用于医疗对象追踪的系统和方法与流程

本技术总体上涉及医疗环境中对象的位置监测。

背景技术：

1、植入物在骨或软组织中的放置需要精确的规划。例如，在关节置换矫形手术中，精确的骨切割是实现最佳结果所必需的。为了实现这一点，历史上参考骨界标、肢体解剖学对准以及视觉提示的手动切割块被设计成帮助外科医生放置这些引导件；然而，由于手动切割夹具的固有问题，这些引导件缺乏必要的精度。

2、近年来，已经研发了利用计算机辅助手术(cas)(诸如导航和机器人)来提高植入物定位的准确度。现有的cas系统可能需要计算机的光学追踪器来识别在手术期间持续移动的骨骼。这些光学追踪器包括多个大销，这些大销在大多数时候通过单独的切口需要被固定到每个骨中，这些大销可以引起患者的骨折和更多疼痛。进一步，这些光学追踪器可能需要庞大的光学设备，其需要相机的视线以及大量硬件和软件来操作。此外，不存在基于患者的个体软组织张力来调节植入位置的系统性方式。大多数cas通过外科医生的手动测试被定制成实现“平衡”软组织。这些手动技术是不准确的或不可再现的，因为人体解剖学构造不同。

3、广泛用于各种行业的雷达技术基于信号的返回及其修改的频率利用各种频率的脉冲声波来追踪对象的距离和速度。因此，远离雷达源行进的对象将返回较长的波长，并且朝向源行进的对象将返回较短的波长。目前在汽车和防御工业中可用的雷达应用旨在实现高精度定位。一种这样的雷达是可商购的，在具有允许利用fmcw雷达的高分辨率和准确度的宽4ghz带宽的77ghz下操作。然而，不存在可用于在短范围内实现低于1毫米的分辨率的应用。

4、在手术室(or)中，雷达源可以用于对对象的位置进行三角测量，该对象比周围对象更高效地返回波。此外，改变由这些源发射的波的频率可以允许对象的定位更准确。如果对象位置精度要求是亚毫米，我们将需要多个波长的波来确定真实位置，使得可能在波长之间的对象的位置不被误判。亚毫米被定义为1um-1mm的精度(微米-毫米)。

5、因此，现有系统经受一个或更多个问题。

技术实现思路

1、本公开的技术总体上涉及医疗环境中的目标位置监测。

2、本公开的技术是一种用于精确追踪关注区域的系统，该系统包括一个或更多个射频(rf)收发器以及一个或更多个活动的非常小的信标(beacons)，这些信标在短距离至中距离范围内发射基于射频或振动的信号。这些新颖的信标将在初始接收之后主动地重新发送频移的雷达信号。因为每个信标对进入的雷达信号施加唯一的频率偏移，表现出特定的多普勒频率，所以能够以小于一毫米的精度来测量位置。这些有源信标被设计成实现高精度、增加信噪比、具有可任意处理的小尺寸(小于1英寸)并且还与现成电池一起使用。

3、对象的三角测量：三个主要雷达在距离关注区域等距位置进行追踪，例如，矫形外科应用的骨追踪以及工具追踪，例如，矫形外科应用的骨锯。这三个雷达以毫秒的脉冲以不同的频率发射波，所以每个返回波将来自不同的频率。校准装置将用于确定亚毫米差如何影响距离的每个变化。在手术期间，激光测距器也将附接至雷达，以在手术之前确定距雷达的真实距离。一旦范围被设定，适当频率的波长将被用于该距离范围以产生工具和骨的最准确的读数。信标还可以被放置在雷达接收机上以检测雷达位置上的任何变化。这种方法用于重新校准雷达并且避免偏差。

4、手持式扫描仪(诸如激光器或lidar)，其将依次被三个雷达追踪。该手持装置将用于通过从表面弹起波来扫描骨表面并且记录距离，因为激光测距器再次用于寻找合适的波长光谱并且当外科医生将装置从关节移动到关节数毫米左右时保持追踪扫描的区域以及它们如何与新位置相关。此变化将被追踪以将所有扫描缝合在一起以得到真实表面几何形状。扫描装置将利用类似于切割工具的雷达在空气中追踪，以闭合骨位置确定的环。

5、一旦扫描完成，帮助外科医生进行切割的切割工具(诸如自由手骨锯或切割块)可以在空气中追踪并且放置在适当位置中以实现计划的手术。

6、扫描器还可以用于在切口之后进行测量，以确定切口的精度，从而报告回外科医生进行验证。

7、在一个或更多个实施例中，本文描述的系统通过简化对骨的追踪(诸如通过使用可以穿透对象的基于波的技术)来改进现有系统。这允许外科医生在不损失信号的情况下打破视线，这可增加手术的安全性，因为系统总是能够追踪对象。虽然可能存在信号强度的暂时下降，但是通过三角测量增加更多的雷达将解决这个问题。此外，采用利用机器学习的特定算法，可以考虑先前植入位置的结果，使得雷达系统可以建议基于患者的人口统计和疾病的严重程度或变形以及外科医生的偏好的定制位置。

8、在一个或更多个实施例中，提供了一种基于雷达(即，rf)的追踪系统，其中，该系统利用具有生成可以被追踪的多普勒频移波(即，rf信号)的唯一特征的rf信标。

9、一组静止或移动的雷达在关注区域内发射rf信号。关注区域包含一组无源或有源rf信标，其目的是将清晰、唯一的信号重新辐射回到雷达，以便通过合适的信号处理可以推断它们的三维位置和倾斜度。

10、在关注区域中散布的这些rf信标接收这些雷达信号，将它们的载波频率偏移到规定值内，并且主动地向全方位重新发射频移的雷达信号。每个信标对进入的雷达信号施加唯一的频率偏移，从而允许其在一些信号处理之后在雷达接收机处识别。具体地，这些信标生成的频率偏移被雷达感知为呈现特定多普勒频率的目标。

11、通过距离-多普勒处理或类似的移动-目标-指示技术，每个雷达测量关注区域中的信号回波的距离和多普勒。呈现出零或接近零的多普勒值的回波对应于杂波，并且被雷达信号处理器移除。与关注区域中的信标相关联的特定多普勒频率相对应的回波被隔离、处理和追踪。通过在辐射关注区域的所有雷达上收集的距离信息的三角测量来计算rf信标的实际三维位置。

12、从多个rf收发器以及用于多普勒频移的相同的源生成一系列变化的波频率，以在三维空间中找到唯一的rf信标和相关联的对象。控制装置可以用于将从测量结果生成的点云与受监督的机器学习数据集进行比较以校正不准确的信号处理和/或机器学习。rf信标表示位置和取向两者，其中当rf信标被固定到对象时，使用rf信标和加速度计来识别对象(例如，骨)的位置。随后该对象的任何运动诸如通过rf收发器和/或控制装置被追踪，并且可被控制装置标绘以允许用户基于其定义的位置利用外部工具操纵对象。控制装置可被配置有增强现实，并且其中虚拟现实可被覆盖在被追踪的对象上以允许用户操纵该对象。

13、根据本发明的一个方面，提供了一种用于医疗对象追踪的系统。系统包括多个射频收发器，其中多个射频收发器中的每个射频收发器被配置为发射相应频率的射频信号。系统包括可移除地附接到医疗对象的射频信标，其中射频信标被配置为：主动地修改来自多个射频收发器的射频信号。系统包括与多个射频收发器通信的控制装置，其中控制装置包括处理电路，该处理电路被配置为至少部分地基于所反射的射频信号来确定医疗对象在三维空间中的位置。

14、在一个实施例中，通过使用一个或多个加速度计(accelerometer(s))和/或多个天线(2个或更多个信标)获得6个自由度和倾斜测量。这些多个天线可以放置在同一信标上，或多个单独的信标可以放置在骨或追踪对象上。

15、根据一个或更多个实施例，该系统包括至少一个信号生成的有源rf信标发射具有或不具有基于振动的信号或声学信号的偏移频率。根据一个或更多个实施例，基于振动的信号包括至少部分基于射频信标的至少一种材料的谐振频率的至少一个信号。有源信标可以是基于振动的、基于rf的、或通过机械振动产生多普勒频率。根据一个或更多个实施例，至少部分地基于从多个射频收发器接收射频信号中的至少一个射频信号来触发基于振动的信号。

16、根据一个或更多个实施例，该射频信标包括圆锥形部件，该圆锥形部件被配置成用于反射射频信号。根据一个或更多个实施例，多个射频收发器被配置为以预定扫描频率询问相应的预定区域。控制装置被配置成至少部分地基于医疗对象的位置来修改相应预定义区域和预定义扫描频率。

17、根据一个或更多个实施例，医疗对象是骨表面和医疗装置中的一者。根据一个或更多个实施例，确定医疗对象在三维空间中的位置包括：对每个相应的反射射频信号，确定医疗对象在三维空间中的相应位置。医疗对象在三维空间中的所确定的位置是基于医疗对象在三维空间中的所确定的相应位置。

18、根据一个或更多个实施例，射频信标包括被配置成用于生成加速度计数据的至少一个加速度计。反射的射频信号中的至少一个射频信号包括加速度计数据。根据一个或更多个实施例，控制装置还被配置为至少部分地基于加速度计数据来确定射频信标在三维空间中的取向。

19、根据本发明的另一方面，提供了一种在用于医疗对象追踪的系统中实施的方法。在多个射频收发器中的每个射频收发器以各自的频率发射射频信号。在可移除地附接到医疗对象的射频信标处，从多个射频收发器反射射频信号。在射频信标处发射基于振动的信号。至少部分地基于反射的射频信号和基于振动的信号来确定医疗对象在三维空间中的位置。

20、根据一个或更多个实施例，基于振动的信号包括由触觉装置产生的至少一个信号。根据一个或更多个实施例，基于振动的信号包括至少部分基于射频信标的至少一种材料的谐振频率的至少一个信号。根据一个或更多个实施例，至少部分地基于从多个射频收发器接收射频信号来触发基于振动的信号。

21、根据一个或更多个实施例，反射的射频信号被射频信标的圆锥形部件反射。根据一个或更多个实施例，在每个射频收发器发射相应频率的射频信号对应于以预定的扫描频率询问相应的预定区域。至少部分地基于反射的射频信号和基于振动的信号来修改相应的预定义区域和预定义扫描频率。

22、根据一个或更多个实施例，医疗对象是骨表面和医疗装置中的一者。根据一个或更多个实施例，确定医疗对象在三维空间中的位置包括：对每个相应的反射射频信号，确定医疗对象在三维空间中的相应位置。医疗对象在三维空间中的所确定的位置是基于医疗对象在三维空间中的所确定的相应位置。

23、根据一个或更多个实施例，使用至少一个加速度计在射频信标处生成加速度计数据。反射的射频信号包括加速度计数据。根据一个或更多个实施例，至少部分地基于加速度计数据来确定射频信标在三维空间中的取向。