用于识别标记的系统和方法

专利名称：用于识别标记的系统和方法
技术领域：
本发明的实施例主要涉及矫形外科植入物，且更特别地，本发明 的实施例涉及识别矫形外科植入物上的盲标记(blind landmark)。
背景技术：
互锁股骨钉的使用大大拓宽了长骨骨折的髓内(IM)固定范围。 IM钉的锁定使得上述构造沿纵向更为稳定且停止了钉在骨内的旋转。 典型的IM钉固定外科手术涉及将夹具、X射线成像装置和人工目测装 置组合起来以便定位并钻出远端螺钉孔。
在该外科手术过程中，IM钉被锤入骨折长骨的导管内以便将骨折 的端部固定在一起。通常情况下，首先实施的是近端锁定且通常使用 夹具实施所述近端锁定。然而，钉在插入髓内的过程中产生的变形可 导致对于远端螺钉而言出现夹具不准确的情况。主要的困难在于对远 端锁定螺钉进行的定位以及使钻具对齐以便钻出远端螺钉孔的步骤， 这是因为这是整个植入过程中最耗时也最具挑战性的步骤。因此，无 法实施远端锁定的两个主要原因是骨上的进入点不准确以及钻具的取向错误。如果这两个因素中的任一因素出现错误，则钻具将不会穿过 钉孔。
进入点的不准确还使钻头的圆形端部通常出现打滑的问题更加复 杂，且因而使得难以设置与较早形成的一个钻孔相邻的另一钻孔。不 准确的远端锁定会导致过早地出现毁损，且使穿过钉孔的钉出现断裂、 使螺钉出现断裂、或者使骨内的钻头出现断裂。
手动技术是最普遍也最被接受的用于观察远端螺钉孔的技术并且 在矫形外科产业中占据优势地位。大多数的远端目标定位技术都会使 用衬套(圆柱形套筒)来引导钻具。使该引导衬套对齐并将其保持在 适当位置处的机理有所不同。在一些情况下，外科医生使用半套筒(沿 纵向切成两半的衬套)来帮助在钻削过程中稳定钻头。在任何情况下， 外科医生都将对病人实施切入并将钻具插置通过该切口 。手动技术主
要基于外科医生的手动技术且使用了射线照相术的x射线成像装置和
机械夹具。
在长钉上实现该目的的另一种方法是在c形臂部的帮助下使用所
谓"标准圆(perfect circle)"技术。在这种情况下，技术人员对 病人和C形臂部进行定向，从而使得当采用荧光检查法观察该植入物 时，螺钉所将要穿过的孔呈现出圆的形状。如果C形臂部并不垂直于 该孔，则其将呈现椭圆形或甚至不存在。
在所属领域中，仍需要提供一种用于对医用植入物的标记进行目 标定位的系统和方法。进一步地，在所属领域中，仍需要对远端锁定 螺钉进行准确定位且需要使钻具对齐以便钻出远端螺钉孔。

发明内容
本发明提供了一种用于识别标记的系统，所述系统包括用于产 生磁场的场发生器；位于所述磁场内的矫形外科植入物，所述矫形外 科植入物具有至少一个标记和纵向沟槽，所述纵向沟槽具有近端部分 和远端部分；第一磁性传感器，所述第一磁性传感器在所述纵向沟槽 的所述远端部分处被安装到所述矫形外科植入物上且与所述至少一个 标记隔开设定距离；具有第二磁性传感器的标记识别器；和处理器， 所述处理器用于对比来自所述第一传感器和所述第二传感器的传感器 数据并且使用所述设定距离来计算所述标记识别器相对于所述至少一个标记的位置。
根据一些实施例，所述标记选自包括结构、空隙、凸起、通道、 制动器、凸缘、沟槽、构件、分隔件、梯级、孔洞、孔穴、腔体、凹 部、导管、间隙、凹口、孔口、通路、切口、孔眼或狭槽的组群。
根据一些实施例，所述矫形外科植入物是髓内钉。
根据一些实施例，所述矫形外科植入物具有外表面、形成插管的 内表面和位于其间的壁部，且所述第一磁性传感器被安装在所述壁部 内。
根据一些实施例，所述矫形外科植入物进一步包括凹窝且所述第
一传感器被设置在所述凹窝内。
根据一些实施例，所述矫形外科植入物进一步包括盖。 根据一些实施例，所述矫形外科植入物进一步包括适于接收盖的
第二开口。
根据一些实施例，所述矫形外科植入物进一步包括周向的凹窝。 根据一些实施例，所述系统包括被连接至第一磁性传感器的引线。 根据一些实施例，所述系统包括被可拆卸地附接到所述矫形外科
植入物上的插入柄。
根据一些实施例，所述系统包括被电连接至所述处理器的监控器。 根据一些实施例，所述系统包括被连接至所述第一传感器的可拆
卸的引线。
根据一些实施例，所述纵向沟槽是沿所述植入物的外表面设置的。 根据一些实施例，所述矫形外科植入物进一步包括插管，且所述 纵向沟槽通常与所述插管相邻。
根据一些实施例，所述标记识别器包括钻具套筒。 根据一些实施例，所述标记识别器进一步包括锯齿尖端。 根据一些实施例，所述标记识别器进一步包括管道。 根据一些实施例，所述标记识别器进一步包括标识传感器
(marking sensor )。
根据一些实施例，所述标记识别器进一步包括柄。 根据一些实施例，所述处理器为使用者提供了反馈信息。 本发明提供了一种用于识别标记的系统，所述系统包括用于产 生磁场的场发生器；位于所述磁场内的矫形外科植入物，所述矫形外科植入物具有至少一个标记；磁体，所述磁体被安装到所述矫形外科 植入物上且与所述至少一个标记隔开设定距离；具有磁性传感器的标 记识别器；和处理器，所述处理器用于对比来自所述磁性传感器的传 感器数据并且使用所述设定距离来计算所述标记识别器相对于所述至 少一个标记的位置。
本发明提供了一种用于识别标记的方法，所述方法包括提供矫 形外科植入物组件，所述矩形植入物组件具有矫形外科植入物和可拆 卸的引线，所述矩形植入物具有纵向沟槽，所述可拆卸的引线上附接 有磁性传感且位于所述纵向沟槽内，所述矫形外科植入物具有近端部 分、远端部分和位于所述远端部分上的至少一个标记；将所述矫形外 科植入物组件植入病人体内；首先将刺穿元件安装在所述近端部分中； 使用标记识别器对所述至少一个标记进行识别；在首先将刺穿元件安 装在所述近端部分中之后，将刺穿元件安装在位于所述远端部分中的 所述至少一个标记中；并且去除所述可拆卸的引线。
本发明提供了一种图形化的用户界面，所述图形化的用户界面包 括表示相对于植入物的钻削深度的第一部分；和第二部分，所述第 二部分表示相对于标记的标记识别器位置，所述标记位于所述植入物 上。
本发明具有优于现有装置和技术的多个优点。首先，本发明可独 立于荧光检查法而运行且使得无需设置X射线装置对刺穿元件进行目 标定位，由此减轻了用户和病人暴露于辐射的程度。其次，本发明使 得使用者可在锁定非驱动端之前锁定驱动端。换句话说，在一些实施 例中，本发明不需要使用植入物插管且使得可在进行远端锁定之前进 行近端锁定。
下面将结合附图对本发明进一步的特征、方面和优点以及本发明 的多个实施例的结构和运行进行详细描述。


附图被包括在本说明书中且构成了本说明书的一部分。图中示出 了本发明的实施例，且附图与下面的说明书一起用于解释本发明的原 理。在附图中
图1示出了用于识别标记的系统的第一实施例；图2是矫形外科植入物组件的第一实施例的剖视图3示出了传感器的第一实施例；
图4示出了传感器的第二实施例；
图5示出了图4所示的传感器；
图6示出了矫形外科植入物组件的第二实施例；
图7是可拆除的引线的前视图8是图6所示矫形外科植入物组件的顶视图9示出了标记识别器；
图IO是示出了第一实施例中的点式接触的剖视图； 图11是示出了第二实施例中的点式接触的剖视图； 图12是示出了弯皱的电连接装置的剖视图13是示出了用于使矫形外科植入物与插入柄对齐的另 一种可选 机构的部分透视图14示出了插入柄与矫形外科植入物的连接； 图15示出了用于识别标记的系统的第二实施例； 图16是示出了视野选择标准的示意图； 图17是示出了视野选择步骤的流程图18是示出了使标记识别器对齐的第 一种可选方法的示意图19是示出了使标记识别器对齐的第二种可选方法的示意图20示出了监控器的典型视图21示出了标记识别器的另一种可选实施例；
图22示出了插入柄的第一可选实施例；
图23示出了用于识别标记的系统的第三实施例；和
图24示出了插入柄的第二可选实施例。
具体实施例方式
参见附图，图中相似的附图标记表示相似的元件，图l示出了用 于识别标记的系统10的第一实施例。系统10包括处理器12、磁场发 生器16、标记识别器18和矫形外科植入物组件28。在一些实施例中， 系统10进一步包括被电连接至处理器12的监控器14和被可拆卸地附 接到矫形外科植入物组件28上的插入柄40。处理器12在图1中被示 作桌上型电脑，但同样也可使用其它类型的计算装置。作为实例，处理器12可以是桌上型计算机、膝上型计算机、个人数字助理(PDA)、
移动手持装置或专用装置。在如图所示的实施例中，磁场发生器是可 由以下供应商提供的装置107 Catamount Drive, Milton Vermont, U.S.A. 的Ascens ion Technology Corporat ion; 103 Randal 1 Drive, Waterloo, Ontario, Canada的Northern Digi tal Inc. j或40 Hercules Drive, Colchester Vermont, U. S. A.的Polhemus。 当然，也可使用 其它发生器。作为实例，场发生器16可提供脉冲直流电磁场或交流电 磁场。在一些实施例中，系统10进一步包括被连接至磁场发生器16 的控制单元(未示出)。控制单元控制场发生器、接收来自小型移动 电感传感器的信号、并且与处理器12进行通信，这是通过有线或无线 方式实现的。在一些实施例中，控制单元可通过硬件或软件被纳入处 理器12内。
系统10是磁性位置追踪系统。磁性追踪系统是众所周知的且以前 已经开发出了多种变型。出于图示性的目的，系统10包括磁场发生器 16,所述磁场发生器包括被适当布置的电磁电感线圈，该线圏用作空 间磁基准框架(即X、 Y、 Z)。系统10进一步包括小型移动电感传感 器，所述传感器被附接到被追踪的物体上。应该理解其它变型也是 易于被接受的。小型移动电感传感器的位置和角度取向取决于该传感 器与由磁场发生器16产生的源场所进行的磁耦合。
应该注意到磁场发生器16产生了一系列，或一组，不同的空间 磁场形状或分布，此处为六个，每个空间磁场形状或分布都由小型移 动电感传感器感测。每个系列都使得小型移动电感传感器能够产生一 系列信号。对这一系列信号的处理使得能够确定小型移动电感传感器 的位置和/或取向，且因此能够确定其上安装有该小型移动电感传感器 的物体相对于磁坐标基准框架的位置，该磁坐标基准框架与磁场发生 器16的关系是固定的。处理器12或控制单元使用基准坐标系统和感 测到的数据来形成变换矩阵，所述变换矩阵包括位置和取向信息。
标记识别器18用于对标记，例如矫形外科植入物组件28上的标 记，进行目标定位。标记识别器18包括一个或多个小型移动电感传感 器。在如图所示的实施例中，标记识别器18具有第二传感器20。标记 识别器18可以是任何数量的装置。作为实例，标记识别器18可以是 钻具引导装置、钻具套筒、钻具、钻鼻(drill nose)、钻筒(drill barrel )、钻夹头(drill chuck)或固定元件。在如图1所示的实施例中，标记识别器18是具有锯齿尖端22、管道24和柄26的钻具套筒。 管道24也可被称作衬套、圆柱体、引导装置或钻具/螺钉安放引导装 置。在所示实施例中，第二传感器20相对于管道24的轴线被设置在 一定取向下，所述管道可接收钻具。传感器20相对于管道24形成的 这种偏移使得该管道的位置和取向可相对于磁场发生器16或系统中的 另一传感器而在六个尺寸(三个平移尺寸和三个角度尺寸)上被定位 于空间中。在一些实施例中，可能需要对处理器l2进行校准以便调节 第二传感器20的偏移距离。在一些实施例中，标记识别器18和场发 生器16可被组合成单个部件。例如，场发生器16可被纳入柄26内。
矫形外科植入物组件28包括植入物30和一个或多个小型移动电 感传感器。在所示实施例中，矫形外科植入物组件28具有第一传感器 23。在如图l所示的实施例中，植入物30以髓内钉的形式存在，但也 可使用其它类型的植入物。作为实例，植入物可以是髓内钉、骨板、 髋关节假体、或膝关节假体。第一传感器32相对于植入物30上的一 个或多个标记被设置成一定取向且被设置在预定位置处。作为实例， 所述标记可以是结构、空隙、凸起、通道、制动器、凸缘、沟槽、构 件、分隔件、梯级、孔洞、孔穴、腔体、凹部、导管、间隙、凹口、 孔口、通路、切口、孔眼或狭槽。在如图1所示的实施例中，标记是 刺穿孔31。第一传感器32相对于标记形成的这种偏移使得该标记的位 置可相对于磁场发生器16或系统中的另一传感器而在六个尺寸(三个 平移尺寸和三个角度尺寸)上被定位于空间中，所述另一传感器例如 为第二传感器。在一些实施例中，可能需要对处理器12进行校准以便 调节第一传感器32的偏移距离。
第一传感器32和第二传感器20被连接至处理器12。这可通过有 线或无线方式实现。第一传感器32和第二传感器20可以是具有六个 自由度的传感器，所述传感器被构造以便沿通常被称作X、 Y和Z的三 个平移轴和通常被称作俯仰(pitch)、侧摆(yaw)和滚动(roll) (即姿态，也就是绕X、 Y和Z轴的旋转角)的三个角度取向来描述每 个传感器的位置。通过将传感器定位在这些基准框架中，并获知每个 传感器的位置和取向，标记识别器18可相对于植入物30上的标记被 定位。在一个特定实施例中，来自传感器的信息使得外科医生可对用 于进行固定的外科手术路径进行规划并且使钻具与固定盲孔适当地对 齐。在所示实施例中，传感器32、 20是由以下供应商提供的具有六个自由度的传感器107 Catamount Drive, Milton Vermont, U.S.A. 的 Ascension Technology Corporation; 103 Randal 1 Drive, Waterloo, Ontario, Canada的Northern Digital Inc.5 或40 Hercules Drive, Colchester Vermont, U. S. A.的Polhemus。当然，也可使用其它传感器。
第一传感器32可被附接到植入物30上。例如，第一传感器32可 被附接到外表面37上。在如图l所示的实施例中，植入物30进一步 包括沟槽34和凹窝36。沟槽34和凹窝36位于植入物30的壁部中。 在所示实施例中，第一传感器32旨在被附接到植入物30上且在植入 物30的服役寿命期间都被安装在病人体内。进一步地，在一些实施例 中，矫形外科植入物组件28包括盖38以便覆盖凹窝36和/或沟槽34。 盖38可与植入物30的外表面37大体上齐平。因此，在一些实施例中， 植入物30包括第二开口 39以便接收盖38。
第一传感器32可被栓系到引线上以便实现通信和供电。引线和传 感器可被固定到植入物30上。引线50被连接至第一传感器32。第一 连接器52用于相对于植入物30安放引线50。第二连接器54可用于将 引线50连接至另一装置，如处理器12或插入柄40。
可使用多种高刚性粘结剂或聚合物将第一传感器32固定在凹窝 36中，所述多种高刚性粘结剂包括环氧树脂、聚氨酯、聚甲基丙烯酸 甲酯、聚醚醚酮、可通过UV固化的粘结剂、硅酮和医用级别的氰'基丙 烯酸酉旨。作为实例，可使用由Epoxy Technology, 14 Fortune Drive, Billerica， Massachusetts 01821提供的EP0-TEK 301。引线50可以 相似方式被固定在沟槽中。这些类型的固定方法不会对电气部件的性 能产生负面影响。随后可将盖38置于植入物30上并将所述盖焊接就 位。例如，所述盖可通过激光焊接方式被焊接到植入物上。
监控器14可被构造以便显示出第一传感器32和第二传感器20的 位置和取向，从而使得可通过这种显示为外科医生提供两个传感器相 对于彼此的位置和取向。处理器12可通过有线方式或无线方式将位置 数据发送至用户界面，所述用户界面可以图形方式显示出标记识别器 与监控器上的植入物之间的相对位置。该监控器14可相对于标记识别 器被设置成一定取向，从而使得外科医生可将用户界面显现出来而作 为标记识别器的延伸。该用户界面还可被设置成一定取向，从而使得 外科医生可在观察外科手术视场的同时观察该监控器。插入柄40可用于安装矫形外科植入物组件28且还可用于按一定 路线引导来自第一传感器32的引线。例如，插入柄40可按一定路线 引导介于植入物30与处理器12之间的通信引线和电源引线。
在如图1所示的实施例中，标记识别器18和插入柄40分别包括 用于以无线方式将数据从传感器20、 32传送至处理器12的通信模块 21、 25，但所属领域技术人员应该理解可利用其它方法，如通过有 线方式，实现传送。在所示实施例中，第二连接器54插入通信模块25 内。另一种可选方式是，且正如下文更详细地描述地那样，植入物30 和插入柄40可具有相配合的电接触装置，当对部件进行组装时，所述 相配合的电接触装置形成了连接，从而使得第一传感器32被连接至通 信模块25。
在一些实施例中，植入物30可包括通信电路和用于实现无线通信 的天线。用于第一传感器32和/或通信电路的电源可被定位在插入柄 40内。例如，可将蓄电池安放在插入柄40内，以便将电功率传送至第 一传感器32和/或其它电子器件。另一种可选方式是，通信电路、天 线和蓄电池可位于插入柄40内，且这些部件中的每个部件可被栓系到 第一传感器32上。在又一实施例中，植入物30可包括线圏以便以电 感方式为通信电路提供电功率并且实现从笫一传感器32进行的数据通 信。电源可以是单电源模式或可以是双模AC/DC。
在使用过程中，矫形外科植入物组件28被安装在病人体内。例如， 在进行内部固定的情况下，髓内钉被置于髓内导管内。可选方式是， 使用者可使用刺穿元件，如螺钉，以便首先对髓内钉的近端进行锁定。 操作者使用目标定位装置18和第一传感器32以便识别标记31。例如， 在进行髓内钉固定的情况下，外科医生使用目标定位装置18对刺穿盲 孔进行识别并钻通该孔以便安放刺穿元件。
图2进一步示出了图1所示的植入物30。植入物30包括第一传感 器32、纵向沟槽34、凹窝36、盖38和第二开口 39。作为实例，盖38 可包括金或钛箔片。在一些实施例中，植入物30包括内表面35，所述 内表面形成了插管33。植入物30包括外表面37。
图3示出了第一传感器32的第一实施例。第一传感器32包括两 个线圈，所述两个线圈彼此交叉放置且具有角度a。
图4和图5示出了第一传感器32的第二实施例。第一传感器包括 通常彼此正交的两个线團以便在六个自由度上建立起取向和位置。第一线圈可具有沿植入物30的长度的取向。笫二线圏可被设置成巻绕在 植入物的圆周周围的取向，所述巻绕例如是在沟槽中实现的，或者该 第二线圏可具有沿植入物30的半径的取向。此外，尽管优选使线圈彼 此垂直，但也可使用其它取向，但从数学上来说可能会更为复杂。进 一步地，线圈可被设置成螺旋围绕植入物30的取向。这种取向可允许 两个线圏彼此垂直地被放置，且两个线圈既沿植入物的长度又沿植入 物30的圆周被安放。
图6-图8示出了矫形外科植入物组件60的第二实施例。矫形外科 植入物组件60包括植入物30。在如图6所示的实施例中，植入物30 包括以刺穿孔31的形式存在的标记。植入物30包括纵向内部沟槽66 和可拆除的引线64。在如图8所示的实施例中，如图所示的纵向沟槽 66的直径与插管33是垂直的；然而，在其它实施例中，纵向内部沟槽 的直径被包含在外表面37与内表面35之间。可拆除的引线64包括位 于其远端部分65处的笫一传感器32。该第一传感器32相对于标记31 所形成的偏移是已知的。图6-图8所示的植入物包括生物相容的材料， 且可以是金属合金或聚合物。纵向沟槽66可通过机加工的方式或模制 成型的方式被设置在适当位置处。
在使用过程中，具有可拆卸的引线的植入物30被安装在病人体内。 例如，在进行内部固定的情况下，髓内钉被置于髓内导管内。可选地， 使用者可使用刺穿元件，如螺钉，以便首先锁定髓内钉的近端。操作 者使用目标定位装置18和第一传感器32以便识别标记n。例如，对 于进行髓内钉固定的情况而言，外科医生使用目标定位装置l8以便识 别刺穿盲孔并且钻通该孔以便放置刺穿元件。在植入物30被固定之后， 操作者去除该可拆除的引线64并将其丢弃。
图9进一步示出了如图1所示的标记识别器18。标记识别器18 包括传感器20、锯齿尖端22、管道24和柄26。钻具90具有标识92， 所述标识与标识传感器19相互作用，所述标识传感器与管道24相邻。 这种相互作用与一对数字式测量卡尺的相似之处在于标识92与传感 器19之间的位置等同于一定的距离。可利用该距离以便确定钻具钻入
骨内的深度并最终确定将被插入钻出的孔内的骨钉的长度。仅当传感 器92与19彼此紧密相邻时，即仅当钻具90位于管道24内部时，才 可获得距离读数或钻削深度读数。在于2004年1月13日授权给Sasaki 等的美国专利No. 6， 675， 491和于2007年8月7日授权给Me等的美国专利No. 7， 253，611中描述了典型的测量装置，每个所述专利都在 此作为参考被引用。在所示实施例中，标识传感器19被连接至通信模 块21。另一种可选方式是，标识传感器19可通过有线方式被连接至处 理器12。在图9中，通信模块21包括用于电连接至处理器12的第三 传感器23。
图10-图12示出了用于将植入物30电连接至插入柄40的典型方 法，所述植入物和插入柄具有相对应的电接触装置。在图10中，偏置 元件72使接触装置70朝向插入柄40偏置。在图11中，植入物30具 有弹性电接触装置74。在图12中，在引线50与另一部件之间延伸的 金属线在接合处76弯皱在一起。在一种方法中，金属线是免撕开(torn free)并且在安装了矫形外科植入物组件28之后在接合处76被分开。 在又一种方法中，在安装了矫形外科植入物组件28之后，在接合处76 上方切割所述金属线。
现在参见图13,植入物30和/或插入柄40可包括一个或多个对齐 特征44和与之相配合的凹口 80，或者可包括对齐销46和与之相配合 的孔82。插入柄可被构造以便与植入物的上表面对齐。在一个实施例 中，插入柄可具有键槽，所述键槽被构造以便与位于固定构件上的狭 槽相配合。可使用其它对齐引导装置。此外，引导装置可具有电连接 器，所述电连接器被构造以便与固定构件上的电连接器相配合。引导 装置与固定构件之间的连接装置可以是弹簧加载的装置，以便确保在 电连接器之间实现电接触。为了避免引导装置与固定构件之间的连接 装置出现短路，可对电连接器进行绝缘护理。作为将插入柄电连接至 植入物的另一实例，电连接器可包括柱和滑环。环可位于植入物上， 且柱位于插入柄上。该柱被偏置以便与环接触。在这种实施例中，插 入柄相对于植入物轴线的角度位置并未被固定。这使得无论具有怎样 的角度位置，插入柄都可相对于植入物被定位。
现在参见图14，植入物30和插入柄40可被制成一定尺寸，从而 使得即使当对部件进行组装或配合时，仍可获得用于该第一连接器52 的空间。
作为实例，可使用用于识别标记的系统以便对#皮植入的髓内钉的 螺钉盲孔进行目标定位。该髓内钉被植入病人体内。电磁场发生器被 启动。处理器接收来自被安装到髓内钉上的传感器的信号和来自被安 装到标记识别器上的传感器的信号，所述标记识别器例如为钻具套筒。在处理器上运行的计算机程序使用至少两个传感器的信息并且以图形 的方式在监控器上显示出该至少两个传感器的相对位置。外科医生使 用由处理器提供的反馈使标记识别器移动就位。当标记识别器位于适 当位置处时，外科医生钻通骨骼和髓内钉以便形成螺钉孔。在一些实 施例中，处理器可提供与被钻出的孔的深度相关的反馈。外科医生随 后可使螺钉穿过该被钻出的孔以便对髓内钉的盲孔进行附固。
图15示出了用于识别标记的系统110的第二实施例。系统110包 括处理器112、标记识别器118和矫形外科植入物组件128。在一些实 施例中，系统110进一步包括监控器114和插入柄140。
标记识别器118用于对标记进行目标定位。标记识别器118包括 第二传感器120。在如图15所示的实施例中，标记识别器118是具有 锯齿尖端122、管道124和柄126的钻具套筒。在所示实施例中，第二 传感器120相对于管道的轴线被设置在一定取向下，所述管道可接收 钻具 传感器相对于管道形成的这种偏移使得该管道的位置可相对于 传送器或系统中的另一传感器而在六个尺寸(三个平移尺寸和三个角 度尺寸)上被定位于空间中。在一些实施例中，可能需要对处理器进 行校准以便调节第二传感器20的偏移距离。
矫形外科植入物组件128包括植入物130和磁体132。该磁体可以 是永磁体或电磁体。磁体132相对于植入物130上的标记^皮设置成一 定取向而位于预定位置处。磁体相对于标记形成的这种偏移使得该标 记的位置可相对于传送器或系统中的另一传感器而在六个尺寸(三个 平移尺寸和三个角度尺寸)上被定位于空间中，所述另一传感器例如
为第二传感器。在一些实施例中，可能需要对处理器n进行校准以便
调节磁体132的偏移距离。在如图l所示的实施例中，植入物130进 一步包括凹窝136和盖138。对于电磁体的情况而言，引线150连接至 磁体132且被包含在沟槽134内。
作为实例，可使用用于识别标记的系统以便对被植入的髓内钉的 螺钉盲孔进行目标定位。该髓内钉被植入病人体内。处理器接收来自 被安装到标记识别器上的传感器的信号，所述标记识别器例如为钻具 套筒。在处理器上运行的计算机使用传感器的信息并且以图形的方式 在监控器上显示出该传感器相对于该磁体的相对位置。外科医生使用 由处理器提供的反馈使标记识别器移动就位。当标记识别器位于适当 位置处时，外科医生钻通骨骼和髓内钉以便形成螺钉孔。在一些实施例中，处理器可提供与被钻出的孔的深度相关的反馈。外科医生随后 可使螺钉穿过该被钻出的孔以便对髓内钉的盲孔进行附固。
图16示出了一种用于选择与标记识别器位置相对应的视野的方 法。在一些实施例中，显示在监控器上的视野取决于标记识别器相对 于植入物的位置。植入物的直径被分成多个扇区或场域。在如图16所 示的实施例中，该直径被分成三个场域(A) 135度至225度；(B) 0度至135度；和(C) 225度至360度。该初始视野基于的是标记识 别器相对于植入物的取向。当使用者使标记识别器移向植入物或移动 远离植入物时，监控器显示出所选择的场域上的区域的放大或缩小。
图17是用于选择视野并显示一个标记的流程图。该过程对于多个 标记可不断重复进行。该处理器12在以下过程步骤中使用变换矩阵。 在步骤200中，基于相关传感器的位置计算标记识别器相对于植入物 的位置，并且选择最接近标记识别器的标记将其显示出来。在步骤210 中限定全局视野，该视野显示出了在所选定的标记被设置在一定取向 下以便于适当观察的情况下的整个植入物。全局视野与在隔开一定距 离的位置处观察植入物的情况是类似的。在步骤220中，判定是否有 多个标记具有相同的取向。如果答案为是，则在步骤230中，处理器
计算哪个标记与标记识别器的位置最为接近并选择该标记进行观察。 如果答案为否，则在步骤240中限定出局部视野并使该视野以选定标 记为中心。局部视野与在紧密邻接的位置处观察该植入物的情况是类 似的。在一些实施例中，在限定出局部视野时，可能希望隐藏该标记 识别器。在步骤250、 260和270中，处理器l2识别出从标记识别器 至该标记的距离，并且根据所做出的上述判定隐藏或呈现该标记识别 器。在步骤250中，计算标记识别器至该标记的距离并且将该计算出 的距离D与设定的变量T全局和T局部相比较。如果D大于T全局，则在步 骤260中选择全局视野且处理器前进至步骤285。如果D小于T局部， 则在步骤270中选择局部视野并使该视野以该标记为中心。随后，处 理器前进至步骤275。在可选的步骤275中，标记识别器被隐藏。另一 种方式是，在步骤280中，基于距离D计算中间的照相机位置，从而 使得能够从全局视野向局部视野进行平滑的过渡。在步骤285中，标 记识别器被呈现出来。在步骤290中，提供具有选定的照相机位置的 场景。
图18示意性地示出了使标记识别器对齐的第一可选方法。可使用在处理器上运行的计算机程序获取所述至少两个传感器的信息并且以 图形方式在监控器上显示所述至少两个传感器的相对位置(该第二传 感器相对于该第一传感器的相对位置)。这使得使用者可使用该系统 引导标记识别器的安放。在钻削出髓内钉盲孔的情况下，该系统引导 使用者进行钻具套筒的安放并且随后适当地钻通该髓内钉中的该孔。 图形化的用户界面可包括为每个自由度提供的对齐引导标志。可设定 最低限度的对齐水平，从而使外科医生继续对标记识别器进行定向， 直至每个自由度都满足最低限度的对齐水平，从而有效地安放标记识
别器。图18所示的实例给出了这样一种情况，其中沿Y方向的安放满 足了所需的最低限度的跟踪安放。然而，其它平移自由度或旋转自由 度都没有满足该最低限度的需求。尽管图中以柱形图的方式示出了跟 踪幅度，但也可使用其它图形化表现方式，例如颜色编码。
图19示意性地示出了使标记识别器对齐的第二可选方法。在该实 施例中，使用多个LED对钻具进行定位的图形化界面可被置于标记识 别器上，所述标记识別器例如为钻具套筒。通过使用LED对钻具进行 轨迹化跟踪，外科医生可使钻具与固定盲孔对齐。此外，该轨迹还可 使用次级显示器以便为系统增加更多信息。例如，为了影响调节幅度， 该轨迹可包括使LED闪烁，从而使得高频的闪烁需要更大幅度的调节， 而低频闪烁则可需要更小幅度的调节。相似地，颜色可增加与为了实 现对齐而进行的调节相关的信息。
图20示出了监控器的典型视图。第一部分500示出了在植入物的 每侧上进行的钻削距离。这使得使用者可更好地了解钻削深度并且在 达到适当的钻削深度的情况下向使用者发出何时停止的警^L。第二部 分510为使用者提供了对齐信息。作为一个实例，可使用如图9所示 的实施例获得钻削深度的数据。 图21示出了标记识别器的另一可选实施例。该标记识别器被构造 以4更通过LED显示出位置和轨迹信息从而实现适当的对齐。LED的尺寸 可显示出与所需调节幅度相关的附加信息。该轨迹灯可显示出在对齐 的轨迹与未对齐的轨迹之间的筒单的拨动开关。作为另一实例，可对 轨迹LED进行颜色编码以便提供所需调节幅度的建议从而实现适当的 对齐。
图22示出了插入柄700的第一可选实施例。该插入柄700包括弓 形狭槽710。该弓形狭槽限制了标记识别器18、 118在操作空间内的移动。在对螺钉盲孔进行识别的情况下，该弓形狭槽限制了钻具套筒的
移动从而对其位置进行精确调节。在一些实施例中，插入柄700包括 支架712，所述支架接收标记识别器并在狭槽710中行进。
图23示出了用于识别标记的系统的第三实施例。在该实施例中， 矫形外科植入物800是骨板且插入柄810是被附固到该骨板上的引导 装置。在所示实施例中，电感传感器相对于一个或多个标记被置于矫 形外科植入物800的表面上。引导装置810使得标记识别器818可相 对于引导装置进行平移和/或旋转，以使标记识别器与标记802适当地 对齐，所述标记例如为紧固器孔。此外，对于在植入物上设置多个固 定孔的情况而言，引导装置810上设置的附加的引导孔812可有助于 接近附加的固定孔的位置。
图24示出了插入柄的第二可选实施例。该插入柄900包括通过j吏 用小型伺服马达920、 922、 924对标记识别器918的位置进行精确调 节。伺服马达920、 922、 924可对标记识别器918的取向和位置进行 调节。可通过自动方式或可由外科医生对该伺服马达进行控制。
在一个特定实施例中，所提供的反馈信息选自听觉信息、视觉信 息和触觉信息。听觉反馈可通过扬声器、头戴耳机、耳芽或耳机被输 出。可利用射频或地面数据传送而通过有线或无线方式传送听觉反馈 信号。视觉反馈可通过阴极射线管、液晶显示器或等离子体显示器被 输出。作为实例，视觉反馈装置可包括电视监控器、个人数字助理或 个人多媒体播放器。可利用射频或地面数据传送而通过有线或无线方 式传送视觉反馈信号。触觉反馈可通过手套、器具或地毯被输出。可 利用射频或地面数据传送而通过有线或无线方式传送触觉反馈信号。
本发明进一步包括一种用于识别标记的方法。所述方法包括以下 步骤提供矫形外科植入物组件，所述矩形植入物组件具有矫形外科 植入物和可拆卸的引线，所述矩形植入物具有纵向沟槽，所述可拆卸 的引线上附接有磁性传感且位于所述纵向沟槽内，所述矫形外科植入 物具有近端部分、远端部分和位于所述远端部分上的至少一个标记； 将所述矫形外科植入物组件植入病人体内；首先将刺穿元件安装在所 述近端部分中；使用标记识别器对所述至少一个标记进行识别；在首 先将刺穿元件安装在所述近端部分中之后，将刺穿元件安装在位于所 述远端部分中的所述至少一个标记中；并且去除所述可拆卸的引线。 该方法使得可在使得可在进行远端锁定之前对该植入物进行近端锁定。这是优于现有技术的一个明显优点，这是因为现有的装置需要在 进行近端锁定之前进行远端锁定。
通过前面的描述可以看到通过本发明实现和获得了多个优点。 上文选择并描述的实施例旨在对本发明的原理及其实际应用进行 最佳地阐述，由此使得所属领域技术人员能够以最佳方式^^用本发明 的多个实施例，且预想了适于特定用途的各种变型。
由于可在不偏离本发明的范围的情况下对在此描述和图示的构造 和方法做出多种变型，因此前面的描述中包含或者在附图中示出的所 有内容应该被解释为示例性而非限制性的。例如，尽管图1示出了用 于将第一传感器附固到植入物上的凹窝，但也可使用其它结构和/或方 法将这些物体附固在一起。因此，本发明的广度和范围不应限于任何 上述典型实施例中的任何实施例，而是应该仅根据所附的以下权利要 求书及其等效方式限定该广度和范围。
权利要求
1、一种用于识别标记的系统，所述系统包括a.用于产生磁场的场发生器；b.位于所述磁场内的矫形外科植入物，所述矫形外科植入物具有至少一个标记和纵向沟槽，所述纵向沟槽具有近端部分和远端部分；c.第一磁性传感器，所述第一磁性传感器在所述纵向沟槽的所述远端部分处被安装到所述矫形外科植入物上且与所述至少一个标记隔开设定距离；d.具有第二磁性传感器的标记识别器；和e.处理器，所述处理器用于对比来自所述第一传感器和所述第二传感器的传感器数据并且使用所述设定距离来计算所述标记识别器相对于所述至少一个标记的位置。
2、 根据权利要求1所述的系统，其中所述标记选自包括结构、空 隙、凸起、通道、制动器、凸缘、沟槽、构件、分隔件、梯级、孔洞、 孔穴、腔体、凹部、导管、间隙、凹口、孔口、通路、切口、孔眼或 狭槽的组群。
3、 根据权利要求1或2所述的系统，其中所述矫形外科植入物是 髓内钉。
4、 根据权利要求1-3所述的系统，其中所述矫形外科植入物具有 外表面、形成插管的内表面和位于所述外表面与所述内表面之间的壁 部，且所述第一磁性传感器被安装在所述壁部内。
5、 根据权利要求1-4所述的系统，其中所述矫形外科植入物进一步包括凹窝且所述第一传感器被设置在所述凹窝内。
6、 根据权利要求l-5所述的系统，其中所述矫形外科植入物进一 步包括盖。
7、 根据权利要求1-6所述的系统，其中所述矫形外科植入物进一步包括适于接收盖的第二开口。
8、 根据权利要求1-7所述的系统，进一步包括被可拆卸地附接到 所述矫形外科植入物上的插入柄。
9、 根据权利要求l-8所述的系统，进一步包括被电连接至所述处 理器的监控器。
10、 根据权利要求1-9所述的系统，其中所述纵向沟槽是沿所述植入物的外表面设置的。
11、 根据权利要求1-9所述的系统，其中所述矫形外科植入物进 一步包括插管，且所述纵向沟槽通常与所述插管相邻。
12、 根据权利要求11所述的系统，进一步包括被连接至所述第一传感器的可拆卸的引线。
13、 根据权利要求l-12所述的系统，其中所述标记识别器进一步包括钻具套筒。
14、 根据权利要求1-12所述的系统，其中所述标记识别器进一步 包括锯齿尖端。
15、 根据权利要求1-14所述的系统，其中所述处理器为使用者提 供了反馈信息。
全文摘要
本发明披露了一种用于识别标记的系统(10、110)。所述系统包括用于产生磁场的场发生器(16、116)、位于所述磁场内的矫形外科植入物(30、130)，所述植入物具有至少一个标记(31)和与所述标记隔开的第一磁性传感器(32)、具有第二磁性传感器(20、120)的标记识别器(18、118)、和处理器(12、112)，所述处理器用于对比来自所述第一传感器和所述第二传感器的传感器数据并且使用设定距离来计算所述标记识别器相对于所述至少一个标记的位置。本发明使得可对一个或多个标记进行盲式目标定位。
文档编号A61B17/17GK101621966SQ200880006490
公开日2010年1月6日 申请日期2008年2月28日 优先权日2007年2月28日
发明者G·E·奥斯丁, H·B·费伯, J·K·雷恩斯, N·K·格鲁辛, N·S·里基, T·施韦利, W·M·里奇 申请人:史密夫和内修有限公司