CN107920860B - 解剖配准探针、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于促进手术导航中的高效解剖配准的各种系统、装置和方法。这种系统、装置和方法可以在检测单元的动态数据收集模式期间提供对于对应于多个表面点的各个物理空间数据的相对快速的收集。另外或可替代地，这种系统、装置和方法可以在检测单元的单点收集模式下提供对多个数据的收集。系统可以具有数据收集单元以及配准探针。配准探针的远端部分可以具有接合前端。接合前端可以是动态接合前端或功能性接合前端。

Description

解剖配准探针、系统及方法

优先权的要求

本申请要求于2015年3月26日提交的申请号为62/138,447的美国临时专利申请的权益，在此要求该美国临时专利申请的优先权权益，该美国临时专利申请的全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及解剖配准探针及相关联的系统和方法。

背景技术

本部分提供了与本发明相关的但不一定是现有技术的背景信息。

手术导航通常用于各种类型的整形外科手术。手术导航系统通常需要对患者的解剖构造进行配准。一种常见的解剖配准方法采用一种触针，该触针具有与检测单元结合地设置在一端上的定位器，以便顺序地记录解剖标记。由于人体解剖构造可以是几何复杂的，所以通常需要用触针配准(register)数百或数千个点，以便恰当地限定相关的患者解剖构造。

发明内容

本部分提供了本发明的总体概述，而并不是对本发明的全部范围或其所有特征的全面公开。

本发明人已经认识到，顺序地记录各个解剖点的过程是艰巨且耗时的。因此，需要有助于更高效的解剖配准的装置、系统和方法。因此，本教导提供了一种用于高效解剖配准的系统。该系统包括数据收集单元以及配准探针。配准探针包括配准探针本体，该配准探针本体可以具有远端部分、中间部分、近端部分以及由中间部分限定的纵向轴线。配准探针还可包括可操作地联接至远端部分的远侧端部的动态接合前端。动态接合前端能够相对于配准探针转动。配准探针还可包括联接至近端部分的定位器。在操作中，在数据收集系统以数据收集速率收集对应于各个表面点的物理空间数据的选定时间段期间，可以使配准探针的动态接合前端与所选解剖区域连续接触并绕着该区域移动。数据收集单元可以基于所收集的物理空间数据来确定多个基于点的配准以及各个表面点之间的距离中的至少一种。

本教导还提供了一种用于高效解剖配准的方法。该方法包括：启动数据收集单元选定的时间段；将配准探针的动态接合前端放置成与所选解剖区域接触，其中配准探针具有远端部分、中间部分、近端部分以及由中间部分限定的纵向轴线，其中动态接合前端可操作地联接至远端部分的远侧端部，并且动态接合前端能够相对于配准探针转动；通过动态接合前端的转动使配准探针相对于所选解剖区域移动；在选定时间段期间以数据收集速率记录对应于各个表面点的物理空间数据；基于所收集的物理空间数据来确定多个基于点的配准以及各自表面点之间的距离中的至少一种。

本教导还提供了另一种用于高效解剖配准的装置。该装置可包括配准探针本体以及功能性接合前端。配准探针可以具有远端部分、中间部分、近端部分以及由中间部分限定的纵向轴线。功能性接合前端可以联接至远端部分的远侧端部。功能性接合前端还可包括可以与所选解剖区域互补的接触表面几何形状。该装置还可包括联接至近端部分的定位器。在操作中，配准探针的功能性接合前端可以促进对所选解剖区域的尺寸、位置和定向中的至少一种进行配准。

本教导还提供了另一种用于高效解剖配准的方法。该方法包括：启动数据收集单元；将配准探针的功能性接合前端放置成与所选解剖区域接触，其中对准探针具有远端部分、中间部分、近端部分以及由中间部分所限定的纵向轴线，其中功能性接合前端联接至远端部分的远侧端部，并且功能性接合前端包括与所选解剖区域互补的接触表面几何形状；以及记录功能性接合前端的尺寸、位置和定向中的至少一种，以促进对所选解剖区域的尺寸、位置和定向中的至少一种进行配准。

通过在此提供的说明，其它应用领域将变得显而易见。本概述中的描述和具体示例仅出于说明目的，而并不旨在限制本发明的范围。

附图说明

本文所描述的附图仅出于对选定实施例而非所有可能实施方式的说明性目的，且并不旨在限制本发明的范围。

图1示出了解剖配准系统；

图2示出了配准探针的一个方面；

图3示出了配准探针的另一方面；

图4示出了配准探针的另一方面；

图5示出了配准探针的另一方面；

图6示出了配准探针的另一方面；

图7示出了配准探针的另一方面；以及

图8是示出了解剖配准的示例性过程的流程图。

在附图的全部若干视图中，对应的附图标记表示对应的部件。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例性实施例。

本教导提供了用于促进手术导航中的高效解剖配准的各种系统、装置和方法。这种系统、装置和方法可以在检测单元的动态数据收集模式期间提供对于对应于各个表面点的物理空间数据的相对快速的收集。另外或可替代地，这种系统、装置和方法可以在检测单元的单点收集模式下提供对多个数据的收集。

首先参考图1，系统100包括数据收集单元102以及配准探针104。本教导的数据收集单元102和配准探针可以组合地用于手术治疗前和手术治疗期间的解剖配准。

在一个方面中，数据收集单元102可包括例如但不限于：计算机辅助手术系统或手术导航系统。数据收集单元102可包括例如但不限于：照相机、视觉系统等。数据收集单元102可以具有能够由用户经由启动机构选择性地启动的数据收集模式。数据收集单元102可以具有用于数据收集模式的预定数据收集时段，或者可以由用户经由终止机构选择性地停用。数据收集速率可以介于约1Hz至约60Hz之间。如图8所示，在操作中并且一旦启动数据收集模式(步骤802)，数据收集单元102可以收集对应于所选解剖区域上的多个表面点中的每个的物理空间数据(步骤804)。对应于每个表面数据点的物理空间数据可用于确定基于点的配准(步骤806)。对应于至少两个连续的表面点的物理空间数据可用于确定配准探针104跨越所选解剖区域行进的距离，并因此确定表面点之间的距离(步骤808)。随后，数据收集单元至少使用多个表面点中的每个的基于点的配准来绘制描述所选解剖区域的图像数据(步骤810)。

根据本教导的配准探针104可以具有远端部分106、中间部分107、近端部分108以及由中间部分107限定的纵向轴线110。配准探针沿着其纵向轴线110可以具有介于约100mm至约400mm之间的总长度。此外，远端部分106和近端部分108中的一个的至少一部分可以是直的、相对于配准探针纵向轴线110弯曲、弯折或者偏移的。因此，配准探针可以广泛适应于各种解剖特征以及解剖特征的尺寸和形状。

在一个方面中，配准探针104还可包括可操作地联接至远端部分106的远侧端部的接合前端112。接合前端112可包括动态接合前端112，并且该动态接合前端还可包括滚动部(roller)。配准探针还可包括联接至近端部分108的定位器114。动态接合前端112能够相对于配准探针104转动。在操作中，配准探针104的动态接合前端112可以相对于所选解剖区域放置为与其连续且动态接触。动态接触可包括使配准探针绕着解剖区域的表面移动。数据收集单元102可以在数据收集单元102处于数据收集模式的选定时间段期间以选定的数据收集速率来收集对应于各个表面点的物理空间数据。

参考图2，配准探针200的动态接合前端可包括径向无约束的滚动部202。当径向无约束的滚动部202在所选解剖区域的表面上滚动时，径向无约束的滚动部202可以沿着任何方向移动。径向无约束的滚动部202的直径可以介于约5mm至约25mm之间。配准探针200可用于促进对各种复杂的三维解剖表面、包括接近关节的解剖表面的配准。这种复杂的三维解剖表面可包括以下中的至少一部分，例如但不限于：股骨近端及远端；骨盆和髋臼区域；胫骨近端；肱骨近端及肩胛骨；肱骨远端及桡骨近端；以及腓骨、胫骨远端、距骨及腓骨内踝。在操作中，数据收集单元102的数据收集模式可以被启动选定的时间段。在该时间段期间，径向无约束的滚动部202可以保持与所选解剖区域接触，并且配准探针200可以通过径向无约束的滚动部202绕着所选解剖区域移动，同时数据收集单元102以选定的数据收集速率收集对应于各个表面点的物理空间数据。数据收集单元102可以与定位器114一起补偿径向无约束的滚动部202的形状和尺寸。数据收集单元102还可以计算在对应于各个表面点的物理空间数据之间行进的距离。

参考图3，配准探针300的动态接合前端可以是径向受约束的滚动部302。滚动部302可以被约束为沿着选定的轴线滚动。径向受约束的滚动部302的直径可以介于约5mm至约25mm之间。配准探针300可用于配准与长骨的长轴线对齐或者相对于长骨的长轴线横向的长骨表面。这种解剖表面可包括以下中的至少一部分，例如但不限于：股骨近端及远端或者胫骨近端的周向解剖的至少一部分，该周向解剖相对于长轴线横向或大体上横向。在操作中，数据收集单元102的数据收集模式可以被启动选定的时间段。在该时间段期间，径向受约束的滚动部302可以保持与所选解剖区域接触，并且配准探针300可以通过径向受约束的滚动部302的转动而相对于所选解剖区域沿着轴线移动，同时数据收集单元102以选定的数据收集速率收集对应于各个表面点的物理空间数据。数据收集单元102可以与定位器114一起补偿径向受约束的滚动部302的形状和尺寸。数据收集单元102还可以计算在各个表面点之间行进的距离。

在另一方面中，数据收集单元102可以是例如但不限于：计算机辅助手术系统或手术导航系统。数据收集单元102可包括例如但不限于：照相机、视觉系统等。数据收集单元102可以具有适于数据的串行单点收集的数据收集模式。

在此，配准探针还可包括可操作地联接至远端部分的远侧端部的接合前端112。接合前端可包括功能性接合前端112，该功能性接合前端112具有与所选解剖区域互补的接触表面几何形状。在操作中，可以启动数据收集单元102并且将功能性接合前端112放置为与所选解剖区域接触。一旦放置，则可以记录表示该功能性接合前端112的尺寸、位置和定向中的至少一种的物理空间数据，以有助于对所选解剖区域的尺寸、位置和定向中的至少一种进行配准。

对于图4，配准探针400的功能性接合前端112包括凸形接触表面402。具有包括凸形接触表面402的前端的配准探针400可用于对例如但不限于髋臼的凹形解剖特征的尺寸、位置和定向进行配准。

对于图5，配准探针500的功能性接合前端112包括凹形接触表面502。具有包括凹形接触表面502的前端的配准探针500可用于对例如但不限于股骨头的凸形解剖特征的尺寸、位置和定向进行配准。

对于图6，配准探针600的功能性接合前端112包括平面接触表面602。具有包括平面接触表面602的前端的配准探针600可用于对在关节置换过程期间所经历或产生的平面特征进行配准，该平面特征例如但不限于：由胫骨近端截骨术、股骨远端截骨术、股骨前侧或后侧截骨术以及股骨倒角截骨术所产生的平坦表面。在与髋关节相关的一个操作示例中，可以记录股骨截骨平面以及髋臼边缘的平面。

对于图7，配准探针700的功能性接合前端112包括带有点阵列702的前端。带有点阵列702的前端可包括至少三个点。点阵列702可用于同时配准复杂的解剖表面上对应数量的点的定向和位置。点阵列702可以构造为使得点阵列702的所有点接触所选解剖表面，以便确保精确的解剖配准。具有包括点阵列702的前端的配准探针700可用于对在例如但不限于股骨近端、股骨远端、胫骨近端、骨盆、髋臼、肱骨近端、肱骨远端、桡骨近端和尺骨近端上的对应点阵列进行配准。点阵列702可以被外接圆限定，并且进一步地，该外接圆的直径可以介于约0.5英寸至约3英寸之间。

在另一方面中，功能性接合前端112能够可移除地联接至配准探针104的远端部分106。因此，设计出一种包括配准探针104以及多个可互换的功能性接合前端112的系统。

在又一方面中，数据收集单元102可以具有如参考图2和图3描述的动态数据收集模式以及如参考图4至图7描述的单点收集模式。

以下列出了本发明的一些编号示例。

示例1可包括或者使用一种带有配准探针的系统。该配准探针可包括具有远端部分、中间部分、近端部分以及由中间部分限定的纵向轴线的配准探针本体。定位探针还可包括可操作地联接至远端部分的远侧端部的动态接合前端。动态接合前端能够相对于配准探针转动。配准探针还可以具有联接至配准探针本体的近端部分的定位器。在操作中，配准探针的动态接合前端可以在解剖配准期间放置为与所选的解剖区域连续接触并绕着所选的解剖区域移动。

示例2可以与示例1的主题组合以包括或使用一种数据收集单元。该数据收集单元可以在解剖配准的选定时间段期间以数据收集速率收集对应于多个表面点的物理空间数据。数据收集单元可以确定多个基于点的配准以及各个表面点之间的距离中的至少一种。

示例3可以与示例2的主题组合以包括或使用介于约1Hz至约60Hz之间的数据收集速率。

示例4可包括或使用示例1至示例3的主题，或者可选择地与示例1至示例3的主题组合，以包括或使用带有滚动部的动态接合前端。

示例5可以与示例4的主题组合以包括或使用径向无约束的滚动部。

示例6可以与示例4的主题组合以包括或使用被约束以沿着选定的轴线滚动的滚动部。

示例7可包括或使用示例1至示例6的主题，或者可选择地与示例1至示例6的主题组合，以包括或使用沿着配准探针轴线具有介于约100mm至约400mm之间的总长度的配准探针。

示例8可包括或使用示例1至示例7的主题，或者可选择地与示例1至示例7的主题组合，以包括或使用配准探针，该配准探针的远端部分和近端部分中的一个的一部分可以是直的，使得该部分沿着配准探针轴线延伸。

示例9可包括或使用示例1至示例7的主题，或者可选择地与示例1至示例7的主题结合，以包括或使用配准探针，该配准探针的远端部分和近端部分中的一个的一部分可以是相对于配准探针轴线弯曲的。

示例10可包括或使用示例1至示例7的主题，或者可选择地与示例1至示例7的主题结合，以包括或使用配准探针，该配准探针的远端部分和近端部分中的一个的一部分可以是相对于配准探针轴线弯折的。

示例8可包括或使用示例1至示例7的主题，或者可选择地与示例1至示例7的主题结合，以包括或使用配准探针，该配准探针的远端部分和近端部分中的一个的一部分可以相对于配准探针轴线偏移。

示例12可包括或使用带有配准探针的装置。该配准探针可具有远端部分、中间部分、近端部分以及由中间部分限定的纵向轴线。配准探针还可包括联接至远端部分的远侧端部的功能性接合前端。功能性接合前端可以具有与所选解剖区域互补的接触表面几何形状。配准探针还可以具有联接至配准探针本体的近端部分的定位器。在操作中，功能性接合前端可以促进对所选解剖区域的尺寸、位置和定向中的至少一种进行配准。

示例13可以与示例12的主题组合以包括或使用功能性接合前端的带有凹形表面的接触表面几何形状。

示例14可以与示例12的主题组合以包括或使用功能性接合前端的带有凸形表面的接触表面几何形状。

示例15可以与示例12的主题组合以包括或使用功能性接合前端的带有平面表面的接触表面几何形状。

示例16可以与示例12的主题组合以包括或使用带有具有点阵列的前端的功能性接合前端。

示例17可以与示例16的主题组合以包括或使用被外接圆限定的点阵列。

示例18可以与示例17的主题组合以包括或使用可以具有介于约0.5英寸至约3英寸之间的周长的外接圆。

示例19可包括或使用示例12至示例18的主题，或者可选择地与示例12至示例18的主题组合，以包括或使用沿着配准探针轴线具有介于约100mm至约400mm之间的总长度的配准探针。

示例20可包括或使用示例12至示例19的主题，或者可选择地与示例12至示例19的主题组合，以包括或使用配准探针，该配准探针的远端部分和近端部分中的一个的一部分可以是直的，使得可以沿着配准探针轴线延伸。

示例21可包括或使用示例12至示例19的主题，或者可选择地与示例12至示例19的主题组合，以包括或使用配准探针，该配准探针的远端部分和近端部分中的一个的一部分可以是相对于配准探针轴线弯曲的。

示例22可包括或使用示例12至示例19的主题，或者可选择地与示例12至示例19的主题组合，以包括或使用配准探针，该配准探针的远端部分和近端部分中的一个的一部分可以是相对于配准探针轴线弯折的。

示例23可包括或使用示例12至示例19的主题，或者可选择地与示例12至示例19的主题组合，以包括或使用配准探针，该配准探针的远端部分和近端部分中的一个的一部分可以相对于配准探针轴线偏移。

示例24可包括或使用示例12至示例22的主题，或者可选择地与示例12至示例22的主题结合，以包括或使用能够可移除地联接至远端部分的远侧端部的功能性接合前端。

示例25可包括或使用包含如下步骤的方法：启动数据收集单元选定时间段；将配准探针的动态接合前端放置成与所选解剖区域接触，其中配准探针具有远端部分、中间部分、近端部分以及由中间部分限定的纵向轴线，其中动态接合前端为可操作地联接至远端部分的远侧端部，并且动态接合前端能够相对于配准探针转动；通过动态接合前端的转动使配准探针相对于所选解剖区域移动；以及在选定的时间段期间以数据收集速率来记录对应于多个表面点的物理空间数据。

示例26可以与示例25的主题组合以包括或使用带有滚动部的动态接合前端。

示例27可以与示例26的主题组合以包括或使用径向无约束的滚动部。

示例28可以与示例26的主题组合以包括或使用被约束以沿着选定的轴线滚动的滚动部。

示例29可包括或使用示例25至示例28的主题，或者可选择地与示例25至示例28的主题组合，以包括或使用介于约1Hz至约60Hz之间的数据收集速率。

示例25可包括或使用包括如下步骤的方法：启动数据收集单元；将配准探针的功能性接合前端放置为与所选解剖区域接触，其中配准探针具有远端部分、中间部分、近端部分和由中间部分所限定的纵向轴线，其中功能性接合前端是联接至远端部分的远侧端部，并且其中功能性接合前端包括与所选解剖区域互补的接触表面几何形状；以及记录功能性接合前端的尺寸、位置和定向中的至少一种，以有助于对所选解剖区域的尺寸、位置和定向中的至少一种进行配准。

示例26可以与示例25的主题组合以包括或使用功能性接合前端的带有凹形表面的接触表面几何形状。

示例27可以与示例25的主题组合以包括或使用功能性接合前端的带有凸形表面的接触表面几何形状。

示例28可以与示例25的主题组合以包括或使用功能性接合前端的带有平面表面的接触表面几何形状。

示例29可以与示例25的主题组合以包括或使用带有具有点阵列的前端的功能性接合前端。

示例30可以与示例29的主题组合以包括或使用被外接圆限定的点阵列。

示例31可以与示例30的主题组合以包括或使用可以具有介于约0.5英寸至约3英寸之间的周长的外接圆。

已经提供了各实施方式的前述说明以用于示意和描述。它并不旨在为穷举或限制本发明。特定实施方式的各个元件或特征大体上不限于该特定实施方式，而是在可适用的情况下，即使未具体示出或描述，也可互换并且能够用于所选择的实施方式中。同样也可以以许多方式改变。这些变型不被认为是偏离于本发明，并且所有这些变型旨在认为是包括在本发明的范围内。

Claims (14)

1.一种收集用于具有几何形状的所选解剖区域的物理空间数据的装置，包括：

配准探针，所述配准探针具有远端部分、中间部分、近端部分以及由所述中间部分限定的纵向轴线；

功能性接合前端，所述功能性接合前端联接至所述远端部分的远侧端部，其中所述功能性接合前端包括与所选解剖区域的几何形状互补的接触表面几何形状；

定位器，所述定位器联接至所述近端部分；

其中，在操作中，通过使所述功能性接合前端的接触表面几何形状与所选解剖区域配合，所述功能性接合前端促进对所述所选解剖区域的尺寸、位置和定向中的至少一种进行配准。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述功能性接合前端的所述接触表面几何形状包括凹形表面。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述功能性接合前端的所述接触表面几何形状包括凸形表面。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述功能性接合前端的所述接触表面几何形状包括平面表面。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述功能性接合前端包括具有点阵列的前端。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述点阵列被外接圆限定。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述外接圆具有介于约0.5英寸至约3英寸之间的周长。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述配准探针沿着所述纵向轴线具有介于约100mm至约400mm之间的总长度。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述远端部分和所述近端部分中的一个的至少一部分是直的，使得所述至少一部分沿着所述纵向轴线延伸。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述远端部分和所述近端部分中的一个的至少一部分是相对于所述纵向轴线弯曲的。

11.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述远端部分和所述近端部分中的一个的至少一部分是相对于所述纵向轴线弯折的。

12.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述远端部分和所述近端部分中的一个的至少一部分相对于所述纵向轴线偏移。

13.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述功能性接合前端可移除地联接至所述远端部分的远侧端部。

14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述功能性接合前端相对于所述配准探针固定。

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