[發(fā)明專(zhuān)利]包括光學(xué)傳感器和非光學(xué)傳感器的導(dǎo)航系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201380050199.2
• 申請(qǐng)日: 2013-09-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104684502B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-10-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳春武
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 史賽克公司
• 主分類(lèi)號(hào): A61B34/30
• 分類(lèi)號(hào): A61B34/30;A61B90/00;A61B34/20;A61B5/06
• 代理公司: 中國(guó)國(guó)際貿(mào)易促進(jìn)委員會(huì)專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所 11038
• 代理人: 金曉

利用光學(xué)傳感器和非光學(xué)傳感器確定對(duì)象的位置和/或方向的系統(tǒng)和方法。導(dǎo)航系統(tǒng)包括用于從標(biāo)志器接收光學(xué)信號(hào)的光學(xué)傳感器和用于生成非光學(xué)數(shù)據(jù)的非光學(xué)傳感器，諸如陀螺儀。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)基于光學(xué)和非光學(xué)數(shù)據(jù)確定對(duì)象的位置和/或方向。

相關(guān)申請(qǐng)

本申請(qǐng)要求2012年9月26日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)No.61/705,804和2013年9月24日提交的美國(guó)非臨時(shí)申請(qǐng)No.14/035207的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，所述專(zhuān)利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用合并于此。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明通常涉及導(dǎo)航系統(tǒng)，所述導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)確定對(duì)象的位置和/或方向隨時(shí)間的變化來(lái)在空間中跟蹤這樣的對(duì)象。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及利用光學(xué)傳感器和非光學(xué)傳感器確定對(duì)象的位置和/或方向的導(dǎo)航系統(tǒng)。

背景技術(shù)

導(dǎo)航系統(tǒng)輔助用戶(hù)精確地定位對(duì)象。例如，導(dǎo)航系統(tǒng)用于工業(yè)、航空航天、防衛(wèi)和醫(yī)療應(yīng)用。在醫(yī)療領(lǐng)域中，導(dǎo)航系統(tǒng)輔助外科醫(yī)生相對(duì)于患者的解剖結(jié)構(gòu)精確地放置外科器械。

使用導(dǎo)航系統(tǒng)的外科手術(shù)包括神經(jīng)外科手術(shù)和整形外科手術(shù)。通常，跟蹤器械和解剖結(jié)構(gòu)，連同一起在顯示器上顯示它們的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)航系統(tǒng)可以結(jié)合解剖結(jié)構(gòu)的手術(shù)前圖像或者手術(shù)中圖像顯示器械移動(dòng)。通常手術(shù)前圖像由MRI或者CT掃描準(zhǔn)備，而手術(shù)中圖像可以使用熒光鏡、低水平X射線或者任何類(lèi)似裝置準(zhǔn)備?？蛇x地，一些系統(tǒng)是無(wú)圖像的，其中患者的解剖結(jié)構(gòu)由導(dǎo)航探頭“描繪”并且在數(shù)學(xué)上擬合到解剖模型用于顯示。

導(dǎo)航系統(tǒng)可以采用光信號(hào)、聲波、磁場(chǎng)、RF信號(hào)等等以跟蹤器械和解剖結(jié)構(gòu)的位置和/或方向。由于光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)被廣泛使用。

現(xiàn)有技術(shù)光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)通常包括容納一個(gè)或者多個(gè)光學(xué)傳感器(諸如電荷耦合裝置或者CCD)的一個(gè)或者多個(gè)攝像機(jī)單元。光學(xué)傳感器檢測(cè)從跟蹤器發(fā)射的光，該跟蹤器附接至器械和解剖結(jié)構(gòu)。每個(gè)跟蹤器具有多個(gè)光學(xué)發(fā)射器(諸如發(fā)光二極管(LED))，該光學(xué)發(fā)射器周期性地向傳感器發(fā)送光以確定LED的位置。

器械跟蹤器上的LED的位置與器械的工作端相對(duì)于攝像機(jī)坐標(biāo)系的坐標(biāo)相關(guān)。一個(gè)或者多個(gè)解剖結(jié)構(gòu)跟蹤器上的LED的位置與三維空間中的解剖結(jié)構(gòu)的目標(biāo)區(qū)域相對(duì)于攝像機(jī)坐標(biāo)系的坐標(biāo)相關(guān)。因此，可以跟蹤和顯示器械的工作端相對(duì)于解剖結(jié)構(gòu)的目標(biāo)區(qū)域的位置和/或方向。

可以以閉合環(huán)路方式使用導(dǎo)航系統(tǒng)以控制外科器械的運(yùn)動(dòng)。在這些導(dǎo)航系統(tǒng)中，器械和正治療的解剖結(jié)構(gòu)兩者都配備有跟蹤器以使得導(dǎo)航系統(tǒng)可以跟蹤它們的位置和方向。然后，來(lái)自導(dǎo)航系統(tǒng)的信息被饋送至控制系統(tǒng)以控制或者引導(dǎo)器械的運(yùn)動(dòng)。在某些情況下，器械由機(jī)器人掌握并且將信息從導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送至機(jī)器人的控制系統(tǒng)。

為了使控制系統(tǒng)快速引起器械與正治療的解剖結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和速度必須滿足程序的期望公差。例如，與無(wú)粘固粉膝部移植物相關(guān)聯(lián)的公差可以是非常小以確保植入物的充分適配和功能。因此，導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和速度可能需要大于更多粗切割程序中的精度和速度。

光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和速度上的限制中的一個(gè)是系統(tǒng)依賴(lài)攝像機(jī)單元的光學(xué)傳感器與LED之間的視線。當(dāng)視線斷開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)可能不精確地確定當(dāng)前跟蹤的器械和解剖結(jié)構(gòu)的位置和/或方向。因此，外科手術(shù)可能遭遇許多啟動(dòng)和停止。例如，在對(duì)機(jī)器人輔助的切割進(jìn)行控制期間，當(dāng)視線斷開(kāi)時(shí)，必須禁用切割工具直到重新獲得視線。這可能給程序帶來(lái)顯著的延遲和附加成本。

當(dāng)在跟蹤器上使用有源LED時(shí)出現(xiàn)精度上的另一個(gè)限制。在這種系統(tǒng)中，LED通常依次點(diǎn)亮(fired)。在這種情況下，系統(tǒng)僅測(cè)量和知道主動(dòng)點(diǎn)亮的LED的位置，而剩余未測(cè)量的LED的位置是未知的。在這些系統(tǒng)中，剩余未測(cè)量的LED的位置是近似的。近似通?；趶漠?dāng)前未測(cè)量的LED的上一個(gè)已知的測(cè)量位置推斷的線速度數(shù)據(jù)。然而，由于LED依次點(diǎn)亮，因此在任何一個(gè)LED的測(cè)量之間可能有相當(dāng)大的滯后。該滯后隨著在系統(tǒng)中使用每個(gè)附加跟蹤器而增大。此外，該近似不考慮跟蹤器的旋轉(zhuǎn)，還導(dǎo)致跟蹤器的位置數(shù)據(jù)的可能錯(cuò)誤。