确定解剖取向的制作方法
【专利摘要】公开了用于确定解剖取向的方法、系统和设备。接收指示被配置成与对象的骨盆一起移动的参考器件的位置的数据。接收指示与参考表面对应的各个方位的数据。接收指示骨盆上的各个方位的数据。基于与参考表面对应的各个方位和骨盆上的各个方位确定一个或更多解剖取向。解剖取向被配准到所述参考器件。
【专利说明】确定解剖取向
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求2012年2月29日提交的、并且标题为“DETERMINING ANATOMICALORIENTAT1NS”的美国临时申请序列号61/604，612的优先权和完全权益，其全部内容通过引用被合并在此。
【技术领域】
[0002]本公开内容涉及确定解剖取向。
【背景技术】
[0003]在髋关节成形术中，髋臼有时被扩孔(ream)或者以其他方式准备以接收髋臼杯植入物。在髋关节成形术过程期间，扩孔器与压入器(impactor)的正确对准对于实现髋假体(hip prosthesis)的所期望的性能非常重要。在某些情况下，不正确对准可能导致不均匀磨损、错位或者其他不利效应。
【发明内容】
[0004]在一个总体方面中，一种方法包括基于参考表面的取向和骨盆的特征确定解剖取向。解剖取向被配准到参考器件，所述参考器件被配置成与骨盆一起移动。
[0005]在另一个总体方面中，一种设备包括一个或更多处理器件以及一个或更多数据存储器件。所述一个或更多数据存储器件存储指令，所述指令在由所述一个或更多处理器件执行时可操作为使得所述一个或更多处理器件实施各种操作。所述操作包括:接收指示被配置成与对象的骨盆一起移动的参考器件的位置的数据。所述操作包括:接收指示参考表面上的各个方位的数据，接收指示骨盆上的各个方位的数据，以及基于参考表面上的各个方位和骨盆上的各个方位确定解剖取向。所述操作包括:将解剖取向配准到参考器件。
[0006]各种实现方式可以包括以下特征当中的一项或更多项。举例来说，所述操作包括:相对于解剖取向确定手术轨迹，以及基于参考器件的位置确定工具相对于手术轨迹的位置。相对于解剖取向确定手术轨迹包括:基于指示参考器件的位置的数据确定髋白压入轴的位置。确定髋白压入轴的位置包括:相对于解剖取向确定处于预定倾角和预定前倾角的取向。所述操作包括:输出指示工具相对于手术轨迹的取向的数据。接收指示参考表面上的各个方位的数据包括:接收指示基本上呈平面状的表面上的至少三个方位的数据。确定解剖取向包括:基于所述至少三个方位确定对象的冠平面(coronal plane)的取向。
[0007]各种实现方式还可以包括以下特征当中的一项或更多项。举例来说，所述操作包括接收指示骨盆倾斜角度的信息，并且确定对象的冠平面的取向包括:使用指示骨盆倾斜角度的信息确定冠平面的取向。接收指示骨盆上的各个方位的数据包括:接收指示骨盆上的基本上沿着中-侧轴定位的至少两个方位的数据。确定解剖取向包括:基于骨盆上的所述至少两个方位确定沿着对象的基本上中-侧方向延伸的取向。所述至少两个方位包括对应于髂骨(ilium)的左前上隆起(spine)和髂骨的右前上隆起的方位。
[0008]各种实现方式还可以包括以下特征当中的一项或更多项。举例来说，指示被配置成与对象的骨盆一起移动的参考器件的位置的数据指示:与躺在参考表面上的对象的第一位置对应的参考器件的位置。所述指示被配置成与对象的骨盆一起移动的参考器件的位置的数据指示:对应于所述对象的不同于第一位置的第二位置的参考器件的位置。所述操作包括:基于对应于第二位置的参考器件的位置调节解剖取向；确定手术轴相对于经过调节的解剖取向的位置；以及基于对应于对象的第二位置的参考器件的位置确定工具相对于手术轴的位置。
[0009]各种实现方式还可以包括以下特征当中的一项或更多项。举例来说，接收指示参考器件的位置的数据包括:接收来自参考器件的电磁场传感器的数据。接收指示参考器件的位置的数据包括:接收指示参考器件的基准的位置的数据。
[0010]各种实现方式还可以包括以下特征当中的一项或更多项。举例来说，接收指示参考表面上的各个方位的数据包括:接收指示在对象以仰卧位躺在平面状参考表面上时所述平面状参考表面上的至少三个不同点的方位的数据。接收指示骨盆上的各个方位的数据包括:接收指示对应于骨盆的髂骨的左前上隆起和髂骨的右前上隆起的方位的数据。基于参考表面上的各个方位和骨盆上的各个方位确定解剖取向可以包括:基于平面状参考表面上的至少三个不同点确定针对对象的冠平面的取向，以及基于对应于髂骨的左前上隆起和髂骨的右前上隆起的方位确定对象的横轴或横平面的取向。
[0011]各种实现方式还可以包括以下特征当中的一项或更多项。举例来说，所述操作还包括:使用解剖取向确定针对对象的手术轨迹。所述操作还包括:在将对象从仰卧位移动到侧卧位之后，在对象处于侧卧位时接收指示相对于参考器件的位置的手术工具的位置的数据。所述操作还包括:在对象处于侧卧位时基于指示相对于参考器件的位置的手术工具的位置的数据确定手术工具相对于手术轨迹的取向，以及输出指示手术工具相对于手术轨迹的取向的数据。
[0012]在另一个总体方面中，一种系统包括第一磁性传感器、一个或更多第二磁性传感器、电磁场生成器以及与第一磁性传感器和一个或更多第二磁性传感器通信的控制单元。所述控制单元被配置成:接收指示在第一磁性传感器耦合到对象的骨盆时第一磁性传感器的取向的数据；接收指示在一个或更多第二磁性传感器耦合到基本上呈平面状的参考表面时所述一个或更多第二磁性传感器的不同方位的数据；以及在一个或更多第二磁性传感器耦合到骨盆上的不同方位时接收指示所述一个或更多第二磁性传感器的不同方位的数据。所述控制单元被配置成:基于一个或更多第二磁性传感器的方位确定对象的一个或更多解剖参考平面的取向，以及将所述一个或更多解剖参考表面的取向配准到第一磁性传感器。
[0013]在另一个总体方面中，一种系统包括第一参考器件、一个或更多第二参考器件、与第一参考器件和一个或更多第二参考器件通信的通信模块以及可操作地耦合到通信模块的控制单元。所述控制单元被配置成:在第一参考耦合到对象的骨盆时接收指示第一参考器件的取向的数据，在一个或更多第二参考器件耦合到基本上呈平面状的参考表面时接收指示所述一个或更多第二参考器件的不同方位的数据，以及在一个或更多第二参考器件耦合到骨盆上的不同方位时接收指示所述一个或更多第二参考器件的不同方位的数据。所述控制单元被配置成:基于一个或更多第二参考器件的方位确定对象的一个或更多解剖参考平面的取向，以及将所述一个或更多解剖参考表面的取向配准到第一参考器件。
[0014]在另一个总体方面中，一种方法包括:基于参考表面的取向确定相对于对象的第一取向，基于对象的骨盆的特征确定沿着对象的基本上中-侧方向延伸的第二取向，以及把第一取向和第二取向配准到被配置成与骨盆一起移动的参考器件。
[0015]各种实现方式还可以包括以下特征当中的一项或更多项。举例来说，所述方法可以包括:确定垂直于第一取向和第二取向延伸的第三取向，以及将第三取向配准到参考器件的位置。确定第一取向包括确定针对对象的冠平面的取向，确定第二取向包括确定横轴的取向，并且确定第三取向包括确定针对对象的矢状平面的取向。所述方法包括:使用第一取向、第二取向和参考器件的取向确定手术轨迹。确定手术轨迹包括确定处于预定倾角和预定前倾角的轨迹。所述方法包括:使用参考器件确定工具相对于手术轨迹的取向。确定第一取向包括:基于参考表面的取向和骨盆倾斜角度确定第一取向。确定第一取向包括:基于指示参考表面上的三个或更多方位的数据确定第一取向。
[0016]各种实现方式还可以包括以下特征当中的一项或更多项。举例来说，确定第二取向包括:基于指示对应于髂骨的左前上隆起的方位的数据以及指示对应于髂骨的右前上隆起的方位的数据来确定第二方位。基于对象的骨盆的特征确定沿着对象的基本上中-侧方向延伸的第二取向包括:在探针与对象的覆盖骨盆的皮肤接合时基于指示探针的位置的数据确定第二取向，所述探针包括基准或磁性传感器。将第一取向和第二取向配准到被配置成与骨盆一起移动的参考器件包括:在对象被安置在相对于参考表面仰卧的第一位置时将第一取向和第二取向配准到参考器件的位置。
[0017]各种实现方式还可以包括以下特征当中的一项或更多项。举例来说，所述方法包括:确定参考器件的更新后的位置，所述更新后的位置对应于对象的第二位置，所述第二位置不是相对于参考表面的仰卧位；以及基于参考器件的更新后的位置确定相对于对象的取向，所述相对于对象的取向对应于第一取向和第二取向相对于对象的取向。将第一取向和第二取向配准到被配置成与骨盆一起移动的参考器件包括:基于由参考器件的磁性传感器生成的数据确定参考器件的位置。将第一取向和第二取向配准到被配置成与骨盆一起移动的参考器件包括:基于指示参考器件的基准的位置的数据确定参考器件的位置。
[0018]在另一个总体方面中，一种确定解剖取向的方法包括:将对象安置为抵靠参考表面并且将参考器件附着到对象的骨盆，从而使得参考器件被配置成与骨盆一起移动。所述方法包括:使探针抵接参考表面以便测量参考表面的取向，使探针抵接对象以便测量对应于骨盆的特征的两个方位，基于参考器件的位置相对于骨盆安置手术工具。
[0019]各种实现方式可以包括以下特征当中的一项或更多项。举例来说，基于参考器件的位置相对于骨盆安置手术工具包括:相对于手术轨迹对准手术工具，手术轨迹相对于对象的取向是基于参考表面的取向以及对应于骨盆的特征的两个方位而定义的。所述方法包括将对象从仰卧位移动到侧卧位，并且相对于手术轨迹对准手术工具包括在对象处于侧卧位时相对于手术轨迹对准手术工具。使探针抵接对象以便测量对应于骨盆的特征的两个方位包括:将探针接合到对应于骨盆的髂骨的左前上隆起和髂骨的右前上隆起的皮肤外方位。
[0020]在另一个总体方面中，一种设备包括一个或更多处理器件以及存储指令的一个或更多数据存储器件，所述指令在由一个或更多处理器件执行时可操作为使得所述一个或更多处理器件实施各种操作。所述操作包括:接收指示被配置成与对象的骨盆一起移动的参考器件的位置的数据，接收指示参考表面上的各个方位的数据，以及接收指示骨盆上的各个方位的数据。所述操作还包括:基于指示参考表面上的各个方位的数据确定对象的第一解剖取向，基于指示骨盆上的各个方位的数据确定沿着基本上中-侧方向延伸的第二解剖取向，以及将第一解剖取向和第二解剖取向配准到参考器件。
[0021]各种实现方式还可以包括以下特征当中的一项或更多项。举例来说，所述操作可以包括:基于第一解剖取向和第二解剖取向确定手术轨迹，基于参考器件的位置确定工具相对于手术轨迹的位置，以及输出指示工具相对于手术轨迹的位置的数据。基于第一解剖取向和第二解剖取向确定手术轨迹包括:相对于第一解剖取向和第二解剖取向确定处于预定倾角和预定前倾角的取向。所述操作包括:确定与第一解剖取向和第二解剖取向正交的对象的第三解剖取向，以及将第三解剖取向配准到被配置成与骨盆一起移动的参考器件。接收指示参考表面上的各个方位的数据包括:接收指示基本上呈平面状的表面上的至少三个方位的数据。确定第一解剖取向包括:基于所述至少三个方位确定对象的冠平面的取向。所述操作还包括:接收指示骨盆倾斜角度的信息。确定对象的冠平面的取向包括:使用指示骨盆倾斜角度的信息确定冠平面的取向。接收指示骨盆上的各个方位的数据包括:接收指示骨盆上的基本上沿着中-侧轴定位的至少两个方位的数据。确定第二解剖取向包括:基于指示骨盆上的至少两个方位的数据确定对象的横平面的取向，所述横平面的取向与对象的冠平面的取向正交。所述至少两个方位包括对应于骨盆的髂骨的左前上隆起和髂骨的右前上隆起的方位。指示被配置成与对象的骨盆一起移动的参考器件的位置的数据指示:对应于躺在参考表面上的对象的第一位置的参考器件的位置。指示被配置成与对象的骨盆一起移动的参考器件的位置的数据指示:对应于所述对象的不同于第一位置的第二位置的参考器件的位置。所述操作包括:基于对应于第二位置的参考器件的位置调节解剖取向，确定手术轴相对于经过调节的解剖取向的位置，以及基于对应于对象的第二位置的参考器件的位置确定工具相对于手术轴的位置。接收指示参考器件的位置的数据包括:接收指示电磁场传感器的位置或参考器件的基准的数据。
[0022]各种实现方式还可以包括以下特征当中的一项或更多项。举例来说，接收指示参考表面上的各个方位的数据包括:在对象以仰卧位躺在平面状参考表面上时接收指示所述平面状参考表面上的至少三个不同点的方位的数据。接收指示骨盆上的各个方位的数据包括:接收指示对应于骨盆的髂骨的左前上隆起和髂骨的右前上隆起的方位的数据。确定第一解剖取向包括:接收指示骨盆倾斜角度的数据，以及基于平面状参考表面上的至少三个不同点和指示骨盆倾斜角度的数据确定对象的冠平面的取向。确定第二解剖取向包括:基于对应于髂骨的左前上隆起和髂骨的右前上隆起的方位确定对象的中-侧轴或横平面的取向。所述操作还包括:使用第一解剖取向和第二解剖取向确定针对对象的手术轨迹，以及在将对象从仰卧位移动到侧卧位之后，在对象处于侧卧位时接收指示相对于参考器件的位置的手术工具的位置的数据。所述操作包括:在对象处于侧卧位时基于指示相对于参考器件的位置的手术工具的位置的数据确定手术工具相对于手术轨迹的取向，以及输出指示手术工具相对于手术轨迹的取向的数据。
[0023]在另一个总体方面中，一种系统包括第一参考器件、一个或更多第二参考器件、与第一参考器件和一个或更多第二参考器件通信的通信模块以及可操作地耦合到通信模块的控制单元。所述控制单元被配置成实施各种操作。所述操作包括:在第一参考器件耦合到对象的骨盆时接收指示第一参考器件的取向的数据；在一个或更多第二参考器件耦合到基本上呈平面状的参考表面时接收指示所述一个或更多第二参考器件的不同方位的数据；在一个或更多第二参考器件耦合到骨盆上的不同方位时接收指示所述一个或更多第二参考器件的不同方位的数据；在一个或更多第二参考器件耦合到基本上呈平面状的参考表面时基于指示所述一个或更多第二参考器件的不同方位的数据确定对象的第一解剖取向；在一个或更多第二参考器件耦合到骨盆上的不同方位时基于指示所述一个或更多第二参考器件的不同位置的数据确定沿着对象的基本上中-侧方向延伸的第二解剖取向；以及将一个或更多解剖参考平面的取向配准到第一参考器件。
[0024]在附图和后面的描述中阐述了一种或更多种实现方式的细节。根据描述、附图和根据权利要求，其他特征、目的和优点将是显而易见的。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是可以确定解剖取向的系统的一个实例的图。
[0026]图2是图示解剖参考取向的实例的透视图。
[0027]图3到8是图示用于确定解剖取向的技术的透视图。
[0028]图9A和9B是表示对于骨盆倾斜角度的使用的图。
[0029]图10是可以确定解剖取向的系统的一个实例的图。
[0030]图11到13是图示用于确定解剖取向的过程的流程图。
[0031 ]各图中的相似附图标记表示相似的元件。
【具体实施方式】
[0032]参照图1，空间跟踪系统100包括控制单元10、诸如电磁场生成器20之类的位置跟踪器件以及诸如磁性传感器30a-30c之类的两个或更多参考器件。系统100还包括探针70和手术工具80，诸如扩孔器或压入器。控制单元10例如通过确定磁性传感器30a-30c与电磁场生成器20的相对位置来跟踪磁性传感器30a-30c的空间位置。
[0033]系统100可以被用来确定解剖取向，其可以包括具有相对于解剖结构的定义关系的位置和方向。解剖取向可以是相对于对象50的取向，所述对象50例如是经历髋关节成形术或其他手术的患者。正如后面进一步描述的那样，至少部分地基于参考表面12的取向来确定解剖取向，所述参考表面12例如是对象50倚靠或者被安置在其上的手术台14的表面，或者是对象50被抵靠其安置的例如墙壁之类的垂直表面。对象50的解剖取向被配准到一个磁性传感器30a，该磁性传感器30a例如被配置成与对象50的骨盆52 —起移动。举例来说，磁性传感器30a可以被定位在以螺纹方式与髋骨接合或者以其他方式固定附着到髋骨的外罩(未不出)中。
[0034]磁性传感器30的移动(以及因此骨盆52的移动)由系统100跟踪，从而允许系统100补偿手术室中的对象50的移动。随着控制单元10检测到磁性传感器30a的位置的改变，控制单元10调节解剖取向以便反映出相应的位置改变。通过这种方式，控制单元10可以在对象50的位置发生改变时保持手术室中的准确的解剖取向。
[0035]使用解剖取向，控制单元10可以确定并且指示手术取向，例如用于对骨盆52的髋臼进行扩孔或者压入髋白杯的手术轨迹。手术轨迹可以是以相对于对象50的解剖取向的所期望的倾角和前倾角而定义的轴。
[0036]在许多关节成形术过程中，使用术前3D成像来确定手术取向并且调节或者创建对准工具以供手术期间使用。作为针对3D成像的替换或补充，系统100可以被用来在手术中定义相对于对象50的解剖结构的手术对准。因此，使用这里描述的技术常常可以避免MRI成像或计算机断层摄影(CT)成像的开销。此外还可以避免CT成像的辐射暴露。
[0037]更详细来说，电磁场生成器20产生可以被磁性传感器30a_30c检测到的电磁场22。电磁场生成器20可以具有总体上类似于平板的形状，并且还可以具有其他形状。电磁场生成器20可以如图示由落地式底座支撑，或者可以替换地被放置在另一方位处。电磁场生成器20可以是手持式的或者可以耦合到可移动仪器。
[0038]磁性传感器30a_30c例如可以包括电磁场传感器(未示出)，其可以包括一个或更多感应线圈。作为针对一个或更多感应线圈的补充或替代，磁性传感器30a_30c例如可以包括霍尔效应传感器、磁通门磁场传感器和磁阻传感器当中的一项或更多项。磁性传感器30b可以附着到探针70，从而允许由系统100来跟踪探针70的位置。磁性传感器30c可以附着到手术工具80，从而允许由系统100来跟踪手术工具80的位置。
[0039]当磁性传感器30a_30c检测到来自电磁场22的足够电磁场能量时，其产生指示磁性传感器30a_30c相对于电磁场生成器20的位置的信号。磁性传感器30a_30c通过有线或无线连接向控制单元10传送所述信号或者与所述信号有关的数据。控制单元10接收所述信号或其他位置数据，并且确定磁性传感器30a-30c的位置。控制单元10可以控制电磁场生成器20产生具有已知特性的电磁场。在一些实现方式中，控制单元10使用关于由电磁场生成器20产生的电磁场22的信息,例如关于电磁场22的定时或其他特性的信息，以便确定磁性传感器30a_30c相对于电磁场生成器20的位置。
[0040]控制单元10包括控制模块，其被配置成例如供应电力和控制信号以便调节与控制单元10通信的器件的操作。控制单元10包括用以接收来自传感器和其他系统的信息的输入模块。使用所接收到的信息，控制单元10的处理模块计算仪器30和组织的优选取向以及解剖取向。所述处理模块还计算仪器的当前位置以及与优选取向的差异。控制单元10还包括输出模块，其可以在用户接口 11上指示仪器和组织的优选取向和实际取向。举例来说，用户接口 11可以显示骨盆52和手术工具80的表示，并且可以指示手术工具80相对于骨盆52的位置。
[0041]控制单元10可以使用一个或更多坐标参考系来跟踪方位和取向。举例来说，控制单元10可以相对于全局参考框架来定义位置，所述全局参考框架定义3D空间中的位置。作为补充或替换，控制单元10还可以相对于特定方位或器件来定义位置，例如通过在相对于电磁场生成器20或者例如一个磁性传感器30a_30c之一定义的坐标参考框架中确定位置。可以使用一个或更多变换矩阵来确定不同的参考器件相对于彼此的位置，并且将各个位置从一个坐标参考框架转换到另一个。
[0042]磁性传感器30a_30c、电磁场生成器20和控制单元10可以包括如在WIPO国际
【发明者】梅森·詹姆斯·贝滕加 申请人:史密夫和内修有限公司