用于手術(shù)中腿部位置測量的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開總體涉及確定、監(jiān)視以及呈現(xiàn)在外科手術(shù)期間的諸如股骨和骨盆的兩個主體的相對位置。特別地，本公開涉及諸如在定位骨盆和股骨之間的假體時用于確定、監(jiān)視以及呈現(xiàn)腿部長度和偏移的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在包括諸如全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(THA)的關(guān)節(jié)置換的許多外科手術(shù)過程中，實現(xiàn)工具和植入物相對于患者解剖結(jié)構(gòu)的精確定位對于成功的結(jié)果是至關(guān)重要的。圖1示出手術(shù)前100和手術(shù)后102的髖關(guān)節(jié)，以及限定多個方向的坐標系104。手術(shù)后的髖關(guān)節(jié)由股骨組件106和髖白組件108組成。在一種THA技術(shù)中，髖關(guān)節(jié)被暴露并且脫位。髖白和股骨都準備接受植入物。通常，杯體假體被植入髖白中，要求杯體相對于患者解剖結(jié)構(gòu)對準?？蛇x各種尺寸以促進手術(shù)中調(diào)節(jié)的試驗股骨假體可被植入以評估正確的最終股骨植入物的尺寸。關(guān)節(jié)的嵌合和尺寸設(shè)定可以被迭代評估，并且最終的假體髖關(guān)節(jié)(106和108)被植入。
[0003]相對于患者解剖結(jié)構(gòu)來定位假體植入物涉及諸多挑戰(zhàn)，例如選擇正確的植入物幾何形狀，以及改變患者的骨骼解剖結(jié)構(gòu)(例如鉆孔、截骨術(shù)等)，等等。針對成功的THA的一些重要目標包括:髖白杯體的正確對準；腿部長度和偏移的恢復或修正；髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心的(C0R)恢復；以及新的髖關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。腿部長度和偏移變化的概念最初看起來是簡單的；然而，這是復雜的臨床和幾何問題。外科醫(yī)生常常需要進行手術(shù)中腿部長度和偏移的各種精確評估。
【附圖說明】
[0004]為了更好地理解本文描述的系統(tǒng)、方法和裝置的實施例，并更清楚地顯示它們?nèi)绾慰梢愿吨T實施，將通過示例并參考附圖，在附圖中:
[0005]圖1是包括根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的解剖學參考系的THA之前和之后的髖關(guān)節(jié)的圖示；
[0006]圖2是用于確定并且呈現(xiàn)手術(shù)中腿部長度和偏移測量的系統(tǒng)的示例；
[0007]圖3是示出針對根據(jù)示例的腿部長度和偏移測量的使用的操作的流程圖；
[0008]圖4和圖5是示出根據(jù)示例的腿部長度和偏移的配準和測量的代表性圖形用戶界面的屏幕截圖；
[0009]圖6是提供根據(jù)示例的腿部長度和偏移測量的工作站或其它處理單元的操作的流程圖；
[0010]圖7是示出根據(jù)示例的傳感器和靶標對準的代表性圖形用戶界面的屏幕截圖；
[0011]圖8A是根據(jù)具有采用集成光學窗口的無菌布單的示例的骨盆夾鉗組件的分解視圖；
[0012]圖8B是被示出組裝有無菌布單和傳感器的圖8A的骨盆夾鉗的端部視圖；
[0013]圖9示出根據(jù)示例的骨盆平臺的組件；
[0014]圖10示出根據(jù)示例的具有股骨螺釘?shù)墓晒瞧脚_；
[0015]圖11A和圖11B示出示例性的快速連接機構(gòu)；
[0016]圖12示出根據(jù)示例的信標組件；
[0017]圖13A和圖13B示出根據(jù)示例的、諸如用于安裝在圖12的信標組件上的平面靶標的相應(yīng)正面和背面；以及
[0018]圖14示出根據(jù)示例的傳感器。
[0019]應(yīng)該理解的是，為了說明的簡單和清晰，在圖中所示的元件不必按比例繪制。例如，為了清晰，一些元件的尺寸可能相對于其它元件被放大。
【具體實施方式】
[0020]參考圖1，關(guān)于腿部長度和偏移，腿部長度變化被定義為在向上-向下方向上股骨位置的變化(即作為外科手術(shù)的結(jié)果，如果股骨在向下方向上平移，則發(fā)生正的腿部長度變化)。腿部長度變化可能由于髖白組件的布置、股骨組件布置或尺寸設(shè)定，或兩者的組合而發(fā)生。注意，在該圖中，股骨和骨盆被對準以使得它們的相對屈曲、旋轉(zhuǎn)和外展為零。這種關(guān)系被認為是“中性”的。如果股骨相對于骨盆不是中性的，則股骨的坐標系將不與骨盆對準，而是與股骨旋轉(zhuǎn)相同的量；例如，如果股骨外展90度，則股骨的向下方向?qū)⑹枪桥璧南蛲夥较?。在這種情況下，很顯然，總的腿部長度變化是由于源于髖白組件位置(在骨盆坐標系中)的腿部長度變化加上源于股骨組件位置(在股骨坐標系中)的腿部長度變化。同樣顯然的是，當是中性的時候，兩種坐標系對準將問題簡化。
[0021]偏移變化類似于腿部長度變化；然而，它處于向外-向內(nèi)方向上(即，作為手術(shù)的結(jié)果，如果股骨向外平移，則發(fā)生正的偏移變化)。間或地在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的技術(shù)中，偏移不純粹地被限定在向內(nèi)-向外方向中(在患者的冠狀面中)，而是在圍繞患者的中線旋轉(zhuǎn)一股骨倒轉(zhuǎn)的量(通常為10-15度)的平面中。股骨假體不純粹地位于向內(nèi)-向外平面上；它被稍微地向前旋轉(zhuǎn)(參考圖1)，以使得球體比主干更加居前。偏移的這種替代定義如同股骨內(nèi)部旋轉(zhuǎn)(大約10-15度)，以使得股骨假體純粹位于冠狀面中。
[0022]一些技術(shù)術(shù)語和定義可以用于整個該文件中。跟蹤技術(shù)主要涉及位置和取向。術(shù)語“坐標系統(tǒng)”、“坐標系”、“參考系”等是指可以在其中描述位置和取向的標準基礎(chǔ)。術(shù)語“姿勢”(位置和取向狀態(tài)評價)、位置、相對位置、空間定位等都是指描述剛性體相對于一些坐標系的位置和/或取向。
[0023]本發(fā)明提供了用于導航引導系統(tǒng)的系統(tǒng)、方法和計算機程序產(chǎn)品。在一個示例中，在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)期間提供了手術(shù)中腿部位置測量。提供了用于耦接到骨盆的光學傳感器和用于耦接到股骨以與傳感器對準的靶標。傳感器向處理單元提供位置信號以確定傳感器和靶標的相對位置。處理單元被配置成使用腿部位置的基準線測量和標測圖來計算并且實時顯示位置測量。標測圖通過配準運動范圍(PR0M)過程來限定，其中指令被呈現(xiàn)以在至少兩個平面中移動股骨來生成信號以計算標測圖。腿部位置可以是腿部長度和/或偏移和/或腿的前-后位置。標測圖用于呈現(xiàn)在解剖學結(jié)構(gòu)而不是在傳感器的坐標系中的腿部位置測量。
[0024]本發(fā)明公開了一種用于提供在外科手術(shù)部位處在骨盆和股骨的髖關(guān)節(jié)置換術(shù)期間的手術(shù)中腿部位置測量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括:光學傳感器，用于耦接到骨盆并且用于與外科手術(shù)部位的對準；靶標，用于耦接到股骨以與傳感器對準，傳感器響應(yīng)于用于確定傳感器和靶標的相對位置的靶標來提供信號；以及處理單元，用于與傳感器通信，該處理單元被配置成使用腿部位置的基準線測量和標測圖來計算并且實時顯示腿部位置測量，其中標測圖通過配準運動范圍(PROM)過程來限定。處理單元可從傳感器接收第一信號，并且確定傳感器和靶標的相對位置以確定基準線測量，確定通過PROM生成的多個第二信號以限定標測圖，以及確定多個第三信號以使用基準線測量和標測圖來實時顯示腿部位置測量。處理單元可經(jīng)由圖形用戶界面來呈現(xiàn)指令，用于在至少兩個平面中移動股骨以在PROM過程期間生成多個第二信號。在一個示例中，腿部位置是腿部長度和偏移。處理單元可使用標測圖以呈現(xiàn)在解剖學坐標系中的腿部位置測量。腿部位置測量可獨立于股骨的取向來顯示。在一個示例中，處理單元進一步被配置成實時檢測髖關(guān)節(jié)脫位，并且根據(jù)檢測來提醒。
[0025]本發(fā)明公開了用于采用手術(shù)中數(shù)字腿部位置引導來執(zhí)行髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的方法，包括:使用提供用于確定相對位置的信號的傳感器和靶標，由處理單元確定并且存儲預先脫位基準線股骨位置；在假體關(guān)節(jié)復位之后，由處理單元執(zhí)行配準運動范圍(RR0M)過程，以將RR0M標測圖限定到解剖學坐標系中，從而用于使用信號生成的腿部位置測量結(jié)果；以及使用基準線股骨位置和RR0M標測圖在顯示器上實時顯示腿部位置測量。該方法可以包括響應(yīng)于股骨的手術(shù)中運動由處理單元接收信號，并且計算用于手術(shù)中顯示的腿部位置測量。在一個示例中，該方法可以包括響應(yīng)于腿部位置測量、通過處理單元的髖關(guān)節(jié)半脫位的檢測和提醒。計算機程序產(chǎn)品方面被公開了其中存在用于執(zhí)行具有手術(shù)中數(shù)字腿部位置引導的髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的計算機程序產(chǎn)品，包括存儲指令和數(shù)據(jù)的非瞬時介質(zhì)，所述指令和數(shù)據(jù)用于配置處理單元的執(zhí)行以諸如根據(jù)本方法完成。
[0026]本發(fā)明公開了一個系統(tǒng)，以提供在醫(yī)療程序期間的手術(shù)中引導，包括:單個傳感器，用于耦接到骨骼并且朝向用于醫(yī)療程序的部位來取向；單個靶標，其耦接到目標物，用于通過傳感器來跟蹤；以及處理單元，其與傳感器通信，該處理單元根據(jù)使用來自傳感器的位置信號計算的靶標和傳感器的相對位置，顯示目標物和骨骼的相對位置。骨骼可以是骨盆。該目標物可以是股骨。處理單元可以通過引起目標物的運動同時收集姿勢數(shù)據(jù)來計算配準。醫(yī)療程序可以是例如髖關(guān)節(jié)置換術(shù)程序的外科手術(shù)程序。在一個示例中，骨骼是骨盆并且目標物是股骨，并且處理單元計算手術(shù)中腿部長度和偏移變化的測量。
[0027]本發(fā)明公開了一種提供在醫(yī)療程序期間的手術(shù)中引導的方法，包括:在處理單元處從耦接到骨骼并且朝向用于醫(yī)療程序的部位取向的單個傳感器接收多個位置信號，所生成的位置信號用于耦接到目標物的、通過傳感器跟蹤的單個靶標；根據(jù)位置信號由處理單元計算目標物和骨骼的相對位置；以及手術(shù)中在顯示器上顯示相對位置。骨骼可以是骨盆。該目標物可以是股骨。該方法可包括由處理單元計算通過引起目標物的運動同時收集姿勢數(shù)據(jù)的配準。醫(yī)療程序可以是例如髖關(guān)節(jié)置換術(shù)程序的外科手術(shù)程序。在一個示例中，骨骼是骨盆并且目標物是股骨，并且該方法進一步包括由處理單元計算手術(shù)中的腿部長度和偏移變化測量。
[0028]本發(fā)明公開了一種計算機程序產(chǎn)品，包括存儲指令和數(shù)據(jù)的非瞬時介質(zhì)，所述指令和數(shù)據(jù)用于配置處理單元的執(zhí)行以從耦接到骨骼并且朝向用于醫(yī)療程序的部位取向的單個傳感器接收多個位置信號，所生成的位置信號用于耦接到目標物的、通過傳感器跟蹤的單個靶標；根據(jù)該位置信號計算目標物和骨骼的相對位置；以及手術(shù)中在顯示器上顯示相對位置。
[0029]本發(fā)明公開了一種醫(yī)療導航引導系統(tǒng)，包括:用于耦接到骨骼并且朝向用于醫(yī)療程序的部位取向的傳感器；靶標，其耦接到目標物，用于通過傳感器跟蹤；以及與傳感器通信的處理單元，該處理單元被配置成引導傳感器與靶標的對準，該處理單元使用來自傳感器的位置信號來計算，并且使用用戶界面顯示方向指令以將傳感器和靶標移動成對準。系統(tǒng)可以包括促進傳感器相對于骨骼的兩個自由度取向