CN114650783A - 用于手术器械的追踪器 - Google Patents

Abstract

一种可与手持式手术器械一起使用的光学跟踪器，该光学跟踪器包括：跟踪器框架，该跟踪器框架包括安装本体，该跟踪器框架限定具有纵向轴线的器械接合孔；以及从安装本体向近侧伸出的偏置本体。器械接合孔被配置成接收手术器械的近侧区域，使得跟踪器的纵向轴线与手术器械的轴线对准。等比例的三个径向段被围绕纵向轴线限定并共同环绕纵向轴线。该跟踪器还包括至少六个标记器，这些标记器被布置成形成至少两个阵列，其被联接到跟踪器框架并被定位成使得至少一个标记器被定位在每个径向段内。每个阵列的一部分被联接到偏置本体并且被定位在安装本体的近侧。

Description

用于手术器械的追踪器

相关申请

本申请要求于2019年9月26日提交的美国临时专利申请No.62/906,629的优先权和权益，其全部内容被通过引用结合到本文中。

背景技术

在手术期间，外科医生经常使用必须被插入到患者体内的器械。一旦进入患者体内，外科医生就无法看到器械的末端。在这种情况下，为了帮助外科医生导航该器械，就可以使用手术导航系统来跟踪该器械并为外科医生提供视觉或听觉引导。

跟踪该器械的一种方法是将跟踪器附接于到该器械上。手术室中的摄像头感测跟踪器并生成用于计算跟踪器的位置并由此计算该器械的位置的数据。通常，还跟踪患者，这能够计算器械相对于患者的位置。

需要对跟踪器进行进一步的改进。

附图说明

当结合附图予以考虑时，本公开的优点将容易得到理解，因为通过参考以下详细描述可以更好地理解本公开的优点。

图1是示出了手术导航系统的示例性手术套件。

图2是跟踪器和用户抓握住的手术器械的第一实施例的环境视图。

图3是图2的跟踪器的透视图，该跟踪器具有被联接到手术器械的跟踪器框架并且围绕跟踪器的纵向轴线布置有三个径向段。

图4是图2的跟踪器的另一透视图，其中，跟踪器框架被示出为被联接到手术器械。

图5是图2的跟踪器的侧视图，其示出了跟踪器框架的四面体形状以及跟踪器与手术器械之间的两条视线。

图6是图2的跟踪器和手术器械的俯视图，其示出了标记器阵列和区域。

图7是图2的跟踪器和手术器械的近侧视图，其示出了三个径向段、第一区域和第二区域以及若干标记器的发射模式。

图8是图2的跟踪器的透视图，其示出了跟踪器框架的四面体形状以及标记器阵列和区域。

图9是图2的跟踪器的透视图，其示出了器械接合孔和释放区域(relief area)。

图10是图2的跟踪器的远侧透视图，其示出了器械接合孔和保持组件。

图11是图2的跟踪器的分解图，其示出了跟踪器框架的内部和标记器阵列。

图12是被示出为被联接到手术器械的跟踪器的另一实施例的透视图。

图13是图12的跟踪器的另一透视图。

图14是图12的跟踪器的侧视图。

图15是图12的跟踪器的俯视图。

图16是图12的跟踪器的近侧视图。

图17是被示出为被联接到手术器械的跟踪器的又一实施例的透视图。

图18是图17的跟踪器的另一透视图。

图19是图17的跟踪器的侧视图。

图20是图17的跟踪器的俯视图。

图21是图17的跟踪器的近侧视图。

图22是跟踪器的另一实施例的透视图。

图23是图22的跟踪器的透视图。

图24是图22的跟踪器的近侧视图。

图25是被联接到手术器械的图22的跟踪器的侧视图。

图26是跟踪器和手术导航推车的透视图。

具体实施方式

参考附图，其中，相同的数字在若干视图中表示相同的部件，本公开包括用于手持式手术器械34的跟踪器100、手术导航系统12和用于操作跟踪器100的方法。图1示出了示例性手术系统10，其可包括用于跟踪一个或多个手术器械组件30的手术导航系统12，该手术器械组件30包括手术器械34和跟踪器100，以协助医疗专业人员(例如外科医生)执行医疗程序。

手术导航系统12可以包括导航界面，该导航界面包括一个或多个显示单元14和一个或多个用户输入端16。手术导航系统12的显示单元14可被配置成显示各种提示或数据输入框。例如，显示单元14可被配置成显示允许外科医生手动输入或选择待执行的外科手术的类型的文本框或提示。显示单元14还可被配置成显示患者数据，例如术前图像或扫描。如上所述，术前图像可以基于患者的解剖结构的MRI扫描、放射学扫描或计算机断层(CT)扫描。术前图像可被上传到手术导航系统12并被显示在显示单元14上。显示单元14可被进一步配置成显示叠加在患者数据或图像上的医疗程序的手术计划。该手术计划可包括用于执行医疗程序的手术路径或医疗器械在该医疗程序期间的计划轨迹或取向。该手术计划可还包括将在医疗程序期间待插入的植入或医疗装置的位置和/或取向叠加在患者数据或图像上。所设想到的是，手术导航系统12可包括显示单元14，该显示单元14被配置成显示和/或投影用于执行医疗程序的手术路径或医疗器械在医疗程序期间的计划轨迹或取向的全息图像。这可包括将手术路径投射到手术室中的患者或其他表面上。它可还包括将手术路径投影到外科医生佩戴的头部单元(例如头部单元的透镜、护罩或眼镜)上。包括由外科医生佩戴以显示目标轨迹和/或目标位置的显示单元的手术导航系统12的示例性配置在国际专利申请No.PCT/IB2018/053130中公开，其全部内容被通过引用全部结合到本文中。

用户输入端16可被配置成允许外科医生输入或键入患者数据或改良手术计划。患者数据可包括患者图像，例如患者解剖结构的术前图像。这些图像可以基于患者解剖结构的MRI扫描、放射学扫描或计算机断层(CT)扫描。患者数据可还包括与正在执行的医疗程序的类型、患者的解剖特征、患者的具体医疗状况和/或用于手术导航设置的操作设置有关的附加信息。例如，在执行脊柱手术时，外科医生可以经由用户输入端16输入与正在其上执行医疗程序的特定椎骨相关的信息。外科医生可还输入与椎骨和/或待在医疗程序期间插入的医疗装置或植入物的尺寸和形状相关的各种解剖学尺寸。用户输入端16也可被配置成允许外科医生选择、编辑或操纵患者数据。例如，外科医生可以从患者数据中识别和/或选择解剖特征。这可包括选择手术部位，例如选择椎骨和/或待在其上执行医疗程序的椎骨上的特定区域。

手术导航系统12可还包括导航处理器18。导航处理器18可位于个人计算机或膝上型计算机上。导航处理器18可与用户输入端16、显示单元14、中央处理单元(CPU)和/或其他处理器、内存(未示出)和存储器(未示出)通信。导航处理器18可还包括与手术导航系统12的操作相关和与实现本文公开的各种例程和/或方法相关的软件和/或操作指令。软件和/或操作指令可包括规划系统，该规划系统被配置成找到手术器械34相对于患者20的准确位置和/或角度对准。导航处理器18可与手术器械组件30直接或间接地有线或无线通信。

手术导航系统12可还包括跟踪单元22或定位器，其包括一个或多个传感器24。传感器可以包括摄像头，例如CCD摄像头、CMOS摄像头和/或光学图像摄像头、磁传感器、射频传感器或适于检测和/或感测手术器械组件30的跟踪装置100的位置的任何其他传感器。定位器22能够检测来自多个标记器128的辐射或光，并且能够产生表示检测到的辐射或光的定位器信号。示例性手术导航系统12可被配置成使用在标记器128之间具有固定的空间关系的跟踪器100。对于可使用的各种适用的定位器作出的描述可见于美国专利No.10,531,926B2，该专利被通过引用全部结合到本文中。

处理器18可以能够接收定位器信号。处理器18可还能够基于接收到的传感器信号配准和跟踪该跟踪器100。基于定位器信号，处理器还能够计算跟踪器100相对于定位器22的取向和/或位置。处理器18可访问关于空间关系的信息。在这种情况下，将会不需要立体摄像头捕获到的三维图像，并且摄像头可仅包括单个二维图像传感器。

处理器18可还被配置成接收和/或存储患者身体20的信息(例如，患者身体的计算机断层扫描和/或跟踪信号)。处理器18可随后计算手术器械34相对于患者身体20的位置和/或取向。处理器18可被配置成生成指示手术器械34的跟踪的视觉或听觉信号。视觉信号可被显示在显示单元上。处理器18可以是与定位器分离的计算装置的一部分。作为选择，定位器可包括处理器。

图2示出了跟踪器100和手术器械34的第一配置的透视图。手术器械34具有沿着器械轴线40间隔开的近端36和远端38。在例如图2中所示的许多情况下，手术器械34沿着器械轴线40将机械能从布置在近端36附近的源(例如马达或超声换能器)传递到被联接到手术器械34的远端38的附件42。这种布置结构的一个示例在图2-7中示出，其中，手术器械34被示为高速钻。这里，手术器械34可包括壳体46、设置在壳体46中的马达(未示出)、在近侧区域中从壳体46伸出的柔性供电缆线48以及位于手术器械34的远端38附近的附接接口50。示例性手术器械可见于美国专利No.8,597,316和美国专利公开文献No.2017/0319217中，该美国专利和美国专利公开文献被通过引用全部结合到本文中。

跟踪器100可与手术器械34和手术导航系统一起操作以确定手术器械34在手术室内的位置和/或取向。为了准确地确定手术器械34的位置，跟踪器100被联接到手术器械34并且被配置成在手术期间防止它们之间的相对运动。此外，跟踪器100应该被联接到手术器械34，以便通过手术导航系统最大化跟踪器100的可见性。

虽然手术器械34在所有附图中均被示为高速钻，但是跟踪器100可以与除高速钻之外的手术器械34一起使用。例如，跟踪器100可被联接到手持式超声消融工具或活检针或机器人装置的一部分(例如机器人端部执行器)。同样，跟踪器100可适于被联接到其他手术器械(未示出)，例如手持钻、锯或钻头。再者，同样，被联接到手术器械34的远端38的附件42在图2中被示出为成角度的附件，其在不同于器械轴线40的轴线(未示出)上驱动旋转工具。例如，该附件可以是笔直的、倾斜15度、45度等；该附件可具有各种长度，例如30mm、50mm等。

手术器械的质量可能很小并且结构可能很弱。当将重型跟踪器附接到这种手持式手术器械34时，跟踪器100使质心移位，这可能是令人厌烦的(例如，由于施加于握持手上的扭矩所导致)。此外，手术器械34可能由于所附接的重型跟踪器100的重量而(弹性地或塑性地)变形乃至受损。遍及附图所示的跟踪器100通常具有减轻的重量。因此，减少或消除了上述缺点。手持式手术器械34用手握住可能是不太累的，并且不太可能因跟踪器100的重量而变形。

为了便于将跟踪器100可拆卸地联接到手术器械34，跟踪器100包括跟踪器框架102，该跟踪器框架102包括安装本体104，该安装本体104限定了沿着纵向轴线108延伸贯穿其中的器械接合孔106。如将在下文更为详细讨论的那样，器械接合孔106被配置成接收手术器械34，使得器械轴线40与安装本体104的纵向轴线108对准。换句话说，安装本体104可与手术器械34的本体同心。跟踪器框架102可还包括偏置本体110，该偏置本体110被支撑在安装本体104上并且向近侧且大致平行于纵向轴线108延伸。偏置本体110可限定沿着大致垂直于纵向轴线108的方向上延伸贯穿其中的切口118。跟踪器框架102可包括金属(例如钛)，聚合物(例如尼龙)或环氧树脂(例如芳族环氧胺树脂)。跟踪器框架可包括用于在医疗环境中使用的任何其他适用的材料，从而为跟踪器100提供必要的刚性结构。跟踪器框架可以由聚合物组成并且可被使用增材制造技术制造。

作为选择，跟踪器100和手术器械34可被机械连接以供一次性使用。跟踪器100和手术器械34可被一体地形成(例如，在注塑成型期间)。例如，跟踪器100可被与手术器械34的手柄一体地形成。在已将跟踪器100附接到器械34的情况下，外科医生可以立即使用手术器械34，而不必将跟踪器100附接到其上。外科医生可以在一次性使用之后丢弃跟踪器100和手术器械34。

为了跟踪手术器械34的位置和取向，跟踪器100包括多个标记器128，其被可选择地布置成一个或多个阵列162、164、166并且被联接到跟踪器框架102。跟踪器框架102可具有各自与相应的径向段112、114、116对准的三个侧面，每个侧面均与其他侧面成约120度定向。多个阵列162、164、166被定位成使得每个阵列162、164、166均被布置在三个侧面中的一个上并且沿着彼此不同的方向定向。第一阵列162被布置在与第一径向段112对准的一侧上，第二阵列164被布置在与第二径向段114对准的一侧上，并且第三阵列166被布置在与第三径向段116对准的一侧上。与第一径向段112对准的一侧被定位在偏置本体110上。偏置本体110和安装本体104配合以限定与第二径向段114和第三径向段116对准的两个侧面。也可以设想到其他数量的阵列和/或其他数量的侧面。

虽然每一侧面均具有特定的径向布置结构，但是侧面的角度可被配置成使得它们朝向公共顶点倾斜，使得它们将会聚于超出偏置本体110的近端152的点处。偏置本体110和/或第一阵列162可限定倾斜轴线，使得偏置本体110沿着该倾斜轴线从安装本体104伸出。倾斜轴线可还限定关于该倾斜轴线等比例的三个倾斜段(类似于不本文讨论的径向段)。这里，至少六个标记器128被围绕纵向轴线径向地布置，并且至少三个标记器128被围绕该倾斜轴线径向地布置并且被布置在该偏置本体110上，使得这至少三个标记器128中的一个位于这三个倾斜段中的每一个中并与纵向轴线108间隔开，以便为柔性供电缆线48提供间隙。

一种用于提高手术导航系统的准确性的方法包括最大化跟踪器100的可见性。提高跟踪器100的准确性可被以若干方式来提高，例如，可以增大跟踪器100的尺寸，可以增加标记器128的数量，可以提高标记器128的亮度等等。然而，这些方法可能导致增加跟踪器100的尺寸和/或提高其质量，例如，提高标记器128的亮度将会以功耗为代价，从而缩短了可操作跟踪器100的持续时间，或者具有增大容量的更重的电池。

跟踪器100的可见性也可被通过跟踪器框架102上的标记器128的策略性的布置结构来提高。在图3和图7中最好地示出，围绕纵向轴线108限定三个径向段112、114、116。每个径向段112、114、116具有对应于跟踪器100的相应部分和跟踪器100的部件的布置结构的体积。如所示，第一径向段112可通常被限定为与偏置本体110对准。第二径向段114和第三径向段116以与偏置本体110相对的方式横跨纵向轴线108对准。例如，如图3所示，每个径向段112、114、116围绕跟踪器100的外围延伸120度。径向段112、114、116被限定成使得所有这三个径向段在尺寸上相等。

在一些构型中，跟踪器100可包括本体外壳120，例如图2-11中所示的第一构型和图12-16中所示的第二构型。本体外壳120覆盖跟踪器框架102的多个部分并且包围跟踪器框架102的内部122和外部124(参见图11)。如下文将更为详细讨论的那样，跟踪器100的某些部件可被布置在跟踪器框架102的内部122内。本体外壳120可由聚合物材料、钛或其他适用的材料构成。跟踪器框架102可以是单体式或整体式结构，使得没有分立的安装本体104和/或偏置本体110。用于形成跟踪器框架102和本体外壳120的适用的制造工艺可包括注塑成型、增材制造(3D打印)、计算机数控(CNC)加工、聚合物铸造、真空成型和吹塑成型等。

管引导件126可被限定在安装本体104中的跟踪器框架102上并且被配置成接收手术冲洗管52。管引导件126接收冲洗管52并且将冲洗管52整齐地围绕跟踪器框架102且以避开外科医生的方式布置，使得冲洗管并不以不可预知的方式干扰该跟踪器框架。跟踪器100可包括两个管引导件126，其可被配置成接收具有不同直径的冲洗管52。这些管引导件126在尺寸方面可以是相同的或被以不同的方式确定尺寸，以适应于多种尺寸的冲洗管52。如图2所示，管引导件126被配置成引导冲洗管52通过约90度的弯曲部，以便在它与手术器械34相遇时，它与纵向轴线108大致平行。该管引导件也可被配置成用于其他细长构件(例如用于为跟踪器和抽吸管供电的线材)的引导件。

当在透视图(例如在图8)中观察时，跟踪器框架102可具有大致四面体状的形状，这是由于由三个侧面构成的布置结构与径向段112、114、116对准。这些侧面各自形成四面体154的四个面中的一个，并且边缘被限定于在每个侧面的交汇(intersection)处。四面体的第四面由安装本体104上的远侧引导面184形成。该远侧引导面184大致垂直于纵向轴线108并限定器械接合孔106的一部分。远侧引导面184被与安装本体104的近侧引导面185相反布置。远侧引导面184和近侧引导面185大致形成安装本体104的相应的远端和近端。四面体形状可被实现为正四面体(其具有所有四个相同的面)或者是不规则的四面体(其中，一些面被以不同的方式确定好尺寸并且以不同的角度交汇)。

在一些实施例中，跟踪器100可包括少至四个标记器128以跟踪手术器械34。在这些实施例中，每个标记器128都被联接到跟踪器框架102并且被布置于四面体形状的顶点处。每个标记器128与导航系统可见的两个其他标记器128形成一个阵列。每个标记器128可被以与其他标记器不同的方式定向，以使光围绕纵向轴线108的径向发射最大化。

如上所述，偏置本体110被支撑在安装本体104上并沿着近侧方向延伸。偏置本体110从被联接到安装本体104并且邻近于远侧引导面184延伸到近端152。偏置本体110的长度156被限定在远端150与近端152之间，其对应于近端152与安装本体104间隔开的距离。近端152与由跟踪器框架102限定的四面体154的一个顶点相邻。在图6、图8和图10中最佳示出，偏置本体110从远端150到近端152逐渐变细，换言之，近端152具有比远端150小的轮廓。

同样如上所述，偏置本体110通常被布置在第一径向段112中，并且进一步地，如图5中最佳所示，与纵向轴线108间隔开高度158。部分由于近端152的较小轮廓和近端152被间隔开所处的高度158，导致跟踪器框架102为手术器械34的柔性供电缆线48提供了释放区域160。在图5的侧视图中最佳所示，释放区域160通常以柔性供电缆线48为中心并且使柔性供电缆线48与跟踪器框架102之间的潜在接触最小化。例如，当诸如外科医生之类的用户以类似于图2中所示的方式将铅笔握持器与手术器械34一起使用时，柔性供电缆线48通常将朝向地板并远离外科医生弯曲。由于柔性供电缆线48具有质量，因此它在手术器械34的近端36上施加力，该力变成以外科医生正抓握手术器械34的位置为中心的力矩。随着手术器械34在手术程序期间移动，外科医生通常会熟悉在该运动之后自然与柔性供电缆线48相关联的力。如果柔性供电缆线48意外地与某物接触，则手术器械34的平衡受到影响。当器械34的平衡不一致时，外科医生的精细运动可能会受到影响，这可能导致在手术器械34的远端38处发生不希望的运动。通过在偏置本体110的下方提供大的释放区域160，外科医生能够安心地移动手术器械34并且具有增大的运动范围，同时降低柔性供电缆线48将接触跟踪器框架102的机会。释放区域160为柔性供电缆线48提供间隙以便以小弯曲半径(即，以与器械轴线40成大角度)自由弯曲，而不接触跟踪器框架102。

除了减少跟踪器100的质量之外，还希望减少对外科医生对手术部位的可见性的任何干扰。在某些情况下，外科医生可能希望沿着视线188观察手术部位，如图5中示意性地所示，该视线188与器械轴线40大致对准。如果将大型跟踪器与手术器械34一起使用，它可能会阻碍外科医生的视线或要求外科医生以较不优选的方式握持该手术器械34，从而增大与外科医生观察手术部位所处的纵向轴线所成的角度。视线188的角度受到手术器械34的长度以及偏置本体110相对于纵向轴线108的高度158两者的影响。因此希望降低偏置本体110的高度158以最小化视线188的角度。然而，由于偏置本体110的近端152从偏置本体110的远端150向近侧延伸的距离(即长度156)大于偏置本体110与纵向轴线108间隔开的距离(即高度158)，因此每个阵列162、164、166的面积仍然被最大化，从而使跟踪器100的精度最大化。偏置本体110的降低的高度158允许视线188的角度小于40度。根据联接到手术器械34的附件42，视线可被进一步减小到小于30度，或者进一步减小到小于20度。在某些构型中，跟踪器100的任何部分都未从纵向轴线延伸大于1、2、3或4cm的距离。

如上所述，跟踪器100被经由器械接合孔106联接到手术器械34，使得器械轴线40和纵向轴线108被对准。由于跟踪器100与手术器械34之间的确定关系有助于准确地确定手术器械34的位置，因此它们的联接应该是牢固的，同时是可拆卸的。如图4和图9所示，跟踪器100可还包括保持组件132，该保持组件132被配置成将手术器械34固定在器械接合孔106内。保持组件132可根据待追踪的具体的手术器械34以及跟踪器框架102的结构以若干种不同的方式来实现。具体地，一些保持组件132可能更适合于包括金属结构的跟踪器框架102，而其他的可能更适用于聚合物结构。适用性可部分地由手术器械34的物理特性(例如重量或直径)或成本(例如跟踪器100是一次性使用的还是耐用的，视情况而定)来确定。在某些情况下，跟踪器100可包括不止一个保持组件132，以便提高跨越多种手术器械34的兼容性。

手术器械34的壳体46与跟踪器框架102可滑动地接合，以牢固地连接跟踪器100和手术器械34。更具体地，通过对准器械轴线40和纵向轴线108并将手术器械34的远端38插入穿过器械接合孔106的近侧。

保持组件132的第一替代方案被实现为在图8和图10中最佳示出的摩擦夹具134。这里，夹具通道138被以贯穿延伸的方式限定在安装本体104中。两个弹性臂140A、140B被设置在夹具通道138中，每个弹性臂140A、140B具有参考端142A、142B和可移动端144A、144B。参考端142A、142B都在夹具通道138的一侧上被联接到安装本体104并且延伸到夹具通道138中并延伸到相应的可移动端144A、144B。在图10中最佳所示，器械接合孔106被定位成与弹性臂140A、140B对准，从而允许弹性臂140A、140B在使用期间接触手术器械34的壳体46的相对两侧。在每个可移动端144A、144B的附近，每个弹性臂140A、140B具有宽度减小的重叠部分146A、146B。远侧弹性臂140A的重叠部分146A在远侧方向上具有减小的宽度，并且近侧弹性臂140B的重叠部分146B在近侧方向上具有减小的宽度。重叠部分146A、146B的减小的宽度允许每个弹性臂140A、140B比以在可移动端144A、144B邻接时更大的方式(这里大于180度)缠绕在手术器械34的壳体46的周围。

这里，为了牢固地联接手术器械34和跟踪器100，器械接合孔106的直径小于壳体46的直径。当壳体46与安装本体104可滑动地接合时，弹性臂140A的可移动端144A和弹性臂140B的可移动端144B张开以增大器械接合孔106的直径以匹配壳体46。来自变形的力致使弹性臂140A、140B在壳体46上施加夹持力。由于弹性臂140A、140B与壳体46之间的摩擦和接触，导致跟踪器100由此被牢固地保持到手术器械34。

除了弹性臂140A、140B之外，保持组件可还包括附接突起148，其被示出为被布置在器械接合孔106的近侧上，如图9中最佳所示。示例性附接突起148被围绕纵向轴线108径向地布置并且被配置成用于沿着器械轴线40分度(indexing)与手术器械34的接合。具体地，附接突起148与手术器械34的壳体46中的互补成形的凹口接合以将跟踪器框架102分度到围绕器械轴线40旋转对准。这里，附接突起148具有大致矩形的轮廓，其邻近器械接合孔106并且被不对称地定位，使得手术器械34和跟踪器100的完全接合只能在单个位置中实现。分度手术器械34和跟踪器100的接合可通过使用一个或多个附接突起148来实现，这可以提供冗余或进一步的保持以牢固地联接跟踪器100。

保持组件132的第二替代方案被实现为图12-16和图17-21中所示的凸轮锁136’、136”。

如上所述，跟踪器100可包括被布置成被联接到跟踪器框架102的多个阵列162、164、166的多个标记器128。图3、图7和图11示出了跟踪器100可被配置成使得多个标记器128被进一步定义为至少六个标记器128，其中，图7示出了至少六个标记器128中的至少一个在每个径向段112、114、116中被定位在跟踪器框架102上。换句话说，每个径向段112、114、116包含标记器128中的一个，其中，一些径向段112、114、116可具有不止一个标记器128。

虽然上述跟踪器100包括至少六个标记器128，但可能需要更多数量的标记器128。例如，跟踪器100可包括九个标记器128，以获得更高的三维精度。可以通过减少标记器128的数量来降低跟踪器100的功耗，这在用于跟踪具有有限自由度(例如五个自由度)的运动或例如手术器械34的跟踪器100中可能是合乎要求的。跟踪器100可包括不止九个标记器128以增加冗余。作为选择，跟踪器可包括恰好九个、十个、十一个或十二个标记器，以最小化能量消耗，最大化视线并保持跟踪精度。仍旧作为选择，跟踪器可包括少于十二个标记器。

另外或作为对于标记器128在径向段112、114、116中的每一个中的上述布置结构的替代方案，跟踪器100可被配置成使得多个标记器128被联接到跟踪器框架102并且被围绕纵向轴线108径向不对称地布置。图5和图7示出了纵向平面168的边缘，该纵向平面168平行于纵向轴线108并且平分器械接合孔106以限定第一区域170和第二区域172。标记器128的布置结构被相对于第一区域170和第二区域172进一步限定。第一数量的多个标记器128位于第一区域170中，并且第二数量的多个标记器128位于第二区域172中，第一数量大于第二数量。例如，跟踪器100的一个构型可包括九个标记器128，第一数量的七个标记器128可被定位在跟踪器框架102上，使得它们位于第一区域170中或位于纵向平面168的上方，而第二数量的两个标记器128可被定位在跟踪器框架102上，使得它们位于第二区域172中或位于纵向平面168的下方。根据该示例，在任一区域170、172中可以具有更多或更少的标记器128，使得第一区域170中的第一数量的标记器128大于第二区域172中的第二数量的标记器128。

跟踪器100可适于与各种不同的手术导航系统和位置跟踪技术兼容。例如，跟踪器100可采用被动跟踪标记器，其反射已经被从摄像头单元或另一光源发射的红外光或辐射。尽管本文描述了导航系统的一个实施例，但该导航系统可具有适用于监测跟踪器100的任何其他构型，其可以具有各种类型和构型。例如，导航系统可包括其他类型的摄像头和/或标记器28。

在一些实施例中，导航系统可以是基于射频(RF)的。例如，跟踪器100可包括RF发射器或转发器，它们可以是无源的或者可以是有源激励的。作为选择，在一些实施例中，导航系统可以是基于电磁(EM)的。例如，导航系统可包括被联接到计算装置、控制器等的EM收发器。这里，跟踪器100可包括附于其上的EM部件(例如，各种类型的磁跟踪器、电磁跟踪器、感应跟踪器等)，它们可以是无源的或者可以是有源激励的。

如贯穿附图所示并且特别重新参考图7，标记器128是能够发射可由手术导航系统感测到的红外辐射或光的红外发射器。红外波长是优选的，因为外科医生使用的环境照明在可见光谱中发射，但是红外光的波长使得能够被手术导航系统检测到的标记器128的亮度基本上独立于环境照明的亮度。因此，由于标记器128发射红外光，因此标记器128可以较低亮度操作，这降低了为标记器128供电所需的电流。为标记器供电所需的电流可低至15mA或更低。

这里，红外发射器是红外发光二极管(IR-LED)，它可以以相对低的功率水平发射红外辐射和光。IR-LED中的至少一个的电流可由IR-LED的内部电阻和与至少一个IR-LED串联电连接的至少一个电阻器的电阻加以限制。至少一个IR-LED的电流可由串联电连接到至少一个IR-LED的一个或多个电阻器加以限制。

跟踪器100包括被放置在跟踪器框架102中的电路，其将在下文进一步讨论。电路包括IR-LED(被示出为标记器128)、电池182和电阻器(未示出)。电路包括将电池182电连接到每个IR-LED的电线(未示出)。IR-LED、电池182和电阻器被串联电连接。因此，电阻器的电阻限制了IR-LED的电流。该电阻器具有电阻，使得IR-LED的电流不超过约15mA。在一个实施例中，IR-LED彼此并联电连接。因此，如果其中一个IR-LED发生故障，则电池182与其余IR-LED的电连接不会被中断。每个电阻器与其对应的IR-LED形成串联电路。此外，每个IR-LED都会将其自身的电阻贡献给所获得的串联电路的电阻。根据欧姆定律，电流与电阻成反比。因此，通过调整每个电阻器的电阻，可以调整通过该电阻器的以及通过其相应IR-LED的电流。示例性电路构型可见于美国专利公开文献No.2019/0321108，该专利公开文献被通过引用结合到本文中。

在一种构型中，跟踪器100包括四个电阻器，其等于IR-LED的数量。作为选择，跟踪器100可包括不同数量的电阻器。每个电阻器被设置在电池182与其对应的IR-LED之间。电阻器被设置在跟踪器框架102内，并且每个电阻器被串联电连接到其对应的IR-LED。电阻器被电连接在IR-LED与电池182的正极端子之间。作为选择，至少一个电阻器可被电连接在相应的IR-LED与电池182的负极端子之间。该实施例包括较少数量的电阻器，并且因此具有较低的材料成本。作为选择，可以将不止一个电阻器各自串联电连接到多个IR-LED。例如，两个电阻器可各自被串联电连接到IR-LED。

电路还可进一步包括开关186，该开关186可由用户操作并且被配置成电气断开和闭合该电路。因此，可以通过操作开关186来操作IR-LED，该开关186断开和闭合将电池182与IR-LED连接的电路。作为选择，可以提供多个开关，其被配置成单独控制对每个IR-LED的供电。作为另一替代方案，跟踪器100可包括至少一个一次或一次性的开关。这种一次性使用可以通过开关186来实现，该开关186包括可移除的隔离材料(例如，纸或聚合物条带，例如Mylar或Kapton)，其中，开关186被配置成一旦移除该隔离材料就闭合该电路。作为选择，一次性开关可被实现为在组装该跟踪器100时短接在一起的暴露触点。

电路可被配置成将至少一个IR-LED的辐射强度限制为不超过每球面度40微瓦(μW/sr)，优选地为20μW/sr，更为优选地为10μW/sr。电路可被配置成将至少一个IR-LED的最大辐射强度或平均辐射强度限制在处于0.1μW/sr与40μW/sr之间的范围内，例如处于0.5μW/sr与20μW/sr之间，或者处于1μW/sr与10μW/sr之间。电路可被配置成将多个IR-LED中的一些或全部的辐射强度限制为40μW/sr或更小，如上所述。

电池182可被实现为单个纽扣电池单元(也被称为扣式电池单元)。然而，电池182也可包括多个电池单元。纽扣电池是重量轻的电池，从而使跟踪器100具有减少的重量。电池182可具有小于5克的质量，例如3克。电池182可以是不可再充电的一次电池，或者作为选择，可以是可再充电的二次电池。电池182可使用包括锌或锂的阳极材料。电池182可以是碱性电池或锂电池，例如普遍使用的具有圆形或圆柱形形状的CR2032或CR2025电池。作为选择，电池182可以是锌空气电池。电池182的容量可处于100毫安时(mAh)与1000mAh之间(例如，200mAh与400mAh之间)。

在图3和图5-6中，电池182被以虚线显示，以表面电池182被放置在跟踪器100的内部122中，以保护电池182使其免受在手术期间可能出现的污染物(例如，血液、水和杀菌药剂)的影响。在贯穿附图所示的各种实施例中，电池182可由用户从跟踪器100上移除。作为选择，电池182可以是不可由用户从跟踪器100上移除的(例如，当跟踪器100被配置成一次性物品时)。由于多个标记器128中的至少一个的电流受限，因此电池182可以足以作为电源，并且可不需要外部电源。跟踪器100可不包括被连接到外部电源的电源线。

电池182提供了例如3V的直流电压。每个IR-LED具有例如1.5V的工作电压。因此，3V–1.5V＝1.5V的电池电压在每个电阻器处下降。每个电阻器的电阻为150Ω。因此，通过每个电阻器的和因此通过每个IR-LED的电流为1.5V/150Ω＝10mA。由于设置了电阻器，因此电路被配置成将每个IR-LED的电流限制为不超过15mA。这样一来，电路还将至少一个IR-LED的辐射强度限制为不超过40μW/sr流明。

电池182的纽扣电池单元重量轻，且容量小(例如，520mAh)。由于电路被可选择地配置成将每个IR-LED的电流限制为不超过15mA或20mA，因此纽扣电池单元的容量仍然足以在典型的手术导航程序期间安全地操作跟踪器100。例如，在CR2032型电池具有520mAh的容量并且各自以10mA的电流为四个IR-LED供电的情况下，跟踪器100可持续运行520mAh/(4x10mA)＝5.5h。跟踪器100可被配置成容置额外的电池以延长跟踪器100可运行的持续时间。例如，具有两节520mAh的电池的跟踪器可运行超过10小时。

由于当前负载被降低，因此跟踪器100被配置成用于标记器128的连续操作。跟踪器100可被配置成同时操作多个标记器128中的至少两个。跟踪器100可还被配置成同时操作所有的标记器128。作为选择，跟踪器100可被配置成顺序地操作多个标记器128。

作为选择，跟踪器100可被配置成用于准连续或脉冲操作。准连续操作可还包括能够例如经由脉宽调制(PWM)电路来调节标记器128的亮度的电路，其中，提供给标记器128的电信号的占空比被修改为接通的时间比关闭的时间长，从而提高亮度，反之亦然。准连续操作可以超过0.5kHz的操作频率执行。这种准连续操作降低了跟踪器100的功耗。

除了上面提到的IR-LED之外，跟踪器100可还包括用于电联接到IR-LED、电池和电阻器中的至少一个的状态指示器的电路。在一种实施方式中，状态指示器可以包括发射可见光(即非红外光)的LED，使得外科医生可以容易地验证跟踪器100已经被激活并且正在运行。状态指示器可被配置成向外科医生提供额外的诊断或操作信息，例如剩余电池容量。例如，当电池电压对应于第一电平时，状态指示器可以闪光或闪烁，并且当电池电压对应于第二电平时，状态指示器可以关闭。状态指示器可还利用不止一个LED或能够以不止一种颜色发光的LED来实现。如果使用不止一个LED，则电池的电压电平可对应于同时点亮的LED的数量。如果使用多色LED，则颜色可对应于电池的电压水平。

如上所述，标记器128或者通过布置在每个径向段112、114、116中或者以一定数量位于纵向平面168的一侧上而被围绕纵向轴线108定位。这些构型增加了跟踪器100的可见性，并且因此提高了手术导航系统准确地确定手术器械34的位置和取向的能力。此外，这些构型将标记器128定位于围绕纵向轴线108的多个角位置处，使得标记器128能够在纵向轴线108周围的至少260度径向发射红外辐射或光。该径向发射示于图7中，其中，相对于跟踪器100和手术器械34示出了多个标记器128中的每一个的示例性发射模式。这里所示的径向发射是围绕纵向轴线108的360度。这里再次，标记器128是具有约150度的假设总发射角174的IR-LED。换句话说，每个IR-LED能够以与峰值强度的法线175(参见图25)或中心线成75度的角度发射其峰值强度的至少50％的辐射，该角通常被称为半角。IR-LED的法线175通常正交于IR-LED的安装平面并且限定峰值强度的中心线。具有更大或更小半角值的IR-LED可以在替代方案中实施，例如65度或85度。具有150度的示例性发射角174的IR-LED的构型允许从IR-LED发射的辐射或光是通过跟踪器100在纵向轴线108上的约360度的旋转而可为导航系统所见，如随着外科医生根据需要操作该手术器械34而可能在手术期间发生的情况。

在一些实施例中，多个标记器128中的至少两个之间的距离可小于70毫米(mm)。多个标记器128中的至少两个之间的距离可处于介于1mm与70mm之间的范围内，例如处于3mm与35mm之间或处于5mm与30mm之间。如将在下面讨论的那样，标记器128可被放置在公共平面中。作为选择，标记器128可被配置成使得它们未被布置在共同平面中。

转向图11，每个电路包括IR-LED(即标记器128)，其被(例如经由焊接)附接到印刷电路板(PCB)176、178、180，印刷电路板(PCB)176、178、180又被联接到跟踪器框架102。此处，示出了三个PCB 176、178、180，其中，三个标记器128被联接到每个PCB 176、178、180。PCB 176、178、180中的每一个都与电压源(这里被示出为电池182)电气连通，该电压源用于向多个标记器128提供电力。PCB 176、178、180具有大致平坦的且平面状的构型，标记器128和其他部件(例如本文讨论的电阻器)附接到其上。更具体地，每个PCB 176、178、180限定平面176A、178A、180A，该平面通常垂直于相应标记器128发射辐射的方向。两个或更多个或者三个或更多个PCB 176、178、180被布置成使得它们彼此不平行。在一些构型中，电池182可被联接到PCB 176、178、180中的仅一个上的电路。这里，电池182被电联接到上PCB 176。其他PCB 178、180中的每一个都被经由布线电联接到上PCB 176，以便为所有标记器128供电。作为选择，所有标记器128可被联接到单个柔性PCB，该柔性PCB被配置有柔性部分，从而允许PCB具有被沿着至少三个不同的方向定向的单个表面。

如下文将结合图22中所示的跟踪器100”’的第四实施例所讨论的那样，一些实施例可包括电池插座(例如托盘183”’)，其保持电池182并且可以与跟踪器框架102”’可滑动地接合以将电池182放置成与IR-LED电气连通。在一些构型中，电池182和电池托盘183被布置成以低剖面构型直接接合PCB。当电池182被配置成纽扣单元式电池(例如CR2032，如上所述)时，电池的圆形面中的一个接触PCB的导电元件。通过将电池182放置成与PCB相接触，PCB组件的总高度被最小化。如上所述，降低跟踪器100的高度有利地减小了使用期间的视线188的角度。

由于标记器128在被配置成红外发射器或IR-LED时被联接到相应的非平行PCB176、178、180，因此每个标记器128以垂直于它设置在其上的平面176A、178A、180A的方式发射辐射。因此，标记器128在至少与非平行平面176A、178A、180A一样多的方向上共同发射辐射。再次参考图7，其中示出了三个不同的方向。

为了利用由标记器128的构型提供的径向发射特性，手术导航系统可能能够确定哪些标记器128对应于跟踪器框架102上的特定布置结构。如上所述，多个标记器128被布置成形成至少两个阵列，每个阵列具有至少三个标记器128，每个阵列的一部分被联接到偏置本体110。更具体地，图11中所示的跟踪器100包括被联接到跟踪器框架102的三个阵列162、164、166。第一阵列162被联接到偏置本体110并面向图11的顶部。第二阵列164被联接到安装本体104和偏置本体110并且面向图11的左下方。第三阵列166也被联接到安装本体104和偏置本体110并面向图11的右下方。然而，可以设想到其他阵列布置结构。

除了至少两个阵列162、164、166中的每一个的一部分被联接到偏置本体110之外，至少两个阵列162、164、166中的每一个的一部分被定位于所述安装本体104的近侧，并且至少两个阵列162、164、166的位于所述安装本体104的近侧的该部分恰好包括一个标记器128。如上所述，偏置本体110的一部分在近侧方向上从安装本体104伸出并终止于近端152。该偏置本体110的该近端152以及同样的跟踪器框架102被定位在手术器械34的近端36的近侧。在图7中最佳所示，分别来自第一阵列162、第二阵列164和第三阵列166的三个标记器128被布置在跟踪器框架102上、处于手术器械34的近端36的近侧、靠近偏置本体110的近端152的一位置。

该摄像头包括两个透镜，用于聚焦由多个IR-LED发射的红外光。与如同缝隙孔一样的非聚焦开口相比，这些镜头可以让更多的光进入摄像头。因此，摄像头能够检测低亮度的光源，例如以有限电流运行的IR-LED。

摄像头还包括两个二维图像传感器66。二维图像传感器66能够感测立体角(即，二维角)。另一方面，传统的一维传感器行通常需要与检测到的光源同步，并且每次扫描可能只允许跟踪单个光源。由于二维图像传感器66可以一次检测所有IR-LED，因此跟踪器100可被配置成同时操作多个IR-LED中的至少两个并且特别是所有。这种同时操作不需要摄像头与跟踪器100同步。因此，跟踪器100不需要用于与摄像头通信的通信接口(例如，无线收发器)，这进一步减轻了跟踪器100的重量。没有收发器的跟踪器100的其他优点包括防止发射信号与外部系统发生不期望的干扰、防止接收信号中出现不期望的信号干扰、降低成本并降低复杂性。

手术导航系统可包括两个二维图像传感器，它们是立体摄像头的一部分。这种立体摄像头能够捕捉三维图像数据。因此，IR-LED之间的已知空间关系是不必要的。因此，当多个单个IR-LED附接到患者时可以使用立体摄像头。由于手动附接，因此IR-LED之间的空间关系是未知的。然而，由于立体摄像头能够捕获三维图像数据，因此立体摄像头可跟踪IR-LED。

在一种构型中，阵列162、164、166中的每一个的识别由手术导航系统通过确定到每个标记器128的距离并对相对于摄像头的位置进行三角测量来执行，如上所述。通过利用不止一个标记器128来配置阵列162、164、166来实现在不止一个维度(例如2D或3D)中独立地跟踪每个阵列162、164、166。如贯穿附图所示，每个阵列162、164、166由三个标记器128定义，总共九个标记器128。为了准确地区分每个阵列162、164、166，标记器128的具体布置结构可在每个阵列162、164、166之间变化。在一个示例中，第一阵列162可限定第一区域162A(图6)，其是顶点处于相应标记器128中的每一个上的共同参考处的三角形的区域。同样，第二阵列164可限定第二区域164A(图8)并且第三阵列166可限定第三区域166A(图5)，第二区域164A和第三区域166A两者都基于顶点处于相应标记器128中的每一个上的共同参考处的三角形的区域。这里，第一区域162A可大于第二区域162A，并且第二区域164A可大于第三区域166A。

在另一示例中，特别是图22-26中所示的跟踪器100”’(下面将进一步详细讨论)，第二区域164A”’和第三区域166A”’可以相等。这里，第二阵列164”’和第三阵列166”’可相对于相应阵列上的相同位置中配置有标记器128”’。第二阵列164”’和第三阵列166”’可以在相反或镜像构型中在尺寸发明是相同的(或基本相同的)。这可提供令人愉悦的外观和降低的制造成本。

现在参考图12-16，示出了跟踪器100’的另一实施方式，其中，跟踪器框架102’包括凸轮锁保持机构136’。在许多方面，跟踪器100’可以类似于先前描述的跟踪器，其中，相似的数字(加上撇号(’))对应于相似部件，并且可以考虑为简洁起见而省略掉的为对应部件所共用的任何公开内容不应被理解为是限制性的。应当理解，跟踪器框架102’上的对应部件可被以适当的方式改良，以允许以前述方式将手术器械34插入到器械接合孔106’中和从器械接合孔106’中移除。此外，应当理解，虽然在保持机构132’的上下文中进行了讨论，该保持机构132’可以与任何安装本体104’(例如先前描述的安装本体104)集成或被联接到任何安装本体104’，但一般来说，本公开可适用于跟踪器100’和/或跟踪器框架102’。

在图12-16中，跟踪器100’被示出为包括跟踪器框架102’，其具有安装本体104’和被支撑在其上的偏置本体110’。与上文类似，安装本体104’限定器械接合孔106’，其被配置成在近端36处可滑动地接合手术器械34。手术器械34的远端38被插入到器械接合孔106’的近侧中并沿着远侧方向滑动，直到被联接到手术器械34的近端36并具有大于器械接合孔106’的直径的套环邻接该安装本体104’。套环在手术器械34的壳体46中限定互补成形的凹部，该凹部被配置成接合邻近于器械接合孔106’的附接突起148’。这里，保持机构132’具有释放旋钮，该释放旋钮具有接合手术器械34的套环的倾斜凸轮表面，该释放旋钮将手术器械34朝向与器械接合孔106’接合偏压。将旋钮移动到释放位置使套环脱离并允许将手术器械34从跟踪器100’上移除。

图16示出了在它们被围绕纵向轴线108’布置时的径向段112’、114’、116’。跟踪器本体102’上的标记器128’的不对称布置通过以围绕纵向轴线108’的至少260度发射红外辐射或光，有利于提高跟踪器100’对手术导航系统的可见性。标记器128’的一些布置可以围绕纵向轴线108’的360度发射光。

现在参考图17-21，示出了跟踪器100”的另一实施方式，其中，跟踪器框架102”是空间框架结构。这里，跟踪器100”也包括凸轮锁保持机构136”。在许多方面，跟踪器100”可类似于先前描述的跟踪器，其中，相似的数字(加上双撇号(”))对应于相似的部件，并且可以考虑为了简洁起见而省略掉的为对应部件所共用的任何公开内容不应被理解为是限制性的。应当理解，跟踪器框架102”上的对应部件可被以适当的方式改良，以允许将手术器械34以前述方式插入到器械接合孔106”中及从器械接合孔106”上移除。此外，应当理解，虽然在跟踪器框架102”的上下文中进行了讨论，但一般来说，本公开可适用于跟踪器100”和/或跟踪器框架102”。

在图17-21中，跟踪器100”被示出为包括跟踪器框架102”，该跟踪器框架102”具有安装本体104”和被支撑在其上的偏置本体110”。与上述类似，安装本体104”限定器械接合孔106”，该器械接合孔106”被配置成在近端36处可滑动地接合手术器械34。手术器械34的远端38被插入到器械接合孔106”的近侧中并沿着远侧方向滑动，直到被联接到手术器械34的近端36并具有大于器械接合孔106”的直径的套环邻接安装本体104”为止。

在该实施方式中，跟踪器框架102”由弯曲板形成，从而形成三个侧面中的每一个。跟踪器框架102”被弯曲，使得每一侧与图21所示的三个径向段112”、114”、116”对准。跟踪器框架102”由轻巧耐用的金属材料(例如钛)制成。由于跟踪器100”旨在是可重复使用的，因此该结构允许维修或更换某些部件。例如，至少两个阵列162”、164”、166”被利用螺纹紧固件联接到跟踪器框架102”。同样，这允许移除至少两个阵列162”、164”、166”以进行清洁。

如前所述，多个标记器128”被布置在跟踪器框架102”上，使得至少一个标记器128”被定位在径向段112”、114”、116”中的每一个中。此外，图21示出了纵向平面168”的边缘，该纵向平面168”平行于纵向轴线108”并且将器械接合孔106”平分以限定第一区域170”和第二区域172”。标记器128”的布置结构被相对于第一区域170”和第二区域172”进一步限定，其中，第一数量的多个标记器128”被定位在第一区域170”中，并且第二数量的多个标记器128”被定位在第二区域172”中，第一数量大于第二数量。

图18示出了偏置本体110”的近端152”，其围绕纵向轴线108”间隔隔开以限定释放区域160”，该释放区域160”为柔性供电缆线48提供间隙。这里，至少两个阵列162”、164”、166”的一部分被定位在安装本体104”的近侧，并且该部分恰好包括一个标记器128”。

跟踪器100的一些实施例可被配置有PCB作为面向外的外表面，在那里，这些外表面可被暴露出且易于与碎屑或流体相接触。短路可能导致损坏被联接到PCB的部件(例如标记器128或电阻器)，这可能导致跟踪器100的不良操作。形成每个跟踪器阵列的部件和PCB可以通过施加保形涂层而受到保护，该保形涂层在PCB上形成一道屏障，从而防止碎屑和液体进入。示例性保形涂层可包括被施加到组装好的PCB的聚对二甲苯膜。

现在参考图22-26，示出了没有手持式手术器械34的光学跟踪器100”’的另一替代实施方式。在跟踪器100”’的该实施方式中，保持机构132采用杆夹具192”’的形式。如上所述，在许多方面，跟踪器100’可以与前面描述的相似，其中，相似的数字(加上三撇号(”’))对应于相似的组件，并且可以考虑为了简洁起见而省略掉的为对应部件所共用的任何公开内容不应被理解为是限制性的。这里，杆夹具192”’包括两个弹性臂194”’，其在第一端被联接到跟踪器框架102”’并且在第二端被彼此间隔开，并且杆196”’被可枢转地联接到弹性臂194”’的第二端。弹性臂194”’协作以限定器械接合孔106”’，其在安装本体104”’内沿着纵向轴线108”’延伸。

偏置本体110”’被支撑在安装本体104”’上并沿着近侧方向延伸。偏置本体110”’与纵向轴线108”’间隔开并且限定切口118”’，该切口118”’在大致垂直于纵向轴线108”’的方向上延伸穿过偏置本体110”’。在偏置本体110”’内，这里示出的是杆196”’，该杆196”’具有与跟踪器框架102”’的大致四面体形状的一个面相对应的三角形形状。杆196”’可在夹持位置与松开位置(未示出)之间枢转以将跟踪器框架102”’固定到手术器械34。

每个弹性臂194”’在一端具有耳部198”’。杆196”’与每个耳部198”’接合并且可围绕杆轴线枢转，该杆轴线通常垂直于跟踪器框架102”’的纵向轴线108”’。在一种情况下，每个耳部198”’可限定杆支撑孔，其沿着杆轴线延伸穿过耳部198”’。杆196”’可包括被布置在杆轴线上并且可与杆支撑孔接合的两个销。销与杆支撑孔之间的接合有利于杆196”’在夹持位置与松开位置之间的枢转运动。在另一情况下，杆196”’和耳部198”’可被配置有从耳部198”’伸出的销和被限定在杆196”’中的杆支撑孔。

如上所述，跟踪器框架102”’可包括塑料或聚合物材料。因此，跟踪器框架102”’可被使用注射成型或增材制造工艺形成，这将跟踪器框架102”’形成为单个整体。通过将跟踪器框架102”’形成为单个整体，可以消除诸如将夹具192”’组装到跟踪器框架102”’之类的步骤。此外，跟踪器框架102”’的尺寸精度可以通过减少公差叠加得以提高。此外，通过消除部件之间的任何接头，可以提高跟踪器框架102”’的刚度。可以消除出于将多个部件连结在一起将会形成的几何结构，从而进一步降低了跟踪器框架102”’的重量以及控制配合表面的精度的需要。当由塑料或聚合物材料形成时，弹性臂194”’可以略微挠曲，这允许耳部198”’被相对于彼此移位，从而允许缩短其间限定的距离。当用户将杆196”’从松开位置枢转到夹持位置时，耳部198”’被移动得更靠近在一起，这缩小了器械接合孔106”’的直径。当将手术器械34插入到器械接合孔106”’中并且将杆196”’枢转到夹持位置中时，弹性臂194”’被收紧抵靠在手术器械32的外表面上并防止其间的相对运动。

本文所述的跟踪器100、100’、100”、100”’的结构被优化以减少质量和尺寸以促进形成低成本的一次性跟踪器。在一些实施例中，包括电池的跟踪器的质量可以是40g。包括电源的跟踪器的一些实施例可以具有小于50g、40g或小于35g的质量。

还公开了一种用于使用定位器校准和配准用于外科手术的跟踪器100和跟踪阵列的方法。转向图24-26，示出了用于校准和配准具有彼此联接的第一跟踪面TF1和第二跟踪面TF2的跟踪阵列的步骤。跟踪阵列可还包括被联接到第一跟踪面TF1和第二跟踪面TF2的第三跟踪面TF3。方法步骤被在上述跟踪器100”’的第四实施方式的上下文中予以说明，然而，这些步骤可适用于本文所述的跟踪器100、100’、100”、100”’中的每一个。因此，任何跟踪器100、100’、100”、100”’都可被根据下述方法进行校准。结合该方法描述的元件在四种实施方式中的每一种中是大致相似的，其中，相似的数字对应于相似的部件并且为了清楚起见省略掉了任何撇号。

在手术室中对跟踪器进行校准，以获得高跟踪精度。高跟踪精度可以对应于每个光学跟踪元件的相对位置的准确和精确测量。通过原地校准跟踪器，导航系统可精确地测量每个光学跟踪元件的位置，以补偿高制造公差。由于可以通过校准程序实现的高精度，导致跟踪器可被以降低成本且减轻重量的方式制造。在跟踪器的示例性实施方式中，跟踪器框架可被使用立体光刻工艺和环氧树脂形成。

跟踪阵列的校准和配准可由用户(例如外科医生)在外科手术开始之前或开始时通过将跟踪器100联接到医疗器械34或患者并起动跟踪器100(例如，通过启动一次性开关)来启动。作为选择，校准和配准程序可由手术导航系统12在识别到跟踪器时或经由用户输入端16自动地启动。在启动校准和配准时，导航处理器18可在显示单元14上向用户提供第一组指令。这些指令可以是步骤的静态列表，或者如下文所讨论的那样，可以动态地更新。

手术导航系统12的一些实施例包括存储装置(未示出)，其上可存储有跟踪阵列的制造尺寸。制造尺寸可包括第一组几何数据，其包括第一跟踪面TF1几何数据、第二跟踪面TF2几何数据和第三跟踪面TF3几何数据。第一跟踪面几何数据可包括指示多个光学跟踪元件128在第一跟踪面TF1上的预期相对位置、它们相对于彼此的位置以及多个光学跟踪元件128在第一跟踪面上的预期朝向。第二跟踪面几何数据可包括指示多个光学跟踪元件128在第二跟踪面TF2上的预期相对位置、它们相对于彼此的位置以及多个光学跟踪元件128在第二跟踪面上的预期朝向的数据。第三跟踪面几何数据可包括指示多个光学跟踪元件128在第三跟踪面TF3上的预期相对位置、它们相对于彼此的位置和多个光学跟踪元件在第三跟踪面TF3上的预期朝向的数据。这些数据可还包括各个光学跟踪元件128之间的距离、法线175的角度、预期的制造位置公差以及可表征该跟踪阵列的其他数据。

第一跟踪面TF1、第二跟踪面TF2和第三跟踪面TF3可以各自包括可由导航系统12检测到的多个光学跟踪元件128。跟踪器100的校准可被通过定位该跟踪阵列来启动，使得第一跟踪面TF1、第二跟踪面TF2和/或第三跟踪面TF3中的至少两个的多个光学跟踪元件128是对定位器22至少部分可见的。在下一步中，当多个光学跟踪元件128是对定位器22可见的时，测量多个光学跟踪元件128的相对位置。

如上所述，光学跟踪元件128(或标记器)可以是红外发光二极管(IR-LED)，其沿着法线175以大致呈锥形的光束的形式发射红外光谱中的光。然而，光学跟踪元件128可被实现为反射跟踪元件或回射器，其沿着与红外光源紧密对准的方向反射来自定位器22附近的该源的光。

如前所述，每个跟踪元件128均具有法线175，该法线175大致正交于相应的跟踪面并且限定峰值强度的中心线。换言之，法线175的取向代表光学追踪元件128的朝向。除了测量多个光学追踪元件128的相对位置之外，导航系统12可检测多个光学跟踪元件128的法线175，同时多个光学跟踪元件128是对每个跟踪面的定位器22可见的。对于某些跟踪器构型，例如当跟踪器包括限定三个不同区域的阵列时，可省略检测步骤。

跟踪器100的一些实施方式可被配置成使得该跟踪阵列具有两个跟踪面，其中，光学跟踪元件128被以同一几何布置结构布置。换言之，光学跟踪元件128被布置在一个跟踪面上，处于与另一跟踪面上的光学跟踪元件128相同的相对位置中。在图24中所示的说明性示例中，第二跟踪面TF2是一个跟踪面，并且第三跟踪面TF3是另一跟踪面。第二跟踪面TF2和第三跟踪面TF3上的每个光学跟踪元件128之间的距离或其相对位置是相同的。此外，那些跟踪面中的每一个上的光学跟踪元件128限定了相同的三角形区域。然而，如图24中可见，第二跟踪面TF2和第三跟踪面TF3是镜像布置结构，其中，各个光学跟踪元件128的法线175彼此背离。通过确定每个可见光学跟踪元件128或每个面上的至少一个光学跟踪元件128的法线175/朝向，导航处理器可区分两个或更多个跟踪面。

一旦已经检测到可见光学跟踪元件128的法线175，光学跟踪元件128就可被基于测量到的相对位置和朝向分组为第一刚性本体和第二刚性本体，第一刚性本体和第二刚性本体中的每一个包括至少一个跟踪元件128。基于第三跟踪面TF3的多个光学跟踪元件128的测量到的相对位置和朝向，多个可见光学跟踪元件128可被进一步分组为第三刚性本体。

该方法还包括下列步骤：定位该跟踪阵列，使得第一跟踪面TF1的光学跟踪元件128中的至少一个、第二跟踪面TF2的光学跟踪元件128中的至少一个或第三跟踪面TF3的光学跟踪元件128中的至少一个是同时对定位器22可见的。当属于相应的第一跟踪面TF1、第二跟踪面TF2或第三跟踪面TF3的至少一个光学跟踪元件128是同时可见的时，使用定位器22来测量相对位置。在某些构型中，定位步骤可能要求第一跟踪面TF1的至少三个光学跟踪元件128可能是同时可见的，同时第二跟踪面TF2或第三跟踪面TF3的至少一个光学跟踪元件128是可见的。同样，为了在第二跟踪面TF2与第三跟踪面TF3之间建立对应关系，第二跟踪面TF2的至少三个光学跟踪元件128可能需要是与第三跟踪面TF3的至少一个光学跟踪元件128同时可见的。应该理解，它并不限于三个跟踪面，并且该实施方式对于仅具有两个面或四个或更多个面的跟踪器而言是有用的。

使用导航处理器18，可以基于以下内容创建复合刚性本体：第一刚性本体、第二刚性本体和第三刚性本体；以及第一跟踪面TF1的至少一个光学跟踪元件128、第二跟踪面TF2的至少一个光学跟踪元件128和第三跟踪面TF3的至少一个光学跟踪元件128的测量到的相对位置。作为选择，可以仅基于第一跟踪面TF1的至少一个光学跟踪元件128、第二跟踪面TF2的至少一个光学跟踪元件128和第三跟踪面TF3的至少一个光学跟踪元件128的测量到的相对位置来创建复合刚性本体。

使用单个跟踪面的至少三个光学跟踪元件的多个光学跟踪元件128的测量到的相对位置，可以识别该跟踪器。在一些实施方式中，识别步骤可以进一步基于多个光学跟踪元件的检测到的朝向数据。

导航处理器可将跟踪面的至少三个光学跟踪元件的位置和/或检测朝向与第一组几何数据进行比较，以识别该跟踪阵列。该识别可以基于第一跟踪面TF1上的多个光学跟踪元件128的预期朝向、第二跟踪面TF2上的多个光学跟踪元件128的预期朝向和/或第三跟踪面TF3上的多个光学跟踪元件128的预期朝向。尽管存在光学跟踪元件的可见性可能受到限制以避免在广角下降低测量精度这一事实，但定位器22可能能够通过利用该朝向来识别该跟踪器。该识别步骤可以触发该校准工作流程。

如上所述并且如图26中所示，为了便于准确校准，导航系统12可经由显示单元14向用户显示校准指令。所显示的这些指令可以根据用户当前正在执行哪个校准步骤或哪个校准步骤刚刚完成来更新。指令可以包括下列图形，这些图形向用户表明相对于定位器22旋转该跟踪阵列，使得第一跟踪面TF1的至少一个光学跟踪元件128和第二跟踪面TF2的至少一个光学跟踪元件128是同时对定位器22可见的。指令可还包括下列图形，这些图形向用户表明相对于定位器22旋转该跟踪阵列，使得第一跟踪面TF1的至少一个光学跟踪元件128和第三跟踪面TF3的至少一个光学跟踪元件128是同时对定位器22可见的。此外，指令可随后包括下列图形，这些图形向用户表明相对于定位器22旋转该跟踪阵列，使得第二跟踪面TF2的至少一个光学跟踪元件128和第三跟踪面TF3的至少一个光学跟踪元件128可以是同时对定位器22可见的。对于上述第三跟踪面TF3和第一跟踪面TF1可以提示同一步骤。

校准和配准方法可还包括识别与跟踪器100联接的医疗器械34的步骤。医疗器械34的识别基于将由导航处理器形成的跟踪器阵列的复合刚性本体与可被用在外科手术中的医疗器械34相关联。通过将复合刚性本体与医疗器械34相关联，跟踪阵列可进一步被以相同的方式分配给特定的医疗器械34。该方法可还包括通过将医疗器械34的一部分定位在已知的参考位置上来确定医疗器械34的该部分与复合刚性本体之间的位置关系。可以使用各种技术(例如通过触发正由定位器22跟踪的参考位置)校准到医疗器械。在一个示例中，该参考位置是可跟踪校准装置上的已知位置。

条款：

I.一种操作跟踪器的方法，其中，所述跟踪器包括跟踪器框架102和由跟踪器框架102支撑的电路，其中，所述电路包括至少一个红外发光二极管IR-LED，其中，所述电路还包括：电池或无线电力接收装置，其被配置成无线地接收电力，所述方法包括：由所述电池或所述无线电力接收装置提供电力以操作所述至少一个IR-LED；并且通过所述电路将所述至少一个IR-LED中的至少一个的电流限制为不超过15毫安(mA)。

II.一种在手术导航系统内跟踪被联接到手术器械的跟踪器的位置和取向的方法，所述跟踪器限定纵向轴线并且包括至少三个阵列，所述至少三个阵列各自具有至少三个红外发射器，所述至少三个阵列被径向地围绕所述纵向轴线布置，所述方法包括：测量所述至少三个红外发射器中的每一个的位置以确定每个阵列的位置和取向；计算对应于每个阵列的至少一个标记器相对于其他阵列的位置的校正因子；确定所述手术导航系统可见的每个阵列的至少一个标记器的相对位置和取向；以及通过使用所述校正因子将每个阵列的所述至少一个标记器的相对位置和取向与所述跟踪器的绝对位置相关联来确定所述跟踪器的位置和取向。

III.一种用于使用定位器校准用于外科手术的跟踪阵列的方法，所述跟踪阵列具有彼此联接的第一跟踪面和第二跟踪面，所述第一跟踪面和所述第二跟踪面共同包括多个光学跟踪元件，所述方法包括：定位所述跟踪阵列，使得所述第一跟踪面和所述第二跟踪面的多个光学跟踪元件是对所述定位器可见的；在所述多个光学跟踪元件是对所述定位器可见的时，测量所述多个光学跟踪元件的相对位置；在所述多个光学跟踪元件是对所述定位器可见的时，检测所述多个光学跟踪元件的朝向；基于所述多个光学跟踪元件的测量到的相对位置和朝向将所述多个光学跟踪元件分组为第一刚性本体和第二刚性本体，所述第一刚性本体和所述第二刚性本体中的每一个包括至少一个跟踪元件；定位所述跟踪阵列，使得所述第一刚性本体的至少一个光学跟踪元件和所述第二跟踪面的至少一个光学跟踪元件是同时对所述定位器可见的；在所述第一跟踪面的至少一个光学跟踪元件和所述第二跟踪面的至少一个光学跟踪元件是对所述定位器可见的时，测量所述第一跟踪面的至少一个光学跟踪元件和所述第二跟踪面的至少一个光学跟踪元件的相对位置；以及基于所述第一刚性本体、所述第二刚性本体以及所述第一跟踪面的至少一个光学跟踪元件和所述第二跟踪面的至少一个光学跟踪元件在是同时可见的时的测量到的相对位置形成复合刚性本体。

IV.一种用于使用定位器校准用于外科手术的跟踪阵列的方法，所述跟踪阵列具有彼此联接的第一跟踪面和第二跟踪面，所述第一跟踪面和所述第二跟踪面共同包括多个光学跟踪元件，所述方法包括：定位所述跟踪阵列，使得所述第一跟踪面和所述第二跟踪面的多个光学跟踪元件是对所述定位器可见的；在所述多个光学跟踪元件是对所述定位器可见的时，测量所述多个光学跟踪元件的相对位置；定位所述跟踪阵列，使得所述第一跟踪面的至少一个光学跟踪元件和所述第二跟踪面的至少一个光学跟踪元件是同时对所述定位器可见的；在所述第一跟踪面的至少一个光学跟踪元件和所述第二跟踪面的至少一个光学跟踪元件是同时对所述定位器可见的时，测量所述第一跟踪面的至少一个光学跟踪元件和所述第二跟踪面的至少一个光学跟踪元件的相对位置；以及在所述第一跟踪面的至少一个光学跟踪元件和所述第二跟踪面的至少一个光学跟踪元件是同时可见的时，基于所述第一跟踪面的至少一个光学跟踪元件和所述第二跟踪面的至少一个光学跟踪元件的测量到的相对位置形成复合刚性本体。

V.一种用于跟踪手术器械的一次性光学跟踪器，所述光学跟踪器包括：具有平面构型的电路板；由至少三个IR-LED构成的布置结构，其被联接到所述电路板并被放置在公共平面内，其中，任意两个IR-LED之间的距离是唯一的；电路，其被配置成将所述至少三个IR-LED的电流限制为不超过15mA；与所述至少三个IR-LED电气连通的电池；并且其中，所述一次性光学跟踪器并不包括通信接口且不包括电源线。

VI.如条款V所述的一次性光学跟踪器，其中，所述由至少三个IR-LED构成的布置结构被配置成用于连续或准连续的操作。

VII.如条款V所述的一次性光学跟踪器，其中，所述电路包括至少一个电阻器，其被配置成限制所述至少三个IR-LED中的至少一个的电流。

VIII.如条款VII所述的一次性光学跟踪器，其中，所述至少三个IR-LED中的至少一个的电流受限于所述至少三个IR-LED中的至少一个的内部电阻和被串联电连接到所述至少三个IR-LED中的至少一个的所述至少一个电阻器的电阻。

IX.如条款VII所述的一次性光学跟踪器，其中，所述电路被配置成将所述至少三个IR-LED中的至少一个的辐射强度限制为不超过每球面度40微瓦(μW/sr)。

X.如条款VII所述的一次性光学跟踪器，其中，所述至少三个IR-LED中的两个之间的距离小于70mm。

XI.如条款VII所述的一次性光学跟踪器，其中，所述电路被配置成同时操作所述至少三个IR-LED。

XII.如条款VII所述的一次性光学跟踪器，其中，所述一次性光学跟踪器的质量不超过40g。

XIII.如条款V所述的一次性光学跟踪器，其中，所述一次性光学跟踪器还包括被配置成接合所述电池的电池插座，并且其中，所述电池被进一步限定为纽扣电池。

XIV.如条款V所述的一次性光学跟踪器，其中，所述一次性光学跟踪器还包括与所述至少三个IR-LED电气连通的一次性开关。

XV.一种手术导航系统，其包括如条款V所述的跟踪器和能够检测至少一个IR-LED的光并生成指示检测到的光的摄像头信号的摄像头。

在前面的描述中已经讨论了若干示例。然而，本文讨论的示例并非旨在是穷举的或将本发明限制于任何特定形式。已经使用的术语旨在具有描述性而非限制性的性质。鉴于上述教导，许多修改和变化都是可能的，并且本发明可以不同于具体描述的方式实施。

Claims (70)

1.一种用于手持式手术器械的光学跟踪器，所述手持式手持器械具有与远端沿着器械轴线间隔开的近端，所述光学跟踪器包括：

跟踪器框架，所述跟踪器框架包括限定器械接合孔的安装本体，所述器械接合孔限定纵向轴线，所述跟踪器框架被配置成接收所述手术器械的近侧区域，使得所述器械接合孔的所述纵向轴线与所述器械轴线对准，其中，等比例的三个径向段被围绕所述纵向轴线限定，从而共同环绕所述纵向轴线，所述跟踪器框架还包括从所述安装本体向近侧伸出的偏置本体；

至少六个光学标记器，所述至少六个光学标记器被联接到所述跟踪器框架并且被定位成使得所述至少六个光学标记器中的至少一个被定位在每个径向段内；以及

其中，所述至少六个光学标记器中的至少两个被定位于所述安装本体的近侧。

2.如权利要求1所述的光学跟踪器，其中，所述偏置本体从被联接到所述安装本体的远端延伸到近端。

3.如权利要求2所述的光学跟踪器，其中，所述偏置本体的所述近端与所述远端间隔开的距离大于所述偏置本体与所述纵向轴线间隔开的距离。

4.如权利要求2-3所述的光学跟踪器，其中，所述偏置本体从所述远端向所述近端逐渐变细。

5.如权利要求2-4所述的光学跟踪器，其中，所述偏置本体的所述近端被定位在所述径向段中的仅一个中。

6.如权利要求1-5所述的光学跟踪器，其中，所述至少六个光学标记器是红外LED。

7.如权利要求6所述的光学跟踪器，其中，所述至少六个红外LED以连续且同时的方式发光。

8.如权利要求1-7所述的光学跟踪器，其中，所述至少六个光学标记器被布置成形成至少两个阵列，每个阵列包括所述至少六个光学标记器中的至少三个，所述至少两个阵列中的每一个的一部分被定位于所述安装本体的近侧。

9.如权利要求8所述的光学跟踪器，其中，所述至少两个阵列中的每一个包括被联接到所述至少三个光学标记器的电路板，并且所述电路板是彼此不平行的。

10.如权利要求8-9所述的光学跟踪器，其中，所述至少六个光学标记器被进一步限定为至少九个光学标记器。

11.如权利要求10所述的光学跟踪器，其中，所述至少两个阵列被进一步限定为至少三个阵列，并且所述至少三个阵列被围绕所述纵向轴线径向地布置，使得所述至少九个光学标记器围绕所述纵向轴线360度径向地发射红外光。

12.如权利要求1-11所述的光学跟踪器，其中，被定位于所述至少两个阵列中的每一个的所述安装本体的近侧的所述部分正好包括一个光学标记器。

13.如权利要求1-12所述的光学跟踪器，其中，所述跟踪器框架包括聚合物。

14.如权利要求1-13所述的光学跟踪器，其中，在所述安装本体中限定联接孔，并且所述安装本体还包括被设置在所述联接孔中的两个弹性臂，每个弹性臂具有参考端和可移动端，所述弹性臂协作以限定所述器械接合孔。

15.如权利要求1-14所述的光学跟踪器，其中，所述光学跟踪器还包括被联接到所述跟踪器框架并与所述光学标记器电气连通的一次性开关，所述一次性开关包括可移除的隔离材料。

16.如权利要求1-15所述的光学跟踪器，其中，被限定在所述跟踪器框架与所述手术器械之间的视线小于30度。

17.如权利要求1-16所述的光学跟踪器，其中，所述光学跟踪器还包括闩锁件，所述闩锁件被联接到所述跟踪器框架并且能够围绕平行于所述纵向轴线的轴线枢转。

18.如权利要求1-17所述的光学跟踪器，其中，所述跟踪器框架还包括一对间隔臂，所述一对间隔臂协作以限定所述器械接合孔并且还包括杆，所述杆被可枢转地联接到所述间隔臂中的每一个并且能够移动以朝向彼此偏压所述间隔臂。

19.如权利要求1-18所述的光学跟踪器，其中，所述跟踪器框架还包括被联接到所述安装本体并被围绕所述纵向轴线径向地布置的附接突起，并且所述附接突起被配置成用于沿着所述器械轴线在单个位置中分度与所述手术器械的接合。

20.一种手持式手术器械，所述手持式手术器械具有器械轴线并且被联接到如权利要求1-19所述的光学跟踪器。

21.一种用于具有器械轴线的手持式手术器械的跟踪器，所述跟踪器包括：

跟踪器框架，所述跟踪器框架包括安装本体，所述安装本体限定具有纵向轴线的器械接合孔并且包括附接突起，所述附接突起平行于所述纵向轴线突出并且能够与所述手术器械接合以沿着所述器械轴线在旋转方面约束所述跟踪器框架，并且其中，所述器械接合孔被平行于所述纵向轴线的平面二等分以限定第一区域和第二区域；和

多个LED发射器，所述多个LED发射器被联接到所述跟踪器框架并被围绕所述纵向轴线布置，使得所述多个LED发射器中的第一数量的LED发射器被定位在所述第一区域中并且所述多个LED发射器中的第二数量的LED发射器被定位在所述第二区域中，所述第一数量大于所述第二数量以减少对所述手术器械的阻碍。

22.如权利要求21所述的跟踪器，其中，所述跟踪器框架还包括偏置本体，所述偏置本体被支撑在所述安装本体上并且被定位在所述第一区域中，所述偏置本体从被联接到所述安装本体的远端向近侧伸到近端。

23.如权利要求22所述的跟踪器，其中，所述偏置本体的所述近端与所述远端间隔开的距离大于所述偏置本体与所述纵向轴线间隔开的距离。

24.如权利要求22-23所述的跟踪器，其中，所述偏置本体从所述远端向所述近端逐渐变细。

25.如权利要求21-24所述的跟踪器，其中，所述多个LED发射器连续地发光。

26.如权利要求21-25所述的跟踪器，其中，所述多个LED发射器被布置成形成至少两个阵列，每个阵列包括至少三个LED发射器。

27.如权利要求26所述的跟踪器，其中，所述至少两个阵列中的每一个都包括电路板，并且所述多个LED发射器中的所述至少三个LED发射器被附接到所述电路板，并且所述电路板是彼此不平行的。

28.如权利要求26-27所述的跟踪器，其中，所述至少两个阵列被围绕所述纵向轴线径向地布置，使得所述LED发射器围绕所述纵向轴线360度径向地发射红外光。

29.如权利要求26-27所述的跟踪器，其中，所述至少两个阵列的至少一部分被布置在所述偏置本体上并且被定位在所述安装本体的近侧。

30.如权利要求21-29所述的跟踪器，其中，所述跟踪器框架包括聚合物或钛。

31.如权利要求21-30所述的跟踪器，其中，在所述安装本体中限定联接通道，所述安装本体还包括被设置在所述联接通道中的两个弹性臂，每个弹性臂具有参考端和可移动端，所述弹性臂协作以限定所述器械接合孔。

32.如权利要求21-31所述的跟踪器，其中，所述跟踪器还包括被联接到所述跟踪器框架并与所述多个LED发射器电气连通的一次性开关，所述一次性开关包括可移除的隔离材料。

33.如权利要求21-32所述的跟踪器，其中，围绕所述纵向轴线限定等比例的三个径向段以共同环绕所述纵向轴线，并且所述多个LED发射器被进一步限定为至少六个LED发射器，所述至少六个LED发射器被定位成使得所述至少六个LED发射器中的至少一个被定位于每个径向段内。

34.一种手持式手术器械，所述手持式手术器械具有器械轴线并被联接到如权利要求21-33所述的跟踪器。

35.一种用于手持式手术器械的跟踪器，所述跟踪器具有沿着器械轴线与远端间隔开的近端，所述跟踪器包括：

跟踪器框架，所述跟踪器框架由聚合物形成并限定器械接合孔，所述器械接合孔限定纵向轴线并被配置成可滑动地接合所述手术器械，使得所述器械接合孔的所述纵向轴线与所述器械轴线对准，其中，所述跟踪器框架被不可旋转地固定于所述手术器械；和

多个红外发射器，所述多个红外发射器与电源电气连通并被联接到所述跟踪器框架，其中，所述红外发射器中的每一个的辐射强度小于每球面度40微瓦(μW/sr)。

36.一种用于手持式手术器械的跟踪器，所述跟踪器包括：

跟踪器框架，所述跟踪器框架包括限定器械接合孔的安装本体，所述器械接合孔限定纵向轴线，所述跟踪器框架被配置成可滑动地接合所述手术器械，使得所述器械接合孔的所述纵向轴线与所述器械轴线对准；和

至少四个红外发射器，所述至少四个红外发射器各自被联接到所述跟踪器框架，其中，所述至少四个红外发射器被布置成形成3D体积，并且其中，所述3D体积是四面体。

37.一种用于具有器械轴线的手持式手术器械的光学跟踪器，所述光学跟踪器包括：

跟踪器框架，所述跟踪器框架包括限定器械接合孔的安装本体，所述器械接合孔限定纵向轴线，所述跟踪器框架被配置成可滑动地接合所述手术器械，使得所述器械接合孔的所述纵向轴线与所述器械轴线对准；

多个光学标记器，所述多个光学标记器被联接到所述跟踪器框架；

所述光学跟踪器限定包括所述多个光学标记器中的至少三个的第一阵列，其中，所述至少三个光学标记器限定第一区域；

所述光学跟踪器还限定包括所述多个光学标记器中的至少三个的第二阵列，其中，所述至少三个光学标记器限定第二区域；

所述光学跟踪器还限定第三阵列，所述第三阵列包括所述多个光学标记器中的至少三个，其中，所述至少三个光学标记器限定第三区域，其中，所述第三区域等于所述第二区域；以及

其中，所述第一阵列、所述第二阵列和所述第三阵列被布置成限定具有与所述纵向轴线相交的一个边缘和一个面的四面体形状，使得所述四面体形状的顶点与所述纵向轴线间隔开。

38.如权利要求37所述的光学跟踪器，其中，所述第一阵列的所述至少三个光学标记器不同于所述第二阵列的所述至少三个光学标记器。

39.如权利要求38所述的光学跟踪器，其中，所述第一阵列的所述至少三个光学标记器不同于所述第三阵列的所述至少三个光学标记器。

40.如权利要求39所述的光学跟踪器，其中，所述第二阵列的所述至少三个光学标记器不同于所述第三阵列的所述至少三个光学标记器。

41.一种跟踪手持式手术器械，所述手持式手术器械具有本体和柔性供电缆线，所述本体沿着器械轴线在近端与远端之间延伸，所述柔性供电缆线被联接到所述本体并从所述近端伸出并被配置成在等于所述柔性供电缆线的弯曲半径的距离处弯曲远离所述手持式手术器械，所述跟踪手持式手术器械包括：

跟踪器框架，所述跟踪器框架包括限定器械接合孔的安装本体，所述器械接合孔限定纵向轴线，所述跟踪器框架被配置成在所述近端可滑动地接合所述手持式手术器械的本体，使得所述器械接合孔的所述纵向轴线与所述器械轴线对准，其中，等比例的三个径向段被围绕所述纵向轴线限定以共同环绕所述纵向轴线，并且其中，所述跟踪器框架的近端与所述手持式手术器械的近端的近侧间隔开并被相对于所述柔性供电缆线定位，使得所述跟踪器框架的近端将与所述柔性供电缆线的接触最小化；和

至少六个光学标记器，所述至少六个光学标记器被联接到所述跟踪器框架并被定位成使得所述至少六个光学标记器中的至少一个被定位在每个径向段内，并且所述至少六个光学标记器中的至少两个被定位在所述手持式手术器械的近端的近侧。

42.如权利要求41所述的跟踪手持式手术器械，其中，所述跟踪器框架的所述近端被定位在所述三个径向段中的仅一个中。

43.如权利要求41-42所述的跟踪手持式手术器械，其中，所述跟踪器框架还包括偏置本体，所述偏置本体被支撑在所述安装本体上并且在平行于所述纵向轴线的方向上延伸到所述跟踪器框架的所述近端。

44.如权利要求43所述的跟踪手持式手术器械，其中，所述手持式手术器械的近端被定位在所述安装本体的近端的近侧。

45.如权利要求41-44所述的跟踪手持式手术器械，其中，所述跟踪器框架还包括附接突起，所述附接突起被联接到所述安装本体并被围绕所述纵向轴线径向地布置，其中，所述附接突起被配置成用于沿着所述器械轴线在单个位置中分度与所述手术器械的接合。

46.一种用于手术器械的光学跟踪器，所述光学跟踪器包括：

跟踪器框架，所述跟踪器框架包括限定器械接合孔的安装本体，所述器械接合孔限定纵向轴线，所述跟踪器框架被配置成联接到所述手术器械，使得所述纵向轴线与器械轴线对准；

至少九个光学标记器，所述至少九个光学标记器被联接到所述跟踪器框架并被布置成形成至少三个阵列，其中，每个阵列包括所述至少九个光学标记器中的至少三个，并且其中，每个阵列的所述至少三个光学标记器被配置成沿着同一方向发射光；

与所述至少九个光学标记器电气连通的一次性开关和电池；以及

其中，所述至少三个阵列中的每一个被定向成沿着彼此不同的方向发射光。

47.如权利要求46所述的光学跟踪器，其中，所述至少三个阵列围绕所述纵向轴线至少260度发射光。

48.如权利要求46-47所述的光学跟踪器，其中，所述一次性开关包括可移除的隔离材料。

49.一种使用定位器校准用于外科手术的跟踪阵列的方法，所述跟踪阵列具有彼此联接的第一跟踪面和第二跟踪面，所述第一跟踪面和所述第二跟踪面共同包括多个光学跟踪元件，所述方法包括：

定位所述跟踪阵列，使得所述第一跟踪面和所述第二跟踪面的所述多个光学跟踪元件是对所述定位器可见的；

在所述多个光学跟踪元件是对所述定位器可见的时，测量所述多个光学跟踪元件的相对位置；

在所述多个光学跟踪元件是对所述定位器可见的时，检测所述多个光学跟踪元件的朝向；

基于测量到的所述多个光学跟踪元件的相对位置和朝向将所述多个光学跟踪元件分组为第一刚性本体和第二刚性本体，所述第一刚性本体和所述第二刚性本体中的每一个包括至少一个跟踪元件；

定位所述跟踪阵列，使得所述第一跟踪面的至少一个光学跟踪元件和所述第二跟踪面的至少一个光学跟踪元件是同时对所述定位器可见的；

在所述第一跟踪面的至少一个光学跟踪元件和所述第二跟踪面的至少一个光学跟踪元件是对所述定位器可见的时，测量所述第一跟踪面的至少一个光学跟踪元件和所述第二跟踪面的至少一个光学跟踪元件的相对位置；以及

基于所述第一刚性本体、所述第二刚性本体以及所述第一跟踪面的至少一个光学跟踪元件和所述第二跟踪面的至少一个光学跟踪元件的在是同时可见的时测量到的相对位置形成复合刚性本体。

50.如权利要求49所述的方法，其中，所述方法还包括将所述跟踪阵列的制造尺寸存储在导航系统的存储装置中，所述制造尺寸包括第一组几何数据，所述第一组几何数据包括第一跟踪面几何数据和第二跟踪面几何数据；以及

基于所述第一组几何数据、测量到的所述多个光学跟踪元件的相对位置以及检测到的所述多个光学跟踪元件的朝向识别所述跟踪阵列。

51.如权利要求50所述的方法，其中，所述第一跟踪面几何数据包括指示所述第一跟踪面上的所述多个光学跟踪元件的预期相对位置和所述第一跟踪面上的所述多个光学跟踪元件的预期朝向的数据，并且其中，所述第二跟踪面几何数据包括指示所述第二跟踪面上的所述多个光学跟踪元件的预期相对位置和所述第二跟踪面上的所述多个光学跟踪元件的预期朝向的数据。

52.如权利要求51所述的方法，其中，所述识别步骤包括比较检测到的所述多个光学跟踪元件的朝向、所述第一跟踪面上的所述多个光学跟踪元件的预期朝向以及所述第二跟踪面上的所述多个光学跟踪元件的预期朝向。

53.如权利要求50-52所述的方法，其中，所述方法还包括基于识别所述跟踪阵列的步骤显示校准指令。

54.如权利要求53所述的方法，其中，所述显示校准指令的步骤还包括显示图形，所述图形指示用户相对于所述定位器旋转所述跟踪阵列，使得所述第一跟踪面的至少一个光学跟踪元件和所述第二跟踪面的至少一个光学跟踪元件是同时对所述定位器可见的。

55.如权利要求49-54所述的方法，其中，所述方法还包括通过将所述复合刚性本体与所述医疗器械相关联来将所述跟踪阵列分配给医疗器械。

56.如权利要求55所述的方法，其中，所述方法还包括基于将所述复合刚性本体与所述医疗器械相关联来识别所述医疗器械。

57.如权利要求49-56所述的方法，其中，所述第一跟踪面和所述第二跟踪面是彼此的镜像。

58.如权利要求49-57所述的方法，其中，所述跟踪阵列还包括第三跟踪面，所述第一跟踪面、所述第二跟踪面和所述第三跟踪面共同包括所述多个光学跟踪元件；所述方法还包括：

定位所述跟踪阵列，使得所述第三跟踪面的所述多个光学跟踪元件是对所述定位器可见的；

基于测量到的所述多个光学跟踪元件的相对位置和朝向将所述多个光学跟踪元件分组为第三刚性本体，

在是对所述定位器可见的时，测量所述第一跟踪面的至少一个光学跟踪元件或所述第二跟踪面的至少一个光学跟踪元件和所述第三跟踪面的至少一个光学跟踪元件的相对位置；以及

基于所述第一刚性本体、所述第二刚性本体和所述第三刚性本体以及所述第一跟踪面的至少一个光学跟踪元件、所述第二跟踪面的至少一个光学跟踪元件以及所述第三跟踪面的至少一个光学跟踪元件的测量到的相对位置形成复合刚性本体。

59.如权利要求49-58所述的方法，其中，所述光学跟踪元件是反射元件。

60.如权利要求49-59所述的方法，其中，所述光学跟踪元件是红外发光二极管。

61.如权利要求49-60所述的方法，其中，所述方法还包括通过将所述医疗器械的一部分定位在已知参考位置上来确定所述医疗器械的所述一部分与所述复合刚性本体之间的位置关系。

62.如权利要求61所述的方法，其中，所述参考位置是可跟踪校准装置上的已知位置。

63.如权利要求49-62所述的方法，其中，所述方法还包括将所述跟踪阵列联接到医疗器械或患者。

64.一种用于医疗器械的导航的系统，所述系统包括：

定位器；

跟踪阵列，所述跟踪阵列具有彼此联接的第一跟踪面和第二跟踪面，所述第一跟踪面和所述第二跟踪面共同包括多个光学跟踪元件；

处理器，所述处理器被配置成：

在所述多个光学跟踪元件是对所述定位器可见的时，测量所述多个光学跟踪元件的相对位置；

在所述多个光学跟踪元件是对所述定位器可见的时，检测所述多个光学跟踪元件的朝向；

基于测量到的所述多个光学跟踪元件的相对位置和朝向，将所述多个光学跟踪元件分组为第一刚性本体和第二刚性本体，所述第一刚性本体和所述第二刚性本体中的每一个包括至少一个跟踪元件；

在所述第一跟踪面的至少一个光学跟踪元件和所述第二跟踪面的至少一个光学跟踪元件是同时对所述定位器可见的时，测量所述第一跟踪面的至少一个光学跟踪元件和所述第二跟踪面的至少一个光学跟踪元件的相对位置；以及

基于所述第一刚性本体、所述第二刚性本体以及所述第一跟踪面的至少一个光学跟踪元件和所述第二跟踪面的至少一个光学跟踪元件的在是同时可见的时测量到的相对位置形成复合刚性本体。

65.一种使用定位器校准用于外科手术的跟踪阵列的方法，所述跟踪阵列具有彼此联接的第一跟踪面和第二跟踪面，所述第一跟踪面和所述第二跟踪面共同包括多个光学跟踪元件，所述方法包括：

定位所述跟踪阵列，使得所述第一跟踪面和所述第二跟踪面的多个光学跟踪元件是对所述定位器可见的；

在所述多个光学跟踪元件是对所述定位器可见的时，测量所述多个光学跟踪元件的相对位置；

定位所述跟踪阵列，使得所述第一跟踪面的至少一个光学跟踪元件和所述第二跟踪面的至少一个光学跟踪元件是同时对所述定位器可见的；

在所述第一跟踪面的至少一个光学跟踪元件和所述第二跟踪面的至少一个光学跟踪元件是对所述定位器可见的时，测量所述第一跟踪面的至少一个光学跟踪元件和所述第二跟踪面的至少一个光学跟踪元件的相对位置；以及

基于所述第一跟踪面的至少一个光学跟踪元件和所述第二跟踪面的至少一个光学跟踪元件的在是同时可见的时测量到的相对位置形成复合刚性本体。

66.一种用于手术器械的光学跟踪器，所述光学跟踪器包括：

跟踪器框架，所述跟踪器框架包括被配置成联接到所述手术器械的安装本体，所述跟踪器框架由聚合物构成；

至少六个光学标记器，所述至少六个光学标记器被联接到所述跟踪器框架并被布置成形成至少两个阵列，其中，每个阵列包括所述至少六个光学标记器中的至少三个，并且其中，每个阵列的所述至少三个光学标记器被配置成沿着同一方向发射光；

与所述至少六个光学标记器电气连通的电池；以及

其中，所述至少三个阵列中的每一个被定向为沿着彼此不同的方向发射光。

67.一种用于手术器械的光学跟踪器，所述光学跟踪器包括：

跟踪器框架，所述跟踪器框架包括限定器械接合孔的安装本体，所述器械接合孔限定纵向轴线，所述跟踪器框架被配置成联接到手术器械，使得所述纵向轴线与器械轴线对准；

至少九个光学标记器，所述至少九个光学标记器被联接到所述跟踪器框架并被布置成形成至少三个阵列，其中，每个阵列包括所述至少九个光学标记器中的至少三个，并且其中，每个阵列的所述至少三个光学标记器被配置成沿着同一方向发射光；

其中，所述至少三个阵列中的每一个被定向成沿着彼此不同的方向发射光；以及

其中，所述至少三个阵列中的两个被配置成使得所述至少三个光学标记器的位置是关于所述纵向轴线成镜像的。

68.一种用于手术器械的光学跟踪器，所述光学跟踪器包括：

跟踪器框架，所述跟踪器框架包括限定器械接合部的第一部分和第二部分，并且所述跟踪器框架还包括聚合物；

第一电路板，所述第一电路板被联接到所述跟踪器框架的第一部分并且包括限定第一阵列的至少三个LED；

第二电路板，所述第二电路板被联接到所述跟踪器框架的第二部分并且包括限定第二阵列的至少三个LED；

其中，所述第一阵列被定向成沿着与所述第二阵列不同的方向发射光；

电池，所述电池被电联接至所述第一电路板和所述第二电路板；和

其中，所述光学跟踪器没有通信接口。

69.如权利要求68所述的光学跟踪器，其中，所述电池是纽扣电池。

70.如权利要求68-69所述的光学跟踪器，其中，所述电池具有小于5克的质量。

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