CN116829097A

CN116829097A - 用于医疗对象追踪的系统和方法

Info

Publication number: CN116829097A
Application number: CN202180075092.8A
Authority: CN
Inventors: M·梅夫塔
Original assignee: Caria Surgery
Current assignee: Caria Surgery
Priority date: 2020-09-10
Filing date: 2021-03-11
Publication date: 2023-09-29
Also published as: WO2022055550A1; EP4210617A1; AU2021341540A1; AU2021341540B2

Abstract

根据本发明的一个方面，提供了一种用于医疗对象追踪的系统。系统包括多个射频收发器，其中多个射频收发器中的每个射频收发器被配置为发射相应频率的射频信号。系统包括可移除地附接到医疗对象的射频信标，其中射频信标被配置成：反射来自多个射频收发器的射频信号，并发射基于振动的信号。系统包括与多个射频收发器通信的控制装置，其中控制装置包括处理电路，该处理电路被配置为至少部分地基于反射的射频信号和基于振动的信号来确定医疗对象在三维空间中的位置。

Description

用于医疗对象追踪的系统和方法

技术领域

本技术总体上涉及医疗环境中对象的位置监测。

背景技术

植入物在骨或软组织中的放置需要精确的规划。例如，在关节置换矫形手术中，精确的骨切割是实现最佳结果所必需的。为了实现这一点，历史上参考骨界标、肢体解剖学对准以及视觉提示的手动切割块被设计成帮助外科医生放置这些引导件；然而，由于手动切割夹具的固有问题，这些引导件缺乏必要的精度。

近年来，已经研发了利用计算机辅助手术(CAS)(诸如导航和机器人)来提高植入物定位的准确度。现有的CAS系统可能需要计算机的光学追踪器来识别在手术期间持续移动的骨骼。这些光学追踪器包括多个大销，这些大销在大多数时候通过单独的切口需要被固定到每个骨中，这些大销可以引起患者的骨折和更多疼痛。进一步，这些光学追踪器可能需要庞大的光学设备，其需要相机的视线以及大量硬件和软件来操作。此外，不存在基于患者的个体软组织张力来调节植入位置的系统性方式。大多数CAS通过外科医生的手动测试被定制成实现“平衡”软组织。这些手动技术是不准确的或不可再现的，因为人体解剖学构造不同。

广泛用于各种行业的雷达技术基于信号的返回及其修改的频率利用各种频率的脉冲声波来追踪对象的距离和速度。因此，远离雷达源行进的对象将返回较长的波长，并且朝向源行进的对象将返回较短的波长。目前在汽车和防御工业中可用的雷达应用旨在实现高精度定位。一种这样的雷达是可商购的，在具有允许利用FMCW雷达的高分辨率和准确度的宽4GHZ带宽的77GHZ下操作。然而，不存在可用于在短范围内实现低于1毫米的分辨率的应用。

在手术室(OR)中，雷达源可以用于对对象的位置进行三角测量，该对象比周围对象更高效地返回波。此外，改变由这些源发射的波的频率可以允许对象的定位更准确。如果对象位置精度要求是亚毫米，我们将需要多个波长的波来确定真实位置，使得可能在波长之间的对象的位置不被误判。亚毫米被定义为1um-1mm的精度(微米-毫米)。

因此，现有系统经受一个或更多个问题。

发明内容

本公开的技术总体上涉及医疗环境中的目标位置监测。

本公开的技术是一种用于精确追踪关注区域的系统，该系统包括一个或更多个射频(RF)收发器以及一个或更多个活动的非常小的信标(beacons)，这些信标在短距离至中距离范围内发射基于射频或振动的信号。这些新颖的信标将在初始接收之后主动地重新发送频移的雷达信号。因为每个信标对进入的雷达信号施加唯一的频率偏移，表现出特定的多普勒频率，所以能够以小于一毫米的精度来测量位置。这些有源信标被设计成实现高精度、增加信噪比、具有可任意处理的小尺寸(小于1英寸)并且还与现成电池一起使用。

对象的三角测量：三个主要雷达在距离关注区域等距位置进行追踪，例如，矫形外科应用的骨追踪以及工具追踪，例如，矫形外科应用的骨锯。这三个雷达以毫秒的脉冲以不同的频率发射波，所以每个返回波将来自不同的频率。校准装置将用于确定亚毫米差如何影响距离的每个变化。在手术期间，激光测距器也将附接至雷达，以在手术之前确定距雷达的真实距离。一旦范围被设定，适当频率的波长将被用于该距离范围以产生工具和骨的最准确的读数。信标还可以被放置在雷达接收机上以检测雷达位置上的任何变化。这种方法用于重新校准雷达并且避免偏差。

手持式扫描仪(诸如激光器或LIDAR)，其将依次被三个雷达追踪。该手持装置将用于通过从表面弹起波来扫描骨表面并且记录距离，因为激光测距器再次用于寻找合适的波长光谱并且当外科医生将装置从关节移动到关节数毫米左右时保持追踪扫描的区域以及它们如何与新位置相关。此变化将被追踪以将所有扫描缝合在一起以得到真实表面几何形状。扫描装置将利用类似于切割工具的雷达在空气中追踪，以闭合骨位置确定的环。

一旦扫描完成，帮助外科医生进行切割的切割工具(诸如自由手骨锯或切割块)可以在空气中追踪并且放置在适当位置中以实现计划的手术。

扫描器还可以用于在切口之后进行测量，以确定切口的精度，从而报告回外科医生进行验证。

在一个或更多个实施例中，本文描述的系统通过简化对骨的追踪(诸如通过使用可以穿透对象的基于波的技术)来改进现有系统。这允许外科医生在不损失信号的情况下打破视线，这可增加手术的安全性，因为系统总是能够追踪对象。虽然可能存在信号强度的暂时下降，但是通过三角测量增加更多的雷达将解决这个问题。此外，采用利用机器学习的特定算法，可以考虑先前植入位置的结果，使得雷达系统可以建议基于患者的人口统计和疾病的严重程度或变形以及外科医生的偏好的定制位置。

在一个或更多个实施例中，提供了一种基于雷达(即，RF)的追踪系统，其中，该系统利用具有生成可以被追踪的多普勒频移波(即，RF信号)的唯一特征的RF信标。

一组静止或移动的雷达在关注区域内发射RF信号。关注区域包含一组无源或有源RF信标，其目的是将清晰、唯一的信号重新辐射回到雷达，以便通过合适的信号处理可以推断它们的三维位置和倾斜度。

在关注区域中散布的这些RF信标接收这些雷达信号，将它们的载波频率偏移到规定值内，并且主动地向全方位重新发射频移的雷达信号。每个信标对进入的雷达信号施加唯一的频率偏移，从而允许其在一些信号处理之后在雷达接收机处识别。具体地，这些信标生成的频率偏移被雷达感知为呈现特定多普勒频率的目标。

通过距离-多普勒处理或类似的移动-目标-指示技术，每个雷达测量关注区域中的信号回波的距离和多普勒。呈现出零或接近零的多普勒值的回波对应于杂波，并且被雷达信号处理器移除。与关注区域中的信标相关联的特定多普勒频率相对应的回波被隔离、处理和追踪。通过在辐射关注区域的所有雷达上收集的距离信息的三角测量来计算RF信标的实际三维位置。

从多个RF收发器以及用于多普勒频移的相同的源生成一系列变化的波频率，以在三维空间中找到唯一的RF信标和相关联的对象。控制装置可以用于将从测量结果生成的点云与受监督的机器学习数据集进行比较以校正不准确的信号处理和/或机器学习。RF信标表示位置和取向两者，其中当RF信标被固定到对象时，使用RF信标和加速度计来识别对象(例如，骨)的位置。随后该对象的任何运动诸如通过RF收发器和/或控制装置被追踪，并且可被控制装置标绘以允许用户基于其定义的位置利用外部工具操纵对象。控制装置可被配置有增强现实，并且其中虚拟现实可被覆盖在被追踪的对象上以允许用户操纵该对象。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于医疗对象追踪的系统。系统包括多个射频收发器，其中多个射频收发器中的每个射频收发器被配置为发射相应频率的射频信号。系统包括可移除地附接到医疗对象的射频信标，其中射频信标被配置为：主动地修改来自多个射频收发器的射频信号。系统包括与多个射频收发器通信的控制装置，其中控制装置包括处理电路，该处理电路被配置为至少部分地基于所反射的射频信号来确定医疗对象在三维空间中的位置。

在一个实施例中，通过使用一个或多个加速度计(accelerometer(s))和/或多个天线(2个或更多个信标)获得6个自由度和倾斜测量。这些多个天线可以放置在同一信标上，或多个单独的信标可以放置在骨或追踪对象上。

根据一个或更多个实施例，该系统包括至少一个信号生成的有源RF信标发射具有或不具有基于振动的信号或声学信号的偏移频率。根据一个或更多个实施例，基于振动的信号包括至少部分基于射频信标的至少一种材料的谐振频率的至少一个信号。有源信标可以是基于振动的、基于RF的、或通过机械振动产生多普勒频率。根据一个或更多个实施例，至少部分地基于从多个射频收发器接收射频信号中的至少一个射频信号来触发基于振动的信号。

根据一个或更多个实施例，该射频信标包括圆锥形部件，该圆锥形部件被配置成用于反射射频信号。根据一个或更多个实施例，多个射频收发器被配置为以预定扫描频率询问相应的预定区域。控制装置被配置成至少部分地基于医疗对象的位置来修改相应预定义区域和预定义扫描频率。

根据一个或更多个实施例，医疗对象是骨表面和医疗装置中的一者。根据一个或更多个实施例，确定医疗对象在三维空间中的位置包括：对每个相应的反射射频信号，确定医疗对象在三维空间中的相应位置。医疗对象在三维空间中的所确定的位置是基于医疗对象在三维空间中的所确定的相应位置。

根据一个或更多个实施例，射频信标包括被配置成用于生成加速度计数据的至少一个加速度计。反射的射频信号中的至少一个射频信号包括加速度计数据。根据一个或更多个实施例，控制装置还被配置为至少部分地基于加速度计数据来确定射频信标在三维空间中的取向。

根据本发明的另一方面，提供了一种在用于医疗对象追踪的系统中实施的方法。在多个射频收发器中的每个射频收发器以各自的频率发射射频信号。在可移除地附接到医疗对象的射频信标处，从多个射频收发器反射射频信号。在射频信标处发射基于振动的信号。至少部分地基于反射的射频信号和基于振动的信号来确定医疗对象在三维空间中的位置。

根据一个或更多个实施例，基于振动的信号包括由触觉装置产生的至少一个信号。根据一个或更多个实施例，基于振动的信号包括至少部分基于射频信标的至少一种材料的谐振频率的至少一个信号。根据一个或更多个实施例，至少部分地基于从多个射频收发器接收射频信号来触发基于振动的信号。

根据一个或更多个实施例，反射的射频信号被射频信标的圆锥形部件反射。根据一个或更多个实施例，在每个射频收发器发射相应频率的射频信号对应于以预定的扫描频率询问相应的预定区域。至少部分地基于反射的射频信号和基于振动的信号来修改相应的预定义区域和预定义扫描频率。

根据一个或更多个实施例，使用至少一个加速度计在射频信标处生成加速度计数据。反射的射频信号包括加速度计数据。根据一个或更多个实施例，至少部分地基于加速度计数据来确定射频信标在三维空间中的取向。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将更容易地理解本发明及其伴随的优点和特征的更完整的理解，在附图中：

图1是根据本发明的一个或更多个实施例的示例系统的示意图；

图2是根据本发明一个或更多个实施例的图1的框图；

图3是根据本公开的一个或更多个实施例的示例过程的流程图；

图4是根据本公开的一个或更多个实施例的示例过程的流程图；

图5是根据本公开的一个或更多个实施例构建的示例性信标的分解视图；

图6是图5中示出的信标的组装视图；以及

图7是示出了安装到医疗对象(即，股骨、胫骨和机械臂的切割元件)的三个信标的视图。

具体实施方式

本领域技术人员将了解的是，本发明不限于以上本文具体示出和描述的内容。此外，除非上文提及与之相反，否则应注意，所有附图并非按比例绘制。根据上述教导，在不偏离本发明的范围和精神的情况下，各种修改和变化是可能的，本发明的范围和精神仅由所附权利要求限制。

在详细描述示例性实施例之前，应注意的是，实施例主要驻留在与对象位置监测相关的设备部件和处理步骤的组合中。因此，在附图中通过常规符号在适当情况下表示部件，仅示出了与理解实施例相关的那些具体细节，以便不会用对受益于本文中的描述的本领域普通技术人员来说明显的细节来模糊本公开。在整个描述中，相同的附图标记代表相同的元件。

如本文使用的，关系术语，诸如“第一”和“第二”、“顶部”和“底部”等可以仅用于将一个实体或元件与另一个实体或元件区分开，而不必要求或暗示此类实体或元件之间的任何物理或逻辑关系或顺序。本文中使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，而并非旨在限制本文中描述的概念。如本文中使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一”(a)、“一个”(an)和“该”(the)旨在也包括复数形式。将进一步理解的是，当在本文中使用时，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(includes)”和/或“包括(including)”指定所陈述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。

本文描述的实施例中，连接术语“与……通信”等可以用于指示电或数据通信，其可以通过例如物理接触、感应、电磁辐射、无线电信令、红外信令或光学信令来实现。本领域普通技术人员将理解，多个部件可以相互操作，并且可以进行修改和变化以实现电气和数据通信。

本文所描述的一些实施例中，术语“耦接”、“连接”等本文可以用于指示连接(尽管不一定直接)，并且可以包括有线和/或无线连接。

除非另外定义，本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。应进一步理解的是，本文中使用的术语应被解释为具有与它们在本说明书和相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且不得以理想化或过于正式的意义进行解释，除非本文中明确如此定义。

现在参考附图，其中相同的元件由相同的附图标记表示，图1示出了通信系统10的示意图，该通信系统10包括与射频(RF)收发器14a-14n(统称为RF收发器14)通信的控制装置12。控制装置12可包括位置单元16，以用于执行如本文所述的一个或更多个控制装置12功能，诸如关于三维空间中的对象位置。系统10还包括RF信标18a-18n(统称为RF信标18)，该RF信标18a-18n被配置成在医疗环境中响应于来自RF收发机14的询问信号来传送一个或更多个信号，例如如本文所描述的。RF信标18可以可移除地附接和/或插入到附接人19或患者19的装置或医疗对象(例如，针)中。在一个或更多个实施例中，RF信标18可移除地附接/可附接至医疗对象，诸如医疗装置20。

图2是根据本发明一个或更多个实施例的示例系统10的框图。系统10包括控制装置12，控制装置12包括使其能够与RF收发器14通信的硬件22。硬件22可以包括通信接口24，以用于建立和维持与不同装置(诸如通信系统10的RF收发器14)的接口的有线或无线连接。

在所示的实施例中，控制装置12的硬件22进一步包括处理电路26。处理电路26可包括处理器28和存储器30。具体地，除了或代替诸如中央处理单元的处理器和存储器，处理电路26可包括用于处理和/或控制的集成电路，例如，适配于执行指令的一个或更多个处理器和/或处理器核和/或FPGA(现场可编程门阵列)和/或ASIC(专用集成电路)。处理器28可以被配置为访问(例如，写入和/或读取)存储器30，其可以包括任何种类的易失性和/或非易失性存储器，例如，高速缓存和/或缓冲存储器和/或RAM(随机存取存储器)和/或ROM(只读存储器)和/或光学存储器和/或EPROM(可擦除可编程只读存储器)。

因此，控制装置12还具有内部存储在例如存储器30中或存储在由控制装置12经由外部连接可访问的外部存储器(例如，数据库、存储阵列、网络存储装置等)中的软件。软件47可由处理电路26执行。处理电路26可被配置为控制本文描述的任何方法和/或过程和/或使得例如由控制装置12执行这样的方法和/或过程。处理器28对应于用于执行本文描述的控制装置12功能的一个或更多个处理器28。存储器30被配置成存储数据、编程软件代码和/或本文描述的其他信息。在一些实施例中，软件47可包括指令，当由处理器28和/或处理电路26执行时，这些指令致使处理器28和/或处理电路26执行本文相对于控制装置12所描述的过程。例如，控制装置12的处理电路26可包括定位单元16，定位单元16被配置为执行如本文所述的一个或更多个控制装置12功能，诸如相对于RF信标位置。

系统10进一步包括RF收发器14，RF收发器14设置在通信系统10中并且包括使其能够与控制装置12和/或RF信标18通信的硬件32。硬件32可以包括用于与通信系统10的不同装置(诸如控制装置12)的接口建立和维持有线或无线连接的通信接口34，以及用于与RF信标18进行无线通信的无线电接口36，如本文所描述的。无线电接口36可形成为或可包括例如一个或更多个RF发射器、一个或更多个RF接收器和/或一个或更多个RF收发器。

在所示的实施例中，RF的硬件32进一步包括处理电路38。处理电路38可包括处理器40和存储器42。具体地，除了或代替诸如中央处理单元的处理器和存储器，处理电路38可包括用于处理和/或控制的集成电路，例如，适配于执行指令的一个或更多个处理器和/或处理器核和/或FPGA(现场可编程门阵列)和/或ASIC(专用集成电路)。处理器40可以被配置为访问(例如，写入和/或读取)存储器42，该存储器42可以包括任何种类的易失性和/或非易失性存储器，例如，高速缓存和/或缓冲存储器和/或RAM(随机存取存储器)和/或ROM(只读存储器)和/或光学存储器和/或EPROM(可擦除可编程只读存储器)。

因此，RF收发器进一步具有内部存储在例如存储器42中或存储在由RF收发器14可经由外部连接访问的外部存储器(例如，数据库、存储阵列、网络存储装置等)中的软件44。软件44可由处理电路38执行。处理电路38可被配置为控制本文中描述的任何方法和/或过程和/或使得诸如由RF收发器执行这样的方法和/或过程。处理器40对应于用于执行本文所描述的RF收发器14功能的一个或更多个处理器40。存储器42被配置成存储数据、编程软件代码和/或本文描述的其他信息。在一些实施例中，软件44可以包括指令，在由处理器40和/或处理电路38执行时，这些指令致使处理器40和/或处理电路38执行在本文中相对于RF收发器14描述的过程。例如，RF收发器14的处理电路38可包括信号单元46，信号单元46被配置以执行本文中所描述的诸如关于发射和/或接收无线信号的一个或更多个RF收发器14功能。

系统10包括一个或更多个RF信标18，其中，每个RF信标18可以包括振动发射器48、圆锥形部件50和可选的加速度计52。具体地，RF收发器14和控制装置12追踪RF信标18，该RF信标18可以可移除地附接靠近骨的暴露表面，不需要单独的切口。RF信标18被配置为诸如经由振动发射器48发射振动以生成多普勒频移。该基于振动的信号可提供额外的干扰波以指示RF信标18的真实位置下降到亚毫米精度，例如，具有小于1毫米的误差的1毫米精度。在一个或更多个实施例中，诸如外科手术锯或外科手术钻的装置中的马达可以充当振动发射器48和/或附加的振动发射器48，其中，可以将从马达刀片的后退表面和接近表面的多普勒频移平均到单个点。

在一个或更多个实施例中，RF信标18可以被配置成用于对由一个或更多个RF收发器14发射的信号的一个或更多个特定频率做出响应以达到其谐振频率。在一个或更多个实施例中，振动发射器48是谐振元件，该谐振元件响应于从一个或更多个RF收发器14接收的信号而振动以生成RF收发器14可以检测的附加基于振动的信号以改善位置精度。在一个或更多个实施例中，RF信标18可以至少部分地由被配置为响应于一个或更多个RF收发器14信号而生成基于振动的信号的材料制成。基于振动的信号可以是与所接收的RF信号相同的频率，或者可以是不同的预定频率。在一个或更多个实施例中，振动发射器48是无源谐振发射器，该无源谐振发射器在预定频率下的RF信号从其反弹时开始振动。

在一个或更多个实施例中，振动发射器48是触觉元件，该触觉元件响应于从一个或更多个RF收发器14接收的信号引起振动以生成RF收发器14可以检测的附加基于振动的信号以改善位置准确度。例如，在一个或更多个实施例中，触觉元件以RF收发器14可检测和追踪的特定速率旋转。RF信标18可以通过触觉振动马达来旋转，该触觉振动马达可以被编码以便以特定速率/频率旋转/振动。控制装置12可使用编码到软件47中的特定算法，以能够通过环境噪声进行滤波，并诸如通过使用例如多普勒滤波直接聚焦在RF信标18的振动/旋转上。在一个或更多个实施例中，多普勒滤波允许在存在强杂波的情况下通过例如区分移动和静态特征来检测弱信号。

加速度计52可用于检测和监测RF信标18的振动并且向控制装置12提供X、Y和Z坐标的瞬时反馈以用于实时追踪。例如，在单个加速度计/陀螺仪52组合中，可以确定俯仰滚转偏航以用于定向3D空间中的RF信标18。来自加速度计52的数据可经由RF信标的无线电接口经由一个或更多个无线通信协议传送给控制装置12，通过该无线电接口，控制装置可确定RF信标18的点位置和平面的加速度计取向。平面可以限定相对于RF收发器14的骨或其他医疗对象取向。无线通信协议可包括蓝牙。

在一个或更多个实施例中，圆锥形部件50被配置成用于以高效路径将雷达波(即，来自一个或更多个RF收发器14的RF信号)反射回一个或更多个RF收发器14。例如，圆锥形部件50可为有源装置，该有源装置旋转以反射来自RF收发器14的RF信号。在一个或更多个实施例中，圆锥形部件50的旋转可以通过接收RF信号来触发和/或可以在被供电时周期性地或连续地旋转。在一个或更多个实施例中，RF信标18可包括可嵌入在反射信号上的射频识别(RFID)和/或RFID可生成指示RFID的单独RF信号。

在一个或更多个实施例中，本文使用的一个或更多个频率可以被修改以将RF信标18保持在预定义的频带内。系统10可至少部分地通过确定这些装置或频率发生器的唯一信号特征而用诸如锯或钻的其他频率发生器来校准。本文描述的软件可以对这些频率进行滤波，并且将唯一的频率分配给信标以防止噪声生成。例如，一旦系统唯一地识别RF信标18，RF信标18的位置和/或定位可以用于确定最终的植入放置。

图3是根据本发明的一个或更多个实施例的控制装置12的过程的示例流程图。由控制装置12执行的一个或更多个块和/或功能可由控制装置12的一个或更多个元件执行，诸如由位置单元16、处理电路26、处理器28等执行。在一个或更多个实施例中，控制装置12诸如经由位置单元16、处理电路26、处理器28等中的一个或更多个来被配置成至少部分地基于反射的射频信号和基于振动的信号来确定(框S100)医疗对象在三维空间中的位置。例如，在一个或更多个实施例中，提供了用于医疗对象追踪的系统10，其中系统10包括多个射频收发器14。例如，多个射频收发器14中的每个射频收发器被配置为发射相应频率的射频信号，以询问RF信标18的预定区域。在一个或更多个实施例中，一个或更多个射频收发器14被配置为扫描整个外科手术区域(即，预定区域)以寻找源自一个或更多个信标18的信号。

系统10包括可移除地附接至医疗对象的射频信标18，其中该射频信标被配置成用于：诸如经由圆锥形部件50反射来自多个射频收发器的射频信号；以及诸如经由振动发射器48发射基于振动的信号。在一个或更多个实施例中，反射的射频信号和基于振动的信号由一个或更多个射频收发器14检测。系统10还包括与多个射频收发器14通信的控制装置12，其中控制装置12包括处理电路38，该处理电路38被配置为至少部分地基于反射的射频信号和基于振动的信号来确定(框S100)医疗对象在三维空间中的位置。

根据一个或更多个实施例，基于振动的信号包括由触觉装置产生的至少一个信号。根据一个或更多个实施例，基于振动的信号包括至少部分基于射频信标18的至少一种材料的谐振频率的至少一个信号。根据一个或更多个实施例，基于振动的信号至少部分地通过从多个射频收发器14接收射频信号中的至少一个射频信号来触发。

根据一个或更多个实施例，射频信标包括圆锥形部件50，其中圆锥形部件50被配置成用于反射这些射频信号。根据一个或更多个实施例，多个射频收发器14被配置为以预定扫描频率询问相应预定区域，其中控制装置12被配置为至少部分基于医疗对象的位置来修改相应预定区域和预定扫描频率。

根据一个或更多个实施例，医疗对象是骨表面和医疗装置中的一者。根据一个或更多个实施例，确定医疗对象在三维空间中的位置包括：针对每个相应的反射射频信号，确定医疗对象在三维空间中的相应位置。医疗对象在三维空间中的所确定的位置是基于医疗对象在三维空间中的所确定的相应位置。

根据一个或更多个实施例，射频信标18包括被配置成用于生成加速度计数据的至少一个加速度计52，其中，这些反射的射频信号中的至少一个包括加速度计数据。根据一个或更多个实施例，控制装置12还被配置为至少部分地基于加速度计数据来确定射频信标18在三维空间中的取向。

在一个或更多个实施例中，不同频率(例如，3GHz至300GHz)的脉冲波(即，RF信号)由RF收发器14诸如经由无线电接口36发射以基于信号的返回及其经修改的频率来追踪对象的距离和速度。这种频率响应的变化可以被识别、表征和分类为唯一的信号，诸如通过RF收发器14和/或控制装置12。在一个或更多个实施例中，RF收发器14可用于对比周围对象更高效地返回波的RF信标18的位置进行三角测量。在一个或更多个实施例中，RF收发器14可至少部分地基于来自RF信标18的振动发射器48的基于振动的信号对RF信标的位置进行三角测量，其中，针对不同信号(例如，反射的射频信号和基于振动的信号)的对象三角测量的结果可以例如经由傅立叶变换被组合或处理为诸如最终波形。

在其他配置中，不传输基于振动的信号并且通过下文更详细地讨论的有源信标18来实现多普勒频移。此外，改变由RF收发器14发射的波的频率可允许对象的定位更准确。如果对象的位置精度要求是亚毫米，控制装置12可使用多个波长的波来确定位置，使得可能介于波长之间的对象的位置可能不会被误判。

图4是根据本发明的一个或更多个实施例的由RF收发器14实施的过程的示例流程图。由RF收发器14执行的一个或更多个块和/或功能可由RF收发器14的一个或更多个元件(诸如由信号单元46、处理电路38、处理器40等)执行。在一个或更多个实施例中，RF收发器14诸如经由信号单元46、处理电路38、处理器40、无线电接口36等中的一个或更多个被配置为在相应的频率处发射(框S102)射频信号，如本文所描述的。在一个或更多个实施例中，RF收发器14(诸如经由信号单元46、处理电路38、处理器40、无线电接口36等中的一个或更多个被配置为接收(框S104)至少一个反射的RF信号，如本文所描述的。

在一个或更多个实施例中，RF收发器14(诸如经由信号单元46、处理电路38、处理器40、无线电接口36等中的一个或更多个)被配置成用于接收(框S106)基于振动的信号，如本文所描述的。在一个或更多个实施方式中，RF收发器14(诸如经由信号单元46、处理电路38、处理器40、无线电接口36等中的一个或更多个)被配置为将至少一个反射的RF信号和基于振动的信号传送(框S108)至控制装置12，如本文所描述的。

已经总体上描述了用于RF信标18位置监测的布置，这些布置、功能和过程的细节被提供如下，并且这些布置、功能和过程可以由控制装置12和/或RF收发器14来实现。

对象三角测量：

在一个或更多个实施例中，从RF收发器14辐射的信号可以从包括进行外科手术的人员的手术室(即，预定区域/环境)中的任何材料中散射。这些散射信号可通过查看多普勒偏移来滤除，因为RF信标18可被配置为在特定频率处振荡，该频率以已知的多普勒偏移重新发射信号。在一个或更多个实施例中，多普勒滤波被配置成通过至少部分地区分移动对象特征与静态对象特征来允许在存在强杂波的情况下检测弱信号。对象特征可对应于由对象传输和/或反射的一个或更多个。

在一个或更多个实施例中，三个RF收发器14位于关注区域周围，例如，用于矫形外科应用的骨追踪，以及工具追踪，例如用于外科手术应用的骨锯或骨钻。在一个或更多个实施例中，三个RF收发器14在毫秒的级联脉冲中以变化的频率发射波，因此到RF收发器14的每个返回波可以来自不同的频率。

在一个或更多个实施例中，RF收发器14可以是圆形配置，例如位于灯柄上，并且可以使用用于RF信标18的更好三角测量的第四RF收发器14，其中RF信标18可以被可移除地插入引脚(pin)中。可以使用用于相对于彼此追踪所有三个RF收发器14以在雷达之间产生具有120度分离的圆弧的方法。在一个或更多个实施例中，具有已知电阻和正弦形状的电阻线在张紧时改变电阻，确定三个RF收发器14创建的圆的圆周以及因此圆的圆心，以发现到所发现的圆心的对象距离。

控制装置12可用于确定影响每个距离变化的亚毫米差值。在一个或更多个实施例中，激光测距器可附接至RF收发器14以在外科手术之前(在本文中称为术前或术前校准)确定与雷达的真实距离。一旦距离被设置，每个RF收发机14的适当频率的波长可被用于该距离范围以产生工具和骨的读数，这可帮助提高距离确定的准确性。

在一个或更多个实施例中，傅里叶变换可以由RF收发器14诸如经由处理电路38和/或信号单元46来实现，以用于从每个RF收发器14以变化的时间戳和频率发射每个波(即，RF信号)。例如，在一个或更多个实施例中，可以在具有不同频率的不同时间戳中发出三组波(RF信号)，其中，具有波的组合的每个波包构成最终波形。返回波的对象(诸如股骨、胫骨或工具RF信标18)可返回与所传输的波明显不同的波(即，RF信号)。根据返回的波，诸如通过处理电路38和/或处理电路26可使用傅里叶逆变换来确定缺失的波类型，并且因此确定与缺失的波类型相关联的工具。在一个或更多个实施例中，波类型可以包括波的一个或更多个特性，诸如频率、功率等。

在一个或更多个实施例中，RF收发器14可以利用具有固定视力的阵列方式追踪其可用视场。这意味着RF收发器14诸如经由处理电路38、信号单元46、无线电接口36等中的一个或更多个来利用耦接的相长波和相消波以高频扫描区域。一旦RF收发器14检测到返回波(诸如来自RF信标18)，RF收发器14可“锁定”在该关注区域(ROI)上并且以更高频率扫描该区域，即，处理电路38减小用于频率扫描的视场。如果与RF信标18相关联的对象移出该区域，如可以由处理电路38由于缺少检测到的返回信号而确定的，则RF收发器14可以重新扫描可用视场以找到RF信标18和对应的对象，并且如果没有找到与RF信标18相关联的对象，则向控制装置12提供反馈。此外，在一个或更多个实施例中，激光测距器可用于改进距雷达的距离以改进雷达波长确定。进一步，虽然系统10被描述为使用三个RF收发器14，但是本文的教导同样适用于其他数量的RF收发器，诸如小于3和/或大于3。

用于使用对象位置的示例技术

在用于执行膝关节成形术(全部或部分)的暴露之后，在扫描骨之前，可在每个骨中放置两个螺钉，一个在远侧股骨中且一个在近侧胫骨上方。引脚是空心的并且可以接收RF信标18。每个RF信标18可具有RFID装置和谐振特征，并且可具有印刷在表面上的QR代码。该QR代码可以基于患者的解剖结构、植入物选择以及外科医生在外科手术之前的偏好而定制。

可以在外科手术期间使用3D激光扫描仪来扫描骨和软骨表面，包括RF信标18。射频识别符(RFID)用于确定每个引脚的唯一零件号并且在外科手术中区分引脚。代码由RF收发器14和/或控制装置12识别，并且加载关节图像、偏好和植入物尺寸的术前加载库。

然后扫描可以被上传到至少控制装置12可访问的基于云的平台。例如通过基于自动脚本的AI/ML算法来分析数据，该自动脚本识别特征骨的界标，并且识别骨/软组织界标。然后该扫描可以叠加在术前图像上，如果可用的话，用于更好的配准过程。掩蔽特征可用于训练脚本以标识点云并且用RMS误差最小化算法更好地将点云彼此覆盖。

在分析扫描的同时，患者的关节可能遭受运动范围，例如在膝盖中，评估膝盖的屈曲和延伸。然后，膝盖经受手动内翻/外翻测试以评估软组织。在此过程期间，这两个RF信标由系统10追踪，并且距离的变化诸如由控制装置12经由处理电路26和/或定位单元16分析为膝盖运动范围期间的间隙的变化。

帮助外科医生进行切割的切割工具(即，对象)，诸如骨锯或切割块，可以在手术期间由第三RF信标18追踪并且放置在适当位置以实现计划的手术。切割装置还可以具有附接到其上的RF信标18和/或RF收发器14，以追踪并找到标识切割平面的位置或骨相互作用位置以修改表面的界标。

例如由控制装置12和/或RF收发器14实现的机器学习算法用于基于先前患者结果评估植入物的最佳位置。例如，使用诸如经由处理电路26的回归分析，基于多个参数将患者类型聚类成单独的专业化组。控制装置12可识别患者并找出来自对该患者类型执行的先前手术的最佳结果，以便为复制该结果的最佳切割平面开处方。植入物对准的参数可以在手术前设置以加快该过程。

可替代地，3D扫描仪可以安装在切割工具(诸如振荡锯或振荡钻)上。扫描仪可以通过对象识别软件检测已经扫描的表面并展示将要执行的所提出的切割/钻孔平面。

可替代地，使用容纳追踪引脚(即，具有RF信标18的引脚)作为固定点的通用切割夹具。由RF收发器14追踪并具有平坦表面的手动夹具定位在切割块上方。与其他追踪引脚(即，具有RF信标18)相比，切割块现在正在被追踪，以分别用于股骨和胫骨两者，并且被钉在适当位置。切割块的精确位置显示在监视器上。

可替代地，在外科医生佩戴与控制装置12通信的头戴式耳机时的增强现实用于评估锯的切割块或切割平面的准确位置。

可替代地，触觉机器人切割工具可以用于执行骨切割。

在进行切割并且放置试验植入物之后，膝盖经受运动范围并且被施加应力以评估软组织张力和切割后运动学数据。例如，由控制装置12实施的人工智能用于基于先前病例确定界标并检测骨的轴线。

在云和/或控制装置12中实现的人工智能和机器学习软件的组合可以随时间推移消除所需要的高级手术前成像，诸如MRI或CT。X射线可以用于辅助手术中扫描以确定骨对准。

3D扫描和雷达坐标被中继并存储在与控制装置12通信的云计算服务中和/或存储在控制装置12处。坐标可以被转换成机器学习算法，然后其被用于建立训练数据的数学模型。每次手术都会建立数据和算法库。这些数据集可以连续地馈送至机器学习平台中，然后该机器学习平台可以循环回至每个(如本文所描述的)诸如识别骨表面和生成切割平面，该识别骨表面和切割平面针对患者的独特软组织平衡和对准以及外科医生的偏好而定制。RF收发器14还可用于在切口之后进行测量，以确定切口的准确度，以报告回外科医生进行验证。

现在参见图5至图7，RF信标18a至18n可以被定大小和被配置为可释放地附接至医疗对象，例如，骨(在图7中示出)或机器人臂的切割器械。例如，RF信标18a可以被锚定到股骨的远端，RF信标18b可以被锚定到胫骨的近端，并且RF信标18c可以被锚定到机器人臂的切割器械。每个RF信标18可包括圆顶部54，在一种配置中，圆顶部54具有1.5cm的直径。在其他配置中，圆顶部54的直径可以是0.5cm至2cm。圆顶部54包括设置在其中的天线56，并且指示线60可以从圆顶部54的基部延伸到顶点。多个夹持元件62可以围绕圆顶部54的圆周设置，以便当接触圆顶部54时向医师提供触觉反馈。位于圆顶部之下的可以是电路板64，例如，包括信标18的电子器件的PCB。电路板64可以包括被配置为在接收到的RF信号中引起多普勒频移的电路。例如，该电路被配置为主动地修改传入的第一RF频率并且将该频率移位到不同于第一频率的第二RF频率，而不使用上文所讨论的基于振动的信号。每个信标18的频移可被编程，使得每个信标18可将输入频率频移预定量。向上延伸到圆顶部54中的天线和加速度计可以耦接到电路板64。

继续参照图5至图7，电路板64的被定大小为被接纳或以其他方式耦接到壳体66，该壳体66耦接到圆顶部54。在示例性配置中，壳体66限定了在尺寸上与圆顶部的最大直径相称的直径。如图6所示，圆顶部54的被定大小成与壳体耦接并且与壳体一起将电路板64保持在其中。位于壳体66下方的是平台68，该平台68被定大小和被配置为可释放地安装圆顶部54和壳体66。在示例性配置中，壳体66被配置成与平台68扭转锁定，该平台68可以进一步将圆顶部54的顶点对准成与平台68的轴线平行。平台68可以进一步限定穿过其中的孔70，第一固定元件72可以布置在该孔70中并且从平台68正交地延伸。第一固定元件72包括可释放地附接到平台68的多个线状部，并且可以限定从该线状部延伸的十字形状部，以帮助骨的初始购买。特别地，十字形状部设计有助于初始旋转稳定性和在骨皮层上的穿透。第二固定元件74以斜角从平台68延伸并且与孔间隔开一定距离。在图6和图7所示的配置中，平台68具有适应远端内侧股骨和近端胫骨的曲率的倾斜部。第二固定元件74有利于平台68的整体稳定性。

在另一实施例中，提供了一种射频(RF)通信装置(例如，蓝牙WiFi)用于实现6自由度(DOF)追踪系统，其中追踪的位置和取向由多个惯性测量单元(IMU)传感器(诸如加速度计、陀螺仪和磁力计)提供。使用雷达信号的次级位置追踪源将建立3个DOF位置。使用3DOF雷达数据将实现来自基于IMU的追踪的正确的插值噪声或漂移误差。辅助系统可以与基于主IMU的追踪系统同步或异步地操作。

如本领域技术人员将理解的，本文描述的概念可以被实施为一种方法、数据处理系统、计算机程序产品和/或存储可执行计算机程序的计算机存储介质。因此，本文中描述的概念可以采取完全硬件实施方式、完全软件实施方式或结合软件和硬件方面的实施方式的形式，所有这些在本文中统称为“电路”或“模块”。本文中描述的任何处理、步骤、动作和/或功能可以由对应模块执行和/或与对应模块相关联，对应模块可以在软件和/或固件和/或硬件中实现。此外，本公开可采取有形计算机可用存储介质上的计算机程序产品的形式，该有形计算机可用存储介质具有体现于可由计算机执行的介质中的计算机程序代码。可以利用任何合适的有形计算机可读介质，包括硬盘、CD-ROM、电子存储装置、光存储装置或磁存储装置。

本文参考方法、系统和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了一些实施例。应当理解，流程图和/或框图的每个框以及流程图和/或框图中各个框的组合，都可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机(从而产生专用计算机)、专用计算机或其他可编程数据处理设备的处理器，从而产生一种机器，使得这些计算机程序指令在经由计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行时，产生实现流程图和/或框图或框中指定的功能/动作的装置。

也可以把这些计算机程序指令存储在计算机可读存储器或存储介质中，这些计算机程序指令使得计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作，使得存储在计算机可读存储器中的指令产生包括实现流程图和/或框图或框中所指定的功能/动作的指令装置的制造品。

计算机程序指令还可以被加载到计算机或其他可编程数据处理设备上以致使在该计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实施的过程，使得在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实施在流程图和/或框图或框中指定的功能/动作的步骤。

应当理解的是，框中指出的功能/动作可以不按照操作说明中指出的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/动作，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行或者这些框有时可以以相反的顺序执行。尽管一些示图包括在通信路径上的箭头以示出通信的主要方向，但应当理解，通信可在与所描绘的箭头相反的方向上发生。

用于执行本文描述的概念的操作的计算机程序代码可以用面向对象的编程语言(诸如或C++)编写。然而，用于执行本公开的操作的计算机程序代码也可以用常规的过程编程语言(诸如“C”编程语言)来编写。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分在用户计算机上执行、作为独立软件包执行、部分在用户计算机上和部分在远程计算机上执行或者完全在远程计算机上执行。在后一种情况下，远程计算机可通过局域网(LAN)或广域网(WAN)连接至用户计算机，或者可连接至外部计算机(例如，使用互联网服务提供商通过互联网)。

结合以上描述和附图，本文已经公开了许多不同的实施例。应当理解，在字面上描述和示出这些实施例的每种组合和子组合将不适当地重复和模糊。因此，可以以任何方式和/或组合组合所有实施方式，并且本说明书(包括附图)应被解释为构成本文描述的实施方式的所有组合和子组合以及制造和使用它们的方式和过程的完整书面描述，并且应支持任何这种组合或子组合的权利要求。

本领域技术人员将理解的是，本文所描述的实施例不限于在上文中具体示出和描述的内容。此外，除非上文提及与之相反，否则应注意，所有附图并非按比例绘制。根据上述教导，各种修改和变化是可能的。

本领域技术人员将理解的是，本发明不限于以上本文具体示出和描述的内容。此外，除非上文提及与之相反，否则应注意，所有附图并非按比例绘制。根据上述教导，在不偏离本发明的范围和精神的情况下，各种修改和变化是可能的，本发明的范围和精神仅由所附权利要求限制。

Claims

1.一种用于医疗对象追踪的系统，包括：

多个射频收发器，所述多个射频收发器中的每个射频收发器被配置为以第一相应频率发射射频信号；

射频信标，所述射频信标能够可移除地附接至医疗对象，所述射频信标包括多个医疗对象附接元件，所述射频信标被配置为将所述射频信号从所述相应第一频率修改为不同于所述第一相应频率的第二相应频率；以及

控制装置，所述控制装置与所述多个射频收发器通信，所述控制装置包括处理电路，所述处理电路被配置为至少部分地基于修改的射频信号来确定所述医疗对象在三维空间中的位置。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述信标包括圆顶部。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述信标包括设置在所述圆顶部内的天线。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述信标包括平台以及从所述平台正交延伸的所述多个医疗对象附接元件中的第一医疗对象附接元件。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述信标包括从所述平台以倾斜角度延伸的所述多个医疗对象附接元件中的第二医疗对象附接元件。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述圆顶部包括位于所述圆顶部的外表面上的多个夹持元件。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述信标包括设置在所述信标中的加速度计。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述信标被配置为扭转锁定至所述平台。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述信标包括由所述多个射频收发器可读的快速响应(QR)代码。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述信标的直径为约1.5cm。

11.一种射频信标，包括：

平台；

第一医疗对象固定元件，所述第一医疗对象固定元件从所述平台延伸并垂直于所述平台；

第二医疗对象固定元件，所述第二医疗对象固定元件相对于所述平台以倾斜角度设置；

圆顶部，所述圆顶部包括设置在所述圆顶部内的天线；

加速度计，所述加速度计设置在所述圆顶部内；以及

电路板，所述电路板被设置在所述平台处的所述圆顶部之间，所述加速度计和所述天线被附接到所述电路板。