[发明专利]互补光学跟踪系统及其方法

说明书

本发明公开了有助于改进外科环境中的光学跟踪的方法、非暂时性计算机可读介质、跟踪器装置、中央处理器装置和光学跟踪系统。利用这种技术，在采集序列内捕获背景图像。背景图像用于分析在采集序列中捕获的当前图像的质量，并且确定光学跟踪器装置的光学传感器模块相对于联接到参考框架的光源的角位置，所述参考框架可以与跟踪器装置中的相对的一个集成。使用多个跟踪装置促进更准确且能够承受光学传感器模块的遮挡的互补角位置确定。此技术在基准被遮蔽时在跟踪器装置处生成警报，并且促进改进关于手术应用程序使用的姿态数据的准确性以用于自动操纵手术工具和手术可视化。

本申请要求2020年4月10日提交的美国临时申请序列号63/008,020的权益，该临时申请的内容以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本公开总体上涉及与计算机辅助手术系统有关的方法、系统和装置，所述计算机辅助手术系统包括一起工作以增强手术流程的各种硬件和软件部件。所公开的技术可以应用于例如肩、髋和膝关节置换术，以及其它手术干预，如关节镜手术、脊柱手术、神经手术、牙科手术、颌面手术、肩袖手术、韧带修复和置换手术。

背景技术

光学跟踪系统通常用于在手术环境中跟踪手术装置和/或患者解剖结构的位置。在常规光学跟踪系统中，标记或基准被点亮，且反射光被(立体)相机或其它感测装置捕获，以促进相关联基准的位置和/或取向数据的三角测量。位置和取向数据，也称为姿态数据，可以在手术程序期间由手术软件应用程序使用以自动地控制机器人手术器械和/或帮助外科医生(例如，改善解剖结构的可见性)。

然而，光学跟踪系统通常需要感测装置与基准之间的视线，所述视线可在手术程序期间被遮蔽。例如，由于手术环境中的外科医生或手术对象阻挡感测装置与基准之间的视线，基准可以被物理地遮蔽。已经开发了光学跟踪系统，其中基准配置有传感器以感测由光源输出的光(例如，在红外范围内)。然而，此类系统可易受进入手术环境的阳光反射影响，这可能“蒙蔽”基准，由此遮蔽传感器。

因此，当前光学跟踪系统通常无效和/或不准确，这可能对手术程序质量和患者结果产生负面影响。另外，许多光学跟踪系统是昂贵的，在手术环境中需要重复使用，增加污染风险，和/或体积庞大，需要增加物理存储容量，并且在手术程序期间阻止外科医生和/或手术装置移动，以及其它缺陷。

发明内容

示出了改进手术环境中的光学跟踪的方法、非暂时性计算机可读介质和光学跟踪系统。根据某些实施例，公开了一种系统，所述系统包括第一跟踪器装置，所述第一跟踪器装置包括：第一光学传感器模块和第二光学传感器模块；第一非暂时性计算机可读介质，所述第一非暂时性计算机可读介质包括其上存储的第一指令；以及第一处理器，所述第一处理器联接到所述第一非暂时性计算机可读介质。所述第一处理器被配置成执行所存储的第一指令以分别使用所述第一光学传感器模块和所述第二光学传感器模块捕获第一和第二组一个或多个背景图像以及第一和第二组当前图像。所述第一和第二组当前图像各自包括在第一、第二和第三光源分别被启用时捕获的第一、第二和第三当前图像。另外，所述第一和第二组一个或多个背景图像在所述光源中没有一个被启用时被捕获。

然后对第一或第二组当前图像中的至少一组中的第一、第二或第三当前图像中的至少一个图像的质量是否低于阈值质量水平进行确定。在一些示例中，所述确定基于所述第一和第二组当前图像中的每一组中的第一、第二和第三当前图像中的每个图像分别与所述第一和第二组一个或多个背景图像中的一个或多个背景图像中的一个或多个的比较。当所述确定指示所述第一或第二组当前图像中的至少一组中的第一、第二或第三当前图像中的至少一个图像的质量低于所述阈值质量水平时，输出警报。

根据一些实施例，所述第一处理器还被配置成执行所存储的第一指令以基于所述第一或第二组当前图像中的一个或多个生成所述光源中的每一个的角位置。