[发明专利]包括光学传感器和非光学传感器的导航系统

说明书

利用光学传感器和非光学传感器确定对象的位置和/或方向的系统和方法。导航系统包括用于从标志器接收光学信号的光学传感器和用于生成非光学数据的非光学传感器，诸如陀螺仪。导航计算机基于光学和非光学数据确定对象的位置和/或方向。

相关申请

本申请要求2012年9月26日提交的美国临时专利申请No.61/705,804和2013年9月24日提交的美国非临时申请No.14/035207的优先权和权益，所述专利申请的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明通常涉及导航系统，所述导航系统通过确定对象的位置和/或方向随时间的变化来在空间中跟踪这样的对象。更具体地说，本发明涉及利用光学传感器和非光学传感器确定对象的位置和/或方向的导航系统。

背景技术

导航系统辅助用户精确地定位对象。例如，导航系统用于工业、航空航天、防卫和医疗应用。在医疗领域中，导航系统辅助外科医生相对于患者的解剖结构精确地放置外科器械。

使用导航系统的外科手术包括神经外科手术和整形外科手术。通常，跟踪器械和解剖结构，连同一起在显示器上显示它们的相对运动。导航系统可以结合解剖结构的手术前图像或者手术中图像显示器械移动。通常手术前图像由MRI或者CT扫描准备，而手术中图像可以使用荧光镜、低水平X射线或者任何类似装置准备。可选地，一些系统是无图像的，其中患者的解剖结构由导航探头“描绘”并且在数学上拟合到解剖模型用于显示。

导航系统可以采用光信号、声波、磁场、RF信号等等以跟踪器械和解剖结构的位置和/或方向。由于光学导航系统的精度，光学导航系统被广泛使用。

现有技术光学导航系统通常包括容纳一个或者多个光学传感器(诸如电荷耦合装置或者CCD)的一个或者多个摄像机单元。光学传感器检测从跟踪器发射的光，该跟踪器附接至器械和解剖结构。每个跟踪器具有多个光学发射器(诸如发光二极管(LED))，该光学发射器周期性地向传感器发送光以确定LED的位置。

器械跟踪器上的LED的位置与器械的工作端相对于摄像机坐标系的坐标相关。一个或者多个解剖结构跟踪器上的LED的位置与三维空间中的解剖结构的目标区域相对于摄像机坐标系的坐标相关。因此，可以跟踪和显示器械的工作端相对于解剖结构的目标区域的位置和/或方向。

可以以闭合环路方式使用导航系统以控制外科器械的运动。在这些导航系统中，器械和正治疗的解剖结构两者都配备有跟踪器以使得导航系统可以跟踪它们的位置和方向。然后，来自导航系统的信息被馈送至控制系统以控制或者引导器械的运动。在某些情况下，器械由机器人掌握并且将信息从导航系统发送至机器人的控制系统。

为了使控制系统快速引起器械与正治疗的解剖结构之间的相对运动，导航系统的精度和速度必须满足程序的期望公差。例如，与无粘固粉膝部移植物相关联的公差可以是非常小以确保植入物的充分适配和功能。因此，导航系统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。

光学导航系统的精度和速度上的限制中的一个是系统依赖摄像机单元的光学传感器与LED之间的视线。当视线断开时，系统可能不精确地确定当前跟踪的器械和解剖结构的位置和/或方向。因此，外科手术可能遭遇许多启动和停止。例如，在对机器人辅助的切割进行控制期间，当视线断开时，必须禁用切割工具直到重新获得视线。这可能给程序带来显著的延迟和附加成本。

当在跟踪器上使用有源LED时出现精度上的另一个限制。在这种系统中，LED通常依次点亮(fired)。在这种情况下，系统仅测量和知道主动点亮的LED的位置，而剩余未测量的LED的位置是未知的。在这些系统中，剩余未测量的LED的位置是近似的。近似通常基于从当前未测量的LED的上一个已知的测量位置推断的线速度数据。然而，由于LED依次点亮，因此在任何一个LED的测量之间可能有相当大的滞后。该滞后随着在系统中使用每个附加跟踪器而增大。此外，该近似不考虑跟踪器的旋转，还导致跟踪器的位置数据的可能错误。