CN114502085A - 用于增强髋关节成形术规程的机器人手术系统 - Google Patents

Abstract

一种用于促进关节成形术规程的系统包括：机器人装置、被配置为与所述机器人装置交接的扩孔工具、以及可与所述机器人装置通信的处理电路。所述处理电路被配置为：获得外科计划，所述外科计划包括植入物杯的第一计划位置和植入物增强件相对于患者的骨的第二计划位置；确定计划的骨修改，所述计划的骨修改被配置为准备所述骨以在所述第一计划位置中接收所述植入物杯并且在所述第二计划位置中接收所述植入物增强件；基于所述计划的骨修改生成一个或多个虚拟对象；控制所述机器人装置以在所述切割工具与所述机器人装置交接并且被操作以根据所述计划的骨修改来修改所述骨时用所述一个或多个虚拟对象来约束切割工具。

Description

用于增强髋关节成形术规程的机器人手术系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年8月29日提交的美国临时申请号62/893,384的权益和优先权，该临时申请的全部公开内容以引用方式并入本文。

背景技术

本公开整体涉及用于骨外科的外科系统，并且更具体地涉及用于全髋关节成形术和部分髋关节成形术规程的外科系统。髋关节成形术，俗称髋关节置换，广泛用于通过用假体部件置换髋关节解剖结构的部分来治疗髋关节骨关节炎和患者髋关节的其他损伤。

用于全髋关节成形术规程的一种可能的工具是机器人辅助外科系统。机器人辅助外科系统通常包括用于准备患者解剖结构的机器人装置，被配置为监测机器人装置相对于患者解剖结构的位置的跟踪系统，以及被配置为监测并控制机器人装置的计算系统。各种形式的机器人辅助外科系统自主地执行外科任务，向操纵外科装置的用户提供力反馈以完成外科任务，增强外科医生的灵巧度和精确度，并且/或者提供其他导航提示以促进安全和准确的外科操作。

外科计划通常在用机器人辅助外科系统执行外科规程之前建立。根据外科计划，外科系统在外科规程的部分期间引导，控制或限制外科工具的移动。外科工具的引导和/或控制用于在实现外科计划期间保护患者并辅助外科医生。

发明内容

本公开的一个具体实施是一种用于促进关节成形术规程的系统。该系统包括机器人装置、被配置为与机器人装置交接的扩孔工具、以及可与机器人装置通信的处理电路。该处理电路被配置为：获得外科计划，该外科计划包括植入物杯的第一计划位置和植入物增强件相对于患者的骨的第二计划位置；确定计划的骨修改，该计划的骨修改被配置为准备骨以在第一计划位置中接收植入物杯并且在第二计划位置中接收植入物增强件；基于计划的骨修改生成一个或多个虚拟对象；控制机器人装置以在切割工具与机器人装置交接并且被操作以根据计划的骨修改来修改骨时用一个或多个虚拟对象来约束切割工具。

本公开的另一具体实施是一种方法。该方法包括：获得外科计划，该外科计划包括植入物杯的第一计划位置和植入物增强件相对于患者的骨的第二计划位置；确定计划的骨修改，该计划的骨修改被配置为准备骨以在第一计划位置中接收植入物杯并且在第二计划位置中接收植入物增强件；基于计划的骨修改生成一个或多个虚拟对象；以及使用一个或多个虚拟对象来控制机器人装置，以便于根据计划的骨修改用与机器人装置交接的外科工具来修改骨。

附图说明

图1A是股骨和骨盆的透视图。

图1B是由图1A的股骨和骨盆形成的髋关节的透视图。

图1C是用于全髋关节置换规程的股骨部件和髋臼部件的分解透视图。

图1D是示出图1C的股骨部件和髋臼部件分别相对于图1A的股骨和骨盆的放置的透视图。

图2是根据示例性实施方案的外科系统的图示。

图3是根据示例性实施方案的用于促进关节成形术规程的过程的流程图。

图4是根据示例性实施方案的可与图3的过程一起使用的图形用户界面的第一图示。

图5是根据示例性实施方案的可与图3的过程一起使用的图形用户界面的第二图示。

图6是根据示例性实施方案的可与图3的过程一起使用的图形用户界面的第三图示。

图7是根据示例性实施方案的可与图3的过程一起使用的图形用户界面的第四图示。

图8是示出根据示例性实施方案的图3的过程的步骤的详细视图的流程图。

图9是根据示例性实施方案的与图3的过程一起使用的骨盆上的配准区域的第一可视化。

图10是根据示例性实施方案的与图3的过程一起使用的骨盆上的配准区域的第二可视化。

图11是根据示例性实施方案的可与图3的过程一起使用的图形用户界面的第五图示。

图12是根据示例性实施方案的可与图3的过程一起使用的图形用户界面的第六图示。

图13是根据示例性实施方案的如在图3的过程中使用的植入物增强件和探针的描绘。

图14是根据示例性实施方案的如图3的过程中的图13的植入物增强件到骨的固定的描绘。

图15是根据示例性实施方案的图3的过程的杯压紧步骤的描绘。

图16是根据示例性实施方案的图3的过程的接合剂固化步骤的描绘。

图17是根据示例性实施方案的用于促进包括胫骨或股骨增强件的膝关节成形术规程的过程的流程图。

图18是根据示例性实施方案的如在图17的过程中使用的胫骨模板和探针的第一图示。

图19是根据示例性实施方案的如在图17的过程中使用的胫骨模板和探针的第二图示。

图20是根据示例性实施方案的如在图17的过程中使用的股骨试验和探针的第一图示。

图21是根据示例性实施方案的如在图17的过程中使用的股骨试验和探针的第二图示。

图22是根据示例性实施方案的胫骨植入物和胫骨增强件的透视图。

图23是根据示例性实施方案的股骨植入物和一对股骨增强件的透视图。

具体实施方式

本发明的当前优选的实施方案在附图中示出。已经努力在整个附图中使用相同或类似的附图标记来表示相同或类似的部分。尽管本说明书主要涉及用于骨科髋关节置换的机器人臂，但是应当理解，本文所述的主题适用于其他类型的机器人系统，包括用于外科和非外科应用的那些机器人系统，以及适用于身体的其他关节，诸如膝关节或肩关节。

髋关节是股骨和骨盆之间的关节，并且主要用于在静态(例如，站立)和动态(例如，行走)姿势中支撑身体的重量。图1A示出髋关节10的骨，其包括骨盆12(部分示出)和股骨14的近端。股骨14的近端包括设置在股骨颈18上的股骨头16。股骨颈18将股骨头16连接到股骨干20。如图1B所示，股骨头16装配到骨盆12中称为髋臼22的凹窝中，从而形成髋关节10。髋臼22和股骨头16均被关节软骨覆盖，该关节软骨吸收震动并促进关节10的关节运动。

随着时间的推移，髋关节10可能退化(例如，由于骨关节炎)，从而导致疼痛和功能减弱。因此，可能需要髋关节置换规程，诸如全髋关节成形术或髋关节表面置换。在髋关节置换期间，外科医生用人造部件置换患者的髋关节10的部分。在全髋关节成形术中，外科医生移除股骨头16和股骨颈18并用假体股骨部件26置换天然骨，该假体股骨部件包括头26a、颈26b和柄26c(在图1C中示出)。如图1D所示，股骨部件26的柄26c被锚定在外科医生在股骨14的髓内管中形成的空腔中。另选地，如果疾病局限于股骨头16的表面，外科医生可选择较小侵入性的方法，其中股骨头被表面置换(例如，使用圆柱形扩孔器)，然后与假体股骨头杯(未示出)配合。

类似地，如果骨盆12的天然髋臼22被磨损或患病，则外科医生使用扩孔器对髋臼22进行表面置换，并用假体髋臼部件28置换天然表面，该假体髋臼部件包括半球形杯28a(在图1C中四处)，该半球形杯可包括衬垫28b。为了安装髋臼部件28，外科医生将杯28a连接到压紧器工具的远端，并且通过用锤反复撞击压紧器工具的近端而将杯28a植入到经扩孔的髋臼22中。如果髋臼部件28包括衬垫28b，则外科医生在植入杯28a之后将衬垫28b扣入杯28a中。根据外科医生放置患者进行外科手术的位置，外科医生可使用直的或偏置的扩孔器来对髋臼22进行扩孔，并使用直的或偏置的压紧器来植入髋臼杯28a。例如，使用后外侧入路的外科医生可能更喜欢直的扩孔和压紧，而使用前外侧入路的外科医生可能更喜欢偏置的扩孔和压紧。

在一些情况下，植入物增强件用于支撑或以其他方式促进髋臼22的重建，以便于将杯28a以优选的位置和取向固定到骨盆12。在若干情形中，增强件的使用可为优选的。作为一个实例，植入物增强件可以是有利的创伤后髋关节重建，其中创伤性损伤(例如，汽车碰撞等)对骨盆12造成损伤。作为另一个实例，植入物增强件在髋关节发育不良的情况或髋臼骨损失的其他情况下可能是有利的，即填充由这样的骨损失产生的空间。作为另一个实例，植入物增强件对于翻修髋关节成形术规程可能是有利的，其中由于相邻骨的退化或其他并发症，移除先前植入的髋关节假体并且用新植入物置换。

涉及植入物增强件的当前外科规程通常依赖于外科医生的专业知识和经验来手动地将植入物增强件放置在对外科医生在手术中看起来和感觉正确的位置。此类规程可能是困难的并且导致外科时间延长。另外，用于髋关节成形术的目前可用的机器人辅助外科装置不提供植入物增强件的放置。本文中描述的系统和方法提供了植入物放置的计算机辅助计划和机器人辅助的外科步骤，以便于在髋关节成形术规程期间进行植入物增强件的骨准备和植入物增强件的放置，从而便于在骨损失、创伤性损伤、翻修髋关节置换或其他相关情形的情况下进行髋关节成形术规程。本文所述的系统和方法由此可改善患者结果，减少外科手术时间，并减少外科医生进行增强髋关节成形术规程的负担。

现在参考图2，示出了根据示例性实施方案的用于骨外科手术的外科系统200。通常，外科系统200被配置为便于计划和执行外科计划，例如以促进关节相关规程。如图2所示，外科系统200被设置成治疗坐在或躺在台205上的患者204的腿202。在图2所示的图示中，腿202包括股骨206和胫骨208，在全膝关节镜检查规程中将在它们之间植入假体膝关节植入物。图2中所示的情形可对应于以下参考图17-图22的描述。在其他情形中，例如如本文参考图1A-图1D和图3-图16所述，外科系统200被设置成治疗患者的髋关节10，即患者的股骨14和骨盆12(在图1A-图1D中示出)。另外，在另外的其他情形中，外科系统200被设置成治疗患者的肩部，即，便于肩关节的部件的置换和/或增强(例如，便于肱骨部件、关节盂部件和移植物或植入物增强件的放置)。各种其他解剖区域和规程也是可能的。为了促进该规程，外科系统200包括机器人装置220，跟踪系统222和计算系统224。

机器人装置220被配置为在计算系统224的控制下修改患者的解剖结构(例如，患者204的股骨206)。机器人装置220的一个实施方案是触觉装置。“触觉”是指触摸感觉，并且除了其他方面，触觉领域涉及向操作者提供反馈的人类交互装置。反馈可包括触感，例如振动。反馈还可包括向用户提供力，诸如正向力或对移动的阻力。触觉的一种用途是为装置的用户提供对该装置的操纵的引导或限制。例如，触觉装置可联接到外科工具，该外科工具可由外科医生操纵以执行外科规程。外科医生对外科工具的操纵可通过使用触觉来引导或限制，以在外科工具的操纵期间向外科医生提供反馈。

机器人装置220的另一个实施方案是自主或半自主机器人。“自主”是指机器人装置通过收集关于其状况的信息，确定动作过程并自动执行该动作过程而独立或半独立于人类控制而行动的能力。例如，在这样的实施方案中，与跟踪系统222和计算系统224通信的机器人装置220可自主地完成上述一系列股骨切割而无需直接的人工干预。

机器人装置220包括基座230、机器人臂232和外科工具234，并且可通信地联接到计算系统224和跟踪系统222。基座230为机器人臂232提供可移动的基础，从而允许机器人臂232和外科工具234根据需要相对于患者204和台205重新定位。基座230还可包含动力系统、计算元件、马达和下面描述的机器人臂232和外科工具234的功能所需的其他电子或机械系统。

机器人臂232被配置为支撑外科工具234并且提供如计算系统224所指示的力。在一些实施方案中，机器人臂232允许用户操纵外科工具并向用户提供力反馈。在这样的实施方案中，机器人臂232包括关节236和安装件238，其包括马达、致动器或其他机构，这些机构被配置为允许用户通过可允许的姿态自由地平移和旋转机器人臂232和外科工具234，同时提供力反馈以约束或防止机器人臂232和外科工具234的如计算系统224所指示的一些移动。如以下详细描述的，机器人臂232由此允许外科医生对控制对象内的外科工具234进行完全控制，同时沿着该对象的边界提供力反馈(例如，振动，防止或阻止穿透边界的力)。在一些实施方案中，机器人臂被配置为自动地将外科工具移动到新姿态而无需如计算系统224所指示的直接用户操纵，以便根据需要定位机器人臂和/或完成某些外科任务，包括例如在股骨206或髋臼中进行切割。

外科工具234被配置为对骨进行切割、去毛刺、研磨、钻孔、部分切除、再成形和/或以其他方式修改。外科工具234可以是任何合适的工具，并且可以是可互换地连接到机器人装置220的多个工具中的一个工具。例如，如图2所示，外科工具234是球形磨锥。外科工具也可以是矢状锯，例如具有平行于工具轴线或垂直于工具轴线对准的刀片。外科工具234还可以是保持臂或其他支撑件，其被配置为当植入物部件被旋拧到骨，粘附(例如，粘结)到骨或其他植入物部件，或以其他方式安装在优选位置时将植入物部件(例如，杯28a，植入物增强件等)保持在适当位置。在一些实施方案中，外科工具234是压紧工具，其被配置为向杯28a提供压紧力，以便于以计划的位置和取向将杯28a固定到骨盆12。

跟踪系统222被配置为跟踪患者的解剖结构(例如，股骨206和胫骨208)和机器人装置220(即，外科工具234和/或机器人臂232)，以使得能够控制联接到机器人臂232的外科工具234，确定由外科工具234做出的修改或其他结果的位置和取向，并且允许用户在计算系统224的显示器上可视化骨(例如，股骨206、胫骨208、骨盆12、肱骨、肩胛骨等，如在各种规程中适用的)、外科工具234和/或机器人臂232。更具体地，跟踪系统222确定对象(例如，外科工具234、股骨206)相对于参考坐标系的位置和取向(即，姿态)，并且在外科规程期间跟踪(即，连续地确定)对象的姿态。根据各种实施方案，跟踪系统222可以是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232的关节236的相对角度的跟踪)，或非机械跟踪系统和机械跟踪系统的任何组合。

在图2所示的实施方案中，跟踪系统222包括光学跟踪系统。因此，跟踪系统222包括联接到胫骨208的第一基准树240，联接到股骨206的第二基准树241，联接到基座230的第三基准树242，联接到外科工具234的一个或多个基准，以及被配置为检测基准(即，基准树240-242上的标记)的三维位置的检测装置246。基准树240、241可联接到适合于各种规程(例如，髋关节成形术规程中的骨盆12和股骨206)的其他骨。检测装置246可以是光学检测器，诸如相机或红外传感器。基准树240-242包括基准，这些基准是被配置为清楚地显示给光学检测器和/或可由图像处理系统使用来自光学检测器的数据，例如通过对(例如，由跟踪系统222的元件发射的)红外辐射高度反射而容易地检测的标记。相机在检测装置246上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。每个基准具有与相应对象的几何关系，使得基准的跟踪允许对象的跟踪(例如，跟踪第二基准树241允许跟踪系统222跟踪股骨206)，并且跟踪系统222可被配置为执行配准过程以确定或验证该几何关系。基准树240-242中的基准的独特布置(即，第一基准树240中的基准被布置成与第二基准树241中的基准不同的几何形状)允许将基准树以及因此被跟踪的对象彼此区分开。

使用图2的跟踪系统222或一些其他外科导航和跟踪方法，外科系统200可确定外科工具234相对于患者的解剖特征(例如，股骨206)的位置，因为外科工具234用于修改解剖特征或以其他方式促进外科规程。另外，使用图2的跟踪系统222或一些其他外科导航和跟踪方法，外科系统200可确定被跟踪骨的相对姿态。

计算系统224被配置为创建外科计划，根据该外科计划控制机器人装置220以进行一个或多个骨修改和/或促进一个或多个假体部件的植入。因此，计算系统224可通信地联接到跟踪系统222和机器人装置220，以促进机器人装置220、跟踪系统222和计算系统224之间的电子通信。此外，计算系统224可连接到网络以接收与患者的病史或其他患者简档信息、医学成像、外科计划、外科规程有关的信息，并且例如通过访问电子健康记录系统来执行与外科规程的执行有关的各种功能。计算系统224包括处理电路260和输入/输出装置262。

输入/输出装置262被配置为接收用户输入并根据本文描述的功能和过程的需要显示输出。如图2所示，输入/输出装置262包括显示器264和键盘266。显示器264被配置为显示由处理电路260生成的图形用户界面，其包括例如关于外科计划、医学成像、外科系统200的设置和其他选项的信息，与跟踪系统222和机器人装置220相关的状态信息，以及基于由跟踪系统222供应的数据的跟踪可视化。键盘266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系统200的一个或多个功能。

处理电路260包括处理器和存储器装置。处理器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。存储器装置(例如，存储器、存储器单元、存储装置等)是用于存储数据和/或计算机代码以用于完成或促进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、闪速存储器、硬盘存储装置等)。存储器装置可以是或包括易失性存储器或非易失性存储器。存储器装置可包括数据库部件、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。根据示例性实施方案，存储器装置经由处理电路260可通信地连接到处理器，并且包括用于(例如，由处理电路260和/或处理器)执行本文所述的一个或多个过程的计算机代码。

更具体地，处理电路260被配置为便于在外科规程之前创建术前外科计划。根据一些实施方案，利用患者解剖结构的三维表示(本文中也称为“虚拟骨模型”)来开发术前外科计划。“虚拟骨模型”可包括除骨之外的软骨或其他组织的虚拟表示。为了获得虚拟骨模型，处理电路260接收要在其上执行外科规程的患者解剖结构(例如，股骨206、骨盆12)的成像数据。可使用任何合适的医学成像技术来创建成像数据以对相关解剖特征进行成像，包括计算机断层扫描(CT)，磁共振成像(MRI)和/或超声。然后分割成像数据(即，区分成像中对应于不同解剖特征的区域)以获得虚拟骨模型。例如，如下面进一步详细描述的，可分割髋关节的基于MRI的扫描数据以将股骨与周围的韧带、软骨、先前植入的假体部件和其他组织区分开，从而获得经成像髋关节的三维模型。

另选地，可以通过从骨模型的数据库或库中选择三维模型来获得虚拟骨模型。在一个实施方案中，用户可使用输入/输出装置262来选择适当的模型。在另一个实施方案中，处理电路260可执行存储的指令以基于图像或关于患者提供的其他信息来选择适当的模型。然后，可基于特定的患者特性使从数据库中选择的骨模型变形，从而创建用于如本文所述的外科计划和实现中的虚拟骨模型。

然后可基于虚拟骨模型来创建术前外科计划。外科计划可由处理电路260自动生成，由用户经由输入/输出装置262输入，或两者的某种组合(例如，处理电路260限制用户创建的计划的一些特征，生成用户可修改的计划等)。在一些实施方案中，如下面详细描述的，可基于在术中收集的牵引力测量来生成和/或修改外科计划。在一些实施方案中，可基于植入物固定(即，松动或固定)的定性术中评估和/或初次植入物移除后的术中骨缺陷映射来修改外科计划，例如如下文详细描述的。

术前外科计划包括期望的切口、孔、表面、去毛刺或使用外科系统200对患者解剖结构进行的其他修改。例如，对于全膝关节镜检查规程，术前计划可包括在股骨上以适于在外科规程期间配合到要连接到股骨的假体的对应表面的相对取向和位置形成远中面、后倒角面、后面、前面和前倒角面所必需的切口，以及在胫骨上形成适于在外科规程期间配合到要连接到胫骨的假体的表面所必需的切口。作为另一个实例，在髋关节成形术规程中，外科计划可包括在骨盆12的髋臼区域上形成一个或多个表面以接收杯28(a)以及在适当情况下接收植入物增强件所需的去毛刺。因此，处理电路260可接收、访问和/或存储假体的模型以促进生成外科计划。

处理电路260被进一步配置为根据外科计划生成用于机器人装置220的控制对象。根据各种类型的可能的机器人装置(例如，触觉的，自主的等)，控制对象可采用各种形式。例如，在一些实施方案中，控制对象定义用于机器人装置的指令以控制机器人装置在控制对象内移动(即，自主地进行由来自跟踪系统222的反馈引导的外科计划的一个或多个切口)。在一些实施方案中，控制对象包括显示器264上的外科计划和机器人装置的可视化，以促进外科导航并帮助引导外科医生遵循外科计划(例如，在没有机器人装置的主动控制或力反馈的情况下)。在机器人装置220是触觉装置的实施方案中，控制对象可以是如以下段落中所描述的触觉对象。

在机器人装置220是触觉装置的实施方案中，处理电路260被进一步配置为基于术前外科计划生成一个或多个触觉对象，以通过使得能够在外科规程期间约束外科工具234来在实现外科计划期间辅助外科医生。触觉对象可以以一个维度、二个维度或三个维度形成。例如，触觉对象可以是线、平面或三维体积。触觉对象可被弯曲成具有弯曲表面并且/或者具有平坦表面，并且可以是任何形状，例如漏斗形状。触觉对象可被创建以表示外科工具234在外科规程期间的移动的各种期望结果。三维触觉对象的一个或多个边界可表示要在骨的表面上创建的一个或多个修改，诸如切口。平面触觉对象可表示要在骨表面上创建的修改，诸如切口。弯曲的触觉对象可表示被修改以接收杯28a和/或植入物增强件的骨的所得表面。

在机器人装置220是触觉装置的实施方案中，处理电路260被进一步配置为生成外科工具234的虚拟工具表示。虚拟工具包括一个或多个触觉交互点(HIP)，其表示物理外科工具234上的位置并与其相关联。在外科工具234是球形磨锥的实施方案中(例如，如图2所示)，HIP可表示球形磨锥的中心。如果外科工具234是不规则形状，例如对于矢状锯，则矢状锯的虚拟表示可包括多个HIP。使用多个HIP在外科工具上生成触觉力(例如，正向力反馈或对移动的阻力)在2011年12月28日提交的名称为“System and Method for ProvidingSubstantially Stable Haptics”的美国申请序列号13/339,369中有所描述，并且该申请据此全文以引用方式并入本文。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。如本文所用，对“HIP”的引用被认为还包括对“一个或多个HIP”的引用。如下所述，HIP和触觉对象之间的关系使得外科系统200能够约束外科工具234。

在执行外科规程之前，通过任何已知的配准技术将患者的解剖结构(例如，股骨206)配准到患者解剖结构的虚拟骨模型。一种可能的配准技术是基于点的配准，如在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中所述，并且该专利据此全文以引用方式并入本文。另选地，可通过利用手持射线照相成像装置的2D/3D配准来实现配准，如在2012年7月30日提交的名称为“Radiographic ImagingDevice”的美国申请序列号13/562,163中所述，并且该申请据此全文以引用方式并入本文。配准还包括将外科工具234配准到外科工具234的虚拟工具表示，使得外科系统200可确定并监测外科工具234相对于患者(即，相对于股骨206)的姿态。配准允许在外科规程期间准确的导航、控制和/或力反馈。下面详细描述一些实施方案中与髋关节成形术规程的配准有关的附加细节。

处理电路260被配置为监测与患者骨(例如，股骨206)、外科工具234的真实世界位置相对应的虚拟工具表示、虚拟骨模型和控制对象(例如，虚拟触觉对象)的虚拟位置，以及由机器人装置220产生的力限定的一个或多个线、平面或三维空间。例如，如果患者的解剖结构在由跟踪系统222跟踪的外科规程期间移动，则处理电路260相应地移动虚拟骨模型。因此，虚拟骨模型对应于患者的实际(即，物理)解剖结构以及该解剖结构在真实/物理空间中的位置和取向，或者与它们相关联。类似地，在外科计划期间创建的与要对该解剖结构进行的切口、修改等链接的任何触觉对象、控制对象或其他计划的自动化机器人装置运动也与患者的解剖结构一致地移动。在一些实施方案中，外科系统200包括夹具或支架以基本上固定股骨206，从而使跟踪和处理股骨206运动的需要最小化。

对于机器人装置220是触觉装置的实施方案，外科系统200被配置为基于HIP和触觉对象之间的关系来约束外科工具234。即，当处理电路260使用由跟踪系统222供应的数据来检测到用户正在操纵外科工具234以使HIP与触觉对象虚拟接触时，处理电路260向机器人臂232生成控制信号以向用户提供触觉反馈(例如，力、振动)以传送对外科工具234的移动的约束。通常，如本文所用，术语“约束”用于描述限制移动的趋势。然而，施加在外科工具234上的约束的形式取决于相关触觉对象的形式。触觉对象可以以任何期望的形状或配置形成。如上所述，三个示例性实施方案包括线、平面或三维体积。在一个实施方案中，外科工具234被约束，因为外科工具234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，触觉对象是三维体积，并且外科工具234可通过基本上防止HIP移动到由三维触觉对象的壁包围的体积之外而受到约束。在另一个实施方案中，因为平面触觉对象基本上防止HIP移动到平面之外和平面触觉对象的边界之外，所以外科工具234受到约束。例如，处理电路260可建立与在股骨206上创建远中面所需的计划平面远侧切口相对应的平面触觉对象，以便将外科工具234基本上限制到执行计划的远侧切口所需的平面。

对于机器人装置220是自主装置的实施方案，外科系统200被配置为根据控制对象自主地移动和操作外科工具234。例如，控制对象可限定相对于股骨206的应进行切口的区域。在这样的情况下，机器人臂232和外科工具234的一个或多个马达、致动器和/或其他机构是可控制的，以致使外科工具234在控制对象内根据需要移动和操作以进行计划切口，例如使用来自跟踪系统222的跟踪数据以允许闭环控制。

现在参考图3，示出了根据示例性实施方案的用于计划和进行髋关节成形术规程的过程300的流程图。过程300可由图2的外科系统200执行。另外，图4-图16示出了在过程300中使用的各种系统、方法、图形用户界面等。对其进行参考以便于说明过程300。应当理解，过程300不限于图4-图16的实例。另外，尽管图3-图16示出了用于计划和进行与髋关节相关的规程的过程300的实施方案，但是其他实施方案对于计划和进行与其他解剖结构(例如，肩或膝)相关的规程是可能的。

在步骤301处，接收并分割髋关节的医学图像以生成骨盆的虚拟骨模型。例如，可使用CT技术、MRI技术或一些其他医学成像模态来收集医学图像。然后分割(即，处理)图像以区分图像的对应于骨盆、股骨、软组织和/或一个或多个先前植入的假体部件的区域。

在翻修髋关节成形术情况下(即，在图像中示出了先前植入的杯的情况下)，可以确定先前植入的杯是“固定的”(即，基本上刚性地联接到骨盆)还是“松动的”(即，至少部分地与骨盆分离)。如果先前植入的杯是固定的，则可以确定先前植入的杯的形状、位置等，并将其包括在骨盆的虚拟骨模型中，例如以促进步骤306处的配准，如下文详细所述。如果先前植入的杯是松动的，则可将先前植入的杯分割，使得松动的杯不包括在骨盆的虚拟骨模型中。另外，可引入各种校正来解决CT或其他成像中的失真，这些失真可能是由先前植入的杯的材料和/或在成像期间松动杯的移动引起的。

在一些实施方案中，步骤301由处理电路260或其他计算资源自动实现。在其他实施方案中，人类输入与自动化功能协作使用以实现步骤301的分割和模型生成。

在步骤302处，通过以下方式来计划植入物杯相对于骨盆的放置：相对于虚拟骨模型，即相对于在步骤301处生成的骨盆的虚拟模型，以及在一些情况下相对于先前植入的部件(例如，主要杯，骨折板，加压螺钉等)虚拟地放置虚拟杯模型。虚拟杯模型是在外科规程期间将植入患者体内的杯植入物的虚拟表示。各种杯大小、形状、类型等可为可能的，并且不同的虚拟杯模型可用于每个杯。虚拟杯模型被放置成提供髋关节(例如，相对于骨盆、相对于患者的其他髋关节等)的期望旋转中心并确保全范围的运动。可经由外科系统100提供各种软件计划工具，以便于外科医生或其他用户选择和评估虚拟杯模型的姿态。

图4-图5示出了可由处理电路260生成并显示在显示器264上以便于在步骤302处计划杯放置的图形用户界面。图4示出了相对于在步骤301处接收的CT图像的计划的杯姿态的二维可视化。图5示出了相对于在步骤301处生成的虚拟骨模型的计划的杯姿态的三维可视化。下面进一步详细描述这两者。

在图4中，图形用户界面400包括覆盖有虚拟植入物杯404的表示的第一CT图像402。还示出了虚拟植入物杯404的中心点(旋转中心)406。另外，如图4所示，图形用户界面400在成像时，即在外科操作之前，将关节的先前中心点408可视化。在图4的实例中，图形用户界面400还示出了第二CT图像410(例如，在不同的平面中拍摄)，其也覆盖有虚拟植入物杯404、中心点406和先前中心点408。有利地，骨密度信息可以在CT图像402、410中可见。图形用户界面400由此可便于外科医生在步骤302处确定虚拟植入物杯404相对于经成像骨的放置。

在图5中，图形用户界面400包括虚拟骨模型502和相对于虚拟骨模型502放置的虚拟植入物杯404的三维可视化。图形用户界面400包括指示根据图像确定的髋关节的旋转中心的先前中心点408以及虚拟植入物杯404的中心点406。图形用户界面400由此便于外科医生观察和调整虚拟植入物杯404的计划姿态。

如图4-图5所示，图形用户界面400包括控制箭头504，该控制箭头可被选择成相对于虚拟骨模型502平移或旋转虚拟植入物杯404。图形用户界面400还包括示出用户可能感兴趣的各种信息的数据字段506，例如骨盆倾斜、杯倾斜、杯倒转、柄倒转、组合倒转以及上距离、内侧距离和前距离。图4-图5的图形用户界面400由此便于在步骤302处计划植入物杯相对于骨盆的放置。

在步骤304处，通过相对于虚拟植入物杯虚拟地放置虚拟增强件模型来计划植入物增强件的放置。例如，可以基于图5的虚拟骨模型502或图4的CT图像的可视化来确定可能需要增强件来将植入物杯可靠且牢固地安装在步骤302中所计划的位置中。可经由图形用户界面400选择选项以包括增强件。图6-图7示出了图形用户界面400中的视图，其示出了虚拟增强件模型600并且便于选择虚拟增强件模型600的期望放置。如图6所示，虚拟增强件600在3D不透明视图中相对于虚拟骨模型502和虚拟植入物杯404的位置中可视化。如图7所示，虚拟增强件600在半透明视图中和两个CT图像视图中相对于虚拟骨模型502的位置中可视化。下面进一步详细描述图6-图7。

在大多数情况下，植入物增强件具有基本上匹配植入物杯的外表面的内表面，例如具有基本上等于植入物杯的外表面的曲率度数或半径。增强件由此被配置为邻近植入物杯放置，并为植入物杯提供结构支撑。

如图6所示，图形用户界面400包括锁定到杯按钮602。当选择锁定到杯按钮602时，虚拟增强件600被限制到相对于虚拟杯404的预定义间隔。例如，虚拟增强件600可被定位成使得虚拟增强件600距离虚拟杯404大约二毫米。该间隔提供了在将增强件联接到杯的规程期间可用接合剂或其他粘合剂填充的体积。如图6所示，图形用户界面400包括控制按钮604的阵列，其可被选择成改变虚拟增强件600的旋转、倒转和倾斜，同时保持相对于虚拟杯404的预定义间隔。因此，步骤304可包括将植入物增强件的计划放置限制到相对于杯的计划位置的预定义间隔。

如图7所示，图形用户界面400示出了虚拟增强件600和没有虚拟杯404的虚拟骨模型502的表示。如图7所示，图形用户界面400可便于外科医生评估虚拟增强件600对用于接收杯的表面的形成的贡献。CT视图704示出了虚拟增强件600相对于收集的患者髋关节的CT图像的二维视图。CT图像可示出骨密度、先前植入的杯、其他植入物部件(例如，用于治疗创伤性损伤的螺钉、板等)和/或其他有用信息。图6-图7的图形用户界面400由此便于相对于植入物杯和骨盆计划植入物增强件。图形用户界面400还可促进植入物和增强件的螺钉轨迹的计划，使得同时考虑/计划此类螺钉轨迹。这可确保增强件和植入物杯被定位成使得螺钉不会彼此干扰或干扰任何现有硬件(例如，创伤螺钉/接骨板)。螺钉轨迹还可相对于骨密度可视化，以确保实现充分的螺钉固定。

步骤302和304由此可产生植入物杯的计划姿态和植入物杯的计划姿态。这样的计划(即，步骤301-304)可在术前和/或术中发生。过程300的其余步骤发生在术中，即在外科规程期间。

在步骤306处，执行配准过程以配准患者骨盆、外科工具、机器人装置和/或其他跟踪探针或器械的相对位置。例如，探针可由跟踪系统222跟踪并接触骨盆上的各个点以确定骨盆的姿态。上面参考图2描述了各种配准方法。

在翻修髋关节成形术规程的情况下，根据先前植入的杯是松动的还是固定的，可使用不同的配准工作流程。图8示出了根据示例性实施方案的用于翻修髋关节成形术规程中的配准的过程800的流程图。

如图8所示，如果先前杯是固定的，则在步骤802处移除先前植入物(即，在先前规程中植入)的衬垫。在步骤804处，经由固定到骨盆的先前植入物杯来配准骨盆的位置。例如，可以使跟踪的探针接触先前植入物杯上的各个位置，以确定先前植入物杯的表面的姿态。作为另一个实例，术中成像(例如，x射线)可用于确定先前植入物杯的表面的姿态。因为先前植入物杯和骨盆之间的几何关系是固定的并且从在步骤301接收的医学图像中已知，所以这样的数据可用于骨盆的配准。跟踪的探针和/或术中成像还可用于定位和配准现有硬件(例如，创伤螺钉/板)，以便于在规程期间避免此类结构(例如，通过在此类结构的定位位置周围创建虚拟控制对象)。在配准之后，在步骤806处移除先前杯以允许安装翻修植入物。在一些实施方案中，使用触觉引导来促进先前(主要，现有)植入物的移除，例如如美国专利申请20180014891中所述。例如，虚拟控制对象可通过以下方式来生成：参考植入物设计库以确定相关植入物的几何形状，使用探针识别先前植入物的边缘，以及基于探测到的边缘生成触觉边界。

同样如图8所示，先前的杯是松动的(即，未固定)，在骨盆的配准之前在步骤808处移除先前杯和衬垫。在步骤810处，在没有先前杯的情况下配准骨盆。例如，可以使探针接触先前杯从其移除的区域周围或区域中的各个点。

为了进一步说明根据一些实施方案的步骤306的配准，图9-图10描绘了可以用于在各种情形中的配准的骨盆区域。图9示出了包括固定杯的虚拟骨模型900，而图10示出了其中松动杯已被移除而留下接近平滑表面的虚拟骨模型1000。图9-图10包括若干配准区域的分界，被示出为区域A 902、区域B 1002、区域C 1004和区域D 904。

在具有固定杯的情形中，配准点(即，被跟踪的探针接触并用于配准的点)可在区域A 902中采用，该区域对应于先前植入的固定杯的表面。由于区域A 902在外科手术期间暴露以允许移除先前植入的杯，所以此类点可以是特别可靠和可接近的。例如在区域D 904(沿着髂嵴)和/或区域C 904(髋臼上方)中，也可采用其他点。

在具有松动杯的情形中，可以在区域B 1002中采用配准点，其对应于当从患者体内移除松动状物杯时暴露的髋臼表面。例如，可围绕区域B 1002的边沿采用配准点。此类点的可靠性可取决于在区分术前图像中的骨表面与松动杯时步骤301的分割的准确性，该松动杯被移除以暴露区域B 1002的表面。在一些实施方案中，在不使用髋臼配准点(不使用区域A 902或区域B 904中的配准点)的情况下和通过使用髋臼外配准点(例如，区域C 1004和/或区域D 904中的点)，在松动杯情形中实现骨盆的配准。

如在步骤306处进行的配准由此便于将骨盆在真实空间中的实际姿态映射到虚拟骨模型502在虚拟空间中的虚拟位置。然后，虚拟植入物增强件和虚拟植入物杯的虚拟计划姿态也可与真实空间中的真实姿态相关联(例如，相对于跟踪系统222所使用的坐标系)。

然后可使用标准技术移除主要杯(即，现有植入物)。在一些情况下，移除主要杯可能导致未被原始外科计划考虑的意外的缺陷腔。在此类情况下，跟踪的探针可用于限定缺陷腔的轮廓(大小，形状，姿态等)，例如通过在使探针接触缺陷腔表面上的各个位置，沿着缺陷腔追溯/绘制等时跟踪探针的位置。虚拟骨模型然后可被更新以包括缺陷腔的虚拟表示，使得虚拟骨模型基本上匹配主要杯移除之后的骨的实际形式。然后，例如通过修改增强件的大小或姿态，可调整外科计划以解决缺陷腔。术中配准和骨模型更新也可用于校正分割过程中的空隙或澄清原始成像(例如，CT图像)中的散射的区域。

可响应于对可在术中定位和配准的其他特征(例如，骨量不足、囊肿等)的识别而进行类似的更新。在一些实施方案中，基于由用户移动到一定位置的探针的跟踪位置，在术中自动生成定制的虚拟控制边界，这些位置指示期望切除的特征(例如，囊肿)的位置。然后可基于定制的虚拟控制边界来控制机器人装置220以切除所识别的特征。

另外，在一些实施方案中，可以在初始切除(例如，骨赘切除)之后更新虚拟骨模型。例如，当切割附件用于移除骨赘或其他特征时，可相对于骨跟踪切割附件(例如，附接到机器人装置220)。基于所跟踪的切割附件的移动，可以自动更新虚拟骨模型以包括由切割附件通过移除虚拟骨模型的对应于切除特征的部分而进行的修改。由此可更新虚拟骨模型以准确地表示切除后骨表面而无需重新成像。可以基于更新的虚拟骨模型来更新规程的剩余步骤的外科计划，或者可计划其他干预(例如，填充空隙的骨移植物等)。

在步骤308处，控制机器人机器人装置220以对髋臼进行扩孔，以准备骨盆的表面来接收处于计划姿态的杯。例如，可基于杯的计划姿态来生成虚拟控制对象(本文中称为“杯虚拟控制对象”)。例如，杯虚拟控制对象可包括与杯的外表面相对应并以杯的计划姿态布置的表面。杯虚拟控制对象的这种表面限定了计划的骨修改，例如，在机加工(例如，扩孔)过程之后所得的骨配置，使得骨准备好接收处于计划姿态的杯植入物。

在步骤308处可使用杯虚拟控制对象来控制机器人装置220。在一些实施方案中，机器人装置220执行由杯虚拟控制对象引导的自主移动，以移动和操作外科工具234来对骨盆进行扩孔以准备骨盆以在计划位置中接收杯。在其他实施方案中，机器人装置220向用户提供触觉反馈，以在用户操纵外科工具234来对骨盆进行扩孔以准备骨盆以在计划位置中接收杯时将外科工具234约束在杯虚拟控制对象内。以上参考图2详细描述了这些和其他可能的控制模态。

图11示出了图形用户界面1100的实例，其可由处理电路260生成并显示在显示器264上以便于执行步骤308，例如在机器人装置220是触觉装置的实施方案中。图形用户界面1100示出了具有颜色编码(例如，绿色)或阴影区域1102的虚拟骨模型502，该颜色编码或阴影区域指示根据外科计划要移除的骨的区域。箭头1104指示外科工具234的当前取向和中心点。工具指示器1106指示外科工具234当前正在操作(例如，扩孔器正在旋转)。

处理电路260被配置为使用来自跟踪系统222的骨盆和外科工具234的跟踪姿态来实时更新图形用户界面1100。例如，当跟踪数据指示外科工具234的切割附件(例如，扩孔器工具的头)穿过骨的相应区域时，颜色编码或阴影区域1102的大小可减小。计划的骨修改的完成对应于颜色编码或阴影区域1102的完全消耗(减少到没有，消除等)。

虚拟控制对象也可在图形用户界面1100上指示。在一些情况下，处理电路260可提供不同的颜色编码(例如，红色)以指示其中来自跟踪系统222的数据指示外科工具234违反了虚拟控制对象的约束并修改了外科计划之外的骨的区域。

在步骤310处，控制机器人装置220以对髋臼进行扩孔，以准备骨盆的表面来接收处于植入物增强件的计划姿态的植入物增强件。

例如，可基于增强件的计划姿态来生成虚拟控制对象(本文中称为“增强件虚拟控制对象”)。例如，增强件虚拟控制对象可包括与增强件的外表面相对应并以增强件的计划姿态布置的表面。增强件虚拟控制对象的这种表面限定了计划的骨修改，例如，在机加工过程之后所得的骨配置，使得骨准备好接收处于计划姿态的增强件植入物。

在一些实施方案中，杯虚拟控制对象和增强件虚拟控制对象是分离的虚拟控制对象，并且通过首先准备骨以接收杯，然后准备骨以接收增强件来顺序地施加以执行外科计划。在一些情况下，该顺序可颠倒，使得机器人装置220被控制以首先使用增强件虚拟控制对象准备骨以接收增强件，然后施加杯虚拟控制对象来控制机器人装置220准备骨以接收杯。

在一些此类实施方案中，杯虚拟控制对象和增强件虚拟控制对象可能需要外科工具的不同接近取向。处理电路260可确定第一骨修改的完成(即，步骤308的结束)，并且在开始第二骨修改(即，步骤310的执行)之前，例如使用塌缩的触觉边界将外科工具从杯虚拟控制对象所需的取向引导到增强件虚拟控制对象所需的取向。另外，在一些实施方案中，可在步骤308和310之间对外科工具234进行改变，例如，使得具有第一大小的第一扩孔器用于准备杯区域，而具有第二(例如，较小)大小的第二扩孔器用于准备骨以接收增强件。图形用户界面1100可显示对外科工具234进行这种改变的提示。

在其他实施方案中，杯虚拟控制对象和增强件虚拟控制对象被组合为包括对应于杯和增强件两者的表面的单个虚拟控制对象。在此类实施方案中，步骤308和310可以以统一(同时)的方式执行。

图12示出了在示例性实施方案中在步骤310期间显示的图形用户界面1100。图形用户界面1100示出了具有颜色编码(例如，绿色)或阴影区域1102的虚拟骨模型502，该颜色编码或阴影区域指示在步骤310期间根据外科计划要移除的骨的区域。虚拟骨模型502已由处理电路260修改以使在步骤308期间对实际骨进行的修改可视化。箭头1104指示外科工具234的当前取向和中心点。在所示的实例中，箭头1104已经相对于如图11所示的箭头1104的方向改变了取向。工具指示器1106指示外科工具234当前正在操作(例如，扩孔器正在旋转)。

为了促进步骤308，处理电路260被配置为使用来自跟踪系统222的骨盆和外科工具234的跟踪姿态来实时更新图形用户界面1100。例如，当跟踪数据指示外科工具234的切割附件(例如，扩孔器工具的头)穿过骨的相应区域时，颜色编码或阴影区域1102的大小可减小。计划的骨修改的完成对应于颜色编码或阴影区域1102的完全消耗(减少到没有，消除等)。

步骤308和310由此使得骨(例如，骨盆)准备好接收在步骤302处处于计划姿态的杯并且接收在步骤304处处于计划姿态的植入物。

在步骤312处，将增强件置于计划姿态，并且验证增强件的实际姿态和计划姿态之间的匹配，例如如图13的示例性实施方案所示。如图13所示，外科医生已经将增强件1300手动地放置在外科部位中并且以大致计划姿态邻近骨。导航探针1302被示出为接触增强件1300上的点。导航探针1302可由跟踪系统222跟踪，使得跟踪系统222可确定探针1302的尖端1304相对于其他跟踪对象(例如在步骤308-310处修改的骨)的位置。通过在使导航探针1302接触增强件1300上的多个点时跟踪导航探针1302，增强件1300的姿态可由跟踪系统222和处理电路260确定。在此类实施方案中，处理电路260被配置为将增强件1300的跟踪姿态与来自步骤304的增强件的计划姿态进行比较。处理电路260可以使显示器264显示增强件1300的跟踪姿态与增强件的计划姿态匹配的指示并且/或者提供用于修改增强件1300的实际姿态以使增强件1300的跟踪姿态与增强件1300的计划姿态一致的引导。在其他实施方案中，增强件1300可联接到被跟踪的插入器工具，使得处理电路可使用插入器工具的跟踪的姿态来促进增强件到计划姿态的导航。在一些实施方案中，插入器工具由机器人装置220或另一机器人臂支撑，使得插入器工具可将增强件1300保持在所选择的位置。

在步骤314处，控制机器人装置220以将增强件保持在计划的放置中，同时将增强件联接到骨盆，例如如图14的示例性实施方案所示。如图14所示，如参考图13和步骤312所述来定位增强件1300。保持器臂1400联接到机器人臂232，并显示为保持试验杯植入物1402。控制机器人臂232以迫使试验杯植入物1402靠在增强件1300上，从而将增强件1300推靠在骨上，由此相对于骨以计划姿态保持增强件1300。然后将增强件1300联接到骨。在图14的实例中，外科钻1404(例如，柔性钻)用于将一个或多个螺钉插入穿过增强件1300并进入骨中，以将增强件1300在计划位置固定到骨。由机器人装置220保持在适当位置的试验杯植入物1402可基本上防止在插入螺钉时增强件1300的移动，从而减少进行外科手术所需的外科医生或外科助理的数量，提高外科视野的可视性，并提高增强件1300相对于外科计划的放置的准确性。尽管在该实施方案中使用试验杯植入物，但是在步骤314中也可使用最终杯植入物。

在其他实施方案中，在步骤314处，将增强件1300联接到保持器臂，使得保持器臂可由机器人装置220移动以调整增强件1300的位置。在这样的实施方案中，控制机器人装置220以将增强件1300移动到计划姿态，例如自主地或通过向外科医生提供触觉反馈。在一些实施方案中，外科钻1404是机器人控制的(例如，联接到第二机器人臂)并且被配置为根据外科计划自主地将螺钉穿过增强件插入骨中。在一些实施方案中，可使用外科工具234的切割附件(自主地或在触觉引导下)来准备用于螺钉插入的导向孔。在一些此类实施方案中，螺钉插入附件然后可安装到外科工具234，以将骨螺钉(自主地或在触觉引导下)插入导向孔中并穿过增强件。

在步骤316处，将植入物杯以植入物杯的基本上计划姿态放置(例如，在下述步骤320的预期中与计划姿态略微间隔开)。在一些实施方案中，由外科医生手动地定位杯，并且参考步骤312使用如上对于增强件所述的导航探针来检查该位置。在其他实施方案中，植入物杯安装在联接到机器人装置220的压紧臂上。控制机器人装置220以将植入物杯移动到基本上计划姿态，例如自主地或通过向用户提供触觉反馈。例如，触觉反馈可通过将植入物杯的位置约束在虚拟控制对象内来提供，该虚拟控制对象在使植入物杯更靠近计划姿态时塌缩(变得更小，收敛)，即，使得植入物杯可相对于当前位置移动得更靠近计划姿态但基本上不进一步远离计划位置。由此将植入物杯以基本上计划姿态定位和取向。

在步骤318处，在杯和增强件之间提供接合剂。如上参考步骤304所述，增强件的计划姿态与杯的计划姿态间隔开，以允许在杯和增强件之间包括接合剂，从而将杯联接到增强件。通过遵循步骤312-316，杯和增强件的实际位置也为杯和增强件之间的接合剂提供空间。因此，过程300便于在杯和增强件之间使用可预测的、一致的和优选(计划的，临床确认的等)量的骨接合剂。

在步骤320处，控制机器人装置以促进杯压紧，以将杯固定在计划放置。图15示出了被布置成执行步骤320的外科系统200的示例性实施方案。如图15所示，压紧装置1500安装在机器人臂232上。控制机器人臂232以使压紧装置1500与杯的计划取向对准，并且使得压紧装置1500的远端1501在杯的基本上计划位置处与杯接触。图15将显示装置264示出为提供压紧装置1500被正确定位以用于杯压紧的指示。当外科系统200处于图15所示的状态时，外科医生可向压紧装置1500的近端1502提供钝力。该力沿着压紧装置1500传递以将杯压紧到骨盆中。该力使杯被驱动到骨盆中，以相对于骨盆基本上固定杯。机器人臂232和显示在显示装置264上的信息便于外科医生完成压紧，使得杯以计划姿态(即，如在步骤302处计划的)固定到骨盆。

在步骤322处，控制机器人装置以在接合剂固化的持续时间(例如，十分钟)内继续以计划姿态保持杯。图16示出了示例性实施方案中的步骤322，并且示出了通过保持器臂1400相对于植入物增强件1300保持在适当位置的植入物杯1600。保持器臂1400可以是与压紧装置1500相同的装置或不同的装置。通过使该保持任务自动化，外科医生或外科助理可有利地自由完成与外科规程相关的其他任务。另外，接合剂固化期间的机器人辅助和跟踪定位可确保实现杯和增强件之间的计划几何关系。此外，可优化接合剂罩的完整性以及杯和增强件的单元化，因为随着接合剂硬化，相对移动最小化。

在步骤322之后，外科规程可遵循已建立的工作流程进行，例如将衬垫定位在杯中，将股骨植入物定位在杯中，修复髋关节附近的软组织，以及闭合外科切口。在各种实施方案中，外科系统200可被配置为有助于这些附加步骤中的一些或全部。过程300由此可提高外科医生的外科效率和经验，减少外科规程的持续时间，并且通过根据个性化外科计划提供增强件和杯的准确放置来改善患者结果。

尽管图3-图16示出了涉及髋关节成形术规程的实施方案，但是应当理解，参考其描述的系统和方法可以适用于肩关节成形术规程。例如，在过程300的工作流程之后，可在关节盂处计划和安装增强件、网状物、骨移植物或其他支撑结构。在一些实施方案中，可以为特定患者定制增强件(例如，使用增材制造)。

现在参考图17，示出了根据示例性实施方案的便于在膝关节成形术规程中使用增强件的过程1700的流程图。在一些实施方案中，过程1700可由图2的外科系统执行。在全膝关节成形术规程中，胫骨准备联接到胫骨植入物，并且股骨准备联接到股骨植入物。在规程之后，胫骨植入物和股骨植入物将彼此关节运动，以提供膝关节功能。全膝关节成形术规程的一个目标是将胫骨和股骨植入物置于相对位置，该相对位置确保膝关节的全范围运动，而不会给用户带来疼痛或不适。全膝关节成形术规程的另一个目标是确保胫骨和股骨部件连接到胫骨和股骨，以便承受来自膝关节功能使用(例如，站立、行走、跑步、骑自行车等)的载荷。因此，在一些情况下(例如，骨衰退、翻修膝关节规程等)，除胫骨或股骨植入物外，可能需要使用一个或多个增强件部件来为植入物提供结构支撑，并便于将植入物放置成处于优选姿态以改善患者结果。

在过程1700的步骤1702处，将试验植入物或模板相对于骨(例如，股骨或胫骨)以期望的姿态物理地定位。在一些情况下，在步骤1702之前的膝关节成形术规程期间，可以对骨进行一个或多个切口或其他修改。在步骤1702处，可执行各种测试以确定试验植入物是否处于期望的(适当的，临床上有利的等)姿态。例如，可以进行韧带平衡测试。

当试验植入物已被定位成处于期望姿态时，在步骤1704处，跟踪被跟踪的探针的姿态，同时探针用于接触或追踪试验植入物上的一个或多个线或点。跟踪的探针相对于骨的跟踪的位置和取向的位置和取向可以通过如上参考图2所述的配准过程来确定。图18-图21示出了步骤1704的示例性非限制性实施方案。

如图18和图19所示，胫骨模板1800定位在胫骨208上。如图18所示，探针1802沿着胫骨模板1800的前曲线1804，胫骨模板1800的内轮廓1806和胫骨模板1800的前脊1808追踪。如图19所示，探针接触胫骨模板1800上的各个点，包括带头钉孔1900，胫骨对准手柄凹座1902，前参考标记1904和前钉孔1906。如图18-图19所示的线和点的任何组合可在步骤1704处用于收集在胫骨模板1800处，或在相对于胫骨模板1800固定在适当位置的另一个或多个器械上的点或线。

如图20-图21所示，使用股骨试验2000。图20示出用于追踪股骨试验2000的髁间窝2002的探针1802。图21示出用于接触纹钉孔2100的探针1802。如图20-图21所示的线和点的任何组合可以在步骤1704处用于收集股骨试验2000上的点或线。

在步骤1706处，确定虚拟空间中的试验植入物相对于骨的跟踪姿态(例如，由骨的虚拟模型表示)的姿态。例如，当在步骤1704接触各种线或点时，基于探针1802的跟踪位置，试验植入物的模型可相对于骨的虚拟模型在虚拟空间中取向和定位。因此，在步骤1704处使用(并且在图18-图21中示出)的点和线被选择以提供足够的数据，以在步骤1706处准确地确定试验植入物的姿态。

在本文所述的实例中，试验植入物的姿态用作植入物的计划姿态(即，植入物在规程后留在患者体内)。在其他实例中，可在试验植入物的姿态和植入物的计划姿态之间进行偏移或其他调整。

在步骤1708处，计划一个或多个骨修改(例如，由处理电路260自动计划)。计划的骨修改准备骨以联接到增强件并接收增强件和植入物，使得植入物被定位成处于计划姿态(例如，在步骤1706确定的试验植入物的姿态)。例如，增强件可用于校正骨的第一侧上的骨损失或弱化。可由处理电路260基于试验植入物的姿态以及在一些情况下基于其他术前或术中数据(例如，从各种大小、类型、形状等的一组可能的增强件中)自动选择增强件。在这样的情况下，可以计划的骨修改以移除骨的对应节段，从而允许牢固地放置增强件以加强植入物和骨之间的连接。也可在步骤1708对外科计划进行各种其他更新、添加等。

为了便于说明步骤1708，图22-图23示出了用于膝关节成形术规程的带有增强件的植入物。图22示出胫骨植入物2200和胫骨增强件2202。如果需要胫骨增强件2202，则在步骤1708处，计划切口以从胫骨移除骨，以产生用于胫骨增强件2202的要由胫骨208接收的空间。图23示出了具有一对股骨增强件2206的股骨植入物2204。如果需要图23的股骨增强件2206，则在步骤1708处计划一对平面切口以从股骨移除骨，从而为该对股骨植入物2204提供空间。根据在给定规程中使用的相应植入物和增强件的表面轮廓，在其他实施方案中可使用其他类型的切口和所得形状(例如，用磨锥扩孔的体积)。例如，对于不同类型的增强件(例如，锥形增强件、柄等)，可在步骤1708处执行对应的切除形状。

在步骤1710处，从外科视野移除试验植入物。在步骤1712处，控制机器人装置220以促进计划的骨修改。例如，机器人装置220可提供触觉反馈，以便于外科医生使用联接到机器人装置220的外科工具来执行计划的骨修改，如参考图2所述。作为另一个实例，可控制机器人装置220以自主地执行计划的骨修改。

在步骤1714处，安装增强件和植入物，使得植入物放置成与在步骤1704-1706处确定的试验植入物的期望姿态一致。在一些实施方案中，在步骤1704处，手动放置增强件和植入物，并且对于试验植入物，使用跟踪探针检查位置。在一些实施方案中，控制机器人装置220以将增强件和/或植入物保持处于计划姿态并且/或者控制钻或其他工具以促进和/或自动化增强件和/或植入物到患者的骨(在膝关节成形术的情况下为股骨或胫骨)的联接。

过程1700由此提供了机器人辅助的膝关节成形术规程，其包括用于胫骨植入物或股骨植入物中的任一者的增强件的术中计划和放置。应当理解，过程1700和本文所述的各种其他系统和方法可适用于各种适应症，各种外科规程，各种解剖区域等。

在一些实施方案中，收集与使用本文所述的系统和方法进行的规划和规程有关的数据。例如，在规程的计划期间，可以收集诸如所使用的植入物的类型、骨密度、韧带平衡测量、最终植入物放置(角度、前/后放置、内侧/外侧放置、相对于关节线的放置，机械和解剖轴位置等)等的细节。还可以收集术后结果。然后可将术后结果与其他数据进行比较，以提供对本文所述的系统和方法的改进的执行和实现的见解。

如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。尽管在本公开中仅详细描述了几个实施方案，但是许多修改是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例，参数值，材料的使用，颜色，取向等的变化)。例如，元件的位置可颠倒或以其他方式变化，并且离散元件的性质或数量或者位置可改变或变化。因此，所有此类修改旨在包括在本公开的范围内。任何过程或方法步骤的顺序或次序可根据替代实施方案而变化或重新排序。在不背离本公开的范围的情况下，可以在示例性实施方案的设计、操作条件和布置中进行其他替换、修改、改变和省略。

如本文所用，术语“大约”，“约”，“基本上”和类似术语旨在具有与本公开的主题所属领域的普通技术人员的常见和接受的用法相一致的广泛含义。阅读本公开内容的本领域技术人员应当理解，这些术语旨在允许描述所描述和要求保护的某些特征，而不将这些特征的范围限制于所提供的精确数值范围。因此，这些术语应被解释为指示所描述的主题的非实质性或不重要的修改或改变，并且被认为在本公开的范围内。

Claims (20)

1.一种用于促进关节成形术规程的系统，其包括：

机器人装置；

切割工具，所述切割工具被配置为与所述机器人装置交接；以及

处理电路，所述处理电路能够与所述机器人装置通信并且被配置为：

获得外科计划，所述外科计划包括植入物的第一计划位置和植入物增强件相对于患者的骨的第二计划位置；

确定计划的骨修改，所述计划的骨修改被配置为准备所述骨以在所述第一计划位置中接收所述植入物并且在所述第二计划位置中接收所述植入物增强件；

基于所述计划的骨修改生成一个或多个虚拟对象；

控制所述机器人装置以在所述切割工具与所述机器人装置交接并且被操作以根据所述计划的骨修改来修改所述骨时用所述一个或多个虚拟对象来约束所述切割工具。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个虚拟对象包括具有扩孔表面的虚拟对象，所述扩孔表面对应于所述植入物和所述植入物增强件两者。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个虚拟对象包括第一虚拟对象和第二虚拟对象，所述第一虚拟对象包括对应于所述植入物的杯表面，所述第二虚拟对象包括对应于所述植入物增强件的增强件表面。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述处理电路被配置为控制所述机器人装置以用所述一个或多个虚拟对象约束所述切割工具，方式是顺序地进行以下操作：

选择所述第一虚拟对象并用所述第一虚拟对象约束所述切割工具；以及

选择所述第二虚拟对象并用所述第二虚拟对象约束所述切割工具。

5.如权利要求1所述的系统，其包括：

保持器臂，所述保持器臂被配置为联接到所述机器人装置；

其中所述处理电路被配置为控制所述机器人装置对所述保持器臂进行定位，以将所述植入物增强件暂时保持在所述骨处并处于所述第二计划位置，以便于将所述植入物增强件固定到所述骨。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述处理电路被配置为通过以下方式获得所述外科计划：

获得所述骨和联接到所述骨的先前植入物的图像；

分割所述图像以区分所述骨和所述先前植入物；以及

使用所分割的图像生成所述外科计划。

7.如权利要求6所述的系统，其包括被配置为跟踪所述骨和所述机器人装置的相对位置的跟踪系统，所述跟踪系统被配置为基于所述先前植入物的测量姿态来配准所述骨的姿态。

8.如权利要求6所述的系统，其中所述处理电路被配置为：

基于所分割的图像生成虚拟骨模型；

相对于所述虚拟骨模型和所述先前植入物的虚拟表示虚拟地定位虚拟植入物，以限定所述植入物的所述第一计划位置；

相对于所述虚拟植入物虚拟定位虚拟植入物增强件，以限定所述植入物增强件的所述第二计划位置。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述处理电路被配置为要求所述虚拟植入物增强件和所述虚拟植入物之间的预定间隔。

10.如权利要求8所述的系统，其中所述处理电路被配置为生成图形用户界面，所述图形用户界面示出所述虚拟骨模型、所述虚拟植入物和所述虚拟植入物增强件。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述图形用户界面示出一个或多个螺钉轨迹。

12.如权利要求1所述的系统，其包括跟踪系统和探针，所述跟踪系统被配置为确定所述探针相对于所述骨的位置；

其中所述控制电路被配置为基于所述探针相对于所述骨的所述位置来确定所述植入物增强件是否处于所述第二计划位置。

13.一种方法，其包括：

获得外科计划，所述外科计划包括植入物杯的第一计划位置和植入物增强件相对于患者的骨的第二计划位置；

确定计划的骨修改，所述计划的骨修改被配置为准备所述骨以在所述第一计划位置中接收所述植入物杯并且在所述第二计划位置中接收所述植入物增强件；

基于所述计划的骨修改生成一个或多个虚拟对象；

使用所述一个或多个虚拟对象来控制机器人装置，以便于根据所述计划的骨修改用与所述机器人装置交接的外科工具来修改所述骨。

14.如权利要求13所述的方法，其中使用所述一个或多个虚拟对象控制所述机器人装置包括用所述一个或多个虚拟对象限制所述外科工具。

15.如权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个虚拟对象包括具有扩孔表面的虚拟对象，所述扩孔表面对应于所述植入物杯和所述植入物增强件两者。

16.如权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个虚拟对象包括第一虚拟对象和第二虚拟对象，所述第一虚拟对象包括对应于所述植入物杯的杯表面，所述第二虚拟对象包括对应于所述植入物杯的增强件表面。

17.如权利要求16所述的方法，其中控制所述机器人装置包括：

选择所述第一虚拟对象并使用所述第一虚拟对象来约束所述外科工具；

确定所述骨准备好接收所述植入物杯；以及

选择所述第二虚拟对象并使用所述第二虚拟对象来约束所述外科工具。

18.如权利要求13所述的方法，其包括控制所述机器人装置以使所述机器人装置将所述植入物增强件保持在所述骨处并处于所述第二计划位置，以便于将所述植入物增强件固定到所述骨。

19.如权利要求13所述的方法，其中获得所述外科计划包括：

获得所述骨和联接到所述骨的先前植入物的图像；

分割所述图像以区分所述骨和所述先前植入物；以及

使用所分割的图像生成所述外科计划。

20.如权利要求13所述的方法，其中获得所述外科计划包括要求所述虚拟植入物增强件和所述虚拟植入物杯之间的预定间隔。

Images