用于定位和跟踪工具轴线的方法技术

提供了一种校准装置，其具有主体，该主体具有被配置为围绕工具放置的外表面，使得主体围绕工具轴线旋转。一个或多个基准标记位于外表面上并与跟踪系统相通信。提供一种固定基准标记阵列，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。还提供了一种手术系统，其设有跟踪模块，该跟踪模块计算旋转的中心点或圆形路径的法向量以确定工具轴线方向。提供一种使用手术系统并确定相对于基准标记阵列的工具轴线的方法。提供了一种用于确定机器人构件方向或跟踪工具的医疗过程和基准标记阵列的系统。

Methods for locating and tracking tool axes

【技术实现步骤摘要】
用于定位和跟踪工具轴线的方法本申请为申请日是2016年3月7日、申请号是CN201680013470.9、专利技术名称是“用于定位和跟踪工具轴线的方法”的专利技术专利申请的分案申请。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。
本专利技术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。
技术介绍
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ROBODOCTM手术系统(THINKSurgicalTM，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(fiducialmarkers)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(tipposition)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。
技术实现思路
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(circularpaths)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。还提供了一种用于确定机器人构件方向(robotlinkorientation)的系统，其包括远端构件(distallink)和附接到远端构件的近端构件(proximallink)。跟踪模块和一组基准标记被放置在远端构件上，使得来自该组基准标记的三个基准标记对于跟踪模块为可见的，使得处理器可以在远端构件上确定第一坐标系。用于帮助医疗过程的跟踪工具的系统还包括具有跟踪模块的手术工具。提供了一种关于工具的轴线重合的旋转体(rotatingbody)。旋转体包括至少一个基准标记，使得当所述至少一个基准标记围绕所述工具轴线旋转时，所述跟踪模块记录所述至少一个基准标记的位置。提供了一种用于在手术机器人中跟踪对象的基准标记阵列，其包括刚性体(rigidbody)以及与跟踪模块相通信的至少一个基准标记，该跟踪模块旋转，在刚性体的区域上产生圆形路径，从而至少一个基准标记与基准标记的旋转中心偏移一距离。附图说明结合以下附图进一步描述本专利技术，其旨在显示本专利技术的某些方面，但不应被解释为对本专利技术的实践的限制。图1示出了在手术台或手术室中根据本专利技术的实施例的系统的主要部件；图2A、2B和2C描绘了根据本专利技术的实施例的用于确定相对于基准标记阵列的工具轴线方向的校准装置和方法；图3描绘了根据本专利技术的实施例能够夹紧工具的校准装置；图4A和4B为根据本专利技术的实施例的确定相对于基准标记阵列的工具末端中心点的校准装置的横截面视图；图5A和5B示出了根据本专利技术的实施例的用于确定机器人的构件轴线和构件旋转角度的方法；图6示出了结合根据本专利技术的实施例的用于跟踪的工具的旋转基准标记；以及图7A和7B示出了根据本专利技术的实施例的基准标记阵列上的旋转基准标记以提高跟踪精确度。具体实施方式本专利技术可用作一种系统和方法，以准确且有效地确定一个工具相对于基准标记阵列的位置和方位，这将有助于医疗过程。本专利技术的各种实施例的以下描述并不旨在限制本专利技术于这些具体实施例，而是使得本领域技术人员能够通过其示例性方面来制造和使用本专利技术。但是应该理解的是，在实施例中设置了值的范围，该范围旨在不仅仅包括该范围的端点值，还包含该范围的中间值，是明确包含在该范围中的，并且由该范围的最后有效数字改变。举例来说，从1到4的列举范围旨在包括1～2、1～3、2～4、3～4以及1～4。如本文所使用的，一个基准标记是指由跟踪系统检测的一个参考点，并且可以是，例如有源发射器，例如发光二极管(LED)或电磁发射器；或无源反射器，例如具有回射膜(retro-reflectivefilm)的塑料球体。在具体实施例中，对于那些适用的实施例，确定了特定类型的基准标记的使用。基准标记阵列是在任何几何形状的刚性体(r本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于确定机器人构件方向的系统，包括：/n远端构件；/n附接到所述远端构件的近端构件；/n跟踪模块；以及/n放置在远端构件上的一组基准标记，使得来自所述一组基准标记的三个基准标记对于跟踪模块为可见的，使得处理器可以在远端构件上确定第一坐标系。/n

【技术特征摘要】
20150305 US 62/128,8571.一种用于确定机器人构件方向的系统，包括：
远端构件；
附接到所述远端构件的近端构件；
跟踪模块；以及
放置在远端构件上的一组基准标记，使得来自所述一组基准标记的三个基准标记对于跟踪模块为可见的，使得处理器可以在远端构件上确定第一坐标系。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述跟踪模块在旋转期间记录所述三个基准标记的位置，并且所述处理器将圆形模型拟合到所记录的位置，并且计算所述圆的圆心或法向量中的至少一个，以确定远端构件位置或远端构件方向中的至少一个。


3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述近端构件还包括第二组基准标记，使得来自所述第二组的三个次要基准标记对于所述跟踪模块为可见的，并且所述处理器在所述近端构件上确定第二坐标系。


4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，与所述跟踪模块相通信的处理器通过计算围绕所述旋转轴线的所述第一坐标系和所述第二坐标系之间的相对旋转来计算所述近端构件和所述远端构件之间的角度。


5.一种用于帮助医疗...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔·帕特里克·伯妮，乔尔·佐哈斯，内森·A·奈特拉瓦利，
申请(专利权)人：思想外科有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US