專利名稱：用于規(guī)劃/引導(dǎo)對骨骼的改變的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，并且更具體地涉及用于在計算機輔助外科 手術(shù)過程中跟蹤或定位外科手術(shù)工具的器械。
背景技術(shù)：
對外科手術(shù)器械或工具的跟蹤是計算機輔助外科手術(shù)(以下稱為CAS)的必要部 分。對工具進行位置和/或方向的跟蹤，從而獲得關(guān)于身體部分的信息。然后將該信息用 于對身體的各種介入(例如整形外科手術(shù)、神經(jīng)外科手術(shù))，諸如外科手術(shù)中的骨骼改變、 植入物定位、切割等。跟蹤系統(tǒng)可以使用不同技術(shù)，例如機械的、聲學(xué)的、磁學(xué)的、光學(xué)的以及RF跟蹤。 根據(jù)所用的技術(shù)，將不同類型的可跟蹤參考物永久地或暫時地固定到需要被跟蹤的物體 上。例如，在全膝置換(TKR)外科手術(shù)中，將可跟蹤參考物固定到肢體以及不同的外科手術(shù) 器械上，并且通過跟蹤系統(tǒng)來跟蹤這些可跟蹤參考物。CAS系統(tǒng)計算與跟蹤相關(guān)的位置和方 向數(shù)據(jù)，外科醫(yī)生使用由計算機顯示的信息來顯現(xiàn)所操縱的器械相對于肢體的位置，或以 數(shù)值形式對其進行顯示。通常使用兩種類型的跟蹤系統(tǒng)。有源跟蹤系統(tǒng)提供作為要被跟蹤的工具上的可跟 蹤參考物的發(fā)射器，該發(fā)射器發(fā)射信號，而信號由CAS系統(tǒng)的處理器接收，根據(jù)所接收的信 號，所述處理器將計算所述工具的位置和/或方向。例如通過電線連接到CAS系統(tǒng)或通過 提供獨立的電源，對有源跟蹤系統(tǒng)的發(fā)射器供電，從而發(fā)射信號。無源跟蹤系統(tǒng)不在所述工具上提供作為可跟蹤參考物的有源發(fā)射器。與無源跟蹤 相關(guān)的CAS系統(tǒng)具有用于視覺地檢測工具上的光學(xué)元件的光學(xué)傳感器設(shè)備。光學(xué)元件是無 源的，因此沒有與其關(guān)聯(lián)的電源。為了獲得位置和/或方向的值，光學(xué)元件必須在光學(xué)傳感器設(shè)備的視線內(nèi)。相應(yīng) 地，對于無源跟蹤系統(tǒng)，基于光學(xué)傳感器設(shè)備和光學(xué)元件之間所要求的可見度，在給定方向 進行外科手術(shù)。當(dāng)前使用的可跟蹤參考物不論是有源的還是無源的，都具有與所用技術(shù)相對應(yīng)的 顯著尺寸。對于電磁系統(tǒng)，外殼經(jīng)電線連接至CAS系統(tǒng)并且固定到器械或患者。對于光學(xué) 系統(tǒng)，可跟蹤參考物通常包括至少三個光學(xué)元件，以便提供六個自由度(DOF)。例如，光學(xué)元 件是電線連接至CAS系統(tǒng)并且形成非等邊三角形的光源。光源可以單獨固定或安裝在基座 上。在該第二構(gòu)造中，組件是較大的并且容易引起阻礙的。作為選擇，可以使用無源反射器球或片來代替光源，并且使用光源對其進行照明 (以紅外光譜)。
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在選擇跟蹤系統(tǒng)的類型時，必須考慮一些因素對于有源可跟蹤參考物，在消毒的 區(qū)域中存在電線；在使用光學(xué)跟蹤時導(dǎo)航所需要的視線；為了在外科手術(shù)中實現(xiàn)所需要的 精度所需的可跟蹤參考物的尺寸；外科醫(yī)生對于在計算機屏幕上顯現(xiàn)外科手術(shù)中的對準(zhǔn)信 息的需要；外科醫(yī)生對于數(shù)字化骨骼上的標(biāo)記以建立坐標(biāo)系的需要；由于當(dāng)前光學(xué)或射頻 傳感器的體積而造成的將其集成在一次性器械(諸如切割引導(dǎo)體)中的難度。電磁跟蹤裝 置受到由傳統(tǒng)整形外科器械引入的變形的影響，所述變形可能難于檢測并且可能導(dǎo)致精度 的損失。這些跟蹤裝置用作總的數(shù)據(jù)輸入裝置，將患者或者外科手術(shù)器械上的點數(shù)字化，以 計算在CAS中所需要的面、點到點的距離、平面角、平面距離等。當(dāng)前在整形外科CAS中沒有使用自由度小于6的另選小型化技術(shù)，但仍舊提供安 裝整形外科植入物所需的關(guān)鍵信息?？梢詫⑦@種技術(shù)直接結(jié)合到器械中，由此減少對外部 跟蹤系統(tǒng)的需要，從而增強易用性。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本申請的目的在于提供用于規(guī)劃/引導(dǎo)對骨骼的改變的方法和系統(tǒng)，其解 決了與現(xiàn)有技術(shù)的相關(guān)的問題。因此，根據(jù)第一實施例，提供了一種用于在外科手術(shù)中規(guī)劃/引導(dǎo)對骨骼的改變 的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，包括適于固定到骨骼上的可跟蹤元件，所述可跟蹤元件具有 第一慣性傳感器單元，所述第一慣性傳感器單元產(chǎn)生可跟蹤元件的方向中至少兩個自由度 的基于方向的數(shù)據(jù)；適于固定至骨骼的定位塊，在將定位塊固定至骨骼上后，至少定位塊的 方向是可調(diào)整的，以便達到所選方向，在骨骼變化時使用所述定位塊在所選方向上引導(dǎo)所 述工具，所述定位塊具有第二慣性傳感器單元，所述第二慣性傳感器單元產(chǎn)生所述定位塊 的方向中至少兩個自由度的基于方向的數(shù)據(jù)；提供骨骼和可跟蹤元件之間的方向基準(zhǔn)的處 理系統(tǒng)，其包括用于從基于方向的數(shù)據(jù)確定可跟蹤元件和定位塊的方向的信號解澤器； 以及參數(shù)計算器，其用于根據(jù)方向基準(zhǔn)和定位塊的方向，計算與定位塊相時于骨骼的實際 方向有關(guān)的改變參數(shù)。另外根據(jù)第一實施例，方向基堆是包含骨骼的機械軸的平面。另外根據(jù)第一實施例，骨骼是脛骨，并且所述系統(tǒng)還包括適于抵靠著脛骨前頂部 定向的軸數(shù)字化元件；具有第三慣性傳感器單元的軸數(shù)字化元件，所述第三慣性傳感器單 元產(chǎn)生基于方向的數(shù)據(jù)，處理系統(tǒng)使用所述基于方向的數(shù)據(jù)在所述軸數(shù)字化元件抵靠著前 頂部時至少限定脛骨的機械軸。另外根據(jù)第一實施例，骨骼是脛骨，并且所述系統(tǒng)還具有適于固定至脛骨的軸數(shù) 字化元件，所述軸數(shù)字化元件具有對準(zhǔn)棒，所述對準(zhǔn)棒與中間第三個脛骨節(jié)的前頂部、第二 跎骨、脛骨平頂中心和踝關(guān)節(jié)中心中的至少一個對準(zhǔn)；所述軸數(shù)字化元件具有第三慣性傳 感器單元，所述第三慣性傳感器單元產(chǎn)生基于方向的數(shù)據(jù)，所述處理系統(tǒng)使用所述基于方 向的數(shù)據(jù)至少限定脛骨的機械軸。另外根據(jù)第一實施例，骨骼是股骨，所述系統(tǒng)還包括適于在機械軸的接入點固定 至股骨的軸數(shù)字化元件，所述軸數(shù)字化元件具有第三慣性傳感器單元，所述第三慣性傳感 器單元至少產(chǎn)生基于方向的數(shù)據(jù)，所述處理系統(tǒng)使用所述基于方向的數(shù)據(jù)來限定股骨的機 械軸。
另外根據(jù)第一實施例，將定位塊以與骨骼的前后軸對準(zhǔn)的方式固定至骨骼上。另外根據(jù)第一實施例，定位塊在骨骼和第二慣性傳感器單元之間具有接頭，使得 改變參數(shù)是所改變骨骼的內(nèi)翻_外翻，和所改變骨骼的彎曲_舒展。另外根據(jù)第一實施例，將球形把手置于設(shè)置在定位塊的接頭上，用于調(diào)整改變參 數(shù)。另外根據(jù)第一實施例，所述處理系統(tǒng)安裝在可跟蹤元件和定位塊的任一個上。另外根據(jù)第一實施例，可跟蹤元件設(shè)置在固定至骨骼的定位塊的一部分上。根據(jù)第二實施例，提供了一種用于規(guī)劃/引導(dǎo)對骨骼的改變的方法，包括提供固 定至骨骼的可跟蹤元件，所述可跟蹤元件具有第一慣性傳感器，所述第一慣性傳感器產(chǎn)生 可跟蹤元件的方向中至少兩個自由度的基于方向的數(shù)據(jù)；提供固定至骨骼的定位塊，所述 定位塊具有慣性傳感器單元，所述慣性傳感器單元產(chǎn)生所述定位塊的方向中至少兩個自由 度的基于方向的數(shù)據(jù)，定位塊的方向可以相對于骨骼調(diào)整；至少從可跟蹤元件的基于方向 的數(shù)據(jù)確定骨骼的方向基準(zhǔn)；以及根據(jù)關(guān)于骨骼的方向基堆的所述定位塊的基于方向的數(shù) 據(jù)計算骨骼改變參數(shù)。另外根據(jù)第二實施例，提供固定至骨骼的可跟蹤元件包括將可跟蹤元件置于固定 至骨骼的定位塊的一部分上，以此同時提供可跟蹤元件和定位塊。另外根據(jù)第二實施例，確定骨骼的方向基堆包括數(shù)字化與骨骼的機械軸對準(zhǔn)的坐 標(biāo)系。另外根據(jù)第二實施例，骨骼是脛骨，并且數(shù)字化包含機械軸的平面包括相對于可 跟蹤元件的方向在脛骨上跟蹤工具的方向。另外根據(jù)第二實施例，骨骼是股骨，并且數(shù)字化機械軸包括至少相對于可跟蹤元 件的方向來跟蹤固定至機械軸的接入點的工具的方向。另外根據(jù)第二實施例，提供固定至骨骼的定位塊包括提供定位塊，并且其中計算 骨骼改變參數(shù)包括計算骨骼內(nèi)翻-外翻和彎曲-伸展以及平面旋轉(zhuǎn)中的至少一個。另外根據(jù)第二實施例，提供固定至骨骼的定位塊包括提供與骨骼的前后軸對準(zhǔn)的 定位塊，并且其中計算骨骼改變參數(shù)包括計算骨骼的內(nèi)翻_外翻和彎曲_伸展以及平面旋 轉(zhuǎn)中的至少一個。另外根據(jù)第二實施例，所述方法還包括根據(jù)方向基準(zhǔn)利用定位塊和具有慣性傳感 器單元的器械中的至少一個的方向來計算切割平面的方向，所述定位塊和所述器械置于骨 骼的切割表面上。另外根據(jù)第二實施例，所述方法還包括根據(jù)對定位塊的跟蹤和對方向基準(zhǔn)的跟蹤 來調(diào)整定位塊的方向。另外根據(jù)第二實施例，調(diào)整方向包括調(diào)整定位塊相對于骨骼的內(nèi)翻-外翻方向和 彎曲/伸展方向以及旋轉(zhuǎn)中的至少一個。根據(jù)第三實施例，提供用于確定目標(biāo)尺度的測徑器，其包括具有已知基座長度的 基座；樞轉(zhuǎn)地安裝在基座端部的臂，每個臂都具有已知的臂長度，并且每個臂具有用于識別 要測量的目標(biāo)的限制點的自由端；至少固定至臂上的慣性傳感器單元，所述慣性傳感器單 元產(chǎn)生與臂和基座所處的平面中臂的方向的至少一個自由度有關(guān)的方向數(shù)據(jù)；由此根據(jù)已 知的基座長度和臂長度以及臂的方向數(shù)據(jù)來計算限制點之間的尺寸。


圖1是根據(jù)實施例的可跟蹤CAS通用定位塊的分解透視圖；圖2是圖1的通用定位塊的前視圖；圖3是用于將圖2的通用定位塊固定到骨骼部分上的多軸安裝螺桿元件的側(cè)視 圖；圖4A是安裝到股骨上的圖1的通用定位塊的側(cè)視圖；圖4B是安裝到股骨上并且定位體接近布置使其鄰接股骨的圖1的通用定位塊的 側(cè)視圖；圖5是示出了根據(jù)本公開的實施例的用于在計算機輔助外科手術(shù)中規(guī)劃/引導(dǎo)對 骨骼的改變的方法的流程圖；圖6是示出了根據(jù)本公開的另一實施例的用于規(guī)劃/引導(dǎo)對骨骼的改變的計算機 輔助外科手術(shù)系統(tǒng)的框圖；圖7是根據(jù)本公開的另一實施例的測徑器的示意圖；圖8是根據(jù)第一實施例、在本申請的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)中使用的軸數(shù)字化 裝置的透視圖；圖9是根據(jù)本申請的另一實施例的定位塊的透視圖；圖10是安裝到骨骼上的圖9定位塊的透視圖；圖11是根據(jù)另一實施例、在本申請的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)中使用的軸數(shù)字 化裝置的透視圖；圖12是具有固定至脛骨的跟蹤元件的定位塊的透視圖；圖13是從另一個點觀察的圖12的具有跟蹤元件的定位塊的透視圖；圖14是根據(jù)本申請的另一個實施例的跟蹤元件和股骨上釘狀跟蹤元件的透視 圖；圖15是支持切割引導(dǎo)體的釘狀跟蹤元件的透視圖；圖16是與跟蹤元件有關(guān)的切割引導(dǎo)體的透視圖；以及圖17是附到股骨上的切割引導(dǎo)體的透視圖。
具體實施例方式參考圖5，以1總體示出一種用于規(guī)劃/引導(dǎo)對骨骼的改變的方法。例如，鑒于將 膝關(guān)節(jié)植入物安裝在股骨和/或脛骨上，使用方法1在膝蓋置換外科手術(shù)中后續(xù)改變骨骼。同時參考圖5和6，方法1使用定位塊10 (即導(dǎo)航切割塊)，諸如由當(dāng)前受讓人在 美國專利公開No. 2008/0065084和美國專利公開No. 2004/0039396中定義的定位塊。這兩 篇文獻的主題通過引用包含于此。在這兩篇文獻中，定位塊設(shè)置有光學(xué)跟蹤器元件，所述光 學(xué)跟蹤器元件被視覺跟蹤，從而充當(dāng)用于后續(xù)對骨骼的改變的引導(dǎo)。本申請的特征在于具有基于慣性跟蹤線路的跟蹤元件(以下稱為慣性傳感器) 代替了光學(xué)跟蹤器元件。跟蹤線路的特征在于例如在定位塊中由微機電傳感器(MEMS)、陀 螺儀、加速計或其它類型的傳感器(電解傾斜傳感器、羅盤)來檢測方向改變，而不是電磁 (EM)發(fā)射器/接收器線圈或可光學(xué)檢測的元件進行檢測。在一個實施例中，傳感器與定位
7塊上的嵌入處理器連接。在其它可能的情況下，考慮下面的傳感器直角或半直角構(gòu)造的三 軸陀螺式傳感器和直角或半直角構(gòu)造的三軸加速計傳感器。用于計算切割塊和骨骼之間角 度的方法不同于傳統(tǒng)的跟蹤系統(tǒng)平面信息和可選的位置信息從MEMS裝置直接獲得，而不 是必須從光學(xué)跟蹤數(shù)據(jù)中計算該信息。換言之，慣性傳感器提供至少兩個方向自由度，并且 可選地上至三個位置自由度。作為示例，參考圖1，通用定位塊組件10的實施例大致包括切割工具引導(dǎo)元件或 引導(dǎo)體元件12，安裝元件14和MEMS跟蹤線路C。主引導(dǎo)體12包括大中間孔18，用于將安 裝元件14容納于其內(nèi)。引導(dǎo)體12包括切割引導(dǎo)表面，諸如兩個引導(dǎo)鉆孔36，其延伸通過引 導(dǎo)體12。引導(dǎo)體12還包括用于接合到切割引導(dǎo)體的部件，其包括例如一對具有栓孔40的 安裝末端38，其布置在引導(dǎo)體的頂部，允許與例如另一個鉆/切割引導(dǎo)塊接合。安裝元件14包括具有閉鎖接收安裝部件24的平移機構(gòu)，其在布置于安裝元件主 體20內(nèi)的中央引導(dǎo)槽22內(nèi)滑動。閉鎖安裝部件24包括半球形碗部26，其在所述閉鎖安裝 部件24的底部具有通孔。閉鎖安裝部件24通過無頭螺桿28相對安裝元件主體20布置， 所述無頭螺桿與閉鎖安裝部件接合并且延伸通過安裝元件主體20中的內(nèi)螺紋孔32。平移 螺桿28由螺桿頭30來制動，使得螺桿頭30的旋轉(zhuǎn)致使閉鎖安裝部件24在中央引導(dǎo)槽22 內(nèi)平移。移動或上升螺桿28能夠讓整個定位塊，例如當(dāng)與股骨遠(yuǎn)端接合時沿前后軸升高或 降低。另外，整個安裝元件14在引導(dǎo)體12的中央孔18內(nèi)滑動，基本允許在定位塊接合股 骨遠(yuǎn)端時引導(dǎo)體沿著近端_遠(yuǎn)端軸布置。摩擦鎖定螺桿34延伸通過引導(dǎo)體的側(cè)面并且接 合安裝元件14，使得其可以保持在相對于引導(dǎo)體12的選定位置中。如在圖3中最清楚地示出，多軸安裝螺桿25用于將通用定位塊10安裝到骨骼上。 多軸螺桿25通常包括在外側(cè)具有螺紋的主螺桿體29，肩部27和具有多個整體形成的單獨 花瓣狀部件33的球形螺桿頭31。中央圓錐螺桿35通過螺桿頭的中心插入，并且當(dāng)接合在 其中時，促使花瓣狀部件33向外，由此使它們壓靠閉鎖安裝部件24的半球形表面26。從 而，其將閉鎖安裝部件24固定在球形多軸螺桿頭31上的合適位置不動，使其安裝在其上的 合適位置處。花瓣狀部件33是稍微可彈性偏轉(zhuǎn)的，并且多軸螺桿頭31的尺寸使得當(dāng)將閉 鎖安裝部件下壓突起以及接合螺桿頭時，能促使花瓣狀部件略微沿徑向向內(nèi)。這樣確保一 旦扣入合適位置，閉鎖安裝部件24，以及隨后整個定位塊組件可以以三個旋轉(zhuǎn)自由度繞多 軸螺桿頭自由旋轉(zhuǎn)。一旦定位塊在期望位置對準(zhǔn)，位于多軸螺桿頭31中心的錐形螺桿35 被拉緊，由此將引導(dǎo)塊組件轉(zhuǎn)動固定在多軸安裝螺桿25上的合適位置。當(dāng)在此使用術(shù)語多 軸螺桿時，應(yīng)當(dāng)理解的是其優(yōu)選包括具有大致球形頭的螺桿。球形頭允許在具有接收槽的 元件與多軸螺桿的球頭接合時產(chǎn)生球和槽類型的接頭。優(yōu)選但并非必需地，球形頭包括單 獨的花瓣狀部件，所述花瓣狀部件可通過中央錐形螺桿移位，從而提供鎖定機構(gòu)。將具有接 收槽的元件鎖定在螺桿頭上所選位置處的其它機構(gòu)都是同等可能的。如下文中所描述的，將具有MEMS的定位塊10與另一個MEMS跟蹤器元件10’結(jié)合 使用，所述另一個MEMS跟蹤器元件10’執(zhí)行骨骼B的動態(tài)跟蹤。MEMS跟蹤器元件10’直接 固定在骨骼B (或軟組織)上，從而與骨骼B具有固定關(guān)系。在例如圖12和13所述的另一個實施例中，以獨立的方式來使用具有MEMS的定位 塊10，其中由附在骨骼上的定位塊來直接確定下文所述的機械軸測量值或其部分，代替跟 蹤元件10’的使用，所述跟蹤元件10’可以存在或者不存在于該實施例中。跟蹤線路(與
8跟蹤元件10’等同)設(shè)置在定位塊的固定部分(即固定到骨骼上)和定位塊的可移動部分 上。一旦確定機械軸測量值，之后將使用定位塊執(zhí)行規(guī)劃的骨骼切割，如下面進一步所述 的。因此，當(dāng)定位塊10固定至骨骼上時，安裝固定至骨骼上的MEMS和定位塊10的可移動 部分的MEMS?，F(xiàn)在，定義MEMS定位塊10和MEMS跟蹤器元件10’，參考圖5，對用于在膝蓋處對 股骨進行規(guī)劃改變的方法1進行描述。根據(jù)該方法的步驟2，MEMS跟蹤器元件10’固定至股骨。根據(jù)該方法的步驟3，對股骨的至少一個軸進行數(shù)字化。對于股骨，例如軸是穿過 股骨頭的中心和膝蓋處骨節(jié)之間的中點的機械軸。該軸還可以是骨骼的旋轉(zhuǎn)軸，沿著中間 橫向或前后向指向。為了數(shù)字化機械軸，股骨繞其機械軸旋轉(zhuǎn)，并且由股骨上的MEMS跟蹤元件10’對 移動進行感測。通過由固定至股骨上的MEMS跟蹤器元件10’采集的感測數(shù)據(jù)，計算機輔助 外科手術(shù)系統(tǒng)數(shù)字化股骨的機械軸并且通過從可跟蹤元件10’感測數(shù)據(jù)來跟跟機械軸。對于股骨的機械軸的數(shù)字化，可以考慮各種方法。根據(jù)第一實施例，將附加的跟蹤元件在機械軸的接入點暫時固定至股骨上。根據(jù) 患者的重量，患者的骨盆被認(rèn)為是處于固定的空間位置和方向。機械軸接入點處的跟蹤元 件(也稱為釘狀跟蹤元件)采用配備有提供六個自由度的跟蹤數(shù)據(jù)的跟蹤線路的類型。對 于接入點處的跟蹤元件，進行繞骨盆中的股骨的旋轉(zhuǎn)中心的給定移動(如以手動的方式)。 這種移動可以是連續(xù)的，或可分解為多段位移，在它們之間具有穩(wěn)定的位置。由給定移動產(chǎn) 生的跟蹤數(shù)據(jù)用于計算股骨旋轉(zhuǎn)中心的位置和方向。然后將機械軸定義為穿過旋轉(zhuǎn)中心和 接入點(即釘狀跟蹤元件)。將機械軸的方向轉(zhuǎn)化到跟蹤元件10’。然后可移除釘狀跟蹤 元件，MEMS跟蹤元件10’保持在股骨上，用于隨后跟蹤股骨的機械軸。參照圖14，作為在釘狀跟蹤元件中具有MEMS單元的另選方案，剛性鏈接50可以置 于釘狀件51和跟蹤元件10’之間。在這種情況下，剛性鏈接50的幾何結(jié)構(gòu)是已知的，使得 釘狀件51的方向可以根據(jù)來自跟蹤元件10’的跟蹤數(shù)據(jù)計算。一旦股骨的機械軸的方向 已知，并且轉(zhuǎn)化到跟蹤元件10’，則剛性鏈接50和釘狀件51可以從股骨移除。作為選擇，釘狀件51可以用作對多軸螺桿的替代，切割引導(dǎo)塊10將錨定在所述多 軸螺桿上。由于釘狀件51/51’的方向以及位置(可能)是已知的，切割引導(dǎo)塊10的方向 可以根據(jù)對跟蹤元件10’的跟蹤已知。參照圖16，當(dāng)切割引導(dǎo)塊10保持處于適當(dāng)位置時， 可以移除釘狀件51’。在第二實施例中，釘狀跟蹤元件具有跟蹤線路，所述跟蹤線路產(chǎn)生至少兩個自由 度的跟蹤數(shù)據(jù)和沿著三個正交軸的線性加速度。將釘狀跟蹤元件51’(圖15)定位在股骨 上的機械軸的接入點處。為了找到旋轉(zhuǎn)中心，針對股骨相對于不可移動的骨盆的遠(yuǎn)端部分， 根據(jù)手動或約束軌跡來進行加速移動。該軌跡可以是球形的、直線的或其它任何合適圖案。 然后可以根據(jù)所跟蹤的股骨的加速度和/或方向來計算機械軸的方向。一旦已知機械軸的 方向，將機械軸的方向轉(zhuǎn)化到跟蹤元件10’并且將釘狀跟蹤元件移除，對跟蹤元件10’進行 跟蹤，從而跟隨股骨的機械軸的方向。作為對在釘狀跟蹤元件中具有MEMS單元的替代，將 剛性鏈接置于釘狀件和跟蹤元件10’之間，如圖14所示。在這種情況下，剛性鏈接的幾何 結(jié)構(gòu)是已知的，使得釘狀件的方向可根據(jù)來自跟蹤元件10’的跟蹤數(shù)據(jù)計算。一旦已知股骨的機械軸的方向，并且轉(zhuǎn)化到跟蹤元件10’，可以將剛性鏈接和釘狀件從股骨移除。在另一實施例中，三軸力傳感器定位在股骨的機械軸的接入點處。將力施加到三 軸力傳感器，該力可以由三軸力傳感器來進行測量。力的測量使得能夠進行股骨的機械軸 方向的計算。然后可以移除力傳感器，由此跟蹤元件10’跟蹤機械軸的方向。在另一實施例中，使用跟蹤元件10’，以及通過將股骨固定在其股骨旋轉(zhuǎn)中心和機 械軸的接入點處來確定機械軸的方向。然后圍繞這兩個固定點進行旋轉(zhuǎn)，因此該旋轉(zhuǎn)圍繞 股骨的機械軸。隨著跟蹤元件10’的方向的變化，相對于跟蹤元件10’，從跟蹤數(shù)據(jù)計算機 械軸的方向。上面參照股骨的機械軸的接入點。已知機械軸的接入點處于膝蓋內(nèi)髁槽區(qū)域上方 的凹槽中。作為選擇，考慮使用模版將接入點與膝蓋處股骨中橫軸的中心對準(zhǔn)。可考慮各種方法用于對于股骨的旋轉(zhuǎn)軸進行數(shù)字化。根據(jù)第一實施例，可以借助于軸數(shù)字化裝置來確定骨骼的旋轉(zhuǎn)軸。釘狀跟蹤元件 51/51’配備有兩個平整表面，所述兩個平整表面當(dāng)釘狀跟蹤元件51/51’在機械軸的接入點 處插入時同時置于兩個后骨節(jié)的下方。軸數(shù)字化裝置可以與骨骼標(biāo)記視覺或機械地對準(zhǔn)。在第二實施例中，膝關(guān)節(jié)以彎曲和伸展運動的方式來進行移動。這種運動可以是 連續(xù)地，或可分解成多個位移，在所述位移之間具有穩(wěn)定的位置。根據(jù)所跟蹤的脛骨和股骨 的跟蹤元件10’的方向，可以確定股骨的旋轉(zhuǎn)軸的方向。在另一實施例中，膝蓋以90度的彎曲來定位。根據(jù)脛骨和股骨的跟蹤元件10’的 方向，以及之前數(shù)字化的脛骨的機械軸，可以計算股骨的旋轉(zhuǎn)軸。在另一實施例中，腿定位成完全伸展，使得股骨和脛骨的旋轉(zhuǎn)軸對準(zhǔn)。根據(jù)這兩個 骨骼的跟蹤元件的方向，以及之前數(shù)字化的脛骨的旋轉(zhuǎn)軸，可以計算股骨的旋轉(zhuǎn)軸。通過旋轉(zhuǎn)軸和機械軸，包含機械軸的平面被獲知。該數(shù)據(jù)用作對于后續(xù)參數(shù)計算 的方向基準(zhǔn)。根據(jù)步驟4，接著將定位塊10在骨節(jié)之間的中心點處固定到股骨上，如在美國專 利公開No. 2008/0065084以及美國專利公開No. 2004/0039396中所述的。在步驟3之前， 可以將定位塊10安裝在股骨上?？梢允褂闷渌Y(jié)構(gòu)的定位塊，諸如在圖9和10以及圖12 和13中所示的，并且在下文中作進一步的描述?？梢钥紤]將跟蹤元件10’置于定位塊10 的固定部分上。要指出的是，如上所述當(dāng)定位塊在其固定部分和可移動部分上都具有MEMS時，該 方法的步驟2和3是步驟4的一部分。更具體而言，當(dāng)定位塊固定到骨骼上時，MEMS固定 到骨骼上(即步驟2)，給兩個MEMS同時提供方向數(shù)據(jù)。根據(jù)步驟5，關(guān)于機械軸校準(zhǔn)定位塊10。更具體而言，定位塊10限定用于在切除 骨骼時引導(dǎo)操作者的平面，并且這些平面相對于機械軸對準(zhǔn)?？梢源_認(rèn)機械軸的方向。可 以通過將確認(rèn)工具(未示出)應(yīng)用到遠(yuǎn)端股骨的后骨節(jié)上來使用確認(rèn)工具。跟蹤相對于跟 蹤元件10’圍繞后骨節(jié)的旋轉(zhuǎn)，并且當(dāng)在股骨上進行遠(yuǎn)端切割時將其用作旋轉(zhuǎn)信息。圖4A和4B示出了通過多軸螺桿25安裝到股骨39遠(yuǎn)端的通用定位塊組件10。通 用定位塊10的移動度允許在某些外科手術(shù)(諸如整個膝蓋置換外科手術(shù))中使用顯著簡 化的外科手術(shù)步驟。如圖4A和圖5的步驟4所示的，優(yōu)選地，使用多軸螺桿25將定位塊10 緊固到骨骼B上，所述多軸螺桿25首先在股骨遠(yuǎn)端處與機械軸的接入點對準(zhǔn)，并且引入其
10內(nèi)直到其肩部27接觸到骨骼。如圖1和2最清楚示出的，通用定位塊10的閉鎖安裝部件 24卡在多軸螺桿的頭31上。如之前所提及的，為了降低過程的侵入性，跟蹤元件10’和定 位塊10可以是互連的。跟蹤元件10’將處于定位塊10’的固定部分上。根據(jù)該實施例，不 需要多軸螺桿?？紤]使用上述的確認(rèn)工具來將定位塊與后骨節(jié)對準(zhǔn)。還考慮對準(zhǔn)定位塊10，從而 將定位塊10與股骨的前后軸對準(zhǔn)。更具體而言，股骨的前后軸可在膝蓋處由前點和后點視 覺識別，即由滑車槽(白邊線)視覺識別，或可選擇地，前后軸可以與垂直于兩個后骨節(jié)的 平面對準(zhǔn)。因此，當(dāng)定位塊10固定到股骨上時，通過前后軸的對準(zhǔn)，定位塊相對于股骨的方 向的調(diào)整受限于彎曲/伸展以及內(nèi)翻-外翻，它們可以是彼此獨立調(diào)整的。定位塊10還可 以相對于關(guān)于前后軸或后骨節(jié)的轉(zhuǎn)動定位。根據(jù)步驟6，根據(jù)要在股骨上進行的改變，對定位塊10的方向進行手動調(diào)整。例 如，定位塊10上的各種螺桿用于調(diào)整塊的方向，作為定位塊10在骨骼上的方向的前期校準(zhǔn) 的結(jié)果，內(nèi)翻/外翻以及彎曲/伸展被彼此獨立地調(diào)整(步驟5)。步驟6是確定定位塊10的期望位置，或確定其一部分(諸如引導(dǎo)體12上的基準(zhǔn)表 面45)的期望位置，這是由CAS系統(tǒng)本身完成的，外科醫(yī)生使用CAS系統(tǒng)作為引導(dǎo)完成的， 或由外科醫(yī)生單獨完成的，從而確定定位塊10要移入的最終位置，使得可以在骨骼部分的 需要安裝植入物的預(yù)定位置處進行鉆孔或鋸割。步驟6包括調(diào)整定位塊10的方向，直到該 定位塊，或其一部分(諸如引導(dǎo)體12的基堆表面45)位于所期望的方向。這可以包括相對 于骨骼部分旋轉(zhuǎn)地調(diào)整定位塊10，使用跟蹤信息輔助每個旋轉(zhuǎn)軸位于正確方向中。因此，三 個旋轉(zhuǎn)自由度是可能的，整個定位塊10可在期望平面中定向，例如平行于要在股骨中進行 的遠(yuǎn)端切割。步驟4還可以包括在近側(cè)沿著方向43移位定位塊10，使得近側(cè)表面45從如 圖4A所示的位置平移到如圖4B所示的位置，鄰接股骨39。隨著多軸螺桿25的頭31在遠(yuǎn) 端與股骨39的骨節(jié)41間隔開，定位塊10需要相對于骨骼的基準(zhǔn)點，使得遠(yuǎn)端切割引導(dǎo)塊 的位置將正確地對應(yīng)必須由遠(yuǎn)端切割來切除的骨骼量，其中所述遠(yuǎn)端切割引導(dǎo)塊被固定至 定位引導(dǎo)塊上。引導(dǎo)塊體12相對于安裝元件14的近側(cè)遠(yuǎn)側(cè)平移簡化了引導(dǎo)塊對股骨的參照。隨 著安裝元件14接合到多軸螺桿的頭上的適當(dāng)位置，其沿著相對于骨骼的近側(cè)-遠(yuǎn)側(cè)方向固 定。但是，當(dāng)鎖定螺桿34脫離時，引導(dǎo)塊體12相對中間安裝元件14軸向滑動，被跟蹤的引 導(dǎo)體部分12相對于安裝元件保持旋轉(zhuǎn)固定，但可以沿著近側(cè)_遠(yuǎn)側(cè)方向43平移。如圖4B 所示，這允許引導(dǎo)體12朝向近側(cè)移位，直到其近側(cè)表面45直接鄰接骨節(jié)41的最遠(yuǎn)端。通 過擰緊鎖定螺桿34，引導(dǎo)體20在中間安裝元件14上保持處于合適位置。如圖3所示，當(dāng) 擰緊時，圓錐螺桿33將定位塊10固定在多軸螺桿25的頭31上的合適位置，從而在選定的 期望位置處固定基準(zhǔn)表面45。然后可以將由被跟蹤的引導(dǎo)體20精確定位的股骨遠(yuǎn)端用作 基準(zhǔn)面，所述被跟蹤的引導(dǎo)體20由CAS系統(tǒng)定位，從所述基準(zhǔn)面可以容易地測量切除深度。 根據(jù)所使用的植入物線的類型以及患者解剖結(jié)構(gòu)的特定構(gòu)造，所切除的骨骼的數(shù)量通常是 變化的。由當(dāng)前通用定位塊組件10來作進一步的調(diào)整也是可能的。圖5的步驟6還包括 整個定位塊組件10相對多軸螺桿25，并由此相對股骨，沿著前后方向47的平移。通過旋 轉(zhuǎn)螺桿頭30，如圖2所示的安裝元件體20以及因此整個引導(dǎo)塊體12相對于閉鎖安裝部件
1124移位，所述閉鎖安裝部件24固定到多軸螺桿頭31上。這基本提供了在特定過程或手術(shù) 患者的解剖結(jié)構(gòu)需要的情況下對定位塊的垂直調(diào)整。因此，如果有必要的話可以五個自由 度來調(diào)整定位塊，即圍繞三個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)以及沿著兩個垂直軸平移，即沿著方向43和47以 及旋轉(zhuǎn)方向調(diào)整定位塊。根據(jù)步驟7，根據(jù)對定位塊10方向的調(diào)整，通過CAS計算提供諸如內(nèi)翻/外翻和彎 曲/伸展以及旋轉(zhuǎn)的改變參數(shù)。CAS從跟蹤器元件10’接收對機械軸的跟蹤，以及從定位塊 10上的MEMS跟蹤線路得到方向改變。因此，CAS根據(jù)定位塊10的方向改變來演繹股骨的 運動，從而計算植入物參數(shù)。在定位塊上實時更新內(nèi)翻/外翻以及彎曲/伸展量并且通過 簡單的圖像裝置將其顯示給外科醫(yī)生。例如，可以將發(fā)光二極管(LED)陣列定位在定位塊 上或外科醫(yī)生的視場內(nèi)，從而當(dāng)角度合適時可以接通綠燈，以及只要方向在特定平面中不 合適則保持紅燈亮。一旦設(shè)定了期望方向，使用定位塊10在切除股骨中引導(dǎo)操作者，如在美國專利公 開No. 2008/0065084以及美國專利公開No. 2004/0039396中所述。如果在切割過程中，沒有跟蹤器元件10’用于股骨上，則仍可在切割已經(jīng)進行后安 裝跟蹤器元件10’，以便在稍后的過程中提供臀膝踝角度(即HKA)信息。在切割進行后，跟 蹤器元件10’接著被固定至股骨上并且對該跟蹤器元件10’記錄的所有坐標(biāo)系信息用于進 一步的測量，諸如HKA。要考慮的是，使用定位塊來確認(rèn)股骨在膝蓋處的切割平面。更具體而言，當(dāng)定位塊 10在所有三個自由度的方向已知時，定位塊10可以簡單地開始接觸膝蓋的各個表面，從而 獲得切割平面相對于跟蹤元件10’的方向，并且由此作為股骨的機械軸的函數(shù)。這允許對 可能在切割過程中發(fā)生的任何偏移的測量。參照圖15至17，示出了用于定位塊10、跟蹤元件10’和具有MEMS的釘狀跟蹤元 件51’的不同配置。在圖15中，示出了連接至跟蹤元件51’的定位塊10。在這種情況下， 釘狀跟蹤元件51’與定位塊10形成剛性鏈接，由此對定位塊10的方向跟蹤可以來自于釘 狀跟蹤元件51’的跟蹤數(shù)據(jù)。參照圖16，鏈接53置于跟蹤元件10’和定位塊10之間。因此，在相對于股骨的機 械軸或其它基準(zhǔn)對定位塊10的方向進行跟蹤后，鏈接53允許相對于股骨對定位塊10的方 向進行精細(xì)的調(diào)整。定位塊10的特征在于諸如彎曲-伸展和內(nèi)翻-外翻視覺指示器，考慮 到使用定位塊10在骨骼中進行切割的平面。參照圖17，在獲得合適參數(shù)(如內(nèi)翻-外翻， 彎曲-伸展等)后，例如使用銷釘52將定位塊10錨固在股骨上。現(xiàn)在對用于在膝蓋處脛骨上規(guī)劃改變的方法1進行描述。根據(jù)步驟2，將MEMS可跟蹤元件10’固定到脛骨(或軟組織)上，從而使其與脛骨 處于固定關(guān)系?？梢允褂昧硪?MEMS可跟蹤元件，其形狀更適合用于脛骨?？蛇x擇地，如果不使用動態(tài)跟蹤，則可以去除可跟蹤元件10’，因為脛骨或股骨是 固定的并且如上所述經(jīng)由MEMS定位塊10進行所有跟蹤。根據(jù)該方法的步驟3，將脛骨軸數(shù)字化。所述軸是例如脛骨的機械軸。根據(jù)第一實 施例，為了數(shù)字化機械軸，脛骨圍繞基準(zhǔn)點移動，并且通過脛骨上的MEMS跟蹤元件10’來感 測該移動。根據(jù)固定至脛骨的MEMS跟蹤器元件10’采集的感測數(shù)據(jù)，計算機輔助外科手術(shù) 系統(tǒng)數(shù)字化脛骨的機械軸，并通過來自可跟蹤元件10’的感測數(shù)據(jù)來跟蹤機械軸。不論是用于股骨還是脛骨，可以由操作者以手動方式來對軸進行數(shù)字化，例如使用固定的視覺基 準(zhǔn)點，或依賴操作者技能來最小化步驟3中所給定的骨骼移動。在第二實施例中，參照圖8，示出了軸數(shù)字化裝置70，其可以用于確定脛骨的機械 軸。軸數(shù)字化裝置70具有槽71和MEMS單元72。槽71定位在脛骨的前頂部上，例如直接 處于軟組織上，其在脛骨的前頂部上恰好相對較薄。此外，可以用自動定心的裝置將脛骨平 頂?shù)闹虚g點(從中間到側(cè)邊)與踝關(guān)節(jié)的中間點連接。脛骨平頂?shù)闹虚g點可以經(jīng)由引導(dǎo)棒 或激光定點裝置連接至第二跖骨。在步驟3中，必須確保裝置70和脛骨之間沒有相對移動。 由于記錄過程相對較快地進行，因此這容易實現(xiàn)。典型地，MEMS單元72裝配有兩個自由度 或三個自由度的跟蹤線路，或被校準(zhǔn)以進行方向跟蹤?？紤]各種方法用于脛骨的旋轉(zhuǎn)軸的數(shù)字化。根據(jù)第一實施例，可以借助軸數(shù)字化裝置，諸如軸數(shù)字化裝置70(圖8)，或其它任 何合適裝置確定骨骼的旋轉(zhuǎn)軸。軸數(shù)字化裝置可以與骨骼標(biāo)記視覺或機械地對準(zhǔn)。在第二實施例中，膝關(guān)節(jié)以彎曲和伸展運動的方式移動。這種運動可以是連續(xù)的 或可以分解成多個移位，在所述移位之間具有穩(wěn)定的位置。根據(jù)所跟蹤的脛骨和股骨的跟 蹤元件10’的方向，可以確定脛骨的旋轉(zhuǎn)軸的方向。在另一實施例中，以90度的彎曲的方式來定位膝蓋。從脛骨和股骨的被跟蹤元件 的方向，以及之前數(shù)字化的股骨的機械軸，可以計算脛骨的旋轉(zhuǎn)軸。在另一實施例中，以完全伸展的方式來定位腿，從而對準(zhǔn)股骨和脛骨的旋轉(zhuǎn)軸。根 據(jù)股骨和脛骨的被跟蹤元件的方向，以及之前數(shù)字化的股骨的旋轉(zhuǎn)軸，可以計算脛骨的旋 轉(zhuǎn)軸。結(jié)合旋轉(zhuǎn)軸和機械軸以形成用于計算改變參數(shù)的方向基準(zhǔn)。根據(jù)步驟4，接著將定位塊10固定至脛骨的期望位置，如在美國專利公開 No. 2008/0065084以及美國專利公開No. 2004/0039396中所述。要指出的是在步驟3之前， 可以將定位塊10安裝到脛骨上。在圖9和10中以75示出了定位塊的另選實施例。當(dāng)定位塊75固定至脛骨上時， 定位塊75的前后軸與脛骨的前后軸對準(zhǔn)。更具體而言，可用于視覺識別脛骨的前后軸的點 是后十字韌帶的連接點，以及中間的第三個結(jié)節(jié)。可以用于定義脛骨前后軸的其它解剖結(jié) 構(gòu)標(biāo)記在下文中加以描述。與連接脛骨平頂最后面點的線垂直的軸是相對結(jié)節(jié)PCL軸的第 一選擇。第二，以彎曲-伸展方式在股骨和脛骨之間進行的運動學(xué)分析可以給出唯一的彎 曲_伸展軸，其中垂線可以用作對之前描述的AP軸的另一選擇。相似地，當(dāng)腿處于全伸展 狀態(tài)時，與股骨后骨節(jié)軸垂直的軸可投影在脛骨上，并同樣用作第三選擇。另一可選的AP 標(biāo)記是當(dāng)腿純彎曲(即90度)時在脛骨上的股骨的機械軸的投影。在定位塊75固定至脛骨上且脛骨的前后軸和定位塊對準(zhǔn)的情況下，定位塊10/75 可以只沿著彎曲-伸展的方向和內(nèi)翻-外翻的方向來移動。定位塊75具有穩(wěn)固地固定至骨骼上的基座76。切割引導(dǎo)塊77通過樞轉(zhuǎn)接點樞轉(zhuǎn) 地安裝到基座76上。切割引導(dǎo)塊77具有槽78，將刀片插入到所述槽78中以便對脛骨進行 切割。MEMS單元77與切割引導(dǎo)塊77成為整體以便跟蹤切割平面的方向，以及提供三個自 由度的跟蹤從而提供涉及切割引導(dǎo)塊77方向的跟蹤數(shù)據(jù)。定位塊75通過第一螺紋棒80 固定至骨骼上。在使用球形把手80A(圖10)達到所期望的內(nèi)翻-外翻方向后，則使用棒81 以便沿著內(nèi)翻-外翻方向?qū)⒒?6固定至骨骼上。然后考慮到在脛骨上產(chǎn)生切割平面，使
13用球形把手81A來調(diào)整彎曲/伸展的方向，以便達到切割引導(dǎo)塊77的所期望方向。要指出 的是，根據(jù)定位塊75中槽78的幾何結(jié)構(gòu)，可以跟蹤虛擬的切割平面。更具體而言，MEMS單 元75或處理系統(tǒng)101可以設(shè)置有表示切割平面的數(shù)據(jù)，使得可以跟蹤第二切割平面以便模 擬植入物在骨骼上的定位。根據(jù)步驟5，相對于機械軸來校準(zhǔn)定位塊10。更具體而言，定位塊10限定如下平 面，所述平面將用于引導(dǎo)操作者切除骨骼，并且這些平面與機械軸對準(zhǔn)。根據(jù)步驟6，根據(jù)對脛骨進行的改變，手動調(diào)整定位塊10的方向。根據(jù)步驟7，根據(jù)對定位塊10方向的手動調(diào)整，由CAS計算提供諸如內(nèi)翻/外翻和 彎曲/伸展的改變參數(shù)。CAS從跟蹤器元件10’接收對機械軸的跟蹤，以及從定位塊10上 的MEMS跟蹤線路接收方向改變。因此，CAS根據(jù)跟蹤線路的方向改變演繹脛骨運動，從而計 算植入物參數(shù)。在定位塊上，實時更新內(nèi)翻/外翻和彎曲/伸展的量并且通過簡單的圖像 裝置顯示給外科醫(yī)生。例如，將發(fā)光二極管(LED)陣列定位在定位塊上或定位在外科醫(yī)生 的視場內(nèi)，從而當(dāng)角度合適時接通綠燈，并且只要方向在特定平面內(nèi)不合適時保持紅燈亮。可選擇地，跟蹤器元件10’可以從過程中去除，只需要依靠定位塊10來獲得機械 軸fn息。如果在切割過程中在脛骨上沒有使用跟蹤器元件10’，仍可以在切割進行之后對 其進行安裝，以便稍后在過程中提供HKA信息。在進行了切割之后，接下來將跟蹤器元件 10’固定至脛骨上，并且對該跟蹤器元件10’記錄的所有坐標(biāo)系信息用于進一步的測量，諸 如 HKA。一旦在脛骨中切割了平面，則定位塊可以用于對切割平面相對于脛骨機械軸的方 向進行數(shù)字化。更具體而言，當(dāng)利用MEMS單元79跟蹤定位快75的方向時，定位塊75可以 簡單地放置在切割平面上，從而對該平面相對于脛骨的機械軸的方向進行數(shù)字化。一旦設(shè)定了所期望的方向，使用定位塊10用于在切除脛骨中引導(dǎo)操作者，如在美 國專利公開No. 2008/0065084以及美國專利公開No. 2004/0039396中所述。作為附加的信息，通過將腿平放在桌上，股骨和脛骨上的可跟蹤元件10’可以同時 被使用以確定HKA?？蛇x擇地，股骨和脛骨可以保持完全伸展，其中腿在空間中保持成一定 角度。通過抬起整條腿同時保持其遠(yuǎn)離腳踝，可以簡單地完成這種動作。安裝在脛骨和股 骨上的跟蹤元件的微線路，可以使用至少一個三DOF傳感器(諸如陀螺儀傳感器)來提供 旋轉(zhuǎn)信息。在這種情況下，陀螺儀傳感器可以提供股骨相對于脛骨的對準(zhǔn)信息。參照圖6，根據(jù)本申請實施例的MEMS定位塊10和MEMS可跟蹤元件10’總體上示 出為固定至身體部分(例如骨骼B)上。MEMS定位塊10和MEMS可跟蹤元件10’與跟蹤CAS系統(tǒng)一起使用，并且包括跟蹤 線路，以及可選擇地包括無線發(fā)射器(或類似的通信線路)。塊10和元件10’也可以與CAS 系統(tǒng)電線連接。在本公開的實施例中，跟蹤線路稱為兩自由度(以下稱為D0F)的微線路，但是作 為選擇，可以提供多于三個DOF的數(shù)據(jù)。MEMS定位塊10和MEMS可跟蹤元件10’的跟蹤線 路輸出與骨骼B有關(guān)的基于方向的數(shù)據(jù)。作為另選實施例，發(fā)射器連接至MEMS可跟蹤元件10’和MEMS定位塊10的跟蹤線 路，從而將跟蹤線路10的跟蹤數(shù)據(jù)傳輸至CAS系統(tǒng)100的處理系統(tǒng)。在外科手術(shù)環(huán)境中，
14選擇用于發(fā)射器10，的技術(shù)進行操作，例如RF。作為示例，Bluetooth 、Zigbee 或Wi-Fi 發(fā)射器因為它們的廣泛應(yīng)用而被考慮。MEMS可以制造為單一一次性單元，可將其集成到定 位塊10和可跟蹤元件10’上。作為另選實施例，傳感器可以構(gòu)造成在它們之間進行必要信 息的通信。參照圖6，以100總體示出包含MEMS定位塊10和MEMS可跟蹤元件10’的跟蹤計 算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)。計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)(CAS)具有處理系統(tǒng)101，其典型地包括 具有處理器的計算機。接收器102置于處理系統(tǒng)101中，從而接收來自MEMS定位塊10和 MEMS可跟蹤元件10’的基于方向的數(shù)據(jù)。可選擇地，MEMS定位塊10和MEMS可跟蹤元件21 電線連接至處理系統(tǒng)101?？刂破?03連接至接收器102或電線連接至MEMS定位塊10和MEMS可跟蹤元件 10，。因此，控制器103接收來自接收器102或來自MEMS定位塊10和MEMS可跟蹤元件10， 的信號數(shù)據(jù)。使用信號解譯器104將所接收的信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成MEMS定位塊10和MEMS可跟蹤 元件10’的方向數(shù)據(jù)。提供幾何數(shù)據(jù)庫105以便存儲校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以及其它外科手術(shù)時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，諸如 外科手術(shù)進行時限定的機械軸。因此，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)是骨骼B、MEMS定位塊10和MEMS可跟蹤元 件10’之間的關(guān)系數(shù)據(jù)。參數(shù)計算器106與控制器103相關(guān)聯(lián)。參數(shù)計算器106從信號解譯器104接收方 向數(shù)據(jù)，以及從幾何數(shù)據(jù)庫105接收關(guān)系數(shù)據(jù)。利用由數(shù)據(jù)庫105提供的關(guān)系數(shù)據(jù)，參數(shù)計 算器106根據(jù)定位塊10相對骨骼B的方向(諸如根據(jù)本申請的內(nèi)翻/外翻和彎曲/伸展 等)計算改變參數(shù)。相應(yīng)地，控制器103將改變參數(shù)輸出至使用者界面110。在實旋例中，MEMS定位塊10和MEMS可跟蹤元件10 ’中的任一個具有連接至跟蹤 線路的自封裝的處理單元。MEMS定位塊10或MEMS可跟蹤元件10’具有跟蹤線路、發(fā)射器 /接收器以及處理系統(tǒng)101，所有部件均處于小型的自封裝外殼中。相應(yīng)地，使用發(fā)射器/ 接收器10’與在外科手術(shù)過程中同時使用的MEMS定位塊10和MEMS可跟蹤元件10’中的 另一個分享信息。在這樣的實施例中，改變參數(shù)直接顯示在定位塊10上或可跟蹤元件10’上。考慮 使用一組LED或另一種形式的小型電子顯示器(如LCD)作為使用者界面1，從而最小化自 封裝外殼的尺寸。參照圖7，總體上示出根據(jù)另一實施例的測徑器，其具有基座Ll以及臂L2和L3。 測徑器用于使用跟蹤線路(例如MEMS)來確定物體的長度。更具體而言，基座Ll的長度是 已知的，臂L2和L3的長度也是已知的。臂L2和L3樞轉(zhuǎn)地安裝在基座Ll的端部。臂L2和L3的自由端用于識別待測物 體的限制點。換句話說，所測距離是臂L2和L3自由端之間的距離。跟蹤線路固定至臂L2和L3，并產(chǎn)生與臂L2和L3在臂和基座Ll所處平面中的方 向有關(guān)的方向數(shù)據(jù)。方向數(shù)據(jù)示出為Θ1和Θ2。相應(yīng)地，使用Ll+L2sin(e 1)+L3sin(e2) 來計算距離。跟蹤線路連接至CAS系統(tǒng)，或無線傳輸數(shù)據(jù)至CAS系統(tǒng)。而且，還考慮在基座Ll 上提供跟蹤線路，從而獲得臂L2和L3相對于基座Ll的方向改變。
MEMS定位塊10、MEMS可跟蹤元件10’ (圖6)以及測徑器(圖7)可以是一次性 的，消毒后重復(fù)使用的、或可返回從而由制造商重新清潔并重新消毒的。參照圖11，以85總體示出軸數(shù)字化裝置。該軸數(shù)字化裝置85可以用作對圖8的 軸數(shù)字化裝置70的替換。裝置85具有基座86，其在膝蓋處錨固至脛骨，從而與脛骨的前后 軸對準(zhǔn)，并且特征在于具有向下突出的對準(zhǔn)棒87。對準(zhǔn)棒87要與中間第三個脛骨結(jié)節(jié)的前 頂部對準(zhǔn)。可選擇地，棒87指向第二跖骨。裝置85還可以在兩端裝配有自動定心機構(gòu)，連 接至脛骨平頂?shù)闹行暮王钻P(guān)節(jié)的中心。MEMS單元88與對準(zhǔn)棒87集成，由此對準(zhǔn)棒87方向 中任何改變都是可跟蹤的。球形把手89A和89B用于調(diào)整對準(zhǔn)棒87相對于脛骨的方向。參照圖12和13，支架90示出為以非侵入方式將跟蹤元件10’和定位塊75固定 至脛骨上。平移接頭91置于支架90中以確保定位塊75相對于膝蓋的垂直對準(zhǔn)。在圖12 中，支架90具有兩個旋轉(zhuǎn)接頭，提供對定位塊75的方向調(diào)整?？紤]使用接頭編碼器來測量 定位塊75相對于跟蹤元件10’的任何轉(zhuǎn)動。接頭編碼器可以是對定位塊75的MEMS的替 代，或驗證來自定位塊75的MEMS的信息的數(shù)據(jù)。而作為另一種選擇，考慮允許操作者以手動模式來調(diào)整定位塊10/75的位置/方 向。在這種情況下，顯示改變參數(shù)，而定位塊10/75相對于骨骼移位，從而允許操作者根據(jù) 這些改變參數(shù)選擇位置/方向。一旦位置/方向合適，則將定位塊10/75附到骨骼上。
1權(quán)利要求
一種計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，其用于在外科手術(shù)中規(guī)劃/引導(dǎo)對骨骼的改變，所述系統(tǒng)包括可跟蹤元件，其適于固定至骨骼上，所述可跟蹤元件具有第一慣性傳感器單元，所述第一慣性傳感器單元產(chǎn)生可跟蹤元件的方向中至少兩個自由度的基于方向的數(shù)據(jù)；定位塊，其適于固定至骨骼上，在將所述定位塊固定至骨骼上后，至少所述定位塊的方向是可調(diào)整的，以便達到所選方向，所述定位塊用于在改變骨骼時在所選擇方向上引導(dǎo)工具，所述定位塊具有第二慣性傳感器單元，所述第二慣性傳感器單元產(chǎn)生所述定位塊的方向中至少兩個自由度的基于方向的數(shù)據(jù)；處理系統(tǒng)，其提供所述骨骼和所述可跟蹤元件之間的方向基準(zhǔn)，并且包括信號解譯器，其用于根據(jù)基于方向的數(shù)據(jù)確定所述可跟蹤元件和所述定位塊的方向；以及參數(shù)計算器，其用于根據(jù)方向基準(zhǔn)和定位塊的方向，計算與所述定位塊相對于骨骼的實際方向有關(guān)的改變參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，其中所述方向基準(zhǔn)是包含骨骼的 機械軸的平面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，其中所述骨骼為脛骨，并且還包 括適于抵靠脛骨的前頂部定向的軸數(shù)字化元件，所述軸數(shù)字化元件具有第三慣性傳感器單 元，所述第三慣性傳感器單元產(chǎn)生基于方向的數(shù)據(jù)，所述處理系統(tǒng)使用該基于方向的數(shù)據(jù) 以便在所述軸數(shù)字化元件抵靠前頂部時，至少限定脛骨的機械軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，其中所述骨骼為脛骨，并且還包 括適于固定至所述脛骨上的軸數(shù)字化元件，并且包括與中間第三個脛骨結(jié)節(jié)的前頂部、第 二跖骨、脛骨平頂中心和踝關(guān)節(jié)中心中的至少一個對準(zhǔn)的對準(zhǔn)棒，所述軸數(shù)字化元件具有 第三慣性傳感器單元，所述第三慣性傳感器單元產(chǎn)生基于方向的數(shù)據(jù)，所述處理系統(tǒng)使用 該基于方向的數(shù)據(jù)以至少限定脛骨的機械軸。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，其中所述骨骼為股骨，并且還包 括適于在機械軸的接入點處固定至股骨上的軸數(shù)字化元件，所述軸數(shù)字化元件具有第三慣 性傳感器單元，所述第三慣性傳感器元件至少產(chǎn)生基于方向的數(shù)據(jù)，所述處理系統(tǒng)使用該 基于方向的數(shù)據(jù)以限定股骨的機械軸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，其中所述定位塊固定至骨骼上從 而與骨骼的前后軸對準(zhǔn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，其中所述定位塊在骨骼和第二慣 性傳感器單元之間具有接頭，使得所述改變參數(shù)為所改變的骨骼的內(nèi)翻-外翻以及所改變 骨骼的彎曲-伸展。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，其中球形把手置于所述定位塊的 接頭上，用于所述改變參數(shù)的調(diào)整。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，其中所述處理系統(tǒng)安裝在所述可 跟蹤元件和所述定位塊中的任一個上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，其中所述可跟蹤元件置于固定 至骨骼上的所述定位塊的一部分上。
11.一種用于規(guī)劃/引導(dǎo)對骨骼的改變的方法，包括提供固定至骨骼上的可跟蹤元件，所述可跟蹤元件具有第一慣性傳感器，所述第一慣 性傳感器產(chǎn)生可跟蹤元件的方向中至少兩個自由度的基于方向的數(shù)據(jù)；提供固定至骨骼上的定位塊，所述定位塊具有慣性傳感器單元，所述慣性傳感器單元 產(chǎn)生所述定位塊的方向中至少兩個自由度的基于方向的數(shù)據(jù)，所述定位塊的方向可相對于 骨骼調(diào)整；至少根據(jù)所述可跟蹤元件的基于方向的數(shù)據(jù)來確定骨骼的方向基準(zhǔn)；以及根據(jù)關(guān)于骨骼的方向基準(zhǔn)的所述定位塊的基于方向的數(shù)據(jù)計算骨骼改變參數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中提供固定至骨骼上的可跟蹤元件包括將所述 可跟蹤元件置于固定至骨骼上的所述定位塊的一部分上，由此同時提供可跟蹤元件和定位 塊。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中確定骨骼的方向基準(zhǔn)包括對與骨骼的機械軸對 準(zhǔn)的坐標(biāo)系進行數(shù)字化。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述骨骼是脛骨，以及對包含所述機械軸的平 面進行數(shù)字化包括相對于所述可跟蹤元件方向跟蹤脛骨上的工具的方向。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述骨骼是股骨，以及對機械軸進行數(shù)字化包 括相對于至少所述可跟蹤元件方向跟蹤固定至機械軸接入點的工具的方向。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中提供固定至骨骼上的定位塊包括提供所述定位 塊，并且其中計算骨骼改變參數(shù)包括計算骨骼的內(nèi)翻-外翻和彎曲-伸展以及平面旋轉(zhuǎn)中 的至少一個。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中提供固定至骨骼上的定位塊包括提供與骨骼的 前后軸對準(zhǔn)的定位塊，并且其中計算骨骼改變參數(shù)包括計算骨骼的內(nèi)翻_外翻和彎曲-伸 展以及平面旋轉(zhuǎn)中的至少一個。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括根據(jù)方向基準(zhǔn)利用定位塊和具有慣性傳感器 單元的器械中的至少一個的方向來計算切割平面的方向，所述定位塊和所述器械置于骨骼 的切割表面上。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括根據(jù)對定位塊的跟蹤以及方向基準(zhǔn)來調(diào)整定 位塊的方向。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中調(diào)整方向包括調(diào)整內(nèi)翻-外翻方向和彎曲-伸 展方向以及定位塊相對骨骼旋轉(zhuǎn)中的至少一個。
21.一種用于確定物體尺度的測徑器，包括具有已知基座長度的基座；樞轉(zhuǎn)地安裝至基座端部的臂，每一個臂具有已知的臂長度，并且每一個臂具有用于識 別待測物體限制點的自由端；至少固定至所述臂上的慣性傳感器單元，所述慣性傳感器單元產(chǎn)生與臂和基座所處的 平面中臂的方向的至少一個自由度有關(guān)的方向數(shù)據(jù)；由此根據(jù)已知基座長度和臂長度以及臂的方向數(shù)據(jù)計算所述限制點之間的尺寸。
全文摘要
一種計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，其用于在外科手術(shù)中規(guī)劃/引導(dǎo)對骨骼的改變，所述系統(tǒng)包括適于固定至骨骼上的可跟蹤元件。可跟蹤元件具有第一慣性傳感器單元，所述第一慣性傳感器單元產(chǎn)生可跟蹤元件的方向中至少兩個自由度的基于方向的數(shù)據(jù)。定位塊適于固定至骨骼上，在定位塊固定至骨骼后至少定位塊的方向是可調(diào)整的，以達到所選方向，所述定位塊用于在骨骼改變過程中在所選方向上引導(dǎo)工具。定位塊具有第二慣性傳感器單元，所述第二慣性傳感器單元產(chǎn)生定位塊的方向中至少兩個自由度的基于方向的數(shù)據(jù)。提供將骨骼和可跟蹤元件關(guān)聯(lián)的方向基準(zhǔn)的處理系統(tǒng)包括信號解譯器，所述信號解譯器用于根據(jù)基于方向的數(shù)據(jù)來確定可跟蹤元件和定位塊的方向。參數(shù)計算器根據(jù)方向基準(zhǔn)和定位塊的方向來計算與定位塊相對于骨骼的實際方向有關(guān)的改變參數(shù)。
文檔編號A61B17/56GK101977557SQ200980110006
公開日2011年2月16日 申請日期2009年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月25日
發(fā)明者A·理查德, B·佩爾蒂埃, C·普羅克斯, H·A·詹森, J·組哈斯, K·杜瓦爾, L-P·阿米歐特, M·瓦林, Y·布廷, Y·布里頓 申請人:奧索瑟夫特公司