使用惯性测量单元提高手术准确性的系统技术方案

本发明专利技术提供了准确性提高的系统

【技术实现步骤摘要】
使用惯性测量单元提高手术准确性的系统、设备和方法


[0001]本申请涉及惯性测量单元
(IMU)
，并且更具体地涉及它们在术前
、
术中和术后的使用以实现提高的准确性
。

技术介绍

[0002]传统上，使用医学成像和外科导航系统和设备的组合来确定术前
、
术中和术后的准确性和成功率
。
医学成像设备是允许医疗专业人员使用成像方法
(
诸如计算机断层摄影
(CT)、
磁共振
(MR)、
血管造影或荧光镜透视检查
)
来对患者的感兴趣的解剖区域成像的系统或系统组
。
医学成像设备包括
X
射线成像系统和
C
形臂系统
。
外科导航系统使用医学成像和相机或其他传感器的组合，以允许医疗专业人员在外科手术期间对患者的解剖结构进行导航
。
[0003]为了获得最佳外科手术结果，常常对患者的解剖结构医学成像多次
。
例如，如果患者正在经受矫形外科手术诸如脊柱外科手术，则患者可
(1)
在术前暴露于一个或多个
X
射线图像，以探知患者的状况和
/
或损伤，识别所需的外科手术类型和手术参数，并且
/
或者确定患者的脊柱在接近外科手术日期的确切状态；
(2)
在术中暴露于一个或多个
X
射线图像，以在外科手术时评估患者的脊柱，提供外科工具
(
例如，导丝
、
针
、
钻
、
抽头
、
驱动器等
)
在其被操作时的导航，并且
/
或者确定每个外科手术任务在其被执行时的准确性；并且
(3)
在术后暴露于一个或多个
X
射线图像，以在对患者进行手术后评估患者的脊柱，确定由外科手术引起的变化，并且
/
或者探知外科手术相对于术前计划的成功率
。
患者的这种频繁医学成像可使患者或医疗人员暴露于高剂量的辐射，这可导致严重的医疗风险诸如癌症
。
[0004]为了使暴露于辐射最小化，期望减少患者所经历的医学图像的数量
。
减少对患者成像的一种方法是避免采集患者的目标解剖结构的不准确或低于标准的图像，这可由不对准成像系统使得目标解剖结构不能够被成像系统正确地或最佳地查看到而引起
。
传统的医学成像系统诸如
C
形臂系统被手动定位成最佳对准，这是一项耗时且经受人为错误的任务
。
通常，医学成像系统必须被对准，被移除以允许对患者进行手术，并且在外科手术期间多次返回到相同的最佳定位
。
并且，有时，医学成像系统必须在单一外科手术期间对准到多个最佳定位，例如，以在矫形外科手术期间对准到不同的解剖区域，诸如患者的脊柱的不同椎弓根
。
在时间和准确性甚至更为关键的术中环境中，正确和精确的对准具有突出的重要性
。
此外，这些医学成像和外科导航系统和设备的购买
、
维护和操作是昂贵的
。
[0005]因此，需要在减少暴露于辐射的同时提供医学成像和
/
或外科导航的系统
、
方法和设备
。
还需要比传统装置便宜同时提供提高的手术准确性的此类系统
、
方法和设备
。

技术实现思路

[0006]提供了用于使用惯性测量单元
(IMU)
来提高手术准确性的系统和方法
。
在一些示例性实施方案中，提高的手术准确性包括通过输出操作反馈来提供手术辅助
。
为了生成操作反馈，由患者的医学图像生成患者解剖结构的三维
(3D)
表示
。
基于所生成的
3D
表示来计
算手术参数
。IMU
用于测量患者的相对位置，并且继而其他
IMU
用于测量启用
IMU
的工具的相对位置
。
基于从
IMU
的测量获得的手术参数和数据来获得输出操作反馈
。
[0007]在其他示例性实施方案中，提高的手术准确性包括使用定位在或附接到患者的解剖结构
、
外科手术台
、
外科器械
、
或医学成像和导航系统和设备上的
IMU
来提供术前评估
、
术中评估和术后评估和
/
或反馈
。
从
IMU
的传感器获得的
IMU
数据用于计算患者的解剖结构
、
外科手术台
、
外科器械
、
或医学成像和导航系统和设备的绝对定位和
/
或相对定位
。
例如，可将
IMU
数据与医学图像
、
相机等组合，以提供器械或设备的外科导航
、
对准和放置，以及生成术前计划
、
计算手术参数
、
确定术中校正，以及评估术后变化
。
[0008]在一些实施方案中，提供手术辅助包括从成像设备接收一个或多个医学图像
。
一个或多个医学图像表示
(1)
患者解剖结构的一个或多个视图，以及
(2)
已知尺寸的一个或多个标记物
。
基于一个或多个标记物中的每个标记物的已知尺寸来校准一个或多个医学图像中表示的患者解剖结构的尺寸
。
基于：
(1)
与一个或多个医学图像中表示的患者解剖结构相匹配的一个或多个解剖图像，以及
(2)
在一个或多个医学图像和
3D
表示上识别的一个或多个解剖标志，生成患者解剖结构的三维
(3D)
表示
。
基于患者解剖结构的
3D
表示来计算手术参数，并且从第一组惯性测量单元
(IMU)
接收第一
IMU
数据
。
基于第一
IMU
数据将患者的实际解剖结构与
3D
表示进行匹配
。
基于以下中的一者或多者来输出操作反馈：
(1)
手术参数，以及
(2)
从对应于一个或多个启用
IMU
的工具的第二组
IMU
接收的第二
IMU
数据
。
[0009]在一些实施方案中，与患者解剖结构相匹配的一个或多个解剖图像可从存储在通信地耦合的数据库或图集中的一组现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种外科导航系统，包括：一个或多个启用
IMU
的器械，所述一个或多个启用
IMU
的器械能够操作为在术中从所述启用
IMU
的器械中的每个
IMU
收集
IMU
数据；相机，所述相机能够操作为跟踪所述一个或多个启用
IMU
的器械的术中运动和位置；和基于
IMU
的辅助系统，所述基于
IMU
的辅助系统能够操作为通过以下操作提供操作反馈：确定在所述一个或多个启用
IMU
的器械中的一个的所述运动和所述位置的所述跟踪中的错误的存在；从所述一个或多个启用
IMU
的器械中的至少一个收集所述
IMU
数据；以及使用所述
IMU
数据来补充所述一个或多个启用
IMU
的器械中的一个的所述运动和所述位置的所述跟踪
。2.
根据权利要求1所述的系统，其中所述错误的存在由以下中的一者或多者触发：
(1)
所述启用
IMU
的器械中的一个或多个相对于所述相机的视线的角度超过阈值，
(2)
所述启用
IMU
的器械中的一个或多个处于所述相机的所述视线之外，以及
(3)
所述相机发生故障
。3.
根据权利要求1所述的系统，其中所述操作反馈的所述提供还包括基于所述
IMU
数据来计算所述一个或多个启用
IMU
的器械中的一个的校正因子，并且其中对所述一个或多个启用
IMU
的器械中的一个的所述运动和所述位置的所述跟踪的所述补充还使用所述校正因子
。4.
根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个启用
IMU
的器械包括着色标记物，并且其中所述相机通过识别所述一个或多个启用
IMU
的器械中的每个的所述着色标记物来跟踪所述一个或多个启用
IMU
的器械的所述运动和所述位置
。5.
根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个启用
IMU
的器械中的每个的所述
IMU
嵌入所述器械或可移除地附接到所述器械
。6.
根据权利要求1所述的系统，其中所述
IMU
数据包括所述一个或多个启用
IMU
的器械中的每个的绝对位置和所述一个或多个启用
IMU
的器械中的每个的相对位置
。7.
根据权利要求6所述的系统，其中所述相机包括
IMU。8.
根据权利要求7所述的系统，其中所述一个或多个启用
IMU
的器械中的每个的所述相对位置指示所述器械相对于
(1)
所述一个或多个启用
IMU
的器械
、(2)
所述相机和
(3)
患者解剖结构中的一者或多者的位置，如由所述相机可视化的
。9.
一种外科导航方法，包括：通过以下操作提供操作反馈：确定在使用相机执行的启用
IMU
的器械的运动和位置的跟踪中的错误的存在，所述启用
IMU
的器械包括
IMU
并且能够操作为在术中从其收集
IMU
数据；从所述启用
IMU
的器械收集所述
IMU
数据；以及使用所述
IMU
数据来补充所述一个或多个启用
IMU
的器械中的一个的所述运动和所述位置的所述跟踪
。10.
根据权利要求9所述的方法，其中所述错误的存在由以下中的一者或多者触发：
(1)
所述启用
IMU
的器械相对于所述相机的视线的角度超过阈值，
(2)
所述启用
IMU
的器械处于所述相机的所述视线之外，以及
(3)
所述相机发生故障
。11.
根据权利要求9所述的方法，其中所述操作反馈的所述提供还包括基于所述
IMU
数据来计算所述启用
IMU
的器械的校正因子，并且其中对所述启用
IMU
的器械的所述运动和所述位置的所述跟踪的所述补充还使用所述校正因子
。12.
根据权利要求9所述的方法，其中所述启用
IMU
的器械包括着色标记物，并且其中所述相机通过识别所述启用
IMU
的器械的所述着色标记物来跟踪所述启用
IMU
的器械的所述运动和所述位置
。13.
根据权利要求9所述的方法，其中所述启用
IMU
的器械的所述
IMU
嵌入所述器械或可移除地附接到所述器械
。14.
根据权利要求9所述的方法，其中所述
IMU
数据包括所述启用
IMU
的器械的绝对位置和所述启用
IMU
的器械的相对位置
。15.
根据权利要求
14
所述的方法，其中所述相机包括
IMU。16.
根据权利要求
15
所述的方法，其中所述启用
IMU
的器械的所述相对位置指示所述器械相对于
(1)
其他启用
IMU
的器械
、(2)
所述相机和
(3)
患者解剖结构中的一者或多者的位置，如由所述相机可视化的
。17.
一种基于
IMU
的辅助系统，包括：至少一个存储器；处理器，所述处理器通信地耦合到所述至少一个存储器，所述处理器能够操作为：在第一实例下，从附接到参与第一物理姿势的患者的多个
IMU
收集第一
IMU
数据；基于所述第一
IMU
数据来计算所述患者的第一属性；在所述至少一个存储器中存储所述第一
IMU
数据和所述第一属性；在所述第一实例之后的第二实例下，从附接到参与所述第一物理姿势的所述患者的所述多个
IMU
...

【专利技术属性】
技术研发人员：W，
申请(专利权)人：德普伊新特斯产品公司，
类型：发明
国别省市：