本公開內容涉及醫(yī)學器械并且更具體地涉及用于在計算機輔助流程期間對軟組織平衡的醫(yī)學應用中的形狀感測光纖。

背景技術：

計算機輔助手術(CAS)系統(tǒng)被用于術前規(guī)劃和術中手術導航。在該背景下，術前規(guī)劃是指任何計算機輔助的手術步驟的確定，例如，切割、切開、靶向等。規(guī)劃能夠在流程之前或期間進行。術前規(guī)劃經(jīng)常使用患者的2D或3D圖像，所述2D或3D圖像使用任何醫(yī)學成像模態(tài)(計算機斷層攝影(CT)、磁共振成像(MRI)、超聲、X射線、內窺鏡等)或解剖模型(例如，膝蓋模型)。在CAS的背景下，手術導航是指對器械和患者解剖結構的實況跟蹤，使得外科醫(yī)生能夠精確地執(zhí)行術前計劃。手術導航是使用跟蹤技術來實施的。

跟蹤技術的范例是視線光學跟蹤。視線光學跟蹤技術使用在可見或紅外范圍內操作的光學相機。所述相機被配置為檢測其視場中的標記物并且基于它們的相對位置來推斷標記物的布置的位置和取向。通常，使用以己知配置布置的兩個或更多個相機來使得能夠進行立體視覺和深度感知。該跟蹤技術要求(一個或多個)相機與標記物之間的不被遮擋的視線。

全膝置換要求股骨和脛骨的部分被移除并且以可植入人造部件來置換。在全膝置換中使用CAS以使用術前規(guī)劃模塊來規(guī)劃合適的切割平面并使得能夠通過在流程期間跟蹤骨和器械來執(zhí)行該計劃。經(jīng)常利用切割塊來切除骨，所述切割塊引導切割平面，使得切割平面被正確地定位和定角度以容納和對準要被植入的人造部件。CAS的目的在于改進切割塊和隨后的植入物的位置和取向兩者以使關節(jié)返回到其最優(yōu)生物力學。

用于全膝置換的視線光學跟蹤CAS系統(tǒng)涉及被附接到患者以提供解剖結構跟蹤的一組視線光學跟蹤附件。視線光學跟蹤附件通過一個或多個螺釘被剛性地附接到骨并且從骨向外延伸一距離。在全膝置換中，這些跟蹤器被附接到股骨和脛骨兩者以提供實況解剖結構跟蹤。

現(xiàn)有的光學CAS系統(tǒng)遭受多個缺點。視線光學CAS系統(tǒng)要求探測相機與跟蹤附件之間不受阻擋的路徑。不對相機可見的任何跟蹤附件不能有提供有效的測量。在流程的所有部分期間維持不受阻擋的路徑可能是困難的，特別是當例如骨被操縱以測試動態(tài)生物力學時。這些CAS系統(tǒng)不僅要求視線，而且僅在定義的體積內是準確的。該體積是關于相機位置的并且可能難以在整個流程中維持，特別是在對關節(jié)的操縱期間。為了實現(xiàn)所要求的準確度，視線CAS系統(tǒng)通常使用被布置到光學跟蹤附件中的反射球，所述光學跟蹤附件在最大的維度上能夠具有上至20cm的長度。這樣的大的附件限制了臨床醫(yī)生可用的物理工作空間并且有術中碰撞的風險。歸因于光學跟蹤附件的尺寸和重量，需要大的螺銷來剛性地且準確地附接到骨。在一些情況下，針對單元跟蹤附件需要兩個螺銷。這些螺銷能夠造成不利效果，例如，應力斷裂(特別是緊密使用兩個銷時)、感染、神經(jīng)損傷、銷變松(造成額外的銷或者測量中的不準確性)等。

電磁(EM)導航系統(tǒng)也遭受多個缺點。類似于視線跟蹤，可能難以維持最優(yōu)臨床工作流而同時滿足EM系統(tǒng)的要求。EM系統(tǒng)僅在關于場生成器的位置的定義的體積內提供準確的測量。另外，EM場中的金屬能夠生成干擾并且劣化測量的準確性。

軟組織平衡涉及在彎曲與伸展之間移動例如膝。在切除了骨之后，試驗性股骨和脛骨植入物被定位以評估植入物的尺寸、位置和取向以及得到的關節(jié)生物力學。選擇合適的厚度的插入物，使得在伸展和彎曲兩者中，兩骨之間的間隙是相同的，并且施加到間隔物/韌帶內側力和外側力是平衡的。將保持插入物就位的兩個鉆孔對準在整個彎曲和伸展兩者中維持平滑且平衡的運動是重要的。在一些情況下，釋放韌帶中的一個是必要的(例如，通過對所述韌帶進行多個針穿刺)。如果韌帶在膝的任一側是不平衡的，則這將造成不穩(wěn)定，并且能夠造成不舒適，更長的恢復，以及植入物的過早失效。

技術實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的原理，一種光學形狀感測系統(tǒng)包括：光學形狀感測纖維，其被配置為與一區(qū)域中的軟組織相整合；光學形狀感測模塊，其被配置為接收來自所述光學形狀感測纖維的反饋并確定所述光學形狀感測纖維的位置和取向；平衡模塊，其被配置為采用所述光學形狀感測纖維的所述位置和所述取向來指示何時因所述區(qū)域中的調節(jié)而在軟組織中滿足平衡準則。

另一光學形狀感測系統(tǒng)包括：光學形狀感測模塊，其被配置為接收來自一個或多個光學形狀感測纖維的反饋，所述一個或多個光學形狀感測纖維與一區(qū)域中的軟組織相整合并被配置為識別所述軟組織的特性，所述一個或多個光學形狀感測纖維關于所述區(qū)域被配置為一圖案，以根據(jù)所述區(qū)域的彎曲來提供測量結果，所述一個或多個光學形狀感測纖維被采用以在坐標系中在位置上跟蹤解剖結構位置；平衡模塊，其被配置為采用所述一個或多個光學形狀感測纖維的位置和取向來指示何時因所述區(qū)域中的調節(jié)而在軟組織中滿足平衡準則；解剖結構圖像，其被包括在所述坐標系中，其中，來自所述一個或多個光學形狀感測纖維的位置變化被與所述解剖結構圖像進行配準并在顯示器上被查看。

一種用于放置在骨之間的可植入設備包括：基底材料，其被配置為形成在關節(jié)置換流程中要被放置在骨之間的基底；一個或多個光學形狀感測纖維，其被配置為一圖案并從內部被整合在所述基底材料內，所述一個或多個光學形狀感測纖維被配置為測量所述骨之間的所述可植入設備的放置的位置和取向。

一種用于使用光學形狀感測系統(tǒng)來跟蹤軟組織的方法包括：將一個或多個光纖傳感器整合到關節(jié)區(qū)域中的軟組織中；在所述關節(jié)區(qū)域的彎曲期間使用所述一個或多個光學形狀感測纖維來識別所述軟組織的位置?；谠谒鰪澢陂g識別的所述位置來測試所述關節(jié)區(qū)域的軟組織平衡；并且對所述軟組織平衡進行調節(jié)。

結合附圖，根據(jù)下文的詳細描述及圖示性實施例，本公開內容的這些和其他目標、特征和優(yōu)勢將變得明顯。

附圖說明

本公開內容將參考以下附圖來詳細呈現(xiàn)對優(yōu)選的實施例的以下說明，其中：

圖1是示出根據(jù)一個實施例的用于跟蹤軟組織移動和力的形狀感測系統(tǒng)的方框圖/流程圖；

圖2是示出根據(jù)有用的實施例的通過皮下引線、縫合并使用針狀元件而在其內整合有形狀感測光纖傳感器的膝關節(jié)的圖解；

圖3是示出膝關節(jié)的圖解，所述膝關節(jié)示出了與膝彎曲相關聯(lián)的彎曲間隙和伸展間隙；

圖4是示出根據(jù)有用的實施例的使用套管和粘合劑在其上整合有形狀感測光纖傳感器的膝關節(jié)的圖解；

圖5A是示出根據(jù)一個實施例的具有以波浪圖案被安裝在關節(jié)連接的間隔物中的形狀感測光纖傳感器的膝關節(jié)的圖解；

圖5B是示出根據(jù)另一實施例的具有以盤旋圖案被安裝在關節(jié)連接的間隔物中的形狀感測光纖傳感器的膝關節(jié)的圖解；并且

圖6是示出根據(jù)圖示性實施例的用于軟組織的形狀感測跟蹤的方法的流程圖。

具體實施方式

根據(jù)本發(fā)明的原理，提供了用于光學形狀感測的系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)和方法可以被用于在手術流程期間顯示被疊加在解剖結構圖或其他圖像上的軟組織的相對位置。在一個實施例中，所述光學形狀感測纖維能夠被附接到或被縫合到患者中或者被包括在器械中。光學形狀感測測量結果能夠被配準到解剖結構圖。光學形狀感測標記物關于解剖結構圖的位置能夠被顯示給用戶，并且解剖結構圖能夠基于光學形狀感測信息而被動態(tài)地更新。另外，光學形狀感測纖維可以被附接到矯形術器械或其他器械，例如，鉆頭或切割臺、試驗性植入物和最終植入物等，從而也跟蹤它們的位置。

在一個實施例中，采用光學形狀感測以在矯形術流程中跟蹤軟組織。光學形狀感測系統(tǒng)可以被附接到韌帶、皮膚、插入物等，或者它們的組合。

光學形狀感測系統(tǒng)也可以被采用以對關節(jié)連接間隔物或其他區(qū)域或特征進行力感測。在切除之后的軟組織平衡確保了彎曲間隙和伸展間隙被平衡。如果間隙是平衡的，選擇了合適的間隔物、并且植入物被正確地定位和取向，則由韌帶所經(jīng)受的內側力和外側力也應當是平衡的。

本發(fā)明原理解決了以下問題中的一些。由于常規(guī)光學跟蹤器僅跟蹤骨，因此它們當前在流程的軟組織平衡步驟期間沒有顯著的幫助。本發(fā)明原理包括OSS設備，所述OSS設備能夠被采用以在軟組織平衡期間提供相關測量并在流程期間提供對組織的表面的跟蹤以保護韌帶。在一些流程期間，施加在關節(jié)上的力可能引起韌帶的撕裂。這延長了患者的恢復。提供一種用于對這樣的事件進行監(jiān)測和發(fā)出警告的方法是有用的。

光學形狀感測(OSS)使用沿著多芯光纖的光以沿著該纖維重建形狀。所涉及的發(fā)明原理利用光纖中的分布式應力測量，所述分布式應力測量使用特性瑞利反向散射或受控的光柵圖案。沿著光纖的形狀開始于沿著傳感器的特定點，被稱為發(fā)起點或者z＝0，并且隨后的形狀位置和取向是相對于該點的。光纖可以具有例如200微米的直徑并且能夠具有上至幾米的長度，同時維持毫米水平的準確度。光學形狀感測纖維能夠被整合到各種各樣的醫(yī)學設備中以提供實況引導的醫(yī)學流程。作為范例，可以采用導絲或導管來進行到動脈中的導航，其中，光學形狀感測測量被疊加在術前圖像上。

應當理解，將在醫(yī)學器械方面描述本發(fā)明；然而，本發(fā)明的教導要寬泛地多，并且適用于任何光纖器械。在一些實施例中，本發(fā)明原理被使用在跟蹤或分析復雜生物系統(tǒng)或機械系統(tǒng)中。尤其地，本發(fā)明原理適用于生物系統(tǒng)的內部跟蹤流程，身體的所有區(qū)(例如，肺部、胃腸道、排泄器官、血管等)中的流程。在附圖中描繪的元件可以以硬件與軟件的各種組合來實施并且提供可以被組合在單個元件或多個元件中的功能。

能夠通過使用專用硬件以及能夠運行與適當?shù)能浖嚓P聯(lián)的軟件的硬件來提供附圖中示出的各種元件的功能。當由處理器提供時，所述功能能夠由單個專用處理器、由單個共享處理器或由多個個體處理器(它們中的一些能夠被共享)來提供。此外，對術語“處理器”或“控制器”的明確使用不應被解釋為專指能夠運行軟件的硬件，并且能夠隱含地包括而不限于數(shù)字信號處理器(“DSP”)硬件、用于存儲軟件的只讀存儲器(“ROM”)、隨機存取存儲器(“RAM”)、非易失性存儲設備等。

此外，本文記載本發(fā)明的原理、各方面和實施例以及其特定范例的所有陳述，旨在涵蓋其結構和功能上的等價物。額外地，這樣的等價物旨在包括當前已知的等價物以及未來發(fā)展的等價物(即，執(zhí)行相同功能的所發(fā)展的任何元件而無論其結構如何)。因此，例如，本領域技術人員應當理解，本文呈現(xiàn)的方框圖表示實施本發(fā)明的原理的圖示性系統(tǒng)部件和/或電路的概念視圖。類似地，應當理解，任何流程圖表、流程圖等表示基本上可以被表示在計算機可讀存儲介質中并且因此可以由計算機或處理器來運行的各種過程，無論這樣的計算機或處理器是否被明確示出。

此外，本發(fā)明的實施例能夠采取計算機程序產品的形式，所述計算機程序產品可從計算機可用存儲介質或計算機可讀存儲介質存取，所述計算機可用存儲介質或計算機可讀存儲介質提供用于由計算機或任何指令運行系統(tǒng)使用或者與計算機或任何指令運行系統(tǒng)結合使用的程序代碼。出于本說明書的目的，計算機可用存儲介質或計算機可讀存儲介質能夠是可以包括、存儲、通信、傳播或輸送用于由指令運行系統(tǒng)、裝置或設備使用或與指令運行系統(tǒng)、裝置或設備結合使用的程序的任何裝置。所述介質能夠是電子、磁性、光學、電磁、紅外或半導體系統(tǒng)(或裝置或設備)或傳播介質。計算機可讀介質的范例包括半導體或固態(tài)存儲器、磁帶、可移動計算機軟盤、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、硬磁盤以及光盤。光盤的當前范例包括壓縮盤-只讀存儲器(CD-ROM)、壓縮盤-讀/寫(CD-R/W)、Blu-Ray^TM以及DVD。

現(xiàn)在參考附圖，在附圖中，相似的附圖標記表示相同或類似的元件，并且首先參考圖1，圖解地示出了根據(jù)一個實施例的用于使用形狀感測使能設備在矯形術應用或其他應用中進行光學形狀感測引導的系統(tǒng)100。系統(tǒng)100可以包括工作站或控制臺112，從所述工作站或控制臺112監(jiān)視和/管理流程。工作站112優(yōu)選包括一個或多個處理器114以及用于存儲程序和應用的存儲器116。存儲器116可以存儲光學形狀感測模塊115，所述光學形狀感測模塊115被配置為解讀來自形狀感測設備或系統(tǒng)104的光學反饋信號。光學形狀感測和解讀模塊115被配置為使用光學信號反饋(或任何其他反饋，例如，電磁(EM)跟蹤)來重建與骨或關節(jié)位置或其他解剖結構特征(包括皮膚、韌帶、筋腱、肌肉以及其他物質或組織)的位置相關聯(lián)的變形、偏斜或者其他變化。

形狀感測系統(tǒng)104包括一個或多個光纖傳感器102。每個傳感器102包括光纖126，所述光纖126被配置為一個圖案或多個圖案。所述光纖126通過發(fā)起安裝物125和線纜127(包括通信光纖)被連接到工作站112。線纜127按需要可以包括光纖、電連接、其他器械安裝等。線纜127與光學詢問單元108接口連接，所述光學詢問單元108可以包括一個或多個光源106或者與一個或多個光源106一起工作。詢問單元108向形狀感測系統(tǒng)104發(fā)送光學信號并從形狀感測系統(tǒng)104接收光學信號。操作室軌道124可以包括發(fā)起安裝物125，所述發(fā)起安裝物125包括針對一個或多個光學傳感器102的參考點或發(fā)起點(z＝0)。

具有光纖的形狀感測系統(tǒng)104可以是基于光纖布拉格光柵傳感器的。光纖布拉格光柵(FBG)是光纖的短的節(jié)段，其反射特定波長的光并透射所有其他波長的光。這是通過在纖芯中增加折射率的周期性變化來實現(xiàn)的，其生成波長特異性介質鏡。光纖布拉格光柵因此能夠被用作線內光學濾波器以阻擋某些波長，或者被用作波長特異性反射器。

能夠針對光學形狀感測(OSS)利用常規(guī)光纖中固有的反向散射。一種這樣的方法在標準單模式通信光纖中使用瑞利散射(或其他散射)。瑞利散射作為纖芯中的折射率的隨機漲落的結果而發(fā)生。這些隨機漲落能夠被建模為具有幅度和相位的沿著光柵長度的隨機變化的布拉格光柵。通過在多芯纖維的單個長度內延伸的三個或更多個芯中使用該效應，能夠跟隨感興趣表面的3D形狀和動態(tài)。

光纖布拉格光柵(FBG)也可以被用于OSS，其使用折射率變化的界面中的每個處的菲涅爾反射。對于一些波長，各個周期的反射光是同相的，使得針對反射存在相長干涉并且因此使得針對透射存在相消干涉。布拉格波長對應力以及溫度敏感。這意味著布拉格光柵能夠被用作光纖傳感器中的感測元件。在FBG傳感器，被測變量(例如，應力)引起布拉格波長的移位。

OSS的一個優(yōu)點在于各個傳感器元件能夠在纖維的長度上進行分布。并入具有嵌入在結構中的沿著纖維的長度的各個傳感器(計量器)的三個或更多個芯允許精確地確定這樣的結構的三維形式，通常具有毫米尺度的準確度。沿著纖維的長度，在各個位置處，能夠定位多個FBG傳感器(例如，3個或更多個纖維感測芯)。根據(jù)每個FBG的應力測量結果，能夠推斷出該結構在該位置處的曲率。根據(jù)多個測量出的位置，確定總體三維形式。

在一個實施例中，一個或多個光學傳感器102通過縫合或者以其他方式將光學傳感器102附接通過軟組織128或附接到軟組織128上而被連接通過軟組織128或其他解剖結構特征。光學傳感器102可以包括多個不同的配置并且通過不同的材料。光學傳感器102可以被定向在骨周圍，通過關節(jié)或其他軟組織或者在關節(jié)或其他軟組織之間，或者被應用到皮膚或者其他暴露的組織。一個或多個光學傳感器102也可以被連接到醫(yī)學設備103，直接是套管、插入物、殼體、管或其他適配物或者作為套管、插入物、殼體、管或其他適配物的部分。醫(yī)學設備例如可以是導管、導絲、探頭、內窺鏡、機器人、電極、濾波器設備、球囊設備、鉆頭、切割臺、指針器、植入物、或其他醫(yī)學部件等。

光纖傳感器102被配置為是柔性的并且具有小的外直徑，以確保柔性并降低軟組織損傷。光纖傳感器102可以被包覆有或者包套于適合用于在身體內使用的材料中。例如，光纖傳感器102可以包括軸管、盤管、改性尼龍凸出、或者任何其他的生物兼容的包覆物或管道。

工作站112包括圖像生成模塊148，所述圖像生成模塊148被配置為接收來自形狀感測系統(tǒng)104的反饋并且記錄關于一個或多個光學傳感器102在體積131內的何處的位置數(shù)據(jù)?？臻g或體積131內的一個或多個光學傳感器102的圖像134能夠被顯示在顯示設備118上。工作站112包括顯示器118，所述顯示器118用于查看對象(患者)或體積131的內部圖像并且可以包括作為在由成像設備110收集的圖像上的感測設備104的疊加或其他繪制的圖像134。成像設備110可以包括成像系統(tǒng)(例如，CT、超聲、熒光檢查、MRI等)。顯示器118也可以允許用戶與工作站112及其部件和功能交互，或者與系統(tǒng)100內的任何其他元件交互。這通過接口120被進一步促進，所述接口120可以包括鍵盤、鼠標、操縱桿、觸覺設備、或任何其他外圍設備或控件，以允許來自工作站112的用戶反饋和與工作站112的交互。

工作站112包括平衡模塊140，所述平衡模塊140被配置為接收來自形狀感測系統(tǒng)104的反饋并做出涉及軟組織、植入物定尺寸、力或位移平衡、關節(jié)評價等的決策和比較(平衡)。平衡模塊140接收來自體積131內的軟組織光學傳感器102的信息。來自纖維傳感器102的位置和取向數(shù)據(jù)被采用以比較軟組織的位置變化，比較在關節(jié)或肌肉的彎曲期間的間隙或其他維度的變化等。可以將變化與可接受的容限或先前測量的準則進行比較。今例如，傳感器102能夠被采用以在軟組織平衡期間提供相關測量并在流程期間提供對組織表面的跟蹤以保護韌帶或其他組織。在一些流程期間，施加在關節(jié)上的力可能引起韌帶的撕裂。這延長了患者的恢復。提供一種用于對這樣的事件進行監(jiān)測和警告的方法是有用的。平衡模塊140跟蹤該信息并且向操作者實時輸出有用的信息、警告和警報。平衡模塊140被配置為采用一個或多個光學形狀感測纖維102的位置和取向來指示何時因區(qū)域中的調節(jié)而在軟組織中滿足平衡準則。平衡模塊140可以被配置為提供針對多個任務的測量和反饋。以下是一些范例。

在一個實施例中，平衡模塊140接收來自傳感器102的針對韌帶的輸出，以識別韌帶何時被拉伸的太多并且通過輸出設備144(例如，聲音(揚聲器)、視覺反饋(光、顯示等)、觸覺反饋等)來警告操作者。平衡準則包括拉伸對測得的拉伸的可接受的量。在另一實施例中，可以由傳感器102跟蹤兩條韌帶以識別在彎曲和伸展期間兩條韌帶上的力何時在力閾值之內(平衡準則)。能夠在輸出設備144上向操作者指示平衡。在另一實施例中，可以由傳感器102跟蹤兩條韌帶以確認在彎曲和伸展期間韌帶的形狀輪廓是平行的(平衡準則)。能夠在輸出設備144上向操作者指示確認。也可以提供關于在彎曲和伸展期間兩個韌帶之間的角度的角度度量或標繪圖。

在其他實施例中，由傳感器102跟蹤的來自膝周圍的皮膚表面的輸入可以被疊加在來自手術之前的輪廓頂部上的在彎曲和伸展期間膝周圍的皮膚的形狀輪廓上(平衡準則)。該信息可以在整個流程期間被捕獲?？梢栽诨謴推陂g周期性地執(zhí)行相同的測量。能夠在輸出設備144上向操作者指示對相似性的指示。

可以在測試試驗性植入物期間收集來自韌帶和/或皮膚表面的信息。可以采用來自傳感器102的測得的形狀和力信息來接受當前植入物或者預測應當被使用的正確的植入物。另外，可以收集來自試驗性植入物的形狀信息，其可以包括它自己的(一個或多個)傳感器102?；谒占膩碜怨?、韌帶、皮膚等的信息，用戶通過輸出設備144(其可以包括顯示器118)被告知植入物應當被如何旋轉以修正任何未對準(例如，順時針1度)。當用戶然后調節(jié)植入物時，平衡模塊重新核查位置并且(通過輸出設備144)視覺地確認調節(jié)將植入物帶到其想要的位置。當實際植入物(最終植入物)被放入時，其位置和取向利用傳感器102被形狀感測，并且平衡模塊140通過輸出設備144向用戶確認位置和取向匹配試驗性位置和取向。應當理解，可以使用平衡模塊140來執(zhí)行其他測量、比較、核查等，額外于或者代替本文中所描述的那些。

系統(tǒng)100是基于光學形狀感測的并且能夠用于在手術流程期間或者在其他時期期間顯示被疊加在解剖結構圖136(例如，體積131的解剖結構圖像)上的軟組織的變形和骨的相對位置。系統(tǒng)100包括將光學形狀感測纖維102到患者160的軟組織(例如，皮膚、肌肉、韌帶等)的整合、光學形狀感測器械102到解剖結構圖136的配準、光學形狀感測設備102的(一個或多個)位置相對于彼此和解剖結構圖136的顯示、光學形狀感測纖維126到矯形器械103的附接，例如，鉆、切割臺等。

光學傳感器102可以具有它們的配準到骨位置的坐標系、全局坐標系或任何其他的坐標系。光學形狀感測纖維102鞥能夠使用多種技術而被配準到彼此，包括形狀到形狀配準，發(fā)起位置的機械配準、基于點的配準等。為了使得形狀感測測量結果對臨床醫(yī)生有用，測量結果需要被提供在解剖結構圖136的背景下。解剖結構圖優(yōu)選地是術前圖像(例如，CT圖像或MRI)。在一些情況下，對解剖結構模型進行變形以匹配在配準步驟期間的特征測量結果。這里，在術前采集的或者來自任何源的骨或其他特征的3D表面或者體積將被稱為模型。

一旦光學形狀感測纖維102被放置到并被配準到解剖結構圖136或其他參考(例如，骨138)，纖維位置就能夠被顯示給操作者(例如，在顯示器118上)。OSS數(shù)據(jù)在解剖結構圖上的顯示可以采取多種形式并且提供多個功能。

本發(fā)明原理應用于針對手術引導和導航的光學形狀感測纖維的任何使用。在尤其有用的實施例中，本發(fā)明原理可以被采用在膝置換手術、前十字韌帶(ACL)修復、髖置換、腦手術、脊柱手術、肘手術以及其他這樣的應用中。另外OSS可以采用任何類型的反射或散射現(xiàn)象，例如，形狀感測纖維的瑞利散射(增強的和常規(guī)的)以及光纖布拉格實施方式。本發(fā)明原理可以利用手動系統(tǒng)和機器人系統(tǒng)來采用。

根據(jù)本發(fā)明原理的光學形狀感測跟蹤能夠被采用以提供流程前規(guī)劃(包括植入物定尺寸等)，理解關節(jié)的生物力學(包括彎曲和伸展的范圍)，以及對可以導致平衡問題、不穩(wěn)定等的骨之間的任何未對準的識別。這是通過在各個位置中的OSS跟蹤來完成的，其中，得到的生物力學和對準特征使用平衡模塊140被虛擬地可視化并被顯示給操作者。關節(jié)生物力學的流程中規(guī)劃和流程后評價也可以由平衡模塊140來提供。

根據(jù)本發(fā)明原理，光纖傳感器102可以被用于多個不同的功能。在一個實施例中，光纖傳感器102被用于韌帶跟蹤。韌帶可以在流程期間被跟蹤。使用平衡模塊140跟蹤軟組織提供了安全的機制以當不正常位置或力被應用到軟組織時使用輸出設備144來警告醫(yī)生。這能夠幫助防止在流程期間撕裂韌帶，但是還存在針對本發(fā)明原理的許多其他用途。

參考圖2，在一個實施例中，光纖傳感器102(或者具有被嵌入其中的光纖的設備)被引線通過軟組織(例如，通過韌帶或者通過圍繞韌帶的組織)。在另一實施例中，光纖傳感器202在靠近骨附接物或其他參考點的兩個或更多個點處被縫合物204縫合。在另一實施例中，光纖傳感器202能夠被嵌入在或以其他方式被附接到柔性針208(或者類似的柔性細長工具或器械)中，并且針208能夠被插入通過皮膚210(或其他組織)并且沿著韌帶的表面隧穿等。

圖2示出了膝關節(jié)218的解剖結構圖解。該圖解包括股四頭肌224、股骨226、關節(jié)軟骨228、前十字韌帶(ACL)230、外側副韌帶(LCL)232、腓骨234、膝蓋骨(膝蓋)236、后十字韌帶(PCL)240、半月板242、髕韌帶244、內側副韌帶(MCL)246以及脛骨248。

通過將光纖傳感器202或傳感器嵌入在膝關節(jié)218的軟組織中(或者直接是嵌入式材料或套管或者被并入在或附接到嵌入式材料或套管中)，實現(xiàn)了在流程期間不僅跟蹤膝關節(jié)218及其組成部分的位置和扭轉而且還跟蹤韌帶230、232、240、244、246或其他軟組織上的應力的能力。能夠使用測得的跨內側韌帶246和外側韌帶232的力來對準被放置在間隙302、303中的插入物(圖3)并選擇插入物尺寸。這能夠在膝關節(jié)218的彎曲306和伸展304期間被動態(tài)地測量，如在圖3中所描繪的?，F(xiàn)有的解決方案通常僅在兩個固定的位置處執(zhí)行該測量。根據(jù)本發(fā)明原理，伸展304和彎曲306測量能夠在來自伸展304和彎曲306的運動期間使用OSS來連續(xù)地執(zhí)行。

在關節(jié)128的伸展304和彎曲306期間除了(使用其他跟蹤方法)跟蹤骨的位置以外還跟蹤軟組織，能夠相比于僅使用對骨(例如，股骨226和脛骨248)的定位提供更加完整的動力學模型。光纖傳感器202可以在恢復期間和之后保持在關節(jié)中。在流程期間的測量結果可以與恢復期間的流程后測量結果進行關聯(lián)。在另外的實施例中，能夠記錄兩組測量結果。軟組織變形的第一測量結果是在切開膝蓋骨完成之前被記錄的。第二測量結果是在選擇合適的切割或器械(例如，間隔物)期間被連續(xù)地執(zhí)行的。這些測量結果是利用與在發(fā)起固定物處配準的相同的的纖維或不同的一組纖維來執(zhí)行的，因此，傳感器102能夠在相同的坐標系中被可視化。在切開之前，外科醫(yī)生能夠選取術后變形將是最優(yōu)的術前軟組織變形周圍的區(qū)。該可視化能夠示出該體積內的切開后形狀并且能在變形超過期望的水平時告知外科醫(yī)生。

參考圖4，盡管韌帶跟蹤采用光纖傳感器202到韌帶上或韌帶中的半有創(chuàng)附接，但是將光纖傳感器202附接到患者的皮膚402是較少有創(chuàng)的，而且提供了較不直接的測量。能夠以多種方式來執(zhí)行對膝關節(jié)128周圍的皮膚402的跟蹤。在一個實施例中，套管404可以被定位在膝關節(jié)218周圍(圖2)，其中，嵌入其中的光學形狀感測纖維202被附接到或者以其他方式被并入到套管404中。在該實施例中，(一條或多條)纖維202能夠以多種不同的方式被嵌入、附接或者并入。范例包括平行于腿的縱軸在任一側上延伸的(一條或多條)纖維202，沿著腿的縱軸以“波浪”狀路徑進行(例如，正弦圖案)的(一條或多條)纖維202，或者(如由手術切口所允許的)以螺旋形狀纏繞在膝關節(jié)218周圍的(一條或多條)纖維202。如在本文中所使用的術語“套管”可以指護套、插入物、殼體、管或者光纖被嵌入、被包封、被包含、或以其他方式被保持的其他適配物。

在一個實施例中，套管404可以被放置在關節(jié)218或者光纖傳感器202上，其可以在套管402就位時被穿線在套管402之下或被穿線到套管402中。以此方式，可以實時地針對光纖傳感器202的圖案來選擇圖案。

可以使用粘合劑410等來應用對光纖傳感器的皮膚附接，所述粘合劑410等將光纖傳感器202安裝在膝關節(jié)218上或周圍，例如，如在圖4中圖示性描繪地在膝關節(jié)218的任一側上。粘合劑410可以被應用到關節(jié)周圍的皮膚，并且光纖傳感器202可以以任何期望的一個或多個圖案(例如，波浪、螺旋、縱向條紋等)被設置在粘合劑中。

參考圖5A和圖5B，描繪了兩個圖示性配置，其用于監(jiān)測可植入設備502中(例如，關節(jié)連接的間隔物、插入物、植入物等)的力。設備502的力傳感器被提供為測量針對軟組織平衡的內側力或外側力。如在圖3中所描繪，由彎曲和伸展引起的間隙需要被平衡。在膝置換手術期間，插入物中的力感測提供了對軟組織平衡的強的指示物。存在使用在彎曲和伸展期間使用由關節(jié)連接間隔物感測的力來平衡組織的常規(guī)設備(例如，商業(yè)可用的e-LIBRA^TM設備)。醫(yī)生將利用常規(guī)力傳感器使能的間隔物植入并且然后使用讀出以調節(jié)對植入物的定位，直到傳感器看到間隔物的內側部分和外側部分上的力平衡。e-LIBRA^TM設備的一個限制是其僅提供兩個單軸力測量結果——一個在內側并且一個在(一個或多個)外側。e-LIBRA^TM設備的另一限制在于其不具有設備內的力測量的空間位置的任何知識。備選地或者額外地，能夠使用光纖來進行力感測。

根據(jù)本發(fā)明原理，設備502被配置用于放置在骨之間。設備502包括基底材料504以形成被配置用于手術用途的作為間隔物等的基底以在關節(jié)置換流程等中被設置在骨之間?；撞牧?04可以包括適合用于在活體的身體內部使用的任何材料，并且優(yōu)選地包括彈性和順應性材料。設備502包括一個或多個嵌入的形狀感測纖維202，所述形狀感測纖維202以一圖案被布置在間隔物內并且從內部被整合在基底材料504內，以測量骨之間的可植入設備502的放置的位置和取向。(一個或多個)形狀感測纖維202可以處于到設備502或基底材料504的插入物或附接物中。形狀感測纖維202能夠與嵌入的力傳感器(未示出)組合使用，以具有設備502內的空間解析的力測量。光學形狀感測纖維102能夠被采用以也例如通過測量纖維的中央芯中的應力(例如，代替或額外于獨立的力傳感器)來測量設備502內的力分布。

形狀感測纖維自身能夠被配置為通過其到設備502中的整合而在3個軸(x、y和z)上提供空間解析的力測量結果。這樣的實施方式提供了間隔物內的高度空間解析的力測量結果并且改進了醫(yī)生微調植入物以針對所有移動軸來平衡膝的能力。OSS纖維202可以以任何數(shù)量的圖案被布置。

光學形狀感測纖維202可以被配置為一圖案中并且從內部被整合在基底材料504內。圖案可以包括以下中的至少一種：正弦、盤旋、螺旋、環(huán)、網(wǎng)格等。間隔物與試驗性植入物一起使用，例如，針對股骨和脛骨。這些試驗性植入物也能夠(例如利用設備502)被形狀感測以在軟組織平衡期間監(jiān)測位置和力信息。最終植入物的形狀感測跟蹤能夠用于確保它們被如通過試驗性植入物所確定地被定位并且預測在流程的最終階段期間引入的任何誤差。形狀感測纖維202能夠在終結流程之前被移除，或者被留下而嵌入在植入物中(并且可以被用于流程后測試和測量)。

在圖5A中，OSS纖維202被布置為正弦波浪圖案。在圖5B中，OSS纖維202被布置為盤旋圖案或螺旋圖案。也預期其他圖案，例如，在骨之間的關節(jié)的平面中的波浪圖案，、圓柱形盤旋、環(huán)等。應當理解，OSS纖維202可以是可移動的或者可以永久地保持為設備502的部分。在一個實施例中，OSS纖維202可以在恢復期間被采用以進行力測量或位置測量，以用于與其他測量結果比較來確定進度或其他度量。

應當理解，本文中描述的實施例圖示性地采用膝關節(jié)。然而，任何關節(jié)或其他解剖結構特征、假體或模型可以采用本發(fā)明原理。另外，本文中描述的實施例可以被組合以進一步增加本發(fā)明原理的優(yōu)點。例如，縫合的OSS纖維實施例可以與皮膚附接的OSS纖維和/或具有整合的OSS纖維的套管/針相組合。

參考圖6，圖示性地示出了一種用于使用光學形狀感測系統(tǒng)來跟蹤軟組織的方法。應當理解，本發(fā)明原理也可以應用于身體內部的組織，應用于解剖結構模型或者外部組織、應用于假肢、應用于機械部件或鏈接件等。在方框702中，將一個或多個光纖傳感器整合到關節(jié)中的軟組織中或其他區(qū)域中。在方框704中，整合一個或多個光纖傳感器可以包括以皮下方式將一個或多個光纖傳感器引線到軟組織中。在該實施例中，光纖被插入到皮膚、肌肉、韌帶等中。這可以使用長的縫合針等而被執(zhí)行通過軟組織中的大的部分。在方框706中，整合一個或多個光纖傳感器可以包括將一個或多個光纖傳感器縫合到軟組織。在該實施例中，光纖在沿著其長度的不同位置處被間歇地縫合或釘?shù)杰浗M織。

在方框708中，整合一個或多個光纖傳感器可以包括以皮下方式將包括一個或多個光纖傳感器的柔性細長器械插入到軟組織中。這里，光纖被設置在針狀元件中。針狀元件被穿入到軟組織中并且在關節(jié)的彎曲期間保持在軟組織中。在方框710中，整合一個或多個光纖傳感器可以包括使用粘合劑或套管中的一個或多個來將一個或多個光纖傳感器附著到軟組織中。粘合劑可以被采用以保持在皮膚(或其他組織)上就位的光纖的不同圖案?？梢栽诠饫w上采用套管以保持光纖就位。套管也可以在其內整合有光學形狀感測纖維。

在方框712中，在關節(jié)或其他區(qū)域的彎曲期間使用光學形狀感測纖維來識別軟組織的位置。能夠在關節(jié)區(qū)域的彎曲(例如，彎曲和伸展)期間確定偏斜、應變、力等。在方框714中，基于在彎曲期間所識別的位置來測試關節(jié)區(qū)域的軟組織平衡。測試可以揭示組織，例如，膝置換手術中的不足的彎曲間隙或伸展間隙，一個外側韌帶中過大的力、關節(jié)的一側上的過度的移位等。測試可以包括，例如，采用在其內整合有OSS纖維的插入間隔物或植入物。在方框716中，進行對軟組織平衡的調節(jié)。這些可以包括針對以下的動作：修正膝置換手術中的不足的彎曲間隙或伸展間隙，一個外側韌帶中過大的力、關節(jié)的一側上的過度移位等。

提供關于是否己經(jīng)實現(xiàn)平衡準則的反饋。如果未實現(xiàn)平衡準則，則流程返回到方框714并且重復直到實現(xiàn)平衡準則(例如，力被平衡、位移被平衡、間隙被平衡等)。

在解釋權利要求時，應當理解：

a)“包括”一詞不排除存在給定權利要求中列出的元件或動作之外的其他元件或動作；

b)元件前的“一”或“一個”一詞不排除存在多個這樣的元件；

c)權利要求中的任何附圖標記不限制其范圍；

d)若干“器件”可以由相同的項目或硬件或實施結構或功能的軟件來表示；

e)除非具體指示，并不要求動作的具體順序。

已經(jīng)描述了用于矯形術中的軟組織平衡的光學形狀感測的優(yōu)選實施例(其旨在圖示而非限制)，應當注意，按照以上教導，本領域技術人員能夠做出修改和變型。因此，應當理解，在本公開的具體實施例中可以做出改變，公開的所述改變在如權利要求書概括的在本文中公開的實施例的范圍之內。因此，已經(jīng)描述了由專利法要求的詳情和特征，在權利要求書中闡述了由專利證書權利要求和期望保護的內容。