工具47表示呈矢狀鋸40 (例如，如圖2B所示)形式的外科手術(shù)工具36。矢狀鋸40可以是用于在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)執(zhí)行各種切口，如對應(yīng)于計(jì)劃遠(yuǎn)端切84和前倒角切口 92的切口。在圖8A-8E的實(shí)施方案中，計(jì)劃修改是計(jì)劃遠(yuǎn)端切84，其對應(yīng)于一個(gè)虛擬植入物組件66的遠(yuǎn)端表面72 (圖9A)。計(jì)劃遠(yuǎn)端切84的立體圖示于圖3B中。在本實(shí)施方案中，如圖5A-5E的實(shí)施方案，觸覺對象52表示要在股骨4上創(chuàng)建的切口。觸覺對象52可以是在手術(shù)計(jì)劃期間制定的任何形狀，如在圖9B中所示的形狀。
[0068]再次參照圖8A-8E，進(jìn)入和退出觸覺控制發(fā)生類似于圖5A-5E的實(shí)施方案，不同之處主要在自動(dòng)對準(zhǔn)和所得的外科手術(shù)工具36的取向。結(jié)合圖5A-5E的實(shí)施方案中所公開的任何適用的特征，也可以存在于圖8A-8E的實(shí)施方案。在圖8A中，觸覺裝置30處于自由模式和入口邊界50被激活。隨著外科醫(yī)生使外科手術(shù)工具36朝向患者的解剖結(jié)構(gòu)，虛擬工具47相應(yīng)地靠近入口邊界50。一旦HIP 60已穿過入口邊界50中，外科手術(shù)系統(tǒng)100進(jìn)入自動(dòng)對準(zhǔn)，在此期間，外科手術(shù)系統(tǒng)100執(zhí)行必要的計(jì)算，然后修改外科手術(shù)工具36的位置和取向(例如，從圖8B到圖8C)。位置被修改成使HIP 60到目標(biāo)線54，并且取向被修改，使工具軸42垂直于觸覺對象52。由于矢狀鋸40 (圖2B)的刀片39垂直于工具軸42，對準(zhǔn)工具軸42垂直于觸覺對象52使刀片在外科手術(shù)過程中位于χ-y平面。在本實(shí)施方案中的刀具軸42的取向與圖5A-5E的實(shí)施方案不同，其中刀具軸42在切割期間是平行于觸覺對象52定向(例如，圖5C)。
[0069]手術(shù)方案可以制定使得外科手術(shù)系統(tǒng)100將使外科手術(shù)工具36定向在相對于觸覺對象52任何所需方向。所需定向可取決于外科手術(shù)工具的類型。例如，如果外科手術(shù)工具36是矢狀鋸，外科手術(shù)系統(tǒng)100可使外科手術(shù)工具36不同地定向，取決于矢狀鋸的類型(例如矢狀鋸38或矢狀鋸40)或要?jiǎng)?chuàng)建切口的類型。此外，在一些實(shí)施方案中，所述工具在自動(dòng)對準(zhǔn)期間被重新定位，但不重新定向。例如，如果外科手術(shù)工具36是球形毛刺，外科手術(shù)系統(tǒng)100可以不需要修改外科手術(shù)工具36的取向，來獲得所需的骨改造。
[0070]一旦外科手術(shù)工具36已如圖8C所示被自動(dòng)對準(zhǔn)，HIP 60被約束在由觸覺對象52限定的平面內(nèi)。進(jìn)入這個(gè)階段的觸覺控制可以觸發(fā)出口邊界64的激活。外科醫(yī)生通過在X方向和z方向?qū)?yīng)于觸覺對象52的平面工作邊界內(nèi)操縱外科手術(shù)工具36執(zhí)行切割。圖SC和8D示出沿X方向切割過程中的位置的變化。當(dāng)外科醫(yī)生將外科手術(shù)工具36從圖8D中所示的位置運(yùn)動(dòng)到圖8E中所示的位置，HIP 60穿過出口邊界64。HIP 60和出口邊界64之間的交互停用觸覺對象52，釋放外科手術(shù)工具36的觸覺控制和引起觸覺裝置30再次進(jìn)入自由模式。一旦穿過出口邊界64或此后不久，出口邊界64停用和入口邊界50重新激活。然后，外科醫(yī)生可以通過操縱外科手術(shù)工具36使得HIP 60穿過入口邊界50而重新進(jìn)入進(jìn)行骨改造過程中的自動(dòng)對準(zhǔn)和觸覺控制。
[0071]圖10示出觸覺對象52和相對于計(jì)劃遠(yuǎn)端切84的偏置觸覺對象78。如結(jié)合圖7A和7B描述，可調(diào)節(jié)偏置觸覺對象78可被修改，取決于各種因素，如外科手術(shù)工具36的尺寸或與執(zhí)行手術(shù)計(jì)劃有關(guān)的其它因素。偏置觸覺對象78的調(diào)整可能會(huì)導(dǎo)致虛擬環(huán)境的其它計(jì)劃特征，如入口邊界50、目標(biāo)線54、目標(biāo)55點(diǎn)和出口邊界64調(diào)整。
[0072]圖7A-7B和10中描繪的外科計(jì)劃可通過各種點(diǎn)和矢量來定義。法線原點(diǎn)57位于原始觸覺對象52上，并且限定觸覺對象法線62的原點(diǎn)以及出口法線59。觸覺法線點(diǎn)61還限定觸覺對象法線62，并且可以位于距法線原點(diǎn)57約50mm。出口法線點(diǎn)63還限定出口法線59，并且還可以位于距法線原點(diǎn)57約50mm。因此，觸覺對象法線62可以被定義為從法線原點(diǎn)57到觸覺法線點(diǎn)61的矢量方向，和出口法線59可以被定義為從法線原點(diǎn)57到出口法線點(diǎn)63的矢量方向。目標(biāo)點(diǎn)55可位于偏置觸覺對象78上，并且在觸覺對象法線62的方向上偏移法線原點(diǎn)57所需量。如上所述，所需量可以考慮到球形毛刺的有效半徑或矢狀鋸刀片39的一半有效厚度。目標(biāo)線54可以通過目標(biāo)點(diǎn)55和出口法線59和觸覺對象法線62的叉積矢量被定義，端點(diǎn)在偏置觸覺對象78的相對邊緣上。
[0073]圖11A-11E說明在另一進(jìn)入和退出觸覺控制的實(shí)施方案中的虛擬環(huán)境。在本實(shí)施方案中，虛擬骨模型45表示脛骨2。虛擬工具47表示呈球形毛刺形式的外科手術(shù)工具36，雖然外科手術(shù)工具36可以是能夠創(chuàng)建計(jì)劃孔88的任何工具。計(jì)劃修改是孔88以接收脛骨組件的栓釘。球形毛刺也可以用于創(chuàng)建用于接收股骨、髕股的栓釘，或任何其它類型的植入物組件的孔。在圖11A-11E，虛擬脛骨部件90被疊加在骨模型45上以更清楚地示出計(jì)劃骨改造。在本實(shí)施方案中，觸覺對象52是線。線性觸覺對象52的放置可基于外科手術(shù)工具36的尺寸或有效尺寸，例如球形毛刺(圖12)的半徑TR加以規(guī)劃。例如，相當(dāng)于半徑TR的空間可留在觸覺對象52的端部95和栓釘尖點(diǎn)91的底部之間，如圖12中所示。
[0074]圖1lA示出當(dāng)觸覺裝置30處于自由模式時(shí)的虛擬環(huán)境。在外科手術(shù)開始時(shí)，外科醫(yī)生運(yùn)動(dòng)外科裝置36 (圖1)朝向患者直到HIP 60穿過入口邊界50(圖11B)。在本實(shí)施方案中，入口邊界50為具有半徑R的球體(圖12)，并具有位于其中心的目標(biāo)點(diǎn)55。一旦HIP 60穿過入口邊界50，外科手術(shù)系統(tǒng)自動(dòng)對準(zhǔn)外科手術(shù)工具36。在一個(gè)實(shí)施方案中，夕卜科手術(shù)系統(tǒng)100計(jì)算從HIP 60到目標(biāo)點(diǎn)55的最短距離，然后重新定位HIP 60在目標(biāo)點(diǎn)55上。外科手術(shù)系統(tǒng)100還可以重新定向外科手術(shù)工具36，使得工具軸線42平行于觸覺對象52(圖11C)。HIP 60隨后被約束為沿著線性觸覺對象52運(yùn)動(dòng)，并且外科醫(yī)生可沿著對應(yīng)于觸覺裝置52的線性工作邊界運(yùn)動(dòng)外科手術(shù)工具36以創(chuàng)建孔88(圖11D)。
[0075]如在先前的實(shí)施方案中，出口邊界64在觸覺控制的部分期間被激活。當(dāng)外科醫(yī)生想要釋放觸覺控制，外科手術(shù)工具36可以運(yùn)動(dòng)直到HIP 60穿過出口邊界64(圖11E)。然后觸覺對象52將停用，釋放觸覺控制和引起觸覺裝置30重新進(jìn)入自由模式。如關(guān)于其它實(shí)施方案所討論，外科手術(shù)系統(tǒng)100可以連續(xù)計(jì)算HIP 60和出口邊界64之間的距離，當(dāng)這個(gè)距離變正時(shí)釋放觸覺控制。另外，如結(jié)合先前實(shí)施方案所描述，入口邊界50可在觸覺控制釋放后被重新激活。然后，外科醫(yī)生可以通過操縱外科手術(shù)工具36使得HIP 60穿過入口邊界50，而重新進(jìn)入觸覺控制。
[0076]圖12說明具有線性觸覺對象52的手術(shù)方案，如圖11A-11E的手術(shù)方案的附加特征。栓釘軸線是一條從位于計(jì)劃孔88的頂端的栓釘尖點(diǎn)91到目標(biāo)點(diǎn)55的線。線性觸覺對象52可以是在栓釘軸線上的線，所述栓釘軸線在端部95具有第一端點(diǎn)和位于超過目標(biāo)點(diǎn)55沿著出口法線59的第二端點(diǎn)。例如，觸覺對象52的第二端點(diǎn)可以位于在出口法線59的方向超過目標(biāo)點(diǎn)5550mm處。出口邊界64可以是平面的，位于離入口邊界50距離L，并具有定義為從栓釘尖點(diǎn)91到目標(biāo)點(diǎn)55中的矢量方向的出口法線59。
[0077]圖13A-13D示出另一個(gè)進(jìn)入和退出觸覺控制的實(shí)施方案。在本實(shí)施方案中，觸覺對象52是三維體。虛擬骨模型45可以表示任何骨44，如股骨4，和虛擬工具47可以代表任何類型的外科手術(shù)工具36，用于執(zhí)行任何類型的骨改造。在圖13A的虛擬環(huán)境中，觸覺裝置30處于自由模式。為了進(jìn)入觸覺控制，用戶操縱外科手術(shù)工具36朝向患者的解剖結(jié)構(gòu)。包括HIP 60的虛擬工具47對應(yīng)地朝向入口邊界50運(yùn)動(dòng)。在本實(shí)施方案中，入口邊界50是包括目標(biāo)點(diǎn)55 (未示出)的平面。如果HIP 60是在觸覺對象52內(nèi)和HIP 60穿過入口邊界50，如圖13B中所示，則觸覺控制被接合。在觸覺控制模式，HIP 60被阻止退出由觸覺對象52限定的三維體的范圍。此外，觸覺控制的接合觸發(fā)入口邊界50的停用和出口邊界64的激活(圖13C)。
[0078]圖13A-13D的實(shí)施方案不包括自動(dòng)對準(zhǔn)。換句話說，外科手術(shù)工具36的位置和取向在觸覺控制期間被未修改。因此，HIP 60可以自由地運(yùn)動(dòng)到觸覺對象52內(nèi)的任意位置，和外科手術(shù)工具36的取向不受觸覺對象約束。觸覺控制期間，外科醫(yī)生可在對應(yīng)于觸覺對象52的工作體積內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)外科手術(shù)工具36來執(zhí)行必要的骨改造，諸如對應(yīng)于計(jì)劃遠(yuǎn)端切84、計(jì)劃后倒角切92和計(jì)劃后切96的切口。圖13C說明虛擬工具47，作為外科醫(yī)生創(chuàng)建對應(yīng)于計(jì)劃后切96的切口。在圖13A-13D的實(shí)施方案中的觸覺控制期間，如在前面的實(shí)施方案中，當(dāng)HIP 60穿過出口邊界64 (圖13D)，觸覺控制被釋放，并且觸覺裝置30進(jìn)入自由模式。在替代實(shí)施方案中，圖13A-13D中描繪的虛擬環(huán)境包括附加機(jī)構(gòu)來控制HIP 60的位置。例如，沿著計(jì)劃切口 84、94和96的平面觸覺對象可能約束HIP 60沿著這些平面觸覺對象運(yùn)動(dòng)。虛擬環(huán)境可能也包括一些機(jī)構(gòu)來控制虛擬工具47 (因此，外科手術(shù)工具36)的取向，如HIP 60可被約束在其上的附加的平面或線性觸覺對象。
[0079]圖14示出圖13A-13D手術(shù)方案。出口邊界64平行于入口邊界50且位于在出口法線59方向離入口邊界50距離L處。出口法線59是從目標(biāo)點(diǎn)55到出口法線點(diǎn)63的矢量方向。圖14還包括現(xiàn)有技術(shù)的觸覺對象98。在觸覺控制的現(xiàn)有技術(shù)方法中，用戶不能引起HIP退出觸覺對象98而不執(zhí)行單獨(dú)的操作脫開觸覺控制，如按壓輸入裝置22上的按鈕(圖1)。與現(xiàn)有技術(shù)的觸覺對象98不同，容積觸覺對象52遠(yuǎn)離計(jì)劃切割表面延伸。另夕卜，與觸覺對象52相關(guān)聯(lián)的外科手術(shù)計(jì)劃包括入口邊界50和出口邊界64。在本發(fā)明公開的實(shí)施方案中，當(dāng)外科醫(yī)生拉動(dòng)外科手術(shù)工具36遠(yuǎn)離患者并導(dǎo)致HIP 60穿過出口邊界64，外科手術(shù)系統(tǒng)100會(huì)自動(dòng)停用觸覺對象52以釋放觸覺控制。因此，出口邊界64的規(guī)定允許外科醫(yī)生在手術(shù)期間釋放觸覺控制的更大自由度。此外，本文中所描述的入口邊界50和出口邊界64的激活和停用之間的交互允許外科醫(yī)生通過操縱外科手術(shù)工具36無縫和直觀地進(jìn)入和退出觸覺控制，而無需執(zhí)行單獨(dú)的操作來觸發(fā)進(jìn)入和退出觸覺控制。
[0080]圖15示出可以在本文描述的任何觸覺控制實(shí)施方案中采用的觸覺恢復(fù)特征。觸覺恢復(fù)特征只適用于當(dāng)觸覺控制因除了因?yàn)镠IP 60已經(jīng)穿過出口邊界以外的原因脫開時(shí)。觸覺控制的脫開可能由于各種原因發(fā)生，其中之一涉及導(dǎo)航系統(tǒng)10的暫時(shí)不能檢測一個(gè)或多個(gè)被追蹤對象的姿勢。例如，一些導(dǎo)航系統(tǒng)需要在檢測裝置12和可追蹤元件，諸如導(dǎo)航標(biāo)志14和16、觸覺裝置標(biāo)志18和端部效應(yīng)器