CN110545759A - 用于确定关节置换手术植入物的位置和定向的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于确定关节置换手术的植入物(100)的位置和定向的系统、装置和方法。例如，系统包括套筒(200)，套筒构造成由患者佩戴并收集(415)与关节的移动有关的生物力学信息，以及手术系统(320)。手术系统配置成接收(605)收集的生物力学信息，确定(605)与关节相关的临床测量信息，基于所收集的生物力学信息和所确定的临床测量信息生成(610)关节的肌肉骨骼模拟，基于肌肉骨骼模拟确定(615)患者的一个或多个手术参数，并且基于一个或多个手术参数确定(620)将插入关节中的植入部件的位置和定向中的至少一个。

Description

用于确定关节置换手术植入物的位置和定向的系统及方法
优先权声明
本申请请求享有2017年5月18日提交的题为“Systems and Methods forDetermining the Position and Orientation of an Implant for Joint ReplacementSurgery”的美国临时申请第62/508,252号的优先权权益，该临时申请通过引用以其整体并入本文中。
技术领域
本公开大体上涉及用于计算机辅助骨科手术的设备、系统和方法。更具体地，本公开涉及在关节置换手术之前自动确定患者的植入物的位置和定向。
背景技术
使用计算机、机器人和成像来辅助矫形手术在本领域中是已知的。对用来引导手术程序的计算机辅助导航和机器人系统来说，已经有大量研究和开发。例如，精密徒手雕刻器采用机器人手术系统以帮助外科医生准确地将骨切割成期望形状。在诸如全髋关节置换术(THR)的程序中，已经使用计算机辅助手术技术以提高手术的准确性和可靠性。还发现由图像引导的骨科手术在通过骨合成的良好固定来预先计划和引导骨折中移位的骨碎片的正确解剖位置方面是有用的。
切口引导件或切割块可用于骨科手术程序以帮助外科医生切割或修改目标骨的一些部分。例如，在诸如THR或全膝关节置换术(TKR)的关节置换手术中，骨的准备可涉及将锯引导切割块暂时固定到骨骼，使得往复的锯片可沿着其预期路径保持稳定。这些块的放置可通过手动使用器械或通过使用夹具来引导。
切割块的定位可能是耗时且复杂的过程，这对于患者获得积极结果是至关重要的。允许在所需工作空间内调整切割块的机制很复杂，且需要高加工公差，这增加了这些器械系统的成本和复杂性。
特别是手动对齐可能是麻烦的，并且限于通过机械和视觉参考方式获得的信息。用于手动对准切割块的器械无法完全捕获骨骼的3D形状，也不能充分捕获关于关节的运动学或软组织张紧或松弛的信息。此类器械的创建和管理也昂贵，并且导致相当大的维护和清洁此类器械的操作成本。这些成本增加了管理切割块的负担。机械参考器械可能增加管理切口引导件或切割块的负担。
发明内容
提供了一种用于确定关节置换手术的植入物的位置和定向的系统。系统包括套筒和手术系统。套筒构造成由患者佩戴并收集与关节移动有关的生物力学信息。手术系统配置成接收所收集的生物力学信息，确定与关节相关的临床测量信息，基于所收集的生物力学信息和所确定的临床测量信息生成关节的肌肉骨骼模拟，基于肌肉骨骼模拟确定患者的一个或多个手术参数，并且基于一个或多个手术参数来确定将插入关节中的植入部件的位置和定向中的至少一个。
在一些实施例中，套筒包括配置成确定套筒的位置的一个或多个传感器。
在一些实施例中，套筒还包括配置成由导航系统光学检测的一个或多个位置跟踪器。
在一些实施例中，手术系统还配置成基于临床测量信息和生物力学信息生成统计形状模型。在一些另外的实施例中，手术系统还配置成将形状变形算法施加到统计形状模型以生成患者的准确虚拟解剖表示。
在一些实施例中，一个或多个手术参数包括植入部件的位置信息、移除以适应植入部件的骨量、植入部件待定向的角度、以及切割引导件的位置和定向中的至少一个。
在一些实施例中，临床测量信息包括人体测量、解剖测量、肌肉激活模式信息和力板数据中的至少一个。
在一些实施例中，生物力学数据包括骨位置信息、韧带移动信息、肌肉移动信息、以及由套筒收集的关节的其它软组织信息中的至少一个。
还提供了一种用于确定关节置换手术的植入物的位置和定向的装置。装置包括处理装置，处理装置可操作地连接到计算机可读介质，计算机可读介质配置成存储一个或多个指令。当执行时，指令使处理装置从构造成由患者佩戴的套筒接收所收集的生物力学信息，确定与关节相关的临床测量信息，基于所收集的生物力学信息和所确定的临床测量信息生成关节的肌肉骨骼模拟，基于肌肉骨骼模拟确定患者的一个或多个手术参数，并且基于一个或多个手术参数来确定将插入关节中的植入部件的位置和定向中的至少一个。
在一些实施例中，一个或多个指令包括附加指令，当执行时，使处理装置基于临床测量信息和生物力学信息来生成统计形状模型。在一些另外的实施例中，一个或多个指令包括附加指令，当执行时，使处理装置将形状变形算法施加到统计形状模型以生成患者的准确虚拟解剖表示。
在一些实施例中，一个或多个手术参数包括植入部件的位置信息、移除以适应植入部件的骨量、植入部件待定向的角度、以及切割引导件的位置和定向中的至少一个。
在一些实施例中，临床测量信息包括人体测量、解剖测量、肌肉激活模式信息和力板数据中的至少一个。
在一些实施例中，生物力学数据包括骨位置信息、韧带移动信息、肌肉移动信息、以及由套筒收集的关节的其它软组织信息中的至少一个。
还提供了一种用于确定关节置换手术的植入物的位置和定向的方法。该方法包括由构造成由患者佩戴的套筒收集与关节的移动有关的生物力学信息；由手术系统接收从套筒收集的生物力学信息；由手术系统确定与关节有关的临床测量信息；由手术系统基于所收集的生物力学信息和所确定的临床测量信息生成关节的肌肉骨骼模拟；由手术系统基于肌肉骨骼模拟确定患者的一个或多个手术参数；以及由手术系统基于一个或多个手术参数确定待插入关节中的植入部件的位置和定向中的至少一个。
在一些实施例中，该方法进一步包括由手术系统基于临床测量信息和生物力学信息生成统计形状模型。在一些另外的实施例中，该方法包括由手术系统将形状变形算法施加到统计形状模型以生成患者的准确虚拟解剖表示。
在一些实施例中，一个或多个手术参数包括植入部件的位置信息、移除以适应植入部件的骨量、植入部件待定向的角度、以及切割引导件的位置和定向中的至少一个。
在一些实施例中，临床测量信息包括人体测量、解剖测量、肌肉激活模式信息和力板数据中的至少一个。
在一些实施例中，生物力学数据包括骨位置信息、韧带移动信息、肌肉移动信息、以及由套筒收集的关节的其它软组织信息中的至少一个。
如上所述的实例实施例可以提供优于现有技术的各种优点。例如，如本文所教导的技术可更准确地收集手术前的运动评估信息。这些技术还提供了对患者的解剖结构进行更精确的模拟，以在临床上表征患者的关节生物力学，以在关节置换程序期间优化植入物选择。
下文参考附图详细描述本公开的实施例中的至少一些的另外的特征和优点，以及本公开的各种实施例的结构和操作。
附图说明
参照以下描述、所附权利要求书和附图，本文描述的实施例的各方面、特征、益处和优点将变得显而易见，在附图中：
图1描绘了作为手术程序的一部分可附接到骨的示范性植入物装置。
图2A和2B描绘了根据某些实施例的用于跟踪关节内的移动的示范性装置。
图3A描绘了根据某些实施例的示范性检测和/或导航系统。
图3B描绘了如图3A中所示的检测和/或导航系统的示范性框图。
图4描绘了根据实施例的评估和确定关于患者的信息的示范性方法的示范性流程图。
图5描绘了根据实施例放置和定向植入物的示范性流程图。
图6描绘了根据实施例放置和定向植入物的备选示范性流程图。
具体实施方式
本公开不限于所描述的特定系统、装置和方法，因为这些系统可以变化。描述中使用的术语仅用于描述特定版本或实施例的目的，而不旨在限制范围。
如本文件中所使用，除非上下文另外明确规定，否则单数形式“一个”、“一种”和“该/所述”包括复数指代。除非另有定义，否则本文所使用的所有科技术语具有与本领域普通技术人员通常所理解的相同含义。本公开中的任何内容均不应被解释为承认本公开中描述的实施例由于在前发明而无权把本公开的日期提前。如本文件中所使用，术语“包括”意指“包括但不限于”。
下文所描述的本教导的实施例并不意图为详尽性的或将教导限制于以下详细描述中所公开的精确形式。而是选择并描述了实施例，使得所属领域的技术人员可了解并理解本教导的原理和实践。
本公开描述了导航手术系统和过程的某些实施例，其用于基于所收集的临床测量和生物学信息以及基于所收集的数据的优化模拟来确定工具或植入部件的定向。
出于本说明书的目的，术语“植入物”用于指代制造成永久地或试验性地置换或增强生物结构的假体装置或结构。例如，在膝关节置换程序中，可以将植入物置于胫骨和股骨中的一者或两者上。虽然术语“植入物”通常被认为表示人造结构(与移植形成对比)，但是出于本说明书的目的，植入物可包括移植以置换或增强生物结构的生物组织或材料。
图1描绘了可用于膝关节置换手术的示范性植入部件或植入物装置100。在某些实施例中，植入物装置100放置在患者的股骨的远端处。植入物装置100可附接到由手术后骨(未示出)上的骨切口形成的表面。植入物装置100可包括大小和形状形成为为与目标骨的手术后表面紧密接触的对接表面。对接表面可包括定向成分别与切割平面相符的多个刻面110A-D。
当外科医生将植入物装置100放置在关节中时，外科医生通常必须在骨中产生表面、孔或通道，其与植入物装置上的突起成镜像，并且保持其固定到骨的适当位置。为了最佳贴合，外科医生可使用切割工具(如往复锯或旋转钻头)来定形骨，以在尽可能小的间隙下容纳对应的植入物装置。在某些情况下，矢状往复锯可与切割块一起使用以便将骨切割成期望形状。
图2A和2B描绘了根据某些实施例的用于跟踪关节内的移动的示范性装置。如图2A所示，装置200可包括套筒205和一个或多个位置跟踪器210。如图2B所示，套筒205可包括一个或多个传感器220和通信系统225。
套筒205可构造成相对于患者身体的一部分紧固地定位。如图所示，套筒205可构造成紧固地定位在患者的膝部202附近。在备选实施例中，根据本文中所描述的教示设计的套筒可构造成紧固地定位在患者的不同关节附近，如患者的髋部、踝部、手腕，肘部等。在又一个实施例中，根据本文所述的教示设计的类似套筒可构造成紧固地定位在患者的肢体的一部分附近，如前臂、上臂、大腿、小腿等。
在实施例中，套筒205可包括开口207，所述开口构造成容纳关节的一部分，从而允许关节在套筒由患者佩戴时移动。另外，开口207可使得用户能够确定套筒205的适当位置。在备选实施例中，套筒205可为基本上管状的(即，无开口)。具体而言，对于定位在患者肢体的一部分附近的套筒，可使用管状套筒205。
在图2A中描绘的实施例中，套筒205可包括一个或多个位置跟踪器210。一个或多个位置跟踪器210可用于在患者肢体移动时，确定套筒205和/或患者骨、韧带、肌肉、软组织等中的一个或多个在三维空间中的位置和/或定向。例如，当患者在跑步机上行走时，可佩戴套筒205。以此方式，可在行走期间跟踪膝部内和膝部周围的一个或多个骨、韧带、肌肉或软组织的位置，以确定患者正常步态期间的移动。该信息可用于确定例如而不限于对患者的膝部进行手术之前的患者运动学、异常的步态力学、基于步态的膝部内的应力点等。在实施例中，可将与患者步态有关的信息提供给植入物装置的制造商，以帮助确定适合的患者植入物装置或确定最佳植入位置。例如，从一个或多个位置跟踪器210检索到的信息可发送到Smith&Nephew,Inc(田纳西州孟菲斯)运营或代表的处理中心，以协助选择或制造用于患者的人工膝关节植入物。
在实施例中，一个或多个位置跟踪器210可由光学检测位置跟踪器210并将该信息传达至计算机系统的相机(如参考图3A进一步论述的红外相机310)跟踪。可基于注册过程并基于套筒205的已知特性已知位置跟踪器210的位置和定向。
在图2B所描绘的实施例中，套筒205可包括一个或多个传感器220和通信系统225。一个或多个传感器220可用于在患者肢体移动时，确定套筒205和/或患者骨、韧带、肌肉、软组织等中的一个或多个在三维空间中的位置和/或定向。在一些实例中，一个或多个传感器220可包括三轴加速计，其配置成当套筒由患者佩戴时随着套筒移动测量相对位置信息和与套筒205有关的移动数据。在某些具体实施中，一个或多个传感器可包括一个或多个惯性测量单元(IMU)，其包括例如一个或多个加速计、陀螺仪和磁力计。如同上文参考图2A描述的实施例，当患者在跑步机上行走时可佩戴套筒205，以跟踪膝部内和周围的一个或多个骨、韧带、肌肉或软组织的位置。
通信系统225可接收位置和/或移动信息，且经由通信接口225将位置信息传输到远程位置。在实施例中，通信接口225可包括在任何无线协议下操作的无线发射器。例如但不限于，无线发射器可使用蓝牙、蜂窝、802.11、NFC或其它通信协议操作。在实施例中，信息可传输至Smith&Nephew,Inc(田纳西州孟菲斯)运营或代表的处理中心，以协助选择或制造用于患者的人工膝关节植入物。在备选实施例，信息可传输到本地计算机系统，本地计算机系统将信息重新传输到远程位置。
图3A描绘了根据某些实施例的示范性检测和/或导航系统。如图3A所示，检测和/或导航系统300可包括跟踪装置305。在一些实施例中，检测和/或导航系统300还可包括显示器310和处理系统315。
在实施例中，跟踪装置305可包括红外相机，其识别位置跟踪器的位置，如，图2A中的210，以例如在行走过程和/或手术程序期间确定患者的肢体的位置和定向。位置跟踪器210和跟踪装置305可用于识别和提供与膝关节中骨的精确位置有关的数据。在某些实施例中，跟踪装置305可检测位于位置跟踪器210上的跟踪球体，以便收集关于患者的股骨、胫骨或其它骨的位置数据。
在实施例中，根据本文的教示，检测和/或导航系统300还可与具有多个位置跟踪器(未示出)的手术装置结合使用，以实现植入物装置的准确放置和定向。例如，可处理在行走期间收集的移动和/或跟踪数据，以识别植入物装置的规格。检测和/或导航系统300可在手术程序期间使用，以引导和指导外科医生将植入物放置在患者的关节内。
在这种实施例中，检测和/或导航系统300的显示器310可用于提供关于手术程序的各个方面的反馈信息，如手术装置的定向、植入物装置的适当位置，等。进一步，检测和/或导航系统300的处理装置315可用于基本实时确定手术装置相对于患者的位置和定向。检测和/或导航系统300的附加特征和描述可在例如美国专利号6,757,582和美国专利号8,961,536中找到，这两者均通过引用整体并入本文。
图3B是如图3A所示的检测和/或导航系统300的框图。检测和/或导航系统300可配置为在与预定手术计划一致的手术程序期间向外科医生提供各种信息。检测和/或导航系统300可利用比传统系统更多的信息，包括例如，与运动捕获范围有关的术中和/或术前限定的数据，以及术中和/或术前限定的解剖标志。
手术导航系统300可配置和实施连接到计算机辅助手术(CAS)系统320的跟踪装置305，该系统配置成生成手术计划并监测手术程序期间的各种活动。跟踪装置305可对准和/或控制切割装置325，以根据由CAS系统320生成的手术计划来切除一个或多个骨。
跟踪装置305和/或CAS系统320可包括一个或多个处理器和存储器装置，以及各种输入装置、输出装置、通信接口和/或其它类型的装置。跟踪装置305和/或CAS系统320可包括硬件和软件的组合。
跟踪装置305和/或CAS系统320可实施并利用包含在计算机可读介质或存储器(例如，存储器350)中的一个或多个程序模块或类似的指令集，以使处理装置(例如，处理器340)执行一个或多个操作。通常，程序模块包括执行特定任务或实施特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。
跟踪装置305和/或CAS系统320可以由一个或多个计算装置(诸如计算机、PC、服务器计算机)实现，计算装置配置成根据所描述的主题的各方面提供各种类型的服务和/或数据存储。示例性服务器计算机可包括但不限于：网络服务器、前端服务器、应用服务器、数据库服务器、域控制器、域名服务器、目录服务器和/或其它合适的计算机。跟踪装置305和/或CAS系统320的部件可通过软件、硬件、固件或其组合来实现。
跟踪装置305可包括处理器340、存储器350、输入装置360、切割装置接口370、植入物数据库380和切割块数据库390。例如，输入装置360可配置和实施为从CAS系统320接收手术计划以将植入物附接到骨。手术计划可利用切割块来引导切割工具移除骨的一部分以便于植入物的准确放置。手术计划可立即由处理器340利用，或可存储在存储器350中以供稍后使用。应理解，跟踪装置305可配置和实施单个数据库，单个数据库可划分为植入物数据库380和切割块数据库390。
跟踪装置305可配置并实施处理器340以访问植入物数据库380，以识别作为由CAS系统320生成的手术计划的对象的植入物(或多个植入物)。处理器340可从植入物数据库380获得植入物的植入物几何形状。处理器340可从手术计划确定相对于骨的植入位置。
在某些实施方式中，跟踪装置305可配置和实施处理器340以访问切割块数据库390。处理器340可利用切割块数据库390来确定相对于手术计划的植入位置的切割块位置。
在一些实例中，基于所述植入位置与所述切割块位置之间的关系，处理器340可确定患者骨的哪些部分移除以用于将切割块附接在适当位置。
跟踪装置305可配置和实施切割装置接口370，以在要去除的骨的区域上跟踪切割装置330。切割装置330可包括任何类型的跟踪工具、机器人手部件或自主机器人，其便于根据由跟踪装置305引导或管控的必要位置和定向来切除骨的能力。
植入物数据库380可包括每个植入物和/或植入物设计家族的信息，包括每个尺寸部件的信息。信息可包括植入物的3D形状(例如，STL数据)、安装植入物的钉孔轨迹(在3D形状数据的坐标空间中限定)、描述大小和标记信息的元数据，以及描述要使用锯进行平面切割以便安装植入物的位置和方向的几何信息。植入物数据库380中的每个植入物可与一个或多个相容切口引导件或切割块相关联。
切割块数据库390包括将一个或多个切口引导件或切割块与植入物数据库380中的相容植入物相关的信息。切割块数据库390可相对于特定切口引导件或切割块物理地限定锯切割轨迹。切口引导件或切割块可钉到骨以在切割期间将它们刚性地保持到骨。切割块数据库390可包括与用于特定切口引导件或切割块的销孔有关的信息。
切割块数据库390可包含与用于每个切口引导件或切割块的销孔有关的轨迹和放置数据。切割块数据库390可包含坐标变换信息(通过切割块数据库390中的规定显式地或者通过假定的常用坐标定义隐式地)。坐标变换可描述切口引导件或切割块的预期对准以及植入物坐标系。植入物坐标系可指示切割轨迹可如何与必要的平面切口重合以用于安装植入物。
图4描绘了根据实施例的例如使用如上文所述的CAS系统和导航系统评估和确定关于患者的信息的示范性方法的示范性流程图。确定患者信息的过程可在医疗保健提供者的办公室、门诊手术中心、医院或提供医疗保健服务的类似地方进行。
如图4所示，诸如上述的套筒200之类的套筒可在感兴趣的位置处放置405在患者身上。例如，可将套管放置405在患者的膝部、脚踝、肘部、手腕、肩膀，臀部等上、附近或周围。在实施例中，套筒可放置405与其所放置的身体部分的一个或多个特征对准。例如，套筒可包括识别适当位置和/或定向的一个或多个标记。在备选实施例中，套筒的尺寸或形状可设定成实现在患者身体上的正确放置。例如，套筒的尺寸和形状可适当地设定以适合患者的膝部。
在实施例中，患者可移动410套筒在其上放置的身体部分。例如，对于放置在患者腿上的套筒，患者可通过在跑步机上行走、骑固定自行车等来移动410套筒。备选地，对于放置在患者手臂上的套筒，患者可以以重复运动移动410他/她的臂。
检测和/或导航系统可检测415与患者和/或套筒的移动有关的生物力学信息。例如，当患者行走时，检测和/或导航系统可检测415腿的各种部件的移动，如股骨、胫骨、一个或多个韧带、一个或多个肌肉等。在某些具体实施中，检测和/或导航系统可基于从套筒自身中的传感器接收的信息来检测415生物信息，例如，如上所述的传感器220。该信息可包括与传感器收集的位置和运动信息有关的加速计数据，并且基于该信息，检测和/或导航系统可检测415生物力学信息。
在实施例中，生物力学信息可在非暂时性计算机可读存储介质内本地存储420。在实施例中，生物力学信息可传输425到处理系统以供处理。例如，生物力学信息可传输到数据中心，其基于生物力学信息来确定手术程序的各个方面。在实施例中，生物力学信息可用于识别在行走期间会受到较高应力的关节的一个或多个部分，如膝部。此信息可用于选择植入物装置和/或识别一个或多个参数，如用于手术程序的最佳植入物定位。植入物装置和/或识别的参数可选择为例如缓解膝部内的应力。基于本公开，对于本领域的普通技术人员显而易见的是，数据中心可确定备选和/或附加信息。
图5描绘了根据实施例的用于选择、放置和定向植入物装置的示范性流程图。如图5所示，可基于从术前程序(如，以上参考图4描述的过程)接收的生物力学信息为患者选择505植入物装置。选定的植入物装置可具有由术前处理系统识别的一个或多个特性以最佳配合患者、纠正患者的异常，等等。
可从数据中心接收510一个或多个手术参数，以在手术程序期间使用。一个或多个手术参数可包括例如但不限于，用于植入物的定位信息、移除来容纳植入物的骨量、应定向植入物或用于移除骨的切割的角度、切割引导块的位置和定向，等等。在一个实施例中，一个或多个参数可由检测和/或导航系统接收510，包括上面参考图3A公开的相机系统，其在手术程序期间监测包括多个跟踪传感器的切割工具的位置和定向。
在实施例中，一个或多个手术参数可用于确定515是否可执行手术程序的某些方面以便为患者提供最佳结果。在实施例中，检测和/或导航系统可使用一个或多个手术参数确定515是否限制切割工具操作的能力。例如，除非并且直到切割工具正确定向和对齐，否则不允许切割工具切除患者的骨。在另一个实施例中，检测和/或导航系统可使用一个或多个手术参数来确定515是否限制钻孔工具的操作。例如，钻孔工具可用于在骨中钻孔，以实现切割块的销放置。除非并且直到钻孔工具正确定位和对齐，否则不允许钻孔工具在骨中制作此孔。基于本公开将显而易见的是，可类似地限制其它工具。
在实施例中，可基于将植入物装置植入患者中的对准和定向来确定515工具的正确对准和定向的确定。
图6描绘了根据实施例的用于选择、放置和定向植入物装置的备选示范性流程图。如图6所示，诸如CAS系统的系统可收集605患者的各种临床测量和生物力学信息。例如，生物力学信息可与其它临床测量结合使用，包括但不限于人体测量、从X射线或磁共振成像得出的解剖学测量、由EMG或其它工具确定的肌肉激活模式、力板数据和其它类似的临床测量。
在某些具体实施中，系统可将临床测量和生物学信息输入到肌肉骨骼模拟中，如统计形状模型。在一些实例中，统计形状模型可使用来自具有正常解剖结构的一组受试者的相当解剖学起源的正常骨/组织的多个图像(例如，来自骨图谱)来生成。统计形状模型输出可与形状变形算法组合使用，以产生患者解剖结构的准确虚拟表示。
临床导出的信息，包括3D模型，和/或生物力学信息可作为肌肉骨骼动态模拟中的参数的输入610。该模拟可使用为此目的创建的定制软件进行，或者可利用商业生物力学模拟软件(如LifeModeler)来实现。在此实例中，基于物理学的软件可用于生物力学模拟，并且可提供对关节内部力环境的估计，包括关节接触力、剪切力、肌肉拉力，韧带张力、肌腱拉力、骨追踪和其它类似力。可基于模拟结果为手术计划、物理治疗、药物治疗、自我护理、辅助装置使用、生活方式改变和其它疾病治疗提出建议。
可接收615一个或多个手术参数以在基于模拟结果的手术程序期间使用。一个或多个手术参数可包括例如但不限于，用于植入物的定位信息、移除来容纳植入物的骨量、应定向植入物或用于移除骨的切割的角度、切割引导块的位置和定向，等等。在一个实施例中，一个或多个参数可由检测和/或导航系统接收615，包括上面参考图3A公开的相机系统，其在手术程序期间监测包括多个跟踪传感器的切割工具的位置和定向。
在实施例中，一个或多个手术参数可用于确定620是否可执行手术程序的某些方面以便为患者提供最佳结果。在实施例中，检测和/或导航系统可使用一个或多个手术参数确定620是否限制切割工具操作的能力。例如，除非并且直到切割工具正确定向和对齐，否则不允许切割工具切除患者的骨。在另一个实施例中，检测和/或导航系统可使用一个或多个手术参数来确定620是否限制钻孔工具的操作。例如，钻孔工具可用于在骨中钻孔，以实现切割块的销放置。除非并且直到钻孔工具正确定位和对齐，否则不允许钻孔工具在骨中制作此孔。基于本公开将显而易见的是，可类似地限制其它工具。在实施例中，可基于将植入物装置植入患者中的对准和定向来确定620工具的正确对准和定向的确定。
从佩戴套筒205接收的信息可用于另外的目的。例如，在执行手术程序之后，可在植入物装置植入的位置处、附近或周围将套筒205放置在患者身上。患者可进行与手术前相同或类似的运动(即，行走或另外移动肢体)。一个或多个位置跟踪器(图2A中的210)或传感器(图2B中的220)可用于在患者肢体移动时，确定套筒205和/或患者骨、韧带、肌肉、软组织等中的一个或多个在三维空间中的位置和/或定向。可将术后跟踪信息与术前跟踪信息进行比较以确定一个或多个因素。例如，该比较可允许：确定是否手术成功完成，确定由于手术而导致的关节有效性提高的水平，对护理是否有助于康复的评估，或对手术质量的其它评估。可使用术后跟踪来监测物理疗法的结果。
术前和术后跟踪信息可用作确定关于外科手术和/或术后护理的外科医生、植入物、医院、康复设施等中的一个或多个等级的因素。例如，如果术前跟踪信息揭示了患者体内的生物力学问题，并且基于术后跟踪信息确定该问题可通过手术解决，则外科医生和进行手术的设施可能会收到好评。相反，如果术前跟踪信息导致数据中心建议在进行膝关节置换手术期间从胫骨中移除8mm的骨，而外科医生在手术期间移除了10mm的骨，并且术后跟踪信息识别到患者的步态问题，则外科医生和/或进行外科手术的设施可能会接收差评。此类信息可向候选患者提供类似的植入程序，以帮助此患者确定是否具有由特定外科医生或特定医院进行的程序。
备选地或附加地，术前和术后跟踪信息可用于完善通过机器学习分配一个或多个手术参数的算法。例如，如果算法基于术前跟踪信息建议了特定的深度和角度来移除骨，手术成功进行，并且在术后确定存在步态问题，则可对算法进行修改以提供不同参数供将来的手术程序。备选地，成功结果可加强将一个或多个手术参数分配给一组特定的术前条件。
诸如保险公司或政府机构之类的付款人可使用术前和术后的跟踪信息来客观地测量植入物、外科医生、设施、物理疗法或其它变量以指导购买决策。
在以上详细描述中，参考形成其一部分的附图。在附图中，除非上下文另外规定，类似符号通常标识类似的部件。在详细描述、附图和权利要求书中描述的说明性实施例并不意味着是限制性的。可以使用其它实施例，并且可以在不脱离本文所呈现的主题的精神或范围的情况下进行其它改变。将容易理解，本公开的方面(如本文大体上描述并在附图中图示的)可布置、取代、组合、分离和设计成各种各样的不同构型，这些构型全部在本文中明确设想。
本公开不限于本申请中所描述的特定实施例方面，其旨在作为各种方面的说明。在不脱离本领域技术人员显然明白的精神和范围的情况下，可以进行许多修改和变化。根据前述描述，本公开的范围内的功能等效方法和设备(除本文中所列举的那些之外)对于本领域技术人员将显而易见。此类修改和变化意图落在所附权利要求书的范围内。本公开将仅受所附权利要求书的措词以及这些权利要求书有资格享有的等效物的完整范围限制。应当理解，本公开不限于特定的方法、试剂、化合物、组合物或生物系统，其当然可以变化。还应理解，本文中所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意图是限制性的。
关于本文中基本上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以根据上下文和/或应用酌情从复数转换成单数和/或从单数转换为复数。为了清楚起见，各种单数/复数排列可在本文中明确阐述。
本领域内的技术人员应理解，一般来说，本文中且尤其在所附权利要求(例如，所附权利要求书的主体)中所使用的术语通常意图为“开放性”术语(例如，术语“包括”应解释为“包括但不限于”，术语“具有”应解释为“至少具有”，术语“包括”应解释为“包括但不限于”等等)。虽然各种组合物、方法和装置按照“包括”各种部件或步骤(解释为意为“包括但不限于”)描述，但组合物、方法和装置还可“基本上由各种部件和步骤组成”或“由各种部件和步骤组成”，并且此类术语应解释为定义基本上封闭的构件组。本领域技术人员还将理解，如果意图是特定数目的所引出的权利要求叙述物，那么在权利要求书中将明确详述此类意图，且在不存在此类详述时不存在此类意图。
例如，为了帮助理解，以下所附权利要求书可以包含使用介绍性短语“至少一个”和“一个或多个”来引出权利要求叙述物。然而，使用此类短语不应被解释为暗示由不定冠词“一(a/an)”引出的权利要求叙述物将包含此类引出的权利要求叙述物的任何特定权利要求限制到只包含这种叙述物的实施例，即使当同一权利要求包括介绍性短语“一个或多个”或“至少一个”时和诸如“一”的不定冠词时(例如，“一”应解释为意指“至少一个”或“一个或多个”)；这同样适用于使用定冠词用于引出权利要求叙述物。
另外，即使明确叙述了特定数目的所引出权利要求叙述物，所属领域的技术人员将认识到，此类叙述应解释为意指至少所叙述的数字(例如，无其它修饰词只叙述“两个叙述物”，意味着至少两个叙述物或两个或更多个叙述物)。此外，在使用类似于“A、B和C中的至少一个”的用语的那些情况下，一般来说，这种构造意在本领域技术人员将理解该用语的意义(例如，“具有A、B和C中的至少一个的系统”将包括但不限于只具有A、只具有B、只具有C、一起具有A和B、一起具有A和C、一起具有B和C和/或一起具有A、B和C的系统，等等)。在使用类似于“A、B或C中的至少一个等等”的用语的那些情况下，一般来说，这种构造意在本领域技术人员将理解该用语的意义(例如，“具有A、B或C中的至少一个的系统”将包括但不限于只具有A、只具有B、只具有C、一起具有A和B、一起具有A和C、一起具有B和C和/或一起具有A、B和C的系统，等等)。本领域技术人员还将理解，不管在说明书、权利要求书或者附图中，呈现两个或更多个替代术语的几乎任何转折词和/或短语都应理解为考虑了包括术语之一、术语中任一个或两个术语的可能性。例如，短语“A或B”将理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。
另外，在根据马库什组描述本公开的特征或方面的情况下，本领域的技术人员将认识到，本公开还根据马库什组的任何个别成员或成员的子组描述。
本领域技术人员将理解，出于任何和所有目的，例如就提供书面描述而言，本文公开的所有范围还涵盖任何可能的子范围和所有可能的子范围及其子范围的组合。任何列出的范围可被容易地认为是充分描述并且实现分解为至少相等的二分之一、三分之一、四分之一、五分之一、十分之一等等的相同范围。作为非限制性实例，本文中论述的每个范围可以容易地分解为下三分之一、中三分之一和上三分之一等等。本领域技术人员还将理解，诸如“高达”、“至少”等的所有语言包括叙述的数字，并且指可以随后如上所述分解成子范围的范围。最后，所属领域的技术人员将理解，范围包括每个个别成员。因此，例如，具有1-3个细胞的基团是指具有1、2或3个细胞的基团。类似地，具有1-5个细胞的基团是指具有1、2、3、4或5个细胞的基团，诸如此类。
以上公开的各种特征和功能以及其替代方案可以组合成许多其它不同的系统或应用。本领域的技术人员随后可以进行各种目前不可预见或非预期的替代方案、修改、变化或改进，其中每一个也旨在由所公开的实施例涵盖。

Claims (20)

1.一种用于确定关节置换手术的植入物的位置和定向的系统，所述系统包括：
套筒，所述套筒构造成由患者佩戴，并且收集与所述关节的移动有关的生物力学信息；和
手术系统，所述手术系统配置成：
接收所收集的生物力学信息，
确定与所述关节相关的临床测量信息，
基于所收集的生物力学信息和所确定的临床测量信息生成所述关节的肌肉骨骼模拟，
基于所述肌肉骨骼模拟确定所述患者的一个或多个手术参数，以及
基于所述一个或多个手术参数确定待插入到所述关节中的植入部件的位置和定向中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述套筒包括配置成确定所述套筒的位置的一个或多个传感器。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中所述套筒进一步包括配置成由导航系统光学检测的一个或多个位置跟踪器。
4.根据前述权利要求1至权利要求3中任一项所述的系统，其中所述手术系统还配置成基于所述临床测量信息和所述生物力学信息生成统计形状模型。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述手术系统还配置成将形状变形算法施加到所述统计形状模型，以生成所述患者的准确虚拟解剖表示。
6.根据前述权利要求1至权利要求5中任一项所述的系统，其中所述一个或多个手术参数包括所述植入部件的位置信息、移除以适应所述植入部件的骨量、所述植入部件待定向的角度、以及切割引导件的位置和定向中的至少一个。
7.根据前述权利要求1至权利要求6中任一项所述的系统，其中所述临床测量信息包括人体测量、解剖测量、肌肉激活模式信息和力板数据中的至少一个。
8.根据前述权利要求1至权利要求7中任一项所述的系统，其中所述生物力学数据包括骨位置信息、韧带移动信息、肌肉移动信息、以及由所述套筒收集的所述关节的其它软组织信息中的至少一个。
9.一种用于确定关节置换手术的植入物的位置和定向的装置，所述装置包括：
处理装置，所述处理装置可操作地连接到计算机可读介质，所述计算机可读介质配置成存储一个或多个指令，在执行时，所述一个或多个指令使所述处理装置：
从构造成由患者佩戴的套筒接收收集的生物力学信息，
确定与所述关节相关的临床测量信息，
基于所收集的生物力学信息和所确定的临床测量信息生成所述关节的肌肉骨骼模拟，
基于所述肌肉骨骼模拟确定所述患者的一个或多个手术参数，以及
基于所述一个或多个手术参数确定待插入到所述关节中的植入部件的位置和定向中的至少一个。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述一个或多个指令包括附加指令，当执行时，所述附加指令使所述处理装置基于所述临床测量信息和所述生物力学信息生成统计形状模型。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述一个或多个指令包括附加指令，当执行时，所述附加指令使所述处理装置将形状变形算法施加到所述统计形状模型以生成所述患者的准确虚拟解剖表示。
12.根据前述权利要求9至权利要求11中任一项所述的装置，其中所述一个或多个手术参数包括所述植入部件的位置信息、移除以适应所述植入部件的骨量、所述植入部件待定向的角度、以及切割引导件的位置和定向中的至少一个。
13.根据前述权利要求9至权利要求12中任一项所述的装置，其中所述临床测量信息包括人体测量、解剖测量、肌肉激活模式信息和力板数据中的至少一个。
14.根据前述权利要求9至权利要求13中任一项所述的装置，其中所述生物力学数据包括骨位置信息、韧带移动信息、肌肉移动信息、以及由所述套筒收集的所述关节的其它软组织信息中的至少一个。
15.一种用于确定关节置换手术的植入物的位置和定向的方法，所述方法包括：
由构造成由患者佩戴的套筒收集与所述关节的移动有关的生物力学信息；
由手术系统从所述套筒接收所收集的生物力学信息；
由所述手术系统确定与所述关节有关的临床测量信息；
由所述手术系统基于所收集的生物力学信息和所确定的临床测量信息生成所述关节的肌肉骨骼模拟；
由所述手术系统基于所述肌肉骨骼模拟确定所述患者的一个或多个手术参数；以及
由所述手术系统基于所述一个或多个手术参数确定待插入到所述关节中的植入部件的位置和定向中的至少一个。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括由所述手术系统基于所述临床测量信息和所述生物力学信息生成统计形状模型。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括由所述手术系统将形状变形算法施加到所述统计形状模型以生成所述患者的准确虚拟解剖表示。
18.根据前述权利要求15至权利要求17中任一项所述的方法，其中所述一个或多个手术参数包括所述植入部件的位置信息、移除以适应所述植入部件的骨量、所述植入部件待定向的角度、以及切割引导件的位置和定向中的至少一个。
19.根据前述权利要求15至权利要求18中任一项所述的方法，其中所述临床测量信息包括人体测量、解剖测量、肌肉激活模式信息和力板数据中的至少一个。
20.根据前述权利要求15至权利要求19中任一项所述的方法，其中所述生物力学数据包括骨位置信息、韧带移动信息、肌肉移动信息、以及由所述套筒收集的所述关节的其它软组织信息中的至少一个。
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