[发明专利]用于追踪物体的系统

说明书

本披露提供了一种导航方法和系统，该方法和系统不需要远程放置的追踪系统、或额外的目标或其它装置安装在被追踪的病人或物体上。该系统使用一个与病人/物体物理接触的柔性部件，并测量作为力的函数的相对位置，该力由柔性部件在其弯曲时生成。该系统为了机器人、其他操作器、或为了人类手工导航而将力转化成导航命令。也描述了一种为了该导航模式而将预计划的运动路径转变为一系列力的方法。该系统也可应用在可能并不精确知晓物体或组件的位置或位置不恒定的机器人制造领域。如在机械加工情况下，在此披露的方法和系统可以用于维持物体/组件的已知位置，或相对于物体/组件为机器人的运动导航。

技术领域

现在的披露涉及一种导航方法和系统(也被称为通过弯曲力的导航)，应用于外科手术应用和制造，以及需要经过相对短的距离的位置导航的其它领域。

背景技术

追踪系统在外科手术中是需要的，来为了给病人身体相关的术前计划导航。追踪系统一般用于在外科手术过程中追踪病人身体，并用于给手动操作的外科手术工具或机器人辅助的外科手术工具导航。

现在使用的外科手术追踪系统依靠于确定目标，诸如附接于仪器或者固定在骨头里的红外线发射二极管或回射球，的姿势(位置和朝向)。生产这种系统的业界领袖为NDI，其具有的医疗产品线包含两个追踪系统家族，称为Polaris和Aurora。Polaris系统的详细信息可由此找到：http://www.ndigital.com/medical/products/polaris-family/。Polaris追踪系统通过光学测量技术，追踪附接于外科手术工具的主动或被动标记的三维位置和朝向。Aurora系统的详细信息可由此找到：http://www.ndigital.com/medical/products/aurora/。

但是，现在的用于追踪病人身体的系统有一些显著缺陷。现在的光学追踪系统需要清楚的视线以为了“看见”它们的目标。光学追踪系统可能是扎眼的，并且干扰外科手术工作流程，因为外科手术人员不能堵隔摄像头的视线。这些摄像头一般安装在离病人一段距离处。由于外科手术工作区域已经有点狭小和紧凑，这使得外科手术人员在工作时不阻隔摄像头很困难。外科医生表达了为什么在大多数原本光学追踪系统是有价值的手术中而不采用导航和机器人辅助系统，而这可能就是最被外科医生所注意到的原因。

而且，许多现在的手术内部的追踪系统需要追踪刚性地安装到病人的有利害关系的骨头上的装置。这意味着为了进入骨头而形成刺入切口，以便追踪目标可以被钻入骨头中。这些安装位置往往经常不是外科手术的切口和暴露处的一部分。因此，它们被认为是额外的必须治愈的病态以及增加感染风险的源头。

在外科手术系统采用中，成本也起了重要作用。成本有三个元素，包括初始资本费用(现在的追踪系统可以轻易花费100,000美金或以上)、替换费用和维护费用，包括消毒和手术室时间的费用。因此，成本对于较小或较偏远的医疗机构是重要因素。

现在的追踪系统的追踪目标由于损坏和位于外科手术场地内的磨损，需要间或的替换。许多流行的光学追踪器使用了在每次外科手术后必须丢弃和替换的被动的回射目标，这样导致了相当多的浪费和费用。此外，可再用的电子目标和它们的骨头安装硬件必须使用对电子设备安全的手段来消毒。每个目标具有至少两个用于骨头安装的部件，并且需要每次外科手术必须替换的电池。大多数外科手术在切口和暴露后可以立即开始。但是，如上所述，最常见的外科手术追踪系统是光学的，为了光线而需要对摄像头进行一些设置，为了将追踪目标安装进骨头中而需要对追踪目标进行相当多的设置。这增加了相当多的手术室时间，从而显著增加了医院和医疗系统的成本。非光学的追踪系统，诸如电磁的或超声波的，如上所述，仍然需要在身体中安装目标、接收器或发射器。