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CN103619273B - 包括位置跟踪系统的用于操纵骨的组件 - Google Patents

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CN103619273B
CN103619273B CN201280030703.8A CN201280030703A CN103619273B CN 103619273 B CN103619273 B CN 103619273B CN 201280030703 A CN201280030703 A CN 201280030703A CN 103619273 B CN103619273 B CN 103619273B
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Abstract

本发明涉及一种用于操纵骨的组件，其包括第一操纵元件和第二操纵元件，第一操纵元件配置成附接到骨的第一部分并且包括位置发射信号，第二操纵元件配置成附接到骨的第二部分并且包括传感器，所述传感器检测位置发射信号，以提供第一操纵元件和第二操纵元件相对于彼此的位置和方位信号。所述组件还包括跟踪单元，所述跟踪单元包括处理器，所述处理器使用所述位置和方位信号在多个维度中跟踪第一操纵元件和第二操纵元件相对于彼此的移动。

Description

包括位置跟踪系统的用于操纵骨的组件
优先权声明
本申请要求2011年6月22日提交的名称为“UltrasoundCTRegistrationforPositioning(用于定位的超声CT配准)”的美国临时申请序列号61/499,849和2011年6月22日提交的名称为“UltrasoundCTRegistrationforPositioning(用于定位的超声CT配准)”的美国临时申请序列号61/499,838，将这两个申请的公开内容并入本文。
背景技术
CT(计算机断层摄影术)经常用于对骨成像，因为这允许构建高清晰度三维图像。这些高清晰度图像有利于对骨折、韧带损伤和错位的理解，并辅助治疗策略的制定。然而，CT扫描仪是大型的大体积装置，不便于在治疗程序期间使用。超声成像装置体积不太大，并且更便于在程序期间使用。然而，由这些装置产生的图像与由CT扫描仪产生的那些相比较不准确且较不全面，并且因此在要求精确的程序中具有有限的实用性。
发明内容
本发明涉及一种用于操纵骨的组件，所述组件包括第一操纵元件和第二操纵元件，第一操纵元件配置成附接到骨的第一部分并且包括位置发射信号，第二操纵元件配置成附接到骨的第二部分并且包括传感器，所述传感器检测位置发射信号，以提供第一操纵元件和第二操纵元件相对于彼此的位置和方位信号。该组件还包括跟踪单元，所述跟踪单元包括处理器，所述处理器使用位置和方位信号在多个维度中跟踪第一操纵元件和第二操纵元件相对于彼此的移动。
附图说明
图1示出根据本发明示例性实施例的系统的示意图；
图2示出骨的透视图，在该骨上，使用图1的系统根据本发明的示例性实施例执行截骨程序；
图3示出图2的骨的透视图，其中第一柄部元件附接到骨的第一部分；
图4示出图2的骨的透视图，其中标记物插入骨的第二部分中；
图5示出图2的骨的透视图，其中第二柄部安装在骨的第二部分上；
图6示出图2的骨的透视图，其中切口形成于其中，使得骨的第一部分和第二部分可相对于彼此操纵；
图7示出脊柱的一部分的透视图，在该脊柱上，使用图1的系统根据本发明的另一个示例性实施例执行治疗脊柱侧凸的程序；
图8示出图7的脊柱的透视图，其中标记物插入脊柱的第一椎骨中；
图9示出图7的脊柱的透视图，其中第一柄部元件安装在该标记物之上；
图10示出图7的脊柱的透视图，其中第二柄部元件附接到脊柱的第二椎骨；
图11示出使用图1的系统的脊柱的一部分的透视图，所述脊柱是根据本发明的替代实施例使用脊柱侧凸程序待治疗的；
图12示出图11的脊柱的透视图，其中第一标记物插入脊柱的第一椎骨中；
图13示出图11的脊柱的透视图，其中超声装置扫描脊柱的第二椎骨；
图14示出图11的脊柱的透视图，其中第一柄部元件和第二柄部元件分别附接到第一椎骨和第二椎骨；
图15示出使用图1的系统根据本发明另一个示例性实施例待治疗的破碎骨的透视图；
图16示出图15的骨的透视图，其中第一标记物插入穿过骨的第一破碎部分；
图17示出图15的骨的透视图，其中第二标记物插入穿过骨的第二破碎部分；并且
图18示出图15的骨的透视图，其中第一柄部元件和第二柄部元件分别附接到第一破碎部分和第二破碎部分。
具体实施方式
结合以下说明和附图可进一步理解本发明，其特征在于，相似的元件由相同的参考标号标示。本发明涉及用于治疗骨的系统和方法，并且具体地涉及一种系统和方法，所述方法用于使用指示一个或多个标记物在骨上的位置的配准超声数据和CT数据，使得在治疗程序期间获得的超声数据可被采用以辅助操纵先前获得的CT图像数据，以在程序期间精确跟踪骨的一个或多个部分的位置。本发明的示例性实施例描述了一种系统和方法，其参考配准到CT图像数据的数据，以确立在联接到骨的第一部分的第一柄部元件CT图像内的位置，使得当骨的第一部分经由第一柄部元件操纵时获得的数据可用于操纵CT图像，以示出骨的第一部分的移动。第二柄部元件可联接到骨的第二部分，使得指示第一柄部元件和第二柄部元件的相对位置的配准数据可用于实时操纵CT图像，以示出骨的第一部分和第二部分的相对移动。本领域的技术人员将理解，虽然示例性实施例描述第一柄部元件和第二柄部元件分别联接到骨的第一部分和第二部分，但是第一柄部元件和第二柄部元件也可定位在第一骨和第二骨上或任何其它基本上刚性的主体结构上，使得可操纵先前获得的结构的CT图像数据，以示出在程序期间所述结构的运动。
如图1中所示，根据本发明示例性实施例的系统100包括便携式超声装置102，所述超声装置配置成获得骨的超声数据124和将骨的超声数据124(例如，超声图像数据)传输到跟踪站104，该跟踪站配准超声数据124与在收集超声数据124之前获得的CT数据126(例如，CT图像)，以确定第一柄部元件106相对于CT数据126的位置。超声装置102包括超声扫描仪110和照相机112，该超声扫描仪用于获得骨的超声数据124，该照相机有利于光学跟踪第一柄部元件106相对于获得的超声数据124的位置。照相机112可包括光源114和例如在玻璃标度上的固定图案116。固定图案116的影子投射在第一柄部106的传感器128上且由第一柄部106的传感器128检测，以提供第一柄部数据132，该第一柄部数据包括对应于在至多六个维度中的第一柄部106相对于超声装置102的位置和/或方位的数据。使用收集的数据，跟踪站104能够配准(例如，关联)超声数据124与CT数据126，以确定第一柄部元件106相对于CT数据126的位置。一旦配准已完成，就可根据本发明的示例性系统和方法操纵骨，如下文所更详细描述。
第一柄部元件106定位在骨的第一部分上，而第二柄部元件108定位在骨的第二部分上。第二柄部元件108包括发光设备130，如LED阵列，其与第一柄部元件106上的传感器128通信，以提供第二柄部数据134，该第二柄部数据指示第二柄部元件108相对于第一柄部元件106的位置。跟踪站104使用第二柄部数据134以确定第二柄部元件108相对于CT数据126的位置，并且在显示器120上显示第一柄部元件106和/或第二柄部元件108相对于CT数据126的位置。如相对于图2至图6将在下文所更详细描述，第一柄部元件106和第二柄部元件108初始定位在刚性的骨上，并且随后在配准其位置之后被切割。随着第一柄部元件106和第二柄部元件108由使用者操纵并相对于彼此移动，跟踪骨的第一部分和第二部分相对于彼此的对应运动并操纵CT数据126，以显示该相对运动。也就是，基于第二柄部数据134，由对应于骨的第一部分和第二部分的CT数据126表示的图像部分相对于彼此移动，使得使用者在显示器120上实时看到骨的第一部分和第二部分的运动。
超声装置102的扫描仪110可拍摄骨的二维或三维图像，以获得超声数据124。然后，跟踪站104通过超声数据124查看与由CT数据126表示的图像部分具有轮廓相似性的部分，以识别对应于骨的相同部分的超声数据124和CT数据126的部分。超声数据124和CT数据126可具有多个相似性的点，其要求超声装置102在离散的时间段内拍摄多个超声图像，以确保在表示骨的相同部分的这些识别数据部分之间恰当配准。要求的许多二维图像可例如取决于骨的轮廓的同质性，以及超声数据124和CT数据126中的详细水平。因此，可识别CT数据126的多个候选位置，并收集附加的超声数据120，直到多个候选位置之一被确定为恰当地对应于由CT数据126表示的图像的所选部分。
如本领域的技术人员将理解，第一柄部元件106的尺寸和形状可设定成由外科医生或其他使用者握持，使得骨的第一部分可经由第一柄部元件106的运动操纵，第一柄部元件106安装在骨的第一部分上。第一柄部元件106包括其中的传感器128，所述传感器提供第一柄部数据132，并且该第一柄部数据包括关于第一柄部元件106与超声装置102之间相对位置和/或方位的数据。传感器128检测经由超声装置102的光源114和固定图案116投射在其上的影子。该影子图案的尺寸和/或失真用于确定在6个维度中的第一柄部元件106相对于超声装置102的位置和方位。将第一柄部数据132传输到跟踪站104，以确定第一柄部元件106相对于CT数据126的位置。
第二柄部元件108的尺寸和形状也设定成由使用者握持，使得骨的第二部分可经由第二柄部元件108操纵，第二柄部元件108安装在骨的第二部分上。第二柄部元件108包括提供第二柄部数据134的发光设备130，例如LED阵列，该第二柄部数据包括关于第一柄部元件106与第二柄部元件108之间相对位置的数据。发光设备130配置成与传感器128通信，以确定在6个维度中的第二柄部元件108相对于第一柄部元件106的位置和方位，该传感器128检测来自该设备130的光。该第二柄部数据134传输到跟踪站104。由于第一柄部元件106的位置相对于CT数据126是已知的，跟踪站104使用第一柄部元件106与第二柄部元件108之间的相对位置和方位，以确定第二柄部元件108相对于CT数据126的位置。
在本发明的另一个实施例中，第一柄部元件106与第二柄部元件108之间的相对跟踪可由设置在第一柄部元件106和第二柄部元件108之一上的场发生器(未示出)提供，该场发生器与设置在第一柄部元件106和第二柄部元件108中的另一个上的场传感器(未示出)通信。
跟踪站104可为计算机，或包括处理器118和显示器120的其它处理装置。超声数据124、CT数据126、第一柄部数据132和第二柄部数据134可例如保存在跟踪站104的存储器122上，并且可用于将第一柄部元件106与CT数据126配准。处理器118关联超声数据124和CT数据126，并且使用第一柄部数据132以确定第一柄部元件106相对于CT数据126的位置。处理器118可相似地确定第二柄部元件106相对于CT数据126的位置。第一柄部元件106和第二柄部元件108的位置可相对于由CT数据126表示的图像实时显示于显示器120上。因此，使用者可被提供有关于配准过程的完成和/或骨的治疗的实时信息。本领域的技术人员将理解，跟踪站104可为分布式系统。例如，存储器和处理器可位于服务器中，所述服务器与手术室中的显示器通信。
一旦已经相对于由CT数据126表示的图像确定第一柄部元件106和第二柄部元件108二者的位置，外科医生就可使用第一柄部元件和第二柄部元件108相对于彼此移动骨的第一部分和第二部分。可连续地跟踪和监视第一柄部元件106与第二柄部元件108之间的相对移动，使得在显示器120上，该操纵的CT图像示出骨的第一部分与第二部分之间的相对运动。因此，外科医生可观察显示器120上的操纵CT图像，以移动所述骨的部分，直到获得骨的部分之间所期望的空间关系。
系统100可在多种不同的骨治疗程序中使用。在一个示例性实施例中，如图2至图6中所示，系统100用于执行骨10的截骨，在该系统中，骨10被切割以缩短、延长或改变骨的对齐。在截骨程序之前拍摄骨10的CT图像，并且将从CT图像获得的CT数据126传输到跟踪站104。如图2中所示，第一标记物136定位在骨10的第一部分12中。通篇使用的术语“标记物”应该被理解为指任何合适骨标记物，例如K线、转向螺杆、销或具有所期望的刚度和旋转稳定性的其它骨固定元件，如本领域的技术人员将理解。然后，将第一柄部元件106安装在第一标记物136之上，如图3中所示，并且超声装置102定位在骨10的一部分之上，以获得超声数据124和第一柄部数据132。将超声数据124和第一柄部数据132传输到跟踪站104，并且处理器118自动将超声数据124与CT数据126配准。超声数据124可从骨10的一个或多个三维超声图像获得。使用附接到扫描仪110的钻孔导向器(未示出)，第二标记物138插入骨10的另一个部分中，以允许骨的第一部分与第二部分之间的相对跟踪，如稍后将更详细描述。然后，跟踪站104通过来自三维超声的超声数据124查看与由CT数据126表示的图像部分具有轮廓相似性的部分，以识别对应于骨的相同部分的超声数据124和CT数据126的部分。具体地，将第二标记物138插入骨10的第二部分14中，如图4中所示。将第二标记物138插入第二部分14中，例如，穿过超声装置102中的开口，使得第二标记物被引导穿过其中。作为另外一种选择，第二标记物138可徒手定位在第二部分14中，而不是通过超声装置102引导。如稍后将更详细描述，此类实施例要求第二标记物138在植入后经由超声装置102定位。如图5中所示，第二柄部元件108可安装在第二标记物138之上，以防止其旋转。使用第一柄部元件106在第一标记物136上的位置和第二标记物138的位置，配准使用第一柄部数据132的第一柄部元件106相对于CT数据126的位置。由CT数据126表示的CT图像和第一柄部元件106在CT图像上的位置显示于显示器120上。然后，第二柄部元件108的发光设备130与第一柄部元件106的传感器128通信，以将第二柄部数据134(即，关于第一柄部元件106与第二柄部元件108之间相对位置的数据)提供给跟踪站104。使用第二柄部数据134，处理器118确定第二柄部元件108相对于CT数据126的位置。然后，第二柄部元件108的位置显示于显示器120上的CT图像上。如本领域的技术人员将理解，三维超声的使用允许三维超声数据124的使用，以建立用于配准的对应CT数据126，而不必跟踪扫描仪110的位置。
如图6中所示，外科医生然后在第一部分12与第二部分14之间的骨10中做出切口16，松开第一部分12和第二部分14，以经由第一柄部元件106和第二柄部元件108的操纵相对于彼此移动。处理器118跟踪它们之间的相对移动，并在显示器120上产生操纵的CT图像，该CT图像实时示出该相对移动，使得外科医生可操纵第一柄部元件106和第二柄部元件108，直到骨的第一部分12和第二部分14如所期望地对齐。
在另一个示例性实施例中，如图7至图10中所示，系统100用于治疗患有脊柱侧凸的患者。类似于上文描述的截骨程序，脊柱20的一部分的CT图像在该程序之前获得，并且将CT数据126传输到跟踪站104。如图7中所示，参考装置可定位在脊柱20近侧而不附接到脊柱，该参考装置可为第一柄部元件106。然后，超声装置102用于获得脊柱20的第一椎骨22的超声数据124，同时还与第一柄部元件106的传感器128通信，以将第一柄部数据132提供给跟踪站104。超声数据124可从第一椎骨22的一个或多个二维超声图像获得。处理器118配准超声数据124和CT数据126，并确定第一柄部数据132，该第一柄部数据可用于跟踪脊柱侧凸治疗程序中使用的钻孔导向器，其特征在于，该钻孔导向器可附接到超声扫描仪110。具体地，在三个维度中跟踪本实施例中使用的超声扫描仪110，以使用参考装置建立超声数据124的三维集合(即，使用跟踪站104，通过超声数据124查看与由CT数据表示的图像部分具有轮廓相似性的部分，以识别对应于骨的相同部分的部分)提供位置和方位数据。由CT数据126表示的配准CT图像显示于显示器120上。如图8中所示，例如穿过超声装置102中的开口将第一标记物136插入第一椎骨22中，并且使用基准点确立在第一椎骨22上的位置，第一标记物136所插入的位置。然后，将用作基准点的第一柄部元件106定位在第一标记物136之上。由于第一标记物136的位置是已知的，可配准第一柄部元件106相对于CT数据126的位置。本领域的技术人员将理解，可在第一标记物136插入之前将第一椎骨22钻孔，以有利于其插入。然后将第一柄部106安装在第一标记物136之上，如图9中所示。由于已确定第一柄部106相对于CT数据126的位置，第一柄部106相对于第一椎骨22的放置由处理器118跟踪并示于显示器120上。
然后将超声装置102定位在第二椎骨24之上，以获得用于第二椎骨24的超声数据124。相似地，第二椎骨24的超声数据124可从其一个或多个二维超声图像获得。超声装置102也可与第一柄部元件106通信，以确定其相对于第一柄部元件106的位置和方位。将与第二椎骨24的超声数据124和超声装置102的位置有关的数据传输到跟踪站104，以将第二椎骨24的超声数据124与脊柱20的CT数据配准。将第二柄部元件108附接到第二椎骨24，如图10中所示，并且与第一柄部元件106通信，以将第二柄部数据134提供给跟踪站104。处理器118使用第二柄部数据以确定第二柄部108相对于CT数据126的位置，该位置可显示于显示器120上。一旦已相对于CT数据126确定第一柄部106和第二柄部108二者的位置，第一椎骨22和第二椎骨24可经由第一柄部106和第二柄部109相对于彼此移动，以操纵脊柱20的对齐。跟踪站104连续地跟踪和监视脊柱20的移动，以在其上显示操纵的CT图像，该操纵的CT图像对应于第一椎骨22和第二椎骨24相对于彼此的移动，以有利于脊柱20的所期望对齐。
图11至图14示出用于治疗脊柱20′的脊柱侧凸的替代实施例，其基本上类似于上文描述的实施例，除下文指出的以外。如图11中所示，超声装置102定位在第一椎骨22′之上，以获得第一椎骨22′的超声数据124，该超声数据124与先前获得的脊柱20′的CT数据126配准。然而，超声数据124可从第一椎骨22′的三维超声图像获得。然后，第一标记物136可穿过超声装置102的开口插入第一椎骨22′中，如图12中所示。第一柄部元件106安装在第一标记物136之上，如图13中所示，并且第一柄部元件106的位置相对于CT数据126确定。然后，将超声装置102定位在第二椎骨24之上，以使用例如三维超声图像获得用于第二椎骨24′的超声数据124并与第一柄部元件106通信，以将第一柄部数据132到提供给跟踪站104。处理器118将第二椎骨24′的超声数据124与脊柱20′的CT数据126配准，并确定第一柄部106相对于CT数据126的位置。然后，将第二柄部元件108附接到第二椎骨24′，如图14中所示，以与第一柄部元件106通信并将第二柄部数据134(即，关于第二柄部元件108相对于第一柄部元件106的位置和方位的数据)提供给跟踪站104。处理器118使用所收集的数据，以确定第二柄部元件108相对于CT数据126的位置。第一柄部元件106和第二柄部元件108相对于CT数据126的位置可实时示于显示器120上，使得外科医生可经由第一柄部106和第二柄部108相对于彼此移动第一椎骨22′和第二椎骨24′。第一柄部106与第二柄部108之间的相对移动在显示器120上产生操纵的CT数据，使得外科医生可通过查看操纵的图像将第一椎骨22′和第二椎骨24′移动为相对于彼此所期望的空间关系。
如图15至图18中所示，系统100也可用于治疗根据本发明另一个示例性实施例的破碎骨30。如图15中所示，超声装置102定位在骨30的第一破碎部分32之上，以获得第一破碎部分32的超声数据124。具体地，超声装置102可利用三维成像以获得超声数据124，该超声数据可与先前获得的骨30的CT数据126配准。第一标记物136可穿过超声装置102中的开口插入并插入第一破碎部分32中，使得当安装在第一标记物136之上时，第一柄部106的位置相对于CT数据126是已知的。如图16中所示，可对第二破碎部分34重复该过程，以获得用于第二破碎部分的超声数据124，该超声数据可与骨30的CT数据126配准。如图17中所示，第二标记物138可经由超声装置102中的开口插入第二破碎部分34中。可将第一柄部元件106和第二柄部元件108分别安装在第一标记物136和第二标记物138之上，如图18中所示，并且CT数据126可显示于显示器120上，该CT数据包括第一柄部元件106和第二柄部元件相对于CT数据的位置。第一柄部元件106和第二柄部元件108可继续与彼此通信，以确定相对于彼此的位置，使得其相对移动被跟踪并在显示器120上显示为操纵的CT图像。因此，通过查看显示器120上的操纵CT图像，第一破碎部分32和第二破碎部分34可如所期望地相对于彼此移动。
图1至图18中所示的系统已被描述为使用CT超声配准以识别标记物位置并设置柄部，使得可执行操纵。然而，如本领域的技术人员将理解，可使用任何标记物配准方法以确立标记物位置。例如，标记物可定位在骨中，然后执行CT扫描，以获得标记物在骨上的位置信息。
对于本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的实质或范围的前提下可对本发明的结构和方法作出多种修改和变型。因此，本发明旨在落入所附权利要求书及其等同范围内。

Claims (11)

1.一种用于操纵骨的组件，其包括：
第一操纵元件，其配置成附接到骨的第一部分并且包括位置发射信号；
第二操纵元件，其配置成附接到骨的第二部分并且包括传感器，所述传感器检测所述位置发射信号，以提供所述第一操纵元件和所述第二操纵元件相对于彼此的位置和方位信号；以及
跟踪单元，其包括处理器，所述处理器操纵先前获得的CT图像数据并使用所述位置和方位信号在多个维度中跟踪所述第一操纵元件和所述第二操纵元件相对于彼此的移动。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述第一操纵元件和所述第二操纵元件包括柄部，所述柄部的尺寸和形状设定成由使用者握持，以分别移动所述骨的第一部分和第二部分。
3.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述位置发射信号为发光阵列。
4.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述位置发射信号为场发生器。
5.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，还包括扫描单元，所述扫描单元连接到所述第二操纵元件，以确定所述第一操纵元件和所述第二操纵元件之一的相对位置。
6.根据权利要求5所述的组件，其特征在于，所述扫描单元包括光源，所述光源投射待由所述第一操纵元件的传感器检测的其固定图案的影子，使得确定所述第一操纵元件相对于所述扫描单元的位置和方位。
7.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，还包括显示器，所述显示器示出所述第一操纵元件和所述第二操纵元件之一相对于所述骨的表面数据的位置。
8.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述第一操纵元件和所述第二操纵元件为标记物。
9.一种如权利要求1中所述的操纵元件，其包括：
柄部，其配置成附接到骨的一部分，并且尺寸和形状设定成由使用者握持，以移动所述柄部附接到的所述骨的一部分；和
传感器，其在多个维度中检测位置信号。
10.一种如权利要求1中所述的操纵元件，其包括：
柄部，其配置成附接到骨的一部分，并且尺寸和形状设定成由使用者握持，以移动所述柄部附接到的所述骨的一部分；和
发射器阵列，其发射位置信号并且布置在所述柄部上，使得当所述柄部被握持时，所述阵列是可见的。
11.根据权利要求10所述的操纵元件，其特征在于，所述发射器阵列为发光二极管。
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