专利名称：专家系统跟踪和处理患者的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及患者处理和定位跟踪系统。
背景技术：
在医疗领域，更具体地在外科手术领域，非常需要实时准确显示患者的解 剖学结构，尤其是骨骼解剖学结构。这在例如脊柱外科手术和臀部置换术中成
为问题。迄今为止，已通过使用X射线用计算机辅助断层成像(CAT)扫描实现 了对骨骼解剖学结构的实时定位。这在手术进行过程中提供了可由外科医生査 看的图像，以确定人体骨骼部分是否被处理成准确关系以便得到成功临床结 果。而且，可在手术之前查看通过X射线收集的图像，以制订手术步骤和和计 划结果。
实时确定患者解剖学结构的另 一种方法可在源自SMT公司(Louisville ， CO) 的Flouronav系统中发现。在该系统中，以三维方式获取、储存和绘制患者的X 射线图像。包括以固定标记形式在X射线上显示的基准以实时调整或记录图像。
另一种方法是干涉MRI (磁共振系统)，其中将患者置于MRI内，获取图 像，然后移走患者以允许外科手术。MRI的相继插入和断开使外科医生能够确 定患者解剖学结构的位置。
上述方法虽然大致给出了人体骨骼和患者其它部分的相对位置的指示，但 也存在许多缺点。第一个缺点是扫描系统的体积和成本方面的复杂性和花费。 由于系统成本超过几百万美元，在许多外科手术套件中使用它们是不现实的。 第二个缺点是，在已经是高要求的疗程上又增加了复杂的成像过程。
目前疗程的另一个缺点在于，有经验的外科医生需要在内心想象骨骼解剖 学结构的预期位置以实现成功的临床结果。这种能力只有在进行类似外科手术 的多年实践之后才可能达到。
此外，外科医生使预期临床结果基于多年外科手术的结果。由于建立在实
际进行的外科手术的基础上，这就减慢了技术水平的提高。对于X射线型系统， 许多人建议结合数据库以累积该方面的知识和信息。但是，该类系统采用各种 形式的X射线或MRI，使得连续照射既昂贵且复杂。
因此，本领域需要获得患者解剖学结构的实时空间关系，以及在该观察中 结合该领域中他人基于经验的知识的能力。
发明概述
在本发明的一方面， 一种确定患者身上时间间隔的空间关系的方法包括许 多步骤。这些步骤包括将多个基准设置在患者身上，以及扫描和产生反映这 些基准的相对空间关系的信号。这些信号被储存，随后基准被扫描，并产生反
映基准的当时(then-current)相对空间关系的信号。
在本发明的另一方面，本发明涉及在患者身上确定时间间隔的空间关系的 设备。该设备包括设置在患者身上的多个基准。提供了用于根据基准的相对空 间关系产生信号的装置，并且一装置接收信号并储存相对空间关系，该装置能 有时间间隔地储存相对空间关系。
在本发明的又一方面，提供了患者治疗的计算机辅助方法，该方法包括以 下步骤提供包括患者状况的患者治疗途径的固有历史数据库；接收与选定患 者治疗途径链接的在线链路的数据；接收表示实时患者状况的输入；接收关于 患者治疗途径和状况的咨询数据；以及根据历史数据、在线数据、实时输入及 咨询数据确定患者的特定治疗途径。
在本发明的再一方面，治疗途径基于实时状况而周期性地改变。
在本发明的另一方面，该方法还具有另一步骤将多个基准设置在患者身 上，扫描和产生反映这些基准的相对空间关系的信号以确定实时患者状况。
附图简要说明
图1是带有体现本发明的用于空间关系的系统的患者的示意图。
图2是结合于图1系统中的基准的立体图。
图3是几个椎骨与附连基准的放大视图，显示了一种示例性类型的运动。
图4是示出结合图1的患者治疗设备使用的专家系统的视图。
图5a是图1和图2所示系统在治疗前状况中的过程流程图。
图5b是示出在进行患者治疗时所实施步骤的图1和图2所示系统的过程
流程图。
所选实施方式的描述
为了促进对本发明原理的理解，现在将参考本文所示的实施方式并用具体 的语言来描述这些实施方式。然而，应理解，这并非旨在限制本发明的范围。 可预期本发明相关领域的技术人员通常会进行所述过程、系统或装置中的任何 改变和进一步改进，以及本文所述本发明原理的任何进一步应用。
图1示出了患者12与参考标号IO标示的专家患者治疗系统。患者12被 示为暴露脊柱14以及包括臀关节18的骨盆区域16。根据本发明，多个基准20 被设置在脊柱上。另有多个基准22置于臀关节附近，而其它基准24可用于患 者的其它区域。在文献中，基准被定义为"路线点"或"参考点"。在医疗技 术中，通常基准是固定于患者身体部分、尤其是人体骨骼的各个部分的元件， 这些基准在X射线中尤其高亮，从而使随后的扫描或图片彼此重合。
根据本发明，基准20、 22和24是使它们能以三维格式彼此映射的特定形 式。根据本发明的基准可采取多种形式，但出于说明目的示出了两种主要形式。 第一种形式将基准构想为能够视觉观察诸如LED以确定相对位置。第二种形式 涉及一有源基准，该有源基准通过传感器26、 28、 30和32产生能进行三角测 量的信号，这些传感器产生显示基准相对空间关系的信号并将那些信号传输至 专家系统34，获得能够三角测量的信号。本发明的原理在于，基准被置于患者 身上的战略性位置，例如骨骼解剖学结构，从而可以确定这些基准间的相对空 间关系，以制订治疗途径、调节治疗途径并确定临床成果。在其多种形式中， 所有上述操作都可以在没有昂贵的X射线的情况下进行。由于不具有该增加的 复杂性，因此可更频繁地、甚至在任何患者疗程之后确定相对空间关系。
无论基准是LED还是有源传感器，都可通过传感器26-32确定其相对空间 关系。这些传感器通过光或通过从基准发出的信号三维地确定其相对位置。这 种定位通常通过对特定信号的三角测量来进行。三角测量可通过定边测量进行 (即确定从传感器到基准的距离测量结果)，或通过角度测量进行。角度测量涉
及确定传感器与基准之间的角度，并基于传感器之间的固定尺寸计算基准位 置。这种确定三维测量结果的方法是本领域众所周知的，将不再重复以简化和
集中对本发明的理解。如果基准是LED，则传感器26-32可以是光传感器，而 当基准20-24是RF(射频)发射器时，传感器26-32将是例如无线电方向传感器。
图2示出了图1的患者治疗系统中采用的基准的一个例子。基准20、 22、 24包括基部36，基部36具有螺纹38以适当紧固于患者的骨骼。传感器外壳 40容纳电路和电子元件，以响应于所受能量场产生电信号，通常是射频信号。 六角区段41允许适当工具(未示出)对基准施加扭矩，以将其拧入骨中或从中取 出。传感器外壳40中的电路产生信号，然后该信号被传感器26-32俘获并进行 三角测量以产生反映基准相对位置的信号。
图4示出了可如何利用紧固于脊椎骨的基准20间的关系来表示脊柱侧向 屈伸运动。在该示例中，基准位置将由图4所示的字母标识。
在诸如脊柱侧凸的病症的治疗中，确定脊柱弯曲度以采取适当的校正动 作。基准20可感测腰椎许多范围的运动。这些运动包括确定患者可向前弯 曲程度的前屈运动，确定患者如何侧向弯曲然后伸展运动(即表示相邻椎骨间 的距离增加)的侧屈运动。所有这些范围的运动可通过基准20的适当定位来 确定。然而，为了说明，将参考图4描述侧屈运动。D和E表示的中心线代表 静止时的椎骨位置。！5和M之间存在固定关系。当要求患者侧向弯曲脊柱而 不旋转或倾斜骨盆时，基准D'和E将相对于彼此位移。D'所表示的假想中心线 表示沿图4中垂直方向的运动，D，，表示向右运动，而D，"表示向图的底部运动。 类似地，假想中心线E'，，表示沿图4中垂直方向的运动，E"表示向右运动，E' 表示向图4下部的运动。测量脊柱腰椎区域弯曲期间的运动时，由向量DD" 和EE，，或DE，，和ED，，表示相对侧屈运动。这些测量结果的相对大小可用于以 准确的方式确定脊柱腰椎区域的侧屈运动。与采用体外指示器来表示弯曲量的 过去实践相比，这能够准确得多地确定脊柱的状况。而且，使用根据本发明的 基准提供了成本效率要优异得多且直接得多的方式来确定相对位置。
对于弯曲运动和伸展运动可采用位移的适当定位和确定。利用以下原理 通过选择性地确定关键点而不是X射线扫描整个患者解剖学结构来俘获固定所 需的大多数信息，具有能发射信号的基准的优点是，最初定位后基准可保留在患者体内，用于继续询问和确定位移。
基准的优点在于，可在外科手术之前将其插入患者体内的适当位置，并确 定其相对位置以提供患者的治疗方案。由于基准相对较小，因此外科手术期间 和外科手术之后它们可保留在患者体内以实现所述疗程的临床成果。基准也可 能是可生物降解的，以避免在完成外科手术和证实临床成果后通过外科手术取 出基准的需要。疗程后基准保留在患者体内的优点在于，它提供了确定疗程中 所计划和处理的关系是否继续处于期望位置的直接有效方法。例如，在臀部置 换术中，传感器可确定不应发生的相对运动。
传感器26-32可感测基准20的相对位置。来自传感器26-32的信号被馈送 至图4框图所示的专家系统34。专家系统34包括具有CPU 44和存储器46的 计算机42。该计算机接收来自包括传感器26-32的多个装置和系统的输入。固 有历史数据库48包括空间关系和表示患者治疗方案的其它数据。计算机网络 50将计算机42互连至卫生保健基础设施网络的其它区域。附加输入装置52是 条形码读取器或其它装置和系统的形式，以检测和识别患者疗程所需的各种工
具。显示器54指示由传感器26-32馈送至计算机的数据的空间关系。通过计算 机42与因特网56的附加互连可访问因特网数据库58和咨询建议数据库60。
图4所示的装置和系统可用于实现图5a和图5b所示的专家系统疗程。在 图5a中，患者62具有植入(64)适于所涉及疗程的位置的基准。例如，当疗 程涉及校正像脊柱侧凸的脊柱病症时将基准植入脊柱，如基准20所示。 一旦 基准20处于适当位置，询问基准20以确定基准的空间关系(66)。访问(68) 历史数据库以基于过去临床经验中的相对基准位置，帮助制订患者治疗途径。 除历史数据库48之外，通过访问因特网数据库70可提供对其它患者治疗方法 的访问。此外，在该疗程期间，可访问(72)咨询建议和数据。可利用空间关 系、历史数据库、因特网数据库和咨询数据来制订治疗途径(74)，包括确定 (76)疗程所需工具的步骤。
在图5b中，开始(78)疗程，并再次确定空间关系(80)。然后将时间 间隔的空间关系与图4所示的各数据库作比较(82)。基于对各数据库的访问， 可改变治疗途径(84)。这可涉及再次确定所需工具(86)和确定工具来源(88) 的附加步骤。这可通过图4所示的输入装置52来提供。例如，适合疗程的工
具可通过光学扫描手段进行条形编码和识别。工具和工具来源也可通过其它手 段确定。基于空间关系的再次确定(80)和所需工具中任何需要的改变，完成
疗程(90)并再次确定空间关系(92)。访问(多个)数据库(94)的附加步 骤使得能够与所制订的患者治疗途径基准位置进行比较，并实际确定临床成果 (96)。
虽然在附图和上述说明中详细显示和描述了本发明，但这些内容应被视为 .是示例性而非限制性的，应该理解仅示出和描述了优选的实施方式，且期望落 入本发明精神范围内的所有改变和改进都得到保护。
权利要求
1.一种确定患者身上的时间间隔的空间关系的方法，所述方法包括以下步骤将多个基准设置在所述患者身上，扫描和产生反映所述基准的相对空间关系的信号，储存所述信号，和随后扫描和产生反映所述基准当时的相对空间关系的信号。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述患者是外科手术患者，并 且所述扫描和产生反映所述基准的相对空间关系的信号的步骤是在手术之前 进行的，所述方法还包括以下步骤处理患者以使所述基准的空间关系与预定 的空间关系同步。
3. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，用于扫描和产生信号的所述基 准的空间关系是三维的。
4. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，外科手术后扫描所述基准和产 生一信号。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述基准与预定的临床成果 相对空间关系作比较。
6. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述基准置于患者的骨骼解剖 学结构上。
7. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，通过视觉观察所述基准来扫描 所述基准和产生所述信号。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基准是LED发射器，并且所述扫描和信号发生使用数字照相机来实现。
9. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述基准发射信号，并且所述 扫描和信号发生利用所述基准发出的信号来实现。
10. —种确定患者身上的时间间隔的相对空间关系的设备，所述设备包括-设置在所述患者身上的多个基准， 用于根据所述基准的相对空间关系产生信号的装置， 接收所述信号和储存所述空间关系的装置，所述装置能够时间间隔地储存 所述空间关系。
11. 如权利要求IO所述的设备，其特征在于，所述信号接收装置储存所述 基准的预定相对空间关系并将实际位置与预定位置作比较。
12. 如权利要求IO所述的设备，其特征在于，所述预定相对空间关系反映 成功的临床结果。
13. 如权利要求IO所述的设备，其特征在于，所述用于产生信号的装置和用于接收所述信号的装置在外科手术过程之前、期间和之后中的至少一个时确 定空间关系。
14. 如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述用于产生信号的装置和 用于接收所述信号的装置确定在外科手术过程之前或期间的空间关系。
15. 如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述用于产生信号的装置和 用于接收所述信号的装置确定在外科手术过程之前、期间和之后所述基准的相 对空间关系。
16. 如权利要求IO所述的设备，其特征在于，所述基准置于所述患者的骨 骼解剖学结构上。
17. 如权利要求IO所述的设备，其特征在于，所述患者是外科手术患者。
18. 如权利要求IO所述的设备，其特征在于，所述基准是光发射装置，并 且所述信号发生装置响应于所述LED装置的位置产生信号。
19. 如权利要求IO所述的设备，其特征在于，所述基准发射信号，且所述 信号发生装置对所述信号作出响应，用于确定所述基准的空间关系。
20. 如权利要求19所述的设备，其特征在于，所述基准对能量场的出现作 出响应而产生信号，且其中所述信号发生装置将能量施加于所述基准以产生所 述信号。
21. 如权利要求20所述的设备，其特征在于，所述信号发生装置通过三角 测量确定所述基准的位置以产生所述信号。
22. —种患者治疗的计算机辅助方法，所述方法包括以下步骤-. 提供包括患者状况的患者治疗途径的固有历史数据库； 在与选定患者治疗途径的在线链路上接收数据；接收表示实时患者状况的输入； 接收关于患者治疗途径和状况的咨询数据；和根据历史数据、在线数据、实时输入及咨询数据确定所述患者的特定治疗 途径。
23. 如权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤将实时患 者状况添加到所述固有历史数据库中。
24. 如权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤周期性地 确定实时患者状态和根据所述数据和实时状况确定所述患者的经改变治疗途 径。
25. 如权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括过滤咨询数据的步骤。
26. 如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述过滤步骤包括对所述咨 询数据的定性测量。
27. 如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述患者治疗途径的固有历 史数据库是预测的治疗途径。
28. 如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述治疗途径基于实时患者 状况周期性地改变。
29. 如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述治疗途径根据或然性治 疗途径产生。
30. 如权利要求28所述的方法，其特征在于，还包括提供用于治疗所述患 者的工具识别的步骤。
31. 如权利要求30所述的方法，其特征在于，标记设置在所述工具上，且 所述方法还包括基于工具上的标记指示适当工具的步骤。
32. 如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述识别所需工具的步骤是 通过在线链路进行的。
33. 如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述确定患者状况的步骤包 括将多个基准设置到所述患者身上，以及扫描和产生反映所述基准的相对空间 关系的信号。
全文摘要
一种跟踪和处理患者骨骼解剖学结构的系统和方法。将多个基准(20)设置到患者(12)的骨骼解剖学结构上。在外科手术过程之前、期间和之后扫描基准的相对空间关系并产生信号。根据预定的相对空间关系处理患者，以提供成功的临床结果。基准(20)可以是能够光学观察的LED装置，或是能提供三维空间关系的信号发射装置。专家系统能将该相对空间关系与历史、健康保健基础实施和因特网数据库进行比较，以制订和确定患者疗程的临床成果。
文档编号G06F19/00GK101198958SQ200580038185
公开日2008年6月11日 申请日期2005年11月10日 优先权日2005年11月10日
发明者M·M·莫里森 申请人:华沙整形外科股份有限公司