CN108309393B - 用于关节修复的患者特异性器械和方法 - Google Patents

用于关节修复的患者特异性器械和方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种在进行关节修复时使用的患者特异性器械。患者特异性夹具被适于定位在骨的关节表面处骨的上方，用于帮助制备接纳假体的骨表面。该夹具包括适于配合式接触骨的关节表面的一部分的骨接触部分和适于接纳用于切割骨的关节表面的锯片的切割槽件。切割槽件可被压配合到切割引导件的开口内。用于引导假体在骨的被切割表面上的定位的患者特异性板和患者特异性旋转引导件也被提供了。用于制造患者特异性夹具的方法也被提供了。

Description

用于关节修复的患者特异性器械和方法
本申请是申请日为2013年5月24日、申请号为201380027038.1、发明名称为“用于关节修复的患者特异性器械和方法”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年5月24日提交的美国临时申请No.61/651,061，于2012年7月16日提交的美国临时专利申请No.61/671,990和于2013年3月15日提交的美国临时申请No.617/87579的优先权。
技术领域
本申请涉及用于关节修复的患者特异性器械。
背景技术
在关节成形术中，受伤的关节，比如膝关节，被用修复术植入体代替。在植入植入体之前，该关节的受伤区域通常通过处理骨的一些区域而进行制备，以提供能够与植入体对准并且因此适应植入体的表面。
在关节成形术手术中植入体对准的准确性是很重要的。在膝关节置换术中，需要膝关节的正确对准，使髋的中心、膝和踝被对齐在一直线上。这确保了患者的较快康复和更好的膝关节功能。为此目的，保证在骨切割过程中使用的修整器械的准确位置和定向的机械夹具通常在关节成形术比如膝关节置换术手术过程中使用。然而，这些传统的夹具可能缺少精确性，因为它们可能依靠使用者的判断来评估这些装置的正确定位。另外每个患者的解剖学结构不同，可能需要适当改变部件的尺寸来优化手术的结果。另外，在一定程度上，传统的部件只允许患者定制。这样，传统器械的使用可能导致不对准并且导致修复术植入体的不稳定和潜在的磨损或甚至过早失效。
因此，需要一种在关节修复过程中使用的改进的患者特异性器械。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种新式患者特异性器械和方法。
因此，根据本申请，提供了一种患者特异性旋转引导件，用于在关节修复手术中引导工具在骨的被切割表面上的定位，所述旋转引导件包括本体，所述本体包括：被适于固定到所述工具的工具附接件；和具有骨接触表面的骨接触构件，所述骨接触表面被利用患者特异性建模成形为符合所述骨的关节表面的形状，从而当所述工具被定位于所述被切割表面上时配合式接触所述关节表面。
另外根据本申请，所述工具附接件具有符合所述工具的形状的内轮廓，用于当工具附接件被固定到工具时将工具附接件固持在位。
另外根据本申请，所述工具附接件具有符合工具的周围部的外轮廓。
另外根据本申请，所述工具附接件包括将工具附接件固定到工具的至少一个附接装置。
另外根据本申请，所述本体包括利用患者特异性建模而定位于本体上的至少一个对准元件，用于引导所述工具在所述骨的被切割表面上的定位。
另外根据本申请，所述至少一个对准元件表示所述骨的至少一个解剖学方向。
另外根据本申请，所述至少一个对准元件表示所述骨的机械轴线、内外方向、和前后方向中的至少一个。
另外根据本申请，所述工具具有形成于其中的至少一个孔隙，并且所述至少一个对准元件包括适于当工具附接件被固定到工具时与所述至少一个孔隙协作的至少一个开口，相协作的至少一个孔隙和至少一个开口适于将至少一个固定结构接纳于其中以将工具固定到所述被切割表面。
另外根据本申请，提供了一种用于在关节修复过程中制备骨的关节表面的患者特异性夹具，所述患者特异性夹具包括具有配合表面的至少一个骨接触构件，所述配合表面被利用患者特异性建模成形为符合关节表面的形状，所述配合表面被适于配合式接触所述关节表面的一部分；和邻近所述至少一个骨接触构件的切割引导件，其被适于将用于切割所述关节表面的锯片接纳于其中。
另外根据本申请，所述至少一个骨接触构件具有形成于其中的至少一个间隙，所述至少一个间隙被成形为符合所述关节表面的至少一个被选区域的形状，用于防止所述配合表面和所述至少一个被选区域之间接触。
另外根据本申请，所述至少一个间隙被成形为用于防止所述配合表面与软骨、软组织、骨赘、和半月板中的至少一个之间接触。
另外根据本申请，所述至少一个骨接触构件的配合表面被适于配合式接触外侧股骨髁的远侧表面、内侧股骨髁的远侧表面、外侧股骨髁的前表面、和内侧股骨髁的前表面。
另外根据本申请，所述至少一个骨接触构件的配合表面被适于配合式接触外侧胫骨平台的近侧表面、内侧胫骨平台的近侧表面、和前近侧胫骨表面。
另外根据本申请，所述至少一个骨接触构件的配合表面被成形为符合胫骨髁间隆起的形状，用于当所述配合表面配合式接触所述关节表面时固定所述夹具相对于所述骨的内-外位置和旋转。
另外根据本申请，所述至少一个骨接触构件的配合表面具有第一尺寸，所述第一尺寸与所述骨的第二尺寸成比例。
另外根据本申请，所述至少一个骨接触构件包括利用患者特异性建模被定义在所述至少一个骨接触构件上的至少一个对准元件，用于引导夹具在所述骨的被切割表面上的定位。
另外根据本申请，所述至少一个对准元件表示所述骨的至少一个解剖学方向。
另外根据本申请，所述至少一个对准元件表示所述骨的前后方向和所述骨的机械轴线中的至少一个。
另外根据本申请，所述至少一个对准元件表示一平面，所述关节表面将沿所述平面进行切割。
另外根据本申请，所述切割引导件包括用于接纳一插件的开口，所述插件包括第一构件和第二构件，所述第二构件被接合到第一构件并且与所述第一构件间隔开以限定出适于接纳锯片的孔隙。
另外根据本申请，提供了一种用于在关节修复过程中切割关节骨表面时使用的切割槽件，所述切割槽件包括：外壳，其被适于邻近所述关节骨表面定位，所述外壳具有限定于其中的开口；和插件，其被适于安装到所述开口内，所述插件具有限定于其中的孔隙，所述孔隙被适于接纳用于切割所述关节骨表面的锯片。
另外根据本申请，所述插件包括第一构件和接合到第一构件的第二构件，所述第二构件被与所述第一构件间隔开以限定出所述孔隙。
另外根据本申请，所述第一构件和第二构件分别具有第一端和与第一端相反的第二端，并且分别被提供有位于第一端的第一附接装置和位于第二端的第二附接装置，所述第一构件的第一附接装置被适于与所述第二构件的第一附接装置协作，并且所述第一构件的第二附接装置被适于与所述第二构件的第二附接装置以将第一构件接合到第二构件。
另外根据本申请，所述外壳包括用于固定所述插件在所述开口内的位置的至少一个抗压肋，所述至少一个抗压肋被适于响应于在插件被安装到开口内时施加于所述抗压肋上的压力而弹性变形。
另外根据本申请，所述外壳包括第一、第二、第三、和第四抗压肋，随着所述插件被安装到所述开口内，所述第一抗压肋被邻近所述第一构件的第一端定位，所述第二抗压肋被邻近所述第二构件的第一端定位，并且所述第三和第四抗压肋被邻近所述第二构件的下表面定位。
另外根据本申请，所述外壳具有形成于其中的至少一个开口，所述至少一个开口被适于将用于向所述关节骨表面内钻至少一个孔的钻头接纳于其中，所述至少一个孔被适于接纳至少一个固定结构以将所述切割槽件固定到所述关节骨表面。
另外根据本申请，所述切割槽件还包括适于被接纳在所述至少一个开口中的至少一个衬套，所述至少一个衬套被配置用于将钻头容纳于其中并且阻挡由于所述至少一个孔的钻削而产生的残余碎屑。
另外根据本申请，所述插件具有沿其长度基本上恒定的宽度。
另外根据本申请，所述第一和第二构件由被冲压的金属片制成。
另外根据本申请，所述外壳由塑料材料制成。
另外根据本申请，提供了一种由于在关节修复过程中制备骨的被切割表面以将假体部件接纳于该表面上的患者特异性板，所述患者特异性板包括：本体，其被利用患者特异性建模成形并且具有与所述被切割表面的周围部相符的轮廓，所述本体包括：骨接触面，其被适于定位在所述被切割表面上，和与所述骨接触面相反的假体接纳面，所述假体接纳面包括至少一个对准元件，所述至少一个对准元件被利用患者特异性建模限定，用于引导所述假体部件在所述假体接纳面上的定位。
另外根据本申请，所述假体接纳面具有在其上规定出的所述假体部件的轮廓。
另外根据本申请，所述至少一个引导元件表示骨的至少一个解剖学方向，用于引导所述假体部件相对于所述至少一个解剖学方向的定位。
另外根据本申请，所述至少一个引导元件表示所述骨的内外方向和前后方向中的至少一个。
另外根据本申请，所述至少一个引导元件包括至少一个孔隙，所述至少一个孔隙表示在所述被切割表面上钻削至少一个孔的至少一个部位，所述至少一个孔被适于将至少一个固定结构接纳于其内，以将在关节修复过程中使用的工具固定于所述被切割表面上。
另外根据本申请，提供了一种制造在关节修复过程中制备骨的关节表面时使用的患者特异性夹具的方法，所述方法包括：获取所述骨的图像数据；利用所获取的图像数据生成所述骨的三维模型；提供夹具坯料模型；和应用布尔操作以从所述夹具坯料模型去除材料，从而解构所述夹具坯料模型，被解构的夹具坯料模型的形状符合所述骨的三维模型的形状。
另外根据本申请，应用布尔运算使所述被解构的夹具坯料模型具有与所述骨的所述关节表面相符的至少一个骨接触表面，所述至少一个骨接触表面被适于定位在所述关节表面上。
附图说明
图1a是在关节成形术过程中使用根据本公开内容的患者特异性夹具进行骨切割的方法的流程图；
图1b是制造图1a的患者特异性夹具的流程图；
图2是根据本公开内容的用于关节成形术的患者特异性器械计算机辅助系统的方框图；
图3是根据本公开内容的股骨上的患者特异性股骨夹具的侧视立体图；
图4是图3的股骨上的患者特异性股骨夹具的仰视立体图；
图5是示出了根据本公开内容的股骨夹具接触区域的股骨的立体图；
图6是根据现有技术的胫骨夹具的俯视立体图；
图7是图5的胫骨夹具的立体图；
图8是根据本公开内容的胫骨上的患者特异性胫骨夹具的俯视立体图；
图9是示出了根据本公开内容的胫骨夹具接触区域的胫骨的正面立体图；
图10a是根据本公开内容的可选实施例的股骨上的患者特异性股骨夹具的仰视立体图；
图10b是图10a的股骨夹具的侧视图；
图11a是根据本公开内容的可选实施例的胫骨上的患者特异性胫骨夹具的后面立体图；
图11b是图11a的胫骨夹具的俯视图；
图11c是图11a的胫骨夹具的俯视立体图；
图12是根据本公开内容的患者特异性胫骨板的正视立体图；
图13a是根据本公开内容的第一实施例的接合到板柄部的旋转引导件和定型板的立体图；
图13b是接合到板柄部和定型板的图13a的旋转引导件的立体图；
图13c是图13b的旋转引导件的侧视图；
图13d是根据本公开内容的第一实施例的与骨表面配合的图13c的旋转引导件的立体图；
图13e是根据本公开内容的第二实施例的旋转引导件和定型板的立体图；
图13f是图13e的旋转引导件的仰视立体图；
图13g是接合到定型板的图13e的旋转引导件的俯视立体图；
图13h是图13g的旋转引导件和定型板的仰视立体图；
图14a是根据本公开内容的切割槽件的俯视立体图；
图14b是图14a的切割槽件的正视图；
图14c是图14a的切割槽件的立体图；
图14d是根据本公开内容的插入到切割引导件内的图14a的切割槽件的立体图；
图14e是示出了根据本公开内容的装配销的图14d的切割槽件的立体图；
图14f是用于接纳根据本公开内容的沉降杆适配器的图14e的切割槽件的立体图；和
图14g是带有抗压肋的放大视图的根据本公开内容的图14d的切割槽件的的正视图。
具体实施方式
参考图1a，现在描述在进行关节成形术比如膝关节置换术手术之前使用患者特异性器械(PSI)，更具体地利用患者特异性股骨和胫骨夹具，制备骨的方法100。虽然在这里关于全膝关节置换术进行描述，但应理解本方法100也适用于局部膝关节置换术，或本领域内那些技术人员已知的其它关节(articular joint)修复过程。还应理解本方法100可适合用于修复其它关节，比如肘、肩、腰或髋。
本方法100的第一步骤102例证性地包括术前规划，在此期间，在手术前，患者解剖学结构的图像数据可被获得，例如当考虑的是全膝关节置换术时，可获得髋、膝、和踝区域的图像数据。该图像数据可从使用磁共振成像(MRI)，计算机断层扫描(CT)，超声波技术，x-射线技术，光学相干层析成像或类似技术的扫描获得。一旦得到了这些图像，计算机软件即建立患者的受伤膝关节的三维(3D)模型(步骤104)，该三维模型可被经由适当的通讯网络比如国际互联网发送至使用者。然后，使用者可利用计算机(未示出)看到该3D模型，用于规划骨切割和假体部件在受伤关节区域处的放置(步骤106)。如果给定了患者的年龄、体重、性别和其它相关信息，该模型还使得使用者能够确定最适合患者的假体的尺寸和形状选项，例如，厚度、长度、宽度、或曲率。
除图1a之外参考图1b，一旦骨切割以及假体的选择和放置已经被使用者规划好，使用者的计算机规划程序可被用于制造患者特异性夹具(步骤108)。患者特异性夹具可使用夹具坯料模型作为进行机械加工过程的开始来制造(步骤112)。夹具坯料模型可由任何适当的材料制成，包括但不仅限于聚合物、金属、交联聚合物、陶瓷和合金。在这种情况下，被选自坯料库并且被适合于患者受伤关节的解剖学结构的给定尺寸的夹具坯料模型，例如小尺寸、中尺寸、大尺寸，可被解构。坯料模型的一些部分可利用布尔运算去除，以雕刻出患者特异性夹具的预期形状(步骤114)。具有符合关节表面并且因此精确适合患者的解剖学结构的表面的夹具可被获得(步骤116)，假体被设计成配合到所述关节表面。
快速原型制造过程可进一步被用于制造患者特异性夹具。在本技术中，计算机软件可以将要制造的目标的3D表征切分为多个不同的二维(2D)层。然后，3D打印机对通过本软件切分出的每个层制作材料层。这些被制作的层一起构成预期目标的原型。
在手术过程中，如此制造的夹具可被精确地适配到患者膝关节的骨、也就是股骨和胫骨、上的膝关节的受伤区域处，用于引导骨切割(步骤110)。以这种方式，使用者定制化的骨制备可被进行，如在前面使用者在计算机上所规划的。具有最佳适配尺寸和形状的置换假体的最优放置可被实现。
参考图2，用于关节成形术的PSI计算机辅助系统总体上用120表示。系统120在成像单元122处例证性地接收来自任何适当的成像技术比如MRI或CT的患者的髋、膝、和踝区域的图像。成像技术设备(未示出)可以是系统120的一部分。然后，这些骨图像被发送至处理器单元124，处理器单元124例证性地包括骨模型生成器126，规划单元128，和PSI生成器130。处理器单元124具有处理器以运行应用程序，所述应用程序产生用于制造在关节成形术手术中使用的PSI，比如PSI胫骨夹具132、PSI股骨夹具134、PSI板136、和PSI旋转引导件138，的PSI模型，下面将进一步讨论。处理器单元124可以是任何适当的计算机或处理单元。用于接口，比如监视器、屏幕、触摸屏、键盘或鼠标，可以是处理器单元124的一部分，与PSI模型的建立的运算符相关。
骨模型生成器126例证性地被用于解析从成像单元122接收的骨图像，以建立患者的受伤关节例如膝关节的3D模型。为此目的，输入可由操作者经由用户接口提供，以确保在骨和组织之间以及在骨和软骨之间的适度的充分分节(segmentation)，从而提高所产生的骨模型的准确性。
然后，规划单元128可被用于可视化该骨模型并且用于规划骨切割以及假体部件在受伤关节处的放置。最适合于患者的独特解剖学结构的假体尺寸和形状也可以在规划单元128处确定。根据所产生的骨模型和术前规划，PSI生成器130可产生PSI模型，这些模型可被用于制造PSI胫骨夹具132、PSI股骨夹具134、PSI板136、和PSI旋转引导件138中的至少一个，所述至少一个被适于放置在被切割的骨部分上，用于引导假体部件在该骨部分上的位置或旋转。为此目的，患者特异性建模可被用于设计PSI工具，例如PSI胫骨夹具132、PSI股骨夹具134、PSI板136、和PSI旋转引导件138，以便每个PSI工具具有定位该工具的骨表面的复制体或以其它方式精确符合该骨表面。以这种方式，PSI工具配合式接触该骨表面并且精确地适应患者的解剖学结构。PSI模型可以具有任何适当的规格，以允许制造PSI。例如，PSI模型可被格式化为数控(NC)机床文件、技术数据、图像或数字模型等。
现在参考图3和图4，在将假体部件附接到远侧股骨表面上之前，首先可使用股骨夹具200来制备远侧股骨表面，在多数情况下用骨水泥制备。股骨夹具200例证性地包括骨接触部分202，所述骨接触部分202被适合于以与股骨204的关节表面206直接接触的方式定位于患者的股骨204上。
股骨夹具200例证性地包括具有切割槽210的切槽部分208，切割槽210被形成于切槽部分208中并且适于接收用于执行预先规划的骨切割的锯片(未示出)。当在手术过程中股骨夹具200位于股骨204上的位置而暴露其股骨的远侧端时，切槽部分208例证性地沿前后方向A延伸。以这种方式，当股骨夹具200在位时，狭槽210被邻近位于股骨204下部的滑车沟212定位，典型地，股骨204的下部在膝关节处与患者胫骨(未示出)的上部配合。因此锯片可被用于切割股骨204的下部。
股骨夹具200的骨接触部分202还包括第一对栓钉214a和214b，当股骨夹具200在位时它们分别被定位成邻近内侧和外侧股骨髁216a和216b并且沿头-尾方向B背离股骨204延伸。栓钉214a和214b分别具有细长的引导孔218a和218b，引导孔218a和218b延伸穿过栓钉214a和214b并且适于将手术钻(未示出)的钻头接纳于其内。以这种方式，使用者可将细长孔(未示出)钻到股骨204内。因此，这样机械加工的孔被适于将固定结构比如销、螺钉或类似构件接纳于其内，以在股骨204被切割之前将股骨夹具200接合到股骨204。栓钉214a和214b沿内外方向C的正确对准可进一步使用装置比如切割引导件220进行验证。为此目的，切割引导件220可被定位成邻近栓钉214a和214b，并且栓钉214a和214b与设置于切割引导件220上的特征如222a，222b的正确对准可被验证。特别是，孔径218a和218b可被用作引导件，以在股骨204的远侧端上钻孔，用于将切割引导件220定位于预先规划的位置。用于将假体部件定位于预先规划位置所需的任何切割可随后进行。
股骨夹具200的骨接触部分202还例证性地包括第二对栓钉224a和224b，当股骨夹具200在位时它们被定位成邻近切槽部分208并且沿前后方向A背离股骨204延伸。栓钉224a和224b分别具有细长的引导孔(未示出)，这些引导孔延伸穿过栓钉224a和224b并且适于将固定结构比如销、螺钉或类似构件接纳于其内，以在股骨204被切割之前将股骨夹具200进一步牢固地附接到股骨204。例证性地，固定结构被首先插入栓钉224a和224b内用于将股骨夹具200附接到股骨204，之后将固定结构插入栓钉214a和214b内用于使股骨夹具200进一步稳定在位。
一旦股骨夹具200已经被固定和稳定，插入栓钉214a和214b内的固定结构可被移除，以使得能够切割股骨204的远端。在股骨204被切割之后，固定结构可被插回到栓钉214a和214b内，用于将标准的切骨模块(未示出)附接到被切割骨。以这种方式，另外的切割操作，例如在全膝关节置换术中要进行的五个股骨切割操作中的剩余切割操作可在股骨204上进行。
如从图3和图5中可以看到的，股骨夹具200的使用有利地使使用者，除具有滑车沟212的清晰视野之外，能够具有改进的股骨204的外部视野。事实上，远侧间隙(参考图4中的211a)被例证性形成在骨接触部分202上切槽部分208与栓钉214a和214b之间的区域内。间隙211a可被设计形状和尺寸为符合滑车沟212的形状和尺寸。骨接触部分202的下表面213也可以被成形为接触股骨204的减小了的表面。特别地，下表面213的形状例证性地限定出内侧间隙211b和外侧间隙(未示出)。内侧间隙211b和外侧间隙提供使使用者能够评估股骨夹具200与内侧和外侧股骨髁216a和216b的远侧表面之间的接触程度的观察空间。类似地，远侧间隙211a使得能够评估髁216a和216b的前部分上的表面(未示出)上的接触。如图5中所示，当股骨夹具200在位时，骨接触部分202例证性地在内侧股骨髁接触区域226a、外侧股骨髁接触区域226b、和前表面接触区域228处与股骨204接触。股骨髁接触区域226a和226b分别被例证性地定位于内侧和外侧股骨髁216a和216b的远侧部分上，同时前表面接触区域228被定位于髁216a和216b的前部分上。在一个实施例中，前表面接触区域228通过一凸部(未示出)限定，所示凸部被提供于股骨夹具200上并且在在手术过程中可触及的外侧股骨髁216b的侧面(flank)上方以及在股骨204的内侧(未示出)上方延伸。接触区域226a，226b和228的尺寸被例证性设计为与股骨204的尺寸成比例。滑车沟212的可视性进一步确保股骨夹具200被正确定位于股骨204上。
股骨夹具200和股骨204之间的接触区域从一个患者到另一个患者可能不同，并且被示意出与骨尺寸成比例。再者，股骨夹具200被例证性地设计为使得，当股骨夹具200在位时，在可能存在软骨或软组织以及由骨关节炎引起的骨赘形成的地方不与股骨204的这些区域接触。例如，在图5中示出的实施例中，接触区域226a和226b被定位于股骨204的关节表面上并且在可能存在骨赘的地方避开内侧缘和外侧缘(未示出)。这最优化了关节形成术过程的精确性并且改进了手术的结果。希望股骨夹具200与暴露股骨204的尽可能少的区域接触，以降低将要进行的手术切割中的不精确性。
现在参考图6和图7，现在描述现有技术的胫骨夹具300。胫骨夹具300被构造成精确适配在患者的胫骨304的关节表面302上。胫骨夹具300例证性地包括胫骨接触部分306和一对附接臂308a和308b，所述附接臂308a和308b分别在它们的端部部分处形成平台接触部分310a和310b。当胫骨夹具300被置于胫骨304上然后暴露出胫骨的近侧端时，胫骨接触部分306被适于接触胫骨304。因而，附接臂308a和308b沿前后方向A远离胫骨304延伸，同时平台接触部分310a接触内侧胫骨平台312a的关节表面并且平台接触部分310b接触外侧胫骨平台312b的关节表面。
胫骨夹具300还包括具有狭槽316的切槽部分314，狭槽316被构造成将使用者用以进行预先规划的骨切割的锯片318接纳于其中。当胫骨夹具300被置于胫骨304上时，切槽部分314被定位成邻近胫骨304的上部，通常，胫骨304的上部在膝关节处与股骨204的下部配合。在此位置，狭槽316沿横向平面延伸，并且锯片318可被穿过狭槽316以切割胫骨304的上部。在多数情况下，胫骨304的被切割表面在冠状平面中垂直于胫骨304的骨干轴线Y。狭槽316可进一步被机械加工到切槽部分314内，以便在骨切割过程中锯片318能够很好地到达。
所述一对附接臂308a和308b可分别包括沿头-尾方向B远离胫骨304延伸的栓钉320a和320b。栓钉320a和320b分别具有细长的引导孔322a和322b，它们延伸穿过栓钉320a和320b并且被构造成在其中接纳用于向胫骨304内钻细长孔的手术钻头(未示出)。然后，这些机加工的孔被与设置在临时胫骨定型板324中的孔配合，以确定假体胫骨托(未示出)的正确尺寸。定型板324上的孔被构造用于将固定结构比如销、螺钉或类似件接纳于其内，以将定型板324牢固附接到胫骨304的被切割部分。为此目的，细长的引导孔322a和322b被设计间隔和尺寸成与被机加工到定型板324内的孔326a和326b的间距和尺寸相匹配。孔322a和322b因而有助于设定定型板324在胫骨304的被切割部分上的位置和旋转。随着正确的定型板324被选择并且被保持在位，近侧胫骨可被进一步钻孔和/或扩孔以容纳假体胫骨托的支撑部件，比如茎秆。
第二对栓钉328a和328b例证性地从胫骨接触部分306突伸并且当胫骨夹具300在位时沿前后方向A远离胫骨304延伸。栓钉328a和328b分别具有细长的引导孔(未示出)，它们延伸穿过栓钉328a和328b并且被适于将装置比如沉降杆(未示出)接纳于其中，用于在胫骨切割后利用装置、比如传统的胫骨部件定型夹具和旋转夹具来确认该切割相对于总体胫骨骨干轴线Y的正确旋转和对准已经实现。
参考图8和图9，现在描述根据示意性实施例的胫骨夹具400。胫骨夹具400例证性地包括一对附接臂402a和402b，它们分别具有表面接触部分(未示出)以便臂402a，402b可分别与内侧胫骨平台312a和外侧胫骨平台312b的关节表面404a和404b接触。胫骨髁间隆起405的斜度可还被用于锁定胫骨夹具400的内-外位置以及旋转。特别地，当胫骨夹具400在位时，附接臂402a和402b可接触髁间隆起405的侧面，从而为胫骨夹具400提供稳定性。
胫骨夹具400还包括具有狭槽408的切槽部分406，狭槽408被适于将用于执行胫骨304切割的锯片(未示出)接纳于其内。胫骨接触部分(未示出)被进一步邻近切槽部分406提供，以与胫骨304在内侧和外侧胫骨平台312a和312b的邻近胫骨粗隆411的区域410上接触。当胫骨夹具400位于胫骨304上的位置时，切槽部分406示意性地邻近胫骨304的上部，同时狭槽400平行于横向平面。至少一个指示线412可被进一步提供于切槽部分406上邻近附接臂402a。指示线412可使用患者特异性建模而定位于夹具400上。指示线412与胫骨粗隆411的对准可被用于确认胫骨夹具400被定位在相对于胫骨304的预定旋转角度处。在一个实施例中，第一和第二指示如412可分别被提供于前侧和远侧切槽部分406上，以表示与前后方向A的对准。切割槽件指示面(未示出)也可被提供于切槽部分406的内侧上，以表示与一平面的对准，预先规划的骨切割被沿该平面进行。
虽然胫骨夹具400和胫骨304之间的接触区域从一个或者到下一个患者可能不同，但附接臂402a和402b的下表面(未示出)被例证性地设计尺寸和/或形状为使得胫骨夹具400不接触在胫骨304的可能存在半月板的区域413上，从而避开保留在胫骨304上进而随后被暴露出来的任何软组织。例如，臂402a，402b可被提供有弓形-外翻(varus-valgus)形状。而且，胫骨接触部分被例证性地设计尺寸和/或形状以避开可能存在于胫骨304的前面近侧脊部(未示出)上的骨赘。
胫骨接触部分例证性地具有形成于其中的一对栓钉414a和414b，当胫骨夹具400在位时，栓钉414a和414b沿前后方向A远离胫骨接触部分突伸。细长的引导孔(未示出)可被机加工到栓钉414a和414b内，用于接收用来将胫骨夹具400固定到胫骨304的固定结构。如果，在使用锯片切割胫骨304之后，确定骨的切割量不足，则标准的切骨模块(未示出)可被固定到栓钉414a和414b用来进行附加的骨切割。具有与区域413的形状和尺寸相符的形状和尺寸的间隙(未示出)也可形成于胫骨接触部分中来确保其不与胫骨304的区域413接触。
图10a至10b和图11a至11c示意了股骨夹具200和胫骨夹具400的可选实施例。图10a和图10b示意了在图3和4中示出的股骨夹具200的可选实施例500。在本实施例中，股骨夹具500包括骨接触部分502，其被适于以与股骨204的关节表面206直接接触的方式定位于患者的股骨204上，所述关节表面例如通过患者特异性制造技术制造。骨接触部分502还包括第一对栓钉504a和504b，当股骨夹具500在位时它们分别被邻近内侧和外侧股骨髁(未示出)定位并且沿头-尾方向(参考图3中的B)远离股骨204延伸。栓钉504a和504b分别具有细长的引导孔(未示出)，它们延伸穿过栓钉504a和504b并且被适于将手术钻(未示出)的钻头接纳于其中。
骨接触部分502还包括第二对栓钉506a和506b，当股骨夹具500在位时栓钉506a和506b沿前后方向(参考图3中的A)远离股骨204延伸。栓钉506a和506b分别具有细长的引导孔(未示出)，它们延伸穿过栓钉506a和506b并且被适于将固定结构比如销、螺钉或类似件接纳于其中，以在股骨204切割之前将股骨夹具500牢固附接到股骨204。
间隙508可被形成于骨接触部分502中栓钉506a和506b与栓钉504a和504b之间的区域中。骨接触部分502的下表面510也可被成形为接触股骨204的被减小的表面。
股骨夹具500还包括用于表示将要在股骨204上进行的骨切割的预期位置的指示线511。股骨夹具500可还包括被提供于栓钉504a和504b之间的机械轴线指示针512。指示针512例证性地提供了关于股骨夹具500是否被正确定位于股骨204上的指示。特别地，如果指示针512指向股骨的机械轴线(未示出)，则实现了正确定位，该机械轴线被在术前规划阶段定义。一对经股骨上髁(transepicondylar)指示线514a和514b可进一步被提供于骨接触部分502上分别邻近栓钉504a和504b。指示线514a和514b例证性地背离骨接触部分502突伸以与外侧和内侧上髁(未示出)对准。
图11a和图11b示意了图8中示出的胫骨夹具400的可选实施例600。在本实施例中，胫骨夹具600包括一对附接臂602a和602b，它们分别具有表面接触部分(未示出)以便臂602a，602b可分别与内侧胫骨平台312a和外侧胫骨平台312b的关节表面(未示出)接触。胫骨接触部分604被邻近胫骨304的上部定位并且包括适于接纳固定结构以将胫骨夹具600固定到胫骨304的细长的引导孔606a和606b。指示线608可进一步被提供于胫骨夹具600上邻近胫骨接触部分604。胫骨夹具600相对于胫骨304的正确定位可通过指示线608与胫骨粗隆(未示出)的对准来确认。患者特异性建模可被用于确定指示线511，514a，514b，和指示针512在股骨夹具500上的位置以及指示线608在胫骨夹具600上的位置。
股骨夹具200，500和胫骨夹具400，600的使用有利地减小了误差并且与传统的机械夹具相比能够实现更精确的假体放置。另外，在手术过程中更少的器械需要进行消毒使用。例如，患者特异性夹具如200，400，500，或600的使用排除了在关节形成术过程中使杆穿过骨的髓内管的需要。这降低了手术期间的脂肪栓塞综合征风险。而且，使用患者特异性夹具如200，400，500，或600还允许在患者的身体上制造较小的切口，从而便于微创手术的完成并且允许假体更快速地将患者的关节修复到大致变坏前的状态。
现在参考图12，患者特异性板700可布置于胫骨304的被切割部分上，用于引导定型板如324在被切割的骨区域上的位置和/或旋转。为此目的，板700的轮廓702可被设计为紧密遵循胫骨切口的轮廓。孔隙如704a和704b可进一步被机加工到板700内，用于指示使用者有关孔应该被钻到胫骨304上的什么位置，以接纳定型板324的固定结构，从而将定型板324附接到胫骨304。
为了确保胫骨托(未示出)到胫骨304的被切割部分上的正确安装以及相对应地假体的正确定位，胫骨托的外形或轮廓706可被蚀刻或以其它方式限定到板700的上表面708上。此轮廓706可作为使用者的术前规划的结果而被获得，在术前规划期间，最适合于患者解剖学结构的假体的尺寸和形状被选择。另外，大致平行于前后方向A的第一轴线710和大致平行于内外方向C的第二轴线712可被机加工在板700的表面708上。以这种方式，在将胫骨托放置于胫骨304的被切割表面上的同时，使用者可以验证胫骨托相对于轴线710和712的正确对准，从而确保假体的正确定位。应理解附加的对准特征以及其它指示，比如假体部件的尺寸和型号，也可被显示在表面708上。
参考图13a至13d，患者特异性旋转引导件800可被用作患者特异性板700的可替代件，用于确保定型板324在胫骨(未示出)的被切割部分上的正确定位和旋转。旋转引导件800例证性地包括用于将旋转引导件800接合到定型板324的托附接件802。旋转引导件800可还包括骨接触构件804，用于接触将和定型板324相配合的骨，所述骨接触构件804利用骨成像通过患者特异性制造形成。虽然胫骨定型板324被示出为用于示意目的，但应理解旋转引导件800可被适于用在除胫骨之外的骨上，例如用在股骨(未示出)的远侧部分上。还应理解旋转引导件800可与各种夹具类型一起使用以及用于修复除膝之外的各种关节。
托附接件802可使用适当的附接装置(未示出)接合到定型板324。例如，托附接件802可被夹在板柄部806上，板柄部806被接合到定型板324。应理解将旋转引导件800的托附接件802接合到定型板324的其它装置可应用。
如图13c和图13d中所示，骨接触构件804可包括PSI骨接触表面808，其被适于配合将定位定型板324的骨的对应骨表面810。骨接触构件804被设计为使得骨接触表面808精确匹配骨表面810的几何形状。为此目的，骨接触构件804，并且更具体为骨接触表面808，可由在术前规划过程中获得的患者解剖学结构的图像数据而制造，如上所讨论的。以这种方式，定型板324相对于骨表面810的精确定位可以实现。
参考图13e至13h，现在描述根据另一实施例的患者特异性旋转引导件812。旋转引导件812包括被配置用于将旋转引导件812固定到工具比如骨定型板324的工具附接件814。旋转引导件812还包括骨附接件816，其具有被配置用于接触与工具相配合的骨(未示出)的配合表面(未示出)。该配合表面被例证性地成形为符合与骨附接件816相配合的骨表面的形状。
在一个实施例中，工具附接件814具有符合工具的周围部(未示出)的轮廓(未示出)。工具附接件814还具有适于与工具相配合的下表面818。为此目的，下表面818的内轮廓820被配置成符合工具的形状。以这种方式，当旋转引导件812被固定于工具上时，旋转引导件812可被相对于工具固持在位。下表面818被进一步提供有使得旋转引导件812能够附接到工具的附接装置822，比如夹紧装置。在一个实施例中，附接装置822包括允许旋转引导件812被夹紧到工具的第一和第二夹紧构件。应理解任何其它适当的附接装置可被提供。
旋转引导件812的上表面824被例证性地提供有一个或多个对准元件如826a，826b，826c，826d和826e，用于确认所述术前规划在手术进行时发生。对准元件如826a，826b，826c，826d和826e可进一步用于引导工具在被切割的骨表面上的正确定位。特别地，对准元件826a可以是形成于上表面824上的前后线并且表示骨的前后方向。对准元件826b可以是形成于上表面824上的内外线并且表示骨的内外方向。对准元件826c可以表示骨的机械轴线的方向。应理解其它解剖学方向可适用。对准元件如826d可包括适于与形成在工具例如骨定型板324中的孔隙如828协作的开口。特别地，当旋转引导件812被接合到板324时，对准元件826d可被与孔隙828对准，以使得固定结构(未示出)能够被接纳在孔隙828中用于将板324固定到被切割的表面上。对准元件826e可包括形成在工具附接件814上的切口并且被适于与工具例如骨定型板324的孔隙如830协作。当旋转引导件812被接合到板324时，对准元件826e也可以与孔隙830对准，以使得固定结构比如螺钉或类似件能够被接纳在孔隙830内。
图14a，图14b和图14c显示并且示意了与上述胫骨和胫骨夹具中的至少一个一起使用的切割槽件900的实施例。应理解胫骨和股骨夹具可包括或可不包括这种切割槽件900，并且切割槽件900可与非PSI工具一起使用。另外，切割槽件900可被提供为一次性工具，以与一次性器械比如一次性切割引导件一起使用。
切割槽件900例证性地包括第一构件902和第二构件904，它们分别包括相反的端部如9061，9062。每一个构件，例如构件902，在其端部例如端部9061被提供有附接装置，例如附接装置9081，所述附接装置被适于与设置于另一个构件的端部例如端部9062的对应附接装置例如附接装置9082一起使用。当第一和第二构件902，904相互附接时，在它们之间限定出间隔910，间隔910适于将用于执行预先计划的骨切割的锯片(未示出)接纳于其中。在图示实施例中，附接装置9081，9082被适于卡扣安装到一起。应理解其它附接装置配置也可以应用。还应理解附接装置9081，9082可被提供在每个构件902，904的端部9061，9062的单一端部上，而不是提供于两端9061，9062。
切割槽件900例证性地是金属的并且构件902，904可由冲压的金属片制成。应理解各种制造工艺可被用于切割槽件900。例如，构件902，904可被机加工、形成或类似制造。而且，与所使用的制造工艺无关，希望切割槽件900具有沿其长度的基本上恒定的宽度。
现在参考图14d，图14e和图14f，切割槽件900可被插入外壳912比如切割引导件外壳内。外壳912可由塑料或任何其它适当的材料制成。切割槽件900可被压配合到机加工至外壳912内的细长开口913内。为此目的，第一和第二构件(参考图14a的902，904)可被成形为适合开口913的尺寸。唇部914可进一步被形成在第一和第二构件902，904中的每一个中，以引导并且因而便于锯片插入到间隔(参考图14b中的910)内。然后装配销915可被用于将切割槽件900固持在外壳912内。外壳912可进一步包括用于将衬套917(参考图14f)接纳于其内的多个孔隙如916以及用于沉降杆适配器919(参考图14f)的容座918。在一个实施例中，衬套917被压配合到塑料内。衬套可被适于容纳手术钻引导件的钻头(未示出)并且可被用于阻挡由于钻削过程而产生的剩余塑料刮屑或其它碎屑。衬套917也可被用于在切割过程中将切割槽件900固定在骨上。特别地，锁定衬套(未示出)可被提供以稳定切割槽件900，并且因此稳定与切割槽件900相连接的胫骨或股骨夹具，在切割过程中。如此，切割槽件900相对于骨的精准定位可得以实现。
如在图14f中可看到，沉降杆适配器91可被与两个前内侧衬套917对准，用于在内外方向上精确地定位沉降杆适配器919以及确保沉降杆适配器919相对于切割槽件900的正确旋转。沉降杆适配器919可进一步通过设置于其上的球柱塞(未示出)进行稳定。当沉降杆适配器919被插入容座918内时，球柱塞可被固持在形成于容座918中的孔隙(未示出)内。沉降杆919可进一步被提供有适于与衬套917协作以接收销如921的孔隙。然后在沉降杆适配器919被相对于切割槽件900放置的同时可进行销连接。
参考图14g，为了提供切割槽件900相对于外壳912的定位的准确性和稳定性，外壳912例证性地具有形成于其中的一对内抗压肋920a和一对外抗压肋920b。应理解任何其它适当数目的抗压肋920a，920b可被使用。抗压肋920a和920b确保切割槽件900是稳定的以及解决金属切割槽件900和塑料外壳912之间的公差变化。
内抗压肋920a被例证性地与第二构件904的下表面(未示出)相邻定位。外抗压肋920b分别定位成邻近第一构件902的边缘(参考图14a中的9061)和第二构件902的边缘(参考图14a中的9062)。其它适当的配置可应用。抗压肋920a和920b可由有弹性的或其它适当的材料比如塑料制成，以允许切割槽件900被压配合到外壳912内。特别地，每个抗压肋920a或920b例证性地包括固定到外壳912的基部(未示出)和背离基部延伸并且延伸到形成在外壳912中的开口(参考图14d中的913)内的可变形部分(未示出)。当切割槽件900被插入开口913内时，切割槽件900与抗压肋920a和920b的可变形部分接触。然后，由于在插入过程中被切割槽件900施加的压力的作用，可变形部分被挤压、弯曲或以其它方式变形或偏转。因而，切割槽件900被牢固固持在开口913内。
如上所述的本发明的实施例意于是示例性的。本领域内的那些技术人员将意识到前述的描述仅仅是说明性的，并且在不偏离本发明的实质的情况下各种可选配置和修改可被设计出来。因此，本发明意于包含落在附属权利要求范围内的所有这些可选的配置、修改和变异。

Claims (10)

1.一种用于在关节修复过程中制备骨的关节表面的患者特异性夹具和患者特异性模型的系统，其中，
所述患者特异性模型包括所述患者特异性夹具相对于骨的几何形状并且包括骨接触构件模型和切割引导件模型；
所述患者特异性夹具包括被构造成用于接触骨并且具有配合表面的至少一个骨接触构件，所述配合表面被利用患者特异性建模成形为符合关节表面的形状，所述配合表面被适于配合式接触所述关节表面的一部分，和邻近所述至少一个骨接触构件并且具有细长槽的切割引导件，所述细长槽被适于将用于切割所述关节表面的锯片接纳于其中，
其中所述至少一个骨接触构件的配合表面被适于配合式接触外侧股骨髁的远侧表面、内侧股骨髁的远侧表面、外侧股骨髁的前表面、和内侧股骨髁的前表面，或者
其中所述至少一个骨接触构件的配合表面被适于配合式接触外侧胫骨平台的近侧表面、内侧胫骨平台的近侧表面、和前近侧胫骨表面。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个骨接触构件具有形成于其中的至少一个间隙，所述至少一个间隙被成形为符合所述关节表面的至少一个被选区域的形状，用于防止所述配合表面和所述至少一个被选区域之间接触。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述至少一个间隙被成形为用于防止所述配合表面与软骨、软组织、骨赘、和半月板中的至少一个之间接触。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述至少一个骨接触构件的配合表面被适于配合式接触外侧胫骨平台的近侧表面、内侧胫骨平台的近侧表面、和前近侧胫骨表面的情况下，所述至少一个骨接触构件的配合表面被成形为符合胫骨髁间隆起的形状，用于当所述配合表面配合式接触所述关节表面时固定所述夹具相对于所述骨的内-外位置和旋转。
5.根据权利要求1至4中任一所述的系统，其中，所述至少一个骨接触构件的配合表面具有第一尺寸，所述第一尺寸与所述骨的第二尺寸成比例。
6.根据权利要求1至4中任一所述的系统，其中，所述至少一个骨接触构件包括利用患者特异性建模被定义在所述至少一个骨接触构件上的至少一个对准元件，用于引导夹具在所述骨的被切割表面上的定位。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述至少一个对准元件表示所述骨的至少一个解剖学方向。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述至少一个对准元件表示所述骨的前后方向和所述骨的机械轴线中的至少一个。
9.根据权利要求6所述的系统，其中，所述至少一个对准元件表示一平面，所述关节表面将沿所述平面进行切割。
10.根据权利要求1至4中任一所述的系统，其中，所述切割引导件包括用于接纳一插件的开口，所述插件包括第一构件和第二构件，所述第二构件被接合到第一构件并且与所述第一构件间隔开以限定出适于接纳锯片的孔隙。
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