CN104220021B - 具有惯性传感器单元的骨盆数字化装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种骨盆数字化装置包括本体，本体包括：轴，其具有工具端和手柄端，所述手柄端具有用来被操纵的手柄。视觉引导部取向在所述骨盆数字化装置的基准平面内。杯部连接至所述工具端并且适于被接纳在患者的髋臼中。惯性传感器单元连接至所述本体，所述惯性传感器单元具有与所述基准平面对准的预设取向。

Description

具有惯性传感器单元的骨盆数字化装置和方法

技术领域

本发明涉及使用惯性传感器的计算机辅助外科手术，更具体地说涉及使用惯性传感器创建用于骨盆的参照系来用于后续工具导航。

背景技术

在整形外科植入手术中，例如在全髋关节置换(THR)中，外科植入体的取向对于植入体的术后功能以及长期运转性能有着直接的影响。现有的外科手术技术使用简单的“目测”法或机械工具来定位植入体。“目测”法被发现不足以提供植入体部件与植入体附接处的骨骼的精确对准。研究发现，不最理想定位的整形外科植入体关系到不合适的负载、增大的植入体磨损以及甚至植入体失效。

目前商业上可获得的计算机辅助外科手术系统使用光学或磁性追踪系统。这些系统能够精确并可靠地追踪患者坐标系统。然而，诸如高成本、有限的操作范围、保持视线接触和磁性干扰等因素是与这些技术相关的主要问题。

本发明提出的系统和方法使用自包含的惯性传感器，这些惯性传感器不依赖于信号传输并且不受电磁干扰影响。因此，它特别适合应用于包括大量设备的手术室环境。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种骨盆数字化装置以及创建骨盆参照系的方法。

因此，根据本发明的第一方面，提供一种骨盆数字化装置，包括：本体，其包括：轴，其具有工具端和手柄端，所述手柄端具有用来被操纵的手柄；视觉引导部，其取向在所述骨盆数字化装置的基准平面内；杯部，其连接至所述工具端并且适于被接纳在患者的髋臼中；以及惯性传感器单元，其连接至所述本体，所述惯性传感器单元具有与所述基准平面对准的预设取向。

此外，根据本发明的第一方面，所述视觉引导部是适于在基准平面内生成线的光源。

此外，根据本发明的第一方面，所述线和所述轴位于所述基准平面内。

此外，根据本发明的第一方面，所述视觉引导部是连接至所述手柄的杆。

此外，根据本发明的第一方面，所述杆基本上横向于所述轴，所述杆和所述轴位于所述基准平面内。

此外，根据本发明的第一方面，接纳部位于所述本体中，所述接纳部用于以使得所述惯性传感器单元的预设取向与所述基准平面对准的方式可脱离地接纳所述惯性传感器单元。

此外，根据本发明的第一方面，所述惯性传感器单元的预设取向包括患者的髋臼线与内外轴线之间的角度。

此外，根据本发明的第一方面，止动部与所述杯部的边缘相邻，所述止动部适于接触髋臼缘的标志。

此外，根据本发明的第一方面，所述惯性传感器单元的预设取向具有与所述基准平面垂直的轴线。

此外，根据本发明的第一方面，提供一种骨盆数字化装置与骨盆追踪装置的组件，包括：所述骨盆数字化装置；以及所述骨盆追踪装置，其包括：追踪器本体，其适于被固定于患者的骨盆，惯性传感器单元，其具有预设取向，所述惯性传感器单元与所述本体之间的三自由度旋转接头，以及视觉引导部，其能够随着所述惯性传感器单元移位，用于与所述骨盆数字化装置的基准平面对准。

此外，根据本发明的第二方面，接纳部位于所述追踪器本体中，所述接纳部用于以使得所述骨盆追踪器本体的所述惯性传感器单元的预设取向与所述接纳部的平面对准的方式可脱离地接纳所述惯性传感器单元。

此外，根据本发明的第一方面，提供一种创建严格侧卧位的患者的骨盆坐标系的至少一部分的方法，包括：将骨盆数字化装置的杯部插入患者的自体髋臼中；在视觉对准步骤中视觉上地将所述骨盆数字化装置的基准平面与患者的冠状面对准；以及在所述视觉对准步骤中，初始化所述骨盆数字化装置的惯性传感器单元，以设定所述骨盆数字化装置相对于患者的前后轴线的取向。

此外，根据本发明的第三方面，在保持所述视觉对准的同时将所述杯部与患者的髋臼缘对准，并且记录带有所述惯性传感器单元的所述骨盆数字化装置的取向，以利用术前获得的髋臼缘与内外轴线之间的角度设定所述骨盆数字化装置相对于患者的内外轴线的取向。

此外，根据本发明的第三方面，利用髋臼缘与内外轴线之间的角度包括：从患者的单一正面影像获得所述角度。

此外，根据本发明的第三方面，利用内外轴线与前后轴线的交叉乘积获得所述骨盆数字化装置的取向。

此外，根据本发明的第三方面，插入杯部包括：将杯部安装在所述骨盆数字化装置的工具端，所述杯部根据术前获得的自体髋臼的尺寸来选择。

此外，根据本发明的第三方面，视觉上地对准所述基准平面包括如下两者之一：用用于视觉对准的患者标志对准杆和接通光源。

此外，根据本发明的第三方面，将所述骨盆坐标系转换至固定于所述骨盆的骨盆追踪装置。

此外，根据本发明的第三方面，转换所述骨盆坐标系包括：将所述骨盆追踪装置的预设轴线与重力对准。

此外，根据本发明的第三方面，转换所述骨盆坐标系还包括：将所述骨盆追踪装置的视觉引导部与所述基准平面对准。

附图说明

图1是根据本发明实施例的具有惯性传感器单元的骨盆数字化装置的透视图；

图2是示出图1的骨盆数字化装置的杯部和止动部的变型的一系列图；

图3是根据本发明方法的涉及骨盆的骨盆数字化装置的透视图；

图4是示出髋臼线与内外轴线(medio-lateral axis)之间的角度的骨盆放射影像；以及

图5是与图1的骨盆数字化装置一起使用的具有惯性传感器单元的追踪装置的透视图。

具体实施方式

参考附图，特别是参考图1，图中以附图标记10示出根据本发明的骨盆数字化装置。装置10是与安装在工具本体12上的惯性传感器单元11一起使用的类型。惯性传感器单元11可以已知为无源传感器、微机电传感器单元(MEMS单元)，并且具有任何合适的惯性传感器(例如加速计、陀螺仪)组以产生至少三个旋转度的追踪数据(即围绕一组三个轴线的取向被追踪)。传感器单元11可以被自封闭在能够以精确而预先确定的方式与装置10的工具本体12连接的容座中。

工具本体12具有为杯部21的形状的工具端20。杯部21成形为匹配髋臼的形状(例如半球形或准半球形)，并且杯部21的尺寸可以根据髋臼的术前影像来选择，下面将对此进行描述。出于该目的，杯部21可以可脱离地连接到工具本体12的轴22上，使得可以选择适当尺寸的杯部21。止动部23是与杯部21一体的，并且可以具有如图2所示的不同构造，包括有尖头的边缘部。此外，止动部23可以相对于轴22旋转，被转动到与骨骼标志接触的期望取向。

手柄24在轴22上位于杯部21的相反端。手柄24人体工程学地构造成被使用者把持。视觉引导部25是从手柄24横向突出的杆。视觉引导部25被用来在装置10与患者身体对准时视觉上引导使用者。在替代实施例中，视觉引导部25是发射可视引导线的激光或LED光源。

接纳部26位于手柄24的端部，并且构造成以精确而预先确定的方式接纳传感器单元11。作为替代，传感器单元11可以嵌入在工具本体12中。然而，在两种情况下，传感器单元11的取向是相对于工具本体12预先设定的，使得当初始化传感器单元11时关于至少一个轴线(一个旋转自由度)的追踪是已知的。根据一个实施例，轴22和视觉引导部25位于装置10的平面内，并且传感器单元11的预设取向使其轴线垂直于装置10的平面。换句话说，当例如通过按压按钮27而使传感器单元11初始化时，传感器单元11的轴线将与轴22和视觉引导部25(或者其产生的光线)所在的装置10的平面垂直。

尽管未示出，传感器单元11可以配备有为使用者提供数据的视觉接口(例如，诸如绿色和红色等不同颜色的LED)、或者可以与计算机辅助外科手术系统相连以便为其传输取向数据。数据传输可以以任何合适的协议(例如蓝牙、ZigBee等)无线地进行。

既然已经描述了装置10，下面说明使用装置10创建骨盆参照系(亦称骨盆坐标系)的方法。

根据术前步骤，利用任何合适类型的成像技术(例如X射线)对患者骨盆的冠状面进行成像，以获得如图4所示的影像。从该影像可以获得角度α(图示为40度)，作为髋臼线(即穿过髋臼缘的一些部分的直线)相对于内外轴线(下面称为ML轴线)的角度。ML轴线可以是连接两个髂前上棘(ASIS)点的直线，或者连接骨盆的两个泪滴底部的直线，如图4所示。此外，从该影像可以评估配合患者自体髋臼的杯部尺寸。

术中地执行下面的步骤，使装置10配备有处于预设取向的传感器单元11以及杯部21，杯部21的尺寸设定为匹配术前评估的尺寸。参考图3，使患者处于严格的侧卧位(例如，使冠状面与重力对准)，并且冠状面与手术台的大致水平面垂直，例如如使用骨盆标志的目测法那样，并且使股骨从髋臼脱位，装置10的杯部21在被扩孔之前被插入自体髋臼中。将止动部23抵靠在髋臼缘上以确保杯部21被正确地插入髋臼中。例如，可以在保持器械在患者冠状面内移动的同时在患者的髋臼中来回移动装置10。该来回移动将被模块化杯部21上的止动部23止动。在装置10的该实施例中，考虑到周围软组织，止动部23指向患者头部，但是可以构造并旋转为指向患者的脚等，这是外科手术师的偏好问题。止动部23在其所处的位置方面可以是可调节的，使其适应使用者的偏好。然而，存在很多骨骼标志，例如髋臼切迹，并且优选地止动部23与这些标志协作，从而可以相对于轴22调节止动部23的取向以便使止动部23与骨骼标志对准。

当止动部23接触髋臼缘时，可以视觉上将视觉引导部25与患者冠状面对准。例如，视觉引导部25(不管是杆还是直线光束)指向患者头部并且与患者的纵轴平行。该方向可以布置为与手术台的长边平行。视觉引导部25提供视觉指示来保持装置10在与患者冠状面平行的平面内移动。

以视觉引导部25大致平行于患者冠状面的方式保持视觉引导部25，可以启动传感器单元11。在图示实施例中，“打开”按钮27便利地位于手柄24上。传感器单元11被预先设定取向，使得当初始化传感器单元11时关于第一旋转自由度的取向是已知的。更具体地说，当启动传感器单元11时，传感器单元11的轴线与装置10的平面垂直。当由于关于患者定位以及装置10操纵的上述步骤导致装置10的平面与患者冠状面平行时，传感器单元11具有与患者的前后(AP)轴线对准的预设轴线。

然后设定ML轴线。当止动部23附着在髋臼缘上并且装置10保持与患者冠状面平行时，模块化杯部21的边缘与髋臼线(图4)对准，髋臼轴与模块化杯部的边缘垂直。此时，惯性传感器单元11将能够基于术前获得的角度以及从预设器械参数得到的惯性传感器单元11与工具本体12之间的已知几何关系计算ML轴线。可以通过将装置10的轴22旋转(对于惯性传感器单元11而言是已知的)90-α度来执行该计算。必须向传感器单元11发出ML轴线将被设定的指令。这些旋转将允许传感器单元11来设定ML轴线。

最后，头尾(CC)轴线是AP轴线与ML轴线的交叉乘积。在利用上述方法设定这三个轴线的情况下，由于在装置10与骨盆之间创建关于这三个旋转轴线的参照系，所以装置10被校准。

由于将要对髋臼作出改变，所以坐标系必须从装置10上的传感器单元11转换到追踪装置30的传感器单元，如图5所示。追踪装置30例如用图示接纳部30A固定于骨盆，并且具有与装置10的传感器单元11类似特性和构造的传感器单元31。惯性传感器单元31具有例如轴线与接纳部30A的表面对准的预设取向，使得当接纳部30A的表面处于水平时该轴线与重力平行。根据一个实施例，追踪装置30销接于髂嵴。然后利用来自传感器单元31的读数使追踪装置30与水平线对准。传感器单元31是彼此正交的“气泡”水平仪的等效物。在一个实施例中，传感器单元31通过球接头32(或类似的三旋转自由度接头)连接于追踪装置30的本体，从而允许这样的水平调平(以及因此轴线与重力平行)。接头32的各个自由度可以被锁定。

当处于水平时，传感器单元31围绕其垂直轴线被旋转以便将其视觉引导部33(例如杆)与患者冠状面对准，而这些旋转被传感器单元31记录下来。因此，追踪装置30与冠状面对准，从而AP轴线现在为装置10和30所共有。在追踪装置30的该取向下，骨盆坐标系可以从装置10的传感器单元11转换到追踪装置30的传感器单元31。该转换是利用装置10和追踪装置30各自的传感器单元11和31测量的公共矢量创建等式来实现的。该公共矢量是AP轴线和重力。解该等式，可以找到追踪装置30与传感器单元11的患者坐标系之间的关系，以完成骨盆对准。

根据另一实施例，手术台围绕其横轴是可旋转的，即围绕与处于严格侧卧位的患者的冠状面大致垂直的轴线是可旋转的。手术台的旋转用来将骨盆坐标系从装置10转换到追踪装置30。为了执行这样的转换，装置10被解除与患者髋臼的接合。在确保患者相对于手术台表面基本不动的同时旋转手术台。在一个实施例中，手术台被旋转约θ度，保持稳定15秒，然后再转回来。旋转手术台时，在追踪装置30固定于患者骨盆的情况下，记录传感器单元31的读数。手术台定位器上的追踪装置检测旋转角度(θ)和旋转轴线(r轴线)。装置10的预期读数可以被从数学上计算追踪装置分别相对于装置10的x轴、y轴和z轴的旋转{围绕r轴线，旋转角度θ}，如同装置10被机械地固定至骨盆并且跟随手术台的旋转。患者坐标系可以从装置10转换到追踪装置30。处于第一位置和第二位置的传感器单元11和31的读数被使用，第一位置在校准装置10之后，第二位置是手术台倾斜θ度(在该情况下使用装置10的预期读数)。

一旦骨盆的参照系被转换到骨盆追踪装置30，可以对骨盆追踪关于三个旋转自由度的取向，并且该追踪可以被使用并且转换到工具，例如以便确定这些工具的前倾和外展/内收角度。这些工具可以包括扩孔器、冲击器等。

本发明提出的使用装置10的方法只需要患者冠状面与重力对准(即需要骨盆的滚动角为零；然而倾斜角可以是任意的)。此外，本发明提出的方法只使用一种放射影像，即冠状面x射线。此外，本发明提出的方法是在术中执行的对装置10和30的校准。

Claims (11)

1.一种骨盆数字化装置，包括：

本体，其包括：

轴，其具有工具端和手柄端，所述手柄端具有用来被操纵的手柄，

视觉引导部，其取向在所述骨盆数字化装置的基准平面内，所述视觉引导部被用来在所述骨盆数字化装置与患者身体对准时视觉上引导使用者，和

杯部，其连接至所述工具端并且适于被接纳在患者的髋臼中；以及

惯性传感器单元，其连接至所述本体，所述惯性传感器单元具有用于相对于患者的骨盆校准骨盆数字化装置的设想的预设取向，所述预设取向基于特定于患者的骨盆的术前影像，所述预设取向与所述基准平面对准并且包括骨盆数字化装置的本体与患者的轴线之间的术前确定的角度，所述术前确定的角度基于特定于患者的骨盆的成像。

2.根据权利要求1所述的骨盆数字化装置，其中，所述视觉引导部是适于在基准平面内生成线的光源。

3.根据权利要求2所述的骨盆数字化装置，其中，所述线和所述轴位于所述基准平面内。

4.根据权利要求1所述的骨盆数字化装置，其中，所述视觉引导部是连接至所述手柄的杆。

5.根据权利要求4所述的骨盆数字化装置，其中，所述杆基本上横向于所述轴，所述杆和所述轴位于所述基准平面内。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的骨盆数字化装置，还包括所述本体中的接纳部，所述接纳部用于以使得所述惯性传感器单元的预设取向与所述基准平面对准的方式可脱离地接纳所述惯性传感器单元。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的骨盆数字化装置，其中，所述术前确定的角度还在患者的髋臼线与内外轴线之间。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的骨盆数字化装置，还包括与所述杯部的边缘相邻的止动部，所述止动部适于接触髋臼缘的标志。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的骨盆数字化装置，其中，所述惯性传感器单元的预设取向具有与所述基准平面垂直的轴线。

10.一种骨盆数字化装置与骨盆追踪装置的组件，包括：

所述骨盆数字化装置，其包括：

本体，其包括：

轴，其具有工具端和手柄端，所述手柄端具有用来被操纵的手柄，

视觉引导部，其取向在所述骨盆数字化装置的基准平面内，所述视觉引导部被用来在所述骨盆数字化装置与患者身体对准时视觉上引导使用者，和

杯部，其连接至所述工具端并且适于被接纳在患者的髋臼中；以及

惯性传感器单元，其连接至所述本体，所述惯性传感器单元具有用于相对于患者的骨盆校准骨盆数字化装置的设想的预设取向，所述预设取向基于特定于患者的骨盆的术前影像，所述预设取向与所述基准平面对准并且包括骨盆数字化装置的本体与患者的轴线之间的术前确定的角度，所述术前确定的角度基于特定于患者的骨盆的成像；以及

所述骨盆追踪装置，其包括：

追踪器本体，其适于被固定于患者的骨盆，

另一惯性传感器单元，其具有用于校准所述骨盆追踪装置的设想的预设取向，所述预设取向基于特定于患者的骨盆的术前影像，

所述骨盆追踪装置的所述另一惯性传感器单元与所述追踪器本体之间的三自由度旋转接头，以及

视觉引导部，其能够随着所述惯性传感器单元移位，用于与所述骨盆数字化装置的基准平面对准。

11.根据权利要求10所述的组件，还包括所述追踪器本体中的接纳部，所述接纳部用于以使得所述骨盆追踪器本体的所述惯性传感器单元的预设取向与所述接纳部的平面对准的方式可脱离地接纳所述惯性传感器单元。