【技术实现步骤摘要】
骨骼重建和骨外科植入物本申请是是中国申请号为201480073304.9(对应于PCT国际申请号PCT/US2014/069411)、申请日为2014年12月9日、专利技术名称为“骨骼重建和骨外科植入物”的专利技术专利申请的分案申请。与相关申请的交叉引用本申请要求2013年12月9日提交的题为“颅骨和颅后骨骼和软组织的重建”(CRANIUMANDPOSTCRANIALBONEANDSOFTTISSUERECONSTRUCTION)的美国临时专利申请系列号61/913,608、2014年3月11日提交的题为“颅骨和颅后骨骼和软组织的重建”(CRANIUMANDPOSTCRANIALBONEANDSOFTTISSUERECONSTRUCTION)的美国临时专利申请系列号61/951,221、2014年4月10日提交的题为“颅骨和颅后骨骼和软组织的重建”(CRANIUMANDPOSTCRANIALBONEANDSOFTTISSUERECONSTRUCTION)的美国临时专利申请系列号61/977,984以及2014年7月10日提交的题为“颅骨和颅后...
【技术保护点】
1.一种在三维空间中追踪外科器械的方法，包括：/n了解多个外科器械的相对尺寸；/n了解第一惯性测量单元IMU被安装到所述多个外科器械中的至少一个外科器械而不需要校准或配准的位置；/n了解所述第一IMU被安装到所述多个外科器械中的哪一个；/n校准所述第一IMU；/n在所述第一IMU被安装到所述多个外科器械中的至少一个外科器械时，在所述三维空间中追踪所述第一IMU；以及/n向用户中继安装有所述第一IMU的所述至少一个外科器械的取向和位置信息。/n
【技术特征摘要】
20131209 US 61/913,608;20140311 US 61/951,221;20141.一种在三维空间中追踪外科器械的方法，包括：
了解多个外科器械的相对尺寸；
了解第一惯性测量单元IMU被安装到所述多个外科器械中的至少一个外科器械而不需要校准或配准的位置；
了解所述第一IMU被安装到所述多个外科器械中的哪一个；
校准所述第一IMU；
在所述第一IMU被安装到所述多个外科器械中的至少一个外科器械时，在所述三维空间中追踪所述第一IMU；以及
向用户中继安装有所述第一IMU的所述至少一个外科器械的取向和位置信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，中继的取向和位置信息被描绘在视觉显示器上。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述视觉显示器除了描绘患者解剖结构的虚拟模型之外，还描绘安装有所述第一IMU的所述至少一个外科器械的三维模型。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述视觉显示器被实时更新以描绘所述至少一个外科器械相对于所述患者解剖结构的虚拟模型的位置变化。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述患者解剖结构包括盆骨、股骨、肩胛骨、肱骨和胫骨中的至少一个。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，中继外科器械的取向和位置信息包括：向指示器提供与安装有所述第一IMU的所述至少一个外科器械相关的信息。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述指示器包括多个灯，所述多个灯指示以下中的至少一个：所述至少一个外科器械是否按照手术前计划进行取向、以及按照手术前计划所述至少一个外科器械需要以何种方向取向。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个外科器械包括外科扩孔器、髋臼杯插入器、外科钻孔器、外科锯、股骨柄插入器和植入物放置引导器中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：追踪安装到参比物体的第二IMU。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述参比物体是包含盆骨、股骨、肱骨、肩胛骨和胫骨中的至少一者的骨骼。
11.根据权利要求9所述的方法，还包括：将所述第一IMU和所述第二IMU相对于彼此进行配准。
12.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将患者特异性配准工具仅在与患者解剖结构精确匹配的一个取向和位置上靠着患者解剖结构放置，其中，所述患者特异性配准工具包括以已知位置和取向安装到所述患者特异性配准工具的所述第一IMU；
在所述患者特异性配准工具相对于所述患者解剖结构静止时，从所述第一IMU收集数据；
从刚性安装到所述患者解剖结构的第二IMU收集数据；
从所述患者特异性配准工具中取出所述第一IMU；以及
将所述第一IMU安装到所述多个外科器械中的至少一个。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一IMU包括陀螺仪和多个加速计，所述陀螺仪和多个加速计被配置为产生第一组陀螺仪数据和多组加速度数据。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一组陀螺仪数据说明3个垂直轴。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述多组加速度数据说明3个垂直轴，其中所述多组加速度数据中的每一组分开地说明所述3个垂直轴中的一个。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一IMU包括多个磁强计，所述多个磁强计被配置为产生多组磁场数据。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述多组磁场数据说明3个垂直轴，其中所述多组磁场数据中的每一组分开地说明所述3个垂直轴中的一个。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一IMU包括陀螺仪、加速计和磁强计，所述陀螺仪、加速计和磁强计被配置为产生用于X、Y、Z轴的第一组陀螺仪数据、用于X、Y、Z轴的第一组加速度数据和用于X、Y、Z轴的第一组磁场数据，所述第一组陀螺仪数据、第一组加速度数据和第一组磁场数据被用于产生位置数据。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：作为产生所述位置数据的部分，使用所述第一组陀螺仪数据、第一组加速度数据和第一组磁场数据为第一取向产生围绕中间位置具有预定的冯·米塞斯-费雪密度分散系数的第一组N个粒子，其中，所述第一组N个粒子中的每一个粒子以四元数形式表示围绕所述X、Y、Z轴的取向。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第一组N个粒子包括从同一概率密度空间提取的一组独立且恒等分布的随机变量。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第一组N个粒子是观察到的取向的统计约束的变差。
22.根据权利要求19所述的方法，还包括：使用所述第一组加速度数据和第一组磁场数据来估算所述第一IMU的第一取向。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，估算所述第一取向包括了解所述第一IMU的倾斜。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述倾斜从所述第一组加速度数据确定。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括：使用所述第一IMU的倾斜对所述第一组磁场数据进行数学校正。
26.根据权利要求22所述的方法，其中，估算所述第一取向包括使用所述第一组加速度数据和第一组磁场数据估算所述第一IMU的第一取向。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，估算所述第一IMU的第一取向包括使用高斯牛顿优化方法。
28.根据权利要求26所述的方法，其中，估算所述第一IMU的第一取向包括使用在来自于所述第一组加速度数据和第一组磁场数据的倾斜和航向数据的可接受的误差幅度之内的倾斜和航向，迭代地确定取向。
29.根据权利要求19所述的方法，还包括使用估算的第一取向旋转所述中间位置中的所述第一组N个粒子以使平均值成为中心。
30.根据权利要求29所述的方法，还包括使用所述第一组陀螺仪数据及时跟进估算所述第一组N个粒子。
31.根据权利要求30所述的方法，还包括：通过将来自于所述跟进估算的第一组N个粒子的两个四元数迭代地插值直至仅剩下一个四元数，来平均所述跟进估算的第一组N个粒子。
32.根据权利要求30所述的方法，其中，所述陀螺仪、加速计和磁强计被配置为产生用于X、Y、Z轴的第二组陀螺仪数据、用于X、Y、Z轴的第二组加速度数据和用于X、Y、Z轴的第二组磁场数据，所述第二组陀螺仪数据、第二组加速度数据和第二组磁场数据被用于产生位置数据。
33.根据权利要求32所述的方法，还包括：作为产生所述位置数据的部分，使用所述第二组陀螺仪数据、第二组加速度数据和第二组磁场数据为第二取向产生围绕中间位置具有预定的冯·米塞斯-费雪密度分散系数的第二组N个粒子，其中所述第二组N个粒子中的每一个粒子以四元数形式表示围绕所述X、Y、Z轴的取向。
34.根据权利要求33所述的方法，还包括：将所述第一IMU的第二取向与所述第一取向进行比较。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述比较行动包括将来自于第二状态的所述第二组N个粒子与来自于第一状态的从及时跟进估算所述第一组N个粒子产生的所述第一组N个粒子进行比较。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述比较行动包括加权的精确度，其对最接近于从跟进估算行动产生的第一组N个粒子的所述第二组N个粒子进行更重的加权。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述比较行动包括从所述第二组N个粒子中消除某些低权重粒子。
38.根据权利要求34所述的方法，还包括：重复所述产生行动和比较行动，以将当前观察到的取向与在取向预测的基础上计算的取向进行比较。
39.一种外科导航装置，包括：
软件包，其被配置为通过执行以下步骤在三维空间中追踪外科器械：
了解多个外科器械的相对尺寸；
了解第一惯性测量单元IMU被安装到所述多个外科器械中的至少一个外科器械而不需要校准或配准的位置；
了解所述第一IMU被安装到所述多个外科...
【专利技术属性】
技术研发人员：穆罕默德·R·马赫福兹，
申请(专利权)人：穆罕默德·R·马赫福兹，
类型：发明
国别省市：美国;US
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