[发明专利]用于在外科手术过程中减少跟踪中断的导航系统和方法

说明书

用于减少外科手术期间跟踪中断的导航系统和方法。虚拟边界发生器生成与跟踪设备和定位器相关联的虚拟边界。碰撞检测器评估虚拟物体相对于虚拟边界的移动，以检测虚拟物体与虚拟边界之间的碰撞。反馈发生器响应于碰撞检测，以减少跟踪设备与定位器之间的跟踪中断。

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年2月25日提交的美国临时专利申请No.62/120,585的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开一般而言涉及用于在外科手术过程中减少跟踪中断的导航系统和方法。

背景技术

导航系统辅助用户定位物体。例如，导航系统用在工业、航空航天和医疗应用中。在医疗领域中，导航系统辅助外科医生相对于患者的解剖结构放置外科手术工具。使用导航系统的外科手术包括神经外科和矫形外科手术。通常，工具和解剖结构与显示器上显示的它们的相对移动一起被跟踪。

导航系统可以采用光信号、声波、磁场、射频信号等，以便跟踪物体的位置和/或朝向。导航系统常常包括附连到被跟踪的物体的跟踪设备。定位器与跟踪设备上的跟踪元件协作，以确定跟踪设备的位置，并最终确定物体的位置和/或朝向。导航系统经由跟踪设备监视物体的移动。

许多导航系统依赖跟踪元件与定位器的传感器之间无阻碍的视线，其中传感器接收来自跟踪元件的跟踪信号。这些导航系统还依赖位于定位器的视场内的跟踪元件。因此，已经努力减少阻碍跟踪元件与传感器之间的视线的可能性并将跟踪元件维持在定位器的视场内。例如，在一些导航系统中，在导航系统的初始设置期间，显示器以图形方式表示定位器的视场，以指导跟踪设备的初始放置，使得跟踪元件位于视线没有障碍的视场内。但是，这种导航系统不能防止在手术过程中由于物体移动到视线内而可能出现的视线障碍，例如在初始设置之后和对患者的治疗期间，或者不能防止跟踪元件移动到视场之外。

当视线被阻挡时，或者当跟踪元件在视场之外时，由跟踪元件发送的跟踪信号不被定位器接收。因此，会发生错误。通常，在这种情况下，停止导航，并且将错误消息传送给用户，直到再次接收到跟踪信号或导航系统被重置为止。这会造成外科手术的延误。例如，如果发生这些错误，那么依赖导航数据相对于患者组织自主定位刀具的操纵器必须停止操作。这会显著增加外科手术时间，特别是如果在恢复视线方面出现困难的话。这与要求减少手术时间以便减少感染风险和延长使用麻醉相关的风险的现代医学实践的需求相反。

因此，在本领域中需要减少跟踪设备与接收来自跟踪设备的信号的定位器之间的跟踪中断的导航系统和方法，使得外科手术不间断。

发明内容

在一个实施例中，提供了用于减少由物体造成的跟踪中断的导航系统。导航系统包括具有视场的定位器。跟踪设备放置在视场内，以建立与定位器的视线关系。虚拟边界发生器基于跟踪设备与定位器之间的视线关系生成虚拟视线边界。虚拟边界发生器还更新虚拟视线边界，以考虑在外科手术期间跟踪设备与定位器之间的相对移动。物体在虚拟空间中被定义为虚拟物体。碰撞检测器评估虚拟物体相对于虚拟视线边界的移动，以检测虚拟物体与虚拟视线边界之间的碰撞，以便能够对检测进行响应，从而防止物体阻挡跟踪设备与定位器之间的视线。

还提供了用于减少跟踪设备与导航系统的定位器之间的跟踪中断的方法。该方法包括在定位器的视场内检测跟踪设备。基于跟踪设备与定位器之间的视线关系生成虚拟视线边界。更新虚拟视线边界，以考虑跟踪设备与定位器之间的相对移动。虚拟物体与定位器的视场中的物体相关联。基于对虚拟物体与虚拟视线边界之间的相对移动的评估，在虚拟物体与虚拟视线边界之间检测到碰撞，以便能够对检测进行响应，从而防止物体阻挡跟踪设备与定位器之间的视线。