CN107405170A - 用于定位和跟踪工具轴线的方法 - Google Patents

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乔尔·佐哈斯
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Abstract

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

Description

用于定位和跟踪工具轴线的方法
相关申请
本申请主张于2015年3月5日提交的序列号为62/128,857的美国临时申请的优先权；其内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明通常涉及计算机辅助手术***的领域，更具体地涉及一种用于相对于跟踪***校准工具的新的和有用的装置和方法。
背景技术
计算机辅助手术***广泛地用于辅助外科医生各种医疗程序。其中一个这样的例子是ROBODOCTM手术***(THINK SurgicalTM，Fremont，CA)，其帮助外科医生准备在全髋关节置换术(THA)中的股管。为了准确亚毫米精确度的管道(canal)，工具中心点(TCP)和工具的中心轴线必须相对于机器人坐标系以及任何其他跟踪***坐标系进行精确校准。跟踪***还可以用于定位和跟踪手术室中的其他对象，例如解剖结构或其他医疗装置。因此，所有跟踪对象之间的关系可以被合并以动态地改进或辅助医疗程序。
跟踪***通常包括从一组被动或主动基准标记(fiducial markers)检测能量的多个接收器。为了确定相对于跟踪的基准标记阵列的工具方向和末端位置(tip position)之间的关系，必须执行校准程序。校准相对于工具末端位置和方向的基准标记阵列有许多不同的方法，但是对于特定的外科手术，该过程通常是耗时、昂贵和/或不准确的。
一种现有的校准方法是，在工具上的精确位置和方向上制造阵列，然后进行出厂校准步骤。然而，该方法需要将阵列精确地放置在可用于手术设置的每个工具上，从而增加总体成本。另一种方法是相对于手术室内的阵列校准工具。机械或光学跟踪的数字化仪被手动定位，以收集工具上的多个点，以确定工具和阵列之间的几何关系。然而，当使用单次测量校准光学跟踪的切割工具时，跟踪***不足以准确地用作基于***的固有误差的校准装置。此外，数字化过程对于用户来说是费力的，并且增加了总体操作时间。
一旦已知基准标记阵列和工具之间的关系，就可以在一个程序中准确地跟踪工具的位置和方向。然而，传统跟踪***的另一个问题是在跟踪期间三维空间中的每个基准标记定位的固有误差，这可能影响跟踪精确度。该误差可能是三角测量、采样时间、基准标记之间的几何关系中的制造误差、以及标记相对于彼此为静止的事实。考虑到需要非常精确的外科手术，任何可以提高跟踪***精确度的方法是非常需要的。
因此，在本领域中需要一种校准装置，其可以在需要高精确度的计算机辅助外科手术***和其它机器人应用中快速而准确地确定相对于跟踪阵列的工具末端位置和方向。还需要提高跟踪的精确度，以改善手术过程的结果和手术***的可靠性、或者用于其他机器人应用。
发明内容
提供了一种具有外表面的主体的校准装置。该主体被配置为围绕具有工具轴线的工具放置，使得主体围绕工具轴线旋转。至少一个基准标记被定位在主体的外表面上并与跟踪***相通信。提供一种固定的基准标记阵列，其也与跟踪***相通信。校准工具确定相对于基准标记阵列的工具轴线。
还提供了一种包括工具和跟踪模块的手术***。基准标记阵列固定在该工具上并与跟踪模块相通信。校准装置包括具有位于主体上的至少一个基准标记的主体，其中主体被配置为围绕工具放置，使得主体围绕工具轴线旋转。响应于主体的旋转，由跟踪模块跟踪的至少一个基准标记产生一个或多个圆形路径，并且跟踪模块计算旋转的中心点或圆形路径的法向量中的至少一个，用于确定相对于固定于所述工具和所述跟踪模块的基准标记阵列的工具轴线的方向。一种使用手术***的方法包括计算由两个或多个旋转的基准标记跟踪的圆形路径(circular paths)的法向量的平均值、由两个或多个旋转的基准标记跟踪的圆形路径的中心点之间的法向量的平均值、或上述两个选项的平均值。
提供了一种用于确定相对于基准标记阵列的工具轴线的方法，其包括将基准标记阵列固定到手术工具。具有至少一个基准标记的校准装置附接在工具上。校准装置围绕工具轴线安装。用跟踪模块跟踪所述至少一个基准标记的旋转。从基准标记旋转跟踪的一个或多个圆形路径计算法向量和中心点，以确定相对于基准标记阵列的工具轴线方向。
还提供了一种用于确定机器人构件方向(robot link orientation)的***，其包括远端构件(distal link)和附接到远端构件的近端构件(proximal link)。跟踪模块和一组基准标记被放置在远端构件上，使得来自该组基准标记的三个基准标记对于跟踪模块为可见的，使得处理器可以在远端构件上确定第一坐标系。
用于帮助医疗过程的跟踪工具的***还包括具有跟踪模块的手术工具。提供了一种关于工具的轴线重合的旋转体(rotating body)。旋转体包括至少一个基准标记，使得当所述至少一个基准标记围绕所述工具轴线旋转时，所述跟踪模块记录所述至少一个基准标记的位置。
提供了一种用于在手术机器人中跟踪对象的基准标记阵列，其包括刚性体(rigidbody)以及与跟踪模块相通信的至少一个基准标记，该跟踪模块旋转，在刚性体的区域上产生圆形路径，从而至少一个基准标记与基准标记的旋转中心偏移一距离。
附图说明
结合以下附图进一步描述本发明，其旨在显示本发明的某些方面，但不应被解释为对本发明的实践的限制。
图1示出了在手术台或手术室中根据本发明的实施例的***的主要部件；
图2A、2B和2C描绘了根据本发明的实施例的用于确定相对于基准标记阵列的工具轴线方向的校准装置和方法；
图3描绘了根据本发明的实施例能够夹紧工具的校准装置；
图4A和4B为根据本发明的实施例的确定相对于基准标记阵列的工具末端中心点的校准装置的横截面视图；
图5A和5B示出了根据本发明的实施例的用于确定机器人的构件轴线和构件旋转角度的方法；
图6示出了结合根据本发明的实施例的用于跟踪的工具的旋转基准标记；以及
图7A和7B示出了根据本发明的实施例的基准标记阵列上的旋转基准标记以提高跟踪精确度。
具体实施方式
本发明可用作一种***和方法，以准确且有效地确定一个工具相对于基准标记阵列的位置和方位，这将有助于医疗过程。本发明的各种实施例的以下描述并不旨在限制本发明于这些具体实施例，而是使得本领域技术人员能够通过其示例性方面来制造和使用本发明。
但是应该理解的是，在实施例中设置了值的范围，该范围旨在不仅仅包括该范围的端点值，还包含该范围的中间值，是明确包含在该范围中的，并且由该范围的最后有效数字改变。举例来说，从1到4的列举范围旨在包括1～2、1～3、2～4、3～4以及1～4。
如本文所使用的，一个基准标记是指由跟踪***检测的一个参考点，并且可以是，例如有源发射器，例如发光二极管(LED)或电磁发射器；或无源反射器，例如具有回射膜(retro-reflective film)的塑料球体。在具体实施例中，对于那些适用的实施例，确定了特定类型的基准标记的使用。基准标记阵列是在任何几何形状的刚性体(rigid body)之中/之上的已知几何关系中的两个或多个基准标记的布置；除非另有规定，否则可以使用三个基准标记的布置来解决刚性体的所有六个自由度(6-DOF)。
术语“工具”可以是能够对外部对象执行工作的任何仪器。这些示例性地包括探针、钻孔机、切割器、毛刺或锯片；以及用于容纳和/或操作组织接触仪器的任何组件(例如，联接到钻孔机并组装在壳体中的切割器，其中壳体可以附接到机器人操纵臂的远端)。
如本文所使用的，术语“通信”是指通过无线或电连接发送和/或接收数据和/或能量。
这里公开的是跟踪***的使用。该跟踪***包括至少一个接收器，用于检测从基准标记发射或反射的能量，其中接收器耦合到具有用于处理基准标记或基准标记阵列的位置和/或方向(POSE)的处理器的跟踪模块。该跟踪模块可以基于基准标记阵列(fiducialmarker array)和工具之间的关系生成工具位置，其中使用本文所述的校准技术来确定该关系。在特定实施例中，校准技术使用与跟踪模块相通信的校准装置，以提供用于确定工具位置的至少一个参考点。可检测能量可以例如但不限于光学、电磁、红外线、紫外线、磁力、光纤、超声波以及目标可见光。光学跟踪***的一个例子是Polaris光学跟踪***(NDI Medical)。本文还参考了计算机辅助手术***，其被认为与计算机辅助的外科***、机器人手术***、导航辅助外科***、图像引导手术***等同义。
将参考ROBODOCTM手术***，应该理解，用于医疗或工业应用的任何自主的、触觉的或半自主的机器人***可以受益于本文公开的装置和方法。可以从本文公开的本发明中受益的计算机辅助外科***的实施例包括例如ROBODOCTM手术***(Think Surgical，Inc.)、NavioPFSTM***(Blue Belt Technologies,Inc.)、机器人***(Mako SurgicalCorp.)、导航的徒手锯(TRAK Surgical)、4自由度锯、具有至少一个自由度的铰接手持***、临时申请62/054,009中公开的以及通过引用整体并入本文的铰接手持式钻孔***、或任何其他需要跟踪的计算机控制的设备。
本发明的实施例描述了一种***、装置和方法，用于确定相对于基准标记阵列的工具轴线方向和工具中心点，以精确地跟踪工具以辅助医疗过程。图1描绘了执行计算机辅助手术的手术***101的高级概述。通常，计算机辅助手术***103包括用户界面107和工具105，并且被定位以帮助患者109上的医疗过程。用户界面107可以是一个监视器以显示用户指令，例如操作参数、程序工作流程、机器人状态、功能误差、指导指令、以及修改组织的工具的实时视图。在某些实施例中，用户界面107还可以是电动或无线地与机器人***相通信的平视显示单元(HUD)、GoogleTM眼镜、外部监视器和/或智能手表。例如，HUD示例性地通过蓝牙、TCP/IP、可见光通信、WLAN或其组合无线连接到机器人***。机器人***和/或用户界面可以通过使用诸如操纵杆、移动电话的控制器设备或通过触摸监视器、或其组合来接收来自用户的输入。这样的输入可以包括例如指导命令、选择在整个程序工作流程中给出的各种提示、选择某个医疗过程、指定其他外部组件/设备的位置、辅助解剖结构登记、配置光学跟踪模块、及其组合。手术***101包括跟踪***110，跟踪***110具有耦合到跟踪模块111的检测器112，以检测可以位于解剖结构上、在手术***103的基体上、在工具105上、在校准装置201上、以及其他任何医疗装置或参考位置上的基准标记(图2的203、213)和的跟踪基准标记阵列(track fiducial marker arrays)(图2的211)，以确保工具/多个工具正在准确地执行该过程。在手术之前，相对于工具105定位和固定基准标记阵列。然后使用下面描述的方法校准工具105，使得跟踪模块111知道工具轴线方向和工具中心点的确切位置。
图2A-2C中示出了一种快速且更准确地校准相对于基准标记阵列和跟踪***的工具轴线方向的装置的发明实施例。图2A描绘了包括至少一个基准标记203的中空圆柱形套筒形状的校准装置201。基准标记203为被动的或主动的。如图2C所示，校准装置201可以包括沿着套筒201的轴线定位的两个或多个基准标记203。在另一个实施例中，如图3所示，校准装置301包括能够夹持在工具轴线307上的两个或多个附接点或夹具311。组装到两个或多个附接点或夹具311的刚性件(rigid member)303具有放置在其上的至少一个基准标记305，刚性件303能够围绕工具轴线307旋转。附接夹具311可以具有不同的直径并且可以被模块化地组装到刚性件303。例如，具有不同直径的夹具311可以在点309处组装到刚性件303，以容纳具有不同直径的工具。在具体的发明实施例中，附接夹具311松散地抓住工具105，以允许整个校准装置301围绕工具轴线307自由旋转。在另一个具体实施例中，附接夹具311包括使得该夹具可以牢固地抓住工具的一个轴承以及在夹具311和刚性件303之间的允许刚性件303围绕附接夹具311和工具轴线307自由旋转的一个轴承机构。
在具体实施例中，为了相对于基准标记阵列211确定工具轴线217，基准标记阵列211包括已知几何关系的一组基准标记213，以解决6个自由度，其中基准标记阵列211刚性地固定到工具105。工具105附接到计算机控制装置的远端、构件和/或接头205。在具体实施例中，基准标记阵列211与工具105结合并打包，而在其它实施例中，基准标记阵列是分开的实体、单独包装，并且由用户在手术室中组装和固定到工具105。工具105还可以具有带工具末端表面和工具中心点207的工作端，以对工件进行加工。然后将校准装置放置在工具105上和/或夹紧到工具105上。校准装置201可以围绕工具105自由旋转(箭头215)，但是在某些实施例中，校准装置不能沿着工具平移。在具体实施例中，校准装置201可以放置在工具105上，使得重力使装置抵靠工具的端部以防止平移。工具105和/或校准装置201可以具有诸如旋转联接器的连接件，以确保不发生平移。此外，***可以容易地检测校准装置201是否在校准期间沿着工具轴线217平移并且经由监视器或例如可听见的警报通知用户。
在具体实施例中，旋转可以由使校准装置套筒201放置在工具105上的用户手动完成，并且随着跟踪***记录基准标记203旋转时的位置而旋转校准装置201。校准装置201可以具有手柄、握把、或挤压部分，其允许使用者容易地围绕工具105旋转校准装置201。在特定实施例中，校准装置201可以围绕工具105自动旋转。校准装置201可以在近端上具有与工具105相互作用的连接件。例如，校准装置201的近端可以具有一组螺纹，该组螺纹拧入与部件相通信的工具105的一部分，部件例如电机、齿轮、致动器、旋转联接器、或允许校准装置201围绕工具105自动旋转的任何其它常规机械装置。在特定实施例中，旋转校准装置的部件可以包括用于操作工具105的工作端的相同和/或类似元件。或者，校准装置201包括用于自动围绕工具105旋转的驱动器。例如，校准装置201可以包括多个同心套筒，其中第一最内套筒在工具105上保持静止，并且包围第一套筒的第二套筒具有围绕工具105旋转基准标记器203的驱动器。
当基准标记203围绕工具105旋转时，跟踪***在旋转期间记录标记位置。基准标记203跟踪与基准标记数相同数目的同心圆。例如，一个基准标记将跟踪一个单独同心圆，而多个基准如图2B所示将沿着校准装置201的轴线跟踪多个同心圆。跟踪模块111拟合圆到旋转期间记录的位置。可以使用诸如最小二乘法的算法将圆拟合到数据中，最小二乘法包括但不限于高斯牛顿、莱文伯格-马夸特、牛顿、可变投影以及正交距离回归、马哈拉诺比斯距离、或其组合。应该注意的是，只需要一段弧的点来建模数据。拟合圆在工具轴线上具有中心219以及法向量221，其中法向量221代表工具轴线217的方向。因此，基于基准标记阵列211相对于计算出的法向量221的位置和方向，可以确定相对于基准标记阵列211的工具轴线的方向。
在使用多个基准标记203的发明实施例中，每个圆将具有一个法向量，其中工具轴线217的方向可以通过以下之一或其组合来计算：
i.每个工具向量的平均值
ii.从一个圆心到另一个圆心的向量的平均值
iii.i和ii的平均值。
因此，通过使用多个基准标记203，确定工具轴线相对于基准标记阵列211的真实方向的精确度提高。由于仅必须一个基准标记203来获得相对于基准标记阵列211的工具轴线方向，所以多个基准标记增加了校准的精确度。此外，通过增加沿着工具轴线217的基准标记之间的间距，当使用圆心时，校准的精确度得到改善，其中沿着工具的较大部分捕获更多的信息。本文描述的校准装置的一个主要优点是不需要在校准装置201上的两个或多个基准标记203之间制造精确的几何关系。同样地，跟踪***不需要解析完整的校准装置的6个自由度以精确校准工具到跟踪***(即，在技术上只需要一个标记来定位工具轴线方向)。在当前***中，需要三个或多个基准标记之间的精确几何关系来精确校准一个工具。由于所需的公差而增加制造成本，并且在制造期间发生的几何关系上的轻微偏差可以引起跟踪误差。
在具体实施例中，处理器可以将圆柱形模型拟合到校准数据。如果使用圆柱形模型，则校准装置可以沿着工具轴线217平移，其中工具轴线217的方向仍然可以被计算。然而，当使用圆柱形模型时，需要随后的步骤来定位工具中心点，如下所述。
当将圆形或圆柱形模型拟合到数据时，算法还可以考虑当基准标记203围绕工具105旋转时记录的位置的分布。根据转速可以将多个数据点收集在与另一位置相比的一个位置或者甚至用户执行校准程序。如果在旋转的特定部分期间收集多个数据点与其他数据点相比较，则圆形或圆柱形模型可以朝向影响法向量和/或中心点的聚类区域加权。因此，算法可以调整数据，使得使用围绕工具轴线217的点的均匀分布来拟合圆或圆柱体。
在具体实施例中，校准装置201的一端包括如图4A所示的邻接表面401。图4A为围绕工具105的轴线放置的校准装置201的横截面图。一个或多个基准标记203与邻接表面401距离已知距离“d”。当将校准装置201放置在工具105的轴线和/或围绕工具105的轴线夹紧，邻接表面401与工具末端表面重合。如果使用多个基准标记203，则每个基准标记203可以与邻接表面401距离已知距离。虽然，只需要一个基准标记203具有与邻接表面401距离的已知距离“d”，例如校准装置201上的最近端或远端基准标记。在该实施例中，可以相对于基准标记阵列211确定工具轴线217的方向和工作端的工具中心点207。如图4A所示邻接表面401可以与的工具末端表面完全接触，或者如图4B所示只有工具末端表面的一部分与邻接表面401相接触。
能够解决6个自由度的基准标记阵列211刚性地固定到工具105。具有邻接表面401的校准装置201被放置在工具105上，使得邻接表面401与工具末端表面重合。校准装置201围绕工具105旋转，并且跟踪模块使用如上所述的拟合圆计算法向量221和工具轴线方向217。使用从套筒上的一个或所有基准标记到邻接表面401的已知距离来计算确定工具向量的端部的平面。例如，在基准标记的位置处，由基准标记(多个)203所追踪的圆(多个)在空间中确定一个平面。通过将圆形平面与基准标记(多个)203距离的已知距离平移到邻接表面，可以在工具末端表面处确定一个平面。在工具末端表面上确定的平面与由所跟踪的圆形路径计算的法向量的交点确定在工具轴线217上的工具末端中心点207。因此，相对于基准标记阵列211的工具的工作端的工具末端中心点207和工具轴线的方向被确定。
在具体的发明实施例中，工作端的工具中心点207可以使用数字化仪确定。代替在校准装置201上具有邻接表面401，通过数字化工具的末端上的多个点来确定工具末端表面处的一个平面。数字化仪通常包括机械或光学跟踪以相对于坐标系收集空间中的点的探针。数字化仪可以耦合到如其全部内容通过引用并入本文的美国专利6,033,415中所描述的机器人***。如果数字化仪耦合到机器人***，则机器人***的处理器可以执行以下计算并将该信息传送到跟踪模块。如果数字化仪被光学跟踪，跟踪模块可以直接执行以下计算。在该特定方法实施例中，可以使用上述实施例来确定工具轴线217相对于基准标记阵列211的方向。工具末端中心点217通过数字化工具105的端部上的几个点来确定，并且使用处理器或跟踪模块将平面与数字化点最佳拟合。工具末端中心点位置207是由所跟踪圆的计算的法向量221确定的工具轴线217的交点，以及平面为垂直于工具轴线且最佳拟合数字化点。因此，相对于基准标记阵列211的工具末端中心点位置207和工具轴线217被确定。
还可以使用校准装置201来检查机器人计算机辅助手术***的校准。在执行前述实施例中描述的任何方法之后，可以致动机器人以移动机器人认为工具轴线217处于机器人坐标的位置。校准装置201然后随跟踪***记录基准标记(多个)203的位置而旋转。处理器可以将一个圆拟合到基准标记的记录位置。如果圆的直径适合于跟踪的路径，则圆的中心适合跟踪的路径，并且适合跟踪的路径的圆的法向量均与当机器人原始收集校准后校准有效的这些相同参数指定的公差内相匹配。同样，如果直径不匹配，则中心不匹配，法向量不匹配，或者如果跟踪路径不是圆形，则校准无效。该过程可以类似地用于检查整个机器人的校准。
本发明的实施例还描述了使用基准标记阵列来定位接头轴线(joint axis)的方法。如图5A所示，远离目标接头轴线的构件(link)501包含足够数量的几个基准标记503，使得构件上的至少三个基准标记503对于光学跟踪***为可见的，而不管构件501的旋转角度。构件501上的几个基准标记503可以被认为是一个基准标记阵列。基准标记503被间隔开，使得1)可以仅使用三个可见的基准标记503在构件501上建立坐标系507并且2)基准标记503的已知公称几何(nominal geometry)可用于任何给定的三个可见的基准建立相同的坐标系。当构件501绕其旋转轴线旋转时，光学跟踪***跟踪可见的基准。因为，构件501具有恒定的旋转轴线，每个基准围绕旋转轴线追踪圆形路径。处理器可以拟合圆到所跟踪的基准标记并计算构件轴线的大致中心509。中心的平均值确定构件轴线在空间中的位置。处理器可以另外计算到拟合圆的法向量。法向量的平均值确定构件轴线的方向511。在具体实施例中，由于至少三个基准点503始终可见，所以可以在凸缘上建立固定的坐标系。固定在基准标记坐标系507上并且整个旋转中固定在全局坐标(global coordinate)中的空间中的任意两个任意点确定接头的旋转的轴线。该方法的实施例找到位于对象(机器人构件)的瞬时旋转轴线上的点。虽然在旋转轴线上有无数个点，但是只需要找到两个来确定轴线。两个点都是a)局部构件坐标系(local link coordinate system)中的常数且b)假设近端构件未被致动时全局坐标中的常数。
如图5B所示，可以将第二组基准标记513放置在远端构件501的近侧，以确定两个构件之间的绝对旋转角度。在一个实施例中，远端构件的旋转轴线相对于近端构件旋转以定位如先前实施例中所述的旋转轴线。位于近端构件上，相似的一组基准标记513被定位，但是具有不同的几何形状，使得可以将该基准点与远端构件上的一组基准标记503区分开。基准标记间隔开使得1)可以使用任何三个可见基准在凸缘上建立独特的坐标系515以及2)基准标记阵列的已知公称几何可用于任何给定的三个可见的基准标记建立相同的坐标系。两个构件之间的角度可以通过计算围绕构件501的旋转轴线的两个坐标系之间的相对旋转(即，投影角度)来确定。该概念可以用于例如帮助校准机器人或作为额外的编码器使用。如果基准标记阵列如在构件之间和/或每个构件上所描述的那样定位，则光学跟踪***可以以任何配置来确定机器人的位置和方向。因此，机器人可以被编程以执行校准过程，其中光学跟踪***可以用于测量与编程的位置和方向相比的实际机器人的位置和方向。在替代实施例中，在整个旋转中在基准标记坐标系507和近端构件515的基准标记坐标系中的恒定的空间中的任意两个任意点确定接头的旋转轴线。
本发明的实施例还描述了一种使用围绕固定轴线旋转的基准标记跟踪工具的***和方法，以及使用其对应的标称模型(nominal model)登记基准标记阵列的更准确的方法。如图6所示，旋转对象601的旋转对象的旋转轴线被对准，使其与工具105的轴线重合，被固定到工具上。至少一个基准标记603被附接或与旋转对象结合。旋转对象高速旋转。基准标记(多个)由记录多个基准标记(多个)位置的光学跟踪***来跟踪，以便跟踪圆形路径。在具体实施例中，跟踪模块111的光学接收器是在一系列摄像机帧(camera frames)中追踪圆形路径的摄像机。在具体实施例中，摄像机可以使用更长的快门速度，使得一个或多个基准标记在单个帧中跟踪一个或多个圆形路径。
可以使用校准装置201的任何前面描述的方法来确定相对于旋转基准标记物603的工具轴线的方向217和/或工作端的工具中心点207。如果摄像机的采样率和基准标记(多个)603的旋转速率大，则可以仅使用旋转的基准标记(多个)603跟踪工具轴线和工具末端位置。
在具体的发明实施例中，利用包括旋转的基准标记603的***，第二标记阵列被附接到具有足以解决工具的所有六个自由度的几何形状的基准标记的工具。虽然该标记阵列不会用于跟踪工具轴线和工具末端，但标记阵列可用于跟踪其他功能如避免碰撞的工具的整体几何形状。在另一个实施例中，一个或多个基准标记被固定到工具上，而不是足以解决所有六个自由度的完整阵列。由于知道工具轴线和工具末端位置以五个自由度解决***的运动，所以一个或多个固定的基准标记可以解决最后的自由度(即围绕工具轴线的旋转)。
在本发明的具体实施例中，利用基准标记阵列上的旋转基准标记来提高跟踪的精确度。如图7A和7B所示，示出了两个基准标记阵列配置701和713。图7A描绘了由旋转体705组成的基准标记阵列，其具有附接或结合的至少一个基准标记703。每个旋转机构具有零机械间隙(zero mechanical play)，使得每个基准标记以恒定半径旋转703，旋转中心709不在标记阵列上移动。在具体实施例中，跟踪***110接收器是摄像机。跟踪***110使用摄像机快门速度来跟踪，使得快门被打开得足够长以捕获每个基准标记(多个)圆周行程707的大部分，其中完全旋转是理想的。例如，如果基准标记以10,000转/分钟(rpm)旋转，则0.006秒的快门速度将捕获完整旋转，而0.003秒的快门速度将捕获半个旋转。然后，处理器将圆三维拟合到每个圆形路径，并且针对每个圆形路径计算中心709和法向量711。由标称中心和每个基准标记的法向量组成的标称模型可以被登记到计算的中心和法向量，从而在跟踪期间将标记阵列登记到标称模型。
类似地，图7B示出了标记阵列713的不同配置，其中至少一个基准标记703围绕旋转中心709旋转。在该实施例中，基准标记能够在其自身而不是旋转平台上旋转。如前所述，可以计算中心709和法向量711并将其登记到由跟踪期间的每个基准标记的标称中心和法向量组成的标称模型。随着精确的中心和法向量计算并用于跟踪和登记，这个方法会使得精确度的提高以及更准确的登记(registration)。还应当理解，利用这种配置，仅需要两个基准标记来解决6个自由度。至少一个旋转的基准标记703和的第二基准标记(未示出)固定到基准标记阵列701或713。另外，通过添加旋转基准标记，多重自由度的冗余跟踪可以用最小量的基准标记。
其他实施例
虽然在前述详细描述中已经呈现了至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在大量变化。还应当理解，示例性实施例或多个示例性实施例仅是示例，并且不旨在以任何方式限制所描述的实施例的范围、适用性或配置。相反，前面的详细描述将为本领域技术人员提供用于实现示例性实施例或多个示例性实施例的方便的路线图。应当理解，在不脱离所附权利要求及其法定等同物所阐述的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (25)

1.一种校准装置，包括：
主体，具有外表面，所述主体配置为围绕具有工具轴线的工具放置，使得所述主体围绕所述工具轴线旋转；
至少一个基准标记，位于所述主体的外表面上，其中所述至少一个基准标记与跟踪***相通信；
固定基准标记阵列，与所述跟踪***相通信；以及
其中所述校准装置确定相对于所述基准标记阵列的工具轴线。
2.根据权利要求1所述的校准装置，其特征在于，所述主体为中空圆柱形套筒。
3.根据权利要求1所述的校准装置，还包括沿所述中空圆柱形套筒的纵向轴线轴向偏移的两个或多个基准标记。
4.根据权利要求2所述的校准装置，其特征在于，所述至少一个基准标记位于距离所述中空圆柱形套筒的第一端的已知距离处。
5.根据权利要求2所述的校准装置，其特征在于，所述套筒还包括具有邻接表面的第一端，并且所述至少一个基准标记的位置距离所述邻接表面已知距离。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的校准装置，其特征在于，所述主体还包括与刚性件连接的两个或多个附接点或夹具；以及
其中所述至少一个基准标记位于所述刚性件上。
7.一种手术***，包括：
具有工具轴线的工具；
跟踪模块；
基准标记阵列，固定于所述工具并与所述跟踪模块相通信；以及
校准装置，包括具有位于主体上的至少一个基准标记的主体，所述主体配置为围绕所述工具放置，使得所述主体围绕所述工具轴线旋转；以及
其中响应于所述主体的旋转，由所述跟踪模块跟踪的至少一个基准标记产生一个或多个圆形路径，并且所述跟踪模块计算所述旋转的中心点或圆形路径的法向量中的至少一个，以确定相对于固定到所述工具和所述跟踪模块的基准标记阵列的工具轴线方向。
8.根据权利要求7所述的手术***，其特征在于，所述校准装置为具有两个或多个基准标记的中空圆柱形套筒，所述基准标记沿着所述中空圆柱形套筒的纵向轴线轴向偏移。
9.一种使用根据权利要求7或8中任一项所述的手术***的方法，通过以下计算来确定所述工具的工作端相对于所述基准标记阵列的工具中心点的位置：
a)由所述至少一个基准标记跟踪的所述一个或多个圆形路径在所述旋转的中心点处的法向量的交点，以及
b)由距离所述基准标记已知距离的所述校准装置上的邻接表面确定的平面。
10.一种使用权利要求7或8中任一项所述的手术***来确定所述工具轴线方向的方法，所述方法包括以下中的至少一个：
a)计算由两个或多个旋转的基准标记跟踪的圆形路径的法向量的平均值
b)计算由所述两个或多个旋转的基准标记跟踪的圆形路径的中心点之间的法向量的平均值，或
c)计算a和b的平均值。
11.一种用于确定相对于基准标记阵列的工具轴线的方法，包括：
固定所述基准标记阵列于工具上；
附接具有至少一个基准标记的校准装置于所述工具上；
围绕所述工具轴线旋转所述校准装置；
用跟踪模块跟踪所述至少一个基准标记的旋转；以及
从由所述基准标记旋转跟踪的一个或多个圆形路径计算法向量和中心点，以确定相对于基准标记阵列的工具轴线方向。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
用数字化仪在所述工具的工具末端表面上收集一组点；
用处理器将所收集到的一组点最佳拟合平面；以及
根据1)在所述旋转的中心点处的法向量的交点与2)最佳拟合平面，确定在工具末端表面的相对于基准标记阵列的工具中心点的位置。
13.根据权利要求11或12中任一项所述的方法，还包括：
在给定的机器人位置和方向(pose)将具有所述校准装置的机器人致动到先前校准的工具轴线；
围绕所述工具轴线旋转所述校准装置；
在旋转期间用跟踪模块记录基准标记的位置；
用处理器将圆形模型拟合到所记录位置；
计算圆直径、中心或法向量中的至少一个；以及
将圆直径、中心或法向量中的至少一个与从先前校准的工具轴线的储存值进行比较，以确定机器人校准有效性。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述校准装置的一端还包括具有邻接表面的套筒，由此所述套筒上的基准标记距离邻接表面已知距离。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
以1)由基准标记追踪的在旋转的中心点处的圆形路径的所计算的法向量的交点以及2)邻接表面处确定的平面为基础，在工具的工作端计算工具中心点的位置。
16.一种用于确定机器人构件方向的***，包括：
远端构件；
附接到所述远端构件的近端构件；
跟踪模块；以及
放置在远端构件上的一组基准标记，使得来自所述一组基准标记的三个基准标记对于跟踪模块为可见的，使得处理器可以在远端构件上确定第一坐标系。
17.根据权利要求16所述的***，其特征在于，所述跟踪模块在旋转期间记录所述三个基准标记的位置，并且所述处理器将圆形模型拟合到所记录的位置，并且计算所述圆的圆心或法向量中的至少一个，以确定远端构件位置或远端构件方向中的至少一个。
18.根据权利要求16所述的***，其特征在于，所述近端构件还包括第二组基准标记，使得来自所述第二组的三个次要基准标记对于所述跟踪模块为可见的，并且所述处理器在所述近端构件上确定第二坐标系。
19.根据权利要求18所述的***，其特征在于，与所述跟踪模块相通信的处理器通过计算围绕所述旋转轴线的所述第一坐标系和所述第二坐标系之间的相对旋转来计算所述近端构件和所述远端构件之间的角度。
20.一种用于帮助医疗过程的跟踪工具的***，包括：
工具；
跟踪模块；以及
旋转体关于所述工具的轴线重合，所述旋转体包括至少一个基准标记，使得当所述至少一个基准标记围绕所述工具轴线旋转时，所述跟踪模块记录所述至少一个基准标记的位置。
21.根据权利要求20所述的***，还包括被编程为将圆拟合到所述基准标记的记录位置的处理器。
22.根据权利要求20所述的***，其特征在于，所述处理器计算拟合圆的法向量或拟合圆的中心点中的至少一个。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的***，其特征在于，所述跟踪模块在旋转期间记录所述三个基准标记的位置，并且所述处理器将圆形模型拟合到所述记录位置，并且计算所述圆的圆心或法向量中的至少一个，以确定远端构件位置或远端构件方向中的至少一个。
24.一种用于跟踪对象的基准标记阵列，包括：
刚性体；以及
与跟踪模块相通信的至少一个基准标记，所述跟踪模块旋转，以在所述刚性体的区域上产生圆形路径，使得所述至少一个基准标记偏移所述基准标记的旋转中心一距离。
25.根据权利要求24所述的基准标记阵列，还包括固定到所述刚性体的基准标记。
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