CN112566570A - 仪器对准反馈系统及方法 - Google Patents

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沙恩·S·帕克
卡尔顿·E·斯平德勒
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Rusles Co Ltd Operates In Name Of Rusles
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Abstract

本发明涉及：仪器的对准，包括手术仪器、比如在脊柱稳定手术中使用的那些手术仪器的角对准；以及一种用于测量并显示手持式仪器的取向的系统，其中，该适于提供关于其取向的反馈的手持式仪器可以包括至少一个测量传感器。

Description

仪器对准反馈系统及方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年6月21日提交的美国临时申请号62/763,564的权益，该申请的内容通过援引并入本文。
版权声明
本专利文献包含受版权保护的材料。版权所有者不反对复制本专利文件或美国专利商标局文件中的任何相关材料，但保留所有版权。
技术领域
本发明涉及仪器的对准，包括手术仪器、比如在脊柱稳定手术中使用的那些手术仪器的角对准。
背景技术
每年进行数千次脊柱稳定手术。在手术过程期间，植入稳定结构、例如脊柱杆和/或板，以便为患者的脊柱提供支撑。手术过程还可能涉及使用椎弓根螺钉，这些螺钉可以嵌入患者的脊柱中以固定杆/板。
椎弓根螺钉的植入可以涉及首先穿过椎弓根并在患者脊柱的椎骨体中钻出导向孔。然后可以将椎弓根螺钉植入导向孔中。
为了适当地放置椎弓根螺钉并避免伤害患者的脊柱，必须精确地获得导向孔的位置、角取向和轨迹。
成像仪器(比如荧光镜成像系统)可以提供患者脊柱的图像，以辅助导向孔的放置，但是图像在手术过程期间可以提供的实时信息可能是有限的。此外，使用这样的系统可能使患者和医生/护士暴露于高水平的电离辐射，使得长时间使用这样的系统可能是不希望的。同样，熟练的外科医生可能依靠他/她的经验来适当地放置导向孔，但是每个外科医生的经验水平可能会有所不同，并且在很多情况下可能不够。
实际上，研究表明，在脊柱稳定手术期间植入的椎弓根螺钉中，多达4％可能未对准。这种未对准可能给患者带来严重的健康并发症，并且在许多情况下，椎弓根螺钉可能需要修正，因此需要进行其他手术。
其他类型的手术/医疗手术过程也可能需要对所使用的手术仪器进行精确对准。例如，皮下注射针在使用过程中可能经常需要适当的定位和对准。
相应地，需要一种提供关于手术仪器的角取向、位置和轨迹的实时反馈的系统和方法。
发明内容
本发明在权利要求以及以下描述中详细说明。
在一个实施例中，一种用于提供关于手持式仪器的取向的反馈的系统可以包括：与该手持式仪器一起配置的至少一个测量传感器；以及与该至少一个测量传感器通信的控制器；其中，该至少一个测量传感器可以测量该仪器的取向，并且该控制器可以基于所测得的取向来提供反馈。
在一方面，该仪器可以选自下组：尖钻、探针、丝锥、钻头、螺丝刀、手术刀、和皮下注射针。
在另一个方面，该至少一个测量传感器可以包括至少一个加速度计。
在另一个方面，该至少一个测量传感器可以包括至少一个陀螺仪。
在另一个方面，测得的取向可以是三维空间中的取向。
在一个实施例中，一种适于测量手术仪器的取向的组件可以包括与该手术仪器一起配置的至少一个测量传感器；其中，该至少一个测量传感器可以测量该手术仪器的角取向、并且基于所测得的角取向来输出信号。
在一方面，该组件可以包括与该至少一个测量传感器通信的控制器，其中，该控制器可以接收该信息并且基于所测得的该手术仪器的角取向来提供反馈。
在另一个方面，该手术仪器可以是手持式仪器。
在另一个方面，该手术仪器可以选自下组：尖钻、探针、丝锥、钻头、螺丝刀、手术刀、和皮下注射针。
在另一个方面，该至少一个测量传感器可以包括至少一个加速度计。
在另一个方面，该至少一个测量传感器可以包括至少一个陀螺仪。
在另一个方面，测得的取向可以是三维空间中的取向。
在一个实施例中，一种适于提供关于其取向的反馈的手持式手术仪器可以包括与该手术仪器一起配置的至少一个测量传感器；其中，该至少一个测量传感器可以测量该手术仪器的角取向、并且基于所测得的角取向来输出信号。
在一方面，该手术仪器也可以包括与该至少一个测量传感器通信的控制器，其中，该控制器可以接收该信息并且基于所测得的该手术仪器的角取向来提供反馈。
在另一个方面，该手术仪器可以选自下组：尖钻、探针、丝锥、钻头、螺丝刀、手术刀、和皮下注射针。
在另一个方面，该至少一个测量传感器可以包括至少一个加速度计。
在另一个方面，该至少一个测量传感器可以包括至少一个陀螺仪。
在另一个方面，所测得的角取向可以是三维空间中的取向。
在一个实施例中，一种用于将手持式手术仪器对准的方法，该手持式手术仪器可以包括至少一个测量传感器与该至少一个测量传感器通信的控制器，该方法可以包括：
(A)将该至少一个测量传感器与该手术仪器一起配置；
(B)使用该至少一个测量传感器来测量该手术仪器的角取向；
(C)将在(B)中测得的角取向信息提供至该控制器；以及
(D)使用该控制器基于该角取向信息来提供反馈。
在一方面，该方法还可以包括：
(E)基于(D)中提供的反馈来将该手术仪器对准。
本领域普通技术人员应理解的是，以上或以下描述和/或要求保护并描述为步骤序列的任何方法在步骤顺序的意义上不是限制性的。
附图说明
当结合附图考虑时，将充分理解本发明的各种目的、特征和伴随的优点，在附图中相同的附图标记在几个视图中表示相同或相似的部分，并且其中：
图1示出了根据本文示例性实施例的椎弓根螺钉和杆的各个方面；
图2A、图2B和图2C示出了可以植入椎弓根螺钉的方式，例如图2A为根据本文示例性实施例的适当地植入，而图2B至图2C为不适当地植入。
图3示出了根据本文示例性实施例的对准反馈系统的各方面；
图4至图6示出了根据本文示例性实施例的测量组件的各方面；
图7示出了根据本文示例性实施例的有源仪器的各方面；
图8和图9示出了根据本文示例性实施例的数据布局和/或显示的各方面；以及
图10至图12示出了根据本文示例性实施例的有源仪器的各方面。
具体实施方式
总体上，根据本文示例性实施例的系统提供了用于辅助装置的适当对准的装置、工具、仪器、软件和方法。待对准的装置可以包括任何种类的手动工具和/或仪器，例如包括但不限于：手术仪器、手钻、螺丝起子、尖钻、探针、丝锥、锯子、锉刀、钳子、镊子、手术刀、皮下注射针和其他类型的手持式装置、非手持式装置和工具。本领域普通技术人员在阅读本说明书之后应理解的是，本文的系统和方法可以与可以受益于在一维、二维或三维上对准的任何类型装置一起使用，并且本文的系统和方法的范围不以任何方式受限于其可以与之一起使用的装置类型。
为了本说明书的目的和演示，本文系统和方法将针对其与手术仪器(例如，用于整形手术的仪器)一起使用来描述。然而，应了解的是，本文系统和方法可以适用于可以从其受益的任何类型装置并且与之一起使用。
现在参见图1至图12，进一步详细描述了根据本文示例性实施例的系统10。在当前优选的实施例中，系统10可以用于提供与手持式手术仪器的三维导航和对准有关的反馈。在当前优选的一个实施方式中，手术仪器可以包括用于执行整形手术、例如脊柱稳定手术的仪器。
在一个实现方式中，手术仪器可以包括用于将椎弓根螺钉植入患者的脊柱中的装置。如图1所示，可以优选地将椎弓根螺钉20穿过患者的椎弓根22植入椎骨体24中。接着可以将连杆单元26(例如，脊柱杆或板)附接至椎弓根螺钉20上。典型地，可以使用两个或更多个椎弓根螺钉20来固定每个杆/板26(例如，每个杆26的每端上一个椎弓根螺钉20)，使得杆/板26可以总体上平行于患者的脊椎28定向。以此方式，连杆26可以通过椎弓根螺钉20保持固定，并且为其可以附接的脊柱的特定区段提供稳定性。
可能优选的是，脊柱杆26可以在手术过程期间进行术中轮廓修整以适当地装配在植入的椎弓根螺钉20之间。例如，可能优选的是，使用如2018年5月7日提交的美国临时申请号62/762,478中描述的术中脊柱杆轮廓修整系统、和与之同一日期提交的美国申请序列号16/140,491(代理人案卷号999/002)、标题为手术植入物制备系统和方法，所述文献的全部内容出于任何目的并入本文。
图1示出了右侧椎弓根螺钉20的矢状角β。可以沿着矢状平面相对于竖直轴线S(例如，竖直铅垂线)来测量椎弓根螺钉20的角轨迹Ps的角度β。当螺钉20从椎弓根22进入椎骨体24中而不穿透任何皮质壁时，可以认为图1中的椎弓根螺钉20的放置是准确的。
图2A、图2B和图2C是从沿着图1的截面线A-A(沿着轴向或横向平面)的透视图获得的。
图2A示出了椎弓根螺钉20在导向孔21内并且具有轴向角α(在中间轨迹的侧面)。可以沿着轴向平面相对于竖直轴线S(例如，竖直铅垂线)来测量椎弓根螺钉20的角轨迹Pa的角度α。当螺钉穿过椎弓根22并进入椎骨体24中而不破坏和/或穿透侧向或中间皮质壁时，可以认为螺钉20的放置是准确的。
图2B描绘了在导向孔21内破坏和/或穿透侧向皮质壁的椎弓根螺钉20，而图2C描绘了在导向孔21内破坏和/或穿透中间皮质壁的椎弓根螺钉20。图2B和2C中所示的椎弓根螺钉方式被认为是不准确的，并且可能给患者带来严重的神经系统问题，包括但不限于：慢性疼痛、麻木、活动受限和瘫痪。因此，取决于患者的神经症状，可能需要通过额外的手术来修正不准确放置的椎弓根螺钉20，这给患者在增加了额外的风险和并发症。
此外，考虑到连杆26可以固定在两个或更多个椎弓根螺钉20之间(如图1所示),可以看到，还可以需要椎弓根螺钉20相对于彼此适当地对准，使得连杆单元26可以安全地穿过椎弓根螺钉20之间而不受阻碍并且不会对螺钉20或患者的脊椎28施加不希望的应力或扭矩。
考虑到这些考虑因素，可以理解的是，对于每个椎弓根螺钉20，从侧面到中间以及从头到尾的准确轨迹和对准对于手术结果成功至关重要。
系统
在本文的一个示例性实施例中，系统10可以包括测量组件100、控制器200、以及必要时执行其各种功能的其他元件、部件和机构。如图3所示，测量组件100可以与可能需要适当对准的仪器117(例如，手动工具)一起配置。总体上，测量组件100可以测量该仪器的实时三维位置、取向和轨迹。以此方式，仪器的使用者可以利用该位置信息来确保仪器在其使用期间处于适当取向。这样，例如，可以适当地对准与植入椎弓根螺钉20相关联的仪器117，使得可以正确地植入椎弓根螺钉20，如图2A所示。
控制器200可以与测量组件100通信、并且通常可以从测量组件100接收信息和数据并且将信息和数据发送至测量组件100。控制器200还可以处理从测量组件100接收到的信息并且基于所接收到的信息来向系统10的使用者提供反馈。控制器200还可以从使用者以及与包括其他控制器和系统的其他系统的接口接收输入。
控制器200可以包括任何类型的控制器200，包括但不限于：平板电脑、智能手机、移动装置、膝上型计算机、PC、网络控制器、服务器(例如，网络、后端或云平台)、微控制器、以及任何其他类型或组合类型的控制器200。控制器200可以包括可以用于显示数据、反馈或其他类型信息的一个或多个显示器202。控制器200还可以包括一个或多个接口204(比如，触摸屏、键盘、鼠标等)，这些接口可以被使用者用于与控制器200交互(例如，进行数据输入)。
使用脊柱稳定手术作为示例实现方式，外科医生可以利用手术手动工具117(例如，尖钻)，该手术手动工具可以与测量组件100一起配置。在一个示例中，可以使用尖钻来在患者的脊柱内制备导向孔以供椎弓根螺钉20插入。测量组件100可以实时地测量尖钻的三维位置、对准、取向、和轨迹、并且将该位置数据提供至控制器200。
控制器200接着可以处理该数据并且向外科医生提供关于尖钻并且因此所得导向孔的轨迹的反馈(例如，视觉、文本、听觉等)。以此方式，外科医生可以利用来自系统10的实时反馈，来将尖钻以正确的取向准确地引导，从而获得适当定向的导向孔。接着，可以将椎弓根螺钉20插入导向孔中并且由此适当地定位。
应理解的是，上述示例是为了演示，并且系统10可以与执行其他类型的执行其他手术过程的仪器一起使用。
接下来将进一步详细描述系统10的各个元件。
测量组件
参见图4，根据本文的示例性实施例，测量组件100总体上可以包括至少一个传感器102、至少一个处理器104、存储器106、至少一个无线电108、电源110、电压转换器112、以及可以是使组件100执行其期望功能必要的其他部件和元件。取决于仪器117和测量组件100的应用，组件100可以包括上述元件中的一些或全部、和/或根据需要的额外元件。
传感器102可以包括可以测量、感测或以其他方式允许确定组件100的一维、二维、或三维取向的任何类型传感器102。在本文的一个示例性实施例中，传感器102可以是加速度计、比如多轴(三轴)微机电系统(MEMS)加速度计。如本领域已知的，加速度计102可以测量动态和静态加速度。通过测量由于地面重量引起的静态加速度的量，可以确定传感器102的取向(角度和/或倾斜)。
三轴MEMS加速度计102可以提供三个正交方向上的同时测量，由此提供三维取向和轨迹信息。加速度计102的输出可以是电荷(例如，电压波形)，其可以与在任何给定时刻施加在其上的力成比例。接着该电荷可以被处理以提供单元100的实时位置和轨迹数据。
(多个)传感器102可以包括压电部件、压阻部件、电容部件、或用于将机械或物理运动转化为电信号的其他部件。在一个示例中，传感器102可以包括三个微机械枢转臂，其可在加速度(例如重力)下偏转。该偏转可以被电容传感器检测到并转化为数值(例如，以微克或μg为单位)。在另一个示例中，传感器102可以包括一个或多个悬臂梁，每个悬臂梁具有可能在外部加速度的影响下偏转的检测质量(也称为振荡质量)。在另一个示例中，传感器可以包括一个或多个陀螺仪(优选地，MEMS陀螺仪)。还可以使用其他类型和架构的传感器102，并且应理解的是，系统10和测量组件100的范围不以任何方式受限于组件100可以利用的传感器102的类型。
在当前优选的一个实现方式中，传感器102可以由STMicroelectronics制造的三轴加速度计(例如，零件号LIS3DSH)。应理解的是，还可以使用由其他制造上制造的其他传感器102。
在本文的一个示例性实施例中，处理器104和存储器106可以一起形成为微控制器114。微控制器114还可以包括可编程输入/输出外围设备以及其他元件、比如电压调节器116。微控制器114、无线电108、电压调节器116(以及其他元件和部件)可以被提供为集成的片上系统(SoC)115。以此方式，可以减小单元100的大小。图4示出了组件100的大小。然而，应注意的是，还可以使用其他电子布局。在一个示例中，装置100可以为0.8英寸x 1.5英寸x0.5英寸，但是装置100还可以形成为其他大小。
无线电108可以是蓝牙无线电装置，其可以在2.45GHz处与控制器200(和/或与其他装置)发送和接收信息。在当前优选的一个实现方式中，无线电108可以具有0.0023瓦的输出功率(例如，蓝牙低功耗协议)，但是也可以使用其他输出功率。此外，传输速率可以是每秒1-2次，但是也可以使用其他传输速率。
无线电108还可以是可以使用任何类型的通信协议、模拟、或数字或其任何组合、以任何其他频率来发送和接收信息的任何其他种类的无线电108或无线电108组合。例如，无线电108可以利用RF、毫米波、Wi-Fi、LAN、WAN、互联网、蜂窝连接、电话、IR或其他类型的通信协议或方法。无线电108还可以包括天线、I/O端口、和必要时的任何其他类型的通信机构。
在当前优选的一个实现方式中，发射器108可以是由Raytac Corp.制造的(例如，零件号MDBT42Q、FCC标识符SH6MDBT42Q、证书号162181172/AA/00)。应理解的是，还可以使用由其他制造上制造的其他发射器108。
电源110优选地可以是电池，但是还可以包括其他类型的电力储存装置。在一个示例中，电池110可以是1.5v纽扣电池，并且电压转换器112可以是DC-DC转换器112，其可以如组件100中的其他部件所要求的将1.5v增加至2.7v。
此外，测量组件100还可以包括一个或多个外部非易失性(E2PROM)存储器芯片116，其可以用于增大SoC 115的内部存储器106。
组件100优选地可以包装成小的单一单元装置，如图6所描绘的不同视图所示。
在本文的一个示例性实施例中，测量组件100可以与手持式仪器117一起配置，该手持式仪器的使用可以受益于适当地对准。在使用手术仪器的示例之后，仪器117可以是尖钻118，如图7所示。尖钻118可以包括手柄120，该手柄与轴122一起配置，如图所示。轴122可以包括远侧端头，该远侧端头可以被锐化成具有两个或更多个锐化侧边缘的点。如本领域已知的，尖钻118可以用于在材料中钻孔，并且在本示例中，尖钻118可以用于穿过患者的椎弓根22并进入椎骨体24中钻出导向孔21，以供椎弓根螺钉20插入。
外科医生可以通过手柄120来握住尖钻118、并且将轴122的远侧端头放在骨头上可能期望钻孔的位置处。尖钻118可以沿着轴122限定的轴线来回旋转，并且轴122的锐化端头可以钻出孔21。
可以看到，在这个例程期间，尖钻的轴122的取向和对准可以确定所得导向孔21的取向和轨迹。还可以看到，当椎弓根螺钉20拧到所得导向孔21中时，螺钉20也可以遵循孔21的轨迹。
在这个例程期间，测量组件100可以测量尖钻118(轴122)的取向和轨迹、并且将该信息提供至控制器200。控制器200可以处理该信息并且将其提供给使用者。接着，尖钻118的使用者可以利用这个实时位置信息来将尖钻118以正确的取向适当地操纵，从而获得适当定向的导向孔21(并且因此一旦插入，就获得适当定向的椎弓根螺钉20)。这将在稍后部分中进一步详细描述。
在如图所示的当前优选的一个实现方式中，测量组件100可以与尖钻118的手柄120一起配置。然而，应理解的是，组件100还可以与轴122和/或尖钻118的任何其他元件一起配置并且在尖钻118的任何位置中。
在仪器117的操纵过程期间，测量组件100可以附接至仪器117上或以其他方式与之一起配置，或者可以与仪器117一起改装为售后市场部件。测量组件100可以与仪器的轴122所限定的轴线纵向地对准，使得传感器102使用的坐标系可以与仪器117的坐标系对准。这将在稍后部分中进一步详细描述。然而，组件100还可以相对于仪器117以其他取向对准。
仪器的手柄120可以包括可以被提供用于接纳组件100的区段、比如平坦区段、槽缝、内部空腔、或可以容纳组件100并且允许将其紧固附接的任何其他类型的区段。然而，这可以不是必需的(例如，当组件100可以与仪器117一起配置为售后市场部件时)。测量组件100可以通过粘合剂(例如，3M无菌手术粘合剂)、双面胶、螺钉、螺栓、条带、带、闩锁、压力配合或任何其他类型的(多个)附接机构来固定至仪器(例如，手柄120)上。出于本说明书的目的，与测量组件100一起配置的仪器117还可以被称为有源仪器124。
在使用之前，可能优选的是，将测量组件100(有源仪器124)校准以验证测量组件在既定使用范围上的幅度响应、系统线性、和其他性能特征。以此方式，传感器102可以被验证为在其规格内起作用。校准还可以提供一组比例因子(校准因子、校正因子等)，其可以用于将组件100的电输出与组件100的真实世界物理坐标关联。
校准因子可以应用于组件100的输出信号以校正传感器的已知缺陷。总体上，校准例程典型地可以包括对传感器参考灵敏度、频率响应、输出偏置水平、横向灵敏度、谐振频率、时间常数、和其特征的测量和校准。以此方式，在使用期间，校准因子可以应用于从测量组件100接收到的原始数据，并且可以确定组件100的实时角位置和轨迹在计算的准确度和不确定度水平内。
可以使用参考标准、比如在美国国家标准技术研究所(NIST)校准的标准来校准有源仪器124。替代性地，并且更典型地，可以使用参考标准来校准传递标准，然后可以用于校准有源仪器124。在任一情况下，这可以允许评估并优化测量组件100(和有源仪器124)的绝对准确度和测量不确定度。还可能优选的是，在一系列测量上测试有源仪器124的测量可重复性并且在计算组件的不确定度时使用该信息。
可以使用多个不同类型的校准例程来校准有源仪器124，并且可以根据组件100中采用的传感器102的类型以及仪器的期望使用范围来选择适当的校准技术。可以在每次使用之前、每次使用之后(以验证仪器124在使用期间没有变化或漂移)、周期性地(优选地按周期性时间表)或在任何其他时间期间校准有源仪器124。应理解的是，系统10、测量组件100、以及仪器124的范围不以任何方式受限于所使用的校准例程的类型或可以执行校准的间隔。
控制器
在本文的一个示例性实施例中，控制器200可以包括：平板电脑、智能手机、移动装置、膝上型计算机、PC、网络控制器、服务器(例如，网络、后端或云平台)、微控制器、以及任何其他类型或组合类型的控制器200。控制器200还可以包括操作系统和软件、脚本、应用程序(包括移动应用程序)、和控制器200可以运行或以其他方式利用的其他类型代码。
控制器200可以实时地从有源仪器124接收信息以及将信息发送至有源仪器。控制器200可以经由蓝牙通信与有源仪器124配对，或者可以利用其他类型的通信协议或方法，比如RF、毫米波、Wi-Fi、LAN、WAN、互联网、蜂窝连接、电话、IR或其他类型的通信方法、数字或模拟、或其任意组合。控制器200还可以根据需要、使用相同或不同的通信方法与其他仪器(例如，成像仪器)进行通信。
在本文的一个示例性实施例中，控制器200可以从有源仪器124接收以下信息：指示仪器在使用期间的实时取向和轨迹(优选地在三维上)。接着，控制器200可以处理位置数据并且将其以有意义的现实世界格式(优选地与一个或多个三维坐标系(稍后描述)关联)提供给使用者。控制器还可以应用特定有源仪器124的校准因子(例如，比例因此或校正因子)来提高数据的准确度。
将在随后部分中描述控制器200可以如何在有源仪器124的使用期间使用的细节。
控制器200还可以用于使先前部分中描述的校准例程自动化。例如，控制器200可以提供可以在校准过程中引导使用者的软件向导或其他类型的交互工具。
控制器200还可以提供可以在有源仪器124的使用期间引导使用者的软件向导或其他类型的交互工具，如随后部分中将描述的。
应注意的是，任何数量的测量组件100都可以与系统10一起配置，并且每个组件100可以与不同的有源仪器124一起配置。例如，如上所述，第一测量组件100可以与尖钻117一起配置，第二测量组件100可以与探针117一起配置，第三测量组件100可以与起子117一起配置，等等。每个测量组件100可以包括控制器200可以查询、识别、和记录的唯一电子标识符(例如，序列号、IP地址等)。以此方式，控制器200可以同时单独监测每个测量组件100(或以其他方式与之通信)。
在使用中
在手术之前，可以通过将患者以卧姿放在射线可透过的手术台上来稳定患者的脊柱。在患者的脊柱被稳定的情况下，可以使用成像仪器(例如，C型臂透视成像仪器)从不同的角度拍摄患者的脊柱的图像序列。然后可以使用图像来构造脊柱的一维、二维和/或三维表示。可能优选的是，还根据需要按照成像仪器的规格对其进行校准。
在本文的一个示例性实施例中，控制器200(或可能的成像仪器)可以使用成像数据来建模、计算、或以其他方式确定供椎弓根螺钉20植入的每个导向孔的适当(最佳)位置、对准(优选地在三维上)和轨迹。替代性地，控制器可以允许使用者与控制器200交互，以手动地布局每个提议导向孔的提议位置、取向和轨迹。例如，控制器200可以显示患者脊柱的表示，使得使用者可以将每个导向孔的提议位置、取向和轨迹绘制(或以其他方式出入)到布局上。
控制器200还可以提供可以辅助使用者布局和/或以其他方式确定所提议导向孔的位置的软件向导或其他类型的交互工具。出于本说明书的目的，所提议的导向孔(无论是控制器200、使用者、任何其他系统、或其组合确定的)可以被称为建模导向孔23，如图8所示。
控制器200还可以对每个建模导向孔23进行品质检查，以确保建模孔23确实处于适当位置和取向。并且，如果发现潜在问题，控制器200可以将其引起使用者的注意以进行复查。例如，控制器200可以检查来确保每个椎弓根螺钉20的轴向角和矢状角(分别为α和β)是正确的并且不存在皮质穿孔。控制器200还可以确保椎弓根螺钉20可以彼此适当地对准，使得连杆单元26可以附接在螺钉20之间而不受阻碍并且不对螺钉20或患者的脊椎28施加不期望的应力或扭矩。
每个建模导向孔23的位置和对准信息可以包括但可以不限于：建模导向孔23入口点信息；角取向；轨迹信息；长度信息；相邻的任何椎弓根螺钉导向孔23的方位、取向和/或、位置；相关联的任何(多个)连杆单元26的方位、取向和/或、位置；以及其他信息和/或其信息的任何组合。可能优选的是，每个建模导向孔23的建模取向和轨迹将孔23描述/示出为穿过椎弓根22并进入椎骨体24中而不存在皮质穿孔(如图2A所示)。该信息可以是复杂的(向量)信息。
如本领域中已知的，可以在成像应用和手术例程中使用三个常用坐标系，包括但不限于世界坐标系、解剖坐标系和图像坐标系。世界坐标系典型地可以包括笛卡尔坐标系，并且可以用于表示患者的位置和取向。解剖坐标系(也称为患者坐标系)可以由描述了人体的标准解剖位置的三个平面构成：1)轴向平面，该轴向平面可以平行于地面、并且可以将头(上)与脚(下)分开；2)冠状平面，该冠状平面可以垂直于地面、并且可以将前部(前)与后部(后)分开；以及3)矢状平面，该矢状平面可以垂直于地面、并且可以将左与右分开。图像坐标系可以描述相对于解剖结构如何获取每个图像、并且可以由原点、向右增大的i轴、向下增大的j轴、以及向后增大的k轴构成(全部正交)。
可能优选的是，各个仪器(例如，有源仪器124、控制器200、荧光镜成像系统等)使用的坐标系是相关联的。以此方式，可以将从有源仪器124获取的实时角取向和轨迹数据与荧光镜成像系统获取的成像数据准确地关联并重叠。这还可以允许外科医生在操纵有源仪器124的同时理解他/她可以使用的坐标系。例如，外科医生可以相对于竖直参考比如铅垂线来操纵有源仪器124的轴向角α(图2)和矢状角β(图1)。铅垂线可以总体上平行于或总体上对应于以下向量：可以表示由于重力引起的、如传感器102(例如，加速度计)测量的加速度。可以使用外科医生的个人知识和/或经验、根据建模导向孔23或解剖学界标来确定导向孔21的起始点。
由于有源仪器124可以用于创建导向孔21，因此控制器200可以将有源仪器124的实时取向/轨迹与建模导向孔23的实时取向/轨迹重叠(或利用其他类型的数据表示)。例如，如图8所示，控制器200可以显示沿着轴向屏幕截取的患者锥体的截面，其中有源仪器124(被示为虚线C)的实际轴向角αa与建模导向孔23(实线23)的建模轴向角αm重叠，每个角是相对于竖直轴线S(例如，沿着中矢状平面的铅垂线)获得的。其他参考平面和/或坐标系也可以用作参考。
使用该信息以及导向孔23，的起始点信息，外科医生可以在钻孔例程期间操纵有源仪器124，使得仪器的取向/轨迹可以与建模导向孔23的取向/轨迹相匹配。这可以在患者脊柱中实现适当对准的导向孔21，该导向孔可以总体上与建模孔23相匹配。
在如图9所示的另一个示例中，控制器200可以直接显示每个测量组件100测量的角度信息(α和β)。以此方式，使用者可以读取角度并且相应地操纵对应的有源仪器124。
图9示出了与系统10一起配置的六个单独的测量组件100的角度信息(α和β)。由于每个测量组件100可以与不同的有源仪器124一起配置，因此控制器可以显示有源仪器124的名称以及每个仪器的对应角度信息。还可以显示其他信息。虽然图9描绘了控制器200显示的六个测量组件100的位置数据，但是任何数量的测量组件100可以与系统10一起配置，并且控制器200可以显示从它们中的任何数量中接收到的信息。
此外，控制器200可以提供可以在例程期间辅助或以其他方式引导外科医生的软件向导和/或任何其他类型的交互工具。
控制器200还可以向外科医生提供其他类型的实时反馈，比如警告，例如如果有源仪器124的对准可能与建模导向孔23的对准偏离了特定阈值。例如，如果有源仪器124的角取向可以被认为与导向孔23的建模角取向沿着任何平面偏离超过预定阈值，则可以发出声音警告以警示使用者。还可以使用其他类型的反馈和警告，比如视觉、感官、或任何其他类型的反馈或其任何组合。
控制器200可以包括可以被系统10的使用者容易地看到的至少一个显示器202。例如，显示器202可以被定位成使得外科医生可以简单地略微向上瞥一眼来观看显示器202及其可以示出的反馈。在另一个示例中，控制器200的显示器202可以嵌入在使用者的眼镜中，使得使用者可以同时看到显示器202和患者。应理解的是，(多个)显示器202可以优选地定位在可以被系统10的至少一些使用者观看到的任何地方。
在任何特定的手术期间，外科医生不一定需要利用系统10所提供的所有信息。例如，外科医生可以基于皮质界标来确定导向孔21的入口点并且接着利用系统10所提供的取向和轨迹信息来钻出导向孔21。应理解的是，系统10所提供的任何/或所有信息可以通过外科医生的判断被外科医生利用，并且系统10的范围不以任何方式受限于该信息，只要外科医生可以利用或不利用。
本领域普通技术人员应理解的是，在阅读本说明书之后，将有源仪器124描述为尖钻118的上述示例旨在演示目的，并且有源仪器124可以是任何类型的仪器117。
例如，仪器117可以是探针126，如图10所示。探针126可以包括手柄128和轴130。测量组件100可以与探针126(其手柄128或其他地方)一起配置，使得探针128可以是有源仪器124。
在一个优选的实现方式中，探针126可以用于测量上述钻出的导向孔21的角取向和轨迹。探针126可以插入所钻出的导向孔21中，并且系统10可以测量、处理、和显示探针126(并且因此导向孔21)的角取向和轨迹。以此方式，可以将导向孔21的角取向和轨迹验证为与之前部分中描述的建模导向孔23适当地关联。
在如图11所示的另一个示例中，仪器117可以是起子132(例如，螺丝起子)，其可以用于将每个椎弓根螺钉20拧到其对应的导向孔21中。起子132可以包括手柄134和轴136。测量组件100可以与起子132(例如，其手柄134)一起配置，使得起子132可以是有源仪器124。以此方式，可以监测螺钉20在其插入期间的轨迹以使之与建模导向孔23(和实际导向孔21)匹配。这可以确保椎弓根螺钉20可以在其插入期间不追随导向孔21之外的替代性轨道。
在另一个优选的实现方式中，仪器117可以是皮下注射针138，如图12所示。皮下注射针138可以包括手柄140、本体142、和针144。测量组件100可以与皮下注射针132(其本体136或其他地方)一起配置，使得皮下注射针可以是有源仪器124。
在一个优选的实现方式中，皮下注射针132可以用于对患者身体进行注射。在一些这样的例程中，可能需要将针138的取向固持成特定角度以适当地执行注射。作为有源仪器124，系统10可以测量、处理、和显示皮下注射针132的实时角取向，使得外科医生可以将其操纵至优选位置。
在这个示例中，系统10可以使用或不使用患者的成像信息、并且代替地可以使用理论建模数据来引导使用者完成例程。替代性地，使用者可以简单地使用系统10所提供的位置数据并且将有源仪器124相对于已知参考坐标系(例如，竖直铅垂线)来操纵。
虽然上文已经关于手术例程(比如，脊柱稳定手术以及使用皮下注射针进行注射)描述了包括测量组件100和控制器200的系统10，但是其他类型的手术例程也可以从使用系统10受益。例如，后凸成形术、骨内已知病变的经皮骨活检、可能需要立体定向手术的脑内神经外科手术、以及其他手术例程也可以与系统10一起使用并从中受益。
在所披露的所有实施例或其他实施例中，测量组件100和/或有源仪器124可以是可抛弃式的、并且可以被设计成使用一次然后丢掉。替代性地，测量组件100和/或有源仪器124可以被设计成使用多次。
此外，在所披露的所有实施例或其他实施例中，可能优选的是，测量组件100和/或有源仪器124是无菌的，和/或以其他方式作为无菌装置提供。
在本文描述过程的地方，本领域普通技术人员应了解的是，该过程可以在没有任何使用者干预的情况下进行操作。在另一个实施例中，该过程包括一些人为干预(例如，由人执行或在人的协助下执行步骤)。
如本文所使用的，包括在权利要求中，短语“至少一些”是指“一个或多个”、并且包括仅一个的情况。因此，例如，短语“至少一些ABC”是指“一个或多个ABC”、并且包括仅一个ABC的情况。
如本文所使用的，包括在权利要求书中，术语“至少一个”应理解为是指“一个或多个”，因此包括含有一个或多个部件的两个实施例。此外，当特征被称为“该”和“该至少一个”时，引用了用“至少一个”来描述特征的独立权利要求的从属权利要求具有相同的含义。
如本说明书中所使用的，术语“部分”是指一些或全部。因此，例如，“X的一部分”可以包括一些“X”或全部“X”。在对话的背景中，术语“部分”是指对话的一部分或全部。
如本文所使用的，包括在权利要求书中，短语“使用”是指“至少使用”，并且不是排他性的。因此，例如，短语“使用X”是指“至少使用X”。除非使用“仅”一词明确说明，否则短语“使用X”并不是指“仅使用X”。
如本文所使用的，包括在权利要求中，短语“基于”是指“部分地基于”或“至少部分地基于”，并且不是排他性的。因此，例如，短语“基于因子X”是指“部分地基于因子X”或“至少部分地基于因子X”。除非使用“仅”一词明确说明，否则短语“基于X”并不是指“仅基于X”。
总体上，如本文所使用的，包括在权利要求书中，除非在短语中特别使用“仅”一词，否则不应将其理解为该短语。
如本文所使用的，包括在权利要求书中，短语“不同”是指“至少部分地不同”。除非特别说明，否则不是指完全不同。因此，例如，短语“X与Y不同”是指“X与Y至少部分地不同”，并不是指“X与Y完全不同”。因此，如本文所使用的，包括在权利要求书中，短语“X与Y不同”是指X与Y在至少某种程度上不同。
应了解的是，说明书和权利要求中的词语“第一”、“第二”等用于区分或识别，而不是示出序列或数字限制。类似地，字母标签(例如，“(A)”、“(B)”、“(C)”等，或“(a)”、“(b)”等)和/或数字(例如，“(i)”、“(ii)”等)用于辅助可读性并帮助区分和/或识别，并非旨在以其他方式限制或强加或暗示任何序列或数字限制或顺序。类似地，如果使用的话，说明书和权利要求中的比如“特定”、“具体”、“确定”和“给定”等词语是用来区分或识别的，而不旨在以其他方式进行限制。
如本文中所使用的，包括在权利要求中，术语“多个”和“许多”是指“两个或更多个”、并且包括“两个”的情况。因此，例如短语“多个ABC”是指“两个或更多个ABC”、并且包括“两个ABC”。类似地，例如，短语“多个PQR”是指“两个或更多个PQR”、并且包括“两个PQR”。
在确切的术语、特征、值和范围等与比如约、大约、大致、基本上、本质上、至少等术语结合使用的情况下，本发明还涵盖这些术语、特征、值和范围等(即“约3”或“大致3”也应涵盖确切地3，或“基本上常数”也应涵盖确切地常数)。
如本文所使用的，包括在权利要求书中，术语的单数形式也应被解释为包括复数形式，并且反之亦然，除非上下文另外指出。因此，应注意的是，如本文所使用的，除非上下文明确地另有说明，否则如本文所使用的单数形式“一”、“一种”以及“所述”包括复数指示物。
在整个说明书和权利要求中，术语“包括”、“包含”、“具有”和“含有”及其变体应理解为意指“包括但不限于”、并且不旨在排除其他部件，除非特别这样指出。
应了解的是，可以对本发明的实施例进行改变，同时仍然落入本发明的范围内。除非另有说明，否则用于相同、等同或相似目的的替代性特征可以代替说明书中披露的特征。因此，除非另外指出，所披露的每个特征表示一系列的同等或相似的属性特征的一个实例。
在确切的术语、特征、值和范围等与比如约、大约、大致、基本上、本质上、至少等术语结合使用的情况下，本发明还涵盖这些术语、特征、值和范围等(即“约3”也应涵盖确切地3，或“基本上常数”也应涵盖确切地常数)。
使用示例性语言，比如“例如”、“比如”、“例如”(“例如”)等，仅旨在更好地展示本发明，并不指示对本发明范围的限制，除非特别这样要求。
虽然已经结合当前被认为是最实际和优选的实施例描述了本发明，但是应理解的是，本发明不限于所披露的实施例，但是相反，本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内包含的各种修改和等效装置。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于提供关于手持式仪器的取向的反馈的系统，包括：
与该手持式仪器一起配置的至少一个测量传感器；以及
与该至少一个测量传感器通信的控制器；
其中，该至少一个测量传感器测量该仪器的取向，并且该控制器基于所测得的取向来提供反馈。
2.如权利要求1所述的系统，其中，该仪器选自下组：
锥子、探针、丝锥、钻头、螺丝刀、手术刀、和皮下注射针。
3.如权利要求1所述的系统，其中，该至少一个测量传感器包括至少一个加速度计。
4.如权利要求1所述的系统，其中，该至少一个测量传感器包括至少一个陀螺仪。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所测得的取向是三维空间中的取向。
6.一种适于测量手术仪器的取向的组件，该组件包括：
适于与该手术仪器一起配置的至少一个测量传感器；
其中，该至少一个测量传感器测量该手术仪器的角取向、并且基于所测得的角取向来输出信号。
7.如权利要求6所述的组件，进一步包括：与该至少一个测量传感器通信的控制器，其中，该控制器接收该信号并且基于所测得的该手术仪器的角取向来提供反馈。
8.如权利要求6所述的组件，其中，该手术仪器是手持式仪器。
9.如权利要求8所述的组件，其中，该手术仪器选自下组：
锥子、探针、丝锥、钻头、螺丝刀、手术刀、和皮下注射针。
10.如权利要求6所述的组件，其中，该至少一个测量传感器包括至少一个加速度计。
11.如权利要求6所述的组件，其中，该至少一个测量传感器包括至少一个陀螺仪。
12.如权利要求6所述的组件，其中，所测得的角取向是三维空间中的取向。
13.一种适于提供关于其取向的反馈的手持式手术仪器，该手术仪器包括：
与该手术仪器一起配置的至少一个测量传感器，该至少一个测量传感器基于由于重力引起的该手持式手术仪器的静态加速度的量来测量该手术仪器的角取向，
并且基于所测得角取向来输出信号。
14.如权利要求13所述的手术仪器，进一步包括与该至少一个测量传感器通信的控制器，其中，该控制器接收该信号并且基于所测得的该手术仪器的角取向来提供反馈。
15.如权利要求13所述的方法，其中，该手术仪器选自下组：
锥子、探针、丝锥、钻头、螺丝刀、手术刀、和皮下注射针。
16.如权利要求13所述的方法，其中，该至少一个测量传感器包括至少一个加速度计。
17.如权利要求13所述的方法，其中，该至少一个测量传感器包括将机械或物理运动转换为电信号的压电部件、压阻部件、或电容部件。
18.如权利要求13所述的方法，其中，所测得的角取向独立于该手持式手术仪器是否在接触患者提供。
19.一种用于将手持式手术仪器对准的方法，该手持式手术仪器包括：
至少一个测量传感器；以及
与该至少一个测量传感器通信的控制器；
该方法包括：
(A)将该至少一个测量传感器与该手术仪器一起配置；
(B)使用该至少一个测量传感器来测量该手术仪器的角取向；
(C)将在(B)中测得的角取向信息提供至该控制器；以及
(D)使用该控制器基于该角取向信息来提供反馈。
20.如权利要求19所述的方法，进一步包括：
(E)基于(D)中提供的反馈来将该手术仪器对准。

Claims (20)

1.一种用于提供关于手持式仪器的取向的反馈的系统，包括：
与该手持式仪器一起配置的至少一个测量传感器；以及
与该至少一个测量传感器通信的控制器；
其中，该至少一个测量传感器测量该仪器的取向，并且该控制器基于所测得的取向来提供反馈。
2.如权利要求1所述的系统，其中，该仪器选自下组：
尖钻、探针、丝锥、钻头、螺丝刀、手术刀、和皮下注射针。
3.如权利要求1所述的系统，其中，该至少一个测量传感器包括至少一个加速度计。
4.如权利要求1所述的系统，其中，该至少一个测量传感器包括至少一个陀螺仪。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所测得的取向是三维空间中的取向。
6.一种适于测量手术仪器的取向的组件，该组件包括：
适于与该手术仪器一起配置的至少一个测量传感器；
其中，该至少一个测量传感器测量该手术仪器的角取向、并且基于所测得的角取向来输出信号。
7.如权利要求6所述的组件，进一步包括与该至少一个测量传感器通信的控制器，其中，该控制器接收该信号并且基于所测得的该手术仪器的角取向来提供反馈。
8.如权利要求6所述的组件，其中，该手术仪器是手持式仪器。
9.如权利要求8所述的组件，其中，该手术仪器选自下组：
尖钻、探针、丝锥、钻头、螺丝刀、手术刀、和皮下注射针。
10.如权利要求6所述的组件，其中，该至少一个测量传感器包括至少一个加速度计。
11.如权利要求6所述的组件，其中，该至少一个测量传感器包括至少一个陀螺仪。
12.如权利要求6所述的组件，其中，所测得的角取向是三维空间中的取向。
13.一种适于提供关于其取向的反馈的手持式手术仪器，该手术仪器包括：
与该手术仪器一起配置的至少一个测量传感器；
其中，该至少一个测量传感器测量该手术仪器的角取向、并且基于所测得的角取向来输出信号。
14.如权利要求13所述的手术仪器，进一步包括与该至少一个测量传感器通信的控制器，其中，该控制器接收该信号并且基于所测得的该手术仪器的角取向来提供反馈。
15.如权利要求13所述的手术仪器，其中，该手术仪器选自下组：
尖钻、探针、丝锥、钻头、螺丝刀、手术刀、和皮下注射针。
16.如权利要求13所述的手术仪器，其中，该至少一个测量传感器包括至少一个加速度计。
17.如权利要求13所述的手术仪器，其中，该至少一个测量传感器包括至少一个陀螺仪。
18.如权利要求13所述的手术仪器，其中，所测得的角取向是三维空间中的取向。
19.一种用于将手持式手术仪器对准的方法，该手持式手术仪器包括：
至少一个测量传感器；以及
与该至少一个测量传感器通信的控制器；
该方法包括：
(A)将该至少一个测量传感器与该手术仪器一起配置；
(B)使用该至少一个测量传感器来测量该手术仪器的角取向；
(C)将在(B)中测得的角取向信息提供至该控制器；以及
(D)使用该控制器基于该角取向信息来提供反馈。
20.如权利要求19所述的方法，进一步包括：
(E)基于(D)中提供的反馈来将该手术仪器对准。
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