[发明专利]用于骨科导航的形状感测

说明书

技术领域

本公开涉及用于计算机辅助外科手术中的系统和方法，并且更具体地，涉及用于在骨科流程期间跟踪解剖位置和外科手术工具的形状感测的使用。

背景技术

计算机辅助外科手术(CAS)系统被用于术前规划和术中外科手术导航。在该背景下，术前规划涉及外科手术步骤的任何计算机辅助确定，诸如切割、切口、确定目标等。规划能够发生在流程之前或期间。术前规划常常使用利用任何医学成像模态(计算机断层摄影(CT)、磁共振成像(MRI)、超声、X射线、内窥镜检查等)或解剖模型(例如，膝盖模型)的患者的2D或3D图像。在CAS的背景下，外科手术导航涉及仪器和患者解剖结构的实况跟踪以使外科医师能够精确地执行术前规划。使用跟踪技术实施外科手术导航。

跟踪技术的范例是瞄准线光学跟踪。瞄准线光学跟踪技术使用在可见或红外范围中操作的光学相机。相机被配置为检测在其视场中的标记并且基于它们的相对位置推断标记的布置的位置和取向。通常，被布置在已知配置中的两个或更多相机被用于实现立体视觉和深度知觉。该跟踪技术需要在(一个或多个)相机和标记之间的不间断瞄准线。全膝置换术需要股骨和胫骨的部分被移除并且用可植入人造部件来代替。CAS被用在全膝关节置换中以使用术前规划模块来规划适当的切割面，并且通过在流程期间跟踪骨和仪器来实现计划的执行。骨常常以錾锉砧(cutting block)的使用切除，所述錾锉砧引导切割面，使得它们被正确地定位和调整角度以接受并且对准要植入的人造部件。CAS旨在改进錾锉砧以及随后植入的位置和取向两者以将关节回复到其最优生物力学。

针对全膝置换术的瞄准线光学跟踪CAS系统涉及被附接到患者以提供解剖跟踪的瞄准线光学跟踪附接的集合。瞄准线光学跟踪附接通过一个或多个螺钉被刚性地附接到骨并且远离骨延伸一距离。在全膝置换术中，这些跟踪器被附接到股骨和胫骨两者以提供实况解剖跟踪。

现有的光学CAS系统受许多缺点影响。瞄准线光学CAS系统需要在检测相机和跟踪附接之间的通畅路径。通过相机不可见的任何跟踪附接不能够提供有效测量结果。能够很难在流程的所有部分期间维持通畅路径，尤其当例如骨被操纵以测试动态生物力学时。这些CAS系统不仅需要瞄准线，而且仅在定义体积内是准确的。该体积是关于相机位置的，并且能够很难贯穿手术过程维持，尤其是在关节的操纵期间。为了实现需要的准确度，瞄准线CAS系统通常使用被布置到光学跟踪附接中的反射球，所述光学跟踪附接能够具有在最大维度中的多达20cm的长度。这样大的附接限制了对临床医师而言可用的物理工作空间并且有术中碰撞的风险。由于光学跟踪附接的尺寸和重量，大的螺钉销需要刚性地并准确地附接到骨。在一些情况下，对于单个跟踪附接需要两个螺钉销。这些螺钉销能够导致不利反应，诸如应力性骨折(尤其是在一起紧密使用的两个销的情况下)、感染、神经损伤、销松动(导致额外的销或测量不准确)等。

电磁(EM)导航系统也遭受许多缺点影响。类似于瞄准线跟踪，其能够很难维持最优临床工作流程，同时还满足EM系统的要求。EM系统仅仅提供在关于场生成器的位置的定义体积内的准确测量结果。此外，在EM场中的金属能够生成干扰并且降低测量的准确度。

发明内容

根据本原理，一种光学形状感测系统(OSS)包括耦合在相对于骨的解剖位置处的附接设备。光学形状感测光纤被耦合到附接设备，并且被配置为识别附接设备的位置和取向。光学形状感测模块被配置为接收来自光学形状感测光纤的反馈，并且相对于解剖图配准附接设备的位置和取向。

一种形状感测系统，包括：光学形状感测模块，其被配置为接收来自一个或多个光学形状感测光纤的反馈。一个或多个附接设备被连接在相对于一个或多个骨的解剖位置处，每个附接设备被连接到光学形状感测光纤，所述光学形状感测光纤被用于位置地和取向地跟踪在模型坐标系中的解剖位置。解剖图像被包括在模型坐标系中，其中，来自光学形状感测光纤的被跟踪的改变被用于更新在显示器上查看的解剖图像。