骨骼重建和骨外科植入物制造技术

一种外科导航系统，其包含通讯连接到主处理器的信号接收器，所述主处理器被编程以利用序贯蒙特卡罗算法来计算安装到外科工具的惯性测量单元的三维位置的变化，所述处理器被通讯连接到储存有多个外科工具中每个工具独有的工具数据的第一存储器和储存有足以构建解剖学特点的三维模型的模型数据的第二存储器，所述主处理器被通讯连接到显示器，所述显示器提供关于所述外科工具相对于所述解剖学特点的三维位置的视觉反馈。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】与相关申请的交叉引用本申请要求2013年12月9日提交的题为“颅骨和颅后骨骼和软组织的重建”(CRANIUM AND POSTCRANIAL BONE AND SOFT TISSUE RECONSTRUCTION)的美国临时专利申请系列号61/913,608、2014年3月11日提交的题为“颅骨和颅后骨骼和软组织的重建”(CRANIUM AND POSTCRANIAL BONE AND SOFT TISSUE RECONSTRUCTION)的美国临时专利申请系列号61/951,221、2014年4月10日提交的题为“颅骨和颅后骨骼和软组织的重建”(CRANIUM AND POSTCRANIAL BONE AND SOFT TISSUE RECONSTRUCTION)的美国临时专利申请系列号61/977,984以及2014年7月10日提交的题为“颅骨和颅后骨骼和软组织的重建”(CRANIUM AND POSTCRANIAL BONE AND SOFT TISSUE RECONSTRUCTION)的美国临时专利申请系列号62/022,899的利益，每个所述临时申请的公开内容通过参考并入本文。
本公开涉及骨外科的各个不同方面，包括骨骼和组织重建、患者特异性和大规模定制的骨外科植入物、性别和种族特异性的骨外科植入物、切割引导器、创伤防护板、骨移植物切割和放置引导器、患者特异性仪器、惯性测量单元用于运动学和病理学的解剖跟踪的用途以及惯性测量单元在骨外科手术期间用于导航的用途。专利技术概述本专利技术的第一方面提供了一种一种外科导航系统，所述系统包含：通讯连接到主处理器的信号接收器，所述主处理器被编程以利用序贯蒙特卡罗算法来计算安装到外科工具的惯性测量单元的三维位置的变化，所述处理器被通讯连接到储存有多个外科工具中的每个工具独有的工具数据的第一存储器和储存有足以构建解剖学特点的三维模型的模型数据的第二存储器，所述主处理器被通讯连接到显示器，所述显示器提供关于所述外科工具相对于所述解剖学特点的三维位置的视觉反馈。在所述第一方面的更详细的实施方式中，所述外科导航系统还包含参比惯性测量单元，其通讯连接到第一机载处理器和第一无线传输器以将数据传输到所述主处理器，所述参比惯性测量单元被配置成附连到所述解剖学特点，在那里所述第一机载处理器指导从所述参比惯性测量单元向所述第一无线传输器的数据传输，其中安装到所述外科工具的惯性测量单元包含实用惯性测量单元，其被通讯连接到第二机载处理器和第二无线传输器，所述第二机载处理器被配置成安装到所述多个外科工具之一，并且其中所述主处理器被通讯连接到主接收器，所述主接收器被配置成接收来自于所述第一无线传输器的数据和来自于所述第二无线传输器的数据。在又一个更详细的实施方式中，所述第二机载处理器通过所述第二无线传输器指导安装有所述实用惯性测量单元的外科工具的身份的通讯。在另一个详细实施方式中，所述惯性测量单元包括至少3个加速计和3个磁强计，所述至少3个加速计中的每一个相对于3个轴为总共不少于9个加速计数据流输出数据，至少3个磁强计中的每一个相对于3个轴为总共不少于9个磁强计数据流输出数据，所述主处理器利用所述9个加速计数据流和所述9个磁强计数据流来计算安装到所述外科工具的惯性测量单元的三维位置的变化。在又一个详细实施方式中，储存在所述第二存储器中的模型数据包括所述解剖学特点的三维虚拟模型，储存在所述第一存储器中的工具数据包括所述多个外科工具的三维虚拟模型，所述显示器显示所述解剖学特点的三维虚拟模型，所述显示器显示所述外科工具的三维虚拟模型，所述主处理器有效地利用来自于所述参比惯性测量单元的数据来重新定位所述解剖学特点的三维虚拟模型，并且所述主处理器有效地利用来自于所述实用惯性测量单元的数据来重新定位所述外科工具的三维虚拟模型。在更详细的实施方式中，所述主处理器有效地利用来自于所述惯性测量单元的数据来实时地相对于所述解剖学特点的三维虚拟模型重新定位所述外科工具的三维虚拟模型。在更详细的实施方式中，所述序贯蒙特卡罗算法包括冯·米塞斯-费雪密度算法组件。在另一个更详细的实施方式中，储存在所述第一存储器中的工具数据包括位置数据，其指示了所述外科工具的末端效应器与所述外科装置上用于所述惯性测量单元的安装位置之间的相对距离，并且所述外科工具包括扩孔器、定位杯、冲击器、钻孔器、锯和切割引导器中的至少一者。在又一个更详细的实施方式中，所述惯性测量单元包括至少3个磁强计，并且所述显示器被连接到所述外科工具或所述主处理器中的至少一者。本专利技术的第二方面提供了一种用于包括磁强计和加速计的惯性测量单元的校准系统，所述系统包含：(a)初始平台，其可沿着第一轴相对于中间平台旋转重新定位；(b)最终平台，其可沿着第二轴相对于所述中间平台旋转重新定位，所述第二轴垂直于所述第一轴，所述最终平台包括止动件，其被配置成安装到惯性测量单元；以及(c)处理器和相关软件，其被配置成通讯连接到所述惯性测量单元，所述软件有效地利用当所述初始平台相对于所述中间平台旋转时和当所述最终平台相对于所述中间平台旋转时从与所述惯性测量单元相关的磁强计输出的数据并记录类似于椭球的数据集，所述软件有效地将球体拟合于所述数据集并产生磁强计校正计算以说明局部磁场中的扭曲，由此使从所述磁强计输出的未来数据规格化。在所述第二方面的更详细的实施方式中，所述初始平台是静止的。在又一个更详细的实施方式中，所述初始平台至少部分地容纳马达，所述马达被配置成引起所述中间平台相对于所述初始平台旋转。在另一个详细实施方式中，所述软件有效地利用当所述惯性测量单元处于第一静止位置时从与所述惯性测量单元相关的加速计输出的第一数据集并有效地利用在与所述第一静止位置不同的第二静止位置处从所述加速计输出的第二数据集来产生加速计校正计算，以使从所述加速计输出的未来数据规格化。在又一个详细实施方式中，所述第一静止位置对应于所述初始平台相对于所述中间平台处于第一固定位置处并且所述最终平台相对于所述中间平台处于第二固定位置处，并且所述第二静止位置对应于所述初始平台相对于所述中间平台处于第三固定位置处和所述最终平台相对于所述中间平台处于第四固定位置处中的至少一者。在更详细的实施方式中，所述最终平台包括多个止动件，其中每个所述多个止动件被配置成安装到多个惯性测量单元中的至少一个。本专利技术的第三方面提供了一种校准包含磁强计的惯性测量单元的方法，所述方法包括：(a)将包括第一惯性测量单元的第一惯性测量单元围绕第一旋转轴和第二旋转轴旋转，所述第一旋转轴垂直于所述第二旋转轴，同时从所述第一磁强计接收原始局部磁场数据；(b)对所述原始局部磁场数据进行统一计算，以计算局部磁场中的扭曲；以及(c)通过说明所述局部磁场中计算的扭曲，将从所述磁强计接收到的原始局部磁场数据规格化，以提供精炼的局部磁场数据。在所述第三方面的更详细的实施方式中，所述第一惯性测量单元包括第一加速计，所述方法还包括：(i)将所述第一惯性测量单元在第一三维位置中保持静止，同时从所述第一加速计接收原始加速计数据；(ii)将所述第一惯性测量单元在第二三维位置保持静止，同时从所述第一加速计接收原始加速计数据，所述第二三维位置不同于所述第一三维本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种外科导航系统，所述系统包含：通讯连接到主处理器的信号接收器，所述主处理器被编程以利用序贯蒙特卡罗算法来计算安装到外科工具的惯性测量单元的三维位置的变化，所述处理器被通讯连接到储存有多个外科工具中的每个工具独有的工具数据的第一存储器和储存有足以构建解剖学特点的三维模型的模型数据的第二存储器，所述主处理器被通讯连接到显示器，所述显示器提供关于所述外科工具相对于所述解剖学特点的三维位置的视觉反馈。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.09 US 61/913,608;2014.03.11 US 61/951,221;1.一种外科导航系统，所述系统包含：通讯连接到主处理器的信号接收器，所述主处理器被编程以利用序贯蒙特卡罗算法来计算安装到外科工具的惯性测量单元的三维位置的变化，所述处理器被通讯连接到储存有多个外科工具中的每个工具独有的工具数据的第一存储器和储存有足以构建解剖学特点的三维模型的模型数据的第二存储器，所述主处理器被通讯连接到显示器，所述显示器提供关于所述外科工具相对于所述解剖学特点的三维位置的视觉反馈。2.权利要求1的外科导航系统，其还包含：参比惯性测量单元，其通讯连接到第一机载处理器和第一无线传输器以将数据传输到所述主处理器，所述参比惯性测量单元被配置成附连到所述解剖学特点，在那里所述第一机载处理器指导从所述参比惯性测量单元向所述第一无线传输器的数据传输；其中安装到所述外科工具的惯性测量单元包含实用惯性测量单元，其被通讯连接到第二机载处理器和第二无线传输器，所述第二机载处理器被配置成安装到所述多个外科工具之一；并且所述主处理器被通讯连接到主接收器，所述主接收器被配置成接收来自于所述第一无线传输器的数据和来自于所述第二无线传输器的数据。3.权利要求2的外科导航系统，其中所述第二机载处理器通过所述第二无线传输器指导安装有所述实用惯性测量单元的外科工具的身份的通讯。4.前述权利要求的外科导航系统，其中：所述惯性测量单元包括至少3个加速计和3个磁强计；所述至少3个加速计中的每一个相对于3个轴为总共不少于9个加速计数据流输出数据；至少3个磁强计中的每一个相对于3个轴为总共不少于9个磁强计数据流输出数据；所述主处理器利用所述9个加速计数据流和所述9个磁强计数据流来计算安装到所述外科工具的惯性测量单元的三维位置的变化。5.权利要求2或3任一项的外科导航系统，其中：储存在所述第二存储器中的模型数据包括所述解剖学特点的三维虚拟模型；储存在所述第一存储器中的工具数据包括所述多个外科工具的三维虚拟模型；所述显示器显示所述解剖学特点的三维虚拟模型；所述显示器显示所述外科工具的三维虚拟模型；所述主处理器有效地利用来自于所述参比惯性测量单元的数据来重新定位所述解剖学特点的三维虚拟模型；并且所述主处理器有效地利用来自于所述实用惯性测量单元的数据来重新定位所述外科工具的三维虚拟模型。6.权利要求1的外科导航系统，其中所述主处理器有效地利用来自于所述惯性测量单元的数据来实时地相对于所述解剖学特点的三维虚拟模型重新定位所述外科工具的三维虚拟模型。7.前述权利要求任一项的外科导航系统，其中所述序贯蒙特卡罗算法包括冯·米塞斯-费雪密度算法组件。8.前述权利要求任一项的外科导航系统，其中：储存在所述第一存储器中的工具数据包括位置数据，其指示了所述外科工具的末端效应器与所述外科装置上用于所述惯性测量单元的安装位置之间的相对距离；并且所述外科工具包括扩孔器、定位杯、冲击器、钻孔器、锯和切割引导器中的至少一者。9.前述权利要求任一项的外科导航系统，其中：所述惯性测量单元包括至少3个磁强计；并且所述显示器被连接到所述外科工具或所述主处理器中的至少一者。10.一种用于包括磁强计和加速计的惯性测量单元的校准系统，所述系统包含：初始平台，其可沿着第一轴相对于中间平台旋转重新定位；最终平台，其可沿着第二轴相对于所述中间平台旋转重新定位，所述第二轴垂直于所述第一轴，所述最终平台包括止动件，其被配置成安装到惯性测量单元；以及处理器和相关软件，其被配置成通讯连接到所述惯性测量单元，所述软件有效地利用当所述初始平台相对于所述中间平台旋转时和当所述最终平台相对于所述中间平台旋转时从与所述惯性测量单元相关的磁强计输出的数据并记录类似于椭球的数据集，所述软件有效地将球体拟合于所述数据集并产生磁强计校正计算以说明局部磁场中的扭曲，由此使从所述磁强计输出的未来数据规格化。11.权利要求10的校准装置，其中所述初始平台是静止的。12.权利要求10或11的校准装置，其中所述初始平台至少部分地容纳马达，所述马达被配置成引起所述中间平台相对于所述初始平台旋转。13.权利要求10-12的校准装置，其中所述软件有效地利用当所述惯性测量单元处于第一静止位置时从与所述惯性测量单元相关的加速计输出的第一数据集并有效地利用在与所述第一静止位置不同的第二静止位置处从所述加速计输出的第二数据集来产生加速计校正计算，以使从所述加速计输出的未来数据规格化。14.权利要求10-12的校准装置，其中：所述第一静止位置对应于所述初始平台相对于所述中间平台处于第一固定位置处并且所述最终平台相对于所述中间平台处于第二固定位置处；并且所述第二静止位置对应于所述初始平台相对于所述中间平台处于第三固定位置处和所述最终平台相对于所述中间平台处于第四固定位置处中的至少一者。15.权利要求10-14任一项的校准装置，其中所述最终平台包括多个止动件，其中每个所述多个止动件被配置成安装到多个惯性测量单元中的至少一个。16.一种校准包含磁强计的惯性测量单元的方法，所述方法包括：将包括第一惯性测量单元的第一惯性测量单元围绕第一旋转轴和第二旋转轴旋转，所述第一旋转轴垂直于所述第二旋转轴，同时从所述第一磁强计接收原始局部磁场数据；对所述原始局部磁场数据进行统一计算，以计算局部磁场中的扭曲；以及通过说明所述局部磁场中计算的扭曲，将从所述磁强计接收到的原始局部磁场数据规格化，以提供精炼的局部磁场数据。17.权利要求16的方法，其中：所述第一惯性测量单元包括第一加速计；所述方法还包括：将所述第一惯性测量单元在第一三维位置中保持静止，同时从所述第一加速计接收原始加速计数据；将所述第一惯性测量单元在第二三维位置保持静止，同时...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆罕默德·R·马赫福兹，
申请(专利权)人：穆罕默德·R·马赫福兹，
类型：发明
国别省市：美国;US