CN107072741B - 计算机辅助的髋部手术中的器械导航 - Google Patents

Abstract

一种计算机辅助的手术系统，包括：校准器械，其适于以已知的方式被应用到骨盆；以及手术器械。计算机辅助的处理器单元操作手术辅助流程并且包括至少一个便携式惯性传感器单元，其被配置为被连接到所述至少一个校准器械和所述至少一个手术器械，所述便携式惯性传感器单元输出表示其取向的读数。几何关系数据模块提供所述校准器械和所述手术器械的所述便携式惯性传感器单元的所述取向之间的几何关系数据。坐标系模块设置所述骨盆的坐标系，其中，所述骨盆的前后轴大体上在重力的方向上，并且其中，所述骨盆的中侧轴使用其之间的所述几何关系数据从所述至少一个校准器械上的所述一个便携式惯性传感器单元的读数获得。跟踪模块使用来自使用其之间的所述几何关系数据的所述手术器械上的所述惯性传感器单元的读数来跟踪所述至少一个手术器械相对于所述坐标系的移动，并且计算针对所述移动的导航数据，所述导航数据使所述手术器械的所述取向与所述骨盆的所述取向相关。接口输出所述导航数据。

Description

计算机辅助的髋部手术中的器械导航

相关申请的交叉引用

本申请主张要求于2014年11月6日提交的美国临时专利申请No.62/076123的权益，并且通过引用将其并入本文。

技术领域

本申请涉及使用惯性传感器的计算机辅助的手术并且更具体涉及髋部手术中的髋臼杯定位流程。

背景技术

在髋关节置换术中，髋臼被铰孔以随后在其中接收髋臼杯。髋臼杯是被接收在经铰孔的髋臼中的植入物并且充当针对股骨头或股骨头植入物的受器。因此，在流程中使用诸如铰孔器和杯撞击器的工具。在这样的流程中的挑战之一是向髋臼杯提供足够的取向。实际上，不准确的取向可能导致移动的损耗、不适当的步态和/或植入物部件的过早磨损。例如，髋臼杯通常通过撞击器被定位在经铰孔的髋臼中。撞击器具有阀杆，在所述阀杆的端部处是髋臼杯。阀杆由操作者把持，其影响自由端以便将髋臼杯驱动到髋臼中。然而，可能重要的是，操作者将撞击器的阀杆保持在相对于骨盆的精确的三维取向上，以便确保在倾斜和前倾方面的髋臼杯的足够的取向。

出于该目的，计算机辅助的手术已经被用在髋部手术中，以便帮助操作者将铰孔器和撞击器定位和取向到期望的取向。在被用在计算机辅助的手术中的各种跟踪技术中间，已经使用光学导航、C形臂验证和手动参考引导。光学导航要求使用导航系统，其增加手术时间。其还要求将参考钉在患者上，其增加到流程的侵入性。此外，其限于阻碍正常手术流的视线约束。C形臂验证要求使用庞大的设备并且验证不具有成本效益。此外，其不提供在一旦被完成时对杯定位的定量评估，并且通常与在手术中相反，在手术后被使用。最后，诸如A型的手动夹具不占手术桌台上的患者的位置。

因此，惯性传感器被用于其成本效益和其提供的有价值的信息。

发明内容

因此，根据本公开的实施例，提供了一种在计算机辅助的髋部手术中相对于骨盆对手术器械进行导航的方法，包括：在患者以仰卧位处在桌台平面上的情况下：利用惯性传感器单元创建针对骨盆的坐标系，所述坐标系使用重力的方向来设置所述骨盆的前后轴并且包括所述骨盆的中侧轴；跟踪所述骨盆的所述惯性传感器单元坐标系；通过确定所述骨盆的所述坐标系中的所述器械的三个旋转自由度，利用至少一个手术器械上的惯性传感器单元来设置所述至少一个手术器械的取向；使用来自所述手术器械上的所述惯性传感器单元的读数来跟踪所述至少一个手术器械相对于所述坐标系的移动；并且输出针对所述移动的导航数据，所述导航数据使所述手术器械的取向与所述骨盆的取向相关。

进一步地，根据本公开的实施例，输出导航数据包括输出所述手术器械相对于所述骨盆的前倾角和/或倾斜角。

更进一步地，根据本公开的实施例，创建针对所述骨盆的所述坐标系包括从支撑被应用到所述骨盆的髂前上棘的所述惯性传感器单元的器械获得所述中侧轴。

更进一步地，根据本公开的实施例，创建所述坐标系包括将所述骨盆的所述坐标系的颅尾轴设置为所述前后轴和所述中侧轴的叉积。

更进一步地，根据本公开的实施例，创建所述坐标系包括从支撑被应用到所述骨盆的所述惯性传感器单元的器械获得所述骨盆相对于所述中侧轴以及相对于颅尾轴的倾斜，并且还包括将所述前后轴和所述中侧轴与所述倾斜对齐。

更进一步地，根据本公开的实施例，获得所述骨盆的额面(frontal)倾斜包括从被应用到所述骨盆的所述髂前上棘中的至少一个和耻骨结节的所述器械获得所述倾斜。

更进一步地，根据本公开的实施例，创建所述坐标系包括从支撑被应用到所述骨盆的所述惯性传感器单元的器械获得所述骨盆相对于所述坐标系的颅尾轴的横向倾斜，并且还包括将所述中侧轴与所述横向倾斜对齐。

更进一步地，根据本公开的实施例，获得所述骨盆相对于所述中侧轴的所述横向倾斜包括从被应用到所述骨盆的所述髂前上棘的所述器械获得所述横向倾斜。

更进一步地，根据本公开的实施例，在创建所述坐标系中使用的所述惯性传感器单元与被连接到至少一个手术器械的所述惯性传感器单元是相同的。

更进一步地，根据本公开的实施例，所述骨盆的所述坐标系在设置所述至少一个器械的所述取向之后被更新。

更进一步地，根据本公开的实施例，所述器械的取向通过从被固定到所述骨盆的所述惯性传感器单元中的任一个获得读数而被重置。

更进一步地，根据本公开的实施例，重置所述坐标系中的所述至少一个器械的取向包括：在所述手术器械被取向在相对于骨盆的已知取向上的情况下，从所述手术器械上的所述惯性传感器单元获得读数。

更进一步地，根据本公开的实施例，从已知取向上的所述惯性传感器单元获得读数包括当所述器械上的平面光源指向所述骨盆上的界标时，从所述惯性传感器单元获得读数。

根据本公开的另一实施例，提供了一种计算机辅助的手术系统，包括：至少一个校准器械，其适于以已知的方式被应用到骨盆；至少一个手术器械；计算机辅助的处理器单元，其操作手术辅助流程并且包括：至少一个便携式惯性传感器单元，其被配置为被连接到所述至少一个校准器械和所述至少一个手术器械，所述便携式惯性传感器输出表示其取向的读数；几何关系数据模块，其提供在所述便携式惯性传感器单元的取向、所述至少一个校准器械的取向、以及所述至少一个手术器械的取向之间的几何关系数据；坐标系模块，其用于设置所述骨盆的坐标系，在所述骨盆的坐标系中，所述骨盆的前后轴大体上在重力的方向上，并且在所述骨盆的坐标系中，所述骨盆的中侧轴是使用在所述至少一个便携式惯性传感器单元与所述至少一个校准器械之间的所述几何关系数据从所述至少一个校准器械上的所述至少一个便携式惯性传感器单元的读数获得的；跟踪模块，其用于使用在所述惯性传感器单元与所述至少一个手术器械之间的所述几何关系数据，使用来自所述手术器械上的所述惯性传感器单元的读数，来跟踪所述手术器械相对于所述坐标系的移动，并且计算针对所述移动的导航数据，所述导航数据使所述手术器械的所述取向与所述骨盆的所述取向相关；以及接口，其用于输出所述导航数据。

进一步地，根据本公开的其他实施例，所述至少一个校准器械是中侧数字化器，其适于接触所述骨盆的髂前上棘，并且进一步地，其中，所述坐标系模块从所述中侧数字化器获得所述骨盆相对于所述坐标系的颅尾轴的横向倾斜并且将所述中侧轴与所述横向倾斜对齐。

更进一步地，根据本公开的其他实施例，所述至少一个校准器械适于接触所述骨盆的髂前上棘和耻骨结节，并且进一步地，其中，所述坐标系模块获得所述骨盆相对于颅尾轴以及相对于所述坐标系的所述中侧轴的倾斜，并且将所述前后轴和所述中侧轴与所述横向倾斜对齐。

更进一步地，根据本公开的其他实施例，所述手术器械是撞击器和髋臼铰孔器之一。

更进一步地，根据本公开的其他实施例，所述几何关系数据模块、所述坐标系模块、以及所述跟踪模块被集成在所述至少一个便携式惯性传感器单元中。

更进一步地，根据本公开的其他实施例，具有接口的独立处理设备与所述至少一个便携式惯性传感器单元通信，所述独立处理设备同时地操作所述手术辅助流程以向用户提供引导。

更进一步地，根据本公开的其他实施例，更新取向模块具有所述惯性传感器单元相对于所述骨盆的已知取向，并且其中，所述坐标系模块使用所述至少一个便携式惯性传感器单元在处于所述已知取向上时的读数来更新所述坐标系中的所述手术器械的取向。

更进一步地，根据本公开的其他实施例，支撑结构适于被固定到所述骨盆并且具有针对所述便携式惯性传感器单元的底座，所述已知取向包括所述支撑结构中的所述便携式惯性传感器单元。

更进一步地，根据本公开的其他实施例，所述至少一个手术器械在其上具有发射平面光束的光源，所述已知取向包括所述至少一个手术器械将所述平面光束投影在所述骨盆的预定界标上。

附图说明

图1A是用于在计算机辅助的髋部手术中对器械进行导航的系统的示意图；

图1B是图1A的系统的惯性传感器单元的示意图；并且

图2是根据本公开的用于在计算机辅助的髋部手术中对器械进行导航的方法的流程图。

具体实施方式

参考附图并且更具体参考图2，在10处一般性地示出了用于在计算机辅助的髋部手术中对器械进行导航的方法。方法10的目的是使用惯性传感器对用在髋关节置换术或类似流程中的手术器械，诸如髋臼铰孔器、杯撞击器、撞击器导引销，进行准确地导航。通过对器械进行导航，本公开涉及提供使器械与骨骼相关的取向数据的过程，以引导操作者执行器械相对于骨骼的手术操纵。

参考图1A，在1处一般性地示出了用于在计算机辅助的髋部手术中对器械进行导航的系统，并且具有被用于实施方法10的类型，如下文将详述的。系统1包括计算机辅助的手术(CAS)处理单元2，被示出为图1中的独立单元。然而，应当指出，CAS处理单元2可以被集成到一个或多个惯性传感器单元A中，还被称为被安装到系统10的各种设备和器械的杆或者被称为计算机或便携式设备的模块等。

例如，在图1B中示出了惯性传感器单元A之一。系统1可以具有惯性传感器单元A中的一个或多个，其中，为了清晰，在图1B中示出了单独的一个。惯性传感器单元1包含处理单元2并且因此可以装备有(一个或多个)用户接口3以提供导航数据，无论是LED显示器、屏幕、数字显示器等的形式。备选地，惯性传感器A可以被连接到独立处理设备B，其将包括屏幕或类似监视器以提供额外的显示能力和表面。以范例的方式，处理设备B是无线便携式设备，诸如与惯性传感器单元A有线或无线通信的平板电脑。

惯性传感器单元A可以被称为微电子机械传感器(MEMS)并且可以包括惯性传感器4中的一个或多个，除了其他可能的惯性传感器，诸如是加速度计、陀螺仪、磁倾仪、磁强计。惯性传感器4是无源传感器，其自动地提供由诸如重力的自然现象影响的数据。惯性传感器单元A还具有主体，其通常由外壳定义，为惯性传感器单元A给出连接器5，通过连接器5，惯性传感器单元A可以被固定到器械和工具，如在下文中所描述的。

处理单元2包括不同的模块来执行导航。手术流模块2A可以与用户接口3或处理设备B结合使用以通过导致导航的步骤(例如，方法10的各步骤)来引导操作者。这可能需要向操作者提供逐步引导，并且提示操作者执行动作，例如，按压作为系统1的接口3的一部分的“记录”接口来记录即时取向。尽管这贯穿手术流程发生，但是将不在说明书的其余部分中描述系统1与用户之间的提示和交互，如其将隐含地发生的。应当设想到，使手术流模块2A存在于处理设备B中，利用惯性传感器单元A与处理设备B之间的并发动作来引导操作者进行导航和手术，并且利用与操作者的通信来记录流程的进度。

跟踪模块2B还可以是处理单元2的一部分。跟踪模块2B从惯性传感器4接收读数，并且将这些读数转换为有用的信息，即，导航数据。如上文所描述的，所述导航数据可以是使器械与骨盆相关的取向数据。为了经由用户接口3或处理设备B输出导航数据，处理单元2可以被预编程有几何相关数据模块2C。几何关系数据模块2C是惯性传感器单元A经由其连接器5与器械和工具之间的三维关系。对惯性传感器单元A进行设计，使得其连接器5可以被连接在相对于器械和工具的单个可能取向上，使得惯性传感器单元A的取向相对于在接通时其被连接到的器械和工具是已知的。通过连接器5和几何关系数据模块2C，惯性传感器单元A可以是便携式和可拆卸的单元，其与一个设备/器械一起使用，并且然后被传递到另一设备/器械，保存在全局坐标系的过程取向数据中。

坐标系模块2D在导致导航的方法10的各步骤期间创建坐标系，并且可以随后被更新。坐标系2D是器械和工具的取向通过其与骨骼的取向相关的虚拟帧。

已知取向模块2E被用在对坐标系的更新中，并且表示惯性传感器单元A与骨盆之间的已知取向，通过其系统1可以更新坐标系。

参考图1A，可以与系统1一起使用的校准器械或设备非穷尽地包括中侧数字化器13、三分叉配准设备14、髋臼边缘数字化器15，其全部被用于定义针对髋骨的坐标系，亦称世界坐标系、全局坐标系、髋骨坐标系等，以用于后续导航。可以随后与系统1一起使用的手术器械非穷尽地包括杯撞击器16、髋臼铰孔器17、撞击器导引销、支撑结构18等。几何关系数据模块2C被编程到惯性传感器单元A中以用于与上文所描述的设备和器械一起的特定使用。因此，当惯性传感器单元A被安装到设备和器械之一时，设备/器械与惯性传感器单元A的坐标系之间的关系是已知的(与全局坐标系相比较)并且是几何关系数据模块2C的一部分。例如，所述关系可以在设备/器械的轴或3D坐标系与惯性传感器单元A的坐标系之间。

器械的导航旨在意指实时地或准实时地跟踪取向的自由度中的至少一些，使得操作者被提供有由计算机辅助所计算的导航数据，所述导航数据表示髋部手术参数，除了其他范例，诸如是前倾和倾斜。用在下文的方法中的惯性传感器A在全局坐标系(在下文中，坐标系)中可以是相互联系的，采取所提供的适当的步骤以记录或校准坐标系中的惯性传感器A的取向。坐标系用作量化手术的不同项(即，器械和设备)相对于骨盆的相对取向的参考。

方法10通常包括不同的子流程。根据10，患者以仰卧位中(躺在他/她的背上)被放置在桌台平面上，并且后续子流程将基于仰卧位中的患者的取向，因为仰卧位将影响子流程。根据30，创建骨盆坐标系。根据40，初始化被导航的器械。根据50，对器械进行导航。根据60，更新骨盆坐标系中的被导航的器械的取向。可以以任何适当的顺序添加方法10的其他子流程。例如，尽管不是在本文中所描述的方法的各步骤的一部分，但是可以执行对股骨的切除术以使髋臼暴露。

坐标系30的创建和跟踪

为了创建坐标系30，即，为了配准骨盆取向(也被称为骨盆倾斜)，必须相对于所述坐标系确定骨盆的取向。当患者以仰卧位躺卧(即，躺在他/她的背上)时，坐标系可以被定义如下：

-第一轴(被称为Z轴)通常与重力对齐(即，与水平面垂直)，并且表示前后方向。如在下文中可见的，可以如由骨盆倾斜所影响地来调节Z轴的取向。

-第二轴(被称为X轴)与被投影在桌台平面上的患者的中侧轴对齐，所述桌台平面与地平面相匹配。中侧轴在横向方向上延伸，例如，从一个髂前上棘(ASIS)到另一个髂前上棘；以及

-第三轴(被称为Y轴)是Z轴与X轴的叉积，并且表示颅骨-骶骨方向。

以上轴是许多可能性中的一个。例如，其可以是与重力对齐的X轴，X、Y和Z命名法被用作本情况的惯例。作为另一范例，X轴可以是患者的中侧轴，即，不是其在桌台平面上的投影等。换言之，坐标系的定义可以是任意的，并且因此可以具有除上文所描述的那些外的任何适当的定义。然而，上文所提到的定义是实际的，因为轴与已知的界标(诸如重力和桌台平面)被对齐。

根据实施例，为了对骨盆取向30进行配准，患者射线摄影平面被定义为与桌台平面对齐。因此，躺在仰卧位中的患者的骨盆被假定为没有横向倾斜(即，关于Y轴)或前后倾斜(即，关于X轴)。在这样的实施例中，将参考在导航50期间被投影在桌台平面上的中侧轴来测量导航角(例如，倾斜)，因为桌台平面被认为平行于患者的额面平面。

备选地，根据其他实施例，不做关于盆骨倾斜的假设，由此必须做出操纵以继续对盆骨取向30的配准。例如，根据一实施例，使用装备有被定位在相对于由三分叉所形成的平面的固定取向处的磁倾仪的三分叉配准设备14(图1A)来执行配准。分叉可以被定位在定义患者额面平面的三个界标(即，对侧ASIS、横向ASIS和耻骨结节)上。三分叉配准设备14将被用于测量骨盆的横向倾斜和骨盆的前/后倾斜两者。由磁倾仪所测量的盆骨倾斜数据将由使用知道惯性传感器单元A与三分叉配准设备14之间的关系的几何关系数据模块2C的惯性传感器单元A来记录，并且被记录为坐标系模块2D中的坐标系的一部分。在记录骨盆倾斜时，系统1可以对中侧轴和/或颅尾轴进行取向以匹配所测量的骨盆倾斜。

在另一实施例中，诸如髋臼边缘数字化器15(图1A)的设备可以被用于确定骨盆的当前倾斜。髋臼边缘数字化器15可以与术前图像一起被用于评价相对于骨盆取向的边缘取向。髋臼边缘数字化器15可以包括患者特异性表面，其被机器加工为针对高准确度补充接合的骨骼表面的反面。示范性边缘数字化器15如被示出在美国专利申请公布No.2014/0031722中，其通过引用被并入本文。

在又一实施例中，基于仰卧位中的患者的颅尾轴(即，纵轴)平行于地平面(即，没有患者额面平面关于射线摄影平面或桌台平面的前后倾斜)的假定，中侧数字化器13可以与被固定在其上的惯性传感器单元A一起使用。中侧数字化器13可以是如在美国专利申请公布No.2014/0031829中所描述的，其通过引用被并入本文，并且因此被用于测量骨盆的横向倾斜。中侧数字化器13可以在大小方面是可调节的以使其端部接触骨盆的两个界标。例如，中侧数字化器13可以接触两个ASIS以确定中侧轴相对于桌台平面的取向，并且因此为全局坐标系提供足够的数据以完成。由中侧数字化器13上的惯性传感器单元A所测量的骨盆倾斜数据将使用知道惯性传感器单元A与中侧数字化器13之间的关系的几何关系数据模块2C来记录，并且被记录为坐标系模块2D的坐标系的一部分。在记录骨盆倾斜时，系统1可以对中侧轴进行取向以匹配所测量的骨盆倾斜，即，将中侧轴与骨盆倾斜对齐。应当观察到，前后轴的取向也可以由中侧轴的重新对齐来调节或校正，由此虽然彼此不平行，但是前后轴通常与通常指向相同方向上的重力对齐。

由中侧数字化器3的惯性传感器单元A所测量的骨盆倾斜数据然后将是如由坐标系模块2D所设定的坐标系的一部分，并且在40中初始化器械以用于在50中的后续导航时被考虑。

作为利用坐标系模块2D创建坐标系的结果，骨盆的取向被用作由惯性传感器单元A的跟踪模块2B的参考。根据一实施例，所述跟踪模块使用来自惯性传感器4的陀螺仪读数来执行航位推测法以维持其对骨盆的坐标系的参考。航位推测法通过时间隐含所有角速度数据的积分以评价惯性传感器单元A的旋转，因此允许在空间中对其取向的跟踪。

在骨盆移动的情况下重复步骤30可能是必要的。例如，在下文中所描述的步骤中的一些步骤以及诸如撞击杯C的其他步骤可能导致桌台上的骨盆的移动。因此，所述系统可以提示用户重复步骤30。

设置器械取向40

根据对被导航的器械的取向的设置40，器械16、17等中的任一个的取向被设定(即，被记录)在全局坐标系中，以便随后相对于骨盆来跟踪器械。换言之，所述器械必须针对其在全局坐标系中的取向被初始化(即，被校准)为已知的。所述器械可以是在手术中使用的如下中的一项或多项：髋臼铰孔器16、杯撞击器17、撞击器导引销、杯验证设备等。

在一实施例中，被用于坐标系30(例如，在图1A中所示的中侧数字化器13或三分叉配准设备14上的)的创建的惯性传感器单元A在由跟踪模块2B跟踪时在配准30被完成之后能够从其脱离，并且然后被固定到被导航的器械(例如，器械16或17)，以使用连接器5与器械轴之间的如被编程在惯性传感器单元A中的几何关系数据模块2C来保留全局坐标系。如上文所提到的，在被固定在被导航的器械上时，惯性传感器单元A的惯性传感器4连续地跟踪惯性传感器单元A的取向。因此，所述坐标系现在包括器械相对于骨盆的取向。

应当设想到，使用超过一个惯性传感器单元A，例如，使用用于设置坐标系中的取向的已知几何数据的相同原则来执行惯性传感器单元A之间的数据的传送。超过一个惯性传感器单元A的使用可以允许对骨骼和器械的同时跟踪。

器械50的导航

设置40使能由全局坐标系中的CAS处理单元2对器械6、7的三轴取向的确定。设置40需要使用几何关系数据模块2C记录器械的取向以提供器械与惯性传感器单元A之间的几何关系数据。因此，跟踪模块2A可以跟踪由坐标系模块2D所提供的坐标系中的器械的取向。CAS处理单元2可以使用惯性传感器单元A的读数来跟踪器械16、17全局坐标系中、即相对于骨盆的取向改变。CAS处理单元2例如可以实时地或准实时地提供倾斜或前倾数据。基本上，如果在铰孔器17的情况下或者基于撞击器16相对于骨盆的当前取向，工具以给定的方式变更髋臼，则数据可以被认为是髋臼杯C的预期的倾斜和/或前倾。所述导航数据可以具有适当的格式，诸如数值、骨骼和器械的模型、或者器械与骨骼之间的期望或计划的相对取向被实现的视觉指示。

如先前所提到的，导航的器械可以是撞击器16，通过撞击器16，髋臼杯6可以在撞击之前被适当地取向。在另一实施例中，被导航的器械是将撞击器导引销以期望的取向被固定到骨盆所使用的器械，该销能够被用于引导撞击器甚至超过撞击。在又一实施例中，被导航的器械可以是验证表面，其能够在被撞击时被平坦地定位到髋臼杯C上以便验证髋臼杯C的取向。

更新坐标系60中的器械的取向

随着时间的过去，由惯性传感器单元A的跟踪模块2B所执行的跟踪可能失去精度。例如，考虑到航位推测法包含角速度数据随时间的积分，航位推测法操作在流程期间可能变得较不准确。因此，在坐标系的创建30之后的任何时候，CAS处理单元2可以提示操作者更新(亦称，重置、重新初始化)坐标系中的被导航的器械的取向。不同的子流程或步骤可以被用于更新所述坐标系。

在一实施例中，惯性传感器单元A具有陀螺仪和磁倾仪两者作为惯性传感器4。磁倾仪提供与关于全局坐标系中的被导航的器械的取向的两个自由度(DOF)相关的数据。操纵方法然后被要求更新取向的缺失轴(被称为偏航)中的坐标系中的器械的取向(即，更新跟踪)，使得通过该操纵方法，在器械在已知取向模块2E中相对于骨盆的已知取向上被取向的情况下，读数可以从所述器械上的惯性传感器单元A获得。

被认为是固定偏航(即，到达已知取向)的一种方法是使用如在图1A中被安装到在被编程在已知取向模块2E中的已知取向上的导航的器械16的平面光杆B(即，将光投影到表面上的激光器或光源)，器械16使杯形端部或杯植入物C被接收在髋臼中。通过将器械16取向为使得平面光杆B将激光线指到ASIS两者上，激光平面的法线能够被定义为与坐标系的Y轴对齐。使用该信息，并且获知激光杆B关于惯性传感器单元A的取向和与CAS处理单元2(图1)中的几何关系数据模块2C一样编程的导航的器械轴，第三旋转DOF能由已知取向模块2E来计算，并且全局坐标系中的器械的取向可以在坐标系模块2D中被更新或重置。

在又一实施例中，被导航的器械是髋臼铰孔器17，这允许操作者对铰孔设备进行取向以根据计划进行铰孔。

根据备选方法，支撑结构18(图1A)被用于通过被固定到骨盆对坐标系进行更新。工作流将如下：

1在脱位之前，支撑结构18被钉或固定到骨盆(例如，髂嵴)，支撑结构18具有被配置为将惯性传感器单元A接收在其上的类型。

2骨盆横向倾斜以上文所描述的方式使用在其上具有惯性传感器单元A的中侧数字化器13(图1A)或任何其他校准工具进行配准。

3惯性传感器单元A然后与中侧数字化器13脱离并且然后被附接到支撑结构18。在传送期间执行跟踪以保留全局坐标系中的惯性传感器单元A的取向，并且支撑结构18中的惯性传感器单元A的取向被记录为由已知取向模块2E造成的已知取向；

4股骨头然后被切除以允许进入髋臼，执行其他操作等；

5当更新60是必要的时，惯性传感器单元A被附接到支撑结构18，并且惯性传感器单元A检索骨盆与支撑结构18中的惯性传感器单元A之间的已知取向，以利用坐标系模块2E重置坐标系；

6惯性传感器单元A然后可以被连接到任何手术器械以用于后续的导航。

尽管已经参考以特定顺序执行的特定步骤描述并且示出了在本文中所描述的方法和系统，但是应当理解，在不脱离本发明的教导的情况下，这些步骤可以组合、再分或重新排序以形成等效方法。因此，步骤的顺序和分组不是对本发明的限制。也可以对骨骼模型或尸体执行方法10。

Claims (9)

1.一种计算机辅助的手术系统，包括：

至少一个校准器械，其适于以已知的方式被应用到骨盆；

至少一个手术器械；

计算机辅助的处理器单元，其操作手术辅助流程并且包括：

至少一个便携式惯性传感器单元，其被配置为被连接到所述至少一个校准器械和所述至少一个手术器械，所述便携式惯性传感器单元输出表示其取向的读数；

几何关系数据模块，其提供在所述便携式惯性传感器单元的所述取向、所述至少一个校准器械的取向以及所述至少一个手术器械的取向之间的几何关系数据；

坐标系模块，其用于设置所述骨盆的坐标系，在所述骨盆的所述坐标系中，所述骨盆的前后轴大体上在重力的方向上，并且在所述骨盆的所述坐标系中，所述骨盆的中侧轴是：使用在所述至少一个校准器械上的所述至少一个便携式惯性传感器单元与所述至少一个校准器械之间的所述几何关系数据，根据所述至少一个便携式惯性传感器单元的读数而获得的；

跟踪模块，其用于使用在所述惯性传感器单元与所述至少一个手术器械之间的所述几何关系数据，使用来自所述手术器械上的所述惯性传感器单元的读数，来跟踪所述手术器械相对于所述坐标系的移动，并且计算针对所述移动的导航数据，所述导航数据使所述手术器械的所述取向与所述骨盆的取向相关；以及

接口，其用于输出所述导航数据。

2.根据权利要求1所述的计算机辅助的手术系统，其中，所述至少一个校准器械是中侧数字化器，所述中侧数字化器适于接触所述骨盆的髂前上棘，并且进一步地，其中，所述坐标系模块从所述中侧数字化器获得所述骨盆相对于所述坐标系的颅尾轴的横向倾斜并且将所述中侧轴与所述横向倾斜对齐。

3.根据权利要求2所述的计算机辅助的手术系统，其中，所述至少一个校准器械适于接触所述骨盆的髂前上棘和耻骨结节，并且进一步地，其中，所述坐标系模块获得所述骨盆相对于颅尾轴以及相对于所述坐标系的所述中侧轴的倾斜，并且将所述前后轴和所述中侧轴与所述横向倾斜对齐。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的计算机辅助的手术系统，其中，所述手术器械是撞击器和髋臼铰孔器之一，并且所述导航数据是前倾角和倾斜角中的至少一个。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的计算机辅助的手术系统，其中，所述几何关系数据模块、所述坐标系模块、以及所述跟踪模块被集成在所述至少一个便携式惯性传感器单元中。

6.根据权利要求5所述的计算机辅助的手术系统，还包括具有接口的独立处理设备，其与所述至少一个便携式惯性传感器单元通信，所述独立处理设备同时地操作所述手术辅助流程以向用户提供引导。

7.根据权利要求1至3中的任一项所述的计算机辅助的手术系统，还包括更新取向模块，所述更新取向模块具有所述惯性传感器单元相对于所述骨盆的已知取向，并且其中，所述坐标系模块使用所述至少一个便携式惯性传感器单元在处于所述已知取向中时的读数来更新所述坐标系中的所述手术器械的取向。

8.根据权利要求7所述的计算机辅助的手术系统，还包括支撑结构，所述支撑结构适于被固定到所述骨盆并且具有针对所述便携式惯性传感器单元的底座，所述已知取向将所述便携式惯性传感器单元包括在所述支撑结构中。

9.根据权利要求7所述的计算机辅助的手术系统，其中，所述至少一个手术器械在其上具有发射平面光束的光源，所述已知取向包括所述至少一个手术器械将所述平面光束投影在所述骨盆的预定界标上。

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