專利名稱：用于跟蹤股骨參照系的基于mems的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本申請涉及計算機輔助的利用微電子機械傳感器(MEMS)的整形外科手木。
背景技術：
利用MEMS傳感器導航骨骼的關鍵步驟之ー是相對于所述傳感器定位骨骼。對于股骨而言，傳感器相對于橫軸的取向會受到機械限制，例如，使抓手插入在后髁部下方，以 使傳感器橫軸與骨骼的橫軸對齊。然而，傳感器相對于股骨機械軸的取向更加復雜，因為定義該軸的解剖學界標之一，股骨頭，隱藏在臀部內部。在光學導航系統(tǒng)中，股骨頭是通過移動股骨、并假設骨盆是穩(wěn)定的、找到骨骼繞其轉動的固定樞軸點來定位的。這依賴于具有六個自由度(DOF)的光學傳感器，所述六個自由度即，位置的3D0F和取向的3D0F。然而，在MEMS系統(tǒng)中，傳感器不自動提供6D0F。6D0F能夠通過對陀螺儀和加速度計讀數(shù)求積分來得到——一種被稱作“航位推算”的標準技術——但是這種技術對傳感器誤差非常敏感并且因而不適用于低成本傳感器。存在用于基于軸旋轉動力學獲取股骨的軸的其他基于陀螺儀的方法。然而，這樣的方法需要非常特定的并且不自然的腿運動，其可能難以應用并且受限。

發(fā)明內容
因此，本公開的目的是提供一種用于從基于MEMS的數(shù)據(jù)來定義和跟蹤股骨坐標系的新型方法和系統(tǒng)。因此，根據(jù)本申請的第一實施例，提供了一種用于在計算機輔助外科手術中跟蹤股骨參照系的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括傳感器単元，其適于被固定到股骨上，所述傳感器単元包括加速度計傳感器和陀螺儀傳感器，二者均產生取向數(shù)據(jù)；處理單元，其接收陀螺儀數(shù)據(jù)和加速度計數(shù)據(jù)并且包括陀螺儀數(shù)據(jù)計算器，其用于從至少由于股骨的運動而產生的陀螺儀數(shù)據(jù)來提供計算的加速度數(shù)據(jù)，加速度計數(shù)據(jù)計算器，其用于從由于股骨的運動而產生的加速度計數(shù)據(jù)來計算測量的加速度數(shù)據(jù)，以及加速度比較器，其用于從計算的加速度數(shù)據(jù)與測量的加速度數(shù)據(jù)之間的比較來將傳感器単元的取向與股骨相關聯(lián)以定義股骨參照系；傳感器取向接ロ，其通過跟蹤所述股骨參照系來提供針對股骨的取向數(shù)據(jù)。仍根據(jù)第一實施例，所述陀螺儀數(shù)據(jù)計算器利用針對股骨的估計的軌跡和半徑值來提供計算的加速度數(shù)據(jù)。仍根據(jù)第一實施例，所述陀螺儀數(shù)據(jù)計算器利用針對股骨的估計的半徑值從所述陀螺儀數(shù)據(jù)推導向心加速度，以及利用陀螺儀傳感器的取向從所述加速度計數(shù)據(jù)推導重力，來提供計算的加速度數(shù)據(jù)。仍又根據(jù)第一實施例，由所述加速度比較器定義的參照系是三軸股骨坐標系。仍又根據(jù)第一實施例，所述比較器對所述比較應用數(shù)值優(yōu)化以定義股骨參照系。仍又根據(jù)第一實施例，所述加速度比較器計算股骨長度和股骨軌跡中的至少ー項。仍又根據(jù)第一實施例，所述系統(tǒng)包括位于傳感器単元和處理單元中的任一個中的濾波器，用于減少來自所述陀螺儀數(shù)據(jù)和所述加速度計數(shù)據(jù)中的任一個的噪聲。根據(jù)本申請的第二實施例，提供了一種用于利用包括被固定到股骨上的加速度計傳感器和陀螺儀傳感器的傳感器單元來跟蹤股骨參照系的方法，該方法包括獲取由于股 骨的運動而產生的陀螺儀讀數(shù)和加速度計讀數(shù)；至少從所述陀螺儀讀數(shù)計算加速度數(shù)據(jù)；從所述加速度計讀數(shù)測量加速度數(shù)據(jù)；比較計算的加速度數(shù)據(jù)和測量的加速度數(shù)據(jù)；利用所述比較將傳感器単元的取向與股骨相關聯(lián)以定義股骨參照系；并且從所述陀螺儀讀數(shù)以及從所述加速度計讀數(shù)跟蹤所述股骨參照系。仍根據(jù)第二實施例，計算加速度數(shù)據(jù)包括利用針對股骨的軌跡和股骨的半徑的估計值。仍又根據(jù)第二實施例，計算加速度數(shù)據(jù)包括利用針對股骨的半徑的估計值從所述陀螺儀數(shù)據(jù)推導向心加速度，以及獲得所述陀螺儀的取向以從加速度計讀數(shù)推導重力。仍又根據(jù)第二實施例，將取向進行關聯(lián)包括利用所述比較執(zhí)行數(shù)值優(yōu)化以獲得所述傳感器単元相對于股骨的取向。仍又根據(jù)第二實施例，所述方法包括，從所述參照系計算股骨的半徑和股骨的軌跡中的至少ー項。仍又根據(jù)第二實施例，定義所述股骨參照系包括定義三軸坐標系。仍又根據(jù)第二實施例，所述方法在骨骼模型或尸體上執(zhí)行。


圖I是圖示說明用于關于基于MEMS的傳感器単元定義股骨坐標系的根據(jù)本申請的實施例的方法的流程圖；以及圖2是圖示說明用于關于基于MEMS的傳感器単元定義股骨坐標系的根據(jù)本申請的另ー實施例的系統(tǒng)的框圖。
具體實施例方式本文使用MEMS指代微電子機械傳感器，諸如加速度計和陀螺儀。本文使用CAS指代計算機輔助外科手木。參考附圖并具體參考圖1，在I中圖示了用于關于基于MEMS的傳感器単元定義股骨坐標系的方法，用于連續(xù)跟蹤股骨坐標系，或其他股骨參照系(例如，股骨的機械軸)。作為非限制性范例，利用下文所述的方法定義的坐標系可以用于執(zhí)行涉及股骨的連續(xù)操作，例如，如在美國專利申請No. 12/410884和相應的PCT申請公布No. WO 2009/117833中所描述的，在此通過弓I入將其并入本文。利用方法I獲得的股骨坐標系可以被用在計算機輔助外科手術(CAS)中，用在執(zhí)行對股骨、對骨盆和/或對脛骨的改變中，以及用在為操作者提供諸如肋骨長度數(shù)據(jù)的外科手術參數(shù)中。因此，可以使用方法I來找到股骨的長度，即，股骨頭的中心與機械軸進入點之間的距離，以及從基于MEMS的傳感器単元10的取向來跟蹤所述股骨坐標系(圖2)。基于MEMS的傳感器単元具有陀螺儀傳感器12和加速度傳感器14兩者(圖2)，并被連接到CAS系統(tǒng)以提供來自這兩種類型的傳感器的讀數(shù)，根據(jù)所述讀數(shù)，股骨坐標系被定義并被連續(xù)跟蹤。陀螺儀傳感器12和加速度計傳感器14中的每個都至少提供沿三個自由度的取向數(shù)據(jù)。根據(jù)步驟2，傳感器單元10被固定到股骨。在實施例中，傳感器單元10被固定在膝蓋處的機械進入點處。當被固定在股骨的膝蓋端時，假設傳感器単元10的運動處在以股骨頭的中心為中心、半徑等于股骨的長度的球上。然后如下所述地找到匹配陀螺儀讀數(shù)和加速度計讀數(shù)的最佳球。要獲得的兩個要素是傳感器単元10相對于股骨坐標系的取向和球的半徑。如果股骨與傳感器坐標系之間的變換由——分別圍繞x、y和z軸的三個相繼的旋轉一入i、入2 和X3來表示，那么需要優(yōu)化四個參數(shù)。然而，當把傳感器単元10固定到股骨后，傳感器單元10可以與股骨后髁對齊以限制旋轉，使得傳感器単元10的X軸當被投影到股骨橫平面上時與股骨的X軸匹配一 X3恒為零并且僅需要優(yōu)化三個參數(shù)(半徑、入i和入2)。也考慮了傳感器単元10與股骨之間的其他關系(例如，使用其他解剖學界標)，只要已知傳感器單元10相對于股骨的機械進入點的位置和取向。根據(jù)圖I中的步驟3，執(zhí)行股骨的特定運動。基于MEMS的傳感器単元10的陀螺儀傳感器12以角速度的形式給出關于取向變化的信息。所述特定的運動是股骨旋轉的停止序列，以消除重力對測量的加速度的影響，如下文中所描述的。為了計算在軌跡上方世界中的絕對傳感器取向，必須已知初始取向。如果傳感器単元10是穩(wěn)定的，能夠從加速度計傳感器14的讀數(shù)計算爐、(和0?！?、(和0分別是X-軸、Y-軸和Z-軸與地面的夾角。前面所提及的旋轉的停止序列允許對陀螺儀的f、^和0角進行重新初始化。如果假設初始偏航(Vtl)為0，那么可以計算傳感器単元10在世界中的初始取向傳■器。根據(jù)步驟4，從陀螺儀傳感器讀數(shù)以及從傳感器単元10的初始取向(例如，從穩(wěn)定時的加速度傳感器14獲得的)計算股骨的加速度。根據(jù)陀螺儀傳感器12的特性，沿三個傳感器軸的角偏移u*0對應于關于單位矢量u的0弧度的持續(xù)旋轉。這也被應用于角速度。可以利用如下方程在間隔期間提取角速度以及繞其旋轉的軸 t= I (gx, gy, gz) t
「 .(Sx , g' ' SzVt =--。
Cl),如果假設在時間間隔t內為常數(shù)，那么在該時間間隔期間的角偏移為Ot = + 1 At O如果將以軸和角度的形式表示的這ー旋轉被轉換為旋轉矩陣Rt，那么利用如下方程計算傳感器單元10的新的取向イ_器纖,中，=式 傳感器卿沖ノ通過轉換，假設質點(股骨上的參考點)處在機械軸進入點的位置處并且與股骨坐標系對齊。傳感器單兀10在質點坐標系(傳感器在帛ま巾)中的取向直接對應于由入i和入2定義的一機械軸方向并且對于所有軌跡是恒定的。其可以由如下矩陣表示
cos(A|) sin(sin(ノぃ)cos(/L) * sin(A,)
傳感器顏點中= 0COs(A1)— Sin(A2) 。
-sin(,しi) cos(A ) * sin(/l1 j cos(a ) * cos(a:)如果通過將傳感器単元10與后髁部對齊來限制旋轉，那么應用這種變換，而如果·其通過例如將傳感器単元10與前后軸對齊來限制，那么應當對其進行修正。在已知傳感器單元10與質點之間的關系的情況下，可以利用下式從傳感器単元
的取向直接計算質點在世界坐標系中的取向
質リ、_料=傳感器錄界巾,*質ム丨、細*器中，
質點爾^,=傳感器,,書*質點/細削ぐ1。按照定義，股骨機械軸對應于股骨坐標系的z軸，SP :
V
MecMx、師,丨,，=質點餓別ゝ* 0，
I其中，MeekAxismm^3xI 的向量。如果假設股骨頭的中心為世界的中心，S卩(0，0，0)，那么質點的坐標可以由下式給出
Pt = —4^ ■在坦界中。利用運動的方程計算質點的計算的加速度
r-2 *( , - /).丨)Vt = ~^~- V1^，
V, - V,,at =~
At其中，at是切向加速度(或線性加速度[即，假設向心加速度不是線性加速度的一部分])。為了計算這些值，提供針對股骨半徑和針對初始傳感器軌跡的估計值。假設初始的速度(Vtl)和加速度( )為O。根據(jù)步驟5，將從陀螺儀傳感器2測量的質點加速度與加速度計傳感器14的讀數(shù)進行比較，以確定誤差(即，代價(cost))。候選解決方案的代價是基于通過加速度計觀測到的加速度(a-)和從質點運動計算的那些加速度(計算的加速度)之間的誤差的。由傳感器單元10感測到的加速度包括質點的加速度和重力加速度,從而利用股骨執(zhí)行運動的停止序列來將重力加速度從其他加速度中區(qū)分出來。利用傳感器単元10的計算的取向，通過如下地將這兩個加速度投影到傳感器軸上來獲得預期的加速度(aexp)
ちexp, = (0,0, G) 傳感器韻則ゝ+Oノ傳感器.界,丨
flvexp, =(OAG) 傳感器,,鎌種，+ a,,
fifZexpr =の,0，G) 傳感器2鍾界中,+a #傳感器z在肚界中，
·
其中，G是重力常數(shù)。代價被定義為計算的加速度與測量的加速度之間的差的最小平方誤差，如以下方程所描述的
n-At --
代價=(A Obs,- a^xplT + obS, —ay exp, T +(az obSra- exp,)"，其中，n是軌跡的持續(xù)時間，并且A t是兩次采集之間的時間間隔。因為ー些數(shù)據(jù)，或者數(shù)據(jù)的一部分，更傾向于是準確的或者有區(qū)分性的，所以對代價應用權重因子。因為取向的誤差(飄移)隨時間増加，對處在軌跡的開始時的誤差給予更
多的權重。代價方程因此變?yōu)?br> 代價=Zi* ホaX obSt ~ aX exp, )' + (ay ObSt — aV exp, ) + ( - obh ~ °z exp,)"。改進代價函數(shù)的另ー種方式是不對應現(xiàn)實的或可能的設置，或者不匹配補償信息。在該方法中，對不像是或者不可能的半徑或機械軸取向進行懲罰。如果半徑低于或高于定義的閾值(例如，低于40cm或高于60cm)，施加與差成比例的懲罰。將懲罰添加到總的代價并且如下表述如果半ィ5>半ィ5 max—代價半徑=(半ィ5 max-半ィ5) *k半徑，如果半徑く半徑min —代價半彳5 =半徑-半徑J其中，k￥e是半徑懲罰常數(shù)。如果X1或X2高于定義的閾值，那么施加同樣的懲罰。作為用于計算切向加速度(步驟4)并將這一備選切向加速度與加速度計傳感器14的讀數(shù)進行比較的備選方法，可以在不使用如上所述的運動方程的情況下計算質點的切向加速度at，并且因而不依賴于采集時間。這ー備選計算方法和代價函數(shù)源于這樣的原理，即，當質點繞固定的旋轉中心旋轉時，感測到的加速度來源于三種不同的源。ー個第一源是向心加速度，^。向心加速度是當前角速度和半徑的函數(shù)，也就是將質點保持在其球面軌跡上所需的加速度。第二源是切向加速度，^。這是隨時間改變質點的角速度所需的加速度。第三源是重力加速度,^，盡管不是影響質點運動的實際的力(如果是這樣，其將不會保持在球形軌跡上)，但是其還是被傳感器14感測到。這取決于G和當前設備傾斜的角度。根據(jù)備選步驟4和5，需要得到X1和X2的值，如果其被應用到傳感器単元10，那么將會對傳感器單元10進行取向以使Z軸與機械軸對齊。因此
權利要求
1.一種用于在計算機輔助外科手術中跟蹤股骨參照系的系統(tǒng)，包括 傳感器単元，其適于被固定到股骨上，所述傳感器単元包括加速度計傳感器和陀螺儀傳感器，二者均產生取向數(shù)據(jù)； 處理單元，其接收陀螺儀數(shù)據(jù)和加速度計數(shù)據(jù)，并且包括 陀螺儀數(shù)據(jù)計算器，其用于至少從由于所述股骨的運動而產生的所述陀螺儀數(shù)據(jù)來提供計算的加速度數(shù)據(jù)； 加速度計數(shù)據(jù)計算器，其用于從由于所述股骨的運動而產生的所述加速度計數(shù)據(jù)來計算測量的加速度數(shù)據(jù)；以及 加速度比較器，其用于從所述計算的加速度數(shù)據(jù)與所述測量的加速度數(shù)據(jù)之間的所述比較將所述傳感器単元的取向與所述股骨相關聯(lián)，以定義股骨參照系； 傳感器取向接ロ，其用于從對所述股骨參照系的跟蹤來提供針對所述股骨的取向數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述陀螺儀數(shù)據(jù)計算器利用針對所述股骨的估計的軌跡和半徑值來提供所述計算的加速度數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述陀螺儀數(shù)據(jù)計算器通過利用針對所述股骨的估計半徑值從所述陀螺儀數(shù)據(jù)推導向心加速度，以及利用所述陀螺儀傳感器的取向從所述加速度計數(shù)據(jù)推導重力，來提供所述計算的加速度數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權利要求I至3中的任一項所述的系統(tǒng)，其中，由所述加速度比較器定義的所述參照系是三軸股骨坐標系。
5.根據(jù)權利要求I至4中的任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述加速度比較器對所述比較應用數(shù)值優(yōu)化，以定義所述股骨參照系。
6.根據(jù)權利要求I至5所述的系統(tǒng)，其中，所述加速度比較器計算股骨長度和股骨軌跡中的至少ー項。
7.根據(jù)權利要求I至6所述的系統(tǒng)，還包括位于所述傳感器単元和所述處理単元中的任ー個中的濾波器，用于減少來自所述陀螺儀數(shù)據(jù)和所述加速度計數(shù)據(jù)中的任一個的噪聲。
8.一種用于利用包括加速度計傳感器和陀螺儀傳感器的被固定到股骨上的傳感器單元來跟蹤股骨參照系的方法，包括 獲得由于所述股骨的運動而產生的陀螺儀讀數(shù)和加速度計讀數(shù)； 至少從所述陀螺儀讀數(shù)計算加速度數(shù)據(jù)； 從所述加速度計讀數(shù)測量加速度數(shù)據(jù)； 比較計算的加速度數(shù)據(jù)和測量的加速度數(shù)據(jù)； 利用所述比較將所述傳感器単元的取向與所述股骨相關聯(lián)以定義股骨參照系；以及 從所述陀螺儀讀數(shù)以及從所述加速度計讀數(shù)跟蹤所述股骨參照系。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中，計算加速度數(shù)據(jù)包括利用針對所述股骨的軌跡和所述股骨的半徑的估計值。
10.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中，計算加速度數(shù)據(jù)包括利用針對所述股骨的所述半徑的估計值從所述陀螺儀讀數(shù)推導向心加速度，以及獲得所述陀螺儀的取向以從所述加速度計讀數(shù)推導重力。
11.根據(jù)權利要求8至10中的任一項所述的方法，其中，對取向進行關聯(lián)包括利用所述比較執(zhí)行數(shù)值優(yōu)化以獲得所述傳感器単元相對于所述股骨的取向。
12.根據(jù)權利要求8至11中的任一項所述的方法，還包括，從所述參照系計算所述股骨的半徑和所述股骨的軌跡中的至少ー項。
13.根據(jù)權利要求8至12中的任一項所述的方法，其中，定義所述股骨參照系包括定義三軸坐標系。
14.根據(jù)權利要求8至13中的任一項所述的方法，其中，所述方法是在骨骼模型或尸體上執(zhí)行的。
全文摘要
一種用于在計算機輔助外科手術中跟蹤股骨參照系的系統(tǒng)，其包括傳感器單元。所述傳感器單元適于被固定到股骨上。所述傳感器單元包括產生取向數(shù)據(jù)的加速度計傳感器和陀螺儀傳感器。處理單元接收陀螺儀數(shù)據(jù)和加速度計數(shù)據(jù)。所述處理單元包括陀螺儀數(shù)據(jù)計算器，其用于提供由于股骨的運動而產生的計算的加速度數(shù)據(jù)；加速度計數(shù)據(jù)計算器，其用于計算由于股骨的運動而產生的測量的加速度數(shù)據(jù)；以及加速度比較器，其用于將傳感器單元的取向與股骨相關聯(lián)以定義股骨參照系。所述股骨參照系是從計算的加速度數(shù)據(jù)與測量的加速度數(shù)據(jù)之間的比較定義的。傳感器取向接口通過從對所述股骨參照系的跟蹤提供針對股骨的取向數(shù)據(jù)。還提供了一種用于跟蹤股骨參照系的方法。
文檔編號G01P15/18GK102843988SQ201080064991
公開日2012年12月26日 申請日期2010年7月27日 優(yōu)先權日2010年3月2日
發(fā)明者M·瓦林, C·普羅克斯, L-P·阿米奧, B·法拉迪約, J·德朗尚 申請人:奧爾索夫特公司