使用捕获的关节运动信息的植入规划 背景技术
【技术领域】
本申请涉及一种包括计算机程序产品的外科计算机系统，以及使用捕获的关节运动信息用于植入规划的方法。
相关领域描述
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)的成形术。例如，传统的全膝关节成形术包括通常在大约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物元件的植入。切割的侵入特性导致了患者过长的恢复时间。微创手术(MIS)减少全膝置换手术的切口长度到大约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。植入物的不正确放置可导致关节运动范围的减少、冲击以及后来的脱臼。例如，全髋置换带来的一个问题为例如由冲击引起的股骨植入物从髋臼杯植入物中脱出，该冲击相应地可由不正确地将髋臼杯植入物放置到骨盆中引起。
MIS与传统矫形外科方法共有的另一个缺点在于：这些方法不能使外科医生以协作的方式提高自身的外科技能。例如，一些用于关节置换的传统技术包括自主机械手系统来协助外科医生。但这种系统通常主要服务于改进骨加工，其通过用高速磨钻执行自动切割或通过移动钻导引架就位，并在外科医生插入切割工具经过导引架时保持该钻导引架的位置。尽管这种系统能够为改进植入物安装和放置进行精确的骨切除，它们自动地行动(而不是与外科医生协同行动)并从而需要外科医生放弃某种程度机械手的控制。
其它传统机械系统包括与外科医生相互交互配合的机械手。传统交互式机械手系统的一个缺点在于：这些系统缺乏适应手术规划以及为动态术中环境实时导航的能力。例如，在此结合其全部内容作为参考的美国专利号7,035716公开了一种交互式机械手系统，该系统中编程设置有三维的虚拟限界区域，患者被配准到该区域内。该交互式机械手系统要求相关的解剖结构被严格限制且该机械手系统固定到大体位置上从而对术中实况缺少实时的适应性。此外，臂件的三自由度构造以及外科医生利用力手柄来操控臂件的需求导致了机械手系统的灵活性和灵巧性有限，使得机械手系统不适用于诸如术中植入规划的某些MIS应用场合。
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元件定向。外科医生使用一些用于植入规划的传统术中定位装置对应于患者的径向和冠状平面来对齐髋臼植入物，假设患者的骨盆和躯干以已知的方向对齐并且不考虑患者解剖结构的个体差异或在手术室台上的骨盆位置。编辑B.F.Morrey，“Reconstructive Surgery of the Joints”，章节Joint ReplacementArthroplasty，页码605-608，Churchill Livingston，1996。基于这种传统类型装置的植入规划可导致在期望的和实际的植入物放置之间巨大的差异，有可能导致关节活动范围的减小、冲击以及脱臼。
已经作了几种尝试为髋关节植入物更精确地制备髋臼区域。由DiGioia等人提交的并且因而结合其全部内容在此作为参考的美国专利号5,880,976；5,995738；6,002859；以及6,205,411致力于在多个测试位置、包括期望的关节运动范围上执行包含植入物模型的关节的运动的生物力学模拟。尽管DiGioia的专利描述的系统在制备接受植入物的髋臼区域的过程中可提供潜力来增加精确性和坚固性，该系统的缺点在于关节的运动只是模拟的。实际植入结果地精确性和坚固性依赖于模拟的关节运动相对于实际的关节运动有多接近。此外，模拟的关节运动并不能被看做就是具有个体差异的关节的实际运动。
由Glassman等人提交并在此结合其全部内容作为参考的美国专利号5,086,401；5,299,288以及5,408,409公开了一种使用机械手刀具系统给股骨开口以接受股骨植入物的图像探测外科机械手系统。在该系统中，关节模型的坐标和结构在术中规划阶段确定，其中相对于植入物要被植入的关节的图像，外科医生手动交互式地选择并定位植入物。尽管Glassman的专利描述的系统在制备接受植入物的骨的过程中可提供增加精确性和坚固性的可能性，该系统缺少对术中情形的实时适应性以及与外科技术水平无关的一致、可预见的结果，因为外科医生不得不手动地响应并分析关节中植入物的独立位置，而不是在关节的连续运动过程中分析该植入物。
考虑到上述情况，存在对能够克服前述问题的外科方法和装置的需要：从而能够获得关节植入物的正确放置和移植的术中植入规划，以提供改善的关节活动范围；与外科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；以及减少置换和修正手术的需要。
【发明内容】
一方面，有一种外科规划方法。该方法包括捕获代表与特定个人联系的关节运动范围的数据，该关节包括第一骨和第二骨，表现关节的第一骨，并且联系第一植入物模型和第一骨的表像(representation)。该方法还包括，基于捕获的数据，经历至少部分关节运动范围确定第一植入物模型与第二骨的表像之间的关系，以及显示代表该确定的关系的信息。
另一方面，有一种外科规划方法。该方法包括捕获代表与特定个人联系的关节运动范围的数据，该关节包括第一骨和第二骨，建立该关节的表像，其包括第一骨的表像和第二骨的表像，并且叠加第一植入物模型到第一骨的表像上以及叠加第二植入物模型到第二骨的表像上。该方法还包括，基于捕获的数据，显示第一骨和第二骨的表像作为移动经过运动范围的关节的表像以确定第一和第二植入物模型之间的关系，以及基于该确定的关系调整第一植入物模型、第二植入物模型或同时两者的尺寸、形状、位置或它们的任意组合。
另一方面，有一种包括计算机的外科计算机系统。该计算机配置为捕获代表与特定个人联系的关节运动范围的数据，表现该关节的第一骨，以及联系第一植入物模型和第一骨的表像。该计算机还被配置为基于捕获的数据，经历至少部分关节运动范围确定第一植入物模型与第二骨的表像之间的关系。
任何上述的方面可包括一个或多个下面的特征。用户能够改变第一植入物模型的位置。基于该改变的位置第一植入物模型可与第一骨联系，并且基于捕获的数据，经历至少部分关节运动范围可以确定在其改变的位置上第一植入物模型与第二骨的表像之间的关系。第二骨的表像可包括第二骨的表面的表像、与第二骨的表像联系的第二植入物模型，或两者都有。
可以捕获第一骨的位置和第二骨的位置，并且随着关节在活动范围内移动，可记录这些位置。第一植入物模型的位置可表现为相对于第二骨的表像的位置，并且在包括在关节活动范围内的任意选定角度上可以比较这些位置。可以捕获第一骨的位置和第二骨的位置，并且随着关节在活动范围内移动，可记录这些位置。第一植入物模型的位置可表现为相对于第二骨的表像的位置并且在包括在关节活动范围内的任意选定角度上可以比较这些位置。
在包括在关节运动范围内的一个或多个角度上，第一植入物模型和第二骨的表像之间或第一植入物模型和与第二骨联系的第二植入物模型之间的重叠、间隙或两者都有可被识别。可显示包括在关节活动范围内的任意选定角度或多个角度上计算得到的重叠、间隙或这两者的测量结果。可显示包括在关节活动范围内的多个角度上表像计算得到的重叠、间隙或这两者的测量结果的图表。重叠、间隙或两者都可以显示为在包括在关节活动范围内的一个或多个角度上的关节的至少一部分的表像。
在包括在关节活动范围内的多个角度上可以映射第一植入物模型的表面上的至少一个点，并且可以对齐至少一个映射点和第二骨的表像。基于至少一个映射点第二植入物模型可以与第二骨的表像联系。可以捕获代表关节操纵以实现期望的内/外角、内翻/外翻角、屈曲角或它们的任意组合的数据。用户能够对应实际植入物的至少一部分操纵至少一个植入物模型的放置，从而经历至少一部分关节运动范围确定的关系允许期望的内/外角、内翻/外翻角或它们的任意组合。
外科计算机系统可包括与计算机通信的追踪系统，该追踪系统包括探测装置和一个或多个追踪器，每个追踪器包括联结该追踪器到关节的骨头上的联结装置。外科计算机系统可包括显示器，其与计算机通信并配置为显示从计算机接收到的代表该确定关系的信息。外科计算机系统的计算机可进一步配置为产生用户界面，其能够使用户选择角度，在该角度上计算和/或显示该确定的关系。外科计算机系统的计算机进一步配置为产生用户界面，其能够使用户改变第一植入物模型的位置。
还可以有计算机程序产品，切实地包含在信息载体中，在这里计算机程序产品包括可操作的指令，其使得数据处理装置执行前述的任何方法。
附图简要说明
结合到本说明书中并构成本说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与本描述一起作为对本发明原理的解释。
图1(a)为膝关节股骨和胫骨在0度的屈曲角度上的正透视图。
图1(b)为传统的全膝关节置换系统的透视图。
图1(c)为传统的双髁膝关节置换系统的透视图。
图2示出了膝关节运动和屈曲角度的范围。
图3为在0度的屈曲角度上关节表像的实施例的正横截视图。
图4为图3的表像的正透视图。
图5示出了在0度的屈曲角度上间隙分析的计算机显示的实施例。
图6为图1的股骨和胫骨在90度的屈曲角度上的侧视图。
图7为一个在90度的屈曲角度上关节表像的实例的正横截视图。
图8为图7的表像的正透视图。
图9示出了在90度的屈曲角度上重叠分析的计算机显示的实施例。
图9(a)示出了跨越一定范围的屈曲角度间隙/重叠分析图的计算机显示的例子。
图10为关节在第一屈曲角度上的表像的侧视图。
图11为图10的表像在第二屈曲角度上的侧视图，并示出了第一植入物模型的点映射的例子。
图12为图10的表像在第三屈曲角度上的侧视图，并示出了第一植入物模型点映射的例子。
图13为图10的表像的侧视图，示出了第一植入物模型的点映射的例子以及相对于该点映射第二植入物模型的定位。
图14示出了利用捕获的关节运动信息进行植入规划的示范性外科计算机系统。
图15示出了由该外科计算机系统使用的示范性追踪器，该外科计算机系统利用捕获的关节运动信息进行植入规划。
图16示出了利用捕获的关节运动信息进行植入规划的示范性方法。
优选实施例的详细说明
图中示出了目前优选的实施例。尽管本说明书主要涉及单髁膝关节置换术，应当理解在此描述的主题为可施加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，诸如骨生物活性材料、药物递送植入物以及细胞递送植入物。
关节和植入物模型的表像
图1(a)显示了关节120的胫骨T(例如，第一骨)和股骨F(例如，第二骨)的正视图，关节120不具有任何植入物且完全伸展(即0度的屈曲角度θ)。关节120的股骨F和胫骨T上粘附有位置追踪器(例如，如图15中显示并在下文更具体描述的那些)，这些位置追踪器可以被诸如光学照相机的探测装置检测到。随着关节120在从伸展到弯曲的关节120的正常整个运动范围或任意期望的解剖学定向角度的集合(对于膝盖，弯曲或伸展、内翻或外翻、内部或外部旋转)中移动，以给定的角度间隔(例如，3度)捕获或记录胫骨追踪器相对于股骨追踪器的探测位置。将捕获的关节120的股骨F和胫骨T的运动分别配准到股骨F和胫骨T的图像(例如，在手术开始之前获得的股骨F和胫骨T的CT断层数据和/或例如从CT断层数据中产生的股骨F和胫骨T的表像或模型)。这种配准建立了股骨F和胫骨T上的位置追踪器(即，在物理空间)与股骨F和胫骨T的表像图像(即，在图像空间)之间的坐标转换，以使得物理骨的位置可与骨图像相关联。分割和配准可使用任何已知技术实现，例如在此结合其全部内容作为参考的于2006年6月29日公开的美国专利公开2006/0142657中所述的技术。相似的，坐标转换可使用任何已知技术确定，例如在此结合其全部内容作为参考的于2007年5月18日公开的美国专利申请号11/750,840中所述的技术。
图1(b)显示了通常包括股骨植入物100和胫骨植入物102的示范性传统全膝关节置换(TKA)系统。股骨植入物100通常为附连到股骨F上的单一实心元件。胫骨植入物102可包括附连到胫骨T上的胫骨基板102a和形成该胫骨植入物102的支承面104的胫骨插入物102b。在操作中，当膝关节120移动经历运动范围时，股骨植入物100的支撑面103铰接抵靠在胫骨植入物102的支撑面104上。
图1(c)显示了膝关节120的胫骨T和股骨F的透视图，膝关节具有多个分开的植入物105。分开的植入物105可以形成双髁植入物(如图1(c)中所示)、单髁植入物或分段组合的植入物，就像例如2007年3月9日提交的美国专利申请序列号No.11/684,514中所描述的那样，其全部内容因此结合在此作为参考。这些分开的植入物105可要求相对于彼此精确对齐以实现期望的关节运动和/或避免关节运动范围的减少、冲击以及后来的脱臼。为实现这些目的，外科医生在作任何骨切割之前能够虚拟地规划植入物放置。植入规划可以像例如在前引用的美国专利公开2006/0142657中描述的那样实现。根据某些实施方式，具有植入物105的关节120的股骨F和胫骨T可以虚拟地表示并且如下所述使用CT断层数据通过执行矩阵变换处理并分析它们的相对位置。
令Ttf为在任意期望的屈曲角度从胫骨追踪器到股骨追踪器的变换式。令Ttd和Tfd分别为从胫骨追踪器到胫骨CT数据和从股骨追踪器到股骨CT数据的变换式。然后使用矩阵结构Ttd-1TtfTfd，胫骨T的CT断层数据能够相对于股骨F的CT断层数据定位，这里上标“-1”表示矩阵求逆。类似地，使用矩阵结构Tfd-1Ttf-1Ttd，股骨F的CT断层数据能够相对于胫骨T的CT断层数据定位。
图3示出了在0度的屈曲角度θ上关节120的虚拟表像12的二维显示的横截面视图。类似地，图4示出了在0度的屈曲角度θ上关节120的虚拟表像12的三维显示。如图3所示，关节120的虚拟表像12可包括股骨F的表像10和胫骨T的表像11。胫骨植入物模型30(例如，第一植入物模型)和股骨植入物模型20(例如，第二植入物模型)可以分别与胫骨T的表像11以及股骨F的表像10联合(例如，配准)。这可以以任何已知的方式实现，就像例如在前引用的美国专利公开2006/0142657中描述的植入规划步骤。在一些实施例中，如众所周知的那样，表像10，11是由CT断层数据生成的股骨F和胫骨T的图形模型。为了在任意期望的屈曲角度上直接比较两个植入物模型，令Tifd为从股骨植入物模型20到股骨CT数据的变换式，并且令Titd为从胫骨植入物模型30到胫骨CT数据的变换式。然后通过使用关系式TifdTfd-1Ttf-1TtdTitd-1使得在任意期望的屈曲角度θ上股骨植入物模型20能够相对于胫骨植入物模型30定位。
这一配准能够使捕获的表示关节120运动范围的数据能够在用户身上“回放”，从而用户能够使CT数据的“脱节”分段的股骨F和胫骨T的相对运动形像化，该CT数据具有重叠在关节120的股骨F和胫骨T的表像10，11上的股骨和胫骨植入物模型20，30。例如，关节120实际的物理运动能够通过显示股骨F的表像10和胫骨T的表像11以及依照股骨F和胫骨T如何实际地运动(即基于捕获的运动数据的范围)移动该表像10，11来形像化。当植入物模型20，30重叠到表像10，11(例如，像图3中所示)上时，在关节120运动范围内任意选定的角度上能够看到植入物模型20，30的相对位置。使用者还能够确定在关节120运动范围内任意选定的角度上植入物模型20，30之间的间隙(即间隔)或重叠(即过盈(interference))。下面结合图5和9进一步讨论间隙和重叠。
在CT数据中能够限定关于关节120的股骨F和胫骨T的解剖轴。一旦这个做完，就能够计算并显示关于关节120的任何位置的解剖角度(例如，屈曲角度、内翻/外翻角度、内/外角)用于捕获数据的任何定向，该捕获数据代表了随着操纵关节120运动范围或“实时”表示。图6示出了在90度的屈曲角度θ上没有任何植入物的关节120的股骨F和胫骨T的侧视图。在关节120的选定的屈曲角度θ(例如，0度如图3中所示，90度如图6中所示)上，可以确定植入物模型20，30之间间隙或重叠的数量用于植入物模型20，30与股骨F和胫骨T的表像10，11联系(例如，重叠于其上)。这个信息可以用来规划对应于植入物模型20，30的实际植入物在关节120中的放置。例如，如果在植入物模型20，30(如图7和8所示)之间探测到重叠70，外科医生可决定重新定位股骨植入物模型20和/或胫骨植入物模型30以消除重叠70。
依照一些实施例，可以使用一个或多个植入物模型。例如，如上所述，在一个实施例中，可以同时使用股骨植入物模型20和胫骨植入物模型30来估计这两个植入物模型20，30的相对位置。这一实施例可能对患者同时要对股骨F和胫骨T重作面层的情况有用。在这种情况下，植入物模型20，30可用来计划替代实际的将被植入到患者的股骨和胫骨中的股骨和胫骨植入元件。可选地，在另一实施例中，只使用胫骨植入物模型30来估计胫骨植入物模型30和股骨F的表像10的表面之间的相对位置。该表像10的表面可对应于例如患者股骨F或先前安装而现在成为患者关节120一部分的植入物的实际表面。这一实施例可能对股骨F不需要重新暴露或先前安装的股骨植入物不用替换或更改的情况有用。类似地，在另一实施例中，只使用股骨植入物模型20来估计股骨植入物模型20和胫骨T的表像11的表面的相对位置。该表像11的表面例如可对应于患者胫骨T或先前安装现成为患者关节120一部分的植入物的实际表面。在其它的实施例中，可包括额外的植入物模型，诸如2007年3月9日提交的美国专利申请序列号No.11/684,514中描述的分段组合元件的模型，该申请的全部内容结合在此作为参考。
重叠和间隙分析
如前所述，贯穿关节120的运动范围可以虚拟并分析一个植入物模型相对于另一个的放置或植入物模型相对于骨的表面的放置。例如，可以虚拟并评估胫骨植入物模型30和股骨植入物模型20的相对放置。在一个实施例中，当股骨植入物模型20的表面与胫骨植入物模型30的表面之间最小的符号距离为正值时，如图3和4所示，在植入物模型20，30之间探测到间隙31。
图5显示了植入物模型20，30位置的间隙分析的计算机显示实例。在一个实施例中，该计算机显示包括用于输入选定的屈曲角度θ的用户输入50以及显示在该选定的屈曲角度θ上间隙31的值的指示器51。在图5的实例中，在0度的屈曲角度上，股骨植入物模型20和胫骨植入物模型30之间有1.2mm的间隙31。同样地，当植入物模型20，30之间的最小的符号距离为负值时，该植入物模型20，30之间检测到重叠。
图7显示了股骨F和胫骨T的表像10，11的二维显示的正横截视图。在图7中还显示了在90度的屈曲角度θ上股骨F和胫骨T的表像10，11与植入物模型20，30联合。
图8显示了在90度的屈曲角度θ上股骨F和胫骨T的表像10，11与股骨植入物模型20以及胫骨植入物模型30的表像联系的3D显示的前视图。
图9显示了在90度的屈曲角度θ上植入物模型20，30位置的重叠分析的计算机显示实例。在一个实施例中，该计算机显示包括用于输入选定的屈曲角度θ的用户输入90以及显示在该选定的屈曲角度θ上重叠70的值的指示器91。在图9的实例中，在90度的屈曲角度上，股骨植入物模型20和胫骨植入物模型30之间有0.3mm的重叠。基于由图5和9中所示的虚拟分析所提供的信息，当外科医生规划对应植入物模型20，30放置实际的植入物时，他能够调整植入物模型20，30以实现在关节运动范围内的任意选定角度上植入物模型20，30之间期望的关系。例如，外科医生可调整植入物模型20，30以通过重新定位植入物模型20，30直到在关节120运动范围内的选定角度上植入物模型20，30的表面恰好彼此“接触”来确保在0度的屈曲角度上填补间隙31，并且在90度的屈曲角度上移除重叠70。
图9(a)显示了具有图表600的计算机显示的另一实例，该图表600绘制了跨越一定范围屈曲角度的植入物模型20，30位置的间隙/重叠分析。图表600的水平轴线显示了屈曲角度的值。尽管示范性的图表600包括角度从12.5度到108.5度，可以显示角度的任何范围。图表600的垂直轴线显示了两个测量的点(例如，第一植入物和第二骨，第一植入物和第二植入物等等)之间计算得到的间隙或重叠的值。在图表600中，正的轴线代表了两个测量点之间的间隙，用数字代表间隙的距离，以毫米为单位。在图表600中，负的轴线代表了两个测量点之间的重叠，用数字代表重叠的距离，以毫米为单位。如在此所述，可以通过用户界面操纵植入物的位置，使得外科医生能够在不同的植入物位置上看到间隙/重叠分析。在这种情形下，随着调整植入位置更新图表600。使用图表，用户(例如，外科医生)能够有利地在一个显示器中看到跨越整个范围所有的间隙和重叠。这能够使用户在整个范围内细微地修改植入物的位置并在修改时接收反馈。然后用户能够调整该位置以实现期望的目的(例如，将全部的间隙和重叠减到最小，在范围的末端间隔和重叠更大的代价下将中心间隙和重叠减到最小等等)。
在骨切割之前和之后关节120的股骨F和胫骨T的运动都能够被捕捉和配准，并且能够用来比较术前和术中关节120运动范围以确定是否已经发生任何的过矫正或矫正不足。因此，外科医生能够调整规划并继续切割骨以适应任何的问题。
映射点分析
参照图11-13，通过在第一植入物模型的关节表面上选定一个或多个点(例如，靠近胫骨植入物模型30表面的中心、前部和后部的点)，使用在前描述的变换关系在多个屈曲角度上将这些点映射到相对的骨(例如，股骨F的表像10)和/或第二相配的植入物模型(例如，股骨植入物模型20)的空间中，并相对于该相对的骨和/或第二植入物模型在三维或投影的二维中显示这些映射的点，可以执行进一步的分析。例如可以通过确定在多个屈曲角度中的每个上每个选定点的位置来实现映射。然后这些“映射”点能够用来引导第二植入物模型的放置。例如，能够定位第二植入物模型(例如，股骨植入物模型20)以使得第二植入物模型的关节表面与被映射点所代表的第一植入物模型(例如，胫骨植入物模型30)的关节表面具有期望的关系。类似地，能够定位第一植入物模型(例如，胫骨植入物模型30)以使得第一植入物模型的关节表面与相对骨(例如，股骨F的表像10)的关节表面将具有期望的关系。重新定位第一植入物模型将更新映射点的位置以致总是能够重新建立第二植入物模型和/或相对骨与第一植入物模型的关系。
如图11-13所示，这样的一个实例是选择胫骨植入物模型的表面上的中心、前部和后部的点并使用这些映射点对齐股骨植入物模型的位置和方向。
例如，图10显示了关节120的表像12的侧视图。该表像12分别包括股骨F和胫骨T的表像10，11，关节120处在0度屈曲角度上。第一植入物模型30与胫骨T的表像11关联(例如，叠加或配准)。表像10，11能够用来实现点配准。依照一些实施例，如图11和12中所示，在关节120活动范围的多个角度上第一植入物模型30的关节表面111的一个或多个点110能够映射到股骨F的关节空间112。优选地映射的点113相对于表像10，11显示。图11显示了在大约30度的屈曲角度上映射点113和关节120的表像12。图12显示了在大约135度的屈曲角度上映射点113和关节120的表像12。
图13显示了图11的表像10，11、已经与表像11关联的第一植入物模型30、以及已经与表像10关联的第二植入物模型20。在一些实施例中，通过如图13所示将第二植入物模型20的关节表面与至少一个映射点113对齐，第二植入物模型20可与表像10联合。在这样的方式中，可以实现植入物模型20，30之间期望的关系。结果，实际的植入物元件(对应于植入物模型20，30)在被外科医生植入到患者关节120中时，在遍及关节120的一些或全部的活动范围将具有期望的相对位置。
图14显示了示范性外科计算机系统210的实施例，其中能够使用在前描述的技术。这种示范性系统例如在2006年6月29日公开的美国专利公开2006/0142657中作了详细的描述，其全部内容引用在此作为参考。外科系统210包括计算机系统220、触觉装置230以及追踪(或定位)系统240。在操作中，外科系统210能实现全面的术中手术规划。外科系统210还提供给用户(例如，外科医生)触觉引导和/或在用户进行外科手术时限制触觉装置230的用户操作。尽管为了完整性在举例说明的实施例中被包括，触觉装置230和它相关的硬件和软件对执行在此描述的技术不是必需的。
计算机系统220包括用于操作和控制外科系统210的硬件和软件。这种硬件和/或软件配置成能够使系统210执行在此描述的技术。在图14中，计算机系统220包括计算机221、显示装置223以及输入装置225。计算机系统220还可包括手推车229。
计算机221可以是任何已知的计算机系统，但优选地为可编程、基于处理器的系统。例如，计算机221可包括微处理器、硬盘驱动器、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221优选地适合与各种类型的存储装置(固定的和移动的)一起使用，例如像便携式驱动器、磁存储器(例如，磁盘)、固态存储器(例如，闪存卡)、光存储器(例如，光盘或CD)，和/或网络/因特网存储器。计算机221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并优选地包括图形化用户界面(GUI)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)。
显示装置223是计算机系统220和用户之间的视觉界面。显示装置223连接到计算机221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，显示装置223可包括标准显示屏(例如，LCD、CRT、等离子等等)、触摸屏、可佩带显示器(例如，诸如眼镜或护目镜的眼镜防护)、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。显示装置223可放置于计算机221上或附近(例如，如图14所示在手推车229上)，或者可以远离计算机221(例如，装配在操作室的墙上或其它适合用户观察的位置)。显示装置223优选地为可调整的因而用户能够在手术期间由于需要安置/重新安置该显示装置223。例如，显示装置223可放置于连接到手推车229的可调整臂(未示出)上或任何其它便利于用户容易观察的位置。显示装置223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)的图形化表像、数字化或视频图像、配准信息、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。
除显示装置223之外，计算机系统220可包括用于提供给用户音频反馈的音响装置(未示出)。该音响装置连接到计算机221并且可以是提供声音的任何已知装置。例如，该音响装置可包括扬声器和声卡、具有集成声音支持的主板，和/或外部声音控制器。在操作中，音响装置可以适合于传达信息给用户。例如，计算机221可编程为发信号给音响装置产生声音，诸如综合口头指示“完成”以指示外科手术步骤结束的声音。类似地，音响装置可用来警告用户敏感的状态，诸如产生哔哔声指示手术切割工具正靠近软组织的关键部分。
计算机系统220的输入装置225能够使用户与手术系统210通信。输入装置225连接到计算机221并可包括能够使用户提供输入给计算机的任何装置。例如，输入装置225可以是已知的装置，诸如键盘、鼠标、跟踪球、触摸屏、触摸板、声音识别硬件、拨号盘、开关、按钮、追踪探测器、脚踏开关、远程控制装置、扫描仪、照相机、麦克风和/或手柄。
计算机系统220通过接口2100a耦联到计算机系统231并通过接口2100b耦联到探测装置241。接口2100a和2100b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/或其它的无线通信接口)。软件接口可驻留在计算机221和/或计算机231上。在一些实施例中，计算机221和231为同样的计算装置。
系统210还包括配准为在外科手术期间确定一个或多个目标的姿态(即位置和方向)的追踪(或定位)系统240以探测该目标的运动。例如，追踪系统240可包括探测装置，其获得目标关于探测装置的参考坐标系的姿态。随着该目标在参考坐标系中运动，探测装置追踪该目标的姿态以探测(或能够使外科系统210确定)该目标的运动。结果，计算机系统220能够捕获响应于追踪的目标和目标们的运动数据。追踪的目标可包括例如工具/器具、患者解剖结构、植入物/假体装置，以及手术系统210的元件。使用来自追踪系统240的姿态数据，手术系统210还能够配准(或映射或结合)在一个空间中的坐标到另一空间中的那些以实现空间对准或对应(例如使用众所周知的坐标变换处理)。物理空间内的目标可以配准到任何适合的坐标系统，诸如通过在计算机221和/或计算机231上运行的程序正被使用的坐标系统。例如，利用来自追踪系统240的姿态数据，外科系统210能够将物理解剖结构与该解剖结构的表像(诸如显示在显示装置223上的图像)结合。基于追踪的目标以及配准数据，外科系统210可确定例如解剖结构的图像与相应的解剖结构之间的空间关系。
配准可包括任何已知的配准技术，例如像图像到图像的配准(例如，单模态配准，其中配准诸如荧光镜图像或MR图像的相同类型或形式的图像，和/或多模态配准，其中配准诸如MRI和CT的不同类型或形式的图像)；图像到物理空间的配准(例如，图像到患者的配准，在这里是通过传统成像技术获得的患者解剖结构的数字化数据集与患者实际解剖结构配准)；和/或结合图像到图像的配准以及图像到物理空间的配准(例如，术前CT和MRI图像到术中情景的配准)。计算机系统210还可包括用于将一个空间内的坐标绘制(或变换)到另一空间中那些的坐标变换处理以实现空间对齐或对应。例如，外科系统210可利用该坐标变换处理来绘制追踪目标(例如，患者解剖结构等等)的位置进入由计算机231和/或计算机221上运行的程序使用的坐标系统。像众所周知的那样，坐标变换处理可包括任何适合的变换技术，例如像刚性体变换、非刚性变换、仿射变换等等。
追踪系统240可以是能够使外科系统210连续地确定(或追踪)患者相关解剖结构的姿态的任何追踪系统。例如，追踪系统240可包括非机械追踪系统、机械追踪系统或任何适合用于手术环境中的非机械及机械追踪系统的结合。非机械追踪系统可包括光学(或视觉)、磁、无线电或声追踪系统。这种系统通常包括适合于在预先确定的坐标空间中特别地定位可识别、可追踪元件(或追踪器)的探测装置，该元件可被探测装置探测到并且配置为附连到追踪目标上或者是追踪目标的内在部分。例如，可追踪元件可包括标记阵列，其具有独特的几何排列并且当可追踪元件附连到追踪的目标上时对追踪的目标具有已知的几何关系。已知的几何关系可为，例如，可追踪元件与追踪目标的端点和轴线之间预设的几何关系。因而，从标记的几何形状(如果独特)、轴的方向以及由标记位置推断出的参考框架中端点的位置，探测装置能够至少部分地识别特定追踪目标。该标记可包括任何已知的标记，例如像外在标记(或基准)和/或追踪目标的内在特征。外在标记为附连到患者身上(例如，粘在皮肤上的标记，植入到骨中的标记、立体定向框架等等)并且设计为对探测装置可视并被其精确地探测到的人工物体。内在特征为追踪目标的突出的且可精确定位的部分，其被充分地限定并且是可以确认的以担当可识别标记(例如，解剖结构的界标、轮廓，形状，颜色或任何其它充分可识别的视觉指示器)。该标记可以使用任何适合的探测方法定位，例如像众所周知的光学的、电磁的、无线电的或声学的方法。例如，具有对红外辐射敏感的固定立体摄像机对的光学追踪系统可以用来追踪主动地(诸如发光二极管或LED)或被动地(诸如具有反射红外辐射的表面的球形标记)发射红外辐射的标记。类似地，磁追踪系统可包括固定场发生器，其发射能被整合在追踪目标中的小线圈检测到的空间变换磁场。
如图14所示，在一个实施例中，追踪系统240包括非机械追踪系统。在这个实施例中，该非机械追踪系统为光学追踪系统，其包括探测装置241和至少一个配置为布置在追踪目标上(或合并于其中)并由探测装置241探测到的可追踪元件(或追踪器)。图14中，探测装置41包括例如对红外辐射敏感且可安置在将要进行外科手术的手术室中的立体摄像机对。追踪器配置为以安全和稳定的方式附连到追踪目标上且包括与追踪目标具有已知几何关系的标记阵列(例如，图15中的阵列S1)。该标记可以是主动式的(例如，发光二极管或LEDs)或被动式的(例如，反光球、棋盘形图案等等)并且优选地具有独特的几何形状(例如，标记的独特几何排列)，或者在主动式的情形下为有线标记，一种独特的发射模式。在操作中，探测装置241探测标记的位置以及独特的几何形状(或发射模式)，并且与追踪目标相关已知的几何关系能够使外科系统210基于标记的位置计算追踪目标的姿态。
非机械追踪系统可包括用于每个用户要求追踪的目标的可追踪元件(或追踪器)。例如，在一个实施例中，非机械追踪系统包括解剖结构追踪器243a和243b，通常243(以追踪患者解剖结构)。
在图14中，解剖结构追踪器243安置在患者解剖结构(诸如一块骨)的相应部位，并且适合于使相应的解剖结构能够被探测装置241追踪。解剖结构追踪器243包括用于附连到解剖结构上的固定装置。该固定装置例如可以是骨钉、手术钉、螺丝钉、夹子、可佩戴装置、髓内杆等等。在一个实施例中，解剖结构追踪器243配置为在膝关节置换术中使用以追踪患者的股骨F和胫骨T。在这个实施例中，如图14所示，解剖结构追踪器243包括适合于安置在股骨F上的第一追踪器243a和适合于安置在胫骨T上的第二追踪器243b。图15示出了第一追踪器243a，其包括固定装置，该固定装置包括骨钉P和标记(例如，反光球)的独特阵列S1。阵列S1粘附在连接机构400上，该连接机构适合于可移动地固定到骨钉P上。例如，如图15所示，连接机构400可包括第一部分442、第二部分444以及螺丝钉445。为了安装第一追踪器43a到股骨F上，用户将骨钉P拧入股骨F，让连接机构400滑过骨钉P，并拧紧螺丝钉445将第一部分442和第二部分444拉到一起从而紧固固定连接机构400到骨钉P上。一旦紧固，连接结构400给予骨钉P额外的稳定性。除了第二追踪器243b安装在胫骨T上，第二追踪器243b与第一追踪器243a相同，并且具有它自己独特的标记阵列。当安装在患者身上时，第一和第二追踪器234a、243b能够使探测装置241在膝关节置换手术期间追踪股骨F和胫骨T的运动。结果，随着个人在运动范围内移动他或她的关节，外科系统210能够实时地探测并捕获骨运动。
图16示出了使用捕获的关节运动信息用于植入规划的示范性处理过程500。在描述的过程500中，将使用图14的示范性系统210。图14中，追踪器243a和243b分别插入到股骨F和胫骨T内。在这些追踪器紧固地附到膝关节的骨上之后，使用追踪系统240和计算机系统220配准(505)追踪器。一旦配准，计算机系统220捕获(510)在例如0度(例如，完全伸展)的特定角度上股骨相对于胫骨的姿态数据。捕获数据涉及至少在临时性基础上存储该数据。捕获还可涉及例如通过使用追踪器和探测装置探测姿态数据，以及传送该数据到它的存储位置或使用该数据的一些处理装置。尽管在过程500中捕获姿态数据(位置和方向)，不需要在所有的实施例中使用姿态数据。例如，一些实施例，包括使用系统210的实施例，可使用少于全部的姿态数据，例如，只是使用位置数据执行在此描述的技术。
在过程500中，例如使用前述的变换过程，计算机系统220联合(515)姿态数据和一个或多个存储的关节骨的表像。这些表像可包括图像和/或骨的模型，诸如CT分层数据，其已产生用于要捕获(510)骨姿态数据的特定个人。
计算机系统220确定(520)是否还有数据需要用于运动范围。这可以是自动的，例如通过具有预定的角度的集合，在这些角度上收集数据。如果没有在每个预定角度上取得数据，计算机系统220确定(520)额外的数据需要并且显示，或以别的方式通知给操作者关节应定位到的下一个角度。根据操作者的关节已经处于指定位置的指示，计算机系统220与追踪系统240通信，以纠正追踪器的姿态并重复步骤510和515。附加的或作为预定角度集的替代，计算机系统220可通过界面(例如，显示文本，声音合成，等)，通知操作者是否还有附加的角度需要采集数据。典型的，至少在两个角度需要获取数据以计算在关节运动范围内的骨的相对位置。
如果再没有角度需要捕获数据，计算机系统220可计算(525)植入物模型在关节表像中的位置。这种计算可考虑来自用户的输入。更明确地，系统220的用户能够例如通过使用GUI来操作植入物在关节表像中的放置。使用植入位置和捕获的姿态数据，或它们的一些派生物，计算机系统220能够确定(530)植入物分界线与将与该植入物相合的关节骨的分界线之间的关系(例如，物理距离)。计算机系统220显示(535)该确定的关系。如上所述，有许多方式能够显示该确定的关系，诸如测量结果、在一些或全部关节角度上测量结果的图表、植入物和关节的虚拟表像，以及映射点。
上述的技术能够在数字电子电路中，或计算机硬件、固件、软件，或它们的结合中执行。该执行可以是计算机程序产品的形式，即，切实地包含在信息载体，例如机器可读的存储装置中的计算机程序，其由例如可编程处理器、计算机、多个计算机的数据处理设备执行或控制该设备的操作。适合包含计算机程序指令和数据的信息载体包括所有不易失的存储器类型，包括作为实例的半导体存储装置，例如EPROM、EEPROM和闪存装置；磁盘，例如内部硬盘和移动硬盘；磁性光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM盘。计算机程序能够以任何形式的编程语言来编写，包括编译和解释语言，并且它能够以任意形式扩展，包括作为单机程序或作为适合用于计算机环境中的模块、部件、子程序或其它的单元。可以扩展计算机程序为运行在一台计算机上或在一处或跨越多处分布并通过通信网络互相连接的多个计算机上。
可通过一个或多个可编程的处理器执行方法步骤，该处理器执行计算机程序以通过对输入数据操作并产生输出来履行本发明的功能。方法步骤还可由例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(特定用途集成电路)的特殊目的逻辑电路执行，并且设备可被执行作为该特殊目的逻辑电路。模块可涉及计算机程序的部分和/或该处理器/执行那一功能的特殊电路。
上述的技术能够在分布式计算机系统中执行，该分布式计算机系统包括例如数据服务器的后端元件，和/或例如应用服务器的中间件元件，和/或例如具有图形化用户界面和/或用户能够通过其与实现示例相互配合的网络浏览器的客户端计算机的前端元件，或这种后端、中间件或前端元件的任意组合。该系统的元件能够以任何的形式或例如通信网络的数字数据通信媒介相互连接。通信网络的实例包括局域网(“LAN”)和广域网(“WAN”)，例如因特网，并且包括有线和无线网络。
计算机系统可包括客户机和服务器。客户机和服务器通常彼此远离并且通常通过通信网络互相作用。客户机和服务器的关系依靠运行在各自计算机上并且彼此具有客户机-服务器关系的计算机程序而产生。
包含、包括、具有和/或复数形式每个都是开放的，包括列出的部分并且可包括未列出的额外部分。和/或也是开放的，包括一个或多个列出的部分以及该列出部分的组合。
本发明根据特定实施例已经作了描述。在此描述的备选实例只是为了说明而不是以任何方式对其作限定。本发明的步骤能够以不同的顺序执行并仍能实现满意的结果。其它的实施例在下列权利要求的范围中。