具有集成的導航與制導系統的工具以及相關設備和方法
                            
            
                            
            文檔序號：1245820閱讀：459來源：國知局
            
                            
                        
            
                        
            
                        
            
                            具有集成的導航與制導系統的工具以及相關設備和方法
            
【專利摘要】本發明提供了用于集成電磁導航系統和工具以及將所述工具與目標對齊的方法和設備，所述工具包括傳感器工具、工具、場發生器、顯示器和計算機。所述傳感器工具在相對于目標結構的獨特位置附接至目標組件。所述場發生器除了圍繞工具軸線旋轉外相對于所述工具固定。所述顯示器可調節地安裝到所述工具并且自動調節圖像參數。提供了目標配準和誤差補償方法。所述系統檢測可能導致導航不準確的磁場和信號干擾、過濾導航數據，并基于檢測的條件調節過濾參數。提供了用于朝近側鎖緊IM釘使得順暢通過所述釘的管道得以維持的設備。
            
【專利說明】具有集成的導航與制導系統的工具以及相關設備和方法
            
[0001]相關專利申請的引用
            
[0002]本專利申請要求提交于2011年2月18日的美國專利申請61/444，535、提交于2011年2月18日的美國專利申請61/444，558、提交于2011年2月18日的美國專利申請61/444，600、提交于2011年4月18日的美國專利申請61/476，709、以及提交于2011年10月31日的美國專利申請61/553，499的優先權。就美國而言，本專利申請根據35U.S.C.§ 119要求提交于2011年2月18日的美國專利申請61/444，535、提交于2011年2月18日的美國專利申請61/444，558、提交于2011年2月18日的美國專利申請61/444，600、提交于2011年4月18日的美國專利申請61/476，709、以及提交于2011年10月31日的美國專利申請61/553，499的優先權，所述全部專利申請據此以引用的方式并入本文。
            
【技術領域】
            
[0003]本發明涉及工具的制導和導航。鉆和鋸是工具的非限制性例子。本發明已被應用于將工具相對于可能隱藏于視野之外的結構定位。本發明可被應用于將外科工具定位，但也可應用于非外科應用。
            
【背景技術】
            
[0004]在包括制造、組裝、修理和外科手術的許多領域中具有可用于將工具與目標路徑、結構或可能隱藏于視野之外或用戶無法充分看見的其他目標位置對齊的程序。例如在機身組裝和修理的過程中，可能有必要鉆出穿過材料層的孔，使其與定位在材料后方的無法到達的組件中的現有孔成一直線。再如，許多外科手術需要外科醫生將工具例如鉆、導絲驅動器、骨鋸或超聲波探頭與不能被充分標示或看見的目標路徑對齊。目標路徑可以是如術前決策中所確定或使用術中技術所確定的穿過組織的理想平面或軌線，例如，如Hodgson在國際專利公布W0/2006/`133573中所述的解剖結構例如股骨頸的估計中心線。目標路徑還可以與植入物的結構相關，例如骨板中的固定螺孔或IM (“髓內”)釘，其中目標是當孔或孔的方向隱藏于視線之外時，將鉆、導絲驅動器或其他工具相對于該孔對齊。
            
[0005]可通過制導建立期望的工具對齊的外科手術的一些例子為:
            
[0006]?股骨頭表面置換。該手術涉及將導絲以計劃的角度和位置沿著目標路徑通過股骨頸插入。
            
[0007]?脊柱外科手術中的椎弓根螺釘固定，其中鉆、鉆導引器、導絲或螺釘必須沿著目標路徑插入已知結構(椎弓根)并且插入有限深度，以免損傷骨頭外的周圍結構。
            
[0008]?腰骨外科手術中骶髂螺釘的設置，其中鉆、鉆導引器、導絲或螺釘必須沿著目標路徑插入(穿過髂骨進入骶骨翼和椎體)并且插入有限深度，以免損傷骨頭外的周圍結構。
            
[0009]?截骨術(將骨切斷)，其中用于以具體的計劃取向來切割骨的外科手術鋸的取向對于程序的后續步驟可能至關重要，所述后續步驟為:將骨復位、放置植入物(例如膝關節成形術)
            
[0010]?將髖關節或膝關節成形術植入物以計劃取向放置(例如在髖關節成形術中對髖臼部件進行放置)
            
[0011]?定位固定的實體器官(例如肝臟、胰腺、腎或其他)或非固定的中空器官(例如腸、膀胱)，用于經皮放置支架或器件，或者用于建立到達隱藏于視野之外的計劃位置的通路。(例如，腎盂引流管，經皮內鏡胃造口管，肝、膽或胰分流支架)，或者出于進行活組織檢查的目的用于對隱藏于視野之外但相對于探針已知的位置處的組織塊進行取樣。
            
[0012]此外，在諸如用工具進行鉆孔或切割的許多程序中，用戶可以發現，有用的是了解工具從起點開始已沿著目標路徑前進的距離，例如知道所鉆孔的深度或者以便選擇螺釘、銷等的恰當長度以進行安裝。例如在不同的外科手術中，外科醫生可能需要估計待安裝到所鉆孔中的螺釘的恰當長度，使得螺釘在孔位置處貫穿骨頭，但不會從骨過分突出進入周圍組織內。
            
[0013]另外在許多工具對齊程序中，用戶可能需要以相對于用戶的視角的各種取向來使用工具。用戶還可能傾向于用其右手或左手握持工具，這可能影響工具的取向、工具的可視性以及與目標區域的對齊。例如在許多外科手術中，外科醫生可能需要以各種取向使用工具，以獲得到達工作區的通路和無阻礙的工具路徑，例如使工具經過患者的未累及肢體、手術臺以及外科手術中使用的多個肢架、墊枕等。
            
[0014]一般來講，工具制導和導航程序需要某種形式的用戶界面和反饋(例如視覺顯示)，以便向用戶提供瞄準信息。
            
[0015]髓內釘固定術(“ IM釘固定術”)是外科手術應用的一個例子，其中有必要將工具與隱藏的結構對齊。在以下詳細描述中提供頂釘固定術作為非限制性例子，以示出本發明不同方面的應用。
            
[0016]為穩固破碎的長骨，外科醫生通常沿著骨的骨髓管插入頂釘(“髓內釘”)。為固定破碎的骨的遠側部分，橫向于骨軸線來安裝遠側鎖緊螺釘并穿過頂釘的遠端內的孔。安裝遠側鎖緊螺釘對外科醫生構成 了挑戰，因為鎖緊螺釘孔位于骨內并且不可見。當穿過骨朝遠側向下推動頂釘以及當將骨斷片對齊時，IM釘還可能不可預見地變形，因此使用附接到釘近端的導引器可能難以確定遠側鎖緊孔的位置。
            
[0017]外科醫生通常通過使用手持導絲或鉆進行反復試驗以及在手術過程中拍攝的一系列X射線圖像來定位遠側鎖緊孔。用于采集這些圖像的主要工具是C型臂熒光鏡，通常將其增量移動，直至孔在圖像上表現為圓圈，因而指示熒光鏡與遠側鎖緊孔對齊。然后通常將鉆頭或鉆導引器定位在孔區域之上的皮膚表面上并使用更多圖像進行調節，直至其居中并與孔對齊。該方法耗時，并且將外科手術團隊和患者暴露于輻射中。
            
[0018]雖然外科醫生從C型臂熒光鏡接收的輻射劑量已被普遍認為是安全的，但對此仍存在爭議。Hafez (2005)估計，指尖處記錄的輻射劑量高達指根處記錄的劑量的75倍。長期接觸輻射可能是值得擔憂的，尤其是對于創傷外科手術團隊而言。
            
[0019]利用電磁位置跟蹤技術輔助頂釘固定術的計算機輔助技術在Krause的 US6074394 和 US6503249、Govari 的 US7060075 以及 Ritchey 的美國已公布專利申請20100274121中有所描述。導航系統(Trigen Sureshot?遠側瞄準系統(Smith&Nephew, Memphis TN.USA))可商購獲得。這些系統使用電磁導航系統(包括發出受控磁場的場發生器，至少一個通過生成指示傳感器相對于場發生器的位置的信號而響應于磁場的傳感器，計算機以及相關軟件)、鉆導引器、以及瞄準顯示器，所述瞄準顯示器用于向用戶顯示鉆導引器和傳感器的相對位置，使得用戶可將鉆導引器對齊到相對于傳感器的預定位置。現有技術中描述的一些系統包括電磁傳感器，其被定位在植入物中相對于即將通過瞄準程序瞄準的結構(就頂釘固定術而言，遠側鎖緊孔)的已知位置處。Ritchey的W02010/129141描述了用于估計鉆頭通過鉆導引器的行進的各種方法和設備。
            
[0020]大多數廣泛使用的現代頂釘沿著其長度為空心的，該管道具有圓形橫截面以及與釘的總體尺寸相關的直徑。典型的IM釘除具有沿著釘的長度定位的鎖緊孔外，還具有多個孔和狹槽。通常通過將插入工具附接到釘的近端并使釘管道在導絲上方通過來植入釘。然后撤出導絲，并且可以使用附接到插入工具的多個配件將釘進一步敲入、旋轉、撤出或根據需要進行定位。在一些系統中，將電磁傳感器工具插入管道內相對于鎖緊螺釘孔的已知位置處。
            
[0021]由Krause和Govari描述的系統和Sureshot?系統包括單獨的鉆導引器,夕卜科醫生通常單手握持該鉆導引器，同時用另一只手持鉆。
            
[0022]在此類使用單獨的鉆導引器的系統中，鉆頭沿著鉆頭軸線朝一個方向滑動通過導引器。在具有與鉆和鉆導引器分離的場發生器的現有技術系統中，鉆、鉆導引器和鉆頭均可以移進和移出場發生器的測量范圍，并且在該范圍內來回移動。當將場發生器集成或附接到鉆導引器的如一些現有技術系統中所示的固定位置時，鉆頭在鉆孔的過程中滑進和滑出場發生器的測量范圍。
            
[0023]在許多外科手術(包括頂釘固定術)中，希望工具的位置精確度為亞毫米和亞度數級別(Beadon2007)。電磁導航系統可能受到某些金屬(尤其是鐵磁材料和導電材料)的存在以及位于場發生器測量范圍中和附近的磁場的影響(Kirsch2005 ;Beadon2007)。許多鉆(包括常用的外科手術鉆)包含鐵磁性和導電的部件，并且還可以包含電動機，該電動機可以包含磁體并且在手術期間可以生成磁場。外科手術中常用的鉆頭由諸如硬化不銹鋼的鐵磁材料制成，該鐵磁材料在電磁跟蹤設備的范圍內移動時，可能導致電磁場扭曲并且可能導致跟蹤測量結果不準確。在特定的場發生器和環境中還可能存在影響跟蹤精度的變化。
            
[0024]在典型的電磁位置跟蹤系統中，其中系統記錄傳感器的位置和取向的傳感器坐標系由傳感器工具中的組件的相對位置和特征限定。這些在制造中是可變的。例如在圓柱體傳感器工具中，所制造的傳感器坐標系可以具有僅大致與圓柱體軸線同軸的軸線。要實現坐標系與傳感器工具的物理形狀的準確已知關系，可以通過如下方式確定一組校正因子:在制造時在校正固定裝置中校正各單個傳感器工具，并將校正因子寫入內置于傳感器中的存儲設備(《Aurora?工具設計指南》(修訂版)2005年12月3 H , Northern Digital Inc.(Waterloo, Ontario, Canada))。該個體化校正和編程過程,連同合適的存儲設備一起,通常增加了傳感器工具的制造成本。
            
[0025]當將傳感器工具附接到植入物以便靶向植入物中的結構時，獲知傳感器坐標系和結構的相對位置的準確度直接影響瞄準的準確度。該相對位置可以包含在存儲器中存儲的數據庫中，并且如果用戶正確指出所用傳感器和植入物的類型，該相對位置可被調用，前提條件是植入物尺寸的數據庫包含該特定植入物。在這種情況下，植入物、傳感器工具和用于定位傳感器工具的任何其他組件的制造公差全部變為影響瞄準精度的直接因素。以頂釘為例，如果傳感器工具附接到插入工具，該插入工具繼而附接到釘的近端，如Ritchey在專利申請W02010/129141中描述的某些實施例中所示，柄部的制造公差、釘的近端到鎖緊孔的距離以及傳感器工具的長度全部可能促成瞄準變化。
            
[0026]使用電磁位置跟蹤系統時，如果存在外部磁場或者由某些金屬制成的物體被帶入場發生器的范圍內，則可能出現測量誤差(KirSch2005)。此類失真可能是不可預知的，并且在導航過程中對于用戶而言可能不明顯。例如，測量結果可能顯得穩定，但由于鐵磁工具(例如位于場發生器附近的外科手術錘)的存在，測量結果可能沿特定方向偏離若干毫米。
            
[0027]典型的電磁位置跟蹤系統的輸出可以包含低頻率、高振幅的測量噪聲。此類噪聲可導致測量值變化。對于這些系統而言，偶爾未能向傳感器返回有效讀數也是很普遍的，該現象可能導致用戶顯示臨時地凍結，直至再次接收到完好數據。小且輕的場發生器和小傳感器特別容易產生具有偶然異常值的取向數據。
            
[0028]最后，在某些情況下且在使用某些類型的頂釘固定術時，優選的慣例是在鉆孔且鎖緊遠側孔之前鉆通近側孔并將近側骨斷片鎖定到釘(例如，參見《TFN?鈦轉子固定釘系統技術指南》，Synthes GmbH (Oberdorf, Switzerland))。在這些情況下,近側鎖緊螺釘阻塞釘管道且使其不可能安裝例如出于瞄準遠側鎖緊孔的目的越過近側鎖緊螺釘穿過管道的傳感器工具。
            
[0029]相關領域的前述例子及其相關限制旨在為示例性的，而非排他性的。在閱讀說明書并研究附圖后，相關領域的其他限制對于本領域的技術人員將變得顯而易見。
            

            【發明內容】

            
[0030]本發明具有多個方面。這些方面可組合應用，但也可單獨和以子組合應用。這些方面包括但不限于:
            
[0031]?傳感器工具；
            
[0032]?具有集成場發生器的工具；
            
[0033]?用于測量具有集成場發生器的工具穿過的距離的方法；
            
[0034]?被配置成測量工具穿過的距離以及其他位置和運動參數的工具；
            
[0035]?具有集成用戶界面和視覺顯示設備的工具；
            
[0036]?用于顯示工具對齊到目標的方法；
            
[0037]?被配置成顯示工具與目標的對齊的工具；
            
[0038]?用于校正具有集成場發生器的工具的附件；
            
[0039]?用于將具有集成場發生器的工具配準目標的附件；
            
[0040]?用于校正具有集成場發生器的工具的方法；
            
[0041]?被配置成具有校準功能的工具；
            
[0042]?用于將具有集成場發生器的工具配準目標的方法；
            
[0043]?被配置成具有將工具配準目標的功能的工具；
            
[0044]?用于監測影響與工具集成的場發生器的測量條件的方法和設備；
            
[0045]?用于過濾來自與工具集成并與傳感器相互作用的場發生器的測量數據的方法和設備；
            
[0046]?用于測定和優化過濾參數的方法和設備，所述過濾參數用于過濾來自與工具集成并與傳感器相互作用的場發生器的測量數據；
            
[0047]?存儲計算機軟件的實體媒介，該媒介在運行時使得處理器執行上面列出方法的任何一種；以及
            
[0048]?用于固定外科植入物的方法和設備，所述設備用于安裝電磁傳感器工具。
            
[0049]本發明包括但不限于所附權利要求中受權利要求保護的各方面。本發明還包括可作為附加權利要求的主題的所有其他方面，所述附加權利要求可以在本發明的說明書、附圖和權利要求的支持下，在將來適當地提出。
            
[0050]在示例性應用中，所述工具為鉆，結構為定位在不透明材料后面的組件中的孔，并且目的可以是將鉆與孔對齊，使得用戶可通過與孔成一直線的材料鉆出孔。又如，工具可以是驅動器，目的可以是將驅動器與結構對齊，以便穿透結構安裝銷或螺釘。又如，工具可以是工具，結構可以是患者的解剖結構。再如，工具可以是鉆，結構可以是植入物中的孔。本發明的一些實施例特別適于計算機輔助鎖定頂釘(包括釘中鎖緊孔的定位)、計算機輔助鉆定位以及向用戶提供實時術中定位反饋。
            
[0051] 本發明的一些實施例提供了適于附接到具有目標結構的目標組件的傳感器工具。根據一些實施例的傳感器工具具有以下特征中的一個或多個:
            
[0052]?安裝了一系列具有各種尺寸和形狀的現有組件，
            
[0053]?根據需要，安裝了多種現有工具或固定裝置，其可結合用于定位或保持組件的組件一起使用；
            
[0054]?能夠快速且精確地安裝到相對于目標結構的獨特位置；
            
[0055]?向用戶指示傳感器安裝到獨特位置的時間，以及
            
[0056]?在整個鉆孔過程中保持在該位置，而不阻塞或換句話講妨礙目標結構。
            
[0057]本發明的一個示例性方面提供了傳感器工具，該傳感器工具結合了遠端處的末端部分、近端處的柄部部分以及連接末端部分和柄部部分的軸部分。電磁傳感器線圈設置在工具內靠近遠端的固定位置處。軸部分可以是柔性的。末端部分適于其自身安裝到諸如IM釘或其他植入物的組件的管道內并居中。單個傳感器工具可以具有在管道內自動定心的末端，所述管道具有在一系列直徑內的各種直徑。
            
[0058]在一些實施例中，柄部部分適于接合常用于插入頂釘或其他植入物的現有插入工具的結構。此類接合可以將傳感器工具保持在相對于釘或其他植入物在所有6個自由度中均固定的預定位置，直至將其移除。柄部部分還可適于當傳感器工具完全接合至插入工具時產生可聽見的聲音(例如咔噠聲)。柄部部分還可適于向用戶提供指示其已完全接合的不同指示，例如振動、或者柄部部分的一部分的形狀或位置的變化。
            
[0059]在一些實施例中，軸部分具有足以允許傳感器工具被插入頂釘或其他非直型組件的選擇的柔韌性。軸部分具有與預定范圍的頂釘長度匹配的選擇的長度，使得工具的遠端不會阻塞該范圍內最短釘的遠側鎖緊孔，并且使得當傳感器元件用于該范圍內最長的釘中時，其位于鎖緊孔的預定距離(與電磁導航系統的范圍相關)內。
            
[0060]本發明的另一個方面提供了結合場發生器的導航單元。該導航單元可以與工具集成或適于附接到工具。根據一些實施例的導航單元具有以下特征中的一個或多個:
            
[0061]?與多種現有工具一起工作，所述現有工具包括具有電動機并包含由鐵磁材料制成的部件的那些，
            
[0062]?可易于附接到工具、從工具移除以及重新附接到工具，使得每次附接裝置時，工具的軸線與該軸線上的點相對于場發生器具有相同的位置和取向，并且在工具為鉆的情況下，能夠將場發生器相對于鉆軸線和鉆末端點保持靜止，使得唯有場發生器和鉆頭之間被自由地允許的相對運動圍繞鉆軸線旋轉。
            
[0063]?可附接在偏離工具軸線的位置中，從而向用戶提供工作區域的清晰視野，并且在工具周圍提供空間，以允許用戶在不移除場發生器的情況下用該工具工作，
            
[0064]?足夠輕便小巧，以便不妨礙對工具的處理和定位，以及
            
[0065]?能夠記錄、存儲和使用校正圖以校正由安裝在場發生器附近的工具產生的跟蹤
            
測量失真。
            
[0066]示例性實施例提供安裝了鉆的電磁場發生器和安裝結構單元，該單元適于在使用前或使用中快速、輕松、臨時性并精確地附接到鉆的相對于鉆軸線的已知位置。安裝結構被設計成使得場發生器相對于鉆頭旋轉所圍繞的鉆軸線以及位于軸線上鉆末端處的點臨時地固定。在示例性實施例中，安裝結構包括鉆夾頭、包封鉆夾頭的外殼部分、遠離外殼部分延伸并具有距離軸線預定距離的遠端的剛性延伸臂、以及附接到延伸臂遠端的場發生器安裝部分。鉆夾頭適于在圍繞鉆軸線的至少一個旋轉位置中附接到鉆，并且適于保持鉆頭。
            
[0067]根據本發明的另一個方面，安裝結構被調整成使得場發生器組件可以被移除并精確地置換到如上所述結構中的相同位置。在一些實施例中，所述結構還包封并隔離場發生器，例如用于在無菌外科領域隔離未經消毒的場發生器。
            
[0068]根據本發明的另一個方面，安裝結構包括鉆套，該鉆套剛性地連接至場發生器安裝部分并與鉆頭的桿具有緊動配合，從而限制場發生器和鉆軸線之間的可能相對運動。
            
[0069]根據本發明的另一個方面， 提供了測定工具軸線和工具軸線上的點相對于場發生器的位置的方法，該方法包括:
            
[0070]?將場發生器單元連接到電磁導航系統，使得可以記錄場發生器相對于固定參照系的位置，
            
[0071]?將工具軸線保持在相對于固定參照系的固定位置，
            
[0072]?圍繞工具軸線旋轉場發生器并記錄多個旋轉位置處的場發生器位置；
            
[0073]?通過確定場發生器的最小變化的旋轉軸線，計算工具軸線相對于場發生器的位置，以及
            
[0074]?限定軸線上的位于相對于場發生器的預定位置處的點，或者如果工具的末端位于軸線上，則通過使用樞轉校正法來限定與工具的末端重合的點。
            
[0075]根據本發明的另一個方面，記錄并分析工具軸線上的點相對于目標組件的選擇的運動和運動參數，并且任選地結合其他記錄的參數有利地使用，從而為用戶提供建議并觸發與工具的運動和狀態相關的選擇的動作。
            
[0076]根據本發明的另一個方面，提供了校準導航系統的方法，用于校正由于工具的一部分存在于導航系統的測量體積內以及工具的一部分定位在場發生器附近而導致的測量誤差，該方法包括以下步驟:
            
[0077]?將工具附接到場發生器并記錄當傳感器運動通過一系列已知位點時該傳感器的位置，
            
[0078]?計算所述系列中每個已知位點的已知位置和記錄位置之間的差值，從而生成測量校正值的查找表，
            
[0079]?在查找表中的校正值之間插值，從而生成校正值相對傳感器位置的連續函數，以及
            
[0080]?在導航過程中讀取傳感器的當前位置，從查找表找到最近的對應測量校正因子，或作為另外一種選擇通過連續函數計算校正值，以及將校正值應用于傳感器的當前位置，從而生成用于導航的傳感器的經校正的當前位置。
            
[0081]在本發明的實施例中，通過將鉆、鉆夾頭、鉆頭和場發生器組件安裝到坐標測量機上的固定裝置中，隨后使傳感器運動通過編入坐標測量機的一系列已知位點來生成查找表，并且將查找表存儲到與場發生器集成的存儲器裝置中。
            
[0082]在本發明的另一個實施例中，通過以下方式在所用具體傳感器和目標組件的使用過程中生成查找表:在鉆、鉆夾頭、鉆頭和場發生器組件上安裝配準工具，將傳感器插入頂釘，將配準工具插入釘的遠側鎖緊孔，使得鉆頭軸線與孔軸線重合，圍繞重合的軸線旋轉組件，對于圍繞鉆軸線記錄的每個位置記錄孔軸線定義，在位置之間插值以增加查找表的分辨率或生成孔軸線定義相對圍繞鉆軸線的位置的連續函數，并將查找表或函數存儲在導航系統存儲器中以供導航期間使用。作為另外一種選擇，可由測量數據校準并產生校正的傳感器讀數的任何裝置可替代示例性實施例中所用的查找表的函數。所述校正可同等效力地應用于經校準的鉆孔位置或傳感器讀數。
            
[0083]要使得用戶能夠用一只手導航并對齊工具，并且不必將目光從工作區域移開以觀察導航和對齊信息及反饋、或者不必離開工作區域以對導航系統發送操作指令，可將視覺顯示器和用戶界面單元有利地安裝到工具上或附近，并且它們通常與工具一起運動。
            
[0084]對于在無菌區域中使用而言，通常將外科手術鉆設計為經過蒸汽消毒(高壓消毒)。然而，最適合于示例性外科手術應用并且能夠以合理價格購買到的電子顯示器和觸摸屏設備通常不能經受蒸汽消毒。可以使用低溫消毒過程，例如針對包含靈敏電子部件的物品進行環氧乙烷消毒，但這通常增加了電子部件的成本，并且就環氧乙烷消毒而言，該過程更耗時并且由于存在殘留化學品而可能存在職業健康和安全問題。出于這些原因，在大多數醫院中蒸汽消毒是優選的方法，因此有利的是包含電子部件并且位于無菌區域中的工具上或附近的顯示器和用戶界面單元能夠從該工具拆卸下來，使得其可通過替代方法單獨消毒，或隔離在無菌無塵套或無菌袋中，然后重新附接到位于無菌區域中的工具。
            
[0085]當用戶界面單元與如上所述的工具集成時，可用的不同工具取向可能需要用戶界面單元相對于工具具有可調節性，從而允許調節到顯示屏幕易于被用戶看見的位置。當顯示器相對于鉆運動時，并且當鉆以相對于目標的多種取向使用時，有利的是顯示器上顯示的圖像可以自動改變視野、放大倍率和/或取向以最佳地表示目標區域。
            
[0086]要將工具與選擇的目標對齊，用戶通常需要首先在大體目標區域內找到目標，并且可能地從一組可能的目標中定位期望目標，在這種情況下較大的視野是有利的。然后，當靠近期望目標時，用戶通常對工具位置進行微調，使其處于合適的容差范圍內，在這種情況下與所選目標對齊、在該目標上放大并以其為中心的較小視野是有利的。
            
[0087]因此，本發明的一些實施例提供了附接到工具并具有以下特征中的一個或多個的用戶界面單元:
            
[0088]?安裝在工具上或附近，使得其通常處于用戶的視野內，并且面朝工具的工作區域；
            
[0089]?適于貼合多種現有工具，并與其一起使用；[0090]?可用手進行附接和拆卸，而無需使用工具；
            
[0091]?在多個工具取向下對于用戶可見，或可被調節成對于用戶可見；
            
[0092]?可接收來自用戶的輸入并且將信息和命令傳遞到導航系統和從導航系統傳出；
            
[0093]?使用關于顯示器取向、患者位置和/或工具相對于目標的運動的信息自動調節圖像取向、視野、和/或放大倍率，以及
            
[0094]?向用戶顯示工具相對于目標的當前位置和取向，并且向用戶指示與目標的對齊何時處于基于選擇的參數的選擇的限值范圍內，此時任何參數的限值可以取決于其他參數。
            
[0095] 本發明的另一個方面提供了具有適于安裝到工具上的安裝設備的電子顯示器和用戶界面單元，其中用戶界面單元可被移除以便進行單獨的消毒或包裹上無塵套，并且易于在無菌外科區域中重新安裝。
            
[0096]本發明的另一個方面提供了具有能夠調節的安裝機構的電子顯示器和用戶界面單元，所述能夠調節的安裝機構允許單元相對于工具運動到相對于用戶的視野在多個工具位置中可視。
            
[0097]在一個實施例中，安裝機構包括具有用戶界面單元可圍繞其旋轉的軸線的回轉接頭，具有用戶界面單元可圍繞其旋轉的第二軸線的第二回轉接頭，以及位于用戶界面單元和安裝機構之間的可釋放接頭，該安裝機構被設計為容納可釋放接頭的連接表面之間的柔性膜材料或無塵套材料。
            
[0098]一些實施例包括至少一個傳感器，該傳感器生成指示用戶界面單元相對于重力方向的位置的信號。
            
[0099]一些實施例包括傳感設備，該傳感設備生成指示用戶界面單元相對于場發生器的位置的信號。
            
[0100]本發明的另一個方面提供了比較工具軸線與相對于傳感器具有固定位置的目標軸線的當前相對位置并將其指示給用戶的方法，該方法包括以下步驟:
            
[0101]?監測工具軸線和工具軸線上的點相對于傳感器的當前位置和取向；
            
[0102]?計算目標軸線到點的垂直距離，并判定該距離是否在選擇的限值范圍內，并且如果在選擇的限值范圍內，則顯示第一指示器，以及
            
[0103]?計算工具軸線與垂直于目標軸線并穿過沿目標軸線的選擇的點的平面的交點，
            
[0104]?計算目標軸線到交點的垂直距離，并判定該距離是否在選擇的限值范圍內，并且如果在選擇的限值范圍內并顯示了第一指示器，則顯示第二指示器。
            
[0105]點和目標軸線之間的距離測量可以是一致地反映末端-軸線距離的任何測量。在一些實施例中，點與工具軸線以及工具的末端重合。
            
[0106]本發明的另一個方面提供了比較工具軸線與相對于傳感器具有固定位置的目標軸線的當前相對位置的替代性方法，該方法包括以下步驟:
            
[0107]?監測工具軸線相對于傳感器的當前位置和取向，
            
[0108]?計算鉆軸線與垂直于目標軸線并穿過沿目標軸線的第一選擇的點的第一平面的第一交點，
            
[0109]?判定第一交點是否在圍繞目標軸線的選擇的第一容差區內，并且如果在該范圍內，則顯示第一指示器，[0110]?計算工具軸線與垂直于目標軸線并穿過沿目標軸線的第二選擇的點的第二平面之間的第二交點，以及
            
[0111]?判定第二交點是否在圍繞目標軸線的選擇的第二容差區內，并且如果在該范圍內并顯示了第一指示器，則顯示第二指示器。
            
[0112]為了將成本、出錯的風險、對準確制造公差的依賴、對準確存儲維度的依賴、對各個傳感器的工具校正以及對傳感器、場發生器和環境特征的一致性的要求降至最低，有利的是使用特定的工具和場發生器組件、傳感器、目標組件以及任何所用的組件插入或保持工具來將目標結構與傳感器直接配準。本發明的一些實施例提供了配準工具，該配準工具具有以下特征中的一個或多個:
            
[0113]?貼合一系列尺寸的目標結構；
            
[0114]?貼合組裝好以供使用的工具和導航單元，以及
            
[0115]?在配準測量期間，將導航單元以選擇的自由度準確地保持在相對于目標結構的已知位置處。
            
[0116]本發明的另一個方面提供了配準工具，該配準工具包括主體部分，該主體部分適于在工具(例如鋸或鉆)的一部分上方滑過；以及末端部分，該末端部分適于擬合在目標組件中的目標結構內，從而使配準工具的位置以選擇的自由度相對于所述結構固定。
            
[0117]在一個實施例中，配準工具具有在鉆頭上的滑動配合，使得當安裝到鉆頭上時，末端部分具有與鉆頭的縱向軸線重合的軸線，目標結構為具有預定范圍內的直徑和圓柱體中心線的圓柱形孔，并且末端部分適于緊密貼合孔，使得當將末端部分安裝在該孔內時，末端部分軸線和目標孔軸線重合，從而在所有6個自由度(除了圍繞重合的軸線旋轉并沿著該軸線平移的自由度之外)中固定孔和配準工具之間的相對位置。末端部分可以包括至少一個彈性元件，該彈性元件適于`緊密貼合在具有處于預定直徑范圍內的直徑的不同孔中。在一些實施例中，配合為過盈配合，并且將過盈配合選擇為與彈性元件的剛度以及彈性元件與孔或其他結構之間的摩擦相結合，從而允許用手將配準工具安裝到結構中并將其從結構移除。
            
[0118]在另一個實施例中，配準工具具有在鉆頭上的滑動配合，并且接合目標孔，該目標孔具有圍繞孔軸線在預定尺寸和形狀限值范圍內的回轉表面，使得鉆頭軸線和孔軸線重合，從而在所有6個自由度(除了圍繞重合的軸線旋轉并沿著該軸線平移的自由度之外)中固定孔和配準工具之間的相對位置。
            
[0119]在另一個實施例中，配準工具具有在鉆頭上的滑動配合，并且接合目標孔，該目標孔具有圍繞孔軸線在預定尺寸和形狀限值范圍內的回轉表面，使得鉆頭軸線和孔軸線重合，并且配準工具還接合相對于目標孔固定的第二結構，使得孔、第二結構和配準工具之間的相對位置在所有6個自由度中均固定。
            
[0120]本發明的另一個方面提供了通過測量目標結構相對于傳感器的位置而將導航系統與目標組件的至少一個目標結構配準的方法。在一個實施例中，該方法包括以下步驟:
            
[0121]?將導航系統的傳感器組件附接到目標組件，使得傳感器在所有6個自由度中均固定在相對于目標組件的目標結構的位置處，但其中先前對相對位置的了解并未達到足夠的精確度，
            
[0122]?將配準工具附接到工具和場發生器組件，使得配準工具的軸線位于相對于場發生器的已知位置處，
            
[0123]?將配準工具和組件臨時地固定到目標組件的目標結構，使得配準工具軸線與目標結構具有已知的空間關系，
            
[0124]?記錄傳感器相對于場發生器的位置，
            
[0125]?計算結構與傳感器的相對位置，以及
            
[0126]?將結構與傳感器的相對位置存儲到導航系統的存儲器中。
            
[0127]在本發明的一個實施例中，將結構與傳感器的相對位置定義為在傳感器坐標系中呈現并代表目標軸線的線，并通過對選擇的數量的位置測量值求平均值來記錄。
            
[0128]本發明的一些實施例提供了控制和信號處理方法、設備和軟件，它們具有以下特征中的一個或多個。所述控制和信號處理方法、設備和軟件可以有利地:
            
[0129]?在導航過程中檢測測量失真；
            
[0130]?在導航過程中檢測外部生成的磁場；
            
[0131]?監測整體測量噪聲并檢測異常數據；
            
[0132]?過濾測量數據以最大程度減小信號噪聲，從而生成平滑顯示；
            
[0133]?過濾數據以排除低頻率高振幅的異常數據；
            
[0134]?向用戶呈現剩余的 有效測量數據；
            
[0135]?提醒用戶可能不準確的數據和高頻率的異常數據，以及
            
[0136]?使用檢測到的有關測量數據、測量失真和外部生成的磁場的信息以優化過濾參數。
            
[0137]本發明的另一個方面提供了在導航過程中檢測跟蹤測量失真和外部生成的磁場的方法，該方法包括以下步驟:
            
[0138]?跟蹤第一傳感器的位置并同時監測參考傳感器的位置，其中第一傳感器可以相對于場發生器運動，并且參考傳感器在選擇的自由度中相對于場發生器安裝在固定位置，
            
[0139]?將參考傳感器的位置和/或取向偏差的選擇的參數(其可以包括位置、取向以及它們的時間導數，或它們的任何函數)與預定閾值進行比較，
            
[0140]?當選擇的參數或參數的組合落在預定值范圍內或超過閾值時，激活警告功能，修改導航系統的選擇的特征并過濾和處理導航數據，包括向用戶顯示導航信息。
            
[0141]在一個實施例中，將來自參考傳感器的數據與其已知的校準位置和取向進行比較。將參考傳感器位置讀數和經校準的位置之間的差值的絕對值總和與閾值進行比較。將相同程序應用于以具有單獨的閾值的四元數向量表示的取向。如果位置和取向導出量中的任一者超過其相關閾值，則識別出干涉條件。一旦啟動導航系統和/或用戶發布的命令，參考傳感器還可以自動進行自校準。來自參考傳感器的數據還可以用于幫助判定某些工具狀態，例如電動機是開啟還是關閉，以及判定某些工具使用條件，例如電動機速度范圍以及是否與目標接合。
            
[0142]本發明的另一個方面提供了過濾由導航系統生成的測量數據的方法，用于檢測和排除或校正被干涉或測量誤差改變的數據，該方法包括以下步驟:
            
[0143]?監測可以相對于場發生器運動的第一傳感器的當前位置和取向，計算它們的時間導數，以及計算來自第一傳感器的位置和取向數據在選擇的一段時間內的選擇的特征，
            
[0144]?將選擇的特征與預定閾值進行比較，[0145]?如果某些選擇的特征或特征的組合超過預定閾值，則刪除當前的位置和取向讀數，
            
[0146]?監測已刪除的位置和取向讀數在當前讀數之前的一段選擇的時間內的頻率，并且如果該頻率超過選擇的閾值，則向用戶顯示當前數據不可靠的指示，并且任選地向用戶顯示當前位置和取向的估算值，該估算值通過在選擇的一段時間內收集的位置和取向數據計算得到。
            
[0147]在本發明的一個實施例中，通過以四元數表示的位置向量的時間導數和取向向量的時間導數的絕對值總和確定異常的傳感器讀數。將每個值與相關閾值進行比較，當超過任一個閾值時，將傳感器讀數識別為異常值。一旦已識別出特定數量的連續異常值或缺失讀數，適當的指示器便顯示在用戶界面上。
            
[0148]在本方法的另一個實施例中，使用參考傳感器提供干涉噪聲的相關測量值以及移除第一傳感器中的干涉噪聲。可以用線性自適應除噪技術或使用噪聲參考源作為輸入的任何其他消除方法進行噪聲消除。
            
[0149]在本方法的另一個實施例中，將卡爾曼濾波器應用于傳感器讀數。還可以應用任何其他使用輸入信號統計學的自適應法調節其濾波行為，例如遞歸貝葉斯估計方法。
            
[0150]在示例性外科手術的某些變型中，可能需要在遠側鎖緊完成前朝近側鎖緊頂釘。在這些情況下，有利的是當近側鎖緊設備就位時，傳感器工具可以穿過釘管道的長度。因此在本發明的另一個方面，提供了將骨斷片鎖緊到IM釘的設備和方法，其中采用的鎖緊方式可臨時或永久地維持穿過沿釘的縱向中心線的管道的開放通道。在本發明的實施例中，鎖緊設備是有孔的鉆頭，該鉆頭還適于鉆通骨。在另一個實施例中，鎖緊元件為鉆孔后臨時插入的有孔螺柱，其在安裝永久性鎖緊元件之前接合骨并穿過釘。在另一個實施例中，永久性鎖緊元件是有孔的。在本發明的另一個實施例中，鎖緊元件為一端具有膨脹元件的螺柱，該螺柱適于接合一層骨皮質和植入骨中的頂釘的鎖緊孔的內部鏜孔。
            
[0151]一個示例性實施例特別適于計算機輔助的IM釘固定術，該實施例特別關注與釘中的選擇的交叉孔(稱為鎖緊孔)成一直線鉆通骨以允許安裝鎖定螺釘的步驟。在該示例性實施例中，所述設備包括:
            
[0152]?具有鐵磁鉆頭的外科手術鉆；
            
[0153]?安裝到鉆的小且輕的場發生器，同時鉆頭的一部分位于場發生器的測量范圍內；以及
            
[0154]?傳感器工具，其產生指示其相對于場發生器的位置的響應，并且在手術過程中適于精確地插入植入物中直至相對于植入物的選擇的結構在所有6個自由度中均固定的預定位置。
            
[0155]提供了顯示屏幕，其用于向用戶顯示對齊信息。在一些實施例中，顯示屏幕安裝到鉆或接近鉆。在一些實施例中，顯示屏幕安裝到鉆上相對于鉆在4個自由度中固定的位置處，并且可在相對于鉆的2個自由度中被調節至各種位置。
            
[0156]所示實施例特別適于連同電磁導航系統一起在計算機輔助的IM釘固定術中使用，具體地講，在鉆通骨和釘中的選擇的交叉孔(稱為鎖緊孔)以使得鎖緊螺釘能夠安裝的步驟中使用。
            
[0157]除了上述的示例性方面和實施例，通過參照附圖和研究下文的詳細描述，本發明的其他方面和實施例將變得顯而易見。
            
【專利附圖】
            

            
【附圖說明】
            
[0158]附圖示出了本發明的非限制性示例性實施例。
            
[0159]圖1為示出根據本發明的一個示例性實施例的系統的方框圖。
            
[0160]圖1a示出了根據本發明的一個實施例的示例性傳感器工具以及傳感器工具可以與其一起使用的一組頂釘。
            
[0161]圖2和圖2a示出了示例性傳感器工具的末端部分的細節。
            
[0162]圖3為示出插入工具、中空螺栓、頂釘和示例性傳感器工具的分解圖。
            
[0163]圖4示出了組裝用于本發明的示例性實施例的圖3的組件。
            
[0164]圖5為圖4的組件的剖面圖，其示出了根據示例性實施例傳感器工具與中空螺栓的接合。
            
[0165]圖6為圖3的分解圖的剖面圖，其著眼于在根據示例性實施例的安裝過程中，傳感器工具向插入工具靠近。
            
[0166]圖6a為圖4的組件的剖面圖，其著眼于根據示例性實施例的示例性傳感器工具與插入工具的接合。
            
[0167]圖6b示出了用于傳感器工具的搭扣配合構造的另一個例子。
            
[0168]圖6c為截取自圖6b的剖面圖，其示出了與具有溝槽的中空螺栓接合的搭扣配合傳感器柄部。
            
[0169]圖6d為截取自圖6b的剖面圖，其示出了傳感器工具對植入物和插入柄部組件的旋轉約束構造。
            
[0170]圖6e為示出中空螺栓的近側部分的細部圖，該近側部分具有延伸的頂蓋、溝槽和埋頭孔。
            
[0171]圖6f示出了使用手動擰緊的緊固件將傳感器工具附接到植入物的另一個例子。
            
[0172]圖6g為截取自圖6f的剖面圖。
            
[0173]圖7示出了根據本發明的一個實施例的與鉆、具有鎖緊孔的IM釘和傳感器工具集成的示例性導航單元，并且還示出了坐標系的示例性設置。
            
[0174]圖7a示出了從鉆用戶的視角沿鉆軸線觀察的場發生器和傳感器的示例性坐標系，以及在示例性實施例和應用中至關重要的傳感器位置子集的參數。
            
[0175]圖8為由圖7沿鉆軸線截取的剖面圖，其示出了附接到鉆的示例性導航單元。
            
[0176]圖8a示出了本發明的替代實施例，其中導航單元通過鉆夾頭上方而非下方的結構與鉆集成。
            
[0177]圖Sb示出了本發明的另一個實施例，其中場發生器可以反復移除并替換至導航單元內的相同位置。
            
[0178]圖9示出了沿鉆孔路徑的鉆頭距離相對于鉆通骨的時間的跡線的例子。
            
[0179]圖9a示出了圖9中所述的瞄準和用戶界面方法的流程圖。
            
[0180]圖10示出了根據本發明的一個實施例安裝到鉆的用戶界面單元的例子，其顯示屏幕的位置便于用豎直的鉆指向前方并遠離用戶的身體鉆孔，此時用戶以右手握持鉆。
            
[0181]圖1Oa類似于圖10，但屏幕已調節至便于用戶以左手握持鉆的位置。[0182]圖11示出了安裝到鉆的示例性用戶界面單元，其屏幕的位置便于用轉到水平位置的鉆指向前方且遠離用戶的身體鉆孔。
            
[0183]圖1la類似于圖11，但屏幕已調節至便于用戶以相反的水平取向握持鉆的位置。
            
[0184]圖12示出了安裝到鉆的示例性用戶界面單元，其屏幕的位置便于用轉到水平位置的鉆指向用戶左方鉆孔。
            
[0185]圖12a類似于圖12，但屏幕已調節至便于用轉到水平位置的鉆指向用戶右方鉆孔的位置。
            
[0186]圖13示出了本發明的示例性實施例的分解圖，其示出了可拆卸的用戶界面單元、安裝單元、以及位于顯示器和安裝單元之間的活動接頭。
            
[0187]圖14為示出安裝在鉆夾頭上的示例性安裝單元的剖面圖。
            
[0188]圖15為由圖14垂直于鉆軸線截取且朝向鉆用戶觀察的剖面圖。
            
[0189]圖16為由圖14垂直于鉆軸線截取且朝向鉆頭觀察的剖面圖。
            
[0190]圖17示出了本發明的替代實施例，其具有多個顯示屏幕，而非位于用戶界面單元和鉆之間的活動接頭。
            
[0191]圖17a示出了圖17的替代實施例，其位于第二鉆孔位置。
            
[0192]圖18示出了在示例性應用的使用過程中根據本發明的一個實施例的示例性用戶界面，此時鉆逐漸接近與鎖緊孔對齊。
            
[0193]圖18a示出了圖18的示例性用戶界面，但鉆處在相對鎖緊孔的對齊容差范圍內，并且顯示了深度指示器。
            
[0194]圖18b示出了用于控制用戶界面顯示器的視野和放大率參數的方法的流程圖。
            
[0195]圖19示出了在示例性應用中使用示例性實施例的過程中骨和植入物的剖面圖，其中鉆與鎖緊孔的對齊處于預定限度內。
            
[0196]圖19a示出了圖19中所述的瞄準和用戶界面方法的流程圖。
            
[0197]圖20類似于圖19，但示出了限定鉆對齊限度的替代方法。
            
[0198]圖20a示出了圖20中所述的替代瞄準和用戶界面方法的流程圖。
            
[0199]圖21示出了導航系統的示例性場發生器組件、與根據本發明的一個實施例的場發生器集成的鉆、鉆頭、具有遠側鎖緊孔的頂釘、插入釘中的傳感器、配準工具以及鉆套的分解圖。
            
[0200]圖22示出了根據示例性實施例和示例性應用組裝的圖21的組件，其中配準工具插入遠側鎖緊孔并位于將系統與孔配準的位置。
            
[0201]圖23示出了示例性配準工具的剖面圖。
            
[0202]圖23a示出了示例性配準工具的末端部分的剖面圖。
            
[0203]圖24示出了位于將系統與孔配準的位置的示例性配準工具和頂釘的剖面圖。
            
[0204]圖24a示出了配準設備的第一附加示例性實施例的剖面圖。
            
[0205]圖24b示出了配準設備的第二附加示例性實施例的剖面圖。
            
[0206]圖24c示出了配準設備的第三附加示例性實施例的剖面圖。
            
[0207]圖24d示出了配準設備的第四附加示例性實施例的分解圖。
            
[0208]圖24e示出了配準設備的第四附加示例性實施例的剖面圖。
            
[0209]圖24f示出了配準設備的第五附加示例性實施例的剖面圖，其中附加的自由度被控制。
            
[0210]圖25示出了典型的測量誤差相對于在距場發生器各種距離處場發生器關于鉆軸線的位置的示例性曲線圖，此時場發生器安裝到典型的鉆。
            
[0211]圖26示出了根據本發明的一個實施例的系統的配準和操作步驟的示例性流程圖。
            
[0212]圖26a示出了根據本發明的替代實施例的導航系統的術中校準的流程圖，該校準還生成了校正值的查找表。
            
[0213]圖27示出了當鐵磁工具進入并離開場發生器的測量范圍從而導致測量誤差時，參考傳感器讀數的示例性曲線圖。
            
[0214]圖28示出了當附接鉆的鉆馬達啟動和停止從而產生影響導航系統測量值的外部磁場時，參考傳感器讀數的示例性曲線圖。
            
[0215]圖29示出了傳感器取向讀數相對于場發生器關于鉆軸線的位置的示例性曲線圖，此時場發生器安裝到典型的鉆。
            
[0216]圖30示出了根據本發明的一個實施例用于平滑和校正導航過程中的傳感器位置和取向數據，以及基于由系統檢測到的選擇的條件修改過濾參數的示例性過濾方法的流程圖。
            
[0217]圖31示出了根據本發明的一個方面的一個實施例的植入股骨的IM釘以及傳感器工具，其中股骨以剖面圖示出，且有孔鉆頭穿過股骨頸并進入股骨頭。
            
[0218]圖32示出了沿狹槽孔的軸線觀察的有孔鉆頭。
            
[0219]圖32a示出了垂直于狹槽孔的軸線觀察的有孔鉆頭。
            
[0220]圖33示出了股骨和頂釘的剖面圖，所述頂釘具有在適當位置的有孔鉆頭并安裝了傳感器工具。
            
[0221]圖34示出了根據本發明一個方面的替代實施例的中空且有孔的螺柱的頂視圖。
            
[0222]圖35為圖34中所示的本發明的替代實施例的前視圖。
            
[0223]圖36示出了股骨和IM釘的剖面圖，該圖示出了圖34的中空且有孔的螺柱，以及在導絲回縮之前在適當位置處的導絲。
            
[0224]圖37示出了根據本發明一個方面的另一個實施例的膨脹螺柱，其僅接合一層骨皮質和釘的一個壁。
            
[0225]圖37a為由圖37沿膨脹螺柱截取的剖面圖。
            
[0226]圖38為在患者肢體內使用的圖37的膨脹螺柱的剖面圖。
            
【具體實施方式】
            
[0227]在整個以下詳細說明中示出了具體細節，以便本領域的技術人員更深入透徹地理解。然而，可能未詳細顯示或描述眾所周知的元件，以避免不必要地弱化本公開的內容。因此，【具體實施方式】和附圖應視為示例性的，而非限制性的。
            
[0228]參考下文詳細說明的公開內容和/或附圖，將更好地理解本發明的不同方面以及它們目前優選的實施例。如果在不同的附圖中使用相同的參考編號，則參考編號是指相同或相似的部件。
            
[0229]如本文所用，當涉及鉆和附接的組件時，“遠側”是指引領進一步遠離用戶并朝向鉆頭末端的方向，并且如本文所用的“近側”是遠側的相反方向。如本文所用，當涉及頂釘和附接到其上的組件時，“遠側”是指引領進一步遠離插入工具的方向，并且如本文所用的“近側”是遠側的相反方向。
            
[0230]如本文所用，“導航系統”是電磁場發生器、至少一個電磁傳感器以及連接至場發生器和傳感器的控制器的組合，所述控制器可以包括計算機。控制器被配置成測定傳感器元件相對于場發生器的位置和取向。合適的導航系統的例子是由Northern Digital Inc.(Waterloo, Ontario, Canada)制造的Aurora?系統,該系統可通過定制的軟件適當地修改和控制，以用于如本文所述的應用。其他合適的導航系統可得自Ascension TechnologyCorporation(107Catamount Drive, Milton, VT05468USA)。
            
[0231]圖1為示出根據本發明的一個示例性實施例的系統的方框圖。控制臺600包括電磁導航系統的處理器和電源組件。控制臺600可以提供專用于諸如IM釘固定術的應用的附加處理和通信組件。充電座602容納處于未使用狀態的用戶界面單元606并對其充電。在使用中，用戶界面單元606和導航單元601附接到工具603。單元601包括場發生器和至少一個通過纜線608與控制臺600通信的參考傳感器。用戶界面單元606通過無線通信鏈路604與控制臺600通信。傳感器工具610通過傳感器纜線612與控制臺600通信。可接入控制臺600的存儲器614包括組件的尺寸、結構和圖形數據模型，并且還包括測量值校正圖、查找表、參數集、軟件、固件等。
            
[0232]數據庫616包含組件的尺寸、結構和圖形數據模型，還包含測量值校正圖、查找表、參數集、軟件、固件等，并且存儲在外部存儲器裝置中。數據庫616可以通過通信鏈路618鏈接到存儲器614，用于更新存儲器614的內容。通信鏈路618可以包括例如有線、互聯網或無線鏈路或它們的一些組合。
            
[0233]用戶界面單元606中存儲的軟件、固件和數據可以通過通信鏈路604以及通過從充電座602到存儲器614的連接605而更新。單元601中存儲的軟件、固件和數據可以通過纜線608更新。在工具603包括諸如電池的電源的多個其他實施例中，纜線608可以替換為用于控制控制臺600和單元601之間的信號的無線通信鏈路，以及將電力從工具603供應到單元601的線材。在多個其他實施例中，傳感器纜線612可以替換為電源、信號放大器和傳感器工具610中包括的無線通信單元，以及從傳感器工具610到控制臺600的無線通信鏈路。合適的無線鏈路的非限制性例子為Bluetooth?和WiFi局域無線通信系統。
            
[0234]本發明的一個方面提供了與導航系統一起使用的傳感器工具。傳感器工具包括伸長構件，該伸長構件具有包含傳感器元件的自動定心末端部分。提供了搭扣配合機構，用于將傳感器工具保持在組件(例如頂釘)中的適當位置，以使得傳感器元件與組件上的結構(例如鎖緊孔)具有已知的幾何關系。
            
[0235]圖1a至6示出了示例性傳感器工具10。所示傳感器工具10可以用于例如頂釘固定術。示例性傳感器工具10包括多種如下文所述的期望特征。每個特征可以有利地單獨存在或與其他所述特征中的一些或全部結合而存在。在本發明范圍內的其他實施例可以包括示例性實施例中所述的有利特征的子集。
            
[0236]傳感器工具10的一個期望特征是，遠側末端部分在不同管道直徑的范圍內自動定心。可以通過在末端部分中并入有彈性的柔性構件來提供自動定心特征，該有彈性的柔性構件徑向向外偏移至最大直徑，但可以徑向向內有彈性地壓縮至均與最大直徑同心的一系列較小的直徑。例如，可以通過柔性構件186 (在圖2和2a中示出)提供自動定心特征，當在穿過傳感器工具10的縱向中心線的平面中觀察時，所述柔性構件為弓形的，并且圍繞末端部分的中心線成角度地間隔開。
            
[0237]傳感器工具10的另一個期望特征是，當傳感器工具10被適當地安裝到諸如植入物的組件中時，向用戶提供傳感反饋。傳感反饋可以通過搭扣配合機構提供。在獨占性地接合到適當安裝的位置時，搭扣配合機構可以向用戶提供觸覺和/或聽覺反饋。搭扣配合機構可以在傳感器工具10和諸如植入物的組件之間，或在傳感器工具10和附連到組件的插入工具之間提供。搭扣配合機構可以通過合適的棘爪機構提供。例如，搭扣配合機構可以通過圖6和6a中所示的接合溝槽195的柔性插片192提供。
            
[0238]傳感器工具10的另一個期望特征是，其長度固定且具備單件完成構造，這使得用戶能夠以單一動作將傳感器工具10精確安裝至相對于組件的獨特預定位置，而無需進行調節或參考刻度標記等以選擇正確的安裝位置。例如，圖1a中所示的傳感器工具長度176決定了末端部分154沿釘37的中心線相對于釘37和插入工具39 (示于圖3中)的組件的位置。
            
[0239]圖1a示出了傳感器工具10和一組頂釘37和165 (統稱或一般稱為組164或頂釘164)，傳感器工具可以與該頂釘組一起使用。組164中的一個釘可以具有與另一個釘不同的特征，例如不同的長度、管道直徑，或者不同的結構布置方式，例如狹槽和孔。組164中的每個頂釘具有至少一個遠側鎖緊孔38，該遠側鎖緊孔的尺寸和位置在組164中的不同釘之間可以有所不同，并且其可以是所關注的唯一遠側結構，或者可以是如圖所示的一組遠側鎖緊孔189的一部分。出于本說明書的目的，如果組189包括多于一個的孔或將被鉆通的結構，則將孔38定義為組189的最近側孔。
            
[0240]傳感器工具10具有位于其遠端處的末端部分154、軸部分156以及位于其近端處的柄部部分158。軸部分156的軸直徑160小于或等于組164中存在的最小管道直徑162(在圖5中可見)。例如，在一些情況下軸直徑160在3至4毫米的范圍內。將末端直徑166選擇為等于或略大于組164中存在的最大管道直徑168。肩部170具有肩部直徑172，其大于中空螺栓173的螺栓管道直徑174 (均示于圖5中)。將從傳感器工具10的肩部170到遠端的長度176選擇為小于組164中的釘之間存在的最小鎖緊孔距離178(在圖4中示出)，使得孔38在鉆通過程中保持露出。
            
[0241]一起參見圖1和圖2，傳感器線180從嵌入傳感器工具10內的傳感器元件182延伸并通過連接器184 (在圖3中可見)連接至導航系統(未示出)。傳感器工具10可以由醫療級塑料(例如ABS或PEEK)注塑成型，并且可以由兩個或更多個部件組裝并粘合到一起以形成固體單元，其中傳感器元件182嵌入并保持在傳感器工具10內的固定位置，此時傳感器元件182的縱向軸線與末端部分154和軸部分156的共同縱向軸線近似共線。
            
[0242]合適的傳感器元件182的例子為得自Northern Digital Inc.(Waterloo, Ontario, Canada)的 Mini6D0F 傳感器(部件號 610029)。該傳感器為大約 1.8毫米直徑X9毫米長。在替代實施例中，傳感器10可以結合電池、放大器、模數轉換器以及通過無線方式向導航系統發送信號的無線發射器。這些組件中的一些或全部可以容納在柄部部分158中。
            
[0243]圖2和2a詳細地示出了傳感器工具10的末端部分154。如圖2a中最佳所見，柔性段186全部具有相同的橫截面和形狀，并且圍繞末端部分154和軸部分156的共同縱向軸線均勻間隔開。柔性段186被設計為在其材料的彈性范圍內彎曲，使得末端直徑166可壓縮到最小管道直徑162，而不會破裂或永久變形，使得如果需要，可以移除、清潔、重新消毒以及重新使用傳感器工具10。傳感器元件182嵌入傳感器工具10中的近末端部分154。由于當末端部分154位于直徑小于末端直徑166的圓柱形鏜孔中時，柔性段186均勻地徑向向內壓縮，因此當末端部分154插入釘時，傳感器元件182正好位于組164中的任何釘的管道中央。還示出了軸直徑160。
            
[0244]本領域的普通技術人員將認識到，可以選擇多種其他構造以提供末端部分154的自動定心特征，例如可將柔性段186替換為一系列柔性葉片，或者末端部分154可以是具有至少一個浮雕狹槽的圓柱體，所述浮雕狹槽使得圓柱體能夠被壓縮到較小的直徑。
            
[0245]結合圖3，根據本發明的實施例，選自組164(參見圖1a)的釘37與插入工具39和中空螺栓173 —起在分解圖中示出，所述插入工具和中空螺栓可以與組164中的所有釘一起使用，以便將釘插入并定位在患者的骨中。使用中空螺栓173將選擇的釘37附接到插入工具39，該中空螺栓螺紋旋入釘37中。插入工具39的舌端187接合釘37近端處的狹槽188，從而相對于插入工具39在所有6個自由度中將釘37固定，并且可將傳感器工具10插入通過中空螺栓173并進入釘37的管道內。還示出了連接器184。
            
[0246]結合圖4，示出了圖3的分解圖的組裝形式，其中傳感器工具10已安裝好并示出了釘37、插入工具39和中空螺栓173。最小鎖緊孔距離178從肩部170和中空螺栓173的接觸點(如圖5中所見)延伸至遠側鎖緊孔38的近側邊緣，其為將被鉆穿的最近側結構。
            
[0247]圖5為在穿過中空螺栓173的縱向中心線的平面上截取自圖4的局部剖面圖。當傳感器工具10完全插入釘37、插入工具39和中空螺栓173的組件時，肩部170接觸中空螺栓173的埋頭孔表面175。當肩部170的圓形邊緣與埋頭孔表面175的錐形表面之間保持完全接觸時，傳感器工具10沿釘37的軸線固定地平移。還示出了螺栓管道直徑174、軸部分156和傳感器線180。
            
[0248]軸部分156可以具備柔韌性，該柔韌性足以允許傳感器工具被插入IM釘或其他非直型組件。
            
[0249]圖6和6a示出了傳感器工具10至插入工具39的接合。圖6為貫通傳感器工具10的柄部部分158并且還貫通插入工具39的剖面圖，其截取自圖3的夾持件197區域，其中傳感器工具10接近但尚未接合插入工具39。圖6a為截取自圖4的剖面圖，其類似于圖6但傳感器工具10處于其安裝位置，與插入工具39接合。參見圖6，間隙198小于工具寬度191，使得朝遠側推動傳感器工具10就位時，柔性插片192被迫向外伸展以越過插入工具
            
39。當傳感器工具10的表面193接觸插入工具39的頂部表面194時，柔性插片192搭扣到如圖6a中所示的溝槽195中，從而在傳感器工具10到達其完全安裝位置時，產生可聽見的搭扣聲以及用戶可通過夾持件197感覺到的振動。
            
[0250]參見圖6a，柔性插片192被設計為與溝槽195的邊緣196具有過盈配合，使得在安裝位置中，偏離間隙199大于間隙198，并且柔性插片192向外彎曲處于材料的彈性范圍內的預定量，從而在傳感器工具10上抵靠插入工具39產生朝遠側定向的落座力，該落座力在頂部表面194處并且在肩部170與中空螺栓173的埋頭孔表面175 (在圖5中可見)的接觸點處起作用。柔性插片192抵靠邊緣196的過盈配合還產生定心力，從而防止傳感器工具10圍繞中空螺栓173的縱向軸線旋轉(參見圖5)。傳感器工具10因此相對于插入工具39在所有6個自由度中保持固定，繼而相對于釘37在所有6個自由度中固定。另外參見圖1a和圖2,由于傳感器兀件182固定在傳感器工具10內相對于肩部170的已知位置處,并且在具有處于直徑162至直徑168范圍內的直徑的釘管道內居中，因此傳感器元件182被保持為相對于釘37的已知固定位置和取向，并且通過參考釘37的配準測量值(在本說明書中的其他地方描述)和/或預定幾何形狀，可通過導航系統定位釘37的選擇的結構，例如遠側鎖緊孔38或孔189的組，其中在未指定管道直徑的情況下將傳感器元件182連接到該導航系統。
            
[0251]要移除傳感器工具10，用戶在夾持件197處朝向傳感器工具10的中平面擠壓傳感器工具10的柄部部分158，導致柔性插片192伸展開并露出邊緣196，從而允許用戶沿近側方向撤回傳感器工具10。
            
[0252]本領域的普通技術人員將認識到，有多種傳感器工具10構造可用于提供傳感器工具10接合以及指示在相對于釘37的獨特位置處的接合的特征。例如，可以使用多種連接方法將傳感器工具10附接到插入工具39、中空螺栓173或釘37中的一個或任意組合，例如通過夾緊、螺栓連接或摩擦配合。
            
[0253]圖6b至6e示出了使傳感器工具適于接合結構(例如中空螺栓178)的搭扣配合構造的另一個例子。此類構造可適用于多種插入工具。圖6b示出了具有傳感器線180和替代柄部部分676的傳感器工具10。傳感器工具10示出為安裝在插入工具39中，該插入工具組裝到具有中空螺栓673的釘37。圖6c為截取自圖6b的剖面圖，其示出了與螺栓673中的溝槽671接合的搭扣配合傳感器柄部。圖6d為截取自圖6b的剖面圖，其示出了接合在插入工具39的鏜孔670中的凸臺684。圖6e為示出中空螺栓673的近側部分的細部圖，其具有朝近側延伸的頂蓋部分，該頂蓋部分具有溝槽671和埋頭孔表面672。
            
[0254]在該示例性實施例中，傳感器工具10包括具有錐形表面682的柄部部分676。溝槽671具有圍繞螺栓中心線完全旋轉的恒定旋轉部分，從而形成邊緣674。埋頭孔表面672可以是完全旋轉的部分，但還可以是圍繞螺栓中心線的旋轉部分的均勻間隔開的段。柄部部分676還包括柔性插片678，其接合邊緣674并產生座合力，該座合力以與圖6和圖6a中所示柔性插片192和溝槽195類似的方式抵靠螺栓673的埋頭孔表面672保持錐形表面682，從而相對于螺栓673在所有自由度中(除圍繞螺栓673的中心線旋轉外)約束傳感器工具10。
            
[0255]插入工具中的多種結構可以通過傳感器工具的一部分接合而固定。傳感器工具10的旋轉位置可以通過提供適于接合插入工具中多種結構的任一種的傳感器工具的一部分來固定。在所示的示例性實施例中，插入柄部39具有平行于螺栓中心線的鏜孔670。圓柱形凸臺684與鏜孔670推入配合。凸臺684具有狹縫686，以允許推入配合，從而消除在預期的扭轉負載下傳感器工具10和釘37之間的旋轉游隙，這可應用于使用中的傳感器工具
            
10。柄部部分676還包括有角度的表面688，其接合不同類型的插入工具中的埋頭孔(未示出)。
            
[0256]要移除傳感器工具10，用戶朝向螺栓中心線擠壓夾持件680，以使插片678向外彎曲以露出溝槽671，然后朝近側將傳感器工具10拉出。
            
[0257]由于螺栓673中的接合結構為圍繞與釘中心線共軸的螺栓中心線的旋轉剖面，因此不論螺栓關于中心線的旋轉位置如何，傳感器工具10均可安裝到相同的位置。因此，可以將螺栓673緊固和重新緊固到不同的旋轉位置，而基本不會在重新安裝傳感器工具10時，影響傳感器工具10相對于釘37的安裝位置。作為另外一種選擇，錐形表面682可以為類似于圖5中示出的肩部170的肩部。作為另外一種選擇，錐形表面682和埋頭孔表面672可以為任何嚙合面或結構，其將柄部部分676的位置固定為不論螺栓673關于其中心線的旋轉位置如何，均沿螺栓673的中心線平移。
            
[0258]根據旨在與傳感器工具10—起使用的一組不同類型的插入工具的共同特征，可使用多種其他機械構造代替凸臺684或表面688，例如另外參見圖6和6a，在具有共同寬度191但不享有溝槽195或鏜孔670相對于中空螺栓的共同幾何形狀的一組工具中，類似于與工具39的外表面具有過盈配合的插片192的一組柔性插片可用于約束旋轉，并且與螺栓673和插片678的附接構造相結合，用于固定傳感器工具10相對于釘37的位置。
            
[0259]圖6f示出了傳感器工具與植入物的附接的例子，該例子使用手動擰緊的緊固件而非傳感器工具10與插入柄部、中空螺栓和髓內釘組件的搭扣配合附接。圖6g為傳感器工具、插入柄部和釘的剖面圖，其示出了帶螺紋的手動擰緊的緊固件附接構造。在某些實施例中,包括工具702的一組插入工具可以相對于中空螺栓173的中心線具有共用的螺紋孔690，以及表面704，當將手動擰緊的緊固件698擰緊時，傳感器工具10的柄部部分696的表面692可以與該表面嚙合。在該實施例中，傳感器工具10具有從嚙合面692到傳感器末端(未示出，參見圖1a)的固定長度694，以及沿傳感器工具10的釘37的中心線的平移位置，該平移位置由表面704和表面692確定。傳感器柄部部分696和緊固件698具有埋頭孔700。緊固件698通過螺紋與孔690嚙合。
            
[0260]在該實施例中，傳感器工具10具有至少在近側區域上的軸直徑706，其中當安裝了傳感器工具10時，傳感器軸位于螺栓173內部。傳感器工具10的軸部分156的直徑706與螺栓173的管道直徑174 (在圖5中可見)滑動配合。當擰緊緊固件698時，傳感器工具10可以圍繞孔690的中心線旋轉，旋轉程度僅為直徑706和174的差值，并且當緊固件698被擰緊時，軸部分156將抵靠中空螺栓173的內表面。因此，當緊固件698擰緊時，傳感器工具10相對于釘37以在所有6個自由度中均固定的方式固定在精確位置。緊固件698可以由例如類似于傳感器工具10的材料以及由傳感器工具10提供的可消毒塑性材料制成，或者可由金屬或另一種可重復使用的可消毒材料制成。本領域的普通技術人員將認識到，為了與多種插入柄部相容，柄部部分698可以在不同位置處具有一批孔，并且可以具有類似于表面692的多個不同的哨合面，以哨合選擇的插入柄部。
            
[0261]本發明的另一個方面提供了包括場發生器的工具，該場發生器被配置成在工具使用過程中相對于工具的軸線和沿該軸線的點保持固定，其中工具的一部分可以相對于所述軸線和/或所述點運動。例如，工具可以包括鉆，并且活動部分可以是圍繞所述軸線旋轉的鉆頭，此時鉆頭的末端位于所述軸線上的所述點處。又如，工具可以包括鋸，并且活動部分可以是在穿過所述點的平面內圍繞所述軸線旋轉的鋸片。又如，工具可以是擺鋸，并且活動部分可以是在穿過所述點的平面內往復旋轉通過小范圍旋轉的鋸片。該構造為有利的，因為尤其是當工具的活動部分由鐵磁性和/或導電的材料制成時，工具可以影響場發生器的性能并導致測量誤差。因此，將工具的位置、運動模式和運動范圍以及工具的任何活動部分限定為已知的和可預測的值可以允許使用多種測量校正和誤差補償來改善場發生器的性倉泛。
            
[0262]在一些實施例中，所述軸線可以偏離場發生器，這可能改善對位于軸線上的工具部分的接近，并改善用戶對工具和工作區域的觀察。例如，沿軸線定位并通過場發生器外部而非穿過場發生器的鉆頭可能更容易改變和更容易瞄準，因為用戶能夠沿鉆頭長度進行觀察。
            
[0263]場發生器可以直接安裝到工具或能夠直接安裝到工具。在其他實施例中，場發生器安裝到或可安裝到工具的附件，并且可從該附件拆卸。在其他實施例中，場發生器和/或附件單元可以能夠附接到多種工具。在其他實施例中，場發生器和/或附件單元可以能夠在關于所述軸線的不同旋轉位置處附接，而不會改變場發生器與所述軸線或所述軸線上的所述點的關系。例如，工具可以是鉆，并且場發生器可以安裝到包括鉆夾頭的單元，該鉆夾頭可以配合多種不同類型的鉆，并且可圍繞鉆頭軸線相對于鉆柄部以不同角度附接到鉆，從而允許用戶選擇場發生器的位置，該位置不會阻礙對工作區域的觀察或在工作區域內形成障礙。
            
[0264]在其他實施例中，場發生器可安裝到工具的附件并且可從該附件拆卸，其中該附件適于將場發生器保持在相對于軸線和軸線上的點的選擇的位置處。一些實施例還可以包括包封并隔離場發生器的外殼。例如在適于外科手術的實施例中，附件可以包括可高壓消毒的外殼，并且場發生器可以是不可高壓消毒的，并且在用于無菌區域時，非無菌的用戶將場發生器放入由無菌用戶握持的無菌附件中，然后無菌用戶關閉外殼，從而將場發生器固定就位并將其與無菌區域隔離。該構造具有降低成本和延長場發生器的使用壽命的優點。
            
[0265]包括上述場發生器的工具的每個結構單獨使用或結合所述其他結構的一些或全部使用均可能是有利的。在本發明范圍內的其他實施例可包括以上和示例性實施例中描述的有利結構的子集。
            
`[0266]圖7示出了安裝了鉆頭2的示例性導航單元I。該導航單元安裝到鉆3。還示出了傳感器工具10和具有鎖緊孔38的頂釘37。單元I包括電磁場發生器7。
            
[0267]已觀察到，當常用類型的鉆頭2 (部件號03.010.104，Synthes?(Monument, C080132))在典型的場發生器前方運動時,測量失真為:
            
[0268]?當鉆頭2在場發生器前方來回運動時，遠大于I毫米，
            
[0269]?當鉆頭2沿固定軸線在場發生器前方的區域出入時，大于I毫米，并且
            
[0270]?當鉆頭2圍繞固定軸線相對于場發生器旋轉時，小于I毫米。
            
[0271]有利地，在圖7所描述的本發明的實施例中，鉆頭2圍繞鉆軸線5旋轉，并且單元I通過外殼9將鉆頭2保持在相對于場發生器7的固定位置。點98與軸線5以及鉆頭2的末端重合，并且在單元I的使用過程中，連同軸5 —起相對于外殼9和場發生器7固定。該構造將導航系統上的電磁失真效應(由于鉆頭2存在于場發生器7的測量范圍中而產生)限定到可預測和可管理的水平，從而使得鉆頭2能夠由典型的鐵磁材料制成。在本發明的各種實施例中，鉆頭2可以替換為諸如擴孔鉆、銑刀、骨鉆、導絲等多種物品。
            
[0272]有利地，鉆3和包括場發生器7的單元I可以組裝成能夠用單手操作的單個單元。在這種集成單元中，還可能有利的是使場發生器7的尺寸和重量最小化，以及將場發生器7相對于鉆3定位，采用的方式使得將對鉆3的操作、患者和手術臺以及用戶對工作區域的觀察的妨礙降至最低程度。具體地講，可能有利的是用戶可清晰地觀察鉆頭2。因此在某些實施例中，單元I可以在關于鉆軸線5的多個旋轉位置處附接到鉆3，并且在使用期間可以在不同的旋轉位置處移除和重新附接，而無需重新校正。
            
[0273]集成了場發生器7和夾頭4的單元I的另一個優點可能是，鉆頭2的遠側末端位于相對于場發生器7的固定位置處，且傳感器工具10位于相對于待鉆區域的固定位置處，鉆頭2沿鉆軸線5穿過該區域行進的距離可通過導航系統直接追蹤，如下面的圖9中所述。通過識別入口或起始點，可向用戶報告沿鉆軸線的鉆孔過程。通過識別穿過骨的入口點和出口點，例如，可向用戶報告所鉆孔穿過骨的長度，并且該長度可用于幫助選擇恰當的螺釘長度以供安裝。
            
[0274]一般來講，通過限制和預測鐵磁性和導電的材料塊在場發生器7的范圍內，以及在較小程度上在場發生器7附近的引入、移除和運動，可將電磁測量失真限制到可控制水平。因此在另一個示例性實施例中，單元I適于附接到諸如擺鋸的工具，并且還適于保持切割工具，使得該切割工具在有限范圍內以預定模式運動，該模式處于相對于場發生器7的固定位置。例如，示例性實施例類似于圖7中示出的鉆，不同的是鉆頭2被替換為擺鋸片，鉆3被替換為擺鋸，并且夾頭4被替換為具有軸線的擺鋸片夾頭，鋸片圍繞該軸線在預定的角位移限度內振動，使得鋸片圍繞垂直于該軸線的平面內的軸線振動，所述平面和軸線均處于相對于場發生器7的固定位置。
            
[0275]現在詳細觀察圖7中描述的示例性實施例，單元I包括作為外殼9的集成組件的夾頭4、參考傳感器8 (在圖8中可見)和鉆套46，所有這些均安裝在相對于場發生器7的固定位置。軸線5由夾頭4和鉆套46限定，因此在使用期間也處于相對于場發生器7的固定位置。用戶界面單元6也安裝到單元1，并且可以調節至相對于單元I的不同位置，如本說明書下文更詳細地描述。本領域的普通技術人員將認識到，對于單元I上不包括用戶界面單元6的實施例，例如顯示屏幕可以作為另外一種選擇位于術野外部。
            
[0276]另外參見圖8，其中場發生器7發出電磁場，這導致參考傳感器8和傳感器工具10發出指示它們相對于場發生器7的位置的信號。場發生器7、傳感器8和傳感器10是導航系統(未示出)的一部分并連接至導航系統。參考傳感器8將相對于場發生器7的恒定預定位置返回到導航系統，并且如果該位置變化超出預定限值，則可以向用戶發送錯誤警告。實施例中示出的參考傳感器8嵌入連接場發生器7和鉆套46的結構，然而本領域的技術人員將認識到，參考傳感器8可以作為另外一種選擇整合進場發生器7 (如圖8a、圖Sb和圖Sc中所示)，例如剛性地安裝或鑄造進場發生器7的前表面，或者安裝到相對于場發生器7的固定位置并位于場發生器7的測量范圍內。為了增大可靠度和冗余，可以使用一組多個參考傳感器8。安裝時(參見圖1至6b)，傳感器工具10位于頂釘37中相對于鎖緊孔38的固定預定位置，但不阻塞孔38或突起到孔38中。所示出的釘37為具有直的縱向中心線40的直釘，然而釘37還可以在其長度的選擇的區域上彎曲。在所示實施例中，除非另有說明，否則釘37從鄰近最近側鎖緊孔38的點到釘37的遠端為直的，并且中心線40是指該直的部分的縱向中心線。
            
[0277]在典型使用中，釘37植入骨(未示出)內部。導航系統使用來自傳感器10的位置數據和預定位置生成指導信息，該信息在顯示器6上顯示給用戶，以幫助用戶將軸線5與鎖緊孔38對齊。包括場發生器7以及合適的傳感器8和10的合適的導航系統為由NorthernDigital Inc.(Waterloo, Ontario, Canada)制造的Aurora?系統。用于該應用的合適的場發生器模型是Compact Field Generator?,其具有足夠小的尺寸和足夠輕的重量，以便不妨礙鉆3的操作；還具有足夠的測量范圍，以便在附接了鉆頭2的鉆3的瞄準過程中涵蓋傳感器工具10。場發生器7具有集成的可擦除可重寫存儲器620 (在圖8中可見)，該存儲器可用于存儲諸如校正因子和序列號的信息。存儲器620可以是例如閃存型存儲器裝置。
            
[0278]鉆3可以是典型的電動或氣動外科鉆，其任選地包含鐵磁部件并且可以生成和發出磁場。在示例性實施例中，鉆3為Synthes小電池驅動器(Synthes Small BatteryDrive) (Synthes USA, West Chester, PA)),其具有由安裝在鉆柄部區域中的電池供電的電刷式直流電動馬達。鉆頭2可以由諸如硬化不銹鋼的鐵磁材料制成。夾頭4適于在軸線5周圍的若干旋轉位置處聯接到鉆3。夾頭4和鉆3之間的接口可以適于根據需要配合選擇的類型的鉆3，例如來自多個不同制造商的鉆、氣動鉆或其他類型的工具。安裝夾頭4，使得其旋轉軸線相對于場發生器7固定。例如，夾頭4可以安裝為使用合適的鉆套、軸承等旋轉。
            
[0279]雖然單元I示為與鉆3分離，但在其他實施例中，單元I的結構例如場發生器7和/或顯示器和/或夾頭4可以與諸如鉆3的工具直接集成。
            
[0280]對于除鉆和鉆頭之外的工具，例如克氏針驅動器、螺絲刀、銷插入器，或對于其他需要對齊工具(其具有可相對于場發生器7限定的軸線)的程序，可以替換或改裝夾頭4。夾頭4還可以包含硬化的不銹鋼或其他鐵磁材料或由它們制成。
            
[0281]另外參見圖8，場發生器7通過纜線73連接至導航系統控制臺(未示出，通常位于無菌術野的外部)。參考傳感器線79還接合纜線73并且還連接至導航系統。導航控制臺以無線方式與顯示屏幕6進行通信。還示出了覆蓋件24。本領域的普通技術人員將認識到，本發明的替代實施例中可以使用有線和無線通信的多種組合，例如場發生器7可以由也對鉆3進行供電的電源例如電池供電，并且場發生器7控制通信和參考傳感器8信號可以通過無線方式往返于導航系統控制臺來傳輸，從而排除了纜線73。在圖8所示的實施例中，場發生器7適于與單元I 一起經受消毒，且通過埋頭螺釘85剛性連接至外殼9。
            
[0282]圖7還示出了限定用于校正和導航的坐標系。可以使用各種構造的坐標系來關聯目標軸線(例如孔38到傳感器10的軸線)與鉆軸線5。下文針對所示實施例描述的所有坐標系在本發明的其他實施例中未必需要。所示構型為外側入路，并且箭頭44示出了內側入路的方向。場發生器坐標系130 (下標“w”代表“世界”)、鉆坐標系132 (下標“d”)、傳感器坐標系134 (下標“s”)以及鎖緊孔坐標系136 (下標“h”)均為具有正交的X、Y、Z軸的三維右手笛卡爾坐標系。場發生器坐標系130在場發生器制造時預先確定，在所有6個自由度中相對于場發生器7的結構固定，并且是這樣的坐標系，其中導航系統報告傳感器(例如傳感器8和傳感器10)在場發生器7的測量范圍內的位置(因此下標“w”代表“世界”，因為這是導航系統觀察世界的方式)。依據齊次變換來描述組件的相對位置，從場發生器7的場發生器坐標系130到與鉆軸線5對齊的鉆坐標系132限定恒定變換Twd。鉆坐標系132的坐標原點位于鉆軸線5上的選擇的點處，合適的點為鉆頭2的末端，這可以預編程到系統中，且通過用戶輸入鉆頭長度、或通過如空間跟蹤文獻中所述的典型樞轉校正方法(也可以作為軟件程序從導航系統制造商例如Northern Digital Inc.(Waterloo Ontario Canada)處獲得)來確定。將鉆坐標系132的Zd軸限定為與鉆軸線5共線，并且具有從鉆用戶朝遠側延伸的正Zd方向。將鉆坐標系132的Xd軸限定為垂直于鉆坐標系132的Zd軸，并且位于穿過鉆軸線5和場發生器坐標系130的坐標原點的平面內，且鉆坐標系132的正Xd方向延伸遠離場發生器7。然后通過Xd與Zd軸的向量叉積限定鉆坐標系132的Yd軸，從而形成右手三維笛卡爾坐標系。傳感器坐標系134在傳感器制造時預先確定，并且在所有6個自由度中相對于傳感器10的結構固定，當傳感器10安裝在釘37中時，傳感器坐標系134的Zs軸與釘37的縱向中心線40近似共線。手術過程中，導航系統以20至40次每秒的速率報告從場發生器坐標系130到傳感器坐標系134的變換Tws。鎖緊孔坐標系136可以通過傳感器工具10、釘37和插入工具39的預定尺寸限定。作為另外一種選擇，鎖緊孔坐標系136可以通過將鉆軸線5與孔38的中心線對齊(例如通過使用如下面的圖22中顯示的配準工具)并進行以下直接測量來限定:
            
[0283]?鎖緊孔坐標系136的Zh軸位于垂直于鉆軸線5的線上，并穿過傳感器坐標系134的坐標原點，正Zh方向朝向釘37的遠端
            
[0284].鎖緊孔坐標系136的坐標原點位于Zh軸和鉆軸線5的交點處。
            
[0285].鎖緊孔坐標系136的Xh軸與鉆軸線5共線，且正Xh方向指向遠離鉆的方向。
            
[0286].鎖緊孔坐標系136的Yh軸為Zh軸和鉆軸線5的向量叉積。
            
[0287]還示出了參考傳感器坐標系137，其位于相對于場發生器坐標系130的固定位置處。參考傳感器坐標系137可以設置在導航系統的測量體積內的任何固定位置和取向處。將距離141定義為沿場發生器坐標系130的Zw軸從場發生器坐標系130的坐標原點到傳感器坐標系137的YsZs平面的距離。導航單元I相對于柄部39的組件(圖3中可見)、釘37和傳感器10的入路方向可按如下方式判定為外側入路或內側入路:
            
[0288].如果Zw和Xs的向量點積為負數,則為外側入路,并且
            
[0289]?如果Zw和Xs的向量點積為正數，則為內側入路。
            
`[0290]結合圖7a，根據本發明的實施例，示出了從鉆用戶的視角沿鉆軸線5觀察的視圖，并且描述了限定示例性實施例的關鍵傳感器位置的一組參數。有利的是，限定對瞄準具體應用和實施例的目標而言至關重要的傳感器位置和取向的子集，以便簡化本說明書中其他地方所述的多種校正和誤差補償方法。在本發明的其他實施例中，不同的參數集可能是重要的，并且可以具有不同的定義。為清楚起見，釘37、鉆3、導航單元I和傳感器10的近側部分(圖7中可見)未在圖7a中示出，僅示出了場發生器7的外周長。場發生器7的外周長位于距鉆軸線5距離14處，以允許進入遠側部分夾頭4，從而便于安裝和移除鉆頭或其他安裝到鉆的工具(參見圖8)，以及為用戶提供鉆頭的清晰視野。例如，距離14可以是25毫米。旋轉的場發生器位置138為所示的場發生器7圍繞鉆軸線5旋轉到航向139的虛線輪廓。當場發生器坐標系130的Yw軸與傳感器坐標系134的Zs軸在場發生器坐標系130的XwYw平面內的投影平行并且方向相反時，航向139定義為O ;所示的場發生器7的實線輪廓為航向139等于O處的位置。當場發生器圍繞鉆軸線5沿箭頭140的方向旋轉時，將航向139定義為正向。航向139以大于或等于O度并且小于360度的角度表示。
            
[0291]當保持鉆軸線5與孔38的中心線同軸(例如通過使用如下面的圖22中所示的配準工具)并且場發生器7圍繞鉆軸線5旋轉通過從O至360度的各種航向139時，傳感器坐標系134的坐標原點描繪出具有半徑144的標稱圓142，并且在示例性實施例中，由于鉆軸線5標稱地平行于場發生器坐標系130的Zw軸，因此標稱圓142位于垂直于場發生器坐標系130的Zw軸的平面內。半徑144對于釘37和傳感器工具10的具體組合而言是恒定的。
            
[0292]示出的示例性實施例被設計為與預定范圍的不同釘一起使用，所述釘具有已知長度和沿該長度的鎖緊孔位置，提供的傳感器工具具有多種長度并且與每種類型的釘一起使用時推薦一種或兩種特定長度，由于長度176與最小距離178的關系(示于圖1a和圖4中)，傳感器坐標系134的坐標原點總是鄰近孔38，因此半徑144具有預定范圍。相似地，另外參見圖7，存在已知范圍的距離141，該距離為鉆頭2長度和預期將遇到的骨直徑范圍的函數。因此，當鉆軸線5與鎖緊孔38對齊并且位于開始鉆孔的位置，并且場發生器7處于任何航向139時，重要的是使測量精度最大化并且存在傳感器10相對于場發生器7的可能位置的子集，該子集由三個參數限定:半徑144、航向139和距離141。
            
[0293]圖8為由圖7沿鉆軸線5截取的剖面圖，為清楚起見，刪除了鉆3和用戶界面單元6。在示例性實施例中，有利的是將夾頭組件4永久地固定到外殼9，此類固定方式使得用戶放棄嘗試重新設置或移除并重新安裝夾頭組件4，這種嘗試可能改變夾頭組件4相對于場發生器7的位置或取向，這可能需要重新校準鉆坐標系132(在圖7中示出)，并且還可能影響本說明書的后續部分中所述的多種誤差補償方法。外殼9具有內部鏜孔43。夾頭組件4在相對于外殼9的選擇的旋轉位置處永久地固定在鏜孔43內，該固定具有足夠的強度以抵抗重量和慣性負載，該慣性負載在用戶移動鉆3或通過抓握單元I的一部分(例如場發生器7)而拾起并保持住單元I和鉆3時產生。在示例性實施例中,夾頭組件4通過抵靠夾頭組件4中的凹坑12推進彈簧銷22而固定到外殼9。本領域的普通技術人員將認識到，可以使用多種附接方法，所述方法將足以把單元I保持在夾頭組件4上的適當位置，例如可以使用合適的粘合劑、過盈配合等將夾頭組件4結合到內部鏜孔43中。
            
[0294]單元I的有利特征在于場發生器7位于偏離鉆軸線5的位置處，這使得夾頭4周圍能夠存在足夠的空間以便用戶操作夾頭4以及安裝和移除鉆頭，并且還為用戶提供了鉆頭2和目標區域的更好視野。將距離14選擇成使得通常情況下用戶的食指能夠抓住襯圈部36并沿近側方向將其往回拉，從而取下鉆頭。單元I的臂部分30將單元I的場發生器安裝部分32連接至單元I的外殼9，并且其厚度67和寬度(未示出)被選擇成使得臂部分能夠貼合在用戶的食指和中指之間，因此用戶能夠在更換鉆頭時保持住鉆。就臂部分30而言，合適的厚度67為10毫米，且寬度(未示出)為20毫米。外殼9還包括覆蓋件24和鉆套46，這兩者均通過外殼9和場發生器安裝部分32剛性地附接到夾頭4。包括臂部分30、場發生器安裝部分32、鉆套46和覆蓋件24的外殼9的材料優選地為有色金屬并具有低導電性，以便最大程度減小對電磁導航系統的影響；且為輕質的，以便不妨礙用戶對鉆3的操作，但具有足夠的剛度以將在使用過程中在標準的慣性負載和操作負載下場發生器7相對于鉆軸線5的位置保持在I毫米和I度之內。對于示例性實施例，材料優選地經得起高壓消毒或其他高溫消毒過程而不會變形。合適的材料的一些例子為鈦、PEEK或Ultem?。可以使用多種其他合適的材料。還示出了存儲器裝置620，其為場發生器7的一部分并且通過纜線73連接至導航系統。
            
[0295]圖8a示出了本發明的替代實施例，其中導航單元I具有替代結構，該結構保持從鉆軸線5下方到鉆夾頭4的開放通路，從而允許用鉆軸線下方的附件(例如克氏針驅動器)使用鉆夾頭。在該替代實施例中，兩個剛性臂部分81和82將外殼部分80連接至場發生器安裝部分83。
            
[0296]圖Sb、圖Sc和圖8d示出了本發明的另一個實施例，其中場發生器可以移除并置換到導航單元內相對于鉆軸線5和末端點98的相同位置，然后封裝并隔離在導航單元I內。該構造使得在對單元I進行清潔和消毒前，場發生器和參考傳感器單元640能夠與導航單元I分離。然后可以使用不同的方法對單元640進行清潔(但不必進行消毒)，所述方法可以與場發生器、傳感器和單元640中的相關電子組件更相容。然后可以將單元640重新安裝到無菌環境中，此時單元640與單元I的任何表面之間不存在接觸，所述單元I在單元640的安裝完成后將暴露出來。將對單元640的封裝和隔離設計為避免用戶直接接觸，并且當單元640安裝在外殼9中時防止流體與單元640直接連通。所示實施例還可以適于非外科手術應用，其中有利的是在單元I的使用過程中，保護單元640不受環境(例如流體和灰塵)的影響。
            
[0297]圖8b為示出了在外殼9之外的單元640的分解圖。在該示例性實施例中，示出的場發生器7適于通過底座622安裝在外殼9中，并且通過埋頭螺釘624剛性地固定到底座622上。傳感器接口電路板626、加速度計62、對接連接器插口 628和參考傳感器8全部安裝至底座622以形成一個剛性的場發生器單元640。參考傳感器8 (在圖8d中可見)例如通過粘結而在如圖所示的場發生器7正面前方的距離642處且在場發生器7的測量范圍內剛性地安裝至底座622。
            
[0298]圖8b為往外殼9里看的移除了單元640的視圖。在該示例性實施例中，外殼9適于容納場發生器7，并且包括對接連接器插頭630、密封件632、門634、彈性緩沖器636以及閂鎖638。纜線73安裝到外殼9、連線至插頭630并且連接到導航系統控制臺600 (在圖1中可見)。
            
[0299]在所示的示例性實施例中，使用最小約束設計將單元640定位在外殼9中的精確位置處。在安裝時，底座622在如下六個點處與外殼9接觸:三個凸狀接觸表面648各自使得一個點與平表面650接觸，凸狀接觸表面652使得兩個點與V形溝槽654接觸，并且凸狀接觸表面656使得一個點與平表面658接觸。當落座力644在全部六個接觸點處沿形成反作用力的方向從外殼9朝著單兀640施加時,單兀240相對于外殼9在全部6個自由度上均固定。將落座力644導向為大致穿過該組接觸點的中部以便在每個點處產生大約相等的反作用力。將落座力644設計為當使用單元I時足以保持接觸所有的六個點，例如，力644必須足以抵抗當用戶來回移動單元I時在單元640上形成的慣性載荷。當門634關閉且閂鎖638接合時，彈性緩沖器636產生落座力644，該彈性緩沖器抵靠著單元240的接觸表面646壓縮選擇的量。
            
[0300]參考傳感器8連線至電路板626。電路板626將來自參考傳感器8的信號轉換成數字信號，然后該數字信號經由插口 628、插頭630以及纜線660發射至導航系統控制臺。當來自參考傳感器8的傳感器讀數沿著導體中的纜線660的長度作為數字信號而非初始的傳感器信號傳輸時，所述讀數可能更可靠，所述導體與用于包含在纜線660內的場發生器7的電源導體并排運行。然而，在一些實施例中，來自參考傳感器8的配線可連接至對接連接器628并且經由插口 630和纜線660中的屏蔽導體繼續連接至控制臺600，從而消除了對單元640中的電路板626的需要。加速度計62和場發生器7連線至對接連接器插口 628并且繼而經由插頭630和纜線660與導航系統通信。場發生器纜線73 (在圖Sb中可見)連線至插口 628。還示出了作為場發生器7的一部分的存儲器裝置620，其經由纜線73與導航系統通信。
            
[0301]合適的場發生器7的例子為Aurora的Compact Field Generator?,并且合適的傳感器接口電路板626的例子為部件號7000420，這兩者均購自Northern Digital Inc.(Waterloo, Ontario, Canada)。合適的距離642的例子為五毫米。底座622、螺釘624、門634以及閂鎖638可以全部由輕質、剛性、非鐵磁性和低導電性的材料制成，例如PEEK或鈦。密封件632和彈性緩沖器636可由耐高溫的彈性體例如有機硅制成。又如，彈性緩沖器636可以是彈簧。可以將包含剩余組件的單元640選擇并設計為使所包含的鐵磁性和導電的材料的質量最小化。
            
[0302]在一些實施例中，多個參考傳感器可在場發生器7前方的多個位置處、以及在大約等于或大于距離642的多個距離處使用。在一些實施例中，加速度計62可與電路板626集成。本領域的普通技術人員將認識到，可在安裝單元640后使用多種替代性機械機構將單元640包封并密封在外殼9內并施加落座力644，并且還認識到可使用多種替代性機械機構將單元640保持在外殼9內的精確位置處。例如，可以使用螺紋夾具、偏心夾具或凸輪機構。又如，單元644可作為另外一種選擇在安裝到外殼9之前隔離在可密封的無菌隔離袋中，在這種情況下，插口 628的接觸銷在安裝時刺穿隔離袋。在一些實施例中，例如在不需要于無菌場所中操作的情況下或當如上所述使用隔離袋時，可能不需要密封件632和/或門634，并且可使用多種替代性固定構造來將單元640保持在適當位置。本領域的普通技術人員將會認識到，單元640被示出為結合了現有的且可用的場發生器的示例性構造，并且認識到單元640的組件的全部或一些可以集成到定制的場發生器的結構中以形成單個單
            
J Li ο
            
[0303]圖9為沿鉆孔路徑的鉆行進與時間的關系的樣品跡線57。還參見圖7，具有鉆軸線5和在相對于場發生器7的固定位置中的軸線5上的工具末端點98的單元I的特征為可記錄和分析末端點98相對于傳感器10 (從而相對于位于相對傳感器10的已知位置處的任何結構)的移動。在各種實施例中，數據可被處理并且可有利地用于通知用戶工具行進和工具性能，以便優化與工具行進相關的參數(例如，切割速度和給進速率)、警告用戶可能不安全的或有破壞性的條件(例如，工具的快速鉆通)，并且啟動或建議正確的動作(例如停止工具馬達)。
            
[0304]在一些實施例中，此數據可結合其他記錄參數一起使用，例如工具的狀態(例如，工具馬達是開啟還是關閉)、工具功耗、工具扭矩、振動、工具馬達速度、工具操作模式(例如，前進、倒退或振動鉆機旋轉)等，這些參數中的一些可使用參考傳感器8和傳感器10進行檢測，并且它們中的一些可能另外需要從工具到導航系統的數據監測鏈接。可使用導航系統通過處理來自傳感器10的數據來確定工具的某些狀態。在包括參考傳感器(諸如參考傳感器8)的實施例中，可使用導航系統通過處理來自如在圖28中更詳細描述的參考傳感器的數據(要么結合要么取代來自傳感器10的數據)來確定工具的某些狀態。
            
[0305]除了能夠監測所鉆孔的長度之外(如下文所述)，對距離與時間的關系的認知還可以結合其他感測到的信息使用，以便優化鉆孔方法。例如，如果期望以期望的速率前進(例如，避免由于過度加熱而引起的骨壞死)，則可通過采用多種已知的濾波器設計中的任意一種以估算位置信號的導數(例如，簡單的有限差分微分器、結合了低通濾波器的微分器，或狀態判定器設計)而估算當前的切割速率。然后可將當前的估算切割速率與期望的切割速率和提供給用戶的信號(例如，在屏幕上的具有箭頭和數字的視覺指示器、使用音高或響度變化的聽覺指示器，或使用振動和壓力以指示差異程度的觸覺指示器)相比較。相似地，因為可通過突然增大在鉆孔方向上的工具速度而檢測鉆通，所以可以使用此事件，在一些實施例中，此事件可包括控制到工具的通信鏈路，以減小或切斷對鉆的供電以便避免對基礎結構造成無意損壞或生成一些其他指示(例如，視覺、聽覺或觸覺指示)以提醒用戶注意到該事件。例如具體地講，在如本說明中其他地方所述的其中導航單元I從鉆電池獲得供電的實施例中，到鉆的控制連接可包括在其中。
            
[0306]在示例性實施例中，記錄的數據為時間與單元I相對于傳感器10沿鉆軸線5行進的距離的關系，同時在鉆具有電動馬達并且可使用來自如圖28中所述的參考傳感器8的數據確定鉆馬達的狀態的情況下，鉆軸線5和孔38的同軸度在預定限度內并且鉆馬達開啟。這些條件表明用戶可能沿著目標鉆孔路徑鉆孔。使用時間與距離數據的關系來估算所鉆孔穿過骨的長度，以便可以快速地確定正確的鎖緊螺釘長度。
            
[0307]這種數據的例子以時間與距離的關系跡線57示出。當穿過股骨或其他長骨鉆孔時，例如，已觀察到可能存在可通過分析鉆末端相對于傳感器的位置和時間數據而識別的跡線57中的多個特征點和區域，包括指示在鉆孔開始時鉆末端從何處進入骨的入口點59以及鉆末端從何處退出骨的出口點61，在這兩個點之間是能夠報告給用戶的經估算的鉆孔63深度。當鉆在所述點之前或之后切穿骨密質時，所述點均具有沿鉆孔路徑緩慢推進一段時間的特點，然后當鉆頭退出皮質時推進速度突然增大，并因此可通過搜索落入預定運動參數范圍內的區域的跡線57而被自動地檢測到。
            
[0308]更為詳細地仔細查看跡線57，在初始瞄準的預鉆孔階段期間(在主動鉆孔開始之前)，可能存在定位相位，在此情況下鉆末端可前進和后退，以及可以在安定好之前被調節成與骨表面平行。當該運動使鉆末端安定為靜止狀態并靠近軸線，且鉆角度可能變化、鉆馬達可能關閉時，跡線57在區域336處是平坦的。沿目標軸線相對穩定前進的區域337，與接近于對齊(且任選地檢測馬達開啟狀態)的鉆角度相結合，指示穿過近皮層的鉆孔速率。在如速度在區域338處突然增大所指示的鉆通近皮層之后，存在有在區域339處以更高速度前進穿過松質骨和釘孔的區域。在穿過骨密質的鉆給進速率的區域340處前進再次減緩。最后，速率在區域341處將很可能再次突然增加，在此以后，用戶應當在平坦區域342處停止推進鉆。在期望的鉆給進速率范圍內的斜率穩定區域337的起點指示入口點59，并且相似地，區域340的盡頭指示出口點61。入口點59可以如圖所示在從區域336少量行進之后被識別出來。本領域的普通技術人員將會認識到，不同的應用將產生不同的特征跡線57，并且可能需要通過對多種材料、工具、切割工具類型等進行實驗而測定各種閾值、范圍和估算因數，以便檢測或估算跡線57的期望區域和點。
            
[0309]圖9a示出了鉆行進檢測和鉆孔深度估算方法的流程圖。在步驟592中，通過識別鉆尖靠近目標軸線但不沿其前進而檢測定位相位。在步驟593中，通過啟動沿著目標軸線在對齊容差區內的前進(任選地與啟用狀態的鉆馬達聯接)而檢測鉆孔相位。在步驟594中，監測沿軸線前進的速率并將其與選擇的閾值相比較，然后在步驟595中報告給用戶。在步驟596中檢測速率超過選擇的閾值的快速增加，并且可在步驟597中施用相關警告和行動。
            
[0310]本發明的另一個方面提供了包括用戶界面單元的工具。例如，該工具可包括鉆，并且該界面單元可包括觸摸屏顯示器。該用戶界面單元可以安裝到該工具，或可以直接安裝到該工具，并且還可以從該工具拆卸。在其他實施例中，用戶界面單元被安裝或可安裝到工具的附件上，并且還能夠從該附件拆卸。在其他實施例中，用戶界面單元可相對于工具進行調節，使得當工具取向改變時，用戶可將界面單元移動至合適的位置。例如，用戶界面單元可以是經由回轉接頭附接至鉆的視覺顯示屏幕。又如，用戶界面單元可以是經由回轉接頭附接至鉆夾頭的視覺顯示屏幕，該鉆夾頭繼而附接至鉆。
            
[0311]在其他實施例中，用戶界面單元可檢測重力方向并且可將顯示在單元上的圖像的取向調整為與重力具有預定的關系。在其他實施例中，用戶界面單元可檢測單元與由導航系統限定的基準方向相對的取向并且可將顯示在單元上的圖像的取向調整為與基準方向具有預定的關系。例如，用戶界面單元可包括視覺顯示屏幕和加速度計，所述加速度計在一些實施例中可以與附接到場發生器或導航系統傳感器的第二加速度計通信。
            
[0312]包括上述用戶界面和顯示器的工具的每個結構單獨使用或結合所述其他結構的一些或全部使用均可能是有利的。在本發明范圍內的其他實施例可包括上述的和在下文的示例性實施例中將更詳細描述的有利結構的子集。
            
[0313]圖10顯示包括示出為安裝到鉆3的用戶界面單元6的導航單元I。用戶界面單元6的特征是當單元I附接到鉆3時，與單元I集成并繼而與鉆3集成，使得在使用期間鉆用戶能夠輕易獲得顯示器和用戶界面功能并且用戶的注意力可在使用期間保持朝向單元I和/或鉆3的工作區域。在各種實施例中，可通過機械機構(例如，使單元6成為單元I的整體部分)或通過托架、緊固件、搭扣配合機構或摩擦配合而提供該集成。在示例性實施例中，所示的單元6經由旋轉環13、螺柱49和在圖13和圖14中詳細示出的附隨元件而安裝到單元I。
            
[0314]用戶界面單元6的另一個特征在于其可以根據用戶需求在使用期間手動地且不使用單獨的工具而進行附接和拆卸。在各種實施例中，單元6可通過各種機械機構，例如用手操作的緊固件、搭扣配合機構、螺紋接頭、棘爪機構、直角回轉式快速釋放接頭或緊固件等而能夠拆卸地與單元I集成。在示例性實施例中，所示的單元6經由螺柱49、扣鉤69和在圖14中詳細示出的附隨元件而可移除地附接到單元I。
            
[0315]如與導航單元I集成的用戶界面單元6的另一個特征是用戶界面單元6能夠調節至相對于單元I剩余部分繼而相對于鉆3的多個位置和取向，使得當單元I和/或鉆3移動至不同位置和取向時，用戶可以選擇用戶界面單元6的合適的觀察和進入位置。在各種實施例中，可通過使用各種機械機構(例如可調節臂或支架、連桿構造、滑動配合機構、回轉接頭、球形接頭等)使得單元6的集成變為可調節的。在示例性實施例中，所示的單元6經由兩個單獨的回轉接頭而可相對于單元I進行調節，所述回轉接頭包括旋轉環13、螺柱49和如在圖13和圖14中詳細示出的附隨元件。
            
[0316]用戶界面單元6的另一個特征在于其在正常使用期間保持在其當前位置直到被后續調節至新位置為止，所述后續調節不需要用戶解鎖、鎖定、移除、替換、張緊、放松、使用另外的工具或采取除了將用戶界面單元6移動至期望位置之外的任何其他動作。在各種實施例中，該特征可通過具有摩擦接頭和/或彈簧、棘爪機構等的連桿構造而提供。在示例性實施例中，所示的單元6經由棘爪機構保持在相對于單元I的選擇的位置,該棘爪機構包括球柱塞71和27以及在圖14、圖15和圖16中詳細示出的附隨元件。
            
[0317]用戶界面單元6的另一個特征在于其可以具有可相對于單元I進行調節的預定范圍，這種可調節的預定范圍防止用戶將單元6移動至多個不利位置，例如單元6可能妨礙場發生器7或鉆3的功能和性能的位置。在各種實施例中，該特征可由多種機械止動或連桿構造提供。在示例性實施例中，所示的單元6圍繞一條調節軸線的旋轉由在圖15和圖16中詳細示出的凸臺31和溝槽33限定。
            
[0318]對于其中單元6包括視覺顯示器且單元6與可在多個相對于目標的位置中使用的工具集成的實施例而言，有利的是實時測定重力的方向以使得單元6顯示的圖像可以不論工具如何取向均以選擇的方式相對于重力而取向。可通過將加速度計整合到單元6內而提供取向數據。
            
[0319]對于其中場發生器的取向可能在使用期間(例如，當場發生器與可在多個位置中使用的工具集成時)發生改變的實施例而言，有利的是確定單元6相對于場發生器的取向，使得單元6所顯示的圖像可以以選擇的方式相對于場發生器或繼而相對于任何傳感器(其有相對于場發生器的已知位置)而取向。可通過生成指示用戶界面單元相對于場發生器的取向的信號的傳感器提供相關的取向數據，所述傳感器例如接近傳感器、電觸頭、光編碼器等。作為另外一種選擇，可通過在兩個單元6中且在相對于場發生器7的固定位置處整合加速度計(所述加速度計均產生指示重力方向的信號)并且比較兩個重力方向以確定相對取向而提供相關的取向數據。
            
[0320]現在更詳細地參見示例性實施例，導航單元I具有軸線5。用戶界面單元6包括位于外殼中的電子觸摸屏顯示器，并且可另外包括用戶界面裝置，例如可透過隔離袋或手術單操作的按鈕、開關、觸控板等。導航單元I包括外殼9、其上安裝有用戶界面單元6的旋轉環13以及保持器15。在所示的實施例中，場發生器7包括在外科導航單元I中。本領域的普通技術人員將會認識到不包括場發生器7或其他導航系統組件的其他可行的實施例，其中顯示在用戶界面單元6上的瞄準信息通過不需要場發生器的方法(例如光學跟蹤)獲得。用戶界面單元6示出為被調節至適于慣用右手用戶使用豎直的鉆3指向前方且遠離用戶的身體鉆孔的位置。
            
[0321]結合圖10a，用戶界面單元6示出為從圖10中所示的位置圍繞鉆軸線5沿著方向19被調節大約180度，并且圍繞軸線18在方向17上傾斜，從而獲得顯示器6針對慣用左手用戶在使用豎直的鉆3指向前方且遠離用戶的身體鉆孔時的可視位置。
            
[0322]結合圖11，根據本發明的實施例，將導航單元I安裝到鉆3，此時屏幕表面的位置適于用轉至水平位置并從用戶的身體指向前方的鉆3鉆孔。從圖1Oa中所示的位置開始，用戶界面單元6已圍繞軸線5沿方向19逆時針旋轉了大約90度，并且可以圍繞軸線18沿方向17被調節至合適的觀察角度。
            
[0323]結合圖1 la，如果用戶需要將鉆3保持為與圖11中所示取向相對的水平取向，則用戶界面單元6可圍繞軸線18沿方向17旋轉至合適的觀察角度。
            
[0324]參見圖10、10a、ll和11a，用戶界面單元6的位置可相對于鉆3進行調節使得用戶能夠維持沿鉆軸線5到在多個鉆孔位置中所鉆孔的區域的視線無阻擋狀態。
            
[0325]結合圖12，根據本發明的實施例，將用戶界面單元6安裝到鉆3并調節至適于用轉至水平位置并指向用戶左方的鉆3鉆孔的位置。從圖1la所示的位置開始，用戶界面單元6已沿方向17旋轉了大約90度，并已沿方向19旋轉了 45度。還參見圖12a，當鉆3以水平位置使用并指向用戶右方時，可進行相對的調節以獲得合適的顯示器6的位置和角度。
            
[0326]參見圖10至12a，本領域的技術人員將認識到可根據在特定應用中期望的鉆孔位置和期望的單元6的容許位置的范圍而選擇用戶界面單元6相對于導航單元I的多個自由度以及可調節度范圍。例如，在某些實施例中，在方向17或方向19上的可調節度可能是不需要的。又如，由于操作鉆3需要間隙而限制單元6定位在直接介于場發生器7和鉆3之間的區域中和/或限制單元6的測量失真的影響可能是有利的。又如，限制單元6轉動至顯示屏幕朝遠側面向鉆頭2末端的位置可能是有利的。某些其他實施例可能需要額外的自由度。
            
[0327]結合圖13，根據本發明的實施例，導航單元I的分解圖示出了允許在單元6和夾頭4之間具有兩個自由度的結構的一個例子，其中一個是圍繞鉆軸線5旋轉的自由度，而另一個是圍繞垂直于軸線5并與之相交的單元6的軸線旋轉的自由度。外殼9具有外部圓柱形表面21。外殼9固定到鉆夾頭4(參見圖8)，該鉆夾頭繼而安裝到鉆3上。旋轉環13在圓柱形表面21上方滑動。保持器15具有銷23 (未示出，參見圖14)，所述銷徑向向內延伸并且在圓柱形表面21上方滑動，使得銷23接合位于外殼9中的狹槽25，并且當完全接合時，保持器15固定至外殼9的某個位置,從而抵靠外殼9的表面29推擠旋轉環13的球柱塞27(未示出，參見圖14)。然后旋轉環13可圍繞圓柱形表面21和軸線5旋轉。該構造允許在無需工具的情況下快速且容易地拆卸保持器15和旋轉環13以便清潔和消毒。為清楚起見，未示出鉆3、場發生器7和蓋24 (在圖8中可見)。旋轉環13還包括螺柱49和襯圈50，用戶界面單元6如下文所述能夠拆卸地附接到該襯圈。
            
[0328]結合圖14、圖15和圖16，根據本發明的實施例，穿過鉆軸線5的部分被示為具有組裝好的導航單元I和位于適當位置的用戶界面單元6。夾頭4固定在外殼9內，如圖8中所述。外殼9還具有安裝成與表面29齊平的三個接近傳感器47 (在圖16中可見)和從接近傳感器47通向導航系統控制臺的配線48。旋轉環13包括三個球柱塞27 (示出了一個，全部三個在圖15中可見)和三個永磁體28 (在圖15中可見)。保持器15具有銷23，所述銷接合位于外殼9中的狹槽以將保持器15鎖定在相對于外殼9的適當位置，使得當用戶圍繞軸線5將旋轉環13旋轉時，安裝在旋轉環13中的球柱塞27沿表面29滾動。表面29具有以一定距離間隔開的徑向溝槽45，使得球柱塞27以環13旋轉的選擇的時間間隔接合溝槽45。還示出了在用戶界面單元6和旋轉環13的螺柱49之間的可釋放接頭。用戶界面單兀6包括外殼34、電子觸摸屏65、扣鉤69 (該扣鉤位于銷35上且在外殼34中樞轉,并且被彈簧沿逆時針方向偏置)以及接合凹坑41的球柱塞71，該凹坑是圍繞螺柱49的外部圓柱形表面以三十度間隔周向間隔開的一組十二個凹坑中的一個。為了將用戶界面單元6安裝到安裝單元2上，用戶將用戶界面單元6滑動到螺柱49上直到扣鉤37接合螺柱49的肩部42并伴隨有聽得見的“咔嗒”聲。當用戶界面單元6圍繞螺柱49旋轉時，球柱塞39接合凹坑41并伴隨聽得見的“咔嗒”聲而停下來。用戶界面單元6保持在該位置，直到用戶將其旋轉30度并且球柱塞39接合下一個凹坑41為止。襯圈50在螺柱49上間隙配合，并且襯圈50中的周向溝槽52通過間隙配合與螺柱49中的球柱塞56接合,使得襯圈50自由地圍繞螺柱49旋轉，但是將不會從螺柱49滑脫(除非用戶將其推離以便清潔和消毒)。襯圈50使得用戶界面單元6能夠在安裝到螺柱49上之前封裝在無菌的塑料消毒蓋布58中，從而允許用戶界面單元6在無菌場所使用而不必進行消毒。消毒蓋布58由薄的透明塑性材料制成，當用戶使用戶界面單元6在螺柱49上滑動時，該消毒蓋布被刺穿，并且當用戶界面單元6位于如圖所示的位置時，在消毒蓋布58中得到的刺穿孔的邊緣被壓縮在外殼34和襯圈50之間，從而防止用戶與用戶界面單元6的任何表面發生直接接觸。當用戶界面單元6在螺柱49上旋轉時，襯圈50自由地與外殼34 —起旋轉，從而防止消毒蓋布58纏繞或撕裂。電子觸摸屏65為觸摸屏單元，該觸摸屏單元包括電池電源、計算機和用于接收并傳輸信息至導航系統的無線通信裝置20。合適的電子顯示屏幕為得自CompulabTM(Haifa，IL)的EMX-270嵌入式移動裝置單元。無線通信裝置20不需要在用戶界面單元6和導航系統控制臺之間具備有線連接(或者，還參見圖7，經由纜線73連接到場發生器7，然后繼續連接到導航系統)，由于在用戶界面單元1、場發生器7和位于無菌外科手術場所之外的導航系統控制臺之間需具有自由度，因而這是重要的。
            
[0329]參見圖15，其示出了截取自圖14并且朝近側觀看扣環13而得到的穿過夾頭4和外殼9的部分。旋轉環13具有三個球柱塞27和三個以45度間隔安裝的永磁體28，其中磁體粘合在適當位置。旋轉環13還具有溝槽33，外殼9的凸臺31以間隙配合的方式安裝到該溝槽中。
            
[0330]參見圖16，其示出了截取自圖14并且朝遠側觀看外殼9的表面29而得到的穿過夾頭4和外殼9的部分。表面29具有圍繞軸線5以45度間隔均勻間隔開的徑向溝槽45(未示出，在圖14中可見)，使得旋轉環13(未示出，在圖13和圖14中可見)在行進中每隔一定時間伴隨著聽得見的“咔嗒”聲而停下來并保持在該位置處，直到用戶將其移動至下一個45度間隔的位置處。外殼9還具有安裝在旋轉環13的溝槽33中的凸臺31 (參見圖15)，以及粘合在與表面29齊平的適當位置處且以如圖所示的45度間隔定位的接近傳感器47。
            
[0331]一起參見圖15和16，溝槽33和凸臺31將旋轉環13的旋轉限定為不超過180度，并且與徑向溝槽45相結合而限定環13相對于夾具部分9的5個可能的旋轉位置。在旋轉環13旋轉過程中每隔45度處，三個磁體28中的至少一個與三個接近傳感器47中的至少一個對齊，并且在旋轉環13相對于外殼9的5個可能的45度間隔位置的每一個處，接近傳感器47的獨特組合感測磁體28的存在。參見圖14，經由連接到導航系統控制臺的配線48，將激活的接近傳感器的獨特組合作為信號發送到導航系統，以指示用戶界面單元6相對于外殼9的位置，并允許觸摸屏65上的圖像的取向根據需要進行旋轉。
            
[0332]參見圖16a，以與圖14類似的穿過導航單元I的剖面圖示出了不具有接近傳感器47、磁體28和配線48的本發明的一個實施例。在該實施例中，電子觸摸屏65還包括加速度計單元60，該加速度計單元感測相對于用戶界面單元6的重力方向并將該信息傳輸到觸摸屏65，并繼而經由無線通信裝置20傳輸到導航系統。場發生器7包括嵌入式加速度計62，該加速度計生成指示重力方向的信號，該信號經由場發生器纜線73發送到導航系統。通過比較加速度計60和62的重力方向矢量，能夠確定用戶界面單元6相對于場發生器7的取向，并且顯示在單元6上的圖像可相對于被導航系統跟蹤的選擇的傳感器對齊。在本發明的另一個實施例中，例如在已知目標傳感器相對于重力的取向或足以相對于重力對齊顯不在單元6上的圖像的應用中，無需使用加速度計62，單獨使用加速度計60 (取代接近傳感器47、磁體28和配線48)，并且使用來自加速度計60的信號，將觸摸屏65上的圖像與重力方向對齊。
            
[0333]結合圖17和17a，在另一個實施例中，將多個顯示屏幕在選擇的位置處安裝到鉆，從而無需在用戶界面單元6和外殼9之間具有自由度。對輔助顯示屏幕74供電，并通過配線75對其提供來自觸摸屏65的信號(但可以作為另外一種選擇類似于具有無線通信裝置、內部電池和加速度計的觸摸屏65，并且可以是不同的尺寸或形狀)。通過加速度計60(在圖16a中可見)檢測在圖17中顯示的水平鉆孔位置，隨后激活在該鉆孔構型下對用戶可見的輔助顯示屏幕74，并且將屏幕74上的圖像調節至適當取向并且沿方向76移動以優化能見度。當鉆3在圖17a所示的位置運行時，基于來自加速度計60 (在圖16a中可見)的信號，將屏幕74上的圖像相對于屏幕74旋轉180度并且還沿方向78移動以優化針對用戶的能見度。
            
[0334]本發明的另一個方面提供了指示工具與目標的關系，并且還指示工具與目標對齊的容差極限的用戶界面。例如，該界面可包括示出鉆圖標的顯示屏幕，該鉆圖標代表相對于目標孔的圖形的鉆，并且該界面還可以包括在規定參數范圍內的鉆與孔的同軸度的指示器。
            
[0335]在一些實施例中，用戶界面可向用戶指示工具相對于目標的實時位置。該指示可根據具體的瞄準任務具有多種形式，例如，所述任務可以是對齊兩個平面使其共面、將工具末端與點對齊而無需指出工具的角度，或調整工具軸線使其與目標軸線同軸，如在示例性實施例中所述。對工具和目標的展示也可以采用多種方式完成，例如，目標可以顯示在顯示屏幕的固定位置，與此同時對工具的展示在顯示器上移動，或反之亦然；或者該展示可以是混合式的，其中工具展示在顯示器上平移而目標在屏幕上以旋轉方式移動，或反之亦然。已觀察到當鉆圖標在顯示屏幕上同時以平移和旋轉方式移動而目標保持在屏幕上的固定位置處時，在示例性的鉆對齊實施例中用戶成功地瞄準目標。另外已觀察到當鉆由看起來像鉆頭和夾頭的圖形圖標表現時，許多用戶很好地理解界面。
            
[0336]在一些實施例中，界面可基于檢測到的對齊條件而自動地調節視野和放大率。這就使得能夠在無需用戶另外輸入的情況下優化視圖參數，例如，無需按下放大或縮小命令或利用單獨的選擇對話框來指定目標繼續放大等。例如在一個實施例中，顯示器示出了顯示全部潛在目標的大視野，然后當用戶處于與特定目標對齊的選擇的極限范圍內一段選擇的最短持續時間時，中心與特定目標軸線對齊并且繼續放大，從而允許精細地調節對齊。相似地，該實施例推斷用戶何時從特定目標退回，并且縮小全局視圖以允許用戶定位或選擇不同的目標。可應用不同的參數和閾值來進行放大和縮小。
            
[0337]在一些實施例中，如果選擇的其他參數也在容差范圍內，則僅可給出在容差范圍內的對一個對齊參數的指示。例如，當鉆軸線與目標孔軸線的可接受的角度對齊只在當鉆末端同時處于與目標軸線相距的可接受距離內各時間指示時，觀察到了用戶對界面更好的響應。還觀察到許多用戶優選的技術是使鉆末端在可接受的容差范圍內對齊，可能時在所鉆材料中確定一個樞軸點，然后將鉆旋轉到可接受的角度容差范圍中。
            
[0338]在一些其他實施例中，一個對齊參數的容差極限可取決于至少一個其他參數。當位置與角度的瞄準極限彼此相關，而不是分別處理時，觀察到許多用戶有更好的瞄準結果。例如，如果工具末端點位于距目標軸線的一定距離，該距離在指定距離容差范圍內，且工具軸線與目標軸線之間的角度也在指定的角度容差大小內，則角度誤差的方向可造成在工具沿工具軸線推進時末端點距目標軸線更近或更遠。因此，可能有利的是將可接受的角度差限制在這些大小和方向，使得末端點保持在其距離容差范圍內，或者在工具推進時將末端點引到沿目標軸線的一個指定點處的目標區域。還可能有利的是選擇目標軸線中工具末端距目標軸線的距離最重要的區域，例如，在目標孔的入口處，將當前的工具路徑投影到此區域以計算對齊的距離參數，而不是計算距當前工具末端點位置處的目標軸線的距離。此方法使角度容差極限成為工具末端距關鍵目標區域有多遠的函數；距離越遠，角度必須保持越靠近以瞄準目標。例如，鉆軸線與目標軸線之間的對齊可具有一定大小的角度容差以及從鉆末端到目標軸線的距離容差，其中根據鉆末端的位置，角度容差對于某些方向是降低的，使得突出的鉆軸線穿過選擇的容差區。在一個實施例中，位置對齊參數可以為從鉆末端到目標軸線的垂直距離，而角度對齊參數可以為從目標軸線到突出的鉆軸線與目標孔附近的選擇平面的交點的垂直距離。
            
[0339]在另一個實施例中，位置對齊參數可以為從目標軸線到突出的鉆軸線與目標孔附近的第一選擇平面的交點的垂直距離，而角度對齊參數可以為從目標軸線到突出的鉆軸線與目標孔附近的第二選擇平面的交點的垂直距離，第一和第二平面限定目標軸線的區域，該區域適用鉆軸線相對目標軸線的同軸度容差。
            
[0340]上述可視化用戶界面的每個結構單獨使用或結合所述其他結構的一些或全部使用均可能是有利的。在本發明范圍內的其他實施例可包括上述的和在下文的示例性實施例中將更詳細描述的有利結構的子集。
            
[0341]圖18顯示了瞄準過程中的用戶界面單元6，其中鉆與鎖緊孔接近對齊。用戶界面單元6向用戶指示鉆具相對于目標的實時位置。鉆圖標392在屏幕390上以平移和旋轉兩種方式移動，而目標釘37保持在屏幕390上的固定位置處。
            
[0342]鉆圖標392包括桿部分393，桿部分連接容差區內成功對齊的兩個單獨的指示器，一個是指示鉆頭2末端位置的末端指示器394，另一個是對齊指示器396，其表示鉆軸線5上的更靠近鉆3的點，從而指示鉆軸線5的取向。
            
[0343]還參見圖7，瞄準期間，顯示屏幕390顯示釘37的圖示387，其中孔38在圖中以孔圖形388顯示，該孔圖形包括孔38的周邊邊緣以及在孔38中心相交的十字線。圖18顯示在一個目標孔中心放大的顯示器，導航系統檢測到鉆末端已在距孔軸線選擇的距離內持續至少選擇量的消耗時間，如圖18b中更詳細描述的。末端指示器394在其未激活狀態下為半透明，使得釘圖形387和孔圖形388在末端指示器394處于其未激活狀態時可透過末端指示器394看到。同樣，對齊指示器396在其未激活狀態下也是半透明，使得對齊指示器396處于其未激活狀態時可透過對齊指示器396看到末端指示器394、釘圖形387和孔圖形388。鉆圖標392為半透明，使得末端指示器394、釘圖形387和孔圖形388可始終透過鉆圖標392看到。例如，在示例性實施例中，末端指示器394和對齊指示器396在其未激活狀態時呈現半透明的灰色，而在其激活狀態時變為不透明的綠色。本領域的普通技術人員將認識到可以使用多種替代的圖形，激活與未激活狀態之間可以有許多其他差異，例如可見與不可見、填充與輪廓、閃爍與穩定顯示、變換形狀或變換填充圖案。
            
[0344]圖18a顯示了瞄準過程中具有顯示屏幕390的用戶顯示器6，其中鉆在與釘圖形387的鎖緊孔圖形388對齊的容差范圍內。在此視圖中，鉆圖標392的桿部分393 (參見圖18)不可見，并且末端指示器394和對齊指示器396以及深度指示器398均顯示處于其激活狀態。顯示器390包括深度指示器398，深度指示器向用戶指示由末端指示器394表示的鉆頭2的末端正在靠近釘37的表面，因此用戶得到鉆頭2何時進入鎖緊孔38的指示。只有在末端指示器394位于距經過鎖緊孔坐標系136 (在圖7中示出)的Yh和Zh軸的平面的距離的預定范圍內時，還位于距鎖緊孔坐標系136的Xh軸的最短垂直距離內時，深度指示器398為激活的并在顯示器390上顯現。由于目的只是向用戶指示預計鉆末端大致何時進入目標孔，因此深度指示器398可以為定性指示器，故而具有三個填充條式的圖形段，這些圖形段以漸進填充的方式顯示，從而定性表示鉆頭2向釘37的靠近。或者，深度指示器398可以為側視圖，其示出了鉆末端靠近目標孔的實時表現。本領域的普通技術人員將認識到深度指示器398可以用不同的圖形元素、聲音、文本、定量信息或這些指示器的組合以多種不同的方式來實施，并將認識到深度指示器398可以始終為激活的，或由不同的或附加的參數激活，例如鉆馬達被檢測到正在運行(參見圖27和圖32)。
            
[0345]圖18b示出了用于控制用戶界面顯示器的視野和放大參數的方法的流程圖。在步驟530中，瞄準模式為激活的，這可在目標被限定且導航系統正相對于目標跟蹤工具時出現。最初，在步驟532中顯示了示出所有目標的全局視圖，并計算出從鉆末端到每個目標的距離參數，例如到每個目標孔軸線的垂直距離。找出這些距離的最小值，然后在步驟534中與選擇的閾值0$相比較，如果工具在距任何目標的距離0$范圍內，則在步驟536中檢查計時器Tfi的狀態。如果1^已不運行，則其在步驟538中從零開始，并且系統返回到步驟532，保持為全局視圖。如果計時器Tfi已經在運行，意味著工具已經在某特定目標附近一段時間，則在步驟540中針對選擇的閾值1^±檢查靠近目標消耗時間的值。一旦Tfi超過放大閾值，計時器!^就在步驟552停止，并且在步驟542中系統將顯示器變為以目標為中心的放大視圖，說明工具已在附近保持選擇的持續時間量—旦在特定的目標上放大，系統就在步驟544中檢查工具到目標的距離是否超過選擇的閾值Dsi,如果工具已經移開，則在步驟546中檢查計時器Is，如果已不運行，則在步驟548中從零開始。如果計時器Is已經運行，意味著工具已經從當前的目標移開一段時間，則在步驟550中針對選擇的閾值T_、檢查遠離目標的消耗時間的值。一旦1^超過縮小閾值，計時器1^就在步驟554中停止，且系統返回至步驟532中的全局視圖。
            
[0346]本領域的普通技術人員將認識到其他參數，例如工具朝向或遠離目標的速度和加速度，可以代替時間和距離使用或連同時間和距離一起使用。例如，工具的特征運動(例如閃變運動或者以特定方向快速地傾斜等)可以進行限定、檢測以及用來更改視圖參數。
            
[0347]結合圖19，根據本發明的實施例，示出了鉆頭與植入物中的鎖緊孔接近對齊時骨與植入物的剖面圖，以說明根據選擇的極限確定何時工具已達到與目標的可接受對齊的示例性方法。該方法的一個例子將在下文詳細描述:鉆頭2具有末端402，并且顯示穿過了皮膚和下面的軟組織400，其中末端402接觸骨401。鉆軸線5與鉆頭2的縱向中心線重合。鉆孔期間鉆頭2圍繞鉆軸線5旋轉。釘37中的鎖緊孔38具有與鎖緊孔坐標系136的Xh軸共線的孔軸線404 (在圖7中示出)。鉆軸線5顯示相對于孔軸線404的方向處于對齊角度406。平面408經過鎖緊孔坐標系136的Yh和Zh軸(在圖7中示出)，因此與孔軸線404相垂直，并且還經過釘37的縱向軸線。鉆軸線5與平面408在交點410處相交。將角度406計算為鉆軸線5與垂直于經過交點410的平面408的矢量之間的銳角。在瞄準期間，應持續例如以二十至四十赫茲的頻率監測相對于孔坐標系136的鉆末端402的位置和鉆軸線5的位置和取向，如此前附圖中描述。因此，在瞄準期間計算距垂直于孔軸線404的鉆末端402的距離412，并且在任何時間，角度406都不等于九十度，并計算交點410及距垂直于孔軸線404的交點410的距離414。還參見圖18和圖18a，為了向用戶指示鉆頭2相對孔軸線404的位置和對齊何時處于預定極限內，在距離412處于預先選擇的極限(例如I毫米)內的任何時候將末端指示器394切換至其激活狀態。然后為了指示角度對齊充分，在末端指示器394處于其激活狀態同時距離414處于預先選擇的極限內的任何時候將對齊指示器396切換至其激活狀態。應注意，沿孔軸線404的平面408的位置可選擇為不同于孔坐標系136原點的某個點，例如，平面408可位于距離鉆末端402最近的釘37的表面附近。將鉆軸線5投影到孔38附近或其內部的某個點，同時監測鉆末端402到孔軸線404的距離，使位置和取向極限產生相互作用，從而確保用戶不僅使鉆末端402位于孔軸線404的可接受距離內，還使鉆頭2被取向為使得對于鉆末端402的當前位置，鉆頭2被取向至一定路徑，該路徑相對于孔38的中心在預先選擇的容差區內穿過。當從平面408至鉆末端402的距離增加時，該方法有降低容許角度誤差的作用。
            
[0348]圖19a顯示了圖19中所描述的示例性瞄準和用戶界面方法的流程圖。還參見圖19，在步驟560，瞄準模式為激活的，這可在目標被限定且導航系統正相對于目標跟蹤工具時出現。在步驟562，將距離參數計算為從鉆末端402至鉆軸線5的垂直距離412。在步驟564，如果距離412小于選擇的最，系統會在步驟566中激活位置指示器，例如末端指示器394。如果距離參數超出了選擇的極限，則當末端指示器394和角度指示器396從之前的測量樣本激活時，它們兩者會在步驟576中關閉。在步驟568，將角度對齊參數0卩計算為距鉆軸線5和選擇的平面408的交點的垂直距離414。在步驟570中，將距離414與閾值D進行比較，如果距離414大于則當角度指示器396仍然從之前的測量樣本激活時，它會在步驟578關閉。如果距離414小于，則在步驟572檢查末端指示器394的狀態，并且如果末端指示器394仍然激活，則角度指示器396被激活，并且通過同時激活末端指示器394和角度指示器396來指示可接受的對齊。
            
[0349]結合圖20，根據本發明的替代實施例，示出了鉆頭與植入物中的鎖緊孔接近對齊時骨與植入物的剖面圖，以說明根據選擇的極限確定何時工具已達到與目標的可接受對齊的替代方法。在某些應用中，可能有利的是限定對齊容差適用的目標軸線段，并且有利的是潛在指定段每端的不同容差極限。例如，在軸與孔之間的徑向間隙給定的情況下，穿過孔的某個軸的容許角度容差對于短孔可能比長孔更大。在另一個例子中，就埋頭螺釘而言，可能需要指定與孔的埋頭邊緣在一個平面中的目標軸線的某點的緊密位置容差，使得埋頭孔對齊良好，而孔的另一端的位置容差可以允許較大。該方法的一個例子將在下文詳細描述:圖14顯示并限定了釘37、鎖緊孔38、皮膚和軟組織400、骨401、孔軸線404和平面408。所示替代瞄準方法與圖19中所描述的示例性實施例不同之處在于，近側平面450被限定為在沿著孔軸線404距平面408的選擇距離452處垂直于孔軸線404，遠側平面454被限定為在沿著孔軸線404距平面408的選擇距離456處垂直于孔軸線404，且近側平面450比遠側平面454更靠近鉆頭2。瞄準期間，如上所述持續監測鉆軸線5相對于孔坐標系136 (在圖7中示出)的位置和取向。因此，在瞄準期間，在鉆軸線5不與孔軸線404垂直的任何時間，限定鉆軸線5與近側平面450之間的近側交點458并將近側距離460計算為從交點458到軸線404的垂直距離。相似地，限定鉆軸線5與遠側平面454之間的遠側交點462并將遠側距離464計算為從交點462到軸線404的垂直距離。還參見圖18和圖18a，為了向用戶指示鉆頭2相對孔軸線404的位置和對齊何時處于預定極限內，在近側距離460處于預先選擇的極限內的任何時候將末端指示器394切換至其激活狀態。然后為了指示角度對齊充分，在末端指示器394處于其激活狀態同時遠側距離464處于預先選擇的極限內的任何時候將對齊指示器396切換至其激活狀態。該瞄準方法確保鉆孔軸線位于孔軸線404周圍的圓柱形或平截頭形的容差區內，并位于如距離452和距離456限定的軸線404的唯一選擇段上。例如，對于直徑比孔38直徑小一毫米的圓柱形螺釘桿，距離460和距離464的極限可選擇為小于二分之一毫米，近側平面距離452和遠側平面距離456可選擇為等于釘37的半徑(如圖所示)，從而確保螺釘桿不會在將螺釘與鉆軸線5進行同軸安裝時堵塞孔38 (假設角度較小)。或者，距離460和距離464還可以應用不同的極限，例如，為了在最大程度提高容差范圍的同時容納錐形螺釘桿。
            
[0350]圖20a顯示了圖20中所描述的示例性瞄準和用戶界面方法的流程圖。還參見圖20，在步驟560，瞄準模式為激活的，這可在目標被限定且導航系統正相對于目標跟蹤工具時出現。在步驟582，將距離參數Dl計算為從孔軸線404到鉆軸線5與選擇近側平面450的交點的垂直距離。在步驟584，如果距離Dl小于選擇的最大Dl，系統會在步驟566中激活位置指示器，例如末端指示器394。如果距離參數Dl超出了選擇的極限，則當末端指示器394和角度指示器396從之前的測量樣本激活時，它們兩者會在步驟576中關閉。在步驟586，將角度對齊參數D2計算為從孔軸線404到鉆軸線5和選擇遠側平面454的交點的垂直距離。在步驟588，將D2與閾值02^^進行比較，如果D2大于D2g，則當角度指示器396仍然從之前的測量樣本激活時，它會在步驟578關閉。如果D2在選擇的極限D2最大之內，則在步驟590檢查末端指示器394的狀態，并且如果末端指示器394仍然激活，則角度指示器396被激活，并且通過同時激活末端指示器394和角度指示器396來指示可接受的對齊。
            
[0351]本發明的另一個方面提供配準設備，其被配置成使工具和場發生器與選擇的目標結構臨時地對齊，從而允許在不事先了解傳感器與所關注目標結構之間關系的情況下使用本發明。例如，一些實施例不需要目標組件尺寸的數據庫即可根據配準數據推斷瞄準信息。
            
 [0352]目標結構可以直接用多種不同方式測量，例如將目標的表面或邊緣數字化，或使工具與目標臨時地對齊，以及記錄工具的理想目標位置。配準測量也可具有選擇的自由度，例如配準要鉆通的孔時，可能測量孔中心線便已足夠，不用考慮圍繞中心線的取向或沿中心線的位置，例如在只有導航工具與孔對齊重要時。
            
[0353]在其他情況下，可能有用的是在中心線上附加配準一個點(例如以測量工具與孔的接近度)，和/或配準圍繞中心線的旋轉位置(例如以在單個配準測量中推斷其他結構相對于孔的位置)。
            
[0354]與電磁導航系統特別相關，配準有利地用所有在瞄準期間將用到時并處于瞄準期間將最關鍵的相對位置中可影響在適當位置的當前導航測量的組件進行。配準設備可替代地近似于配準過程中可能不存在的任何組件的作用。
            
[0355]在一些實施例中，配準設備是可以直接安裝到工具的配準工具，例如配準工具可在工具的鉆頭部分上滑動，并且可以由不會影響導航系統的選擇材料制成。
            
[0356]在一些實施例中，配準設備是這樣的配準工具，其臨時地代替工具的部件，并近似于所代替部件對導航系統的作用。例如，配準工具可代替鉆頭，并且具有與鉆頭類似的材料、形態和質量。
            
[0357]在一些實施例中，配準設備是工具的一個結構或改裝形式。例如，工具可包括肩部，其適于配合要配準并結合到工具的結構中的目標結構。又如，鉆頭可包括一系列的肩部，其適于配合選擇范圍的目標結構。
            
[0358]上述配準設備的每個結構單獨使用或結合所述其他結構的一些或全部使用均可能是有利的。在本發明范圍內的其他實施例可包括以上和示例性實施例中描述的有利結構的子集。
            
[0359]結合圖21，根據本發明的實施例，示出了類似于圖7的裝置的分解圖，另外還說明了包括在內的配準工具的例子，以允許相對于傳感器10的目標孔的直接測量。導航單元I具有鉆套46和夾頭4，示出了繞鉆軸線5旋轉的鉆頭2、連接到導航單元I的鉆3、具有遠側鎖緊孔38的頂釘37、傳感器10、中空螺釘173和插入工具39，還包括用于使鉆軸線5與孔38臨時地對齊以便直接測量和記錄傳感器工具10與孔38的相對位置的配準工具110。配準工具110具有主體部分112和末端部分114及縱向軸線111。
            
[0360]結合圖22，圖21的組件顯示為裝配有配準工具110，其插入在釘37的遠側鎖緊孔38中的一定位置，用于校準系統與孔38。頂釘37、插入工具39、中空螺釘173和傳感器10已裝配(如圖7中所描述)，使得傳感器10保持在一個相對于所鉆物體上目標位置的固定的預定位置，在本實施例中即鎖緊孔38。配準工具110滑到鉆頭2上并緊靠鉆套46。配準工具110的主體部分112用緊密滑動配合的方式配合鉆頭2 (還參見圖24)，使配準工具110的縱向軸線111與鉆軸線5重合。末端部分114以過盈推入配合與鎖緊孔38配合。因此，當為進行所示孔配準而裝配時，鎖緊孔38和鉆頭2同軸，且它們的軸線與鉆軸線5重合，鉆軸線5相對于導航單元I是固定的，而傳感器10在所有自由度中固定，除了相對于導航單元I圍繞鉆軸線5旋轉外。示出了如圖7中限定的從單元I到傳感器10的距離141。
            
[0361]結合圖23，其示出了取自圖21的配準工具110的剖面圖。配準工具110包括主體部分112和末端部分114，該末端部分由螺紋115連接，使得末端部分114可用不同直徑或形狀的替代末端部分替換。縱向軸線111是末端部分114和主體部分112共用的。主體部分112沿軸線111具有孔116。孔116具有直徑118，其選擇為在鉆頭2的桿部分上緊密滑動配合(在圖21中可見)，使得配準工具110可通過手動摩擦配合在鉆頭2上滑動并從鉆頭2滑離，并且在配準工具110安裝到鉆頭2上時，使鉆頭2的彎曲以及鉆頭2與配準工具110之間的游隙最小，如圖24所示。還參見圖24，配準工具110具有選擇量的長度113，該量大于鉆頭2從鉆套46向遠側延伸的長度，使得為校準鎖緊孔而裝配時(如圖22所示)，鉆頭2的遠側末端位置大致與其在手術期間鉆頭2進入骨并靠近孔38時相對于傳感器10的位置相同。配準工具110所用的材料在理想情況下為非鐵磁性的，優選低導電性的，以最小化對電磁導航系統的影響。主體部分112可以由剛性材料制成，末端部分114可以由彈性范圍和模量足以在具有選擇直徑范圍的孔中提供適當的推入配合的材料制成。例如，主體部分112可以由外徑為一英寸的圓形乙縮醛棒制成，末端部分114可以由300系列的不銹鋼制成。許多其他材料可適用于這兩種部件，例如，鈦以及諸如PEEK或Ultem?的高模量可消毒的塑料。
            
[0362]結合圖23a，示出了配準工具110的末端部分114的剖面圖。同時參見圖23與圖23a，末端部分114具有沿軸線5的孔121和四個狹槽123，這些狹槽從軸線111徑向向外延伸，從而形成四個柔性段120，所有這些均具有由孔直徑122和狹槽寬度124限定的相同截面和形狀，并且所有這些圍繞軸線111均勻分布。孔直徑122和狹槽寬度124根據末端部分114選擇的材料的材料性質進行選擇，使得柔性段120在其材料的彈性范圍內撓曲，從而自由直徑128可以向下壓縮到末端固定的直徑126，而不會折斷或永久變形。由于當末端部分114處于直徑小于自由直徑128的圓柱形鏜孔中時柔性段120徑向向內均勻壓縮，末端部分114在末端固定直徑126和自由直徑128之間的任何預定直徑范圍內的任何圓柱形鏜孔內居中。柔性段120還設計為在材料的彈性范圍的子范圍內撓曲，使得配準工具110可以用手動推入配合的方式插入和移除，但對趨于使軸線111與孔38的圓柱形軸線不共線的力有一定阻力(參見圖21)。在經過軸線111的任何平面中經受最高5N-m的力矩時，合適的不共線極限為I度。例如，對于具有5.1毫米至5.2毫米容差范圍的鎖緊孔和由303不銹鋼制成的末端部分114，孔直徑122、狹槽寬度124、末端固定直徑126和自由直徑128的適當值分別為2.8、1.0,4.9和5.3毫米。本領域的技術人員將會認識到圖23和23a中所示的設備可適于改裝成多種形狀，例如通過狹槽124和柔性段120的適當詳細設計形成的狹槽孔。
            
[0363]參見圖24，示出了取自圖22的配準工具110的剖面圖，其中配準工具110已安裝。還參見圖23，配準工具110安裝在鉆頭2上時，縱向軸線111與鉆軸線5重合。埋頭孔117具有經選擇的直徑119、深度125和角度127，以安裝在鉆套46的凸臺85上，凸臺85具有長度87并且與埋頭孔117共用直徑119和角度127。長度87小于深度125。凸臺85和埋頭孔117從而一起提供前擋板，限定配準工具110沿軸線5的位置以及軸線111與軸線5的同軸度。
            
[0364]參見圖24a，示出了類似于圖24的配準設備的第一附加示例性實施例的剖面圖，但是其中配準工具110沒有使用，相反，鉆套46包括改裝為所示的具有配合目標結構所選的直徑90的凸臺85。還示出了鉆頭2和鉆軸線5。
            
[0365]參見圖24b，其示出了類似于圖24的配準設備的第二附加示例性實施例的剖面圖，但是其中配準工具Iio沒有使用，相反，鉆頭2具有肩部92和94，其適于配合具有直徑90和96的目標結構。還示出了鉆套46和鉆軸線5。
            
[0366]參見圖24c，示出了類似于圖24的配準設備的第三附加示例性實施例的剖面圖，但是其中配準工具Iio沒有使用，相反，鉆頭2已移除并用具有一系列肩部102、104、106的配準工具100替換，這些肩部具有配合三種不同目標結構選擇的直徑。在該實施例中，配準工具100的設計和材料被選擇為具有與鉆頭2對電磁位置跟蹤類似的作用。還參見圖22，在該實施例中，目標結構的直徑可以通過記錄沿鉆軸線5從導航單元I到相對于目標結構固定的傳感器的距離141，從三個可能的直徑中確定。
            
[0367]參見圖24d與圖24e，示出了配準設備的第四附加示例性實施例，其適于具有旋轉剖面部分的目標孔，旋轉剖面部分在孔的每一端(例如，銳邊或最小深度的倒角邊)繞孔軸線完整旋轉。該實施例具有可以改裝成比之前的例子更廣范圍的目標孔直徑的優點。在圖24d與圖24e所示的示例性實施例中，鎖緊孔38具有九十度的埋頭孔，孔的兩端有最小深度。鎖緊配準工具250在鉆頭2上滑動，并且還包括錐形表面251、螺紋部分252和圓柱形部分257，并且鎖緊螺母253具有錐形表面254和螺紋孔255。使用時，配準工具250穿過孔38，鎖緊螺母253螺紋接合到配準工具250上并擰緊，以形成沿方向256的落座力，該落座力將錐形表面251與254緊壓在孔38的埋頭邊緣上，從而使軸線5與孔38同軸。在該實施例中，配準工具250的圓柱形部分257只需要小于孔38的直徑，因此，鎖緊配準工具250可采用一系列的孔直徑，用戶不必操作一些其他示例性實施例中所述的過盈配合。本領域的技術人員將認識到可使用多種機械構造代替鎖緊螺母253和配準工具250之間的螺紋連接；可以使用能夠保持錐形表面251和254同軸并施加落座力用于沿共同軸線5朝彼此壓緊錐形表面251和254的任何機構。
            
[0368]參見圖24f、圖24g和圖24h，其示出了配準設備的第五附加示例性實施例，其中額外的自由度被控制。除了之前所述的實施例中將鉆軸線5臨時地固定在與孔38同軸的位置之外，配準工具470可另外固定導航單元I相對于釘37圍繞軸線5的旋轉位置，從而提供相對于傳感器坐標系134經過釘縱向中心線40和孔38的軸線的平面的限定(參見圖7)作為附加配準信息。此附加約束可通過多種方式實現，取決于釘37與孔38的具體形態，例如，還參見圖1a,如果在一組IM釘164中每個釘37具有某個共同的幾何元素,貝U上述示例性配準工具可以很容易地改裝成約束釘圍繞軸線5的旋轉。例如，如果共同的幾何元素是在組189中的至少兩個孔，則配準工具可以添加多種結構元件以接合第二孔，也可以按照圖24h中所示進行改裝，以實現相對于導航單元I的固定旋轉位置。在所示的示例性實施例中，釘37具有恒定的橫截面，其中圓柱形外殼在孔38區域中的選擇的直徑范圍內。孔38的中心線垂直于并穿過釘中心線40，并且孔38每端具有一個埋頭孔。配準工具470包括具有多面表面476的主體部分471。螺紋襯圈488接合夾具部分478并支承在肩部473上，使得在擰緊時，夾具部分478沿方向486被拉向表面476，并產生保持釘37抵靠表面476的落座力。表面476在角度490具有至少兩個平坦面,關于經過軸線5與釘中心線40的平面對稱，因此，在釘37受方向486上的落座力而靠緊表面476座合時，釘37保持在兩條線處與表面476發生線接觸，這兩條線均與釘中心線40平行并穿過接觸點492和494，從而將釘37約束為相對于配準工具470圍繞軸線5旋轉。夾具部分478具有旋轉軸線與軸線5重合的錐形表面480以及接合孔38，因此在釘37受方向486的落座力而在表面476和480之間壓縮時，孔38被約束為與軸線5同軸。柱塞472具有旋轉軸線與軸線5重合的錐形表面474，彈簧482使柱塞472抵靠釘37推進，從而約束釘37圍繞中心線40的旋轉。柱塞472受到定位螺釘498阻擋，而不會滑出主體部分471，該定位螺釘接合柱塞472中的狹槽499。夾具部分478受到定位螺釘489阻擋，而不會滑落并相對于主體部分471旋轉，該定位螺釘接合主體部分471中的狹槽491。螺紋襯圈488被卡環496固定，防止從主體部分471滑落。只要穿過點492與點494的線接觸中的至少一個可以保持，且錐形表面474與480保持座合在孔38的邊緣，即可將釘37約束在相對于主體部分471的所有六個自由度中。本領域的技術人員將認識到可存在可用來施加上述約束的其他機械構造，并將認識到可以進行各種改裝，以適應釘37和孔38的形狀變化，例如釘37的非圓柱形截面，表面476可以改為具有對稱面、非平坦面或者得以匹配釘的特定形態。相似地，表面476可以用多種機械鉗合構造替換。參見圖24h，主體部分471具有V字形溝槽493，鉆套46改裝成包括凸臺495。溝槽493接合凸臺495，并在用戶將單元I和鉆頭2插入配準工具470中時，約束配準工具主體部分471相對于單元I圍繞軸線5的旋轉。
            
[0369]參照上面描述的示例性配準工具，本領域的普通技術人員將認識到要配準的目標結構可以具有其他形態，例如凹槽、狹槽、錐形孔或非圓柱形孔，同時相應修改配準工具形狀，并將認識到可以用多種機械構造使配準工具與結構臨時地對齊，例如鉗合、螺栓連接、使用膨脹軸或套爪等。
            
[0370]結合圖25，示出了在導航單元I和鉆頭2安裝到典型的鉆3情況下，圍繞鉆軸線5在選擇距離141處的典型測量誤差與場發生器航向139的曲線圖(還參見圖7與圖7a)。當鐵磁性和/或導電性金屬在導航系統的測量體積內或附近時，導航系統產生的磁場可能扭曲，造成測量變得不準確。這些影響可用場發生器例如場發生器7放大，這些場發生器足夠小而輕以直接安裝在手持工具上；更小、更輕的場發生器一般具有更小的激勵線圈并產生更弱的磁場。大質量的鐵磁性和/或導電性材料，例如在典型的電鉆例如鉆3中發現的那些材料，可以使測量失真，即便它們放在導航系統的測量體積附近而不一定在導航系統的測量體積內。例如，將質量足夠大的鋼板放在單元I后面會使測量磁場的扭曲足以在單元I前的整個測量體積造成較大誤差。我們觀察到當鉆3定位在靠近包括在單元I內的場發生器7的后面時，測量傳感器越靠近單元1，測量誤差就變得越大，如圖25所示。因此，要將諸如鉆3和鐵磁鉆頭2的工具與場發生器7集成在一起并保持對應用而言足夠準確的導航，有利的是對因工具存在而造成的磁場扭曲進行檢測和補償。在圖25中，曲線圖的水平軸為航向139。曲線圖的垂直軸顯示了在場發生器7圍繞鉆軸線5旋轉時，傳感器坐標系134原點與標稱圓圈142的以毫米計的偏差。曲線146顯示了傳感器10描述的標稱圓圈142位于在一百三十毫米的距離141處與場發生器坐標系130的Zw軸相交的平面內時的誤差。相似地，曲線148、150、152分別在一百一十毫米、一百毫米和八十毫米的距離141值處產生。圖25說明了當鉆軸線5與孔38的軸線對齊時測量誤差隨場發生器7圍繞鉆軸線5的航向139而變化，并且隨著傳感器10靠近場發生器7與鉆3，測量誤差將增大。
            
[0371]本發明的另一個方面提供了用于測量相對于傳感器的目標結構位置的配準方法。在一個實施例中，該方法包括如下步驟:將工具和場發生器組件在選擇自由度中的已知位置處臨時地固定至目標組件的目標結構，記錄傳感器相對于場發生器的位置，計算結構與傳感器的相對位置，以及將結構與傳感器的相對位置保存到導航系統的存儲器中。例如，在一個實施例中，目標結構可以是孔，工具和場發生器可以是鉆，鉆軸線和孔軸線可在配準過程中保持同軸，并且孔可限定為目標軸線，其在傳感器的坐標系中表示，并代表根據選擇數量的位置測量值的平均值計算的目標軸線。
            
[0372]該方法還可包括生成傳感器相對于工具和場發生器組件的多個不同位置處的孔位置的查找表的步驟。例如，在另一個實施例中，配準測量可如上所述進行，其中在用戶圍繞共同的工具和孔軸線旋轉工具和場發生器組件時記錄配準數據。然后，可存儲目標相對于傳感器的位置以匯集不同旋轉位置，并且在瞄準期間當工具和場發生器組件處于類似位置時調用適當位置。在另一個實施例中，可以內插目標位置的查找表和/或可以創建目標位置與場發生器位置的連續函數。
            
[0373]上述配準方法的每個結構單獨使用或結合所述其他結構的一些或全部使用均可能是有利的。在本發明范圍內的其他實施例可包括以上和示例性實施例中描述的有利結構的子集。
            
[0374]結合圖26，根據本發明的示例性實施例，示出了導航系統術中配準與操作的方法的流程圖，其中已執行工廠校準并且查找表143存儲在系統存儲器中。所示的示例性方法一般包括以下步驟:配準目標結構，確定傳感器的當前測量位置，以及對測量位置應用預定的校正以估計更準確的位置。該方法還可有利地包括限定關鍵傳感器位置的子集，以及僅為這些位置確定校正圖或函數。
            
[0375]還參見圖7a和圖22，圖25所示的測量誤差是半徑144、航向139和距離141的函數，該誤差在制造時測量，校正值的查找表143存儲在嵌入場發生器7中的存儲設備中。查找表143包括對從場發生器坐標系130到傳感器坐標系134的變換Tws中的平移與旋轉的校正，其由導航系統在瞄準期間測量。例如，具有鉆頭2的導航單元I附接到鉆3，并安裝到坐標測量機中，坐標測量機可經編程而通過在垂直于場發生器坐標系130的Zw軸的平面內并且具有一定范圍的半徑144、一定范圍的距離141和多個航向139的一系列標稱圓圈142(具有已知準確度和精度極限)移動釘37和傳感器10。半徑144的合適范圍為十至九十毫米(增量為二十毫米)，距離141的合適范圍為八十至一百四十毫米(增量為二十毫米)，并且航向139的合適數量為三十六，均勻分布于十度的增量中。因此，查找表143由七百二十對標稱Twsiiao和測量(TWS(3W))變換生成，并包含七百二十個校正變換Twsei，使得對于半徑144、航向139和距離141的每組參數1:
            
[0376]Tws (標稱)⑴=Tws (測量)⑴*T(校正)(i)
            
[0377]為了開始配準程序，系統如圖22所示裝配，包括安裝到導航單元I的鉆頭2，并且配準工具110在鉆頭2上滑動并向近側推進直至其緊靠鉆套46，并且通過擰緊中空螺釘22將選擇的釘37裝配到插入工具39。在步驟200，用戶接通系統電源，并且在步驟202，在系統存儲器中檢索從場發生器坐標系130到鉆坐標系132的變換Twd(參見圖7)。在步驟203，用戶選擇右肢或左肢，并順行或逆行靠近，從而可以確定正確的圖像取向。在步驟204，用戶通過在預編程的列表中選擇來輸入正在使用的選擇釘，或者輸入跳過命令以繞過特定的釘選擇并使用一般的釘圖形。如果在步驟204中用戶從列表中選擇釘，則系統進行步驟208，在該步驟，會向建議用戶待使用的最佳長度傳感器工具10。在某些情況下，可能有推薦用于選擇的釘并在步驟208中指示的另外替代傳感器工具長度。傳感器可另外有顏色編碼，并且步驟208可具有除了文本之外或代替文本的顏色和圖形建議消息。步驟208也開始進行傳感器檢測程序210，其中導航系統進行檢查以確定傳感器是否插上。如果系統未檢測到傳感器，進程將返回至步驟208，并持續循環通過步驟208和步驟210，直至檢測到傳感器。
            
[0378]當檢測到適當的傳感器時，系統進行步驟212，提示用戶開始校準鎖緊孔。在示例性實施例中，合適傳感器的標準是運行的傳感器返回完整的位置和取向數據。在另一個實施例中，傳感器工具10具有存儲在存儲設備中的由導航系統讀取的傳感器識別信息，并且只有當傳感器為步驟208顯示的推薦類型之一時，系統才會進行步驟212。重新參見步驟204，如果用戶選擇跳過正在使用的特定釘的規格，系統將繞過步驟208，建議用戶使用哪個傳感器，并直接進行步驟210。
            
[0379]在步驟212，當系統如圖22所示裝配時，用戶選擇“開始配準”，系統將開始步驟214的鎖緊孔軸線測量進程。在步驟214 (還參見圖7和圖7a)，通過如下計算當前鎖緊孔的恒定變換Tsh，限定相對于傳感器坐標系134的鎖緊孔坐標系136，其中鉆軸線5與鎖緊孔38的軸線保持重合。場發生器到傳感器的變換TWS(3?)從導航系統記錄，并計算航向139、距離141和半徑144。然后用查找表143通過檢索在當前位置的航向139、半徑144和距尚141對應的校正變換T(校正)，將Tws(測量)校正為Tws(校正):
            
[0380]Tws (校正)=Tws (測量)*T (校正)
            
[0381]然后計算Tsw，即TWS(iM)的倒數。然后將從傳感器坐標系134到鉆坐標系132的變換Tsd計算為:
            
[0382]Tsd=T sw*Twd，[0383]其中Twd是在步驟206檢索的恒定的場發生器到鉆的變換。然后，與鉆軸線5同軸的鉆坐標系132的Zd軸線可在傳感器坐標系134的坐標中用變換Tsd表示為一條線。然后可以按照在圖7中的詳細描述，限定相對于傳感器坐標系134的當前鎖緊孔的鎖緊孔坐標系136，并表示為變換Tsh。通過記錄Tws(ei)的許多樣本，計算每個樣本的Tsh，然后取所得變換Tsh組的平均值，來提高準確度。Tws(;RI)適當的樣本數為三十。將所得變換Tsh(i)存儲為當前孔i的常數。
            
[0384]將孔配準之后，系統返回步驟212，并且當至少一個孔已經校準時，用戶可以選擇“完成”，使系統前進到步驟216，在此步驟中確定用戶是否在步驟204中選擇所用的特定釘，或選擇跳過釘選擇。如果在步驟204中選擇了特定釘類型，系統前進到步驟218，并從存儲器中檢索選擇的釘的立體圖。如果步驟212僅校準了一個鎖緊孔，則指定釘的立體圖與校準孔對齊，并圍繞孔軸線旋轉，使得釘縱向中心線40 (參見圖7)與傳感器Zs軸在經過Yh和Zh軸的平面上的投影重合，其中釘遠側末端處于正Zs值。如果指定釘的立體圖有不止一個鎖緊孔，通過將從傳感器坐標系134原點到孔坐標系136原點沿Zs軸的距離(參見圖7)與步驟208的指定釘和建議的傳感器工具長度的期望值進行比較，確定校準的孔。如果步驟212校準了不止一個鎖緊孔，系統則將立體圖擬合到校準孔軸線上，使得校準孔軸線和立體圖孔軸線之間的失配最小化，并且各校準孔之中的最大失配以兩個失配參數報告:
            
[0385].校準孔軸線與相應立體圖孔軸線之間的角度差，以及
            
[0386].校準孔軸線與相應立體圖孔軸線的交點與經過釘立體圖的縱向中心線的平面的距離。
            
[0387]本領域的技術人員將認識到，可替代地使用其他擬合算法例如最小二乘法或其他方法將鎖緊孔坐標系內的選擇點或向量擬合到立體圖坐標系中。
            
[0388]系統進行步驟222，確定校準孔是否匹配選擇釘的立體圖中的標稱孔位置。如果失配參數大于預定極限，系統將用戶返回至步驟212以重新校準孔。如果在失配參數的預定極限內，所有校準孔軸線與立體圖中的相應標稱軸線重合，系統進行步驟224繪制瞄準視圖，并提示用戶通過確認目標圖形是否顯示與正確的孔良好對齊來檢查配準。如果用戶接受該配準，系統進行步驟226，在該步驟中，導航系統從配準模式變為瞄準模式，并開始持續讀取Tws。如果該配準不恰當，用戶拒絕該配準并返回至步驟212。如果用戶在步驟203中選擇了錯誤的釘設置，或在步驟204中選擇了錯誤的釘類型，可以將系統關閉并重啟，返回至步驟203。
            
[0389]重新參見步驟216，如果用戶決定不在步驟204中選擇特定釘，則系統進行步驟220，在此步驟中繪制通用釘立體圖，顯示校準孔在其經校準的位置，這些孔周圍的典型釘形狀在典型+Zs位置具有遠側末端。在步驟220中，如果校準了單個孔，則圖形對齊，使得通用釘立體圖縱向軸線與傳感器Zs軸在經過Yh和Zh軸的平面上的投影重合，其中釘的遠側末端位于沿傳感器坐標系134Zs軸的正值處(參見圖7)。如果校準了兩個或更多個孔，則用最小二乘法最佳擬合線將通用釘立體圖的縱向軸線與所有校準孔的孔坐標系136的Zh軸組對齊(參見圖7)。然后，系統可進行步驟224，并可如上所述確認配準。
            
[0390]在步驟226中，計算當前傳感器位置、航向139、半徑144和距離141的參數組，并從查找表143檢索相應的校正變換Τ(βΙ)。當前讀取的Tws校正值按下式計算:
            
[0391]Tws (校正)=Tws (測量)*Τ (校正)[0392]并且系統進行步驟228，以使用校正值更新用于最終對齊的瞄準顯示器。
            
[0393]結合圖26a，根據本發明的替代實施例，顯示出導航系統術中校準的替代方法流程圖，該系統生成校正值的查找表并術中配準目標結構。通常闡述的替代方法包括如下步驟:配準目標結構，記錄關鍵傳感器位置子集的校正圖，確定校正函數，確定傳感器的當前測量位置以及對測量位置應用校正(如果適用)以估計更準確的位置。還參見圖7、圖7a和圖22，此替代方法與圖26所示的方法相同，不同的是圖26的步驟214被替代孔軸線測量步驟230、234、236、238和240替換，并且所得查找表242和243用于步驟246中以在瞄準過程中補償鉆軸線5附近的場發生器7位置相關的測量失真。
            
[0394]如圖26的步驟214所述，用導航單元I將變換Tws記錄為圍繞鉆軸線5隨機選擇的航向139，與之不同的是，相反地提示用戶在航向139整個范圍內開始圍繞鉆軸線5以正方向140或與方向140相反的負方向旋轉導航單元I，并通過配準工具110使鉆軸線5與鎖緊孔38的軸線保持重合。用戶可以始終圍繞鉆軸線5朝任一方向旋轉或來回旋轉。在步驟230中，測量傳感器10相對于場發生器7 (表示為變換Tws)的位置，計算傳感器到孔的變換Tsh (如以上針對圖26所述)，計算相應的航向139，并將Tsh和相應的角度存儲在查找表242中。另外在步驟230中，開始持續測量Tws并計算航向139，然后計算當前測量航向139和查找表242中航向139的最后記錄值之間的差值。在步驟234中，將當前測量航向139和查找表242中最后記錄航向之間的差值與預定的角運動閾值進行比較。如果差值超過閾值，則記錄當前測量的Tws和航向139對并存儲到查找表242中。在步驟236中，將查找表242中的條目數與預定的最小讀取數進行比較。在步驟238中，將查找表242中的航向139分類成數字次序，并將查找表242中連續有序的航向之間的最大差值與最大角間隙進行比較。記錄持續進行，直到同時達到查找表242中最小讀取數和相鄰航向之間的最大允許角間隙。合適的角運動閾值為三點五度，合適的讀取數為兩百，以及合適的最大角間隙為兩度。
            
[0395]在步驟240中，通過將二次多項式擬合到位置數據并將四元數擬合到與所關注點相鄰的查找表段中的數據，來內插完整的查找表242，從而在相鄰場發生器航向139的變換Tsh之間形成平滑過渡。或者在步驟240中，可通過將曲線擬合到步驟230至240中記錄的Tsh值來確定平滑函數，所得的函數得出作為航向139的函數的校正Tsh值。系統返回步驟212，給予用戶選項以校準第二鎖緊孔并針對該孔生成相應的查找表243等等，直至所有需要的孔都已校準，并且每個孔都有相關的查找表。至少一個孔在步驟212校準之后，用戶可以進行步驟216至224，這些步驟如圖26所述。
            
[0396]在步驟246中，在跟蹤目標鎖緊孔期間，導航系統測量傳感器10相對于場發生器7的位置，并表示為變換Tws，計算當前場發生器航向139，并確定當前離鉆軸線5最近的校準孔。檢索與最近校準孔對應的查找表，找到離當前航向最近的查找表中的航向，然后在查找表中檢索相應的變換Tsh，并用于在步驟248中生成鎖緊孔坐標系136和鉆坐標系132之間相對位置的顯示，從而校正作為航向139函數的跟蹤誤差。然后，可使用上述孔配準程序得出的數據通過如下方式檢查鉆軸線5到場發生器坐標系130變換Twd的限定:當其圍繞鉆軸線5相對于場發生器坐標系130旋轉時，擬合穿過從傳感器坐標系134原點記錄的數據點的平面，將圓形擬合到數據點，并比較垂直穿過圓心的平面和鉆坐標系132的Zd軸。還可通過如下方式優化變換Twd:在以上步驟230至240中，圍繞鉆軸線5旋轉場發生器7期間，找到記錄的各數據點上鉆坐標系132相對于傳感器坐標系134的Zd軸線(在各數據點處使用當前Twd和記錄的變換Tws),生成一組軸線,并修改Twd直至該組軸線變化達到最小。例如，采用優化方法(如Nelder-Mead單純形法)使該組的每條Zd軸和平均軸之間存在的角度范圍最小化。
            
[0397]本發明的另一方面提供用于監測影響與工具集成的場發生器的測量條件的方法和裝置。在一個實施例中，工具和場發生器組件可包括處于相對于場發生器的固定位置的參考傳感器，并且參考傳感器位置由導航系統持續監測，并且可分析參考傳感器位置的標稱持續讀數的異常變化，其可表示測量失真、干擾、信號噪聲等。
            
[0398]在一些實施例中，在導航系統剛啟動時、使用過程中、和/或用戶發送命令時，參考傳感器可以自行校準。當不太可能出現異常干擾或失真條件時，要校準參考傳感器，系統可以一次算出大量參考傳感器讀數的平均值。例如，在上述配準步驟過程中，參考傳感器校準可自動執行。又如，不存在已知干擾條件的情況下，可提示用戶運行參考傳感器校準。
            
[0399]在一些實施例中，可比較參考傳感器位置和系統存儲器中存儲的先前值，以指示工具和場發生器組件特性中可能的系統誤差或改變。例如，系統啟動時，從存儲器中檢索參考傳感器的最后已知校準位置，并同當前值進行比較，如果差值大于選擇的閾值，則可提示用戶檢查造成干擾或失真的條件，運行參考傳感器校準程序或實施檢修工序。
            
[0400]在一些實施例中，來自參考傳感器的數據還可以用于幫助確定某些工具狀態，例如馬達是開啟還是關閉，以及確定某些工具使用條件，例如馬達速度范圍以及是否與目標接合。例如，工具可具有電動馬達，并且可在參考傳感器數據中搜索與馬達運行與否對應的特性變化。
            
[0401]使用參考傳感器數據監測測量條件并相應修改導航系統功能的方法的例子可包括如下步驟:比較參考傳感器位置和/或取向與預定閾值偏差的選擇參數，然后激活警報功能，修改導航系統的選擇特性，和/或當選擇的參數或參數組合落在預定值范圍內或超出閾值時，修改導航數據的過濾和處理(包括向用戶顯示導航信息)。參數可包括參考傳感器的位置和取向，或其時間導數，或其任何其他函數。警報功能可為用戶界面上的視覺警報、導航暫停、警報器等。導航系統的特性可包括濾波參數以平滑導航數據，例如當工具內的電動馬達正在運行時，應用選擇的濾波器。
            
[0402]上述用于監測測量條件的方法和設備的每個結構單獨使用或結合所述其他結構的一些或全部使用均可能是有利的。在本發明范圍內的其他實施例可包括上述的和在下文的示例性實施例中將更詳細描述的有利結構的子集。
            
[0403]結合圖27，根據本發明的實施例，同時參見圖7，示出了當鐵磁工具進入并離開場發生器的測量范圍從而產生扭曲磁場并造成測量誤差時，來自參考傳感器8的讀數的曲線圖。垂直軸260是從場發生器坐標系130到參考傳感器坐標系137的變換Twr的Zw分量(以毫米計)。水平軸262是Twr的讀取數量，并且所示曲線圖包括以四十赫茲頻率連續不斷讀取Twr的三十秒，因此該曲線圖顯示了約一千兩百個讀數。曲線264為當在三十秒記錄過程中鐵磁工具進入并離開測量范圍七次而產生測量失真峰266時的Twr的Zw分量。
            
[0404]結合圖28，根據本發明的實施例，同時參見圖7，示出了當附接的鉆3的電動馬達啟動并關閉從而生成影響導航系統測量的外部磁場時，來自參考傳感器8的讀數的曲線圖。我們觀察到，當鉆馬達正在轉動時，鉆例如鉆3可產生磁場扭曲，繼而可產生影響電磁導航系統的高頻信號噪聲。當鉆3的鉆馬達運行時，此信號噪聲會導致瞄準顯示器變得不穩定，并顯示圖形鉆圖標392 (圖18和18a中所示)的不真實運動。這種不穩定的顯示行為使用戶難以在鉆孔期間保持并檢查對齊。在圖28中，垂直軸270是從場發生器坐標系130到參考傳感器坐標系137的變換Twr的Zw分量。水平軸272是Twr的讀取數量,并且所示曲線圖包括以四十赫茲頻率連續不斷讀取Twr的三十秒，因此該曲線圖顯示了約一千兩百個讀數。曲線274為當在三十秒記錄過程中啟動并關閉鉆3從而在鉆馬達運行期間產生測量失真276時的Twr的Zw分量。
            
[0405]本發明的另一方面提供用于過濾從與工具集成的場發生器所得的測量數據的方法和設備，其可包括因干擾或測量誤差來改變的數據的檢測、排除、校正或估算。此方法的實施例可包括如下步驟:讀取當前傳感器位置和運動數據；計算選擇時間段內的數據的選擇特性；將這些特性與預定閾值進行比較；如果選擇特性超過選擇閾值，則刪除當前數據；以及在當前讀取之前的選擇時間段內，監測刪除位置和取向讀數的頻率，如果此頻率超過選擇閾值，則向用戶顯示警報，并且任選地顯示由之前數據計算的當前位置和取向的估計值。
            
[0406]在另一個實施例中，處于相對于場發生器的固定位置的參考傳感器用于提供干擾噪聲的相關測量，并用于除去其他傳感器中的干擾噪聲。可以用線性自適應除噪技術或使用噪聲參考源作為輸入的任何其他消除方法進行噪聲消除。例如，可將卡爾曼濾波器應用于傳感器讀數。本領域普通技術人員將認識到，還可以應用利用輸入信號統計調整其濾波器行為的任何其他自適應方法，例如遞歸貝葉斯估計方法。
            
[0407]上述用于過濾從與工具集成的場發生器所得的測量數據的方法和設備的每個結構單獨使用或結合所述其他結構的一些或全部使用均可能是有利的。在本發明范圍內的其他實施例可包括上述的和在下文的示例性實施例中將更詳細描述的有利結構的子集。
            
[0408]結合圖29，根據本發明的實施例，示出了取向誤差與場發生器航向的關系曲線圖。還參見圖7和圖7a，該曲線圖顯示圍繞鉆軸線5完全旋轉導航單元I和鉆3得到的數據，其中鉆3的馬達關閉，并且不存在明顯的磁場干擾。垂直軸290是從場發生器坐標系130到傳感器坐標系134的跟蹤變換Tws的角度中的角度誤差。水平軸292是導航單元I和鉆3圍繞鉆軸線5的航向139。曲線294是內翻外翻角度誤差，其被限定為圍繞鎖緊孔坐標系136的Yh軸的旋轉。曲線296是倒轉角度誤差，其被限定為圍繞釘37的縱向中心線40的旋轉。曲線294示出了基本平滑的誤差函數，其在正或負的二分之一度范圍內，該誤差值在典型電磁跟蹤系統的正常能力范圍內，此系統具有要安裝在手持工具上的足夠小的場發生器和用于示例性應用的足夠小的傳感器元件。曲線296示出了倒轉高達兩度的誤差的平滑圖案，由于倒轉誤差是圍繞傳感器坐標系134的Zs軸的旋轉，該誤差是預測值，且該誤差通常要比圍繞剩余的兩條軸Xs和Ys的旋轉測量的精確度低二至四倍。這是電磁跟蹤系統的典型特征，并且原因在于傳感器10內的傳感線圈物理構造被限制為配合到圍繞Zs軸的小半徑中，以便使傳感器10足夠小從而沿縱向中心線40配合到釘37的管道內。然而已觀察到具有高達四度誤差大小的倒轉誤差異常值298，造成不同航向139的跟蹤準確度明顯不一致，并可導致當瞄準顯示器指示正確對齊時鉆軸線5與鎖緊孔38基本上不對齊。
            
[0409]結合圖30，根據本發明的實施例，示出了用于導航期間平滑處理并校正傳感器位置和取向數據的濾波方法的流程圖。該方法一般包括使用跟蹤傳感器位置和運動數據，任選地與參考傳感器數據組合，來確定信號處理參數并告知用戶測量條件。
            
[0410]還參見圖7，在步驟300中，從導航系統接收當前數據讀數。典型導航系統返回參數和空間位置數據，指示是否存在數據，如果存在，則指示其是否有效或可能不可靠。在步驟302中，評估導航系統給出的參數，如果當前讀數可用，則系統進行步驟304，在該步驟中評估來自參考傳感器的數據。如果在步驟302中確定當前讀數丟失或無效，則系統使丟失樣本計數器變址加1，并在步驟316中將丟失數據計數器與預選極限進行比較。或者步驟316中丟失數據的極限可以為在選擇時間段或自最后可用讀取起的選擇時間段內丟失讀數的百分比。如果已達到丟失數據的極限，系統轉至步驟318，并激活不可讀數據狀態或警報。最常見情況下傳感器10超出范圍會激活步驟318，然而，可根據導航系統給出的參數檢測其他條件，并將此信息傳到步驟318以激活更明確的警報(例如，傳感器未插電、場發生器未插電、以及無法辨識的傳感器類型)。
            
[0411]如果在步驟302中讀取成功，則接收到從場發生器坐標系130到傳感器坐標系134的變換Tws和從場發生器坐標系130到參考傳感器坐標系137的Twr，并且在步驟304中，將當前變換Twr (i)與系統存儲器內存儲的常數Twr進行比較。如果當前Twr (i)與存儲的常數Twr相差超出預定極限，則指示某種形式的干擾或跟蹤失真，并且系統轉至干擾評估與分類步驟320。
            
[0412]還參見圖27和圖28，如曲線284所示，由鐵磁物體干擾引起的失真266與由鉆馬達干擾引起的失真276彼此可區分且與正常瞄準運動過程跟蹤的參考傳感器位置可區分。因此，通過在瞄準過程中持續監測參考傳感器8，當檢測到具有超出預定閾值的參數的、與失真266相似的失真時可以激活警報消息。磁性物體干擾檢測的合適參數對于位置而言是三毫米的閾值，并且對于表示為四元數的取向而言是0.01的閾值。相似地，通過監測具有超出預定閾值的參數的、與失真276相似的失真，可以檢測鉆3中鉆馬達的激活，并且信號處理參數例如噪聲濾波參數也可以相應變化。相似地，附近設備的循環干擾通常也具有不同的Twr (i)變化模式。干擾也可產生不同的Tws (i)變化，從而也可用于對干擾類型進行檢測和分類。干擾也可產生不同的Tws(i)變化，從而也可用于對干擾類型進行檢測和分類。在步驟320中，識別干擾類型，并將其分類為類型322、324或326。
            
[0413]在步驟328中，可根據檢測到的干擾類型，選擇濾波和數據平滑參數，使數據可以使用，或如果數據不準確(例如，由于鐵磁物體太靠近場發生器7或傳感器10而引起恒定場扭曲的情況)，濾波無法使數據可用，于是系統進行步驟330，在該步驟激活警報。如果在步驟304中，當前Twr (i)在預定極限內匹配存儲常數Twr，則系統進行步驟306，確定傳感器10處于測量范圍的什么區域。
            
[0414]通常，導航系統在遠范圍中具有較差的響應、準確性和精度，這可導致較高的測量噪聲水平，繼而出現跳躍或不穩定的瞄準顯示。在示例性實施例中，場發生器7的測量范圍劃分為兩種范圍，即近范圍和遠范圍。近范圍被限定為傳感器10處于圍繞場發生器坐標系130的Zw軸、從Zw負五毫米處延伸到負一百八十毫米并具有一百一十毫米半徑的圓柱形體積內。遠范圍被限定為傳感器10處于圍繞場發生器坐標系130的Zw軸、從Zw負五毫米處延伸到負二百七十五毫米并具有二百毫米半徑的圓柱形體積內，但不包括以上限定的近范圍體積。如果當前讀數Tws(i)處于遠范圍內，則系統進行步驟332，并應用適合遠范圍的濾波參數。在示例性實施例中，使用移動平均濾波器，默認處于近范圍時平均超過十個樣本，處于遠范圍時則增加到二十個樣本。在步驟308中，將默認低通濾波器或前述步驟中確定的濾波參數應用到Tws。在步驟310中，將當前濾波Tws(i)與前面的值進行比較，并確定Tws (i)是否為異常值298 (如圖29所示)。
            
[0415]在示例性實施例中，通過將選擇時間段內的Tws變化值與閾值進行比較，來檢測異常值298。如果變化值明顯高于瞄準過程中正常記錄的值，則指示異常值298。合適的時間段為五十毫秒，并且對于平移而言合適的變化閾值為十毫米，對于用四元數表示的取向而言合適的變化閾值為0.25，這兩種閾值應用于絕對值之和。如果檢測到異常值298，系統進行步驟334，并丟棄當前讀數，丟失讀數計數器被變址，并且系統返回至步驟316。如果在步驟310中確定Tws (i)不是異常值，則系統進行步驟312，在該步驟處用濾波數據更新瞄準顯示器，然后進行步驟314，在該步驟處從導航系統檢索下一個數據樣本。
            
[0416]圖31至圖38示出了本發明某方面的實施例的若干例子，提供了將骨斷片鎖緊到頂釘的設備和方法，其中采用的鎖緊方式可臨時或永久地維持穿過沿釘的縱向中心線的管道的開放通道。
            
[0417]結合圖31，根據本發明的示例性實施例，具有軸部分156和末端部分154的傳感器工具10配合到植入股骨354的頂釘37內。在釘37在股骨354中插入和定位過程中，插入工具39臨時螺栓連接到釘37。插入工具39還具有導向孔，以將近側鎖緊鉆頭344與近側鎖緊孔346對齊。近側鎖緊鉆頭344穿過釘37的近側鎖緊孔346，然后通過導絲374向上延伸進入股骨頭348制備孔，以便在工序的后期安裝永久鎖緊元件(未示出)。末端部分154包含以上在圖1a至圖6中所述的傳感器元件，并如上所述用于定位釘37的遠側鎖緊孔38，特別是在鉆通股骨354中引導鉆與遠側鎖緊孔38成一直線，以便安裝遠側鎖緊螺釘 352。
            
[0418]結合圖32，根據本發明的示例性實施例，近側鎖緊鉆頭344顯示具有管道376、寬366和長368的狹槽孔356、以及與狹槽孔356對齊的標記358。標記358與狹槽孔356的尺寸和形狀相同，位于沿鉆頭344的選擇距離370，以便當鉆頭344穿過所需最大深度進入股骨354 (參見圖31)時在患者身體外面可見，并且其復制在鉆頭344相對側，使得在鉆頭344旋轉中，用戶可以在一百八十度的間隔處看到狹槽孔356的取向。本領域的普通技術人員將認識到，標記358可替代地為指示狹槽孔356旋轉取向的任何合適指示器(例如，箭頭、孔、溝槽或狹槽)，其位于圍繞鉆頭344的縱向軸線的相對于狹槽孔356的已知固定旋轉取向上，并且將認識到可使用單個標記358。
            
[0419]參見圖31、圖32和圖33，鉆頭344的直徑360選擇為適于將穿過近側鎖緊孔346安裝的永久鎖緊元件，狹槽孔寬度366選擇為與釘管道直徑372相似，且足夠大以便傳感器工具10的末端部分154可以穿過，并且狹槽孔長度368選擇為涵蓋不同體格患者之中遇到的釘37和股骨頭348之間距離的范圍。鉆頭344的合適直徑360 Si毫米，狹槽孔356的合適寬度366為六毫米，并且狹槽孔356的合適長度368為二十毫米。管道376具有選擇的直徑，以便在導絲374上滑動。合適直徑的例子是對于導絲374為3.2毫米，對于管道376為3.4毫米。本領域的普通技術人員將認識到，狹槽孔356可替代地為不同形狀，例如，可以使用卵圓形、橢圓形或圓柱形孔。本領域的普通技術人員還將認識到，根據傳感器工具10的尺寸和柔性，狹槽孔356可以偏離釘37的中心線，無需關于釘37的中心線對稱，并且可以具有凹口或凹槽的形式而非窗孔。[0420]結合圖32a，根據本發明的示例性實施例，示出了近側鎖緊鉆頭344的側視圖，其中管道376和標記358可見。
            
[0421]結合圖3，根據本發明的示例性實施例，示出了僅在近側股骨區域中的在經過股骨354中線的額狀面截取的剖面圖。傳感器工具10的軸部分156具有軸直徑160，合適的直徑在三至四毫米的范圍內，并且釘37具有沿其軸線的管道，該管道具有通常在四至五毫米范圍內的直徑372。如圖所示，鉆頭344顯示已通過導絲374鉆入如外科醫生確定的進入股骨頭348的合適深度，并且導絲374已從側向拉出足夠長以騰空釘37中的管道直徑372，并且可任選地完全取出。通過目測將標記358和患者肢體對齊，使鉆頭344的狹槽孔356與釘37中的管道大致對齊，使得當傳感器工具10安裝到釘37內時，傳感器工具10的末端部分154 (參見圖31)和軸部分156可穿過狹槽孔356。
            
[0422]結合圖31、圖32和圖33，本發明某方面的示例性使用方法如下:使用附接的插入工具39將頂釘37插入股骨354中。設置股骨354斷片并固定釘37在股骨354中的位置，并且通過導絲374將鉆頭344穿過近側鎖緊孔346并進入股骨頭348到達合適深度。然后，將鉆頭344旋轉至一定位置，其中標記358處于相對股骨354的近側和遠側面向位置。然后，將導絲374向后拉出股骨，而鉆頭344保留在原處，以便將股骨354的近側斷片保持就位。接著，將傳感器工具10插入釘37中，以便于遠側鎖緊螺釘352的安裝。當遠側鎖緊完成時，移除傳感器工具10，可根據需要重新插入導絲374，取出鉆頭344，并且通過近側鎖緊孔346將永久近側鎖緊元件(未示出)安裝到股骨頭348中。
            
[0423]參見圖31至33，本領域的技術人員將認識到，其他實施例也可行，其中作為鉆頭344的替代，可以使用具有與狹槽孔356相似的狹槽孔的臨時螺柱或導絲(以下圖34、35和36中示出了一種此類示例性替代實施例)。本領域的技術人員還將認識到，與狹槽孔356相似的狹槽孔可以直接設置在永久鎖緊元件中。
            
[0424]結合圖34，根據本發明的替代實施例，示出了臨時鎖緊螺柱420的頂視圖。使用過程中，將螺柱420 —端螺紋連接到股骨頭中，其中螺紋422與股骨頭斷片接合。此區域中的外徑424可以為例如5.4毫米。將螺柱420沿其整個長度插入，管道具有選擇的直徑426，以適于在導絲上滑動(參見圖36)。狹槽孔428具有約等于或大于頂釘37的管道直徑372(參見圖33)的寬度430并具有長度432。選擇長度432，以允許沿螺柱420軸線從釘37中心線向上進入股骨頭348到達螺柱420末端的距離范圍，使得安裝螺柱420時，釘37的中心線位于長度432內。要適應患者人群中遇到的股骨頸長度范圍，可提供具有不同狹槽孔長度432和總長度434的一組螺柱420。指示器孔436與狹槽孔428對齊，還具有適于插銷扳手或桿插入的直徑，以允許螺柱420輕松轉動而插入和移除。例如，指示器孔436的合適直徑為4.4毫米。
            
[0425]結合圖35，示出了圖34中所示的本發明替代實施例的前視圖。示出了替代實施例的臨時鎖緊螺柱420。螺柱420具有縱向軸線438。狹槽孔428以角度440取向，選擇此角度以使典型股骨頸與軸角匹配。角度440的合適值為一百三十度。還示出了指示器孔436。
            
[0426]結合圖36，根據圖34所示的本發明替代實施例，示出了僅在近側股骨區域中的在經過股骨354中線的額狀面截取的剖面圖。如圖所示，一端具有螺紋444的導絲442插入在股骨頭348內，其中螺紋444接合在股骨頭348外表面附近的皮質骨中。如圖所示，螺柱420位于導絲442上的適當位置，其中螺紋422與導絲螺紋444側面的股骨頭348相接合。通過目測將指示器孔436與患者肢體對齊，使螺柱420中的狹槽孔428與釘37中的管道大致對齊，使得可以在不失去股骨頭348穩定性的情況下，臨時取出導絲442，然后當傳感器工具10沿方向446安裝到釘37的管道中時，傳感器工具10 (另參見圖31)可以穿過狹槽孔428。在完成遠側鎖緊并移除傳感器工具10之后，可以重新插入導絲442，并將其擰回到股骨頭348，移除螺柱420以及將永久鎖緊元件安裝在導絲442上。
            
[0427]結合圖31和圖34至36，本發明替代實施例的使用方法類似于示例性實施例的使用方法，不同的是使用鉆頭僅鉆取股骨354的外側皮質，并且用螺柱420替換鉆頭344。當優選不鉆通股骨頸并進入股骨頭348而是只使用導絲442來穩定股骨頭348并引導永久鎖緊元件安裝時，可以使用此方法。
            
[0428]結合圖37、圖37a和圖38，示出了適用于特定應用的本發明的第二替代實施例，該應用中鎖緊孔直徑類似管道直徑，這種情況下，用于鉆取鎖緊孔的鉆頭太小，無法適應示例性實施例中所示的狹槽孔。圖37示出了具有外部506和柱塞508的螺柱504。外徑502被選擇為滑動配合在骨內針對鎖緊螺釘所制作的鉆孔522(參見圖38)中。膨脹末端部分510具有兩條狹縫500，將膨脹末端部分510劃分為四個象限。
            
[0429]圖37a是螺柱504的剖面圖，示出了滑動配合在外部506內的柱塞508。螺柱504可以由例如不銹鋼、鈦、或由高模量可熱壓塑料如PEEK、或由提供足夠撓曲和剪切抗性的任何其他材料制成。
            
[0430]圖38是骨512的剖面圖，其中植入了頂釘514并且螺柱504顯示為接合在骨512的僅一層皮質和釘514的一個壁中。釘514具有直徑520的管道，該直徑與鎖緊孔直徑518相似。鎖緊孔鉆直徑522稍微小于鎖緊孔直徑518。使用時，鎖緊孔鉆(未示出)穿過軟組織516、骨512的一層皮質、釘514以及骨512的相對皮質。螺柱504通過所得的鉆孔滑動足夠遠以接合釘514的一個壁，并相對于外部506向下推動柱塞508，向外擴大末端部分510(參見圖37和37a)，使之與鎖緊孔518過盈配合。在鉆孔后并且在螺柱504安裝前或安裝后，傳感器工具軸部分156可穿過釘514中的管道。因此，當傳感器工具10 (參見圖31)在使用中時，螺柱504將釘514固定在相對于骨512的適當位置。當不再需要傳感器工具10時，將其移除，移除螺柱504，并穿過骨512和釘514安裝永久鎖緊元件(例如鎖緊螺釘，未示出)。
            
[0431]本發明的某些實施例包括由本文所述的一種或多種工具和裝置構成的套件。例如，套件可包括如本文所述的一種或多種傳感器工具和一種或多種植入物或這些傳感器工具可使用的其他組件。此類套件還可包括可附接到插入物或其他組件上的一個或多個插入工具。傳感器工具和插入工具可配置有允許傳感器工具能夠拆卸地連接到插入工具的結構。此類套件還可包括配準工具，用于使工具與植入物或其他組件配準。套件的另一個例子包括工具以及可附接到此工具的場發生器、可附接到此工具的顯示器和可附接到此工具的導航單元中的一種或多種。在某個實施例中，套件包括多種不同工具和場發生器，并且工具被配置成允許場發生器連接到不同工具中的任何一種。導航單元可包括場發生器和顯示器(其可以固定到導航單元或從導航單元拆下)。此類套件還可包括配準工具，用于使工具與植入物或其他組件配準。此類套件也可包括一種或多種工具構件，例如一種或多種鉆頭、鋸、銷、銑刀等。
            
[0432]所有專利公開、專利和專利申請以引用方式并入本文，其引用程度如同明確且獨立地指明每個獨立的專利公開或專利申請是以引用方式并入的。
            
[0433]術語解釋
            
[0434]除非上下文另有明確要求，否則整篇說明書和權利要求中:
            
[0435]?“包括”、“包含”等應解釋為包含性意義，而非排他性或窮舉性意義；也就是說，“包括但不僅限于”的意義。
            
[0436].“連接”、“聯接”或其任何變體表示兩個或更多個元件之間直接或間接的任何連接或聯接；元件之間的聯接或連接可以是物理的、邏輯的或其組合。
            
[0437]?“本文”、“上文”、“下文”和類似含義的詞語在用來描述本說明書時，應是將本說明書視為一個整體，而非本說明書的任何具體部分。
            
[0438].涉及兩個或更多個項目的列表的“或”涵蓋以下對該詞的解釋:列表中的任何一個項目、列表中的全部項目、以及列表中項目的任何組合。
            
[0439].單數形式的“一個”、“一種”和“該”還包括任何適當復數形式的意思。
            
[0440]本說明書和任何所附權利要求(存在時)中使用的表示方向例如“垂直”、“橫向”、“水平”、“向上”、“向下”、“向前”、“向后”、“向內”、“向外”、“垂直”、“橫向”、“左”、“右”、“前”、“后”、“頂部”、“底部”、“下面”、“上面”、“下方”等的詞依據所描述和闡述的設備的具體取向。本文所述的主題可具有多個可供選擇的取向。因此，這些方向性術語沒有嚴格限定，不應進行狹義解釋。
            
[0441]可使用如下實現本發明實施例的數據處理特征:專門設計的硬件；可配置硬件；通過提供能夠在數據處理器中執行的軟件(其可任選地包括“固件”)而配置的可編程數據處理器；專用計算機或數據處理器，其經具體編程、配置或構造以執行本文詳細說明的方法中的一個或多個步驟；和/或這些之中的兩種或更多種的組合。專門設計的硬件的例子為:邏輯電路、專用集成電路(“ASIC”)、大規模集成電路(“LSI”)、超大規模集成電路(“VLSI”)等。可配置硬件的例子為:一種或多種可編程邏輯設備，例如可編程陣列邏輯(“PAL”)、可編程序邏輯陣列(“PLA”)以及現場可編程門陣列(“FPGA”)。可編程數據處理器的例子為:微處理器、數字信號處理器(“DSP”)、嵌入式處理器、圖形處理器、數學協處理器、通用計算機、服務器計算機、云計算機、大型計算機、計算機工作站等。例如，設備控制電路中的一種或多種數據處理器可通過執行處理器可訪問的程序存儲器中的軟件指令來實施本文所述的方法。可以采用這些方式的任何一種實施上述方法的任何一種。根據本發明的某些實施例的系統可配置成執行本文所述的一種或多種方法。如果系統被配置成執行本文所述的不止一種功能或方法，則可使用相同或不同硬件實施不同方法或功能。例如，計算機處理器可用于為位置傳感系統提供計算，也用于協調和/或實施本文所述的一種或多種方法。在其他實施例中，可使用不同硬件實施不同方法和/或不同功能。
            
[0442]處理可為集中式或分布式。如果處理為分布式，則包括軟件和/或數據的信息可集中式或分布式保存。此類信息可經由通信網絡例如局域網(LAN)、廣域網(WAN)、互聯網、有線或無線數據鏈路、電磁信號或其他數據通信信道，在不同功能單元之間交換。
            
[0443]軟件和其他模塊可存在于服務器、工作站、個人計算機、平板計算機、數據庫服務器或適合本文所述目的其他設備上。
            
[0444]本發明的某些實施例也可以程序產品的形式提供。程序產品可包括任何非臨時性介質，這些介質攜帶了一組計算機可讀指令，這些指令在由數據處理器執行時，促使數據處理器執行本發明的方法。根據本發明的程序產品可以為各種形式中的任何一種。程序產品包括例如非臨時性介質如磁性數據存儲介質(包括軟盤)、硬盤驅動器、光數據存儲介質(包括⑶ROM、DVD)、電子數據存儲介質(包括ROM、閃存、EPR0M)、硬連線或預編程芯片(如，EEPROM半導體芯片)、納米技術存儲器等。程序產品上的計算機可讀信號可任選地進行壓縮或加密。
            
[0445]如果上文提到組件(如聯接件、傳感器、場發生器、顯示器、工具、軟件模塊、處理器、組合件、裝置、電路等)，除非另外指明，否則所提到的該組件(包括提到的“裝置”)應當理解為包括執行所述組件功能的任何組件的組件等同物(即功能上的等效)，包括與執行本發明的所示示例性實施例中的功能的本發明所公開的結構在結構上不等同的組件。
            
[0446]出于說明的目的，系統、方法和設備的具體實例已在本文進行描述。這些僅為實例。本文提供的技術可應用于除上述示例性系統以外的系統。在本發明實踐中，可以有多種變化、修改、增加、省略和排列。本發明包括對于技術人員顯而易見的所述實施例的變型，包括通過以下方式得到的變型:用等同的結構、元件/或行為替換結構、元件和/或行為；混合搭配不同實施例中的結構、元件和/或行為；將本文所述實施例的結構、元件和/或行為與其他技術的結構、元件和/或行為組合；和/或省略所述實施例中組合的結構、元件和/或行為。
            
[0447]本文所述設備的另一個示例性應用為安裝工具的顯示器。該顯示器可與銑刀一起使用以監測切割過程，可在鋸上使用以控制對齊和/或切割深度，可在鉸刀上使用以控制髖臼杯元件布置，可在銷插入導向器上使用以控制克氏針的插入等。
            
[0448]所述方法可以變化。例如，當流程或區塊按給定順序出現時，可供選擇的實例可以不同順序執行具有步驟的程序，或應用具有區塊的系統，并且一些流程或區塊可以刪除、移動、添加、細分、組合和/或修改以提供替代物或子組合。可以通過多種不同方式實施這些流程或區塊中的每個。另外，雖然流程或區塊有時顯示為連續執行，但這些流程或區塊可相反地并行執行，或可在不同時間執行。此外，雖然元件有時顯示為按順序執行，但它們可相反地同時執行，或按不同順序執行。
            
[0449]雖然上文描述了許多示例性方面和實施例，但本領域的技術人員將識別出某些修改、變更、添加和其子組合。因此，以下所附權利要求書和下文引入的權利要求應理解為包括所有這些修改、變更、添加和子組合。
            
【權利要求】
            
1.一種手持工具，包括:  能夠手持的主體；  聯接到所述主體的工具構件；  聯接到所述主體的場發生器，所述場發生器能夠操作以發射用于通過位置傳感系統的傳感器進行檢測的場，所述場允許測定所述傳感器相對于所述場發生器的位置。
            
2.根據權利要求1所述的手持工具，其中所述場發生器被支撐在相對于所述工具構件的軸線固定的位置且位于所述工具構件上的點處。
            
3.根據權利要求1或2所述的手持工具，其中所述場發生器被配置成發射電磁場。
            
4.根據權利要求1至3中任一項所述的手持工具，包括被聯接成致動所述工具構件的運動的馬達。
            
5.根據權利要求4所述的手持工具，其中所述工具構件包括轉刀。
            
6.根據權利要求5所述的手持工具，其中所述場發生器相對于所述轉刀在5個自由度上是固定的，使得所述轉刀和所述場發生器之間的唯一顯著的經允許的相對運動為所述轉刀圍繞所述轉刀的固定旋轉軸線的相對旋轉。
            
7.根據權利要求5或6所述的手持工具，其中所述工具構件包括鉆頭。
            
8.根據權利要求1至4中任一項所述的手持工具，其中所述工具構件包括鋸片。
            
9.根據權利要求1至4中任一項所述的手持工具，其中所述工具構件包括選自以下的刀具:銑刀、擴孔鉆、鉆頭、以及鋸片。
            
10.根據權利要求1至9中任一項所述的手持工具，其中所述工具構件包含鐵磁材料。
            
11.根據權利要求4所述的手持工具，其中將所述馬達聯接成使所述工具構件圍繞旋轉軸線旋轉或樞轉，并且所述場發生器位于所述旋轉軸線之外。
            
12.根據權利要求11所述的手持工具，其中所述場發生器能夠相對于所述主體在多于兩個的不同位置之間運動，其中所述不同位置中的每一個與所述旋轉軸線等距，并且所述不同位置中的每一個與位于所述旋轉軸線上的所述工具構件中的點等距。
            
13.根據權利要求4所述的手持工具，其中將所述馬達聯接成使所述工具構件圍繞旋轉軸線旋轉或樞轉，并且所述場發生器位于所述旋轉軸線上。
            
14.根據權利要求13所述的手持工具，其中所述工具構件延伸穿過從所述場發生器中穿過的通道。
            
15.根據權利要求1至14中任一項所述的手持工具，其中所述場發生器通過能夠調節的聯接件聯接到所述主體，所述聯接件允許所述場發生器相對于所述主體運動。
            
16.根據權利要求1至15中任一項所述的手持工具，其中所述場發生器能夠拆卸地聯接到所述主體。
            
17.根據權利要求15所述的手持工具，其中所述工具構件具有旋轉軸線并且所述聯接件被配置成允許所述場發生器圍繞所述工具構件的旋轉軸線旋轉。
            
18.根據權利要求17所述的手持工具，其中所述聯接件被配置成使所述場發生器與所述工具構件的旋轉軸線保持固定的徑向間距。
            
19.根據權利要求1至14中任一項所述的手持工具，其中所述工具包括多個安裝聯接件，并且所述場發生器能夠拆卸地附連到所述多個安裝聯接件中的每一個。
            
20.根據權利要求19所述的手持工具，其中所述工具構件具有旋轉軸線并且所述多個安裝聯接件圍繞所述旋轉軸線成角度地間隔開。
            
21.根據權利要求20所述的手持工具，其中所述安裝位置位于以所述旋轉軸線為中心的圓上。
            
22.根據權利要求1至21中任一項所述的手持工具，其中所述工具構件能夠以預定的模式在限定的運動范圍內相對于所述主體運動。
            
23.根據權利要求22所述的手持工具，其中所述工具構件能夠僅圍繞所述工具構件的對稱軸線相對于所述主體運動。
            
24.根據權利要求1至23中任一項所述的手持工具，還包括封裝所述場發生器的無菌封裝件。
            
25.根據權利要求1至24中任一項所述的手持工具，還包括夾子，所述夾子聯接到所述主體以將手術單保持到所述手持工具。
            
26.根據權利要求1所述的手持工具，其中所述場發生器被支撐在能夠拆卸地聯接到所述主體的導航單元上，所述導航單元包括襯套，并且所述工具構件穿過所述襯套。
            
27.根據權利要求1至14中任一項所述的手持工具，其中所述場發生器被支撐在能夠拆卸地聯接到所述主體的導航單元上，所述導航單元包括被聯接成由所述馬達轉動的能夠旋轉的軸，并且所述工具構件聯接到所述能夠旋轉的軸。
            
28.根據權利要求27所述的手持工具，包括安裝到所述能夠旋轉的軸的遠端的鉆夾頭。
            
29.根據權利要求28所述的手持工具，其中所述工具構件包括與所述鉆夾頭接合的鉆頭。
            
30.根據權利要求1至14中任一項所述的手持工具，其中所述場發生器被支撐在能夠拆卸地聯接到所述主體的導航單元上，所述導航單元包括鉆夾頭并且所述主體包括能夠附接以驅動所述鉆夾頭的鉆馬達。
            
31.根據權利要求30所述的手持工具，包括被配置成顯示來自導航系統的瞄準信息的顯示器，所述顯示器聯接到所述主體。
            
32.根據權利要求31所述的手持工具，其中所述顯示器通過聯接件聯接到所述主體，所述聯接件允許所述顯示器相對于所述主體的取向改變。
            
33.根據權利要求31或32所述的手持工具，其中將所述顯示器聯接成相對于所述工具的軸線進行樞轉運動。
            
34.根據權利要求31至33中任一項所述的手持工具，包括聯接到所述顯示器的傾斜儀，所述傾斜儀提供指示所述顯示器的傾斜度的輸出信號。
            
35.根據權利要求34所述的手持工具，其中所述傾斜儀包括加速度計。
            
36.根據權利要求34或35所述的手持工具，其中基于來自所述傾斜儀的輸出信號來控制顯示于所述顯示器上的內容的取向。
            
37.根據權利要求31至33中任一項所述的手持工具，包括編碼器，所述編碼器被配置成提供指示所述顯示器相對于所述主體的角度位置的輸出信號。
            
38.根據權利要求37所述的手持工具，其中基于來自所述編碼器的輸出信號來控制顯示于所述顯示器上的內容的取向。
            
39.根據權利要求1至39中任一項所述的手持工具，包括參考傳感器，所述參考傳感器能夠操作以接收由所述場發生器發射的場并輸出指示所述參考傳感器相對于所述場發生器的位置的信號。
            
40.根據權利要求39所述的手持工具，其中所述參考傳感器附連到所述場發生器的外殼或在所述外殼內。
            
41.根據權利要求39或40所述的手持工具，包括附連到所述工具的多個參考傳感器。
            
42.根據權利要求41所述的手持工具，其中所述多個參考傳感器附連到所述場發生器的外殼或在所述外殼內。
            
43.根據權利要求1至42中任一項所述的手持工具，所述手持工具與具有沿配準軸線突出的構件的配準工具相結合，其中所述配準工具適于臨時地聯接到所述工具構件，使得所述配準軸線相對于所述工具構件的軸線保持預定的空間關系。
            
44.根據權利要求43所述的手持工具，其中所述構件被配置成臨時地聯接到組件的目標結構，使得所述配準軸線相對于所述目標結構的軸線保持第一預定的空間關系。
            
45.根據權利要求43所述的手持工具，其中所述配準工具的構件包括末端部分，所述末端部分能夠壓縮以緊密貼合在多個不同尺寸的目標結構中。
            
46.根據權利要求43所述的手持工具，其中所述配準工具的構件包括至少一個有回彈力的彈性元件。
            
47.根據權利要求43至46中任一項所述的手持工具，其中當所述配準工具聯接到所述工具構件時，所述配準工具的構件與所述工具構件同軸。
            
48.一種包括根據權利要求1至47中任一項所述的手持工具的系統，所述手持工具與包括至少一個傳感器的位置傳感系統相結合，所述至少一個傳感器能夠操作以接收由所述場發生器發射的場并輸出指示所`述傳感器相對于所述場發生器的位置的信號。
            
49.根據權利要求48所述的系統，其中所述傳感器具有傳感器起始點和傳感器軸線，所述傳感器起始點在相對于所述傳感器的固定位置處，所述傳感器軸線在相對于所述傳感器的固定取向上并且穿過所述起始點，并且其中所述場發生器還包括存儲裝置和存儲在所述存儲裝置中的一組校正因子，其中每個校正因子與所述傳感器相對于所述手持工具的一組預定位置之一相對應。
            
50.根據權利要求49所述的系統，其中在所述一組傳感器位置的每個位置處，所述傳感器軸線垂直于所述工具軸的軸線，并且在距所述工具上的末端點的選擇的距離處與所述工具的所述軸線相交。
            
51.根據權利要求48至50中任一項所述的系統，包括連接成過濾來自所述至少一個傳感器的信號的濾波器。
            
52.根據權利要求51所述的系統，其中所述濾波器包括一個或多個變量參數，所述手持工具包括一個或多個參考傳感器，并且所述系統被配置成至少部分地基于來自所述一個或多個參考傳感器的信號來設定所述濾波器的所述一個或多個變量參數。
            
53.根據權利要求49至52中任一項所述的系統，包括處理器，所述處理器被聯接成接收來自所述傳感器的信號，并且被配置成根據所述信號來確定在所述手持工具相對于所述傳感器的當前位置和取向之間的差異并且在所述顯示器上顯示指示所確定的差異的信息。
            
54.根據權利要求53所述的系統，其中所述處理器被配置成在所述顯示器上顯示在所述手持工具的當前位置和期望位置之間的第一差異的第一指示器以及在所述手持工具的當前對齊和期望對齊之間的第二差異的第二指示器，其中所述系統被配置成僅在所述第一差異小于閾值差異時才顯示所述第二指示器。
            
55.根據權利要求49至54中任一項所述的系統，其中所述系統包括校正單元，所述校正單元被配置成至少部分地基于所述傳感器相對于所述工具構件的軸線以及位于所述工具構件上的固定點所確定的位置來校正根據所述信號確定的所述傳感器的位置，所述場發生器與所述工具構件存在已知的空間關系。
            
56.根據權利要求55所述的系統，其中所述校正單元包括以下的一個或多個:查找表、諸如多項式函數的預定校正函數、樣條插值、經優化以減小場發生器的輸出誤差的參數圖、以及神經網絡。
            
57.根據權利要求49至56中任一項所述的系統，其中所述導航系統被配置成跟蹤所述傳感器相對于所述場發生器的運動，并且至少部分地基于所跟蹤的運動來確定所述工具構件的切割深度。
            
58.根據權利要求57所述的系統，其中所述導航系統還被配置成:  監測一個或多個附加參數，所述附加參數包括以下的一個或多個:所述手持工具的馬達是否開啟、所述手持工具的馬達速度，以及  當所述傳感器的被跟蹤運動和所述一個或多個附加參數對應于危險狀態的預定標準時生成警告。
            
59.根據權利要求49至58中任一項所述的系統，包括適于顯示所述手持工具相對于目標的位置的可視化用戶界面，所述可視化用戶界面包括:  代表所述目標的目標圖形元件；   代表所述工具的工具圖形元件；以及  代表所述工具與所述目標的相對位置的至少一個相對位置參數。
            
60.根據權利要求59所述的系統，其中所述可視化用戶界面包括用于確定所述目標圖形元件和所述工具圖形元件的所顯示尺寸的變量放大因子。
            
61.根據權利要求60所述的系統，所述系統被配置成響應于所述相對位置參數在預選的值范圍內達第一預選時間間隔來改變所述放大因子。
            
62.根據權利要求61所述的系統，所述系統被配置成響應于所述相對位置參數在所述預選的值范圍之外達第二預選時間間隔來將所述放大因子設定為默認值。
            
63.根據權利要求49至62中任一項所述的系統，包括數據庫，所述數據庫包含多個組件的幾何數據，所述幾何數據包括指示所述組件中的每一個的一個或多個目標結構相對于所述組件上的一個或多個參考位置的取向和位置的數據。
            
64.一種具有集成的導航設備的工具，包括:  具有工具軸線和位于所述工具軸線上的末端點的工具；  電磁位置測量系統的磁場發生器組件；  其中所述工具和所述場發生器聯接在一起，使得所述末端點位于相對于所述場發生器的固定位置，并且所述工具軸線位于相對于所述場發生器的固定取向。
            
65.一種適于在場中將工具與目標結構對齊的工具導航設備，所述設備包括:  具有工具軸線的工具；  電磁導航系統的場發生器組件；第一傳感器，所述第一傳感器相對于目標固定并且適于產生指示所述第一傳感器相對于所述場發生器的位置的第一信號；  第二傳感器，所述第二傳感器相對于所述場發生器固定并且適于產生指示所述第二傳感器相對于所述場發生器的位置的第二信號；以及  被配置成至少部分地基于所述第二信號而向用戶指示失真的場狀態的指示器。
            
66.根據權利要求65所述的工具導航設備，其中所述導航系統被配置成監測包含所述第二信號的至少一個參數的第一參數集，并且當所述第一參數集超過第一預選閾值集時發送失真的磁場狀態的信號。
            
67.根據權利要求66所述的工具導航設備，其中所述導航系統被配置成監測包含所述第二信號的至少一個參數的第二參數集，所述設備還包括適于使所述第一信號平滑的濾波器，所述濾波器具有至少一個能夠選擇的過濾參數，其中所述過濾參數基于所述第二參數集的一個或多個參數值進行選擇。
            
68.根據權利要求65至67中任一項所述的工具導航設備，其中所述目標結構包括整形植入物中的孔。
            
69.根據權利要求65至67中任一項所述的工具導航設備，其中所述目標結構包括患者的解剖結構。
            
70.—種手持工具,包括:   包括工具主體的工具；  通過聯接件聯接到所述工具主體的顯示屏幕，所述聯接件允許所述顯示屏幕在至少一個自由度中相對于所述工具主體運動。
            
71.根據權利要求70所述的工具，其中所述工具包括限定縱向軸線的工具構件，并且所述至少一個自由度包含圍繞所述縱向軸線的旋轉。
            
72.根據權利要求71所述的工具，其中所述工具包括能夠相對于所述工具的主體旋轉的刀具，并且所述縱向軸線為所述刀具的旋轉軸線。
            
73.根據權利要求72所述的工具，其中所述顯示屏幕能夠相對于所述工具的主體圍繞兩條旋轉軸線獨立地旋轉。
            
74.根據權利要求70至73中任一項所述的工具，其中所述聯接件包括用于以相對于所述工具主體的選擇的取向來保持所述顯示屏幕的鎖定機構。
            
75.一種用于校準系統的方法，所述系統包括手持工具和位置傳感系統，所述位置傳感系統用于測定所述手持工具相對于組件的目標結構的位置和取向，所述方法包括:  在所述手持工具上提供探針構件，所述探針構件具有在所述手持工具上的固定位置和取向；  將所述探針構件完全插入所述組件的目標結構中，所述探針構件被配置成緊密貼合所述目標結構；  用所述位置傳感系統確定所述手持工具和所述組件的相對位置和取向。
            
76.根據權利要求75所述的方法，其中所述手持工具包括工具構件，并且所述探針構件通過將所述工具構件滑動到所述探針構件的開口中而設置在所述手持工具上。
            
77.根據權利要求75所述的方法，其中所述探針構件包括切割工具。
            
78.根據權利要求75所述的方法，其中所述探針構件包括鉆頭。
            
79.根據權利要求78所述的方法，其中所述鉆頭包括肩部。
            
80.根據權利要求76所述的方法，其中所述工具構件包括鉆頭，所述探針構件中的所述開口包括尺寸設定成容納所述鉆頭的孔，并且所述探針構件包括與所述孔同軸的伸長突出。
            
81.根據權利要求80所述的方法，其中所述伸長突出包含彈性材料，并且將所述探針構件插入所述組件的目標結構中包括壓縮所述伸長突出的所述彈性材料。
            
82.根據權利要求75至81中任一項所述的方法，包括記錄所述手持工具和所述組件的相對位置和取向。
            
83.根據權利要求82所述的方法，包括基于所述手持工具和所述組件的相對位置和取向以及所述探針構件的已知幾何形狀來校準所述位置傳感系統。
            
84.一種用于校準系統的配準設備，所述系統包括手持工具和位置傳感系統，所述位置傳感系統用于測定所述手持工具相對于組件的目標結構的位置和取向，所述手持工具包括工具構件，所述配準設備包括具有用于與所述目標結構緊密貼合接合的突出的構件以及用于容納所述工具構件并且將所述工具構件保持在相對于所述突出的預定固定取向和位置的凹槽。
            
85.根據權利要求84所述的配準設備，其中所述目標結構包括孔，所述工具構件包括鉆頭，所述凹槽包括尺寸設定成在所述鉆頭上提供滑動配合的孔，并且所述突出包括與所述凹槽同軸的伸長構件。
            
86.根據權利要求84或85所述的配準設備，包括鄰近所述突出構件的近端的鄰接表面，所述鄰接表面被配置成通過與鄰近所述目標結構的所述組件的表面接合來限制所述突出構件插入所述目標結構中至預定的`深度。
            
87.一種工具，包括:  具有工具軸線的工具構件；  電磁導航系統的場發生器組件，所述場發生器被支撐在相對于所述工具軸線和所述工具軸線上的點的固定位置處；  具有結構的整形植入物，所述結構具有結構軸線，以及  適于產生指示相對于所述場發生器的傳感器工具位置的信號的傳感器工具，  其中，  所述傳感器工具在相對于所述結構的預定固定位置處聯接到所述整形植入物；  所述工具適于臨時地聯接到所述結構，使得所述工具軸線相對于所述結構軸線保持第一預定空間關系；并且  所述導航系統適于記錄所述結構軸線相對于所述傳感器工具的位置。
            
88.—種適于附接到組件的傳感器工具，所述傳感器工具包括:  具有長度、遠端和近端的軸部分；  附接到所述近端的柄部部分；  在所述遠端處的末端部分，其中所述末端部分包括至少一個柔性的彈性構件；以及  附接在靠近所述遠端的固定位置處的位置指示元件。
            
89.根據權利要求88所述的傳感器工具，其中所述末端部分包括多個徑向延伸的彈性構件。
            
90.根據權利要求89所述的傳感器工具，其中所述彈性構件是弓形的并且具有附接到所述末端部分的近端和遠端。
            
91.根據權利要求88至90中任一項所述的傳感器工具，其中所述柄部部分還包括連接元件，所述連接元件適于臨時地將所述柄部部分附接到插入工具，使得所述傳感器工具被保持在相對于所述組件的獨特且預定的固定位置。
            
92.根據權利要求88至91中任一項所述的傳感器工具，所述傳感器工具適于附接到植入式醫療裝置。
            
93.根據權利要求92所述的傳感器工具，其中所述植入式醫療裝置包括IM釘。
            
94.根據權利要求88至93中任一項所述的傳感器工具，其中所述軸部分是柔性的。
            
95.根據權利要求91所述的傳感器工具，其中所述軸部分具有足以將目標結構近側的所述末端部分放置到所述目標結構的期望距離內的長度。
            
96.根據權利要求91所述的傳感器工具，其中所述連接元件包括適于接合位于所述柄部中的螺紋孔的螺釘。
            
97.根據權利要求88至95中任一項所述的傳感器工具，其中所述連接元件包括適于接合所述柄部的一部分的夾具。
            
98.根據權利要求91所述的傳感器工具，其中所述連接元件包括所述主體部分的至少一個柔性彈性元件，并且其中所述彈性元件適于接合所述插入工具的至少一個選擇的結構。
            
99.根據權利要求88至98中任一項所述的傳感器工具，其中所述末端部分在具有位于一定范圍內的直徑的鏜孔中是自動定心的。`
            
100.根據權利要求88至99中任一項所述的傳感器工具，其中所述柄部部分包括用于將所述傳感器工具與組件接合的搭扣配合機構。
            
101.一種適于插入具有目標結構的整形植入物的第一結構中的傳感器工具，所述傳感器工具包括插入所述第一結構中至相對于所述目標結構位于近側的位置的末端部分、安裝在所述傳感器工具上位于所述末端部分處或所述末端部分附近的固定位置處的位置指示元件、以及用于直接或間接地將所述傳感器工具聯接到所述整形植入物的保持部分，其中所述末端部分能夠壓縮以安裝到具有在一系列尺寸范圍內的尺寸的第一結構中。
            
102.根據權利要求101所述的傳感器工具，其中所述第一結構包括管道。
            
103.根據權利要求101或102所述的傳感器工具，其中所述傳感器工具被配置成將所述末端部分保持在距所述目標結構的預定最小距離處。
            
104.根據權利要求101至103中任一項所述的傳感器工具，其中所述位置指示元件被配置成生成指示其相對于導航系統的元件的位置的響應。
            
105.根據權利要求101至104中任一項所述的傳感器工具，其中所述末端部分在所述第一結構中是自動定心的。
            
106.一種適于與剛性連接到整形植入物的插入工具附接的傳感器工具，所述傳感器工具包括:  具有長度的主體部分；  嵌入在所述主體部分內的固定位置處的位置指示元件；以及  連接元件，其中所述連接元件適于臨時地將所述主體部分附接到所述插入工具，使得所述主體部分被固定在相對于所述植入物的獨特預定位置。
            
107.一種用于提供關于工具相對于目標的位置和取向的視覺反饋的方法，所述方法包括:  顯示表示所述目標的目標圖形元件；  顯示表示所述工具的工具圖形元件；  測定表示所述工具與所述目標的相對位置的至少一個相對位置參數；以及至少部分地基于所述相對位置參數，設定確定所述目標圖形元件和所述工具圖形元件的顯示尺寸的放大因子的值。
            
108.根據權利要求107所述的方法，包括響應于所述相對位置參數在預選的值范圍內達第一預選時間間隔內來將所述放大因子的值設定為替代值。
            
109.根據權利要求108所述的方法，包括響應于所述相對位置參數在所述預選的值范圍之外達第二預選時間間隔來將所述放大因子設定為默認值。
            
110.一種用于提供關于工具相對于目標結構的位置和取向的視覺反饋的方法，其中所述工具具有工具軸線并且所述目標結構具有目標軸線，所述方法包括:  監測所述工具和目標結構的相對位置和取向；  確定表示所述工具軸線與在所述目標軸線上的第一選擇的點的相對位置的第一相對位置參數；`  確定指示所述工具軸線與所述目標軸線的相對取向的第二相對位置參數；  顯示指示所述工具和所述目標結構的相對位置的位置指示器，以及指示所述工具和所述目標結構的相對對齊的對齊指示器；以及  每當所述第一相對位置參數具有超出預定范圍的值時，抑制對所述對齊指示器的顯/Jn o
            
111.根據權利要求110所述的方法，其中所述第一相對位置參數包括從所述目標軸線上的第一選擇的點垂直于所述目標軸線到所述工具軸線所測得的距離。
            
112.根據權利要求110或111所述的方法，其中所述第二相對位置參數包括從末端點到所述目標軸線的正交距離。
            
113.根據權利要求110所述的方法，其中所述第一相對位置參數包括從所述目標軸線上的第一選擇的點垂直于所述目標軸線到所述工具軸線所測得的距離。
            
114.根據權利要求110或113所述的方法，其中所述第二相對位置參數包括從所述目標軸線上的第二選擇的點垂直于所述目標軸線到所述工具軸線所測得的距離。
            
115.一種用于指示工具相對于目標結構的位置和取向的可視化用戶界面，其中所述工具具有工具軸線并且所述目標具有目標軸線，所述界面包括:  用于確定表示所述工具軸線與所述目標軸線上的第一選擇的點的相對位置的第一相對位置參數和第二相對位置參數的裝置，所述第二相對位置參數與所述第一相對位置參數一起表示所述工具軸線與所述目標軸線的相對取向；  顯示器；  界面控制器，所述界面控制器被配置成當所述第一相對位置參數在所述第一預選范圍內時在所述顯示器上顯示指示所述工具的能夠接受的位置的第一標記，并且當所述第一相對位置參數在所述第一預選范圍內且所述第二相對位置參數同時在第二預選范圍內時在所述顯示器上顯示指示所述工具的能夠接受的取向的第二標記，其中當所述第一相對位置參數不在所述第一預選范圍內時，抑制所述第二標記的顯示。
            
116.根據權利要求115所述的可視化用戶界面，其中所述第一相對位置參數包括從所述目標軸線上的第一選擇的點垂直于所述目標軸線到所述工具軸線所測得的距離。
            
117.根據權利要求115或116所述的可視化用戶界面，其中所述第二相對位置參數包括從所述工具軸線上的位于所述工具末端處的末端點到所述目標軸線的正交距離。
            
118.根據權利要求115所述的可視化用戶界面，其中所述第一相對位置參數包括從所述目標軸線上的所述第一選擇的點垂直于所述目標軸線到所述工具軸線所測得的距離。
            
119.根據權利要求118所述的可視化用戶界面，其中所述第二相對位置參數包括從所述目標軸線上的第二選擇的點垂直于所述目標軸線到所述工具軸線所測得的距離。
            
120.一種適于將骨斷片相對于髓內釘固定的固定元件，所述釘具有沿縱向軸線的管道以及具有孔軸線的交叉孔，其中所述孔軸線與所述縱向軸線相交，  所述固定元件包括:桿部分、通過所述桿部分的窗孔、以及適于接合所述斷片的末端部分，  所述固定元件的尺寸設定成滑動穿過所述交叉孔至相對于所述釘的至少一個位置處，在所述位置中所述末端部分接合所述斷片，  其中，在所述至少一個位置中，所述窗孔與所述管道對齊，使得所述管道的選擇的最小橫截面積不被阻擋。
            
121.根據權利要求120所述的固定元件，其中所述元件包括鉆頭，并且所述末端部分還適于鉆通骨。
            
122.根據權利要求121所述的固定元件，其中所述元件包括螺柱，并且所述末端部分包括外部螺紋部分。
            
123.適于將骨斷片相對于具有孔的整形植入物固定的臨時固定設備，所述孔具有直徑，  所述固定設備包括具有桿部分和末端部分的構件，所述桿部分適于接合骨斷片，所述末端部分適于接合所述孔，所述末端部分的直徑能夠從小于所述孔的直徑的第一直徑膨脹至大于所述孔的直徑的第二直徑。
            
124.根據權利要求123所述的臨時固定設備，其中所述植入物包括具有縱向軸線的髓內釘并且所述孔具有孔軸線，并且其中所述孔軸線與所述縱向軸線斜交或相交。
            
125.根據權利要求120至124中任一項所述的固定元件或臨時固定設備在不阻塞所述植入物的管道的情況下用于將植入物保持就位的用途。
            
126.—種用于將信息傳輸到手持工具的用戶的方法,所述方法包括:  監測工具和組件的相對位置；  檢測切割的啟動；  監測切割速率；  以及以下操作中的一種或多種:  顯示指示與期望的切割速率存在偏差的標記；以及  檢測切割器的鉆通 。
            
127.被配置成執行如本文所述的方法或其一部分的設備。
            
128.—種如在圖9A、18B、19A、20A、26、26A或30的任意一個或多個中所示的方法或其一部分。
            
129.—種包括存儲計算機可讀的計算機軟件的實體媒介的程序產品，當所述計算機可讀的計算機軟件被處理器執行時，其使所述處理器執行如本文所述的方法。
            
130.一種方法，所述方法包括如本文所述的任何新的和具有創造性的步驟、動作、步驟和/或動作的組合或步驟和/或動作的子組合。
            
131.一種設備，所述設備包括如本文所述的任何新的和具有創造性的元件、元件的組合或元件的子組合。`
            
【文檔編號】A61B17/15GK103492833SQ201280009371 
            
【公開日】2014年1月1日   申請日期:2012年2月17日   優先權日:2011年2月18日
            
【發明者】K.B.因克彭, A.J.霍奇森, P.蓋, W.J.阿特斯馬, S.拉瓦利, J.B.斯蒂爾   申請人:德普伊新特斯產品有限責任公司
            
                        
            
                        
            
                        
            
                            
                        
            

                        
                            
                    
            
                    
                    


                     
                        
                        
                    

                
            

                
                
            
                    
            
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