CN104869918A - 用于计划和执行截骨术的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于执行开放楔形截骨术的方法包括提供界定第一孔眼(26)和第二孔眼(28)的固定板(24)和在骨头中产生第一孔和第二孔。通过将所述固定板的所述第一孔眼和所述骨头的所述第一孔对准和插入紧固件(20)穿过所述第一孔眼并插入所述第一孔中来将所述固定板连接至所述骨头。在产生所述第一孔和所述第二孔之后，穿过所述骨头的至少一部分产生切口以产生第一切除表面(12)和第二切除表面(14)。所述方法还包括使所述第一切除表面和所述第二切除表面相对于彼此移动，直到所述固定板的所述第二孔眼与所述骨头的所述第二孔对准为止。通过插入第二紧固件(20)穿过所述固定板的所述第二孔眼并插入所述骨头的所述第二孔中将所述固定板连接至所述骨头。

Description

用于计划和执行截骨术的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年12月21日提交的美国申请号13/725,706的权益和优先权，所述申请以引用方式全部并入本文。
背景
本申请涉及截骨术程序，并且更具体来说涉及用于计划和执行截骨术程序的方法和系统。
截骨术是骨头被切开并且重新构造，通常用以矫正未对准关节的外科手术程序。未对准关节可引起骨关节炎或关节软骨之退化，从而导致疼痛、僵硬和肿胀。通过使关节重新对准，截骨术程序通过使承重轴移位来减轻一部分关节上的压力。
用以重新构造胫骨或股骨的截骨术程序可减轻由膝盖骨关节炎引起的疼痛和其它症状。在开放楔形截骨术中，穿过骨头的一部分制作切口，并且将切口的相对表面拉开以产生楔形开口，所述楔形开口随后可由骨移植物填充。在闭合楔形截骨术中，移除骨头的楔形部分，并且将相对表面拉拢在一起以使开口闭合。
常规截骨术的计划和执行为技术上有挑战性的程序。一种当前计划方法包括将将要移除的计划切口或楔形绘制到关节的二维图像上。当在解剖学的三维部分上执行手术时，存在与使用二维图像准确地计划外科手术程序相关联的许多挑战。与常规计划技术相关联的一个困难包括缺乏用以在计划手术后骨头的结构健康(亦完整性)方面分析外科手术计划的工具。在不分析骨头的预测结构健康的情况下，根据计划执行的截骨术可导致胫骨的手术后骨折。
除计划截骨术程序的挑战之外，外科医生在实行期间也面临挑战。在高位胫骨截骨术期间，例如，外科医生试图在股骨与胫骨之间达成特定的所需角(例如，股骨胫骨对准角)。研究已表明外翻对准的7度至13度的股骨胫骨角导致有益的长期临床结果。高位胫骨截骨术试图通过将骨头增添至胫骨(开放楔形截骨术)或通过自胫骨移除骨头(闭合楔形截骨术)来达成所需股骨胫骨角。在开放楔形截骨术和闭合楔形截骨术两者中，必须基于所需股骨胫骨角计算“楔形矫正角”。在开放楔形截骨术中，楔形矫正角涉及切除的表面之间的所要的最终角。在闭合楔形截骨术中，“楔形矫正角”涉及在楔形移除之后但在将切除表面拉拢在一起之前的骨头的切除表面之间的初始角。
通常，难以决定所需楔形矫正角，并且因此，关节的两个骨头之间的所需对准是否已由截骨术程序达成。即使在导航系统追踪关节的骨头的图像引导的手术期间，这个困难也出现。例如，在高位胫骨截骨术期间，导航系统追踪附贴至胫骨的标记。然而，一旦外科医生切通所有或一部分胫骨并且使切除表面相对于彼此移动，追踪系统即不再能够决定在切口的非追踪侧上的部分的姿态(亦位置和定向)。外科医生因此不能依赖所追踪骨头的显示来决定例如在开放楔形截骨术中使切除表面之间的角增加到什么程度。
与常规截骨术程序相关联的另一挑战为缺乏对用于切削骨头的锯条的控制，尤其在前后平面中。缺乏足够的控制可引起关节的所得对准的不准确。
与常规截骨术程序相关联的又一挑战起因于克氏针(K-wire)和荧光镜检查对于验证计划切削平面的使用。骨头的切除可通过使用克氏针作为切削导件来执行。将克氏针推进至骨头中，并且取得骨头和克氏针的荧光镜检查图像以评估例如切削平面和固定板螺钉的计划放置。计划过程的这个部分使患者暴露于额外辐射。
概述
本发明的一个实施方案涉及用于执行截骨术的方法。所述方法包括：提供固定板，所述固定板界定第一孔眼和第二孔眼；在骨头中产生第一孔和第二孔；通过将所述固定板的所述第一孔眼与所述骨头的所述第一孔对准和插入紧固件穿过所述第一孔眼并插入所述第一孔中来将所述固定板连接至所述骨头；在产生所述第一孔和所述第二孔之后，穿过所述骨头的至少一部分产生切口以产生第一切除表面和第二切除表面；使所述第一切除表面和所述第二切除表面相对于彼此移动，直到所述固定板的所述第二孔眼与所述骨头的所述第二孔对准为止；以及通过插入第二紧固件穿过所述固定板的所述第二孔眼并插入所述骨头的所述第二孔中将所述固定板连接至所述骨头。
额外实施方案涉及外科手术系统，所述外科手术系统包括固定板，所述固定板界定第一孔眼和第二孔眼。所述外科手术系统还包括处理电路，所述处理电路被配置来矫正角；至少部分基于所述矫正角开发外科手术计划；并且促进所述外科手术计划的实行，其中所述切口是在所述第一孔和所述第二孔之后产生。所述外科手术计划包括表示骨头中的第一孔、所述骨头中的第二孔和穿过所述骨头的至少一部分的切口的多个计划虚拟边界。所述固定板的所述第一孔眼和所述第二孔眼被配置来在所述外科手术计划的实行之后与所述骨头中的所述第一孔和所述第二孔对准。
又一实施方案涉及计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上具有指令，所述指令在由处理电路执行时有助于开放楔形截骨术的计划或执行。所述介质包括用于计算矫正角的指令；用于至少部分基于所述矫正角和固定板的参数开发外科手术计划的指令；以及用于促进所述外科手术计划的实行的指令，其中所述切口是在所述第一孔和所述第二孔之后产生。所述外科手术计划包括表示骨头中的第一孔、所述骨头中的第二孔和穿过所述骨头的至少一部分的切口的多个计划虚拟边界。
替代示例性实施方案涉及如可在权利要求书中一般地叙述的其它特征和特征的组合。
附图简述
将自结合附图进行的以下详细描述更完全地理解本公开内容，在附图中相同元件符号代表相同元件，在附图中：
图1A和图1B为在截骨术程序之前和之后的腿的承重轴的图解。
图2A为对胫骨执行的完成的开放楔形截骨术程序的图解。
图2B为对胫骨执行的完成的闭合楔形截骨术程序的图解。
图3为例示根据一个示例性实施方案的用于执行截骨术程序的方法的流程图。
图4为根据一个示例性实施方案的固定板的示意性图解。
图5A为根据一个示例性实施方案的在撑开骨头之前的开放楔形截骨术程序的图解。
图5B为根据一个示例性实施方案的在撑开骨头之后的开放楔形截骨术程序的图解。
图6为根据一个示例性实施方案的外科手术系统的图解。
图7A和图7B例示根据一个示例性实施方案的在截骨术的执行期间的触觉引导。
图8为例示根据一个示例性实施方案的截骨术的外科手术计划和执行的流程图。
详述
在转向详细地示出示例性实施方案的附图之前，应理解，本申请不限于描述中所阐述的或在附图中所示的细节或方法论。还应理解，术语仅出于描述的目的而不应被视为限制。
一种类型的截骨术程序为高位胫骨截骨术。在高位胫骨截骨术中，可重新构造胫骨以使膝盖软骨上的重量分布移位。用于执行高位胫骨截骨术的两种不同程序包括开放楔形和闭合楔形。
图1A和图1B例示腿的开放楔形截骨术程序和承重轴2的对应移位。在图1A中，承重轴2穿过膝盖的内侧间室4。在截骨术程序的执行之后，如图1B中所示，承重轴2通过膝盖中心，从而减轻内侧间室4的软骨上的压力。
图2A例示完成的高位胫骨开放楔形截骨术。在开放楔形截骨术中，外科医生切通所有或部分骨头10。在图2A的实施方案中，骨头10为胫骨。随后使切除表面12、14之间的角增加至所需角α，并且使所得楔形充满骨移植物材料16。如本文关于外科手术方法和系统所使用，术语“所需”意味将由外科手术方法或系统达成的计划或理想结果。
图2B例示完成的高位胫骨闭合楔形截骨术。在闭合楔形截骨术期间，自胫骨移除骨头的楔形。随后将切除表面12、14拉拢在一起，从而闭合表面之间的间隙。在开放楔形截骨术和闭合楔形截骨术两者中，通过固定硬件(例如板18和螺钉20)将正确地对准的骨头保持在所述骨头的新构形中。
图3例示根据示例性实施方案的用于执行开放楔形截骨术的方法和用于执行闭合楔形截骨术的方法。关于高位胫骨截骨术论述本文所描述的若干实施方案。然而，本发明不限于高位胫骨截骨术，并且所公开方法和系统可用于身体的任何骨头上的截骨术程序，以矫正各种关节对准问题或骨头异常(例如股骨截骨术、颌面截骨术等)。
在由图3所示的方法中，提供固定板24(步骤301)。固定板24可连接至骨头并且包括第一孔眼26和第二孔眼28，如图4中所示。固定板24为通用的或针对患者特别制造的。图4示意性地例示具有一组参数的固定板24，所述参数包括第一孔眼26与第二孔眼28之间的距离“d”，然而固定板可具有参数的任何组合。板的“参数”在本文中定义为可用来描述板的任何测量、特征或特性。参数的一些实例包括板的形状；板的尺寸(例如长度、宽度和厚度)；以及板的第一孔眼26与第二孔眼28之间的距离“d”。虽然固定板24的形状展示为矩形的，但是板24可为适合于连接至骨头并且在截骨术程序之后使骨头维持在固定位置中的任何形状。板24可为卵形、正方形、梯形或任何其它几何形状。板24也可以被不规则地成形为具有突出部分或切除部分。此外，板24或板中的部分的尺寸可为均匀的或不均匀的。例如，板24在沿长度的厚度或曲率方面可变化，以便符合患者骨头的轮廓或形状。固定板24可由适合于植入患者体内的任何材料制成。
第一孔眼26和第二孔眼28可各自接收紧固件(例如螺钉或钉子)以将固定板24连接至患者骨头。孔眼26、28可为适合于接收紧固件的任何形状(例如圆形、卵形、正方形、矩形、不规则的等)。孔眼26、28的壁可为光滑的或螺纹的。如果壁为螺纹的，则插入螺纹紧固件穿过孔眼可进一步稳定固定板与骨头之间的连接。可将孔眼26、28设计为穿过固定板24的厚度的开口，外科医生能够插入分开的紧固件穿过所述开口。在一个替代实施方案中，可将固定板制造成在孔眼中具有紧固件，所述紧固件能够在孔眼内例如滑动或旋转以用于插入患者骨头中。
在患者骨头中产生孔以容纳紧固件(步骤302)。可在骨头中产生与所必需的孔一样多的孔，包括第一孔30和第二孔32(图5A)。在图5A中，第一孔30展示为紧固件34已插入第一孔30中。第一孔30和第二孔32位于相同骨头10中。例如，如果将对骨头10执行开放楔形截骨术闭合楔形截骨术，则将根据手术前计划在骨头10上产生第一孔30和第二孔32两者。在一个实施方案中，第一孔30位于骨头10的近端部分10a中并且第二孔32位于骨头10的远端部分10b中(图5A)。可通过钻孔或通过在骨头中产生孔的任何其它已知方法(例如插入和移除钉子或其它尖锐对象)来产生孔30、32。
参考图5A，固定板24是通过对准固定板的第一孔眼26和骨头10的第一孔30以及插入紧固件34穿过第一孔眼26并插入第一孔30中连接至骨头(步骤303)。图5A例示连接至患者骨头10的固定板24的一个部分。插入紧固件34穿过第一孔眼并插入第一孔中以将固定板连接至骨头。紧固件34可为适合于将固定板连接至骨头的任何类型的结构(例如骨螺钉或钉子)。在一个替代实施方案中，步骤303包括对准孔眼28与孔32以及通过插入紧固件穿过孔眼28并插入孔32中而将固定板连接至骨头。
在一个实施方案中，将固定板连接至骨头不包括牢固和/或永久固定。实情为，紧固件可松弛地连接固定板和骨头，使得可在截骨术程序期间旋转或调整板的非连接末端。在一个替代实施方案中，将固定板连接至骨头包括牢固固定，使得板不容易相对于所述板所连接到的骨头部分移动。
进一步参考图3，穿过骨头的至少一部分制作切口(即切除)(步骤304)。在开放楔形截骨术的情况下，切口可为单个平面切口。或者，在开放楔形截骨术中，可制作两个或两个以上切口以移除骨头的楔形部分，但是随后撑开使所得楔形开口。在闭合楔形截骨术的情况下，制作两个或两个以上切口以移除骨头的楔形部分，从而产生随后将闭合的楔形开口。图5A例示穿过骨头10的单个切口36。切口36可贯穿骨头的一部分，如图5A中所示，或可从头到尾贯穿骨头。切口36产生在切口36的相对侧上的第一切除表面38和第二切除表面40。在开放楔形截骨术期间撑开骨头之后，如图5B中所示，第一切除表面38和第二切除表面40各自面向在骨头10的近端部分10a与远端部分10b之间产生的楔形开口。
在一个实施方案中，可通过使用机械导件、切削夹具和/或模板来产生孔30、32和切口36。另外或替代地，外科医生可使用追踪切削工具和图像引导的手术系统，所述图像引导的手术系统在切削期间提供视觉和/或可闻引导。
在另一实施方案中，孔30、32的钻孔和切口36的产生可在触觉引导的交互式机器人系统的辅助下实现，所述触觉引导的交互式机器人系统如在2011年8月30日授予的标题为“Haptic Guidance Systemand Method”并且由此以引用方式全部并入本文的美国专利号8,010,180中所描述的触觉引导系统。当外科医生操纵机器人臂以在骨头中钻出孔或使用高速钻机、矢状锯或其它适合的工具执行切削时，系统提供触觉反馈以在雕刻孔过程中引导外科医生并且切削成适当形状，所述适当形状被预先编程至机器人臂的控制系统中。以下将更完全地解释触觉引导和反馈。
再次参考图3，步骤305和306例示取决于外科手术程序是开放楔形截骨术还是闭合楔形截骨术的不同路径。在开放楔形截骨术中，并且固定板24的一个部分连接至骨头，撑开骨头使得第一切除表面38和第二切除表面40相对于彼此移动，直到固定板24的第二孔眼28与骨头10的第二孔32对准为止(步骤305；也参见图5B)。可通过任何已知方法撑开骨头。例如，外科医生可使用任何适合的工具手动地将骨头10的近端部分10a和远端部分10b拉开，间歇地测量第一切除表面38与第二切除表面40之间的角。外科医生利用固定板24的第二孔眼28和骨头10的第二孔32来决定撑开骨头多远。如以上所述，执行开放楔形截骨术的一个挑战为达成预先计划的楔形矫正角。因为楔形矫正角决定最后股骨胫骨对准角，所以用以确保计划楔形矫正角的实行的准确机构对于截骨术程序的成功为关键的。本文所描述的执行开放楔形截骨术的方法使外科医生能够利用固定板的几何形状(例如参数)和骨头中的钻孔来确保计划楔形矫正角的达成。
在另一实施方案中，在开放楔形截骨术期间撑开骨头可借助于具有机器人触觉设备的外科手术系统来实现，所述机器人触觉设备如美国专利号8,010,180中所公开的触觉设备。在一个示例性方法中，用户将适当成形的撑开工具连接至触觉设备，并且随后与触觉设备交互以在第一切除表面38与第二切除表面40之间引导工具的末端。外科手术系统随后控制触觉设备以撑开骨头，直到达成所需矫正角(即第一切除表面与第二切除表面之间的角)为止。在一种方法中，触觉设备在表面之间缓慢地推进工具，一旦已到达第一切除表面与第二切除表面之间的所需矫正角即自动停止。
在闭合楔形截骨术中，使骨头中产生的楔形开口闭合，而不是撑开切除表面。换句话说，使通过移除骨头的楔形部分产生的切除表面拉拢在一起。一旦楔形已闭合，固定板的第二孔眼即与骨头中的第二孔对准(步骤306)。
再次参考图3，一旦固定板的第一部分已连接至骨头，外科医生即已达成所需楔形矫正角(开放楔形截骨术)或闭合楔形矫正角(闭合楔形截骨术)，并且固定板24的第二孔眼28与骨头10的第二孔32对准，可通过插入第二紧固件穿过固定板24的第二孔眼28并插入骨头10的第二孔32中来将固定板24的第二部分连接至骨头10(步骤307)。步骤307是以与以上所描述的步骤303类似的方式实现。在图5A的实施方案中，在将固定板24的第二部分连接至骨头10(例如通过插入紧固件穿过第二孔眼28并插入第二孔32中)之前，使用紧固件34将固定板24的第一部分连接至骨头10。然而，这个顺序可颠倒，使得在将固定板24的第一部分连接至骨头10之前将固定板24的第二部分连接至骨头10。换句话说，可在插入紧固件34穿过第一孔眼26并插入第一孔30中之前插入紧固件穿过第二孔眼28并且插入第二孔32中。
参考图6，根据一个示例性实施方案，外科手术系统100包括导航系统42、计算机50和触觉设备60。导航系统追踪患者骨头以及在外科手术期间利用的外科手术工具，以允许外科医生在截骨术程序期间使骨头和工具显现在显示器56上。
导航系统42可为被配置来追踪骨头的姿态(即位置和定向)的任何类型的导航系统。例如，导航系统42可包括非机械追踪系统、机械追踪系统或非机械追踪系统和机械追踪系统的任何组合。导航系统42包括检测设备44，所述检测设备获得对象相对于检测设备44的参考坐标系的姿态。当对象在参考坐标系中移动时，检测设备追踪对象的姿态以检测对象的移动。
在一个实施方案中，导航系统42包括如图6中所示的非机械追踪系统。非机械追踪系统为具有检测设备44和可追踪元件(例如导航标记46)的光学追踪系统，所述可追踪元件设置在所追踪对象上并且可由检测设备44检测。在一个实施方案中，检测设备44包括基于可见光的检测器，如Micron Tracker(Claron Technology公司(Toronto,Canada))，所述基于可见光的检测器检测可追踪元件上的图案(例如，棋盘式图案)。在另一实施方案中，检测设备44包括对红外辐射敏感并且可定位在将执行截骨术程序的手术室中的立体照相机对。可追踪元件以牢固并且稳定的方式附贴至所追踪对象，并且包括具有与所追踪对象的已知几何关系的一阵列标记。如已知，可追踪元件可为有源的(例如，发光二极管或LED)或无源的(例如，反射球体、棋盘式图案等)，并且具有独特几何形状(例如，标记的独特几何形状布置)，或在有源的有线标记的情况下，具有独特明亮图案。在操作中，检测设备44检测可追踪元件的位置，并且外科手术系统100(例如，使用嵌入式电子设备的检测设备44)基于可追踪元件的位置、独特几何形状和与所追踪对象的已知几何关系来计算所追踪对象的姿态。追踪系统42包括用于用户希望追踪的每一对象的可追踪元件，如位于骨头10上的导航标记46。在触觉引导的机器人辅助外科手术期间，导航系统可还包括触觉设备标记48(用以追踪触觉设备60的全局或粗略位置)，和末端执行器标记54(用以追踪触觉设备60的远端末端)。
在截骨术程序期间产生骨头10中的切口36之后，导航标记46将位于切口36的一个侧上。骨头10部分的后续移动到一起(例如，在闭合楔形截骨术期间)或移开(例如，在开放楔形截骨术期间)可使导航系统42不能追踪位于切口36的与导航标记46相对的侧上的骨头10部分。例如，参考图5A和图5B，在切口36的产生和部分10a和10b相对于彼此的后续移动之后，近端部分10a或远端部分10b可不再被准确地追踪。导航系统42在截骨术程序期间不能追踪骨头10的一部分可引起骨头的未追踪部分与骨头10的手术前三维表示之间的配准丧失(以下进一步描述)。配准丧失可妨碍使用触觉设备60来产生孔30、32和切口36的能力。用以克服与在切口36的产生之后不能追踪骨头10的一部分相关联的某些缺点的一个有益选项将在切口36的产生之前钻出第一孔30和第二孔32。因此将在第一孔30、第二孔32和切口36的产生期间追踪骨头10的部分10a和10b两者。用以克服在截骨术程序期间不能追踪部分10a和10b两者的另一选项将在切口36的计划位置的每一侧上具有导航标记。
再次参考图6，外科手术系统100还包括处理电路，在图中表示为计算机50。处理电路包括处理器和存储器设备。处理器可实行为通用处理器、专用集成电路(ASIC)、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、一组处理组件或其它适合的电子处理组件。存储器设备(例如，存储器、存储器单元、存储设备等)为用于存储用于完成或促进本申请中所描述的各种过程、层或功能的数据和/或计算机代码的一个或多个设备(例如，RAM、ROM、闪速存储设备、硬盘存储设备等)。存储器设备可为或包括易失性存储器或非易失性存储器。存储器设备可包括数据库组件、对象代码组件、脚本组件，或用于支持各种活动和本申请中所描述的信息结构的任何其它类型的信息结构。根据一个示例性实施方案，存储器设备经由处理电路可通信地连接至处理器，并且包括用于执行(例如，由处理电路和/或处理器)本文所描述的一个或多个过程的计算机代码。
计算机50被配置来与导航系统42和触觉设备60通信。此外，计算机50可接收与截骨术程序相关的信息，并且执行与截骨术程序的执行相关的各种功能。例如，计算机50在必要时可具有软件以执行与图像分析、外科手术计划、配准、导航、图像引导和触觉引导相关的功能。
计算机50接收患者解剖学的图像，将对所述患者解剖学执行截骨术程序。参考图8，在截骨术的执行之前，使用如CT或MRI的任何已知成像技术扫描患者解剖学(步骤801)。随后分段扫描数据以获得患者解剖学的三维表示。例如，在高位胫骨截骨术的执行之前，产生股骨和胫骨的三维表示。使用三维表示并且为计划过程的部分，可选择股骨和胫骨界标，并且计算患者的股骨胫骨对准角。股骨和胫骨界标可包括股骨头中心、胫骨踝中心和内侧胫骨棘。股骨胫骨对准角为连接股骨头中心和内侧胫骨棘的线与将内侧胫骨棘连接至胫骨踝中心的线之间的角。基于患者的当前股骨胫骨角和将要由截骨术程序达成的所需股骨胫骨对准角，编程计算机50以计算所需矫正角。
矫正角可表示用于在截骨术程序期间计划将要在骨头中钻出的孔和/或将要穿过骨头的至少一部分制作的切口的任何角测量。例如，在开放楔形截骨术程序中，矫正角可为由穿过骨头的切口产生的第一切除表面与第二切除表面之间的所需角，也被称为楔形矫正角。在开放楔形截骨术中，在已撑开两个切除表面之后，理想地达成楔形矫正角，并且截骨术程序完成。在闭合楔形截骨术程序中，矫正角可为将要自骨头移除的楔形的任一侧上的两个切除表面之间的角。或者，在开放楔形截骨术程序或闭合楔形截骨术程序中，矫正角可涉及关节的两个骨头之间的角或为所述角的函数。例如，矫正角可为以下各项中的任一个：(a)股骨与胫骨之间的所需角；(b)(i)股骨与胫骨之间的当前角与(ii)股骨与胫骨之间的所需角之间的差异；以及(c)股骨与胫骨之间的所需角的函数。
在矫正角已由计算机50计算之后，计算机50用来至少部分基于矫正角开发外科手术计划(步骤803)。应理解，用户可在在外科手术计划期间的任何阶段与计算机50交互，以输入信息并且修改外科手术计划的任何部分。外科手术计划包括多个计划虚拟边界。图7A中所示的虚拟边界表示将要在截骨术程序期间于骨头10中制作的孔和/或切口。具体来说，虚拟边界可表示骨头10中的第一孔30、骨头10中的第二孔32和穿过骨头10的至少一部分的切口36。一旦已开发外科手术计划，触觉设备60用来辅助用户产生计划孔30、32和切口36。
在外科手术计划期间，计算机50还接收与将要在截骨术程序期间使用的固定板24(例如“选定的固定板”)相关的信息(步骤802)。例如，用户可使用输入设备52(例如键盘、鼠标等)将选定的固定板24的参数输入至计算机50中。或者，计算机50可含有各种固定板和所述固定板的参数的预先建立的数据库，并且用户可自数据库选取选定的固定板24。在又一实施方案中，可基于患者特定的外科手术计划按用户定制设计固定板24。固定板24的选择可发生在外科手术计划的任何阶段期间。
外科手术计划可还基于固定板24的至少一个参数或固定板24的参数的函数。因为固定板24可在外科手术计划过程的任何阶段选择，所以可在由计算机50进行的计划虚拟边界的决定之前或之后选择固定板24。如果首先选择固定板24，则计划虚拟边界可至少部分基于固定板24的参数。例如，可基于所需矫正角和固定板24的第一孔眼26与第二孔眼28之间的距离(或固定板的任何其它参数)来计划表示骨头10中的第一孔30和第二孔32的计划虚拟边界之间的距离(或任何其它关系)。以这种方式，外科手术计划的实行(例如孔30、32的产生、切口36的产生、切除表面的撑开等)将导致骨头10中的第一孔30和第二孔32与固定板24的第一孔眼26和第二孔眼28的对准。或者，计算机50可在固定板选择之前开发外科手术计划，包括计划虚拟边界。在这种情况下，可至少部分基于计划虚拟边界来选择(例如输入、选取或设计)固定板24。例如，可基于计划虚拟边界来选择固定板24，使得外科手术计划的执行将导致骨头10中的第一孔30和第二孔32与固定板24的第一孔眼26和第二孔眼28的对准。
虚拟边界存在于虚拟空间中，并且可表示现存或将要在物理(即真实)空间中产生的特征。虚拟边界对应于物理空间中的能够与物理空间中的对象交互的工作边界。例如，工作边界可与连接至触觉设备60的外科手术工具58交互。虽然外科手术计划在本文中通常描述为包括表示第一孔30、第二孔32和切口36的虚拟边界，但是外科手术计划可包括表示额外孔、切口或对骨头10的其它修改的虚拟边界。此外，虚拟边界可对应于物理空间中的能够与物理空间中的对象交互的任何工作边界。
参考图8，在外科手术计划之后并且在执行截骨术之前，使用任何已知配准技术将物理解剖学(例如骨头10)配准至解剖学的虚拟表示(例如手术前三维表示)(步骤804)。可能的配准技术包括以上引用的美国专利号8,010,180中所描述的基于点的配准技术，或如在2012年7月30日提交的标题为“Radiographic Imaging Device”并且由此以引用方式全部并入本文的美国申请号13/562,163中所描述的利用手持射线照相成像设备的2D/3D配准患者解剖学的配准允许在外科手术程序期间的准确导航(步骤805)，这使虚拟边界中的每一个能够对应于物理空间中的工作边界。例如，参考图7A和图7B，表示骨头10中的第一孔的虚拟边界62对应于物理空间中的工作边界66。工具边界66的一部分转而对应于第一孔30在骨头10中的计划位置。
虚拟边界并且因此对应工作边界可为任何构形或形状。参考图7A，表示将要在骨头10中产生的第一孔30和第二孔32的虚拟边界62和68可为适合于在第一孔30和第二孔32的产生期间辅助用户的任何构型。虚拟边界62和68的例示在骨头10的虚拟表示内的部分表示将要通过外科手术工具移除的骨头。类似地，表示穿过骨头的至少一部分的切口36的虚拟边界72可为适合于在切口36的产生期间辅助用户的任何构形。虚拟边界(并且因此，对应工作边界)可包括完全包围并且围绕三维体积的一个表面或多个表面。在一个替代实施方案中，虚拟边界和工作边界不完全包围三维体积，而是包括“活性”表面和“开放”部分。例如，表示骨头中的第一孔的虚拟边界62可具有本质上圆柱形“活性”表面和连接至圆柱形部分的具有“开放”部分64的漏斗形“活性”表面。在一个实施方案中，可将虚拟边界62、68产生为具有如2011年12月29日提交的标题为“Systems and Methodsfor Selectively Activating Haptic Guide Zones”并且由此引用方式全部并入本文的美国公开号13/340,668中所描述的折叠漏斗。对应于虚拟边界62的工作边界66具有与虚拟边界62相同的构形。在一个额外实施方案中，表示骨头10中的第一孔30的虚拟边界62仅包括实质上圆柱形部分62a。具有仅圆柱形部分的虚拟边界的末端可具有“开放”顶部，使得对应工作边界的开放顶部与骨头10的外表面一致。或者，如图7A和图7B中所示，对应于虚拟边界部分62a的圆柱形工作边界部分66a可延伸穿过骨头10的外表面。表示骨头10中的第二孔32的虚拟边界68可具有与虚拟边界62相同的构形或可具有不同构形，这取决于外科手术计划。对应于虚拟边界68的工作边界70具有与虚拟边界68相同的构形。
表示穿过骨头的一部分的切口的虚拟边界72可具有本质上平面形状。或者，虚拟边界72可为弯曲的或具有不规则形状。虚拟边界72也可具有厚度，但是图7A将虚拟边界72示意性地例示为线。例如，虚拟边界72可比用来在骨头中产生切口的外科手术工具稍微较厚，使得工具在骨头内时可被抑制在工作边界74的活性表面内。可计划虚拟边界72，使得对应工作边界74以漏斗或其它适当形状延伸穿过骨头10的外表面，以在外科手术工具58正接近骨头10时辅助外科医生。可基于外科手术工具58与工作边界的活性表面之间的关系将触觉引导和反馈(如以下所描述)提供给用户。
外科手术计划也可包括虚拟边界以促进进入和退出触觉控制，包括外科手术工具的自动对准，所述虚拟边界如2012年12月21日提交的标题为“Systems and Methods for Haptic Control of a SurgicalTool”并且由此以引用方式全部并入本文的美国申请号13/725,348中所描述。
包括虚拟边界的外科手术计划可基于与患者骨头密度相关的信息加以开发。使用自CT、MRI或患者解剖学的其它成像获得的数据计算患者骨头的密度。在一个实施方案中，成像表示人类骨头并且具有已知钙含量的校正对象以获得图像强度值与骨头密度测量之间的对应。这个对应随后可应用于将患者解剖学的个别图像的强度值转换成骨头密度测量。具有骨头密度测量的对应示意图的患者解剖学的个别图像随后被分段，并且用来产生患者解剖学的三维表示(即模型)，包括患者的骨头密度信息。随后可对模型执行如有限元分析(FEA)的图像分析以评估模型的结构完整性。
评估患者解剖学的结构完整性的能力改善截骨术计划的有效性。例如，如果患者骨头的某些部分表现出密度较低(即骨质疏松)，则可计划孔和切口以最小化骨头的变弱部分骨折的风险。此外，也可在手术前针对结构完整性评估在外科手术计划的实行之后的骨头的计划结构(例如手术后骨头)，以改善外科手术计划。在这个实施方案中，计划孔和/或切口，并且操纵模型以表示截骨术程序的执行之后的患者骨头。例如，可产生开放楔形截骨术的执行之后的患者骨头的模型，在所述开放楔形截骨术期间，已撑开切除表面，已增添骨移植物并且固定板已连接至骨头。也可模型化闭合楔形截骨术之后的患者骨头，在所述闭合楔形截骨术期间，已闭合楔形开口并且固定板已连接至骨头。可考虑影响手术后骨头的结构完整性的各种其它因素，如患者体重和生活方式。分析手术后骨头的结构完整性以决定将是否在手术后在结构上叩诊患者骨头。如果分析发现结构弱点，则可修改外科手术计划以达成所需手术后结构完整性。
一旦外科手术计划已结束，外科医生即可在触觉设备60的辅助下执行截骨术程序(步骤806)。通过触觉设备60，外科手术系统100将触觉引导和反馈提供给外科医生以帮助外科医生准确地实行外科手术计划。截骨术程序期间的触觉引导和反馈与常规截骨术技术相比允许对外科手术工具的较大控制，从而导致更准确的对准矫正。此外，触觉引导和反馈意图消除对将克氏针荧光镜检查用于计划目的的需要。相反地，使用患者解剖学的三维表示产生并且验证外科手术计划，并且触觉设备在外科手术程序期间提供引导。
“触觉”涉及触摸的感觉，并且触觉学领域涉及将触感反馈和/或力反馈提供至操作员的人类交互设备。触感反馈通常包括触感感觉，例如像振动。力反馈(也称为“扭转”)涉及以力(例如，对移动的阻力)和/或扭矩形式的反馈。扭转包括例如以力、扭矩或力和扭矩的组合形式的反馈。触觉反馈也可涵盖禁用或改变提供至外科手术工具的功率的量，所述外科手术工具可将触感反馈和/或力反馈提供给用户。
外科手术系统100基于外科手术工具58与工作边界中的至少一个的关系将触觉反馈提供给外科医生。外科手术工具58与工作边界之间的关系可为外科手术工具58与工作边界之间的可由导航系统获得并且由外科手术系统100利用来提供触觉反馈的任何适合的关系。例如，所述关系可为外科手术工具58相对于一个或多个工作边界的位置、定向、姿态、速度或加速度。所述关系可进一步为外科手术工具58相对于一个或多个工作边界的位置、定向、姿态、速度和加速度的任何组合。外科手术工具58与工作边界之间的“关系”也可涉及起因于外科手术工具58与工作边界之间的另一关系的量或测量。换句话说，“关系”可为另一关系的函数。作为一个特定实例，外科手术工具58与工作边界之间的“关系”可为由外科手术工具58与工作边界之间的位置关系产生的触觉力的量级。
在操作期间，外科医生操纵触觉设备60以引导连接至设备的外科手术工具58。外科手术系统100通过触觉设备60将触觉反馈提供给用户，以在计划孔、切口或对患者骨头的其它修改的产生期间辅助外科医生。
例如，外科手术系统100可通过实质上防止或抑制外科手术工具58与工作边界交叉来辅助外科医生。外科手术系统100可通过任何数目的触觉反馈机制和触觉反馈机制的任何组合，包括通过提供触感反馈、通过提供力反馈和/或通过改变提供至外科手术工具的功率的量，来抑制外科手术工具与工作边界交叉。如本文所使用的“抑制”用来描述限制移动的趋向。因此，外科手术系统可通过将相对力施加至触觉设备60来直接抑制外科手术工具58，这倾向于限制外科手术工具58的移动。外科手术系统也可通过提供触感反馈以提醒用户改变他的或她的作用来间接抑制外科手术工具58，因为提醒用户改变他的或她的作用倾向于限制外科手术工具58的移动。在又一实施方案中，外科手术系统100可通过限制到外科手术工具58的功率来抑制外科手术工具58，这也倾向于限制工具的移动。
在各种实施方案中，当外科手术工具58接近工作边界时，在外科手术工具58与工作边界接触时和/或在外科手术工具58已穿透工作边界预定深度之后，外科手术系统100将触觉反馈提供给用户。外科医生可体验例如作为振动、作为触觉设备的扭转抵抗或积极相对进一步移动，或作为实质上防止触觉设备的进一步移动的实体“壁”的触觉反馈。用户可替代地体验作为起因于提供至外科手术工具58的功率的改变的触感感觉(例如振动的变化)或起因于提供至工具的功率的中止的触感感觉的触觉反馈。如果到外科手术工具的功率在外科手术工具58正在钻孔、切削或以其它方式对骨头直接操作时改变或停止，则外科医生将感受到以对进一步移动的抵抗形式的触觉反馈，因为工具不再能够钻孔、切削或以其它方式穿过骨头。在一个实施方案中，到外科手术工具的功率在外科手术工具58与工作边界之间接触时改变(例如减少到工具的功率)或停止(例如禁用工具)。或者，可在外科手术工具58接近工作边界时改变(例如减少)提供至外科手术工具58的功率。
在另一实施方案中，外科手术系统100可通过提供触觉反馈以朝向工作边界或沿工作边界引导外科手术工具58来辅助外科医生产生计划孔、切口和对骨头的其它修改。作为一个实例，外科手术系统100可基于外科手术工具58的尖端与工作边界的最近坐标之间的位置关系将力提供至触觉设备60。这些力可使外科手术工具58接近最近工作边界。一旦外科手术工具58实质上靠近或接触工作边界时，外科手术系统100即可施加倾向于引导外科手术工具58沿工作边界的一部分移动的力。在另一实施方案中，力倾向于引导外科手术工具58自工作边界的一个部分移动至工作边界的另一部分(例如自工作边界的漏斗形部分移动至工作边界的圆柱形部分)。
在又另一实施方案中，外科手术系统100被配置来通过提供触觉反馈以将外科手术工具自一个工作边界引导至另一工作边界来辅助外科医生产生计划孔、切口和对骨头的修改。例如，当用户朝向工作边界66引导外科手术工具58时，外科医生可体验倾向于朝向工作边界66外科手术工具58的力。当用户随后自由工作边界66围绕的空间移除外科手术工具58并且操纵触觉设备60使得外科手术工具58接近工作边界70时，外科医生可体验推离工作边界66并且推向工作边界70的力。
如本文所描述的触觉反馈可结合由外科手术系统100进行的对工作边界的修改一起操作。虽然本文论述为对“工作边界”的修改，但是应理解外科手术系统100修改对应于工作边界的虚拟边界。对工作边界的修改的一些实例包括：1)工作边界的重新构造(例如形状或大小的变化)，和2)活化和减活整个工作边界或工作边界的部分(例如将“开放”部分转换成“活性”表面和将“活性”表面转换成“开放”部分)。对工作边界的修改，类似地对触觉反馈的修改，可由外科手术系统100基于外科手术工具58与一个或多个工作边界之间的关系执行。对工作边界的修改通过促进各种作用来在截骨术程序期间进一步辅助用户产生所需要的孔和切口，所述各种作用如外科手术工具58朝向骨头的移动和由外科手术工具58进行的骨头切削。
在一个实施方案中，对工作边界的修改促进外科手术工具58朝向骨头10的移动。在外科手术程序期间，因为患者解剖学由导航系统追踪，所以外科手术系统100与患者解剖学的移动一致地移动整个工作边界66。除这个基线移动之外，可重新成形和/或重新构造工作边界66的部分以促进外科手术工具58朝向骨头10的移动。作为一个实例，外科手术系统可基于外科手术工具58与工作边界66之间的关系在外科手术程序期间相对于圆柱形部分66a倾斜工作边界66的漏斗形部分66b。因此可在外科手术程序期间动态地修改工作边界66，使得当外科手术工具58接近骨头10时，外科手术工具58保持在由工作边界66的部分66b围绕的空间内。
在另一实施方案中，活化并且减活工作边界或工作边界的部分。活化和减活整个工作边界可在外科手术工具58正在接近骨头10时辅助用户。例如，可在外科医生正在接近工作边界66或外科手术工具58处于由工作边界66围绕的空间内的时间期间减活工作边界70。类似地，可在外科医生已完成第一孔30的产生并且准备好产生第二孔32之后减活工作边界66。在一个实施方案中，可在外科手术工具58进入在漏斗部分70b内但在漏斗部分66b之外的区域之后减活工作边界66。活化工作边界的一部分将先前开放部分(例如开放顶部67)转换成工作边界的活性表面。相反，减活工作边界的一部分将工作边界的先前活性表面(例如工作边界66的末端部分)转换成“开放”部分。
活化和减活整个工作边界或所述整个工作边界的部分可在外科手术程序期间由外科手术系统100动态地实现。换句话说，外科手术系统100可被编程来在外科手术程序期间决定触发虚拟边界或虚拟边界的部分的活化和减活的因素和关系的存在。在另一实施方案中，用户可与外科手术系统100交互(例如通过使用输入设备52)，以指示截骨术程序的各种阶段的开始或完成，从而触发工作边界或所述工作边界的部分以活化或减活。
虽然就开放楔形截骨术而言描述并且例示以上所提供的实例中的一些，但是本文所提供的方法和系统也可适用闭合楔形截骨术。例如，可根据用于闭合楔形截骨术的外科手术计划改变图7A和图7B中所示的虚拟边界和对应工作边界。例如，一个变化可包括以表示将要通过外科手术工具移除的骨头的楔形的楔形虚拟边界替换实质上平面形的虚拟边界72。
如各种示例性实施方案中所示的系统和方法的构造和布置仅是例示性的。虽然在本公开中已详细描述了仅少数实施方案，但是许多修改是可能的(例如，在各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数值、安装布置、材料的使用、色彩、定向等方面的变化)。例如，元件的位置可以反向或以其它方式变换元件的位置，并且可以改变或变换离散元件或位置的特性或数目。因此，全部这些修改都意图包括在本公开的范围内。任何过程或方法步骤的顺序或次序可根据可替代实施方案被改变或重新排序。在不脱离本公开的范围的情况下，可对示例性实施方案的设计、操作条件和布置进行其它的替换、修改、改变和省略。
本公开涵盖用于实现各种操作的任何机器可读介质上的方法、系统和程序产品。可使用现存计算机处理器，或通过用于适当系统的专用计算机处理器(出于这个目的或另一目的并入)或通过硬线连接系统来实行本公开的实施方案。本公开范围内的实施方案包括程序产品，所述程序产品包括用于承载机器可执行指令或数据结构或存储有机器可执行指令或数据结构的机器可读介质。这样的机器可读介质可以是任何可用介质，所述介质可由通用计算机或专用计算机或具有处理器的其它机器进行存取。举例来说，这样的机器可读介质可以包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其它光碟存储设备、磁碟存储设备、其它磁性存储设备、固态存储设备或任何其它介质，所述其它介质可用来承载或存储以机器可执行指令或数据结构形式的所需程序代码并且可由通用计算机或专用计算机或具有处理器的其它机器进行存取。当信息经由网络或另一通信连接(硬线连接、无线，或者硬线连接或无线的组合)传递或提供至机器时，所述机器恰当地将所述连接视为机器可读介质。因此，任何这样的连接都被恰当地称为机器可读介质。以上的组合也包括在机器可读介质的范围内。机器可执行指令例如包括使通用计算机、专用计算机或专用处理机器执行某一功能或功能组的指令和数据。
虽然这些附图可以展示出方法步骤的特定次序，但是步骤的次序可不同于所描绘的次序。另外，可并行地或部分同时地执行两个或更多个步骤。这样的变化将取决于所选择的软件和硬件系统并且取决于设计者的选择。所有这样的变化都在本公开的范围内。同样地，可使用利用了基于规则的逻辑和其它逻辑的标准程序设计技术来实现软件实行方案，以便实现任何连接步骤、处理步骤、比较步骤和决定步骤。

Claims (21)

1.一种用于执行截骨术的方法，所述方法包括：
提供固定板，所述固定板界定第一孔眼和第二孔眼；
在骨头中产生第一孔和第二孔；
通过将所述固定板的所述第一孔眼与所述骨头的所述第一孔对准和插入紧固件穿过所述第一孔眼并插入所述第一孔中来将所述固定板连接至所述骨头；
在产生所述第一孔和所述第二孔之后，穿过所述骨头的至少一部分产生切口以产生第一切除表面和第二切除表面；
使所述第一切除表面和所述第二切除表面相对于彼此移动，直到所述固定板的所述第二孔眼与所述骨头的所述第二孔对准为止；以及
通过插入第二紧固件穿过所述固定板的所述第二孔眼并插入所述骨头的所述第二孔中将所述固定板连接至所述骨头。
2.如权利要求1所述的方法，其中使所述第一切除表面和所述第二切除表面相对于彼此移动的所述步骤包括撑开所述第一切除表面和所述第二切除表面以彼此远离。
3.如权利要求1所述的方法，其还包括：
使用导航系统追踪所述骨头的姿态。
4.如权利要求1所述的方法，其还包括：
决定表示所述骨头中的所述第一孔、所述骨头中的所述第二孔和所述切口的计划虚拟边界，其中所述计划虚拟边界至少部分基于所述固定板的参数。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述固定板的所述参数是所述第一孔眼与所述第二孔眼之间的距离的函数。
6.如权利要求1所述的方法，其还包括：
计算矫正角；并且
其中使所述第一切除表面和所述第二切除表面移动的所述步骤包括在所述第一切除表面与所述第二切除表面之间形成所述矫正角。
7.如权利要求1所述的方法，其中在所述骨头中产生所述第一孔和所述第二孔的所述步骤包括利用触觉设备，所述触觉设备被配置来将触觉反馈提供给用户。
8.如权利要求1所述的方法，其中穿过所述骨头的至少一部分产生切口的所述步骤包括利用触觉设备，所述触觉设备被配置来将触觉反馈提供给用户。
9.一种外科手术系统，其包括：
固定板，其界定第一孔眼和第二孔眼；以及
处理电路，其被配置来：
计算矫正角；
至少部分基于所述矫正角开发外科手术计划，其中所述外科手术计划包括表示骨头中的第一孔、所述骨头中的第二孔和穿过所述骨头的至少一部分的切口的多个计划虚拟边界；并且
促进所述外科手术计划的实行，其中所述切口是在所述第一孔和所述第二孔之后产生；
其中所述固定板的所述第一孔眼和所述第二孔眼被配置来在所述外科手术计划的实行之后与所述骨头中的所述第一孔和所述第二孔对准。
10.如权利要求9所述的系统，其还包括导航系统，所述导航系统被配置来追踪所述骨头。
11.如权利要求9所述的系统，其还包括与所述处理电路通信的触觉设备，
其中所述触觉设备被配置来基于外科手术工具与对应于所述计划虚拟边界中的至少一个的工作边界之间的关系将触觉反馈提供给用户。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述触觉反馈被配置来辅助所述第一孔、所述第二孔和所述切口中的至少一个的产生。
13.如权利要求9所述的系统，
其中所述切口的所述计划虚拟边界对应于所述骨头的第一切除表面和所述骨头的第二切除表面，并且
其中所述矫正角是所第一切除表面与所述第二切除表面之间的所需角。
14.如权利要求9所述的系统，其中所述矫正角为以下各项中的至少一个：(a)股骨与胫骨之间的所需角，(b)(i)所述股骨与所述胫骨之间的当前角与(ii)所述股骨与所述胫骨之间的所述所需角之间的差异，和(c)所述股骨与所述胫骨之间的所述所需角的函数。
15.如权利要求9所述的系统，其中所述外科手术计划是至少部分基于所述固定板的参数加以开发。
16.一种计算机可读存储介质，其上具有指令，所述指令在由处理电路执行时有助于开放楔形截骨术的计划和执行，所述介质包括：
用于计算矫正角的指令；
用于至少部分基于所述矫正角和固定板的参数来开发外科手术计划的指令，其中所述外科手术计划包括表示骨头中的第一孔、所述骨头中的第二孔和穿过所述骨头的至少一部分的切口的多个计划虚拟边界；以及
用于促进所述外科手术计划的实行的指令，其中所述切口是在所述第一孔和所述第二孔之后产生。
17.如权利要求16所述的计算机可读存储介质，其中所述固定板的所述参数是所述固定板的第一孔眼与第二孔眼之间的距离的函数。
18.如权利要求16所述的计算机可读存储介质，其还包括用于控制触觉设备的指令，
其中所述触觉设备被配置来基于外科手术工具与对应于所述计划虚拟边界中的至少一个的工作边界之间的关系将触觉反馈提供给用户。
19.如权利要求18所述的计算机可读存储介质，其中所述触觉反馈被配置来辅助所述第一孔、所述第二孔和所述切口中的至少一个的产生。
20.如权利要求16所述的计算机可读存储介质，
其中所述切口的所述计划虚拟边界对应于所述骨头的第一切除表面和所述骨头的第二切除表面；并且
其中所述矫正角是所述第一切除表面与所述第二切除表面之间的所需角。
21.如权利要求16所述的计算机可读存储介质，
其中所述矫正角为以下各项中的至少一个：(a)股骨与胫骨之间的所需角，(b)(i)所述股骨与所述胫骨之间的当前角与(ii)所述股骨与所述胫骨之间的所述所需角之间的差异，和(c)所述股骨与所述胫骨之间的所述所需角的函数。
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