CN107920779B - 在利用测距仪的计算机辅助手术中的下肢长度和偏心距计算 - Google Patents

Abstract

一种用于在计算机辅助手术中测量身体部分之间的处于术前状况与术中或术后状况之间的长度变化的系统，该系统包括测距仪，其被构造成从相对于患者的第二身体部分的已知位置测量其与至少第一身体部分上的至少一个基准界标相距的距离。支座包括至少一个接合处，从而允许测距仪的运动的一个或多个旋转自由度指向至少一个基准界标。惯性传感器单元连接于测距仪，以便产生用于测距仪的定向数据。计算机辅助手术处理单元具有用于利用定向数据在虚拟坐标系中追踪测距仪的追踪模块、用于利用距离和定向数据确定至少一个基准界标在虚拟坐标系中的坐标的坐标系模块、和用于利用坐标测量身体部分之间的长度的长度计算模块，该长度计算模块通过使用从术前状况获得的所述长度及从术中或术后状况获得的所述长度计算和输出身体部分之间的长度变化。还提供了一种用于在计算机辅助手术中测量身体部分之间的处于术前状况与术中或术后状况之间的长度变化的方法。

Description

在利用测距仪的计算机辅助手术中的下肢长度和偏心距计算

相关申请的交叉引用

本公开要求于2015年7月6日提交的美国专利申请No.62/188,921的优先权和于2016年3月24日提交的美国专利申请No.62/312,509的优先权，这两篇申请的内容均被通过参引结合到被文中。

技术领域

本公开涉及一种在计算机辅助手术(CAS)中(例如在髋部手术中)用于提供长度测量值(例如下肢长度偏差和偏心距(offset)测量值)的系统和方法。

背景技术

下肢长度偏差是在矫形手术之后，下肢长度沿患者的纵向轴线的变化。偏心距是下肢沿患者的内侧-外侧轴线的平移移位的测量值。这两个参数在髋部手术期间是相关的，该髋部手术包括全髋关节置换术、髋臼杯植入术、股骨植入术(例如，股骨头和股骨颈植入、表面修整)。对于例如用于确定下肢长度偏差和偏心距的系统和方法存在需要。

发明内容

本公开的目的是提供用于在计算机辅助矫形手术中测量解剖组织长度的新型系统和方法。

本公开的另一目的是将测量到的长度用在下肢长度偏差和偏心距计算中，以便对髋关节矫形手术进行评估。

因此，根据本公开的一种实施例，存在一种用于在计算机辅助手术中测量身体部分之间的处于术前状况与术中或术后状况之间的长度变化的系统，该系统包括：测距设备，其包括：测距仪，其被构造成从相对于患者的第二身体部分的已知位置测量测距仪与位于至少第一身体部分上的至少一个基准界标相距的距离；支座，其包括至少一个接合处，从而允许测距仪的运动的至少一个旋转自由度指向至少一个基准界标；惯性传感器单元，其连接于测距仪，以便产生用于测距仪的定向数据；和计算机辅助手术处理单元，其具有用于利用定向数据在虚拟坐标系中追踪测距仪的追踪模块、用于利用距离和定向数据确定至少一个基准界标在虚拟坐标系中的坐标的坐标系模块、和用于利用坐标测量身体部分之间的长度的长度计算模块，该长度计算模块通过使用从术前状况获得的所述长度及从术中或术后状况获得的所述长度计算和输出身体部分之间的长度变化。

进一步根据该实施例，一些情况中的支座在一些情况中被构造成将测距仪在已知位置中固定于第二身体部分。

更进一步根据该实施例，一些情况中的第二身体部分是细长骨，并且测距仪被构造成使测距仪的距离测量方向与细长骨的纵向轴线对准。

更进一步根据该实施例，一些情况中的长度计算模块将从术前状况以及从术中或术后状况获得的所述长度投影在基准面上，以计算长度变化。

更进一步根据该实施例，一些情况中的患者处于仰卧位中，并且基准面平行于支承患者的手术台的平面，基准面通过坐标系模块利用来自惯性传感器单元的读数加以确定。

更进一步根据该实施例，一些情况中的基准界标是包括被固定于第一身体部分的标靶板的板基准装置。

更进一步根据该实施例，一些情况中的标靶板上具有视觉刻度，以便表明第二身体部分相对于第一身体部分在术前状况与术中或术后状况之间的横向位移。

更进一步根据该实施例，一些情况中的第一身体部分是骨盆，并且第二身体部分是股骨，计算机辅助手术包括对于髋关节的置换。

更进一步根据该实施例，一些情况中的测距设备被构造成邻近于身体部分，追踪模块利用测距仪相对于第二身体部分上的至少一个所述基准界标的距离和定向关于已知位置追踪测距仪。

更进一步根据该实施例，一些情况中的第一身体部分是细长骨，第一身体部分是关节连接于细长骨的另一骨，计算机辅助手术包括对于位于细长骨与其它骨之间的关节的置换，并且测距仪相对于第二身体部分的已知位置包括位于第二身体部分上的两个所述基准界标。

更进一步根据该实施例，一些情况中的长度计算模块形成术前平面，其中，位于第一身体部分上的基准界标的坐标以及位于第二身体部分上的两个所述基准界标的坐标从术前状况获得，以及形成术中或术后平面，其中，位于第一身体部分上的基准界标的坐标以及位于第二身体部分上的两个所述基准界标的坐标从术中或术后状况获得，长度计算模块使平面中的至少一个围绕穿过位于第二身体部分上的两个所述基准界标的轴线旋转，以便在这些平面之间获得平行关系，从而通过该平行关系计算长度变化。

更进一步根据该实施例，一些情况中的长度计算模块确定位于第一身体部分上的至少一个基准界标沿着平行于穿过位于第二身体部分上的两个所述基准界标的轴线的方向的横向位置变化，以便计算第一身体部分的偏心距。

更进一步根据该实施例，一些情况中的第一身体部分是股骨，并且第二身体部分是骨盆，计算机辅助手术包括对于位于股骨与骨盆之间的髋关节的置换。

根据本公开的另一实施例，提供了一种用于在计算机辅助手术中测量身体部分之间的处于术前状况与术中或术后状况之间的长度变化的方法，该方法包括：从相对于第二身体部分处于已知位置中的测距设备至少获得与位于第一身体部分上的至少一个基准界标相距的距离以及定向数据；利用定向数据在虚拟坐标系中追踪测距设备；利用距离和定向数据确定至少一个基准界标在虚拟坐标系中的坐标；利用坐标测量身体部分之间的长度；以及通过使用从术前状况获得的所述长度以及从术中或术后状况获得的所述长度计算和输出身体部分之间的该长度变化。

更进一步根据其它实施例，在一些情况下的获得该距离包括利用测距设备获得该距离，该测距设备在已知位置中被固定于第二身体部分。

更进一步根据其它实施例，在一些情况下的第二身体部分是细长骨，并且获得该距离包括在使测距设备的距离测量方向与细长骨的纵向轴线对准的情况下利用测距设备获得该距离。

更进一步根据其它实施例，在一些情况下的计算和输出长度变化包括将从术前状况以及从术中或术后状况获得的所述长度投影在基准面上。

更进一步根据其它实施例，在一些情况下的患者处于仰卧位中，并且基准面平行于支承该患者的手术台的平面，该方法还包括在一些情况下利用来自测距设备的定向数据确定该基准面。

更进一步根据其它实施例，在一些情况下的该方法在下列情况下执行，第一身体部分是骨盆，第二身体部分是股骨，并且计算机辅助手术包括对于髋关节的置换。

更进一步根据其它实施例，在一些情况下的至少获得距离包括从测距设备获得与第二身体部分上的至少一个所述基准界标相距的距离和定向数据，并且进一步地，关于已知位置追踪测距设备包括利用测距设备相对于位于第二身体部分上的至少一个所述基准界标的距离和定向数据。

更进一步根据其它实施例，在一些情况下的第一身体部分是细长骨，第一身体部分是关节连接于细长骨的另一骨，计算机辅助手术包括对于位于细长骨与其它骨之间的关节的置换，并且追踪测距仪相对于第二身体部分的已知位置包括利用测距设备相对于位于第二身体部分上的两个所述基准界标的距离和定向数据。

更进一步根据其它实施例，在一些情况下的计算和输出该长度变化包括：形成术前平面，其中，位于第一身体部分上的基准界标的坐标以及位于第二身体部分上的两个所述基准界标的坐标从术前状况获得；形成术中或术后平面，其中，位于第一身体部分上的基准界标的坐标以及位于第二身体部分上的两个所述基准界标的坐标从术中或术后状况获得；以及使平面中的至少一个围绕穿过位于第二身体部分上的两个所述基准界标的轴线旋转，以便在这些平面之间获得平行关系，该长度变化被从该平行关系计算出。

更进一步根据其它实施例，在一些情况下的计算和输出长度变化还包括确定位于第一身体部分上的至少一个基准界标沿着平行于穿过位于第二身体部分上的两个所述基准界标的轴线的方向的横向部分变化，以便计算和输出第一身体部分的偏心距。

更进一步根据其它实施例，在一些情况下的该方法在下列情况下执行，第一身体部分是股骨，并且第二身体部分是骨盆，计算机辅助手术包括对于髋关节的置换。

尽管并未描述或示出，一个实施例的一个或多个特征可被应用于其它实施例，除非本公开或实施例的特性对此给出了明确的禁止。

上文中描述了与当前实施例相关联的一些细节并且下文中对其它的进行描述。

附图说明

图1是根据本公开的用于在计算机辅助手术中测量下肢长度和偏心距的系统的框图；

图2是根据一种实施例的图1的系统的测距设备的透视图；

图3是如被安装于三脚架的图2的测距设备的透视图；

图4是如被安装于用于正被安装到患者身上的基部(base)的图2的测距设备的透视图；

图5是如被安装到患者身上的用于测量下肢长度偏差的图4的测距设备的透视图；

图6是用于测量下肢长度偏差和偏心距的图4的测距设备的透视图；和

图7是用于利用图1的系统测量下肢长度偏差和偏心距的界标的几何布置结构的示意图。

具体实施方式

在所提议的公开中，下肢长度偏差和偏心距测量被利用三维三角测量法来进行。

参照图1，一种用于在计算机辅助手术中测量下肢长度的系统10主要被示出为具有测距设备20(支持包括陀螺仪和可能地加速度计的惯性传感器单元，如下文中所示)、可选择的板基准装置30和计算机辅助手术(CAS)处理单元40。

测距设备20是这样一种设备，其具有输出它在界标上发出的光点的距离测量值的能力。测距设备20可同样在定向(倾斜、侧滚和/或偏转)方面是可经由惯性传感器、光学追踪设备或等效设备进行追踪的并且可能地可在位置(X、Y、Z)方面例如使用光学追踪设备进行追踪。

板基准装置30可以可选择地被用于帮助获取测量值。该板基准装置30可以是被锚固于身体以用作用于距离测量的固定界标的标靶。

CAS处理单元40是这样一种单元，其具有适于执行计算以便在手术期间帮助手术实施者的处理器和模块。因此，CAS处理单元40可成一整体地具有或被界面连接于任何适当的界面连接装置50，从而实现与手术实施者的交互，该界面连接装置50例如为屏幕(例如，触屏、显示器、监视器、鼠标、键盘、触针等)。尽管下文中提供的描述涉及对于下肢长度偏差和偏心距的计算，但CAS处理单元40可被用于执行多种其它的功能，其中，下肢长度偏差和偏心距的计算器是该系统的多种模块中的一种。作为选择，本文中所述的系统可具有仅致力于下文中所描述的计算下肢长度和偏心距的功能的CAS处理单元40。

参照图1-3，测距设备20包括测距仪21，该测距仪21被设计成获取精确的距离测量值(例如，精度±1mm)。例如，测距仪21可以是激光测距仪21，其发射光点并且以上述精度测量与光点相距的距离。可使用的一种可能的测距仪是莱卡DISTO E7400x测距仪，其严格来说被作为一种示例予以提供。如在所示实施例中，测距设备20可具有显示屏并且甚至可结合该CAS处理单元40。测距仪21可作为选择与CAS处理单元40有线或无线地通信，以便将测量值传送到该CAS处理单元40。

在下文中所述的方法中，三维(3D)距离和角度测量值得自于激光测距仪21和该设备20内的惯性传感器。测距设备20可因此具有惯性传感器单元22(例如iASSIST POD^TM，除了其它部件之外，其包括三轴陀螺仪)。该设备20可以是消过毒的或未经消毒的(如下文中所详述的那样，它被设想成，在图3的实施例中，在手术期间，将设备20保持在无菌区的外侧)，并且对于下肢长度偏差和偏心距测量来说，无需进行术前成像。该激光测距仪21和惯性传感器单元22可被刚性地互连，使得在这两者之间不存在相对运动，由此，来自惯性传感器单元22的测量值表示出测距仪21的定向。惯性传感器单元22可被设计成在单个可能的定向中被连接于测距仪21，使得惯性传感器单元22相对于在接通时它所连接的测距仪21的定向是已知的。

根据一种实施例，激光测距仪21和惯性传感器单元22可由支座23操作性地支撑，以便将激光测距仪21的运动限制为仅三个旋转(倾斜和偏转、可能地还有侧滚)自由度(DOF)(无平移运动)，其中，该支座23为三脚架24的顶板，测距仪21和惯性传感器单元22被刚性地连接于支座23，以便与其同时移动的部件形成一体的组件。如在图3中所示，支座23被通过球形接头25安装于三脚架24。因此，测距仪21在定向(侧滚、倾斜和偏转)方面是可移位的，但在位置方面是固定的。尽管三脚架24是一种简明且易于使用的解决方案，但其它支撑机构可被用于实现它。同样设想到的是，向测距设备10提供位置追踪(例如，被动光学追踪)，以便允许对激光测距仪21进行自由操纵，而非仅将其限制于旋转运动。然而，由于存在以三脚架24示出的运动约束的简单性，因此，尽管可将相同的几何计算应用于具有位置追踪能力的系统，但本公开将并不就位置追踪进行详细阐述。

由于是可移动的，因此测距设备20可根据应用直接指向选定的界标，而无需使用任何板装置。例如，给定的皮下界标可因其视觉独特性而被遍及下肢长度计算进行标记(例如，标志、标签)或使用，这是因为具有三个旋转DOF的测距设备20可被随意地定向以便瞄准这些界标，只要患者与测距仪21之间具有径直的瞄准线即可。定向方面的改变将由惯性传感器单元22进行确定，使得当光束照亮选定的界标并且对距离进行测量时，记录下测距仪21的即时3D定向。由激光测距仪21提供的距离测量值被结合到设备20的3D定向，以执行三角测量计算，从而除其它可能性之外，如下文中所述，获得下肢长度偏差和/或偏心距。

作为图4中所示的另一布置结构，测距设备20被安装于被固定于患者的基部。其惯性传感器单元22可包括加速度计，以便将距离和角度测量值投影到患者额状面中，该患者额状面可被假定为当使手术室(OR)工作台A水平时的手术台所在的平面。如下所述，下肢长度偏差和偏心距测量可被利用三角测量法基于该假定来进行。

在图4的实施例中，激光测距仪21和惯性传感器单元22可由支座23操作性地支撑，从而提供旋转的倾斜自由度(DOF)。在图3中，支座23被示出为具有传感器接口24’，该传感器接口24’上刚性地安装有激光测距仪21和惯性传感器单元22，以便与其同时移动的部件形成一体的组件。

传感器接口24’被安装于基部25’，两者之间具有可锁定的旋转自由度(DOF)。该DOF由铰接接头26以及由锁定特征27提供。锁定特征27被示出为便于手动使用的固位螺钉和螺母，但其它实施例也是可能的。参照图5，身体附接件是将该设备20刚性地附接于肢体的皮带28。参照图6，该身体附接件可以是将该设备20附接于肢体的卡钳28’，例如踝平衡棒(malleoli)。尽管卡钳28’固定住该设备20，使得该设备20的位置被固定住，但附加的旋转DOF允许在偏转方面进行角度移动，使得可对激光测距仪21的定向进行调整，以便根据应用，将激光测距仪21的光束瞄准到板基准装置30上，或者直接瞄准在选定的界标上，而无需使用板装置30。以与图2的布置结构类似的方式，定向的改变将由惯性传感器单元22确定，使得一旦光束根据应用照亮该板基准装置30上的标靶或在不使用板装置30的情况下直接照亮位于选定界标上的标靶，就记录下该设备20的3D定向。将由激光测距仪21提供的距离测量值结合到该设备20的3D定向，以执行三角测量计算，从而除其它可能性之外，获得下肢长度偏差和/或偏心距。

参照图5和图6，板基准装置30具有标靶板31。该装置30同样具有待被锚固于身体部分的基部32。在所示实施例中，基部32具有一对销33，这对销33将被固定于骨界标，例如骨盆。销33被作为微创实施例加以选择，但考虑到了其它选择方案，例如，诸如皮带、胶粘剂之类的其它非创伤性解决方案。根据一种实施例，重要的是，板基准装置30在整个测量期间(植入前以及植入后)保持在完全相同的位置和定向中，或者在并未对该板基准装置30的运动进行追踪的情况下，该装置30的位置和定向可被准确地且精确地加以复制。同样设想到的是，为该装置30设置传感器，例如另一惯性传感器单元22。如上所述，在一些应用中，该装置30是可选择的，但可帮助提供准确的标靶和/或增强的可见度。

参照图1，CAS处理单元40可与惯性传感器单元22(或在存在不止一个的情况下，它们中的一个)成一整体，如示意性地且可选择地被示出为A，或者除其它的可能性之外，可以作为计算机或便携装置的模块，并且由此并非一体的保护壳(pod)A的一部分。无论用户界面连接装置50是否呈LED显示器、屏幕、数字显示器等的形式，它均输出航行数据(例如，下肢长度偏差和偏心距)。作为选择，如果CAS处理单元40是保护壳A的具有惯性传感器单元22的一部分，则保护壳A可被连接于独立的处理装置B，该处理装置B会包括屏幕或如同监视器一样，以便提供附加的显示能力和表面。作为示例，处理装置B是无线便携装置，例如与保护壳A有线或无线通信的写字板。下文中阐述的计算和步骤并不依赖于惯性传感器单元22与处理单元40之间的物理布置结构。

处理单元40包括不同的模块，用于执行航行并输出下肢长度和偏心距数据。手术流程模块40A可被与用户界面连接装置50或与处理装置B协作使用，以便引导手术实施者实施导致航行的步骤。这可能需要向手术实施者提供逐步的引导，例如接下来记录什么界标距离，并且提示手术实施者执行动作，例如按压在作为测距设备20的一部分或界面连接装置50的一部分的“记录”界面上，或者为该系统10输入如利用测距仪20测量到的数据，以便记录即时定向和距离。尽管这在整个手术过程期间发生，但该系统10与用户之间的提示和交互将并不在本说明书的其余部分中进行描述，这是因为它们将暗中发生。所设想到的是，在处理装置B中存在手术流程模块40A，惯性传感器单元22与处理装置B之间同时发生的动作用于在下文中详述的测量过程期间对手术实施者进行引导，并且与手术实施者的沟通用于记录该手术的进程。

追踪模块40B可同样为处理单元30的一部分。追踪模块40接收来自惯性传感器单元22的读数，将这些读数转换成有用的信息(即，航行数据)，并且针对每次界标距离测量记录由追踪模块40B提供的测距仪21的定向。如上所述，航行数据可以是在即时距离测量时的用于测距仪21的三个旋转DOF中的定向数据。因此，追踪模块40B可执行航位推测法以便追踪该惯性传感器单元22。航位推测法是众所周知的且是经过证明的并且形成了公知常识的一部分，当在无需外部基准(即，无需来自传感器组件的外部的信号传送)的情况下，使用惯性传感器读数不断地计算身体的定向和速度时，惯性传感器单元22是独立自给的。必须向惯性传感器单元22提供初始定向和速度，例如X-Y-Z坐标系，此后，通过在每个步骤处结合陀螺仪读数的角速率来追踪该定向。由于惯性传感器单元22无需外部基准，因此，它对于诸如磁场之类的环境因素可能是具有免疫力的并且在多种状况下运转。

坐标系模块40C利用由追踪模块40B提供的定向数据和相关的距离测量值形成了坐标系。该坐标系是其中界标基于来自测距仪21和惯性传感器单元22的读数而具有坐标的虚拟参照系。例如，坐标系模块40C根据测距仪21和惯性传感器22的读数设定骨盆坐标系。坐标系的原点可以是随机的，例如利用测距仪21作为原点，或者出于简洁的目的将界标中的叠置的一个作为原点。

为了经由用户界面连接装置50或处理装置B计算和输出偏心距和下肢长度偏差，处理单元40可具有长度计算模块40D。该长度计算模块40D通过使用3D三角测量法将界标在由坐标系模块40C形成的坐标系中的坐标用于计算下肢长度偏差和/或偏心距。该长度计算模块40D可因此输出下肢长度偏差和偏心距。

由于已经描述了系统10，因此对一种用于测量下肢长度和偏心距的方案进行阐述。在于测距仪21与下文中所讨论的界标之间存在瞄准线的情况下，患者可被定位在任何适当的位置中，这些位置包括仰卧位和侧卧位。测距设备20被以在测距仪21与患者身上的预期界标之间存在无阻碍的瞄准线的方式定位。例如，具有图3的三脚架24的测距设备20可被邻近于患者定位。通过图6中的卡钳28’连接于患者的测距设备20可同样被利用该方法加以使用。

在涉及图3或图6的测距设备20的实施例中，激光距离测量例如在截骨之前以及在植入之后(同样被称之为术前及术后)在选定界标上实施。界标可以是表示相对于身体的其余部分的下肢长度和偏心距变化的任何适当的界标。根据如图7中所示的实施例，两个基准界标被在骨盆上获取并且被用作用于距离变化的基准。出于清楚起见，骨盆和股骨被在不带有软组织的情况下示出。然而，除了一个股骨界标之外，基准界标通常被软组织所覆盖。例如，骨盆上的基准界标可以是①左侧ASIS(额前上棘)和②右侧ASIS。ASIS甚至是在被皮肤覆盖住时在视觉上也是明显的。可使用其它骨盆界标，例如使用患者皮肤上的附加标记。例如，当ASIS可能是利用测距仪21不可见的时，使具有高体质指数的患者处于侧卧位中可能是困难的。在这种情况下，可使用骨盆上的其它界标。

可使用两个股骨界标，例如③髌骨，当被皮肤覆盖住时，由于其存在视觉独特性，因此被用于下肢长度计算，以及④暴露的大转子(即，并未被软组织覆盖住)，用于偏心距计算。同样可使用其它界标，在界标在整个手术过程中是相同的情况下，例如针对偏心距使用大转子附近的任意点以及针对下肢长度偏差使用位于胫骨或股骨上的任意点。

在图3或图6的实施例中，来自激光测距仪21的即时距离测量值以及来自惯性传感器单元22的相应定向数据由CAS处理单元40的追踪模块40B针对这四个界标在术前以及术后进行记录。下肢长度和偏心距可随后通过在CAS处理单元10中利用坐标系模块40C和长度计算模块40D的联合作用基于解析3D三角测量法进行的数学计算来获得。

参照图7，界标(2个ASIS、髌骨、大转子)被投影在基准面上，在该基准面上，进行下肢长度和偏心距计算。示出了所投影的界标，其中：

a、b＝投影在基准面上的两个ASIS；

c＝投影在基准面上的髌骨；

d＝投影在基准面上的大转子；

下肢长度(cf)＝连接两个ASIS的线(ab)与髌骨(c)之间的距离；

下肢偏心距(dg)＝身体中线(即，两个ASIS之间的中点)与大转子(d)之间的距离；

下肢长度和偏心距偏差(Δcf，Δdg)＝术前和术后下肢长度与偏心距测量值之间的差异。当已知三角形(abc、abd)的三条边时，对这些三角形进行解析；因此，通过CAS处理单元40来计算下肢长度(cf)和偏心距(dg)。

CAS处理单元40例如利用手术流程模块40A引导手术实施者进行这些界标测量。CAS处理单元40可随后利用追踪模块40B针对每个界标记录这些组定向和距离测量值。该坐标系模块40C利用来自追踪模块40B的定向数据和来自测距仪21的相应距离测量值将定向和距离测量值转换成坐标。一旦术前及术后获得了所有的界标坐标，长度计算模块40D就可随后对Δcf、Δdg进行计算。

根据一种实施例，长度计算模块40D使用线a、b作为基准轴线，这是因为它在术前及术后是相同的。因此，当对下肢长度测量值进行计算时，术前三角形abc及其副本(counterpart)术后三角形abc的侧边a、b(即，基准轴线)被叠置。分别包括术前和术中或术后三角形abc的术前及术中或术后平面随后被围绕用于三角形abc的基准轴线(侧边a、b)相对地旋转，以处于同一平面中，该同一平面被称之为基准面(注意，该基准面可与术前三角形abd是重合的)。当三角形abc处于基准面中时，下肢长度cf可由长度计算模块40D进行计算。

同样，根据该实施例，线a、b在偏心距计算中同样被用作基准轴线。因此，当对偏心距进行测量时，术前三角形abd及其副本术后三角形abd的侧边a、b(即，基准轴线)是叠置的。这两个三角形abd随后被围绕用于三角形abd的基准轴线(侧边a、b)旋转，以处于同一基准中。当三角形abd处于基准面中时，偏心距dg可由长度计算模块40D进行计算。用于偏心距的基准面可与用于下肢长度计算的基准面是不同的或是相同的。

上述方法并不要求将下肢重新定位在与其在截骨前处于同一平面中，这是因为三角形abc和abd在基准面中被虚拟地对准。然而，所期望的是，保持常规的纵向下肢对准，例如通过利用视觉辅助设备或机械辅助设备来实现，或者通过将实施手术的下肢与未实施手术的下肢对准来实现。

在图4、5和6的实施例的情况下，惯性传感器单元22中的加速度计可被用于帮助将读数转换成“基准面”值，其中，再次使用图7的计算方法。例如，界标(2个ASIS、髌骨、大转子)被投影在额状面上，在该额状面中，进行下肢长度和偏心距计算。这是可选择的特征，但可简化计算。该额状面通过使用由惯性传感器单元22中的加速度计获取的重力基于手术台面在患者处于仰卧位中时表示患者额状面这一假设来获得。

参照图5，系统10被用于测量下肢长度偏差。设备20被通过皮带28刚性地附接于股骨。将利用激光测距仪21从远侧股骨到骨盆进行距离测量。捷联(strapped-down)固定件28确保当下肢在截骨和植入期间进行运动时，在不存在运动或存在最小程度运动的情况下，将设备20牢固地固定在远侧股骨上。此外，该捷联固定件28可确保激光测距仪21的定向遵循患者的纵向轴线，而非允许相对于纵向轴线对激光测距仪21进行偏转定向调整。如所示，设备20具有很少的运动DOF并且无法在定向方面进行充分调整。激光束待被瞄准其上的板基准装置30被固定(pin)于髂嵴。标靶板31的定向和位置在本实施例中可被进行调整，以便补偿在设备20处相对于其基部32提供的调整的缺乏；因此，在本实施例中，标靶板31可沿患者纵向轴线与激光束对准。当使手术台水平时，再次假定，当患者仰卧时，手术台面表示患者额状面。激光测距仪21到标靶板31的距离及激光测距仪21相对于水平面的倾度可通过其读数获得。随后，投影到水平面上的距离可被基于简单的三角法进行计算。当距离测量方向(例如，激光束)与患者纵向轴线对准时，患者额状面中的投影的距离测量值表示下肢长度。在术前及术后进行下肢长度测量提供了下肢长度偏差。标靶板31可在其上具有用于横向运动的刻度，该刻度在术前及术后被注意到以便获得偏心距的视觉读数。

另一实施例可包括将测距设备20定位于机械臂的输出端。在这种情况下，测距设备20可带有或不带有惯性传感器单元22。CAS处理单元40可使用从对于机械臂进行的控制获得的定向数据，而非来自惯性传感器单元的数据。例如，机械臂可以是于接合处具有编码器的连续臂，以便确定测距设备20的位置和定向。

因此，系统10可被用于执行用于在计算机辅助手术中测量身体部分之间的处于术前状况与术中或术后状况之间的长度变化的方法。根据该方法，与第一骨上的至少一个基准界标相距的距离以及来自测距设备20的定向数据在相对于第二骨的已知位置中获得。利用定向数据在虚拟坐标系中追踪测距设备20。至少一个基准界标的虚拟坐标系中的坐标被利用该距离和定向数据加以确定。利用这些坐标测量骨间的长度。通过使用从术前状况获得的长度以及从术中或术后状况获得的所述长度计算和输出身体部分之间的长度变化。该距离可被利用测距设备20获得，该测距设备20被在已知位置中固定于第二身体部分。

Claims (12)

1.一种用于在计算机辅助手术中测量身体部分之间的处于术前状况与术中或术后状况之间的长度变化的系统，所述系统包括：

测距设备，所述测距设备包括测距仪、支座和惯性传感器单元，所述测距仪被构造成通过在至少位于患者的第一身体部分上的至少一个基准界标上发射光并光学地检测所述测距仪与所述至少一个基准界标上的光相距的距离而从相对于患者的第二身体部分的已知位置测量所述测距仪与所述至少一个基准界标相距的距离，所述支座包括至少一个接合处，从而允许所述测距仪的运动的至少一个旋转自由度指向所述至少一个基准界标，所述惯性传感器单元连接于所述测距仪，以便产生用于所述测距仪的定向数据；和

计算机辅助手术处理单元，所述计算机辅助手术处理单元具有：

追踪模块，所述追踪模块用于利用所述定向数据在虚拟坐标系中追踪所述测距仪，

坐标系模块，所述坐标系模块用于利用所述距离和所述定向数据确定所述至少一个基准界标在所述虚拟坐标系中的坐标，所述定向数据相对于所述距离而言是即时性的，和

长度计算模块，所述长度计算模块用于利用在术前状况中发射在所述至少一个基准界标上的光的所述坐标测量所述身体部分之间的术前长度，并且用于利用在术中或术后状况中发射在所述至少一个基准界标上的光的所述坐标测量所述身体部分之间的术中或术后长度，所述长度计算模块通过使用从术前状况获得的所述术前长度及从所述术中或术后状况获得的所述术中或术后长度计算和输出所述身体部分之间的所述长度变化，

其中，所述测距设备被配置成邻近于所述第一身体部分和所述第二身体部分并与之分离开，所述追踪模块利用所述测距仪相对于所述第二身体部分上的至少一个基准界标的距离和定向关于所述已知位置追踪所述测距仪。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述支座被构造成将所述测距仪在所述已知位置中固定于所述第二身体部分。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第二身体部分是细长骨，并且所述测距仪被构造成使所述测距仪的距离测量方向与所述细长骨的纵向轴线对准。

4.根据权利要求1和2中的任一项所述的系统，其中，所述长度计算模块将从所述术前状况以及从所述术中或术后状况获得的所述长度投影在基准面上，以计算所述长度变化。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述患者处于仰卧位中，并且所述基准面平行于支承所述患者的手术台的平面，所述基准面通过所述坐标系模块利用来自所述惯性传感器单元的读数加以确定。

6.根据权利要求1到3中的任一项所述的系统，其中，所述基准界标是包括被固定于所述第一身体部分的标靶板的板基准装置。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述标靶板上具有视觉刻度，以便表明所述第二身体部分相对于所述第一身体部分在所述术前状况与所述术中或术后状况之间的横向位移。

8.根据权利要求1到3中的任一项所述的系统，其中，所述第一身体部分是骨盆，并且所述第二身体部分是股骨，所述计算机辅助手术包括对于髋关节的置换。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一身体部分是细长骨，所述第二身体部分是关节连接于所述细长骨的另一骨，所述计算机辅助手术包括对于位于所述细长骨与其它骨之间的关节的置换，并且所述测距仪相对于所述第二身体部分的已知位置包括位于所述第二身体部分上的所述至少一个基准界标中的两个。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述长度计算模块形成术前平面，其中，位于所述第一身体部分上的所述基准界标的坐标以及位于所述第二身体部分上的两个所述基准界标的坐标从所述术前状况获得，以及形成术中或术后平面，其中，位于所述第一身体部分上的所述基准界标的坐标以及位于所述第二身体部分上的两个所述基准界标的坐标从所述术中或术后状况获得，所述长度计算模块使所述平面中的至少一个围绕穿过位于所述第二身体部分上的两个所述基准界标的轴线旋转，以便在所述平面之间获得平行关系，从而通过所述平行关系计算所述长度变化。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述长度计算模块确定位于所述第一身体部分上的所述至少一个基准界标沿着平行于穿过位于所述第二身体部分上的两个所述基准界标的所述轴线的方向的横向位置变化，以便计算所述第一身体部分的偏心距。

12.根据权利要求9到11中的任一项所述的系统，其中，所述第一身体部分是股骨，并且所述第二身体部分是骨盆，所述计算机辅助手术包括对于位于所述股骨与所述骨盆之间的髋关节的置换。

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