CN107205777B - 计算机辅助手术中使用的提供腿长差异和偏移测量的系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于输出术前腿状况和植入后重新接合的腿状况之间的腿长差异和偏移中的至少一种的计算机辅助的手术系统包括器械。惯性传感器单元连接到所述器械中的一个，惯性传感器单元产生表示其取向的读数。用于操作手术辅助过程的计算机辅助的手术处理器单元包括：当所述至少一个器械处于相对于骨盆的给定取向时用于从至少一个惯性传感器单元的读数设定骨盆坐标系的坐标系模块、用于在至少一个器械移动期间使用来自器械上的惯性传感器单元的读数追踪所述至少一个器械相对于骨盆坐标系的取向的追踪模块、和几何关系数据模块，其用于术前记录所述至少一个器械的、表示双腿相对于骨盆坐标系的内外轴线的内外取向和记录双腿之间沿着内外轴线的距离，用于记录植入物重新接合之后所述内外取向和所述距离，并且用于基于上述距离和上述内外取向计算腿长差异和偏移中的至少一个。界面至少输出术前腿状况和植入后重新接合的腿状况之间的腿长差异或偏移。

Description

计算机辅助手术中使用的提供腿长差异和偏移测量的系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年2月2日提交的美国临时专利申请No.62/110,861的优先权，其通过引用并入本申请。
技术领域
本发明涉及一种例如在髋关节手术的计算机辅助手术(CAS)中使用的提供腿长差异和偏移测量的系统和方法。
背景技术
在整形手术例如髋关节置换术中，腿长差异为腿长度沿着患者的纵轴线在术前长度和术中或术后长度之间的变化。同样在髋关节置换术中，偏移为腿部在髋关节处沿着患者的内外轴线(medio-lateral axis)的平移移位的测量值。这些参数在髋关节手术中都是紧密相关的，包括全髋关节置换、髋臼杯植入、股骨植入(例如头部和颈部植入物、表面修复)。因而，需要一种确定腿长差异和偏移的系统和方法，其在微创的同时仍是准确和精确的。
发明内容
本发明的目的为提供新式的系统和方法，用于确定腿长差异和偏移以评估髋关节整形手术。
因此，根据本发明的第一实施例，提供一种计算机辅助的手术系统，其用于输出术前腿状况和植入后重新接合的腿状况之间的腿长差异和偏移中的至少一种，所述计算机辅助的手术系统包括：至少一个器械；与所述至少一个器械连接的至少一个惯性传感器单元，所述惯性传感器单元产生表示其取向的读数；计算机辅助的手术处理器单元，其操作手术辅助过程并且包括：坐标系模块，其用于当所述至少一个器械处于相对于骨盆的给定取向时从所述至少一个惯性传感器单元的读数设定骨盆坐标系；追踪模块，其用于在所述至少一个器械移动期间使用来自器械上的所述惯性传感器单元的读数追踪所述至少一个器械相对于所述骨盆坐标系的取向；和几何关系数据模块，所述几何关系数据模块用于术前记录所述至少一个器械的、表示双腿相对于所述骨盆坐标系的内外轴线的内外取向以及双腿之间沿着所述内外轴线的距离，用于记录植入物重新接合之后所述内外取向和所述距离，并且用于基于上述距离和上述内外取向计算腿长差异和偏移中的至少一个；界面，其用于至少输出术前腿状况和植入后重新接合的腿状况之间的腿长差异或偏移。
此外，根据第一实施例，所述至少一个器械为卡钳，所述卡钳具有本体和配置成与骨盆标志抵接的腿部，所述本体具有用于伸展/收缩的平移接头。
此外，根据第一实施例，所述至少一个器械支承光源，所述光源发出相对于所述平移接头的方向垂直的光束。
此外，根据第一实施例，所述光源能沿着所述本体移位，当所述卡钳抵靠着所述骨盆标志时所述光束为腿对准标记。
此外，根据第一实施例，所述给定取向具有所述平移接头的与骨盆的内外轴线平行的方向。
此外，根据第一实施例，踝关节夹具有配置成与踝关节保持固定的踝关节接口以及将所述踝关节接口互连的联动装置。
此外，根据第一实施例，所述联动装置中的标尺测量所述距离。
此外，根据第一实施例，所述联动装置在与双腿之间的内外轴线大致对齐的方向上包括至少平移接头。
此外，根据第一实施例，设置指示器以用于接收所述卡钳的端部以通过与所述踝关节夹抵靠的卡钳记录内外取向。
此外，根据第一实施例，所述至少一个器械为髋臼-植入物撞击器，并且其中，所述撞击器支承发出光束的光源，所述光束具有相对于所述撞击器的纵轴线的已知取向。
此外，根据第一实施例，所述给定取向使得所述光束照亮所述骨盆的内外轴线，所述撞击器的轴位于所述光束的平面中。
此外，根据第一实施例，踝关节夹具有配置成与踝关节保持固定的踝关节接口以及将所述踝关节接口互连的联动装置，所述踝关节夹还包括由所述光束照亮的指示器以记录所述内外取向。
此外，根据第一实施例，所述联动装置中的标尺测量所述距离。
根据本发明的第二实施例，提供一种计算机辅助的手术系统，其用于输出术前腿状况和植入后重新接合的腿状况之间的腿长差异和偏移中的至少一种，所述计算机辅助的手术系统包括：至少一个器械；与所述至少一个器械连接的至少一个惯性传感器单元，所述惯性传感器单元产生表示其取向的读数；计算机辅助的手术处理器单元，其操作手术辅助过程并且包括：坐标系模块，其用于当所述至少一个器械处于相对于骨盆的给定取向时从所述至少一个惯性传感器单元的读数设定骨盆坐标系；追踪模块，其用于在所述至少一个器械移动期间使用来自器械上的所述惯性传感器单元的读数追踪所述至少一个器械相对于所述骨盆坐标系的取向；和几何关系数据模块，所述几何关系数据模块用于术前记录相对于骨盆坐标系的标志取向以及所述至少一个器械的第一端与骨盆标志抵接且第二端与腿标志抵接时的距离，用于记录植入物重新接合之后所述标志取向和所述距离，并且用于基于上述距离和上述标志取向计算腿长差异和偏移中的至少一个；界面，其用于至少输出术前腿状况和植入后重新接合的腿状况之间的腿长差异或偏移。
此外，根据第二实施例，所述至少一个器械为卡钳，所述卡钳具有本体以及配置成与所述骨盆标志和所述腿标志接触的腿部，所述本体具有用于伸展/收缩的平移接头。
此外，根据第二实施例，所述卡钳支承光源，所述光源发出相对于所述平移接头的方向垂直的光束。
此外，根据第二实施例，所述给定取向使得所述光束照亮所述骨盆的内外轴线。
此外，根据第二实施例，标尺位于所述平移接头上以获得所述距离。
此外，根据第二实施例，所述至少一个器械包括机械测量仪，所述机械测量仪具有本体以及配置成与构成所述骨盆标志和所述腿标志的销连接的孔，所述本体具有用于伸展/收缩的平移接头。
此外，根据第二实施例，标尺位于所述平移接头上以获得所述距离。
此外，根据第二实施例，所述至少一个器械包括支承所述惯性传感器单元的髋臼-植入物撞击器，并且其中，所述撞击器支承发出光束的光源，所述光束具有相对于所述撞击器的纵轴线的已知取向。
此外，根据第二实施例，所述给定取向使得所述光束照亮所述骨盆的内外轴线，所述撞击器的轴位于所述光束的平面中。
此外，根据第二实施例，所述标志取向使得所述光束照亮所述机械测量仪的纵轴线，所述撞击器的轴位于所述光束的平面中。
根据本发明的第三实施例，提供一种用于重复术前腿状况和植入后重新接合的腿状况之间腿对准的方法，包括：在手术前患者处于仰卧位时，使用骨盆上的标志定向光源以产生与骨盆的横断面对准的光束，将患者的腿中的至少一个定位成与所述光束成一直线，和在骨盆的远侧设定位于患者双腿上的标志；植入后重新接合之后患者处于仰卧位时，重复所述定向和所述定位，和记录所述标志的移动。
此外，根据第三实施例，设定位于患者双腿上的标志包括将来自所述腿中的第一条腿上的标志的光束投射到所述腿中的第二条腿上的标志上的标尺上。
此外，根据第一实施例，记录所述标志的移动包括至少记录所述标尺上的光束的位移。
此外，根据第一实施例，记录所述标志的移动包括至少记录所述标志之间的距离变化。
附图说明
图1为腿定位技术期间骨盆上的卡钳器械的透视图；
图2为机械踝关节夹上的卡钳器械的透视图；
图3为在相对于骨盆的腿长和偏移测量中使用的撞击器的透视图；
图4为在相对于机械踝关节夹的腿长和偏移测量中使用的撞击器的透视图；
图5为带销机械测量仪的透视图；
图6为带销机械测量仪的放大透视图；
图7为带销机械测量仪和撞击器的透视图；
图8为所述带销机械测量仪和撞击器的透视图；
图9为带销机械测量仪和卡钳器械的透视图；
图10为卡钳器械上的标尺的放大图；
图11为具有光源的机械踝关节夹的透视图；
图12为机械踝关节夹上的标尺的放大图；以及
图13为根据本发明的、通过仪器操作从而计算腿长差异和偏移的计算机辅助的手术系统的框图。
具体实施方式
在本发明中，使用基本的三角学解决腿长差异和偏移测量。测量腿长差异和/或偏移从而确定患者术后步态的数量、诊断患者的状况、有助于物理治疗、或乃至进行术中矫正动作、或除此之外的多种其它可能。在髋关节置换手术中，可在患者身上进行这些测量，或可在骨骼模型或尸体上进行。总的来说，基于来自机械仪器的读数获得距离测量。使用惯性传感器可有助于实现上述测量的精确性和准确性。例如，如图1所示，可使用卡钳器械10。美国专利公布文献No.2014/0031829(其通过引用并入本申请)记载了卡钳器械10，其使用了惯性传感器技术。
如图1所示，卡钳器械10可用作骨骼数字化系统中的骨骼数字化装置的一部分，以便在手术中相对于骨骼创建用于后续工具导航的参照系，例如基于骨盆的内外轴线的确定。器械10被称为卡钳，因为其以可相对于彼此例如以伸缩方式移动的一对腿部12为特征。表述“卡钳”的使用是非限制性的。可以使用任何其它合适的表述来描述器械10，例如内外数字化装置。
在图示实施例中，图1的腿部12均包括平移接头13从而沿着Y轴是可伸展或可收缩的。譬如，平移接头13可以是滑动接头、伸缩接头、移动接头(prismatic joint)、分度接头(indexing joint)等中的任一者。作为替代，可以只有单一腿部具有接头。还可以考虑使用旋转接头来替代平移接头13，旋转接头的轴线与卡钳器械10的平面垂直。通常提供锁定机构，以锁定平移接头13，并因此将腿部12设定在选定的长度。每个腿部12的自由端具有抵接端14，根据卡钳器械10将要接触的骨骼或身体部位的类型，可以为抵接端14考虑任何合适的形状，例如平坦接触面、盘、各种凹部或凸部、尖状端等。图1的扁平端部14非常适合于与骨盆一起使用，在骨盆手术中，当患者处于仰卧位时，使端部14接触骨盆相反两侧上的髂前上棘(ASIS)。可替换地，卡钳器械10也可以用于髂后上棘，或其它可能。
仍然参照图1，腿部12通过卡钳器械10的细长本体20相互连接。细长本体20的特征在于平移接头21，使得细长本体20沿着X轴是可伸展或可收缩的。平移接头21可以是任何合适的接头，例如平移接头、伸缩接头、移动接头和/或分度接头。还可以考虑使用旋转接头来替代平移接头21。
可以提供锁定机构，由此允许使用者设定细长本体20的长度。在细长本体20上限定惯性传感器支承部或接纳部23。惯性传感器支承部23例如形成有特定的几何形状，以便以预定的互补连接方式准确并精确地容纳惯性传感器单元，从而简化惯性传感器单元26(图2)与卡钳器械10之间的初始化(initialization)。例如，惯性传感器单元具有与卡钳器械10的维度对准的预设取向。换言之，将惯性传感器单元安装在支承部23中时的机械约束使得惯性传感器单元的三个轴线与卡钳器械10的X轴、Y轴和Z轴对准。因此，图1所示的卡钳器械可以沿着X轴和Y轴两者伸展和收缩。还在卡钳器械10上设置光源24。光源24为产生平面光束的类型，使得平面光束在表面上的投影为一条直线。光源24可位于滑架25上，从而可沿着细长本体20平移移位。作为替代，可以考虑将滑架25配置成卡合到细长本体20上，从而实现其沿着细长本体20在任何位置的安装。
与卡钳器械10一起使用的惯性传感器单元26可以具有任何合适类型的惯性传感器，以提供三轴定向追踪。例如，惯性传感器单元可以具有多组加速度计和/或陀螺仪等。惯性传感器单元可以是公知的无源传感器单元、公知的微机电传感器单元等。如上所述，惯性传感器单元以预定的互补连接方式配合地容纳在惯性传感器支承部23中，以至于惯性传感器单元的初始化将使惯性传感器单元相对于图1所示的X-Y-Z坐标系(Z轴是X轴和Y轴的叉积)具有特定的取向。
惯性传感器单元26利用惯性传感器读数连续地计算身体的取向和速度，而不需要外部参照，即不需要从传感器组件的外部传递信号，惯性传感器单元26是自主式的。这个过程通常称为航位推算(dead-reckoning)且形成为公知常识的一部分。必须向惯性传感器单元26提供最初的取向和速度，即图1的X-Y-Z坐标系，在此之后在每个时间步长通过整合陀螺仪读数的角速率而追踪所述取向。通过对惯性传感器单元26相对于地球参照系的取向进行精确估算，能去除重力效应，并且能将作用在加速度计上的惯性力整合以追踪速度和位置的变化。由于惯性传感器单元26不需要外部参照，因而其可以不受环境因素例如磁场的影响，并且可以在广泛范围的条件下操作。
参照图2，示出了机械夹具30。机械夹具30具有由可锁定平移接头32分开的踝关节箍31或类似的踝关节附接件或界面。因而，可以调节踝关节箍31之间的距离。能从接头32上的标尺读出两个踝关节箍31之间的距离。如图所示踝关节箍31为倒U形结构。根据实施例，每个箍31均与一对踝骨抵靠，使得箍31和各个踝关节之间的相互连接是稳定和可重复的。为此，箍31可以具有空腔31A以容纳踝骨。可考虑其他构造，包括箍31的不同形状，具有条带，其它接头组等。
机械夹具30可具有视觉指示器33以在其中以图2所示的方式接收卡钳器械10的端部14，从而利用卡钳器械10的标尺并且还确保了卡钳器械10和机械夹具30之间的精确和可重复的对准，以至于卡钳器械10和机械夹具30之间的互连从手术前至手术后的相互作用是可重复的。当使用机械夹具30时，视觉指示器33可以识别出两个踝关节上的两个踝骨的中心。而且，踝关节箍31可以借助可锁定平移接头34相对于彼此纵向(即沿着腿)平移。也可使用其它类型的接头(例如联动装置)实现踝关节箍31和可锁定平移接头32之间的相对运动。例如，可锁定平移接头32可在其端部设有铰链，通过这些铰链其能连接到踝关节箍31上。因而，踝关节接口31可与踝关节保持固定关系，同时本文所描述的各种接头允许踝关节之间的相对运动。视觉指示器33如此定位使得能以下文记载的方式量化术前状况和植入后重新接合的状况之间的任何相对运动。
参照图5、6、7和8，40处示出了根据本发明的机械测量仪，其为可用于实施本发明的方法的另一种仪器。机械测量仪40为采用一对销41的类型，尽管在机械测量仪40的相对端定位有销孔42。在测量仪40的可锁定平移接头44上设置标尺43。因而，机械测量仪40可用于测量距离。在实施例中，将机械测量仪40偏置到标尺43上的零读数。
参照图3、4、7和8，50处示出了撞击器。撞击器50为用于对髋臼中的髋臼杯植入物进行撞击的类型，例如PCT国际公布文献WO2014/197988中所记载的，其通过引用并入本申请。可将撞击器50用作仪器中的一种以测量腿长差异和偏移，这仅是因为其已经可用于植入手术中。撞击器50具有允许其对准的光源51，以及具有与单元26类似的惯性传感器单元52，其包含用于航位推算的陀螺仪。
参照图13，在计算机辅助的髋关节手术中用于对上述仪器导航的系统大致在100处示出，且类型为用于实施下文所描述的方法。在实施例中，系统100用于辅助使用者进行髋关节手术，而且还具有模块以执行本文所记载的腿长差异和偏移计算。系统100包括计算机辅助手术(CAS)处理单元102。CAS处理单元2可以被集成到一个或多个惯性传感器单元26和52中，其也被称为安装到系统100的各种仪器的杆(pod)，在其它可能性中或被称为计算机或便携式设备的模块。
惯性传感器单元26和52结合了处理单元102，且因而可以装备(一个或多个)用户界面103以提供导航数据，无论其形式为LED显示器、屏幕、数字显示器等。可替换地，惯性传感器单元26和52可与包括屏幕或类似监视器的独立处理装置B连接，以提供额外的显示能力和表面。作为示例，处理装置B为与惯性传感器单元26/52进行有线或无线通信的无线便携式设备，如平板电脑。
惯性传感器单元26/52可以被认为是微机电传感器(MEMS)，并且可包括一个或多个惯性传感器，例如加速度计、陀螺仪、磁力计、或其它可能的惯性传感器。惯性传感器为受自然现象例如重力的影响而自动提供数据的无源传感器。惯性传感器单元A还具有本体，所述本体通常由壳体限定从而给出惯性传感器单元A，通过该壳体惯性传感器单元A可被固定到仪器上。
处理单元102包括不同的模块以执行导航。手术流程模块102A可以与用户界面103或处理装置B结合使用，以引导操作者进行导航的步骤。这可能需要向操作者提供逐步的引导，并且为了使系统100记录即时取向和位置数据需要敦促操作者采取行动，例如按压作为界面103的一部分的“记录”界面或输入由卡钳器械10的标尺或机械测量仪40测量的数据。虽然这会在手术的整个期间发生，但本说明书的剩余部分不会描述系统100和使用者之间的敦促和相互作用，这是因为它们会隐含地发生。可以想到将手术流程模块102A设置在处理装置B中，与此同时在惯性传感器单元A和处理装置B之间共同作用以在下文描述的测量过程期间引导操作者，并且与操作者进行通信以记录过程的进程。
追踪模块102B也可以为处理单元102的一部分。追踪模块102B接收来自惯性传感器26/52的读数，并将这些读数转化为有用的信息，即导航数据。如上所述，导航数据可为使仪器与骨盆相关联的取向数据。追踪模块102B可以执行航位推算以追踪惯性传感器26/52，这将在下文进行描述。
坐标系模块102C产生坐标系。坐标系为虚拟的框架，器械和工具的取向通过该框架与骨骼的取向联系起来。例如，当器械相对于骨盆处于给定取向时，坐标系模块102C根据惯性传感器26/52的读数设定骨盆坐标系。
为了通过用户界面103或处理装置B在所期望的离散取向输出记录的取向并且计算偏移和腿长差异，处理单元102可以通过几何关系数据模块102D预编程序。因而，几何关系数据模块102D用于记录支承惯性传感器26/52的各种器械的取向，并且使用这些取向连同距离一起计算腿长差异和/或偏移。
惯性传感器单元26/52如此设计使得它们以可能的单一取向与器械和工具连接，以至于惯性传感器单元26/52的取向相对于当打开时与其连接的器械和工具是已知的。借助于连接器5，惯性传感器单元A可以为便携和可拆卸的单元，可以与一个装置/仪器使用，并且随后转移到另一装置/仪器，同时利用航位推算保存全局坐标系的进程取向数据。
为了与本文所描述的装置和仪器进行特定的使用而对几何关系数据模块102D编程。因此，当惯性传感器单元安装至装置和仪器中的一个时，装置/仪器和惯性传感器单元的坐标系之间的关系通过几何关系数据模块102D是已知的(与全局坐标系相比)。例如，这种关系可以存在于装置/仪器的轴线或3D坐标系和惯性传感器单元A的坐标系之间。
仪器的导航旨在意味着实时或准实时地追踪取向的自由度中的至少一些自由度，从而向操作者提供由计算机辅助计算的导航数据。如果采取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，在以下方法中使用的惯性传感器可在全局坐标系(下文称为坐标系)中相互关联。坐标系用作对手术的不同项(即仪器和装置)相对于骨盆的相对取向进行量化的参考。
本申请想到了不同的技术以提供腿长和偏移测量。总的来说，这些技术均包括两个过程，即腿定位，和进行腿长和/或偏移测量。以下段落阐释了不同的技术以使用上文描述的一些仪器测量术前状况和术后状况之间的腿长差异和偏移。为了清楚起见，本文使用的表述“术后”表示当腿能被重新接合(即植入后重新接合)时，将植入物定位在骨骼上之后的过程的一部分。然而，术后包括术中，因为在过程结束之前可以进行测量，从而允许例如采取修正措施。因此，在本文中，表述“术后”的使用包括术中介入。未使用机械测量仪40的技术是非介入性的，因为它们可以在皮肤之上使用，或因为除手术所需之外它们不需要病人组织的改变。
腿定位过程
该过程的目的在于以可重复的方式沿着患者的纵轴线(又称头-尾轴线)定位或重新定位腿。假如腿平放于手术台之上，该腿的定位可以实现腿与患者的额板的对准。为了准确和精确地测量偏移和腿长差异，必须在测量之间重复腿的定位。通过使用该过程可最小化由腿未对准引起的对腿长差异的测量的影响。以如下方式进行该过程：
1.将患者放置于仰卧位。
2.参照图1，在对卡钳器械10进行伸缩性设置以具有适当的长度之后将其放在两个骨盆标志上。例如，以图1所示的方式将卡钳器械10放置在两个髂前上棘之上。假定卡钳器械10与患者的内外轴线对齐。从附接到卡钳器械10的光源24发出光束。光源24与卡钳器械10的框架连接，使得光束在图1的Z方向上向远侧地且垂直于卡钳器械10的框架并由此平行于患者的纵轴线(又称头-尾轴线)进行投射。使用者需要通过手动移动第一腿将其与投射的光束对准。
3.考虑不同的方式以实现对准。例如，当光束成一条直线时，使用者可将光束线与腿标志对准。例如，用光束线照射膝盖骨的中心和踝关节的中心。可在膝盖和/或踝关节上标出临时记号或油墨符号以指示对准用的标志。
4.随后，使用滑架25将光源24沿着卡钳器械10滑动。光束由此横向平移。因而，由于所选标志的引导，能通过手动移动第二腿而以相同的方式将其对准。由于光束垂直于卡钳器械10，并因此也垂直于患者的内外轴线，所以光束指示患者矢状面的投影。作为对该假设情况的代替，可通过杆(pod)来评估手术台面以确定手术台面是否为水平的。一旦利用光源24以上述方式对准，则假定双腿相对于纵轴线物理地对准。并且，由于患者处于仰卧位，所以能假定双腿处于额状面中。于是，腿是沿着纵轴线的(即矢状面和额状面二者的交线)。基于这些假定，能沿着纵轴线测量腿长差异。能沿着内外轴线测量偏移。这能通过比较由上述仪器获得的在术前测量和术中和/或术后测量之间的数据来实现。
过程：腿长差异和/或偏移测量：
为了该过程，很多技术都是可用的，下文将参照附图进行描述。
技术1：所需的仪器为卡钳器械10，或撞击器50作为替代，以及光源24和惯性传感器单元26或52的航位推算，以测量腿长差异。
1.参照图2，在使用上文描述的腿定位过程定位患者的双腿的同时，将机械夹具30刚性地附接到患者的踝关节上；
2.通过以上述方式使用卡钳器械10、或使用撞击器50获得第一内外轴线，即骨盆的内外轴线。撞击器50可以被导航以确定内外轴线，例如在PCT国际公布文献WO2014/197988中所记载的(其通过引用并入本申请)。譬如，光源的光束相对于撞击器50的轴处于已知的关系中；
3.在获得骨盆内外轴线之后，将卡钳器械10移动到踝关节以获得靠近脚的第二内外轴线。例如，第二内外轴线、即腿的内外轴线可以由连接两个踝关节的两个中心的直线限定(如图2)，由此利用机械夹具30的视觉指示器物理地提供这些标志。在图2的布置中，卡钳器械10处于记录踝关节处内外轴线的位置；
4.在获得内外轴线的过程中，附接到卡钳器械10(或替代实施例中的撞击器)的惯性传感器单元26包含陀螺仪。陀螺仪将提供随后由CAS处理单元使用以执行航位推算的数据，由此获得两个内外轴线，αpreop，即髋关节(图1)和踝关节(图2)处的内外轴线，之间的相对取向；
5.在完成髋关节手术期间或之时，随着动手术的腿重新接合，重复步骤1至4获得两个内外轴线之间的角度αpostop。在进行测量之前使用相同的腿定位技术，从而确保以与手术前相同的方式、即平行于矢状面地定位双腿；
6.基于从接头32上的标尺(如标尺21)得到的两个踝关节(D)之间的已知距离以及α中的角度差，能由D·tan(αpostop)-D·tan(αpreop)算出腿长差异。正值将意味着术后的腿较长，而负值意味着术后的腿较短。图3和图4示出了使用撞击器作为代替的技术1。应当注意的是，D在术前测量和术后测量之间会发生变化，由此该方案中的第一个D为术后测量的D，该方案中的第二个D为术前测量的D。也能想到使得D固定，从而步骤5将不需要如步骤1那样对腿重新对位。
技术2：该技术使用卡钳器械10测量偏移。
1.使用上文描述的腿定位技术定位患者的双腿，如图1所示，滑动卡钳器械10上的光源24以将双腿上投射的光束对齐；
2.记录来自卡钳器械10上的惯性传感器单元26的读数(Opreop)；
3.在完成髋关节手术的时候，重复步骤1至2以获得来自卡钳器械10上的惯性传感器单元的读数(Opostop)；
4.由Opostop-Opreop算出偏移，正值表示偏移的增大，而负值表示偏移的降低。
技术3：该技术利用机械测量仪40以及航位推算。
1.利用腿定位技术定位患者的双腿；
2.在切割股骨颈并准备髋臼之前，如图5和图6所示，第一销41固定在ASIS上，且另一销41固定在大转子区域上，两个销41都位于动手术的一侧。销41分别构成骨盆标志和腿标志；
3.将机械测量仪40固定到两个销41上，且从测量仪40的标尺42获知两个销41之间的距离M；
4.使用图7所示的撞击器50，并先将其与内外轴线对齐(使用其光源5以将光束投射在两个ASIS上)；随后，如图8所示，使用光源51将撞击器50与机械测量仪40的长轴对齐，示出标志取向。包含陀螺仪的惯性传感器单元52执行航位推算以获得内外轴线和机械测量仪40的长轴之间的角度(βpreop，注意βpreop＜π/2)；
5.移除测量仪40，同时将销41保持在股骨和骨盆上，此时使用者可以继续做股骨手术；
6.在完成放置股骨植入物和/或髋臼构件并且重新接合腿时(手术期间或手术后)，调整测量仪40的距离，并且将测量仪40再次附着到两个销41上。通过重复步骤4至5获得在内外轴线和测量仪40的长轴之间的角度(βpostop,注意βpostop＜π/2)。事先使用相同的腿定位过程以确保双腿以与手术前相同的方式被定位；
7.由M·sin(βpostop)-M·sin(βpreop)可算出腿长差异。由M·cos(βpostop)-M·cos(βpreop)可算出偏移。应当注意的是，M在术前测量和术后测量之间会发生变化，由此该方案中的第一个M为术后测量的M，该方案中的第二个M为术前测量的M。
技术4：该技术涉及卡钳器械10以对(近侧的)腿长差异直接测量。
1.使用上文描述的腿定位过程定位患者的双腿；
2.将卡钳器械10的端部14放置在动手术侧的ASIS上以及股骨表皮上的标示参照物上(例如皮肤上的标志)，如图9和图10所示，分别为骨盆标志和腿标志。当选择标示参照物时，移动光源24以将其光束投射在相对的ASIS上；
3.在卡钳器械10上记录最初的距离测量值(Npreop)；
4.在完成手术时，在重复腿定位过程之后，使用卡钳器械10通过重复步骤2和3获得距离测量值(Npostop)；
5.能由Npostop-Npreop算出腿长差异。
技术5：使用卡钳器械10、机械夹具30和使用光源24或51中的一个，直接测量(远侧)腿长差异。
1.使用上文描述的腿定位过程定位患者的双腿；
2.以图2所示的方式将机械夹具30放置在两个踝关节上；
3.将光源51连接到机械夹具30上，并投射在动手术腿上的标尺70上以记录最初的腿长(Xpreop)如图11所示。可以开始手术，然而平移接头34被解锁以允许踝关节箍31相对于彼此平移；
4.在完成手术时，使用机械夹具30(Xpostop)通过重复步骤1至3获得距离测量；和
5.由Xpostop-Xpreop算出腿长差异。

Claims (23)

1.一种计算机辅助的手术系统，其用于输出术前腿状况和植入后重新接合的腿状况之间的腿长差异和偏移中的至少一种，所述计算机辅助的手术系统包括：
至少一个器械；
与所述至少一个器械连接的至少一个惯性传感器单元，所述惯性传感器单元产生表示其取向的读数；
计算机辅助的手术处理器单元，其操作手术辅助过程并且包括
坐标系模块，其用于当所述至少一个器械处于相对于骨盆的给定取向时从所述至少一个惯性传感器单元的读数设定骨盆坐标系，
追踪模块，其用于在所述至少一个器械移动期间使用来自器械上的所述惯性传感器单元的读数追踪所述至少一个器械相对于所述骨盆坐标系的取向，和
几何关系数据模块，所述几何关系数据模块用于术前记录所述至少一个器械的、表示双腿相对于所述骨盆坐标系的内外轴线的内外取向以及双腿之间沿着所述内外轴线的距离，用于记录植入物重新接合之后所述内外取向和所述距离，并且用于基于上述距离和上述内外取向计算腿长差异和偏移中的至少一个；
界面，其用于至少输出术前腿状况和植入后重新接合的腿状况之间的腿长差异或偏移。
2.根据权利要求1所述的计算机辅助的手术系统，其中，所述至少一个器械为卡钳，所述卡钳具有本体和配置成与骨盆标志抵接的腿部，所述本体具有用于伸展/收缩的平移接头。
3.根据权利要求2所述的计算机辅助的手术系统，其中，所述至少一个器械支承光源，所述光源发出相对于所述平移接头的方向垂直的光束。
4.根据权利要求3所述的计算机辅助的手术系统，其中，所述光源能沿着所述本体移位，当所述卡钳抵靠着所述骨盆标志时所述光束为腿对准标记。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的计算机辅助的手术系统，其中，所述给定取向具有所述平移接头的与骨盆的内外轴线平行的方向。
6.根据权利要求2至4中任一项所述的计算机辅助的手术系统，还包括踝关节夹，其具有配置成与踝关节保持固定的踝关节接口以及将所述踝关节接口互连的联动装置。
7.根据权利要求6所述的计算机辅助的手术系统，还包括位于所述联动装置中以测量所述距离的标尺。
8.根据权利要求6所述的计算机辅助的手术系统，其中，所述联动装置在与双腿之间的内外轴线大致对齐的方向上包括至少平移接头。
9.根据权利要求6所述的计算机辅助的手术系统，还包括指示器，其用于接收所述卡钳的端部以通过与所述踝关节夹抵靠的卡钳记录内外取向。
10.根据权利要求1所述的计算机辅助的手术系统，其中，所述至少一个器械为髋臼-植入物撞击器，并且其中，所述撞击器支承发出光束的光源，所述光束具有相对于所述撞击器的纵轴线的已知取向。
11.根据权利要求10所述的计算机辅助的手术系统，其中，所述给定取向使得所述光束照亮所述骨盆的内外轴线，所述撞击器的轴位于所述光束的平面中。
12.根据权利要求10和11中任一项所述的计算机辅助的手术系统，还包括踝关节夹，其具有配置成与踝关节保持固定的踝关节接口以及将所述踝关节接口互连的联动装置，所述踝关节夹还包括由所述光束照亮的指示器以记录所述内外取向。
13.根据权利要求12所述的计算机辅助的手术系统，还包括位于所述联动装置中以测量所述距离的标尺。
14.一种计算机辅助的手术系统，其用于输出术前腿状况和植入后重新接合的腿状况之间的腿长差异和偏移中的至少一种，所述计算机辅助的手术系统包括：
至少一个器械；
与所述至少一个器械连接的至少一个惯性传感器单元，所述惯性传感器单元产生表示其取向的读数；
计算机辅助的手术处理器单元，其操作手术辅助过程并且包括
坐标系模块，其用于当所述至少一个器械处于相对于骨盆的给定取向时从所述至少一个惯性传感器单元的读数设定骨盆坐标系，
追踪模块，其用于在所述至少一个器械移动期间使用来自器械上的所述惯性传感器单元的读数追踪所述至少一个器械相对于所述骨盆坐标系的取向，和
几何关系数据模块，所述几何关系数据模块用于术前记录相对于骨盆坐标系的标志取向以及所述至少一个器械的第一端与骨盆标志抵接且第二端与腿标志抵接时的距离，用于记录植入物重新接合之后所述标志取向和所述距离，并且用于基于上述距离和上述标志取向计算腿长差异和偏移中的至少一个；
界面，其用于至少输出术前腿状况和植入后重新接合的腿状况之间的腿长差异或偏移。
15.根据权利要求14所述的计算机辅助的手术系统，其中，所述至少一个器械为卡钳，所述卡钳具有本体以及配置成与所述骨盆标志和所述腿标志接触的腿部，所述本体具有用于伸展/收缩的平移接头。
16.根据权利要求15所述的计算机辅助的手术系统，其中，所述卡钳支承光源，所述光源发出相对于所述平移接头的方向垂直的光束。
17.根据权利要求16所述的计算机辅助的手术系统，其中，所述给定取向使得所述光束照亮所述骨盆的内外轴线。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的计算机辅助的手术系统，还包括位于所述平移接头上以获得所述距离的标尺。
19.根据权利要求14所述的计算机辅助的手术系统，其中，所述至少一个器械包括机械测量仪，所述机械测量仪具有本体以及配置成与构成所述骨盆标志和所述腿标志的销连接的孔，所述本体具有用于伸展/收缩的平移接头。
20.根据权利要求19所述的计算机辅助的手术系统，还包括位于所述平移接头上以获得所述距离的标尺。
21.根据权利要求19所述的计算机辅助的手术系统，其中，所述至少一个器械包括支承所述惯性传感器单元的髋臼-植入物撞击器，并且其中，所述撞击器支承发出光束的光源，所述光束具有相对于所述撞击器的纵轴线的已知取向。
22.根据权利要求21所述的计算机辅助的手术系统，其中，所述给定取向使得所述光束照亮所述骨盆的内外轴线，所述撞击器的轴位于所述光束的平面中。
23.根据权利要求21所述的计算机辅助的手术系统，其中，所述标志取向使得所述光束照亮所述机械测量仪的纵轴线，所述撞击器的轴位于所述光束的平面中。
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