用于具有改進反饋的手術程序的導向系統和方法

專利名稱：用于具有改進反饋的手術程序的導向系統和方法
技術領域：
本發明總的涉及計算機輔助手術系統以及手術導航系統，更具體涉及在醫學程序中用于傳送深度信息的系統和方法。
背景技術：
計算機輔助手術(CAS)系統的功能包括手術前計劃程序，以有用格式呈現手術前診斷信息和圖像，呈現程序發生時的狀態信息，以及提高性能。CAS系統用于傳統手術室，介入放射線學套房，移動式手術室或院外診所的程序中。CAS的許多途徑已在商業上進行了嘗試。程序可以是任何醫學程序，不管是手術還是非手術性的。
導航系統用于顯示手術工具位置的手術前(preoperative)或手術進行時(intraoperative)圖像數據集。這些圖像包括手術進行時圖像，諸如兩維熒光鏡圖像，以及采用例如，磁共振成像(MRI)，計算機X線斷層攝影術(CT)和正電子放射X線斷層攝影術(PET)生成的手術前三維圖像。最流行的導航系統利用追蹤或定位系統。這些系統定位附著或固定至對象，諸如儀器或病人的標記，以及追蹤標記的位置。這些追蹤系統為光學和磁性系統，但也包括聲學系統。光學系統具有固定的立體攝象機對，觀察連接到追蹤工具的無源的反射標記或有源的紅外線LEDs。磁性系統具有固定的場發生器，發射出被整合到追蹤工具內的小線圈所感應的磁場。這些系統對鄰近的金屬對象靈敏。
雖然導航系統相對容易地整合到手術室內，但根本限制在于它們與外科大夫聯系的手段有限。大多數系統經由計算機監控器將信息傳送至外科大夫。反之，外科大夫經由鍵盤，鼠標，觸摸屏，聲音指令，控制懸吊開關或腳踏開關，或通過移動追蹤工具將信息傳送至系統。導航系統的視覺顯示通過三維診斷圖像數據集最多可顯示多個切片(slices)，這些難以解釋復雜的3-D幾何圖形。這些顯示還要求外科大夫將其視覺注意力遠離手術視野。
當利用追蹤工具定義計劃時，難以恰當地以多自由度(DOFs)同時定位工具。同樣，當把追蹤的儀器與計劃對準時，難以以多DOFs同時控制工具的位置，尤其在高精度是可期望的地方。也許不一致的是，導航系統在腦顱神經外科中已有最大的接受性，其中大多數應用包括指定目的特征的軌跡，無需命中必不可少的特征。通常，工具的尖端壓在解剖體(anatomy)處并轉動，有效使軌跡的位置與取向計劃分開。
商業上，已應用自動機器人來連接替換程序(procedures)。這些系統使骨切除術精確可靠，相對于依賴手動儀器的技術改進了植入物配合和布置。使機器人接觸釘入骨的基準標記或骨表面上的系列點，而進行對齊(registration)。以高速毛口自動進行切割，雖然外科大夫可監控進程，并且如果需要中斷該進程。在對齊和切割過程中骨必須夾在位，并監控移動，然后需要重新對齊。這些系統的用戶報道的缺陷包括大型機器人，人類工程學差，對對齊和切割需要緊緊夾住骨45-60分鐘，以及需要增大切口50-100mm以給機器人提供足夠的入口。此外，自動機器人一般在高度組織的環境中運行最好，正如緊緊夾住目的骨和制作較大切口以使軟組織遠離機器人所證明。
除了一些外科程序的特定步驟，現代外科往往不為自動機器人提供組織良好的環境。機器人一般不能保持追蹤對支持程序所需的手術職員和使用儀器。盡管手術環境的嚴格處理會使這成為可能，人體的復雜性總是提供高度的未組織性(unstructuredness)。
機器人技術還可用于對標準實踐進行改進，而無需自動手術。這類著名的商用系統包括用于腹腔鏡手術的遙控操縱的機器人系統，所述腹腔鏡手術范圍從膽囊摘除到閉胸心跳冠狀動脈手術。這些系統為外科大夫提供包括高保真顯示器和主輸入裝置的控制臺。從動機器人與主輸入裝置偶聯，并在物理上與解剖體交互作用。這些系統的優點主要在于為外科大夫提供人類環境改造學工作環境，同時通過移動定標和顫動減少而改進靈巧性。雖然主控制臺通常與患者同處一室，但這些系統的有趣附帶結果在于能夠實現遠程手術。不過，機器人在這些系統中的自主性最小，鑒于操作和變更軟組織中所涉及的復雜性這并不令人驚奇。
發明概述通常理想的是限定對象的利用圖像導向的手術系統所顯示的解剖體圖像。對于非細小對象或那些具有復雜的兩維或三維形式的對象而言，可能難以以對用戶理解的簡單方式呈現信息。到目的表面，諸如限定對象的表面，或到所需位置的局部距離，目的表面的局部刺入距離，或觸覺排斥力，經常提供用于增加用戶與圖像導向的手術系統交互作用的最有用的信息。局部距離的標量值可通過視覺，聽覺，觸覺，或其他工具傳送至用戶。
附圖簡述為了更完整地理解本發明，目的及其優點，現結合附圖參照下列描述，在圖中

圖1簡要說明示例性手術室，其中觸覺裝置與計算機輔助手術系統一起使用；圖2說明連同計算機輔助手術系統使用的示例性觸覺裝置；圖3A和3B說明不同類型的觸覺對象；圖3C為手術進行中觸覺計劃手術程序的示例性方法的流程圖；圖4A說明使用動態觸覺對象來放置觸覺裝置；圖4B為交互式觸覺安置與觸覺裝置偶聯的醫學裝置的方法的流程圖；圖5說明使用示例性觸覺裝置連同計算機輔助手術系統；
圖6A說明正在用于觸覺造型物理對象的示例性觸覺裝置；圖6B說明用于觸覺造型物理對象的示例性觸覺對象；圖6C為動態修飾觸覺對象的方法的流程圖；圖7A和7B說明使用示例性觸覺裝置和手術工具來限定觸覺對象；圖8說明使用示例性觸覺裝置作為輸入裝置；圖9為利用觸覺裝置作為輸入裝置的代表性方法的流程圖；圖10說明在醫學程序中傳送深度信息的系統；以及圖11為在醫學程序中傳送深度信息的方法的流程圖。
附圖詳述在下列說明書中，同樣的標號表示同樣的元件。“外科大夫”包括計算機輔助的手術系統的任何用戶，而外科大夫通常是主要用戶。“手術程序”包括任何醫學程序，不管是介入還是非介入，介入程序通常是主要程序。
觸覺裝置為利用感官信息，諸如接觸，力量，速度，位置，和/或轉矩，與用戶，諸如外科大夫交互作用和連通的機械或電子機械裝置。一些機器人可用作觸覺裝置，盡管觸覺裝置包括不必以常規意義視為機器人的裝置。觸覺裝置通常具有很少自主性。
一般而言，目的組件可任選偶聯至觸覺裝置。目的組件包括醫學裝置，例如，手術工具，顯微鏡，激光測距儀，攝像機，手術燈，內窺鏡，超聲探針，放療裝置，介入醫學工具，理療用康復系統等。術語“醫學裝置”，“手術裝置”和“手術工具”在此可交互使用。
例如，當在手術過程中使用時，這樣的裝置連同外科大夫協同地持有手術儀器。外科大夫借助于觸覺裝置或其輸入移動手術儀器。此外，在遙控操作系統中，觸覺裝置可專有地持有手術儀器。在這樣的實施中，外科大夫移動偶聯至“從動”裝置的“主動”觸覺裝置，旨在交互式操作手術工具。在遙控操作系統中，主動觸覺裝置可物理上與手術位點分開，從而為外科大夫提供更人類環境改造學的或深入的(immersive)工作位置，和/或使得外科大夫遠程進行手術。以阻抗模式，觸覺裝置測量或傳感手術儀器的姿態(位置，取向，速度，和/或加速度)，并施加力和/或轉矩(“扭曲”)至儀器。以“導納”模式，觸覺裝置測量裝置(或手術儀器)上某位置處的扭曲，并且擔當修正儀器的位置。在傳感的姿態與輸出扭曲之間有靜電，半靜電或動態對應。普通對應可包括由與用戶限定的“虛擬”對象或與用戶輸入交互作用的工具產生的扭曲，這包括數學或模擬機械約束。
“觸覺對象”在此用于描述這樣一種對應。在一些情形下，觸覺對象為觸覺裝置的一定關節角或者只為觸覺裝置的一定終點位置和/或取向僅產生非零輸出。觸覺對象可以是平穩的時間變動對應和/或可以僅存在一定次數。觸覺對象可具有對應于位置的關聯的空間或幾何表示，在所述位置中對應是中斷的，或具有其他屬性，這些屬性在與觸覺對象交互作用時由用戶感覺。例如，當觸覺裝置的終點位于空間球形區內時，如果觸覺對象僅產生非零輸出，則可用于給用戶呈現對應的球形表示。然而，觸覺對象可不必具有這樣清晰界定的邊界或相似的內部結構。觸覺對象在觸覺裝置的整個終點位置，終點取向，和/或關節位置，或僅具部分上是有源的。可能在空間的重疊部分，存在任何給定時間有源的多觸覺對象。
“觸覺提示(haptic cue)”用于描述觸覺對象的對應的方面。當用戶與觸覺對象交互作用時，提示可傳送信息或產生所需的效果。觸覺提示和觸覺對象不必在具體實施方式
中對應于用戶界面或軟件編程組件，并且可以簡單地是給用戶設計，實施，呈現觸覺裝置的輸入和輸出之間對應的許多途徑中的一種。
自主性減少或消除增加了用戶諸如外科大夫的舒適度。機器人無論何時自主運動，外科大夫不再在控制之下，必須完全觀察機器人的進程。萬一有不尋常的事情發生，機器人移動不得不放慢以給外科大夫提供足夠的時間作出反應。然而，如果機器人至少主要以無源方式動作，即使能夠有源移動，則外科大夫仍不放棄對機器人的控制。
從用戶的角度以只象無源裝置一樣動作這樣的方式，利用能夠有源移動的裝置具有優點。有源致動器可用來抵消重力作用，使得更多種機構設計。所述裝置可以自主模式用于進行自動化測試和服務程序。
圖1說明示例性手術室，其中觸覺裝置113與計算機輔助手術系統11一起使用。計算機輔助手術系統11包括顯示裝置30，輸入裝置34，以及基于處理器的系統36，例如計算機。輸入裝置34可以是現知或將來開發的任何輸入裝置，例如，鍵盤，鼠標，跟蹤球等。顯示裝置30可以是為顯示兩維和/或三維圖像的現知或將來開發的任何顯示裝置，例如，監視器，可佩帶式顯示器，投影顯示器，安裝頭的顯示器，立體視圖，能夠顯示從圖像投影裝置投影的圖像的顯示裝置，例如投影儀等。如果需要，顯示裝置30可以是能夠顯示全息圖像的顯示裝置。如果需要，顯示裝置30可以是觸摸屏，并用作輸入裝置。
觸覺裝置113的示例為機器人裝置。觸覺裝置113可以受基于處理器的系統，例如計算機10控制。計算機20還可包括功率放大和輸入/輸出硬件。觸覺裝置113可通過現知或將來開發的任何連通機構，無論有線還是無線，與計算機輔助手術系統11連通。
如圖1所示，存儲介質12偶聯至基于處理器的系統36。存儲介質12接受存儲軟件和/或其他數據的數字介質。手術工具或儀器112顯示與觸覺裝置113偶聯。手術工具112優選通過機械偶聯至觸覺裝置112，諸如通過連接或固定。然而，如果需要，手術工具112可通過其他任何方法，例如磁力，直接或間接偶聯至觸覺裝置113。如果需要，可采用真空將手術工具112偶聯至觸覺裝置113。手術工具112可由外科大夫遠程通過觸覺控制，或由手術工具112附近的外科大夫116通過觸覺控制。
觸覺對象110為用來指導和/或約束手術工具112的移動和手術至患者解剖體114，例如患者腿部內靶區的虛擬對象。在該例子中，觸覺對象110用于幫助外科大夫靶向和接近患者預計的解剖位點。觸覺反饋力用于減慢和/或終止手術工具的移動，如果檢測到部分手術工具112會侵入或跨越觸覺對象的預定邊界。此外，觸覺反饋力還可用來吸引(或排斥)手術工具112至(或遠離)觸覺對象110和至(或遠離)靶。如果需要，外科大夫116可呈現有正在顯示器30上手術的解剖體的表示和/或顯示器30上手術工具112和/或觸覺對象110的虛擬表示。
當手術工具112通過觸覺由外科大夫遙控時，例如當進行遙控操縱時，利用主動觸覺裝置和/或實時或模擬顯示手術工具，患者解剖體，和/或為利于手術程序而設計的附加觸覺或視覺對象，外科大夫控制手術工具的移動。觸覺反饋力可經由主動觸覺裝置被從動觸覺裝置113傳輸至位于遙遠地方的外科大夫以指導外科大夫。或者，觸覺反饋力在主動裝置上生成并直接傳輸至外科大夫。在一些情形下，從動或主動裝置是很少有或沒有觸覺能力的定位裝置。
CAS系統優選包括確定或追蹤各種不同可追蹤對象，諸如手術儀器，工具，觸覺裝置，患者等的位置和/或取向的定位或追蹤系統。追蹤系統連續確定或追蹤布置在一部分可追蹤對象之上，整合在一部分可追蹤對象之內，或一部分可追蹤對象固有的一個或多個可追蹤標記的位置的三維參照坐標框。標記可采取若干種形式，包括那些利用光學(或視覺)，磁力或聲學方法定位的形式。此外，至少在光學或視覺系統情形下，對象的定位可基于內在特征，界標，形狀，顏色或其他視覺外貌，實際上這些用作可識別標記。
可采用任何類型的追蹤系統，包括光學，磁學，和/或聲學系統，依賴于或不依賴于標記。當今追蹤系統通常為光學系統，主要在紅外線范圍運行。它們經常包括固定的立體攝像機對，所述攝像機對在目的區域周圍聚焦，并敏感于紅外線輻射。標記有源或無源地發射紅外線輻射。有源標記的例子為發光二級管(LEDs)。無源標記的例子為反射標記，諸如具有反射入射紅外線輻射的表面的球形標記。無源系統需要紅外線輻射源以照亮焦點區域。磁場系統具有固定場發生器，其發射的磁場被整合到追蹤工具中的小線圈傳感。
根據追蹤系統對可追蹤標記的位置的信息，利用預定或公知(例如，來自校準)的工具上可追蹤標記與工具的終點和/或軸之間的幾何關系，CAS系統11經編程后能夠確定工具終點或尖端的三維坐標，以及任選確定其主坐標軸。患者或其解剖體的部分也可通過連接可追蹤標記的陣列而被追蹤。在說明性例子中，定位器為包含一個或多個優選追蹤探針16的攝像機14的光學追蹤系統。如圖1所示，攝像機14可偶聯至基于處理器的系統36。如果需要，攝像機14可偶聯至計算機10。探針16是現在公知或將來開發的常規探針。如果需要，探針可牢固連接至觸覺裝置113或整合入觸覺裝置113的設計中。
如果需要，在實施中，基于處理器的系統36可包括部分圖像導向的手術軟件以提供最小的用戶功能性，例如檢索先前存儲的手術信息，手術前外科計劃，確定儀器尖端和軸的位置，將患者和手術前和/或手術進行中的診斷圖像數據集對齊呈追蹤系統的坐標系統等。單獨通過計算機，利用該方法的圖像導向手術是不可能的。照此，全用戶功能性通過為偶聯至計算機36的存儲介質12提供合適的數字介質而實現。數字介質包括應用特定軟件模塊。數字介質還可包括有關手術工具和其他附件的描述性信息。應用特定軟件模塊可用于在特定類型的程序中幫助外科大夫計劃和/或導航。例如，軟件模塊顯示對應于特定步驟或階段的手術程序的預定頁面或圖像。在模塊的特殊階段或部分，外科大夫被自動促使來執行一定任務，或來限定或進入特定數據，所述數據例如會允許模塊確定和顯示儀器操作(instrumentation)或植入物恰當的安置和對準，或給外科大夫提供反饋。建立其他頁面以顯示導航用診斷圖像，以及提供由反饋給外科大夫的系統計算的一定數據。代替視覺裝置或除了利用視覺裝置之外，CAS系統也可連通信息，途徑包括聽覺(例如，利用聲音合成)和觸覺，諸如通過利用裝置的觸覺界面。例如，除了通過視覺指示屏上鉆或鋸的軌跡，CAS系統給外科大夫反饋他是否正接近某對象或在規定的過程中(on course)與聽覺聲音一起的信息。為了進一步減輕外科大夫的負擔，通過識別被外科大夫撿拾的儀器，模塊可自動檢測程序階段，并且立即移動至使用工具的部分程序。
軟件模可以是如此以致僅被使用預定的次數。如果需要，軟件模塊只在與存在于計算機36上的部分圖像導向的手術軟件協同使用時起作用。存在于計算機36上的軟件與數字介質上的軟件一同處理電子醫學診斷圖像，對齊獲得的圖像至患者的解剖體，和/或對齊獲得的圖像至其他任何獲得的成像形式，例如對齊熒光檢查至CT，MRI等。如果需要，圖像數據集可以是時間變量，即采用不同時間采集的圖像數據集。存儲軟件模塊的介質可與專門用于該程序的的一次性儀器捆綁銷售。因此，軟件模塊不必與CAS系統一起分銷。此外，軟件模塊可被設計與特定工具和植入物一起工作，并且與這些工具和植入物一起分銷。而且，CAS系統可用于一些無需診斷圖像數據集僅需患者對齊的程序中。因此，CAS系統在有些應用，即無圖像應用中不必支持診斷圖像的應用。
說明性機器人臂的例子為Barrett Technology生產的機器人臂，稱為“全臂操作者”或“WAM”。該機器人臂具有可提供高帶寬的光纜傳輸，反操縱性(backdrivability)，以及力保真度。然而，也可使用其他能夠阻抗或導納觸覺交互作用模式的機器人裝置。例如，直接驅動系統或帶有其他類型的低摩擦傳輸的系統，或者帶有組合傳輸類型的系統也可充分適合于用作外科應用的觸覺裝置。此外，觸覺裝置不必采用機器人臂的形式。WAM機器人臂具有四種移動自由度。然而，為基于軌跡的醫學應用，其被1-DOF直接驅動腕增加。如果需要，可增減自由度而不影響本發明的范圍。
盡管光纜傳輸具有某些優點，但也有一些缺點。其要求小心安裝和維護以防止程序過程中可能的失敗。此外，光纜傳輸不如齒輪傳輸那樣僵硬。類似缺陷還在利用其他傳輸類型的觸覺裝置中發現。
這些缺陷可通過增加與其他冗余傳感器一起安裝在驅動馬達上的現有的位置傳感器來加以解決。這些傳感器為各種不同的類型，包括但不限于旋轉譯碼器或解算儀，傾斜傳感器，方位(羅盤)傳感器，檢測重力方向，光學、磁場或聲學追蹤系統(諸如追蹤手術儀器常用類型的光學攝像機系統)或基于激光位置傳感(sensing)的傳感器。這些傳感器的輸出可與原始傳感器相比較來檢測差異，指示傳輸或傳感器中出現的問題。此外，外加傳感器還可用于檢測光纜傳輸中的兩種低帶寬偏差，利用眾所周知的控制技術，系統能容易地對此偏差補償。利用熟知的包括傳輸的驅動和負荷兩端傳感器的系統的控制技術，傳感器還可檢測光纜傳輸中的高帶寬偏差，從而為伺服環路提供額外的輸入，并使得伺服系統的穩定性提高。通過減少或消除臂連接和/或傳輸的偏差效果，所述傳感器還可改進臂姿確定的準確性。這樣的傳感器也可用于克服采用其他類型傳輸系統的機器人裝置中的類似缺陷。
當進行手術時，能夠把持工具，例如手術工具的鉆導桿或其他類似約束或連接機構的觸覺裝置相對于患者安置，以便獲得適合于具體程序的多種方法的姿態。還將其對齊至物理解剖體，以便利用熟知的對齊技術，將診斷或計劃圖像數據集的兩維或三維信息與物理空間的位置相關。圖像數據集可以是利用，例如磁共振成像(MRI)，計算機X線斷層攝影術(CT)，正電子放射X線斷層攝影術(PET)，磁共振血管造影術(MRA)，單光子放射計算X線斷層攝影術(SPECT)，磁共振靜脈造影術(MRV)，對比增強的MR靜脈造影術(CEMRV)，CT血管造影術，CT脊髓造影術，MR血管造影術，MR脊髓造影術，熒光透視法，光學成像，同位素成像，超聲顯微鏡，腹腔鏡超聲和MR廣譜測定法生成的一種或多種圖像。這樣的圖像可包括例如，X-射線圖像，數字X-射線圖像，計算機X線斷層攝影術圖像，MRI圖像，MRA圖像，MR圖像，PET圖像，MRV圖像，SPECT圖像，CEMRV圖像，CT血管造影圖像，CT脊髓造影圖像，MR脊髓造影圖像，鑒別圖像(flair image)，兩維熒光鏡圖像，三維熒光鏡圖像，兩維超聲圖像，三維超聲圖像，超聲顯微鏡圖像，腹腔鏡超聲圖像，光學圖像，同位素圖像，激光深度圖，藝術線條，簡圖，“卡通”表示，全息圖像等。
待回避特征，諸如血管，腱，神經和腦關鍵區域，可自動，半自動，或手工限定在圖像數據集。由程序靶向的特征，諸如腫瘤，骨刺，深腦刺激的解剖靶，活檢位點，植入物放置的解剖位點，或其他解剖區域，也可自動，半自動，或手工限定在圖像數據集。
與待回避特征的定義偶聯的圖像數據集可用于創建觸覺“提示(cue)”，給外科大夫顯示發生敏感解剖違例。這些類型提示的總功能是施加力和/或轉矩，趨于從連接至裝置的儀器，例如會影響限定關鍵特征處的姿態，排斥觸覺裝置。同樣，與待靶向特征的定義偶聯的圖像數據集也可用于創建觸覺提示，給外科大夫顯示所需的靶區會通過適當連接至觸覺臂的手術儀器而抵達。一旦姿態實現，這些類型提示的總功能是吸引觸覺裝置至這樣的姿態或鎖定觸覺裝置至這些姿態。
在觸覺裝置展開成計算機輔助手術系統的充分集成的組件時，優點是讓觸覺裝置給這樣的系統擔當任選的外圍設備。然后，為不要求使用觸覺裝置的程序，方便地利用系統。對該方法還有開發和建造優點。觸覺裝置很可能會要求實時操作系統或專門移動控制硬件以為觸覺控制系統生成高頻率更新。計算機輔助手術系統會有不同要求，諸如快速圖形處理硬件以及與一系列用戶輸入和輸出裝置的兼容性要求，以便有兩個計算機系統來滿足相異用途的優點。分開計算機手術和觸覺臂組件還具有安全性優點。因此，觸覺裝置優選僅含有對確保高性能，穩定和安全操作所必需的計算軟件和硬件。計算機輔助手術系統含有軟件和硬件，用于連接醫院網絡，顯示多種不同圖形視圖，支持多種不同用戶輸入/輸出裝置，管理植入物庫和儀器數據庫，和/或這樣系統中有用的其他任何功能性。該結構也使對觸覺系統了解最少的開發者來建立使用觸覺裝置的應用。這兩個系統之間的物理界面可以是有線的或無線的，諸如串行USB，或其他光纜連通界面，或無線以太網，無線串行紅外或其他無線連通系統。這些系統之間的軟件界面將包括一組指令，使得計算機輔助手術系統控制觸覺裝置的操作。例如，計算機輔助手術系統發送指令至觸覺裝置，要求其進入具有一定剛度參數的操縱桿樣輸入模式。觸覺臂系統檢查參數是否是安全的和可接受的，并進入這樣的模式或響應于合適的錯誤訊息。計算機輔助手術系統和觸覺裝置還可集成至單一系統單元，或利用單一或多處理器計算裝置加以實施。CAS系統，觸覺裝置和/或計算機10也可集成至另一塊設備，諸如成像設備(例如，熒光透視法，CT，MR，超聲等)，醫學程序操作室中的設備車等。
參照圖2，典型“觸覺對象”20為兩維虛擬平面。然而，這只是觸覺對象的例子，一般而言其可以是0(例如點)，1(例如虛擬線或路徑)，2(例如虛擬平面或平坦表面)，或3維(例如虛擬曲表面，立方體或其他固體對象)，并且可具有簡單或復雜的幾何形狀。觸覺對象20優選就物理對象的空間，諸如患者解剖體114限定。限定觸覺對象20來導向和/或約束觸覺裝置113的移動。觸覺裝置113和觸覺對象20之間的距離以X示于圖2，而患者解剖體114和觸覺對象20之間的距離以X1示于圖2。觸覺對象20可用于連通在觸覺裝置113上生成力反饋。力反饋的生成還可依賴于多種不同因素，例如，觸覺裝置113接近患者解剖體114的速度，觸覺裝置113的位置，觸覺對象20等。相對于觸覺對象20計算觸覺裝置113的當前位置的算法可用于給外科大夫提供有關觸覺裝置113相對于觸覺對象20位置的信息。當觸覺裝置113落入觸覺對象20的預定距離范圍之內時，可改變剛度參數以使其更難以移動觸覺裝置113。如果需要，力可以遠離解剖體114的方向施加以抵抗觸覺裝置113向解剖體114的移動或移動觸覺裝置113遠離解剖體114。
在某些情形下，實施剛性觸覺對象，諸如虛擬表面和壁有可能是不恰當的。外科大夫將失去以任何被觸覺裝置剛性限制的方向感覺解剖體的能力。在許多應用中，精確定位解剖特征不能通過簡單組合診斷數據集與工具追蹤系統或精確機器人裝置而實現。診斷數據集取得后解剖體的變化，連接目的解剖特征和追蹤系統的攝像機或觸覺裝置的運動學鏈中的未傳感移動，對齊錯誤，以及定位裝置的不準確性將有助于定位錯誤。盡管CAS系統可用于定位手術工具非常接近靶區，但更準確的定位通常是困難的或昂貴得令人望而卻步。在一些醫學程序，諸如椎莖釘安置在脊柱的上胸和頸部分，深度腦神經程序等中，稍不準確就可能負面影響正在進行中的醫學程序。因此，期望的是在這些類型的程序中外科大夫保持感覺解剖體的能力。
觸覺裝置可用于對齊患者至CAS系統和患者解剖體的診斷數據集，例如，通過連接探針，并使其觸及一些選擇的解剖界標，植入的基準，和目的表面上的多點。它們可用于觸覺探查診斷數據集以增加該信息的視覺顯示。該探查可以純虛擬方式發生在手術進行中，對齊至真正患者解剖體的同時，或發生在手術前。該觸覺探查對探查復雜的三維結構是尤其有用的，其中外科大夫高度開發的觸覺能用于探查數據集的復雜性或細微之處，而這些難以或不可能充分顯示在兩維抑或甚至三維視覺顯示器上。
雖然在進行傳統的徒手手術時，外科大夫依賴于局部解剖特征來確保手術工具的合適定位。如果外科大夫感覺患者解剖體的能力被保存，則外科大夫能探查局部解剖體，并基于其對目的結構的行家知識更正這些定位錯誤。以該方式，最終定位由附近解剖特征而非位于手術室內的追蹤系統，或其底部與患者不是剛性連接的機器人確定。
與觸覺裝置偶聯的手術工具112的部分，例如，手術工具112的尖端，可用于傳感局部解剖體的性質。局部解剖體的性質可用于定位手術工具112或用于驗證手術工具112的合適定位。可被該工具傳感或監控的性質包括解剖體的電性質，力，壓力，剛度，傳導性等。尖端的信息可提供回至CAS系統11。然后，如果需要，該信息可來自患者的診斷圖像數據集的信息相關。如果需要，來自工具的信息可用于增加或替換來自圖像數據集的信息。在任何情形下，該信息可用于更好地替換手術工具112。
工具的定位或位置信息可被傳感，并提供回至CAS系統11，而無需使用單獨的傳感器。外科大夫可手工移動手術工具112至所需位置。手術工具112尖端在所需位置處的位置信息可由CAS系統11和/或計算機10直接確定而無需使用單獨的傳感器。解剖體的其他性質可通過在手術工具112尖端處安置傳感器而被自動檢測(sense)。傳感器的輸出可提供回至CAS系統11用于處理。
采集的信息可用于各種不同的目的，諸如警告用戶對齊錯誤，完全或部分校正對齊錯誤，在顯示裝置30上顯示信息的圖形表示，限定觸覺對象以幫助用戶，在顯示裝置30上顯示置于一個或多個解剖體圖像上方的信息的圖形表示等。如果需要，采集的信息可被記錄用于機器學習技術。
觸覺裝置和CAS系統的組合對組合觸覺探查診斷數據集和使用觸覺裝置作為計劃的主要輸入裝置也是有用的。以此方式，觸覺探查自然引導用戶至合適的計劃用于執行程序。此外，在一些情形下，作為該探查/計劃過程的結果，有可能讓觸覺裝置和與其偶聯的工具處于執行程序用的正確位置，從而消除了移動觸覺裝置至位置作為單獨步驟的需要。
參照圖3A，在某些程序中合乎理想的是將手術儀器限制到小的工作容積中，在此情形下，其可以在整個程序中停留在觸覺對象的工作區域內。在某些情形下，必須手工分割或限定某些重要的特征，但對大多數應用而言，自動分割診斷數據集足以提供合適的觸覺反饋。
在說明性實施方式中，手術程序中，一個或多個吸引觸覺對象與靶區相連，用于執行手術程序，以及一個或多個排斥觸覺對象與待回避的解剖特征相連。例如，如圖3A所示，觸覺對象22限定了工作區域或容積用于約束手術工具112的移動。另一方面，如圖3B所示，觸覺對象24限定了工作區域或容積用于約束手術工具112的移動，從而防止其接近關鍵區域，諸如神經25，器官27等。例如，一旦觸覺對象得以限定，用戶通過來回推動觸覺裝置113進行手術計劃，直至找到姿態，其中來自吸引觸覺對象的提示是有源的，表明手術工具112當連接至觸覺裝置113時會抵達靶區，以及其中來自排斥觸覺對象的提示是無源的，表明手術工具112將不刺入任何限定的敏感解剖區域。在大多數情形下，這些要求將不完全約束臂的姿態，而基于用戶發現合適的任何次級標準，用戶可在可接受的方法范圍內移動臂。在一些情形下，臂可達到平衡狀態，其中多吸引或排斥觸覺提示以相反方向作用。用戶可能會將該構型誤認為是一種可接受的姿態，即使靶區可能還未達到，或者關鍵解剖區可能被違例。對該情形可以各種方式警告用戶，所述方式包括聽覺或視覺指示器，或者通過觸覺提示，諸如觸覺裝置113的振動。接著，通過推動觸覺裝置遠離該姿態，用戶可校正該情形。一旦處于對用戶滿意的姿態，利用硬件閘，控制伺服技術或其他任何為手術程序提供穩定的物理參照的恰當方法，將觸覺裝置13鎖定在該位置。
如果需要細調，利用一模式可操作觸覺裝置，在該模式中，移動定標(scaling)，約束，或其他方法用于進行有可能會超出外科大夫靈巧性的這種校正。例如，可啟動控制伺服以一定的剛性鎖定該裝置在接近所需的姿態處。然后，外科大夫利用各種方法對該姿態進行細調。例如，外科大夫可使用觸摸屏，鍵盤，鼠標，追蹤球或聲音輸入。如果需要，外科大夫以所需的方向推動觸覺裝置的末端。為響應這些輸入，該系統可能以通過直接定位觸覺裝置難以實現的小增量，將適當調節所需姿態。理想的是僅鎖定部分姿態，以便外科大夫一次可集中更有限數目的調節。該細調可在粗觸覺定位完成之后，粗觸覺定位的同時，或與粗觸覺定位交錯發生。
例如，選擇腦顱神經手術程序，諸如活檢，腫瘤切除術，或深度腦刺激的軌跡是錯綜復雜的3-D計劃問題。外科大夫必須找到一條通向靶區的途徑，同時避免腦部的血管和敏感區域。如果這些區域能變成排斥觸覺對象，計劃這樣一種程序如施加觸覺約束限制并使用戶繞此點旋轉該裝置直到其習慣于合適的姿態一樣簡單，所述約束保持工具向導的軌跡穿過目的靶，以及在所述姿態中沒有排斥觸覺對象被違例。
圖3C為手術程序中用于手術進行中觸覺計劃的示例性方法140的流程圖。觸覺裝置113置于手術室內，以便對給定手術程序而言，手術工具112可安置于大部分臨床上范圍合理的手術方法的上方。利用方法140的手術計劃在患者存在下以及優選無需與觸覺裝置113偶聯的手術工具112時進行。手術工具112可以是非接觸醫學裝置，諸如診斷或治療輻射源。如果需要，利用方法140的外科計劃可以與偶聯至觸覺裝置113但仍處于收縮狀態的外科工具112一起進行。當外科工具112包括非接觸醫學裝置時，優選處于失效狀態。待手術患者的解剖體的表示可與“虛擬工具”一起顯示在顯示裝置30上。虛擬工具可以是外科工具112的高保真性表示，或示意性表示，諸如外科工具112的軸，點，或其他特征。虛擬工具表明相對于患者解剖體，外科工具112或其某部分的位置和/或角度，條件是外科工具以其正常或失效狀態已偶聯至觸覺裝置113。
在步驟142中，觸覺裝置113對齊至患者的解剖體。如果需要，在顯示裝置30上顯示的患者解剖體的表示也可與患者的解剖體一起對齊，以便診斷或計劃數據集中的信息可相關于物理空間中的位置。任何對齊用方法，無論是現知的還是將來開發的，都可使用。在步驟144中，靶區加以限定。靶區可以例如為腫瘤，骨刺，深度腦刺激的解剖靶，骨溝等。靶區可以現知或將來開發的任何方式限定。例如，外科大夫等用戶可在顯示裝置30上手工鑒定靶區。如果需要，外科大夫可通過觸摸靶區上的個或多個點或采用工具在顯示裝置30上環繞靶區而限定靶區。或者，外科大夫可通過將觸覺裝置113的工具安裝軸指向靶區，或通過使用觸覺裝置113作為輸入裝置而限定靶區。優選地，鑒定的靶區自動突出在顯示裝置30上。觸覺裝置113的工具安裝軸可以是任何形狀，例如，曲線，直線等。不管靶區限定的方式如何，理想的是一旦限定，靶區就清晰地顯示在顯示裝置30上以備確認。諸如圖3A的觸覺對象22的一個或多個吸引觸覺對象可與靶區相連。
在步驟146中，限定了待回避的解剖障礙物。解剖障礙物包括在外科過程中待回避的特征，諸如主血管，腱，神經，腦關鍵區域，器官，健康骨或其他組織等。解剖障礙物可以現知或將來開發的方式限定。例如，外科大夫可在顯示裝置30上手工鑒定解剖障礙物。如果需要，外科大夫可通過觸摸解剖障礙物上的一個或多個點或通過采用工具在顯示裝置30上環繞解剖障礙物而限定解剖障礙物。或者，外科大夫可通過將觸覺裝置113的工具安裝軸指向解剖障礙物，或通過使用觸覺裝置113作為輸入裝置而限定解剖障礙物。優選地，鑒定的解剖障礙物突出在顯示裝置30上。不管解剖障礙物限定的方式如何，理想的是一旦限定，解剖障礙物就清晰地顯示在顯示裝置30上以備確認。諸如圖3B的觸覺對象24的一個或多個排斥觸覺對象可與限定的解剖障礙物相連。優選地，各個解剖障礙物具有一個與其相連的排斥觸覺對象，盡管如果需要一個以上排斥觸覺對象可與解剖障礙物相連。
在步驟148中，觸覺裝置113優選由外科大夫安置，以便如果外科工具112偶聯至觸覺裝置113，或者如果外科工具112處于操作狀態，則外科工具的合適部分將與靶區具有所需的關系。例如，當偶聯至觸覺裝置113時，外科工具112會刺入靶區。當外科工具112偶聯至觸覺裝置113，并且不收縮和/或不失效時，則其處于操作狀態。步驟148優選進行，而不考慮工具是否在此位置橫切解剖障礙物。在顯示裝置30上顯示的虛擬工具是這樣，以致其位置和取向對應于外科工具112的位置和取向，條件是外科工具112已安裝在觸覺裝置113上，或外科工具112處于其正常的操作狀態。因此，在觀察裝置30上顯示的同時，外科大夫可定位觸覺裝置113于所需的姿態，以便虛擬工具具有與靶區恰當的關系。
在步驟152中，對虛擬工具是否橫切任何解剖障礙物，進行確定。如果虛擬工具不橫切任何解剖障礙物，則執行自步驟162起始的過程。否則，執行自步驟154起始的過程。在步驟154中，觸覺提示由觸覺裝置113提供給用戶。基于一個或多個觸覺對象，觸覺提示可提供給用戶，例如與靶區相連的吸引觸覺對象和/或與解剖障礙物相連的排斥觸覺對象。排斥觸覺對象產生的力和/或轉矩引導觸覺裝置113遠離其中虛擬工具將橫切解剖障礙物的姿態。優選地，當虛擬工具刺入排斥觸覺對象或靠近排斥觸覺對象時，排斥觸覺提示是有源的。吸引觸覺對象引起觸覺裝置生成的力和/或轉矩引導觸覺裝置113至其中虛擬工具具有與靶區所需關系的姿態。
觸覺裝置113的位置有可能這樣，以致來自多觸覺對象的提示彼此抵償，即使虛擬工具可能正違反解剖障礙物。照此，在步驟156中，對來自多障礙物的觸覺提示是否彼此抵償進行確定。如果來自多障礙物的觸覺提示不能彼此抵償，則可執行自步驟158起始的過程。如果來自多障礙物的觸覺提示彼此抵償，則在步驟160中，可提供專用觸覺提示，例如振動，來警告用戶該情形，并執行自步驟158起始的過程。
在步驟158中，觸覺裝置113優選由外科大夫移動。至少部分基于由觸覺裝置113給外科大夫提供的觸覺提示，優選移動觸覺裝置113。原已偶聯至觸覺裝置113的外科工具112的位置被虛擬工具追蹤并顯示在顯示裝置30上。優選地，用戶移動觸覺裝置113直到發現平衡姿態。在平衡位置，由吸引觸覺對象產生的提示是有源的，以及由排斥觸覺對象產生的那些提示是無源的。然后，執行自步驟152起始的過程以確定虛擬工具是否正在橫切任何解剖障礙物。
在步驟162中，對用戶是否滿足靶區的軌跡進行確定。通過觀察如顯示裝置30上所示的相對于靶區的虛擬工具，用戶可進行這種確定。如果用戶對虛擬工具的位置和/或取向不滿意，則可執行自步驟158起始的過程。如果用戶對虛擬工具相對靶區和障礙物的位置和取向滿意，則可執行自步驟164起始的過程。用戶可以一種或多種途徑顯示其滿意。例如，用戶可發出聲音指令以顯示對虛擬工具的位置和取向滿意。如果需要，用戶可啟動與計算機輔助手術系統或觸覺裝置113相連的腳踏開關或按鈕以顯示其滿意。如果需要，用戶可經由與計算機輔助手術系統或觸覺裝置113相連的觸摸屏，鍵盤，鼠標等，顯示其滿意。在步驟164中，觸覺裝置113可鎖定在當今姿態。
一旦觸覺裝置113的姿態被鎖定，例如可通過偶聯手術工具112至觸覺裝置113，或通過將手術工具112以其完全功能性或操作構型安置，進行手術程序。由于手術工具112相對于解剖體的姿態已借助于虛擬工具得以確定，因此當手術工具112偶聯至觸覺裝置113或其被配置備用時，手術工具112會實現理想的位置。
手術進行中觸覺計劃手術程序的說明性方法可在軟件，硬件或軟件和硬件的組合中得以實施。此處所述的步驟不需要以既定順序進行。若干步驟彼此同時進行。此外，如果需要，可任選或組合一個或多個上述步驟而無需背離本發明的范圍。此外，一個或多個上述步驟可在手術室之外進行以節省花費在手術室中的時間。例如，步驟144和146可在將患者帶到手術室之前和在步驟142之前進行。
手術進行中觸覺計劃手術程序的該示例性實施方式的技術優點在于，它為更緊偶聯手術程序的計劃和執行相而準備。手術程序的計劃優選在患者手術進行中進行。因此，當計劃完成時，觸覺裝置處于執行手術計劃的位置。觸覺裝置的附加移動不要求開始執行相。此外，通過利用虛擬工具確定真實手術工具的軌跡至靶區，對解剖特征的損傷可在計劃相過程中加以避免。
觸覺對象可以屬于任何形狀或大小。如圖4A所示，觸覺對象26可以是漏斗形狀，從而引導與觸覺裝置113偶聯的醫學裝置，例如手術工具至患者解剖體114上的靶區。觸覺對象的路徑依賴于手術計劃。算法可用于產生如圖4A所示的漏斗形狀觸覺對象。對產生漏斗形狀觸覺對象所需的信息可基于手術計劃。如果需要，觸覺對象26可與觸覺裝置113一起移動。這使得手術工具從觸覺裝置113的當前位置引導至靶區。因此，手術工具可從靠近解剖體114的任何位置導向至靶區。此外，手術工具可從當前姿態導向至所需姿態。
觸覺對象26可以屬于任何形狀，例如，直線，曲線，圓柱體，漏斗等。觸覺對象26在說明性例子中限定成虛擬途徑以利于偶聯至觸覺裝置113的觸覺裝置113和/或手術工具112在所需位置的交互性定位。觸覺對象26將偶聯至觸覺裝置113的手術工具112相對于患者解剖體114從初始位置和/或姿態引導至靶區和/或所需姿態。如果需要，觸覺對象26可沿著路徑或軌跡28引導手術工具112至靶區。從初始位置至靶區的路徑或軌跡28依賴于手術計劃。路徑可以屬于任何形狀，例如，直線，曲線，漏斗，圓柱體等。隨著用戶移動手術工具或觸覺裝置以引導用戶沿著路徑28移動手術工具112至靶區，至少部分基于觸覺對象26，觸覺力施加至觸覺裝置113。
觸覺對象26優選是可操縱的或可重構的。例如，隨著觸覺裝置(或與其偶聯的手術工具或儀器)的移動，觸覺對象被限定來移動或改變位置和/或取向。這使得例如用戶引導手術工具112從靠近解剖體114的幾乎任何位置至靶區。觸覺對象26的這種可重構性或可操縱性也使得用戶引導手術工具112從其當前位置和/或姿態至所需姿態。
為了回避障礙物，觸覺對象26還被允許移動自預定的路徑或位置，優選無需偏移靶區。這在觸覺裝置113的路徑中回避障礙物時是尤其有用的，因計算機輔助手術系統11可能不會意識到該點。因此，手術工具112可被用戶操縱至靶區，無需與其他手術工具和儀器，患者或手術室職員發生碰撞。
操縱，移動或重構在優選實施方式中是響應于超過閾值的力或轉矩施加至觸覺裝置或觸覺對象。例如，如果用戶以超過閾值的力對觸覺對象推動觸覺裝置113，則觸覺對象基于輸入力或轉矩將被重新安置，重構或修改至新構型。優選地，觸覺對象26以力或轉矩的方向移動，由此為重新定位或重新對準觸覺對象26而提供直覺方法。
如果需要，隨著靶區變化，觸覺對象26可移動至新位置。因此，如圖4A所示，觸覺對象26響應靶區的變化可從初始位置移動至新位置，如觸覺對象26’所示。
在替代的實施方式中，觸覺對象26可限定成邏輯上施加至觸覺裝置113的一個或多個關節的虛擬線性或非線性彈簧，阻尼器，離合器等。觸覺裝置113的一個或多個關節可包括對應于觸覺裝置113的最終所需姿態的虛擬棘爪。優選地，標準關節一空間控制技術用于實施各個關節處的觸覺對象，而常規反運動學技術用于確定對應于觸覺裝置所需笛卡爾(Cartesian)位置/角度的關節位置。通過規定觸覺裝置113的關節“鎖定”到其棘爪中的順序，用戶可回避障礙物。在定位手術工具112過程中，通過“解開”關節，可允許用戶修改選擇的順序，尤其是如果通過試錯技術確定順序。通過用戶交互式解開關節可基于該關節處用戶施加的力和/或轉矩的幅值，持續時間，或動力性質。與觸覺裝置113連通偶聯的圖形用戶界面，腳踏開關，鍵盤，按鈕等可用于解開關節。如果需要，一旦所需的姿態達到，解開關節的能力有可能失效以阻止觸覺裝置113無意之中的移動。
在另一替代的實施方式中，觸覺對象26可被邏輯上與觸覺裝置113中的一個或多個冗余自由度相連的虛擬線性或非線性彈簧，阻尼器，離合器等限定。例如，如果包括四個關節的觸覺裝置用于定位手術工具112的尖端，則觸覺裝置113可沿著其中一個自由度移動而不影響尖端的位置。觸覺對象26可與冗余自由度相連以允許用戶交互性修改觸覺裝置113的位置。
圖4B為全部由圖4A中所示利用可重構或可操縱的觸覺對象26，交互式觸覺安置醫學裝置，例如安裝至觸覺裝置113的手術工具112的方法170的流程圖。如果需要，觸覺對象的可重構性可以是用戶可重構的，以便依賴于應用，或依賴于具體應用步驟，用戶打開或關閉該特征。當重構特征生效時，方法170優選周期性執行。
在步驟172中，對醫學裝置是否處于所需姿態進行確定。該確定是通過利用來自一個或多個可整合在觸覺裝置中的位置傳感器，諸如譯碼器或解算儀的傳感信息進行的。如果需要，該確定是通過利用來自外部裝置，諸如激光干涉儀，攝像機和/或其他追蹤裝置的傳感信息進行的。
如果在步驟172中，確定醫學裝置處于所需的姿態，則在步驟174中，維持醫學裝置姿態的觸覺交互作用力和/或轉矩就得以確定。該確定至少部分基于觸覺裝置和/或醫學裝置相對于所需姿態的位置和/或速度進行的。任何現知或將來開發的控制算法可用于該確定，例如，強控制(robust control)，自適應控制，混合位置/力控制，比例微分(PD)控制，比例積分微分(PID)控制，基于笛卡爾控制，反雅可比(Jacobian)控制，轉換雅可比控制等。確定的觸覺交互作用力和/或轉矩可被變換并提供至觸覺裝置。如果在步驟172中，確定醫學裝置不處于所需姿態，則在步驟176中，維持醫學裝置在觸覺對象內的觸覺交互作用力和/或轉矩就得以確定，以便醫學裝置可被導向到靶區。在步驟178中，對步驟176中計算的觸覺交互作用力和/或轉矩的至少一種標量估值函數(scalar valued function)的結果是否超過至少一個重構閥值進行確定。重構閥值可以是用戶重構的。標量估值函數基于一個或多個輸入值計算數值。在示例性實施方式中，標量估值函數可以是輸入值平方和的平方根。標量估值函數可應用于一個或多個觸覺交互作用力以提供標量值。所得標量值可與重構閥值加以比較。觸覺交互作用力和/或轉矩的動力學性質，諸如方向，持續時間等，也可加以考慮。
如果標量估值函數的結果沒有一個超過可重構閥值，則過程結束。否則在步驟180中，觸覺對象26至少部分基于觸覺交互作用力和/或轉矩而修改。例如，如果外科大夫引導觸覺裝置，以便觸覺裝置實際上推動觸覺對象，則為保持觸覺裝置位于觸覺對象內所生成的觸覺交互作用力和/或轉矩的標量估值函數的值有可能超過重構閥值。在這種情形下，期望的是觸覺對象例如以外科大夫施加的力的方向被修改，以便手術工具維持在觸覺對象之內。觸覺對象的修改包括改變觸覺對象的大小，改變觸覺對象的形狀，沿著患者解剖體的靶區轉動觸覺對象等。
用于交互式觸覺安置醫學裝置的該示例性實施方式的技術優點在于，通過基于觸覺交互作用力和/或轉矩修改觸覺對象，給外科大夫提供了更多的靈活性。因此，外科大夫可接近靶區而無需與其他手術工具和儀器，患者或手術室職工碰撞，并且提供有觸覺提示以使外科大夫能夠引導手術工具至靶區。
利用可重構(可重安置，可操縱)的觸覺對象，交互式安置觸覺裝置的說明性方法可用于任何情形，其中需要在混亂或安全性關鍵的環境內移動觸覺裝置，所述觸覺裝置任選偶聯目的組件，諸如醫學裝置，例如手術工具等。如果需要，觸覺裝置自身可以是目的組件。說明性方法可用于各種不同的應用中，諸如其中虛擬約束和/或觸覺提示用于移動目的組件至預定位置和/或取向，而安全性或其他擔憂使得自動裝置移動令人不快的程序。例如，上述方法可用于植入物放置程序，活檢程序，治療用植入物的脫位(deposition)，內部或外部解剖體的診斷觸診，腫瘤去除，放療，藝術或商用造型，藝術或商用繪畫，科學或工程實驗，諸如表面數字化，樣品采集，電路板探通術，手工組裝，機械和/或電子組件或部件的制作或測試，材料處理等。
對康復和/或理療應用而言，利用矯正裝置，觸覺裝置可偶聯至患者，這可能需要患者抓住把手。在這種實施方式中，觸覺裝置可偶聯至具有用戶控制臺的計算機系統。計算機系統可以是也可以不是CAS系統，但是為康復或理療應用設計的計算機系統。如果需要，計算機系統可以與計算機10整合。矯正裝置可具有帶子(strap)，鋼絲套(brace)，外殼或模具特征以視需要提供堅固或松散的連接。矯正裝置使觸覺裝置引導，監控和/或幫助康復運動或其他鍛煉。例如，患者或治療學家可將患者臂或腿偶聯至觸覺裝置，并引導其通過所需運動，與此同時觸覺裝置記錄運動的性質。所述運動可重復多次無需治療學家的幫助。通過注意患者運動需要多少體力，或使用在患者通過界面接觸觸覺裝置的地方或其附近偶聯至觸覺裝置的力傳感裝置，觸覺裝置還可用于監控患者運動的體力。觸覺裝置也可用于簡單約束患者的移動至限定路徑，該路徑要求患者利用其自身力量沿著限定路徑推進。在患者和觸覺裝置之間有共用力的模式也是有利的。期望的是，當以此方式使用時，觸覺裝置以安全方式操作，因為其如此靠近患者，該患者的一個或多個四肢可能只有部分功能。對觸覺裝置而言不期望的是自主或自動地移動至新位置。然而，例如為了初始連接至患者或讓患者抓住，理想的是重新定位觸覺裝置，以便觸覺裝置可移動至不同鍛煉或重復同樣鍛煉之間，或在進行康復運動或鍛煉期間的相異起始位置。理療學家為重新定位觸覺裝置而提供交互式輸入。如果需要，患者在通過界面接觸觸覺裝置的同時可提供這種輸入。
利用可重構或可操縱的觸覺對象，交互式觸覺定位手術工具的說明性方法可在軟件，硬件或軟件和硬件的組合中得以實施。此處所述的步驟不需要以既定順序進行。若干步驟可彼此同時進行。此外，如果需要，可任選或組合一個或多個上述步驟而無需背離本發明的范圍。
現參照圖5，當用戶與觸覺對象，諸如觸覺對象20交互作用時，有時需要知道施加至觸覺對象的力的幅值，或者真實或虛擬工具或植入物刺入觸覺對象的量。對于非細小觸覺對象或那些具有復雜的兩維或三維形式的觸覺對象而言，可能難以以用戶簡單理解的方式呈現該信息。然而，理想的信息部分通常是局部刺入距離或觸覺排斥力。當這些信息多達三維向量時，可能在觸覺對象的局部單位法線方向的這種向量的幅值(或長度)，對增加用戶的觸覺交互作用是最有用的。這些幅值是簡單的一維量，并可以各種不同的方法傳送給用戶，這些方法包括計量器，標度盤，數字顯示器，圖表，和其他視覺方法，而且還有聲音，觸覺或其他方法。
雖然完整的訊息直接通過觸覺裝置113傳送至外科大夫手上，但視覺或聽覺顯示器可用于支持用戶與系統之間的強交互作用(richinteraction)。例如，熟知和可商用的語言識別技術可用于為用戶連通信息或指示至計算機輔助手術系統提供口頭方法。來自計算機輔助手術系統11的語言輸出還可用于連通信息至用戶，包括狀態信息，警告信息，事件通知，以及對用戶質疑反應，不管是口頭還是通過其他方法連通。計算機監視器，可佩帶式顯示器，投影顯示器，安裝頭的顯示器，立體視角，全息顯示器，和/或其他視覺顯示裝置可用于提供示意性解剖表示，診斷數據集的圖像，手術程序的指示或指南，虛擬對象和觸覺對象敘述，系統狀態信息，患者信息，和經視覺顯示器容易連通的其他信息。其他任何輸入或輸出裝置可類似用于增加用戶和計算機手術系統之間的觸覺交互作用。
提供以手術裝置的深度，力和/或速度的預定剛度刺入至觸覺對象的視覺和/或聽覺顯示。觸覺對象基于計算機輔助手術系統的信息。為利于連通手術裝置進入觸覺對象的局部刺入幅值，顯示是一維的。
在手術過程中，觸覺裝置可用于增強外科大夫在，例如把持工具穩定，進行直線切割，或沿路徑或表面移動工具尖端等任務中的性能。觸覺裝置可替換機械切割夾具(cutting jigs)和對準裝置，用于幫助安置和制備植入的醫學裝置的解剖體。虛擬觸覺表面可用于替換物理沖模(cutting blocks)。該情形下的虛擬觸覺表面優選是軟件實體，可容易和廉價地產生自植入物的模型。虛擬觸覺表面的產生可帶有彎曲形狀，其更可靠地匹配潛在的解剖體，并實現要求較少骨或組織去除的植入物設計。
物理對象，諸如骨的造型通常要求在骨中和/或骨表面上產生多重平面特征。觸覺對象可被限定來幫助這種造型。限定的觸覺對象的形狀基本上對應于造型后物理對象的所需結果形狀。物理對象和觸覺對象具有急劇轉變的部分或表面，和/或具有彎曲半徑短的部分。照此，偶聯至觸覺對象并正用于造型物理對象的手術工具有可能突然掉落一段，引起物理對象或其附近其他對象的無意損傷，或者使用戶分心或干擾。部分可以是一維，兩維或三維的。
為了解決該問題，觸覺對象在造型過程中被動力學修改，旨在防止手術工具或觸覺裝置效仿(follow)從觸覺對象的一個部分突然轉變成另一部分。優選地，觸覺對象僅保持修改形式，只要理想的是防止手術工具或觸覺裝置從一個部分突然轉變成另一部分。一旦切斷或其部分完成，觸覺對象就可返回至其原始構型，例如至其原始形狀，大小，取向等。觸覺對象的修改包括產生另一觸覺部分，防止手術工具仿效從觸覺對象的一個部分突然轉變成觸覺對象的另一部分，以及例如通過延伸現有部分超出邊界等，修改觸覺對象的現有部分。
圖6A說明正用于觸覺造型曲率高的物理對象的示例性觸覺裝置。圖6B說明觸覺造型曲率高的物理對象的示例性觸覺對象20。現參照圖6A和6B，在某些情形下，借助于觸覺對象，待制備的解剖區域的所需形狀包括鋒利外部邊緣。如不剪掉這些邊緣，就難以合適地進行切割，導致邊緣和其他不需要的矯作物在所得解剖體的輪廓中修整(rounding)。制備這些類型形狀的改進方法包括動力學生效和失效部分的觸覺表面。具體而言，如果觸覺對象含有至少一個鋒利外部邊緣，其中由圖6A和6B所示邊緣連接的兩部分之間的局部角小于180度，該方法是有幫助的。該方法包括在這些部分中選擇一種的方式，這些部分包括任何在此所述的用戶輸入形式，但優選的方法是基于靠近觸覺對象。當選擇其中之一部分時，觸覺對象的該部分延伸超出連接邊緣，以提供連續的引導表面。當不再需要延伸時，通過移動觸覺臂遠離部分或利用其他任何輸入形式，用戶可使觸覺對象返回至其原始構型。
例如，在總的或單分隔膝替換程序中，通常要求多平面切割，以制備股骨植入物的股骨。觸覺對象限定在含有密切相關于所需股骨切割的部分的軟件中。在實驗中，當用戶利用全觸覺對象和安裝在觸覺臂的切割毛口，試圖切除骨頭時，如果不從一個部分剪取到另一部分，以及經常移動毛口超出所需區域，則難以進行直線切割。該剪取可導致對腱，血管，韌帶和其他結構的損傷，并使用戶分心。如果替代，當用戶使切割毛口落入該部分的附近時，延伸觸覺對象的各個切割平面，如果不移動超出局部解剖位點，則更容易產生直線切割。通過簡單往回移動遠離該部分，其返回至原始程度，此時用戶可使切割毛口與其他任何部分接觸，從而以相似的方式延伸它們。盡管腳踏開關，聲音指令或其他輸入形式可用于控制各個平面的延伸，但是以如上所述的優選方式控制它們不需要額外的硬件，因此對用戶是極其簡單的。然而，視覺顯示觸覺對象和延伸部分也有助于用戶了解更復雜的觸覺對象，尤其是在由于障礙物或最小介入技術，切割視野受限的情形下。
圖6A顯示動力學延伸觸覺對象的示例性系統。物理對象，例如待造型患者的解剖體的表示，可顯示在顯示裝置30上。物理對象的表示包括兩維或三維圖畫或圖像。圖像能是例如，患者的兩維醫學診斷數據集或三維醫學診斷數據集。在圖6A中，觸覺對象20包括被清楚限定的邊緣21劃分的兩種不同部分(20’和20”)。當觸覺裝置113，手術工具，或虛擬手術工具位于一個部分，比如部分20’的預定距離之內，比如，R1時，觸覺對象20的該部分被觸發(activate)。如果需要，觸覺對象20的觸發部分可如圖6A中虛線23所示延伸。當觸覺裝置113移動落入另一部分，比如部分20”的預定距離內時，觸覺對象20的新部分可被觸發。如果需要，觸覺對象20的新觸發部分也可延伸。
理想的是，曲率高的觸覺對象20應在邏輯上被劃分成多個沒有高曲率的部分或部分，或者被多個沒有高曲率的部分或部分接合(approximate)。盡管優選的是在邏輯上將觸覺對象劃分成多個部分，但利用邏輯組合多個部分，觸覺對象自身可加以限定。例如，多個部分可被初始限定，而觸覺對象被限定成多個部分中一個或多個的邏輯組合。如果需要，觸覺對象可包括體積元素或體素(voxel)的規則或不規則排列，其中有些或全部可被標記。理想的是可能僅以此方式標記對象表面上的體素。
圖6C為動力學修改觸覺對象，諸如圖6A和6B的觸覺對象20的方法120的流程圖。如果需要，動力學修改特征是用戶可重構的，以便用戶依賴于應用，或依賴于具體應用步驟，打開或關閉該特征。當動力學修改特征生效時，方法120優選周期性執行。
在步驟122中，對于觸覺對象，比如觸覺對象20的構型是否已被修改，例如通過修改觸覺對象的部分或通過添加新部分來進行確定。在優選的實施方式中，構型標記(flag)的值可被檢查以確定觸覺對象20是否已被修改。如果觸覺對象20還未被修改，則在步驟124中，對修改觸覺對象20的構型的一個或多個標準是否滿足進行確定。標準可以是偶聯至觸覺裝置113的手術工具112接近觸覺對象20，通過手術工具112刺入觸覺對象20，手術工具112的姿態運動，手術工具112相對于觸覺對象20位置的姿態運動或其他運動，固定或變化的時間段，檢測邊緣21上的不必要滑動等。如果需要，標準可以是手術工具112的表示接近觸覺對象20，通過手術工具112的表示刺入觸覺對象20的邊界，手術工具112表示相對于觸覺對象20位置的姿態或其他運動等。當修改觸覺對象20的構型包括修改觸覺對象20的部分，優選同樣的標準用于確定任何部分是否應被修改。然而，如果需要，基于不同標準不同部分可被修改。在這樣的實施方式中，多個部分可分別具有一個或多個與其相連的標準。
如果在步驟124中，確定修改觸覺對象20的構型的至少一個標準是滿足的，則在步驟126中，選擇待修改的部分。此外，可在步驟126中選擇部分，接近該部分必產生新觸覺部分。在替代的實施方式中，如果預定邏輯組合的一組標準是滿足的，則執行自步驟126起始的過程。優選地，選擇最接近觸覺裝置113的部分。然而，如果需要，其他標準也可用于選擇部分。例如，如果自從執行最后時間方法120，手術工具112已越過兩個或多個部分之間的邊緣，則可選擇其中一個與被越過的邊緣相連的部分。此外，可選擇正被手術工具112刺入的部分。在步驟128中，優選通過以移動觸覺裝置113的所需方向延伸選擇的部分而修改選擇部分的構型。構型標記可設定以表明觸覺對象20已被修改。
修改選擇部分的構型的方法優選至少部分基于其中觸覺對象被表示的方式。該表示可基于表面多角形，體素，非一致有理B-花鍵(NURBs)，推定的立體幾何，和/或現知或將來開發的其他表示觸覺對象的任何方法。該修改的部分可以任何方式表示，所述方式與那些用于表示原始觸覺對象的方式可以或不可以相同。優選地，延伸選擇部分以便延伸的部分與該部分一起沿著其中一個高曲率邊緣是連續的。延伸可以是平坦或彎曲的。部分可超出原始部分延伸固定或可變的距離，或能被延伸以橫切另一部分觸覺對象或工作室的邊緣。延伸部分所用方法取決于表示延伸所用的方法。例如，如果觸覺對象以表面多角形表示，則位于目的部分內和鄰近其中一個邊界的多角形得以鑒定。位于原始部分之外并與原始多角形具有相同正向的相鄰部分可加以實現。對體素表示來說，體素可被標記，以表明它們是否象帶有不同延伸部分的觸覺對象構型的實體或填充空間區域一樣表現，這些延伸部分可被自動，半自動或手工設計。選擇的相鄰部分可被添加至觸覺對象。因此，如圖6A所示，如果觸覺對象20的部分20’為選擇部分，則部分20’可被延伸到其原始邊界之外，例如，如虛線23所示。此外，如果需要，新觸覺部分可在靠近選擇部分處形成。
在步驟130中，計算觸覺對象的觸覺交互作用力和/或轉矩。觸覺交互作用力和/或轉矩可被轉換并提供至觸覺裝置113。例如，理想的是計算觸覺裝置的制動器施加恰當的力和轉矩，以便產生所需的觸覺交互作用力和/或轉矩。在有些情形下，期望的是給制動器更改位置或速度指令以產生所需的效果。來自選擇部分的觸覺交互作用力和/或轉矩可用于以所需方向引導觸覺裝置113遠離，朝向或對準待造型的物理對象114。觸覺交互作用力和/或轉矩可以是排斥，吸引，摩擦，粘性，沖擊，棘爪，調節(例如，設計維持切割速度或饋電速率)等。如果需要，利用數學，控制理論，或機器學習算法計算觸覺交互作用力和/或轉矩。
如果在步驟124中，確定修改觸覺對象20的構型的標準不滿足，則可執行自步驟130起始的過程。
如果在步驟122中，確定觸覺對象20的構型已被修改，則在步驟134中，對維持觸覺對象20在修改構型中的一個或多個預定標準是否滿足進行確定。這些標準可以或不可以與那些當觸覺對象20的構型被初始修改時視為的標準相同。優選地，如果維持觸覺對象在修改構型中的至少一個標準是滿足的，則可執行自步驟130起始的過程。否則，在步驟136中，修改的觸覺對象被返回至其原始構型。構型標記可被重新設定以表明觸覺對象20尚未被修改。在執行步驟136之后，可執行自步驟130起始的過程。在替代的實施方式中，如果在步驟134中確定預定邏輯組合的一組標準是滿足的，則可執行自步驟130起始的過程。
如圖6A所示，當觸覺裝置113或偶聯至觸覺裝置113的手術工具112落入觸覺對象20，比如部分20’的一個部分的預定距離R1時，觸覺對象20的該部分可被觸發和修改，以便如虛線23所示，延伸超出其原始邊界。盡管觸覺裝置113或手術工具112接近部分20’或維持與部分20’接觸，部分20’保持修改。在該時間過程中可使用手術工具112將對應于部分20’的物理對象114的部分造型至所需形狀。當對應于部分20’的物理對象114的部分造型完成時，用戶可移動觸覺裝置113遠離部分20’。然后，部分20’可返回至其原始構型。當觸覺裝置113或手術工具112移動至觸覺對象20，比如部分20”的另一部分的預定距離內，觸覺對象20的部分20”可被觸發和修改，以便延伸超出其原始邊界。
動力學修改觸覺對象的說明性方法可用于多種不同的應用，諸如任何程序，其中虛擬約束和/或觸覺提示用于引導用戶使用觸覺裝置來造型具有高曲率的物理對象或形狀。例如，該方法可用于制作消費者或工業產品的組件，再現或創建藝術作品，諸如雕塑品，在整形外科程序中成形骨等。
動力學修改觸覺對象的說明性方法可在軟件，硬件或軟件和硬件的組合中得以實施。此處所述的步驟不需要以既定順序進行。若干步驟可彼此同時進行。此外，如果需要，可任選或組合一個或多個上述步驟而無需背離本發明的范圍。
動力學修改觸覺對象的該示例性實施方式的技術優點在于造型物理對象可以更受控的方式進行。因此，在手術程序過程中，可避免對部分身體的無意損傷，而且利用該系統，用戶能感覺更舒服。另一技術優點在于當從觸覺對象的一個部分轉換至另一部分時，用戶不必移動其注意力遠離工作量(working volume)。還有一技術優點在于具有高曲率的形狀比僅采用整個觸覺對象更容易手術。
圖8說明利用示例性觸覺裝置113作為輸入裝置。觸覺裝置113和觸覺對象20的實際空間得以說明。觸覺裝置113也可用作輸入裝置，使得信息通過用戶至CAS系統11，以及提供類似于共用戶界面裝置，諸如鼠標，觸墊(touchpad)，鍵盤，操縱桿，飛行控制器，觸覺操縱桿，或其他任何輸入裝置的功能性。當用作輸入裝置時，其可用于限定解剖參考幾何，處理虛擬植入物的位置和/或取向，處理外科途徑軌跡的位置和/或取向，處理骨切除術的位置和/或取向，以及其他任何解剖或手術特征的選擇或安置。觸覺裝置113還可用于更多的通用用戶界面功能，包括但不限于，移動光標31(圖8)，選擇按鈕或其他類似用戶界面對象，選擇折疊菜單，處理屏幕上刻度盤，旋紐，和其他控制。以這種用戶輸入模式，觸覺裝置可被限制僅以一定方向移動，所述方向的限定相對于觸覺裝置的預定部分的位置，相對于患者的位置或患者解剖體的部分，或相對于示意性，虛擬，圖冊，或真實患者解剖特征的圖像或3-D模型。觸覺裝置的預定部分能夠移動。
如圖8的顯示器30所示，觸覺裝置113可用作輸入裝置來改變觸覺對象20的位置，形狀，大小等。該方式中所用觸覺裝置113的例子是計劃膝植入物的放置。在獲得目的解剖體的適合解剖圖像后，計算機手術系統進入模式，其中光標顯示在對用戶視覺的顯示器。用戶抓住臂可能以多視野移動光標的位置。當滿足光標的位置時，用戶通過使用腳踏開關，按鈕，有線或無線控制懸掛按鈕，聲音指令，或其他輸入，或通過施加力或轉矩至觸覺臂，或以截然不同的姿態，諸如輕拍，扭曲，或在光標定位過程中容易區別于用戶交互作用的其他姿態移動觸覺臂，將其固定在所需位置。在第一位置設定后，第二光標用于限定連接于第一光標的兩維或三維位置的線的終點。如上移動第二光標，以限定股骨的解剖軸，而利用上述其中一種技術固定其位置。然后，植入物的兩維或三維位置和取向可由使用觸覺裝置作為輸入裝置的用戶處理。植入物通過系統約束，以便其表面之一垂直于解剖參考線，但其位置和取向由用戶調節。還有可能容許偏離解剖軸，該軸可能偶聯有相對于對用戶熟悉的解剖參考系的這種偏差的顯示。例如，植入物相對于解剖參考系的內翻/外翻角可被調節并顯示以允許膝植入物的合適對準。該通用技術可適合計劃最小介入臀和膝植入物，外傷固定針，椎莖釘，活檢針，放射性珠，放療光束發射器，或其他任何醫學裝置的通路和/或放置。
與觸覺裝置一起，外科大夫可使用與標準實踐中所用的那些相同或非常相似的工具。通過利用裝置的觸覺特征，對難以教導的懸吊開關(awkward teach pendant)或基于GUI的機器人控制的需要可得以減少或消除。程序的徒手和輔助步驟之間快速進行轉換的方法是簡單推動裝置讓路，類似于熟悉的手術室對象，諸如顯微鏡和吊燈。雖然系統在內部是復雜的，但外科大夫必須避開這種復雜性，從而集中其所有注意力在患者身上。
例如，利用基于關節或笛卡爾控制算法，觸覺臂保持自身在參考位置。用戶施加力和/或轉矩至臂，或在交互作用把手或末端受動器(end-effector)上，或臂上的任何點處，這引起臂偏移參考位置。偏移的量和方向連續連通至計算機系統以修改任何所需的虛擬參考幾何特征或用戶界面對象的位置。
在另一例子中，利用基于關節或笛卡爾控制算法，但留下兩個自由度未限制，觸覺臂保持自身在參考位置。然后，用戶以未限制方向移動臂以提供用戶界面對象，諸如光標，植入物，或其他幾何或虛擬表面實體的兩維控制。類似技術可用于對象的一個自由度處理，諸如用戶界面滑塊，植入物長度，對象沿參考軌跡的位置，或其他任何一維控制，諸如音量，圖像亮度，對象定標，圖像變焦等。類似技術可用于三個以上自由度安置植入物或虛擬或觸覺對象。觸覺對象的位置也可相對于具體應用的任何相關解剖特征加以限制。例如，膝植入物可被限制而相對于腿的解剖軸具有合適的對準，或實現合適的韌帶平衡，但具有被用戶以上述方式可控的其他自由度。
控制算法的剛度或阻尼可以不同方向變化以表明運動的優先方向，這些方向可與前段上述任何方向對準。一旦偏移參考位置超出某閾值，此剛度變化包括沿一定方向剛度，或鎖定用戶至優選方向。通過讓用戶某時集中其注意力至有限數目的自由度，該剛度變化幫助簡化計劃過程。例如，用戶首先可沿著一個或兩個方向設定植入物的位置，然后沿著其他方法設定植入物的位置，而無需擾亂設定方向。
剛度和阻尼變異依賴于用戶與觸覺裝置的物理交互作用自動發生，并且不需要使用另一輸入裝置，諸如聲音指令，控制懸吊開關，或腳踏開關。任何這樣的簡化在降低服務成本，簡化的系統利用，和改進的安全性方面具有益處。計劃的這種通用方法還使得外科大夫進行計劃而不必離開正常的手術位置來與計算機輔助手術系統交互作用，或無需助手控制計算機輔助手術系統，或除已用于執行手術計劃的觸覺裝置以外，無需導入其他輸入裝置。這種利用觸覺裝置的另一益處在于，移動受控的對象相對于臂的移動得以定標，以便其可定位至比用戶定位真實對象更好的精度，消除用戶手震顫的有害效果，以及任何由摩擦引起的力擾動(force disturbance)，齒隙，磁性棘爪力，以及其他由觸覺臂引起的有力擾亂。應該注意的是，被觸覺裝置控制的對象的主要功能不同于監控觸覺對象的姿態，或監控可或不可與觸覺裝置偶聯的目的組件的姿態。
圖7A和7B說明利用觸覺裝置和手術工具來限定觸覺對象。在說明性例子中，觸覺裝置113正被用作輸入裝置以限定觸覺對象182。為了使用觸覺裝置113作為輸入裝置來限定觸覺對象182，用戶抓住偶聯至觸覺裝置113的手術工具112。如果需要，用戶可抓住觸覺裝置113自身。利用手術工具112，用戶追蹤所需區域的邊界，例如觸覺對象必被限定的部分解剖體。例如通過觸摸手術工具112的末端至解剖體所需區域的部分，用戶可追蹤邊界。記載手術工具112的移動，并且計算通過用戶追蹤的終點的位置。觸覺對象182的幾何和/或位置可至少部分基于終點的位置而加以確定。觸覺裝置產生模式可用于規定觸覺對象的所需形狀。例如，為了產生對應于解剖體114的切除部分184的圓柱形觸覺對象，用戶可追蹤切除部分184邊界上的多個點。利用現知或將來開發的任何技術，可產生合適的圓柱形觸覺對象。
解剖體的材料和其他性質可通過探查解剖體而限定。例如，手術工具112包括與手術工具112的尖端偶聯的力測量裝置。此外，如果需要，代替手術工具112，包括力測量裝置的探針可偶聯至觸覺裝置113。當用戶通過界面連接力測量裝置針對解剖體114的部分時，力可通過力測量裝置加以測量。測量的力作為施加力后解剖體移動的距離(如果有的話)的函數顯示。解剖體114的該部分的剛度可計算成力與距離的比率。如果需要，觸覺裝置113自身可與解剖體114的部分通過界面連接(interface)，而力可基于由制動器提供的轉矩確定。在這樣的實施方式中，觸覺裝置113針對解剖體114的部分以無需任何用戶身體幫助的自動方式做小或大的移動或擠壓。利用現知或將來開發的雅可比方法可確定力。圖7B的圖形表示186說明力作為解剖體114替換的函數，利用此力手術工具112與解剖體114接觸。
如果需要，其他類型的傳感裝置可偶聯至觸覺裝置113或手術工具112以確定解剖體114的其他性質。這些性質可用于確定接近觸覺裝置113的組織類型。因此，觸覺裝置113可用于區分硬骨和軟骨，健康和患病組織，不同類型的健康組織，解剖結構的邊界等。基于接受自觸覺裝置113的信息，組織類型可通過CAS系統11自動確定并且顯示在顯示裝置30上。
圖9為利用觸覺裝置113作為輸入裝置的代表性方法190的流程圖。在步驟192中，觸發輸入方式。通過現知或將來開發的任何機構，用戶可觸發輸入方式。例如，用戶可利用圖形用戶界面，腳踏開關，鍵盤，按鈕等，以表明用戶希望利用觸覺裝置113作為輸入裝置。觸覺裝置113控制多個對象。然而，理想的是，其一次僅控制單一對象。照此，在步驟194中，接受待控制對象的鑒定。受控的對象可以是光標，按鈕，屏幕上刻度盤，旋紐，滑塊(slider bar)，或其他類似用戶界面對象，虛擬植入物，手術接近軌跡，骨切除術等。通過任何現知或將來開發的方法，例如通過利用常規輸入裝置選擇對象，用戶選擇待控制的對象。
在步驟196中，可存儲觸覺裝置113的參考姿態。參考姿態優選是觸覺裝置113的當前姿態。例如，在該步驟中，可存儲有關觸覺裝置113的尖端的位置信息。在步驟198中，受控對象與觸覺裝置113相關。受控對象與觸覺裝置113的相關性是期望的，從而觸覺裝置113的移動相對于受控對象可被平移或對應至相應的移動或動作。相關性或對應(mapping)使得響應于觸覺裝置113的移動確定受控對象的移動量或方向。例如，用戶可規定，觸覺裝置113移動一個單位應引起受控對象，例如，光標31，在顯示裝置30上移動10個象素。
用戶四周移動觸覺裝置113以控制步驟194中選擇的對象。在步驟200中，確定觸覺對象113的姿態的變化。觸覺裝置113的姿態的變化相對于觸覺裝置113的參考姿態優選得以確定。觸覺裝置113的姿態的變化包括，例如觸覺裝置113尖端位置的變化。
在步驟202中，可更新觸覺裝置113的參考姿態。優選地，至少部分基于觸覺裝置113的姿態的變化更新參考姿態。如果需要，至少部分基于由用戶施加至觸覺對象的扭曲(wrench)，可更新參考姿態。扭曲由傳感器清楚地測量。如果需要，扭曲暗示觸覺裝置可確定扭曲正被施加。
在步驟204中，計算受控對象的新參數。受控對象的參數可以是，例如其姿態，位置，角度，大小，顏色，形狀，取向，視角方向，亮度，反差，表指數，狀態，方式，構型等。基于觸覺裝置113的姿態和/或由用戶施加至觸覺裝置的扭曲的變化，可計算新參數。如果需要，基于觸覺裝置113的參考姿態的變化，可計算新參數。優選地，步驟198中獲得的相關信息用于計算新參數。新參數可用于改變受控對象。因此，例如，當受控對象為光標31，并觸覺裝置113的姿態發生變化時，則受控對象的新姿態基于新參數而得以確定。在步驟206中，受控對象基于新參數而改變。因此，例如，如果受控對象為光標31，則光標31在顯示裝置30上的位置至少部分基于步驟204中計算的新參數而變化。
在步驟208中，由觸覺裝置施加至醫學裝置和/或用戶的觸覺扭曲被確定。觸覺扭曲的確定方法基于受控對象的新參數，觸覺裝置113的姿態的變化，和/或觸覺裝置113的當前姿態。
在步驟210中，確定的觸覺扭曲被施加至觸覺裝置113。期望的是限制觸覺裝置113的移動，而非允許觸覺裝置113以任何方向移動。確定的觸覺扭曲當施加至觸覺裝置113時防止其以某種不需要的方向移動。例如，如果受控對象能夠僅以一維移動，則期望的是限制觸覺裝置113的移動以便觸覺裝置113僅以一個方向移動。作為另一例子，當受控對象為顯示裝置30上的光標31時，則理想的是限制觸覺裝置113移動至對應于顯示裝置30的兩維平面。作為進一步例子，如果對觸覺裝置113而言從參考姿態移動長距離不合乎需要，則觸覺扭曲可動作使觸覺裝置113以一個或多個方向返回至參考姿態。
在輸入方式內，可以位置控制方式或速率控制方式利用觸覺裝置113。在位置控制方式中，受控對象的姿態的變化追蹤觸覺裝置113的姿態的變化。例如，如果觸覺裝置113以特定方向移動一個單位，則受控對象以相應方向移動相應量。當觸覺裝置113被釋放時，則其停留在新姿態。
另一方面，在速率控制方式中，從參考姿態置換觸覺裝置113和/或由用戶施加至觸覺裝置的參考姿態，可控制受控對象的速度。例如，如果觸覺裝置113維持在其參考姿態(或如果沒有扭曲被用戶施加至觸覺裝置)，則受控對象的移動速率為零。從參考姿態置換觸覺裝置113(或由用戶施加至觸覺裝置的扭曲的幅值)確定受控對象的移動速度，而移動速度與受控對象的置換(或與施加至觸覺裝置的扭曲的幅值)成比例。當希望移動受控對象時，觸覺裝置113以受控對象需移動的方向而簡單移動(推動)。當觸覺裝置113被釋放時，其退縮至參考姿態，這歸因于步驟210中施加步驟208中確定的觸覺扭曲。因此，在速率控制方式中，受控對象可移動相當的距離，而無需基本上移動觸覺裝置113。
在步驟212中，對觸覺裝置113是否仍以輸入方式操作進行確定。如果觸覺裝置113不以輸入方式操作，則方法終止。否則，在步驟214中，對待控制新對象是否已被規定進行確定。如果待控制的新對象尚未被規定，則可執行自步驟200起始的確定觸覺裝置113姿態變化的過程。否則，執行自步驟194起始的接受待控制的新對象的鑒定方法。
例如，在一個實施方式中，參考姿態與連接至觸覺裝置113的鉆導桿的所需軌跡相關連。在這樣的實施方式中，步驟202中更新參考姿態包括改變鉆導桿的所需軌跡。當用戶從參考姿態移動觸覺裝置113延長的時間段時，參考姿態將被更新以用戶偏移的方向移動。如果在步驟210中，施加適當的觸覺反饋扭曲，則在觸覺裝置113由用戶釋放后，觸覺裝置113會呈現新參考姿態。當用戶滿足參考姿態，并且輸入方式終止在步驟212中時，觸覺裝置113所處的姿態使得鉆導桿對準所需的軌跡。
利用觸覺裝置作為輸入裝置的說明性方法可在軟件，硬件或軟件和硬件的組合中得以實施。此處所述的步驟不需要以既定順序進行。若干步驟可彼此同時進行。此外，如果需要，可任選或組合一個或多個上述步驟而無需背離本發明的范圍。
以上述方式利用觸覺裝置作為輸入裝置的技術優點在于，避免利用其他輸入裝置，由此降低手術室中的混亂。
圖10說明在醫學，手術或介入程序過程中傳送標量信息的系統。觸覺裝置113可被展開成CAS系統11的全部集成組件，或充當這樣系統的任選外圍設備。與觸覺裝置113偶聯的工具112的位置信息可被傳感并提供回到帶有或沒有傳感器14的CAS系統11。
醫學，手術和介入程序統稱為“醫學程序”。醫學程序包括切除部分解剖體，諸如為了關節替換，關節表面重整，腫瘤去除，骨畸形改正等。如果需要，醫學程序包括施加合成，生物，或治療性物質至目的表面或區域，或在所需位置，表面或容積放置傳感器，探針，植入物或放射性材料。當用戶例如與觸覺對象交互作用時，有時需要了解施加至觸覺對象的力的幅值，或真實或虛擬工具或植入物刺入觸覺對象的量。對非細小觸覺對象，或那些具有錯綜復雜的兩維或三維形式的觸覺對象而言，可能難以以對可能難以以對用戶理解的簡單方式呈現信息。所需信息通常是到目的表面，或到所需位置的局部距離，目的表面的局部刺入距離，或觸覺排斥力。當這些信息多達三維向量時，可能在觸覺對象的局部單位法線方向的這種向量的幅值(或長度)，對增加用戶的觸覺交互作用是最有用的。這些幅值是簡單的一維量，并可以各種不同的方法傳送給用戶，這些方法包括計量器，標度盤，數字顯示器，圖表，和其他視覺方法，而且還有聲音，觸覺或其他裝置。
在圖10的示例性實施方式中，CAS系統11連通性偶聯至聲源216，例如揚聲器，和顯示裝置30。在示例性醫學程序中，解剖體114(其在圖10的實施方式中是骨)利用觸覺對象20的表面作為導軌面，沿著觸覺對象20一定被切割。在醫學程序過程中，一維信息，例如有關工具112的尖端至目的對象，例如觸覺對象20的表面的標量距離D的信息優選但不必自動地提供給用戶。基于程序階段，在用工具的類型，工具的位置和接近目的對象(包括表面)，或其他幫助CAS系統11鑒定幅值信息會被確定和顯示的對象的提示，CAS系統11可被編程，例如以自動提供該標量信息。
在示例性實施方式中，在開始切割手術之前，D值為正值。D值為零表明，切割工具112的尖端位于解剖體114內的所需深度。在示例性實施方式中，所需深度在觸覺對象20的表面。D值為負表明，骨內切割工具112的尖端超過所需深度。一維信息通過任意方法連通至外科大夫，所述方法諸如視覺，聽覺，觸覺方法等。例如，視覺指示器218，例如電平計，標度盤，數字顯示器，圖形等，可用于在顯示裝置30或接近用戶的其他任何裝置指示D值。如果需要，聲源216，視覺指示器218和/或顯示裝置30可更近地提供給用戶，例如在工具112，觸覺臂113，其他手持工具，儀器或附件，或可佩帶的視覺，聽覺，觸覺顯示器上。例如，工具112包括簡單的顯示裝置或多色指示器，例如多色LED指示器，多色燈指示器，LED電平計等，以給用戶指示切割深度。在這樣的實施方式中，用戶不需要將其注意力轉移出手術工作區。同樣，工具112包括聲源以給用戶指示切割深度。在這樣的實施方式中，由于接近其用戶，聲源216的聲音指示可容易地被用戶聽到。
如果需要，替代或除了視覺指示器218，可提供揚聲器216的聲音指示器或音調。例如，提供一系列嘟嘟聲來顯示D值。隨著D值降低，嘟嘟聲之間的間隔相應減少。如果需要，當D值變為零時，嘟嘟聲可轉化成嗡嗡聲或其他任何聲音，以及當D值變為負值時，轉化成不同聲音，例如，高音調聲。在示例性實施方式中，D值為正是可接受的值，而D值為負為不可接受的值。
提供聲音指示器的優點在于，外科大夫不必將其眼睛離開患者的解剖體，諸如骨114。然而，如果手術室中的噪聲使得外科大夫難以聽清聲音指示器，則視覺指示器是更合適的。
如果利用觸覺系統或裝置，諸如說明的示例性實施方式中所示，通過觸覺臂113或通過輔助裝置提供觸覺指示。在實施方式中，觸覺臂113振動以給用戶提供觸覺指示。觸覺臂113振動的頻率，振幅，波形，和/或其他性質依賴于距離D。在另一實施方式中，振動裝置可提供在用戶的身體上。振動裝置振動的頻率，振幅，波形，和/或其他性質取決于距離D。提供觸覺指示的優點在于外科大夫不必將其眼睛離開骨114。
由于一維信息容易與用戶連通，用戶能夠將其注意力集中在切割任務上，因為知曉聲音指示，觸覺指示或快速瀏覽視覺指示器218會通知其是否正切割至合適的深度。
在用戶不利用觸覺裝置的情形下，深度信息也可給用戶顯示。例如，利用其姿態被追蹤系統追蹤的工具，用戶正徒手切割骨。在這樣的實施方式中，用戶沒有觸覺反饋的益處，所述反饋往往施加力至工具，工具在觸覺對象的表面上保持力，或阻止力刺入觸覺對象。代替觸覺對象，簡單的幾何對象，例如，彎曲，點，線，表面或容積可用作目的對象。目的對象可被識別至CAS系統，或CAS系統基于目的對象的其他信息而確定目的對象。例如，對患者或對患者的診斷圖像，可直接限定目的對象，或目的對象通過CAS系統從其他由用戶鑒定的解剖點或特征得以衍生或確定。CAS系統了解工具相對于目的對象的位置，并顯示一維深度信息。在這樣的系統中，D的計算方法是確定工具112的尖端到目的對象切口所需深度的距離。如果需要，目的對象包括彎曲，點，表面，線，容積或一組所需位置。目的對象是觸覺對象，幾何對象和/或部分解剖體的所需形狀。
如果需要，在替代的實施方式中，利用表面上各個點處切割深度的兩維表示，或空間各個點的三維表示，可增加一維深度顯示。兩維或三維表示是目的表面的示意性或現實性描述。當醫學程序過程中工具最靠近各自點時，目的表面上點的性質，例如，顏色，亮度等至少部分基于工具和各自點之間的距離。例如，不同顏色可用于表示工具與點之間的距離。確定醫學程序過程中工具最靠近至某點時的位置，并計算工具與該點之間的距離。該點的顏色反映工具最靠近該點時從工具到點的距離。
圖11為醫學程序過程中傳送深度信息的方法220的流程圖。方法220優選周期性執行。在步驟222中，確定工具112至所需表面的距離。優選地，確定工具112的尖端至對象，例如觸覺對象20的表面的距離D。確定D值的方法取決于對象如何在內表示。該對象的表示基于表面多角形，體素，NURBs，作圖立體幾何，和/或現知或將來開發的其他任何表示幾何對象的方法。計算工具112的當前位置至觸覺對象20表面上的合適點的距離。取決于工具112的尖端和骨114對觸覺對象20表面的相對位置，計算的距離賦予正值或負值。在圖10所示的例子中，如果工具112的尖端和骨114位于觸覺對象20表面的對側，則D賦予正值。反之，D賦予負值。
在步驟224中，確定的距離對應于顯示給用戶的所需輸出形式。例如，所述距離可對應于合適的顏色，聲頻，時間段，聲音，圖像，觸覺提示等。優選地，至少部分基于D值進行對應。下表A顯示系統的示例性對應表，在系統中給用戶提供視覺信號。

表A在步驟226中，確定的距離以所需輸出形式傳送至用戶。如果所需的輸出形式是視覺指示器，則在示例性實施方式中，顯示合適顏色的指示器。例如，如示例性表A中所規定，如果D值位于可接受的范圍內，比如1-2mm，則顯示綠色指示器，如果D值介于0.1-0.99mm，則顯示黃色指示器，如果D值位于0.0-0.09mm，則顯示紅色指示器，以及如果D值在不可接受的范圍內，比如小于0，則顯示黑色指示器。在圖10的實施方式中，有關距離D的信息由電平計218顯示。隨著D值變化，電平計218中水平的顏色發生變化。如果所需輸出形式為聲音指示器，則在示例性實施方式中，參照圖10，距離信息通過在此所述的嘟嘟聲傳送。
本發明的示例性實施方式的技術優點在于，在醫學程序過程中，有關工具深度的信息可以更簡單的方式提供給用戶，以便用戶將其注意力集中在醫學程序上。
權利要求
1.在醫學程序中利用計算機輔助手術系統的方法，包括接受目的對象的信息；追蹤工具的位置；確定所述工具的當前位置和所述目的對象之間的標量距離；以及給所述工具的用戶提供所述標量距離的指示。
2.權利要求1的方法，其中所述提供步驟包括給所述工具的所述用戶提供所述標量距離的視覺指示。
3.權利要求2的方法，在所述提供步驟之前進一步包括選擇視覺指示的類型以提供給用戶。
4.權利要求2的方法，其中所述視覺指示通過選自電平計，標度盤，數字顯示器，和圖形的視覺指示器提供。
5.權利要求2的方法，其中所述提供步驟包括在與計算機輔助手術系統相連的顯示裝置上提供所述標量距離的所述視覺指示。
6.權利要求2的方法，其中所述提供步驟包括在顯示裝置上提供所述標量距離的所述視覺指示，所述顯示裝置置于與所述計算機輔助手術系統相連的觸覺裝置上。
7.權利要求2的方法，其中所述提供步驟包括在顯示裝置上提供所述標量距離的所述視覺指示，所述顯示裝置置于接近患者的解剖體所用的手術工具上。
8.權利要求3的方法，進一步包括至少部分基于所述標量距離選擇所述視覺指示的顏色。
9.權利要求2的方法，在所述提供步驟之前，進一步包括至少部分基于所述標量距離選擇所述視覺指示。
10.權利要求2的方法，其中所述目的對象包括限定患者解剖體所需形狀的觸覺對象的表面。
11.權利要求2的方法，其中所述目的對象包括患者解剖體的部分。
12.權利要求2的方法，其中所述目的對象選自彎曲，點，表面，容積和一組所需位置。
13.權利要求2的方法，其中所述提供步驟包括提供預定的視覺指示，所述指示表明所述標量距離位于可接受的范圍內。
14.權利要求2的方法，其中所述提供步驟包括提供預定的視覺指示，所述指示表明所述標量距離位于不可接受的范圍內。
15.權利要求1的方法，其中所述提供步驟包括給所述工具的所述用戶提供所述標量距離的觸覺指示。
16.權利要求1的方法，其中所述提供步驟進一步包括引起與所述用戶接觸的裝置的振動。
17.權利要求1的方法，進一步包括至少部分基于所述標量距離選擇指示的類型。
18.權利要求1的方法，其中所述提供步驟包括提供所述指示，表明所述標量距離位于可接受的范圍內。
19.權利要求1的方法，其中所述提供步驟包括提供所述指示，表明所述標量距離位于不可接受的范圍內。
20.權利要求1的方法，其中所述目的對象選自彎曲，點，表面，容積和一組所需位置。
21.權利要求1的方法，其中所述提供步驟包括給所述工具的所述用戶提供所述標量距離的聲音指示。
22.權利要求21的方法，在所述提供步驟之前，進一步包括選擇聲音指示的類型以提供給所述用戶。
23.權利要求21的方法，其中所述提供步驟包括經由與計算機輔助手術系統相連的聲音裝置提供所述標量距離的所述聲音指示。
24.權利要求21的方法，其中所述提供步驟包括經由聲音裝置提供所述標量距離的所述聲音指示，所述聲音裝置放置在與計算機輔助手術系統相連的觸覺裝置上。
25.權利要求21的方法，其中所述提供步驟包括經由聲音裝置提供所述標量距離的所述聲音指示，所述聲音裝置放置在接近患者解剖體所用的手術工具上。
26.權利要求21的方法，在所述提供步驟之前，進一步包括至少部分基于所述標量距離選擇所述聲音指示。
27.權利要求21的方法，其中所述目的對象包括限定患者解剖體所需形狀的觸覺對象的表面。
28.權利要求21的方法，其中所述目的對象包括患者解剖體的部分。
29.權利要求21的方法，其中所述目的對象選自彎曲，點，表面，容積和一組所需位置。
30.權利要求21的方法，其中所述提供步驟包括提供預定的聲音指示，表明所述標量距離位于可接受的范圍內。
31.權利要求21的方法，其中所述提供步驟包括提供預定的聲音指示，表明所述標量距離位于不可接受的范圍內。
32.在醫學程序中利用的計算機輔助手術系統，包括與所述計算機輔助手術系統可操作相連并可操作下列步驟的應用邏輯接受目的對象的信息；追蹤工具的位置；確定所述工具的當前位置和所述目的對象之間的標量距離；以及給所述工具的用戶提供所述標量距離的指示。
33.權利要求32的系統，其中所述應用邏輯進一步可操作給所述工具的所述用戶提供所述標量距離的視覺指示。
34.權利要求33的系統，其中所述應用邏輯進一步可操作選擇視覺指示的類型以提供給用戶。
35.權利要求33的系統，其中所述視覺指示通過選自電平計，標度盤，數字顯示器，和圖形的視覺指示器提供。
36.權利要求33的系統，其中所述應用邏輯進一步可操作在與計算機輔助手術系統相連的顯示裝置上提供所述標量距離的所述視覺指示。
37.權利要求33的系統，其中所述應用邏輯進一步可操作在顯示裝置上提供所述標量距離的所述視覺指示，所述顯示裝置置于與所述計算機輔助手術系統相連的觸覺裝置上。
38.權利要求33的系統，其中所述應用邏輯進一步可操作在顯示裝置上提供所述標量距離的所述視覺指示，所述顯示裝置置于接近患者的解剖體所用的手術工具上。
39.權利要求34的系統，其中所述應用邏輯至少部分基于所述標量距離進一步可操作選擇所述視覺指示的顏色。
40.權利要求33的系統，其中所述應用邏輯至少部分基于所述標量距離進一步可操作選擇所述視覺指示。
41.權利要求33的系統，其中所述目的對象包括限定患者解剖體所需形狀的觸覺對象的表面。
42.權利要求33的系統，其中所述目的對象包括患者解剖體的部分。
43.權利要求33的系統，其中所述目的對象選自彎曲，點，表面，容積和一組所需位置。
44.權利要求33的系統，其中所述應用邏輯進一步可操作提供預定的視覺指示，所述指示表明所述標量距離位于可接受的范圍內。
45.權利要求33的系統，其中所述應用邏輯進一步可操作提供預定的視覺指示，所述指示表明所述標量距離位于不可接受的范圍內。
46.權利要求32的系統，其中所述應用邏輯進一步可操作給所述工具的所述用戶提供所述標量距離的觸覺指示。
47.權利要求32的系統，其中所述應用邏輯進一步可操作引起與所述用戶接觸的裝置的振動。
48.權利要求32的系統，其中所述應用邏輯至少部分基于所述標量距離進一步可操作選擇指示的類型。
49.權利要求32的系統，其中所述應用邏輯進一步可操作提供所述指示，表明所述標量距離位于可接受的范圍內。
50.權利要求32的系統，其中所述應用邏輯進一步可操作提供所述指示，表明所述標量距離位于不可接受的范圍內。
51.權利要求32的系統，其中所述目的對象選自彎曲，點，表面，容積和一組所需位置。
52.權利要求32的系統，其中所述應用邏輯進一步可操作給所述工具的所述用戶提供所述標量距離的聲音指示。
53.權利要求52的系統，其中所述應用邏輯進一步可操作選擇聲音指示的類型以提供給所述用戶。
54.權利要求52的系統，其中所述應用邏輯經由與所述計算機輔助手術系統相連的聲音裝置進一步可操作提供所述標量距離的所述聲音指示。
55.權利要求52的系統，其中所述應用邏輯經由聲音裝置進一步可操作提供所述標量距離的所述聲音指示，所述聲音裝置放置在與所述計算機輔助手術系統相連的觸覺裝置上。
56.權利要求52的系統，其中所述應用邏輯進一步經由聲音裝置提供所述標量距離的所述聲音指示，所述聲音裝置放置在接近患者解剖體所用的手術工具上。
57.權利要求52的系統，其中所述應用邏輯至少部分基于所述標量距離進一步可操作選擇所述聲音指示。
58.權利要求52的系統，其中所述目的對象包括限定患者解剖體所需形狀的觸覺對象的表面。
59.權利要求52的系統，其中所述目的對象包括患者解剖體的部分。
60.權利要求52的系統，其中所述目的對象選自彎曲，點，表面，容積和一組所需位置。
61.權利要求52的系統，其中所述應用邏輯進一步可操作提供預定的聲音指示，表明所述標量距離位于可接受的范圍內。
62.權利要求52的系統，其中所述應用邏輯進一步可操作提供預定的聲音指示，表明所述標量距離位于不可接受的范圍內。
63.權利要求52的系統，其中所述應用邏輯包括計算機可執行軟件代碼。
64.權利要求32的系統，其中所述計算機輔助手術系統為觸覺裝置。
65.權利要求32的系統，其中所述計算機輔助手術系統包括觸覺裝置。
66.存儲指令的計算機可讀存儲介質，所述指令由計算機執行時引起計算機執行下列步驟接受目的對象的信息；追蹤工具的位置；確定所述工具的當前位置和所述目的對象之間的標量距離；以及給所述工具的用戶提供所述標量距離的指示。
67.權利要求66的計算機可讀存儲介質，其中所述指示是視覺指示。
68.權利要求66的計算機可讀存儲介質，其中所述指示是聲音指示。
69.權利要求66的計算機可讀存儲介質，其中所述指示是觸覺指示。
70.權利要求66的計算機可讀存儲介質，進一步包括指令，所述指令由所述計算機執行時引起計算機執行至少部分基于所述標量距離選擇指示類型的步驟。
71.權利要求66的計算機可讀存儲介質，進一步包括指令，所述指令由所述計算機執行時引起計算機執行提供所述指示表明所述標量距離位于可接受范圍內的步驟。
72.權利要求66的計算機可讀存儲介質，進一步包括指令，所述指令由所述計算機執行時引起計算機執行提供所述指示表明所述標量距離位于不可接受范圍內的步驟。
73.權利要求66的計算機可讀存儲介質，其中所述目的對象選自彎曲，點，表面，容積和一組所需位置。
全文摘要
通常理想的是限定對象的利用圖像導向的手術系統所顯示的解剖體圖像。對于非細小對象或那些具有復雜的兩維或三維形式的對象而言，可能難以以對用戶理解的簡單方式呈現信息。到目的表面，諸如限定對象的表面，或到所需位置的局部距離，目的表面的局部刺入距離，或觸覺排斥力，經常提供用于增加用戶與圖像導向的手術系統交互作用的最有用的信息。局部距離的標量值可通過視覺，聽覺，觸覺，或其他工具傳送至用戶。
文檔編號A61B19/00GK101031236SQ200480023380
公開日2007年9月5日 申請日期2004年7月16日 優先權日2003年7月16日
發明者阿瑟·E·奎德, 羅尼·A·阿波維茨 申請人:Z-凱特公司