CN103402451B - 计算机辅助外科手术中通过mems跟踪骨骼和器械 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在计算机辅助外科手术中相对于骨骼跟踪器械的方法。具有MEMS单元的参考跟踪器被固定至骨骼。所述跟踪器输出与其方位相关的数据。设有MEMS单元并固定至骨骼的器械以初始方位被预置。所述器械在初始化后输出与该器械的方位相关的跟踪数据。将骨骼关联至跟踪器的可跟踪的参考系被建立。器械的MEMS单元被初始化。在初始化器械的MEMS单元下，器械的初始方位与跟踪器的方位之间的关系被记录。器械与使用所述关系计算出的骨骼的参考系相关的方位数据被显示。本发明还描述了一种用于在初始化MEMS单元后相对于骨骼跟踪器械的计算机辅助外科手术系统。

Description

计算机辅助外科手术中通过MEMS跟踪骨骼和器械

技术领域

本发明涉及在计算机辅助矫形外科手术中使用微机电传感器（MEMS）使器械相对于身体部分、例如骨骼校准，以用于随后跟踪该器械和通过该器械实施的操作。

背景技术

通过MEMS传感器导引骨骼和器械的重要步骤之一是首先使骨骼相对于传感器定位，即建立参考系或坐标系。考虑到MEMS传感器系统的规格，必须实施某些步骤来建立参考系。MEMS传感器系统的规格可包括仅在两个自由度上的方位跟踪，或没有位置跟踪。所述步骤包括对传感器和/或骨骼进行各种操纵，以用于传感器（以下称作参考跟踪器）相对于骨骼的方位设置。方位设置完成后，可实施导引步骤，且使用参考跟踪器经由参考系来跟踪骨骼。

在一些实例中，传感器必须相对于骨骼受到约束，以用于随后的跟踪。例如对于股骨跟踪，传感器相对于侧轴线的方位可机械地加以约束（例如，通过嵌入后髁之下的爪形器械），使得传感器侧轴线与骨骼的侧轴线对齐。

在另外的实例中，用于在骨骼上实施改变的各种器械必须相对于MEMS参考跟踪器校准，以便在导引过程中被跟踪。一个示例是切割单元（也称作定位单元），其可机械地约束于MEMS参考跟踪器，以便进行校准。在这种情况下，操作员必须执行特定的操作来保证使定位单元连接至参考跟踪器以便校准定位单元，以用于随后的跟踪和骨骼改变。

发明内容

因此，本公开的目的是提供一种新颖的方法和系统，以用于在计算机辅助外科手术中使用MEMS来跟踪骨骼和器械。

因此，根据第一实施例，提供了一种用于在计算机辅助外科手术中相对于骨骼跟踪器械的方法，包括：将具有MEMS单元的参考跟踪器固定至骨骼，所述参考跟踪器输出与该参考跟踪器的方位有关的跟踪数据；提供具有MEMS单元的器械，所述器械以初始方位预置，并在初始化后输出与该器械的方位有关的跟踪数据；将所述器械固定至骨骼；建立使骨骼与参考跟踪器的方位相关的可跟踪的参考系；初始化器械的MEMS单元；在初始化器械的MEMS单元下，记录器械的初始方位与参考跟踪器的方位之间的关系；以及显示使用所述关系计算出的器械相对于骨骼的参考系的方位数据。

仍然根据第一实施例，提供器械包括：提供通过方位调节机构固定至骨骼的切割单元，所述方位调节机构能够调节切割单元的方位；显示方位数据包括：显示与切割单元中的切割槽相对于骨骼的参考系的方位有关的数据。

还是仍然根据第一实施例，将参考跟踪器和切割单元固定至骨骼包括：将参考跟踪器和切割单元固定至胫骨。

还是仍然根据第一实施例，建立可跟踪的参考系包括：至少确定胫骨的机械轴线。

还是仍然根据第一实施例，将参考跟踪器和切割单元固定至骨骼包括：将参考跟踪器和切割单元固定至股骨。

还是仍然根据第一实施例，建立可跟踪的参考系包括：至少确定股骨的机械轴线。

还是仍然根据第一实施例，建立可跟踪的参考系包括建立三轴坐标系。

还是仍然根据第一实施例，提供以初始方位预置的器械包括：提供器械，且使其轴线与该器械上的MEMS单元正交。

还是仍然根据第一实施例，将参考跟踪器和器械固定至骨骼包括：在参考跟踪器与器械之间没有直接刚性连接的情况下将参考跟踪器与器械固定至骨骼。

还是仍然根据第一实施例，所述方法包括：在显示器械的方位数据时，使用所述器械实施骨骼改变。

还是仍然根据第一实施例，所述方法被实施在骨骼模型或尸体上。

根据第二实施例，提供了一种用于相对于骨骼跟踪器械的计算机辅助外科手术系统，包括：具有MEMS单元的参考跟踪器，所述参考跟踪器用于输出与该参考跟踪器的方位有关的跟踪数据，所述参考跟踪器适于被固定至骨骼；以初始方位预置的具有MEMS单元的器械，以用于在初始化后输出与该器械的方位有关的跟踪数据，所述器械适于被固定至骨骼；CAS处理单元，其包括用于建立使骨骼与参考跟踪器的方位相关的可跟踪的参考系的方位设置单元、用于在初始化下记录器械的初始方位与参考跟踪器的方位之间的关系的器械校准器、用于使用所述关系从所述跟踪数据计算器械在骨骼的参考系中的方位数据的跟踪处理器、以及用于显示所述方位数据的界面。

仍然根据第二实施例，所述器械是通过方位调节机构连接至骨骼的切割单元，所述方位数据包括：切割单元的至少一个切割平面相对于骨骼的参考系的方位。

还是仍然根据第二实施例，所述参考系至少包括骨骼的机械轴线。

还是仍然根据第二实施例，所述器械的所述初始方位包括：正交于该器械上的MEMS单元的轴线。

还是仍然根据第二实施例，所述参考跟踪器和所述器械不是以直接刚性连接固定至骨骼。

附图说明

图1是切割单元被固定至胫骨时的透视图；

图2是被固定至股骨的参考跟踪器和切割单元的透视图；

图3是一种根据本公开的一个实施例的用于在计算机辅助外科手术中跟踪骨骼和器械的方法的流程图；以及

图4是一种根据本公开的用于在计算机辅助外科手术中跟踪骨骼和器械的系统的框图。

具体实施方式

参考附图并尤其参考图1和图2，分别示出了胫骨T和股骨F以及参考跟踪器10（图2）和切割单元12（也称作定位单元）。参考跟踪器10和切割单元12分别设有微机电传感器（MEMS），所述微机电传感器提供与旋转中的至少两个自由度（DOF）有关的读数，不过MEMS在适当配置的情况下可提供旋转中和/或平移中的关于更多自由度的读数。MEMS可包括陀螺仪和/或加速度计、或它们的组、或其他可能性。

图1中，切割单元12在胫骨T的顶端处邻近于胫骨平台固定至胫骨T，用以充当用于切割平面的引导部，以便将植入物安装在最终切除后的胫骨上。方位调节机构14使切割单元12的固定点与充当引导部的一个或多个槽分离。因此，MEMS在切割单元12的与槽成整体的部分上，从而与之一起移动。虽然未示出，但是参考跟踪器10也固定至胫骨T，并处在切割单元12的固定至骨骼的部分上。参考跟踪器10也可与切割单元12物理意义上分离。

图2中，切割单元12邻近于股骨F的膝部端固定至股骨F，也用以充当用于切割平面的引导部。然后，所述平面作为用于植入物的界面来使用。在与胫骨应用类似的形式中，方位调节机构14使切割单元12的固定点与充当引导部的槽分离。因此，MEMS在切割单元12的与槽成整体的部分上，从而与之一起移动。参考跟踪器10也固定至胫骨T，且在图2中与切割单元12物理意义上分离。参考跟踪器10还可处在切割单元12的固定至骨骼的部分上。

如图4所示，另一器械或其他跟踪器16（即数字化器械）可用在将用于骨骼的参考系数字化的过程中，如下将描述。根据一个实施例，器械16是如提交于2010年8月31日的美国专利申请No.12/872,469中所描述的胫骨数字化仪，该美国专利申请合并于此作为参考。

参照图3，示出了方法20，所述方法20用于相对于骨骼校准切割器械12或任何其他器械，以用于在骨骼上实施的随后的外科手术步骤。

根据步骤21，参考跟踪器、例如参考跟踪器10被固定至骨骼。参考跟踪器提供与至少两个方位度有关的跟踪数据。参考跟踪器10可相对于骨骼以特定方位固定。例如，在胫骨应用的情况下，可将2-DOF参考跟踪器10机械地约束（例如，通过嵌入骨骼中的爪形器械），使得传感器侧轴线与胫骨T的侧轴线对齐。

影响参考跟踪器10到骨骼的固定的其他因素包括：通过参考跟踪器10跟踪的DOF数、软组织的切口及所导致的露出骨骼、骨骼露出的部分（例如较厚的部分）。

根据步骤22，提供了切割单元12，以用于随后在骨骼上使用切割单元12实施外科手术步骤。切割单元12是预置的，从而当初始化切割单元12时，该切割单元的MEMS的跟踪轴线的方位是已知的。在一个实施例中，切割单元12跟踪方位中的两个DOF，且所述轴线在初始化下正交于切割单元12。

根据步骤23，预置的切割单元12在还未被初始化的情况下被固定至骨骼。在胫骨应用中以及在股骨应用中，切割单元12跟踪两个DOF，并紧邻骨骼的膝部端安装。切割单元12用于切割横平面。在一个实施例中，切割单元12还可用于切割前/后平面。因此，方位调节机构14将使切割单元12能够绕着骨骼的侧轴线和前/后轴线旋转。

根据步骤24，相对于参考跟踪器10为骨骼建立和设置了参考系。所述参考系可包括骨骼的至少一个轴线，且在某些情况下是三轴坐标系。在胫骨应用中，所述参考系包括纵向轴线、例如胫骨的机械轴线，而在股骨应用中可将股骨的机械轴线限定用于参考系。对于胫骨而言，坐标系还可包括前-后轴线；对于股骨而言，坐标系还可包括中侧轴线。

已经提出了和描述了多种方法，以便使用用于跟踪骨骼的MEMS参考跟踪器10来建立参考系，以用于随后跟踪骨骼。公开于2009年10月1日的美国专利申请No.2009/0247863中描述了一种方法，合并于此作为参考。公开于2009年10月1日的美国专利申请No.2009/0248044中描述了另一种方法，合并于此作为参考。提交于2010年7月30日的美国专利申请No.12/846,934中公开了又一种用于股骨应用的方法，也合并于此作为参考。这些参考文献中关注的方法和系统通过MEMS传感器单元（即参考跟踪器）相对于骨骼建立参考系（例如坐标系），以用于随后在方位上跟踪骨骼。

其他器械16可用于限定骨骼的轴线。例如，美国专利申请系列No.12/872,469中描述了一种胫骨数字化仪，合并于此作为参考。所述胫骨数字化仪用于确定胫骨T的机械轴线的方位。胫骨数字化仪还可用于确定胫骨T的前-后轴线。

根据步骤25，通过此时使用参考跟踪器10在方位上跟踪骨骼，相对于从步骤24得出的参考系（例如坐标系）来校准预置的切割单元12。当切割单元12的MEMS单元预备好被初始化时，切割单元12已经固定至骨骼，且骨骼正通过使用参考跟踪器10在方位上被跟踪。因此，在预置的切割单元12上的MEMS单元被初始化的时刻，切割单元12上的MEMS单元的预置轴线与经由参考跟踪器10跟踪的骨骼的参考系轴线之间的关系被记录。因此，参考跟踪器10与切割单元12之间的关系被获知，并被关联至通过参考跟踪器10跟踪的骨骼的参考系。实施胫骨T的适当移动来收集跟踪数据，所述跟踪数据将用于构建参考跟踪器10与切割单元12之间的关系数据。在一个实施例中，胫骨T以内收/外展动作移动。在另一实施例中，胫骨以弯曲/伸展移动。

替代性地，可于在步骤24中建立骨骼的参考系之前初始化预置的切割单元12。预置的切割单元12可被初始化来记录其与参考跟踪器10的关系。在这种情况下，在预置的切割单元12上的MEMS单元被初始化的时刻，切割单元12上的MEMS单元的预置轴线与参考跟踪器10的轴线的瞬时方位之间的关系被记录，以用于随后计算将切割单元12关联至骨骼的参考系的方位数据。再次地，实施胫骨T的适当移动来收集跟踪数据，所述跟踪数据将用于构建参考跟踪器10与切割单元12之间的关系数据。

应指出，上述方法可在骨骼模型或尸体上实施。该方法的步骤的顺序也可成任何其他合适的次序，如以上所说明地，将预置的切割单元12相对于参考跟踪器10的初始化与步骤24中的参考系建立调换过来。作为另一示例，切割单元12可在限定出参考系之后固定至骨骼。

在一个实施例中，切割单元12的MEMS单元对于它跟踪的每个旋转轴线而言是“零”初始方位。在“零”初始方位中，旋转轴线正交于切割单元12的MEMS单元。其他初始构型也是可行的。

某些应用（例如股骨应用）可需要实施其他步骤来相对于参考跟踪器10校准切割单元12。在股骨应用中，类似于胫骨应用，校准的附加移动在建立胫骨的参考系之前或之后实施，以便限定切割单元12的所有轴线与参考跟踪器10的轴线之间的关系。所述附加移动例如可包括将股骨放置在极端内旋转的方位中、以及另一极端外旋转的方位中，以便记录附加的信息。

根据步骤26，通过校准切割单元12，使用切割单元12与参考跟踪器12之间的关系来计算和显示方位数据。作为示例，可参照骨骼的参考系来跟踪切割单元12的方位。因此，方位调节机构14被用于调节切割单元12的一个或多个槽的方位。与骨骼和切割单元12的槽之间的相对方位有关的数据可在单独的用户界面中、或直接在切割单元12上显示。例如，切割单元12可设有显示灯，用于指示已经到达期望的方位。当骨骼的机械轴线正交于或平行于切割单元12的槽的平面时，向操作员发出指示信号（例如，可看见的、可听见的）。

参照图4，用于跟踪骨骼和器械（例如参考跟踪器10、切割单元12和其他器械16）的CAS单元总体以附图标记30示出。跟踪器10、16和切割单元12与CAS单元30以及与界面一起形成CAS系统。

CAS单元30具有跟踪处理器31，所述跟踪处理器31从跟踪器10、16和切割单元12上的MEMS接收方位数据，用于跟踪器10、16的和切割单元12的跟踪。通过由CAS单元30的其他器件提供的附加数据，跟踪处理器使用参考跟踪器10的跟踪数据来计算方位数据，所述方位数据将切割单元12关联至为骨骼限定的参考系。跟踪处理器31还可通过初始化信号来初始化预置的切割单元12。

方位设置单元32接收与CAS单元30一起使用的各种跟踪器和器械的跟踪数据。根据通过方位设置单元32操作的应用程序33，使用跟踪器10和任何其他需要的跟踪器、例如器械16为骨骼B设置了参考系（例如坐标系）。应用程序33可提供引导数据，所述引导数据在不同的步骤过程中被显示来引导操作员实施适当顺序的操作。

根据一个实施例，CAS应用程序33对应于上述胫骨和股骨应用中的任一个，其中，方位设置单元32使用上述方法中的任一个限定出骨骼B的参考系的一个或多个轴线。作为方位设置单元32的结果，跟踪处理器31从参考跟踪器10的方位数据产生用于骨骼B的跟踪数据，所述跟踪数据可使用界面40来显示。

提供了切割单元校准器34（即器械校准器34）用于初始化预置的切割单元12，以及用于记录预置的切割单元12的方位与参考跟踪器10的或骨骼B的参考系的方位之间的关系。作为切割单元校准器34的结果，跟踪处理器31使用初始化下所记录的切割单元12与参考跟踪器10之间的关系生成方位数据，所述方位数据将被跟踪的切割单元12关联至骨骼的参考系，所述方位数据可用界面40来显示。

界面40虽然示出为与CAS单元30分离，但是它可以是CAS单元30的一部分。由于CAS器械的微型化，界面40例如可成灯（LED）或类似物的形式直接集成在器械上。在一个特别的实施例中，所述灯成刻度尺格式来指示何时达到合适的方位。

Claims (5)

1.一种用于相对于骨骼跟踪器械的计算机辅助外科手术系统，包括：

具有MEMS单元的参考跟踪器，所述参考跟踪器用于输出与该参考跟踪器的方位有关的跟踪数据，所述参考跟踪器适于被固定至骨骼；

以初始方位虚拟预置的具有MEMS单元的器械，以用于在初始化后输出与该器械的方位有关的跟踪数据，所述初始方位与所述器械关联，所述器械适于被固定至骨骼，所述初始方位是所述跟踪数据中的MEMS单元的轴线，所述轴线代表MEMS单元与器械的虚拟预置对齐；

CAS处理单元，其包括：

方位设置单元，其用于建立使骨骼与参考跟踪器的方位相关的可跟踪的参考系；

器械校准器，其用于通过从器械的MEMS单元接收跟踪数据在初始化下记录器械的初始方位与参考跟踪器的方位之间的关系；

跟踪处理器，其用于使用所述关系从所述跟踪数据计算器械在骨骼的参考系中的方位数据；以及

用于显示所述方位数据的界面。

2.如权利要求1所述的计算机辅助外科手术系统，其特征在于，所述器械是通过方位调节机构连接至骨骼的切割单元，所述方位数据包括：切割单元的至少一个切割平面相对于骨骼的参考系的方位。

3.如权利要求1所述的计算机辅助外科手术系统，其特征在于，所述参考系至少包括骨骼的机械轴线。

4.如权利要求1所述的计算机辅助外科手术系统，其特征在于，所述器械的所述初始方位包括：正交于该器械上的MEMS单元的轴线。

5.如权利要求1所述的计算机辅助外科手术系统，其特征在于，所述参考跟踪器和所述器械不是以直接刚性连接固定至骨骼。