CN113164215A - 用于患者特定虚拟边界变形的技术 - Google Patents

Abstract

公开了用于将通用虚拟边界变形为用于解剖模型的患者特定虚拟边界的系统、方法、软件和技术。所述通用虚拟边界包括一个或多个可变形面。计算所述通用虚拟边界和所述解剖模型的相交部以限定所述解剖模型的横截面轮廓。将所述通用虚拟边界的一个或多个面变形为适形于所述解剖模型的所述横截面轮廓以产生所述患者特定虚拟边界。在一些情况下，将所变形面与所述横截面轮廓间隔开考虑外科手术工具的几何特征的偏移距离。

Description

用于患者特定虚拟边界变形的技术

相关申请的交叉引用

本申请是要求2019年12月12日提交的国际专利申请号PCT/US2019/065985的优先权的进入国家阶段的申请(national stage entry)，其要求2018年12月13日提交的美国临时专利申请号62/779,191的优先权和所有权益，两个专利申请的内容特此以引用的方式整体并入。

技术领域

本公开涉及用于为外科手术系统生成患者特定虚拟边界的技术。

背景技术

机器人系统一般用于执行外科规程，并且通常包括机器人，所述机器人包含机械臂和耦接到机械臂的端部执行器。通常，端部执行器包括轴，所述轴具有耦接到其远侧端部的铣削骨钻。

在手动操作模式下，机器人系统感测用户手动施加到端部执行器的力/扭矩。机器人系统命令端部执行器的定位仿真根据施加所感测的力/扭矩预期的运动。在自主模式下，机器人系统命令机械臂至少部分地无需用户协助地沿着计算机限定的铣削路径移动端部执行器。在任一模式下，可利用补充跟踪系统(诸如光学定位)来跟踪机器人和手术部位的定位。

全膝关节或部分膝关节成形术涉及铣削或切割患病的骨组织以及用物理植入物代替患病的骨骼。利用现有技术，术前选择(对应于物理植入物的)虚拟植入物模型以计划规程。虚拟植入物模型限定植入物特定(而非患者特定)的形状。换句话说，虚拟植入物模型是通用的。

虚拟植入物模型用于限定通用虚拟边界或约束。对于每种植入物模型，无论计划将植入物用于哪个患者，都存在一体适用的“植入物特定”通用边界。为此，需要针对允许的最坏情况放置(即最大可能的骨骼去除)设计植入物特定虚拟边界。因此，先前的虚拟边界不是患者特定的。

此类问题在植入物为上嵌/上悬类型的情况下是特别明显的，其中植入物定位在骨骼的顶部上(未放置到骨骼的凹陷部中)并且部分地悬挂在骨骼的边缘之上。在此类情况下，相邻软组织围绕上悬区域，使得铣削特别具有挑战性。由于通用虚拟边界是设计的“最坏情况”，并且不是真正患者特定的，因此骨钻可能偶然进入软组织区域而不离开通用虚拟边界。为了减轻此问题，外科医生常规上仅仅依靠目视检查来避免切割软组织，从而引入了人工错误的可能性。

当意图在受限接近区域进行机加工(诸如在胫骨骨骼附近对股骨后膝关节解剖结构进行机加工)时，最坏情况计划可能潜在地导致去除多于必要的股骨骨骼。此外，空气切割可能增加端部执行器轴与附近胫骨骨骼碰撞的可能性。

常规技术还限于术前植入物计划和术前虚拟边界生成，从而几乎不提供灵活性来对其进行术中修改。常规技术还需要大量的计算时间来生成骨骼模型并计算虚拟边界。在外科手术规程期间，时间至关重要，并且不能延长工作流程来等待计算经更新的外科手术计划。为此，常规技术也不适合地适用于术中工作流程，因为它们未提供能够快速更新计划而无需计算所需的显著延迟的解决方案。

因此，本领域中需要用于解决至少前述问题的系统和方法。

发明内容

此发明内容以简化的形式介绍以下在以下具体实施方式中进一步描述的概念选择。此发明内容并非意图限制所要求保护的主题的范围或识别所要求保护的主题的关键特征或基本特征。

公开了一种用于将通用虚拟边界变形为用于解剖模型的患者特定虚拟边界的方法的一个实例。所述通用虚拟边界包括一个或多个可变形面。所述方法包括使所述通用虚拟边界和所述解剖模型相交以限定所述解剖模型的横截面轮廓。将所述通用虚拟边界的所述一个或多个面变形为适形于所述横截面轮廓以产生所述患者特定虚拟边界。

提供了一种示例性非暂时性计算机可读介质。所述非暂时性计算机可读介质包括可由一个或多个处理器执行的指令。所述指令在执行时实现用于生成用于解剖模型的患者特定虚拟边界的软件程序。所述软件程序被配置为：计算所述通用虚拟边界和所述解剖模型的相交部以限定所述解剖模型的横截面轮廓，并且将所述通用虚拟边界的所述一个或多个面变形为适形于所述横截面轮廓以产生所述患者特定虚拟边界。

还提供了一种手术系统，其包括外科手术工具和一个或多个控制器，所述一个或多个控制器被配置为将通用虚拟边界变形为用于解剖模型的患者特定虚拟边界。所述通用虚拟边界包括一个或多个可变形面。所述一个或多个控制器被配置为计算所述通用虚拟边界和所述解剖模型的相交部以限定所述解剖模型的横截面轮廓。所述一个或多个控制器将所述通用虚拟边界的所述一个或多个面变形为适形于所述横截面轮廓以产生所述患者特定虚拟边界。

提供了一种用于生成解剖模型的虚拟边界的方法的一个实例。所述方法包括：识别所述解剖模型的周边；以及生成所述虚拟边界，所述虚拟边界包括沿循所述周边的轮廓并且与所述周边间隔开考虑外科手术工具的几何特征的偏移距离的边缘。

还提供了一种用于相对于本文描述的实例中的任一个的患者特定虚拟边界来操作外科手术系统的工具的方法。

所述系统、方法和软件程序为与常规铣削计划和执行相关联的若干技术问题提供技术解决方案。

本文描述的技术使得能够将通用虚拟边界变形为适形于解剖模型的特征。因此，通用约束变为患者特定约束。

此外，本文描述的技术实现了患者特定虚拟边界的术中或动态计划和生成。因此，例如，如果外科医生对术前植入物计划不满意，或者如果出现未预见到的情况，则外科医生可在术中自由更新植入物位置。通过使用所述软件，所述系统可动态执行前述变形。通过提供一种在无计算所需的显著延迟的情况下实现计划的快速更新的解决方案，约束变形技术合适地适于在手术室中使用。可在术中迅速生成经更新的患者特定计划，包括经更新的虚拟边界。本文描述的技术还可在术前提供这样的优点。

利用本文描述的技术，相对于患者特定限定的虚拟边界的铣削将被约束到硬组织(例如，骨骼)而不影响周围的组织。由于这些原因，系统、方法和软件程序提供真正的“患者特定”解决方案。

利用此改进的方法，可高度准确地执行基于患者特定虚拟边界的各种铣削过程。例如，铣削对于插入上嵌/上悬型植入物以及嵌入型植入物(即，被插入到骨骼的切除的囊袋中的植入物并且所述植入物被骨骼的边沿包围)是可能的。定制虚拟边界以考虑上悬区域，使得可保留周围的软组织。患者特定虚拟边界可在工具操作的手动和自主模式两者下提供这些优点。

此外，本文描述的技术降低端部执行器轴与骨骼之间碰撞的可能性。例如，如果在股骨骨骼上执行铣削，则避免轴与胫骨骨骼的碰撞，因为仅去除最小所需量的股骨骨骼，从而避免与附近的胫骨骨骼、可能与通用虚拟边界的相互作用。

所述系统、方法和软件程序可展现出优点并提供除了本文描述的技术解决方案以外的技术解决方案。

附图说明

通过具体实施方式、所附权利要求书和附图(其中相似的附图标号识别类似或相同的元件)，本发明的其他方面、特征和优点将变得更加完全明显。

图1是采用本文描述的患者特定约束变形技术的机器人外科手术系统的一个实例。

图2是机器人外科手术系统的一个或多个控制器的示例性配置，包括被配置为实现本文描述的患者特定约束变形技术的软件程序。

图3是用于远端胫骨成形术的植入物模型的一个实例，其具有与其相关联的通用虚拟边界。

图4示出相对于胫骨的解剖模型定位的通用虚拟边界。

图5示出作为用于约束外科手术工具的较大允许体积的组成部分的通用虚拟边界。

图6示出相对于通用虚拟边界对解剖模型的横截面轮廓的限定，以促进限定患者特定虚拟边界。

图7是图6的进一步利用横截面轮廓来限定将根据本文描述的技术进行变形的通用虚拟边界的面的视图。

图8是图7的通用虚拟边界和横截面轮廓的一部分的自顶至下视图。

图9示出源自将图4的通用虚拟边界变形的患者特定虚拟边界，其中患者特定虚拟边界的部分被设计为适形于解剖模型。

图10是偏移表面的一个实例，所述偏移表面变形并且是患者特定虚拟边界的偏移版本的组成部分。

图11示出根据一个实例的图10的偏移表面，所述偏移表面与另外的(直纹)表面组合以进一步限定患者特定虚拟边界的偏移版本。

图12示出根据一个实例的图11的表面，所述表面与其他虚拟约束对象(诸如来自通用虚拟边界的非变形部分、过渡表面、贴片表面和较大允许体积的一部分)组合以限定偏移患者特定虚拟边界。

图13至图16示出偏移患者特定虚拟边界的不同实例的横截面视图。

图17示出作为用于约束外科手术工具的较大允许体积的组成部分的患者特定虚拟边界或偏移患者特定边界。

图18示出根据利用图12或图17的偏移患者特定虚拟边界的外科手术计划来铣削物理解剖结构(胫骨)的一部分的示例性结果。

具体实施方式

I.机器人外科手术系统概述

参考图1和图2(其中贯穿若干视图，相似的标号指示相似或对应的部分)，示出机器人外科手术系统10(在下文中称为“系统”)及其部件。还提供了一种非暂时性计算机可读介质，其包括在通过一个或多个处理器执行时实现用于机器人外科手术系统10的软件程序以及用于使用软件程序的方法的指令。软件程序和方法的方面在以下后续章节中提出。

如图1所示，系统10是用于治疗患者12的外科手术部位或解剖体积(A)(诸如骨骼或软组织)的机器人外科手术系统。在图1中，患者12正在经受外科手术规程。图1中的解剖结构包括患者12的股骨(F)和胫骨(T)。外科手术规程可涉及组织去除或治疗。治疗可包括切割、凝固、损伤组织、置换组织的治疗等。在一些实例中，外科手术规程涉及部分或全膝关节或髋关节置换手术。在一个实例中，系统10被设计来切割掉要由外科手术植入物(诸如髋关节植入物和膝关节植入物，包括单间室、双间室、多间室或全膝关节植入物)置换的物质。这些类型的植入物中的一些植入物在标题为“Prosthetic Implant and Method ofImplantation”的美国专利申请公布号2012/0030429中示出，所述文献的公开内容特此以引用的方式并入。本文公开的系统10和技术可用于执行其他外科手术或非外科手术规程，或者可在工业应用或利用机器人系统的其他应用中使用。

系统10包括操纵器14。操纵器14具有底座16和多个连杆18。操纵器推车17支撑操纵器14，使得操纵器14固定到操纵器推车17。连杆18共同形成操纵器14的一个或多个臂。操纵器14可具有串联臂配置(如图1所示)、并联臂配置或任何其他合适的操纵器配置。在其他实例中，可在多臂配置中利用多于一个操纵器14。

在图1所示的实例中，操纵器14包括多个接合部(J)和定位在接合部(J)处以用于确定接合部(J)的位置数据的多个接合部编码器19。为了简单起见，在图1中示出仅一个接合部编码器19，尽管可类似地示出其他接合部编码器19。根据一个实例的操纵器14具有六个接合部(J1-J6)，其实现操纵器14的至少六个自由度(DOF)。然而，操纵器14可具有任何数量的自由度，并且可具有任何合适数量的接合部(J)和冗余接合部(J)。

操纵器14不需要‘接合部’编码器19，但可替代地或另外利用电机编码器。而且，操纵器14不必需要旋转接合部，但可替代地或另外利用一个或多个棱柱型接合部。

操纵器14的底座16通常是操纵器14的一部分，所述部分在使用期间是固定的，从而为操纵器14或一般而言系统10的其他部件提供固定参考坐标系(即，虚拟零姿态)。通常，操纵器坐标系MNPL的原点限定在底座16的固定参考处。底座16可相对于操纵器14的任何合适的部分(诸如连杆18中的一者或多者)来进行限定。替代地或另外，底座16可相对于操纵器推车17(诸如操纵器14物理地附接到推车17的位置)来进行限定。在一个实例中，底座16限定在接合部J1和J2的轴线的相交部处。因此，尽管接合部J1和J2实际上是移动部件，但是接合部J1和J2的轴线的相交部是虚拟固定参考姿态，其提供固定位置和取向参考两者并且不相对于操纵器14和/或推车17移动。操纵器14和/或操纵器推车17容纳操纵器计算机26或其他类型的控制单元。在其他实例中，操纵器14可以是手持式的，其中底座16是工具20的在工具端头沿循路径时保持稳定的一部分。

外科手术工具20(在下文中称为“工具”)耦接到操纵器14并且可相对于底座16移动以与解剖结构(A)相互作用。在某些实施方案中，工具20是端部执行器22或形成其一部分。工具20可由操作员抓握。操纵器14和工具20的一种示例性布置在标题为“SurgicalManipulator Capable of Controlling a Surgical Tool in Multiple Modes”的美国专利号9,119,655中有所描述，所述文献的公开内容特此以引用的方式并入。操纵器14和工具20可以替代配置进行布置。工具20可以像2014年3月15日提交的标题为“End Effector ofa Surgical Robotic Manipulator”的美国专利申请公布号2014/0276949中所示的那样，所述公布特此以引用的方式并入。工具20的其他实例包括钻子、锯子、平面切割引导件、钻孔引导件等。

工具20包括能量施加器24，所述能量施加器24被设计来在外科手术部位处接触并去除患者12的组织。在一个实例中，能量施加器24是骨钻25。骨钻25可以是基本上球形的并且包括球形中心、半径(r)和直径。替代地，能量施加器24可以是钻头、锯片、超声振动端头等。工具20和/或能量施加器24可包括任何几何特征，例如周边、圆周、半径、直径、宽度、长度、体积、面积、表面/平面、(沿着任何一个或多个轴线的)运动包络的范围等。如将在以下进行描述，可在与虚拟约束的偏移等有关的某些特征中考虑几何特征。

工具20可包括工具中心点(TCP)，在一个实例中，所述TCP是限定在能量施加器24处的预先确定的参考点。TCP具有相对于操纵器14的其他坐标系的已知或能够计算的(即，不一定是静态的)姿态。能量施加器24的几何结构在TCP坐标系中是已知的或者相对于TCP坐标系进行限定。TCP可定位在工具20的骨钻25的球形中心处，使得跟踪仅一个点。TCP可根据各种方式来进行限定，这取决于能量施加器24的配置。操纵器14可具有电机编码器或任何其他非编码器位置感测方法，以使得能够确定TCP的姿态。操纵器14可使用联合测量结果来确定TCP姿态和/或可采用技术来直接测量TCP姿态。工具20的控制不限于中心点。例如，可使用任何合适的基元、网格等来表示工具20。

参考图2，系统10包括控制器30。控制器30包括用于控制操纵器14的软件和/或硬件。控制器30指导操纵器14的运动并且控制工具20相对于坐标系的状态(位置和/或取向)。控制器30可控制工具20的(线或角)速度、加速度或其他运动导数。在一个实例中，坐标系是如图1所示的操纵器坐标系MNPL。操纵器坐标系MNPL的一个实例在标题为“SurgicalManipulator Capable of Controlling a Surgical Tool in Multiple Modes”的美国专利号9,119,655中有所描述，所述文献的公开内容特此以引用的方式并入。以下描述控制器30的另外的方面和能力。

系统10还包括导航系统32。导航系统32的一个实例在2013年9月24日提交的标题为“Navigation System Including Optical and Non-Optical Sensors”的美国专利号9,008,757中有所描述，所述专利特此以引用的方式并入。导航系统32被配置为跟踪各种对象的移动。此类对象包括(例如)操纵器14、工具20和解剖结构(例如，股骨F和胫骨T)。导航系统32跟踪这些对象以收集每个对象相对于(导航)定位器坐标系LCLZ的状态信息。可使用变换将定位器坐标系LCLZ中的坐标变换为操纵器坐标系MNPL，并且/或者反之亦然。

导航系统32包括容纳导航计算机36和/或其他类型的控制单元的推车组件34。导航接口与导航计算机36进行操作通信。导航接口包括一个或多个显示器38。导航系统32能够使用一个或多个显示器38向操作员显示所跟踪对象的相对状态的图形表示。可使用一个或多个输入装置40、42来将信息输入到导航计算机36中或者以其他方式选择/控制导航计算机36的某些方面。如图1所示，此类输入装置40、42包括交互式触摸屏显示器。然而，输入装置40、42可包括键盘、鼠标、传声器(语音激活)、手势控制装置等中的任何一者或多者。控制器30可在系统10中的任何合适的一个或多个装置(包括但不限于操纵器计算机26、导航计算机36及其任何组合)上实现。

导航系统32还包括耦接到导航计算机36的导航定位器44(在下文中称为“定位器”)。在一个实例中，定位器44是光学定位器并且包括相机单元46。相机单元46具有容纳一个或多个光学传感器50的外壳48。

导航系统32包括一个或多个跟踪器。在一个实例中，跟踪器包括指示器跟踪器PT、一个或多个操纵器跟踪器52、第一患者跟踪器54和第二患者跟踪器56。在图1所示的实例中，操纵器跟踪器52(即，跟踪器52A)牢固地附接到工具20，第一患者跟踪器54牢固地附连到患者12的股骨F，并且第二患者跟踪器56牢固地附连到患者12的胫骨T。在此实例中，患者跟踪器54、56牢固地附连到骨骼的部段。指示器跟踪器PT牢固地附连到用于将解剖结构配准到定位器坐标系LCLZ的指示器P。除了工具20之外或除了工具20以外，操纵器跟踪器52(即，跟踪器52B)可附连到操纵器14的任何合适的部件，诸如底座16或操纵器14的任何一个或多个连杆18。跟踪器52、54、56、PT可以任何合适的方式固定到它们相应的部件。例如，跟踪器可以是刚性固定的、柔性连接的(光纤)或根本不物理连接的(超声)，只要存在用于确定相应跟踪器和与其相关联的项目的关系(测量结果)的合适(补充)方式。

跟踪器中的任何一者或多者可包括有源标记器58。有源标记器58可包括发光二极管(LED)。替代地，跟踪器52、54、56可具有无源标记器，诸如反射从相机单元46发出的光的反射器。可利用未在本文具体描述的其他合适的标记器。

定位器44跟踪跟踪器52、54、56以确定跟踪器52、54、56中的每一者的状态，其分别对应于分别与其附接的对象的状态。定位器44将跟踪器52、54、56的状态提供到导航计算机36。在一个实例中，导航计算机36确定跟踪器52、54、56的状态并将其传送到操纵器计算机26。如本文所使用，对象的状态包括但不限于限定所跟踪对象的位置和/或取向的数据或所述位置和/或取向的等效项/导出项。例如，状态可以是对象的姿态，并且可包括线速度数据和/或角速度数据等。

尽管在附图中示出导航系统32的一个实例，但是导航系统32可具有适合于跟踪操纵器14和患者12的任何其他配置。在另一个实例中，导航系统32和/或定位器44是基于超声的。例如，导航系统32可包括耦接到导航计算机36的超声成像装置。所述超声成像装置对前述对象中的任一者(例如，操纵器14和患者12)进行成像，并且基于超声图像向控制器30生成状态信号。超声图像可以是2-D、3-D或两者的组合。导航计算机36可近实时地处理图像以确定对象的状态。超声成像装置可具有任何合适的配置，并且可不同于如图1所示的相机单元46。

在另一个实例中，导航系统32和/或定位器44是基于射频(RF)的。例如，导航系统32可包括耦接到导航计算机36的RF收发器。操纵器14和患者12可包括附接到其上的RF发射器或应答器。RF发射器或应答器可以是无源或有源激励的。RF收发器发射RF跟踪信号，并且基于从RF发射器接收的RF信号来向控制器30生成状态信号。导航计算机36和/或控制器30可分析所接收的RF信号以关联与其相对的状态。RF信号可具有任何合适的频率。RF收发器可定位在任何合适的位置处以有效地使用RF信号跟踪对象。此外，RF发射器或应答器可具有任何合适的结构配置，所述结构配置可与如图1所示的跟踪器52、54、56有很大不同。

在又一个实例中，导航系统32和/或定位器44是基于电磁的。例如，导航系统32可包括耦接到导航计算机36的EM收发器。操纵器14和患者12可包括附接到其上的EM部件，诸如任何合适的磁跟踪器、电磁跟踪器、感应跟踪器等。跟踪器可以是无源或有源激励的。EM收发器生成EM场，并且基于从跟踪器接收的EM信号来向控制器30生成状态信号。导航计算机36和/或控制器30可分析所接收的EM信号以关联与其相对的状态。同样，此类导航系统32实例可具有与整个附图所示的导航系统32配置不同的结构配置。

导航系统32和/或定位器44可具有未在本文具体叙述的任何其他合适的部件或结构。此外，对于本文描述的导航系统32的其他实例中的任一者，可实现或提供以上相对于在整个附图中所示的基于相机的导航系统32所描述的技术、方法和/或部件中的任一者。例如，导航系统32可仅仅利用惯性跟踪或跟踪技术的任何组合。

如图2所示，控制器30还包括一个或多个软件程序和/或软件模块。软件模块可以是在操纵器计算机26、导航计算机36或其组合上操作以处理数据从而协助控制系统10的一个或多个程序的一部分。软件程序和/或模块包括存储在操纵器计算机26、导航计算机36或其组合上的非暂时性存储器64中的计算机可读指令，所述指令要由计算机26、36的一个或多个处理器70a、70b执行。存储器64可以是任何合适配置的存储器，诸如RAM、非易失性存储器等，并且可在本地或通过远程数据库实现。另外，用于提示操作员和/或与操作员通信的软件模块可形成一个或多个程序的一部分，并且可包括存储在操纵器计算机26、导航计算机36或其组合上的存储器64中的指令。操作员可与输入装置40、42和显示器38中的任一者相互作用以与软件模块通信。用户接口软件可在与操纵器计算机26和导航计算机36分开的装置上运行。

控制器30包括操纵器控制器60，以用于处理数据从而指导操纵器14的运动。在一个实例中，如图1所示，操纵器控制器在操纵器计算机26上实现。控制器30还包括导航(或定位)控制器62，以用于将与股骨F、胫骨T和操纵器14有关的状态数据传送到操纵器控制器60。导航控制器62还被配置为处理/分析来自相机和跟踪器的测量结果以计算状态数据。此处理可在系统上的其他位置(包括相机本身内部)进行。操纵器控制器60接收并处理由导航控制器62提供的状态数据以指导操纵器14的移动。如图1所示，导航控制器62在导航计算机36上实现。控制器60和62处理实时控制和算法。

如图2所示，控制器30包括边界生成器66。边界生成器66是生成用于约束工具20的移动和/或操作的平面或非平面虚拟边界的软件程序或模块。此类虚拟边界也可称为虚拟网格、虚拟约束等。虚拟边界可相对于解剖模型(诸如3-D骨骼模型)来进行限定。解剖模型(AM)被配准到一个或多个患者跟踪器54、56，使得虚拟边界变得与解剖模型(AM)相关联。操纵器控制器60通过跟踪工具20相对于虚拟边界的状态来执行虚拟边界70。在一个实例中，测量TCP相对于虚拟边界的状态，以用于确定通过物理模拟施加到虚拟模型的触觉力。模拟的结果被命令给操纵器14。控制器30以以下方式控制/定位操纵器14：仿真物理手持件将对用户和虚拟触觉力做出响应的方式。边界生成器66可在操纵器控制器60上实现。替代地，边界生成器66可在其他部件(诸如导航控制器62)上实现。

如将在后续章节中描述的，虚拟边界使用患者特定变形技术来生成。然而，并非系统利用的所有虚拟边界必须是患者特定的。一些边界可能是植入物特定或通用的。即使对于患者特定工具路径的情况，也不必具有患者特定虚拟边界。可与本文描述的技术一起利用的用于生成患者特定工具路径的示例性技术在2018年6月15日提交的美国临时专利申请号62/685,476中有所描述，所述文献的内容以引用的方式整体并入本文。

对于植入物特定的场景，边界生成器66不必是系统10或控制器30的一部分，而是可针对每个可能的植入物大小手动离线生成边界并且用软件存储所得的边界。对于患者特定的场景，边界生成器66可以是处理用户交互的(以下所描述的)临床应用程序74的一部分，而不是控制器30或操纵器控制器60的一部分。

可选地，铣削路径生成器68是由控制器30运行的另一个软件程序或模块。在一个实例中，铣削路径生成器68由操纵器控制器60运行。铣削路径生成器68生成供工具20横越的铣削路径，诸如用于去除解剖结构的部段以接收植入物的铣削路径。应理解，术语“铣削路径”通常是指工具20在目标部位附近的用于铣削解剖结构的路径，并且不意图要求工具20在整个路径的持续时间内可操作地铣削解剖结构。例如，铣削路径可包括工具20在不执行铣削的情况下从一个位置过渡到另一个位置的部段或区段。

几何引擎72是由控制器30运行的另一个软件程序或模块。几何引擎72可以是铣削路径生成器68或边界生成器66的子集，或者可以是与其分离或涵盖它们的程序或模块。几何引擎72将在以下进行详细描述。

边界生成器66、铣削路径生成器68和几何引擎72可以是软件程序80的子集。替代地，每一者可以是以其任何组合的形式单独地和/或独立地操作的软件程序。本文使用术语“软件程序”来描述被配置为实行所描述的技术解决方案的各种能力的计算机可执行指令。为了简单起见，术语“软件程序”意图至少涵盖边界生成器66、铣削路径生成器68和/或几何引擎72中的任何一者或多者。软件程序80可在操纵器控制器60、导航控制器62或其组合上实现。

在一些实例中，虚拟边界和/或铣削路径可离线生成，而不是在操纵器计算机26或导航计算机36上生成。其后，操纵器控制器60可在运行时利用虚拟边界和/或铣削路径。

用于生成铣削路径的实例在标题为“Surgical Manipulator Capable ofControlling a Surgical Tool in Multiple Modes”的美国专利号9,119,655和2018年6月15日提交的标题为“Techniques For Patient-Specific Milling Path Generation”的美国临时专利申请号62/685,476中有所解释，所述文献的公开内容特此以引用的方式整体并入。

临床应用程序74被提供来处理用户交互。临床应用程序74处理用户交互的许多方面并且协调外科手术工作流程，包括术中或术前计划、植入物放置、配准、骨骼制备可视化以及植入物配合的术后评估等。临床应用程序74被配置为输出到显示器38。临床应用程序74可在其自己的单独处理器上运行，或者可与控制器62一起在导航计算机36上运行。在一个实例中，在用户(术前或术中)设置植入物放置之后，临床应用程序74与边界生成器66、路径生成器68和/或几何引擎72对接，然后将由路径生成器68返回的工具路径发送到控制器60以用于执行。操纵器控制器60执行工具路径。以下更详细地描述临床应用程序74，并且更具体地描述临床应用程序74所采用的图形用户接口(GUI)96。

系统10可以自主模式操作。在自主模式下，用于骨骼切除的TCP主要移动的输入是基于铣削路径。在自主模式下，操纵器14能够在没有操作员协助的情况下沿着铣削路径移动工具20。没有操作员协助可能意指不需要操作员物理接触工具20来施加力以移动工具20。相反，操作员可使用某种形式的控制来远程管理移动的开始和停止。例如，操作员可按住遥控器的按钮来开始工具20的移动，并且释放按钮来停止工具20的移动。替代地，操作员可按压按钮来开始工具20的移动，并且按压按钮来停止工具20的移动。在一些操作模式下，铣削路径自动推进TCP位置，但是用户可通过物理施加力来调整工具20的取向。在自主执行期间，边界约束可能作为工具路径中的任何问题/错误的风险缓解而保持活跃。

系统10也可在手动模式下操作。在手动模式下，用于骨骼切除的TCP主要移动的输入是基于用户施加的力/扭矩。在此，操作员手动指导工具20以及进而能量施加器24在手术部位处的移动，并且操纵器14控制所述移动。操作员物理地接触工具20以致使工具20移动。操纵器14监测操作员置于工具20上的力和扭矩，以便定位工具20。作为操纵器14的一部分的传感器(诸如力-扭矩换能器)测量这些力和扭矩。响应于所施加的力和扭矩，操纵器14以以下方式机械地移动工具20：仿真基于操作员所施加的力和扭矩而已经发生的移动。相对于由边界生成器66和/或路径生成器68生成的虚拟约束，工具20在手动模式下的移动也受到约束。

II.患者特定约束变形

本文描述了用于生成解剖模型(AM)的患者特定虚拟边界(PS-VB)的先进技术。这通过根据患者的解剖结构调整通用虚拟边界(G-VB)来实现。更具体地，用于生成患者特定虚拟边界(PS-VB)的技术包括：接近解剖模型(AM)的特征定位通用虚拟边界(G-VB)；以及通过将通用虚拟边界(G-VB)变形为适形于解剖模型(AM)的特征来生成患者特定虚拟边界(PS-VB)。解剖模型(AM)的特征可包括解剖模型(AM)的基于解剖模型(AM)与通用虚拟边界(G-VB)的相交的横截面轮廓。

本文描述的技术提供了技术解决方案，所述技术解决方案用于使用快速且针对特定患者的解剖结构而准确定制的方法而不是完全基于通用几何结构进行设计的方法来动态实现外科手术计划的术中更新。尽管所述技术主要集中于术中解决方案，但是所述技术也可用于制定初始术前计划或对初始计划进行术前调整。

患者特定虚拟边界(PS-VB)的优点可在工具操作的自主和手动模式下实现。例如，诸如2018年6月15日提交的美国临时专利申请号62/685,476(所述文献的内容以引用的方式整体并入本文)中所描述，在自主模式下，系统10可根据所生成的患者特定工具路径来约束工具20，以适形于患者特定虚拟边界(PS-VB)。在手动模式下，机器人系统命令工具20的定位仿真根据施加所感测的用户施加到工具20的力/扭矩预期的运动。力/扭矩是在考虑患者特定虚拟边界(PS-VB)的情况下建模的。工具20的经命令的定位以及因此的仿真运动受到限制，使得工具20不破坏患者特定虚拟边界(PS-VB)。

此外，如本文所使用，术语“变形”及其任何变体不限于通过用户可见的逐步计算机执行步骤实现的从一种几何形式到另一种几何形式的变化。可生成患者特定虚拟边界(PS-VB)，而无需用户可视化形成所述边界所需的步骤。此外，形成患者特定虚拟边界(PS-VB)的步骤不需要直接基于通用虚拟边界(G-VB)的实际几何结构来发生。相反，可并行生成患者特定虚拟边界(PS-VB)，而通用虚拟边界(G-VB)保留其原始形式。在生成患者特定虚拟边界(PS-VB)之后，可用其代替通用虚拟边界(G-VB)。替代地，通用虚拟边界(G-VB)可逐渐变形为患者特定虚拟边界(PS-VB)，使得通用虚拟边界(G-VB)从其原始形式逐渐改变形状。

可使用任何合适的配准技术(诸如使用指示器P触摸解剖结构、成像配准、机器视觉配准或任何其他类型的技术)来将患者特定虚拟边界(PS-VB)和解剖模型(AM)配准到物理解剖结构(A)。导航系统32可使用本文描述的任何跟踪技术或以其他方式跟踪解剖结构(A)和外科手术工具20。利用所配准的患者特定虚拟边界(PS-VB)，系统10可执行患者定制的操作以用于控制工具20。例如，系统10可约束工具20延伸超过患者特定虚拟边界(PS-VB)。

出于说明性目的，特征还描述并示出用于胫骨远端病例的部分膝关节成形术。当然，本文描述的技术可用于除了本文所示的解剖切除以外的解剖切除。

本文描述的技术中的任一种可由外科手术系统10的部件或控制器30和/或由外科手术系统10执行的软件程序80来实现。软件程序80可由临床应用程序74和/或控制器30或其任何部分来体现。通过以下描述可理解执行这些技术的计算机实现的方法的步骤。

A.几何引擎

几何引擎72被配置为计算和/或执行产生患者特定虚拟边界(PS-VB)或其任何部分所需的几何操作。到几何引擎72中的输入包括解剖体积(A)的解剖模型(AM)和通用虚拟边界(G-VB)。如下所述，通用虚拟边界(G-VB)可源自各种源。几何引擎72还被配置为将通用虚拟边界(G-VB)几何变形为患者特定虚拟边界(PS-VB)。

几何引擎72包括几何建模内核，其为3D实体建模软件部件。这种建模内核的一个实例是Parasolid。几何引擎72可输出患者特定虚拟边界(PS-VB)。可选地，路径生成器68随后可部分地基于几何引擎72的与患者特定虚拟边界(PS-VB)的生成有关的结果或输出来产生铣削路径。并非总是需要铣削路径。

输入到几何引擎72中的解剖模型(AM)可以是解剖体积(A)(例如，骨骼，诸如股骨、胫骨、髋关节等)的3D虚拟模型。解剖模型(AM)可被限定为CAD模型、开放或闭合的网格或任何其他体积图像表示。在一个实例中，骨骼模型是被转换为CAD实体模型的网格。可以任何文件格式(诸如STL(立体光刻)或VRML(虚拟现实建模语言))生成解剖模型(AM)。所述网格可源自解剖体积(A)的术前成像。成像模态可以是CT、MRT、X射线、荧光(Fluoro)、MRI等中的任何一者或多者。这些成像模态输出可通过称为分段的过程转换为解剖模型(AM)的切片。在其他实例中，解剖模型(AM)可在不成像的情况下生成。相反，可使由导航系统32跟踪的指示器触摸到解剖体积(V)的表面，以创建点云，解剖模型(AM)可源自所述点云。可使用除了本文描述的技术以外的任何技术来生成解剖模型(AM)。解剖模型(AM)可以是一个或多个表面，而不必是完整的骨骼或组织模型。此外，不需要分段来生成解剖模型(AM)。

几何引擎72被配置为使得能够加载、存储、操纵和/或创建解剖模型(AM)。几何引擎72可通过在显示器38上可视化或不可视化来这样做。几何引擎72还可在用于解剖模型(AM)的所有3D表示之间进行转换，从而提供多模态3D模型表示。

几何引擎72可计算解剖模型(AM)与其他对象(诸如通用虚拟边界(G-VB)、患者特定虚拟边界(PS-VB)、植入物模型(IM)、允许体积(AV)等)之间的相交部。

几何引擎72的另一个特征是执行平面、非平面或3D偏移操作的能力。例如，偏移操作可限定一个表面，所述表面与另一个表面间隔开预先限定的距离。偏移操作的一个输出是从解剖模型(AM)的特征偏移患者特定虚拟边界(PS-VB)，这在以下进行描述。如以下将进一步理解，几何引擎72还可执行扫掠或挤出操作以生成偏移几何结构。

此外，几何引擎72被配置为表示曲线，诸如多边形和样条曲线。此类特征的一个示例性输出是生成本文描述的相交部轮廓。此外，几何引擎72可将自由形式曲线转换和/或逼近为多边形，并且反之亦然。例如，此特征有助于促进自由形式植入物或骨骼去除体积的形成。

通过这些特征和能力，即使对于外科医生术中限定的自由形式植入物，几何引擎72实现了患者特定虚拟边界(PS-VB)的患者特定动态(术中和近实时)自主生成。从下面的描述中将理解几何引擎72的另外的能力。几何引擎72可包括除了本文具体描述的那些以外的特征和能力。

本文描述的归因于几何引擎72的任何功能通常也可归因于边界生成器66和/或路径生成器68和/或软件程序80。例如，边界生成器66可负责部分或全部生成通用虚拟边界(G-VB)和/或患者特定虚拟边界(PS-VB)。路径生成器68可能总体负责创建铣削路径的过程。边界生成器66和路径生成器68可对几何引擎72进行子调用，以在过程期间执行各种几何操作。

B.通用虚拟边界

通用虚拟边界(G-VB)是可定制的几何对象，所述对象被配置为在工具20上提供虚拟约束。通用虚拟边界(G-VB)被设计来将工具20保持在工作空间内部，或者将工具20保持在工作空间外部。在一个实例中，通用虚拟边界(G-VB)将允许工具20移动的区域与禁止工具20移动的区域分开。为此，通用虚拟边界(G-VB)包括限定虚拟边界的“壁”的一个或多个表面。以此方式，通用虚拟边界(G-VB)与其他类型的已知约束(诸如工具路径约束等)区分开。

当工具20(例如，工具20的TCP)与虚拟边界相互作用时，系统被设计来模拟反作用力以远离壁使工具20减速或推回工具20。如何利用虚拟边界来约束工具的实例在2018年6月14日提交的标题为“Robotic Surgical System And Method For Producing ReactiveForces To Implement Virtual Boundaries”的美国专利申请号16/000,498中有所描述，所述文献的公开内容以引用的方式整体并入。

通用虚拟边界(G-VB)不是患者特定而是患者通用的，并且可使用最坏情况场景参数被设计用于“理想患者”。

将通用虚拟边界(G-VB)输入到软件程序80中，并且更具体地，输入到几何引擎72和边界生成器66中。

如将描述的，通用虚拟边界(G-VB)可使用本文描述的变形技术定制。也就是说，通用虚拟边界(G-VB)可定制为患者特定虚拟边界(PS-VB)。通用虚拟边界(G-VB)可包括可变形的专用面和不可变形的其他面。在一个实例中，通用虚拟边界(G-VB)基于特定患者解剖结构(骨骼)变形为患者特定虚拟边界(PS-VB)，使得患者特定虚拟边界(PS-VB)可满足铣削要求，即，使得患者特定虚拟边界(PS-VB)的所得大小是根据解剖结构精确定制的(不太大或太小)。然而，可出于与铣削无关的目的(例如，诸如通常约束工具20移动)而生成患者特定虚拟边界(PS-VB)。

通用虚拟边界(G-VB)还可包括参考表面(E)或与参考表面(E)相关联，所述参考表面(E)设定大小或可设定大小以与整个骨骼的横截面相交。参考表面(E)可以是平面的或非平面的。参考表面(E)在以下进行描述。

如图4所示，基于解剖模型(AM)和通用虚拟边界(G-VB)的体积相交，可限定占据区域(FP)。占据区域(FP)包括在解剖模型(AM)与通用虚拟边界(G-VB)之间的一个或多个接触或匹配表面。这些接触表面可能与植入物模型(IM)相关联，或者可能不与之相关联。占据区域(FP)源自通用虚拟边界(G-VB)的几何特征。在此实例中，占据区域(FP)包括基部占据区域表面(FP-B)和相邻侧占据区域表面(FP-S)。然而，占据区域(FP)可包括下部、上部或侧接触表面的任何组合。占据区域(FP)可以是平面或非平面的，并且可根据通用虚拟边界(G-VB)的简单性而采用任何初始或复杂的形状。占据区域(FP)可由软件程序80识别，以用于根据本文描述的技术将通用虚拟边界(G-VB)变形。

几何引擎72可包括用于限定占据区域(FP)的算法。所述算法可使用插值、最小二乘逼近和/或源自植入物模型(IM)的几何结构的形状逼近来生成占据区域(FP)。因此，占据区域(FP)可以是自由形式表面或CAD建模的表面。以下描述通用虚拟边界(G-VB)的另外的实例和用途。

1.通用虚拟边界的实例

通用虚拟边界(G-VB)可以来自各种源的各种方式生成，并提供各种功能。对于本文具体描述或未具体描述的通用虚拟边界(G-VB)的任何变体，本文描述的技术能够将通用虚拟边界(G-VB)变形为患者特定虚拟边界(PS-VB)。

a.基于植入物模型的通用虚拟边界

如图3所示，通用虚拟边界(G-VB)可基于植入物模型(IM)。植入物模型(IM)是物理植入物的意图植入解剖体积(A)中的虚拟3D模型。这些模型可表示为3D CAD实体。植入物模型(IM)可以是任何外科手术植入物，诸如部分膝关节植入物(包括单间室、双间室、多间室)、全膝关节植入物、脊柱植入物、髋关节植入物等。

植入物模型(IM)可选自或以其他方式源自预先限定的植入物模型(IM)的电子目录。可沿着植入物模型(IM)限定通用虚拟边界(G-VB)，并将其与植入物模型(IM)一起定位。替代地，可从植入物模型(IM)生成通用虚拟边界(G-VB)。通用虚拟边界(G-VB)可包括对应的约束模板，所述约束模板也是于植入物特定的。

进行植入物选择，使得对应的植入物模型(IM)通用地配合到植入区域中对应的解剖模型(AM)。植入物类型和植入物大小选择由执行规程的外科医生进行和/或批准。此选择可在术前进行并在规程开始时导入，和/或使用显示器38上显示的临床应用程序74并通过使用输入装置40、42中的一者或多者在术中修改。植入物模型(IM)可存储外科手术计划的整个计划或因素。

另外或替代地，植入物模型(IM)可被限定为‘自由形式’或‘由外科医生动态绘制’。外科医生可使用导航系统32的输入装置40、42绘制、建模或调整植入物模型(IM)。特别是对于这些实例，植入物模型(IM)可能不一定表示要安装到骨骼中的物理部件，而是表示要去除的期望骨骼/组织的‘阴性结果(negative)’。对于此类非植入物实例，要去除的‘非植入物’骨骼体积/形状可能来自预先限定的数据库或目录，或由软件或供应商提供的术前计划来计算/建议。因此，‘非植入物’情况不限于自由形式或动态绘制的实例。

在其他应用中，进行骨骼/组织切除，但不一定是为了接收植入物的主要目的。对于这种情况，可用表示要去除的骨骼/组织‘阴性结果’的实体模型代替植入物模型(IM)。此实体模型可输入到几何引擎72中。因此，可通过切除目标生成通用虚拟边界(G-VB)。

几何引擎72被配置为使得能够加载、存储、操纵和/或创建植入物模型(AM)。几何引擎72可通过在显示器38上可视化或不可视化来这样做。

在几何引擎72的协助下，软件程序80被配置为计算解剖模型(AM)与植入物模型(IM)之间的几何交互。

b.手动和/或动态限定的通用虚拟边界

在另一个实例中，通用虚拟边界(G-VB)源自外科医生的输入。借助于几何引擎72的能力，可能在术中或动态生成通用虚拟边界(G-VB)。例如，外科医生可决定在术中改变术前选择的通用虚拟边界(G-VB)。外科医生还可选择多个不同通用虚拟边界(G-VB)中的一个。替代地，外科医生可通过虚拟限定和定位几何基元和形状来部分或全部手动限定通用虚拟边界(G-VB)。用于生成虚拟边界的另外的技术可像在2018年4月13日提交的标题为Surgical Systems and Methods for Facilitating Ad-Hoc Intraoperative Planningof Surgical Procedures的美国专利申请号15/952,810中描述的那些一样，所述文献的公开内容特此以引用的方式整体并入。

在任一情况下，外科医生可创建或修改任何实体以用于限定通用虚拟边界(G-VB)。例如，外科医生可使用导航系统32的输入装置40、42来限定用于限定通用虚拟边界(G-VB)的参数或标志。例如，外科医生可使用输入装置40、42部分或完全地徒手限定通用虚拟边界(G-VB)。另外或替代地，指示器P可用于选择或追踪要去除的骨骼/组织区域的边界。软件程序80可访问来自导航系统32的导航数据，并且几何引擎72可分析所述数据并合成通用虚拟边界(G-VB)。无论通用虚拟边界(G-VB)是否基于植入物模型(IM)，都可利用此类技术。

另外或替代地，可使用任何预先限定的实体、初始体积或本文未描述的任何数学描述的表面或体积来限定通用虚拟边界(G-VB)。

可基于外科医生的偏好以包括植入物与制备表面之间的一定干涉或间隙距离来限定通用虚拟边界(G-VB)。

在其他实例中，可自动限定通用虚拟边界(G-VB)。例如，诸如在美国专利申请公布号20150080717A1(所述文献的公开内容以引用的方式整体并入)中所描述，可基于患者解剖参数(例如，骨密度和/或弹性模量)来定制干涉配合，以实现一致有效的干涉配合。

c.由允许体积或通过允许体积限定的通用虚拟边界

根据一个实例，如图5所示，通用虚拟边界(G-VB)至少部分地源自允许体积(AV)、基于允许体积(AV)或与允许体积(AV)相关联。允许体积(AV)至少部分地与解剖体积(A)相交。通常，允许体积(AV)是通用体积。

允许体积(AV)是可能允许铣削的区域。允许体积(AV)是(通常体积小于但最大限度等于)允许工具20移动的区域的子集。允许体积(AV)可能比允许工具20移动的区域更具限制性。为了铣削，工具20必须能够移动。然而，为了移动，工具20不需要能够铣削。工具20能够移动的限制较小的区域对于允许用户在规程期间将工具20移入和移出外科手术部位(例如，将工具20移开以便清理软组织、施加吸力、检查解剖结构等)很重要。

在一些情况下，就工具20在铣削期间的移动而言，可将通用虚拟边界(G-VB)或允许体积(AV)理解为“允许型(keep in)”体积。虚拟边界通常是“禁止型(keep out)”边界。允许型和/或禁止型虚拟边界的任何组合可与允许型允许体积(AV)混合，因为允许体积(AV)部分用于自主铣削路径生成。

允许体积(AV)可与被设计用于插入解剖体积(A)中的植入物模型(IM)相关联。在一些实例中，电子目录中的每个植入物模型(IM)可包括对应的且定制的允许体积(AV)。

对于植入物特定虚拟边界情况，可针对每个植入物大小将允许体积(AV)离线(手动)限定为CAD模型的一部分。允许体积(AV)可以是系统10的输入数据，其由临床应用程序74使用并在运行时传递到几何引擎72中。允许体积(AV)也可在术中或动态生成。

如图5所示，允许体积(AV)还包括工具接近体积(TAV)。工具接近体积(TAV)可与通用虚拟边界(G-VB)无缝地集成，并且被配置为将工具20引导到解剖体积(A)。工具接近体积(TAV)可以是任何合适的几何结构，诸如接近漏斗、锥体、气泡、半球、棱柱等。工具接近体积(TAV)入口将用户引导到通用虚拟边界(G-VB)的区域中。这样做的原因在于，工具接近体积(TAV)和允许体积(AV)部分用于限定用户无法以手动模式穿过的虚拟边界，同时它们将工具20导引到外科手术部位中。如果用户点击工具接近体积(TAV)的入口，则使工具20从虚拟边界平滑地偏转，并朝向外科手术部位引导工具20。一旦在工具接近体积(TAV)或允许体积(AV)内部，用户就可启动能量施加器并启用自主铣削。

除了本文描述的那些以外的通用虚拟边界(G-VB)的实例已充分设想，并且可受本文描述的患者特定变形技术影响。

C.患者特定虚拟边界

参考图6至图12，此章节描述进一步使得能够将通用虚拟边界(G-VB)变形为解剖模型(AM)的表面特征以生成患者特定虚拟边界(PS-VB)的细节。

可根据除了本文具体描述的技术以外的技术来执行变形。此外，本文的实例集中于将胫骨的通用虚拟边界(G-VB)变形作为解剖体积(A)。当然，通用虚拟边界(G-VB)可针对任何解剖体积(A)进行变形。

系统10、控制器30、软件程序80和几何引擎72可单独或组合实行各种计算机实现的函数，以用于准备和执行变形，包括但不限于用于以下项的函数：将网格转换为CAD实体，或者反之亦然；相交和减去曲线、表面、薄板和实体；样条拟合以将多边形转换为样条曲线；映射以限定原始边缘和面与变形边缘和面之间的关系；样条表面创建；代替面的表面；沿着曲线扫掠；生成偏移；线性挤出；缝合或合并面；等等。这些各种函数将在本文描述的上下文中加以理解。而且，可以除了本文描述的次序以外的任何合适的次序来实行本文描述的步骤。

最初，可能需要将解剖模型(AM)的网格转换为CAD实体模型，以与变形处理兼容。可离线执行此步骤，并且根据解剖模型(AM)的输入源，可能不需要此步骤。

根据所描述的任何方式，通用虚拟边界(G-VB)由系统10提供。在图4的实例中，通用虚拟边界(G-VB)与植入物模型(IM)相关联、基于植入物模型(IM)或以其他方式源自植入物模型(IM)，并且被定位用于多间室胫骨远端切除。参考图4，用于此特定胫骨应用的通用虚拟边界(G-VB)包括基部(B)和邻接侧表面(S)。在此实例中，基部(B)是平面的。基部(B)具有周边(P)，并且侧表面(S)被布置成横向于基部(B)，并且更具体地，正交于基部(B)并沿着基部周边(P)。通用虚拟边界(G-VB)还可包括与基部(B)相对的顶部表面(Ts)。当然，根据场景，通用虚拟边界(G-VB)可具有除了图4所示以外的任何几何形状。通用虚拟边界(G-VB)的表面可以是平面或弯曲的。通用虚拟边界(G-VB)还可包括任何数量的层，并且可以是开放或闭合的几何形状。

这些表面、周边或边缘或通用虚拟边界(G-VB)的其他几何特征中的任一者都被配置为将要变形。另外，可能存在通用虚拟边界(G-VB)的不可变形的特征。

通用虚拟边界(G-VB)定位成接近解剖模型(AM)。可使用在系统10的显示器38中的任一个上显示的GUI 96来执行或可视化通用虚拟边界(G-VB)的定位。用户可手动将通用虚拟边界(G-VB)定位成接近解剖模型(AM)。来自输入装置40、42中的任一者的输入可用于促进这种定位。替代地，软件程序80可自动地将通用虚拟边界(G-VB)定位成接近解剖模型(AM)。程序80可基于预设参数或距离利用最佳适应算法或通用虚拟边界(G-VB)的默认位置。

在一个实例中，定位通用虚拟边界(G-VB)在术前(即，根据术前计划)发生。替代地且有利地，定位通用虚拟边界(G-VB)可在术中发生。如果外科医生对术前计划不满意，或者如果出现未预见到的情况，则外科医生可在术中对定位通用虚拟边界(G-VB)进行自由更新。通过使用本文描述的技术，系统可动态执行前述变形，而无需显著延迟计算时间。可在术中迅速生成经更新的患者特定计划，包括经更新的虚拟边界以及可选地切除体积和铣削路径。

参考图6，实行患者特定函数，其中解剖模型(AM)与参考表面(E)相交，所述参考表面(E)设定大小或可设定大小以与部分或整体涵盖解剖模型(AM)的周边的横截面相交。参考表面(E)的大小可以是有限或无限的。在此实例中，参考表面(E)是平面的，但也可以是非平面的、自由形式的表面或者可包括若干平面的条带。在此实例中，参考表面(E)涵盖通用虚拟边界(G-VB)的基部(B)以及彼此共面的基部占据区域(FP)表面。

对于此实例，参考表面(E)与解剖模型(AM)之间的此相交的结果是相交轮廓(IC)，此相交轮廓是闭合的几何结构。然而，根据应用程序、参考表面(E)和解剖模型(AM)，相交轮廓(IC)可能是开放的几何结构。在此，相交轮廓(IC)是由参考表面(E)平面切开的解剖模型(AM)的横截面周边。相交轮廓(IC)是患者特定的，因为其几何结构具体源自患者的解剖模型(AM)。除了使用参考平面(E)以外，可使用技术限定相交轮廓(IC)。例如，可基于一个或多个表面通用虚拟边界(G-VB)与解剖模型(AM)的相交来限定相交轮廓(IC)。在图4中，例如，通用虚拟边界(G-VB)的基部表面(B)可用于识别相交轮廓(IC)。

相交轮廓(IC)整体或部分用于限定患者特定虚拟边界(PS-VB)的基本参数。在本文描述的实例中，仅考虑相交轮廓(IC)的与通用虚拟边界(G-VB)重叠的部分。具体地，仅对于相交轮廓(IC)的需要患者特定变形以防止工具20接触解剖结构的相邻软组织区域的那些部分，考虑将相交轮廓(IC)变形。替代地，可考虑整个相交轮廓(IC)。几何引擎72可将相交轮廓(IC)限定为折线或样条曲线。在一个实例中，相交轮廓(IC)是平面多边形，其由平面(最小二乘)拟合样条逼近。

相交轮廓(IC)与参考表面(E)重合。根据一种技术，通过使用参考表面(E)创建相交轮廓(IC)。在一个实例中，可通过相交部从参考表面(E)几何修剪相交轮廓(IC)。几何引擎72(例如)可修剪参考表面(E)在相交轮廓(IC)外部的区域，同时保留相交轮廓(IC)内的区域。参考表面(E)的修剪可在沿着正交于参考表面(E)的修剪(部段)平面(TP)的方向上。几何引擎72可用于确定参考表面(E)的在相交轮廓(IC)内部的部分(TS)。此部分是修剪表面(TS)，也可理解为由相交轮廓(IC)界定并与参考表面(E)重合的面。如将在以下进行描述，系统10可利用参考表面(E)的修剪掉的区域来稍后提供用于虚拟地限定针对患者特定虚拟边界(PS-VB)的偏移的几何基础。

尽管上面将修剪描述为限定和扩展表面的一种方式，但是系统10可利用任何其他计算机实现的技术来限定和扩展表面。例如，可使用几何函数在平面方向上将相交轮廓(IC)和对应的表面从其原始几何结构进行更改。而且，尽管上面描述了参考表面(E)，但是可存在各种方式来提供类似结果。

在此，通用虚拟边界(G-VB)的侧表面(S)和基部(B)表面被配置为进行变形。如本文所使用，侧表面(S)可以是一个表面或为许多单个侧表面的集合的侧表面区域。所述表面可以是相同或不同类型。这样，侧表面(S)可替代地称为侧表面区域。通用虚拟边界(G-VB)的侧表面(S)沿着其设置的周边(P)也被配置为进行变形。随后的描述集中于侧表面(S)，因为与侧表面(S)相关联的虚拟边界对针对上嵌植入物铣削胫骨具有的影响很重要。也就是说，如果侧表面(S)并非是真正患者特定的，则在胫骨的周边边缘处可能存在切割不足或过度切割。值得注意的是，以下这些技术可用于将通用虚拟边界(G-VB)的任何其他表面变形，并且描述不仅仅限于侧表面。

以下章节描述患者特定虚拟(PS-VB)的变体，所述变体建立于上面描述的患者特定变形技术的基本特征。这些变体是非偏移患者特定虚拟(PS-VB)和偏移患者特定虚拟(PS-VB’)。

1.患者特定虚拟边界的非偏移版本

此章节描述患者特定虚拟边界(PS-VB)变形为解剖模型(AM)但不偏移的实例。

参考图7，软件程序80利用来自图6的相交轮廓(IC)。鉴于相交轮廓(IC)，为了识别将通用虚拟边界(G-VB)变形的方式，软件程序80收集候选可变形面(F)。更具体地，对于此实例，侧表面(S)被分解成多个候选可变形侧面(F)。替代地，侧表面(S)被分解成多个候选可变形侧表面，而不是面。如本文所使用，面是表面的有界部分。面可由环路界定，其中每个环路是闭合的有序边缘组。正常地，每个面是表面的子集。然而，对于本文的任何使用，可互换术语面和表面。

软件程序80识别侧表面(S)与解剖模型(AM)之间的几何关系。在所描述的实例中，软件程序80利用平面方法通过相对于侧表面(S)边缘分析相交轮廓(IC)来确定可变形边缘和不可变形边缘。然而，软件程序80可利用3D方法，其中软件程序80通过相对于侧表面(S)分析解剖模型(AM)体积来确定可变形表面面积和不可变形表面面积。

对于胫骨实例，软件程序80可识别侧表面(S)与修剪的表面/面(TS)之间的几何关系，以用于确定限定可变形侧面(F)的方式。

此确定可以各种方式进行。在一个实例中，软件程序80识别侧表面(S)的边缘，所述边缘与修剪的表面/面(TS)不相交或不共面。软件程序80可相对于正交于侧表面(S)的平面(诸如参考表面(E))进行此确定。在此实例中，侧表面(S)的顶部边缘(TE)与修剪的表面/面(TS)不共面。软件程序80还可评估边缘到切除解剖模型(AM)的距离，以确定是否应将边缘变形。

每个顶部边缘(TE)可用于描绘潜在的可变形面(F)。在此实例中，顶部边缘(TE)将不变形，因为它们在解剖模型(AM)上，并且因此与其相关联的虚拟边界将不影响铣削。可能存在任何数量的顶部边缘(TE)。顶部边缘(TE)可被分为任何数量的子边缘。

每个顶部边缘(TE)具有对应的底部边缘(BE)。为了简化起见，在此实例中，我们假设每个可变形面(F)仅具有一个顶部边缘(TE)和一个对应的底部边缘(BE)。然而，每个可变形面(F)可具有多于一个的顶部边缘(TE)和底部边缘(BE)。底部边缘(BE)和对应的顶部边缘(TE)具有相同的长度，但是，它们可具有不同的长度。

几何引擎72可将侧表面(S)分解成任何数量的可变形侧面(F)。在此实例中，限定四个可变形侧面(F1-F4)，每个侧面具有对应的顶部边缘(TE1-TE4)和底部边缘(BE1-BE4)。侧面(F5)不是可变形而是固定的，其原因将在以下显而易见。

软件程序80可限定任何数量的可变形面(F)，并且可以任何合适的方式并基于任何适当的考虑(诸如相交轮廓(IC)的几何结构、通用虚拟边界(G-VB)的几何结构、计算时间和效率、成本函数等)进行限定。

在一个实例中，可将侧表面(S)或任何可变形侧面(F)分开，其中在修剪的表面/面(TS)与侧表面(S)之间存在相交点。例如，在图6的顶点(V3)处，相交轮廓(IC)与侧表面(S)相交。可生成穿过此相交点并在此点处正交于边缘切线的平面，以描绘侧面(F3)和(F4)及其相应的边缘。在此实例中，顶点(V3)是患者特定虚拟边界(PS-VB)的最后一个可变形面(F4)的左下顶点，并提供患者特定虚拟边界(PS-VB)的可变形部分与不可变形部分之间的过渡。然而，可变形部分与不可变形部分之间的过渡可基于任何其他几何条件来描绘。此类过渡在以下进一步描述。

在此实例中，底部边缘(BE)将变形为相交轮廓(IC)，因为这些底部边缘(BE)接近骨骼边界或可能与骨骼边界碰撞，并且因此与其相关联的虚拟边界将影响铣削。这些边缘称为可变形边缘。一旦限定可变形边缘，则一个或多个顶点(V)就限定在每个可变形边缘的起点和终点处。在此，可变形边缘是表示有界的一段单个曲线的几何特征。顶点(V)可被布置为有序列表，其中底部边缘(BE1)限定在顶点(V0)与(V1)之间，底部边缘(BE2)限定在顶点(V1)与(V2)之间，并且依此类推。可基于可变形边缘的数量限定任何数量的顶点(V)。此外，尽管在此实例中底部边缘(BE)是可变形的，但是可将任何其他边缘变形。

参考图8，提供图7的自顶至下视图，其示出可变形底部边缘(BE1-BE4)与相交轮廓(IC)之间的平面几何关系。使用限定的顶点(V)，通过软件程序80执行患者特定映射函数，以限定通用虚拟边界(G-VB)与解剖模型(AM)之间的关系。更具体地，对于胫骨实例，软件程序80映射对应的侧面(F)的底部边缘(BE)与相交轮廓(IC)之间的关系，促进生成患者特定虚拟边界(PS-VB)的变形面或表面。

通用虚拟边界(G-VB)上的顶点(V)被映射到相交轮廓(IC)。对于每个顶点(V)，程序80在(V)处限定其对应的/相关的底部边缘(BE)的法向平面。程序80识别法向平面和相交轮廓(IC)的最接近的相交点。这些相交点称为变形顶点(MV)。在一个实例中，底部边缘(BE)在其顶点(V)在被映射时产生两个对应的变形顶点(MV)时是完全可变形的。例如，(BE1)的顶点(V0和V1)产生两个变形顶点(MV0)和(MV1)，(BE2)的顶点(V1和V2)产生两个变形顶点(MV1)和(MV2)，并且依此类推。为此，底部边缘(BE1-BE4)是各自可变形的，因为它们相应的顶点(V)产生两个对应的变形顶点(MV)。然而，在图7和图8中，底部边缘(BE5)是不可变形的或者仅可通过软件程序80部分变形。主要地，尽管顶点(V4)在被映射时产生一个变形顶点(MV4)，但是将不存在其他变形顶点(例如，MV5)。换句话说，从底部边缘(BE5)的另一个端部垂直于底部边缘(BE5)的平面将不与相交轮廓(IC)相交。如将在以下进行描述，此类边缘可提供变形面或表面与非变形面或表面之间的过渡。

同样，尽管已经在2D上下文(即，在侧表面(S)的底部边缘(BE)与相交轮廓(IC)之间)中解释此映射函数，但是软件程序80可利用任何3D映射，诸如将侧表面(S)上的点、线或区域映射到解剖模型(AM)的表面等。

此外，上面的实例是确定通用虚拟边界(G-VB)的几何结构是否应当可变形的一种方式。充分设想用于进行此操作的其他实例，诸如将解剖模型(AM)的轮廓或表面投影到通用虚拟边界(G-VB)的轮廓或表面上等。

重新参考图8，变形顶点(MV)用于限定与相交轮廓(CV)重合的可变形区段(C)。每个区段(C)是沿着相交轮廓(IC)的受两个相邻的变形顶点(MV)约束的曲线。在图8的实例中，区段(C1)受变形顶点(MV0)和(MV1)约束，区段(C2)受变形顶点(MV1)和(MV2)约束，并且依此类推。在图8中，此过程的结果是四个可变形区段(C1)-(C4)。每个区段(C1)-(C4)通过映射函数源自对应的底部边缘(BE1)-(BE4)。这些区段(C1)-(C4)匹配相交轮廓并代替底部边缘(BE1)-(BE4)。

值得注意的是，在此实例中不存在可变形区段(例如，C5)，因为不存在变形顶点(MV5)来这样约束。此类区段将实现通用虚拟边界(G-VB)的可变形部分与不可变形部分之间的过渡。

参考图9，几乎形成患者特定虚拟边界(PS-VB)。可变形区段(C1)-(C4)被限定为新的底部边缘。顶部边缘(TE)保持其原始通用形式。换句话说，新的底部边缘变形，而顶部边缘(TE)是固定的。

根据此配置，在底部处的可变形区段(C)与顶部处的顶部边缘(TE)之间限定直纹表面(RS)。直纹表面是表面S(t,u)＝(1–u)p(t)+uq(t)，其中0<＝u<＝1并且p(t)和q(t)是具有相同的参数域的两条3D曲线。可将直纹表面理解为由呈参数形式的移动线扫掠的一组点。在此实例中，p(t)是直纹表面的底部区段(C)，并且q(t)是直纹表面的顶部边缘(TE)。

直纹表面(RS)的顶部边缘(TE)是通用的，因为直纹表面(RS)延伸超过解剖模型(AM)的最高部分(AM-T)，并且因此无需将这些顶部边缘(TE)变形。底部区段(C)变形是因为直纹表面(RS)的底部边缘降至低于解剖模型(AM)的最高部分(AM-T)。刻线函数(rulingfunction)在这两个边缘之间创建表面。

在一个实例中，直纹表面的创建考虑解剖模型(AM)的3D形状，而不仅是解剖模型(AM)的相交轮廓(IC)。例如，在区段(C)与解剖模型(AM)的最高部分(AM-T)之间的区域中，直纹表面(RS)的部分轮廓化来适形于解剖模型(AM)的轮廓化的侧表面。在解剖模型(AM)的最高部分(AM-T)与顶部边缘(TE)之间的区域中，直纹表面(RS)可过渡到通用形式，即，未轮廓化来匹配解剖模型(AM)的轮廓化的侧表面。

在图9中，示出所得的直纹表面(RS1)-(RS4)，其中(RS4)是最后一个变形直纹表面，其对(现为)患者特定虚拟边界(PS-VB)的变形部分和非变形部分进行过渡。在图9中，在右侧与(RS4)相邻的表面是到非变形区域的过渡表面。此类过渡表面将在以下进行描述。

可在相邻的非变形顶点(NVM)之间分别限定与直纹表面(RS1-RS4)相关联的每个顶部边缘(TE1-TE4)。具体地，在图9中，在(NMV0)与(NVM1)之间限定(TE1)，在(NMV1)与(NVM2)之间限定(TE2)，并且依此类推。这些顶点(NVM)是“非变形的”，因为它们限定在原始顶部边缘(TE)上，所述原始顶部边缘(TE)在此实例中不变形。

上面描述的直纹表面(RS)代替原始的可变形侧面(F)。这种代替可在上面描述的操作结束时进行，或者可渐进地完成。为了执行此代替，几何引擎72可使用任何合适的函数(诸如Parasolid LOPS函数)来代替面。可使用几何引擎72将直纹表面(RS)转换为等效的样条表面。

可使用程序80将直纹表面(RS)合并在一起。这可通过几何引擎72将所有区段(C1)-(C4)连接在一起来完成。这些区段(C1)-(C4)的共同基础曲线是相交轮廓(IC)或其一部分，并且这些区段(C1)-(C4)的连接是平滑的自由形式曲线。通过此区段连接确定修剪的相交轮廓(TIC)。修剪的相交轮廓(TIC)之所以如此命名，是因为它是原始相交轮廓(IC)的修剪部分。此类合并操作还可考虑任何过渡面(T)，这在以下进行详细描述。

值得注意的是，图9所示的患者特定虚拟边界(PS-VB)的部分包括来自通用虚拟边界(G-VB)的原始(非变形的)几何结构。然而，虚拟边界(PS-VB)仍然是患者特定的。本文描述的技术不需要将通用虚拟边界(G-VB)的所有几何结构变形。相反，变形的几何结构可以是对由手术工具20切除的骨骼的实际体积具有有形影响的几何结构。通用虚拟边界(G-VB)的不重要的部分可保持原始形式。直纹表面(RS)也与来自通用虚拟边界(G-VB)的这些原始部分合并。可在执行所有表面合并之后限定患者特定虚拟边界(PS-VB)。

显然，与图4所示的通用虚拟边界(G-VB)相比，图9所示的患者特定虚拟边界(PS-VB)已适形于胫骨的外边缘/周边。使用患者特定虚拟边界(PS-VB)，适当约束随后的铣削，使得可保留周围的软组织。

上面描述的实例主要集中于变形来说明胫骨病例。由于胫骨病例的实际情况(其中相对于胫骨的暴露上表面通常需要约束)，因此通用虚拟边界(G-VB)相对于胫骨的解剖模型(AM)的最高部分(AM-T)进行放置。因此，基于此关系，上面描述的技术主要集中于将通用虚拟边界(G-VB)的底部部分(例如，底部边缘(BE)和基部(B))变形。

然而，根据具体应用，本文描述的技术可比此实例更广泛地应用。因此，可将通用虚拟边界(G-VB)的任何一个或多个部分变形。同样，可基于使解剖模型(AM)与通用虚拟边界(G-VB)的除基部(B)之外的任何部分相交而计算解剖模型(AM)的横截面轮廓(IC)。

例如，如果通用虚拟边界(G-VB)定位在解剖模型(AM)的最低部分之下(即，从下方定位)，则可基于使解剖模型(AM)与通用虚拟边界(G-VB)的顶部表面(Ts)相交来计算解剖模型(AM)的横截面轮廓(IC)。然后，可将顶部边缘(TE)变形，而底部边缘(BE)可保持通用。在另一个实例中，通用虚拟边界(G-VB)相对于从解剖模型(AM)的侧面突出的特征进行定位，使得突出的特征专门定位在底部边缘(BE)与顶部边缘(TE)之间(不延伸穿过两者)。在此实例中，可基于将解剖模型(AM)与通用虚拟边界(G-VB)的侧面(S)相交来计算解剖模型(AM)的横截面轮廓(IC)。然后，通用虚拟边界(G-VB)的底部边缘(BE)和顶部边缘(TE)可保持通用，同时将侧面(S)的层变形。在又一个实例中，通用虚拟边界(G-VB)可包括整体在基部(B)下方延伸以引导植入物的对准柱的铣削的体积。此体积可能是通用虚拟边界(G-VB)的最底部分，并且保持通用或植入物特定的。然而，在这种情况下不是通用虚拟边界(G-VB)的最底部分的基部(B)变形为解剖模型(AM)的横截面轮廓(IC)。在其他情况下，可放置通用虚拟边界(G-VB)，这样通用虚拟边界(G-VB)的基部(B)和顶部表面(Ts)与解剖模型(AM)相交。在此，可能存在两个相交轮廓(IC)，即一个基于解剖模型(AM)与顶部表面(Ts)的一个相交部，并且另一个基于解剖模型(AM)与基部(B)的一个相交部。因此，可将底部边缘(BE)和顶部边缘(TE)两者变形。

本文描述的相对性术语(诸如上部、下部、顶部、底部、侧面等)相对于附图中所绘制的元件的取向来取向。提供此类相对性术语是为了简化描述，并且不意图限制描述的能力、功能或元素。实际上，本文描述的技术可用于以任何方式取向的几何元件。

2.患者特定虚拟边界的偏移版本

在上面的实例中，通过将通用虚拟边界(G-VB)的部分变形为适形于部分由相交轮廓(IC)限定的解剖模型(A)的表面特征，设计患者特定虚拟边界(PS-VB)。

参考图10至图12，可将患者特定虚拟边界(PS-VB)进一步设计为具有一个或多个表面，所述表面与解剖模型(AM)的表面特征间隔开偏移距离，从而产生偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)。

将来自患者特定虚拟边界(PS-VB)的非偏移版本的几何对象中的一些对象用于产生偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)。因此，如此章节中所描述，上面相对于患者特定虚拟边界(PS-VB)的任何方面的任何描述可完全且等同地应用于偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)。

在一个实例中，偏移距离考虑外科手术工具20的几何特征或者被专门设计成适应外科手术工具20的几何特征。手术工具20的几何特征可包括工具20的切割部分的形状、工具20的运动范围或工具20的执行切割的其他部分(例如，轴或手柄)。例如，当工具20包括球形骨钻25时，偏移距离可以是球形骨钻25的半径。此类偏移可协助确保根据偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)铣削解剖体积(A)产生的结果考虑到工具20的实际铣削性质，使得精确地切除正确量的体积。在其他实例中，偏移距离可基于可配置的默认值，例如距骨骼边缘1mm等。

为了生成偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)，根据一个实例，系统10、软件程序80和几何引擎72可执行以下步骤。

在图9中，区段(C1)-(C4)(相交轮廓(IC)的一部分)被连接以限定修剪的相交轮廓(TIC)，其是修剪的表面/面(TS)的部分廓线。患者特定虚拟边界(PS-VB)尚未偏移。

在图10中，修剪的相交轮廓(TIC)(来自图9)被偏移以产生偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)。此偏移可以是相交轮廓(IC)的对应的平面内的平面偏移。可通过扩大修剪的相交轮廓(TIC)或回缩修剪的相交轮廓(TIC)来偏移修剪的相交轮廓(TIC)。此外，修剪的相交轮廓(TIC)可在任何合适的方向上并且根据任何合适的技术(诸如平面偏移等)进行偏移。

如上所述，可通过参考表面(E)限定修剪的表面/面(TS)。此外，相交轮廓(IC)和修剪的相交轮廓(TIC)可以是修剪的表面/面(TS)的组成部分。因此，系统10可利用参考表面(E)的修剪掉的区域来提供几何基础，以虚拟地延伸修剪的相交轮廓(TIC)以限定偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)。换句话说，相交轮廓(IC)可在参考表面(E)的平面内延伸。替代地，可使用其他技术来限定相交轮廓(IC)。

对于胫骨应用，修剪的相交轮廓(TIC)和偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)是平面的，并且与占据区域(FP)平面重合。主要地，在此实例中，修剪的相交轮廓(TIC)和偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)一般源自相同的可延伸平面表面(E)。然而，根据许多因素(诸如解剖体积(AV)的轮廓、参考表面(E)的形状、偏移的性质等)，这些轮廓可以是非共面的。此外，偏移不需要参考表面(E)，而是可通过其他几何操作来执行。

为了产生偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)的几何结构，在此实例中限定两个线段(L1)、(L2)。线段(L1)限定在修剪的相交轮廓(TIC)与偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)之间。线段(L1)与占据区域(FP)平面重合，并且线段(L1)的长度等于偏移距离(d)。在此实例中，偏移距离(d)被设置为骨钻25的半径。因此，偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)从修剪的相交轮廓(TIC)偏移骨钻25的半径。偏移距离(d)可被设置为与工具20有关的其他值，或者以其他方式进行设置。

线段(L2)限定与偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)对准的表面的高度。线段(L2)正交于占据区域(FP)平面，并在(L1)的端点处开始，从而在(L1)与(L2)之间形成L形。线段(L2)限定高度(h)。在此实例中，高度(h)是骨钻25的半径的两倍。高度(h)可被设置为与半径有关或与半径无关的其他值。

上面的实例描述了使用正交线段来生成偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)。然而，根据偏移的性质，除其他因素外，可利用除了正交线段以外的几何结构来生成偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)。例如，可利用非正交线段、平行区段、弯曲区段等来完成偏移。此外，偏移不必限于上面描述的(d)和(h)的方向，并且可在任何合适的方向上进行。

通过线段(L1)和(L2)，生成对应的表面以形成偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)。具体地，分别通过线段(L1)和(L2)生成偏移表面(OS1)和(OS2)。在此实例中，表面(OS1)和(OS2)彼此正交，因为线段(L1)和(L2)是正交的。线段(L1)与偏移表面(OS1)重合，并且线段(L2)与偏移表面(OS2)重合。这两个偏移表面(OS)是患者特定且变形的，因为它们源自基础相交轮廓(IC)，所述基础相交轮廓(IC)直接源自解剖模型(AM)几何结构。偏移表面(OS)可替代地被限定为偏移面。此外，术语“偏移表面”不需要使表面偏移。相反，如将在以下进行描述的，可使曲线偏移，并且可基于偏移曲线生成偏移表面(OS)。

在此，偏移表面(OS1)形成偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)的底部表面的一部分。偏移表面(OS1)限定在修剪的相交轮廓(TIC)与偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)之间，并且具有偏移距离(d)的宽度。偏移表面(OS1)将代替或延伸来自图9的修剪的表面/面(TS)。

偏移表面(OS2)形成偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)的侧表面的一部分。偏移表面(OS2)限定在偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)与顶部边缘(O-TE)之间，并且具有高度(h)。偏移表面(OS2)将代替图9中合并在一起的直纹表面(RS1)-(RS4)。

为了创建这些偏移表面(OS)，几何引擎72被配置为沿着曲线扫掠平面轮廓(planar profile)。更具体地，在此实例中，沿着修剪的相交轮廓(TIC)对图10所示的由区段(L1)和(L2)形成的平面轮廓L形进行扫掠。平面轮廓L形和相对于相交轮廓(TIC)的取向在扫掠过程中不改变。

几何引擎72可沿着任何路径扫掠任何形状的轮廓以形成偏移表面(OS)。扫掠可以是平移或旋转的，并且可包括一个或多个扫掠表面。轮廓可在扫掠过程中改变形状。此外，可沿着除了修剪的相交轮廓(TIC)以外的曲线(诸如沿着偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)等)进行扫掠。

作为扫掠的替代方式，几何引擎72可通过挤出几何结构(诸如挤出偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)达任何适当的长度(诸如半径的两倍))来生成偏移表面(OS)。

上述过程的结果是偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)的一部分，包括患者特定和偏移表面(OS1)和(OS2)。

在此阶段，偏移表面(OS)可与来自图9的患者特定虚拟边界(PS-VB)的非偏移版本的几何对象集成。在此实例中，偏移表面(OS2)的顶部边缘(O-TE)低于图9中患者特定虚拟边界(PS-VB)的侧表面的一个或多个顶部边缘(TE)。此外，偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)变形，而顶部边缘(TE)是固定的并保持其通用形式。

现在参考图11，由几何引擎72辅助的系统10被配置为生成另外的表面以将偏移表面(OS2)连接到原始顶部边缘(TE)(来自图9)，从而进一步限定偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)。

在一个实例中，图9的原始顶部边缘(TE)上的非变形顶点(NMV)被映射到第二偏移表面(OS2)的顶部边缘(O-TE)。这种映射可(例如)通过将每个非变形顶点(NMV)正交投影到第二表面(OS2)的顶部边缘(O-TE)上来执行。此映射的结果可在偏移表面(OS2)的顶部边缘(O-TE)上限定偏移顶点(OV’)。在相邻的偏移顶点(OV’)之间，可在偏移表面(OS2)的顶部边缘(O-TE)上限定一组偏移区段(C”)。由此，几何引擎72建立直纹表面(RS’)，以在原始顶部边缘(TE)与偏移表面(OS2)的顶部边缘(O-TE)之间过渡。更具体地，在此实例中，(RS1’)限定在(TE1)与(C1”)之间，(RS2’)限定在(TE2)与(C2”)之间，并且依此类推。

在另一个实例中，可利用来自图9的修剪的相交轮廓(TIC)的区段(C)。对于每个弯曲区段(C1)-(C4)，几何引擎72确定偏移表面(OS2)上的对应的偏移区段(C’)。如图所示，在偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)上限定第一组偏移区段(C’)，并且在偏移表面(OS2)的顶部边缘(O-TE)上限定第二组偏移线区段(C”)。偏移区段(C’)与弯曲区段(C)是平面的，并且偏移区段(C”)正交于或者更具体地平行于(C)和(C’)两者。区段(C)、(C’)和(C”)都是患者特定的，因为它们已经基于修剪的相交轮廓(TIC)的几何结构来进行变形。

值得注意的是，几何引擎72可能不必确定偏移区段(C’)和(C”)两者，因为这些区段都驻留在偏移表面(OS2)上，并且因此存在一定程度的冗余。然而，出于说明性目的，以下描述偏移区段(C’)和(C”)两者。

可使用几何引擎72采用的任何合适的技术来确定偏移区段(C’)和(C”)，诸如参考图8所描述的映射函数。例如，可将偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)上的一组偏移顶点(OV)映射到修剪的相交轮廓(TIC)上的变形顶点(MV)。类似地，可将偏移表面(OS2)的顶部边缘(O-TE)上的偏移顶点(OV’)映射到偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)上的偏移顶点(OV)。在此实例中，从变形顶点(MV0-MV4)映射偏移顶点(OV0-OV4)和(OV0’-OV4’)。执行此映射的一个实例可包括：通过限定正交于修剪的相交轮廓且与顶点(MV)重合的平面，并且将偏移顶点(OV)确定为平面与偏移曲线(O-TIC)的相交点，将每个点(MV)分配(或映射)到偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)上的对应的点/顶点(OV)。类似地，可通过从(OV)到(OV’)的映射来产生顶部边缘(O-TE)上的偏移顶点(OV’)。

在相邻的偏移顶点(OV0-OV4)之间，几何引擎72沿着偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)生成偏移区段(C1’-C4’)。在相邻的偏移顶点(OV0’-OV4’)之间，几何引擎72沿着偏移表面(OS2)的顶部边缘(O-TE)生成偏移区段(C1”-C4”)。

通过偏移区段(C1”-C4”)，可执行另一种映射以获得原始顶部边缘(TE)处的对应的区段。在此，原始顶部边缘(TE)上的非变形顶点(NMV)可(例如)通过使用本文描述的映射技术中的任一种从偏移顶点(OV’)映射到原始顶部边缘(TE)上的最近点。此映射的结果是对应的非变形顶点(NMV0’-NVM4’)，所述非变形顶点(NMV0’-NVM4’)具有限定在其间的顶部边缘区段(TE1’-TE4’)。尽管顶部边缘区段(TE1’-TE4’)在原始顶部边缘(TE)上，但是它们不必一定对应于来自图9的顶部边缘区段(TE1-TE4)。类似地，非变形顶点(NMV0’-NVM4’)可能对应于或可能不对应于来自图9的非变形顶点(NMV0-NVM4)。在此实例中，所有原始顶部边缘区段(TE1-TE4)或(TE1’-TE4’)可变形为一条平滑曲线，即顶部边缘(TE)或顶部边缘(TE’)。

几何引擎72可使用其他合适的几何技术来限定顶部边缘区段(TE1’-TE4’)。例如，几何引擎72可替代地从弯曲区段(C)直接映射到原始顶部边缘(TE)，而无需从弯曲区段(C)映射到偏移区段(C’)到偏移区段(C”)的中间步骤。另外，几何引擎72可从偏移区段(C’)或偏移区段(C”)直接映射到原始顶部边缘(TE)。此外，可根据除了映射以外的几何函数(诸如逼近法)来限定顶部边缘区段(TE’)。

由此，几何引擎72建立直纹表面(RS’)，以在偏移表面(OS2)的顶部边缘(O-TE)与原始顶部边缘之间过渡。可在上面描述的“患者特定”区段((C)、(C’)或(C”))中的任一者与顶部边缘区段(TE或TE’)之间限定直纹表面(RS’)。在图11中，在偏移区段(C”)与顶部边缘区段(TE或TE’)之间形成直纹表面(RS’)，从而产生直纹表面(RS1’-RS4’)(为简单说明，图11中未标记RS1')。在一个实例中，使用偏移表面(OS2)的顶部边缘(O-TE)与原始顶部边缘(TE)之间的最短可能路径形成直纹表面(RS’)。替代地或另外，这些直纹表面(RS’)中的任一者可被轮廓化以匹配解剖模型(AM)的轮廓化的侧表面。

图13是从图12中所识别的角度截取的偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)的横截面视图。尽管在此实例中用(RS’)和(OS2)代替来自图9的先前直纹表面(RS)，但是为了比较目的，参考先前直纹表面(RS)将偏移横截面区域可视化。在此，偏移横截面区域是由(RS)、(RS’)、(OS1)和(OS2)界定的区域。

尽管本文引用区段(C)、(C’)或(C”)来解释与直纹表面(RS’)的生成有关的实例，但是并不需要对修剪的相交轮廓(IC)、偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)或偏移表面(OS2)的顶部边缘(O-TE)进行分段以生成直纹表面(RS’)。相反，可在(未分段的)原始顶部边缘(OE)与修剪的相交轮廓(IC)、偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)或顶部边缘(O-TE)的未分段版本之间限定刻线，使得存在连续的直纹表面(RS’)。

参考图12，几何引擎72可在偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)与其他约束条件(诸如允许体积(AV)的部分或不需要变形的任何对应的原始通用几何结构)之间产生一个或多个过渡表面(T)。在图12中，这些过渡表面(T)被限定为邻近直纹表面(RS’)或偏移表面(OS2)。具体地，在图12中，过渡表面(T1)将偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)过渡到虚拟边界的背部表面(与OS2和直纹表面RS'相对)。过渡表面(T2)将偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)过渡到较大的允许体积(AV)。过渡表面(T)可以是患者特定或通用的。

根据本文描述的各种几何结构的相互作用，可利用任何形状和数量的过渡表面(T)。过渡表面(T)还可提供在除了本文描述的表面以外的表面之间的过渡。此外，过渡表面(T)可用于患者特定虚拟边界(PS-VB)的非偏移版本。

此外，在偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)的表面中可能存在剩余开口，所述开口应闭合以确保边界是完整且“密封”的。在这种情况下，示出与在过渡(T2)区域中的基部(B)表面相邻的一个开口。几何引擎72通过将贴片表面(P)与邻接表面合并来闭合开口。贴片表面(P)可以是患者特定或通用的，并且可用于患者特定虚拟边界(PS-VB)的非偏移版本。

在图12中，几何引擎72合并直纹表面(RS’)、偏移表面(OS1)和(OS2)、原始顶部边缘(TE)、修剪的表面/面(TS)、过渡表面(T)、贴片表面(P)以及不需要变形的任何对应的原始通用几何结构(例如，通用虚拟边界(G-VB)的基部(B)或侧表面(S)的部分)。产生偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)的一个实例的最终版本。

如与图9所示的(非偏移)患者特定虚拟边界(PS-VB)相比，图12所示的偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)已经使用偏移表面(OS)从胫骨的外边缘周边偏移。通过考虑骨钻25半径，偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)确保在保留相邻的软组织的同时可去除足够的骨骼。

除上面描述的方法之外或者替代上面描述的方法，存在生成偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)的方法。例如，图14至图16示出从图12中所识别的角度截取的偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)的不同实例的横截面视图。同样，为了比较目的，参考先前直纹表面(RS)将偏移横截面区域可视化。

在图14的实例中，可通过使修剪的相交轮廓(TIC)和顶部边缘(TE)两者偏移来形成偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)，例如，如图9所示。修剪的相交轮廓(TIC)偏移到偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)，并且顶部边缘(TE)偏移到偏移顶部边缘(TE-O)。替代地，对于图13至图16的实例中的任一者，可利用来自图11的顶部边缘(TE’)和偏移顶部边缘(TE-O’)。这两个偏移以相同的偏移距离(d)来执行。可直接在偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)与偏移顶部边缘(TE-O、TE-O’)之间限定第二偏移表面(OS2’)的替代版本。因此，第二偏移表面(OS2’)在此横截面中形成偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)的整个(外部)侧表面。可使用任何合适的技术(诸如挤出、扫掠、直纹表面操作)或通过尽可能短的路径来形成第二偏移表面(OS2’)。在此实例中，第二偏移表面(OS2’)的高度(h)是偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)与对应偏移的顶部边缘(TE-O、TE-O’)之间的最短距离，或者修剪的相交轮廓(TIC)与顶部边缘(TE、TE’)之间的最短距离。在此，第二偏移表面(OS2’)将垂直于(OS1)，因为(O-TIC)和偏移顶部边缘(TE-O、TE-O')偏移相同的距离(d)。然而，对于(O-TIC)和偏移顶部边缘(TE-O、TE-O’)，偏移距离可能不同，从而导致第二偏移表面(OS2’)与(OS1)之间的角度小于或大于90度。

在图15的实例中，可通过使修剪的相交轮廓(TIC)偏移距离(d)来形成偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)，同时使顶部边缘(TE、TE’)维持原始、非偏移的形式。第二偏移表面(OS2”)的又一种版本被直接限定在(非偏移)顶部边缘(TE、TE’)与偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)之间。因此，第二偏移表面(OS2”)在此横截面中形成偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)的整个(外部)侧表面。同样，可通过任何合适的操作来形成(OS2”)。在此，第一偏移表面(OS1)与第二偏移表面(OS2”)之间的角度将小于90度，因为(O-TIC)偏移(d)，而顶部边缘(TE、TE’)不偏移。

在又一个实例中，如图16所示，可通过指定偏移将基于的图9的一个或多个原始直纹表面(RS)的一部分来形成偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)。可使用以指定高度(h’)沿着直纹表面(RS)延伸的曲线(C)来描绘此部分。可在修剪的相交轮廓(TIC)与原始顶部边缘(TE、TE’)之间限定高度(h’)。在此，高度(h’)小于(TIC)与(TE、TE’)之间的距离。可基于本文针对偏移高度(h)所描述的因素(例如，参见图10)并且/或者基于其他因素(诸如解剖模型(AM)的与直纹表面(RS)区域相邻或相交的上表面(AM-T)的高度)来指定高度(h’)。与其他实例一样，修剪的相交轮廓(TIC)偏移到偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)。使用任何合适的方法，在偏移修剪的相交轮廓(O-TIC)与曲线(C)之间直接限定第二偏移表面(OS2”’)的另一种版本。由于高度(h’)小于(TIC)与(TE、TE’)之间的距离，因此原始直纹表面(RS)保持完好无损。第二偏移表面(OS2”’)可与原始直纹表面(RS)组合，以在此横截面中限定偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)的(外部)侧表面。同样，第一偏移表面(OS1)与第二偏移表面(OS2”’)之间的角度将小于90度，因为(O-TIC)偏移(d)，而曲线(C)限定在原始(非偏移)直纹表面(RS)上。

尽管已经起草说明书以区分图9所示的(非偏移)患者特定虚拟边界(PS-VB)与图12所示的偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)，关于(非偏移)患者特定虚拟边界(PS-VB)所描述的任何特征、特性或结果可完全应用于偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)，并且反之亦然。实际上，这两个虚拟边界是患者特定的，并且提供优于现有技术配置的技术解决方案。然而，如上所述，偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)包括与偏移有关的另外的特征。

图17示出根据本文描述的技术如何用患者特定虚拟边界(PS-VB)或偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)代替图5的通用虚拟边界(G-VB)。患者特定虚拟边界(PS-VB、PS-VB’)与允许体积(AV)和工具接近体积(TAV)集成在一起，以用于限定在将解剖模型(AM)配准到解剖结构(A)时对工具20相对于解剖模型(AM)以及因此相对于解剖结构(A)的运动的虚拟约束的一个实例。

图18示出根据外科手术计划用工具20切除的物理解剖结构(A)的一个实例，其中相对于解剖模型(AM)限定图12或图17的偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)。切除的体积被去除以容纳用于胫骨远端病例的上嵌植入物。如图所示，根据偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)进行铣削产生切除表面100和102。切除表面100是竖直壁部分，其被限定为沿着偏移患者特定虚拟边界(PS-VB’)的后壁(未示出)进行铣削的结果。更重要地，切除表面102是水平部分，其被限定为用骨钻25沿着受偏移表面(OS1)、(OS2)约束的修剪的表面/面(TS)进行铣削的结果。水平切除表面102被铣削成平坦于外边缘104。必需的体积已经被完全且准确地铣削以容纳胫骨植入物。同时，由于偏移表面(OS1)、(OS)容纳骨钻25半径，因此铣削仍然是患者特定的，同时将软组织保留在与外边缘104相邻的敏感上悬区域中。

D.图形用户接口

软件程序80可选地被配置有指令，所述指令在由处理器70中的一个或多个执行时可选地实现图形用户接口(GUI)96。在一个实例中，GUI 96由临床应用程序74实现。GUI 96可显示在系统10的显示器38中的任一个上，并且可接收来自输入装置40、42中的任一者的输入。

GUI 96可提供可视化以查看或设计变形技术的前述特征中的任一者。可使用GUI96显示本文示出的显示各种虚拟边界和几何结构的任何版本的附图。然而附图中的许多仅被提供用于实现约束变形技术的理解，并且可由软件程序80执行而无需可视化。

GUI 96可从外科医生获取临床或高级输入，并使用此信息来计算用于生成患者特定虚拟边界(PS-VB)的较低级设置。换句话说，可基于用户输入间接地指定设置。

GUI 96可提供接口以使得用户能够选择性地设计和/或输入与本文描述的边界或变形过程中的任一者有关的控制参数。然而，在其他实例中，外科医生不会直接设计或指定此类参数。而是，外科医生将主要使用GUI 96来相对于解剖模型(AM)定位植入物模型(IM)。

可使用GUI 96调整各种控制参数。控制参数可离线设计，并被包括为植入物计划的一部分，并且用户(外科医生)在执行之前查看/批准计划。

控制参数的一个实例是公差参数。一个公差参数是配合公差，它使得用户能够限定用于通过样条曲线逼近多边形的公差。配合公差参数可操纵相交轮廓(IC)的样条曲线逼近或源自其的任何变形面或表面。另一个公差参数是建模公差，它使得用户能够选择用于3D建模操作的公差。此类建模操作可包括相交操作、表面创建等。另一个公差参数是铣削公差。如上所述，此参数用于限定用于创建偏移表面(OS)的扫掠操作的公差，所述偏移表面被提供来实现考虑工具20的几何特征的患者特定的铣削。可使用任何测量单位(诸如毫米)来调整这些公差参数。

GUI 96还可提供与计划或生成患者特定虚拟边界(PS-VB)有关的设置，诸如限定用于表面、边缘、过渡、贴片等中的任一者的生成参数。

其他参数可包括工具参数。工具参数包括与工具20有关的任何设置，诸如设置工具20的几何特征。几何特征可以是能量施加器24的类型等。例如，在能量施加器24是骨钻25的情况下，GUI 96实现骨钻25的半径(r)的输入。使用此参数，软件程序80可自动生成上面描述的各种特征，诸如偏移距离(d)、高度(h)等。替代地，用户可不将这些参数直接输入到GUI 96中，而是系统将允许通过配置文件在软件中配置所述参数，从能量施加器、工具或骨钻等中的内置存储器中自动读取所述参数。

GUI 96可设置的其他参数可与根据虚拟边界限定的铣削路径有关，诸如在2018年6月15日提交的美国临时专利申请号62/685,476中描述的那些参数，所述文献的内容以引用的方式整体并入本文

GUI 96是可选的，并且本文描述的路径生成技术可在没有用户交互的情况下发生。在这种情况下，工具或植入物参数可存储在存储器中并从存储器中检索。GUI 96可具有除了本文描述的那些特征以外的特征。

前述描述中已经描述了若干实施方案。然而，本文论述的实施方案不意图是穷尽的，或将本发明限制于任何特定形式。已经使用的术语意图在本质上是描述性而非限制性的字词。鉴于以上教导，许多修改和变体是可能的，并且本发明可以不同于具体描述的其他方式来实践。

根据详细的说明书，本发明的许多特征和优点是显而易见的，并且因此，所附权利要求意图覆盖落在本发明的真实精神和范围内的本发明的所有此类特征和优点。此外，由于本领域技术人员将容易想到许多修改和变体，因此不期望将本发明限制于所示出和描述的确切构造和操作，并且因此，可诉诸于落在本发明的范围内的所有合适的修改和等效物。

Claims (22)

1.一种用于将通用虚拟边界变形为用于解剖模型的患者特定虚拟边界的方法，所述通用虚拟边界包括一个或多个可变形面，所述方法包括：

计算所述通用虚拟边界和所述解剖模型的相交部以限定所述解剖模型的横截面轮廓；以及

将所述通用虚拟边界的所述一个或多个面变形为适形于所述横截面轮廓以产生所述患者特定虚拟边界。

2.如权利要求1所述的方法，其中将所述通用虚拟边界的所述一个或多个面变形还包括：

沿着所述横截面轮廓产生直纹表面；以及

合并所述直纹表面。

3.如权利要求2所述的方法，其中产生直纹表面还被限定为产生各自具有变形为所述横截面轮廓并且与所述横截面轮廓重合的一个边缘和所述通用虚拟边界的相对边缘的直纹表面。

4.如任一前述权利要求所述的方法，其中生成所述患者特定虚拟边界还包括：将所述通用虚拟边界的所述一个或多个面变形为与所述横截面轮廓间隔开偏移距离。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述偏移距离源自外科手术工具的几何特征。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述几何特征是球形骨钻，并且所述偏移距离包括所述球形骨钻的半径。

7.如权利要求4-6中任一项所述的方法，其中将所述通用虚拟边界变形为与所述横截面轮廓间隔开所述偏移距离还包括：

从所述横截面轮廓以所述偏移距离延伸第一偏移表面；

在所述第一偏移表面上限定延伸轮廓；以及

沿着所述延伸轮廓生成平面轮廓几何结构，以产生正交于所述第一表面的第二偏移表面。

8.如权利要求7所述的方法，其还包括产生直纹表面，所述直纹表面各自具有变形为所述第二偏移表面并且与所述第二偏移表面重合的一个边缘和所述通用虚拟边界的相对边缘。

9.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述通用虚拟边界基于植入物模型来生成。

10.如任一前述权利要求所述的方法，其中将所述通用虚拟边界的所述一个或多个面变形在术中发生。

11.如任一前述权利要求所述的方法，其还包括：

将所述解剖模型和所述患者特定虚拟边界配准到物理解剖结构；

跟踪工具和所述物理解剖结构；以及

约束所述工具延伸超过所述患者特定虚拟边界。

12.一种包括指令的非暂时性计算机可读介质，所述指令在由一个或多个处理器执行时实现软件程序，所述软件程序被配置为根据如权利要求1-11中任一项所述的方法生成用于所述解剖模型的所述患者特定虚拟边界。

13.一种外科手术系统，其包括：

外科手术工具；

一个或多个控制器，所述一个或多个控制器被配置为将通用虚拟边界变形为用于解剖模型的患者特定虚拟边界，所述通用虚拟边界包括一个或多个可变形面，所述一个或多个控制器被配置为：

计算所述通用虚拟边界和所述解剖模型的相交部以限定所述解剖模型的横截面轮廓；并且

将所述通用虚拟边界的所述一个或多个面变形为适形于所述横截面轮廓以产生所述患者特定虚拟边界。

14.如权利要求13所述的系统，其中所述一个或多个控制器通过还被配置为以下项而将所述通用虚拟边界的所述一个或多个面变形：

沿着所述横截面轮廓产生直纹表面；并且

合并所述直纹表面。

15.如权利要求14所述的系统，其中所述一个或多个控制器通过还被配置为以下项而产生直纹表面：产生各自具有变形为所述横截面轮廓并且与所述横截面轮廓重合的一个边缘和所述通用虚拟边界的相对边缘的直纹表面。

16.如权利要求13-15中任一项所述的系统，其中所述一个或多个控制器还被配置为将所述通用虚拟边界的所述一个或多个面变形为与所述横截面轮廓间隔开偏移距离。

17.如权利要求16所述的系统，其中所述偏移距离源自外科手术工具的几何特征，其中所述几何特征包括球形骨钻，并且所述偏移距离是所述球形骨钻的半径。

18.如权利要求16-17中任一项所述的系统，其中所述一个或多个控制器通过还被配置为以下项而将所述通用虚拟边界变形为与所述横截面轮廓间隔开所述偏移距离：

从所述横截面轮廓以所述偏移距离延伸第一偏移表面；

在所述第一偏移表面上限定延伸轮廓；并且

沿着所述延伸轮廓生成平面轮廓几何结构，以产生正交于所述第一表面的第二偏移表面。

19.如权利要求18所述的系统，其中所述一个或多个控制器还被配置为产生直纹表面，所述直纹表面各自具有变形为所述第二偏移表面并且与所述第二偏移表面重合的一个边缘和所述通用虚拟边界的相对边缘。

20.如权利要求13-19中任一项所述的系统，其中所述通用虚拟边界基于植入物模型来生成。

21.如权利要求13-20中任一项所述的系统，其中所述一个或多个控制器被配置为在术中变形所述通用虚拟边界的所述一个或多个面。

22.一种用于生成用于解剖模型的虚拟边界的方法，所述方法包括：

识别所述解剖模型的周边；以及

生成包括边缘的所述虚拟边界，所述边缘沿循所述周边的轮廓并且与所述周边间隔开考虑外科手术工具的几何特征的偏移距离。

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