[发明专利]用于定位和跟踪工具轴线的方法

说明书

相关申请

本申请主张于2015年3月5日提交的序列号为62/128,857的美国临时申请的优先权；其内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明通常涉及计算机辅助手术系统的领域，更具体地涉及一种用于相对于跟踪系统校准工具的新的和有用的装置和方法。

背景技术

计算机辅助手术系统广泛地用于辅助外科医生各种医疗程序。其中一个这样的例子是ROBODOC^TM手术系统(THINK Surgical^TM，Fremont，CA)，其帮助外科医生准备在全髋关节置换术(THA)中的股管。为了准确亚毫米精确度的管道(canal)，工具中心点(TCP)和工具的中心轴线必须相对于机器人坐标系以及任何其他跟踪系统坐标系进行精确校准。跟踪系统还可以用于定位和跟踪手术室中的其他对象，例如解剖结构或其他医疗装置。因此，所有跟踪对象之间的关系可以被合并以动态地改进或辅助医疗程序。

跟踪系统通常包括从一组被动或主动基准标记(fiducial markers)检测能量的多个接收器。为了确定相对于跟踪的基准标记阵列的工具方向和末端位置(tip position)之间的关系，必须执行校准程序。校准相对于工具末端位置和方向的基准标记阵列有许多不同的方法，但是对于特定的外科手术，该过程通常是耗时、昂贵和/或不准确的。

一种现有的校准方法是，在工具上的精确位置和方向上制造阵列，然后进行出厂校准步骤。然而，该方法需要将阵列精确地放置在可用于手术设置的每个工具上，从而增加总体成本。另一种方法是相对于手术室内的阵列校准工具。机械或光学跟踪的数字化仪被手动定位，以收集工具上的多个点，以确定工具和阵列之间的几何关系。然而，当使用单次测量校准光学跟踪的切割工具时，跟踪系统不足以准确地用作基于系统的固有误差的校准装置。此外，数字化过程对于用户来说是费力的，并且增加了总体操作时间。

一旦已知基准标记阵列和工具之间的关系，就可以在一个程序中准确地跟踪工具的位置和方向。然而，传统跟踪系统的另一个问题是在跟踪期间三维空间中的每个基准标记定位的固有误差，这可能影响跟踪精确度。该误差可能是三角测量、采样时间、基准标记之间的几何关系中的制造误差、以及标记相对于彼此为静止的事实。考虑到需要非常精确的外科手术，任何可以提高跟踪系统精确度的方法是非常需要的。

因此，在本领域中需要一种校准装置，其可以在需要高精确度的计算机辅助外科手术系统和其它机器人应用中快速而准确地确定相对于跟踪阵列的工具末端位置和方向。还需要提高跟踪的精确度，以改善手术过程的结果和手术系统的可靠性、或者用于其他机器人应用。

发明内容

提供了一种具有外表面的主体的校准装置。该主体被配置为围绕具有工具轴线的工具放置，使得主体围绕工具轴线旋转。至少一个基准标记被定位在主体的外表面上并与跟踪系统相通信。提供一种固定的基准标记阵列，其也与跟踪系统相通信。校准工具确定相对于基准标记阵列的工具轴线。

还提供了一种包括工具和跟踪模块的手术系统。基准标记阵列固定在该工具上并与跟踪模块相通信。校准装置包括具有位于主体上的至少一个基准标记的主体，其中主体被配置为围绕工具放置，使得主体围绕工具轴线旋转。响应于主体的旋转，由跟踪模块跟踪的至少一个基准标记产生一个或多个圆形路径，并且跟踪模块计算旋转的中心点或圆形路径的法向量中的至少一个，用于确定相对于固定于所述工具和所述跟踪模块的基准标记阵列的工具轴线的方向。一种使用手术系统的方法包括计算由两个或多个旋转的基准标记跟踪的圆形路径(circular paths)的法向量的平均值、由两个或多个旋转的基准标记跟踪的圆形路径的中心点之间的法向量的平均值、或上述两个选项的平均值。

提供了一种用于确定相对于基准标记阵列的工具轴线的方法，其包括将基准标记阵列固定到手术工具。具有至少一个基准标记的校准装置附接在工具上。校准装置围绕工具轴线安装。用跟踪模块跟踪所述至少一个基准标记的旋转。从基准标记旋转跟踪的一个或多个圆形路径计算法向量和中心点，以确定相对于基准标记阵列的工具轴线方向。