CN109381258B - 跟踪圆柱形孔口的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种跟踪圆柱形孔口的系统和方法。系统包括：传感器，其被配置成被引入外科植入物的间隙孔中，其中，该传感器被配置成被引入产生的磁场附近并且引起磁场的失真；以及一个或更多个场测量线圈，其被配置成：当传感器在磁场附近时，测量磁场的特性；以及向计算设备提供表示所测量的磁场的特性的信号，其中，计算设备被配置成基于所测量的磁场的特性来确定传感器和间隙孔的位置和取向中的一个或二者。

Description

跟踪圆柱形孔口的系统和方法
技术领域
本公开内容涉及跟踪圆柱形孔口。
背景技术
电磁跟踪(EMT)系统用于在医疗手术、虚拟现实(VR)设置和增强现实(AR)设置等中帮助进行仪器和解剖结构的定位。这样的系统可以基于所测量的传输磁场的失真来确定传感器的位置。
发明内容
电磁跟踪(EMT)系统可以用于在医疗手术期间跟踪医疗设备。例如，在外科手术环境中，EMT系统可以用于在外科手术期间跟踪外科植入物例如髓内(IM)钉的位置和/或取向。特别地，可以通过跟踪被定位在每个间隙孔内的无线传感器的位置和/或取向来跟踪IM钉的一个或更多个间隙孔的位置和/或取向。在一些实现方式中，传感器可以包括填充有铁磁流体芯的壳体。传感器的磁性被配置成在产生的磁场中引起失真，并且场测量线圈被配置成测量失真的特性并且将这种测量结果提供给计算设备。然后，计算设备可以基于所接收的测量结果来确定传感器的位置和/或取向(以及例如IM钉的间隙孔的位置和/或取向)。
在一些实现方式中，间隙孔和传感器二者都具有圆柱形状并且是圆柱对称的。因此，不需要跟踪传感器的取向的滚转分量。因此，传感器可以是五自由度(5DoF)传感器，同时仍然确定间隙孔的精确位置和取向，由此简化跟踪，使得能够使用更低成本的硬件，并最小化计算设备确定间隙孔的位置和取向所需的计算能力的量。
在一些实现方式中，将传感器定位在间隙孔内可以提供许多优点。在植入期间，IM钉可能经受外力。这种外力可能由于(例如当IM钉被锤入骨中时)施加到钉的应力而自然发生。这种外力可能导致IM钉弯曲。弯曲可能导致间隙孔相对于未被定位在间隙孔内的传感器的位置和取向改变，从而导致定位误差。另一方面，如果传感器被定位在间隙孔内，则由于IM钉的变形而导致的间隙孔的位置和取向的变化相应地由传感器经历。
在一些实现方式中，一旦外科手术结束，可以从IM钉和患者身体移除传感器中的一些或全部。例如，可以通过刺穿壳体并使用永磁体将铁磁流体磁性地拉出体外来移除铁磁流体。然后可以移除壳体。替选地，壳体可以由生物相容的和/或可生物降解的材料制成，并且因此壳体可以留在患者体内。
在一个方面中，系统包括传感器，该传感器被配置成被引入外科植入物的间隙孔中。该传感器被配置成被引入产生的磁场附近并且引起磁场的失真。该系统还包括一个或更多个场测量线圈，其被配置成：当传感器在磁场附近时，测量磁场的特性。一个或更多个场测量线圈还被配置成向计算设备提供表示所测量的磁场的特性的信号。计算设备被配置成基于所测量的磁场的特性来确定传感器和间隙孔的位置和取向中的一个或二者。
实现可以包括下述特征中的一个或多个。
在一些实现方式中，外科植入物是髓内(IM)钉。
在一些实现方式中，IM钉被插入患者的股骨中。
在一些实现方式中，紧固件从患者的腿的外部处的位置插入间隙孔中。基于所确定的传感器和间隙孔的位置和取向中的一个或二者来识别患者的腿的外部处的位置。
在一些实现方式中，传感器具有圆柱形状。
在一些实现方式中，传感器和间隙孔是圆柱对称的。
在一些实现方式中，传感器的直径基本上等于间隙孔的直径。
在一些实现方式中，传感器是五自由度(5DoF)传感器。
在一些实现方式中，传感器包括包含铁磁流体的壳体。
在一些实现方式中，壳体和铁磁流体中的一个或二者是生物相容的或可生物降解的，或者是生物相容的且可生物降解的。
在一些实现方式中，铁磁流体包括液体和粉末中的一个或两者。
在一些实现方式中，铁磁流体包括超顺磁性氧化铁纳米颗粒(SPION)。
在一些实现方式中，SPION包括磁铁矿(Fe3O4)和磁赤铁矿(γ-Fe2O3)中的一个或两者。
在一些实现方式中，壳体包括聚合物。
在一些实现方式中，铁磁流体被配置成通过刺穿壳体并且在壳体附近引入磁力来从壳体移除。
在一些实现方式中，壳体被插入间隙孔中的紧固件刺穿。
在一些实现方式中，传感器是无线的。
在另一方面中，方法包括：将传感器引入外科植入物的间隙孔中。传感器被配置成被引入产生的磁场附近并且引起磁场的失真。该方法还包括：从一个或更多个场测量线圈接收表示当传感器在磁场附近时测量的磁场的特性的信号。该方法还包括：基于所测量的磁场的特性来确定传感器和间隙孔的位置和取向中的一个或二者。
实现可以包括下述特征中的一个或多个。
在一些实现方式中，该方法还包括：从一个或更多个场测量线圈接收表示当传感器未在磁场附近时测量的磁场的特性的信号。
在一些实现方式中，确定传感器和间隙孔的位置和取向中的一个或二者包括：将当传感器未在磁场附近时测量的磁场的特性与当传感器在磁场附近时测量的磁场的特性进行比较。
在附图和以下描述中阐述了本文中描述的主题的一个或更多个实施方式的细节。根据说明书和附图以及根据权利要求书，该主题的其他特征、目的和优点将变得明显。
附图说明
图1是包括场产生线圈、场测量线圈和传感器的电磁跟踪(EMT)系统的示意图。
图2示出了EMT系统中存在的磁场的示例。
图3示出了具有椭球体形状的EMT系统的传感器的示例。
图4A至图4C示出了用于EMT系统的传感器的其他示例。
图5A至图5E示出了一系列图示，其示出了插入骨折的股骨中的髓内(IM)钉。
图6示出了图5A至图5E的IM钉的局部剖视图。
图7示出了IM钉的示例，其中传感器被插入IM钉的间隙孔中。
图8是示例计算机系统的框图。
在各个附图中，相同的附图标记指示相同的元件。
具体实施方式
电磁跟踪(EMT)系统可以用于医疗设置、虚拟现实(VR)设置、增强现实(AR)设置等，以跟踪设备。例如，在外科手术环境中，EMT系统可以用于跟踪医疗设备、机器臂等，从而使得在医疗手术期间医疗专业人员(例如外科医生)能够知道设备的三维位置和取向。患者体内的这种电磁跟踪可以用于图像引导手术中的引导目的，并且在一些情况下可以允许减少对诸如荧光检查的其他成像方式的依赖，所述成像方式可能使患者暴露于电离辐射的健康风险。
图1和图2呈现了EMT系统100的示例性实施方式，EMT系统100可以用于对患者102进行的图像引导医疗手术。该系统可以允许对解剖器官、结构或血管进行靶向，以用于可视化、诊断、介入目的等。通常，系统100包括被配置成生成磁场112(Hext)的一个或更多个场产生线圈104。系统100还包括被配置成测量磁场112的特性的一个或更多个场测量线圈106。当具有磁性的对象被引入系统100(例如，在场产生线圈104和/或在场测量线圈106附近)时，所产生的磁场112失真。场测量线圈106被配置成测量这种失真的特性并且将测量结果提供给计算设备110。计算设备110被配置成基于测量结果来确定与对象有关的信息(例如，位置信息和取向信息中的一个或二者)。
例如，被引入系统100的对象可以是传感器108例如无线传感器108。传感器108包括可以具有一种或更多种磁性的铁磁流体(图3的304)。具体地，铁磁流体304是在存在磁场(例如磁场112)的情况下被磁化的流体。因此，当传感器108在磁场112附近时，传感器108引起磁场112的失真。换言之，传感器108与由场产生线圈104产生的磁场112相互作用，以产生失真磁场114(Hint)。在传感器108中还产生感应力矩116(ηind)。失真磁场114的特性可以对应于传感器108的位置(例如x、y、z坐标)和取向(方位角(ψ)、高度(θ)、滚转
Figure BDA0001759776860000041
角)。因此，场测量线圈106可以测量磁场的特性(例如，当传感器108不存在时的磁场112和/或当传感器108存在时的失真磁场114)，向计算设备110提供表示测量的特性的信号，并且计算设备110可以基于测量结果来确定传感器108的位置和取向中的一个或二者。以这种方式，传感器108可以用作六自由度(6DoF)传感器，其被配置成允许测量与前/后位置、上/下位置、左/右位置、方位角、高度和滚转有关的位置和取向信息。
如图1所示，场产生线圈104(例如有时称为场线圈)和场测量线圈106(例如有时称为拾取线圈)可以通过有线连接连接到计算设备110，但是无线连接也是可能的。场产生线圈104的位置和场测量线圈106的位置可以是计算设备110已知的(例如相对于计算设备110的x、y和z坐标)。例如，场测量线圈106可以测量在不存在传感器的情况下由场产生线圈104产生的磁场112的一个或更多个特性，以获得基线磁场测量。可以将表示测量的特性的信号提供给计算设备110。
在一些实现方式中，场产生线圈104可以被定位在外科钻处、外科台处(例如，结合到外科台中)和/或放置在患者102处/附近的某处。场测量线圈106可以被定位在与场产生线圈104间隔开的位置处(例如，在与场产生线圈104的位置不同的位置处)。在一些实现方式中，场测量线圈106可以被定位在外科钻处、外科台处和/或被放置在患者102处/附近的某处。在一些实现方式中，场产生线圈104或场测量线圈106可以被结合到围绕患者102的腿部放置的环中。
在一些实现方式中，传感器阵列可以用于跟踪场产生线圈104被定位的位置。例如，传感器阵列(例如中继器)可以被定位在与场产生线圈104间隔开的位置处，以跟踪场产生线圈104(以及例如外科钻)的位置。在一些实现方式中，例如在EMT系统100被相对过度确定(例如，包括诸如每线圈八个或更多个的相对大数量的场产生线圈104和场测量线圈106)的实现方式中，可以数字地确定场产生线圈104、场测量线圈106和传感器阵列的相对位置的解决方案。在这样的实施方式中，传感器阵列还可以被定位在外科钻处，使得场产生线圈104和传感器阵列相对于彼此具有固定位置。
可以以无线方式将传感器108引入磁场112附近(例如，使得传感器108不在物理上连接到计算设备110)。例如，传感器108可以被结合到在医疗手术期间要跟踪的医疗设备中。传感器108的铁磁流体304(以及例如传感器108的任何其他磁性和/或金属部分)使得由场产生线圈104产生的磁场112失真。也就是说，传感器108的磁性引起传感器108附近的磁场112的失真。通过失真磁场114来说明这种变化和/或失真。失真磁场114的特性取决于传感器108的位置和取向。例如，当传感器108位于第一位置处时，失真磁场场114可以具有第一形状和/或强度；当传感器108位于第二位置处时，失真磁场114可以具有第二形状和/或强度；当传感器108位于第二位置处但具有不同的取向时，失真磁场114可以具有第三形状和/或强度等。场测量线圈106被配置成测量失真磁场114的一个或更多个特性(例如与磁场的形状和/或强度对应的特性)，并且向计算设备110提供表示测量的特性的信号。失真磁场114的一个或更多个特性可以包括诸如场强等的特性。在一些实现方式中，测量投射在场测量线圈106上的场强(即本地线圈坐标系中的3D场矢量的一个场分量)。在一些实现方式中，可以从失真磁场114的特性的测量结果获得全3D知识。
计算设备110被配置成基于接收到的表示失真磁场114的测量特性的信号来确定传感器108的位置和取向中的一个或二者。在一些示例中，计算设备110可以确定传感器108相对于计算设备110的位置和/或取向、场产生线圈104的位置和/或取向、场测量线圈106的位置和/或取向等的位置和/或取向。在一些实现方式中，计算设备110可以通过将(例如当不存在传感器108时)所测量的磁场112的特性与(例如当存在传感器108时)所测量的失真磁场114的特性进行比较来确定传感器108的位置和/或取向。可以使用一个或更多个算法或数学公式来确定传感器108的位置和/或取向。在一些实现方式中，算法可以考虑第一近似，其中未受干扰的场是已知的并且假设为偶极子。可以使用一种或更多种EM跟踪技术来确定偶极子的位置和取向。然后可以通过考虑由外部磁场112的取向给出的传感器108的铁磁流体304的磁化的取向来优化偶极子的位置。在一些实现方式中，由于传感器108的非球形的形状，偶极矩不仅会随着强度而改变，而且还会随着外部磁场112的取向而改变，这使得能够获得传感器108的取向。
图3示出了图1和图2的传感器108的示例。传感器108包括包含铁磁流体304的壳体302。在所示的示例中，传感器108具有由下述三个轴限定的椭球体形状：a-轴310、b轴320和c轴330。在所示的示例中，各轴具有不相等的长度。也就是说，a轴310的长度不等于b轴320的长度，并且c轴330的长度不等于a轴310或b轴320的长度。这样的配置确保了传感器108可以提供6DoF跟踪。例如，由于三个轴具有不相等的长度，因此可以明确地确定传感器108的确切位置和取向。例如，如果b轴320与c轴330的长度相同，则方位角(ψ)取向分量可能是不可测量的。在一些实现方式中，传感器108的尺寸之间的关系可以与图3中所示的不同(例如，取决于具体应用)。
铁磁流体304可以包括具有可以影响产生的磁场的磁性的任何材料。在一些实现方式中，铁磁流体304包括液体和粉末中的一个或二者。在一些实现方式中，铁磁流体304包括氧化铁颗粒，例如超顺磁性氧化铁纳米颗粒(SPION)。SPION可以包括磁铁矿(Fe3O4)、磁赤铁矿(γ-Fe2O3)等。在一些实现方式中，SPION可以具有约1至100纳米之间的直径。
在一些实现方式中，壳体302和铁磁流体304中的一个或二者可以是生物相容的和/或可生物降解的。例如，壳体302和/或铁磁流体304可以由对活组织无害的材料制成。在一些实现方式中，壳体302由生物相容的且可生物降解的聚合物和/或蜡制成。以这种方式，壳体302可以留在患者体内，以不伤害患者的方式分解。
在一些实现方式中，传感器108可以被配置成被引入患者体内。例如，传感器108可以被结合到在医疗手术期间要使用的外科工具(例如钻、手术刀等)中。在一些实现方式中，传感器108可以被结合到要插入患者体内的外科植入物(例如髓内(IM)钉)中。特别地，传感器108可以被定位在IM钉的孔口(例如，螺钉孔)内，使得在IM钉被放置在患者体内之后(例如在IM钉被插入患者的骨骼之后)可以跟踪孔口的位置和/或取向。通过跟踪传感器108的定位和取向，医疗专业人员可以例如确定患者身体外部上应插入螺钉的位置，以便对准螺钉孔并且将植入物固定到抵靠骨骼的地方。
在一些实现方式中，传感器108可以被配置成定位在患者体内的难以接近的位置处。例如，传感器108可以被定位在接近患者的精细解剖结构(例如，如果受损则可能对患者产生伤害的解剖结构)的位置处，例如被定位在血管中(例如血流中)、肿瘤中等。
在一些实现方式中，传感器108可以是柔性的(例如可以具有有限的刚性)。通过提供柔性传感器108，可以最小化或消除在插入期间对患者的解剖结构的潜在损害。在一些实现方式中，传感器108可以分多个阶段被引入患者体内。例如，可以首先将壳体302引入患者体内，然后可以将铁磁流体304引入患者体内。以这种方式，壳体302可以被插入患者身体的难以接近的区域中(例如，由于未填充壳体302的减小的尺寸)，并且此后可以将铁磁流体304注入壳体302中。类似地，传感器108可以分多个阶段从患者身体移除。例如，在医疗手术之后，可以刺穿壳体302并且可以移除铁磁流体304。在一些实现方式中，通过刺穿壳体302并在刺穿的壳体302附近引入磁力(例如永磁体)来移除铁磁流体304。在移除铁磁流体304之后，可以从患者的身体移除壳体302。在一些实现方式(例如壳体302是生物相容的和/或可生物降解的实现方式)中，壳体302可以留在患者体内。
在一些实现方式中，传感器108的特性使得：当机械应力被施加到传感器108时，传感器108的磁性保持不变(或例如在很大程度上不变)，例如，这是由于铁磁流体304未经受通常会在固体铁磁体中看到的应变和应力(例如，因为它是流体)。例如，当传感器108暴露于机械应力时，铁磁流体304可以在很大程度上保持其磁性。以这种方式，传感器108可以以限定和可预测的方式使磁场112失真，并且使得场测量线圈106能够测量失真磁场114的特性，从而提供传感器108的位置和/或取向的精确指示。即使在传感器108由于被引入患者体内而受到应力的情况下，也可以提供这种精确的测量。
虽然传感器108在很大程度上被描绘为具有椭球体形状，但是其他形状也是可能的。图4A至图4C示出了具有各种形状的其他传感器的示例。如图4A所示，在一些实现方式中，用于EMT系统100的传感器410可以具有圆柱形状。如图4B所示，在一些实现方式中，用于EMT系统100的传感器420可以具有药丸形状(例如，在顶端和底端具有半球的圆柱体)。如图4C所示，在一些实现方式中，用于EMT系统100的传感器430可以具有长方体形状，例如立方体或矩形棱柱。传感器410、420、430可以具有多个尺寸中的任何尺寸。例如，如上面参考图3所述，限定传感器410、420、430中的每一个的轴(例如，a轴、b轴和c轴)可以具有不相等的长度。在一些实现方式中，这些轴中的一个或更多个的长度可以等于其他轴中的一个或更多个的长度。
一个或更多个场产生线圈104(例如有时称为发射器)可以包括单个场产生线圈或场产生线圈阵列。类似地，一个或更多个场测量线圈106(例如有时称为接收器)可以包括单个场测量线圈或场测量线圈阵列。当线圈阵列用于一个或更多个场产生线圈104时，每个线圈可以被顺序地激励，每个线圈产生其自身的磁场并且在传感器108中引发不同的响应。当线圈阵列用于一个或更多个场测量线圈106时，每个线圈可以在每个场产生线圈104被激励期间被顺序地激励，每个线圈测量所得磁场的特性(例如，磁场112和失真磁场114中的一个或二者)。
在一些实现方式中，场产生线圈104中的一个或更多个可以用于测量目的，并且场测量线圈106中的一个或更多个可以用于场产生目的。换言之，场产生线圈104中的一个或更多个可以用作场测量线圈106和/或场测量线圈106中的一个或更多个可以用作场产生线圈104。场产生线圈104和场测量线圈106可以具有允许这种用途交换的配置和结构。
在一些实现方式中，包括本文中所描述的无线传感器108、410、420、430的EMT系统100可以用于在外科手术期间跟踪外科植入物例如髓内(IM)钉。IM钉(也称为IM杆)是被迫使进入骨的髓腔以处理身体的长骨的骨折和/或断裂的金属杆。
图5A至图5E示出了一系列图，其示出了IM钉被插入骨折的股骨中。股骨的上半部分502a可能变成与股骨的下半部分502b分离(图5A)。可以在长度方向上从股骨的上半部分502a的上表面穿过股骨的上半部分502a、穿过股骨的下半部分502b的上表面、并且穿过股骨的下半部分502b钻孔(图5B)。然后可以通过所钻的孔将IM钉504插入股骨502中(图5C)。可以将紧固件506穿过患者的腿部、穿过股骨502并且插入IM钉504中(图5D)，从而将IM钉504固定就位(图5E)。
图6示出了IM钉504的局部剖视图。IM钉包括多个间隙孔602，每个间隙孔602被配置成接纳紧固件506中的一个。在一些实现方式中，紧固件506是被配置成将IM钉504固定到股骨502的螺钉。一旦IM钉504被插入股骨502中(例如，通过将IM钉504锤击到钻孔内的适当位置)，则可能难以确定间隙孔602的位置。在一些实现方式中，可以使用成像技术来确定间隙孔602的位置。例如，可以离散地或连续地拍摄IM钉504和间隙孔602的一个或更多个X射线图像，以确定间隙孔602的确切位置。然后可以从患者的腿部外侧将紧固件506插入间隙孔602中。然而，过度成像可能对患者有害，因此可能是不利的。
在一些实现方式中，IM钉504可以是基本上空的，使得IM钉504可以容纳一个或更多个传感器。例如，传感器604(例如，诸如上述传感器108、410、420、430)可以位于IM钉504的空腔606内的接近每个间隙孔602的位置。传感器604可以是六自由度(6DoF)传感器，其被配置成使得能够测量与前/后位置、上/下位置、左/右位置、方位角、高度和滚转相关的位置和取向信息。在将IM钉504插入股骨502之前，可以将传感器604定位在IM钉504的腔606内的相对于间隙孔602的已知位置处。可以使用上面针对图1描述的EMT系统100来跟踪传感器604。因此，当跟踪传感器604的位置和取向时，也可以确定间隙孔602的相对位置和取向。
在一些实现方式中，不是将传感器604定位在IM钉504的腔606内的接近间隙孔602的位置，而是可以将传感器604插入到间隙孔602自身中。图7示出了传感器704被定位在IM钉504的间隙孔602中的示例。使用所示的布置，可以通过跟踪传感器704的位置和取向来直接跟踪间隙孔602的位置和取向(例如，而不是依赖于传感器704的位置与间隙孔602的位置之间的预定关系)。
在所示的示例中，传感器704具有圆柱形状(例如，类似于图4A的传感器410)。这种圆柱形状对于传感器704可能是期望的，因为已知间隙孔602可以是圆柱形的。由于传感器704和间隙孔602是圆柱对称的，因此传感器704的取向的滚转分量可能变得不重要。在一些实现方式中，间隙孔602的一个或更多个尺寸和传感器704的一个或更多个尺寸，例如相应的直径，基本相似。因此，在该示例中，传感器704可以是五自由度(5DoF)传感器，其被配置成使得能够测量与前/后位置，上/下位置，左/右位置，方位角和高度(例如，而不是滚转)相关的位置和取向信息。因此可以简化跟踪，可以使用成本较低的硬件，并且可以最小化跟踪传感器704的计算能力。此外，可以以更高的确定性和/或准确度来确定间隙孔602的位置。
将无线传感器704用于IM钉外科手术可以提供许多优点。例如，IM钉外科手术中使用的传感器通常是有线传感器，该有线传感器需要将导线穿过IM钉的腔到达计算系统。这种导线可能使得在该手术之后难以移除传感器。在一些实现方式中，如上所述，本文中描述的传感器704可以是生物相容的和/或可生物降解的。例如，传感器704的壳体和/或传感器704的铁磁流体芯可以由对活组织无害的材料制成。因此，在IM钉外科手术之后并且一旦紧固件506从患者的腿部外侧插入间隙孔602中，传感器704的残余物可以留在患者内以安全地降解。替选地，通过在传感器704附近引入磁力(例如永磁体)，可以从间隙孔602和患者身体移除传感器704中的一些或全部。例如，在传感器704包括壳体和铁磁流体芯的实现方式中，当紧固件506被插入传感器704所驻留的间隙孔602中时，传感器704的壳体可以被刺穿。可以在间隙孔602附近施加永磁体，以从患者拉出铁磁流体，同时将生物相容和/或可生物降解的壳体留下。
在一些实现方式中，将无线传感器704定位在间隙孔602内可以提供许多优点。在植入期间，IM钉504可能经受外力。由于施加到IM钉504的应力(例如，当IM钉504被锤入骨中时)，这种外力可能自然地发生。这种外力可能使IM钉504弯曲。弯曲可以使间隙孔602相对于未被定位在间隙孔602内的传感器的位置和取向改变，从而导致定位误差。另一方面，如果无线传感器704被定位在间隙孔602内，则由于IM钉504的变形而导致的间隙孔602的位置和取向的变化，相应地由无线传感器704经历。
在一些实现方式中，可以通过采用利用经验知识(例如，传感器的已知位置和/或取向的历史)的技术来最小化和/或消除EMT系统100中的镜像对称性。
上述EMT系统100可以使用被包括在计算机可读介质上以在计算机(例如图1的计算设备110)上执行的软件来实现。例如，软件可以在一个或更多个计算机程序中形成过程，该过程在一个或更多个编程或可编程计算机系统(可以是各种体系结构)上执行。
图8是示例计算机系统800的框图。图1的计算设备110可以是这里描述的计算机系统800的示例。系统800可以包括处理器810、存储器820、存储设备830和输入/输出设备840。例如，部件810、820、830和840中的每一个可以使用系统总线850进行互连。处理器810能够处理用于在系统800内执行的指令。处理器810可以是单线程处理器、多线程处理器或量子计算机。处理器810能够处理存储在存储器820中或存储设备830上的指令。处理器810可以执行诸如使EMT系统100确定传感器108的位置和/或取向的操作。
存储器820存储系统800内的信息。在一些实现方式中，存储器820是计算机可读介质。存储器820可以例如是易失性存储器单元或非易失性存储器单元。
存储设备830能够为系统800提供大容量存储。在一些实现方式中，存储设备830是非暂态计算机可读介质。存储设备830可以包括例如硬盘设备、光盘设备、固态驱动器、闪存驱动器、磁带或一些其他大容量存储设备。替选地，存储设备830可以是云存储设备，例如，包括分布在网络上并使用网络访问的多个物理存储设备的逻辑存储设备。在一些实现方式中，存储在存储器820上的信息也可以存储在存储设备830上或者替代地存储在存储设备830上。
输入/输出设备840为系统800提供输入/输出操作。在一些实现方式中，输入/输出设备840包括一个或更多个网络接口设备(例如以太网卡)、串行通信设备(例如RS-232 10端口)和/或无线接口设备(例如短程无线通信设备、802.11卡、3G无线调制解调器或4G无线调制解调器)。在一些实现方式中，输入/输出设备840包括被配置成接收输入数据并且将输出数据发送到其他输入/输出设备例如键盘、打印机和显示设备的驱动器设备。在一些实现方式中，使用移动计算设备、移动通信设备和其他设备。
在一些实现方式中，系统800是微控制器。微控制器是在单个电子封装中包含计算机系统的多个元件的设备。例如，单个电子封装可以包含处理器810、存储器820、存储设备830和输入/输出设备840。
尽管在图8中描述了示例计算机系统，但是上述主题和功能操作的实现方式可以在其他类型的数字电子电路中实现，或者以计算机软件、固件或硬件(包括在本说明书中公开的结构及其结构等同物)来实现，或者以它们的一个或更多个的组合来实现。本说明书中描述的主题的实现方式可以被实现为一个或更多个计算机程序产品，即，编码在有形程序载体例如计算机可读介质上的计算机程序指令的一个或更多个模块，所述模块例如由处理系统执行或者用于控制处理系统的操作。计算机可读介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储基板、存储器设备、影响机器可读传播信号的物质组合，或者它们中的一个或更多个的组合。
术语“计算机系统”可以包括用于处理数据的所有装置、设备和机器，例如包括可编程处理器、计算机或多处理器或计算机。除了硬件之外，处理系统还可以包括为所讨论的计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或它们中的一个或更多的组合的代码。
计算机程序(也称为程序、软件、软件应用、脚本、可执行逻辑或代码)可以用包括编译语言或解释语言或者声明语言或过程语言的任何形式的编程语言编写，并且可以以包括作为独立程序或作为模块、组件、子例程或适合在计算环境中使用的其他单元的任何形式部署。计算机程序不一定对应于文件系统中的文件。程序可以被存储在保存其他程序或数据(例如存储在标记语言文档中的一个或更多个脚本)的文件的一部分中，可以被存储在专用于所讨论的程序的单个文件中，或者可以被存储在多个协作文件(例如，存储一个或更多个模块、子程序或代码部分的文件)中。计算机程序可以被部署成在一个计算机上执行或者在位于一个站点处或分布在多个站点上并通过通信网络互连的多个计算机上执行。
适用于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括以下中的所有形式：非易失性或易失性存储器、介质和存储器设备，作为示例包括半导体存储器设备，例如EPROM、EEPROM和闪存设备；磁盘，例如内部硬盘或可移除盘或磁带；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或并入专用逻辑电路中。系统的部件可以通过任何形式或介质的数字数据通信例如通信网络进行互连。通信网络的示例包括局域网(“LAN”)和广域网(“WAN”)例如因特网。
已经描述了许多实施方式。然而，应理解，在不脱离本文中描述的主题的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。其他这样的实施方式在所附权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种电磁跟踪系统，包括：
传感器，被配置成被引入外科植入物的间隙孔中，所述传感器具有三维正交几何结构，其中，所述传感器的每个正交维度具有不同的长度，其中，所述传感器被配置成被引入产生的磁场附近并且引起所述磁场的失真；以及
一个或更多个场测量线圈，被配置成：
当所述传感器在所述磁场附近时，测量所述磁场的特性；以及
向计算设备提供表示所测量的磁场的特性的信号，
其中，所述计算设备被配置成：基于所测量的磁场的特性来确定所述传感器和所述间隙孔的位置和取向。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述外科植入物是髓内钉。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述髓内钉被配置成被插入患者的股骨中。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，紧固件被配置成从所述患者的腿的外部处的位置插入所述间隙孔中，其中，基于所确定的所述传感器和所述间隙孔的位置和取向中的一个或二者来识别所述患者的腿的外部处的所述位置。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器具有圆柱形状。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述传感器和所述间隙孔是圆柱对称的。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述传感器的直径基本上等于所述间隙孔的直径。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器是五自由度传感器。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器包括包含铁磁流体的壳体。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述壳体和所述铁磁流体中的一个或二者是生物相容的或可生物降解的，或者是生物相容的且可生物降解的。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述铁磁流体包括液体和粉末中的一种或两者。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述铁磁流体包括超顺磁性氧化铁纳米颗粒。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述超顺磁性氧化铁纳米颗粒包括磁铁矿和磁赤铁矿中的一种或二者。
14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述壳体包括聚合物。
15.根据权利要求9所述的系统，其中，所述铁磁流体被配置成通过刺穿所述壳体并且在所述壳体附近引入磁力来从所述壳体移除。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述壳体被插入所述间隙孔中的紧固件刺穿。
17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器是无线的。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器具有椭球体形状。
19.一种电磁跟踪方法，包括：
将传感器引入外科植入物的间隙孔中，其中，所述传感器被配置成被引入产生的磁场附近并且引起所述磁场的失真，所述传感器具有三维正交几何结构，其中，所述传感器的每个正交维度具有不同的长度；
由计算设备从一个或更多个场测量线圈接收表示当所述传感器在所述磁场附近时测量的所述磁场的特性的信号；以及
由所述计算设备基于所测量的磁场的特性来确定所述传感器和所述间隙孔的位置和取向。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：由所述计算设备从所述一个或更多个场测量线圈接收表示当所述传感器不在所述磁场附近时测量的所述磁场的特性的信号。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，确定所述传感器和所述间隙孔的位置和取向包括：将当所述传感器不在所述磁场附近时测量的所述磁场的特性与当所述传感器在所述磁场附近时测量的所述磁场的特性进行比较。
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