具有集成的導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)的工具以及相關(guān)設(shè)備和方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了用于集成電磁導(dǎo)航系統(tǒng)和工具以及將所述工具與目標(biāo)對(duì)齊的方法和設(shè)備，所述工具包括傳感器工具、工具、場(chǎng)發(fā)生器、顯示器和計(jì)算機(jī)。所述傳感器工具在相對(duì)于目標(biāo)結(jié)構(gòu)的獨(dú)特位置附接至目標(biāo)組件。所述場(chǎng)發(fā)生器除了圍繞工具軸線旋轉(zhuǎn)外相對(duì)于所述工具固定。所述顯示器可調(diào)節(jié)地安裝到所述工具并且自動(dòng)調(diào)節(jié)圖像參數(shù)。提供了目標(biāo)配準(zhǔn)和誤差補(bǔ)償方法。所述系統(tǒng)檢測(cè)可能導(dǎo)致導(dǎo)航不準(zhǔn)確的磁場(chǎng)和信號(hào)干擾、過(guò)濾導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并基于檢測(cè)的條件調(diào)節(jié)過(guò)濾參數(shù)。提供了用于朝近側(cè)鎖緊IM釘使得順暢通過(guò)所述釘?shù)墓艿赖靡跃S持的設(shè)備。
【專(zhuān)利說(shuō)明】具有集成的導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)的工具以及相關(guān)設(shè)備和方法
[0001]相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)的引用
[0002]本專(zhuān)利申請(qǐng)要求提交于2011年2月18日的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)61/444，535、提交于2011年2月18日的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)61/444，558、提交于2011年2月18日的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)61/444，600、提交于2011年4月18日的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)61/476，709、以及提交于2011年10月31日的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)61/553，499的優(yōu)先權(quán)。就美國(guó)而言，本專(zhuān)利申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C.§ 119要求提交于2011年2月18日的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)61/444，535、提交于2011年2月18日的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)61/444，558、提交于2011年2月18日的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)61/444，600、提交于2011年4月18日的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)61/476，709、以及提交于2011年10月31日的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)61/553，499的優(yōu)先權(quán)，所述全部專(zhuān)利申請(qǐng)據(jù)此以引用的方式并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及工具的制導(dǎo)和導(dǎo)航。鉆和鋸是工具的非限制性例子。本發(fā)明已被應(yīng)用于將工具相對(duì)于可能隱藏于視野之外的結(jié)構(gòu)定位。本發(fā)明可被應(yīng)用于將外科工具定位，但也可應(yīng)用于非外科應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0004]在包括制造、組裝、修理和外科手術(shù)的許多領(lǐng)域中具有可用于將工具與目標(biāo)路徑、結(jié)構(gòu)或可能隱藏于視野之外或用戶無(wú)法充分看見(jiàn)的其他目標(biāo)位置對(duì)齊的程序。例如在機(jī)身組裝和修理的過(guò)程中，可能有必要鉆出穿過(guò)材料層的孔，使其與定位在材料后方的無(wú)法到達(dá)的組件中的現(xiàn)有孔成一直線。再如，許多外科手術(shù)需要外科醫(yī)生將工具例如鉆、導(dǎo)絲驅(qū)動(dòng)器、骨鋸或超聲波探頭與不能被充分標(biāo)示或看見(jiàn)的目標(biāo)路徑對(duì)齊。目標(biāo)路徑可以是如術(shù)前決策中所確定或使用術(shù)中技術(shù)所確定的穿過(guò)組織的理想平面或軌線，例如，如Hodgson在國(guó)際專(zhuān)利公布W0/2006/`133573中所述的解剖結(jié)構(gòu)例如股骨頸的估計(jì)中心線。目標(biāo)路徑還可以與植入物的結(jié)構(gòu)相關(guān)，例如骨板中的固定螺孔或IM (“髓內(nèi)”)釘，其中目標(biāo)是當(dāng)孔或孔的方向隱藏于視線之外時(shí)，將鉆、導(dǎo)絲驅(qū)動(dòng)器或其他工具相對(duì)于該孔對(duì)齊。
[0005]可通過(guò)制導(dǎo)建立期望的工具對(duì)齊的外科手術(shù)的一些例子為:
[0006]?股骨頭表面置換。該手術(shù)涉及將導(dǎo)絲以計(jì)劃的角度和位置沿著目標(biāo)路徑通過(guò)股骨頸插入。
[0007]?脊柱外科手術(shù)中的椎弓根螺釘固定，其中鉆、鉆導(dǎo)引器、導(dǎo)絲或螺釘必須沿著目標(biāo)路徑插入已知結(jié)構(gòu)(椎弓根)并且插入有限深度，以免損傷骨頭外的周?chē)Y(jié)構(gòu)。
[0008]?腰骨外科手術(shù)中骶髂螺釘?shù)脑O(shè)置，其中鉆、鉆導(dǎo)引器、導(dǎo)絲或螺釘必須沿著目標(biāo)路徑插入(穿過(guò)髂骨進(jìn)入骶骨翼和椎體)并且插入有限深度，以免損傷骨頭外的周?chē)Y(jié)構(gòu)。
[0009]?截骨術(shù)(將骨切斷)，其中用于以具體的計(jì)劃取向來(lái)切割骨的外科手術(shù)鋸的取向?qū)τ诔绦虻暮罄m(xù)步驟可能至關(guān)重要，所述后續(xù)步驟為:將骨復(fù)位、放置植入物(例如膝關(guān)節(jié)成形術(shù))
[0010]?將髖關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié)成形術(shù)植入物以計(jì)劃取向放置(例如在髖關(guān)節(jié)成形術(shù)中對(duì)髖臼部件進(jìn)行放置)
[0011]?定位固定的實(shí)體器官(例如肝臟、胰腺、腎或其他)或非固定的中空器官(例如腸、膀胱)，用于經(jīng)皮放置支架或器件，或者用于建立到達(dá)隱藏于視野之外的計(jì)劃位置的通路。(例如，腎盂引流管，經(jīng)皮內(nèi)鏡胃造口管，肝、膽或胰分流支架)，或者出于進(jìn)行活組織檢查的目的用于對(duì)隱藏于視野之外但相對(duì)于探針已知的位置處的組織塊進(jìn)行取樣。
[0012]此外，在諸如用工具進(jìn)行鉆孔或切割的許多程序中，用戶可以發(fā)現(xiàn)，有用的是了解工具從起點(diǎn)開(kāi)始已沿著目標(biāo)路徑前進(jìn)的距離，例如知道所鉆孔的深度或者以便選擇螺釘、銷(xiāo)等的恰當(dāng)長(zhǎng)度以進(jìn)行安裝。例如在不同的外科手術(shù)中，外科醫(yī)生可能需要估計(jì)待安裝到所鉆孔中的螺釘?shù)那‘?dāng)長(zhǎng)度，使得螺釘在孔位置處貫穿骨頭，但不會(huì)從骨過(guò)分突出進(jìn)入周?chē)M織內(nèi)。
[0013]另外在許多工具對(duì)齊程序中，用戶可能需要以相對(duì)于用戶的視角的各種取向來(lái)使用工具。用戶還可能傾向于用其右手或左手握持工具，這可能影響工具的取向、工具的可視性以及與目標(biāo)區(qū)域的對(duì)齊。例如在許多外科手術(shù)中，外科醫(yī)生可能需要以各種取向使用工具，以獲得到達(dá)工作區(qū)的通路和無(wú)阻礙的工具路徑，例如使工具經(jīng)過(guò)患者的未累及肢體、手術(shù)臺(tái)以及外科手術(shù)中使用的多個(gè)肢架、墊枕等。
[0014]一般來(lái)講，工具制導(dǎo)和導(dǎo)航程序需要某種形式的用戶界面和反饋(例如視覺(jué)顯示)，以便向用戶提供瞄準(zhǔn)信息。
[0015]髓內(nèi)釘固定術(shù)(“ IM釘固定術(shù)”)是外科手術(shù)應(yīng)用的一個(gè)例子，其中有必要將工具與隱藏的結(jié)構(gòu)對(duì)齊。在以下詳細(xì)描述中提供頂釘固定術(shù)作為非限制性例子，以示出本發(fā)明不同方面的應(yīng)用。
[0016]為穩(wěn)固破碎的長(zhǎng)骨，外科醫(yī)生通常沿著骨的骨髓管插入頂釘(“髓內(nèi)釘”)。為固定破碎的骨的遠(yuǎn)側(cè)部分，橫向于骨軸線來(lái)安裝遠(yuǎn)側(cè)鎖緊螺釘并穿過(guò)頂釘?shù)倪h(yuǎn)端內(nèi)的孔。安裝遠(yuǎn)側(cè)鎖緊螺釘對(duì)外科醫(yī)生構(gòu)成 了挑戰(zhàn)，因?yàn)殒i緊螺釘孔位于骨內(nèi)并且不可見(jiàn)。當(dāng)穿過(guò)骨朝遠(yuǎn)側(cè)向下推動(dòng)頂釘以及當(dāng)將骨斷片對(duì)齊時(shí)，IM釘還可能不可預(yù)見(jiàn)地變形，因此使用附接到釘近端的導(dǎo)引器可能難以確定遠(yuǎn)側(cè)鎖緊孔的位置。
[0017]外科醫(yī)生通常通過(guò)使用手持導(dǎo)絲或鉆進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)以及在手術(shù)過(guò)程中拍攝的一系列X射線圖像來(lái)定位遠(yuǎn)側(cè)鎖緊孔。用于采集這些圖像的主要工具是C型臂熒光鏡，通常將其增量移動(dòng)，直至孔在圖像上表現(xiàn)為圓圈，因而指示熒光鏡與遠(yuǎn)側(cè)鎖緊孔對(duì)齊。然后通常將鉆頭或鉆導(dǎo)引器定位在孔區(qū)域之上的皮膚表面上并使用更多圖像進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至其居中并與孔對(duì)齊。該方法耗時(shí)，并且將外科手術(shù)團(tuán)隊(duì)和患者暴露于輻射中。
[0018]雖然外科醫(yī)生從C型臂熒光鏡接收的輻射劑量已被普遍認(rèn)為是安全的，但對(duì)此仍存在爭(zhēng)議。Hafez (2005)估計(jì)，指尖處記錄的輻射劑量高達(dá)指根處記錄的劑量的75倍。長(zhǎng)期接觸輻射可能是值得擔(dān)憂的，尤其是對(duì)于創(chuàng)傷外科手術(shù)團(tuán)隊(duì)而言。
[0019]利用電磁位置跟蹤技術(shù)輔助頂釘固定術(shù)的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在Krause的 US6074394 和 US6503249、Govari 的 US7060075 以及 Ritchey 的美國(guó)已公布專(zhuān)利申請(qǐng)20100274121中有所描述。導(dǎo)航系統(tǒng)(Trigen Sureshot?遠(yuǎn)側(cè)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)(Smith&Nephew, Memphis TN.USA))可商購(gòu)獲得。這些系統(tǒng)使用電磁導(dǎo)航系統(tǒng)(包括發(fā)出受控磁場(chǎng)的場(chǎng)發(fā)生器，至少一個(gè)通過(guò)生成指示傳感器相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器的位置的信號(hào)而響應(yīng)于磁場(chǎng)的傳感器，計(jì)算機(jī)以及相關(guān)軟件)、鉆導(dǎo)引器、以及瞄準(zhǔn)顯示器，所述瞄準(zhǔn)顯示器用于向用戶顯示鉆導(dǎo)引器和傳感器的相對(duì)位置，使得用戶可將鉆導(dǎo)引器對(duì)齊到相對(duì)于傳感器的預(yù)定位置?，F(xiàn)有技術(shù)中描述的一些系統(tǒng)包括電磁傳感器，其被定位在植入物中相對(duì)于即將通過(guò)瞄準(zhǔn)程序瞄準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)(就頂釘固定術(shù)而言，遠(yuǎn)側(cè)鎖緊孔)的已知位置處。Ritchey的W02010/129141描述了用于估計(jì)鉆頭通過(guò)鉆導(dǎo)引器的行進(jìn)的各種方法和設(shè)備。
[0020]大多數(shù)廣泛使用的現(xiàn)代頂釘沿著其長(zhǎng)度為空心的，該管道具有圓形橫截面以及與釘?shù)目傮w尺寸相關(guān)的直徑。典型的IM釘除具有沿著釘?shù)拈L(zhǎng)度定位的鎖緊孔外，還具有多個(gè)孔和狹槽。通常通過(guò)將插入工具附接到釘?shù)慕瞬⑹贯敼艿涝趯?dǎo)絲上方通過(guò)來(lái)植入釘。然后撤出導(dǎo)絲，并且可以使用附接到插入工具的多個(gè)配件將釘進(jìn)一步敲入、旋轉(zhuǎn)、撤出或根據(jù)需要進(jìn)行定位。在一些系統(tǒng)中，將電磁傳感器工具插入管道內(nèi)相對(duì)于鎖緊螺釘孔的已知位置處。
[0021]由Krause和Govari描述的系統(tǒng)和Sureshot?系統(tǒng)包括單獨(dú)的鉆導(dǎo)引器,夕卜科醫(yī)生通常單手握持該鉆導(dǎo)引器，同時(shí)用另一只手持鉆。
[0022]在此類(lèi)使用單獨(dú)的鉆導(dǎo)引器的系統(tǒng)中，鉆頭沿著鉆頭軸線朝一個(gè)方向滑動(dòng)通過(guò)導(dǎo)引器。在具有與鉆和鉆導(dǎo)引器分離的場(chǎng)發(fā)生器的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中，鉆、鉆導(dǎo)引器和鉆頭均可以移進(jìn)和移出場(chǎng)發(fā)生器的測(cè)量范圍，并且在該范圍內(nèi)來(lái)回移動(dòng)。當(dāng)將場(chǎng)發(fā)生器集成或附接到鉆導(dǎo)引器的如一些現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中所示的固定位置時(shí)，鉆頭在鉆孔的過(guò)程中滑進(jìn)和滑出場(chǎng)發(fā)生器的測(cè)量范圍。
[0023]在許多外科手術(shù)(包括頂釘固定術(shù))中，希望工具的位置精確度為亞毫米和亞度數(shù)級(jí)別(Beadon2007)。電磁導(dǎo)航系統(tǒng)可能受到某些金屬(尤其是鐵磁材料和導(dǎo)電材料)的存在以及位于場(chǎng)發(fā)生器測(cè)量范圍中和附近的磁場(chǎng)的影響(Kirsch2005 ;Beadon2007)。許多鉆(包括常用的外科手術(shù)鉆)包含鐵磁性和導(dǎo)電的部件，并且還可以包含電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)可以包含磁體并且在手術(shù)期間可以生成磁場(chǎng)。外科手術(shù)中常用的鉆頭由諸如硬化不銹鋼的鐵磁材料制成，該鐵磁材料在電磁跟蹤設(shè)備的范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，可能導(dǎo)致電磁場(chǎng)扭曲并且可能導(dǎo)致跟蹤測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。在特定的場(chǎng)發(fā)生器和環(huán)境中還可能存在影響跟蹤精度的變化。
[0024]在典型的電磁位置跟蹤系統(tǒng)中，其中系統(tǒng)記錄傳感器的位置和取向的傳感器坐標(biāo)系由傳感器工具中的組件的相對(duì)位置和特征限定。這些在制造中是可變的。例如在圓柱體傳感器工具中，所制造的傳感器坐標(biāo)系可以具有僅大致與圓柱體軸線同軸的軸線。要實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系與傳感器工具的物理形狀的準(zhǔn)確已知關(guān)系，可以通過(guò)如下方式確定一組校正因子:在制造時(shí)在校正固定裝置中校正各單個(gè)傳感器工具，并將校正因子寫(xiě)入內(nèi)置于傳感器中的存儲(chǔ)設(shè)備(《Aurora?工具設(shè)計(jì)指南》(修訂版)2005年12月3 H , Northern Digital Inc.(Waterloo, Ontario, Canada))。該個(gè)體化校正和編程過(guò)程,連同合適的存儲(chǔ)設(shè)備一起,通常增加了傳感器工具的制造成本。
[0025]當(dāng)將傳感器工具附接到植入物以便靶向植入物中的結(jié)構(gòu)時(shí)，獲知傳感器坐標(biāo)系和結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置的準(zhǔn)確度直接影響瞄準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。該相對(duì)位置可以包含在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，并且如果用戶正確指出所用傳感器和植入物的類(lèi)型，該相對(duì)位置可被調(diào)用，前提條件是植入物尺寸的數(shù)據(jù)庫(kù)包含該特定植入物。在這種情況下，植入物、傳感器工具和用于定位傳感器工具的任何其他組件的制造公差全部變?yōu)橛绊懨闇?zhǔn)精度的直接因素。以頂釘為例，如果傳感器工具附接到插入工具，該插入工具繼而附接到釘?shù)慕?，如Ritchey在專(zhuān)利申請(qǐng)W02010/129141中描述的某些實(shí)施例中所示，柄部的制造公差、釘?shù)慕说芥i緊孔的距離以及傳感器工具的長(zhǎng)度全部可能促成瞄準(zhǔn)變化。
[0026]使用電磁位置跟蹤系統(tǒng)時(shí)，如果存在外部磁場(chǎng)或者由某些金屬制成的物體被帶入場(chǎng)發(fā)生器的范圍內(nèi)，則可能出現(xiàn)測(cè)量誤差(KirSch2005)。此類(lèi)失真可能是不可預(yù)知的，并且在導(dǎo)航過(guò)程中對(duì)于用戶而言可能不明顯。例如，測(cè)量結(jié)果可能顯得穩(wěn)定，但由于鐵磁工具(例如位于場(chǎng)發(fā)生器附近的外科手術(shù)錘)的存在，測(cè)量結(jié)果可能沿特定方向偏離若干毫米。
[0027]典型的電磁位置跟蹤系統(tǒng)的輸出可以包含低頻率、高振幅的測(cè)量噪聲。此類(lèi)噪聲可導(dǎo)致測(cè)量值變化。對(duì)于這些系統(tǒng)而言，偶爾未能向傳感器返回有效讀數(shù)也是很普遍的，該現(xiàn)象可能導(dǎo)致用戶顯示臨時(shí)地凍結(jié)，直至再次接收到完好數(shù)據(jù)。小且輕的場(chǎng)發(fā)生器和小傳感器特別容易產(chǎn)生具有偶然異常值的取向數(shù)據(jù)。
[0028]最后，在某些情況下且在使用某些類(lèi)型的頂釘固定術(shù)時(shí)，優(yōu)選的慣例是在鉆孔且鎖緊遠(yuǎn)側(cè)孔之前鉆通近側(cè)孔并將近側(cè)骨斷片鎖定到釘(例如，參見(jiàn)《TFN?鈦轉(zhuǎn)子固定釘系統(tǒng)技術(shù)指南》，Synthes GmbH (Oberdorf, Switzerland))。在這些情況下,近側(cè)鎖緊螺釘阻塞釘管道且使其不可能安裝例如出于瞄準(zhǔn)遠(yuǎn)側(cè)鎖緊孔的目的越過(guò)近側(cè)鎖緊螺釘穿過(guò)管道的傳感器工具。
[0029]相關(guān)領(lǐng)域的前述例子及其相關(guān)限制旨在為示例性的，而非排他性的。在閱讀說(shuō)明書(shū)并研究附圖后，相關(guān)領(lǐng)域的其他限制對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將變得顯而易見(jiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0030]本發(fā)明具有多個(gè)方面。這些方面可組合應(yīng)用，但也可單獨(dú)和以子組合應(yīng)用。這些方面包括但不限于:
[0031]?傳感器工具；
[0032]?具有集成場(chǎng)發(fā)生器的工具；
[0033]?用于測(cè)量具有集成場(chǎng)發(fā)生器的工具穿過(guò)的距離的方法；
[0034]?被配置成測(cè)量工具穿過(guò)的距離以及其他位置和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的工具；
[0035]?具有集成用戶界面和視覺(jué)顯示設(shè)備的工具；
[0036]?用于顯示工具對(duì)齊到目標(biāo)的方法；
[0037]?被配置成顯示工具與目標(biāo)的對(duì)齊的工具；
[0038]?用于校正具有集成場(chǎng)發(fā)生器的工具的附件；
[0039]?用于將具有集成場(chǎng)發(fā)生器的工具配準(zhǔn)目標(biāo)的附件；
[0040]?用于校正具有集成場(chǎng)發(fā)生器的工具的方法；
[0041]?被配置成具有校準(zhǔn)功能的工具；
[0042]?用于將具有集成場(chǎng)發(fā)生器的工具配準(zhǔn)目標(biāo)的方法；
[0043]?被配置成具有將工具配準(zhǔn)目標(biāo)的功能的工具；
[0044]?用于監(jiān)測(cè)影響與工具集成的場(chǎng)發(fā)生器的測(cè)量條件的方法和設(shè)備；
[0045]?用于過(guò)濾來(lái)自與工具集成并與傳感器相互作用的場(chǎng)發(fā)生器的測(cè)量數(shù)據(jù)的方法和設(shè)備；
[0046]?用于測(cè)定和優(yōu)化過(guò)濾參數(shù)的方法和設(shè)備，所述過(guò)濾參數(shù)用于過(guò)濾來(lái)自與工具集成并與傳感器相互作用的場(chǎng)發(fā)生器的測(cè)量數(shù)據(jù)；
[0047]?存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)軟件的實(shí)體媒介，該媒介在運(yùn)行時(shí)使得處理器執(zhí)行上面列出方法的任何一種；以及
[0048]?用于固定外科植入物的方法和設(shè)備，所述設(shè)備用于安裝電磁傳感器工具。
[0049]本發(fā)明包括但不限于所附權(quán)利要求中受權(quán)利要求保護(hù)的各方面。本發(fā)明還包括可作為附加權(quán)利要求的主題的所有其他方面，所述附加權(quán)利要求可以在本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)、附圖和權(quán)利要求的支持下，在將來(lái)適當(dāng)?shù)靥岢觥?br> [0050]在示例性應(yīng)用中，所述工具為鉆，結(jié)構(gòu)為定位在不透明材料后面的組件中的孔，并且目的可以是將鉆與孔對(duì)齊，使得用戶可通過(guò)與孔成一直線的材料鉆出孔。又如，工具可以是驅(qū)動(dòng)器，目的可以是將驅(qū)動(dòng)器與結(jié)構(gòu)對(duì)齊，以便穿透結(jié)構(gòu)安裝銷(xiāo)或螺釘。又如，工具可以是工具，結(jié)構(gòu)可以是患者的解剖結(jié)構(gòu)。再如，工具可以是鉆，結(jié)構(gòu)可以是植入物中的孔。本發(fā)明的一些實(shí)施例特別適于計(jì)算機(jī)輔助鎖定頂釘(包括釘中鎖緊孔的定位)、計(jì)算機(jī)輔助鉆定位以及向用戶提供實(shí)時(shí)術(shù)中定位反饋。
[0051] 本發(fā)明的一些實(shí)施例提供了適于附接到具有目標(biāo)結(jié)構(gòu)的目標(biāo)組件的傳感器工具。根據(jù)一些實(shí)施例的傳感器工具具有以下特征中的一個(gè)或多個(gè):
[0052]?安裝了一系列具有各種尺寸和形狀的現(xiàn)有組件，
[0053]?根據(jù)需要，安裝了多種現(xiàn)有工具或固定裝置，其可結(jié)合用于定位或保持組件的組件一起使用；
[0054]?能夠快速且精確地安裝到相對(duì)于目標(biāo)結(jié)構(gòu)的獨(dú)特位置；
[0055]?向用戶指示傳感器安裝到獨(dú)特位置的時(shí)間，以及
[0056]?在整個(gè)鉆孔過(guò)程中保持在該位置，而不阻塞或換句話講妨礙目標(biāo)結(jié)構(gòu)。
[0057]本發(fā)明的一個(gè)示例性方面提供了傳感器工具，該傳感器工具結(jié)合了遠(yuǎn)端處的末端部分、近端處的柄部部分以及連接末端部分和柄部部分的軸部分。電磁傳感器線圈設(shè)置在工具內(nèi)靠近遠(yuǎn)端的固定位置處。軸部分可以是柔性的。末端部分適于其自身安裝到諸如IM釘或其他植入物的組件的管道內(nèi)并居中。單個(gè)傳感器工具可以具有在管道內(nèi)自動(dòng)定心的末端，所述管道具有在一系列直徑內(nèi)的各種直徑。
[0058]在一些實(shí)施例中，柄部部分適于接合常用于插入頂釘或其他植入物的現(xiàn)有插入工具的結(jié)構(gòu)。此類(lèi)接合可以將傳感器工具保持在相對(duì)于釘或其他植入物在所有6個(gè)自由度中均固定的預(yù)定位置，直至將其移除。柄部部分還可適于當(dāng)傳感器工具完全接合至插入工具時(shí)產(chǎn)生可聽(tīng)見(jiàn)的聲音(例如咔噠聲)。柄部部分還可適于向用戶提供指示其已完全接合的不同指示，例如振動(dòng)、或者柄部部分的一部分的形狀或位置的變化。
[0059]在一些實(shí)施例中，軸部分具有足以允許傳感器工具被插入頂釘或其他非直型組件的選擇的柔韌性。軸部分具有與預(yù)定范圍的頂釘長(zhǎng)度匹配的選擇的長(zhǎng)度，使得工具的遠(yuǎn)端不會(huì)阻塞該范圍內(nèi)最短釘?shù)倪h(yuǎn)側(cè)鎖緊孔，并且使得當(dāng)傳感器元件用于該范圍內(nèi)最長(zhǎng)的釘中時(shí)，其位于鎖緊孔的預(yù)定距離(與電磁導(dǎo)航系統(tǒng)的范圍相關(guān))內(nèi)。
[0060]本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了結(jié)合場(chǎng)發(fā)生器的導(dǎo)航單元。該導(dǎo)航單元可以與工具集成或適于附接到工具。根據(jù)一些實(shí)施例的導(dǎo)航單元具有以下特征中的一個(gè)或多個(gè):
[0061]?與多種現(xiàn)有工具一起工作，所述現(xiàn)有工具包括具有電動(dòng)機(jī)并包含由鐵磁材料制成的部件的那些，
[0062]?可易于附接到工具、從工具移除以及重新附接到工具，使得每次附接裝置時(shí)，工具的軸線與該軸線上的點(diǎn)相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器具有相同的位置和取向，并且在工具為鉆的情況下，能夠?qū)?chǎng)發(fā)生器相對(duì)于鉆軸線和鉆末端點(diǎn)保持靜止，使得唯有場(chǎng)發(fā)生器和鉆頭之間被自由地允許的相對(duì)運(yùn)動(dòng)圍繞鉆軸線旋轉(zhuǎn)。
[0063]?可附接在偏離工具軸線的位置中，從而向用戶提供工作區(qū)域的清晰視野，并且在工具周?chē)峁┛臻g，以允許用戶在不移除場(chǎng)發(fā)生器的情況下用該工具工作，
[0064]?足夠輕便小巧，以便不妨礙對(duì)工具的處理和定位，以及
[0065]?能夠記錄、存儲(chǔ)和使用校正圖以校正由安裝在場(chǎng)發(fā)生器附近的工具產(chǎn)生的跟蹤
測(cè)量失真。
[0066]示例性實(shí)施例提供安裝了鉆的電磁場(chǎng)發(fā)生器和安裝結(jié)構(gòu)單元，該單元適于在使用前或使用中快速、輕松、臨時(shí)性并精確地附接到鉆的相對(duì)于鉆軸線的已知位置。安裝結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成使得場(chǎng)發(fā)生器相對(duì)于鉆頭旋轉(zhuǎn)所圍繞的鉆軸線以及位于軸線上鉆末端處的點(diǎn)臨時(shí)地固定。在示例性實(shí)施例中，安裝結(jié)構(gòu)包括鉆夾頭、包封鉆夾頭的外殼部分、遠(yuǎn)離外殼部分延伸并具有距離軸線預(yù)定距離的遠(yuǎn)端的剛性延伸臂、以及附接到延伸臂遠(yuǎn)端的場(chǎng)發(fā)生器安裝部分。鉆夾頭適于在圍繞鉆軸線的至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)位置中附接到鉆，并且適于保持鉆頭。
[0067]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，安裝結(jié)構(gòu)被調(diào)整成使得場(chǎng)發(fā)生器組件可以被移除并精確地置換到如上所述結(jié)構(gòu)中的相同位置。在一些實(shí)施例中，所述結(jié)構(gòu)還包封并隔離場(chǎng)發(fā)生器，例如用于在無(wú)菌外科領(lǐng)域隔離未經(jīng)消毒的場(chǎng)發(fā)生器。
[0068]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，安裝結(jié)構(gòu)包括鉆套，該鉆套剛性地連接至場(chǎng)發(fā)生器安裝部分并與鉆頭的桿具有緊動(dòng)配合，從而限制場(chǎng)發(fā)生器和鉆軸線之間的可能相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
[0069]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面， 提供了測(cè)定工具軸線和工具軸線上的點(diǎn)相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器的位置的方法，該方法包括:
[0070]?將場(chǎng)發(fā)生器單元連接到電磁導(dǎo)航系統(tǒng)，使得可以記錄場(chǎng)發(fā)生器相對(duì)于固定參照系的位置，
[0071]?將工具軸線保持在相對(duì)于固定參照系的固定位置，
[0072]?圍繞工具軸線旋轉(zhuǎn)場(chǎng)發(fā)生器并記錄多個(gè)旋轉(zhuǎn)位置處的場(chǎng)發(fā)生器位置；
[0073]?通過(guò)確定場(chǎng)發(fā)生器的最小變化的旋轉(zhuǎn)軸線，計(jì)算工具軸線相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器的位置，以及
[0074]?限定軸線上的位于相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器的預(yù)定位置處的點(diǎn)，或者如果工具的末端位于軸線上，則通過(guò)使用樞轉(zhuǎn)校正法來(lái)限定與工具的末端重合的點(diǎn)。
[0075]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，記錄并分析工具軸線上的點(diǎn)相對(duì)于目標(biāo)組件的選擇的運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并且任選地結(jié)合其他記錄的參數(shù)有利地使用，從而為用戶提供建議并觸發(fā)與工具的運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)相關(guān)的選擇的動(dòng)作。
[0076]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了校準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)的方法，用于校正由于工具的一部分存在于導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)量體積內(nèi)以及工具的一部分定位在場(chǎng)發(fā)生器附近而導(dǎo)致的測(cè)量誤差，該方法包括以下步驟:
[0077]?將工具附接到場(chǎng)發(fā)生器并記錄當(dāng)傳感器運(yùn)動(dòng)通過(guò)一系列已知位點(diǎn)時(shí)該傳感器的位置，
[0078]?計(jì)算所述系列中每個(gè)已知位點(diǎn)的已知位置和記錄位置之間的差值，從而生成測(cè)量校正值的查找表，
[0079]?在查找表中的校正值之間插值，從而生成校正值相對(duì)傳感器位置的連續(xù)函數(shù)，以及
[0080]?在導(dǎo)航過(guò)程中讀取傳感器的當(dāng)前位置，從查找表找到最近的對(duì)應(yīng)測(cè)量校正因子，或作為另外一種選擇通過(guò)連續(xù)函數(shù)計(jì)算校正值，以及將校正值應(yīng)用于傳感器的當(dāng)前位置，從而生成用于導(dǎo)航的傳感器的經(jīng)校正的當(dāng)前位置。
[0081]在本發(fā)明的實(shí)施例中，通過(guò)將鉆、鉆夾頭、鉆頭和場(chǎng)發(fā)生器組件安裝到坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上的固定裝置中，隨后使傳感器運(yùn)動(dòng)通過(guò)編入坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的一系列已知位點(diǎn)來(lái)生成查找表，并且將查找表存儲(chǔ)到與場(chǎng)發(fā)生器集成的存儲(chǔ)器裝置中。
[0082]在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)以下方式在所用具體傳感器和目標(biāo)組件的使用過(guò)程中生成查找表:在鉆、鉆夾頭、鉆頭和場(chǎng)發(fā)生器組件上安裝配準(zhǔn)工具，將傳感器插入頂釘，將配準(zhǔn)工具插入釘?shù)倪h(yuǎn)側(cè)鎖緊孔，使得鉆頭軸線與孔軸線重合，圍繞重合的軸線旋轉(zhuǎn)組件，對(duì)于圍繞鉆軸線記錄的每個(gè)位置記錄孔軸線定義，在位置之間插值以增加查找表的分辨率或生成孔軸線定義相對(duì)圍繞鉆軸線的位置的連續(xù)函數(shù)，并將查找表或函數(shù)存儲(chǔ)在導(dǎo)航系統(tǒng)存儲(chǔ)器中以供導(dǎo)航期間使用。作為另外一種選擇，可由測(cè)量數(shù)據(jù)校準(zhǔn)并產(chǎn)生校正的傳感器讀數(shù)的任何裝置可替代示例性實(shí)施例中所用的查找表的函數(shù)。所述校正可同等效力地應(yīng)用于經(jīng)校準(zhǔn)的鉆孔位置或傳感器讀數(shù)。
[0083]要使得用戶能夠用一只手導(dǎo)航并對(duì)齊工具，并且不必將目光從工作區(qū)域移開(kāi)以觀察導(dǎo)航和對(duì)齊信息及反饋、或者不必離開(kāi)工作區(qū)域以對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送操作指令，可將視覺(jué)顯示器和用戶界面單元有利地安裝到工具上或附近，并且它們通常與工具一起運(yùn)動(dòng)。
[0084]對(duì)于在無(wú)菌區(qū)域中使用而言，通常將外科手術(shù)鉆設(shè)計(jì)為經(jīng)過(guò)蒸汽消毒(高壓消毒)。然而，最適合于示例性外科手術(shù)應(yīng)用并且能夠以合理價(jià)格購(gòu)買(mǎi)到的電子顯示器和觸摸屏設(shè)備通常不能經(jīng)受蒸汽消毒?？梢允褂玫蜏叵具^(guò)程，例如針對(duì)包含靈敏電子部件的物品進(jìn)行環(huán)氧乙烷消毒，但這通常增加了電子部件的成本，并且就環(huán)氧乙烷消毒而言，該過(guò)程更耗時(shí)并且由于存在殘留化學(xué)品而可能存在職業(yè)健康和安全問(wèn)題。出于這些原因，在大多數(shù)醫(yī)院中蒸汽消毒是優(yōu)選的方法，因此有利的是包含電子部件并且位于無(wú)菌區(qū)域中的工具上或附近的顯示器和用戶界面單元能夠從該工具拆卸下來(lái)，使得其可通過(guò)替代方法單獨(dú)消毒，或隔離在無(wú)菌無(wú)塵套或無(wú)菌袋中，然后重新附接到位于無(wú)菌區(qū)域中的工具。
[0085]當(dāng)用戶界面單元與如上所述的工具集成時(shí)，可用的不同工具取向可能需要用戶界面單元相對(duì)于工具具有可調(diào)節(jié)性，從而允許調(diào)節(jié)到顯示屏幕易于被用戶看見(jiàn)的位置。當(dāng)顯示器相對(duì)于鉆運(yùn)動(dòng)時(shí)，并且當(dāng)鉆以相對(duì)于目標(biāo)的多種取向使用時(shí)，有利的是顯示器上顯示的圖像可以自動(dòng)改變視野、放大倍率和/或取向以最佳地表示目標(biāo)區(qū)域。
[0086]要將工具與選擇的目標(biāo)對(duì)齊，用戶通常需要首先在大體目標(biāo)區(qū)域內(nèi)找到目標(biāo)，并且可能地從一組可能的目標(biāo)中定位期望目標(biāo)，在這種情況下較大的視野是有利的。然后，當(dāng)靠近期望目標(biāo)時(shí)，用戶通常對(duì)工具位置進(jìn)行微調(diào)，使其處于合適的容差范圍內(nèi)，在這種情況下與所選目標(biāo)對(duì)齊、在該目標(biāo)上放大并以其為中心的較小視野是有利的。
[0087]因此，本發(fā)明的一些實(shí)施例提供了附接到工具并具有以下特征中的一個(gè)或多個(gè)的用戶界面單元:
[0088]?安裝在工具上或附近，使得其通常處于用戶的視野內(nèi)，并且面朝工具的工作區(qū)域；
[0089]?適于貼合多種現(xiàn)有工具，并與其一起使用；[0090]?可用手進(jìn)行附接和拆卸，而無(wú)需使用工具；
[0091]?在多個(gè)工具取向下對(duì)于用戶可見(jiàn)，或可被調(diào)節(jié)成對(duì)于用戶可見(jiàn)；
[0092]?可接收來(lái)自用戶的輸入并且將信息和命令傳遞到導(dǎo)航系統(tǒng)和從導(dǎo)航系統(tǒng)傳出；
[0093]?使用關(guān)于顯示器取向、患者位置和/或工具相對(duì)于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)的信息自動(dòng)調(diào)節(jié)圖像取向、視野、和/或放大倍率，以及
[0094]?向用戶顯示工具相對(duì)于目標(biāo)的當(dāng)前位置和取向，并且向用戶指示與目標(biāo)的對(duì)齊何時(shí)處于基于選擇的參數(shù)的選擇的限值范圍內(nèi)，此時(shí)任何參數(shù)的限值可以取決于其他參數(shù)。
[0095] 本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了具有適于安裝到工具上的安裝設(shè)備的電子顯示器和用戶界面單元，其中用戶界面單元可被移除以便進(jìn)行單獨(dú)的消毒或包裹上無(wú)塵套，并且易于在無(wú)菌外科區(qū)域中重新安裝。
[0096]本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了具有能夠調(diào)節(jié)的安裝機(jī)構(gòu)的電子顯示器和用戶界面單元，所述能夠調(diào)節(jié)的安裝機(jī)構(gòu)允許單元相對(duì)于工具運(yùn)動(dòng)到相對(duì)于用戶的視野在多個(gè)工具位置中可視。
[0097]在一個(gè)實(shí)施例中，安裝機(jī)構(gòu)包括具有用戶界面單元可圍繞其旋轉(zhuǎn)的軸線的回轉(zhuǎn)接頭，具有用戶界面單元可圍繞其旋轉(zhuǎn)的第二軸線的第二回轉(zhuǎn)接頭，以及位于用戶界面單元和安裝機(jī)構(gòu)之間的可釋放接頭，該安裝機(jī)構(gòu)被設(shè)計(jì)為容納可釋放接頭的連接表面之間的柔性膜材料或無(wú)塵套材料。
[0098]一些實(shí)施例包括至少一個(gè)傳感器，該傳感器生成指示用戶界面單元相對(duì)于重力方向的位置的信號(hào)。
[0099]一些實(shí)施例包括傳感設(shè)備，該傳感設(shè)備生成指示用戶界面單元相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器的位置的信號(hào)。
[0100]本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了比較工具軸線與相對(duì)于傳感器具有固定位置的目標(biāo)軸線的當(dāng)前相對(duì)位置并將其指示給用戶的方法，該方法包括以下步驟:
[0101]?監(jiān)測(cè)工具軸線和工具軸線上的點(diǎn)相對(duì)于傳感器的當(dāng)前位置和取向；
[0102]?計(jì)算目標(biāo)軸線到點(diǎn)的垂直距離，并判定該距離是否在選擇的限值范圍內(nèi)，并且如果在選擇的限值范圍內(nèi)，則顯示第一指示器，以及
[0103]?計(jì)算工具軸線與垂直于目標(biāo)軸線并穿過(guò)沿目標(biāo)軸線的選擇的點(diǎn)的平面的交點(diǎn)，
[0104]?計(jì)算目標(biāo)軸線到交點(diǎn)的垂直距離，并判定該距離是否在選擇的限值范圍內(nèi)，并且如果在選擇的限值范圍內(nèi)并顯示了第一指示器，則顯示第二指示器。
[0105]點(diǎn)和目標(biāo)軸線之間的距離測(cè)量可以是一致地反映末端-軸線距離的任何測(cè)量。在一些實(shí)施例中，點(diǎn)與工具軸線以及工具的末端重合。
[0106]本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了比較工具軸線與相對(duì)于傳感器具有固定位置的目標(biāo)軸線的當(dāng)前相對(duì)位置的替代性方法，該方法包括以下步驟:
[0107]?監(jiān)測(cè)工具軸線相對(duì)于傳感器的當(dāng)前位置和取向，
[0108]?計(jì)算鉆軸線與垂直于目標(biāo)軸線并穿過(guò)沿目標(biāo)軸線的第一選擇的點(diǎn)的第一平面的第一交點(diǎn)，
[0109]?判定第一交點(diǎn)是否在圍繞目標(biāo)軸線的選擇的第一容差區(qū)內(nèi)，并且如果在該范圍內(nèi)，則顯示第一指示器，[0110]?計(jì)算工具軸線與垂直于目標(biāo)軸線并穿過(guò)沿目標(biāo)軸線的第二選擇的點(diǎn)的第二平面之間的第二交點(diǎn)，以及
[0111]?判定第二交點(diǎn)是否在圍繞目標(biāo)軸線的選擇的第二容差區(qū)內(nèi)，并且如果在該范圍內(nèi)并顯示了第一指示器，則顯示第二指示器。
[0112]為了將成本、出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)、對(duì)準(zhǔn)確制造公差的依賴、對(duì)準(zhǔn)確存儲(chǔ)維度的依賴、對(duì)各個(gè)傳感器的工具校正以及對(duì)傳感器、場(chǎng)發(fā)生器和環(huán)境特征的一致性的要求降至最低，有利的是使用特定的工具和場(chǎng)發(fā)生器組件、傳感器、目標(biāo)組件以及任何所用的組件插入或保持工具來(lái)將目標(biāo)結(jié)構(gòu)與傳感器直接配準(zhǔn)。本發(fā)明的一些實(shí)施例提供了配準(zhǔn)工具，該配準(zhǔn)工具具有以下特征中的一個(gè)或多個(gè):
[0113]?貼合一系列尺寸的目標(biāo)結(jié)構(gòu)；
[0114]?貼合組裝好以供使用的工具和導(dǎo)航單元，以及
[0115]?在配準(zhǔn)測(cè)量期間，將導(dǎo)航單元以選擇的自由度準(zhǔn)確地保持在相對(duì)于目標(biāo)結(jié)構(gòu)的已知位置處。
[0116]本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了配準(zhǔn)工具，該配準(zhǔn)工具包括主體部分，該主體部分適于在工具(例如鋸或鉆)的一部分上方滑過(guò)；以及末端部分，該末端部分適于擬合在目標(biāo)組件中的目標(biāo)結(jié)構(gòu)內(nèi)，從而使配準(zhǔn)工具的位置以選擇的自由度相對(duì)于所述結(jié)構(gòu)固定。
[0117]在一個(gè)實(shí)施例中，配準(zhǔn)工具具有在鉆頭上的滑動(dòng)配合，使得當(dāng)安裝到鉆頭上時(shí)，末端部分具有與鉆頭的縱向軸線重合的軸線，目標(biāo)結(jié)構(gòu)為具有預(yù)定范圍內(nèi)的直徑和圓柱體中心線的圓柱形孔，并且末端部分適于緊密貼合孔，使得當(dāng)將末端部分安裝在該孔內(nèi)時(shí)，末端部分軸線和目標(biāo)孔軸線重合，從而在所有6個(gè)自由度(除了圍繞重合的軸線旋轉(zhuǎn)并沿著該軸線平移的自由度之外)中固定孔和配準(zhǔn)工具之間的相對(duì)位置。末端部分可以包括至少一個(gè)彈性元件，該彈性元件適于`緊密貼合在具有處于預(yù)定直徑范圍內(nèi)的直徑的不同孔中。在一些實(shí)施例中，配合為過(guò)盈配合，并且將過(guò)盈配合選擇為與彈性元件的剛度以及彈性元件與孔或其他結(jié)構(gòu)之間的摩擦相結(jié)合，從而允許用手將配準(zhǔn)工具安裝到結(jié)構(gòu)中并將其從結(jié)構(gòu)移除。
[0118]在另一個(gè)實(shí)施例中，配準(zhǔn)工具具有在鉆頭上的滑動(dòng)配合，并且接合目標(biāo)孔，該目標(biāo)孔具有圍繞孔軸線在預(yù)定尺寸和形狀限值范圍內(nèi)的回轉(zhuǎn)表面，使得鉆頭軸線和孔軸線重合，從而在所有6個(gè)自由度(除了圍繞重合的軸線旋轉(zhuǎn)并沿著該軸線平移的自由度之外)中固定孔和配準(zhǔn)工具之間的相對(duì)位置。
[0119]在另一個(gè)實(shí)施例中，配準(zhǔn)工具具有在鉆頭上的滑動(dòng)配合，并且接合目標(biāo)孔，該目標(biāo)孔具有圍繞孔軸線在預(yù)定尺寸和形狀限值范圍內(nèi)的回轉(zhuǎn)表面，使得鉆頭軸線和孔軸線重合，并且配準(zhǔn)工具還接合相對(duì)于目標(biāo)孔固定的第二結(jié)構(gòu)，使得孔、第二結(jié)構(gòu)和配準(zhǔn)工具之間的相對(duì)位置在所有6個(gè)自由度中均固定。
[0120]本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了通過(guò)測(cè)量目標(biāo)結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳感器的位置而將導(dǎo)航系統(tǒng)與目標(biāo)組件的至少一個(gè)目標(biāo)結(jié)構(gòu)配準(zhǔn)的方法。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括以下步驟:
[0121]?將導(dǎo)航系統(tǒng)的傳感器組件附接到目標(biāo)組件，使得傳感器在所有6個(gè)自由度中均固定在相對(duì)于目標(biāo)組件的目標(biāo)結(jié)構(gòu)的位置處，但其中先前對(duì)相對(duì)位置的了解并未達(dá)到足夠的精確度，
[0122]?將配準(zhǔn)工具附接到工具和場(chǎng)發(fā)生器組件，使得配準(zhǔn)工具的軸線位于相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器的已知位置處，
[0123]?將配準(zhǔn)工具和組件臨時(shí)地固定到目標(biāo)組件的目標(biāo)結(jié)構(gòu)，使得配準(zhǔn)工具軸線與目標(biāo)結(jié)構(gòu)具有已知的空間關(guān)系，
[0124]?記錄傳感器相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器的位置，
[0125]?計(jì)算結(jié)構(gòu)與傳感器的相對(duì)位置，以及
[0126]?將結(jié)構(gòu)與傳感器的相對(duì)位置存儲(chǔ)到導(dǎo)航系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中。
[0127]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，將結(jié)構(gòu)與傳感器的相對(duì)位置定義為在傳感器坐標(biāo)系中呈現(xiàn)并代表目標(biāo)軸線的線，并通過(guò)對(duì)選擇的數(shù)量的位置測(cè)量值求平均值來(lái)記錄。
[0128]本發(fā)明的一些實(shí)施例提供了控制和信號(hào)處理方法、設(shè)備和軟件，它們具有以下特征中的一個(gè)或多個(gè)。所述控制和信號(hào)處理方法、設(shè)備和軟件可以有利地:
[0129]?在導(dǎo)航過(guò)程中檢測(cè)測(cè)量失真；
[0130]?在導(dǎo)航過(guò)程中檢測(cè)外部生成的磁場(chǎng)；
[0131]?監(jiān)測(cè)整體測(cè)量噪聲并檢測(cè)異常數(shù)據(jù)；
[0132]?過(guò)濾測(cè)量數(shù)據(jù)以最大程度減小信號(hào)噪聲，從而生成平滑顯示；
[0133]?過(guò)濾數(shù)據(jù)以排除低頻率高振幅的異常數(shù)據(jù)；
[0134]?向用戶呈現(xiàn)剩余的 有效測(cè)量數(shù)據(jù)；
[0135]?提醒用戶可能不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和高頻率的異常數(shù)據(jù)，以及
[0136]?使用檢測(cè)到的有關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)、測(cè)量失真和外部生成的磁場(chǎng)的信息以優(yōu)化過(guò)濾參數(shù)。
[0137]本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了在導(dǎo)航過(guò)程中檢測(cè)跟蹤測(cè)量失真和外部生成的磁場(chǎng)的方法，該方法包括以下步驟:
[0138]?跟蹤第一傳感器的位置并同時(shí)監(jiān)測(cè)參考傳感器的位置，其中第一傳感器可以相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器運(yùn)動(dòng)，并且參考傳感器在選擇的自由度中相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器安裝在固定位置，
[0139]?將參考傳感器的位置和/或取向偏差的選擇的參數(shù)(其可以包括位置、取向以及它們的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，或它們的任何函數(shù))與預(yù)定閾值進(jìn)行比較，
[0140]?當(dāng)選擇的參數(shù)或參數(shù)的組合落在預(yù)定值范圍內(nèi)或超過(guò)閾值時(shí)，激活警告功能，修改導(dǎo)航系統(tǒng)的選擇的特征并過(guò)濾和處理導(dǎo)航數(shù)據(jù)，包括向用戶顯示導(dǎo)航信息。
[0141]在一個(gè)實(shí)施例中，將來(lái)自參考傳感器的數(shù)據(jù)與其已知的校準(zhǔn)位置和取向進(jìn)行比較。將參考傳感器位置讀數(shù)和經(jīng)校準(zhǔn)的位置之間的差值的絕對(duì)值總和與閾值進(jìn)行比較。將相同程序應(yīng)用于以具有單獨(dú)的閾值的四元數(shù)向量表示的取向。如果位置和取向?qū)С隽恐械娜我徽叱^(guò)其相關(guān)閾值，則識(shí)別出干涉條件。一旦啟動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)和/或用戶發(fā)布的命令，參考傳感器還可以自動(dòng)進(jìn)行自校準(zhǔn)。來(lái)自參考傳感器的數(shù)據(jù)還可以用于幫助判定某些工具狀態(tài)，例如電動(dòng)機(jī)是開(kāi)啟還是關(guān)閉，以及判定某些工具使用條件，例如電動(dòng)機(jī)速度范圍以及是否與目標(biāo)接合。
[0142]本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了過(guò)濾由導(dǎo)航系統(tǒng)生成的測(cè)量數(shù)據(jù)的方法，用于檢測(cè)和排除或校正被干涉或測(cè)量誤差改變的數(shù)據(jù)，該方法包括以下步驟:
[0143]?監(jiān)測(cè)可以相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器運(yùn)動(dòng)的第一傳感器的當(dāng)前位置和取向，計(jì)算它們的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，以及計(jì)算來(lái)自第一傳感器的位置和取向數(shù)據(jù)在選擇的一段時(shí)間內(nèi)的選擇的特征，
[0144]?將選擇的特征與預(yù)定閾值進(jìn)行比較，[0145]?如果某些選擇的特征或特征的組合超過(guò)預(yù)定閾值，則刪除當(dāng)前的位置和取向讀數(shù)，
[0146]?監(jiān)測(cè)已刪除的位置和取向讀數(shù)在當(dāng)前讀數(shù)之前的一段選擇的時(shí)間內(nèi)的頻率，并且如果該頻率超過(guò)選擇的閾值，則向用戶顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)不可靠的指示，并且任選地向用戶顯示當(dāng)前位置和取向的估算值，該估算值通過(guò)在選擇的一段時(shí)間內(nèi)收集的位置和取向數(shù)據(jù)計(jì)算得到。
[0147]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)以四元數(shù)表示的位置向量的時(shí)間導(dǎo)數(shù)和取向向量的時(shí)間導(dǎo)數(shù)的絕對(duì)值總和確定異常的傳感器讀數(shù)。將每個(gè)值與相關(guān)閾值進(jìn)行比較，當(dāng)超過(guò)任一個(gè)閾值時(shí)，將傳感器讀數(shù)識(shí)別為異常值。一旦已識(shí)別出特定數(shù)量的連續(xù)異常值或缺失讀數(shù)，適當(dāng)?shù)闹甘酒鞅泔@示在用戶界面上。
[0148]在本方法的另一個(gè)實(shí)施例中，使用參考傳感器提供干涉噪聲的相關(guān)測(cè)量值以及移除第一傳感器中的干涉噪聲?？梢杂镁€性自適應(yīng)除噪技術(shù)或使用噪聲參考源作為輸入的任何其他消除方法進(jìn)行噪聲消除。
[0149]在本方法的另一個(gè)實(shí)施例中，將卡爾曼濾波器應(yīng)用于傳感器讀數(shù)。還可以應(yīng)用任何其他使用輸入信號(hào)統(tǒng)計(jì)學(xué)的自適應(yīng)法調(diào)節(jié)其濾波行為，例如遞歸貝葉斯估計(jì)方法。
[0150]在示例性外科手術(shù)的某些變型中，可能需要在遠(yuǎn)側(cè)鎖緊完成前朝近側(cè)鎖緊頂釘。在這些情況下，有利的是當(dāng)近側(cè)鎖緊設(shè)備就位時(shí)，傳感器工具可以穿過(guò)釘管道的長(zhǎng)度。因此在本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了將骨斷片鎖緊到IM釘?shù)脑O(shè)備和方法，其中采用的鎖緊方式可臨時(shí)或永久地維持穿過(guò)沿釘?shù)目v向中心線的管道的開(kāi)放通道。在本發(fā)明的實(shí)施例中，鎖緊設(shè)備是有孔的鉆頭，該鉆頭還適于鉆通骨。在另一個(gè)實(shí)施例中，鎖緊元件為鉆孔后臨時(shí)插入的有孔螺柱，其在安裝永久性鎖緊元件之前接合骨并穿過(guò)釘。在另一個(gè)實(shí)施例中，永久性鎖緊元件是有孔的。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，鎖緊元件為一端具有膨脹元件的螺柱，該螺柱適于接合一層骨皮質(zhì)和植入骨中的頂釘?shù)逆i緊孔的內(nèi)部鏜孔。
[0151]一個(gè)示例性實(shí)施例特別適于計(jì)算機(jī)輔助的IM釘固定術(shù)，該實(shí)施例特別關(guān)注與釘中的選擇的交叉孔(稱為鎖緊孔)成一直線鉆通骨以允許安裝鎖定螺釘?shù)牟襟E。在該示例性實(shí)施例中，所述設(shè)備包括:
[0152]?具有鐵磁鉆頭的外科手術(shù)鉆；
[0153]?安裝到鉆的小且輕的場(chǎng)發(fā)生器，同時(shí)鉆頭的一部分位于場(chǎng)發(fā)生器的測(cè)量范圍內(nèi)；以及
[0154]?傳感器工具，其產(chǎn)生指示其相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器的位置的響應(yīng)，并且在手術(shù)過(guò)程中適于精確地插入植入物中直至相對(duì)于植入物的選擇的結(jié)構(gòu)在所有6個(gè)自由度中均固定的預(yù)定位置。
[0155]提供了顯示屏幕，其用于向用戶顯示對(duì)齊信息。在一些實(shí)施例中，顯示屏幕安裝到鉆或接近鉆。在一些實(shí)施例中，顯示屏幕安裝到鉆上相對(duì)于鉆在4個(gè)自由度中固定的位置處，并且可在相對(duì)于鉆的2個(gè)自由度中被調(diào)節(jié)至各種位置。
[0156]所示實(shí)施例特別適于連同電磁導(dǎo)航系統(tǒng)一起在計(jì)算機(jī)輔助的IM釘固定術(shù)中使用，具體地講，在鉆通骨和釘中的選擇的交叉孔(稱為鎖緊孔)以使得鎖緊螺釘能夠安裝的步驟中使用。
[0157]除了上述的示例性方面和實(shí)施例，通過(guò)參照附圖和研究下文的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其他方面和實(shí)施例將變得顯而易見(jiàn)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0158]附圖示出了本發(fā)明的非限制性示例性實(shí)施例。
[0159]圖1為示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的系統(tǒng)的方框圖。
[0160]圖1a示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例性傳感器工具以及傳感器工具可以與其一起使用的一組頂釘。
[0161]圖2和圖2a示出了示例性傳感器工具的末端部分的細(xì)節(jié)。
[0162]圖3為示出插入工具、中空螺栓、頂釘和示例性傳感器工具的分解圖。
[0163]圖4示出了組裝用于本發(fā)明的示例性實(shí)施例的圖3的組件。
[0164]圖5為圖4的組件的剖面圖，其示出了根據(jù)示例性實(shí)施例傳感器工具與中空螺栓的接合。
[0165]圖6為圖3的分解圖的剖面圖，其著眼于在根據(jù)示例性實(shí)施例的安裝過(guò)程中，傳感器工具向插入工具靠近。
[0166]圖6a為圖4的組件的剖面圖，其著眼于根據(jù)示例性實(shí)施例的示例性傳感器工具與插入工具的接合。
[0167]圖6b示出了用于傳感器工具的搭扣配合構(gòu)造的另一個(gè)例子。
[0168]圖6c為截取自圖6b的剖面圖，其示出了與具有溝槽的中空螺栓接合的搭扣配合傳感器柄部。
[0169]圖6d為截取自圖6b的剖面圖，其示出了傳感器工具對(duì)植入物和插入柄部組件的旋轉(zhuǎn)約束構(gòu)造。
[0170]圖6e為示出中空螺栓的近側(cè)部分的細(xì)部圖，該近側(cè)部分具有延伸的頂蓋、溝槽和埋頭孔。
[0171]圖6f示出了使用手動(dòng)擰緊的緊固件將傳感器工具附接到植入物的另一個(gè)例子。
[0172]圖6g為截取自圖6f的剖面圖。
[0173]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的與鉆、具有鎖緊孔的IM釘和傳感器工具集成的示例性導(dǎo)航單元，并且還示出了坐標(biāo)系的示例性設(shè)置。
[0174]圖7a示出了從鉆用戶的視角沿鉆軸線觀察的場(chǎng)發(fā)生器和傳感器的示例性坐標(biāo)系，以及在示例性實(shí)施例和應(yīng)用中至關(guān)重要的傳感器位置子集的參數(shù)。
[0175]圖8為由圖7沿鉆軸線截取的剖面圖，其示出了附接到鉆的示例性導(dǎo)航單元。
[0176]圖8a示出了本發(fā)明的替代實(shí)施例，其中導(dǎo)航單元通過(guò)鉆夾頭上方而非下方的結(jié)構(gòu)與鉆集成。
[0177]圖Sb示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中場(chǎng)發(fā)生器可以反復(fù)移除并替換至導(dǎo)航單元內(nèi)的相同位置。
[0178]圖9示出了沿鉆孔路徑的鉆頭距離相對(duì)于鉆通骨的時(shí)間的跡線的例子。
[0179]圖9a示出了圖9中所述的瞄準(zhǔn)和用戶界面方法的流程圖。
[0180]圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例安裝到鉆的用戶界面單元的例子，其顯示屏幕的位置便于用豎直的鉆指向前方并遠(yuǎn)離用戶的身體鉆孔，此時(shí)用戶以右手握持鉆。
[0181]圖1Oa類(lèi)似于圖10，但屏幕已調(diào)節(jié)至便于用戶以左手握持鉆的位置。[0182]圖11示出了安裝到鉆的示例性用戶界面單元，其屏幕的位置便于用轉(zhuǎn)到水平位置的鉆指向前方且遠(yuǎn)離用戶的身體鉆孔。
[0183]圖1la類(lèi)似于圖11，但屏幕已調(diào)節(jié)至便于用戶以相反的水平取向握持鉆的位置。
[0184]圖12示出了安裝到鉆的示例性用戶界面單元，其屏幕的位置便于用轉(zhuǎn)到水平位置的鉆指向用戶左方鉆孔。
[0185]圖12a類(lèi)似于圖12，但屏幕已調(diào)節(jié)至便于用轉(zhuǎn)到水平位置的鉆指向用戶右方鉆孔的位置。
[0186]圖13示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施例的分解圖，其示出了可拆卸的用戶界面單元、安裝單元、以及位于顯示器和安裝單元之間的活動(dòng)接頭。
[0187]圖14為示出安裝在鉆夾頭上的示例性安裝單元的剖面圖。
[0188]圖15為由圖14垂直于鉆軸線截取且朝向鉆用戶觀察的剖面圖。
[0189]圖16為由圖14垂直于鉆軸線截取且朝向鉆頭觀察的剖面圖。
[0190]圖17示出了本發(fā)明的替代實(shí)施例，其具有多個(gè)顯示屏幕，而非位于用戶界面單元和鉆之間的活動(dòng)接頭。
[0191]圖17a示出了圖17的替代實(shí)施例，其位于第二鉆孔位置。
[0192]圖18示出了在示例性應(yīng)用的使用過(guò)程中根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例性用戶界面，此時(shí)鉆逐漸接近與鎖緊孔對(duì)齊。
[0193]圖18a示出了圖18的示例性用戶界面，但鉆處在相對(duì)鎖緊孔的對(duì)齊容差范圍內(nèi)，并且顯示了深度指示器。
[0194]圖18b示出了用于控制用戶界面顯示器的視野和放大率參數(shù)的方法的流程圖。
[0195]圖19示出了在示例性應(yīng)用中使用示例性實(shí)施例的過(guò)程中骨和植入物的剖面圖，其中鉆與鎖緊孔的對(duì)齊處于預(yù)定限度內(nèi)。
[0196]圖19a示出了圖19中所述的瞄準(zhǔn)和用戶界面方法的流程圖。
[0197]圖20類(lèi)似于圖19，但示出了限定鉆對(duì)齊限度的替代方法。
[0198]圖20a示出了圖20中所述的替代瞄準(zhǔn)和用戶界面方法的流程圖。
[0199]圖21示出了導(dǎo)航系統(tǒng)的示例性場(chǎng)發(fā)生器組件、與根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的場(chǎng)發(fā)生器集成的鉆、鉆頭、具有遠(yuǎn)側(cè)鎖緊孔的頂釘、插入釘中的傳感器、配準(zhǔn)工具以及鉆套的分解圖。
[0200]圖22示出了根據(jù)示例性實(shí)施例和示例性應(yīng)用組裝的圖21的組件，其中配準(zhǔn)工具插入遠(yuǎn)側(cè)鎖緊孔并位于將系統(tǒng)與孔配準(zhǔn)的位置。
[0201]圖23示出了示例性配準(zhǔn)工具的剖面圖。
[0202]圖23a示出了示例性配準(zhǔn)工具的末端部分的剖面圖。
[0203]圖24示出了位于將系統(tǒng)與孔配準(zhǔn)的位置的示例性配準(zhǔn)工具和頂釘?shù)钠拭鎴D。
[0204]圖24a示出了配準(zhǔn)設(shè)備的第一附加示例性實(shí)施例的剖面圖。
[0205]圖24b示出了配準(zhǔn)設(shè)備的第二附加示例性實(shí)施例的剖面圖。
[0206]圖24c示出了配準(zhǔn)設(shè)備的第三附加示例性實(shí)施例的剖面圖。
[0207]圖24d示出了配準(zhǔn)設(shè)備的第四附加示例性實(shí)施例的分解圖。
[0208]圖24e示出了配準(zhǔn)設(shè)備的第四附加示例性實(shí)施例的剖面圖。
[0209]圖24f示出了配準(zhǔn)設(shè)備的第五附加示例性實(shí)施例的剖面圖，其中附加的自由度被控制。
[0210]圖25示出了典型的測(cè)量誤差相對(duì)于在距場(chǎng)發(fā)生器各種距離處場(chǎng)發(fā)生器關(guān)于鉆軸線的位置的示例性曲線圖，此時(shí)場(chǎng)發(fā)生器安裝到典型的鉆。
[0211]圖26示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)的配準(zhǔn)和操作步驟的示例性流程圖。
[0212]圖26a示出了根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例的導(dǎo)航系統(tǒng)的術(shù)中校準(zhǔn)的流程圖，該校準(zhǔn)還生成了校正值的查找表。
[0213]圖27示出了當(dāng)鐵磁工具進(jìn)入并離開(kāi)場(chǎng)發(fā)生器的測(cè)量范圍從而導(dǎo)致測(cè)量誤差時(shí)，參考傳感器讀數(shù)的示例性曲線圖。
[0214]圖28示出了當(dāng)附接鉆的鉆馬達(dá)啟動(dòng)和停止從而產(chǎn)生影響導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量值的外部磁場(chǎng)時(shí)，參考傳感器讀數(shù)的示例性曲線圖。
[0215]圖29示出了傳感器取向讀數(shù)相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器關(guān)于鉆軸線的位置的示例性曲線圖，此時(shí)場(chǎng)發(fā)生器安裝到典型的鉆。
[0216]圖30示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用于平滑和校正導(dǎo)航過(guò)程中的傳感器位置和取向數(shù)據(jù)，以及基于由系統(tǒng)檢測(cè)到的選擇的條件修改過(guò)濾參數(shù)的示例性過(guò)濾方法的流程圖。
[0217]圖31示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的一個(gè)實(shí)施例的植入股骨的IM釘以及傳感器工具，其中股骨以剖面圖示出，且有孔鉆頭穿過(guò)股骨頸并進(jìn)入股骨頭。
[0218]圖32示出了沿狹槽孔的軸線觀察的有孔鉆頭。
[0219]圖32a示出了垂直于狹槽孔的軸線觀察的有孔鉆頭。
[0220]圖33示出了股骨和頂釘?shù)钠拭鎴D，所述頂釘具有在適當(dāng)位置的有孔鉆頭并安裝了傳感器工具。
[0221]圖34示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的替代實(shí)施例的中空且有孔的螺柱的頂視圖。
[0222]圖35為圖34中所示的本發(fā)明的替代實(shí)施例的前視圖。
[0223]圖36示出了股骨和IM釘?shù)钠拭鎴D，該圖示出了圖34的中空且有孔的螺柱，以及在導(dǎo)絲回縮之前在適當(dāng)位置處的導(dǎo)絲。
[0224]圖37示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的另一個(gè)實(shí)施例的膨脹螺柱，其僅接合一層骨皮質(zhì)和釘?shù)囊粋€(gè)壁。
[0225]圖37a為由圖37沿膨脹螺柱截取的剖面圖。
[0226]圖38為在患者肢體內(nèi)使用的圖37的膨脹螺柱的剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0227]在整個(gè)以下詳細(xì)說(shuō)明中示出了具體細(xì)節(jié)，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更深入透徹地理解。然而，可能未詳細(xì)顯示或描述眾所周知的元件，以避免不必要地弱化本公開(kāi)的內(nèi)容。因此，【具體實(shí)施方式】和附圖應(yīng)視為示例性的，而非限制性的。
[0228]參考下文詳細(xì)說(shuō)明的公開(kāi)內(nèi)容和/或附圖，將更好地理解本發(fā)明的不同方面以及它們目前優(yōu)選的實(shí)施例。如果在不同的附圖中使用相同的參考編號(hào)，則參考編號(hào)是指相同或相似的部件。
[0229]如本文所用，當(dāng)涉及鉆和附接的組件時(shí)，“遠(yuǎn)側(cè)”是指引領(lǐng)進(jìn)一步遠(yuǎn)離用戶并朝向鉆頭末端的方向，并且如本文所用的“近側(cè)”是遠(yuǎn)側(cè)的相反方向。如本文所用，當(dāng)涉及頂釘和附接到其上的組件時(shí)，“遠(yuǎn)側(cè)”是指引領(lǐng)進(jìn)一步遠(yuǎn)離插入工具的方向，并且如本文所用的“近側(cè)”是遠(yuǎn)側(cè)的相反方向。
[0230]如本文所用，“導(dǎo)航系統(tǒng)”是電磁場(chǎng)發(fā)生器、至少一個(gè)電磁傳感器以及連接至場(chǎng)發(fā)生器和傳感器的控制器的組合，所述控制器可以包括計(jì)算機(jī)。控制器被配置成測(cè)定傳感器元件相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器的位置和取向。合適的導(dǎo)航系統(tǒng)的例子是由Northern Digital Inc.(Waterloo, Ontario, Canada)制造的Aurora?系統(tǒng),該系統(tǒng)可通過(guò)定制的軟件適當(dāng)?shù)匦薷暮涂刂?，以用于如本文所述的?yīng)用。其他合適的導(dǎo)航系統(tǒng)可得自Ascension TechnologyCorporation(107Catamount Drive, Milton, VT05468USA)。
[0231]圖1為示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的系統(tǒng)的方框圖。控制臺(tái)600包括電磁導(dǎo)航系統(tǒng)的處理器和電源組件?？刂婆_(tái)600可以提供專(zhuān)用于諸如IM釘固定術(shù)的應(yīng)用的附加處理和通信組件。充電座602容納處于未使用狀態(tài)的用戶界面單元606并對(duì)其充電。在使用中，用戶界面單元606和導(dǎo)航單元601附接到工具603。單元601包括場(chǎng)發(fā)生器和至少一個(gè)通過(guò)纜線608與控制臺(tái)600通信的參考傳感器。用戶界面單元606通過(guò)無(wú)線通信鏈路604與控制臺(tái)600通信。傳感器工具610通過(guò)傳感器纜線612與控制臺(tái)600通信?？山尤肟刂婆_(tái)600的存儲(chǔ)器614包括組件的尺寸、結(jié)構(gòu)和圖形數(shù)據(jù)模型，并且還包括測(cè)量值校正圖、查找表、參數(shù)集、軟件、固件等。
[0232]數(shù)據(jù)庫(kù)616包含組件的尺寸、結(jié)構(gòu)和圖形數(shù)據(jù)模型，還包含測(cè)量值校正圖、查找表、參數(shù)集、軟件、固件等，并且存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器裝置中。數(shù)據(jù)庫(kù)616可以通過(guò)通信鏈路618鏈接到存儲(chǔ)器614，用于更新存儲(chǔ)器614的內(nèi)容。通信鏈路618可以包括例如有線、互聯(lián)網(wǎng)或無(wú)線鏈路或它們的一些組合。
[0233]用戶界面單元606中存儲(chǔ)的軟件、固件和數(shù)據(jù)可以通過(guò)通信鏈路604以及通過(guò)從充電座602到存儲(chǔ)器614的連接605而更新。單元601中存儲(chǔ)的軟件、固件和數(shù)據(jù)可以通過(guò)纜線608更新。在工具603包括諸如電池的電源的多個(gè)其他實(shí)施例中，纜線608可以替換為用于控制控制臺(tái)600和單元601之間的信號(hào)的無(wú)線通信鏈路，以及將電力從工具603供應(yīng)到單元601的線材。在多個(gè)其他實(shí)施例中，傳感器纜線612可以替換為電源、信號(hào)放大器和傳感器工具610中包括的無(wú)線通信單元，以及從傳感器工具610到控制臺(tái)600的無(wú)線通信鏈路。合適的無(wú)線鏈路的非限制性例子為Bluetooth?和WiFi局域無(wú)線通信系統(tǒng)。
[0234]本發(fā)明的一個(gè)方面提供了與導(dǎo)航系統(tǒng)一起使用的傳感器工具。傳感器工具包括伸長(zhǎng)構(gòu)件，該伸長(zhǎng)構(gòu)件具有包含傳感器元件的自動(dòng)定心末端部分。提供了搭扣配合機(jī)構(gòu)，用于將傳感器工具保持在組件(例如頂釘)中的適當(dāng)位置，以使得傳感器元件與組件上的結(jié)構(gòu)(例如鎖緊孔)具有已知的幾何關(guān)系。
[0235]圖1a至6示出了示例性傳感器工具10。所示傳感器工具10可以用于例如頂釘固定術(shù)。示例性傳感器工具10包括多種如下文所述的期望特征。每個(gè)特征可以有利地單獨(dú)存在或與其他所述特征中的一些或全部結(jié)合而存在。在本發(fā)明范圍內(nèi)的其他實(shí)施例可以包括示例性實(shí)施例中所述的有利特征的子集。
[0236]傳感器工具10的一個(gè)期望特征是，遠(yuǎn)側(cè)末端部分在不同管道直徑的范圍內(nèi)自動(dòng)定心?？梢酝ㄟ^(guò)在末端部分中并入有彈性的柔性構(gòu)件來(lái)提供自動(dòng)定心特征，該有彈性的柔性構(gòu)件徑向向外偏移至最大直徑，但可以徑向向內(nèi)有彈性地壓縮至均與最大直徑同心的一系列較小的直徑。例如，可以通過(guò)柔性構(gòu)件186 (在圖2和2a中示出)提供自動(dòng)定心特征，當(dāng)在穿過(guò)傳感器工具10的縱向中心線的平面中觀察時(shí)，所述柔性構(gòu)件為弓形的，并且圍繞末端部分的中心線成角度地間隔開(kāi)。
[0237]傳感器工具10的另一個(gè)期望特征是，當(dāng)傳感器工具10被適當(dāng)?shù)匕惭b到諸如植入物的組件中時(shí)，向用戶提供傳感反饋。傳感反饋可以通過(guò)搭扣配合機(jī)構(gòu)提供。在獨(dú)占性地接合到適當(dāng)安裝的位置時(shí)，搭扣配合機(jī)構(gòu)可以向用戶提供觸覺(jué)和/或聽(tīng)覺(jué)反饋。搭扣配合機(jī)構(gòu)可以在傳感器工具10和諸如植入物的組件之間，或在傳感器工具10和附連到組件的插入工具之間提供。搭扣配合機(jī)構(gòu)可以通過(guò)合適的棘爪機(jī)構(gòu)提供。例如，搭扣配合機(jī)構(gòu)可以通過(guò)圖6和6a中所示的接合溝槽195的柔性插片192提供。
[0238]傳感器工具10的另一個(gè)期望特征是，其長(zhǎng)度固定且具備單件完成構(gòu)造，這使得用戶能夠以單一動(dòng)作將傳感器工具10精確安裝至相對(duì)于組件的獨(dú)特預(yù)定位置，而無(wú)需進(jìn)行調(diào)節(jié)或參考刻度標(biāo)記等以選擇正確的安裝位置。例如，圖1a中所示的傳感器工具長(zhǎng)度176決定了末端部分154沿釘37的中心線相對(duì)于釘37和插入工具39 (示于圖3中)的組件的位置。
[0239]圖1a示出了傳感器工具10和一組頂釘37和165 (統(tǒng)稱或一般稱為組164或頂釘164)，傳感器工具可以與該頂釘組一起使用。組164中的一個(gè)釘可以具有與另一個(gè)釘不同的特征，例如不同的長(zhǎng)度、管道直徑，或者不同的結(jié)構(gòu)布置方式，例如狹槽和孔。組164中的每個(gè)頂釘具有至少一個(gè)遠(yuǎn)側(cè)鎖緊孔38，該遠(yuǎn)側(cè)鎖緊孔的尺寸和位置在組164中的不同釘之間可以有所不同，并且其可以是所關(guān)注的唯一遠(yuǎn)側(cè)結(jié)構(gòu)，或者可以是如圖所示的一組遠(yuǎn)側(cè)鎖緊孔189的一部分。出于本說(shuō)明書(shū)的目的，如果組189包括多于一個(gè)的孔或?qū)⒈汇@通的結(jié)構(gòu)，則將孔38定義為組189的最近側(cè)孔。
[0240]傳感器工具10具有位于其遠(yuǎn)端處的末端部分154、軸部分156以及位于其近端處的柄部部分158。軸部分156的軸直徑160小于或等于組164中存在的最小管道直徑162(在圖5中可見(jiàn))。例如，在一些情況下軸直徑160在3至4毫米的范圍內(nèi)。將末端直徑166選擇為等于或略大于組164中存在的最大管道直徑168。肩部170具有肩部直徑172，其大于中空螺栓173的螺栓管道直徑174 (均示于圖5中)。將從傳感器工具10的肩部170到遠(yuǎn)端的長(zhǎng)度176選擇為小于組164中的釘之間存在的最小鎖緊孔距離178(在圖4中示出)，使得孔38在鉆通過(guò)程中保持露出。
[0241]一起參見(jiàn)圖1和圖2，傳感器線180從嵌入傳感器工具10內(nèi)的傳感器元件182延伸并通過(guò)連接器184 (在圖3中可見(jiàn))連接至導(dǎo)航系統(tǒng)(未示出)。傳感器工具10可以由醫(yī)療級(jí)塑料(例如ABS或PEEK)注塑成型，并且可以由兩個(gè)或更多個(gè)部件組裝并粘合到一起以形成固體單元，其中傳感器元件182嵌入并保持在傳感器工具10內(nèi)的固定位置，此時(shí)傳感器元件182的縱向軸線與末端部分154和軸部分156的共同縱向軸線近似共線。
[0242]合適的傳感器元件182的例子為得自Northern Digital Inc.(Waterloo, Ontario, Canada)的 Mini6D0F 傳感器(部件號(hào) 610029)。該傳感器為大約 1.8毫米直徑X9毫米長(zhǎng)。在替代實(shí)施例中，傳感器10可以結(jié)合電池、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及通過(guò)無(wú)線方式向?qū)Ш较到y(tǒng)發(fā)送信號(hào)的無(wú)線發(fā)射器。這些組件中的一些或全部可以容納在柄部部分158中。
[0243]圖2和2a詳細(xì)地示出了傳感器工具10的末端部分154。如圖2a中最佳所見(jiàn)，柔性段186全部具有相同的橫截面和形狀，并且圍繞末端部分154和軸部分156的共同縱向軸線均勻間隔開(kāi)。柔性段186被設(shè)計(jì)為在其材料的彈性范圍內(nèi)彎曲，使得末端直徑166可壓縮到最小管道直徑162，而不會(huì)破裂或永久變形，使得如果需要，可以移除、清潔、重新消毒以及重新使用傳感器工具10。傳感器元件182嵌入傳感器工具10中的近末端部分154。由于當(dāng)末端部分154位于直徑小于末端直徑166的圓柱形鏜孔中時(shí)，柔性段186均勻地徑向向內(nèi)壓縮，因此當(dāng)末端部分154插入釘時(shí)，傳感器元件182正好位于組164中的任何釘?shù)墓艿乐醒?。還示出了軸直徑160。
[0244]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可以選擇多種其他構(gòu)造以提供末端部分154的自動(dòng)定心特征，例如可將柔性段186替換為一系列柔性葉片，或者末端部分154可以是具有至少一個(gè)浮雕狹槽的圓柱體，所述浮雕狹槽使得圓柱體能夠被壓縮到較小的直徑。
[0245]結(jié)合圖3，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，選自組164(參見(jiàn)圖1a)的釘37與插入工具39和中空螺栓173 —起在分解圖中示出，所述插入工具和中空螺栓可以與組164中的所有釘一起使用，以便將釘插入并定位在患者的骨中。使用中空螺栓173將選擇的釘37附接到插入工具39，該中空螺栓螺紋旋入釘37中。插入工具39的舌端187接合釘37近端處的狹槽188，從而相對(duì)于插入工具39在所有6個(gè)自由度中將釘37固定，并且可將傳感器工具10插入通過(guò)中空螺栓173并進(jìn)入釘37的管道內(nèi)。還示出了連接器184。
[0246]結(jié)合圖4，示出了圖3的分解圖的組裝形式，其中傳感器工具10已安裝好并示出了釘37、插入工具39和中空螺栓173。最小鎖緊孔距離178從肩部170和中空螺栓173的接觸點(diǎn)(如圖5中所見(jiàn))延伸至遠(yuǎn)側(cè)鎖緊孔38的近側(cè)邊緣，其為將被鉆穿的最近側(cè)結(jié)構(gòu)。
[0247]圖5為在穿過(guò)中空螺栓173的縱向中心線的平面上截取自圖4的局部剖面圖。當(dāng)傳感器工具10完全插入釘37、插入工具39和中空螺栓173的組件時(shí)，肩部170接觸中空螺栓173的埋頭孔表面175。當(dāng)肩部170的圓形邊緣與埋頭孔表面175的錐形表面之間保持完全接觸時(shí)，傳感器工具10沿釘37的軸線固定地平移。還示出了螺栓管道直徑174、軸部分156和傳感器線180。
[0248]軸部分156可以具備柔韌性，該柔韌性足以允許傳感器工具被插入IM釘或其他非直型組件。
[0249]圖6和6a示出了傳感器工具10至插入工具39的接合。圖6為貫通傳感器工具10的柄部部分158并且還貫通插入工具39的剖面圖，其截取自圖3的夾持件197區(qū)域，其中傳感器工具10接近但尚未接合插入工具39。圖6a為截取自圖4的剖面圖，其類(lèi)似于圖6但傳感器工具10處于其安裝位置，與插入工具39接合。參見(jiàn)圖6，間隙198小于工具寬度191，使得朝遠(yuǎn)側(cè)推動(dòng)傳感器工具10就位時(shí)，柔性插片192被迫向外伸展以越過(guò)插入工具
39。當(dāng)傳感器工具10的表面193接觸插入工具39的頂部表面194時(shí)，柔性插片192搭扣到如圖6a中所示的溝槽195中，從而在傳感器工具10到達(dá)其完全安裝位置時(shí)，產(chǎn)生可聽(tīng)見(jiàn)的搭扣聲以及用戶可通過(guò)夾持件197感覺(jué)到的振動(dòng)。
[0250]參見(jiàn)圖6a，柔性插片192被設(shè)計(jì)為與溝槽195的邊緣196具有過(guò)盈配合，使得在安裝位置中，偏離間隙199大于間隙198，并且柔性插片192向外彎曲處于材料的彈性范圍內(nèi)的預(yù)定量，從而在傳感器工具10上抵靠插入工具39產(chǎn)生朝遠(yuǎn)側(cè)定向的落座力，該落座力在頂部表面194處并且在肩部170與中空螺栓173的埋頭孔表面175 (在圖5中可見(jiàn))的接觸點(diǎn)處起作用。柔性插片192抵靠邊緣196的過(guò)盈配合還產(chǎn)生定心力，從而防止傳感器工具10圍繞中空螺栓173的縱向軸線旋轉(zhuǎn)(參見(jiàn)圖5)。傳感器工具10因此相對(duì)于插入工具39在所有6個(gè)自由度中保持固定，繼而相對(duì)于釘37在所有6個(gè)自由度中固定。另外參見(jiàn)圖1a和圖2,由于傳感器兀件182固定在傳感器工具10內(nèi)相對(duì)于肩部170的已知位置處,并且在具有處于直徑162至直徑168范圍內(nèi)的直徑的釘管道內(nèi)居中，因此傳感器元件182被保持為相對(duì)于釘37的已知固定位置和取向，并且通過(guò)參考釘37的配準(zhǔn)測(cè)量值(在本說(shuō)明書(shū)中的其他地方描述)和/或預(yù)定幾何形狀，可通過(guò)導(dǎo)航系統(tǒng)定位釘37的選擇的結(jié)構(gòu)，例如遠(yuǎn)側(cè)鎖緊孔38或孔189的組，其中在未指定管道直徑的情況下將傳感器元件182連接到該導(dǎo)航系統(tǒng)。
[0251]要移除傳感器工具10，用戶在夾持件197處朝向傳感器工具10的中平面擠壓傳感器工具10的柄部部分158，導(dǎo)致柔性插片192伸展開(kāi)并露出邊緣196，從而允許用戶沿近側(cè)方向撤回傳感器工具10。
[0252]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，有多種傳感器工具10構(gòu)造可用于提供傳感器工具10接合以及指示在相對(duì)于釘37的獨(dú)特位置處的接合的特征。例如，可以使用多種連接方法將傳感器工具10附接到插入工具39、中空螺栓173或釘37中的一個(gè)或任意組合，例如通過(guò)夾緊、螺栓連接或摩擦配合。
[0253]圖6b至6e示出了使傳感器工具適于接合結(jié)構(gòu)(例如中空螺栓178)的搭扣配合構(gòu)造的另一個(gè)例子。此類(lèi)構(gòu)造可適用于多種插入工具。圖6b示出了具有傳感器線180和替代柄部部分676的傳感器工具10。傳感器工具10示出為安裝在插入工具39中，該插入工具組裝到具有中空螺栓673的釘37。圖6c為截取自圖6b的剖面圖，其示出了與螺栓673中的溝槽671接合的搭扣配合傳感器柄部。圖6d為截取自圖6b的剖面圖，其示出了接合在插入工具39的鏜孔670中的凸臺(tái)684。圖6e為示出中空螺栓673的近側(cè)部分的細(xì)部圖，其具有朝近側(cè)延伸的頂蓋部分，該頂蓋部分具有溝槽671和埋頭孔表面672。
[0254]在該示例性實(shí)施例中，傳感器工具10包括具有錐形表面682的柄部部分676。溝槽671具有圍繞螺栓中心線完全旋轉(zhuǎn)的恒定旋轉(zhuǎn)部分，從而形成邊緣674。埋頭孔表面672可以是完全旋轉(zhuǎn)的部分，但還可以是圍繞螺栓中心線的旋轉(zhuǎn)部分的均勻間隔開(kāi)的段。柄部部分676還包括柔性插片678，其接合邊緣674并產(chǎn)生座合力，該座合力以與圖6和圖6a中所示柔性插片192和溝槽195類(lèi)似的方式抵靠螺栓673的埋頭孔表面672保持錐形表面682，從而相對(duì)于螺栓673在所有自由度中(除圍繞螺栓673的中心線旋轉(zhuǎn)外)約束傳感器工具10。
[0255]插入工具中的多種結(jié)構(gòu)可以通過(guò)傳感器工具的一部分接合而固定。傳感器工具10的旋轉(zhuǎn)位置可以通過(guò)提供適于接合插入工具中多種結(jié)構(gòu)的任一種的傳感器工具的一部分來(lái)固定。在所示的示例性實(shí)施例中，插入柄部39具有平行于螺栓中心線的鏜孔670。圓柱形凸臺(tái)684與鏜孔670推入配合。凸臺(tái)684具有狹縫686，以允許推入配合，從而消除在預(yù)期的扭轉(zhuǎn)負(fù)載下傳感器工具10和釘37之間的旋轉(zhuǎn)游隙，這可應(yīng)用于使用中的傳感器工具
10。柄部部分676還包括有角度的表面688，其接合不同類(lèi)型的插入工具中的埋頭孔(未示出)。
[0256]要移除傳感器工具10，用戶朝向螺栓中心線擠壓夾持件680，以使插片678向外彎曲以露出溝槽671，然后朝近側(cè)將傳感器工具10拉出。
[0257]由于螺栓673中的接合結(jié)構(gòu)為圍繞與釘中心線共軸的螺栓中心線的旋轉(zhuǎn)剖面，因此不論螺栓關(guān)于中心線的旋轉(zhuǎn)位置如何，傳感器工具10均可安裝到相同的位置。因此，可以將螺栓673緊固和重新緊固到不同的旋轉(zhuǎn)位置，而基本不會(huì)在重新安裝傳感器工具10時(shí)，影響傳感器工具10相對(duì)于釘37的安裝位置。作為另外一種選擇，錐形表面682可以為類(lèi)似于圖5中示出的肩部170的肩部。作為另外一種選擇，錐形表面682和埋頭孔表面672可以為任何嚙合面或結(jié)構(gòu)，其將柄部部分676的位置固定為不論螺栓673關(guān)于其中心線的旋轉(zhuǎn)位置如何，均沿螺栓673的中心線平移。
[0258]根據(jù)旨在與傳感器工具10—起使用的一組不同類(lèi)型的插入工具的共同特征，可使用多種其他機(jī)械構(gòu)造代替凸臺(tái)684或表面688，例如另外參見(jiàn)圖6和6a，在具有共同寬度191但不享有溝槽195或鏜孔670相對(duì)于中空螺栓的共同幾何形狀的一組工具中，類(lèi)似于與工具39的外表面具有過(guò)盈配合的插片192的一組柔性插片可用于約束旋轉(zhuǎn)，并且與螺栓673和插片678的附接構(gòu)造相結(jié)合，用于固定傳感器工具10相對(duì)于釘37的位置。
[0259]圖6f示出了傳感器工具與植入物的附接的例子，該例子使用手動(dòng)擰緊的緊固件而非傳感器工具10與插入柄部、中空螺栓和髓內(nèi)釘組件的搭扣配合附接。圖6g為傳感器工具、插入柄部和釘?shù)钠拭鎴D，其示出了帶螺紋的手動(dòng)擰緊的緊固件附接構(gòu)造。在某些實(shí)施例中,包括工具702的一組插入工具可以相對(duì)于中空螺栓173的中心線具有共用的螺紋孔690，以及表面704，當(dāng)將手動(dòng)擰緊的緊固件698擰緊時(shí)，傳感器工具10的柄部部分696的表面692可以與該表面嚙合。在該實(shí)施例中，傳感器工具10具有從嚙合面692到傳感器末端(未示出，參見(jiàn)圖1a)的固定長(zhǎng)度694，以及沿傳感器工具10的釘37的中心線的平移位置，該平移位置由表面704和表面692確定。傳感器柄部部分696和緊固件698具有埋頭孔700。緊固件698通過(guò)螺紋與孔690嚙合。
[0260]在該實(shí)施例中，傳感器工具10具有至少在近側(cè)區(qū)域上的軸直徑706，其中當(dāng)安裝了傳感器工具10時(shí)，傳感器軸位于螺栓173內(nèi)部。傳感器工具10的軸部分156的直徑706與螺栓173的管道直徑174 (在圖5中可見(jiàn))滑動(dòng)配合。當(dāng)擰緊緊固件698時(shí)，傳感器工具10可以圍繞孔690的中心線旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)程度僅為直徑706和174的差值，并且當(dāng)緊固件698被擰緊時(shí)，軸部分156將抵靠中空螺栓173的內(nèi)表面。因此，當(dāng)緊固件698擰緊時(shí)，傳感器工具10相對(duì)于釘37以在所有6個(gè)自由度中均固定的方式固定在精確位置。緊固件698可以由例如類(lèi)似于傳感器工具10的材料以及由傳感器工具10提供的可消毒塑性材料制成，或者可由金屬或另一種可重復(fù)使用的可消毒材料制成。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，為了與多種插入柄部相容，柄部部分698可以在不同位置處具有一批孔，并且可以具有類(lèi)似于表面692的多個(gè)不同的哨合面，以哨合選擇的插入柄部。
[0261]本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了包括場(chǎng)發(fā)生器的工具，該場(chǎng)發(fā)生器被配置成在工具使用過(guò)程中相對(duì)于工具的軸線和沿該軸線的點(diǎn)保持固定，其中工具的一部分可以相對(duì)于所述軸線和/或所述點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。例如，工具可以包括鉆，并且活動(dòng)部分可以是圍繞所述軸線旋轉(zhuǎn)的鉆頭，此時(shí)鉆頭的末端位于所述軸線上的所述點(diǎn)處。又如，工具可以包括鋸，并且活動(dòng)部分可以是在穿過(guò)所述點(diǎn)的平面內(nèi)圍繞所述軸線旋轉(zhuǎn)的鋸片。又如，工具可以是擺鋸，并且活動(dòng)部分可以是在穿過(guò)所述點(diǎn)的平面內(nèi)往復(fù)旋轉(zhuǎn)通過(guò)小范圍旋轉(zhuǎn)的鋸片。該構(gòu)造為有利的，因?yàn)橛绕涫钱?dāng)工具的活動(dòng)部分由鐵磁性和/或?qū)щ姷牟牧现瞥蓵r(shí)，工具可以影響場(chǎng)發(fā)生器的性能并導(dǎo)致測(cè)量誤差。因此，將工具的位置、運(yùn)動(dòng)模式和運(yùn)動(dòng)范圍以及工具的任何活動(dòng)部分限定為已知的和可預(yù)測(cè)的值可以允許使用多種測(cè)量校正和誤差補(bǔ)償來(lái)改善場(chǎng)發(fā)生器的性倉(cāng)泛。
[0262]在一些實(shí)施例中，所述軸線可以偏離場(chǎng)發(fā)生器，這可能改善對(duì)位于軸線上的工具部分的接近，并改善用戶對(duì)工具和工作區(qū)域的觀察。例如，沿軸線定位并通過(guò)場(chǎng)發(fā)生器外部而非穿過(guò)場(chǎng)發(fā)生器的鉆頭可能更容易改變和更容易瞄準(zhǔn)，因?yàn)橛脩裟軌蜓劂@頭長(zhǎng)度進(jìn)行觀察。
[0263]場(chǎng)發(fā)生器可以直接安裝到工具或能夠直接安裝到工具。在其他實(shí)施例中，場(chǎng)發(fā)生器安裝到或可安裝到工具的附件，并且可從該附件拆卸。在其他實(shí)施例中，場(chǎng)發(fā)生器和/或附件單元可以能夠附接到多種工具。在其他實(shí)施例中，場(chǎng)發(fā)生器和/或附件單元可以能夠在關(guān)于所述軸線的不同旋轉(zhuǎn)位置處附接，而不會(huì)改變場(chǎng)發(fā)生器與所述軸線或所述軸線上的所述點(diǎn)的關(guān)系。例如，工具可以是鉆，并且場(chǎng)發(fā)生器可以安裝到包括鉆夾頭的單元，該鉆夾頭可以配合多種不同類(lèi)型的鉆，并且可圍繞鉆頭軸線相對(duì)于鉆柄部以不同角度附接到鉆，從而允許用戶選擇場(chǎng)發(fā)生器的位置，該位置不會(huì)阻礙對(duì)工作區(qū)域的觀察或在工作區(qū)域內(nèi)形成障礙。
[0264]在其他實(shí)施例中，場(chǎng)發(fā)生器可安裝到工具的附件并且可從該附件拆卸，其中該附件適于將場(chǎng)發(fā)生器保持在相對(duì)于軸線和軸線上的點(diǎn)的選擇的位置處。一些實(shí)施例還可以包括包封并隔離場(chǎng)發(fā)生器的外殼。例如在適于外科手術(shù)的實(shí)施例中，附件可以包括可高壓消毒的外殼，并且場(chǎng)發(fā)生器可以是不可高壓消毒的，并且在用于無(wú)菌區(qū)域時(shí)，非無(wú)菌的用戶將場(chǎng)發(fā)生器放入由無(wú)菌用戶握持的無(wú)菌附件中，然后無(wú)菌用戶關(guān)閉外殼，從而將場(chǎng)發(fā)生器固定就位并將其與無(wú)菌區(qū)域隔離。該構(gòu)造具有降低成本和延長(zhǎng)場(chǎng)發(fā)生器的使用壽命的優(yōu)點(diǎn)。
[0265]包括上述場(chǎng)發(fā)生器的工具的每個(gè)結(jié)構(gòu)單獨(dú)使用或結(jié)合所述其他結(jié)構(gòu)的一些或全部使用均可能是有利的。在本發(fā)明范圍內(nèi)的其他實(shí)施例可包括以上和示例性實(shí)施例中描述的有利結(jié)構(gòu)的子集。
`[0266]圖7示出了安裝了鉆頭2的示例性導(dǎo)航單元I。該導(dǎo)航單元安裝到鉆3。還示出了傳感器工具10和具有鎖緊孔38的頂釘37。單元I包括電磁場(chǎng)發(fā)生器7。
[0267]已觀察到，當(dāng)常用類(lèi)型的鉆頭2 (部件號(hào)03.010.104，Synthes?(Monument, C080132))在典型的場(chǎng)發(fā)生器前方運(yùn)動(dòng)時(shí),測(cè)量失真為:
[0268]?當(dāng)鉆頭2在場(chǎng)發(fā)生器前方來(lái)回運(yùn)動(dòng)時(shí)，遠(yuǎn)大于I毫米，
[0269]?當(dāng)鉆頭2沿固定軸線在場(chǎng)發(fā)生器前方的區(qū)域出入時(shí)，大于I毫米，并且
[0270]?當(dāng)鉆頭2圍繞固定軸線相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器旋轉(zhuǎn)時(shí)，小于I毫米。
[0271]有利地，在圖7所描述的本發(fā)明的實(shí)施例中，鉆頭2圍繞鉆軸線5旋轉(zhuǎn)，并且單元I通過(guò)外殼9將鉆頭2保持在相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器7的固定位置。點(diǎn)98與軸線5以及鉆頭2的末端重合，并且在單元I的使用過(guò)程中，連同軸5 —起相對(duì)于外殼9和場(chǎng)發(fā)生器7固定。該構(gòu)造將導(dǎo)航系統(tǒng)上的電磁失真效應(yīng)(由于鉆頭2存在于場(chǎng)發(fā)生器7的測(cè)量范圍中而產(chǎn)生)限定到可預(yù)測(cè)和可管理的水平，從而使得鉆頭2能夠由典型的鐵磁材料制成。在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，鉆頭2可以替換為諸如擴(kuò)孔鉆、銑刀、骨鉆、導(dǎo)絲等多種物品。
[0272]有利地，鉆3和包括場(chǎng)發(fā)生器7的單元I可以組裝成能夠用單手操作的單個(gè)單元。在這種集成單元中，還可能有利的是使場(chǎng)發(fā)生器7的尺寸和重量最小化，以及將場(chǎng)發(fā)生器7相對(duì)于鉆3定位，采用的方式使得將對(duì)鉆3的操作、患者和手術(shù)臺(tái)以及用戶對(duì)工作區(qū)域的觀察的妨礙降至最低程度。具體地講，可能有利的是用戶可清晰地觀察鉆頭2。因此在某些實(shí)施例中，單元I可以在關(guān)于鉆軸線5的多個(gè)旋轉(zhuǎn)位置處附接到鉆3，并且在使用期間可以在不同的旋轉(zhuǎn)位置處移除和重新附接，而無(wú)需重新校正。
[0273]集成了場(chǎng)發(fā)生器7和夾頭4的單元I的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)可能是，鉆頭2的遠(yuǎn)側(cè)末端位于相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器7的固定位置處，且傳感器工具10位于相對(duì)于待鉆區(qū)域的固定位置處，鉆頭2沿鉆軸線5穿過(guò)該區(qū)域行進(jìn)的距離可通過(guò)導(dǎo)航系統(tǒng)直接追蹤，如下面的圖9中所述。通過(guò)識(shí)別入口或起始點(diǎn)，可向用戶報(bào)告沿鉆軸線的鉆孔過(guò)程。通過(guò)識(shí)別穿過(guò)骨的入口點(diǎn)和出口點(diǎn)，例如，可向用戶報(bào)告所鉆孔穿過(guò)骨的長(zhǎng)度，并且該長(zhǎng)度可用于幫助選擇恰當(dāng)?shù)穆葆旈L(zhǎng)度以供安裝。
[0274]一般來(lái)講，通過(guò)限制和預(yù)測(cè)鐵磁性和導(dǎo)電的材料塊在場(chǎng)發(fā)生器7的范圍內(nèi)，以及在較小程度上在場(chǎng)發(fā)生器7附近的引入、移除和運(yùn)動(dòng)，可將電磁測(cè)量失真限制到可控制水平。因此在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，單元I適于附接到諸如擺鋸的工具，并且還適于保持切割工具，使得該切割工具在有限范圍內(nèi)以預(yù)定模式運(yùn)動(dòng)，該模式處于相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器7的固定位置。例如，示例性實(shí)施例類(lèi)似于圖7中示出的鉆，不同的是鉆頭2被替換為擺鋸片，鉆3被替換為擺鋸，并且?jiàn)A頭4被替換為具有軸線的擺鋸片夾頭，鋸片圍繞該軸線在預(yù)定的角位移限度內(nèi)振動(dòng)，使得鋸片圍繞垂直于該軸線的平面內(nèi)的軸線振動(dòng)，所述平面和軸線均處于相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器7的固定位置。
[0275]現(xiàn)在詳細(xì)觀察圖7中描述的示例性實(shí)施例，單元I包括作為外殼9的集成組件的夾頭4、參考傳感器8 (在圖8中可見(jiàn))和鉆套46，所有這些均安裝在相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器7的固定位置。軸線5由夾頭4和鉆套46限定，因此在使用期間也處于相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器7的固定位置。用戶界面單元6也安裝到單元1，并且可以調(diào)節(jié)至相對(duì)于單元I的不同位置，如本說(shuō)明書(shū)下文更詳細(xì)地描述。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，對(duì)于單元I上不包括用戶界面單元6的實(shí)施例，例如顯示屏幕可以作為另外一種選擇位于術(shù)野外部。
[0276]另外參見(jiàn)圖8，其中場(chǎng)發(fā)生器7發(fā)出電磁場(chǎng)，這導(dǎo)致參考傳感器8和傳感器工具10發(fā)出指示它們相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器7的位置的信號(hào)。場(chǎng)發(fā)生器7、傳感器8和傳感器10是導(dǎo)航系統(tǒng)(未示出)的一部分并連接至導(dǎo)航系統(tǒng)。參考傳感器8將相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器7的恒定預(yù)定位置返回到導(dǎo)航系統(tǒng)，并且如果該位置變化超出預(yù)定限值，則可以向用戶發(fā)送錯(cuò)誤警告。實(shí)施例中示出的參考傳感器8嵌入連接場(chǎng)發(fā)生器7和鉆套46的結(jié)構(gòu)，然而本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，參考傳感器8可以作為另外一種選擇整合進(jìn)場(chǎng)發(fā)生器7 (如圖8a、圖Sb和圖Sc中所示)，例如剛性地安裝或鑄造進(jìn)場(chǎng)發(fā)生器7的前表面，或者安裝到相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器7的固定位置并位于場(chǎng)發(fā)生器7的測(cè)量范圍內(nèi)。為了增大可靠度和冗余，可以使用一組多個(gè)參考傳感器8。安裝時(shí)(參見(jiàn)圖1至6b)，傳感器工具10位于頂釘37中相對(duì)于鎖緊孔38的固定預(yù)定位置，但不阻塞孔38或突起到孔38中。所示出的釘37為具有直的縱向中心線40的直釘，然而釘37還可以在其長(zhǎng)度的選擇的區(qū)域上彎曲。在所示實(shí)施例中，除非另有說(shuō)明，否則釘37從鄰近最近側(cè)鎖緊孔38的點(diǎn)到釘37的遠(yuǎn)端為直的，并且中心線40是指該直的部分的縱向中心線。
[0277]在典型使用中，釘37植入骨(未示出)內(nèi)部。導(dǎo)航系統(tǒng)使用來(lái)自傳感器10的位置數(shù)據(jù)和預(yù)定位置生成指導(dǎo)信息，該信息在顯示器6上顯示給用戶，以幫助用戶將軸線5與鎖緊孔38對(duì)齊。包括場(chǎng)發(fā)生器7以及合適的傳感器8和10的合適的導(dǎo)航系統(tǒng)為由NorthernDigital Inc.(Waterloo, Ontario, Canada)制造的Aurora?系統(tǒng)。用于該應(yīng)用的合適的場(chǎng)發(fā)生器模型是Compact Field Generator?,其具有足夠小的尺寸和足夠輕的重量，以便不妨礙鉆3的操作；還具有足夠的測(cè)量范圍，以便在附接了鉆頭2的鉆3的瞄準(zhǔn)過(guò)程中涵蓋傳感器工具10。場(chǎng)發(fā)生器7具有集成的可擦除可重寫(xiě)存儲(chǔ)器620 (在圖8中可見(jiàn))，該存儲(chǔ)器可用于存儲(chǔ)諸如校正因子和序列號(hào)的信息。存儲(chǔ)器620可以是例如閃存型存儲(chǔ)器裝置。
[0278]鉆3可以是典型的電動(dòng)或氣動(dòng)外科鉆，其任選地包含鐵磁部件并且可以生成和發(fā)出磁場(chǎng)。在示例性實(shí)施例中，鉆3為Synthes小電池驅(qū)動(dòng)器(Synthes Small BatteryDrive) (Synthes USA, West Chester, PA)),其具有由安裝在鉆柄部區(qū)域中的電池供電的電刷式直流電動(dòng)馬達(dá)。鉆頭2可以由諸如硬化不銹鋼的鐵磁材料制成。夾頭4適于在軸線5周?chē)娜舾尚D(zhuǎn)位置處聯(lián)接到鉆3。夾頭4和鉆3之間的接口可以適于根據(jù)需要配合選擇的類(lèi)型的鉆3，例如來(lái)自多個(gè)不同制造商的鉆、氣動(dòng)鉆或其他類(lèi)型的工具。安裝夾頭4，使得其旋轉(zhuǎn)軸線相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器7固定。例如，夾頭4可以安裝為使用合適的鉆套、軸承等旋轉(zhuǎn)。
[0279]雖然單元I示為與鉆3分離，但在其他實(shí)施例中，單元I的結(jié)構(gòu)例如場(chǎng)發(fā)生器7和/或顯示器和/或夾頭4可以與諸如鉆3的工具直接集成。
[0280]對(duì)于除鉆和鉆頭之外的工具，例如克氏針驅(qū)動(dòng)器、螺絲刀、銷(xiāo)插入器，或?qū)τ谄渌枰獙?duì)齊工具(其具有可相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器7限定的軸線)的程序，可以替換或改裝夾頭4。夾頭4還可以包含硬化的不銹鋼或其他鐵磁材料或由它們制成。
[0281]另外參見(jiàn)圖8，場(chǎng)發(fā)生器7通過(guò)纜線73連接至導(dǎo)航系統(tǒng)控制臺(tái)(未示出，通常位于無(wú)菌術(shù)野的外部)。參考傳感器線79還接合纜線73并且還連接至導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航控制臺(tái)以無(wú)線方式與顯示屏幕6進(jìn)行通信。還示出了覆蓋件24。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明的替代實(shí)施例中可以使用有線和無(wú)線通信的多種組合，例如場(chǎng)發(fā)生器7可以由也對(duì)鉆3進(jìn)行供電的電源例如電池供電，并且場(chǎng)發(fā)生器7控制通信和參考傳感器8信號(hào)可以通過(guò)無(wú)線方式往返于導(dǎo)航系統(tǒng)控制臺(tái)來(lái)傳輸，從而排除了纜線73。在圖8所示的實(shí)施例中，場(chǎng)發(fā)生器7適于與單元I 一起經(jīng)受消毒，且通過(guò)埋頭螺釘85剛性連接至外殼9。
[0282]圖7還示出了限定用于校正和導(dǎo)航的坐標(biāo)系?？梢允褂酶鞣N構(gòu)造的坐標(biāo)系來(lái)關(guān)聯(lián)目標(biāo)軸線(例如孔38到傳感器10的軸線)與鉆軸線5。下文針對(duì)所示實(shí)施例描述的所有坐標(biāo)系在本發(fā)明的其他實(shí)施例中未必需要。所示構(gòu)型為外側(cè)入路，并且箭頭44示出了內(nèi)側(cè)入路的方向。場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130 (下標(biāo)“w”代表“世界”)、鉆坐標(biāo)系132 (下標(biāo)“d”)、傳感器坐標(biāo)系134 (下標(biāo)“s”)以及鎖緊孔坐標(biāo)系136 (下標(biāo)“h”)均為具有正交的X、Y、Z軸的三維右手笛卡爾坐標(biāo)系。場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130在場(chǎng)發(fā)生器制造時(shí)預(yù)先確定，在所有6個(gè)自由度中相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器7的結(jié)構(gòu)固定，并且是這樣的坐標(biāo)系，其中導(dǎo)航系統(tǒng)報(bào)告?zhèn)鞲衅?例如傳感器8和傳感器10)在場(chǎng)發(fā)生器7的測(cè)量范圍內(nèi)的位置(因此下標(biāo)“w”代表“世界”，因?yàn)檫@是導(dǎo)航系統(tǒng)觀察世界的方式)。依據(jù)齊次變換來(lái)描述組件的相對(duì)位置，從場(chǎng)發(fā)生器7的場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130到與鉆軸線5對(duì)齊的鉆坐標(biāo)系132限定恒定變換Twd。鉆坐標(biāo)系132的坐標(biāo)原點(diǎn)位于鉆軸線5上的選擇的點(diǎn)處，合適的點(diǎn)為鉆頭2的末端，這可以預(yù)編程到系統(tǒng)中，且通過(guò)用戶輸入鉆頭長(zhǎng)度、或通過(guò)如空間跟蹤文獻(xiàn)中所述的典型樞轉(zhuǎn)校正方法(也可以作為軟件程序從導(dǎo)航系統(tǒng)制造商例如Northern Digital Inc.(Waterloo Ontario Canada)處獲得)來(lái)確定。將鉆坐標(biāo)系132的Zd軸限定為與鉆軸線5共線，并且具有從鉆用戶朝遠(yuǎn)側(cè)延伸的正Zd方向。將鉆坐標(biāo)系132的Xd軸限定為垂直于鉆坐標(biāo)系132的Zd軸，并且位于穿過(guò)鉆軸線5和場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130的坐標(biāo)原點(diǎn)的平面內(nèi)，且鉆坐標(biāo)系132的正Xd方向延伸遠(yuǎn)離場(chǎng)發(fā)生器7。然后通過(guò)Xd與Zd軸的向量叉積限定鉆坐標(biāo)系132的Yd軸，從而形成右手三維笛卡爾坐標(biāo)系。傳感器坐標(biāo)系134在傳感器制造時(shí)預(yù)先確定，并且在所有6個(gè)自由度中相對(duì)于傳感器10的結(jié)構(gòu)固定，當(dāng)傳感器10安裝在釘37中時(shí)，傳感器坐標(biāo)系134的Zs軸與釘37的縱向中心線40近似共線。手術(shù)過(guò)程中，導(dǎo)航系統(tǒng)以20至40次每秒的速率報(bào)告從場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130到傳感器坐標(biāo)系134的變換Tws。鎖緊孔坐標(biāo)系136可以通過(guò)傳感器工具10、釘37和插入工具39的預(yù)定尺寸限定。作為另外一種選擇，鎖緊孔坐標(biāo)系136可以通過(guò)將鉆軸線5與孔38的中心線對(duì)齊(例如通過(guò)使用如下面的圖22中顯示的配準(zhǔn)工具)并進(jìn)行以下直接測(cè)量來(lái)限定:
[0283]?鎖緊孔坐標(biāo)系136的Zh軸位于垂直于鉆軸線5的線上，并穿過(guò)傳感器坐標(biāo)系134的坐標(biāo)原點(diǎn)，正Zh方向朝向釘37的遠(yuǎn)端
[0284].鎖緊孔坐標(biāo)系136的坐標(biāo)原點(diǎn)位于Zh軸和鉆軸線5的交點(diǎn)處。
[0285].鎖緊孔坐標(biāo)系136的Xh軸與鉆軸線5共線，且正Xh方向指向遠(yuǎn)離鉆的方向。
[0286].鎖緊孔坐標(biāo)系136的Yh軸為Zh軸和鉆軸線5的向量叉積。
[0287]還示出了參考傳感器坐標(biāo)系137，其位于相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130的固定位置處。參考傳感器坐標(biāo)系137可以設(shè)置在導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)量體積內(nèi)的任何固定位置和取向處。將距離141定義為沿場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130的Zw軸從場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130的坐標(biāo)原點(diǎn)到傳感器坐標(biāo)系137的YsZs平面的距離。導(dǎo)航單元I相對(duì)于柄部39的組件(圖3中可見(jiàn))、釘37和傳感器10的入路方向可按如下方式判定為外側(cè)入路或內(nèi)側(cè)入路:
[0288].如果Zw和Xs的向量點(diǎn)積為負(fù)數(shù),則為外側(cè)入路,并且
[0289]?如果Zw和Xs的向量點(diǎn)積為正數(shù)，則為內(nèi)側(cè)入路。
`[0290]結(jié)合圖7a，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，示出了從鉆用戶的視角沿鉆軸線5觀察的視圖，并且描述了限定示例性實(shí)施例的關(guān)鍵傳感器位置的一組參數(shù)。有利的是，限定對(duì)瞄準(zhǔn)具體應(yīng)用和實(shí)施例的目標(biāo)而言至關(guān)重要的傳感器位置和取向的子集，以便簡(jiǎn)化本說(shuō)明書(shū)中其他地方所述的多種校正和誤差補(bǔ)償方法。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，不同的參數(shù)集可能是重要的，并且可以具有不同的定義。為清楚起見(jiàn)，釘37、鉆3、導(dǎo)航單元I和傳感器10的近側(cè)部分(圖7中可見(jiàn))未在圖7a中示出，僅示出了場(chǎng)發(fā)生器7的外周長(zhǎng)。場(chǎng)發(fā)生器7的外周長(zhǎng)位于距鉆軸線5距離14處，以允許進(jìn)入遠(yuǎn)側(cè)部分夾頭4，從而便于安裝和移除鉆頭或其他安裝到鉆的工具(參見(jiàn)圖8)，以及為用戶提供鉆頭的清晰視野。例如，距離14可以是25毫米。旋轉(zhuǎn)的場(chǎng)發(fā)生器位置138為所示的場(chǎng)發(fā)生器7圍繞鉆軸線5旋轉(zhuǎn)到航向139的虛線輪廓。當(dāng)場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130的Yw軸與傳感器坐標(biāo)系134的Zs軸在場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130的XwYw平面內(nèi)的投影平行并且方向相反時(shí)，航向139定義為O ;所示的場(chǎng)發(fā)生器7的實(shí)線輪廓為航向139等于O處的位置。當(dāng)場(chǎng)發(fā)生器圍繞鉆軸線5沿箭頭140的方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，將航向139定義為正向。航向139以大于或等于O度并且小于360度的角度表示。
[0291]當(dāng)保持鉆軸線5與孔38的中心線同軸(例如通過(guò)使用如下面的圖22中所示的配準(zhǔn)工具)并且場(chǎng)發(fā)生器7圍繞鉆軸線5旋轉(zhuǎn)通過(guò)從O至360度的各種航向139時(shí)，傳感器坐標(biāo)系134的坐標(biāo)原點(diǎn)描繪出具有半徑144的標(biāo)稱圓142，并且在示例性實(shí)施例中，由于鉆軸線5標(biāo)稱地平行于場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130的Zw軸，因此標(biāo)稱圓142位于垂直于場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130的Zw軸的平面內(nèi)。半徑144對(duì)于釘37和傳感器工具10的具體組合而言是恒定的。
[0292]示出的示例性實(shí)施例被設(shè)計(jì)為與預(yù)定范圍的不同釘一起使用，所述釘具有已知長(zhǎng)度和沿該長(zhǎng)度的鎖緊孔位置，提供的傳感器工具具有多種長(zhǎng)度并且與每種類(lèi)型的釘一起使用時(shí)推薦一種或兩種特定長(zhǎng)度，由于長(zhǎng)度176與最小距離178的關(guān)系(示于圖1a和圖4中)，傳感器坐標(biāo)系134的坐標(biāo)原點(diǎn)總是鄰近孔38，因此半徑144具有預(yù)定范圍。相似地，另外參見(jiàn)圖7，存在已知范圍的距離141，該距離為鉆頭2長(zhǎng)度和預(yù)期將遇到的骨直徑范圍的函數(shù)。因此，當(dāng)鉆軸線5與鎖緊孔38對(duì)齊并且位于開(kāi)始鉆孔的位置，并且場(chǎng)發(fā)生器7處于任何航向139時(shí)，重要的是使測(cè)量精度最大化并且存在傳感器10相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器7的可能位置的子集，該子集由三個(gè)參數(shù)限定:半徑144、航向139和距離141。
[0293]圖8為由圖7沿鉆軸線5截取的剖面圖，為清楚起見(jiàn)，刪除了鉆3和用戶界面單元6。在示例性實(shí)施例中，有利的是將夾頭組件4永久地固定到外殼9，此類(lèi)固定方式使得用戶放棄嘗試重新設(shè)置或移除并重新安裝夾頭組件4，這種嘗試可能改變夾頭組件4相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器7的位置或取向，這可能需要重新校準(zhǔn)鉆坐標(biāo)系132(在圖7中示出)，并且還可能影響本說(shuō)明書(shū)的后續(xù)部分中所述的多種誤差補(bǔ)償方法。外殼9具有內(nèi)部鏜孔43。夾頭組件4在相對(duì)于外殼9的選擇的旋轉(zhuǎn)位置處永久地固定在鏜孔43內(nèi)，該固定具有足夠的強(qiáng)度以抵抗重量和慣性負(fù)載，該慣性負(fù)載在用戶移動(dòng)鉆3或通過(guò)抓握單元I的一部分(例如場(chǎng)發(fā)生器7)而拾起并保持住單元I和鉆3時(shí)產(chǎn)生。在示例性實(shí)施例中,夾頭組件4通過(guò)抵靠夾頭組件4中的凹坑12推進(jìn)彈簧銷(xiāo)22而固定到外殼9。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可以使用多種附接方法，所述方法將足以把單元I保持在夾頭組件4上的適當(dāng)位置，例如可以使用合適的粘合劑、過(guò)盈配合等將夾頭組件4結(jié)合到內(nèi)部鏜孔43中。
[0294]單元I的有利特征在于場(chǎng)發(fā)生器7位于偏離鉆軸線5的位置處，這使得夾頭4周?chē)軌虼嬖谧銐虻目臻g以便用戶操作夾頭4以及安裝和移除鉆頭，并且還為用戶提供了鉆頭2和目標(biāo)區(qū)域的更好視野。將距離14選擇成使得通常情況下用戶的食指能夠抓住襯圈部36并沿近側(cè)方向?qū)⑵渫乩?，從而取下鉆頭。單元I的臂部分30將單元I的場(chǎng)發(fā)生器安裝部分32連接至單元I的外殼9，并且其厚度67和寬度(未示出)被選擇成使得臂部分能夠貼合在用戶的食指和中指之間，因此用戶能夠在更換鉆頭時(shí)保持住鉆。就臂部分30而言，合適的厚度67為10毫米，且寬度(未示出)為20毫米。外殼9還包括覆蓋件24和鉆套46，這兩者均通過(guò)外殼9和場(chǎng)發(fā)生器安裝部分32剛性地附接到夾頭4。包括臂部分30、場(chǎng)發(fā)生器安裝部分32、鉆套46和覆蓋件24的外殼9的材料優(yōu)選地為有色金屬并具有低導(dǎo)電性，以便最大程度減小對(duì)電磁導(dǎo)航系統(tǒng)的影響；且為輕質(zhì)的，以便不妨礙用戶對(duì)鉆3的操作，但具有足夠的剛度以將在使用過(guò)程中在標(biāo)準(zhǔn)的慣性負(fù)載和操作負(fù)載下場(chǎng)發(fā)生器7相對(duì)于鉆軸線5的位置保持在I毫米和I度之內(nèi)。對(duì)于示例性實(shí)施例，材料優(yōu)選地經(jīng)得起高壓消毒或其他高溫消毒過(guò)程而不會(huì)變形。合適的材料的一些例子為鈦、PEEK或Ultem??？梢允褂枚喾N其他合適的材料。還示出了存儲(chǔ)器裝置620，其為場(chǎng)發(fā)生器7的一部分并且通過(guò)纜線73連接至導(dǎo)航系統(tǒng)。
[0295]圖8a示出了本發(fā)明的替代實(shí)施例，其中導(dǎo)航單元I具有替代結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)保持從鉆軸線5下方到鉆夾頭4的開(kāi)放通路，從而允許用鉆軸線下方的附件(例如克氏針驅(qū)動(dòng)器)使用鉆夾頭。在該替代實(shí)施例中，兩個(gè)剛性臂部分81和82將外殼部分80連接至場(chǎng)發(fā)生器安裝部分83。
[0296]圖Sb、圖Sc和圖8d示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中場(chǎng)發(fā)生器可以移除并置換到導(dǎo)航單元內(nèi)相對(duì)于鉆軸線5和末端點(diǎn)98的相同位置，然后封裝并隔離在導(dǎo)航單元I內(nèi)。該構(gòu)造使得在對(duì)單元I進(jìn)行清潔和消毒前，場(chǎng)發(fā)生器和參考傳感器單元640能夠與導(dǎo)航單元I分離。然后可以使用不同的方法對(duì)單元640進(jìn)行清潔(但不必進(jìn)行消毒)，所述方法可以與場(chǎng)發(fā)生器、傳感器和單元640中的相關(guān)電子組件更相容。然后可以將單元640重新安裝到無(wú)菌環(huán)境中，此時(shí)單元640與單元I的任何表面之間不存在接觸，所述單元I在單元640的安裝完成后將暴露出來(lái)。將對(duì)單元640的封裝和隔離設(shè)計(jì)為避免用戶直接接觸，并且當(dāng)單元640安裝在外殼9中時(shí)防止流體與單元640直接連通。所示實(shí)施例還可以適于非外科手術(shù)應(yīng)用，其中有利的是在單元I的使用過(guò)程中，保護(hù)單元640不受環(huán)境(例如流體和灰塵)的影響。
[0297]圖8b為示出了在外殼9之外的單元640的分解圖。在該示例性實(shí)施例中，示出的場(chǎng)發(fā)生器7適于通過(guò)底座622安裝在外殼9中，并且通過(guò)埋頭螺釘624剛性地固定到底座622上。傳感器接口電路板626、加速度計(jì)62、對(duì)接連接器插口 628和參考傳感器8全部安裝至底座622以形成一個(gè)剛性的場(chǎng)發(fā)生器單元640。參考傳感器8 (在圖8d中可見(jiàn))例如通過(guò)粘結(jié)而在如圖所示的場(chǎng)發(fā)生器7正面前方的距離642處且在場(chǎng)發(fā)生器7的測(cè)量范圍內(nèi)剛性地安裝至底座622。
[0298]圖8b為往外殼9里看的移除了單元640的視圖。在該示例性實(shí)施例中，外殼9適于容納場(chǎng)發(fā)生器7，并且包括對(duì)接連接器插頭630、密封件632、門(mén)634、彈性緩沖器636以及閂鎖638。纜線73安裝到外殼9、連線至插頭630并且連接到導(dǎo)航系統(tǒng)控制臺(tái)600 (在圖1中可見(jiàn))。
[0299]在所示的示例性實(shí)施例中，使用最小約束設(shè)計(jì)將單元640定位在外殼9中的精確位置處。在安裝時(shí)，底座622在如下六個(gè)點(diǎn)處與外殼9接觸:三個(gè)凸?fàn)罱佑|表面648各自使得一個(gè)點(diǎn)與平表面650接觸，凸?fàn)罱佑|表面652使得兩個(gè)點(diǎn)與V形溝槽654接觸，并且凸?fàn)罱佑|表面656使得一個(gè)點(diǎn)與平表面658接觸。當(dāng)落座力644在全部六個(gè)接觸點(diǎn)處沿形成反作用力的方向從外殼9朝著單兀640施加時(shí),單兀240相對(duì)于外殼9在全部6個(gè)自由度上均固定。將落座力644導(dǎo)向?yàn)榇笾麓┻^(guò)該組接觸點(diǎn)的中部以便在每個(gè)點(diǎn)處產(chǎn)生大約相等的反作用力。將落座力644設(shè)計(jì)為當(dāng)使用單元I時(shí)足以保持接觸所有的六個(gè)點(diǎn)，例如，力644必須足以抵抗當(dāng)用戶來(lái)回移動(dòng)單元I時(shí)在單元640上形成的慣性載荷。當(dāng)門(mén)634關(guān)閉且閂鎖638接合時(shí)，彈性緩沖器636產(chǎn)生落座力644，該彈性緩沖器抵靠著單元240的接觸表面646壓縮選擇的量。
[0300]參考傳感器8連線至電路板626。電路板626將來(lái)自參考傳感器8的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后該數(shù)字信號(hào)經(jīng)由插口 628、插頭630以及纜線660發(fā)射至導(dǎo)航系統(tǒng)控制臺(tái)。當(dāng)來(lái)自參考傳感器8的傳感器讀數(shù)沿著導(dǎo)體中的纜線660的長(zhǎng)度作為數(shù)字信號(hào)而非初始的傳感器信號(hào)傳輸時(shí)，所述讀數(shù)可能更可靠，所述導(dǎo)體與用于包含在纜線660內(nèi)的場(chǎng)發(fā)生器7的電源導(dǎo)體并排運(yùn)行。然而，在一些實(shí)施例中，來(lái)自參考傳感器8的配線可連接至對(duì)接連接器628并且經(jīng)由插口 630和纜線660中的屏蔽導(dǎo)體繼續(xù)連接至控制臺(tái)600，從而消除了對(duì)單元640中的電路板626的需要。加速度計(jì)62和場(chǎng)發(fā)生器7連線至對(duì)接連接器插口 628并且繼而經(jīng)由插頭630和纜線660與導(dǎo)航系統(tǒng)通信。場(chǎng)發(fā)生器纜線73 (在圖Sb中可見(jiàn))連線至插口 628。還示出了作為場(chǎng)發(fā)生器7的一部分的存儲(chǔ)器裝置620，其經(jīng)由纜線73與導(dǎo)航系統(tǒng)通信。
[0301]合適的場(chǎng)發(fā)生器7的例子為Aurora的Compact Field Generator?,并且合適的傳感器接口電路板626的例子為部件號(hào)7000420，這兩者均購(gòu)自Northern Digital Inc.(Waterloo, Ontario, Canada)。合適的距離642的例子為五毫米。底座622、螺釘624、門(mén)634以及閂鎖638可以全部由輕質(zhì)、剛性、非鐵磁性和低導(dǎo)電性的材料制成，例如PEEK或鈦。密封件632和彈性緩沖器636可由耐高溫的彈性體例如有機(jī)硅制成。又如，彈性緩沖器636可以是彈簧?？梢詫Ｓ嘟M件的單元640選擇并設(shè)計(jì)為使所包含的鐵磁性和導(dǎo)電的材料的質(zhì)量最小化。
[0302]在一些實(shí)施例中，多個(gè)參考傳感器可在場(chǎng)發(fā)生器7前方的多個(gè)位置處、以及在大約等于或大于距離642的多個(gè)距離處使用。在一些實(shí)施例中，加速度計(jì)62可與電路板626集成。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可在安裝單元640后使用多種替代性機(jī)械機(jī)構(gòu)將單元640包封并密封在外殼9內(nèi)并施加落座力644，并且還認(rèn)識(shí)到可使用多種替代性機(jī)械機(jī)構(gòu)將單元640保持在外殼9內(nèi)的精確位置處。例如，可以使用螺紋夾具、偏心夾具或凸輪機(jī)構(gòu)。又如，單元644可作為另外一種選擇在安裝到外殼9之前隔離在可密封的無(wú)菌隔離袋中，在這種情況下，插口 628的接觸銷(xiāo)在安裝時(shí)刺穿隔離袋。在一些實(shí)施例中，例如在不需要于無(wú)菌場(chǎng)所中操作的情況下或當(dāng)如上所述使用隔離袋時(shí)，可能不需要密封件632和/或門(mén)634，并且可使用多種替代性固定構(gòu)造來(lái)將單元640保持在適當(dāng)位置。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到，單元640被示出為結(jié)合了現(xiàn)有的且可用的場(chǎng)發(fā)生器的示例性構(gòu)造，并且認(rèn)識(shí)到單元640的組件的全部或一些可以集成到定制的場(chǎng)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)中以形成單個(gè)單
J Li ο
[0303]圖9為沿鉆孔路徑的鉆行進(jìn)與時(shí)間的關(guān)系的樣品跡線57。還參見(jiàn)圖7，具有鉆軸線5和在相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器7的固定位置中的軸線5上的工具末端點(diǎn)98的單元I的特征為可記錄和分析末端點(diǎn)98相對(duì)于傳感器10 (從而相對(duì)于位于相對(duì)傳感器10的已知位置處的任何結(jié)構(gòu))的移動(dòng)。在各種實(shí)施例中，數(shù)據(jù)可被處理并且可有利地用于通知用戶工具行進(jìn)和工具性能，以便優(yōu)化與工具行進(jìn)相關(guān)的參數(shù)(例如，切割速度和給進(jìn)速率)、警告用戶可能不安全的或有破壞性的條件(例如，工具的快速鉆通)，并且啟動(dòng)或建議正確的動(dòng)作(例如停止工具馬達(dá))。
[0304]在一些實(shí)施例中，此數(shù)據(jù)可結(jié)合其他記錄參數(shù)一起使用，例如工具的狀態(tài)(例如，工具馬達(dá)是開(kāi)啟還是關(guān)閉)、工具功耗、工具扭矩、振動(dòng)、工具馬達(dá)速度、工具操作模式(例如，前進(jìn)、倒退或振動(dòng)鉆機(jī)旋轉(zhuǎn))等，這些參數(shù)中的一些可使用參考傳感器8和傳感器10進(jìn)行檢測(cè)，并且它們中的一些可能另外需要從工具到導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)鏈接?？墒褂脤?dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)處理來(lái)自傳感器10的數(shù)據(jù)來(lái)確定工具的某些狀態(tài)。在包括參考傳感器(諸如參考傳感器8)的實(shí)施例中，可使用導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)處理來(lái)自如在圖28中更詳細(xì)描述的參考傳感器的數(shù)據(jù)(要么結(jié)合要么取代來(lái)自傳感器10的數(shù)據(jù))來(lái)確定工具的某些狀態(tài)。
[0305]除了能夠監(jiān)測(cè)所鉆孔的長(zhǎng)度之外(如下文所述)，對(duì)距離與時(shí)間的關(guān)系的認(rèn)知還可以結(jié)合其他感測(cè)到的信息使用，以便優(yōu)化鉆孔方法。例如，如果期望以期望的速率前進(jìn)(例如，避免由于過(guò)度加熱而引起的骨壞死)，則可通過(guò)采用多種已知的濾波器設(shè)計(jì)中的任意一種以估算位置信號(hào)的導(dǎo)數(shù)(例如，簡(jiǎn)單的有限差分微分器、結(jié)合了低通濾波器的微分器，或狀態(tài)判定器設(shè)計(jì))而估算當(dāng)前的切割速率。然后可將當(dāng)前的估算切割速率與期望的切割速率和提供給用戶的信號(hào)(例如，在屏幕上的具有箭頭和數(shù)字的視覺(jué)指示器、使用音高或響度變化的聽(tīng)覺(jué)指示器，或使用振動(dòng)和壓力以指示差異程度的觸覺(jué)指示器)相比較。相似地，因?yàn)榭赏ㄟ^(guò)突然增大在鉆孔方向上的工具速度而檢測(cè)鉆通，所以可以使用此事件，在一些實(shí)施例中，此事件可包括控制到工具的通信鏈路，以減小或切斷對(duì)鉆的供電以便避免對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)造成無(wú)意損壞或生成一些其他指示(例如，視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)或觸覺(jué)指示)以提醒用戶注意到該事件。例如具體地講，在如本說(shuō)明中其他地方所述的其中導(dǎo)航單元I從鉆電池獲得供電的實(shí)施例中，到鉆的控制連接可包括在其中。
[0306]在示例性實(shí)施例中，記錄的數(shù)據(jù)為時(shí)間與單元I相對(duì)于傳感器10沿鉆軸線5行進(jìn)的距離的關(guān)系，同時(shí)在鉆具有電動(dòng)馬達(dá)并且可使用來(lái)自如圖28中所述的參考傳感器8的數(shù)據(jù)確定鉆馬達(dá)的狀態(tài)的情況下，鉆軸線5和孔38的同軸度在預(yù)定限度內(nèi)并且鉆馬達(dá)開(kāi)啟。這些條件表明用戶可能沿著目標(biāo)鉆孔路徑鉆孔。使用時(shí)間與距離數(shù)據(jù)的關(guān)系來(lái)估算所鉆孔穿過(guò)骨的長(zhǎng)度，以便可以快速地確定正確的鎖緊螺釘長(zhǎng)度。
[0307]這種數(shù)據(jù)的例子以時(shí)間與距離的關(guān)系跡線57示出。當(dāng)穿過(guò)股骨或其他長(zhǎng)骨鉆孔時(shí)，例如，已觀察到可能存在可通過(guò)分析鉆末端相對(duì)于傳感器的位置和時(shí)間數(shù)據(jù)而識(shí)別的跡線57中的多個(gè)特征點(diǎn)和區(qū)域，包括指示在鉆孔開(kāi)始時(shí)鉆末端從何處進(jìn)入骨的入口點(diǎn)59以及鉆末端從何處退出骨的出口點(diǎn)61，在這兩個(gè)點(diǎn)之間是能夠報(bào)告給用戶的經(jīng)估算的鉆孔63深度。當(dāng)鉆在所述點(diǎn)之前或之后切穿骨密質(zhì)時(shí)，所述點(diǎn)均具有沿鉆孔路徑緩慢推進(jìn)一段時(shí)間的特點(diǎn)，然后當(dāng)鉆頭退出皮質(zhì)時(shí)推進(jìn)速度突然增大，并因此可通過(guò)搜索落入預(yù)定運(yùn)動(dòng)參數(shù)范圍內(nèi)的區(qū)域的跡線57而被自動(dòng)地檢測(cè)到。
[0308]更為詳細(xì)地仔細(xì)查看跡線57，在初始瞄準(zhǔn)的預(yù)鉆孔階段期間(在主動(dòng)鉆孔開(kāi)始之前)，可能存在定位相位，在此情況下鉆末端可前進(jìn)和后退，以及可以在安定好之前被調(diào)節(jié)成與骨表面平行。當(dāng)該運(yùn)動(dòng)使鉆末端安定為靜止?fàn)顟B(tài)并靠近軸線，且鉆角度可能變化、鉆馬達(dá)可能關(guān)閉時(shí)，跡線57在區(qū)域336處是平坦的。沿目標(biāo)軸線相對(duì)穩(wěn)定前進(jìn)的區(qū)域337，與接近于對(duì)齊(且任選地檢測(cè)馬達(dá)開(kāi)啟狀態(tài))的鉆角度相結(jié)合，指示穿過(guò)近皮層的鉆孔速率。在如速度在區(qū)域338處突然增大所指示的鉆通近皮層之后，存在有在區(qū)域339處以更高速度前進(jìn)穿過(guò)松質(zhì)骨和釘孔的區(qū)域。在穿過(guò)骨密質(zhì)的鉆給進(jìn)速率的區(qū)域340處前進(jìn)再次減緩。最后，速率在區(qū)域341處將很可能再次突然增加，在此以后，用戶應(yīng)當(dāng)在平坦區(qū)域342處停止推進(jìn)鉆。在期望的鉆給進(jìn)速率范圍內(nèi)的斜率穩(wěn)定區(qū)域337的起點(diǎn)指示入口點(diǎn)59，并且相似地，區(qū)域340的盡頭指示出口點(diǎn)61。入口點(diǎn)59可以如圖所示在從區(qū)域336少量行進(jìn)之后被識(shí)別出來(lái)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到，不同的應(yīng)用將產(chǎn)生不同的特征跡線57，并且可能需要通過(guò)對(duì)多種材料、工具、切割工具類(lèi)型等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)而測(cè)定各種閾值、范圍和估算因數(shù)，以便檢測(cè)或估算跡線57的期望區(qū)域和點(diǎn)。
[0309]圖9a示出了鉆行進(jìn)檢測(cè)和鉆孔深度估算方法的流程圖。在步驟592中，通過(guò)識(shí)別鉆尖靠近目標(biāo)軸線但不沿其前進(jìn)而檢測(cè)定位相位。在步驟593中，通過(guò)啟動(dòng)沿著目標(biāo)軸線在對(duì)齊容差區(qū)內(nèi)的前進(jìn)(任選地與啟用狀態(tài)的鉆馬達(dá)聯(lián)接)而檢測(cè)鉆孔相位。在步驟594中，監(jiān)測(cè)沿軸線前進(jìn)的速率并將其與選擇的閾值相比較，然后在步驟595中報(bào)告給用戶。在步驟596中檢測(cè)速率超過(guò)選擇的閾值的快速增加，并且可在步驟597中施用相關(guān)警告和行動(dòng)。
[0310]本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了包括用戶界面單元的工具。例如，該工具可包括鉆，并且該界面單元可包括觸摸屏顯示器。該用戶界面單元可以安裝到該工具，或可以直接安裝到該工具，并且還可以從該工具拆卸。在其他實(shí)施例中，用戶界面單元被安裝或可安裝到工具的附件上，并且還能夠從該附件拆卸。在其他實(shí)施例中，用戶界面單元可相對(duì)于工具進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得當(dāng)工具取向改變時(shí)，用戶可將界面單元移動(dòng)至合適的位置。例如，用戶界面單元可以是經(jīng)由回轉(zhuǎn)接頭附接至鉆的視覺(jué)顯示屏幕。又如，用戶界面單元可以是經(jīng)由回轉(zhuǎn)接頭附接至鉆夾頭的視覺(jué)顯示屏幕，該鉆夾頭繼而附接至鉆。
[0311]在其他實(shí)施例中，用戶界面單元可檢測(cè)重力方向并且可將顯示在單元上的圖像的取向調(diào)整為與重力具有預(yù)定的關(guān)系。在其他實(shí)施例中，用戶界面單元可檢測(cè)單元與由導(dǎo)航系統(tǒng)限定的基準(zhǔn)方向相對(duì)的取向并且可將顯示在單元上的圖像的取向調(diào)整為與基準(zhǔn)方向具有預(yù)定的關(guān)系。例如，用戶界面單元可包括視覺(jué)顯示屏幕和加速度計(jì)，所述加速度計(jì)在一些實(shí)施例中可以與附接到場(chǎng)發(fā)生器或?qū)Ш较到y(tǒng)傳感器的第二加速度計(jì)通信。
[0312]包括上述用戶界面和顯示器的工具的每個(gè)結(jié)構(gòu)單獨(dú)使用或結(jié)合所述其他結(jié)構(gòu)的一些或全部使用均可能是有利的。在本發(fā)明范圍內(nèi)的其他實(shí)施例可包括上述的和在下文的示例性實(shí)施例中將更詳細(xì)描述的有利結(jié)構(gòu)的子集。
[0313]圖10顯示包括示出為安裝到鉆3的用戶界面單元6的導(dǎo)航單元I。用戶界面單元6的特征是當(dāng)單元I附接到鉆3時(shí)，與單元I集成并繼而與鉆3集成，使得在使用期間鉆用戶能夠輕易獲得顯示器和用戶界面功能并且用戶的注意力可在使用期間保持朝向單元I和/或鉆3的工作區(qū)域。在各種實(shí)施例中，可通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)(例如，使單元6成為單元I的整體部分)或通過(guò)托架、緊固件、搭扣配合機(jī)構(gòu)或摩擦配合而提供該集成。在示例性實(shí)施例中，所示的單元6經(jīng)由旋轉(zhuǎn)環(huán)13、螺柱49和在圖13和圖14中詳細(xì)示出的附隨元件而安裝到單元I。
[0314]用戶界面單元6的另一個(gè)特征在于其可以根據(jù)用戶需求在使用期間手動(dòng)地且不使用單獨(dú)的工具而進(jìn)行附接和拆卸。在各種實(shí)施例中，單元6可通過(guò)各種機(jī)械機(jī)構(gòu)，例如用手操作的緊固件、搭扣配合機(jī)構(gòu)、螺紋接頭、棘爪機(jī)構(gòu)、直角回轉(zhuǎn)式快速釋放接頭或緊固件等而能夠拆卸地與單元I集成。在示例性實(shí)施例中，所示的單元6經(jīng)由螺柱49、扣鉤69和在圖14中詳細(xì)示出的附隨元件而可移除地附接到單元I。
[0315]如與導(dǎo)航單元I集成的用戶界面單元6的另一個(gè)特征是用戶界面單元6能夠調(diào)節(jié)至相對(duì)于單元I剩余部分繼而相對(duì)于鉆3的多個(gè)位置和取向，使得當(dāng)單元I和/或鉆3移動(dòng)至不同位置和取向時(shí)，用戶可以選擇用戶界面單元6的合適的觀察和進(jìn)入位置。在各種實(shí)施例中，可通過(guò)使用各種機(jī)械機(jī)構(gòu)(例如可調(diào)節(jié)臂或支架、連桿構(gòu)造、滑動(dòng)配合機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)接頭、球形接頭等)使得單元6的集成變?yōu)榭烧{(diào)節(jié)的。在示例性實(shí)施例中，所示的單元6經(jīng)由兩個(gè)單獨(dú)的回轉(zhuǎn)接頭而可相對(duì)于單元I進(jìn)行調(diào)節(jié)，所述回轉(zhuǎn)接頭包括旋轉(zhuǎn)環(huán)13、螺柱49和如在圖13和圖14中詳細(xì)示出的附隨元件。
[0316]用戶界面單元6的另一個(gè)特征在于其在正常使用期間保持在其當(dāng)前位置直到被后續(xù)調(diào)節(jié)至新位置為止，所述后續(xù)調(diào)節(jié)不需要用戶解鎖、鎖定、移除、替換、張緊、放松、使用另外的工具或采取除了將用戶界面單元6移動(dòng)至期望位置之外的任何其他動(dòng)作。在各種實(shí)施例中，該特征可通過(guò)具有摩擦接頭和/或彈簧、棘爪機(jī)構(gòu)等的連桿構(gòu)造而提供。在示例性實(shí)施例中，所示的單元6經(jīng)由棘爪機(jī)構(gòu)保持在相對(duì)于單元I的選擇的位置,該棘爪機(jī)構(gòu)包括球柱塞71和27以及在圖14、圖15和圖16中詳細(xì)示出的附隨元件。
[0317]用戶界面單元6的另一個(gè)特征在于其可以具有可相對(duì)于單元I進(jìn)行調(diào)節(jié)的預(yù)定范圍，這種可調(diào)節(jié)的預(yù)定范圍防止用戶將單元6移動(dòng)至多個(gè)不利位置，例如單元6可能妨礙場(chǎng)發(fā)生器7或鉆3的功能和性能的位置。在各種實(shí)施例中，該特征可由多種機(jī)械止動(dòng)或連桿構(gòu)造提供。在示例性實(shí)施例中，所示的單元6圍繞一條調(diào)節(jié)軸線的旋轉(zhuǎn)由在圖15和圖16中詳細(xì)示出的凸臺(tái)31和溝槽33限定。
[0318]對(duì)于其中單元6包括視覺(jué)顯示器且單元6與可在多個(gè)相對(duì)于目標(biāo)的位置中使用的工具集成的實(shí)施例而言，有利的是實(shí)時(shí)測(cè)定重力的方向以使得單元6顯示的圖像可以不論工具如何取向均以選擇的方式相對(duì)于重力而取向?？赏ㄟ^(guò)將加速度計(jì)整合到單元6內(nèi)而提供取向數(shù)據(jù)。
[0319]對(duì)于其中場(chǎng)發(fā)生器的取向可能在使用期間(例如，當(dāng)場(chǎng)發(fā)生器與可在多個(gè)位置中使用的工具集成時(shí))發(fā)生改變的實(shí)施例而言，有利的是確定單元6相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器的取向，使得單元6所顯示的圖像可以以選擇的方式相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器或繼而相對(duì)于任何傳感器(其有相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器的已知位置)而取向?？赏ㄟ^(guò)生成指示用戶界面單元相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器的取向的信號(hào)的傳感器提供相關(guān)的取向數(shù)據(jù)，所述傳感器例如接近傳感器、電觸頭、光編碼器等。作為另外一種選擇，可通過(guò)在兩個(gè)單元6中且在相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器7的固定位置處整合加速度計(jì)(所述加速度計(jì)均產(chǎn)生指示重力方向的信號(hào))并且比較兩個(gè)重力方向以確定相對(duì)取向而提供相關(guān)的取向數(shù)據(jù)。
[0320]現(xiàn)在更詳細(xì)地參見(jiàn)示例性實(shí)施例，導(dǎo)航單元I具有軸線5。用戶界面單元6包括位于外殼中的電子觸摸屏顯示器，并且可另外包括用戶界面裝置，例如可透過(guò)隔離袋或手術(shù)單操作的按鈕、開(kāi)關(guān)、觸控板等。導(dǎo)航單元I包括外殼9、其上安裝有用戶界面單元6的旋轉(zhuǎn)環(huán)13以及保持器15。在所示的實(shí)施例中，場(chǎng)發(fā)生器7包括在外科導(dǎo)航單元I中。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到不包括場(chǎng)發(fā)生器7或其他導(dǎo)航系統(tǒng)組件的其他可行的實(shí)施例，其中顯示在用戶界面單元6上的瞄準(zhǔn)信息通過(guò)不需要場(chǎng)發(fā)生器的方法(例如光學(xué)跟蹤)獲得。用戶界面單元6示出為被調(diào)節(jié)至適于慣用右手用戶使用豎直的鉆3指向前方且遠(yuǎn)離用戶的身體鉆孔的位置。
[0321]結(jié)合圖10a，用戶界面單元6示出為從圖10中所示的位置圍繞鉆軸線5沿著方向19被調(diào)節(jié)大約180度，并且圍繞軸線18在方向17上傾斜，從而獲得顯示器6針對(duì)慣用左手用戶在使用豎直的鉆3指向前方且遠(yuǎn)離用戶的身體鉆孔時(shí)的可視位置。
[0322]結(jié)合圖11，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，將導(dǎo)航單元I安裝到鉆3，此時(shí)屏幕表面的位置適于用轉(zhuǎn)至水平位置并從用戶的身體指向前方的鉆3鉆孔。從圖1Oa中所示的位置開(kāi)始，用戶界面單元6已圍繞軸線5沿方向19逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了大約90度，并且可以圍繞軸線18沿方向17被調(diào)節(jié)至合適的觀察角度。
[0323]結(jié)合圖1 la，如果用戶需要將鉆3保持為與圖11中所示取向相對(duì)的水平取向，則用戶界面單元6可圍繞軸線18沿方向17旋轉(zhuǎn)至合適的觀察角度。
[0324]參見(jiàn)圖10、10a、ll和11a，用戶界面單元6的位置可相對(duì)于鉆3進(jìn)行調(diào)節(jié)使得用戶能夠維持沿鉆軸線5到在多個(gè)鉆孔位置中所鉆孔的區(qū)域的視線無(wú)阻擋狀態(tài)。
[0325]結(jié)合圖12，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，將用戶界面單元6安裝到鉆3并調(diào)節(jié)至適于用轉(zhuǎn)至水平位置并指向用戶左方的鉆3鉆孔的位置。從圖1la所示的位置開(kāi)始，用戶界面單元6已沿方向17旋轉(zhuǎn)了大約90度，并已沿方向19旋轉(zhuǎn)了 45度。還參見(jiàn)圖12a，當(dāng)鉆3以水平位置使用并指向用戶右方時(shí)，可進(jìn)行相對(duì)的調(diào)節(jié)以獲得合適的顯示器6的位置和角度。
[0326]參見(jiàn)圖10至12a，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到可根據(jù)在特定應(yīng)用中期望的鉆孔位置和期望的單元6的容許位置的范圍而選擇用戶界面單元6相對(duì)于導(dǎo)航單元I的多個(gè)自由度以及可調(diào)節(jié)度范圍。例如，在某些實(shí)施例中，在方向17或方向19上的可調(diào)節(jié)度可能是不需要的。又如，由于操作鉆3需要間隙而限制單元6定位在直接介于場(chǎng)發(fā)生器7和鉆3之間的區(qū)域中和/或限制單元6的測(cè)量失真的影響可能是有利的。又如，限制單元6轉(zhuǎn)動(dòng)至顯示屏幕朝遠(yuǎn)側(cè)面向鉆頭2末端的位置可能是有利的。某些其他實(shí)施例可能需要額外的自由度。
[0327]結(jié)合圖13，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，導(dǎo)航單元I的分解圖示出了允許在單元6和夾頭4之間具有兩個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子，其中一個(gè)是圍繞鉆軸線5旋轉(zhuǎn)的自由度，而另一個(gè)是圍繞垂直于軸線5并與之相交的單元6的軸線旋轉(zhuǎn)的自由度。外殼9具有外部圓柱形表面21。外殼9固定到鉆夾頭4(參見(jiàn)圖8)，該鉆夾頭繼而安裝到鉆3上。旋轉(zhuǎn)環(huán)13在圓柱形表面21上方滑動(dòng)。保持器15具有銷(xiāo)23 (未示出，參見(jiàn)圖14)，所述銷(xiāo)徑向向內(nèi)延伸并且在圓柱形表面21上方滑動(dòng)，使得銷(xiāo)23接合位于外殼9中的狹槽25，并且當(dāng)完全接合時(shí)，保持器15固定至外殼9的某個(gè)位置,從而抵靠外殼9的表面29推擠旋轉(zhuǎn)環(huán)13的球柱塞27(未示出，參見(jiàn)圖14)。然后旋轉(zhuǎn)環(huán)13可圍繞圓柱形表面21和軸線5旋轉(zhuǎn)。該構(gòu)造允許在無(wú)需工具的情況下快速且容易地拆卸保持器15和旋轉(zhuǎn)環(huán)13以便清潔和消毒。為清楚起見(jiàn)，未示出鉆3、場(chǎng)發(fā)生器7和蓋24 (在圖8中可見(jiàn))。旋轉(zhuǎn)環(huán)13還包括螺柱49和襯圈50，用戶界面單元6如下文所述能夠拆卸地附接到該襯圈。
[0328]結(jié)合圖14、圖15和圖16，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，穿過(guò)鉆軸線5的部分被示為具有組裝好的導(dǎo)航單元I和位于適當(dāng)位置的用戶界面單元6。夾頭4固定在外殼9內(nèi)，如圖8中所述。外殼9還具有安裝成與表面29齊平的三個(gè)接近傳感器47 (在圖16中可見(jiàn))和從接近傳感器47通向?qū)Ш较到y(tǒng)控制臺(tái)的配線48。旋轉(zhuǎn)環(huán)13包括三個(gè)球柱塞27 (示出了一個(gè)，全部三個(gè)在圖15中可見(jiàn))和三個(gè)永磁體28 (在圖15中可見(jiàn))。保持器15具有銷(xiāo)23，所述銷(xiāo)接合位于外殼9中的狹槽以將保持器15鎖定在相對(duì)于外殼9的適當(dāng)位置，使得當(dāng)用戶圍繞軸線5將旋轉(zhuǎn)環(huán)13旋轉(zhuǎn)時(shí)，安裝在旋轉(zhuǎn)環(huán)13中的球柱塞27沿表面29滾動(dòng)。表面29具有以一定距離間隔開(kāi)的徑向溝槽45，使得球柱塞27以環(huán)13旋轉(zhuǎn)的選擇的時(shí)間間隔接合溝槽45。還示出了在用戶界面單元6和旋轉(zhuǎn)環(huán)13的螺柱49之間的可釋放接頭。用戶界面單兀6包括外殼34、電子觸摸屏65、扣鉤69 (該扣鉤位于銷(xiāo)35上且在外殼34中樞轉(zhuǎn),并且被彈簧沿逆時(shí)針?lè)较蚱?以及接合凹坑41的球柱塞71，該凹坑是圍繞螺柱49的外部圓柱形表面以三十度間隔周向間隔開(kāi)的一組十二個(gè)凹坑中的一個(gè)。為了將用戶界面單元6安裝到安裝單元2上，用戶將用戶界面單元6滑動(dòng)到螺柱49上直到扣鉤37接合螺柱49的肩部42并伴隨有聽(tīng)得見(jiàn)的“咔嗒”聲。當(dāng)用戶界面單元6圍繞螺柱49旋轉(zhuǎn)時(shí)，球柱塞39接合凹坑41并伴隨聽(tīng)得見(jiàn)的“咔嗒”聲而停下來(lái)。用戶界面單元6保持在該位置，直到用戶將其旋轉(zhuǎn)30度并且球柱塞39接合下一個(gè)凹坑41為止。襯圈50在螺柱49上間隙配合，并且襯圈50中的周向溝槽52通過(guò)間隙配合與螺柱49中的球柱塞56接合,使得襯圈50自由地圍繞螺柱49旋轉(zhuǎn)，但是將不會(huì)從螺柱49滑脫(除非用戶將其推離以便清潔和消毒)。襯圈50使得用戶界面單元6能夠在安裝到螺柱49上之前封裝在無(wú)菌的塑料消毒蓋布58中，從而允許用戶界面單元6在無(wú)菌場(chǎng)所使用而不必進(jìn)行消毒。消毒蓋布58由薄的透明塑性材料制成，當(dāng)用戶使用戶界面單元6在螺柱49上滑動(dòng)時(shí)，該消毒蓋布被刺穿，并且當(dāng)用戶界面單元6位于如圖所示的位置時(shí)，在消毒蓋布58中得到的刺穿孔的邊緣被壓縮在外殼34和襯圈50之間，從而防止用戶與用戶界面單元6的任何表面發(fā)生直接接觸。當(dāng)用戶界面單元6在螺柱49上旋轉(zhuǎn)時(shí)，襯圈50自由地與外殼34 —起旋轉(zhuǎn)，從而防止消毒蓋布58纏繞或撕裂。電子觸摸屏65為觸摸屏單元，該觸摸屏單元包括電池電源、計(jì)算機(jī)和用于接收并傳輸信息至導(dǎo)航系統(tǒng)的無(wú)線通信裝置20。合適的電子顯示屏幕為得自CompulabTM(Haifa，IL)的EMX-270嵌入式移動(dòng)裝置單元。無(wú)線通信裝置20不需要在用戶界面單元6和導(dǎo)航系統(tǒng)控制臺(tái)之間具備有線連接(或者，還參見(jiàn)圖7，經(jīng)由纜線73連接到場(chǎng)發(fā)生器7，然后繼續(xù)連接到導(dǎo)航系統(tǒng))，由于在用戶界面單元1、場(chǎng)發(fā)生器7和位于無(wú)菌外科手術(shù)場(chǎng)所之外的導(dǎo)航系統(tǒng)控制臺(tái)之間需具有自由度，因而這是重要的。
[0329]參見(jiàn)圖15，其示出了截取自圖14并且朝近側(cè)觀看扣環(huán)13而得到的穿過(guò)夾頭4和外殼9的部分。旋轉(zhuǎn)環(huán)13具有三個(gè)球柱塞27和三個(gè)以45度間隔安裝的永磁體28，其中磁體粘合在適當(dāng)位置。旋轉(zhuǎn)環(huán)13還具有溝槽33，外殼9的凸臺(tái)31以間隙配合的方式安裝到該溝槽中。
[0330]參見(jiàn)圖16，其示出了截取自圖14并且朝遠(yuǎn)側(cè)觀看外殼9的表面29而得到的穿過(guò)夾頭4和外殼9的部分。表面29具有圍繞軸線5以45度間隔均勻間隔開(kāi)的徑向溝槽45(未示出，在圖14中可見(jiàn))，使得旋轉(zhuǎn)環(huán)13(未示出，在圖13和圖14中可見(jiàn))在行進(jìn)中每隔一定時(shí)間伴隨著聽(tīng)得見(jiàn)的“咔嗒”聲而停下來(lái)并保持在該位置處，直到用戶將其移動(dòng)至下一個(gè)45度間隔的位置處。外殼9還具有安裝在旋轉(zhuǎn)環(huán)13的溝槽33中的凸臺(tái)31 (參見(jiàn)圖15)，以及粘合在與表面29齊平的適當(dāng)位置處且以如圖所示的45度間隔定位的接近傳感器47。
[0331]一起參見(jiàn)圖15和16，溝槽33和凸臺(tái)31將旋轉(zhuǎn)環(huán)13的旋轉(zhuǎn)限定為不超過(guò)180度，并且與徑向溝槽45相結(jié)合而限定環(huán)13相對(duì)于夾具部分9的5個(gè)可能的旋轉(zhuǎn)位置。在旋轉(zhuǎn)環(huán)13旋轉(zhuǎn)過(guò)程中每隔45度處，三個(gè)磁體28中的至少一個(gè)與三個(gè)接近傳感器47中的至少一個(gè)對(duì)齊，并且在旋轉(zhuǎn)環(huán)13相對(duì)于外殼9的5個(gè)可能的45度間隔位置的每一個(gè)處，接近傳感器47的獨(dú)特組合感測(cè)磁體28的存在。參見(jiàn)圖14，經(jīng)由連接到導(dǎo)航系統(tǒng)控制臺(tái)的配線48，將激活的接近傳感器的獨(dú)特組合作為信號(hào)發(fā)送到導(dǎo)航系統(tǒng)，以指示用戶界面單元6相對(duì)于外殼9的位置，并允許觸摸屏65上的圖像的取向根據(jù)需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
[0332]參見(jiàn)圖16a，以與圖14類(lèi)似的穿過(guò)導(dǎo)航單元I的剖面圖示出了不具有接近傳感器47、磁體28和配線48的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。在該實(shí)施例中，電子觸摸屏65還包括加速度計(jì)單元60，該加速度計(jì)單元感測(cè)相對(duì)于用戶界面單元6的重力方向并將該信息傳輸?shù)接|摸屏65，并繼而經(jīng)由無(wú)線通信裝置20傳輸?shù)綄?dǎo)航系統(tǒng)。場(chǎng)發(fā)生器7包括嵌入式加速度計(jì)62，該加速度計(jì)生成指示重力方向的信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)由場(chǎng)發(fā)生器纜線73發(fā)送到導(dǎo)航系統(tǒng)。通過(guò)比較加速度計(jì)60和62的重力方向矢量，能夠確定用戶界面單元6相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器7的取向，并且顯示在單元6上的圖像可相對(duì)于被導(dǎo)航系統(tǒng)跟蹤的選擇的傳感器對(duì)齊。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，例如在已知目標(biāo)傳感器相對(duì)于重力的取向或足以相對(duì)于重力對(duì)齊顯不在單元6上的圖像的應(yīng)用中，無(wú)需使用加速度計(jì)62，單獨(dú)使用加速度計(jì)60 (取代接近傳感器47、磁體28和配線48)，并且使用來(lái)自加速度計(jì)60的信號(hào)，將觸摸屏65上的圖像與重力方向?qū)R。
[0333]結(jié)合圖17和17a，在另一個(gè)實(shí)施例中，將多個(gè)顯示屏幕在選擇的位置處安裝到鉆，從而無(wú)需在用戶界面單元6和外殼9之間具有自由度。對(duì)輔助顯示屏幕74供電，并通過(guò)配線75對(duì)其提供來(lái)自觸摸屏65的信號(hào)(但可以作為另外一種選擇類(lèi)似于具有無(wú)線通信裝置、內(nèi)部電池和加速度計(jì)的觸摸屏65，并且可以是不同的尺寸或形狀)。通過(guò)加速度計(jì)60(在圖16a中可見(jiàn))檢測(cè)在圖17中顯示的水平鉆孔位置，隨后激活在該鉆孔構(gòu)型下對(duì)用戶可見(jiàn)的輔助顯示屏幕74，并且將屏幕74上的圖像調(diào)節(jié)至適當(dāng)取向并且沿方向76移動(dòng)以優(yōu)化能見(jiàn)度。當(dāng)鉆3在圖17a所示的位置運(yùn)行時(shí)，基于來(lái)自加速度計(jì)60 (在圖16a中可見(jiàn))的信號(hào)，將屏幕74上的圖像相對(duì)于屏幕74旋轉(zhuǎn)180度并且還沿方向78移動(dòng)以優(yōu)化針對(duì)用戶的能見(jiàn)度。
[0334]本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了指示工具與目標(biāo)的關(guān)系，并且還指示工具與目標(biāo)對(duì)齊的容差極限的用戶界面。例如，該界面可包括示出鉆圖標(biāo)的顯示屏幕，該鉆圖標(biāo)代表相對(duì)于目標(biāo)孔的圖形的鉆，并且該界面還可以包括在規(guī)定參數(shù)范圍內(nèi)的鉆與孔的同軸度的指示器。
[0335]在一些實(shí)施例中，用戶界面可向用戶指示工具相對(duì)于目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置。該指示可根據(jù)具體的瞄準(zhǔn)任務(wù)具有多種形式，例如，所述任務(wù)可以是對(duì)齊兩個(gè)平面使其共面、將工具末端與點(diǎn)對(duì)齊而無(wú)需指出工具的角度，或調(diào)整工具軸線使其與目標(biāo)軸線同軸，如在示例性實(shí)施例中所述。對(duì)工具和目標(biāo)的展示也可以采用多種方式完成，例如，目標(biāo)可以顯示在顯示屏幕的固定位置，與此同時(shí)對(duì)工具的展示在顯示器上移動(dòng)，或反之亦然；或者該展示可以是混合式的，其中工具展示在顯示器上平移而目標(biāo)在屏幕上以旋轉(zhuǎn)方式移動(dòng)，或反之亦然。已觀察到當(dāng)鉆圖標(biāo)在顯示屏幕上同時(shí)以平移和旋轉(zhuǎn)方式移動(dòng)而目標(biāo)保持在屏幕上的固定位置處時(shí)，在示例性的鉆對(duì)齊實(shí)施例中用戶成功地瞄準(zhǔn)目標(biāo)。另外已觀察到當(dāng)鉆由看起來(lái)像鉆頭和夾頭的圖形圖標(biāo)表現(xiàn)時(shí)，許多用戶很好地理解界面。
[0336]在一些實(shí)施例中，界面可基于檢測(cè)到的對(duì)齊條件而自動(dòng)地調(diào)節(jié)視野和放大率。這就使得能夠在無(wú)需用戶另外輸入的情況下優(yōu)化視圖參數(shù)，例如，無(wú)需按下放大或縮小命令或利用單獨(dú)的選擇對(duì)話框來(lái)指定目標(biāo)繼續(xù)放大等。例如在一個(gè)實(shí)施例中，顯示器示出了顯示全部潛在目標(biāo)的大視野，然后當(dāng)用戶處于與特定目標(biāo)對(duì)齊的選擇的極限范圍內(nèi)一段選擇的最短持續(xù)時(shí)間時(shí)，中心與特定目標(biāo)軸線對(duì)齊并且繼續(xù)放大，從而允許精細(xì)地調(diào)節(jié)對(duì)齊。相似地，該實(shí)施例推斷用戶何時(shí)從特定目標(biāo)退回，并且縮小全局視圖以允許用戶定位或選擇不同的目標(biāo)?？蓱?yīng)用不同的參數(shù)和閾值來(lái)進(jìn)行放大和縮小。
[0337]在一些實(shí)施例中，如果選擇的其他參數(shù)也在容差范圍內(nèi)，則僅可給出在容差范圍內(nèi)的對(duì)一個(gè)對(duì)齊參數(shù)的指示。例如，當(dāng)鉆軸線與目標(biāo)孔軸線的可接受的角度對(duì)齊只在當(dāng)鉆末端同時(shí)處于與目標(biāo)軸線相距的可接受距離內(nèi)各時(shí)間指示時(shí)，觀察到了用戶對(duì)界面更好的響應(yīng)。還觀察到許多用戶優(yōu)選的技術(shù)是使鉆末端在可接受的容差范圍內(nèi)對(duì)齊，可能時(shí)在所鉆材料中確定一個(gè)樞軸點(diǎn)，然后將鉆旋轉(zhuǎn)到可接受的角度容差范圍中。
[0338]在一些其他實(shí)施例中，一個(gè)對(duì)齊參數(shù)的容差極限可取決于至少一個(gè)其他參數(shù)。當(dāng)位置與角度的瞄準(zhǔn)極限彼此相關(guān)，而不是分別處理時(shí)，觀察到許多用戶有更好的瞄準(zhǔn)結(jié)果。例如，如果工具末端點(diǎn)位于距目標(biāo)軸線的一定距離，該距離在指定距離容差范圍內(nèi)，且工具軸線與目標(biāo)軸線之間的角度也在指定的角度容差大小內(nèi)，則角度誤差的方向可造成在工具沿工具軸線推進(jìn)時(shí)末端點(diǎn)距目標(biāo)軸線更近或更遠(yuǎn)。因此，可能有利的是將可接受的角度差限制在這些大小和方向，使得末端點(diǎn)保持在其距離容差范圍內(nèi)，或者在工具推進(jìn)時(shí)將末端點(diǎn)引到沿目標(biāo)軸線的一個(gè)指定點(diǎn)處的目標(biāo)區(qū)域。還可能有利的是選擇目標(biāo)軸線中工具末端距目標(biāo)軸線的距離最重要的區(qū)域，例如，在目標(biāo)孔的入口處，將當(dāng)前的工具路徑投影到此區(qū)域以計(jì)算對(duì)齊的距離參數(shù)，而不是計(jì)算距當(dāng)前工具末端點(diǎn)位置處的目標(biāo)軸線的距離。此方法使角度容差極限成為工具末端距關(guān)鍵目標(biāo)區(qū)域有多遠(yuǎn)的函數(shù)；距離越遠(yuǎn)，角度必須保持越靠近以瞄準(zhǔn)目標(biāo)。例如，鉆軸線與目標(biāo)軸線之間的對(duì)齊可具有一定大小的角度容差以及從鉆末端到目標(biāo)軸線的距離容差，其中根據(jù)鉆末端的位置，角度容差對(duì)于某些方向是降低的，使得突出的鉆軸線穿過(guò)選擇的容差區(qū)。在一個(gè)實(shí)施例中，位置對(duì)齊參數(shù)可以為從鉆末端到目標(biāo)軸線的垂直距離，而角度對(duì)齊參數(shù)可以為從目標(biāo)軸線到突出的鉆軸線與目標(biāo)孔附近的選擇平面的交點(diǎn)的垂直距離。
[0339]在另一個(gè)實(shí)施例中，位置對(duì)齊參數(shù)可以為從目標(biāo)軸線到突出的鉆軸線與目標(biāo)孔附近的第一選擇平面的交點(diǎn)的垂直距離，而角度對(duì)齊參數(shù)可以為從目標(biāo)軸線到突出的鉆軸線與目標(biāo)孔附近的第二選擇平面的交點(diǎn)的垂直距離，第一和第二平面限定目標(biāo)軸線的區(qū)域，該區(qū)域適用鉆軸線相對(duì)目標(biāo)軸線的同軸度容差。
[0340]上述可視化用戶界面的每個(gè)結(jié)構(gòu)單獨(dú)使用或結(jié)合所述其他結(jié)構(gòu)的一些或全部使用均可能是有利的。在本發(fā)明范圍內(nèi)的其他實(shí)施例可包括上述的和在下文的示例性實(shí)施例中將更詳細(xì)描述的有利結(jié)構(gòu)的子集。
[0341]圖18顯示了瞄準(zhǔn)過(guò)程中的用戶界面單元6，其中鉆與鎖緊孔接近對(duì)齊。用戶界面單元6向用戶指示鉆具相對(duì)于目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置。鉆圖標(biāo)392在屏幕390上以平移和旋轉(zhuǎn)兩種方式移動(dòng)，而目標(biāo)釘37保持在屏幕390上的固定位置處。
[0342]鉆圖標(biāo)392包括桿部分393，桿部分連接容差區(qū)內(nèi)成功對(duì)齊的兩個(gè)單獨(dú)的指示器，一個(gè)是指示鉆頭2末端位置的末端指示器394，另一個(gè)是對(duì)齊指示器396，其表示鉆軸線5上的更靠近鉆3的點(diǎn)，從而指示鉆軸線5的取向。
[0343]還參見(jiàn)圖7，瞄準(zhǔn)期間，顯示屏幕390顯示釘37的圖示387，其中孔38在圖中以孔圖形388顯示，該孔圖形包括孔38的周邊邊緣以及在孔38中心相交的十字線。圖18顯示在一個(gè)目標(biāo)孔中心放大的顯示器，導(dǎo)航系統(tǒng)檢測(cè)到鉆末端已在距孔軸線選擇的距離內(nèi)持續(xù)至少選擇量的消耗時(shí)間，如圖18b中更詳細(xì)描述的。末端指示器394在其未激活狀態(tài)下為半透明，使得釘圖形387和孔圖形388在末端指示器394處于其未激活狀態(tài)時(shí)可透過(guò)末端指示器394看到。同樣，對(duì)齊指示器396在其未激活狀態(tài)下也是半透明，使得對(duì)齊指示器396處于其未激活狀態(tài)時(shí)可透過(guò)對(duì)齊指示器396看到末端指示器394、釘圖形387和孔圖形388。鉆圖標(biāo)392為半透明，使得末端指示器394、釘圖形387和孔圖形388可始終透過(guò)鉆圖標(biāo)392看到。例如，在示例性實(shí)施例中，末端指示器394和對(duì)齊指示器396在其未激活狀態(tài)時(shí)呈現(xiàn)半透明的灰色，而在其激活狀態(tài)時(shí)變?yōu)椴煌该鞯木G色。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到可以使用多種替代的圖形，激活與未激活狀態(tài)之間可以有許多其他差異，例如可見(jiàn)與不可見(jiàn)、填充與輪廓、閃爍與穩(wěn)定顯示、變換形狀或變換填充圖案。
[0344]圖18a顯示了瞄準(zhǔn)過(guò)程中具有顯示屏幕390的用戶顯示器6，其中鉆在與釘圖形387的鎖緊孔圖形388對(duì)齊的容差范圍內(nèi)。在此視圖中，鉆圖標(biāo)392的桿部分393 (參見(jiàn)圖18)不可見(jiàn)，并且末端指示器394和對(duì)齊指示器396以及深度指示器398均顯示處于其激活狀態(tài)。顯示器390包括深度指示器398，深度指示器向用戶指示由末端指示器394表示的鉆頭2的末端正在靠近釘37的表面，因此用戶得到鉆頭2何時(shí)進(jìn)入鎖緊孔38的指示。只有在末端指示器394位于距經(jīng)過(guò)鎖緊孔坐標(biāo)系136 (在圖7中示出)的Yh和Zh軸的平面的距離的預(yù)定范圍內(nèi)時(shí)，還位于距鎖緊孔坐標(biāo)系136的Xh軸的最短垂直距離內(nèi)時(shí)，深度指示器398為激活的并在顯示器390上顯現(xiàn)。由于目的只是向用戶指示預(yù)計(jì)鉆末端大致何時(shí)進(jìn)入目標(biāo)孔，因此深度指示器398可以為定性指示器，故而具有三個(gè)填充條式的圖形段，這些圖形段以漸進(jìn)填充的方式顯示，從而定性表示鉆頭2向釘37的靠近。或者，深度指示器398可以為側(cè)視圖，其示出了鉆末端靠近目標(biāo)孔的實(shí)時(shí)表現(xiàn)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到深度指示器398可以用不同的圖形元素、聲音、文本、定量信息或這些指示器的組合以多種不同的方式來(lái)實(shí)施，并將認(rèn)識(shí)到深度指示器398可以始終為激活的，或由不同的或附加的參數(shù)激活，例如鉆馬達(dá)被檢測(cè)到正在運(yùn)行(參見(jiàn)圖27和圖32)。
[0345]圖18b示出了用于控制用戶界面顯示器的視野和放大參數(shù)的方法的流程圖。在步驟530中，瞄準(zhǔn)模式為激活的，這可在目標(biāo)被限定且導(dǎo)航系統(tǒng)正相對(duì)于目標(biāo)跟蹤工具時(shí)出現(xiàn)。最初，在步驟532中顯示了示出所有目標(biāo)的全局視圖，并計(jì)算出從鉆末端到每個(gè)目標(biāo)的距離參數(shù)，例如到每個(gè)目標(biāo)孔軸線的垂直距離。找出這些距離的最小值，然后在步驟534中與選擇的閾值0$相比較，如果工具在距任何目標(biāo)的距離0$范圍內(nèi)，則在步驟536中檢查計(jì)時(shí)器Tfi的狀態(tài)。如果1^已不運(yùn)行，則其在步驟538中從零開(kāi)始，并且系統(tǒng)返回到步驟532，保持為全局視圖。如果計(jì)時(shí)器Tfi已經(jīng)在運(yùn)行，意味著工具已經(jīng)在某特定目標(biāo)附近一段時(shí)間，則在步驟540中針對(duì)選擇的閾值1^±檢查靠近目標(biāo)消耗時(shí)間的值。一旦Tfi超過(guò)放大閾值，計(jì)時(shí)器!^就在步驟552停止，并且在步驟542中系統(tǒng)將顯示器變?yōu)橐阅繕?biāo)為中心的放大視圖，說(shuō)明工具已在附近保持選擇的持續(xù)時(shí)間量—旦在特定的目標(biāo)上放大，系統(tǒng)就在步驟544中檢查工具到目標(biāo)的距離是否超過(guò)選擇的閾值Dsi,如果工具已經(jīng)移開(kāi)，則在步驟546中檢查計(jì)時(shí)器Is，如果已不運(yùn)行，則在步驟548中從零開(kāi)始。如果計(jì)時(shí)器Is已經(jīng)運(yùn)行，意味著工具已經(jīng)從當(dāng)前的目標(biāo)移開(kāi)一段時(shí)間，則在步驟550中針對(duì)選擇的閾值T_、檢查遠(yuǎn)離目標(biāo)的消耗時(shí)間的值。一旦1^超過(guò)縮小閾值，計(jì)時(shí)器1^就在步驟554中停止，且系統(tǒng)返回至步驟532中的全局視圖。
[0346]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到其他參數(shù)，例如工具朝向或遠(yuǎn)離目標(biāo)的速度和加速度，可以代替時(shí)間和距離使用或連同時(shí)間和距離一起使用。例如，工具的特征運(yùn)動(dòng)(例如閃變運(yùn)動(dòng)或者以特定方向快速地傾斜等)可以進(jìn)行限定、檢測(cè)以及用來(lái)更改視圖參數(shù)。
[0347]結(jié)合圖19，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，示出了鉆頭與植入物中的鎖緊孔接近對(duì)齊時(shí)骨與植入物的剖面圖，以說(shuō)明根據(jù)選擇的極限確定何時(shí)工具已達(dá)到與目標(biāo)的可接受對(duì)齊的示例性方法。該方法的一個(gè)例子將在下文詳細(xì)描述:鉆頭2具有末端402，并且顯示穿過(guò)了皮膚和下面的軟組織400，其中末端402接觸骨401。鉆軸線5與鉆頭2的縱向中心線重合。鉆孔期間鉆頭2圍繞鉆軸線5旋轉(zhuǎn)。釘37中的鎖緊孔38具有與鎖緊孔坐標(biāo)系136的Xh軸共線的孔軸線404 (在圖7中示出)。鉆軸線5顯示相對(duì)于孔軸線404的方向處于對(duì)齊角度406。平面408經(jīng)過(guò)鎖緊孔坐標(biāo)系136的Yh和Zh軸(在圖7中示出)，因此與孔軸線404相垂直，并且還經(jīng)過(guò)釘37的縱向軸線。鉆軸線5與平面408在交點(diǎn)410處相交。將角度406計(jì)算為鉆軸線5與垂直于經(jīng)過(guò)交點(diǎn)410的平面408的矢量之間的銳角。在瞄準(zhǔn)期間，應(yīng)持續(xù)例如以二十至四十赫茲的頻率監(jiān)測(cè)相對(duì)于孔坐標(biāo)系136的鉆末端402的位置和鉆軸線5的位置和取向，如此前附圖中描述。因此，在瞄準(zhǔn)期間計(jì)算距垂直于孔軸線404的鉆末端402的距離412，并且在任何時(shí)間，角度406都不等于九十度，并計(jì)算交點(diǎn)410及距垂直于孔軸線404的交點(diǎn)410的距離414。還參見(jiàn)圖18和圖18a，為了向用戶指示鉆頭2相對(duì)孔軸線404的位置和對(duì)齊何時(shí)處于預(yù)定極限內(nèi)，在距離412處于預(yù)先選擇的極限(例如I毫米)內(nèi)的任何時(shí)候?qū)⒛┒酥甘酒?94切換至其激活狀態(tài)。然后為了指示角度對(duì)齊充分，在末端指示器394處于其激活狀態(tài)同時(shí)距離414處于預(yù)先選擇的極限內(nèi)的任何時(shí)候?qū)?duì)齊指示器396切換至其激活狀態(tài)。應(yīng)注意，沿孔軸線404的平面408的位置可選擇為不同于孔坐標(biāo)系136原點(diǎn)的某個(gè)點(diǎn)，例如，平面408可位于距離鉆末端402最近的釘37的表面附近。將鉆軸線5投影到孔38附近或其內(nèi)部的某個(gè)點(diǎn)，同時(shí)監(jiān)測(cè)鉆末端402到孔軸線404的距離，使位置和取向極限產(chǎn)生相互作用，從而確保用戶不僅使鉆末端402位于孔軸線404的可接受距離內(nèi)，還使鉆頭2被取向?yàn)槭沟脤?duì)于鉆末端402的當(dāng)前位置，鉆頭2被取向至一定路徑，該路徑相對(duì)于孔38的中心在預(yù)先選擇的容差區(qū)內(nèi)穿過(guò)。當(dāng)從平面408至鉆末端402的距離增加時(shí)，該方法有降低容許角度誤差的作用。
[0348]圖19a顯示了圖19中所描述的示例性瞄準(zhǔn)和用戶界面方法的流程圖。還參見(jiàn)圖19，在步驟560，瞄準(zhǔn)模式為激活的，這可在目標(biāo)被限定且導(dǎo)航系統(tǒng)正相對(duì)于目標(biāo)跟蹤工具時(shí)出現(xiàn)。在步驟562，將距離參數(shù)計(jì)算為從鉆末端402至鉆軸線5的垂直距離412。在步驟564，如果距離412小于選擇的最，系統(tǒng)會(huì)在步驟566中激活位置指示器，例如末端指示器394。如果距離參數(shù)超出了選擇的極限，則當(dāng)末端指示器394和角度指示器396從之前的測(cè)量樣本激活時(shí)，它們兩者會(huì)在步驟576中關(guān)閉。在步驟568，將角度對(duì)齊參數(shù)0卩計(jì)算為距鉆軸線5和選擇的平面408的交點(diǎn)的垂直距離414。在步驟570中，將距離414與閾值D進(jìn)行比較，如果距離414大于則當(dāng)角度指示器396仍然從之前的測(cè)量樣本激活時(shí)，它會(huì)在步驟578關(guān)閉。如果距離414小于，則在步驟572檢查末端指示器394的狀態(tài)，并且如果末端指示器394仍然激活，則角度指示器396被激活，并且通過(guò)同時(shí)激活末端指示器394和角度指示器396來(lái)指示可接受的對(duì)齊。
[0349]結(jié)合圖20，根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例，示出了鉆頭與植入物中的鎖緊孔接近對(duì)齊時(shí)骨與植入物的剖面圖，以說(shuō)明根據(jù)選擇的極限確定何時(shí)工具已達(dá)到與目標(biāo)的可接受對(duì)齊的替代方法。在某些應(yīng)用中，可能有利的是限定對(duì)齊容差適用的目標(biāo)軸線段，并且有利的是潛在指定段每端的不同容差極限。例如，在軸與孔之間的徑向間隙給定的情況下，穿過(guò)孔的某個(gè)軸的容許角度容差對(duì)于短孔可能比長(zhǎng)孔更大。在另一個(gè)例子中，就埋頭螺釘而言，可能需要指定與孔的埋頭邊緣在一個(gè)平面中的目標(biāo)軸線的某點(diǎn)的緊密位置容差，使得埋頭孔對(duì)齊良好，而孔的另一端的位置容差可以允許較大。該方法的一個(gè)例子將在下文詳細(xì)描述:圖14顯示并限定了釘37、鎖緊孔38、皮膚和軟組織400、骨401、孔軸線404和平面408。所示替代瞄準(zhǔn)方法與圖19中所描述的示例性實(shí)施例不同之處在于，近側(cè)平面450被限定為在沿著孔軸線404距平面408的選擇距離452處垂直于孔軸線404，遠(yuǎn)側(cè)平面454被限定為在沿著孔軸線404距平面408的選擇距離456處垂直于孔軸線404，且近側(cè)平面450比遠(yuǎn)側(cè)平面454更靠近鉆頭2。瞄準(zhǔn)期間，如上所述持續(xù)監(jiān)測(cè)鉆軸線5相對(duì)于孔坐標(biāo)系136 (在圖7中示出)的位置和取向。因此，在瞄準(zhǔn)期間，在鉆軸線5不與孔軸線404垂直的任何時(shí)間，限定鉆軸線5與近側(cè)平面450之間的近側(cè)交點(diǎn)458并將近側(cè)距離460計(jì)算為從交點(diǎn)458到軸線404的垂直距離。相似地，限定鉆軸線5與遠(yuǎn)側(cè)平面454之間的遠(yuǎn)側(cè)交點(diǎn)462并將遠(yuǎn)側(cè)距離464計(jì)算為從交點(diǎn)462到軸線404的垂直距離。還參見(jiàn)圖18和圖18a，為了向用戶指示鉆頭2相對(duì)孔軸線404的位置和對(duì)齊何時(shí)處于預(yù)定極限內(nèi)，在近側(cè)距離460處于預(yù)先選擇的極限內(nèi)的任何時(shí)候?qū)⒛┒酥甘酒?94切換至其激活狀態(tài)。然后為了指示角度對(duì)齊充分，在末端指示器394處于其激活狀態(tài)同時(shí)遠(yuǎn)側(cè)距離464處于預(yù)先選擇的極限內(nèi)的任何時(shí)候?qū)?duì)齊指示器396切換至其激活狀態(tài)。該瞄準(zhǔn)方法確保鉆孔軸線位于孔軸線404周?chē)膱A柱形或平截頭形的容差區(qū)內(nèi)，并位于如距離452和距離456限定的軸線404的唯一選擇段上。例如，對(duì)于直徑比孔38直徑小一毫米的圓柱形螺釘桿，距離460和距離464的極限可選擇為小于二分之一毫米，近側(cè)平面距離452和遠(yuǎn)側(cè)平面距離456可選擇為等于釘37的半徑(如圖所示)，從而確保螺釘桿不會(huì)在將螺釘與鉆軸線5進(jìn)行同軸安裝時(shí)堵塞孔38 (假設(shè)角度較小)?；蛘?，距離460和距離464還可以應(yīng)用不同的極限，例如，為了在最大程度提高容差范圍的同時(shí)容納錐形螺釘桿。
[0350]圖20a顯示了圖20中所描述的示例性瞄準(zhǔn)和用戶界面方法的流程圖。還參見(jiàn)圖20，在步驟560，瞄準(zhǔn)模式為激活的，這可在目標(biāo)被限定且導(dǎo)航系統(tǒng)正相對(duì)于目標(biāo)跟蹤工具時(shí)出現(xiàn)。在步驟582，將距離參數(shù)Dl計(jì)算為從孔軸線404到鉆軸線5與選擇近側(cè)平面450的交點(diǎn)的垂直距離。在步驟584，如果距離Dl小于選擇的最大Dl，系統(tǒng)會(huì)在步驟566中激活位置指示器，例如末端指示器394。如果距離參數(shù)Dl超出了選擇的極限，則當(dāng)末端指示器394和角度指示器396從之前的測(cè)量樣本激活時(shí)，它們兩者會(huì)在步驟576中關(guān)閉。在步驟586，將角度對(duì)齊參數(shù)D2計(jì)算為從孔軸線404到鉆軸線5和選擇遠(yuǎn)側(cè)平面454的交點(diǎn)的垂直距離。在步驟588，將D2與閾值02^^進(jìn)行比較，如果D2大于D2g，則當(dāng)角度指示器396仍然從之前的測(cè)量樣本激活時(shí)，它會(huì)在步驟578關(guān)閉。如果D2在選擇的極限D(zhuǎn)2最大之內(nèi)，則在步驟590檢查末端指示器394的狀態(tài)，并且如果末端指示器394仍然激活，則角度指示器396被激活，并且通過(guò)同時(shí)激活末端指示器394和角度指示器396來(lái)指示可接受的對(duì)齊。
[0351]本發(fā)明的另一個(gè)方面提供配準(zhǔn)設(shè)備，其被配置成使工具和場(chǎng)發(fā)生器與選擇的目標(biāo)結(jié)構(gòu)臨時(shí)地對(duì)齊，從而允許在不事先了解傳感器與所關(guān)注目標(biāo)結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的情況下使用本發(fā)明。例如，一些實(shí)施例不需要目標(biāo)組件尺寸的數(shù)據(jù)庫(kù)即可根據(jù)配準(zhǔn)數(shù)據(jù)推斷瞄準(zhǔn)信息。
[0352]目標(biāo)結(jié)構(gòu)可以直接用多種不同方式測(cè)量，例如將目標(biāo)的表面或邊緣數(shù)字化，或使工具與目標(biāo)臨時(shí)地對(duì)齊，以及記錄工具的理想目標(biāo)位置。配準(zhǔn)測(cè)量也可具有選擇的自由度，例如配準(zhǔn)要鉆通的孔時(shí)，可能測(cè)量孔中心線便已足夠，不用考慮圍繞中心線的取向或沿中心線的位置，例如在只有導(dǎo)航工具與孔對(duì)齊重要時(shí)。
[0353]在其他情況下，可能有用的是在中心線上附加配準(zhǔn)一個(gè)點(diǎn)(例如以測(cè)量工具與孔的接近度)，和/或配準(zhǔn)圍繞中心線的旋轉(zhuǎn)位置(例如以在單個(gè)配準(zhǔn)測(cè)量中推斷其他結(jié)構(gòu)相對(duì)于孔的位置)。
[0354]與電磁導(dǎo)航系統(tǒng)特別相關(guān)，配準(zhǔn)有利地用所有在瞄準(zhǔn)期間將用到時(shí)并處于瞄準(zhǔn)期間將最關(guān)鍵的相對(duì)位置中可影響在適當(dāng)位置的當(dāng)前導(dǎo)航測(cè)量的組件進(jìn)行。配準(zhǔn)設(shè)備可替代地近似于配準(zhǔn)過(guò)程中可能不存在的任何組件的作用。
[0355]在一些實(shí)施例中，配準(zhǔn)設(shè)備是可以直接安裝到工具的配準(zhǔn)工具，例如配準(zhǔn)工具可在工具的鉆頭部分上滑動(dòng)，并且可以由不會(huì)影響導(dǎo)航系統(tǒng)的選擇材料制成。
[0356]在一些實(shí)施例中，配準(zhǔn)設(shè)備是這樣的配準(zhǔn)工具，其臨時(shí)地代替工具的部件，并近似于所代替部件對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的作用。例如，配準(zhǔn)工具可代替鉆頭，并且具有與鉆頭類(lèi)似的材料、形態(tài)和質(zhì)量。
[0357]在一些實(shí)施例中，配準(zhǔn)設(shè)備是工具的一個(gè)結(jié)構(gòu)或改裝形式。例如，工具可包括肩部，其適于配合要配準(zhǔn)并結(jié)合到工具的結(jié)構(gòu)中的目標(biāo)結(jié)構(gòu)。又如，鉆頭可包括一系列的肩部，其適于配合選擇范圍的目標(biāo)結(jié)構(gòu)。
[0358]上述配準(zhǔn)設(shè)備的每個(gè)結(jié)構(gòu)單獨(dú)使用或結(jié)合所述其他結(jié)構(gòu)的一些或全部使用均可能是有利的。在本發(fā)明范圍內(nèi)的其他實(shí)施例可包括以上和示例性實(shí)施例中描述的有利結(jié)構(gòu)的子集。
[0359]結(jié)合圖21，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，示出了類(lèi)似于圖7的裝置的分解圖，另外還說(shuō)明了包括在內(nèi)的配準(zhǔn)工具的例子，以允許相對(duì)于傳感器10的目標(biāo)孔的直接測(cè)量。導(dǎo)航單元I具有鉆套46和夾頭4，示出了繞鉆軸線5旋轉(zhuǎn)的鉆頭2、連接到導(dǎo)航單元I的鉆3、具有遠(yuǎn)側(cè)鎖緊孔38的頂釘37、傳感器10、中空螺釘173和插入工具39，還包括用于使鉆軸線5與孔38臨時(shí)地對(duì)齊以便直接測(cè)量和記錄傳感器工具10與孔38的相對(duì)位置的配準(zhǔn)工具110。配準(zhǔn)工具110具有主體部分112和末端部分114及縱向軸線111。
[0360]結(jié)合圖22，圖21的組件顯示為裝配有配準(zhǔn)工具110，其插入在釘37的遠(yuǎn)側(cè)鎖緊孔38中的一定位置，用于校準(zhǔn)系統(tǒng)與孔38。頂釘37、插入工具39、中空螺釘173和傳感器10已裝配(如圖7中所描述)，使得傳感器10保持在一個(gè)相對(duì)于所鉆物體上目標(biāo)位置的固定的預(yù)定位置，在本實(shí)施例中即鎖緊孔38。配準(zhǔn)工具110滑到鉆頭2上并緊靠鉆套46。配準(zhǔn)工具110的主體部分112用緊密滑動(dòng)配合的方式配合鉆頭2 (還參見(jiàn)圖24)，使配準(zhǔn)工具110的縱向軸線111與鉆軸線5重合。末端部分114以過(guò)盈推入配合與鎖緊孔38配合。因此，當(dāng)為進(jìn)行所示孔配準(zhǔn)而裝配時(shí)，鎖緊孔38和鉆頭2同軸，且它們的軸線與鉆軸線5重合，鉆軸線5相對(duì)于導(dǎo)航單元I是固定的，而傳感器10在所有自由度中固定，除了相對(duì)于導(dǎo)航單元I圍繞鉆軸線5旋轉(zhuǎn)外。示出了如圖7中限定的從單元I到傳感器10的距離141。
[0361]結(jié)合圖23，其示出了取自圖21的配準(zhǔn)工具110的剖面圖。配準(zhǔn)工具110包括主體部分112和末端部分114，該末端部分由螺紋115連接，使得末端部分114可用不同直徑或形狀的替代末端部分替換。縱向軸線111是末端部分114和主體部分112共用的。主體部分112沿軸線111具有孔116?？?16具有直徑118，其選擇為在鉆頭2的桿部分上緊密滑動(dòng)配合(在圖21中可見(jiàn))，使得配準(zhǔn)工具110可通過(guò)手動(dòng)摩擦配合在鉆頭2上滑動(dòng)并從鉆頭2滑離，并且在配準(zhǔn)工具110安裝到鉆頭2上時(shí)，使鉆頭2的彎曲以及鉆頭2與配準(zhǔn)工具110之間的游隙最小，如圖24所示。還參見(jiàn)圖24，配準(zhǔn)工具110具有選擇量的長(zhǎng)度113，該量大于鉆頭2從鉆套46向遠(yuǎn)側(cè)延伸的長(zhǎng)度，使得為校準(zhǔn)鎖緊孔而裝配時(shí)(如圖22所示)，鉆頭2的遠(yuǎn)側(cè)末端位置大致與其在手術(shù)期間鉆頭2進(jìn)入骨并靠近孔38時(shí)相對(duì)于傳感器10的位置相同。配準(zhǔn)工具110所用的材料在理想情況下為非鐵磁性的，優(yōu)選低導(dǎo)電性的，以最小化對(duì)電磁導(dǎo)航系統(tǒng)的影響。主體部分112可以由剛性材料制成，末端部分114可以由彈性范圍和模量足以在具有選擇直徑范圍的孔中提供適當(dāng)?shù)耐迫肱浜系牟牧现瞥伞＠?，主體部分112可以由外徑為一英寸的圓形乙縮醛棒制成，末端部分114可以由300系列的不銹鋼制成。許多其他材料可適用于這兩種部件，例如，鈦以及諸如PEEK或Ultem?的高模量可消毒的塑料。
[0362]結(jié)合圖23a，示出了配準(zhǔn)工具110的末端部分114的剖面圖。同時(shí)參見(jiàn)圖23與圖23a，末端部分114具有沿軸線5的孔121和四個(gè)狹槽123，這些狹槽從軸線111徑向向外延伸，從而形成四個(gè)柔性段120，所有這些均具有由孔直徑122和狹槽寬度124限定的相同截面和形狀，并且所有這些圍繞軸線111均勻分布?？字睆?22和狹槽寬度124根據(jù)末端部分114選擇的材料的材料性質(zhì)進(jìn)行選擇，使得柔性段120在其材料的彈性范圍內(nèi)撓曲，從而自由直徑128可以向下壓縮到末端固定的直徑126，而不會(huì)折斷或永久變形。由于當(dāng)末端部分114處于直徑小于自由直徑128的圓柱形鏜孔中時(shí)柔性段120徑向向內(nèi)均勻壓縮，末端部分114在末端固定直徑126和自由直徑128之間的任何預(yù)定直徑范圍內(nèi)的任何圓柱形鏜孔內(nèi)居中。柔性段120還設(shè)計(jì)為在材料的彈性范圍的子范圍內(nèi)撓曲，使得配準(zhǔn)工具110可以用手動(dòng)推入配合的方式插入和移除，但對(duì)趨于使軸線111與孔38的圓柱形軸線不共線的力有一定阻力(參見(jiàn)圖21)。在經(jīng)過(guò)軸線111的任何平面中經(jīng)受最高5N-m的力矩時(shí)，合適的不共線極限為I度。例如，對(duì)于具有5.1毫米至5.2毫米容差范圍的鎖緊孔和由303不銹鋼制成的末端部分114，孔直徑122、狹槽寬度124、末端固定直徑126和自由直徑128的適當(dāng)值分別為2.8、1.0,4.9和5.3毫米。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到圖23和23a中所示的設(shè)備可適于改裝成多種形狀，例如通過(guò)狹槽124和柔性段120的適當(dāng)詳細(xì)設(shè)計(jì)形成的狹槽孔。
[0363]參見(jiàn)圖24，示出了取自圖22的配準(zhǔn)工具110的剖面圖，其中配準(zhǔn)工具110已安裝。還參見(jiàn)圖23，配準(zhǔn)工具110安裝在鉆頭2上時(shí)，縱向軸線111與鉆軸線5重合。埋頭孔117具有經(jīng)選擇的直徑119、深度125和角度127，以安裝在鉆套46的凸臺(tái)85上，凸臺(tái)85具有長(zhǎng)度87并且與埋頭孔117共用直徑119和角度127。長(zhǎng)度87小于深度125。凸臺(tái)85和埋頭孔117從而一起提供前擋板，限定配準(zhǔn)工具110沿軸線5的位置以及軸線111與軸線5的同軸度。
[0364]參見(jiàn)圖24a，示出了類(lèi)似于圖24的配準(zhǔn)設(shè)備的第一附加示例性實(shí)施例的剖面圖，但是其中配準(zhǔn)工具110沒(méi)有使用，相反，鉆套46包括改裝為所示的具有配合目標(biāo)結(jié)構(gòu)所選的直徑90的凸臺(tái)85。還示出了鉆頭2和鉆軸線5。
[0365]參見(jiàn)圖24b，其示出了類(lèi)似于圖24的配準(zhǔn)設(shè)備的第二附加示例性實(shí)施例的剖面圖，但是其中配準(zhǔn)工具Iio沒(méi)有使用，相反，鉆頭2具有肩部92和94，其適于配合具有直徑90和96的目標(biāo)結(jié)構(gòu)。還示出了鉆套46和鉆軸線5。
[0366]參見(jiàn)圖24c，示出了類(lèi)似于圖24的配準(zhǔn)設(shè)備的第三附加示例性實(shí)施例的剖面圖，但是其中配準(zhǔn)工具Iio沒(méi)有使用，相反，鉆頭2已移除并用具有一系列肩部102、104、106的配準(zhǔn)工具100替換，這些肩部具有配合三種不同目標(biāo)結(jié)構(gòu)選擇的直徑。在該實(shí)施例中，配準(zhǔn)工具100的設(shè)計(jì)和材料被選擇為具有與鉆頭2對(duì)電磁位置跟蹤類(lèi)似的作用。還參見(jiàn)圖22，在該實(shí)施例中，目標(biāo)結(jié)構(gòu)的直徑可以通過(guò)記錄沿鉆軸線5從導(dǎo)航單元I到相對(duì)于目標(biāo)結(jié)構(gòu)固定的傳感器的距離141，從三個(gè)可能的直徑中確定。
[0367]參見(jiàn)圖24d與圖24e，示出了配準(zhǔn)設(shè)備的第四附加示例性實(shí)施例，其適于具有旋轉(zhuǎn)剖面部分的目標(biāo)孔，旋轉(zhuǎn)剖面部分在孔的每一端(例如，銳邊或最小深度的倒角邊)繞孔軸線完整旋轉(zhuǎn)。該實(shí)施例具有可以改裝成比之前的例子更廣范圍的目標(biāo)孔直徑的優(yōu)點(diǎn)。在圖24d與圖24e所示的示例性實(shí)施例中，鎖緊孔38具有九十度的埋頭孔，孔的兩端有最小深度。鎖緊配準(zhǔn)工具250在鉆頭2上滑動(dòng)，并且還包括錐形表面251、螺紋部分252和圓柱形部分257，并且鎖緊螺母253具有錐形表面254和螺紋孔255。使用時(shí)，配準(zhǔn)工具250穿過(guò)孔38，鎖緊螺母253螺紋接合到配準(zhǔn)工具250上并擰緊，以形成沿方向256的落座力，該落座力將錐形表面251與254緊壓在孔38的埋頭邊緣上，從而使軸線5與孔38同軸。在該實(shí)施例中，配準(zhǔn)工具250的圓柱形部分257只需要小于孔38的直徑，因此，鎖緊配準(zhǔn)工具250可采用一系列的孔直徑，用戶不必操作一些其他示例性實(shí)施例中所述的過(guò)盈配合。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到可使用多種機(jī)械構(gòu)造代替鎖緊螺母253和配準(zhǔn)工具250之間的螺紋連接；可以使用能夠保持錐形表面251和254同軸并施加落座力用于沿共同軸線5朝彼此壓緊錐形表面251和254的任何機(jī)構(gòu)。
[0368]參見(jiàn)圖24f、圖24g和圖24h，其示出了配準(zhǔn)設(shè)備的第五附加示例性實(shí)施例，其中額外的自由度被控制。除了之前所述的實(shí)施例中將鉆軸線5臨時(shí)地固定在與孔38同軸的位置之外，配準(zhǔn)工具470可另外固定導(dǎo)航單元I相對(duì)于釘37圍繞軸線5的旋轉(zhuǎn)位置，從而提供相對(duì)于傳感器坐標(biāo)系134經(jīng)過(guò)釘縱向中心線40和孔38的軸線的平面的限定(參見(jiàn)圖7)作為附加配準(zhǔn)信息。此附加約束可通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)，取決于釘37與孔38的具體形態(tài)，例如，還參見(jiàn)圖1a,如果在一組IM釘164中每個(gè)釘37具有某個(gè)共同的幾何元素,貝U上述示例性配準(zhǔn)工具可以很容易地改裝成約束釘圍繞軸線5的旋轉(zhuǎn)。例如，如果共同的幾何元素是在組189中的至少兩個(gè)孔，則配準(zhǔn)工具可以添加多種結(jié)構(gòu)元件以接合第二孔，也可以按照?qǐng)D24h中所示進(jìn)行改裝，以實(shí)現(xiàn)相對(duì)于導(dǎo)航單元I的固定旋轉(zhuǎn)位置。在所示的示例性實(shí)施例中，釘37具有恒定的橫截面，其中圓柱形外殼在孔38區(qū)域中的選擇的直徑范圍內(nèi)?？?8的中心線垂直于并穿過(guò)釘中心線40，并且孔38每端具有一個(gè)埋頭孔。配準(zhǔn)工具470包括具有多面表面476的主體部分471。螺紋襯圈488接合夾具部分478并支承在肩部473上，使得在擰緊時(shí)，夾具部分478沿方向486被拉向表面476，并產(chǎn)生保持釘37抵靠表面476的落座力。表面476在角度490具有至少兩個(gè)平坦面,關(guān)于經(jīng)過(guò)軸線5與釘中心線40的平面對(duì)稱，因此，在釘37受方向486上的落座力而靠緊表面476座合時(shí)，釘37保持在兩條線處與表面476發(fā)生線接觸，這兩條線均與釘中心線40平行并穿過(guò)接觸點(diǎn)492和494，從而將釘37約束為相對(duì)于配準(zhǔn)工具470圍繞軸線5旋轉(zhuǎn)。夾具部分478具有旋轉(zhuǎn)軸線與軸線5重合的錐形表面480以及接合孔38，因此在釘37受方向486的落座力而在表面476和480之間壓縮時(shí)，孔38被約束為與軸線5同軸。柱塞472具有旋轉(zhuǎn)軸線與軸線5重合的錐形表面474，彈簧482使柱塞472抵靠釘37推進(jìn)，從而約束釘37圍繞中心線40的旋轉(zhuǎn)。柱塞472受到定位螺釘498阻擋，而不會(huì)滑出主體部分471，該定位螺釘接合柱塞472中的狹槽499。夾具部分478受到定位螺釘489阻擋，而不會(huì)滑落并相對(duì)于主體部分471旋轉(zhuǎn)，該定位螺釘接合主體部分471中的狹槽491。螺紋襯圈488被卡環(huán)496固定，防止從主體部分471滑落。只要穿過(guò)點(diǎn)492與點(diǎn)494的線接觸中的至少一個(gè)可以保持，且錐形表面474與480保持座合在孔38的邊緣，即可將釘37約束在相對(duì)于主體部分471的所有六個(gè)自由度中。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到可存在可用來(lái)施加上述約束的其他機(jī)械構(gòu)造，并將認(rèn)識(shí)到可以進(jìn)行各種改裝，以適應(yīng)釘37和孔38的形狀變化，例如釘37的非圓柱形截面，表面476可以改為具有對(duì)稱面、非平坦面或者得以匹配釘?shù)奶囟ㄐ螒B(tài)。相似地，表面476可以用多種機(jī)械鉗合構(gòu)造替換。參見(jiàn)圖24h，主體部分471具有V字形溝槽493，鉆套46改裝成包括凸臺(tái)495。溝槽493接合凸臺(tái)495，并在用戶將單元I和鉆頭2插入配準(zhǔn)工具470中時(shí)，約束配準(zhǔn)工具主體部分471相對(duì)于單元I圍繞軸線5的旋轉(zhuǎn)。
[0369]參照上面描述的示例性配準(zhǔn)工具，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到要配準(zhǔn)的目標(biāo)結(jié)構(gòu)可以具有其他形態(tài)，例如凹槽、狹槽、錐形孔或非圓柱形孔，同時(shí)相應(yīng)修改配準(zhǔn)工具形狀，并將認(rèn)識(shí)到可以用多種機(jī)械構(gòu)造使配準(zhǔn)工具與結(jié)構(gòu)臨時(shí)地對(duì)齊，例如鉗合、螺栓連接、使用膨脹軸或套爪等。
[0370]結(jié)合圖25，示出了在導(dǎo)航單元I和鉆頭2安裝到典型的鉆3情況下，圍繞鉆軸線5在選擇距離141處的典型測(cè)量誤差與場(chǎng)發(fā)生器航向139的曲線圖(還參見(jiàn)圖7與圖7a)。當(dāng)鐵磁性和/或?qū)щ娦越饘僭趯?dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)量體積內(nèi)或附近時(shí)，導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)可能扭曲，造成測(cè)量變得不準(zhǔn)確。這些影響可用場(chǎng)發(fā)生器例如場(chǎng)發(fā)生器7放大，這些場(chǎng)發(fā)生器足夠小而輕以直接安裝在手持工具上；更小、更輕的場(chǎng)發(fā)生器一般具有更小的激勵(lì)線圈并產(chǎn)生更弱的磁場(chǎng)。大質(zhì)量的鐵磁性和/或?qū)щ娦圆牧?，例如在典型的電鉆例如鉆3中發(fā)現(xiàn)的那些材料，可以使測(cè)量失真，即便它們放在導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)量體積附近而不一定在導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)量體積內(nèi)。例如，將質(zhì)量足夠大的鋼板放在單元I后面會(huì)使測(cè)量磁場(chǎng)的扭曲足以在單元I前的整個(gè)測(cè)量體積造成較大誤差。我們觀察到當(dāng)鉆3定位在靠近包括在單元I內(nèi)的場(chǎng)發(fā)生器7的后面時(shí)，測(cè)量傳感器越靠近單元1，測(cè)量誤差就變得越大，如圖25所示。因此，要將諸如鉆3和鐵磁鉆頭2的工具與場(chǎng)發(fā)生器7集成在一起并保持對(duì)應(yīng)用而言足夠準(zhǔn)確的導(dǎo)航，有利的是對(duì)因工具存在而造成的磁場(chǎng)扭曲進(jìn)行檢測(cè)和補(bǔ)償。在圖25中，曲線圖的水平軸為航向139。曲線圖的垂直軸顯示了在場(chǎng)發(fā)生器7圍繞鉆軸線5旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器坐標(biāo)系134原點(diǎn)與標(biāo)稱圓圈142的以毫米計(jì)的偏差。曲線146顯示了傳感器10描述的標(biāo)稱圓圈142位于在一百三十毫米的距離141處與場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130的Zw軸相交的平面內(nèi)時(shí)的誤差。相似地，曲線148、150、152分別在一百一十毫米、一百毫米和八十毫米的距離141值處產(chǎn)生。圖25說(shuō)明了當(dāng)鉆軸線5與孔38的軸線對(duì)齊時(shí)測(cè)量誤差隨場(chǎng)發(fā)生器7圍繞鉆軸線5的航向139而變化，并且隨著傳感器10靠近場(chǎng)發(fā)生器7與鉆3，測(cè)量誤差將增大。
[0371]本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了用于測(cè)量相對(duì)于傳感器的目標(biāo)結(jié)構(gòu)位置的配準(zhǔn)方法。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括如下步驟:將工具和場(chǎng)發(fā)生器組件在選擇自由度中的已知位置處臨時(shí)地固定至目標(biāo)組件的目標(biāo)結(jié)構(gòu)，記錄傳感器相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器的位置，計(jì)算結(jié)構(gòu)與傳感器的相對(duì)位置，以及將結(jié)構(gòu)與傳感器的相對(duì)位置保存到導(dǎo)航系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，目標(biāo)結(jié)構(gòu)可以是孔，工具和場(chǎng)發(fā)生器可以是鉆，鉆軸線和孔軸線可在配準(zhǔn)過(guò)程中保持同軸，并且孔可限定為目標(biāo)軸線，其在傳感器的坐標(biāo)系中表示，并代表根據(jù)選擇數(shù)量的位置測(cè)量值的平均值計(jì)算的目標(biāo)軸線。
[0372]該方法還可包括生成傳感器相對(duì)于工具和場(chǎng)發(fā)生器組件的多個(gè)不同位置處的孔位置的查找表的步驟。例如，在另一個(gè)實(shí)施例中，配準(zhǔn)測(cè)量可如上所述進(jìn)行，其中在用戶圍繞共同的工具和孔軸線旋轉(zhuǎn)工具和場(chǎng)發(fā)生器組件時(shí)記錄配準(zhǔn)數(shù)據(jù)。然后，可存儲(chǔ)目標(biāo)相對(duì)于傳感器的位置以匯集不同旋轉(zhuǎn)位置，并且在瞄準(zhǔn)期間當(dāng)工具和場(chǎng)發(fā)生器組件處于類(lèi)似位置時(shí)調(diào)用適當(dāng)位置。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以內(nèi)插目標(biāo)位置的查找表和/或可以創(chuàng)建目標(biāo)位置與場(chǎng)發(fā)生器位置的連續(xù)函數(shù)。
[0373]上述配準(zhǔn)方法的每個(gè)結(jié)構(gòu)單獨(dú)使用或結(jié)合所述其他結(jié)構(gòu)的一些或全部使用均可能是有利的。在本發(fā)明范圍內(nèi)的其他實(shí)施例可包括以上和示例性實(shí)施例中描述的有利結(jié)構(gòu)的子集。
[0374]結(jié)合圖26，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，示出了導(dǎo)航系統(tǒng)術(shù)中配準(zhǔn)與操作的方法的流程圖，其中已執(zhí)行工廠校準(zhǔn)并且查找表143存儲(chǔ)在系統(tǒng)存儲(chǔ)器中。所示的示例性方法一般包括以下步驟:配準(zhǔn)目標(biāo)結(jié)構(gòu)，確定傳感器的當(dāng)前測(cè)量位置，以及對(duì)測(cè)量位置應(yīng)用預(yù)定的校正以估計(jì)更準(zhǔn)確的位置。該方法還可有利地包括限定關(guān)鍵傳感器位置的子集，以及僅為這些位置確定校正圖或函數(shù)。
[0375]還參見(jiàn)圖7a和圖22，圖25所示的測(cè)量誤差是半徑144、航向139和距離141的函數(shù)，該誤差在制造時(shí)測(cè)量，校正值的查找表143存儲(chǔ)在嵌入場(chǎng)發(fā)生器7中的存儲(chǔ)設(shè)備中。查找表143包括對(duì)從場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130到傳感器坐標(biāo)系134的變換Tws中的平移與旋轉(zhuǎn)的校正，其由導(dǎo)航系統(tǒng)在瞄準(zhǔn)期間測(cè)量。例如，具有鉆頭2的導(dǎo)航單元I附接到鉆3，并安裝到坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中，坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可經(jīng)編程而通過(guò)在垂直于場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130的Zw軸的平面內(nèi)并且具有一定范圍的半徑144、一定范圍的距離141和多個(gè)航向139的一系列標(biāo)稱圓圈142(具有已知準(zhǔn)確度和精度極限)移動(dòng)釘37和傳感器10。半徑144的合適范圍為十至九十毫米(增量為二十毫米)，距離141的合適范圍為八十至一百四十毫米(增量為二十毫米)，并且航向139的合適數(shù)量為三十六，均勻分布于十度的增量中。因此，查找表143由七百二十對(duì)標(biāo)稱Twsiiao和測(cè)量(TWS(3W))變換生成，并包含七百二十個(gè)校正變換Twsei，使得對(duì)于半徑144、航向139和距離141的每組參數(shù)1:
[0376]Tws (標(biāo)稱)⑴=Tws (測(cè)量)⑴*T(校正)(i)
[0377]為了開(kāi)始配準(zhǔn)程序，系統(tǒng)如圖22所示裝配，包括安裝到導(dǎo)航單元I的鉆頭2，并且配準(zhǔn)工具110在鉆頭2上滑動(dòng)并向近側(cè)推進(jìn)直至其緊靠鉆套46，并且通過(guò)擰緊中空螺釘22將選擇的釘37裝配到插入工具39。在步驟200，用戶接通系統(tǒng)電源，并且在步驟202，在系統(tǒng)存儲(chǔ)器中檢索從場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130到鉆坐標(biāo)系132的變換Twd(參見(jiàn)圖7)。在步驟203，用戶選擇右肢或左肢，并順行或逆行靠近，從而可以確定正確的圖像取向。在步驟204，用戶通過(guò)在預(yù)編程的列表中選擇來(lái)輸入正在使用的選擇釘，或者輸入跳過(guò)命令以繞過(guò)特定的釘選擇并使用一般的釘圖形。如果在步驟204中用戶從列表中選擇釘，則系統(tǒng)進(jìn)行步驟208，在該步驟，會(huì)向建議用戶待使用的最佳長(zhǎng)度傳感器工具10。在某些情況下，可能有推薦用于選擇的釘并在步驟208中指示的另外替代傳感器工具長(zhǎng)度。傳感器可另外有顏色編碼，并且步驟208可具有除了文本之外或代替文本的顏色和圖形建議消息。步驟208也開(kāi)始進(jìn)行傳感器檢測(cè)程序210，其中導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行檢查以確定傳感器是否插上。如果系統(tǒng)未檢測(cè)到傳感器，進(jìn)程將返回至步驟208，并持續(xù)循環(huán)通過(guò)步驟208和步驟210，直至檢測(cè)到傳感器。
[0378]當(dāng)檢測(cè)到適當(dāng)?shù)膫鞲衅鲿r(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行步驟212，提示用戶開(kāi)始校準(zhǔn)鎖緊孔。在示例性實(shí)施例中，合適傳感器的標(biāo)準(zhǔn)是運(yùn)行的傳感器返回完整的位置和取向數(shù)據(jù)。在另一個(gè)實(shí)施例中，傳感器工具10具有存儲(chǔ)在存儲(chǔ)設(shè)備中的由導(dǎo)航系統(tǒng)讀取的傳感器識(shí)別信息，并且只有當(dāng)傳感器為步驟208顯示的推薦類(lèi)型之一時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)進(jìn)行步驟212。重新參見(jiàn)步驟204，如果用戶選擇跳過(guò)正在使用的特定釘?shù)囊?guī)格，系統(tǒng)將繞過(guò)步驟208，建議用戶使用哪個(gè)傳感器，并直接進(jìn)行步驟210。
[0379]在步驟212，當(dāng)系統(tǒng)如圖22所示裝配時(shí)，用戶選擇“開(kāi)始配準(zhǔn)”，系統(tǒng)將開(kāi)始步驟214的鎖緊孔軸線測(cè)量進(jìn)程。在步驟214 (還參見(jiàn)圖7和圖7a)，通過(guò)如下計(jì)算當(dāng)前鎖緊孔的恒定變換Tsh，限定相對(duì)于傳感器坐標(biāo)系134的鎖緊孔坐標(biāo)系136，其中鉆軸線5與鎖緊孔38的軸線保持重合。場(chǎng)發(fā)生器到傳感器的變換TWS(3?)從導(dǎo)航系統(tǒng)記錄，并計(jì)算航向139、距離141和半徑144。然后用查找表143通過(guò)檢索在當(dāng)前位置的航向139、半徑144和距尚141對(duì)應(yīng)的校正變換T(校正)，將Tws(測(cè)量)校正為T(mén)ws(校正):
[0380]Tws (校正)=Tws (測(cè)量)*T (校正)
[0381]然后計(jì)算Tsw，即TWS(iM)的倒數(shù)。然后將從傳感器坐標(biāo)系134到鉆坐標(biāo)系132的變換Tsd計(jì)算為:
[0382]Tsd=T sw*Twd，[0383]其中Twd是在步驟206檢索的恒定的場(chǎng)發(fā)生器到鉆的變換。然后，與鉆軸線5同軸的鉆坐標(biāo)系132的Zd軸線可在傳感器坐標(biāo)系134的坐標(biāo)中用變換Tsd表示為一條線。然后可以按照在圖7中的詳細(xì)描述，限定相對(duì)于傳感器坐標(biāo)系134的當(dāng)前鎖緊孔的鎖緊孔坐標(biāo)系136，并表示為變換Tsh。通過(guò)記錄Tws(ei)的許多樣本，計(jì)算每個(gè)樣本的Tsh，然后取所得變換Tsh組的平均值，來(lái)提高準(zhǔn)確度。Tws(;RI)適當(dāng)?shù)臉颖緮?shù)為三十。將所得變換Tsh(i)存儲(chǔ)為當(dāng)前孔i的常數(shù)。
[0384]將孔配準(zhǔn)之后，系統(tǒng)返回步驟212，并且當(dāng)至少一個(gè)孔已經(jīng)校準(zhǔn)時(shí)，用戶可以選擇“完成”，使系統(tǒng)前進(jìn)到步驟216，在此步驟中確定用戶是否在步驟204中選擇所用的特定釘，或選擇跳過(guò)釘選擇。如果在步驟204中選擇了特定釘類(lèi)型，系統(tǒng)前進(jìn)到步驟218，并從存儲(chǔ)器中檢索選擇的釘?shù)牧Ⅲw圖。如果步驟212僅校準(zhǔn)了一個(gè)鎖緊孔，則指定釘?shù)牧Ⅲw圖與校準(zhǔn)孔對(duì)齊，并圍繞孔軸線旋轉(zhuǎn)，使得釘縱向中心線40 (參見(jiàn)圖7)與傳感器Zs軸在經(jīng)過(guò)Yh和Zh軸的平面上的投影重合，其中釘遠(yuǎn)側(cè)末端處于正Zs值。如果指定釘?shù)牧Ⅲw圖有不止一個(gè)鎖緊孔，通過(guò)將從傳感器坐標(biāo)系134原點(diǎn)到孔坐標(biāo)系136原點(diǎn)沿Zs軸的距離(參見(jiàn)圖7)與步驟208的指定釘和建議的傳感器工具長(zhǎng)度的期望值進(jìn)行比較，確定校準(zhǔn)的孔。如果步驟212校準(zhǔn)了不止一個(gè)鎖緊孔，系統(tǒng)則將立體圖擬合到校準(zhǔn)孔軸線上，使得校準(zhǔn)孔軸線和立體圖孔軸線之間的失配最小化，并且各校準(zhǔn)孔之中的最大失配以兩個(gè)失配參數(shù)報(bào)告:
[0385].校準(zhǔn)孔軸線與相應(yīng)立體圖孔軸線之間的角度差，以及
[0386].校準(zhǔn)孔軸線與相應(yīng)立體圖孔軸線的交點(diǎn)與經(jīng)過(guò)釘立體圖的縱向中心線的平面的距離。
[0387]本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可替代地使用其他擬合算法例如最小二乘法或其他方法將鎖緊孔坐標(biāo)系內(nèi)的選擇點(diǎn)或向量擬合到立體圖坐標(biāo)系中。
[0388]系統(tǒng)進(jìn)行步驟222，確定校準(zhǔn)孔是否匹配選擇釘?shù)牧Ⅲw圖中的標(biāo)稱孔位置。如果失配參數(shù)大于預(yù)定極限，系統(tǒng)將用戶返回至步驟212以重新校準(zhǔn)孔。如果在失配參數(shù)的預(yù)定極限內(nèi)，所有校準(zhǔn)孔軸線與立體圖中的相應(yīng)標(biāo)稱軸線重合，系統(tǒng)進(jìn)行步驟224繪制瞄準(zhǔn)視圖，并提示用戶通過(guò)確認(rèn)目標(biāo)圖形是否顯示與正確的孔良好對(duì)齊來(lái)檢查配準(zhǔn)。如果用戶接受該配準(zhǔn)，系統(tǒng)進(jìn)行步驟226，在該步驟中，導(dǎo)航系統(tǒng)從配準(zhǔn)模式變?yōu)槊闇?zhǔn)模式，并開(kāi)始持續(xù)讀取Tws。如果該配準(zhǔn)不恰當(dāng)，用戶拒絕該配準(zhǔn)并返回至步驟212。如果用戶在步驟203中選擇了錯(cuò)誤的釘設(shè)置，或在步驟204中選擇了錯(cuò)誤的釘類(lèi)型，可以將系統(tǒng)關(guān)閉并重啟，返回至步驟203。
[0389]重新參見(jiàn)步驟216，如果用戶決定不在步驟204中選擇特定釘，則系統(tǒng)進(jìn)行步驟220，在此步驟中繪制通用釘立體圖，顯示校準(zhǔn)孔在其經(jīng)校準(zhǔn)的位置，這些孔周?chē)牡湫歪斝螤钤诘湫?Zs位置具有遠(yuǎn)側(cè)末端。在步驟220中，如果校準(zhǔn)了單個(gè)孔，則圖形對(duì)齊，使得通用釘立體圖縱向軸線與傳感器Zs軸在經(jīng)過(guò)Yh和Zh軸的平面上的投影重合，其中釘?shù)倪h(yuǎn)側(cè)末端位于沿傳感器坐標(biāo)系134Zs軸的正值處(參見(jiàn)圖7)。如果校準(zhǔn)了兩個(gè)或更多個(gè)孔，則用最小二乘法最佳擬合線將通用釘立體圖的縱向軸線與所有校準(zhǔn)孔的孔坐標(biāo)系136的Zh軸組對(duì)齊(參見(jiàn)圖7)。然后，系統(tǒng)可進(jìn)行步驟224，并可如上所述確認(rèn)配準(zhǔn)。
[0390]在步驟226中，計(jì)算當(dāng)前傳感器位置、航向139、半徑144和距離141的參數(shù)組，并從查找表143檢索相應(yīng)的校正變換Τ(βΙ)。當(dāng)前讀取的Tws校正值按下式計(jì)算:
[0391]Tws (校正)=Tws (測(cè)量)*Τ (校正)[0392]并且系統(tǒng)進(jìn)行步驟228，以使用校正值更新用于最終對(duì)齊的瞄準(zhǔn)顯示器。
[0393]結(jié)合圖26a，根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例，顯示出導(dǎo)航系統(tǒng)術(shù)中校準(zhǔn)的替代方法流程圖，該系統(tǒng)生成校正值的查找表并術(shù)中配準(zhǔn)目標(biāo)結(jié)構(gòu)。通常闡述的替代方法包括如下步驟:配準(zhǔn)目標(biāo)結(jié)構(gòu)，記錄關(guān)鍵傳感器位置子集的校正圖，確定校正函數(shù)，確定傳感器的當(dāng)前測(cè)量位置以及對(duì)測(cè)量位置應(yīng)用校正(如果適用)以估計(jì)更準(zhǔn)確的位置。還參見(jiàn)圖7、圖7a和圖22，此替代方法與圖26所示的方法相同，不同的是圖26的步驟214被替代孔軸線測(cè)量步驟230、234、236、238和240替換，并且所得查找表242和243用于步驟246中以在瞄準(zhǔn)過(guò)程中補(bǔ)償鉆軸線5附近的場(chǎng)發(fā)生器7位置相關(guān)的測(cè)量失真。
[0394]如圖26的步驟214所述，用導(dǎo)航單元I將變換Tws記錄為圍繞鉆軸線5隨機(jī)選擇的航向139，與之不同的是，相反地提示用戶在航向139整個(gè)范圍內(nèi)開(kāi)始圍繞鉆軸線5以正方向140或與方向140相反的負(fù)方向旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航單元I，并通過(guò)配準(zhǔn)工具110使鉆軸線5與鎖緊孔38的軸線保持重合。用戶可以始終圍繞鉆軸線5朝任一方向旋轉(zhuǎn)或來(lái)回旋轉(zhuǎn)。在步驟230中，測(cè)量傳感器10相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器7 (表示為變換Tws)的位置，計(jì)算傳感器到孔的變換Tsh (如以上針對(duì)圖26所述)，計(jì)算相應(yīng)的航向139，并將Tsh和相應(yīng)的角度存儲(chǔ)在查找表242中。另外在步驟230中，開(kāi)始持續(xù)測(cè)量Tws并計(jì)算航向139，然后計(jì)算當(dāng)前測(cè)量航向139和查找表242中航向139的最后記錄值之間的差值。在步驟234中，將當(dāng)前測(cè)量航向139和查找表242中最后記錄航向之間的差值與預(yù)定的角運(yùn)動(dòng)閾值進(jìn)行比較。如果差值超過(guò)閾值，則記錄當(dāng)前測(cè)量的Tws和航向139對(duì)并存儲(chǔ)到查找表242中。在步驟236中，將查找表242中的條目數(shù)與預(yù)定的最小讀取數(shù)進(jìn)行比較。在步驟238中，將查找表242中的航向139分類(lèi)成數(shù)字次序，并將查找表242中連續(xù)有序的航向之間的最大差值與最大角間隙進(jìn)行比較。記錄持續(xù)進(jìn)行，直到同時(shí)達(dá)到查找表242中最小讀取數(shù)和相鄰航向之間的最大允許角間隙。合適的角運(yùn)動(dòng)閾值為三點(diǎn)五度，合適的讀取數(shù)為兩百，以及合適的最大角間隙為兩度。
[0395]在步驟240中，通過(guò)將二次多項(xiàng)式擬合到位置數(shù)據(jù)并將四元數(shù)擬合到與所關(guān)注點(diǎn)相鄰的查找表段中的數(shù)據(jù)，來(lái)內(nèi)插完整的查找表242，從而在相鄰場(chǎng)發(fā)生器航向139的變換Tsh之間形成平滑過(guò)渡?；蛘咴诓襟E240中，可通過(guò)將曲線擬合到步驟230至240中記錄的Tsh值來(lái)確定平滑函數(shù)，所得的函數(shù)得出作為航向139的函數(shù)的校正Tsh值。系統(tǒng)返回步驟212，給予用戶選項(xiàng)以校準(zhǔn)第二鎖緊孔并針對(duì)該孔生成相應(yīng)的查找表243等等，直至所有需要的孔都已校準(zhǔn)，并且每個(gè)孔都有相關(guān)的查找表。至少一個(gè)孔在步驟212校準(zhǔn)之后，用戶可以進(jìn)行步驟216至224，這些步驟如圖26所述。
[0396]在步驟246中，在跟蹤目標(biāo)鎖緊孔期間，導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量傳感器10相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器7的位置，并表示為變換Tws，計(jì)算當(dāng)前場(chǎng)發(fā)生器航向139，并確定當(dāng)前離鉆軸線5最近的校準(zhǔn)孔。檢索與最近校準(zhǔn)孔對(duì)應(yīng)的查找表，找到離當(dāng)前航向最近的查找表中的航向，然后在查找表中檢索相應(yīng)的變換Tsh，并用于在步驟248中生成鎖緊孔坐標(biāo)系136和鉆坐標(biāo)系132之間相對(duì)位置的顯示，從而校正作為航向139函數(shù)的跟蹤誤差。然后，可使用上述孔配準(zhǔn)程序得出的數(shù)據(jù)通過(guò)如下方式檢查鉆軸線5到場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130變換Twd的限定:當(dāng)其圍繞鉆軸線5相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130旋轉(zhuǎn)時(shí)，擬合穿過(guò)從傳感器坐標(biāo)系134原點(diǎn)記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)的平面，將圓形擬合到數(shù)據(jù)點(diǎn)，并比較垂直穿過(guò)圓心的平面和鉆坐標(biāo)系132的Zd軸。還可通過(guò)如下方式優(yōu)化變換Twd:在以上步驟230至240中，圍繞鉆軸線5旋轉(zhuǎn)場(chǎng)發(fā)生器7期間，找到記錄的各數(shù)據(jù)點(diǎn)上鉆坐標(biāo)系132相對(duì)于傳感器坐標(biāo)系134的Zd軸線(在各數(shù)據(jù)點(diǎn)處使用當(dāng)前Twd和記錄的變換Tws),生成一組軸線,并修改Twd直至該組軸線變化達(dá)到最小。例如，采用優(yōu)化方法(如Nelder-Mead單純形法)使該組的每條Zd軸和平均軸之間存在的角度范圍最小化。
[0397]本發(fā)明的另一方面提供用于監(jiān)測(cè)影響與工具集成的場(chǎng)發(fā)生器的測(cè)量條件的方法和裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，工具和場(chǎng)發(fā)生器組件可包括處于相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器的固定位置的參考傳感器，并且參考傳感器位置由導(dǎo)航系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測(cè)，并且可分析參考傳感器位置的標(biāo)稱持續(xù)讀數(shù)的異常變化，其可表示測(cè)量失真、干擾、信號(hào)噪聲等。
[0398]在一些實(shí)施例中，在導(dǎo)航系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)、使用過(guò)程中、和/或用戶發(fā)送命令時(shí)，參考傳感器可以自行校準(zhǔn)。當(dāng)不太可能出現(xiàn)異常干擾或失真條件時(shí)，要校準(zhǔn)參考傳感器，系統(tǒng)可以一次算出大量參考傳感器讀數(shù)的平均值。例如，在上述配準(zhǔn)步驟過(guò)程中，參考傳感器校準(zhǔn)可自動(dòng)執(zhí)行。又如，不存在已知干擾條件的情況下，可提示用戶運(yùn)行參考傳感器校準(zhǔn)。
[0399]在一些實(shí)施例中，可比較參考傳感器位置和系統(tǒng)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的先前值，以指示工具和場(chǎng)發(fā)生器組件特性中可能的系統(tǒng)誤差或改變。例如，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，從存儲(chǔ)器中檢索參考傳感器的最后已知校準(zhǔn)位置，并同當(dāng)前值進(jìn)行比較，如果差值大于選擇的閾值，則可提示用戶檢查造成干擾或失真的條件，運(yùn)行參考傳感器校準(zhǔn)程序或?qū)嵤z修工序。
[0400]在一些實(shí)施例中，來(lái)自參考傳感器的數(shù)據(jù)還可以用于幫助確定某些工具狀態(tài)，例如馬達(dá)是開(kāi)啟還是關(guān)閉，以及確定某些工具使用條件，例如馬達(dá)速度范圍以及是否與目標(biāo)接合。例如，工具可具有電動(dòng)馬達(dá)，并且可在參考傳感器數(shù)據(jù)中搜索與馬達(dá)運(yùn)行與否對(duì)應(yīng)的特性變化。
[0401]使用參考傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)測(cè)量條件并相應(yīng)修改導(dǎo)航系統(tǒng)功能的方法的例子可包括如下步驟:比較參考傳感器位置和/或取向與預(yù)定閾值偏差的選擇參數(shù)，然后激活警報(bào)功能，修改導(dǎo)航系統(tǒng)的選擇特性，和/或當(dāng)選擇的參數(shù)或參數(shù)組合落在預(yù)定值范圍內(nèi)或超出閾值時(shí)，修改導(dǎo)航數(shù)據(jù)的過(guò)濾和處理(包括向用戶顯示導(dǎo)航信息)。參數(shù)可包括參考傳感器的位置和取向，或其時(shí)間導(dǎo)數(shù)，或其任何其他函數(shù)。警報(bào)功能可為用戶界面上的視覺(jué)警報(bào)、導(dǎo)航暫停、警報(bào)器等。導(dǎo)航系統(tǒng)的特性可包括濾波參數(shù)以平滑導(dǎo)航數(shù)據(jù)，例如當(dāng)工具內(nèi)的電動(dòng)馬達(dá)正在運(yùn)行時(shí)，應(yīng)用選擇的濾波器。
[0402]上述用于監(jiān)測(cè)測(cè)量條件的方法和設(shè)備的每個(gè)結(jié)構(gòu)單獨(dú)使用或結(jié)合所述其他結(jié)構(gòu)的一些或全部使用均可能是有利的。在本發(fā)明范圍內(nèi)的其他實(shí)施例可包括上述的和在下文的示例性實(shí)施例中將更詳細(xì)描述的有利結(jié)構(gòu)的子集。
[0403]結(jié)合圖27，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，同時(shí)參見(jiàn)圖7，示出了當(dāng)鐵磁工具進(jìn)入并離開(kāi)場(chǎng)發(fā)生器的測(cè)量范圍從而產(chǎn)生扭曲磁場(chǎng)并造成測(cè)量誤差時(shí)，來(lái)自參考傳感器8的讀數(shù)的曲線圖。垂直軸260是從場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130到參考傳感器坐標(biāo)系137的變換Twr的Zw分量(以毫米計(jì))。水平軸262是Twr的讀取數(shù)量，并且所示曲線圖包括以四十赫茲頻率連續(xù)不斷讀取Twr的三十秒，因此該曲線圖顯示了約一千兩百個(gè)讀數(shù)。曲線264為當(dāng)在三十秒記錄過(guò)程中鐵磁工具進(jìn)入并離開(kāi)測(cè)量范圍七次而產(chǎn)生測(cè)量失真峰266時(shí)的Twr的Zw分量。
[0404]結(jié)合圖28，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，同時(shí)參見(jiàn)圖7，示出了當(dāng)附接的鉆3的電動(dòng)馬達(dá)啟動(dòng)并關(guān)閉從而生成影響導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量的外部磁場(chǎng)時(shí)，來(lái)自參考傳感器8的讀數(shù)的曲線圖。我們觀察到，當(dāng)鉆馬達(dá)正在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鉆例如鉆3可產(chǎn)生磁場(chǎng)扭曲，繼而可產(chǎn)生影響電磁導(dǎo)航系統(tǒng)的高頻信號(hào)噪聲。當(dāng)鉆3的鉆馬達(dá)運(yùn)行時(shí)，此信號(hào)噪聲會(huì)導(dǎo)致瞄準(zhǔn)顯示器變得不穩(wěn)定，并顯示圖形鉆圖標(biāo)392 (圖18和18a中所示)的不真實(shí)運(yùn)動(dòng)。這種不穩(wěn)定的顯示行為使用戶難以在鉆孔期間保持并檢查對(duì)齊。在圖28中，垂直軸270是從場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130到參考傳感器坐標(biāo)系137的變換Twr的Zw分量。水平軸272是Twr的讀取數(shù)量,并且所示曲線圖包括以四十赫茲頻率連續(xù)不斷讀取Twr的三十秒，因此該曲線圖顯示了約一千兩百個(gè)讀數(shù)。曲線274為當(dāng)在三十秒記錄過(guò)程中啟動(dòng)并關(guān)閉鉆3從而在鉆馬達(dá)運(yùn)行期間產(chǎn)生測(cè)量失真276時(shí)的Twr的Zw分量。
[0405]本發(fā)明的另一方面提供用于過(guò)濾從與工具集成的場(chǎng)發(fā)生器所得的測(cè)量數(shù)據(jù)的方法和設(shè)備，其可包括因干擾或測(cè)量誤差來(lái)改變的數(shù)據(jù)的檢測(cè)、排除、校正或估算。此方法的實(shí)施例可包括如下步驟:讀取當(dāng)前傳感器位置和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；計(jì)算選擇時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)的選擇特性；將這些特性與預(yù)定閾值進(jìn)行比較；如果選擇特性超過(guò)選擇閾值，則刪除當(dāng)前數(shù)據(jù)；以及在當(dāng)前讀取之前的選擇時(shí)間段內(nèi)，監(jiān)測(cè)刪除位置和取向讀數(shù)的頻率，如果此頻率超過(guò)選擇閾值，則向用戶顯示警報(bào)，并且任選地顯示由之前數(shù)據(jù)計(jì)算的當(dāng)前位置和取向的估計(jì)值。
[0406]在另一個(gè)實(shí)施例中，處于相對(duì)于場(chǎng)發(fā)生器的固定位置的參考傳感器用于提供干擾噪聲的相關(guān)測(cè)量，并用于除去其他傳感器中的干擾噪聲?？梢杂镁€性自適應(yīng)除噪技術(shù)或使用噪聲參考源作為輸入的任何其他消除方法進(jìn)行噪聲消除。例如，可將卡爾曼濾波器應(yīng)用于傳感器讀數(shù)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，還可以應(yīng)用利用輸入信號(hào)統(tǒng)計(jì)調(diào)整其濾波器行為的任何其他自適應(yīng)方法，例如遞歸貝葉斯估計(jì)方法。
[0407]上述用于過(guò)濾從與工具集成的場(chǎng)發(fā)生器所得的測(cè)量數(shù)據(jù)的方法和設(shè)備的每個(gè)結(jié)構(gòu)單獨(dú)使用或結(jié)合所述其他結(jié)構(gòu)的一些或全部使用均可能是有利的。在本發(fā)明范圍內(nèi)的其他實(shí)施例可包括上述的和在下文的示例性實(shí)施例中將更詳細(xì)描述的有利結(jié)構(gòu)的子集。
[0408]結(jié)合圖29，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，示出了取向誤差與場(chǎng)發(fā)生器航向的關(guān)系曲線圖。還參見(jiàn)圖7和圖7a，該曲線圖顯示圍繞鉆軸線5完全旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航單元I和鉆3得到的數(shù)據(jù)，其中鉆3的馬達(dá)關(guān)閉，并且不存在明顯的磁場(chǎng)干擾。垂直軸290是從場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130到傳感器坐標(biāo)系134的跟蹤變換Tws的角度中的角度誤差。水平軸292是導(dǎo)航單元I和鉆3圍繞鉆軸線5的航向139。曲線294是內(nèi)翻外翻角度誤差，其被限定為圍繞鎖緊孔坐標(biāo)系136的Yh軸的旋轉(zhuǎn)。曲線296是倒轉(zhuǎn)角度誤差，其被限定為圍繞釘37的縱向中心線40的旋轉(zhuǎn)。曲線294示出了基本平滑的誤差函數(shù)，其在正或負(fù)的二分之一度范圍內(nèi)，該誤差值在典型電磁跟蹤系統(tǒng)的正常能力范圍內(nèi)，此系統(tǒng)具有要安裝在手持工具上的足夠小的場(chǎng)發(fā)生器和用于示例性應(yīng)用的足夠小的傳感器元件。曲線296示出了倒轉(zhuǎn)高達(dá)兩度的誤差的平滑圖案，由于倒轉(zhuǎn)誤差是圍繞傳感器坐標(biāo)系134的Zs軸的旋轉(zhuǎn)，該誤差是預(yù)測(cè)值，且該誤差通常要比圍繞剩余的兩條軸Xs和Ys的旋轉(zhuǎn)測(cè)量的精確度低二至四倍。這是電磁跟蹤系統(tǒng)的典型特征，并且原因在于傳感器10內(nèi)的傳感線圈物理構(gòu)造被限制為配合到圍繞Zs軸的小半徑中，以便使傳感器10足夠小從而沿縱向中心線40配合到釘37的管道內(nèi)。然而已觀察到具有高達(dá)四度誤差大小的倒轉(zhuǎn)誤差異常值298，造成不同航向139的跟蹤準(zhǔn)確度明顯不一致，并可導(dǎo)致當(dāng)瞄準(zhǔn)顯示器指示正確對(duì)齊時(shí)鉆軸線5與鎖緊孔38基本上不對(duì)齊。
[0409]結(jié)合圖30，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，示出了用于導(dǎo)航期間平滑處理并校正傳感器位置和取向數(shù)據(jù)的濾波方法的流程圖。該方法一般包括使用跟蹤傳感器位置和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，任選地與參考傳感器數(shù)據(jù)組合，來(lái)確定信號(hào)處理參數(shù)并告知用戶測(cè)量條件。
[0410]還參見(jiàn)圖7，在步驟300中，從導(dǎo)航系統(tǒng)接收當(dāng)前數(shù)據(jù)讀數(shù)。典型導(dǎo)航系統(tǒng)返回參數(shù)和空間位置數(shù)據(jù)，指示是否存在數(shù)據(jù)，如果存在，則指示其是否有效或可能不可靠。在步驟302中，評(píng)估導(dǎo)航系統(tǒng)給出的參數(shù)，如果當(dāng)前讀數(shù)可用，則系統(tǒng)進(jìn)行步驟304，在該步驟中評(píng)估來(lái)自參考傳感器的數(shù)據(jù)。如果在步驟302中確定當(dāng)前讀數(shù)丟失或無(wú)效，則系統(tǒng)使丟失樣本計(jì)數(shù)器變址加1，并在步驟316中將丟失數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器與預(yù)選極限進(jìn)行比較?；蛘卟襟E316中丟失數(shù)據(jù)的極限可以為在選擇時(shí)間段或自最后可用讀取起的選擇時(shí)間段內(nèi)丟失讀數(shù)的百分比。如果已達(dá)到丟失數(shù)據(jù)的極限，系統(tǒng)轉(zhuǎn)至步驟318，并激活不可讀數(shù)據(jù)狀態(tài)或警報(bào)。最常見(jiàn)情況下傳感器10超出范圍會(huì)激活步驟318，然而，可根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)給出的參數(shù)檢測(cè)其他條件，并將此信息傳到步驟318以激活更明確的警報(bào)(例如，傳感器未插電、場(chǎng)發(fā)生器未插電、以及無(wú)法辨識(shí)的傳感器類(lèi)型)。
[0411]如果在步驟302中讀取成功，則接收到從場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130到傳感器坐標(biāo)系134的變換Tws和從場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130到參考傳感器坐標(biāo)系137的Twr，并且在步驟304中，將當(dāng)前變換Twr (i)與系統(tǒng)存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)的常數(shù)Twr進(jìn)行比較。如果當(dāng)前Twr (i)與存儲(chǔ)的常數(shù)Twr相差超出預(yù)定極限，則指示某種形式的干擾或跟蹤失真，并且系統(tǒng)轉(zhuǎn)至干擾評(píng)估與分類(lèi)步驟320。
[0412]還參見(jiàn)圖27和圖28，如曲線284所示，由鐵磁物體干擾引起的失真266與由鉆馬達(dá)干擾引起的失真276彼此可區(qū)分且與正常瞄準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程跟蹤的參考傳感器位置可區(qū)分。因此，通過(guò)在瞄準(zhǔn)過(guò)程中持續(xù)監(jiān)測(cè)參考傳感器8，當(dāng)檢測(cè)到具有超出預(yù)定閾值的參數(shù)的、與失真266相似的失真時(shí)可以激活警報(bào)消息。磁性物體干擾檢測(cè)的合適參數(shù)對(duì)于位置而言是三毫米的閾值，并且對(duì)于表示為四元數(shù)的取向而言是0.01的閾值。相似地，通過(guò)監(jiān)測(cè)具有超出預(yù)定閾值的參數(shù)的、與失真276相似的失真，可以檢測(cè)鉆3中鉆馬達(dá)的激活，并且信號(hào)處理參數(shù)例如噪聲濾波參數(shù)也可以相應(yīng)變化。相似地，附近設(shè)備的循環(huán)干擾通常也具有不同的Twr (i)變化模式。干擾也可產(chǎn)生不同的Tws (i)變化，從而也可用于對(duì)干擾類(lèi)型進(jìn)行檢測(cè)和分類(lèi)。干擾也可產(chǎn)生不同的Tws(i)變化，從而也可用于對(duì)干擾類(lèi)型進(jìn)行檢測(cè)和分類(lèi)。在步驟320中，識(shí)別干擾類(lèi)型，并將其分類(lèi)為類(lèi)型322、324或326。
[0413]在步驟328中，可根據(jù)檢測(cè)到的干擾類(lèi)型，選擇濾波和數(shù)據(jù)平滑參數(shù)，使數(shù)據(jù)可以使用，或如果數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確(例如，由于鐵磁物體太靠近場(chǎng)發(fā)生器7或傳感器10而引起恒定場(chǎng)扭曲的情況)，濾波無(wú)法使數(shù)據(jù)可用，于是系統(tǒng)進(jìn)行步驟330，在該步驟激活警報(bào)。如果在步驟304中，當(dāng)前Twr (i)在預(yù)定極限內(nèi)匹配存儲(chǔ)常數(shù)Twr，則系統(tǒng)進(jìn)行步驟306，確定傳感器10處于測(cè)量范圍的什么區(qū)域。
[0414]通常，導(dǎo)航系統(tǒng)在遠(yuǎn)范圍中具有較差的響應(yīng)、準(zhǔn)確性和精度，這可導(dǎo)致較高的測(cè)量噪聲水平，繼而出現(xiàn)跳躍或不穩(wěn)定的瞄準(zhǔn)顯示。在示例性實(shí)施例中，場(chǎng)發(fā)生器7的測(cè)量范圍劃分為兩種范圍，即近范圍和遠(yuǎn)范圍。近范圍被限定為傳感器10處于圍繞場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130的Zw軸、從Zw負(fù)五毫米處延伸到負(fù)一百八十毫米并具有一百一十毫米半徑的圓柱形體積內(nèi)。遠(yuǎn)范圍被限定為傳感器10處于圍繞場(chǎng)發(fā)生器坐標(biāo)系130的Zw軸、從Zw負(fù)五毫米處延伸到負(fù)二百七十五毫米并具有二百毫米半徑的圓柱形體積內(nèi)，但不包括以上限定的近范圍體積。如果當(dāng)前讀數(shù)Tws(i)處于遠(yuǎn)范圍內(nèi)，則系統(tǒng)進(jìn)行步驟332，并應(yīng)用適合遠(yuǎn)范圍的濾波參數(shù)。在示例性實(shí)施例中，使用移動(dòng)平均濾波器，默認(rèn)處于近范圍時(shí)平均超過(guò)十個(gè)樣本，處于遠(yuǎn)范圍時(shí)則增加到二十個(gè)樣本。在步驟308中，將默認(rèn)低通濾波器或前述步驟中確定的濾波參數(shù)應(yīng)用到Tws。在步驟310中，將當(dāng)前濾波Tws(i)與前面的值進(jìn)行比較，并確定Tws (i)是否為異常值298 (如圖29所示)。
[0415]在示例性實(shí)施例中，通過(guò)將選擇時(shí)間段內(nèi)的Tws變化值與閾值進(jìn)行比較，來(lái)檢測(cè)異常值298。如果變化值明顯高于瞄準(zhǔn)過(guò)程中正常記錄的值，則指示異常值298。合適的時(shí)間段為五十毫秒，并且對(duì)于平移而言合適的變化閾值為十毫米，對(duì)于用四元數(shù)表示的取向而言合適的變化閾值為0.25，這兩種閾值應(yīng)用于絕對(duì)值之和。如果檢測(cè)到異常值298，系統(tǒng)進(jìn)行步驟334，并丟棄當(dāng)前讀數(shù)，丟失讀數(shù)計(jì)數(shù)器被變址，并且系統(tǒng)返回至步驟316。如果在步驟310中確定Tws (i)不是異常值，則系統(tǒng)進(jìn)行步驟312，在該步驟處用濾波數(shù)據(jù)更新瞄準(zhǔn)顯示器，然后進(jìn)行步驟314，在該步驟處從導(dǎo)航系統(tǒng)檢索下一個(gè)數(shù)據(jù)樣本。
[0416]圖31至圖38示出了本發(fā)明某方面的實(shí)施例的若干例子，提供了將骨斷片鎖緊到頂釘?shù)脑O(shè)備和方法，其中采用的鎖緊方式可臨時(shí)或永久地維持穿過(guò)沿釘?shù)目v向中心線的管道的開(kāi)放通道。
[0417]結(jié)合圖31，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，具有軸部分156和末端部分154的傳感器工具10配合到植入股骨354的頂釘37內(nèi)。在釘37在股骨354中插入和定位過(guò)程中，插入工具39臨時(shí)螺栓連接到釘37。插入工具39還具有導(dǎo)向孔，以將近側(cè)鎖緊鉆頭344與近側(cè)鎖緊孔346對(duì)齊。近側(cè)鎖緊鉆頭344穿過(guò)釘37的近側(cè)鎖緊孔346，然后通過(guò)導(dǎo)絲374向上延伸進(jìn)入股骨頭348制備孔，以便在工序的后期安裝永久鎖緊元件(未示出)。末端部分154包含以上在圖1a至圖6中所述的傳感器元件，并如上所述用于定位釘37的遠(yuǎn)側(cè)鎖緊孔38，特別是在鉆通股骨354中引導(dǎo)鉆與遠(yuǎn)側(cè)鎖緊孔38成一直線，以便安裝遠(yuǎn)側(cè)鎖緊螺釘 352。
[0418]結(jié)合圖32，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，近側(cè)鎖緊鉆頭344顯示具有管道376、寬366和長(zhǎng)368的狹槽孔356、以及與狹槽孔356對(duì)齊的標(biāo)記358。標(biāo)記358與狹槽孔356的尺寸和形狀相同，位于沿鉆頭344的選擇距離370，以便當(dāng)鉆頭344穿過(guò)所需最大深度進(jìn)入股骨354 (參見(jiàn)圖31)時(shí)在患者身體外面可見(jiàn)，并且其復(fù)制在鉆頭344相對(duì)側(cè)，使得在鉆頭344旋轉(zhuǎn)中，用戶可以在一百八十度的間隔處看到狹槽孔356的取向。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，標(biāo)記358可替代地為指示狹槽孔356旋轉(zhuǎn)取向的任何合適指示器(例如，箭頭、孔、溝槽或狹槽)，其位于圍繞鉆頭344的縱向軸線的相對(duì)于狹槽孔356的已知固定旋轉(zhuǎn)取向上，并且將認(rèn)識(shí)到可使用單個(gè)標(biāo)記358。
[0419]參見(jiàn)圖31、圖32和圖33，鉆頭344的直徑360選擇為適于將穿過(guò)近側(cè)鎖緊孔346安裝的永久鎖緊元件，狹槽孔寬度366選擇為與釘管道直徑372相似，且足夠大以便傳感器工具10的末端部分154可以穿過(guò)，并且狹槽孔長(zhǎng)度368選擇為涵蓋不同體格患者之中遇到的釘37和股骨頭348之間距離的范圍。鉆頭344的合適直徑360 Si毫米，狹槽孔356的合適寬度366為六毫米，并且狹槽孔356的合適長(zhǎng)度368為二十毫米。管道376具有選擇的直徑，以便在導(dǎo)絲374上滑動(dòng)。合適直徑的例子是對(duì)于導(dǎo)絲374為3.2毫米，對(duì)于管道376為3.4毫米。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，狹槽孔356可替代地為不同形狀，例如，可以使用卵圓形、橢圓形或圓柱形孔。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員還將認(rèn)識(shí)到，根據(jù)傳感器工具10的尺寸和柔性，狹槽孔356可以偏離釘37的中心線，無(wú)需關(guān)于釘37的中心線對(duì)稱，并且可以具有凹口或凹槽的形式而非窗孔。[0420]結(jié)合圖32a，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，示出了近側(cè)鎖緊鉆頭344的側(cè)視圖，其中管道376和標(biāo)記358可見(jiàn)。
[0421]結(jié)合圖3，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，示出了僅在近側(cè)股骨區(qū)域中的在經(jīng)過(guò)股骨354中線的額狀面截取的剖面圖。傳感器工具10的軸部分156具有軸直徑160，合適的直徑在三至四毫米的范圍內(nèi)，并且釘37具有沿其軸線的管道，該管道具有通常在四至五毫米范圍內(nèi)的直徑372。如圖所示，鉆頭344顯示已通過(guò)導(dǎo)絲374鉆入如外科醫(yī)生確定的進(jìn)入股骨頭348的合適深度，并且導(dǎo)絲374已從側(cè)向拉出足夠長(zhǎng)以騰空釘37中的管道直徑372，并且可任選地完全取出。通過(guò)目測(cè)將標(biāo)記358和患者肢體對(duì)齊，使鉆頭344的狹槽孔356與釘37中的管道大致對(duì)齊，使得當(dāng)傳感器工具10安裝到釘37內(nèi)時(shí)，傳感器工具10的末端部分154 (參見(jiàn)圖31)和軸部分156可穿過(guò)狹槽孔356。
[0422]結(jié)合圖31、圖32和圖33，本發(fā)明某方面的示例性使用方法如下:使用附接的插入工具39將頂釘37插入股骨354中。設(shè)置股骨354斷片并固定釘37在股骨354中的位置，并且通過(guò)導(dǎo)絲374將鉆頭344穿過(guò)近側(cè)鎖緊孔346并進(jìn)入股骨頭348到達(dá)合適深度。然后，將鉆頭344旋轉(zhuǎn)至一定位置，其中標(biāo)記358處于相對(duì)股骨354的近側(cè)和遠(yuǎn)側(cè)面向位置。然后，將導(dǎo)絲374向后拉出股骨，而鉆頭344保留在原處，以便將股骨354的近側(cè)斷片保持就位。接著，將傳感器工具10插入釘37中，以便于遠(yuǎn)側(cè)鎖緊螺釘352的安裝。當(dāng)遠(yuǎn)側(cè)鎖緊完成時(shí)，移除傳感器工具10，可根據(jù)需要重新插入導(dǎo)絲374，取出鉆頭344，并且通過(guò)近側(cè)鎖緊孔346將永久近側(cè)鎖緊元件(未示出)安裝到股骨頭348中。
[0423]參見(jiàn)圖31至33，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，其他實(shí)施例也可行，其中作為鉆頭344的替代，可以使用具有與狹槽孔356相似的狹槽孔的臨時(shí)螺柱或?qū)Ыz(以下圖34、35和36中示出了一種此類(lèi)示例性替代實(shí)施例)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還將認(rèn)識(shí)到，與狹槽孔356相似的狹槽孔可以直接設(shè)置在永久鎖緊元件中。
[0424]結(jié)合圖34，根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例，示出了臨時(shí)鎖緊螺柱420的頂視圖。使用過(guò)程中，將螺柱420 —端螺紋連接到股骨頭中，其中螺紋422與股骨頭斷片接合。此區(qū)域中的外徑424可以為例如5.4毫米。將螺柱420沿其整個(gè)長(zhǎng)度插入，管道具有選擇的直徑426，以適于在導(dǎo)絲上滑動(dòng)(參見(jiàn)圖36)。狹槽孔428具有約等于或大于頂釘37的管道直徑372(參見(jiàn)圖33)的寬度430并具有長(zhǎng)度432。選擇長(zhǎng)度432，以允許沿螺柱420軸線從釘37中心線向上進(jìn)入股骨頭348到達(dá)螺柱420末端的距離范圍，使得安裝螺柱420時(shí)，釘37的中心線位于長(zhǎng)度432內(nèi)。要適應(yīng)患者人群中遇到的股骨頸長(zhǎng)度范圍，可提供具有不同狹槽孔長(zhǎng)度432和總長(zhǎng)度434的一組螺柱420。指示器孔436與狹槽孔428對(duì)齊，還具有適于插銷(xiāo)扳手或桿插入的直徑，以允許螺柱420輕松轉(zhuǎn)動(dòng)而插入和移除。例如，指示器孔436的合適直徑為4.4毫米。
[0425]結(jié)合圖35，示出了圖34中所示的本發(fā)明替代實(shí)施例的前視圖。示出了替代實(shí)施例的臨時(shí)鎖緊螺柱420。螺柱420具有縱向軸線438。狹槽孔428以角度440取向，選擇此角度以使典型股骨頸與軸角匹配。角度440的合適值為一百三十度。還示出了指示器孔436。
[0426]結(jié)合圖36，根據(jù)圖34所示的本發(fā)明替代實(shí)施例，示出了僅在近側(cè)股骨區(qū)域中的在經(jīng)過(guò)股骨354中線的額狀面截取的剖面圖。如圖所示，一端具有螺紋444的導(dǎo)絲442插入在股骨頭348內(nèi)，其中螺紋444接合在股骨頭348外表面附近的皮質(zhì)骨中。如圖所示，螺柱420位于導(dǎo)絲442上的適當(dāng)位置，其中螺紋422與導(dǎo)絲螺紋444側(cè)面的股骨頭348相接合。通過(guò)目測(cè)將指示器孔436與患者肢體對(duì)齊，使螺柱420中的狹槽孔428與釘37中的管道大致對(duì)齊，使得可以在不失去股骨頭348穩(wěn)定性的情況下，臨時(shí)取出導(dǎo)絲442，然后當(dāng)傳感器工具10沿方向446安裝到釘37的管道中時(shí)，傳感器工具10 (另參見(jiàn)圖31)可以穿過(guò)狹槽孔428。在完成遠(yuǎn)側(cè)鎖緊并移除傳感器工具10之后，可以重新插入導(dǎo)絲442，并將其擰回到股骨頭348，移除螺柱420以及將永久鎖緊元件安裝在導(dǎo)絲442上。
[0427]結(jié)合圖31和圖34至36，本發(fā)明替代實(shí)施例的使用方法類(lèi)似于示例性實(shí)施例的使用方法，不同的是使用鉆頭僅鉆取股骨354的外側(cè)皮質(zhì)，并且用螺柱420替換鉆頭344。當(dāng)優(yōu)選不鉆通股骨頸并進(jìn)入股骨頭348而是只使用導(dǎo)絲442來(lái)穩(wěn)定股骨頭348并引導(dǎo)永久鎖緊元件安裝時(shí)，可以使用此方法。
[0428]結(jié)合圖37、圖37a和圖38，示出了適用于特定應(yīng)用的本發(fā)明的第二替代實(shí)施例，該應(yīng)用中鎖緊孔直徑類(lèi)似管道直徑，這種情況下，用于鉆取鎖緊孔的鉆頭太小，無(wú)法適應(yīng)示例性實(shí)施例中所示的狹槽孔。圖37示出了具有外部506和柱塞508的螺柱504。外徑502被選擇為滑動(dòng)配合在骨內(nèi)針對(duì)鎖緊螺釘所制作的鉆孔522(參見(jiàn)圖38)中。膨脹末端部分510具有兩條狹縫500，將膨脹末端部分510劃分為四個(gè)象限。
[0429]圖37a是螺柱504的剖面圖，示出了滑動(dòng)配合在外部506內(nèi)的柱塞508。螺柱504可以由例如不銹鋼、鈦、或由高模量可熱壓塑料如PEEK、或由提供足夠撓曲和剪切抗性的任何其他材料制成。
[0430]圖38是骨512的剖面圖，其中植入了頂釘514并且螺柱504顯示為接合在骨512的僅一層皮質(zhì)和釘514的一個(gè)壁中。釘514具有直徑520的管道，該直徑與鎖緊孔直徑518相似。鎖緊孔鉆直徑522稍微小于鎖緊孔直徑518。使用時(shí)，鎖緊孔鉆(未示出)穿過(guò)軟組織516、骨512的一層皮質(zhì)、釘514以及骨512的相對(duì)皮質(zhì)。螺柱504通過(guò)所得的鉆孔滑動(dòng)足夠遠(yuǎn)以接合釘514的一個(gè)壁，并相對(duì)于外部506向下推動(dòng)柱塞508，向外擴(kuò)大末端部分510(參見(jiàn)圖37和37a)，使之與鎖緊孔518過(guò)盈配合。在鉆孔后并且在螺柱504安裝前或安裝后，傳感器工具軸部分156可穿過(guò)釘514中的管道。因此，當(dāng)傳感器工具10 (參見(jiàn)圖31)在使用中時(shí)，螺柱504將釘514固定在相對(duì)于骨512的適當(dāng)位置。當(dāng)不再需要傳感器工具10時(shí)，將其移除，移除螺柱504，并穿過(guò)骨512和釘514安裝永久鎖緊元件(例如鎖緊螺釘，未示出)。
[0431]本發(fā)明的某些實(shí)施例包括由本文所述的一種或多種工具和裝置構(gòu)成的套件。例如，套件可包括如本文所述的一種或多種傳感器工具和一種或多種植入物或這些傳感器工具可使用的其他組件。此類(lèi)套件還可包括可附接到插入物或其他組件上的一個(gè)或多個(gè)插入工具。傳感器工具和插入工具可配置有允許傳感器工具能夠拆卸地連接到插入工具的結(jié)構(gòu)。此類(lèi)套件還可包括配準(zhǔn)工具，用于使工具與植入物或其他組件配準(zhǔn)。套件的另一個(gè)例子包括工具以及可附接到此工具的場(chǎng)發(fā)生器、可附接到此工具的顯示器和可附接到此工具的導(dǎo)航單元中的一種或多種。在某個(gè)實(shí)施例中，套件包括多種不同工具和場(chǎng)發(fā)生器，并且工具被配置成允許場(chǎng)發(fā)生器連接到不同工具中的任何一種。導(dǎo)航單元可包括場(chǎng)發(fā)生器和顯示器(其可以固定到導(dǎo)航單元或從導(dǎo)航單元拆下)。此類(lèi)套件還可包括配準(zhǔn)工具，用于使工具與植入物或其他組件配準(zhǔn)。此類(lèi)套件也可包括一種或多種工具構(gòu)件，例如一種或多種鉆頭、鋸、銷(xiāo)、銑刀等。
[0432]所有專(zhuān)利公開(kāi)、專(zhuān)利和專(zhuān)利申請(qǐng)以引用方式并入本文，其引用程度如同明確且獨(dú)立地指明每個(gè)獨(dú)立的專(zhuān)利公開(kāi)或?qū)＠暾?qǐng)是以引用方式并入的。
[0433]術(shù)語(yǔ)解釋
[0434]除非上下文另有明確要求，否則整篇說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求中:
[0435]?“包括”、“包含”等應(yīng)解釋為包含性意義，而非排他性或窮舉性意義；也就是說(shuō)，“包括但不僅限于”的意義。
[0436].“連接”、“聯(lián)接”或其任何變體表示兩個(gè)或更多個(gè)元件之間直接或間接的任何連接或聯(lián)接；元件之間的聯(lián)接或連接可以是物理的、邏輯的或其組合。
[0437]?“本文”、“上文”、“下文”和類(lèi)似含義的詞語(yǔ)在用來(lái)描述本說(shuō)明書(shū)時(shí)，應(yīng)是將本說(shuō)明書(shū)視為一個(gè)整體，而非本說(shuō)明書(shū)的任何具體部分。
[0438].涉及兩個(gè)或更多個(gè)項(xiàng)目的列表的“或”涵蓋以下對(duì)該詞的解釋:列表中的任何一個(gè)項(xiàng)目、列表中的全部項(xiàng)目、以及列表中項(xiàng)目的任何組合。
[0439].單數(shù)形式的“一個(gè)”、“一種”和“該”還包括任何適當(dāng)復(fù)數(shù)形式的意思。
[0440]本說(shuō)明書(shū)和任何所附權(quán)利要求(存在時(shí))中使用的表示方向例如“垂直”、“橫向”、“水平”、“向上”、“向下”、“向前”、“向后”、“向內(nèi)”、“向外”、“垂直”、“橫向”、“左”、“右”、“前”、“后”、“頂部”、“底部”、“下面”、“上面”、“下方”等的詞依據(jù)所描述和闡述的設(shè)備的具體取向。本文所述的主題可具有多個(gè)可供選擇的取向。因此，這些方向性術(shù)語(yǔ)沒(méi)有嚴(yán)格限定，不應(yīng)進(jìn)行狹義解釋。
[0441]可使用如下實(shí)現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)據(jù)處理特征:專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的硬件；可配置硬件；通過(guò)提供能夠在數(shù)據(jù)處理器中執(zhí)行的軟件(其可任選地包括“固件”)而配置的可編程數(shù)據(jù)處理器；專(zhuān)用計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)處理器，其經(jīng)具體編程、配置或構(gòu)造以執(zhí)行本文詳細(xì)說(shuō)明的方法中的一個(gè)或多個(gè)步驟；和/或這些之中的兩種或更多種的組合。專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的硬件的例子為:邏輯電路、專(zhuān)用集成電路(“ASIC”)、大規(guī)模集成電路(“LSI”)、超大規(guī)模集成電路(“VLSI”)等?？膳渲糜布睦訛?一種或多種可編程邏輯設(shè)備，例如可編程陣列邏輯(“PAL”)、可編程序邏輯陣列(“PLA”)以及現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(“FPGA”)?？删幊虜?shù)據(jù)處理器的例子為:微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器(“DSP”)、嵌入式處理器、圖形處理器、數(shù)學(xué)協(xié)處理器、通用計(jì)算機(jī)、服務(wù)器計(jì)算機(jī)、云計(jì)算機(jī)、大型計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)工作站等。例如，設(shè)備控制電路中的一種或多種數(shù)據(jù)處理器可通過(guò)執(zhí)行處理器可訪問(wèn)的程序存儲(chǔ)器中的軟件指令來(lái)實(shí)施本文所述的方法?？梢圆捎眠@些方式的任何一種實(shí)施上述方法的任何一種。根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的系統(tǒng)可配置成執(zhí)行本文所述的一種或多種方法。如果系統(tǒng)被配置成執(zhí)行本文所述的不止一種功能或方法，則可使用相同或不同硬件實(shí)施不同方法或功能。例如，計(jì)算機(jī)處理器可用于為位置傳感系統(tǒng)提供計(jì)算，也用于協(xié)調(diào)和/或?qū)嵤┍疚乃龅囊环N或多種方法。在其他實(shí)施例中，可使用不同硬件實(shí)施不同方法和/或不同功能。
[0442]處理可為集中式或分布式。如果處理為分布式，則包括軟件和/或數(shù)據(jù)的信息可集中式或分布式保存。此類(lèi)信息可經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)例如局域網(wǎng)(LAN)、廣域網(wǎng)(WAN)、互聯(lián)網(wǎng)、有線或無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路、電磁信號(hào)或其他數(shù)據(jù)通信信道，在不同功能單元之間交換。
[0443]軟件和其他模塊可存在于服務(wù)器、工作站、個(gè)人計(jì)算機(jī)、平板計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器或適合本文所述目的其他設(shè)備上。
[0444]本發(fā)明的某些實(shí)施例也可以程序產(chǎn)品的形式提供。程序產(chǎn)品可包括任何非臨時(shí)性介質(zhì)，這些介質(zhì)攜帶了一組計(jì)算機(jī)可讀指令，這些指令在由數(shù)據(jù)處理器執(zhí)行時(shí)，促使數(shù)據(jù)處理器執(zhí)行本發(fā)明的方法。根據(jù)本發(fā)明的程序產(chǎn)品可以為各種形式中的任何一種。程序產(chǎn)品包括例如非臨時(shí)性介質(zhì)如磁性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)(包括軟盤(pán))、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)(包括⑶ROM、DVD)、電子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)(包括ROM、閃存、EPR0M)、硬連線或預(yù)編程芯片(如，EEPROM半導(dǎo)體芯片)、納米技術(shù)存儲(chǔ)器等。程序產(chǎn)品上的計(jì)算機(jī)可讀信號(hào)可任選地進(jìn)行壓縮或加密。
[0445]如果上文提到組件(如聯(lián)接件、傳感器、場(chǎng)發(fā)生器、顯示器、工具、軟件模塊、處理器、組合件、裝置、電路等)，除非另外指明，否則所提到的該組件(包括提到的“裝置”)應(yīng)當(dāng)理解為包括執(zhí)行所述組件功能的任何組件的組件等同物(即功能上的等效)，包括與執(zhí)行本發(fā)明的所示示例性實(shí)施例中的功能的本發(fā)明所公開(kāi)的結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上不等同的組件。
[0446]出于說(shuō)明的目的，系統(tǒng)、方法和設(shè)備的具體實(shí)例已在本文進(jìn)行描述。這些僅為實(shí)例。本文提供的技術(shù)可應(yīng)用于除上述示例性系統(tǒng)以外的系統(tǒng)。在本發(fā)明實(shí)踐中，可以有多種變化、修改、增加、省略和排列。本發(fā)明包括對(duì)于技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的所述實(shí)施例的變型，包括通過(guò)以下方式得到的變型:用等同的結(jié)構(gòu)、元件/或行為替換結(jié)構(gòu)、元件和/或行為；混合搭配不同實(shí)施例中的結(jié)構(gòu)、元件和/或行為；將本文所述實(shí)施例的結(jié)構(gòu)、元件和/或行為與其他技術(shù)的結(jié)構(gòu)、元件和/或行為組合；和/或省略所述實(shí)施例中組合的結(jié)構(gòu)、元件和/或行為。
[0447]本文所述設(shè)備的另一個(gè)示例性應(yīng)用為安裝工具的顯示器。該顯示器可與銑刀一起使用以監(jiān)測(cè)切割過(guò)程，可在鋸上使用以控制對(duì)齊和/或切割深度，可在鉸刀上使用以控制髖臼杯元件布置，可在銷(xiāo)插入導(dǎo)向器上使用以控制克氏針的插入等。
[0448]所述方法可以變化。例如，當(dāng)流程或區(qū)塊按給定順序出現(xiàn)時(shí)，可供選擇的實(shí)例可以不同順序執(zhí)行具有步驟的程序，或應(yīng)用具有區(qū)塊的系統(tǒng)，并且一些流程或區(qū)塊可以刪除、移動(dòng)、添加、細(xì)分、組合和/或修改以提供替代物或子組合?？梢酝ㄟ^(guò)多種不同方式實(shí)施這些流程或區(qū)塊中的每個(gè)。另外，雖然流程或區(qū)塊有時(shí)顯示為連續(xù)執(zhí)行，但這些流程或區(qū)塊可相反地并行執(zhí)行，或可在不同時(shí)間執(zhí)行。此外，雖然元件有時(shí)顯示為按順序執(zhí)行，但它們可相反地同時(shí)執(zhí)行，或按不同順序執(zhí)行。
[0449]雖然上文描述了許多示例性方面和實(shí)施例，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將識(shí)別出某些修改、變更、添加和其子組合。因此，以下所附權(quán)利要求書(shū)和下文引入的權(quán)利要求應(yīng)理解為包括所有這些修改、變更、添加和子組合。
【權(quán)利要求】
1.一種手持工具，包括: 能夠手持的主體； 聯(lián)接到所述主體的工具構(gòu)件； 聯(lián)接到所述主體的場(chǎng)發(fā)生器，所述場(chǎng)發(fā)生器能夠操作以發(fā)射用于通過(guò)位置傳感系統(tǒng)的傳感器進(jìn)行檢測(cè)的場(chǎng)，所述場(chǎng)允許測(cè)定所述傳感器相對(duì)于所述場(chǎng)發(fā)生器的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手持工具，其中所述場(chǎng)發(fā)生器被支撐在相對(duì)于所述工具構(gòu)件的軸線固定的位置且位于所述工具構(gòu)件上的點(diǎn)處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的手持工具，其中所述場(chǎng)發(fā)生器被配置成發(fā)射電磁場(chǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的手持工具，包括被聯(lián)接成致動(dòng)所述工具構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)的馬達(dá)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的手持工具，其中所述工具構(gòu)件包括轉(zhuǎn)刀。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的手持工具，其中所述場(chǎng)發(fā)生器相對(duì)于所述轉(zhuǎn)刀在5個(gè)自由度上是固定的，使得所述轉(zhuǎn)刀和所述場(chǎng)發(fā)生器之間的唯一顯著的經(jīng)允許的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為所述轉(zhuǎn)刀圍繞所述轉(zhuǎn)刀的固定旋轉(zhuǎn)軸線的相對(duì)旋轉(zhuǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的手持工具，其中所述工具構(gòu)件包括鉆頭。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的手持工具，其中所述工具構(gòu)件包括鋸片。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的手持工具，其中所述工具構(gòu)件包括選自以下的刀具:銑刀、擴(kuò)孔鉆、鉆頭、以及鋸片。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的手持工具，其中所述工具構(gòu)件包含鐵磁材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的手持工具，其中將所述馬達(dá)聯(lián)接成使所述工具構(gòu)件圍繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)或樞轉(zhuǎn)，并且所述場(chǎng)發(fā)生器位于所述旋轉(zhuǎn)軸線之外。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的手持工具，其中所述場(chǎng)發(fā)生器能夠相對(duì)于所述主體在多于兩個(gè)的不同位置之間運(yùn)動(dòng)，其中所述不同位置中的每一個(gè)與所述旋轉(zhuǎn)軸線等距，并且所述不同位置中的每一個(gè)與位于所述旋轉(zhuǎn)軸線上的所述工具構(gòu)件中的點(diǎn)等距。
13.根據(jù)權(quán)利要求4所述的手持工具，其中將所述馬達(dá)聯(lián)接成使所述工具構(gòu)件圍繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)或樞轉(zhuǎn)，并且所述場(chǎng)發(fā)生器位于所述旋轉(zhuǎn)軸線上。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的手持工具，其中所述工具構(gòu)件延伸穿過(guò)從所述場(chǎng)發(fā)生器中穿過(guò)的通道。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的手持工具，其中所述場(chǎng)發(fā)生器通過(guò)能夠調(diào)節(jié)的聯(lián)接件聯(lián)接到所述主體，所述聯(lián)接件允許所述場(chǎng)發(fā)生器相對(duì)于所述主體運(yùn)動(dòng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的手持工具，其中所述場(chǎng)發(fā)生器能夠拆卸地聯(lián)接到所述主體。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的手持工具，其中所述工具構(gòu)件具有旋轉(zhuǎn)軸線并且所述聯(lián)接件被配置成允許所述場(chǎng)發(fā)生器圍繞所述工具構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的手持工具，其中所述聯(lián)接件被配置成使所述場(chǎng)發(fā)生器與所述工具構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)軸線保持固定的徑向間距。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的手持工具，其中所述工具包括多個(gè)安裝聯(lián)接件，并且所述場(chǎng)發(fā)生器能夠拆卸地附連到所述多個(gè)安裝聯(lián)接件中的每一個(gè)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的手持工具，其中所述工具構(gòu)件具有旋轉(zhuǎn)軸線并且所述多個(gè)安裝聯(lián)接件圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸線成角度地間隔開(kāi)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的手持工具，其中所述安裝位置位于以所述旋轉(zhuǎn)軸線為中心的圓上。
22.根據(jù)權(quán)利要求1至21中任一項(xiàng)所述的手持工具，其中所述工具構(gòu)件能夠以預(yù)定的模式在限定的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)相對(duì)于所述主體運(yùn)動(dòng)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的手持工具，其中所述工具構(gòu)件能夠僅圍繞所述工具構(gòu)件的對(duì)稱軸線相對(duì)于所述主體運(yùn)動(dòng)。
24.根據(jù)權(quán)利要求1至23中任一項(xiàng)所述的手持工具，還包括封裝所述場(chǎng)發(fā)生器的無(wú)菌封裝件。
25.根據(jù)權(quán)利要求1至24中任一項(xiàng)所述的手持工具，還包括夾子，所述夾子聯(lián)接到所述主體以將手術(shù)單保持到所述手持工具。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手持工具，其中所述場(chǎng)發(fā)生器被支撐在能夠拆卸地聯(lián)接到所述主體的導(dǎo)航單元上，所述導(dǎo)航單元包括襯套，并且所述工具構(gòu)件穿過(guò)所述襯套。
27.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的手持工具，其中所述場(chǎng)發(fā)生器被支撐在能夠拆卸地聯(lián)接到所述主體的導(dǎo)航單元上，所述導(dǎo)航單元包括被聯(lián)接成由所述馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)的能夠旋轉(zhuǎn)的軸，并且所述工具構(gòu)件聯(lián)接到所述能夠旋轉(zhuǎn)的軸。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的手持工具，包括安裝到所述能夠旋轉(zhuǎn)的軸的遠(yuǎn)端的鉆夾頭。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的手持工具，其中所述工具構(gòu)件包括與所述鉆夾頭接合的鉆頭。
30.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的手持工具，其中所述場(chǎng)發(fā)生器被支撐在能夠拆卸地聯(lián)接到所述主體的導(dǎo)航單元上，所述導(dǎo)航單元包括鉆夾頭并且所述主體包括能夠附接以驅(qū)動(dòng)所述鉆夾頭的鉆馬達(dá)。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的手持工具，包括被配置成顯示來(lái)自導(dǎo)航系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)信息的顯示器，所述顯示器聯(lián)接到所述主體。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的手持工具，其中所述顯示器通過(guò)聯(lián)接件聯(lián)接到所述主體，所述聯(lián)接件允許所述顯示器相對(duì)于所述主體的取向改變。
33.根據(jù)權(quán)利要求31或32所述的手持工具，其中將所述顯示器聯(lián)接成相對(duì)于所述工具的軸線進(jìn)行樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
34.根據(jù)權(quán)利要求31至33中任一項(xiàng)所述的手持工具，包括聯(lián)接到所述顯示器的傾斜儀，所述傾斜儀提供指示所述顯示器的傾斜度的輸出信號(hào)。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的手持工具，其中所述傾斜儀包括加速度計(jì)。
36.根據(jù)權(quán)利要求34或35所述的手持工具，其中基于來(lái)自所述傾斜儀的輸出信號(hào)來(lái)控制顯示于所述顯示器上的內(nèi)容的取向。
37.根據(jù)權(quán)利要求31至33中任一項(xiàng)所述的手持工具，包括編碼器，所述編碼器被配置成提供指示所述顯示器相對(duì)于所述主體的角度位置的輸出信號(hào)。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的手持工具，其中基于來(lái)自所述編碼器的輸出信號(hào)來(lái)控制顯示于所述顯示器上的內(nèi)容的取向。
39.根據(jù)權(quán)利要求1至39中任一項(xiàng)所述的手持工具，包括參考傳感器，所述參考傳感器能夠操作以接收由所述場(chǎng)發(fā)生器發(fā)射的場(chǎng)并輸出指示所述參考傳感器相對(duì)于所述場(chǎng)發(fā)生器的位置的信號(hào)。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的手持工具，其中所述參考傳感器附連到所述場(chǎng)發(fā)生器的外殼或在所述外殼內(nèi)。
41.根據(jù)權(quán)利要求39或40所述的手持工具，包括附連到所述工具的多個(gè)參考傳感器。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的手持工具，其中所述多個(gè)參考傳感器附連到所述場(chǎng)發(fā)生器的外殼或在所述外殼內(nèi)。
43.根據(jù)權(quán)利要求1至42中任一項(xiàng)所述的手持工具，所述手持工具與具有沿配準(zhǔn)軸線突出的構(gòu)件的配準(zhǔn)工具相結(jié)合，其中所述配準(zhǔn)工具適于臨時(shí)地聯(lián)接到所述工具構(gòu)件，使得所述配準(zhǔn)軸線相對(duì)于所述工具構(gòu)件的軸線保持預(yù)定的空間關(guān)系。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的手持工具，其中所述構(gòu)件被配置成臨時(shí)地聯(lián)接到組件的目標(biāo)結(jié)構(gòu)，使得所述配準(zhǔn)軸線相對(duì)于所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)的軸線保持第一預(yù)定的空間關(guān)系。
45.根據(jù)權(quán)利要求43所述的手持工具，其中所述配準(zhǔn)工具的構(gòu)件包括末端部分，所述末端部分能夠壓縮以緊密貼合在多個(gè)不同尺寸的目標(biāo)結(jié)構(gòu)中。
46.根據(jù)權(quán)利要求43所述的手持工具，其中所述配準(zhǔn)工具的構(gòu)件包括至少一個(gè)有回彈力的彈性元件。
47.根據(jù)權(quán)利要求43至46中任一項(xiàng)所述的手持工具，其中當(dāng)所述配準(zhǔn)工具聯(lián)接到所述工具構(gòu)件時(shí)，所述配準(zhǔn)工具的構(gòu)件與所述工具構(gòu)件同軸。
48.一種包括根據(jù)權(quán)利要求1至47中任一項(xiàng)所述的手持工具的系統(tǒng)，所述手持工具與包括至少一個(gè)傳感器的位置傳感系統(tǒng)相結(jié)合，所述至少一個(gè)傳感器能夠操作以接收由所述場(chǎng)發(fā)生器發(fā)射的場(chǎng)并輸出指示所`述傳感器相對(duì)于所述場(chǎng)發(fā)生器的位置的信號(hào)。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器具有傳感器起始點(diǎn)和傳感器軸線，所述傳感器起始點(diǎn)在相對(duì)于所述傳感器的固定位置處，所述傳感器軸線在相對(duì)于所述傳感器的固定取向上并且穿過(guò)所述起始點(diǎn)，并且其中所述場(chǎng)發(fā)生器還包括存儲(chǔ)裝置和存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)裝置中的一組校正因子，其中每個(gè)校正因子與所述傳感器相對(duì)于所述手持工具的一組預(yù)定位置之一相對(duì)應(yīng)。
50.根據(jù)權(quán)利要求49所述的系統(tǒng)，其中在所述一組傳感器位置的每個(gè)位置處，所述傳感器軸線垂直于所述工具軸的軸線，并且在距所述工具上的末端點(diǎn)的選擇的距離處與所述工具的所述軸線相交。
51.根據(jù)權(quán)利要求48至50中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，包括連接成過(guò)濾來(lái)自所述至少一個(gè)傳感器的信號(hào)的濾波器。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的系統(tǒng)，其中所述濾波器包括一個(gè)或多個(gè)變量參數(shù)，所述手持工具包括一個(gè)或多個(gè)參考傳感器，并且所述系統(tǒng)被配置成至少部分地基于來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)參考傳感器的信號(hào)來(lái)設(shè)定所述濾波器的所述一個(gè)或多個(gè)變量參數(shù)。
53.根據(jù)權(quán)利要求49至52中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，包括處理器，所述處理器被聯(lián)接成接收來(lái)自所述傳感器的信號(hào)，并且被配置成根據(jù)所述信號(hào)來(lái)確定在所述手持工具相對(duì)于所述傳感器的當(dāng)前位置和取向之間的差異并且在所述顯示器上顯示指示所確定的差異的信息。
54.根據(jù)權(quán)利要求53所述的系統(tǒng)，其中所述處理器被配置成在所述顯示器上顯示在所述手持工具的當(dāng)前位置和期望位置之間的第一差異的第一指示器以及在所述手持工具的當(dāng)前對(duì)齊和期望對(duì)齊之間的第二差異的第二指示器，其中所述系統(tǒng)被配置成僅在所述第一差異小于閾值差異時(shí)才顯示所述第二指示器。
55.根據(jù)權(quán)利要求49至54中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括校正單元，所述校正單元被配置成至少部分地基于所述傳感器相對(duì)于所述工具構(gòu)件的軸線以及位于所述工具構(gòu)件上的固定點(diǎn)所確定的位置來(lái)校正根據(jù)所述信號(hào)確定的所述傳感器的位置，所述場(chǎng)發(fā)生器與所述工具構(gòu)件存在已知的空間關(guān)系。
56.根據(jù)權(quán)利要求55所述的系統(tǒng)，其中所述校正單元包括以下的一個(gè)或多個(gè):查找表、諸如多項(xiàng)式函數(shù)的預(yù)定校正函數(shù)、樣條插值、經(jīng)優(yōu)化以減小場(chǎng)發(fā)生器的輸出誤差的參數(shù)圖、以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
57.根據(jù)權(quán)利要求49至56中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)航系統(tǒng)被配置成跟蹤所述傳感器相對(duì)于所述場(chǎng)發(fā)生器的運(yùn)動(dòng)，并且至少部分地基于所跟蹤的運(yùn)動(dòng)來(lái)確定所述工具構(gòu)件的切割深度。
58.根據(jù)權(quán)利要求57所述的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)航系統(tǒng)還被配置成: 監(jiān)測(cè)一個(gè)或多個(gè)附加參數(shù)，所述附加參數(shù)包括以下的一個(gè)或多個(gè):所述手持工具的馬達(dá)是否開(kāi)啟、所述手持工具的馬達(dá)速度，以及 當(dāng)所述傳感器的被跟蹤運(yùn)動(dòng)和所述一個(gè)或多個(gè)附加參數(shù)對(duì)應(yīng)于危險(xiǎn)狀態(tài)的預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)生成警告。
59.根據(jù)權(quán)利要求49至58中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，包括適于顯示所述手持工具相對(duì)于目標(biāo)的位置的可視化用戶界面，所述可視化用戶界面包括: 代表所述目標(biāo)的目標(biāo)圖形元件； 代表所述工具的工具圖形元件；以及 代表所述工具與所述目標(biāo)的相對(duì)位置的至少一個(gè)相對(duì)位置參數(shù)。
60.根據(jù)權(quán)利要求59所述的系統(tǒng)，其中所述可視化用戶界面包括用于確定所述目標(biāo)圖形元件和所述工具圖形元件的所顯示尺寸的變量放大因子。
61.根據(jù)權(quán)利要求60所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)被配置成響應(yīng)于所述相對(duì)位置參數(shù)在預(yù)選的值范圍內(nèi)達(dá)第一預(yù)選時(shí)間間隔來(lái)改變所述放大因子。
62.根據(jù)權(quán)利要求61所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)被配置成響應(yīng)于所述相對(duì)位置參數(shù)在所述預(yù)選的值范圍之外達(dá)第二預(yù)選時(shí)間間隔來(lái)將所述放大因子設(shè)定為默認(rèn)值。
63.根據(jù)權(quán)利要求49至62中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)庫(kù)，所述數(shù)據(jù)庫(kù)包含多個(gè)組件的幾何數(shù)據(jù)，所述幾何數(shù)據(jù)包括指示所述組件中的每一個(gè)的一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)結(jié)構(gòu)相對(duì)于所述組件上的一個(gè)或多個(gè)參考位置的取向和位置的數(shù)據(jù)。
64.一種具有集成的導(dǎo)航設(shè)備的工具，包括: 具有工具軸線和位于所述工具軸線上的末端點(diǎn)的工具； 電磁位置測(cè)量系統(tǒng)的磁場(chǎng)發(fā)生器組件； 其中所述工具和所述場(chǎng)發(fā)生器聯(lián)接在一起，使得所述末端點(diǎn)位于相對(duì)于所述場(chǎng)發(fā)生器的固定位置，并且所述工具軸線位于相對(duì)于所述場(chǎng)發(fā)生器的固定取向。
65.一種適于在場(chǎng)中將工具與目標(biāo)結(jié)構(gòu)對(duì)齊的工具導(dǎo)航設(shè)備，所述設(shè)備包括: 具有工具軸線的工具； 電磁導(dǎo)航系統(tǒng)的場(chǎng)發(fā)生器組件；第一傳感器，所述第一傳感器相對(duì)于目標(biāo)固定并且適于產(chǎn)生指示所述第一傳感器相對(duì)于所述場(chǎng)發(fā)生器的位置的第一信號(hào)； 第二傳感器，所述第二傳感器相對(duì)于所述場(chǎng)發(fā)生器固定并且適于產(chǎn)生指示所述第二傳感器相對(duì)于所述場(chǎng)發(fā)生器的位置的第二信號(hào)；以及 被配置成至少部分地基于所述第二信號(hào)而向用戶指示失真的場(chǎng)狀態(tài)的指示器。
66.根據(jù)權(quán)利要求65所述的工具導(dǎo)航設(shè)備，其中所述導(dǎo)航系統(tǒng)被配置成監(jiān)測(cè)包含所述第二信號(hào)的至少一個(gè)參數(shù)的第一參數(shù)集，并且當(dāng)所述第一參數(shù)集超過(guò)第一預(yù)選閾值集時(shí)發(fā)送失真的磁場(chǎng)狀態(tài)的信號(hào)。
67.根據(jù)權(quán)利要求66所述的工具導(dǎo)航設(shè)備，其中所述導(dǎo)航系統(tǒng)被配置成監(jiān)測(cè)包含所述第二信號(hào)的至少一個(gè)參數(shù)的第二參數(shù)集，所述設(shè)備還包括適于使所述第一信號(hào)平滑的濾波器，所述濾波器具有至少一個(gè)能夠選擇的過(guò)濾參數(shù)，其中所述過(guò)濾參數(shù)基于所述第二參數(shù)集的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)值進(jìn)行選擇。
68.根據(jù)權(quán)利要求65至67中任一項(xiàng)所述的工具導(dǎo)航設(shè)備，其中所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)包括整形植入物中的孔。
69.根據(jù)權(quán)利要求65至67中任一項(xiàng)所述的工具導(dǎo)航設(shè)備，其中所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)包括患者的解剖結(jié)構(gòu)。
70.—種手持工具,包括: 包括工具主體的工具； 通過(guò)聯(lián)接件聯(lián)接到所述工具主體的顯示屏幕，所述聯(lián)接件允許所述顯示屏幕在至少一個(gè)自由度中相對(duì)于所述工具主體運(yùn)動(dòng)。
71.根據(jù)權(quán)利要求70所述的工具，其中所述工具包括限定縱向軸線的工具構(gòu)件，并且所述至少一個(gè)自由度包含圍繞所述縱向軸線的旋轉(zhuǎn)。
72.根據(jù)權(quán)利要求71所述的工具，其中所述工具包括能夠相對(duì)于所述工具的主體旋轉(zhuǎn)的刀具，并且所述縱向軸線為所述刀具的旋轉(zhuǎn)軸線。
73.根據(jù)權(quán)利要求72所述的工具，其中所述顯示屏幕能夠相對(duì)于所述工具的主體圍繞兩條旋轉(zhuǎn)軸線獨(dú)立地旋轉(zhuǎn)。
74.根據(jù)權(quán)利要求70至73中任一項(xiàng)所述的工具，其中所述聯(lián)接件包括用于以相對(duì)于所述工具主體的選擇的取向來(lái)保持所述顯示屏幕的鎖定機(jī)構(gòu)。
75.一種用于校準(zhǔn)系統(tǒng)的方法，所述系統(tǒng)包括手持工具和位置傳感系統(tǒng)，所述位置傳感系統(tǒng)用于測(cè)定所述手持工具相對(duì)于組件的目標(biāo)結(jié)構(gòu)的位置和取向，所述方法包括: 在所述手持工具上提供探針構(gòu)件，所述探針構(gòu)件具有在所述手持工具上的固定位置和取向； 將所述探針構(gòu)件完全插入所述組件的目標(biāo)結(jié)構(gòu)中，所述探針構(gòu)件被配置成緊密貼合所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)； 用所述位置傳感系統(tǒng)確定所述手持工具和所述組件的相對(duì)位置和取向。
76.根據(jù)權(quán)利要求75所述的方法，其中所述手持工具包括工具構(gòu)件，并且所述探針構(gòu)件通過(guò)將所述工具構(gòu)件滑動(dòng)到所述探針構(gòu)件的開(kāi)口中而設(shè)置在所述手持工具上。
77.根據(jù)權(quán)利要求75所述的方法，其中所述探針構(gòu)件包括切割工具。
78.根據(jù)權(quán)利要求75所述的方法，其中所述探針構(gòu)件包括鉆頭。
79.根據(jù)權(quán)利要求78所述的方法，其中所述鉆頭包括肩部。
80.根據(jù)權(quán)利要求76所述的方法，其中所述工具構(gòu)件包括鉆頭，所述探針構(gòu)件中的所述開(kāi)口包括尺寸設(shè)定成容納所述鉆頭的孔，并且所述探針構(gòu)件包括與所述孔同軸的伸長(zhǎng)突出。
81.根據(jù)權(quán)利要求80所述的方法，其中所述伸長(zhǎng)突出包含彈性材料，并且將所述探針構(gòu)件插入所述組件的目標(biāo)結(jié)構(gòu)中包括壓縮所述伸長(zhǎng)突出的所述彈性材料。
82.根據(jù)權(quán)利要求75至81中任一項(xiàng)所述的方法，包括記錄所述手持工具和所述組件的相對(duì)位置和取向。
83.根據(jù)權(quán)利要求82所述的方法，包括基于所述手持工具和所述組件的相對(duì)位置和取向以及所述探針構(gòu)件的已知幾何形狀來(lái)校準(zhǔn)所述位置傳感系統(tǒng)。
84.一種用于校準(zhǔn)系統(tǒng)的配準(zhǔn)設(shè)備，所述系統(tǒng)包括手持工具和位置傳感系統(tǒng)，所述位置傳感系統(tǒng)用于測(cè)定所述手持工具相對(duì)于組件的目標(biāo)結(jié)構(gòu)的位置和取向，所述手持工具包括工具構(gòu)件，所述配準(zhǔn)設(shè)備包括具有用于與所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)緊密貼合接合的突出的構(gòu)件以及用于容納所述工具構(gòu)件并且將所述工具構(gòu)件保持在相對(duì)于所述突出的預(yù)定固定取向和位置的凹槽。
85.根據(jù)權(quán)利要求84所述的配準(zhǔn)設(shè)備，其中所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)包括孔，所述工具構(gòu)件包括鉆頭，所述凹槽包括尺寸設(shè)定成在所述鉆頭上提供滑動(dòng)配合的孔，并且所述突出包括與所述凹槽同軸的伸長(zhǎng)構(gòu)件。
86.根據(jù)權(quán)利要求84或85所述的配準(zhǔn)設(shè)備，包括鄰近所述突出構(gòu)件的近端的鄰接表面，所述鄰接表面被配置成通過(guò)與鄰近所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)的所述組件的表面接合來(lái)限制所述突出構(gòu)件插入所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)中至預(yù)定的`深度。
87.一種工具，包括: 具有工具軸線的工具構(gòu)件； 電磁導(dǎo)航系統(tǒng)的場(chǎng)發(fā)生器組件，所述場(chǎng)發(fā)生器被支撐在相對(duì)于所述工具軸線和所述工具軸線上的點(diǎn)的固定位置處； 具有結(jié)構(gòu)的整形植入物，所述結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)軸線，以及 適于產(chǎn)生指示相對(duì)于所述場(chǎng)發(fā)生器的傳感器工具位置的信號(hào)的傳感器工具， 其中， 所述傳感器工具在相對(duì)于所述結(jié)構(gòu)的預(yù)定固定位置處聯(lián)接到所述整形植入物； 所述工具適于臨時(shí)地聯(lián)接到所述結(jié)構(gòu)，使得所述工具軸線相對(duì)于所述結(jié)構(gòu)軸線保持第一預(yù)定空間關(guān)系；并且 所述導(dǎo)航系統(tǒng)適于記錄所述結(jié)構(gòu)軸線相對(duì)于所述傳感器工具的位置。
88.—種適于附接到組件的傳感器工具，所述傳感器工具包括: 具有長(zhǎng)度、遠(yuǎn)端和近端的軸部分； 附接到所述近端的柄部部分； 在所述遠(yuǎn)端處的末端部分，其中所述末端部分包括至少一個(gè)柔性的彈性構(gòu)件；以及 附接在靠近所述遠(yuǎn)端的固定位置處的位置指示元件。
89.根據(jù)權(quán)利要求88所述的傳感器工具，其中所述末端部分包括多個(gè)徑向延伸的彈性構(gòu)件。
90.根據(jù)權(quán)利要求89所述的傳感器工具，其中所述彈性構(gòu)件是弓形的并且具有附接到所述末端部分的近端和遠(yuǎn)端。
91.根據(jù)權(quán)利要求88至90中任一項(xiàng)所述的傳感器工具，其中所述柄部部分還包括連接元件，所述連接元件適于臨時(shí)地將所述柄部部分附接到插入工具，使得所述傳感器工具被保持在相對(duì)于所述組件的獨(dú)特且預(yù)定的固定位置。
92.根據(jù)權(quán)利要求88至91中任一項(xiàng)所述的傳感器工具，所述傳感器工具適于附接到植入式醫(yī)療裝置。
93.根據(jù)權(quán)利要求92所述的傳感器工具，其中所述植入式醫(yī)療裝置包括IM釘。
94.根據(jù)權(quán)利要求88至93中任一項(xiàng)所述的傳感器工具，其中所述軸部分是柔性的。
95.根據(jù)權(quán)利要求91所述的傳感器工具，其中所述軸部分具有足以將目標(biāo)結(jié)構(gòu)近側(cè)的所述末端部分放置到所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)的期望距離內(nèi)的長(zhǎng)度。
96.根據(jù)權(quán)利要求91所述的傳感器工具，其中所述連接元件包括適于接合位于所述柄部中的螺紋孔的螺釘。
97.根據(jù)權(quán)利要求88至95中任一項(xiàng)所述的傳感器工具，其中所述連接元件包括適于接合所述柄部的一部分的夾具。
98.根據(jù)權(quán)利要求91所述的傳感器工具，其中所述連接元件包括所述主體部分的至少一個(gè)柔性彈性元件，并且其中所述彈性元件適于接合所述插入工具的至少一個(gè)選擇的結(jié)構(gòu)。
99.根據(jù)權(quán)利要求88至98中任一項(xiàng)所述的傳感器工具，其中所述末端部分在具有位于一定范圍內(nèi)的直徑的鏜孔中是自動(dòng)定心的。`
100.根據(jù)權(quán)利要求88至99中任一項(xiàng)所述的傳感器工具，其中所述柄部部分包括用于將所述傳感器工具與組件接合的搭扣配合機(jī)構(gòu)。
101.一種適于插入具有目標(biāo)結(jié)構(gòu)的整形植入物的第一結(jié)構(gòu)中的傳感器工具，所述傳感器工具包括插入所述第一結(jié)構(gòu)中至相對(duì)于所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)位于近側(cè)的位置的末端部分、安裝在所述傳感器工具上位于所述末端部分處或所述末端部分附近的固定位置處的位置指示元件、以及用于直接或間接地將所述傳感器工具聯(lián)接到所述整形植入物的保持部分，其中所述末端部分能夠壓縮以安裝到具有在一系列尺寸范圍內(nèi)的尺寸的第一結(jié)構(gòu)中。
102.根據(jù)權(quán)利要求101所述的傳感器工具，其中所述第一結(jié)構(gòu)包括管道。
103.根據(jù)權(quán)利要求101或102所述的傳感器工具，其中所述傳感器工具被配置成將所述末端部分保持在距所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)的預(yù)定最小距離處。
104.根據(jù)權(quán)利要求101至103中任一項(xiàng)所述的傳感器工具，其中所述位置指示元件被配置成生成指示其相對(duì)于導(dǎo)航系統(tǒng)的元件的位置的響應(yīng)。
105.根據(jù)權(quán)利要求101至104中任一項(xiàng)所述的傳感器工具，其中所述末端部分在所述第一結(jié)構(gòu)中是自動(dòng)定心的。
106.一種適于與剛性連接到整形植入物的插入工具附接的傳感器工具，所述傳感器工具包括: 具有長(zhǎng)度的主體部分； 嵌入在所述主體部分內(nèi)的固定位置處的位置指示元件；以及 連接元件，其中所述連接元件適于臨時(shí)地將所述主體部分附接到所述插入工具，使得所述主體部分被固定在相對(duì)于所述植入物的獨(dú)特預(yù)定位置。
107.一種用于提供關(guān)于工具相對(duì)于目標(biāo)的位置和取向的視覺(jué)反饋的方法，所述方法包括: 顯示表示所述目標(biāo)的目標(biāo)圖形元件； 顯示表示所述工具的工具圖形元件； 測(cè)定表示所述工具與所述目標(biāo)的相對(duì)位置的至少一個(gè)相對(duì)位置參數(shù)；以及至少部分地基于所述相對(duì)位置參數(shù)，設(shè)定確定所述目標(biāo)圖形元件和所述工具圖形元件的顯示尺寸的放大因子的值。
108.根據(jù)權(quán)利要求107所述的方法，包括響應(yīng)于所述相對(duì)位置參數(shù)在預(yù)選的值范圍內(nèi)達(dá)第一預(yù)選時(shí)間間隔內(nèi)來(lái)將所述放大因子的值設(shè)定為替代值。
109.根據(jù)權(quán)利要求108所述的方法，包括響應(yīng)于所述相對(duì)位置參數(shù)在所述預(yù)選的值范圍之外達(dá)第二預(yù)選時(shí)間間隔來(lái)將所述放大因子設(shè)定為默認(rèn)值。
110.一種用于提供關(guān)于工具相對(duì)于目標(biāo)結(jié)構(gòu)的位置和取向的視覺(jué)反饋的方法，其中所述工具具有工具軸線并且所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)具有目標(biāo)軸線，所述方法包括: 監(jiān)測(cè)所述工具和目標(biāo)結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置和取向； 確定表示所述工具軸線與在所述目標(biāo)軸線上的第一選擇的點(diǎn)的相對(duì)位置的第一相對(duì)位置參數(shù)；` 確定指示所述工具軸線與所述目標(biāo)軸線的相對(duì)取向的第二相對(duì)位置參數(shù)； 顯示指示所述工具和所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置的位置指示器，以及指示所述工具和所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)的相對(duì)對(duì)齊的對(duì)齊指示器；以及 每當(dāng)所述第一相對(duì)位置參數(shù)具有超出預(yù)定范圍的值時(shí)，抑制對(duì)所述對(duì)齊指示器的顯/Jn o
111.根據(jù)權(quán)利要求110所述的方法，其中所述第一相對(duì)位置參數(shù)包括從所述目標(biāo)軸線上的第一選擇的點(diǎn)垂直于所述目標(biāo)軸線到所述工具軸線所測(cè)得的距離。
112.根據(jù)權(quán)利要求110或111所述的方法，其中所述第二相對(duì)位置參數(shù)包括從末端點(diǎn)到所述目標(biāo)軸線的正交距離。
113.根據(jù)權(quán)利要求110所述的方法，其中所述第一相對(duì)位置參數(shù)包括從所述目標(biāo)軸線上的第一選擇的點(diǎn)垂直于所述目標(biāo)軸線到所述工具軸線所測(cè)得的距離。
114.根據(jù)權(quán)利要求110或113所述的方法，其中所述第二相對(duì)位置參數(shù)包括從所述目標(biāo)軸線上的第二選擇的點(diǎn)垂直于所述目標(biāo)軸線到所述工具軸線所測(cè)得的距離。
115.一種用于指示工具相對(duì)于目標(biāo)結(jié)構(gòu)的位置和取向的可視化用戶界面，其中所述工具具有工具軸線并且所述目標(biāo)具有目標(biāo)軸線，所述界面包括: 用于確定表示所述工具軸線與所述目標(biāo)軸線上的第一選擇的點(diǎn)的相對(duì)位置的第一相對(duì)位置參數(shù)和第二相對(duì)位置參數(shù)的裝置，所述第二相對(duì)位置參數(shù)與所述第一相對(duì)位置參數(shù)一起表示所述工具軸線與所述目標(biāo)軸線的相對(duì)取向； 顯示器； 界面控制器，所述界面控制器被配置成當(dāng)所述第一相對(duì)位置參數(shù)在所述第一預(yù)選范圍內(nèi)時(shí)在所述顯示器上顯示指示所述工具的能夠接受的位置的第一標(biāo)記，并且當(dāng)所述第一相對(duì)位置參數(shù)在所述第一預(yù)選范圍內(nèi)且所述第二相對(duì)位置參數(shù)同時(shí)在第二預(yù)選范圍內(nèi)時(shí)在所述顯示器上顯示指示所述工具的能夠接受的取向的第二標(biāo)記，其中當(dāng)所述第一相對(duì)位置參數(shù)不在所述第一預(yù)選范圍內(nèi)時(shí)，抑制所述第二標(biāo)記的顯示。
116.根據(jù)權(quán)利要求115所述的可視化用戶界面，其中所述第一相對(duì)位置參數(shù)包括從所述目標(biāo)軸線上的第一選擇的點(diǎn)垂直于所述目標(biāo)軸線到所述工具軸線所測(cè)得的距離。
117.根據(jù)權(quán)利要求115或116所述的可視化用戶界面，其中所述第二相對(duì)位置參數(shù)包括從所述工具軸線上的位于所述工具末端處的末端點(diǎn)到所述目標(biāo)軸線的正交距離。
118.根據(jù)權(quán)利要求115所述的可視化用戶界面，其中所述第一相對(duì)位置參數(shù)包括從所述目標(biāo)軸線上的所述第一選擇的點(diǎn)垂直于所述目標(biāo)軸線到所述工具軸線所測(cè)得的距離。
119.根據(jù)權(quán)利要求118所述的可視化用戶界面，其中所述第二相對(duì)位置參數(shù)包括從所述目標(biāo)軸線上的第二選擇的點(diǎn)垂直于所述目標(biāo)軸線到所述工具軸線所測(cè)得的距離。
120.一種適于將骨斷片相對(duì)于髓內(nèi)釘固定的固定元件，所述釘具有沿縱向軸線的管道以及具有孔軸線的交叉孔，其中所述孔軸線與所述縱向軸線相交， 所述固定元件包括:桿部分、通過(guò)所述桿部分的窗孔、以及適于接合所述斷片的末端部分， 所述固定元件的尺寸設(shè)定成滑動(dòng)穿過(guò)所述交叉孔至相對(duì)于所述釘?shù)闹辽僖粋€(gè)位置處，在所述位置中所述末端部分接合所述斷片， 其中，在所述至少一個(gè)位置中，所述窗孔與所述管道對(duì)齊，使得所述管道的選擇的最小橫截面積不被阻擋。
121.根據(jù)權(quán)利要求120所述的固定元件，其中所述元件包括鉆頭，并且所述末端部分還適于鉆通骨。
122.根據(jù)權(quán)利要求121所述的固定元件，其中所述元件包括螺柱，并且所述末端部分包括外部螺紋部分。
123.適于將骨斷片相對(duì)于具有孔的整形植入物固定的臨時(shí)固定設(shè)備，所述孔具有直徑， 所述固定設(shè)備包括具有桿部分和末端部分的構(gòu)件，所述桿部分適于接合骨斷片，所述末端部分適于接合所述孔，所述末端部分的直徑能夠從小于所述孔的直徑的第一直徑膨脹至大于所述孔的直徑的第二直徑。
124.根據(jù)權(quán)利要求123所述的臨時(shí)固定設(shè)備，其中所述植入物包括具有縱向軸線的髓內(nèi)釘并且所述孔具有孔軸線，并且其中所述孔軸線與所述縱向軸線斜交或相交。
125.根據(jù)權(quán)利要求120至124中任一項(xiàng)所述的固定元件或臨時(shí)固定設(shè)備在不阻塞所述植入物的管道的情況下用于將植入物保持就位的用途。
126.—種用于將信息傳輸?shù)绞殖止ぞ叩挠脩舻姆椒?所述方法包括: 監(jiān)測(cè)工具和組件的相對(duì)位置； 檢測(cè)切割的啟動(dòng)； 監(jiān)測(cè)切割速率； 以及以下操作中的一種或多種: 顯示指示與期望的切割速率存在偏差的標(biāo)記；以及 檢測(cè)切割器的鉆通 。
127.被配置成執(zhí)行如本文所述的方法或其一部分的設(shè)備。
128.—種如在圖9A、18B、19A、20A、26、26A或30的任意一個(gè)或多個(gè)中所示的方法或其一部分。
129.—種包括存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)可讀的計(jì)算機(jī)軟件的實(shí)體媒介的程序產(chǎn)品，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)可讀的計(jì)算機(jī)軟件被處理器執(zhí)行時(shí)，其使所述處理器執(zhí)行如本文所述的方法。
130.一種方法，所述方法包括如本文所述的任何新的和具有創(chuàng)造性的步驟、動(dòng)作、步驟和/或動(dòng)作的組合或步驟和/或動(dòng)作的子組合。
131.一種設(shè)備，所述設(shè)備包括如本文所述的任何新的和具有創(chuàng)造性的元件、元件的組合或元件的子組合。`
【文檔編號(hào)】A61B17/15GK103492833SQ201280009371
【公開(kāi)日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2012年2月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月18日
【發(fā)明者】K.B.因克彭, A.J.霍奇森, P.蓋, W.J.阿特斯馬, S.拉瓦利, J.B.斯蒂爾 申請(qǐng)人:德普伊新特斯產(chǎn)品有限責(zé)任公司