CN109890281A - 用于术中骨盆配准的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于将包括髋臼的骨盆与坐标系中的骨盆的计算机模型进行术中配准的系统。系统可以包括：a)包括跟踪装置的外科导航系统；b)与所述外科导航系统通信的至少一个计算装置。所述至少一个计算装置：i)从髋臼的关节面上的第一术中收集点接收第一数据点，所述第一数据点用所述跟踪装置收集；ii)从骨盆上的第二术中收集点接收第二数据点，所述第二数据点用所述跟踪装置收集，所述第二数据点在位置上对应于所述计算机模型上的第二虚拟数据点；以及iii)从所述第一数据点确定股骨相对于骨盆的术中旋转中心。

Description

用于术中骨盆配准的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年8月30日提交的、名称为“术中骨盆配准(INTRA-OPERATIVEPELVIC REGISTRATION)”的美国临时专利申请No.62/381,214的权益和优先权，其通过引用完整地合并于此。
本申请通过引用整体并入以下申请：2010年9月29日提交的、名称为“用于定位假体部件和/或用于约束外科工具的移动的外科系统(SURGICAL SYSTEM FOR POSITIONINGPROSTHETIC COMPONENT AND/OR FOR CONSTRAINING MOVEMENT OF SURGICAL TOOL)”的美国专利申请No.12/894,071；2011年9月16日提交的、名称为“用于测量关节置换术中的参数的系统和方法(SYSTEMS AND METHOD FOR MEASURING PARAMETERS IN JOINT REPLACEMENTSURGERY)”的美国专利申请No.13/234,190；2006年2月21日提交的、名称为“触觉引导系统和方法(HAPTIC GUIDANCE SYSTEM AND METHOD)”的美国专利申请No.11/357,197；2009年12月22日提交的、名称为“具有第一和第二传动元件的传动装置(TRANSMISSION WITHFIRST AND SECOND TRANSMISSION ELEMENTS)”的美国专利申请No.12/654,519；2009年12月22日提交的、名称为“可以通过联接组装的装置(DEVICE THAT CAN BE ASSEMBLED BYCOUPLING)”的美国专利申请No.12/644,964；以及2007年5月18日提交的、名称为“用于验证外科装置的校准的系统和方法(SYSTEM AND METHOD FOR VERIFYING CALIBRATION OF ASURGICAL DEVICE)”的美国专利申请No.11/750,807。
技术领域
本公开一般涉及用于整形外科关节置换手术的外科系统，并且更具体地涉及术中骨盆配准的方法。
背景技术
机器人系统通常用于需要高度准确性和/或精确性的应用中，例如外科程序或其他复杂任务。这样的系统可以包括各种类型的机器人，例如自主的、远程操作的和交互式的。
对于一些类型的手术，例如关节置换手术，交互式机器人系统可能是优选的，原因是它们使外科医生能够保持对外科程序的直接手动控制，同时仍然实现高度准确性和/或精确性。例如，在膝置换术中，外科医生可以以被动方式使用交互式、触觉引导的机器臂来雕刻骨头以接收关节植入物，例如膝植入物。为了雕刻骨头，外科医生手动抓住并操纵机器臂以移动联接到机器臂的切割工具(例如，旋转锉刀)以在骨头中切出坑。只要外科医生将锉刀的尖端保持在例如由触觉物体限定的预定虚拟切割边界或触觉边界内，机器臂就以低摩擦和低惯性自由移动，使得外科医生将机器臂感知为基本上没有重量，并且可以根据需要移动机器臂。然而，如果外科医生试图移动锉刀的尖端以在虚拟切割边界的外部切割，则机器臂提供触觉反馈(例如，强制阻力)，其阻止或抑制外科医生将锉刀的尖端移动超出虚拟切割边界。以该方式，机器臂能够实现高度准确的、可重复的骨切口。当外科医生在对应的骨切口上手动植入膝植入物(例如，髌股骨部件)时，由于切割骨和膝植入物的构造和它们之间的界面，植入物通常将被精确地对准。
上述交互式机器人系统也可以用于髋置换术中，其可能需要使用具有不同功能(例如，铰孔、冲击)、不同配置(例如，直的、偏移的)以及不同的重量的多个外科工具。2010年9月29日提交的、名称为“用于定位假体部件和/或用于约束外科工具的移动的外科系统(SURGICAL SYSTEM FOR POSITIONING PROSTHETIC COMPONENT AND/OR FOR CONSTRAININGMOVEMENT OF SURGICAL TOOL)”的美国专利申请No.12/894,071中描述了一种被设计成适应各种工具的系统，其通过引用整体合并于此。
在髋置换手术以及其他机器人辅助或完全自主的手术程序期间，患者骨头在术中与对应的虚拟或计算机骨模型配准以使实际的物理的骨头的姿势(即，位置和旋转取向)与虚拟骨模型相关联。也相对于手术机器人、触觉装置或具有至少一个自由度的外科工具(例如，旋转锉刀)跟踪患者骨头(物理空间)。以该方式，经由计算机在虚拟骨模型上控制和限定的虚拟切割或触觉边界可以应用于患者骨头(物理空间)，使得触觉装置在作用于患者骨头(物理空间)时在其物理移动(例如，磨动(burring))上被约束。
由于骨盆的复杂几何形状，特别是髋臼的凹陷性质，骨盆的术中配准可能是具有挑战性的。尽管本领域中存在用于配准患者骨盆的某些方法，但是本领域中需要在减少配准时间的同时提高准确性的配准方法。
发明内容
本公开的方面可以涉及一种系统，用于将第一骨的术中收集的患者数据与坐标系中的所述第一骨的计算机模型配准。所述第一骨可以包括凹入部分并可以与包括凸出部分的第二骨形成关节。所述系统可以包括：a)外科导航系统可以包括跟踪装置和通过所述跟踪装置跟踪其移动的至少一个工具。所述系统还可以包括：b)与所述外科导航系统通信的至少一个计算装置，所述至少一个计算装置存储所述坐标系中的所述第一骨的计算机模型。所述至少一个计算装置可以执行以下步骤：i)从所述凹入部分的关节面上的第一术中收集点接收所述患者数据的第一数据点，所述第一数据点使用所述至少一个工具收集，所述第一数据点在位置上对应于所述计算机模型上的第一关节区域；ii)从所述第一骨上的第二术中收集点接收第二数据点，所述第二数据点使用所述至少一个工具收集，所述第二数据点在位置上对应于所述计算机模型上的第二虚拟数据点；iii)从所述第一数据点确定术中旋转中心，所述术中旋转中心对应于所述第二骨相对于所述第一骨的物理旋转中心；iv)将所述术中旋转中心与所述坐标系中的所述计算机模型的虚拟旋转中心对准；v)将所述虚拟旋转中心和所述第二虚拟数据点之间的第一距离与所述术中旋转中心和所述第二数据点之间的第二距离进行比较；以及vi)用所述患者数据和所述计算机模型进行变换，从而使它们关于位置和取向对应。
在某些情况下，所述第一骨可以包括髂骨，所述凹入部分可以包括髋臼，并且所述第二骨可以包括股骨，并且其中所述第二数据点可以位于髋臼的边缘、髋臼的关节面、或髂前上棘上。
在某些情况下，所述系统还可以包括：vii)从所述第一骨上的第三术中收集点接收所述患者数据的第三数据点，所述第三数据点用所述至少一个工具收集，所述第三数据点位于所述第一骨上与所述第二数据点不同的位置，并且在位置上对应于所述计算机模型上的第三虚拟数据点；以及viii)将所述虚拟旋转中心和所述第三虚拟数据点之间的第三距离与所述术中旋转中心和所述第三数据点之间的第四距离进行比较。
在某些情况下，所述第一骨可以包括髂骨，所述凹入部分可以包括髋臼，并且所述第二骨可以包括股骨，并且其中所述第二数据点可以位于髋臼的边缘、髋臼的关节面、或髂前上棘中的一个上，并且其中所述第三数据点可以位于髋臼的边缘、髋臼的关节面、或髂前上棘中的一个上。
在某些情况下，所述第一骨可以包括肩胛骨，所述凹入部分可以包括肩胛盂，并且所述第二骨可以包括肱骨，并且其中所述第二数据点可以位于肩胛盂的边缘、肩胛盂的关节面、或肩胛骨的另一部分中的一个上，并且其中所述第三数据点可以位于肩胛盂的边缘、肩胛盂的关节面、或肩胛骨的另一部分中的一个上。
在某些情况下，步骤iii)还可以包括计算由所述第一数据点形成的球形表面。
在某些情况下，所述系统还可以包括计算所述球形表面的术中半径，所述术中半径从所述术中旋转中心大致延伸到所述第一数据点。
在某些情况下，所述系统还可以包括将所述术中半径与从所述计算机模型的所述虚拟旋转中心延伸到所述计算机模型上的所述第一关节区域的虚拟半径进行比较。
在某些情况下，如果所述术中半径和所述虚拟半径之间的差可以为约3mm或更少，则配准可以是可接受的。
在某些情况下，所述至少一个工具可以包括徒手导航探针和手术机器人的臂中的至少一个。
在某些情况下，所述关节可以包括髋关节、肩关节、膝关节、肘关节或踝关节中的一个。
本公开的方面可以涉及存储用于在计算系统上执行计算机处理的计算机可执行指令的一种或多种有形计算机可读存储介质。所述计算机处理可以包括：a)接收使用导航系统的跟踪装置在第一患者骨上在第一位置捕获的患者数据点的多个第一数据点，所述第一患者骨可以包括凹入部分，所述凹入部分与第二患者骨的凸出部分形成关节，所述多个第一数据点表示所述第一位置处的所述第一患者骨的第一虚拟表面轮廓。所述计算机处理还可以包括：b)接收使用所述跟踪装置在所述第一患者骨上在第二位置捕获的患者数据点的第二数据点，所述第二位置不同于所述第一位置。所述计算机处理还可以包括：c)从所述多个第一数据点确定第一旋转中心，所述第一旋转中心表示所述第二患者骨相对于所述第一患者骨的物理旋转中心。所述计算机处理还可以包括：d)将所述第一旋转中心与所述第一患者骨的计算机模型的虚拟旋转中心进行位置匹配，其中所述多个第一数据点、所述第二数据点、所述坐标系中的第一中心、所述计算机模型和所述虚拟旋转中心在共同的坐标系中。所述计算机处理还可以包括：e)位置匹配所述第二数据点和所述计算机模型的第二虚拟数据点以使所述患者数据点与所述计算机模型关于位置和取向配准，所述第二虚拟数据点在所述计算机模型上位于对应于所述第一患者骨上的所述第二位置的位置。
在某些情况下，所述关节可以包括髋关节、肩关节、膝关节、肘关节或踝关节中的一个。
在某些情况下，所述第一位置可以包括关节面。
在某些情况下，步骤c)还可以包括计算由所述多个第一数据点形成的球形表面。
在某些情况下，所述一种或多种有形计算机可读存储介质还可以包括计算所述球形表面的第一半径，所述第一半径从所述第一旋转中心延伸到所述多个第一数据点。
在某些情况下，所述一种或多种有形计算机可读存储介质还可以包括将所述第一半径与从所述计算机模型的虚拟旋转中心延伸的虚拟半径进行比较。
在某些情况下，步骤e)中的信息可以包括所述第二数据点和所述第一旋转中心之间的第一长度。
在某些情况下，可以将所述第一长度与所述第二虚拟数据点和所述虚拟旋转中心之间的虚拟距离进行比较。
在某些情况下，所述第二数据点可以位于所述凹入部分的边缘或所述凹入部分的关节面上。
在某些情况下，所述第二数据点可以位于所述凹入部分的边缘或所述凹入部分的关节面上，所述计算机处理还可以包括：f)接收使用所述跟踪装置在所述第一患者骨上捕获的所述患者数据点的第三数据点，所述第三数据点在位置上对应于所述计算机模型上的第三虚拟数据点，所述第三数据点不同于所述第二数据点和所述多个第一数据点；以及g)位置匹配所述第三数据点和所述第三虚拟数据点以将所述第一患者骨与所述计算机模型配准。
在某些情况下，所述第三数据点可以是远离所述关节的解剖标志。
在某些情况下，远离所述关节可以包括至少10cm的距离。
在某些情况下，所述第一患者骨可以是髂骨，并且所述解剖标志可以是髂前上棘。
在某些情况下，步骤g)中的第二信息还可以包括将在所述第一旋转中心和所述第三数据点之间延伸的第一矢量与在所述虚拟旋转中心和所述第三虚拟数据点之间延伸的第二矢量进行比较。
在某些情况下，可以使用至少一个平面中的所述第一矢量和所述第二矢量之间的角度差来确定配准精度。
在某些情况下，如果所述第三数据点、所述第二数据点和所述第一旋转中心不共线，则所述第三数据点、所述第二数据点和所述多个数据点是可接受的。
在某些情况下，可以从所述第一患者骨的术前图像和所述第一患者骨的术中数据收集中的至少一个生成所述计算机模型。
本公开的方面可以涉及一种将与第一骨关联的患者数据与坐标系中的所述第一骨的计算机模型术中配准的计算机化的方法。所述第一骨可以包括凹入部分，并且与可以包括凸出部分的第二骨形成关节。所述计算机化的方法可以包括：a)从所述第一骨的所述凹入部分的关节面上的第一术中收集点接收所述患者数据的第一数据点，所述第一数据点用导航系统的跟踪装置收集。所述计算机化的方法还可以包括：b)从所述第一骨上的第二术中收集点接收所述患者数据的第二数据点，所述第二数据点用所述跟踪装置收集，所述第二数据点在位置上对应于所述计算机模型上的第二虚拟数据点。所述计算机化的方法还可以包括：c)从所述第一数据点确定所述第二骨相对于所述第一骨的术中旋转中心。所述计算机化的方法还可以包括：d)将所述术中旋转中心与所述坐标系中的所述计算机模型的虚拟旋转中心进行位置匹配。所述计算机化的方法还可以包括：e)将所述虚拟旋转中心和所述第二虚拟数据点之间的第一距离与所述术中旋转中心和所述第二数据点之间的第二距离进行比较。
在某些情况下，所述第二数据点可以位于所述凹入部分的边缘、所述凹入部分的关节面、或所述第一骨的另一部分上。
在某些情况下，所述计算机化的方法还可以包括：f)从所述第一骨上的第三术中收集点接收所述患者数据的第三数据点，所述第三数据点用所述跟踪装置收集，所述第三数据点位于所述第一骨上与所述第二数据点不同的位置，并且在位置上对应于所述计算机模型上的第三虚拟数据点；以及g)将所述虚拟旋转中心和所述第三虚拟数据点之间的第三距离与所述术中旋转中心和所述第三数据点之间的第四距离进行比较。
在某些情况下，所述关节可以包括髋关节、肩关节、膝关节、肘关节或踝关节中的一个。
在某些情况下，步骤c)还可以包括计算由所述第一数据点形成的球形表面。
在某些情况下，所述计算机化的方法还可以包括计算所述球形表面的术中半径，所述术中半径从所述术中旋转中心延伸到所述第一数据点。
在某些情况下，所述计算机化的方法还可以包括将所述术中半径与从所述计算机模型的虚拟旋转中心延伸的虚拟半径进行比较。
本公开的方面可以涉及一种关于平移和旋转配准与第一患者骨关联的第一患者数据和坐标系中的所述第一患者骨的计算机模型的计算机化的方法。所述第一患者骨可以包括凹入部分，所述凹入部分与第二患者骨的凸出部分形成关节。所述计算机化的方法可以包括：a)通过以下方式锁定所述第一患者数据和所述第一患者骨的计算机模型之间的平移：i)接收所述第一患者数据的多个第一数据点，所述多个第一数据点对应于在所述第一患者骨上在第一位置收集的第一点，所述第一点用导航系统的跟踪装置收集；ii)从所述多个第一数据点确定所述第二患者骨的所述凸出部分相对于所述第一患者骨的所述凹入部分的术中旋转中心；以及iii)将所述术中旋转中心与所述坐标系中的所述第一患者骨的所述计算机模型的虚拟旋转中心对准。
在某些情况下，所述计算机化的方法还可以包括：b)通过以下方式锁定所述第一数据点和所述第一患者骨的计算机模型之间的旋转：i)使用所述跟踪装置捕获所述第一患者骨上的所述第一数据点的第二数据点，所述第二数据点位于与所述多个第一数据点不同的位置，并且在位置上对应于所述计算机模型上的第二虚拟数据点；以及ii)使用与所述第二数据点和所述第二虚拟数据点关联的信息来锁定所述第一数据点与所述计算机模型的旋转。
在某些情况下，所述关节可以包括髋关节、肩关节、膝关节、肘关节或踝关节。
在某些情况下，所述第一位置可以包括关节面。
在某些情况下，步骤c)还可以包括计算由所述多个第一数据点形成的球形表面。
在某些情况下，所述计算机化的方法还可以包括计算所述球形表面的术中半径，所述术中半径从所述术中旋转中心延伸到所述多个第一数据点。
在某些情况下，所述计算机化的方法还可以包括将所述术中半径与从所述计算机模型的虚拟旋转中心延伸的虚拟半径进行比较。
在某些情况下，所述第一患者骨可以包括具有髋臼的髂骨，所述第二患者骨可以包括股骨，并且所述关节可以包括髋关节，并且其中所述第一位置可以在髋臼的关节面上，并且所述不同位置可以在髋臼的边缘、髋臼的关节面、髂骨的髂前上棘、或非手术髂骨的髂前上棘上。
本公开的方面可以涉及一种用于在配准程序期间引导标志捕获的系统，所述配准程序涉及将与患者的第一骨关联的术中数据与所述第一骨的计算机模型配准。所述系统可以包括：a)外科导航系统可以包括跟踪装置和被配置为通过所述跟踪装置跟踪其移动的至少一个工具。所述系统还可以包括：b)显示装置。所述系统还可以包括：c)与所述显示装置和所述外科导航系统电通信的至少一个计算装置，所述至少一个计算装置可以包括：输入；输出；存储器；以及与所述输入、所述输出和所述存储器电通信的中央处理单元(“CPU”)，所述存储器可以包括用于操作图形用户界面(“GUI”)的软件，所述至少一个计算装置被配置成：i)在所述显示装置上显示所述GUI和所述第一骨的计算机模型，所述GUI可以包括在所述第一骨的计算机模型上显示的虚拟点，所述虚拟点对应于用所述至少一个工具术中捕获的所述第一骨上的物理点，所述GUI还可以包括至少部分地围绕所述虚拟点的图形，所述图形与所述虚拟点以半径间隔开。所述GUI还可以被配置成：ii)基于所述至少一个工具和所述第一骨上的所述物理点之间的距离的变化调节所述图形的所述半径的尺寸。
在某些情况下，当所述距离的变化减小时所述图形的所述半径的尺寸减小。
在某些情况下，当所述距离的变化增加时所述图形的所述半径的尺寸增加。
在某些情况下，所述图形可以包括箭头和圆圈中的至少一个。
在某些情况下，在可以术中捕获所述物理点时，所述图形改变颜色。
在某些情况下，所述距离的变化可以是在所述至少一个工具的尖端和所述第一骨上的所述物理点之间。
在某些情况下，所述至少一个工具可以包括导航探针和与机器臂联接的工具的尖端中的至少一个。
附图说明
图1A是股骨和骨盆的透视图。
图1B是由图1A的股骨和骨盆形成的髋关节的透视图。
图2A是用于全髋置换程序的股骨部件和髋臼部件的分解透视图。
图2B是示出图2A的股骨部件和髋臼部件分别相对于图1A的股骨和骨盆的放置的透视图。
图3A是外科系统的实施例的透视图。
图3B是图3A的外科系统的机器臂的实施例的透视图。。
图4示出了在外科程序期间使用的计算机显示器的实施例。
图5示出了髋置换程序的步骤的实施例。
图6和7示出了在显示屏上显示的骨盆配准方法的实施例。
图8A示出了骨盆配准方法的步骤的实施例。
图8B示出了表示图8A的骨盆配准方法的许多步骤的各种特征的表。
图9A是患者骨盆的三维骨模型的外侧视图，示出了沿着髋臼的关节面的突出显示带。
图9B是患者骨盆在术中的外侧视图，其中导航探针的远侧尖端接触髋臼的关节面上的点。
图9C在左侧描绘了由髋臼的关节面上的捕获点生成的球体，并且在右侧描绘了球体的3/4的部分以示出球体的半径。
图9D描绘了三维骨模型的外侧视图，其具有在术前从患者骨盆的医学成像确定的旋转中心点。
图10A是三维骨模型的前外侧视图，其具有在前髋臼边缘上突出显示的点。
图10B是患者骨盆在术中的外侧视图，其中导航探针的远侧尖端接触前髋臼边缘上的点。
图10C是三维骨模型的前外侧视图，其具有在髋臼的后关节面上突出显示的点。
图10D是患者骨盆在术中的外侧视图，其中导航探针的远侧尖端接触髋臼的后关节面上的点。
图10E是三维骨模型的后外侧视图，其具有在后髋臼边缘上突出显示的点。
图10F是患者骨盆在术中的外侧视图，其中导航探针的远侧尖端接触后髋臼边缘上的点。
图10G是三维骨模型的后外侧视图，其具有在髋臼的前关节面上突出显示的点。
图10H是患者骨盆在术中的外侧视图，其中导航探针的远侧尖端接触髋臼的前关节面上的点。
图11A是三维骨模型的前外侧视图，其具有在髂前上棘上突出显示的点。
图11B是患者骨盆在术中的外侧视图，其中导航探针的远侧尖端接触ASIS上的点。
图11C是三维骨模型的外侧视图，描绘了一对矢量以便测量相对于髋臼平面的角度取向。
图12A是患者骨盆的三维骨模型的外侧视图，其具有在髋臼边缘的前上侧上的突出显示带。
图12B是患者骨盆在术中的外侧视图，其中导航探针的远侧尖端接触髋臼边缘的前侧上的点。
图12C是患者骨盆的三维骨模型的外侧视图，其具有在髋臼边缘的后上侧上的突出显示带。
图12D是患者骨盆在术中的外侧视图，其中导航探针的远侧尖端接触髋臼边缘的后侧上的点。
图13A是三维骨模型的前视图，描绘了一对矢量以便测量关于垂直于髋臼平面的平面的倾斜度。
图13B是三维骨模型的后外侧视图，其具有在后髋臼边缘上的突出显示的点，以及围绕该点的图形的第一实施例，其中图形与该点间隔第一半径。
图13C是三维骨模型的后外侧视图，其具有在后髋臼边缘上的突出显示的点，以及围绕该点的图形的第一实施例，其中图形与该点间隔第二半径。
图13D是三维骨模型的后外侧视图，其具有在后髋臼边缘上的突出显示的点，以及围绕该点的图形的第二实施例，其中图形与该点间隔第一半径。
图13E是三维骨模型的后外侧视图，其具有在后髋臼边缘上的突出显示的点，以及围绕该点的图形的第二实施例，其中图形与该点间隔第二半径。
图14是具有可以实现本文所讨论的各种系统和方法的一个或多个计算单元的示例性计算系统。
图15A是膝关节的后视图。
图15B是肩关节的前外侧视图。
图15C是肘关节的前外侧视图。
图15D是踝关节的内侧视图。
图16A是骨盆的后视图，示出了髂后上棘和远侧骶骨之间的几何关系。
图16B是脊柱的后视图，示出了最远侧关节和最近侧关节之间的几何关系。
具体实施方式
I.概述
髋关节是股骨和骨盆之间的关节，并且主要用于以静态(例如站立)和动态(例如，行走)姿势支撑身体的重量。图1A示出了髋关节10的手术侧的骨，其包括左骨盆或髂骨12和左股骨14的近端。而右骨盆和右股骨的近端在图1A中未示出，本文的这种讨论适用于右和左股骨和骨盆而没有限制。接着，股骨14的近端包括布置在股骨颈18上的股骨头16。股骨颈18将股骨头16连接到股骨干20。如图1B中所示，股骨头16装配到称为髋臼22的骨盆12中的凹窝中，由此形成髋关节10。髋臼22和股骨头16都被关节软骨覆盖，所述关节软骨吸收冲击并促进关节10的关节运动。
随着时间的推移，髋关节10可能退化(例如，由于骨关节炎)，导致疼痛和功能减弱。因此，可能需要进行髋置换程序，例如全髋关节成形术或髋关节面置换术。在髋置换期间，外科医生用人造部件替换患者髋关节10的部分。在全髋关节成形术中，外科医生移除股骨头16和颈部18并用假体股骨部件26替换天然骨，所述假体股骨部件包括头部26a，颈部26b和柄部26c(在图2A中示出)。如图2B中所示，股骨部件26的柄部26c锚固在外科医生在股骨14的髓内管中形成的腔中。替代地，如果疾病局限于股骨头16的表面，则外科医生可以选择微创进路，其中股骨头被表面修整(例如，使用圆柱形铰刀)并且然后与假体股骨头杯(未示出)配合。类似地，如果骨盆12的天然髋臼22磨损或患病，则外科医生使用铰刀表面修整髋臼22，并用假体髋臼部件28替换自然表面，所述假体髋臼部件包括可以包括衬垫28b的半球形杯28a(在图2A中示出)。为了安装髋臼部件28，外科医生将杯28a连接到冲击器工具的远端，并通过用锤子反复撞击冲击器工具的近端将杯28a植入到铰孔的髋臼22中。如果髋臼部件28包括衬垫28b，则外科医生在植入杯28a之后将衬垫28b卡扣到杯28a中。取决于外科医生在手术中将患者所置于的位置，外科医生可以使用直的或偏移的铰刀对髋臼22铰孔并使用直的或偏移的冲击器来植入髋臼杯28a。例如，使用后外侧进路的外科医生可能更喜欢直铰孔和冲击，而使用前外侧进路的外科医生可能更喜欢偏移铰孔和冲击。
II.示例性机器人系统
本文描述的外科系统可以用于执行髋置换以及其他外科程序。如图3A中所示，根据本公开的用于外科应用的外科系统5的实施例包括计算机辅助导航系统7、跟踪装置8、计算机15、显示装置9(或多个显示装置9)和机器臂30。
机器臂30可以由外科医生以交互方式使用以对患者执行外科程序，例如髋置换程序。如图3B中所示，机器臂30包括基座32、铰接臂34、力系统(未示出)和控制器(未示出)。外科工具58(例如，如图3A所示的旋磨装置，如图3B所示的具有操作构件的末端执行器40)联接到铰接臂34的端部，并且外科医生通过抓握和手动移动铰接臂34和/或外科工具来操纵外科工具58。
力系统和控制器被配置成在外科工具的操纵期间向外科医生提供控制或引导。力系统被配置成经由铰接臂34向外科工具提供至少一些力，并且控制器被编程为生成用于控制力系统的控制信号。在一个实施例中，力系统包括致动器和可反向驱动的传动装置，其提供触觉(或力)反馈以约束或禁止外科医生手动移动外科工具超出由触觉对象限定的预定义虚拟边界，例如，如2006年2月21日提交的美国专利申请序列号11/357,197(公开号US2006/0142657)和/或2009年12月22日提交的美国专利申请序列号12/654,519中所述，上述申请的每一个通过引用整体并入本文。在某个实施例中，外科系统是由佛罗里达州劳德代尔堡的MAKO外科公司制造的RIOTM.机器臂交互式矫形系统。力系统和控制器优选地容纳在机器臂30内。
跟踪装置8被配置成跟踪外科工具58(联接到机器臂30)和患者的解剖结构的相对位置。外科工具58可以由跟踪装置8直接跟踪。替代地，可以通过跟踪机器臂30的基座32的位置并且基于来自机器臂30的关节的关节编码器数据以及外科工具和机器臂30之间的已知几何关系计算外科工具58的姿势来确定外科工具的姿势。具体地，跟踪装置8(例如，光学、机械、电磁或其他已知的跟踪系统)跟踪(或能够确定)外科工具的姿势(即，位置和取向)和患者的解剖结构，使得导航系统7知道工具和解剖结构之间的相对关系。
在操作中，用户(例如，外科医生)手动移动机器臂30以操纵外科工具58(例如，旋磨装置、具有操作构件的末端执行器40)以对患者执行外科任务，如骨切割或植入物安装。当外科医生操纵工具58时，跟踪装置8跟踪外科工具的位置，并且机器臂30提供触觉(或力)反馈以限制外科医生将工具58移动超出预定义虚拟边界的能力，所述预定义虚拟边界配准(或映射)到患者的解剖结构，这导致高度准确和可重复的骨切割和/或植入物放置。机器臂30以被动方式操作，并且当外科医生试图将外科工具58移动超出虚拟边界时提供触觉反馈。触觉反馈由机器臂30中的一个或多个致动器(例如，马达)生成，并且经由挠性传动装置(例如缆线驱动传动装置)传递到外科医生。当机器臂30不提供触觉反馈时，机器臂30可由外科医生自由移动，并且优选地包括可以由外科医生根据需要启动的虚拟制动器。在外科程序期间，导航系统7在显示装置9中的一者或两者上显示与外科程序相关的图像。
为了帮助跟踪系统内的各种设备，机器臂30可以包括用于跟踪机器臂30的整体或总体位置的装置标记48，用于跟踪铰接臂34的远端的工具端部标记54，和用于配准过程的徒手导航探针56。这些标记48、54、56(及其他，如位于患者骨中的导航标记)中的每一个可由具有例如光学相机的跟踪装置8跟踪。
计算机15可以包括显示器和输入装置(例如，键盘，鼠标)，并且配置成与导航系统7、跟踪装置8、系统中的各种显示装置9以及机器臂30通信。此外，计算机15可以接收与特定外科程序相关的信息并执行与外科程序的执行相关的各种功能。例如，计算机15可以根据需要具有软件以执行与图像分析、手术规划、配准、导航、图像引导和触觉引导相关的功能。随后参考图14描述具有可以实现本文所讨论的各种系统和方法的一个或多个计算单元的示例性计算系统的更详细分析。
图3B描绘了特别适用于机器人辅助髋关节成形术的末端执行器40。末端执行器40配置成安装到机器臂30的端部。末端执行器40包括安装部分50、壳体、联接装置和释放构件。末端执行器40配置成相对于机器臂30单独地且可互换地支撑并精确地定位多个操作构件。如图3B中所示，末端执行器40联接到操作构件100。末端执行器40和相关工具、系统和方法在2010年9月29日提交的美国专利申请No.12/894,071中描述，上述申请通过引用完整地合并于此。
安装部分(或安装件)50优选地将末端执行器40联接到机器臂30。特别地，安装部分50从壳体延伸并且配置成使用例如机械紧固件将末端执行器40联接到机器臂30的相应安装部分35，使得安装部分相对于彼此固定。安装部分50可以附接到壳体或与壳体一体地形成，并且配置成相对于机器臂30准确地且可重复地定位末端执行器40。在一个实施例中，安装部分50是半运动安装件，如2009年12月22日提交的美国专利申请序列号12/644,964中所述，上述申请通过引入完整地合并于此。
图3B中的末端执行器40是可以由外科机器臂30跟踪和使用的外科工具的一个示例。本领域已知的其他工具(例如，钻机、锉刀)可以附接到机器臂以用于给定的外科程序。
III.术前规划外科程序
在外科程序之前，用医学成像装置生成患者的骨盆12和股骨14的术前CT(计算机断层摄影)扫描。尽管讨论将集中于CT扫描，但是可以类似地采用其他成像模态(例如，MRI)。附加地和替代地，从CT扫描和/或三维模型512、514导出的X射线图像可以用于手术规划，这可能对习惯于使用实际X射线图像而不是基于CT的模型规划植入物放置的外科医生有帮助。CT扫描可以由外科医生或在独立的成像设施处执行。附加地或替代地，可以采用术中成像方法来生成骨的患者模型。例如，可以用跟踪探针探测各种感兴趣的骨表面以生成感兴趣的表面的表面轮廓。表面轮廓可以用作患者骨模型。因此，本公开适用于生成患者骨模型或其一部分的所有方法。
如图4中所示，CT扫描或来自CT扫描的数据被分割并获得骨盆12的三维模型512和股骨14的三维模型514。外科医生使用三维模型512、514来构建手术规划。外科医生通过相对于患者解剖结构的模型512、514指定髋臼部件和股骨部件的期望姿势(即，位置和取向)来产生手术规划。例如，髋臼杯的规划姿势500可以被指定并显示在计算机显示器(例如显示装置9)上。在外科程序期间，通过跟踪装置8跟踪物理空间中的患者解剖结构和外科工具的运动，并且这些被跟踪对象配准到导航系统7中的对应模型(图像空间)。结果，物理空间中的对象与图像空间中的对应模型关联。因此，外科系统5知道外科工具相对于患者的解剖结构和规划姿势500的实际位置，并且该信息在外科程序期间以图形方式显示在显示装置9上。
在某些实施例中，模型512、514可以分别是完整骨表面12、14。在某些实施例中，模型512、514可以是修剪的三维模型，其仅提供关键的感兴趣区域，例如髋臼22和股骨头16。也就是说，修剪的三维模型仅代表完整骨模型512、514的一部分。在某些实施例中，模型512、514可以是多个模型的组合。例如，模型512可以是手术骨盆、非手术骨盆和脊柱的单独的三维模型的组合。
IV.术中程序
A.
图5示出了执行全髋置换的术中步骤的实施例。在该实施例中，步骤S1-S7、S9、S11和S12可以在有或没有机器人辅助的情况下被执行。在其他实施例中，可以不需要S1-S2，可以在S1-S2之前完成S3-S5，并且可以在S8之前的任何点完成S7。步骤S8和S10优选地使用机器臂30执行。例如，可以使用图3的机器臂30执行步骤S8(铰孔)，其中末端执行器40联接到操作构件100，并且可以使用机器臂30执行步骤S10(冲击)，其中末端执行器40联接到另一操作构件。
在外科程序的步骤S1中，跟踪阵列附接到股骨14以使跟踪装置8能够跟踪股骨14的运动。在步骤S2中，配准股骨14(使用任何已知的配准技术)以将股骨14(物理空间)的姿势与导航系统7中的股骨14的三维模型514(图像空间)关联。另外，附接股骨检查点。在步骤S3中，使用导航的股骨凿准备股骨14以接收股骨植入物(例如，股骨部件26)。
B.骨盆的跟踪和配准
1.概述
在图5的步骤S4中，髋臼跟踪阵列附接到骨盆12以使跟踪装置8能够跟踪骨盆12的运动。在步骤S5中，将检查点附接到骨盆12以在外科程序期间使用以验证髋臼跟踪阵列未相对于骨盆12移动。检查点可以是例如如2007年5月18日提交的美国专利申请序列号11/750,807(公开号US 2008/0004633)中所述的检查点，上述申请通过引用完整地并入本文。
在步骤S6中，配准骨盆12以将骨盆12(物理空间)的姿势与导航系统7中的骨盆12的三维模型512(图像空间)关联。在某些实施例中，如图6中所示，使用跟踪导航探针56实现配准以收集骨盆12(物理空间)上的点，然后将所述点与骨盆12的三维模型512(图像空间)上的对应点匹配。在某些实施例中，可以使用联接到机器臂30的末端执行器40的工具来实现配准。在某些实施例中，可以用利用导航系统7跟踪的任何工具或装置来实现配准。在本申请的后续章节中描述了配准骨盆的三维模型512(图像空间)和骨盆12(物理空间)的两种方法。
2.第一骨盆配准方法
如图6中所示，显示装置9可以示出包括一个或多个配准点516的骨盆12的表示512。配准点516帮助外科医生了解在实际解剖结构上在何处用跟踪探针收集点。配准点516可以被颜色编码以进一步帮助外科医生。例如，接下来要用跟踪探针收集的骨盆12上的配准点516可以着色为黄色，而已经收集的配准点516可以着色为绿色，并且随后将收集的配准点516可以着色为红色。在配准之后，显示装置9可以向外科医生示出配准算法使物理收集点适合骨盆12的表示512的程度。
例如，如图7中所示，可以显示误差点518以示出在表示512的表面和物理骨盆12的对应表面之间的配准中存在多少误差。在一个实施例中，误差点518可以被颜色编码，例如，表示最小误差的误差点518以绿色显示，表示误差量增加的误差点518以蓝色、黄色和红色显示。作为颜色编码的替代，表示不同误差程度的误差点518可以具有不同的形状或尺寸。也可以显示验证点519。验证点519向外科医生示出在哪里用跟踪探针收集点以验证配准。当收集配准点519时，导航系统7的软件显示在解剖结构上收集的实际点和物理空间中的表示512的配准位置之间的误差(例如，在数值上以毫米计)。如果配准误差太高，则外科医生通过重复步骤S6的配准处理来重新配准骨盆12。
该类型的配准方法需要外科医生将他或她的关注从示出包括一个或多个配准点516的骨盆12的表示512的显示装置9连续地切换到患者的物理骨盆12以便收集准确点。切换关注花费时间，并且准确地估计配准点516在患者的物理骨盆12上的位置花费更多时间。在该章节所述的这种配准方法中，完成准确配准可能需要至少四十三个点。
3.第二骨盆配准方法
该章节描述了另一种配准方法，用于使用跟踪探针56或其他工具(例如，机器臂30的端部)将患者骨盆12(物理空间)与骨盆12的三维模型512(图像空间)配准。与先前描述的配准方法相比，该章节中描述的方法可以减少收集点的总数。例如，使用该章节中描述的方法，外科医生可以用三十二个点或更少的点完成准确的配准。另外，该章节中描述的大部分配准是基于区域的点收集，而不是基于点的点收集。在基于区域的点收集中，允许外科医生收集患者骨区域内的点，而不是在三维骨模型512上识别的精确点。这允许外科医生关注患者的解剖结构，并且收集骨上的允许区域内的点而不必将他或她的关注切换到显示屏9并返回到患者的物理骨盆12。收集允许区域内的点提高了准确性，原因是与单个允许点相比，外科医生更容易收集包含允许点的许多可能位置的区域内的点。
患者骨盆12被称为“物理空间”，原因是外科医生在物理上使用跟踪探针56在术中接触患者骨盆12，其中探针56的位置和取向是已知的并且由跟踪装置8和导航系统7跟踪。骨盆12的三维模型512被称为“图像空间”，原因是模型512是骨盆12的计算机化表示，在某些实施方式中，所述计算机化表示可以从患者骨盆12的术前医学图像(例如，CT，MRI)获取。如前所述，在某些实施方式中，骨盆的模型512可以以其他方式生成，例如通过术中跟踪骨表面上的骨盆以生成骨表面轮廓，并且在一些实施例中可以呈现通用骨盆模型。
总之，当分别提及患者的物理骨盆12或三维骨模型512(其是作为三维图像提供的患者骨盆12的表示)时，本文使用术语“物理空间”和“图像空间”来阐明。
参考图8A，其示出了骨盆配准方法800的流程图。方法800可以包括初始配准802以提供患者骨盆12(物理空间)与三维模型512(图像空间)关于位置和取向的初始映射。方法800也可以包括用于微调位置和取向的精细配准816。
i.初始配准
如图8A中所示，初始配准802包括捕获旋转中心804、捕获髋臼标志808和捕获远参考点814的步骤。捕获髋臼标志808可以包括捕获髋臼边缘810上的点的步骤，以及捕获髋臼的表面812上的点的步骤。
在讨论配准方法800中的每个步骤时，将参考图8B，其是描绘初始和精细配准802、816的步骤的图以及与每个步骤关联的特征的概述。标志/区域列指示在方法800的每个步骤中所述的骨盆的部分。捕获方法列指示捕获点或数据的方法是基于点的收集方法还是基于区域的收集方法。随后将讨论两种方法之间的差异。所使用列指示方法800的特定步骤是否可以用于初始或精细配准802、816。进路相关列指示系统5是否将基于特定手术进路改变程序。例如，步骤810指示髋臼边缘上的捕获点是进路相关的。因此，系统5可以指示用于在初始配准期间捕获的点，其对于所选择的手术进路(例如，直接前路、前外侧、后外侧)是特定的。例如，在直接前进路中，系统5可以识别用于在髋臼前缘上捕获的点，原因是髋臼的该特定区域比其他区域(例如后髋臼边缘)更容易接近。
最后，捕获列指示何地和何时捕获点。每行指示“术前/术中配准”。尽管方法800的所有步骤都发生在患者骨盆(物理空间)上的术中配准期间，但是在术中配准期间捕获的点必须与术前识别的标志比较，所述标志与术中捕获的点对应，以便使患者骨盆12(物理空间)与患者骨盆12的三维骨模型512(图像空间)定向或配准。因此，在三维骨模型512中识别标志/区域列中的每个标志，该三维骨模型512基于患者骨盆12的术前图像(例如，CT，MRI)生成。术前标志相对于彼此的这些位置将与术中配准点的位置进行比较以确定配准过程的准确性。
现在讨论将集中于初始配准802的步骤，特别是配准旋转中心804的步骤。为此，参考图9A-9B，其分别描绘了骨盆12的三维模型512的外侧视图和骨盆12(物理空间)的外侧视图。如图9A中所示，在显示屏9上观察的骨盆12的三维模型512包括在髋臼22的关节或月骨表面826上的突出显示带824。关节面826是新月形的并且通常由未在三维模型512中示出的关节软骨覆盖。髋臼22的非关节区域是髋臼窝828。髋臼22的关节面826是半球形的并且邻接股骨头(未示出)并允许它在髋臼22内旋转。
为了配准旋转中心804，如图8中所示，外科医生可以使用导航探针56在沿着对应于骨盆12的三维模型512上的突出显示带824的髋臼22的关节面826的多个点处捕获、收集或记录患者骨盆12(物理空间)上的数据点(称为患者数据)，如图9B中所示。替代实施例可以使用导航探针56或跟踪股骨14，其允许外科医生在髋臼22内旋转，由此建立表示旋转中心804的数据集。捕获、收集或记录数据点意味着系统5(例如，计算机15)将点相对于彼此的位置存储在共同坐标系中。然后使用算法将捕获的点整合到三维骨模型512的坐标系中以将患者骨盆12(物理空间)与模型512配准或对准。以该方式并且在完成配准时，外科系统5的机器臂30的外科工具58的远端的表示可以以适当地对应于外科工具58的远端相对于实际患者骨盆12(物理空间)的物理位置和取向的方式相对于三维骨模型512显示在显示器9上。
捕获突出显示带824内的数据点或患者数据可以被称为基于区域的点收集而不是基于点的集合，原因是可以在对应于突出显示带824的整个关节面826上捕获可接受的点。在基于点的收集系统中，可以在骨盆12的三维模型512上描绘特定点，并且可以询问外科医生以捕获对应于三维模型512上的特定点的患者骨盆12(物理空间)上的特定点处的数据点。
在某个实施例中，系统5可能需要任何两个点830之间的距离彼此间隔一定量。系统5可能需要任何两个点830之间的距离大于5mm。系统5可能需要任何两个点830之间的距离小于80mm。系统5可以具有基于其他输入(例如，髋臼22或髋臼部件28)限定任何两个点830之间的所需距离的算法。系统5可以在点捕获期间改变任何两个点830之间的距离。例如，这样的要求可以促进捕获点830的分散，使得所有点830不在例如在关节面826的一个区域中被捕获。在某些实施例中，系统5可能不需要点830之间的限定距离间隔。在某些实施例中，不满足最小间隔距离要求的收集点830可以作为异常值被舍弃或在精细配准816中仍然用于点到模型表面匹配。
在某个实施例中，系统5可能需要在关节面826上收集最大和/或最小数量的点830。系统5可能需要捕获至少十个点830。附加地或替代地，系统5可能需要捕获少于二十个点830。
参考图9C，系统5可以使用突出显示带824上的捕获点830来限定具有中心点840和半径834的球体832，原因是髋臼22的关节面826是球形的。换句话说，系统5可以使用捕获点830的位置来生成球体832，原因是它们相对于彼此的位置以及点830的最佳拟合计算可以适合于球体832。从球体832的尺寸可以确定半径834(或直径、体积等)。
应当注意，图9C中左侧的球体832示出了球体832的球形表面上的突出显示带824和点830。右侧的球体832示出了球体832的3/4部分以便描绘半径834。
在某个实施例中，当点830大于点830的最小数量但小于点830的最大数量时，系统5可以通过停止点830收集来优化点830的数量。系统5可以使用诸如收敛度量的算法以确定停止标准/规范。在某个实施例中，收敛度量可以是使用N个收集点830计算的半径834和使用收集点830的子集(例如N-1个收集点830)计算的半径834之间的差。如果两个半径834之间的差小于预定阈值，则在点830达到点830的最大数量之前系统5提前结束点830收集。在某个实施例中，可以在每次收集新点830时计算收敛度量。
如图9D中所示，可以基于骨盆12的三维骨模型512在术前确定旋转中心点836。然后可以从旋转中心点836到髋臼的关节面826确定半径838。可以基于患者骨盆12和股骨头16的术前扫描来确定旋转中心点836。
如图9C所示从点830的术中捕获或患者数据(物理空间)确定的球体832的尺寸，或更具体地，球体832的半径834，可以与如图9D所示从三维骨模型512(图像空间)确定的旋转中心点836的半径838进行比较。9D。也就是说，可以将术中收集的患者数据(例如，图9C中的球体832和半径834)与术前确定的值(例如，图9D的半径838)进行比较以确定其间的变化。
更具体地，在系统5的用户可以继续初始配准802的步骤804之前，系统5可能需要两个半径834、838之间的某个最小差。在某些实施例中，系统5可能需要半径834、838彼此相差小于5mm。在某些实施例中，系统5可能需要半径834、838彼此相差小于4mm。在某些实施例中，系统5可能需要半径834、838彼此相差小于3mm。在某些实施例中，系统5可能需要半径834、838彼此相差小于2mm。在某些实施例中，系统5可能需要半径834、838彼此相差小于1mm。
如果半径834、838之间的差在允许的公差内，则系统5(例如，计算机15)可以将从点830的术中捕获确定的球体832的中心点840的位置与从三维骨模型512确定的旋转中心点836合并。以该方式，将患者骨盆12(物理空间)与骨盆12的三维骨模型512(图像空间)配准到共同坐标系中的平移取向或方位是固定的或锁定就位的。换句话说，一将球体832的中心点840与旋转中心点836合并，就可以固定或预先确定三个自由度(即，在x、y和z方向上的平移)；因此，三个自由度(即围绕x、y和z方向的旋转)尚不清楚。
通常，系统5能够基于CT扫描将解剖结构简化为患者特定的几何特征。然后它会基于来自捕获点的患者数据生成类似的几何形状。然后将基于CT的患者特定几何特征与术中捕获的几何特征进行比较。比较结果反映点捕获和骨配准的质量。
配准过程的后续步骤确定患者骨盆12(物理空间)相对于骨盆的三维骨模型512(图像空间)的旋转取向，使得系统5的机器臂30将在图像空间和物理空间中分别相对于骨盆的骨模型512和患者骨盆类似地定向。
一旦计算或捕获旋转中心804，就可以捕获808各种其他患者数据点，例如髋臼标志808，如图8中所示。如前所述，髋臼标志808的捕获可以用于确定骨盆12(物理空间)相对于骨盆12的三维骨模型512(图像空间)的旋转取向。并且由于物理空间和图像空间之间的平移关系通过固定在旋转中心点836而已知，因此在步骤808捕获的各种髋臼标志可以用于检查标志和旋转中心点836之间的距离。
在步骤808捕获患者数据作为髋臼标志上的点是基于点的并且可以是进路相关的。如前所述，基于点的数据捕获意味着在骨盆12的三维骨模型512(图像空间)上识别(例如，用点突出显示)点，并且询问外科医生以用导航探针56选择患者骨盆(物理空间)上的对应点。然后系统5(例如，计算机15)可以比较例如旋转中心点836和三维骨模型512上的突出显示点之间以及球体832的中心840和术中捕获点之间的距离。
为了开始讨论在步骤808捕获髋臼标志，在图10A-10D首先描述在步骤810和812用于捕获髋臼边缘和关节面上的点的前外侧和直接前进路。其次描述在步骤810和812用于捕获髋臼边缘和关节面上的点的后外侧进路，如图10E-10H中所示。尽管未描述，但是本文的方法可以应用于其他髋手术进路(例如直接上方)或者用于配准其他关节(例如肩、肘、膝、踝)的标志的捕获，如图15A-15D中所示。
参考图10A和10B，其分别是患者骨盆12的三维骨模型512(图像空间)的前外侧视图和患者骨盆12(物理空间)的外侧视图。如图10A中所示，系统5可以识别(例如，突出显示)髋臼边缘844的前侧上的一个或多个点842，其在患者骨盆的三维骨模型512(图像空间)上形成髋臼22的外边缘。如图10B中所示，然后系统5可以询问外科医生以通过使导航探针56的远端接触点842并记录、收集或捕获点842的位置作为系统5内的患者数据来捕获患者骨盆12(物理空间)上的对应(一个或多个)点842。如图10B中所示，外科医生可以从直接前进路或前外侧进路接近髋臼边缘844的前侧上的点842。
对于由系统5识别并由外科医生捕获的每个点842，系统5然后可以比较如图9D和10A中所示的识别点842和旋转中心点836(图像空间)之间的距离和图9C和10B的捕获点842和球体832的中心点840之间的术中收集距离。
在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获髋臼边缘844的前侧上的单个点842。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获髋臼边缘844的前侧上的两个点842。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获髋臼边缘844的前侧上的五个点842。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获髋臼边缘844的前侧上的十个点842。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获髋臼边缘844的前侧上的十五个点842。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获髋臼边缘844的前侧上的另一数量的点842。
在某些实施例中，系统5可以在三维骨模型512上一次显示一个点842，并且在系统5显示三维骨模型512上的另一点842之前需要外科医生捕获患者骨盆12(物理空间)上的对应点842。在其他实施例中，系统5可以显示骨盆的三维骨模型512上的所有点842(例如，1、2、5、10、15个)并且允许外科医生按照他或她选择的任何顺序捕获对应点。
继续捕获髋臼标志，外科医生也可以在图8的步骤812捕获髋臼关节面上的一个或多个点。如图10C中所示，其是患者骨盆12的三维骨模型512(图像空间)的前外侧视图，可以在患者骨盆的三维骨模型512(图像空间)的髋臼22的关节面826的后侧上识别(例如，突出显示)一个或多个点846。如图10D中所示，其是患者骨盆12(物理空间)的外侧视图，系统5可以询问外科医生以通过使导航探针56的远端接触(一个或多个)点846并记录、收集或捕获(一个或多个)点846的位置作为系统5内的患者数据，来捕获患者骨盆12(物理空间)的后侧上的对应的(一个或多个)点846。如图10D中所示，外科医生可以从直接前进路或前外侧进路接近髋臼22的后侧上的点846。
对于由系统5识别并由外科医生捕获的每个点846，系统5然后可以比较如图9D和10C中所示的识别点846和旋转中心点836(图像空间)之间的距离和图9C和10D的捕获点846和球体832的中心点840之间的术中收集距离。
在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获髋臼22的后侧上的单个点846。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获髋臼22的后侧上的两个点846。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获髋臼22的后侧上的五个点846。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获髋臼22的后侧上的十个点846。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获髋臼22的后侧上的十五个点846。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获髋臼22的后侧上的另一数量的点846。
在某些实施例中，系统5可以在三维骨模型512上一次显示一个点846，并且在系统5显示三维骨模型512上的另一点846之前需要外科医生捕获患者骨盆12(物理空间)上的对应点846。在其他实施例中，系统5可以显示骨盆的三维骨模型512上的所有点846(例如，1、2、5、10、15个)并且允许外科医生按照他或她选择的任何顺序捕获对应点。
以下讨论在步骤810和812用于捕获髋臼边缘和关节面上的点的后外侧进路。参考用于捕获髋臼边缘844上的点的图10E-10F并且参考用于捕获髋臼22的关节面826上的点的图10G-10H。
如图10E中所示，其是显示在显示屏9上的骨盆12的三维骨模型512(图像空间)的后外侧视图，可以在患者骨盆的三维骨模型512(图像空间)的髋臼22的髋臼边缘844的后侧上识别(例如，突出显示)一个或多个点848。如图10F中所示，其是患者骨盆12(物理空间)的外侧视图，系统5可以询问外科医生以通过使导航探针56的远端接触(一个或多个)点848并记录、收集或捕获(一个或多个)点846的位置作为系统5内的患者数据，来捕获患者骨盆12(物理空间)的髋臼边缘844的后侧上的对应的(一个或多个)点848。如图10F中所示，外科医生可以通过后外侧进路接近髋臼边缘844的后侧上的点848。
对于由系统5识别并由外科医生捕获的每个点848，系统5然后可以比较如图9D和10E中所示的识别点848和旋转中心点836(图像空间)之间的距离和图9C和10F的捕获点848和球体832的中心点840之间的术中收集距离。
在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获髋臼边缘844的后侧上的单个点848。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获髋臼边缘844的后侧上的两个点848。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获髋臼边缘844的后侧上的五个点848。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获髋臼边缘844的后侧上的十个点848。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获髋臼边缘844的后侧上的十五个点848。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获髋臼边缘844的后侧上的另一数量的点848。
在某些实施例中，系统5可以在三维骨模型512上一次显示一个点848，并且在系统5显示三维骨模型512上的另一点848之前需要外科医生捕获患者骨盆12(物理空间)上的对应点848。在其他实施例中，系统5可以显示骨盆的三维骨模型512上的所有点848(例如，1、2、5、10、15个)并且允许外科医生按照他或她选择的任何顺序捕获对应点。
现在讨论将集中于在图8的步骤812捕获前髋臼标志。如图10G中所示，其是显示在显示屏9上的骨盆12的三维骨模型512(图像空间)的后外侧视图，可以在患者骨盆12的三维骨模型512(图像空间)的髋臼22的关节面826的前侧上识别(例如，突出显示)一个或多个点850。如图10H中所示，其是患者骨盆12(物理空间)的外侧视图，系统5可以询问外科医生以通过使导航探针56的远端接触(一个或多个)点850并记录、收集或捕获(一个或多个)点850的位置作为系统5内的患者数据，来捕获患者骨盆12(物理空间)的髋臼22的关节面826的前侧上的对应的(一个或多个)点850。如图10H中所示，外科医生可以从后外侧进路接近髋臼22的关节面826的前侧上的点850。
对于由系统5识别并由外科医生捕获的每个点850，系统5然后可以比较如图9D和10G中所示的识别点850和旋转中心点836(图像空间)之间的距离和图9C和10H的捕获点850和球体832的中心点840之间的术中收集距离。
在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获关节面826的前侧上的单个点850。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获关节面826的前侧上的两个点850。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获关节面826的前侧上的五个点850。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获关节面826的前侧上的十个点850。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获关节面826的前侧上的十五个点850。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获关节面826的前侧上的另一数量的点850。
在某些实施例中，系统5可以在三维骨模型512上一次显示一个点850，并且在系统5显示三维骨模型512上的另一点850之前需要外科医生捕获患者骨盆12(物理空间)上的对应点850。在其他实施例中，系统5可以显示骨盆的三维骨模型512上的所有点850(例如，1、2、5、10、15个)并且允许外科医生按照他或她选择的任何顺序捕获对应点。
应当注意，外科医生可以在系统5内选择手术进路的类型，使得在图8中的步骤808处捕获髋臼标志的步骤仅针对选择的手术进路显示。以该方式，对于直接前路或前外侧手术进路，如图10A-D中所示，系统5可以仅显示髋臼22上的前髋臼边缘844点842和后关节面826点846。类似地，对于后外侧进路，如图10E-10H中所示，系统5可以仅显示髋臼22上的后髋臼边缘844点848和前关节面826点850。
根据图8，初始配准802中的下一步骤是捕获远参考点814。对于该步骤814，参考图11A-11C。如图11A中所示，其是显示在显示屏9上的患者骨盆12的三维骨模型512(图像空间)的前外侧视图，可以在诸如髂前上棘(“ASIS”)854的远参考点或标记上识别(例如，突出显示)点852。在某些实施例中，远参考点可以是髂棘嵴或与髋臼22间隔的其他标志。在某些实施例中，远参考点可以是切口内的另一标志。在某些实施例中，远参考点可以是骨盆12的非手术侧上的ASIS，或患者的非手术侧上的另一标志。
如图11B中所示，其是患者骨盆12(物理空间)的外侧视图，系统5可以询问外科医生以通过使导航探针56的远端接触(一个或多个)点852并记录、收集或捕获(一个或多个)点852的位置作为系统5内的患者数据来捕获患者骨盆12(物理空间)的ASIS 854上的对应点852。如图11B中所示，外科医生可以从多种外科进路接近髋臼22的ASIS 854上的点852，原因是可以在没有切入患者体内的情况下识别(例如，触诊)ASIS。在使用髂棘嵴的系统5的情况下，可以进行骨针切口以便捕获髂棘嵴上的点852。
在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获单个点852(例如，ASIS)。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获两个点852(例如，ASIS，髂棘嵴)。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获五个点852。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获十个点852。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获十五个点852。在某些实施例中，系统5可以识别并询问外科医生以捕获另一数量的点852。
在某些实施例中，系统5可以在三维骨模型512上一次显示一个点852，并且在系统5显示三维骨模型512上的另一点850之前需要外科医生捕获患者骨盆12(物理空间)上的对应点852。在其他实施例中，系统5可以显示骨盆的三维骨模型512上的所有点852(例如，1、2、5、10、15个)并且允许外科医生按照他或她选择的任何顺序捕获对应点。
对于由系统5识别并由外科医生捕获的每个点852，系统5然后可以比较如图9D和11A中所示的识别点852和旋转中心点836(图像空间)之间的距离和图9C和11B的捕获点852和球体832的中心点840之间的术中收集距离。
如图11C中所示，其是显示在显示屏9上的患者骨盆12的三维骨模型512(图像空间)的前外侧视图，将术中确定的矢量V1与术前确定的矢量V2进行比较。术中确定的矢量V1可以从与旋转中心点836共同延伸的中心点840延伸到对应于患者骨盆(物理空间)的ASIS854的术中捕获的点852'。术前确定的矢量V2可以从旋转中心点836延伸到从骨盆12的术前图像扫描(例如，CT，MRI)(图像空间)确定的ASIS 854上的点852。
矢量V1、V2可以从与髋臼边缘844共同延伸的髋臼平面856延伸。从该平面856，可以识别以旋转中心836为中心的法线。矢量V1、V2之间的角度差A1可以用于锁定术中捕获点(物理空间)与三维骨模型512(图像空间)的旋转对准或取向。
系统5可以使用存储为患者数据的对应的术前捕获的标志点(图像空间)作为参考，并且向用户提供用于捕获术中捕获的标志点(物理空间)的指导。在某些实施例中，系统5可以基于术前捕获的标志点(图像空间)的三维几何形状来提供引导，并且预期对应的术中捕获的标志点(物理空间)的相同三维几何形状。在某些实施例中，系统5可以使用标志点的欧几里德距离来提供指导。在某些实施例中，系统5可以使用从标志点计算的矢量之间的三维角度来提供指导。在某些实施例中，系统5可以使用配对点配准算法来最佳地拟合术前捕获的标志点(图像空间)和对应的术中捕获的标志点(物理空间)，并且使用拟合误差来提供指导。指导可以是视觉、音频或触觉反馈或每种的组合。
在完成术中捕获的标志点时，系统5可以使用算法来使用术中捕获的标志点(物理空间)和对应的术前捕获的标志点(图像空间)来计算初始配准802变换。在某些实施例中，系统5可以使用配对点配准算法来计算初始配准802变换。在某些实施例中，系统5可以使用存储为患者数据的术中捕获的标志点836、842、846、848、850、852(物理空间)，以及对应的术前捕获的标志点(图像空间)来计算初始配准802变换。在某些实施例中，系统5可以仅使用术中捕获的标志点的子集和对应的术前捕获的标志点来找到最佳初始配准802变换。
ii.精细配准
返回参考图8A，精细配准816包括髋臼标志818的基于区域的点收集或捕获。在该步骤中，在髋臼边缘820处和髋臼822的关节面处捕获点。如图8B中所示，精细配准中的基于区域的捕获是进路相关的。图12A-12B示出了用于髋臼边缘844上的点捕获的前外侧和直接前进路，并且图12C-12D示出了用于髋臼边缘844上的点捕获的后外侧进路。在某些实施例中，可以在没有精细配准816的情况下完成配准。
首先，参考图12A和12B，其分别是患者骨盆12的三维骨模型512(图像空间)的外侧视图和患者骨盆12(物理空间)的外侧视图。如图12A中所示，系统5可以在髋臼边缘844的前和上侧上识别可以突出显示的带858，其形成患者骨盆的三维骨模型512(图像空间)上的髋臼22的外边缘。带858可以从髋臼边缘844向外延伸一定量。带858可以指示用于直接前路或前外侧手术进路的基于区域的点收集或捕获的可允许位置。
如图12B中所示，系统5可以询问外科医生以使用导航探针56捕获患者骨盆12(物理空间)上的点860，其对应于骨盆12的三维骨模型512(图像空间)上的带858的位置。因此，外科医生可以使导航探针56的远侧尖端接触髋臼边缘844的前和上侧上的各个点860，并且捕获、记录、收集或存储与每个点860的位置关联的数据作为系统5(例如，计算机)内的患者数据。
为了通过后外侧进路精细配准髋臼边缘844，如图12C中所示，其是患者骨盆12的三维骨模型512(图像空间)的外侧视图，系统可以在髋臼边缘844的后和上侧上识别可以突出显示的带862，其形成患者骨盆12的三维骨模型512(图像空间)上的髋臼22的外边缘。带862可以指示用于后外侧手术进路的基于区域的点收集或捕获的可允许位置。
如图12D中所示，系统5可以询问外科医生以使用导航探针56捕获患者骨盆12(物理空间)上的点864，其对应于骨盆12的三维骨模型512(图像空间)上的带862的位置。因此，外科医生可以使导航探针56的远侧尖端接触髋臼边缘844的后和上侧上的各个点864，并且捕获、记录、收集或存储与每个点864的位置关联的数据作为系统5(例如，计算机)内的患者数据。
在沿着髋臼边缘844收集点的步骤820期间，系统5可能需要任何两个捕获点860(用于前路和前外侧进路)、864(用于后外侧进路)之间的距离是彼此分开的最小距离。在某些实施例中，系统5可能需要两个捕获点860、864之间的最小间距为至少1mm。在某些实施例中，系统5可能需要两个捕获点860、864之间的最小间距为至少2mm。在某些实施例中，系统5可能需要两个捕获点860、864之间的最小间距为至少3mm。在某些实施例中，系统5可能需要两个捕获点860、864之间的最小间距为至少4mm。在某些实施例中，系统5可能需要两个捕获点860、864之间的最小间距为至少5mm。在某些实施例中，系统5可能需要两个捕获点860、864之间的最小间距为至少6mm。在某些实施例中，系统5可能需要两个捕获点860、864之间的最小间距为至少7mm。在某些实施例中，系统5可能需要两个捕获点860、864之间的不同最小间距。在某些实施例中，系统5可以具有基于其他输入(例如，髋臼22或髋臼部件28)限定任何两个点860、864之间的所需距离的算法。在某些实施例中，系统5可以在点捕获期间改变任何两个点860、864之间的距离。例如，这样的要求可以便于捕获点860、864的分散，使得所有点860、864不在髋臼边缘844的一个区域中被捕获。在某些实施例中，系统5可能不需要点860、864之间的限定距离间隔。在某些实施例中，不满足最小间距要求的收集点860、864可以作为异常值被舍弃或在精细配准816中仍然用于点到模型表面匹配。
在某些实施例中，系统5可能需要外科医生在进行配准过程的后续步骤之前捕获给定手术进路的最大和/或最小数量的点860、864。例如，在某些实施例中，系统5可能需要捕获最少二十个点。在某些实施例中，系统5可能需要捕获最少十五个点。在某些实施例中，系统5可能需要捕获最少十个点。在某些实施例中，系统5可能需要捕获最少五个点。在某些实施例中，系统5可能需要捕获十到二十个点。
在某个实施例中，当点860、864大于点860、864的最小数量但小于点860、864的最大数量时，系统5可以通过停止点860、864收集来优化点860、864的数量。系统5可以使用诸如收敛度量的算法来确定停止标准/准则。在某个实施例中，收敛度量可以是1)使用N个收集的髋臼边缘点860、864加上关节面点830和标志点842、846、848、850计算的点到模型表面匹配的均方根误差，和2)使用收集的髋臼边缘点860、864的子集(例如N-1个收集点860、864)加上关节面点830和标志点842、846、848、850计算的点到模型表面匹配的均方根误差之间的差。如果两个均方根误差之间的差小于预定阈值，则系统5在点860、864到达点860、864的最大数量之前提前结束点860，864收集。在某个实施例中，可以在每次收集新点860、864时计算收敛度量。
返回参考图8A的精细配准816，俘获髋臼关节面822并存储为患者数据。该步骤822类似于参考图9A和9B描述的方法，并且因此将参考那些附图进行以下讨论。此外，参考图9A和9B的讨论也适用于步骤822的讨论。例如，尽管参考图9A和9B讨论了点830之间的最小距离，但是系统5可以在髋臼关节面捕获822的精细配准中使用相同的参数。对于在步骤822的精细配准，如图9A中所示，系统5可以在显示屏9上显示患者骨盆12的三维骨模型512(图像空间)上的髋臼22的关节面826上的突出显示带824。如前所述，这是基于区域的点捕获，其中外科医生可以在与突出显示带824(即，关节面826)对应的骨盆12的任何区域上捕获患者骨盆12(物理空间)上的点830。
与参考图9A-9B描述的方法一样，系统5可能需要在移动到配准800中的其他步骤之前捕获一定数量的点830。在某些实施例中，系统5可能需要捕获最少二十个点。在某些实施例中，系统5可能需要捕获最少十五个点。在某些实施例中，系统5可能需要捕获最少十个点。在某些实施例中，系统5可能需要捕获最少五个点。在某些实施例中，系统5可能需要捕获十到二十个点。
一旦收集了所有髋臼边缘点860、864，就可以使用算法来确定精细配准816的配准变换。在某个实施例中，系统5可以使用迭代最近点(ICP)(P.J.Besl，H.D.McKay，A methodfor registration of 3-D shapes，IEEE Transactions on Pattern Analysis andMachine Intelligence，1992)，一种点到面匹配算法，其使术中捕获的点(物理空间)最佳地适合三维骨模型512(图像空间)。在某些实施例中，术中捕获的点可以是先前提到的关节面点830、髋臼边缘点860、864和标志点842、846、848、850的集合。在某些实施例中，术中捕获的点可以是关节面点830、髋臼边缘点860、864和标志点842、846、848、850的集合，其中某些点被移除(例如，统计异常值)。在某些实施例中，术中捕获的点可以用于初始配准802和精细配准816。在某些实施例中，ICP算法可以使用初始配准802变换作为初始猜测以改善精细配准816。
使用来自精细配准816的信息，可以采用质量度量来确定配准的准确性。
在精细配准816中，可以采用质量度量来检查和验证围绕髋臼法线的旋转取向的准确性，如参考图11C类似地描述。如图11C中所示，将术中确定的矢量V1与术前确定的矢量V2进行比较以确定术中捕获的点和术前确定的点之间的旋转取向的差异。术中确定的矢量V1可以从与旋转中心点836共同延伸的中心点840延伸到术中捕获的点852'，其对应于患者骨盆(物理空间)的ASIS 854。术前确定的矢量V2可以从旋转中心点836延伸到从骨盆12的术前图像扫描(例如，CT，MRI)确定的ASIS 854上的点852。
矢量V1、V2可以从外侧视图中限定的与髋臼边缘844共同延伸的髋臼平面856延伸。从该平面856，可以识别以旋转中心836为中心的法线。矢量V1、V2之间的角度差A1可以用于锁定术中捕获点(物理空间)与三维骨模型512(图像空间)的旋转对准或取向。
如图13A中所示，其是显示在系统5的显示屏9上的患者骨盆12的三维骨模型512(图像空间)的前外侧视图，另一质量度量可以用于检查围绕垂直于髋臼平面856的平面866的倾斜或旋转，如参考图11C所述。如图13A中所示，矢量V1、V2是与参考图11C所示的和所述的相同的矢量。图13A简单地显示相对于垂直于髋臼平面856的平面866的矢量V1、V2，以便测量平面866中的矢量V1、V2之间的角度差A2。角度A2可以用于测量骨盆12的三维骨模型512(图像空间)和患者骨盆12(物理空间)之间的倾斜或角度差异。
附加地或替代地，系统5可以通过指示用户在患者解剖结构上在不同位置处收集附加点而包括质量度量，并且然后系统5测量捕获点和三维骨模型512的对应表面之间的距离以确保配准准确性是可接受的。在某些情况下，系统5可以排序用户以收集一个验证点。在某些情况下，系统5可以排序用户以收集两个验证点。在某些情况下，系统5可以排序用户以收集三个验证点。在某些情况下，系统5可以排序用户以收集六个验证点。在某些情况下，系统5可以排序用户以收集八个验证点。在某些情况下，系统5可以排序用户以收集多达十个验证点。
验证点的位置可以是对应于低置信配准的位置(例如，点到面映射高于某个阈值)。这样，可以识别低置信区域，并且可以在这些区域中捕获附加点以确定配准是否可以导致该区域中的更高置信度。一旦用户捕获验证点，就可以将捕获的点添加到原始点云，并且可以在配准算法中使用所有点来细化配准变换。
在某些情况下，验证点的位置可以是进路相关的(例如，直接前路)，使得这些点在切口的开口内。在某些情况下，验证点的位置可以与先前捕获的点间隔开，以便确保每个捕获点之间的最小距离，或确保捕获点的平衡分布。
一完成精细配准816，系统5就可以指示配准过程800完成，并且外科程序可以开始。
以下讨论集中于在机器人手术的配准过程期间与引导患者的解剖结构上的标志的捕获关联的图形用户界面(“GUI”)1000。这样的引导对于外科医生可能是有用的，原因是他或她可能试图定位患者的骨盆12上的物理点，同时还查看显示在显示屏9上的三维骨模型512上的对应虚拟点。以该方式，GUI 1000可以向外科医生提供他或她正在接近骨盆12上的物理点的引导，所述物理点对应于骨模型512上的虚拟点。
图13B-13C描绘了引导用户捕获点1002的GUI 1000的第一实施例。图13D-13E描绘了引导用户捕获点1002的GUI 1000的第二实施例。
参考图13B，GUI 1000显示在显示屏9上，所述显示屏在屏幕9的一部分上显示患者骨盆12的三维骨模型512。虚拟点1002显示在骨模型512上，指示用户利用导航探针或其他跟踪工具(未示出)在患者的骨盆(物理空间)上用系统5捕获或收集所述虚拟点。在某些情况下，虚拟点1002的半径(相对于在骨模型512中复制的患者的解剖结构)可以为约4毫米(mm)。在某些情况下，虚拟点1002的半径可以是其他距离，例如2mm，6mm或10mm等。
在第一实施例中，当导航探针或其他跟踪工具的尖端位于离与骨模型512上的虚拟点1002的位置相对应的患者骨盆12上的物理点的某个半径或距离内时，方向箭头或三角形1004将出现并以大致圆形的方式围绕点1002。在某些情况下，将不显示方向箭头1004，直到导航探针的尖端在与虚拟点1002对应的物理点的100mm半径内。以该方式，当导航探针的尖端在100mm半径内移动和移动到100mm半径之外时，箭头1004可以分别出现和消失。100mm的半径是示例性的，并且可以是其他距离，例如50mm，150mm或200mm等。
当探针的尖端接近并进入远离对应于骨模型512上的点1002的患者骨盆12上的点的某个半径或距离(例如，100mm)时，箭头1004可以出现并与点1002间隔开第一半径。当用户将探针的尖端移动到更靠近对应于骨模型512上的点1002的患者骨盆12上的点时，箭头1004可以移动到更靠近点1002，如图13C中所示。换句话说，当用户将探针的尖端移动到更靠近对应于骨模型512上的点1002的患者骨盆12上的点时，第一半径减小到第二半径。在某些情况下，随着探针的尖端逐渐更靠近对应于骨模型512上的点1002的患者骨盆12上的物理点，对应的箭头1004逐渐移动到更靠近点1002，并且箭头1004的半径逐渐减小，指示探针的尖端靠近待捕获的点1002。在某些情况下，在捕获点时和/或在探针的尖端处于精确对应于点1002的位置时，点1002和/或箭头1004可以改变颜色。
以该方式，GUI 1000包括从如图13B中所示的第一状态顺序转变到如图13C中所示的第二状态的方向箭头1004，在所述第一状态箭头1004更远离点1002，在所述第二状态箭头1004更靠近点1002。在某些情况下，当从第一状态顺序转变到第二状态时，箭头和/或点1002的颜色可以改变。例如，当导航探针的尖端逐渐移动到更靠近点1002时，颜色可以从红色变为黄色并变为绿色。
参考图13D，图形用户界面(“GUI”)1000显示在显示屏9上，所述显示屏在屏幕9的一部分上显示患者骨盆12的三维骨模型512。虚拟点1002显示在骨模型512上，指示用户通过导航探针或其他跟踪工具(未示出)在患者的骨盆(物理空间)上用系统5捕获所述虚拟点。在某些情况下，虚拟点1002的半径(相对于在骨模型512中复制的患者的解剖结构)可以为约4毫米(mm)。在某些情况下，虚拟点1002的半径可以是其他距离，例如2mm，6mm或10mm等。
在第二实施例中，当导航探针或其他跟踪工具的尖端位于离与骨模型512上的虚拟点1002的位置对应的患者骨盆12上的物理点的某个半径或距离内时，具有带有部分竖直和水平对准指示器的圆圈的十字线1004可以出现并围绕点1002。在某些情况下，将不显示十字线1004，直到导航探针的尖端在与虚拟点1002对应的物理点的100mm半径内。以该方式，当导航探针的尖端在100mm半径内移动和移动到100mm半径之外时，十字线1004可以相应地出现和消失。100mm的半径是示例性的，并且可以是其他距离，例如50mm，150mm或200mm等。
当探针的尖端接近并进入离对应于骨模型512上的虚拟点1002的患者骨盆12上的物理点的某个半径或距离时，十字线1004的圆圈可以出现并与点1002间隔开第一半径。当用户将探针的尖端移动到更靠近对应于骨模型512上的点1002的患者骨盆12上的点时，半径变小，使得十字线1004的圆圈移动到更靠近点1002，如图13E中所示。换句话说，当用户将探针的尖端移动到更靠近对应于骨模型512上的点1002的患者骨盆12上的点时，第一半径减小到第二半径。在某些情况下，随着探针的尖端逐渐更靠近对应于骨模型512上的点1002的患者骨盆12上的点，十字线1004的圆圈的尺寸(例如，半径)相应地逐渐变小且更靠近点1002，指示探针的尖端靠近待捕获的点1002。在某些情况下，在捕获点时和/或在探针的尖端处于精确对应于点1002的位置时点1002和/或十字线1004的圆圈可以改变颜色。
以该方式，GUI 1000包括从如图13D中所示的第一状态顺序转变到如图13E中所示的第二状态的十字线1004，在所述第一状态十字线1004的圆圈的周边更远离点1002，在所述第二状态十字线1004的圆圈的周边更靠近点1002。在某些情况下，当从第一状态顺序转变到第二状态时，十字线1004和/或点1002的颜色可以改变。例如，当导航探针的尖端逐渐移动到更靠近点1002时，颜色可以从红色变为黄色并变为绿色。
方向箭头和十字线1004可以被其他图形代替，包括但不限于牛眼、指针、透明圆或球、或目标销等。附加地或替代地，图形可以闪烁、旋转、放大或缩小以指示探针尖端到点1002的距离的变化。在某些情况下，可以使用任何图形，其在探针的尖端处于离与点1002对应的患者骨盆12上的点的第一距离时通常以第一方式识别骨模型512上的点1002，并且在探针的尖端处于离与点1002对应的患者骨盆12的第二距离时通常以第二方式识别骨模型512上的点1002。在该示例中，第一距离可以比第二距离更远离点1002，并且第一方式可以是具有第一直径的图形，所述第一直径大于第二方式中的图形的第二直径。
应当注意，参考图13B-E描述的GUI可以在本文所述方法中的任何步骤使用而没有限制(例如，初始配准、精细配准、验证)。
尽管本申请的前面章节集中于骨盆12的配准，但是本文描述的系统和方法适用于其他骨和关节的术中配准。图15A-15D描绘了用于术中配准的示例性关节，其分别包括膝关节600、肩关节700、肘关节800和踝关节900。
如图15A中所示，膝关节600包括股骨602的远端和胫骨604的近端。股骨602的远端包括内侧和外侧髁606。胫骨604的近端包括胫骨平台608，其包括构造成与股骨602的对应髁606配合的内侧和外侧部分。当膝关节600关节运动时，髁606相对于胫骨平台608旋转。薄软骨层可以位于髁606和胫骨平台608之间。如图所示，髁606可以包括圆形或凸形轮廓，而胫骨平台608包括凹形轮廓。全膝置换可以用植入物的股骨部件替换包括髁606的股骨602的远端，以及用植入物的胫骨部件替换胫骨平台608。在用于膝关节成形术的胫骨604和股骨602的手术配准期间，与参考骨盆12描述的系统和方法一样，可以基于例如胫骨平台608的形状或以其他方式计算膝关节600的旋转中心。类似地，可以配准围绕胫骨平台608和髁606的胫骨604或股骨602的部分，以及一个或两个骨上的长点。
如图15B中所示，肩关节700包括肩胛骨702的外侧部分和肱骨704的近端。肩胛骨702包括肩胛盂706，其是肩胛骨702的外侧端上的浅梨状关节面。形状接近半球形的肱骨头708在肩胛盂706内关节运动。传统的全肩置换手术可以用具有配合在肱骨704内的柄部的植入物和配合在肩胛窝部件内的植入球来代替肱骨头708和肩胛盂706，所述肩胛窝部件代替肩胛盂706配合到肩胛骨。通常，肱骨头708可以被认为包括凸骨部分，而肩胛骨702可以被认为包括凹骨部分。在手术配准肩胛骨702和肱骨704以准备肩关节成形术期间，与参考骨盆12描述的系统和方法一样，可以基于例如肩胛盂706的形状或以其他方式计算用于肩关节700的旋转中心。类似地，可以配准围绕肩胛盂706的肩胛骨702的部分(例如，肩胛盂706的边缘)，以及长点(例如，肩胛骨702的后棘、锁骨、肩峰)。
如图15C中所示，肘关节800包括肱骨802的远端和尺骨804的近端。肱骨802的远端包括滑车806，滑车与尺骨804的滑车切迹808关节连接。滑车806从前向后凸出，从内侧向外侧凹入。尺骨804的滑车切迹808从前向后凹入，并且从内侧向外侧凸出。肱骨802的远端也包括与桡骨(未示出)的头部关节连接的小头。通常，肱骨802的远端可以被认为包括凸骨部分，而尺骨804可以被认为包括凹骨部分。传统的肘置换包括用具有肱骨金属柄部件、固定铰链和尺骨金属柄部件的植入部件替换肱骨802的远端和尺骨804的近端。在肱骨802和尺骨804的手术配准期间，与参考骨盆12描述的系统和方法一样，可以基于例如滑车切迹808的形状或以其他方式计算用于肘关节800的旋转中心。类似地，可以配准滑车切迹808的部分(例如，围绕切迹808、桡骨切迹)，以及尺骨804上的长点。
如图15D中所示，踝关节900包括胫骨902的远端和距骨904。未示出腓骨。胫骨902的远端包括下关节面或平台。距骨904的上表面包括关节面或距骨滑车，其是半圆柱形的，并且与胫骨902的远端配合。通常，胫骨902的远端可以被认为包括凹骨部分，而距骨可以被认为包括凸骨部分。在传统的踝置换手术中，胫骨902的远端和距骨904的近侧部分分别用胫骨部件和距骨部件替换。距骨部件通常是凸出的，并且与胫骨部件配合，所述胫骨部件是凹入的。在踝置换手术的手术配准期间，与参考骨盆12描述的系统和方法一样，可以基于例如胫骨902的远端或平台的形状或以其他方式计算用于踝关节900的旋转中心。类似地，可以配准胫骨902的远端或平台(例如，周围区域)的部分，以及胫骨902上的长点(例如，胫骨粗隆)。
图16A和16B描绘了用于身体的其他部分的附加或替代的配准方法，其利用图案几何形状来减少准确配准过程所需的配准点的数量。图16A描绘了骨盆12的后视图，骨盆包括左和右髂骨1100，以及左和右髂骨1100之间的骶骨1102。图16B描绘了脊柱1104的后视图。
如图16A中所示，左右髂后上棘(“PSIS”)1106和远侧骶骨1108之间存在几何关系。远侧骶骨1108可以是骶骨110的内侧-外侧中线处的任何点，包括但不限于其与尾骨基部的连接处的骶骨尖。左右PSIS 1106和远侧骶骨1108限定具有两个相等长度侧1110和两个相等角度1112的等腰三角形。因此，几何信息可以以与先前所述的旋转中心计算类似的方式在配准过程中使用。例如，外科医生可以捕获左右PSIS 1106的位置，并且系统5可以引导外科医生捕获远侧骶骨1108的位置，假设远侧骶骨1108与每个PSIS 1106的长度1110必须相等。知道骨标志之间的几何关系可以通过确保当长度1110相等时获取用于捕获远侧骶骨1108的位置来为外科医生提供指导。
如图16B中所示，脊柱1104的最近侧关节1114和脊柱1104的最远侧关节1116之间存在几何关系。更具体地，近侧关节1114和远侧关节1116可以限定等腰梯形，该等腰梯形具有平行基部1118、1120以及远侧基部1118和腿部1124之间的相等角度1122。因此，几何信息可以以与先前描述的旋转中心计算类似的方式在配准过程中使用以确保外科医生捕获准确的点。
C.机器臂的配准
返回参考图5，在步骤S6配准骨盆之后，可以在步骤S7配准机器臂30。在该步骤中，机器臂30被配准以将机器臂30(物理空间)的姿势与导航系统7(图像空间)相关。机器臂30可以被配准，例如，如2006年2月21日提交的美国专利申请序列号11/357,197(公开号US2006/0142657)中所述，上述申请通过引用完整地并入本文。
D.髋臼的制备和外科程序的执行
在操作中，外科医生可以使用图3B的机器臂30以便于关节置换程序，例如对骨铰孔和植入髋臼杯以用于全髋置换或髋关节面置换术。如上所述，机器臂30包括外科工具，所述外科工具配置成联接到切割元件(用于铰孔)并且接合假体部件(用于冲击)。例如，如图3B中所示，为了铰孔，末端执行器40可以联接到操作构件100，所述操作构件联接到切割元件。类似地，为了冲击，末端执行器40可以联接到接合假体部件的另一操作构件。机器臂30可以用于确保在铰孔和冲击期间的适当定位。
在图5的步骤S8中，外科医生使用联接到图3B的机器臂30的铰刀(例如操作构件100)表面修整髋臼22。如上面结合操作构件100所述，外科医生将适当的操作构件(例如，直的或偏移的铰刀)联接到末端执行器40，将切割元件联接到接收的操作构件，并且手动操纵机器臂30以对髋臼22铰孔。在铰孔期间，机器臂30向外科医生提供触觉(力反馈)引导。触觉引导限制外科医生手动移动外科工具的能力以确保实际的骨切口在形状和位置上对应于规划的骨切口(即，与手术规划一致的切口)。
在图5的步骤S9中，外科医生通过将骨盆检查点与跟踪探针接触来验证髋臼跟踪阵列和骨盆12之间的配准(即，几何关系)仍然有效，例如，如2007年5月18日提交的美国专利申请序列号11/750,807(公开号US 2008/0004633)中所述，上述申请通过引用完整地并入本文。如果配准已退化(例如，由于在铰孔期间髋臼跟踪阵列被撞击)，则重新配准骨盆12。只要外科医生想要检查髋臼配准的完整性，就可以进行配准验证。
在图5的步骤S10中，使用冲击工具将假体部件316植入到铰孔的髋臼22上。以与上面结合步骤S8(铰孔)描述的方式相同的方式，在冲击步骤S10期间，显示装置9可以显示规划姿势500、激活区域510、解剖结构的表示512、514、以及外科工具的表示，如图4中所示。也如上面结合步骤S8所述，如果外科医生移动末端执行器40以超控触觉反馈，则控制器可以启动外科工具的自动控制以基本上将实际姿势的至少一个方面与目标姿势的对应期望方面对准。
在图5的步骤S11中，外科医生将股骨部件安装在股骨14上，并且在步骤S12中，外科医生确定腿部长度和股骨偏移。在外科程序期间的任何时间，显示装置9可以显示与进展和/或结果相关的数据。例如，在步骤S8中的铰孔和/或步骤S10中的冲击之后，与铰孔髋臼22(或植入髋臼杯)的实际位置有关的数据可以包括例如表示患者解剖结构的三个正交平面(即，内侧/外侧、上/下和前/后)中的实际和规划位置之间的误差的数值数据。
V.示例性计算系统
参考图14，提供了具有可以实现本文所讨论的各种系统和方法的一个或多个计算单元的示例性计算系统1300的详细描述。计算系统1300可以适用于在关节成形术程序(例如，配准)的术前或术中规划中使用的任何计算机或系统，以及其他计算或网络设备。应当理解，这些设备的具体实现方式可以是不同的可能的特定计算架构，并非所有这些都在本文中具体讨论，但是本领域普通技术人员将理解这些。
计算机系统1300可以是能够执行计算机程序产品以执行计算机处理的计算系统。数据和程序文件可以输入到计算机系统1300，所述计算机系统读取文件并执行其中的程序。计算机系统1300的一些元件在图14中示出，包括一个或多个硬件处理器1302，一个或多个数据存储设备1304，一个或多个存储器设备1308，和/或一个或多个端口1308-1310。另外，本领域技术人员将认识到的其他元件可以包括在计算系统1300中，但是未在图14中明确地描绘或在本文中进一步讨论。计算机系统1300的各种元件可以通过一个或多个通信总线、点对点通信路径或图14中未明确描绘的其他通信装置彼此通信。
处理器1302可以包括例如中央处理单元(CPU)、微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、和/或一个或多个内部级别的高速缓存。可以有一个或多个处理器1302，使得处理器1302包括单个中央处理单元，或能够彼此并行地实行指令和执行操作的多个处理单元，通常称为并行处理环境。
计算机系统1300可以是传统计算机、分布式计算机或任何其他类型的计算机，如经由云计算架构可获得的一个或多个外部计算机。当前描述的技术可选地在软件中实现，所述软件存储在(一个或多个)数据存储设备1304上、存储在(一个或多个)存储器装置1306上、和/或经由端口1308-1310中的一个或多个进行通信，由此将图14中的计算机系统1300转换成用于实现本文描述的操作的专用机器。计算机系统1300的示例包括个人计算机、终端、工作站、移动电话、平板电脑、膝上型电脑、个人计算机、多媒体控制台、游戏控制台、机顶盒等。
一个或多个数据存储设备1304可以包括能够存储在计算系统1300内生成或使用的数据的任何非易失性数据存储设备，所述数据例如是用于执行计算机处理的计算机可执行指令，其可以包括应用程序和管理计算系统1300的各种部件的操作系统(OS)两者的指令。数据存储设备1304可以包括但不限于磁盘驱动器、光盘驱动器、固态驱动器(SSD)、闪存驱动器、和类似物。数据存储设备1304可以包括可移动数据存储介质、不可移动数据存储介质和/或通过有线或无线网络架构可获得的外部存储设备，其具有这样的计算机程序产品，包括一个或多个数据库管理产品、web服务器产品、应用服务器产品、和/或其他附加软件部件。可移动数据存储介质的示例包括光盘只读存储器(CD-ROM)、数字通用光盘只读存储器(DVD-ROM)、磁光盘、闪存驱动器和类似物。不可移动数据存储介质的示例包括内部磁性硬盘、SSD和类似物。一个或多个存储器装置1306可以包括易失性存储器(例如，动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)等)和/或非易失性存储器(例如，只读存储器(ROM))，闪存等)。
包含实现根据当前描述的技术的系统和方法的机制的计算机程序产品可以驻留在可以被称为机器可读介质的数据存储设备1304和/或存储器装置1306中。应当理解，机器可读介质可以包括任何有形的非暂时性介质，其能够存储或编码指令以执行供机器执行的本公开的任何一个或多个操作或者能够存储或者编码由这样的指令使用或与这样的指令关联的数据结构和/或模块。机器可读介质可以包括存储一个或多个可执行指令或数据结构的单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库，和/或关联的高速缓存和服务器)。
在一些实现方式中，计算机系统1300包括一个或多个端口，例如输入/输出(I/O)端口1308和通信端口1310，用于与其他计算、网络、导航或机器人装置通信。应当理解，端口1308-1310可以组合或分离，并且在计算机系统1300中可以包括更多或更少的端口。
I/O端口1308可以连接到I/O装置或其他装置，通过其向或从计算系统1300输入或输出信息。这样的I/O装置可以包括但不限于一个或多个输入装置或输出装置，例如机器臂，以及导航和跟踪系统。
在一个实现方式中，输入装置将人类生成的信号(例如，人类语音、物理移动、物理接触或压力、和/或类似物)转换为电信号，作为经由I/O端口1308输入计算系统1300中的输入数据。类似地，输出装置可以将经由I/O端口1308从计算系统1300接收的电信号转换为可以被人类感测作为输出的信号，例如声音、光和/或接触。输入装置可以是字母数字输入装置，包括字母数字和其他键，用于经由I/O端口1308向处理器1302传送信息和/或命令选择。输入装置可以是另一种类型的用户输入装置，包括但不限于：方向和选择控制装置，例如鼠标、轨迹球、光标方向键、操纵杆、和/或轮；一个或多个传感器，例如相机、麦克风、位置传感器、方位传感器、重力传感器、惯性传感器、和/或加速度计；和/或触敏显示屏(“触摸屏”)，和/或与导航和跟踪系统关联的跟踪/探测装置。输出装置可以包括但不限于显示器、触摸屏、扬声器、触觉和/或触碰输出装置、和/或类似物。在一些实现方式中，例如，在触摸屏的情况下，输入装置和输出装置可以是相同的装置。
在一个实现方式中，通信端口1310连接到网络，计算机系统1300可以通过所述网络的方式接收在执行本文所述的方法和系统以及传输由此确定的信息和网络配置变化中有用的网络数据。换句话说，通信端口1310将计算机系统1300连接到一个或多个通信接口装置，其配置成通过一个或多个有线或无线通信网络或连接，在计算系统1300和其他装置之间传输和/或接收信息。这样的网络或连接的示例包括但不限于通用串行总线(USB)、以太网、Wi-Fi，近场通信(NFC)、长期演进(LTE)等等。可以经由通信端口1310利用一个或多个这样的通信接口装置以直接通过点对点通信路径、通过广域网(WAN)(例如，因特网)、通过局域网(LAN)、通过蜂窝(例如，第三代(3G)或第四代(4G))网络、或通过另一通信手段与一个或多个其他机器通信。此外，通信端口1310可以与天线或其他链路通信以进行电磁信号传输和/或接收。
在示例性实现方式中，患者数据、骨模型(例如，通用的、患者特定的)、变换软件、跟踪和导航软件、配准软件以及其他软件和其他模块和服务可以通过存储在数据存储设备1304和/或存储器设备1306上并由处理器1302执行的指令来体现。计算机系统1300可以与外科系统100集成或以其他方式形成外科系统100的一部分。系统可以被配置用于将从第一骨术中收集的患者数据与共同坐标系中的第一骨的计算机模型配准。第一骨可以接合第二骨以形成关节，例如髋关节、膝关节、肩关节、肘关节或踝关节等。系统可以包括外科导航系统，所述外科导航系统包括跟踪装置和通过跟踪装置跟踪其移动的工具(例如，导航探针、手术机器臂的末端)。另外，系统可以包括与导航系统通信的计算装置(一个或多个)。计算装置可以执行以下步骤：1)从骨的凹入部分的关节面上的第一术中收集点接收患者数据的第一数据点。第一数据点可以使用至少一个工具收集。第一数据点可以在位置上对应于计算机模型上的第一关节区域。2)从第一骨上的第二术中收集点接收第二数据点。第二数据点可以使用所述至少一个工具收集。第二数据点可以在位置上对应于计算机模型上的第二虚拟数据点。3)从第一数据点确定术中旋转中心。术中旋转中心可以对应于第二骨相对于第一骨的物理旋转中心。4)比较虚拟旋转中心和第二虚拟数据点之间的第一距离以及术中旋转中心和第二数据点之间的第二距离。以及，5)用患者数据和计算机模型进行变换，从而它们关于位置和取向对应。
图14中阐述的系统仅是可以根据本公开的方面使用或配置的计算机系统的一个可能示例。应当理解，可以使用存储用于在计算系统上实现当前公开的技术的计算机可执行指令的其他非暂时性有形计算机可读存储介质。
在本公开中，本文公开的方法，例如图5和8A-8B中所示的方法等，可以实现为装置可读的指令集或软件。此外，应当理解，所公开的方法中的步骤的特定顺序或层级是示例性方法的实例。基于设计偏好，应当理解，方法中的步骤的特定顺序或层级可以重新排列，同时保持在所公开的主题内。所附方法权利要求以样本顺序呈现各个步骤的元素，并且不一定意味着被限制到所呈现的特定顺序或层级。
包括本文描述的任何方法的所述公开可以被提供为计算机程序产品、软件或计算机化方法，其可以包括其上存储有指令的非暂时性机器可读介质，所述指令可以用于编程计算机系统(或其他电子装置)以执行根据本公开的过程。机器可读介质包括用于以机器(例如，计算机)可读的形式(例如，软件，处理应用程序)存储信息的任何机制。机器可读介质可以包括但不限于磁存储介质，光存储介质；磁光存储介质，只读存储器(ROM)；随机存取存储器(RAM)；可擦除可编程存储器(例如，EPROM和EEPROM)；闪存；或适合于存储电子指令的其他类型的介质。
尽管已参考各种实施方式描述了本公开，但是应当理解，这些实施方式是说明性的，并且本公开的范围不限于它们。可以进行许多变化、修改、添加和改进。更一般地，已在特定实施方式的上下文中描述了根据本公开的实施例。功能可以在本公开的各种实施例中以不同的方式分离或组合，或者以不同的术语描述。这些和其他变化、修改、添加和改进可以落入如以下权利要求中限定的本公开的范围内。例如，尽管描述讨论了涉及髋的方法，但是本公开同样适用于包括肩、踝和脊柱等的其他关节。
通常，尽管已参考特定实施例描述了本文所述的实施例，但是可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下对其进行修改。还要注意，本文使用的术语“包括”旨在包括在内，即“包括但不限于”。
如各种示例性实施例中所示的系统和方法的构造和布置仅是说明性的。尽管在本公开中仅详细描述了几个实施例，但是可以进行许多修改(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例的变化、参数的值、安装布置、材料的使用、颜色、取向等)。例如，元件的位置可以颠倒或以其他方式变化，并且可以改变或更改离散元件或位置的性质或数量。因此，所有这些修改旨在包括在本公开的范围内。根据替代实施例，可以改变或重新排序任何过程或方法步骤的顺序或序列。在不脱离本公开的范围的情况下，可以在示例性实施例的设计、操作条件和布置上进行其他替换、修改、改变和省略。

Claims (50)

1.一种用于将第一骨的术中收集的患者数据与坐标系中的所述第一骨的计算机模型配准的系统，所述第一骨包括凹入部分并与包括凸出部分的第二骨形成关节，所述系统包括：
a)外科导航系统，所述外科导航系统包括跟踪装置和至少一个工具，所述至少一个工具被配置为通过所述跟踪装置跟踪其移动；以及
b)与所述外科导航系统通信的至少一个计算装置，所述至少一个计算装置存储所述坐标系中的所述第一骨的计算机模型，所述至少一个计算装置：
i)从所述凹入部分的关节面上的第一术中收集点接收所述患者数据的第一数据点，所述第一数据点使用所述至少一个工具收集，所述第一数据点在位置上对应于所述计算机模型上的第一关节区域；
ii)从所述第一骨上的第二术中收集点接收第二数据点，所述第二数据点使用所述至少一个工具收集，所述第二数据点在位置上对应于所述计算机模型上的第二虚拟数据点；
iii)从所述第一数据点确定术中旋转中心，所述术中旋转中心对应于所述第二骨相对于所述第一骨的物理旋转中心；
iv)将所述术中旋转中心与所述坐标系中的所述计算机模型的虚拟旋转中心对准；
v)将所述虚拟旋转中心和所述第二虚拟数据点之间的第一距离与所述术中旋转中心和所述第二数据点之间的第二距离进行比较；以及
vi)用所述患者数据和所述计算机模型进行变换，从而使它们关于位置和取向对应。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一骨包括髂骨，所述凹入部分包括髋臼，并且所述第二骨包括股骨，并且
其中，所述第二数据点位于髋臼的边缘、髋臼的关节面、或髂前上棘上。
3.根据权利要求1所述的系统，其还包括：
vii)从所述第一骨上的第三术中收集点接收所述患者数据的第三数据点，所述第三数据点用所述至少一个工具收集，所述第三数据点位于所述第一骨上与所述第二数据点不同的位置，并且在位置上对应于所述计算机模型上的第三虚拟数据点；以及
viii)将所述虚拟旋转中心和所述第三虚拟数据点之间的第三距离与所述术中旋转中心和所述第三数据点之间的第四距离进行比较。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第一骨包括髂骨，所述凹入部分包括髋臼，并且所述第二骨包括股骨，并且
其中，所述第二数据点位于髋臼的边缘、髋臼的关节面、或髂前上棘中的一个上，并且
其中，所述第三数据点位于髋臼的边缘、髋臼的关节面、或髂前上棘中的一个上。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第一骨包括肩胛骨，所述凹入部分包括肩胛盂，并且所述第二骨包括肱骨，并且
其中，所述第二数据点位于肩胛盂的边缘、肩胛盂的关节面、或肩胛骨的另一部分中的一个上，并且
其中，所述第三数据点位于肩胛盂的边缘、肩胛盂的关节面、或肩胛骨的另一部分中的一个上。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，步骤iii)还包括计算由所述第一数据点形成的球形表面。
7.根据权利要求6所述的系统，还包括计算所述球形表面的术中半径，所述术中半径从所述术中旋转中心大致延伸到所述第一数据点。
8.根据权利要求7所述的系统，还包括将所述术中半径与从所述计算机模型的所述虚拟旋转中心延伸到所述计算机模型上的所述第一关节区域的虚拟半径进行比较。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，如果所述术中半径和所述虚拟半径之间的差为约3mm或更少，则配准是可接受的。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个工具包括徒手导航探针和手术机器人的臂中的至少一个。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述关节包括髋关节肩关节、膝关节、肘关节或踝关节中的一个。
12.存储用于在计算系统上执行计算机处理的计算机可执行指令的一种或多种有形计算机可读存储介质，所述计算机处理包括：
a)接收使用导航系统的跟踪装置在第一患者骨上在第一位置捕获的患者数据点的多个第一数据点，所述第一患者骨包括凹入部分，所述凹入部分与第二患者骨的凸出部分形成关节，所述多个第一数据点表示所述第一位置处的所述第一患者骨的第一虚拟表面轮廓；
b)接收使用所述跟踪装置在所述第一患者骨上在第二位置捕获的患者数据点的第二数据点，所述第二位置不同于所述第一位置；
c)从所述多个第一数据点确定第一旋转中心，所述第一旋转中心表示所述第二患者骨相对于所述第一患者骨的物理旋转中心；
d)将所述第一旋转中心与所述第一患者骨的计算机模型的虚拟旋转中心进行位置匹配，其中，所述多个第一数据点、所述第二数据点、所述坐标系中的第一中心、所述计算机模型和所述虚拟旋转中心在共同坐标系中；以及
e)位置匹配所述第二数据点和所述计算机模型的第二虚拟数据点以使所述患者数据点与所述计算机模型关于位置和取向配准，所述第二虚拟数据点在所述计算机模型上位于对应于所述第一患者骨上的所述第二位置的位置。
13.根据权利要求12所述的一种或多种有形计算机可读存储介质，其中，所述关节包括髋关节、肩关节、膝关节、肘关节或踝关节中的一个。
14.根据权利要求12所述的一种或多种有形计算机可读存储介质，其中，所述第一位置包括关节面。
15.根据权利要求14所述的一种或多种有形计算机可读存储介质，其中，步骤c)还包括计算由所述多个第一数据点形成的球形表面。
16.根据权利要求15所述的一种或多种有形计算机可读存储介质，还包括计算所述球形表面的第一半径，所述第一半径从所述第一旋转中心延伸到所述多个第一数据点。
17.根据权利要求16所述的一种或多种有形计算机可读存储介质，还包括将所述第一半径与从所述计算机模型的虚拟旋转中心延伸的虚拟半径进行比较。
18.根据权利要求12所述的一种或多种有形计算机可读存储介质，其中，步骤e)中的信息包括所述第二数据点和所述第一旋转中心之间的第一长度。
19.根据权利要求18所述的一种或多种有形计算机可读存储介质，其中，将所述第一长度与所述第二虚拟数据点和所述虚拟旋转中心之间的虚拟距离进行比较。
20.根据权利要求19所述的一种或多种有形计算机可读存储介质，其中，所述第二数据点位于所述凹入部分的边缘或所述凹入部分的关节面上。
21.根据权利要求12所述的一种或多种有形计算机可读存储介质，其中，所述第二数据点位于所述凹入部分的边缘或所述凹入部分的关节面上，
所述计算机处理还包括：
f)接收使用所述跟踪装置在所述第一患者骨上捕获的所述患者数据点的第三数据点，所述第三数据点在位置上对应于所述计算机模型上的第三虚拟数据点，所述第三数据点不同于所述第二数据点和所述多个第一数据点；以及
g)位置匹配所述第三数据点和所述第三虚拟数据点以将所述第一患者骨与所述计算机模型配准。
22.根据权利要求21所述的一种或多种有形计算机可读存储介质，其中，所述第三数据点是远离所述关节的解剖标志。
23.根据权利要求22所述的一种或多种有形计算机可读存储介质，其中，远离所述关节包括至少10cm的距离。
24.根据权利要求22所述的一种或多种有形计算机可读存储介质，其中，所述第一患者骨是髂骨，并且所述解剖标志是髂前上棘。
25.根据权利要求24所述的一种或多种有形计算机可读存储介质，其中，步骤g)中的第二信息还包括将在所述第一旋转中心和所述第三数据点之间延伸的第一矢量与在所述虚拟旋转中心和所述第三虚拟数据点之间延伸的第二矢量进行比较。
26.根据权利要求25所述的一种或多种有形计算机可读存储介质，其中，使用至少一个平面中的所述第一矢量和所述第二矢量之间的角度差来确定配准精度。
27.根据权利要求21所述的一种或多种有形计算机可读存储介质，其中，如果所述第三数据点、所述第二数据点和所述第一旋转中心不共线，则所述第三数据点、所述第二数据点和所述多个数据点是可接受的。
28.根据权利要求12所述的一种或多种有形计算机可读存储介质，其中，从所述第一患者骨的术前图像和所述第一患者骨的术中数据收集中的至少一个生成所述计算机模型。
29.一种将与第一骨关联的患者数据与坐标系中的所述第一骨的计算机模型术中配准的计算机化的方法，所述第一骨包括凹入部分，并且与包括凸出部分的第二骨形成关节，所述计算机化的方法包括：
a)从所述第一骨的所述凹入部分的关节面上的第一术中收集点接收所述患者数据的第一数据点，所述第一数据点用导航系统的跟踪装置收集；
b)从所述第一骨上的第二术中收集点接收所述患者数据的第二数据点，所述第二数据点用所述跟踪装置收集，所述第二数据点在位置上对应于所述计算机模型上的第二虚拟数据点；
c)从所述第一数据点确定所述第二骨相对于所述第一骨的术中旋转中心；
d)将所述术中旋转中心与所述坐标系中的所述计算机模型的虚拟旋转中心进行位置匹配；以及
e)将所述虚拟旋转中心和所述第二虚拟数据点之间的第一距离与所述术中旋转中心和所述第二数据点之间的第二距离进行比较。
30.根据权利要求29所述的计算机化的方法，其中，所述第二数据点位于所述凹入部分的边缘、所述凹入部分的关节面、或所述第一骨的另一部分上。
31.根据权利要求30所述的计算机化的方法，还包括：
f)从所述第一骨上的第三术中收集点接收所述患者数据的第三数据点，所述第三数据点用所述跟踪装置收集，所述第三数据点位于所述第一骨上与所述第二数据点不同的位置，并且在位置上对应于所述计算机模型上的第三虚拟数据点；以及
g)将所述虚拟旋转中心和所述第三虚拟数据点之间的第三距离与所述术中旋转中心和所述第三数据点之间的第四距离进行比较。
32.根据权利要求28所述的计算机化的方法，其中，所述关节包括髋关节、肩关节、膝关节、肘关节或踝关节中的一个。
33.根据权利要求28所述的计算机化的方法，其中，步骤c)还包括计算由所述第一数据点形成的球形表面。
34.根据权利要求33所述的计算机化的方法，还包括计算所述球形表面的术中半径，所述术中半径从所述术中旋转中心延伸到所述第一数据点。
35.根据权利要求34所述的计算机化的方法，还包括将所述术中半径与从所述计算机模型的虚拟旋转中心延伸的虚拟半径进行比较。
36.一种关于平移和旋转的、配准与第一患者骨关联的第一患者数据和坐标系中的所述第一患者骨的计算机模型的计算机化的方法，所述第一患者骨包括凹入部分，所述凹入部分与第二患者骨的凸出部分形成关节，所述计算机化的方法包括：
a)通过以下方式锁定所述第一患者数据和所述第一患者骨的计算机模型之间的平移：
i)接收所述第一患者数据的多个第一数据点，所述多个第一数据点对应于在所述第一患者骨上在第一位置收集的第一点，所述第一点用导航系统的跟踪装置收集；
ii)从所述多个第一数据点确定所述第二患者骨的所述凸出部分相对于所述第一患者骨的所述凹入部分的术中旋转中心；以及
iii)将所述术中旋转中心与所述坐标系中的所述第一患者骨的所述计算机模型的虚拟旋转中心对准。
37.根据权利要求36所述的计算机化的方法，还包括：
b)通过以下方式锁定所述第一数据点和所述第一患者骨的计算机模型之间的旋转：
i)使用所述跟踪装置捕获所述第一患者骨上的所述第一数据点的第二数据点，所述第二数据点位于与所述多个第一数据点不同的位置，并且在位置上对应于所述计算机模型上的第二虚拟数据点；以及
ii)使用与所述第二数据点和所述第二虚拟数据点关联的信息来锁定所述第一数据点与所述计算机模型的旋转。
38.根据权利要求37所述的计算机化的方法，其中，所述关节包括髋关节、肩关节、膝关节、肘关节或踝关节。
39.根据权利要求37所述的计算机化的方法，其中，所述第一位置包括关节面。
40.根据权利要求39所述的计算机化的方法，其中，步骤c)还包括计算由所述多个第一数据点形成的球形表面。
41.根据权利要求40所述的计算机化的方法，还包括计算所述球形表面的术中半径，所述术中半径从所述术中旋转中心延伸到所述多个第一数据点。
42.根据权利要求41所述的计算机化的方法，还包括将所述术中半径与从所述计算机模型的虚拟旋转中心延伸的虚拟半径进行比较。
43.根据权利要求37所述的计算机化的方法，其中，所述第一患者骨包括具有髋臼的髂骨，所述第二患者骨包括股骨，并且所述关节包括髋关节，并且其中，所述第一位置在髋臼的关节面上，并且所述不同位置在髋臼的边缘、髋臼的关节面、髂骨的髂前上棘、或非手术髂骨的髂前上棘上。
44.一种用于在配准程序期间引导标志捕获的系统，所述配准程序涉及将与患者的第一骨关联的术中数据与所述第一骨的计算机模型配准，所述系统包括：
a)外科导航系统，所述外科导航系统包括跟踪装置和至少一个工具，所述至少一个工具被配置为通过所述跟踪装置跟踪其移动；
b)显示装置；以及
c)与所述显示装置和所述外科导航系统电通信的至少一个计算装置，所述至少一个计算装置包括：输入；输出；存储器；以及与所述输入、所述输出和所述存储器电通信的中央处理单元(“CPU”)，所述存储器包括用于操作图形用户界面(“GUI”)的软件，所述至少一个计算装置被配置成：
i)在所述显示装置上显示所述GUI和所述第一骨的计算机模型，所述GUI包括在所述第一骨的计算机模型上显示的虚拟点，所述虚拟点对应于用所述至少一个工具术中捕获的所述第一骨上的物理点，所述GUI还包括至少部分地围绕所述虚拟点的图形，所述图形与所述虚拟点以半径间隔开；以及
ii)基于所述至少一个工具和所述第一骨上的所述物理点之间的距离的变化调节所述图形的所述半径的尺寸。
45.根据权利要求44所述的系统，其中，当所述距离的变化减小时所述图形的所述半径的尺寸减小。
46.根据权利要求44所述的系统，其中，当所述距离的变化增加时所述图形的所述半径的尺寸增加。
47.根据权利要求44所述的系统，其中，所述图形包括箭头和圆圈中的至少一个。
48.根据权利要求44所述的系统，其中，在术中捕获所述物理点时，所述图形改变颜色。
49.根据权利要求44所述的系统，其中，所述距离的变化是在所述至少一个工具的尖端和所述第一骨上的所述物理点之间。
50.根据权利要求44所述的系统，其中，所述至少一个工具包括导航探针和与机器臂联接的工具的尖端中的至少一个。
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