患者定位系統(tǒng)及方法
【專利摘要】系統(tǒng)和方法向用戶提供患者位置信息?；颊叨ㄎ辉O(shè)備被放置在處于預(yù)定位置中的患者身上?；颊叨ㄎ辉O(shè)備確定相對于至少一個(gè)已知參考軸的相對患者位置?；颊叨ㄎ辉O(shè)備傳達(dá)包括或關(guān)于該至少一個(gè)已知參考軸的患者位置信息。所傳達(dá)的患者位置信息允許用戶通過使用所傳達(dá)的患者位置信息來定位患者和/或外科工具。
【專利說明】患者定位系統(tǒng)及方法
相關(guān)申請的交叉引用
[0001]本申請要求2011年2月8日提交的題為“Patient Positioning Device (患者定位設(shè)備)”的美國臨時(shí)專利申請S/N:61/440, 446的權(quán)益，其通過引用結(jié)合于此。
[0002]本申請還要求2011年7月18日提交的題為“Patient Positioning Systems andMethods (患者定位系統(tǒng)及方法)”的美國臨時(shí)專利申請S/N =61/508, 851的權(quán)益，其通過引用結(jié)合于此。
關(guān)于聯(lián)邦贊助的研究或研發(fā)的聲明
[0003]不適用。
發(fā)明背景[0004]本文公開的主題一般涉及定位系統(tǒng)及方法，尤其涉及提供相對于一個(gè)或多個(gè)預(yù)定參考的患者定位信息的患者定位系統(tǒng)及方法。
[0005]在許多(如果不是全部的話)患者相關(guān)程序中，患者和/或外科器械以如下方式定位:提供最佳的外科進(jìn)出和成果，同時(shí)使對患者的潛在風(fēng)險(xiǎn)最小化。大多數(shù)患者位置包括一定程度的風(fēng)險(xiǎn)，并且這種風(fēng)險(xiǎn)在無法使他人知曉與其位置相關(guān)的狀況的麻醉患者中會(huì)被放大。另外，因?yàn)樵S多患者被轉(zhuǎn)移和定位在手術(shù)臺(tái)上為多種外科程序做準(zhǔn)備，所以在重新定位之后必須重新評估期望的患者位置。
[0006]因?yàn)樾枰獪?zhǔn)確的患者定位信息，所以存在當(dāng)前可用于幫助患者和/或外科器械定位的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)需要和/或結(jié)合具有專用定位相關(guān)設(shè)備的專用外科病房，所有這些都需要高昂的預(yù)付成本。這些專用病房系統(tǒng)通常幫助用戶確定在專用病房中的何處相對于病房中的一個(gè)或多個(gè)已知固定點(diǎn)來定位外科器械或患者界標(biāo)，并經(jīng)常需要廣泛訓(xùn)練、專用計(jì)算機(jī)，是昂貴的，且典型地是龐大的(整個(gè)病房)，以跟蹤患者體內(nèi)或身上的外科器械或界標(biāo)的空間位置和/或移動(dòng)。它們常常需要植入的界標(biāo)來準(zhǔn)確地操作。
[0007]在多種整形外科植入程序中，諸如全髖置換(THR)或關(guān)節(jié)成形術(shù)、全膝關(guān)節(jié)成形術(shù)(TKA)、高位脛骨切骨術(shù)(HTO)以及全肩置換術(shù)(TSR)，外科植入物的最佳定向可增強(qiáng)植入物的初始功能和長期可操作性。當(dāng)沒有使用專用定位系統(tǒng)時(shí)，可使用簡單的“目測”方法或機(jī)械工具。例如，已將目測用于人工髖白杯或股骨拉刀的對準(zhǔn)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)目測不足以準(zhǔn)確地來關(guān)于植入物組件所附連的骨頭可靠地對準(zhǔn)和放置這些組件。
[0008]一項(xiàng)近來的研究報(bào)告了 THR的術(shù)后并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)。一個(gè)標(biāo)識的因素是人工髖臼杯的定向。該報(bào)告得出結(jié)論，髖白杯的位置不正可關(guān)聯(lián)到許多不利的臨床后果，包括增加的髖關(guān)節(jié)脫臼率、髖臼內(nèi)襯斷裂、增加的磨損、減少的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、關(guān)節(jié)疼痛以及植入物的加速故障。因此，研究證明位置不正或非最佳定位的整形外科植入物關(guān)聯(lián)于不適當(dāng)?shù)呢?fù)荷、增加的植入物磨損以及甚至植入物故障。
[0009]因此，在外科程序之前及期間正確地定位患者以準(zhǔn)確地使用外科器械和放置植入物(如在相對于患者解剖學(xué)的外科程序中所使用的)是實(shí)現(xiàn)成功結(jié)果的重要因素。
[0010]因此，需要提供系統(tǒng)和方法，這些系統(tǒng)和方法使用小的獨(dú)立設(shè)備在外科程序之前和/或外科程序期間提供相對于預(yù)定參考的患者具體位置信息。發(fā)明簡述
[0011]本發(fā)明通過提供向用戶提供患者位置信息的系統(tǒng)和方法克服了前述缺點(diǎn)。特別地，能夠被放置在患者身上的獨(dú)立的患者定位設(shè)備被配置成確定和傳達(dá)患者位置信息，包括至少一個(gè)已知的參考軸。所傳達(dá)的患者位置信息允許用戶在沒有簡單的“目測”估計(jì)或廣闊的整個(gè)病房集成的定位系統(tǒng)的情況下通過使用所傳達(dá)的患者位置信息來定位患者和/或外科工具。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供一種用于提供患者位置信息的方法。該方法包括將患者定位設(shè)備放置在患者身上的預(yù)定位置。校準(zhǔn)患者定位設(shè)備以確定至少一個(gè)已知參考軸。患者定位設(shè)備將患者位置信息傳達(dá)給用戶，患者位置信息包括至少一個(gè)已知參考軸。所傳達(dá)的患者位置信息允許用戶通過使用所傳達(dá)的患者位置信息來定位患者和/或外科工具。
[0013]可校準(zhǔn)患者定位設(shè)備以將X軸、y軸和z軸映射到相對于重力的定向?；颊叨ㄎ辉O(shè)備還可測量繞X軸、y軸和Z軸中任何一個(gè)的旋轉(zhuǎn)加速度，并且也可使用其它參考面，諸如磁場或無線基站的方向。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供一種用于在全髖置換程序期間定位患者和/或外科工具的方法。該方法包括將患者定位設(shè)備放置在預(yù)定位置中的患者身上。校準(zhǔn)患者定位設(shè)備以在患者站立時(shí)確定患者骨盆的水平參考。然后將患者置于側(cè)面位置?；颊叨ㄎ辉O(shè)備將骨盆的水平參考關(guān)聯(lián)到重力參考，并將患者位置信息傳達(dá)給用戶?；颊呶恢眯畔ü桥璧乃絽⒖寂c重力參考之間的角位移?？墒褂盟鶄鬟_(dá)的患者位置信息來驗(yàn)證骨盆位置，且可基于所傳達(dá)的患者位置信息來重新定位骨盆和/或外科工具。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供一種用于提供患者位置信息的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括患者定位設(shè)備，患者定位設(shè)備被配置成可移除地固定到預(yù)定位置中的患者，患者定位設(shè)備包括位置感測系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。位置感測系統(tǒng)被配置成確定至少一個(gè)已知參考軸。通信系統(tǒng)被配置成將患者位置信息傳達(dá)到顯示器，患者位置信息包括至少一個(gè)已知參考軸。顯示器顯示患者位置信息以供用戶用于允許用戶關(guān)于至少一個(gè)已知參考軸來定位患者。
附圖簡述
[0016]根據(jù)下述詳細(xì)說明并結(jié)合附圖，本發(fā)明將變得更加顯而易見，在附圖中同樣的元件使用同樣的附圖標(biāo)記。
[0017]圖1是示出典型地用于描述人體平面的三個(gè)平面的視圖；
[0018]圖2是示出躺在手術(shù)臺(tái)上左側(cè)臥位置的患者的視圖；
[0019]圖3是示出左側(cè)臥位置中的患者的正冠狀傾斜的示例的視圖，其中用虛線標(biāo)記骨盆的垂直平面且標(biāo)識傾斜角；
[0020]圖4是示出向前滾動(dòng)的示例的視圖,其中用虛線標(biāo)記患者的軸且標(biāo)識滾動(dòng)角度；
[0021]圖5是示出負(fù)旋轉(zhuǎn)的示例的視圖，其中骨盆朝脊柱折起；
[0022]圖6是示出骨盆結(jié)構(gòu)的解剖圖，包括ASIS和PSIS ；
[0023]圖7是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的患者定位系統(tǒng)的視圖；
[0024]圖8是示出作為圖7所示患者定位設(shè)備的一部分的通信系統(tǒng)的實(shí)施例的視圖；
[0025]圖9是可在顯示器或其它設(shè)備上顯示的位置信息的圖形表示；
[0026]圖10是骨盆區(qū)域的解剖圖，其中支架被配置成幫助限定水平且支承患者定位設(shè)備;
[0027]圖11是具有圖10所示支架的替代實(shí)施例的骨盆區(qū)域的解剖圖；
[0028]圖12是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用患者定位設(shè)備的方法的流程圖；
[0029]圖13是骨盆的解剖圖，其中關(guān)于側(cè)面位置中的患者標(biāo)識垂直線和水平線；
[0030]圖14是示出在患者定位設(shè)備的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)中使用的Wii Remote (Wii遙控器)的軸的視圖；
[0031]圖15是示出利用一個(gè)軸的定向的計(jì)算的視圖；
[0032]圖16是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的患者定位設(shè)備的位置的示意性布局的視圖；
[0033]圖17是示出三個(gè)軸中的每一個(gè)在重力方向上的分量的計(jì)算的視圖；
[0034]圖18是示出使用外部無線電源對位置進(jìn)行三角測量的患者定位設(shè)備的視圖；
[0035]圖19A-C是患者背部上安裝有脊柱位置監(jiān)控系統(tǒng)的后視圖；以及
[0036]圖20是圖19A-C的脊柱位置監(jiān)控系統(tǒng)的多種配置的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037]提供以下討論以使本領(lǐng)域技術(shù)人員作出和使用本發(fā)明的實(shí)施例。對所示實(shí)施例的各種修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的，并且本文中的普適原理可應(yīng)用于其他實(shí)施例和應(yīng)用而不背離本發(fā)明的實(shí)施例。由此，本發(fā)明的實(shí)施例并非旨在限于所示的實(shí)施例，而是應(yīng)當(dāng)被授予與本文中所公開的原理和特征一致的最廣的范圍。將參考附圖來閱讀以下詳細(xì)描述。附圖描繪了所選實(shí)施例，并且不旨在限制本發(fā)明的實(shí)施例的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，本文中所提供的示例有許多有用的替換方案并且落入本發(fā)明的實(shí)施例的范圍內(nèi)。
[0038]以下描述涉及被“連接”或“耦合”在一起的元件或特征。如本文中所使用的，除非另有明確表述，“連接”是指一個(gè)元件/特征直接或間接地連接到另一元件/特征，并且不一定是機(jī)械地。同樣地，除非另有明確表述，“耦合”是指一個(gè)元件/特征直接或間接地耦合到另一元件/特征，并且不一定是機(jī)械地，諸如當(dāng)元件或特征以程序代碼來體現(xiàn)。因此，盡管附圖描繪了處理元件的示例布置，但可在實(shí)際實(shí)施例中提供附加的插入元件、設(shè)備、特征、組件或代碼。
[0039]本發(fā)明在本文中可依照功能和/或邏輯方框組件和多種處理步驟予以描述。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，這些方框組件可由配置為執(zhí)行特定功能的任意數(shù)量的硬件、軟件和/或固件組件來實(shí)現(xiàn)。例如，實(shí)施例可使用各種集成電路組件，例如存儲(chǔ)器元件、數(shù)字信號處理元件、邏輯元件、二極管、查找表等等，其可在一個(gè)或多個(gè)微處理器或其它控制設(shè)備的控制下執(zhí)行各種功能。其它實(shí)施例可使用程序代碼或與其它電路組件結(jié)合的代碼。
[0040]根據(jù)計(jì)算機(jī)編程領(lǐng)域中的技術(shù)人員的實(shí)踐，在此關(guān)于可通過多種計(jì)算組件、模塊或設(shè)備執(zhí)行的操作的符號表示來描述本公開。此類操作可被稱為計(jì)算機(jī)執(zhí)行的、計(jì)算機(jī)化的、軟件實(shí)現(xiàn)的或者計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的。將會(huì)認(rèn)識到，可被符號表示的操作包括由多種微處理器設(shè)備對表示在系統(tǒng)存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)器位置處的數(shù)據(jù)位的電信號的操縱以及對信號的其它處理。維持?jǐn)?shù)據(jù)位的存儲(chǔ)器位置是具有與數(shù)據(jù)位相對應(yīng)的特定電、磁、光或有機(jī)屬性的物理位置。
[0041]將結(jié)合針對全髖置換(THR)程序和/或在全髖置換(THR)程序期間定位患者來描述本發(fā)明的多個(gè)方面。這是因?yàn)橐虮景l(fā)明而出現(xiàn)的特征和優(yōu)點(diǎn)很好地適于該目的。然而，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，本發(fā)明也適用于其它程序且適用于實(shí)現(xiàn)其它目的。
[0042]在臨床設(shè)置中，以大體一致性來使用某些術(shù)語。例如，使用常見的臨床短語和術(shù)語來描述多種常見患者定向。作為具體示例，患者平面可包括冠狀平面、橫截面和矢形面。參照圖1，冠狀平面(有時(shí)稱為正面圖)可被定義為與患者胸腔平行并將人體分成腹和背(腹部和背部)部分的平面。同樣地，橫截面可被定義為將人體分成上部和下部的平面。此外，矢形面可以是從前到后將人體分成右部和左部的垂直平面。另外，參照圖2，側(cè)臥位置可以指患者通常臥倒定向在手術(shù)臺(tái)上，其中一個(gè)髖在另一個(gè)髖上對準(zhǔn)。作為示例，參照圖2，如果患者在左側(cè)上躺著，那么這被稱為“左側(cè)臥”。
[0043]在上述術(shù)語的基礎(chǔ)上且參照圖3，冠狀傾斜可以指冠狀平面內(nèi)的骨盆旋轉(zhuǎn)。在身體上，一個(gè)髖向頭部旋轉(zhuǎn)，且一個(gè)向腳趾旋轉(zhuǎn)，如圖3所示。因此，正冠狀傾斜可被定義為骨盆旋轉(zhuǎn)使得上面的髖向頭部移動(dòng)。同樣地，左側(cè)臥正冠狀傾斜定義一種定向，其中患者在其左側(cè)上躺著且右髖已向頭部旋轉(zhuǎn)。
[0044]再進(jìn)一步并參照圖5，滾動(dòng)可以指患者繞中心(長)軸(在橫截面內(nèi)，繞橫截面的法線)的旋轉(zhuǎn)。在身體上，它是患者向手術(shù)臺(tái)離開垂直線的滾動(dòng)。如此，正的向前滾動(dòng)可以指患者面向手術(shù)臺(tái)的滾動(dòng)。旋轉(zhuǎn)可以指患者繞髂后上棘(posterior superior iliac spinePSIS)的旋轉(zhuǎn)。在身體上，它是骨盆向患者的冠狀平面的旋轉(zhuǎn)。負(fù)旋轉(zhuǎn)可以被定義為“向脊柱折起屁股”。
[0045]因此，髂后上棘(PSIS)可以指在髂嵴后端的凸出。參照圖6，左和右PSIS限定了一條線，該線被用于髖外科手術(shù)中且被預(yù)期與手術(shù)室中的已知垂直線共線。作為推論，髂前上棘(ASIS)定義了表面解剖學(xué)的界標(biāo)，并且指代骨 盆的髂嵴的前端。
[0046]如上所討論，提供患者定位信息的系統(tǒng)是可用的，但是已知的系統(tǒng)并不是獨(dú)立系統(tǒng)或單元，相反經(jīng)常需要專用病房且僅僅提供病房中的兩個(gè)或更多個(gè)相關(guān)固定單元之間的參考。例如，通過提供包括能夠基于參考辨別相對位置信息的至少一個(gè)傳感器的設(shè)備(其不需要諸如病房集成參考系統(tǒng)之類的系統(tǒng)來辨別相對位置信息)，本發(fā)明克服了許多這些限制。例如，傳感器可被配置成利用參考軸，諸如由重力提供的參考軸。這種配置的問題在于重力僅可提供相對于X軸和I軸的位置信息，卻無法提供相對于重力軸或z軸的位置信息。繞X軸和I軸的定向是已知的，它們構(gòu)成“地板”平面或水平面，但是繞z軸(與重力對準(zhǔn)的軸)或垂直線的旋轉(zhuǎn)是未知的。但是，此類限制可適于某些臨床應(yīng)用。
[0047]在一些配置中，位置感測設(shè)備可以使用慣性系統(tǒng)(諸如陀螺儀)以及相對加速度，其允許所有方向上的運(yùn)動(dòng)均被跟蹤。但是，此類系統(tǒng)中所需要的信號處理可是復(fù)雜的，而在一些臨床應(yīng)用中被禁止。此外，包括這種基于慣性和加速度的感測設(shè)備的可購得系統(tǒng)需要“零位調(diào)整”和“重新零位調(diào)整”，因?yàn)閮?nèi)部傳感器僅具有有限的靈敏度。結(jié)果，在使用陀螺儀的這種實(shí)現(xiàn)中，分辨繞所有軸的定向可被限于幾度以內(nèi)?？墒褂酶郊拥耐勇輧x來減少這種限制，但是有材料及復(fù)雜性的附加成本。
[0048]實(shí)際解決方案是尋找一種為患者定位設(shè)備提供第二正交參考軸的方法。由于低成本加速度計(jì)是可用的且不需要除重力之外的外部參考，因此對于許多臨床應(yīng)用而言它們可以是合需的選擇。通過在已知方向上增加加速度，可獲得最終的“丟失”方向(繞z軸的旋轉(zhuǎn))。[0049]現(xiàn)在參照附圖，其中在若干視圖中同樣的附圖標(biāo)記對應(yīng)于同樣的組件，尤其參照圖7，應(yīng)在患者定位設(shè)備(pro) 100的環(huán)境中描述本發(fā)明的實(shí)施例。pro被配置成與系統(tǒng)一起操作且在被配置成提供患者特定位置信息的方法內(nèi)有用，包括但不限于傾角和傾斜(以及在一些實(shí)施例中的旋轉(zhuǎn))的測量。
[0050]本文所述的PPD100的實(shí)施例可包括位置感測系統(tǒng)102、處理系統(tǒng)104和通信系統(tǒng)106。下面描述每個(gè)系統(tǒng)的實(shí)施例。對于功率需求，可用可再充電或一次電池120來給PPD100供電，或者可將PPD100插入適當(dāng)?shù)谋谘b電源插座(未示出)以獲得功率或者另一電源。
[0051] 在一些實(shí)施例中，位置感測系統(tǒng)102可包括一個(gè)或多個(gè)加速度計(jì)、陀螺儀或者基于外部參考的三角測量系統(tǒng)。使用基于外部參考的三角測量系統(tǒng)的系統(tǒng)的一個(gè)示例是相機(jī)，諸如在一些可購得的視頻游戲系統(tǒng)(諸如Wii商標(biāo)的由華盛頓州雷德蒙市的任天堂美國公司生產(chǎn)的)中實(shí)現(xiàn)。
[0052]在一些實(shí)施例中，可在獨(dú)立外殼108中內(nèi)部地參考位置感測系統(tǒng)102，諸如圖7所示。在該配置中，可能沒有其它外部硬件告訴PPD100它在何處與參考有關(guān)。利用沒有除了重力之外的外部參考的這種獨(dú)立單元，也許不可能完全知曉空間內(nèi)的單元定向。
[0053]在一些實(shí)施例中，位置感測系統(tǒng)102可包括能夠確定pro相對于已知參考(通常是重力方向)的絕對定向的附加傳感器。PPD100還可包括允許通過使用例如旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)或三角測量傳感器對位置和定向進(jìn)行絕對確定的其它傳感器。
[0054]一些實(shí)施例允許在沒有任何附加設(shè)備的情況下校準(zhǔn)PPD100。例如，參照圖2、圖7和圖18，為了給予某些運(yùn)動(dòng)，外科醫(yī)生可輕輕地?fù)u動(dòng)患者101。如果垂直于搖動(dòng)的方向精確地對準(zhǔn)I軸，那么將不會(huì)在該通道中觀察到加速度，而將在X軸看到加速度。傳感器的任何輕微旋轉(zhuǎn)將導(dǎo)致在I軸通道上獲得更多加速度。在附加選項(xiàng)中，外科醫(yī)生故意傾斜手術(shù)臺(tái)174 (利用現(xiàn)代機(jī)動(dòng)化床更容易做到)，使得可以引入第二參考方向且分辨未知旋轉(zhuǎn)。
[0055]在其它實(shí)施例中，可在附加設(shè)備的幫助下校準(zhǔn)PPD100。例如，支承患者101的手術(shù)臺(tái)174可被裝備成允許針對床的平面或定向參考PPD100的方向。
[0056]例如，可由安裝到手術(shù)臺(tái)174、或安裝到患者、或安裝到PPD100的推動(dòng)設(shè)備176給予患者橫向加速度，以在一個(gè)方向上提供脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其中只有該方向可用于區(qū)分重力向量周圍的真正特殊定向。在該配置中，概念依賴于由相對于重力剛性定向的推動(dòng)設(shè)備176產(chǎn)生的額外加速度。當(dāng)準(zhǔn)備好時(shí)，外科醫(yī)生可觸發(fā)推動(dòng)設(shè)備176來驅(qū)動(dòng)與X軸應(yīng)在之處共線的和緩加速度。y軸中的任何額外信號指示旋轉(zhuǎn)。
[0057]在一個(gè)實(shí)施例中，ProiOO的位置感測系統(tǒng)102可包括三個(gè)軸加速度計(jì)。當(dāng)患者站立時(shí)可在水平位置參考PPD100，且隨后患者躺下，此時(shí)PPD100是垂直的。以重力為參考，PPD100可檢測傾斜和滾動(dòng)，但是可能無法檢測旋轉(zhuǎn)，因?yàn)樵撨\(yùn)動(dòng)是繞重力方向的。然而，如前所述，如果臨床醫(yī)生在滾動(dòng)方向上輕輕推動(dòng)患者,或者在滾動(dòng)方向上輕推手術(shù)臺(tái)174,那么所產(chǎn)生的加速度允許確定PPD100的旋轉(zhuǎn)，因而確定患者骨盆的旋轉(zhuǎn)。在該配置中，可確定患者骨盆的所有關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)和位置。
[0058]作為非限制性示例，用于確定該未知旋轉(zhuǎn)軸的替代場景可包括陀螺儀(如上)的使用；使用相機(jī)的LED照明和跟蹤；鎖定至手術(shù)臺(tái)上的參考點(diǎn)的手臂，產(chǎn)生外部參考角；和/或利用周圍傳感器的三角測量。[0059]在其它實(shí)施例中，可通過將外部參考用于確定重力軸上的旋轉(zhuǎn)來確定在所有三個(gè)維度上的PPD100的精確或接近精確的旋轉(zhuǎn)。該外部參考可以是對手術(shù)臺(tái)174上或手術(shù)室中的PPD100可見的定向恒定的目標(biāo)。
[0060]注意，在連續(xù)流送數(shù)據(jù)的情況下陀螺儀的使用可能受限，因?yàn)槭褂眠@種基于慣性的系統(tǒng)，在任何特定時(shí)間知曉運(yùn)動(dòng)需要恒定的遙測。對此的一個(gè)解決方案是與處理器單元110的通常恒定的通信。替代地，可在PPD100自身板上的處理系統(tǒng)104中執(zhí)行該處理，且僅當(dāng)請求信息時(shí)才可傳送數(shù)據(jù)。這種方法節(jié)省電池功率且使與手術(shù)室系統(tǒng)相干擾的可能性最小化。一般，因此經(jīng)常優(yōu)選的是，PPD100跟蹤并在存儲(chǔ)器105中連續(xù)地存儲(chǔ)其三維定向和旋轉(zhuǎn)，從而當(dāng)被請求時(shí)無線地將該信息提供給處理器110或顯示器112。例如，可通過使用諸如在航空中定義的縱搖(pitch)、平搖(yaw)和橫搖(roll)的概念并相對于冠狀平面、橫截面和矢形面來存儲(chǔ)和/或傳達(dá)這種三維定向和旋轉(zhuǎn)信息或位置信息。
[0061]在又一附加實(shí)施例中，例如，藍(lán)牙或W1-Fi信號的方向可用于提供新的參考軸。在使用中，當(dāng)知曉信號來自何處時(shí)，可基于信號的固定方向提供新的參考軸以獲得所有三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。信號強(qiáng)度、三角測量或到達(dá)時(shí)間差(TDOA)全部可用于提供該信息。
[0062]類似地，諸如藍(lán)牙接收器178之類的外部無線電源可由PPD100用于對位置進(jìn)行三角測量。例如，可將無線電源置于手術(shù)室的三個(gè)角落中。不需要校準(zhǔn)無線電源，因?yàn)槠湮恢米兓峁┫嚓P(guān)數(shù)據(jù)。在其最簡單的配置中，用于PPD100的接收器無線電可置于手術(shù)臺(tái)上的已知位置。例如，用于PPD100的接收器無線電可置于手術(shù)臺(tái)一端的邊緣中心上。在該示例中，無線電源的方向提供足夠的信息來完全地分辨骨盆繞重力軸的旋轉(zhuǎn)。
[0063]在附加實(shí)施例中，磁力計(jì)可用于提供對地球磁場的參考。這種磁力計(jì)芯片的示例是Honeywell HMC5843 。在手術(shù)室中可能有設(shè)備可能對磁力計(jì)產(chǎn)生某些干擾，但是在使用中只要干擾設(shè)備是靜止的這就是沒有關(guān)系的，而且大多數(shù)大的鐵磁源或電干擾應(yīng)當(dāng)是靜止的。還有可能通過使用由電磁線圈或通過靜磁體產(chǎn)生的振蕩磁場來提供二次電磁參考極。這些參考極可定點(diǎn)在手術(shù)臺(tái)上，或者它們可以在手術(shù)區(qū)域外部。
[0064]在進(jìn)一步的實(shí)施例中，可通過患者的移動(dòng)或者傾斜手術(shù)臺(tái)174使得重力向量不再與傳感器的軸平行，來獲得繞重力軸的旋轉(zhuǎn)。因?yàn)槭中g(shù)臺(tái)的傾斜是相對于患者來定義的，所以該信息允許對骨盆的所有相關(guān)定向進(jìn)行絕對確定。
[0065]在替代實(shí)施例中，不止一個(gè)pro或耦合至PPDioo的遠(yuǎn)程傳感器可用于擴(kuò)展pro的覆蓋面積以減少皮膚運(yùn)動(dòng)的可能影響。皮膚上的張力有可能移動(dòng)PPD100。通過在不同位置放置不止一個(gè)PPD100或耦合至PPD100的遠(yuǎn)程傳感器，也許能夠計(jì)算出相對于患者位置整體運(yùn)動(dòng)的皮膚運(yùn)動(dòng)。例如，可將兩個(gè)或更多個(gè)粘性墊放置成彼此隔開預(yù)定距離，這將良好地清除任何皮膚運(yùn)動(dòng)。不需要粘附介入?yún)^(qū)域。該配置還將允許關(guān)鍵手術(shù)部位保持清潔，諸如脊椎麻醉期間的脊椎通入。在類似配置中，遠(yuǎn)程傳感器可位于尺寸小于約一平方厘米的墊上(例如，合適的加速度計(jì)，ADXL335，僅為約4x4x1.45mm，且合適的磁力計(jì)，HMC5883L，僅為約3x3x0.9mm)，該墊隨后可具有與遠(yuǎn)離手術(shù)區(qū)域的單獨(dú)粘性墊的功率和數(shù)據(jù)連接。該配置減小了關(guān)鍵區(qū)域中(例如，脊柱底部)的設(shè)備的覆蓋面積，因而緩和痛苦且增大精確性。
[0066]參照圖19A-C和圖20，在另一替代實(shí)施例中，可監(jiān)控脊柱300并將其用于提供相對于折起位置的數(shù)據(jù)。例如，可采用軟片的監(jiān)控系統(tǒng)302A、302B、302C可被安裝在脊柱上或附近的預(yù)定位置中(例如，在L4下)，且另一端可被安裝在LI或L2附近的某處，如圖19A-C所示，或也可被粘附在脊柱300的中間，。如圖19A-C進(jìn)一步所示，監(jiān)控系統(tǒng)可采用多種配置，包括例如局部化墊302A、相對的墊302B以及其組合302C，且可被垂直地、水平地、以兩者間的角度或沿著多個(gè)軸來定向。無論監(jiān)控系統(tǒng)302A、302B和302C的特定安裝位置或配置如何，由于脊柱300的自然定向而存在某種元件彎曲，諸如圖20所示監(jiān)控系統(tǒng)302的細(xì)節(jié)平面圖所示出的。然而，可感知的彎曲量將來自于以上述折起位置定向的脊柱300。監(jiān)控系統(tǒng)302可結(jié)合多種器械來測量和提供折起相關(guān)數(shù)據(jù)，包括應(yīng)變儀304、長度傳感器306或甚至具有角度測量的鉸鏈308。對移動(dòng)距離的測量可能足以提供有用的位置信息。
[0067]現(xiàn)在參照圖8，作為非限制性示例，通信系統(tǒng)106可以是藍(lán)牙、無線的或有線的，且可被配置成與處理器單元110和/或合適的顯示器112通信。應(yīng)認(rèn)識到，構(gòu)想了與PPD100一起使用任何已知或未來開發(fā)的通信系統(tǒng)。處理器單元110可以是膝上型計(jì)算機(jī)或者諸如觸摸屏或智能電話(例如，iPhone或iPad類型設(shè)備)之類的簡單人類界面設(shè)備。在一些實(shí)施例中，通信系統(tǒng)106可與通信接收器114通信，例如，通信接收器114耦合或連接至處理器單元110和/或顯示器112。[0068]處理器110和/或顯示器112可顯示pro數(shù)據(jù)，包括原始和/或經(jīng)處理的定向信息、和/或相對于起始或參考位置的位置信息。在使用中，處理器Iio和/或顯示器112或其它適當(dāng)設(shè)備向諸如外科醫(yī)生之類的用戶提供諸如位置和/或定向信息之類的信息。例如，位置信息可采用多種形式。例如，位置信息可以是進(jìn)行或不進(jìn)行的指示的形式，諸如用于當(dāng)患者或植入物或工具在可接受的用戶定義限制(諸如程序的可接受角度范圍)內(nèi)時(shí)的綠色指示，或者用于當(dāng)患者、植入物或工具在程序的可接受角度范圍外時(shí)的紅色指示。位置信息還可以是角數(shù)據(jù)反饋的形式。角數(shù)據(jù)可由外科醫(yī)生用于確定患者、植入物或工具何時(shí)在程序的可接受角度范圍之內(nèi)或之外。
[0069]還可向外科醫(yī)生提供圖形反饋。例如，可在顯示器112上顯示髖及關(guān)聯(lián)解剖特征的圖形表示，其中標(biāo)識出位置信息以引導(dǎo)外科醫(yī)生在程序的可接受角度范圍內(nèi)放置植入物。圖9提供了圖形反饋的示例?？梢姡鳛榉窍拗菩允纠?，可按數(shù)字形式和圖形形式中的一者或兩者來提供骨盆傾斜角度116和骨盆滾動(dòng)角度118。還可將用戶界面控制結(jié)合到顯示器112 (或處理單元110)中。用戶界面部分122可包括對程序期間的活動(dòng)的選擇，且可改變依賴于當(dāng)前活動(dòng)所提供的圖形反饋。
[0070]應(yīng)認(rèn)識到，位置信息的這些形式中的任意一個(gè)可被組合或者單獨(dú)呈現(xiàn)，且也可包括可聽指示。應(yīng)認(rèn)識到，可按任何或多種空間關(guān)系來呈現(xiàn)pro數(shù)據(jù)。
[0071]處理系統(tǒng)104可包括一個(gè)或多個(gè)處理器107以及存儲(chǔ)器105，且可被配置成負(fù)責(zé)控制PPD100。處理系統(tǒng)104也可被配置成經(jīng)由通信系統(tǒng)106管理通信。
[0072]由于不同于傳統(tǒng)的手術(shù)室集成系統(tǒng)，PPD100是小且緊湊的，并且不需要完整顯示器，因此盡管實(shí)施例可包括顯示器，但是它可被封裝成有益于特定應(yīng)用的多種形狀。作為非限制性示例，大小和形狀的變動(dòng)范圍可從一包卡片到手表，類似于圖7所示形狀，或者到繃帶，或者更大或更小。因此封裝和安裝選擇非常靈活，但是可被設(shè)計(jì)成將PPD100安裝在患者身上的預(yù)定位置以幫助準(zhǔn)備好的位置檢測。在一些實(shí)施例中，作為非限制性示例，可通過使用帶、膠水、膠帶、壓縮繃帶、經(jīng)皮骨質(zhì)釘?shù)葘PD100相對于ASIS或PSIS線(參見圖2)或其附近固定。在一些實(shí)施例中，利用帶或繃帶來固定PPD100，該膠帶或繃帶具有足夠的開口以允許向患者施加脊椎麻醉而不需要移除固定PPD100的帶或繃帶。在一些實(shí)施例中，帶或繃帶將具有切口以使得能夠施加脊椎麻醉。在一些實(shí)施例中，固定PPDlOO的帶或繃帶將縫合患者皮膚。
[0073]在一些實(shí)施例中，當(dāng)患者站立時(shí)，骨盆支架130可用于定義水平線(參見圖10)。在這一點(diǎn)上，PPD100可以或者可以不附連到患者或支架130。支架130在兩側(cè)相等地順應(yīng)髂骨冠，或者任何其它合適的安裝點(diǎn)。在一些實(shí)施例中，支架130可以是單件且可環(huán)繞患者背部，或者在其它實(shí)施例中它可以是兩件或更多件。通過穿過順應(yīng)髂骨冠任一側(cè)的支架的構(gòu)件134、136的主體中心的線來定義水平線132。
[0074]參照圖11，在替代實(shí)施例中，骨盆支架140可順應(yīng)ASIS。當(dāng)患者站立時(shí)，支架140的順應(yīng)構(gòu)件144、146的主體中心可用于定義水平線132。
[0075]在一些實(shí)施例中，骨盆支架130、140可用于定義當(dāng)患者仰臥時(shí)的水平面(參見圖10)。在該實(shí)施例中，骨盆支架的水平面可用于“零點(diǎn)調(diào)整^proiOO的水平面。因此，可避免操作前期間對患者的長時(shí)間監(jiān)控，并可獲得更好的患者舒適。在該實(shí)施例中，當(dāng)患者處于仰臥位置時(shí)，可將PPDioo放置在患者的下背部骶骨附近。在一個(gè)實(shí)施例中，對ASIS點(diǎn)進(jìn)行觸診，并將具有順應(yīng)構(gòu)件的支架放置在患者前面的ASIS點(diǎn)上?？蓪⒌诙?PPD100放置在支架上?？捎涗浕颊呦卤巢可系牡谝?PPD100與支架上的第二 PPD100之間的角度。隨后可在該參考步驟之后移除支架并可繼續(xù)進(jìn)行外科手術(shù)。該角度可用于使第一 PPDioo參考穿過兩個(gè)ASIS點(diǎn)的線。然后，稍后在外科手術(shù)中，當(dāng)外科醫(yī)生準(zhǔn)備好將髖臼杯壓入骨盆中時(shí)，第一PPD100可用于引導(dǎo)插入桿以適當(dāng)?shù)慕嵌冗M(jìn)入。通常，穿過ASIS點(diǎn)的線與插入桿之間的角度在約20度與約70度之間的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地在約30度與約50度之間的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地在約30度與約45度之間的范圍內(nèi)，以及最優(yōu)選地在約30度與約40度之間的范圍內(nèi)。第二 PPD100也可直接安裝在插入桿上。
[0076]在其它實(shí)施例中，患者可能已經(jīng)躺在側(cè)臥位置且已附連PPD100。包含被應(yīng)用于骨盆前面、或ASIS點(diǎn)上或任何其它合適安裝點(diǎn)的第二 PPD100的骨盆支架將允許直接在躺著的患者中參考垂直線。
`[0077]在一些實(shí)施例中，任一支架130、140可包含用于保持或支承PPD100的安裝系統(tǒng)機(jī)制。例如，支架可包括狹縫150，可將PPD100插入狹縫150中并將其用于跟蹤患者位置的定向變化(例如，在外科手術(shù)期間)。包括pro狹縫150的支架130、140的部分可在外科手術(shù)期間保持附連到患者，或者在替代實(shí)施例中，支架130、140可用于標(biāo)識水平線，且隨后可移除支架并將第二 PPD100附連到患者以參考該水平線。
[0078]在一些實(shí)施例中，ProiOO將外科手術(shù)地固定患者的骨盆。
[0079]在一些實(shí)施例中，PPD100將與外科工具(例如，髖臼殼撞擊器)上的另一傳感器通信。持有撞擊器的外科醫(yī)生將旋轉(zhuǎn)撞擊器直至達(dá)到PPD100與撞擊器之間的目標(biāo)角度。這可通過在手術(shù)室中的顯示器112上顯示一個(gè)或多個(gè)角度來完成。這也可通過使PPD100和撞擊器傳感器中的任一者或兩者中的電路板顯示角度或顯示不同顏色的光指示這兩個(gè)設(shè)I(PH)IOO與撞擊器)在角度的目標(biāo)范圍內(nèi)來完成。
[0080]構(gòu)想了用于確定腿長差異以及也用于它們的矯正的附加實(shí)施例。在一些實(shí)施例中，可光學(xué)地或者通過例如發(fā)射器/接收器對來確定股骨與骨盆的分離。在一些實(shí)施例中，如上所討論的，當(dāng)患者站立時(shí)或當(dāng)患者仰臥時(shí),在任何麻醉和/或醫(yī)療治療之前,可將PPD100放置在患者下背部上。[0081]在一個(gè)實(shí)施例中，要求患者站起來以評估使用塊的兩肢或腿的長度差異。可將具有不同高度的塊放置在兩腿中的較短者的腳下直至骨盆水平，這可通過使穿過ASIS點(diǎn)的線與水平線水平來測量。一旦穿過ASIS點(diǎn)的線與水平線水平，就可測量所使用的塊的總高度以量化在后續(xù)的全髖外科手術(shù)期間需要矯正的腿長差異。
[0082]在另一實(shí)施例中，如果腿長差異主要來源于股骨長度的差異，那么可將傳感器放置在兩膝之上或周圍以確定患者下背部處的PPD100與這些傳感器之間的距離。從PPD100測得的距離與這兩個(gè)傳感器之間的差異可用作在后續(xù)的全髖外科手術(shù)期間需要矯正的腿長差異。
[0083]在另一實(shí)施例中，如果患者具有脊柱側(cè)凸，那么在脊柱柔軟且未固定時(shí)可矯正腿長。
[0084]在又一實(shí)施例中，在例如腳后跟墊處跨越腳踝或腳底的參考條(在本質(zhì)上類似于骨盆支架)可用作參考。在該實(shí)施例中，參考條包含兩個(gè)或更多個(gè)傳感器以確定患者下背部處的PPD100與參考條之間的距離。放置參考條上的傳感器使得可在幾何學(xué)上確定患者的腿長差異?？稍诟采w患者之前永久地放置該參考條或者可根據(jù)需要在外科手術(shù)期間間斷地應(yīng)用該參考條。
[0085]在又一附加實(shí)施例中，構(gòu)想在允許訪問不同外科手術(shù)相關(guān)信息的更復(fù)雜的配置中使用PPD100。例如，可將附加傳感器添加到股骨以確保股骨的主軸與骨盆的主軸垂直。另外，可使用傳感器在試驗(yàn)階段期間驗(yàn)證已準(zhǔn)確地應(yīng)用了腿長矯正。例如，可通過粘附、用帶捆扎或骨釘將傳感器附連至股骨，或者可將傳感器臨時(shí)放置在參考點(diǎn)上，諸如在外科手術(shù)期間應(yīng)用的小骨釘。還可將傳感器用于確保股骨進(jìn)而腿在外科手術(shù)期間尚未被無意地旋轉(zhuǎn)。
[0086]現(xiàn)在僅僅出于示例性目的，關(guān)于THR描述PPD100的各種使用方法。如前所述，這是因?yàn)閜ro對于該用途工作良好。 應(yīng)認(rèn)識到，也構(gòu)想了用于定位和定向的其它用途。在圖12中陳述了在實(shí)踐本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例時(shí)執(zhí)行的步驟。
[0087]尤其參照圖12，第一步驟是將PPD100放置在患者身上，如過程框200所指示。當(dāng)患者被醫(yī)院預(yù)先接納時(shí)，如上所述，諸如使用支架130以及定位在PSIS點(diǎn)上的PPD100，標(biāo)識水平參考132 (在過程框202)。典型地在患者站立時(shí)確定PSIS線，且典型地用可見標(biāo)記來標(biāo)記PSIS點(diǎn)。如果存在任何解剖缺陷，諸如例如骨盆傾斜或腿長差異，那么典型地使用塊來使PSIS線與水平線共線。當(dāng)任何支架或任何其它解剖界標(biāo)被用于標(biāo)識患者站立時(shí)的水平線132時(shí)，也可使用塊。隨后可將PPD100 “零位調(diào)整”到經(jīng)矯正狀態(tài)，如由有經(jīng)驗(yàn)的外科醫(yī)生所定義的，并因此可將PPD100用于幫助矯正腿長缺陷以及其它畸形。
[0088]在操作前程序203完成之前，將患者移動(dòng)到手術(shù)室并放置在側(cè)臥位置，如過程框204所指示?？上鄬τ谙惹坝蒔SIS點(diǎn)和/或水平線132所定義的線再次定位PPD100。任選地，在過程框208，由于患者從入口位置移動(dòng)到手術(shù)室，可零位調(diào)整或重新校準(zhǔn)PPD100以確定新的水平線132。PPD100將定位信息無線地傳達(dá)到處理器單元110(例如，膝上型計(jì)算機(jī))或顯示器112 (或接收器114)，如過程框210所指示。通過使用由PPD100所提供的定位信息，外科醫(yī)生定位患者以確保患者在PSIS線垂直的情況下(如在過程框212所指示)或者在適于矯正如上所述畸形的位置中開始外科手術(shù)。
[0089]假定患者側(cè)躺，其中大致地ProiOOz軸指向上方(與它們的骨盆和重力軸共線)，y軸指向它們的腳且X軸指向身體外。在THR程序期間，外科醫(yī)生將假定當(dāng)患者處于側(cè)面位置時(shí)不存在骨盆旋轉(zhuǎn)。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通常存在相當(dāng)大的冠傾斜和滾動(dòng)，其已被示為與增大的不合需結(jié)果概率相關(guān)聯(lián)。典型地，外科醫(yī)生還將假定阿爾法角在30至約55度之間(參見圖13)，并將使用常規(guī)對準(zhǔn)器械在植入最佳人工髖白杯之前尋找該杯位置。在過程框214，本文所述的系統(tǒng)和方法允許在使用常規(guī)機(jī)械對準(zhǔn)引導(dǎo)裝置之前驗(yàn)證和重新定位患者和/或植入物。這些系統(tǒng)和方法還允許使髖白孔參考機(jī)械對準(zhǔn)引導(dǎo)裝置。這些系統(tǒng)和方法的益處在于它們使最終植入位置的誤差最小化。
[0090]在以下所述的示例性THR程序中，將PPD100直接安裝至患者。如以上所討論的，多種合適的參考點(diǎn)和安裝選擇是可用的。假設(shè)PPD100是小尺寸的，那么附加的安裝選擇是在外科手術(shù)中常用的直接施加到皮膚的粘性片160 (參見圖2和圖7)。在該示例中，在手術(shù)前準(zhǔn)備期間，當(dāng)患者站立時(shí)可使用框架140來提供相對于ASIS點(diǎn)(參見圖6)定位的參考平面。將PPD100相對于框架140直接安裝至皮膚且將其粘附至患者，然后可移除框架。即使在很重的患者中，骶骨正上方且在骨盆的兩髂骨之間的區(qū)域通常相對沒有脂肪堆積，因而肌膜靠近表面。因此，對于PPD100而言這是一個(gè)良好的位置。
[0091]在一個(gè)實(shí)施例中，在THR程序期間可使用單個(gè)PPD100。使用PPD100來記錄利用上述ASIS點(diǎn)的水平參考，或者也可使用與同ASIS點(diǎn)或PSIS線交叉的線共線的左和右PSIS。然后重新定位患者以確保參考水平線現(xiàn)在是垂直的同時(shí)患者處于側(cè)臥位置。外科醫(yī)生現(xiàn)在可使用常規(guī)機(jī)械對準(zhǔn)工具來植入人工髖臼杯。
[0092]在另一個(gè)實(shí)施例中，在THR程序期間可使用兩個(gè)PPD100。其中一個(gè)PI3D被用于在患者站立時(shí)標(biāo)識ASIS點(diǎn)或PSIS線，如上所述。然后將患者定位在手術(shù)室手術(shù)臺(tái)上的側(cè)臥位置?？蓪⒌谝?PPD100用于跟蹤定義PSIS線的定向的向量。外科醫(yī)生可操作以移除部分或全部骨贅，因此可標(biāo)識由髖白的孔所定義的平面?？蓪⒌诙?PPD100用于參考髖白的孔的平面。外科醫(yī)生現(xiàn)在可通過使用常規(guī)機(jī)械對準(zhǔn)工具植入人工髖白杯，其中杯引入器與髖臼的孔垂直。經(jīng)常是這樣的情況，外科醫(yī)生定期地移除骨贅以及其它增生以提供清潔的髖臼杯邊參考平面以供植入。在這種情形下，針對第一 PPD100參考的第二 PPD100可用于通過被臨時(shí)放置在準(zhǔn)備好的杯邊上來驗(yàn)證參考平面的生成。因此，外科醫(yī)生可使用該信息來驗(yàn)證在鉸孔開始之前已經(jīng)正確地準(zhǔn)備好外科手術(shù)地點(diǎn)。
[0093]在替代實(shí)施例中，PPD100可被配置成提供患者的相對于垂直線的不同軸的定向。除了提供患者的定向，第二 PPD100還可用于提供外科手術(shù)工具的相對于垂直線的不同軸的定向。在一些實(shí)施例中，這可通過在杯引入器上具有PPD100來實(shí)現(xiàn)。PPD100可以是可移除的，使得當(dāng)外科醫(yī)生撞擊杯引入器時(shí)，Proioo不被附連到杯引入器。在其它實(shí)施例中，PPDlOO可保持附連到杯引入器。
[0094]在PPD100的一個(gè)實(shí)現(xiàn)示例中，實(shí)現(xiàn)具有藍(lán)牙通信的三軸加速度計(jì)以在站立期間以及在由有經(jīng)驗(yàn)的外科醫(yī)生定向之后跟蹤OSIS的位置。所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)通過使用可購得的硬件(作為任天堂Wii游戲系統(tǒng)的一部分提供的所謂“Wiimote”)來構(gòu)造。PPD100由模擬設(shè)備三軸加速度計(jì)(ADXL330)構(gòu)成且通過使用Broadcom藍(lán)牙集成電路(BCM2042)經(jīng)由專有代碼來通信。生成軟件以允許監(jiān)控Wiimote控件的定向。出于在此使用的目的，如圖14所示地定義Wiimote的軸。
[0095]所使用的程序如下:[0096]1.志愿者使Wiimote附連至腰帶，其中按鈕面向患者的背部，并且正X軸向下且粘附在適當(dāng)位置與PSIS線水平。[0097]2.志愿者被告知在放松的位置中站立且來自Wiimote的信號被記錄。在該位置中，X軸大致與垂直軸對準(zhǔn)且y/z平面與地板平行。如果X軸完全與重力對準(zhǔn)，則Wiimote讀取I (全信號)，且與重力的任何偏離允許角度被計(jì)算。X軸中的該測得的角度被存儲(chǔ)為參考角度A。
[0098]3.志愿者隨后側(cè)躺在測試臺(tái)上并且由有經(jīng)驗(yàn)的外科醫(yī)生定位，好像準(zhǔn)備好進(jìn)行外科手術(shù)一樣。
[0099]4.在這一點(diǎn)上，傳感器的y軸被垂直定向。通過從y軸讀數(shù)減去參考角度A，獲得相對于放松站立定向的“真正”角定向。
[0100]5.患者然后從手術(shù)臺(tái)上下來并站立，并且在每一側(cè)上重復(fù)步驟2-4中的過程五次。
[0101]通過以此方式零位調(diào)整信號，放松的髖位置中的任何影響均被忽略。當(dāng)外科醫(yī)生旨在垂直定向時(shí)，骨盆的傾斜通常偏離垂直線大致三度。具有大的傾斜的患者似乎在兩側(cè)上示出該效應(yīng)。還觀察到滾動(dòng)對準(zhǔn)中的同樣顯著的誤差，這暗示了即使在有經(jīng)驗(yàn)的外科醫(yī)生手里并且在容易處理的患者的情況下，在沒有定位設(shè)備的幫助下也難以實(shí)現(xiàn)理想定向。
[0102]在另一實(shí)現(xiàn)示例中，示出了使用來自一個(gè)或多個(gè)軸的信號的三軸遙控裝置中的軸的定向的計(jì)算。
[0103]為了使用一個(gè)軸校準(zhǔn)定向，加速度計(jì)必須通過與重力方向平行、反平行和垂直放置來進(jìn)行零位調(diào)整(參見圖15)。一旦已經(jīng)獲得針對這些方向返回的值，就可生成校準(zhǔn)曲線，使得當(dāng)傳感器是平行和反平行時(shí)x=+/_l是所報(bào)告的值。
[0104]關(guān)于使用多個(gè)軸的定向，在任何特定時(shí)間，三軸加速度計(jì)上的傳感器測量它們相對于重力的特定值。如果軸與重力垂直，那么它的報(bào)告值是零。因此，每個(gè)軸在相對于重力的一個(gè)方向上產(chǎn)生傳感器的定向。然而，注意該定向繞重力方向是旋轉(zhuǎn)不變的，因此不能用于確定傳感器繞重力軸的旋轉(zhuǎn)。然而，可容易地確定傳感器繞其主軸之一的旋轉(zhuǎn)，只要該軸不與重力共線。
[0105]許多可購得的電子封裝包括其它傳感器來增強(qiáng)檢測過程。例如，GPS單元常常包括可檢測繞指定軸旋轉(zhuǎn)的陀螺傳感器。在任天堂美國商標(biāo)下也可用的稱為“Wii MotionPlus"的Wiimote增強(qiáng)將陀螺檢測添加到標(biāo)準(zhǔn)Wii接口。用于Wiimote的該附加裝置使用一個(gè)雙軸陀螺儀(以各種方式報(bào)告為InvenSense IDG_500or650)和單軸陀螺儀(Epson T0Y0C0MX3500W)。因此，該設(shè)備允許六個(gè)自由度檢測(所有三個(gè)平移軸以及所有三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸)并且因此可以一直跟蹤絕對定向?？蓮腟parkfun Electronics購得的硬件的替代件是WiTiltV3，其使用Freescale MMA7261QT三軸加速度計(jì)以及Melexis MLX90609-E2陀螺儀。通過簡單的幾何學(xué)，三軸信號可被映射到相對于重力的定向，且陀螺儀信號可用于測量繞軸的旋轉(zhuǎn)加速度。因此圖16中的三個(gè)耦合的軸可通過下式簡化:
[0106]f = tan-1 (........................................^.............................................)； Ψ = tew-1 (-^:=^:::=
Wx2 -Z2Ayy2 - Z2/-
[0107]其中Θ =X軸與垂直線的角度，且P = y軸與垂直線的角度。因此，如果已知起始位置，可通過監(jiān)控這些輸出以及結(jié)合每個(gè)軸/平面中的加速度來確定檢測器的絕對定向。
[0108]WiTilt的缺點(diǎn)在于陀螺儀傳感器是150度每秒，而InvenSense陀螺儀具有在500與2000度每秒之間的范圍，從而產(chǎn)生對快速位置變化的好得多的容限。
[0109]通過利用全六個(gè)自由度(6D0F)傳感器，所有三個(gè)方向軸上的加速度以及繞這些軸中每一個(gè)的定向是可用的。因此，方向軸給出相對于重力的定向以及平移加速度，且旋轉(zhuǎn)傳感器產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)加速度。通過兩次結(jié)合這些信號中的每一個(gè)(一次結(jié)合到速度，且隨后結(jié)合到位置)，可相對于起始點(diǎn)確定絕對位置和海拔高度。[0110]所寫的描述使用了示例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，且還可使得本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)踐本發(fā)明，包括制造并使用任何設(shè)備或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何所結(jié)合的方法。本發(fā)明的可專利范圍由權(quán)利要求界定，且可包括對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的其他示例。如果這樣的其他示例具有與權(quán)利要求的字面含義沒有區(qū)別的結(jié)構(gòu)元件、或者這樣的其他示例包括具有與權(quán)利要求沒有本質(zhì)區(qū)別的等效的結(jié)構(gòu)元件的話，這些其他示例意在落在權(quán)利要求的范圍中。
[0111]最后，明確地期望本文描述的任何過程或步驟可被組合、省去或重新排序。因此，本說明書只是以示例方式給出，并且不對本發(fā)明的范圍構(gòu)成限制。
【權(quán)利要求】
1.一種用于提供患者位置信息的方法，所述方法包括: 將患者定位設(shè)備布置在處于預(yù)定位置中的患者身上，其中所述患者定位設(shè)備被配置成確定所述患者定位設(shè)備相對于所定義的至少一個(gè)已知軸的相對位置； 建立位于所述患者定位設(shè)備和所述至少一個(gè)已知軸外部的至少一個(gè)參考點(diǎn)； 使用至少所述預(yù)定位置、所述至少一個(gè)已知軸以及位于所述患者定位設(shè)備外部的所述至少一個(gè)參考點(diǎn)來指示所述患者的位置； 使用至少所述預(yù)定位置、所述至少一個(gè)已知軸以及位于所述患者定位設(shè)備外部的所述至少一個(gè)參考點(diǎn)來指示隨著時(shí)間更新的所述患者的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于: 還包括校準(zhǔn)所述患者定位設(shè)備以將X軸、y軸和z軸映射到相對于重力的定向。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于: 還包括測量繞所述X軸、所述I軸和所述Z軸中的至少一個(gè)的旋轉(zhuǎn)加速度。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于: 布置所述患者定位設(shè)備包括定向所述患者定位設(shè)備使得所述患者定位設(shè)備的所述至少一個(gè)已知參考軸與所述患者的至少一個(gè)已知軸對準(zhǔn)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于: 定向所述患者定位設(shè)備包括相對于骨盆參考定向支架，以及相對于所述支架定向所述患者定位設(shè)備。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于: 定向確定所述骨盆參考的水平軸。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于: 指示所述患者的位置以及指示所述患者的更新位置包括將患者位置信息無線地傳遞給被配置成顯示所述患者位置信息的顯示系統(tǒng)。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于: 布置包括當(dāng)所述患者站立時(shí)將所述患者定位設(shè)備放置在所述患者身上。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于: 布置包括當(dāng)所述患者處于側(cè)面位置時(shí)將所述患者定位設(shè)備放置在所述患者身上。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于: 布置包括將所述患者定位設(shè)備放置在所述患者的背部的狹窄部分上。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于: 布置包括使用粘性片將所述患者定位設(shè)備可移除地固定到所述患者。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于: 布置包括在操作前期間將第一患者定位設(shè)備放置在所述患者身上以及標(biāo)識水平參考。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于: 還包括監(jiān)控隨時(shí)間更新的所述患者的位置，并基于隨時(shí)間更新的所述患者的位置來定位所述患者與外科手術(shù)工具中的至少一個(gè)。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于: 還包括相對于第一軸、與所述第一軸橫切的第二軸以及與絕對參考橫切的第三軸來跟蹤所述患者的位置，所述絕對參考包括無線電方向以及重力與磁極中的至少一個(gè)。
15.一種用于在整形外科程序期間定位患者與外科手術(shù)工具中的至少一個(gè)的方法，所述方法包括: 將患者定位設(shè)備布置在處于預(yù)定位置中的患者身上； 當(dāng)所述患者站立時(shí)校準(zhǔn)所述患者定位設(shè)備以至少確定所述患者的骨盆的水平參考； 將所述患者放置在側(cè)面位置； 在所述患者處于所述側(cè)面位置的情況下將所述骨盆的所述水平參考關(guān)聯(lián)于重力參考; 傳達(dá)來自所述患者定位設(shè)備的患者位置信息，所述患者位置信息包括所述骨盆的所述水平參考與所述重力參考之間的角位移； 基于所傳達(dá)的患者位置信息指示所述骨盆的位置；以及 基于所指示的患者位置信息定位所述骨盆與所述外科手術(shù)工具中的至少一個(gè)。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于: 校準(zhǔn)所述患者定位設(shè)備包括將X軸、y軸和z軸映射到相對于重力的定向。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于: 還包括測量繞所述X軸、所述I軸和所述z軸中的至少一個(gè)的旋轉(zhuǎn)加速度。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于: 傳達(dá)包括將患者位置信息無線地傳達(dá)給顯示系統(tǒng)，且指示包括顯示所述骨盆的位置的可視指示器。
19.一種用于監(jiān)控患者位置信息的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 患者安裝系統(tǒng)，其被配置成被可移除地固定到處于預(yù)定位置中的患者； 位置感測系統(tǒng)，其包括被配置成通過所述患者安裝系統(tǒng)耦合至位于所述預(yù)定位置處的所述患者的傳感器，且所述傳感器被配置成指示與至少一個(gè)已知參考軸相比較的基于所述預(yù)定位置的相對位置信息； 通信系統(tǒng)，其被配置成傳達(dá)所述相對位置信息；以及 顯示器，其被配置成從所述通信系統(tǒng)接收所述相對位置信息并使用至少所述相對位置信息來提供所述患者的相對位置的基本實(shí)時(shí)指示。
20.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于: 還包括外殼，其基本上包圍所述位置感測系統(tǒng)且被配置成固定至所述患者安裝系統(tǒng)，其中通信系統(tǒng)包括被配置成從所述外殼無線地傳達(dá)從所述位置感測系統(tǒng)接收的所述相對位置信息的無線通信系統(tǒng)。
21.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于: 所述位置感測系統(tǒng)被配置成將X軸、y軸和z軸映射到相對于重力的定向且指示與所述X軸、所述I軸和所述z軸相比較的基于所述預(yù)定位置的所述患者的相對位置。
22.如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于: 所述位置感測系統(tǒng)被配置成測量繞所述X軸、所述I軸和所述z軸中的至少一個(gè)的旋轉(zhuǎn)加速度。
23.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于: 所述患者安裝系統(tǒng)被配置成接合在所述患者的背部狹窄部分上。
24.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于:傳感器系統(tǒng)包括加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)中的至少一個(gè)。
25.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于: 所述顯示器被配置成提供包括所述患者的圖形表示的基本上實(shí)時(shí)的反饋顯示。
26.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于: 所述位置感測系統(tǒng)包括被配置成接收用于確定繞重力軸的旋轉(zhuǎn)的外部參考的傳感器。
27.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其特征在于: 所述傳感器被配置成檢測由推動(dòng)設(shè)備施加的橫向加速度且被配置成提供脈沖運(yùn)動(dòng)，其中所述傳感器與所述位置感測系統(tǒng)中的一個(gè)被配置成基于所述脈沖運(yùn)動(dòng)來區(qū)分繞重力向量的真正特殊定向。
28.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其特征在于: 所述傳感器被配置成檢測由廣播或磁設(shè)備產(chǎn)生的電磁場，且其中所述傳感器和所述位置感測系統(tǒng)中的一個(gè)被配置成基于`所述電磁場來區(qū)分繞重力向量的真正特殊定向。
【文檔編號】A61B19/00GK103491893SQ201280008169
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年2月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月8日
【發(fā)明者】H·馬爾肖, G·布雷斯維特, O·K·穆拉特奧盧, H·E·魯巴什, B·米勒 申請人:通用醫(yī)療公司