用于在机器人辅助的基于图像的外科手术中使用惯性测量单元IMU(11)(优选地为MEMS IMU)来确定受试者(18)的解剖部分(16)的位置和取向以对受试者(18)的解剖部分(16)的位置进行准确确定的系统和方法。可以在受试者的身体(18)静止时的时间点将IMU(11)的将使IMU位置测量结果不准确的固有漂移有规律地重新设置为零。这可以在来自受试者的呼吸和来自心跳的运动基本上为零时实现。此类位置分别出现在呼吸信号示出呼吸循环的位置处于呼气阶段末时以及心跳信号表示受试者的心电图循环的舒张期内的时间时。当这两个信号时刻并发时，IMU基本上是静止的，并且其漂移重新设置为零。并且其漂移重新设置为零。并且其漂移重新设置为零。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于计算机辅助外科手术中的位置和过程验证的系统
[0001]本公开的实施方案涉及整形外科手术领域，尤其是用于对患者的矫形解剖部分的位置的准确确定。
技术介绍
[0002]在一些情况下，机器人辅助的基于图像的外科手术的成功取决于感兴趣区域的术前图像与术中外科手术术野之间的准确配准。如在整个外科手术过程取决于准确地识别患者的解剖特征的机器人外科手术系统中，配准的精确度可能是极为重要的，这些解剖特征与对操作进行计划所基于的术前图像中识别的那些解剖特征相对应。显然，应当在整个外科手术过程中保持准确配准，以保持机器人运动的保真度。然而，在初始配准之后，患者可能移动，并且内部解剖结构可能相对于彼此移位。因此，至关重要的是在术中进行监控以便在初始配准之后检测感兴趣区域中的解剖特征的潜在移位。因此，尽管准确配准对于限定外科手术工具相对于术前计划的姿势是必要的，但外科手术过程的术中实时监控同样重要。
[0003]已经开发了使用各种设备和对准方法的不同系统，以确保在外科手术程序期间正确配准，而不管患者的运动。几个代表性示例包括：
[0004]转让给Medtronic Navigation,Inc.的US 6,381,485“Registration of human anatomy integrated for electromagnetic localization”。其中公开的一些方法涉及放置、激活和检测磁场传感器以生成位移图像数据集，以及基于位移图像数据集生成显示。
[0005]也转让给Medtronic Navigation，Inc.的US 7,974,677“Method and apparatus for prepling a surgical procedure”，其公开了尤其是一种对程序的选择和计划进行辅助以及对选择用于该程序的假体进行辅助的方法和系统。通常，在那些实施方案中，系统允许实现解剖结构的选定的区域的图像采集。可以根据所采集的图像形成解剖结构的模型。该系统还可以允许对程序进行导航跟踪，以确保程序基本上相对于选定的计划进行。
[0006]在以下专利申请中已经描述了用于实现术中配准的其他系统：
[0007]WO 2015/087335“Semi
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Rigid Bone Attachment Robotic Surgery System”以及
[0008]WO 2020/079596“Versatile Multi
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Arm Robotic Surgical System”均与本申请以及
[0009]授予C.Lightcap等人的美国专利9,226,799号“Inertially Tracked Objects”具有共同的专利技术人。
[0010]本部分和本说明书的其他部分中提及的出版物中的每个出版物的公开内容均以引用方式全文并入本文。
技术实现思路
[0011]本公开的实施方案提供新的示例性系统，以用于实时地提高术中配准过程的准确性。此类示例性实施方式在初始配准过程之后检测位置和取向改变，并且同时监控和验证
外科手术过程按计划进行。该系统使用惯性测量单元(IMU)来定义感兴趣解剖部分的位置和取向。
[0012]惯性测量单元(IMU)是通过使用加速计及陀螺仪且任选地还使用磁力计来测量及报告定向、速度及重力的电子设备。IMU是在用于导航、稳定、以及路径校正、计算系统控制以及移动测绘的各种移动设备或平台中使用的惯性导航系统的基础部件。通过称为航位推算的过程来处理由IMU收集的数据以跟踪位置。在惯性导航系统中，由IMU收集的数据用于计算其所附接到的设备的当前位置。将该逻辑与地图系统组合，可以示出该单元相对于地图定位的位置。因此，其以类似于使用全球定位系统(GPS)追踪系统的方式操作，但不需要连接到任何远程导航系统或与任何远程导航系统通信。在本公开的方法的情况下，IMU可以示出其相对于术前医学图像集或术中图像的位置。
[0013]IMU要求精确的加速度计和陀螺仪，并且正是其精度影响惯性传感器系统的整体性能。IMU中的陀螺仪可以基于诸如机械、气体轴承、环形激光器或光纤等若干原理。诸如机械和气体轴承等的一些陀螺仪是基于角运动守恒的。光纤陀螺仪基于对来自两个不同方向的光的测量。这些光纤陀螺仪由于缺少运动部件而提供了极其精确的旋转速率信息，但是它们更大、更昂贵并且具有更高的功率需求。
[0014]微机电系统(MEMS)技术可用于生产非常小的加速度计和其它运动检测传感器。该技术的原理是将基本的机械部分和工具与诸如在计算机处理器中发现的集成电路硅技术相结合。所得到的小型化使得能够实现在小空间中装配多个传感器的微制造电子芯片。使用MEMS技术允许构造小型MEMS IMU，该小型MEMS IMU在小封装中结合加速计、角运动传感器和磁传感器，并且具有高准确度。通过相对于手术计划图像提供关于骨姿势以及可选地工具姿势的直接信息，附接到正在其上执行操作的骨以及可选地附接在执行操作的工具上的此类微型IMU将极大地简化机器人外科手术过程的执行。
[0015]本系统的实施方案基于此类小MEMS IMU的使用，该小MEMS IMU连接到诸如椎骨等解剖结构或者连接到克氏针(k
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wire)或类似元件，该克氏针或类似元件附接到外科手术感兴趣区域中的实体解剖特征。尽管本公开的方法和系统可用于跟踪任何解剖特征的运动，但该方法对于监控在椎骨上执行的钻进程序尤其有用，并且该示例贯穿本公开广泛用于展示所提出的方法和系统。然而，所使用的椎骨示例的此类使用决不旨在将本公开限制于椎骨应用。MEMS IMU能够使用其内部运动和位置测量能力直接且方便地测量椎骨的绝对位置和取向，并且因此还跟踪椎骨的运动。这可以被提供给系统控制器，从而使得控制器能够使附接到机器人臂的外科手术工具的位置适于跟随椎骨的位置和取向的改变，而不需要其他跟踪模态，其他跟踪模态可能需要与椎骨或附接到椎骨的标记进行视线接触，此类其他导航方法在外科手术期间在人员或机器人臂的运动期间易于受到干扰。
[0016]然而，通常IMU的主要问题，特别是MEMS IMU的主要问题是距离(线性运动)和角度(角运动)两者的固有漂移，这妨碍了在长时期内收集准确的测量结果。IMU跟踪系统可通过漂移引入显著误差。从先前确定的姿势计算从IMU追踪系统输出的每个姿势，向该先前确定的姿势添加从加速度和角速率的所测量的改变计算的姿势改变，而不参考任何外部参考。因此，跟踪过程的误差是累积的，使得每一新估计的IMU姿势中的误差随时间而增长。具体来说，惯性追踪系统对由IMU提供的线性加速度和角速度进行积分以计算新的IMU姿势。此类积分以及甚至用于加速度测量结果的双重积分可能引入不准确性，并且这些累积误差导
致漂移，这将其自身呈现为惯性追踪系统认为IMU位于何处与实际IMU位于何处之间的不断增加的差异。如果未对漂移进行补偿，那么可基于所预测的IMU姿势与实际IMU姿势之间的差异而不正确地预测所跟踪对象本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种外科手术机器人系统，所述外科手术机器人系统包括：惯性测量单元(IMU)，所述惯性测量单元被配置为连接到受试者的解剖特征；以及系统控制器，所述系统控制器适于：(i)接收与所述受试者的呼吸循环相对应的呼吸信号和与所述患者的心跳循环相对应的心跳信号；(ii)确定至少一个时间点，在所述至少一个时间点，所述呼吸信号表示由所述受试者的呼吸引起的所述受试者的最小运动的位置，并且所述心跳信号同时表示由所述受试者的心跳引起的所述受试者的最小运动的位置；以及(iii)生成用以在所述至少一个时间点处对在所述IMU的姿势确定中在所述至少一个时间点处检测到的漂移进行重新设置的指令。2.根据权利要求1所述的系统，其中，当所述呼吸信号表示所述受试者的最小呼吸运动的位置时的所述至少一个时间点被所述控制器选择为在所述受试者的呼吸循环的呼气阶段末。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述心跳信号表示所述受试者的最小脉搏运动的位置时的所述至少一个时间点被所述控制器选择为所述受试者的心电图循环的舒张期。4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被配置为生成用以在所述呼气阶段末与所述心脏舒张期在时间上并发的至少一个时间点处对所述IMU的漂移进行重新设置的指令。5.根据权利要求4所述的系统，其中，通过所述IMU的漂移水平确定所述控制器适于对所述IMU的漂移进行重新设置的所述呼气阶段末和所述心脏舒张期的时间并发的频率。6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制器适于在每次发生所述呼气阶段末和所述心脏舒张期的时间并发时对所述IMU的漂移进行重新设置。7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述IMU是基于微机电系统(MEMS)的单元。8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述IMU被固定地附接到所述受试者的解剖特征，使得所述控制器检测所述受试者的所述解剖特征的取向或位置中的至少一者的改变。9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述解剖特征是所述受试者的骨，并且所述控制器适于使用所述骨的取向或位置中的至少一者的所述改变来确定外科手术工具正穿过的骨的类型。10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制器适于根据所公开的骨的所述类型来确定在所述骨上执行钻进动作的外科手术钻具在所述骨中的位置。11.根据权利要求8所述的系统，其中，所述控制器适于在所述患者的所述解剖特征的取向或位置中的至少一者的所检测到的改变超过相应的预定阈值水平的情况下向所述受试者指示所述机器人的新的配准的执行。12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述IMU使用克氏针连接到所述受试者的骨。13.根据权利要求12所述的系统，其中，由所述IMU检测到的振动频率提供生成那些振动的所述外科手术工具正穿过的骨的类型的指示。
14.根据权利要求13的系统，其中，较高频率的振动被所述控制器解释为指示所述外科手术工具穿过皮质骨，并且较低频率的振动被所述控制器解释...
【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：马佐尔机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：
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