TW202402246A - 手術導航系統及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本揭露內容提供一種手術導航系統。該手術導航系統包括：頭戴式裝置，其包括感測模組、處理模組、及顯示模組；以及複數個視覺標記，其中該感測模組識別與追蹤每個視覺標記的三維位置與方向，該處理模組再計算每個視覺標記之間的空間轉換關係，以建立區域座標系統，而該顯示模組再生成虛擬影像。本揭露內容還提供一種使用該手術導航系統協助醫療程序的方法。

Description

手術導航系統及其使用方法
本揭露內容涉及一種手術導航系統及其使用方法，更具體地，涉及用於輔助醫療程序的手術導航系統與使用方法。
在執行人工寬關節置換手術時，Lewinnek等人為避免產生關節脫位等風險，而定義了髖臼組件的安全區「Lewinnek Safe Zone」若髖臼組件未被置放在安全區之內，人工髖關節脫臼、夾擊、活動度限制、早期鬆動、聚乙烯組件磨損的風險將大幅提升。
然而，目前若想知道髖臼組件的放置角度，大多需透過術後X光以量測髖臼組件角度是否在安全區之內。若不使用導航系統，便只能靠傳統器械導引，但仍會因骨盆在術中位移或器械操作判讀上的差異造成人為誤差。
因此，急需開發一種能夠即時運算並以視覺方式顯示髖臼組件放置安全區的方法與系統，無需額外手持式分析軟體或硬體，且適用於各廠牌機台與器械，以提升人工髖關節置換手術的效率。
[相關申請的交叉引用]
本申請要求2022年3月2日提交題為「基於混合實境的手術導航系統與方法」的美國臨時專利申請序列號63/315,546的權益與優先權。出於所有目的，上述申請的內容透過引用併入本文。
有鑒於現有技術的不足，本揭露內容的一些實施方式可以提供一種具有校正程序模式的手術導航系統，以使該手術導航系統能夠良好地被應用在任何具有不同尺寸的工具或儀器上。
此外，本揭露內容的一些實施方式可以提供一種具有髖關節置換程序模式的手術導航系統，以協助準確地將髖臼組件插入安全區，或提供具有其他醫療程序模式的手術導航系統，以協助進行相應的醫療程序。
在本揭露內容的第一方面中提供一種手術導航系統，包括：一頭戴式裝置，包括：一感測模組，包括至少一個追蹤攝影機；一處理模組，連接至該感測模組；以及一顯示模組，連接至該處理模組，且包括一顯示生產器；以及複數個視覺標記，分別由該追蹤攝影機識別與追蹤；其中，以該追蹤攝影機識別與追蹤該複數個視覺標記中每一個的三維位置與方向，該處理模組再根據該三維位置與方向計算該複數個視覺標記中每一個之間的空間轉換關係，以建立一區域座標系統，且該顯示模組再藉由該顯示生產器基於該區域座標系統生成一虛擬影像。
根據本揭露內容第一方面的一實施方式，該些視覺標記中的一個被用作為包括一校正部分的一定位參考，且該定位參考被固定在一病患的身體上、或者在該手術導航系統被用於一醫療程序時保持靜止。
根據本揭露內容第一方面的另一實施方式，該手術導航系統進一步包括一註冊器，其附接有至少一個視覺標記並包括一註冊部分。
根據本揭露內容第一方面的另一實施方式，當該註冊器的註冊部分指向該定位參考的校正部分時，該處理模組會根據該些視覺標記的三維位置與方向來計算該註冊器與該定位參考之間的空間轉換關係，以校正該註冊器上的註冊部分與視覺標記之間的距離。
根據本揭露內容第一方面的另一實施方式，該註冊器是用於註冊在該病患上的一個或多個區域標記的三維位置與方向。
根據本揭露內容第一方面的另一實施方式，該註冊器是藉由將該註冊部分指向一手術器械的邊界，以校正該手術器械與其上的視覺標記之間的距離。
根據本揭露內容第一方面的另一實施方式，該手術器械是用於髖關節置換手術的具有髖臼組件的撞擊器，且該註冊器是藉由將該註冊部分指向具有髖臼組件的撞擊器的二端，以校正該撞擊器的髖臼組件與其上的視覺標記之間的距離。
根據本揭露內容第一方面的另一實施方式，該醫療程序是選自於由以下所組成的群組：髖關節置換手術、膝關節置換手術、手臂骨癒合不良的截骨矯正手術、遠端股骨與近端脛骨截骨手術、髖臼周圍截骨手術、肘關節韌帶重建手術、膝關節韌帶重建手術、踝關節韌帶重建手術、肩膀肩鎖關節重建手術、全肩關節置換手術、反轉式肩關節置換手術、全踝關節關節置換手術。
在本揭露內容的另一方面中提供一種使用如請求項3所述的手術導航系統協助髖關節置換手術的方法，包括：將一第一視覺標記固定在該病患上以作為該定位參考；將一第二視覺標記附接在該註冊器上；分別識別該第一視覺標記與該第二視覺標記，並藉由將該註冊器的註冊部分指向該定位參考的校正部分，以校正該註冊器上的註冊部分與視覺標記之間的距離；藉由將該註冊器的註冊部分指向該病患骨盆的一個或多個區域標記，以校正該一個或多個區域標記的三維位置與方向；根據該一個或多個區域標記的三維位置與方向定義一區域座標系統；將一第三視覺標記附接在該病患股骨上；識別該第三個視覺標記並水平與垂直地移動該病患的股骨，以定義一髖關節中心；以及根據該區域座標系統與該髖關節中心，定義可插入一髖臼組件的一安全區。
根據本揭露內容另一方面的一實施方式，該一個或多個區域標記包括一左髂前上棘(ASIS)、一右髂前上棘、及一耻骨聯合，且該區域座標系統與骨盆大小或前骨盆平面的方向及位置相關。
根據本揭露內容另一方面的另一實施方式，該方法進一步包括：將一第四視覺標記附接在具有髖臼組件的撞擊器上；以及分別識該第二視覺標記與該第四視覺標記，並藉由將該註冊器的註冊部分指向具有髖臼組件的撞擊器的二端，以校正該撞擊器的髖臼組件與該第四視覺標記之間的距離。
根據本揭露內容另一方面的另一實施方式，該方法進一步包括：追蹤與引導具有髖臼組件的撞擊器以對齊該安全區。
本揭露內容的手術導航系統可以即時且準確地顯示放置髖臼組件的安全區，且可以應用於所有廠牌的機台與器械，以藉由本揭露內容的手術導航系統來提高醫療程序的效率。
以下敘述含有與本揭露內容中的示例性實施方式相關的特定資訊。本揭露內容中的附圖及其隨附的詳細敘述僅為示例性實施方式。然而，本揭露內容並不局限於此些示例性實施方式。本揭露內容所屬技術領域中具通常知識者將會想到本揭露內容的其他變化與實施方式。除非另有說明，否則附圖中的相同或對應的元件可由相同或對應的附圖標號指示。此外，本揭露內容中的附圖與例示通常不是按比例繪製的，且非旨在與實際的相對尺寸相對應。
出於一致性及易於理解的目的，在示例性附圖中藉由標號以標示相同特徵(雖在一些示例中並未如此標示)。然而，不同實施方式中的特徵在其他方面可能不同，因此不應狹義地局限於附圖所示的特徵。
針對「至少一個實施方式」、「一實施方式」、「多個實施方式」、「不同的實施方式」、「一些實施方式」、「本實施方式」等用語，可指示如此描述的本揭露內容實施方式可包括特定的特徵、結構或特性，但並不是本揭露內容的每個可能的實施方式都必須包括特定的特徵、結構或特性。此外，重複地使用短語「在一實施方式中」、「在本實施方式」並不一定是指相同的實施方式，儘管它們可能相同。此外，諸如「實施方式」之類的短語與「本揭露內容」關聯使用，並不意味本揭露內容的所有實施方式必須包括特定特徵、結構或特性，並且應該理解為「本揭露內容的至少一些實施方式」包括所述的特定特徵、結構或特性。術語「耦接」被定義為連接，無論是直接還是間接地通過中間元件作連接，且不一定限於實體連接。當使用術語「包括」時，意思是「包括但不限於」，其明確地指出所述的組合、群組、系列及均等物的開放式包括或關係。
另外，基於解釋及非限制的目的，闡述諸如功能實體、技術、協定、標準等的具體細節以提供對所描述的技術的理解。在其他示例中，省略了眾所周知的方法、技術、系統、架構等的詳細描述，以避免說明敘述被不必要的細節混淆。
本揭露內容的說明書及上述附圖中的術語「第一」、「第二」、及「第三」等是用於區別不同物件，而非用於描述特定順序。此外，術語「包括」以及它們任何變形，意圖在於覆蓋不排他的包括。例如包括了一系列步驟或模組的過程、方法、系統、產品或設備沒有限定於已列出的步驟或模組，而是可選地還包括沒有列出的步驟或模組，或可選地還包括對於這些過程、方法、產品或設備固有的其它步驟或模組。
以下將結合附圖與實施方式對本揭露內容作進一步的詳細描述。
本揭露內容基本上涉及一種手術導航系統與其使用方法，以用於提供直觀的即時引導影像來輔助醫療手術。
所述手術導航系統與其使用方法可以由使用者用以輔助對人類或哺乳動物(例如，另一病患)的醫療程序，包括外科手術。在一些實施方式中，所述使用者可以是使用本揭露內容的手術導航系統與其使用方法的個體。在一些實施方式中，所述病患可以是另一個體，其可以是由本揭露內容的手術導航系統與其使用方法執行醫療程序的個體。
請參見圖1、圖2、及圖3，本揭露內容的手術導航系統100被用於輔助醫療程序；其中，圖1是根據本揭露內容一實施方式的包括頭戴式裝置110與視覺標記120的手術導航系統的示意圖；圖2是根據本揭露內容一實施方式的手術導航系統的視覺標記(121、122、123、124)的示意圖；且圖3是根據本揭露內容一實施方式的手術導航系統100的電子硬體配置的示意圖。
所述手術導航系統100可以包括一頭戴式裝置110與一個或多個視覺標記120。在一些實施方式中，該頭戴式裝置110可以包括具有一個或多個追踪攝影機(210、220、230)的感測模組111、處理模組112、及具有顯示生產器410的顯示模組113，該顯示生產器410會在顯示螢幕420上生成視覺影像以供使用者觀看。在一較佳實施方式中，該顯示模組113附接在使用者的頭部，具體而言，該顯示螢幕420設置於該使用者的眼前。在一些實施方式中，該處理模組112可以進一步包括校正單元320。
在一些實施方式中，該感測模組111、該處理模組112、及該顯示模組113可以被整合在該頭戴式裝置110中。在一些實施方式中，該處理模組112可以遠程連接至被設置在該頭戴式裝置110中的該感測模組111與該顯示模組113。該處理模組112可以由中央處理器(CPU)310來實現，或者可以由其他可編程的通用或專用微處理器、數位訊號處理器(DSP)、可編程控制器、特定應用積體電路(ASIC)、可編程邏輯裝置(PLD)或其類似者，或者其組合來實現。
在一些實施方式中，該顯示螢幕420可以包括透明面罩，其允許該顯示生產器410投射至該透明面罩上，以將數據與影像疊加在使用者視線的可視範圍內。在一些實施方式中，該感測模組111可以附接至或作為該顯示模組113的一部分。在一些實施方式中，該顯示生產器410可以與顯示螢幕420進行電子通訊。在一些實施方式中，該顯示生產器410可以與顯示螢幕420一起被整合在該顯示模組113中。在一些實施方式中，該顯示模組113，尤其是該顯示螢幕420，可以進一步包括一個附接機構330，而允許將其固定在使用者的頭部或面部，以確保該顯示模組113與使用者視線的對準是一致且可重複的。
請參見圖3，在一些實施方式中，該感測模組111不僅可以包括一個或多個追踪攝影機(210、221、230)，還可以選擇性地包括慣性測量單元(IMU)240、用於聲控不同顯示模式(包括但不限於移除所有顯示項目以獲得清晰視野)的麥克風250、以及一個或多個用於聲音警報與其他目的揚聲器510。
在一些實施方式中，所述IMU 240可以提供與不基於視覺的物體相關的額外方向與定位數據。在一些實施方式中，該感測模組111可以進一步包括透過有線、無線、或儲存器傳輸的外部數據260，且該外部數據260可以選擇性地為螢光透視成像、電腦斷層掃描(CAT或CT)、正子斷層掃描(PET)、磁共振成像(MRI)數據或其類似者的形式。
在一些實施方式中，在手術導航系統100的操作期間，該顯示生產器410及該處理模組112與上述感測模組111的組件進行電子通訊。該處理模組112可以是控制顯示管理與演算法執行的中央處理單元(CPU)310。在一些實施方式中，該處理模組112可以是控制顯示管理與演算法執行的CPU 310以及控制方向與定位校正的校正單元320的組合。在一些實施方式中，該處理模組112可以是具有校正子單元以控制方向與定位校正的CPU 310。
在一些實施方式中，該手術導航系統100可以使用一個或多個感測模組111來創建表示工作空間中物體的三維位點數據的雲端。此數據可以用於後續的跟進、可視化、或回放時創建或映射至模型化的物體上。在一些實施方式中，該顯示模組113可以包括但不限於將全息或偽全息的影像投射至使用者所關注領域中的功能。此外，該顯示模組113還可以選擇性地提供眼動追蹤的功能，以決定與使用者視野最佳顯示影像相關的內容。
在一些實施方式中，該手術導航系統100可以選擇性地使用演算法來區分視野中的物體，以識別與當前任務相關的重要物體與不重要物體。這可以包括但不限於，在視野中識別髖臼上的骨性區域標記，以便與述前掃描進行比較與合併，儘管軟組織與工具也在同一視野中可見。
在一些實施方式中，該顯示模組113可以透過擴增實境(AR)頭戴式裝置來實現。該AR頭戴式裝置可以應用於各種無菌手術程序(例如脊柱融合術、髖關節與膝關節置換術等)。可以透過調整頭帶上的轉輪將該AR頭戴式裝置夾在使用者的頭部。此外，透明面罩可以選擇性地透過魔鬼氈而附接至AR頭戴式裝置上。另外，也可以使用黏合劑、磁力、鉤子或其他本技術領域已公開的附接方式。在一些實施方式中，該AR頭戴式裝置可以包括顯示部分，該顯示部分具有一對用於視覺擴增的顯示螢幕與二個用於執行追蹤及立體成像功能(包括二維與三維數字變焦功能)的追蹤攝影機。另外，也可以透過MR頭戴式裝置來實現該顯示模組113。
在一些實施方式中，該感測模組111的一個或多個追蹤攝影機(210、220、230)與一個或多個視覺標記(121、122、123、124)可以用於視覺追蹤不同物體(例如手術工具、解剖對象內的所需位置等)，並決定其相對於使用者的姿態、位置、及方向。
在一些實施方式中，該感測模組111的一個或多個追蹤攝影機(210、220、230)可以識別一個或多個視覺標記(121、122、123、124)。在一些實施方式中，該一個或多個視覺標記(121、122、123、124)中的每一個在視覺上是獨特且不同的，因此可以透過一個或多個追蹤攝影機(210、220、230)單獨地追蹤。獨立物體識別與機器視覺技術可以用於標記識別。在一些實施方式中，一個或多個視覺標記可以是一維條碼或二維條碼，例如QR碼、PDF417等。
在一些實施方式中，至少一個視覺標記121可以附接在定位器上作為定位參考，該定位參考包括校正位點/部分121C用以執行校正程序。該定位器可以是骨釘、夾具或任何可以固定在病患身體上的工具。在一些實施方式中，該校正位點121C可以位於該視覺標記的中心位置。在一些實施方式中，一個或多個視覺標記123可以附接在註冊器130(如圖6所示)或任何類型的手術器械上，以追蹤他們的位置與方向。在一些實施方式中，一個或多個視覺標記122可以附接在病患的身體上，以追蹤病患的位置與方向。在一些實施方式中，視覺標記(121、122、123、124)可以設置在任何物體上，只要追蹤攝影機(210、220、230)可以識別與追蹤該些視覺標記(121、122、123、124)，例如，視覺標記(121、122、123、124)可以設置在立方體、長方體、三棱柱的物體上。在一較佳實施方式中，該些視覺標記(121、122、123、124)可以被設置在立方體的五個面上，以增加追蹤攝影機(210、220、230)識別與追蹤的可能性。
本揭露內容可以用於外科手術。在一些實施方式中，可以使用模型執行術前規劃(可選擇性地使用AR或MR進行模型的可視化與操作)以識別項目，包括但不限於：解剖參考框架、切除平面的目標、待切除的體積、切除的平面與水平、植入物的尺寸與最佳定位、進入目標組織的路徑與軌跡、以及引導針、鑽頭、釘子或器械的軌跡與深度。在一些實施方式中，模型與術前規劃數據可以在手術前或手術時上傳至該顯示模組113的記憶體中，其中上傳過程可以透過無線電進行最方便的無線上傳。
AR頭戴式裝置中的演算法可以用於處理來自一個或多個追蹤攝影機(210、220、230)的影像，以計算每個基準點的交點，從而決定視覺標記(121、122、123、124)的六自由度姿態。此處所稱的「姿態」指的是物體的位置與方向的組合。在一些實施方式中，視覺標記(121、122、123、124)的基準點可以透過印刷在自黏貼紙上、將黑色區域雷射蝕刻至白色塑膠材料表面上、或其他替代方法來創建。
在一些實施方式中，使用者可以將一個或多個視覺標記(121、122、123、124)插入病患的骨頭中進行精確追蹤。在一些實施方式中，當使用者在手術過程期間使用具有該顯示模組113的手術導航系統100時，使用者可以看到術前規劃的資訊且可以追蹤手術器械與植入物，並提供各種術中的測量資訊，包括但不限於鑽頭或釘子相對於解剖結構的深度、器械角度、骨切割角度等。
在一些實施方式中，當在醫療程序中使用手術導航系統100時，可以啟動處理模組112，且可以初始化一個或多個追蹤攝影機(210、220、230)。當該定位參考(例如附皆在定位器上的視覺標記121)與後續的視覺標記(121、122、123、124)位於一個或多個追蹤攝影機(210、220、230)的視野中時可以被定位與識別。此些視覺標記(121、122、123、124)的追蹤可以提供相對於彼此的位置與方向。可以選擇性地將來自感測模組111的其他感測器數據，例如IMU 240，整合進數據集中。此外，關於病患、目標、工具、器械、或環境其他部分的外部(輔助)數據260可以選擇性地被整合進演算法中使用。在本揭露內容中使用的演算法可以針對特定的程序與收集的數據進行調整。演算法可以輸出所需的輔助數據，以供顯示模組113使用。
在本揭露內容的一實施方式中，請參見圖4，該手術導航系統100可以用於髖關節置換手術。一個視覺標記121可以附接在固定於病患骨盆上的定位器上以作為定位參考；另一個視覺標記123可以附接在註冊器130上；其他視覺標記124則可以附接在手術器械上，例如撞擊器140(如圖8所示)；其他視覺標記122也可以附接在病患的身體上，例如皮膚或股骨。在一些實施方式中，該註冊器130與該撞擊器140的尺寸可以是已知或未知的。在一較佳實施方式中，該視覺標記122可以附接在病患的股骨上，且該視覺標記124可以附接在撞擊器140上。
使用者可以透過該顯示模組113看到如圖9所示的混合實境使用者界面影像(MRUI)，其將用於髖關節置換手術時插入髖臼杯(亦即髖臼組件)的安全區(S)的立體虛擬圖像提供在使用者的視野中。此處所稱的安全區是指插入髖臼組件的安全範圍，且該安全區可以涵蓋從髖關節中心或髖臼組件表面中心出發，外展(傾斜)範圍為40 10度的角度、前傾範圍為15 10度的角度。此外，當該手術導航系統100用於髖關節置換手術時，可以根據病患與髖臼組件的情況，來調整從髖關節中心或髖臼組件表面中心出發的外展角與前傾角的涵蓋範圍。
此些物體上的一個或多個視覺標記(121、122、123、124)的結合，結合先前處理與特定的演算法，可以計算出使用者感興趣的測量值，包括撞擊器相對於骨盆的即時外展角與前傾角，以準確放置髖臼杯(相同於髖臼組件)。此外，還可以呈現從術前到術後狀態的物理參數測量，包括但不限於整體腿長的變化。數據的呈現可以是可讀形式或者是影像形式，包括但不限於工具的三維表現或其他引導形式，或其任意組合。
請參見圖4、圖5、及圖6，其中圖5是根據本揭露內容一實施方式的使用手術導航系統100執行校正程序的方法的流程圖；圖6是根據本揭露內容一實施方式的手術導航系統的註冊器的示意圖。
在一些實施方式中，註冊器130可以大致形成長桿狀，且可以設置有其中一個視覺標記123。在一些實施方式中，該註冊器130可以用於校正程序。在一些實施方式中，該註冊器130可以儲存一個或多個虛擬指向標記(M)，其可以用於表示使用者感興趣的位置，包括但不限於骨性區域標記。在一些實施方式中，此些區域標記可以是病患身體上的任何位點或組合位點，其可以用於決定使用者感興趣的特定區域的區域座標系統，例如病患的骨盆。在一些實施方式中，此些區域標記可以是右髂前上棘(A)、左髂前上棘(B)、及耻骨聯合(C)。
在一些實施方式中，在本揭露內容的手術導航系統100用於協助髖關節置換手術期間的醫療程序之前，可以透過校正程序對註冊器130與手術器械進行校正。因此，註冊器130與各個手術器械的位置與方向的資訊可以更加準確，且具有任何尺寸的註冊器130與手術器械都可以應用於所述手術導航系統100。
在校正程序(S101)期間，視覺標記121可以被設置在定位器上作為包含有校正位點121C的定位參考，且該定位器可以被固定在與使用者感興趣的區域相關的位置。在一些實施方式中，該定位器可以被固定在進行髖關節置換手術的病患骨盆上。設置在該定位器上的視覺標記121可以被感測模組111的追蹤攝影機(210、220、230)識別(S101)，且與定位參考的三維位置與方向相關的數據可以傳輸並儲存在處理模組112或校正單元320中。另一個視覺標記123可以被設置在註冊器130上，以作為校正程序中主要的校正工具。設置在該註冊器上的視覺標記123可以被感測模組111的追蹤攝影機(210、220、230)識別(S102)，且與註冊器的三維位置與方向相關的數據可以傳輸並儲存在處理模組或校正單元中。
當視覺標記(121、123)都被追蹤攝影機(210、220、230)識別時，將註冊器130的尖端(P)指向設置在定位器上的視覺標記121的校正位點121C(S103)，則可以透過處理模組112或校正單元320的演算法，來建立註冊器130的尖端(P)與設置在定位器上的視覺標記121之間的空間轉換關係(S104)。在一些實施方式中，與註冊器130(尤其是尖端P)的三維位置與方向相關的數據，可以被傳輸並存儲在處理模組112的校正單元320中，以便與定位參考的座標系統進行比較與計算。更具體地來說，視覺標記121的校正位點121C被當作是座標的原點，而當該註冊器130的尖端P指向該視覺標記121的校正位點121C時，可以識別與追踪視覺標記123與該視覺標記121相關的三維位置與方向，以校正該註冊器130的尖端P與該視覺標記123之間的特定三維位置與方向。
其他視覺標記也可以被設置在手術器械上，例如具有髖臼組件的撞擊器。設置在每個手術器械上的視覺標記可以被感測模組111的追蹤攝影機(210、220、230)識別(S106)，且與該些手術器械的三維位置與方向相關的數據可以傳輸並儲存在處理模組112中。在一較佳實施方式中，視覺標記124可以被設置在具有髖臼組件的撞擊器140(如圖8所示)上。當視覺標記(123、124)都被追蹤攝影機(210、220、230)識別時，將註冊器130的尖端P分別指向每個手術器械的二端，則可以透過處理模組112或校正單元320的演算法，來識別每個手術器械的方向向量(S107)。在一較佳實施方式中，可以將註冊器130的尖端P指向手術器械的二個端點或沿著其軸線的二個位置，從而更準確地識別該手術器械的方向向量。在另一較佳實施方式中，可以將註冊器130的尖端P指向具有髖臼組件的撞擊器140軸線上的二個位置，更具體地來說，為髖臼組件中心至撞擊器140軸線上的二個位置，以更準確地識別具有髖臼組件的撞擊器140的方向向量。基於每個手術器械的向量，可以透過處理模組112或校正單元320的演算法建立手術器械的方向向量與設置在其上的視覺標記124之間的空間轉換關係(S108)。在一些實施方式中，與每個手術器械的三維位置與方向(尤其是其向量)相關的數據可以被傳輸並儲存在處理模組112的校正單元320中，以便與座標系統進行比較與計算。更具體地來說，與每個手術器械的三維位置與方向(尤其是其向量)相關的數據可以與相應的視覺標記124相關聯，亦即該視覺標記124可以用作儲存該手術器械的三維位置與方向的父元素。
請參見圖7A及圖7B，是根據本揭露內容一實施方式的使用手術導航系統100執行髖關節置換手術的方法的流程圖。
在一些實施方式中，本揭露內容進一步提供使用手術導航系統100進行髖關節置換手術的方法，其中髖骨被擴孔並插入置換杯(例如髖臼組件)以與病患的腿一起使用。
視覺標記121可以被附接在定位器上作為定位參考，且該定位器可以被設置在病患的骨盆上。在一些實施方式中，定位器可以是設置在病患骨盆上的骨釘。在一些實施方式中，定位器可以是設置在病患骨盆上的夾具。在一些實施方式中，視覺標記121可以透過夾具、魔鬼氈、黏貼、或其類似者而附接在定位器上。在一些實施方式中，視覺標記121可以透過夾具、黏貼、或其他本技術領域已公開的附接方式而直接設置在病患身體上。在一些實施方式中，定位器可以被設置在病患的任何身體部位，只要視覺標記121可以被一個或多個追蹤攝影機識別。
另一視覺標記123可以被附接在註冊器130上。在一些實施方式中，視覺標記123可以透過夾具、魔鬼氈、黏貼、或其類似者而附接在註冊器130上。在一些實施方式中，註冊器130的尺寸與視覺標記123的位置或方向可以是未知而需要透過如圖5所述的校正程序進行校正。註冊器130可以儲存一個或多個虛擬指向標記(M)，其可以用於註冊使用者感興趣的區域標記的位置與方向。在一些實施方式中，該些區域標記可以是任何使用者感興趣的骨性區域標記或其他解剖區域標記。在一些實施方式中，該些區域標記可以是病患身體上的任何位點或組合位點，其可以用於決定骨盆的區域座標系統。在一些實施方式中，該些區域標記可以是左髂前上棘(ASIS)、右髂前上棘、以及耻骨聯合，因此，他們中的每一個都可以是註冊器的虛擬指向標記。
其他視覺標記可以被附接在患者的股骨上。在一些實施方式中，視覺標記122可以被附接在大腿的表面(例如大腿的皮膚)上。在一些實施方式中，視覺標記122可以透過夾具、魔鬼氈、黏貼(例如Ioban)或其他本技術領域已公開的附接方式而附接在大腿的表面上。
在本揭露內容的手術導航系統100用於協助髖關節置換手術期間的醫療程序時(S201)，一個或多個視覺標記(121、122、123)可以如上所述的被附接或設置，且可以使用校正程序來校正註冊器130。設置在病患骨盆上的定位器的視覺標記121可以被一個或多個追蹤攝影機識別(S202)。註冊器130上的視覺標記123也可以被一個或多個追蹤攝影機識別(S203)。
區域標記相對於髖關節固定裝置的位置與方向可以透過註冊器130的尖端(P)進行註冊(S204)，且使用者可以在顯示模組上看到此過程。處理模組112可以計算區域標記與設置在定位器上的視覺標記121之間的位置與方向差異，以建立區域標記與設置在定位器上的視覺標記12之間的空間轉換關係(S205)。根據所建立的空間轉換關係，可以決定骨盆的區域座標系統(S206)，並在顯示模組113上顯示骨盆區域座標系統的即時導引標記。更具體地來說，設置在定位器上的視覺標記121可以作為區域標記的父元素，當病患移動時，骨盆的區域座標系統將不斷跟隨設置在定位器上的視覺標記121。較佳的區域標記可以包括左髂前上棘、右髂前上棘、及耻骨聯合，而骨盆的區域座標系統可以包括骨盆的大小及骨盆前平面的位置與方向。
病患股骨上的視覺標記122也可以被一個或多個追蹤攝影機識別(S207)。使用者可以水平與垂直地移動病患的股骨，並透過本技術領域已公開的方式來決定髖關節的中心(S208)，例如最小平方擬合。處理模組112可以計算髖關節中心與設置在定位器上的視覺標記121之間的位置與方向差異，以建立髖關節中心與設置在定位器上的視覺標記121之間的空間轉換關係(S209)。更具體地來說，設置在定位器上的視覺標記121可以作為髖關節中心的父元素，當病患移動時，髖關節中心的區域座標系統將不斷跟隨設置在定位器上的視覺標記121。
根據區域標記及髖關節中心與設置在定位器上的視覺標記121之間的空間轉換關係，可以決定病患的骨盆局部座標系統與髖關節中心之間的相對位置與方向(S210)。接著從髖關節中心出發外展40 10度的外展(傾斜)角且前傾15 10度的前傾角就可以決定安全區(S211)。安全區的範圍(S)可以如圖9所示即時顯示在顯示模組113上。在一些實施方式中，根據不同病患的情況可以調整外展(傾斜)角與前傾角，以在顯示模組上顯示特定病患的安全區。在一些實施方式中，可以從髖關節中心加上髖臼組件厚度出發外展40±10度的外展(傾斜)角且前傾15±10度的前傾角來決定安全區。
請參見圖8，是根據本揭露內容一實施方式的手術導航系統100的撞擊器140的示意圖。手術導航系統100可以選擇性地包括用於髖關節置換手術的髖關節成形程序中的髖臼撞擊器。所述撞擊器140可以包括可插入至髖關節中的髖臼杯(亦即髖臼組件)。在一些實施方式中，使用者可以直接控制撞擊器140以將髖臼組件沿著如圖9所示的安全區(S)插入至髖關節中。
在一些實施方式中，為了增加設置髖臼組件時的位置與方向的準確性，還可以在撞擊器140上附接視覺標記124。在一些實施方式中，該視覺標記124可以透過夾具、魔鬼氈、黏貼、或其類似者而附接在撞擊器140上。在一些實施方式中，撞擊器140的尺寸及其視覺標記124的位置或方向可以是未知而需要透過如圖5所述的校正程序進行校正。
請再參見圖7B，在已經決定安全區後(S301)，附接在撞擊器140上的視覺標記124也可以被一個或多個追蹤攝影機識別(S302)。處理模組可以計算撞擊器140(尤其是其上的髖臼組件)與設置在定位器上的視覺標記121之間的位置與方向差異，以建立撞擊器與設置在定位器上的視覺標記121之間的空間轉換關係(S303)。基於撞擊器140與設置在定位器上的視覺標記121之間的空間轉換關係相較於安全區與設置在定位器上的視覺標記121之間的空間轉換關係的結果，可以識別安全區與撞擊器140之間的相對位置與方向(S304)。更具體地來說，藉由校正程序所決定的撞擊器140方向向量可以與骨盆的區域座標系統(例如外展角與前傾角)進行比較，以識別與安全區域的相對位置與方向。具有髖臼組件的撞擊器140可以被追踪與引導以對準安全區(S305)。安全區與撞擊器140之間的相對位置與方向用於根據病患的醫療需求，透過AR或VR顯示器以所需的位置與角度將髖臼組件手術放置到關節腔中。插入的髖臼組件與腿長的相對位置與方向也可以被測量與計算以檢查結果是否符合要求(S306)。
請參見圖9，是根據本揭露內容一實施方式的手術導航系統所顯示影像的示意圖。在一較佳實施方式中，病患的右髂前上棘(A)、左髂前上棘(B)、及耻骨联合(C)的區域標記可以透過註冊器130的尖端(P)進行註冊，以決定包括骨盆大小、骨盆前平面的位置與方向的骨盆的區域座標系統。在決定並追踪髖關節中心(D)後，可以將安全區(S)定義為以髖關節中心為插入髖臼組件中心點、且具有特定外展(傾斜)角( 1)與特定前傾角( 2)的範圍。在一些實施方式中，插入髖臼組件的中心點可以是髖關節中心加上髖臼組件的厚度。
以上所述的實施方式僅是用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施方式對本發明進行詳細的說明，本發明所屬技術領域中具通常知識者應當理解：其依然可以對前述各實施方式所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而此些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施方式技術方案的範圍。
100:手術導航系統 110:頭戴式裝置 111:感測模組 112:處理模組 113:顯示模組 120:視覺標記 130:註冊器 140:撞擊器 121、122、123、124:視覺標記 121C:校正位點/部分 210、220、230:追踪攝影機 240:慣性測量單元 250:麥克風 260:外部數據 310:中央處理單元 320:校正單元 330:附接機構 410:顯示生產器 420:顯示螢幕 510:揚聲器 A:右髂前上棘 B:左髂前上棘 C:耻骨聯合 D:髖關節中心 P:尖端 M:虛擬指向標記 S:安全區 V:方向向量 S101~S108:步驟 S201~S211:步驟 S301~S306:步驟 1:外展(傾斜)角 2:前傾角
當結合附圖閱讀以下詳細描述時，將更好地理解本揭露內容，其中：
圖1是根據本揭露內容一實施方式的包括頭戴式裝置與視覺標記的手術導航系統的示意圖。
圖2是根據本揭露內容一實施方式的手術導航系統的視覺標記的示意圖。
圖3是根據本揭露內容一實施方式的如圖1中所示手術導航系統的電子硬體配置的示意圖。
圖4是根據本揭露內容一實施方式的使用手術導航系統進行髖關節置換手術的示意圖。
圖5是根據本揭露內容一實施方式的使用手術導航系統執行校正程序的方法的流程圖。
圖6是根據本揭露內容一實施方式的手術導航系統的註冊器的示意圖。
圖7A與圖7B是根據本揭露內容一實施方式的使用手術導航系統執行髖關節置換手術的方法的流程圖。
圖8是根據本揭露內容一實施方式的手術導航系統的撞擊器的示意圖。
圖9是根據本揭露內容一實施方式的手術導航系統所顯示影像的示意圖。
無
121、122、123:視覺標記
121C:校正位點/部分
130:註冊器
A:右髂前上棘
B:左髂前上棘
C:耻骨聯合
D:髖關節中心
P:尖端

Claims (13)

  1. 一種手術導航系統，包括： 一頭戴式裝置，包括： 一感測模組，包括至少一個追蹤攝影機； 一處理模組，連接至該感測模組；以及 一顯示模組，連接至該處理模組，且包括一顯示生產器；以及 複數個視覺標記，分別由該追蹤攝影機識別與追蹤； 其中，以該追蹤攝影機識別與追蹤該複數個視覺標記中每一個的三維位置與方向，該處理模組再根據該三維位置與方向計算該複數個視覺標記中每一個之間的空間轉換關係，以建立一區域座標系統，且該顯示模組再藉由該顯示生產器基於該區域座標系統生成一虛擬影像。
  2. 如請求項1所述的手術導航系統，其中該些視覺標記中的一個被用作為包括一校正部分的一定位參考，且該定位參考被固定在一病患的身體上、或者在該手術導航系統被用於一醫療程序時保持靜止。
  3. 如請求項2所述的手術導航系統，進一步包括一註冊器，其附接有至少一個視覺標記並包括一註冊部分。
  4. 如請求項3所述的手術導航系統，其中當該註冊器的註冊部分指向該定位參考的校正部分時，該處理模組會根據該些視覺標記的三維位置與方向來計算該註冊器與該定位參考之間的空間轉換關係，以校正該註冊器上的註冊部分與視覺標記之間的距離。
  5. 如請求項4所述的手術導航系統，其中該註冊器是用於註冊在該病患上的一個或多個區域標記的三維位置與方向。
  6. 如請求項4所述的手術導航系統，其中該註冊器是藉由將該註冊部分指向一手術器械的邊界，以校正該手術器械與其上的視覺標記之間的距離。
  7. 如請求項6所述的手術導航系統，其中該手術器械是用於髖關節置換手術的具有髖臼組件的撞擊器，且該註冊器是藉由將該註冊部分指向具有髖臼組件的撞擊器的二端，以校正該撞擊器的髖臼組件與其上的視覺標記之間的距離。
  8. 如請求項4所述的手術導航系統，其中該醫療程序是選自於由以下所組成的群組：髖關節置換手術、膝關節置換手術、手臂骨癒合不良的截骨矯正手術、遠端股骨與近端脛骨截骨手術、髖臼周圍截骨手術、肘關節韌帶重建手術、膝關節韌帶重建手術、踝關節韌帶重建手術、肩膀肩鎖關節重建手術、全肩關節置換手術、反轉式肩關節置換手術、全踝關節關節置換手術。
  9. 一種使用如請求項3所述的手術導航系統協助髖關節置換手術的方法，包括： 將一第一視覺標記固定在該病患上以作為該定位參考； 將一第二視覺標記附接在該註冊器上； 分別識別該第一視覺標記與該第二視覺標記，並藉由將該註冊器的註冊部分指向該定位參考的校正部分，以校正該註冊器上的註冊部分與視覺標記之間的距離； 藉由將該註冊器的註冊部分指向該病患骨盆的一個或多個區域標記，以校正該一個或多個區域標記的三維位置與方向； 根據該一個或多個區域標記的三維位置與方向定義一區域座標系統； 將一第三視覺標記附接在該病患股骨上； 識別該第三個視覺標記並水平與垂直地移動該病患的股骨，以定義一髖關節中心；以及 根據該區域座標系統與該髖關節中心，定義可插入一髖臼組件的一安全區。
  10. 如請求項9所述方法，其中該一個或多個區域標記包括一左髂前上棘(ASIS)、一右髂前上棘、及一耻骨聯合。
  11. 如請求項10所述方法，其中該區域座標系統與骨盆大小或前骨盆平面的方向及位置相關。
  12. 如請求項9所述方法，進一步包括： 將一第四視覺標記附接在具有髖臼組件的撞擊器上；以及 分別識該第二視覺標記與該第四視覺標記，並藉由將該註冊器的註冊部分指向具有髖臼組件的撞擊器的二端，以校正該撞擊器的髖臼組件與該第四視覺標記之間的距離。
  13. 如請求項12所述方法，進一步包括：追蹤與引導具有髖臼組件的撞擊器以對齊該安全區。
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