CN113164209B - 外科手术系统、计算机可读介质 - Google Patents

Abstract

提供了外科手术系统、计算机可读介质。一种外科手术系统，包括：机器人装置；外科手术工具，所述外科手术工具安装在所述机器人装置上；以及处理电路。所述处理电路被配置为：接收解剖结构的图像数据；基于所述图像数据生成虚拟骨骼模型；在所述虚拟骨骼模型上识别软组织附接点；基于所述软组织附接点计划植入物的放置；基于所述植入物的所述放置生成控制对象；以及控制所述机器人装置以使所述外科手术工具局限于所述控制对象内。

Description

外科手术系统、计算机可读介质

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年12月27日提交的美国临时专利申请号62/785,427的权益和优先权，所述专利申请的全部公开内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本公开总体涉及用于计算机辅助和机器人辅助外科手术的系统和方法的领域，并且更特别地涉及用于诸如全膝关节置换术(TKA)的关节重建手术的计算机辅助和机器人辅助外科手术系统的领域。

背景技术

TKA广泛用于通过用假体部件置换膝解剖结构的部分来治疗膝骨关节炎和患者的膝关节的其他损伤。在全膝关节置换手术中，通常使用用于准备骨骼的表面的一系列平面切割来改变患者的股骨和胫骨以接合到假体。之后将假体植入物接合到骨骼以形成人工关节。

计算机辅助外科手术系统有助于计划和执行TKA手术以协助骨骼改变以及骨骼上的植入物对准。然而，常规的计算机辅助外科手术系统往往无法解决涉及软组织，例如韧带，诸如后交叉韧带(PCL)和前交叉韧带(ACL)的问题，或者在制定外科手术计划时不将软组织考虑在内。这可能会导致医源性软组织损伤，骨骼与软组织之间的附接点弱化，植入物部件撞击韧带以及其他并发症。

发明内容

本公开的一种实现方式是一种外科手术系统。所述外科手术系统包括：机器人装置；外科手术工具，所述外科手术工具安装在所述机器人装置上；以及处理电路。所述处理电路被配置为：接收解剖结构的图像数据；基于所述图像数据生成虚拟骨骼模型；在所述虚拟骨骼模型上识别软组织附接点；基于所述软组织附接点计划植入物的放置；基于所述植入物的所述放置生成控制对象；以及控制所述机器人装置以使所述外科手术工具局限于所述控制对象内。

在一些实施方案中，所述软组织附接点对应于后交叉韧带或前交叉韧带附接到股骨或胫骨的部位。在一些实施方案中，所述处理电路被配置为基于所述软组织附接点通过将所述植入物的轴线与所述软组织附接点的内侧边缘对准来计划所述植入物的放置。

在一些实施方案中，所述处理电路还被配置为生成图形用户界面。所述图形用户界面包括所述虚拟骨骼模型、所述植入物和所述软组织附接点的可视化。在一些实施方案中，所述图形用户界面包括所述控制对象的可视化。在一些实施方案中，所述处理电路被配置为限制所述控制对象以免包含所述软组织附接点。

本公开的另一种实现方式是一种方法。所述方法包括：接收解剖结构的图像数据；基于所述图像数据生成虚拟骨骼模型；在所述虚拟骨骼模型上识别软组织附接点；基于所述软组织附接点确定植入物大小和放置；基于所述植入物大小和放置生成控制对象；基于所述控制对象来约束或控制安装在机器人装置上的外科手术工具。

在一些实施方案中，所述图像数据包括计算机断层扫描图像，并且其中所述方法还包括对所述计算机断层扫描图像进行分割以识别所述图像中的一个或多个骨骼。在一些实施方案中，所述软组织附接点对应于后交叉韧带或前交叉韧带附接到股骨或胫骨的部位。所述软组织附接点可对应于髌韧带附接到胫骨的部位。在一些实施方案中，确定植入物放置包括将所述植入物的轴线与所述软组织附接点的内侧边缘对准。

在一些实施方案中，所述方法还包括生成图形用户界面，所述图形用户界面使所述虚拟骨骼模型、所述植入物以及所述软组织附接点可视化。所述图形用户界面还可提供所述控制对象的可视化。在一些实施方案中，所述方法包括：基于所述软组织附接点预测韧带的动作线；用所述植入物的虚拟植入物模型增强所述虚拟骨骼模型；确定所述韧带的所述动作线是否与所述虚拟植入物模型相交；以及响应于确定所述韧带的所述动作线与所述虚拟植入物模型相交，向用户提供警报。所述方法可包括限制所述控制对象以免包含所述软组织附接点。

本公开的另一种实现方式是非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质存储程序指令，所述程序指令在由一个或多个处理器执行时致使所述一个或多个处理器执行操作。所述操作包括：接收解剖结构的图像数据；基于所述图像数据生成虚拟骨骼模型；在所述虚拟骨骼模型上识别软组织附接点；基于所述软组织附接点确定植入物大小和放置；基于所述植入物大小和放置生成控制对象；以及基于所述控制对象来约束或控制安装在机器人装置上的外科手术工具。

在一些实施方案中，所述操作包括限制所述控制对象以免包含所述软组织附接点。在一些实施方案中，所述操作包括：基于所述软组织附接点预测韧带的动作线；用所述植入物的虚拟植入物模型增强所述虚拟骨骼模型；确定所述韧带的所述动作线是否与所述虚拟植入物模型相交；以及响应于确定所述韧带的所述动作线与所述虚拟植入物模型相交，向用户提供警报。在一些实施方案中，确定植入物放置包括将所述植入物的轴线与所述软组织附接点的内侧边缘对准。

此发明内容仅是说明性的并且不意图以任何方式进行限制。本文描述的装置或过程的其他方面、创造性特征和优点在本文结合附图进行阐述的具体实施方式中将变得显而易见，在附图中，相似的附图标记指代相似的元件。

附图说明

图1是根据一个示例性实施方案的机器人辅助外科手术系统的图示。

图2是根据一个示例性实施方案的图1的外科手术系统的处理电路的框图。

图3是根据一个示例性实施方案的用于促成关节关节镜手术的过程的流程图。

图4是根据一个示例性实施方案的用于防止膝关节镜手术中的撞击的过程的流程图。

图5是根据一个示例性实施方案的使用骨骼的成像来计划植入物的放置以避免膝关节镜手术中的撞击的图示。

图6是根据一个示例性实施方案的由图2的处理电路生成的图形用户界面的第一图示。

图7是根据一个示例性实施方案的由图2的处理电路生成的图形用户界面的第二图示。

图8A是根据一个示例性实施方案的由图2的处理电路生成的图形用户界面的第三图示。

图8B是根据一个示例性实施方案的由图2的处理电路生成的图形用户界面的第四图示。

图8C是根据一个示例性实施方案的由图2的处理电路生成的图形用户界面的第五图示。

图8D是根据一个示例性实施方案的由图2的处理电路生成的图形用户界面的第六图示。

图8E是根据一个示例性实施方案的由图2的处理电路生成的图形用户界面的第七图示。

图9是根据一个示例性实施方案的由图2的处理电路生成的图形用户界面的第八图示。

图10是根据一个示例性实施方案的用于确定植入物部件的旋转对准的过程的流程图。

图11是根据一个示例性实施方案的图10的过程的一部分的图示。

图12是根据一个示例性实施方案的图10的过程的一部分的图示。

图13是根据一个示例性实施方案的由图2的处理电路生成的图形用户界面的第五图示。

具体实施方式

现参考图1，根据一个示例性实施方案示出了用于矫形外科的外科手术系统100。一般而言，外科手术系统100被配置为有助于计划和执行外科手术。外科手术系统100被配置为治疗患者的解剖结构，例如，如图1所示坐在或躺在工作台105上的患者104的腿102。腿102包括股骨106和胫骨108，在全膝关节镜手术中将在所述股骨106与所述胫骨108之间植入假体膝植入物。外科手术系统100可另外或可选地被配置为有助于计划和执行部分膝关节镜手术、全髋和/或部分髋关节镜手术、其他关节手术、脊柱手术以及任何其他外科手术(例如，神经外科、骨科、泌尿科、妇科、牙科、ENT、肿瘤科外科手术)。为了有助于手术，外科手术系统100包括机器人装置120、跟踪系统122以及计算系统124。

机器人装置120被配置为在计算系统124的控制下改变患者的解剖结构(例如，患者104的股骨106)。机器人装置120的一个实施方案是触觉装置。“触觉”指代触摸的感觉，并且触觉的领域尤其涉及向操作者提供反馈的人机交互装置。反馈可包括触感，例如诸如振动。反馈还可包括向用户提供力，诸如对移动的正向力或阻力。触觉的一种用途是向装置的用户提供用于操纵所述装置的引导或限制。例如，触觉装置可联接到外科手术工具，所述外科手术工具可由外科医生操纵来执行外科手术。外科医生对外科手术工具的操纵可通过在操纵外科手术工具期间使用触觉件来向外科医生提供反馈而进行引导或限制。

机器人装置120的另一个实施方案是自主或半自主机器人。“自主”指代机器人装置独立或半独立于人类控制通过收集与其状况相关的信息、确定动作过程并自动地实施所述动作过程来行动的能力。例如，在这种实施方案中，与跟踪系统122和计算系统124通信的机器人装置120可在没有直接的人为干预的情况下自主地完成患者的骨骼或软组织中的一系列切割。根据各种实施方案，机器人装置120可实施不受限制的外科医生控制的动作、触觉上受约束的动作和/或自动化或自主的机器人动作的各种组合。

机器人装置120包括基座130、机器人臂132以及外科手术工具134，并且通信地耦合到计算系统124和跟踪系统122。基座130为机器人臂132提供可移动的基础，从而允许机器人臂132和外科手术工具134根据需要相对于患者104和工作台105重新定位。基座130还可容纳电力系统、计算元件、马达以及对于下文描述的机器人臂132和外科手术工具134的功能而言所需的其他电子或机械系统。

机器人臂132被配置为支撑外科手术工具134并且根据计算系统124的指示提供反馈。在一些实施方案中，机器人臂132允许用户操纵外科手术工具134并且向用户提供力反馈。在这种实施方案中，机器人臂132包括接头136和安装架138，它们包括马达、致动器、或其他机构，所述其他机构被配置为允许用户自由地平移和旋转机器人臂132和外科手术工具134完成所允许的姿态，同时根据计算系统124的指示来提供力反馈，以约束或阻止机器人臂132和外科手术工具134的一些移动。如下文详细地所描述，机器人臂132由此允许外科医生在控制对象内完全控制外科手术工具134，同时沿着所述对象的边界提供力反馈(例如，振动、防止或抵制穿透边界的力)。在一些实施方案中，机器人臂132被配置为在没有直接的用户操纵的情况下根据计算系统124的指示自动地将外科手术工具134移动为新的姿态，以便根据需要定位机器人臂132和/或完成某些外科手术任务，包括例如股骨106中的切割。

在替代实施方案中，机器人装置120是手持式机器人装置或其他类型的机器人。在手持式机器人装置中，手持式机器人装置的一部分(例如，端部执行器、外科手术工具)可相对于手持式机器人装置的主体由机器人控制/致动。用户可根据需要保持、支撑和操纵手持式机器人装置，同时对机器人致动部分进行控制以有助于外科医生执行外科手术。例如，手持式机器人装置可能能够被控制来使外科手术切割工具缩回，以防止用户在不安全的区域中操作外科手术切割工具。应理解，本文描述的系统和方法可用各种类型、设计、配置等的各种机器人装置来实现。

在所示的实施方案中，外科手术工具134被配置为对骨骼进行切割、磨削、钻孔、部分切除、再成形和/或以其他方式改变所述骨骼。例如，外科手术工具134可被配置为在股骨106中进行一系列切割以使股骨106和/或胫骨108准备好接收植入物。外科手术工具134可为任何合适的工具，并且可为可交换地连接到机器人装置120的多种工具中的一种。例如，如图1所示，外科手术工具134为球形骨钻。外科手术工具134也可为矢状锯，所述矢状锯例如具有与工具轴线平行地对准或垂直于工具轴线对准的刀片。在其他实施方案中，外科手术工具134可被配置为执行一个或多个不同的其他医学任务(例如，改变软组织、植入假体、生成图像、收集数据、提供缩回或张紧)。

跟踪系统122被配置为跟踪患者的解剖结构(例如，股骨106和胫骨108)以及机器人装置120(即，外科手术工具134和/或机器人臂132)，以使得能够控制联接到机器人臂132的外科手术工具134，确定由外科手术工具134完成的动作相对于患者的解剖结构的位置和取向，并且允许用户在计算系统124的显示器上看到股骨106、胫骨108、外科手术工具134和/或机器人臂132。更特别地，跟踪系统122相对于参考坐标系确定对象(例如，外科手术工具134、股骨106)的位置和取向(即，姿态)，并且在外科手术期间跟踪(即，连续地确定)对象的姿态。根据各种实施方案，跟踪系统122可为任何类型的导航系统，包括非机械跟踪系统(例如，光学跟踪系统)、机械跟踪系统(例如，基于测量机器人臂132的接头136的相对角度而进行跟踪)、或非机械和机械跟踪系统的任何组合。

在图1所示的实施方案中，跟踪系统122包括光学跟踪系统。因此，跟踪系统122包括联接到胫骨108的第一基准树140、联接到股骨106的第二基准树141、联接到基座130的第三基准树142、联接到外科手术工具134的一个或多个基准144、以及检测装置146，所述检测装置146被配置为检测基准(即，基准树140-142上的标记物)的三维位置。如图1所示，检测装置146包括处于立体布置的一对相机148。基准树140-142包括基准，所述基准是被配置为对相机148清楚地显现和/或可由图像处理系统使用来自相机148的数据，例如通过高度反映红外辐射(例如，由跟踪系统122的元件发射的)容易地检测到的标记物。检测装置146上的相机148的立体布置允许通过三角测量方法在3D空间中确定每个基准的位置。每个基准与对应的对象具有几何关系，使得对基准的跟踪允许实现对对象的跟踪(例如，跟踪第二基准树141允许跟踪系统122跟踪股骨106)，并且跟踪系统122可被配置为实施配准过程来确定或验证该几何关系。基准树140-142中的基准的独特布置(即，第一基准树140中的基准以与第二基准树141中的基准不同的几何形状布置)允许将基准树彼此区分开来，并且因此跟踪对象。

将图1的跟踪系统122或某一其他方法用于外科手术导航和跟踪，在使用外科手术工具134来在解剖特征中进行切割或以其他方式改变所述解剖特征时，外科手术系统100可确定外科手术工具134相对于患者的解剖特征(例如股骨106)的位置。

计算系统124被配置为基于医学成像或其他数据而制定外科手术计划、接收与外科手术工具134和患者的解剖结构的位置相关的数据，并且根据外科手术计划来控制机器人装置120。特别地，根据本文描述的各种实施方案，计算系统124被配置为基于软组织的位置和附接点而制定患者特定外科手术计划，并且根据外科手术计划使用患者特定的控制对象来控制机器人装置120。因此，计算系统124可通信地耦合到跟踪系统122和机器人装置120，以有助于机器人装置120、跟踪系统122和计算系统124之间的电子通信。另外，计算系统124可连接到网络来接收与患者的病史相关的信息或其他患者个人资料信息、医学成像、外科手术计划、外科手术，并且例如通过评估电子健康记录系统来执行与外科手术的执行相关的各种功能。计算系统124包括处理电路160和输入/输出装置162。在一些实施方案中，计算系统124的第一计算装置(例如，位于外科医生的办公室中、在远程服务器中操作)提供术前特征，而计算系统124的第二计算装置(例如，位于手术室中)控制机器人装置120并且提供术中特征。根据各种实施方案，本文中归属于计算系统124的特征和功能可使用一个或多个装置、服务器、基于云的计算资源等的任何组合或它们之间的任何分布来实现。

输入/输出装置162被配置为根据本文描述的功能和过程的需要来接收用户输入并且显示输出。如图1所示，输入/输出装置162包括显示器164和键盘166。显示器164被配置为显示由处理电路160生成的图形用户界面，所述图形用户界面包括例如与外科手术计划有关的信息、医学成像、外科手术系统100的设置和其他选项、与跟踪系统122和机器人装置120相关的状态信息，以及基于由跟踪系统122供应的数据的跟踪可视化。键盘166被配置为接收对那些图形用户界面的用户输入，以控制外科手术系统100的一个或多个功能。

处理电路160被配置为有助于在外科手术之前制定术前外科手术计划，并且在执行外科手术计划时促进计算机辅助或机器人辅助。在图2中示出并且下文参考图2详细地描述了处理电路160的示例性实施方案。

仍然参考图1，根据一些实施方案，利用患者的解剖结构的三维表示(在本文也被称为“虚拟骨骼模型”)将术前外科手术计划开发为患者特定的。“虚拟骨骼模型”可包括除了骨骼之外的软骨或其他组织的虚拟表示。为了获得虚拟骨骼模型，处理电路160接收患者的将在上面执行外科手术的解剖结构(例如，股骨106)的成像数据。成像数据可使用适合于对相关解剖特征进行成像的任何医学成像技术来产生，所述医学成像技术包括计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)和/或超声成像。之后对成像数据进行分割(即，将成像中的对应于不同的解剖特征的区域区分开)以获得虚拟骨骼模型。例如，对膝的基于MRI的扫描数据进行分割，以将特定骨骼、韧带、软骨以及其他组织区分开，并且对所述扫描数据进行处理以获得被成像的解剖结构的三维模型。

可选地，可通过从骨骼模型的数据库或信息库选择三维模型来获得虚拟骨骼模型。在一个实施方案中，用户可使用输入/输出装置162来选择适当的模型。在另一个实施方案中，处理电路160可执行所存储的指令，以基于图像或提供的与患者有关的其他信息来选择适当的模型。之后可基于特定的患者特性而使来自数据库的一个或多个所选骨骼模型变形，从而创建在如本文所述的外科手术计划和实现中使用的虚拟骨骼模型。

然后可基于虚拟骨骼模型而制定术前外科手术计划。外科手术计划可由处理电路160自动地生成，由用户经由输入/输出装置162输入，或通过这两者的组合来实现(例如，处理电路160限制用户制定的计划的一些特征、生成用户可改变的计划等)。

术前外科手术计划包括将使用外科手术系统100对患者的解剖结构实现的期望的切割、孔或其他改变。例如，对于如本文所述的全膝关节镜手术，术前计划包括在股骨106和胫骨108上形成表面以有助于植入假体所需的切割。因此，处理电路160可接收、评估和/或存储假体的模型以有助于生成外科手术计划。

处理电路160还被配置为根据外科手术计划生成机器人装置120的控制对象。在如本文所述的一些实施方案中，基于软组织的位置和附接点，控制对象是患者特定的。控制对象可根据各种类型可能的机器人装置(例如，触觉、自主等)而采取各种形式。例如，在一些实施方案中，控制对象定义用于机器人装置120的指令以控制机器人装置120在控制对象内移动(即，在来自跟踪系统122的反馈的引导下自主地进行外科手术计划的一次或多次切割)。在一些实施方案中，控制对象包括显示器164上的外科手术计划和机器人装置120的可视化，以有助于外科手术导航并且帮助引导外科医生遵循外科手术计划(例如，而不用机器人装置120的主动控制或力反馈)。在机器人装置120为触觉装置的实施方案中，控制对象可为如以下段落中所描述的触觉对象。

在机器人装置120为触觉装置的实施方案中，处理电路160还被配置为基于术前外科手术计划，特别是考虑到软组织的位置和附接点而生成一个或多个触觉对象，以通过在外科手术期间实现对外科手术工具134的约束而在实现外科手术计划期间协助外科医生。触觉对象可以一个、两个或三个维度形成。例如，触觉对象可为线、平面或三维体。触觉对象可被弯曲为具有弯曲表面和/或具有平坦表面，并且可为任何形状，例如漏斗形状。可创建触觉对象以代表外科手术工具134在外科手术期间移动的各种期望的结果。三维触觉对象的边界中的一个或多个可表示将在骨骼的表面上产生的一处或多处改变，诸如切割。平面触觉对象可表示将在骨骼的表面上产生的改变，诸如切割(例如，对应于意图接收植入物的表面的产生)。

在机器人装置120为触觉装置的实施方案中，处理电路160还被配置为生成外科手术工具134的虚拟工具表示。虚拟工具包括一个或多个触觉交互点(HIP)，所述HIP表示物理外科手术工具134上的位置并且与所述位置相关联。在外科手术工具134为球形骨钻(例如，如图1所示)的实施方案中，HIP可表示球形骨钻的中心。如果外科手术工具134是不规则形状，例如像矢状锯一样，矢状锯的虚拟表示可包括许多HIP。使用多个HIP以在外科手术工具上生成触觉力(例如，对移动的正向力反馈或阻力)被描述于2011年12月28日提交的名称为“System and Method for Providing Substantially Stable Haptics”的美国申请序列号13/339,369中，该申请特此以引用的方式全文并入本文。在本发明的一个实施方案中，表示矢状锯的虚拟工具包括十一个HIP。如本文所使用，对“HIP”的提及被认为也包括对“一个或多个HIP”的提及。如下所述，HIP与触觉对象之间的关系使得外科手术系统100能够约束外科手术工具134。

在执行外科手术之前，可通过任何已知的配准技术将患者的解剖结构(例如，股骨106)配准到患者的解剖结构的虚拟骨骼模型。一种可能的配准技术是基于点的配准，如2011年8月30日授权的名称为“Haptic Guidance System and Method”的美国专利号8,010,180中所描述的，该专利特此以引用的方式全文并入本文。可选地，配准可利用手持式射线照相成像装置通过2D/3D配准来完成，如2012年7月30日提交的名称为“RadiographicImaging Device”的美国申请序列号13/562,163中所描述的，该申请特此以引用的方式全文并入本文。配准还包括将外科手术工具134配准到外科手术工具134的虚拟工具表示，使得外科手术系统100可确定并监测外科手术工具134相对于患者(即，股骨106)的姿态。配准允许在外科手术期间进行准确的导航、控制和/或力反馈。

处理电路160被配置为监测虚拟工具表示、虚拟骨骼模型和控制对象(例如，虚拟触觉对象)的虚拟位置，所述虚拟位置对应于患者的骨骼(例如，股骨106)、外科手术工具134以及由机器人装置120产生的力限定的一条或多条线、平面或三维空间的真实世界位置。例如，如果患者的解剖结构在外科手术期间像跟踪系统122所跟踪的那样移动，则处理电路160使虚拟骨骼模型对应地移动。虚拟骨骼模型因此与患者的实际(即，物理)解剖结构，以及所述解剖结构在真实/物理空间中的位置和取向相对应或相关联。类似地，任何触觉对象、控制对象或机器人装置120的在外科手术计划期间创建的与将对所述解剖结构进行的切割、改变等有联系的其他计划的自动化运动也与患者的解剖结构一致地移动。在一些实施方案中，外科手术系统100包括用于基本上固定股骨106以最小化跟踪和处理股骨106的运动的需求的夹具或支架。

在机器人装置120为触觉装置的实施方案中，外科手术系统100被配置为基于HIP与触觉对象之间的关系来约束外科手术工具134。也就是说，当处理电路160使用由跟踪系统122供应的数据检测到用户正操纵外科手术工具134以使HIP与触觉对象进行虚拟接触时，处理电路160向机器人臂132生成控制信号来向用户提供触觉反馈(例如，力、振动)以传达对外科手术工具134的移动的约束。一般而言，如本文所使用的术语“约束”用于描述限制移动的倾向。然而，施加在外科手术工具134上的约束的形式取决于相关触觉对象的形式。触觉对象可以任何期望的形状或构型形成。如上所述，三个示例性实施方案包括线、平面或三维体。在一个实施方案中，外科手术工具134是受约束的，因为外科手术工具134的HIP被限制为沿着线性触觉对象移动。在另一个实施方案中，触觉对象是三维体，并且外科手术工具134可通过基本上防止HIP移动到由三维触觉对象的壁围住的体积之外而被约束。在另一个实施方案中，外科手术工具134是受约束的，因为平面触觉对象基本上防止HIP移动到所述平面之外以及平面触觉对象的边界之外。例如，处理电路160可建立对应于股骨106的计划的平面远侧切割的平面触觉对象，以便将外科手术工具134基本上局限于实施计划的远侧切割所需的平面。

在机器人装置120为自主装置的实施方案中，外科手术系统100被配置为根据控制对象自主地移动并操作外科手术工具134。例如，控制对象可相对于股骨106限定应进行切割的区域。在这种情况下，一个或多个马达、致动器和/或机器人臂132和外科手术工具134的其他机构可控制来使外科手术工具134根据需要在控制对象内移动和操作以进行计划的切割，例如使用来自跟踪系统122的跟踪数据以允许闭环控制。

现在参考图2，根据一个示例性实施方案示出了处理电路160的详细框图。处理电路160包括处理器200和存储器202。处理器200可被实现为通用处理器、专用集成电路(ASIC)、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、一组处理部件或其他合适的电子处理部件。存储器202(例如，存储器、存储器单元、存储装置等)包括用于存储数据和/或计算机代码以完成或促成本申请中描述的各种过程和功能的一个或多个装置(例如，RAM、ROM、快闪存储器、硬盘存储装置等)。存储器202可包括易失性存储器或非易失性存储器。存储器202可包括数据库部件、目标代码部件、脚本部件、或用于支持本申请中描述的各种活动和信息结构的任何其他类型的信息结构。根据一个示例性实施方案，存储器202经由处理电路160通信地连接到处理器200，并且包括用于(例如，由处理电路160和/或处理器200)执行本文描述的一个或多个过程的计算机代码。

如图2所示，处理电路160还包括用户接口电路204、分割电路206、附接点识别电路208、植入物放置电路210、外科手术计划电路212、术中控制电路214以及通信接口216。各种电路204-216可彼此通信地耦合、通信地耦合到处理器200和存储器202，并且通信地耦合到通信接口216。尽管在图2中被示出为统一的装置，但是在一些实施方案中，处理电路160以及其元件(即，处理器200、存储器202、电路204-214以及通信接口216)可分布在多个计算装置、服务器、机器人、云资源等之间。

通信接口216有助于图1的处理电路160与输入/输出装置162、跟踪系统122与机器人装置120之间的通信。通信接口216也有助于处理电路160与术前成像系统218或其他系统(例如，电子健康记录、患者信息数据库)之间的通信，所述其他系统被配置为向处理电路160提供患者的解剖结构的术前医学成像。通信接口216可包括建立安全的通信会话以防止或大幅减轻网络安全风险并遵守患者健康记录隐私法律和法规的密码和加密能力。

用户接口电路204被配置为生成各种图形用户界面以经由输入/输出装置162提供给一个或多个用户，并且接收、解析并解释对输入/输出装置162的用户输入。在图6至图9中示出并参考这些图详细地描述了示例图形用户界面。如下文详细地所描述，用户接口电路204通信地耦合到各种电路206-214以从电路206-214接收信息以显示在图形用户界面中，并且向电路206-214提供用户输入。

分割电路206被配置为从术前成像系统218接收医学图像，对医学图像进行分割，并且基于医学图像生成三维虚拟骨骼模型。在各种实施方案中，医学图像可使用各种成像技术中的一种或多种来捕获，所述各种成像技术包括计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、超声成像等。在本文描述的实施方案中，分割电路206主要接收并利用CT图像，并且以下描述参考CT图像/成像。然而，应理解，在各种其他实施方案中，作为对CT图像的补充或替代，处理电路160可利用各种其他类型的医学图像，例如磁共振成像(MRI)，超声和/或x-射线，包括根据二维x-射线/荧光镜图像进行三维重建/建模。

由分割电路206接收的CT图像捕获患者的股骨106和/或胫骨108的多个视图。多个视图可为一系列切片，即沿着患者的腿的多个位置中的每个位置处的横截面图。每个CT图像因此可示出给定的位置处的患者的腿的二维切片。CT图像的位置和次序可为已知的。

分割电路206被配置为对CT图像进行分割以将骨骼(例如，股骨106和胫骨108)与CT图像中所示的周围组织、流体等区分开来。例如，分割电路206可确定每个CT图像中所示的骨骼的边界。在一些实施方案中，分割电路206使用自动化图像处理技术(自动分割)来自动地确定边界。在其他实施方案中，分割电路206将CT图像提供给用户接口电路204以纳入图形用户界面中，所述图形用户界面提示用户输入每个图像的边界的指示。可接收完全分割所有图像的用户输入，或者可使用用户输入和自动分割的某一组合。例如，可提示用户检查自动分割的准确性并且根据需要进行调整。

分割电路206还被配置为基于所分割的CT图像生成虚拟骨骼模型(即，三维模型)。在所示的实施方案中，分割电路206生成股骨106和胫骨108的虚拟骨骼模型。分割电路206可使用在分割期间定义的每个CT图像切片中的骨骼边界，堆叠图像切片以按次序并以隔开已知的距离的方式组织边界，并且生成符合边界的表面。分割电路206因此可生成被定义为三维表面、体素集合、或给定坐标系中的某一其他表示的虚拟骨骼模型。

附接点识别电路208从分割电路206接收虚拟骨骼模型，并且在虚拟骨骼模型上识别一个或多个软组织附接点。软组织附接点是在虚拟骨骼模型的坐标系中的骨骼上的软组织附接到骨骼的部位，例如韧带附接到骨骼的点或区域的表示。根据各种实施方案并在各种软组织和/或手术中，软组织附接点可被定义为点、线、表面、体素或体素集合、或某一其他表示。

在本文所示的实施方案中，附接点识别电路208识别后交叉韧带(PCL)附接点，所述PCL附接点对应于患者的PCL附接到患者的胫骨108的部位。在一些实施方案中，附接点识别电路208也识别前交叉韧带(ACL)附接点，所述ACL附接点对应于患者的ACL附接到患者的胫骨108的部位。附接点识别电路208还可识别对应于ACL和PCL附接到股骨106的部位的韧带附接点。同样可识别各种其他软组织附接点。

在一些实施方案中，附接点识别电路208自动地识别软组织附接点。例如，附接点识别电路208可确定极端部、拐点、或虚拟骨骼模型的表面上的其他可识别的特征。作为另一个示例，附接点识别电路208操作经由机器学习训练的神经网络来识别软组织附接点。

在一些实施方案中，附接点识别电路208通过指示用户接口电路204生成图形用户界面来识别软组织附接点，所述图形用户界面提示用户在虚拟骨骼模型上选择软组织附接点。用户接口电路204可生成图形用户界面，所述图形用户界面使虚拟骨骼模型可视化并且提供工具以使用输入/输出装置162来在虚拟骨骼模型上选择一个或多个点。附接点识别电路208可接收用户输入并且基于用户输入定义一个或多个软组织附接点。

植入物放置电路210被配置为基于虚拟骨骼模型和软组织附接点来确定外科手术植入物的大小和放置。在一些实施方案中，植入物放置电路210被配置为基于胫骨108上的PCL附接点来确定用于全膝关节镜手术的胫骨植入物和股骨植入物的放置。在此类实施方案中，植入物放置电路210将虚拟胫骨植入物覆盖在胫骨108的虚拟骨骼模型上并且将虚拟股骨植入物覆盖在股骨106的虚拟骨骼模型上。植入物放置电路210基于PCL附接点将虚拟胫骨植入物定位在虚拟骨骼模型上(例如，以避免干扰PCL附接点，以基于PCL附接点来优化旋转和覆盖)。图5示出了使用成像来识别骨骼模型(帧A和B)上的PCL附接点并将植入物的模型定位在骨骼模型(帧C)上，并且使用成像来视觉地展示植入物相对于PCL的计划的放置(帧D)之间的关系以确定是否可能发生韧带撞击。在图6至图7中示出了显示该对准的图形用户界面。

在一些实施方案中，植入物放置电路210被配置为基于股骨106和胫骨108上的PCL附接点以及PCL和ACL上的ACL附接点来预测ACL和PCL动作线。也就是说，植入物放置电路210被配置为生成预测胫骨108与股骨106之间的ACL和PCL的位置的虚拟ACL模型和虚拟PCL模型。植入物放置电路210之后可放置虚拟胫骨植入物和虚拟股骨植入物，以避免虚拟胫骨植入物和虚拟股骨植入物在膝的整个运动范围内撞击(即，阻碍、挤压、限制等)虚拟ACL模型和虚拟PCL模型。植入物放置电路210由此可有助于防止植入物部件撞击ACL或PCL。

在一些实施方案中，例如，如图6至图9所示并参考这些图详细地所描述，用户接口电路204生成图形用户界面，所述图形用户界面示出虚拟植入物覆盖在虚拟骨骼模型上的放置。图形用户界面可允许用户调整虚拟植入物的放置。在这种实施方案中，植入物放置电路210可限制用户可用的放置选项以防止用户将虚拟植入物放置为干扰附接点或撞击ACL或PCL。在其他实施方案中，植入物放置电路210可生成提供给输入/输出装置162的警报或警告(例如，文本消息、可听警报)以向用户通知干扰或撞击，同时允许用户选择这种放置。

外科手术计划电路212从植入物放置电路210接收其上定位有虚拟植入物的虚拟骨骼模型。外科手术计划电路212被配置为计划对股骨106和胫骨108的切割，所述切割是使股骨106和胫骨108准备好在由植入物放置电路210确定的位置中接收植入物所需的。也就是说，外科手术计划电路212确定需要如何改变股骨106和胫骨108，使得股骨植入物和胫骨植入物可在与植入物放置电路210将虚拟股骨植入物和虚拟胫骨植入物定位在虚拟骨骼模型上相同的位置中放置在股骨106和胫骨108上。外科手术计划电路212可确定包括将对股骨106和胫骨108进行的一系列计划的平面切割的外科手术计划。

外科手术计划电路212可被配置为基于一个或多个软组织附接点来调整计划的切割。例如，外科手术计划电路212可被配置为确保计划的切割不会横切软组织附接点、弱化软组织附接点、横切附接到软组织附接点的软组织，或构成以某一其他方式损害软组织的风险。如果需要这种切割来将植入物放置在由植入物放置电路210确定的位置中，则外科手术计划电路212可向植入物放置电路210发送请求植入物放置电路210修改植入物放置的错误或警告消息。

基于计划的切割，外科手术计划电路212为计划的切割中的每一个生成控制对象(例如，虚拟触觉对象)，所述控制对象是基于一个或多个软组织附接点。因此，外科手术计划电路212使用软组织附接点来生成患者特定控制对象。即，外科手术计划电路212可定义一个或多个控制对象以约束外科手术工具以免撞击一个或多个软组织附接点。例如，控制对象可对应于将对胫骨108的远侧表面进行的平面切割。外科手术计划电路212可使控制对象成形，使得控制对象不会与胫骨PCL附接点相交。图8至图9示出了如下文参考这些图详细地所描述的这种控制对象的图示。

术中控制电路214被配置为有助于由外科手术计划电路212生成的外科手术计划的实现。例如，如上文参考图1所描述，术中控制电路214可与跟踪系统122和机器人装置120通信以执行配准、导航和跟踪。术中控制电路214可配准并跟踪一个或多个软组织附接点。术中控制电路214还被配置为基于由外科手术计划电路212生成的控制对象来控制机器人装置120。在机器人装置120为触觉装置的实施方案中，例如，如上文参考图1所描述，术中控制电路214控制机器人装置120以使外科手术工具134局限于控制对象。在机器人装置120为自主或自动化机器人装置的实施方案中，例如，如上文参考图1所描述，术中控制电路214控制机器人装置120以使外科手术工具134在控制对象内移动，以执行一次或多次切割。术中控制电路214由此可在外科手术期间通过根据由外科手术计划电路212生成的控制对象控制机器人装置120来保护一个或多个软组织附接点。

现参考图3，根据一个示例性实施方案示出了用于使用一个或多个软组织附接点的位置促成关节关节镜手术的过程300的流程图。过程300可由图1的外科手术系统100以及图2的处理电路160执行，并且在以下描述中参考了这些图。如下所述，过程300促成了全膝关节镜手术。然而，应理解，过程300可用各种其他系统执行，并且可适用于各种其他手术，包括部分膝关节置换术、双交叉保留型全膝关节置换术、部分髋关节置换术和全髋关节置换术、膝和髋翻修手术等等。

在步骤302处，处理电路160接收感兴趣解剖结构，例如患者104的腿102的胫骨108和股骨106的计算机断层扫描(CT)图像。CT图像可由可与处理电路160通信的术前成像系统218(例如，CT扫描仪)捕获。CT图像可包括二维图像的集合，所述二维图像示出了沿着腿102的各个位置处的腿102的横截面切片。

在步骤304处，对CT图像进行分割以将图像中所示的各种组织和结构区分开来。例如，可确定每个CT图像中对应于胫骨108或股骨106的区域。可定义和存储勾勒出每个CT图像中的胫骨108或股骨106的边界线。在一些实施方案中，处理电路160自动地对CT图像进行分割以将对应于胫骨108或股骨106的区域与图像的其余部分(即，图像的示出软组织或其他解剖特征的部分)区分开来。在其他实施方案中，处理电路160生成图形用户界面，所述图形用户界面允许用户手动地输入每个CT图像中的胫骨108或股骨106的边界的指示。在又其他实施方案中，使用自动分割和用户输入的某一组合来提高分割过程的效率和准确性。处理电路160由此获取所分割的CT图像，所述所分割的CT图像指示沿着胫骨108的各个层处的胫骨108和/或股骨106的形状/边界。

在步骤306处，处理电路160基于所分割的CT图像生成胫骨108和/或股骨106的虚拟骨骼模型。也就是说，对每个分割的CT图像中定义的胫骨108和/或股骨106的边界进行堆叠，其中每个CT图像之间的间隔是已知的。然后可处理图像的堆叠体，以生成表示胫骨108和/或股骨106的三维虚拟骨骼模型(例如，虚拟胫骨模型和虚拟股骨模型)。

在步骤308处，在虚拟骨骼模型上识别一个或多个软组织附接点。也就是说，从虚拟骨骼模型和/或CT图像确定软组织附接到胫骨108或股骨106的一个或多个部位。确定虚拟骨骼模型的坐标系中的部位的坐标并且将所述部位的坐标定义为软组织附接点。例如，可以此方式识别并定义对应于PCL附接到胫骨108的部位的PCL附接点。在一些实施方案中，处理电路160生成图形用户界面，所述图形用户界面允许用户指示或调整一个或多个软组织附接点的位置。在图6至图7中示出并参考这些图详细地描述了这种图形用户界面的示例。在一些实施方案中，处理电路160被配置为自动地识别一个或多个软组织附接点。

在一些实施方案中，使用CT图像中可见的骨骼密度信息识别软组织附接点。例如，骨骼上的附接到软组织的部位可具有比骨骼的其他区域更高的密度。这些高密度区域可能能够从CT图像中区分开来，例如在CT图像中看起来更不透明或更亮。处理电路160可使用图像识别技术或自动分割方法来识别CT图像中与高骨骼密度相关联的一个或多个区域并且将这些区域与软组织附接点相关联。处理电路160由此可基于由CT成像捕获的骨骼密度信息自动地识别软组织附接点。

在步骤310处，基于所识别的软组织附接点确定植入物大小和放置。例如，处理电路160可生成胫骨植入物和股骨植入物的虚拟植入物模型。处理电路160之后可将虚拟植入物模型覆盖在虚拟骨骼模型上以评估大小设定、定位、取向、对准等。在图6至图7中示出并参考这些图详细地描述了示出虚拟植入物模型覆盖在虚拟骨骼模型上的图形用户界面的示例。

处理电路160可确保植入物模型不会因为覆盖附接点、需要移除或弱化附接点，或引起植入物撞击肌腱而干扰一个或多个软组织附接点。作为一个示例，处理电路160可基于胫骨108上的PCL附接点来确定膝植入物的胫骨部件的大小、位置和/或旋转。

在一些实施方案中，处理电路160基于对应于PCL和髌韧带的附接点来确定胫骨部件的旋转或取向。更特别地，可使用连接PCL附接点与髌韧带附接点的线来设定胫骨部件旋转。在一些实施方案中，一个或多个软组织附接点用作界标，可围绕所述界标定义或操纵旋转。

在步骤312处，处理电路160基于在步骤310处确定的植入物大小和放置并基于一个或多个软组织附接点生成患者特定控制对象。控制对象被配置为有助于由外科手术工具134对股骨106和胫骨108进行切割或其他改变，以使股骨106和胫骨108准备好在步骤310处确定的位置中接收股骨植入物和胫骨植入物。可对控制对象进行成形和定位，以避免与软组织附接点相交或对所述软组织附接点造成其他干扰。

在步骤314处，基于控制对象而控制和/或约束外科手术工具134。在机器人装置120为自主机器人系统的实施方案中，外科手术工具134被控制为自主地移动通过一个或多个控制对象以改变股骨106和/或胫骨108。由于控制对象被成形为避开虚拟骨骼模型上的一个或多个软组织附接点，因此机器人装置被控制为使得所述机器人装置不会接触真实股骨106或胫骨108上的对应的附接部位、或韧带、或附接到所述附接部位的其他组织。在机器人装置120为触觉装置的实施方案中，处理电路160控制机器人装置120以将外科手术工具134约束在控制对象内。外科手术工具134由此受到约束而无法接触一个或多个附接部位、韧带或附接到所述附接部位的其他组织。因此可实施一系列外科手术切割，同时保护韧带或其他软组织免于医源性损害并且限制与弱化的附接点相关联的并发症的风险。

现在参考图4，根据一个示例性实施方案示出了用于防止植入物部件撞击患者的ACL和/或PCL的过程400。过程400可由具有图2所示的处理电路160的图1的外科手术系统100来实施。尽管本文在针对全膝关节置换术的申请中进行了描述，但是过程400也可用于部分膝关节置换术、早期干预型膝外科手术等。过程400可能特别适合于双交叉保留型膝关节置换手术。过程400可为图3所示的过程300的步骤310的示例。

在步骤402处，处理电路160基于CT图像预测ACL/PCL动作线。基于CT图像、虚拟骨骼模型和/或股骨106和胫骨108上的所识别的ACL和PCL附接点，处理电路160预测ACL和PCL在膝的整个运动范围内延伸通过的空间。例如，处理电路160可生成ACL和/或PCL的模型以添加到虚拟骨骼模型。

在步骤404处，处理电路160确定植入物对ACL或PCL的潜在撞击。如上文参考图3所描述，处理电路160可生成虚拟植入物模型并且将虚拟植入物模型覆盖在虚拟骨骼模型上。也可包括ACL/PCL模型。处理电路160由此可获得包括虚拟骨骼模型、虚拟植入物模型以及虚拟韧带模型的虚拟模型。处理电路160可在整个运动范围内测试虚拟模型，并且检测虚拟植入物模型与虚拟韧带模型之间的指示潜在撞击的任何重叠。虚拟植入物模型与虚拟韧带模型之间的重叠指示如果植入物像模型中所展示的那样安装，则可能会有撞击。

在步骤406处，处理电路160基于潜在撞击选择植入物大小和位置。也就是说，处理电路160选择植入物大小和位置以消除潜在撞击或最小化撞击的风险。例如，处理电路160可更改植入物大小和位置，使得虚拟模型可在整个运动范围内接受测试，而不会在虚拟植入物模型与虚拟韧带模型之间产生任何重叠。如上文相对于图5所描述，处理电路160可使用成像来确定植入物的适当大小和位置以避免撞击。在提供允许用户更改计划的植入物大小和位置的图形用户界面的实施方案中，处理电路160可生成向用户指示所提出的计划的植入物位置预测会引起撞击的警告或警报。处理电路160还可阻止用户选择预测会有撞击或撞击风险超过阈值的选项。

在步骤408处，处理电路160使用MRI图像来验证虚拟模型和撞击预测。处理电路160可从术前成像系统218接收MRI图像。可对MRI图像进行分割以区分膝中的股骨、胫骨、髌骨、软骨以及韧带(例如，ACL、PCL、髌韧带)。例如，可使用与上文针对CT图像所描述类似的方法来生成股骨、韧带和软骨的一个或多个三维模型。可将计划的植入物的虚拟模型定位在基于MRI的三维模型中。之后可使用这些模型来验证基于CT的模型正确地预测了有撞击或无撞击。例如，如果基于MRI的模型预测到无撞击并且基于CT的模型预测到无撞击，则基于MRI的模型验证了基于CT的模型并且可批准植入物的计划的位置。如上文相对于过程300的步骤312和314所描述，该过程可继续基于被选择为防止潜在软组织撞击的植入物大小和位置而生成患者特定控制对象。

现参考图6至图9，根据示例性实施方案示出了由处理电路160(例如，由用户接口电路204)生成并由输入/输出装置162显示(即，显示在显示器164)上的图形用户界面500的各种视图。在图6至图9中的每一者中，图形用户界面500包括上排502，所述上排502示出了股骨106的虚拟骨骼模型(虚拟股骨模型550)的可视化，以及下排504，所述下排504示出了胫骨108的虚拟骨骼模型(虚拟胫骨模型552)的可视化。图形用户界面500还包括对应于虚拟股骨模型550和虚拟胫骨模型552的三对可视化的三个列。第一列506示出了虚拟股骨模型550和虚拟胫骨模型552的前视图，第二列508示出了虚拟股骨模型550和虚拟胫骨模型552的远侧视图，并且第三列510示出了虚拟股骨模型550和虚拟胫骨模型552的侧视图。此外，图6、图7、图8A和图9包括虚拟股骨植入物554的可视化和虚拟胫骨植入物556的可视化。图形用户界面500由此向用户显示计划的植入物放置。

在图6所示的配置中，图形用户界面500示出了虚拟股骨模型550、虚拟股骨植入物554、虚拟胫骨模型552以及虚拟胫骨植入物556的横截面图。圆圈558圈出了虚拟胫骨模型552上的PCL附接点(例如，以所述PCL附接点为中心)。在一些实施方案中，圆圈558的位置可由用户调整以更改对PCL附接点的位置的定义。虚线560指示与PCL附接点相关联的高度或平面。在一些实施方案中，虚线560可由用户调整以移动PCL附接点的位置。如图6所示，虚拟胫骨植入物556被定位为不干扰PCL附接点。

在图6所示的配置中，图形用户界面500示出了虚拟股骨模型550、虚拟股骨植入物554、虚拟胫骨模型552以及虚拟胫骨植入物556的三维呈现。虚拟股骨模型550和虚拟胫骨模型552被改变为显示计划的切割对股骨106和胫骨108的影响。也就是说，股骨106和胫骨108的在外科手术期间将移除的部分也已从虚拟股骨模型550和虚拟胫骨模型552移除。用户之后可检查计划的切割是否会更改、损伤、横切、干扰或以其他方式影响一个或多个软组织附接点。图形用户界面500包括箭头按钮600，所述箭头按钮600允许用户调整虚拟股骨植入物554和虚拟胫骨植入物556的位置、大小、旋转等。

在图8A所示的配置中，图形用户界面500示出了虚拟股骨模型550、虚拟股骨植入物554、虚拟胫骨模型552以及虚拟胫骨植入物556的横截面图。在图8A中，虚拟边界700示出了控制对象的边界。虚拟边界700定义了外科手术工具134受约束而无法越过控制对象和机器人装置120的边界。如图8所示，虚拟边界700包括凹槽702，其中虚拟边界700围绕由突出显示部704指示的PCL附接点弯曲。虚拟边界700由此指示控制对象被配置为限制外科手术工具134到达PCL附接点。

在图8B至图8C所示的配置中，图形用户界面500示出了虚拟股骨模型550以及具有对应于计划的胫骨切割的虚拟边界700的虚拟胫骨模型552的横截面图。图8B示出了右膝的视图，而图8C示出了左膝的视图。如图8B至图8C所示，虚拟股骨模型550和虚拟胫骨模型552可被可视化为包括CT图像和/或其他医学图像，所述图像示出了患者的股骨和胫骨的各个区域中的骨骼密度。这可能可供用户用于识别一个或多个软组织附接点，识别骨骼的适合于与植入物接合的坚固区域和/或用于其他计划或诊断目的。如图8B至图8C所示，从图形用户界面500中隐去了虚拟股骨植入物554和虚拟胫骨植入物556，从而呈现出允许用户清楚地查看通过虚拟边界700促成的计划的切割的简化视图。

如图8D至图8E所示，具有较高密度的骨骼区域可在图形用户界面500上被示出为颜色编码区域、阴影区域、或由其他界限指示的区域。在所示的示例中，界限750指示骨骼致密区域。点752指示骨骼致密区域的质心。区域754对应于PCL和/或PCL附接点。界限750、点752和/或区域754可有助于植入物计划。例如，外科医生(用户)可将虚拟胫骨植入物556的沟部对准到点752(如图8E所示)以优化内部/外部旋转。作为另一个示例，外科医生可对准胫骨切除的内翻/外翻旋转以优化切割平面的密度。通过在图形用户界面500上包括界限750、点752和/或区域754可促成各种其他对准和计划优点。

在图9所示的配置中，图形用户界面500示出了虚拟股骨模型550、虚拟股骨植入物554、虚拟胫骨模型552以及虚拟胫骨植入物556的三维呈现。图9还示出了虚拟边界700。在所示的实施方案中，控制对象为平面控制对象，被定向为使得仅能够从第二列508的远侧视图查看虚拟边界700。图形用户界面500包括箭头按钮600，所述箭头按钮600允许用户调整虚拟股骨植入物554和虚拟胫骨植入物556的位置、大小、旋转等。响应于调整虚拟胫骨植入物556的位置、大小、旋转等的用户输入，处理电路160相应地调整控制对象。同样更新图形用户界面500上的虚拟边界700。因此，用户可根据需要通过调整虚拟胫骨植入物556的位置、大小、旋转等而调整虚拟边界700。

现参考图10至图12，根据一个示例性实施方案示出了用于基于髌韧带到胫骨的附接来确定植入物的旋转对准的过程1000。图10示出了过程1000的流程图。图11至图12示出了可用于解释过程1000的图示。过程1000可由图1的处理电路160实施。过程1000可被包括作为图3的过程300，例如关于图3的步骤304-310的实施方案的一部分。

在步骤1002处，从CT图像识别胫骨韧带和髌韧带以识别髌韧带附接点(胫骨结节)。也就是说，对CT图像进行分割以定义CT图像上对应于胫骨结节和/或髌韧带的像素或坐标。对图像进行分割以识别髌韧带和胫骨有助于识别髌韧带附接到胫骨(例如，所分割的区域彼此邻接)的区域。在一些实施方案中，处理电路160自动地识别CT图像中的胫骨结节和/或髌韧带(即，自动分割)。在其他实施方案中，处理电路160生成图形用户界面，所述图形用户界面提示用户输入髌韧带和/或胫骨结节的位置(例如，轮廓、区域)的指示。处理电路160可接收用户输入，并且基于用户输入来识别胫骨结节和/或髌韧带的位置。例如，图10示出了被识别为髌韧带在胫骨结节处的外边界的分割边界1008。

在步骤1004处，识别了髌韧带在胫骨结节处的内侧边缘。换句话说，处理电路160确定髌韧带在胫骨结节处的髌韧带附接到胫骨的最内侧点(即，图11中的内侧极端部1110)。为了识别该点，选择了在胫骨结节的层面上的CT图像‘切片’，所述切片示出了髌韧带与胫骨之间的附接(例如，图11的CT图像1101)。在该层面上，基于来自步骤1002的分割数据，例如通过从对应于髌韧带的所分割的区域选择最靠近CT图像的内侧边界的点来确定胫骨结节和/或髌韧带的最内侧点。处理电路160由此确定与胫骨结节和/或髌韧带的内侧边缘相关联的坐标。

在步骤1006处，通过将胫骨部件的轴线与胫骨结节和/或髌韧带的内侧边缘(即，与胫骨上髌韧带的附接区域的内侧极端部)对准来确定假体植入物的胫骨部件的旋转。处理电路160生成胫骨部件的虚拟植入物模型(例如，虚拟胫骨植入物556)以相对于虚拟骨骼模型(例如，如在过程300的步骤306处生成)对准。在虚拟植入物模型的一些可视化中，例如，如图11所示，虚拟植入物模型可包括定义虚拟植入物模型的一次或多次旋转的两个或更多个轴线的表示1100。更特别地，表示1100示出了覆盖在胫骨108的CT图像1001上的虚拟胫骨植入物的旋转对准。

如图11所示，表示1100的第一轴线1102可基本上从一侧到另一侧(即，内侧到外侧)地延伸，而第二轴线1004可在CT图像的平面(即，由与胫骨的长度基本上平行的法向矢量限定的平面)中垂直地指向第一轴线1102。虚拟植入物模型的旋转对准可通过使第一轴线1102和第二轴线1104在CT图像的平面中围绕第一轴线1102与第二轴线1104的交叉点1106旋转来调整。

在步骤1006中，处理电路160定义虚拟胫骨模型的旋转，使得第二轴线1104与髌韧带的内侧边缘相交于髌韧带与胫骨之间的附接点/区域。如图11所示，第二轴线1104延伸穿过对应于髌韧带的分割边界1108的内侧极端点1110。换句话说，虚拟胫骨植入物的旋转被设定为确保图11所示的第二轴线1104穿过步骤1004处识别的内侧极端部坐标。

在步骤1008处，使用虚拟胫骨植入物的旋转对准来确定植入物的股骨部件的虚拟模型(例如，虚拟股骨植入物554)的旋转对准。例如，虚拟胫骨植入物的旋转对准和虚拟股骨植入物的旋转对准可具有预设几何关系，所述预设几何关系可由处理电路160使用来基于虚拟胫骨植入物的旋转对准来确定虚拟股骨植入物的旋转对准。图12示出了虚拟股骨植入物在股骨上的对准(即，覆盖在股骨的CT图像1202上)的表示1200。如图12所示，虚拟股骨植入物的对准的表示1200与虚拟胫骨植入物的对准的表示1100匹配。

处理电路160由此基于髌韧带到胫骨的附接点来确定植入物的旋转对准。

如上所述，过程1000可被实现为过程300的子部分。因此，在步骤1008之后，处理电路160可确定植入物的其他大小设定或放置特性(即，在步骤310处)，基于所确定的植入物放置和髌韧带到胫骨的附接点来生成控制对象(即，在步骤312处)，并且基于控制对象来约束或控制外科手术工具134(即，在步骤314处)。

在一些实施方案中，过程1000还包括以下步骤：在轴向、冠状和矢状平面中确定胫骨基板取向时使用沟部密度来实现中性植入物对准。在一些实施方案中，可使用冠状和矢状密度分布来确定良好的骨质以实现最佳植入物固定。

现参考图13，根据一个示例性实施方案示出了图形用户界面1300。图形用户界面1300可由处理电路160(例如，由用户接口电路204)生成并且由输入/输出装置162显示(即，显示在显示器164上)。在一些实施方案中，图形用户界面1300对应于图形用户界面500的一部分，例如存在于图7中的第二列508和下排504处的部分。

在图13的实施方案中，外科手术工具134的工具可视化1302覆盖在虚拟胫骨模型552的横截面端视图上(例如，由CT图像示出的胫骨上)。工具可视化1302的位置可例如基于由跟踪系统122生成的跟踪/导航数据而实时地更新以示出外科手术工具134相对于真实胫骨108的真实位置。图形用户界面1300还包括虚拟边界700，以及突出显示PCL附接点的位置的指示符1304。用户(例如，外科医生)由此可在外科手术期间在图形用户界面1300上查看外科手术工具134、虚拟边界700和由指示符1304指示的附接点的相对位置。由此可协助用户适当地定位和/或定向使用外科手术工具134相对于附接点进行的切割。

虽然本公开集中于PCL和ACL，但是本文描述的系统和方法可适于识别和保护其他软组织，诸如内侧副韧带(MCL)。本公开设想了各种这样的可能性。

如本文所使用，术语“电路”可包括被构造为执行本文描述的功能的硬件。在一些实施方案中，每个相应的“电路”可包括用于配置硬件以执行本文描述的功能的机器可读介质。电路可体现为一个或多个电路部件，包括但不限于：处理电路、网络接口、外围装置、输入装置、输出装置、传感器等。在一些实施方案中，电路可采取以下形式：一个或多个模拟电路、电子电路(例如，集成电路(IC)、分立电路、片上系统(SOC)电路等)、电信电路、混合电路以及任何其他类型的“电路”。在此方面，“电路”可包括用于完成本文描述的操作或促成所述操作的实现的任何类型的部件。例如，如本文所述的电路可包括一个或多个晶体管、逻辑门(例如，NAND、AND、NOR、OR、XOR、NOT、XNOR等)、电阻器、多路复用器、寄存器、电容器、电感器、二极管、布线等等)。

“电路”还可包括可通信地耦合到一个或多个存储器或存储器装置的一个或多个处理器。在此方面，一个或多个处理器可执行存储在存储器中的指令，或可执行一个或多个处理器可以其他方式存取的指令。在一些实施方案中，一个或多个处理器可以各种方式体现。一个或多个处理器可以足以至少执行本文描述的操作的方式构造。在一些实施方案中，一个或多个处理器可由多个电路共享(例如，电路A和电路B可包括或以其他方式共享同一个处理器，所述处理器在一些示例实施方案中可执行经由存储器的不同区域存储或以其他方式存取的指令)。可选地或另外地，一个或多个处理器可被构造为独立于一个或多个协处理器执行或以其他方式执行某些操作。在其他示例实施方案中，两个或更多个处理器可经由总线联接以实现独立的、并行的、流水线式或多线程式指令执行。每个处理器可被实现为一个或多个通用处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、或被构造为执行由存储器提供的指令的其他合适的电子数据处理部件。一个或多个处理器可采取以下形式：单核处理器、多核处理器(例如，双核处理器、三核处理器、四核处理器等)、微处理器等。在一些实施方案中，一个或多个处理器可在设备的外部，例如一个或多个处理器可为远程处理器(例如，基于云的处理器)。可选地或另外地，一个或多个处理器可在设备的内部和/或本地。在此方面，给定电路或其部件可在本地(例如，作为本地服务器、本地计算系统等的一部分)或远程地(例如，作为诸如基于云的服务器的远程服务器的一部分)设置。为此目的，如本文所述的“电路”可包括跨越一个或多个位置分布的部件。

如在各种示例性实施方案中所示的系统和方法的构造和布置仅是说明性的。尽管本公开中仅详细地描述了几个实施方案，但是许多改变是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数值、材料使用、颜色、取向等的变化)。例如，可颠倒或以其他方式改变元件的位置，并且可更改或改变分立元件的性质或数量、或位置。因此，所有此类改变都意图包括在本公开的范围内。可根据替代实施方案来改变任何过程或方法步骤的次序或顺序，或者对所述次序或顺序进行重新排序。在不脱离本公开的范围的情况下，可在示例性实施方案的设计、操作条件和布置方面进行其他替换、改变、变化和省略。

Claims (10)

1.一种外科手术系统，所述外科手术系统包括：

机器人装置；

外科手术工具，所述外科手术工具安装在所述机器人装置上；和

处理电路，所述处理电路被配置为：

接收解剖结构的图像数据；

基于所述图像数据生成虚拟骨骼模型；

在所述虚拟骨骼模型上识别软组织附接点；

基于所述软组织附接点计划植入物的放置；

基于所述植入物的所述放置生成控制对象；

控制所述机器人装置以使所述外科手术工具局限于所述控制对象内；

基于所述软组织附接点来预测韧带的动作线；

用所述植入物的虚拟植入物模型增强所述虚拟骨骼模型；

确定所述韧带的所述动作线是否与所述虚拟植入物模型相交；以及

响应于确定所述韧带的所述动作线与所述虚拟植入物模型相交，向用户提供警报。

2.如权利要求1所述的外科手术系统，其中所述软组织附接点对应于后交叉韧带或前交叉韧带附接到股骨或胫骨的部位。

3.如权利要求1所述的外科手术系统，其中所述软组织附接点对应于髌韧带附接到胫骨的部位。

4.如权利要求3所述的外科手术系统，其中所述处理电路被配置为基于所述软组织附接点通过将所述植入物的轴线与所述软组织附接点的内侧边缘对准来计划所述植入物的放置。

5.如权利要求1所述的外科手术系统，所述处理电路还被配置为生成图形用户界面，所述图形用户界面包括所述虚拟骨骼模型、所述植入物和所述软组织附接点的可视化。

6.如权利要求5所述的外科手术系统，所述图形用户界面还包括所述控制对象的可视化。

7.如权利要求1所述的外科手术系统，其中所述处理电路还被配置为限制所述控制对象以免包含所述软组织附接点。

8.一种非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质存储程序指令，所述程序指令在由一个或多个处理器执行时致使所述一个或多个处理器执行包括以下项的操作：

接收解剖结构的图像数据；

基于所述图像数据生成虚拟骨骼模型；

在所述虚拟骨骼模型上识别软组织附接点；

基于所述软组织附接点确定植入物大小和放置；

基于所述植入物大小和放置生成控制对象；

基于所述控制对象来约束或控制安装在机器人装置上的外科手术工具；

基于所述软组织附接点来预测韧带的动作线；

用所述植入物的虚拟植入物模型增强所述虚拟骨骼模型；

确定所述韧带的所述动作线是否与所述虚拟植入物模型相交；以及

响应于确定所述韧带的所述动作线与所述虚拟植入物模型相交，向用户提供警报。

9.如权利要求8所述的计算机可读介质，其中所述操作包括限制所述控制对象以免包含所述软组织附接点。

10.如权利要求8所述的计算机可读介质，其中确定植入物放置包括将所述植入物的轴线与所述软组织附接点的内侧边缘对准。