导航单元和方法与流程

1.本发明涉及一种导航单元和一种用于辅助外科医生导航配备有定位器的医疗器械的方法，以及一种包括此导航单元的导航系统。


背景技术：

2.为了辅助外科医生在外科手术中使用医疗器械，已知的是跟踪医疗器械在患者体内的位置，并在例如监视器上的患者模型的截面图像中显示器械的位置。
3.为此，通常使用包括导航单元、监视器和数个定位器的导航系统。导航单元通常包括位置检测单元，其可以是光学位置检测单元、基于超声波的位置检测单元或电磁位置检测单元。一般来说，位置检测单元被配置成用于确定定位器的位置和定向。定位器可以安装在医疗器械上，以允许借助于位置检测系统跟踪医疗器械。
4.举例来说，已知电磁位置检测单元具有用于生成交变电磁场的场发生器。与电磁位置检测单元一起使用的医疗器械配备有通常包括一个或多个传感器线圈的定位器。
5.当暴露于交变电磁场时，在定位器的传感器线圈中感应出电压，所述电压取决于交变电磁场中的相应传感器线圈的位置和定向。通过分析表示感应出的电压的抽头电压信号，可以确定定位器的位置和定向。通常，相对于参考定位器的位置和定向确定医疗器械的定位器的位置和定向，所述参考定位器有时被称为患者定位器，所述患者定位器可同样包括传感器线圈并且相对于患者保持固定。
6.为了能够在导航系统的监视器上的患者模型的截面图像中显示器械的位置，首先，必须使患者模型与患者配准。通常，患者模型是从患者的二维、三维或四维图像生成的局部解剖图像，所述二维、三维或四维图像是术前通过x线断层摄影术(例如，经由计算机断层扫描(ct)、磁共振成像(mri)或c形臂透视成像)获得的。配准是指获得患者在现实空间(有时也被称为患者空间)中的位置和定向与模型之间的空间相关性，所述空间相关性最初根据用于生成所述模型的相应二维、三维或四维图像的坐标系中的坐标来定义。
7.在已获得患者模型与患者之间的空间关系后，例如通过应用基于表面的配准和基于点的配准，可以在模型的截面图像中显示医疗器械的位置以辅助外科医生导航医疗器械。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种改进的导航单元、一种包括导航单元的改进的导航系统，以及一种用于辅助外科医生导航配备有定位器的医疗器械的改进的方法。
9.关于导航单元，所述目的通过被配置成用于辅助外科医生导航配备有定位器的医疗器械的导航单元实现。所述导航单元包括外壳、至少一个定位器输入端口、位置检测单元、状态确定单元、控制单元以及至少一个指示操作状态的光元件。
10.所述至少一个定位器输入端口被配置成在定位器以操作方式连接到定位器输入端口的情况下接收定位器信号。
11.待连接到定位器输入端口的定位器可被配置成用于捕获电磁导航场(在暴露于此类导航场时捕获)且用于相应地提供定位器信号。
12.所述至少一个指示操作状态的光元件连接到所述控制单元且集成在所述外壳壁中的一者中，以使得从所述外壳外部可见从所述指示操作状态的光元件发射的光。
13.所述导航单元的外壳至少容纳所述位置检测单元、所述状态确定单元和所述控制单元。
14.所述位置检测单元连接到所述定位器输入端口用于接收定位器信号，并且被配置成用于处理所接收定位器信号以便确定所述定位器的位置和定向(例如，在所述导航场中的位置和定向)。
15.所述状态确定单元连接到所述位置检测单元，并且被配置成用于基于所述位置检测单元是否已接收到定位器信号以及所述位置检测单元是否已从所接收定位器信号确定所述定位器的位置和定向(例如，在所述导航场中的位置和定向)而至少确定所连接定位器的定位器操作状态。
16.所述控制单元连接到所述状态确定单元，并且被配置成用于至少基于由所述状态确定单元确定的所确定定位器操作状态而控制所述至少一个指示操作状态的光元件。
17.所述至少一个指示操作状态的光元件至少被配置成用于直观地指示多个定位器操作状态中的一者。所述至少一个指示操作状态的光元件可由所述控制单元控制以直观地指示所述定位器的已由所述状态确定单元确定的所述定位器操作状态。
18.本发明包含以下认知，即使用导航系统辅助导航医疗器械的外科医生通常必须依赖于：医疗器械的在监视器上的患者截面图像中显示的位置对应于医疗器械在患者体内的实际位置。具体地说，外科医生必须依赖于：在整个导航过程中，器械的位置在监视器上正确地显示。此外，在开始由导航系统支持的导航过程之前，外科医生必须确定导航系统已启动且功能齐全。并且，在开始导航过程之前，外科医生必须确定待在导航过程中使用的定位器功能齐全。此外，定位器必须位于距例如导航系统的场发生器的一距离处，以使得可利用导航单元的位置检测单元可靠地确定所述定位器的位置和定向。因此，对于外科医生来说有益的是外科医生可在导航过程期间快速地检查定位器是否也按预期发挥功能的情况。
19.通常，在导航过程期间，外科医生通常接收关于导航系统的在导航系统的监视器上例如作为文本或符号显示的功能性的信息。因此，为了将此类信息传递到外科医生，需要外科医生查看监视器并捕获所提供的信息。这有时包含所提供的信息必须由外科医生紧接在显示于监视器上的多个另外的信息之后被察觉到和处理。具体地说，如果外科医生将要执行导航过程的困难任务，则外科医生经常需要专注地集中精力于被跟踪医疗器械在监视器上的所显示位置。在这种情况下，如果经由监视器向外科医生提供另外的信息，则显示于监视器上的另外的信息可能会干扰当前显示的信息，并且可能会在导航过程期间分散处于危急情况下的外科医生的注意力。
20.利用根据本发明的导航单元，可以至少提供关于独立于导航系统的监视器连接到导航单元的定位器的定位器操作状态的信息。具体地说，导航单元自身被配置成直观地指示所连接定位器的当前定位器操作状态。有利的是，使用导航单元的外科医生可以随时以易于察觉的方式直接从导航单元直观地获得关于所连接定位器的定位器操作状态的信息，而不会干扰经由监视器提供的任何信息。
21.具体地说，利用根据本发明的导航单元，可在导航过程期间以易于察觉的方式直观地指示定位器操作状态，而不会分散外科医生的注意力，同时集中精力于呈现于监视器上的信息。外科医生只需查看导航单元即可轻松地察觉到当前定位器操作状态。
22.因此，根据本发明的导航单元本身提供一种用于至少以易于察觉的方式指示定位器操作状态的装置。导航单元可以是导航系统的一部分，并且可以例如连接到监视器用于显示配备有定位器的医疗器械在监视器上的患者截面图像中的位置。
23.可以实现根据本发明的导航单元的前述优点，这是因为利用导航单元的状态确定单元可以确定所连接定位器的定位器操作状态，并且利用控制单元可以控制至少一个指示操作状态的光元件，以直观地指示由状态确定单元确定的定位器操作状态。因此，所连接定位器的所确定操作状态可以由导航单元自身以易于察觉的方式直观地指示，且独立于经由导航系统的监视器提供的信息。
24.为了确定所连接定位器的定位器操作状态，状态确定单元连接到导航单元的位置检测单元，并且被配置成从位置检测单元获得关于位置检测单元是否已接收到定位器信号的信息，从而指示定位器是否连接到导航单元的定位器输入端口。此外，状态确定单元被配置成从所接收定位器信号获得关于位置检测单元是否已确定定位器的位置和定向(例如，在导航场中的位置和定向)的信息。可以由位置检测单元主动地将关于位置检测单元是否已接收到定位器信号以及位置检测单元是否已从所接收定位器信号确定定位器的位置和定向(例如，在导航场中的位置和定向)的信息推送到状态确定单元，例如每当位置检测单元接收到信噪比高于或低于预定义阈值的定位器信号时。也可以由状态确定单元检索关于位置检测单元是否已接收到定位器信号以及位置检测单元是否已从所接收定位器信号确定定位器的位置和定向(例如，在导航场中的位置和定向)的信息，例如以预定义时间间隔重复检索。
25.为了跟踪定位器的位置和定向，通常使定位器暴露于导航场。通常，由场源生成导航场，所述场源例如生成交变电磁场的电磁场发生器。所生成电磁场的场强随着距场发生器的距离增加而减小。因此，通常限定工作空间，在所述工作空间中，可以可靠方式确定定位器的位置和定向。例如，可限定工作空间，这是因为在工作空间内，定位器提供信噪比高于预定义阈值的定位器信号。在限定工作空间的情况下，状态确定单元还可被配置成基于定位器的由位置检测单元确定的位置和定向而确定定位器是否在工作空间内。
26.为了基于所确定定位器操作状态而控制至少一个指示操作状态的光元件，控制单元被配置成使用所确定定位器操作状态。可以例如由状态确定单元主动地将表示所确定定位器操作状态的信号推送到控制单元或控制单元可以预定义时间间隔检索最近确定的定位器操作状态。
27.所述控制单元被配置成基于已由状态确定单元确定定位器操作状态而控制至少一个指示操作状态的光元件。具体地说，所述控制单元被配置成控制至少一个定位器状态指示光元件以直观地指示已由状态确定单元确定的所述定位器操作状态。例如，可以由控制单元打开或关闭分配给用于将定位器连接到导航单元的定位器输入端口的指示操作状态的光元件，以指示所确定定位器操作状态。还可以由控制单元控制指示操作状态的光元件用于以不同于之前的颜色发光，其中新颜色表示状态确定单元最近确定的所述定位器操作状态。控制单元还可以控制至少一个指示操作状态的光元件，以使得更改指示操作状态
的光元件发光的模式，例如从连续发光模式更改到脉冲发光模式。可以通过以特定频率打开和关闭指示操作状态的光元件的led来实现脉冲发光。具体地说，可以经由脉冲发光直观地指示不同的操作状态，这是因为脉冲发射的占空比相应地进行调适。可用于直观地指示定位器的定位器操作状态的发光模式可以是模拟光斑沿着预定义路径的移动的追光效果(chase light effect)。可以通过相应地控制光元件的led实施追光效果。
28.为了直观地指示所确定定位器操作状态，所述导航单元包括至少一个指示操作状态的光元件，其集成在外壳壁中的一者中，以使得从外壳外部可见从所述指示操作状态的光元件发射的光。具体地说，所述至少一个指示操作状态的光元件被分配给至少一个定位器输入端口，且被配置成直观地指示多个定位器操作状态中的一者。所述至少一个指示操作状态的光元件可由所述控制单元控制以直观地指示已由所述状态确定单元确定的所述定位器操作状态。
29.由于可经由分配给至少一个输入端口的至少一个指示操作状态的光元件直观地指示所连接定位器的定位器操作状态，因此外科医生可通过快速查看导航单元轻松地察觉到信息。有利的是，可以由至少一个指示操作状态的光元件以相对简单的方式指示所确定定位器操作状态，例如通过以特定颜色发光或通过发光或不发光(即，打开或关闭指示操作状态的光元件)。
30.因此，当使用根据本发明的导航单元时，用户可以易于配准所连接定位器的由相应指示操作状态的光元件直观地指示的当前定位器操作状态。有利的是，外科医生可以在合适的情况下快速地检查所确定定位器操作状态，而不会在进行导航过程时分散外科医生的注意力。有利的是，通过直观地指示定位器操作状态，以清楚且易于察觉的方式提供关于当前定位器操作状态的信息。具体地说，在直观地向外科医生指示定位器在工作空间内的情况下，外科医生可以依赖于：被跟踪医疗器械于监视器上呈现在患者截面图像中的位置相对准确地反映医疗器械在患者体内的实际位置。同样，如果外科医生将配备有定位器的医疗器械移出工作空间，则用户从导航单元获得定位器的位置和定向的确定不太准确的反馈。
31.下文描述了根据本发明的导航单元的优选实施例。
32.优选地，至少一个指示操作状态的光元件被分配给至少一个定位器输入端口。在另外的优选实施例中，提供了多个指示操作状态的光元件，所述指示操作状态的光元件中的每一者以一对一分配正好被分配给一个定位器输入端口。
33.所述导航单元可包括数个定位器输入端口，用于同时以可操作方式将数个定位器连接到导航单元。
34.所述导航单元可包括至少一个输入端口，用于以可操作方式将配备有定位器的医疗器械连接到导航单元或用于以可操作方式将不包括定位器的医疗器械连接到导航单元。优选地，所连接医疗器械被配置成向导航单元提供器械信号。优选地，所述状态确定单元被配置成用于基于所连接器械的所接收器械信号而确定器械操作状态。优选地，所述控制单元被配置成用于基于如由状态确定单元确定的器械操作状态而控制至少一个指示操作状态的光元件。优选地，可操作导航单元的指示操作状态的光元件以直观地指示所确定器械操作状态。
35.同一指示操作状态的光元件可用于随后直观地指示不同装置的操作状态，例如首
先指示定位器的操作状态且之后指示器械的操作状态。然而，通常优选的是，每一指示操作状态的光元件用于直观地指示相关联装置的操作状态。
36.状态确定单元可被配置成确定软件内的工作流的操作状态，具体地说与导航过程有关的工作流的操作状态。由与导航过程有关的软件实施的工作流可包括定位器校准工作流、配准工作流和/或定位器导航工作流。基于软件内的工作流的所确定操作状态，控制单元可控制导航单元的至少一个指示操作状态的光元件，以使得由受控制的指示操作状态的光元件直观地指示相应工作流的所确定操作状态。
37.可由状态确定单元确定的操作状态还可为表示定位器-医疗器械交互的操作状态。例如，此类定位器-医疗器械交互可为将器械尖端校准到定位器的位置，所述定位器例如可固定在器械上或可为用于校准的参考定位器。因此，表示定位器-医疗器械交互的操作状态可为与校准过程相关联的操作状态。
38.优选地，平板计算机可经由导航单元的输入端口连接到导航单元。平板计算机优选地包括触摸屏，以及控制与导航单元的数据通信以用于发送和接收控制信号且在触摸屏上生成控制图标的软件。平板计算机优选地进一步被配置成捕获用户输入并相应地为导航单元生成控制信号。优选地，平板计算机可用作用于控制导航单元的控制界面装置。借助于此类平板计算机的摄像机，可以在导航过程之前生成用于使患者模型与患者配准的图像。状态确定单元可被配置成确定与平板计算机之间是否存在数据通信。所述状态确定单元可进一步被配置成确定平板计算机的操作状态，并且基于平板计算机的所确定操作状态，控制单元可控制至少一个指示操作状态的光元件以直观地指示平板计算机的所确定操作状态。
39.优选地，例如照片配准摄像机(photo registration camera)的配准装置可以操作方式连接到导航单元的输入端口。配准装置用于在导航过程之前使例如借助于患者身体部位的x线断层摄影术生成的2d或3d模型等患者模型与手术室中的患者配准。状态确定单元可被配置成确定配准装置的操作状态，具体地说与配准过程相关联的操作状态。所述控制单元可被配置成控制至少一个指示操作状态的光元件，以直观地指示配准装置的已由状态确定单元确定的操作状态。
40.在优选实施例中，至少一个定位器输入端口集成在外壳壁中的一者中，以便可从所述外壳外部接近。所述定位器输入端口可被配置成用于以机械方式和电气方式将定位器连接到导航单元。
41.替代地或另外，所述定位器输入端口可被配置成以无线方式连接到定位器。在此实施例中，所述定位器输入端口可布置在由外壳壁包封的空间内。
42.医疗器械的定位器可经由定位器输入端口以操作方式连接到导航单元。定位器与定位器输入端口之间的操作性连接是在定位器与定位器输入端口之间设置信号传输的连接。此类连接可以是无线的或有线的，并且还可包含机械连接。从医疗器械的定位器提供的定位器信号，可计算器械的位置和定向，且具体地说器械尖端的位置和定向。可在导航系统的监视器上的患者截面图像中显示器械尖端的计算出的位置和定向。
43.并且，患者定位器可经由定位器输入端口以可操作方式(例如，以机械方式和电气方式)连接到导航单元。通常，患者定位器直接布置在患者处或布置在工作空间内距患者的固定相对距离处。所布置的患者定位器提供表示患者定位器的位置和定向(例如，在导航场
中的位置和定向)的定位器信号。
44.优选地，导航单元具有至少两个定位器输入端口，以使得可以将医疗器械的定位器连接到定位器输入端口中的一者且可以将患者定位器连接到另一定位器输入端口。
45.状态确定单元可被配置成用于确定患者定位器是否布置在工作空间内的此位置处，可从此位置可靠地确定患者定位器的位置和定向。所述状态确定单元可被配置成用于应用一个或多个可靠性标准，用于确定可从之可靠地确定患者定位器的位置和定向的位置。
46.优选地，所述状态确定单元被配置成检查所接收患者定位器信号的信噪比是否高于预定义阈值，并且在发现所述信噪比高于预定义阈值的情况下指示已确定患者定位器位置，可从所述患者定位器位置可靠地确定患者定位器的位置和定向。控制单元可被配置成控制至少一个指示操作状态的光元件以直观地指示患者定位器位于合适位置处，例如通过在确定合适位置的情况下发绿光，否则发红光。
47.优选地，为了找到可从之可靠地确定患者定位器的位置和定向的位置，将患者定位器移动到利用位置检测单元确定的不同位置。状态确定单元可被配置成确定在每一位置处提供的患者定位器信号的信噪比，并且比较所述信噪比以便找到可从之相对可靠地确定患者定位器的位置和定向的位置。替代地或另外，所述状态确定单元可被配置成基于对每一位置处的导航场的畸变测量值的确定而确定患者定位器的位置和定向可从之可靠地确定的位置。所述状态确定单元可被配置成通过将如由位置检测单元确定的患者定位器位置与患者定位器的如在非畸变理论导航场中计算出的理论位置进行比较，来确定患者定位器的位置处的导航场的畸变。优选地，状态确定单元被配置成检查检测到的患者定位器位置与患者定位器的在非畸变导航场模型中计算出的理论位置的偏差是否小于预定义阈值，并且在所确定偏差小于预定义阈值的情况下指示已确定患者定位器位置，可从所述患者定位器位置可靠地确定患者定位器的位置和定向。
48.优选地，控制单元被配置成控制至少一个指示操作状态的光元件，以直观地指示患者定位器是否布置在可从之以相对可靠的方式确定患者定位器的位置和定向的位置处。例如，在已确定合适的患者定位器位置的情况下，所述指示操作状态的光元件可由控制单元控制以发绿光而不是红光。
49.因此，尝试找到合适的患者定位器位置的用户可以将患者定位器移动到工作空间中的不同位置，直到由指示操作状态的光元件发出的信号光变为绿色，从而指示找到适于所述用户将患者定位器固定到患者的合适位置。
50.所述状态确定单元还可被配置成用于确定工作空间内的位置，在所述位置处，可利用参考定位器以相对可靠的方式校准器械。为了确定合适的校准位置，所述状态确定单元可被配置成用于使用由位置检测单元确定的数个参考定位器位置，以及例如与相应位置相关联的信噪比和/或畸变测量值。所述控制单元可被配置成控制至少一个指示操作状态的光元件以直观地指示是否找到合适的校准位置。由此，可将用户引导到工作空间内的合适的校准位置。
51.导航单元的位置检测系统可为光学的或基于超声波的，或如优选地，为电磁位置检测系统。具体地说，电磁位置检测系统通常包括用于生成交变电磁场的场发生器。所述场发生器可容纳于导航单元的外壳中或可为外部装置。
52.如果导航单元的位置检测系统是电磁位置检测系统，则连接到导航单元的定位器优选地包括用于捕获所生成的电磁场且用于提供表示分别感应出的电压的定位器信号的一个或多个传感器线圈。例如，可利用包括两个垂直布置的传感器线圈的定位器实施6自由度(6dof)传感器。
53.有利的是，根据本发明的导航单元可用于跟踪定位器的位置和定向，且用于计算配备有定位器的医疗器械的位置和定向。计算出的位置和定向可用于在显示于监视器上的患者模型截面图像中显示医疗器械的位置，所述监视器连接到导航单元用于支持外科医生导航所述医疗器械。
54.可通过定位器信号的选定信噪比的值(例如，预定义的值集合)规定定位器操作状态。所述状态确定单元可被配置成使用信噪比标准来确定所连接定位器的定位器操作状态。
55.至少一个指示操作状态的光元件可包括一个或多个led。
56.指示操作状态的光元件的一个或多个led可由光散射盖覆盖，以将由led发出的光分布在大于led的面积的区域内。盖可具有例如圆形或矩形区域，且可具有例如介于0.5cm与5cm之间的直径。还可以使用条带形状的盖，所述盖覆盖布置成一行的多个led。此条带还可沿着数个外壳壁延伸，以使得可从数个观察方向见到发出的光。
57.在至少一个指示操作状态的光元件包括数个led的情况下，以相同颜色(即，以相同波长)发光的led或以不同颜色发光的led可用于直观地指示确定的定位器操作状态。
58.在至少一个指示操作状态的光元件包括数个led的情况下，所述指示操作状态的光元件可连接到控制单元且被配置成使得用于直观地指示所确定定位器操作状态，可单独地控制每一led或可单独地控制led(例如，以相同颜色发光的led)群组，或可一起控制所有led例如以增强整体光强。
59.优选地，在多个定位器输入端口集成在外壳壁中的情况下，对于每一单独的定位器输入端口，至少一个专用指示操作状态的光元件集成在外壳壁中且被分配给相应的定位器输入端口。具体地说，对于每一定位器输入端口，提供一个专用指示操作状态的光元件，其可在状态确定单元的控制下，根据如由状态确定单元确定的相应定位器操作状态经由控制单元发出不同的光信号。
60.在一些实施例中，定位器输入端口可为用于连接多于一个单独的定位器的端口。在此类实施例中，优选地对于可任选地连接到所述定位器输入端口的每一定位器，提供单独的专用指示操作状态的光元件。例如，在分路电缆连接到此类定位器输入端口以允许一次连接多个器械的情况下，相应的指示操作状态的光元件上或旁边的数字或其它符号允许用户针对连接到特定定位器输入端口的特定定位器标识正确的指示操作状态的光元件。在例如三个定位器可能连接到定位器输入端口但仅一个定位器处于活跃状态且暴露于电磁体导航场的情况下，这可通过分配的指示操作状态的光元件指示，以便用户了解例如分路电缆的端口1中的定位器为电磁导航场中的当前活跃定位器。
61.所述状态确定单元可被配置成基于由所连接定位器提供的定位器信号的信噪比而进行所述确定。所述状态确定单元可被配置成确定所连接定位器的定位器操作状态，这是因为其将信噪比值或范围分配给定位器操作状态。例如，所述状态确定单元可将信噪比值或范围分配给所连接定位器的不同定位器操作状态，用于确定所述定位器的当前定位器
操作状态。
62.所述状态确定单元可被配置成使用各自分配给不同定位器操作状态的多个阈值，用于确定所连接定位器的定位器操作状态。
63.替代地或另外，所述状态确定单元可被配置成分析由所连接定位器提供的定位器信号的信号模式，用于确定所述所连接定位器的定位器操作状态。具体地说，通过分析定位器信号的信号模式可以确定所连接定位器是功能齐全的还是有缺陷的，这是因为缺陷定位器的信号模式例如可包含表示信号噪声的信号片段，以使得所分析的信号模式内的所接收信号的信噪比可重复改变。
64.所述状态确定单元可包括用于存储至少一个定位器的数个操作状态的存储器。例如，对于待连接到导航单元的定位器，固定数目个预定义定位器操作状态可存储在存储器中且供状态确定单元使用以用于确定所述定位器的定位器操作状态。具体地说，在状态确定单元包括存储器的情况下，所述状态确定单元可被配置成用于确定其定位器操作状态存储在存储器中的所连接定位器的定位器操作状态，所述确定是通过将由位置检测单元接收到的定位器信号分配给所连接定位器的所存储定位器操作状态中的一者进行的。可例如使用所接收定位器信号的信噪比的值进行所述分配。
65.在对于待连接到导航单元的每一定位器所述状态确定单元包括存储器的情况下，可将数个单独的预定义操作状态存储在状态确定单元的存储器中。
66.优选地，所述状态确定单元被配置成用于确定定位器是否连接到所述导航单元(即，是否处于活跃状态)，和/或所连接定位器是否未发挥功能(即，处于非活跃状态)或未充分发挥功能，和/或所连接定位器是否在工作空间内，在所述工作空间内，由医疗器械的定位器提供的定位器信号的信噪比高于预定义阈值。具体地说，这些定位器操作状态可为医疗器械的定位器的定位器操作状态。所述状态确定单元还可被配置成用于确定定位器是否在指示例如医疗器械当前未被使用的时刻静止。
67.所述状态确定单元还可被配置成用于确定用作患者定位器的定位器是否连接到所述导航单元，和/或所连接患者定位器是否未发挥功能或未充分发挥功能，和/或所连接患者定位器是否正检测导航场的畸变或干扰，和/或所连接患者定位器是否在工作空间内，在所述工作空间内，由所述患者定位器提供的患者定位器信号的信噪比高于预定义阈值。通常，患者定位器相对于患者保持固定，并且用于确定医疗器械的定位器相对于患者定位器的位置和定向的位置和定向。
68.优选地，为了直观地指示所确定定位器操作状态，分配给至少一个定位器输入端口的至少一个指示操作状态的光元件可被控制以打开或关闭，可被控制以用不同颜色发光，可被控制以在增强的强度下发光和/或可被控制以改变发光模式。
69.根据本发明的导航单元可进一步包括至少一个指示内部状态的光元件。在所述导航单元包括指示内部状态的光元件的情况下，所述状态确定单元优选地被配置成用于确定导航单元的内部操作状态，且所述控制单元优选地被配置成用于基于导航单元的如由所述状态确定单元确定的内部操作状态而控制至少一个指示内部状态的光元件。
70.优选地，至少一个指示内部状态的光元件被配置成直观地指示导航单元的多个内部操作状态中的一者。优选地，所述至少一个指示内部状态的光元件可由所述控制单元控制以直观地指示已由所述状态确定单元确定的所述内部操作状态。所述至少一个指示内部
状态的光元件可以与如先前针对至少一个指示操作状态的光元件所描述的相同方式配置。因此，所述至少一个指示内部状态的光元件可包括可由光散射盖覆盖的一个或多个led。
71.优选地，所述至少一个指示内部状态的光元件可在各种操作模式下操作，每一操作模式被分配给所述导航单元的不同定位器操作状态，其中所述至少一个指示内部状态的光元件由所述控制单元控制以在被分配给所确定内部操作状态的所述操作模式下操作。
72.优选地，所述多个指示内部状态的光元件的操作模式包括打开模式、一个或多个彩色模式、一个或多个光强模式、追光效果模式、一个或多个脉冲光模式。
73.优选地，所述至少一个指示操作状态的光元件可在各种操作模式下操作，每一操作模式被分配给所连接定位器的不同定位器操作状态。优选地，所述至少一个指示操作状态的光元件由所述控制单元控制以在被分配给所确定定位器操作状态的所述操作模式下操作。
74.优选地，所述多个指示操作状态的光元件的操作模式包括打开模式、一个或多个彩色模式、一个或多个光强模式、追光效果模式、一个或多个脉冲光模式。脉冲光模式的特征可在于特定占空比或更复杂的脉冲节律。
75.优选地，所述状态确定单元被配置成用于确定所述导航单元是否正启动，和/或是否处于计算状态，和/或是否处于导航模式，和/或是否需要用户交互，和/或连接到所述导航单元的定位器的位置和定向的所述确定是否不准确或中断，和/或连接到所述导航单元的定位器是否离开工作空间，和/或是否检测到错误。
76.所述导航单元的计算状态可包括计算患者模型与患者的配准，或计算医疗器械的器械尖端与医疗器械的定位器的位置的校准。在导航模式下，可确定连接到导航单元的定位器的位置和定向，例如以使得医疗器械的位置可显示于监视器上的患者截面图像中。具体地说，在连接到导航单元的定位器位于工作空间内的情况下，所述导航单元可被定义为处于导航模式。检测到的错误可为检测到的配准错误或检测到的校准错误。在检测到配准错误或校准错误或向外科医生直观地指示配准错误或校准错误的情况下，外科医生了解必须重复配准或校准以便按照预期使用导航单元。可直观地指示警告消息，例如定位器是否正离开工作空间和/或是否检测到导航场的场不均匀性，以使得定位器的所确定位置和定向可能不准确。在向用户直观地指示警告消息的情况下，会促使用户例如查看监视器以寻找详细指令。在所述导航单元直观地指示需要用户动作的情况下，用户可经由用户界面提供输入。
77.所述状态确定单元和所述控制单元可例如借助于微控制器和软件来实施。微控制器可包括用于例如基于所接收定位器信号的信噪比而确定所连接定位器的定位器操作状态的传感器。微控制器还可包括模数转换器(adc)和数个开关，所述开关可被控制用于打开或关闭例如至少一个指示操作状态的光元件和/或至少一个指示内部状态的光元件的led。
78.关于所述导航系统，前述目的可通过用于辅助外科医生导航配备有定位器的医疗器械的导航系统实现。所述导航系统包括导航单元、监视器和医疗器械的定位器和/或患者定位器。
79.优选地，所述导航单元根据如本文中所描述的本发明的导航单元的实施例中的一者来配置。医疗器械的所述定位器被配置成用于捕获导航场且用于提供定位器信号。所述定位器以机械方式和电气方式连接到所述导航单元的第一定位器输入端口。替代地或除医
疗器械的所述定位器之外，所述导航系统还包括患者定位器。所述患者定位器被配置成用于捕获导航场且用于提供患者定位器信号。如果存在，则所述患者定位器可以可操作方式(例如，以机械方式和电气方式)连接到所述导航单元的第二定位器输入端口。
80.所述监视器连接到所述导航单元且被配置成用于显示所述医疗器械的位置。
81.优选地，当使用所述导航系统用于在导航过程中支持外科医生时，所述导航单元被布置成使得在导航过程期间，所述导航单元在进行手术时位于外科医生的视场内。例如，所述导航单元可被布置在所述监视器旁边或患者后方。
82.关于所述方法，前述目的可通过用于直观地指示定位器的定位器操作状态的方法实现。所述方法包括以下步骤：
[0083]-以可操作方式将定位器连接到导航单元，所述定位器被配置成用于捕获导航场且用于提供定位器信号，
[0084]-生成导航场，用于确定所述定位器在所述导航场中的位置和定向，
[0085]-从所述定位器接收定位器信号，并且处理所接收定位器信号以便确定所述定位器在所述导航场中的位置和定向，
[0086]-基于所述所接收定位器信号以及所述所接收定位器信号是否表示所述定位器在所述导航场中的位置和定向而确定定位器操作状态，以及
[0087]-控制分配给用于将所述定位器连接到所述导航单元的定位器输入端口的至少一个指示操作状态的光元件，以直观地指示所确定定位器操作状态。
[0088]
所述方法可进一步包括以下步骤：
[0089]-确定所述导航单元的内部操作状态，以及
[0090]-控制至少一个指示内部状态的光元件以直观地指示所确定内部操作状态。
[0091]
本发明还涉及一种程序构件，其被配置成用于：
[0092]-基于位置检测单元是否已接收到定位器的定位器信号以及位置检测单元是否已从所接收定位器信号确定定位器在导航场中的位置和定向而确定定位器操作状态，和/或确定导航单元的内部操作状态，以及
[0093]-输出定位器的所确定定位器操作状态和/或所述导航单元的所确定内部操作状态。
[0094]
本发明进一步涉及一种持久性存储介质，其上存储有如先前所描述的所述程序构件。
附图说明
[0095]
下文参考附图描述本发明的优选实施例。在附图中：
[0096]
图1：示意性地示出了具有指示操作状态的光元件和内部状态指示光的导航单元的组件；
[0097]
图2：示出了导航单元的照片，所述导航单元具有指示操作状态的光元件和集成在外壳壁中的指示内部状态的光元件；
[0098]
图3：示意性地示出了包括导航单元的导航系统；
[0099]
图4：示出了表示用于直观地指示定位器的定位器操作状态的方法的流程图。
具体实施方式
[0100]
图1示意性地示出了具有指示操作状态的光元件和内部状态指示光的导航单元100的组件。
[0101]
导航单元100包括具有外壳壁的外壳102。所述外壳壁中集成了两个定位器输入端口104、106。定位器输入端口104、106可从外壳102外部接近，并且被配置成使得对于定位器输入端口104、106中的每一者，定位器(未示出)可分别以机械方式和电气方式连接。具体地说，定位器可连接到定位器输入端口104、106，所述定位器输入端口被配置成用于捕获导航场且用于提供定位器信号。
[0102]
例如，定位器可包括用于捕获由场发生器生成的交变电磁场的一个或多个传感器线圈。当将传感器线圈暴露于交变电磁场时，在线圈中的每一者中感应出电压，且线圈中的每一者提供表示感应出的电压的定位器信号。
[0103]
定位器输入端口104、106可用于将医疗器械的定位器连接到导航单元100。定位器输入端口104、106中的第二者可用于将患者定位器连接到导航单元100。患者定位器通常以固定方式布置在患者处，并且可以相对于患者定位器的位置跟踪医疗器械的定位器的位置。还可以使用定位器输入端口104、106将两个相应医疗器械的两个定位器连接到导航单元100。两个医疗器械中的每一者的位置和定向可由导航单元100同时确定，以使得用户可以在导航过程中同时使用两个被跟踪的医疗器械。
[0104]
定位器输入端口104、106连接到位置检测单元108。位置检测单元108被配置成用于接收所连接定位器的定位器信号，且用于处理所接收信号以便确定定位器在导航场中的位置和定向。导航单元100可连接到导航系统(例如，如关于图3所描述的导航系统)的监视器(未示出)，以便在经由x线断层摄影术获得的患者模型截面图像中显示配备有定位器的医疗器械的位置。
[0105]
位置检测单元108连接到状态确定单元110。状态确定单元110被配置成用于基于位置检测单元108是否已接收到定位器信号以及位置检测单元100是否已从所接收定位器信号确定定位器在导航场中的位置和定向而确定所连接定位器的定位器操作状态。状态确定单元110被配置成用于确定定位器是否连接到导航单元100以及所连接定位器是否位于工作空间内。工作空间可包括由医疗器械的定位器提供的定位器信号的信噪比高于预定义阈值的那些定位器位置。为了确定所连接定位器的定位器操作状态，状态确定单元110可被配置成使用所接收定位器信号的信噪比。状态确定单元110还可被配置成分析所接收定位器信号的信号模式，以确定所连接定位器的定位器操作状态。
[0106]
状态确定单元110还被配置成用于确定导航单元100的内部操作状态。导航单元100的内部操作状态可以是导航单元100正启动、处于计算状态、处于导航模式、需要用户动作、已检测到错误、已确定所连接定位器正离开工作空间，或已检测到位置和定向的确定不准确。
[0107]
状态确定单元连接到控制单元112。控制单元112连接到第一指示操作状态的光元件114，其用于直观地指示连接到例如定位器输入端口104的第一定位器(例如，患者定位器)的定位器操作状态。控制单元112还连接到另外的指示操作状态的光元件116，其用于直观地指示连接到定位器输入端口106的定位器(例如，医疗器械的定位器)的定位器操作状态。控制单元112还连接到指示内部状态的光元件120。指示内部状态的光元件120用于直观
地指示导航单元100的内部操作状态。
[0108]
指示操作状态的光元件114、116中的每一者可包括一个或多个led 122，并且指示内部状态的光元件120也可包括一个或多个led 122。光元件114、116、120中的每一者可包括光散射盖，其覆盖led以散射由led发射的光。
[0109]
光元件114、116、120的led 122中的每一者优选地可由控制单元112单独控制。单独控制led 122可包括控制分配给led中的每一者的开关以便打开和关闭单独led，以直观地指示所连接定位器的所确定定位器操作状态和/或导航单元100的所确定内部操作状态。例如，光元件114、116、120可包括数个led，每一led以不同颜色发光。
[0110]
在图2中，示出了具有外壳202的导航单元200，在所述外壳中可容纳如参考图1所描述的状态确定单元、位置检测单元和控制单元。
[0111]
在外壳202的外壳壁中，集成了用于连接医疗器械的定位器的第一定位器输入端口204。在外壳202的相同外壳壁中，集成了第二定位器输入端口206以用于将患者定位器连接到导航单元200。指示操作状态的光元件208邻近定位器输入206集成在外壳壁中，且被分配给第二定位器输入端口206。指示操作状态的光元件208包括示意性地示出患者定位器的光散射盖，以便使得此指示操作状态的光元件208用于直观地指示所连接患者定位器的定位器操作状态。
[0112]
邻近第一定位器输入端口204，三个空间上分离的指示操作状态的光元件210集成在外壳壁中。指示操作状态的光元件210中的每一者包括光散射盖，其示出了指代三个不同的定位器输入端口的数字1、2或3中的一者。三个指示操作状态的光元件210中的每一者被分配给不同的定位器输入端口，并且用于直观地指示连接到相应定位器输入端口的定位器的定位器操作状态。
[0113]
集成在外壳202的外壳壁中的是指示内部状态的光元件212，其包括沿着导航单元200的圆周布置成一行的多个led，以使得可从各个方向直观地察觉由指示内部状态的光元件212直观地指示的导航单元200的内部操作状态。指示内部状态的光元件212的led由沿着导航单元200的圆周铺设的条带形式的光散射盖覆盖。指示内部状态的光元件可在不同操作模式下操作，用于直观地指示导航单元的所确定内部操作状态。至少一个指示内部状态的光元件可在其下操作的操作模式优选地包括打开模式、一个或多个彩色模式、一个或多个光强模式、追光效果模式、一个或多个脉冲光模式。
[0114]
图3示意性地示出了导航系统300，其包括可为如参考图1或2所描述的导航单元的导航单元302。
[0115]
导航单元302具有用于直观地指示医疗器械306的定位器305的操作状态的指示操作状态的光元件304，所述定位器经由电缆308连接到集成在导航单元302的外壳壁中的第一定位器输入端口310。
[0116]
导航单元302具有用于直观地指示患者定位器314的定位器操作状态的另一指示操作状态的光元件312，所述患者定位器经由电缆316连接到导航单元302的第二定位器输入端口318。患者定位器314可用于提供参考位置，可针对所述参考位置确定医疗器械306的定位器305的位置。
[0117]
导航单元302连接到监视器320以用于在患者的截面图像中显示医疗器械306的位置，从而辅助外科医生在患者身体内部导航医疗器械306。
[0118]
导航系统300可用于进行用于直观地指示定位器的定位器操作状态的方法，如参考图4所描述的流程图所示。
[0119]
在用于直观地指示定位器的定位器操作状态的所述方法的第一步骤s1中，将定位器以机械方式和电气方式连接到导航单元。所述定位器被配置成用于捕获导航场且用于提供定位器信号。
[0120]
为了确定定位器在导航场中的位置和定向，在步骤s2中(例如，由场发生器)生成导航场。例如，场发生器可用于生成交变电磁场。当将具有传感器线圈的定位器暴露于电磁场时，在线圈中感应出电压，所述电压取决于定位器在电磁场中的位置和定向。
[0121]
在步骤s3中，接收由定位器提供的定位器信号，并且处理所接收定位器信号以便确定定位器在导航场中的位置和定向。在步骤s4中，基于所接收定位器信号以及所接收定位器信号是否表示定位器在导航场中的位置和定向而确定定位器操作状态。
[0122]
在步骤s5中，控制分配给用于将定位器连接到导航单元的定位器输入端口的至少一个指示操作状态的光元件，以直观地指示所确定定位器操作状态。
[0123]
如果参考图3所描述的导航系统300另外包括至少一个指示内部状态的光元件，则导航系统300还可进行参考图4所描述的方法中的任选方法步骤，所述任选方法步骤包括确定导航单元的内部操作状态，以及控制至少一个指示内部状态的光元件以直观地指示所确定内部操作状态。