一種用于在計算機(jī)輔助外科手術(shù)中跟蹤股骨參照系的系統(tǒng)，其包括傳感器單元。所述傳感器單元適于被固定到股骨上。所述傳感器單元包括產(chǎn)生取向數(shù)據(jù)的加速度計傳感器和陀螺儀傳感器。處理單元接收陀螺儀數(shù)據(jù)和加速度計數(shù)據(jù)。所述處理單元包括：陀螺儀數(shù)據(jù)計算器，其用于提供由于股骨的運動而產(chǎn)生的計算的加速度數(shù)據(jù)；加速度計數(shù)據(jù)計算器，其用于計算由于股骨的運動而產(chǎn)生的測量的加速度數(shù)據(jù)；以及加速度比較器，其用于將傳感器單元的取向與股骨相關(guān)聯(lián)以定義股骨參照系。所述股骨參照系是從計算的加速度數(shù)據(jù)與測量的加速度數(shù)據(jù)之間的比較定義的。傳感器取向接口通過從對所述股骨參照系的跟蹤提供針對股骨的取向數(shù)據(jù)。還提供了一種用于跟蹤股骨參照系的方法。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本申請涉及計算機(jī)輔助的利用微電子機(jī)械傳感器(MEMS)的整形外科手木。
技術(shù)介紹
利用MEMS傳感器導(dǎo)航骨骼的關(guān)鍵步驟之ー是相對于所述傳感器定位骨骼。對于股骨而言，傳感器相對于橫軸的取向會受到機(jī)械限制，例如，使抓手插入在后髁部下方，以 使傳感器橫軸與骨骼的橫軸對齊。然而，傳感器相對于股骨機(jī)械軸的取向更加復(fù)雜，因為定義該軸的解剖學(xué)界標(biāo)之一，股骨頭，隱藏在臀部內(nèi)部。在光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)中，股骨頭是通過移動股骨、并假設(shè)骨盆是穩(wěn)定的、找到骨骼繞其轉(zhuǎn)動的固定樞軸點來定位的。這依賴于具有六個自由度(DOF)的光學(xué)傳感器，所述六個自由度即，位置的3D0F和取向的3D0F。然而，在MEMS系統(tǒng)中，傳感器不自動提供6D0F。6D0F能夠通過對陀螺儀和加速度計讀數(shù)求積分來得到——一種被稱作“航位推算”的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)——但是這種技術(shù)對傳感器誤差非常敏感并且因而不適用于低成本傳感器。存在用于基于軸旋轉(zhuǎn)動力學(xué)獲取股骨的軸的其他基于陀螺儀的方法。然而，這樣的方法需要非常特定的并且不自然的腿運動，其可能難以應(yīng)用并且受限。
技術(shù)實現(xiàn)思路
因此，本公開的目的是提供一種用于從基于MEMS的數(shù)據(jù)來定義和跟蹤股骨坐標(biāo)系的新型方法和系統(tǒng)。因此，根據(jù)本申請的第一實施例，提供了一種用于在計算機(jī)輔助外科手術(shù)中跟蹤股骨參照系的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括傳感器単元，其適于被固定到股骨上，所述傳感器単元包括加速度計傳感器和陀螺儀傳感器，二者均產(chǎn)生取向數(shù)據(jù)；處理單元，其接收陀螺儀數(shù)據(jù)和加速度計數(shù)據(jù)并且包括陀螺儀數(shù)據(jù)計算器，其用于從至少由于股骨的運動而產(chǎn)生的陀螺儀數(shù)據(jù)來提供計算的加速度數(shù)據(jù)，加速度計數(shù)據(jù)計算器，其用于從由于股骨的運動而產(chǎn)生的加速度計數(shù)據(jù)來計算測量的加速度數(shù)據(jù)，以及加速度比較器，其用于從計算的加速度數(shù)據(jù)與測量的加速度數(shù)據(jù)之間的比較來將傳感器単元的取向與股骨相關(guān)聯(lián)以定義股骨參照系；傳感器取向接ロ，其通過跟蹤所述股骨參照系來提供針對股骨的取向數(shù)據(jù)。仍根據(jù)第一實施例，所述陀螺儀數(shù)據(jù)計算器利用針對股骨的估計的軌跡和半徑值來提供計算的加速度數(shù)據(jù)。仍根據(jù)第一實施例，所述陀螺儀數(shù)據(jù)計算器利用針對股骨的估計的半徑值從所述陀螺儀數(shù)據(jù)推導(dǎo)向心加速度，以及利用陀螺儀傳感器的取向從所述加速度計數(shù)據(jù)推導(dǎo)重力，來提供計算的加速度數(shù)據(jù)。仍又根據(jù)第一實施例，由所述加速度比較器定義的參照系是三軸股骨坐標(biāo)系。仍又根據(jù)第一實施例，所述比較器對所述比較應(yīng)用數(shù)值優(yōu)化以定義股骨參照系。仍又根據(jù)第一實施例，所述加速度比較器計算股骨長度和股骨軌跡中的至少ー項。仍又根據(jù)第一實施例，所述系統(tǒng)包括位于傳感器単元和處理單元中的任一個中的濾波器，用于減少來自所述陀螺儀數(shù)據(jù)和所述加速度計數(shù)據(jù)中的任一個的噪聲。根據(jù)本申請的第二實施例，提供了一種用于利用包括被固定到股骨上的加速度計傳感器和陀螺儀傳感器的傳感器單元來跟蹤股骨參照系的方法，該方法包括獲取由于股 骨的運動而產(chǎn)生的陀螺儀讀數(shù)和加速度計讀數(shù)；至少從所述陀螺儀讀數(shù)計算加速度數(shù)據(jù)；從所述加速度計讀數(shù)測量加速度數(shù)據(jù)；比較計算的加速度數(shù)據(jù)和測量的加速度數(shù)據(jù)；利用所述比較將傳感器単元的取向與股骨相關(guān)聯(lián)以定義股骨參照系；并且從所述陀螺儀讀數(shù)以及從所述加速度計讀數(shù)跟蹤所述股骨參照系。仍根據(jù)第二實施例，計算加速度數(shù)據(jù)包括利用針對股骨的軌跡和股骨的半徑的估計值。仍又根據(jù)第二實施例，計算加速度數(shù)據(jù)包括利用針對股骨的半徑的估計值從所述陀螺儀數(shù)據(jù)推導(dǎo)向心加速度，以及獲得所述陀螺儀的取向以從加速度計讀數(shù)推導(dǎo)重力。仍又根據(jù)第二實施例，將取向進(jìn)行關(guān)聯(lián)包括利用所述比較執(zhí)行數(shù)值優(yōu)化以獲得所述傳感器単元相對于股骨的取向。仍又根據(jù)第二實施例，所述方法包括，從所述參照系計算股骨的半徑和股骨的軌跡中的至少ー項。仍又根據(jù)第二實施例，定義所述股骨參照系包括定義三軸坐標(biāo)系。仍又根據(jù)第二實施例，所述方法在骨骼模型或尸體上執(zhí)行。附圖說明圖I是圖示說明用于關(guān)于基于MEMS的傳感器単元定義股骨坐標(biāo)系的根據(jù)本申請的實施例的方法的流程圖；以及圖2是圖示說明用于關(guān)于基于MEMS的傳感器単元定義股骨坐標(biāo)系的根據(jù)本申請的另ー實施例的系統(tǒng)的框圖。具體實施例方式本文使用MEMS指代微電子機(jī)械傳感器，諸如加速度計和陀螺儀。本文使用CAS指代計算機(jī)輔助外科手木。參考附圖并具體參考圖1，在I中圖示了用于關(guān)于基于MEMS的傳感器単元定義股骨坐標(biāo)系的方法，用于連續(xù)跟蹤股骨坐標(biāo)系，或其他股骨參照系(例如，股骨的機(jī)械軸)。作為非限制性范例，利用下文所述的方法定義的坐標(biāo)系可以用于執(zhí)行涉及股骨的連續(xù)操作，例如，如在美國專利申請No. 12/410884和相應(yīng)的PCT申請公布No. WO 2009/117833中所描述的，在此通過弓I入將其并入本文。利用方法I獲得的股骨坐標(biāo)系可以被用在計算機(jī)輔助外科手術(shù)(CAS)中，用在執(zhí)行對股骨、對骨盆和/或?qū)γ劰堑母淖冎校约坝迷跒椴僮髡咛峁┲T如肋骨長度數(shù)據(jù)的外科手術(shù)參數(shù)中。因此，可以使用方法I來找到股骨的長度，即，股骨頭的中心與機(jī)械軸進(jìn)入點之間的距離，以及從基于MEMS的傳感器単元10的取向來跟蹤所述股骨坐標(biāo)系(圖2)。基于MEMS的傳感器単元具有陀螺儀傳感器12和加速度傳感器14兩者(圖2)，并被連接到CAS系統(tǒng)以提供來自這兩種類型的傳感器的讀數(shù)，根據(jù)所述讀數(shù)，股骨坐標(biāo)系被定義并被連續(xù)跟蹤。陀螺儀傳感器12和加速度計傳感器14中的每個都至少提供沿三個自由度的取向數(shù)據(jù)。根據(jù)步驟2，傳感器單元10被固定到股骨。在實施例中，傳感器單元10被固定在膝蓋處的機(jī)械進(jìn)入點處。當(dāng)被固定在股骨的膝蓋端時，假設(shè)傳感器単元10的運動處在以股骨頭的中心為中心、半徑等于股骨的長度的球上。然后如下所述地找到匹配陀螺儀讀數(shù)和加速度計讀數(shù)的最佳球。要獲得的兩個要素是傳感器単元10相對于股骨坐標(biāo)系的取向和球的半徑。如果股骨與傳感器坐標(biāo)系之間的變換由——分別圍繞x、y和z軸的三個相繼的旋轉(zhuǎn)一入i、入2 和X3來表示，那么需要優(yōu)化四個參數(shù)。然而，當(dāng)把傳感器単元10固定到股骨后，傳感器單元10可以與股骨后髁對齊以限制旋轉(zhuǎn)，使得傳感器単元10的X軸當(dāng)被投影到股骨橫平面上時與股骨的X軸匹配一 X3恒為零并且僅需要優(yōu)化三個參數(shù)(半徑、入i和入2)。也考慮了傳感器単元10與股骨之間的其他關(guān)系(例如，使用其他解剖學(xué)界標(biāo))，只要已知傳感器單元10相對于股骨的機(jī)械進(jìn)入點的位置和取向。根據(jù)圖I中的步驟3，執(zhí)行股骨的特定運動。基于MEMS的傳感器単元10的陀螺儀傳感器12以角速度的形式給出關(guān)于取向變化的信息。所述特定的運動是股骨旋轉(zhuǎn)的停止序列，以消除重力對測量的加速度的影響，如下文中所描述的。為了計算在軌跡上方世界中的絕對傳感器取向，必須已知初始取向。如果傳感器単元10是穩(wěn)定的，能夠從加速度計傳感器14的讀數(shù)計算爐、(和0。￠9、(和0分別是X-軸、Y-軸和Z-軸與地面的夾角。前面所提及的旋轉(zhuǎn)的停止序列允許對陀螺儀的f、^和0角進(jìn)行重新初始化。如果假設(shè)初始偏航(Vtl)為0，那么可以計算傳感器単元10在世界中的初始取向傳■器。根據(jù)步驟4，從陀螺儀傳感器讀數(shù)以及從傳感器単元10的初始取向(例如，從穩(wěn)定時的加速度傳感器14獲得的)計算股骨的加速度。根據(jù)陀螺儀傳感器12的特性，沿三個傳感器軸的角偏移u*0對應(yīng)于關(guān)于單位矢量u的0弧度的持續(xù)旋轉(zhuǎn)。這也被應(yīng)用于角速度。可以本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點】
【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2010.03.02 US 61/309,5851.一種用于在計算機(jī)輔助外科手術(shù)中跟蹤股骨參照系的系統(tǒng)，包括 傳感器単元，其適于被固定到股骨上，所述傳感器単元包括加速度計傳感器和陀螺儀傳感器，二者均產(chǎn)生取向數(shù)據(jù)； 處理單元，其接收陀螺儀數(shù)據(jù)和加速度計數(shù)據(jù)，并且包括 陀螺儀數(shù)據(jù)計算器，其用于至少從由于所述股骨的運動而產(chǎn)生的所述陀螺儀數(shù)據(jù)來提供計算的加速度數(shù)據(jù)； 加速度計數(shù)據(jù)計算器，其用于從由于所述股骨的運動而產(chǎn)生的所述加速度計數(shù)據(jù)來計算測量的加速度數(shù)據(jù)；以及 加速度比較器，其用于從所述計算的加速度數(shù)據(jù)與所述測量的加速度數(shù)據(jù)之間的所述比較將所述傳感器単元的取向與所述股骨相關(guān)聯(lián)，以定義股骨參照系； 傳感器取向接ロ，其用于從對所述股骨參照系的跟蹤來提供針對所述股骨的取向數(shù)據(jù)。2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述陀螺儀數(shù)據(jù)計算器利用針對所述股骨的估計的軌跡和半徑值來提供所述計算的加速度數(shù)據(jù)。3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述陀螺儀數(shù)據(jù)計算器通過利用針對所述股骨的估計半徑值從所述陀螺儀數(shù)據(jù)推導(dǎo)向心加速度，以及利用所述陀螺儀傳感器的取向從所述加速度計數(shù)據(jù)推導(dǎo)重力，來提供所述計算的加速度數(shù)據(jù)。4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中的任一項所述的系統(tǒng)，其中，由所述加速度比較器定義的所述參照系是三軸股骨坐標(biāo)系。5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中的任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述加速度比較器對所述比較應(yīng)用數(shù)值優(yōu)化，以定義所述股骨參照系。6.根據(jù)權(quán)利要求I至5所述的系統(tǒng)，其中，所述加速度比較...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：M·瓦林，C·普羅克斯，LP·阿米奧，B·法拉迪約，J·德朗尚，
申請(專利權(quán))人：奧爾索夫特公司，
類型：
國別省市：
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