使用表示软骨的区域的植入规划.pdf

1、(10)申请公布号 CN 102300514 A (43)申请公布日 2011.12.28 CN 102300514 A *CN102300514A* (21)申请号 200880132678.8 (22)申请日 2008.12.11 A61B 19/00(2006.01) (71)申请人 玛口外科股份有限公司 地址 美国佛罗里达州 (72)发明人 A贝雷特 L阿拉塔 R圣沃瑞斯 J奥托 J武伊齐克 (74)专利代理机构 上海专利商标事务所有限公 司 31100 代理人 钱慰民 (54) 发明名称 使用表示软骨的区域的植入规划 (57) 摘要 描述了利用表示软骨的区域的用于植入规划 的基于计算

2、机的方法和装置， 包括计算机程序产 品。 确定预定数量的控制点， 用于生成预定数量的 表示软骨的区域， 其中预定数量的控制点基于植 入部件。接收与多个所测量的软骨点相对应的测 量， 其中每个软骨点基于来自预定数量的控制点 的相关控制点。 生成多个表示软骨的区域， 其中每 个表示软骨的区域大于来自多个控制点的相关控 制点且投影到来自多个控制点的相关控制点。基 于骨的表示定位植入部件的表示， 骨的表示包括 多个表示软骨的区域的表示。 (85)PCT申请进入国家阶段日 2011.07.12 (86)PCT申请的申请数据 PCT/US2008/086462 2008.12.11 (87)PCT申请的公

3、布数据 WO2010/068213 EN 2010.06.17 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 23 页 附图 17 页 按照条约第19条修改的权利要求书 3 页 CN 102300524 A1/2 页 2 1. 一种外科手术规划计算机化方法， 包括 ： 确定预定数量的控制点， 用于生成预定数量的表示软骨的区域， 其中所述预定数量的 控制点基于植入部件 ； 接收与多个所测量的软骨点相对应的测量， 其中每个软骨点基于来自预定数量的控制 点的相关控制点 ； 生成多个表示软骨的区域， 其中每个表示软骨的区域大于来自多个控

4、制点的相关控制 点且投影到来自多个控制点的相关控制点 ； 以及 基于骨的表示定位植入部件的表示， 所述骨的表示包括多个表示软骨的区域的表示。 2. 如权利要求 1 所述的方法， 其特征在于， 所述植入部件的表示是自动对准的以配合 多个表示软骨的区域。 3. 如权利要求 1 所述的方法， 其特征在于， 生成多个表示软骨的区域包括 ： 将预定数量的控制点变换到骨的表示的坐标空间 ； 以及 将多个软骨点变换到骨的表示的坐标空间。 4. 如权利要求 3 所述的方法， 其特征在于， 生成多个表示软骨的区域包括， 针对来自多 个区域的每个表示软骨的区域 ： 计算骨的表示的点和相关的经变换的软骨点之间的距离

5、 ； 计算骨的表示的最近点至相关的经变换的控制点之间的方向 ； 确定在距相关经变换的控制点第二距离内的骨的表示的多个点 ； 以及 基于第二距离和方向调整多个点以形成多个表示软骨的区域。 5. 如权利要求 4 所述的方法， 其特征在于， 骨的表示的多个点中的每一个对应于来自 多边形的超集的多边形集合， 骨的表示包括所述多边形的超集。 6. 如权利要求 5 所述的方法， 其特征在于， 调整包括调整来自多边形集合的每一个多 边形的顶点。 7. 如权利要求 5 所述的方法， 其特征在于， 所述多边形的超集包括三角形。 8. 如权利要求 4 所述的方法， 其特征在于， 计算骨的表示的点和相关的经变换的软

6、骨 点之间的距离包括选择骨的表示上离相关的经变换的软骨点最近的点。 9. 如权利要求 3 所述的方法， 其特征在于， 还包括对于多个表示软骨的区域中的每个 表示软骨的区域， 将来自经变换的预定数量的控制点的控制点与表示软骨的区域中的最近 点对准。 10. 如权利要求 9 所述的方法， 其特征在于， 约束经对准的控制点以自动调整植入部件 的表示的位置。 11. 如权利要求 1 所述的方法， 其特征在于， 还包括 ： 显示骨的表示 ； 以及 显示相对于骨的表示的植入部件的表示。 12. 如权利要求 11 所述的方法， 其特征在于， 还包括 ： 显示第二植入部件的表示， 其中植入部件和第二植入部件是

7、多部件植入物的部件。 13. 如权利要求 12 所述的方法， 其特征在于， 还包括确定第二植入部件的表示的定位 是否违反至少一个定位约束。 14. 如权利要求 13 所述的方法， 其特征在于， 所述至少一个定位约束基于骨的表示、 植 权 利 要 求 书 CN 102300514 A CN 102300524 A2/2 页 3 入部件的表示或其任意组合。 15. 一种外科手术规划系统， 包括 ： 计算机， 所述计算机配置成 ： 确定预定数量的控制点， 用于生成预定数量的表示软骨的区域， 其中所述预定数量的 控制点基于植入部件 ； 生成多个表示软骨的区域， 其中每个表示软骨的区域大于来自多个控制点

8、的相关控制 点且投影到来自多个控制点的相关控制点 ； 以及 基于骨的表示定位植入部件的表示， 所述骨的表示包括多个表示软骨的区域 ； 以及 探针， 所述探针配置成测量多个软骨点， 其中每个软骨点基于来自预定数量的控制点 的相关控制点。 16. 如权利要求 15 所述的外科手术规划系统， 其特征在于， 所述计算机还配置成生成 第二植入部件的显示， 其中所述植入部件和第二植入部件是多部件植入物的部件。 17. 如权利要求 16 所述的外科手术规划系统， 其特征在于， 所述计算机还被配置成确 定第二植入部件的表示的定位是否违反至少一个定位约束。 18. 如权利要求 17 所述的外科手术规划系统， 其

9、特征在于， 所述至少一个定位约束基 于骨的表示、 植入部件的表示或两者。 19. 如权利要求 15 所述的外科手术规划系统， 其特征在于， 所述计算机还被配置成生 成用户界面， 所述用户界面实现植入部件的表示、 第二植入部件的表示或其任意组合中的 任一个的定位。 20. 一种有形地包含在计算机可读介质中的计算机程序产品， 所述计算机程序产品包 括指令， 所述指令用于导致数据处理设备 ： 确定预定数量的控制点， 用于生成预定数量的表示软骨的区域， 其中所述预定数量的 控制点基于植入部件 ； 接收与多个所测量的软骨点相对应的测量， 其中每个软骨点基于来自预定数量的控制 点的相关控制点 ； 生成多个

10、表示软骨的区域， 其中每个表示软骨的区域大于来自多个控制点的相关控制 点且投影到来自多个控制点的相关控制点 ； 以及 基于骨的表示定位植入部件的表示， 所述骨的表示包括多个表示软骨的区域的表示。 21. 一种系统， 包括 ： 用于确定预定数量的控制点的装置， 用于生成预定数量的表示软骨的区域， 其中所述 预定数量的控制点基于植入部件 ； 用于接收与多个所测量的软骨点相对应的测量的装置， 其中每个软骨点基于来自预定 数量的控制点的相关控制点 ； 用于生成多个表示软骨的区域的装置， 其中每个表示软骨的区域大于来自多个控制点 的相关控制点且投影到来自多个控制点的相关控制点 ； 以及 用于基于骨的表示

11、定位植入部件的表示的装置， 所述骨的表示包括多个表示软骨的区 域的表示。 权 利 要 求 书 CN 102300514 A CN 102300524 A1/23 页 4 使用表示软骨的区域的植入规划 技术领域 0001 本发明一般涉及外科手术计算机系统， 包括计算机程序产品以及使用表示软骨的 区域的植入规划的方法， 尤其是估计表示软骨的区域。 背景技术 0002 矫形关节置换术可包括膝、 髋或其它关节(例如， 肩、 肘、 腕、 髁、 指等等)的关节成 形术。例如， 传统的全膝关节成形术 (TKA) 包括通常在大约 6 到 12 英寸范围内的长切口以 暴露关节用于骨制备和植入部件的植入。切割的侵

12、入特性导致了患者过长的康复时间。微 创手术 (MIS) 将全膝置换手术的切口长度减少到大约 4 到 6 英寸的范围。然而， 较小的切 口尺寸削弱了外科医生观察并得到关节解剖结构的能力。因此， 评估合适的植入位置以及 重塑骨形的复杂性增加， 并且正确放置植入物可能更加困难。植入物的不精确定位减损关 节性能。例如， 使用 TKA 的一个问题是植入物的一个或多个部件可能不适当地与髌骨接触， 这可能是由一个或多个植入部件在膝盖内不精确定位引起的。 0003 植入规划的一个重要方面涉及个体解剖结构的变化。 解剖结构变化导致不存在为 所有的患者提供最优解决方案的单一植入设计或植入部件定向。常规 TKA 系

13、统通常包括植 入到股骨远端上的股骨部件、 植入到胫骨近端上的胫骨部件以及更换髌骨的关节表面的髌 骨部件。如上所述， 常规 TKA 系统需要足够大的切口来接受股骨和胫骨部件的植入。此外， 股骨和胫骨部件具有标准的固定几何形状且仅在有限范围的尺寸内是可用的。于是， 外科 医生可能不能实现解决每个患者独特的解剖结构、 韧带稳定性以及运动的配合。 0004 已经开发了模块化 TKA 膝修补物来克服常规 TKA 系统的缺点， 该模块化 TKA 膝修 补物包括分别插入并组装在手术位置的多个部件。某些模块化 TKA 系统实施方式通过允许 多个部件分别插入而模拟常规 TKA 系统， 从而各部件可在患者体内连接

14、在一起。一个缺点 在于， 各模块化部件一旦组装在患者体内， 就模拟常规 TKA 系统且因此具有类似的限制。一 旦各模块化部件固定在一起， 则各部件彼此依靠。这种植入系统使外科医生不能改变每个 模块化部件的放置或几何形状以最好地适合每个患者的独特解剖学结构、 韧带稳定性、 运 动以及疾病状态。 0005 某些模块化 TKA 系统实施方式允许植入部件彼此独立定位。2007 年 3 月 9 日提交 的且公开为公开号第2008/0058945号的美国专利申请号第11/684,514号中描述了独立部 件放置系统和方法的示例， 且该申请全文以参见的方式纳入本文。这些系统的一个缺点是 每个植入部件的放置并不

15、基于其它植入部件而受到限制。 但多部件植入系统通常需要满足 各部件之间的大量相对限制， 从而使植入系统适当地起作用。 如果所有植入物都独立规划， 则几乎不可能满足所有的必要限制。例如， 为了在股骨骨节植入物和髌骨植入物之间具有 光滑过渡， 两植入物相对于彼此的位置是很关键的。 0006 此外， 股骨或胫骨上的植入部件的适当放置需要了解每个骨的关节软骨表面。关 节软骨是覆盖关节的联接骨端的无血管软组织。在关节运动期间， 软骨用作铰接关节内的 润滑机构并通过使关节处的顶部接触力最小来保护下方的骨结构。从骨的 CT 扫描可产生 说 明 书 CN 102300514 A CN 102300524 A2

16、/23 页 5 每个骨的模型， 以使植入部件的模型相对于各骨模型定位， 从而为外科手术作规划。但是， CT 扫描可能不能精确确定骨的关节软骨表面。于是， 植入部件的规划放置仅匹配骨而不是 软骨的表面， 而软骨的表面通常决定植入物的最优放置。可在探针被拖曳经过软骨表面的 同时通过获取跟踪探针的末梢位置来确定软骨表面。但是， 这需要捕获每个点以绘制软骨 表面， 这是涉及及时且计算的程序。 0007 考虑到上述情况， 存在对能够克服前述问题的外科手术方法和装置的需要， 从而 能够获得提供改进关节性能的用于多关节植入部件的精确放置和植入的术中植入规划 ； 与 外科手术技术水平无关的一致、 可预见的手术

17、结果 ； 在微创手术中不伤害健康骨 ； 实现解 决每个患者独特的解剖结构、 韧带稳定性以及运动的植入部件配合 ； 以及减少置换和修正 手术的需要。 发明内容 0008 本文描述的技术提供用于使用约束的多植入部件的植入规划以及使用表示软骨 的区域的植入规划的方法、 装置和计算机程序产品。这种植入规划便于多部件植入物的各 植入部件精确放置以配装到患者的独特解剖结构。 0009 一方面， 有一种方法。 该方法是用于外科手术规划的计算机方法， 用于显示骨的表 示和相对于骨的表示的第一植入部件的表示。该方法还包括显示第二植入部件的表示， 其 中第一植入部件和第二植入部件实体上分开且未彼此连接。 该方法还

18、包括阻止违反至少一 个定位约束的第二植入部件的表示的定位， 其中定位约束基于第一植入部件的表示。 0010 另一方面， 有一种方法。 该方法是用于外科手术规划的计算机方法， 用于显示骨的 表示和相对于骨的表示的第一植入部件的表示。 该方法还包括接收与第二植入部件的表示 的定位相关的数据， 其中第一植入部件和第二植入部件实体上分开且未彼此连接。该方法 还包括将与第二植入部件的表示的定位相关的数据与基于所述骨的表示、 第一植入部件的 表示或两者的定位约束相比较。该方法还包括如果所述数据符合所述定位约束， 则根据与 所述第二植入部件的表示的定位相关的数据显示所述第二植入部件的表示。 0011 另一方

19、面， 有一种系统。该系统是外科手术规划系统， 包括计算机， 该计算机配置 成生成骨的表示的显示和相对于所述骨的表示的第一植入部件的表示。 该计算机还被配置 成生成第二植入部件的表示的显示， 其中第一植入部件和第二植入部件实体上分开且未彼 此连接。该计算机还被配置成阻止违背至少一个定位约束的第二植入部件的表示的定位， 其中定位约束基于第一植入部件的表示。 0012 另一方面， 有一种计算机程序产品。该计算机程序产品有形地包含在计算机可读 介质中。 该计算机程序产品包括用于导致数据处理设备显示骨的表示和相对于骨的表示的 第一植入部件的表示的指令。该指令还用于导致数据处理设备显示第二植入部件的表示，

20、 其中第一植入部件和第二植入部件实体上分开且未彼此连接。 该指令还用于导致数据处理 设备阻止违背至少一个定位约束的第二植入部件的表示的定位， 其中定位约束基于第一植 入部件的表示。 0013 另一方面， 有一种系统。该系统包括显示骨的表示和相对于骨的表示的第一植入 部件的表示。该系统还包括显示第二植入部件的表示， 其中第一植入部件和第二植入部件 实体上分开且未彼此连接。 该系统还包括阻止违背至少一个定位约束的第二植入部件的表 说 明 书 CN 102300514 A CN 102300524 A3/23 页 6 示的定位， 其中定位约束基于第一植入部件的表示。 0014 另一方面， 有一种方法

21、。 该方法是一种外科规划计算机化方法， 用于确定预定数量 的控制点， 用于生成预定数量的表示软骨的区域， 其中所述预定数量的控制点基于植入部 件。该方法还包括接收与多个所测量的软骨点相对应的测量， 其中每个软骨点基于来自预 定数量的控制点的相关控制点。该方法还包括生成多个表示软骨的区域， 其中每个表示软 骨的区域大于来自多个控制点的相关控制点且投影到来自多个控制点的相关控制点。 该方 法还包括基于骨的表示定位植入部件的表示， 所述骨的表示包括多个表示软骨的区域的表 示。 0015 另一方面， 有一种系统。该系统是一种外科手术规划系统， 包括计算机， 该计算机 配置成确定预定数量的控制点， 用于

22、生成预定数量的表示软骨的区域， 其中预定数量的控 制点基于植入部件。该计算机还被配置成生成多个表示软骨的区域， 其中每个表示软骨的 区域大于来自多个控制点的相关控制点且投影到来自多个控制点的相关控制点。 该计算机 还被配置成基于骨的表示定位植入部件的表示， 所述骨的表示包括多个表示软骨的区域。 所述系统还包括探针， 该探针配置成测量多个软骨点， 其中每个软骨点基于来自预定数量 的控制点的相关控制点。 0016 另一方面， 有一种计算机程序产品。该计算机程序产品有形地包含在计算机可读 介质中。该计算机程序产品包括用于导致数据处理设备确定预定数量的控制点的指令， 用 于生成预定数量的表示软骨的区域

23、， 其中预定数量的控制点基于植入部件。该计算机程序 产品还包括用于导致数据处理设备接收与多个所测量的软骨点相对应的测量的指令， 其中 每个软骨点基于来自预定数量的控制点的相关控制点。 该计算机程序产品还包括用于导致 数据处理设备生成多个表示软骨的区域的指令， 其中每个表示软骨的区域大于来自多个控 制点的相关控制点且投影到来自多个控制点的相关控制点。 该计算机程序产品包括用于导 致数据处理设备基于骨的表示定位植入部件的表示的指令， 骨的表示包括多个表示软骨的 区域的表示。 0017 另一方面， 有一种系统。 该系统包括用于确定预定数量的控制点的装置， 用于生成 预定数量的表示软骨的区域， 其中所

24、述预定数量的控制点基于植入部件。该系统还包括用 于接收与多个所测量的软骨点相对应的测量的装置， 其中每个软骨点基于来自预定数量的 控制点的相关控制点。该系统还包括用于生成多个表示软骨的区域的装置， 其中每个表示 软骨的区域大于来自多个控制点的相关控制点且投影到来自多个控制点的相关控制点。 该 系统还包括基于骨的表示定位植入部件的表示的装置， 骨的表示包括多个表示软骨的区域 的表示。 0018 在其它示例中， 以上各方面中的任何方面可包括以下特征中的一个或多个。可计 算多个表示软骨的区域， 并且阻止违背第二定位约束的第一植入部件的表示的定位， 第二 定位约束基于多个表示软骨的区域。 至少一个定位

25、约束可包括第一植入部件的表示与第二 植入部件的表示之间的刚性约束， 其中刚性约束阻止独立于第一植入部件的表示的第二植 入部件的表示的定位。 0019 在一些示例中， 至少一个定位约束包括基于第一植入部件的表示的第二植入部件 的表示的一个或多个运动轴。 一个或多个轴中的轴可约束第一植入部件的表示与第二植入 部件的表示之间的临界区域。 一个或多个轴中的轴可约束第一植入部件的表示与第二植入 说 明 书 CN 102300514 A CN 102300524 A4/23 页 7 部件的表示之间的距离。 一个或多个轴中的轴可基于第一植入部件的表示与第二植入部件 的表示之间的弧。 0020 在其它示例中，

26、 阻止包括阻止第二部件的表示的除了围绕一个或多个轴转动、 沿 所述一个或多个轴的平移或其任何组合之外的运动。 可显示沿一个或多个轴中的轴的横截 位置处的横截面显示， 其中横截面显示包括第一植入部件的表示、 第二植入部件的表示、 骨 的表示、 或其任何组合。可基于沿轴的新横截位置更新所述横截面显示。 0021 在一些示例中， 至少一个定位约束基于第一植入部件和第二植入部件中至少一个 的关节表面的延伸的表示。可确定关节表面的延伸的表示与第一植入部件的表示、 第二植 入部件的表示或其任何组合的交叠。可显示关节表面的延伸的表示。显示第二植入部件的 表示可包括相对于骨的表示显示第二植入部件的表示。 00

27、22 在其它示例中， 相对于骨的表示显示第二植入部件的表示还包括基于骨的表示的 坐标空间或第一植入部件的表示的坐标空间中的至少一个显示所述第二植入部件的表示。 可显示变化指示符， 其中变化指示符基于第一植入部件的表示的当前位置以及第一植入部 件的表示的初始位置、 骨的表示的坐标空间、 第一植入部件的表示的坐标空间或软骨的表 示的坐标空间中的至少一个。可接收与第二植入部件的表示的定位相关的数据。 0023 在一些示例中， 计算机还被配置成生成用户界面， 所述用户界面实现第一植入部 件的表示、 第二植入部件的表示或其任意组合中的任一个的定位。计算机还配置成计算多 个表示软骨的区域 ； 以及基于多个

28、表示软骨的区域中的至少一个调整第一植入部件的表示 与第二植入部件的表示中的至少一个。 植入部件的表示可自动对准以配合多个表示软骨的 区域。 0024 在其它示例中， 生成多个表示软骨的区域包括 ： 将预定数量的控制点变换到骨的 表示的坐标空间以及将多个软骨点变换到骨的表示的坐标空间。 生成多个表示软骨的区域 可包括， 针对来自多个区域的每个表示软骨的区域 ： 计算骨的表示的点和相关的经变换的 软骨点之间的距离 ； 计算骨的表示的最近点至相关的经变换的控制点之间的方向 ； 确定在 距相关经变换的控制点第二距离内的骨的表示的多个点 ； 以及基于第二距离和方向调整多 个点以形成多个表示软骨的区域。

29、0025 在一些示例中， 骨的表示的多个点中的每一个对应于来自多边形的超集的多边形 集合， 骨的表示包括多边形的超集。调整可包括调整来自多边形集合的每一个多边形的顶 点。多边形的超集可包括三角形。计算骨的表示的点和相关的经变换的软骨点之间的距离 包括选择骨的表示上至相关的经变换的软骨点的最近点。 0026 在其它示例中， 对于多个表示软骨的区域中的每个表示软骨的区域， 将来自经变 换的预定数量的控制点的控制点与表示软骨的区域中的最近点对准。 可约束对准的控制点 以自动调整植入部件的表示的位置。可显示骨的表示 ； 且可显示相对于骨的表示的植入部 件的表示。可显示第二植入部件的表示， 其中植入部件

30、和第二植入部件是多部件植入物的 部件。该方法可包括确定第二植入部件的表示的定位是否违反至少一个定位约束。 0027 在一些示例中， 该至少一个定位约束基于骨的表示、 植入部件的表示或其任意组 合。计算机还配置成生成第二植入部件的显示， 其中植入部件和第二植入部件是多部件植 入物的部件。 计算机还被配置成确定第二植入部件的表示的定位是否违反至少一个定位约 束。该至少一个定位约束可基于骨的表示、 植入部件的表示或两者。计算机还被配置成生 说 明 书 CN 102300514 A CN 102300524 A5/23 页 8 成用户界面， 所述用户界面实现植入部件的表示、 第二植入部件的表示或其任意

31、组合中的 任一个的定位。 0028 本文描述的利用约束的多植入部件的植入物规划和利用表示软骨的区域的植入 物规划的技术可提供以下优点中的一个或多个。因为每个患者的解剖结构是独特的， 所以 具有关于植入部件的多个尺寸和形状并且相对于其它部件和 / 或骨约束部件的定位使系 统能够找到对每个患者的最佳配合。该约束提供了关于精确且有效地定位部件、 防止不适 当地放置以及使植入物的多个部件能够彼此按所设计方式进行工作的信息。 多种类型的可 视显示器还提高了植入部件的适当放置。此外， 可调整植入部件以说明软骨表示。可实现 对于各个患者的更高效率、 较少侵入的植入物规划过程。利用约束的植入物规划允许实体 上

32、分离且不接触的部件放置， 以便最优地放置在患者解剖结构内的确保部件按设计操作的 位置处。较小、 分离部件的最优定位允许较小切口 ( 例如， 由于较小的部件 ) 和较少入侵的 外科手术。 0029 本发明的其它方面和优点将会从以下结合附图的详细描述中变得明显， 附图仅以 示例方式示出本发明的原理。 附图说明 0030 当结合附图阅读时， 从以下各实施例的描述中将更充分地理解本发明的前述和其 它目的、 特征和优点以及发明本身。 0031 图 1 示出根据本发明的示例性多部件植入规划系统 ； 0032 图2是图1的显示器所呈现的股骨和示例性多部件植入物的各部件的表示的立体 图 ； 0033 图 3

33、示出在对多部件植入物的各部件约束下的植入规划的示例性方法 ； 0034 图 4A 示出包括对多部件植入物的各部件的表示的约束的立体显示 ； 0035 图 4B 示出包括多部件植入物的各部件的表示的沿约束轴线的剖视显示 ； 0036 图 5 示出包括对多部件植入物的各部件的表示的约束的分开显示 ； 0037 图 6 示出包括沿骨的表示的软骨表面的分开显示 ； 0038 图 7 示出用于基于表示软骨的区域定位植入部件的示例性方法 ； 0039 图 8 示出用于估计表示软骨的区域的示例性方法 ； 0040 图 9A-9D 示出用于植入规划的股骨上的骨点 ； 0041 图 10A-10C 示出用于植入

34、规划的多部件植入物的各植入部件上的植入物点 ； 0042 图 11A-11C 示出用于植入规划的相对于多部件植入物的各植入部件的植入部件 轴线 ； 以及 0043 图 12 示出使用约束和 / 或表示软骨的区域用于植入规划的示例性外科手术计算 机系统的实施例。 具体实施方式 0044 附图中示出了目前较佳的实施例。尽管本说明书主要涉及膝关节置换术， 应当理 解在此描述的主题为可应用到身体内的其它关节， 例如像肩、 肘、 腕、 脊骨、 髋或踝， 以及可 应用于其它任何的矫形和 / 或肌与骨骼的植入物， 包括传统材料的植入物以及更特殊的植 说 明 书 CN 102300514 A CN 10230

35、0524 A6/23 页 9 入物， 诸如骨生物材料、 药物递送植入物以及细胞递送植入物。 0045 在概述中， 通过约束多部件植入物的各个部件的调整来实现多部件植入规划。每 个部件可基于约束进行调整， 允许在防止不适当放置的同时允许每个植入部件的适当配 装。图 1 示出根据本发明的示例性多部件植入规划系统 100。该系统包括计算机 102。计算 机 102 与输入单元 104 通信。输入单元 104 与探针 106 通信。计算机 102 还与显示器 108 通信。 0046 计算机 102 可以是任何已知的计算系统， 但较佳地为可编程、 基于处理器的系统。 例如， 计算机102可包括微处理器

36、、 硬驱动器、 随机存取存储器(RAM)、 只读存储器(ROM)、 输 入 / 输出 (I/O) 电路， 以及其它任何已知的计算机部件。计算机 102 较佳地适于用于各种 类型的存储装置 ( 永久的和可去除的 )， 例如像便携式驱动器、 磁存储 ( 例如， 软盘 )、 固态 存储 ( 例如， 闪存卡 )、 光存储 ( 例如， 紧致盘或 CD)， 和 / 或网络 / 因特网存储。计算机 102 可包括一个或多个计算机， 例如包括在 Windows、 MS-DOS、 UNIX 或其它适合的操作系统下运 行的个人电脑 ( 例如， IBM-PC 兼容计算机 ) 或工作站 ( 例如， SUN 或 Sil

37、icon Graphics 工 作站 )， 并较佳地包括图形用户界面 (GUI)。 0047 输入单元 104 使信息能够通信到植入规划系统 100。例如， 输入单元 104 为用户 提供与植入规划系统通信的界面。术语用户和手术员都是指使用植入规划系统 100 的人， 且有时可互换使用。输入单元 104 连接到计算机 102 并可包括能够使用户向计算机提供输 入的任何装置。例如， 输入单元 104 可以是已知的输入装置， 诸如键盘、 鼠标、 跟踪球、 触摸 屏、 触摸板、 语音识别硬件、 拨号盘、 开关、 按钮、 可追踪探针、 脚踏开关、 远程控制装置、 扫描 仪、 照相机、 话筒和 / 或操

38、纵杆。输入单元 104 还可包括向计算机 102 提供数据的外科手术 导航设备。例如， 输入单元 104 可包括跟踪外科手术工具位置和患者解剖结构的跟踪系统。 跟踪系统可以是例如光学的、 电磁的、 无线电的、 声学的、 机械的或光纤跟踪系统。 0048 探针 106 可以是用于测量关节软骨厚度的任何探针。探针的一示例是 2001 年 7 月 30 日提交的美国专利第 6,585,666 号 ( “ 666 专利” )， 该专利全文以参见的方式纳入本 文。 666 专利揭示了根据软骨的真实超声波速度确定关节软骨厚度的诊断探针。探针 106 也可以是被跟踪的探针， 其中在探针末梢碰到软骨表面时捕获

39、探针的末梢位置 ( 例如通过 光学摄像机、 关节编码器等。) 因为患者的骨与骨模型 ( 例如从骨的 CT 扫描形成 ) 对准， 可 将所捕获的末梢位置与骨表面的已知位置比较来估计软骨的厚度。 被跟踪的探针可以是例 如具有附着到探针的光学标记或铰接臂或自动机械臂的末端执行器的探针。 0049 探针 106 与计算机 102 操作地通信。例如， 探针 106 可通过接口 ( 未示出 ) 联接 到计算机 102。接口可包括物理接口和 / 或软件接口。物理接口可以是任何已知的接口， 例 如像有线接口 ( 例如， 串行、 USB、 以太网、 CAN 总线、 和 / 或其它的缆线通信接口 ) 和 / 或无

40、 线接口 ( 例如， 无线以太网、 无线串行、 红外、 和 / 或其它的无线通信系统 )。软件接口可驻 留在计算机 102 上。例如， 在包括光学标记的被跟踪探针的情况下， 捕获探针末梢位置数据 并通过光学摄像机将该探针末梢位置数据中继到计算机 102。 0050 显示器 108 是计算机 102 与用户之间的视觉界面。显示器 108 连接到计算机 102 并且可以是适合显示文本、 图像、 图形和/或其它视觉输出的任何装置。 例如， 显示器108可 包括标准显示屏 ( 例如， LCD、 CRT、 等离子体等等 )、 触摸屏、 可佩带显示器 ( 例如， 诸如眼镜 或护目镜的眼镜 )、 投影显示器

41、、 头戴式显示器、 全息显示器， 和 / 或任何其它的视觉输出装 说 明 书 CN 102300514 A CN 102300524 A7/23 页 10 置。显示器 108 可设置在计算机 102 上或计算机 102 附近 ( 例如安装在还包括计算机 102 的机柜内 )， 或可远离计算机 102( 例如安装到手术室的墙壁上或适于由使用者观察的其它 位置 )。显示器 108 较佳地为可调整的因而用户能够在外科手术期间根据需要放置 / 重新 放置该显示器 108。例如， 显示器 108 可放置在可调整臂 ( 未示出 ) 上或任何其它便利于用 户容易观察的位置。显示器 108 可用来显示对医学手

42、术有用的任何信息， 例如像由采用传 统成像技术获得的图像数据集生成的解剖学图像、 图形模型 ( 例如， 植入物、 器具、 解剖结 构等等的CAD模型)、 追踪目标(例如， 解剖结构、 工具、 植入物等等)的图形表示、 数字或视 频图像、 对准信息、 校准信息、 患者数据、 用户数据、 测量数据、 软件菜单、 选择按钮、 状态信 息等等。术语模型和表示可互换使用， 用于指所关注部件 ( 例如植入物、 骨、 组织等 ) 的任 何计算机化显示。 0051 在某些实施例中， 显示器 108 显示与所关注关节 ( 例如膝关节的股骨或胫骨 ) 有 关的骨的图形表示。显示器 108 还可显示多部件植入物的一

43、个或多个部件的图形表示。图 2 是图 1 的显示器 108 所呈现的股骨 152 的表示和示例性多部件植入物的各部件的表示的 立体图 150。多部件植入物的表示包括中心盘状 - 股骨植入部件 154 和中间植入部件 156。 多部件植入物的表示还可包括侧植入部件 158。显示器 108 可使使用者能够定位一个或多 个植入部件表示 ( 例如盘状股骨植入部件 154、 中间植入部件 156 和 / 或侧植入部件 158)。 各植入部件的表示的定位可基于约束， 如下文将进一步描述的那样。各部件和 / 或骨的表 示可以是半透明的， 以说明各部件和 / 或骨之间的关系。例如， 在图 2 中， 股骨 15

44、2 的表示 是半透明的， 因此植入规划系统 100 的使用者可观察到通常隐藏的位于股骨 152 表示下方 的中间植入部件 156 和侧植入部件 158 二者的部分。 0052 多部件植入物的各部件较佳地是分段部件。如图 2 所示， 分段部件是作为独立、 自 包含、 单独部件植入到骨上的单个部件， 并受到多部件植入物的任何其它部件的物理约束 ( 如本文中使用的， 术语物理约束意思是各部件通过物理连接和 / 或物理接触链接在一起， 使得各部件之间的链接对各部件中任一个的定位或放置施加限制)。 因此， 盘状股骨植入部 件 154 的表示、 中间植入部件 156 的表示、 以及侧植入部件 158 的表

45、示都是分段部件。为了 确保分段部件不受到其它部件的物理约束， 分段部件可植入关节内， 使得该部件不与任何 其它分段部件连接和 / 或接触。 0053 例如， 多部件植入物的各部件构造成使得各部件可植入到患者的股骨上而不连 接， 如图 2 所示。尽管图 2 示出各植入部件和骨的图形表示， 但各植入部件和骨的表示表 现出各植入部件在患者的骨上的实际植入， 如图 2 所示。例如， 对于立体图 150， 盘状 - 股 骨植入部件 154 的表示、 中间植入部件 156 的表示、 以及侧植入部件 158 的表示在相对于股 骨 152 的表示固定时不互连。类似地， 在各植入部件的实际植入手术期间， 盘状

46、- 股骨植入 部件、 中间植入部件以及侧植入部件在相对于患者的股骨固定时未相互连接。提供立体图 150( 例如通过用于植入规划系统 100 的显示器 108) 有利地允许使用者在患者外科手术之 前规划植入手术， 以在使对患者的外科手术侵入最小的同时使植入的效率最高。 0054 例如， 三个植入部件 ( 例如部件 154、 156 和 158) 的系统可作为一个刚性附连的系 统转动并平移到关节内的初始位置。 初始位置可使植入物的表示与一个或多个骨的表示匹 配和 / 或与一个或多个骨上软骨表面的表示匹配。例如， 图 2 示出对准在股骨 152 的表示 上的三个植入部件的表示。一旦已设定总体位置和定

47、向， 则各个部件 ( 例如中间植入部件 说 明 书 CN 102300514 A CN 102300524 A8/23 页 11 156) 可绕一个或多个预定轴线转动。可例如在参考部件表示、 骨的表示或任何其它显示的 表示的坐标空间内定义各轴线 ( 例如， 可在中心盘状股骨植入部件 154 的坐标空间内定义 各轴线 )。 0055 在某些实施例中， 图形显示器被构造成提供显示器内不同物件的方便识别。各物 件可通过视觉辅助件与显示器内的其它物件在视觉上区分， 视觉辅助件诸如颜色编码、 阴 影和深浅。 在某些实施例中， 用相同的视觉辅助件显示多部件植入物的各部件的所有表示。 在某些实施例中， 骨的

48、表示和每个植入部件表示用独特的视觉辅助件显示以便于方便识别 植入部件和骨表示。 0056 图形显示器用于在手术前为用户提供将植入部件定位在患者解剖结构上的模拟。 可生成与实际部件 / 骨相对尺寸和形状成比例的骨表示和植入部件表示。有利的是， 植入 部件表示可定位 ( 例如由手术员 ) 在骨表示上， 且可移动骨表示以模拟手术后关节移动通 过一定范围运动时会发生的骨的实际位置变化， 例如在 2007 年 12 月 21 日提交的美国专利 申请序列号第 11/963,547 号中所描述的那样， 该申请全文以参见的方式纳入本文。手术员 然后可调节植入部件表示以在外科手术前沿骨寻找植入部件的最优定位。

49、0057 图 3 示出用于在对多部件植入物的各部件具有约束下的植入规划的示例性方法， 该方法将参照图 2 进行解释。该系统 ( 例如图 1 的植入规划系统 100) 显示 (202) 骨的表 示 ( 例如在显示器 108 上 )。例如， 该系统显示股骨 152 的三维表示 ( 即患者的骨的三维图 形模型 )。显示的骨表示也可以是二维表示。例如， 骨表示可以是骨的横截面表示。可以各 种方式产生骨的图形模型。例如， 如全文以参见的方式纳入本文的 2008 年 6 月 27 日提交 的美国专利申请序列号第 12/147,997 号中所描述的那样， 将患者的解剖结构的多序列图 像分段以辨明解剖结构的轮廓并将其传播到相邻图像以产生患者的解剖结构的三维模型。 或者， 对于 3D 无图像规划， 可使用骨图集来获得 3D 骨模型。骨图集是表示相关解剖结构的 统计模型， 包括在具体人群中通常以特定的分布和概率存在的自然变化的信息。使用已知 图像处理技术和统计数据， 骨图集可基于人口信息变换或 “更改” 以最好地配装到患者的解 剖结构， 人口信息诸如性别、 年龄、