專利名稱：測量在膝置換手術(shù)期間使用的膝的臨床參數(shù)的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般而言涉及一種用于測量膝關(guān)節(jié)的參數(shù)的系統(tǒng)和方法，更特別地涉及一種用于對在全膝關(guān)節(jié)置換(TKR)手術(shù)期間使用的膝關(guān)節(jié) 的生物力學(xué)參數(shù)進行切開前測量的手術(shù)中系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
相關(guān)申請的相互參者本申請要求(基于并要求權(quán)益)2006年11月7日提交的美國臨時 專利申請No. 60/864,748的優(yōu)先權(quán)，該申請的公開被結(jié)合于此以作參考。發(fā)明背景TKR手術(shù)除去股骨(大腿骨)、脛骨(小腿骨)和髕骨(膝蓋)的 受損和疼痛區(qū)域。這些區(qū)域然后用專門設(shè)計的金屬和聚乙烯假體部件來置換。在TKR手術(shù)期間，股骨和軟骨的受損部分被切除。股骨的末端被 整形以允許金屬股骨部件安裝在股骨的整形末端上。金屬股骨部件利用 骨粘固粉被附著到股骨的整形末端。而且，在TKR手術(shù)期間，脛骨和軟骨的受損部分被切除。脛骨的 末端被整形以接納金屬脛骨部件。金屬脛骨部件利用骨粘固粉被固定到 脛骨的整形末端。聚乙烯插入件被附著到金屬脛骨部件的暴露端的頂 部。插入件將支撐身體的重量，并且允許股骨在脛骨上平穩(wěn)地滑動，就 象脛骨的原始軟骨過去常常做的那樣。將帶有其新聚乙烯表面的脛骨和 帶有其新金屬部件的股骨放置在一起以形成新的膝關(guān)節(jié)。為了確保髕骨在新脛骨部件上平穩(wěn)地滑動，髕骨的后表面被切除， 并且準備接納聚乙烯髕骨部件，所述髕骨部件利用骨粘固粉被粘合到髕 骨的新準備的后表面上的適當位置。然后通過屈曲和伸展膝關(guān)節(jié)來測試膝關(guān)節(jié)的新的部分。如上所述，在TKR手術(shù)期間，外科醫(yī)生使用假體部件置換脛骨和股骨的末端、髕骨的下側(cè)，并且補償軟骨和一些韌帶。外科醫(yī)生通過使用機械跳汰機(jig)內(nèi)的鋸引導(dǎo)切割來重修髕骨的表面。將聚乙烯假體髕骨部件植入到該平滑表面上。在手術(shù)后，在每次膝關(guān)節(jié)活動期間髕骨部件與股骨部件接觸。髕骨部件的錯位會增加聚乙烯髕骨部件的磨損，并且可能導(dǎo)致髕骨的骨折。為了假體部件的正確對準和無疼痛機能，非常重要的是知道膝關(guān)節(jié)的原始部件的尺寸、形狀、位置和方向。在膝關(guān)節(jié)內(nèi)有兩個主要關(guān)節(jié)， 即股脛關(guān)節(jié)和髕股關(guān)節(jié)。目前，外科醫(yī)生沒有任何工具允許在TKR過 程期間精確對準假體部件和關(guān)節(jié)。非常重要的是在外科切開(incision)之前測量膝關(guān)節(jié)的臨床參數(shù)， 其中包括股骨、脛骨和髕骨的尺寸、形狀和運動學(xué)(kinematics)。知 道股脛和髕股關(guān)節(jié)的尺寸、形狀和運動學(xué)也是重要的。在手術(shù)前知道該 信息將允許外科醫(yī)生在手術(shù)期間選擇適當?shù)闹踩胛锊⑶艺_地定位和 對準植入物。知道髕骨的準確形狀將允許外科醫(yī)生根據(jù)髕骨的厚度和股 骨部件的位置來實現(xiàn)完美的重修表面。該信息將影響遠側(cè)股骨切割，而 不忽略前側(cè)和后側(cè)切割。最后的這些切割限定股骨部件的軸向旋轉(zhuǎn)。而 且，知道髕骨沿著股骨的準確軌跡將允許外科醫(yī)生通過使用股骨部件的 軸向旋轉(zhuǎn)(前側(cè)和后側(cè)切割)和膝關(guān)節(jié)中線(遠側(cè)股骨切割的高度加上 近側(cè)脛骨切割的高度)來恢復(fù)該軌跡。要解決的問題包括在TKR手術(shù)前不能測量股骨、脛骨和髕骨的尺 寸、形狀和運動學(xué)，在TKR手術(shù)前不能測量股脛和髕股關(guān)節(jié)的尺寸、 形狀和運動學(xué)。這部分地是由于缺少用于測量這些臨床參數(shù)的可用醫(yī)學(xué) 導(dǎo)航傳感器和缺少用于所述傳感器的適當安裝技術(shù)。通常，現(xiàn)有技術(shù)的 跟蹤傳感器太大，以及安裝技術(shù)無效并且可能產(chǎn)生損壞。所以，需要一種在TKR手術(shù)前測量和分析膝關(guān)節(jié)部件的尺寸、形 狀、位置、方向和運動學(xué)的系統(tǒng)和方法，以便減小所植入的假體部件的 手術(shù)后脫臼、骨折和磨損的數(shù)量。發(fā)明內(nèi)容在一個實施例中， 一種用于測量關(guān)節(jié)的生物力學(xué)參數(shù)的系統(tǒng)包括 可除去地附著到關(guān)節(jié)的骨的多個微型傳感器；與所述多個微型傳感器通 信的至少一個傳感器；耦合到所述至少一個傳感器的導(dǎo)航系統(tǒng)；耦合到 所述導(dǎo)航系統(tǒng)以用于執(zhí)行關(guān)節(jié)的成像的成像系統(tǒng)；以及用于顯示成像和5跟蹤數(shù)據(jù)的至少一個顯示器。在另一實施例中， 一種用于測量感興趣解剖區(qū)域的生物力學(xué)參數(shù)的系統(tǒng)包括可除去地附著到感興趣解剖區(qū)域的多個微型傳感器；與所述 多個微型傳感器通信的至少一個傳感器；耦合到所述至少一個傳感器的 集成式成像和導(dǎo)航系統(tǒng)；以及耦合到所述集成式成像和導(dǎo)航系統(tǒng)以用于 顯示成像和跟蹤數(shù)據(jù)的至少 一個顯示器。在又一實施例中， 一種用于測量關(guān)節(jié)的生物力學(xué)參數(shù)的方法包括 使用微創(chuàng)過程將多個微型傳感器附著到關(guān)節(jié)的骨；利用成像系統(tǒng)對關(guān)節(jié) 進行成像；執(zhí)行關(guān)節(jié)的第一系列屈曲和伸展；在第一系列屈曲和伸展期 間跟蹤微型傳感器的位置和方向；在顯示器上顯示成像數(shù)據(jù)和跟蹤數(shù) 據(jù)；識別為了植入物的最佳放置而需要切割的關(guān)節(jié)的區(qū)域；執(zhí)行外科切 開、關(guān)節(jié)的切割和植入物放置；確認原始關(guān)節(jié)部件與植入物的對準；執(zhí) 行關(guān)節(jié)的第二系列屈曲和伸展；在第二系列屈曲和伸展期間跟蹤微型傳 感器的位置和方向；在第二系列屈曲和伸展期間確認原始髕骨的軌跡與 髕骨植入物的軌跡；并且從關(guān)節(jié)除去所述多個微型傳感器。在再一實施例中， 一種用于對經(jīng)歷全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)(TKR)的膝 關(guān)節(jié)的髕骨的生物力學(xué)參數(shù)進行切開前測量的手術(shù)中方法包括將多個 微型傳感器附著到股骨、脛骨和髕骨；利用成像系統(tǒng)對膝關(guān)節(jié)進行成 像；執(zhí)行膝關(guān)節(jié)的第一系列屈曲和伸展；在第一系列屈曲和伸展期間記 錄和存儲股骨、脛骨和髕骨的位置和方向數(shù)據(jù)；在顯示器上顯示膝關(guān)節(jié) 的成像數(shù)據(jù)、以及股骨、脛骨和髕骨的位置和方向數(shù)據(jù)；利用股骨、脛 骨和髕骨參數(shù)、以及股骨、脛骨和髕骨部件參數(shù)來檢查股骨、脛骨和髕 骨的位置和方向數(shù)據(jù)，以確定股骨、脛骨和髕骨部件放置的最佳位置； 識別為了股骨、脛骨和髕骨部件的最佳放置而需要切割的股骨、脛骨和 髕骨的區(qū)域；執(zhí)行外科切開，股骨、脛骨和髕骨的切割，以及股骨、脛 骨和髕骨部件放置；在顯示器上確認股骨、脛骨和髕骨與股骨、脛骨和 髕骨部件的位置和方向；執(zhí)行膝關(guān)節(jié)的第二系列屈曲和伸展；在第二系列屈曲和伸展期間確認髕骨的軌跡與髕骨部件的軌跡；并且從股骨、脛 骨和髕骨除去所述多個微型傳感器。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將從附圖及其詳細描述中顯而易見本發(fā)明的各 種其他特征、目的和優(yōu)點。


圖1是說明根據(jù)用于在全膝關(guān)節(jié)置換(TKR)手術(shù)前測量膝關(guān)節(jié)的 臨床參數(shù)的一個示例性實施例的帶有附著到膝關(guān)節(jié)的骨的多個微型傳 感器的膝關(guān)節(jié)的圖；圖2是說明用于在TKR手術(shù)期間測量膝關(guān)節(jié)的臨床參數(shù)的系統(tǒng)的 一個示例性實施例的圖；圖3是說明用于在TKR手術(shù)期間測量膝關(guān)節(jié)的臨床參數(shù)的方法的 一個示例性實施例的流程圖；圖4是說明用于在TKR手術(shù)期間測量膝關(guān)節(jié)的臨床參數(shù)的方法的 另一示例性實施例的流程圖；以及圖5是說明根據(jù)用于在TKR手術(shù)期間附著植入物之后測量膝關(guān)節(jié) 的臨床參數(shù)的一個示例性實施例的帶有附著到膝關(guān)節(jié)的骨的多個微型 傳感器的膝關(guān)節(jié)的圖。
具體實施方式
參考附圖，圖l說明帶有附著到股骨18、脛骨20和髕骨22的三個 微型傳感器12、 14、 16的手術(shù)前膝關(guān)節(jié)10。這些微型傳感器12、 14、 16是用于在TKR手術(shù)前跟蹤股骨18、脛骨20和髕骨22的運動并測量 膝關(guān)節(jié)10的生物力學(xué)參數(shù)的導(dǎo)航系統(tǒng)36的一部分。生物力學(xué)參數(shù)允許 外科醫(yī)生通過考慮股骨18、脛骨20和髕骨22的尺寸、形狀和運動并且 考慮股脛和髕股運動學(xué)來植入膝關(guān)節(jié)假體。微型傳感器12、 14、 16是包括用于生成磁場的微型線圈的電磁 (EM )場發(fā)生器。至少一個EM場傳感器34被帶到鄰近微型傳感器12、 14、 16以接收來自微型傳感器12、 14、 16的磁場測量值，以用于計算 微型傳感器12、 14、 16的位置和方向。微型傳感器12、 14、 16可以被 無源地供電，由外部電源供電，或者由內(nèi)部電池供電。將微型傳感器12、 14、 16附著到股骨18、脛骨20和髕骨22的一 種示例性方法是通過使用骨活檢針(BBN)和剛性導(dǎo)絲的微創(chuàng)過程。在 TKR手術(shù)前對躺在手術(shù)臺上的患者執(zhí)行該過程。該示例性方法包括利 用BBN在患者的皮膚中制造孔；除去BBN (針)的內(nèi)部部分；將微型 傳感器附著到剛性導(dǎo)絲的尖端；并且通過插管通道插入剛性導(dǎo)絲以將微 型傳感器附著到骨。微型傳感器12、 14、 16被剛性地固定到股骨18、脛骨20和髕骨22。微型傳感器12、 14、 16將隨著股骨18、脛骨20和 髕骨22移動，以提供關(guān)于這些骨和它們相應(yīng)的股脛和髕股關(guān)節(jié)的運動 學(xué)信息。微型傳感器12、 14、 16的尺寸足夠小以使它們不影響股骨18、 脛骨20或髕骨22的運動，并且在膝關(guān)節(jié)的屈曲和伸展期間不改變髕骨 20的軌跡。為了避免髕骨骨折或影響股骨18、脛骨20或髕骨22的運 動的危險，微型傳感器12、 14、 16在直徑上大約為3.5mm或更小。在 執(zhí)行TKR手術(shù)后，從股骨18、脛骨20和髕骨22除去微型傳感器12、 14、 16。圖2是說明用于在TKR手術(shù)期間測量膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)參數(shù)的系 統(tǒng)30的一個示例性實施例的圖。這些參數(shù)允許外科醫(yī)生在手術(shù)期間更 精確地放置假體。系統(tǒng)30包括可除去地附著到要被動手術(shù)的患者的 膝關(guān)節(jié)的骨的多個微型傳感器32，在患者外部以用于與多個微型傳感器 32通信和從其接收數(shù)據(jù)的至少一個傳感器34，耦合到至少一個傳感器 34和從其接收數(shù)據(jù)的導(dǎo)航系統(tǒng)36,耦合到導(dǎo)航系統(tǒng)36以用于執(zhí)行膝關(guān) 節(jié)的成像的成像系統(tǒng)38,耦合到成像系統(tǒng)38的第一用戶接口 39,耦合 到導(dǎo)航系統(tǒng)36的第二用戶接口 37,以及用于顯示成像和跟蹤數(shù)據(jù)的顯 示器35。在另一示例性實施例中，系統(tǒng)30可以僅僅具有耦合到成像系 統(tǒng)38和導(dǎo)航系統(tǒng)36二者的一個用戶接口。在又一示例性實施例中，成 像系統(tǒng)38和導(dǎo)航系統(tǒng)36可以利用集成裝置和軟件被集成為單個系統(tǒng)。微型傳感器32使外科醫(yī)生能夠在手術(shù)期間連續(xù)地跟蹤膝關(guān)節(jié)的位 置和方向。在多個微型傳感器32被附著到膝關(guān)節(jié)的骨之后，在微型傳 感器32周圍生成EM場。至少一個傳感器34從附著到膝關(guān)節(jié)的多個微 型傳感器32接收跟蹤數(shù)據(jù)，所述多個微型傳感器在膝關(guān)節(jié)的屈曲和伸 展期間實時地測量膝關(guān)節(jié)的被動運動。多個微型傳感器32優(yōu)選是EM 場發(fā)生器，并且至少一個傳感器34優(yōu)選是EM場接收器。EM場接收器 可以是接收器陣列，其包括至少一個線圏或至少一個線圏對以及用于對 接收器陣列檢測到的磁場測量值進行數(shù)字化的電子設(shè)備。然而應(yīng)當認識 到，根據(jù)可選實施例，微型傳感器32可以是EM場接收器，而傳感器 34可以是EM場發(fā)生器。磁場測量值可以被用來根據(jù)任何合適的方法或系統(tǒng)計算微型傳感 器32的位置和方向。在使用傳感器34上的電子設(shè)備對磁場測量值進行 數(shù)字化之后，數(shù)字化信號從傳感器34被傳送到導(dǎo)航系統(tǒng)36。數(shù)字化信號可以使用有線或無線通信協(xié)議和接口從傳感器34被傳送到導(dǎo)航系統(tǒng) 36。由導(dǎo)航系統(tǒng)36接收的數(shù)字化信號表示由傳感器34檢測到的磁場信 息。數(shù)字化信號被用來計算微型傳感器32的位置和方向信息，其中包 括微型傳感器32的定位(location)。位置和方向信息被用來將微型傳 感器32的定位配準到來自成像系統(tǒng)38的采集的成像數(shù)據(jù)。位置和方向 數(shù)據(jù)在顯示器38上被可視化，從而在來自成像系統(tǒng)38的預(yù)采集或?qū)崟r 圖像上實時地顯示微型傳感器32的定位。來自成像系統(tǒng)38的采集的成 像數(shù)據(jù)可以包括CT成像數(shù)據(jù)、MR成像數(shù)據(jù)、PET成像數(shù)據(jù)、超聲成 像數(shù)據(jù)、X射線成像數(shù)據(jù)、或任何其他合適的成像數(shù)據(jù)、以及它們的任 何組合。除了來自各種模式的采集的成像數(shù)據(jù)之外，來自各種實時成像 模式的實時成像數(shù)據(jù)也會是可用的。導(dǎo)航系統(tǒng)36被配置成基于接收的數(shù)字化信號來計算微型傳感器的 相對定位。導(dǎo)航系統(tǒng)進一步將微型傳感器的定位配準到采集的成像數(shù) 據(jù)，并且生成適合于可視化圖像數(shù)據(jù)的成像數(shù)據(jù)以及微型傳感器的表 示。導(dǎo)航系統(tǒng)36被示意性地說明，并且可以使用專用硬件板、數(shù)字信 號處理器、現(xiàn)場可編程門陣列、以及處理器的任何組合來實施。可選擇 地，導(dǎo)航系統(tǒng)36可以使用帶有單處理器或多處理器、帶有分布于處理 器之間的功能操作的現(xiàn)成計算機來實施。作為例子，可能期望具有用于 位置和方向計算的專用處理器以及用于可視化操作的處理器。導(dǎo)航系統(tǒng) 36優(yōu)選是利用EM導(dǎo)航技術(shù)的EM導(dǎo)航系統(tǒng)。然而，可以使用其他跟蹤 或?qū)Ш郊夹g(shù)。圖3是說明用于在TKR手術(shù)期間測量膝關(guān)節(jié)的臨床參數(shù)的方法40 的 一個示例性實施例的流程圖。該方法包括將微型傳感器可除去地附著 到股骨、脛骨和髕骨42。使用成像系統(tǒng)執(zhí)行膝關(guān)節(jié)的3D成像44。在膝 關(guān)節(jié)的第 一 系列被動屈曲和伸展期間跟蹤微型傳感器46 ，以確定髕骨相 對于脛骨和股骨的位置和方向。在該過程期間膝關(guān)節(jié)的被動屈曲和伸展應(yīng)當被執(zhí)行幾次，以便實現(xiàn)關(guān)于膝關(guān)節(jié)部件的定位和軌跡的可重現(xiàn)結(jié) 果。在膝關(guān)節(jié)的每次屈曲和伸展期間每個微型傳感器的x、 y、 z坐標被 記錄并且存儲在存儲器中。該方法進一步包括在屈曲和伸展期間顯示每 個骨(股骨、脛骨和髕骨)的圖像表示，并且在關(guān)節(jié)的3D配準圖像上 疊加所述表示。物理標志(微型傳感器)和運動學(xué)的使用提供關(guān)于執(zhí)行股骨和脛骨切割的實時數(shù)據(jù)(定位、斜度、深度、角度)。該過程中的 另一步驟包括識別需要切割以實現(xiàn)植入物或假體的最佳放置的膝關(guān)節(jié)的骨區(qū)域50。為了確保正確的髕骨部件放置和對準，考慮髕骨的尺寸、 形狀和運動學(xué)以及髕骨植入物的尺寸和形狀。另一步驟包括執(zhí)行切開， 股骨、脛骨和髕骨的受損區(qū)域的切割，以及附著植入物52。導(dǎo)航系統(tǒng)允 許外科醫(yī)生導(dǎo)航近側(cè)脛骨切割(內(nèi)側(cè)切除和外側(cè)切除)和遠側(cè)股骨切割 (內(nèi)側(cè)切除和外側(cè)切除)。該方法進一步包括顯示在第一系列屈曲和伸 展期間獲得的髕骨的第一圖像表示(該定位基于股骨和脛骨微型傳感器 的相對位置而被選擇)，并且與第一圖像表示一起顯示帶有髕骨植入物 的髕骨的第二圖像表示，從而表示帶有髕骨植入物的髕骨相對于原始髕 骨的第一圖像表示的當前位置。外科醫(yī)生然后確認在顯示圖像上疊加的 第一和第二圖像表示的對準54。另一步驟包括在膝關(guān)節(jié)的第二系列被動 屈曲和伸展期間跟蹤微型傳感器56,以確定髕骨植入物相對于脛骨和股 骨植入物的位置和方向。顯示來自第一系列屈曲和伸展的髕骨的軌跡和 來自第二系列屈曲和伸展的髕骨植入物的軌跡。外科醫(yī)生然后可以確認 在顯示圖像上疊加的原始髕骨的軌跡與髕骨植入物的軌跡58。髕骨和髕 骨植入物的x、 y和z坐標應(yīng)當是相同的，并且髕骨和髕骨植入物在髕股 關(guān)節(jié)內(nèi)的運動也應(yīng)當是相同的。最后的步驟是從股骨、脛骨和髕骨除去 微型傳感器60。圖4是說明用于在TKR手術(shù)期間測量膝關(guān)節(jié)的臨床參數(shù)的方法70 的另 一 示例性實施例的流程圖。該方法包括將微型傳感器可除去地附著 到股骨、脛骨和髕骨72。使用3D成像系統(tǒng)執(zhí)行膝關(guān)節(jié)的3D成像74。 執(zhí)行膝關(guān)節(jié)的3D重建以獲得膝關(guān)節(jié)的虛擬表示。在顯示屏上顯示膝關(guān) 節(jié)的虛擬表示。該方法進一步包括執(zhí)行腿的第 一 系列被動屈曲和伸展76 以模擬膝關(guān)節(jié)運動。在該過程期間膝關(guān)節(jié)的該被動屈曲和伸展應(yīng)當被執(zhí) 行幾次，以便實現(xiàn)關(guān)于膝關(guān)節(jié)部件的定位和軌跡的可重現(xiàn)結(jié)果。另一步 驟是在膝關(guān)節(jié)的屈曲和伸展期間實時地記錄和存儲股骨、脛骨和髕骨的 位置和方向78。在膝關(guān)節(jié)的每次屈曲和伸展期間每個微型傳感器的x、 y、 z坐標被記錄并且存儲在存儲器中。在另一步驟中，在顯示器上顯示 膝關(guān)節(jié)的3D重建圖像以及股骨、脛骨和髕骨的位置和方向80。外科醫(yī) 生可以通過使用股骨、脛骨和髕骨的虛擬表示，并且把在膝關(guān)節(jié)的屈曲 和伸展期間接收的運動學(xué)數(shù)據(jù)與當前參數(shù)(正向和矢狀成角)和植入物10制造商的植入物參數(shù)進行組合來在顯示屏上跟蹤髕骨的軌跡，以確定股骨、脛骨和髕骨植入物部件的最佳位置82。該方法進一步包括識別需要 切割以實現(xiàn)股骨、脛骨和髕骨部件的最佳放置的股骨、脛骨和髕骨的骨 區(qū)域84。為了確保正確的髕骨部件放置和對準，考慮髕骨的尺寸、形狀 和運動學(xué)以及髕骨植入物的尺寸和形狀。另一步驟包括執(zhí)行切開，股 骨、脛骨和髕骨的受損區(qū)域的切割，以及附著股骨、脛骨和髕骨部件86。 導(dǎo)航系統(tǒng)允許外科醫(yī)生導(dǎo)航近側(cè)脛骨切割(內(nèi)側(cè)切除和外側(cè)切除)和遠 側(cè)股骨切割(內(nèi)側(cè)切除和外側(cè)切除)。該方法進一步包括基于在第一系 列屈曲和伸展期間獲得的髕骨的位置信息來顯示髕骨的第一虛擬表示 (這是基于股骨和脛骨微型傳感器的相對位置而被確定的)，并且與第 一虛擬表示一起顯示髕骨植入物相對于第一虛擬表示的當前位置的第 二虛擬表示。外科醫(yī)生然后確認在顯示圖像上疊加的第一和第二虛擬表 示的對準88。另一步驟包括在膝關(guān)節(jié)的第二系列被動屈曲和伸展90期 間跟蹤微型傳感器，以確定髕骨植入物相對于脛骨和股骨植入物的位 置。該方法進一步包括顯示來自第 一 系列屈曲和伸展的髕骨的第一軌跡 和來自第二系列屈曲和伸展的髕骨植入物的軌跡。外科醫(yī)生然后可以確 認在顯示圖像上疊加的原始髕骨的軌跡與髕骨植入物的軌跡92。髕骨和 髕骨植入物的x、 y和z坐標應(yīng)當是相同的，并且髕骨和髕骨植入物在髕 股關(guān)節(jié)內(nèi)的運動也應(yīng)當是相同的。最后的步驟是從股骨、脛骨和髕骨除 去微型傳感器94。圖5說明帶有附著到股骨18、脛骨20和髕骨22的三個微型傳感器 12、 14、 16的手術(shù)后膝關(guān)節(jié)100。微型傳感器12、 14、 16是用于在TKR 手術(shù)期間跟蹤股骨18、脛骨20和髕骨22的運動并測量膝關(guān)節(jié)10的生 物力學(xué)參數(shù)的導(dǎo)航系統(tǒng)36的一部分。在該圖中，外科醫(yī)生已用股骨、 脛骨和髕骨部件置挺了脛骨和股骨的末端以及髕骨的下側(cè)。股骨部件24 被附著到股骨18的整形末端。脛骨部件26被固定到脛骨20的整形末 端。插入件28被附著到脛骨部件26的暴露端的頂部。插入件支撐身體 的重量，并且允許股骨在脛骨上平穩(wěn)地滑動。髕骨部件23被附著到髕 骨22的準備好的后表面。在膝關(guān)節(jié)的每次活動期間髕骨部件23與股骨 部件24接觸。在外科醫(yī)生確認股骨和脛骨部件的正確放置以及髕骨植 入物的正確放置和軌跡之后，從股骨、脛骨和髕骨除去微型傳感器。 盡管所提出的發(fā)明集中在對于膝關(guān)節(jié)置換過程應(yīng)用將提供簡單的工作流程和高精度的成像和跟蹤的益處，但是也將有可能將該解決方案 擴展到其他醫(yī)學(xué)過程。以上參考附圖描述了幾個實施例。這些圖說明了實施本發(fā)明的系統(tǒng) 和方法以及程序的特定實施例的某些細節(jié)。然而，利用附圖描述本發(fā)明 不應(yīng)當被解釋為將附圖中所示的特征相關(guān)的任何限制強加于本發(fā)明。本 發(fā)明設(shè)想了用于實現(xiàn)其操作的方法、系統(tǒng)和任何機器可讀介質(zhì)上的程序 產(chǎn)品。如上所述，可以使用現(xiàn)有的計算機處理器、或者通過為了這個或 另一目的而結(jié)合的專用計算機處理器、或者通過硬連線系統(tǒng)來實施本發(fā) 明的實施例。如上所述，本發(fā)明的范圍內(nèi)的實施例包括程序產(chǎn)品，所述程序產(chǎn)品 包括用于攜帶或具有存儲于其上的機器可執(zhí)行指令或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的機器 可讀介質(zhì)。這樣的機器可讀介質(zhì)可以是可以由通用或?qū)Ｓ糜嬎銠C或帶有 處理器的其他機器訪問的任何可用的介質(zhì)。作為例子，這樣的機器可讀介質(zhì)可以包括RAM、 ROM、 PROM、 EPROM、 EEPROM、 Flash、 CD-ROM 或其他光盤存儲、 i茲盤存儲或其他i茲存儲設(shè)備、或任何其他介質(zhì)， 所述任何其他介質(zhì)可以被用來攜帶或存儲采用機器可執(zhí)行指令或數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)的形式的期望的程序代碼，并且可以由通用或?qū)Ｓ糜嬎銠C或帶有處 理器的其他機器訪問。當信息在網(wǎng)絡(luò)或另一通信連接(硬連線、無線、 或者硬連線或無線的組合)上被傳送或提供給機器時，機器適當?shù)貙⑺?述連接看作機器可讀介質(zhì)。因而，任何這樣的連接被適當?shù)胤Q為機器可 讀介質(zhì)。以上的組合也被包括在機器可讀介質(zhì)的范圍內(nèi)。機器可執(zhí)行指 令例如包括導(dǎo)致通用計算機、專用計算機、或?qū)Ｓ锰幚頇C器執(zhí)行某個功 能或某組功能的指令和數(shù)據(jù)。在方法步驟的一般上下文中描述了本發(fā)明的實施例，所述方法步驟 可以在一個實施例中通過程序產(chǎn)品來實施，所述程序產(chǎn)品包括機器可執(zhí) 行指令，例如程序代碼，例如采用由連網(wǎng)環(huán)境中的機器執(zhí)行的程序模塊 的形式。通常，程序模塊包括執(zhí)行特定任務(wù)或?qū)嵤┨囟ǔ橄髷?shù)據(jù)類型的 例程、程序、對象、組件、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。機器可執(zhí)行指令、相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)和程序模塊表示用于執(zhí)行在此公開的方法的步驟的程序代碼的例 子。這樣的可執(zhí)行指令或相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特定序列表示用于實施在這樣 的步驟中描述的功能的相應(yīng)動作的例子?？梢栽谶B網(wǎng)環(huán)境中使用與帶有處理器的一個或多個遠程計算機的邏輯連接來實行本發(fā)明的實施例。邏輯連接可以包括這里作為例子而不是限制給出的局域網(wǎng)(LAN)和廣域網(wǎng)(WAN)。這樣的連網(wǎng)環(huán)境在辦 公室范圍或企業(yè)范圍計算機網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)和因特網(wǎng)中是普遍的，并且可 以使用多種多樣的不同通信協(xié)議。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，這樣的網(wǎng) 絡(luò)計算環(huán)境將通常包括許多類型的計算機系統(tǒng)配置，其中包括個人計算 機、手持設(shè)備、多處理器系統(tǒng)、基于微處理器或可編程消費電子設(shè)備、 網(wǎng)絡(luò)PC、小型計算機、大型計算機等等。也可以在由通過通信網(wǎng)絡(luò)鏈 接(通過硬連線鏈接、無線鏈接、或者通過硬連線或無線鏈接的組合) 的本地和遠程處理設(shè)備執(zhí)行任務(wù)的分布式計算環(huán)境中實行本發(fā)明的實 施例。在分布式計算環(huán)境下，程序模塊可以同時位于本地和遠程存儲器 存儲設(shè)備中。用于實施本發(fā)明的整個系統(tǒng)或部分的一個示例性系統(tǒng)可以包括采 用計算機的形式的通用計算設(shè)備，所述計算機包括處理單元、系統(tǒng)存儲 器和把包括系統(tǒng)存儲器的各種系統(tǒng)部件耦合到處理單元的系統(tǒng)總線。系 統(tǒng)存儲器可以包括只讀存儲器(ROM)和隨機存取存儲器(RAM)。 該計算機也可以包括用于從硬磁盤進行讀取以及對硬〃磁盤進行寫入的 硬磁盤驅(qū)動器、用于從移動磁盤進行讀取或?qū)σ苿哟疟P進行寫入的磁盤 驅(qū)動器、以及用于從移動光盤(例如CD ROM或其他光學(xué)介質(zhì))進行讀 取或?qū)σ苿庸獗P(例如CD ROM或其他光學(xué)介質(zhì))進行寫入的光盤驅(qū)動 器。驅(qū)動器和它們的相關(guān)機器可讀介質(zhì)提供機器可執(zhí)行指令、數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)、程序模塊和計算機的其他數(shù)據(jù)的非易失性存儲。為了說明和描述的目的，已經(jīng)給出了本發(fā)明的實施例的以上描迷。 以上描述并不打算是窮舉的或者將本發(fā)明限制于所公開的確切形式，并 且根據(jù)以上教導(dǎo)的修改和變化都是可能的或者可以從本發(fā)明的實行中 獲得。選擇并描述各實施例是為了解釋本發(fā)明的原理及其實際應(yīng)用，以 使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在各種實施例中以及在具有適合于設(shè)想的特定 用途的各種修改的各種實施例中利用本發(fā)明。盡管已經(jīng)參考各種實施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會 認識到，可以在不脫離本發(fā)明的精神的情況下對本發(fā)明進行某些替換、 修改和省略。因此，以上描述打算僅僅是示例性的，并且不應(yīng)當限制如 后面的權(quán)利要求書中所述的本發(fā)明的范圍。10 手術(shù)前膝關(guān)節(jié)12 微型傳感器14 微型傳感器16 微型傳感器18 股骨20 脛骨22 髕骨23 髕骨部件24 股骨部件 26 脛骨部件 28 插入件 30 系統(tǒng)32 微型傳感器34 傳感器35 顯示器36 導(dǎo)航系統(tǒng)37 用戶接口38 成像系統(tǒng)39 用戶接口40 方法42 方法步驟44 方法步驟45 方法步驟46 方法步驟47 方法步驟48 方法步驟 50 方法步驟 52 方法步驟 54 方法步驟 56 方法步驟 58 方法步驟60 方法步驟70 方法72 方法步驟74 方法步驟76 方法步驟78 方法步驟80 方法步驟82 方法步驟84 方法步驟86 方法步驟88 方法步驟90 方法步驟92 方法步驟94 方法步驟100 手術(shù)后膝關(guān)節(jié)
權(quán)利要求
1.一種用于測量關(guān)節(jié)的生物力學(xué)參數(shù)的系統(tǒng)(30)，包括可除去地附著到關(guān)節(jié)的骨的多個微型傳感器(32)；與所述多個微型傳感器(32)通信的至少一個傳感器(34)；耦合到所述至少一個傳感器(34)的導(dǎo)航系統(tǒng)(36)；耦合到所述導(dǎo)航系統(tǒng)(36)以用于執(zhí)行關(guān)節(jié)的成像的成像系統(tǒng)(38)；以及耦合到所述成像系統(tǒng)(38)和所述導(dǎo)航系統(tǒng)(36)以用于顯示成像和跟蹤數(shù)據(jù)的至少一個顯示器(35)；其中所述成像和跟蹤數(shù)據(jù)包括在手術(shù)期間在關(guān)節(jié)上制造切口之前在關(guān)節(jié)的骨的第一動態(tài)分析期間采集的關(guān)節(jié)的骨的第一組運動學(xué)參數(shù)，以及在手術(shù)期間在將至少一個骨植入物放置在關(guān)節(jié)的骨上的過程中在關(guān)節(jié)的骨的第二動態(tài)分析期間采集的關(guān)節(jié)的骨的第二組運動學(xué)參數(shù)；以及其中比較所述第一和第二運動學(xué)參數(shù)以確保所述至少一個骨植入物正確放置在關(guān)節(jié)的骨上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述關(guān)節(jié)是膝關(guān)節(jié)(10)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所迷骨是股骨(18)、脛骨 (20)和髕骨(22)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述多個微型傳感器(32) 被可除去地附著到股骨(is)、脛骨U0)和髕骨(22)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多個微型傳感器(32) 是電磁(EM)場發(fā)生器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個傳感器(34) 是電磁(EM)場接收器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個傳感器(34) 接收來自所述多個微型傳感器(32)的數(shù)據(jù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)航系統(tǒng)(36)接收來 自所述至少一個傳感器(34)的數(shù)據(jù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個顯示器(35) 接收來自所述成像系統(tǒng)(38)的成像數(shù)據(jù)并且接收來自所述導(dǎo)航系統(tǒng)(36)的跟蹤數(shù)據(jù)。
10. —種用于對經(jīng)歷全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)(TKR)的膝關(guān)節(jié)(10)的 髕骨(22)的生物力學(xué)參數(shù)進行切開前測量的手術(shù)中方法(40， 70), 包括將多個微型傳感器附著到股骨、脛骨和髕骨(42， 72);利用成像系統(tǒng)對膝關(guān)節(jié)進行成像(44， 74);執(zhí)行膝關(guān)節(jié)的第一系列屈曲和伸展(46， 76);在第一系列屈曲和伸展期間記錄和存儲股骨、脛骨和髕骨的位置和 方向數(shù)據(jù)(46， 78);在顯示器上顯示膝關(guān)節(jié)的成像數(shù)據(jù)、以及股骨、脛骨和髕骨的位置 和方向數(shù)據(jù)(48， 80);利用股骨、脛骨和髕骨參數(shù)、以及股骨、脛骨和髕骨部件參數(shù)來檢 查股骨、脛骨和髕骨的位置和方向數(shù)據(jù)，以確定股骨、脛骨和髕骨部件 放置的最佳位置(48, 82);識別為了股骨、脛骨和髕骨部件的最佳放置而需要切割的股骨、脛 骨和髕骨的區(qū)域(50， 84);執(zhí)行外科切開，股骨、脛骨和髕骨的切割，以及股骨、脛骨和髕骨 部件放置(52， 86);在顯示器上確認股骨、脛骨和髕骨與股骨、脛骨和髕骨部件的位置 和方向(54, 88);執(zhí)行膝關(guān)節(jié)的第二系列屈曲和伸展(56， 90);在第二系列屈曲和伸展期間確;人髕骨的軌跡與髕骨部件的軌跡 (58, 92);并且從股骨、脛骨和髕骨除去所述多個微型傳感器(60, 94)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測量在膝置換手術(shù)期間使用的膝的臨床參數(shù)的系統(tǒng)和方法。一種用于在全膝關(guān)節(jié)置換(TKR)手術(shù)前測量膝關(guān)節(jié)(10)的生物力學(xué)參數(shù)的系統(tǒng)(30)和方法(40，70)包括可除去地附著到股骨(18)、脛骨(20)和髕骨(22)的多個微型傳感器(12，14，16，32)；與所述多個微型傳感器(32)通信的至少一個傳感器(34)；耦合到所述至少一個傳感器(34)的導(dǎo)航系統(tǒng)(36)；耦合到所述導(dǎo)航系統(tǒng)(36)以用于執(zhí)行關(guān)節(jié)的成像的成像系統(tǒng)(38)；以及用于顯示成像和跟蹤數(shù)據(jù)的至少一個顯示器(35)。
文檔編號A61B5/22GK101254103SQ20071016588
公開日2008年9月3日 申請日期2007年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月7日
發(fā)明者L·J·N·朗日瓦 申請人:通用電氣公司