CN115300103A - 具有由电磁辐射触发的发射器的外科手术跟踪器 - Google Patents

Abstract

提供了一种跟踪器、外科手术跟踪系统和用于操作跟踪器的方法。跟踪器包括被配置为将跟踪器附接到待跟踪的外科手术对象的接合装置。跟踪器还包括电路，该电路包括被配置成检测电磁辐射的检测器，其中该电路被配置成在检测器检测到电磁辐射强度的变化时产生触发信号。该电路还包括被配置为发射电磁辐射的多个发射器，其中该电路被配置为控制所述多个发射器响应于触发信号发射电磁辐射。

Description

具有由电磁辐射触发的发射器的外科手术跟踪器

技术领域

本公开总体上涉及一种用于外科手术跟踪系统的跟踪器。特别地，提出了一种具有由电磁辐射触发的发射器的跟踪器、一种包括该跟踪器的外科手术跟踪系统以及一种操作该跟踪器的方法。

背景技术

外科手术跟踪系统通常被配置为跟踪外科手术对象，例如外科手术器械或外科手术室中的患者。一种常见的跟踪技术涉及具有电磁辐射的发射器的主动跟踪器以及能够检测由跟踪器发射的电磁辐射的相机。基于检测到的电磁辐射，跟踪系统确定关于跟踪器的位置和定向中的一者或两者的信息，从而确定待跟踪的外科手术对象的信息。

主动跟踪器需要在整个外科手术期间可靠地运行，这可能持续长达几个小时。为了提供足够的电力来操作跟踪器的发射器，跟踪器可以包括连接到插座的电源线。但是，电源线会对跟踪器的操纵产生负面影响。

另一种方法是用电池为跟踪器供电，并控制发射器发射脉冲式电磁辐射，以便降低功耗。在这种情况下，发射器需要与相机操作同步地脉冲(例如，在曝光时间方面)。在这种实施方式中，跟踪器需要专用的通信和处理装置，以便接收和处理相机的操作参数。这种装置增加了跟踪器的功耗、重量和材料成本。特别是对于一次性跟踪器，这些因素要尽量减少。

US 10,105,186 B2公开了一种反向虚拟刚体光学跟踪系统，该系统包括基于激光的扫描光源，用于扫描操作者在其中利用待跟踪的工具的区域。三个或更多个光电二极管安装在工具表面上。当系统运行时，扫描光源对工作区域进行扫描。一旦单个光电二极管检测到激光照射，系统就会记录扫描光束的定向。给定光电二极管和工具之间的预先校准的空间配准，工具的位置和定向可以从所述三个光束定向记录中得出，这表明激光束在所述三个光电二极管上扫描。跟踪系统根据时间分辨信号确定每个光电二极管的位置，这需要大量的处理资源。此外，基于激光的扫描光源是一种复杂且因此昂贵的装置。

发明内容

需要一种解决上述或其他问题中的一个或多个的跟踪技术。

根据第一方面，提供了一种用于外科手术跟踪系统的跟踪器。跟踪器包括接合装置，所述接合装置被配置为将跟踪器附接到待跟踪的外科手术对象。跟踪器还包括电路。该电路包括检测器，所述检测器被配置为检测电磁辐射，其中该电路被配置为在检测器检测到电磁辐射的强度的变化时产生触发信号。该电路还包括多个发射器，所述多个发射器被配置为发射电磁辐射，其中该电路被配置为控制所述多个发射器响应于触发信号发射电磁辐射。

电磁辐射的强度的变化的检测可以是二元检测(例如，基于电磁辐射源的开/关状态)。电磁辐射的强度的变化的检测可以基于阈值标准。阈值标准可以包括强度阈值。替代地，阈值标准可以包括辐射强度变化率的阈值。

该电路可以被配置为仅在检测器检测到电磁辐射的强度增加时(例如，当电磁辐射源从关闭状态切换到开启状态时)产生触发信号。强度增加的检测可以基于强度超过阈值强度的检测中的至少一种。

替代地，电路可以被配置为仅在检测器检测到电磁辐射的强度降低时(例如，当电磁辐射源从开启状态切换到关闭状态时)产生触发信号。强度降低的检测可以基于强度下降到阈值强度以下的检测中的至少一种。

该电路可以被配置为在检测器随后(即，在初始强度变化之后，例如从关闭状态到开启状态之后)未检测到(例如，从开启状态回到关闭状态的)电磁辐射的强度的(进一步)变化的持续时间内产生触发信号。例如，当电磁辐射的强度继续超过或低于强度阈值时，检测器可以检测到电磁辐射的强度没有变化。

该电路可以被配置为在预定的持续时间内产生触发信号。预定持续时间可以低于10ms，例如，高于5μs。预定持续时间可以在100μs和1ms之间(例如，可以设定为大约200μs至400μs)。

响应于触发信号，可以控制所有发射器发射电磁辐射。检测器可以包括与发射器的至少一子集相关联的单个辐射敏感元件，其中该子集包括所述多个发射器中的多于一个的发射器。该子集可以包括所述多个发射器中的所有发射器。该电路可以包括发射器中的多于一个的子集，其中每个子集包括所述多个发射器中的多于一个的发射器。对于每个发射器子集，该电路可以包括与发射器子集相关联的辐射敏感元件。发射器的第一子集和分配给其的第一辐射敏感元件可以布置在跟踪器的第一面上。发射器的第二子集和分配给其的第二辐射敏感元件可以布置在跟踪器的第二面上，其中第一面和第二面彼此成一角度(例如，在从90°到120°的范围内)布置。

该电路可以包括光电二极管或光电晶体管，所述光电二极管或光电晶体管包含辐射敏感元件。辐射敏感元件可以包括半导体材料。

跟踪器可以包括至少一个电池，用于为电路供电。电池可以是AAA电池或纽扣电池中的至少一者。电池可以是CR2032型纽扣电池。

跟踪器可以包括无线电力接收装置，所述无线电力接收装置被配置为无线地接收电力。无线电力接收装置可以包括用于感应耦合的线圈和用于电容耦合的电极中的至少一者。

该电路可以包括开关(例如，包括一个或多个晶体管)，该开关被配置为响应于触发信号来控制通过发射器的电流。开关可以包括光电晶体管。

检测器可以被配置为检测红外光。替代地或附加地，所述多个发射器可以被配置为发射红外光。

所述多个发射器中的每一个可以包括发光二极管LED。该电路可以被配置为将通过LED中的每个LED的电流限制为低于10mA(并且例如高于1mA)的电流。该电路可以被配置为将通过LED中的每个LED的电流限制为3mA或更少的电流。该电路可以被配置为向每个LED施加1.25V或更低的电压。

根据第二方面，提供了一种外科手术跟踪系统。外科手术跟踪系统包括如本文所述的跟踪器和具有至少一个图像传感器的相机，所述至少一个图像传感器被配置为检测由外科手术跟踪系统的跟踪器发射的电磁辐射，并基于检测到的电磁辐射生成图像数据。相机具有限定曝光持续时间的曝光时序，相机的所述至少一个图像传感器在所述曝光持续时间内对电磁辐射敏感。外科手术跟踪系统还包括电磁辐射源和控制器，该控制器被配置为控制电磁辐射源以与曝光时序同步地发射电磁辐射脉冲。外科手术跟踪系统还包括处理器，该处理器被配置为基于图像数据确定跟踪器的位置数据。

曝光时序可以限定所述至少一个图像传感器以第一频率循环曝光。第二频率可以限定由电磁辐射源发射的电磁辐射的强度的周期性变化的重复率。第一频率可以与第二频率相同。替代地，第一频率可以是第二频率的倍数。进一步替代地，第二频率可以是第一频率的倍数。

控制器可以被配置为将脉冲式电磁辐射的脉冲持续时间控制在相机的曝光时间的十分之一和十倍之间。脉冲式电磁辐射的持续时间可以至少与相机的曝光时间基本上相同。控制器可以被配置为根据发射器发射的电磁辐射的强度来控制脉冲持续时间。控制器可以被配置为根据函数控制脉冲持续时间，使得脉冲持续时间随着发射器发射的电磁辐射的强度的增加而减小(例如，与其成反比)。

控制器可以被配置为控制电磁辐射源至少在曝光持续时间中的一部分曝光持续时间期间发射电磁辐射脉冲。在这种情况下，脉冲持续时间和曝光持续时间之间可能存在至少部分重叠。替代地，控制器可以被配置为控制电磁辐射源至少在曝光持续时间中的一些曝光持续时间之间发射电磁辐射脉冲。在这种情况下，脉冲持续时间和曝光持续时间之间可能没有重叠。

曝光持续时间可能在50μs和1ms之间。曝光持续时间可以设定为大约200μs到400μs。相机可以具有限定非曝光持续时间的非曝光时序，相机的所述至少一个图像传感器在该非曝光持续时间内对电磁辐射不敏感。非曝光时间范围可以在500μs和1.9ms之间。非曝光时序可以是1.7ms。相机的帧速率范围可以在100Hz和2kHz之间，例如在300Hz和600Hz之间。

电磁辐射源可以被配置为用电磁辐射照射在其中操作跟踪器的整个外科手术部位。电磁辐射源可以覆盖2π和0.05sr之间的立体角。

外科手术跟踪系统还可以包括输出装置，该输出装置被配置为基于处理器确定的跟踪器的位置数据输出导航指令。输出装置可以包括显示器、扬声器、虚拟现实眼镜、具有平视显示器的眼镜和触觉反馈装置中的至少一者。

根据第三方面，提出了一种用于操作附接到外科手术对象的跟踪器的方法。该跟踪器包括电路，该电路包括检测器和被配置为发射电磁辐射的多个发射器。该方法包括在检测器检测到电磁辐射的强度的变化时产生触发信号。该方法还包括由电路控制所述多个发射器响应于触发信号发射电磁辐射。

该方法可以包括检测由外科手术跟踪系统的跟踪器发射的电磁辐射，以及基于检测到的电磁辐射生成图像数据。这些步骤可以使用具有限定曝光持续时间的曝光时序的相机来执行，相机的至少一个图像传感器在所述曝光持续时间内对电磁辐射敏感。

附图说明

本公开的进一步细节、优点和方面将结合附图从下列实施例中变得显而易见，其中：

图1示意性地示出了根据本公开的实施例的外科手术跟踪系统；

图2A示出了根据本公开的实施例的跟踪器的透视图；

图2B是图2A的跟踪器的俯视图。

图3A示出了跟踪器电路的第一实施例的电路图；

图3B示出了跟踪器电路的第二实施例的电路图；

图3C示出了跟踪器电路的第三实施例的电路图；

图3D示出了跟踪器电路的第四实施例的电路图；

图3E示出了跟踪器电路的第五实施例的电路图；

图3F示出了跟踪器电路的第六实施例的电路图；

图4A示出了跟踪器电路的第七实施例的电路图；

图4B示出了跟踪器电路的第八实施例的电路图；

图5示出了用于操作跟踪器的方法的实施例的流程图；

图6A示出了时间进程图，其中跟踪器的电路仅在检测器正在检测电磁辐射的持续时间内产生触发信号；

图6B示出了时间进程图，其中跟踪器的电路仅在检测器正在检测电磁辐射的持续时间内产生触发信号，其中电磁辐射源的脉冲具有与相机的曝光持续时间相同的持续时间和起始时间；

图6C示出了跟踪器的电路在预定持续时间内产生触发信号的时间进程图；

图6D示出了时间进程图，其中跟踪器的电路被配置为在检测器检测到不存在电磁辐射时产生触发信号；

图6E示出了时间进程图，其中跟踪器的电路被配置为仅在检测器检测到电磁辐射减少时产生触发信号并在预定持续时间内产生触发信号；

图6F示出了时间进程图，其中跟踪器的电路被配置为在检测器的电磁辐射的强度变化时产生触发信号，其中强度的变化可以以增加的形式以及以减少的形式发生；

图7A示出了跟踪器的第二实施例的侧视图；以及

图7B示出了图7A中描绘的跟踪器的透视图。

具体实施方式

图1示意性地示出了(例如，在外科手术室中)安装在外科手术部位处的外科手术跟踪系统10的实施例。外科手术跟踪系统10包括跟踪器12、相机14、电磁辐射源16、控制器18和处理器20。跟踪系统10连接到输出装置22，该输出装置22被配置为向外科医生输出导航指令。这样，跟踪系统10和输出装置22形成外科手术导航系统。

在图1中，处理器20由本地计算机系统提供。替代地，处理器20可以由远程服务器或云计算资源提供。在图1中，处理器20和控制器18是两个独立的装置。替代地，处理器20和控制器18可以由单个装置提供或者是单个装置的一部分。

处理器20与输出装置22以通信的方式连接。图1中描绘的输出装置包括显示器。替代地或附加地，输出装置可以包括扬声器、虚拟现实眼镜、具有平视显示器的眼镜和触觉反馈装置中的至少一者。

图1中描绘的相机14具有至少一个图像传感器24，例如电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体传感器(CMOS)。在一些变型中，相机14可以具有多个图像传感器24。特别地，相机14可以是具有至少两个图像传感器24的立体相机。

图像传感器24被配置为基于检测到的电磁辐射生成图像数据。图像传感器24可以反复暴露于电磁辐射，以便为多个图像生成图像数据。为了控制图像传感器24的曝光，图1所示的相机14具有快门26。快门26是电子快门。替代地，相机14可以具有机械快门。

相机14可以在限定曝光持续时间的曝光时序时操作，所述至少一个图像传感器24在该曝光持续时间内对电磁辐射敏感。每个曝光持续时间可以由机械快门打开或图像传感器24激活(当使用电子快门时)的持续时间来限定。相机14还与限定非曝光持续时间的非曝光时序相关联，相机14的所述至少一个图像传感器24在该非曝光持续时间内对电磁辐射不敏感。每个非曝光持续时间可以由机械快门关闭或图像传感器24不激活(当使用电子快门时)的持续时间来限定。相机14被配置为周期性地呈现曝光和非曝光状态。

曝光持续时间和非曝光持续时间组合成帧持续时间。相机14在给定时间段内捕获的帧数通常称为帧速率。例如，相机14可以具有500Hz的帧速率，其中2ms的帧持续时间。帧持续时间可以涵盖300μs的曝光持续时间和1.7ms的非曝光持续时间。

电磁辐射源16被配置为发射电磁辐射。电磁辐射源16尤其可以被配置为发射红外光、可见光、紫外光和X射线中的至少一者。如下列将进一步解释的，电磁辐射触发跟踪器12。因此，由电磁辐射源16发射的电磁辐射不需要对外科医生可见。例如，电磁辐射源16可以发射红外光以便不分散外科医生的注意力。替代地，电磁辐射源16可以发射可见光(例如，以便提供外科手术部位的照明)。

电磁辐射源16具体被配置为用电磁辐射照射整个外科手术部位。电磁辐射源16因此可以发射非定向电磁辐射。

在这点上，电磁辐射源16可以覆盖2π和0.05sr之间(例如，在π和0.1sr之间，或者0.5π和0.1sr之间)的立体角。作为示例，与跟踪器12相交的平面中的发射角可以大于30°，特别是大于60°。

控制器18被配置为控制电磁辐射源16发射脉冲式电磁辐射。脉冲可以通过提供给电磁辐射源16的脉冲功率来产生。替代地或附加地，可以在电磁辐射源16和外科手术部位之间提供快门，其中快门被配置为周期性地打开和关闭。快门可以包括机械快门或诸如液晶盒(cell)的光学有源元件。

控制器18被配置为控制电磁辐射源16以与所述至少一个图像传感器24的曝光时间同步地发射电磁辐射脉冲。因此，如果曝光时间限定所述至少一个图像传感器24以第一频率循环曝光，则控制器18被配置为控制电磁辐射源16以第二频率发射脉冲，该第二频率等于第一频率(或是第一频率的倍数)。曝光时间(即，第一频率)可以由相机14的帧速率限定

在一些变型中，控制器18被配置为控制电磁辐射源16发射电磁辐射脉冲，使得曝光持续时间在时间上与电磁辐射脉冲至少部分地重叠。由于电磁辐射脉冲与曝光时序同步地发射，所以每个曝光持续时间在时间上与电磁辐射脉冲至少部分地重叠(假设第二频率等于第一频率)。在其他变型中，控制器18被配置为控制电磁辐射源16发射电磁辐射脉冲，使得曝光持续时间在时间上不与电磁辐射脉冲重叠。

图1中描绘的跟踪器12附接到外科手术器械28。为此，跟踪器12具有接合装置30。接合装置30可以包括夹具、螺钉、磁体、开口和粘合剂中的至少一种。接合装置30可以被配置为将跟踪器12附接到任何其他外科手术对象，例如患者、外科手术台或其他参考框架。特别地，跟踪器12可以被配置为附接到患者(未示出)。作为示例，跟踪器12可以包括接合装置，该接合装置包括用于将跟踪器12粘附到患者的皮肤上的粘合剂。在另一个变型中，跟踪器12包括用于将跟踪器锚固在骨骼处或骨骼中的接合装置。

图2A示出了跟踪器12的透视图。图2B示出了跟踪器12的俯视图。如图2A和2B所示，跟踪器12包括电路，该电路包括检测器32，该检测器32被配置为检测电磁辐射。检测器32可以包括光电二极管、光电晶体管、光敏电阻或适合将电磁辐射转换成电信号的任何其他装置中的至少一种。

跟踪器12还包括多个发射器34，所述多个发射器34被配置为同时发射电磁辐射。基于发射器34的预定几何布置，跟踪系统10可以确定跟踪器12的位置数据。跟踪器12的位置数据可以包括跟踪器12的位置和定向中的至少一者。基于跟踪器12与待跟踪的对象(例如，外科手术器械28)的已知关系，跟踪系统10可以进一步确定该对象的位置和定向中的至少一者。

图2A和图2B中描绘的跟踪器12包括四个发射器34。提供至少三个发射器34允许确定包括位置和定向的位置数据。当发射器34的视线丢失时，第四发射器34提供冗余以提高精确度并减少错误。在一些变型中，跟踪器12可以仅具有两个发射器34，用于以较低自由度进行跟踪，或者具有多于四个发射器(例如，五个、六个或七个发射器34)以提高精确度。图2A和2B中描绘的发射器34以不具有旋转对称性的图案布置，使得图案不会以小于360°的角度旋转，360°的角度旋转导致与旋转之前的图案完全重叠。

每个发射器34或至少一个或多个发射器34包括发光二极管(LED)。每个发射器34或至少一个或多个发射器34可以包括有机LED、聚合物LED和有源矩阵LED。

发射器34被配置为发射红外光、可见光、紫外光和X射线中的至少一种。发射器34可以具有至少基本上相同的发射光谱或不同的发射光谱。例如，所有发射器34可以被配置为发射红外光。替代地，发射器34中的至少一个可以被配置为发射可见光，而其余发射器34发射红外光。

图3A至图3F示出了跟踪器12的电路36的不同实施例。将具有这样的电路36的跟踪器12与外科手术跟踪系统10的其他部件结合使用，以及由此产生的优点将在后面参考图5和图6A至图6F进行描述。

图3A示出了跟踪器12的电路36的第一实施例的电路图。电路36具有两个呈红外LED形式的发射器34。如上所述，可以替代地提供任何其他类型的发射器34和/或多于两个的发射器34。图3A中所示的发射器34串联电连接，从而导致电路复杂度低。替代地，发射器34中的至少一个可以与其余发射器34并联电连接，从而确保在其他发射器34之一发生故障的情况下所述至少一个发射器34的操作。

电路36还包括电源38。电源38可以包括电池，例如AAA电池或纽扣电池(例如，CR2032型电池)。替代地或附加地，电源38可以包括被配置为无线地接收电力的无线电力接收装置。无线电力接收装置可以被配置为使用电感耦合或电容耦合来接收电力。

图3A中描绘的电路36还包括呈光电晶体管32A形式的检测器32(见图2A和2B)。应该注意，图3A至3F和图4A和图4B描绘了NPN晶体管的符号。然而，电路36也可以用PNP晶体管来实现。此外，电路36可以包括任何其他类型的开关(例如，由多个晶体管或任何其他(一个或多个)半导体元件实现的开关)。

通常，晶体管具有三个端子，其中可以通过施加在第三端子处的控制电压来控制第一端子和第二端子之间的电流。在双极晶体管的情境中，这些端子通常标记为集电极、发射极和基极。在场效应晶体管的情况下，所述三个端子通常标记为源极、漏极和栅极。在本说明中，端子被称为集电极、发射极和基极。然而，应当理解，这些术语并不将本发明限制于双极晶体管，而是可以使用任何其他类型的晶体管并且参考这种其他类型的晶体管的相应端子。

图3A的光电晶体管32A是一种具有辐射敏感元件的晶体管，其中光子撞击到辐射敏感元件上产生电子和/或电子空穴，这些电子和/或电子空穴被注入到基极中。结果，当电磁辐射撞击到辐射敏感元件上时，更大的电流可以在源极和漏极之间通过。光电晶体管32A可以对特定光谱的电磁辐射敏感，例如，使用用于特定波长的滤光片或使用用于吸收特定波长的辐射敏感元件的材料。因此，光电晶体管32A可以仅对特定光谱的电磁辐射(例如，红外光、可见光、红外光或X射线)敏感。例如，光电晶体管32A可以仅对红外光(例如，700nm到1000nm)或特定的红外波长(例如，800nm)敏感。这种光电晶体管32A在暴露于环境照明的可见光时不会切换到导通状态。因此，这种光电晶体管32A在暴露于环境照明时不易发生意外切换。

由于光电晶体管32A电连接在电源38和发射器34之间，所以光电晶体管32A被配置为打开和关闭发射器34的操作，其中发射器34在电路36的导通状态下发射电磁辐射并在电路36的断开状态下不发射电磁辐射。因此，电路36被配置为产生呈施加在光电晶体管32A的基极处的电压形式的触发信号，其中施加的电压是撞击到光电晶体管32A的辐射敏感元件上的电磁辐射的结果。

应当注意，在图3A至图3F和图4A和图4B所描述的示例中，电路36具有检测器32，该检测器32具有单个光敏元件，该光敏元件与所有发射器34相关联，更详细地说，该光敏元件被配置为同时控制所有发射器34的操作。替代地，检测器32可以包括多个光敏元件，每个光敏元件与发射器34的子集相关联。进一步替代地，检测器32可以包括仅与所述多个发射器34的子集相关联的单个光敏元件。

图3B示出了跟踪器12的电路36的第二实施例的电路图。电路36的第一实施例和第二实施例在检测器32的类型上本质上不同。第一实施例的检测器32包括光电晶体管32A(或由光电晶体管32A组成)，而第二实施例的检测器32包括晶体管32B和电连接到晶体管32B的基极的光电二极管40(或由晶体管32B和电连接到晶体管32B的基极的光电二极管40组成)。当电磁辐射40撞击到光电二极管40的辐射敏感元件上时，辐射敏感元件产生电子和/或电子空穴，该电子和/或电子空穴被注入到晶体管32B的基极中。因此，电路36的第二实施例以与第一实施例类似的方式操作。然而，辐射敏感元件和晶体管被分开在两个专用部件中。

第一电路实施例只有一个部件，因此不太复杂。因为可以组合不同类型的光电二极管和晶体管，所以第二电路实施例更灵活。例如可以使用相同的晶体管制造多个跟踪器12，但所述多个跟踪器12设置有对电磁辐射的不同光谱敏感的不同光电二极管。光电二极管40和晶体管32B分开的另一个优点是用于修改光电二极管40的电信号的附加电路装置(未示出)可以布置在光电二极管40和晶体管32B之间。

图3C示出了跟踪器12的电路36的第三实施例的电路图。电路36的第三实施例与第二实施例的本质区别在于：耦合在光电二极管40和晶体管32B之间的信号发生器33。信号发生器33被配置为在预定持续时间内产生触发信号。因此，电路36不会在检测器32正在检测电磁辐射的持续时间内产生触发信号，而是在预定的持续时间内产生触发信号。这样，操作发射器34的预定持续时间可以与电磁辐射源16的开启持续时间解耦(即，可以小于电磁辐射源16的开启持续时间)。预定持续时间可以在5μs到10ms的范围内，例如300μs。

信号发生器33可以包括单稳态多谐振荡器。单稳态多谐振荡器是具有稳定的第一状态的电路元件，该第一状态可以暂时切换到第二状态。为此，单稳态多谐振荡器通常包括两晶体管交叉耦合开关电路，该两晶体管交叉耦合开关电路被设计成使得其一个或多个输出作为输入被反馈到具有电阻器和电容器网络的另一个晶体管。可以通过电容器的容量来调整临时第二状态的持续时间。稳定的第一状态可以被分配给电路36的关闭状态，而临时的第二状态可以被分配给电路36的开启状态。

图3D示出了跟踪器12的电路36的第四实施例的电路图。电路36的第四实施例与第二实施例的本质区别在于：耦合在光电二极管40和晶体管32B之间的反相元件35。当光电二极管40未检测到电磁辐射时，反相元件35产生将晶体管32B切换到导通状态(在导通状态中，电流通过发射极34)的触发信号。当光电二极管30检测到电磁辐射时，反相元件35产生将晶体管32B切换到截止状态的电信号。

信号发生器33和反相元件35不是相互排斥的并且可以组合。替代地或附加地，可以在光电二极管40和晶体管32B之间布置其他电气部件，例如信号放大器、噪声滤波器和电阻器中的至少一者。

图3E示出了跟踪器12的电路36的第五实施例的电路图。第五实施例实质上是第三实施例和第四实施例的组合，因为电路36包括耦合在光电二极管40和晶体管32B之间的反相元件35和信号发生器33两者。结果，电路36被配置为仅在检测器检测到电磁辐射的强度降低时(由于反相元件35)产生触发信号，并且在预定的持续时间内产生触发信号(由于信号发生器33)。

图3F示出了跟踪器12的电路36的第六实施例的电路图。电路的第六实施例与第二实施例和第四实施例的本质区别在于，电路36被配置为当检测器32检测到电磁辐射的强度增加以及当检测器32检测到电磁辐射的强度降低时产生触发信号。为此，该电路包括耦合在光电二极管40和晶体管32B之间的触发发生器37。触发发生器37被配置为在光电二极管40产生的电压变化时产生触发信号。此外，触发发生器37被配置为在预定持续时间(例如，100μs到500μs)内产生触发信号。结果，触发发生器37被配置为当电磁辐射开始撞击到光电二极管40的辐射敏感元件上时以及当电磁辐射停止撞击到光电二极管40的辐射敏感元件上时在预定持续时间内产生触发信号。

图4A示出了跟踪器12的电路36的第七实施例的电路图。电路36的第七实施例与第二实施例的本质区别在于：电源38具有能量供应器38A和能量存储器38B。能量供应器38A可以是连接到电源插座或外科手术器械(参见图1中的附图标记28)的电源线。能量存储器38B是保持有限量的电能的装置。能量存储器38B可以包括不可充电电池、可充电电池和电容器中的至少一者。电路36可以在连接到电源线时由能量供应器38A供电。当与电源线断开时，能量存储器38B可以用于为电路36供电。能量储存器38B的可充电电池和/或电容器可以被配置为可由能量供应器38A充电。

图4B示出了跟踪器12的电路36的第八实施例的电路图。第八实施例与第七实施例的不同之处在于：能量供应器38B包括无线电力接收装置38B，该无线电力接收装置38B被配置为从无线电力传送装置38C无线地接收电力。外科手术器械28(见图1)包括无线电力传输装置38C。为此，跟踪器12通过接合装置30附接到外科手术装置28(参见图2A)。为了缩短无线电力接收装置38B和无线电力传送装置38C之间的距离，无线电力接收装置38B可以布置在接合装置30的内部或远端处。

图3D中描绘的无线电力传输通过无线电力接收装置38B和无线电力传输装置38C的线圈之间的电感耦合来实现。替代地或附加地，无线电力传送可以通过无线电力接收装置38B和无线电力传送装置38C的电极之间的电容耦合来实现。

如上所述，控制器18被配置为控制电磁辐射源16以与相机14的曝光时序同步地发射电磁辐射脉冲，并且跟踪器12被配置为当检测到的电磁辐射的强度变化触发时发射电磁辐射。结果，控制器18可以使跟踪器12在相机14的曝光持续时间期间发射电磁辐射，其中跟踪器12执行现在将参照图5描述的方法100。

图5示出了操作跟踪器12的方法实施例的流程图100。

该方法包括：在步骤102中，通过检测器32检测电磁辐射。电磁辐射可以由如上所述的光电晶体管32A或光电二极管40的辐射敏感元件检测。

该方法还包括：在步骤104中，当检测器32检测到电磁辐射的强度的变化时产生触发信号。触发信号可以是由光电晶体管32A或光电二极管40的辐射敏感元件产生的电信号。上面参考图3A、图3B、图4A和图4B描述了其电信号是触发信号的电路36的示例。替代地，可以修改电信号以便产生触发信号。该修改可以包括产生具有预定持续时间的触发信号、产生反向信号、信号放大和噪声过滤中的至少一种。上面参考图3C至图3F描述了修改电信号以便产生触发信号的电路36的示例。

触发信号可以在电磁辐射的强度以强度增加和强度降低的形式变化时产生。替代地，触发信号可以仅在检测器检测到电磁辐射的强度增加时产生。进一步替代地，触发信号可以仅在检测器检测到电磁辐射的强度降低时产生。电磁辐射的强度的增加可以包括强度超过强度阈值和强度变化率超过阈值中的至少一种。电磁辐射的强度的降低可以包括强度下降到强度阈值以下和变化率下降到阈值以下中的至少一种。

该方法还包括：在步骤106中，由电路36控制所述多个发射器34响应于触发信号发射电磁辐射。电路36被配置为控制所述多个发射器34在一持续时间内发射电磁辐射，在该持续时间内产生触发信号。电路34可以被配置为在检测器32随后没有检测到电磁辐射的强度的变化的持续时间内产生触发信号。例如，检测器32最初检测到电磁辐射的强度增加到高值，因此电路36产生触发信号。只要检测器32继续检测到电磁辐射的强度处于高值，电路36就继续产生触发信号。一旦检测器32检测到电磁辐射的强度下降到高值以下(即强度改变)，电路36就停止产生触发信号。

替代地，电路36可以被配置为在预定的持续时间内产生触发信号。因此，持续时间可以不同于由电磁辐射源16发射的脉冲的持续时间。持续时间可以具体地比脉冲持续时间短，以便具有发射器24的更短的接通周期，这在电池供电的跟踪器12的情况下，尤其有利。

可选地，电路36可以具有初始开启模式，在初始开启模式下，发射器36发射电磁辐射，并且在检测器32第一次检测到电磁辐射时停用初始开启模式。在这种情况下，该方法可以进一步包括：在步骤108中，激活跟踪器12的初始开启模式。初始开启模式可以通过向跟踪器12提供电力来激活(例如，通过插入电池或通过将跟踪器12附接到提供电力的外科手术器械上，或通过操作跟踪器12的开关)。然后，该方法还包括：在步骤110中，在初始开启模式中，由电路36控制所述多个发射器34发射电磁辐射。在这种情况下，方法100进一步包括；在步骤112中，如果初始模式是激活的，则在检测器32检测到电磁辐射时停用初始开启模式。结果，即使当电路36未被电磁辐射触发时，发射器34最初也发射电磁辐射。一旦检测器32检测到第一初始电磁辐射脉冲，则发射器34的发射反而随后由(不存在或存在的)连续的电磁辐射脉冲触发。当处于初始开启模式时，具有这种电路36的跟踪器12可以被放置在相机14的视野中，其中相机14可以捕获由发射器34发射的电磁辐射。基于被捕获的图像数据，处理器20可以确定跟踪器12已经被放置在视野中并且指示控制器18开启通过电磁辐射源16发射脉冲。用户可以(例如，利用诸如键盘和鼠标的用户接合装置)向处理器20传达如本文所述的可触发的跟踪器12将被放置在视野中的信息。替代地，处理器20可以访问具有与可触发的跟踪器12相关联的标识符的数据库。处理器12然后可以被配置为基于标识符与被捕获的图像数据的比较来确定跟踪器12可以被触发。标识符可以是发射器34的几何布置和发射器34所发射的波长或光谱中的至少一者。一旦处理器20已经识别出可触发的跟踪器12，处理器20就可以指示控制器18开启通过电磁辐射源16发射脉冲。

如上所述，相机14限定曝光时序，并且电磁辐射源16发射与曝光时序在时间上重叠的脉冲并触发发射器34发射具有相同或具有预定持续时间的电磁辐射。为了更好地理解外科手术跟踪系统10的这些不同装置之间的时间上的关系，现在将参照图6A至图6F描述发射器34和电磁辐射源16的发射强度的时间进程。

图6A至图6F示出了曝光时序42、电磁辐射源16的电磁辐射44的强度和发射器34的电磁辐射46的强度的时间进程图。

曝光时序42被描绘为具有交替的白色块48和黑色块50的条带，其中白色块48代表曝光持续时间并且黑色块50代表非曝光持续时间。白色块48和黑色块50的组合形成帧。在给定时间段(例如一秒)内捕获的帧数称为帧速率。例如，相机14可以具有500Hz的帧速率，其中2ms的帧持续时间。帧持续时间可以涵盖300μs的曝光持续时间和1.7ms的非曝光时间。

电磁辐射源16的电磁辐射44的强度在低强度(或零强度)和高强度之间交替。虚线表示电磁辐射源16的电磁辐射44的强度和发射器34的电磁辐射46的强度的低强度或零强度。

图6A示出了时间进程图，其中跟踪器12的电路36仅在检测器32正在检测电磁辐射的持续时间内产生触发信号。更具体地，电路36被配置为仅在检测器32检测到电磁辐射的强度增加时产生触发信号，并在检测器32随后未检测到电磁辐射的强度的变化的持续时间内产生触发信号。上述参考图3A、图3B、图4A和图4B描述了这种电路36的示例。

电磁辐射44的脉冲与曝光时序同步发射，使得强度以与相机14的帧速率相同的周期交替。如图6A所示，电路36的切换时间可以忽略不计。

对于图6A中描绘的示例，脉冲持续时间长于曝光持续时间。替代地，脉冲持续时间可以短于曝光持续时间。例如，如果图像传感器24的灵敏度足够高和/或由发射器34发射的电磁辐射的强度足够高，则更短的脉冲持续时间是可能的。控制器18可以被配置为将脉冲持续时间控制(例如，调整)到由发射器34发射的电磁辐射的强度。控制器18可以被配置为根据与由发射器发射的电磁辐射的强度成反比的函数来调整脉冲持续时间。结果，可以降低跟踪器12的功耗。此外，图6A中的脉冲持续时间涵盖了每个完整的曝光持续时间。替代地，由于时间偏移和/或相对于曝光持续时间更短的脉冲持续时间，脉冲持续时间仅覆盖曝光持续时间的一部分。在曝光持续时间期间(并且部分地对于非曝光持续时间)，电磁辐射源16的电磁辐射44的强度与低强度或零强度相比更大。

当跟踪器12的检测器32检测到电磁辐射源16的电磁辐射44的脉冲时，跟踪器12的电路36在检测器32随后检测不到电磁辐射的强度的变化的持续时间(即电磁辐射源16的电磁辐射44的脉冲的持续时间)内产生触发信号。在图6A所描述的示例中，电路被配置为仅在检测器32正在检测电磁辐射的持续时间内产生触发信号。由于触发信号使电路36控制发射器34发射电磁辐射，发射器34在电磁辐射源16的脉冲持续时间内发射电磁辐射。

由电磁辐射源16发射的脉冲在时间上与相机14的曝光持续时间重叠。因此，在所述至少一个图像传感器24暴露于电磁辐射的时刻触发发射器14发射电磁。发射器34至少在非曝光持续时间的一部分内不发射电磁辐射。因此，跟踪器12通过电路36的简单设置而节能。

图6B示出了时间进程图，其中跟踪器12的电路36仅在检测器32正在检测电磁辐射的持续时间内产生触发信号。类似于图6A中所示的那样，电路36被配置为仅在检测器32检测到电磁辐射的强度的增加时并且在检测器32随后未检测到电磁辐射的强度的变化的持续时间内产生触发信号。图6B中描绘的示例与图6A中描绘的示例的本质不同在于：电磁辐射源16发射具有与曝光持续时间相同的持续时间和起始时间的电磁辐射脉冲。在图6B中，这由与电磁辐射源16的电磁辐射44的高强度的持续时间一致的白色块来示出。

结果，发射器34仅发射电磁辐射同时所述至少一个图像传感器24暴露于电磁辐射，以及发射器34不发射电磁辐射同时所述至少一个图像传感器24不暴露于电磁辐射。因此，对于跟踪器12的最小功率输出量，图像传感器24的曝光被最大化。

图6C示出了时间进程图，其中跟踪器12的电路36在预定持续时间内产生触发信号。上面参考图3C描述了这种电路36的示例。电磁辐射源16的脉冲的持续时间长于曝光持续时间。发射器34的发射的预定持续时间是为跟踪器设置的，与电磁辐射源16无关。预定持续时间可以与电磁辐射源16结合使用，电磁辐射源16发射脉冲，其持续时间转换为发射器34在一持续时间内发射，该发射的持续时间长于曝光持续时间并因此长于必要的持续时间。电路36被配置为在比电磁辐射的脉冲短同时仍然足够长以确保所述至少一个图像传感器24的充分曝光的预定持续时间内产生触发信号。因此，这样的电路36更高效节能。

电磁辐射源16经常与无源跟踪器结合使用，所述无源跟踪器将电磁辐射反射回相机14以便其可以被跟踪系统10跟踪。因此，必须发射电磁辐射脉冲，以便与相机14的曝光持续时间重叠，如图6A-6C所示(参见附图标记42和44)。在使用有源跟踪器(例如跟踪器12)的情况下，则不需要如图6A至图6C所示的重叠，并且可以发射电磁辐射的脉冲而不会与相机14的曝光持续时间有任何重叠，如图6D所示。

图6D示出了时间进程图，其中跟踪器12的电路36被配置为在检测器32检测到不存在电磁辐射时产生触发信号。图3D中描绘了这种电路36的示例。控制器18被配置为控制电磁辐射源16在非曝光持续时间期间发射脉冲并且在曝光持续时间期间不发射脉冲。由于电路36被配置为在检测器32检测到不存在电磁辐射时产生触发信号，所以当电磁辐射源16不发射电磁辐射16时，电路34控制发射器34发射电磁辐射。由电磁辐射源16发射的电磁辐射可能会在外科手术部位处的其他表面反射，这可能导致干扰噪声，该干扰噪声由所述至少一个图像传感器24捕获。由于电磁辐射源16在非曝光持续时间期间发射脉冲，所以降低了干扰噪声。因此，这种类型的触发信号的产生可以提高跟踪准确度。

在图6D中描绘的实施例中，电路36被配置为在检测到电磁辐射的强度减小到零时产生触发信号。替代地，电路36可以被配置为在检测到电磁辐射的强度降低到大于零的值时产生触发信号。电磁辐射的强度的降低的检测可以基于阈值标准。阈值标准可以包括低于辐射强度的较低强度阈值的降低。替代地，阈值标准可以包括辐射强度变化率的阈值。

图6E示出了时间进程图，其中跟踪器12的电路36被配置为仅在检测器32检测到电磁辐射减少时产生触发信号并在预定持续时间内产生触发信号。上面参考图3E描述了这种电路36的示例。由于触发信号的持续时间与电磁辐射的脉冲的持续时间无关，因此可以显著缩短脉冲持续时间(例如，以保护外科医生的眼睛，特别是如果电磁辐射的脉冲包括人眼无法察觉的红外光)。

图6F示出了时间进程图，其中跟踪器12的电路36被配置为在检测器检测到电磁辐射的强度的变化时产生触发信号，其中强度变化可以以增加的形式以及减少的形式发生。如在图6F中可以看到的，在这两种情况下，电路36都在预定持续时间内产生触发信号。替代地，电路36可以被配置为在检测到强度增加时产生第一触发信号并且在检测到强度降低时产生第二触发信号，其中电路被配置为在从第一触发信号到第二触发信号的持续时间内产生触发信号。

应当注意，图6E示出了一个示例，其中限定曝光时序的第一频率是限定发射脉冲的电磁辐射的频率的第二频率的两倍。因此，与曝光时序同步地发射电磁辐射脉冲不需要第一频率和第二频率之间的一致性。第一频率反而可以是第二频率的倍数(或反之亦然)。

图2A和2B中描绘的跟踪器12具有单个面，并且检测器32被分配给跟踪器12的所有发射器34。在相同的变型中，跟踪器12可以具有发射器34的多个子集以允许在发射器34和/或具有多个面的跟踪器12的不同的布置之间进行切换。

图7A示出了跟踪器12的第二实施例的侧视图。图7B示出了图7A中描绘的跟踪器12的透视图。图7A、7B中所示的跟踪器12具有三个面60A、60B和60C。替代地，跟踪器12可以具有不同数量的面，例如两个、四个、五个或更多个。面60A、60B、60C被布置成彼此成一角度。面60A、60B、60C可以以170°至10°范围内的角度(例如120°至90°)布置。

图7A和7B的跟踪器12包括发射器34A、34B、34C的三个子集，其中每个面60A、60B、60C支撑发射器34A、34、34C的子集之一。在图7A和7B中描绘的示例中，每个子集具有三个发射器，使得跟踪器12总共具有九个发射器34A、34B、34C。替代地，至少一个子集可以具有两个、四个、五个或更多个发射器34。

跟踪器12还包括三个检测器32A、32B、32C。面60A、60B、60C中的每一个都支撑发射器34A、34B、34C的一个子集和三个检测器32A、32B、32C之一，其中专用面60A、60B、60C的检测器32A、32B、32C与专用面60A、60B、60C的发射器34A、34B、34C相关联。例如，第一检测器32A和包括三个发射器34A的第一子集布置在第一面60A上，其中第一检测器32A与第一子集的发射器34A相关联。

结果，第一子集的发射器34A仅由第一检测器32A触发，第二子集的发射器34B仅由第二检测器32B触发，第三子集的发射器34C仅由第三检测器32C触发。本文所描述的任何触发机制(例如，参考图6A至6F)可以应用于检测器32A、32B、32C和相关联的发射器34A、34B、34C。对于每个面60A、60B、60C，触发机制可以相同或不同。具有多个面的跟踪器12从较大的角度范围是可见的，因此提高了跟踪器12的较大运动范围的跟踪准确度。由于背离电磁辐射源16的检测器32A、32B、32C未被触发(或者至少具有较低的被触发概率)，在跟踪器12和相机14之间不需要关于跟踪器12的定向的额外通信，并且降低了功耗。

如本文所描述的跟踪器12被配置为发射脉冲式电磁辐射，这降低了跟踪器12的功耗和重量(因为电源的尺寸可以被设计成具有较小的容量)。脉冲可以与相机的曝光时序同步，确保跟踪器12发出的脉冲可以被相机14捕获。在这方面，跟踪器12可以与相机14同步，而不需要额外的数据通信装置。本文所描述的电路36简单地由电磁辐射(或在没有电磁辐射的情况下)触发并且不需要数据通信。此外，单个检测器32可以用于触发多个或所有发射器34，从而产生更轻的跟踪器12。

跟踪器12尤其可以被配置为低成本和一次性物品。例如，跟踪器12可以包括只能激活一次的激活开关，以安全地防止进一步使用。

关于附图中所示的示例性实施例所描述的特征可以容易地组合以产生不同的实施例。因此，很明显，本公开可以以多种方式变化。这种变化不应被视为背离由所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims (20)

1.一种用于外科手术跟踪系统的跟踪器，所述跟踪器包括：

接合装置，所述接合装置被配置为将所述跟踪器附接到待跟踪的外科手术对象；以及

电路，所述电路包括：

检测器，所述检测器被配置为检测电磁辐射，其中，所述电路被配置为在所述检测器检测到电磁辐射的强度的变化时产生触发信号，以及

多个发射器，所述多个发射器被配置为发射电磁辐射，

其中，所述电路被配置为控制所述多个发射器以响应于所述触发信号而发射电磁辐射。

2.根据权利要求1所述的跟踪器，其中，

所述电路被配置为仅在所述检测器检测到所述电磁辐射的强度增加时产生所述触发信号。

3.根据权利要求1所述的跟踪器，其中，

所述电路被配置为仅在所述检测器检测到所述电磁辐射的强度降低时产生所述触发信号。

4.根据权利要求1所述的跟踪器，其中，

所述电路被配置为在所述检测器随后未检测到所述电磁辐射的强度的变化的持续时间内产生所述触发信号。

5.根据权利要求1所述的跟踪器，其中，

所述电路被配置为在预定的持续时间内产生所述触发信号。

6.根据权利要求1所述的跟踪器，其中，

所述检测器包括与发射器的至少一子集相关联的单个辐射敏感元件，其中，所述子集包括所述多个发射器中的多于一个的发射器。

7.根据权利要求1所述的跟踪器，其中，

所述跟踪器包括用于为所述电路供电的至少一个电池。

8.根据权利要求1所述的跟踪器，包括：

无线电力接收装置，所述无线电力接收装置被配置为无线地接收电力。

9.根据权利要求1所述的跟踪器，其中，

所述电路包括开关，所述开关被配置为响应于所述触发信号而控制通过所述发射器的电流。

10.根据权利要求1所述的跟踪器，其中，

下列项中的至少一项适用：

所述检测器被配置为检测红外光；以及

所述多个发射器被配置为发射红外光。

11.根据权利要求1所述的跟踪器，其中，

所述多个发射器中的每一个发射器都包括发光二极管(LED)，并且其中，所述电路被配置为将通过所述发光二极管中的每一个发光二极管的电流限制为低于10mA的电流。

12.一种外科手术跟踪系统，包括：

跟踪器，所述跟踪器包括：

接合装置，所述接合装置被配置为将所述跟踪器附接到待跟踪的外科手术对象；以及

电路，所述电路包括：

检测器，所述检测器被配置为检测电磁辐射，其中，所述电路被配置为在所述检测器检测到电磁辐射的强度的变化时产生触发信号，以及

多个发射器，所述多个发射器被配置为发射电磁辐射；

其中，所述电路被配置为控制所述多个发射器响应于所述触发信号而发射电磁辐射；

相机，所述相机具有至少一个图像传感器，所述至少一个图像传感器被配置为检测由所述外科手术跟踪系统的所述跟踪器发射的电磁辐射，并基于检测到的电磁辐射生成图像数据，所述相机具有限定曝光持续时间的曝光时序，其中所述相机的所述至少一个图像传感器在所述曝光持续时间内对电磁辐射敏感；

电磁辐射源；

控制器，所述控制器被配置为控制所述电磁辐射源以与所述曝光时序同步地发射电磁辐射脉冲；和

处理器，所述处理器被配置为基于所述图像数据确定所述跟踪器的位置数据。

13.根据权利要求12所述的外科手术跟踪系统，其中，

所述控制器被配置为将脉冲式电磁辐射的脉冲持续时间控制在所述相机的曝光时间的一半和两倍之间。

14.根据权利要求12所述的外科手术跟踪系统，其中，

所述控制器被配置为控制所述电磁辐射源以至少在所述曝光持续时间中的一部分曝光持续时间期间发射电磁辐射脉冲。

15.根据权利要求12所述的外科手术跟踪系统，其中，

所述控制器被配置为控制所述电磁辐射源以至少在所述曝光持续时间中的一部分曝光持续时间之间发射电磁辐射脉冲。

16.根据权利要求12所述的外科手术跟踪系统，其中，

所述曝光持续时间小于1ms。

17.根据权利要求12所述的外科手术跟踪系统，其中，

所述电磁辐射源被配置为用电磁辐射照射所述跟踪器在其中操作的整个手术部位。

18.根据权利要求12所述的外科手术跟踪系统，还包括：

输出装置，所述输出装置被配置为基于由所述处理器确定的所述跟踪器的所述位置数据输出导航指令。

19.一种用于操作附接到外科手术对象的跟踪器的方法，其中，所述跟踪器包括电路，所述电路包括检测器和多个发射器，所述多个发射器被配置为发射电磁辐射，所述方法包括：

在所述检测器检测到电磁辐射的强度的变化时，通过所述电路产生触发信号；以及

通过所述电路控制所述多个发射器响应于所述触发信号而发射电磁辐射。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括：

使用具有限定曝光持续时间的曝光时序的相机，检测由所述外科手术跟踪系统的所述跟踪器发射的电磁辐射，以及基于检测到的电磁辐射生成图像数据，所述相机的至少一个图像传感器在所述曝光持续时间内对电磁辐射敏感。

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