移的相关性可以存储在医疗导航系统中并且用于配准，或者偏移的相关性可以保存在固定装置处的存储器中。如果偏移的相关性保存在固定装置处，则固定装置可在手术期间为每个患者图像确定x射线检测器3005相对于重力的定向(使用来自IMU 33005的输出)，基于相对于重力的定向和每个患者图像的偏移的相关性来确定患者图像的偏移，并且为每个患者图像向导航系统传输偏移的指示。如果偏移的相关性保存在导航系统处，则固定装置可在手术期间为每个患者图像确定x射线检测器3005相对于重力的定向(使用来自IMU 33005的输出)，并且为每个患者图像将相对于重力的定向的指示传输到医疗导航系统，并且医疗导航系统可以基于相对于重力的定向和每个患者图像的偏移的相关性来确定患者图像的偏移。无论哪种方式，医疗导航系统都可以基于航展图像并基于相应的偏移来执行配准。

如图45A、图45B和图45C中示出的，一旦固定装置被安装在x射线检测器3005上，并且任何临时基准/跟踪阵列被移除，就可在固定装置和x射线检测器3005上方提供无菌盖布33015。例如，由于固定装置中包含的电子部件，可能难以对手术用固定装置进行充分无菌，因此可能需要无菌盖布33015。一旦提供无菌盖布33015，就可以或在无菌盖布上或通过无菌盖布将无菌跟踪标记33001a、33001b、33001c和33001d与阵列安装框架33001a的安装点44002a、44002b、44002c和44002d耦合。例如，跟踪标记可以在不穿透无菌盖布的情况下磁性地安装在相应的安装点上，或者每个跟踪标记的卡扣配合销可以穿透无菌盖布，以在相应的安装点上提供卡扣配合安装。

根据一些实施例，光学监视标记8091可以设置在C形臂3009和/或x射线检测器3005上，如以上关于图31所讨论的。当医疗导航系统根据一些实施例执行配准时，光学监视标记8091可以用于验证患者图像。

图34是绘示了以上关于图33讨论的用于检测器固定装置的固定装置控制器34000的要素的框图。如示出的，固定装置控制器34000可以包含处理器电路34007，所述处理器电路与惯性测量单元(IMU)电路33005(也称为惯性测量单元或IMU)、x射线存在传感器电路33019(也称为x射线存在传感器/检测器)、标记阵列接口电路33051(也称为标记阵列接口)、存储器电路33009A(也称为存储器)和通信接口电路33009B(也称为通信接口)耦合。存储器电路33009A可以包含计算机可读程序代码，所述计算机可读程序代码在由处理器电路34007执行时使得处理器电路执行根据本文公开的实施例的操作。根据其它实施例，处理器电路34007可以被限定为包含存储器，从而不需要单独的存储器电路。

图35是绘示医疗导航系统控制器35000(例如，在图5的机器人系统的计算机408内实现)的要素的框图。如示出的，医疗导航系统控制器35000可以包含处理器电路35007(也称为处理器)，所述处理器电路与输入接口电路35001(也称为输入接口)、输出接口电路35003(也称为输出接口)、控制接口电路35005(也称为控制接口)、存储器电路35009(也称为存储器)和通信接口电路35051(也称为通信接口)耦合。存储器电路35009可以包含计算机可读程序代码，所述计算机可读程序代码在由处理器电路35007执行时使得处理器电路执行根据本文公开的实施例的操作。根据其它实施例，处理器电路35007可以被限定为包含存储器，从而不需要单独的存储器电路。处理器35007可以使用通信接口35051来接收关于荧光透视x射线成像系统的x射线源相对于荧光透视x射线成像系统的x射线检测器的偏移的信息。例如，通信接口35051可以使用有线或无线(例如，WiFi、蓝牙等)通信从图34和图35的固定装置接收此类信息。

如本文所讨论的，可由控制器35000执行根据本公开的一些实施例的控制医疗导航系统的操作，所述控制器包含处理器35007、输入接口35001、输出接口35003、控制接口35005和/或通信接口35051。例如，处理器35007可以通过输入接口35001接收用户输入，并且此类用户输入可以包含通过脚踏板544、平板546、显示器110/304的触敏接口等接收的用户输入。处理器35007还可以通过输入接口35001接收来自跟踪子系统532和/或相机200的位置传感器输入。处理器35007可以通过输出接口35003提供输出，并且此类输出可以包含在显示器110/304上呈现图形/视觉信息的信息和/或通过扬声器536提供的音频输出。处理器35007可以通过控制接口35005向运动控制子系统506提供机器人控制信息，并且机器人控制信息可以用于控制机器人致动器(如机器人臂104/306-308/604，也称为机器人的臂)和/或末端执行器112/602的操作。处理器35007还可以使用通信接口35051来接收关于荧光透视x射线成像系统的x射线源相对于荧光透视x射线成像系统的x射线检测器的偏移的信息。例如，通信接口35051可以使用有线或无线(例如，WiFi、蓝牙等)通信从图33和图34的固定装置接收此类信息。

现在将参考根据本发明概念的一些实施例的图36A和图36B的流程图来讨论用于包含C形臂的荧光透视x射线成像系统的固定装置的操作。例如，模块可以存储在图34的存储器33009A中，并且这些模块可以提供指令，使得当模块的指令由处理器34007执行时，处理器34007执行图36A和/或图36B的流程图的相应操作。

在图36A的框36001处，可在用于荧光透视x射线成像系统的存储器33009A中提供x射线检测器3005(和/或C形臂3009)相对于重力的不同定向和x射线源3001相对于x射线检测器3005的相应偏移之间的相关性。根据一些实施例，在框36001处，可在存储器33009A中为单个荧光透视成像系统提供单个相关性，并且在此类实施例中，所述固定装置可以与所述相关性适用的单个荧光透视x射线成像系统一起使用。例如，可以基于如上面所讨论的一个或多个校准来提供相关性。

根据下面参考图36B讨论的一些其它实施例，可在存储器33009A中为相应的不同的荧光透视x射线成像系统提供多个相关性，使得相同的固定装置可以用于不同的荧光透视x射线成像系统。根据框36001A处的此类实施例，在存储器33009A中提供不同荧光透视x射线成像系统的C形臂3009和/或x射线检测器3005的不同定向与x射线源3001相对于x射线检测器3005的相应偏移之间的多个相关性，并且所述多个相关性中的每一个相关性与不同荧光透视x射线成像系统的不同标识相关联。因此，可在存储器33009A中为将使用固定装置的荧光透视成像系统中的每一个提供不同的相关性，从而允许一个固定装置与不同的荧光透视x射线成像系统一起使用。在框36001B处，处理器34007接收(例如，通过通信接口33009B)对应于将使用所述固定装置的荧光透视成像系统的标识。例如，智能手机(或其它电子装置)可以用于读取/捕获荧光透视x射线成像系统上的标识(例如，条形码、QR码、NFC标签、RFID标签等)，固定装置将与所述系统一起使用，并且可由处理器34007通过通信接口33009B经由来自智能手机或其它电子装置的无线通信来接收所述标识，或者处理器34007可以直接通过通信接口33009B(例如，通过读取近场通信NFC标签或射频标识RFID标签)来接收所述标识。在框36001C处，处理器34007可以通过选择对应于在框36001B处接收的标识的相关性来提供框36001的相关性。因此，所述固定装置可以包含附接安装件，所述附接安装件被配置成提供与不同的荧光透视x射线成像系统中的每一个的可拆卸的机械耦合，并且在使用所述附接安装件将所述固定装置安装在荧光透视x射线成像系统中的一个上时，所述x射线成像系统的标识可以用于选择所述荧光透视x射线成像系统的相关性。而且，固定装置可在单个平面中包含x射线不透基准图案，并且安装结构(例如，图38A和图38B的安装销38001a-d)可以被配置成提供与x射线检测器3005的可拆卸的机械耦合，使得当固定装置使用安装结构耦合到x射线检测器时，基准图案在x射线检测器3001和x射线源3005之间的x射线检测器的面上。

根据一些实施例，框36001的相关性(或框36001A的每个相关性)可以包含存储器33009A中的表格，所述表格将x射线检测器3005(和/或C形臂3009)相对于重力和相应偏移的不同定向相关联，存储器33009A中的公式将x射线检测器3005(和/或C形臂3009)相对于重力和相应偏移的不同定向相关联，和/或存储器33009A中的模型将x射线检测器3005(和/或C形臂3009)相对于重力和相应偏移的不同定向相关联。如果固定装置具有不同荧光透视x射线成像系统的相关性，则可在存储器33009A中为荧光透视x射线成像系统中的每一个提供不同的表格、公式和/或模型。

在框36005处，处理器34007基于来自x射线存在传感器33019的信息来确定是否存在/检测到从x射线源3001到x射线检测器3005的x射线发射。通过在检测器3005的面3006上设置x射线存在传感器33019，来自x射线存在传感器33019的输出可以用于确定何时拍摄荧光透视图像/快照，并且因此何时需要偏移信息。

根据一些实施例，在框36009处，处理器34007响应于在框36005检测到从x射线源朝向x射线检测器的x射线发射，确定C形臂3009和/或检测器3005的定向。例如，可以基于来自惯性测量单元IMU 33005的输出相对于重力来确定C形臂和/或检测器3005的定向。通过响应于检测x射线发射来确定定向，在快照荧光透视x射线图像/快照时确定定向。而且，可以相对于C形臂和/或检测器3005的参考定向来确定/限定C形臂和/或检测器3005的定向，其中C形臂和/或检测器3005的参考定向被限定为x射线检测器竖直位于x射线源上方的C形臂和/或检测器3005的定向。

根据一些实施例，在框36011处，处理器34007响应于在框36005处检测到从x射线源3001朝向x射线检测器3005的x射线发射，确定x射线源3001相对于x射线检测器3005的偏移。例如，可以基于来自框36009的x射线检测器3005(和/或C形臂3009)的定向、基于来自框36009的x射线检测器3005(和/或C形臂3009)的定向以及来自框36001的存储器33009A中的相关性、和/或基于来自框36009的x射线检测器3005(和/或C形臂3009)的定向、以及基于存储器33009A中的基于如以上关于框36001A-C所讨论的标识与荧光透视x射线成像系统相关联的相关性来确定x射线源3001相对于x射线检测器3005的偏移。可以例如使用x射线检测器的坐标系来确定/限定x射线源相对于x射线检测器的偏移，其中x轴线和y轴线被限定在x射线检测器的平面中，并且z轴线被限定为垂直于x射线检测器的平面。

根据一些实施例，在框36015，处理器34007响应于检测到来自框36005的x射线发射，通过标记阵列接口33051激活跟踪标记。例如，跟踪标记可以是跟踪标记阵列33001的多个发光二极管(LED)中的一个，并且激活跟踪标记可以导致多个LED开启，和/或跟踪标记可以是可移动的跟踪标记，并且激活跟踪标记可以导致可移动的跟踪标记从相应的第一位置移动到相应的第二位置。如以上关于图33所讨论的，标记阵列33001可以通过覆盖固定装置和检测器3005的至少一部分的无菌盖布33015耦合到阵列安装件33011。因此，可由处理器34007使用接口33051(例如，通过阵列安装件33011)激活(例如，使用电耦合、电感耦合、机械耦合、无线电耦合、电磁耦合、磁耦合等)标记阵列33001(或其跟踪标记)。

根据一些实施例，在框36015处，可以通过响应于在框36005处检测到x射线发射而开启一个或多个发光二极管(LED)跟踪标记来激活一个或多个跟踪标记。根据一些其它实施例，可以为固定装置提供跟踪标记的固定/无源阵列和可移动跟踪标记，并且可在框36015处通过响应于在框36005处检测到x射线发射而相对于跟踪标记的阵列移动可移动跟踪标记来激活可移动跟踪标记。

根据一些实施例，在框36017处，处理器34007通过通信接口33009B向医疗导航系统提供来自框36011的x射线源的偏移的指示。例如，可以通过通信接口33009B经由有线耦合或经由无线耦合(例如，经由无线网络、蓝牙等)将偏移提供给医疗导航系统。医疗导航系统因此可以使用偏移的指示来提供配准，如下所讨论的。

根据一些其它实施例，可在医疗导航系统(而不是固定装置)处提供x射线检测器(和/或C形臂)相对于重力的定向和偏移之间的相关性。在此类实施例中，处理器34007可以响应于检测到x射线发射，通过通信接口33009B将x射线检测器3005(和/或C形臂)相对于重力的定向的指示提供给医疗导航(经由有线或无线耦合，例如，经由WiFi、蓝牙等)，并且医疗导航系统可以使用x射线检测器3005(和/或C形臂)相对于重力的定向以及x射线检测器3005(和/或C形臂)定向和偏移之间的相关性来确定/提供x射线源相对于x射线检测器的偏移。在任一实施例中，处理器34007可以基于相对于重力的x射线检测器3005(和/或C形臂定向)向医疗导航系统提供信息(例如，检测器/C形臂定向或偏移)，以供医疗导航系统使用来执行配准。因为C形臂和x射线检测器是连接和/或集成的，所以x射线检测器3005的定向可以指C形臂的定向，和/或C形臂3009的定向可以指x射线检测器3005的定向。

现在将参考根据本发明概念的一些实施例的图37的流程图来讨论医疗导航系统的操作。例如，模块可以存储在图35的存储器35009中，并且这些模块可以提供指令，使得当模块的指令由处理器35007执行时，处理器35007执行图35的流程图的相应操作。

根据一些实施例，在框37005处，处理器35007通过通信接口35051从荧光透视x射线成像系统接收限定第一患者图像的信息，其中荧光透视x射线成像系统包含C形臂3009、在C形臂的第一端的x射线源3001和在C形臂的第二端的x射线检测器3005。第一患者图像可以包含对应于固定装置的x射线不透基准图案的阴影。

根据一些实施例，在框37009处，处理器35007接收x射线源3001相对于x射线检测器3005的第一偏移的指示，其中第一偏移与第一患者图像相关联，并且其中通过通信接口35051接收第一偏移的指示。

根据一些实施例，在框37005处接收限定第一患者图像的信息并且在框37009处接收第一偏移的指示可以包含接收包含限定第一患者图像的信息和第一偏移的指示的数字文件(例如，医学中的数字成像和通信文档(DOCOM)文件)。根据一些其它实施例，可以与限定第一患者图像的信息分开地接收第一偏移。例如，可以经由如WiFi耦合、蓝牙耦合等的无线耦合来接收第一偏移。

根据一些实施例，在框37011，处理器35007基于使用来自跟踪传感器(例如，跟踪相机200)的跟踪信息确定的x射线检测器3005上的跟踪标记阵列33001的第一位置(也称为定位)，确定x射线检测器3005和/或x射线源3001的第一位置(也称为定位)，其中第一位置与第一患者图像相关联。例如，可以基于使用来自跟踪传感器的跟踪信息确定的跟踪标记阵列33001的位置来确定x射线检测器的第一位置，和/或可以响应于使用来自跟踪传感器的跟踪信息检测到跟踪标记(例如，阵列33001的一个或多个标记)的第一激活来确定x射线检测器的第一位置。例如，可以基于检测(一个或多个)标记的移动和/或基于检测(一个或多个)标记的有源照明来检测激活。

根据一些实施例，在框37012处，处理器35007使用来自跟踪传感器的跟踪信息来确定监视标记8091的第一位置(也称为定位)，其中监视标记8091的第一位置与第一患者图像相关联。在框37014处，处理器35007可以基于监视标记8091相对于跟踪标记阵列的第一位置处的跟踪标记阵列的第一位置来确定x射线检测器和/或x射线源的第一位置有效。如果处理器35007没有确定x射线检测器的第一位置有效，则可以阻止基于第一患者图像、第一偏移和/或x射线检测器的第一位置的验证，和/或可以请求另一个第一患者图像(和相关联信息，例如偏移)。

根据一些实施例，在框37015处，处理器35007通过通信接口35051从荧光透视x射线成像系统接收限定第二患者图像的信息，其中第一患者图像和第二患者图像不同。

根据一些实施例，在框37019，处理器35007接收x射线源3001相对于x射线检测器3005的第二偏移的指示，其中第二偏移与第二患者图像相关联，其中第一偏移和第二偏移不同，并且其中通过通信接口35051接收第二偏移的指示。

根据一些实施例，在框37005处接收限定第二患者图像的信息并且在框37009处接收第二偏移的指示可以包含接收包含限定第二患者图像的信息和第二偏移的指示的数字文件(例如，医学中的数字成像和通信文档(DOCOM)文件)。根据一些其它实施例，可以与限定第二患者图像的信息分开地接收第二偏移。例如，可以经由如WiFi耦合、蓝牙耦合等的无线耦合来接收第二偏移。

根据一些实施例，在框37021处，处理器35007基于使用来自跟踪传感器(例如，跟踪相机200)的跟踪信息确定的x射线检测器3005上的跟踪标记阵列33001的第二位置(也称为位置)，确定x射线检测器3005和/或x射线源3001的第二位置(也称为位置)，第二位置与第二患者图像相关联，并且其中第一患者图像和第二患者图像不同。例如，可以基于使用来自跟踪传感器的跟踪信息确定的跟踪标记阵列33001的位置来确定x射线检测器的第二位置，和/或可以响应于使用来自跟踪传感器的跟踪信息检测到跟踪标记(例如，阵列33001的一个或多个标记)的第二激活来确定x射线检测器的第二位置。例如，可以基于检测(一个或多个)标记的移动和/或基于检测(一个或多个)标记的有源照明来检测激活。

根据一些实施例，在框37022处，处理器35007使用来自跟踪传感器的跟踪信息来确定监视标记8091的第二位置(也称为定位)，其中监视标记8091的第二位置与第二患者图像相关联。在框37014处，处理器35007可以基于监视标记8091相对于跟踪标记阵列的第二位置处的跟踪标记阵列的第二位置来确定x射线检测器和/或x射线源的第二位置有效。如果处理器35007没有确定x射线检测器的第二位置有效，则可以阻止基于第二患者图像、第二偏移和/或x射线检测器的第二位置的验证，和/或可以请求另一个第二患者图像(和相关联信息，例如偏移)。

根据一些实施例，在框37025处，处理器35007提供由跟踪传感器(例如，跟踪相机200)监测的物理空间的跟踪坐标系和来自荧光透视x射线成像系统的第一患者图像和第二患者图像的图像坐标系之间的配准，其中配准是基于第一偏移和第二偏移的指示而提供的。例如，可以基于第一偏移和第二偏移、基于x射线检测器的第一位置和第二位置、基于作为x射线检测器相对于重力的定向的函数的x射线源相对于x射线检测器的偏移的相关性、和/或基于第一患者图像和第二患者图像中的阴影来提供跟踪坐标系和图像坐标系之间的配准。根据一些实施例，处理器35007可以基于x射线检测器的第一位置(例如，使用通过光学跟踪/相机系统接收的关于标记阵列33001的信息来确定)和第一偏移来确定x射线源的第一位置，处理器35007可以基于x射线检测器的第二位置(例如，使用通过光学跟踪/相机系统接收的关于标记阵列33001的信息来确定)和第二偏移来确定x射线源的第二位置，并且可以基于偏移的相关性、基于第一偏移、基于第二偏移、基于第一阴影和第二阴影、基于x射线检测器的第一位置、基于x射线检测器的第二位置、基于x射线源的第一位置和/或基于x射线源的第二位置中的一者或多者来提供配准。而且，可以响应于在框37014和37024处确定x射线检测器的第一位置和第二位置有效来提供配准。

例如，可以响应于使用来自跟踪传感器的跟踪信息检测到跟踪标记(例如，阵列33001的一个或多个标记)的激活来提供配准。例如，可以基于检测(一个或多个)标记的移动和/或基于检测(一个或多个)标记的有源照明来检测激活。例如，可以响应于使用来自跟踪传感器的跟踪信息检测到跟踪标记(例如，阵列33001的一个或多个标记)的激活来提供配准。例如，可以基于检测(一个或多个)标记的移动和/或基于检测(一个或多个)标记的有源照明来检测激活。

根据一些实施例，在框37029处，处理器35007可以基于来自荧光透视x射线成像系统的第一患者图像和第二患者图像并基于跟踪坐标系和图像坐标系之间的配准，控制机器人致动器将末端执行器移动到相对于患者的目标轨迹。例如，控制机器人致动器可以包含基于来自荧光透视x射线成像系统的第一患者图像和第二患者图像、基于跟踪坐标系和图像坐标系之间的配准以及基于使用来自跟踪传感器的跟踪信息确定的末端执行器的位置，控制机器人致动器相对于患者将末端执行器移动到目标轨迹。根据一些其它实施例，处理器35007可以基于框37005和37015的第一患者图像和第二患者图像并基于配准在显示器上呈现图像。在此类实施例中，处理器35007可以基于通过光学跟踪/相机系统接收的图像来呈现图像以还包含其一部分，和/或基于可以用于规划的虚拟要素(例如，虚拟螺钉或其它医疗装置)来还包含其一部分。

如以上关于图37所讨论的，医疗导航系统可在框37009和框37019处接收来自固定装置的相应偏移，使得可在固定装置处提供x射线检测器3005(和/或C形臂)相对于重力的定向和偏移之间的相关性，并且可在固定装置处确定偏移。根据一些其它实施例，可在医疗导航系统处的存储器35009中提供x射线检测器3005(和/或C形臂)定向和偏移之间的相关性，并且在框37009和37019处，医疗导航系统可以替代地接收(通过通信接口35051)x射线检测器3005(和/或C形臂)相对于重力的定向的指示。在此类实施例中，处理器35007可以使用x射线检测器3005(和/或C形臂)定向的指示以及x射线检测器3005(和/或C形臂)定向和偏移之间的相关性来确定相应的偏移，以确定/提供x射线源相对于x射线检测器的偏移。在任一实施例中，处理器35007可以使用从固定装置接收的信息(例如，C形臂/检测器定向或偏移)来确定/提供用于执行配准的偏移。

根据其它实施例，固定装置可以不提供关于C形臂/检测器的定向或偏移的任何信息。在此类实施例中，处理器35007可在框37009和37019处使用如以上关于图23A、图23B、图23C、图24A、图24B、图27A和图31所讨论的C形臂和/或x射线检测器上的重力矢量来确定相应的图像的C形臂/检测器的定向。如上面所讨论的，重力矢量包含至少两个悬挂跟踪标记，并且处理器35007可以通过基于在相应患者图像时通过跟踪传感器/相机接收的信息确定重力矢量跟踪标记的位置来确定C形臂/检测器相对于重力的定向。在此类实施例中，固定装置可以通过激活有源跟踪标记阵列的一个或多个标记来发信号通知图像/快照的定时，并且响应于检测到有源跟踪标记阵列的一个或多个标记的激活，处理器35007可以使用重力矢量来确定相应图像的C形臂/检测器的定向。在重力矢量包含固定跟踪标记4005A、4005B、4005C和4005D以及可移动悬挂跟踪标记4001A和4001B的情况下，处理器35007可以使用固定跟踪标记来确定x射线检测器的位置，并且处理器35007可以使用可移动悬挂标记来确定相对于重力的定向。

在本发明概念的各种实施例的以上描述中，应理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不意图限制本发明概念。除非另外限定，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明概念所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。将进一步理解的是，例如在常用词典中限定的那些术语应被解释为具有与其在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且除非本文明确限定，否则不应在理想化或过度正式的意义上解释。

当一个元件被称为“连接”、“耦合”、“响应”(或其变型)于另一元件时，它可以直接连接、耦合或响应于另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为与另一个元件“直接地连接”、“直接地耦合”、“直接响应于”另一个元件或其变体时，不存在中间元件。贯穿全文以相似的数字指代相似的要素。此外，如本文中使用的“耦合”、“连接”、“响应”或其变体可以包含无线耦合、连接或响应。除非上下文另外清楚地说明，否则如本文所使用的，单数形式“一个/一种(a、an)”和“所述(the)”旨在包含复数形式。为了简洁和/或清楚，可能不会详细描述众所周知的功能或构造。术语“和/或”包含相关联的所列项中的一或多个项的任何和所有组合。

应当理解，尽管本文中可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件/操作，但是这些元件/操作不应受这些术语的限制。这些术语仅是用来将一个元件/操作与另一个元件/操作进行区分。因此，在不脱离本发明概念的教导的情况下，一些实施例中的第一元件/操作可以在其它实施例中被称为第二元件/操作。在整个本说明书中，相同的附图标记或相同的附图指示符表示相同或类似的元件。

如本文所使用的，术语“包括(comprise/comprising/comprises)”、“包含(include/including/includes)”、“具有(have/has/having)”或其变体是开放式的，并且包含一个或多个陈述的特征、整数、元件、步骤、组件或功能，但是不排除一个或多个其它特征、整数、元件、步骤、组件、功能或其组合的存在或添加。此外，如本文所使用的，源自拉丁短语“exempli gratia”的通用缩写“例如”可以用于介绍或指定先前提及的项目的一个或多个一般示例，并且不旨在限制这种项目。源自拉丁短语“id est”的通用缩写“即”可以用于从更一般的陈述中指定特定项目。

本文中参考计算机实施的方法、设备(系统和/或装置)和/或计算机程序产品的框图和/或流程展示描述了示例实施例。应当理解的是，可以通过由一个或多个计算机电路执行的计算机程序指令来实现框图和/或流程展示的框以及框图和/或流程展示中框的组合。这些计算机程序指令可以被提供给通用计算机电路、专用计算机电路和/或其它可编程数据处理电路的处理器电路，以产生机器，使得经由计算机和/或其它可编程数据处理设备的处理器执行的指令转换并控制晶体管、存储在存储器位置中的值以及这种电路系统内的其它硬件组件，以实现框图和/或一个或多个流程图框中指定的功能/动作，并且由此创建用于实现框图和/或一个或多个流程图框中指定的功能/动作的装置(功能)和/或结构。

这些有形计算机程序指令也可以存储在可以指导计算机或其它可编程数据处理设备以特定方式运行的计算机可读介质中，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包含实施在框图或一个或多个流程图框中指定的功能/动作的指令的制品。因此，本发明概念的实施例可以体现在硬件和/或软件(包含固件、常驻软件、微代码等)中，其在如数字信号处理器等处理器上运行，所述数字信号处理器可以被统称为“电路系统”、“模块”或其变体。

还应该注意的是，在一些替代性实现方案中，框中标注的功能/动作可以不按流程图中标注的顺序发生。例如，根据所涉及的功能/动作，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者所述框有时可以按相反顺序执行。此外，可以将流程图和/或框图的给定框的功能分成多个框，和/或流程图和/或框图的两个或更多个框的功能可以至少部分地集成。最后，在不脱离本发明概念的范围的情况下，可以在所展示的框之间添加/插入其它框，和/或可以省略框/操作。此外，尽管一些图包括通信路径上的箭头以示出通信的主要方向，但是应该理解，通信可在与所描绘箭头相反的方向上发生。

尽管在前面的说明书中已经公开了本发明概念的若干实施例，但是应理解，在受益于前述描述和相关附图中呈现的教导内容的情况下，将能够设想出本发明概念所涉及的本发明概念的许多修改和其它实施例。因此应该理解，本发明构思不限于上文公开的特定实施例，并且许多修改和其它实施例旨在包括在所附权利要求书的范围内。进一步设想，来自一个实施例的特征可与来自本文中所描述的不同实施例的特征组合或一起使用。此外，尽管在本文中以及在所附权利要求书中使用了具体术语，但它们仅在一般和描述性意义上被使用，而不是为了限制所描述发明构思或所附权利要求书的目的。本文中所引用的每个专利和专利公开的全部公开内容全文以引用的方式并入本文中，如同每个此专利或公开个别地以引用的方式并入本文中。在所附权利要求中阐述了本发明概念的各种特征和/或潜在优点。

Claims (10)

1.一种手术成像系统，其被配置成与荧光透视成像系统一起使用，其中所述荧光透视成像系统包含C形臂、在所述C形臂的第一端的x射线源和在所述C形臂的第二端的x射线检测器，其中所述荧光透视成像系统被配置成基于在所述x射线检测器处从所述x射线源接收的x射线生成x射线图像，所述手术成像系统包括：

固定装置，其在单个平面中包含x射线不透基准图案，其中所述固定装置与所述x射线检测器耦合，使得所述x射线不透基准图案位于所述x射线检测器和x射线发射器之间的所述x射线检测器的表面上；以及

医疗导航系统，其被配置成：从所述荧光透视成像系统接收对应于所述C形臂的第一定向的第一患者图像，其中所述第一患者图像包含对应于所述x射线不透基准图案的第一阴影；从所述荧光透视成像系统接收对应于所述C形臂的第二定向的第二患者图像，其中

所述第二患者图像包含对应于所述x射线不透基准图案的第二阴影；并且基于作为所述x射线检测器相对于重力的定向的函数的所述x射线源相对于所述x射线检测器的偏移的相关性，并基于所述第一患者图像中的所述第一阴影和所述第二患者图像中的所述第二阴影，提供由跟踪相机监测的物理空间的跟踪坐标系与所述第一患者图像和所述第二患者图像的图像坐标系之间的配准。

2.根据权利要求1所述的手术成像系统，其中所述x射线不透基准图案包括位于所述单个平面中的多个BB基准。

3.根据权利要求2所述的手术成像系统，其中所述多个BB基准包含第一、第二、第三和第四BB基准集群，其中所述第一BB基准集群沿着第一轴线与所述第三BB基准集群间隔开，其中所述第二BB基准集群沿着第二轴线与所述第四BB基准集群间隔开，并且其中所述第一轴线相对于所述第二轴线正交。

4.根据权利要求1所述的手术成像系统，其中所述x射线不透基准图案包括从公共点沿着不同方向延伸的第一、第二、第三和第四x射线不透基准段，其中所述第一x射线不透基准段在距所述公共点的第一距离处具有第一断裂，其中所述第二x射线不透基准段在距所述公共点的大于所述第一距离的第二距离处具有第二断裂，并且其中所述第三x射线不透基准段在距所述公共点的大于所述第二距离的第三距离处具有第三断裂。

5.根据权利要求1所述的手术成像系统，其中基于作为所述x射线检测器相对于重力的定向的函数的所述x射线源相对于所述x射线检测器的偏移的所述相关性来提供所述配准包括基于所述相关性、基于所述x射线检测器相对于重力的与所述C形臂的所述第一定向相关联的第一定向以及基于所述x射线检测器相对于重力的与所述C形臂的所述第二定向相关联的第二定向来提供所述配准。

6.根据权利要求5所述的手术成像系统，其中所述固定装置包含惯性测量单元(IMU)，所述惯性测量单元被配置成检测所述x射线检测器相对于重力的定向，并且其中所述x射线检测器相对于重力的所述第一定向是基于来自所述惯性测量单元的第一输出而确定的，其中所述C形臂处于所述第一定向，并且其中所述x射线检测器相对于重力的所述第二定向是基于来自所述惯性测量单元的第二输出而确定的，其中所述C形臂处于所述第二定向。

7.根据权利要求5所述的手术成像系统，其还包括：

重力矢量，其与所述x射线检测器耦合，其中所述重力矢量包含一对可移动悬挂的光学跟踪标记，其中所述x射线检测器相对于重力的所述第一定向是基于所述一对可移动悬挂的光学跟踪标记的第一位置而确定的，其中所述C形臂处于所述第一定向，并且其中所述x射线检测器相对于重力的所述第二定向是基于所述一对可移动悬挂的光学跟踪标记的第二位置而确定的，其中所述C形臂处于所述第二定向。

8.根据权利要求1所述的手术成像系统，其中所述荧光透视成像系统包含与所述x射线检测器耦合的多个安装插口，其中所述固定装置包含多个安装销，其中所述安装销中的每一个被配置成可拆卸地与所述安装插口中的相应的一个配合。

9.根据权利要求1所述的手术成像系统，其中所述医疗导航系统被配置成基于来自所述荧光透视成像系统的空气快照图像来生成偏移的所述相关性，其中所述空气快照图像对应于所述C形臂的一个定向。

10.根据权利要求9所述的手术成像系统，其中所述x射线不透基准图案是第一x射线不透基准图案，其中第二x射线不透基准图案在所述固定装置和所述x射线源之间临时与所述x射线检测器耦合，使得所述空气快照图像包含对应于所述第一x射线不透基准图案和所述第二x射线不透基准图案的阴影，并且其中所述医疗导航系统被配置成基于包含对应于所述第一x射线不透基准图案和所述第二x射线不透基准图案的所述阴影的所述空气快照图像来生成偏移的所述相关性。

Images