JP6680911B2 - 手術システム用の術前計画及び関連する術中見当合わせ - Google Patents

手術システム用の術前計画及び関連する術中見当合わせ Download PDF

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Description

本開示は、医療システム及び方法に関する。更に詳しくは、本開示は、コンピュータ化された手術システムによって使用される手術の術前計画及び関連する情報の見当合わせに関する。
最近の整形外科関節置換手術は、通常、特定の手技（ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）の有効性及び効率を向上させるべく、少なくともある程度の手術の術前計画を伴っている。具体的には、術前計画は、手技の全体時間と患者の関節が開放状態にあると共に曝露されている時間を低減しつつ、骨の切除及びインプラントの配置の精度を向上させることができる。
整形外科関節置換手術の実行の際にロボットシステムを使用することにより、特定の手技の術中時間を大幅に低減することができる。手技の有効性は、益々、術前計画ステージにおいて利用されるツール、システム、及び方法に基づいたものとなりうる。
術前計画に関与するステップの例は、インプラントのサイズ、位置、及び向き、切除のプレーン及び深さ、手術部位へのアクセス軌跡、並びに、その他のものを判定するステップを伴いうる。特定の例においては、術前計画は、関節置換を経験することになる１つ又は複数の患者の骨の三次元（「３Ｄ）」）の患者固有のモデルを生成するステップを伴いうる。３Ｄ患者モデルは、その他のパラメータに加えて、インプラントのサイズ、インプラントの向き、インプラントの位置、及び対応する切除のプレーン及び深さの様々な可能性を計画する際に、視覚的な支援として使用することができる。
術前計画の特定の態様のためのフレームワークは、当技術分野において既知でありうるが、術前計画の特定の態様を更に改良してロボットによる且つロボット支援型の整形外科関節置換手術の効率及び有効性を更に増大させるためのツール、システム、及び方法に対する必要性が存在している。
本開示の態様は、患者の骨に対する関節形成手技の計画において使用される切除プレーンデータを生成する方法を伴いうる。方法は、患者の骨の少なくとも一部分と関連する患者データを取得するステップであって、患者データは、医療撮像装置を使用することによってキャプチャされる、ステップと、患者データから三次元患者骨モデルを生成するステップであって、患者骨モデルは、多角形表面メッシュを含む、ステップと、多角形表面メッシュ上において後部ポイントの場所を識別するステップと、場所において又はその近傍においてセンタリングされた三次元形状を生成するステップと、三次元形状によって含まれうる多角形表面メッシュのすべての頂点のうちの最後部頂点を識別するステップと、最後部頂点を後部切除深さを判定するための要因として使用するステップと、後部切除深さを使用することによって切除データを生成するステップであって、切除データは、関節形成手技においてナビゲーションシステムによって利用されるように構成されている、ステップと、を含むことができる。
特定の例においては、三次元患者骨モデルは、三次元患者大腿骨モデルであってもよい。
特定の例においては、方法は、第１三次元骨モデル上において第１後部ポイントの第１場所を識別するステップと、第１三次元骨モデル上の第１場所を三次元患者骨モデル上の場所にマッピングするステップと、を更に含むことができる。第１場所は、場所と位置的に相関させることができる。
特定の例においては、第１三次元骨モデルは、汎用骨モデルであってもよい。
特定の例においては、三次元形状は、約７ｍｍの半径を有する球体を含みうる。
特定の例においては、半径は、スケーリング係数によって乗算されてもよい。
特定の例においては、スケーリング係数は、三次元患者骨モデルと汎用骨モデルの間の内側−外側又は前部−後部サイズ差のうちの１つであってもよい。
特定の例においては、多角形表面メッシュは、三角形表面メッシュであってもよい。
特定の例においては、三次元形状は、球体を含むことができる。
特定の例においては、ナビゲーションシステムは、関節形成手技を実行する際に自律型ロボット又は外科医支援型の装置との関連において動作している。
本開示の態様は、患者の骨に対する関節形成手技を計画する際に使用される切除プレーンデータを生成する方法を伴いうる。方法は、患者の骨の少なくとも一部分と関連する患者データを取得するステップであって、患者データは、医療撮像装置を使用することによってキャプチャされる、ステップと、患者データから三次元患者骨モデルを生成するステップであって、患者骨モデルは、多角形表面メッシュを含む、ステップと、多角形表面メッシュ上において遠位ポイントの場所を識別するステップと、場所において又はその近傍においてセンタリングされた三次元形状を生成するステップと、三次元形状によって含まれている多角形表面メッシュのすべての頂点のうちの最遠位頂点を識別するステップと、最遠位頂点が三次元形状の境界に過剰に近接しうるかどうかを判定するステップと、最遠位頂点が三次元形状の境界に過剰に近接しえない場合に遠位切除深さを判定するための基礎として最遠位頂点を使用するステップと、遠位切除深さを使用することによって切除データを生成するステップであって、切除データは、関節形成手技においてナビゲーションシステムによって利用されるように構成されている、ステップと、を含むことができる。
特定の例においては、三次元形状は、Ｒｘが内側−外側において延在し、Ｒｙが前部−後部において延在し、且つ、Ｒｚが遠位−近位において延在するように、三次元患者骨モデルとの関係において方向付けされた楕円体を含むことができる。特定の例においては、Ｒｘは、約７ｍｍであってもよく、Ｒｙは、約１０ｍｍであってもよく、且つ、Ｒｚは、約７ｍｍであってもよい。
特定の例においては、最遠位頂点は、ｘが、第１場所と最遠位頂点の間のｘ方向における差であってもよく、ｙが、第１場所と最遠位頂点の間のｙ方向における差であってもよく、ｚが、第１場所と最遠位頂点の間のｚ方向における差であってもよく、ａがＲｘであってもよく、ｂがＲｙであってもよく、且つ、ｃがＲｚであってもよい状態において、最遠位頂点の場所が、楕円体関数ｆ＝ｘ２／ａ２＋ｙ２／ｂ２＋ｚ２／ｃ２において、０．６５を上回りうる場合に、楕円体の境界に過剰に近接しうる。
特定の例においては、三次元患者骨モデルは、三次元患者大腿骨モデルであってもよい。
特定の例においては、三次元形状は、楕円体、球体、プリズム、立方体、又は円筒体を含みうる。
特定の例においては、ナビゲーションシステムは、関節形成手技を実行する際に自律型ロボット又は外科医支援型の装置との関連において動作している。
本開示の態様は、患者の骨に対する関節形成手技を計画する際に使用される切除プレーンデータを生成する方法を伴いうる。方法は、患者の骨の少なくとも一部分と関連する患者データを取得するステップであって、患者データは、医療撮像装置を使用することによってキャプチャされる、ステップと、患者データから三次元患者骨モデルを生成するステップであって、患者骨モデルは、多角形表面メッシュを含む、ステップと、多角形表面メッシュ上の遠位ポイントの場所を識別するステップと、場所において又はその近傍においてセンタリングされた第１三次元形状を生成するステップと、第１三次元形状によって含まれている多角形表面メッシュのすべての頂点のうちの最遠位頂点を識別するステップと、最遠位頂点が骨棘上において配置されうるかどうかを判定するステップと、最遠位頂点が骨棘上において配置されうるかどうかに基づいて遠位切除深さを判定するための基礎として最遠位頂点又は最遠位頂点の調節済みの場所を使用するステップと、遠位切除深さを使用することによって切除データを生成するステップであって、切除データは、関節形成手技においてナビゲーションシステムによって利用されるように構成されている、ステップと、を含むことができる。
特定の例においては、最遠位頂点が骨棘上において配置されうるかどうかを判定するステップは、最遠位頂点と場所の間において位置決めされた第２三次元形状を生成するステップを含むことができる。
特定の例においては、方法は、第２三次元形状によって含まれている多角形表面メッシュの特定の頂点を識別するステップと、遠位頂点が骨棘上において配置されうるかどうかを判定するべく特定の頂点と関連する情報を使用するステップと、を更に含むことができる。
特定の例においては、情報は、関節表面から突出する骨棘の存在と関連する方向における最小及び最大値であってもよい。
特定の例においては、方法は、第２三次元形状によって含まれている多角形表面メッシュの特定の頂点を識別するステップと、遠位頂点が骨棘上において配置されうるかどうかを判定するべく、特定の座標方向において第２三次元形状によって含まれている特定の頂点のうちの１つの頂点の最小頂点値及び特定の座標方向において第２三次元形状によって含まれている特定の頂点のうちの別の頂点の最大頂点値を使用するステップと、を更に含むことができる。
特定の例においては、方法は、最大頂点値と最小頂点値の間の差を判定するステップと、骨棘の存在を判定するべく差を使用するステップと、を更に含むことができる。
特定の例においては、第２三次元形状は、約２ｍｍの半径を有する球体を含みうると共に、最遠位頂点から場所に向かって１ｍｍのところでセンタリングされていてもよい。
特定の例においては、方法は、球体の境界によって含まれている多角形表面メッシュの特定の頂点を識別するステップと、特定の座標方向において境界によって含まれている特定の頂点のうちの１つの頂点の最大頂点値と特定の座標方向において境界によって含まれている特定の頂点のうちの別の頂点の最小頂点値の間の差を判定するステップと、更に含むことができる。
特定の例においては、方法は、球体のサイズを増大させるのか又は減少させるのかを判定するべく差を使用するステップを更に含むことができる。
特定の例においては、第１三次元形状は、楕円体を含むことができる。特定の例においては、第２三次元形状は、球体を含むことができる。
特定の例においては、ナビゲーションシステムは、関節形成手技を実行する際に自律型ロボット又は外科医支援型の装置との関連において動作している。
本開示の態様は、患者の骨に対する関節形成手技を計画する際に使用される切除プレーンデータを生成する方法を伴いうる。方法は、患者の骨の少なくとも一部分と関連する患者データを取得するステップと、患者データから三次元患者骨モデルを生成するステップであって、患者骨モデルは、三次元座標系において方向付けされると共に多角形表面メッシュを含む、ステップと、切除プレーンと関連する三次元座標系において特定の方向を識別するステップと、多角形表面メッシュ上において場所を識別するステップと、場所において又はその近傍において表面を生成するステップと、特定の方向において表面を超えて最も遠くに延在する多角形表面メッシュのすべての頂点のうちの特定の頂点を識別するステップと、特定の切除深さを判定するための要因として特定の頂点を使用するステップと、特定の切除深さを使用することによって切除データを生成するステップであって、特定の切除データは、関節形成手技においてナビゲーションシステムによって利用されるように構成されている、ステップと、を含むことができる。
特定の例においては、表面は、プレーンであってもよい。
特定の例においては、表面は、三次元形状であってもよい。特定の例においては、三次元形状は、球体、楕円体、プリズム、又は立方体であってもよい。
特定の例においては、方法は、第１三次元骨モデル上において第１後部ポイントの第１場所を識別するステップと、第１三次元骨モデル上の第１場所を三次元患者骨モデル上の場所にマッピングするステップと、を更に含むことができる。第１場所は、場所と位置的に相関させることができる。
特定の例においては、第１三次元骨モデルは、汎用骨モデルであってもよい。
特定の例においては、表面は、約７ｍｍの半径を有する球体を含むことができる。特定の例においては、半径は、スケーリング係数によって乗算されてもよい。特定の例においては、スケーリング係数は、三次元患者骨モデルと汎用骨モデルの間における内側−外側又は前部−後部サイズ差のうちの１つであってもよい。
特定の例においては、ナビゲーションシステムは、関節形成手技を実行する際に自律型ロボット又は外科医支援型の装置との関連において動作している。
本開示の態様は、患者の骨に対する関節形成手技を計画する際に使用される切除プレーン及びチェックポイント位置決めデータを生成する方法を伴いうる。方法は、患者の骨の少なくとも一部分と関連する患者データを取得するステップであって、患者データは、医療撮像装置を使用することによってキャプチャされる、ステップと、患者データから三次元患者骨モデルを生成するステップであって、患者骨モデルは、多角形表面メッシュを含む、ステップと、患者骨モデル上において第１チェックポイントの第１場所を識別するステップと、患者骨モデルとの関係において切除プレーンの第２場所を識別するステップであって、切除プレーンは、切除の後に曝露されることになる患者骨モデル上の切除表面を定義している、ステップと、第１場所から切除表面上のポイントまでの最短符号付き距離ベクトルを判定するステップと、第１チェックポイントの第１場所が切除プレーンの第２場所に過剰に近接した状態で配置されうるかどうかを判定するべく、最短符号付き距離ベクトルと関連する情報を使用するステップと、情報を使用することによって切除及びチェックポイント位置決めデータを生成するステップであって、切除及びチェックポイント位置決めデータは、関節形成手技においてナビゲーションシステムによって利用されるように構成されている、ステップと、を含むことができる。
特定の例においては、方法は、切除表面の法線を識別するステップを更に含んでいてもよく、法線は、患者骨モデルから離れるように、且つ、切除表面に対して垂直に、延在している。
特定の例においては、方法は、法線と最短符号付き距離ベクトルが反対方向において向いている際に、第１チェックポイントの第１場所が切除プレーンの第２場所に過剰に近接した状態で配置されうると判定するステップを更に含むことができる。
特定の例においては、患者骨モデルは、大腿骨モデルであってもよい。特定の例においては、患者骨モデルは、脛骨モデルであってもよい。
特定の例においては、方法は、法線と最短符号付き距離ベクトルが同一の方向において向いており、且つ、最短符号付き距離ベクトルの大きさが約４．５０ｍｍ以下でありうる際に、チェックポイントは、切除プレーンに過剰に近接した状態で配置されうると判定するステップを更に含むことができる。
特定の例においては、患者骨モデルは、大腿骨モデルであってもよい。特定の例においては、患者骨モデルは、脛骨モデルであってもよい。
特定の例においては、ナビゲーションシステムは、関節形成手技を実行する際に自律型ロボット又は外科医支援型の装置との関連において動作している。
本開示の態様は、外側大腿骨エリア、近位大腿骨エリア、及び後部大腿骨エリアを含む患者の骨に対する関節形成手技を計画する際に使用されるインプラント位置及び向きデータを生成する方法を伴いうる。方法は、患者の骨の少なくとも一部分と関連する患者データを取得するステップと、患者データから三次元患者大腿骨モデルを生成するステップであって、患者大腿骨モデルは、表面境界及び皮質領域を含み、患者大腿骨モデルは、内側−外側方向におけるＸ軸、＋Ｙ軸が後部大腿骨エリアに向かって向いている状態で前部−後部方向におけるＹ軸、並びに、＋Ｚ軸が近位大腿骨エリアに向かって向いている状態で上方−下方方向におけるＺ軸を有する三次元座標系内に位置している、ステップと、上方エッジを有する前部フランジ部分及び平坦であると共に上方エッジに隣接した前部骨切除接触表面を含む三次元大腿骨インプラントモデルを取得するステップと、患者大腿骨モデルとの関係において大腿骨インプラントモデルの位置及び向きを判定するステップと、前部骨切除接触表面と同一平面上にある触覚プレーンを延在させるステップであって、触覚プレーンは、大腿骨インプラントモデルの前部フランジ部分の上方エッジの上方において位置決めされた上方境界を含む、ステップと、触覚プレーンの上方境界上において一連のポイントを識別するステップと、ベクトルをＹ軸に沿って一連のポイントのそれぞれから患者大腿骨モデルの表面境界の対応する表面に投射するステップと、ベクトルのうちの最小のベクトルの長さ及び方向に基づいて、ノッチングが発生すると判定するステップと、患者大腿骨モデルとの関係における大腿骨インプラントモデルの判定された位置及び向きに基づいてインプラットコンポーネント位置及び向きデータを生成するステップであって、インプラントコンポーネント位置及び向きデータは、関節形成手技においてナビゲーションシステムによって利用されるように構成されている、ステップと、を含むことができる。
特定の例においては、ノッチングは、ベクトルのうちの最小のベクトルの長さが０ｍｍ以上でありうると共に、ベクトルのうちの最小のベクトルの方向が座標系の＋Ｙ軸の反対でありうる際に、発生する。
特定の例においては、ノッチングは、ベクトルのうちの最小のベクトルの長さが０ｍｍ超でありうると共に、ベクトルのうちの最小のベクトルの方向が座標系の＋Ｙ軸と同一の方向にありうる際には、発生しない。
特定の例においては、長さは、ノッチングの知覚可能な深さに基づいたものであってもよい。
特定の例においては、一連のポイントは、触覚プレーンの上方境界に沿って均等に離隔している。特定の例においては、一連のポイントは、患者大腿骨モデルの皮質領域における又はその近傍における曲率半径に基づいて均等に離隔している。特定の例においては、一連のポイントは、知覚可能なノッチングの臨床的に適切な深さに基づいて均等に離隔している。特定の例においては、一連のポイントは、患者大腿骨モデルの皮質領域における又はその近傍における曲率半径と、知覚可能なノッチングの臨床的に適切な深さと、に基づいて均等に離隔している。特定の例においては、一連のポイントは、約３．１５ｍｍだけ離れた状態において均等に離隔している。
特定の例においては、患者データは、医療撮像装置を使用することによってキャプチャすることができる。
特定の例においては、ナビゲーションシステムは、関節形成手技を実行する際に自律型ロボット又は外科医支援型の装置との関連において動作している。
本開示の態様は、外側大腿骨エリア、近位大腿骨エリア、及び後部大腿骨エリアを含む患者の骨に対する関節形成手技を計画する際に使用されるインプラント位置及び向きデータを生成する方法を伴いうる。方法は、患者の骨の少なくとも一部分と関連する患者データを取得するステップであって、患者データは、医療撮像装置を使用することによってキャプチャされる、ステップと、患者データから三次元患者大腿骨モデルを生成するステップと、上方境界エッジを有する関連する触覚切除オブジェクトを有する前部フランジ部分を含む三次元大腿骨インプラントモデルを取得するステップと、患者大腿骨モデルとの関係において大腿骨インプラントモデルの位置及び向きを判定するステップと、上方境界エッジと三次元患者大腿骨モデルの交差に基づいてノッチングが発生すると判定するステップと、患者大腿骨モデルとの関係における大腿骨インプラントモデルの判定された位置及び向きに基づいてインプラントコンポーネント位置及び向きデータを生成するステップであって、インプラントコンポーネント位置及び向きデータは、関節形成手技においてナビゲーションシステムによって利用されるように構成されている、ステップと、を含むことができる。
特定の例においては、三次元患者大腿骨モデルは、表面境界及び皮質領域を含んでいてもよく、患者大腿骨モデルは、内側−外側におけるＸ軸、＋Ｙ軸が後部大腿骨エリアに向かって向かう状態で前部−後部方向におけるＹ軸、＋Ｚ軸が近位大腿骨エリアに向かって向かう状態で上方−下方方向におけるＺ軸を有する三次元座標系内に位置しており、方法は、触覚切除オブジェクトの上方境界エッジ上において一連のポイントを識別するステップと、ベクトルをＹ軸に沿って一連のポイントのそれぞれから患者大腿骨モデルの表面境界の対応する表面に投射するステップと、ベクトルのうちの最小のベクトルの長さ及び方向に基づいてノッチングが発生すると判定するステップと、を更に含む。
特定の例においては、ノッチングは、ベクトルのうちの最小のベクトルの長さが０ｍｍ以上でありうると共に、ベクトルのうちの最小のベクトルの方向が座標系の＋Ｙ軸とは反対でありうる際に、発生する。
特定の例においては、ノッチングは、ベクトルのうちの最小のベクトルの長さが０ｍｍ超でありうると共に、ベクトルのうちの最小のベクトルの方向が座標系の＋Ｙ軸と同一の方向にありうる際には、発生しない。
特定の例においては、長さは、ノッチングの知覚可能な深さに基づいたものであってもよい。
特定の例においては、一連のポイントは、上方境界エッジに沿って均等に離隔している。特定の例においては、一連のポイントは、患者大腿骨モデルの皮質領域における又はその近傍における曲率半径に基づいて均等に離隔している。特定の例においては、一連のポイントは、知覚可能なノッチングの臨床的に適切な深さに基づいて均等に離隔している。特定の例においては、一連のポイントは、患者大腿骨モデルの皮質領域における又はその近傍における曲率半径と、知覚可能なノッチングの臨床的に適切な深さと、に基づいて均等に離隔している。特定の例においては、一連のポイントは、約３．１５ｍｍだけ離れた状態で均等に離隔している。
特定の例においては、ナビゲーションシステムは、関節形成手技を実行する際に自律型ロボット又は外科医支援型の装置との関連において動作している。
本開示の態様は、軟骨内において少なくとも部分的にカバーされている患者の骨に対する関節形成手技を計画する際に使用される切除データを生成する方法を伴いうる。方法は、骨モデル表面を含む三次元患者骨モデルを受け取るステップであって、三次元患者骨モデルは、ナビゲーションシステムを介して患者の骨の位置及び向きと相関されており、三次元患者骨モデルは、三次元座標系内に位置している、ステップと、術中見当合わせのために三次元患者骨モデルの骨モデル表面上においてターゲット領域を識別するステップと、三次元骨モデルの骨モデル表面上のターゲット領域内のポイントに対応する場所における患者の骨の上部の軟骨の術中見当合わせに基づいて第１の複数のポイントの場所データを受け取るステップと、少なくとも部分的に第１の複数のポイントの場所データに基づいて切除深さを判定するステップと、切除深さを使用することによって切除データを生成するステップであって、切除データは、関節形成手技においてナビゲーションシステムによって利用されるように構成されている、ステップと、を含むことができる。
特定の例においては、方法は、第１の複数のポイントの場所データを三次元座標系内にマッピングするステップを更に含むことができる。
特定の例においては、切除深さを判定するステップは、第１の複数のポイントと骨モデル表面上のターゲット領域の間の深さ差を判定するステップを含むことができる。
特定の例においては、方法は、深さ差を骨のみ切除深さに加算することによって切除深さを判定するステップを更に含むことができる。
特定の例においては、骨のみ切除深さは、深さ差の加算によって遠位的に調節することができる。
特定の例においては、切除深さを判定するステップは、第１の複数のポイントに基づいて骨のみ切除深さを変更するステップを含むことができる。
特定の例においては、骨のみ切除深さは、第１の複数のポイントに基づいて遠位的に調節することができる。
特定の例においては、患者の骨は、大腿骨を含むことができると共に、三次元患者骨モデルは、三次元患者大腿骨モデルを含むことができる。
特定の例においては、ターゲット領域は、三次元患者大腿骨モデルの内側又は外側顆の少なくとも１つのものの関節エリアを含むことができる。
特定の例においては、患者の骨は、脛骨を含むことができると共に、三次元患者骨モデルは、三次元患者脛骨モデルを含むことができる。
特定の例においては、切除深さは、脛骨の近位切除深さを含んでいてもよく、近位切除深さは、第１の複数のポイントの場所データに基づいて近位的に調節することができる。
特定の例においては、ターゲット領域は、三次元患者脛骨モデルの内側又は外側脛骨プラトーのうちの少なくとも１つのものの関節エリアを含むことができる。
特定の例においては、三次元患者骨モデルは、骨のみモデルであってもよい。
特定の例においては、三次元患者骨モデルは、患者の骨の医療画像から生成することができる。
特定の例においては、ナビゲーションシステムは、関節形成手技を実行する際に自律型ロボット又は外科医支援型の装置との関連において動作している。
本開示の態様は、患者の大腿骨及び脛骨を含む膝関節に対する関節形成手技を計画する際に使用される切除データを生成する方法を伴いうる。方法は、共通三次元座標系内において第１の事前に計画された向きにおいて相互の関係において方向付けされた三次元大腿骨モデル及び三次元大腿骨インプラントモデルを受け取るステップであって、三次元大腿骨モデルは、患者の大腿骨に対応しており、三次元大腿骨インプラントモデルは、内側顆表面及び外側顆表面を含む、ステップと、共通三次元座標系内において第２の事前に計画された向きにおいて相互の関係において方向付けされた三次元脛骨モデル及び三次元脛骨インプラントモデルを受け取るステップであって、三次元脛骨モデルは、患者の脛骨に対応しており、三次元脛骨インプラントモデルは、内側関節表面及び外側関節表面を含み、三次元大腿骨モデル及び三次元脛骨モデルは、ナビゲーションシステムを介して患者の大腿骨及び脛骨のポーズに従って相互の関係において方向付けされている、ステップと、第１ポーズにおける大腿骨及び脛骨の第１位置及び向きに対応した第１位置及び向きデータを受け取るステップと、第１ポーズにおける三次元大腿骨インプラントモデルの内側顆表面と三次元脛骨インプラントモデル上の又はこれと関連する第１ポイントの間の第１符号付き距離を算出するステップと、第１ポーズにおける三次元大腿骨インプラントモデルの外側顆表面と三次元脛骨インプラントモデル上の又はこれと関連する第２ポイントの間の第２符号付き距離を算出するステップと、第１及び第２符号付き距離に基づいて切除深さを判定又は調節するステップと、切除深さを使用することによって切除データを生成するステップであって、切除データは、関節形成手技においてナビゲーションシステムによって利用されるように構成されている、ステップと、を含むことができる。
特定の例においては、三次元大腿骨モデル及び三次元脛骨モデルは、患者の膝関節の医療画像から生成されている。
特定の例においては、第１ポーズは、伸展状態の膝関節に伴うものであってよい。
特定の例においては、第１ポイントは、三次元脛骨インプラントモデルの内側関節表面上に位置することができると共に、第２ポイントは、三次元脛骨インプラントモデルの外側関節表面上に位置することができる。
特定の例においては、第１及び第２符号付き距離は、グローバルサーチ最近接距離アルゴリズム（ｇｌｏｂａｌ ｓｅａｒｃｈ ｃｌｏｓｅｓｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を介して算出されている。
特定の例においては、グローバルサーチ最近接距離アルゴリズムは、内側及び外側顆表面及び内側及び外側関節表面のそれぞれと関連する基準頂点を識別している。
特定の例においては、方法は、第１ポーズとは異なりうる第２ポーズにおける大腿骨及び脛骨の第２位置及び向きに対応した第２位置及び向きデータを受け取るステップと、第２ポーズにおける三次元大腿骨インプラントモデルの内側顆表面と三次元脛骨インプラントモデルの内側関節表面の間の第３符号付き距離を算出するステップと、第２ポーズにおける三次元大腿骨インプラントモデルの外側顆表面と三次元脛骨インプラントモデルの外側関節表面の間の第４符号付き距離を算出するステップと、を更に含むことができる。
特定の例においては、第２ポーズは、屈曲であってよい。
特定の例においては、第１、第２、第３、及び第４符号付き距離は、グローバルサーチ最近接距離アルゴリズムを介して算出されている。
特定の例においては、第１及び第２符号付き距離は、グローバルサーチ最近接距離アルゴリズムを介して算出されており、且つ、第３及び第４符号付き距離は、増分サーチ最近接距離アルゴリズム（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ ｓｅａｒｃｈ ｃｌｏｓｅｓｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を介して算出されている。
特定の例においては、グローバルサーチ最近接距離アルゴリズムは、内側及び外側顆表面及び内側及び外側関節表面のそれぞれと関連する基準頂点を識別しており、且つ、増分サーチ最近接距離アルゴリズムは、特定の頂点うちのいずれかが、それぞれ、対応する内側又は外側関節表面に、基準頂点よりも近接しているかどうかを判定するべく、内側及び外側顆表面の基準頂点に隣接している特定の頂点について、利用することができる。
特定の例においては、三次元大腿骨インプラントモデルは、頂点を含む第１三角形表面メッシュを含んでいてもよく、三次元脛骨インプラントモデルは、面を含む第２三角形表面メッシュを含んでおり、第１及び第２符号付き距離は、三次元大腿骨インプラントモデルの頂点と三次元脛骨インプラントモデルの面の間において算出されている。
特定の例においては、三次元脛骨インプラントモデルの内側及び外側関節表面は、関節形成手技において利用される物理的な脛骨インプラントの内側及び関節表面との比較において切除深さを判定するべく、相対的にフラットになるように、或いは、相対的に少なく凹入するように、変更されている。
特定の例においては、第１ポイントは、三次元脛骨インプラントモデルと関連する脛骨切除プレーンの内側部分上に位置していてもよく、且つ、第２ポイントは、三次元脛骨インプラントモデルと関連する脛骨切除プレーンの外側部分上に位置していてもよい。
特定の例においては、ナビゲーションシステムは、関節形成手技を実行する際に自律型ロボット又は外科医支援型の装置との関連において動作している。
本開示の態様は、患者の第１骨及び第２骨によって形成される関節に対する関節形成手技を計画する際に使用される切除データを生成する方法を伴いうる。方法は、共通三次元座標系内において第１の事前に計画された向きにおいて相互の関係において方向付けされた第１三次元骨モデル及び第１三次元インプラントモデルを受け取るステップであって、第１三次元骨モデルは、患者の第１骨に対応しており、第１三次元インプラントモデルは、第１インプラント関節表面を含む、ステップと、共通三次元座標系内において第２の事前に計画された向きにおいて相互の関係において方向付けされた第２三次元骨モデル及び第２三次元インプラントモデルを受け取るステップであって、第２三次元骨モデルは、患者の第２骨に対応しており、第２三次元インプラントモデルは、第２インプラント関節表面を含んでおり、第１三次元骨モデル及び第２三次元骨モデルは、ナビゲーションシステムを介して患者の第１骨及び第２骨のポーズに従って相互の関係において方向付けされている、ステップと、第１ポーズにおける第１骨及び第２骨の第１位置及び向きに対応した第１位置及び向きデータを受け取るステップと、第１ポーズにおける第１三次元インプラントモデルの第１インプラント関節表面と第２三次元インプラントモデル上の又はこれと関連する第１ポイントの間の第１符号付き距離を算出するステップと、第１距離に基づいて切除深さを判定又は調節するステップと、切除深さを使用することによって切除データを生成するステップであって、切除データは、関節形成手技においてナビゲーションシステムによって利用されるように構成されている、ステップと、を含むことができる。
特定の例においては、関節は、膝、足首、肘、又は手首であってよい。
特定の例においては、第１骨は、大腿骨であってもよく、且つ、第２骨は、脛骨であってもよい。
特定の例においては、第１ポイントは、第２三次元インプラントモデルと関連する近位脛骨切除プレーンの一部分上に位置していてもよい。
特定の例においては、第１三次元インプラントモデルは、内側顆表面及び外側顆表面を含んでいてもよく、第２三次元インプラントモデルは、内側関節表面及び外側関節表面を含んでいてもよく、第１符号付き距離は、内側顆表面と第１ポイントの間において判定されている。
特定の例においては、方法は、第１ポーズにおける外側顆表面と第２三次元インプラントモデル上の又はこれと関連する第２ポイントの間において第２符号付き距離を算出するステップを更に含むことができる。
特定の例においては、第１ポイントは、第２三次元インプラントモデルの内側関節表面上に位置していてもよく、且つ、第２ポイントは、第２三次元インプラントモデルの外側関節表面上に位置していてもよい。
特定の例においては、第２三次元インプラントモデルの内側及び外側関節表面は、関節形成手技において利用される物理的インプラントの内側及び関節表面との比較において切除深さを判定するべく、相対的にフラットになるように、或いは、相対的に少なく凹入するように、変更されている。
特定の例においては、第１及び第２符号付き距離は、グローバルサーチ最近接距離アルゴリズムを介して算出されている。
特定の例においては、グローバルサーチ最近接距離アルゴリズムは、内側及び外側顆表面及び内側及び外側関節表面のそれぞれと関連する基準頂点を識別している。
特定の例においては、方法は、第１ポーズとは異なりうる第２ポーズにおける第１骨及び第２骨の第２位置及び向きに対応した第２位置及び向きデータを受け取るステップと、第２ポーズにおける第１三次元インプラントモデルの内側顆表面と第２三次元インプラントモデルの内側関節表面の間において第３符号付き距離を算出するステップと、第２ポーズにおける第１三次元インプラントモデルの外側顆表面と第２三次元インプラントモデルの外側関節表面の間において第４符号付き距離を算出するステップと、を更に含むことができる。
特定の例においては、第１、第２、第３、及び第４符号付き距離は、グローバルサーチ最近接距離アルゴリズムを介して算出されている。
特定の例においては、第１及び第２符号付き距離は、グローバルサーチ最近接距離アルゴリズムを介して算出されており、且つ、第３及び第４符号付き距離は、増分サーチ最近接距離アルゴリズムを介して算出されている。
特定の例においては、グローバルサーチ最近接距離アルゴリズムは、内側及び外側顆表面及び内側及び外側関節表面のそれぞれと関連する基準頂点を識別しており、且つ、増分サーチ最近接距離アルゴリズムは、特定の頂点のいずれかが、それぞれ、対応する内側又は外側関節表面に、基準頂点よりも近接しているかどうかを判定するべく、内側及び外側顆表面の基準頂点に隣接している特定の頂点について、利用することができる。
特定の例においては、ナビゲーションシステムは、関節形成手技を実行する際に自律型ロボット又は外科医支援型の装置との関連において動作している。
複数の実施形態について開示したが、本開示の例示用の実施形態について図示及び記述する以下の詳細な説明から、当業者には、本開示の更にその他の実施形態が明らかとなろう。理解されるように、本明細書において記述されている実施形態は、そのいずれもが、本開示の精神及び範囲を逸脱することなしに、様々な態様における変更の能力を有している。従って、図面及び詳細な説明は、その特性が、限定ではなく、例示を目的としたものであると見なされたい。
手術システムの図である。 関節形成の手術計画及び実行を示すフローチャートである。 関節形成の実行の際の触覚ガイダンスを示す。 関節形成の実行の際の触覚ガイダンスを示す。 一般的な脛骨の近位端部及び一般的な大腿骨の遠位端部の三次元コンピュータモデルを示しており、それぞれの三次元モデルは、サイズ及び形状の両方によるその個々の骨タイプの統計的な平均である。 一般的な脛骨の近位端部及び一般的な大腿骨の遠位端部の三次元コンピュータモデルを示しており、それぞれの三次元モデルは、サイズ及び形状の両方によるその個々の骨タイプの統計的な平均である。 患者の脛骨の三次元コンピュータモデル（即ち、患者脛骨モデル）の近位端部の冠状、軸又は横断方向、並びに、矢状図を示す。 患者の脛骨の三次元コンピュータモデル（即ち、患者脛骨モデル）の近位端部の冠状、軸又は横断方向、並びに、矢状図を示す。 患者の脛骨の三次元コンピュータモデル（即ち、患者脛骨モデル）の近位端部の冠状、軸又は横断方向、並びに、矢状図を示す。 患者の大腿骨の三次元コンピュータモデル（即ち、患者大腿骨モデル）の遠位端部の冠状、軸又は横断方向、並びに、矢状図を示す。 患者の大腿骨の三次元コンピュータモデル（即ち、患者大腿骨モデル）の遠位端部の冠状、軸又は横断方向、並びに、矢状図を示す。 患者の大腿骨の三次元コンピュータモデル（即ち、患者大腿骨モデル）の遠位端部の冠状、軸又は横断方向、並びに、矢状図を示す。 三次元患者大腿骨コンピュータモデルの後部顆領域の三角形表面メッシュの拡大図であり、且つ、三次元汎用大腿骨コンピュータモデルから患者大腿骨モデル上にマッピングされた患者大腿骨モデル上の後部ポイントの場所を調節する方法を示す。 患者大腿骨モデル上のマッピングされた後部ポイントの配置を調節する方法を示すフローチャートである。 三次元患者大腿骨コンピュータモデルの遠位顆領域の三角形表面メッシュの拡大図であり、且つ、三次元汎用大腿骨コンピュータモデルから患者大腿骨モデル上にマッピングされた患者大腿骨モデル上の遠位ポイントの場所を調節する方法を示す。 図９Ａにおいて利用されている楕円体の拡大等角図である。 マッピングされた遠位ポイントの配置を微細チューニングするプロセスにおいて利用される図９Ａ及び図９Ｂの同一の楕円体及び球体である。 患者大腿骨モデル上におけるマッピングされた遠位ポイントの配置を調節する方法を概説するフローチャートであり、遠位ポイントは、汎用大腿骨モデルから患者大腿骨モデルの顆にマッピングされている。 患者大腿骨モデル上におけるマッピングされた遠位ポイントの配置を調節する方法を概説するフローチャートであり、遠位ポイントは、汎用大腿骨モデルから患者大腿骨モデルの顆にマッピングされている。 患者大腿骨モデル上におけるマッピングされた遠位ポイントの配置を調節する方法を概説するフローチャートであり、遠位ポイントは、汎用大腿骨モデルから患者大腿骨モデルの顆にマッピングされている。 候補脛骨インプラントの三次元コンピュータモデル（即ち、脛骨インプラントモデル）の遠位−前部図であり、その脛骨プラトーとは遠位的に反対側であるその骨切除接触表面を示している。 患者の脛骨の三次元コンピュータモデル（即ち、患者脛骨モデル）の近位端部上において重畳された脛骨インプラントモデルの冠状、軸又は横断方向、並びに、矢状図を示す。 患者の脛骨の三次元コンピュータモデル（即ち、患者脛骨モデル）の近位端部上において重畳された脛骨インプラントモデルの冠状、軸又は横断方向、並びに、矢状図を示す。 患者の脛骨の三次元コンピュータモデル（即ち、患者脛骨モデル）の近位端部上において重畳された脛骨インプラントモデルの冠状、軸又は横断方向、並びに、矢状図を示す。 候補大腿骨インプラントの三次元コンピュータモデル（即ち、大腿骨インプラントモデル）の矢状図であって、隣接する前部面取り切除接触表面、後部面取り切除接触表面、後部切除接触表面、及び後部切除接触表面と共に、その遠位骨切除接触表面を示しており、これらの切除接触表面は、大腿骨インプラントモデルの内側及び外側顆表面に近接している。 患者大腿骨の三次元コンピュータモデル（即ち、患者大腿骨モデル）の遠位端部上において重畳された大腿骨インプラントモデルの冠状、軸又は横断方向、並びに、矢状図を示す。 患者大腿骨の三次元コンピュータモデル（即ち、患者大腿骨モデル）の遠位端部上において重畳された大腿骨インプラントモデルの冠状、軸又は横断方向、並びに、矢状図を示す。 患者大腿骨の三次元コンピュータモデル（即ち、患者大腿骨モデル）の遠位端部上において重畳された大腿骨インプラントモデルの冠状、軸又は横断方向、並びに、矢状図を示す。 切除が提案されていると共に、提案された脛骨切除を示す、脛骨モデルの様々な図である。 切除が提案されていると共に、提案された脛骨切除を示す、脛骨モデルの様々な図である。 切除が提案されていると共に、提案された脛骨切除を示す、脛骨モデルの様々な図である。 切除が提案されていると共に、遠位切除を含む、提案された大腿骨切除を示す、大腿骨モデルの様々な図である。 切除が提案されていると共に、遠位切除を含む、提案された大腿骨切除を示す、大腿骨モデルの様々な図である。 切除が提案されていると共に、遠位切除を含む、提案された大腿骨切除を示す、大腿骨モデルの様々な図である。 大腿骨インプラントモデルの大腿骨関節表面及び脛骨インプラントモデルの脛骨関節表面の等角図である。 グローバルサーチ最近接距離アルゴリズムのブロードフェーズサーチステージ及びナローフェーズサーチステージのアルゴリズムフローチャートである。 グローバルサーチ最近接距離アルゴリズムのブロードフェーズサーチステージ及びナローフェーズサーチステージのアルゴリズムフローチャートである。 前部大腿骨皮質がノッチングされるように、患者大腿骨モデル上において位置決めされた大腿骨インプラントモデルの前部遠位図及び矢状断面図である。 前部大腿骨皮質がノッチングされるように、患者大腿骨モデル上において位置決めされた大腿骨インプラントモデルの前部遠位図及び矢状断面図である。 患者大腿骨モデルのために確立された座標系を示す。 大腿骨インプラントモデル上において重畳された触覚プレーンのアウトラインを有する、候補大腿骨インプラントモデルの後部、矢状−後部、及び矢状図である。 大腿骨インプラントモデル上において重畳された触覚プレーンのアウトラインを有する、候補大腿骨インプラントモデルの後部、矢状−後部、及び矢状図である。 大腿骨インプラントモデル上において重畳された触覚プレーンのアウトラインを有する、候補大腿骨インプラントモデルの後部、矢状−後部、及び矢状図である。 大腿骨インプラントモデルの前部フランジ部分の上方エッジ及び触覚プレーンの上方境界の拡大前部図であり、一連の等しく離隔した基準ポイントが触覚プレーンの上方境界に沿って延在している。 前部大腿骨皮質ノッチング状況の概略図である。 非ノッチング及びノッチング構成における患者大腿骨モデル及びその上部の候補大腿骨インプラントモデルの断面矢状図である。 非ノッチング及びノッチング構成における患者大腿骨モデル及びその上部の候補大腿骨インプラントモデルの断面矢状図である。 術中見当合わせプロセスにおいて使用されるチェックポイントの側面図である。 ナビゲーションプローブがチェックポイントに接触する状態における、大腿骨上において位置決めされたチェックポイントを有する膝関節の側面図である。 チェックポイントが患者大腿骨モデル上において位置決めされた状態における、患者大腿骨の三次元コンピュータモデル（即ち、患者大腿骨モデル）の遠位端部上において重畳された大腿骨インプラントモデルの冠状図を示す。 チェックポイントが患者脛骨モデル上において位置決めされた状態における、患者の脛骨の三次元コンピュータモデル（即ち、患者脛骨モデル）の近位端部上において重畳された脛骨インプラントモデルの冠状図を示す。 チェックポイント場所検証プロセスのステップを示す。 切除プレーンが、チェックポイントとの関係において「深く」着座した状態における、大腿骨及び脛骨切除プレーンの矢状図である。 切除プレーンが、チェックポイントとの関係において「突出状態において（ｐｒｏｕｄ）」着座した状態における、大腿骨及び脛骨切除プレーンの矢状図である。 様々な切除と関連するエラーを示す表である。 後部切除のエラーに起因した前部面取りエラーの影響を示す大腿骨切除プレーンの矢状図である。 遠位切除のエラーに起因した前部面取りエラーの影響を示す大腿骨切除プレーンの矢状図である。 術前に計画された大腿骨インプラント及び患者骨モデルの矢状図及び術前に計画された脛骨インプラント及び患者骨モデルの矢状図である。 術前に計画された大腿骨インプラント及び患者骨モデルの矢状図及び術前に計画された脛骨インプラント及び患者骨モデルの矢状図である。 図１のシステムのディスプレイ上において描かれた、患者大腿骨モデルの軸又は横断方向図及び後部図である。 図１のシステムのディスプレイ上において描かれた、患者大腿骨モデルの軸又は横断方向図及び後部図である。 個々に図２８Ａ及び図２８Ｂのランドマークキャプチャ領域の拡大図であり、一連の見当合わせポイントが、それぞれのキャプチャ領域上において描かれている。 個々に図２８Ａ及び図２８Ｂのランドマークキャプチャ領域の拡大図であり、一連の見当合わせポイントが、それぞれのキャプチャ領域上において描かれている。 本明細書において記述されている様々なシステム及び方法を実装しうる１つ又は複数の演算ユニットを有する例示用の演算システムである。
本明細書には、手術システム１００を介して実行される関節形成手術手技の術前計画が開示されている。術前計画は、骨切除深さを定義するステップと、大腿骨前部皮質の受け入れ不能なノッチングが、提案されている骨切除深さ及び提案されている候補インプラントのポーズと関連するかどうかを識別するステップと、を含む。術前に計画された骨切除深さ及びインプラントポーズが、大腿骨前部皮質の受け入れ不能なノッチングを有しておらず、且つ、外科医によって承認されたと仮定することにより、実際の患者の骨の軟骨顆表面を術前計画において利用された患者骨モデルに対して術中において見当合わせすることにより、軟骨厚さを考慮するように、骨切除深さを更新することができる。このように軟骨厚さを考慮することにより、実際のインプラントは、手術システム１００を介した埋植の際に、実際の患者の骨の切除された軟骨顆表面の代わりに機能するように配置されたその個々の顆表面を有することになる。
軟骨顆表面の術前計画及び術中見当合わせの詳細な説明を開始する前に、まずは、手術システム及びその動作の概要を以下のように付与しておくこととする。
Ｉ．手術システムの概要
手術システムの詳細な説明を開始するに当たり、図１を参照されたい。図１から理解されうるように、手術システム１００は、ナビゲーションシステム４２、コンピュータ５０、及び触覚装置６０を含む。ナビゲーションシステムは、外科医が骨切り術手技においてディスプレイ５６上において骨及びツールを視覚化できるようにするべく、患者の骨（即ち、脛骨１０、大腿骨１１）のみならず、手術の際に利用される手術ツール（例えば、ポインタ装置、プローブ、切削ツール）をも追跡している。
ナビゲーションシステム４２は、骨のポーズ（即ち、位置及び向き）を追跡するように構成された任意のタイプのナビゲーションシステムであってもよい。例えば、ナビゲーションシステム４２は、非機械的追跡システム、機械的追跡システム、又は非機械的及び機械的追跡システムの任意の組合せを含むことができる。ナビゲーションシステム４２は、検出装置４４の基準座標フレームとの関係においてオブジェクトのポーズを取得する検出装置４４を含む。オブジェクトが基準座標フレーム内において運動するのに伴って、検出装置は、オブジェクトの運動を検出するべく、オブジェクトのポーズを追跡する。
一実施形態においては、ナビゲーションシステム４２は、図１に示されているように、非機械的追跡システムを含んでいる。非機械的追跡システムは、検出装置４４と、追跡対象のオブジェクト上において配設されると共に検出装置４４によって検出可能である追跡可能要素（例えば、ナビゲーションマーカー４６）と、を有する光学追跡システムである。一実施形態においては、検出装置４４は、追跡可能な要素上のパターン（例えば、チェッカーボードパターン）を検出するＭｉｃｒｏＴｒａｃｋｅｒ（Ｃｌａｒｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｃ．， Ｔｏｒｏｎｔｏ， Ｃａｎａｄａ）などの、可視光に基づいた検出器を含む。別の実施形態においては、検出装置４４は、赤外線放射に対する感度を有すると共に関節形成手技が実行されることになる手術室内において位置決め可能であるステレオカメラペアを含む。追跡可能要素は、堅固な且つ安定した方式により、追跡対象のオブジェクトに付着され、且つ、追跡対象のオブジェクトに対する既知の幾何学的な関係を有するマーカーのアレイを含む。既知のように、追跡可能要素は、能動的なもの（例えば、発光ダイオード又はＬＥＤ）であってもよく、或いは、受動的なもの（例えば、反射性球体やチェッカーボードパターンなど）であってもよく、且つ、固有の形状（例えば、マーカーの固有の幾何学的構成）を有していてもよく、或いは、能動的な有線又は無線マーカーのケースにおいては、固有のファイアリングパターンを有することができる。動作の際に、検出装置４４は、追跡可能な要素の位置を検出し、且つ、手術システム１００（例えば、埋め込み型の電子回路を使用する検出装置４４）は、追跡可能な要素の位置、固有の形状、及び追跡対象のオブジェクトに対する既知の幾何学的関係に基づいて、追跡対象のオブジェクトのポーズを算出する。追跡システム４２は、ユーザーが追跡を所望しているそれぞれのオブジェクトごとに、骨１０の上部に配置されたナビゲーションマーカー４６などの追跡可能要素を含む。触覚的にガイドされるロボット支援型の手術においては、ナビゲーションシステムは、見当合わせプロセスにおいて使用される（触覚装置６０のグローバル又はグロス位置を追跡するための）触覚装置マーカー４８、（触覚装置６０の遠位端部を追跡するための）エンドエフェクタマーカー５４、及びフリーハンドナビゲーションプローブ５５を更に含むことができる。
図１に示されているように、手術システム１００は、図にはコンピュータ５０として表されている、処理回路を更に含む。処理回路は、プロセッサと、メモリ装置と、を含む。プロセッサは、汎用プロセッサ、用途固有の集積回路（ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、１つ又は複数のフィールドプログラム可能なゲートアレイ（ＦＰＧＡ：Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、処理コンポーネントのグループ、目的固有のプロセッサ、或いは、その他の適切な電子処理コンポーネントとして実装することができる。メモリ装置（例えば、メモリ、メモリユニット、ストレージ装置など）は、本出願において記述されている様々なプロセス、層、及び機能を完成又は促進するべく、データ及び／又はコンピュータコードを保存するための１つ又は複数の装置（例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ハードディスクストレージなど）である。メモリ装置は、揮発性メモリ又は不揮発性メモリであってもよく、或いは、これらを含むことができる。メモリ装置は、データベースコンポーネント、オブジェクトコードコンポーネント、スクリプトコンポーネント、或いは、本出願において記述されている様々な活動及び情報構造をサポートするための任意のその他のタイプの情報構造を含むことができる。例示用の一実施形態によれば、メモリ装置は、処理回路を介してプロセッサに通信自在に接続されており、且つ、（例えば、処理回路及び／又はプロセッサによって）本明細書において記述されている１つ又は複数のプロセスを実行するためのコンピュータコードを含む。
コンピュータ５０は、ナビゲーションシステム４２及び触覚装置６０と通信するように構成されている。更には、コンピュータ５０は、骨切り術手技に関係する情報を受け取ることができると共に、骨切り術手技の実行に関係する様々な機能を実行することができる。例えば、コンピュータ５０は、画像分析、手術計画、見当合わせ、ナビゲーション、画像ガイダンス、及び触覚ガイダンスに関係する機能を実行するべく、必要に応じて、ソフトウェアを有することができる。更に詳しくは、ナビゲーションシステムは、関節形成手技を実行する際に自律型ロボット又は外科医支援型の装置（触覚装置）との関連において動作することができる。
コンピュータ５０は、関節形成手技を実行することを要する患者の解剖構造の画像を受け取っている。図２を参照すれば、関節形成を実行する前に、医療撮像装置によってキャプチャされたＣＴ又はＭＲＩ（ステップ８０１）などの任意の既知の撮像技法を使用することにより、患者の解剖構造がスキャンされている。ここで、本開示は、ＣＴ又はＭＲＩ装置などの医療撮像装置によってキャプチャ又は生成された医療画像を参照しているが、医療画像を生成するその他の方法も、可能であり、且つ、本明細書において想定されている。例えば、骨の画像は、術中に、骨表面のトポグラフィをスキャン又は見当合わせするハンドヘルド型のスキャニング又は撮像装置などの、医療撮像装置を介して生成することができる。従って、医療撮像装置という用語は、撮像センタに配置されている相対的に大規模な装置のみならず、術中において使用されるハンドヘルド型の撮像装置をも包含するものと解釈されたい。
継続すれば、スキャンデータは、次いで、患者の解剖構造の三次元表現を取得するべく、セグメント化される。例えば、膝関節形成を実行する前に、大腿骨及び脛骨の三次元表現が生成される。三次元表現を計画プロセスの一部として使用することにより、大腿骨及び脛骨ランドマークを選択することが可能であり、且つ、提案対象の大腿骨及び脛骨インプラントの向き及び配置と共に、患者の大腿骨−脛骨アライメントが算出され、提案対象の大腿骨及び脛骨インプラントの向き及び配置は、コンピュータ５０を介してモデル及びサイズについて選択することができる。大腿骨及び脛骨ランドマークは、その他のものに加えて、大腿骨頭部中心、遠位滑車神経溝、顆間隆起の中心、脛骨−足首中心、及び内側脛骨棘を含みうる。大腿骨−脛骨アライメントは、大腿骨の機械軸（即ち、大腿骨頭部中心から遠位滑車神経溝までのライン）と脛骨の機械軸（即ち、足首中心から顆間隆起中心までのライン）の間の角度である。患者の現時点の大腿骨−脛骨アライメントと、提案されたインプラントの埋植と関連する望ましい伸展、内反−外反角度、及び内部−外部回転を含む、提案されている大腿骨及び脛骨インプラントのサイズ、モデル、及び配置を更に含む、関節形成手技によって実現されるべき望ましい大腿骨−脛骨アライメントと、に基づいて、コンピュータ５０は、関節形成手技の実行のプロセスにおいて触覚装置６０を介して実施されるべき切除を含む、提案されたインプラントの望ましい埋植を算出するように、或いは、提案されたインプラントの埋植の術前計画を少なくとも支援するように、プログラムされている（ステップ８０３）。ステップ８０３を介して実現された術前計画は、検討、調節、及び承認のために外科医に提供され、且つ、術前計画は、外科医の監督下において更新される（ステップ８０２）。
コンピュータ５０が、ステップ８０３に従って手術計画を開発するべく使用されていることから、ユーザーは、情報を入力すると共に手術計画の任意の部分を変更するべく、手術計画の任意のステージにおいてコンピュータ５０とやり取りすることができることを理解されたい。手術計画は、複数の計画された仮想的境界を含む。仮想的境界は、関節形成手技において骨１０、１１内において生成されるべき孔及び／又は切削を表しうる。手術計画が開発されたら、計画された孔及び切削を骨１０、１１内において生成する際にユーザーを支援するべく、触覚装置６０が使用される。術前計画については、特に、骨切除深さ計画及び大腿骨前部骨幹部ノッチングの防止との関係において、更に詳しく後述することとする。
骨１０、１１内における孔の穿孔及び切削又は切除の生成は、２０１１年８月３０日付けで付与された「Ｈａｐｔｉｃ Ｇｕｉｄａｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ」という名称の米国特許第８，０１０，１８０号明細書において記述されている触覚ガイダンスシステムなどの、触覚的にガイドされた対話型のロボットシステムの支援により、実現することが可能であり、且つ、この特許文献の内容は、引用により、そのすべてが本明細書に包含される。外科医が、高速ドリル、矢状鋸、又はその他の適切なツールにより、骨の内部において、孔を穿孔するべく、或いは、切削を実行するべく、ロボットアームを操作するのに伴って、システムは、ロボットアームの制御システム内に事前プログラムされている適切な形状に孔及び切削を彫刻する際に外科医をガイドするべく、触覚フィードバックを提供する。触覚ガイダンス及びフィードバックについては、更に詳しく後述することとする。
手術計画においては、コンピュータ５０は、関節形成手技において埋植される大腿骨及び脛骨インプラントに関係する情報を更に受け取っている。例えば、ユーザーは、入力装置５２（例えば、キーボード、マウスなど）を使用することにより、選択された大腿骨及び脛骨インプラントのパラメータをコンピュータ５０に入力することできる。或いは、この代わりに、コンピュータ５０は、様々なインプラント及びそのパラメータの事前に確立されたデータベースを含んでいてもよく、且つ、ユーザーは、選択されたインプラントをデータベースから選択することができる。更なる実施形態においては、インプラントは、患者固有の手術計画に基づいてカスタム設計することができる。インプラントの選択は、手術計画の任意のステージにおいて実行することができる。
更には、手術計画は、インプラントの少なくとも１つのパラメータ又はインプラントのパラメータの機能に基づいたものであってもよい。インプラントは、手術計画プロセスの任意のステージにおいて選択されうることから、インプラントは、計画された仮想的境界のコンピュータ５０による判定の前に判定されてもよく、或いは、その後に選択されてもよい。まず、インプラントが選択される場合には、計画された仮想的境界は、インプラントのパラメータに少なくとも部分的に基づいたものであってもよい。例えば、骨１０、１１内において生成される孔又は切削を表す計画された仮想的境界の間の距離（又は、任意のその他の関係）は、望ましい内反−外反大腿骨−脛骨アライメント、伸展、内部−外部回転、又は関節形成インプラントの埋植の望ましい手術結果と関連する任意のその他の要因に基づいて計画することができる。この結果、手術計画の実装は、選択されたインプラントが望ましい手術結果を実現することを許容するべく、切除された骨表面及び孔の適切なアライメントを結果的にもたらすことになる。或いは、この代わりに、コンピュータ５０は、インプラントの選択の前に、計画された仮想的境界を含む手術計画を開発することもできる。このケースにおいては、インプラントは、計画された仮想的境界に少なくとも部分的に基づいて選択（例えば、入力、選択、又は設計）することができる。例えば、インプラントは、手術計画の実行が、選択されたインプラントが望ましい手術結果を実現することを許容するべく、切除された骨表面及び孔の適切なアライメントを結果的にもたらすことになるように、計画された仮想的境界に基づいて選択することができる。
仮想的境界は、仮想的空間内に存在しており、且つ、既存の、或いは、物理的（即ち、現実の）空間内において生成されるべき、特徴を表すことができる。仮想的境界は、物理的空間内のオブジェクトとやり取りする能力を有する物理的空間内の作業境界に対応している。例えば、作業境界は、触覚装置６０に結合された手術ツール５８とやり取りすることができる。手術計画は、しばしば、孔及び切除を表す仮想的境界を含むものとして本明細書においては記述されているが、手術計画は、骨１０、１１に対するその他の変更を表す仮想的境界を含むことができる。更には、仮想的境界は、物理的空間内のオブジェクトとやり取りする能力を有する物理的空間内の任意の作業境界に対応することもできる。
再度図２を参照すれば、手術計画の後に、且つ、関節形成手技を実行する前に、任意の既知の見当合わせ技法を使用することにより、物理的解剖構造（例えば、骨１０、１１）が解剖構造の仮想的表現（例えば、術前三次元表現）に対して見当合せされている（ステップ８０４）。可能な見当合わせ技法は、上述の米国特許第８，０１０，１８０号明細書において記述されているポイントに基づいた見当合わせ技法、或いは、２０１２年７月３０日付けで出願された「Ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ」という名称の米国特許出願第１３／５６２，１６３号明細書において記述されているハンドヘルド型のラジオグラフィック撮像装置を利用した２Ｄ／３Ｄ見当合わせを含み、且つ、後者の特許文献の内容も、引用により、そのすべてが本明細書に包含される。患者の解剖構造の見当合わせは、手術手技において正確なナビゲーションを許容し（ステップ８０５）、この結果、仮想的境界のそれぞれが物理的空間内の作業境界に対応することが可能となる。例えば、図３Ａ及び図３Ｂを参照すれば、脛骨１０内の切除を表す仮想的境界６２が、コンピュータ又はその他のディスプレイ６３上において表示されており、且つ、仮想的境界６２は、手術室内の手術部位などの、物理的空間６９内の作業境界６６に対応している。そして、作業境界６６の一部分は、脛骨１０内の計画された切除の場所に対応している。
仮想的境界と、従って、対応する作業境界と、は、任意の構成又は形状を有することができる。図３Ａを参照すれば、脛骨１０内において生成されるべき近位切除を表す仮想的境界６２は、脛骨１０内における近位切除の生成の際にユーザーを支援するのに適した任意の構成を有することができる。脛骨１０の仮想的表現内において示されている仮想的境界６２の一部分は、手術ツールによって除去されるべき骨を表している。切除された脛骨１０上における脛骨インプラントの埋植を促進するべく、脛骨１０内に穿孔又は加工されるべき孔について、類似の仮想的境界を生成することができる。仮想的境界（並びに、従って、対応する作業境界）は、三次元容積を完全に含む且つ取り囲む１つ又は複数の表面を含むことができる。一代替実施形態においては、仮想的境界及び作業境界は、三次元容積を完全には含んでおらず、むしろ、「能動的」表面と「開放」部分の両方を含んでいる。例えば、脛骨内の近位切除を表す仮想的境界６２は、基本的に矩形のボックス形状の「能動的」表面６２ａと、「開放」部分６４を有する、矩形のボックス形状の部分に接続された潰れた漏斗又は三角形のボックス形状の「能動的」表面６２ｂと、を有することができる。一実施形態においては、仮想的境界６２は、２０１１年１２月２９日付けで出願された「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙ Ａｃｔｉｖａｔｉｎｇ Ｈａｐｔｉｃ Ｇｕｉｄｅ Ｚｏｎｅｓ」とういう名称の米国特許出願第１３／３４０，６６８号明細書において記述されているように、潰れた漏斗によって生成することが可能であり、且つ、この特許文献の内容は、引用により、そのすべてが本明細書に包含される。仮想的境界６２に対応する作業境界６６は、仮想的境界６２と同一の構成を有する。換言すれば、脛骨１０内において近位切除をガイドする作業境界６６は、基本的に矩形のボックス形状の「能動的」表面６６ａと、「開放」部分６７を有する、矩形ボックス形状の部分に接続された潰れた漏斗又は三角形のボックス形状の「能動的」表面６６ｂと、を有することができる。
更なる一実施形態においては、骨１０内の切除を表す仮想的境界６２は、実質的に矩形のボックス形状の部分６２ａのみを含んでいる。矩形のボックス形状の部分のみを有する仮想的境界の端部は、対応する作業境界の開放した最上部が骨１０の外側表面と一致するように、「開放」した最上部を有することができる。或いは、この代わりに、図３Ａ及び図３Ｂに示されているように、仮想的境界部分６２ａに対応する矩形のボックス形状の作業境界部分６６ａは、骨１０の外側表面を過ぎて延在することもできる。
いくつかの実施形態においては、骨の一部分を通じた切除を表す仮想的境界６２は、厚さを伴って又は伴うことなしに、基本的に平坦な形状を有することができる。或いは、この代わりに、仮想的境界６２は、湾曲させることも可能であり、或いは、不規則な形状を有することもできる。仮想的境界６２がライン又は平坦な形状として描かれると共に、仮想的境界６２が厚さをも有する場合には、仮想的境界６２は、ツールが、骨の内に位置している間に、作業境界６６の能動的表面内において閉じ込められうるように、骨の内部において切除を生成するべく使用される手術ツールよりもわずかに厚くてもよい。このような線形又は平坦な仮想的境界６２は、手術ツール５８が骨１０に接近するのに伴って、対応する作業境界６６が、外科医を支援するべく、漏斗又はその他の適切な形状において骨１０の外側表面を過ぎて延在するように、計画することができる。手術ツール５８と作業境界の能動的表面の間の関係に基づいて触覚ガイダンス及びフィードバック（後述する）をユーザーに提供することができる。
又、手術計画は、２０１２年１２月２１日付けで出願された「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｈａｐｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｔｏｏｌ」という名称の米国特許出願第１３／７２５，３４８号明細書において記述されている、手術ツールの自動的なアライメントを含む触覚制御への進入及びこれからの離脱を促進するための仮想的境界を含んでいてもよく、且つ、この特許文献の内容は、引用により、その全体が本明細書に包含される。
仮想的境界を含む手術計画は、患者の骨密度に関係する情報に基づいて開発することができる。患者の骨の密度は、ＣＴ、ＭＲＩ、又はその他の患者の解剖構造の撮像から得られたデータを使用することによって算出される。一実施形態においては、画像強度値と骨密度計測値の間の対応性を取得するべく、人間の骨を表すと共に既知のカルシウム含有量を有する較正オブジェクトが撮像されている。次いで、患者の解剖構造の個々の画像の強度値を骨密度計測値に変換するべく、この対応性を適用することができる。次いで、患者の解剖構造の個々の画像が、骨密度計測値の対応するマップと共に、セグメントされ、且つ、これを使用することにより、患者の骨密度情報を含む、患者の解剖構造の三次元表現（即ち、モデル）が生成される。次いで、その構造的強度を評価するべく、有限要素分析（ＦＥＡ：Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ）などの画像分析をモデルに対して実行することができる。
患者の解剖構造の構造的完全性を評価する能力は、関節形成計画の有効性を改善する。例えば、患者の骨の特定の部分が相対的に低密度であると考えられる場合には（即ち、骨粗しょう症）、骨の弱化した部分の破損のリスクを極小化するように、孔、切除、及びインプラント配置を計画することができる。更には、手術計画を改善するべく、手術計画の実装後の骨及びインプラント組合せの計画された構造（例えば、術後の骨及びインプラント構成）を術前に構造的完全性について評価することもできる。この実施形態においては、関節形成及び埋植手技の実行後の患者の骨及びインプラント構成を表すように、孔及び／又は切削が計画され、且つ、骨モデル及びインプラントモデルが操作されている。患者の体重及びライフスタイルなどの、術後の骨及びインプラント構成の構造的完全性に影響を及ぼす様々なその他の要因を考慮することができる。構成が術後に構造的に健全に且つ運動学的に機能可能となるかどうかを判定するべく、術後の骨及びインプラント構成の構造的完全性が分析される。分析によって構造的な弱さ又は運動学的な懸念が明らかとなった場合には、望ましい術後の構造的完全性及び機能を実現するように、手術計画を変更することができる。
手術計画が完成したら、外科医は、触覚装置６０の支援により、関節形成手技を実行することができる（ステップ８０６）。触覚装置６０を通じて、手術システム１００は、外科医が手術計画を正確に実装することを支援するべく、触覚ガイダンス及びフィードバックを外科医に提供している。関節形成手技における触覚ガイダンス及びフィードバックは、従来の関節形成技法との比較において、手術ツールの相対的に高度な制御を許容し、その結果、インプラントの相対的に正確なアライメント及び配置が得られる。更には、触覚ガイダンス及びフィードバックは、計画のためにＫワイヤ及び蛍光透視法を使用する必要性を除去することをも、意図している。その代わりに、手術計画は、患者の解剖構造の三次元表現を使用することにより、生成及び検証されており、且つ、触覚装置が、手術手技においてガイダンスを提供している。
「触覚」は、接触の感覚を意味しており、且つ、触覚の分野は、触覚及び／又はフォースフィードバックを操作者に提供する人間対話型装置に関係している。触覚フィードバックは、一般に、例えば、振動などの、触感を含む。フォースフィードバック（「レンチ（ｗｒｅｎｃｈ）」とも呼称される）は、力（例えば、運動に対する抵抗力）及び／又はトルクの形態のフィードバックを意味している。レンチは、例えば、力、トルク、又は力とトルクの組合せの形態のフィードバックを含む。又、触覚フィードバックは、触覚及び／又はフォースフィードバックをユーザーに提供することができる手術ツールに提供されるパワーの量を無効化又は変更するステップを包含することもできる。
手術システム１００は、手術ツール５８と作業境界のうちの少なくとも１つのものの間の関係に基づいて、触覚フィードバックを外科医に提供している。手術ツール５８と作業境界の間の関係は、触覚フィードバックを提供するべくナビゲーションシステムによって取得されうると共に手術システム１００によって利用されうる手術ツール５８と作業境界の間の任意の適切な関係であってもよい。例えば、関係は、１つ又は複数の作業境界との関係における手術ツール５８の位置、向き、ポーズ、速度、又は加速度であってもよい。更には、関係は、１つ又は複数の作業境界との関係における手術ツール５８の位置、向き、ポーズ、速度、及び加速度の任意の組合せであってもよい。又、手術ツール５８と作業境界の間の「関係」は、手術ツール５８と作業境界の間の別の関係から結果的に得られる量又は計測値を意味することもできる。換言すれば、「関係」は、別の関係の関数であってもよい。具体的な一例として、手術ツール５８と作業境界の間の「関係」は、手術ツール５８と作業境界の間の位置的関係によって生成される触覚力の大きさであってもよい。
手術の際には、外科医は、装置に結合された手術ツール５８をガイドするべく、触覚装置６０を操作する。手術システム１００は、大腿骨及び脛骨インプラントの埋植を促進するために必要とされる患者の骨に対する計画された孔、切削、又はその他の変更の生成において外科医を支援するべく、触覚装置６０を通じて、触覚フィードバックをユーザーに提供する。例えば、手術システム１００は、手術ツール５８が作業境界と交差することを実質的に防止又は抑制することにより、外科医を支援することができる。手術システム１００は、触覚フィードバックの提供による、フォースフィードバックの提供による、並びに／或いは、手術ツールに提供されるパワーの量の変更による、ものを含む、任意の数の及び組合せの触覚フィードバックメカニズムにより、作業境界と交差しないように手術ツールを抑制することができる。本明細書において使用されている「抑制」は、運動を制限するための傾向を表現するべく使用されている。従って、手術システムは、手術ツール５８の運動を制限する傾向を有する反対の力を触覚装置６０に適用することにより、直接的に手術ツール５８を抑制することができる。又、手術システムは、自身のアクションを変更するようにユーザーに対して警告するように、触覚フィードバックを提供することにより、間接的に、手術ツール５８を抑制してもよく、その理由は、自身のアクションを変更するようにユーザーに警告することが、手術ツール５８の運動を制限する傾向を有しているからである。更なる実施形態においては、手術システム１００は、手術ツール５８に対するパワーを制限することにより、手術ツール５８を抑制してもよく、手術ツール５８に対するパワーの制限も、ツールの運動を制限する傾向を有している。
様々な実施形態においては、手術システム１００は、手術ツール５８が作業境界に接近するのに伴って、作業境界との間における手術ツール５８の接触の際に、且つ／又は、手術ツール５８が既定の深さだけ作業境界に進入した後に、触覚フィードバックをユーザーに提供している。外科医は、例えば、振動として、触覚装置の更なる運動に抵抗する又は能動的に反対するレンチとして、或いは、触覚装置の更なる運動を実質的に防止する確実な「壁」として、触覚フィードバックを経験することができる。或いは、この代わりに、ユーザーは、手術ツール５８に提供されるパワーの変更の結果として得られる触感（例えば、振動の変化）として、或いは、ツールに提供されるパワーの停止の結果として得られる触感として、触覚フィードバックを経験することもできる。手術ツール５８が穿孔している、切削している、又はその他の方式によって骨に対して直接的に働きかけている際に、手術ツールに対するパワーが変更又は停止された場合には、外科医は、更なる運動に対する抵抗力の形態において触覚フィードバックを感じ取ることになり、その理由は、ツールが、もはや、穿孔できない、切削できない、又はその他の方式で骨を通じて運動することができない、からである。一実施形態においては、手術ツールに対するパワーは、手術ツール５８と作業境界の間の接触の際に、変更されるか（例えば、ツールに対するパワーを減少させる）、或いは、停止されている（例えば、ツールが無効化される）。或いは、この代わりに、手術ツール５８に提供されるパワーは、手術ツール５８が作業境界に接近するのに伴って、変更する（例えば、減少させる）こともできる。
別の実施形態においては、手術システム１００は、手術ツール５８を作業境界に向かって又はこれに沿ってガイドするべく触覚フィードバックを提供することにより、計画された孔、切削、又は骨に対するその他の変更の生成において外科医を支援することができる。一例として、手術システム１００は、手術ツール５８の先端と作業境界の最も接近した座標の間の位置的関係に基づいて、触覚装置６０に対して力を提供することができる。これらの力により、手術ツール５８は、最も近接した作業境界に接近することができる。手術ツール５８が作業境界の実質的に近傍となる又はこれに接触したら、手術システム１００は、作業境界の一部分に沿って運動するように手術ツール５８をガイドする傾向を有する力を適用することができる。別の実施形態においては、力は、作業境界の一部分から作業境界の別の部分まで（例えば、作業境界の漏斗形状の部分から作業境界の矩形ボックス形状の部分まで）運動するように、手術ツール５８をガイドする傾向を有する。
更に別の実施形態においては、手術システム１００は、手術ツールを１つの作業境界から別の作業境界までガイドするように触覚フィードバックを提供することにより、計画された孔、切削、及び骨に対する変更を生成する際に外科医を支援するように構成されている。例えば、ユーザーが手術ツール５８を作業境界６６に向かってガイドした際に、外科医は、手術ツール５８を作業境界６６に向かって引っ張る傾向を有する力を経験しうる。その後に、ユーザーが、手術ツール５８を作業境界６６によって取り囲まれた空間から除去し、且つ、手術ツール５８が第２の作業境界（図示されてはいない）に接近するように、触覚装置６０を操作した際に、外科医は、作業境界６６から離れると共に第２作業境界に向かって押し出す力を経験しうる。
本明細書において記述されている触覚フィードバックは、手術システム１００による作業境界に対する変更との関連において動作することができる。本明細書においては、「作業境界」に対する変更として記述されているが、手術システム１００は、作業境界に対応する仮想的境界を変更していることを理解されたい。作業境界に対する変更のいくつかの例は、１）作業境界の再構成（例えば、形状又はサイズの変更）、並びに、２）作業境界全体又は作業境界の一部分の有効化及び無効化（例えば、「開放」部分を「能動的」表面に変換すること、並びに、「能動的」表面を「開放」部分に変換すること）を含む。作業境界に対する変更は、触覚フィードバックと同様に、手術ツール５８と１つ又は複数の作業境界の間の関係に基づいて、手術システム１００によって実行することができる。作業境界に対する変更は、骨に向かう手術ツール５８の運動及び手術ツール５８による骨の切削などの様々なアクションを促進することにより、関節形成手技において、必要とされる孔及び切削の生成の際にユーザーを更に支援する。
一実施形態においては、作業境界に対する変更は、骨１０に向かう手術ツール５８の運動を促進している。手術手技においては、患者の解剖構造がナビゲーションシステムによって追跡されていることから、手術システム１００は、患者の解剖構造の運動と対応する方式により、作業境界６６の全体を運動させている。このベースライン運動に加えて、骨１０に向かう手術ツール５８の運動を促進するように、作業境界６６の一部分を再成形及び／又は再構成することができる。一例として、手術システムは、手術ツール５８と作業境界６６の間の関係に基づいて、手術手技において、矩形ボックス形状の部分６６ａとの関係において作業境界６６の漏斗形状の部分６６ｂを傾斜させることができる。従って、手術ツール５８が骨１０に接近するのに伴って、手術ツール５８が、作業境界６６の一部分６６ｂによって取り囲まれた空間内において留まるように、作業境界６６を手術手技において動的に変更することができる。
別の実施形態においては、作業境界又は作業境界の一部分が有効化又は無効化されている。作業境界全体の有効化及び無効化は、手術ツール５８が骨１０に接近している際に、ユーザーを支援することができる。例えば、第２作業境界（図示されてはいない）は、外科医が第１作業境界６６に接近している際に、或いは、手術ツール５８が、第１作業境界６６によって取り囲まれた空間内に位置している際に、無効化することができる。同様に、第１作業境界６６は、外科医が第１の対応する切除の生成を完了し、且つ、第２の切除を生成する準備が完了した後に、無効化することができる。一実施形態においては、作業境界６６は、手術ツール５８が、第２作業境界に至る漏斗部分内のエリアに進入したが、第１漏斗部分６６ｂの外側に依然として位置している際に、無効化することができる。作業境界の一部分を有効化することにより、予め開放した部分（例えば、開放した最上部６７）が作業境界の能動的表面に変換される。対照的に、作業境界の一部分を無効化することにより、作業境界の予め能動的な表面（例えば、作業境界６６の端部部分６６ｃ）が「開放」した部分に変換される。
作業境界の全体又はその一部分の有効化及び無効化は、手術手技において、手術システム１００によって動的に実現することができる。換言すれば、手術システム１００は、手術手技において、仮想的境界又は仮想的境界の一部分の有効化及び無効化をトリガする要因及び関係の存在を判定するようにプログラムすることができる。別の実施形態においては、ユーザーは、関節形成手技の様々なステージの開始及び完了を示すことにより、有効化又は無効化するように作業境界又はその一部分をトリガするべく、（例えば、入力装置５２を使用することによって）手術システム１００とやり取りすることができる。
上述の手術システム１００の動作及び機能に鑑み、以下、手術システム１００を介して実行される手術を術前に計画する方法について説明し、次いで、術前計画を患者の実際の骨に対して、且つ、更には、手術システム１００の適用可能なコンポーネントに対して、見当合わせする方法について詳細に説明することとする。
触覚装置６０は、外科医支援型の装置又はツールとして記述されてもよく、その理由は、装置６０が、様々な切除の実行や孔の穿孔などを実行するべく外科医によって操作されるからである。特定の実施形態においては、装置６０は、外科医支援型とは対照的に、自律型ロボットであってもよい。即ち、触覚境界とは対照的に、ツール経路が、骨を切除するべく、且つ、孔を穿孔するべく、定義されてもよく、その理由は、自律型ロボットは、既定のツール経路に沿ってのみ動作することが可能であり、その結果、触覚フィードバックに対するニーズが存在していないからである。特定の実施形態においては、装置６０は、ナビゲーションシステム４２との関連において動作する少なくとも１つの自由度を有する切削装置であってもよい。例えば、切削ツールは、ツール上においてトラッカを有する回転バー（ｒｏｔａｔｉｎｇ ｂｕｒｒ）を含むことができる。切削ツールは、外科医によって自由に操作可能であってもよく、且つ、ハンドヘルド型であってもよい。このようなケースにおいては、触覚フィードバックは、バーが仮想的境界に遭遇した際に回転を休止することに限定することができる。従って、装置６０は、本出願において記述されている装置のいずれか、みならず、その他のものをも包含するものとして広範に見なすことを要する。
ＩＩ．関節形成手技の術前計画
本明細書において開示されている術前計画プロセスは、骨切除深さ判定と、前部骨幹部ノッチング評価と、を含む。骨切除深さ判定は、関節形成手技における望ましい手術結果を実現することになるインプラントの位置及び向きを判定するべく、患者の遠位大腿骨及び近位脛骨の三次元コンピュータモデルとの関係において候補大腿骨及び脛骨インプラントの三次元コンピュータモデルを選択及び位置決めするステップを含む。この評価の一部分として、必要な脛骨及び大腿骨切除の深さが、その切除のプレーンの向きと共に、算出される。
前部骨幹部ノッチング評価は、インプラント三次元モデルが、骨切除深さ判定において提案されているように、脛骨三次元モデルとの関係において位置決め及び方向付けされた際に、選択された大腿骨インプラントの三次元モデルの前部フランジ部分が患者の遠位大腿骨の三次元モデルの前部骨幹部と交差することになるかどうかを判定するステップを含む。このような２つのモデルの交差は、前部大腿骨骨幹部のノッチングを示しており、これは、回避しなければならない。
以下、これら２つの術前計画プロセスのそれぞれについて、詳細に、且つ、順番に、説明する。
Ａ．骨切除深さ
図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ、一般的な脛骨２００の近位端部及び一般的な大腿骨２０２の遠位端部の三次元コンピュータモデル２００、２０２を示している。特定の実施形態においては、それぞれの三次元モデルは、サイズ及び形状の両方によるその個々の骨タイプの統計的平均値を表している。例えば、一実施形態においては、汎用脛骨モデル２００は、サイズ及び形状との関係における実際の脛骨の多くのもの（例えば、数千又は数万個）の医療画像（例えば、ＣＴ、ＭＲＩ、Ｘ線など）の分析の結果であり、且つ、この分析を使用して汎用脛骨モデル２００を生成しており、これは、多くの実際の脛骨の統計的平均値である。同様に、汎用大腿骨モデル２０２も、サイズ及び形状との関係における実際の大腿骨の多くのもの（例えば、数千又は数万個）の医療画像（例えば、ＣＴ、ＭＲＩ、Ｘ線など）の分析の結果であり、且つ、この分析を使用して汎用大腿骨モデル２０２を生成しており、これは、多くの実際の大腿骨の統計的平均値である。
特定の実施形態においては、それぞれの三次元モデルは、骨のカタログ又はライブラリからランダムに選択された骨を表している。骨のライブラリは、その他のものに加えて、実際の骨（例えば、死体）のコンピュータモデル及び／又は医学的な骨モデルのコンピュータモデルを含みうる。モデル２００、２０２は、このような任意の骨モデルであってもよいが、本開示を目的として、それぞれ、サイズ及び形状に従って脛骨及び大腿骨の統計的な平均値を表すものとして、一般的な脛骨２００及び一般的な大腿骨２０２を参照することとする。図４Ａに示されているように、ターゲットポイント２０４、２０８が汎用脛骨モデル２００上において識別されている。特定の実施形態においては、図４Ａにおいて観察されるように、脛骨外側顆凹部２０６上の最も遠位において凹入したポイント２０４及び脛骨内側顆凹部２１０上の最も遠位において凹入したポイント２０８が、識別され、且つ、汎用脛骨モデル２００と共に電子的に保存される。このような最も遠位において凹入した脛骨顆ポイント２０４、２０８は、通常、個々の脛骨顆凹部２０６、２１０内において、内側−外側及び前部−後部において、センタリングされることになる。最も遠位において凹入した脛骨顆ポイント２０４、２０８は、図４Ａに示されているように、円形又は球形のポイントとして、汎用脛骨モデル２００上において描くことができる。特定の実施形態においては、ターゲットポイント２０４、２０８は、脛骨モデル２００のその他の部分上において配置することができる。例えば、特定の実施形態においては、ターゲットポイント２０４、２０８は、汎用脛骨モデル２００上における最も近位において突出した又は最も近位において延在しているポイントであってもよい。これに加えて、特定の実施形態においては、ターゲットポイント２０４、２０８は、顆の中心であってもよく、或いは、前部エッジから特定の割合（例えば、２／３）に位置するポイントであってもよく、これは、汎用脛骨モデル２００上において埋植された脛骨インサート上の最下点を表しうる。本開示の範囲を逸脱することなしに、これらの及びその他のポイント２０４、２０８が可能である。本開示を目的として、脛骨外側顆凹部２０６上の最も遠位において凹入したポイント２０４及び脛骨内側顆凹部２１０上の最も遠位において凹入したポイント２０８を参照することとする。
図４Ｂに示されているように、大腿骨外側顆２１６上の最遠位ポイント２１２及び最後部ポイント２１４、並びに、大腿骨内側顆２２２上の最遠位ポイント２１８及び最後部ポイント２２０が、識別され、且つ、汎用大腿骨モデル２０２と共に電子的に保存される。最遠位大腿骨顆ポイント２１２、２１８及び最後部大腿骨顆ポイント２１４、２２０は、図４Ｂにおいて描かれているように、円形又は球形ポイントとして、汎用大腿骨モデル２０２上において描くことができる。図４Ｂにおいては、遠位ポイント２１２、２１８及び後部ポイント２１４、２２０は、モデル２０２が矢状プレーン内のゼロ度の回転に位置した際に、汎用大腿骨モデル２０２上において識別される。即ち、大腿骨モデル２０２は、屈曲していない位置又は向きを有する。但し、汎用大腿骨モデル２０２は、大腿骨上において埋植される大腿骨コンポーネントの計画された屈曲について調節するべく、矢状プレーン内において回転させることができる。特定の実施形態においては、汎用大腿骨モデル２０２は、矢状プレーン内において、その他の角度に加えて、２度だけ、回転させられてもよく、且つ、遠位ポイント２１２、２１８及び後部ポイント２１４、２２０は、この屈曲した向きにおいて、モデル２０２上において識別することができる。
手術システムの概要において上述したように、患者の脛骨及び大腿骨の医療画像は、セグメント化され、且つ、次いで、患者の脛骨及び大腿骨の三次元メッシュ又はコンピュータモデルにコンパイルされる。図５Ａ〜図５Ｃは、患者の脛骨の三次元コンピュータモデル（即ち、患者脛骨モデル２２４）の近位端部の、それぞれ、冠状、軸又は横断方向、並びに、矢状図を示しており、且つ、図６Ａ〜図６Ｃは、患者の大腿骨の三次元コンピュータモデル（即ち、患者大腿骨モデル２２６）の遠位端部の、それぞれ、冠状、軸又は横断方向、並びに、矢状図を示している。患者の脛骨及び大腿骨の三次元コンピュータモデルは、医療画像（例えば、ＣＴ、ＭＲＩ）をセグメント化することから生成されるものとして記述されているが、患者モデルを生成するその他の方法が利用されうるものと予見されている。例えば、患者骨モデル又はその一部分は、骨又は軟骨表面を骨の１つ又は複数のエリア内において見当合わせすることを介して、術中において生成することができる。このようなプロセスは、１つ又は複数の骨表面プロファイルを生成することができる。従って、本明細書において記述されている様々な方法は、セグメント化された医療画像（例えば、ＣＴ、ＭＲＩ）から生成された三次元骨モデルのみならず、術中撮像方法及びその他のものをも包含するものと解釈されたい。
１．患者脛骨モデル上の最も遠位において凹入した脛骨顆ポイントの微細チューニング
図４Ａ及び図５Ａ〜図５Ｃの比較から理解されうるように、汎用脛骨モデル２００の最も遠位において凹入した脛骨顆ポイント２０４、２０８が、患者脛骨モデル２２４の対応する場所上にインポート又はマッピングされている。ポイント２０４、２０８を汎用脛骨モデル２００から患者脛骨モデル２２４にマッピングするべく、アファイン変換が使用される。更に詳しくは、汎用脛骨モデル２００からのターゲットポイント２０４、２０８は、まず、既に演算済みのアファイン変換を使用してターゲットポイント２０４、２０８を変換し、且つ、次いで、患者脛骨モデル２２４のセグメント化された表面に対するそれぞれの変換されたターゲットポイントからの最も近接した表面ポイントを見出すことにより、患者脛骨モデル２２４上に／内にマッピングされる。この結果、且つ、図５Ａ〜図５Ｃから理解されうるように、最も遠位において凹入した脛骨顆ポイント２０４、２０８は、最終的に、患者脛骨モデル２２４の外側及び内側脛骨顆上の最も遠位において凹入した場所において又はこれに非常に近接した状態において位置決めされた状態となる。いくつかの実施形態及び例においては、ポイント２０４、２０８の場所は、汎用及び患者モデル２００、２２４の間の内側−外側スケーリング係数に従ってスケーリングすることができる。同様に、変換プロセスは、顆の中心や最も近位において突出した外側顆などのような、別の、上述のターゲットポイント２０４、２０８によって実現することもできる。一般的に、汎用骨モデル上の任意の１つ又は複数のターゲットポイントは、ターゲットポイント２０４、２０８が、最終的に、患者固有の骨モデル上の望ましい場所において又はこれに非常に近接した状態において位置決めされた状態となるように、患者固有の骨モデルに変換することができる。
汎用モデル２００及び患者脛骨モデル２２４は、初期アライメントを支援するべく、共通座標系を共有しうることに留意されたい。患者脛骨モデル２２４の原点は、ＣＴランドマーキングプロセスによって定義される脛骨の最上部中心であってもよい。システム又はユーザーがこれらのポイントを定義することができる。汎用モデル２００は、患者脛骨モデル２２４について実行されるものと同一の方式によってシステム又はユーザーによって選択された、予め定義された原点を有することができる。
患者脛骨モデル２２４上において実際の局所的最小値を識別し、患者脛骨モデル２２４上において実際の局所的最大値を識別し、エッジ場所（例えば、前部エッジ）を識別し、接点を識別し、且つ、表面が特定のスロープとマッチングするポイントを見出すなどにより、遠位において凹入した脛骨顆ポイント２０４、２０８の改良を実現することができる。遠位において凹入した脛骨顆ポイント２０４、２０８の更なる又は代替的な改良は、大腿骨を参照して記述されている類似の方法及び機能を利用することができる。
患者脛骨モデル２２４及びその上部のポイント２０４、２０８は、回転及び運動する能力を有する三次元コンピュータモデルとして、ディスプレイ５４上において描くことができる。これに加えて、又はこの代わりに、患者脛骨モデル２２４及びその上部のポイント２０４、２０８は、図５Ａ〜図５Ｃにおいてそれぞれ示されているように、３つの異なる図、即ち、冠状図、軸又は横断方向図、並びに、矢状図において、ディスプレイ５４上において描くこともできる。ポイント２０４、２０８のうちの１つ又は複数が、例えば、図５Ａ及び図５Ｃの場合のように、モデル２２４の骨構造によって隠蔽されている場合には、隠蔽されたポイント２０４、２０８は、半透明に、或いは、ポイントが存在しているが図中のなんらかの骨構造の背後に配置されていることを通知する別の描画において、描くことができる。ポイント２０４、２０８のうちの１つ又は複数がモデル２２４の骨構造によって隠蔽されている特定の実施形態においては、骨モデル２２４は、ポイント２０４、２０８が、塞いでいる骨構造の背後において識別可能となるように、半透明に描くことができる。ポイント２０４、２０８のうちの１つ又は複数が、図中において完全に可視状態にある（換言すれば、モデル２２４の骨構造によって隠蔽されていない）場合には、図５Ｂのケースのように、可視ポイント２０４、２０８は、ポイントがモデル２２４の骨構造によって隠蔽されておらず、図中において完全に可視状態にあることを通知するべく、中実の十分に可視状態のポイントとして描くことができる。
これらのポイント２０４、２０８は、患者脛骨モデル２２４上において適切に位置決めされた際に、実際のインプラントが、本明細書において記述されているように術前に計画された関節形成手技の一部分として患者の脛骨及び大腿骨上にインプラントされた際に、選択された脛骨インプラントが（選択された大腿骨インプラントとの関連において）望ましい手術結果を実現することを許容することになる患者の脛骨に対する骨切除の深さを算出するべく使用される骨切除深さポイントとして、機能することができる。
最も遠位において凹入した脛骨顆ポイント２０４、２０８などのターゲットポイントが、上述のように、患者脛骨モデル２２４上において適切に配置されたら、これらのポイント２０４、２０８は、実際の関節形成手技において実際の患者骨上に実際の脛骨インプラントを埋植することから望ましい手術結果を実現するべく実際の脛骨インプラントを受け入れるために実際の患者骨内において生成される必要がある関連する骨切除を術前に算出するべく、候補脛骨インプラント３００の三次元コンピュータモデルと共に、又はこのようなインプラント３００と関連するデータと共に、使用することができる。
図１１は、候補脛骨インプラントの三次元コンピュータモデル（即ち、脛骨インプラントモデル３００）の遠位−前部図であり、その脛骨プラトー３０４の遠位的に反対側であるその骨切除接触表面３０２を示している。患者脛骨の三次元コンピュータモデル（即ち、患者脛骨モデル２２４）の近位端部上において重畳された脛骨インプラントモデル３００の冠状、軸又は横断方向、並びに、矢状図をそれぞれが示している図１２Ａ〜図１２Ｃから理解されうるように、ポイント２０４、２０８のうちの一方又は両方は、インプラントモデル３００の脛骨プラトー３０４の関節表面上の類似の又は等価な最も遠位において凹入した脛骨顆ポイント又は領域とアライメントさせることにより、インプラントモデル３００の骨切除接触表面３０２に沿って延在する提案対象の脛骨切除３０６を定義することができる。定義された提案対象の脛骨切除３０６は、切除深さ及び平坦な向きに従って定義されている。当然のことながら、定義された提案対象の脛骨切除３０６は、解剖学的な（天然の）アライメントが求められているのか、又は相対的に従来型の機械軸アライメントが求められているのか、に応じて、望ましい内反−外反、内部−外部、又は伸展−屈曲回転を考慮してポイント２０４、２０８の両方又は単一のポイント２０４、２０８のみがインプラントモデル３００の脛骨プラトー３０４の外側及び内側関節表面上の類似のポイントに対応するようにするべく、ポイント２０４、２０８との関係において遠位又は近位において切除深さを変更することにより、相対的に小さな又は相対的に大きなサイズに候補脛骨インプラントモデル３００のサイズを変更することにより、提案対象の切除３０６の平坦な向きを変更することにより、術前の、且つ／又は、いくつかの実施形態においては、術中の、外科医入力により、調節又は変更することができる。
図１２Ａ〜図１２Ｃは、単一のポイント２０４、２０８のみが、インプラントモデル３００の脛骨プラトー３０４の関節表面のうちの１つの関節表面上の類似のポイント又は領域とアライメントされる状況を示している。例えば、図１２Ａ及び図１２Ｃにおいて観察されうるように、外側ポイント２０４は、インプラントモデル３００の脛骨プラトー３０４の外側関節表面上の類似のポイント又は領域とアライメントされているが、内側ポイント２０８は、インプラントモデル３００の内側プラトー上のその類似のポイント又は領域とアライメントされてはいない。従って、図１２Ｂから理解されうるように、内側ポイント２０８は、インプラントモデル３００の容積内の凹入に起因して、コンピュータディスプレイ５４上において透明として出現することになることを表すべく、破線において示されており、且つ、外側ポイント２０４は、インプラントモデル３００の脛骨プラトーの外側関節表面上に位置していることに起因してコンピュータディスプレイ上において実在感を伴って出現することになることを表すべく、中実円として示されている。脛骨インプラントモデル３００は、切除深さがインプラントモデル３００を通じて可視状態となるように、透明に描かれうることに留意されたい。この結果、外側側部上において発生する、ポイントの単一のマッチングのみにより、例えば、脛骨機械軸又は脚機械軸などの、患者の脚、大腿骨、又は脛骨の軸との関係における提案された切除プレーン３０６の望ましい角度を実現しつつ、外側ポイントのマッチングを維持することにより、インプラントモデル３００の骨切除接触表面３０２の向きと、この結果、提案対象の切除プレーン３０６の向きと、が判定される。外科医が、提案された脛骨切除プレーン３０６の深さ及び向きを承認したら、手術において触覚装置６０をガイドする際にナビゲーションシステムによって使用されるように、関連するデータを手術システム１００に提供することが可能であり、且つ、図１５Ａ〜図１５Ｃに示されているように、切除された患者脛骨モデル２２４が、術中に外科医に対して表示されてもよく、これらの図は、切除が提案されると共に提案された脛骨切除３０６を示す、脛骨モデル２２４の様々な図である。
提案対象の脛骨切除プレーン３０６の定義についての上述の説明は、脛骨モデル２２４上において候補脛骨インプラント３００を重畳し、且つ、このような重畳をシステム１００のコンピュータディスプレイ５４上において視覚的に示す、という文脈において実施されているが、その他の実施形態においては、このようなプロセスは、コンピュータディスプレイ５４上の候補脛骨インプラントの三次元表現又はその実際の視覚的表現を必要とはしない、候補脛骨インプラント３００を表すデータにより、実行することができる。
２．患者大腿骨モデル上の最後部及び最遠位大腿骨顆ポイントの微細チューニング
図４Ｂ及び図６Ａ〜図６Ｃの比較から理解されうるように、汎用大腿骨モデル２０２の最遠位大腿骨顆ポイント２１２、２１８及び最後部大腿骨顆ポイント２１４、２２０が、患者大腿骨モデル２２６の対応する場所上にインポート又はマッピングされている。脛骨変換を参照して記述されているように、ポイント２１２、２１４、２１８、２２０を汎用大腿骨モデル２０２から患者大腿骨モデル２２６にマッピングするべく、アファイン変換が使用される。その結果、並びに、図６Ａ〜図６Ｃから理解されうるように、最遠位大腿骨顆ポイント２１２、２１８は、最終的に、患者大腿骨モデル２２６の外側及び内側大腿骨顆上の最遠位場所において又はこれに非常に近接した状態において位置決めされた状態となる。同様に、最後部大腿骨顆ポイント２１４、２２０も、最終的に、患者大腿骨モデル２２６の外側及び内側大腿骨顆上の最後部場所において又はこれに非常に近接した状態において位置決めされた状態となる。いくつかの実施形態及び例においては、ポイント２１２、２１４、２１８、２２０の場所は、汎用及び患者モデル２０２、２２６の間の内側−外側スケーリング係数に従ってスケーリングすることができる。いくつかの実施形態及び例においては、アファイン変換がスケーリング機能を内蔵することができる。
汎用モデル２０２及び患者大腿骨モデル２２６は、初期アライメントを支援するべく、共通座標系を共有しうることに留意されたい。全膝関節形成における患者大腿骨モデル２２６の原点は、ＣＴランドマーキングプロセスによって定義される遠位滑車神経溝であってもよい。部分膝関節形成における患者大腿骨モデル２２６の原点は、ＣＴランドマーキングプロセスにおいて定義される内側及び外側上顆の間の中間点中心であってもよい。システム又はユーザーがこれらのポイントを定義することができる。汎用モデル２０２は、患者大腿骨モデル２２６について実行されるものと同一の方式によってシステム又はユーザーによって選択された予め定義された原点を有することができる。
一実施形態においては、大腿骨顆表面上の「最遠位」及び「最後部」ポイントは、外科医によって検討及び制御される、２度の屈曲において、或いは、別の角度の屈曲において、配置された大腿骨インプラント、という意味において、使用されている。又、脛骨モデル２２４のポイント２０４、２０８又は大腿骨モデル２２６のポイント２１２、２１４、２１８、２２０の任意のものの場合には、これらのポイントは、術前計画の際に外科医によって参照又は使用される可能性が高くならないように、骨棘上に、或いは、モデル上の任意のその他の表面上に、配置されるべきではない。ポイント２０４、２０８、２１２、２１４、２１８、２２０が骨棘上に位置しているかどうかの判定については、後述することとする。
ポイント２１２、２１４、２１８、２２０が、当初、アファイン変換を介して汎用大腿骨モデル２０２から患者大腿骨モデル２２６上にマッピングされたら、以下において記述されているように機能するアルゴリズムを介して、患者大腿骨モデル２２６上のポイント２１２、２１４、２１８、２２０の場所が最終的な場所に調節される。
大腿骨機械軸座標空間から２度の屈曲において、仮想的インプラント座標系が配置される。大腿骨切除深さポイントに関する以下の説明においては、この座標系の前部−後部及び近位−遠位方向を使用している。
直下の段落において図７及び図８との関係において詳述されているように、２つの後部ポイント２１４、２２０のそれぞれごとに、アルゴリズムは、それぞれのポイント２１４、２２０の初期場所の周りにおいてサーチを実施し、且つ、それぞれのポイント２１４、２２０の最終的な調節済みの場所が、それぞれのポイント２１４、２２０の初期場所において又はその近傍においてセンタリングされた球体と交差するすべての三角形表面メッシュ面の最後部頂点となるように、判定される。一実施形態においては、球体２３０の半径は、患者大腿骨モデル２２６が、内側−外側サイズとの関係において汎用大腿骨モデル２０２に実質的にマッチングしている場合には、７ミリメートルである。患者大腿骨モデル２２６と汎用大腿骨モデル２０２の間の内側−外側サイズ差に起因してスケーリングが必要とされる場合には、２つのモデル２９２、２２６の間のスケーリングに応じて、球体２３０の半径を７ミリメートル超に又はこれ未満にスケーリングすることができる。
従って、それぞれ、三次元患者大腿骨コンピュータモデル２２６の後部顆領域の三角形表面メッシュ２２８の拡大図及び患者大腿骨モデル２２６上のマッピングされた後部ポイント２１４、２２０の配置を調節する方法を概説するフローチャートである図７及び図８から理解されうるように、後部ポイント２１４、２２０は、汎用大腿骨モデル２０２から患者大腿骨モデル２２６の顆にマッピングされている［ブロック２５０］。内側−外側及び前部−後部スケーリング係数が、汎用大腿骨モデル２０２と患者大腿骨モデル２２６の間において判定され、且つ、これらのスケーリング係数は、後で使用されるように保存されている［ブロック２５２］。患者大腿骨モデル上のそれぞれの後部ポイント２１４、２２０ごとに、仮想的球体２３０が、ポイント２１４、２２０においてセンタリングされており、球体２３０は、７ｍｍに内側−外側スケーリング係数を乗算したものである半径Ｒを有する［ブロック２５４］。
図７に示されているように、汎用大腿骨モデル２０２から患者大腿骨２２６上にマッピングされた後部ポイント２１４の初期場所は、矢印Ａによって示された場所において示されている。図７において観察されるように、後部ポイント２１４は、アファイン変換による演算に従って、表面メッシュ上において配置されている。但し、その他の変換のケースにおいては、ポイント２１４は、三角形表面メッシュ２２８から外向きに離れるように離隔する場合もあり、或いは、三角形表面メッシュ２２８内において凹入する場合もある。後部ポイント２１４の矢印Ａにおける初期場所は、球体２３０によって取り囲まれており、この球体２３０は、上述のように、２つのモデル２０２、２２６の間のＭ−Ｌスケーリングに応じて、７ミリメートルの半径又はその他の半径を有することができる。球体２３０は、表面メッシュ２２８のいくつかの三角形面２３２及び頂点と交差しており、且つ、アルゴリズムは、破線矢印によって示されているように、球体２３０によって交差された三角形面２３２のいずれかの三角面の頂点のうちのいずれかの頂点の最も後部である頂点に後部ポイント２１４を調節している（即ち、移動させている）［ブロック２５６］。患者大腿骨モデル２２６上における後部ポイント２１４の結果的に得られる調節済みの最終的な場所は、図７においては、矢印Ｂによって示されている。次いで、後部ポイント２１４の調節済みの最終的な場所に基づいて後部切除深さが判定されている［ブロック２５８］。次いで、手術システム１００は、後部切除深さを使用することにより、切除データを生成することができる。切除データは、関節形成手技の術中部分において使用されてもよく、且つ、触覚装置６０又は手術ロボットを制御するための触覚境界として利用されてもよい。これに加えて、又はこの代わりに、切除データは、関節形成手技において、手術ロボットによって利用されてもよい。これに加えて、又はこの代わりに、切除データは、関節形成手技において、ナビゲーションシステムによって利用されてもよい。ナビゲーションシステムは、関節形成手技を実行する際に、自律型ロボット又は外科医支援型の装置との関連において動作することができる。少なくとも２つの自由度（例えば、回転バー及び平行運動能力）を有する切削装置などの自律型ロボットは、切除データが、切除を実行するためのツール経路として利用される状態において、関節形成手技を実行することができる。本明細書において記述されている触覚装置６０又は少なくとも１つの自由度を有する切削ツール（例えば、外科医によって運動又は平行運動させられる回転バー）などの外科医支援型の装置は、切除データが、切削ツールの特定の運動（例えば、切除の深さ）を制御又は制限するための仮想的又は触覚境界となる状態において、関節形成手技を実行することができる。従って、図８のステップは、患者の骨に対する関節形成手技を計画する際に使用される切除プレーンデータを生成する方法を記述することができる。
本開示においては、球体２３０が記述されているが、球体の代わりに、その他の三次元形状が利用されうるものと予見されている。その他の三次元形状に加えて、例えば、楕円体、プリズム、又はボックスが、限定を伴うことなしに、且つ、本開示の範囲を逸脱することなしに、使用されうる。これに加えて、又はこの代わりに、本明細書においては、厚さを伴わないプレーン又は表面などの２次元形状も使用されうる。
患者大腿骨モデル２２６上の最後部ポイント２１４の場所を識別する技法は、反復的なものではないが、特定の実施形態においては、場所を見出すステップは、反復的なプロセスであってもよい。特定の例においては、後部端部における骨表面は、相対的に健康且つ健常でありうる。従って、最後部ポイント２１４の場所の判定は、非反復的な方式によって実現することができる。
図８〜図１０Ｃとの関係において直下の段落において詳述されているように、２つの遠位ポイント２１２、２１８のそれぞれごとに、アルゴリズムは、それぞれのポイント２１２、２１８の初期場所の周りにおいてサーチを実施し、且つ、それぞれのポイント２１２、２１８の最終的な調節済みの場所が、それぞれのポイント２１２、２１８の初期場所において又はその近傍においてセンタリングされた楕円体２４０の内側に配置されたすべての表面メッシュ頂点のうちで最も遠位となるように判定されており、この場合に、Ｘは、内側−外側方向にあり、Ｙは、前部−後部方向にあり、且つ、Ｚは、近位−遠位方向にある。アルゴリズムが、その反復を通じて進行するのに伴って、楕円体２４０のサイズは、（１）見出された最遠位ポイントが楕円体２４０の境界に近接しているかどうか、並びに、（２）見出されたポイントの周りの領域の近位−遠位スパンが大きく、これにより、ポイントが顆の内側−外側エッジに近接している又は骨棘に近接していることを通知しているかどうか、に応じて、動的に調節される。プロセスが、最終的な最遠位ポイント２１２、２１８を見出すことによって充足される時点まで、それぞれの楕円体反復調節の後に、新しい最遠位ポイントが見出される。
本開示は、楕円体２４０について記述しているが、楕円体の代わりに、その他の三次元形状が利用されうるものと予見されていることに留意されたい。その他の三次元形状に加えて、限定を伴うことなしに、且つ、本開示の範囲を逸脱することなしに、例えば、球体、プリズム、又はボックスが使用されうる。これに加えて、又はこの代わりに、本明細書においては、厚さを有していないプレーン又は表面などの２次元形状も使用されうる。
以下において詳述されると共に直前においても言及されているアルゴリズムの動作との関連において、遠位ポイントが楕円体境界に過剰に近接している場合には、これは、更に遠位のポイントが楕円体の外側に存在していることを意味しており、従って、サーチ楕円体が拡大される。以下の説明から明らかとなるように、このプロセスは、最遠位ポイントが、そのエッジ上ではなく、サーチ容積内に位置する時点まで、基本的に、サーチ容積（即ち、楕円体、並びに、後述するように、後から使用される球体）のサイズ及び形状のなんらかの変動、並びに、プロセスに関するチェック、と共に反復される。又、以下の説明から明らかとなるように、プロセスに関するチェックのうちの１つは、プロセスの現時点の反復の半短軸ＲＺが、プロセスの直前の反復の半短軸ＲＺからの最遠位ポイントの過剰なジャンプを有しているかどうかである。有している場合には、サーチ容積は、骨棘を包含しているものと仮定される。次いで、この骨棘に応答して、サーチ容積は、過剰なジャンプの量だけ、サイズが低減され、且つ、次いで、最遠位ポイントが見出される。
一実施形態においては、楕円体の半短軸（Ｒｘ及びＲｚ）は、患者大腿骨モデル２２６が内側−外側サイズとの関係において汎用大腿骨モデル２０２と実質的にマッチングしている場合には、等しく、且つ、それぞれ、７ミリメートルである。患者大腿骨モデル２２６と汎用大腿骨モデル２０２の間の内側−外側サイズ差に起因して、スケーリングが必要とされる場合には、楕円体の半短軸は、２つのモデル２０２、２２６の間のＭ−Ｌスケーリングに応じて、７ミリメートル超又は未満に、スケーリングすることができる。同様に、楕円体の半長軸（Ｒｙ）は、患者の大腿骨モデル２２６が前部−後部サイズとの関係において汎用大腿骨モデル２０２と実質的にマッチングしている場合には、１０ミリメートルである。患者大腿骨モデル２２６と汎用大腿骨モデル２０２の間の前部−後部サイズ差に起因して、スケーリングが必要とされる場合には、楕円体の半長軸は、２つのモデル２０２、２０６の間のＡ−Ｐスケーリングに応じて、１０ミリメートル超又は未満に、スケーリングすることができる。
従って、図８から理解されうるように、且つ、それぞれ、三次元患者大腿骨コンピュータモデル２２６の遠位顆領域の三角形表面メッシュ２２８の拡大図及び患者大腿骨モデル２２６上のマッピングされた遠位ポイント２１２、２１８の配置を調節する方法を概説するフローチャートである図９Ａ及び図１０によって継続されるように、遠位ポイント２１２、２１８が、汎用大腿骨モデル２０２から患者大腿骨モデル２２６の顆にマッピングされている［ブロック２５０］。内側−外側及び前部−後部スケーリング係数が、汎用大腿骨モデル２０２と患者大腿骨モデル２２６の間において判定され、且つ、これらのスケーリング係数が、後で使用されるように保存されている［ブロック２５２］。図９Ａに示されているように、且つ、図１０Ａにおいて概説されているように、患者大腿骨モデル上のそれぞれの遠位ポイント２１２、２１８ごとに、仮想的楕円体２４０は、ポイント２１２、２１８においてセンタリングされており、楕円体２４０は、ＲＸ及びＲＺという半短軸と、半長軸ＲＹと、を有しており、この場合に、ＲＸ及びＲＺは、それぞれ、個々に、７ｍｍに前部−後部スケーリング係数を乗算したものに等しく、且つ、ＲＹは、１０ｍｍに前部−後部スケーリング係数を乗算したものに等しい［ブロック２６０］。これらの軸ＲＸ、ＲＺ、及びＲＹは、図９Ｂに示されており、この図は、図９Ａにおいて利用されている楕円体２４０の拡大等角図である。
図９Ａに示されているように、汎用楕円体モデル２０２から患者楕円体モデル２２６にマッピングされた遠位ポイント２１２の初期場所が、矢印Ａによって示された場所において示されており、これは、三角形表面メッシュ２２８上に位置している。上述したように、異なる変換は、利用される特定の変換に応じて、三角形表面メッシュ２２８から外向きに離れるように離隔した状態において、或いは、三角形表面メッシュ２２８内において凹入した状態において、初期遠位ポイント２１２を位置決めしうる。表面メッシュ２２８上の遠位ポイント２１２の矢印Ａにおける初期場所は、楕円体２４０によって取り囲まれており、この楕円体は、上述のように、２つのモデル２０２、２２６の間のＡ−Ｐスケーリングに応じて、それぞれが７ミリメートル又はその他の長さである半短軸ＲＸ、ＲＺと、２つのモデル２０２、２２６の間のＡ−Ｐスケーリングに応じて、１０ミリメートル又はその他の長さである半長軸ＲＹと、を有することができる。楕円体２４０は、表面メッシュ２２８の三角形面２３２のいくつかの頂点２４２を包含しており、且つ、アルゴリズムは、楕円体２４０の内側のすべての頂点２４２のうちの最遠位頂点を見出すが、この頂点は、図９Ａ内において矢印Ｂによって識別されている頂点２４２である［ブロック２６２］。次いで、アルゴリズムは、図９Ａにおいて矢印Ｂによって識別されている最遠位頂点２１４が、楕円体２４０の境界に過剰に近接しているかどうかを評価している［ブロック２６４］。
一実施形態においては、アルゴリズムは、識別された最遠位頂点２４２の位置が楕円体関数ｆ＝ｘ２／ａ２＋ｙ２／ｂ２＋ｚ２／ｃ２に適用された際に、識別された最遠位頂点２４２における関数の結果が０．６５（次元なし）を上回っている場合に、楕円体２４０の境界に過剰に近接しているものとして、（図９Ａにおいて矢印Ｂによって識別されている）識別された最遠位頂点２４２を定義している。楕円体関数において、ｘは、Ｔｘ−Ｐｘであり、ここで、Ｔｘは、ターゲットポイント（図９ＣのＡ）のｘ座標であり、且つ、Ｐｘは、演算された新しい遠位ポイント（図９ＣのＢ）のｘ座標である。即ち、ｘは、楕円体の中心から演算された新しい遠位ポイントＰまでの、ｘ方向における距離である。同様のことが、楕円体関数のｙ及びｚにも当て嵌まる。即ち、ｙは、Ｔｙ−Ｐｙであり、ここで、Ｔｙは、ターゲットポイントのｙ座標であり、且つ、Ｐｙは、演算された新しい遠位ポイントのｙ座標である。そして、ｚは、Ｔｚ−Ｐｚであり、ここで、Ｔｚは、ターゲットポイントのｚ座標であり、且つ、Ｐｚは、演算された新しい遠位ポイントのｚ座標である。楕円体関数において、ａは、半径であり、Ｒｘ＝７ｍｍであり（楕円体の合計ＭＬ幅は、１４ｍｍである）、ｂは、半径であり、Ｒｙ＝１０ｍｍであり（楕円体の合計ＡＰ長は、２０ｍｍであり）、且つ、ｃは、半径であり、Ｒｚ＝７ｍｍである（楕円体の合計高さは、１４ｍｍである）。
０．６５という値は、楕円体のエッジからの約１．５ｍｍに等価である。究極的には、識別された最遠位頂点２４２が楕円体２４０の境界に過剰に近接している（例えば、エッジから１．５ｍｍである）場合には、図９Ａにおいて破線矢印によって示されているように、遠位ポイント２１２は、最遠位頂点であるものとして矢印Ｂによって図９Ａにおいて示されている識別された最遠位頂点２４２に移動させられ［ブロック２６６］、患者大腿骨モデル２２６上の遠位ポイント２１２の結果的に得られる調節済みの最終的場所は、図９Ａ内において矢印Ｂによって示されているとおりである。次いで、この遠位ポイント２１２の調節済みの最終的場所を使用することにより、遠位切除深さを算出することができる［ブロック２６７］。遠位切除深さは、切除データを生成するべく使用されてもよく、切除データは、触覚装置６０又は手術ロボットを制御するための触覚境界として手術システム１００によって利用されてもよい。これに加えて、又はこの代わりに、切除データは、関節形成手技において手術ロボットによって利用されてもよい。これに加えて、又はこの代わりに、切除データは、関節形成手技においてナビゲーションシステムによって利用されてもよい。ナビゲーションシステムは、関節形成手技を実行する際に自律型ロボット又は外科医支援型の装置との関連において動作することができる。少なくとも２つの自由度（例えば、回転バー及び平行運動能力）を有する切削装置などの自律型ロボットは、切除データが、切除を実行するためのツール経路として利用される状態において、関節形成手技を実行することができる。本明細書において記述されている触覚装置６０又は少なくとも１つの自由度（例えば、外科医によって運動又は平行運動させられる回転バー）を有する切削ツールなどの外科医支援型の装置は、切除データが、切削ツールの特定の運動（例えば、切除の深さ）を制御又は制限するための仮想的又は触覚境界となる状態において、関節形成手技を実行することができる。従って、最遠位ポイントの場所を判定する本明細書において記述されている方法は、患者の骨に対する関節形成手技を計画する際に使用される切除プレーンデータを生成する方法を記述することができる。
その一方で、図１０Ａ、図１０Ｂ、並びに、図９Ａ及び図９Ｂの同一の楕円体２４０である図９Ｃから理解されうるように、（図９Ａ及び図９Ｃにおいて矢印Ｂによって示されている）識別された最遠位頂点２４２が楕円体２４０の境界に過剰に近接している場合には、図９Ｃに示されているように、矢印Ｂによって示されている識別された最遠位頂点２４２から楕円体中心（即ち、図９Ａ及び図９Ｃにおいて矢印Ａによって示されている初期の最遠位ポイント２１２）に向かって１ミリメートルである球体中心ポイント２５０が識別される［ブロック２６８］。図９Ｃに示されているように、球体２５２は、球体中心ポイント２５０においてセンタリングされており、且つ、２ミリメートルの半径を有する［ブロック２７０］。上方−下方又はＳＩスパンが、球体２５２の境界と交差する三角形表面メッシュ２２８のすべての三角形面２３２について見出され、この場合に、ＳＩスパンは、Ｚｓｐａｎ＝（Ｚｍａｘ−Ｚｍｉｎ）である［ブロック２７２］。Ｚｓｐａｎは、最高ポイントから最低ポイントまでのＺ方向（近位−遠位）におけるスパン高さであることに留意されたい。
ＳＩスパンを別の方式によって記述すれば、球体２５２の内側において含まれているすべての三角形面２３２について、最小Ｚ値（即ち、最低高さ）を有する頂点２４２が、最大Ｚ値（即ち、最大高さ）を有する頂点２４２から減算される。従って、ＳＩスパンは、１つの座標（例えば、ｚ）方向に沿った、球体２４２との間の三角形面２３２の交差の最大ポイントと球体２５２との間の三角形面２３２の交差の最小ポイントの間の差を計測している。これから、特定の座標方向に沿った最小値と最大値の間の変化又は差は、しばしば表面から唐突に突出している骨棘の存在を予測することが可能であると判定することができる。
Ｚｓｐａｎが１．５ミリメートル超であるかどうか、或いは、楕円体２４０の現時点の反復の半長軸ＲＹが、１５にＡ−Ｐスケーリング係数を乗算したものを上回っているかどうか、を確かめるべく、チェックが実施されている［ブロック２７４］。［ブロック２７４］の条件のいずれかが充足され、且つ、楕円体２４０の現時点の反復の半短軸ＲＸ、ＲＺのそれぞれが、それぞれ、３ミリメートルを上回っていない場合には、遠位ポイント２１２は、識別された球体中心ポイント２５０に移動させられ、且つ、この遠位ポイント２１２の最終的な調節済みの場所を使用することにより、遠位切除深さが算出される［ブロック２７６］。この結果、Ｚｓｐａｎは、Ｚ方向におけるピーク（例えば、骨棘）を識別するべく、使用される。そして、システムがピーク（即ち、Ｚｓｐａｎ＞１．５ｍｍ）を検出した場合には、システムは、ピークの外側の最大高さを見出すための試みにより、サーチを調節することになる。
或いは、この代わりに、［ブロック２７４］の条件のいずれかが充足されたが、楕円体２４０の現時点の反復の半短軸ＲＸ、ＲＺが、それぞれ、３ミリメートルを上回っている場合には、その反復における直前の楕円体の半短軸ＲＸを１ミリメートルだけ下回る半短軸ＲＸ（ＮＥＷ）（即ち、ＲＸ（ＮＥＷ）＝ＲＸ−１ｍｍ）、その反復において直前の楕円体の半短軸ＲＺを１ミリメートルだけ下回る半短軸ＲＺ（ＮＥＷ）（即ちＲＺ（ＮＥＷ）＝ＲＺ−１ｍｍ）、並びに、その反復における直前の楕円体の半短軸ＲＹを１ミリメートルだけ下回る半短軸ＲＹ（ＮＥＷ）（即ち、ＲＹ（ＮＥＷ）＝ＲＸ−１ｍｍ）を有するように、新しい楕円体が生成され、且つ、プロセスは、新しい楕円体に伴う別の反復を実行するべく、図１０Ａの［ブロック２６２］に戻る［ブロック２７８］。
最終的に、［ブロック２７４］の条件のいずれもが充足されない場合には、球体２５２の半径は、４ミリメートルに増大させられると共に、球体２５２の境界と交差する三角形表面メッシュ２２８のすべての三角形面２３２について、ＳＩスパンが見出され、この場合に、ＳＩスパンは、Ｚｓｐａｎ＝（Ｚｍａｘ−Ｚｍｉｎ）であり、且つ、プロセスは、図１０Ｃの［ブロック２８２］において継続する［ブロック２８０］。新しい４ｍｍ半径の球体２５２と関連するＺｓｐａｎが２ミリメートル超であるかどうかを確かめるべく、チェックが実施されている［ブロック２８２］。［ブロック２８２］の条件が充足された場合には、遠位ポイント２１２は、識別された球体中心ポイント２５０に移動させられ、且つ、この遠位ポイント２１２の最終的な調節済みの場所を使用することにより、遠位切除深さが算出される［ブロック２８４］。
本開示においては、球体２５２が記述されているが、球体の代わりに、その他の三次元形状が利用されうることものと予見されている。その他の三次元形状に加えて、例えば、楕円体、プリズム、又はボックスが、限定を伴うことなしに、且つ、本開示の範囲を逸脱することなしに、使用されうる。これに加えて、又はこの代わりに、本明細書においては、厚さを有していないプレーン又は表面などの２次元形状が使用されうる。
［ブロック２８２］の条件が充足されない場合には、現時点の半短軸ＲＸ、ＲＺの値が以前の反復において以前に訪問されているかどうかを確かめるべく、チェックが実施される［ブロック２８６］。現時点の半短軸ＲＸ、ＲＺの値が以前に訪問されている場合には、遠位ポイント２１２は、識別された球体中心ポイント２５０に移動させられ、且つ、この遠位ポイント２１２の最終的な調節済みの場所を使用することにより、遠位切除深さが算出される［ブロック２８８］。
その一方において、現時点の半短軸ＲＸ、ＲＺの値が事前に訪問されていない場合には、その反復において直前の楕円体の半短軸ＲＸよりも２ミリメートルだけ大きい半短軸ＲＸ（ＮＥＷ）(即ち、ＲＸ（ＮＥＷ）＝ＲＸ＋２ｍｍ）、その反復において直前の楕円体の半短軸ＲＺよりも２ミリメートルだけ大きい半短軸ＲＺ（ＮＥＷ）（即ち、ＲＺ（ＮＥＷ）＝ＲＺ＋２ｍｍ）、並びに、その反復において直前の楕円体の半短軸ＲＹを２ミリメートルだけ上回る半短軸ＲＹ（ＮＥＷ）（即ち、ＲＹ（ＮＥＷ）＝ＲＹ＋２ｍｍ）を有するように新しい楕円体が生成され、且つ、プロセスは、新しい楕円体に伴う別の反復を実行するべく、図１０Ａの［ブロック２６２］に戻る［ブロック２９０］。
上述したプロセスは、（図９Ａにおいて矢印Ｂによって示されている）識別済みの最遠位頂点２４２を判定する際に、骨棘又はその他の不規則な骨の特徴に遭遇するかどうかを検出する際に有用でありうる。骨棘は、患者大腿骨モデル２２６の表面から突出しうることから、最遠位頂点２４２は、骨棘上に位置しうる。但し、汎用大腿骨モデル２０２から患者大腿骨モデル２２６に遠位ポイント２１２をマッピングすることを目的とした場合には、患者大腿骨モデル２２６上の骨棘の存在を無視することが有益である場合があり、その理由は、骨棘表面は、切除深さを判定する際には不適切でありうるからである。即ち、切除深さは、最遠位頂点２４２の関数であることから、最遠位頂点２４２は、不規則な骨の特徴の存在によって変更されるべきではない。従って、上述のプロセスは、以下のように要約されうる。
遠位ポイント２１２の初期場所が、汎用大腿骨モデル２０２から患者大腿骨モデル２２６にマッピングされ、この様子は、図９Ａにおいて矢印Ａによって示されている場所において示されている。楕円体２４０が、上述のパラメータに基づいて生成される。最遠位頂点２４２が、上述のパラメータに基づいて楕円体２４０内において識別される。最遠位頂点２４２が楕円体２４０の境界のエッジに過剰に近接していない場合には、［ブロック２６７］を参照して記述されているように、最遠位頂点２４２を使用することにより、遠位切除深さが算出される。最遠位頂点２４２が楕円体２４０の境界のエッジに過剰に近接している場合には、最遠位頂点２４２が、特定の実施形態においては上述のＺｓｐａｎ計算を介して、骨棘上に位置しているかどうかを判定しなければならない。最遠位頂点２４２が骨棘上に位置している場合には、楕円体のサイズが低減され、且つ、プロセスは、上述のように継続する。最終的に、最遠位頂点２４２が骨棘上に位置していない場合には、楕円体のサイズが増大させられ、且つ、プロセスは、上述のように継続する。楕円体のサイズを増大又は減少させるプロセスは、複数回にわたって発生しうる。例えば、最遠位ポイントが、楕円体のエッジの近傍であり、且つ、骨棘上には配置されていないと判定された場合には、楕円体は、骨棘と遭遇するか又はエッジの近傍であると判定される時点まで、サイズの増大を継続しうるであろう。
患者大腿骨モデル２２６及びその上部のポイント２１２、２１４、２１８、２２０は、回転及び運動させられる能力を有する三次元コンピュータモデルとして、ディスプレイ５４上において描くことができる。これに加えて、或いは、この代わりに、患者大腿骨モデル２２６及びその上部のポイント２１２、２１４、２１８、２２０も、図６Ａ〜図６Ｃにおいて個々に示されているように、３つの異なる図、即ち、冠状図、軸又は横断方向図、及び矢状図内において、ディスプレイ５４上において描くことができる。ポイント２１２、２１４、２１８、２２０のうちの１つ又は複数が、モデル２２６の骨構造によって隠蔽されている場合には、例えば、図８Ａのポイント２１４、２２０及び図６Ｃのポイント２１８のケースにおけるように、隠蔽されているポイントは、半透明に、或いは、ポイントが存在しているが図中のなんらかの骨構造の背後に配置されていることを示す別の描画において、描くことができる。特定の実施形態においては、患者大腿骨モデル２２６は、患者大腿骨モデル２２６の表面によって塞がれている場合にも、ポイント２１２、２１４、２１８、２２０が可視状態となるように、透明に描くことができる。ポイント２１２、２１４、２１８、２２０のうちの１つ又は複数が図において完全に可視状態である（換言すれば、モデル２２６の骨構造によって隠蔽されていない）場合には、図６Ａのポイント２１２、２１８、図６Ｂのポイント２１２、２１４、２１８、２２０、及び図６Ｃのポイント２１２、２１４、２２０のケースにおけるように、可視ポイント２０４、２０８は、ポイントがモデル２２６の骨構造によって隠蔽されておらず、図において完全に可視状態であることを通知するべく、中実の完全に可視状態のポイントとして描くことができる。
これらのポイント２１２、２１４、２１８、２２０は、大腿骨モデル２２６上において適切に位置決めされた際には、実際のインプラントが、本明細書において記述されているように事前に計画された関節形成手技の一部分として患者の脛骨又は大腿骨上に埋植された際に、選択された大腿骨インプラントが（選択された脛骨インプラントとの関連において）望ましい手術結果を実現することを許容することになる、患者大腿骨に対する骨切除の深さを算出するべく使用される骨切除深さポイントとして機能することができる。
最後部ポイント２１４、２２０及び最遠位ポイント２１２、２１８が、上述のように、患者大腿骨モデル２２６上において適切に配置されたら、これらのポイント２１２、２１４、２１８、２２０を候補大腿骨インプラント３２０の三次元コンピュータモデル又はこのようなインプラント３２０と関連するデータと共に使用することにより、実際の関節形成手技において実際の大腿骨インプラントを実際の患者の骨の上部に埋植することから望ましい手術結果を実現するために、実際の大腿骨インプラントを受け入れるべく実際の患者の骨の内部において実施されることを要する関連する骨切除を術前に算出することができる。
図１３は、候補大腿骨インプラントの三次元コンピュータモデル（即ち、大腿骨インプラントモデル３２０）の矢状図であって、隣接する前部面取り切除接触表面３２４、後部面取り切除接触表面３２６、前部切除接触表面３２８、及び後部切除接触表面３３０と共に、その遠位骨切除接触表面３２２を示しており、これらの切除接触表面は、大腿骨インプラントモデル３２０の関節表面３３２の内側及び外側顆表面と近接している。
患者大腿骨の三次元コンピュータモデル（即ち、患者大腿骨モデル２２６）の遠位端部上において重畳された大腿骨インプラントモデル３２０の冠状、軸又は横断方向、及び矢状図をそれぞれが示している図１４Ａ〜図１４Ｃから理解されうるように、ポイント２１２、２１４、２１８、２２０のうちの１つ、２つ、３つ、又は４つを大腿骨インプラントモデル３２０の関節表面３３２上の類似の又は等価な最近位及び最遠位大腿骨顆ポイント又は領域とアライメントさせることにより、インプラントモデル３００の遠位骨切除接触表面３２２に沿って延在する、提案対象の遠位大腿骨切除３３４を定義することができる。又、いくつかの実施形態においては、定義された提案対象の切除は、図１３及び図１４Ｃの比較から理解されうるように、候補大腿骨インプラントモデル３２０の様々なその他の骨切除接触表面３２４、３２６、３２８、３３０に対応する提案対象の骨切除を含むこともできる。
定義された提案対象の遠位大腿骨切除３３４は、切除深さ及び平坦な向きに従って定義されている。当然のことながらが、定義された提案対象の遠位大腿骨切除３３４は、解剖学的（天然）アライメントが求められているのか、又は相対的に従来型の機械軸アライメントが求められているのか、に応じて、望ましい内反−外反、内部−外部、又は伸展−屈曲回転を考慮してすべての４つのポイント２１２、２１４、２１８、２２０又はポイントの単一のペアのみが大腿骨インプラントモデル３２０の外側又は内側関節表面３３２上の類似のポイントに対応するようにするべく、ポイント２１２、２１４、２１８、２２０との関係において遠位的に又は近位的に切除深さを変更することにより、候補大腿骨インプラントモデル３２０のサイズを相対的に小さな又は相対的に大きなサイズに変更することにより、提案対象の遠位切除３３４の平坦な向きを変更することにより、術前の、且つ／又は、いくつかの実施形態においては術中の、外科医入力により、調節又は変更することができる。
図１４Ａ〜図１４Ｃは、ポイントのペア２１２、２１４のみが、大腿骨インプラントモデル３２０の関節表面３３２のうちの１つの関節表面上のポイント又は領域の類似のペアとアライメントされている状況を示している。例えば、図１２Ａ〜図１２Ｃにおいて観察されうるように、外側ポイント２１２、２１４は、大腿骨インプラントモデル３２０の関節表面３３４上の類似のポイント又は領域とアライメントされているが、内側ポイント２１８、２２０は、インプラントモデル３２０の関節表面３３２上のこれらの類似の内側ポイント又は領域とアライメントされてはいない。その結果、外側側部において発生する、これらのポイントのペアのみのマッチングにより、インプラントモデル３２０の遠位骨切除接触表面３２２の向きと、その結果として、提案対象の切除プレーン３３４の向きと、は、例えば、大腿骨機械軸又は脚機械軸などの、患者の脚、大腿骨、又は脛骨の軸との関係における提案対象の遠位切除プレーン３３４の望ましい角度を実現しつつ、外側ポイントのマッチングを維持することにより、判定される。外科医が、提案された大腿骨切除プレーン３３４の深さ及び向きを承認したら、手術において触覚装置６０をガイドする際にナビゲーションシステムによって使用されるように、関連するデータを手術システム１００に提供することが可能であり、且つ、切除された患者大腿骨モデル２２６は、図１６Ａ〜図１６Ｃにおいて示されているように、外科医に対して術中に表示されてもよく、これらの図は、切除が提案されると共に遠位切除３３４を含む提案対象の大腿骨切除を示す、大腿骨モデル２２６の様々な図である。
提案対象の大腿骨切除プレーン３３４を定義する以上の説明は、大腿骨モデル２２６上において候補大腿骨インプラント３２０を重畳し、且つ、システム１００のコンピュータディスプレイ５４上において、このような重畳を視覚的に示す、という文脈において実施されているが、その他の実施形態においては、このようなプロセスは、コンピュータディスプレイ上における候補大腿骨インプラントの三次元表現又はその実際的な視覚的表現を必要とはしない、候補大腿骨インプラント３２０を表すデータにより、実行することができる。
３．関節ギャップにおける提案対象の切除深さの調節
実際のインプラントが、患者に対する関節形成の際にインプラントされた際に望ましい手術結果を結果的にもたらすことになる術前に計画されたインプラントモデル２２４、２２６の間の適切な関節ギャップ間隔を考慮するべく、骨切除が、この「発明を実施するための形態」のサブセクションＩ（Ａ）（１）及びＩ（Ａ）（２）において概略的に上述した術前計画に従って手術システム１００を介して実施される状態において、２つのギャップ距離は、切除深さの時前計画の一部分として算出されている。２つの算出されたギャップ距離は、大腿骨インプラントモデル３２０の内側顆表面３３２と脛骨インプラントモデル３００の内側関節表面３０４の間の、且つ、大腿骨インプラントモデル３２０の外側顆表面３３２と脛骨インプラントモデル３００の外側関節表面３０４の間の、最小符号付き距離である。図１７は、大腿骨インプラントモデル３２０の大腿骨関節表面３３２及び脛骨インプラントモデル３００の脛骨関節表面３０４の等角図である。本開示は、膝関節を形成している骨に合焦しているが、本明細書における教示内容は、例えば、足首、肘、又は手首などの、その他の関節を形成している骨に対しても同様に適用可能である。
最小ギャップ距離は、脛骨インプラントモデル３００の関節表面３０４の面、内部エッジ、及び内部頂点によって定義される正のボロノイ領域の内側に配置されている大腿骨顆インプラント上のすべてのポイントについては、正として定義される。最小ギャップ距離は、負のボロノイ領域の内側に配置されている大腿骨インプラントモデル３２０の関節表面３３２上のすべてのポイントについては、負として定義される。これらは、インプラントが相互に接触する表面であることから、考慮する必要があるのは、モデルの関節表面の間の距離のみである。
受け入れ可能な精度のレベルを実現するべく、ギャップ距離は、図１７に示されているように、大腿骨インプラントモデル３２０の関節表面モデル３３２の三角形表面メッシュの三角形面及び脛骨インプラントモデル３００の関節表面モデル３０４の三角形表面メッシュの三角形面の頂点の間において演算される。大腿骨関節表面モデル３２０の微細な分解能に起因して、頂点−表面ギャップ距離は、真の表面−表面ギャップ距離の近接した近似値である。
システム１００は、関節ギャップを算出するための２つの異なるアルゴリズムを利用してもよく、第１のものは、グローバルサーチ最近接距離アルゴリズム（「ＧＳＣＤＡ：Ｇｌｏｂａｌ Ｓｅａｒｃｈ Ｃｌｏｓｅｓｔ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ」）であり、且つ、第２のものは、増分サーチ最近接距離アルゴリズム（「ＩＳＣＤＡ：Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ Ｓｅａｒｃｈ Ｃｌｏｓｅｓｔ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ」）である。ＧＳＣＤＡは、任意の表面の間の最小符号付き距離を見出すことが保証されている。ＩＳＣＤＡは、凸状表面の場合に機能する高速増分局所サーチアルゴリズムである。
適用の際には、第１関節ポーズのギャップ距離は、ＧＳＣＤＡによって算出される。ＧＳＣＤＡは、ギャップ距離と、最近接ギャップ距離を有する大腿骨インプラントモデル３２０の関節表面モデル３３２の表面メッシュの頂点のインデックスと、を返す。
適用の際には、第２関節ポーズのギャップ距離は、ＩＳＣＤＡによって算出される。これを実行する際に、ＩＳＣＤＡは、第１関節ポーズの計算から返された頂点を参照している。後続する残りの関節ポーズのギャップ距離計算は、いずれも、同一の方式によって実行され、即ち、それぞれが、ＩＳＣＤＡを使用し、且つ、以前の関節ポーズ計算からの頂点を参照している。
単一のポーズについてＧＳＣＤＡアルゴリズムを使用し、且つ、次いで、残りのポーズについては、ＩＳＣＤＡを使用することにより、ギャップ計算が加速される。それぞれのポーズごとにＧＳＣＤＡを利用すれば、特に、多数の分析対象ポーズを有する場合に、更なる時間及び演算リソースを必要とすることになろう。
特定の例においては、解剖学的な又は真の脛骨関節表面とは異なる脛骨表面プロファイルを利用することができる。例えば、脛骨関節表面が、ほぼ大腿骨関節表面に準拠している場合には、関節ギャップ計算において、多少平坦化された、変更済みの脛骨関節表面を使用することができる。脛骨表面プロファイルが大腿骨関節表面に非常に準拠している特定の例においては、わずかな前部−後部及び／又は内側−外側平行運動が仮想的な干渉状態を結果的にもたらす場合があり、この結果、演算された符号付き距離が、「緊密」又は負を示すことになる。従って、脛骨が、前部−後部に、且つ／又は、内側−外側に、わずかに平行運動させられた場合に、ポーズ位置が干渉位置を示しうるが、この場合には、実際には、干渉状態は存在していない。このような知覚される干渉の計測値は、知覚される干渉状態を除去するべく、インプラントシステムの大腿骨又は脛骨コンポーネントを相互に更に離れるように位置決めするべきであることを外科医に通知しうる。この知覚される干渉に対抗するべく、大腿骨関節表面と多少平坦な又はわずかに凹入した（即ち、真の脛骨よりも平坦である）一般化された脛骨表面の間において、符号付き距離を演算することができる。
ｉ．グローバルサーチ最近接距離アルゴリズム（「ＧＳＣＤＡ」）
ＧＳＣＤＡは、図１８のブロードフェーズサーチステージと、図１９のナローフェーズサーチステージと、に分割することができる。それぞれの関節表面モデルごとに、階層構造の球体ツリーが生成される。ツリーは、それぞれのリーフノード球体が単一の三角形面を含むと共にそれぞれの親ノード球体がその子ノード球体を含むように、ボトムアップ方式によって構築されている。図１８のブロードフェーズサーチステージにおいては、ＧＳＣＤＡは、ナローフェーズサーチステージ用の候補ノードペアのキューを維持しつつ、幅第１方式によって両方の球体ツリーを詳しく検討しており、これは、Ａ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｆｏｒ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓ ｂｙ Ｄａｖｉｄ Ｅ． Ｊｏｈｎｓｏｎ ａｎｄ Ｅｌａｉｎｅ Ｃｏｈｅｎ， Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｕｔａｈ （１９９８）において記述されているアルゴリズムに類似したものであってもよく、この文献の内容は、引用により、そのすべてが本明細書に包含される。それぞれのノードペアは、モデル３０４、３３２の間のギャップ距離について、下部及び上部境界推定値を生成する。グローバルな上部境界推定値は、候補ノードペアを取り除くために維持される。新しい非リーフノードペアが、グローバルな上部境界推定値を上回る下部境界推定値をもたらした場合には、そのペアは、サーチにおいて破棄される。リーフノードペアは、リースノードペアリストに挿入される。ノードペアが破棄されない場合には、その上部境界推定値は、グローバルな上部境界推定値を更新するべく使用される。ブロードフェーズサーチは、更なるノードペアがキュー内に存在していない際に、終了する。
図１９において反映されているように、ナローフェーズサーチステージは、リーフノードペアのリストを詳しく検討し、且つ、大腿骨顆コンポーネントリーフノード内において参照されている頂点と脛骨コンポーネントリーフノード内において参照されている三角形面の間のギャップ距離を演算する。最小ギャップ距離を有する頂点−三角形ペアが解として選択される。ギャップ距離、三角形インデックスのみならず、最近接ポイントペアが、アルゴリズムによって返される。
ナローフェーズサーチは、Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｂｙ Ｃｈｒｉｓｔｅｒ Ｅｒｉｃｓｏｎ （２００５）の５．１節において記述されているポイント−三角形距離計算方法を使用しており、この内容は、引用により、そのすべてが本明細書において包含される。負のギャップ距離を考慮するべく、アルゴリズムは、最近接ポイントが、三角形エッジ又は頂点上ではなく、三角形面上に存在している際には、距離の符号が、三角形法線とポイントと三角形上の最近接ポイントの間の差ベクトルの内積の符号から判定されるように、変更される。
この変更済みのアルゴリズムは、ポイントが脛骨コンポーネントモデルの内部エッジ及び頂点の負のボロノイセル内に配置されているケースを取り扱うことはなく、その理由は、最近接ポイントがモデルの任意のエッジ又は頂点上において配置された際には、このアルゴリズムが正の距離を返すからである。大腿骨顆コンポーネントモデルの高い分解能に起因して、変更済みのアルゴリズムは、モデルの間の距離に対する妥当な近似値をもたらすことになり、その理由は、最近接ポイントが脛骨コンポーネントモデルの内部エッジ又は頂点上に配置された際に、最近接ポイントが脛骨コンポーネントモデルの三角形面上に配置される、大腿骨顆モデルの近傍の頂点が存在することになるからである。大腿骨顆関節表面の頂点から脛骨関節表面の三角形面までの距離の演算によるギャップ距離の密接な近似は、大腿骨顆関節表面の頂点から脛骨関節表面の頂点までの計算よりも、迅速に実行される。頂点間の計算は、精度のわずかな改善をもたらしうるが、相対的に多くの演算時間を必要とすることになり、且つ、従って、相対的に低速となる。
ｉｉ．増分サーチ最近接距離アルゴリズム（「ＩＳＣＤＡ」）
ＩＳＣＤＡは、大腿骨インプラントモデル３２０の関節表面モデル３３２の三角形表面メッシュの三角形面の既知の頂点によって始まり、且つ、現時点の頂点のすべての近隣頂点をサーチすることにより、局所的に最も近接した頂点を見出す。サーチは、現時点の頂点のすべての近隣頂点（第１及び第２レベル）が、脛骨インプラントモデル３００の関節表面モデル３０４の三角形表面メッシュの三角形面から、現時点の頂点よりも離れた際に、終了する。ギャップ距離は、頂点の位置を入力位置として使用することにより、深さ第１方式によって脛骨インプラントモデルの球体ツリーデータ構造を詳しく検討することにより、演算される。
関節ギャップ距離が、上述のＧＳＣＤＡ及びＩＳＣＤＡの適切な適用に従って判定されたら、関節ギャップ値を適用することにより、必要に応じて、切除深さとの関係において提案対象の大腿骨及び脛骨切除プレーンを調節することができる。
ｉｉｉ．ポーズキャプチャ及び術中関節ギャップ計算
患者の大腿骨１１及び脛骨１０が追跡及びナビゲーションシステムによって追跡されたら、外科医は、手術システム１００により、大腿骨１１との関係において脛骨１０のポーズ（即ち、位置及び向き）を術中にキャプチャ又は記録することができる。更に具体的には、外科医は、患者の大腿骨１１及び脛骨１０を異なる屈曲角度値を有するポーズの組内において位置決めすることができると共に、それぞれのポーズごとに、大腿骨１１との関係において脛骨１０の計測された位置及び向きをキャプチャするか又はその他の方式で記録することができる。上述のように、大腿骨インプラントモデルを有する三次元大腿骨モデルと、脛骨インプラントモデルを有する三次元脛骨モデルと、は、表示画面上において描かれてもよく、且つ、モデルの場所及び向きは、脛骨１０及び大腿骨１１の物理的場所及び向きに対応することができる。
次いで、外科医は、ポーズのうちの１つについてＧＳＣＤＡを使用することにより、関節ギャップ計算を実行することができる。計算は、伸展ポーズ（即ち、約ゼロ度の屈曲角度）又は屈曲ポーズ（即ち、ゼロ度超の屈曲角度）において実行することができる。次いで、ポーズの残りのものについて、ＩＳＣＤＡ計算を実行することができる。特定の実施形態においては、外科医は、ポーズのすべてについてＧＳＣＤＡを使用することにより、関節計算を実行することができる。
一例として、外科医は、０度の屈曲、３０度の屈曲、６０度の屈曲、９０度の屈曲、及び１２０度の屈曲に対応する５つのポーズをキャプチャすることができる。ＧＳＣＤＡ計算が、６０度の屈曲ポーズなどの、ポーズのうちの１つについて実行される。次いで、次の最も近接したポーズについて、ＩＳＣＤＡ計算を実行することができる。この例においては、ＩＳＣＤＡの計算は、９０度、１２０度、次いで、３０度、並びに、０度という順序において実行することができる。それぞれのＩＳＣＤＡシーケンスの開始時点において、サーチの初期化のために、ＧＳＣＤＡ計算からの頂点インデックスが使用される（即ち、９０度及び３０度において）。後続のステップにおいては、以前のステップからのＩＳＣＤＡ計算の頂点インデックス（即ち、１２０度においては、９０度からの頂点インデックス、並びに、０度においては、３０度からの頂点インデックス）が使用される。
別の例として、膝関節に対する関節形成手技を計画する際に使用される切除データを生成する方法は、以下のステップを含むことができる。コンピュータは、共通三次元座標系において第１の事前計画された向きにおいて相互の関係において方向付けされた三次元大腿骨モデル及び三次元大腿骨インプラントモデルを受け取ることができる。三次元大腿骨モデルは、患者の大腿骨に対応しうる。三次元大腿骨インプラントモデルは、内側顆表面と、外側顆表面と、を含むことができる。又、コンピュータは、共通三次元座標系において第２の事前計画された向きにおいて相互の関係において方向付けされた三次元脛骨モデル及び三次元脛骨インプラントモデルを受け取ることもできる。三次元脛骨モデルは、患者の脛骨に対応しうる。三次元脛骨インプラントモデルは、内側関節表面及び外側関節表面を含むことができる。三次元大腿骨モデル及び三次元脛骨モデルは、ナビゲーションシステムを介して患者の大腿骨及び脛骨のポーズに従って相互の関係において方向付けされていてもよい。又、コンピュータは、第１ポーズにおける大腿骨及び脛骨の第１位置及び向きに対応する第１位置及び向きデータを受け取ることもできる。又、コンピュータは、第１ポーズにおける三次元大腿骨インプラントモデルの内側顆表面と三次元脛骨インプラントモデル上の又はこれと関連する第１ポイントの間の第１符号付き距離を算出することもできる。又、コンピュータは、第１ポーズにおける三次元大腿骨インプラントモデルの外側顆表面と三次元脛骨インプラントモデル上の又はこれと関連する第２ポイントの間の第２符号付き距離を算出することもできる。コンピュータは、第１及び第２符号付き距離に基づいて切除深さを判定又は調節することができる。又、コンピュータは、切除深さを使用することにより、切除データを生成してもよく、切除データは、関節形成手技においてナビゲーションシステムによって利用されるように構成されている。
Ｂ．前部骨幹部ノッチングの回避
術前計画が、この「発明を実施するための形態」のサブセクションＡにおいて上述したように提案対象の骨切除を結果的にもたらしたら、前部大腿骨皮質のノッチングが発生することになるかどうかを確かめるべく、候補大腿骨インプラントモデルの関連する向きをチェックすることができる。全膝関節形成術前計画においては、前部大腿骨皮質ノッチング３９０は、大腿骨インプラントモデル３２０が、前部フランジ４０２の最上部エッジ４００が患者大腿骨モデル２２６の前部大腿骨皮質４０４内に深く着座するように、術前に計画された際に、発生する。図２０Ａ及び図２０Ｂは、それぞれ、前部大腿骨皮質４０４がノッチングされるように、患者大腿骨モデル２２６上において位置決めされた大腿骨インプラントモデル３２０の前部遠位図及び矢状断面図である。実際の大腿骨インプラントが、図２０Ａ及び図２０Ｂにおいて示されているように、埋植された場合には、大腿骨皮質４０４の示されているノッチング３９０は、ノッチングが大腿骨骨幹部の破損又は顆上破損に結び付きうる前部大腿骨皮質内の応力集中を生成することから、望ましくない手術結果をもたらすことになろう。
図２１に示されているように、座標系４０８を患者大腿骨モデル２２６について確立することが可能であり、この場合に、Ｘ軸は、＋Ｘ軸が外側大腿骨に向かって向かう状態において内側−外側に位置することになり、Ｙ軸は、＋Ｙ軸が後部大腿骨に向かって向かう状態において前部−後部方向に位置することになり、且つ、Ｚ軸は、＋Ｚ方向が近位大腿骨に向かって向かう状態において上方−下方方向において位置することになる。
図２２Ａ〜図２２Ｃは、それぞれ、大腿骨インプラント３２０上において重畳された触覚オブジェクトのアウトライン４１０を有する候補大腿骨インプラントモデル３２０の後部、矢状−後部、及び矢状図である。候補大腿骨インプラントモデル３２０は、大腿骨インプラントモデル３２０の前部フランジ部分４１４上において前部骨切除接触表面４１２を含む。モデル３２０の前部骨切除接触表面４１２及び実際の大腿骨インプラントは、実質的に平坦であり、且つ、関節形成手技において実際の患者内において生成された前部骨切除表面との間において実質的に平坦な表面接触を実施するように、構成されている。
図２２Ｂ及び図２２Ｃにおいて観察されるように、触覚オブジェクト４１０は、一般に、大腿骨インプラントモデル３２０の前部フランジ部分４１４の平坦な接触表面４１２と同一平面上にある。従って、触覚オブジェクト４１０は、基本的に、大腿骨インプラントモデル３２０の前部フランジ部分４１４の平坦な接触表面４１２の平坦な延長部である。
大腿骨３２０の前部フランジ部分４１４の上方エッジ及び触覚プレーン４１０の上方境界４１８の拡大前部図である図２３に示されているように、一連の均等に離隔した基準ポイント４１６Ａ〜４１６Ｋが、触覚プレーンの上方境界４１８に沿って延在している。基準ポイント４１６Ａ及び４１６Ｋは、一連の均等に離隔したポイント４１６Ａ〜４１６Ｋの端部ポイントである。上方境界４１８に沿ったポイント４１６の数は、図２３に描かれているものよりも多くてもよく、或いは、少なくてもよいことに留意されたい。更に多くのポイント４１６は、ノッチ評価の精度を増大させうるが、ポイント２１６の増大は、演算時間をも増大させる。後述するように、これらの基準ポイントは、図２１の座標系に従って大腿骨の解剖構造的Ｙ方向に沿って計測される、前部大腿骨ノッチ３９０の深さを評価するべく、使用される。
アルゴリズムにおいて利用される基準ポイント４１６Ａ〜４１６Ｋの数は、候補大腿骨インプラントモデル３２０のサイズとの関連において、以下のような仮定に依存している。例えば、前部大腿骨皮質ノッチングの識別におけるエラーの可能性は、前部大腿骨皮質の曲率半径の減少に伴って、或いは、均等に離隔した基準ポイント４１６Ａ〜４１６Ｋの数の減少に伴って、増大する。残念ながら、ポイント間隔を低減するべく均等に離隔した基準ポイント４１６Ａ〜４１６Ｋの数を単純に増大させることは、アルゴリズムの性能に対して悪影響を及ぼしうる。
皮質領域は、特性が凸状であり、大腿骨に沿って内側から外側に移動するのに伴って、曲率半径が変化している。従って、アルゴリズムが遭遇しうる最小曲率半径が１０ｍｍとなり、且つ、外科医が感じ取ることができる最小の臨床的に適切なノッチ深さが０．１２５ｍｍであると仮定することにより、これらの２つの仮定は、３．１５ｍｍという最小ポイント間隔をもたらす。従って、１０ｍｍの半径、３．１５ｍｍだけ離隔した基準ポイントのペア４１６Ｂ〜４１６Ｃを有する触覚プレーン４１０の上方エッジ４１８、ノッチのすぐ下方（例えば、０．００１ｍｍ）であるポイントのペア４１６Ｂ〜４１６Ｃ、及び３７．５３ｍｍという最大可能サイズを有する上方エッジを有する前部フランジ４１４を有する候補大腿骨インプラントモデル３２０を有する前部大腿骨皮質ノッチ状況３９０の概略図である図２４から理解されうるように、３．１５ｍｍ以下のポイント間隔を有する可能なポイントの最大数は、約１２である（即ち、３７．５３／３．１５＝１１．９１≒１２）。従って、図２３に示されているように、１２個の基準ポイント４１６Ａ〜４１６Ｋが利用されている。当然のことながら、その他のサイズの前部フランジが利用される場合には、アルゴリズムにおいて利用される基準ポイントの数は、１２個の均等に離隔した基準ポイントを下回ってもよく、或いは、上回ってもよい。
図２３と、更には、それぞれ、非ノッチング及びノッチング構成における患者大腿骨モデル２２６及びその上部の候補大腿骨インプラントモデル３２０の断面矢状図である図２５Ａ及び図２５Ｂと、から理解されうるように、アルゴリズムは、ベクトル４２０を座標系４０８の大腿骨の解剖学的Ｙ軸に沿って基準ポイント４１６Ａ〜４１６Ｋのそれぞれから患者大腿骨モデル２２２６の表面境界に投射している。「ノッチング」の状態は、図２５Ｂに示されているように、（１）これらのベクトル４２０のうちの最小のものの長さが０ｍｍ以上である、並びに、（２）これらのベクトル４２０のうちの最小のものの方向が座標系４０８の解剖構造的＋Ｙとは反対である、という２つの条件が充足された際に、発生すると判定される。「ノッチング」の状態が識別されたら、システム１００は、オーディオ及び／又はビジュアル警告を提供してもよく、且つ、ちょうど図２０Ａ及び／又は図２０Ｂのうちの任意のもののように出現するように、「ノッチング」の状態をディスプレイ５６上において表示することができる。
「非ノッチング」の状態は、図２５Ａにおいて示されているように、（１）これらのベクトル４２０のうちの最小のものの長さが、０ｍｍ超である、並びに、（２）これらのベクトル４２０のうちの最小のものの方向が、座標系４０８の解剖構造的＋Ｙと同一である、という２つの条件が充足された際に、判定される。「非ノッチング」の状態が識別されたら、システム１００は、オーディオ及び／又はビジュアル通知を提供してもよく、且つ、ちょうど図２５Ａ又は図２０Ａの非ノッチングバージョンのように出現するように、「非ノッチング」の状態をディスプレイ５６上において表示することができる。
外科医が、この「発明を実施するための形態」のサブセクションＡに従って術前に計画された提案対象の骨切除を承認するか又は変更及び承認し、且つ、受け入れ不能なノッチングの欠如が、この「発明を実施するための形態」のサブセクションＢに従って検証された状態において、術前に計画された骨切除と関連する前部大腿骨皮質の受け入れ不能なノッチングが存在していないことを検証したら、後述するように、術前に計画された骨切除を患者の実際の骨及び手術システム１００と術中において見当合わせすることができる。
ノッチングが発生するかどうかが判定されたら、手術システム１００は、患者大腿骨モデルとの関係における大腿骨インプラントモデルの判定された位置及び向きに基づいて、インプラントコンポーネント位置及び向きデータを生成することができる。インプラントコンポーネント位置及び向きデータは、関節形成手技において、触覚装置６０又は手術ロボットを制御するための触覚境界を設定する際に、利用することができる。従って、本明細書において記述されているステップは、患者の骨に対する関節形成手技の計画において使用されるインプラント位置及び向きデータを生成する方法を記述することができる。
例えば、触覚プレーンの上方境界４１８に沿った４１６Ａと４１６Ｋの間において延在するラインが、患者大腿骨モデル２２６の中実骨と交差するかどうかなどの、ノッチ評価のその他の方法も可能である。このようなケースにおいては、ノッチングは、ラインが患者大腿骨モデル２２６の中実骨と交差する場合に、発生する。逆に、ノッチングは、ラインが患者大腿骨モデル２２６の中実骨と交差しない場合には、発生しない。
Ｃ．切除プレーンに対するチェックポイントの近接性のチェック
特定のロボット支援型の整形外科手技においては、ロボットシステム１００との間における患者の骨の術中見当合わせは、患者の骨の解剖構造上において位置決めされた着脱自在のチェックポイントの使用を伴いうる。チェックポイント６００の側面図である図２６Ａにおいて観察されるように、チェックポイント６００は、患者の骨に打ち込まれる骨アンカー又はねじに類似している。チェックポイント６００は、近位端部におけるヘッド端部６０２と、ヘッド端部６０２から遠位的に延在するシャフト６０４と、を含むことができる。ヘッド端部６０２は、その他の形状に加えて、円錐形又は円錐台形の内側表面６０８を有する開口部又はディボット６０６を含むことができる。ディボット６０４は、見当合わせインスツルメント（例えば、ナビゲーションプローブ）との間における機械的なインターフェイスを提供している。チェックポイント６００のシャフト６０４は、骨の内部にチェックポイント６００を回転駆動するためのねじ山６１０及び遠位先端６１２を含むことができる。
全膝関節形成においてチェックポイント識別ステップを経験している患者の骨（脛骨１０、大腿骨１１）の側面図である図２６Ｂにおいて観察されるように、ナビゲーションプローブ５５の遠位端部５０４は、図１において観察されるように、ナビゲーションシステム４２の検出装置４４を介して手術システム１００のその他のコンポーネントとの関係において大腿骨１１を位置的に関係付けるべく、参照するべく、又は見当合わせするべく、チェックポイント６００のヘッド端部６０２上のディボット６０６の内側表面６０８との接触状態において配置することができる。チェックポイント識別においては、ナビゲーションプローブ５５の遠位端部５０４は、手術システム１００が、チェックポイント６００と、従って、患者大腿骨１１と、を、インスツルメント５５、並びに、ディスプレイ５６上において描かれた骨１１の任意のコンピュータ化された患者モデル２２６などの、手術システム１００内の任意のその他の装置との関係において、正確に位置決めしうるように、ディボット６０６内の既定の場所において、「底に到達（ｂｏｔｔｏｍ ｏｕｔ）」してもよい。その他のトピックに加えて、チェックポイント識別及びチェックポイント６００の態様については、２００７年５月１８日付けで出願された「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｖｅｒｉｆｙｉｎｇ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｕｒｇｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅ」という名称の米国特許出願第１１／７５０，８０７号明細書において記述されており、この特許文献の内容は、引用により、そのすべてが本出願に包含される。
手術手技において使用されるそれぞれのチェックポイント６００は、特定の手術方式が付与された場合に、手技においてアクセス可能となるように、患者の骨（例えば、大腿骨１１）の上部において位置決めされなければならない。これに加えて、それぞれのチェックポイント６００は、手技と、或いは、手技において使用されるツールと、干渉しないように、位置決めされなければならない。例えば、チェックポイント６００は、切削装置と干渉することにならないように、或いは、切除によって除去されることにならないように、骨の一部分上において配置される必要がある。後述する方法及びシステムは、切削ツールと干渉することにならない、或いは、切除において除去されることにならない、チェックポイント６００の場所又は位置の術前判定を支援することができる。
それぞれ、インプラントコンポーネント３２０及びチェックポイント６００の場所を描く患者大腿骨モデル２２６、インプラントコンポーネント３００及びチェックポイント６００の場所を描く患者脛骨モデル２２４、並びに、術前チェックポイント場所検証プロセス３６０におけるステップを示すフローチャートである、図２６Ｃ〜図２６Ｅを参照されたい。関節形成手技の術前計画において、外科医又は医療専門家は、患者骨モデル２２４、２２６上においてチェックポイント６００の場所を識別することができる［ブロック３６２］。或いは、この代わりに、チェックポイントの場所は、患者骨モデル２２４、２２６上において自動的に位置決めされてもよい。術前計画は、患者骨モデル２２４、２２６との関係においてインプラントコンポーネント３２０、３００及び切除プレーン３３４、３０６のタイプ、位置、及び向きを計画することにより、以前のセクションにおいて記述されているように継続する［ブロック３６４］。チェックポイント場所検証プロセス３６０は、関連する切除プレーンが、チェックポイント６００の代替場所、或いは、インプラントコンポーネント３２０、３００の代替場所／向き、を必要とすることになる、特定の方法によってチェックポイント６００と干渉することになるように、インプラントコンポーネント３２０、３００が計画された際に、計画者（例えば、外科医）に警告することにより、インプラントコンポーネント３２０、３００の計画との関連において機能することができる。特定の例においては、望ましいインプラントコンポーネント３２０、３００の場所及び向きを変更するよりも、チェックポイント６００の場所及び配置を変更するほうが容易である場合がある。従って、計画者は、チェックポイント６００が、もはや切除プレーンと干渉しないように、チェックポイント６００の場所を変更することができる。
継続すれば、切除プレーン３３４、３０６が［ブロック３６４］において識別されたら、それぞれ、切除３３４、３０６との関係において位置決めされたチェックポイント６００を有する大腿骨切除３３４及び脛骨切除３０６の矢状概略図のペアである、図２６Ｆ及び図２６Ｇに示されているように、切除プレーンのそれぞれごとに、法線（Ｎ）が識別される［ブロック３６６］。図２６Ｆ〜図２６Ｇにおいて観察されるように、法線（Ｎ）は、切除プレーン３３４、３０６に対して垂直である。次いで、チェックポイント６００と切除プレーンのそれぞれの間において、最短符号付き距離ベクトル（ｄ）が判定される。図２６Ｆ〜図２６Ｇは、最短符号付き距離ベクトル（ｄ）を矢状図において描いているが、その理由は、切除プレーン３３４、３０６が、この図と直交しているからであり、この結果、プレーン３３４、３０６は、プレーンの代わりに、ラインとして出現している。
最短符号付き距離ベクトルは、視覚的に表示されているが、最短符号付き距離ベクトル（ｄ）は、視覚的に表示されることなしに、演算されてもよい。これに加えて、図２６Ｆ〜図２６Ｇにおける最短符号付き距離ベクトル（ｄ）は、前部切除３３４ａについてのみ描かれているが、最短符号付き距離ベクトル（ｄ）は、切除プレーン３３４（例えば、遠位切除プレーン３３４ｄ、後部切除プレーン３３４ｐ、遠位−前部面取り切除プレーン３３４ｄａ、及び遠位−後部面取り切除プレーン３３４ｄｐ）のそれぞれについて、判定、算出、又は識別されてもよい。
最短符号付き距離ベクトル（ｄ）は、大きさ又は距離と、三次元方向と、を含んでいることに留意されたい。最短符号付き距離ベクトル（ｄ）は、チェックポイント６００と、骨の切除された表面３３４と同延のインプラントコンポーネントの１つ又は複数の関連する切除プレーン上の対応するポイントと、の間における最短垂直距離として定義することができる。即ち、最短符号付き距離ベクトル（ｄ）は、１つ又は複数の切除プレーンに対して垂直であり、且つ、１つ又は複数の法線（Ｎ）と平行である。図２６Ｇにおいて観察されるように、最短符号付き距離ベクトル（ｄ４）は、切除表面３３４ｐと同延であると共にその上方において位置決めされたインプラントコンポーネントの関連する切除プレーン上のポイントまで延在している。
特定の実施形態においては、最短符号付き距離ベクトル（ｄ）の代わりに、最短距離ベクトルが使用されてもよい。即ち、この特定の実施形態においては、最短距離ベクトルは、インプラントコンポーネントの関連する１つ又は複数の切除プレーン又は切除された骨表面に対して垂直となることが必要とされてはいない。その代わりに、最短距離ベクトルは、単に、チェックポイント６００と骨の切除プレーン又は切除された表面３３４、３０６上のポイントの間における最短距離ベクトルであってもよい。いくつかのケースにおいて、最短距離ベクトルは、切除された表面３３４、３０６又は切除プレーンに対して垂直であってもよい。最短距離ベクトルの使用は、いくつかの例においては、最短符号付き距離ベクトル（ｄ）によって算出される大きさを下回る大きさを結果的にもたらすことができる。
上述のように、最短距離ベクトルは、チェックポイント６００から関連する１つ又は複数の切除プレーン又は仮想的に切除された骨表面３３４、３０６まで延在することができる。これに加えて、又はこの代わりに、最短距離ベクトルは、チェックポイント６００から切削ツール（例えば、鋸歯）の許容可能な切削境界線を表す触覚オブジェクトまで延在することができる。触覚オブジェクトは、形状が平坦であり、且つ、無限ではない（即ち、切除プレーンとは異なる）。これは、意図された切除プレーンにおいて配置されるが、有限なエリアを有している。触覚オブジェクトの境界線は、鋸歯を意図された切削に制約し、且つ、その場所においてインプラントを配置するべく必要とされる骨の量を少なくとも除去するように成形された鋸（例えば、幅が２５ｍｍの歯は、少なくとも２５ｍｍの幅の触覚オブジェクトを有することになる）を含むべく十分に大きくなるように設計され、且つ、軟組織を保護するように成形されている（即ち、無限ではない）。
以下の説明は、最短符号付き距離ベクトル（ｄ）の説明を伴って実行されることになるが、この説明は、以前の段落において記述されている最短距離ベクトルにも、等しく適用可能である。
図２６Ｅを再度参照すれば、チェックポイント場所検証プロセス３６０における次のステップは、法線（Ｎ）及び距離ベクトル（ｄ）が、それぞれの個々の切除プレーン３４４ごとに、同一の方向において向いているかどうかを確かめるというものである［ブロック３７０］。法線（Ｎ）及び距離ベクトル（ｄ）が同一の方向において向いている場合には［ブロック３７２］、切除プレーンは、チェックポイント６００との関係において「突出状態」において着座しているものと見なされる。このケースにおいては、距離ベクトル（ｄ）の大きさが４．５０ｍｍ以下である場合には、チェックポイント６００の場所は、切除プレーン３３４に過剰に近接している、という機能が演算され、且つ、システムは、警告によって計画者に警告するが［ブロック３７６］、この警告は、チェックポイント６００の場所を変更する必要があるというオーディオ及び／又はビジュアル通知であってもよい。法線（Ｎ）及び距離ベクトル（ｄ）が同一の方向において向いているが、距離ベクトル（ｄ）の大きさが４．５０ｍｍ超である場合には、チェックポイント６００の場所を変更する必要はない。
法線（Ｎ）及び距離ベクトル（ｄ）が同一の方向において向いていない（即ち、反対方向において向いている）場合には、切除プレーン３３４は、チェックポイント６００との関係において「深く」配置されており、且つ、従って、チェックポイント６００は、関節形成手技において、切除と干渉することになるか、或いは、骨から切除によって除去されることになろう［ブロック３７４］。このようなケースにおいては、システムは、警告によって計画者に警告するが［ブロック３７６］、この警告は、チェックポイント６００の場所を変更する必要があるというオーディオ及び／又はビジュアル通知であってもよい。チェックポイントの位置／向きのみならず、切除プレーンの位置／向きと関連する情報を手術システム１００によって使用することにより、切除及びチェックポイント位置決めデータを生成してもよく、このデータは、触覚装置６０又は手術ロボットを伴う関節形成手技において利用することができる。従って、本明細書において記述されている方法におけるステップは、患者の骨に対する関節形成手技を計画する際に使用される切除プレーン及びチェックポイント位置決めデータを生成する方法を記述することができる。
法線（Ｎ）を使用することなしに、チェックポイント６００の場所が「深く」又は「突出状態において」位置しているかどうかを判定するべく、代替方法を使用することもできる。例えば、チェックポイント６００から切除プレーンまでの最短符号付き距離ベクトル（ｄ）を判定することができる。正の符号は、チェックポイント６００が、プレーンから「突出状態」にあることを通知しうる。逆に、最短符号付き距離ベクトル（ｄ）の負の符号は、チェックポイント６００が、「深い」、即ち、プレーンから凹入した状態にある、ことを通知しうる。
図２６Ｆにおいて観察されるように、大腿骨切除３３４との関連において、チェックポイント６００から前部切除プレーン３３４ａまでの距離ベクトル（ｄ）は、第１方向において（即ち、患者の骨に向かって）向いており、且つ、前部切除プレーン３３４ａの法線（Ｎ）は、第２方向において（即ち、患者の骨から離れるように）向いており、第２方向は、第１方向とは反対である。従って、［ブロック３７０］及び［ブロック３７４］において観察されるように、切除プレーンは、チェックポイント６００との関係において深く配置されており、且つ、チェックポイント６００は、関節形成手技において、切除と干渉することになるか（例えば、切削ツールと接触する）、或いは、骨から切除によって除去されることになろう。これに起因し、チェックポイント６００又はインプラントコンポーネント３２０、３００の代替配置を検討するべく、アラート又は警告がシステムによって計画者に伝達される。チェックポイント６００が、切削ツールと干渉することになる、又は骨から切除によって除去されることになる、という判定が下されたら、その他の切除表面３３４ｄａ、３３４ｄ、３３４ｄｐ、３３４ｐの最短符号付きベクトル（ｄ）を演算する必要性は、存在しなくなろう。但し、特定の例においては、このような演算が演算されてもよい。
図２６Ｆの脛骨切除との関連において、チェックポイント６００から近位脛骨切除３０６までの距離ベクトル（ｄ）は、第１方向において（即ち、患者の骨に向かって）向いており、且つ、切除３０６の法線（Ｎ）は、第２方向において（即ち、患者の骨から離れるように）向いており、第２方向は、第１方向と反対である。従って、［ブロック３７０］及び［ブロック３７４］において観察されるように、切除プレーンは、チェックポイント６００との関係において深く配置されており、且つ、チェックポイント６００は、関節形成手技において、切除と干渉することになるか（例えば、切削ツールと接触する）、或いは、骨から切除によって除去されることになろう。これに起因して、チェックポイント６００又はインプラントコンポーネント３２０、３００の代替配置を検討するべく、アラート又は警告がシステムによって計画者に伝達される。
図２６Ｇの大腿骨切除部分を参照すれば、チェックポイント６００から前部切除プレーン３３４ａまでの距離ベクトル（ｄ）は、第１方向において（即ち、患者の骨から離れるように）向いており、且つ、前部切除プレーン３３４ａの法線（Ｎ）も、第１方向において（即ち、患者の骨から離れるように）向いている。法線（Ｎ）及び距離ベクトル（ｄ）の方向部分が同一の方向において向いていることから、チェックポイント場所検証プロセス３６０は、［ブロック３７２］と共に継続する。プロセスのこのステップに従って、距離ベクトル（ｄ）の大きさが４．５０ｍｍ以下であるかどうか、という式に従って、距離ベクトル（ｄ）の大きさ又は距離部分が分析され、４．５０ｍｍ以下である場合には、チェックポイント６００は、切除プレーン３３４に過剰に接近しており、且つ、アラート又は警告がシステムによって計画者に送付される［ブロック３７６］。距離ベクトル（ｄ）の大きさが４．５０ｍｍ超である場合には、チェックポイント６００は、関節形成手技のために十分に位置決めされている。
図２６Ｇの大腿骨切除３３４を参照して観察されるように、オリジナルの距離ベクトル（ｄ）が分析されたものと同一の方式により、更なる距離ベクトル（ｄ１）、（ｄ２）、（ｄ３）、（ｄ４）が分析されてもよい。図において観察されるように、すべての距離ベクトル（ｄ１）、（ｄ２）、（ｄ３）、（ｄ４）は、その個々の法線（Ｎ）と同一の方向において向いている。従って、それぞれの距離ベクトル（ｄ１）、（ｄ２）、（ｄ３）、（ｄ４）は、チェックポイント６００が個々の切除プレーン３３４ｄａ、３３４ｄ、３３４ｄｐ、３３４ｐに過剰に近接しているかどうかを判定するべく、［ブロック］３７２との関係において分析される。距離ベクトル（ｄ１）、（ｄ２）、（ｄ３）、（ｄ４）のうちの１つ又は複数が、その個々の切除プレーン３３４ｄａ、３３４ｄ、３３４ｄｐ、３３４ｐから４．５０ｍｍ以下である場合には、その他の距離ベクトル（ｄ１）、（ｄ２）、（ｄ３）、（ｄ４）のうちの任意のものが切除プレーン３３４ａ、３３４ｄａ、３３４ｄ、３３４ｄｐ、３３４ｐから４．５０ｍｍ以下にならないようにしつつ、［ブロック３７２］における条件を充足するように、チェックポイント６００の場所を変更するか、調節するか、又は移動させなければならない。
図２６Ｈの表６５０には、［ブロック３７２］における４．５０ｍｍという閾値の理論的根拠が示されている。表６５０は、チェックポイント６００が切除プレーンに過剰に近接することに関する４．５０ｍｍという閾値において考慮されている様々なエラーソースを概説している。表６５０の行１における後部切削システムエラーは、解剖構造的Ｙ方向（例えば、図２６Ｆ〜図２６Ｇにおける前部−後部方向）における後部切除と関連する最大システムエラーを意味している。最大システムエラーは、ユーザーが、後部切削を実施しつつ、生成することをシステム１００が許容することになる最大許容エラー又は逸脱である。この特定の例においては、解剖構造的Ｙ方向における後部切削と関連する最大システムエラーは、参照符号Ｘ１によって示されている。
図２６Ｈの表６５０の行２における遠位切削システムエラーは、解剖構造的Ｚ方向（例えば、図２６Ｆ〜図２６Ｇにおける遠位−近位方向）における遠位切除と関連する最大システムエラーを意味している。最大システムエラーは、ユーザーが、遠位切削を実施しつつ、生成することをシステム１００が許容することになる最大許容エラー又は逸脱である。この特定の例においては、解剖構造的Ｚ方向における遠位切削と関連する最大システムエラーは、参照符号Ｘ２によって示されている。
図２６Ｈの表６５０の行３における後部切削に起因した前部面取りシステムエラーは、表６５０の行１を参照して説明した後部切削と関連する最大エラーに起因した前部面取り切削と関連する最大システムエラーを意味している。実線において示されている第１位置及び平行運動後の点線において示されている第２位置における大腿骨切除３３４の矢状図である図２６Ｉにおいて観察されるように、後部切削が解剖学的Ｙ方向において平行運動された際に、後部面取り切削は、参照符号Ｘ３によって示されている量だけ、チェックポイントに近接するように運動する。
図２６Ｈの表６５０の行４における遠位切削に起因した前部面取りシステムエラーは、表６５０の行２を参照して記述されている遠位切削と関する最大エラーに起因した前部面取り切削と関連する最大システムエラーを意味している。実線において示されている第１位置及び平行運動後の点線において示さている第２位置における大腿骨切除３３４の矢状図である図２６Ｊにおいて観察されるように、遠位切削が解剖構造的Ｚ方向において平行運動された際に、前部面取り切削は、参照符号Ｘ４によって示されている量だけ、チェックポイントに近接するように運動する。
図２６Ｈの表６５０の行５における参照符号Ｘ５によって示されているプロファイルエラーは、前部面取り切削と関連する最大プロファイルエラーである。プロファイルエラーは、外科医の遠位及び後部切削を計画された遠位及び後部切削とアライメントさせた後の、前部、前部面取り、及び後部面取り切削と関連する切除エラーである。従って、これは、アライメントを目的としたプライマリ及びセカンダリデータであると仮定される遠位及び後部切削との関係におけるエラーである。
一例として、外科医が、大腿骨上におけるすべての５箇所の切削を終了し、且つ、試験を開始したと仮定しよう。遠位切削が、計画されたものよりも１ｍｍだけ突出しており、且つ、後部切削が、計画されたものよりも１ｍｍだけ深いと仮定しよう。外科医が試験を開始した際に、外科医は、インプラントコンポーネントが遠位プレーン上において切除された骨と同一平面上にある状態で着座していることを保証することにより、遠位切削エラーをゼロ化し、且つ、同一の内容を後部切削についても保証する。これにより、外科医は、すべての遠位及び後部切削エラーを前部、前部面取り、及び後部面取り切削上に転送する。このタイプのエラーは、例えば、切削の周りにおいて、１．５ｍｍの両側許容帯を設定することにより、制御することができる。即ち、遠位及び後部切削がゼロ化された際に、すべての前部、前部面取り、及び後部面取り切削は、術前に計画された場所を中心として、±１．５ｍｍ内に位置することになる。
図２６Ｈの表６５０の行６においては、寄与する変数のリストが付与された場合の、組み合わせられたエラーである、参照符号Ｘ６によって示されている根二乗和が、後部切削に起因した前部面取りエラー、遠位切削に起因した前部面取りエラー、及びプロファイルエラーについて、演算されている。表６５０において提供されている値を使用することにより、根二乗和は、ＲＳＳ＝ＳＱＲＴ（（Ｘ３）２＋（Ｘ４）２＋（Ｘ５）２）＝Ｘ６として等式を形成する。
図２６Ｈの表６５０の行７において、チェックポイント６００の内側のＴＣＰからの切削ツールの歯の距離は、参照符号Ｘ７によって示されており、この距離は、特定の例においては、約２．８７ｍｍであってもよい。この値は、切削ツールの歯が、チェックポイント６００に接触することなしに、（図２６Ａにおいて観察されるように）チェックポイント６００のディボット６０６の中心ポイントから有しうる最短距離である。従って、切削ツールは、この例においては、ツールがチェックポイント６００と干渉又は接触しないように、チェックポイント６００のツール中心ポイント（ＴＣＰ：Ｔｏｏｌ Ｃｅｎｔｅｒ Ｐｏｉｎｔ）から、少なくとも２．８７ｍｍだけ、離隔していなければならない。この計算を目的として、大腿骨チェックポイント６００は、矢状プレーンに対して約４５度に傾斜した大腿骨表面上において位置決めされているものと仮定されている。
図２６Ｈの表６５０において観察されるように、合計閾値距離Ｘ８は、行６上の根二乗和Ｘ６を行７上の歯距離係数Ｘ７と組み合わせる又は加算することによって算出される。
図２６Ｈの脛骨チャート６５２を参照すれば、脛骨近位切削エラーが、行１において参照符号Ｙ１によって示されている。脛骨遠位切削エラーは、解剖学的Ｚ方向（例えば、遠位−近位方向）における近位切除と関連する最大システムエラーである。即ち、Ｙ１は、脛骨の近位切除を実施する際に使用が許されている最大許容可能エラーである。脛骨チャート６５２の行２には、歯距離係数が、脛骨チェックポイント６００の参照符号Ｙ２によって示されている。脛骨チャート６５２の行１及び行２の値が付与された場合に、これらの値の合計は、参照符号Ｙ３によって示されており、且つ、合計閾値距離である。
大腿骨及び脛骨チェックポイント閾値のうちの大きなほうを４．５０ｍｍに切り上げることができると共に、本明細書において記述されているチェックポイント場所検証プロセス３６０において使用することができる。
ＩＩＩ．術中軟骨表面見当合わせ
一実施形態においては、三次元患者骨モデル２２４、２２６は、患者の実際の大腿骨及び脛骨のＣＴ画像から生成されている。その他の実施形態においては、患者骨モデル２２４、２２６は、造影剤注入を伴うＣＴ、ＭＲＩ、Ｘ線又はその他のものなどの、その他のタイプの医療画像から生成されている。これらの撮像モードのうちのいくつかは、患者の軟骨を描くことになると共に（例えば、造影剤を伴うＣＴ及びＭＲＩ）、且つ、患者の軟骨の存在を反映した患者骨モデルを結果的にもたらすことになり、且つ、その他の撮像モード（例えば、造影剤を伴わないＣＴ）は、このようにはならず、その結果、患者の軟骨の存在を反映していないと共に患者の実際の皮質又は外側骨表面のみを反映した患者骨モデルが得られる。
ＣＴは、例えば、分解能及び速度のエリアにおいては、ＭＲＩなどのその他の撮像モードとの比較において、利点を有していることから、三次元患者骨モデル２２４、２２６を生成するべく、造影剤を伴わないＣＴ画像が使用されている状況においては、結果的に得られるＣＴに基づいた骨モデルは、患者の軟骨表面を反映することにならない。即ち、骨モデルが、骨のみモデルである。上述の術前計画は、患者の軟骨顆表面を反映してはいない患者骨モデル２２４、２２６の骨のみの顆表面の骨切除深さオフを判定するステップを伴っていることから、且つ、実際の大腿骨及び脛骨インプラントの手術による埋植は、その個々の顆表面が全膝関節形成手技の一部分として置換される患者の生来の軟骨顆表面を複製する位置において配置されるように、位置決めされる必要があることから、手術において軟骨の厚さを考慮する必要がある。
ＣＴを介して生成されると共に上述の術前計画方法において使用される骨モデル２２４、２２６における軟骨表現の欠如を考慮する１つの方法は、それぞれ、術前に計画された大腿骨インプラント及び患者骨モデル３２０、２２６の矢状図及び術前に計画された脛骨インプラント及び患者骨モデル３００、２２４の矢状図である図２７Ａ及び図２７Ｂから理解されうるように、軟骨厚さに等しい量だけ、それぞれ、術前に計画された大腿骨及び脛骨骨切除プレーン３３４、３０２を遠位及び近位的に移動するというものである。図２７Ａの破線矢印によって示されているように、大腿骨インプラント顆表面３３２の術前に計画された場所が、大腿骨インプラント顆表面の軟骨補償済みの場所３３２Ａを有するように遠位的に移動し、且つ、大腿骨切除３３４の術前に計画された場所が、大腿骨切除の軟骨補償済みの場所３３４Ａを有するように遠位的に移動する。このような調節の結果、実際の大腿骨インプラントの顆表面は、切除された大腿骨軟骨顆表面の代わりに機能するように配置されることになる。
図２７Ｂにおいて破線矢印によって示されているように、脛骨インプラント顆表面３０４の術前に計画された場所が、脛骨インプラント顆表面の軟骨補償済みの場所３０４Ａを有するように近位的に移動し、且つ、脛骨切除３０６の術前に計画された場所が、脛骨切除の軟骨補償済みの場所３０６Ａを有するように近位的に移動する。このような調節の結果、実際の脛骨インプラントの顆表面は、切除された脛骨軟骨顆表面の代わりに機能するように配置されることになる。
一実施形態においては、軟骨補償は、軟骨厚さの推定値に従って図２７Ａ及び図２７Ｂに示されている移動を実施することにより、実施することができる。例えば、大腿骨及び脛骨の術前に計画された切除は、その個々の方向において、例えば、２ｍｍという推定軟骨厚さだけ、移動させることができよう。
別の実施形態においては、軟骨補償は、後述するように、術中見当合わせプロセスにおいて実施することができる。図１との関係において上述したように、実際の手術の際には、実際の患者の骨１０、１１は、患者の骨１０、１１に付着したナビゲーション装置４４を介して、対応する患者骨モデル２２４、２２６に対して位置的に見当合わせされ、且つ、ナビゲーションシステム４２の検出装置４４を介して検出される。骨モデル２２４、２２６に対する実際の骨１０、１１の術中見当合わせに起因して、システム１００は、骨モデルの顆表面が実際の骨１０、１１のものとの関係においてどこに位置しているのかを知っている。但し、骨モデルがＣＴ撮像の結果であることから、軟骨顆表面は、術前計画の一部分ではなく、従って、システム１００は、軟骨顆表面が実際の骨又は骨モデルのものとの関係においてどこに位置しているのかを知らない。軟骨の見当合わせにより、この状況を是正することができる。
図２８Ａ及び図２８Ｂは、それぞれ、図１のシステムのディスプレイ５６上において描かれる患者大腿骨モデル２２６の、それぞれ、軸又は横断方向遠位図及び冠状後部図である。それぞれの図において、ランドマークキャプチャ領域５００、５０１がモデル２２６上において強調表示されている。ランドマークキャプチャ領域は、外科医によって術中に識別されうる実際の患者大腿骨１１上の領域に属する。
図２９Ａ及び図２９Ｂは、それぞれ、図２８Ａ及び図２８Ｂのランドマークキャプチャ領域５００、５０１の拡大図であり、この場合には、一連の見当合わせポイント５０２がそれぞれのキャプチャ領域上において描かれている。一実施形態においては、それぞれの領域５００、５０１は、１０個のポイント５０２をその上部において有しており、且つ、その他の実施形態においては、ポイント５０２の数は、１０超又は未満であってもよい。
図１並びに図２９Ａ及び図２９Ｂから理解されうるように、ナビゲーションプローブ５５の遠位端部５０４、或いは、触覚装置６０のエンドエフェクタの自由端部から延在するキャプチャプローブの遠位端部５０４（即ち、図１において手術ツール５８によって占有されるものとして示されている触覚装置６０の一部分）は、外科医が図２９Ａ及び図２９Ｂにおいてディスプレイ上において示されている領域５００及び５０１内のポイント５０２と同一であると考える場所において術中に患者の実際の大腿骨１１の実際の軟骨顆表面と接触するように、外科医によってガイドされる。外科医が、ディスプレイ５６上において表示されているポイント５０２のうちの１つに対応するものと考えられる場所において患者の実際の大腿骨１１の軟骨顆表面と接触するたびに、外科医は、システム１００に入力を実施し、この結果、その実際の軟骨ポイント場所とディスプレイ５６上において示されている対応するポイント５０２が見当合せされる。このプロセスは、すべての１０個のポイント５０２が実際の患者大腿骨１１の軟骨顆表面上の対応するポイント場所に見当合せされる時点まで、反復される。このプロセスは、骨モデル上において示されている特定のポイントと対応する軟骨表面上の個々のポイントを見当合わせするものとして記述されているが、システム１００は、この代わりに、キャプチャのための個々のポイントを描くことなしに、ターゲット領域のみを表示することもできる。
キャプチャプロセスの結果として、実際の患者大腿骨の軟骨顆表面は、いまや、実際の患者大腿骨１１に既に見当合わせ済みである患者大腿骨モデルを理由として、患者大腿骨モデル２２６に見当合せされている。外科医又は手術チームのメンバによる別個の個別のアクションによるシステム１００内へのそれぞれのポイント５０２の個別の入力に対する代替肢として、キャプチャプロセスは、単一入力によって開始されてもよく（例えば、画面上のボタンクリック、フットペダル入力、ナビゲーションプローブ５５上のボタン押下）、次いで、外科医は、システムが骨表面上のナビゲーションプローブ５５の遠位端部５０４の場所を自動的に入力している間に、領域５００、５０１を「ペイント」してもよい。従って、システムは、外科医又は手術チームによって提供される単一入力信号のみにより、短時間において、１０個のポイントを収集することができる。
軟骨顆表面が、記述されているように患者骨モデル２２６との関係において見当合わせされていると共に、軟骨顆表面の場所が破線３３２Ａによって表されている、図２７Ａを再度参照すれば、システム１００は、軟骨顆表面ライン３３２Ａと位置的に一致するようにインプラント顆表面ライン３３２Ａを遠位的に移動させることにより、術前に計画された切除ライン３３４を術中に調節された切除ライン３３４Ａまで引っ張っている。従って、術前に計画された切除ラインが、記述されている見当合わせプロセスを介した患者大腿骨モデル２２６に対する実際の患者大腿骨１１の軟骨顆表面の見当合わせを介して、術中に調節されている。
軟骨顆表面が見当合わせされた、術前に計画された切除は、特定の方向における三次元骨のみモデルの関節表面とマッピングされた軟骨表面の間の差に等しい量だけ、インプラント顆表面を遠位的に移動させることにより、調節又は判定することができる。
図２７Ａにおいては、軟骨顆表面３３２Ａの見当合わせラインがラインであるものとして描かれているが、いくつかの実施形態においては、軟骨オフセット情報は、単に、見当合わせされている軟骨領域５００の見当合わせ対象の厚さだけ、大腿骨モデル２２６の顆表面からオフセットされたポイント又はその他の基準という形態を有することもできる。特定の実施形態においては、システム１００は、対象の特定の骨領域に応じて、最下部／最遠位／最後部／最近位である単一のポイントのみを描くことができる。特定の実施形態においては、すべてのポイント５０２のすべて又は一部分が、表面を補間するべく使用されてもよく、且つ、システム１００は、インプラント顆表面３３２を補間済みの表面に移動することができる。
切除深さが軟骨の厚さに基づいて調節されたら、外科医は、変更を受け入れてもよく或いは、インプラント計画を変更することもできる。
以上の軟骨見当合わせの説明は、大腿骨術中軟骨見当合わせ及び切除調節という文脈において実施されているが、以上の説明は、図２７Ｂ、図２８Ｂ、及び図２９Ｂとの間における図２７Ａ、図２８Ａ、及び図２９Ａの比較から理解されうるように、脛骨術中軟骨見当合わせ及び切除調節にも、等しく適用可能である。
上述の軟骨見当合わせプロセスを介して軟骨厚さを考慮するように調節された術前に計画された切除を有することを理由として、埋植されたインプラントは、切除された軟骨顆表面の代わりに機能するように配置されたその個々の顆表面を有することができる。その他の実施形態においては、埋植されたインプラントは、切除された軟骨顆表面の代わりに機能するように配置された１つの顆表面（例えば、内側又は外側）のみを有することができる。その他の実施形態においては、埋植されたインプラントは、切除された軟骨顆表面の代わりに機能するように配置されたなんらの顆表面（例えば、内側又は外側）をも有していなくてもよい。
術中軟骨見当合わせプロセスは、膝関節形成を計画する際に使用される切除データを生成するプロセス又は方法として記述することができる。患者骨モデル２２６、２２４は、骨のみを描く場合があり、且つ、特定の例においては、実際の患者骨は、少なくとも部分的に軟骨内においてカバーされうることから、軟骨の術中見当合わせは、軟骨の更なる又は代替考慮事項を伴って又は伴うことなしに術前に判定されうる切除深さの調節の量に対する洞察を提供することができる。
これらのプロセス又は方法は、一般に、以下のように記述することができる。システムのコンピュータは、患者の骨（例えば、大腿骨、脛骨）の医療画像（例えば、ＣＴ、ＭＲＩ、Ｘ線）から生成された三次元患者骨モデル２２６、２２４（例えば、大腿骨モデル、脛骨モデル）を受け取ることができる。三次元患者骨モデル２２６、２２４は、実際の患者の骨の形状及び患者固有の形態に対応する骨モデル表面を含みうる。三次元患者骨モデル２２６、２２４は、図１を参照して記述されている追跡及びナビゲーションシステムを介して実際の患者の骨の位置及び向きと相関させることができる。三次元患者骨モデル２２６、２２４は、三次元座標系又は空間内において位置決めすることができる。
又、方法及びプロセスは、ナビゲーションプローブ５５の遠位端部５０４を伴う外科医による術中見当合わせのために、三次元患者骨モデル２２６、２２４の骨モデル表面上のターゲット領域５００、５０１において第１の複数のポイント５０２の場所を識別するステップを含むこともできる。又、方法又はプロセスは、三次元骨モデル２２６、２２４の骨モデル表面上の第１の複数のポイント５０２に対応する場所における実際の物理的な患者の骨の上部の軟骨の術中見当合わせに基づいて、第２の複数のポイントの場所データを受け取るステップを含むこともできる。
又、方法及びプロセスは、第２の複数のポイントの場所データと骨モデル表面上の第１の複数のポイントの場所の間の比較に基づいて切除深さを判定するステップを含むことができる。又、方法又はプロセスは、切除深さを使用することによって切除データを生成するステップを含むことができる。切除データは、図１の手術ロボットを制御するための触覚境界として利用することができる。これに加えて、又はこの代わりに、切除データは、関節形成手技において手術ロボットによって利用されてもよい。これに加えて、又はこの代わりに、切除データは、関節形成手技においてナビゲーションシステムによって利用されてもよい。ナビゲーションシステムは、関節形成手技を実行する際に自律型ロボット又は外科医支援型の装置との関連において動作することができる。少なくとも２つの自由度（例えば、回転バー及び平行運動能力）を有する切削装置などの自律型ロボットは、切除データが、切除を実行するためのツール経路として使用される状態において、関節形成手技を実行することができる。本明細書において記述されている触覚装置６０又は少なくとも１つの自由度（例えば、外科医によって運動又は平行運動させられる回転バー）を有する切削ツールなどの外科医支援型の装置は、切除データが、切削ツールの特定の運動（例えば、切除の深さ）を制御又は制限するための仮想的又は触覚境界である状態において、関節形成手技を実行することができる。
本明細書において記述されている方法の一例は、少なくとも部分的に軟骨内においてカバーされている患者の骨に対する関節形成手技を計画する際に使用される切除データを生成するステップを伴いうる。方法は、コンピュータが、骨モデル表面を含む三次元患者骨モデルを受け取るステップを含んでいてもよく、三次元患者骨モデルは、ナビゲーションシステムを介して患者の骨の位置及び向きと相関されている。三次元患者骨モデルは、三次元座標系内に位置している。コンピュータは、術中見当合わせのために三次元患者骨モデルの骨モデル表面上においてターゲット領域を識別することができる。又、コンピュータは、三次元骨モデルの骨モデル表面上のターゲット領域内のポイントに対応する場所における患者の骨の上部の軟骨の術中見当合わせに基づいて第１の複数のポイントの場所データを受け取ることができる。又、コンピュータは、第１の複数のポイントの場所データに少なくとも部分的に基づいて切除深さを判定することができる。又、コンピュータは、切除深さを使用することにより、切除データを生成してもよく、切除データは、関節形成手技においてナビゲーションシステムによって利用されるように構成されている。
図３０を参照すれば、本明細書において記述されている様々なシステム及び方法を実装しうる１つ又は複数の演算ユニットを有する例示用の演算システム１３００の詳細な説明が提供されている。演算システム１３００は、関節形成手技の術前計画において利用されるコンピュータ又はシステムのうちの任意のもの、並びに、その他の演算又はネットワーク装置に、適用可能でありうる。これらの装置の特定の実装形態は、そのすべてが本明細書において具体的に記述されてはいないが当業者には理解される、異なる可能な演算アーキテクチャを有しうることを理解されたい。
コンピュータシステム１３００は、コンピュータプロセスを実行するべくコンピュータプログラムプロダクトを実行する能力を有する演算システムであってもよい。データ及びプログラムファイルは、ファイルを読み取ると共にその内部のプログラムを実行するコンピュータシステム１３００に入力されてもよい。図３０には、１つ又は複数のハードウェアプロセッサ１３０２、１つ又は複数のデータストレージ装置１３０４、１つ又は複数のメモリ装置１３０８、及び／又は１つ又は複数のポート１３０８〜１３１０を含む、コンピュータシステム１３００の要素のうちのいくつかが示されている。これに加えて、当業者によって認識されることになるその他の要素が、演算システム１３００には含まれうるが、図３０には明示的に描かれておらず、或いは、本明細書における更なる説明が省略されている。コンピュータシステム１３００の様々な要素は、図３０には明示的に描かれていない１つ又は複数の通信バス、ポイントツーポイント通信経路、又はその他の通信手段を介して、相互に通信することができる。
プロセッサ１３０２は、例えば、中央処理ユニット（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、及び／又はキャッシュの１つ又は複数の内部レベルを含むことができる。プロセッサ１３０２が単一の中央処理ユニット又は並列処理環境と一般には呼称される相互に並行して命令を実行すると共に動作を実行する能力を有する複数の処理ユニットを有するように、１つ又は複数のプロセッサ１４０２が存在していてもよい。
コンピュータシステム１３００は、従来のコンピュータ、分散型のコンピュータ、又は、クラウド演算アーキテクチャを介して提供される１つ又は複数の外部コンピュータなどの、任意のその他のタイプのコンピュータであってもよい。本明細書において記述されている技術は、任意選択により、１つ又は複数のデータ保存装置１３０４上において保存された、１つ又は複数のメモリ装置１３０６上において保存された、並びに／或いは、ポート１３０８〜１３１０のうちの１つ又は複数を介して通信された、ソフトウェアにおいて実装され、これにより、図３０のコンピュータシステム１３００は、本明細書において記述されている動作を実装する特殊目的機械に変換される。コンピュータシステム１３００の例は、パーソナルコンピュータ、端末、ワークステーション、携帯電話機、タブレット、ラップトップ、パーソナルコンピュータ、マルチメディアコンソール、ゲームコンソール、セットトップボックス、及びこれらに類似したものを含む。
１つ又は複数のデータストレージ装置１３０４は、演算システム１３００の様々なコンポーネントを管理するアプリケーションプログラム及びオペレーティングシステム（ＯＳ：Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）の両方のものの命令を含みうる、コンピュータプロセスを実行するためのコンピュータ実行可能命令などの、演算システム１３００内において生成又は利用されるデータを保存する能力を有する任意の不揮発性データストレージ装置を含むことができる。データストレージ装置１３０４は、限定を伴うことなしに、磁気ディスクドライブ、光ディスクドライブ、半導体ドライブ（ＳＳＤ：Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、フラッシュドライブ、及びこれらに類似したものを含むことができる。データストレージ装置１３０４は、１つ又は複数のデータベース管理プロダクト、ウェブサーバープロダクト、アプリケーションサーバープロダクト、及び／又はその他の更なるソフトウェアコンポーネントを含む、このようなコンピュータプログラムプロダクトと共に、有線又は無線ネットワークアーキテクチャを介して提供される着脱自在のデータストレージ媒体、非着脱自在のデータストレージ媒体、及び／又は外部ストレージ装置を含むことができる。着脱自在のデータストレージ媒体の例は、コンパクトディスク読み出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ：Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、デジタルバーサタイルディスク読み出し専用メモリ（ＤＶＤ−ＲＯＭ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、磁気−光ディスク、フラッシュドライブ、及びこれらに類似したものを含む。非着脱自在のデータストレージ媒体の例は、内部磁気ハードディスク、ＳＳＤ、及びこれらに類似したものを含む。１つ又は複数のメモリ装置１３０６は、揮発性メモリ（例えば、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ：Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ：Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）など）、並びに／或いは、不揮発性メモリ（例えば、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ：Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリなど）を含むことができる。
本明細書において記述されている技術に従ってシステム及び方法を実現するためのメカニズムを含むコンピュータプログラムは、データストレージ装置１３０４及び／又はメモリ装置１３０６内において存在していてもよく、これらの装置は、機械可読媒体と呼称することができる。機械可読媒体は、機械による実行のために本開示の動作のうちの任意の１つ又は複数を実行するべく命令を保存又はエンコードする能力を有する、或いは、このような命令によって利用される又はこれらと関連するデータ構造及び／又はモジュールを保存又はエンコードする能力を有する、任意の有体の一時的ではない媒体を含みうることを理解されたい。機械可読媒体は、１つ又は複数の実行可能命令又はデータ構造を保存する、単一の媒体又は複数の媒体（例えば、中央集中化された又は分散されたデータベース及び／又は関連するキャッシュ及びサーバー）を含むことができる。
いくつかの実装形態においては、コンピュータシステム１３００は、その他の演算、ネットワーク、又は車両装置と通信するべく、入出力（Ｉ／Ｏ）ポート１３０９及び通信ポート１３１０などの、１つ又は複数のポートを含む。ポート１３０８〜１３１０は、組み合わせられてもよく、或いは、別個であってもよく、且つ、更に多くの又は更に少ない数のポートがコンピュータシステム１３００内において含まれうることを理解されたい。
Ｉ／Ｏポート１３０８は、Ｉ／Ｏ装置又はその他の装置に接続されてもよく、これにより、情報が演算システム１３００との間において入力及び出力される。このようなＩ／Ｏ装置は、限定を伴うことなしに、１つ又は複数の入力装置、出力装置、及び／又はその他の装置を含むことができる。
一実装形態においては、入力装置は、人間の音声、物理的運動、物理的接触又は圧力、並びに／或いは、これらに類似したものなどの、人間によって生成された信号をＩ／Ｏポート１３０８を介した演算システム１３００への入力データとして電気信号に変換する。同様に、出力装置は、Ｉ／Ｏポート１３０８を介して演算システム１３００から受け取った電気信号をサウンド、光、及び／又は接触などの人間によって出力として検知されうる信号に変換することができる。入力装置は、情報及び／又はコマンド選択をプロセッサ１３０２にＩ／Ｏポート１３０８を介して伝達するための、英数又はその他のキーを含む英数入力装置であってもよい。入力装置は、限定を伴うことなしに、マウス、トラックボール、カーソル方向キー、ジョイスティック、及び／又はホイールなどの、方向及び選択制御装置、カメラ、マイクロフォン、位置センサ、向きセンサ、重力センサ、慣性センサ、及び／又は加速度計などの、１つ又は複数のセンサ、並びに／或いは、接触感知表示画面（「タッチスクリーン」）、を含む別のタイプのユーザー入力装置であってもよい。出力装置は、限定を伴うことなしに、ディスプレイ、タッチスクリーン、スピーカ、触感及び／又は触覚出力装置、並びに／或いは、これらに類似したものを含むことができる。いくつかの実装形態においては、入力装置及び出力装置は、例えば、タッチスクリーンのケースにおいては、同一の装置であってもよい。
一実装形態においては、通信ポート１３１０は、コンピュータシステム１３００が本明細書において記述されている方法及びシステムを実行する際に有用であるネットワークデータを受け入れることができるのみならず、これによって判定された情報及びネットワーク構成の変化を送信しうるネットワークに接続されている。換言すれば、通信ポート１３１０は、１つ又は複数の有線又は無線通信ネットワーク又は接続を介して演算システム１３００とその他の装置の間において情報を送信及び／又は受信するように構成された１つ又は複数の通信インターフェイス装置にコンピュータシステム１３００を接続している。このようなネットワーク又は接続の例は、限定を伴うことなしに、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ：Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ、Ｗｉ−Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、近距離通信（ＮＦＣ：Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）、ロングタームエボリューション（ＬＴＥ：Ｌｏｎｇ−Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）などを含む。１つ又は複数のこのような通信インターフェイス装置は、直接的に、ポイントツーポイント通信経路上において、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ：Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）（例えば、インターネット）上において、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ：Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）上において、セルラー（例えば、第３世代（３Ｇ）又は第４世代（４Ｇ））ネットワーク上において、或いは、別の通信手段上において、１つ又は複数のその他の機械と通信するべく、通信ポート１３１０を介して利用することができる。更には、通信ポート１３１０は、電磁信号の送信及び／又は受信のために、アンテナ又はその他のリンクと通信することもできる。
例示用の一実装形態においては、患者データ、骨モデル（例えば、汎用、患者固有）、変換ソフトウェア、及びその他のソフトウェア、並びに、その他のモジュール及びサービスは、データストレージ装置１３０４及び／又はメモリ装置１３０６上において保存されると共にプロセッサ１３０２によって実行される、命令によって実施することができる。コンピュータシステム１３００は、手術システム１００と統合されてもよく、或いは、さもなければ、この一部分を形成することもできる。
但し、図３０において記述されているシステムは、本開示の態様を利用しうる、或いは、これに従って構成されうる、コンピュータシステムの可能な一例である。演算システム上において本明細書において開示されている技術を実装するためのコンピュータ実行可能命令を保存するその他の一時的ではない有体のコンピュータ可読ストレージ媒体が利用されうることを理解されたい。
本開示においては、その他のものに加えて、例えば、図８、図１０Ａ〜図１０Ｃ、図１８〜図１９、並びに、図２６Ｅに示されているものなどの、本明細書において開示されている方法は、命令の組又は装置によって判読されうるソフトウェアとして実装することができる。更には、開示されている方法におけるステップの特定の順序又は階層構造は、例示用の方式の例であることを理解されたい。設計の好みに基づいて、方法におけるステップの特定の順序又は階層構造は、開示されている主題のうちに留まりつつ、再構成されうることを理解されたい。添付の方法は、例示用の順序において様々なステップの現在の要素を特許請求しており、且つ、必ずしも、提示されている特定の順序又は階層構造に限定されることを意図したものではない。
本明細書において記述されている方法のうちの任意のものを含む記述されている開示は、本開示に従ってプロセスを実行するように、コンピュータシステム（又は、その他の電子装置）をプログラムするべく使用されうる、その上部において保存された命令を有する一時的ではない機械可読媒体を含みうるコンピュータプログラムプロダクト又はソフトウェアとして提供することができる。機械可読媒体は、機械（例えば、コンピュータ）によって判読されうる形態（例えば、ソフトウェア、処理アプリケーション）において情報を保存するための任意のメカニズムを含む。機械可読媒体は、限定を伴うことなしに、磁気ストレージ媒体、光ストレージ媒体、磁気−光ストレージ媒体、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、消去可能なプログラム可能なメモリ（例えば、ＥＰＲＯＭ及びＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、或いは、電子命令を保存するのに適したその他のタイプの媒体を含むことができる。
本開示は、様々な実装形態を参照して記述されているが、これらの実装形態は、例示を目的としており、且つ、本開示の範囲は、これらに限定されるものではないことを理解されたい。多くの変形、変更、追加、及び改善が可能である。更に一般的には、本開示による実施形態は、特定の実装形態の文脈において記述されている。機能は、本開示の様々な実施形態において、異なる方式により、ブロックにおいて分離されてもよく又は組み合わせられてもよく、或いは、異なる用語によって記述されてもよい。これらの及びその他の変形、変更、追加、及び改善は、添付の請求項において定義されている本開示の範囲に含まれうる。
一般に、本明細書において記述されている実施形態は、特定の実施形態を参照して記述されているが、これらに対しては、本開示の精神及び範囲を逸脱することなしに、変更を実施することができる。又、本明細書において使用されている「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、包含的となることが、即ち、「限定を伴うことなしに、〜を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」となるように、意図されていることに留意されたい。
様々な例示用の実施形態において示されているシステム及び方法の構造及び構成は、例示を目的としたものに過ぎない。いくつかの実施形態のみが本開示において詳細に記述されているが、多くの変更が可能である（例えば、様々な要素、パラメータの値、取付構成、材料の使用法、色、向きなどのサイズ、寸法、構造、形状、及び比率の変動）。例えば、要素の位置が、逆転されてもよく、或いは、その他の方法によって変更されてもよく、且つ、別個の要素又は位置の特性又は数が、変更又は修正されてもよい。従って、すべてのこのような変更は、本開示の範囲に含まれるものと解釈されたい。任意のプロセス又は方法ステップの順序又はシーケンスは、代替実施形態に従って変更又は再順序付けされてもよい。本開示の範囲を逸脱することなしに、例示用の実施形態の設計、動作条件、及び構成において、その他の置換、変更、変化、及び省略を実施することができる。

Claims (15)

  1. コンピュータが軟骨内において少なくとも部分的にカバーされている患者の骨に対する関節形成手技を計画する際に使用される切除データを生成する方法であって、
    前記コンピュータが骨モデル表面を有する三次元患者骨モデルを受け取るステップであって、前記三次元患者骨モデルは、ナビゲーションシステムを介して前記患者の骨の位置及び向きと相関されており、前記三次元患者骨モデルは、三次元座標系内に位置している、ステップと、
    前記コンピュータが術中見当合わせのために前記三次元患者骨モデルの前記骨モデル表面上においてターゲット領域を識別するステップと、
    前記コンピュータが前記三次元患者骨モデルの前記骨モデル表面上の前記ターゲット領域内のポイントに対応する場所における前記患者の骨の上部の前記軟骨の前記術中見当合わせに基づいて第１の複数のポイントの場所データを受け取るステップと、
    前記コンピュータが前記第１の複数のポイントの前記場所データに少なくとも部分的に基づいて切除深さを判定するステップと、
    前記コンピュータが前記切除深さを使用することによって切除データを生成するステップであって、前記切除データは切除プレーンを含む、ステップと、
    前記コンピュータが前記骨モデル表面上において第１チェックポイントの第１場所を識別するステップと、
    前記コンピュータが前記骨モデル表面との関係において前記切除プレーンの第２場所を識別するステップであって、前記切除プレーンは、切除の後に曝露される前記骨モデル表面上の切除表面を定義している、ステップと、
    前記コンピュータが前記第１場所から前記切除表面上のポイントまでの最短符号付き距離ベクトルを判定するステップと、
    前記コンピュータが、前記第１チェックポイントの前記第１場所が前記切除プレーンの前記第２場所に過剰に近接した状態において配置されているかどうかを判定するべく、前記最短符号付き距離ベクトルと関連する情報を使用するステップと、
    前記コンピュータが前記情報を使用することによって切除及びチェックポイント位置決めデータを生成するステップであって、前記切除及びチェックポイント位置決めデータは、前記関節形成手技においてナビゲーションシステムによって利用されるように構成されている、ステップと、
    を有する方法。
  2. 前記コンピュータが前記第１の複数のポイントの前記場所データを前記三次元座標系内にマッピングするステップを更に有する請求項１に記載の方法。
  3. 前記切除深さを判定するステップは、前記第１の複数のポイントと前記骨モデル表面上の前記ターゲット領域の間の深さ差を判定するステップを有する請求項１に記載の方法。
  4. 前記コンピュータが前記深さ差を骨のみ切除深さに加算することによって前記切除深さを判定するステップを更に有する請求項３に記載の方法。
  5. 前記骨のみ切除深さは、前記深さ差の前記加算によって遠位的に調節される請求項４に記載の方法。
  6. 前記切除深さを判定するステップは、前記第１の複数のポイントに基づいて骨のみ切除深さを変更するステップを有する請求項１に記載の方法。
  7. 前記骨のみ切除深さは、前記第１の複数のポイントに基づいて遠位的に調節される請求項６に記載の方法。
  8. 前記患者の骨は、大腿骨を含み、且つ、前記三次元患者骨モデルは、三次元患者大腿骨モデルを含む請求項１に記載の方法。
  9. 前記患者の骨は、脛骨を含み、且つ、前記三次元患者骨モデルは、三次元患者脛骨モデルを含む請求項１に記載の方法。
  10. 前記切除深さは、前記脛骨の近位切除深さを有し、前記近位切除深さは、前記第１の複数のポイントの前記場所データに基づいて近位的に調節される請求項９に記載の方法。
  11. 前記三次元患者骨モデルは、骨のみモデルである請求項１に記載の方法。
  12. 前記ナビゲーションシステムは、前記関節形成手技を実行する際に自律型ロボット又は外科医支援型の装置との関連において動作する請求項１に記載の方法。
  13. 前記コンピュータが前記切除表面の法線を識別するステップを更に有し、前記法線は、前記三次元患者骨モデルから離れるように、且つ、前記切除表面に対して垂直に、延在している請求項１に記載の方法。
  14. 前記コンピュータが、前記法線及び前記最短符号付き距離ベクトルが反対方向において向いている際に、前記切除プレーンは、前記第１チェックポイントとの関係において深く配置されており、且つ、前記第１チェックポイントは、関節形成手技において切除と干渉することになるか、或いは、骨から切除によって除去されることになろうと判定するステップを更に有する請求項１３に記載の方法。
  15. 前記コンピュータが、前記法線及び前記最短符号付き距離ベクトルが同一の方向において向いており、且つ、前記最短符号付き距離ベクトルの大きさが約４．５０ｍｍ以下である際に、前記第１チェックポイントが、前記切除プレーンに過剰に近接した状態において配置されていると判定するステップを更に有する請求項１３に記載の方法。
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