接近-觸發的計算機輔助手術系統和方法
2023-06-17 06:28:31 2
專利名稱：接近-觸發的計算機輔助手術系統和方法
技術領域：
本申請涉及計算機輔助手術，更特別地涉及用於計算機輔助手術中的手術器械和與之相應的觸發。
背景技術：
多年以來，計算機輔助手術已經發展成使用計算機的計算速度來引導外科醫生和手術室人員以高的精密度和準確度在骨骼上實施矯形手術。為了減少手術室中的硬體需求，微機電系統(MEMS)、例如陀螺儀和加速計被用來計算手術器械和骨骼的方位和/或位置。MEMS被用來作為其他類型的跟蹤器、例如光學跟蹤系統(例如，Navi track )的補充或替代。在一些情況下，光學跟蹤系統可用MEMS替換，從而去除在器械和骨骼上的龐大的光學跟蹤器裝置。由於MEMS的微小規格，甚至想到在實施計算機輔助手術時不使用獨立的監控器，而是用器械上的LED指示器或顯示屏來提供手術領域內的所有信息。期望使用MEMS來自動操作計算機輔助手術，以加快手術過程。
發明內容
因此，根據第一實施例，提供了一種計算機輔助手術系統，包括具有跟蹤單元的第一手術裝置，所述第一手術裝置在手術過程中被跟蹤，且適於執行與手術過程相關的第一功能；第二手術裝置，其適於執行與手術過程相關的第二功能；觸發單元，其在第一手術裝置和第二手術裝置達到預定的接近關係時被觸發；手術過程處理單元，其至少跟蹤第一手術裝置。所述手術過程處理單元 包括觸發探測器，其探測所述觸發單元的觸發；計算機輔助手術應用程式，其操作手術過程的各個步驟；控制器，其用於在觸發探測器發出探測信號時，命令計算機輔助手術應用程式在手術過程中啟動與第二功能相關的選定步驟；以及界面，其在手術過程中顯示關於選定步驟的信息。仍然根據第一實施例，一個手術裝置具有陰性連接器，另一手術裝置具有陽性連接器，所述手術裝置通過所述陽性和陰性連接器的適配接合來互相連接。還是仍然根據第一實施例，所述觸發單元是開關，且所述預定的接近關係是所述適配接合，所述開關通過所述陽性和陰性連接器的適配接合來觸發。還是仍然根據第一實施例，所述第一手術裝置是安裝到骨骼上以跟蹤骨骼的基準器械。還是仍然根據第一實施例，所述第二手術裝置是可拆卸地連接到所述基準器械以確定骨骼的軸線的數位化器械。還是仍然根據第一實施例，所述系統還包括在所述觸發單元和所述觸發探測器之一中的狀態資料庫，以確認所述預定的接近關係與狀態資料庫的狀態相一致。還是仍然根據第一實施例，下一步驟是模式的改變，且所述界面在觸發探測器發出探測信號時自動地改變模式。
還是仍然根據第一實施例，所述第二手術裝置具有跟蹤單元，用於在手術過程中被跟蹤。還是仍然根據第一實施例，所述跟蹤單元包括微機電系統。根據第二實施例，提供了一種用於執行計算機輔助手術應用程式的手術過程的步驟的方法，包括至少跟蹤適於執行與手術過程相關的第一功能的第一手術裝置；探測所述第一手術裝置和適於執行與手術過程相關的第二功能的第二手術裝置之間的預定的接近關係；在所述預定的接近關係被探測到時，啟動與第二功能相關的手術過程的選定步驟；以及顯示關於選定步驟的信息。仍然根據第二實施例，跟蹤第一手術裝置包括接收來自微機電系統的跟蹤數據。還是仍然根據第二實施例，探測預定的接近關係包括探測第一手術裝置和第二手術裝置之間的適配接合。還是仍然根據第二實施例，所述方法還包括跟蹤第二手術裝置。還是仍然根據第二實施例，跟蹤第二手術裝置包括根據對第一手術裝置的跟蹤以及根據所述手術裝置之間已知的適配接合幾何關係來跟蹤第二手術裝置。還是仍然根據第二實施例，顯示關於選定步驟的信息包括顯示關於跟蹤第二手術裝置的信息。還是仍然根據第二實施例，所述方法包括在啟動選定步驟之前，確認所探測的預定的接近關係符合預定的狀態。還是仍然根據第 二實施例，跟蹤第一手術裝置包括跟蹤在患者的脛骨上的脛骨基準。還是仍然根據第二實施例，所述方法還包括跟蹤第二手術裝置且第二手術裝置是脛骨數位化儀，其中，顯示關於選定步驟的信息包括顯示脛骨軸線。
圖1是根據本申請的一個示例性實施例的接近-觸發計算機輔助手術系統的框圖；圖2是在圖1的計算機輔助手術系統中使用的相對於骨骼適配的手術裝置的示意圖；圖3是在圖1的計算機輔助手術系統中使用的相對於骨骼適配的手術裝置的示意圖；圖4A是帶有CAS監控器的圖2的適配的手術裝置在適配之前的示意圖；和圖4B是帶有CAS監控器的圖2的適配的手術裝置在適配之後的示意圖。
具體實施例方式參考附圖，特別是參考圖2、3、4A和4B，患者的小腿被示出，其中，去除了軟組織從而露出脛骨A的上端，以用於示例性實施例的接近-觸發計算機輔助手術系統中。雖然所述計算機輔助手術系統和相應的方法被描述和示出為用於膝關節置換手術過程中的脛骨改變，但應理解的是，本實施例的接近-觸發計算機輔助手術系統和方法可用於所有其它類型的矯形手術中，例如全膝置換、全髖置換、脊椎手術、或需要如示例性實施例所述的手術裝置的任何其它類型的矯形手術。參考圖1，接近-觸發計算機輔助手術(CAS)系統總體上以附圖標記10表示。CAS系統10可具有多個手術裝置。在示出的實施例中，CAS系統10具有被跟蹤的手術裝置12，所述手術裝置12固定於骨骼。在圖1的示例性實施例中，被跟蹤的手術裝置12是MEMS-操作的基準單元，其固定於骨骼以便通過各種校準和定位步驟來提供關於骨骼A的跟蹤數據(即，方位和/或位置信息)。如圖2和圖3所示，被跟蹤的手術裝置12是固定於脛骨A的上端的脛骨基準，以便作為跟蹤基準。脛骨基準12具有陰性連接器13，以便在所述陰性連接器13中容納其它手術裝置。在一個實施例中，與被跟蹤的手術裝置12適配接合的其它手術裝置也通過被跟蹤的手術裝置12和所述其它手術裝置之間的幾何關係而被跟蹤。在圖2中，所述其它手術裝置以附圖標記14A示出，且已知為脛骨數位化儀。在圖3中，所述其它手術裝置14B是切割塊。脛骨數位化儀和切割塊分別具有陽性連接器15A和15B。在示例性實施例中，被跟蹤的手術裝置12具有電子電路，以便操作MEMS來提供跟蹤數據。觸發單元16 (圖1)例如作為電子電路的一部分設置在被跟蹤的手術裝置12上，以便在被跟蹤的手術裝置12的陰性連接器13和所述其它手術裝置14的陽性連接器15之間的適配接合完成時被觸發。觸發單元16可以是多種單元中的任何一種。例如，觸發單元16可以是簡單的開關，所述開關設在陰性連接器13中，以便通過與陽性連接器15的接觸來觸發。其它替代方案包括分別在相配的裝置中的磁體和適合的傳感器，接近開關和傳感器，在相配的裝置中的導電元件和開路電路，或者任何其它適合的類型的觸發單元或開關。接近-觸發CAS系統10具有接近-觸發CAS處理單元20，所述處理單元20包括跟蹤計算器22，以便跟蹤手術裝置12和通過手術裝置14A/14B與手術裝置12的連接關係、或手術裝置14A/14B那裡獨立地具有它們自己的MEMS來跟蹤手術裝置14A/14B。跟蹤計算器22接收來自手術裝置的MEMS的跟蹤信號，並且利用之前校準和定位信息將該數據轉化為關於手術裝置12、14A和/或14B、也是關於已經被校準和定位的骨骼A或任何其它適合的骨骼的跟蹤值。手術過程控制器24操作CAS應用程式25，以引導骨骼上的手術操作，所述CAS應用程式25引導外科醫生和手術室人員按照CAS應用程式遵照一系列手動步驟來定義骨骼軸線、器械軸線、模型，而且還提供手術步驟信息。CAS應用程式25根據由CAS系統10的操作員輸入的信息、也通過由跟蹤計算器22提供的跟蹤數據來進行特定的步驟流程。產生的信息顯示在界面26上，所述界面26典型地是獨立站臺的監控器，或是直接設置在手術裝置上的顯示屏或LED指示器。
觸發探測器28設置在CAS處理單元20中，以便接收來自觸發單元16的探測信號。接收到探測信號後，觸發探測器28向手術過程控制器24發出觸發信號。在使用接近傳感器時，觸發探測器28可例如通過確認手術裝置14足夠靠近手術裝置12來執行確認步驟。此外，如果裝置12和14適配地接合，觸發探測器28可要求持續的探測信號來確認觸發。這些確認步驟也可由觸發單元16來執行，上述兩種情況下都要有狀態資料庫的參與。所述觸發在手術裝置14與手術裝置12接近或接觸定位時被自動地進行。因此，手術過程控制器24會在接收到來自觸發探測器28的信號之後改變它的操作流程，以進一步推進手術過程的步驟流程，這會在界面26上、例如通過顯示屏上的數據的變化而被觀察至|J。因此，通過執行該操作，操作員和CAS系統10之間的一個交互步驟被去除，並代之以多數標準外科技術中所需的用於給定類型的手術的直觀步驟。參考圖4A和圖4B，示出了通過接近而自動地觸發CAS系統的方法。在圖4A中，脛骨基準12固定於脛骨A，且被校準和定位。因此，脛骨A在對其隨後的手術步驟中被跟蹤。界面12示出了顯示屏1，所述顯示屏I與手術過程中的進展相一致。因此，顯示屏I可顯示通過跟蹤脛骨基準12得到的關於骨骼A的跟蹤信息(例如，軸線、骨骼模型、值)。此外，根據手術過程，顯示屏I指示，下一步驟是將脛骨數位化儀14A通過其與脛骨基準12之間的適配連接(例如，圖2)而連接到脛骨基準12。如以上所述，手術裝置14的定位可不要求與手術裝置12在物理上互相連接。顯示屏I上的數據可以是關於在骨骼A上的特定位置處經外科技術安裝手術裝置14，所述特定位置例如在可由接近開關和傳感器探測到的距離手術裝置12的給定距離處。參考圖4B，脛骨數位化儀14A適配地連接於脛骨基準12，從而使觸發單元16觸發。因此，如果符合觸發狀態(例如，時間結束、接近等)，CAS處理單元20自動地改變界面26上的數據，如圖4B中的顯示屏2所示的數據。數據的改變可以是手術流程中的模式的自動改變，以啟動與脛骨數位化儀14A相關的數據收集(例如，脛骨軸線的配準)，從命令模式變為數據收集模式。數據的改變也可以是裝置12和14充分地相互連接的指示，從而提示CAS系統10的操作員執行下一步驟。上述步驟是由CAS處理單元20依照CAS應用程式25來操作的整套步驟的一部分，一些是強制性的、或選擇性的、或在外科技術中所限定的先決條件。上述步驟在手術過程中可被重複。例如，在安裝切 割塊14B (圖3)時，自動的觸發也可使手術過程流程改變。
權利要求
1.一種計算機輔助手術系統，包括 具有跟蹤單元的第一手術裝置，所述第一手術裝置在手術過程中被跟蹤，且適於執行與手術過程相關的第一功能； 第二手術裝置，其適於執行與手術過程相關的第二功能； 觸發單元，其在第一手術裝置和第二手術裝置達到預定的接近關係時被觸發； 手術過程處理單元，其至少跟蹤第一手術裝置，所述手術過程處理單元包括 觸發探測器，其探測所述觸發單元的觸發； 計算機輔助手術應用程式，其操作手術過程的各個步驟； 控制器，其用於在觸發探測器發出探測信號時，命令計算機輔助手術應用程式在手術過程中啟動與第二功能相關的選定步驟；以及 界面，其在手術過程中顯示關於選定步驟的信息。
2.如權利要求1所述的計算機輔助手術系統，其特徵在於，一個手術裝置具有陰性連接器，另一手術裝置具有陽性連接器，所述手術裝置通過所述陽性和陰性連接器的適配接合來互相連接。
3.如權利要求2所述的計算機輔助手術系統，其特徵在於，所述觸發單元是開關，且所述預定的接近關係是所述適配接合，所述開關通過所述陽性和陰性連接器的適配接合來觸發。
4.如權利要求1至3中任一所述的計算機輔助手術系統，其特徵在於，所述第一手術裝置是安裝到骨骼上以跟蹤骨骼的基準器械。
5.如權利要求4所述的計算機輔助手術系統，其特徵在於，所述第二手術裝置是可拆卸地連接到所述基準器械以確定骨骼的軸線的數位化器械。
6.如權利要求1至5中任一所述的計算機輔助手術系統，其特徵在於，所述計算機輔助手術系統還包括在所述觸發單元和所述觸發探測器之一中的狀態資料庫，以確認所述預定的接近關係與狀態資料庫的狀態相一致。
7.如權利要求1至6中任一所述的計算機輔助手術系統，其特徵在於，下一步驟是模式的改變，且所述界面在觸發探測器發出探測信號時自動地改變模式。
8.如權利要求1至7中任一所述的計算機輔助手術系統，其特徵在於，所述第二手術裝置具有跟蹤單元，用於在手術過程中被跟蹤。
9.如權利要求1至8中任一所述的計算機輔助手術系統，其特徵在於，所述跟蹤單元包括微機電系統。
10.一種用於執行計算機輔助手術應用程式的手術過程的步驟的方法，包括 至少跟蹤適於執行與手術過程相關的第一功能的第一手術裝置； 探測所述第一手術裝置和適於執行與手術過程相關的第二功能的第二手術裝置之間的預定的接近關係； 在所述預定的接近關係被探測到時，啟動與第二功能相關的手術過程的選定步驟；以及 顯示關於選定步驟的信息。
11.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，跟蹤第一手術裝置包括接收來自微機電系統的跟蹤數據。
12.如權利要求10至11中任一所述的方法，其特徵在於，探測預定的接近關係包括探測第一手術裝置和第二手術裝置之間的適配接合。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括跟蹤第二手術裝置。
14.如權利要求13所述的方法，其特徵在於，跟蹤第二手術裝置包括根據對第一手術裝置的跟蹤以及根據所述手術裝置之間已知的適配接合幾何關係來跟蹤第二手術裝置。
15.如權利要求13和14中任一所述的方法，其特徵在於，顯示關於選定步驟的信息包括顯示關於跟蹤第二手術裝置的信息。
16.如權利要求10至15中任一所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括在啟動選定步驟之前，確認所探測的預定的接近關係符合預定的狀態。
17.如權利要求10至16中任一所述的方法，其特徵在於，跟蹤第一手術裝置包括跟蹤在患者的脛骨上的脛骨基準。
18.如權利要求17所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括跟蹤第二手術裝置且第二手術裝置是脛骨數位化儀，其中，顯示關於選定步驟的信息包括顯示脛骨軸線。
全文摘要
一種計算機輔助手術系統，包括具有跟蹤單元的第一手術裝置，其在手術過程中被跟蹤，且適於執行與手術過程相關的第一功能。第二手術裝置適於執行與手術過程相關的第二功能。觸發單元在第一手術裝置和第二手術裝置達到預定的接近關係時被觸發。手術過程處理單元跟蹤第一手術裝置。觸發探測器探測所述觸發單元的觸發。CAS應用程式操作手術過程的各個步驟。控制器在觸發探測器發出探測信號時，命令CAS應用程式在手術過程中啟動與第二功能相關的選定步驟。界面在手術過程中顯示關於選定步驟的信息。
文檔編號A61B17/56GK103068331SQ201080068840
公開日2013年4月24日 申請日期2010年8月31日 優先權日2010年8月31日
發明者Y·布廷, J-G·阿比旺, M·謝弗瑞爾 申請人:奧爾索夫特公司