CN117396151A - 用于导航的多传感器误差校正 - Google Patents

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CN117396151A CN202280037056.7A CN202280037056A CN117396151A CN 117396151 A CN117396151 A CN 117396151A CN 202280037056 A CN202280037056 A CN 202280037056A CN 117396151 A CN117396151 A CN 117396151A
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V·斯奈德
B·雅各布森
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Abstract

一种根据本公开的实施方案的系统包括：电磁(EM)导航系统，该EM导航系统包括：EM场发生器，该EM场发生器生成一个或多个EM场；和至少一个EM传感器，该至少一个EM传感器附连到被跟踪对象，其中当该被跟踪对象在该一个或多个EM场内时，该EM导航系统确定该被跟踪对象的位姿；和独立传感器，该独立传感器定位在相对于该被跟踪对象的第一距离处，并且该独立传感器提供指示该被跟踪对象的位姿改变的读数，其中由该独立传感器提供的该读数对于确定如由该EM导航系统确定的该被跟踪对象的该位姿的准确度是有用的。

Description

用于导航的多传感器误差校正
技术领域
本发明技术姿态涉及引导手术，并且更具体地涉及电磁手术导航。
背景技术
电磁手术导航可使用电磁场和电磁传感器以便于在执行手术规程中对手术工具进行导航。电磁传感器可提供可被导航系统用于相对于患者解剖结构定位手术工具的数据。患者解剖结构可随时间推移而改变，特别是在将医疗植入物或跟踪装置放置在患者解剖结构中或上之后。金属在电磁场内的存在可能引起失真，这可能导致对场强或确定电磁场中装置位置的测量结果不准确。
发明内容
本公开的示例性方面包括：
一种根据本公开的至少一个实施方案的系统包括：电磁(EM)导航系统，该EM导航系统包括：EM场发生器，该EM场发生器生成一个或多个EM场；和至少一个EM传感器，该至少一个EM传感器附连到被跟踪对象，其中当该被跟踪对象在该一个或多个EM场内时，该EM导航系统确定该被跟踪对象的位姿；和独立传感器，该独立传感器定位在相对于该被跟踪对象的第一距离处，并且该独立传感器提供指示该被跟踪对象的位姿改变的读数，其中由该独立传感器提供的该读数对于确定如由该EM导航系统确定的该被跟踪对象的该位姿的准确度是有用的。
本文各方面中的任一方面，其中该独立传感器包括惯性传感器。
本文各方面中的任一方面，其中该惯性传感器包括微机电传感器(MEMS)。
本文各方面中的任一方面，其中该独立传感器包括加速计和陀螺仪中的至少一者。
本文各方面中的任一方面，其中该独立传感器附连到该至少一个EM传感器。
本文各方面中的任一方面，其中该独立传感器附连到该被跟踪对象，并且其中该独立传感器显著小于该被跟踪对象。
本文各方面中的任一方面，其中该至少一个EM传感器包括一个或多个独立感测线圈，并且其中该一个或多个独立感测线圈测量该一个或多个EM场的分量。
本文各方面中的任一方面，其中该由该EM导航系统确定该位姿包括基于由该独立传感器生成的信息，去除与该一个或多个独立感测线圈中的第一感测线圈相关联的数据。
本文各方面中的任一方面，其中该一个或多个独立感测线圈包括三个正交独立感测线圈。
本文各方面中的任一方面，其中该一个或多个独立感测线圈与处理器通信。
本文各方面中的任一方面，其中该一个或多个独立感测线圈包括三个独立感测线圈，并且其中与至少一个独立感测线圈相关联的测量结果被丢弃或者被该独立传感器的该读数取代。
本文各方面中的任一方面，其中该一个或多个独立感测线圈包括三个独立感测线圈，并且其中与该三个独立感测线圈中的每个独立感测线圈相关联的测量结果被丢弃或者被该独立传感器的该读数取代。
本文各方面中的任一方面，其中该一个或多个独立感测线圈包括一个感测线圈，其中该一个感测线圈的测量结果指示该一个或多个EM场的方向从第一方向至第二方向的改变，其中该独立传感器的该读数指示该被跟踪对象没有改变位置，并且其中该处理器在确定该被跟踪对象的该位姿时忽略该一个感测线圈的该测量结果。
本文各方面中的任一方面，其中该被跟踪对象是手术工具、解剖元素、手术机器人或机器人臂。
本文各方面中的任一方面，其中该至少一个EM传感器包括两个或更多个感测线圈，并且其中该两个或更多个感测线圈是共线的或非正交的中的至少一者。
一种根据本公开的至少一个实施方案的跟踪装置包括：至少一个电磁传感器，该至少一个电磁传感器定位在相对于第一对象的第一距离处并且测量电磁场；惯性传感器，该惯性传感器定位在相对于该至少一个电磁传感器的第二距离处，并且该惯性传感器检测该第一对象的位姿改变并生成与该位姿改变相关联的第一数据集；和处理器，该处理器与至少一个电磁传感器和该惯性传感器通信并且与电磁场发生器通信，其中该处理器基于由该至少一个电磁传感器提供的第二数据集来确定该第一对象在该磁场内的第一位姿。
本文各方面中的任一方面，其中该第一对象是刚性解剖对象，并且其中该至少一个电磁传感器和该惯性传感器被附接到该刚性解剖对象。
本文各方面中的任一方面，其中该处理器与生成一个或多个电磁场的电磁场发生器通信，并且其中该第二数据集包括与该一个或多个电磁场相关联的测量结果中的一个或多个测量结果。
本文各方面中的任一方面，其中该惯性传感器包括加速度计。
本文各方面中的任一方面，其中该加速度计测量重力矢量。
本文各方面中的任一方面，其中当该电磁场中存在一个或多个金属对象时，该处理器在确定该第一对象的该第一位姿时利用该第一数据集。
本文各方面中的任一方面，其中该处理器使用该第一数据集的一个或多个部分或者根据该第一数据集的该一个或多个部分而不是该第二数据集的一个或多个部分作出的一个或多个确定。
本文各方面中的任一方面，其中该第一对象是手术工具，并且其中该处理器被配置为基于第一数据集计算该手术工具的旋转误差和位置误差中的至少一者。
本文各方面中的任一方面，其中该惯性传感器具有一至六个自由度。
本文各方面中的任一方面，其中该第一对象是手术工具、解剖元素、手术机器人或机器人臂。
本文各方面中的任一方面，其中该第一对象是该解剖元素，并且其中该解剖元素是椎骨或肋骨。
一种根据本公开的至少一个实施方案的方法包括：使用电磁场发生器生成电磁场；将独立传感器和至少一个电磁传感器附连到被配置为在该电磁场中导航的手术工具；基于该至少一个电磁传感器确定该手术工具在该电磁场中的第一位姿；基于该独立传感器确定该手术工具在该电磁场中的该位姿的改变；以及基于该位姿的该改变确定该第一位姿的准确度。
本文各方面中的任一方面，其中该确定还包括：从该至少一个电磁传感器的一个或多个测量结果中识别与由该独立传感器确定的该位姿的该改变一致的一个或多个测量结果或一个或多个确定；以及使用该一个或多个测量结果来确定该第一位姿。
一种根据本公开的至少一个实施方案的方法包括：使用电磁场发生器来使电磁场生成；基于附接到手术工具的至少一个电磁传感器确定该手术工具在该电磁场中的第一位姿；基于定位在距该手术工具第一距离处的独立传感器来确定该手术工具在该电磁场中的该位姿的改变；以及基于该位姿的该改变确定该第一位姿的准确度。
本文各方面中的任一方面，该方法还包括：基于该第一位姿的该准确度，使用由该独立传感器生成的一个或多个测量结果来优化该第一位姿的估计。
本文各方面中的任一方面，其中该至少一个EM传感器包括磁通门磁力计、SQUID磁力计或感应线圈中的至少一者。
任何方面与任一个或多个其他方面组合。
本文所公开特征中的任一个或多个。
本文大体上公开特征中的任一个或多个。
本文大体上公开的特征中的任一个或多个与本文大体上公开的任一个或多个其他特征组合。
方面/特征/实施方案中的任一个与任一个或多个其他方面/特征/实施方案组合。
使用本文所公开的方面或特征中的任一个或多个。
应当了解，本文所述的任何特征可与如本文所述的任何其他特征组合来要求保护，而不管特征是否来自同一描述的实施方案。
本公开的一个或多个方面的细节在以下附图和说明书中示出。根据说明书和附图以及权利要求书，本公开中描述的技术的其他特征、目的和优点将显而易见。
短语“至少一个”、“一个或多个”以及“和/或”是在操作中具有连接性和分离性两者的开放式表述。例如，表述“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”、“A、B或C中的一个或多个”以及“A、B和/或C”中一者意指仅A、仅B、仅C、A和B一起、A和C一起、B和C一起，或A、B和C一起。当上述表述中的A、B和C中的每一者都指诸如X、Y和Z的一个元素或诸如X1-Xn、Y1-Ym和Z1-Zo的一类元素时，短语意图指选自X、Y和Z的单个元素、选自同一类的元素(例如，X1和X2)的组合以及选自两类或更多类的元素(例如，Y1和Zo)的组合。
术语“一”实体是指一个或多个该实体。因此，术语“一”、“一个或多个”和“至少一个”在本文中可以可互换地使用。还应当注意，术语“包括”、“包含”和“具有”可以可互换地使用。
前述内容是本公开的简化概述以提供对本公开的一些方面的理解。本发明内容既不是对本公开及其各个方面、实施方案和配置的广泛性概述也不是详尽性概述。其既不意图确定本公开的关键或重要元素，也不意图划定本公开的范围，而是以简化形式呈现本公开的选定概念，作为对下文呈现的更详细描述的介绍。如应当理解的，本公开的其他方面、实施方案和配置可能单独或组合地利用上文所阐述或下文所详细描述的特征中的一个或多个特征。
在考虑下文提供的实施方案描述之后，本发明的许多额外特征和优点对于本领域技术人员将变得显而易见。
附图说明
附图并入并形成本说明书的一部分以示出本公开的几个示例。这些附图连同描述一起解释本公开的原理。附图仅示出如何实施和使用本公开的优选和替代示例，并且这些示例不应解释为仅将本公开限制于所示出和所描述的示例。另外的特征和优点将根据以下对本公开的各个方面、实施方案和配置的更详细的描述变得显而易见，如通过以下参考的附图所示出。
图1是根据本公开的至少一个实施方案的系统的框图；
图2A是根据本公开的至少一个实施方案的系统的部件的框图；
图2B是根据本公开的至少一个实施方案的系统的部件的框图；
图2C是根据本公开的至少一个实施方案的系统的部件的框图；
图3是根据本公开的至少一个实施方案的确定第一位姿的准确度的方法的流程图；并且
图4是根据本公开的至少一个实施方案的方法的流程图。
具体实施方式
应当理解，本文所公开的各个方面可以与说明书和附图中具体呈现的组合不同的组合进行组合。还应当理解，取决于示例或实施方案，本文所述的任何过程或方法的某些动作或事件可以不同的顺序执行，和/或可添加、合并或完全省略(例如，根据本公开的不同实施方案，实行所公开技术可能不需要所有描述的动作或事件)。此外，虽然为了清楚起见，本公开的某些方面被描述为由单个模块或单元执行，但应当理解，本公开的技术可由与例如计算装置和/或医疗装置相关联的单元或模块的组合执行。
在一个或多个示例中，所描述的方法、过程和技术可在硬件、软件、固件或它们的任何组合中实施。如果在软件中实施，则功能可作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上并且由基于硬件的处理单元执行。计算机可读介质可包括非暂时性计算机可读介质，其对应于有形介质，诸如数据存储介质(例如，RAM、ROM、EEPROM、闪存存储器，或可用于存储指令或数据结构形式的期望程序代码并且可由计算机访问的任何其他介质)。
指令可由一个或多个处理器执行，诸如一个或多个数字信号处理器(DSP)、通用微处理器(例如，Intel Core i3、i5、i7或i9处理器；Intel Celeron处理器；Intel Xeon处理器；Intel Pentium处理器；AMD Ryzen处理器；AMD Athlon处理器；AMD Phenom处理器；Apple A10或10X Fusion处理器；Apple A11、A12、A12X、A12Z或A13 Bionic处理器；或任何其他通用微处理器)、图形处理单元(例如，Nvidia GeForce RTX 2000系列处理器、NvidiaGeForce RTX 3000系列处理器、AMD Radeon RX 5000系列处理器、AMD Radeon RX 6000系列处理器或任何其他图形处理单元)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)或其他等效的集成或离散逻辑电路系统。因此，如本文所用的术语“处理器”可指前述结构或适合于实施所描述的技术的任何其他物理结构中的任一种。另外，本技术可在一个或多个电路或逻辑元件中完全实现。
在详细地解释本公开的任何实施方案之前，应当理解，本公开在其应用方面不限于以下描述中阐述或附图中示出的构造细节和部件布置。本公开能够具有其他实施方案并且能够以各种方式实践或实行。另外，应当理解，本文所用的措词和术语是出于描述的目的，而不应被视为是限制性的。本文中使用“包括”、或“具有”及其变化形式意在涵盖其后列出的项目及其等效物，以及额外项目。此外，本公开可使用示例来示出其一个或多个方面。除非另有明确说明，否则使用或列出一个或多个示例(其可由“例如”、“借助于示例”、“诸如”或类似语言指示)不意图且并不限制本公开的范围。
术语“近侧”和“远侧”在本公开中以其常规医学含义使用，近侧更靠近系统的操作者或使用者并且更远离患者中或患者上的手术感兴趣区域，而远侧更靠近患者中或患者上的手术感兴趣区域并且更远离系统的操作者或使用者。
电磁导航系统(例如，AxiEMTM电磁技术)在存在金属的情况下可能具有失败的效用。导航场中的金属可能导致失真，这可能导致所计算的位置和取向的误差。具体地，取向误差可能促成导航误差。根据本公开的至少一个实施方案，提出了一种系统，该系统可使用惯性传感器(例如，使用微机电系统(MEMS)传感器、多个MEMS传感器或非MEMS传感器来测量位置和/或取向的惯性改变的传感器)作为冗余误差校正装置来校正取向和/或位置的误差。MEMS传感器的使用可由导航系统用于在存在金属的情况下继续准确导航，如本文所讨论的。应注意的是，虽然本文中所讨论的一些实施方案参考MEMS传感器的使用，但应理解，可实施另外或替代传感器(例如，非MEMS传感器)。能够确定或测量位姿或位姿部件的任何已知或未来传感器可与本公开的实施方案一起实施。
金属失真可能在耳鼻喉(ENT)和颅手术或手术规程中提出挑战。本公开的实施方案有益地使规程流水线化，减少手术室时间和成本，并且通过在存在金属的情况下改善导航准确度来改善用于半自主和全自主手术的导航技术。另外，由于需要使用含有金属的仪器来完成手术或手术任务，金属失真的存在可限制或阻止电磁(EM)导航在机器人和非机器人手术和/或规程(诸如脊柱手术)中的使用。根据本公开的至少一个实施方案，使用多种传感器技术来检测和校正在一个或多个传感器类型中发生的误差有益地提高了准确度并且允许继续导航而不需要停止手术或手术任务来解决该误差。
本公开的实施方案提供针对以下问题中的一个或多个问题的技术解决方案：(1)由大于一个或多个传感器的可用或功能范围的距离引起的位姿误差，和/或(2)在手术或手术规程期间由EM场中的金属的存在引起的位姿误差。
首先转向图1和图2，示出了根据本公开的至少一个实施方案的系统100的各方面。系统100可用于促进在电磁场中的手术导航；确定一个或多个被跟踪对象(例如，电磁场内的手术工具、解剖元素、机器人臂和/或末端执行器等)的位姿和位姿准确度；基于传感器测量结果来测量一个或多个手术工具在电磁场中的位姿改变；和/或执行本文中所公开的方法中的一种或多种的一个或多个其他方面。系统100包括计算装置102、EM场发生器112、机器人114、导航系统118、数据库130和/或云或其他网络134。根据本公开的其他实施方案的系统可包括比系统100更多或更少的部件。例如，系统100可以不包括机器人114、计算装置102的一个或多个部件、数据库130和/或云134。
计算装置102包括处理器104、存储器106、通信接口108和用户界面110。根据本公开的其他实施方案的计算装置可包括比计算装置102更多或更少的部件。
计算装置102的处理器104可为本文所述的任何处理器或任何类似的处理器。处理器104可被配置为执行存储在存储器106中的指令，该指令可使处理器104利用或基于从机器人114、导航系统118、数据库130和/或云134所接收的数据来执行一个或多个计算步骤。
存储器106可为或包括RAM、DRAM、SDRAM、闪存、其他固态存储器、本文所述的任何存储器或用于存储计算机可读数据和/或指令的任何其他有形的非暂时性存储器。存储器106可存储可用于完成例如本文所述的方法300和/或400或任何其他方法的任何步骤的信息或数据。存储器106可存储例如一个或多个位姿算法120、一个或多个比较算法122和/或一个或多个验证算法124。在一些实施方案中，此类指令或算法可被组织成一个或多个应用、模块、包、层或引擎。算法和/或指令可以使处理器104操纵存储在存储器106中的和/或从或通过机器人114、数据库130和/或云134接收的数据。可替代地或另外，由本文描绘和描述的存储器106的各种部件提供的功能可由神经网络、人工神经网络、或其他类型的机器学习模型来提供。因此，虽然将存储器106的各种部件描绘为指令，但应理解，这些部件中的一些或全部部件可以作为人工神经网络来提供，并且可以提供与本文所述的指令类似的功能。
计算装置102也可包括通信接口108。通信接口108可用于从外部源(诸如机器人114、导航系统118、数据库130、云134和/或并非系统100的一部分的任何其他系统或部件)接收图像数据或其他信息，和/或用于将指令、图像或其他信息传输到外部系统或装置(例如，另一计算装置102、机器人114、导航系统118、数据库130、云134和/或并非系统100的一部分的任何其他系统或部件)。通信接口108可以包括一个或多个有线接口(例如，USB端口、以太网端口、火线端口)和/或一个或多个无线收发器或接口(被配置为例如经由诸如802.11a/b/g/n、蓝牙、NFC、ZigBee等一个或多个无线通信协议发射和/或接收信息)。在一些实施方案中，通信接口108可用于使得装置102能够与一个或多个其他处理器104或计算装置102通信，无论是减少完成计算密集型任务所需的时间还是出于任何其他原因。
计算装置102也可包括一个或多个用户界面110。用户界面110可以是或包括键盘、鼠标、轨迹球、监测器、电视、屏幕、触摸屏和/或用于从用户接收信息和/或用于向用户提供信息的任何其他装置。用户界面110可用于例如接收关于本文所描述的任何方法的任何步骤的用户选择或其他用户输入。尽管如此，本文所描述的任何方法的任何步骤的任何所需输入可由系统100(例如，由处理器104或系统100的另一部件)自动生成或由系统100从系统100外部的源接收。在一些实施方案中，用户界面110可用于允许外科医生或其他用户根据本公开的一个或多个实施方案修改待由处理器104执行的指令，和/或修改或调整显示在用户界面110上或与其相对应的其他信息的设置。
尽管用户界面110被示出为计算装置102的一部分，但在一些实施方案中，计算装置102可利用与计算装置102的一个或多个剩余部件分开容纳的用户界面110。在一些实施方案中，用户界面110可以位于计算装置102的一个或多个其他部件附近，而在其他实施方案中，用户界面110可以位于远离计算机装置102的一个或多个其他部件之处。
机器人114可以是任何手术机器人或手术机器人系统。机器人114可以是或包括例如Mazor XTM隐形版机器人引导系统。机器人114可以被配置为将手术工具定位在一个或多个精确位置和取向，和/或将手术工具返回到稍后时间点的同一位置和取向。机器人114可以另外地或可替代地被配置为操纵手术工具(无论是否基于来自导航系统118的引导)以完成或辅助手术任务。在一些实施方案中，机器人114可以被配置成在手术规程期间或结合手术规程而保持和/或操控解剖元素。机器人114可包括一个或多个机器人臂116。在一些实施方案中，机器人臂116可以包括第一机器人臂和第二机器人臂，但机器人114可以包括多于两个机器人臂。在一些实施方案中，机器人臂116中的一个或多个机器人臂可以用于固持和/或操纵手术工具。每个机器人臂116可以独立于其他机器人臂定位。可以在单个共享坐标空间中或在单独坐标空间中控制机器人臂。
机器人114连同机器人臂116可以具有例如一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个或更多个自由度。进一步地，机器人臂116可以以任何位姿、平面和/或焦点定位或可定位。该位姿包含位置和取向。因此，由机器人114(或更具体地，由机器人臂116)固持的手术工具或其他对象可以是能够被精确地定位在一个或多个所需位置和特定位置和取向。
机器人臂116可以包括一个或多个传感器，其使得处理器104(或机器人114的处理器)能够确定机器人臂(以及由机器人臂保持或固定到机器人臂的任何对象或元件)在空间中的精确位姿。
导航系统118可以在手术期间为外科医生和/或手术机器人提供导航，并且可以包括电磁(EM)场发生器112和EM传感器113。导航系统118可以是任何已知的或未来开发的导航系统，包括例如美敦力公司(Medtronic)StealthStationTMS8手术导航系统或其任何后续产品。导航系统118可以包含一个或多个相机或其他传感器，用于跟踪手术室或系统100的部分或全部所在的其他房间内的一个或多个参考标记、导航跟踪器或其他对象。一个或多个相机可以是光学相机、红外相机或其他相机。在各种实施方案中，导航系统118可以用于相对于例如解剖元素(例如，椎骨)跟踪机器人114和/或机器人臂116和/或一个或多个手术工具的位置和取向(即，位姿)(或更具体地，用于跟踪直接或间接以固定关系附接到前述中的一个或多个的导航跟踪器和/或传感器的位姿)。在一些实施方案中，导航系统118可以结合所生成的EM场115使用一个或多个传感器(例如，独立传感器136、EM传感器113、它们的组合和/或类似物)来另外地或可替代地跟踪一个或多个解剖元素或其他刚性解剖结构(例如，椎骨、肋骨、胸骨、股骨、髌骨等)。导航系统118可包括显示器，该显示器用于显示来自外部源(例如，计算装置102或其他源)的一个或多个图像或用于显示来自一个或多个相机或导航系统118的其他传感器的图像和/或视频流。在一些实施方案中，系统100可以在不使用导航系统118的情况下操作。导航系统118可被配置成向外科医生或系统100的其他用户或其部件、向机器人114或系统100的任何其他元件提供关于例如一个或多个解剖元素的位姿、工具是否处于恰当轨迹中和/或如何根据手术前或其他手术规划将工具移动到恰当轨迹中以实行手术任务的引导。
EM场发生器112被配置为生成一个或多个EM场115。系统100和/或其一个或多个部件(例如，计算装置102)使用由EM场发生器112生成的EM场115来确定系统100的一个或多个部件在EM场115内的位姿(例如，在手术或手术规程的过程期间导航通过EM场115的手术工具的位姿、附接到机器人114和/或机器人臂116的传感器装置的位姿等)。在一些实施方案中，EM场115可以是局部的。例如，EM场115可以在患者跟前、周围和/或附近局部地生成，使得金属在EM场115的范围之外(例如，在手术室之外)的移动不会可测量地影响EM场115的生成或可测量性(或反之亦然)。在一些实施方案中，EM场发生器112可以被定位在患者附近(例如，在手术台上的患者下方)和/或可以被取向成使得所产生的EM场115可以被用来辅助系统100的一个或多个部件(例如，连接到机器人114或机器人臂116的手术工具)的导航。例如，导航系统118可以结合该一个或多个EM传感器113使用EM场115来确定EM场115内的手术工具、机器人臂、解剖元素或对象、它们的组合和/或类似物的位姿。
该一个或多个EM传感器113被配置为测量EM场(例如，由EM场发生器112生成的EM场115)和/或其改变。例如，EM传感器113可以包括一个或多个金属线圈(例如，正交对准的三个独立金属线圈)，该一个或多个金属线圈被配置为测量EM场115的分量并且将测量结果作为电子信号输出(例如，输出到计算装置102)。以这种方式，EM传感器113可以被认为是将感测到的EM场(诸如EM场115)转换为电信号或输出的换能器。EM传感器113可以生成包括与EM场115相关的测量结果和/或EM场115中的改变的一个或多个数据集。该一个或多个数据集可以被处理(例如，通过诸如位姿算法120等算法)以确定系统100的一个或多个部件(例如，机器人114、机器人臂116和/或附接到其上的手术工具、解剖元素或对象等)在EM场115内的位姿。
在一些实施方案中，当如由EM传感器113测量的EM场115改变时(例如，由于金属或其他对象在EM场113中的存在和/或移动)，该改变可以产生跨EM传感器115的金属线圈的电压。所生成的电压可以被测量并且被中继到系统100的一个或多个部件(例如，计算装置102、数据库130等)以确定EM场115在各种位置处的相对强度和取向和/或确定系统100的一个或多个部件(例如，手术工具)在EM场115内的位姿改变。另外或可替代地，不同的参数可以被捕获和/或测量(例如，电压、电流、电阻、电感、电容、它们的组合和类似物)并且被中继到系统100(和/或其一个或多个部件，诸如计算装置102)以确定EM场115和/或EM场115内的其他对象(例如，含有导电材料的元件，诸如手术工具、解剖元素、或EM传感器113所附接的对象等)的强度、方向、取向和/或改变。
在一些实施方案中，EM传感器113可以被配置为在多个方向上测量EM场115，或者可以使用多个单向传感器测量EM场115。当EM传感器113相对于EM场115改变时(例如，当EM传感器113在手术工具或解剖元素上的EM场115移动通过时)，EM传感器113可以例如测量EM场115的每个矢量分量(例如，在X轴方向、Y轴方向、Z轴方向等)。
在一些实施方案中，当EM传感器113处于比EM传感器113的可用或功能范围更大的距离处时，以及/或者当EM传感器113不能适当地测量EM场115(可能是由于EM场发生器112无法在该距离处生成足够强的场)时，EM传感器113和/或独立传感器136可以生成由系统100用来确定或校正与被跟踪对象(例如，手术工具、解剖元素等)相关联的位姿的测量结果。例如，EM传感器113可以处于定位在EM传感器113的有效范围的边界上的被跟踪对象上，使得EM传感器113提供EM场115的不准确测量结果。另外或可替代地，EM场115可能被噪声(例如，EM场115的幅度和/或频率的失真或波动)破坏，这可能随后加剧或放大由EM传感器113进行的测量的不准确度，和/或可能对于EM传感器113而言太弱以至于不能在被跟踪对象的位置处准确地检测EM场115。
在此类实施方案中，独立传感器136可以被用来作为由EM传感器113生成的测量结果的补充或替代，以确定被跟踪对象的准确位姿。
继续参考图2A-图2C，示出了根据本公开的至少一个实施方案的系统100的部件的框图。这些部件包括EM场发生器112、EM传感器113、独立传感器136和被跟踪对象208。尽管有前述内容，根据本公开的其他实施方案的系统可省略如图2A-图2C所展示的系统100的一个或多个方面，诸如独立传感器136。另外，根据本公开的其他实施方案的系统可不同地布置系统100的一个或多个部件(例如，EM场发生器112、EM传感器113和/或独立传感器136可以包括计算装置102的一个或多个部件，和/或反之亦然)，以及/或者可包括图2A-图2C中未描绘的另外部件。
独立传感器136被配置为测量位置或旋转中的一个或多个移动，并且产生与其相关联的数据。例如，独立传感器136可以是或包括惯性传感器(例如，加速计、陀螺仪、微机电传感器(MEMS)、它们的组合等)，该惯性传感器通过跟踪例如一个或多个矢量诸如加速度和/或力矢量(例如，重力矢量)来测量传感器的加速度、旋转或其他移动。独立传感器136将测量结果输出到系统100和/或其一个或多个部件(例如，计算装置102)，这可用于确定独立传感器136和/或附接到其的部件(例如，手术工具、机器人114和/或机器人臂116、它们的组合和/或类似物)的位姿。
在一些实施方案中，独立传感器136可定位在相对于手术工具的第一距离处。例如，独立传感器136可以附接到固持手术工具的机器人臂116。机器人臂116上的独立传感器136可测量机器人臂116的相对运动，并且将运动测量结果提供给计算装置102或处理器104，该计算装置或处理器可使用一种或多种算法中的测量结果来确定手术工具的位姿。在一些实施方案中，独立传感器136可以定位在手术工具上(即，独立传感器136与手术工具之间的第一距离是固定的，并且可以接近零或完全为零)。
在至少一个实施方案中，独立传感器136附接到EM传感器113，或反之亦然。在此实施方案中，EM传感器113(或独立传感器136)可以附接到手术工具(例如，由机器人臂116固持的工具)或解剖元素(例如，椎骨或其一部分)，使得由独立传感器136检测解剖元素的任何移动。在一个示例中，独立传感器136可以附接到EM传感器113，并且该对传感器附接到椎骨，以便在其上执行手术或手术规程(例如，钻孔规程)。系统100可基于独立传感器136和/或EM传感器113的测量结果来检测手术或手术规程期间椎骨的任何移动。例如，手术工具可以处于如由系统100确定的第一位姿。在手术或手术规程的过程期间，手术工具可能移动，导致椎骨也移动。独立传感器136和/或EM传感器113然后可以输出指示手术工具已经从第一位姿移动的数据集。然后可以使用数据集来确定手术工具的新位姿、椎骨的新位姿或它们的组合。在一些实施方案中，诸如当金属被引入到EM场时，手术工具或解剖元素可以保持静止(即，不移动)，并且独立传感器136可以提供与金属进入EM场之前类似或相同的测量结果(例如，独立传感器136在金属已经被引入到EM场之前和之后测量第一方向上的重力)，但是EM传感器113可以基于金属引入到EM场中来测量手术工具或解剖元素的不同位姿(例如，EM传感器113初始测量第一取向，但是现在说取向已经改变，而手术工具或解剖元素实际上没有移动)。在此类实施方案中，系统100和/或其一个或多个部件(例如，计算装置102)可以能够将EM传感器113测量结果识别为不准确的和/或省略EM传感器113测量结果的使用。
在一些实施方案中，诸如图2B中描绘的实施方案，EM场发生器112(而不是EM传感器113和/或独立传感器136)可以附接到被跟踪对象208。在此类实施方案中，EM传感器113和/或独立传感器136可以被放置在被跟踪对象208的外部。虽然EM传感器113可以测量EM场115中的改变，但是独立传感器136可以附接到EM传感器113并且可以测量EM传感器113中的惯性改变。另外或可替代地，EM场发生器112、EM传感器113和独立传感器136的组合可以附接到被跟踪对象208。例如，如图2C中所描绘的，EM场发生器112和独立传感器136可以附接到被跟踪对象208并且EM传感器113可以被定位在被跟踪对象208的外部。
还可以提供单个传感器装置，该传感器装置提供EM传感器113和独立传感器136的功能。例如，单个传感器装置可以被配置为除了跟踪传感器所附接的对象的运动或位置(绝对或相对)之外还测量EM场(例如，EM场115)。可替代地，设想传感器系统，该传感器系统可以包括在公共封装中的EM传感器113和一个或多个独立传感器136(例如，附接到公共衬底或包含在公共外壳内)。
在一些实施方案中，独立传感器136和/或EM传感器113可以显著小于手术工具(和/或系统100的其他部件)。除非另外指明，否则如本文所用的“显著小于”意指独立传感器136和/或EM传感器113到系统100的部件(例如，手术工具)的附接不改变其形状因子(即，总体形状)。总体形状可以是由系统100的部件产生的轮廓或曲率。可替代地，当如此指定时，“显著小于”意指由独立传感器136和/或EM传感器113占据的体积小于由系统100的部件占据的体积(例如，小于0.1％、0.2％、1％、2％、5％等)。为了避免疑义，在本公开的范围内，“显著小于”的前述定义中的每个定义可与本文所述的任何实施方案结合使用。
系统100或类似系统可用于例如执行本文所述的方法300和/或400中的任何方法的一个或多个方面。系统100或类似系统还可用于其他目的。
图3描绘了方法300，该方法可用于例如使用例如从EM传感器和独立传感器接收的数据来验证手术工具或解剖元素在电磁场中的位姿的准确度。
方法300(和/或其一个或多个步骤)可例如由至少一个处理器执行或以其他方式进行。至少一个处理器可与上文所述的计算装置102的处理器104相同或相似。至少一个处理器可以为机器人(诸如机器人114)的一部分或导航系统(诸如导航系统118)的一部分。除了本文所述的任何处理器之外的处理器也可用于执行方法300。该至少一个处理器可通过执行存储在诸如存储器106等存储器中的指令执行方法300。这些指令可对应于下文所述的方法300的一个或多个步骤。这些指令可使处理器执行一种或多种算法，诸如位姿算法120、比较算法122和/或验证算法124。
方法300包括使EM场生成(步骤304)。EM场(例如，EM场115)可以例如由EM场发生器(例如，EM场发生器112)或由上述处理器(例如，处理器104)生成，该处理器可以向EM场发生器112提供激活信号。在一些实施方案中，EM场可以在手术或手术规程的过程期间恒定地或周期性地产生。如先前所述，EM场可局限于患者周围的位置或空间体积，使得EM场对患者附近的导电材料或金属移动更敏感，而对远离患者(例如，在手术室外部)的金属或金属移动较不敏感。
方法300还包括确定被跟踪对象在EM场中的第一位姿(步骤308)。被跟踪对象可以是例如手术工具、解剖元素(例如，椎骨、肋骨等)、机器人末端执行器或机器人或机器人臂的另一部件。可基于由传感器(诸如独立传感器136)和/或EM传感器(诸如EM传感器113)生成的数据集来确定第一位姿。例如，EM传感器可以附连到被跟踪对象l，该被跟踪对象可以被定位在步骤304中生成的EM场内。EM传感器然后可以测量EM场(例如，使用三个或更多个独立感测线圈)和/或其改变，并且生成反映EM场的测量结果的一个或多个数据集。在一些实施方案中，EM传感器可以是或包括一个或多个磁力计，诸如围绕一个或多个铁芯(例如，磁通门)或超导量子干涉装置(SQUID)磁力计缠绕的导线，和/或可以另外或可替代地包括一个或多个感应线圈。然后可以基于由EM传感器生成的读数来确定被跟踪对象的位姿。在一些实施方案中，被跟踪对象可以被定位、移动或取向，使得被跟踪对象影响EM传感器处的EM场测量结果，这进而影响从EM传感器输出的数据集。例如，EM传感器可以附接到被跟踪对象，并且被跟踪对象可以含有金属(例如，具有金属部分的手术工具)，使得由EM传感器生成的测量结果可能失真。在另一示例中，被跟踪对象可被定位成使得EM传感器测量结果受被跟踪对象的位姿影响(例如，被跟踪对象阻止EM传感器读取EM场的一个或多个分量)。
由EM传感器生成的该一个或多个数据集被传递给位姿算法(例如，位姿算法120)以基于该一个或多个数据集确定被跟踪对象的位姿。位姿算法采用该一个或多个数据集以及另外的EM场数据(例如，如由EM发生器确定的EM场的初始强度和取向)作为输入，并且可以输出被跟踪对象的所确定的位姿。所确定的位姿信息可被存储(例如，在数据库130中)，和/或可被发送到系统(例如，系统100)的一个或多个部件，诸如计算装置102。
方法300还包括确定被跟踪对象在EM场中的位姿的改变(步骤312)。位姿的改变可以由被跟踪对象的移动和/或由手术或手术规程期间一个或多个解剖元素或对象(例如，椎骨)的移动引起。例如，被跟踪对象可以是被促使从EM场中的第一位置移动到第二位置的手术工具，诸如当手术工具正被移动到适当位置以钻入椎骨中时。因此，手术工具的位姿的改变可能影响EM传感器对EM场的测量结果。在一些实施方案中，在手术工具已经移动到第二位置之后，EM传感器可以返回EM场的不同测量结果。新的测量结果可以反映在由EM传感器生成的数据集中，并且数据集可以连同包括原始EM场测量结果的先前数据集一起被输入到比较算法(例如，比较算法122)中。比较算法可以将新的数据集与先前的数据集(例如，当手术工具处于第一位置时与EM场测量结果相关的数据集)进行比较，以确定EM场的改变。然后，比较算法可输出手术工具的位姿已改变的确认，该确认可被发送到系统的一个或多个部件(例如，计算装置102、数据库130等)。在系统已经确认被跟踪对象的位姿已经改变之后，系统可以使用由EM传感器生成的新EM场测量结果来计算被跟踪对象在EM场中的新位姿，这可以使用与步骤308类似或相同的方法。
在一些实施方案中，位姿的改变可以基于阈值。阈值可指示新的数据集与先前的数据集之间的类似程度(并且通过扩展，相应位姿的类似程度)。例如，当由比较算法评估时，由被跟踪对象在第一方向上的移动引起的改变可以反映在新的数据集的一个或多个部分中的差异中(例如，新的数据集的部分可以含有与第一方向相关联的EM场数据，该EM场数据在值、符号、元数据等方面不同于与先前的数据集中的第一方向相关联的数据)。如果数据集之间的差异高于(或者在一些情况下低于)阈值，则比较算法可以指示被跟踪对象的位姿已经改变。在一些实施方案中，阈值可以由系统、其部件和/或外科医生预先确定。在一些实施方案中，阈值可以指示差异程度是统计学上显著的，或以其他方式对于手术或手术规程是显著的。在此类实施方案中，例如，下降到阈值以下可以指示来自EM传感器的读数足够类似以将被跟踪对象的第二位置视为与第一位置相同，这可以指示位姿的改变不显著到足以影响手术或手术规程。
方法300还包括确定第一位姿的准确度(步骤316)。验证可以包括被跟踪对象(或系统的其他部件)含有金属的情况，并且当被跟踪对象移动时，即使当被跟踪对象不移动时，金属也可以破坏或以其他方式改变由EM传感器生成的测量结果。在此类实施方案中，系统可使用由独立传感器(例如，由独立传感器136)生成的测量结果来验证被跟踪对象的新位姿的准确度。例如，传感器可以定位靠近EM传感器或定位在EM传感器上，并且可以生成与系统的一个或多个部件(例如，手术工具)的惯性读数或移动(例如，位置改变和/或旋转改变)相关的测量结果。系统可以接收来自独立传感器的测量结果，并且基于独立传感器是否测量到与来自EM传感器的测量结果的改变一致的惯性移动来确定位姿的改变是否已经发生。
例如，被跟踪对象可以是包括金属的手术工具，该金属使EM场(或其测量结果)失真，导致EM传感器的测量结果不正确地反映位姿的改变(例如，EM传感器的一个或多个测量结果将EM场示出为比由EM场发生器生成的EM场更大、更小、在不同方向上和/或具有不同相位)，这在系统使用EM传感器测量结果来确定新位姿时可能导致不正确的位姿确定。手术工具可以被跟踪(例如，系统利用由EM传感器生成的测量结果来确定手术工具的位姿)或不被跟踪(例如，EM传感器测量结果不用于确定手术工具的位姿)。在另一示例中，被跟踪对象(例如，手术工具和/或解剖元素)和EM传感器在EM场中可以是静止的，并且含有金属的另一不被跟踪对象(例如，另一手术工具、机器人臂等)进入EM场。不被跟踪对象的金属可能导致EM传感器的测量结果失真，导致在跟踪被跟踪对象的位姿时的系统误差。
系统可通过将所确定的位姿与基于独立传感器计算的位姿进行比较来验证EM测量结果的准确度。例如，系统可以使用验证算法(例如，验证算法124)来使用由独立传感器提供的测量结果确定手术工具的位姿。在至少一个实施方案中，验证算法可接收来自独立传感器的测量结果并且基于手术仪器的初始位姿和来自独立传感器的测量结果确定位姿(例如，通过计算如由独立传感器测量的手术工具的位姿的改变)。然后验证算法可基于由EM传感器提供的测量结果将独立传感器位姿与所确定的位姿进行比较，并且确定这两个位姿是否匹配(或在足够可接受的差异程度内)。在一些实施方案中，当这两个位姿匹配(或基于例如阈值在位姿上足够接近)时，验证算法可向系统指示(例如，通过电子消息)新位姿是准确的。在一些实施方案中，系统和/或其一个或多个部件(例如，手术工具)可被通知(例如，由处理器控制)在继续手术或手术规程之前等待接收新位姿准确的指示。手术工具可能被锁定、闲置或可能以其他方式未能操作，直到接收到指示。在另一示例中，图像引导(例如，基于图像或图像馈送以操纵机器人臂的导航系统)可被禁用，直到接收到指示。
方法300还包括当准确度不够时，优化被跟踪对象的位置估计(步骤320)。新位姿的位姿估计可基于由传感器、EM传感器、它们的组合和/或类似物生成的测量结果。例如，在一些实施方案中，系统可确定第一位姿不准确(例如，准确度降到阈值以下，准确度不足以继续手术或手术规程等)，并且可基于可用数据(例如，由系统中的一个或多个传感器生成的历史测量结果和/或当前测量结果)估计新位姿。
在至少一个实施方案中，处理器可排除或省略使用在估计新位姿时被系统视为不准确的某些数据集。例如，独立传感器可以提供在第一方向上的重力矢量测量结果，该重力矢量测量结果在被跟踪对象改变位姿时不改变，而EM传感器可以提供指示位姿改变的第一测量结果和指示位姿未改变的第二测量结果。在此示例中，处理器可在位姿估计中排除第二测量结果，因为第二测量结果未准确地反映被跟踪对象的位姿改变。
在一些实施方案中，处理器可使用位姿算法(例如，位姿算法120)来确定被跟踪对象的新位姿。位姿算法可接收一个或多个数据集(例如，由独立传感器、EM传感器、它们的组合和/或类似物生成)，并且基于该一个或多个数据集确定位姿。如先前所提及，处理器可仅将在估计新位姿时被视为准确的测量结果传递到位姿算法，并且可省略不准确的测量结果。
本公开涵盖方法300的实施方案，这些实施方案包括比上文所述的步骤更多或更少的步骤和/或与上文所述的步骤不同的一个或多个步骤。
图4描绘了可用于例如验证和校正EM场中的手术工具的导航误差的方法400。方法400或其一个或多个方面可用于例如识别手术工具在EM场内的位姿改变，并且通过更新配准、导航、它们的组合和/或类似物来校正误差。
方法400(和/或其一个或多个步骤)可例如由至少一个处理器实行或以其他方式执行。至少一个处理器可与上文所述的计算装置102的处理器104相同或相似。至少一个处理器可以为机器人(诸如机器人114)的一部分或导航系统(诸如导航系统118)的一部分。除了本文所述的任何处理器之外的处理器也可用于执行方法400。至少一个处理器可通过执行存储在诸如存储器106的存储器中的指令执行方法400。这些指令可对应于下文所述的方法400的一个或多个步骤。这些指令可使处理器执行一种或多种算法，诸如位姿算法120、比较算法122和/或验证算法124。
方法400包括接收与对象在EM场中的第一位姿相关的数据集(步骤404)。对象可以是系统(例如，系统100)的部件，诸如手术工具、解剖元素(例如，椎骨)、它们的组合和/或类似物。该数据集例如由与EM场的一个或多个测量结果相关的EM传感器(例如，EM传感器113)生成。在一些实施方案中，该数据集可以包括与EM场的多个方向和/或取向相关的信息。该数据集可被保存或存储在系统的一个或多个部件(例如，计算装置102、数据库130等)中。
方法400还包括基于第一数据集确定对象的第一位姿(步骤408)。步骤408可以与上述方法300中描述的步骤308类似或相同。例如，可基于在步骤404中接收的第一数据集使用位姿算法(例如，位姿算法120)来确定第一位姿。
方法400还包括接收与由独立传感器对对象位姿改变的测量结果相关的第二数据集(步骤412)。第二数据集由独立传感器(例如，独立传感器136)生成。第二数据集含有与系统(例如，系统100)的一个或多个部件的位姿改变的测量结果相关的信息，该测量结果例如作为独立传感器附接到其上的一个或多个部件来测量。例如，独立传感器可以附接到解剖元素(例如，椎骨)，并且当椎骨在EM场内移动时，独立传感器捕获与移动相关的信息并且将数据传送到系统的一个或多个部件(例如，传送到计算装置102、传送到数据库130等)。在一些实施方案中，第二数据集可以是或包括涉及由系统中的解剖元素产生的惯性读数(例如，加速度、旋转、振动等)的信息。在此类实施方案中，惯性读数可由独立传感器测量，并且存储于例如数据库或其他计算装置中。
在一些实施方案中，独立传感器可以被放置在距解剖元素(或系统中的其他部件)的第一距离处，并且被配置为捕获与解剖元素相对于独立传感器的移动相关的测量结果。例如，独立传感器可以测量独立传感器与解剖元素上的参考点(例如，解剖元素上与独立传感器最接近的点、在解剖元素上执行手术规程的手术工具的尖端等)之间的一个或多个距离(例如，1毫米(mm)、2mm、5mm、10mm、1米(m)、5m、10m等)，使得当与第一数据集比较时，位姿的任何改变可以反映在第二数据集中(其中第一数据集反映解剖元素的初始位姿)。
在至少一个实施方案中，独立传感器可附接到EM传感器(或反之亦然)。在此实施方案中，独立传感器和EM传感器可以附接到系统(例如，系统100)的一个或多个部件，诸如手术工具或椎骨(在对椎骨执行手术或手术规程的情况下)。独立传感器和EM传感器两者的附接可允许测量EM场以及部件的从共同位置生成的任何物理或惯性移动，这可简化系统对EM传感器和独立传感器所附接的系统的部件的任何位姿改变的确定。
方法400还包括基于第二数据集确定对象位姿的改变(步骤416)。从独立传感器接收第二数据集，该独立传感器可以定位在手术工具或解剖元素(例如，椎骨)上或附近，并且被配置为检测独立传感器所附接的部件的物理位置或取向的改变。系统可以使用来自独立传感器的数据来确定手术工具或解剖元素的位姿的改变。例如，系统可以基于由独立传感器生成的读数在脊椎手术或手术规程期间监测椎骨的位姿。椎骨位姿的任何改变(例如，在钻孔规程期间椎骨的移动)可以反映在由独立传感器产生的一个或多个不同测量结果中。在一些实施方案中，可将由独立传感器生成的测量结果传递到比较算法(例如，比较算法122)，该比较算法可将独立传感器的新生成的测量结果与先前生成的测量结果(例如，由独立传感器在位姿改变之前获取的测量结果)进行比较以确定是否已发生位姿改变。例如，椎骨在XY平面中的旋转可以反映在独立传感器的改变的重力矢量方向读数上。比较算法可以将新测量结果的重力矢量测量结果与先前测量结果进行比较，并且确定椎骨已经旋转(并且随后位姿改变)。
在一些实施方案中，可基于第一数据集和第二数据集两者来确定位姿的改变。例如，比较算法可以利用由独立传感器和EM传感器两者生成的测量结果来确定对象位姿的改变。例如，当EM传感器和/或独立传感器产生与先前测量结果不同的测量结果时，比较算法可以向系统指示对象已经改变位姿(例如，附接到对象的EM传感器产生具有与先前测量结果不同的矢量值的EM场测量结果，指示被跟踪对象已经改变位置)。
方法400还包括识别第一数据集中的与所确定的位姿改变一致的一个或多个测量结果(步骤420)。在一些实施方案中，第一数据集(其由EM传感器生成)可以包括不准确的测量结果(例如，已经由于EM场中金属的存在而失真的EM场测量结果)以及准确的测量结果(例如，没有由于金属而失真或者没有由于金属而充分失真的EM场测量结果)。该一个或多个测量结果的识别可以包括将第一数据集(其由EM传感器生成)与由独立传感器生成的一个或多个数据集进行比较，以识别来自EM传感器的一个或多个测量结果，该一个或多个测量结果与由独立传感器测量的手术工具、解剖元素或其他部件的位姿一致、匹配或以其他方式准确地反映该位姿。例如，EM传感器可以具有多个自由度(例如，六个自由度)，其中一个或多个测量结果与每个自由度相关联。比较算法可以将由独立传感器(其可以具有类似的自由度)生成的数据与由EM传感器生成的数据进行比较，并且识别不准确的EM传感器的测量结果。在一些实施方案中，不准确的测量结果可被标记(例如，使用元数据)或以其他方式与准确测量结果区分。例如，独立传感器可以测量或以其他方式捕获重力矢量，该重力矢量可以指示椎骨处于第一位姿。EM传感器可以具有椎骨附近的EM场的三个独立读数(即，每个空间维度一个读数)，其中两个读数与椎骨的第一位姿一致、匹配或以其他方式正确地反映该第一位姿，并且其中一个读数不指示椎骨处于第一位姿。在这种情况下，错误地指示椎骨位姿的一个读数可能被标记(例如，使用元数据)为不准确的测量结果。在一些实施方案中，EM传感器可以包括多个EM传感器。在此类实施方案中，上述识别步骤可以利用每个EM传感器来执行，其中来自每个EM传感器的不准确测量结果被标记为不准确。在一些实施方案中，与最差EM传感器(例如，来自多个EM传感器的具有最大数量的不准确测量结果的EM传感器、来自多个EM传感器的具有最大不准确度的EM传感器等)相关联的测量结果可以被标记为不准确。
方法400还包括使用第一数据集中的一个或多个测量结果来确定对象的第二位姿(步骤424)。该一个或多个测量结果可以为或包括来自步骤420的测量结果，这些测量结果与如从独立传感器获得的数据验证的系统的部件的位姿一致、匹配或以其他方式准确地描绘该位姿。位姿算法可以使用一个或多个测量结果来确定第二位姿。在一些实施方案中，在确定第二位姿时可省略使用不准确的测量结果(即，由步骤424确定为不准确的测量结果)。换言之，当确定第二位姿时，可移除或省略使用与由独立传感器提供的测量结果不一致的来自EM传感器的测量结果。在一些实施方案中，位姿算法可接收但省略使用不准确的测量结果(例如，由系统和/或其部件标记为不准确的测量结果的测量结果)。在一些实施方案中，可将第二位姿发送到系统的一个或多个部件(例如，导航系统，诸如导航系统118)以更新与对象相关联的位姿。
在一些实施方案中，可另外或替代地使用第二数据集来确定第二位姿。例如，位姿算法可以利用来自第一数据集和/或第二数据集的一个或多个测量结果，该一个或多个测量结果与通过从独立传感器和/或EM传感器获得的数据得到的系统的部件的位姿一致、匹配或以其他方式准确地描绘该位姿。
本公开涵盖方法400的实施方案，这些实施方案包括比上文所描述的步骤更多或更少的步骤和/或与上文所描述的步骤不同的一个或多个步骤。
如上所述，本公开涵盖具有比图3和图4中标识的所有步骤更少的步骤的方法(和方法300和400的对应描述)，以及包括超出图3和图4中标识的那些步骤的附加步骤的方法(和方法300和400的对应描述)。本公开还涵盖包括来自本文所描述的一种方法的一个或多个步骤和来自本文所描述的另一种方法的一个或多个步骤的方法。本文所描述的任何相关性可以是或包括配准或任何其他相关性。
前述内容并不意图将本公开限于本文所公开的一种或多种形式。在前述的具体实施方式中，例如，出于简化本公开的目的，将本公开的各种特征一起分组在一个或多个方面、实施方案和/或配置中。本公开的方面、实施方案和/或配置的特征可组合在除了上文所论述的那些之外的替代方面、实施方案和/或配置中。本公开的方法不应被解释为反映以下意图：权利要求需要比每项权利要求中明确叙述的特征更多的特征。相反，如以下权利要求书所反映，本发明方面在于少于单个前述公开的方面、实施方案和/或配置的全部特征。因此，以下权利要求特此并入这个具体实施方式中，其中每项权利要求作为本公开的单独的优选实施方案而独立存在。
此外，尽管前述已经包含对一个或多个方面、实施方案和/或配置以及某些变化和修改的描述，但在理解了本公开之后，其他变化、组合和修改在本公开的范围内，例如，可在本领域技术人员的技能和知识范围内。意图在准许的范围内获得包括替代方面、实施方案和/或配置的权利，包括所要求保护的那些的替代、可互换和/或等效的结构、功能、范围或步骤，而不管这些替代、可互换和/或等效的结构、功能、范围或步骤是否在本文中公开，而且不意图公开用于任何可获专利的主题。

Claims (31)

1.一种系统，所述系统包括：
电磁(EM)导航系统，所述EM导航系统包括：
EM场发生器，所述EM场发生器生成一个或多个EM场；和
至少一个EM传感器，所述至少一个EM传感器附连到被跟踪对象，
其中当所述被跟踪对象在所述一个或多个EM场内时，所述EM导航系统确定所述被跟踪对象的位姿；和
独立传感器，所述独立传感器定位在相对于所述被跟踪对象的第一距离处，并且所述独立传感器提供指示所述被跟踪对象的位姿改变的读数，
其中由所述独立传感器提供的所述读数对于确定如由所述EM导航系统确定的所述被跟踪对象的所述位姿的准确度是有用的。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述独立传感器包括惯性传感器。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述惯性传感器包括微机电传感器(MEMS)。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述独立传感器包括加速计和陀螺仪中的至少一者。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述独立传感器附连到所述至少一个EM传感器。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述独立传感器附连到所述被跟踪对象，并且其中所述独立传感器显著小于所述被跟踪对象。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个EM传感器包括一个或多个独立感测线圈，并且其中所述一个或多个独立感测线圈测量所述一个或多个EM场的分量。
8.根据权利要求6所述的系统，其中所述由所述EM导航系统确定所述位姿包括基于由所述独立传感器生成的信息，去除与所述一个或多个独立感测线圈中的第一感测线圈相关联的数据。
9.根据权利要求6所述的系统，其中所述一个或多个独立感测线圈包括三个正交独立感测线圈。
10.根据权利要求6所述的系统，其中所述一个或多个独立感测线圈与处理器通信。
11.根据权利要求6所述的系统，其中所述一个或多个独立感测线圈包括三个独立感测线圈，并且其中与至少一个独立感测线圈相关联的测量结果被丢弃或者被所述独立传感器的所述读数取代。
12.根据权利要求6所述的系统，其中所述一个或多个独立感测线圈包括三个独立感测线圈，并且其中与所述三个独立感测线圈中的每个独立感测线圈相关联的测量结果被丢弃或者被所述独立传感器的所述读数取代。
13.根据权利要求9所述的系统，其中所述一个或多个独立感测线圈包括一个感测线圈，其中所述一个感测线圈的测量结果指示所述一个或多个EM场的方向从第一方向至第二方向的改变，其中所述独立传感器的所述读数指示所述被跟踪对象没有改变位置，并且其中所述处理器在确定所述被跟踪对象的所述位姿时忽略所述一个感测线圈的所述测量结果。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述被跟踪对象是手术工具、解剖元素、手术机器人或机器人臂。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个EM传感器包括两个或更多个感测线圈，并且其中所述两个或更多个感测线圈是共线的或非正交的中的至少一者。
16.一种跟踪装置，所述跟踪装置包括：
至少一个电磁传感器，所述至少一个电磁传感器定位在相对于第一对象的第一距离处并且测量电磁场；
惯性传感器，所述惯性传感器定位在相对于所述至少一个电磁传感器的第二距离处，并且所述惯性传感器检测所述第一对象的位姿改变并生成与所述位姿改变相关联的第一数据集；和
处理器，所述处理器与至少一个电磁传感器和所述惯性传感器通信并且与电磁场发生器通信，其中所述处理器基于由所述至少一个电磁传感器提供的第二数据集来确定所述第一对象在所述磁场内的第一位姿。
17.根据权利要求15所述的跟踪装置，其中所述第一对象是刚性解剖对象，并且其中所述至少一个电磁传感器和所述惯性传感器被附接到所述刚性解剖对象。
18.根据权利要求15所述的跟踪装置，其中所述处理器与生成一个或多个电磁场的电磁场发生器通信，并且其中所述第二数据集包括与所述一个或多个电磁场相关联的测量结果中的一个或多个测量结果。
19.根据权利要求15所述的跟踪装置，其中所述惯性传感器包括加速度计。
20.根据权利要求18所述的跟踪装置，其中所述加速度计测量重力矢量。
21.根据权利要求15所述的跟踪装置，其中当所述电磁场中存在一个或多个金属对象时，所述处理器在确定所述第一对象的所述第一位姿时利用所述第一数据集。
22.根据权利要求20所述的跟踪装置，其中所述处理器使用所述第一数据集的一个或多个部分或者根据所述第一数据集的所述一个或多个部分而不是所述第二数据集的一个或多个部分作出的一个或多个确定。
23.根据权利要求20所述的跟踪装置，其中所述第一对象是手术工具，并且其中所述处理器被配置为基于第一数据集计算所述手术工具的旋转误差和位置误差中的至少一者。
24.根据权利要求15所述的跟踪装置，其中所述惯性传感器具有一至六个自由度。
25.根据权利要求15所述的跟踪装置，其中所述第一对象是手术工具、解剖元素、手术机器人或机器人臂。
26.根据权利要求24所述的跟踪装置，其中所述第一对象是所述解剖元素，并且其中所述解剖元素是椎骨或肋骨。
27.一种方法，所述方法包括：
使用电磁场发生器生成电磁场；
将独立传感器和至少一个电磁传感器附连到被配置为在所述电磁场中导航的手术工具；
基于所述至少一个电磁传感器确定所述手术工具在所述电磁场中的第一位姿；
基于所述独立传感器确定所述手术工具在所述电磁场中的所述位姿的改变；以及
基于所述位姿的所述改变确定所述第一位姿的准确度。
28.根据权利要求26所述的方法，其中所述确定还包括：
从所述至少一个电磁传感器的一个或多个测量结果中识别与由所述独立传感器确定的所述位姿的所述改变一致的一个或多个测量结果或一个或多个确定；以及
使用所述一个或多个测量结果确定所述第一位姿。
29.一种方法，所述方法包括：
使用电磁场发生器来使电磁场生成；
基于附接到手术工具的至少一个电磁传感器确定所述手术工具在所述电磁场中的第一位姿；
基于定位在距所述手术工具第一距离处的独立传感器来确定所述手术工具在所述电磁场中的所述位姿的改变；以及
基于所述位姿的所述改变确定所述第一位姿的准确度。
30.根据权利要求28所述的方法，所述方法还包括：
基于所述第一位姿的所述准确度，使用由所述独立传感器生成的一个或多个测量结果来优化所述第一位姿的估计。
31.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个EM传感器包括磁通门磁力计、SQUID磁力计或感应线圈中的至少一者。
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