在导航辅助手术期间监控偏移的系统的制作方法

在导航辅助手术期间监控偏移的系统
1.相关申请的引用
2.本技术要求2020年7月22日提交的美国临时专利申请no.63/054,811和2020年1月13日提交的美国临时专利申请no.62/960,218的优先权和所有权益，它们的全部内容被通过引用方式并入本文。


背景技术：

3.本公开总体上涉及计算机辅助手术。更具体地，公开了一种用于计算被监控到的手术设备的位置相对于患者之间的偏移的系统和技术。该技术可以作为一种方法、作为一种计算机程序非暂时性介质、作为一种计算设备、以及作为一种用于计算机辅助手术的系统来实现。
4.导航辅助手术通常基于术前成像的患者解剖结构、利用磁共振成像(mri)、计算机断层扫描(ct)、x射线或其他成像技术中的一种或多种进行。通过这些技术生成的数据可以非常准确，并为生成存储在导航系统的存储器中或与导航系统通信的存储器中的对象解剖结构的虚拟三维(3d)模型提供基础。在导航辅助手术期间，患者跟踪器可以与患者解剖结构相关联，并且工具跟踪器可以与手术工具相关联。导航系统可以基于导航系统的虚拟空间中的相关联的跟踪器来定位和跟踪解剖结构和手术工具，以在手术期间向外科医生或其他医疗专业人员提供关键信息。
5.手术导航系统用于工业、航空航天和医疗应用，以精确地定位和跟踪空间和定向中的物理对象。具体在医疗领域，导航系统可以帮助外科医生或其他医疗专业人员在例如外科手术期间相对于患者体中的目标部位精确地放置手术器械。目标部位通常需要某种形式的治疗或处理，例如组织切除。传统的导航系统采用定位器，包括一个或多个传感器，这些传感器与跟踪器协作以提供与手术信息和目标部位(例如需要处理的组织的体积)相关联的位置和/或定向数据。这些跟踪器允许外科医生结合基于患者术前或术中成像的工具和解剖结构的虚拟表示来查看覆盖在监视器上的手术工具的位置和/或定向。这些跟踪器还允许导航系统监控工具和解剖结构的相对定位，以在工具接近或进入相对于解剖结构的不期望的位置时提醒用户。例如，提醒用户工具正在接近或接触不打算被工具接触的患者组织。
6.定位器的放置通常使其具有跟踪器的视野，即定位器被定位成使患者的目标部位在定位器的目标空间内。跟踪器包括可识别的基准或标记阵列，这些基准或标记固定到手术器械或患者中的至少一个上，以分别与手术器械或患者协同移动。根据检测到的跟踪器位置，手术导航系统可以确定手术器械或患者的位置和取向，并监控所确定的位置和取向随时间的变化。术语位置是指对象的坐标系相对于手术导航系统使用的参考坐标系的3d坐标值。术语取向是指对象的坐标系相对于参考坐标系的俯仰、滚动和偏航。总而言之，位置和给定取向的特定俯仰、滚动和偏航值可以称为参考坐标系中的对象姿态。当位置和取向(或姿势)都被定义时，对象是已知的并且可由手术导航系统跟踪(即由其配准)。
7.附接到患者的跟踪器和附接到工具的跟踪器刚性地固定到骨头和进行治疗的工
具，从而由于骨头或工具的刚性性质、跟踪器的刚性结构、以及它们之间的固定装置而相对于目标部位和工具保持固定的关系。在本领域已知的替代方案中，跟踪器可以是可变形的，附连到诸如皮肤的柔性组织，其中根据提供与刚性跟踪器相似信息的已知变形，跟踪器包括标志、标记或基准的图案或布置。通过在手术工具上和患者身上使用单独的跟踪器，手术器械的治疗端可以在导航系统的辅助下由外科医生精确地定位在目标部位。
8.在手术的初始阶段，一物体，无论是手术工具还是患者解剖结构，都必须校准或配准到手术导航系统。校准或配准的过程是指在物理对象及其跟踪器之间建立关系，以将对象和跟踪器虚拟表示为手术导航系统内的数据-即分别为虚拟对象数据和虚拟跟踪器数据。虚拟数据，无论是的对象还是跟踪器的，都可能是对象的模型，也可能不是对象的模型。相反，虚拟数据可以包括足以识别或指定某些兴趣点的信息，并且可以进一步包括关于对象的尺寸特征的其他信息。可以在术前或术中建立虚拟数据。虚拟数据可以基于预先存在的建模或对象规范数据，或者可以基于对象的原位成像。可以通过分割过程从成像数据生成虚拟数据。例如，患者解剖结构的术前成像可用于生成该解剖结构的3d模型，作为手术导航系统的存储器和虚拟环境中的虚拟对象数据。同样，可以根据已知的几何形状和结构制造手术工具。此几何形状和结构可以在该工具的3d模型中表示为手术导航系统的存储器和虚拟环境中的虚拟对象数据。为了执行校准，根据配准或校准系统，可能需要具有附加跟踪器基准阵列的附加参考指针或框架来触碰参考点。可替代地，可以使用光学过程、使用投影光图案、光学识别或其他常规方法来建立校准。
9.定位器通常配备有多种感测技术，这些感测技术以各种方式适用于操作的特定方面的有益用途。在一个示例中，可以为定位器提供一个或多个适于导航的传感器。此一个或多个导航传感器可以通过操作高频率的感测周期以在小时间增量上准确跟踪小移动-即提供高分辨率的跟踪数据来适应导航。
10.定位器还可以配备有适用于机器视觉或其他有利于操作的应用的传感器。例如，定位器可以配备一个或多个光学像机以提供外科手术的视频记录。定位器传感器可以包括多组执行不同功能的离散传感器，即感测不同的物理特性或光、电磁能或其他特性。可以处理代表定位器的传感器输出的数据，以获得关于在定位器的视野或范围内的手术部位的重要信息。
11.传统的手术导航系统可以适于与支持在医疗操作期间使用的手术工具的机械臂或操纵器。将机械臂操纵器与导航系统结合提供了进一步程度的控制，使得手术工具的移动由机械臂或在机械臂的帮助下完成，以确保工具相对于解剖结构的正确放置。关节编码器或其他感测技术可以结合到机械臂中，以提供额外的数据来确定工具的位置，同时利用导航系统对其进行跟踪。可以比较这些信息，如果出现差异，可以向操作员发出警报，并停止外科手术，直到可以诊断出并纠正错误。
12.需要改进适合在没有机器人操纵器帮助的情况下使用的手术导航系统。排除机器人系统提供的数据闭环会引入额外的不确定性，从而导致导航系统失去校准或配准到工具或解剖结构跟踪器的风险，而无法检测到这种校准或配准的丢失，也不会提醒用户。这可能导致在手术期间工具相对于解剖结构的潜在不当放置。因此，在本领域内需要解决了传统导航系统的缺点的系统和方法，提供用于在导航辅助手术期间监控偏移的有效技术。


技术实现要素：

13.提供了一种相对于骨头导航具有变速电机的手术器械的方法。该方法包括使用包括具有定位器坐标系的定位器的导航系统。器械跟踪器耦合到手术器械。患者跟踪器耦合到骨头。控制器与导航系统通信。控制器控制手术器械。
14.该方法包括利用定位器在定位器坐标系中配准患者跟踪器，该配准定义了骨头相对于定位器坐标系的位置。该方法包括利用定位器在定位器坐标系中配准器械跟踪器，该配准定义了器械工具尖端相对于定位器坐标系的位置。
15.该方法包括在器械工具尖端不与骨头接触的情况下定义器械的电机操作。该方法包括利用控制器在医疗过程期间监控器械的电机操作，以及利用导航系统监控器械工具尖端相对于骨头的位置以确定在定位器坐标系中器械工具尖端何时与骨头接触。
16.该方法包括将电机操作与监控到的器械工具尖端的位置进行比较；以及当在定位器坐标系中监控到的器械工具尖端的位置与骨头接触并且监控到的电机操作对应于在器械工具尖端不与骨头接触的情况下定义的器械的电机操作时确定错误状况。该方法包括在确定错误状况时触发动作。
17.在该方法中，在工具尖端不与骨头接触时定义器械的电机操作的步骤可以包括：当器械电机在器械工具尖端不与骨头接触的情况下操作时定义功率、电压、电流或其组合的阈值。定义电机操作的步骤可以包括将代表电机操作的数据存储在控制器、导航系统、手术器械或其组合中的一个或多个的存储器中。
18.该方法还可包括当器械工具尖端与骨头接触时定义器械的第二电机操作的步骤。定义了第二电机操作，该方法还可以包括当在定位器坐标系中监控到的器械工具尖端的位置不与骨头接触、但监控到的电机操作对应于在器械工具尖端与骨头接触时定义的器械的第二电机操作时，确定第二错误状况。该方法还可以包括在确定第二错误状况时触发第二动作。
19.在该方法中，触发动作或第二动作之一的步骤包括发出声音警报、显示视觉警报、激活触觉警报、切断给手术器械的供电或其组合中的一种。
20.提供了一种相对于骨头导航具有变速电机的手术器械并监控工具至骨头的偏移的方法。该方法包括使用包括具有定位器坐标系的定位器的导航系统。器械跟踪器耦合到手术器械。患者跟踪器耦合到骨头。控制器与导航系统通信并控制手术器械。
21.该方法包括利用定位器在定位器坐标系中配准患者跟踪器，该配准定义了骨头相对于定位器坐标系的位置。该方法包括利用定位器在定位器坐标系中配准器械跟踪器，该配准定义了器械工具尖端相对于定位器坐标系的位置。
22.该方法包括在不与骨头接触的情况下操作时定义手术器械的第一电机操作。该方法包括在医疗过程期间用控制器监控手术器械的电机操作；以及利用导航系统监控在定位器坐标系中器械工具尖端相对于骨头的位置。
23.该方法包括将监控到的电机操作与定义的电机操作进行比较；当监控到的电机操作偏离所定义的第一电机操作时，确定器械工具尖端和骨头之间的接触时间。该方法包括利用导航系统在接触时间确定工具至骨头的偏移，作为在定位器坐标系中器械工具尖端和骨头表面之间的距离。尽管在本文中描述为工具至骨头的偏移，但应该理解，提及“骨头”并非旨在限制，并且以这种方式使用“骨头”可以理解为任何类型的解剖结构，在其上进行外
科手术并包括非骨类组织，比如皮肤、肌肉、结缔组织、神经组织等。该方法包括当工具至骨头的偏移超过预定义量值时触发动作。
24.在该方法中，触发动作的步骤可以包括发出声音警报、显示视觉警报、激活触觉警报、切断给手术器械的供电或其组合中的一种。在该方法中，预定义量值可以等于0.5毫米。触发动作的步骤可以包括提示用户更新骨头的模型，并且该方法可以包括更新骨头的模型的步骤。更新模型的步骤包括在切断从控制器到手术工具的供电的情况下使骨头的被切除表面与器械工具尖端接触。
25.该方法还可以包括在显示设备上显示所确定的工具至骨头的偏移。该方法可以包括将所述一系列工具至骨头的偏移显示为偏移的值随时间变化的图表。
26.在该方法中，监控器械工具尖端相对于骨头的位置的步骤可以包括在医疗过程期间跟踪器械工具尖端的位置和骨头的位置；并且可以进一步包括利用导航系统检测在操作期间每次监控到器械工具尖端的位置与骨头表面接触的发生，并记录在该医疗过程中上述每次发生时确定的一系列工具至骨头的偏移的值。该方法还可以包括在显示设备上将上述一系列工具至骨头的偏移显示为连续更新的值。
27.该方法还可以包括定义第一水平量值和第二水平量值。在该方法中，显示所确定的工具至骨头的偏移的步骤可以包括：当偏移小于第一水平量值时以第一颜色显示该偏移，当偏移在第一水平量值和第二水平量值之间时以不同于第一颜色的第二颜色显示该偏移，当偏移大于第二水平量值时以不同于第一和第二颜色的第三颜色显示该偏移。用于触发动作的预定义量值可以等于第二水平量值。用于触发动作的预定义量值可以大于第二水平量值。该方法还可以包括定义第三水平量值，其中该方法还包括当工具至骨头的偏移大于第三水平量值时，禁止从控制器到手术器械供电。该方法可以包括提示用户输入用于预定义量值、第一水平量值、第二水平量值、第三水平量值或它们的组合的值。该方法可以包括当工具至骨头的偏移大于预定义值时禁止从控制器到手术器械供电。
28.提供了一种手术系统。手术系统包括具有变速电机或致动器和工具尖端的手术器械。手术系统包括用于向手术器械供电的控制器，该控制器可操作，以监控电机或致动器，器械的操作，控制器包括处理器和存储器，存储器可操作以存储信息，包括代表器械的操作的信息。该系统包括耦合到器械的器械跟踪器和将被耦合到骨头的患者跟踪器。
29.该系统包括包含定位器的导航系统。导航系统可操作，以将代表手术器械的信息和代表骨头的信息存储在虚拟空间中。导航系统可操作，以在操作期间基于定位器收集的信息跟踪器械和骨头在虚拟空间中的位置。定位器可操作，以相对于定位器坐标系配准器械跟踪器的位置和患者跟踪器的位置，并分别与器械跟踪器和患者跟踪器协作以收集关于器械和骨头位置的信息。控制器和导航系统进行电子通信并配置为协作。控制器和导航系统基于操作的变化确定工具尖端和骨头之间的接触时间。控制器和导航系统在接触时确定工具至骨头的偏移作为工具尖端的跟踪位置和骨头的跟踪位置之间的距离。该系统还包括警报设备，其中控制器和导航系统还被配置为在工具至骨头的偏移大于预定义量值时触发动作。
30.提供了一种在外科手术期间操作手术导航系统以验证跟踪配准的方法。手术导航系统包括具有定位器坐标系的定位器。器械跟踪器耦合到手术器械。手术器械包括工具尖端。患者跟踪器耦合到患者解剖结构。控制台与定位器通信。控制台与代表手术器械的数据
和代表患者解剖结构的数据进行通信。
31.该方法包括用导航系统跟踪手术器械和解剖结构，以及用控制台存储在公共坐标系中的代表被跟踪的手术器械的第一数据和代表被跟踪的解剖结构的第二数据。该方法包括基于被跟踪的手术器械和被跟踪的解剖结构确定工具尖端在被跟踪的解剖结构的预定义接近范围内。该方法包括确定工具尖端在预定义持续时间段内没有离开预定义接近范围超过预定义量值。该方法包括基于代表被跟踪的手术器械的第一数据和代表被跟踪的解剖结构的第二数据来确定偏移距离。该方法包括将偏移距离与预定义阈值进行比较；以及当偏移距离大于预定义阈值时触发导航系统的动作。
32.可选地，该方法包括通过下述之一提示用户验证跟踪配准：在显示器上显示、发出声音警报、产生触觉感觉、或其组合。
33.在该方法中，确定工具尖端在解剖结构的预定义接近范围内的步骤可以包括定义解剖结构的不会被切除的表面区域以及确定工具尖端在所定义的表面区域的预定义接近范围内。
34.在该方法中，偏移距离可以被定义为在公共坐标系中工具尖端与被跟踪的解剖结构之间的最小间隔的大小，或者在公共坐标系中工具尖端与被跟踪的解剖结构之间最大重叠的大小。
35.在该方法中，确定工具尖端在被跟踪的解剖结构的预定义接近范围内可以包括将手术器械定位在相对于被跟踪的解剖结构的第一姿势，并且手术器械可以定义工具尖端的第一近点并且确定偏移距离可以包括确定第一偏移距离。该方法还包括确定工具尖端在被跟踪的解剖结构的预定义接近范围内并且包括将手术器械定位在相对于被跟踪的解剖结构的第二姿势，其中手术器械可以限定工具尖端的第二近点并且其中确定偏移距离可以包括确定第二偏移距离。
36.将偏移距离与预定义阈值进行比较的步骤可以包括将第一偏移距离与预定义阈值进行比较以及将第二偏移距离与预定义阈值进行比较。因此，启动动作的步骤可以包括当第一偏移距离、第二偏移距离或第一和第二偏移距离两者大于预定义阈值时启动动作。
37.手术器械可以包括终止于工具尖端的细长侧面，细长侧面限定了基本上平行于细长侧面延伸的纵向轴线；并且其中第二近点相对于围绕中心线的旋转偏离第一近点至少90
°
。手术器械可以包括具有限定中心点的球形侧面的工具尖端，其中第二近点相对于围绕中心点的旋转偏离第一近点至少90
°
。
38.确定工具尖端在被跟踪的解剖结构的预定义接近范围内的步骤可以包括手术器械被相对于被跟踪的解剖结构定位在第三姿势。手术器械可以限定第三近点，第三近点不同于第一近点并且不同于第二近点。确定偏移距离的步骤可以包括确定第三偏移距离。
39.将偏移距离与预定义阈值进行比较的步骤可以包括将第一偏移距离与预定义阈值进行比较，将第二偏移距离与预定义阈值进行比较，以及将第三偏移距离与预定义阈值进行比较。启动动作的步骤可以包括当第一偏移距离、第二偏移距离、第三偏移距离或其组合大于预定义阈值时启动动作。
40.触发动作的步骤可以包括发出声音警报、显示视觉警报、激活触觉警报、切断给手术器械的供电或其组合中的一种。
41.预定义阈值可以包括第一预定义阈值和第二预定义阈值。触发导航系统的动作的
步骤可以包括当偏移距离大于第一预定义阈值但小于第二预定义阈值时触发第一动作以及在偏移距离大于第二预定义阈值时触发第二动作。该动作可以包括以下之一：发出声音警报、显示视觉警报、激活触觉警报、切断给手术器械的供电或其组合。
42.提供了一种手术系统，包括导航系统，该导航系统包括控制台和定位器。导航系统与代表手术器械的第一数据和代表患者解剖结构的第二数据通信。手术器械包括工具尖端。
43.导航系统可操作，以在手术期间、基于定位器从耦合到手术器械的器械跟踪器和耦合到解剖结构的患者跟踪器收集的信息来跟踪虚拟空间中的手术器械和解剖结构。导航系统被配置为跟踪手术器械和解剖结构，并将代表跟踪到的手术器械姿势和解剖结构姿势的数据存储在公共坐标系中。
44.导航系统被配置为基于跟踪到的手术器械姿势和跟踪到的解剖结构姿势确定工具尖端在解剖结构的预定义接近范围内。导航系统还被配置为确定工具尖端在预定义持续时间段内没有离开预定义接近范围超过预定义量值(magnitude)。导航系统还被配置为基于在公共坐标系中的被跟踪的手术器械和被跟踪的解剖结构来确定偏移距离。导航系统还被配置为将偏移距离与预定义阈值进行比较。
45.导航系统可以包括警报设备，并且导航系统还可以被配置为当偏移距离大于预定义阈值时触发动作。警报设备可以是脚踏开关，其中脚踏开关可操作以产生振动。
46.提供了一种为外科手术提供导航引导的方法。该方法包括在公共坐标系中配准患者解剖结构。患者解剖结构至少包括第一骨头和第二骨头。该方法包括在公共坐标系中配准手术器械。该方法包括在手术器械对患者解剖结构的第一骨头操作期间利用导航系统跟踪患者解剖结构和手术器械。该方法包括根据本文公开的方法确定第二骨头的偏移距离；以及在手术器械对患者解剖结构的第二骨头操作期间利用导航系统跟踪患者解剖结构和手术器械。
47.提供了一种执行外科手术的方法。该方法包括将患者跟踪器耦合到患者解剖结构以及将器械跟踪器耦合到手术器械，该手术器械包括工具尖端。该方法包括操作导航系统，以在公共坐标系中配准器械跟踪器和患者跟踪器并跟踪手术器械和患者解剖结构。该方法包括暂停与患者解剖结构接触的工具尖端一预定义持续时间段，以启动配准验证。导航系统被配置为基于被跟踪的手术器械和被跟踪的患者解剖结构来确定偏移距离。该方法包括根据预定义阈值评估偏移距离。
48.导航系统可以被配置为在偏移距离的评估结果确定偏移距离大于预定义阈值时触发动作，其中动作可以包括以下之一：发出声音警报、显示视觉警报、激活触觉警报、切断给手术器械的供电或其组合。该方法还可以包括向导航系统提供输入以终止触发的动作。
49.暂停与解剖结构接触的工具尖端的步骤可以包括在第一时间暂停与第一解剖结构接触点接触的工具尖端。手术器械可以处于第一姿势并且在第一时间具有与第一解剖结构接触点接触的工具尖端的第一近点。所述方法可以还包括在第二时间暂停与第二解剖结构接触点接触的工具尖端。手术器械可以处于第二姿势并且在第二时间具有与第一解剖结构接触点接触的工具尖端的第二近点。导航系统可以被配置为基于第一解剖结构接触点和第一近点确定第一偏移距离，并且基于第二解剖结构接触点和第二近点确定第二偏移距离。
50.评估偏移距离的步骤可以包括以下之一：根据预定义阈值评估第一偏移距离；根据预定义阈值评估第二偏移距离；或它们的组合。
51.患者解剖结构可以包括第一骨头和第二骨头，并且所述方法可以还包括操作手术器械以应用于第一骨头和操作手术器械以应用于第二骨头。暂停工具以启动配准验证的步骤可以在操作手术器械以应用于第一骨头之后、在操作手术器械以应用于第二骨头之前在与第二骨头接触的情况下执行。
52.本公开的其他目的、特征和优点将容易理解，因为在结合附图阅读了随后进行的描述后将更好地理解本公开的其他目的、特征和优点。
附图说明
53.当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述可以更好地理解其他优点，其中：
54.图1是在执行导航辅助手术时使用的、包括一套手术工具的手术系统的示意图。
55.图2是在执行导航辅助手术时导航系统与手术工具一起使用的透视图。
56.图3示出了定位器坐标系和耦合到手术器械的跟踪器的跟踪器坐标系。
57.图4a示出手术器械和骨头处于第一关系中。
58.图4b示出在第一错误状况下用于图4a所示的关系的导航显示的表示。
59.图5a示出手术器械和骨头处于第二关系中。
60.图5b示出在第二错误状况下用于图5a所示的关系的导航显示的表示。
61.图6示出了用于切割操作的致动器操作随时间变化的图表。
62.图7是说明相对于骨头导航手术器械的第一方法的流程图。
63.图8是说明相对于骨头导航手术器械并确定工具至骨头的偏移的第二方法的流程图。
64.图9是说明执行跟踪配准验证的方法的流程图。
65.图10是说明执行跟踪配准验证的第二方法的流程图。
66.图11是说明用于执行跟踪配准验证的附加步骤的流程图。
67.图12示出了具有与骨头接触的细长侧面的手术器械。
68.图13示出了具有与骨头接触的球形侧面的手术器械。
具体实施方式
69.参考图1，示出了手术系统10，其包括在对患者执行导航辅助手术时使用的一套手术工具。在图1中示出的形式包括手术导航系统20。手术导航系统20设置为跟踪手术室中各种对象的移动。这种对象包括例如手术工具和患者解剖结构。手术导航系统20跟踪这些对象以向外科医生显示它们的相对位置和取向，并且在一些情况下警告外科医生与操作所述手术工具有关的某些事件或发生的事情。例如，虚拟切割边界可以与患者解剖结构相关联，系统10可以在手术工具接近切割边界时警告外科医生或者可以在手术工具超出切割边界时停用工具。
70.导航系统20可以包括容纳导航计算机26的计算机推车组件24。导航界面与导航计算机26可操作地通信。导航界面包括适于设置在外科手术的无菌区外面的第一显示器28，并且可以包括适于设置在无菌区内的第二显示器29。显示器28、29可调节地安装到计算机
推车组件24。还可以提供一个或多个输入设备(未显示)，例如键盘、鼠标、轨迹球或其他，以将信息输入到导航计算机26或以其他方式选择或控制导航计算机26的操作的某些方面。此外，可以提供其他硬件以方便替代形式的输入。例如，可以在一个或多个显示器处提供传感器以允许通过手势控制进行输入，或者可以提供麦克风用于语音命令控制。
71.定位器34与导航计算机26通信。在所示的图示中，定位器34是光学定位器并且包括相机单元36。相机单元36具有容纳一个或多个光学传感器40的外壳38。各光学传感器40可以刚性地安装到一公共支撑结构。外壳可以提供光学传感器40的公共支撑结构。可替代地，各光学传感器共用的刚性支撑结构可以被外壳38容纳，但不同于外壳38。如图1所示，光学传感器40设置在细长的相机单元36的相反两端，使得光学传感器40相对于手术部位立体地布置。
72.尽管结合包括基于可见或近可见光谱中的电磁能量的感测来定位和跟踪对象的相机技术的光学定位器进行描述，但是可以使用其他定位和跟踪技术。例如，微波或无线电波频谱中的电磁能量可以替代地或附加地使用。同样，声波或超声波能量可以是另一种用于定位和跟踪物体的替代技术。这些对跟踪和定位物体有用的技术的共同特征是能量可以在要跟踪的物体上产生或反射并由导航系统感测到以确定物体的位置。
73.在一些替代方案中，比如图1所示的方案，采用了两个光学传感器40。在其他替代方案中，可以提供额外的光学传感器，进一步与第一组光学传感器40分开，以确保对手术部位和在其中存在的跟踪器的无阻碍视线。光学传感器40能够将例如光的辐射能量可变衰减成信号，因为小电流突发脉冲能够作为电子设备之间的信息传送。
74.相机单元36还可以或可替代地包括摄像机41或其他附加感测设备(未示出)。摄像机41可以包括与光学传感器40中采用的类似或不同的光学感测技术。例如，光学传感器40可以适于感测红外或近红外光谱中的能量，而摄像机41可以适于发送可见光谱中的光。
75.光学传感器40可以是单独的电荷耦合器件(ccd)。在一些替代方案中，采用两个二维ccd。在一些情况下，光学传感器40被布置用于立体操作。在其他替代方案中，光学传感器40可以是与深度传感器、激光测距仪等组合的单一相机。应当理解，在其他替代方案中，也可以在手术室四周布置多个单独的相机单元36，每个相机单元具有单独的ccd，或者两个或更多个ccd。在整个外科手术过程中，附加的光学传感器有助于确保导航系统20通过光学传感器40中的一个或多个保持对手术部位的无阻碍视线。光学传感器40可以包括能够检测红外(ir)辐射能量的ccd。光学传感器可以采用其他感测技术，包括但不限于互补金属氧化物半导体(cmos)有源像素传感器等。
76.相机单元36可以安装在推车组件24的可调节臂或其他铰接式支撑结构上，以选择性地定位定位器34，使得目标空间的(优选地不受阻碍的)视野包括患者解剖结构和跟踪器(如下所述)将被定位的手术部位。在一些情况下，相机单元36能够通过围绕着旋转接头旋转而在至少一个自由度上进行调节。在其他替代方案中，相机单元36的约两个或更多个自由度是可调节的。在采用多个相机单元36的情况下，每个相机单元可以单独地安装以围绕手术环境进行选择性定位。可替代地，推车结构24可以支撑多个可调节臂以支撑多个相机单元36。
77.相机单元36还包括相机控制器42，相机控制器42与光学传感器40通信以接收来自光学传感器40的信号。相机控制器42通过有线或无线连接(未示出)与导航计算机26通信。
一种这样的连接可以是ieee 1394接口，它是一种用于高速通信和同步实时数据传输的串行总线接口标准。其他合适的连接类型可以包括以太网、雷电、usb接口、pci express、displayport等。该连接还可以使用公司特定或专有协议。在其他替代方案中，光学传感器可以直接与导航计算机26通信，使导航计算机结合相机控制器42的功能并因此作为相机控制器42操作。对来自光学传感器的信号的处理可以在相机控制器42处进行。可替代地，相机控制器42可以将信号传送到导航计算机26以进行处理。在将信号传送到导航计算机26进行处理时，相机控制器42可以执行一些预处理调节、重新格式化、转换等。
78.导航计算机26可以是个人计算机或膝上型计算机。导航计算机26与显示器28、29通信，并具有中央处理单元(cpu)和其他处理器、存储器单元、数据存储单元及其组合。导航计算机配备有如下所述的软件。该软件将从相机单元36、从相机控制器42或光学传感器40接收的信号转换成代表正在被跟踪的对象的位置和取向的数据。导航计算机26使用位置和取向信号或从这些信号导出的数据来跟踪物体。推车组件24、显示器28和相机单元36可以与在2010年5月25日授予malackowski等人的题为“surgery system”的美国专利no.7,725,162中描述的那些类似，该专利被通过引用方式并入本文。
79.包括导航系统20的手术系统10可以适于与多种手术工具系统一起操作。图1图示了代表性的可用工具系统，但应当理解，在不偏离本公开的范围的情况下，其他选项是可用的或在将来可以变得可用。
80.手术系统10可以与无绳电动工具结合使用。无绳电动工具可以包括矢状锯、往复锯、旋转钻、胸骨锯等。在图1的图示中，无绳电动工具被示为无绳电动驱动器60。应该理解，也可以使用有绳电动工具。这种无绳电动驱动器60工具的一个例子是stryker出售的system 8cordless driver。驱动器60包括向驱动器60提供电力的电池单元61。电池单元61可以包括可充电电池组。电池单元61可以是智能电池组，包括具有电子设备的数据模块62并且进行编程以便于驱动器60和导航计算机26之间的通信。
81.驱动器60可以包括与数据模块62操作地通信的驱动器控制器64。可替代地，可以提供具有驱动器控制器64和数据模块62两者的功能的单一计算机模块。驱动器控制器64控制驱动器60的操作，与诸如下述的输入控件通信：触发器63、65、驱动器电机68、和包括在驱动器60内的其他传感器或器械。在一个示例中，包括温度传感器，使得过热的驱动器电机68能够被检测到并且驱动器60的操作被驱动器驱动器60禁止。
82.驱动器60设置有跟踪器70。跟踪器70可以是有源跟踪器或无源跟踪器。有源跟踪器需要电源并具有标记72(也称为跟踪元件或基准)的阵列，它们主动产生和发射通过光学传感器40能够检测到的波长的射线。有源跟踪器的标记72可以是发光二极管(led)，包括例如红外led。有源标记的阵列可以是“常开”的或可以操作地“打开”以响应于来自手术导航系统20的命令而选择性地射击(即，发射射线)。在这种选择性射击的有源跟踪器中，跟踪器可以通过有线或无线连接与手术导航系统20的导航计算机26通信。有源跟踪器可以由内部电池供电或者可以具有引线以从外部连接的电源接收电力。
83.可替代地，跟踪器70可以是无源跟踪器。也就是说，标记72的阵列可以反射环境辐射能量或已经被发射到目标空间中的辐射能量。例如，相机单元36可以配备有一个或多个红外led来发射红外能量以被标记72反射并随后被光学传感器40感测到。无源跟踪器通常不需要电源。
84.尽管参考光学技术进行了描述，包括光反射或发射标记，但也可以使用与定位器的感测技术一致的其他跟踪器。例如，定位器可以包括电磁场发生器，并且跟踪器可以采用线圈或线圈阵列。从题为“coil arrangement for electromagnetic tracking method and system”的美国专利no.8,249,689b2的公开内容中可以了解使用该技术的示例，该专利被整体以引用方式并入本文。
85.手术系统10还可以与通用集成控制台或器械平台一起使用。通用平台80包括控制台82、脚踏开关84和电动手术器械86。控制台82控制连接的器械86并向其供电。器械86可以是小型骨整形锯或钻、高速钻(例如用于神经应用或脊柱应用)、耳鼻喉剃刀、关节剃刀、骨磨等。这种通用平台的一个示例是由stryker销售并在题为“system and method for driving an ultrasonic handpiece as a function of the mechanical impedance of the handpiece”的国际申请文献pct wo 2015/021216 a1中描述的core 2console电动器械驱动器及相关工具，该文献的全部内容被以引用方式并入本文。控制台82包括便于控制台和导航计算机26之间的通信的数据模块88。
86.与上述驱动器60类似，器械86设有跟踪器90。器械跟踪器90与驱动器跟踪器70相似，并包括标记72的布置。标记72可以是有源的或无源的，并且由相机单元36感测以跟踪和监控器械86的位置和取向。
87.手术系统10还可以与超声抽吸器系统100一起使用。超声抽吸器系统100包括控制台102、脚踏开关104和抽吸器工具106。控制台102控制连接的抽吸器工具106并向其供电。这种超声抽吸器系统的一个例子是stryker销售的sonopet io ultrasonic aspirator。控制台102包括便于控制台和导航计算机26之间的通信的数据模块108。
88.工具106设置有跟踪器110，类似于器械跟踪器90和驱动器跟踪器70。工具跟踪器110包括标记72的布置，如上所述，标记72可以是有源的或无源的，以被相机单元36感测到，用于跟踪和监控工具106的位置和取向。如图1中可以看到，驱动器跟踪器70、器械跟踪器90和工具跟踪器110是可以基于它们的标记72的布置进行区分的。本文提供的描述以及诸如“工具跟踪器”或“器械跟踪器”之类的指代不意于进行限制，而是仅用于区分可与本公开一起使用的外科物品。跟踪器可以以2010年5月25日授予malackowski等人的题为“surgery system”的美国专利no.7,725,162中所示的方式附接，其公开内容被通过引用方式并入本文。可替代地，跟踪器可以像2017年2月14日授予malackowski等人的题为“navigation systems and method for indicating and reducing line-of-sight errors”的美国专利no.9,566,120中所示的那样附接，其公开内容被通过引用方式并入本文。在又其它替代方案中，跟踪器可以以其他本领域常规的方式附接。
89.尽管跟踪器被图示为安装在外科用品上并从其延伸的不同结构，但可以可替代地被集成到物品自身的结构中。例如，标记72可以直接形成在要跟踪的工具或器械的结构中。在又其它替代方案中，物品自身的结构或特征可以用作跟踪器，省略专用的标记。在这种情况下，物品的表面或边缘可以是能够被导航系统识别的并用于跟踪物品的位置和取向。再另外，标记或图案可以被包括在物品的表面上并用作跟踪器。例如，线性条码或2d条码(也称为qr码)可以作为物品的表面上的特征，在整个手术过程中对于相机单元36保持可见以跟踪该物品。
90.现在转向图2，手术系统10被显示为在示例性手术环境中与通用工具平台80一起
使用，其包括控制台82、脚踏开关84和器械86。在手术现场还提供了c形臂计算机断层扫描(ct)系统120，用于提供患者解剖结构的术中成像。尽管用ct系统120进行了说明，但其他成像技术也可用于术中成像，包括mri、x射线或录像。通常，无论选择何种技术，成像器都与导航计算机26通信。来自成像器的信息被用于准备患者解剖结构的虚拟表示，例如要在手术中治疗的组织的3d模型。准备虚拟表示的过程可以通过图像数据的分割来完成。分割可以是自动化过程，例如，通过机器学习。示例性过程在2019年2月5日授权的题为“image analysis”的美国专利no.10,198,662b2和2014年10月21日授权的题为“image processing method”的美国专利no.8,867,809b2中公开了。使用来自成像器的信息并将另一个跟踪器(即患者跟踪器130)附连到待治疗的组织上，组织的模型可以在导航系统20中表示出来并在外科手术过程中被跟踪。
91.最初，在手术期间要定位和跟踪的对象由光学传感器观察到并识别出来。可以通过选择要跟踪的对象并使用连接到导航计算机26的输入设备来识别所述对象。导航计算机26可以将与许多对象有关的详细信息存储在导航计算机26上的存储器或数据存储装置中，用户可以是能够从对象数据库中手动地选择要跟踪的对象的。
92.附加地或替代地，导航计算机26可以基于术前手术计划识别要跟踪的对象。在这种情况下，导航计算机26可以具有可以在预先编写好的手术工作流程中使用的工作流程对象的预定义列表。导航计算机26可以使用软件主动搜索和定位工作流程对象。例如，与不同大小和形状的各种对象相关联的像素组可以存储在导航计算机26中。通过选择或识别要定位和跟踪的对象，软件识别相应的像素组，然后软件运行以使用传统的模式识别技术检测类似的像素组。
93.附加地或替代地，可以使用界面来识别要定位和跟踪的对象，用户之一在一个或多个显示器28、29上在该界面中勾画或选择要跟踪的对象。例如，由光学传感器40或摄像机41拍摄的手术部位的图像可以在显示器28、29中的一个或多个上显示。然后，用户使用鼠标、数字笔等在显示器28、29上跟踪要定位或跟踪的对象。该软件将与被跟踪的对象相关联的像素存储到其存储器中。用户可以通过唯一标识符来识别每个对象，例如使用软件命名该对象，以便使保存的像素组与该唯一标识符相关联。可以以这种方式存储多个对象。导航计算机26利用传统的模式识别和相关连的软件稍后检测这些物体。导航系统20能够通过连续拍摄图像、查看图像以及检测与对象相关联的像素组的移动来检测这些对象的移动。
94.在传统的手术导航系统中，要跟踪的对象最初是使用导航指针p配准。例如，导航指针p可以具有集成的跟踪器pt。导航计算机26可以存储与指针p的尖端相对于指针跟踪器pt的位置相对应的初始数据，使得导航系统20能够在定位器坐标系lclz中定位和跟踪指针p的尖端。因此，在外科手术开始之前，一旦所有对象都被定位于它们的期望位置，用户之一就可以用指针p触碰所有对象，同时使用上述的输入设备之一识别导航系统20中的对象。因此，例如，当用户用指针p的尖端触碰器械86时，用户可以同时触发定位器坐标系lclz中的该点的采集(通过另一输入设备，例如脚踏板)。当采集到该点时，用户还可以在导航软件中输入对象的身份(通过键入、从对象列表中下拉选择等)。
95.如图所示，相机单元36从跟踪器70、90、110的标记72接收光学信号，并向导航计算机26输出与跟踪器相对于定位器34的位置有关的信号。基于接收的信号，导航计算机26生成指示跟踪器70、90、110相对于定位器34的相对位置和取向的数据。
96.在外科手术开始之前，将附加数据加载到导航计算机26中。基于跟踪器70、90、110的位置和取向，以及先前加载的数据，比如代表跟踪器附接到的对象的几何结构的虚拟对象数据，导航计算机26确定外科用品的工作端(例如，钻尖端、抽吸器尖端等)的位置以及该物品相对于该工作端抵靠着应用的组织的取向。
97.导航计算机还生成指示手术器械的工作端与组织的相对位置的信息。该信息可以被渲染成有用的图像并应用于显示器28、29。基于该显示，用户能够查看手术器械的工作端与手术部位中的组织的相对位置。如上所述，显示器28、29可以包括触摸屏30或允许输入命令的其他输入/输出设备。
98.现在参考图3，对手术部位中对象的跟踪通常参考定位器坐标系lclz进行。定位器坐标系具有原点和定义相对x-、y-和z-轴的取向。在外科手术期间，优选将定位器保持在静止不动的位置。安装到相机单元的加速度计(未示出)可用于跟踪定位器坐标系lclz的突然或意外移动，这可能在相机单元36被外科手术人员无意碰到时发生。
99.与外科用品或患者解剖结构相关联的每个跟踪器70、90、110都有与定位器坐标系lclz分开的其自己的坐标系。如图3所示，与工具跟踪器90相关联的坐标系具有其自己的原点和定义相对x-、y-和z-轴的取向。导航系统20通过定位器34通过计算跟踪器的原点和取向相对于定位器坐标系的相对变化来监控外科用品的位置和取向以及患者解剖结构。
100.在外科手术的初始阶段，跟踪器被附连到物品(如果在制造中未提供)和要跟踪的解剖结构上。每个这种物品的姿势必须映射到该物品的跟踪器的坐标系。该配准或校准步骤在被跟踪物品的几何结构的虚拟表示与相关联的跟踪器的坐标系之间建立了固定的关系。以这种方式，所感测到的跟踪器的移动可以被虚拟地表示为由导航计算机26跟踪的物品相对于该公共坐标系(例如，定位器lclz)中的其他被跟踪物品的相应移动。
101.虽然导航系统已与机器人控制的手术系统一起使用，但需要改进的方法来为使用电动手术工具手动执行的手术提供导航指导。根据本公开，提供了一种导航手术器械的改进方法，用于验证器械工具尖端相对于患者解剖结构的位置。
102.在第一示例情况下，手术器械包括变速电机，例如驱动器电机68。变速电机由控制器控制。例如，在电动驱动器60的情况下，变速电机可以接收来自驱动器控制器64的控制信号。在另一个示例中，在通用工具平台80的情况下，控制器械86中的变速电机的控制信号可以来自通用控制台82。以下描述可以放在特定工具或工具类型的上下文中。这不旨在进行限制，并且该方法和系统可以与其他当前已知的或未来开发的手术工具、工具系统等一起实践。此外，在不脱离本公开的范围的情况下，一种方法的步骤可以在任何其他方法的情境中实施，并且一个公开系统的特征可以与任何其他系统一起实施。
103.尽管在前面的段落中关于变速电机的控制信号进行了描述，但这不是限制性的，并且在本公开的范围内可以设想其他替代的致动器。例如，在超声波抽吸器的情况下，不采用变速电机，而是来自抽吸器控制台102的控制信号可以控制抽吸器工具106的操作。抽吸器工具106包括中空尖端，中空尖端沿其轴线纵向振荡，例如由作为工具致动器的压电换能器驱动。振荡以对应于超声波的频率发生。尖端的纵向振动通过其锤击效应破坏细胞膜。由于高频振动会产生热量，因此保护套会携带液体以冲洗尖端。可以根据需要改变冲洗的强度，以调节从尖端施加到组织的热量。当冲洗量低时，超声抽吸产生的热量可用于切割或凝固目的。还可以通过抽吸器工具106提供吸力以除去碎片组织以及通过尖端的冲洗剂。通过
监控控制信号的操作特性，本系统可以检测工具尖端何时在自由空间中操作或何时与组织接触操作。
104.无论外科用品类型如何，在物品处于自由空间中时操作该物品的特征可能与在物品与患者解剖结构(包括骨头或诸如皮肤等的软组织)接触时操作该物品的特征不同。在电动驱动器60或其他具有变速电机的物品的实例中，当在自由空间中操作时，给电机供应电力将导致一定的旋转速度。当电机的旋转受到阻力时，例如当钻、钻头或其他工具类型与组织接触以去除物质时，除非调整供应给电机的功率，否则转速可能会降低。例如，可以在切割期间增大电流或电压，以便相对于工具不与任何组织接触的情况保持恒定的旋转速度。同样地，采用其他致动器、不通过电机驱动的工具可以在不与组织接触时在第一条件下操作，并且可以在与组织接触时在与第一条件不同的第二条件下操作。这种非电机驱动工具同样被设想为与本文公开的所描述的方法和系统一起实践。
105.驱动外科用品的控制器提供控制信号以操作该物品并且还与物品上的传感器通信以监控操作状况。例如，在电动驱动器60中，驱动器控制器64可以接收指示驱动器电机68的瞬时旋转速度、施加的功率、电压、电流、温度或其他的信号。该信号可以由控制器以每秒数次的频率接收。例如，该频率可以是大约60hz、大约100hz、大约1000hz或其他合适的频率。在其他示例中，不使用电机，例如超声抽吸器系统100，控制器(在此情况下为抽吸器控制台102)可以接收一个或多个指示物品(即，抽吸器工具106)的操作状况的信号。具体地，抽吸器控制台102可以监控工具尖端处的温度、通过工具尖端的冲洗剂的流速、被施加用于此吸力的负压或其他。
106.控制器可以配备存储器或数据存储装置，或者可以与存储器或数据存储装置通信，从而可以关于记录时间记录操作条件。控制器可以在外科用品开始操作时开始记录操作条件并且可以在整个操作期间连续进行。控制器可以分析监控到的操作条件，以对于当外科用品不与患者解剖结构接触地操作时定义第一特征操作条件；并且可以进一步对于当外科用品在与患者解剖结构接触地操作时定义第二特征操作条件。可根据特定工具定义监控的操作条件。对于电动驱动工具，操作条件可以是施加的功率、电流、电压、转速或其他。
107.如上所述，导航系统20在整个外科手术过程中跟踪和监控外科用品和患者解剖结构的位置。导航系统20通过导航计算机26与一个或多个在外科手术中控制所使用的外科用品的控制器通信。利用监控到的外科用品的操作条件，可以验证外科用品的被跟踪位置，并在必要时确定错误状况。
108.导航系统20保持外科用品和患者解剖结构的虚拟表示，以在显示器28、29上示意和视地觉呈现它们的相对位置。然而，在手术期间，跟踪器可能会移位。工具磨损或患者组织的移除可能会改变虚拟模型对其对应物的保真度。因此，导航系统20中的虚拟表示针对该外科手术的准确性和可靠性可能会受到不利影响。将导航系统20中的虚拟表示与操作条件进行比较可以提供系统准确性的重要验证。具体而言，如果导航系统20显示外科用品的虚拟模型与患者解剖结构接触，但操作条件表明物品与解剖结构之间没有接触，则可以确定错误状况，并采取适当的纠正措施。
109.图4a显示外科用品和患者解剖结构处于第一关系中，其中外科用品和解剖结构之间没有接触。在所示示例中，外科用品是器械86，具体而言，是器械86的包括工具尖端87的那一部分。在图4a中示出的将成为外科手术的目标的患者解剖结构是骨头、椎骨v。器械86
可由通用控制台82供电，通用控制台82同样监控器械86的操作参数，包括器械86的功率、电压、电流和/或转速。如图4所示，器械86将具有第一操作，其可以由控制台82根据监控到的针对在自由空间中操作(-即椎骨v不与骨头接触)的参数进行表征。
110.图6中示出了电机随时间操作的示例性图示160。在第一阶段162，器械未通电，因此电机操作在最低水平处是静态的。在之后的某一时刻t1，器械被通电并旋转到第一操作状态164，然后在t2与患者解剖结构接触。当在外科手术过程中与患者解剖结构接触时，电机操作处于较高水平166。在过程168之后器械可被移离与解剖结构的接触，然后返回到非通电状态170。
111.由导航系统20显示的示例性用户界面140在图4b中示出。导航系统20计算器械86和要接触的骨头、椎骨v之间的关系。在显示器上用户界面140可以被划分单独的部分，在各单独的部分中显示不同的信息。在用户界面140的第一部分142中，基于下述显示外科用品和患者解剖结构的虚拟表示：(1)那些物品的模型，其可以存储在导航系统26的存储器中，和(2)基于由读取器械跟踪器90和患者跟踪器130的光学传感器40感测的数据计算的、外科用品和患者解剖结构的相对位置。
112.导航系统20可以将计算出的外科用品与患者解剖结构的关系(接触或不接触)与监控到的操作参数进行比较，以验证导航引导的准确性。在图4a和4b所示的示例中，存在错误状况，其中导航系统20计算出器械86的工具尖端87与椎骨v接触，但所监控的操作参数对应于器械86处于如图4a所示的其中工具尖端87和椎骨v之间没有接触的关系中。
113.导航系统20或控制台82可以响应于错误状况的确定而触发动作。例如，可以激活用户界面140的工具栏区域146中的可视警报装置144。可视警报装置144可以是显示器28、29上的闪烁或眨眼的指示灯。可替代地或组合地，其他可视警报装置可以包括控制台82上、计算机推车组件24上、相机单元36上或其他地方上的指示灯。其他视觉警报装置可以采取提示用户动作、信息显示或其他形状、形式、图片或其他的形式。
114.响应于错误状况的确定，也可以触发其他动作。被触发的动作可以包括显示关于错误状况的具体信息、建议纠正错误状况的补救措施、或其组合。在图4b中，错误信息148可以显示在用户界面140的与第一部分142分开的区域中。错误信息148可以指示已经检测到错误。错误信息148可以指示错误的性质-在这种情况下导航系统20已经计算出器械86与骨头、椎骨v接触，但是电机操作指示在工具和骨头之间没有接触。可选地或组合地，错误信息148可以指示建议的补救措施，以及进一步指示对于特殊状况首选的补救措施可以包括什么。在导航系统计算出骨头和工具之间接触、但电机操作指示没有接触的情况下，补救措施可能需要更新骨头模型，以体现出组织已从骨头移除并且实际的骨头表面不再通过虚拟模型体现。
115.检测到错误状况时触发的动作可以包括其他动作，作为视觉警报的附加或替代。触发动作可以包括发出声音警报、激活触觉警报、切断给手术器械的供电或其组合中的一种或多种。发出声音警报可以包括任何类型的声音警报、哔哔声、蜂鸣器等。显示视觉警报可以包括在导航系统20的显示器28、29中的一个或多个上显示提示，该提示指示确定出的错误状况的性质。激活触觉警报可以包括激励器械或脚踏开关或两者的振动特征。振动可以被表征为与错误的类型相关联的振动模式，使得用户可以仅基于振动的类型来区分不同类型的错误。
116.图5a和5b说明了另一种情形。在图5a中，器械86的工具尖端87与骨头、椎骨v接触。在这种情形下，电机操作处于图6中所示的被监控到的电机操作的较高水平166。在时间t2，控制台82记录电机操作已经偏离第一操作状态164，该第一操作状态164对应于在自由空间中操作，即器械86的工具尖端87不与骨头接触。控制台可以与导航计算机26通信，以基于与工具跟踪器90和患者跟踪器130对应的光学传感器数据评估工具尖端和骨头的计算位置，用于确定工具至骨头的偏移d。在时刻t2，导航系统测量工具尖端87的计算位置和骨头(椎骨v)的最近表面在沿着器械86长度的纵向方向上的距离d。该距离是工具至骨头的偏移。该值可以作为数值测量值150显示在显示器28、29的区域中。每当监控到电机操作偏离对应于器械在自由空间中操作(即不与骨头接触)的第一水平量值时，系统可以操作以测量工具至骨头的偏移。例如，这可以包括每一次电机操作从第一水平量值转变到与工具与骨头接触时的电机操作相对应的第二水平量值时，例如如在图6中的时刻t2所示的。
117.因为随着外科手术的进行工具至骨头的偏移的值可能随时间改变，所以数值测量值150可以是根据对工具至骨头的偏移的最新评估而变化的连续更新的值。此外，可以记录和显示历史数据，以便用户可以跟踪和监控工具至骨头的偏移的趋势，并在量值增大到为了具有高水平的准确度而不能再依赖该导航引导的水平时意识到这一点，并且可能需要补救措施。例如，如图5b所示，用户界面140的一部分包括工具至骨头的偏移的值的图示152，其跟踪和显示随时间变化的值。图示152在图示的右侧显示当前值，过去的值的趋势线154向显示器的左侧滚动。该图示不旨在受到限制，并且在不偏离本公开的范围的情况下可以设想其他图形形式。
118.监控和显示工具至骨头的偏移可以提供将系统状态传达给用户的各种方式。例如，数值测量值150可以根据大小以不同的颜色显示。视觉警报装置144可以发不同颜色的光或以不同的频率闪烁以提醒用户变化情况。该系统可以被编程有工具至骨头的偏移的阈值、或者可以提示用户输入该阈值以触发不同类型的动作。
119.在一示例中，工具至骨头的偏移可以保持小于0.50毫米，或者触发响应动作，例如断开器械与电源的连接。可能希望的是在其达到该阈值之前提醒用户注意变化状况。对于在0.00毫米和0.25毫米之间的值，数值测量值150可以以第一颜色显示。对于在0.25毫米直至0.4毫米之间的值，数值测量值150可以以不同于第一颜色的第二种颜色显示。对于大于0.4毫米的值，数值测量值150可以以不同于第一或第二颜色的第三颜色显示。同样，随着值的变化，趋势线可以以不同的颜色显示。第一颜色可以是绿色、第二黄色和第三红色。这些说明是作为示例提供的，并非旨在进行限制。
120.在图4a和4b或5a和5b的任一情况下，系统可以警告用户错误状况并建议可能的补救措施。首选的补救措施可能取决于遇到的具体错误。在一个示例中，如果工具损坏或磨损引起错误状况，则补救措施是更换工具。在另一个示例中，如果是由于跟踪器被从与相关联的被跟踪对象的关系中移开而出现错误状况，或者如果导航推车组件被推挤或碰撞，则将跟踪器重新配准到定位器坐标系中的对象可能是适当的补救措施。这些说明仅是示例，并非旨在进行限制。
121.图7中图解说明了相对于骨头导航具有变速电机的手术器械的第一方法400。该方法包括使用导航系统20，其如上所述包括具有定位器坐标系的定位器、耦合到手术器械的器械跟踪器和耦合到骨头的患者跟踪器。该方法使用与导航系统通信并控制手术器械的控
制器。
122.在图4所示的方法400的第一步骤402中，用户将患者跟踪器配准到骨头。配准患者跟踪器将患者跟踪器坐标系与定位器坐标系相关联。该步骤还定义了骨头相对于患者跟踪器的位置和取向，以便导航系统可以基于检测到的患者跟踪器的移动来跟踪和监控骨头的位置和取向，并更新导航系统中骨头的虚拟表示。
123.在第二步骤404中，用户将器械跟踪器配准到手术器械。配准器械跟踪器将器械跟踪器坐标系与定位器坐标系相关联。该步骤还定义了器械工具尖端相对于器械跟踪器的位置和取向，以便导航系统可以基于检测到的器械跟踪器的移动来跟踪和监控器械工具尖端的位置和取向，并更新导航系统中器械的虚拟表示。
124.该方法包括在步骤406中定义当工具尖端不与骨头接触时手术器械或物品的电机操作。该定义步骤可以包括评估表征电机的操作的功率、电压、电流、转速或其他操作参数或参数组合中的至少一个。代表操作参数的数据可以存储在控制手术器械的操作的控制器的存储器中。替代地或另外地，该数据可以由控制器传送到导航系统。在另一替代或补充中，该数据可以存储在结合到手术器械本身中的存储器上，或者存储在与器械或控制台通信的另一设备上。
125.在外科手术期间并且在分析操作参数以定义自由空间中的电机操作之后，该方法包括在步骤408中控制器监控器械的电机操作。该监控可以包括周期性地接收指示电机操作的信号并且将该信号记录为表示在接收到该信号的时间的电机操作的数据。以这种方式，控制器可以在外科手术期间创建随时间的电机操作的记录。
126.在监控电机操作的同时，该方法包括在步骤410中用导航系统监控器械工具尖端相对于患者骨头的位置。分别安装到器械和骨头上的跟踪器由导航系统感测到，并且基于较早的配准，可以由导航系统确定并且可选地在显示器上虚拟地显示工具尖端和骨头的相对位置。作为监控工具尖端和骨头的位置的一部分，导航系统可以确定在定位器坐标系中器械和骨头之间何时发生接触。
127.在确定器械和骨头之间已经发生接触后，该方法包括在步骤412中将电机操作与被监控到的器械工具尖端的位置进行比较。导航系统与器械控制器通信，可以评估器械的电机操作。评估考虑当器械工具尖端不与骨头接触时电机操作是否与器械的被定义的电机操作相匹配。
128.如果导航系统基于所跟踪的位置确定器械与骨头接触，并且电机操作指示器械在该时刻未与骨头接触，则该方法包括，在步骤414处，确定错误状况。该确定反映出某些干扰或异常已进入系统。当导航系统中的被跟踪位置不能反映器械或骨头的真实物理位置时导航系统的准确性和可靠性就不能依赖了。
129.一旦确定了错误状况，该方法包括在步骤416处响应于确定错误状况而触发动作，以便可以采取适当的补救措施。
130.在一个替代方案中，该方法可选地包括在器械工具尖端与骨头接触时定义器械的第二电机操作。类似于在器械工具尖端不与骨头接触时器械的第一次电机操作，代表第二电机操作的操作参数的数据可以包括表征在与骨头接触时的电机的操作的功率、电压、电流、转速或其他操作参数或参数组合中的至少一个。代表第二电机操作的该数据可以存储在控制手术器械的操作的控制器的存储器中。替代地或附加地，数据可以由控制器传送到
导航系统。在另一替代或附加中，数据可以存储在结合到手术器械本身内的存储器上。
131.当手术器械与骨头接触时定义了第二电机操作，该方法可以包括在下述时确定第二错误状况：在定位器坐标系中被监控到的器械工具尖端的位置不与骨头接触、但电机操作等于(对应于)所定义的第二电机操作-在器械工具尖端与骨头接触时的电机操作。在确定存在第二错误状况时，该方法可以包括触发第二动作以便可以采取适当的纠正措施。
132.关于以上讨论的任一错误状况，所产生的动作可以包括发出声音警报、显示视觉警报、激活触觉警报、切断给手术器械的供电或其组合中的一个或多个。发出声音警报可以包括任何类型的声音警报、哔哔声、蜂鸣器等。显示视觉警报可以包括在导航系统的一个或多个显示器上显示指示所确定出的错误状况的性质的提示。视觉警报还可以包括点亮灯，例如手术器械本身上的led灯。视觉警报可以包括已经确定出错误状况的任何其他可见类型的指示。激活触觉警报可以包括激励器械或脚踏开关的振动特征。振动可以表征为与错误的类型相关联的振动模式，从而用户可以仅基于振动的类型来区分不同类型的错误。
133.图5中图解说明了相对于骨头导航具有变速电机的手术器械并确定工具至骨头的偏移的第二方法500。第二方法500在某些方面类似于上述第一方法400。第二方法500的步骤可以相对于存在相似特性的第一方法400的步骤来限定。具体而言，第二方法500采用类似于方法400的导航系统、手术器械、器械跟踪器和患者跟踪器。同样，控制器与导航系统通信并向手术器械提供电力。
134.第二方法500以与步骤402和404相同的步骤502和504开始，将患者跟踪器配准到骨头并且将器械跟踪器配准到手术器械。第二方法500还包括步骤506，在器械不与骨头接触时定义手术器械的第一电机操作，与上述的步骤406相同。进一步类似于第一方法400，第二方法500包括步骤508和510，用控制器监控电机操作并且用导航系统监控器械工具尖端相对于骨头的位置，如步骤408和410那样。
135.与第一方法400不同，第二方法500包括在步骤512中将监控到的电机操作与定义的第一电机操作进行比较。此比较可以在手术过程中以某一频率在连续的循环中随时间重复而执行。第二方法500还包括，在步骤514中，作为步骤512的比较的结果，当被监控到的电机操作偏离所定义的第一电机操作时确定器械工具尖端和骨头之间的接触时间。当电机操作的被连续监控的特征从定义的第一电机操作(-表示在器械不与骨头接触时的电机操作)改变时，可以确定器械与骨头之间的接触时间。
136.一旦在步骤514中确定了器械和骨头之间的接触时间，第二方法500包括，在步骤516中，利用导航系统在该接触时间确定工具至骨头的偏移作为在定位器坐标系中器械工具尖端和骨头表面之间的距离。监控器械工具尖端和骨头的位置的导航系统可以从器械控制器接收表示工具尖端和骨头之间接触的信号，基于控制器确定所监控的电机操作已经偏离在器械不与骨头接触时定义的第一电机操作。
137.给定了接触时间，导航系统评估工具尖端和骨头的跟踪位置，并且当导航系统计算出工具尖端从骨头分开时计算在定位器坐标系中工具尖端和骨头表面的最近点之间的距离。在另一种情况下，在给定接触时间的情况下，基于控制器确定从所定义的电机操作偏离，导航系统可以计算工具尖端正在刺入骨头内一定距离。在这种情况下，导航系统计算垂直于骨头表面的、工具尖端任意点的最大穿透深度的距离。在任一种情况下，计算的距离都是工具至骨头的偏移。换句话说，工具至骨头的偏移是工具相对于骨头的真实物理位置与
工具相对于骨头的位置的虚拟表示之间的准确度的误差(margin)。
138.如上所述，有许多因素可以引入或增大工具至骨头的偏移。如果跟踪器在配准后发生移位或变形，可能会导致导航准确度的下降。同样，如果导航推车组件在操作过程中受到推挤或碰撞，导致相机单元移动，也会导致导航准确度的下降。其他因素可能包括工具磨损、工具变形或组织从骨头的明显去除。就保持一致且高度准确的导航方面，最好保持较低(小)的工具至骨头的偏移。
139.如果工具至骨头的偏移增大得太高，导航引导的准确性可能会受到影响并且需要采取补救措施。因此，第二方法500包括步骤518，即当工具至骨头的偏移超过预定义量值时触发动作。在一示例中，预定义量值为0.5毫米。也就是说，当器械接触骨头时，如通过控制器监控的电机操作的偏离确定的，导航系统计算出工具尖端距骨头表面0.5毫米。尽管参考具体的量值进行了描述，但这并不旨在进行限制，并且可以设想其他限制。此外，不同的限制可能适用于不同的工具或同一工具的不同应用。该触发动作的步骤518类似于响应于确定错误状况而触发动作的步骤416。所产生的动作可以包括发出声音警报、显示视觉警报、激活触觉警报、切断给手术器械的供电或其组合中的一种或多种，如上所述。
140.为了向用户提供信息，第二方法500可以进一步包括在导航系统的显示器上显示工具至骨头的偏移的步骤。这可以允许用户跟踪和监控由导航系统提供的导航引导的准确性。在外科手术中实施本方法时，确定工具至骨头的偏移的步骤可以在整个过程中重复多次，例如，每一次控制器基于电机操作的偏离确定器械与骨头之间的接触时间时。因此，每次执行此确定时，工具至骨头的偏移的显示可以是连续更新的值。除了工具至骨头的偏移的数值表示之外，该信息还可以或替代地显示为随时间变化的各值的图表或折线图。
141.为了进一步帮助用户，工具至骨头的偏移的值可以根据大小以不同的方式显示。例如，指示工具至骨头的偏移小并且导航引导的准确度高的较低量值可以以第一颜色显示，而较高量值可以以不同于第一颜色的第二颜色显示。此外，甚至更高的量值可以以不同于第一和第二颜色的第三颜色显示。也可以以同样的方式采用其他颜色组合或视觉表示。
142.为了便于工具至骨头的偏移的这种动态显示，第二方法500可以包括定义第一水平量值和第二水平量值的步骤。这些第一和第二水平量值可以在系统中预定义为默认值。可替代地，用户可以在手术开始时或在系统的设置操作期间输入第一和第二水平量值。在一个示例中，第一水平量值可以是0.25毫米并且第二水平量值可以是0.4毫米。
143.在一个示例中，当计算出的工具至骨头的偏移小于第一水平量值时，显示的值可以以绿色呈现。当计算出的工具至骨头的偏移小于第二水平量值时，显示的值可能会以黄色呈现。当工具至骨头的偏移高于第二水平量值时，显示的值可能会以红色呈现。这些颜色的指定并非旨在限制，而仅旨在说明一个示例。在另一种情况下，工具至骨头的偏移的动态显示可以利用可变的尺寸，作为改变显示值的颜色的替代或附加。
144.在第二方法500的步骤518中，工具至骨头的偏移的第一和第二水平量值也可以用来触发一个或多个动作。例如，当工具至骨头的偏移达到或超过第一水平量值时可以触发视觉警报，并且在工具至骨头的偏移达到或超过第二水平量值时可以触发视觉和听觉警报的组合。
145.另外，还可以以与第一和第二水平量值相同或不同的方式定义第三水平量值。第三水平量值可以表示系统确定禁止从控制器到手术器械供电时的工具至骨头的偏移的值。
当工具至骨头的偏移达到第三水平量值时，导航系统的准确性可能会降低到存在伤害风险的程度，因此必须禁用手术器械，直到采取补救措施。
146.如上所述，导航系统可以响应于某些错误或响应于所确定的工具至骨头的偏移的值而提醒用户需要采取补救措施来提高导航引导的准确性的情况。有许多不同的可能的补救措施，正确的纠正可能取决于遇到的具体错误。在一个示例中，如果工具损坏或磨损引起错误状况，则补救措施是更换工具。在另一个示例中，如果是由于跟踪器被从相关联的被跟踪对象的关系中移位而出现错误状况，或者如果导航推车组件被推挤或碰撞，则将跟踪器重新配准到定位器坐标系中的对象可能是合适的补救措施。
147.在另一个示例中，在移除大量组织的外科手术中，解剖结构的虚拟表示将不再代表患者的实际解剖结构。为了补救这种情况，可能必须进行额外的成像、建模和再配准来重新定义解剖结构的虚拟表示内的组织表面的位置。在一个示例中，手术器械可以不通电并用作指针以触碰解剖结构的被切除表面上的多个点，以创建导航系统的新点云，从而重新定义骨头的虚拟表示的表面。
148.所公开的方法可以用改进的手术系统来实践，如图1和2所示，并且在上面以各种配置进行了描述。该手术系统包括具有变速电机和工具尖端的手术器械。手术器械与用于向手术器械供电的控制器操作地通信。控制器进一步可操作以监控器械的电机操作并且包括处理器和存储器，所述存储器可操作以存储信息，包括代表被监控的电机操作的信息。该系统还包括耦合到器械的器械跟踪器和将被耦合到患者解剖结构的患者跟踪器。
149.手术系统还包括导航系统。导航系统包括定位器和导航计算机。导航计算机包括处理器和存储器，用于在虚拟空间中并相对于虚拟空间内的定位器坐标系存储信息，包括代表手术器械的信息和代表患者解剖结构的信息。导航系统可操作以在手术期间基于定位器收集的信息跟踪虚拟空间中器械和骨头的位置。定位器可操作以相对于定位器坐标系配准器械跟踪器的位置和患者跟踪器的位置，并分别与器械跟踪器和患者跟踪器协作以收集关于器械和骨头位置的信息。
150.控制器和导航系统进行电子通信并配置为相互协作。在手术中，控制器和导航系统基于器械的电机操作的变化来确定工具尖端和骨头之间的接触时间。控制器和导航系统还在该接触时间处将工具至骨头的偏移确定为工具尖端的跟踪位置与骨头的跟踪位置之间的距离。
151.手术系统还可包括警报设备。控制器和导航系统进一步与警报设备通信，并在工具至骨头的偏移大于预定义量值时触发动作。警报设备可以包括视觉警报设备，例如控制台82、计算机推车组件24、相机单元36或操作环境中的其他地方上的灯或显示器。其他视觉警报可以采取提示用户动作、信息显示、或其他形状、形式、图片或其他的形式。警报设备可以包括声音警报设备，例如扬声器、铃、喇叭、蜂鸣器等。其他声音警报可以包括音调、警报、预先录制的消息或其它。警报设备可以包括能够产生用户可感知的触觉警报(例如通过振动)的触觉警报设备。
152.在各跟踪器被正确配准到手术器械和患者解剖结构的配置中，用户可以将手术器械的未通电的工具尖端与患者解剖结构接触，并且导航系统将正确地确定出在公共坐标系中工具尖端与患者解剖结构接触，没有任何缝隙或重叠。然而，跟踪器、手术器械或解剖结构可能会偏转或变形，或者导航系统的相机单元可能会受到干扰，从而导致配准变得不准
确。因此，希望提供一种为导航系统执行配准验证操作的方法，该方法不需要为工具通电，因此不依赖于工具在自由空间中操作或与患者解剖结构接触时操作的任何参数。用户可以将手术器械的工具尖端放置成与患者解剖结构静止接触，处于未通电状态使得解剖结构不受工具的影响并保持该位置以触发导航系统来执行配准验证。
153.如图9所示，提供了在外科手术期间操作手术导航系统以验证跟踪配准的方法600。在方法600中，如上所述，手术导航系统包括具有定位器坐标系的定位器、耦合到手术器械的器械跟踪器、以及耦合到患者解剖结构(例如，椎骨、其他骨头、或软组织)的患者跟踪器。提及患者解剖结构、特定骨头或一般的骨头应以广泛含义理解为包括软组织和其他非骨应用。方法600使用与导航系统通信并控制手术器械的控制器。
154.在方法600的第一步骤602中，用户将患者跟踪器配准到骨头。配准患者跟踪器将患者跟踪器坐标系与定位器坐标系或其他公共坐标系相关联。该步骤还定义了骨头相对于患者跟踪器的位置和取向，以便导航系统可以根据检测到的患者跟踪器的移动来跟踪和监控骨头的位置和取向或姿势，并更新导航系统中解剖结构的虚拟表示。
155.在方法600的第二步骤604中，用户将器械跟踪器配准到手术器械。配准器械跟踪器将器械跟踪器坐标系与定位器坐标系或其他公共坐标系相关联。该步骤604还定义了器械工具尖端相对于器械跟踪器的位置和取向，使得导航系统可以基于检测到的器械跟踪器的移动来跟踪和监控器械工具尖端的位置和取向或姿势并更新导航系统中器械的虚拟表示。
156.方法600包括以下步骤606、608：利用导航系统随着时间的推移监控解剖结构的姿势和手术器械的位置，并以能够显示给用户的虚拟表示跟踪解剖结构和器械的姿势。监控患者解剖结构和手术器械的位置包括监控被跟踪的物体的位置和取向。在手术过程中所述位置和取向被以一频率在连续的循环中随时间进行监控。有了这些信息，导航系统可以确定速度、加速度和其他量，包括在公共坐标系中以及相对于其他被跟踪的对象的运动的大小和方向。
157.方法600包括确定手术器械的工具尖端被静态定位在患者解剖结构的预定义接近范围内的步骤。在该步骤中，导航系统除了监控工具尖端和解剖结构的位置之外，还监控工具尖端相对于解剖结构的速度。在操作过程中，用户将工具尖端放置成与骨头接触，但工具不通电，以提示导航系统验证跟踪器在手术器械和患者解剖结构上的配准。
158.因为配准容易出错，所以当导航系统确定工具尖端在与患者解剖结构的预定义接近范围内静止不动时，导航系统可以评估配准验证。当跟踪的位置在预定时间段内没有改变时，导航系统可以确定工具尖端是静止不动的。此预定时间段可以被预先编程到导航系统，例如为三秒、五秒或其他持续时间段。预定义接近范围可以是例如大约3毫米、大约1毫米或大约0.5毫米。预定义接近范围可以是适合于导航系统可测量的准确度水平的某一其他距离值。在导航系统的配置过程中，例如在外科手术之前的启动过程中，可以提示用户从选项列表中选择用于预定义时间段的持续时间或用于预定义接近范围的距离，或者可以提示用户通过触摸板、按钮选择、触摸屏或其他输入装置输入持续时间或距离。
159.当被跟踪到的工具尖端的位置和取向是静态的并且在预定义时间段内不改变时，导航系统可以确定工具尖端是静止不动的。可替代地，当位置和取向的变化不超过特定量值时，可以确定位置是静止不动的。进一步可替代地，当位置和取向不改变时，或者在特定
方向上改变不超过特定量值时(例如所述特定方向是朝向解剖结构的方向)，可以确定位置是静止不动的。
160.一旦导航系统确定工具尖端在接近骨头的静态位置和定向中是静止不动的，方法600包括确定偏移距离的步骤612。偏移距离是系统中的不准确度的量度。导航系统从用户接收指示工具尖端与解剖结构静态接触的输入，并评估跟踪到的器械工具尖端和患者解剖结构的位置。基于这些跟踪到的位置，该评估的结果可以计算出工具尖端与骨头分开一距离，或者可以基于跟踪到的手术器械和患者解剖结构的虚拟表示的位置和取向计算出工具尖端穿透到骨头内一距离。计算距离的大小定义了工具至骨头的偏移，并指示了工具尖端相对于解剖结构的真实物理位置与在导航系统中工具尖端相对于解剖结构的虚拟表示之间的准确度误差。
161.在计算该偏移距离时，导航系统识别手术器械的虚拟表示上的第一点，该点或者是最接近患者解剖结构的虚拟表示的近点，或者是手术器械的虚拟表示穿透或重叠到患者解剖结构的虚拟表示内最深的点。在器械的第一识别点在解剖结构外面的情况下，偏移距离是第一识别点与解剖结构的虚拟表示的表面上某一点之间的最短距离，其中该偏移距离垂直于该表面并且向外指向。在器械的第一识别点在解剖结构的虚拟表示内部的情况下，该偏移距离是第一识别点与解剖结构的虚拟表示的表面上某一点之间的最大距离，其中该偏移距离垂直于该表面并向内指向。
162.一旦确定了该偏移距离，在方法600中导航系统在步骤614处将计算的偏移距离与允许的系统不准确性对应的预定义阈值进行比较。如果偏移距离大于预定义阈值，表明比期望的准确度水平低，则导航系统可以被配置为触发动作作为响应。在一个示例中，预定义阈值为0.5毫米。也就是说，当工具尖端与解剖结构静态接触时，如导航系统基于跟踪到的位置所确定的，导航系统计算出工具尖端的虚拟表示距离解剖结构的虚拟表示为0.5毫米。尽管参考具体量值进行了描述，但这并不旨在进行限制，并且可以设想其他限制。此外，不同的限制可能适用于不同的工具或同一工具的不同应用。触发的动作可以包括发出声音警报、显示视觉警报、激活触觉警报、禁止到手术器械的供电或其组合中的一种或多种，以及如上所述。
163.预定义阈值可以包括指示不同准确度水平的多个值，其中根据偏移距离与不同值的比较触发不同的动作。例如，预定义阈值可以包括第一预定义阈值和第二预定义阈值。触发动作可以包括当偏移距离大于第一预定义阈值时触发第一动作以及在偏移距离大于第二预定义阈值时触发第二动作。动作可以包括如上所述的任何动作，以包括听觉警报、视觉警报、触觉警报或它们的各种组合。
164.图9所示的方法600可以如图10所示扩展为方法620。在一个扩展中，在步骤622中导航系统可以提示用户启动配准验证循环，如上面方法600中详述的。该提示可以作为视觉提示呈现给用户，例如通过在显示器上显示消息。可替代地，视觉提示可以包括闪光灯或其他。该提示可以作为听觉提示呈现给用户，例如通过音调、哔哔声、预先录制的消息等。该提示可以呈现为触觉提示，例如通过规定的振动系列或循环。该提示可以作为视觉、听觉或触觉提示的组合呈现给用户。
165.方法620包括步骤624，在手术器械处于第一姿势时确定第一偏移。该步骤与图9所示的方法600的步骤一致地执行，其中工具尖端的静态位置包括第一姿势-手术器械的位置
和取向。方法620包括确定第二姿势中的第二偏移的步骤626。这需要改变手术器械的位置、取向或两者，并再次将工具尖端与解剖结构静态接触。当与解剖结构静态接触的工具尖端处于第二姿势时，导航系统确定第二偏移值。因此，导航系统可以以这种方式从一个以上的角度评估工具至骨头的偏移，以确保系统在多个角度上的准确性。
166.在步骤624、626中分别从第一和第二姿势确定了第一和第二偏移后，导航系统在步骤628中将第一和第二偏移与允许阈值进行比较。在该步骤中，导航系统可以独立地将第一偏移与允许阈值以及第二偏移与允许阈值进行比较，并且如果第一和第二偏移中的一个或另一个超过允许阈值，则可以触发动作。触发动作的步骤630可以类似于触发动作的步骤616。
167.一旦响应于导航系统确定偏移超过了允许阈值而触发了动作，用户可以有机会输入输入(信息)来维持系统操作而无需采取其他纠正动作，例如将跟踪器重新配准到手术器械或患者解剖结构。在步骤631中，导航系统可以接收输入以覆盖或取消由于偏移大于允许阈值而触发的动作。导航系统可以通过键盘、触摸屏等接收输入，比如语音命令、手势输入或其他输入。接收输入以覆盖或取消触发的动作，导航系统和手术器械可以恢复正常操作。
168.图11示出了方法632作为方法620的步骤628的替代或补充，将第一和第二偏移与容许阈值进行比较。一旦导航系统已经确定了第一和第二姿势中的第一和第二偏移，如在步骤634中那样，导航系统即可以基于第一和第二偏移以及第一和第二姿势之间的几何关系(或更具体地基于在第一和第二姿势中与解剖结构静态接触地应用的工具尖端表面上的特定接触点之间的几何关系)来计算三维偏移。确定了三维偏移之后，导航系统可以将该三维偏移与容许阈值进行比较。与比较第一或第二偏移之一的允许阈值相比较，本允许阈值可以具有相同的大小或不同的大小。
169.作为另一替代，方法620和632可以另外包括确定第三姿势中的第三偏移。在方法620的步骤628中，将第一和第二偏移与容许阈值进行比较可以包括将第三偏移与容许阈值进行比较。同样，在方法632中，步骤634可以包括除了确定第一和第二姿势中的第一和第二偏移之外还确定第三姿势中的第三偏移。此外，在步骤636中，导航系统可以基于第一、第二和第三偏移以及第一、第二和第三姿势之间的几何关系，或者基于在第一、第二和第三姿势中工具尖端和解剖结构之间的第一、第二和第三接触点之间的几何关系，来计算三维偏移。
170.计算三维偏移取决于工具尖端的几何形状。在第一示例中，如图12所示，工具尖端180可包括大致圆柱形的、锥形的、圆锥形的或细长的侧面(aspect)182，例如与钻头或镂铣刀一样。工具尖端180的细长侧面182可以限定纵向轴线l，该纵向轴线l延伸穿过细长侧面182的中心并与其平行。当放置成与解剖结构(例如椎骨v)静态接触时，为了验证配准和确定偏移值，工具尖端180和解剖结构v之间的接触点184，例如，沿着在细长侧面182的端部处、距纵向轴线的距离等于细长侧面的半径处的外围边缘186。
171.在另一个示例中，如图13所示，工具尖端190可以包括大致球形侧面192，例如圆形钻。工具尖端190的球形侧面192可以限定在球形侧面的中心处的中心点194。当放置成与解剖结构(例如椎骨v)静态接触以用于验证配准和确定偏移值时，工具尖端190和解剖结构v之间的接触点196，例如，位于距中心点194的距离等于球形侧面192的半径的球形侧面192表面上。
172.确定了图11中示出的三维偏移，例如在方法632的步骤636中，需要确定在手术器
械处于相对于解剖结构的第一姿势时的第一偏移，在第二姿势时的第二偏移，以及可选地，第三姿势时的第三偏移。将手术器械放置于多个不同的姿势会向定位器的相机单元提供手术器械跟踪器的不同视图。多个视图确保任何配准错误都能够被导航系统识别出并且不会被器械的特定视图隐藏。
173.为了确保手术器械的各视图被导航系统充分地区分开来，手术器械从一个姿势到下一个姿势应该有足够的旋转。例如，在第一姿势建立了第一偏移距离，手术器械可被旋转以使得在第二姿势中工具尖端上的接触点偏离第一姿势中工具尖端上的接触点大约90
°
。如图12所示，在工具尖端180具有细长侧面182的情况下，通过围绕工具尖端180的纵向轴线l的旋转，第二接触点188可以与第一接触点184成大约90
°
。如图13所示，工具尖端190具有球形侧面192，通过在任何平面中围绕中心点194旋转，第二接触点198可以与第一接触点196成大约90
°
。在确定第三偏移距离的情况下，第三姿势中的第三接触点189、199可以分别与第一姿势和第二姿势中的第一接触点184、196和第二接触点188、198相距大约90
°
。
174.在外科手术过程中，手术器械可以被应用为与一个以上的骨头接触，例如沿着脊柱的多个椎骨。在外科手术的初始阶段，可以将跟踪器配准到将受手术影响的每一个单独的骨头。从对一个骨头操作过渡到对第二骨头操作，用户可以在完成对第一骨头的手术干预之后验证第二骨头的跟踪器的配准。用户可以通过将工具尖端定位成与第二骨头静态接触来触发导航系统以验证跟踪配准过程。可替代地，在完成应用于第一骨头的手术计划的阶段之后，导航系统可以提示用户在按照第二骨头的手术计划开始手术干预之前验证配准。
175.导航系统可以指定骨头的一部分与工具尖端接触以进行配准验证。被指定用于配准验证的骨头的那部分可以是根据手术计划不是切除目标的骨头的暴露部分。选择不作为手术干预目标的部分增大了骨头表面与患者解剖结构的虚拟表示相匹配的可能性，从而为验证跟踪器配准提供了准确的基础。导航系统可以显示患者解剖结构的图形表示，其中特定部分被突出显示，被重点标记，被用箭头、轮廓或其他符号进行指示以向用户标识解剖结构的该部分。
176.以上描述以说明性方式提供。应当理解，所使用的术语旨在具有描述性词语的性质而不是限制性的。鉴于上述教导，许多修改和变化是可能的。因此，在所附权利要求的范围内，可以以不同于具体描述的方式实践特征或实施方式。
177.技术方案
178.i.一种相对于骨头导航具有变速电机的手术器械的方法，该方法包括使用导航系统，导航系统包括具有定位器坐标系的定位器、耦合到手术器械的器械跟踪器、耦合到骨头的患者跟踪器、与导航系统通信的控制器，控制器控制手术器械，该方法包括：
179.用定位器在定位器坐标系中配准患者跟踪器，定义骨头相对于定位器坐标系的骨头位置；
180.用定位器在定位器坐标系中配准器械跟踪器，定义器械工具尖端相对于定位器坐标系的器械位置；
181.当器械工具尖端不与骨头接触时，定义器械的电机操作；
182.在医疗过程期间使用控制器监控器械的电机操作；
183.利用导航系统监控器械工具尖端相对于骨头的位置，以确定在定位器坐标系中器
械工具尖端何时与骨头接触；
184.将电机操作与监控到的器械工具尖端的位置进行比较；
185.当在定位器坐标系中监控到的器械工具尖端的位置与骨头接触、但监控到的电机操作对应于在器械工具尖端不与骨头接触时定义的器械的电机操作时，确定错误状况；以及
186.在确定错误状况时触发动作。
187.ii.根据技术方案i所述的方法，其中，在工具尖端不与骨头接触时定义器械的电机操作包括当电机在器械工具尖端不与骨头接触的情况下被操作时定义功率、电压、电流或其组合的阈值。
188.iii.根据技术方案i或ii中任一项所述的方法，其中，定义电机操作包括将代表电机操作的数据存储在控制器、导航系统、手术器械或其组合中的一个或多个的存储器中。
189.iv.根据技术方案i-iii中任一项所述的方法，还包括在器械工具尖端与骨头接触时定义器械的第二电机操作。
190.v.根据技术方案iv所述的方法，进一步包括：当在定位器坐标系中监控到的器械工具尖端的位置不与骨头接触、但监控到的电机操作对应于在器械工具尖端与骨头接触时定义的器械的第二电机操作时，确定第二错误状况；以及当确定第二错误状况时触发第二动作。
191.vi.根据技术方案i-v中任一项所述的方法，其中，触发动作或第二动作之一包括发出声音警报、显示视觉警报、激活触觉警报、切断给手术器械的供电或其组合中的一个。
192.vii.一种使用导航系统导航具有变速电机的手术器械的方法，所述导航系统包括具有定位器坐标系的定位器、耦合到所述手术器械的器械跟踪器、耦合到骨头的患者跟踪器、与导航系统通信并且向手术器械供电的控制器，所述方法包括：
193.利用定位器在定位器坐标系中配准患者跟踪器，定义骨头相对于定位器坐标系的骨头位置；
194.利用定位器在定位器坐标系中配准器械跟踪器，定义器械工具尖端相对于定位器坐标系的器械位置；
195.定义在不与骨头接触时操作的手术器械的第一电机操作；
196.利用控制器在医疗过程中监控手术器械的电机操作；
197.使用导航系统监控在定位器坐标系中器械工具尖端相对于骨头的位置；
198.将监控到的电机操作与定义的电机操作进行比较；
199.当监控到的电机操作偏离定义的第一电机操作时，确定器械工具尖端和骨头之间的接触时间；
200.利用导航系统在接触时间确定工具至骨头的偏移作为在定位器坐标系中器械工具尖端和骨头的表面之间的距离；以及
201.在工具至骨头的偏移超过预定义量值时触发动作。
202.viii.根据技术方案vii所述的方法，其中，触发动作包括发出声音警报、显示视觉警报、激活触觉警报、切断给手术器械的供电或其组合中的一种。
203.ix.根据技术方案vii所述的方法，其中，所述预定义量值是0.5毫米。
204.x.根据技术方案vii所述的方法，进一步包括在显示设备上显示所确定的工具至
骨头的偏移。
205.xi.根据技术方案viii所述的方法，其中，监控器械工具尖端相对于骨头的位置包括在医疗过程期间跟踪器械工具尖端的器械位置和骨头的骨头位置；所述方法还包括，利用导航系统，检测在操作期间所监控到的器械工具尖端的位置与骨头的表面接触的每次发生，并记录在医疗过程期间每次发生时确定的一系列工具至骨头的偏移值。
206.xii.根据技术方案vii所述的方法，进一步包括在显示设备上将所述一系列工具至骨头的偏移显示为连续更新的值。
207.xiii.根据技术方案xii所述的方法，进一步包括定义第一水平量值和第二水平量值，其中显示所确定的工具至骨头的偏移的步骤包括当偏移小于第一水平量值时以第一颜色显示该偏移，当偏移在第一水平量值和第二水平量值之间时以不同于第一颜色的第二颜色显示该偏移；以及当偏移大于第二水平量值时以不同于第一和第二颜色的第三颜色显示该偏移。
208.xiv.根据技术方案xiii所述的方法，其中，用于触发动作的预定义量值等于第二水平量值。
209.xv.根据技术方案xiii所述的方法，其中，用于触发动作的预定义量值大于第二水平量值。
210.xvi.根据技术方案xiii所述的方法，进一步包括定义第三水平量值，所述方法还包括当所述工具至骨头的偏移大于所述第三水平量值时禁止从所述控制器到所述手术器械供电。
211.xvii.根据技术方案vii所述的方法，进一步包括提示用户输入预定义量值的值。
212.xviii.根据技术方案xvii所述的方法，还包括当工具至骨头的偏移大于预定义值时，禁止从控制器到手术器械供电。
213.xix.根据技术方案xii所述的方法，进一步包括将所述一系列工具至骨头的偏移显示为偏移的值随时间变化的图表。
214.xx.根据术方案vii所述的方法，其中，触发动作包括提示用户更新骨头的模型。
215.xxi.根据技术方案xx所述的方法，其中，更新骨头的模型包括在从控制器到手术工具的供电被禁用的情况下使骨头的被切除表面与器械工具尖端接触。
216.xxii.一种在外科手术期间操作手术系统以验证跟踪配准的方法，手术系统包括包括导航系统，导航系统包括具有定位器坐标系的定位器、耦合到手术器械的器械跟踪器、包括工具尖端的所述手术器械、耦合到患者解剖结构的患者跟踪器、与定位器通信的控制台，控制台与代表手术器械的数据和代表患者解剖结构的数据通信，所述方法包括：
217.用导航系统跟踪手术器械和解剖结构，并用控制台存储在公共坐标系中的代表被跟踪的手术器械的第一数据和代表被跟踪的解剖结构的第二数据；
218.基于代表被跟踪的手术器械的第一数据和代表被跟踪的解剖结构的第二数据，确定工具尖端在被跟踪的解剖结构的预定义接近范围内；
219.确定工具尖端在预定义持续时间段内没有离开所述预定义接近范围超过预定义量值；
220.基于代表被跟踪的手术器械的第一数据和代表被跟踪的解剖结构的第二数据确定偏移距离；
221.将偏移距离与预定义阈值进行比较；
222.当偏移距离大于预定义阈值时触发动作。
223.xxiii.根据技术方案xxii所述的方法，进一步包括通过在显示器上显示提示、发出声音警报、产生触觉感觉、或其组合中的一个来提示用户验证跟踪配准。
224.xxiv.根据技术方案xxii所述的方法，其中，确定工具尖端在解剖结构的预定义接近范围内包括定义所述解剖结构的不会被切除的表面区域，并且确定所述工具尖端在所定义的表面区域的预定义接近范围内。
225.xxv.根据技术方案xxii所述的方法，其中，偏移距离被定义为在公共坐标系中工具尖端和被跟踪的解剖结构之间的最小间隔的量值，或被定义为在公共坐标系中工具尖端和被跟踪的解剖结构之间的最大重叠的量值。
226.xxvi.根据技术方案xxii所述的方法，其中，确定工具尖端在被跟踪的解剖结构的预定义接近范围内包括手术器械相对于被跟踪的解剖结构定位在第一姿势，所述手术器械限定工具尖端的第一近点并且其中确定偏移距离包括确定第一偏移距离；
227.所述方法还包括确定工具尖端在被跟踪的解剖结构的预定义接近范围内，包括手术器械相对于被跟踪的解剖结构定位在第二姿势，所述手术器械限定工具尖端的第二近点，并且其中确定偏移距离包括确定第二偏移距离。
228.xxvii.根据技术方案xxvi所述的方法，其中，将所述偏移距离与预定义阈值进行比较包括将第一偏移距离与预定义阈值进行比较，以及将第二偏移距离与预定义阈值进行比较，并且其中启动动作包括在所述第一偏移、第二偏移距离或第一和第二偏移距离两者大于预定义阈值时启动动作。
229.xxviii.根据技术方案xxvi所述的方法，其中，所述手术器械包括终止于所述工具尖端处的细长侧面，所述细长侧面限定基本上平行于所述细长侧面延伸的纵向轴线；并且其中第二近点相对于围绕中心线的旋转偏离第一近点至少90
°
。
230.xxix.根据技术方案xxvi所述的方法，其中，所述手术器械包括具有限定中心点的球形侧面的工具尖端，其中所述第二近点相对于围绕所述中心点的旋转偏离所述第一近点至少90
°
。
231.xxx.根据技术方案xxvi所述的方法，其中，确定工具尖端在与被跟踪的解剖结构的预定义接近范围内包括手术器械相对于被跟踪的解剖结构被定位在第三姿势，手术器械限定第三近点，所述第三近点不同于第一近点并且不同于第二近点，并且其中确定偏移距离还包括确定第三偏移距离。
232.xxxi.根据技术方案xxx所述的方法，其中，将所述偏移距离与预定义阈值进行比较包括将第一偏移距离与预定义阈值进行比较，将第二偏移距离与预定义阈值进行比较，以及将第三偏移距离与预定义阈值进行比较，并且其中启动动作包括当第一偏移距离、第二偏移距离、第三偏移距离或其组合大于预定义阈值时启动动作。
233.xxxii.根根据技术方案xxx所述的方法，其中，所述手术器械包括终止于所述工具尖端处的细长侧面，所述细长侧面限定基本上平行于所述细长侧面延伸的纵向轴线；并且其中第二近点相对于围绕纵向轴线的旋转偏离第一近点至少90
°
，并且其中第三近点相对于围绕纵向轴线的旋转偏离第一和第二近点至少90
°
。
234.xxxiii.根据技术方案xxx所述的方法，其中，所述手术器械包括具有限定中心点
的球形侧面的工具尖端，其中所述第二近点相对于围绕所述中心点的旋转偏离所述第一近点至少90
°
，并且其中所述第三近点相对于围绕中心点的旋转偏离所述第一和第二近点至少90
°
。
235.xxxiv.根据前述技术方案xxii-xxxiii中任一项所述的方法，其中，触发动作包括发出声音警报、显示视觉警报、激活触觉警报、切断给手术器械的供电或其组合中的一个。
236.xxxv.根据前述技术方案xxii-xxxiv中任一项所述的方法，其中，所述预定义阈值包括第一预定义阈值和第二预定义阈值，并且其中触发导航系统的动作包括在偏移距离大于第一预定义阈值但小于第二预定义阈值时触发第一动作，以及在偏移距离大于第二预定义阈值时触发第二动作，其中第一动作包括发出第一声音警报、显示第一视觉警报、激活第一触觉警报或其组合中的一种，第二动作包括发出第二听觉警报、显示第二视觉警报、激活第二触觉警报或其组合中的一种。
237.xxxvi.一种为外科手术提供导航引导的方法，所述方法包括：
238.在公共坐标系中配准患者解剖结构，所述患者解剖结构至少包括第一骨头和第二骨头；
239.在公共坐标系中配准手术器械；
240.在手术器械对患者解剖结构的第一骨头进行操作期间，利用导航系统跟踪患者解剖结构和手术器械；
241.对于第二骨头确定根据权利要求1所述的偏移距离；以及
242.在手术器械对患者解剖结构的第二骨头进行操作期间，利用导航系统跟踪患者解剖结构和手术器械。
243.xxxvii.一种执行外科手术的方法，所述方法包括：
244.将患者跟踪器耦合到患者解剖结构；
245.将器械跟踪器耦合到手术器械，所述手术器械包括工具尖端；
246.操作导航系统，以将器械跟踪器和患者跟踪器配准在公共坐标系中并跟踪手术器械和患者解剖结构；
247.暂停与解剖结构接触的工具尖端一预定义持续时间段以启动配准验证；
248.其中，导航系统被配置为基于被跟踪的手术器械和被跟踪的患者解剖结构来确定偏移距离；和
249.根据预定义阈值评估偏移距离。
250.xxxviii.根据技术方案xxxvii所述的方法，其中，所述导航系统被配置为在所述偏移距离大于所述预定义阈值时触发动作，其中所述动作包括发出声音警报、显示视觉警报、激活触觉警报、切断给手术器械的供电或其组合。
251.xxxix.根据技术方案xxxviii所述的方法，还包括向导航系统提供输入以终止触发的动作。
252.xxxx.根据技术方案xxxvii所述的方法，其中，暂停与解剖结构接触的工具尖端包括在第一时间暂停与第一解剖结构接触点接触的工具尖端，手术器械处于第一姿势并且工具尖端的第一近点与第一解剖结构接触点接触，所述方法还包括在第二时间暂停与第二解剖结构接触点接触的工具尖端，手术器械处于第二姿势，并且工具尖端的第二近点与第一解剖结构接触点接触；并且
253.其中，导航系统被配置为基于第一解剖结构接触点和第一近点确定第一偏移距离，并且基于第二解剖结构接触点和第二近点确定第二偏移距离。
254.xxxxi.根据技术方案xxxx所述的方法，其中，评估偏移距离包括以下之一：根据预定义阈值评估第一偏移距离；根据预定义阈值评估第二偏移距离；或它们的组合。
255.xxxxii.根据技术方案xxxx所述的方法，进一步包括基于第一偏移距离和第二偏移距离、以及工具尖端上的第一近点和第二近点之间的几何关系计算三维偏移的值；并且其中，评估偏移距离包括将三维偏移值与预定义的三维偏移阈值进行比较。
256.xxxxiii.根据技术方案xxxvii所述的方法，其中，患者解剖结构包括第一骨头和第二骨头；所述方法还包括：
257.操作手术器械以应用于第一骨头；
258.操作手术器械以应用于第二骨头；并且
259.其中，在操作手术器械以应用于第一骨头之后、在操作手术器械以应用于第二骨头之前，在与第二骨头接触的情况下执行暂停工具以启动配准验证。

技术特征：
1.一种手术系统，包括：具有变速电机和工具尖端的手术器械；用于向手术器械供电的控制器，所述控制器可操作以监控器械的电机操作，所述控制器包括处理器和存储器，所述存储器可操作以存储信息，包括代表所述器械的电机操作的信息；被耦合到器械的器械跟踪器；将被耦合到骨头的患者跟踪器；和包括定位器的导航系统；所述导航系统可操作以将代表手术器械的信息和代表骨头的信息存储在虚拟空间中；所述定位器可操作以相对于定位器坐标系配准器械跟踪器的位置和患者跟踪器的位置，并分别与器械跟踪器和患者跟踪器协作以收集关于器械和骨头位置的信息；所述导航系统可操作以基于定位器收集的信息来跟踪虚拟空间中的器械的位置和骨头的位置；其中，所述控制器和导航系统进行电子通信并且被配置为协作以：基于电机操作的变化，确定工具尖端和骨头之间的接触时间；和在接触时间处确定工具至骨头的偏移作为工具尖端的跟踪位置和骨头的跟踪位置之间的距离。2.根据权利要求1所述的手术系统，其中，监控电机操作包括监控功率水平、电压水平、电流水平或它们的组合中的一个，并且其中电机操作包括在工具尖端不与骨头接触的情况下被操作时的第一电机操作和在工具尖端与骨头接触的情况下被操作时的第二电机操作，第二电机操作与第一电机操作不同。3.根据权利要求1-2中任一项所述的手术系统，还包括警报设备，其中，所述控制器和导航系统还被配置为在工具至骨头的偏移大于预定义量值时触发动作。4.根据权利要求3所述的手术系统，其中，触发动作包括下述之一：发出声音警报、显示可见警报、激活触觉警报、切断给手术器械的供电或它们的组合。5.根据权利要求3-4中任一项所述的手术系统，其中，所述预定义量值为0.5毫米。6.根据权利要求3-5中任一项所述的手术系统，其中，所述预定义量值包括第一预定义量值和不同于第一预定义量值的第二预定义量值，并且其中，所述控制器和导航系统被配置为当工具至骨头的偏移大于第一预定义量值时触发第一动作，并且当工具至骨头的偏移大于第二预定义量值时触发不同于第一动作的第二动作。7.根据权利要求1-6中任一项所述的手术系统，其中，所述控制器和导航系统被配置用于协作以：确定在医疗过程期间的电机操作的每一次变化的发生；确定电机操作的每一次变化发生时的接触时间；对每个接触时间确定工具至骨头的偏移；并记录一系列确定的工具至骨头的偏移。8.根据权利要求1-7中任一项所述的手术系统，还包括与所述控制器、所述导航系统或所述控制器和所述导航系统的组合中的一个进行电子通信的显示设备，并且其中所述控制器、所述导航系统或所述控制器和导航系统的组合还被配置为致使显示设备显示所确定的工具至骨头的偏移。9.根据权利要求8所述的手术系统，其中，所述控制器、所述导航系统或所述控制器和
所述导航系统的组合还被配置为致使显示设备将所述一系列确定的工具至骨头的偏移显示为连续更新的值。10.一种手术系统，包括：具有致动器和工具尖端的手术器械；用于向手术器械供电的控制器，所述控制器可操作以监控器械的致动器操作，控制器包括处理器和存储器，存储器可操作以存储信息，包括代表器械的致动器操作的信息；被耦合到器械的器械跟踪器；将被耦合到组织的患者跟踪器；包括定位器的导航系统；所述导航系统可操作以将代表手术器械的信息和代表组织的信息存储在虚拟空间中；所述定位器可操作以相对于定位器坐标系配准器械跟踪器的位置和患者跟踪器的位置，并分别与器械跟踪器和患者跟踪器协作以收集关于器械和组织的位置的信息；所述导航系统可操作以在操作期间基于定位器收集的信息跟踪虚拟空间中器械的位置和组织的位置；其中，所述控制器和导航系统进行电子通信并且被配置用于协作以：基于致动器操作的变化，确定工具尖端和组织之间的接触时间；以及在接触时间确定工具至骨头的偏移作为工具尖端的跟踪位置和组织的跟踪位置之间的距离。11.一种手术系统，包括：导航系统，其包括控制台和定位器；所述导航系统与代表手术器械的第一数据和代表患者解剖结构的第二数据通信，所述手术器械包括工具尖端；所述导航系统可操作，以在外科手术期间基于定位器从耦合到手术器械的器械跟踪器和耦合到解剖结构的患者跟踪器收集的信息跟踪虚拟空间中的手术器械和解剖结构；其中，所述导航系统被配置用于：跟踪手术器械和解剖结构，并存储代表在公共坐标系中的被跟踪的手术器械的姿势和解剖结构的姿势的数据；基于被跟踪的手术器械的姿势和被跟踪的解剖结构的姿势确定工具尖端处于解剖结构的预定义接近范围内；确定在预定义的持续时间段内工具尖端没有离开所述预定义接近范围超过预定义量值；基于在所述公共坐标系中的被跟踪的手术器械和被跟踪的解剖结构确定偏移距离；以及将所述偏移距离与预定义阈值进行比较。12.根据权利要求11所述的手术系统，还包括警报设备，其中，所述导航系统还被配置为在所述偏移距离大于所述预定义阈值时触发动作。13.根据权利要求12所述的手术系统，其中，所述警报设备是脚踏开关，所述脚踏开关可操作以产生振动；并且其中，所述动作是脚踏开关的振动。14.根据权利要求12所述的手术系统，其中，所述动作包括下述之一：发出声音警报、显
示可见警报、激活触觉警报、切断给手术器械的供电或它们的组合。15.根据权利要求12-14中任一项所述的手术系统，其中，所述预定义阈值是0.5毫米。16.根据权利要求12-15中任一项所述的手术系统，其中，所述预定义量值包括第一预定义量值和不同于所述第一预定义量值的第二预定义量值，并且其中，所述导航系统被配置为当所述偏移距离大于第一预定义量值时触发第一动作，并且当所述偏移距离大于第二预定义量值时触发不同于第一动作的第二动作。17.根据权利要求12-16中任一项所述的手术系统，还包括与所述导航系统电子通信的显示设备，并且其中所述导航系统还被配置为致使所述显示设备显示所确定的偏移距离。18.根据权利要求17所述的手术系统，其中，当所述偏移距离小于所述预定义阈值时所述偏移距离以第一颜色显示，并且当所述偏移距离大于所述预定义阈值时所述偏移距离以不同于所述第一颜色的第二颜色显示。

技术总结
提供了用于在手术过程中跟踪目标部位附近的物理对象的手术系统。该手术系统采用导航系统和手术器械；手术器械上设有器械跟踪器；患者目标组织上设有患者跟踪器；该系统被配置用于检测有损导航引导准确度的错误状况并跟踪和监控工具至骨头的偏移。踪和监控工具至骨头的偏移。踪和监控工具至骨头的偏移。


技术研发人员：J
受保护的技术使用者：史赛克公司
技术研发日：2021.01.13
技术公布日：2022/11/1