CN116113380A - 患者体内物品的三角测量 - Google Patents

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M·斯维里
A·塔尔莫尔
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Abstract

本发明提供一种外科定位***，该外科定位***包括：固定到医疗植入物的发射器；至少三个麦克风；至少一个处理器；和存储器。该发射器具有扬声器和动力源。该存储器存储用于由该处理器执行的指令，该指令在被执行时使该处理器：从该至少三个麦克风中的每个麦克风接收关于检测到的声音的信息；以及基于对应于该至少三个麦克风中的每个麦克风的位置信息和所接收的信息来计算该植入物的位置。

Description

患者体内物品的三角测量
技术领域
本技术整体涉及外科手术，并且更具体地涉及外科手术期间的对象定位和跟踪。
背景技术
X射线成像用于确定在患者体内并且因此在光学上不可见的对象的位置，该对象包括患者的解剖特征(例如，骨骼或其特征)和医疗装置(例如，植入物、工具)两者。如果参考标记固定到对象并延伸到体外以便对导航相机可见，则可使用导航***来确定此类对象的位置。
发明内容
本公开的各方面包括：
一种外科定位***，该外科定位***包括：固定到医疗植入物的发射器；至少三个麦克风；至少一个处理器；和存储器。该发射器包括扬声器和动力源。该存储器存储用于由该处理器执行的指令，该指令在被执行时，使该处理器：从该至少三个麦克风中的每个麦克风接收关于检测到的声音的信息；以及基于对应于该至少三个麦克风中的每个麦克风的位置信息和所接收的信息来计算该植入物的位置。
本文中的方面中的任一方面，其中该存储器存储用于由该至少一个处理器执行的附加指令，该附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器：接收患者解剖结构的一部分的模型；以及基于该模型来计算通过该患者解剖结构的该一部分的至少一个段的预测声速。
本文中的方面中的任一方面，其中该存储器存储用于由该至少一个处理器执行的附加指令，该附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器基于对应于由该发射器生成并由该至少三个麦克风中的每个麦克风检测到的校准声音的校准数据来更新该预测声速。
本文中的方面中的任一方面，其中该计算该植入物的该位置进一步基于所更新的预测声速。
本文中的方面中的任一方面，其中该至少三个麦克风中的每个麦克风相对于该至少三个麦克风中的任何其他麦克风安装在固定位置。
本文中的方面中的任一方面，其中所检测到的声音具有小于20kHz的频率。
本文中的方面中的任一方面，其中所检测到的声音具有小于20Hz的频率。
本文中的方面中的任一方面，其中该至少三个麦克风中的至少一个麦克风安装到可移动臂，并且该存储器存储用于由该至少一个处理器执行的附加指令，该附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器：接收对应于该可移动臂的位置的臂位置数据；以及至少部分地基于该臂位置数据来计算该至少三个麦克风中的每个麦克风的位置。
本文中的方面中的任一方面，其中该至少三个麦克风中的每个麦克风的位置信息包括关于该至少三个麦克风中的每个麦克风相对于该至少三个麦克风中的其他麦克风的位置的数据，并且所计算的发射器位置与该至少三个麦克风的该位置有关。
本文中的方面中的任一方面，其中该至少三个麦克风中的每个麦克风的该位置信息与公共坐标系有关。
本文中的方面中的任一方面，其中该发射器包括多个扬声器，每个扬声器被配置成以与该多个扬声器中的其他扬声器不同的频率发射声音，所接收的信息包括关于由该多个扬声器中的每个扬声器分别生成的检测到的声音的信息，并且该存储器存储用于由该至少一个处理器执行的附加指令，该附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器至少部分地基于所接收的信息确定该植入物的取向。
一种在外科手术期间定位对象的方法，该方法包括：接收患者解剖结构的一部分的模型；接收包括关于该患者解剖结构的该部分内的植入物的计划位置的信息的外科计划；基于该植入物的该计划位置和该模型来计算沿着至少部分地延伸穿过该患者解剖结构的该一部分的至少一个路径的预测声速；从至少三个麦克风接收关于由固定到该植入物的扬声器生成的检测到的声音的检测信息；以及基于该预测声速和该检测信息来确定该植入物的位置。
本文中的方面中的任一方面，其中该检测信息包括关于由该扬声器在第一时间生成的第一检测到的声音的第一检测信息，并且还包括：从该至少三个麦克风接收关于由该扬声器生成的第二检测到的声音的第二检测信息，该第二检测到的声音是在该第一时间之后的第二时间生成的；以及基于该第一检测信息和该第二检测信息来确定该植入物的移动。
本文中的方面中的任一方面，其中该检测信息对应于由固定到该植入物的多个扬声器生成的检测到的声音，并且还包括：基于该预测声速和该检测信息来确定该植入物的取向。
本文中的方面中的任一方面，其中所检测到的声音中的每个所检测到的声音相对于所检测到的声音中的任何其他所检测到的声音具有独特的频率。
本文中的方面中的任一方面，其中该确定进一步基于对应于该至少三个麦克风中的每个麦克风的位置的位置信息。
本文中的方面中的任一方面，其中该检测信息包括关于由该扬声器在第一时间生成的第一检测到的声音的第一检测信息，该方法还包括：从该至少三个麦克风接收关于由附连到该患者的解剖元件的第二扬声器生成的第二检测到的声音的第二检测信息；以及基于该第一检测信息和该第二检测信息来确定该植入物相对于该解剖元件的位置。
一种外科三角测量***，该外科三角测量***包括：多个麦克风，该多个麦克风被配置成安装在手术室周围的固定位置；发射器，该发射器被配置成固定到患者或植入物的内部解剖特征；至少一个处理器；和存储器。该发射器包括扬声器和动力源。该存储器存储用于由该至少一个处理器执行的指令，该指令在被执行时，使该至少一个处理器：接收包括关于该患者解剖结构的一部分的信息的外科计划；从该多个麦克风接收关于由该多个麦克风检测到并由该扬声器生成的声音的声音信息；以及基于该外科计划、该声音信息和关于该多个麦克风的固定位置的信息来计算该发射器的位置。
本文中的方面中的任一方面，其中该发射器具有生物相容性。
本文中的方面中的任一方面，其中该发射器包括第二扬声器，并且该存储器存储用于由该至少一个处理器执行的附加指令，该附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器：从该多个麦克风接收关于由该多个麦克风检测到并由该第二扬声器生成的第二声音的第二声音信息；以及基于该外科计划、该第二声音信息和关于该多个麦克风的固定位置的信息来计算该发射器的取向。
本公开的一个或多个方面的细节在以下附图和描述中阐述。根据说明书和附图以及权利要求书，本公开中描述的技术的其他特征、目标和优点将是显而易见的。
短语“至少一个”、“一个或多个”以及“和/或”是在操作中具有连接性和分离性两者的开放式表述。举例来说，表述“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”、“A、B或C中的一个或多个”以及“A、B和/或C”意指仅A、仅B、仅C、A和B一起、A和C一起、B和C一起，或A、B和C一起。当上述表述中的A、B和C中的每一个都指代如X、Y和Z的一个元素或如X1-Xn、Y1-Ym和Z1-Zo的一类元素时，短语意指选自X、Y和Z的单个元素、选自同一类的元素(例如X1和X2)的组合以及选自两个或更多类的元素(例如Y1和Zo)的组合。
术语“一(a/an)”实体指所述实体中的一个或多个。如此，术语“一(a/an)”、“一个或多个”和“至少一个”在本文中可以可互换地使用。还应当注意，术语“包括(comprising/including)”、和“具有”可以可互换地使用。
前述内容是本公开的简化概述以提供对本公开的一些方面的理解。本发明内容既不是对本公开和其各个方面、实施方案和配置的广泛性概述也不是详尽性概述。其既不旨在识别本公开的关键或重要要素，也不旨在描绘本公开的范围，而是以简化形式呈现本公开的所选概念，作为对下文呈现的更详细描述的介绍。如应了解，本公开的其他方面、实施方案和配置可能单独或以组合方式利用上文所阐述或下文所详细描述的特征中的一个或多个。
在考虑下文提供的实施方案描述之后，本发明的许多额外特征和优点对于本领域技术人员将变得显而易见。
附图说明
附图并入并形成本说明书的一部分以示出本公开的几个示例。这些附图连同描述一起解释本公开的原理。附图仅示出如何进行和使用本公开的优选和替代性示例，且不应解释为仅将本公开限制于所示出和所描述的示例。另外的特征和优点将根据以下对本公开的各个方面、实施方案和配置的更详细描述变得显而易见，如通过以下所参考的图式所示出。
图1A是根据本公开的至少一个实施方案的***的框图；
图1B是根据本公开的至少一个实施方案的发射器的框图；
图2是手术室的图示；
图3是根据本公开的至少一个实施方案的方法的流程图；并且
图4是根据本公开的至少一个实施方案的方法的另一流程图。
具体实施方式
应当理解，可将本文所公开的各个方面以与说明书和附图中具体给出的组合不同的组合进行组合。还应理解，取决于示例或实施方案，本文中所描述的过程或方法中的任一个的某些动作或事件可以不同的序列执行，和/或可添加、合并或完全省略(例如，根据本公开的不同实施方案，执行所公开技术可能不需要所有描述的动作或事件)。另外，出于清晰的目的，虽然本公开的某些方面被描述为由单个模块或单元执行，但应理解，本公开的技术可由与例如计算装置和/或医疗装置相关联的单元或模块的组合执行。
在一个或多个示例中，所描述方法、过程和技术可以硬件、软件、固件或其任何组合实施。如果在软件中实现，则功能可作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上并由基于硬件的处理单元执行。计算机可读介质可包括非暂态计算机可读介质，其对应于有形介质，诸如数据存储介质(例如，RAM、ROM、EEPROM、闪存存储器，或可用于存储指令或数据结构形式的期望程序代码并且可由计算机访问的任何其他介质)。
指令可以由一个或多个处理器执行，诸如一个或多个数字信号处理器(DSP)、通用微处理器(例如，Intel Core i3、i5、i7或i9处理器；Intel Celeron处理器；Intel Xeon处理器；Intel Pentium处理器；AMD Ryzen处理器；AMD Athlon处理器；AMD Phenom处理器；Apple A10或10X Fusion处理器；Apple A11、A12、A12X、A12Z或A13 Bionic处理器；或任何其他通用微处理器)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)或其他等效的集成或离散逻辑电路***。因此，如本文所用的术语“处理器”可指前述结构或适于实现所描述的技术的任何其他物理结构中的任一种。另外，本技术可在一个或多个电路或逻辑元件中完全实现。
在详细地解释本公开的任何实施方案之前，应当理解，本公开在其应用方面不限于以下描述中阐述或附图中示出的构造细节和部件布置。本公开能够具有其他实施方案并且能够以各种方式实践或进行。同样，应理解，本文中所使用的措词和术语是出于描述的目的且不应视为是限制性的。本文中使用“包括(including/comprising)”、或“具有”以及其变化形式意在涵盖其后列出的项目和其等效物以及额外项目。此外，本公开可使用示例来示出其一个或多个方面。除非另有明确说明，否则使用或列出一个或多个示例(其可由“例如(for example)”、“借助于示例”、“例如(e.g.)”、“如”或类似语言指示)不旨在且并不限制本公开的范围。
在患者体内定位对象(无论该对象是外来对象，诸如医疗装置或工具(包括例如医疗植入物)，还是原生对象，诸如患者的解剖特征(包括例如患者体内的骨骼或器官))的现有方法包括：x射线成像和超声成像，该x射线成像将患者和手术室工作人员暴露于有害辐射，该超声成像需要将超声探头定位在患者的皮肤附近并瞄准所考虑的对象。例如，仍然需要在不使用发射有害辐射的***或装置的情况下在患者体内定位对象，并且比可使用超声波所实现的更方便。
根据本公开的一些实施方案，小芯片或谐振物品(其可为例如扬声器)可附接、附连或以其他方式固定到要追踪或跟踪的对象，诸如医疗植入物、医疗工具、骨骼或患者体内(或要放置在患者体内)的任何其他对象。在一些实施方案中，小芯片可以可移除地固定到对象，而在其他实施方案中，小芯片可永久地固定到对象、包含在对象内、或以其他方式配置成保持在对象上或对象内。同样根据本公开的一些实施方案，多个装置可定位在患者体外，并且被配置成发送和/或接收来自小芯片或谐振物品的一个或多个信号。例如，在小芯片或谐振物品是或包括扬声器的实施方案中，多个装置中的每个装置可以是麦克风。多个装置可定位在相对于彼此的已知位置处，和/或定位在公共坐标系内的已知位置处。多个装置中的每个装置可包括一个或多个传感器，该一个或多个传感器用于准确地测量到多个装置中的任何其他装置的距离或者用于确定其在坐标系内的位置。多个装置中的每个装置可固定在固定位置，或者多个装置中的一个或多个装置可以是可移动的。在后一种情况下，多个装置中的每个装置(或至少任何可移动装置)的位置可在装置移动之后确定，无论是使用装置本身上的一个或多个传感器，使用臂或固持装置的其他对象上的一个或多个传感器，还是使用其他方式。
多个装置可向小芯片或谐振物品传输信号，小芯片或谐振物品可返回该信号(或者响应于第一信号来传输另一信号)。在多个装置接收到来自小芯片或谐振物品的返回信号或其他信号时，可使用处理器对小芯片或谐振物品的位置进行三角测量(例如，基于信号的飞行时间或以其他方式)。可通过增加多个装置的数量，和/或通过向对象添加更多小芯片或谐振项目来减少***中的错误。
根据本公开的至少一个实施方案，可使用超声波用于三角测量。超声波具有良好的角度准确度。在使用超声波的实施方案中，可使用具有柔性接头和一个或多个编码器的桁架来实现准确度。
根据本公开的至少另一实施方案，可使用无线信号用于三角测量，包括射频信号、WiFi信号、ZigBee信号、蓝牙信号、蓝牙低功耗信号、蓝牙信标信号、GSM信号、LTE信号以及使用任何其他无线通信协议的信号。在一些实施方案中，不需要无线通信协议。多个收发器可位于患者体外，并且被配置成查验患者身体内部的小芯片或谐振物品，然后接收来自小芯片或谐振物品的返回信号。可通过改变多个收发器中的哪个收发器传输信号并通过使用阵列中的所有收发器接收返回信号来减少错误。可利用高速处理来促进使用无线信号进行的三角测量(或本文描述的任何其他三角测量方法)。
根据本公开的至少另一实施方案，可使用声音来实现三角测量。例如，可将小的陶瓷“扬声器”放置在植入物或医疗工具或要跟踪的其他元件上。麦克风阵列可定位于患者体外，每个麦克风被配置成以扬声器被配置成生成此类声波的一个或多个频率来检测声波。例如，可基于哪些频率最佳移动穿过解剖组织来选择一个或多个频率。可使用多个频率来实现更好的准确度。
根据本公开的又其他实施方案，可同时或一起使用多个三角测量方法来改善准确度。另外，在一些实施方案中，小芯片或谐振物品可以是无源的(例如，被配置成仅反射在患者身体外部生成的信号)或有源的(例如，被配置成生成可在患者体外检测到的信号)。可通过增加定位在患者体外的装置的数量，和/或通过在植入物、工具或患者体内的其他物品上利用多个小芯片或谐振物品来提高准确度。
本公开的实施方案有利地实现了植入物和工具在患者体内的更准确放置。本公开的实施方案还有利地实现了位置确定和跟踪，而不会将患者或任何主治医生或其他手术室工作人员暴露于有害辐射。本公开的实施方案进一步有利地实现了位置确定和跟踪，而无需到被跟踪对象或到附接到被跟踪对象的参考标记的标志线。
首先转到图1A，示出了根据本公开的至少一个实施方案的***100的框图。***100可用于例如：在患者体内定位对象，无论该对象是外来对象(例如，医疗工具、植入物或其他装置)还是患者的解剖特征(例如，骨骼或器官)；确定患者体内对象的取向；检测患者体内对象的移动或相对移动；用于自主外科手术；用于机器人辅助的外科手术；校准三角测量***；使用独立三角测量***验证导航***的操作完整性和/或反之亦然；执行本文所公开的方法中的一种或多种方法的一个或多个方面；或用于任何其他有用的目的。***100包括计算装置102、多个传感器132、机器人136、发射器156、导航***160、数据库164和云168。尽管描述了前述内容，但根据本公开的其他实施方案的***可省略计算装置102、多个传感器132、机器人136、发射器156、导航***160、数据库164和/或云168中的任一者或多者。另外，根据本公开的其他实施方案的***可不同地布置***100的一个或多个部件(例如，多个传感器132、机器人136和导航***160中的一者或多者可包括图1A所示的部件作为计算装置102的一部分)。
计算装置102包括至少一个处理器104、至少一个通信接口108、至少一个用户接口112和至少一个存储器116。根据本公开的其它实施方案的计算装置可省略通信接口108和用户接口112中的一者或两者。
计算装置102的至少一个处理器104可为本文中所标识或描述的任何处理器或任何类似处理器。至少一个处理器104可被配置成执行存储在至少一个存储器116中的指令，这些指令可使至少一个处理器104利用或基于例如从多个传感器132、机器人136、发射器156、导航***160、数据库164和/或云168所接收的数据来执行一个或多个计算步骤。
计算装置102还可包括至少一个通信接口108。至少一个通信接口108可用于从外部源(诸如多个传感器132、机器人136、导航***160、数据库164、云168和/或便携式存储介质(例如，USB驱动器、DVD、CD))接收图像数据或其他信息，和/或用于将指令、图像或其他信息从至少一个处理器104和/或计算装置102更一般地传输到外部***或装置(例如，另一计算装置102、机器人136、导航***160、数据库164、云168和/或便携式存储介质(例如，USB驱动器、DVD、CD))。至少一个通信接口108可包括一个或多个有线接口(例如，USB端口、以太网端口、火线端口)和/或一个或多个无线接口(例如，被配置成经由一个或多个无线通信协议，诸如802.11a/b/g/n、蓝牙、低功耗蓝牙、NFC、ZigBee等来传输信息)。在一些实施方案中，该至少一个通信接口108可用于使得装置102能够与一个或多个其他处理器104或计算装置102通信，无论是减少完成计算密集型任务所需的时间还是出于任何其他原因。
至少一个用户接口112可以是或包括键盘、鼠标、轨迹球、监测器、电视、触摸屏、按钮、操纵杆、开关、杠杆和/或用于从用户接收信息和/或用于将信息提供到计算装置102的用户的任何其他装置。至少一个用户接口112可用于例如接收结合本文所述的任何方法的任何步骤的用户选择或其他用户输入；接收关于计算装置102和/或***100的另一部件的一个或多个可配置设置的用户选择或其它用户输入；接收关于如何存储和/或传送由计算装置102接收、修改和/或生成的数据和/或将该数据存储和/或传送到何处的用户选择或其它用户输入；和/或基于由计算装置102接收、修改和/或生成的数据而向用户显示信息(例如，文本、图像)和/或播放声音。尽管在***100中包括该至少一个用户接口112，但是***100可自动地(例如，在没有经由该至少一个用户接口112的任何输入的情况下或以其他方式)执行本文中所描述的任何方法的步骤中的一个或多个或全部。
虽然该至少一个用户接口112示出为计算装置102的部分，但在一些实施方案中，计算装置102可利用与计算装置102的一个或多个其余部件分开容纳的用户接口112。在一些实施方案中，用户接口112可接近计算装置102的一个或多个其他部件定位，而在其他实施方案中，用户接口112可远离计算机装置102的一个或多个其他部件定位。
至少一个存储器116可以是或包括RAM、DRAM、SDRAM、其他固态存储器、本文中所描述的任何存储器或用于存储计算机可读数据和/或指令的任何其他有形的非暂时性存储器。至少一个存储器116可存储适用于完成例如本文描述的方法300和/或方法400的任何步骤的信息或数据。至少一个存储器116可存储例如关于一个或多个预定坐标系120的信息(例如，关于机器人坐标系或空间的信息、关于导航坐标系或空间的信息、关于患者坐标系或空间的信息)；用于由至少一个处理器104执行，例如以使至少一个处理器104执行方法300和/或方法400的步骤中的一个或多个步骤的指令124；和/或用于由处理器使用以执行完成方法300和/或方法400的步骤中的一个或多个步骤所需的任何计算或用于任何其他计算的一种或多种算法128。在一些实施方案中，此类预定坐标系120、指令124和/或算法128可被组织成一个或多个应用程序、模块、包、层或引擎，并且可使至少一个处理器104操纵存储在至少一个存储器116中和/或从***100的另一部件或通过该另一部分接收的数据。
多个传感器132被配置成检测由发射器156生成或反射的一个或多个信号。多个传感器可定位在手术台上或手术台周围、手术室内、手术室内的一个或多个支架或其他对象上的固定和已知位置处，以及/或者定位在适于接收和/或检测由发射器156生成或反射的一个或多个信号的任何其他位置。在一些实施方案中，多个传感器132包括至少一个传感器132，该至少一个传感器被配置成生成信号，该信号然后可被发射器156反射并被多个传感器132检测或以其他方式接收。在一些实施方案中，多个传感器可包括三个传感器。在其他实施方案中，多个传感器可包括多于三个传感器。传感器可散布在手术室或其他外科环境周围，以增加多个传感器132中的至少三个传感器将检测或接收来自发射器156的信号的可能性。在一些实施方案中，多个传感器132中的一个或多个传感器可定位在患者皮肤上或邻近患者皮肤，而在其他实施方案中，多个传感器132中没有一个传感器可定位在患者皮肤上或邻近患者皮肤。多个传感器132可为或可包括麦克风、无线接收器或收发器(例如，被配置成接收任何种类或使用任何协议或不使用协议生成的射频信号)、超声探头、雷达探头、声纳探头、能够接收信号的任何其他装置、和/或前述中的两者或更多者的任何组合。
多个传感器132可为或可包括被配置成确定检测到信号的方向的定向传感器。
尽管未在图中示出，但在一些实施方案中，***100可包括多个发射器156和单个传感器132，并且单个传感器132可被配置成放置在患者体内以检测由多个发射器156生成或反射的信号，并且与计算装置102通信(无论是经由传感器132、通信接口108还是以其他方式)。
在多个传感器132位于固定位置(例如，安装到手术室的墙壁、天花板和/或地板，和/或安装到固定手术台，或安装到一个或多个不可移动的支架或结构)的实施方案中，关于多个传感器132所位于的固定位置的信息可例如存储在存储器116中。此类信息可与存储在存储器116中的一个或多个预定坐标系120有关。
在一些实施方案中，多个传感器132中的一个或多个传感器可以是可移动的，无论是借助于固定到可移动支架或由可移动支架固持、固定到机器人臂或铰接臂或由机器人臂或铰接臂固持，还是以其他方式。在多个传感器132中的一个或多个传感器固定到机器人臂或由机器人臂固持的实施方案中，机器人臂可以是可精确移动的(例如，使得机器人臂上的给定点的精确位置在其操作期间的任何给定时间是已知的)，使得无论机器人臂的位姿如何，一个或多个传感器132的位置都是已知的。在包括一个或多个可移动传感器132的本公开的实施方案中，一旦传感器132被定位(并且此后，可移动传感器132被重新定位的任何时间)，任何此类可移动传感器132的位置可被确定，无论在可移动支架、机器人臂或铰接臂上使用一个或多个传感器，还是以其他方式；使用手动测量技术；使用校准过程(其可利用或不利用三角测量方法)；或以其他方式。
包括在多个传感器132中的传感器的数量越多，任何三角测量计算的准确度就越高。另外，包括在多个传感器132中的传感器散布得越广，任何三角测量计算的准确度就越高。多个传感器132可包括至少三个传感器、或至少四个传感器、或至少五个传感器、或至少十个传感器。
尽管在图1A中示出为仅与计算装置102通信，但在一些实施方案中，多个传感器132可与计算装置102、机器人136、导航***160、数据库164和/或云168中的任一者或多者进行通信。
多个传感器132可被配置成仅接收和/或检测由发射器156生成或反射的信号。例如，在多个传感器132包括一个或多个麦克风并且发射器156包括一个或多个扬声器的情况下，一个或多个麦克风可被配置成仅接收或检测一个或多个特定频率下的声音。多个传感器132的这种配置可有利地减少由多个传感器132检测到的噪声量，减少解释任何所接收或检测到的信号所需的处理功率量，和/或改善任何三角测量过程的结果的准确度。多个传感器132可被配置成连续地接收和/或检测来自发射器156的信号，或者可被配置成仅当被激活时(无论是手动地或自主地，还是根据预定时间表)，或者以其他方式接收和/或检测此类信号。
机器人136可以是任何外科机器人或外科机器人***。机器人136可为或可包括例如Mazor XTM隐形版机器人引导***。机器人136可包括支撑单个机器人臂144的基座140。机器人136可包括一个或多个机器人臂144。在一些实施方案中，机器人臂144可包括第一机器人臂和第二机器人臂。在其它实施方案中，机器人136可包括多于两个机器人臂144。在一些实施方案中，机器人臂144可协助外科规程(例如，通过在外科医生或其他用户操作工具时将工具固持在期望轨迹或位姿和/或支撑工具的重量，或以其他方式)和/或自动地进行外科规程。
机器人臂144可具有三个、四个、五个、六个、七个或更多个自由度。机器人臂144可包括一个或多个段152。每个段152可通过接头固定到至少一个相邻构件，使得机器人臂铰接。接头可以是能够使构件相对于接头所附接到的结构(例如，机器人臂的另一段，或基座140)进行选择性移动的任何类型的接头。例如，接头可以是枢轴接头、铰链接头、鞍形接头或球窝接头。接头可允许构件在一维或多维中和/或沿一个轴或沿多个轴移动。
虽然机器人臂144的近侧端部可固定到基座140(无论是经由接头还是其他方式)，但机器人臂144的远侧端部可支撑端部执行器。端部执行器可以是例如工具(例如，钻、锯、成像装置)或工具引导件(例如，用于沿着期望的轨迹引导活检针、消融探针或其它工具)。
机器人臂144可包括一个或多个位姿传感器148。位姿传感器148可被配置成检测机器人臂的位姿，并且可为或可包括一个或多个旋转编码器、线性编码器、增量编码器或其他传感器。来自位姿传感器148的数据可被提供给机器人136的处理器、计算装置102的处理器104和/或导航***160。该数据可用于计算机器人臂144相对于预定坐标系的空间位置。这种计算出的位置可用于例如确定附接到机器人臂144的多个传感器132中的一个或多个传感器的空间位置。
仍参考图1A，也参考图1B，发射器156被配置成附接到医疗植入物、外科工具、患者的解剖特征、或患者体内或待放置在患者体内的任何其他对象。发射器156可被配置成生成或反射可由多个传感器132接收和/或检测到的一个或多个信号。在发射器156被配置成仅反射由除发射器156以外的装置生成的信号的实施方案中，发射器156可以是无源的和/或无动力的，并且可由将增强其反射率的材料制成和/或被塑造成将增强其反射率的形状。例如，发射器156可被配置成反射超声波，或者反射射频波，或者作为雷达目标或声纳目标。在此类实施方案中，发射器156可以是无动力的。
在发射器156被配置成生成一个或多个波或其他信号的实施方案中，发射器156可以是有动力的。在此类实施方案中，发射器156可包括动力源172。动力源172可以是例如碘化锂电池或适合在患者体内使用和/或植入的任何其他电池或燃料电池(无论是在保护壳体内还是以其他方式)。
发射器156还可包括信号或波发生器176，该信号或波发生器可以是扬声器(其中声波将用于三角测量)、无线电发射体(其中RF信号将用于三角测量)或任何其他发射体或发生器。在信号发生器176是扬声器的情况下，扬声器可被配置成以单个频率生成声波，或者选择性地以多个预定频率中的一个预定频率生成声波。扬声器可被配置成以声波频谱内的任何频率生成声波。在一些实施方案中，扬声器可被配置成仅以声谱或低于声谱(例如，以小于20kHz的频率)生成声波。在其他实施方案中，扬声器可被配置成仅在次声频谱内(例如，低于20Hz)生成声波。在其他实施方案中，扬声器可被配置成在超声波频谱内(例如，高于20kHz)生成声波。在其他实施方案中，扬声器可被配置成仅在声谱之外(例如，低于20kHz和高于20kHz)生成声波。声谱之外的声波的使用可有利地使***100能够避免生成手术室工作人员可听见的声音和/或避免手术室工作人员生成的声音被多个传感器132拾取并混淆(例如，由处理器102)发射器156生成的声音。
在信号发生器176是扬声器的情况下，扬声器可以是陶瓷扬声器。扬声器可以是压电扬声器。扬声器的最大尺寸(例如，长度或宽度或高度)可小于四分之一英寸，或小于一英寸的一半，或小于一英寸，或少于一又二分之一英寸。
信号发生器176可被配置成以周期性间隔(例如，每秒钟、每五秒、每十秒、每二十秒、每三十秒、每分钟、每五分钟、每三十分钟或任何其他间隔)生成信号。信号发生器176还可被配置成仅响应于外部刺激(其可为例如由发射器156从外部源所接收的信号)而生成信号。在此类实施方案中，发射器156可包括被配置成接收和/或检测此类信号的接收器，和/或被配置成使信号发生器176响应于信号的接收而生成信号的处理器或其他逻辑(以软件和/或硬件实现)。发射器156还可包括被配置成检测发射体156的移动和/或与发射器156相关的任何其他一个或多个环境特性的一个或多个传感器(例如，加速度计或其他传感器)，并且可包括被配置成使信号发生器响应于一个或多个预定环境条件而生成信号的处理器或其他逻辑(以软件和/或硬件实现)。
在一些实施方案中，发射器156可包括多个信号发生器176。在此类实施方案中，信号发生器176可在发射器156上或在发射器156内彼此尽可能远地定位，并且可被配置成生成具有略微不同特性的信号。例如，在信号发生器176是扬声器的情况下，每个扬声器可被配置成生成具有略微不同频率的声波(例如，一个扬声器可被配置成生成100Hz的声波，而另一扬声器可被配置成生成102Hz的声波)。当然，更大的变化也是可能的；一个扬声器可被配置成生成20Hz的声波，并且另一扬声器可被配置成生成20kHz的声波。在此类实施方案中，可使用三角测量来计算多个信号发生器176中的每个信号发生器的位置，并且然后可使用所计算的位置来确定发射器156的取向。如可以理解的，基于两个单独信号发生器176的所计算的位置确定的发射器156的取向将不如基于三个或更多个单独信号发生器176的所计算的位置确定的发射器156的取向精确。
发射器156可包括其中存储有动力源172和信号发生器176的壳体。壳体可保护动力源172和信号发生器176免受体液和发射器156放置在其中的患者体内的其他环境条件的影响(无论是暂时的还是永久的)。壳体还可保护患者免受动力源172和/或信号发生器176的影响。在一些实施方案中，发射器156可凭借这样的壳体而具有生物相容性，而在其他实施方案中，发射器156的部件本身可具有生物相容性，并且可能不需要壳体。
发射器156可为或可包括用于将发射器156固定到医疗植入物、外科工具、解剖特征或患者体内或将***患者体内的其他对象的装置或机构。发射器156可被配置成使用一个或多个螺钉或其他机械紧固件、或使用粘合剂、或使用缝合线、或使用钉、或使用任何其他紧固或固定机构附接到这样的对象。在一些实施方案中，植入物或外科工具可制造成具有包含在植入物内的发射器156(或发射器156的一个或多个部件)，使得植入物用作发射器156或其一个或多个部件的壳体。在一些实施方案中，发射器156可被配置成固定在植入物、工具、解剖特征或其他对象中钻入或以其他方式成型的孔内，无论是通过摩擦配合还是以其他方式。发射器156被配置成牢固地固定到对象，使得发射器的位置的确定能够确定对象的位置。发射器156可永久地固定到对象，或者可移除地固定到对象。在一些实施方案中，发射器156可安全地留在患者体内。
***100的一些实施方案可包括多于一个发射器156。在此类实施方案中，多个发射器156可固定到单个对象(例如，以更好地确定对象的取向)，和/或一个或多个发射器156可固定到多于一个对象(例如，以便确定患者体内多于一个对象的位置，和/或确定多于一个对象之间的相对移动)。
再次参考图1A，导航***160可在手术或外科规程期间为外科医生和/或机器人136提供导航。导航***160可为任何现在已知的或将来开发的导航***，包括例如Medtronic StealthStationTM S8外科导航***。导航***160可包括相机或其他传感器，用于检测和/或跟踪一个或多个参考标记、导航***或在手术室或进行手术规程的其他房间内的其他物体。在一些实施方案中，导航***160可包括多个传感器132。在各种实施方案中，导航***160可用于跟踪机器人臂144和/或导航***160具有视线(其中导航***是光学***)或导航***160可以其他方式检测到的一个或多个其他对象的位置。导航***160可用于跟踪一个或多个参考标记或阵列或其它结构的位置，该参考标记或阵列或其它结构可用于由导航***160的相机或其它传感器检测。导航***160可包括用于显示来自外部源(例如，计算装置102、多个传感器132或其他源)的一个或多个图像，或来自导航***160的相机或其他传感器的视频流的显示器。在一些实施方案中，***100可在不使用导航***160的情况下操作。
数据库164可存储关于给定手术或外科规程的信息，诸如一个或多个外科计划、患者解剖结构的一部分的一个或多个数字模型、植入物、工具或可位于或定位在患者体内的其他对象(解剖特征或外来对象)的一个或多个数字模型、患者解剖结构的一个或多个图像和/或任何其他有用信息。上文描述为存储在存储器116内的任何数据也可或另选地存储在数据库164内，并且反之亦然。数据库164可被配置成将存储在其中的任何信息提供到计算装置102或***100的任何其他装置或***100外部的任何其他装置，无论直接地还是经由云168。在一些实施方案中，数据库164可为或可包括医院图像存储***和/或电子健康档案***的一部分，诸如图片存档与通信***(PACS)、健康信息***(HIS)和/或用于收集、存储、管理和/或传输包括图像数据的电子医疗记录的另一***。
云168可为或可表示互联网或任何其他广域网。计算装置102可使用有线连接、无线连接或两者经由通信接口108连接到云168。在一些实施方案中，计算装置102可经由云168与数据库164和/或外部装置(例如，计算装置)通信。
现在转到图2，多个传感器212(其可与多个传感器132相同或类似)可安装在手术室200周围的任何数量的固定位置，包括例如手术台202(患者在外科规程期间可躺在手术台上)、手术台202的一个或多个腿部204、手术室的壁206或208、手术室的地板210和/或手术室的天花板(未示出)。多个传感器212可散布在手术室周围，以提高任何三角测量计算的准确度。多个传感器212可被定位成增加至少最小数量的传感器212(例如，三个传感器212)将接收和/或检测由发射器156生成或反射的信号的可能性。
在一些实施方案中，传感器212的阵列可被安装到固定框架，该固定框架被配置成被安装到墙壁206或208、被安装到手术室的天花板或从手术室的天花板悬挂、或以其他方式定位在手术室内。传感器212的阵列可有利地包括相对于彼此具有已知位置的至少三个传感器，并且因此可在多个传感器尚未安装在手术室中或者未永久安装在手术室中的情况下促进本文描述的***和方法的使用。
现在转向图3，例如可由至少一个处理器执行用于利用机器人参考系进行导航的方法300。至少一个处理器可以与上文所描述的计算装置102的处理器104相同或类似。至少一个处理器可为机器人(诸如机器人136)的部分，或导航***(诸如导航***160)的一部分。除了本文描述的任何处理器之外的处理器还可用于执行方法300。至少一个处理器可通过执行存储在存储器中的指令(诸如存储器116的指令124)来执行方法300。这些指令可与下文描述的方法300的一个或多个步骤相对应。这些指令可使处理器执行一种或多种算法，诸如算法128。
方法300包括接收患者解剖结构的一部分的模型(步骤304)。该模型可以是与计划外科规程相关的患者解剖部分的数字3D模型。例如，如果针对患者脊柱的一部分计划外科规程，则该模型可以是患者脊柱或其一部分的数字3D模型，并且可包括关于患者脊柱周围的解剖特征的细节。作为另一示例，如果针对患者的腹部计划外科规程，则该模型可以是患者腹部(包括位于腹部中的患者器官)的数字3D模型。该模型可基于一个或多个术前图像生成，该一个或多个术前图像可以是例如CT扫描、MRI图像、X射线图像或其他图像。该模型可能已从多个二维图像生成。该模型可经由云168从诸如数据库164的数据库或从另一外部源接收。该模型还可从诸如存储器116的存储器接收。该模型可经由通信接口108和/或经由用户接口112接收。在一些实施方案中，该模型可直接从成像装置接收。
方法300还包括计算通过患者解剖结构的该部分的至少一个段的预测声速(步骤308)。在声音将用于三角测量目的的情况下，可计算通过患者解剖结构的段(例如，从位于患者解剖结构的一部分内的某处的对应于在步骤304中所接收的模型的发射器延伸到患者解剖结构的外表面的段)的声速。该计算可包括确定哪些材料沿着该段(例如，骨组织、软组织、血液、胃液)，测量或以其他方式确定每种材料沿着该段的深度厚度，查找(例如，在查找表或其他数据库中)通过每种材料的声速，并且然后基于前述信息计算沿着整个段的声速。因此，作为简单的示例，如果所考虑的段被确定为延伸穿过两英寸的骨组织、半英寸的脂肪组织和十六分之一英寸的皮肤组织，则计算可包括确定通过骨组织、脂肪组织和皮肤组织中的每一者的声速，并且然后基于声波必须穿过的每个组织的量和所确定的通过每种类型的组织的声速，计算声波以通过骨组织的声速传播通过两英寸的骨组织，以通过脂肪组织的声速传播通过二分之一英寸的脂肪组织，以及以通过皮肤组织的声速传播通过十六分之一英寸的皮肤组织将花费多长时间。在一些实施方案中，可计算通过解剖组织的平均声速，并且可将声波从位于患者解剖结构内的发射器传播到患者身体表面必须通过的距离除以通过解剖组织的平均声速，以确定声波到达患者身体表面将花费的时间量。
在一些实施方案中，可计算通过患者解剖结构的多个段的预测声速。同样在一些实施方案中，计算可基于定位成检测或接收声波的多个传感器中的一个或多个传感器的一般或精确位置。因此，例如，如果一个麦克风直接定位在手术台上方，并且另一麦克风直接定位在手术台的侧面，则可针对患者解剖结构的从患者解剖结构内的发射器的计划位置延伸到患者解剖结构的位于计划位置上方的表面(例如，在直接定位在手术台上方的麦克风的方向上)的段计算第一预测声速，并且可针对患者解剖结构的从发射器的计划位置延伸到患者解剖结构的位于发射器侧面的表面(例如，在直接定位在手术台侧面的麦克风的方向上)的段计算第二预测声速。在其他实施方案中，可将平均声速用于步骤308的计算，并且可使用该模型来确定声波在到达患者的解剖组织的表面并传播通过手术室中的空气之前传播通过患者的解剖组织所必须通过的精确距离或近似距离。
方法300还包括基于校准数据更新预测声速(步骤312)。例如，发射器(诸如发射器156)可放置在患者身体的一侧，并且传感器(诸如传感器212)可放置在患者身体的相对侧，发射器与传感器之间的位置关系已知。发射器可在第一已知时间生成声音，该声音可在第二已知时间被传感器检测到。基于第一已知时间、第二已知时间以及发射器与传感器之间的已知距离，可计算通过患者身体的声速，并且可将该计算的声速用作校准数据，用于更新在步骤308中计算的预测声速。
方法300还包括接收对应于多个麦克风中的每个麦克风的位置的位置数据(步骤316)。位置数据可与单个坐标系有关，并且可包括关于多个麦克风中的每个麦克风在单个坐标系内的位置的信息。在其他实施方案中，位置数据可与多个麦克风中的其他麦克风中的一个或多个麦克风有关，使得即使麦克风相对于手术室或相对于更全局坐标系的位置未知，每个麦克风的位置相对于多个麦克风中的其他麦克风的位置也是已知的。位置数据可包括关于多个麦克风中的每个麦克风的实际位置的信息，或者可从中计算多个麦克风的每个麦克风的实际位置的信息。在一些实施方案中，位置数据可包括关于多个麦克风中的一个或多个麦克风所附接到的机器人或其他铰接臂的位姿的信息。
方法300还包括计算多个麦克风中的每个麦克风的位置(步骤320)。在步骤316中所接收的位置数据包括可从中计算多个麦克风中的每个麦克风的实际位置的信息(包括例如关于可移动臂的位姿的信息，可从该位姿计算附接到可移动臂的麦克风的位置)的情况下，则可完成计算多个麦克风中的每个麦克风的位置的步骤320。该计算可使用诸如算法128的一个或多个算法(其可为或可包括例如一个或多个代数、几何、三角法或其他算法)来计算多个麦克风中的每个麦克风的位置，无论是相对于多个麦克风中的其他麦克风还是相对于单个公共坐标系(诸如预定坐标系120)。
方法300还包括接收关于由发射器生成的检测到的信号的信息(步骤324)。如在此所示，在发射器为或包括扬声器并且正在利用的多个传感器是多个麦克风的情况下，所检测到的信号是声音信号。所检测到的信号可具有对应于多个麦克风被调谐到或以其他方式配置成检测到的频率的频率。所检测到的信号可具有对应于发射器被配置成生成声波的唯一频率的频率，或者具有从发射器被配置成选择性地生成声波的有限频率组中所选择的频率。所检测到的信号可具有旨在将所检测到的信号与手术室环境中的一个或多个其他声音区分开的一个或多个特性。在一些实施方案中，例如，所检测到的信号可包括单个脉冲，而在其他实施方案中，所检测到的信号可包括一系列脉冲，这些脉冲在长度和时间间隔上可与前一个和/或后一个脉冲相等或不等。所检测到的信号例如可具有在次声范围或超声范围内的频率，以免被手术室工作人员听到。所检测到的信号可具有在声学范围内(在次声范围与超声范围之间)的频率，但接近该范围的边界，以便降低手术室中的人听到信号的可能性。所检测到的信号可具有被选择为避免干扰手术室环境中的一个或多个器械、工具或其他装置或***的频率。
可一次接收关于所检测到的信号的信息(例如，作为由多个麦克风中的每个麦克风生成的数据的集合)，或者可随时间接收关于所检测到的信号的信息(例如，可基于多个麦克风的每个麦克风检测到信号的时间来接收由多个传感器中的每个传感器生成的数据)。在前一种情况下，信息可包括对应于多个麦克风中的每个麦克风检测到信号的时间的数据。在后一种情况下，信息可不包括对应于多个麦克风中的每个麦克风检测到信号的时间的数据。
在多个麦克风是定向麦克风(例如，被配置成确定从其接收信号的方向的麦克风)的情况下，关于所检测到的信号的信息可包括关于从多个麦克风中的每个麦克风接收信号的方向的信息。
发射器可与例如发射器156相同或基本上类似。可从多个麦克风接收关于所检测到的信号的信息，无论是直接接收还是经由一个或多个通信接口(诸如通信接口108)接收。该信息可以是对应于由发射器生成的所检测到的信号的原始数据，或者该信息可以是对应于由发射器生成的所检测到的信号的经处理的数据。例如，信息可以简单地是在所检测到的信号到达多个麦克风中的每个麦克风时由多个麦克风的每个麦克风生成的电信号。另选地，该信息可为或可包括放大、滤波、调节和/或以其他方式处理一个或多个此类电信号的结果。
方法300还包括计算发射器的位置(步骤328)。该计算可基于在步骤324中所接收的信息。在信息不包括对应于多个麦克风中的每个麦克风检测到信号的时间的数据的情况下，计算也可基于从多个麦克风中的每个麦克风接收到数据的时间。该计算还可基于在步骤308中所计算的预测声速、来自步骤312的所更新的预测声速和/或在步骤304中所接收的模型。该计算可进一步基于多个麦克风中的每个麦克风的位置，如在步骤316中所接收的或如在步骤320中所计算的。该计算可利用一个或多个算法128，包括例如一个或多个三角、几何或其他数学方程或函数。该计算包括使用基于麦克风之间或麦克风之中的已知距离以及关于通过一个或多个介质的声速的信息的三角测量方法来确定发射器的位置(以及因此发射器所附接到或以其他方式固定到的植入物、工具、解剖特征或其他对象的位置)。
方法300还包括确定植入物的取向(步骤332)。在发射器包括多个扬声器的情况下，每个扬声器可生成信号(例如，声波)，并且每个信号可由多个麦克风检测到。信号可在至少一个特性上彼此不同，使得每个信号可与其他信号区分开来。然后，可根据步骤328来计算每个扬声器的位置，并且可将所计算的扬声器位置与关于例如发射器内或发射器上的每个扬声器的位置的信息一起使用来确定发射器的取向。在发射器和发射器所附接到或以其他方式固定到的对象(在此为植入物)的相对定位已知的情况下，也可因此确定对象的取向。换句话讲，该确定可基于关于多个所检测到的信号的信息、关于发射器内的每个扬声器的位置的信息和/或关于发射器与发射器所附接到或以其他方式固定到的对象的相对位置的信息。
本公开涵盖关于方法300的多个变型形式。例如，在本公开的实施方案中，可省略方法300的步骤中的一个或多个步骤。更具体地，一种根据本公开的实施方案的方法可省略步骤304、308、312、316、320、324和/或332中的一者或多者，同时包括方法300的剩余步骤。本公开还涵盖除了本文关于方法300描述的那些步骤之外的附加步骤的方法。换句话讲，本公开涵盖的方法包括比方法300更多或更少的步骤(包括与本文描述的那些步骤不同的步骤)。另外，尽管结合包括扬声器和被配置成检测由扬声器发出的声音的多个麦克风的发射器描述方法300，但本公开的其他实施方案可利用非声音信号进行三角测量以确定发射器的位置(或发射器的一个或多个扬声器的位置，或发射器所附接到的对象的位置)。例如，本公开的实施方案可利用RF或其他电磁信号代替声音信号，具有对应的发射器和多个传感器。另外，虽然基于使用有源发射器和仅被配置成接收由单独发射器生成的信号的多个传感器描述方法300，但本公开的其他实施方案利用多个传感器，该多个传感器包括能够生成信号的至少一个收发器，以及被配置成反射如此生成的信号的无源发射器，或者被配置成接收并响应该信号的有源发射器。因此，本公开的实施方案可利用雷达、声纳、超声波或利用信号反射或反弹来确定距离或可从中计算或以其他方式确定对象的位置的其他信息的其他技术。
另外，尽管结合关于单个所检测到的声音的信息描述了方法300的各个步骤，但在本公开的实施方案中，可检测到多个声音，无论所有声音是来自同一扬声器还是来自多个扬声器(多个扬声器中的每个扬声器可生成一个或多个所检测到的声音)。例如，在发射器包括三个扬声器的情况下，每个扬声器可检测声音，并且关于所检测到的声音中的每个声音的信息可用于本文中描述的任何目的(例如，确定位置、取向、移动、相对位置等)。每个所检测到的声音可以相同或不同(例如，不同的频率、不同的振幅、不同的脉冲模式)。作为另一示例，患者体内的多个对象中的每个对象可具有附接到其上的发射器，并且可由对应于每个发射器的一个或多个扬声器生成一个或多个声音。同样，关于这些所检测到的声音的信息可用于本文描述的任何目的，并且每个所检测到的声音可以相同或不同。
方法300有利地能够确定发射器以及发射器所附接到或以其他方式固定到的对象的位置以及甚至取向。对象可以是医疗装置、工具或植入物，或其他外来对象(相对于患者)，或者对象可以是患者的解剖特征。此外，方法300有利地不需要使用有害辐射，方法300也不需要多个传感器中的每个传感器与发射器之间的视线。方法300可在外科手术期间自动完成，而无需手动干预并且无需消耗手术室工作人员的宝贵时间。方法300有利地使手术室工作人员能够确定和/或跟踪患者体内一个或多个对象的位置、取向和/或移动，从而能够在外科规程期间改善准确度和安全性。
现在参考图4，使用三角测量来确定对象的位置、移动和/或取向的方法400包括接收患者解剖结构的一部分的模型(步骤404)。步骤404可与上述步骤304相同或基本上类似。
方法400还包括接收包括关于计划植入物位置的信息的外科计划(步骤408)。外科计划可经由通信接口(诸如通信接口108)接收，并且可从或经由存储器(诸如存储器116)、数据库(诸如数据库164)和/或云(诸如云168)接收。外科计划可包括关于外科规程的一个或多个步骤的信息，包括在外科规程期间植入物的一个或多个计划位置。一个或多个计划位置可对应于植入物相对于患者解剖结构的一部分的模型中的一个或多个解剖特征或者相对于坐标系(诸如预定坐标系120)的计划位置。外科计划可与在步骤404中所接收的患者解剖结构的模型相结合或分开。
方法400还包括计算沿着至少部分地延伸穿过患者的解剖结构的一部分的至少一个路径的预测声速(步骤412)。计算预测声速可与上文结合方法300描述的步骤308相同或基本上类似。该计算可至少部分地基于关于计划植入物位置的信息，并且可包括计算沿着从计划植入物位置或接近计划植入物位置延伸到患者身体表面的一个或多个路径的预测声速。所计算的预测声速可基于校准数据进行更新，该校准数据可在对应于在步骤408中所接收的外科计划的外科规程之前或期间生成和/或接收。
方法400还包括接收对应于由连接到植入物的扬声器生成的第一检测到的声音的第一检测信息(步骤416)。第一检测信息可与上文结合步骤324描述的关于所检测到的声音的信息相同或基本上类似。第一检测信息可包括从多个传感器(诸如多个传感器132)直接或间接接收的数据，在该实施方案中，该多个传感器为多个麦克风。
方法400还包括确定植入物的位置(步骤420)。确定植入物的位置可基于扬声器的所计算或以其他方式确定的位置(其可以与上文结合步骤328描述的计算发射器的位置相同的方式或基本上类似的方式计算或以其他方式确定)，以及基于关于扬声器相对于植入物位置的位置的信息(该信息可例如存储在诸如存储器116的存储器中，或者经由诸如通信接口108的通信接口接收，无论是从或经由诸如数据库164的数据库、诸如云168的云接收，还是从或经由其他地方接收)。计算或以其他方式确定扬声器的位置可利用三角测量以及第一检测信息、预测声速、关于被配置成检测由扬声器生成的声音的多个麦克风中的每个麦克风的位置或之间的距离的信息和/或任何其他有用信息来实现。
方法400还包括接收关于第二检测到的声音的第二检测信息(步骤424)。接收关于第二检测到的声音的第二检测信息可与接收关于第一检测到的声音的第一检测信息相同或类似，如上文结合步骤416所描述的。然而，在步骤424中，第二检测到的声音可由以下项生成：生成第一检测到的声音的同一扬声器；包括生成第一声音的扬声器的同一发射器的不同扬声器；附接到同一植入物的不同扬声器(并且不包括与生成第一声音的扬声器相同的发射器的部分)；或者附接到与生成第一声音的扬声器不同的对象(例如，医疗装置、工具、植入物或其他外来植入物、或患者的解剖特征)的不同扬声器。
方法400还包括确定植入物的移动或取向，或植入物相对于另一对象的位置(步骤428)。该确定可包括首先确定生成第二检测到的声音的扬声器的位置。生成第二检测到的声音的扬声器的位置可以与上文结合步骤328所描述的相同方式或基本上类似的方式来确定。(步骤428的)确定还可包括确定生成第二检测到的声音的扬声器所附接到的对象的位置，这可基于生成第二检测到的声音的扬声器的所确定的位置以及基于关于该扬声器和该扬声器所附接到的对象的相对位置的信息来完成。
在第二检测到的声音由与第一检测到的声音相同的扬声器生成的情况下，步骤428可包括确定植入物的移动。如果从步骤420所确定的位置不同于在步骤428中所确定的位置，则所确定的位置的差异对应于扬声器的移动(并因此对应于扬声器所附接到的植入物的移动)。
在第二检测到的声音由包括生成第一声音的扬声器的同一发射器的不同扬声器生成的情况下，可将从步骤420所确定的位置与步骤428的所确定的位置一起用于确定发射器的取向，也可确定发射器所附接到的对象的取向(例如，使用关于发射器在发射器所附接到的对象上的位置的信息)。确定取向可以与如上文结合步骤332描述的确定植入物的取向相同或基本上类似。
在第二检测到的声音由附接到同一植入物的不同扬声器(并且不包括与生成第一声音的扬声器相同的发射器的部分)生成的情况下，可直接确定植入物的取向，而无需首先确定发射器的取向。植入物的取向可以与上文结合步骤332所述相同的方式或基本上类似的方式来确定。
在第二检测到的声音由附接到与生成第一声音的扬声器不同的对象(例如，医疗装置、工具、植入物或其他外来植入物或患者的解剖特征)的不同扬声器生成的情况下，则可确定植入物相对于不同扬声器所附接到的对象的位置的位置。此类信息可用于例如确定植入物相对于患者的解剖特征的位置的位置(例如，其中植入物需要邻近患者的解剖特征定位或以其他方式相对于患者的解剖特征定位)，或确定工具相对于植入物的位置的位置(例如，其中工具需要连接到植入物，或其中工具需要避免接触植入物)。
方法400的每个所检测到的声音可具有独特的频率。在一些实施方案中，诸如其中单个扬声器生成多于一个所检测到的声音的实施方案中，每个扬声器可被配置成以与每个其他扬声器被配置成生成声音的频率不同的频率生成声音。
本公开涵盖关于方法400的多个变型形式。例如，尽管上文关于扬声器和被配置成检测由扬声器生成的一个或多个声音的多个麦克风的使用描述方法400，但在其他实施方案中，方法400可利用例如RF或其他电磁波而不是声波，以及对应的信号发生器(代替扬声器)和传感器(代替麦克风)。方法400还可用无源发射器而不是扬声器来实现，该无源发射器可被简单地配置成反射在患者体外生成的信号(无论是由多个传感器中的一个或多个传感器还是由单独的发射器，其位置是已知的)。此类实施方案可利用超声波、雷达、声纳或用于确定发射器的位置和/或取向的其他技术。
另外，尽管方法400仅明确描述了关于第一检测到的声音的信息和关于第二检测到的声音的信息的使用，但在本公开的实施方案中，可检测到多个声音，无论所有声音是来自同一扬声器还是来自多个扬声器(多个扬声器中的每个扬声器可生成一个或多个所检测到的声音)。例如，在附接到植入物的发射器包括三个扬声器，并且包括三个扬声器的附加发射器各自附接到要***植入物的区域中的多个解剖特征以及附接到将在涉及植入物(或涉及植入物被定位在其中的患者解剖结构的一部分)的外科规程期间使用的一个或多个工具的情况下，则可确定发射器中的每个发射器的位置和/或取向(以及因此发射器所附接到的对象中的每个对象的位置和/或取向)，以及此类发射器的任何移动(以及因此发射器所附接到的对象的任何移动)，以及一个发射器相对于任何其他发射器的位置(以及因此发射器所附接到的一个对象相对于另一发射器所附接到的任何其他对象的位置)。
类似于方法300，方法400有利地能够确定发射器以及发射器所附接到或以其他方式固定到的对象的位置以及甚至取向。方法400还能够检测发射器(以及发射器所附接的对象)的移动以及一个发射器相对于另一发射器(以及发射器所附接的对象)的位置的位置。此外，方法400有利地不需要使用有害辐射，方法400也不需要多个传感器中的每个传感器与发射器之间的视线。方法400可在外科手术期间自动完成，而无需手动干预并且无需消耗手术室工作人员的宝贵时间。方法400有利地使手术室工作人员能够确定和/或跟踪患者体内一个或多个对象的位置、取向和/或移动，从而能够在外科规程期间改善准确度和安全性。
本文描述的任何信号发生器(诸如信号发生器176)可用于取代本文描述的任何扬声器，并且本文描述的任何传感器(诸如传感器212)可用于取代本文描述的任何麦克风，只要传感器被配置成接收或检测由信号发生器生成的信号，并且信号发生器被配置成生成可由传感器检测和接收的信号。
尽管方法300和方法400两者被描述为包括接收患者解剖结构的一部分的模型的步骤，并且也被描述为包括计算通过患者解剖结构的一部分的至少一个段的预测声速(方法300)或沿着至少部分地延伸穿过患者解剖结构的一部分的至少一个路径的预测声速(方法400)的步骤，但本公开的实施方案不要求这些限制中的任一者或两者。例如，当外科规程是开放式规程(而不是例如微创规程)时，发射器(无论是扬声器还是其他)和传感器(无论是麦克风还是其他)之间可能存在视线，使得由发射器生成的信号无需传播穿过患者的解剖结构到达传感器，也无需基于来自患者解剖结构的干扰对信号的速度进行调整。而且，尽管方法300和方法400被描述为包括关于计算预测声速以解决来自患者解剖结构的干扰的步骤，但使用其他类型的信号的实施方案可包括关于计算所考虑类型的信号将传播穿过患者解剖结构的预测速度的对应步骤。
如基于前述公开内容可以理解的，本公开涵盖具有比图3和图4(以及方法300和方法400的对应描述)中标识的所有步骤更少的步骤的方法，以及包括比图3和图4(以及方法300和方法400的对应描述)中标识的那些步骤更多的步骤的方法。本公开还涵盖将方法300的一个或多个步骤与方法400的一个或多个步骤相结合或者反之亦然的方法。
本公开的实施方案还可用于定位未定位在患者体内的物品。例如，发射器可附接到手术室内的一个或多个机器人、器械、工具、成像装置和/或其他***或装置中的每一者，并且本文描述的***和方法可用于在外科规程期间跟踪每个这样的对象的位置或定位。在此类实施方案中，所跟踪的位置或定位可用于：确保没有不想要的对象被放置在患者体内或留在患者体内；使机器人能够自主或半自主地操作，以避免与另一被跟踪对象发生碰撞；便于机器人、成像装置、医疗器械或工具或任何其他对象相对于另一对象的正确定位；或用于任何其他有用的目的。在发射器放置在患者的一个或多个解剖特征上的情况下，本公开的实施方案可用于分段跟踪。
前述内容并非旨在将本公开限于本文中所公开的一种或多种形式。在前述的具体实施方式中，出于简化本公开的目的，将本公开的例如各种特征在一个或多个方面、实施方案和/或配置中聚集在一起。本公开的方面、实施方案和/或配置的特征可在除上文所论述的那些之外的替代性方面、实施方案和/或配置中组合。不应将本公开内容的方法解释为反映以下意图：权利要求需要比每个权利要求中明确叙述的更多的特征。相反，如以下权利要求书所反映，本发明方面在于少于单个前述公开的方面、实施方案和/或配置的全部特征。因此，将以下权利要求特此并入这个具体实施方式中，其中每个权利要求作为本公开的单独的优选实施方案而独立存在。
此外，尽管描述已经包括对一个或多个方面、实施方案和/或配置以及某些变化和修改的描述，但在理解本公开后，其他变化、组合和修改也在本公开的范围内，例如，如可在本领域的技术人员的技能和知识内。期望获得在准许的范围内包括替代方面、实施方案和/或配置的权利，包括所要求保护的替代、可更换和/或等效的结构、功能、范围或步骤，而无论这些替代、可更换和/或等效的结构、功能、范围或步骤是否在本文中公开，且不期望公开用于任何可获专利的主题。

Claims (20)

1.一种外科定位***，所述外科定位***包括：
固定到医疗植入物的发射器，所述发射器包括：
扬声器；和
动力源；
至少三个麦克风；
至少一个处理器；和
存储器，所述存储器存储用于由所述处理器执行的指令，所述指令在被执行时使所述处理器：
从所述至少三个麦克风中的每个麦克风接收关于检测到的声音的信息；以及
基于对应于所述至少三个麦克风中的每个麦克风的位置信息和所接收的信息来计算所述植入物的位置。
2.根据权利要求1所述的外科定位***，其中所述存储器存储用于由所述至少一个处理器执行的附加指令，所述附加指令在被执行时进一步使所述至少一个处理器：
接收患者解剖结构的一部分的模型；以及
基于所述模型来计算通过所述患者解剖结构的所述一部分的至少一个段的预测声速。
3.根据权利要求2所述的外科定位***，其中所述存储器存储用于由所述至少一个处理器执行的附加指令，所述附加指令在被执行时进一步使所述至少一个处理器：
基于对应于由所述发射器生成并由所述至少三个麦克风中的每个麦克风检测到的校准声音的校准数据来更新所述预测声速。
4.根据权利要求3所述的外科定位***，其中所述计算所述植入物的所述位置进一步基于所更新的预测声速。
5.根据权利要求2所述的外科定位***，其中所述至少三个麦克风中的每个麦克风相对于所述至少三个麦克风中的任何其他麦克风安装在固定位置。
6.根据权利要求1所述的外科定位***，其中所检测到的声音具有小于20kHz的频率。
7.根据权利要求1所述的外科定位***，其中所检测到的声音具有小于20Hz的频率。
8.根据权利要求1所述的外科定位***，其中所述至少三个麦克风中的至少一个麦克风安装到可移动臂，并且所述存储器存储用于由所述至少一个处理器执行的附加指令，所述附加指令在被执行时进一步使所述至少一个处理器：
接收对应于所述可移动臂的位置的臂位置数据；以及
至少部分地基于所述臂位置数据来计算所述至少三个麦克风中的每个麦克风的位置。
9.根据权利要求1所述的外科定位***，其中所述至少三个麦克风中的每个麦克风的位置信息包括关于所述至少三个麦克风中的每个麦克风相对于所述至少三个麦克风中的其他麦克风的位置的数据，并且所计算的发射器位置与所述至少三个麦克风的所述位置有关。
10.根据权利要求1所述的外科定位***，其中所述至少三个麦克风中的每个麦克风的所述位置信息与公共坐标系有关。
11.根据权利要求1所述的外科定位***，其中所述发射器包括多个扬声器，每个扬声器被配置成以与所述多个扬声器中的其他扬声器不同的频率发射声音，所接收的信息包括关于由所述多个扬声器中的每个扬声器分别生成的检测到的声音的信息，并且所述存储器存储用于由所述至少一个处理器执行的附加指令，所述附加指令在被执行时进一步使所述至少一个处理器：
至少部分地基于所接收的信息来确定所述植入物的取向。
12.一种在外科手术期间定位对象的方法，所述方法包括：
接收患者解剖结构的一部分的模型；
接收包括关于所述患者解剖结构的所述一部分内的植入物的计划位置的信息的外科计划；
基于所述植入物的所述计划位置和所述模型来计算沿着至少部分地延伸穿过所述患者解剖结构的所述一部分的至少一个路径的预测声速；
从至少三个麦克风接收关于由固定到所述植入物的扬声器生成的检测到的声音的检测信息；以及
基于所述预测声速和所述检测信息来确定所述植入物的位置。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述检测信息包括关于由所述扬声器在第一时间生成的第一检测到的声音的第一检测信息，所述方法还包括：
从所述至少三个麦克风接收关于由所述扬声器生成的第二检测到的声音的第二检测信息，所述第二检测到的声音是在所述第一时间之后的第二时间生成的；以及
基于所述第一检测信息和所述第二检测信息来确定所述植入物的移动。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述检测信息对应于由固定到所述植入物的多个扬声器生成的检测到的声音，所述方法还包括：
基于所述预测声速和所述检测信息来确定所述植入物的取向。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所检测到的声音中的每个所检测到的声音相对于所检测到的声音中的任何其他所检测到的声音具有独特的频率。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述确定进一步基于对应于所述至少三个麦克风中的每个麦克风的位置的位置信息。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述检测信息包括关于由所述扬声器在第一时间生成的第一检测到的声音的第一检测信息，所述方法还包括：
从所述至少三个麦克风接收关于由附连到所述患者的解剖元件的第二扬声器生成的第二检测到的声音的第二检测信息；以及
基于所述第一检测信息和所述第二检测信息来确定所述植入物相对于所述解剖元件的位置。
18.一种外科三角测量***，所述外科三角测量***包括：
多个麦克风，所述多个麦克风被配置成安装在手术室周围的固定位置；
发射器，所述发射器被配置成固定到患者或植入物的内部解剖特征，所述发射器包括：
扬声器；和
动力源；
至少一个处理器；和
存储器，所述存储器存储用于由所述至少一个处理器执行的指令，所述指令当被执行时使所述至少一个处理器：
接收包括关于所述患者的解剖结构的一部分的信息的外科计划；
从所述多个麦克风接收关于由所述多个麦克风检测到并由所述扬声器生成的声音的声音信息；以及
基于所述外科计划、所述声音信息和关于所述多个麦克风的所述固定位置的信息来计算所述发射器的位置。
19.根据权利要求18所述的外科三角测量***，其中所述发射器具有生物相容性。
20.根据权利要求18所述的外科三角测量***，其中发射器包括第二扬声器，并且所述存储器存储用于由所述至少一个处理器执行的附加指令，所述附加指令在被执行时进一步使所述至少一个处理器：
从所述多个麦克风接收关于由所述多个麦克风检测到并由所述第二扬声器生成的第二声音的第二声音信息；以及
基于所述外科计划、所述第二声音信息和关于所述多个麦克风的所述固定位置的所述信息来计算所述发射器的取向。
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