[发明专利]计算机辅助外科手术中通过 MEMS 跟踪骨骼和器械

说明书

技术领域

本发明涉及在计算机辅助矫形外科手术中使用微机电传感器（MEMS）使器械相对于身体部分、例如骨骼校准，以用于随后跟踪该器械和通过该器械实施的操作。

背景技术

通过MEMS传感器导引骨骼和器械的重要步骤之一是首先使骨骼相对于传感器定位，即建立参考系或坐标系。考虑到MEMS传感器系统的规格，必须实施某些步骤来建立参考系。MEMS传感器系统的规格可包括仅在两个自由度上的方位跟踪，或没有位置跟踪。所述步骤包括对传感器和/或骨骼进行各种操纵，以用于传感器（以下称作参考跟踪器）相对于骨骼的方位设置。方位设置完成后，可实施导引步骤，且使用参考跟踪器经由参考系来跟踪骨骼。

在一些实例中，传感器必须相对于骨骼受到约束，以用于随后的跟踪。例如对于股骨跟踪，传感器相对于侧轴线的方位可机械地加以约束（例如，通过嵌入后髁之下的爪形器械），使得传感器侧轴线与骨骼的侧轴线对齐。

在另外的实例中，用于在骨骼上实施改变的各种器械必须相对于MEMS参考跟踪器校准，以便在导引过程中被跟踪。一个示例是切割单元（也称作定位单元），其可机械地约束于MEMS参考跟踪器，以便进行校准。在这种情况下，操作员必须执行特定的操作来保证使定位单元连接至参考跟踪器以便校准定位单元，以用于随后的跟踪和骨骼改变。

发明内容

因此，本公开的目的是提供一种新颖的方法和系统，以用于在计算机辅助外科手术中使用MEMS来跟踪骨骼和器械。

因此，根据第一实施例，提供了一种用于在计算机辅助外科手术中相对于骨骼跟踪器械的方法，包括：将具有MEMS单元的参考跟踪器固定至骨骼，所述参考跟踪器输出与该参考跟踪器的方位有关的跟踪数据；提供具有MEMS单元的器械，所述器械以初始方位预置，并在初始化后输出与该器械的方位有关的跟踪数据；将所述器械固定至骨骼；建立使骨骼与参考跟踪器的方位相关的可跟踪的参考系；初始化器械的MEMS单元；在初始化器械的MEMS单元下，记录器械的初始方位与参考跟踪器的方位之间的关系；以及显示使用所述关系计算出的器械相对于骨骼的参考系的方位数据。

仍然根据第一实施例，提供器械包括：提供通过方位调节机构固定至骨骼的切割单元，所述方位调节机构能够调节切割单元的方位；显示方位数据包括：显示与切割单元中的切割槽相对于骨骼的参考系的方位有关的数据。

还是仍然根据第一实施例，将参考跟踪器和切割单元固定至骨骼包括：将参考跟踪器和切割单元固定至胫骨。

还是仍然根据第一实施例，建立可跟踪的参考系包括：至少确定胫骨的机械轴线。

还是仍然根据第一实施例，将参考跟踪器和切割单元固定至骨骼包括：将参考跟踪器和切割单元固定至股骨。

还是仍然根据第一实施例，建立可跟踪的参考系包括：至少确定股骨的机械轴线。

还是仍然根据第一实施例，建立可跟踪的参考系包括建立三轴坐标系。

还是仍然根据第一实施例，提供以初始方位预置的器械包括：提供器械，且使其轴线与该器械上的MEMS单元正交。

还是仍然根据第一实施例，将参考跟踪器和器械固定至骨骼包括：在参考跟踪器与器械之间没有直接刚性连接的情况下将参考跟踪器与器械固定至骨骼。

还是仍然根据第一实施例，所述方法包括：在显示器械的方位数据时，使用所述器械实施骨骼改变。

还是仍然根据第一实施例，所述方法被实施在骨骼模型或尸体上。

根据第二实施例，提供了一种用于相对于骨骼跟踪器械的计算机辅助外科手术系统，包括：具有MEMS单元的参考跟踪器，所述参考跟踪器用于输出与该参考跟踪器的方位有关的跟踪数据，所述参考跟踪器适于被固定至骨骼；以初始方位预置的具有MEMS单元的器械，以用于在初始化后输出与该器械的方位有关的跟踪数据，所述器械适于被固定至骨骼；CAS处理单元，其包括用于建立使骨骼与参考跟踪器的方位相关的可跟踪的参考系的方位设置单元、用于在初始化下记录器械的初始方位与参考跟踪器的方位之间的关系的器械校准器、用于使用所述关系从所述跟踪数据计算器械在骨骼的参考系中的方位数据的跟踪处理器、以及用于显示所述方位数据的界面。

仍然根据第二实施例，所述器械是通过方位调节机构连接至骨骼的切割单元，所述方位数据包括：切割单元的至少一个切割平面相对于骨骼的参考系的方位。

还是仍然根据第二实施例，所述参考系至少包括骨骼的机械轴线。

还是仍然根据第二实施例，所述器械的所述初始方位包括：正交于该器械上的MEMS单元的轴线。