[发明专利]用于矫形术中的器械跟踪的光学形状感测

说明书

技术领域

本公开涉及医学器械，并且更具体涉及在医学应用中用于在计算机辅助流程中跟踪医学器械的形状感测光纤。

背景技术

计算机辅助外科手术(CAS)系统被用于术前规划和术中外科手术导航。在此背景下，术前规划指代对外科手术步骤(诸如切割、切开、对准等)的任意计算机辅助确定。规划能够在流程之前或期间发生。术前规划常常使用利用任意医学成像模态(计算机断层扫摄影(CT)、磁共振成像(MRI)、超声、X射线、内窥镜等)获得的患者的2D或3D图像或解剖学模型(例如，膝盖模型)。在CAS的背景下，外科手术导航指代对器械和患者解剖结构的实况跟踪，使得外科医生能够精确地执行术前计划。使用跟踪技术来实施外科手术导航。

跟踪技术的范例是视线光学跟踪。视线光学跟踪技术使用在可见或红外线范围内操作的光学相机。相机被配置为检测其视场中的标记，并且基于其相对位置来推测标记的布置的位置和取向。通常，以已知构造布置的两个或更多个相机被用于实现立体视觉和深度感知。这种跟踪技术要求(一个或多个)相机与标记之间的不中断的视线。

全膝盖置换要求股骨和胫骨的部分被移除，并且利用能植入的人造部件来置换。CAS被用在全膝盖置换中以使用术前规划模块来规划适当的切割平面，并且通过在流程期间跟踪骨骼和器械来实现计划的执行。骨骼常常利用引导切割平面的切割块来切除，使得它们被正确地定位并且成角度以接受并对齐要被植入的人造部件。CAS旨在改善切割块和随后的植入物的位置和取向两者，以将关节返回到其最佳生物力学。

用于全膝盖置换的视线光学跟踪的CAS系统涉及被附接到患者以提供解剖学跟踪的一组视线光学跟踪附接件。视线光学跟踪附接件通过一个或多个螺钉被刚性地附接到骨骼，并且远离骨骼延伸一距离。在全膝盖置换中，这些跟踪器被附接到股骨和胫骨两者，以提供实况解剖学跟踪。

现有的光学CAS系统遭受许多缺点。视线光学CAS系统要求检测相机与跟踪附接件之间的不受阻碍的路径。不为相机所见的任何跟踪附接件都不能提供有效的测量。在流程的所有部分期间，尤其是当例如骨骼被操纵以测试动态生物力学时，会难以维持不受阻碍的路径。这些CAS系统不仅要求视线，而且仅在定义的体积内是准确的。该体积是相对于相机位置的，并且贯穿该流程会难以维持，尤其是在对关节的操纵期间。为了实现所要求的准确度，视线CAS系统通常使用被布置到能够具有高达20cm的最大尺寸的长度的光学跟踪附接中的反射球。这样的大的附接件限制了对临床医生可用的物理工作空间，并且在术中有碰撞的风险。由于光学跟踪附接件的尺寸和重量，需要大的螺钉销以刚性地且准确地附接到骨骼。在一些情况下，需要两个螺钉销以用于单个跟踪附接件。这些螺钉销能够导致有害效果，诸如应力性骨折(尤其在紧密在一起使用的两个销的情况下)、感染、神经损伤、销松动(导致额外的销或测量的不准确度)等。

电磁(EM)导航系统也遭受许多缺点。类似于视线跟踪，其会难以在维持最佳的临床工作流的同时还满足EM系统的要求。EM系统仅在相对于场生成器的位置的定义体积内提供准确的测量。此外，EM场中的金属能够生成干扰并且使测量的准确度劣化。

发明内容

根据本原理，一种光学形状感测系统，包括：附接机构，其被配置为将光学形状感测光纤固定到器械，所述光学形状感测光纤被连接到所述器械并且被配置为识别所述器械的位置和取向。光学形状感测模块被配置为接收来自所述光学形状感测光纤的反馈，并且相对于操作环境配准所述器械的位置。位置响应模块被配置为基于所述器械的位置或取向为操作者提供反馈以引导对所述器械的使用。

另一种光学形状感测系统，包括光学形状感测模块，其被配置为接收来自一条或多条光学形状感测光纤的反馈。一个或多个器械具有被连接到其上的至少一条光学形状感测光纤，所述光学形状感测光纤被用来在位置上跟踪操作环境中的器械。位置响应模块被配置为基于所述器械的位置或取向为操作者提供反馈以基于外科手术计划来引导对所述器械的使用。解剖图包括操作环境中的区域，其中，所述一个或多个器械的位置相对于所述解剖图被跟踪。

一种用于使用光学形状感测来跟踪器械的方法，包括：将光学形状感测光纤固定到器械，所述光学形状感测光纤被连接到所述器械并且被配置为识别所述器械的位置；相对于存储的操作环境的图像来配准所述器械的位置；接收来自所述光学形状感测光纤的反馈以确定当前位置；并且基于所述器械的位置和取向来引导对所述器械的使用。

根据要与附图结合阅读的本公开的例示性实施例的以下详细描述，本公开的这些和其他目的、特征以及优点将变得明显。

附图说明