相關(guān)申請的交叉引用

本申請主張要求于2014年11月6日提交的美國臨時(shí)專利申請no.62/076123的權(quán)益，并且通過引用將其并入本文。

本申請涉及使用慣性傳感器的計(jì)算機(jī)輔助的手術(shù)并且更具體涉及髖部手術(shù)中的髖臼杯定位流程。

背景技術(shù)：

在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中，髖臼被鉸孔以隨后在其中接收髖臼杯。髖臼杯是被接收在經(jīng)鉸孔的髖臼中的植入物并且充當(dāng)針對股骨頭或股骨頭植入物的受器。因此，在流程中使用諸如鉸孔器和杯撞擊器的工具。在這樣的流程中的挑戰(zhàn)之一是向髖臼杯提供足夠的取向。實(shí)際上，不準(zhǔn)確的取向可能導(dǎo)致移動(dòng)的損耗、不適當(dāng)?shù)牟綉B(tài)和/或植入物部件的過早磨損。例如，髖臼杯通常通過撞擊器被定位在經(jīng)鉸孔的髖臼中。撞擊器具有閥桿，在所述閥桿的端部處是髖臼杯。閥桿由操作者把持，其影響自由端以便將髖臼杯驅(qū)動(dòng)到髖臼中。然而，可能重要的是，操作者將撞擊器的閥桿保持在相對于骨盆的精確的三維取向上，以便確保在傾斜和前傾方面的髖臼杯的足夠的取向。

出于該目的，計(jì)算機(jī)輔助的手術(shù)已經(jīng)被用在髖部手術(shù)中，以便幫助操作者將鉸孔器和撞擊器定位和取向到期望的取向。在被用在計(jì)算機(jī)輔助的手術(shù)中的各種跟蹤技術(shù)中間，已經(jīng)使用光學(xué)導(dǎo)航、c形臂驗(yàn)證和手動(dòng)參考引導(dǎo)。光學(xué)導(dǎo)航要求使用導(dǎo)航系統(tǒng)，其增加手術(shù)時(shí)間。其還要求將參考釘在患者上，其增加到流程的侵入性。此外，其限于阻礙正常手術(shù)流的視線約束。c形臂驗(yàn)證要求使用龐大的設(shè)備并且驗(yàn)證不具有成本效益。此外，其不提供在一旦被完成時(shí)對杯定位的定量評估，并且通常與在手術(shù)中相反，在手術(shù)后被使用。最后，諸如a型的手動(dòng)夾具不占手術(shù)桌臺(tái)上的患者的位置。

因此，慣性傳感器被用于其成本效益和其提供的有價(jià)值的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，根據(jù)本公開的實(shí)施例，提供了一種在計(jì)算機(jī)輔助的髖部手術(shù)中相對于骨盆對手術(shù)器械進(jìn)行導(dǎo)航的方法，包括：在患者以仰臥位處在桌臺(tái)平面上的情況下：利用慣性傳感器單元?jiǎng)?chuàng)建針對骨盆的坐標(biāo)系，所述坐標(biāo)系使用重力的方向來設(shè)置所述骨盆的前后軸并且包括所述骨盆的中側(cè)軸；跟蹤所述骨盆的所述慣性傳感器單元坐標(biāo)系；通過確定所述骨盆的所述坐標(biāo)系中的所述器械的三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，利用至少一個(gè)手術(shù)器械上的慣性傳感器單元來設(shè)置所述至少一個(gè)手術(shù)器械的取向；使用來自所述手術(shù)器械上的所述慣性傳感器單元的讀數(shù)來跟蹤所述至少一個(gè)手術(shù)器械相對于所述坐標(biāo)系的移動(dòng)；并且輸出針對所述移動(dòng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，所述導(dǎo)航數(shù)據(jù)使所述手術(shù)器械的取向與所述骨盆的取向相關(guān)。

進(jìn)一步地，根據(jù)本公開的實(shí)施例，輸出導(dǎo)航數(shù)據(jù)包括輸出所述手術(shù)器械相對于所述骨盆的前傾角和/或傾斜角。

更進(jìn)一步地，根據(jù)本公開的實(shí)施例，創(chuàng)建針對所述骨盆的所述坐標(biāo)系包括從支撐被應(yīng)用到所述骨盆的髂前上棘的所述慣性傳感器單元的器械獲得所述中側(cè)軸。

更進(jìn)一步地，根據(jù)本公開的實(shí)施例，創(chuàng)建所述坐標(biāo)系包括將所述骨盆的所述坐標(biāo)系的顱尾軸設(shè)置為所述前后軸和所述中側(cè)軸的叉積。

更進(jìn)一步地，根據(jù)本公開的實(shí)施例，創(chuàng)建所述坐標(biāo)系包括從支撐被應(yīng)用到所述骨盆的所述慣性傳感器單元的器械獲得所述骨盆相對于所述中側(cè)軸以及相對于顱尾軸的傾斜，并且還包括將所述前后軸和所述中側(cè)軸與所述傾斜對齊。

更進(jìn)一步地，根據(jù)本公開的實(shí)施例，獲得所述骨盆的額面(frontal)傾斜包括從被應(yīng)用到所述骨盆的所述髂前上棘中的至少一個(gè)和恥骨結(jié)節(jié)的所述器械獲得所述傾斜。

更進(jìn)一步地，根據(jù)本公開的實(shí)施例，創(chuàng)建所述坐標(biāo)系包括從支撐被應(yīng)用到所述骨盆的所述慣性傳感器單元的器械獲得所述骨盆相對于所述坐標(biāo)系的顱尾軸的橫向傾斜，并且還包括將所述中側(cè)軸與所述橫向傾斜對齊。

更進(jìn)一步地，根據(jù)本公開的實(shí)施例，獲得所述骨盆相對于所述中側(cè)軸的所述橫向傾斜包括從被應(yīng)用到所述骨盆的所述髂前上棘的所述器械獲得所述橫向傾斜。

更進(jìn)一步地，根據(jù)本公開的實(shí)施例，在創(chuàng)建所述坐標(biāo)系中使用的所述慣性傳感器單元與被連接到至少一個(gè)手術(shù)器械的所述慣性傳感器單元是相同的。

更進(jìn)一步地，根據(jù)本公開的實(shí)施例，所述骨盆的所述坐標(biāo)系在設(shè)置所述至少一個(gè)器械的所述取向之后被更新。

更進(jìn)一步地，根據(jù)本公開的實(shí)施例，所述器械的取向通過從被固定到所述骨盆的所述慣性傳感器單元中的任一個(gè)獲得讀數(shù)而被重置。

更進(jìn)一步地，根據(jù)本公開的實(shí)施例，重置所述坐標(biāo)系中的所述至少一個(gè)器械的取向包括：在所述手術(shù)器械被取向在相對于骨盆的已知取向上的情況下，從所述手術(shù)器械上的所述慣性傳感器單元獲得讀數(shù)。

更進(jìn)一步地，根據(jù)本公開的實(shí)施例，從已知取向上的所述慣性傳感器單元獲得讀數(shù)包括當(dāng)所述器械上的平面光源指向所述骨盆上的界標(biāo)時(shí)，從所述慣性傳感器單元獲得讀數(shù)。

根據(jù)本公開的另一實(shí)施例，提供了一種計(jì)算機(jī)輔助的手術(shù)系統(tǒng)，包括：至少一個(gè)校準(zhǔn)器械，其適于以已知的方式被應(yīng)用到骨盆；至少一個(gè)手術(shù)器械；計(jì)算機(jī)輔助的處理器單元，其操作手術(shù)輔助流程并且包括：至少一個(gè)便攜式慣性傳感器單元，其被配置為被連接到所述至少一個(gè)校準(zhǔn)器械和所述至少一個(gè)手術(shù)器械，所述便攜式慣性傳感器輸出表示其取向的讀數(shù)；幾何關(guān)系數(shù)據(jù)模塊，其提供在所述便攜式慣性傳感器單元的取向、所述至少一個(gè)校準(zhǔn)器械的取向、以及所述至少一個(gè)手術(shù)器械的取向之間的幾何關(guān)系數(shù)據(jù)；坐標(biāo)系模塊，其用于設(shè)置所述骨盆的坐標(biāo)系，在所述骨盆的坐標(biāo)系中，所述骨盆的前后軸大體上在重力的方向上，并且在所述骨盆的坐標(biāo)系中，所述骨盆的中側(cè)軸是使用在所述至少一個(gè)便攜式慣性傳感器單元與所述至少一個(gè)校準(zhǔn)器械之間的所述幾何關(guān)系數(shù)據(jù)從所述至少一個(gè)校準(zhǔn)器械上的所述至少一個(gè)便攜式慣性傳感器單元的讀數(shù)獲得的；跟蹤模塊，其用于使用在所述慣性傳感器單元與所述至少一個(gè)手術(shù)器械之間的所述幾何關(guān)系數(shù)據(jù)，使用來自所述手術(shù)器械上的所述慣性傳感器單元的讀數(shù)，來跟蹤所述手術(shù)器械相對于所述坐標(biāo)系的移動(dòng)，并且計(jì)算針對所述移動(dòng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，所述導(dǎo)航數(shù)據(jù)使所述手術(shù)器械的所述取向與所述骨盆的所述取向相關(guān)；以及接口，其用于輸出所述導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，根據(jù)本公開的其他實(shí)施例，所述至少一個(gè)校準(zhǔn)器械是中側(cè)數(shù)字化器，其適于接觸所述骨盆的髂前上棘，并且進(jìn)一步地，其中，所述坐標(biāo)系模塊從所述中側(cè)數(shù)字化器獲得所述骨盆相對于所述坐標(biāo)系的顱尾軸的橫向傾斜并且將所述中側(cè)軸與所述橫向傾斜對齊。

更進(jìn)一步地，根據(jù)本公開的其他實(shí)施例，所述至少一個(gè)校準(zhǔn)器械適于接觸所述骨盆的髂前上棘和恥骨結(jié)節(jié)，并且進(jìn)一步地，其中，所述坐標(biāo)系模塊獲得所述骨盆相對于顱尾軸以及相對于所述坐標(biāo)系的所述中側(cè)軸的傾斜，并且將所述前后軸和所述中側(cè)軸與所述橫向傾斜對齊。

更進(jìn)一步地，根據(jù)本公開的其他實(shí)施例，所述手術(shù)器械是撞擊器和髖臼鉸孔器之一。

更進(jìn)一步地，根據(jù)本公開的其他實(shí)施例，所述幾何關(guān)系數(shù)據(jù)模塊、所述坐標(biāo)系模塊、以及所述跟蹤模塊被集成在所述至少一個(gè)便攜式慣性傳感器單元中。

更進(jìn)一步地，根據(jù)本公開的其他實(shí)施例，具有接口的獨(dú)立處理設(shè)備與所述至少一個(gè)便攜式慣性傳感器單元通信，所述獨(dú)立處理設(shè)備同時(shí)地操作所述手術(shù)輔助流程以向用戶提供引導(dǎo)。

更進(jìn)一步地，根據(jù)本公開的其他實(shí)施例，更新取向模塊具有所述慣性傳感器單元相對于所述骨盆的已知取向，并且其中，所述坐標(biāo)系模塊使用所述至少一個(gè)便攜式慣性傳感器單元在處于所述已知取向上時(shí)的讀數(shù)來更新所述坐標(biāo)系中的所述手術(shù)器械的取向。

更進(jìn)一步地，根據(jù)本公開的其他實(shí)施例，支撐結(jié)構(gòu)適于被固定到所述骨盆并且具有針對所述便攜式慣性傳感器單元的底座，所述已知取向包括所述支撐結(jié)構(gòu)中的所述便攜式慣性傳感器單元。

更進(jìn)一步地，根據(jù)本公開的其他實(shí)施例，所述至少一個(gè)手術(shù)器械在其上具有發(fā)射平面光束的光源，所述已知取向包括所述至少一個(gè)手術(shù)器械將所述平面光束投影在所述骨盆的預(yù)定界標(biāo)上。

附圖說明

圖1a是用于在計(jì)算機(jī)輔助的髖部手術(shù)中對器械進(jìn)行導(dǎo)航的系統(tǒng)的示意圖；

圖1b是圖1a的系統(tǒng)的慣性傳感器單元的示意圖；并且

圖2是根據(jù)本公開的用于在計(jì)算機(jī)輔助的髖部手術(shù)中對器械進(jìn)行導(dǎo)航的方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

參考附圖并且更具體參考圖2，在10處一般性地示出了用于在計(jì)算機(jī)輔助的髖部手術(shù)中對器械進(jìn)行導(dǎo)航的方法。方法10的目的是使用慣性傳感器對用在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)或類似流程中的手術(shù)器械，諸如髖臼鉸孔器、杯撞擊器、撞擊器導(dǎo)引銷，進(jìn)行準(zhǔn)確地導(dǎo)航。通過對器械進(jìn)行導(dǎo)航，本公開涉及提供使器械與骨骼相關(guān)的取向數(shù)據(jù)的過程，以引導(dǎo)操作者執(zhí)行器械相對于骨骼的手術(shù)操縱。

參考圖1a，在1處一般性地示出了用于在計(jì)算機(jī)輔助的髖部手術(shù)中對器械進(jìn)行導(dǎo)航的系統(tǒng)，并且具有被用于實(shí)施方法10的類型，如下文將詳述的。系統(tǒng)1包括計(jì)算機(jī)輔助的手術(shù)(cas)處理單元2，被示出為圖1中的獨(dú)立單元。然而，應(yīng)當(dāng)指出，cas處理單元2可以被集成到一個(gè)或多個(gè)慣性傳感器單元a中，還被稱為被安裝到系統(tǒng)10的各種設(shè)備和器械的桿或者被稱為計(jì)算機(jī)或便攜式設(shè)備的模塊等。

例如，在圖1b中示出了慣性傳感器單元a之一。系統(tǒng)1可以具有慣性傳感器單元a中的一個(gè)或多個(gè)，其中，為了清晰，在圖1b中示出了單獨(dú)的一個(gè)。慣性傳感器單元1包含處理單元2并且因此可以裝備有(一個(gè)或多個(gè))用戶接口3以提供導(dǎo)航數(shù)據(jù)，無論是led顯示器、屏幕、數(shù)字顯示器等的形式。備選地，慣性傳感器a可以被連接到獨(dú)立處理設(shè)備b，其將包括屏幕或類似監(jiān)視器以提供額外的顯示能力和表面。以范例的方式，處理設(shè)備b是無線便攜式設(shè)備，諸如與慣性傳感器單元a有線或無線通信的平板電腦。

慣性傳感器單元a可以被稱為微電子機(jī)械傳感器(mems)并且可以包括慣性傳感器4中的一個(gè)或多個(gè)，除了其他可能的慣性傳感器，諸如是加速度計(jì)、陀螺儀、磁傾儀、磁強(qiáng)計(jì)。慣性傳感器4是無源傳感器，其自動(dòng)地提供由諸如重力的自然現(xiàn)象影響的數(shù)據(jù)。慣性傳感器單元a還具有主體，其通常由外殼定義，為慣性傳感器單元a給出連接器5，通過連接器5，慣性傳感器單元a可以被固定到器械和工具，如在下文中所描述的。

處理單元2包括不同的模塊來執(zhí)行導(dǎo)航。手術(shù)流模塊2a可以與用戶接口3或處理設(shè)備b結(jié)合使用以通過導(dǎo)致導(dǎo)航的步驟(例如，方法10的各步驟)來引導(dǎo)操作者。這可能需要向操作者提供逐步引導(dǎo)，并且提示操作者執(zhí)行動(dòng)作，例如，按壓作為系統(tǒng)1的接口3的一部分的“記錄”接口來記錄即時(shí)取向。盡管這貫穿手術(shù)流程發(fā)生，但是將不在說明書的其余部分中描述系統(tǒng)1與用戶之間的提示和交互，如其將隱含地發(fā)生的。應(yīng)當(dāng)設(shè)想到，使手術(shù)流模塊2a存在于處理設(shè)備b中，利用慣性傳感器單元a與處理設(shè)備b之間的并發(fā)動(dòng)作來引導(dǎo)操作者進(jìn)行導(dǎo)航和手術(shù)，并且利用與操作者的通信來記錄流程的進(jìn)度。

跟蹤模塊2b還可以是處理單元2的一部分。跟蹤模塊2b從慣性傳感器4接收讀數(shù)，并且將這些讀數(shù)轉(zhuǎn)換為有用的信息，即，導(dǎo)航數(shù)據(jù)。如上文所描述的，所述導(dǎo)航數(shù)據(jù)可以是使器械與骨盆相關(guān)的取向數(shù)據(jù)。為了經(jīng)由用戶接口3或處理設(shè)備b輸出導(dǎo)航數(shù)據(jù)，處理單元2可以被預(yù)編程有幾何相關(guān)數(shù)據(jù)模塊2c。幾何關(guān)系數(shù)據(jù)模塊2c是慣性傳感器單元a經(jīng)由其連接器5與器械和工具之間的三維關(guān)系。對慣性傳感器單元a進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得其連接器5可以被連接在相對于器械和工具的單個(gè)可能取向上，使得慣性傳感器單元a的取向相對于在接通時(shí)其被連接到的器械和工具是已知的。通過連接器5和幾何關(guān)系數(shù)據(jù)模塊2c，慣性傳感器單元a可以是便攜式和可拆卸的單元，其與一個(gè)設(shè)備/器械一起使用，并且然后被傳遞到另一設(shè)備/器械，保存在全局坐標(biāo)系的過程取向數(shù)據(jù)中。

坐標(biāo)系模塊2d在導(dǎo)致導(dǎo)航的方法10的各步驟期間創(chuàng)建坐標(biāo)系，并且可以隨后被更新。坐標(biāo)系2d是器械和工具的取向通過其與骨骼的取向相關(guān)的虛擬幀。

已知取向模塊2e被用在對坐標(biāo)系的更新中，并且表示慣性傳感器單元a與骨盆之間的已知取向，通過其系統(tǒng)1可以更新坐標(biāo)系。

參考圖1a，可以與系統(tǒng)1一起使用的校準(zhǔn)器械或設(shè)備非窮盡地包括中側(cè)數(shù)字化器13、三分叉配準(zhǔn)設(shè)備14、髖臼邊緣數(shù)字化器15，其全部被用于定義針對髖骨的坐標(biāo)系，亦稱世界坐標(biāo)系、全局坐標(biāo)系、髖骨坐標(biāo)系等，以用于后續(xù)導(dǎo)航?？梢噪S后與系統(tǒng)1一起使用的手術(shù)器械非窮盡地包括杯撞擊器16、髖臼鉸孔器17、撞擊器導(dǎo)引銷、支撐結(jié)構(gòu)18等。幾何關(guān)系數(shù)據(jù)模塊2c被編程到慣性傳感器單元a中以用于與上文所描述的設(shè)備和器械一起的特定使用。因此，當(dāng)慣性傳感器單元a被安裝到設(shè)備和器械之一時(shí)，設(shè)備/器械與慣性傳感器單元a的坐標(biāo)系之間的關(guān)系是已知的(與全局坐標(biāo)系相比較)并且是幾何關(guān)系數(shù)據(jù)模塊2c的一部分。例如，所述關(guān)系可以在設(shè)備/器械的軸或3d坐標(biāo)系與慣性傳感器單元a的坐標(biāo)系之間。

器械的導(dǎo)航旨在意指實(shí)時(shí)地或準(zhǔn)實(shí)時(shí)地跟蹤取向的自由度中的至少一些，使得操作者被提供有由計(jì)算機(jī)輔助所計(jì)算的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，所述導(dǎo)航數(shù)據(jù)表示髖部手術(shù)參數(shù)，除了其他范例，諸如是前傾和傾斜。用在下文的方法中的慣性傳感器a在全局坐標(biāo)系(在下文中，坐標(biāo)系)中可以是相互聯(lián)系的，采取所提供的適當(dāng)?shù)牟襟E以記錄或校準(zhǔn)坐標(biāo)系中的慣性傳感器a的取向。坐標(biāo)系用作量化手術(shù)的不同項(xiàng)(即，器械和設(shè)備)相對于骨盆的相對取向的參考。

方法10通常包括不同的子流程。根據(jù)10，患者以仰臥位中(躺在他/她的背上)被放置在桌臺(tái)平面上，并且后續(xù)子流程將基于仰臥位中的患者的取向，因?yàn)檠雠P位將影響子流程。根據(jù)30，創(chuàng)建骨盆坐標(biāo)系。根據(jù)40，初始化被導(dǎo)航的器械。根據(jù)50，對器械進(jìn)行導(dǎo)航。根據(jù)60，更新骨盆坐標(biāo)系中的被導(dǎo)航的器械的取向?？梢砸匀魏芜m當(dāng)?shù)捻樞蛱砑臃椒?0的其他子流程。例如，盡管不是在本文中所描述的方法的各步驟的一部分，但是可以執(zhí)行對股骨的切除術(shù)以使髖臼暴露。

坐標(biāo)系30的創(chuàng)建和跟蹤

為了創(chuàng)建坐標(biāo)系30，即，為了配準(zhǔn)骨盆取向(也被稱為骨盆傾斜)，必須相對于所述坐標(biāo)系確定骨盆的取向。當(dāng)患者以仰臥位躺臥(即，躺在他/她的背上)時(shí)，坐標(biāo)系可以被定義如下：

-第一軸(被稱為z軸)通常與重力對齊(即，與水平面垂直)，并且表示前后方向。如在下文中可見的，可以如由骨盆傾斜所影響地來調(diào)節(jié)z軸的取向。

-第二軸(被稱為x軸)與被投影在桌臺(tái)平面上的患者的中側(cè)軸對齊，所述桌臺(tái)平面與地平面相匹配。中側(cè)軸在橫向方向上延伸，例如，從一個(gè)髂前上棘(asis)到另一個(gè)髂前上棘；以及

-第三軸(被稱為y軸)是z軸與x軸的叉積，并且表示顱骨-骶骨方向。

以上軸是許多可能性中的一個(gè)。例如，其可以是與重力對齊的x軸，x、y和z命名法被用作本情況的慣例。作為另一范例，x軸可以是患者的中側(cè)軸，即，不是其在桌臺(tái)平面上的投影等。換言之，坐標(biāo)系的定義可以是任意的，并且因此可以具有除上文所描述的那些外的任何適當(dāng)?shù)亩x。然而，上文所提到的定義是實(shí)際的，因?yàn)檩S與已知的界標(biāo)(諸如重力和桌臺(tái)平面)被對齊。

根據(jù)實(shí)施例，為了對骨盆取向30進(jìn)行配準(zhǔn)，患者射線攝影平面被定義為與桌臺(tái)平面對齊。因此，躺在仰臥位中的患者的骨盆被假定為沒有橫向傾斜(即，關(guān)于y軸)或前后傾斜(即，關(guān)于x軸)。在這樣的實(shí)施例中，將參考在導(dǎo)航50期間被投影在桌臺(tái)平面上的中側(cè)軸來測量導(dǎo)航角(例如，傾斜)，因?yàn)樽琅_(tái)平面被認(rèn)為平行于患者的額面平面。

備選地，根據(jù)其他實(shí)施例，不做關(guān)于盆骨傾斜的假設(shè)，由此必須做出操縱以繼續(xù)對盆骨取向30的配準(zhǔn)。例如，根據(jù)一實(shí)施例，使用裝備有被定位在相對于由三分叉所形成的平面的固定取向處的磁傾儀的三分叉配準(zhǔn)設(shè)備14(圖1a)來執(zhí)行配準(zhǔn)。分叉可以被定位在定義患者額面平面的三個(gè)界標(biāo)(即，對側(cè)asis、橫向asis和恥骨結(jié)節(jié))上。三分叉配準(zhǔn)設(shè)備14將被用于測量骨盆的橫向傾斜和骨盆的前/后傾斜兩者。由磁傾儀所測量的盆骨傾斜數(shù)據(jù)將由使用知道慣性傳感器單元a與三分叉配準(zhǔn)設(shè)備14之間的關(guān)系的幾何關(guān)系數(shù)據(jù)模塊2c的慣性傳感器單元a來記錄，并且被記錄為坐標(biāo)系模塊2d中的坐標(biāo)系的一部分。在記錄骨盆傾斜時(shí)，系統(tǒng)1可以對中側(cè)軸和/或顱尾軸進(jìn)行取向以匹配所測量的骨盆傾斜。

在另一實(shí)施例中，諸如髖臼邊緣數(shù)字化器15(圖1a)的設(shè)備可以被用于確定骨盆的當(dāng)前傾斜。髖臼邊緣數(shù)字化器15可以與術(shù)前圖像一起被用于評價(jià)相對于骨盆取向的邊緣取向。髖臼邊緣數(shù)字化器15可以包括患者特異性表面，其被機(jī)器加工為針對高準(zhǔn)確度補(bǔ)充接合的骨骼表面的反面。示范性邊緣數(shù)字化器15如被示出在美國專利申請公布no.2014/0031722中，其通過引用被并入本文。

在又一實(shí)施例中，基于仰臥位中的患者的顱尾軸(即，縱軸)平行于地平面(即，沒有患者額面平面關(guān)于射線攝影平面或桌臺(tái)平面的前后傾斜)的假定，中側(cè)數(shù)字化器13可以與被固定在其上的慣性傳感器單元a一起使用。中側(cè)數(shù)字化器13可以是如在美國專利申請公布no.2014/0031829中所描述的，其通過引用被并入本文，并且因此被用于測量骨盆的橫向傾斜。中側(cè)數(shù)字化器13可以在大小方面是可調(diào)節(jié)的以使其端部接觸骨盆的兩個(gè)界標(biāo)。例如，中側(cè)數(shù)字化器13可以接觸兩個(gè)asis以確定中側(cè)軸相對于桌臺(tái)平面的取向，并且因此為全局坐標(biāo)系提供足夠的數(shù)據(jù)以完成。由中側(cè)數(shù)字化器13上的慣性傳感器單元a所測量的骨盆傾斜數(shù)據(jù)將使用知道慣性傳感器單元a與中側(cè)數(shù)字化器13之間的關(guān)系的幾何關(guān)系數(shù)據(jù)模塊2c來記錄，并且被記錄為坐標(biāo)系模塊2d的坐標(biāo)系的一部分。在記錄骨盆傾斜時(shí)，系統(tǒng)1可以對中側(cè)軸進(jìn)行取向以匹配所測量的骨盆傾斜，即，將中側(cè)軸與骨盆傾斜對齊。應(yīng)當(dāng)觀察到，前后軸的取向也可以由中側(cè)軸的重新對齊來調(diào)節(jié)或校正，由此雖然彼此不平行，但是前后軸通常與通常指向相同方向上的重力對齊。

由中側(cè)數(shù)字化器3的慣性傳感器單元a所測量的骨盆傾斜數(shù)據(jù)然后將是如由坐標(biāo)系模塊2d所設(shè)定的坐標(biāo)系的一部分，并且在40中初始化器械以用于在50中的后續(xù)導(dǎo)航時(shí)被考慮。

作為利用坐標(biāo)系模塊2d創(chuàng)建坐標(biāo)系的結(jié)果，骨盆的取向被用作由慣性傳感器單元a的跟蹤模塊2b的參考。根據(jù)一實(shí)施例，所述跟蹤模塊使用來自慣性傳感器4的陀螺儀讀數(shù)來執(zhí)行航位推測法以維持其對骨盆的坐標(biāo)系的參考。航位推測法通過時(shí)間隱含所有角速度數(shù)據(jù)的積分以評價(jià)慣性傳感器單元a的旋轉(zhuǎn)，因此允許在空間中對其取向的跟蹤。

在骨盆移動(dòng)的情況下重復(fù)步驟30可能是必要的。例如，在下文中所描述的步驟中的一些步驟以及諸如撞擊杯c的其他步驟可能導(dǎo)致桌臺(tái)上的骨盆的移動(dòng)。因此，所述系統(tǒng)可以提示用戶重復(fù)步驟30。

設(shè)置器械取向40

根據(jù)對被導(dǎo)航的器械的取向的設(shè)置40，器械16、17等中的任一個(gè)的取向被設(shè)定(即，被記錄)在全局坐標(biāo)系中，以便隨后相對于骨盆來跟蹤器械。換言之，所述器械必須針對其在全局坐標(biāo)系中的取向被初始化(即，被校準(zhǔn))為已知的。所述器械可以是在手術(shù)中使用的如下中的一項(xiàng)或多項(xiàng)：髖臼鉸孔器16、杯撞擊器17、撞擊器導(dǎo)引銷、杯驗(yàn)證設(shè)備等。

在一實(shí)施例中，被用于坐標(biāo)系30(例如，在圖1a中所示的中側(cè)數(shù)字化器13或三分叉配準(zhǔn)設(shè)備14上的)的創(chuàng)建的慣性傳感器單元a在由跟蹤模塊2b跟蹤時(shí)在配準(zhǔn)30被完成之后能夠從其脫離，并且然后被固定到被導(dǎo)航的器械(例如，器械16或17)，以使用連接器5與器械軸之間的如被編程在慣性傳感器單元a中的幾何關(guān)系數(shù)據(jù)模塊2c來保留全局坐標(biāo)系。如上文所提到的，在被固定在被導(dǎo)航的器械上時(shí)，慣性傳感器單元a的慣性傳感器4連續(xù)地跟蹤慣性傳感器單元a的取向。因此，所述坐標(biāo)系現(xiàn)在包括器械相對于骨盆的取向。

應(yīng)當(dāng)設(shè)想到，使用超過一個(gè)慣性傳感器單元a，例如，使用用于設(shè)置坐標(biāo)系中的取向的已知幾何數(shù)據(jù)的相同原則來執(zhí)行慣性傳感器單元a之間的數(shù)據(jù)的傳送。超過一個(gè)慣性傳感器單元a的使用可以允許對骨骼和器械的同時(shí)跟蹤。

器械50的導(dǎo)航

設(shè)置40使能由全局坐標(biāo)系中的cas處理單元2對器械6、7的三軸取向的確定。設(shè)置40需要使用幾何關(guān)系數(shù)據(jù)模塊2c記錄器械的取向以提供器械與慣性傳感器單元a之間的幾何關(guān)系數(shù)據(jù)。因此，跟蹤模塊2a可以跟蹤由坐標(biāo)系模塊2d所提供的坐標(biāo)系中的器械的取向。cas處理單元2可以使用慣性傳感器單元a的讀數(shù)來跟蹤器械16、17全局坐標(biāo)系中、即相對于骨盆的取向改變。cas處理單元2例如可以實(shí)時(shí)地或準(zhǔn)實(shí)時(shí)地提供傾斜或前傾數(shù)據(jù)?；旧?，如果在鉸孔器17的情況下或者基于撞擊器16相對于骨盆的當(dāng)前取向，工具以給定的方式變更髖臼，則數(shù)據(jù)可以被認(rèn)為是髖臼杯c的預(yù)期的傾斜和/或前傾。所述導(dǎo)航數(shù)據(jù)可以具有適當(dāng)?shù)母袷?，諸如數(shù)值、骨骼和器械的模型、或者器械與骨骼之間的期望或計(jì)劃的相對取向被實(shí)現(xiàn)的視覺指示。

如先前所提到的，導(dǎo)航的器械可以是撞擊器16，通過撞擊器16，髖臼杯6可以在撞擊之前被適當(dāng)?shù)厝∠颉Ｔ诹硪粚?shí)施例中，被導(dǎo)航的器械是將撞擊器導(dǎo)引銷以期望的取向被固定到骨盆所使用的器械，該銷能夠被用于引導(dǎo)撞擊器甚至超過撞擊。在又一實(shí)施例中，被導(dǎo)航的器械可以是驗(yàn)證表面，其能夠在被撞擊時(shí)被平坦地定位到髖臼杯c上以便驗(yàn)證髖臼杯c的取向。

更新坐標(biāo)系60中的器械的取向

隨著時(shí)間的過去，由慣性傳感器單元a的跟蹤模塊2b所執(zhí)行的跟蹤可能失去精度。例如，考慮到航位推測法包含角速度數(shù)據(jù)隨時(shí)間的積分，航位推測法操作在流程期間可能變得較不準(zhǔn)確。因此，在坐標(biāo)系的創(chuàng)建30之后的任何時(shí)候，cas處理單元2可以提示操作者更新(亦稱，重置、重新初始化)坐標(biāo)系中的被導(dǎo)航的器械的取向。不同的子流程或步驟可以被用于更新所述坐標(biāo)系。

在一實(shí)施例中，慣性傳感器單元a具有陀螺儀和磁傾儀兩者作為慣性傳感器4。磁傾儀提供與關(guān)于全局坐標(biāo)系中的被導(dǎo)航的器械的取向的兩個(gè)自由度(dof)相關(guān)的數(shù)據(jù)。操縱方法然后被要求更新取向的缺失軸(被稱為偏航)中的坐標(biāo)系中的器械的取向(即，更新跟蹤)，使得通過該操縱方法，在器械在已知取向模塊2e中相對于骨盆的已知取向上被取向的情況下，讀數(shù)可以從所述器械上的慣性傳感器單元a獲得。

被認(rèn)為是固定偏航(即，到達(dá)已知取向)的一種方法是使用如在圖1a中被安裝到在被編程在已知取向模塊2e中的已知取向上的導(dǎo)航的器械16的平面光桿b(即，將光投影到表面上的激光器或光源)，器械16使杯形端部或杯植入物c被接收在髖臼中。通過將器械16取向?yàn)槭沟闷矫婀鈼Ub將激光線指到asis兩者上，激光平面的法線能夠被定義為與坐標(biāo)系的y軸對齊。使用該信息，并且獲知激光桿b關(guān)于慣性傳感器單元a的取向和與cas處理單元2(圖1)中的幾何關(guān)系數(shù)據(jù)模塊2c一樣編程的導(dǎo)航的器械軸，第三旋轉(zhuǎn)dof能由已知取向模塊2e來計(jì)算，并且全局坐標(biāo)系中的器械的取向可以在坐標(biāo)系模塊2d中被更新或重置。

在又一實(shí)施例中，被導(dǎo)航的器械是髖臼鉸孔器17，這允許操作者對鉸孔設(shè)備進(jìn)行取向以根據(jù)計(jì)劃進(jìn)行鉸孔。

根據(jù)備選方法，支撐結(jié)構(gòu)18(圖1a)被用于通過被固定到骨盆對坐標(biāo)系進(jìn)行更新。工作流將如下：

1在脫位之前，支撐結(jié)構(gòu)18被釘或固定到骨盆(例如，髂嵴)，支撐結(jié)構(gòu)18具有被配置為將慣性傳感器單元a接收在其上的類型。

2骨盆橫向傾斜以上文所描述的方式使用在其上具有慣性傳感器單元a的中側(cè)數(shù)字化器13(圖1a)或任何其他校準(zhǔn)工具進(jìn)行配準(zhǔn)。

3慣性傳感器單元a然后與中側(cè)數(shù)字化器13脫離并且然后被附接到支撐結(jié)構(gòu)18。在傳送期間執(zhí)行跟蹤以保留全局坐標(biāo)系中的慣性傳感器單元a的取向，并且支撐結(jié)構(gòu)18中的慣性傳感器單元a的取向被記錄為由已知取向模塊2e造成的已知取向；

4股骨頭然后被切除以允許進(jìn)入髖臼，執(zhí)行其他操作等；

5當(dāng)更新60是必要的時(shí)，慣性傳感器單元a被附接到支撐結(jié)構(gòu)18，并且慣性傳感器單元a檢索骨盆與支撐結(jié)構(gòu)18中的慣性傳感器單元a之間的已知取向，以利用坐標(biāo)系模塊2e重置坐標(biāo)系；

6慣性傳感器單元a然后可以被連接到任何手術(shù)器械以用于后續(xù)的導(dǎo)航。

盡管已經(jīng)參考以特定順序執(zhí)行的特定步驟描述并且示出了在本文中所描述的方法和系統(tǒng)，但是應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的教導(dǎo)的情況下，這些步驟可以組合、再分或重新排序以形成等效方法。因此，步驟的順序和分組不是對本發(fā)明的限制。也可以對骨骼模型或尸體執(zhí)行方法10。