CN111587092B - 电磁髓内钉螺丝定位系统 - Google Patents

Abstract

电磁髓内钉螺丝定位系统用来在手术过程中协助骨科医生将螺丝钻头引导器与髓内钉中的螺丝接收孔精确对准。但是，由于存在大量不同类型的髓内钉，因此必须在每次手术期间对系统进行校准。描述了一种改进的校准系统，不再需要外科医生在手术期间进行校准以节省时间并提高鲁棒性。该系统被定期校准，且在存储器中针对一系列钉子类型保存相对于参考钉的偏移信息。在外科手术期间，外科医生输入钉子标识，系统就会查找相关的偏移并将该偏移应用于所测得的信号，以引导螺丝钻头引导器与螺丝接收孔对准。

Description

电磁髓内钉螺丝定位系统

优先权文件

本申请要求2017年8月15日提交的发明名称为“电磁髓内钉螺丝定位系统”的澳大利亚临时专利申请为2017903273的澳大利亚临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本公开涉及骨科手术。具体地，本发明涉及使用电磁设备对骨科设备的一部分进行位置检测。

背景技术

治疗长骨骨干骨折的一种常见骨科手术方法是将髓内钉（IntraMedullary NailIMN）插入骨头的髓内空间，然后用螺丝将骨头固定到钉子上，螺丝与钉子中的孔配合和/或穿过钉子中的孔。这些孔通常至少位于钉子的近端和远端（在本文中，近端是指钉子进入骨头的入口点）。与该过程有关的困难在于，一旦将钉子插入骨中，这些孔的确切位置将被周围的组织和骨隐藏，从而难以识别打钻的位置。

因此，标准的外科手术过程是利用X射线成像获得一系列静止图像或实时荧光透视成像，以识别骨头、钉子和孔的相对位置，以允许在手术期间正确放置骨科设备并对准。然而，这种放射学方法的显著缺点是，这种做法通常会使外科医生和手术人员暴露于潜在的有害辐射下（尤其是手部）。此外，辐射和检测设备不便于组装或必须带入手术室。尽管获得的图像很有帮助，但由于它们仍然不够精确，因此可能需要较长时间才能生成有用的图像。这增加了手术时间以及手术过程的费用。

已经使用各种方法来解决这些问题。一种方法是使用附接到IMN的夹具，该夹具设计为对钻头进行引导，以无需通过X射线成像确认螺丝的放置，就可以确保准确地放置互锁螺丝使其穿过骨头到达位于骨头内的IMN。尽管已经知道钻头对准夹具能够成功地对准位于近端的一个或多个螺孔，但是当IMN的远端插入骨中时，它经常会发生明显的挠曲。这导致明显的远端夹具对准误差，因此需要进行一次或多次X射线检查来识别远端孔的确切位置，并确保或确认在制作骨中的位于远端的孔之前，钻头引导器被准确定位。

在另一种变化形式中，利用额外的切口和与钉子垂直地打钻的孔。将前瞄准钩（anterior aiming hook）穿过该孔，以物理定位IMN，并针对IMN挠曲校正引导器的对准。尽管这种方法可以减少或消除对X射线图像的需求，但缺点是需要更复杂的对准夹具，并给患者带来额外的创伤。

还探索了各种电磁定位技术。例如，已经提出的一种电磁方法是静态磁场瞄准法，其涉及检测插入IMN中的永磁体的位置。有源电磁系统使用电磁发射器和接收器，发射器和接收器中的至少一个位于或插入钉子内以帮助识别。

基于电磁的方法的一个困难是它们必须灵敏到足以检测金属部件中的小空洞的位置。这样一来，不管是因为手术设备本身（无论是因为设备是铁磁的（即钢钉）还是因为导电非铁磁材料（例如钛钉）中产生涡流）还是因为附近存在导体或电磁场所造成的电磁场畸变，它们都敏感。畸变的确切性质因手术不同而不同，取决于钉子的长度、材料以及手术设备的相对位置。例如，对静态磁场瞄准法进行实际调查后发现，该系统的瞄准精度不够，由于来自其他来源和附近铁磁材料的磁场大小相似，存在较大的偏移值，这对瞄准很不利，导致无法可靠地使用该方法。

有源系统的性能更好。例如，在一个系统中，IMN包括一个中心轴（即，是空心的），传感器以已知的距离插入该轴中。两个发射器位于支撑臂上，该支撑臂固定在围绕钻套的对准夹具上。微控制器处理信号，显示模块显示钉子和孔的位置以及当前的打钻位置。然后可以调整钻孔夹具，直到当前打钻位置与目标孔对准为止。尽管已证明该系统有效果，但一个缺点是必须在手术期间进行系统的校准。这包括外科医生（或其他手术人员）将无菌钉子插入夹具中，将传感器插入钉子的轴中，将支撑臂固定到夹具上，然后调节夹具，直到支撑臂中的钻套与钉子上的目标孔对准为止。此时，用户按下设置按钮以通知控制器系统已对准。然后拆卸系统，将钉子插入患者的骨头中，然后插入传感器。然后使用支撑臂将夹具重新组装到患者身上，并使用显示模块将校准后的系统用于将钻套与目标孔对准。一旦钻套对准，外科医生进行钻孔并插入螺丝。

该校准过程并不理想，因为它必须在手术期间进行，因此占用了宝贵的时间。而且，它要求在将灭菌的钉子放置在患者体内之前将其插入灭菌的夹具中，这增加了钉子可能被污染的风险。此外，它将正确执行校准过程的责任施加到外科医生或手术人员身上。尤其是，它要求远离金属部件和电磁源执行该过程，这可能会使钉子周围的电磁场失真，从而导致错误的校准。例如，理想状态是在远离手术设备的自由空间（例如，空气中）中进行校准，但是如果是在手术过程中由外科医生或手术人员进行校准，则这种情形未必会出现。

因此，需要提供一种改进的电磁瞄准系统和校准方法，或者至少提供现有系统和方法的有用的替代方案。

发明内容

根据第一方面，提供一种用于电磁髓内钉螺丝定位系统的控制装置，用于将钻头引导机构定位，该钻头引导机构能够用于将钻头引导到髓内钉中的螺丝接收孔，该装置包括：

至少一个处理器、至少一个存储器和用户界面，

其中：存储器包括多个偏移值，每个偏移值与髓内钉标识相关联，且存储器包括指令以使处理器：

通过用户界面从用户接收髓内钉标识；

向一个或多个信号发射和接收电路发送至少一个控制信号，以从至少一个换能器发射一个或多个信号；

从至少一个换能器接收来自一个或多个信号发射和接收电路的至少一个接收信号；

使用至少一个接收信号来估计位于螺丝接收孔附近的换能器相对于钻头引导机构的纵向轴线的位置；

使用所接收的髓内钉标识来确定偏移值；

将所确定的偏移应用于换能器的位置的估计，以获得更新的估计；以及

使用用户界面指示位于螺丝接收孔附近的换能器相对于钻头引导机构的纵向轴线的位置的更新的估计。

在一种形式中，所接收的钉子标识包括钉子直径、钉子成分、钉子长度和钉子侧（nail side）中的一项或多项。在另一种形式中，所接收的钉子标识包括产品代码或目录号。在另一种形式中，控制装置包括条形码扫描器，且从条形码扫描器接收钉子标识。

在一种形式中，多个偏移值在至少一个存储器中被保存为偏移表，其中，每个偏移都与钉子标识相关联。在另一种形式中，偏移值是从在外科手术之前执行的参考校准过程获得的，其中，参考校准过程包括：

利用电磁髓内钉螺丝定位系统使用参考钉，进行参考校准；

对于一组钉子类型中的每个钉子，测量插入电磁髓内钉螺丝定位系统中的钉子相对于参考钉的对准偏移，其中每种类型都包括钉子直径、钉子成分和钉子长度的唯一组合；以及

将一组测得的对准偏移与每个相关联的钉子类型一起保存在至少一个存储器中。

在一种形式中，控制装置包括显示器，且指示换能器的位置的更新的估计包括：可视地指示位于螺丝接收孔附近的换能器相对于钻头引导机构的纵向轴线的位置的更新的估计。

根据第二方面，提供一种电磁髓内钉螺丝定位系统，包括：

a）框架，包括：

用于附接到髓内钉的髓内钉保持器；

从髓内钉保持器延伸的细长延伸构件，用于允许细长延伸构件相对于髓内钉保持器移动；以及

细长的钻头引导机构，其与延伸构件相关联，以使钻头引导机构的纵轴基本上定向成朝向髓内钉；

b）至少两个换能器，一个换能器位于与螺丝孔之一邻近的髓内钉中，且至少一个换能器相对于细长延伸构件被定位；

c）一个或多个信号发射和接收电路，用于与相应的换能器进行一个或多个信号的通信，以分别发射和接收一个或多个信号；

d）根据上述的控制装置；

其中，延伸构件的位置能够相对于髓内钉保持器移动，直到位置指示装置指示：位于螺丝接收孔附近的换能器关于相对于延伸构件被定位的至少一个换能器被定位成，使得由钻头引导机构引导的钻头将进入或被引导至髓内钉中的螺丝接收孔的正上方位置。

在一种形式中，至少两个换能器包括三个换能器，其中，相对于细长延伸构件被定位的至少一个换能器包括两个换能器，这两个换能器到细长延伸构件的径向距离相等，且估计位于螺丝接收孔附近的换能器的位置包括：比较来自到细长延伸构件的径向距离相等的两个换能器中的每个换能器的一个或多个接收信号的信号幅度。

根据第三方面，提供一种为电磁髓内钉螺丝定位系统的控制器中的存储器生成偏移表的方法，该方法包括：

在手术之前，利用电磁髓内钉螺丝定位系统，使用参考髓内钉进行参考校准；

对于一组髓内钉类型中的每个髓内钉，将髓内钉插入电磁髓内钉螺丝定位系统中，测量被插入的髓内钉相对于参考钉的对准偏移，其中每种类型都包括钉子直径、钉子成分和钉子长度的唯一组合；以及

将一组测得的对准偏移与相关联的钉子类型一起保存在存储器中。

在一种形式中，该方法还包括：将一组测得的对准偏移保存在多个电磁髓内钉螺丝定位系统中的每个的存储器中。

在一种形式中，该方法还包括：将预测模型与所测得的对准偏移拟合；以及将预测模型保存在多个电磁髓内钉螺丝定位系统中的每个的存储器中。

根据第三方面，提供了一种使用电磁髓内钉螺丝定位系统的方法，包括：

在手术之前，利用电磁髓内钉螺丝定位系统，使用参考钉进行参考校准；

将钉子标识输入到电磁髓内钉螺丝定位系统的控制器中，其中该控制器包括存储器，该存储器保存有与钉子标识相关联的偏移；

使用电磁髓内钉螺丝定位系统来估计钉子中的目标孔的位置，其中将偏移应用于来自电磁髓内钉螺丝定位系统的一个或多个定位测量，以生成钉子中的目标孔的位置的更新的估计值，并向用户指示更新的估计。

在一种形式中，输入钉子标识包括：输入钉子直径、钉子成分、钉子长度和钉子侧中的一项或多项。在另一种形式中，输入钉子标识包括：输入产品代码或目录号。在另一种形式中，输入钉子标识包括：对代码（code）进行扫描。

根据第二方面，提供了一种使用电磁髓内钉螺丝定位系统的方法，包括：

在手术之前，利用电磁髓内钉螺丝定位系统，使用参考钉进行参考校准；

将钉子标识输入到电磁髓内钉螺丝定位系统的中央控制器中，其中该中央控制器包括存储器，该存储器保存有与钉子标识相关联的偏移；

使用电磁髓内钉螺丝定位系统来估计钉子中的目标孔的位置，其中将对准偏移应用于定位测量。

在一种形式中，输入钉子标识包括：输入钉子直径、钉子成分、钉子长度和钉子侧。

在一种形式中，输入钉子标识包括：输入产品代码或目录产品代码或目录号。

在一种形式中，输入钉子标识包括：对代码进行扫描。

根据第三方面，提供了一种电磁髓内钉螺丝定位，包括具有处理器和存储器的中央控制器，其中存储器保存多个对准偏移，其中每个偏移与钉子标识相关联；处理器被配置为从用户接收钉子标识，查找与被输入的钉子标识相关联的对准偏移，并在执行定位测量时应用该偏移。

附图说明

参考附图讨论本发明的实施例，其中：

图1A示出了根据本发明的髓内钉和相关联的螺丝。

图1B描绘了被定位并拧入股骨的髓内钉。

图2是根据一个实施例的电磁瞄准系统的立体侧视图。

图2A是根据一个实施例的电磁瞄准系统的手柄和髓内钉的示意图，示出了目标孔的位置。

图3是根据一个实施例的图2的电磁瞄准系统的上部立体图。

图4是根据一个实施例的图2的电磁瞄准系统的端部立体图。

图5是根据一个实施例的为电磁髓内钉螺丝定位系统产生偏置表的方法的流程图。

图6是根据一个实施例的使用电磁髓内钉螺丝定位系统的方法的流程图。

图7是根据一个实施例的对准偏移测量的示意图。

图8是根据一个实施例的中央控制器设备的示意图。

在下面的描述中，在所有附图中，相同的附图标记表示相同或相应的部分。

具体实施方式

现在将描述电磁髓内钉螺丝定位系统的实施例。该系统可与各种长度（或大小）和材料不同的髓内钉（IMN）一起使用，以用于治疗成人和儿童的长骨（例如，但不限于，股骨、胫骨和肱骨）骨干破裂。还应理解，该系统可用于其他医学治疗，其中被认为有利于通过外科手术植入IMN来稳定骨头，例如在骨头疾病或完全断裂的情况下。

图1A示出了IMN 14的示例，在本例的情况下IMN 14是股骨钉，图1B示出了被定位并拧入股骨2中以校正骨折3的股骨钉14。在本实施例中，IMN 14包括多个用于容纳锁定螺丝4的孔12，使得螺丝可以穿过位于被插入的IMN周围的骨头2并穿过IMN或插入IMN中。在本实施例中，孔12被布置成远端对12a、12b和近端对12c、12d中。为了清楚起见，近端和远端是相对于钉子插入骨中的插入点而言的。因此，IMN在骨中被固定就位的情况下，骨头保持稳定且能够被IMN支撑着再生，特别是不会相对于骨头旋转。

第一组近端螺丝4c、4d的插入相对容易（在本例的情况下，仅插入一个近端螺丝4c）。然而，由于钉子的原位弯曲，将要插入远端螺丝4a和4b的远端孔12a、12b的位置是相对未知的，或者至少是不能精确地知道。由于多种因素，钉子会发生原位弯曲。首先，钉子的几何形状会影响位置。IMN通常被弯曲成或设计成遵循目标骨头的自然曲线的轻微曲线，因此远端孔会从IMN近端的起始轴偏移。此外，远端孔的位置可以相对于近端围绕钉子轴线旋转。另外，钉子14的成分和长度（或尺寸）也会影响钉子的刚度（或柔性/弹性）。例如，IMN通常由不锈钢和/或钛合金形成，因此材料的柔韧性/弹性越大（即，刚度越小），则远端位置的变化就越大。此外，破裂或断裂的性质可能影响远端的位置。尽管可以使用夹具来补偿钉子的几何形状，但是材料和骨折对钉子的影响更难以预测，因此，本文描述的瞄准系统可以用于辅助远端孔12a、12b的定位，引导外科医生在骨头上钻孔以插入固定螺丝4a、4b。如图1B所示，通常螺丝会穿过钉子中的孔12，并穿透到骨头的相对侧（即完全穿过骨头）。然而，在其他实施例中，螺丝可以简单地与钉子配合或穿过钉子，而且不需要一直穿透骨头。可以使用各种形状的孔和锁定螺丝，包括静态和动态锁定系统。通常IMN会包含多个孔，至于选择哪个孔来插入螺丝通常要基于诸如骨头大小、骨折类型等因素在临床上确定。此外，在本说明书的上下文中，远端仅是指近端的远端，远端孔无须都在钉子14的远端，而是可以在沿着钉子分布的各个点处，例如在沿着钉子的中间位置。

参照图2、3和4，示出了电磁髓内钉螺丝定位系统1的实施例。系统（或装置）1包括钻头引导机构10，该钻头引导机构10包括钻头套筒引导器，该钻头套筒引导器可用于朝着髓内钉（IMN）14中的远端螺丝接收孔12a引导钻头（未示出）。钻头引导机构也可以由限定延伸穿过附接至细长延伸构件的壳体的细长孔的壁提供，使得其用来朝着IMN 14上的螺丝容纳孔的预期位置引导钻头。在图2、3和4所示的实施例中，钻头引导机构10的钻套引导器可以包括两部分，内套管可用于将钻头导向所需的位置，而外套管可用于将螺丝导向在骨头上用钻头形成的准备好的开口。图4示出了在钻套引导器的上部区域的那些部分。

系统1包括框架，该框架具有至少三个机械部件，其中一个部件是前述的钻头引导机构10，另一个部件是髓内钉保持器20（形状像手柄，因为外科医生使用它来放置和操作IMN到位，并为该机构的其余部分提供牢固的支撑），以及以最宽的形式在髓内钉保持器20和钻头引导机构10之间延伸的细长延伸构件16。在图2、3和4所示的实施例中，细长延伸构件16包括两个部分：近端靶向臂18和远端靶向臂22。在使用中，IMN 14占据被治疗的骨头2中的现有套管。图2以虚线示出了进行手术的患者的股骨2和腿3的外表面。

髓内钉保持器20用于附接IMN 14。在本实施例中，该附接机构未在图中示出，而是包括由外科医生拧紧的螺丝，以使得IMN的一端（近端）固定到髓内钉保持器20上。在本实施例中，细长延伸构件16包括固定框架元件（或近端瞄准臂）18和钻套支撑元件（或远端瞄准臂）22，固定框架元件18安装到髓内钉保持器20上并在其近端与IMN 14的纵轴对准，钻套支撑元件22通过枢轴机构24可枢转地安装到固定框架元件18上。钻套支撑元件22（第二细长元件）的远端支撑细长钻头引导机构10。

在一个实施例中，枢轴机构24是带螺纹的螺丝24a和带滚花的圆盘形螺母24b，其允许钻套支撑元件22被固定框架元件18夹紧或从其脱开，并使这两个元件围绕由枢轴销24形成的枢轴机构的纵轴27相对于彼此旋转（图2）。在固定框架元件18内还存在（未清楚示出）一个狭槽，该狭槽允许在固定框架元件的侧向将螺丝定位，以更好地将钻套支撑元件22的纵向轴线与IMN 14的纵向轴线在其远端对准。因此，枢轴机构允许相对于固定框架元件18调节钻套支撑元件22。钻套支撑元件22中的多个孔23允许该钻套支撑元件相对于固定框架元件18进行伸缩。它们以预定的距离被定位，这些预定的距离近似与IMN 14的长度匹配，并且允许利用IMN中的一个或多个螺丝接收孔（12a、12b、...）来定位钻套纵向轴线29（图2）。

在图2、3和4所示的实施例中，细长钻套导向器10相对于细长延伸构件16的远端可调节地安装，使得钻套的一端可以与IMN 14间隔开。在图3中部分地示出并且在图4中完整地示出的滚花的紧固螺母21用于调松和调紧钻套上的握力，以允许钻套的端部（垂直）移动而更靠近和更远离髓内钉。在开始钻孔之前，外科医生可以选择将其拧紧的位置。

然而，在其他实施例中，其他变化形式也是可能的。例如，细长延伸构件16可以是单个部件或包括3个或更多个部件。图2A是另一实施例的示意图，其中细长延伸构件16是单个部件。在本实施例中，髓内钉保持器20包括用于支撑细长延伸构件16的枢轴安装件16a，该枢轴安装件16a在细长延伸构件16的远端处支撑钻头引导机构10a。这使钻头引导机构10a与IMN 14中的远端孔口12a对准。在另一个实施例中（未具体示出），在细长延伸构件16和髓内钉保持器20之间提供了铰接机构，以使得细长延伸构件可以相对于髓内钉保持器移动。适配器是机械机构，例如具有例如摩擦配合的万向节，该摩擦配合可以使得细长延伸构件与髓内钉保持器的相对位置具有无限的可变性，由此钻套的端部相对于IMN 14的远端也具有无限的可变性。该摩擦配合不能太紧以还允许外科医生调节相对位置，但又不能太松以使得相对位置可以独立移动。在本实施例中，细长延伸构件的长度用来匹配（在适配端或沿着细长延伸构件的其他地方是固定的或可调的），以允许将钻头引导机构10a定位成位于IMN中的螺丝接收孔（例如，12a或12b）之上，该调整在手术之前进行，然后在手术期间，长度设置保持固定，同时钻套末端的最终位置由位置指示装置引导（将在本说明书的后面详细描述），因为该适配器设置成能够绕万向节的轴线移动，使得钻套的一端可以在保持平行于IMN的同时朝IMN的纵轴的侧向移动。

电磁髓内钉定位系统1还包括至少两个定位换能器。在一个实施例中，换能器是线圈（例如天线线圈）和相关联的电路，其可以被配置为经由相关联的线圈发射射频（RF）信号（即，形成发射器）或经由相关联的线圈接收RF信号（即形成接收器）。也就是说，定位换能器可以被配置成发射换能器或接收换能器。这也可以称为脉冲线圈和目标线圈。在图2、3和4所示的实施例中，系统包括通过接收电缆36连接到中央控制器32的接收换能器（或目标线圈）26和通过传输电缆38连接到中央控制器32的两个发射换能器（或脉冲线圈）28。各发射和接收电路设置成与相应的换能器28/26进行通信，以分别使用相应的换能器接收和发射信号。信号发射和接收电路用于与相应的换能器进行一个或多个信号的通信，以分别接收和发射一个或多个信号。由特定换能器进行发射还是进行接收（只要一个用于发射，另一个或多个就用于接收，反之亦然）是一种设计选择，但在本实施例中，换能器26用于接收信号，换能器28用于发射信号。

两个发射换能器安装在对称的换能器支撑构件27上，该对称的换能器支撑构件27包括中心部分和从该中心部分延伸的两个对称的臂。在本实施例中，换能器支撑构件为倒V或倒U形件，每个换能器28安装在每个臂的远端附近。中心部分具有使钻头套筒10穿过的中心孔，中心的内侧包括开口孔，该开口孔的形状被设计成接收细长延伸构件16，使得发射支撑构件27可放置在钻套支撑元件22上并由其支撑。中心部分还包括从外侧延伸到内侧的钻孔，用于接收细长钻套引导器10（其穿过换能器支撑件27和钻套支撑元件22这二者）。

接收换能器（例如，传感器）26位于被插入到钉子14的中心孔中的插入管34（或轴）的远端。为了确保将接收换能器26准确地放置在想要的孔12下方，可以沿着轴放置与不同的钉子长度相对应的标记。在与所使用的钉子14匹配的标记上的适当位置锁定一个止动件，这样一来，当将轴插入钉子的中心孔时，止动件将与钉子保持器配合以防止轴进一步插入并确保接收换能器26位于想要的孔12下方，或者对于当前的钉子14，离该孔有一已知的距离。

发射换能器由发射脉冲电路30驱动，该发射脉冲电路30产生一个或多个发射脉冲，该脉冲被发射换能器28转换为RF发射信号。发射脉冲电路30可以被安装到发射支撑构件的中央部分，也可以被集成在中央部分中，或者发射脉冲电路也可以位于中央控制器32中。两个发射换能器可以被顺序驱动，也可以被同时驱动。发射信号可以是连续的，也可以是脉冲的，或者最基本的波形范围是正弦波和方波。

在本实施例中，两个发射换能器28与一个接收换能器26一起使用，但是其他配置也是可能的。在一个实施例中，使用一个发射换能器28，其可以位于细长延伸构件22的任一侧，或者也可以使用多于两个发射换能器。在另一实施例中，发射换能器和接收换能器的位置相反，发射换能器位于钉子内，一个或两个接收换能器位于支撑臂27上。软件和信号将根据使用的特定几何布置进行重新配置。

如图2和图3所示的实施例所示，当有两个发射换能器28时，它们相对于细长延伸构件（在使用中，相对于髓内钉的纵轴）径向等距放置，这将表示钻头引导器准确地位于相应的螺丝接收孔上方。它们的位置的几何形状对于位置指示装置是已知的，或者可以在位置指示装置的工作中被校准，这两种技术都根据已知技术进行。

中央控制器32包括位置指示显示装置33（图3），该位置指示显示装置33以图形方式指示螺丝接收孔（通过使用与螺丝孔邻近的换能器26的位置）相对于钻头引导器的轴线（通过使用位于钻套支撑元件22径向外侧的两个换能器）的位置，以便可以调节钻头引导部分，直到钻头引导机构（在一个实施例中是钻套引导器10）被定位成，由引导机构引导的钻头进入或被引导至IMN 14中的螺丝接收孔12a正上方的位置。

通常，位置指示装置33被设计成主要用于，使用由信号发射和接收电路进行通信的一个或多个信号来指示在螺丝接收孔附近的换能器相对于钻头引导机构的纵向轴线29的位置，该信号发射和接收电路（将在本说明书的后面详细描述）在分别发射和接收一个或多个信号的换能器之间进行一个或多个信号的通信。然而，如上所述，位置指示装置还被配置为，以帮助外科医生定位钻头引导机构的方式在视觉上指示位置，该钻头引导机构可用于朝着髓内钉中的螺丝接收孔引导钻头。位置指示装置同时提供相对位置的声音指示也是有帮助的。在一个实施例中，可听信号可以具有这样的可听声音，其包括未对准时的较低频率、接近对准时的较高频率以及实现可接受的对准时的恒定高频率组成。

实际上，可接受的对准，无论是由指示装置以视觉还是听觉方式指示，都指示要钻入骨头然后允许螺丝穿过并与骨头配合的位置，该螺丝会进入IMN中的螺丝接收孔。骨头和IMN之间的固定方式由外科医生基于很多因素最终确定，这些因素包括：骨头的状况、进入角度、工作环境、可用时间等（对这些因素的顺序没有特别限定），其中指示装置是协助外科医生的工具。

如上所述，细长延伸构件的位置相对于钉子保持器部分能够移动，直到位置指示装置指示：位于螺丝接收孔附近的换能器相对于相对于延伸构件被定位的至少一个换能器被定位成，使得由钻头引导机构引导的钻头将进入或被引导至髓内钉中的螺丝接收孔的正上方。

在所描述的实施例中，细长延伸构件的移动由枢轴机构提供，该枢轴机构具有平行于钻头引导机构的纵向轴线29的枢轴轴线27（图2）。

优选地，有两个定位换能器28，在本实施例中，它们被描绘成依附于钻套支撑元件22并沿着该钻套支撑元件定位，它们到该钻套支撑元件的距离相等，且位于该钻套支撑元件的相对侧。

定位这些换能器的结构设置成能够附接到钻套支撑元件22，而且可以有允许在使用过程中将该结构固定在适当位置的机构。考虑到正被加工的肢体围绕着IMN 14，而且整个设备的一部分需要容纳到高压灭菌器中，该结构能够附接和解除附接会使得在外科手术期间该机构的使用更容易管理。当需要时，通过电缆38和36（图2）实现信号发射和接收传感器与相关设备之间的通信。电缆可以根据需要包括一根或多根内部导电线（也可以具有单独的非导电涂层）和形成该导电线的非导电外部保护涂层。

换能器的相对位置由各个换能器传递和交换的信号确定，从而指示钻套与IMN 14中的孔是否对准。

电缆36的自由端上的换能器26由插入管34（图2）引导并携带到IMN 14中的某个位置，电缆36到达换能器26并回到位置指示设备33。用深度标记对插入管34进行标记也是有帮助的，这些深度标记指示电缆36的远端何时位于沿着IMN的长度的相应的螺丝接收孔12a、12b、...的下方。由于可以存在一个或多个这样的孔，因此插入管34具有与每个孔相对应的标记，从而在与髓内钉保持器20的入口对准时，或者相对于被固定的IMN位于某个其他已知位置处时，告诉外科医生换能器26位于已知的相应孔的下方。在替代方案中，可以如上所述地对电缆36进行标记，插入管34就不需要了。

对于需要在无菌操作环境中重复使用的元件和零件，包括例如髓内钉保持器20、固定框架元件18、钻套支撑元件22和相关零件、换能器26/28和相关壳体、插入管34、从相应的换能器延伸到位置指示装置33的电缆36和38（其不用于插入高压釜），使用适用于高压灭菌的材料。然而，可以有无菌连接装置或机构，以允许在手术环境内的无菌和非无菌部分之间进行适当的连接（未示出）。

图3展示了与上述相同的元件，但是描绘了该机构尤其是位置指示装置33的俯视图，以图形方式指示了将圆圈定位到IMN 14的端部的孔的图示内。代表换能器26的位置的圆圈（因此，孔12a）被描绘成，当钻套支撑元件22围绕枢轴机构（24、24a和24b）的枢转销24从IMN的一侧横向摆到另一侧时，所形成的圆弧被描绘成相对于IMN的图示图像的圆圈的左右移动。纵向位置主要由钻套支撑元件22中的孔设定，在本实施例中，枢转销24插入该孔中，钻套支撑元件22的松动和固定通过枢轴机构元件的操作，由螺丝24a和滚花的圆盘形螺母24b来固定。

因此，外科医生具有视觉指示器（如前所述，可以单独使用可听指示器，也可以与视觉指示器结合使用可听指示器），从而外科医生可以确保在指示对准时，可以使用钻头在围绕IMN 14的骨头上形成一个孔，如果钻了足够远而穿过了骨头，它将出现在IMN中的螺丝接收孔12a的上方，这样就可以将螺丝插入到形成的孔中，以进入IMN中的螺丝接收孔12a。

图4是该机构的一端的视图，描绘了可用于将钻头（未示出）朝向IMN 14中的螺丝接收孔12a引导的钻套引导器10。在该图中，示出的钻套引导器10带有钻头引导位置紧固螺母21，其用于将钻套引导器的端部的高度设置在IMN螺丝接收孔12a上方。

在图3或图4中未示出患者的肢体和骨头，但是可以理解的是，外科医生对钻孔部位没有清晰的视觉通路，而是仅由本发明的设备引导。

图1A中描绘的股骨钉的示例是被设计成用于固定股骨近端和中部骨干破裂的IMN，如图1B和图2所示。该股骨IMN旨在用于事前分级方法，提供多种锁定模式，以提供稳定固定的多种选择。锁定模式包括静态横向锁定、动态横向锁定和重构模式锁定。所有上述钉子均使用锁定螺丝，这些螺丝优选由非磁性材料制成并具有强度和生物相容性。

在本文所述的布置中，接收换能器（目标线圈）位于螺丝接收孔下方的IMN 14中，以使得当等距发射线圈（脉冲线圈）在接收器线圈中产生相等信号时，可调节的细长延伸构件被准确定位。当使用两个发射换能器（线圈）时，这将在两个发射线圈与位于IMN上的接收线圈等距（即，两个发射线圈定位成，使得IMN接收线圈从每个发射换能器（线圈）接收到的检测信号强度相等）时发生。一种方法是使用信号幅度，但是可以使用其他RF方法（基于飞行时间、相位的系统）。位置指示设备33用于基于接收到的信号提供信息以实时显示对准。

本文的实施例所描述的电磁瞄准系统优选地包括：高分辨率、准确性和可重复性，具有低噪声灵敏度，并且以低功率操作，这确保了发射的电磁辐射低，从而确保对附近的医疗设备和其他设备的干扰最小。在一个实施例中，使用脉冲DC发射系统。在传导性金属畸变环境中运行的脉冲DC必须延长脉冲时间，以允许消散来自脉冲阶跃的瞬变，从而产生以下很少接受的状况，即速度和畸变抑制本来就相互排斥。脉冲直流磁跟踪器可以控制在金属周围工作时导通瞬变消失的等待时间。但是，分配额外的等待时间会缩短周期时间，因此更大的抗扰性（immunity）意味着更新速度会降低。

为了将直流脉冲与地球磁场区分开，可以与以约60,000纳特斯拉引出的直流接地线竞争。这是迫使脉冲直流跟踪器通常比交流设备更大、更重、消耗更多功率的一个因素。在许多应用中，这无关紧要。

DC跟踪器信息没有披露等待时间特性，并且由于需要测量并从测量和定序采样架构中提取地球磁场，因此预期会更长一些，可能在10到20毫秒之间。

另一方面，脉冲直流可设计为直流耦合并传递低频信号。DC前端的温度稳定性和失调偏置对电路设计人员构成了挑战，并且容易受到很多环境干扰。其中最主要的是电力（几乎都是50 Hz或60 Hz），因此理想情况下应避免在强电场附近进行电源布线或工作。频谱的该基带部分中的其他事件是语音音频以及具有较宽带宽的感应脉冲和尖峰。限制此类干扰影响的技术可能会使脉冲直流跟踪器对其自身传感器中的移动不敏感，这是设计者所面临困境的另一面。

因此，获得非常稳定且响应迅速的无脉动直流脉冲跟踪是一项重大挑战。电磁瞄准系统的设计具有高分辨率、准确性和可重复性，并且具有低噪声、低功耗和低EMI。在一个实施例中，被激励的发射线圈电流遵循

（1）

其中时间常数T=L/R_t，R_t是电源、线圈和开关元件电阻之和。

脉冲期间的恒定电流变化率（三角形波形）提供的磁场所包含的谐波含量低于方形边沿，重要的是提供方形检测器线圈电压。短脉冲长度可最大程度地降低功耗。消除激励后，快速反激二极管会回收线圈中存储的一些能量。

选择了一对低电阻空心0.1 mH发射线圈，使得每个线圈的总串联电阻（包括MOSFET接通电阻）小于0.5欧姆。在40uS脉冲期间，所得的大约200uS的T在电感器中提供陡峭的近三角形电流波形。选择脉冲直流变化，以使得涡流有时间在“平顶”磁脉冲期间稳定下来，并且可以在此时进行采样。

在本实施例中，换能器26是接收线圈，其直径受探头内径（ID）限制。选择了2mm3C90铁氧体棒。该材料被设计用于125 kHz RFID应用，与40uS脉冲的带宽非常匹配。接收脉冲的大小遵循匝数比关系，即增加次级匝数会增加信号大小。缠绕在铁氧体磁芯上的340匝0.125mm绕组线在驱动至440欧姆平衡负载时提供了一个大的、可重复的接收线圈脉冲，而不会使铁氧体磁芯材料饱和。

当被不锈钢探针和钉子包围时，接收脉冲的边缘变得明显变圆（T约为7uS），但是，信号充分稳定下来，可以在t = 30uS采样。该过滤被认为是由于在周围的不锈钢材料中驱动的涡流引起的。接收到的脉冲信号通过双绞屏蔽电缆发射，然后通过接收器电路进行平衡放大和滤波，该接收器电路将预处理后的接收信号提供给微控制器。微控制器被配置为执行附加的信号处理并估计位置。还实施了重要的软件过滤。已经呈现了具有0.1毫米的分辨率和精度的稳定的可重复位置。

中央控制器32的实施例在图8中示出。中央控制器32包括微控制器322（或微处理器），该微控制器322包括处理器323和存储器324，其被配置为控制发射电子设备30和接收电子设备326。微控制器被配置为交替地接通两个发射线圈28并对所得目标线圈脉冲26的幅度采样。然后，微控制器计算相对于中心的相对位置，并将计算出的位置显示在显示器上。可以集成到中央控制器中或位于中央控制器外部（并通过有线或无线连接）的显示模块33（或用户界面33）显示钻头引导器相对于钉子的位置。在一个实施例中，显示器以0.1mm的增量（即100个增量）显示在+5mm至-5mm范围内的位置。可以包括其他部件，如电源电路321和micro SD（μSD）卡读取器325、用户输入界面328（例如，开关和二极管）和/或通信界面。组件可以安装在PCB上，也可以安装在合适的外壳中。电源电路可以包括电池，或者可以经由电源插座提供外部电源。在一些实施例中，显示模块33是触摸屏，其还提供用户输入界面325。

在一个实施例中，中央控制器32包括集成的显示模块33，例如来自4D系统的uLCD-32PT显示模块（www.4dsystems.com.au）。它具有两个变体：SGC和GFX，后者旨在针对利用板载控制器功能的应用。可以将GFX模块编程为任意一种变化形式。设计中使用的模块作为GFX购买，随后配置为SGC（即串行图形模块）。两者均具有触摸和音频功能（在本实施例中未示出）。

在微控制器322的串行控制下，从插入μSD读卡器325中的可移动μSD卡中显示许多图形文件。那是显示从主PCB串行发送的图形的指令。这些图形文件可以在PC上创建，然后加载到μSD卡上的RAW分区中，或者如果按住输入开关，则从“启动”时生成的显示图像的片段（sliver）中“缓存”。在此模式下，在背景图形上绘制并保存了101个目标圆圈。这些片段可以快速调用和显示。在一个实施例中，每当安装新的micro SD（μSD）卡或将新的背景图像保存到卡上时，都必须通过在启动过程中按住输入开关来创建“高速缓存的片段”（如上所述）。

通过取出卡并将其插入PC的SD托盘中，然后在该PC上运行可移动媒体分区工具（例如RMPET实用程序），将μSD卡初始化。要初始化新卡，就选择SD驱动器，删除其分区表，取出并更换SD卡托盘，选择分区参数，创建/更改分区表50％FAT和50％非FS（RAW）。GraphicsComposer用于将图像保存到μSD卡（在托盘上并连接到PC）中。这些步骤包括：添加条目，找到位图文件（例如imndg2.bmp），设置屏幕尺寸（320x240横向），然后构建并将gcs文件（项目）保存到卡中，在指定偏移值处选择μSD Raw进行构建。徽标（启动屏幕）的偏移为0。背景图片（钉子、徽标、标题）位于512。然后可以将μSD卡重新插回到μLCD-32PT中。作为参考，缓存图像（片段）均为128字节，从2048开始。

在另一个实施例中，在诸如平板计算设备之类的便携式计算设备或运行实现上述功能的应用程序的智能电话中，实现包括图形显示器33的中央控制器32。在本实施例中，省略了换能器26、28与中央控制器32之间的电缆36和38，便携式计算设备使用无线协议（例如，包括蓝牙、ZigBee、WiFi Direct的射频协议，或包括IRDA的光学协议，或其他协议）和与换能器26、28相关联的电路30、325进行无线通信。在本实施例中，本地发射器电路30与发射换能器28相关联，并且包括通信电路、电源和用于产生发射脉冲的发射电路。通信电路从中央控制器32接收控制信号，以指示发射电路发射脉冲。控制信号可以简单地是触发信号，且本地发射器电路确定或控制发射参数，或者控制信号可以包含被发射电路用来发射控制信号的发射参数。本地接收器电路325与接收换能器26相关联，并且包括电源、通信电路和处理接收脉冲（或信号）的接收电路。通信电路接收控制信号以唤醒或指示接收电路侦听接收信号，并将处理后的接收信号发射回中央控制器以允许显示钉子位置的估计。

该系统可以针对各种骨头和患者（包括儿科患者）的尺寸，与各种长度（尺寸）、直径和成分的钉子配合使用。例如，Austofix Sophos系列包括PHN标准和可用于肱骨的长钉子，F1、F2、F3和S2系列用于股骨，Austofix UTN用于胫骨。典型的成分包括不锈钢和钛合金，典型的直径为7、8、9、10、11、12和13mm，典型的长度在170mm至420mm之间。该范围的钉子包括大约200种不同的钉子构造形式。

除钉子类型（例如股骨、胫骨等）外，具体的钉子长度、钉子直径和钉子成分也会影响脉冲通过钉子的传输特性，因为这种组合会在材料中产生不同的涡流，而这些效果使得不能对所有钉子类型使用一种校准。例如，股骨钉子的A-P弯曲会导致钉子长度变化。还已经发现，钉子相对于发射器的围绕钻套轴线的旋转对准也会影响灵敏度。因此，需要对每个钉子进行特定的校准。

因此，在一个实施例中，在手术期间使用为手术选择的特定钉子来校准系统。这包括：外科医生（或其他外科人员）将无菌钉子14插入髓内钉保持器20中，将传感器换能器26插入钉身中，将支撑臂27放置在钻套支撑元件22上，然后（例如，通过枢轴机构24）调节方位，直到支撑臂27中的钻套10与钉子中的目标孔对准为止。此时，用户按下控制器32上的设置按钮以通知控制器：系统已对准。这一操作远离金属组件和电磁源进行，它们可能会使钉子周围的电磁场失真，从而导致错误的校准。然后拆卸系统，将钉子14插入患者的骨头中，然后将传感器换能器26插入钉身中。然后使用支撑臂将框架重新组装到患者身上，并使用显示模块将校准后的系统用于将钻探套管与目标孔对准。一旦钻套对准，外科医生就钻孔并插入螺丝。

已经发现，对于给定的钉子类型或构造形式，相同类型钉子的钉子之间的偏差远小于不同钉子类型之间的偏差。这使得能够利用改进的校准系统来避免外科医生在手术期间对系统进行校准。这降低了不准确的校准程序的风险，降低了钉子14受到污染的风险，并显著减少了手术时间（由此增加了手术效率并降低了手术成本）。在本实施例中，系统（例如，经由存储器324）被配置为，在中央控制器的存储器中，例如，在对准偏移表中，针对一组可能的钉子类型（或构造）中的每种钉子类型（或钉子构造形式），保存相对于参考钉的对准偏移值，它可以是数据库、文件或其他数据结构。在本实施例中，如上所述对参考钉进行参考校准，将系统归零。一旦针对特定的定位系统进行了此参考校准，则外科医生仅需要向该系统的中央控制器32输入使用的钉子类型，控制器就会针对输入的钉子类型查找关联的对准偏移值，并将该对准偏移值应用于所有将来的测量（直到下一个钉子类型被输入）。定位系统可以根据需要定期进行校准，例如使用参考钉每3、6或12个月进行一次重新校准。另外，在制造出新的钉子构造形式或者有被更新的对准偏移值时，可以更新由存储器保存的对准偏移表。

在一个实施例中，通过使用参考定位系统、参考钉和一组钉子来获得对准偏移值，其中该组钉子中的每个钉子是不同类型的，即具有不同的特征（如钉子类型、长度、直径、成分等）组合。如上所述地针对参考钉类型对系统进行校准。然后把钉子替换成上述一组钉子中的钉子，在系统中进行物理对准，测量对准偏移值（即，与0的偏差）并记录下来。这可以以0.1毫米的分辨率记录（即，与以0.1毫米分辨率显示的显示元件对准），也可以测量并保存精确的偏移值（例如0.0751毫米）。对该组钉子类型中的每个钉子重复此过程，并将对准偏移值保存在数据库中。为了提高鲁棒性，可以针对同一参考钉和一组钉子利用多个定位系统来重复该方法，和/或对每个钉子进行重复测量，或者对相同类型的多个钉子进行测量，其中进行的多次测量可以取平均。

图7示出了根据一个实施例的对准偏移值测量的示意图。屏幕700包括对准标记710，例如跨视场的垂直线。屏幕和由垂直线712和水平线714限定的十字线以参考对准位置720（由虚线圆表示）为中心。这表示与参考钉对准的位置。用一个不同的钉子进行测量，并使用对准标记710测量相对于基准位置（垂直十字线712）的对准偏移值732。对准标记可以是物理距离的指示（例如，每个标记的间距为0.1 mm），也可以是标记的标识（例如，标记3）或显示器上的多个像素，然后可以由显示软件直接使用它们。也就是说，不需要知道实际的物理距离，只需知道在显示器上的一致距离。

然后将每种钉子类型的对准偏移值与相关联的标识数据一起保存。该相关联的标识数据可以是钉子的规格，例如钉子的类型、成分、直径和长度，用户界面可能要求外科医生或用户在手术开始时向控制器32输入该信息（例如，左、10mm、空心、F2股骨钉，长度为360mm）。作为替代方案，钉子标识（可以是产品代码或产品目录号，或一些其他参考物）可以与钉子类型相关联，且该钉子标识与钉子类型（和对准偏移）一起保存。在这种情况下，外科医生或用户只需输入钉子标识（钉子产品代码：356036），系统便可以使用该参考物来查找对准偏移值。在另一个实施例中，条形码、QR码或其他可扫描代码可以与钉子类型相关联。在这种情况下，外科医生或用户仅需要对代码进行扫描（使用结合在控制器32中的读码器），系统就会查找与代码相关联的对准偏移值。在另一个实施例中，产品包装（或包装的一部分）的图像可以与钉子类型相关联。在这种情况下，外科医生或用户仅需拍摄产品包装的照片，系统就会执行图像识别以识别匹配的产品包装，从而识别钉子类型和相关联的对准偏移值。

在另一个实施例中，中央控制器32保存对准偏移值的预测模型。在本实施例中，外科医生（或用户）输入钉子参数，例如成分、直径和长度以及钉子侧（左侧或右侧）。对于股骨钉，前后（AP）弯曲会影响钉子相对于发射器的围绕钻套轴线的旋转对准，这会导致钉子长度的偏移值变化。通常通过输入钉子的类型和长度来考虑这种影响，但是在其他实施例中，系统可以进一步配置为检测旋转对准，例如使用方位传感器（例如，陀螺仪和/或加速度计）。作为替代方案，可以使用带标记的参考设备，以允许用户进行测量然后进入旋转对准，以便可以使用它获得正确的偏移值。

然后将这些钉子参数提供给估计对准偏移值的预测模型，然后系统使用该对准偏移值。可以通过对一组测量结果进行统计分析来获得预测模型，这些测量结果是使用一个或多个定位系统和一组或多组钉子（对于该组钉子中的每个钉子类型都使用一个或多个钉子）来获得的。即，该方法包括将统计模型与上面的对准偏移表中的数据拟合，并将模型参数保存在存储器324中，以便随后可以针对任何被输入的钉子，使用它们通过插值或外推来预测对准偏移值。模型参数的方差估计可用于设置可允许的内插或外推的边界（即，预计在该范围内插或外推值具有足够准确性）。

在一些实施例中，存在5个独立变量：钉子类型（股骨、胫骨等）、钉子直径、钉子长度、材料（不锈钢或钛）、和钉子侧。在钉子侧（左侧或右侧）的情况下，通常该侧仅影响偏移值的符号（+/-），而不影响偏移值的大小，因此该变量可以被有效地消除。也就是说，为钉子类型保存单个偏移值，然后输入该侧，确定偏移值的符号。同样如上所述，某些股骨钉中的前后（AP）弯曲会影响钉子相对于发射器的围绕钻套轴线的旋转对准，这会导致钉子长度偏移值的变化。但是，通常通过输入钉子的类型和长度来考虑这种影响（如果存在），但是在其他实施例中，包括可能发生类似旋转变化的其他钉子，则这可能是另一个变量，并且可以进一步配置系统（例如，可以使用方向传感器，例如陀螺仪和/或加速度计）来检测旋转对准，或者可以使用带标记的参考设备对其进行测量和进入。当在钉子的远端中有多个孔时，还可以产生另外的变量，每个孔可以分别作为目标。在这种情况下，可以为每个孔确定并保存单独的偏移值。

尽管存在多个自变量，但是它们具有不同的大小，因此该模型无需包含影响较小的自变量。例如，已经发现最大的变化源是直径，其次是近端孔和远端孔的位置，而长度和材料成分对对准偏移值的差异影响最小（不锈钢和钛看起来几乎相同）。因此，可以生成这样的模型，其中直径是确定对准偏移值时最有影响力的参数，或者模型包含直径、位置和类型或长度的影响。如上所述，钉子相对于发射器的围绕钻套轴线的旋转对准也会影响偏移值。这最常见于股骨钉，其中AP弯曲的位置会导致长度变化。因此，在模型中包括类型或长度就可以有效地考虑到这一点，用户可以输入这些变量以能够确定要使用的正确的对准偏移值。或者，可以在模型中明确考虑对准偏移值。在这种情况下，可以作为校准过程的一部分来获得测量值，系统可以测量偏移值或者用户可以输入测量值。

在图5和6中进一步说明这些方法。图5是根据一个实施例的生成用于电磁髓内钉螺丝定位系统的偏移表的方法500的流程图。步骤510包括：在手术之前，利用电磁髓内钉螺丝定位系统使用参考钉进行参考校准。步骤520包括：对于一组钉子类型中的每个钉子（其中每种类型都包括钉子直径、钉子成分、钉子侧和钉子长度的唯一组合），将钉子插入电磁髓内钉螺丝定位系统中，测量钉子相对于参考钉的对准偏移值。步骤530包括：将一组测得的对准偏移值与相关联的钉子类型保存在存储器中。可选步骤540包括：将该组测得的对准偏移值保存在多个电磁髓内钉螺丝定位系统中的每个电磁髓内钉螺丝定位系统的存储器中。可选步骤550包括：将预测模型与测得的对准偏移值拟合，并将该预测模型保存在多个电磁髓内钉螺丝定位系统的每个电磁髓内钉螺丝定位系统的存储器中。

可以根据所使用的钉子的范围对该方法进行更改或改进。例如，钉子相对于发射器的围绕钻套轴线的旋转对准会影响偏移值。特别是，股骨钉的前后弯曲会导致钉子长度不同。如果测量并保存了一定范围的钉子长度，则可以根据输入的钉子类型和长度进行查找。作为替代方案，在校准期间，可以在旋转对准的范围内（包括一组预先定义的对准）明确地测量该影响，从而可以基于用户输入的数据来预测或以其他方式考虑该影响。在另一种变化形式中，在钉子的远端钉子可以有多个孔，每个孔可以被分别地瞄准。在这种情况下，可以为每个孔确定并存储单独的偏移值。然后，在使用过程中，会要求外科医生（或用户）进一步输入钉孔索引或他们所瞄准的那个孔的标签，例如从远端算起的数字索引（1、2、3等），或者标签例如是近端孔还是远端孔（在两个孔都在远端的情况下），以确保确定正确的偏移值。这可以作为输入钉子标识的步骤的一部分来执行。在另一个实施例中，左右偏移值可以具有相同的幅度但是符号相反（即，围绕零点的镜像偏移值）。在这种情况下，可以针对一个钉子仅获得一组偏移值并保存，并在使用中，通过输入左侧或右侧来确定偏移值的符号。在一个实施例中，软件可以要求钉子参数的最小集合（例如，基于那些具有最大影响的钉子参数），例如钉子直径、长度和类型，并提供输入其他参数的选项，例如侧（左侧或右侧），或者具有多个远端孔的钉子的孔索引/标签（例如1、2或3；或近端或远端）。

图6是根据一个实施例的使用电磁髓内钉螺丝定位系统的方法600的流程图。步骤610包括：在手术之前，利用电磁髓内钉螺丝定位系统使用参考钉进行参考校准。步骤620包括：将钉子标识输入到电磁髓内钉螺丝定位系统的中央控制器中，其中该中央控制器包括存储器，该存储器保存与钉子标识相关联的对准偏移值。步骤630包括：使用电磁髓内钉螺丝定位系统估计钉子中目标孔的位置，其中将偏移值应用于电磁髓内钉螺丝定位系统的一个或多个定位测量以生成钉子中的目标孔位置的更新的估计值，并将该更新的估计值指示给用户。

与先前的系统相比，本文描述的系统提供了一种改进的定位系统。此外，使用保存的校准偏移值的校准方法降低了错误的校准程序的风险，降低了钉子污染的风险，并显著减少了手术时间，从而增加手术效率并降低手术成本。

本领域技术人员将理解，可以使用各种技术中的任何一种来表示信息和信号。例如，在整个以上描述中可能提及的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和芯片，可以用电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子或其任何组合来表示。

信号的处理可以直接在硬件中执行，可以在由处理器执行的软件模块中执行，也可以在两者的组合中执行。对于硬件实施，可以在一个或多个专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器（DSP）、数字信号处理设备（DSPD）、可编程逻辑设备（PLD）、现场可编程门阵列（FPGA）、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计为执行本文所述功能的其他电子单元、或其组合内实现处理。软件模块，也称为计算机程序、计算机代码或指令，可以包含许多源代码或目标代码段或指令，并且可以位于任何计算机可读介质中，例如RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、寄存器或任何合适形式的计算机可读介质。

在一个实施例中，该处理由计算机设备执行，该计算机设备包括一个或多个中央处理单元（CPU）、存储器和输入/输出（或通信）接口，并且可以包括图形处理单元（GPU）以及输入和输出设备。CPU可以包括输入/输出接口、算术和逻辑单元（ALU）以及控制单元和程序计数器元件。输入/输出接口可以包括用于从测压模块、开关模块、指示器模块和通信模块接收信号或数据的线路或输入。通信接口被配置为使用预定义的通信协议与另一设备中的通信模块进行通信，该预定义的通信协议可以是无线或有线的（例如，蓝牙、Zigbee，IEEE802.15、IEEE 802.11、TCP / IP、UDP等）。该计算设备可以包括单个CPU（核心）或多个CPU（多个核心）或多个处理器。该计算设备可以是服务器、台式计算机或便携式计算机，并且可以使用并行处理器、矢量处理器，或者可以是分布式（云）计算设备的一部分。存储器可操作地连接到处理器，并且可以包括RAM和ROM组件以及二级存储组件，如固态磁盘和硬盘、闪存（SD卡），它们可以被提供在设备内部或外部。存储器可以包括使处理器执行本文描述的方法的指令。存储器可用于存储操作系统和其他软件模块或指令。处理器可以被配置为加载并执行保存在存储器中的软件代码、模块或指令。该计算设备可以包括更多的电子模块或板，以执行信号调节或预处理以及信号处理。该计算设备可以包括可充电电池。

如本文所使用的，术语项目列表“中的至少一个”是指那些项目的任何组合，包括只有一个成员。例如，“a、b或c中的至少一个”旨在涵盖：a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c。

在整个说明书和所附权利要求中，除非上下文另有要求，术语“包括”、“包含”及其变化形式将被理解为暗示包括所明示的特征或一组特征，但并不排除任何其他特征或一组特征。

在本说明书中对任何现有技术的引用并非也不应被视为是，承认或以任何方式暗示这种现有技术构成了公知常识的一部分。

本领域技术人员会理解，本发明的用途不限于所描述的一个或多个特定应用。关于本文描述或描绘的特定元件和/或特性，本发明也不局限于其优选实施方式。应当理解的是，本发明不限于所公开的一个或多个实施方式，而是能够在不背离由所附权利要求阐述和限定的范围的情况下进行各种重新排列、修改和替换。

Claims (13)

1.一种用于电磁髓内钉螺丝定位系统的控制装置，用于将钻头引导机构定位，所述钻头引导机构能够用于将钻头引导到髓内钉中的螺丝接收孔，所述装置包括：

至少一个处理器、至少一个存储器和用户界面，

其中，所述存储器包括多个对准偏移值，每个对准偏移值与髓内钉标识相关联，所述髓内钉标识与钉子类型相关联，且所述存储器包括指令以使所述处理器：

通过所述用户界面从用户接收髓内钉标识；

向一个或多个信号发射和接收电路发送至少一个控制信号，以从至少一个换能器发射一个或多个信号；

从至少一个换能器接收来自一个或多个信号发射和接收电路的至少一个接收信号；

使用所述至少一个接收信号来估计所述换能器相对于所述钻头引导机构的纵向轴线的位置，所述换能器位于所述螺丝接收孔附近；

使用所接收的髓内钉标识来确定对准偏移值；

将所确定的对准偏移应用于所述换能器的位置的估计，以获得更新的估计；以及

使用所述用户界面指示所述换能器相对于所述钻头引导机构的纵向轴线的位置的所述更新的估计，所述换能器位于所述螺丝接收孔附近。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所接收的髓内钉标识包括钉子直径、钉子成分、钉子长度和钉子侧中的至少一项。

3.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所接收的髓内钉标识包括产品代码或目录号。

4.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述控制装置包括条形码扫描器，且从所述条形码扫描器接收所述髓内钉标识。

5.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述多个对准偏移值在所述至少一个存储器中被保存为偏移表，其中，每个对准偏移都与髓内钉标识相关联。

6.根据权利要求5所述的控制装置，其中，所述对准偏移值是从在外科手术之前执行的参考校准过程获得的，其中，所述参考校准过程包括：

利用电磁髓内钉螺丝定位系统使用参考钉，进行参考校准；

对于一组钉子类型中的每个钉子，测量插入电磁髓内钉螺丝定位系统中的钉子相对于参考钉的对准偏移，其中每种类型都包括钉子直径、钉子成分和钉子长度的唯一组合；以及

将一组测得的对准偏移与每个相关联的钉子类型一起保存在所述至少一个存储器中。

7.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述控制装置包括显示器，且指示所述换能器的位置的更新的估计包括：可视地指示所述换能器相对于所述钻头引导机构的纵向轴线的位置的更新的估计，所述换能器位于所述螺丝接收孔附近。

8.一种电磁髓内钉螺丝定位系统，包括：

a）框架，包括：

用于附接到髓内钉的髓内钉保持器；

从所述髓内钉保持器延伸的细长延伸构件，用于允许所述细长延伸构件相对于所述髓内钉保持器移动；以及

细长的钻头引导机构，其与所述延伸构件相关联，以使所述钻头引导机构的纵轴基本上定向成朝向所述髓内钉；

b）至少两个换能器，一个换能器位于与螺丝孔之一邻近的髓内钉中，且至少一个换能器相对于所述细长延伸构件定位；

c）一个或多个信号发射和接收电路，用于与相应的换能器进行一个或多个信号的通信，以分别发射和接收所述一个或多个信号；

d）根据权利要求1至7中任一项所述的控制装置；

其中，所述延伸构件的位置能够相对于所述髓内钉保持器移动，直到位置指示装置指示：位于所述螺丝接收孔附近的换能器关于相对于所述延伸构件定位的至少一个换能器定位成，使得由所述钻头引导机构引导的钻头将进入或被引导至所述髓内钉中的所述螺丝接收孔的正上方位置。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述至少两个换能器包括三个换能器，其中，相对于所述细长延伸构件定位的至少一个换能器包括两个换能器，这两个换能器到所述细长延伸构件的径向距离相等，且估计位于所述螺丝接收孔附近的换能器的位置包括：比较来自所述到所述细长延伸构件的径向距离相等的两个换能器中的每个换能器的一个或多个接收信号的信号幅度。

10.一种使用电磁髓内钉螺丝定位系统的方法，包括：

在手术之前，利用电磁髓内钉螺丝定位系统，使用参考钉进行参考校准；

将钉子标识输入到所述电磁髓内钉螺丝定位系统的控制器中，其中所述控制器包括存储器，所述存储器保存有与钉子标识相关联的偏移；

使用所述电磁髓内钉螺丝定位系统来估计所述钉子中的目标孔的位置，其中将所述偏移应用于来自所述电磁髓内钉螺丝定位系统的一个或多个定位测量，以生成所述钉子中的目标孔的位置的更新的估计值，并向用户指示所述更新的估计。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，输入钉子标识包括：输入钉子直径、钉子成分、钉子长度和钉子侧中的至少一项。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，输入钉子标识包括：输入产品代码或目录号。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，输入钉子标识包括：对代码进行扫描。