CN108348340B - 用于髌骨表面修复术的患者特定器械和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于创建用于髌骨表面修复术的患者特定夹具模型的系统包括：髌骨植入物定位模块，其用于获得髌骨植入物在髌骨的模型上的规划位置，该模型在解剖学上是患者特定的。髌骨表面修复计算器模块根据髌骨植入物的规划位置计算髌骨中的表面修复平面和附接孔的位置和/或取向。夹具模型生成器模块用于使用髌骨的表面修复平面和附接孔以及髌骨的模型生成和输出虚拟夹具模型，该夹具模型包括：至少一个患者特定接触表面，其对应于髌骨的用于互补接触的表面；至少一个钻引导部，其被相对于至少一个患者特定接触表面定位并且被配置成引导限定用于髌骨植入物的附接孔的工具；以及至少一个切割引导部，其被相对于至少一个患者特定接触表面定位并且被配置成在对髌骨进行表面修复中引导工具以形成规划表面修复平面。

Description

用于髌骨表面修复术的患者特定器械和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年9月30日提交的美国专利申请No.62/235,111的优先权。
技术领域
本公开涉及用于在矫形手术中使用的患者特定器械(PSI)，并且更具体地涉及用于髌骨表面修复术的PSI。
背景技术
也被称为膝盖骨的髌骨是在膝盖处位于股骨的前部的骨。髌骨因此保护膝关节的前关节面并在膝盖伸展中起到积极作用。髌骨通过肌腱连接到四头肌并且因此将在膝盖伸展期间参与由肌腱产生的杠杆效应。
髌骨因此接触股骨。在某些情况下，例如在膝关节置换术中，可能改变髌骨和股骨之间的几何关系。这可能继而导致连接于髌骨的肌腱和韧带中的放松或张紧，并由此引起疼痛等。因此，已经创建了髌骨植入物以充当位于髌骨的后表面和股骨(即，包括任何股骨植入物)之间的界面，以调节髌骨和股骨之间的间距并前后交替移动诸如四头肌腱和髌韧带之类的周围软组织。
发明内容
本公开的目的是提供一种用于产生用于髌骨表面修复术的患者特定夹具的方法。
本公开的另一目的是提供一种用于在手术期间定位髌骨植入物的方法。
因此，根据本公开的第一实施例，提供了一种用于创建用于髌骨表面修复术的患者特定夹具模型的方法，该方法包括：使用计算系统内的一个或多个处理器获得髌骨的至少一部分的髌骨模型和髌骨植入物的植入物模型，该髌骨模型在解剖学上是患者特定的；使用计算系统内的一个或多个处理器获得髌骨植入物在髌骨模型上的规划位置；使用计算系统内的一个或多个处理器根据髌骨植入物的规划位置计算髌骨中的表面修复平面和附接孔的位置和/或取向；使用计算系统内的一个或多个处理器生成对应于表面修复平面、附接孔和髌骨模型的虚拟夹具模型，该夹具模型包括：至少一个患者特定接触表面，其被配置成对应于髌骨的用于互补接触的表面；至少一个钻引导部，其被相对于至少一个患者特定接触表面定位并且被配置成引导工具以便在髌骨中限定附接孔；以及至少一个切割引导部，其被相对于至少一个患者特定接触表面定位并且被配置成引导工具以便对髌骨进行表面修复以形成表面修复平面；以及使用计算系统内的一个或多个处理器输出该夹具模型。
根据第一实施例，获得该模型包括在一些情况下使用计算系统内的一个或多个处理器使用图像生成该髌骨的虚拟模型。
仍根据第一实施例，获得髌骨植入物的模型包括在一些情况下使用计算系统内的一个或多个处理器获得库存髌骨植入物的模型。
仍根据第一实施例，获得髌骨植入物的规划位置包括在一些情况下使用计算系统内的一个或多个处理器至少基于髌骨相对于股骨的原生定位来确定该规划位置。
仍根据第一实施例，确定该规划位置包括在一些情况下根据软组织张力来确定该规划位置。
仍根据第一实施例，确定该规划位置包括在一些情况下根据股骨上的规划股骨植入物位置来确定该规划位置。
仍根据第一实施例，在一些情况下，使用计算系统内的一个或多个处理器来计算髌骨中的销孔的位置，并且其中生成该虚拟夹具模型在一些情况下包括使用销孔来包括另一钻引导部，该另一钻引导部被配置成接收引导销，以便在表面修复期间固定住该夹具。
仍根据第一实施例，生成该虚拟夹具模型包括在一些情况下在第一模型部分和被配置成配合地接合该第一模型部分的第二模型部分中生成该夹具模型，该第一模型部分具有至少一个钻引导部，并且该第二模型部分具有至少一个切割引导部。
仍根据第一实施例，生成该虚拟夹具模型包括在一些情况下在第一模型部分上生成标记，该标记在解剖学上是患者特定的，以便被配置成与近侧-远侧轴线和内侧-外侧轴线中的至少一个对准。
根据本公开的第二实施例，提供了一种用于创建用于髌骨表面修复术的患者特定夹具模型的系统，该系统包括：髌骨植入物定位模块，其被构造成获得髌骨植入物在髌骨的髌骨模型上的规划位置，该髌骨模型在解剖学上是患者特定的；髌骨表面修复计算器模块，其被配置成根据髌骨植入物的规划位置计算髌骨中的表面修复平面和附接孔的位置和/或取向；以及夹具模型生成器模块，其被配置成生成和输出对应于表面修复平面、附接孔和髌骨模型的虚拟夹具模型，该夹具模型包括：至少一个患者特定接触表面，其被配置成对应于髌骨的用于互补接触的表面；至少一个钻引导部，其被相对于至少一个患者特定接触表面定位并且被配置成引导工具以便限定附接孔；以及至少一个切割引导部，其被相对于至少一个患者特定接触表面定位并且被配置成引导工具以便对髌骨进行表面修复以形成表面修复平面。
根据第二实施例，骨模型生成器模块在一些情况下被提供和配置成使用图像生成髌骨的虚拟模型。
仍根据第二实施例，髌骨植入物定位模块在一些情况下被配置成获得库存髌骨植入物的模型。
仍根据第二实施例，髌骨植入物定位模块在一些情况下被配置成至少基于髌骨相对于股骨的原生定位来确定该规划位置。
仍根据第二实施例，髌骨植入物定位模块在一些情况下被配置成根据软组织张力来确定该规划位置。
仍根据第二实施例，髌骨植入物定位模块在一些情况下被配置成根据股骨上的规划股骨植入物位置来确定该规划位置。
仍根据第二实施例，髌骨表面修复计算器模块在一些情况下被配置成计算髌骨中的销孔的位置，并且其中，该夹具模型生成器模块在一些情况下被配置成在该夹具模型中生成第二钻引导部，该第二钻引导部被配置成接收引导销以便在表面修复期间固定住该夹具。
仍根据第二实施例，夹具模型生成器模块在一些情况下被配置成在第一模型部分和被配置成配合地接合该第一模型部分的第二模型部分中生成该夹具模型，该第一模型部分具有至少一个钻引导部，并且该第二模型部分具有至少一个切割引导部。
仍根据第二实施例，夹具模型生成器模块在一些情况下被配置成生成在第一模型部分上具有标记的虚拟夹具模型，该标记在解剖学上是患者特定的，以便被配置成与近侧-远侧轴线和内侧-外侧轴线中的至少一个对准。
根据本公开的第三实施例，提供了一种用于髌骨表面修复术的患者特定夹具，该患者特定夹具包括：至少一个患者特定接触表面，其负性地对应于在解剖学上是患者特定的髌骨的用于互补接触的表面；至少一个钻引导部，其被相对于至少一个患者特定接触表面定位并且被配置成引导工具以便在髌骨中限定附接孔；以及至少一个切割引导部，其被相对于至少一个患者特定接触表面定位并且被配置成引导工具以便对髌骨进行表面修复以形成用于支撑该髌骨植入物的规划表面修复平面。
根据第三实施例，另一钻引导部在一些情况下被配置成接收用于在表面修复期间固定住该夹具的销。
仍根据第三实施例，第一夹具部分和第二夹具部分在一些情况下被配置成用于配合接合，第一夹具部分具有至少一个钻引导部，第二夹具部分具有至少一个切割引导部。
仍根据第三实施例，在一些情况下在该第一模型部分上设置标记，该标记在解剖学上是患者特定的，以便被配置成与近侧-远侧轴线和内侧-外侧轴线中的至少一个对准。
根据本公开的第四实施例，提供了一种用于定位髌骨植入物的方法，该方法包括：通过互补的在解剖学上是患者特定的接合将夹具定位在髌骨的后表面上；使用该夹具至少对后表面中的附接孔进行机加工；对如由夹具引导的髌骨的后表面进行表面修复，使得附接孔的一部分保持可见；以及将植入物锚固在表面修复后的髌骨的附接孔中。
根据第四实施例，在一些情况下，在对附接孔进行机加工之前将夹具夹持在该髌骨上。
仍根据第四实施例，在一些情况下，将引导销插入在该夹具中以便将该夹具固定于该髌骨。
尽管并未描述或示出，一个实施例的一个或多个特征可被应用于其它实施例，除非由本公开或实施例的性质明确加以禁止。
上文中描述了与本实施例相关联的一些细节，并且下文描述其它细节。
附图说明
图1是示出了根据本公开的实施例的用于创建用于髌骨表面修复术的PSI夹具的方法的流程图；
图2是示出了PSI夹具的第一部分的轮廓匹配表面的透视图；
图3是示出了髌骨上的PSI夹具的第一部分的侧视图；
图4是髌骨上的PSI夹具的第一部分的前视图；
图5A是髌骨上的PSI夹具的第二部分的透视图；
图5B是髌骨上的PSI夹具的第二部分的侧视图；
图6是被固定于髌骨用于对髌骨进行表面修复的PSI夹具的透视图；
图7是表面修复后的髌骨的前视图；
图8是具有验证夹具的图7的表面修复后的髌骨的前视图；
图9是具有髌骨植入物的表面修复后的髌骨的前视图；以及
图10是根据本公开的另一实施例的用于创建用于髌骨表面修复术的PSI夹具的系统。
具体实施方式
参照附图，并且更具体地参照图1，示出了一种用于使用计算系统内的一个或多个处理器来创建用于髌骨表面修复术的患者特定器械(下文中的PSI)夹具的方法10，其中，对髌骨进行表面修复并将植入物(假体)固定于表面修复后的髌骨。为了清楚起见，在本申请中对于患者特定的说明可涉及创建负的对应表面，即，与患者骨/软骨表面相反的负的表面，使得患者特定表面与患者骨/软骨表面相符，通过互补的确实接触，实现了器械在骨上的唯一定位。器械也可以是患者特定的，这是因为它被用于基于患者的特定解剖结构将引导参考在特定的预先规划的位置处植入到患者的骨中-该器械的几何形状在解剖学上是为患者所特有的。该方法特别适用于与需要更换的股骨膝关节植入物的膝关节翻修相结合或在其后加以使用。
根据12，为髌骨建模。该模型可被使用成像来获得和/或生成，并且可以是例如3维的虚拟模型。该成像可以通过任何适当的技术来完成，这些技术例如为CT扫描(计算机断层扫描)、荧光检查或相似的射线照相方法，从而提供适用的图像分辨率。髌骨的模型包括暴露的骨的后表面和其它部分的表面几何形状。建模可以包括具有或不具有植入物的相邻股骨的表面几何形状。特别地，如果适用的话，射线照相术和磁共振成像(MRI)的组合可以在植入物、股骨和软骨之间提供适用的分辨率，其对于识别植入物相对于骨的边界而言是有用的。可以确认植入物的图像，或使用现有植入物的制造商的模型来改进该模型。如果骨建模并不由成像装置直接执行，或者如果不完整，则骨建模可以包括生成髌骨的3D表面。成像还可以包括与周围软组织有关的信息。髌骨的模型以及具有或不具有植入物的股骨的模型(如果被建模)提供了可以由手术实施者(例如外科医生)用来规划髌骨表面修复术的数据。
根据13，规划髌骨植入物模型的定位。髌骨植入物可以是库存植入物，如图9中的表面修复后的髌骨A上的B所示。该规划还可以包括从可用髌骨植入物的选项中选择植入物尺寸，该选择基于髌骨的尺寸，如从髌骨植入物模型所获得的那样。手术实施者可以通过查看模型和/或确定髌骨上的用以支撑髌骨植入物的切割平面的位置来选择将被用在手术中的髌骨植入物(即，新植入物)的3D模型的位置和取向。由于髌骨植入物可以如图9中那样是圆形的，因此该规划可涉及确定髌骨植入物的中心相对于该髌骨的位置。
可开始进行考虑的因素包括髌骨和股骨之间的原生定位(原生意味着当前的术前状态)。髌骨植入物模型的定位可包括计算髌骨和股骨之间的原生定位，以有助于再现或基于原生定位提供校正值。可能影响髌骨植入物模型的定位的另一因素是软组织张力，例如四头肌腱中和/或髌韧带中的张力。该定位可以旨在于伸展和/或弯曲期间减小或增加张力。因此，可以在术前进行软组织张力的评估，并且可以在13中获得信息以确定髌骨植入物模型的定位，以便例如通过计算对原生定位进行校正的校正值来调整软组织张力。此外，由于髌骨表面修复术可能会与膝关节置换同时发生，因此可以在13中考虑用于股骨和胫骨的植入计划。例如，股骨膝关节植入物的植入将导致用于髌骨植入物的接触表面的改变。因此，髌骨植入物模型的定位可以基于股骨上的规划股骨膝关节植入物位置和取向以及股骨膝关节植入物的几何形状。
作为13的规划的一部分，基于选定的髌骨植入物位置和取向，髌骨的切割平面可以由处理器进行确定或选择。切割平面可以基于选定植入物的厚度以及具有植入物的表面修复后的髌骨的(例如，沿着前后轴线的)预期厚度。
根据14，使用12的髌骨模型和13的规划，生成PSI夹具模型。尽管也考虑将该夹具模型置靠在髌骨的其它部位(例如前面)上，但是夹具模型将具有被定义成以可预测且精确的方式抵靠在于12中获得的髌骨的后表面上的接触表面。此外，PSI参考夹具模型可以具有引导特征以引导手术实施者将界标和/或引导部定位在髌骨中，使得引导特征处于规划位置和取向。例如，PSI夹具模型可以具有切割槽或引导部，以在制造髌骨植入物将被锚固在其上的切割平面中对锯进行引导以及对钻引导部进行引导，用于将PSI夹具固定于该骨和/或用于将附接孔定位在髌骨上，用于以规划的方式将髌骨植入物固定于表面修复后的髌骨。钻引导部可以被用于创建用于接收髌骨植入物的销或栓的附接孔。
根据15，一旦已经生成PSI夹具模型，就可以使用任何适当的技术、原型制作、3D打印、铸造等来输出和/或产生该PSI夹具。PSI夹具模型可以是一组可执行指令，用于3D打印、数字机加工等。计算机系统可包括用于输出的输出装置(屏幕、监视器、端口、发射器)。
现在已经定义了用于创建用于髌骨植入术的PSI夹具的方法，并且使用如在上述方法10中创建的PSI夹具阐述了用于在手术期间定位髌骨植入物的方法。
参照图2-图4，PSI夹具的第一部分总体上被示出为20。PSI夹具的第一部分20具有适于以互补接合的方式接触髌骨A的后表面的轮廓匹配表面21(图2)，如图3和图4中所示，并且还可以在其原生状态下接触髌骨的其它部分，诸如髌骨A的圆周表面和/或前表面。第一部分20可以具有一对钻引导部，即中心钻引导部22和偏移参考钻引导部23。此外，诸如ML(内侧和外侧)轴线以及PD(近侧和远侧)轴线之类的标记可以被设置在第一部分20的面上，作为用于手术实施者的引导或确认。当将PSI夹具的第一部分20安装在髌骨A上时，PSI夹具上的接触表面21以独特的互补匹配施靠在髌骨A的原生后表面上，这将确保达到规划定位。
此时，如图5A中所示，第一部分20可以被经由中心钻引导部22并利用销或类似的紧固件锚固于髌骨A。此外，使用参考钻引导部23钻出附接孔，该附接孔比销的附接孔更深，这是因为意在使通过参考钻引导部23获得的附接孔存在于表面修复后的髌骨中，用于接收髌骨植入物的钉，如下文中所详述的那样。附接孔实际上可以用作用于髌骨植入物的参考位置。作为选择，可以存在钻引导部22和23中的单个钻引导部。此外，由于PSI夹具的PSI性质，导致可能不需要使用销。独特的互补接合可以提供足够的稳定性，使得当被手动地握持时，PSI夹具可以保持在适当位置中。夹钳和其它类似的工具也可以被用作替代物或也可以另外用于销。
参照图5A和图5B，一旦将PSI夹具的第一部分20固定于髌骨，PSI夹具的第二部分30就被通过配合接合连接于第一部分20。第二部分30具有孔31以允许销通过用于进行对齐，并且具有带有切割槽32A的切割引导部32(图5B)。切割槽32A被隔开以便确保髌骨的所产生的切割平面基于规划(包括髌骨植入物的厚度)。所指出的是，第一部分20和第二部分30可以是单个PSI夹具，而非两个互连件。此外，所设想到的是，在用于聚合物的主体的切割槽32A中具有集成的金属部件等。根据实施例，第二部分30是库存件，而第一部分20是PSI件。换句话说，第一部分20被制造成在解剖学上就其接触表面21、钻引导部22和23的位置及其厚度方面是患者特定的。第二部分30可以是由更为刚性的材料(例如金属)制成的库存件，并且因此被配置为被重新使用。因此，第一部分20的厚度被根据库存的第二部分30的几何结构来进行选择，以确保该切割按照规划加以定位。因此，第一部分20和第二部分30之间的连接布置可以是具有用于第一部分20的拟柱形几何形状和用于第二部分30中的接收腔的拟柱形几何形状的凹凸锥形接合。
参照图6，随后可以使用夹钳40来确保PSI夹具20/30在髌骨A的表面修复期间保持锚固在髌骨A上的规划位置中。夹钳40可以是任何适当的一组钳子等，通过它们，在PSI夹具20/30上和髌骨A的前表面上施加压力。髌骨的切除也可以在没有夹钳40的情况下完成。
一旦该切割完成，就对髌骨A进行表面修复，并且髌骨A可以具有使用参考钻引导部23钻出的孔的痕迹。参照图8，可以使用验证夹具50来确保当髌骨植入物B被相对于轨迹孔居中时，髌骨植入物B将不会与表面修复后的髌骨A的周边重叠。参照图9，髌骨植入物B可以随后在规划位置中被固定于表面修复后的髌骨A。尽管未示出，但是可以执行其它机加工步骤以将髌骨植入物B锚固于表面修复后的髌骨A。
现在已经定义了用于创建用于髌骨植入术的PSI夹具以及用于在手术期间定位髌骨植入物的方法，用于创建用于髌骨植入术的PSI夹具的系统被在图10中进行描述并且主要以60示出。系统60可包括成像单元70，例如CT扫描或X射线机，以获得髌骨和周围骨和软组织的图像。作为替代方案，图像可从图像源71获得。作为示例，可从系统70远程操作CT扫描，由此系统70可以简单地从图像71获得图像和/或处理后的骨和植入物模型。
系统70包括一个或多个处理器，为了简单起见，其被示出为包括不同模块的处理器80(例如，计算机、膝上型电脑等)以便最终产生夹具模型。系统60的处理单元80可以因此包括骨模型生成器模块81，其从源70或71接收图像以生成髌骨的3D模型。根据图1的方法10，骨的3D模型可以包括关于髌骨的带有或不带有周围骨和软组织的相关部分的表面几何形状的数据。
骨模型生成器模块81将创建髌骨的3D模型，该3D模型随后由处理单元80的髌骨植入物定位模块82和髌骨表面修复计算器模块83使用。作为选择，模块82和83可以使用由图像源71提供的3D模型，前提是从图像源71获得的模型包括足够多的数据。
髌骨植入物定位模块82被用于对髌骨植入物模型的定位进行虚拟规划。植入物数据库82A可以提供库存髌骨植入物的虚拟模型，如图9中的表面修复后的髌骨A上的B所示。植入物大小的选择可以基于从髌骨植入物模型获得的髌骨的尺寸。髌骨植入物定位模块82可以通过提出基于原生髌骨的位置和取向和/或通过使手术实施者能够实现髌骨的模型和植入物的模型之间的相对运动虚拟地选择位置和取向，来帮助手术实施者选择将在手术中使用的髌骨植入物的3D模型的位置和取向。例如，髌骨植入物定位模块82可以提供与当前位置有关的数据以帮助手术实施者，这些数据例如为虚拟模型的股骨接触表面相对于原生髌骨的股骨接触表面的位置。
髌骨植入物定位模块82可以考虑软组织张力，例如四头肌腱中和/或髌韧带中的张力。植入物的定位可以旨在于伸展和/或弯曲期间减小或增加该张力。因此，髌骨植入物定位模块82可以提供对软组织张力的评估以允许例如通过计算对原生定位进行校正的校正值来调整软组织张力。此外，由于髌骨表面修复术可以与膝关节置换同时发生，因此髌骨植入物定位模块82可以考虑用于股骨和胫骨的植入规划。例如，股骨膝关节植入物的植入将导致用于髌骨植入物的接触表面的改变。因此，髌骨植入物定位模块82可以基于规划的股骨膝关节植入物在股骨上的位置和取向连同股骨膝关节植入物的几何形状一起定位该髌骨植入物模型。
处理单元80的髌骨表面修复计算器模块83基于由髌骨植入物定位模块82输出的选定的髌骨植入物位置和取向来计算髌骨的切割平面。该切割平面可以基于选定的植入物的厚度以及带有植入物的表面修复后的髌骨的(例如沿着前后轴线的)预期厚度。髌骨表面修复计算器模块83可以在计算中考虑髌骨和股骨之间的原生定位(原生意味着当前的术前状态)。处理单元80的髌骨表面修复计算器模块83还可以计算髌骨植入物的中心相对于髌骨的位置。
一旦选定髌骨植入物的位置和取向并且限定切割平面，PSI夹具模型生成器模块84就可以生成一个或多个夹具模型90，例如，类似于图2-图9中所示的20和30。如在方法10中的14中一样，该夹具模型将具有被限定为以可预测且精确的方式抵靠该髌骨的接触表面。由于该PSI夹具将支撑用于在髌骨上执行改变的工具，因此该夹具模型90包括切割平面、引导部、槽或任何其它加工界面或工具、跟踪器，其被定向和/或定位成允许骨改变形成在髌骨相对于接触表面的预期位置中。因此，夹具模型生成器模块84也可以考虑由手术实施者(例如，外科医生)完成的任何规划。因此，系统60输出将被用于创建PSI夹具20/30的PSI夹具模型90。
所考虑到的是，使用参考引导部作为用于机器人手臂的引导部来切割骨上的平面。在这种情况下，无需夹具模型。相反，可以为机器人系统提供导航文件，以基于髌骨的位置和取向来实施手术。
尽管已经参照以特定顺序执行的特定步骤描述和示出了上述方法和系统，但是在不脱离本公开的教导的情况下，可以组合、细分或重新排序这些步骤以形成等同的方法。因此，这些步骤的顺序和分组并不是对本公开的限制。

Claims (3)

1.一种用于髌骨表面修复术的患者特定夹具，所述患者特定夹具包括：
第一夹具部分，所述第一夹具部分限定至少一个患者特定接触表面，所述至少一个患者特定接触表面负性地对应于在解剖学上是患者特定的髌骨的用于互补接触的表面；
至少一个钻引导部，所述至少一个钻引导部被相对于所述至少一个患者特定接触表面定位以被配置成引导工具，从而限定用于髌骨植入物的附接孔；
另一钻引导部，所述另一钻引导部被配置成固定住用于在表面修复期间固定住所述夹具的销；以及
第二夹具部分，所述第二夹具部分具有仅从所述第一夹具部分的周边的一部分伸出的一部分，所述第二夹具部分的所述一部分限定至少一个切割引导部，所述至少一个切割引导部被相对于所述至少一个患者特定接触表面定位并且被配置成引导工具以便对髌骨进行表面修复以便形成用于支撑所述髌骨植入物的规划表面修复平面。
2.根据权利要求1所述的患者特定夹具，其中，所述第一夹具部分和所述第二夹具部分共同限定配合接合，所述第二夹具部分具有与所述第一夹具部分中的其它钻引导部对齐的孔洞，用于使所述销延伸穿过所述孔洞和所述其它钻引导部。
3.根据权利要求2所述的患者特定夹具，其中，所述患者特定夹具还包括位于所述第一夹具部分上的标记，所述标记在解剖学上是患者特定的，以便被配置成与近侧-远侧轴线和内侧-外侧轴线中的至少一个对准。
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