[发明专利]使用惯性测量单元提高手术准确性的系统、设备和方法

说明书

本发明提供了准确性提高的系统、设备和方法，其使用从惯性测量单元(IMU)获得的数据来提供。IMU设置在患者、外科手术台、外科器械、成像设备、导航系统等中的一者或多者上。收集来自每个IMU中的传感器的数据，并将该数据用于计算其上设置有IMU的患者、外科手术台、外科器械、成像设备和导航系统的绝对定位和相对定位。除其他信息之外，由IMU生成的数据可与医学图像和相机视力耦合以生成和/或提供外科导航、成像系统的对准、术前诊断和计划、术中工具引导和错误校正以及术后评估。

技术领域

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。

背景技术

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。

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。

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。

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。

发明内容

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。

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。