[发明专利]用于规划/引导对骨骼的改变的方法和系统

说明书

对相关申请的交叉引用

本专利申请要求2008年3月25日提交的美国临时专利申请No.61/039,184以及2008年9月25日提交的美国临时专利申请No.61/100,173的优先权。

技术领域

本申请涉及计算机辅助外科手术系统，并且更具体地涉及用于在计算机辅助外科手术过程中跟踪或定位外科手术工具的器械。

背景技术

对外科手术器械或工具的跟踪是计算机辅助外科手术(以下称为CAS)的必要部分。对工具进行位置和/或方向的跟踪，从而获得关于身体部分的信息。然后将该信息用于对身体的各种介入(例如整形外科手术、神经外科手术)，诸如外科手术中的骨骼改变、植入物定位、切割等。

跟踪系统可以使用不同技术，例如机械的、声学的、磁学的、光学的以及RF跟踪。根据所用的技术，将不同类型的可跟踪参考物永久地或暂时地固定到需要被跟踪的物体上。例如，在全膝置换(TKR)外科手术中，将可跟踪参考物固定到肢体以及不同的外科手术器械上，并且通过跟踪系统来跟踪这些可跟踪参考物。CAS系统计算与跟踪相关的位置和方向数据，外科医生使用由计算机显示的信息来显现所操纵的器械相对于肢体的位置，或以数值形式对其进行显示。

通常使用两种类型的跟踪系统。有源跟踪系统提供作为要被跟踪的工具上的可跟踪参考物的发射器，该发射器发射信号，而信号由CAS系统的处理器接收，根据所接收的信号，所述处理器将计算所述工具的位置和/或方向。例如通过电线连接到CAS系统或通过提供独立的电源，对有源跟踪系统的发射器供电，从而发射信号。

无源跟踪系统不在所述工具上提供作为可跟踪参考物的有源发射器。与无源跟踪相关的CAS系统具有用于视觉地检测工具上的光学元件的光学传感器设备。光学元件是无源的，因此没有与其关联的电源。

为了获得位置和/或方向的值，光学元件必须在光学传感器设备的视线内。相应地，对于无源跟踪系统，基于光学传感器设备和光学元件之间所要求的可见度，在给定方向进行外科手术。

当前使用的可跟踪参考物不论是有源的还是无源的，都具有与所用技术相对应的显著尺寸。对于电磁系统，外壳经电线连接至CAS系统并且固定到器械或患者。对于光学系统，可跟踪参考物通常包括至少三个光学元件，以便提供六个自由度(DOF)。例如，光学元件是电线连接至CAS系统并且形成非等边三角形的光源。光源可以单独固定或安装在基座上。在该第二构造中，组件是较大的并且容易引起阻碍的。

作为选择，可以使用无源反射器球或片来代替光源，并且使用光源对其进行照明(以红外光谱)。

在选择跟踪系统的类型时，必须考虑一些因素：对于有源可跟踪参考物，在消毒的区域中存在电线；在使用光学跟踪时导航所需要的视线；为了在外科手术中实现所需要的精度所需的可跟踪参考物的尺寸；外科医生对于在计算机屏幕上显现外科手术中的对准信息的需要；外科医生对于数字化骨骼上的标记以建立坐标系的需要；由于当前光学或射频传感器的体积而造成的将其集成在一次性器械(诸如切割引导体)中的难度。电磁跟踪装置受到由传统整形外科器械引入的变形的影响，所述变形可能难于检测并且可能导致精度的损失。这些跟踪装置用作总的数据输入装置，将患者或者外科手术器械上的点数字化，以计算在CAS中所需要的面、点到点的距离、平面角、平面距离等。

当前在整形外科CAS中没有使用自由度小于6的另选小型化技术，但仍旧提供安装整形外科植入物所需的关键信息。可以将这种技术直接结合到器械中，由此减少对外部跟踪系统的需要，从而增强易用性。

发明内容

因此，本申请的目的在于提供用于规划/引导对骨骼的改变的方法和系统，其解决了与现有技术的相关的问题。

因此，根据第一实施例，提供了一种用于在外科手术中规划/引导对骨骼的改变的计算机辅助外科手术系统，包括：适于固定到骨骼上的可跟踪元件，所述可跟踪元件具有第一惯性传感器单元，所述第一惯性传感器单元产生可跟踪元件的方向中至少两个自由度的基于方向的数据；适于固定至骨骼的定位块，在将定位块固定至骨骼上后，至少定位块的方向是可调整的，以便达到所选方向，在骨骼变化时使用所述定位块在所选方向上引导所述工具，所述定位块具有第二惯性传感器单元，所述第二惯性传感器单元产生所述定位块的方向中至少两个自由度的基于方向的数据；提供骨骼和可跟踪元件之间的方向基准的处理系统，其包括：用于从基于方向的数据确定可跟踪元件和定位块的方向的信号解泽器；以及参数计算器，其用于根据方向基准和定位块的方向，计算与定位块相时于骨骼的实际方向有关的改变参数。

另外根据第一实施例，方向基堆是包含骨骼的机械轴的平面。