CN109938800A - 外科手术规划系统和外科手术系统 - Google Patents

Abstract

外科手术规划系统和外科手术系统。一种制备骨骼以容纳植入物组件的方法，该方法包括：执行第一组切削以制备所述骨骼上的基底界面表面。该方法还包括：执行第二组切削以制备壁界面表面，其中，壁界面表面大致垂直于基底界面表面延伸。该方法还包括：执行第三组切削以制备基底界面表面与壁界面表面之间的圆化相交部。所述多组切削的执行服从于切削约束引导。至少一组切削可以利用旋转切削机来执行。

Description

外科手术规划系统和外科手术系统

本申请是原案申请号为201480074522.4的发明专利申请(国际申请号：PCT/US2014/071961，申请日：2014年12月22日，发明名称：用于制备胫骨近端的系统和方法)的分案申请。

技术领域

本公开总体上涉及用于执行骨骼切除的系统和方法，并且更具体地，涉及用于制备胫骨近端以容纳胫骨假体植入物组件的系统和方法。

背景技术

膝关节包括股骨的远端与胫骨的近端之间的界面(interface)。在正常工作的膝关节中，股骨的内侧踝和外侧髁沿着接合至胫骨的相应内侧踝和外侧髁的半月板平滑地枢转。当膝关节损坏时，形成该关节的天然骨骼和软骨可能无法恰当地连接，这可能导致关节疼痛，而且在某些情况下，可能干扰关节的正常使用。

在某些情况下，需要进行手术来恢复关节的正常使用并且减轻疼痛。根据损坏的严重性，手术可能涉及利用假体组件部分或完全置换关节。在这种膝关节置换过程期间，外科医生将骨骼和软骨的损坏部分切除，同时尝试将健康组织保持原样。外科医生接着使健康的组织与被设计成复制被切除的组织并恢复适当的膝关节运转的人工假体组件配合。

一种膝关节置换过程(全膝关节成形术(“TKA”))涉及切除股骨和胫骨两者的内侧踝和外侧髁中的每一个的一些或全部，并且去除位于股胫界面处的纤维软骨半月板。假体股骨组件(通常由钴铬合金或其它强度大的外科手术级金属制成)被装配并固定至股骨的远端，以置换股骨的被切除部分。类似地，假体胫骨组件(其基体也典型地由钴铬合金、钛或其它何适合的金属制成)被装配并固定至胫骨的近端，以置换胫骨的被切除部分。

在某些情况下，患者膝关节处的骨骼可能已经恶化至需要TKA手术的程度，但患者的交叉韧带(例如，前交叉韧带(ACL)和/或后交叉韧带(PCL))中的一个或更多个有充分条件来提供足够关节稳定性。保持天然的交叉韧带通常是有利的，因为这样做通常被认为有助于本体感受(用于感测身体多个部分相对于彼此在哪里的能力)，并且可以使得像爬楼梯这样的活动感觉更平稳或自然。保留交叉韧带还可以促进更正常的前后膝盖运动，这可以增强患者保持手术前的运动范围的能力，特别是在涉及深前屈时。所述韧带还有助于关节稳定性。

每一个天然交叉韧带都连接至一个股骨髁，在股骨的髁间区内通过，并且连接至胫骨的称作胫骨隆起的中央顶部。为了适应交叉韧带的通过，在交叉韧带保留过程中使用的股骨和胫骨植入物组件通常包括髁间切口，髁间切口限定了股骨的髁间窝和胫骨隆起之间的垂直通道。股骨和胫骨假体组件中的每一个的内侧和外侧组件被深的髁间通道(或“凹口”)隔开，该踝间通道允许交叉韧带垂直经由该凹口通过。

在膝关节的正常运转期间，交叉韧带可以在胫骨的称作胫骨隆突的接合位置处施加显著张力。在健康的膝关节中，有足够的组织包围胫骨隆突，以帮助横跨胫骨表面分布该力。安装交叉韧带保留胫骨假体组件，同时旨在保留胫骨隆突处的接合位置通常需要显著去除胫骨的周围的自然组织，以让路于胫骨植入物的安装。这种周围组织提供抵消由交叉韧带所施加的张力的很大的接合强度，去除这种组织可以削弱胫骨隆突的接合强度。

当前的胫骨制备方法(即，去除骨骼以容纳胫骨植入物)可以导致无意中去除与安装胫骨植入物所需相比更多的组织，这进一步削弱了胫骨隆突的强度，并且可以导致植入物失效。具体来说，当前方法采用手动振荡矢状锯来进行平坦切削。进行水平切削的手动锯可能过度切削到隆突中，而且进行垂直切削的手动锯可以过深地切削到胫骨骨骼中。这些过度切削削弱了胫骨隆突和交叉韧带接合。另外，传统平面锯可以生成尖角和高应力梯级(riser)，这在胫骨隆突处施加了额外的应力。尝试改进这种底切问题，特别是外侧过度切削，并且减小应力梯级，导致了添加放置在被切除部分与剩余的胫骨隆突部分的相交部处的钻针来阻止过度切削。然而，锯片通常切片，从而仍可以导致过度切削和应力梯级。

发明内容

本发明的一个实施方式涉及一种制备胫骨以容纳胫骨植入物组件的方法。该方法包括：执行第一组切削，以制备所述胫骨上的基底界面表面，其中，所述基底界面表面包括位于在所述胫骨上的所述基底界面表面上方延伸的胫骨隆突的每一侧的部分。该方法还包括：执行第二组切削，以制备胫骨隆突壁界面表面，其中，所述壁界面表面在所述基底界面表面与所述胫骨隆突的顶面之间大致垂直于所述基底界面表面延伸。该方法还包括：执行第三组切削，以制备所述基底界面表面与所述壁界面表面之间的圆化相交部。在切削约束引导下执行所述多组切削。

根据另一实施方式，一种用于制备胫骨以容纳胫骨植入物组件的外科手术规划方法，该外科手术规划方法包括：获取所述胫骨的近端的表示，并且获取胫骨植入物的表示。所述规划方法还包括：将所述胫骨植入物的表示放置在所述胫骨的所述近端的表示上，并且基于所述胫骨植入物来规划所述胫骨的所述近端的制备。所述规划所述胫骨的所述近端的制备的步骤包括：规划第一组切削，以制备所述胫骨上的基底界面表面，其中，所述基底界面表面包括位于在所述胫骨上的所述基底界面部分上方延伸的胫骨隆突的每一侧的部分；规划第二组切削，以制备胫骨隆突壁界面表面，其中，所述壁界面表面在所述基底界面表面与所述胫骨隆突的顶面之间大致垂直于所述基底界面延伸；以及规划第三组切削，以制备所述基底界面表面与所述壁界面表面之间的圆化相交部。该方法还包括：基于所述第一组切削、所述第二组切削以及所述第三组切削中的至少一组切削的规划来提供切削约束引导。

根据另一实施方式，一种外科手术系统包括：外科手术设备，其被配置成保持外科手术工具并且由用户操纵以执行胫骨的制备，以容纳植入物组件；以及切削约束引导，其被配置成对所述外科手术工具的移动提供约束。所述切削约束引导被配置成允许用户执行多个切削，所述多个切削包括：用于制备所述胫骨上的基底界面表面的第一组切削，其中，所述基底界面表面包括位于在所述胫骨上的所述基底界面部分上方延伸的胫骨隆突的每一侧的部分；用于制备胫骨隆突壁界面表面的第二组切削，其中，所述壁界面表面在所述基底界面表面与所述胫骨隆突的顶面之间大致垂直于所述基底界面延伸；以及用于制备所述基底界面表面与所述壁界面表面之间的圆化相交部的第三组切削。

要理解，前面的一般描述和下面的详细描述都仅是示例性和解释性的，并且不是对如要求保护的本发明的限制。

附图说明

附图被包括进来并构成本说明书的一部分，例示了几个实施方式并与本描述一起用于说明本公开的原理和特征。

图1例示了与示例性实施方式一致的、装配有假体系统的术后假体膝关节的立体图。

图2例示了根据传统方法制备以容纳假体组件的胫骨的近端的俯视图。

图3例示了根据示例性实施方式制备以容纳假体组件的胫骨的近端的俯视图。

图4例示了根据示例性实施方式制备以容纳假体组件的胫骨的近端的立体图。

图5例示了根据一示例性实施方式的触觉边界的虚拟表示。

图6例示了根据示例性实施方式的制备胫骨的近端以容纳假体组件的方法。

图7例示了根据示例性实施方式的规划胫骨的近端的制备以容纳假体组件的方法。

图8例示了根据示例性实施方式的外科手术系统的实施方式的立体图。

图9例示了根据示例性实施方式的外科手术系统的框图。

具体实施方式

下面，对本公开的示例性实施方式进行详细说明，在附图中例示了实施方式的示例。

健康的膝关节包括股骨的远端与胫骨的近端之间的界面。如果健康的膝关节例如因受伤或疾病而变得损坏，则可能需要膝关节手术来恢复关节的正常结构和功能。如果膝关节的损坏是严重的，则可能需要全膝关节成形术(“TKA”)。TKA通常涉及去除关节的损坏部分并且利用一个或更多个假体组件置换该关节的损坏部分。

在一些TKA过程中，一个或更多个交叉韧带(包括前交叉韧带和/或后交叉韧带)可以保持原样，以与假体植入物一起重新使用来形成新的膝关节。在这些“交叉保留”应用中，可以将假体植入物组件构造成避免干扰或影响经过膝关节的髁间区域的保留交叉韧带。例如，股骨假体组件和胫骨假体组件中的每一个都可以设计有髁间“凹口”，该踝间“凹口”从假体组件的后部朝着假体组件的前部延伸。股骨与胫骨髁间凹口在垂直方向上交叠，提供允许交叉韧带从股骨髁间窝向下通过直至胫骨隆突的通道。

因为交叉韧带在正常膝关节使用期间遭受显著的张力，所以重要的是交叉韧带接合至股骨和胫骨的接合位置具有足够强度来恰当地将交叉韧带锚固至骨骼。否则，由交叉韧带施加的力拉紧接合位置周围的组织，可能导致关节失效，这可能需要矫正手术来修理。用于限制这种失效的可能性的一种方法是限制并且小心控制在接合位置(即，股骨的髁间窝和胫骨的胫骨隆突101a)处或附近切除的骨骼的量。限制接合位置处的自然组织的干扰量有助于保留该组织的自然锚固机制，这减少了接合位置处的失效的可能性。

在图1所示的实施方式中，假体植入物系统110包括被构造为置换自然膝关节的被切除部分的多个组件。根据一个实施方式，假体植入物系统110包括被构造为置换自然胫骨101的被切除部分的胫骨植入物系统120。假体植入物系统110还包括被构造为置换自然股骨102的被切除部分的股骨组件130。在膝关节置换手术期间的植入之后，胫骨植入物系统120与股骨组件130协作以复制自然膝关节的形状和功能。

股骨组件130被固定至股骨102的远端，并且被构造为置换膝关节100的自然股骨部分的结构和功能。同样，股骨组件130可以由足够坚硬以提供足够强度来支撑膝关节所需的力量的外科手术级金属或金属合金材料(诸如外科手术级不锈钢、钛或钛合金、钴铬合金、锆合金或钽)制成。根据一个实施方式，股骨组件130可以具体实施具有多个不同结构性特征的单一组件，每个组件皆被构造成执行与膝关节100相关联的特殊功能。例如，股骨组件130可以包括一对髁132，每个踝皆联接至髌骨引导部133。该对髁132被髁间凹口138彼此隔开，该凹口提供一个或更多个交叉韧带103(如前交叉韧带(ACL)103a和/或后交叉韧带(PCL)103b)可以通过的通道。

胫骨植入物系统120可以包括多个组件，所述多个组件协作以提供与股骨组件130连接的稳定表面，以恢复适当的膝关节功能。如图1所示，胫骨植入物系统120包括基部121和一个或更多个插入部123。在膝关节置换过程期间，基部121被固定至胫骨101的近端，胫骨101的近端已经通过去除损坏骨骼和组织并对健康骨骼重塑而以手术方式制备以容纳基部121。一旦基部121被固定至胫骨101，外科医生就通过在基部121内啮合并固定插入部123而完成胫骨植入物系统120的组装。胫骨假体系统的基部121可以构造有穿过中心的通道，以允许保留的交叉韧带103与胫骨隆突101a之间的连接。

基部121可以被构造成模仿胫骨101的顶面的结构和功能。由此，与骨骼组件130类似地，基部121可以由足够坚硬以提供重建假体关节的剩余部分所基于的稳定基体的外科手术级金属或金属合金材料(诸如外科手术级不锈钢、钛或钛合金、钴铬合金、锆合金或钽)制成。

插入部123可以被设计成模仿自然股胫界面的特定组件的形状和功能，包括膝关节的内侧和外侧半月板等。同样，插入部123可以由平滑的、半刚性合成或半合成塑料、橡胶或聚合物材料构成。插入部123可以被构造成提供平滑表面，该平滑表面被设计成在正常膝关节运转期间与股骨组件130连接。根据一个实施方式，插入部123被构造成以可去除方式与基部121啮合。因此，插入部123被构造为如果插入部123例如因过度磨损而随着时间而劣化则周期性地置换。

图2描绘了根据传统方法制备的胫骨101的近端，其被制备成容纳胫骨植入物系统，如胫骨植入物系统120的基部121。如图所示，所制备的胫骨101具有基底界面表面151，其在胫骨隆突101a的每一侧都具有基底界面表面部分151a、151b。胫骨101还具有壁界面表面153，其在基底界面表面151与胫骨隆突101a的顶面102之间大致垂直于基底界面表面151地延伸。根据传统方法制备如图2所示的胫骨使用传统锯(诸如振荡矢状锯或往复锯)以进行水平切削(以形成基底界面表面)和垂直切削(以形成壁界面表面)两者。执行这两组切削以便在所制备的骨骼中保持胫骨隆突部分101a需要充分控制的定界(delineation)。通常来说，这些切削导致沿水平方向或垂直方向的过度切削，并因此损害胫骨隆突101a的强度。在该传统方法的一些实践中，可以在基底界面表面151与胫骨隆突101a之间的相交部处添加钻针(drill pin)，以阻止过度切削并帮助减少应力梯级。尽管如此，锯片仍趋于削薄，而且当在胫骨101中进行水平或垂直切削的同时仍可能过度切削。而且，骨骼的这种额外破坏产生了骨骼的额外侵害。

而且，如图2所示，使用矢状锯生成尖角。例如，基底界面部分151与壁界面部分153之间的相交部、以及壁界面部分153与胫骨界面101a的顶面102之间的相交部形成尖锐边缘，这可以减少针对胫骨隆突造成的应力，并减小其总强度。

图3和图4描绘了根据在此公开的示例性实施方式制备的胫骨101的近端部，其被制备成容纳胫骨植入物系统，如胫骨植入物系统120的基部121。如图所示，所制备的胫骨101具有基底界面表面151，基底界面表面151具有处于胫骨隆突101a的每一侧的基底界面表面部分151a、151b。胫骨101还具有壁界面表面153，壁界面表面153在基底界面表面151与胫骨隆突101a的顶面102之间大致垂直于基底界面表面151地延伸。胫骨101还具有处于胫骨隆突101a的前端部的、介于基底界面表面部分151a、151b之间的桥状部分154。最后，胫骨101具有处于基底界面表面151与壁界面表面153之间的弯曲或圆化相交部(radiusedintersection)152。

图3和图4中示出的胫骨的制备可以利用许多不同的外科手术切削工具来执行。如同传统方法，在第一组切削中，基底界面表面151可以利用振荡外科锯来制备。在第二组切削中，壁界面表面153还可以用矢状锯或往复锯来制备。如图3和4所示，根据示例性实施方式，制备第三组切削(其可以分别与用于制备基底界面表面151的第一组切削或用于制备壁界面表面153的第二组切削相结合地制备)，以形成基底界面表面151与壁界面表面153之间的圆化相交部152。圆化相交部152优选地利用诸如磨锥(burr)或锉刀(rasp)的旋转切削工具来形成。相交部152可以通过具有大半径的旋转切削机来形成，其中，需要一次处理来生成圆化相交部，或者可以使用具有较小几何形状的工具来执行雕刻铣销技术以形成圆化相交部。在优选实施方式中，壁界面表面153还利用诸如磨锥或圆柱形锉刀的旋转切削机来制备。这样，将相交部152以及胫骨隆突101a的壁界面表面153与顶面102之间的上角部弄圆。而且，针对壁界面表面153，可以通过使用旋转切削机来使其它尖锐边缘和应力梯级减到最小以包括形成圆化相交部152。在其它实施方式中，基底界面表面151的制备还可以利用诸如磨锥或圆柱形锉刀的旋转切削工具来执行。同样地，根据本公开，可以利用旋转切削机来执行第一组切削、第二组切削或者第三组切削中的任一组。前桥154可以冲出或者以骨钳去除。在优选实施方式中，前桥154也利用旋转切削机形成。

图3和图4中描绘的胫骨101还在其中制备有桩孔157，桩孔157可以利用旋转切削机钻入基底界面表面151中。桩孔157被构造成容纳来自胫骨植入物系统120的细长凸出部，以进一步将植入物固定至骨骼，并且阻止植入物与骨骼之间的移动。类似地，可以利用龙骨(未示出)制备骨骼，所述龙骨与胫骨植入物系统120上的龙骨连接，并且还改进骨骼与植入物之间的安全性。

制备胫骨以容纳胫骨植入物系统的方法还包括利用精确切削边界来限制可损害胫骨隆突101a的强度的过度切削的量。图5描绘了在本公开的示例性方法中使用的切削约束引导的一种实现。该图示出了结合外科手术系统(下面更详细描述的)提供以控制在制备骨骼期间进行的切削的触觉边界501的实现。诸如图8描绘的系统200的外科手术系统可以被构造成建立与规划的假体植入物组件相关联并且与患者的解剖结构的一个或更多个特征相关联或者相关的虚拟触觉几何形状。外科手术系统200可以被构造成生成外科手术位置的虚拟表示，该虚拟表示例如包括患者的解剖结构的虚拟表示、在外科手术过程期间要使用的外科手术仪器、用于在外科手术位置内配准其它物体的探针工具、以及与外科手术位置相关联的任何其它这种物体。

除了物理对象以外，外科手术系统200还可以被构造成生成在软件中存在的虚拟对象，并且可以在执行外科手术过程期间有用。例如，外科手术系统200可以被构造成生成诸如触觉边界501的虚拟边界，所述虚拟边界对应于外科医生用于制备骨骼的规划，诸如限定外科医生规划切削、去除或者其它方式改变的骨骼区域的边界。另选或者附加地，外科手术系统200可以限定虚拟对象，所述虚拟对象对应于外科手术工具210的一部分应当据以导航以执行特定任务的希望路径或路线。

虚拟边界和其它虚拟对象可以限定虚拟坐标空间(通常与患者的解剖结构相关地限定)内的点、线或表面，其用作在外科手术仪器的跟踪位置与虚拟边界或对象相互作用时向外科手术仪器提供触觉反馈的边界。例如，在外科医生执行骨骼切削操作时，外科手术系统200的跟踪系统对切削工具的位置进行跟踪，并且在大多数情况下，允许外科医生在工作空间中自由移动工具。然而，当工具接近虚拟触觉边界(已经被配准至患者的解剖结构)时，外科手术系统200控制力反馈系统以提供触觉引导，触觉引导趋于约束外科医生不利用该切削工具穿透该虚拟触觉边界。例如，可以将虚拟触觉边界与假体植入物的虚拟模型的几何形状相关联，并且该触觉引导可以包括被映射至该虚拟边界并且被外科医生体验为约束工具移动不穿透该虚拟边界的阻力的力和/或力矩。由此，外科医生可以觉得犹如切削工具遇到了诸如壁的物理对象。因此，外科手术系统200的力反馈系统向外科医生传送有关工具与虚拟边界相对的位置的信息并且提供物理力反馈，以在实际切削过程期间引导切削工具。按这种方式，虚拟边界充任虚拟切削引导。外科手术系统200的力反馈系统也可以被构造成限制用户操纵外科手术工具的能力。

如图5所示，生成示例性触觉边界501以允许在工作区502中对外科手术工具进行操纵。触觉边界501围绕需要的胫骨隆突区101a设置。这样，外科医生能够对胫骨101进行切削以生成基底界面表面151和前桥部分154，而不会过度切削以致损害胫骨隆突101a的强度。如图所示，触觉边界501按相对于规划的胫骨隆突101a的需要偏移量生成，以避免工具过于靠近地切削。触觉边界501可以基于要使用的胫骨植入物系统自动生成，并且也可以由外科医生定制。例如，外科医生可能想要增加或渐小触觉边界501的尺寸，可能想要改变相对于所规划的胫骨隆突101a的边界偏移量，或者可能想要在患者的解剖结构上重新定位所规划的植入物系统并因此重新定位触觉边界501。外科手术系统200可以被构造成允许外科医生经由用户接口输入这些。可以生成附加触觉边界并应用至外科手术工具以供其它组切削使用(如用于切削壁界面表面)，来完成根据所公开的实施方式的骨骼制备。

使用经由外科手术系统生成并应用的触觉边界是生成用于执行本方法的切削约束引导的一种机制。切削约束引导的其它实施方式包括可应用于切削工具或应用于保持切削工具的手臂的机械约束，或者可以是专门针对外科手术计划生成以允许外科医生根据手术规划来操纵工具的切削块(cutting block)。

如上所述的关节的制备可以根据图6所描绘的示例性实施方式来执行。制备骨骼的方法包括：执行第一组切削以在胫骨上制备基底界面表面151(步骤601)。该基底界面表面151包括位于在胫骨101上的基底界面表面151上方延伸的胫骨隆突101a的每一侧的部分151a、151b。该方法还包括：执行第二组切削，以制备胫骨隆突壁界面表面153(步骤602)。壁界面表面153在基底界面表面151与胫骨隆突101a的顶面102之间大致垂直于基底界面表面151延伸。该方法还包括：执行第三组切削，以制备基底界面表面与壁界面表面之间的圆化相交部(步骤603)。如上所述，在切削约束引导下执行所述多组切削。在其它实施方式中，步骤601、602及603可以按与图6所示次序不同的次序来执行。类似地，当那些步骤涉及利用旋转切削机切削时，第三组切削(步骤603)可以结合步骤601或602来执行。如上所述，这些组切削中的一组或更多组切削可以利用旋转切削机来执行。

如上所述的针对关节制备的规划可以根据图7所描绘的示例性实施方式来执行。该外科手术规划方法包括：获取胫骨的近端的表示(步骤701)。解剖结构的表示可以通过成像系统来获取，并且可以包括诸如CT或MRI图像的图像。所述图像可以术前、术中或者在外科手术规划时获取。所述图像可以通过外科手术系统200加载和获取，如下所述。该方法还包括：获取胫骨植入物的表示(步骤702)。模型植入物也可以通过外科手术系统200加载和获取。外科医生能够从许多不同的植入物模型中选择，并且选定最适于患者和患者解剖结构的植入物。所述规划方法还包括：将胫骨植入物的表示置于胫骨的近端的表示上，并且基于胫骨植入物来规划胫骨的近端的制备(步骤703)。外科医生能够修改植入物在患者的解剖结构上的位置。在骨骼的表示上定位模型植入物允许规划制备骨骼以容纳胫骨植入物所需的切除，包括规划第一组切削以在胫骨101上制备基底界面表面151(步骤704)。基底界面表面151包括位于在胫骨上的基底界面部分上方延伸的胫骨隆突101a的每一侧的部分151a、151b。步骤705包括规划第二组切削以制备胫骨隆突壁界面表面153。壁界面表面153在基底界面表面151与胫骨隆突101a的顶面102之间大致垂直于基底界面表面151延伸。步骤706包括规划第三组切削以制备基底界面表面151与壁界面表面153之间的圆化相交部152。该方法还包括：基于第一组切削、第二组切削及第三组切削中的至少一组切削的规划来提供切削约束引导(步骤707)。

根据上述示例性实施方式的方法，用于确保精确且准确制备关节的一种示例性方法可以利用计算机辅助外科手术(CAS)系统来帮助外科医生在与患者的解剖结构交互作用之前适当地对准工具并且在骨骼中执行准确切削。许多CAS系统包括软件，所述软件允许用户以电子方式配准(register)与手术位置相关联的某些解剖特征(例如，骨骼、软组织等)、手术仪器及其它界标(landmark)。CAS系统可以基于解剖特征的配准来生成手术位置的图形表示。CAS软件还允许用户规划外科手术过程的某些方面，并且记录这些方面以与手术位置的图形表示一起显示。例如，在膝关节置换过程中，外科医生可以配准目标导航点、骨骼和组织切削的位置和深度、可与用于施加触觉力的对应参照相关联的虚拟边界以及手术的其它方面。

图8提供了示例性计算机辅助外科手术(CAS)系统200的示意图，其中可以实现与某些公开的实施方式相关联的处理和特征。外科手术系统200可以被构造成执行各种矫形外科手术过程，举例来说，如局部或全关节置换手术。如图2所示，外科手术系统200包括：跟踪系统201、计算系统202、一个或更多个显示装置203a、203b以及机器人系统204。应当清楚，系统200以及在此描述的方法和处理可应用于许多不同类型的关节置换过程。尽管某些公开的实施方式可以参照关节置换过程加以描述，但在此描述的概念和方法可以应用于其它类似的矫形外科手术，如局部髋关节置换、全或局部髋关节表面置换、肩关节置换或者表面置换过程，以及其它类型的矫形过程。

机器人系统204可以由外科医生按交互方式使用以对患者执行外科手术过程，如膝关节置换过程。如图2所示，机器人系统204包括：基部205、关节臂206、力系统(未示出)以及控制器(未示出)。外科手术工具210(例如，具有手术部件的末端执行器，诸如锯、扩孔钻、磨锥)可以联接至关节臂206。外科医生可以通过抓住并人工移动关节臂206和/或外科手术工具210来操纵外科手术工具210。

所述力系统和控制器被构造成在操纵外科手术工具期间经由控制或引导向外科医生提供切削约束引导。所述力系统被构造成经由关节臂206向外科手术工具提供至少一些力，并且控制器被编程成生成用于控制所述力系统的控制信号。在一个实施方式中，力系统包括致动器和可反向驱动的传动装置，它们提供触觉(或力)反馈以约束或抑制外科医生人工移动手术工具超出如上所述根据触觉对象所限定的预定触觉边界，举例来说，如美国专利No.8,010,180和/或在2009年12月22日提交的美国专利申请No.12/654,519(美国专利申请公报No.2010/0170362)中描述的，每一个都通过引用而全部并入于此。根据一个实施方式，外科手术系统200是由MAKO Surgical Corp.of Fort Lauderdale,Florida制造的Robotic Arm Interactive Orthopedic System。该力系统和控制器可以容纳在机器人系统204内。

跟踪系统201被构造成在外科手术过程期间确定一个或更多个对象的姿势(即，位置和取向)以检测(多个)对象的移动。例如，跟踪系统201可以包括检测装置，该检测装置获取对象关于该检测装置的参考坐标系的姿势。当对象在参考坐标系中移动时，检测装置跟踪对象的姿势以检测(或使得外科手术系统200能够检测)对象的移动。结果，计算系统202可以响应于被跟踪的对象或多个对象的移动来捕获数据。被跟踪的对象例如可以包括工具/仪器、患者解剖结构、植入物/假体装置以及外科手术系统200的组件。利用来自跟踪系统201的姿势数据，外科手术系统200还能够将一个空间中的坐标配准(或者映射或关联)至另一空间中的那些坐标，以实现空间对准或对应(例如，利用公知的坐标变换处理)。物理空间中的对象可以被配准至任何合适的坐标系，诸如由运行在外科手术控制器212和/或触觉装置204的计算机装置上的处理所使用的坐标系。例如，利用来自跟踪系统201的姿势数据，外科手术系统200能够将诸如患者胫骨的物理解剖结构与该解剖结构的表示(如显示在显示装置203上的图像)关联起来。基于被跟踪对象和配准数据，外科手术系统200例如可以确定解剖结构的图像与相关的解剖结构之间的空间关系。

配准(registration)可以包括任何已知的配准技术，举例来说，如图像至图像配准(例如，其中配准诸如透视图像或MR图像的同一类型或模态图像的单模配准和/或配准诸如MRI和CT的不同类型或模态图像的多模配准)；图像至物理空间配准(例如，图像至患者配准，其中，通过常规成像技术获取的患者解剖结构的数字数据集与患者的实际解剖结构配准)；和/或组合的图像至图像和图像至物理空间配准(例如，将术前CT和MRI图像配准至术中场景)。计算系统202还可以包括用于将一个空间中的坐标映射(或变换)至另一空间中的坐标以实现空间对准或对应的坐标变换处理。例如，外科手术系统200可以使用坐标变换处理，以将被跟踪对象(例如，患者解剖结构等)的位置映射到由运行在触觉装置的计算机和/或外科手术控制器212上的处理所使用的坐标系统中。公知地，坐标变换处理可以包括任何合适的变换技术，举例来说，如刚体变换、非刚性变换、仿射变换等。

跟踪系统201可以是使得外科手术系统200能够连续确定(或跟踪)患者的相关解剖结构的姿势的任何各种系统。例如，跟踪系统201可以包括适于在外科手术环境中使用的非机械跟踪系统、机械跟踪系统或者非机械和机械跟踪系统的任意组合。非机械跟踪系统可以包括光学(或可视)、磁、无线电或声跟踪系统。这种系统通常包括适于在预定的坐标空间中定位可特别识别的跟踪部件(或跟踪器)的检测装置，所述部件可被所述检测装置检测并且被构造成接合至要跟踪的对象或者作为要跟踪的对象的固有部分。例如，可跟踪部件可以包括具有独特的几何排布的一批标记以及在可跟踪部件接合至被跟踪对象时与被跟踪对象的已知几何关系。所述已知几何关系例如可以是可跟踪部件与被跟踪对象的端点和轴之间的预定几何关系。由此，检测装置可以至少部分地根据标记的几何形状(若独特的话)、轴的取向以及从标记的位置推导出的端点在参照系内的位置来识别特定跟踪对象。

标记可以包括任何已知标记，举例来说，诸如被跟踪对象的外在标记(或基准点)和/或固有特征。外在标记是接合至患者的人工物体(例如，贴附至皮肤的标记、植入骨骼中的标记、立体定向架等)，并且被设计成可见并且可被检测装置准确检测到。固有特征是被跟踪对象的易见且可准确定位的部分，其被充分限定并且可标识以充任可识别标记(例如，界标、解剖结构的轮廓、形状、颜色或者任何其它可以充分识别的可视指示符)。标记可以利用任何合适检测方法来定位，举例来说，公知的光学、电磁、无线电或者声学方法。例如，具有对红外辐射敏感的固定立体摄像机对的光学跟踪系统可以被用于跟踪主动(安然发光二极管或LED)或者被动地(如具有反射红外辐射的表面的球形标记)发射红外辐射的标记。类似地，磁跟踪系统可以包括固定场发生器，发射通过集成到被跟踪对象中的小线圈所感测到的空间变化磁场。

计算系统202可以以通信方式联接至跟踪系统201，并且可以被构造成接收来自跟踪系统201的跟踪数据。基于所接收的跟踪数据，计算系统202可以确定与外科手术环境的一个或更多个配准的特征(如外科手术工具210或者患者的解剖结构的多个部分)相关联的位置和取向。计算系统202还可以包括外科手术规划和外科手术辅助软件，其可以在手术过程期间由外科医生或手术支持人员使用。例如，在关节置换过程期间，计算系统202可在显示装置203a、203b中的一个或两个上显示与手术过程有关的图像。

计算系统202(和/或外科手术系统200的一个或更多个构成组件)可以包括用于外科手术系统200的操作和控制的硬件和软件。这种硬件和/或软件被构造成使得系统200能够执行在此描述的技术。参照图9，计算系统202包括外科手术控制器212、显示装置203以及输入装置216。

外科手术控制器212可以是任何已知计算系统，但优选为可编程的、基于处理器的系统。例如，外科手术控制器212可以包括微处理器、硬盘驱动器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出(I/O)电路以及任何其它已知计算机组件。外科手术控制器212优选地适于与各种类型的存储装置(持久性的和可去除的)一起使用，举例来说，诸如便携式驱动器、磁存储部、固态存储部(例如，闪速存储卡)、光学存储部以及/或者因特网存储部。外科手术控制器212可以包括一个或更多个计算机，例如包括在合适的操作系统下工作的个人计算机或工作站，并且优选地包括图形用户界面(GUI)。

再次参照图9，在示例性实施方式中，外科手术控制器212包括具有处理器222和存储器224的处理电路220。处理器222可以被实现为通用处理器，其执行一个或更多个计算机程序以通过操作输入数据并生成输出来执行动作。该处理和逻辑流还可以通过专用逻辑电路(例如，FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路))、一组处理组件或者其它合适电子处理组件来执行，并且装置也可以被实现为该专用逻辑电路(例如，FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路))、一组处理组件或者其它合适电子处理组件。一般来说，处理器将接收来自只读存储器或随机存取存储器或两者的指令和数据。存储器224(例如，存储器、存储器单元、存储装置等)包括一个或更多个装置(例如，RAM、ROM、闪速存储器、硬盘存储部等)，以存储用于完成或易于本申请中描述的各种处理的数据和/或计算机代码。存储器224可以是或者包括易失性存储器或非易失性存储器。存储器224可以包括数据库组件、目标代码组件、脚本组件或者用于支持本申请中描述的各种活动的任何其它类型的信息结构。根据示例性实施方式，存储器224可通信地连接至处理器222，并且包括用于执行在此描述的一个或更多个处理的计算机代码。存储器224可以包含多种模块，每种模块都能够存储与特定类型的功能有关的数据和/或计算机代码。在一个实施方式中，存储器224包含与外科手术过程有关的若干个模块，诸如规划模块224a、导航模块224b、对准模块224c以及机器人控制模块224d。

另选或附加地，程序指令可以在人工生成的传播信号(例如，机器生成的电、光或电磁信号)上编码，所述信号被生成以编码以向合适接收器装置发送的信息以供数据处理装置执行。计算机存储介质可以是计算机可读存储装置、计算机可读存储基片、随机或串行存取存储器阵列或装置、或者它们中的一个或更多个的组合，或者被包括在其中。而且，虽然计算机存储介质不是传播信号，但计算机存储介质可以是人工生成的传播信号中编码的计算机程序指令的源或目的地。计算机存储介质还可以是一个或更多个分离组件或介质(例如，多个CD、盘，或其它存储装置)，或者被包括在其中。因此，计算机存储介质可以是有形的和非瞬时的。

计算机程序(还已知为程序、软件、软件应用、脚本或代码)可以采用任何形式的编程语言来编写，包括编译或解释语言、声明或过程语言，并且可以采用任何形式来部署，包括部署为独立程序或部署为模块、组件、子例程、对象或适于在计算环境中使用的其它单元。计算机程序可以(但不需要)对应于文件系统中的文件。可以将程序存储在保持其它程序或数据(例如，存储在标记语言文档中的一个或更多个脚本)的文件的一部分中、专用于所讨论的程序的单一文件中、或者多个协作文件(例如，存储一个或更多个模块、子程序或者代码的多个部分的文件)中。可以将计算机程序部署成在一个计算机上或者在定位在一个地点或跨多个地点分布并且通过通信网络互连的多个计算机上执行。

一般来说，计算机还包括或者在工作上被联接以接收来自用于存储数据的一个或更多个海量存储装置(例如，磁盘、磁光盘或光盘)的数据，或者向所述一个或更多个海量存储装置(例如，磁盘、磁光盘或光盘)传递数据或者两者皆有。然而，计算机不需要具有这种装置。而且，计算机可以嵌入另一装置中，例如，移动电话、个人数字助理(PDA)、移动音频或视频播放器、游戏机、全球定位系统(GPS)接收器或者便携式存储装置(例如，通用串行总线(USB)闪存驱动器)等。适于存储计算机程序指令和数据的装置包括所有形式的非易失性存储器、介质以及存储器装置，举例来说，包括：半导体存储器装置(例如，EPROM、EEPROM及闪速存储器装置)；磁盘(例如，内部硬盘或可去除盘)；磁光盘；以及CD ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以通过专用逻辑电路来补充或者并入专用逻辑电路中。

本说明书中描述的主题的实施方式可以在计算系统中实现，所述计算系统包括后端组件(举例来说，如数据服务器)，或者包括中间件组件(例如，应用服务器)，或者包括前端组件(例如，具有图形用户界面的客户端计算机或者Web浏览器，用户经由其与本说明书中描述的主题的实施方式交互作用)，或者包括一个或更多个这种后端组件、中间件组件或前端组件的任意组合。该系统的组件可以通过数字数据通信的任何形式或介质(例如，通信网络)互连。通信网络的示例包括：局域网(“LAN”)和广域网(“WAN”)、互联网络(例如，因特网)以及对等网络(例如，ad hoc对等网络)。

参照图9中描绘的外科手术系统200的实施方式，外科手术控制器212还包括通信接口230。计算系统202的通信接口230经由接口联接至机器人系统204的计算装置(未示出)，并且经由接口联接至跟踪系统201。所述接口可以包括物理接口和软件接口。通信接口230的物理接口可以是或者包括有线或无线接口(例如，插口、天线、发送器、接收器、收发器、有线终端等)，以经由直接连接或者网络连接(例如，因特网连接、LAN、WAN或者WLAN连接等)与外部源进行数据通信。软件接口可以驻留在外科手术控制器212、机器人系统204的计算装置(未示出)和/或跟踪系统201上。在一些实施方式中，外科手术控制器212和计算装置(未示出)是同一计算装置。软件还可以在远程服务器上工作、和外科手术系统200容纳在同一建筑物中或者处于外部服务器站点。

计算系统202还包括显示装置203。显示装置203是计算系统52与用户之间的可视接口。显示装置203连接至外科手术控制器212，并且可以是适于显示文本、图像、图形和/或其它可视输出的任何装置。例如，显示装置203可以包括标准显示屏(例如，LCD、CRT、OLED、TFT、等离子等)、触摸屏、可佩戴显示器(举例来说，诸如眼镜或护目镜的眼镜(eyewear))、投影显示器、头戴式显示器、全息显示器和/或任何其它可视输出装置。显示装置203可以设置在外科手术控制器212上或附近(例如，在图8所示的手推车上)，或者可以远离外科手术控制器212(例如，安装在具有跟踪系统56的台子上)。显示装置203优选地可以调节，以使用户在外科手术过程期间可以在需要时定位/重新定位显示装置203。例如，显示装置203可以设置在可调节臂(未示出)上，或者设置在非常适合用户容易观察的任何其它位置。如图8所示，外科手术系统200中可以有超过一个显示装置203。

显示装置203可以用于显示对医疗过程有用的任何信息，举例来说，诸如根据利用常规成像技术获取的图像数据集而生成的解剖结构图像、图形模型(例如，植入物、仪器、解剖结构的CAD模型等)、被跟踪对象(例如，解剖结构、工具、植入物等)的图形表示、约束数据(例如，轴、关节表面等)、植入物组件的表示、数字或视频图像、对准信息、校准信息、患者数据、用户数据、测量数据、软件菜单、选择按钮、状态信息等。

除了显示装置203以外，计算系统202还可以包括用于向用户提供可听反馈的声学装置(未示出)。该声学装置连接至外科手术控制器212，并且可以是用于生成声音的任何已知装置。例如，该声学装置可以包括扬声器和声卡、具有集成的音频支持的主板和/或外部声音控制器。在操作中，该声学装置可以适于向用户传达信息。例如，外科手术控制器212可被编程为向该声学装置发送信号以生成如语音合成口头指示“DONE(完成)”的声音以表示完成外科手术过程的步骤。类似地，该声学装置可以用于向用户提醒敏感状况，如生成铃声以指示外科手术切削工具在软组织的关键部分附近或者正接近触觉边界。

为向用户提供其它交互作用，本说明书中描述的主题的实施方式可以在具有输入装置216的计算机上实现，输入装置216使得用户能够与外科手术系统200通信。输入装置216连接至外科手术控制器212，并且可以包括使得用户能够向计算机提供输入的任何装置。例如，输入装置216可以是已知输入装置，诸如键盘、鼠标器、轨迹球、触摸屏、触摸板、话音识别硬件、拨号盘、开关、按钮、可跟踪探针、脚踏板、远程控制装置、扫描仪、摄像机、麦克风和/或操纵杆。例如，输入装置216可以允许用户如上所述地操纵触觉边界。同样可以使用其它种类的装置来向用户提供交互作用；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的可感测反馈，例如，可视反馈、可听反馈或触觉反馈，而来自用户的输入可以按任何形式接收，包括声学、语音或触觉输入。另外，计算机可以通过向用户使用的装置发送文档和从该装置接收文档而与用户交互作用；例如，通过响应于从用户客户端装置上的web浏览器接收的请求，向该web浏览器发送网页。

用于执行上述示例性方法的一般外科手术规划和导航(并且包括如结合外科手术系统200描述的触觉控制和反馈)可以通过计算机化外科手术系统来执行，如在Quaid等人的美国专利No.8,010,180“Haptic Guidance System and Method”中描述的那样，其全部内容通过引用而并入于此。

在各个示例性实施方式中所示的系统和方法的构造和排布结构仅仅是例示性的。尽管本公开中仅对几个实施方式进行了详细描述，但许多变型例也是可能的。因此，所有这种变型例都旨在被包括在本公开的范围内。任何处理或方法步骤的次序或顺序可以根据另选实施方式加以改变或重新排序。在不脱离本公开的范围的情况下，可以在这些示例性实施方式的设计、工作条件以及排布结构方面进行其它置换、修改、改变及省略。

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年12月31日提交的美国临时专利申请序列号61/922,723的权益和优先权，其公开通过引用方式全部并入于本文中。

Claims (11)

1.一种用于制备骨骼以容纳植入物组件的外科手术规划系统，该外科手术规划系统包括：

用于获取骨骼的虚拟表示的装置；

用于获取植入物组件的虚拟表示的装置；

用于将所述植入物组件的虚拟表示置于所述骨骼的虚拟表示上的装置；

用于基于所述植入物组件来规划所述骨骼的制备的装置，其包括：

用于规划第一组切削以制备所述骨骼上的基底界面表面的装置；

用于规划第二组切削以制备壁界面表面的装置，其中，所述壁界面表面大致垂直于所述基底界面表面延伸；以及

用于规划第三组切削以制备所述基底界面表面与所述壁界面表面之间的圆化相交部的装置；以及

用于生成专门针对所述第一组切削、所述第二组切削以及所述第三组切削中的至少一组切削的规划的虚拟对象，并且将所述虚拟对象与所述骨骼的虚拟表示关联起来的装置，其中，所述虚拟对象定义切削边界，所述切削边界被设置成在外科手术工具被用于执行所述第一组切削、所述第二组切削以及所述第三组切削中的至少一组切削的同时约束所述外科手术工具的移动。

2.根据权利要求1所述的外科手术规划系统，所述外科手术规划系统还包括用于提供机械切削引导的装置，所述机械切削引导被配置用于实现规划的多组切削中的至少一组切削。

3.根据权利要求1所述的外科手术规划系统，用于生成虚拟对象并且将所述虚拟对象与所述骨骼的虚拟表示关联起来的装置包括用于生成触觉边界的装置，所述触觉边界被配置成应用于所述外科手术工具以约束所述工具不穿透所述触觉边界。

4.根据权利要求1所述的外科手术规划系统，其中，所述第三组切削通过旋转外科手术切削工具执行。

5.根据权利要求4所述的外科手术规划系统，其中，所述第一组切削和所述第二组切削中的至少一组切削通过所述旋转外科手术切削工具执行。

6.一种外科手术系统，该外科手术系统包括：

外科手术设备，其被配置成保持外科手术工具并且由用户操纵以执行骨骼的制备以容纳植入物组件；以及

反馈机构，其被配置成基于与所述骨骼相关联的虚拟对象来提供有关所述外科手术工具的移动的约束；

其中，所述虚拟对象定义切削边界，所述切削边界被配置成引导用户执行多个切削，所述多个切削包括：

用于制备所述骨骼上的基底界面表面的第一组切削；

用于制备壁界面表面的第二组切削，其中，所述壁界面表面大致垂直于所述基底界面表面延伸；以及

用于制备所述基底界面表面与所述壁界面表面之间的圆化相交部的第三组切削。

7.根据权利要求6所述的系统，所述系统还包括：计算系统，其被编程为将所述虚拟对象与所述骨骼关联起来，并且其中，所述计算系统还被编程为控制所述反馈机构以在所述用户操纵所述外科手术设备时向所述用户提供引导。

8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述外科手术工具是用于执行所述第三组切削的第一外科手术切削工具，并且其中，所述第一外科手术切削工具是旋转切削工具。

9.根据权利要求8所述的系统，所述系统还包括：第二切削工具，该第二切削工具用于执行所述第一组切削和所述第二组切削中的一组或更多组切削。

10.根据权利要求7所述的系统，其中，所述计算系统还被配置成生成触觉边界，并且其中，所述反馈机构提供触觉力，所述触觉力被施加至所述外科手术工具以约束所述工具不穿透所述触觉边界。

11.根据权利要求6所述的系统，其中，所述外科手术系统还包括机械切削引导，所述机械切削引导被配置成引导所述第一组切削、所述第二组切削或所述第三组切削中的至少一组切削。