PU)和/或其他處理器、內(nèi)存(未示出)和存儲(chǔ)器(未示出)。如下文所述，向?qū)Ш接?jì)算機(jī)26加載軟件。所述軟件將接收自相機(jī)單元36的信號(hào)/數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成表示正在跟蹤的物項(xiàng)的位置和取向的數(shù)據(jù)。
[0030]引導(dǎo)站20與多個(gè)跟蹤裝置44、46、48通信，文中又將它們稱為跟蹤器。在例示的實(shí)施例中，將一個(gè)跟蹤器44牢固地固定至患者的股骨F，將另一個(gè)跟蹤器46牢固地固定至患者的脛節(jié)T。將跟蹤器44、46牢固地固定至骨骼部分。在一個(gè)實(shí)施例中，可以通過(guò)美國(guó)專利N0.7725162中所示的方式將跟蹤器44、46附著至股骨F和脛節(jié)T，通過(guò)引用將該文獻(xiàn)引入本文。還可以按照與2013年I月16日提交的發(fā)明名稱為“Tracking Devices and Navigat1nSystems and Methods for Use Thereof” 的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/753219中所不的類似的方式安裝跟蹤器44、46，通過(guò)引用將該文獻(xiàn)并入本文。在另外的實(shí)施例中，使跟蹤器附著至膝蓋骨(未示出)，以跟蹤膝蓋骨的位置和取向。在又一些實(shí)施例中，可以將跟蹤器44、46安裝至其他組織類型或解剖學(xué)部位。
[0031]將工具跟蹤器48固定地附接到工具22上?？梢栽谥圃爝^(guò)程中將工具跟蹤器48集成到工具22內(nèi)，或者可以在手術(shù)過(guò)程的準(zhǔn)備過(guò)程中將工具跟蹤器48單獨(dú)地安裝到工具22上。通過(guò)工具跟蹤器48予以跟蹤的工具22的工作端可以是旋轉(zhuǎn)切具(bur)、電燒蝕裝置等。工具22的工作端可以呈現(xiàn)為單獨(dú)的能量施加器，例如，旋轉(zhuǎn)切具、電燒傷裝置等，其形成了工具22的部分。
[0032]可以采用內(nèi)部電池對(duì)跟蹤器44、46、48電池供電，或者所述跟蹤器可以具有引線，從而通過(guò)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26接收電力，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26與相機(jī)單元36—樣優(yōu)選接收外部電源。
[0033]在圖示的實(shí)施例中，工具22形成了機(jī)器人操縱器56上的末端執(zhí)行器的部分。機(jī)器人操縱器56具有基座57、從基座57延伸出來(lái)的多個(gè)聯(lián)動(dòng)裝置以及多個(gè)用于使工具22相對(duì)于基座57移動(dòng)的有源接頭。機(jī)器人操縱器56具有以人工模式、自主模式或半自主模式操作的會(huì)泛力。在發(fā)明名稱為 “Surgical Manipulator Capable of Controlling a SurgicalInstrument in Multiple Modes”的美國(guó)非臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.13/958070中不出了這樣的布置，通過(guò)引用將其公開(kāi)內(nèi)容并入本文?？梢詫为?dú)的跟蹤器(未示出)附接到機(jī)器人操縱器56的基座57上，以跟蹤基座57的移動(dòng)。
[0034]定位器34的光傳感器40從跟蹤器44、46、48接收光信號(hào)。在例示的實(shí)施例中，跟蹤器44、46、48是有源跟蹤器。在這一實(shí)施例中，每一跟蹤器44、46、48具有至少三個(gè)用于向光傳感器40發(fā)送光信號(hào)的有源跟蹤元件或標(biāo)記。有源標(biāo)志50可以是(例如)發(fā)射光(例如，紅外光)的發(fā)光二極管(LED)50。光傳感器40優(yōu)選具有至少10Hz的抽樣頻率，所述頻率更優(yōu)選為至少300Hz，最優(yōu)選為至少500Hz。在一些實(shí)施例中，光傳感器40具有8000Hz的抽樣速率。所述抽樣速率是光傳感器從順次點(diǎn)亮的LED 50接收光信號(hào)的速率。在一些實(shí)施例中，對(duì)于每一跟蹤器44、46、48而言以不同的速率點(diǎn)亮(fire)來(lái)自LED 50的光信號(hào)。
[0035]參考圖2，將LED 50中的每個(gè)連接至位于相關(guān)跟蹤器44、46、48的外殼(未示出)內(nèi)的與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26之間發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的跟蹤器控制器62。在一個(gè)實(shí)施例中，跟蹤器控制器62通過(guò)與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26的有線連接大約以幾兆字節(jié)/秒的速率傳輸數(shù)據(jù)。在其他實(shí)施例中，可以采用無(wú)線連接。在這些無(wú)線實(shí)施例中，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26具有收發(fā)器(未示出)從而從跟蹤器控制器62接收數(shù)據(jù)。
[0036]在其他實(shí)施例中，跟蹤器44、46、48可以具有無(wú)源標(biāo)志(未示出)，例如，反射相機(jī)單元36發(fā)射的光的反射器。之后，由光傳感器40接收反射光。有源和無(wú)源跟蹤元件是本領(lǐng)域熟知的。
[0037]導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26包括導(dǎo)航處理器52。相機(jī)單元36接收來(lái)自跟蹤器44、46、48的LED 50的光信號(hào)，并向處理器52輸出與跟蹤器44、46、48的LED 50相對(duì)于定位器34的位置相關(guān)的信號(hào)和?；谒邮盏降墓庑盘?hào)，導(dǎo)航處理器52生成指示跟蹤器44、46、48相對(duì)于定位器34的相對(duì)位置和取向的數(shù)據(jù)。在一些實(shí)施例中，跟蹤器44、46、48還包括陀螺儀傳感器60和加速度計(jì)70，例如，2013年I月16日提交的發(fā)明名稱為“Tracking Devices and Navigat1nSystems and Methods for Use Thereof” 的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/753219中所不跟蹤器，通過(guò)引用將該文獻(xiàn)并入本文。
[0038]應(yīng)當(dāng)理解，導(dǎo)航處理器52可以包括一個(gè)或多個(gè)處理器，以控制導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26的操作。所述處理器可以是任何類型的微處理器或多處理器系統(tǒng)。并非意在使處理器一詞局限于單個(gè)處理器的任何范圍。
[0039]基于LED50的位置以及先前加載的與患者的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)相關(guān)的數(shù)據(jù)和與工具22相關(guān)的幾何信息，導(dǎo)航處理器52確定工具22相對(duì)于組織(例如，股骨F和脛骨T)的位置和取向，其中，所述組織是將工作端施加于其上的組織。先前加載的數(shù)據(jù)包括與手術(shù)過(guò)程之前拍攝的手術(shù)前圖像相關(guān)的數(shù)據(jù)，例如，所述圖像包括MRI圖像和CT圖像。先前加載的數(shù)據(jù)還包括工具22的工作端和工具跟蹤器48上的LED 50之間的幾何關(guān)系。
[0040]利用公知的導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行配準(zhǔn)和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，能夠?qū)⒒颊叩慕馄蕦W(xué)結(jié)構(gòu)和工具22的工作端配準(zhǔn)到定位器34的坐標(biāo)參照系當(dāng)中，因而能夠采用LED 50對(duì)所述工作端和所述解剖學(xué)結(jié)構(gòu)一起跟蹤。通過(guò)提供轉(zhuǎn)換矩陣將工具22和患者解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)從定位器坐標(biāo)系LCLZ轉(zhuǎn)換為如下文所述的操縱器坐標(biāo)系MNPL。
[0041]操縱器控制器54可以采用工具22和患者解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的位置和取向數(shù)據(jù)控制機(jī)器人操縱器56，如發(fā)明名稱為“Surgical manipulator Capable of Controlling a Tool ineither a Sem1-Autonomous Mode or a Manual ,Boundary Constrained Mode” 的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/679258中所述的，通過(guò)引用將該文獻(xiàn)的公開(kāi)內(nèi)容并入本文。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)26可以跨有線或無(wú)線連接將位置和取向數(shù)據(jù)以及其他數(shù)據(jù)發(fā)送至操縱器控制器54。
[0042]導(dǎo)航處理器52或操縱器控制器54還生成指示工具工作端相對(duì)于手術(shù)部位的相對(duì)位置的圖像信號(hào)。將這些圖像信號(hào)施加至顯示器28、29。顯示器28、29基于這些信號(hào)生成允許外科醫(yī)生和手術(shù)人員查看工具工作端相對(duì)于手術(shù)部位的相對(duì)位置的圖像。上文討論的顯示器28、29可以包括觸摸屏或者其他允許輸入命令的輸入/輸出裝置。
[0043]參照?qǐng)D2，定位引擎100是可以被看作是引導(dǎo)站20的部分(或者在一些實(shí)施例中被看作是操作器控制器54的部分)的軟件模塊。定位引擎100從相機(jī)控制器42接收信號(hào)，并且在一些實(shí)施例中從跟蹤器控制器62接收不基于光的信號(hào)。基于這些信號(hào)，定位引擎100確定跟蹤器44、46、48在定位器坐標(biāo)系LCLZ中的姿態(tài)。定位引擎100將表示跟蹤器44、46、48的姿態(tài)的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器102。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器102是可以被看作是引導(dǎo)站20的部分(或者在一些實(shí)施例中被看作是操作器控制器54的部分)的另一軟件模塊。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器102參考定義患者的手術(shù)前圖像和患者跟蹤器44、46之間的關(guān)系的數(shù)據(jù)。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器102還存儲(chǔ)指示工具22的工作端相對(duì)于工具跟蹤器48的姿態(tài)的數(shù)據(jù)。圖4示出了工具22、跟蹤器44、46、48和對(duì)象23的各個(gè)坐標(biāo)系。
[0044]于是，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器102生成指示工具22的工作端相對(duì)于工作端的組織(例如，骨骼)的位置和取向的數(shù)據(jù)，對(duì)所述組織施加該工作端。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器102還通過(guò)操作將指示工具22的工作端相對(duì)于組織的姿態(tài)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到下文進(jìn)一步描述的操縱器坐標(biāo)系MNPL當(dāng)中。將標(biāo)示這些數(shù)據(jù)的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至顯示器28、29，從而使外科醫(yī)生和手術(shù)人員能夠看到這一信息。為了避免這一數(shù)據(jù)的中斷，應(yīng)當(dāng)保持跟蹤器44、46、48和傳感器40之間的視線。如果阻斷了所述視線，那么可能發(fā)生錯(cuò)誤。
[0045]參考圖3，多個(gè)定位傳感器與機(jī)器人操縱器56的多個(gè)聯(lián)動(dòng)裝置相關(guān)。在一個(gè)實(shí)施例中