CN107205782B - 使用惯性传感器用于杯植入物的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种计算机辅助手术(CAS)系统，包括杯植入装置以及CAS处理单元，杯植入装置包括具有工具端和带有用于操纵的手柄的手柄端的轴以及旋转指示器，轴具有纵向轴线，工具端适于支撑被接收在患者的髋臼中的杯，旋转指示器具有代表装置平面的视觉引导件，其中，装置平面相对于工具端上的杯的中心处于已知位置和定向。CAS处理单元包括连接到杯植入装置的至少一惯性传感器单元，惯性传感器单元输出三轴线读数并具有与患者的骨盆的参考轴线相关的虚拟预设定向，虚拟预设定向基于专门针对患者的骨盆的术前成像，骨盆的参考轴线穿过骨盆的所述髋臼的旋转中心并穿过骨盆的参考标记，其中，当杯位于患者的髋臼中并且装置平面经由视觉引导件穿过参考标记时，杯植入装置的纵向轴线的即时三轴线定向相对于参考轴线是用三角学方法已知的，即时三轴线定向用于相对于骨盆校准在杯植入装置上的惯性传感器单元。

Description

使用惯性传感器用于杯植入物的方法和装置

技术领域

本申请涉及一种使用惯性传感器在计算机辅助手术中用于定向髋臼杯植入物的方法和系统。

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(也称为杯植入物)。髋臼杯是被接收在经铰孔的髋臼中的植入物并充当对股骨头或股骨头植入物的容座。因此，在过程中使用诸如绞孔器和杯撞击器的工具。这种过程中的挑战之一是为髋臼杯提供足够的定向。实际上，不正确的定向可能导致运动的损耗、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定位在经铰孔的髋臼中。撞击器具有杆，在杆的末端处是髋臼杯。杆由操作者把持，操作者撞击自由端，以将髋臼杯敲入髋臼中。然而，重要的是，操作者将撞击器的杆保持在精确的三维定向中，以便确保在倾斜角和前倾角方面的髋臼杯的足够定向。

为此，已经发展了计算机辅助手术，以便在将撞击器定位和定向到期望的定向，特别是通过使得能够确定骨盆倾斜、髋臼平面或骨盆的类似定向数据方面帮助操作者。在计算机辅助手术中使用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，其增加了操作时间。光学导航还要求将参考钉在患者上，其增加到过程的侵入性。光学导航一定会有妨碍正常手术流程的视线约束。C形臂验证需要使用体积庞大的设备，并且验证不具成本效益。此外，C形臂验证不提供一旦完成时杯定位的定量评估，并且一般与在手术中相反、在手术后使用。最后，诸如A形框的手动夹具不占手术台上患者的位置。因此，使用惯性传感器，这是因为惯性传感器的成本效益和惯性传感器提供的有价值的信息。

发明内容

根据本公开的第一实施例，提供了计算机辅助手术(CAS)系统，其包括：杯植入装置，其包括具有工具端和带有用于操纵的手柄的手柄端的轴以及包括旋转指示器，轴具有纵向轴线，工具端适于支撑用于被接收在患者的髋臼中的杯，旋转指示器具有代表装置平面的视觉引导件，其中装置平面相对于工具端上的杯的中心处于已知位置和定向；以及CAS处理单元，其包括连接到杯植入装置的至少一个惯性传感器单元，惯性传感器单元输出三轴线读数并且具有与患者的骨盆的参考轴线相关的虚拟预设定向，虚拟预设定向基于专门针对患者的骨盆的术前成像，骨盆的参考轴线穿过骨盆的所述髋臼的旋转中心并穿过骨盆的参考标记，其中当杯在患者的髋臼中并且装置平面经由视觉引导件穿过参考标记时，杯植入装置的纵向轴线的即时三轴线定向相对于参考轴线是用三角学方法已知的，即时三轴线定向用于相对于骨盆校准杯植入装置上的惯性传感器单元。

此外，根据第一实施例，工具端上的杯的中心、纵向轴线和视觉引导件共同位于装置平面中，并且其中当杯在患者的髋臼中并且装置平面经由视觉引导件穿过参考轴线时，杯植入装置的纵向轴线的即时三轴线定向相对于参考轴线是已知的。

更进一步根据第一实施例，视觉引导件是光源，并且装置平面是平面光束。

更进一步根据第一实施例，容座在本体中用于可释放地接收惯性传感器单元。

更进一步根据第一实施例，惯性传感器单元的预设虚拟定向包括通过作为参考标记的髂前上棘的参考轴线。

更进一步根据第一实施例，提供了所述至少一个惯性传感器单元中的两个，所述惯性传感器单元中的一个连接到杯植入装置，所述惯性传感器单元中的另一个并入骨盆参考，骨盆参考适于固定至患者的骨盆，用于在骨盆运动期间跟踪参考轴线。

更进一步根据第一实施例，惯性传感器单元包括代表当前操作条件的虚拟骨盆定向。

更进一步根据第一实施例，虚拟骨盆定向包括患者的内外侧轴线的倾斜。

更进一步根据第一实施例，虚拟预设定向是针对患者处于仰卧位。

根据本公开的第二实施例，提供了用于利用计算机辅助手术中的惯性传感器单元确定杯植入装置相对于骨盆的定向的方法，包括：获得基于专门针对患者的骨盆的术前成像的虚拟预设定向，虚拟预设定向与患者的骨盆的参考轴线相关，参考轴线包括髋臼的旋转中心和参考标记；利用患者的髋臼中的杯植入装置的端部处的杯，从惯性传感器单元相对于骨盆获得关于杯植入装置的两个轴线的定向读数；利用杯植入装置的装置平面与参考标记目视对准，通过使用装置平面相对于杯植入装置的几何关系和定向读数来确定装置平面相对于骨盆的即时位置；使用装置平面的即时位置用三角学方法计算杯植入装置相对于骨盆的即时三轴线定向；并且使用即时三轴线定向相对于骨盆校准杯植入装置上的惯性传感器单元。

此外，根据第二实施例，还包括获得患者的内外侧轴线的定向，并且其中确定即时位置包括。

更进一步根据第二实施例，其中获得患者的内外侧轴线的定向包括从固定到骨盆的惯性传感器单元获得定向。

更进一步根据第二实施例，其中获得患者的内外侧轴线的定向包括在附接到杯植入装置之前从利用惯性传感器单元执行的操作获得定向。

更进一步根据第二实施例，还包括在相对于骨盆的三个自由度中跟踪杯植入装置的定向。

更进一步根据第二实施例，其中跟踪杯植入装置相对于骨盆的定向包括输出杯的前倾角和倾斜角。

更进一步根据第二实施例，其中虚拟预设定向是针对患者处于仰卧位，并且进一步从惯性传感器单元相对于骨盆获得关于杯植入装置的两个轴线的定向读数包括获得代表杯植入装置的纵向轴线与地平面之间的角度的定向读数以及代表杯植入装置绕其纵向轴线的旋转的定向读数。

根据本公开的第三实施例，提供了一种用于使用惯性传感器来计算杯植入装置相对于骨盆的定向的方法，包括：获得骨盆倾斜数据；利用杯植入装置将杯保持在髋臼中并指向参考标记，使用骨盆数据、惯性传感器读数以及预先规划的杯植入装置数据确定杯植入装置的初始定向；当杯植入装置移动时，使用惯性传感器读数跟踪杯植入装置的运动；并且使用预先规划的杯植入装置数据来计算和输出杯相对于骨盆倾斜数据的定向数据以用于杯植入装置的跟踪运动。

附图说明

图1是带有相对于骨盆的杯的髋臼杯撞击器装置的立体图；

图2是使用惯性传感器计算杯植入装置相对于骨盆的定向的方法的流程图；以及

图3是用于在计算机辅助手术中利用惯性传感器单元确定杯植入装置相对于骨盆的定向的方法的流程图。

具体实施方式

参考附图，更具体地参考图1，相对于具有髋臼A的骨盆P，大体上以10示出髋臼杯撞击器装置(也称为植入装置、骨盆数字化仪)。装置10和与装置10相关的方法可用于确定在患者上、在骨模型上或在尸体上的各种形式的定向数据(例如在植入过程中髋臼或髋臼杯的前倾角/倾斜角等)。具体地，装置10和方法包括对装置10的惯性传感器所需的校准(也称为记录)，以随后相对于骨盆的定向被跟踪(也称为导航)。

装置10在其形式和功能方面类似于在标准全髋关节置换术中使用的杯撞击器。替代地，装置10可具有其成套部件的一些部件部分，成套部件安装到已经存在的撞击器的单个位置和定向。

装置10包括具有工具端12和撞击端14(自由端)的细长体11(即杆或轴)。尽管被示为具有轴向偏移部分，但是装置10的本体也可以是完全直的或具有任何其它合适的形状。然而所示的形状对于操作来说是方便的。髋臼杯植入物C以任何适当的方式(例如螺纹接合、快速耦合、配合接合)连接到工具端12，然而以这样的方式使得植入物C在撞击期间保持连接到工具端12，装置10然后在撞击后与植入物C断开连接。

装置10可具有用于以已知方式在其中可释放地接收惯性传感器单元18的容座16。替代地，惯性传感器单元18可以是一体的或嵌入到细长体11中。惯性传感器单元18包含诸如加速度计组和陀螺仪组的至少两个MEMS传感器(即微机电系统)，至少两个MEMS传感器以相对于装置10的纵向轴线的固定和已知的定向取向，例如利用MEMS传感器的初始虚拟轴线与装置10的诸如细长体11的标记对准。其它类型的惯性传感器可以在惯性传感器单元18中设置以补充数据或作为加速度计和/或诸如倾斜仪、磁力计的陀螺仪以及其它可能的惯性传感器和/或MEMS的替代物。

惯性传感器单元18是用于导航器械的计算机辅助髋手术系统的一部分，如下面将详细描述的用于实现方法10。系统包括计算机辅助手术(CAS)处理单元19，其可以是通过有线或无线通信连接到惯性传感器单元18的独立计算机。然而，应指出的是，CAS处理单元可以部分地或一体地集成到惯性传感器单元18(也称为盒(pod))中或者当不止一个惯性传感器单元使用时可以部分地或一体地集成到惯性传感器单元之一中。惯性传感器单元18在结合CAS处理单元时可因此配备有用户界面20以提供导航数据，无论用户界面的形式是LED显示器、屏幕、数字显示器等。然而，本文描述的计算机辅助髋外科手术系统可使用多于一个的惯性传感器单元，计算机辅助髋外科手术系统被认为具有独立的CAS处理单元19，以从所有惯性传感器18接收数据并给予操作者集中引导。这也可以包括通过在惯性传感器单元18上具有数据指示器的局部引导，数据指示器诸如是前倾角和偏移指示灯或如图1所示的装置10的惯性传感器单元18上的显示器。

对于上下文，惯性传感器单元18使用惯性传感器读数来连续计算本体的定向和速度，而不需要外部参考。这个过程是众所周知的，并被记载为航位推算，并且形成常见的一般知识的一部分。必须向惯性传感器单元18，即图1的X-Y-Z坐标系提供初始定向和速度，在初始定向和速度之后通过对每个时间步长处的陀螺仪读数的角速度进行积分来跟踪定向。通过精确估算惯性传感器单元18相对于全局参考系的定向，可以消除重力效应并且可将作用在加速度计组上的惯性力积分以跟踪速度和位置的变化。因为惯性传感器单元18不需要外部参考，所以可以免受诸如磁场的环境因素的影响，并且在宽范围的条件下操作。

装置10还可包括用于获得缺失的如下所述的第三自由度、绕偏转轴线的旋转的旋转指示器22(也称为指向装置)。当旋转指示器22被附接到装置10的工具端12时，旋转指示器相对于髋臼杯C的中心定位在固定位置和定向处。在所示实施例中，旋转指示器22是光源、诸如将线投射到表面上的平面激光器或产生点的激光束。在平面激光器的情况下，当投射到参考标记上时，线代表已知的定向，并且因此在限定如下所述的器件10的初始位置时被使用。在一个实施例中，装置10的纵向轴线位于由旋转指示器22产生的光平面中。在替代实施例中，相对于髋臼杯C的中心，光平面的距离和矢量是已知的。

在另一个实施例中，旋转指示器22可以是当限定装置10的初始位置时指向参考标记的机械臂。在又另一个实施例中，旋转指示器22可以是具有视孔的面具(visor)，通过具有视孔的面具操作者在限定装置10的初始位置时将瞄准参考标记。

CAS处理单元19能够以虚拟几何数据被编程，虚拟几何数据将本体11(例如本体的轴线)和旋转指示器22关联到惯性传感器单元18虚拟坐标系统。该虚拟几何数据被编程到CAS处理单元19中，用于执行下述方法和序列。例如，可能需要术前规划步骤来识别的解剖学标记以及患者的标记和患者的内外侧轴线之间的关系，解剖学标记诸如是骨盆或患者坐标系、预期的髋臼杯中心、用于随后使用旋转指示器22指向其的参考标记。可以使用各种诸如CT扫描重建、3D成像技术或通过使用两个X射线图像重建标记等的成像技术来执行该术前规划。

参考图2，示出了用于相对于骨盆定向诸如装置10的撞击器的方法30，用于随后将撞击器杯C以期望的相对定向撞击到骨盆P的髋臼中。为了定向撞击器，必须创建虚拟的参考系，称为全局坐标系。

根据实施例，患者可处于仰卧位。在仰卧位中，全局坐标系(World)系统以如下约定定义：

Z轴线与重力矢量对准；

X轴线与投射在地平面(例如，或台面)上的患者的内外侧轴线对准；以及

Y轴线是Z轴线和X轴线的矢量的交叉乘积。

下面描述的方法30可能需要在步骤31获得全局坐标系中骨盆P的当前倾斜(前-后以及侧/上-下)。这可使用各种现有和记载的技术来实现。例如，如PCT国际公布no.WO2014/197988，其通过引用并入本文，可以在髋臼上使用患者特定规尺来记录当前的倾斜或者将参考惯性传感器定位在患者身上。作为另一种可能性，可以使用髋臼边缘数字化仪装置(共同未决申请序列no.62/110,872)记录当前的倾斜。作为又另一种可能性，例如根据美国专利申请公开No.2014/0031829，其通过引用并入本文，可以使用卡尺器械来记录当前的倾斜或将参考定位在骨盆上。

因此，其中一些被公开地公开的已知的技术和器械可用于给方法30以及给装置10的惯性传感器单元18提供骨盆倾斜。

如果患者处于侧卧位，患者可处于台面上，使得他/她的内外侧轴线与重力轴线对齐。在仰卧位中，患者可处于台面上，使得他/她的前后平面与台面对齐/垂直于重力轴线。在这两种情况下，如果骨盆的物理定位使得操作者满足骨盆大致与重力对齐(即针对侧卧位内外侧轴线与重力轴线对齐，在仰卧位中前-后轴线与重力轴线对齐)，那么不需要获得当前倾斜的步骤31。

在一个实施例中，附加的惯性传感器单元(以下称为骨盆参考)可被固定在骨盆上，使得一旦在步骤31中获得患者的倾斜，在方法10的整个步骤中可跟踪患者的倾斜，并且从而骨盆运动将被允许。在没有设置固定的骨盆参考的实施例中，假设在方法10期间骨盆没有一直移动到碰撞杯C，籍此骨盆运动必须物理上被阻止或限制。

根据实施例，骨盆参考是与图1中的装置10上所示的盒相似的盒。利用患者在手术室台面上(例如坐着)或在躺在手术室台面之前站立时，将骨盆参考附连在患者背部。骨盆参考可以被固定为使得骨盆参考的轴线之一与患者的侧向平面(也称为矢状面)对齐，尽管也考虑其他的布置。骨盆参考的位置可超过髂后上棘，略高于髂后上棘或低于髂后上棘。骨盆参考固定的器具可以包括双面胶带、Ioban^TM或具有合适粘附性的任何其它材料。

在其中患者处于仰卧位置的全局坐标系中的骨盆倾斜的该限定中，可以假设患者的纵向轴线与地平面(即垂直于重力的平面)匹配。如前所述，例如具有固定在其上的另一个惯性传感器盒的美国专利申请公布No.2014/0031829的卡钳器械可用于记录骨盆的横向倾斜。假设纵向轴线匹配地平面，横向倾斜足以提供全局坐标系中骨盆坐标系的限定：骨盆的内外侧轴线绕全局坐标系Y轴线的旋转。当骨盆参考位于患者的背部时，纵向轴线匹配地平面的这种假设是不必要的，藉此全局坐标系中的骨盆坐标系经由骨盆参考可跟踪，从而跟踪横向倾斜。尽管本公开涉及杯撞击器导航，但是可以使用粘附的骨盆的骨盆参考来跟踪诸如髋臼铰孔、引导销放置、配置等的其他应用中的骨盆。然而，方法和装置10可无需背部参考实现杯撞击的导航。

在一个实施例中，在步骤31中获得骨盆倾斜之后，惯性传感器单元18可以从卡钳器械中取出并且被插入装置10的容座16中，使用航位推算来跟随该未附接的运动，并使全局坐标系中的骨盆坐标系应用到装置10。

参见图2，方法30在步骤32中包括确定装置10的初始定向以在全局坐标系中校准或记录装置10。装置10的定向由三个不同的属性即三个旋转自由度限制，三个旋转自由度是：

俯仰：装置10的纵向轴线或杯法线与垂直于重力矢量的平面(即X轴线和Y轴线位于的平面)之间的角度。该信息是已知的并由惯性传感器单元18的加速度计组提供。

滚动：滚动是装置10绕其纵向轴线的旋转。该信息是已知的并由惯性传感器单元18的加速度计组提供。

偏转：偏转是装置10绕重力矢量(即Z轴线)的旋转。该值最初不由加速度计组提供，并且步骤32使用俯仰和滚动确定偏转，以校准(又称为记录)装置10，用于随后装置相对于骨盆的定向的导航。

已知参考偏转的零点被假设为穿过髋臼中心(或髋臼杯中心)以及参考标记的参考轴线。术前规划用于在CAS处理单元19中限定和编程该参考轴线，该参考轴线在骨盆坐标系中的髋臼中心和参考标记之间穿过。在一个实施例中，由于其对人眼的视觉特殊性，参考轴线穿过髋臼中心和髂前上棘。也可以使用其他参考标记。

此外，根据实施例，通过惯例，全局坐标系的原点位于髋臼中心处，该髋臼中心可在术前规划期间在成像中被识别，并且该髋臼中心是当杯C位于髋臼A中时被装置10获取的位置。骨盆坐标系(经由步骤31)、髋臼中心、参考标记(两者在术前成像中可识别)以及因此参考轴线位于全局坐标系中。

惯性传感器单元18的加速度计组为装置10的定向提供了两个自由度(滚动和俯仰)。装置10的也称为杯C在工具端12处的位置具有与髋臼中心重合的装置中心。唯一的缺失自由度是装置10的偏转。可以从以下设置和约束来识别装置10的偏转，其中装置10将髋臼植入物C接收在髋臼中，使得杯C的中心在工具端12处的与髋臼中心重合：

由于绝对的患者定位或由于获得了上面步骤31中描述的骨盆坐标系，所以全局坐标系中的骨盆定向是已知的；

全局坐标系中参考轴线的虚拟位置是已知的，如预先规划的，并且如与骨盆坐标系相关的；

装置10的俯仰和滚动由惯性传感器单元18的加速度计组提供；

旋转指示器22被定向成指向参考标记；

因为被编程到惯性传感器单元18中，所以旋转指示器22和髋臼植入物C之间的几何关系是已知的。

仅存在装置10的单一定向，其中所有上述约束和设置都适用。更具体地，包括旋转指示器22的光束和装置10的纵向轴线的平面的定向是通过惯性传感器单元18的预编程而已知的。当该装置平面穿过髋臼中心以及参考标记两者时，平面的位置使用装置10的俯仰和滚动成为已知，即装置平面穿过在全局坐标系中已经已知的参考轴线。使用全局坐标系中的平面的已知位置，即时偏转的计算是明确的三角学方法。

在一个实施例中，装置平面不穿过髋臼中心，但是装置平面和髋臼中心之间的偏移和定向是已知的，这是因为旋转指示器22和髋臼植入物之间的一部分几何关系。在这种情况下，当该装置平面穿过参考标记时，利用装置10的俯仰和滚动，平面的位置成为已知。使用全局坐标系中平面的已知位置，即时偏转的计算是明确的三角学方法。

一旦计算出偏转，三个轴线中的即时初始定向由CAS处理单元19的惯性传感器单元18设定，并且成为由CAS处理单元19跟踪的导航参数。因此，由于记录了即时偏转，装置10在全局坐标系中的三个轴线中是可跟踪的，因此相对于骨盆坐标系，在全局坐标系中预先限定。

在步骤32处可以在不使用术前规划的情况下确定装置10的初始定向。这种替代方法假设了骨盆定位的严格方法，根据该方法骨盆内外侧轴线与重力矢量平行。根据该假设，用户需要根据以下约束来定位装置10：

旋转指示器22，优选地是平面激光器，指向内外侧轴线上的两个标记，通常是两个骨盆髂前上棘；以及

装置10的纵向轴线位于患者横向平面中。

从这两个约束，知道装置10的俯仰和滚动由设置在惯性传感器单元18中的加速度计组提供，相对于骨盆仅可以有单一的定向，即，即时偏转的计算是明确的三角学方法。该初始定向由CAS处理单元19记录并用于导航中。

参考图2，在步骤33处，随着步骤32的初始定向的确定，装置10的定向在三个轴线中被跟踪。

一旦在步骤32中确定了装置10的初始定向，则可以在不进一步使用旋转指示器22的情况下跟踪全局坐标系的三个轴线中的装置10的定向。惯性传感器单元18中由陀螺仪组提供的角速度对时间积分，以使用航位推算在空间中跟踪装置10的定向。在骨盆参考附接于骨盆的实施例中，其陀螺仪读数也可用于跟踪骨盆的任何后续运动。跟踪骨盆以及装置10允许计算它们在空间中的相对定向，并且由此可计算诸如杯C的前倾角和倾斜角的临床角度。在骨盆没有骨盆参考的情况下，利用骨盆倾斜，使用的装置10的跟踪足以在骨盆保持不动时确定杯C的前倾角和倾斜角。

因此，在步骤34处，通过CAS处理单元(例如，使用惯性传感器单元18上的用户界面)来计算并输出杯C的定向数据，用于如上所述的装置10的跟踪运动，使用全局坐标系中定义的骨盆坐标系与三轴线一起跟踪装置10。

因此，根据方法30，诸如装置10的撞击器在术前规划阶段被编程为具有针对患者标记的几何形状数据，以随后在其步骤中使用。根据步骤31，例如通过进行当前骨盆倾斜的记录，获得骨盆倾斜，并且骨盆倾斜可能需要将参考定位在骨盆上以在记录之后跟踪骨盆倾斜。根据步骤32，确定装置10的初始定向。随着杯C被固定到装置10，杯C被定位到经铰孔的髋臼A中。在不从髋臼A移除的情况下，装置10的旋转指示器22指向参考标记。随着装置10将杯C安置到髋臼中，并且旋转指示器22朝向参考标记，用户执行输入以记录初始定向并指示导航的开始。根据步骤33，在空间中跟踪装置10的定向。如果骨盆参考附接在骨盆上，骨盆运动也会被跟踪。如果适用，使用来自惯性传感器单元18中的陀螺仪的数据和骨盆参考，通过航位推算操作来执行步骤33的跟踪。随着装置10的定向改变，计算并显示杯放置导航角度或类似数据。

当杯C处于期望的定向时，装置10用于撞击经铰孔的髋臼A中的杯C。器械的导航旨在意指实时地或准实时地跟踪定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。全局坐标系是虚拟参考系，充当量化手术的不同项目的相对定向、即器械和装置相对于骨盆的参考。

参考图3，示出了从诸如包含惯性传感器单元18和CAS处理单元19的CAS处理器系统的CAS处理器系统的角度来确定杯植入装置10相对于骨盆的定向的方法40。

根据步骤41，获得虚拟预设定向，并且基于专门针对患者骨盆的术前成像。虚拟预设定向被编程到CAS处理器系统中以与患者的骨盆的参考轴线相关，参考轴线包括髋臼的旋转中心和参考标记。虚拟预设定向可能是患者处于仰卧位。

根据步骤42，利用在患者的髋臼中的杯植入装置的端部处的杯，从惯性传感器单元18相对于骨盆获得关于杯植入装置10的两个轴线的定向读数(俯仰和滚动)。

根据步骤43，利用杯植入装置10的装置平面与参考标记目视对准，确定装置平面相对于骨盆的即时位置。为此，使用装置平面相对于杯植入装置10的几何关系以及定向读数。可以在计算中使用患者的内外侧轴线的定向。

根据步骤44，使用装置平面的即时位置对杯植入装置10相对于骨盆的即时三轴线定向用三角学方法进行计算。

根据步骤45，杯植入装置10上的惯性传感器单元18使用即时三轴线定向相对于骨盆进行校准。

根据步骤46，杯植入装置10的定向相对于骨盆以及在三个自由度中被跟踪，并且可作为杯C的前倾角和倾斜角输出。

Claims (9)

1.一种计算机辅助手术(CAS)系统，其包括：

杯植入装置，杯植入装置包括

具有工具端和手柄端的轴，手柄端带有用于操纵的手柄，轴具有纵向轴线，工具端适于支撑用于被接收在患者的髋臼中的杯，以及

旋转指示器，旋转指示器具有代表装置平面的视觉引导件，

其中，所述装置平面相对于工具端上的杯的中心是在已知位置和定向中；以及

CAS处理单元，CAS处理单元包括连接到杯植入装置的至少一个惯性传感器单元，惯性传感器单元输出三轴线读数并被构造为具有与患者的骨盆的参考轴线相关的虚拟预设定向，虚拟预设定向基于专门针对患者的骨盆的术前成像，骨盆的参考轴线穿过骨盆的所述髋臼的旋转中心并穿过骨盆的参考标记，其中，惯性传感器单元被构造为使用杯植入装置的纵向轴线的即时三轴线定向来相对于骨盆进行校准，该即时三轴线定向是当杯位于患者的髋臼中并且装置平面经由视觉引导件穿过参考标记时相对于参考轴线用三角学方法已知的。

2.根据权利要求1所述的CAS系统，其中，工具端上的杯的中心、纵向轴线和视觉引导件共同位于装置平面中，并且当杯位于患者的髋臼中并且装置平面经由视觉引导件穿过参考轴线时，杯植入装置的纵向轴线的即时三轴线定向相对于参考轴线是已知的。

3.根据权利要求1或2所述的CAS系统，其中，视觉引导件是光源，并且装置平面是平面光束。

4.根据权利要求1或2所述的CAS系统，还包括在本体中的用于可释放地接收惯性传感器单元的容座。

5.根据权利要求1或2所述的CAS系统，其中，惯性传感器单元的预设虚拟定向包括参考轴线穿过作为参考标记的髂前上棘。

6.根据权利要求1或2所述的CAS系统，包括所述至少一个惯性传感器单元中的两个，所述惯性传感器单元中的一个连接到杯植入装置，所述惯性传感器单元中的另一个并入骨盆参考，骨盆参考适于固定至患者的骨盆，用于在骨盆运动期间跟踪参考轴线。

7.根据权利要求1或2所述的CAS系统，其中，惯性传感器单元包括代表当前操作条件的虚拟骨盆定向。

8.根据权利要求7所述的CAS系统，其中，虚拟骨盆定向包括患者的内外侧轴线的倾斜。

9.根据权利要求1或2所述的CAS系统，其中，虚拟预设定向是针对患者处于仰卧位。

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