本申請是申請日為2012年06月27日、國際申請號為：pct/us2012/044486、國家申請號為：201280042066.6、名稱為“工具承載的追蹤系統和計算機輔助外科方法”的進入中國國家階段的國際申請的分案申請。

相關申請的交叉引用

本申請根據35u.s.c.§119要求2011年6月27日提交的題為“systemforcomputerassistednavigationandcontrolofapowertool”的美國臨時專利申請no.61/501489的權益。該臨時申請通過引用整體結合于此。

通過引用結合

本說明書中提及的所有公開文獻和專利申請通過引用結合于此，就好像每個單獨的公開文獻或專利申請被具體地且單獨地指明通過引用結合那樣。

關于聯邦政府資助的研究的陳述

本發明是在由國防部授予的資助no.0578104的政府支持下做出的。政府具有本發明的一定權利。

本發明涉及計算機輔助外科領域。具體地，本發明涉及工具上的追蹤系統在外科手術過程中提供引導或輔助的手術間的各個方面。

背景技術：

許多外科手術是要求眾多對準夾具的復雜手術和錯綜的軟組織手術。準備和布置對準夾具和其它準備通常是手術的重要部分。例如，當執行全膝置換手術(“tkr”)時，假體必須被準確植入以確保關節表面適當地對準。如果未準確對準，未對準能夠最終導致關節的失效，要求置換膝假體的一個或多個部分的復雜任務。

為了確保假體被準確植入，在tkr手術過程中，外科醫生使用多種夾具來引導股骨和脛骨的切割。夾具是在外科手術過程中要求較多時間和較高技能以定位并附接在患者上的復雜裝置。

計算機輔助外科(cas)的出現提供了簡化外科手術的許多復雜性的希望。至今，系統已經發展為利用設計成監視切割夾具、工具和患者的基于單獨房間的追蹤系統。在一些情況中，計算機可以在處理過程中用于引導外科醫生。已經提出房間內的照相機更靠近工具的布置。但是，需要改進以解決外科手術的實時和動態環境的挑戰。

雖然計算機輔助外科是有希望的，但存在眾多方面待解決以使系統具商業利益且對外科醫生有用。仍然存在計算機輔助外科的眾多方面要求改進，以針對cas數據的處理以及給使用者的更有用輸出改進手術的效率和/或質量。

技術實現要素：

一方面，一種觸覺反饋機構包括：第一平臺；第二平臺；通過第一聯接機構聯結到第二聯接機構形成的剪式聯接機構，剪式聯接機構在第一平臺和第二平臺之間延伸，其中，第一聯接機構的第一端聯結到第一平臺，第一聯接機構的第二端聯結到第二平臺，第二聯接機構的第一端聯結到第一平臺，并且第二聯接機構的第二端聯結到第二平臺；和至少一個位置恢復元件，其聯結到剪式聯接機構，以調節第一平臺和第二平臺之間的相對運動的力響應。在一些方面中，至少一個位置恢復元件聯結在第一聯接機構的第一端和第二聯接機構的第二端之間。在另一方面，至少一個位置恢復元件沿著第二平臺延伸并且聯結到剪式聯接機構，以調節第二聯接機構第二端相對于第二平臺的運動。在一種實施方式中，第一平臺和第二平臺能夠在外科工具的觸發器旁邊、部分地覆蓋觸發器、部分地環繞觸發器、部分地在觸發器上方或完全地在觸發器上方操作。在一種實施方式中，觸發器罩布置在第一平臺內，用于與觸發器接合。

在觸覺反饋機構的另一構造中，聯結到剪式聯接機構以調節第一平臺和第二平臺之間的相對運動的力響應的至少一個位置恢復元件被聯結成在第一平臺和第二平臺之間延伸。另外，可以提供聯結到剪式聯接機構并且沿著第二平臺延伸的位置恢復元件。在觸覺反饋機構的一種特定構造中，位置恢復元件是聯結到第二聯接機構的第二端的復位彈簧；超控彈簧聯結到復位彈簧并且還可以致動器聯結到超控彈簧。在觸覺反饋機構的另一實施方式中，位置恢復元件是根據剪式聯接機構的第二端相對于第二平臺的運動張力聯結的彈簧。在另一位置恢復元件構造中，彈簧根據剪式聯接機構的第二端相對于第二平臺的運動壓縮聯結。在一些反饋機構中，還具有從第二平臺中的開口延伸并且聯結到剪式聯接機構的軸，其中，剪式聯接機構的運動產生軸相對于開口的相應運動。軸的替代包括例如撓性軸部分、纜索部分、中空軸部分或撓性聯接機構部分。

在其它構造中，觸覺反饋機構的實施方式可以連同能夠用在計算機輔助外科中的工具承載的追蹤裝置的實施方式使用。這種ott裝置包括例如工具承載的追蹤裝置內的部件或協作工作的部件系列，其能夠將軸相對運動轉變為用在計算機輔助外科手術中的信號。在一方面中，部件可以是致動器、螺線管、馬達、電位計、線性電位計、或線性編碼器、或鄰近纜索定位以配準并測量纜索的移位的其它裝置。在一方面中，纜索運動涉及指示外科工具的觸發器的操作的信號。在另外的實施方式中，相同部件或不同部件也可以用作致動器以向軸施加運動，以影響第一平臺和第二平臺之間的相對運動。這些各種部件和功能均在能夠響應于與計算機輔助外科手術過程中控制外科工具的操作有關的信號向軸施加運動或響應軸的支持下被利用。

在另一實施方式中，提供一種用在計算機輔助外科手術中的參考框架。參考框架包括：具有由周邊界定的表面的框架；從框架延伸的桿；在桿上的聯結件；具有能夠接合與手術有關的外科區域內的解剖結構的一部分的第一表面和用以與聯結件接合的第二表面的基部。在一些構造中，還可以提供在聯結件上的至少一個配準元件和在第二表面上的至少一個配準元件，其中，當聯結件接合到第二表面時，配準元件能夠用于配合協作。在另外的構造中，在聯結件上的多個配準元件；和在第二表面上的多個配準元件，其中，聯結件上的配準元件的一部分在與第二表面上的配準元件的一部分接合時將框架在外科區域內沿第一取向取向。在一方面中，第二表面中的聯結件之間用以接合所述多個配準元件中的其它配準元件的運動將框架在外科區域內沿不同的第二取向定位。在一些方面中，第一取向和第二取向是已知位置并且用在外科預先計劃中。參考框架可以包括其它特征，諸如用于接合解剖結構的表面、用于固定元件的孔口或用以與特定解剖目標配合的構造。在另一方面中，提供一種根據權利要求c1的參考框架，還包括：具有框架和從框架延伸的桿的參考框架引導件，其中，桿具有能夠與解剖特征接合以輔助參考框架的布置的曲度或形狀。在一方面中，參考框架引導件還包括：沿著框架的一個或多個接合元件，用于與參考框架的周邊或一部分暫時接合，以允許與參考框架相聯的基部的適當定位和調節。在一方面中，骨解剖結構的一部分涉及桿相對于髁的布置。在另一方面中，參考框架包括能夠保持聯結件和第二表面的相對位置和取向的安裝聯結件。在一方面中，安裝聯結件設置在參考框架中，使得當安裝聯結件配合到基部時，安裝聯結件位于參考框架的內部部分中。在另一方面中，安裝聯結件設置在參考框架中，使得當安裝聯結件附接到參考框架時，安裝聯結件基本上或完全環繞聯結件和第二表面之間的配合接觸區域。

在一種替代實施方式中，提供一種在外科區域內執行計算機輔助外科手術的方法。首先，將第一參考框架附接在外科區域內的第一位置處的步驟；接著，將第二參考框架附接在外科區域內的第二位置處；以及之后，在保持從第一參考框架和第二參考框架獲得的在計算機輔助外科手術過程中使用的定位信息的同時，使用外科工具開始手術的實際步驟。在一個替代方面中，有在保持從附接到解剖結構的分段的第一參考框架和/或第二參考框架獲得的在計算機輔助外科手術過程中使用的定位信息的同時，在手術的步驟過程中或作為手術的一部分調節外科工具相對于解剖結構的分段的位置的步驟。在一種替代實施方式中，還有在保持從第一參考框架和/或第二參考框架獲得的在計算機輔助外科手術過程中使用的定位信息的同時，在手術的步驟過程中或作為手術的一部分懸停外科工具的步驟。在另一方面中，方法包括在促成膝上的計算機輔助外科手術的一個或多個步驟中執行開始、調節或懸停步驟中的一個或多個。在另一替代中，方法包括在膝上的計算機輔助外科手術的一個或多個步驟，其包括：制造遠端外側髁切口、制造遠端內側髁切口、制造前部切口、制造后部外側髁切口、制造后部內側髁切口、制造前部倒角切口、制造后部外側髁倒角切口、制造后部內側髁倒角切口、制造股骨箱式切口、在外科部位的一部分中鉆出孔以及制造脛骨切口。在另一替代實施方式中，在附接步驟完成之后保持第一參考框架和第二參考框架分別處于第一位置和第二位置的同時，方法進行改變參考框架的一部分相對于外科區域的取向，并且之后將來自改變的取向的位置信息用于計算機輔助外科手術的一部分。在另一方面中，將與第一參考框架和第二參考框架在初始取向和改變的取向中的取向有關的位置信息用作用于計算機輔助外科的預先計劃的過程的一部分。

在另一替代實施方式中，提供一種工具承載的追蹤和引導裝置。在一方面中，裝置具有：外殼，其具有用于與外科工具的一部分可釋放接合的表面；第一照相機和任選的第二照相機，其處于第一照相機和第二照相機(如果提供的話)均提供用于觀察為計算機輔助外科手術選擇的基本上所有或一部分外科區域所選擇的圖像輸出的布置中。在一方面中，ott裝置可以包括用于向使用者通信有關進行的ottcas過程的信息的簡單的輸出裝置。在其它方面中，ott裝置可以包括投影機，其能夠至少部分地在觀察的外科區域內提供輸出。這里描述的ott裝置的各種實施方式可以結合用于電子圖像處理的多種能力和在外殼內的圖像通信能力。另外，附加實施方式能夠接收來自由ott裝置的實施方式提供的一個、兩個或更多個照相機中的每個的輸出。附加地或任選地，ott裝置的電子元器件和處理能力可以被利用以執行許多各種不同的數字處理功能。在一方面中，ott所包括的電子元器件利用來自兩個照相機的輸出的至少一部分執行圖像處理操作，以用在計算機輔助外科手術中。在一方面中，被選擇用于ott裝置的照相機包括距第一照相機和第二照相機大約70mm到大約200mm，或者任選地從大約50mm到250mm的觀察區域。其它范圍和照相機構造可以用在各種其它實施方式中。

在另一實施方式中，用于與外科工具的一部分可釋放接合的ott外殼表面被成形為與外科工具的一部分或被選擇用于與外殼接合的修改的外科工具的一部分形成互補弧形，并且在一些情況中，外科工具的一部分被修改為適應與外殼表面可釋放接合。在一個例子中，用于與外科工具的一部分可釋放接合的表面能夠使得，當表面聯結到外科工具時，外科工具的活動區段的至少一部分位于水平觀察區域和豎直觀察區域內。

在另外的方面中，投影機可以包括如以下的屬性：來自投影機的輸出被投射在與附接到外殼的外科工具相聯的活動元件上或其附近；來自投影機的輸出能夠投射在患者解剖結構的一部分上，或投射在外科場景中的外科區域表面上或其內；調整過程給出調整的投影機輸出，其被調節用于解剖結構的曲度、粗糙度或狀態。在一方面中，投影機是微型投影機。

在一種實施方式中，提供一種使用具有附接到其上的工具承載的追蹤裝置的手持式外科器械來執行計算機輔助外科手術的方法，方法包括：利用工具承載的追蹤裝置收集并處理計算機輔助外科數據；在計算機輔助外科手術過程中實時評估數據；利用工具承載的追蹤裝置執行選自以下各項中的至少兩項的與cas有關的操作：控制工具的操作，控制工具的速度并且向使用者提供與cas步驟有關的引導；控制工具的操作或速度，或者向使用者提供引導以調節工具的速度；以及向外科器械的使用者提供與評估步驟有關的輸出。在附加或替代方面中，還可以具有顯示、投射或指示與計算機輔助外科處理步驟有關的輸出中的一種或多種。

在附加或替代方面中，還可以具有包括觸覺指示、觸感指示、聲音指示或視覺指示中的一種或多種的輸出；觸覺指示包括溫度指示；并且觸感指示包括力指示或振動指示。另外的方面，輸出是自動地產生以響應于評估步驟的結果調節外科工具的性能參數的控制信號。在其它方面中，性能參數包括修改工具切割速度或停止工具操作，提供步驟的輸出還包括用以控制動力工具的操作(修改切割速度和/或停止其)的電子元器件。在附加或替代方面中，還可以具有基于以下各項中的一項或多項的評定的確定步驟：外科區域內的物理參數，諸如經過附接有參考框架在區域內追蹤的元件的位置或位置組合，參考框架輸入，帶投影的圖像，從傳感器檢測的動作，來自計算的動作檢測，計算機輔助外科手術的總進展，與之前準備的計算機輔助外科計劃的測量或預測偏差。另外，確定步驟選擇許多預定處理模式中的一個，諸如例如懸停模式、部位接近模式和實際步驟模式。在這些模式中的每種模式中，具有特定輸出、處理技術和應用于cas數據的算法。

在另外的方面中，具有ottcas處理模式因素，其選自以下各項中的一項或多項：照相機幀尺寸；ott照相機取向；根據希望的調節對照相機軟件程序或固件的調節；為修改照相機的水平觀察區域、豎直觀察區域、或水平觀察區域和豎直觀察區域內感興趣的區域的尺寸對ott照相機或其它照相機圖像輸出的調節；用于可調節照相機鏡頭調節或定位的驅動信號；圖像幀率；圖像輸出質量；刷新率；抓幀率；參考框架二；參考框架一；開啟參考框架基準選擇；關閉參考框架基準選擇；視覺光譜處理；ir光譜處理；反射光譜處理；led或照明光譜處理；外科工具馬達/致動器速度和方向，總的cas手術進展；具體cas步驟進展；圖像數據陣列修改；ott微型投影機刷新率；ott微型投影機準確度；一種或多種圖像分段技術；基于cas進展的圖像部分的一種或多種基于邏輯的提取；信噪比調節；一種或多種圖像放大處理；一種或多種圖像過濾處理；將加權平均或其它因素應用于圖像速率、像素或子像素視覺處理的動態、實時加強或減小；手震顫補償；基于來自ott獨自或以任何組合的信息針對鋸子、鉆子或其它電氣外科工具和振動補償過程的基于器械的噪聲補償。

在其它方面中，輸出是利用工具承載的追蹤裝置中的投影機提供給使用者的。另外，投影機輸出是基于在投影機輸出的顯示過程中呈現的外科部位的物理特征調節的。可以理解的是，物理特征是對投影機輸出可用的尺寸的部分的形狀、投影機投射的區域中的分布和投影機向可用于投影機輸出的部位的部分的取向中的一種或多種。任選地，ott裝置上的投影機或顯示器具有輸出，其包括在外科工具用在外科部位中的同時外科工具的使用者能夠看見的信息。在另外的方面中，ott裝置上的投影機或顯示器輸出包括外科工具的使用者能夠看見以指示與外科工具的活動元件根據外科計劃在外科區域內的定位有關的位置、相對動作、取向或其它導向參數的信息。提供來自ott裝置的輸出的步驟還可以包括在系統屏幕上、在ott或移動裝置屏幕上的gui界面上顯示輸出。

在另一方面中，作為使用者執行在膝上的計算機輔助外科手術的一個或多個步驟的結果，向使用者輸出cas輸出的上述步驟中的任一步驟任選地變化并且ottcas處理技術或輸出修改，所述一個或多個步驟包括：制造股骨遠端外側髁切口、制造股骨遠端內側髁切口、制造股骨遠端前部切口、制造股骨遠端后部外側髁切口、制造股骨遠端后部內側髁切口、制造股骨遠端前部倒角切口、制造股骨遠端后部外側髁倒角切口、制造股骨遠端后部內側髁倒角切口、制造脛骨近端切口。在其它替代中，這里的向使用者輸出cas輸出的方法作為在與肩、髖、踝、椎骨或肘中的一個有關的外科手術過程中執行的上述步驟中的一個步驟的結果變化。另外，ottcas處理技術或輸出作為在與肩、髖、踝、椎骨或肘中的一個有關的外科手術過程中執行的上述步驟中的一個步驟的結果修改。

在另外的方面中，提供一種用于執行計算機輔助外科的系統，具有：外科工具，其具有對應于工具的外科功能的活動元件；工具承載的追蹤裝置，其利用能夠與外科工具的至少一部分接合的外殼聯結到工具；外殼中的至少一個照相機，其能夠獲得與外科工具和外科區域有關的圖像信息；類似顯示器的輸出裝置，或任選的外殼中的投影機，其能夠在外科工具的活動元件上或附近提供投射的輸出；計算機，其具有存儲在電子存儲器內用于利用至少部分地從工具承載的追蹤裝置獲得的數據執行計算機輔助外科手術并且提供在外科步驟過程中使用的輸出的計算機可讀指令。當系統包括ott能力內的投影機時，投影機還包括以下各項中的一項或多項：在患者解剖結構的一部分上投射輸出的投射能力，外科場景內的表面，電子裝置，或投影機輸出范圍內的其它目標。在一種構造中，計算機在外殼中。在另一種構造中，計算機與工具承載的追蹤裝置分離并且經由有線或無線連接進行連接。在另外的方面中，系統包括用于執行上述cas模式選擇方法中的任意方法的計算機可讀指令中的一個或多個。在另一方面中，系統可以包括具有上述元件中的一個或多個的工具承載的追蹤裝置。系統可以適合并構造成與這里描述的一個或多個參考框架和相關方法一起使用。在另一方面中，系統可以適合并構造成與這里描述的觸覺反饋機構結合使用。

附圖說明

本發明的新穎特征特別地在以下權利要求中提及。通過參照提及利用本發明原理的示意性實施方式的以下詳細描述以及附圖將獲得對本發明的特征和優點的更好的理解，在附圖中：

圖1圖示附接到外科器械的工具承載的追蹤裝置的等軸測圖。

圖2圖示附接到外科器械的工具承載的追蹤裝置的等軸測圖。

圖3圖示圖1的工具承載的追蹤裝置的等軸測圖，其中，罩被移除以顯示內部部件。

圖4圖示圖2的工具承載的追蹤裝置的等軸測圖，其中，罩被移除以顯示內部部件。

圖5圖示圖4的工具承載的追蹤裝置的俯視圖。

圖6圖示圖5的工具承載的追蹤裝置與外科工具分離的等軸測圖。

圖7圖示圖5和6中可見但在該視圖中被從ott外殼移除的電子元器件包和控制電路。

圖8a、8b、9和10提供在一些ott裝置構造中基于照相機角度與照相機區域中的變化有關的圖形信息。

圖11a、11b、11c和11d提供與照相機角度的改變有關的附加信息。

圖12a和13a分別提供與工具承載的追蹤裝置一起使用的投影機的側視圖和等軸測圖。

圖12b、13b和13c分別提供與工具承載的追蹤裝置一起使用的處于角度取向的投影機的側視圖、等軸測圖和頂視圖。

圖14a、14b、15a和15b每個圖示由一些工具承載的追蹤裝置實施方式使用的若干不同的電子部件構造的示意圖。

圖16a、16b和16c圖示參考框架的各種視圖。

圖17圖示參考框架引導件的等軸測圖，并且圖18圖示圖17的引導件附接到圖16a的參考框架。

圖19圖示圖18的部件被運動并定位用于附接到解剖結構，并且圖20是圖示所述附接的等軸測圖。

圖21圖示引導框架的移除，并且圖22圖示將框架在解剖結構上保持就位。

圖23圖示在脛骨上就位的另一參考框架。

圖24a、b和c圖示參考框架及其部件。

圖25圖示脛骨上的植入部位。

圖26a、26b和26c圖示具有結合框架的部件的撓性聯接機構的另一參考框架實施方式。

圖27a和27b圖示替代的參考框架表面。

圖28是一種示例性膝假體的等軸測圖。

圖29a-29i和30圖示用于執行全膝置換ottcas手術的就位的工具承載的追蹤系統和相關聯的外科工具的各種視圖。

圖31a是表示一種示例性ottcas方法的流程圖。

圖31b是提供利用圖31a中描述的方法執行處理步驟的附加細節的流程圖。

圖32是提供用于確定cas處理模式的處理步驟的示例性附加細節的流程圖。

圖33是圖解被認為是用于確定cas處理模式的輸入以及代表性輸出的許多因素的流程圖。

圖34是代表用以確定用于懸停模式的處理負荷的示例性ottcas模式調節處理因素、部位接近模式和實際步驟模式的流程圖。

圖35是代表包括ottcas處理適應的結果和得到的模式算法及其修改的輸出的示例性ottcas處理的流程圖。

圖36是代表包括上述ottcas過程中的任意的修改以包括與在任何ottcas過程或手術中活動元件的使用有關的相關外科工具操作特征、參數或其它數據的示例性ottcas過程的流程圖。

圖37a-44涉及連同有關的運動響應和設計標準一起的各種替代的觸覺反饋機構。

圖37a圖示偏轉以響應于觸發力運動致動器的彎曲形式。

圖37b圖示將響應于觸發力變形并恢復其形狀的滑動梯形形式。

圖37c圖示用以提供響應于觸發力的旋轉的旋轉讀取器或編碼器。

圖37d圖示響應于觸發力運動以將軸壓入基部中的框架，其中，軸的運動可以被記錄為觸發力的指示。

圖37e圖示可以偏轉以指示觸發力的量的銷元件。

圖38a和38b圖示可以用以記錄觸發力并使軸移位的分別處于提升位置和降低位置的簡單的四桿機構。

圖39a、39b和39c每個圖示剪式機構，分別為不具有位置恢復元件(39a)、具有作為位置恢復元件的拉力彈簧(39b)和作為位置恢復元件的壓縮彈簧(39c)。

圖45是觸覺反饋機構的等軸測圖。

圖46a-46f圖示圖45的機構的部件和操作的各種視圖。

圖47和48圖示安裝在具有工具(這里為鋸)的外科器械上的工具承載的追蹤裝置的側視圖，其中，圖45的觸覺反饋機構就位以與外科器械的觸發器相互作用。圖47圖示處于覆蓋觸發器的擴張構造的觸覺反饋機構，并且圖48示出塌縮以暴露觸發器的觸覺反饋機構。

圖49a-49b圖示處于打開或擴張狀態(圖49a)和閉合狀態(圖49b)的觸覺反饋機構的另一替代。

圖49c-49e圖示圖49a和49b中的裝置的內部機構的各種視圖。

圖50圖示聯結用于與具有圖49a和49b的機構的實施方式的外科工具一起使用的ott的實施方式，該機構安裝用于與外科工具的觸發器協作并且能夠發送并接收與ott中的部件有關的觸發。

圖51是利用兩個位置恢復元件的剪式機構的替代實施方式的剖視圖。

圖52a和52b分別是工具承載的追蹤和導向裝置(ott)的前等軸測圖和后等軸測圖，其包括具有ott外殼的顯示器，ott外殼聯結到具有聯結到ott的基于觸發器的反饋機構的外科工具。該視圖還示出與ott通信的示例性計算機系統。

具體實施方式

本發明是用于執行計算機輔助整形外科的系統和用于操作該系統的新穎工具。本發明通過可選地將計算機輔助外科的所有元件(工具、顯示器和追蹤)結合到單個智能器械中來克服當前計算機輔助外科系統的限制。該器械不依賴于外部導向系統，但工具包含以自包含組件在工具本身上的所有追蹤設備。因此，總的系統的復雜性顯著降低、對外科醫生的侵入性更小并且易于結合到整形外科的現有實踐中。

以概述的方式，系統由主要的子系統組成。首先是工具本身，其用以承載獨立的工具承載的追蹤裝置或者被修改以包含子系統或子系統的元件，從而提供工具承載的追蹤(ott)功能。修改能夠是簡單的，諸如擴展的底盤以保持附加部件，或者是復雜的，諸如修改的動力系統以向附加的子系統供以動力和/或停止或控制被供以動力的工具上的馬達速度或其它致動器。第二子系統是追蹤子系統，其包括一個或多個追蹤器和一個或多個追蹤元件。追蹤器能夠是對可見光或來自另外波長的光敏感的一個或多個照相機(立體觀察器)。替代地，追蹤器可以是電磁追蹤器或其它非基于照相機的系統。追蹤元件是追蹤器追蹤的任何物體。例如，在追蹤器是紅外照相機的情況下，追蹤元件是紅外led，或者反射從照相機周圍或其它位置發射的紅外光線的無源表面。在追蹤器是對可見光敏感的一對高分辨率照相機的情況下，追蹤元件可以是患者的特定解剖結構或者直接在包括標記或參考框架的解剖結構上制成的標記。子系統能夠利用以各種構造安裝在工具上的一個或多個追蹤器來追蹤一個或多個追蹤元件。一方面，使用所需傳感器追蹤工具、患者和其它相關目標以執行ottcas外科的追蹤器至少部分以自包含方式定位在外科工具上。導向系統在追蹤子系統計算追蹤元件相對于工具的位置時進行導向。

第三子系統是ottcas計算機系統，其包含適當的cas計劃軟件和程序以執行ottcas功能外科計劃。外科計劃能夠通過各種方式產生，但包含在三維空間內由操作者意指的切除(例如，切口、鉆孔、待去除的組織體積)的尺寸。系統還能夠包含患者解剖結構的參考圖像、諸如患者解剖結構的計算機斷層掃描圖像(數據集)，以及作為參考點的患者解剖結構的2d或3d虛擬模型。計算機系統編譯來自追蹤系統和外科計劃的數據以計算由工具限定意指的切除的邊界的相對位置。在一些構造中，計算機系統能夠是與其它部件無線通信的完全獨立的部件。在其它構造中，計算機系統集成到其它系統中。追蹤系統和計算機系統一起能夠確定外科醫生的位置和工具的運動(外科路徑)是否將產生期望的切除。重要的是注意到，計算機子系統和追蹤子系統一起工作以建立外科部位的三維空間。追蹤子系統作用所需的元件能夠位于計算機子系統或將追蹤數據傳輸至計算機子系統的一些中間模式中。

最后的子系統是指示器，用以向外科醫生提供與外科醫生對工具的運動以及與實時ottcas步驟中的意指切除的關系有關的ottcas適當輸出。該指示器能夠是將外科路徑與意指切除對準/定位的任何類型的方式：在裝備ott的工具上的示意方向以校正外科醫生的一組燈、具有聽覺指示的揚聲器、屏幕、觸摸屏或類似iphone或ipad的裝置(即，所謂的“智能手機”)，顯示工具和患者的三維表示，在切除的適當位置的患者解剖結構上具有增加的引導圖像或數字投影(例如通過微型投影機)。指示器用以提供適當的ottcas輸出以引導外科醫生基于實時信息作出正確切除。

現在看具體子系統：

用于計算機輔助外科的手術間包括用于術前使用的第一計算機。例如，患者的術前分析和各種元件的選擇可以在第一計算機上執行。手術間還可以包括被稱為or計算機的第二計算機，其在手術過程中使用以輔助外科醫生和/或控制一個或多個外科器械。另外，手術間可以包括經由工具承載的追蹤系統的實施方式安裝在外科器械上的計算機(獨立的或與另外的計算機協作)。第一計算機在本例子中提供，但可以在一些構造中省略，因為此計算機的功能還在能夠是獨立的or計算機上進行。此外，整個‘手術前計劃’可以最終主要使用結合ott的or計算機在or內瞬時出現。不過，如果特定應用需要的話，可以使用第一計算機。手術前計劃和手術還能夠通過來自在線網絡鏈接的數據或主動引導來輔助。如這里使用的，術語cas系統或cas計算機是指如在執行cas功能的任意這些組合中提供的那些計算機或電子元器件。此外，系統的微處理單元能夠位于工具承載的追蹤器械中。在這種構造中，計算和用戶交互能夠在承載于被使用的外科工具上的計算機內或者通過有線或無線通信與主系統計算機協作執行。通過無線通信與主ottcas計算機協作，這種系統執行切割器械相對于待執行的理想切割的位置的錯誤分析，并且為了該目的單獨或與由裝備有ott的一個或多個投影機提供的輸出進行任意結合在作為工具承載的追蹤器的一部分提供的屏幕上顯示正確的動作和其它信息。

因此，用于ottcas的手術間可以包括允許對若干元件在空間中的位置進行實時追蹤的追蹤/導向系統，所述若干元件包括：(a)患者的結構，諸如骨或其它組織；(b)外科工具，諸如骨鋸和/或ott，其承載ott并且由外科醫生基于來自or計算機的信息進行控制或(c)外科醫生/輔助人員系統特定工具，諸如指針、配準工具或其它物體(如果需要的話)。or計算機或ott還可以執行器械上的一些控制。基于工具的位置和來自ott的反饋，系統或cas計算機能夠改變外科工具的速度以及關閉工具以防止潛在損害。附加地，cas計算機可以向使用者提供可變反饋。在附隨的描述中顯示的外科器械是外科鋸。可以理解，許多其它器械能夠如這里描述的那樣被控制和/或導向，諸如鉆子、磨石、銼刀、拉刀、手術刀、針或其它器械。因此，在以下討論中，啟用ott的cas系統不限于所描述的具體工具，而是可應用于多種器械和手術。

如以下進一步討論的，手術間的一種示例性用途包含待執行手術的患者的一部分的虛擬模型的使用。具體地，在手術之前，使用ct掃描、mri掃描或其它技術生成患者的相關部分的三維模型。在外科手術之前，外科醫生可以觀察和操縱患者模型來評估用于進行實際手術的策略。

一種可能的方法是在手術過程中使用患者模型作為導向裝置。例如，在手術之前，外科醫生可以分析患者的一部分的虛擬模型并且在圖上標出在手術過程中待切除的組織。接著在實際手術過程中使用該模型來引導外科醫生。具體地，在手術過程中，工具承載的追蹤裝置監控手術的進程。作為執行的ottcas過程的結果，進程/結果實時顯示在or計算機上或ott監控器(例如，在載lcd屏)上，使得外科醫生能夠看到相對于患者模型的進程。重要的是，外科醫生還提供ott投影機以基于ottcas處理步驟提供實型反饋(以下更詳細描述)。

為了在ottcas手術過程中提供導向輔助，工具承載的追蹤裝置監控相關聯的外科工具在外科區域內的位置。ottcas系統可以不使用或使用一個或多個參考框架，其根據承擔的ottcas手術的要求包括一個或多個位置傳感器或一個或多個基準標記。在有源或無源構造中可以利用上述標記中的任意標記。標記可以任選地是與系統通信的有線或無線傳感器。有源標記發射信號，該信號由ott裝置接收。在一些構造中，無源標記是不必電連接到ottcas系統的無線標記。一般地，無源標記使紅外光反射回到ott裝置上的適當傳感器。當使用無源標記時，觀察的外科區域暴露于紅外光，其接著反射回到ott并由ott接收，由此ottcas確定無源標記的數據位置。ott裝置的一些實施方式可以設有紅外傳送裝置和紅外接收器。ott接收來自有源標記的發射光和來自無源標記的反射光，連同來自ott的其它視覺區域信息。ottcas系統基于包括標記的位置連同外科區域中的其它圖像信息的圖像的視覺處理計算并對工具的三維位置作三角測量。工具承載的追蹤裝置的實施方式可操作以檢測啟用ott的工具相對于三個正交軸的取向。以此方式，使用來自ott裝置的信息，ottcas系統確定工具的位置和取向，并且接著使用該信息以確定ottcas處理模式并為使用者產生適當的ottcas輸出。

如在cas中是典型的，一系列點或表面用于使患者的解剖結構的位置與患者的虛擬模型配準或相關。為了收集該信息，導向的指針用以獲取解剖標志處的點或患者解剖結構內的表面上的一組點。被稱為變形的過程可以替代地用以將患者配準到從圖集或數據庫取得并且不來源于特定患者的實際圖像的該患者的近似虛擬模型。在這種過程中，外科醫生使患者的部分和一些策略性解剖標志數字化。ottcas計算機分析數據并識別共同的解剖特征以由此識別患者上的對應于虛擬模型上的特定點的點的位置。

相應地，如上提及的，工具承載的追蹤裝置視覺上實時監控若干物體的位置，包括：相關聯的外科工具的位置、患者的位置以及在手術過程中使用的物體(諸如，一個或多個參考框架或一個或多個標記)的位置。相應地，ottcas計算機處理有關相關聯的外科工具的位置的ottcas數據、ott圖像數據中的視覺區域信息、有關患者的位置的數據以及有關患者的模型的數據。ottcas計算機處理的這種結果提供動態、實時相互作用位置和取向反饋信息，其能夠由外科醫生在ott裝置(如果提供的話)提供的監控器上或作為ott投影機的顯示輸出觀察。更甚者，如前所述，在手術之前，外科醫生可以分析患者模型并識別待切除的組織以及計劃或指示在ottcas步驟過程中或在cas手術過程中使用的期望的ottcas模式。該信息隨后能夠在手術過程中使用，以基于cas處理的模式和其它因素使用動態調節的輸出引導外科醫生。

圖1是在使用外科器械50的計算機輔助外科過程中設置用于追蹤并提供引導的工具承載的追蹤裝置(ott)100的等軸測圖。ott100具有外殼105，該外殼105在用于投影機輸出110的開口中包括一對照相機115。ott100以及也作為外殼105具有適于且被構造為與外科器械50配合的表面120。外科器械50包括用于操作具有活動元件56的工具54的觸發器52。圖1的示意性實施方式，工具54是鋸子并且活動元件56是其遠端的鋸齒狀邊緣。

圖2是在使用外科器械50的計算機輔助外科過程中設置用于追蹤并提供引導的工具承載的追蹤裝置(ott)200的等軸測圖。ott200具有外殼205，該外殼205在用于投影機輸出210的開口中包括一對照相機215。ott200以及也作為外殼205具有適于且被構造為與外科器械50配合的表面220。外科器械50包括用于操作具有活動元件56的工具54的觸發器52。圖2的示意性實施方式，工具54是鋸子并且活動元件56是其遠端的鋸齒狀邊緣。

圖3和4是圖1和2的工具承載的追蹤裝置的等軸測圖，其中，外殼的頂罩被移除。在圖3的視圖中，外殼105的被暴露的內部顯示處理電路130、投影機125和照相機115的布置。投影機125的輸出110在該實施方式中被圖示為處于包含照相機115的平面上方的位置。在圖4的視圖中，外殼205的被暴露的內部顯示處理電路230、投影機225和照相機215的布置。投影機225的輸出210在該實施方式中被圖示為處于與包含照相機215的平面成銳角的上方的位置。

圖5、6和7表示工具承載的追蹤器200的一個頂視圖和兩個等軸測圖。在圖4中示出的工具承載的追蹤器的頂視圖中，電子元器件的取向和布置清楚可見。由于在該構造中使用的投影機225的類型，投影機已在外殼205內成角度定位，如圖6中所示，在略微傾斜的表面上。在一種實施方式中，工具承載的追蹤裝置的照相機或者投影機的一者或兩者可以以任意取向定位并且隨后該取向對各自的裝置的操作的結果以如這里描述的其它方式補償。以此方式，由于略微的物理未對準可以使用如這里描述的軟件技術來調節，各種不同的ott電子元器件設計是可能的。圖7圖示工具承載的追蹤器200的與外殼205分離的電子元器件的等軸測圖。該附圖圖示用于布置在外殼205內在單個板235上具有照相機215、投影機225和相關聯的處理電子元器件230的引用一件式”ott電子元器件包的一種實施方式。

圖8a、8b、9和10均圖示工具承載的追蹤裝置內包括的照相機的各種照相機角度取向的照相機觀察區域上的結果。圖8a中的照相機115關于彼此和外科工具54的軸線以接近平行的布置取向。在考慮由其它部件引起的阻斷之后，該構造提供范圍從約70mm至約200mm的照相機觀察區域。在其它實施方式中，示例性ott裝置的照相機系統可以在范圍從約50mm至約250mm的照相機觀察區域中操作。可以理解，照相機觀察區域可以根據ott裝置將用以執行的特定計算機輔助外科手術所需的期望的觀察區域物理地或電子地改變。

與圖8a中照相機的接近平行的布置相比，圖8b、9和10每個展示不同照相機傾斜角度的結果和得到的照相機觀察區域的變化。參照圖11a、11b、11c和11d更好地理解ott照相機定位和傾斜角度的關系以及其與觀察角度、最小目標距離和最大目標長度的關系。圖11a圖示作出用以產生圖11b中使以度為單位的傾斜角度與許多視覺區域因素相關的圖表的計算的幾何設置和公式。來自該圖表的與傾斜角度相關的數據在圖11c和11d中示出的曲線圖中再現。這些附圖中呈現的光學區域信息在這里描述的ott裝置的各種實施方式的一些中的照相機定位的設計和優化中有用。

參照圖12a、12b、13a、13b和13c可以理解用于各種ott實施方式的投影機的附加方面。圖12a和圖12b之間的比較展示基于投影機在ott外殼內的定位對投影機輸出的影響。如圖12a和13a中所示，投影機125看上去相對于工具54成接近平面關系。但是，注意投影機輸出126的一部分如何延伸超出工具遠端56并在工具遠端56下面。與此相比，投影機225關于工具54以銳角定位。附加地，到10的投影機輸出在與其處于照相機215之間的相對位置相比時偏向一側。但是，投影機輸出226主要在刀片54的上方并且僅在遠端56處經過。在查閱圖13b和13b中的視圖后將明了到26的投影機輸出的附加方面。理解的是，在這些實施方式中描述的投影機輸出、投影機尺寸和取向不限于所有ott裝置實施方式。合適的ott投影機可以以多種滿意的方式構造并且在ott外殼內的布置可以基于期望的投影機的包裝尺寸來調節。如由投影機225的抽樣輸出清楚地圖示的，許多不同的投影機尺寸、取向和角度關系可以被使用并且仍然有效地操作以滿足ottcas處理系統的投影機要求。換句話說，很多種投影機類型、輸出位置和包裝可以被使用并且仍然保持在這里描述的ott裝置的各種實施方式內。

本發明的ott裝置的實施方式根據特定ottcas系統期望的具體操作特征設有各種圖像、投影機和電子元器件。為了針對ottcas系統的該部分可以理解很多種特征和設計因素，提供隨后的示意性實施方式。

圖14a圖示ott裝置的實施方式的示意圖。在該圖示的實施方式中，提供

·照相機/數字信號處理器/處理naturalpointoptitraksl-v120范圍

·計算機：pc-windows2000/xp/vista/7；1.5ghz處理器；256mbram；5mb可用硬盤空間；usb2.0高速端口(最小，更快更好)

·com：具有無線usb支持的dynadockw20端口復制器；

·投影機：microvision的showwx激光微型投影機

如視圖中所示，其設置在ott外殼內。該實施方式使用所謂的“智能照相機”，即，具有執行局部圖像處理的能力的照相機。該處理能夠通常通過現場可編程門陣列(fpga)編程。該具體實施方式中的部件的構造被利用以提供在ott裝置上和在ottcas計算機上出現的圖像處理。例如，ott裝置上的dsp在將標記數據傳輸至ottcas計算機之前檢測并處理標記數據。該構造極大地減小主機上所需的處理功率，同時還使需要傳輸的數據最少化。可以理解，示意圖盡管主要用于顯示圖像的類型、特定ott裝置或ott裝置和ottcas計算機之間的數據處理和總的計算機處理能力，該視圖可能不反映具體部件之間的實際取向、間距和/或對準。電子通信能力(com)經由自和向適于并構造用于這里描述的ottcas處理、算法和模式的計算機進行有線連接或任何合適的無線數據傳輸模式提供。ott裝置和ottcas計算機(如果使用的話)之間的處理數據交換的類型、多樣性、數量和質量將根據所利用的特定ottcas程序、模式或系統的具體參數和考量而變化。

圖14b圖示ott裝置的實施方式的示意圖。在該圖示的實施方式中，提供

·照相機：有線或無線模擬照相機；例如fpv無線照相機

·dsp：ucfg單片機抓幀器。其連接到pcpci總線并變為pc的一部分。

·計算機：pc-windows2000/xp/vista/7；1.5ghz處理器；256mbram；5mb可用硬盤空間；usb2.0高速端口(最小，更快更好)

·com：硬接線或模擬無線傳輸器

·投影機：microvision的showwx激光微型投影機

如視圖中所示，其設置在ott外殼內。該具體實施方式中的部件的構造被利用以提供低成本商品照相機的使用，其中，在ott上不執行用于追蹤的圖像處理并且圖像信號由作為pc的一部分的專用抓幀器捕獲。抓幀器接收捕獲的圖像并且將其存放在pc存儲器中，且沒有通過pc的任何開銷處理。該實施方式得到較小、較輕且成本較低的ott裝置。

可以理解，示意圖盡管主要用于顯示圖像的類型、特定ott裝置或ott裝置和ottcas計算機之間的數據處理和總的計算機處理能力，該視圖可能不反映具體部件之間的實際取向、間距和/或對準。電子通信能力(com)經由自和向適于并構造用于這里描述的ottcas處理、算法和模式的計算機進行有線連接或任何合適的無線數據傳輸模式提供。ott裝置和ottcas計算機(如果使用的話)之間的處理數據交換的類型、多樣性、數量和質量將根據所利用的特定ottcas程序、模式或系統的具體參數和考量而變化。

圖15a圖示ott裝置的實施方式的示意圖。該實施方式利用具有合并的電子電路的商品usb照相機，該電子電路捕獲來自照相機的圖像并且將其調節為usb兼容。該輸出被壓縮并隨后有線或無線地傳輸，且沒有進一步與追蹤相關的處理。

在該圖示的實施方式中，提供

·照相機：微軟lifecam

·計算機：戴爾精密r5500架工作站

·com：carambola8裝置芯，或者dtw-200d(cdma20001x)和dtw-500d(evdoreva)

·投影機：microvision的showwx激光微型投影機

其如視圖中所示設置。該具體實施方式中的部件的構造被利用以提供模塊化方案，用于提供電子ott元器件。該實施方式使用低成本商品照相機并允許照相機以模塊化形式使用，其中，它們能夠變化或升級以反映技術進步，且不擾亂ott或地面系統。

如果ottcas計算機針對dsp優化，則沒有必要使用工具承載的dsp。該實施方式使得使用商業上可獲得的圖像處理庫中的任意庫成為可能。例如，halcon圖像處理軟件僅需約1ms就能處理很大的二進制數據塊(骨參考框架led)并計算其形心。因此，圖像能夠被直接從ott工具發送至ottcas計算機以便處理。重要的是，當與其它實施方式相比時，將需要選擇com以處理較高帶寬。類似地，將需要選擇計算機以處理更多的繁重的計算。

可以理解，示意圖盡管主要用于顯示圖像的類型、特定ott裝置或ott裝置和ottcas計算機之間的數據處理和總的計算機處理能力，該視圖可能不反映具體部件之間的實際取向、間距和/或對準。電子通信能力(com)經由自和向適于并構造用于這里描述的ottcas處理、算法和模式的計算機進行有線連接或任何合適的無線數據傳輸模式提供。ott裝置和ottcas計算機(如果使用的話)之間的處理數據交換的類型、多樣性、數量和質量將根據所利用的特定ottcas程序、模式或系統的具體參數和考量而變化。

圖15b圖示ott裝置的實施方式的示意圖。在該圖示的實施方式中，提供

·照相機：如圖15a中的智能照相機或者如圖15c中的usb照相機

·慣性傳感器：boschsmb380、freescalepmma7660、kionixkxsd9

·在載處理器：arm處理器

·計算機：pc-windows2000/xp/vista/7；1.5ghz處理器；256mbram；5mb可用硬盤空間；usb2.0或usb3.0高速端口(最小，更快更好)

·com：標準ieee802.11通信協議或用于在承擔ott的處理器和地面站pc之間通信的類似協議

·投影機：microvision的showwx激光微型投影機

其如視圖中所示設置。該具體實施方式中的部件的構造被利用以提供在ott裝置上執行復雜處理的實施方式，從而為了ottcas手術的目的根據需要完成大多數人體追蹤。該裝置是完全獨立的追蹤裝置。ott裝置還包含一個或多個慣性傳感器。dsp涉及慣性傳感器的使用以預測‘下一幀’中的基準的位置。因此，在ott裝置上的dsp上的計算負擔最小化。

可以理解，示意圖盡管主要用于顯示圖像的類型、特定ott裝置或ott裝置和ottcas計算機之間的數據處理和總的計算機處理能力，該視圖可能不反映具體部件之間的實際取向、間距和/或對準。電子通信能力(com)經由自和向適于并構造用于這里描述的ottcas處理、算法和模式的計算機進行有線連接或任何合適的無線數據傳輸模式提供。ott裝置和ottcas計算機(如果使用的話)之間的處理數據交換的類型、多樣性、數量和質量將根據所利用的特定ottcas程序、模式或系統的具體參數和考量而變化。

除上述細節和具體實施方式之外，可以理解，ott裝置的替代實施方式可以具有電子元器件，所述電子元器件包括具有處理能力的元器件以及軟件和硬件和電子指示以根據這里描述的ottcas處理方法、模式和算法提供ottcas數據的以下示例性類型中的一種或多種：

·接收并處理視覺和ir光譜圖像數據

·確定圖像幀內的每個標記的形心的坐標

·確定圖像幀內的所有標記的尺寸

·報告一個或多個基準的尺寸和坐標

·子像素分析以確定圖像幀內的形心的位置、標記布置或選擇的標記布置

·基于來自中央計算機或內部指令的輸入或響應于ottcas處理模式適應從每秒20幀至60幀的可變和可控幀率

圖16a、16b和16c提供在計算機輔助外科手術中使用的參考框架300的各種視圖。設有框架305，其具有由周邊315界定的表面310。一個或多個有源或無源基準標記70經過表面310以型式72布置。設有從框架305延伸的桿320和在桿上的聯結件325。聯結件325用以將框架305連結到基部330。基部330具有能夠接合與手術相關的外科區域內的解剖結構的一部分的第一表面335。基部330具有第二表面340以與聯結件325接合。聯結件325和第二表面340在圖16a中接合，但在圖16b和16c中分離。在圖16c和16c的視圖中，在聯結件上可見至少一個配準元件，并且在第二表面上可見至少一個配準元件。在圖示的實施方式中，配準元件342b是在聯結件325上的凹形特征部，而在第二表面340上的聯結元件325a是凸形特征部。當聯結件325和第二表面340接合時，配準元件的尺寸和位置被設定成配合協作。可以理解，當聯結件接合到第二表面時，各種不同的配準元件類型和位置可以適于并構造成用于提供配合協作。

基部330包括用以接合解剖結構的第二表面335。所有表面或表面的一部分可以包括鋸齒形邊緣以輔助與解剖結構、尤其圍繞關節的骨解剖結構接合。基部第一表面335包括與基部第一表面在外科手術過程中附接到其上的解剖部位互補的曲度。在一種實施方式中，解剖結構的骨部分鄰近作為外科手術的目標的關節。關節可以從膝、肩、腕、踝、髖或椎骨選擇。基部330包括至少一個孔口337，所述至少一個孔口337適于并構造用于固定元件，所述固定元件用以將基部附加到人體上的部位。固定元件可以從銷、螺釘、釘子或外科釘中的一種或多種選擇。

圖17圖示參考框架引導件350的示意圖。參考框架引導件350具有框架355和從框架355延伸的桿360。桿360具有被構造成與解剖特征部接合的曲度或形狀，以在框架引導件附接到框架305時輔助參考框架300在外科區域內以期望位置和取向布置。參考框架引導件350還包括沿著框架355的一個或多個接合元件365，用于與參考框架305的周邊315或一部分暫時接合，以允許與使用元件365附接的參考框架300相聯的基部330的適當定位和調節。圖18圖示附接到參考框架300的框架305的參考框架引導件。在使用中，接合元件365可以斷裂，以在外科手術過程中從引導框架移除參考框架。盡管圖示為與參考框架300配合協作，參考框架引導件350可以適于并構造成與不同形狀和尺寸的參考框架(諸如圖24中的參考框架400)形成配合接合。

在一種特定實施方式中，桿360的曲度或形狀362被構造用于桿關于髁的布置，以提供參考框架300沿著股骨在外科區域內的對準。圖19和20示出基部330沿著股骨10的定位。關節參考框架引導件和參考框架結構(參照圖18)被定位(沿著圖19中的箭頭)，以使桿360的曲度362在股骨10的髁12之間對準，從而使基部330如圖20中所示以適當取向布置在股骨上。之后，參考框架300通過利用諸如螺釘或釘子施加到孔口337或使用生物相容性骨接合劑的一種或多種方法連結基部第一表面335來附接到股骨10。一旦參考框架300被確認處于適當位置，參考框架引導件350被移除(圖21)，僅留下根據待進行的外科計劃(圖22)與髁12成期望關系且沿著股骨10處于期望位置的參考框架。

圖23圖示參考框架400和沿著脛骨15的位置的實施方式。在圖示的實施方式中，參考框架400附接在脛骨粗隆上或圍繞脛骨粗隆(圖25中更清楚地示出)并利用上述關于參考框架300描述的若干固定方法中任一種緊固到骨。參考框架400的附加細節可以在閱讀圖24a、24b和24c后提供。這些附圖提供在計算機輔助外科手術中使用的參考框架400的各種視圖。設有框架405，其具有由周邊415界定的表面410。一個或多個有源或無源基準標記70經過表面410以型式74布置。設有從框架405延伸的桿420和在桿上的聯結件425。聯結件425用以將框架405連結到基部430。基部430具有能夠接合與手術相關的外科區域內的解剖結構的一部分的第一表面435。基部430具有第二表面440以與聯結件425接合。聯結件425和第二表面440在圖24a中接合，但在圖24b和24c中分離。在圖24c和24c的視圖中，在聯結件上可見至少一個配準元件，并且在第二表面上可見至少一個配準元件。在圖示的實施方式中，配準元件442b是在聯結件425上的凹形特征部，而在第二表面440上的聯結元件425a是凸形特征部。當聯結件425和第二表面440接合時，配準元件的尺寸和位置被設定成配合協作。可以理解，當聯結件接合到第二表面時，各種不同的配準元件類型和位置可以適于并構造成用于提供配合協作。

基部430包括用以接合解剖結構的第二表面435。所有表面或表面的一部分可以包括鋸齒形邊緣以輔助與解剖結構、尤其圍繞關節的骨解剖結構接合。基部第一表面435包括與基部第一表面在外科手術過程中附接到其上的解剖部位互補的曲度。在一種實施方式中，解剖結構的骨部分鄰近作為外科手術的目標的關節。關節可以從膝、肩、腕、踝、髖或椎骨選擇。基部430包括至少一個孔口437，所述至少一個孔口437適于并構造用于固定元件，所述固定元件用以將基部附加到人體上的部位。固定元件可以從銷、螺釘、釘子或外科釘中的一種或多種選擇。

現在轉向圖26a、26b和26c，描述被設計的參考框架的附加方面。參照圖26a，框架305和基部300之間的取向可以在多種預設取向之間調節。改變這兩個部件之間的關系是通過改變關節可獲得的多個配準元件中的哪些配準元件是接合部件來完成的。一方面，在聯結件上設有多個配準元件，并且在第二表面上設有多個配準元件。參考框架的取向可以在第一取向382和不同的第二取向384之間調節，基于此，配準元件分組用于將基部330連結到框架305。在一種實施方式中，其中，聯結件上的配準元件的一部分與第二表面上的配準元件的一部分接合，結果將框架在外科區域內以第一取向定向。另一方面，聯結件上的不同的配準元件與第二表面上的不同的配準元件配合，結果是框架305將在外科區域內以不同的第二取向呈現。一方面，第一取向是在外科預先計劃中使用的已知位置。另一方面，第二取向是在外科預先計劃中使用的已知位置。第一取向和/或第二取向可以在這里描述的ottcas技術的促進中使用。

圖26a還圖示適于并構造成維持聯結件和第二表面的相對位置和取向的安裝聯結件的一種實施方式。在該實施方式中，撓性聯接機構被示出為在這兩個部件之間，并且其在參考框架內的尺寸、形狀和取向用以維持框架305在外科區域內的取向。換句話說，安裝聯結件具有足夠的剛性，使得如果框架305在手術過程中遭撞擊，其不會失去它的對準。在另一替代方面，安裝聯結件完全地設置在使用的結構中，安裝聯結件設置成使得當安裝聯結件附接到參考框架時，安裝聯結件基本上或完全環繞聯結件和第二表面之間配合接觸的面積。

圖27a和27b提供替代參考框架表面形狀以及替代方案以顯示標記型式。圖27a圖示具有以型式78設置的多個基準標記70的參考框架的大致矩形框架390。圖27b圖示框架395上的大致梯形表面形狀310。多個基準標記70以型式設置在表面305上。

圖28圖示在全膝置換手術中使用的假體20的表示的等軸測圖。在假體20上標出的數字是在膝外科過程中作出的切口的類型的表示。圖29a-29i和30圖示這里描述的ottcas系統的獨特組合之一。盡管上述參考框架中的每個可以獨立地或結合其它解剖部位或外科設備使用，參考框架300和400對于這里描述的工具承載的追蹤裝置和ottcas手術具有特別的優勢。將工具承載的追蹤裝置用于手持式預切外科的一個挑戰是在手術過程中獲得相關追蹤信息并維持追蹤的參考框架。通過獨特的設計和布置，參考框架300和400可以用以利用這里描述的ott追蹤技術正好提供這種類型的動態參考框架追蹤。如以下附圖中所示，在用于植入假體20的代表性切口的每一個中，在ott100上承載的視覺系統能夠視覺上識別并與參考框架300和參考框架400全部或一部分配準。盡管這些特定構造是針對膝外科的ottcas系統和工具的能力的說明，可以理解，這里描述的參考框架和視覺引導技術可以適于人體中的其它關節和其它手術。

圖29a-29i和30每個圖示針對參考框架300在股骨10上的布置和參考框架400沿著脛骨15、特別是在脛骨粗隆18上或圍繞脛骨粗隆18的布置的代表性外科設置。可以理解，隨后圖示的ottcas手術利用參考框架300、400，它們在隨后的所有ottcas過程步驟過程中不運動，但保持在相同位置。工具承載的追蹤裝置100聯結到外科工具50，用于具有活動元件56的工具54的定位和使用。

在圖29a的示意性實施方式中，ott100提供引導，用于使用活動元件56制造遠端外側髁切口。在該切割過程中，在ott100上承載的照相機在圖示的切割的所有或主要部分過程中基于從參考框架300和參考框架400接收的信息捕獲、成像并提供相對導向和定位信息。

在圖29b的示意性實施方式中，ott100提供引導，用于使用活動元件56制造遠端內側髁切口。在該切割過程中，在ott100上承載的照相機在圖示的切割的所有或主要部分過程中基于從參考框架300和參考框架400接收的信息捕獲、成像并提供相對導向和定位信息。

在圖29c的示意性實施方式中，ott100提供引導，用于使用活動元件56制造前部切口。在該切割過程中，在ott100上承載的照相機在圖示的切割的所有或主要部分過程中基于從參考框架300和參考框架400接收的信息捕獲、成像并提供相對導向和定位信息。

在圖29d的示意性實施方式中，ott100提供引導，用于使用活動元件56制造后部外側髁切口。在該切割過程中，在ott100上承載的照相機在圖示的切割的所有或主要部分過程中基于從參考框架300和參考框架400接收的信息捕獲、成像并提供相對導向和定位信息。

在圖29e的示意性實施方式中，ott100提供引導，用于使用活動元件56制造后部內側髁切口。在該切割過程中，在ott100上承載的照相機在圖示的切割的所有或主要部分過程中基于從參考框架300和參考框架400接收的信息捕獲、成像并提供相對導向和定位信息。

在圖29f的示意性實施方式中，ott100提供引導，用于使用活動元件56制造前部倒角切口。在該切割過程中，在ott100上承載的照相機在圖示的切割的所有或主要部分過程中基于從參考框架300和參考框架400接收的信息捕獲、成像并提供相對導向和定位信息。

在圖29g的示意性實施方式中，ott100提供引導，用于使用活動元件56制造后部外側髁倒角切口。在該切割過程中，在ott100上承載的照相機在圖示的切割的所有或主要部分過程中基于從參考框架300和參考框架400接收的信息捕獲、成像并提供相對導向和定位信息。

在圖29h的示意性實施方式中，ott100提供引導，用于使用活動元件56制造后部內側髁倒角切口。在該切割過程中，在ott100上承載的照相機在圖示的切割的所有或主要部分過程中基于從參考框架300和參考框架400接收的信息捕獲、成像并提供相對導向和定位信息。

在圖29i的示意性實施方式中，ott100提供引導，用于使用活動元件56制造脛骨切口。在該切割過程中，在ott100上承載的照相機在圖示的切割的所有或主要部分過程中基于從參考框架300和參考框架400接收的信息捕獲、成像并提供相對導向和定位信息。

圖30圖示聯結到具有工具54和活動元件56的外科器械50的ott100。參考框架300、400也關于圍繞膝的ottcas外科部位示出。具有桿398和末端399的附加參考框架397用于外科區域的進一步配準或標記。參考框架397的配準通過具有工具的ott100的成像系統提供。配準框架397連同配準框架300和/或配準框架400一起配準。盡管這里描述的ottcas方法的實施方式利用參考框架300和參考框架400，可以理解，由于ott和ottcas處理的改進的基于圖像追蹤能力，ottcas系統具有兩個可用的參考框架，但在處理過程中選擇以僅使用來自一個參考框架的追蹤信息。

當考慮這里描述的獨特的參考框架實施方式的使用時，考慮ottcas系統使用者優選可以進行觀察的方式。ottcas系統是預編程序的，使得對于某些切口來說，某些觀察是默認示出的。例如，在制備用于tkr手術的股骨假體中切除股骨的例子中，如圖29和30中所示，若干表面待切除。每個表面可以在手術過程中從不同角度最佳觀察。當切割內側髁的前表面時，第一觀察可以是期望的，而在切割外側髁的前表面時，第二觀察可以是期望的。相應地，系統設置預定第一觀察，用于在內側髁的前表面被切除時觀察虛擬模型。類似地，針對多種共同的切除手術能夠限定默認視覺觀察。當ottcas系統確定待執行切割時，系統確定用于切口的最佳匹配并且在沒有外科醫生介入的情況下自動顯示默認。以幾乎相同的方式，由ottcas計算機執行的基于視覺的過程可以被預選擇，以根據環境自動地使用來自一個或兩個參考框架的所有或一部分可得到的追蹤信息。另外，ottcas可以引導使用者調節參考框架在外科區域內的取向，以改進來自該框架的引導信息。盡管在這里描述保持基部的配準位置的框架的可調節取向。

可以理解，多種多樣的動力或非動力工具中的任意種能夠與這里描述的ottcas系統一起利用。例如，在整形外科領域中，系統能夠在單個整形動力鋸(諸如，stryker系統6精密振動鋸)上建立。類似地，系統能夠與整形外科中通常使用的其它動力工具(諸如，磨刀石或鉆子)一起使用。在這種應用中，系統可以集成在外科工具的設計內或者作為改型增加。另外，系統可以利用不需要任何外部動力源(諸如，指針、標記器或手術刀)的工具。理想地，系統可以容納多個待在外科手術的不同階段使用的智能工具并且使得系統足夠穩健以執行很多種外科手術。

系統可以在整形外科之外的其它應用中使用。例如，其可以在模擬和用于指導和訓練整形外科外科醫生的模擬器中使用。替代地，系統可以用于要求硬組織的精確取向和操縱的其它醫療手術。本技術的計算機輔助外科可以容易地便利這種牙科手術。系統還能夠在非醫療應用中使用，例如，在木工、金屬板加工和所有其它工程標記和加工過程中，以引導使用者制造特定型式的材料切割或鉆孔。

這里描述的ottcas系統的實施方式通過在工具上布置一個或多個追蹤器消除了對外部追蹤裝置的需要。本發明能夠完全消除對外部追蹤系統的需要或者利用追蹤子系統以增加新的追蹤數據。在任一構造中，與外部追蹤器追蹤工具和患者的解剖結構兩者以確定彼此的相對位置截然不同，工具本身追蹤患者的解剖結構，或者相對于患者解剖結構追蹤其本身。此外，由于向追蹤系統提供輸入的部件位于工具本身上，系統的所有被追蹤元件相對于工具被追蹤。因此，由工具承載的追蹤器產生的追蹤數據非常不同。工具的位置例如不必被獨立追蹤，因為所有其它被追蹤的目標均從工具的有利位置被追蹤。在載追蹤系統減輕由外部被追蹤系統面對的問題，其中，包括外科器械的系統的所有部件由外部裝置追蹤。邏輯上，本發明通過將追蹤或向追蹤系統的處理部分提供輸入的部件布置在工具本身上允許手術室消除或至少最小化在手術室中對單件設備的需要。通過用于追蹤的傳感器在工具上，其帶來更靠近被追蹤目標的另一優點，并且由此可以得到更高分辨率和精度以及在追蹤器和其它系統的被追蹤元件之間對“視線”接近的較松要求。

追蹤器-追蹤子系統還包括能夠被外科器械上的追蹤器檢測到的一個或多個追蹤元件。在系統中能夠利用很多種追蹤元件。例如，包含一個或多個反射表面的參考框架能夠將紅外或可見光反射回到外科工具。發光二極管能夠類似地指示被追蹤目標回到外科工具的位置。諸如基準點或圖像識別的其它方式可以消除對外部參考框架待布置在需要被追蹤的諸如患者組織的目標上的需要。在其它實施方式中，在沒有任何其它參考點輔助的情況下，患者的解剖結構的具體圖像能夠用作追蹤元件。

外科器械借助于一個或多個追蹤器追蹤被追蹤元件的位置。在一種實施方式中，系統利用作為追蹤器的兩個照相機的立體布置。照相機在鋸子的刀片/鉆頭/磨石等的任一側上以適用于立體視覺的角度范圍并排傾斜。對于其它工具，諸如鉆子，照相機能夠類似地立體并排布置在鉆頭或任何其它工具的端部執行器的任一側上。

照相機相對于工具的端部執行器的布置影響追蹤器-追蹤元件子系統的操作。例如，一個或多個照相機遠離端部執行器的布置擴大觀察區域。對于像關節置換的應用，或者當工具緊靠患者的解剖結構時，寬的觀察區域是有益的。通過擴大的觀察區域，工具能夠更容易地找到追蹤元件。將一個或多個照相機更靠近工具的端部執行器布置限制觀察區域，但增加對諸如牙科手術的應用有用的放大率和分辨率。另外，照相機的布置必須考慮子系統的其它元件的相對位置。將照相機布置成使其軸線處于工具的端部執行器的平面內將使端部執行器阻擋照相機的觀察的程度最小化。但是，可以設想，照相機可以以被認為合適于外科手術中追蹤一個或多個追蹤元件的任意構造布置。隨著技術進步，這些當前描述的構造之外的構造對于特定工具和外科環境可能更有利。

子系統能夠利用很多種照相機或照相機的系統。通常，系統利用數碼照相機。另外，系統利用至少兩個照相機以提供立體視覺。可以使用模擬照相機，假如有數字轉換的有效方式，諸如建立的有時被稱為‘抓幀器’或‘捕獲卡’的圖像格式轉換技術。立體視覺以及基于來自兩個照相機的圖像中的不同獲得進一步信息的能力有助于系統在位置和取向或姿態方面更好地三維定位追蹤元件。系統可以利用多于兩個照相機，其利用所謂的“冗余”以改進導向的能力，諸如在被追蹤元件中的一些對照相機中的一個或多個不可見并且由此兩個照相機在這些情況下不足夠時的情況中。附加地，系統可以利用單個照相機，但將需要附加的圖像處理以像立體系統那樣精確地導向。

替代地，子系統可以利用追蹤器和追蹤元件的不同系統。在一種替代方案中，追蹤器是在標準手術室條件中存在的可見光譜下對圖像識別優化的高分辨率照相機。追蹤元件是基于存儲在外科計劃中的醫療圖像的患者的解剖結構。另外，較窄的觀察區域還可以對患者的解剖結構的有效識別有益。最后，外科計劃本身可能需要并入或識別患者的特定解剖標志以建立功能追蹤元件。

不管構造如何，照相機需要具有足夠的分辨率以準確地追蹤追蹤元件到某一預定的精度水平。例如，具有作為帶紅外led的參考框架的追蹤元件的系統，具有640×480分辨率的照相機具有足夠的分辨率以便以外科精度追蹤追蹤元件。系統能夠利用諸如紅外過濾器的附加元件，并且使追蹤元件與照相機隔離。在這種系統中較低分辨率的照相機能夠足以產生高準確度的追蹤。

分辨率不是照相機影響系統操作的唯一特征。根據系統的特定構造，幀率是重要的考量。例如，約100hz(幀每秒)的非常高的幀率將產生最小等待，但將在圖像處理器上非常繁重。系統可以要求大功率處理器，以便在給定時間單位內從非常多的捕獲圖像中提取追蹤元件。替代地，如果幀率非常低，那么系統將產生過多等待。如果操作員過快地運動工具，那么系統將不能繼續追蹤工具。在系統中應當利用可接受的最小幀率。對于連同vga照相機陣列一起利用參考框架中的紅外led的系統，30hz的幀率將產生適于徒手整形外科的系統。

這些例子一起圖示用于追蹤元件和照相機的的各種構造，包括追蹤器-追蹤元件子系統的示例性照相機-追蹤實施方式。除追蹤元件的準確布置之外，追蹤元件的位置必須從由照相機捕獲的圖像提取。從照相機接收的圖像信號必須經歷數字信號處理(dsp)，以將追蹤元件的圖像轉換成相對于工具的數學坐標。數學坐標隨后發送到計算機系統并且相對于外科計劃進行比較，允許計算機系統確定外科路徑是否遵循意指的切除。

考慮到有若干步驟將來自照相機的原始數據處理為數學坐標。最初，系統必須獲取圖像。對于檢測標記(例如，紅外led的、反射體、基準等)的照相機，系統必須：確定在總的追蹤元件中使用的每個單獨標記的形心的坐標、確定每個元件的尺寸并且向計算機系統報告每個led的尺寸、形狀和坐標。用以處理捕獲的圖像的附加操作(諸如子像素分析以確定形心的位置)能夠改進精度。

對于以30hz操作的系統，步驟必須在大約33ms完成，并且計算機將需要確定單獨的led之間的關系并且計算追蹤元件的位置和取向。計算機從該數據將必須確定模型的取向和骨與外科工具之間的相對位置。信號處理僅具有在兩個連續幀之間的時間量，以執行任何需要的操作。(例如，對于30hz的幀率，處理系統具有上述33ms時間段以執行這些操作)。在一種實施方式中，前述步驟中的大多數能夠在工具本身上通常通過集成在照相機(或其它追蹤器)本身上的cpu完成。

例如，由照相機捕獲的圖像的附加處理能夠經由集成到照相機內或在計算機系統上或這兩者的一些組合的cpu完成。例如，許多小的照相機具有能夠在輸出數據信號之前運行數字信號處理算法的集成的cpu。dsp能夠包括簡單的步驟，像將彩色圖像轉換為灰度或復雜操作，像將視頻圖像剪切為環繞識別的led的小框。最初的處理使得從在照相機上捕獲的圖像最終提取追蹤元件的計算任務較輕并且總的追蹤處理更有效。

照相機-追蹤元件子系統能夠通過數字圖像傳輸或通過無線傳輸利用數碼照相機。有很多種通過數字圖像傳輸的照相機，其一般被叫做“ip”或“wifi”照相機。許多小且低成本的方案能夠被利用，以任何格式(例如，mpeg)并且通過許多已知的數字流媒體協議之一供給到處理電子元器件的流媒體圖像(其能夠在兩個照相機之間同步)。替代地，模擬圖像傳輸能夠利用所謂的第一人視角(fpv)技術用在航空模型中。這有利于容易地得到商品照相機，其具有最小重量和尺寸、小的無線傳輸和低成本。在用于被追蹤元件的坐標的圖像處理和提取之后，附加處理是必須的以形成足以通知計算機系統的追蹤數據。被追蹤元件的坐標與關于照相機的信息(諸如說明和校準數據)結合，以進一步細化每個被追蹤元件的位置空間。基于每個被追蹤元件的細化位置，子系統利用針對特定追蹤元件(有時稱為參考框架)的用戶限定的集群定義，以檢測用于追蹤元件的有效集群以及其在空間中的位置和取向。確定空間中的位置和取向的數據是格式化的，以便使用。例如，系統能夠將特殊的坐標布置在與外科計劃中使用的空間的總的定義兼容的矩陣內。

前述處理與能夠在工具上進行的處理不同并且不是圖像調節和空間提取。其能夠通過專用軟件處理，專用軟件可以在外科計劃和計劃的切除被計算的相同計算機系統中，或者其可以在中間計算機上發生，該中間計算機可以在工具上或者與工具和計算機系統均分離。

附加導向數據能夠擴展照相機-追蹤元件系統。工具還能夠包含一個或多個加速計或慣性傳感器，以確定工具沿著外科路徑的取向和運動。除來自一個或多個照相機的追蹤數據之外，加速計能夠向計算機系統提供附加數據。替代地，外部追蹤系統能夠擴展工具的在載追蹤。這種應用不是必需的，但能夠用以主要通過‘預期’使用者的運動來擴展系統的追蹤能力。系統還可以包括多個追蹤器-追蹤元件模態。例如，系統可以包括紅外照相機和具有紅外led的追蹤元件以及用于光學分辨率的可見光照相機。來自這兩者的追蹤信息可以被處理以建立工具的三維坐標。

如在計算機輔助外科中典型的，外科計劃在開始期望的外科手術之前或者在執行期望的外科手術中的步驟之前被確定。外科計劃基于在患者的解剖結構的計算機重現上由外科醫生指定的意指切除部。患者的解剖結構的計算機重現可以通過諸如ct或mri掃描的各種醫療成像技術產生。另外，鋸子、鉆子、磨石、植入物或任何外科器械或其部分的計算機重現可以通過在計算機系統內編程的設計說明(或模型)取得。一旦通過諸如顯示器、鼠標、鍵盤、觸摸屏或用于與計算機系統交互的任何其它裝置的計算機交互裝置可接近患者的解剖結構的計算機重現，外科醫生可以通過將待執行的一個或多個切口、待鉆孔的區域或待移除的組織體積輸入計算機系統來手動指定用于外科計劃的切除部。替代地，計算機系統可以被構造成基于由外科醫生選擇的一組具體參數來產生外科計劃。具體參數可以對應于例如外科醫生希望附接到患者的解剖結構的植入物的形狀、尺寸和/或位置。計算機可以相應地產生包括將植入物配合到患者的解剖結構所需的切除部的外科計劃。一旦外科計劃由外科醫生指定，計算機系統將外科計劃轉變為一個或多個數學限定的表面，所述表面限定包括外科計劃的意指的切除部的邊界。通過之前描述的追蹤器-追蹤元件子系統獲取的數據隨后能夠用以將器械的外科路徑與外科計劃進行比較，以便確定外科路徑的偏差。

接著，外科計劃被描繪為在諸如笛卡爾、球面或柱面坐標的可接受的三維坐標系統或其它基于解剖學的坐標系統中數學地限定的一個或多個表面。例如，在使用笛卡爾坐標的外科計劃中，切口可以被限定為沿著限定原點的xyz坐標的x、y和z軸中的每個的具體距離。沿著每個軸的具體距離不必是線性的。例如，代表在患者的解剖結構中待鉆孔的區域的柱面可以在笛卡爾坐標中被限定為圓形表面，該圓形表面具有圍繞原點定位的具體直徑并在垂直于圓形表面的方向上從原點突出具體距離。任何切口、一系列切口或待移除的組織體積可以通過限定表面的類似方式被數學地限定，所述表面描繪外科器械必須遵循以完成指定的切除的外科計劃的邊界。

如之前注意到的，外科醫生可以在患者的解剖結構的計算機重現上手動指定外科計劃的切除部。在一種實施方式中，外科醫生能夠使用計算機交互裝置來觀察并操縱患者的解剖結構的三維重現并且作出表示切口的標記。在三維重現上作出的標記隨后轉變為描繪外科醫生使用外科器械必須遵循的外科計劃的數學表面。

在諸如全膝置換手術的利用植入物的外科手術中，在描繪用于更好地確保植入物將正確地配合在患者的解剖結構上的外科計劃時，使用植入物的物理說明是有利的。在這種實施方式中，外科醫生能夠使用計算機交互裝置以觀察并操縱患者的解剖結構的三維重現以及一個或多個具體植入物。例如，外科醫生能夠從具有諸如尺寸、形狀等不同物理特征的植入物目錄進行選擇。外科醫生可以選擇合適的植入物并操縱植入物的三維重現，以便以期望的對準配合在患者的解剖結構的三維重現上。外科醫生接著能夠為計算機系統選擇選項，以產生包括制備患者的解剖結構以接收植入物所需的計劃的切除部的外科計劃。相應地，計算機系統可以被構造成通過計算在由外科醫生對準的植入物和患者的解剖結構的計算機重現之間的每個交叉部處的表面產生合適的數學表面以描繪外科計劃。

為了引導外科醫生利用外科器械遵循外科計劃，必須有用于將外科器械的路徑與計劃的切除進行比較的方式。追蹤器-追蹤元件子系統可以相應地追蹤外科計劃的數學地限定的表面相對于工具的三維位置和取向。在一種實施方式中，數學表面通過在患者的解剖結構上的固定位置處定位的追蹤元件參考。為了更好的準確度，追蹤元件可以在可容易識別的位置處固定到硬組織。這樣做將簡化患者的解剖結構與追蹤系統的配準并且將避免可能由軟組織的不可預知的運動引起的不希望的錯誤。一旦患者的解剖結構與追蹤系統配準，在計算機系統中限定的數學表面能夠基于其相對于追蹤元件的固定位置的坐標的坐標被追蹤。由于追蹤系統位于外科器械上，由追蹤系統收集的關于患者的解剖結構的位置和取向和外科計劃的相應數學表面的追蹤數據是相對于在外科器械上限定的參考點的。相應地，在外科過程中，計算機系統可以使用追蹤數據來作出由外科器械遵循的外科路徑和外科計劃的表面之間的偏差的迭代計算。外科路徑和外科計劃之間對準的錯誤以及矯正動作可以通過諸如計算機屏幕上的圖形通知、lcd、或投影的顯示器、閃光燈、聲音報警、觸覺反饋機構的指示器或用于指示偏差錯誤的任何其它方式向外科醫生通信。

一方面，指示器是向外科醫生提供關于如何對準外科路徑以實現外科計劃的意指切除的引導的系統。在一種實施方式中，指示器是計算機系統的用以向手術室中的外科醫生提供信息的元件。美國專利申請序列號no.11/927429中【0212】段處教導手術室計算機的使用以引導外科醫生對外科工具的操作。‘429專利中教導的指示的一種方式是外科工具的致動。隨著由在載照相機-追蹤元件子系統檢測到的外科醫生的外科路徑從意指的切除部偏離，計算機系統將與外科工具通信以減緩或者甚至停止工具操作。在這種系統中，外科工具的致動是如‘429申請中【0123】段處進一步教導的外科醫生從計算機輔助外科系統接收指示的方式。

在另一實施方式中，計算機系統可以經由外部顯示器指示外科路徑何時從意指的切除部偏離。計算機系統能夠顯示外科工具和患者的解剖結構的三維重現。覆蓋在該圖像上的是外科計劃的三維重現。計算機系統更新由照相機-追蹤元件子系統確定的外科工具和患者的解剖結構的相對位置，并且覆蓋意指的切除部。外科醫生隨后能夠利用顯示器以使外科路徑與意指的切除部對準。類似地，外科工具和患者的解剖結構的相對位置能夠顯示在諸如個人眼鏡顯示的其它屏、手術室中的大型投影顯示器、附接到工具的智能手機或屏幕上。諸如在計算機系統上的外部屏幕和諸如在工具本身上的屏幕的其它屏幕的組合可以向外科醫生提供最佳信息量。例如，計算機系統上的屏幕能夠向外科醫生提供手術的總體概覽，而工具上的屏幕能夠針對手術中的具體切除部或步驟提供特定引導。

‘429申請中【0215】段處教導了在外科工具上的屏幕。在載屏幕可以顯示如上所述的外部顯示器上的相同類型的圖像。ott裝置的內容中的示例性植入在圖52a和52b中示出并描述。在載屏幕可以顯示外科路徑和意指的切除部的對準的簡化描繪。在一種實施方式中，簡化的顯示包括三條線。外科路徑通過一小一大的兩條線描繪。小線描繪外科路徑的遠端，而較寬的線描繪外科路徑的近端。第三條線描繪意指的切除部。前兩條線由外科工具的導向位置(定位和取向)計算。計算機系統編譯所有三條線以顯示在外科工具上的屏幕上。顯示示出外科路徑的近側部分和遠側部分，向外科醫生指示其三維相對位置。當外科路徑與意指的切除部對準時，所有三條線對準。指示器向外科醫生示出如何校正工具的三維位置。

在一種實施方式中，顯示被優化以提供用于導向鋸子的引導。外科路徑由大致對應于鋸子制造的切口的形狀的線描繪。在另一實施方式中，簡化的描繪可以由兩個圈描繪：小圈描繪外科路徑的遠端，較大圈描繪近端。尺寸大致等同的第二形狀(諸如十字形或菱形)描繪意指的切除部。如之前描述的，外科醫生能夠通過排列形狀來使外科路徑對準于意指的切除部。圈描繪像鉆子的不同工具的外科路徑。以此方式，系統能夠為很多種外科工具提供引導。在一種實施方式中，在指示器中描述的所有元件的位置應當以比人的反應時間快的速率通過計算機和追蹤子系統更新。

外科顯示的一個限制是它們將外科醫生的注意力從患者轉移。一種方案是將指示信息直接投影在進行手術的患者身體的部分上。任何種類的投影機可以布置在工具上并且在患者上顯示任何指示方法。在一種實施方式中，在載微型投影機可以顯示上述三條線簡化方式。在許多方面，第三條線將非常有用，因為其將在患者上精確描繪意指的切除部相對于患者的解剖結構的剩余部分開始的位置。另外，指示器能夠提供有關如何校正外科路徑以便與意指的切除部對準的更多直接引導，并且將引導信息直接投影在患者上。例如，投影機能夠描繪指向外科醫生需要運動以校正外科路徑的方向的箭頭。

將指示信息準確地投影在患者解剖結構上存在若干挑戰。首先，對于在載在工具上的方式，投影平臺將不斷地運動。另外，投影機投影在其上的表面是不平的。為了解決第二個問題，系統利用在外科計劃過程中獲得的信息。首先，系統知曉患者的解剖結構的表面的幾何形狀。外科計劃包含患者的醫療圖像，諸如ct掃描，其能夠自此提取指示器將在其上投影的表面的幾何形狀。系統相應地投影引導信息，使得通過外科醫生觀察適當地看到在患者的解剖結構的表面上的投影信息。例如，如果系統通過利用直線指示外科醫生用鋸子應當切割的位置，那么系統能夠彎曲并弧形化線，使得當投影在患者的解剖結構上時，其將顯示為直的。利用該方式，指示器能夠投影上面教導的對準的三條線簡化描繪。

類似地，系統還借助于追蹤系統計算工具的相對位置。通過該信息，系統能夠連續地修改投影角度，以確保指示器投影到患者的解剖結構上的意指的切除部的適當位置。指示器能夠使用很多種投影機，諸如迷你標準led投影機或激光掃描微型投影機系統。然而，前述中的任何都不阻止利用不在工具上或者以計算機輔助外科的任何其它形式使用的投影機。例如，外部追蹤的系統可以包括單獨的投影系統，其類似地將指示信息投影在患者的解剖結構上。

除在鋸子上的屏幕或投影機之外，系統能夠利用智能手機或平板電腦，諸如蘋果iphone4g，以向外科醫生提供指示。使用智能手機或平板電腦的指示器具有可移除屏幕的進一步優點。附加地，正像在載屏幕，智能手機能夠顯示工具和患者兩者的重現或簡化的圖像，諸如兩條線實施方式。不同的簡化的顯示可以提供外科路徑和意指的切除部何時對準以及它們未對準的方向的指示。例如，如果外科醫生過慢地接近切除部，那么屏幕能夠描繪指向上的箭頭。箭頭能夠以三維顯示，向外科醫生提供進一步指示。

對于簡化的指示器，顯示不必像智能手機或其它高分辨率屏幕那樣穩定。一組led例如可以顯示之前描述的三條線或箭頭指示。指示方法不必是視覺上的。如‘429申請中【0122】段處進一步描述的，系統可以向使用者聽覺地指示外科路徑何時偏離意指的切除部。

如上具體描述的，計算機輔助外科從基于計算機的解剖模型(諸如，基于利用任何已知的醫療成像模態獲得的圖像和重構的基于計算機的解剖模型)，或者從為了在基于計算機的解剖模型的輔助下使解剖或骨模型用在計算機輔助外科中而通過變形或其它已知過程產生的解剖模型進行，針對具體患者和手術開發待進行的外科計劃。外科預先計劃包括多個步驟，諸如獲得手術前圖像數據、針對待進行的具體手術進行外科計劃、針對患者具體解剖結構或狀況以及如果合適的話，針對待在cas手術過程中放置在、連結到或用在所選三維對準處的任何具體假體、裝置、植入物或其它結構進行計劃的適應性改變。利用手頭的該總的手術前計劃信息，外科醫生移至外科部位處的待進行的患者具體術中計劃。患者具體術中外科計劃將適于解決具體部位或諸如可以通過使用計算機輔助外科增強的任何整形手術或侵入性最小手術的具體手術。例如，具體關節可以針對修補的一些形式、針對局部置換或針對全置換被對準。可以理解，這里描述的技術可以應用于諸如踝、髖、腕、肩的其它關節或將受益于這里描述的對計算機輔助外科的改進的骨骼解剖結構的其它部分(例如，截骨或脊柱外科手術)。可以受益于這些技術的骨骼解剖結構的例子包括但不限于脊柱椎骨、肩胛帶、臂中的骨、腿中的骨以及腳或手中的骨。

借助于非限制性例子，全膝關節成形術將用作具體例子。出于討論的目的，全膝關節成形術將通常包括用于股骨的五個外科切口(在cr或pcl保留上以及在ps或pcl犧牲上八個切口)和用于脛骨的一個或多個切口，每個切口將在下面更詳細描述。可以理解，這些切口可以被修改為著重外科手術或步驟的一部分的一個或多個特定方面。例如，用于特定手術的假體裝置的具體幾何結構、取向或特征可以導致在外科計劃的某些方面的修改。在另一例子中，特定手術或假體可以受益于切口、工具或外科方式的具體類型。這些因素中的任意因素還可以用以調節計算機輔助外科根據這里描述的實施方式進行的方式。作為非限制性例子，計算機輔助外科系統可以在計算機輔助外科步驟之前或過程中將切口的表面(例如，平面)選擇作為向外科醫生呈現的最重要信息。另一方面，ottcas將允許使用者使用二維、三維或與使用的外科工具或所造成的該工具在解剖結構上的使用的表示有關的其它輸出信息選擇或基于外科步驟決定。例如，如果外科工具是鋸子，那么使用者可以從尺寸大致設定為對應于鋸子的輪廓或對應于與通過鋸子在解剖結構中形成的得到的切口相對應的一個或多個表面(在該具體例子中為平面)的矩形形狀選擇。在附加例子中，外科工具包括鉆子，使用對應于鉆子的尺寸的圈、與鉆子的使用的解剖影響有關的柱以及可能表示鉆子切割末端與解剖結構接合的其它因素向使用者提供系統基礎處理決定。在另一例子中，外科工具包括鉸刀或其它球形工具。在該例子中，系統或使用者被提供有圓形、柱形、半球形或球形表示，其也用于向使用者顯示并反饋或者作為ottcas系統內使用的處理決定的一部分。在最后的例子中，外科工具包括平銼刀，所述表示將再次為描繪由接觸到解剖表面導致的銼動作的一定厚度的平表面(或薄矩形塊)。

在以下實施方式中，工具承載的追蹤系統(ott)實施方式用以獲取、執行一些機載數據處理，并且向計算機輔助外科計算機提供有關外科手術的實時數據，并且用以接收來自后者的指令以設置其自身的馬達速度、減弱速度或者甚至停止以防止意外切割。工具承載的追蹤系統用以提供用于計算機輔助外科系統使用的各種數據。一種數據形式是來自由工具承載的追蹤器提供的成像傳感器的成像數據。由這些成像傳感器提供的數據包括例如立體圖像，其一旦被處理，能夠用于追蹤通過獨立的或包含的投影機或工具承載的追蹤系統使用的任何類型的投影機投影在外科區域上的信息。由成像傳感器提供的其它數據包括用于限定外科區域的參考框架的參考框架位置、取向、對準或其它物理表征。一個或多個參考框架可以圍繞區域、圍繞關節、圍繞膝定位，或者其尺寸和形狀關于在外科手術的所有或主要步驟的至少一部分過程中可見參考框架的外科區域設定。(參照例如針對圖16-30描述的參考框架實施方式)。另外，可以基于cas手術或cas步驟的動態實時評估僅從相關參考框架或其部分選擇數據。

例如，在兩個框架都存在的cas手術中，這兩個框架可以在切割開始時使用并且隨后系統轉為僅使用在切割過程中使用的一個參考框架。以類似的方式，系統可以在促進以下描述的模式調節中在手術的過程中使用少于在具體參考框架上可得到的所有基準標記。較少的基準要處理可以允許更快的更新或減少的圖像處理計算機循環時間。如這里示出和描述的，參考框架可以具有相同的形狀或不同的形狀，并且可以包含由ott中的可見或紅外追蹤系統檢測的以各種適當的布置中的任意布置的各種基準標記中的任意基準標記。從成像傳感器可得到的另外的數據包括諸如真實或人造解剖結構或結構的解剖構造、定位在患者上的標記、圍繞諸如指針、標記的外科區域或在區域中使用的像鋸子、鉆子、磨石、銼刀的器械定位的附加目標的景象信息，景象信息是指圖像捕獲、圖像處理或照相機調節，以基于實時動態cas手術和cas外科計劃、鉸刀或工具承載的追蹤系統安裝到的任何其它外科工具的考量選擇并處理框架的一部分、調節照相機以歸零或聚焦或放大到外科區域中感興趣的一部分。

當切除各個部分時，可以期望修改在ott監視器上顯示的虛擬模型的視圖。例如，當沿著第一平面切割時，可以期望從第一角度觀察虛擬模型，并且當沿著第二平面切割時，可以期望從第二角度觀察虛擬模型。相應地，ottcas系統追蹤有關手術狀態的各種數據，包括但不限于：外科工具相對于待切除的組織的位置和外科工具相對于待切除的組織的取向。基于組織和外科工具的位置和取向，系統計算在手術過程中哪個表面即將被切割并且相應地更新ott監控器。

另外，ottcas系統能夠被構造成考慮每個使用者的喜好以及使用ott裝置的器械的特征。具體地，外科醫生可能針對特定切除步驟或切割平面期望與默認視圖不同的視圖。系統允許外科醫生推翻默認選擇并指定針對特定切割的視圖。系統存儲有關特定外科醫生針對特定切割的期望視圖的信息，并在將來當系統確定制造類似切口時將該視圖用作默認視圖。系統基于被輸入ottcas系統內的使用者來追蹤使用者喜好。

除上述數據的類型之外，工具承載的追蹤系統還可以在工具承載的追蹤器上提供其他類型的數據，諸如來自一個或多個傳感器的輸出。示例性傳感器包括位置傳感器、傾斜計、加速計、振動傳感器和可以用于監控、確定或補償承載工具承載的追蹤系統的工具的運動的其它傳感器。例如，工具承載的追蹤系統內可以設有傳感器，以補償由工具產生的噪音或振動，使得噪音和振動可以被補償，即，抵消被傳輸至計算機輔助外科系統計算機的成像數據或其它ott數據。在另一例子中，可以提供加速計或運動傳感器，以向在基于工具和追蹤系統的運動預測下一個框架或估計成像框架中的相關信息所處位置中使用的計算機輔助外科系統產生輸出。在另一方面，承載于工具承載的追蹤系統上的傳感器可以用以檢測、測量并輔助取消可能干擾cas或ott圖像處理、損害其質量或使其復雜化的不期望的運動。這種類型的反饋的具體例子包括用以檢測并輔助取消使用者手顫或運動的傳感器。在另一例子中，傳感器可以被提供用以檢測并輔助取消或補償在實際外科步驟過程中產生的不期望的運動或其它干擾。

在其它變型中，圖像捕獲、處理和照相機調節還可以用在或變為補償技術的主題，包括用以動態地優化觀察區域和感興趣的體積。在一個例子中，設置在ott上的照相機包含自動對焦能力，其在來自cas計算機的指令和這里描述的各種因素下將動態地調節照相機和觀察以放大、追蹤、搖轉或聚焦在框架、框架的一部分或天然或人造特征部上。在另一方面，在ott上的照相機的成像部分設有適當的在載運動系統，以傾斜或調節鏡頭，從而在cas計算機的方向上將鏡頭引導至一個或多個特征部。這種傾斜的鏡頭可以結合上述動態鏡頭或結合具有固定特征(即，不可調節特征)的鏡頭使用。在一方面，支承照相機的微型機械基部根據來自cas計算機的指令調節。可以理解，盡管鏡頭/照相機調節可以在mems結構內部進行，這也可以在其外部進行。例如，外殼中的照相機可以通過動態階段(例如，x-y-z或x-y運動)承載，其中，來自cas計算機的狀態接收器指令用以根據這里描述的ottcas過程調節照相機位置。另外形式的補償提供針對諸如ott安裝在頂部、ott安裝在左側或ott安裝在右側的ott-工具取向的圖像處理或其它調節。另外，用于連同對外科區域內感興趣的體積的調節一起控制觀察區域(包括單獨或以任何組合的水平觀察區域和/或豎直觀察區域)的上述各個方面可以利用包含在ottcas系統內的指令、cas模式選擇處理次序和/或包括基于視覺的算法或具體模式算法的具體cas模式算法中的任意算法動態地完成且實時優化。

設置和補償技術的另一例子包括布置在照相機鏡頭前方的紅外過濾器的實施和開/關，使得成像能夠僅為紅外的或通過參考框架標記發射或反射，以切斷白光噪音并使圖像處理和標記檢測容易。

可以理解，補償的這些方面可以由每個單獨或以任意組合的機械部件、電氣部件或軟件實施。

出于討論且不限制的目的，來自工具承載的追蹤系統的數據將被歸類為成像數據和傳感器數據以捕獲上述寬分類。使用工具承載的追蹤系統本身上提供或由計算機輔助外科計算機提供的系統資源，數據被處理以提供由計算機輔助外科系統使用的輸出。數據處理的期望的輸出根據如以下更詳細描述的被評估的具體過程以多種不同形式出現。出于這種概覽的目的，可以考慮到從工具承載的追蹤系統獲得的數據輸出可以包括諸如工具承載的追蹤器在外科區域中的取向、工具或工具承載的追蹤器關于外科區域的位置、有關外科區域的信息(諸如對經受外科的解剖結構的物理改變)、ott被追蹤工具在外科區域內的運動、工具在外科區域內的移位、被追蹤的外科步驟的明顯進展以及有關啟動、進展或完成外科步驟或計算機輔助外科手術的其它信息這樣的事項。

接下來，將工具承載的追蹤器的以適于進行的特定計算機輔助外科手術的任何形式的輸出與根據外科計劃進行的步驟或手術進行比較。該比較的結果產生返回機載工具承載的追蹤器的輸出，其給出與計劃、步驟或外科計劃的步驟進展有關的信息。一般地，該輸出作為來自工具承載的追蹤器上的投影機的投影的圖像的結果向使用者呈現，但其也能夠包括聲音反饋、計算機屏幕(如果可得到)中的變化/消息、切割工具上的動作(例如，切割速度、方向和停止的改變)等。可以理解，來自該投影機(作為例子)的輸出可以基于諸如圖像可以投影在其上的可得到的外科區域、工具承載的追蹤器及其工具到外科區域的可能位置和取向以及使投影的圖像對使用者可見的可能挑戰的多種考量進行適應。因此，在載投影機能夠基于在外科手術過程中存在的動態實時環境以各種構造投影圖像。此外，工具承載的追蹤系統可以設有附加的照明源，以使系統或使用者能夠在可見光譜、紅外光譜中或在適于使用工具承載的追蹤系統的圖像處理的任何其它光譜中獲得圖像數據。在另外的方面中，這里描述的cas模式處理方法中的一種或多種可以被修改以并入各種型式識別、計算機視覺或其它基于計算機的追蹤算法的任意的使用，以便在空間中相對于外科部位或相對于外科部位附近的其它器械追蹤ott器械的位置和取向以及ottcas外科步驟的進展，且不或基本不使用基于參考框架的追蹤信息。換句話說，ottcas方法的實施方式包括使用從ott上的追蹤器或照相機獲得的視覺信息，以便識別、評估、追蹤并以其它方式提供cas數據，該cas數據足以向使用者提供合適的cas輸出以完成一個或多個cas處理步驟。一方面，外科區域內的解剖結構的一部分被標記或者彩繪，以便增強基于視覺的追蹤和基于視覺的算法過程。由于被提供來自在載追蹤系統的投影機的信息，使用者可以通過不改變其動作或者通過如在步驟或手術的環境下必要地調節工具在外科區域中的操作、布置、取向、速度或位置中的一個或多個來響應于該信息。來自投影機的信息可以單獨或與諸如觸覺或觸感反饋的其它ott部件或反饋或指示結合提供。

接著，使用者的繼續動作或動作改變通過工具承載的追蹤系統檢測，并且提供數據處理數據并將其提供用于通過計算機輔助外科系統進行比較和評估的過程繼續。

再次，該總的概覽被理解為這里描述的工具承載的追蹤啟用的計算機輔助外科系統的實施方式相對于計劃的計算機輔助外科手術在使用中如何監控并評估使用工具承載的追蹤器的器械的位置、運動、使用、預測運動中的一個或多個，并且至少部分地基于通過計算機輔助外科系統的實時計算機輔助外科評估向使用者產生合適的計算機輔助外科輸出。

現在從總的概覽轉向通過這里描述的工具承載的追蹤系統的使用如何修改計算機輔助外科的更具體討論。圖31a圖示用于計算機輔助外科的信息的總的處理流程。圖31b類似地表示在計算機輔助外科計劃的實際傳遞過程中使用的總的步進式方式。這兩個流程圖將用以提供根據這里描述的實施方式改進計算機輔助外科的總的框架作業。

參照圖31a，從系統獲得的信息被處理。其能夠包括來自位于外科區域內的各個源或來自在繼續運行反饋環路中的外科手術過程中使用的器械的信息。接著，使用合適的計算機輔助外科算法評估已獲得且被處理的信息。最后，從評估產生輸出，以輔助使用者執行外科手術。產生的輸出可以包括顯示、投影的圖像或指示中的一種或多種。指示可以包括例如觸覺反饋信號(包括例如溫度變化)、具有不同頻率和/或振幅的力或振動的觸感反饋信號、器械的馬達或致動器關于其速度、方向、制動和停止的遠程或在載控制、以合適于環境和工具承載的追蹤系統和附接到其上的器械的使用的方式向使用者提供的聽覺信號或視覺信號。

雖然在一些方面類似于傳統計算機輔助外科，這里描述的系統和技術是不同的并且相對于傳統的計算機輔助外科系統和方法提供獨特的優點。

工具承載的圖像和投影模塊基于進行的計算機輔助外科的類型適于并構造有多種不同的特征。投影在水平觀察區域適應范圍和豎直觀察區域適應范圍上的在用于cas手術的期望使用過程中關于外科區域的ott位置、投影機到被引導的工具的取向、外科區域中的表面的形狀和表面狀況(即，血液或外科碎屑的不平滑存在)僅僅是在這里描述的實施方式中采用的一些考量。

這里描述的計算機輔助外科系統的另外其它實施方式補償對由上述特征導致的部件選擇和構造的改變和替代。一種示例性補償涉及針對外科步驟的照相機調節或圖像調節(上面討論的)或基于特定計算機輔助外科技術的區域調節。另一示例性補償涉及在特定實施方式上的實際投影機位置。特定實施方式的投影機位置基于水平或豎直觀察區域可以不在裝置的中心線上或最佳位置中，或者可以傾斜，以便解決諸如使裝置更小或容納其它裝置部件的其它設計考量。針對該方面的一種補償形式是基于實際投影機位置調節投影機輸出。這種補償類型類似于針對投影機輸出的基礎調節。設置在工具承載的追蹤系統上的投影機可以使其輸出補償投影機輸出將顯示的外科區域的期望或實際部分。在外科手術過程中，外科部位可能不是平坦的，這樣將無法如實地反映來自投影機的意指的圖像。但是，由于目標解剖結構的幾何結構(例如，骨表面)已知，由投影機投影的圖像能夠通過軟件改變以補償，使得當投影在不平坦表面上時，其將如意指的那樣對于使用者看起來更清楚。用于投影的目標解剖結構表面的形狀、取向、曲度或碎屑、血液的存在可以變化，并且另外，ott投影機的輸出可以基于諸如由ott視覺系統和物體檢測技術檢測的因素的實時因素進行調節。當切割開始時，將有新的‘非平坦’源，即，骨的原始天然表面之間的界面和由切口引入的新的表面。這能夠通過輸入制造切口的位置在切割過程中計算(并補償)，或者假定為期望的理想/計劃的表面，或者在每次切割之后數字化(例如，利用指針)。

ott外科技術和傳統計算機輔助外科技術之間的另外的區別包括提供輸出或接收來自工具承載的追蹤系統或使用者的輸入的類型和方式。用以提供觸覺、觸感或運動反饋的傳感器和系統以及諸如警報、視覺指示器或針對具體ott系統的能力的其它使用者輸入的各種指示器可以被使用。

圖31b涉及具有附加細節的總的ott啟用的cas過程，以得到ottcas系統的附加方面。當手術開始時，使用者具有選擇的外科工具，該外科工具具有以由使用者和ottcas計劃確定的頂部安裝、右側安裝、左側安裝或底部安裝安裝到其上的工具承載的追蹤系統。具有附接的ott的工具通過諸如工具傳輸識別信號的工具配準程序或自配準過程或其它適當的配準過程向系統識別。手術前計劃步驟如需要根據待進行的程序完成。用計算機輔助外科計劃開始，使用者啟動計算機輔助外科步驟。作為工具承載的追蹤系統的使用的結果，產生工具承載的追蹤數據。工具承載的追蹤數據被處理，并隨后向計算機系統提供，其將計劃的外科步驟信息與從工具承載的追蹤數據接收的信息進行比較和評估。作為工具承載的追蹤數據的這種比較和評估的結果，向使用者或向ott的在載馬達控制電路提供作為馬達或致動器控制信號的合適的輸出，以減慢、停止或反向器械或通過手動在載手觸發器使其以使用者期望的速度繼續。該輸出通過工具承載的追蹤系統檢測并作用，其提供再次供給追蹤計算機的附加數據。接著，使用者響應于所提供的輸出并且或者繼續當前動作，或者改變由工具承載的追蹤系統追蹤的工具的使用。使用者的響應不論是否涉及動作都由工具承載的追蹤檢測，并且變為到外科計算機的附加數據輸入。這些過程隨著計算機系統處理步驟相對于外科計劃的進展而繼續。如果對步驟完成的答案為否，則繼續數據比較和向使用者輸出。如果對步驟完成的答案為是，那么使用者可以啟動接下來的外科步驟或者外科計劃計算機可以向使用者提供輸出以通知他一個步驟被完成并且其它剩余的步驟中的任一個能夠進行。待執行的cas步驟的次序完全由使用者決定，除非一個步驟在沒有其它步驟在設置的外科計劃中被確認的前提不能被執行的情況中。控制完全在使用者的手中，計算機僅(可選地)建議哪些步驟能夠進行，或者(可選地)禁止哪些步驟不能夠進行。這些過程根據計算機輔助外科手術繼續，直到計劃被履行。如果計劃完成，使用者可以確定是否進行外科區域的任何實時修訂。修訂過程也可以被追蹤和監控以向使用者提供信息。如果不需要修訂或者cas計劃完成，那么cas計劃完成。

圖32提供用以描述對由這里描述的工具承載的追蹤系統的實施方式提供的計算機輔助外科的另外改進的流程圖。如前，系統將收集并處理計算機輔助外科數據。接著，計算機輔助外科系統將在cas手術過程中評估cas數據。作為該評估的結果，cas計算機將確定cas處理模式。之后，基于模式的處理的適應將應用于cas過程中使用的數據。最后，ottcas系統基于處理模式向使用者或器械馬達/致動器提供cas輸出(或速度和馬達方向設置點)。

模式選擇涉及用于動態實時評估和cas操作的多個方面的交換的ottcas系統能力，包括更新使用者、處理率、切割器械馬達控制/致動瞬時速度和預期響應時間的需要以及基于cas步驟進展或與患者或有關ottcas系統的總的響應的其它因素的相互作用獲得改進的或不同的數據、數據的相對重要部分的要求。參照圖33可以理解確定上面在圖32中描述的cas處理模式的步驟的附加方面。圖33涉及系統為確定處理模式考量的輸入以及該確定的結果。由ottcas系統用于確定處理模式所使用的示例性輸入包括(作為例子但不限制)以下各項中的一個或多個：工具的速度或運動或其馬達/致動器速度、來自工具監控裝置的輸入或指示、來自使用者的聲音輸入或指示、外科區域中的包括天然或人造參數的物理參數、參考框架輸入、投影的圖像、來自傳感器的運動檢測、來自計算的運動檢測、總的cas手術狀態、cas步驟狀態、使用者輸入(例如，cas屏幕、運動傳感器、姿態識別等)、包括例如完成百分比、與計劃的偏差、實時調節的cas步驟進展。作為由ottcas計算機執行的確定步驟的結果，處理模式將基于由用于ott計算機的cas的算法作出的外科手術的實時環境和評估進行選擇。用于確定模式由ottcas計算機使用的標準包括如外科工具到患者解剖結構的物理接近、由使用者進行的動作、工具運動的傳感器輸入、預期的工具運動、工具運動的速度、工具的馬達或切割致動器的速度這樣的因素以及涉及外科工具在ott圖像區域內的布置、取向或使用的其它因素。作為非限制性例子，cas處理模式可以包括懸停模式、部位接近模式和實際步驟模式。一般來說，懸停模式涉及在ottcas手術過程中當工具承載的追蹤器和工具靠近或在外科區域內但工具和患者之間沒有接觸時的情況。一般來說，部位接近模式涉及在ottcas手術過程中當工具承載的追蹤器和工具位于外科區域內且與患者接觸，但工具不主動地接合患者解剖結構以執行諸如鋸、切割、鉸除、鉆孔、磨光、修面、銼等外科步驟時的情況。一般來說，實際步驟模式涉及在ottcas手術過程中當工具承載的追蹤器和工具與患者解剖結構接合以執行諸如鋸、切割、鉸除、鉆孔、磨光、修面、銼等外科步驟時的情況。作為確定cas處理模式決定的結果，ottcas計算機將在情況合適時使cas處理模式適應于懸停模式、部位接近模式或實際步驟模式或在懸停模式、部位接近模式或實際步驟模式之間適應。

參照圖34進一步描述使cas過程適應于上面關于圖33描述的特定模式的步驟。一般來說，ottcas計算機適于并構造成基于調節因素適應cas過程模式以產生特定模式處理算法。作為例子，圖34中示出各種模式調節處理因素。基于如在上面的流程圖中具體說明的處理輸入，ottcas計算機將基于以下cas模式處理調節因素的組合或變型中的一種或多種調節為ottcas進行的處理步驟：照相機幀尺寸和/或照相機取向(如果照相機軟件或硬件提供這種調節)、對照相機圖像輸出的調節以修改在照相機的水平觀察區域、豎直觀察區域或水平和豎直觀察區域內感興趣的區域的尺寸、用于可調節照相機透鏡調節或定位的驅動信號、圖像幀率、圖像輸出質量、刷新率、抓幀率、參考框架二、參考框架一、開啟參考框架基準選擇、關閉參考框架基準選擇、視覺光譜處理、ir光譜處理、反射光譜處理、led或照明光譜處理、外科工具馬達/致動器速度和方向、總的cas手術進展、具體cas步驟進展、圖像數據陣列修改、微型投影機刷新率、微型投影機準確度、圖像分段技術、基于cas進展的圖像部分的基于邏輯的提取、信噪比調節、圖像放大和過濾、用于動態、實時加強或減小成像速率、像素或子像素視覺處理的加權平均或其他因素、手震顫補償、基于器械的噪聲補償(即，鋸子振動補償)。換句話說，上面列出的各種因素可以被分組到提供照相機的調節的各種方式中，所述方式基于能夠在照相機內進行的那些調節、諸如在由照相機電子元器件本身提供的軟件或硬件或操作模塊中進行。并且另一方面，在更廣泛的范圍內，照相機在其外殼中的總體調節是相對于ott外殼的。以此方式，照相機運動涉及整個照相機本體或照相機透鏡本身的更一般的移位，而非基于照相機圖像信息的電子元器件處理的照相機輸出的內部電子元器件修改或適應。對于在照相機變型內，這些是諸如焦點、縮放、暴露、光圈和將照相機輸出作為成像調節的一部分進行調節的其它基于照相機的修改。在一個具體例子中，上述特征中的一個或多個用以產生在懸停模式處理適應過程中使用的懸停模式cas算法。在一個具體例子中，上述特征中的一個或多個用以產生在接近模式處理適應過程中使用的接近模式cas算法。在一個具體例子中，上述特征中的一個或多個用以產生在實際步驟模式處理適應過程中使用的實際步驟模式cas算法。

圖35圖示建立在上述步驟上的示例性ottcas過程的流程圖。收集并處理cas數據。在cas手術過程中評估cas數據。確定cas處理模式。進行基于模式的cas評估適應。在基于模式的確定的結果基礎上，如果是懸停模式，應用懸停模式cas算法以處理。向使用者提供懸停模式cas輸出，或向ott馬達控制電路提供速度控制指令/信號。示例性使用者輸出包括懸停模式顯示輸出、懸停模式投影的圖像輸出、諸如適于在懸停模式中使用的處理步驟的觸覺、觸感、聽覺和視覺指示的懸停模式指示。在基于模式的確定的結果基礎上，如果是部位接近模式，應用部位接近模式cas算法以處理。向使用者提供部位接近模式cas輸出。示例性輸出包括接近模式顯示輸出、接近模式投影的圖像輸出、諸如適于在接近部位模式中使用的處理步驟的觸覺、觸感、聽覺和視覺指示的接近模式指示。

在基于模式的確定的結果基礎上，如果是實際步驟模式，應用實際步驟模式cas算法以處理。向使用者提供實際步驟模式cas輸出。示例性輸出包括實際步驟模式顯示輸出、實際步驟模式投影的圖像輸出、諸如適于在實際步驟模式中使用的處理步驟的觸覺、觸感、聽覺和視覺指示的實際步驟模式指示。

圖36圖示基于上述但使用獨特的觸發器動作指示器、工具監控器或觸覺或觸感反饋以進一步向ottcas系統的使用者提供益處的示例性ottcas過程間的流程圖。以下關于圖37a-52b提供觸發器動作指示器的各種替代實施方式。如同之前，通過收集和處理cas數據進行ottcas過程。在一個替代方面中，收集和處理還可以包括來自觸發器動作的指示。接著，跟隨上述過程，ottcas系統將在cas手術過程中評估cas數據。這里再次，觸發器動作指示也可以連同其它cas數據一起應用于該步驟并進行評估。之后，將基于如上所述一個或多個觸發器動作指示器的使用向使用者提供合適的cas輸出。合適的cas輸出可以包括顯示、投影的圖像或諸如如上所述或在cas手術中典型的觸覺指示、觸感指示、聽覺指示或視覺指示的多種指示中的任意指示。

針對該ottcas過程的各個方面的背景，提供以下例子。

可以理解，ottcas模式可以由許多因素(例如，參考框架、位置、相對運動等)檢測和確定。附加地，在外科手術的情況，基于工具/目標接近或使用來關聯ottcas模式的限定屬性也是有益的。考量以下例子：a)懸停：工具和目標都在外科區域內，但不接觸；b)接近：工具和目標都在外科區域內，并且它們接觸；和c)實際步驟模式：工具和目標都在外科區域內，并且它們接觸，并且工具與組織主動接合。一方面，ott裝置電子元件器將該模式選擇功能并入‘智能觀察’模塊中。該模塊設置在主cas系統計算機內或在ott裝置內(其中，電子元器件包括實施所有模式檢測算法或其主要部分的軟件和硬件)，并且觸發ottcas模式選擇功能的不同事件。

在ottcas模式控制的一些附加方面中，以下變型或替代中的一個或多個可以被并入：

1.由于一般地在ottcas系統和cas系統上的時間/特別分辨率，當工具和目標位于給定使用者預選擇的(可設置的)距離包封內時，接近模式的一些實施方式可以被認為是合適的。距離包封可以以測量范圍指定。一個示例性范圍可以在由ottcas系統確定的10mm至0mm之間。其它方面，接近模式可以由ottcas系統劃定，確定在外科工具的活動元件和ottcas外科區域內的解剖結構之間可能有接觸。

2.在一些方面，ottcas模式設有‘遲滯’因素。該ottcas遲滯因素被選擇以包括環境或cas狀況的類型，其如果滿足、諸如在預定時間段連續，將導致cas模式被維持。換句話說，ottcas模式遲滯的參數必須在時間段內被連續滿足以‘鎖定到模式’或維持該ottcas模式。如這里使用的，連續是指在ott處理時間的時域和取樣率的范圍內，并且不意于表示被監控狀況的絕對非中斷。作為類似的例子，遲滯或遲滯狀況中的一些在一定時間段中必須不被連續滿足，以‘解鎖’或允許ottcas模式的調節。ottcas模式遲滯因素的使用改進系統瞬時響應、避免或降低系統從一個ottcas模式不合適地跳至另一ottcas模式的可能性并且改進系統的可用性，因為隨著系統將從單個ottcas模式提供ottcas輸出，使用者可能看到更穩定的ottcas輸出。

3.在一些ottcas步驟過程中，存在使用者執行的動作，其可能不需要使用投影機、可能需要不同的輸入-輸出(io)裝置(例如，在植入物位置評估過程中，其可能無法在骨上投影信息)，并且/或者可能不具有限定的目標-工具關系(例如，膝運動范圍評估僅要求看到脛骨和股骨參考框架)。可以理解，ottcas系統還可以接收來自其它源的輸入，并且存在ottcas輸出，其中，不提供或利用投影機輸出。

4.一般來說，處理算法和ottcas模式因素是基于有關諸如骨、器械、植入物等的相對運動將隨著ottcas模式從懸停模式進展到實際步驟模式而減小的機率或可能性來選擇的。針對該一般過程假定的一個例外是ottcas裝置或系統用于針對涉及的關節在外科區域內或該關節作為ottcas手術或步驟的目標的運動范圍的評估過程時。

ottcas模式例子

骨配準：

目標：找出參考框架的原點和骨模型的原點之間的幾何關系。

程序：利用工具(例如，導向指針)使骨表面上的點數字化，并且相對于骨模型的預定幾何結構數據處理這些點

ottcas系統如何識別該任務：

-指針的和骨(脛骨或股骨)的參考框架(rf)對ott可見。

啟動任務：

-ottcas系統識別共存于現場中(至少適于該配準的最小時間段)的兩個參考框架。

-附加‘推測’因素是程序的階段，因為例如切割直到骨配準才能夠進行。在這種情況中，用于該事件的觸發可以是ott裝置維持就位，以將兩個參考框架保持在觀察區域內，直到骨配準過程完成。該觸發能夠任選地通過系統計算機提示使用者來確定和他們響應而被確認。

-在ott裝置骨配準過程中獲得的信息如果需要可以通過使用者的輸入(觸摸屏、聲音指令、利用指針在骨的參考框架上的具體皮層上接觸等)標注或重寫。

ottcas模式

懸停：

-范圍狀況：ott裝置距離rf很遠，或者2個rf分開很遠。用以觸發該狀況的范圍是在系統的校準/調諧過程中或者通過使用者的喜好可設置的，并且被指定為照相機到目標解剖結構參考框架之間超過最佳fov的距離閾值(在本實施情況中大于200mm)。

追蹤器：較低刷新率

投影機：可能不在骨上投影任何圖像(由于骨位置尚未限定)，但能夠在途中出現的任何反射表面上投影諸如確認該模式/狀態等初步有用的信息。低刷新率，由追蹤器限定。

系統：在‘全局’坐標中監控指針的末端和骨的rf位置。驅動追蹤器、投影機和其它io裝置。

接近：

-范圍狀況：中間ott/rf和rf/rf距離。用以觸發該狀況的范圍是在系統的校準/調諧過程中或者通過使用者的喜好可設置的，并且被指定為自目標解剖結構參考框架的距離范圍，諸如100-200mm。

-

追蹤器：高刷新率，優化指針和骨rf讀數(例如，忽略或不管其它rf)。

投影機：如上，可能不投影任何限定的圖像(由于骨位置尚未限定)，但能夠投影基于‘準備’改變顏色(例如，紅、黃和綠)的立體屏，以開始收集配準點。

系統：在‘全局’坐標中監控指針的末端和骨的rf位置。驅動追蹤器、投影機和其它io裝置。

實際：

-較小ott/rf和rf/rf距離。例如，自目標參考框架的距離小于70-100mm，再次如上通過使用者喜好可設置。

追蹤器：高刷新率，優化指針和骨rf讀數。

投影機：如上。

系統：在‘全局’坐標中監控指針的末端和骨的rf位置。針對每個數字化骨，記錄指針的末端位置。驅動追蹤器、投影機和其它io裝置。監控配準過程的進展，并且當完成時其計算最終配準矩陣。

可以要求或不附加io裝置(例如，觸摸屏)。

用于在模式之間轉換的ottcas考量：

-模式轉換基于距離閾值。如果沒有骨配準信息，那么無法確定骨-指針‘接觸’或‘靠近’。系統替代地著眼于指針(其被配準)和骨的參考框架(代替骨本身)之間的標稱距離。得到的標稱距離隨后可以用以基于該(骨)參考框架通常被推薦布置的標稱位置(參照圖表18-23)評估或假定近似配準。另一種替代是為了確定系統應當處于何種“模式”，(任選地)由系統(另一默認骨的或來自之前的患者或外科的系統)簡單使用任何舊的配準信息以進行近似配準。該選項的可用性也是通過使用者可設置/可選擇的。

-或者通過使用者的輸入。

任務結束：

-所有配準標志已被訪問并指出(配準過程全完成)。

-或者系統停止以觀察指針的rf(至少最小時間段)。

-替代地，過程可以由使用者的輸入(觸摸屏、聲音指令、利用指針在骨的參考框架上的具體皮層上接觸等)補充或重寫。

骨切割/鉆孔：

目標：利用工具(通常為動力、智能器械，諸如鋸子、鉆子、磨石、銼刀等)對骨重新塑形以分配和植入。

程序：跟隨系統的方向，使用者每次切割/鉆孔(通常)一個表面。該特定動作應用于每個骨上的不同的單獨的‘目標表面’，每個表面待執行一個切口/孔，使得系統將在使用或處理工具相對于骨的位置或取向錯誤時維持這種參考。不同的工具具有不同的活動元件(例如，切割末端)，并且當工具或工具活動元件與外科區域中的解剖結構相互作用時，使得每個工具形狀的不同的活動元件導致解剖結構的不同二維和三維修改。這樣，用于每個工具的引導將隨著在ottcas過程步驟中使用的工具和活動元件的類型變化。

系統ottcas系統如何識別該任務：

-ott檢測至少一個骨的參考框架(rf)。

-指定的骨被配準。

-被切割的骨的參考框架在使用者可選擇的最大距離(假設僅例如小于200mm)內。

啟動任務：

-系統識別共存于現場中(至少最小時間段)的兩個rf。

-這可以通過使用者的輸入(觸摸屏、聲音指令、利用指針或切割器械在骨的參考框架或骨本身上的具體皮層或標記上接觸等)補充或重寫。

模式

懸停：

-ott距離骨很遠。例如，大于200mm(可由使用者設置的值)。

追蹤器：較低刷新率

投影機：可能不投影任何圖像(骨可以在投影機的視野之外)，或僅可以顯示大致形狀(例如，箭頭以指示在哪個方向運動器械-例如，鋸子、鉆子等-以使其與骨對準)。

任選地，投影機輸出被修改以簡單顯示如在之前例子中的不同顏色。低刷新率，由追蹤器的刷新設置限定。

系統：監控工具相對于骨(即，在骨的坐標中)的位置和取向。驅動追蹤器、投影機和其它io裝置。雙向通信并且驅動智能器械。

接近：

-ott在距離骨的中間距離處。例如，在100mm和200mm之間。

追蹤器：高刷新率，優化指針和骨rf讀數。

投影機：顯示以中間刷新率針對骨幾何結構校正的對準輔助(彩色文本、線、圈、箭頭等)。

系統：監控工具相對于骨的位置(即，在骨的坐標中)并且計算橫滾、俯仰、偏航和距離偏差。驅動追蹤器、投影機和其它io裝置。雙向通信并且驅動智能器械。

實際：

-ott靠近骨。例如，在70mm和100mm之間。

追蹤器：高刷新率，優化指針和骨rf讀數。

投影機：顯示以高刷新率針對骨幾何結構校正的對準輔助(彩色文本、線、圈、箭頭等)。

系統：監控工具相對于骨的位置(即，在骨的坐標中)并且計算橫滾、俯仰、偏航和距離偏差。驅動追蹤器、投影機和其它io裝置。雙向通信并且以較高速度驅動智能器械。

模式之間的轉換：

-轉換可以基于距離閾值。

-轉換基于使用者輸入。

任務結束：

-使用者移至另一任務。

-所有切口和細化全完成。

-在一種替代方案中，ottcas系統停止以觀察骨的rf(至少最小時間段)。

-該步驟可以由使用者的輸入(觸摸屏、聲音指令、利用指針在骨的參考框架上的具體皮層上接觸等)修改、補充或重寫。

骨切口的評定：

目標：評估新表面(例如，平面、柱形孔等)取向、表面粗糙度、深度等。

程序：使表面全部或局部數字化(例如，利用導向指針接觸/穿過該表面)，利用‘表面監控器’(具有位于平切口上的平坦表面的導向工具)評定切口位置和取向、利用導向指針測量孔的深度等。

ottcas系統如何識別該任務：

-ott觀察到至少一個骨的參考框架(rf)以及評定器械的(表面監控器或指針)rf。

-指定的骨和器械已被配準。

-至少一切口已執行。

-被切割的骨在最大距離‘d’內。

啟動任務：

-系統識別共存于現場中(至少最小時間段)的兩個rf(骨和器械)，同時上述狀況被滿足。

-這可以通過使用者的輸入(觸摸屏、聲音指令、利用指針或切割器械在骨的參考框架或骨本身上的具體皮層或標記上接觸等)補充或重寫。

模式

懸停：

-ott距離rf很遠，或者2個rf分開很遠。

追蹤器：較低刷新率

投影機：可能不投影任何限定的圖像(因為骨能夠在投影機的視野之外)，或者其能夠投影基于‘準備’改變顏色(例如，紅、黃和綠)以開始過程的立體屏。低刷新率，由追蹤器的限定。

系統：監控工具相對于骨(即，在骨的坐標中)的位置。驅動追蹤器、投影機和其它io裝置。

接近：

-ott在距離兩個rf中間距離處和中間骨-工具距離。

追蹤器：高刷新率，針對器械和骨rf讀數優化。

投影機：可能不投影任何限定的圖像(因為骨能夠在投影機的視野之外)，或者其能夠投影基于‘準備’改變以開始過程的立體屏。中間刷新率。

系統：監控工具相對于骨的位置(即，在骨的坐標中)。驅動追蹤器、投影機和其它io裝置。

實際：

-ott在距離兩個rf中間/靠近距離處和小的骨-工具距離。

追蹤器：高刷新率，針對指針和骨rf讀數優化。

投影機：可能不投影任何限定的圖像(因為骨能夠在投影機的視野之外)，或者其能夠投影基于過程狀態(數據收集開始到結束)改變的立體屏。高刷新率。

系統：監控工具相對于骨的位置(即，在骨的坐標中)。針對每個數字化點或表面監控位置和取向，記錄指針的末端位置。驅動追蹤器、投影機和其它io裝置。監控評定過程的進展，并且當完成時，其計算、記錄并顯示計算的參數。

可以要求或不附加的io裝置(例如，觸摸屏)。

模式之間的轉換：

-簡單地基于距離閾值。

-或者通過使用者輸入。

任務結束：

-評定過程全完成。

-任選地，ottcas系統停止以觀察器械的rf(至少最小時間段)。

-這可以由使用者的輸入(觸摸屏、聲音指令、利用指針在骨的參考框架上的具體皮層上接觸等)補充或重寫。

植入物配合和對準的評定：

目標：將骨上的植入物(或試驗品)的實際位置相對于根據計劃所期望的進行比較。這能夠在試驗過程中并且在植入物粘合或鎖定之前/過程中/之后進行。

程序：植入物(例如，股骨部件、脛骨托盤等)附加有rf，并且在‘骨’坐標系統中被追蹤。在任意給定時間，系統能夠顯示/記錄其位置(相對于骨)，并且將瞬時錯誤(若有的話)與假定的進行比較。

系統如何識別該任務：

-ott觀察到至少一個骨的參考框架(rf)以及對應的植入物的rf。

-指定的骨和植入物已被配準。

-所有切口已執行。

-骨和植入物在最大距離‘d’內。

啟動任務：

-系統識別共存于現場中(至少最小時間段)的兩個rf(骨和植入物)，同時上述狀況被滿足。

-這可以通過使用者的輸入(觸摸屏、聲音指令、利用指針或切割器械在骨的參考框架或骨本身上的具體皮層或標記上接觸等)補充或重寫。

模式

懸停：

-ott距離rf很遠，或者2個rf分開很遠。

追蹤器：較低刷新率

投影機：可能不投影任何限定的圖像(因為骨能夠在投影機的視野之外)，或者其能夠投影基于‘準備’改變顏色(例如，紅、黃和綠)以開始過程的立體屏。低刷新率，由追蹤器的限定。

系統：監控植入物/試驗品相對于骨(即，在骨的坐標中)的位置。驅動追蹤器、投影機和其它io裝置。

接近：

-中間ott/rf距離并且植入物/試驗品相對靠近骨。

追蹤器：高刷新率，針對植入物/試驗品和骨rf讀數優化。

投影機：可能不投影任何限定的圖像(因為骨能夠在投影機的視野之外)，或者其能夠投影基于‘準備’改變以開始過程的立體屏。中間刷新率。

系統：監控植入物相對于骨的位置(即，在骨的坐標中)。驅動追蹤器、投影機和其它io裝置。

實際：

-較小ott/rf距離并且植入物/試驗品靠近/接觸骨。

追蹤器：高刷新率，針對植入物和骨rf讀數優化。

投影機：可能不投影任何限定的圖像(因為骨能夠在投影機的視野之外)，或者其能夠投影基于過程狀態(數據收集開始到結束)改變的立體屏。高刷新率。

系統：監控植入物/試驗品相對于骨的位置(即，在骨的坐標中)。計算并顯示(并且當需要時記錄)由被導向植入物的實際位置/取向相對于根據計劃應當所處的限定的錯誤。驅動追蹤器、投影機和其它io裝置。監控評定過程的進展，并且當完成時，其計算、記錄并顯示計算的參數。可以要求或不附加的io裝置(例如，觸摸屏)。

模式之間的轉換：

-簡單地基于距離閾值。

-或者通過使用者輸入。

任務結束：

-評定過程全完成。

-(或者)系統停止以觀察器械的rf(至少最小時間段)。

-這可以由使用者的輸入(觸摸屏、聲音指令、利用指針在骨的參考框架上的具體皮層上接觸等)補充或重寫。

運動范圍：

目標：在植入之后評定關節的運動范圍和生物力學性。其能夠利用試驗品或最終植入物進行。

程序：在布置上試驗品(或實際植入物)之后，在移除骨的rf并閉合傷口之前，外科醫生撓曲膝并且執行操作關節，達到像最大撓曲和超伸展的極限位置。該操縱是在將ott指向脛骨和股骨rf的同時執行的。動態測量(脛骨相對于股骨)在解剖方面表示。

系統如何識別該任務：

-ott觀察到脛骨的和股骨的參考框架(rf)。

-兩個骨已被切割。(骨切割和植入物位置可以已被執行或者未被執行)

啟動任務：

-系統識別共存于現場中(至少最小時間段)的兩個rf，同時上述狀況被滿足。

-這可以通過使用者的輸入(觸摸屏、聲音指令、利用指針或切割器械在骨的參考框架或骨本身上的具體皮層或標記上接觸等)補充或重寫。

模式

懸停：

-ott距離rf很遠。

追蹤器：較低刷新率

投影機：可能不投影任何限定的圖像(因為骨能夠在投影機的視野之外)，或者其能夠投影基于‘準備’改變顏色(例如，紅、黃和綠)以開始過程的立體屏。低刷新率，由追蹤器的限制。

系統：監控脛骨相對于股骨的位置。驅動追蹤器、投影機和其它io裝置。

接近：

-中間ott/rf距離。

追蹤器：高刷新率，針對骨的rf讀數優化。

投影機：可能不投影任何限定的圖像(因為骨能夠在投影機的視野之外)，或者其能夠投影基于‘準備’改變以開始過程的立體屏。中間刷新率。

系統：監控植入物相對于骨的位置(即，在骨的坐標中)。驅動追蹤器、投影機和其它io裝置。

實際：

-較小ott/rf距離并且植入物/試驗品靠近/接觸骨。

追蹤器：高刷新率，針對植入物和骨rf讀數優化。

投影機：可能不投影任何限定的圖像(因為骨能夠在投影機的視野之外)，或者其能夠投影基于過程狀態(數據收集開始到結束)改變的立體屏。高刷新率。

系統：監控脛骨相對于股骨的位置。計算并顯示(并且當需要時記錄)動態運動(撓性/伸展、內翻/外翻、內部/外部旋轉、ap運動等)。驅動追蹤器、投影機和其它io裝置。監控評定過程的進展，并且當完成時，其保存記錄的所有參數并通知使用者。

可以要求或不要求附加的io裝置(例如，觸摸屏)。

模式之間的轉換：

-簡單地基于距離閾值。

-或者通過使用者輸入。

任務結束：

-評定過程全完成。

-(或者)系統停止以觀察骨的rf(至少最小時間段)。

-這可以由使用者的輸入(觸摸屏、聲音指令、利用指針在骨的參考框架上的具體皮層上接觸等)補充或重寫。

其它動作(例如，配準核實、骨切割細化等)能夠被認為是上述的子情況。

在上述例子中的任意例子的一方面中，較低刷新率是指刷新率從約30-100hz到低至1-10hz的改變。

當切除骨的一部分時，外科醫生可以在切割工具距離待切除的面積的邊界相對遠時更快速且侵入地切割。隨著ottcas檢測外科醫生接近切除面積的邊界，外科醫生可以接收合適的ottcas輸出以減慢切割步調，從而確保切除維持在期望的邊界內。為了幫助外科醫生容易評定接近于切除邊界，ottcas系統可以隨著外科醫生接近邊界向外科醫生提供多種合適的ottcas輸出。另外，ottcas系統可以被構造成提供有關裝備有ott的外科工具響應于工具接近切除邊界的操作控制以及相應ottcas數據處理響應和得到的cas輸出的反饋。

如上所述，ottcas系統提供患者模型的手術前分析和待切除的組織的識別。在確定待切除的組織部分之后，ottcas系統可以分析用于模型的數據并且識別用于切除的邊界。隨后可以基于與切除邊界的關系使用多種顏色在ott投影機輸出中識別待切除的組織。

例如，ott投影機輸出可以基于ottcas處理因素適應，從而以紅色投影在不被去除的一部分組織上。任選地，ott投影機輸出可以黃色指示相對靠近于切除邊界的待切除的一部分組織。在另一替代方案中，ottcas過程可以產生ott投影機輸出，由此待切除的組織的剩余部分可以用綠色排除。以此方式，隨著外科醫生在手術過程中觀察外科區域，外科醫生可以在ott投影機輸出指示工具在綠色區域的組織上操作時快速且侵入地切割。隨著外科醫生接近切除邊界，基于ott的投影機輸出指示工具在黃色區域的組織上操作。這些ottcas確定的投影機輸出用作向外科醫生的指示，以隨著工具接近切除邊界更緩慢地進行。以此方式，ottcas系統直接在外科區域上提供可容易識別的視覺和圖形顯示，其通知外科醫生當前外科動作接近于切除邊界。類似地，ottcas系統能夠用以視覺上認識并使用基于ott的投影機輸出，以識別外科工具接近于敏感的解剖結構，諸如神經、脈管、韌帶等。向投影機的ottcas輸出可以包括作為用于使用者的ottcas輸出的一部分的區別性配色方案以識別外科區域內的結構。

圖37a-44涉及連同相關運動響應和設計標準一起的各種替代觸覺反饋機構。

圖37a圖示偏轉以響應于觸發力運動致動器的彎曲形式。圖37b圖示將響應于觸發力變形并恢復其形狀的滑動梯形形式。圖37c圖示用以向觸發力提供旋轉響應的旋轉讀取器或編碼器。圖37d圖示響應于觸發力運動以將軸壓入基部內的框架，其中，軸的運動可以被當作觸發力的指示。圖37e圖示可以偏轉以指示觸發力的量的銷元件。

圖38a和38b圖示分別處于升高位置和降低位置的簡單的四桿機構，其可以用以配準觸發力并且使軸移位。

圖39a、39b和39c每個圖示沒有位置恢復元件的剪式機構80(39a)，和驅動致動器80，利用拉力彈簧作為位置恢復元件84(39b)，和利用壓縮彈簧作為位置恢復元件84(39c)。所示致動器的運動確定剪式臂的上端的高度，由此確定剪式機構的高程。該高度將擠壓，并且將通過使用者將他或她的手指放置在工具觸發器上來感覺。

圖40a和40b圖示分別處于升高和降低構造的剪式機構的側視圖。剪式機構80包括在樞轉點處聯結的第一聯接件86和第二聯接件88，由此剪式機構的運動升高并降低第一平臺90和第二平臺92。這里作為彈簧示出的位置恢復元件84聯結到第二聯接件的一端和致動器82。平臺在圖40中所示的升高狀況中具有大約22mm的長度和大約20mm的最大上升。

圖40c和40d是有關圖40a和40b的剪式機構80的移位特征的圖表。圖40c使平臺軌跡與裝置的高度相關。圖40d使剪式機構角度與裝置的移位變化相關。

圖41圖示具有外科醫生系統超控能力的另一剪式機構80。超控能力經由包括與通過致動器施加的力一致的彈簧來提供。致動器可以是部件140，其用于在計算機輔助外科手術過程中提供或接收ottcas數據。在該方面，工具承載的追蹤裝置包括適于并構造用于將從反饋機構(諸如從軸80相對運動)接收的運動轉換成計算機輔助外科手術中使用的信號的部件140。部件140可以以多種不同的構造(諸如編碼器、致動器或運動傳感器)提供。一方面，信號涉及由觸發器操作的外科工具的操作。在另一實施方式中，部件是或者適于包括致動器，以向軸施加運動，從而影響第一平臺和第二平臺之間的相對運動。另一方面，致動器被構造用于響應于與計算機輔助外科手術過程中控制外科工具的操作有關的信號向軸施加運動。

圖示的剪式機構實施方式顯示由剪式機構80的聯接件86、88承載的第一平臺90和第二平臺92的關系。另外，該實施方式顯示具有結合剪式機構80使用的一對位置恢復元件的剪式機構。一個位置恢復元件是定位在剪式機構80內的復位彈簧。另一位置恢復元件是定位在剪式機構和致動器或部件140之間的超控彈簧。

圖42圖示類似于圖41中圖示的示意機構的剪式機構。剪式機構80包括在聯接件86、88的一端處與第一平臺和第二平臺成樞轉關系并且與聯接件88、86的另一端成滑動關系連接的第一平臺90和第二平臺92。這里為彈簧的位置恢復元件布置在致動器或纜索和剪式聯接件88的滑動部之間。該實施方式還包括第一和第二平臺的細長槽的細節，以允許聯接件第一端相對于第一和第二平臺的滑動運動。聯接件88、86的第二端與第一平臺90和第二平臺92成樞轉關系聯結。這里，第一平臺和第二平臺的運動根據彈簧的使用或在致動器的影響下調節。參照圖表和圖43和44可以更好地理解圖42的機構的操作特征。

圖45是觸覺反饋機構的等軸測圖。圖45和46a分別圖示觸覺反饋機構150的等軸測圖和側視圖。圖45的視圖顯示用于附接到鄰近觸發器52的外科工具50的基板152。剪式機構(圖46a中最佳顯示)被由第一平臺183承載的罩191覆蓋并且隨同平臺一起運動。致動纜索82聯結到剪式機構并且響應于剪式機構的運動運動。

圖46b圖示圖46a的剪式機構155的等軸測圖，其中沒有罩191或平臺183、184。y形聯接機構160和165被銷接163以形成剪式機構155。位置恢復元件84定位在第一聯接件的第一端和第二聯接件的第一端之間。在該視圖中還可見用以沿著平臺中的槽178滑動的軸173。

圖46a-46f圖示圖45的機構的部件和操作的各種視圖。圖46c和46d顯示具有(圖46d)和不具有(圖46c)頂部平臺183且在擴展狀況中的圖45和46a的tfm150。纜索82關于聯接件沿著槽178的運動的長度從較低平臺184運動位移+y。

圖46e和46f顯示具有(圖46f)和不具有(圖46e)頂部平臺183且在閉合或縮回狀況中的圖45和46a的tfm150。纜索82關于聯接件沿著槽178的運動的長度從較低平臺184運動位移+x。

圖47和48是在具有鄰近外科工具的觸發器定位的tfm150的外科工具50上的ott100的側視圖。致動器82從tfm延伸到ott100中。ott內的部件140被構造成接收并提供輸出到tfm或者從tfm接收。在該實施方式中，罩191遠離基部152擴展，暴露基部184的一部分。

當tfm將罩191移入所示位置時，外科工具上的觸發器功能由阻擋接近觸發器152的罩191損害。圖48圖示處于觸發器52可被接近的移開構造的罩191。

圖47和48圖示安裝在具有工具(這里為鋸子)的外科器械上的工具承載的追蹤裝置的側視圖，其中，圖45的觸覺反饋機構就位以與外科器械的觸發器相互作用。圖47圖示處于覆蓋觸發器的擴展構造的觸覺反饋機構，圖48示出塌縮以暴露觸發器的觸覺反饋機構。

圖49a-49b圖示處于打開或擴展狀態(圖49a)和閉合狀態(圖49b)的觸覺反饋機構的另一替代方案。圖49c-49e圖示圖49a和49b中的裝置的內部機構的各種視圖。

圖49a和49b分別圖示處于升高和降低狀況的超越觸發器(overtrigger)觸覺反饋機構600的等軸測圖。超越觸發器觸覺反饋機構600具有附接到第一平臺183的觸發器適配器605。修改的觸發器種子(seedtext)適于與觸發器52接合。修改的觸發器種子配合在觸發器適配器605內并且相對于觸發器適配器605可動。剪式機構155如前提供以運動第一平臺和第二平臺。

視圖中平臺的相對位置圖示在塌縮狀況中修改的觸發器座610如何升高到觸發器適配器605之上。相反，在升高狀況中，修改的觸發器座610被收回到觸發器適配器605的上表面內且在其下方。

圖49c是上部平臺和觸發器適配器被移除的處于升高狀態的剪式機構155的等軸測圖。圖49d類似于圖49c的視圖，其中上部平臺183附接到剪式機構155。上部平臺183中設有孔口620。孔口620用以在修改的觸發器座610和觸發器52之間提供聯結。

圖49e類似于其它實施方式，其中增加了觸發器適配器605，其就位在第一平臺183的頂部上。圖50圖示聯結到外科工具50的ott100的實施方式，其中，工具50的觸發器52由觸覺反饋機構600覆蓋。

在圖50的構造中，使用者操縱觸發器52的能力由觸覺反饋機構600的操作覆蓋。

圖50圖示聯結用于與具有圖49a和49b的機構的實施方式的外科工具一起使用的ott的實施方式，其中ott安裝用于與外科工具的觸發器協作并且能夠發送和接收與ott中的部件相關的觸發。

圖51是利用兩個位置恢復元件的剪式機構的替代實施方式。圖51圖示類似于圖42的剪式機構。相比于圖42的剪式機構，該實施方式中圖示的剪式機構包括一對位置恢復元件。一個位置恢復元件84是在第一平臺和第二平臺之間延伸并且聯結到聯接件86、88的第一端的復位彈簧。復位彈簧用以修改運動平臺并且因此修改控制觸發器響應。另一位置恢復元件是沿著第二平臺延伸的超控彈簧。超控彈簧聯結到聯接件88的滑動部和纜索82。復位彈簧與超控彈簧協作以向觸覺反饋機構提供如圖51示意性表示的各種不同的響應特征。因此，使用多于一個不同類型的位置恢復元件將為這里描述的觸覺反饋機構提供很多種響應特征。

圖52a和52b分別圖示聯結到外科工具50的另一ott實施方式的前等軸測圖和后等軸測圖。ott700包括具有照相機安裝件705和投影機710的外殼710。在該實施方式中，照相機安裝件705在外殼710的上表面上。安裝件705包含指向工具74用于成像活動元件56的一對照相機707。另外，該實施方式包括在工具50的觸發器上方的tfm。出于這里描述的觸覺反饋的各種目的，纜索80在tfm600和ott700之間提供交接部。ott700還包括在外殼710的上表面上的顯示器702。顯示器702可以用以為使用者提供ottcas輸出信息。附加地或替代地，顯示器702用作用于使用者輸入的使用者交互裝置。顯示器702可以被構造為圖形用戶界面(gui)或其它類型的計算機輸入裝置。還示出與ott700通信的計算機，用于利用在促進計算機輔助外科完成中在cas手術過程中從ott的使用獲得的信息。計算機包括針對工具承載的追蹤計算機輔助外科可訪問到處理單元指令的電子存儲器。在一種實施方式中，計算機包括在作為外殼中的電子元器件包的一部分的ott700內。在另一實施方式中，計算機是外部部件，其被構造用于無線地或經由到和自ott700的有線連接接收并傳輸與ottcas過程相關的數據。

如圖示實施方式中的上述例子顯示，本發明的tfm機構的實施方式可以適于或構造用于提供與觸發器運動或位置有關或用于由ottcas計算機進一步處理的輸出。這里提供的各種tfm機構可以用于以侵入最小的方式提供由ottcas系統使用的工具操作、特征或參數(速度、位置、旋轉、設置、功率水平等)的指示。來自觸覺反饋機構的輸出可以經由機構中、ott裝置中或安裝在外科工具本身上的編碼器/讀取器提供。另外，反饋機構實施方式可以包括用于傳輸觸覺反饋機構信息或觸發器信息以便在ott裝置或ottcas計算機中進一步處理的無線通信。在另外的方面中，觸覺反饋機構的一個或多個部件可以在基于ottcas過程、模式或算法接收的指令下被驅動。在一些實施方式中，觸覺反饋機構指示和數據用以從ottcas系統提供動態實時反饋回路。來自觸覺反饋機構的指示也可以用以提供一個或多個外科工具控制特征的自動控制，諸如，工具的馬達，致動器減弱其馬達/切割/鉆孔動作速度或使其停止，作為合適的ottcas處理輸出的一部分。一方面，反饋回路控制基于ottcas系統關于需要外科工具功能的自動干涉以防止不適當的切割或者有害于ottcas外科區域內的解剖結構的確定來提供。

在另外的方面，被構造成利用來自這里描述的系統和方法的輸出的觸覺反饋機構或其它反饋機構的實施方式可以用以自動地或半自動地控制利用工具承載的追蹤裝置的外科工具的活動元件的一個或多個操作特征。另外，ottcas系統的實施方式還可以被構造用于響應于外科工具相對于期望邊界的位置的確定控制外科工具的操作。具體地，如果系統確定工具位于不接近邊界的待切除的組織內(即，在綠色區域內)，系統可以允許外科工具由外科醫生根據需要控制。如果系統確定工具位于接近邊界的待切除的組織內(即，黃色區域)，系統可以減少或減弱外科工具的操作。例如，如果工具是鋸子，并且其進入黃色區域，系統可以隨著鋸子運動接近切除邊界使鋸子的往復運動或旋轉減慢。另外，如果系統檢測工具位于邊界處或不被切除或操作的組織上，系統可以通過完全停止工具來控制外科工具。雖然系統可以自動地控制外科工具的操作，系統包括超控功能，其允許外科醫生超控工具的控制。以此方式，如果外科醫生確定應當切除的一部分組織未在手術前分析過程中被識別為切除，外科醫生能夠超控系統并且在手術過程中切除組織。

觸覺反饋機構的實施方式包括很多種觸覺模擬。例如，模擬可以像增強的振動那樣簡單，以指示外科路徑從意指的切除偏離。觸覺模擬根據由這里描述的ottcas方法提供的各種修改和輸出提供用于更復雜的指示的機會。

一般來說，動力外科工具借助于觸發器啟動，并且這里描述的基于反饋的機構的實施方式在觸發器上提供可檢測和可變(在ottcas計算機的控制下增大和減小)的阻力，或者在致動工具的外科醫生的手指上提供壓力，其方式用以向外科醫生指示活動元件的外科路徑或當前使用何時從根據ottcas外科計劃的意指的切除或其它動作偏離。可以理解，用于提供觸覺反饋的各種不同的構造可以與用于致動與ott裝置一起使用的外科工具的未修改、修改或替換的觸發器一起使用。在一些各種替代實施方式中，基于觸發器的反饋組件包括動態構件，其聯結到剪式機構，剪式機構又聯結到固定基部(通常安裝在外科工具的手柄上)。組件的位置或剛度(通常作為與傳動軸或纜索相互作用的結果)由ott內的控制單元支配。控制單元可以被構造用于提供很多種與ott相關的反饋功能，作為例子，包括致動器用以操作傳動軸，其又改變用以閉合剪式機構的力、使觸發器機構運動到全擴展位置、使觸發器機構運動到全縮回位置、運動到用以削弱觸發器的操作的位置、或者可選地，停止工具的活動元件的操作。一方面，傳動軸或纜索或元件是鮑登纜索。在其它實施方式中，將剪式機構聯結到ott中的相聯部件的傳動軸可以是任何適當的元件，諸如桿、彈簧、螺線管、鏈、齒輪或迷你氣動或液壓致動系統。另外，可以理解，用于上述控制的致動器還可以包括在接近觸發器的反饋機構內。在該方面的一種替代方案中，致動器可以經由有線或無線連接連接到ott裝置，以在促進上述ottcas技術中向致動器提供合適的ottcas過程控制信號。

控制單元還能夠接收來自計算機系統的數據。當系統通過將工具的位置與外科計劃的意指切除進行比較確定超過具體閾值水平的偏差存在于外科路徑和外科計劃之間時，控制單元致動傳動裝置，增加拉動觸發器所需的阻力。指示能夠以防止觸發器壓下的形式提供，使得外科醫生不能啟動工具。替代地，指示能夠采用增加的阻力的形式，其能夠由外科醫生通過施加更大的力來克服。

圖52a和52b分別是包括顯示器的工具承載的追蹤和導向裝置(ott)的前視和后視等軸測圖，其中，ott外殼聯結到外科工具，外科工具具有聯結到ott的基于觸發器的反饋機構。視圖還示出與ott通信的示例性計算機系統。

圖36是表示示例性ottcas過程的流程圖，所述過程包括上述ottcas過程中的任意過程的修改，以包括相聯外科工具操作特征、參數或與在任何ottcas過程或手術中活動元件的使用相關的其它數據。ottcas過程3600包括關于圖31a中的ottcas過程3100的上述相同處理步驟中的許多。

然而，指示器子系統的任何元件可以以任何方式容易地用于計算機輔助外科，其中，計算機輔助外科系統建立工具的三維位置并且計算根據外科計劃外科醫生意于制造切除的位置。在一個替代方面，這里描述的方法、系統和程序被修改以并入于2007年6月18日提交且被公布為us2008/0009697的題為“methodandapparatusforcomputeraidedsurgery”的美國非臨時專利申請序列號11/764505中描述的技術、裝置或方法中的一種或多種，該美國非臨時專利申請出于所有目的整體合并在此。

本領域技術人員將認識到可以對上述實施方式作出改變或修改，而不背離本發明的寬的發明構思。因此，應當理解，本發明不限于這里描述的特定實施方式，但意于包括在權利要求中提及的本發明的范圍和精神內的所有改變和修改。