使用表示软骨的区域的植入规划技术领域
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
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
另一方面，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。
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，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。
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示的定位，其中定位约束基于第一植入部件的表
示。
另一方面，有一种方法。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。
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。
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，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。
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。
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。
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。
在其它示例中，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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
图1示出根据本发明的示例性多部件植入规划系统；
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；
图3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；
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；
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；
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；
图6示出包括沿骨的表示的软骨表面的分开显示；
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；
图8示出用于估计表示软骨的区域的示例性方法；
图9A-9D示出用于植入规划的股骨上的骨点；
图10A-10C示出用于植入规划的多部件植入物的各植入部件上的植入物
点；
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
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
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。
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。
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、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Silicon Graphics工作站)，并较佳地包括图形用户界面(GUI)。
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。
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。
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。
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、头
戴式显示器、全息显示器，和/或任何其它的视觉输出装置。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。
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
152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。
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。
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-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。
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
置和定向，则各个部件(例如中间植入部件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)。
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。
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。
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、疾病
阶段以及其它患者特定特性。此外，尽管可使用初始骨图集模型完成术前规划，
但一旦获得实际物理骨上的术中对准数据，可进一步更改骨图集以改进与患者
解剖结构的配装，随之相应调整植入规划。系统显示(204)至少第一植入部
件相对于骨的表示。例如，系统显示相对于股骨152的表示的中心盘状-股骨
植入部件154。系统和/或手术员可相对于基本规划坐标空间定位植入部件表
示。基本规划坐标空间可例如是骨的表示的坐标空间。对于基于CT图像的骨
模型，其对应于患者的骨的CT扫描的坐标空间。手术员可使用任何输入装置
(例如输入单元104、键盘、鼠标、触摸屏显示器和/或类似装置)完成定位。
植入部件的表示可以是二维和/或三维模型。该模型可存储在植入规划系
统100上。对美国部件可以有多个模型来表示各种尺寸和形状的植入部件系统。
有利的是，因为每个患者的解剖结构是独特的，使植入部件具有多个尺寸和形
状允许系统为每个患者找出最好的配装(例如基于骨形状和尺寸、关节运动、
软骨深度和对于患者来说独特的其它物理特性)。例如，根据骨的表示，系统
和/或手术员可从多个部件系统选择最好地配装骨的表示的部件系统。
系统100显示(206)第二植入部件的表示。例如，系统100显示中间植
入部件156。该系统100接收(208)与第二植入部件的表示的定位相关的数据。
例如，在植入规划过程期间手术员可使用植入规划系统100来调节多部件表示
以为患者优化部件放置。手术员可例如重新定位中间植入部件156。手术员可
使用任何输入装置(例如输入单元104、键盘、鼠标、触摸屏显示器和/或类似
装置)重新定位中间植入部件156。在某些实施例中，同时进行步骤204和206。
例如，该系统显示第一和第二植入物的表示，且系统和/或手术员可相对于基本
规划坐标空间定位植入部件表示。例如，手术员可将作为一体刚性附连到系统
的多个植入部件转动和/或平移到相对于骨的表示的初始位置。
系统100确定(210)第二部件的表示的定位是否违反至少一个定位约束。
各定位约束(参见例如图4A)允许手术员在一定限值内移动部件表示，以确
保例如各部件适当操作、不侵入患者的解剖结构并正确定位。各约束可与点、
轴线、线、体积和/或其它约束关联。例如，各约束防止手术员将部件表示定位
在不适当位置。如果系统100确定第二部件的表示的定位违反定位约束，则系
统100阻止(212)第二植入部件的定位(例如显示上的该部件的表示将不会
按照手术员输入的要求移动)。如果系统100确定该定位不违反定位约束，则
系统100允许(214)该新定位。系统100可更新显示器以反应第二植入部件
的新定位。在系统100阻止第二植入物的定位的情况下，系统100可可选地向
手术员提供指示第二植入物不能移动到所要求位置的原因的错误信息。
图4A示出包括对多部件植入物的各部件的表示的约束的显示250。显示
250包括股骨152的表示、盘状-股骨植入部件154的表示、以及中间植入部件
156的表示。显示250包括三个约束轴线、轴线252、254和256。各约束可通
过视觉辅助件与显示器内的其它物件在视觉上区分，视觉辅助件诸如有色线、
阴影和深浅。尽管显示250包括三根约束轴线，但显示250也可包括任何数量
的约束轴线。本领域的技术人员可理解，各约束可应用于多部件植入物的任何
部件。
图4A中所示的各约束轴线约束中间植入部件156相对于各轴线的运动。
各约束轴线可基于一个或多个其它植入部件、骨的表示或软骨的表示约束植入
部件的运动(参见例如图3-7)。例如，各约束轴线可基于盘状-股骨植入部件
154或股骨152的表示限制中间植入部件156的运动。
各约束可以是相对于任何坐标空间(例如解剖学骨或植入物)定义的转动
轴线和/或平移方向。在某些实施例中，各约束轴线可从植入物坐标空间变换到
基本规划坐标空间(例如，骨的表示的坐标空间)。例如，使
CB＝基本规划坐标空间；
CI1＝第一(1)植入物(I)部件的坐标空间；
CI1＝第二(2)植入物(I)部件的坐标空间；
TI1＝用于从第一(1)植入物(I)部件的坐标空间到基本规
划坐标空间的变换的齐次(刚性体)变换矩阵；以及
TI2＝用于从第二(2)植入物(I)部件的坐标空间到基本规
划坐标空间的转换的齐次(刚性体)转换矩阵。
刚性体变化矩阵进行平移，同时防止坐标位置之间的欧几里得距离。齐次
坐标变换矩阵在常规三维坐标位置的四维齐次坐标矢量表示上运算。代替用
单个三维矢量表示三维空间中的每个点(x，y，z)：
x y z ]]>方程1
齐次坐标允许每个点(x，y，z)由无限个四维矢量中的任何矢量表示，该矢量乘
以1.0得到以下矢量：
x y z 1.0 ]]>方程2
对应于任何四维矢量的三维矢量可通过将前三个元素除以第四个，且可通过仅
加上第四个元素并将其设定为1来形成对应于任何三维矢量的四维矢量。任何
三维线性变换(例如转动、平移、倾斜和缩放)可由4×4齐次坐标变换矩阵来
表示。例如，可通过4×4齐次坐标变换矩阵表示平移：
1 0 0 x s 0 1 0 y s 0 0 1 z s 0 0 0 1 ]]>方程3
其中：
xs＝沿x轴的平移；
ys＝沿y轴的平移；以及
zs＝沿z轴的平移。
将方程1乘以方程2提供如下所示从三维坐标位置(x，y，z)到三维坐标位
置(x’，y’，z’)的变换：
x ′ y ′ z ′ 1.0 = 1 0 0 x s 0 1 0 y s 0 0 1 z s 0 0 0 1 * x y z 1.0 ]]>方程4
第一植入部件使用TI1从CI1定位到CB。第二植入部件使用TI2从CI2定
位到CB。为了将定义约束的点或矢量从CI1变换到CI2，使得在规划期间其可
用于限制第二植入部件的运动，该点或矢量乘以齐次矩阵TI1(TI2-1)，其中TI2-1
是TI2的逆矩阵。在某些示例中，齐次矩阵可以是从一坐标空间到另一坐标空
间的一般变换。
中间植入部件156的表示可基于各约束轴线252、254和256来操纵。例
如，中间植入部件156可绕各约束轴线转动、沿各约束轴线平移、和/或进行其
它运动，使得在中间植入部件156与基本目标(例如股骨152的表示或盘状-
股骨植入部件154的表示)之间保持某些约束(例如角度、距离、转动程度和
/或类似物)。例如，一约束轴线可定义为使植入部件相对于基本目标(即股骨
152的表示或盘状-股骨植入部件154的表示)的运动对于已知区域的影响最小，
该已知区域对整体多部件植入物的有效性具有显著影响。通过将各约束包含在
植入系统100中，系统100的使用者可将植入部件相对于患者的骨自由定位，
使得不损害多部件植入物的效果。如果使用者试图将植入部件定位在会损害植
入系统运行的位置，则各约束自动阻止植入部件的这种定位。这样，对使用者
来说，各约束用作自动引导，确保提供多部件植入系统的成功运行的植入部件
的最终放置。
可使用任何数量的约束轴线。约束轴线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。例如，如果植入部件包括弧状形状(例如，中间植
入部件156的表示形成弧状以适当配装到股骨152的表示的圆表面)，则各约
束可基于该弧以保持植入部件与其它植入部件之间的距离。例如，约束轴线252
可基于中间植入部件156的表示的弧中心。
约束轴线可约束两植入部件之间的临界区域(例如第一植入部件盘状-股
骨植入部件154的表示与中间植入部件156的表示之间的区域)。临界区域可
以是与两个植入部件相关的区域，该区域在多部件植入物的一个或多个部件再
定位时对多植入部件的整体操作性会有很大影响。例如，约束轴线254可基于
两植入部件在临界距离内(例如相距3mm以内但不接触)情况下的盘状-股骨
植入部件154的表示与中间植入部件156的表示之间的区域。轴线254会约束
植入部件在临界区域周围的运动，以确保适当定位。
约束轴线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距离。
例如，约束轴线256可选择为盘状-股骨植入部件154的表示与中间植入部件
156的表示之间的轴线，使得沿轴线256的运动保持盘状-股骨植入部件154的
表示与中间植入部件156的表示之间的距离。也可基于骨的表示(例如股骨152
的表示)、软骨区域的表示和/或类似物约束各轴线。各植入部件表示的平移运
动也可被约束于两维平面或任意平面。例如，一个约束是便于仅沿冠状或x/z
平面平移。另一示例性平移约束是在3D空间内沿任意曲线平移。另一示例性
约束是将植入部件锚固于特定点。例如，特定点可以在或不在部件上，并可在
第二部件的坐标系中得以识别。例如，该植入物可“绑定”到该特定点，但也可
以其它方式不受约束。另一些约束可包括将部件限制于在定义的“界定体积”内
的一种或多种运动。例如，两维或三维形状或区域可表示植入部件的表示可在
其中移动的区域。试图将植入部件移出该形状或区域的运动会被系统阻止。
有利的是，显示各约束轴线为手术员(外科医生)提供关于将多部件植入
物的各部件精确且有效地定位的信息。例如，沿三个约束轴线252、254、256
约束中间植入部件156的表示的运动阻止手术员不经意地将中间植入部件定位
在会对患者的髌骨有害的位置。各约束可用于反映与部件的准确、精确以及功
能的放置有关的因素，从而允许手术员安全地重新定位植入部件的位置而不会
危害植入物的功能。手术员不需要知道这些因素，而是这些因素通过约束构建
到系统100内。自动阻止手术员以违反约束的方式移动部件。这有利地允许多
个部件根据患者的解剖结构，同时仍根据设计优化地彼此工作，而手术员不必
知道这些细节。
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
280。剖视显示280是沿约束轴线252的图4A的剖视图。这样，剖视显示280
处于三维显示250的一位置，使得表示约束轴线252的线垂直于显示280(例
如，如果观察者从约束轴线252直着向下观察，则约束轴线252看上去仅是一
点)。本领域的技术人员会理解，剖视显示可绕三维显示250的任何点产生。
剖视显示280包括股骨152的表示。由于剖视显示280相对于三维显示
250的位置，骨的表示显示为两个分开的部分。可沿例如约束轴线252产生后
续的剖视图以描绘沿约束轴线252的骨的表示的整个深度。剖视显示280包括
盘状-股骨植入部件154的表示和中间植入部件156的表示。显示280包括位
于股骨152的表示内的中间植入部件156A的一部分。这可以是例如中间植入
部件156的表示的在操作期间突出到股骨152的表示内的一部分以将中间植入
部件附着到股骨(例如中间植入部件的后部或龙骨)。剖视显示280包括分段
骨表面282的外形。该外形与在3D示图(例如图4A)中显示的表面匹配。分
段骨表面282的外形可以是有颜色编码的，从而便于方便识别(例如由使用者
识别)。例如，分段骨表面的外形可以是红色的。
在某些实施例中，为了约束植入部件绕一轴线的转动(例如中间植入部件
156绕约束轴线252的转动)，骨和植入物的表示可沿约束轴线显示在剖视显
示280内。除了植入部件绕约束轴线的运动之外的所关注植入部件的其它运动
(例如沿其它约束轴线的变换、转动和/或类似运动)对于该植入部件来说是不
能进行的。剖视显示可沿转动轴线滚动，同时平面内的转动中心相对于该约束
轴线固定。关于图4B，中间植入部件156可绕约束轴线252转动、沿约束轴
线252平移、和/或相对于约束轴线252的任何其它运动。在某些实施例中，另
一约束是可限制每次转动的范围。例如，可约束中间植入部件156，使其可绕
约束轴线252从中间植入部件的当前位置转动+/-15°以内。
可沿一个以上的轴线约束植入部件。例如，为了沿两轴线(例如约束轴线
252和254)约束中间植入部件156的平移，骨和植入部件的表示可显示在其
中由该两轴线限定平面的二维显示中。在某些实施例中，转动会不能进行。在
某些实施例中，在每个二维显示(例如，如果存在多个轴线，则是基于两个轴
线的每个显示)中的平移可限于轴线之一。
对于外科手术规划过程的每个步骤，可显示各点、各模型或/和各表面以
便于植入部件规划。像各约束轴线一样，这些点和表面可定义在任意空间(例
如各植入部件之一的坐标空间)内。图5示出包括对多部件植入物的各部件的
表示约束的分开显示300。分开显示300包括三维显示302和二维显示304。
显示300包括延伸表面306和延伸表面308，延伸表面306和延伸表面308是
关节表面的延伸的表示。例如，如图5所示，延伸表面306和308可各为盘状
-股骨植入部件154的关节表面的一部分的延伸的表示。有利的是，为三维显
示302和二维显示304都提供延伸表面306、308可为用户提供植入部件相对
于基本对象(例如，中间部件156(植入部件)的表示相对于盘状-股骨部件
154(基本对象)的表示)的理想放置的参考。在其它示例中，股骨152可以
是基本目标。
三维显示302包括股骨152的表示。三维显示302包括盘状-股骨植入部
件154的表示和中间植入部件156的表示。三维显示302包括延伸表面306、
308。二维显示304包括股骨152的表示。二维显示304包括盘状-股骨植入部
件154的表示和中间植入部件156的表示。二维显示304包括延伸表面306、
308和分段骨表面282的外形。该外形与在3D示图中显示的表面匹配。二维
显示包括滑块310和变化指示符312。二维显示304是三维显示的剖视图。滑
块310可沿垂直于三维显示302的轴线移动二维显示304以表示通过三维显示
302的各2D切片。变化指示符312可指示植入部件的表示的坐标系相对于基
本参考之间的差异。基本坐标系可以是例如植入部件的表示的初始位置、基本
坐标系(例如骨的表示的坐标系、软骨表面的表示的坐标系)以及任何其它参
考点。变化指示符可表示从基本参考变化的程度、从基本参考变化的角度、到
基本参考的距离以及植入部件的表示与基本参考之间的任何其它度量。例如，
变化指示符312可显示植入部件的表示的当前位置与植入部件的初始表示之间
的变化程度。
延伸表面306、308可以是例如在两植入部件之间绘出的指示两部件的初
始放置的三维形状。例如，如果各植入部件是单部件植入物时，延伸表面306、
308可以是连接两植入部件的表面。可基于各植入部件相对于延伸表面306、
308的位置通过延伸表面306、308约束植入部件的运动。在植入规划系统中调
节植入部件的表示时，延伸表面306、308在调整之前基于各植入部件的初始
放置位置保持固定。在各植入部件调整期间，如果各部件调整成突出到延伸表
面306、308的形状内，则延伸表面306、308可可被视为透明，从而允许各植
入部件“穿过”延伸表面306、308。例如，沿一方向移动中间植入部件156的表
示可使中间植入部件156的表示突出到延伸表面308的表示内。类似地，移动
中间植入部件156的表示可使在延伸表面308的表示与中间植入部件156的表
示之间形成间隙。各植入部件与延伸表面306、308的交叠、各植入部件与延
伸表面306、308之间的距离、或两者可用于约束各植入部件相对于延伸表面
306、308的运动。各约束可包括限制植入部件的表示与一个或多个相应延伸表
面之间的交叠、限制植入部件的表示与一个或多个相应延伸表面之间的距离、
以及约束各植入部件与延伸表面之间的其它关系(例如，约束各植入部件与延
伸表面之间的转动、平移和/或类似运动)。
图6示出包括沿骨的表示的软骨区域的分开显示350。分开显示350包括
三维显示352和二维显示354。三维显示352包括股骨152的表示、盘状-股骨
植入部件154的表示、以及中间植入部件156的表示。三维显示352包括软骨
点356A、356B以及356C(总称为软骨点356)。三维显示352包括控制点
358A、358B、358C以及358D(总称为控制点358)。三维显示352包括表示
软骨的区域360A、360B、360C和360D(总称为表示软骨的区域360)。
二维显示354包括股骨152的表示、盘状-股骨植入部件154的表示、以
及中间植入部件156的表示。二维显示354包括软骨点356A、356B和356C。
三维显示352包括控制点358A、358B和358C。二维显示包括以上参照图5
讨论的滑块310和变化指示符312。
图7示出用于基于表示软骨的区域(使用图6作为示例)定位植入部件的
示例性过程400。可从CT扫描产生股骨152的表示。在某些示例中，CT扫描
仅匹配骨的表面，而不匹配关节软骨的表面。在某些实施例中，软骨的表面可
用于确定植入部件的优化放置。例如，可确定骨上的关键位置处关节软骨的厚
度并将该厚度用于定位植入部件。在某些实施例中，可通过捕获(例如用光学
摄像机)在软骨表面上拖曳的被跟踪探针的末梢位置来产生软骨表面。从捕获
的点产生的软骨表面可用于将植入部件手动或自动定位到形成的表面。例如，
为了手动定位植入部件，系统100可显示软骨表面的表示，且使用者可操纵植
入部件的表示来实现植入部件表面相对于软骨表面的所要求的放置。在该示例
中，通过探针捕获足够数量的点来产生软骨表面的表示。有利的是，可通过将
一块骨模型提至估计位置来在一区域上估计骨的软骨厚度。基于盘状-股骨植
入部件154的表示确定(402)预定数量的控制点358。控制点可以例如沿植入
部件的外边缘、在植入部件的关键位置上、在部件的最外点上、沿植入部件的
任何其它位置、或在植入部件的外部或离开植入部件但定义在植入部件的坐标
空间中。在本示例中，使用四个控制点。在其它示例中，可使用任何数量的控
制点。接收软骨点356的厚度和/或方向的测量和/或计算(404)，其中每个软
骨点绑定到来自控制点358的相关的控制点。例如，测量接近控制点358A的
软骨点356A。产生表示软骨的区域360(406)，其中每个表示软骨的区域均
大于相关的控制点且投影到相关的控制点。例如，表示软骨的区域360A大于
控制点358A且投影到控制点358A。例如，系统可假设，在距离测量点10mm
直径圆内，软骨大约是相同的深度。测量一个点允许在骨模型上估计10mm直
径的区域，而不是计算骨上整个软骨区域。在接近控制点的预定位置处进行软
骨表面测量允许这些位置与植入部件上的控制点重合，从而使得骨上的其它软
骨部分不相关。基于股骨152的表示定位盘状-股骨植入部件154的表示(408)。
股骨152的表示包括表示软骨的区域360。
在一些示例中，表示软骨的区域360由股骨152的表示上经调整的点形成。
在股骨152的表示上形成表示软骨360的区域导致沿股骨152的表示的凸出。
盘状-股骨植入部件154的表示上的控制点358可用于在植入物系统的坐标空
间(例如，股骨152的表示的坐标空间)中重新定位盘状-股骨植入部件154。
例如，盘状-股骨植入部件154可被重新定位成远离股骨152的表示，使得盘
状-股骨植入部件154被定位成与表示软骨的区域360的表示相邻。因为没有
沿股骨152的表示产生整个软骨表面，所以这可导致盘状-股骨植入部件154
和股骨152的表示之间的间隙，其中盘状-股骨植入部件154与表示软骨360
的区域不相邻。在这种情况下，可在骨本身上挑选点。
图8示出用于估计表示软骨的区域的示例性过程(450)。在所选的点上，
通过在患者的软骨上与各个控制点对应的各位置处进行一个软骨测量并且利
用距离骨表示的所得距离和方向从而利用骨表示和所得偏移形成表示软骨的
区域，来估计软骨的表面。例如，利用被跟踪探针，手术员捕捉患者上与所选
植入物的每个控制点358接近的软骨点356(例如，盘状-股骨植入物154的表
示)。取：
CB＝骨模型的坐标空间；
CI＝植入物的坐标空间；
CP＝患者的坐标空间；
TI＝从CI至CB的变换；以及
TP＝从CP至CB的变换。
为了相对于股骨152的表示估计在每个控制点358的位置处表示软骨的
区域360，利用TP将每个软骨点356变换(452)至CB。利用TI将每个控制点
358变换(454)至CB。系统100确定股骨152的表示上至经变换的软骨点356
的最近点。系统100计算(456)从股骨152表示上的最近点至经变换的软骨
点356的距离和方向。在一些实施例中，系统100计算股骨152的表示的最近
点至相关的经变换的控制点之间的方向，并使用经变换的软骨点356距股骨
152的表示的距离(软骨厚度)。系统100确定(458)在距相关的经变换的控
制点的距离内的股骨152的表示的多个点。基于距离和方向调整(460)距股
骨152的表示的多个点。
股骨152的三维表示可由几何形状形成。例如，如果股骨152的表示利用
三角形形成，则确定股骨152的表示上最接近经变换的控制点的一组三角形。
利用软骨距离和方向调整该组中的每个顶点以形成表示软骨的区域360。股骨
152的三维表示的几何形状可以是多边形集合。股骨152的表示的多个点中的
每一个可对应于来自构成股骨152的表示的多边形超集的多边形集合。可利用
例如成对点对准算法使经变换的控制点与表示软骨的区域360上的最近点对
准。几何形状可用于表示任何部件(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)。
可适当地约束(例如，围绕轴)对表示软骨的区域360的最终对准，以自
动调整一个植入物相对于另一个的位置。例如，如果基于所产生的表示软骨的
区域360调整盘状-股骨植入部件154的表示，则可自动调整中间植入部件156
的表示以便与盘状-股骨植入部件154的表示的调整一致。有利的是，可调整
所有的植入部件以解决围绕一个植入部件的表示软骨的区域的产生。
图9A-9D示出用于植入规划的沿股骨500的骨点。股骨包括机械轴502、
偏离机械轴502 4°的解剖轴504以及偏离机械轴502 6°的解剖轴506。骨500
包括骨点F1至F10。骨点F1-F10可以是股骨500的极值点。骨点可表示例如：
F1-最前中间点；
F2-最前侧点；
F3-最远中间点；
F4-最远侧点；
F5-最后中间点；
F6-最后侧点；
F7-最前滑车槽；
F8-最远滑车槽；
F9-中间上髁；以及
F10-侧上髁。
股骨500还可包括点F14至F15(未示出)，其中F14是F1和F5之间的
中点，且点F15是F2和F6之间的中点。骨点F3和F4构成远髁轴(DCA)
508。DCA 508与水平510成大约3°。F7和F8表示前-后轴(AP轴)512。F9
和F10表示经股骨上髁轴(TEA)514。TEA 514垂直于AP轴512。F5和F6
构成后髁轴(PCA)516。PCA 516与平行于TEA 514的线518成3°。
图10A-10C示出用于植入规划的多部件植入物600(即，盘状-股骨植入
部件154、中间植入部件156和侧植入部件158)的各植入部件上的植入物点。
植入物点包括点C1-C15。植入物点可表示例如：
C1-最前中间点；
C2-最前侧点；
C3-最远中间点；
C4-最远侧点；
C5-最后中间点；
C6-最后侧点；
C7-最前滑车槽；
C8-最远滑车槽；
C9-中间过渡弧的中心；
C10-侧过渡弧的中心；
C11-中间过渡位置；
C12-侧过渡位置；
C13-上过渡位置；
C14-点C1和C5之间的中点；以及
C15-点C2和C6之间的中点。
点C9位于主关节表面上，且相同的X和Y值作为中间股骨植入部件(即，
中间植入部件156)的内部边缘弧中心。点C10位于主关节表面上，且相同的
X和Y值作为侧股骨植入部件(即，侧植入部件158)的内部边缘弧中心。C11
位于主关节表面、中间股骨植入部件的侧边缘和盘状-股骨植入部件154的中
间边缘之间的中平面、以及中间股骨植入部件的前端和盘状-股骨植入部件154
的后端之间的中平面上。C11可用作用于扩大/减小股骨或盘状-股骨植入部件
的位置。C12位于主关节表面、侧股骨植入部件的中间边缘和盘状-股骨植入部
件154的侧边缘之间的中平面、以及侧股骨植入部件的前端和盘状-股骨植入
部件154的后端之间的中平面上。C12也用作扩大/减小股骨或和盘状-股骨部
件的位置。C13位于滑车槽路径上盘状-股骨植入部件154的外轮廓上关节表面
和后侧表面之间的中部的表面上(从主关节表面偏移1.5mm)。C14是最前和
最后中间点之间的中点。C14可在术前规划中使用。C15是最前和最后侧点之
间的中点。C15可在术前规划中使用。
图11A-11C示出用于植入规划的相对于多部件植入物600(即，盘状-股
骨植入部件154、中间植入部件156和侧植入部件158)的各植入部件的植入
部件轴。轴可包括轴A1-A15，它们可表示例如：
A1-穿过点C11的中间中间-侧(ML)轴(x轴)(例如，弯曲/伸展)；
A2-穿过点C11的中间前-后(AP)轴(y轴)(例如，内翻/外翻)；
A3-穿过点C9的中间上-下(SI)轴(z轴)(例如，内/外)；
A1-穿过点C13的盘状-股骨(PFJ)上ML轴(x轴)(例如，弯曲/伸展)；
A5-穿过点C11和C13的轴；
A6-穿过点C8的SI轴(z轴)(例如，内/外)；
A7-穿过点C13的SI轴(z轴)(例如，内/外)；
A8-穿过C8和C13的中点的SI轴(z轴)(例如，内/外)；
A9-穿过点C8和C13的轴；
A10-穿过点C12的侧ML轴(x轴)(例如，弯曲/伸展)；
A11-穿过点C12的侧AP轴(y轴)(例如，内翻/外翻)；
A12-穿过点C10的侧SI轴(z轴)(例如，内/外)；
A13-穿过点C12和C13的轴；
A14-穿过C14的SI轴(z轴)(例如，内/外)；以及
A15-穿过点C8的AP轴(y轴)(例如，内翻/外翻)。
对于术前规划，可假设软骨点。这些软骨点可包括：
F1′-最前中间点沿Y方向+1mm；
F2′-最前侧点沿Y方向+1mm；
F3′-最远中间点沿Z方向-2mm；
F4′-最远侧点沿Z方向-2mm；
F5′-最后中间点沿Y方向-2mm；
F6′-最后侧点沿Y方向-2mm；
F7′-最前滑车槽沿Y方向+2mm；
F8′-最远滑车槽沿Z方向-2mm；
F14′-F1′和F5′之间的中点；以及
F15′-点F2′和F6′之间的中点。
可(例如，利用探针手动地)获取映射过渡点。可使用任何数量的映射过
渡点。例如对于股骨这些点可包括：
M1-接近C1的映射到软骨上的最前中间点；
M1-接近C2的映射到软骨上的最前侧点；
M7-接近C7的映射到软骨上的最前滑车点；
M8-接近C8的映射到软骨上的最远滑车槽；
M11-接近C11的映射到软骨上的中间过渡；
M12-接近C12的映射到软骨上的侧过渡；以及
M13-接近C13的映射到骨上的上过渡。
在一些实施例中，可计算胫骨覆盖或充填植入部件(例如，关节表面)。
胫骨覆盖或充填植入部件可包括例如：
P000-以0°弯曲映射到股骨植入物空间的聚质心；
P090-以90°弯曲映射到股骨植入物空间的聚质心；以及
PXXX-以XXX°弯曲映射到股骨植入物空间的任何其它聚质心。
这种覆盖和充填可提供例如胫骨和股骨之间的关系。有利的是，这可防止
植入部件以不利地影响胫骨的方式(例如，导致过度拉紧)定位。
术前规划
以下是术前规划的一个示例。术前规划可包括获取患者的髋中心和踝中
心。获得划界框骨界标(例如，对于股骨和胫骨，诸如点F1-F10)。定向所感
兴趣的骨，且可基于最后的定向来再次获得划界框骨界标。从可用于系统100
的各种尺寸中选择适当的植入物尺寸。在一些实施例中，通过计算点F1’和F5’
之间的前后(AP)距离ΔY来计算适当的植入物尺寸。将针对三部件植入物对
此予以描述。三部件植入物可以是例如包括用于关节的三部分(例如，中间部
分、侧部分和盘状-股骨部分)中的每一个的植入部件的三部分植入物。例如，
三部分植入物可包括盘状-股骨植入部件、中间股骨植入物部件和侧股骨植入
物部件。三部件植入物还可以是包括植入于关节的一个或多个部分(例如，中
间部分、侧部分和盘状-股骨部分)中三个部件的植入物。例如，盘状-股骨植
入部件可被分成三分段部件，它们各自植入于关节的盘状-股骨部分。在另一
个示例中，盘状-股骨植入部件154可被分成结合另一个植入部件(例如，中
间或侧股骨植入部件)使用的两个分段部件。在该示例中，三部件植入物是包
括盘状-股骨植入部件(例如由表示154表示)、中间植入部件(例如，由表
示156表示)以及侧植入部件(例如由表示158表示)的三部分植入物。对于
三部分植入物，通过找到具有最小差的尺寸来选择最好地匹配该距离(点C1
和C5之间的ΔY)的尺寸。系统100显示三部件植入物，在该示例中是三部分
植入物。
对于至点F1’至F8’的三部件植入物确定最好的配装。在一些实施例中，
通过执行若干步骤来找到最好配装：(1)平移三部分植入物，使得C 14处于
与F14’相同的位置，(2)围绕轴A14旋转三部分植入物直到C15具有与F15’
相同的y值，(3)沿中间-侧(ML)方向平移直到C1-C2的中点具有与F1′-F2′
的中点相同的x值(或者直到C8具有与F8′相同的x值)，(4)沿上下(SI)
方向平移直到C8具有与F8’相同的z值，(5)围绕轴A15旋转直到点C3和
F3′之间的ΔZ等于点C4和F4′之间的ΔZ，(6)重复直到变化可忽略。
术中规划
以下是可在术中规划期间执行的示例性步骤示例。例如在2006年6月29
日公开的美国专利公开2006/0142657中所述地，在手术期间对准患者的骨，该
专利公开通过引用整体结合于此。例如，以0°、90°及其它角度，捕捉骨姿态。
捕捉过渡区点(例如，中间软骨过渡、侧软骨过渡、上骨过渡和/或其它)。
为患者计算植入物尺寸。系统100通过例如计算点M13和P090之间的
ΔY来计算AP距离。系统100通过例如确定与点C5和C13之间的ΔY具有最
小差的三部分植入物尺寸来选择三部分植入物尺寸。系统100可显示所选的三
部分植入物的表示(例如，通过图1的显示器108)。
系统100将植入物配装到姿态捕捉和过渡区获取点。
例如，系统100或用户可将盘状-股骨植入部件(例如，表示154)移动
(例如，旋转、平移等)到期望的定向和位置。在一些示例中，股骨部件(例
如表示156、158)移动连接到盘状-股骨植入部件。在一些示例中，盘状-股骨
植入部件可随运动(例如，旋转、平移等)自动地配装到骨，以将盘状-股骨
植入部件匹配到映射点(例如，映射的过渡点M1、M2、M7、M8、M11、M12、
M13)。
可执行其它计算机操作，诸如配装到股骨的股骨骨节或配装到骨的所有
部分。将针对二部件植入物对此予以描述。二部件植入物可以是例如包括用于
关节的三部分(例如，中间部分、侧部分和盘状-股骨部分)中的两个的植入
部件的二部分植入物。例如，二部分植入物可包括盘状-股骨植入部件以及中
间股骨植入物部分或侧股骨植入物部分。在另一个示例中，二部分植入物可包
括中间和侧股骨植入部件。二部件植入物还可以是包括植入于关节的一部分
(例如，中间部分、侧部分或盘状-股骨部分)中两个部件的植入物。例如，
盘状-股骨植入部件可被分成二分段部件，它们各自植入于关节的盘状-股骨部
分。在该示例中，两部件植入物是包括盘状-股骨植入部件(例如，表示154)
和中间植入部件(例如，表示156)的二部件植入物。可移动二部件植入物AP，
使得C13具有与M13相同的y值。可移动二部件植入物SI，使得C8具有与
M8相同的z值。股骨部件内-外(IE)可围绕轴A3旋转直到C5的x值匹配
P090的x值。股骨部件弯曲-伸展(FE)可围绕轴A1旋转直到C3的z值匹配
P000的z值。
可通过测量点C5和P090之间的ΔY来计算和/或显示后间隙。系统100
可确定配装(例如，如果存在间隙/松弛或如果存在覆盖/拉紧)。如果系统100
确定后间隙松弛，则可增加长度。为了增加长度，例如，可围绕轴A4弯曲二
部件植入物。系统100可为适当地得到0.5mm长度增加的每个尺寸确定旋转
角度值。为了减少长度，二部分植入物可围绕轴A4伸展。系统100可为适当
地得到0.5mm长度增加的每个尺寸确定旋转角度值。用户能够例如点击并显
示以将长度调整预定量(例如使长度增加/减少0.5mm)。可将这些步骤中的
任意个步骤重复一次或多次以实现期望的后间隙。
可对股骨部件作出调整(例如，中间植入部件156或侧植入部件158)。
例如，可调整内翻/外翻以配装骨，可调整弯曲/伸展以改变伸展间隙，且可作
出任何其它调整。为了增加/减少植入系统或植入部件(例如股骨/盘状-股骨)
的尺寸，可将新部件置于C11。为了在例如骨已经被切除以包括容纳股骨植入
部件后部的钉(或柱)的钉孔以及容纳股骨植入部件的主体的袋子时扩大和/
或减小股骨植入部件，下一尺寸的股骨植入部件需求可被置于钉轴处预定深度
的位置。可匹配胫骨覆盖或充填植入部件关节表面。系统100可计算增加和/
或减少二部分植入物的尺寸所需的角度变化。三部分植入物可自动配装到骨、
柱、过渡和/或其它。尽管参考中间股骨植入部件描述了以上示例，但本领域的
技术人员可意识到这些系统和方法可扩展到任意多植入部件系统。
图12示出其中可实现上述技术的示例性外科手术系统710的实施例。例
如在2006年6月29日公开的美国专利公开2006/0142657中详细描述了这一示
例性系统，该专利公开通过引用整体结合于此。外科手术系统710包括计算系
统720、触觉装置730和导航系统40。在操作中，外科手术系统710实现全面
的术中外科手术规划。外科手术系统710还在用户进行外科手术过程中为用户
(例如外科医生)提供触觉指导和/或限制用户对触觉装置730的操纵。尽管出
于完整性包括在所示实施例中，然而触觉装置730及其相关的硬件和软件对于
执行本文所述的技术是不必要的。
计算系统720包括用于外科手术系统710的操作和控制的硬件和软件装
置。这种硬件和/或软件装置被配置成使系统710能够执行本文所述的技术。在
图12中，计算系统720包括计算机721、显示器装置723和输入装置725。计
算系统720还可包括手推车729。
计算机721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721可包括微处理器、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
的计算机元件。计算机721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
721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Silicon Graphics工作站)，并较佳地包括图形用户界面(GUI)。
显示器装置723是计算机系统720与用户之间的视觉界面。显示器装置
723连接到计算机721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，显示器装置723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、头戴式显示器、全息显示器，和/或任何其它的视觉输出装置。显
示器装置723可设置在计算机721上或计算机729附近(例如在如图12所示
的手推车上)，或可在计算机102远程(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)。显示器装置723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/重新放置该显示器装置723。例如，显示器装置723
可放置在可调整臂(未示出)上，该可调整臂连接到手推车729或任何其它便
利于用户容易观察的位置。
显示器装置723可用来显示对医疗过程有用的任何信息，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、约束数据(例如，轴、关节表面等)、植入部件的表
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。在一些示例中，显示器装置723显示如
图2、4A-4B、5和6所示的二维和/或三维显示。
除显示器装置723外，计算系统720可包括用于向用户提供声反馈的声
学装置(未示出)。声学装置连接到计算机721且可以是用于产生声音的任何
已知装置。例如，声学装置可包括扬声器和声卡、具有集成音频支持的主板和
/或外部声音控制器。在操作中，声学装置可适用于将信息传达到用户。例如，
计算机721可被编程为发信号通知声学装置产生声音，诸如语音合成的口头指
示“DONE(完成)”，以指示外科手术过程的步骤完成。类似地，声学装置可
用于向用户警告敏感条件，诸如产生嘟嘟声以指示外科手术切除工具接近软组
织的关键部分。
计算系统720的输入装置725使用户能够与外科手术系统710通信。输
入装置725连接到计算机721并可包括使用户能向计算机提供输入的任何装
置。例如，输入装置725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、麦克风和/或操纵杆。例如，输入装置
725允许用户基于如上所述的用于规划植入物安装的一个或多个约束移动显示
装置723上显示的一个或多个部件。
计算系统720经由接口7100a耦合到触觉装置730的计算设备731并且经
由接口100b耦合到导航系统40。接口7100a和100b可包括物理接口和软件接
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721、计算装置731和/或导航系统40上。在一些实施例中，计算机721
和计算装置731是相同的计算装置。
外科手术系统710具有如2007年12月21日提交的美国专利申请
11/963,547中描述的附加特征，该申请的内容通过引用整体结合于此。在一些
示例中，外科手术系统710允许用户利用计算系统720规划在患者体内安装多
部件植入物。用户例如使用输入装置725基于一个或多个约束来定位(例如，
旋转、平移、移动等)多部件植入物的一个或多个部件，以适当地配合患者的
独特解剖结构。规划过程一旦完成就经由接口7110a发送到触觉装置730和/
或由触觉装置730所使用，以在骨制备和植入物安装过程中帮助外科医生。
在一些示例中，触觉装置730是MAKO外科公司制造的Tactile Guidance
SystemTM(TGSTM)，其用于制备用于植入物系统的插入的患者骨的表面。触觉
装置730提供触觉(或感触)指导，以在外科手术期间指导外科医生。如通过
引用整体结合于此的2006年6月29日公开的美国专利公开2006/0142657所描
述的，触觉装置是交互式外科手术机器人臂，其持有外科手术工具(例如，外
科手术刀)并由外科医生操纵以对患者进行手术，诸如在植入物安装的制备中
切割骨的表面。当外科医生操纵机器人臂以移动工具并雕刻骨时，触觉装置730
通过提供约束工具穿透虚拟边界的力反馈来指导外科医生。
例如，外科手术工具耦合到机器人臂并与患者的解剖结构对准。外科医
生通过操纵机器人臂来操纵该工具以移动工具并执行切割操作。当外科医生切
割时，导航系统40的光学相机41跟踪工具和患者解剖结构的位置。如图12
所示，例如可通过将跟踪阵列43a附连到患者的股骨F并将跟踪阵列43b附连
到患者的胫骨T来跟踪患者的解剖结构。跟踪阵列43a、43b可通过光学相机
41来检测。在大多数情况下，触觉装置730允许外科医生在工作空间内自由移
动工具。然而，当工具接近虚拟边界时(也与患者的解剖结构对准)，触觉装
置730控制触觉装置以提供触觉指导(例如力反馈)，该触觉指导倾向于约束
外科医生以免外科医生利用工具穿透虚拟边界。
虚拟边界可表示例如限定要去除的骨的区域的切割边界或指导外科手术
工具至外科手术位置而不接触关键的解剖结构的虚拟路径。虚拟边界可由触觉
对象(例如，一个或多个触觉对象，如以下进一步详细描述的)限定，且触觉
指导可以是映射到触觉对象且被外科医生体验为沿虚拟边界方向进一步的工
具运动的阻力的形式。因此，外科医生可以感到工具已经遇到诸如墙之类的物
理对象的感觉。以此方式，虚拟边界起高精确虚拟切割指导的作用。例如，虚
拟边界可表示软骨区和/或要去除的骨，用以通过上述植入规划过程按计划将中
间、侧和盘状股骨植入部件适当地配装到患者的股骨。这种虚拟边界可有助于
确保患者部分解剖结构的有效且精确去除，以基于为患者定制的植入规划来精
确地配装植入部件。这还确保植入部件的实际放置满足在规划每个物理上分离
的植入部件的放置时使用的约束。
在一些示例中，触觉装置730包括示出切割操作期间去除的骨量的视觉
显示(例如，图12中所示的显示装置723)。由于触觉装置730利用感触力反
馈，所以触觉装置730可补充或取代外科手术位置的直接虚拟化并增强外科医
生的自然感触感觉和身体灵敏性。来自与计算机辅助外科(CAS)耦合的触
觉装置730的指导使外科医生能够积极地且精确地控制外科手术动作(例如，
骨切除)以实现允许最优和定制的植入物安装的公差和复杂骨切除形状。
除骨制备外，CAS系统使外科医生能够定制植入部件的放置，以基于患
者的独特解剖结构、韧带稳定性、运动学和/或疾病状态构造针对患者的特定需
要调整的修复装置。可在术前或术中完成植入规划，且可在外科手术过程的执
行期间实时评估并调整该植入规划。在优选实施例中，利用外科手术系统710
完成植入规划。例如，如上所述，外科医生可使用计算系统720的外科手术规
划特征来相对于术前CT图形(或解剖结构的其它图像或模型)规划每个植入
部件的表示的放置。软件使外科医生能够观看到各个部件相对于解剖结构(例
如，骨、关节软骨表面和/或其它)和其它部件的放置，例如在2006年6月29
日公开的美国专利公开2006/0142657中进行了描述，其内容通过引用整体结合
于此。此外，软件使外科医生能够观察到相对于各个部件(例如，关节表面、
约束的轴和/或其它)的放置的约束。软件还可被配置成示出在关节移动通过运
动范围时部件将如何相互作用。基于由外科医生所选的部件放置，触觉装置730
软件生成一个或多个触觉对象，这至少部分地基于植入部件的放置产生表示例
如要去除的骨部分或要避免的关键解剖结构的一个或多个虚拟边界。在手术期
间，触觉对象与患者的解剖结构对准。通过提供力反馈，触觉装置730使外科
医生能在虚拟环境中与触觉对象交互。如此，触觉装置730在骨制备期间在触
觉上指导外科医生以雕刻或仿形骨的适当位置，使得骨的形状基本上符合多部
件植入物的部件的配合面的形状。例如，可创建触觉对象以表示要去除的骨和
/或软骨区的部分用于植入中间股骨植入部件(例如，由表示156表示)。
在优选实施例中，触觉装置730由外科医生使用，以利用计算机模拟工
具术前规划植入物放置，从而确定术前规划是否将导致期望的临床结果(例如，
利用约束)。然后，在手术期间，在关节移动通过运动范围时外科医生可利用
公知的适当的仪器和传感器询问软组织和韧带。该信息可与触觉装置730的计
算机模拟信息组合以调整植入规划和/或建议外科医生可实现期望的临床结果
的对植入物放置的可能的变化和调节。
上述系统和方法可实现在数字电子电路中、在计算机硬件、固件和/或软
件中。该实现可作为计算机程序产品(即，有形地包含在信息载体中的计算机
程序)。该实现例如可以是由数据处理设备执行或控制数据处理设备的操作的
机器可读存储装置。该实现例如可以是可编程处理器、计算机和/或多个计算机。
计算机程序能够以包括编译或解释语言的任何形式的编程语言来编写，
且该计算机程序能够以任何形式部署，包括作为独立程序或作为子例程、元件
和/或适合在计算环境中使用的其它单元。计算机程序可被部署成在一个位置处
的计算机上或多个计算机上执行。
方法步骤可由执行计算机程序的一个或多个可编程处理器来执行，以通
过操作输入数据并生成输出来执行本发明的功能。方法步骤还可由专用逻辑电
路执行，且装置可被实现为专用逻辑电路。电路可以是例如FPGA(现场可编
程门阵列)和/或ASIC(专用集成电路)。模块、子例程和软件代理可指实现
功能的计算机程序、处理器、专用电路、软件和/或硬件的部分。
适用于执行计算机程序的处理器包括作为示例的通用和专用微处理器两
者以及任何类型的数字计算机的任一个或多个处理器。一般而言，处理器从只
读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于
执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器装置。一般而
言，计算机可包括，能够操作上耦合以接收来自用于存储数据的一个或多个大
容量存储装置(例如磁、磁光盘或光盘)的数据和/或将数据传输到存储数据的
一个或多个大容量存储装置。
数据传输和指令也可在通信网络上发生。适于包含计算机程序指令和数
据的信息载体包括所有形式的非易失性存储器，包括作为示例的半导体存储器
装置。信息载体可以是例如EPROM、EEPROM、闪存装置、磁盘、内部硬盘、
可移动盘、磁光盘、CD-ROM和/或DVD-ROM盘。处理器和存储器可由专用
逻辑电路补充或结合到专用逻辑电路中。
为了向用户提供交互，上述技术可实现在具有显示装置的计算机上。显
示装置可以是例如阴极射线管(CRT)和/或液晶显示器(LCD)监视器。与用
户的交互可以是例如对用户的信息显示器和键盘和定点设备(例如，鼠标或跟
踪球)，藉此用户可提供至计算机的输入(例如，与用户接口元件的交互)。
其它类型的设备可用于提供与用户的交互。其它设备可以是例如任何感觉反馈
形式(例如，视觉反馈、声音反馈或触觉反馈)的提供给用户的反馈。来自用
户的输入例如可按任何形式接收，包括声学、语音和/或触觉输入。
上述技术可实现在包括后端部件的分布式计算系统中。后端部件例如可
以是数据服务器、中间件部件和/或应用服务器。上述技术可实现在包括前端部
件的分布式计算系统中。前端部件例如可以是具有图形用户界面的客户机计算
机、用户可藉此与示例实现交互的web浏览器和/或用于传输装置的其它图形
用户界面。系统的部件可通过任何形式或介质的数字数据通信(例如，通信网
络)来互连。通信网络的示例包括局域网(LAN)、广域网(WAN)、因特
网、有线网和/或无线网。
系统可包括客户机和服务器。客户机和服务器一般相距甚远且通常通过
通信网络交互。客户机和服务器的关系根据在相应计算机上运行的且彼此具有
客户机-服务器关系的计算机程序来产生。
基于分组的网络可包括例如因特网、载波网际协议(IP)网络(例如，局
域网(LAN)、广域网(WAN)、校园区域网(CAN)、城域网(MAN)、
家庭区域网(HAN))、专用IP网络、IP专用分支交换(IPBX)、无线网络
(例如无线电接入网络(RAN)、802.11网络、802.16网络、通用分组无线业
务(GPRS)、HiperLAN)和/或其它基于分组的网络。基于电路的网络可包括
例如公共电话交换网(PSTN)、专用分支交换(PBX)、无线网络(例如，
RAN、蓝牙、码分多址(CDMA)网络、时分多址(TDMA)网络、全球移动
通信系统(GSM)网络)和/或其它基于电路的网络。
发射装置可包括例如计算机、具有浏览器装置的计算机、电话、IP电话、
移动装置(例如，蜂窝电话、个人数字助理(PDA)装置、膝上型计算机、电
子邮件装置)和/或其它通信装置。浏览器装置包括例如具有万维网浏览器(例
如，可从微软公司获得的MicrosoftInternet Explorer可从Mozilla公司获
得的MozillaFirefox)的计算机(例如，台式计算机、膝上型计算机)。移
动计算装置包括例如个人数字助理(PDA)。
包含、包括和/或每个复数形式是开放性的并包括所列部件，且可包括未
列出的其它部件。和/或是开放性的，并包括所列部件中的一个或多个以及所列
部件的组合。
本领域的技术人员将意识到本发明可体现为其它具体形式，而不背离本
发明的精神和本质特性。因此认为上述实施例在各方面均是说明性的而非限制
本文描述的本发明。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是由上述描述指
定，且因此在该权利要求的等价技术方案的含义和范围内的所有变形都旨在包
含于此。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
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，其中每个控制点用于生成相应的表示软骨的区
域，并且每个控制点对应于植入部件上的位置；
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；
针对所述多个所测量的软骨点中的至少一个所测量的软骨点生成表示
软骨的区域，其中所述表示软骨的区域大于所测量的软骨点且投影到来自多个
控制点的相关控制点，包括提升一块骨模型以估计所述控制点处的软骨的表面
厚度；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，生成表示软骨的区域包括：
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，其中每个控制点用于生成相应的表示软骨
的区域，并且每个控制点对应于植入部件上的位置；
接收与多个所测量的软骨点相对应的测量，其中每个软骨点绑定到
来自预定数量的控制点的相关控制点；
针对所述多个所测量的软骨点中的至少一个所测量的软骨点生成
表示软骨的区域，其中所述表示软骨的区域大于所测量的软骨点且投影到来自
多个控制点的相关控制点，包括提升一块骨模型以估计所述控制点处的软骨的
表面厚度；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。
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，其中每个控制点用于生成相应的表示软骨的区
域，并且每个控制点对应于植入部件上的位置；
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；
针对所述多个所测量的软骨点中的至少一个所测量的软骨点生成表示
软骨的区域，其中所述表示软骨的区域大于所测量的软骨点且投影到来自多个
控制点的相关控制点，包括提升一块骨模型以估计所述控制点处的软骨的表面
厚度；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，其中每个控制点用于生成相应的表
示软骨的区域，并且每个控制点对应于植入部件上的位置；
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；
用于针对所述多个所测量的软骨点中的至少一个所测量的软骨点生成
表示软骨的区域的装置，其中所述表示软骨的区域大于所测量的软骨点且投影
到来自多个控制点的相关控制点，包括提升一块骨模型以估计所述控制点处的
软骨的表面厚度；以及
用于基于骨的表示定位植入部件的表示的装置，所述骨的表示包括表示
软骨的区域的表示。