KR20190000940A - 수술 시스템을 위한 수술 전 계획 및 연관된 수술 중 등록 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 측면들은 환자 뼈에 대한 관절성형 절차를 계획하는데 사용하기 위한 절제면 데이터를 생성하는 방법을 포함 할 수 있다. 상기 방법은: 의료 이미징 기기를 이용하여 캡쳐되고 환자 뼈의 적어도 일부와 연관된 환자 데이터를 획득하는 단계; 상기 환자 데이터로부터 다각형 표면 메쉬를 포함하는 삼차원 환자 골 모델을 생성하는 단계; 상기 다각형 표면 메쉬 상의 후측 지점의 위치를 식별하는 단계; 상기 위치에 또는 상기 위치 근방에 중심을 둔 삼차원 형상을 생성하는 단계; 상기 삼차원 형상에 의해 둘러싸 일 수 있는 다각형 표면 메쉬의 모든 정점 중 가장 후측의 정점을 식별하는 단계; 상기 가장 후측의 정점을 후측 절제 깊이를 결정하기 위한 인자로서 사용하는 단계; 및 상기 후측 절제 깊이를 이용하여 절제 데이터를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 절제 데이터는 상기 관절성형 절차 중에 내비게이션 시스템에 의해 이용되도록 구성된다
Description
본원은 의료 시스템 및 방법에 관한 것이다. 더욱 자세하게는, 본원은 컴퓨터화 수술 시스템에 의해 수술의 수술 전 계획 및 이용을 위한 연관된 정보의 등록에 관한 것이다.
현재 정형외과용 관절 치환 수술은 특정 절차의 효율 및 효과를 증가시키기 위해 전형적으로 수술의 수술 전 계획을 적어도 어느 정도 포함한다. 특히, 수술 전 계획은 골 절제술 및 임플란스 배치의 정확도를 증가시키면서, 환자 관절이 열리고 노출되는 시간 및 절차의 전반적인 시간을 감소시킬 수 있다.
정형외과용 관절 치환 수술의 성능에서 로봇화 시스템의 사용이 특정 절차의 수술 중 시간을 크게 감소시킬 수 있다. 점점 더, 절차의 효율성도 수술 전 계획 단계 동안 사용되는 도구, 시스템, 방법에 기초할 것이다.
수술 전 계획에 포함되는 단계의 실시예는, 임플란트 크기, 위치 및 배향; 절제면 및 깊이; 수술 부위에의 접근 궤적; 및 그 외를 결정하는 것을 포함한다. 특정 실시예에서, 수술 전 계획은 관절 치환술을 받을 환자 뼈(patient bone)의 삼차원("3D") 환자 특정 모델을 생성하는 것을 포함 할 수 있다. 3D 환자 모델은 다른 파라미터 중에서 임플란트 크기, 임플란트 배향, 임플란트 위치, 및 상응하는 절제면 및 깊이의 다양한 가능성을 계획하는 데 시각적 보조 도구로 사용될 수 있다.
수술 전 계획의 특정 측면에 대한 프레임워크가 이 분야에 공지되어 있을 수 있지만, 로봇 및 로봇 보조 정형외과용 관절 치환 수술의 효율성 및 효과를 더욱 높이기 위해 수술 전 계획의 특정 측면을 더욱 세분화 하는 도구, 시스템 및 방법이 요구된다.
본 발명의 측면들은 환자 뼈에 대한 관절성형 절차를 계획하는데 사용하기 위한 절제면 데이터를 생성하는 방법을 포함 할 수 있다. 상기 방법은: 의료 이미징 기기를 이용하여 캡쳐되고 환자 뼈의 적어도 일부와 연관된 환자 데이터를 획득하는 단계; 상기 환자 데이터로부터 다각형 표면 메쉬를 포함하는 삼차원 환자 골 모델을 생성하는 단계; 상기 다각형 표면 메쉬 상의 후측 지점(posterior point)의 위치를 식별하는 단계; 상기 위치에 또는 상기 위치 근방에 중심을 둔 삼차원 형상을 생성하는 단계; 상기 삼차원 형상에 의해 둘러싸 일 수 있는 다각형 표면 메쉬의 모든 정점(vertex) 중 가장 후측의 정점을 식별하는 단계; 상기 가장 후측의 정점을 후측 절제 깊이를 결정하기 위한 인자로서 사용하는 단계; 및 상기 후측 절제 깊이를 이용하여 절제 데이터를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 절제 데이터는 상기 관절성형 절차 중에 내비게이션 시스템에 의해 이용되도록 구성된다.
특정 실시예에서, 삼차원 환자 골 모델은 삼차원 환자 대퇴골(femur) 모델일 수 있다.
특정 실시예에서, 상기 방법은: 제1 삼차원 골 모델 상에서 제1 후측 지점의 제1 위치를 식별하는 단계; 및 상기 제1 삼차원 골 모델 상의 제1 위치를 상기 삼차원 환자 골 모델 상의 위치로 매핑하는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 위치는 상기 위치와 위치적으로 상관될 수 있다.
특정 실시예에서, 상기 제1 삼차원 골 모델은 일반 골 모델 일 수 있다.
특정 실시예에서, 삼차원 형상은 약 7mm의 반경을 갖는 구체를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 반경이 스케일링 인자로 곱해질 수 있다.
특정 실시예에서, 스케일링 인자는 삼차원 환자 골 모델과 일반 골 모델 사이의 내측-외측(medial-lateral) 또는 전측-후측(anterior-posterior) 크기 차(difference) 중 하나 일 수 있다.
특정 실시예에서, 다각형 표면 메쉬는 삼각형 표면 메쉬 일 수 있다.
특정 실시예에서, 삼차원 형상은 구체를 포함 할 수 있다.
특정 실시예에서, 내비게이션 시스템은 관절성형 절차를 수행하는 데에 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스와 함께 동작한다.
본 발명의 측면들은 환자 뼈에 대한 관절성형 절차를 계획하는데 사용하기 위한 절제면 데이터를 생성하는 방법을 포함 할 수 있다. 상기 방법은: 의료 이미징 기기를 이용하여 캡쳐되고 환자 뼈의 적어도 일부와 연관된 환자 데이터를 획득하는 단계; 상기 환자 데이터로부터 다각형 표면 메쉬를 포함하는 삼차원 환자 골 모델을 생성하는 단계; 상기 다각형 표면 메쉬 상에서 원위 지점(distal point)의 위치를 식별하는 단계; 상기 위치에 또는 상기 위치 근방에 중심을 둔 삼차원 형상을 생성하는 단계; 상기 삼차원 형상에 의해 둘러싸인 다각형 표면 메쉬의 모든 정점 중 가장 원위인 정점을 식별하는 단계; 상기 가장 원위인 정점이 삼차원 형상의 경계에 너무 근접할 수 있는지 여부를 결정하는 단계; 상기 가장 원위인 정점이 삼차원 형상의 경계에 너무 근접하지 않을 수 있다면 원위 절제 깊이를 결정하기 위한 기초로서 상기 가장 원위인 정점을 사용하는 단계; 및 상기 원위 절제 깊이를 사용하여 절제 데이터를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 절제 데이터는 상기 관절성형 절차 중에 내비게이션 시스템에 의해 이용되도록 구성된다.
특정 실시예에서, 삼차원 형상은 Rx가 내측-외측으로 연장되고, Ry가 전측-후측으로 연장되고, Rz가 원위-근위(distal-proximal)로 연장되도록 삼차원 환자 골 모델에 대해 지향된 타원체를 포함 할 수있다. 특정 실시예에서, Rx는 약 7mm 일 수 있고, Ry는 약 10mm 일 수 있으며, Rz는 약 7mm 일 수있다.
특정 실시예에서, 가장 원위인 정점의 위치가 다음의 타원체 함수에 대해 0.65보다 크다면 가장 원위인 정점은 타원체의 경계에 상당히 가까울 것이다: f = x^2/a^2 + y^2/b^2 + z^2/c^2. 여기서 x는 제1 위치와 가장 원위인 정점 사이의 x-방향으로의 일 수 있고, y는 제1 위치와 가장 원위인 정점 사이의 y-방향으로의 차일 수 있고, z는 제1 위치와 가장 말단 정점 사이의 z 방향으로의 차일 수 있고, a는 Rx 일 수 있고, b는 Ry 일 수 있으며, c는 Rz 일 수있다.
특정 실시예에서, 삼차원 환자 골 모델은 삼차원 환자 대퇴골 모델일 수 있다.
특정 실시예에서, 삼차원 형상은 타원체, 구체, 프리즘, 큐브 또는 실린더를 포함 할 수 있다.
특정 실시예에서, 내비게이션 시스템은 관절성형 절차를 수행하는 데에 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스와 함께 동작한다.
본 발명의 측면들은 환자의 뼈에 대한 관절성형 절차를 계획하는데 사용하기 위한 절제면 데이터를 생성하는 방법을 포함 할 수 있다. 상기 방법은: 의료 이미징 기기를 이용하여 캡쳐되고 환자 뼈의 적어도 일부와 연관된 환자 데이터를 획득하는 단계; 상기 환자 데이터로부터 다각형 표면 메쉬를 포함하는 삼차원 환자 골 모델을 생성하는 단계; 상기 다각형 표면 메쉬 상에 말단 지점의 위치를 식별하는 단계; 상기 위치에 또는 상기 위치 근방에 중심을 둔 제1 삼차원 형상을 생성하는 단계; 상기 제1 삼차원 형상으로 둘러싸인 다각형 표면 메쉬의 모든 정점 중 가장 윈위인 정점을 식별하는 단계; 가장 원위인 정점이 골증식체(osteophyte) 상에 위치할 수 있는지 여부를 결정하는 단계; 가장 원위인 정점이 골증식체 상에 위치할 수 있는지 여부에 기초하여 원위 절제 깊이를 결정하기 위한 기초로서 가장 원위인 정점 또는 가장 원위인 정점의 조정된 위치를 사용하는 단계; 및 상기 원위 절제 깊이를 사용하여 절제 데이터를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 절제 데이터는 상기 관절성형 절차 중에 내비게이션 시스템에 의해 이용되도록 구성된다.
특정 실시예에서, 가장 원위인 정점이 골증식체 상에 위치할 수 있는지 여부를 결정하는 단계는 상기 가장 원위인 정점과 상기 위치 사이에 위치된 제2 삼차원 형상을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 상기 방법은 상기 제2 삼차원 형상에 의해 둘러싸인 다각형 표면 메쉬의 특정 정점을 식별하는 단계, 및 상기 특정 정점과 연관된 정보를 사용하여 상기 원위 정점이 골증식체 상에 위치할 수 있는지 여부를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 상기 정보는 관절 표면(articular surface)으로부터 돌출된 골증식체의 존재와 연관된 방향의 최소 및 최대 값일 수 있다.
특정 실시예에서, 상기 방법은 상기 제2 삼차원 형상에 의해 둘러싸인 다각형 표면 메쉬의 특정 정점을 식별하는 단계; 및 특정 좌표 방향으로 상기 제2 삼차원 형상에 의해 둘러싸인 특정 정점들 중 하나의 최소 정점 값과, 특정 좌표 방향으로 상기 제2 삼차원 형상에 의해 둘러싸인 특정 정점들 중 다른 하나의 최대 정점 값을 이용하여, 상기 원위 정점이 골증식체 상에 위치할 수 있는지 여부를 결정하는 단계를 더 포함한다.
특정 실시예에서, 상기 방법은 최대 정점 값과 최소 정점 값 사이의 차를 결정하는 단계, 및 상기 차를 사용하여 골증식체의 존재를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 제2 삼차원 형상은 약 2mm의 반경을 갖는 구체를 포함할 수 있으며, 가장 원위인 정점으로부터 상기 위치를 향하여 1mm 중심에 놓일 수 있다.
특정 실시예에서, 방법은 구체의 경계에 의해 둘러싸인 다각형 표면 메쉬의 특정 정점을 식별하는 단계, 및 특정 좌표 방향으로 경계에 의해 둘러싸인 특정 정점 중 하나의 최대 정점 값과 특정 좌표 방향으로 경계에 의해 둘러싸인 특정 정점 중 다른 정점의 최소 정점 값 사이의 차를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 이 방법은 상기 차를 사용하여 구체의 크기를 증가 시킬지 감소시킬지 여부를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 제1 삼차원 형상은 타원체를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 제2 삼차원 형상은 구체를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 내비게이션 시스템은 관절성형 절차의 수행 시에 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스와 함께 동작한다.
본 발명의 측면들은 환자 뼈에 대한 관절성형 절차를 계획하는데 사용하기 위한 절제면 데이터를 생성하는 방법을 포함할 수 있다. 상기 방법은 환자 뼈의 적어도 일부와 연관된 환자 데이터를 획득하는 단계; 환자 데이터로부터 삼차원 좌표계로 지향되고 다각형 표면 메쉬를 포함하는 삼차원 환자 골 모델을 생성하는 단계; 절제면과 연관된 상기 삼차원 좌표계의 특정 방향을 식별하는 단계; 상기 다각형 표면 메쉬 상의 위치를 식별하는 단계; 상기 위치에 또는 상기 위치 근처에서 표면을 생성하는 단계; 상기 다각형 표면 메쉬의 모든 정점들 중 상기 특정 방향으로 상기 표면을 지나 가장 멀리 연장되는 특정 정점을 식별하는 단계; 상기 특정 정점을 특정 절제 깊이를 결정하기 위한 인자로서 사용하는 단계; 및 상기 특정 절제 깊이를 사용하여 절제 데이터를 생성하는 단계를 포함하며, 특정 절제 부위 데이터는 관절성형 절차 중에 내비게이션 시스템에 의해 이용되도록 구성된다.
특정 실시예에서, 표면은 평면 일 수 있다.
특정 실시예에서, 표면은 삼차원 형상일 수 있다. 특정 실시예에서, 삼차원 형상은 구체, 타원체, 프리즘 또는 큐브 일 수 있다.
특정 실시예에서, 상기 방법은 제1 삼차원 골 모델 상의 제1 후측 지점의 제1 위치를 식별하는 단계; 및 상기 제1 삼차원 골 모델 상의 제1 위치를 상기 삼차원 환자 골 모델 상의 위치로 매핑하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 위치는 상기 위치와 위치적으로 상관될 수 있다.
특정 실시예에서, 제1 삼차원 골 모델은 일반 골 모델 일 수 있다.
특정 실시예에서, 표면은 약 7mm의 반경을 갖는 구체를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 상기 반경에 스케일링 인자를 곱할 수 있다. 특정 실시예에서, 스케일링 인자는 삼차원 환자의 골 모델과 일반 골 모델 사이의 내측-외측 또는 전측-후측 크기 차 중 하나 일 수 있다.
특정 실시예에서, 내비게이션 시스템은 관절성형 절차를 수행하는 데에 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스와 함께 동작한다.
본 발명의 측면들은 환자 뼈에 대한 관절성형 절차를 계획하는데 사용하기 위해 절제면 및 검사 지점 위치 데이터를 생성하는 방법을 포함할 수 있다. 상기 방법은: 의료 이미징 기기를 이용하여 캡쳐되고 환자 뼈의 적어도 일부와 연관된 환자 데이터를 획득하는 단계; 상기 환자 데이터로부터 다각형 표면 메쉬를 포함하는 삼차원 환자 골 모델을 생성하는 단계; 상기 환자의 골 모델 상의 제1 검사 지점의 제1 위치를 식별하는 단계; 환자의 골 모델에 관해 절제면의 제2 위치를 식별하는 단계 - 상기 절제면은 절제 후에 노출되도록 상기 환자 골 모델 상에 절제 표면을 형성함 -; 상기 제1 위치로부터 상기 절제 표면 상의 지점까지의 최단 부호 거리 벡터(shortest signed distance vector)를 결정하는 단계; 상기 제1 검사 지점의 상기 제1 위치가 상기 절제면의 제2 위치에 너무 근접하게 위치될 수 있는지 여부를 결정하기 위해 상기 최단 부호 거리 벡터와 연관된 정보를 사용하는 단계; 및 상기 정보를 사용하여 절제 및 검사 지점 위치 데이터를 생성하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 절제 및 검사 지점 위치 데이터는 상기 관절성형 절차 중에 내비게이션 시스템에 의해 이용되도록 구성된다.
특정 실시예에서, 상기 방법은 절제 표면에 대한 법선을 식별하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 법선은 환자 골 모델로부터 멀어지게 연장되고 절제 표면에 수직이다.
특정 실시예에서, 상기 방법은 법선과 최단 부호 거리 벡터 지점이 반대 방향인 경우에 제1 검사 지점의 제1 위치가 절제면의 제2 위치에 너무 근접하게 위치할 수 있다고 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 환자 골 모델은 대퇴골 모델 일 수 있다. 특정 실시예에서, 환자 골 모델은 경골(tibial) 모델 일 수 있다.
특정 실시예에서, 상기 방법은: 법선과 최단 부호 거리 벡터 지점이 동일한 방향인 경우에, 검사 지점가 절제면에 너무 근접하게 위치될 수 있다고 결정하는 것을 더 포함하고, 상기 최단 부호 거리 벡터의 크기가 약 4.50 mm 이하일 수 있다.
특정 실시예에서, 환자 골 모델은 대퇴골 모델 일 수 있다. 특정 실시예에서, 환자 골 모델은 경골 모델일 수 있다.
특정 실시예에서, 내비게이션 시스템은 관절성형 절차의 수행 시 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스와 함께 동작한다.
본 발명의 측면은 측면 대퇴골 영역(lateral femur area), 근위 대퇴골 영역(proximal femur area) 및 후측 대퇴골 영역(posterior femur area)을 포함하는 환자 뼈에 대한 관절성형 절차를 계획하는데 사용하기 위한 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법을 포함할 수 있다. 상기 방법은, 환자 뼈의 적어도 일부와 연관된 환자 데이터를 획득하는 단계; 상기 환자 데이터로부터 삼차원 환자 대퇴골 모델을 생성하는 단계 - 상기 환자 대퇴골 모델은 표면 경계와 피질 영역을 포함하며, 상기 환자 대퇴골 모델은 내측-외측 방향의 X-축, 후측 대퇴부 영역을 향해 가리키는 +Y-축을 갖는 전측-후측 방향의 Y-축, 및 근위 대퇴부 영역을 향해 가리키는 +Z 축을 갖는 상측-하측(superior-inferior) 방향의 Z-축을 갖는 삼차원 좌표계 내에 있음 -; 상측 에지 및 상기 상측 에지에 인접하고 평평한 전측 골 절제 접촉면을 갖는 전측 플랜지부를 포함하는 삼차원 대퇴부(femoral) 임플란트 모델을 획득하는 단계; 환자 대퇴골 모델에 대한 대퇴부 임플란트 모델의 위치 및 배향을 결정하는 단계; 전측 골 절제 접촉면과 동일 평면인 햅틱면(haptic plane)을 연장하는 단계 - 상기 햅틱면은 대퇴부 임플란트 모델의 전측 플랜지부의 상측 에지보다 상측에 위치된 상측 경계를 포함함 -; 햅틱면의 상측 경계 상의 일련의 지점들을 식별하는 단계; 상기 일련의 지점들의 각각으로부터 상기 환자 대퇴골 모델의 표면 경계의 대응 표면으로 Y-축을 따라 벡터를 투영하는 단계; 벡터들 중 최소 벡터의 길이 및 방향에 기초하여 노칭(notching)이 발생한다는 것을 결정하는 단계; 및 상기 환자 대퇴골 모델에 대해 상기 대퇴부 임플란트 모델의 결정된 위치 및 배향에 기초하여 임플란트 구성요소 위치 및 배향 데이터를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 임플란트 구성요소 위치 및 배향 데이터는 관절성형 절차 시 내비게이션 시스템에 의해 사용되도록 구성된다.
특정 실시예에서, 노칭은 다음과 같은 경우에 발생한다: 최소 벡터 길이가 0mm 이상인 경우; 및 최소 벡터의 방향이 좌표계의 +Y-축과 반대인 경우.
특정 실시예에서, 다음과 같은 경우에 노칭이 발생하지 않는다: 최소 벡터의 길이가 0mm보다 큰 경우; 및 최소 벡터의 방향은 좌표계의 +Y-축과 동일한 방향인 경우.
특정 실시예에서, 상기 길이는 감지 가능한 노칭 깊이에 기초할 수 있다.
특정 실시예에서, 일련의 지점들은 햅틱면의 상측 경계를 따라 균등하게 이격되어 있다. 특정 실시예에서, 일련의 지점들은 환자 대퇴골 모델의 피질 영역에 또는 피질 영역 부근에서의 곡률 반경에 기초하여 균등하게 이격되어 있다. 특정 실시예에서, 일련의 지점들은 임상적으로 관련된 감지 가능한 노칭의 깊이에 기초하여 균등하게 이격되어 있다. 특정 실시예에서, 일련의 지점들은 환자 대퇴골 모델의 피질 영역에서 또는 피질 영역 부근에서의 곡률 반경; 및 임상적으로 관련된 감지 가능한 노칭의 깊이에 기초하여 균등하게 이격되어 있다. 특정 실시예에서, 일련의 지점들은 약 3.15 mm만큼 균등하게 이격되어 있다.
특정 실시예에서, 환자 데이터는 의료 이미징 기기를 사용하여 캡쳐될 수 있다.
특정 실시예에서, 내비게이션 시스템은 관절성형 절차를 수행하는 데에 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스와 함께 동작한다.
본 발명의 측면은 측면 대퇴골 영역, 근위 대퇴골 영역 및 후측 대퇴골 영역을 포함하는 환자 뼈에 대한 관절성형 절차를 계획하는 데 사용하기 위한 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법을 포함할 수 있다. 상기 방법은 환자 뼈의 적어도 일부와 연관된 환자 데이터를 획득하는 단계 - 상기 환자 데이터는 의료 이미징 기기를 사용하여 캡쳐될 수 있음 -; 상기 환자 데이터로부터 삼차원 환자 대퇴골 모델을 생성하는 단계; 상측 경계 에지를 갖는 연관된 햅틱 절제 대상을 포함하는 전측 플랜지부를 포함하는 삼차원 대퇴부 임플란트 모델을 획득하는 단계; 환자 대퇴골 모델에 대한 대퇴부 임플란트 모델의 위치 및 배향을 결정하는 단계; 상기 상측 경계 에지와 상기 삼차원 환자 대퇴골 모델의 교점에 기초하여 노칭이 발생한다는 것을 결정하는 단계; 및 상기 환자 대퇴골 모델에 대해 상기 대퇴부 임플란트 모델의 결정된 위치 및 배향에 기초하여 상기 임플란트 구성요소 위치 및 배향 데이터를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 임플란트 구성요소 위치 및 배향 데이터는 관절성형 절차 시 내비게이션 시스템에 의해 사용되도록 구성된다.
특정 실시예에서, 삼차원 환자 대퇴골 모델은 표면 경계 및 피질 영역을 포함할 수 있으며, 환자 대퇴골 모델은 내측-외측 방향인 X-축, 후측 대퇴골 영역을 향해 가리키는 +Y-축을 갖는 전측-후측 방향인 Y-축, 및 근위 대퇴골 영역을 향해 가리키는 +Z 축을 갖는 상측-하측 방향인 Z-축을 가지는 삼차원 좌표계 내에 있고, 이 방법은, 상기 햅틱 절제 대상의 상측 경계 에지 상의 일련의 지점들을 식별하는 단계; 상기 일련의 지점의 각각으로부터 상기 환자 대퇴골 모델의 표면 경계의 대응 표면으로 Y-축을 따라 벡터를 투영하는 단계; 및 벡터들 중 최소 벡터의 길이 및 방향에 기초하여 노칭이 발생한다는 것을 결정하는 단계를 더 포함한다.
특정 실시예에서, 노칭은 다음과 같은 경우에 발생한다: 최소 벡터 길이가 0mm 이상인 경우, 및 최소 벡터의 방향은 좌표계의 +Y-축과 반대인 경우.
특정 실시예에서, 다음과 같은 경우에 노칭이 발생하지 않는다: 최소 벡터의 길이가 0mm보다 큰 경우; 및 최소 벡터의 방향은 좌표계의 +Y-축과 동일한 경우.
특정 실시예에서, 길이는 감지 가능한 노칭 깊이에 기초할 수 있다.
특정 실시예에서, 일련의 지점들이 상측 경계 에지를 따라 동일 간격으로 배치된다. 특정 실시예에서, 일련의 지점들은 환자 대퇴골 모델의 피질 영역 또는 그 부근에서의 곡률 반경에 기초하여 동일 간격으로 이격되어 있다. 특정 실시예에서, 일련의 지점들은 감지 가능한 노칭의 임상적 관련 깊이에 기초하여 동일 간격으로 배치된다. 특정 실시예에서, 일련의 지점들은 환자 대퇴골 모델의 피질 영역의 또는 그 부근의 곡률 반경; 및 감지 가능한 노칭의 임상적 관련 깊이에 기초하여 동일 간격으로 이격된다. 특정 실시예에서, 일련의 지점들은 약 3.15 mm만큼 균등하게 이격되어 있다.
특정 실시예에서, 네비게이션 시스템은 관절성형 절차를 수행하는데 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스와 함께 동작한다.
본 발명의 측면은 적어도 부분적으로 연골(cartilage)로 덮인 환자 뼈에 대한 관절성형 절차를 계획하는데 사용하기 위한 절제 데이터를 생성하는 방법을 포함할 수 있다. 상기 방법은, 네비게이션 시스템을 통해 환자 뼈의 위치 및 배향과 상관되고 골 모델 표면을 포함하며 삼차원 좌표계로 되어 있는 삼차원 환자 골 모델을 수신하는 단계; 수술 중 등록을 위해 상기 삼차원 환자의 골 모델의 골 모델 표면 상의 영역을 식별하는 단계; 상기 삼차원 골 모델의 골 모델 표면 상의 타겟 영역 내의 지점들에 대응하는 위치들에서 상기 환자 뼈 상의 연골의 수술 중 등록에 기초하여 복수의 제1 지점들에 대한 위치 데이터를 수신하는 단계; 상기 복수의 제1 지점에 대한 위치 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 절제 깊이를 결정하는 단계; 및 상기 절제 깊이를 이용하여 절제 데이터를 생성하는 단계 - 상기 절제 데이터는 상기 관절성형 절차 중에 상기 내비게이션 시스템에 의해 이용되도록 구성됨 -를 포함한다.
특정 실시예에서, 이 방법은 복수의 제1 지점에 대한 위치 데이터를 삼차원 좌표계로 매핑하는 단계를 더 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 절제 깊이를 결정하는 단계는 복수의 제1 지점과 골 모델 표면 상의 타겟 영역 사이의 깊이 차이를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 상기 방법은 깊이 차이를 뼈만의 절제 깊이에 가산함으로써 절제 깊이를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 뼈만의 절제 깊이는 깊이 차이의 가산에 의해 원위로 조정될 수 있다.
특정 실시예에서, 절제 깊이를 결정하는 단계는 복수의 제1 지점에 기초하여 뼈만의 절제 깊이를 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 뼈만의 절제 깊이는 복수의 제1 지점에 기초하여 원위로 조정될 수 있다.
특정 실시예에서, 환자 뼈는 대퇴골을 포함할 수 있고, 삼차원 환자 골 모델은 삼차원 환자 대퇴골 모델을 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 타겟 영역은 삼차원 환자 대퇴골 모델의 내측 또는 외측 관절구(condyle) 중 적어도 하나의 관절 부위(articular area)를 포함할 수 있다.
특정 경우, 환자 뼈는 경골을 포함할 수 있고, 삼차원 환자의 골 모델은 삼차원 환자 경골 모델을 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 절제 깊이는 경골의 근위 절제 깊이를 포함할 수 있고, 근위 절제 깊이는 복수의 제1 지점에 대한 위치 데이터에 기초하여 근위로 조정될 수 있다.
특정 실시예에서, 타겟 영역은 삼차원 환자 경골 모델의 내측 또는 외측 경골 고평부(tibia plateau) 중 적어도 하나의 관절 부위를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 삼차원 환자 골 모델은 뼈 전용 모델 일 수 있다.
특정 실시예에서, 삼차원 환자 골 모델은 환자 뼈의 의료 이미지로부터 생성될 수 있다.
특정 실시예에서, 네비게이션 시스템은 관절성형 절차를 수행시 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스와 함께 동작한다.
본 발명의 측면들은 환자의 대퇴골 및 경골을 포함하는 무릎 관절에 대한 관절성형 절차를 계획하는데 사용하기 위한 절제 데이터를 생성하는 방법을 포함할 수 있다. 이 방법은: 공통 삼차원 좌표계에서 제1 사전 계획 방향으로 서로에 대해 배향된 삼차원 대퇴골 임플란트 모델 및 삼차원 대퇴골 모델을 수신하는 단계 - 상기 삼차원 대퇴골 모델은 환자의 대퇴골에 대응하고, 상기 삼차원 대퇴골 임플란트 모델은 내측 관절구 표면(condyle surface)과 외측 관절구 표면을 포함함 -; 공통 삼차원 좌표계에서 제2 사전 계획 방향으로 서로에 대해 배향된 삼차원 경골 임플란트 모델 및 삼차원 경골 모델을 수신하는 단계 - 삼차원 경골 모델은 환자의 경골에 대응하고, 삼차원 경골 임플란트 모델은 내측 관절 표면 및 외측 관절 표면을 포함하며, 삼차원 대퇴골 모델 및 삼차원 경골 모델은 네비게이션 시스템을 통해 환자의 대퇴골 및 경골의 포즈에 따라 서로에 대해 배향됨 -; 제1 포즈에서 상기 대퇴골 및 경골의 제1 위치 및 배향에 대응하는 제1 위치 및 배향 데이터를 수신하는 단계; 상기 삼차원 대퇴골 임플란트 모델의 내측 관절구 표면과 제1 포즈의 삼차원 경골 임플란트 모델 상의 또는 제1 포즈의 삼차원 경골 임플란트 모델과 연관된 제1 지점 사이의 제1 부호 거리(signed distance)를 계산하는 단계; 상기 삼차원 대퇴골 임플란트 모델의 상기 측 관절구 표면과 제1 포즈의 삼차원 경골 임플란트 모델 상의 또는 제1 포즈의 삼차원 경골 임플란트 모델과 연관된 제2 지점 사이의 제2 부호 거리를 계산하는 단계; 상기 제1 및 제2 부호 거리에 기초하여 절제 깊이를 결정 또는 조절하는 단계; 및 상기 절제 깊이를 이용하여 절제 데이터를 생성하는 단계 - 상기 절제 데이터는 상기 관절성형 절차 중에 상기 내비게이션 시스템에 의해 이용되도록 구성됨 -를 포함한다.
특정 실시예에서, 삼차원 대퇴골 모델 및 삼차원 경골 모델은 환자의 무릎 관절의 의료 이미지로부터 생성된다.
특정 실시예에서, 제1 포즈가 무릎 관절과 연장되어 있을 수 있다.
특정 경우에, 제1 지점은 삼차원 경골 임플란트 모델의 내측 관절 표면 상에 있을 수 있고, 제2 지점은 삼차원 경골 임플란트 모델의 외측 관절 표면 상에 있을 수 있다.
특정 경우에, 제1 및 제2 부호 거리는 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘(global search closest distance algorithm)을 통해 계산된다.
특정 실시예에서, 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘은 내측 및 외측 관절구 표면 및 내측 및 외측 관절 표면 각각과 연관된 기준 정점을 식별한다.
특정 실시예에서, 상기 방법은: 상기 제1 포즈와 다를 수 는 제2 포즈에서 상기 대퇴골 및 경골의 제2 위치 및 배향에 대응하는 제2 위치 및 배향 데이터를 수신하는 단계; 상기 제2 포즈에서 상기 삼차원 대퇴골 임플란트 모델의 상기 내측 관절구 표면과 상기 삼차원 경골 임플란트 모델의 내측 관절 표면 사이의 제3 부호 거리를 계산하는 단계; 및 상기 제2 포즈에서 상기 삼차원 대퇴골 임플란트 모델의 외측 관절구 표면과 상기 삼차원 경골 임플란트 모델의 외측 관절 표면 사이의 제4 부호 거리를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
특정 실시예에는 제2 포즈가 굴곡일 수 있다.
특정 경우에, 제1, 제2, 제3 및 제4 부호 거리는 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘을 통해 계산된다.
특정 경우에, 제1 및 제2 부호 거리는 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘을 통해 계산되고, 제3 및 제4 부호 거리는 증분 검색 근접 거리 알고리즘(incremental search closest distance algorithm)을 통해 계산된다.
특정 실시예에서, 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘은 내측 및 외측 관절구 표면 및 내측 및 외측 관절 표면 각각과 연관된 기준 정점을 식별하고, 증분 검색 근접 거리 알고리즘은 내측 및 외측 관절구 표면의 기준 정점에 인접한 특정 정점에 대하여 이용되어서 특정 정점들 중 어느 것이 기준 정점들 보다 대응하는 내측 또는 외측 관절 표면 각각에 더 근접한지를 결정할 수 있다.
특정 실시예에서, 삼차원 대퇴골 임플란트 모델은 정점을 포함하는 제1 삼각형 표면 메쉬를 포함할 수 있으며, 삼차원 경골 임플란트 모델은 면들을 포함하는 제2 삼각형 표면 메쉬를 포함하며, 제1 및 제2 부호 거리는 삼차원 대퇴골 임플란트 모델의 정점들과 삼차원 경골 삽입 모델의 면들 사이에서 계산된다.
특정 실시예에서, 삼차원 경골 임플란트 모델의 내측 및 외측 관절 표면은 관절성형 절차에 사용되는 물리적 경골 임플란트의 내측 및 관절 표면과 비교하여 절제 깊이를 결정하기 위해 보다 평평하거나 덜 오목하게 변경된다.
특정 경우에, 제1 지점은 삼차원 경골 임플란트 모델과 연관된 경골 절제면의 내측 부분 상에 있을 수 있고, 제2 지점은 삼차원 경골 임플란트 모델과 연관된 경골 절제면의 외측 부분 상에 있을 수 있다.
특정 실시예에서, 네비게이션 시스템은 관절성형 절차를 수행시 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스와 함께 동작한다.
본 발명의 측면들은 환자의 제1 뼈와 제2 뼈에 의해 형성된 관절에 대한 관절성형 절차를 계획하는데 사용하기 위한 절제 데이터를 생성하는 방법을 포함할 수 있다. 이 방법은, 공통 삼차원 좌표계에서 제1 사전 계획 방향으로 서로에 대해 배향 된 제1 삼차원 임플란트 모델 및 제1 삼차원 골 모델을 수신하는 단계 - 상기 제1 삼차원 골 모델은 환자의 제1 뼈에 대응하고, 상기 제1 삼차원 임플란트 모델은 제1 임플란트 관절 표면을 포함함 -; 상기 공통 삼차원 좌표계에서 제2 사전 계획 방향으로 서로에 대해 배향된 제2 삼차원 골 모델 및 제2 삼차원 임플란트 모델을 수신하는 단계 - 상기 제2 삼차원 골 모델은 상기 환자의 제2 뼈에 대응되고, 상기 제2 삼차원 임플란트 모델은 제2 임플란트 관절 표면을 포함하고, 제1 삼차원 골 모델 및 제2 삼차원 골 모델은 네비게이션 시스템을 통해 환자의 제2 뼈 및 제1 뼈의 포즈에 따라 서로에 대해 배향됨 -; 제1 포즈에서 상기 제1 뼈 및 상기 제2 뼈의 제1 위치 및 배향에 대응하는 제1 위치 및 배향 데이터를 수신하는 단계; 상기 제1 삼차원 임플란트 모델의 제1 임플란트 관절 표면과 상기 제1 포즈에서의 제2 삼차원 임플란트 모델 상의 제1 지점 상의 또는 상기 제1 포즈에서의 제2 삼차원 임플란트 모델과 연관된 제1 삼차원 임플란트 모델과 연관된 제1 지점 사이의 제1 부호 거리를 계산하는 단계; 상기 제1 거리에 기초하여 절제 깊이를 결정 또는 조절하는 단계; 및 상기 절제 깊이를 이용하여 절제 데이터를 생성하는 단계 - 상기 절제 데이터는 상기 관절성형 절차 중에 상기 내비게이션 시스템에 의해 이용되도록 구성됨 -를 포함한다.
특정 실시예에서, 관절이 무릎, 발목, 팔꿈치 또는 손목 중 하나 일 수 있다.
특정 실시예에서, 제1 뼈는 대퇴골 일 수 있고 제2 뼈는 경골일 수 있다.
특정 실시예에서, 제1 지점은 제2 삼차원 임플란트 모델과 연관된 근위 경골 절제면의 일부 상에 있을 수 있다.
특정 실시예에서, 제1 삼차원 임플란트 모델은 내측 관절구 표면 및 외측 관절구 표면을 포함할 수 있고, 제2 삼차원 임플란트 모델은 내측 관절 표면 및 외측 관절 표면을 포함할 수 있으며, 제1 부호 거리는 내측 관절구 표면과 제1 지점 간으로 결정된다.
특정 실시예에서, 상기 방법은 제1 포즈의 제2 삼차원 임플란트 모델 상의 또는 제1 포즈의 제2 삼차원 임플란트 모델과 연관된 제2 지점과 상기 외측 관절구 표면 사이의 제2 부호 거리를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 제1 지점은 제2 삼차원 임플란트 모델의 내측 관절 표면 상에 있고, 제2 지점은 제2 삼차원 임플란트 모델의 외측 관절 표면 상에 있을 수 있다.
특정 실시예에서, 제2 삼차원 임플란트 모델의 내측 및 외측 관절 표면은 관절성형 절차에서 사용되는 물리적 임플란트의 내측 및 관절 표면과 비교하여 절제 깊이를 결정하기 위해 보다 평평하거나 덜 오목하도록 수정된다.
특정 경우에, 제1 및 제2 부호 거리는 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘을 통해 계산된다.
특정 실시예에서, 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘은 내측 및 외측 관절구 표면과 내측 및 외측 관절 표면 각각과 연관된 기준 정점을 식별한다.
특정 실시예에서, 상기 방법은, 상기 제1 포즈와 상이한 제2 포즈로 상기 제1 뼈 및 제2 뼈의 제2 위치 및 배향에 대응하는 제2 위치 및 배향 데이터를 수신하는 단계; 제2 포즈에서 제1 삼차원 임플란트 모델의 내측 관절구 표면과 제2 삼차원 임플란트 모델의 내측 관절 표면 사이의 제3 부호 거리를 계산하는 단계; 및 상기 제2 포즈에서 제1 삼차원 임플란트 모델의 외측 관절구 표면과 제2 삼차원 임플란트 모델의 외측 관절 표면 사이의 제4 부호 거리를 계산하는 단계를 더 포함한다.
특정 실시예에서, 제1, 제2, 제3 및 제4 부호 거리는 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘을 통해 계산된다.
특정 경우에, 제1 및 제2 부호 거리는 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘을 통해 계산되고, 제3 및 제4 부호 거리는 증분 검색 근접 거리 알고리즘을 통해 계산된다.
특정 실시예에서, 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘은 내측 및 외측 관절구 표면과 내측 및 외측 관절 표면 각각과 연관된 기준 정점을 식별하고, 증분 검색 근접 거리 알고리즘은 내측 및 외측 관절구 표면의 기준 정점에 인접하는 특정 정점에 대해 사용되어서 특정 정점들 중 어느 것들이 기준 정점보다 대응하는 내측 또는 외측 관절 표면에 각각 더 근접한지를 결정할 수 있다.
특정 실시예에서, 네비게이션 시스템은 관절성형 절차를 수행시 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스와 함께 동작한다.
다수의 실시 예가 개시되었지만, 본 개시물의 또 다른 실시 예는 본 개시물의 예시적인 실시예를 도시하고 설명하는 이하의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이다. 이해될 바와 같이, 본 명세서에서 논의된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 양상들로 수정될 수 있다. 따라서, 도면 및 상세한 설명은 본질적으로 예시적인 것이며 제한적이지 않은 것으로 간주되어야 한다.
도 1은 수술 시스템의 예시이다.
도 2는 수술 계획 및 관절성형의 수행을 도시하는 흐름도이다.
도 3a 및 도 3b는 관절성형 수행시 햅틱 가이던스를 도시한다.
도 4a 및도 4b는 각각 일반 경골의 근위 단부 및 일반 대퇴골의 원위 단부의 삼차원 컴퓨터 모델을 도시하며, 각각의 삼차원 모델은 크기 및 형상 모두에 따른 각각의 골 유형의 통계적 평균을 나타낸다.
도 5a-5c는 각각 환자 경골의 삼차원 컴퓨터 모델(즉, 환자 경골 모델)의 근위 단부의 관상면(coronal), 축 또는 횡방향면 및 시상면(sagittal)을 도시한다.
도 6a-6c는 각각 환자 대퇴골의 삼차원 컴퓨터 모델(즉, 환자 대퇴골 모델)의 원위 단부의 관상면, 축 또는 횡방향면 및 시상면을 도시한다.
도 7은 삼차원 환자 대퇴골 컴퓨터 모델의 후측 과두 영역(posterior condylar region)의 삼각형 표면 메쉬의 확대도이고, 삼차원 일반 대퇴골 모델에서 환자 대퇴골 모델에 매핑되었던 환자 대퇴골 모델 상의 후측 지점의 위치를 조정하는 방법을 예시한다.
도 8은 환자 대퇴골 모델 상에 매핑된 후측 지점의 배치를 조정하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 9a는 삼차원 환자 대퇴골 컴퓨터 모델의 원위 과두 영역(distal condylar region)의 삼각형 표면 메쉬의 확대도이고, 삼차원 일반 대퇴골 컴퓨터 모델로부터 환자 대퇴골 모델에 매핑되었던 환자 대퇴골 모델 상의 원위 지점의 위치를 조정하는 방법을 도시한다.
도 9b는 도 9a에서 사용된 타원체의 확대 등각 투영도이다.
도 9c는 도 9a및 도 9b와 동일한 타원체에 매핑된 원위 지점의 배치를 미세 조정하는 공정에 사용 된 구체를 더한 것이다.
도 10a-10c는 환자 대퇴골 모델 상의 매핑된 원위 지점의 배치를 조정하는 방법을 간략화한 흐름도이며, 원위 지점은 일반 대퇴골 모델로부터 환자 대퇴골 모델의 관절구에 매핑된 것이다.
도 11은 경골 고평부 반대쪽의 원위인 골 절제 접촉면을 도시하는 후보 경골 임플란트의 삼차원 컴퓨터 모델(즉, 경골 임플란트 모델)의 원위-전측도이다.
도 12a-12c는 환자 경골의 삼차원 컴퓨터 모델(즉, 환자 경골 모델)의 근위 단부 상에 중첩된 경골 임플란트 모델의 관상면, 축 또는 횡방향면 및 시상면을 각각 도시한다.
도 13은 인접한 전측 챔퍼(chamfer) 절제 접촉면, 후측 챔퍼 절제 접촉면, 전측 절제 접촉면, 후측 절제 접촉면, 절삭면 절삭 도구 접촉면, 그리고 원위 골 절제 접촉면을 도시하는 후보 대퇴골 임플란트의 삼차원 커ㅁ퓨터 모델(즉, 대퇴골 임플란트 모델)의 시사면이고, 이들 절제 접촉면들은 대퇴골 임플란트 모델의 내측 및 외측 과두 표면에 근위이다.
도 14a-14c는 환자 대퇴골의 삼차원 컴퓨터 모델(즉, 환자 대퇴골 모델)의 원위 단부에 중첩된 대퇴골 임플란트 모델의 관상면, 축 또는 횡방향면 및 시상면을 각각 도시한다.
도 15a 내지 도 15c는 절제가 제안된 경골 모델 및 제안된 경골 절제를 보여주는 다양한 도면이다.
도 16a 내지 도 16c는 절제가 제안된 대퇴골 모델의 다양한 도면이며, 원위 절제를 포함하는 제안된 대퇴골 절제를 설명한다.
도 17은 경골 임플란트 모델의 경골 관절 표면 및 대퇴골 임플란트 모델의 대퇴 관절 표면의 등각도이다.
도 18 및 도 19는 각각 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘의 광 위상 검색 스테이지(broad-phase search stage) 및 협 위상 검색 스테이지(narrow-phase search stage)의 알고리즘 흐름도이다.
도 20a 및 도 20b는 전측 대퇴 피질이 노칭되도록 환자 대퇴골 모델 상에 위치된 대퇴 임플란트 모델의 전측 원위도 및 시상 단면도이다.
도 21은 환자 대퇴골 모델에 대해 설정된 좌표계를 도시한다.
도 22a 내지 도 22c는 각각 대퇴부 임플란트 모델 상에 중첩된 햅틱면의 외형을 갖는 후보 대퇴 임플란트 모델의 후측, 시상-후측 및 시상면이다.
도 23은 대퇴 임플란트 모델의 전측 플랜지부의 상측 에지와 햅틱면의 상위 경계를 확대한 정방도이며, 햅틱면의 상측 경계를 따라 일련의 등간격의 기준점이 연장된다.
도 24는 전측 대퇴 피질 노치 상태의 개략도이다.
도 25a 및 도 25b는 각각 노치가 없는 노치 배열에서의 환자 대퇴골 모델 및 그에 대한 후보 대퇴 임플란트 모델의 시상 단면도이다.
도 26a는 수술 중 등록 과정에서 사용된 검사 지점의 측면도이다.
도 26b는 대퇴골 상에 위치된 검사 지점를 갖는 무릎 관절의 측면도이며, 네비게이션 프로브는 검사 지점와 접촉한다.
도 26c는 환자 대퇴골 모델 상에 검사 지점가 위치된 환자 대퇴골의 삼차원 컴퓨터 모델(즉, 환자 대퇴골 모델)의 원위 단부에 중첩된 대퇴골 임플란트 모델의 관상도를 도시한다.
도 26d는 환자 경골 모델 상에 검사 지점가 위치된 환자 경골의 삼차원 컴퓨터 모델(즉, 환자 경골 모델)의 근위 단부 상에 중첩된 경골 임플란트 모델의 관상도를 도시한다.
도 26e는 검사 지점 위치 확인 공정의 단계들을 도시한다.
도 26f는 대퇴골 및 경골 절제면의 시상면을 도시한 것으로, 절제면이 검사 지점에 대하여 "깊게" 되어있다.
도 26g는 대퇴골 및 경골 절제면의 시상면을 도시한 것으로, 절제면이 검사 지점에 대해 "드러나게 높게(proud)" 되어 있다.
도 26h는 다양한 절제와 연관된 오차를 예시하는 표이다.
도 26i는 후측 절제의 오차로 인한 전측 챔퍼 오차의 효과를 보여주는 대퇴 절제면의 시상면이다.
도 26j는 대퇴 절제면의 시상면으로서, 원위 절제의 오차로 인한 전측 챔퍼 오차의 영향을 보여준다.
도 27a 및 도 27b는 각각 수술 전 계획된 대퇴 임플란트 및 환자 골 모델의 시상면 및 수술 전 계획된 경골 임플란트 및 환자 골 모델의 시상면이다.
도 28a 및 도 28b는 각각 도 1의 시스템의 디스플레이 상에 도시된 환자 대퇴골 모델의 축 또는 횡방향면 및 후측면이다.
도 29a 및 도 29b는 각각 도 21a 및 도 22b의 표식 캡쳐 영역의 확대도이며, 도 28a 및 도 28b 각각에서 일련의 등록 지점이 각 캡쳐 영역에 묘사된다.
도 30은 여기에 논의된 다양한 시스템 및 방법을 구현할 수 있는 하나 이상의 컴퓨팅 유닛을 갖는 컴퓨팅 시스템의 예이다.
도 2는 수술 계획 및 관절성형의 수행을 도시하는 흐름도이다.
도 3a 및 도 3b는 관절성형 수행시 햅틱 가이던스를 도시한다.
도 4a 및도 4b는 각각 일반 경골의 근위 단부 및 일반 대퇴골의 원위 단부의 삼차원 컴퓨터 모델을 도시하며, 각각의 삼차원 모델은 크기 및 형상 모두에 따른 각각의 골 유형의 통계적 평균을 나타낸다.
도 5a-5c는 각각 환자 경골의 삼차원 컴퓨터 모델(즉, 환자 경골 모델)의 근위 단부의 관상면(coronal), 축 또는 횡방향면 및 시상면(sagittal)을 도시한다.
도 6a-6c는 각각 환자 대퇴골의 삼차원 컴퓨터 모델(즉, 환자 대퇴골 모델)의 원위 단부의 관상면, 축 또는 횡방향면 및 시상면을 도시한다.
도 7은 삼차원 환자 대퇴골 컴퓨터 모델의 후측 과두 영역(posterior condylar region)의 삼각형 표면 메쉬의 확대도이고, 삼차원 일반 대퇴골 모델에서 환자 대퇴골 모델에 매핑되었던 환자 대퇴골 모델 상의 후측 지점의 위치를 조정하는 방법을 예시한다.
도 8은 환자 대퇴골 모델 상에 매핑된 후측 지점의 배치를 조정하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 9a는 삼차원 환자 대퇴골 컴퓨터 모델의 원위 과두 영역(distal condylar region)의 삼각형 표면 메쉬의 확대도이고, 삼차원 일반 대퇴골 컴퓨터 모델로부터 환자 대퇴골 모델에 매핑되었던 환자 대퇴골 모델 상의 원위 지점의 위치를 조정하는 방법을 도시한다.
도 9b는 도 9a에서 사용된 타원체의 확대 등각 투영도이다.
도 9c는 도 9a및 도 9b와 동일한 타원체에 매핑된 원위 지점의 배치를 미세 조정하는 공정에 사용 된 구체를 더한 것이다.
도 10a-10c는 환자 대퇴골 모델 상의 매핑된 원위 지점의 배치를 조정하는 방법을 간략화한 흐름도이며, 원위 지점은 일반 대퇴골 모델로부터 환자 대퇴골 모델의 관절구에 매핑된 것이다.
도 11은 경골 고평부 반대쪽의 원위인 골 절제 접촉면을 도시하는 후보 경골 임플란트의 삼차원 컴퓨터 모델(즉, 경골 임플란트 모델)의 원위-전측도이다.
도 12a-12c는 환자 경골의 삼차원 컴퓨터 모델(즉, 환자 경골 모델)의 근위 단부 상에 중첩된 경골 임플란트 모델의 관상면, 축 또는 횡방향면 및 시상면을 각각 도시한다.
도 13은 인접한 전측 챔퍼(chamfer) 절제 접촉면, 후측 챔퍼 절제 접촉면, 전측 절제 접촉면, 후측 절제 접촉면, 절삭면 절삭 도구 접촉면, 그리고 원위 골 절제 접촉면을 도시하는 후보 대퇴골 임플란트의 삼차원 커ㅁ퓨터 모델(즉, 대퇴골 임플란트 모델)의 시사면이고, 이들 절제 접촉면들은 대퇴골 임플란트 모델의 내측 및 외측 과두 표면에 근위이다.
도 14a-14c는 환자 대퇴골의 삼차원 컴퓨터 모델(즉, 환자 대퇴골 모델)의 원위 단부에 중첩된 대퇴골 임플란트 모델의 관상면, 축 또는 횡방향면 및 시상면을 각각 도시한다.
도 15a 내지 도 15c는 절제가 제안된 경골 모델 및 제안된 경골 절제를 보여주는 다양한 도면이다.
도 16a 내지 도 16c는 절제가 제안된 대퇴골 모델의 다양한 도면이며, 원위 절제를 포함하는 제안된 대퇴골 절제를 설명한다.
도 17은 경골 임플란트 모델의 경골 관절 표면 및 대퇴골 임플란트 모델의 대퇴 관절 표면의 등각도이다.
도 18 및 도 19는 각각 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘의 광 위상 검색 스테이지(broad-phase search stage) 및 협 위상 검색 스테이지(narrow-phase search stage)의 알고리즘 흐름도이다.
도 20a 및 도 20b는 전측 대퇴 피질이 노칭되도록 환자 대퇴골 모델 상에 위치된 대퇴 임플란트 모델의 전측 원위도 및 시상 단면도이다.
도 21은 환자 대퇴골 모델에 대해 설정된 좌표계를 도시한다.
도 22a 내지 도 22c는 각각 대퇴부 임플란트 모델 상에 중첩된 햅틱면의 외형을 갖는 후보 대퇴 임플란트 모델의 후측, 시상-후측 및 시상면이다.
도 23은 대퇴 임플란트 모델의 전측 플랜지부의 상측 에지와 햅틱면의 상위 경계를 확대한 정방도이며, 햅틱면의 상측 경계를 따라 일련의 등간격의 기준점이 연장된다.
도 24는 전측 대퇴 피질 노치 상태의 개략도이다.
도 25a 및 도 25b는 각각 노치가 없는 노치 배열에서의 환자 대퇴골 모델 및 그에 대한 후보 대퇴 임플란트 모델의 시상 단면도이다.
도 26a는 수술 중 등록 과정에서 사용된 검사 지점의 측면도이다.
도 26b는 대퇴골 상에 위치된 검사 지점를 갖는 무릎 관절의 측면도이며, 네비게이션 프로브는 검사 지점와 접촉한다.
도 26c는 환자 대퇴골 모델 상에 검사 지점가 위치된 환자 대퇴골의 삼차원 컴퓨터 모델(즉, 환자 대퇴골 모델)의 원위 단부에 중첩된 대퇴골 임플란트 모델의 관상도를 도시한다.
도 26d는 환자 경골 모델 상에 검사 지점가 위치된 환자 경골의 삼차원 컴퓨터 모델(즉, 환자 경골 모델)의 근위 단부 상에 중첩된 경골 임플란트 모델의 관상도를 도시한다.
도 26e는 검사 지점 위치 확인 공정의 단계들을 도시한다.
도 26f는 대퇴골 및 경골 절제면의 시상면을 도시한 것으로, 절제면이 검사 지점에 대하여 "깊게" 되어있다.
도 26g는 대퇴골 및 경골 절제면의 시상면을 도시한 것으로, 절제면이 검사 지점에 대해 "드러나게 높게(proud)" 되어 있다.
도 26h는 다양한 절제와 연관된 오차를 예시하는 표이다.
도 26i는 후측 절제의 오차로 인한 전측 챔퍼 오차의 효과를 보여주는 대퇴 절제면의 시상면이다.
도 26j는 대퇴 절제면의 시상면으로서, 원위 절제의 오차로 인한 전측 챔퍼 오차의 영향을 보여준다.
도 27a 및 도 27b는 각각 수술 전 계획된 대퇴 임플란트 및 환자 골 모델의 시상면 및 수술 전 계획된 경골 임플란트 및 환자 골 모델의 시상면이다.
도 28a 및 도 28b는 각각 도 1의 시스템의 디스플레이 상에 도시된 환자 대퇴골 모델의 축 또는 횡방향면 및 후측면이다.
도 29a 및 도 29b는 각각 도 21a 및 도 22b의 표식 캡쳐 영역의 확대도이며, 도 28a 및 도 28b 각각에서 일련의 등록 지점이 각 캡쳐 영역에 묘사된다.
도 30은 여기에 논의된 다양한 시스템 및 방법을 구현할 수 있는 하나 이상의 컴퓨팅 유닛을 갖는 컴퓨팅 시스템의 예이다.
수술 시스템(100)을 통한 실행을 위한 관절성형 수술 절차의 수술 전 계획이 본 명세서에 개시되어있다. 수술 전 계획에는 골 절제 깊이를 규정하고 대퇴 전측 피질의 허용될 수 없는 노칭이 후보 임플란트의 제안된 포즈 및 제안된 골 절제 깊이와 연관되는지 여부를 식별하는 것이 포함된다. 수술 전 계획된 골 절제 깊이와 임플란트 포즈에 대퇴 전측 피질의 허용될 수 없는 노치가 없고 외과 의사의 승인이 없다고 가정하면, 실제 환자 뼈의 연골 과두 표면을 수술 전 계획에 사용된 환자 골 모델에 수술 중 등록하여 골 절제 깊이를 업데이트하여 연골 두께를 계산할 수 있다. 연골 두께를 고려함으로써, 수술 시스템(100)을 통한 이식시 실제 임플란트는 실제 환자 골격의 절제된 연골 과두 표면 대신 작용하도록 위치된 각각의 과두 표면을 가질 것이다.
연골 과두 표면의 수술 전 계획 및 수술 중 등록에 대한 상세한 설명을 시작하기 전에 수술 시스템의 개요 및 그 동작이 다음에 설명된다.
I. 외과 시스템의 개요
수술 시스템에 대한 상세한 설명을 시작하기 위해, 도 1을 참조한다. 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 수술 시스템(100)은 내비게이션 시스템(42), 컴퓨터(50), 및 햅틱 디바이스(60)를 포함한다. 내비게이션 시스템은 외과의가 절골술(osteotomy) 절차 중 디스플레이(56) 상에 골 및 도구를 시각화 하도록, 환자의 골(예, 경골(10), 대퇴골(11)), 그리고 수술 시에 사용되는 수술 도구(예, 포인터 디바이스, 프로브, 절단 도구)를 추적한다.
내비게이션 시스템(42)은 골의 포즈(즉, 위치 및 배향)를 추적하도록 구성된 임의의 유형의 내비게이션 시스템일 수 있다. 예를 들어, 내비게이션 시스템(42)은 비기계적 추적 시스템, 기계적 추적 시스템, 또는 비기계적과 기계적 추적 시스템의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 내비게이션 시스템(42)은 검출 디바이스(44)의 기준의 좌표 프레임에 대하여 대상의 포즈를 획득하는 검출 디바이스(44)를 포함한다. 물체가 기준의 좌표 프레임에서 움직이기 때문에, 검출 디바이스가 물체의 포즈를 추적하여 물체의 움직임을 검출한다.
일 실시예에서, 네비게이션 시스템(42)은 도 1에 도시 된 바와 같은 비-기계적 추적 시스템을 포함한다. 비-기계적 추적 시스템은 추적된 대상 상에 배치되고 검출 장치(44)에 의해 검출될 수 있는 검출 장치(44) 및 추적가능 요소(예를 들어, 네비게이션 마커(46))를 갖는 광학적 추적 시스템이다. 일 실시예에서, 검출 장치(44)는 추적가능 요소 상의 패턴(예를 들어, 바둑판 패턴)을 검출하는 MicronTracker (Claron Technology Inc., Toronto, Canada)와 같은 가시광 기반 검출기를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 검출 장치(44)는 적외선 방사에 민감한 스테레오 카메라 쌍을 포함하고 관절성형 절차가 수행될 수술실에 배치될 수 있다. 추적가능 요소는 안전하고 안정된 방식으로 추적된 대상에 부착되며, 추적된 대상과의 공지된 기하학적 관계를 갖는 마커의 어레이를 포함한다. 공지된 바와 같이, 추적가능 요소는 능동적(예를 들어, 발광 다이오드 또는 LED) 또는 수동적(예를 들어, 반사 구체, 바둑판 패턴 등) 일 수 있고, 고유한 기하학적 구조(예를 들어, 마커의 고유한 기하학적 배열), 능동적 유선 또는 무선 마커의 경우 고유한 발사 패턴을 가진다. 동작시, 검출 장치(44)는 추적가능 요소들의 위치를 검출하고, 수술 시스템(100)(예를 들어, 내장된 전자 장치를 사용하는 검출 장치(44))은 추적가능 요소들의 위치, 고유한 기하학적 구조 및 추적된 대항에 대한 공지된 기하학적 관계에 기초하여 추적된 대상의 포즈를 계산한다. 추적 시스템(42)은 뼈(10) 상에 위치된 네비게이션 마커(46)와 같이 사용자가 추적하기를 원하는 각 대상에 대한 추적가능 요소를 포함한다. 햅틱 안내 로봇이 보조 수술하는 동안, 네비게이션 시스템은 (햅틱 디바이스(60)의 글로벌 또는 그로스 위치(gross position)를 추적하기 위해) 햅틱 디바이스 마커(48), (햅틱 디바이스(60)의 원위 단부를 추적하기 위해) 엔드 효과 마커(54), 및 등록 과정에서 사용하기 위한 프리 핸드 내비게이션 프로브(55)를 포함한다
도 1에 도시된 바와 같이, 수술 시스템(100)은 도면에서 컴퓨터(50)로 표현된 처리 회로를 더 포함한다. 처리 회로는 프로세서 및 메모리 장치를 포함한다. 프로세서는 범용 프로세서, 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit, ASIC), 하나 이상의 필드 프로그래머블 게이트 어레이(field programmable gate array, FPGA), 처리 컴포넌트들의 그룹, 특정 목적 프로세서 또는 다른 적합한 전자 처리 컴포넌트로서 구현 될 수 있다. 메모리 디바이스(예를 들어, 메모리, 메모리 유닛, 저장 디바이스 등)는 본원에 기재된 다양한 프로세스, 층계 및 기능을 완수하거나 용이하게 하기 위해, 데이터 및/또는 컴퓨터 코드를 저장하기 위한 하나 이상의 디바이스(예를 들어, RAM, ROM, 플래시 메모리, 하드 디스크 스토리지 등)이다. 메모리 디바이스는 휘발성 메모리 또는 비휘발성 메모리이거나 이를 포함할 수 있다. 메모리 디바이스는 데이터베이스 컴포넌트, 객체 코드 컴포넌트, 스크립트 컴포넌트, 또는 본원에 기재된 다양한 활동 및 정보 구조를 지지하기 위한 임의의 유형의 정보 구조를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 메모리 디바이스는 처리 회로를 통해 프로세서에 통신 가능하게 연결되고 여기에 설명된 하나 이상의 프로세스를 (예를 들어, 처리 회로 및/또는 프로세서에 의해) 실행하기 위한 컴퓨터 코드를 포함한다.
컴퓨터(50)는 네비게이션 시스템(42) 및 햅틱 디바이스(60)와 통신하도록 구성된다. 또한, 컴퓨터(50)는 골절술 절차와 관련된 정보를 수신하고 골절술 절차의 수행과 관련된 다양한 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터(50)는 이미지 분석, 수술 계획, 등록, 네비게이션, 이미지 안내 및 햅틱 안내와 관련된 기능을 수행하기 위해 필요한 소프트웨어를 가질 수 있다. 특히, 내비게이션 시스템은 관절성형 절차를 수행시 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스(햅틱 디바이스)와 함께 동작 할 수 있다.
컴퓨터(50)는 관절성형 절차가 수행될 환자의 해부학적 이미지를 수신한다. 도2에 도시된 바와 같이, 관절성형을 수행하기 전에, 환자의 해부학적 구조는 의료 이미징 기기로 캡쳐된 CT 또는 MRI와 같은 임의의 공지된 이미징 기술을 사용하여 스캔된다(단계 801). 또한, 본 개시물이 CT 또는 MRI 기기와 같은 의료 이미징 기기로 캡쳐되거나 생성된 의료 이미지를 참조하는 한편, 의료 이미지를 생성하는 다른 방법이 가능하고 여기서 고려된다. 예를 들어, 뼈의 이미지는 뼈 표면의 토포그래피를 스캐닝하거나 등록하는 휴대용 스캐닝 또는 이미징 디바이스와 같은 의료 이미징 기기를 통해 수술 중에 생성될 수 있다. 따라서, 의료용 이미징 기기라는 용어는 수술실 내에서 사용되는 휴대용 이미징 디바이스 뿐만 아니라 이미징 중심에 위치한 상대적으로 큰 장치를 포함하도록 의도된다.
계속해서 스캔 데이터를 세분화하여 환자의 해부학적 구조의 삼차원 표현을 획득한다. 예를 들어, 무릎 관절성형을 수행하기 전에 대퇴골과 경골의 삼차원 표현이 생성된다. 삼차원 표현을 사용하여 그리고 계획 과정의 일부로서 대퇴골 및 경골 표식이 선택되고 제안된 대퇴 및 경골 임플란트의 방향 및 배치와 함께 환자의 대퇴-경골 정렬을 계산할 수 있으며, 컴퓨터(50)를 통해 모델링하고 크기를 정하여 선택될 수 있다. 대퇴 및 경골 표식은 대퇴 두부 중심, 원위 활차구 홈(trochlear groove), 과간 강 고관절(intercondylar eminence) 중심, 경골-발목 중심, 및 내측 경골 등(spine) 등을 포함할 수 있다. 대퇴-경골 정렬은 대퇴 기기 축(즉, 대퇴 두부 중심에서 원위 유선 홈까지의 라인)과 경골 기기 축 (즉, 발목 중심에서 과간 강 고관절 중심까지의 선) 사이의 각도이다. 관절성형 절차에 의해 달성될 환자의 현재 대퇴골-경골 정렬과 원하는 대퇴골-경골 정렬을 기초로 하여, 그리고 제안된 대퇴골 및 경골 임플란트의 크기, 모델 및 배치를 더 포함하여, 제안된 임플란트의 이식에 연관된 원하는 연장, 내반슬-외반슬(varus-valgus) 각도, 및 internal-external rotation를 더 포함하여, 컴퓨터(50)는, 관절성형 절차를 수행하는 프로세스에서 햅틱 디바이스(60)를 통해 이루어지는 절제를 포함하여, 제안된 임플란트의 원하는 이식을 계산하거나 제안된 임플란트의 이식의 수술 전 계획시 적어도 보조하도록 프로그래밍된다(단계 803). 단계 803을 통해 달성되는 수술 전 계획이 검토, 조정 및 승인을 위해 외과 의사에게 제공되고, 수술 전 계획은 외과 의사에 의해 지시된 대로 업데이트된다(단계 802).
컴퓨터(50)는 단계 803에 따른 수술 계획을 개발하기 위해 사용되기 때문에, 사용자는 수술 계획 동안 임의의 단계에서 정보를 입력하고 수술 계획의 임의의 부분을 수정하기 위해 컴퓨터(50)와 상호 작용할 수 있음을 이해해야한다. 가상 경계는 관절성형 절차에서 뼈(10, 11)에 만들어 질 구멍 및/또는 절단부를 나타낼 수 있다. 수술 계획이 개발되고 나면, 햅틱 디바이스(60)는 사용자가 뼈(10, 11)에서 계획된 구멍 및 절단부를 생성하는 것을 돕기 위해 사용된다. 수술 전 계획, 특히 골 절제 깊이 계획 및 대퇴골 전측 샤프트 노칭의 예방과 관련하여, 아래에서 보다 자세히 설명될 것이다.
뼈(10, 11)에서 구멍의 천공 및 절단부 또는 절제의 생성은 2011년 8월 30일자로 특허 허여된 미국특허 제8,010,180호에 기재된 햅틱 안내 시스템과 같은 햅틱 안내 상호작용 로봇 시스템의 도움으로 달성될 수 있으며, 그 내용은 본원에 원용된다. 외과 의사가 로봇 팔을 조작하여 뼈에 구멍을 뚫거나 고속 드릴, 화살 톱(sagittal saw), 또는 기타 적절한 도구를 사용하여 절단을 수행할 때, 시스템은 외과 의사가 구멍을 조각하고 적절한 모양으로 자르도록 안내하는 햅틱 피드백을 제공하며, 이는 로봇 팔의 제어 시스템으로 사전 프로그래밍된다. 햅틱 안내 및 피드백이 더욱 자세히 설명될 것이다.
수술 계획 동안, 컴퓨터(50)는 관절성형 절차 중에 이식될 대퇴골 및 경골 임플란트에 관련된 정보를 더 수신한다. 예를 들어, 사용자는 입력 디바이스(52)(예를 들어, 키보드, 마우스 등)를 사용하여 선택된 대퇴골 및 경골 임플란트의 파라미터를 컴퓨터(50)의 파라미터를 입력할 수 있다. 대안으로, 컴퓨터(50)는 다양한 임플란트의 사전 설정된 데이터베이스 및 그들의 파라미터를 포함할 수 있으며, 사용자는 데이터베이스로부터 선택된 임플란트를 선택할 수 있다. 또 다른 실시 예에서, 임플란트는 환자 특정 수술 계획에 기초하여 맞춤 설계될 수 있다. 임플란트의 선택은 수술 계획의 임의의 단계에서 발생할 수 있다.
수술 계획은 임플란트의 적어도 하나의 파라미터 또는 임플란트의 파라미터의 기능을 더 기초로 할 수 있다. 임플란트는 수술 계획 프로세스의 임의의 단계에서 선택될 수 있기 때문에, 임플란트는 컴퓨터(50)에 의해 계획된 가상 경계의 결정 이전 또는 이후에 선택될 수 있다. 임플란트가 먼저 선택되면, 계획된 가상 경계는 임플란트의 파라미터에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다. 예를 들어, 뼈(10, 11)에서 만들어질 구멍 또는 절단부를 나타내는 계획된 가상 경계 사이의 거리 (또는 임의의 다른 관계)는 원하는 내반슬-외반슬-경골 정렬, 연장, 내부-외부 회전, 또는 관절성형 임플란트의 이식의 원하는 수술 결과와 연관된 임의의 다른 인자에 기초하여 계획될 수 있다. 이러한 방식으로, 수술 계획의 이식은 절제된 골 표면과 구멍을 적절하게 정렬하여 선택된 임플란트가 원하는 수술 결과를 달성하도록 할 수 있다. 대안으로, 컴퓨터(50)는 임플란트 선택 이전에, 계획된 가상 경계를 포함하는 수술 계획을 개발할 수 있다. 이 경우에, 계획된 가상 경계에 적어도 부분적으로 기초하여 임플란트가 선택(예, 입력, 선택 또는 설계)될 수 있다. 예를 들어, 수술 계획을 실행하면 절제된 골 표면과 구멍이 적절하게 정렬되어 선택된 임플란트가 원하는 수술 결과를 달성할 수 있도록, 계획된 가상 경계를 기반으로 임플란트를 선택할 수 있다.
가상 경계는 가상 공간에 존재하며 물리적(즉, 실제) 공간에 존재하거나 생성되는 특징을 나타낼 수 있다. 가상 경계는 물리적 공간의 대상과 상호 작용할 수 있는 물리적 공간의 작업 경계에 해당한다. 예를 들어, 작업 경계는 햅틱 디바이스(60)에 결합된 수술 도구(58)와 상호 작용할 수 있다. 수술 계획은 구멍 및 절제를 나타내는 가상 경계를 포함하도록 본 명세서에서 종종 기술되지만, 수술 계획은 뼈(10, 11)에 대한 다른 변형을 나타내는 가상 경계를 포함할 수 있다. 또한, 가상 경계는 물리적 공간 내의 객체와 상호 작용할 수있는 물리적 공간 내의 임의의 동작 경계에 대응할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 수술 계획을 세우고 나서 관절성형 절차를 수행하기 전에, 임의의 공지된 등록 기술을 사용하여 물리적 해부학적 구조(예를 들어, 뼈(10, 11))가 해부학적 구조의 가상 표현(예를 들어, 수술 전 삼차원 표현)에 등록된다(단계 804). 가능한 등록 기술은 상기 참조된 미국특허 출원 제8,010,180호에 기술된 바와 같이 지점 기반 등록 기술, 또는 2012년 7월 30일 출원된 "방사선 사진 이미징 장치"라는 명칭의 미국 특허출원 제13/562,163호에 개시된 휴대용 방사선 촬영 장치를 이용하는 2D/3D 등록을 포함하며, 이들의 내용은 본원에 원용된다. 환자의 해부학적 구조의 등록은 수술 절차 동안 정확한 네비게이션을 허용하여(단계 805), 각각의 가상 경계가 물리적 공간 내의 작업 경계에 대응할 수 있게 한다. 예를 들어, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 경골 뼈(10)의 절제를 나타내는 가상 경계(62)는 컴퓨터 또는 다른 디스플레이(63) 상에 디스플레이되고, 가상 경계(62)는 수술 조작 룸의 수술 부위와 같은, 물리적 공간(69) 내의 작업 경계(66)에 대응된다. 차례로 작업 경계(66)의 일부는 경골(10) 절제의 계획된 위치에 대응한다.
따라서, 가상 경계 및 해당 작업 경계는 임의의 구성 또는 형상일 수 있다. 3a에 도시된 바와 같이, 경골 뼈(10)에서 생성될 근위 절제를 나타내는 가상 경계(62)는 경골(10)에서 근위 절제의 생성 중에 사용자를 돕기에 적합한 임의의 구성 일 수 있다. 경골(10)의 가상 표현 내에 도시된 가상 경계(62)의 부분은 수술 도구에 의해 제거 될 뼈를 나타낸다. 절제된 경골(10) 상에 경골 임플란트의 이식을 용이하게 하기 위해 경골(10) 내로 뚫거나 밀링되는(milled) 구멍에 대해 유사한 가상 경계가 생성될 수 있다. 가상 경계(및 이에 상응하는 작업 경계)는 삼차원 볼륨을 완전히 둘러싸고 에워싸는 표면을 포함할 수 있다. 다른 실시 예에서, 가상 및 작업 경계는 삼차원 볼륨을 완전히 둘러싸지 않고, 오히려 "활성" 표면 및 "개방" 부분 둘 다를 포함한다. 예를 들어, 경골의 근위 절제를 나타내는 가상 경계(62)는 본질적으로, "개방" 부분(64)과 함께, 장방형 박스-형상 "활성" 표면(62a) 및 장방형 박스-형상 부분에 연결된 붕괴 깔대기(collapsing funnel) 또는 삼각형 박스-형상 "활성" 표면(62b)을 갖는다. 일 실시예에서, 가상 경계(62)는 2011년 12월 29일에 출원된 "햅틱 안내 존을 선택적으로 활성화하기 위한 시스템 및 방법"이라는 제목의 미국특허 출원번호 제13/340,668호에 개시된 것처럼 붕괴 깔대기로 생성될 수 있으며, 본 명세서에서 그 전체가 참고로 인용된다. 가상 경계(62)에 대응하는 작업 경계(66)는 가상 경계(62)와 동일한 구성을 갖는다. 즉, 경골(10)의 근위 절제를 안내하는 작업 경계(66)는 본질적으로 장방형 박스-형상 "활성" 표면(66a) 및 장방형 박스-형상 부분에 연결된 붕괴 깔대기 또는 삼각형 박스-형상 "활성" 표면(66b)을, "개방" 부분(67)과 함께 가질 수 있다.
추가의 실시예에서, 뼈(10)의 절제를 나타내는 가상 경계(62)는 실질적으로 장방형의 박스-형상 부분(62a) 만을 오직 포함한다. 장방형 박스-형상 부분 만을 갖는 가상 경계의 단부는 대응하는 작업 경계의 개방 상부가 뼈(10)의 외부 표면과 일치하도록 "개방" 상부를 가질 수 있다. 대안으로, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 가상 경계 부분(62a)에 대응하는 장방형 박스-형상의 작업 경계(66a)은 뼈(10)의 외부 표면을 지나서 연장될 수 있다.
일부 실시예에서, 뼈의 일부분을 통한 절제를 나타내는 가상 경계(62)는 두께가 없는 본질적으로 평면인 형상을 가질 수 있다. 대안으로, 가상 경계(62)는 만곡되거나 불규칙한 형상을 가질 수 있다. 가상 경계(62)가 라인 또는 평면 형상으로 도시되고 가상 경계(62)가 또한 두께를 갖는 경우, 가상 경계(62)는 뼈에 절제를 생성하는데 사용되는 수술용 도구보다 약간 더 두껍게 되어, 도구가 뼈 내에 있는 동안 작업 경계(66)의 활성 표면 내에 구속될 수 있다. 이러한 선형 또는 평면형 가상 경계(62)는 대응하는 작업 경계(66)가 수술 도구(58)가 골(10)에 접근 될 때 외과 의사를 돕기 위해 깔때기 또는 다른 적절한 형태로 골(10)의 외부 표면을 지나서 연장되도록 계획 될 수 있다. 햅틱 안내 및 피드백(후술함)은 수술 도구(58)와 작업 경계의 활성 표면 사이의 관계에 기초하여 사용자에게 제공 될 수 있다.
수술 계획은 또한 2012년 12월 21일 출원된 "수술 도구의 햅틱 제어를 위한 시스템 및 방법"이라는 제목의 제13/725,348호에 기재된 수술 도구의 자동 정렬을 포함하여 햅틱 제어로의 출입 및 출구를 용이하게 하는 가상 경계를 포함할 수 있으며, 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다.
가상 경계를 포함한 수술 계획은 환자의 골밀도와 관련된 정보를 기반으로 개발될 수 있다. 환자 뼈의 밀도는 CT, MRI 또는 환자의 해부학적 구조의 이미징에서 얻은 데이터를 사용하여 계산된다. 일 실시예에서, 인간 뼈를 표현하고 공지된 칼슘 함량을 갖는 캘리브레이션 대상이 이미지 강도 값과 골밀도 측정치 사이의 대응을 획득하기 위해 이미징된다. 이러한 대응은 환자의 해부학적 구조의 개별 이미지의 강도 값을 골밀도 측정치로 변환하는 데 적용될 수 있다. 그 후 골밀도 측정의 대응하는 맵과 함께, 환자의 해부학적 구조의 개별 이미지를 세분화하여, 환자의 골밀도 정보를 포함하는 환자의 해부학적 구조에 대한 삼차원 표현(예, 모델)을 생성하도록 사용된다. 그런 다음 구조적 무결성을 평가하기 위해 모델에서 유한 요소 분석(finite element analysis, FEA)과 같은 이미지 분석을 수행 할 수 있다.
환자의 해부학적 구조의 구조적 무결성을 평가하는 기능은 관절성형 계획의 효율성을 향상시킨다. 예를 들어, 환자의 뼈의 특정 부분이 밀도가 덜한 것처럼 보이는 경우(즉, 골다공증), 구멍, 절제 및 임플란트 배치를 계획하여 약화된 뼈 부분의 골절 위험을 최소화할 수 있다. 또한, 수술 계획의 이식 후 골 및 임플란트 조합의 계획적 구조(예, 수술 후 뼈 및 임플란트 배열)는 수술 계획을 개선하기 위해 수술 전 구조적 무결성을 평가할 수 있다. 이 실시 예에서, 구멍 및/또는 절단부가 계획되고, 골 모델 및 임플란트 모델은 관절성형의 수행 및 임플란트 절차의 수행 후에 환자의 뼈 및 임플란트 배열을 나타내기 위해 조작된다. 환자의 체중 및 생활 양식과 같이 수술 후 뼈 및 임플란트 배치의 구조적 무결성에 영향을 미치는 다양한 다른 요소가 고려될 수 있다. 수술 후 뼈와 임플란트 장치의 구조적 무결성을 분석하여 배열이 수술 후에 구조적으로 튼튼하고 운동학적으로 기능하는지 여부를 결정한다. 분석 결과 구조적 약점이나 운동학적 문제가 밝혀지면 수술 계획을 수정하여 원하는 수술 후 구조적 무결성 및 기능을 달성 할 수 있다.
수술 계획이 확정되면, 외과 의사는 햅틱 디바이스(60)의 도움으로 관절성형 절차를 수행 할 수 있다(단계 806). 햅틱 디바이스(60)를 통해, 수술 시스템(100)은 햅틱 안내 및 피드백을 외과 의사에게 제공하여 외과 의사가 외과 계획을 정확하게 구현하는 것을 돕는다. 관절성형 절차 중에 햅틱 안내 및 피드백을 통해 종래의 관절성형 기술과 비교하여 수술 도구를 보다 잘 제어할 수 있으므로, 임플란트를 보다 정확하게 정렬하고 배치할 수 있다. 또한, 햅틱 안내 및 피드백은 계획 목적을 위해 K-와이어 및 형광투시(fluoroscopy)를 이용할 필요성를 없애기 위한 것이다. 그 대신, 수술 계획은 환자의 해부학적 구조의 삼차원 표현을 사용하여 생성되고 검증되며, 햅틱 디바이스는 수술 중에 안내를 제공한다.
"햅틱(Haptic)"은 촉감을 말하며, 햅틱의 분야는 조작자에게 촉각 및/또는 힘 피드백을 제공하는 인간 상호작용 디바이스에 관한 것이다. 촉각 피드백은 일반적으로 예를 들어 진동과 같은 촉각 감각을 포함한다. 힘 피드백("렌치(wrench)"라고도 함)은 힘(예, 운동 저항) 및/또는 토크의 형태인 피드백을 말한다. 렌치에는 예를 들어 힘, 토크 또는 힘과 토크의 조합 형태의 피드백이 포함된다. 햅틱 피드백은 또한 사용자에게 촉각 및/또는 힘 피드백을 제공 할 수 있는 수술 도구에 제공되는 힘의 양을 무력화하거나 변경하는 것을 포함할 수 있다.
수술 시스템(100)은 수술 도구(58)와 적어도 하나의 작업 경계 사이의 관계에 기초하여 외과 의사에게 햅틱 피드백을 제공한다. 수술 도구(58) 와 작업 경계 사이의 관계는 내비게이션 시스템에 의해 얻어지고 촉각 피드백을 제공하기 위해 수술 시스템(100)에 의해 이용될 수 있는 작업 경계와 수술 도구(58)와 사이의 임의의 적합한 관계일 수 있다. 예를 들어, 이 관계는 하나 이상의 작업 경계에 대한 수술 도구(58)의 위치, 배향, 포즈, 속도 또는 가속도일 수 있다. 이 관계는 추가로 하나 이상의 작업 경계에 대한 수술 도구(58)의 위치, 배향, 포즈, 속도 및 가속도의 임의의 조합일 수 있다. 수술 도구(58)와 작업 경계 사이의 "관계"는 수술 도구(58)와 작업 경계 사이의 또 다른 관계에 따른 양 또는 측정을 지칭할 수 있다. 즉, "관계"는 또 다른 관계의 기능일 수 있다. 구체적인 예로서, 수술 도구(58)와 작업 경계 사이의 "관계"는 수술 도구(58)와 작업 경계 사이의 위치 관계에 의해 발생된 햅틱 힘의 크기 일 수 있다.
수술 중에, 외과 의사는 햅틱 장치(60)를 조작하여 그 장치에 결합된 수술 도구(58)를 안내한다. 수술 시스템(100)은 햅틱 장치(60)를 통해 사용자에게 햅틱 피드백을 제공하여, 대퇴골 및 경골 임플란트의 이식을 용이하게 하는데 필요한 계획된 구멍, 절단부 또는 다른 변형을 생성하는 동안 외과 의사를 돕는다. 예를 들어, 수술 시스템(100)은 수술 도구(58)가 작업 경계를 가로지르는 것을 실질적으로 방지하거나 제한함으로써 외과 의사를 보조할 수 있다. 수술 시스템(100)은 촉각 피드백을 제공함으로써, 힘 피드백을 제공함으로써, 및/또는 수술 도구에 제공된 전력량을 변경함으로써, 햅틱 피드백 메커니즘의 임의의 수 및 조합에 의해 수술 도구가 작업 경계를 넘어가지 못하도록 제한할 수 있다. 여기에 사용된 "제한(Constrain)"은 이동을 제한하려는 경향을 설명하는 데 사용된다. 따라서, 수술 시스템은 수술 도구(58)의 이동을 제한하려는 경향이 있는, 촉각 디바이스(60)에 반대되는 힘을 인가하여 수술 도구(58)를 직접적으로 제한할 수 있다. 수술 시스템은 또한 사용자에게 그의 동작을 변경하라고 경고하기 위해 촉각 피드백을 제공함으로써 수술 도구(58)를 간접적으로 제한할 수 있으며, 사용자가 그의 행동을 변경하도록 경고하는 것이 수술 도구(58)의 움직임을 제한하는 경향이 있기 때문이다. 또 다른 실시예에서, 수술 시스템(100)은 수술 도구(58)에 대한 전력을 제한함으로써 수술 도구(58)를 제한할 수 있으며, 수술 도구(58)는 다시 도구의 움직임을 제한하는 경향이 있다.
다양한 실시예에서, 수술 도구(58)가 작업의 경계에 접근함에 따라 작업 경계와 수술 도구(58)의 접촉 시에, 및/또는 수술 도구가 미리결정된 깊이까지 작업 경계를 뚫은 후에, 수술 시스템(100)은 사용자에게 촉각 피드백을 제공한다. 외과의사는 햅틱 디바이스의 추가의 움직임에 저항하거나 능동적으로 반대하는 렌치로서, 또는 햅틱 디바이스의 추가의 움직임을 실질적으로 방지하는 견고한 "벽"으로서, 진동과 같은 햅틱 피드백을 경험할 수 있다. 대안으로, 사용자는 수술 도구(58)에 제공된 전력의 변경에 의한 촉감(예를 들어, 진동의 변화), 또는 도구에 제공되는 전력의 중단에 의한 촉감으로서 햅틱 피드백을 경험할 수 있다. 수술 도구(58)가 드릴링, 절단 또는 그 외에 뼈에 집적 작업할 때 수술 도구에 대한 전력이 변경되거나 중단되면, 외과 의사는 도구가 더 이상 드릴링, 제거 또는 뼈를 통한 그 외 작업을 할 수 없기 때문에 추가 이동에 대한 저항의 형태로 햅틱 피드백을 느낄 것이다. 일 실시예에서, 수술 도구(58)와 작업 경계 사이의 접촉시 수술 도구에 대한 전력이 변경되거나(예, 도구에 대한 전력이 감소됨) 정지된다(예, 도구가 작동 불능됨). 대안으로, 수술 도구(58)가 작업 경계에 접근함에 따라 수술 도구(58)에 제공된 전력이 변경될 수 있다(예, 감소된).
다른 실시예에서, 수술 시스템(100)은 외과 의사가 수술 도구(58)를 작업 경계를 향하여 또는 작업 경계를 따라 안내하도록 햅틱 피드백을 제공함으로써 계획된 구멍, 절단 및 뼈에 대한 다른 변경을 생성하는 것을 보조할 수 있다. 일례로서, 수술 시스템(100)은 수술 도구(58)의 팁과 작업 경계의 최단 좌표 사이의 위치 관계에 기초하여 햅틱 디바이스(60)에 힘을 제공 할 수 있다. 이러한 힘은 수술 도구(58)가 최근접 작업 경계에 접근하도록 한다. 수술 도구(58)가 작업 경계에 실질적으로 근접하거나 접촉할 때, 수술 시스템(100)은 수술 도구(58)가 작업 경계의 일부를 따라 움직이도록 안내하는 경향이 있는 힘을 가할 수 있다. 다른 실시예에서, 힘은 수술 도구(58)가 작업 경계의 일 부분으로부터 작업 경계의 다른 부분으로(예를 들어, 작업 경계의 깔대기-형상 부분으로부터 작업 경계의 장방형 박스-형상 부분으로) 이동하도록 안내하는 경향이 있다.
또 다른 실시예에서, 수술 시스템(100)은 수술 도구를 하나의 작업 경계로부터 다른 작업 경계로 안내하는 햅틱 피드백을 제공함으로써 외과 의사가 뼈에 대해 계획된 구멍, 절단 및 수정을 생성하는 것을 보조하도록 구성된다. 예를 들어, 사용자가 수술 도구(58)를 작업 경계(66)를 향하여 안내하는 때에 외과 의사는 수술 도구(58)를 작업 경계(66)를 향하여 끌어 당기려고 하는 힘을 경험할 수 있다. 사용자가 후속하여 작업 경계(66)에 의해 둘러싸인 공간으로부터 수술 도구(58)를 제거하고, 수술 도구(58)이 제2 작업 경계(미도시)에 근접하도록 햅틱 디바이스(60)를 조작하는 경우에, 외과 의사는 작업 경계(66)로부터 멀어지고 제2 작업 경계를 향하여 밀어지는 힘을 경험할 수 있다.
여기에 설명된 햅틱 피드백은 수술 시스템(100)에 의한 작업 경계에 대한 변경과 함께 동작할 수 있다. 본 명세서에서 "작업 경계(working boundaries)"에 대한 변경으로 논의되었다 할지라도, 수술 시스템(100)은 작업 경계에 대응하는 가상 경계를 변경한다는 것을 이해해야 한다. 작업 경계를 변정하는 몇 가지 예는 다음과 같다: 1) 작업 경계의 재구성(예: 모양 또는 크기의 변경), 및 2) 작업 경계 전체 또는 작업 경계의 일부의 활성화 및 비활성화(예: "개방" 부분을 "활성" 표면으로 변환하고 "활성" 표면을 "개방" 부분으로 변환함). 햅틱 피드백과 유사하게 작업 경계에 대한 변경은 수술 도구(58)와 하나 이상의 작업 경계 사이의 관계에 기초한 수술 시스템(100)에 의해 수행될 수 있다. 작업 경계에 대한 변경은 수술 도구(58)에 의해 뼈의 절단 및 뼈를 향해 수술 도구(58)의 이동과 같은 다양한 작업을 용이하게 함으로써 사용자가 관절성형 절차 동안 요구되는 구멍 및 절단부를 형성하는데 추가적으로 도움을 준다.
일 실시예에서, 작업 경계에 대한 변경은 수술 도구(58)의 뼈(10)를 향한 이동을 용이하게 한다. 수술 절차 동안, 환자의 해부학적 구조가 네비게이션 시스템에 의해 추적되기 때문에, 수술 시스템(100)은 환자의 해부학적 구조의 움직임에 대응하여 작업 경계(66)의 전체를 이동시킨다. 이러한 베이스라인 이동 이외에도, 작업 경계(66)의 부분은 수술 도구(58)가 뼈(10)를 향해 이동하는 것을 용이하게 하도록 재형상 및/또는 재구성 될 수 있다. 한 예로서, 수술 시스템은 수술 도구(58) 및 작업 경계(66) 사이의 관계에 기초하여, 수술 절차 중에 작업 경계(66)의 깔때기-형상 부분(66b)을 장방형 박스-형상 부분(66a)에 비하여 기울일 수 있다. 작업 경계(66)는 따라서 수술 도구(58)가 뼈(10)에 접근함에 따라 수술 도구(58)가 작업 경계(66)의 부분(66b)에 의해 둘러싸인 공간 내에 유지되도록 수술 절차 중에 동적으로 변경될 수 있다.
다른 실시예에서, 작업 경계 또는 작업 경계의 일부가 활성화 및 비활성화된다. 전체 작업 경계의 활성화 및 비활성화는 수술 도구(58)가 뼈(10 )에 접근할 때 사용자를 도울 수 있다. 예를 들어, 제2 작업 경계(도시되지 않음)는 외과 의사가 제1 작업 경계(66 )에 접근하거나 또는 수술 도구(58)가 제1 작업 경계(66)에 의해 둘러싸인 공간 내에 있을 때 비활성화 될 수 있다. 유사하게, 제1 작업 경계(66)는 외과 의사가 대응하는 제1 절제의 생성을 완료하고 제2 절제를 생성할 준비가 된 후에 비활성화 될 수 있다. 일 실시예에서, 수술 도구(58)가 제2 작업 경계로 이끄는 깔대기 부분 내의 영역에 진입하지만 제1 깔대기 부분(66b)의 외측에 여전히 정지한 후 비활성화 될 수 있다. 작업 경계의 일부를 활성화하면 이전의 개방 부분(예: 개방 상부(67))이 작업 경계의 활성 표면으로 변환된다. 대조적으로, 작업 경계의 부분을 비활성화하는 것은 작업 경계의 이전의 활성 표면(예, 작업 경계(66)의 단부(66c))를 "개방" 부분으로 변환한다.
전체 작업 경계 또는 그들의 부분의 활성화 및 비활성화는 수술 절차 중에 수술 시스템(100)에 의해 동적으로 수행될 수 있다. 다시 말해서, 수술 시스템(100)은 수술 절차 동안 가상 경계 또는 가상 경계의 부분의 활성화 및 비활성화를 트리거하는 요인 및 관계의 존재를 결정하도록 프로그램 될 수 있다. 다른 실시예에서, 사용자는 관절성형 절차의 다양한 단계의 시작 또는 완료를 표시하기 위해 수술 시스템(100)과 상호 작용할 수 있어서(즉, 입력 장치(52)를 사용하여), 작업 경계 또는 그 부분이 활성화 또는 비활성화되도록 트리거할 수 있다.
전술한 바와 같은 수술 시스템(100)의 동작 및 기능에 비추어, 이제 수술 시스템(100)을 통해 수행될 수술을 수술 전에 계획하는 방법과, 그 다음 환자의 실제 뼈 및 수술 시스템(100)의 이용가능한 구성요소에 수술 전 계획을 등록하는 방법에 대한 상세한 설명을 할 것이다.
햅틱 디바이스(60)는 다양한 절제, 드릴 구멍 등을 수행하도록 외과 의사에 의해 조작되기 때문에 외과 보조 디바이스 또는 도구로서 기재될 수 있다. 특정 실시예에서, 디바이스(60)는 보조하는 외과 의사와 대조적으로 자율 로봇일 수 있다. 즉, 햅틱 경계와 대조적으로 도구 경로가 뼈와 드릴링 구멍을 절제하기 위해 정의될 수 있는데, 이는 자율 로봇이 햅틱 피드백을 필요로 하지 않도록 미리 결정된 도구 경로를 따라서만 동작 할 수 있기 때문이다. 특정 실시 예에서, 디바이스(60)는 네비게이션 시스템(42)과 함께 작동하는 적어도 하나의 자유도를 갖는 절단 디바이스 일 수 있다. 예를 들어, 절단 도구는 도구 상에 트래커(traker)를 갖는 회전 버(rotating burr)를 포함할 수 있다. 절단 도구는 외과 의사가 자유롭게 조작하고 휴대할 수 있다. 이러한 경우에, 햅틱 피드백은 가상 경계를 만났을 때 회전을 멈추는 버로 제한될 수 있다. 이와 같이, 디바이스(60)는 본원에 기술된 임의의 디바이스 뿐만 아니라 다른 것들을 포함하는 것으로 광범위하게 간주되어야 한다.
II. 관절성형 절차의 수술 전 계획
본원에 개시된 수술 전 계획 프로세스는 골 절제 깊이 결정 및 전측 축 노칭 평가를 포함한다. 골 절제 깊이 결정은 환자의 원위 대퇴골 및 근위 경골의 삼차원 컴퓨터 모델에 대한 후보 대퇴골 및 경골 임플란트의 삼차원 컴퓨터 모델을 선택하고 위치 설정하여 관절성형 절차에 대한 원하는 수술 결과를 달성할 수 있는 임플란트의 위치 및 배향을 결정한다. 이 평가의 일부로, 필요한 경골 및 대퇴 절제의 깊이가 해당 절제면의 배향과 함께 계산된다.
전측 샤프트 노칭 평가는 임플란트 삼차원 모델이 위치되고 결 절제 깊이 결정 동안 제안되는 대퇴골 삼차원 모델에 상대적으로 배향될 때 선택된 대퇴 임플란트의 삼차원 모델의 전측 플랜지부이 환자의 원위 대퇴골의 삼차원 모델의 전측 샤프트와 교차할 것인지 여부를 결정하는 것을 포함한다. 두 모델의 이러한 교차점은 피해야 하는 전측 대퇴 샤프트의 노칭을 나타낸다.
이 두 가지 수술 전 계획 프로세스는 이하 자세히 설명되어 있다.
A. 골 절제 깊이
도 4a 및 도 4b는 각각 일반 경골(200)의 근위 단부 및 일반 대퇴골(202)의 원위 단부의 삼차원 컴퓨터 모델(200, 202)을 도시한다. 특정 실시예에서, 각각의 삼차원 모델은 크기 및 형태 둘 다에 따라 각각의 뼈 유형의 통계적 평균을 나타낸다. 예를 들어, 일 실시예에서, 일반적인 경골 모델(200)은 다수의(예를 들어, 수천 또는 수만 개) 실제 경골의 의료 이미지(예를 들어, CT, MRI, X-레이 등)의 크기 및 형상과 관련한 분석의 결과이고, 이 분석은 많은 실제 경골의 통계적 평균인 일반 경골 모델(200)을 생성하는 데 사용된다. 유사하게, 일반 대퇴골 모델(202)은 크기 및 형상와 관련하여 다수(예를 들어, 수천 또는 수만)의 실제 대퇴골의 의료 이미지(예: CT, MRI, X-선 등)의 분석의 결과이고, 이 분석은 많은 실제 대퇴골들의 통계적 평균인 일반 대퇴골 모델(202)을 생성하는데 사용된다.
특정 실시예에서, 각각의 삼차원 모델은 뼈의 라이브러리 또는 카탈로그로부터 무작위로 선택된 뼈를 나타낸다. 뼈 라이브러리는 실제 뼈(예: 사체)의 컴퓨터 모델 및/또는 의료용 골 모델의 컴퓨터 모델 등이 포함될 수 있다. 모델(200, 202)은 본 발명의 목적을 위한 임의의 골 모델 일 수 있지만, 크기 및 형상에 따라 각각 경골 및 대퇴골의 통계적 평균을 나타내는 일반 경골(200) 및 일반 대퇴골(202)을 참조 할 것이다. 도 4a에서, 타겟 지점(204, 208)이 일반 경골 모델(200) 상에서 식별된다. 특정 실시 태양에서, 도 4a에 도시된 바와 같이, 경골 외측 관절구 리세스(206) 상의 가장 원위의 리세스된 지점(204)과 경골 내측 관절구 리세스(210) 상의 가장 원위의 리세스된 지점(208)은 일반 경골 모델(200)과 함께 식별되고 전자적으로 저장된다. 이러한 가장 원위인 리세스된 경골 관절구 지점(204, 208)은 전형적으로 각각의 경골 관절구 리세스(206, 210)에서 내측-외측으로 및 전측-후측으로 중심이 맞춰질 것이다. 가장 원위의 리세스된 경골 관절구 지점(204, 208)는 도 4a에 도시된 바와 같이 원형 또는 구형 지점들로서 일반 경골 모델(200) 상에 기재될 수 있다. 특정 실시예에서, 타겟 지점(204, 208)은 경골 모델(200)의 다른 부분 상에 위치될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 타겟 지점(204, 208)은 일반 경골 모델(200) 상에서 가장 근위로 드러나게 높거나(proud) 가장 근위로 연장되는 지점일 수 있다. 또한, 특정 실시예에서, 타겟 지점(204, 208)은 관절구의 중심, 또는 전측 에지로부터 소정의 분율(예를 들어, 2/3)에 위치하는 지점일 수 있으며, 이는 일반 경골 모델(200) 상에 이식되는 경골 인서트 상의 저 지점(insert)을 나타낼 수 있다. 이들 및 다른 지점(204, 208)은 본 개시의 범위를 벗어나지 않는 한 가능하다. 본 개시의 목적을 위해, 경골 외측 관절구 리세스(206) 상의 가장 원위의 리세스된 지점(204) 및 경골 내측 관절구 리세스(210) 상의 가장 원위의 리세스된 지점(208)이 참조 될 것이다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 대퇴부 내측 관절구(216) 상의 가장 원위 지점(212) 및 가장 후측 지점(214)과, 대퇴부 내측 관절구(222) 상의 가장 원위 지점(218) 및 가장 후측 지점(220)이 일반 대퇴골 모델(202)과 함께 식별되고 전자적으로 저장된다. 가장 원위 대퇴부 관절구 지점(212, 218) 및 가장 후측 대퇴부 관절구 지점(214, 220)은 도 4b에 도시된 바와 같이 원형 또는 구형 지점으로서 일반 대퇴골 모델(202) 상에 도시될 수 있다. 도 4B에 도시된 바와 같이, 모델(202)이 시상면에서 0도 회전 할 때 원위 지점(212, 218) 및 후측 지점(214, 220)은 일반 대퇴골 모델(202) 상에서 식별된다. 즉, 대퇴골 모델(202)은 굽혀지지 않은 위치 또는 배향으로 있다. 그러나, 일반 대퇴골 모델(202)은 대퇴골 상에 이식될 대퇴부 구성요소의 계획된 굴곡을 위해 조정되도록 시상면에서 회전될 수 있다. 특정 실시예에서, 일반 대퇴골 모델(202)은 시상면에서 다른 각도들 중에서 2도 회전될 수 있고, 원위 지점들(212, 218) 및 후측 지점들(214, 220)은 이렇게 굴곡된 배향으로 모델(202) 상에서 식별 될 수 있다.
수술 시스템의 개관에서 전술한 바와 같이, 환자 경골 및 대퇴골의 의료 이미지는 세분화되고 그 후 환자 경골 및 대퇴골의 삼차원 메쉬 또는 컴퓨터 모델로 컴파일링된다. 도 5a-5c는 각각 환자 경골의 삼차원 컴퓨터 모델(즉, 환자 경골 모델(224))의 근위 단부의 관상면, 축 또는 횡 방향면 및 시상면을 도시하고, 도 6a-6c는 각각 환자 대퇴골의 삼차원 컴퓨터 모델(즉, 환자 대퇴골 모델(226))의 원위 단부의 관상면, 축 또는 횡 방향면 및 시상면을 도시한다. 환자 경골 및 대퇴골의 삼차원 컴퓨터 모델은 의료 이미지(예, CT, MRI)을 분할하여 생성되는 것으로 설명되지만, 환자 모델을 생성하는 다른 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 환자의 골 모델 또는 그것의 부분은 뼈의 하나 이상의 영역에 뼈 또는 연골 표면을 등록함으로써 수술 중 생성될 수 있다. 이러한 프로세스는 하나 이상의 뼈 표면 프로파일을 생성할 수 있다. 따라서, 본원에 기술된 다양한 방법은 분할된 의료 이미지(예를 들어, CT, MRI) 및 수술 중 이미징 방법 등으로부터 생성된 삼차원 골 모델을 포함하려는 의도이다.
1.
환자 경골 모델 상의 가장 원위의 리세스된 경골 관절구 지점의 미세 조정
도 4a 및 도 5a-5c의 비교로부터 알 수 있는 바와 같이, 일반 경골 모델(200)의 가장 원위의 리세스된 경골 관절구 지점(204,208)은 환자 경골 모델(224)의 대응하는 위치에 임포트되거나 매핑되었다. 아핀 변환(affine transformation)이 지점(204, 208)을 일반 경골 모델(200)에서 환자 경골 모델(224)로 매핑하는데 사용된다. 보다 상세하게는, 일반 경골 모델(200)로부터의 타겟 지점(204, 208)이, 이미 계산된 아핀 변환을 이용하여 타겟 지점(204, 208)을 먼저 변환한 다음 각각의 변형된 지점으로부터 환자 경골 모델(224)의 분할된 표면으로의 최근접 표면 지점을 발견함으로써 환자 경골 모델(224)로 매핑된다. 그 결과 도 5a-5c에서 이해될 수 있는 바와 같이, 가장 원위의 리세스된 경골 관절구 지점(204, 208)은 환자 경골 모델(224)의 외측 및 내측 경골 관절구 상의 가장 원위의 리세스된 위치에 또는 그 위치에 매우 근접하게 위치되게 된다. 일부 실시예 및 예에서, 지점(204, 208)의 위치는 일반 및 환자 모델(200, 224) 사이의 내측-외측 스케일링 인자에 따라 스케일링 될 수 있다. 유사하게 변형 프로세스가 관절구의 중심, 가장 근위의 드러나는 외측 관절구 등과 같이 이미 언급된 대안의 타겟 지점(204, 208)으로 완수될 수 있다. 일반적으로, 일반 골 모델상의 임의의 타겟 지점(들)은, 환자 특정 골 모델 상의 원하는 위치에 또는 그 위치에 매우 근접하게 타겟 지점(204, 208)이 위치되도록 환자 특정 골 모델로 변형될 수 있다.
일반 모델(200) 및 환자 경골 모델(224)은 초기 정렬을 돕기 위해 공통 좌표계를 공유 할 수 있음을 알아야 한다. 환자 경골 모델(224)의 기점(origin)은 CT 표식 프로세스에 의해 정의되는 경골의 상부 중심일 수 있다. 시스템 또는 사용자는 이러한 지점을 정의할 수 있다. 일반 모델(200)은 환자 경골 모델(224)에 대해 행해진 것과 동일한 방식으로 시스템 또는 사용자에 의해 선택된 미리정의된 기점을 가질 수 있다.
원위의 리세스된 경골 관절구 지점(204, 208)의 미세 조정은 환자 경골 모델(224) 상의 실제 국부 최소값을 식별하고, 에지 위치(예를 들어, 전측 에지)를 식별하고, 접선 지점(tangential point)을 식별하고, 표면이 특정 경사와 매칭하는 지점을 찾는 것에 의해 완수될 수 있다. 원위의 리세스된 경골 관절구 지점(204, 208)의 부가적 또는 대안적 미세 조정이 대퇴골에 대해 기재된 유사한 방법 및 기능을 사용할 수 있다.
환자 경골 모델(224) 및 그 위의 지점들(204, 208)는 회전되고 이동될 수 있는 삼차원 컴퓨터 모델로서 디스플레이(54) 상에 묘사될 수 있다. 부가적 또는 대안으로, 환자 경골 모델(224) 및 그 위의 지점(204, 208)은 도 5a-5c에 각각 도시된 바와 같은 3개의 상이한 시야, 즉 관상면, 축 또는 횡 방향면 및 시상면으로 디스플레이(54) 상에 묘사 될 수 있다. 지점(204, 208) 중 하나 이상이 모델(224)의 뼈 구조에 의해 숨겨지는 경우, 예를 들어, 도 5a 및 도 5c의 경우에서 처럼, 숨겨진 지점(204, 208)은 그 지점이 존재하지만 시야 내의 일부 뼈 구조 뒤에 위치하는 것을 나타내는 반투명 또는 다른 묘사법로 묘사될 수 있다. 특정 실시예에서 지점(204, 208) 중 하나 이상이 모델(224)의 뼈 구조에 의해 숨겨지며, 여기서 뼈 모형(224)은 반투명하게 도시될 수 있으므로, 지점(204, 208)은 폐색(occluding) 뼈 구조 뒤에서 식별 가능하다. 지점(204, 208) 중 하나 이상이 시야 내에서 완전히 보이는 경우(즉, 모델(224)의 뼈 구조에 의해 숨겨지지 않는 경우), 도 5b의 경우에서와 같이, 가시 지점(204, 208)은 지점들이 모델(224)의 뼈 구조에 의해 숨겨지지는 않지만 시야에서 완전히 보일 수 있음을 나타내는 진하게 완전히 보이는 지점으로서 묘사될 수 있다.
이들 지점(204, 208)은 환자 경골 모델(224) 상에 적절하게 위치되는 때에, (선택된 대퇴골 임플란트와 함께) 선택된 경골 임플란트를 허용할 환자 경골에 대한 골 절제의 깊이를 계산하는데 사용되는 골 절제 깊이 지점으로서 제공될 수 있어서, 실제 임플란트가 본원에 기술된 바와 같이 수술 전 계획된 관절성형 절차의 일부로서 환자의 경골 및 대퇴골에 이식되는 경우에 원하는 수술 결과를 달성한다.
가장 원위의 리세스된 경골 관절구 지점(204, 208)과 같은 타겟 지점이 전술한 바와 같이 환자 경골 모델(224)에 적절히 위치되면, 이들 지점(204, 208)은 후보 경골 임플란트(300)의 삼차원 컴퓨터 모델, 또는 그러한 임플란트(300)와 연관된 데이터와 함께 사용될 수 있어서, 실제 관절성형 절차 중에 실제 환자의 뼈에 실제 경골 임플란트를 이식하는 것으로부터의 원하는 수술 결과를 달성하도록 실제 경골 임플란트를 수신하기 위하여 실제 환자 뼈에서 이루어진 필요가 있는 연관된 골 절제를 수술 전에 계산한다.
도 11은 경골 고평부(304)의 원위로 반대쪽인 골 절제 접촉면(302)을 도시하는, 후보 경골 임플란트(즉, 경골 임플란트 모델(300))의 삼차원 컴퓨터 모델의 원위-전측 시야이다. 환자 경골의 삼차원 컴퓨터 모델(즉, 환자 경골 모델(224))의 근위 단부 상에 중첩된 경골 임플란트 모델(300)의 관상면, 축 또는 횡 방향면 및 시상면을 각각 도시하는 도 12a-12c로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 지점(204, 208) 중 하나 또는 둘 다 임플란트 모델(300)의 경골 고평부(304)의 관절 표면 상의 유사하거나 동등한 가장 원위인 리세스된 경골 관절구 지점 또는 영역과 정렬될 수 있으며, 그에 따라 임플란트 모델(300)의 골 절제 접촉면(302)에 따라 연장되는 제안된 경골 절제(306)를 규정할 수 있다. 규정된 제안 경골 절제(306)는 절제 깊이 및 평면 배향에 따라 규정된다. 물론, 규정된 제안 경골 절제(306)는 지점(204, 208)에 대해 절제 깊이를 원위 또는 근위로 변경함으로써 수술 전 및/또는 일부 실시예에서는 수술 중에 외과 의사 입력에 의해 조정되거나 수정될 수 있으며, 후보 경골 임플란트 모델(300)의 크기를 보다 작거나 큰 크기로 변경하거나, 제안된 절제(306)의 평면 배향을 원하는 내반슬-외반슬, 내측-외측 또는 연장-굴곡 회전을 고려하여 변화시켜, 해부학적 (자연적) 정렬을 추구하는지 또는 종래의 기게적 축 정렬을 추구하는지에 따라, 두 지점(204, 208) 또는 하나의 지점(204, 208)이 임플란트 모델(300)의 경골 고평부(304)의 외측 및 내측 관절 표면 상의 유사한 지점에 대응하도록 한다.
또한, 도 12a-12c는 단지 하나의 지점(204, 208)이 임플란트 모델(300)의 경골 고평부(304)의 관절 표면 중 하나 상의 유사한 지점 또는 영역과 정렬되는 상황을 예시한다. 예를 들어, 도 12a 및 12c에 도시된 바와 같이, 외측 지점(204)은 임플란트 모델(300)의 경골 고평부(304)의 외측 관절 표면 상의 유사한 지점 또는 영역과 정렬되지만, 내측 지점(208)은 임플란트 모델(300)의 내측 고평부 상의 유사한 지점 또는 영역과 정렬되지 않는다. 따라서, 도 12b에서 알 수 있는 바와 같이, 내측 지점(208)은 임플란트 모델(300)의 체적 내에 리세스되어 있기 때문에 컴퓨터 디스플레이(54) 상에 투명한 것으로 드러나는 식으로 점선으로 도시되고, 외측 지점(208)은 임플란트 모델(300)의 경골 고평부의 외측 관절 표면 상에 있기 때문에 컴퓨터 디스플레이 상에 진하게 드러나는 식으로 표현되는 진한 원으로서 도시된다. 경골 임플란트 모델(300)은 투명하게 묘사되어서 절제 깊이가 임플란트 모델(300)을 통해 보일 수 있음을 이해해야 한다. 그리고 나서, 외측에 있도록 나타나는 지점들의 오직 단일 매칭만으로, 임플란트 모델(300)의 골 절제 접촉면(302)의 배향 및 결과적으로 제안된 절제면(306)의 배향이 결정되며, 이는 예를 들어 경골 기계적 축 또는 다리 기계적 축과 같은 환자의 다리, 대퇴골 또는 경골의 축에 비하여 제안된 절제면(306)의 원하는 각도를 달성하면서 외측 지점의 매칭을 유지함으로써 결정된다. 일단 외과 의사가 제안된 경골 절제면(306)의 깊이 및 배향를 승인하면, 수술 중에 햅틱 디바이스(60)를 안내할 때 내비게이션 시스템에 의한 사용을 위해 수술 시스템(100)에 연관 데이터가 제공될 수 있고, 절제된 환자 경골 모델(224)은, 절제되도록 제안된 것처럼 그리고 제안된 경골 절제(306)를 도시하는 경골 모델(224)의 다양한 시야인 도 15a-15c에 도시된 바와 같이 수술 중에 외과 의사에게 표시될 수 있다.
도 15A-15C는 절제를 제안한 경골 모델(224)의 다양한 도면이며 제안 된 경추 절제(306)를 도시한다.
제안된 경골 절제면(306)을 규정하는 전술한 논의는 경골 모델(224) 상에 후보 경골 임플란트(300)를 중첩시키고 시스템(100)의 컴퓨터 디스플레이(54) 상에 시각적으로 그러한 중첩을 나타내는 맥락에서 이루어졌지만, 다른 실시예에서 컴퓨터 디스플레이(54) 상에 후보 경골 임플란트의 삼차원 표현 또는 그것의 실제 시각적 표현을 요구하지 않고, 후보 경골 임플란트(300)를 나타내는 데이터에 의해 이러한 프로세스가 발생될 수 있다.
2.
환자 대퇴골 모델 상의 최후측 및 및 최원위 대퇴부 관절구 지점의 미세 조정
도 4b 및 도 6a-6c에서 이해되는 바와 같이, 일반 대퇴부 모델(202)의 가장 원위의 대퇴골 관절구 지점(212, 218) 및 가장 후측 대퇴골 관절구 지점(214, 220)이 환자 대퇴골 모델(226)의 대응하는 위치에 임포트되거나 매핑된다. 경골 변환을 참조하여 논의된 바와 같이, 아핀 변환은 지점들(212, 214, 218, 220)을 일반 대퇴골 모델(202)로부터 환자 대퇴골 모델(226)로 매핑하는데 사용된다. 그 결과 그리고 도 6a-6c에서 이해되는 바와 같이, 가장 원위인 대퇴부 관절구 지점(212, 218)은 환자 대퇴골 모델(226)의 외측 및 내측 대퇴부 관절구 상에서 가장 후측 위치에 또는 그 위치에 배우 근접하게 위치되게 된다. 유사하게, 가장 후측 대퇴부 관절구 지점(214, 220)은 환자 대퇴골 모델(226)의 외측 및 내측 대퇴부 관절구 상의 가장 후측 위치에 또는 그 위치에 매우 근접하게 위치하게 된다. 일부 실시예에서, 지점들(212, 214, 218, 220)의 위치는 일반 및 환자 모델(202, 226) 사이의 내측-외측 스케일링 인자에 따라 스케일링 될 수 있다. 일부 실시예들 및 예시에서, 아핀 변환은 스케일링 기능을 통합할 수 있다.
일반 모델(202) 및 환자 대퇴골 모델(226)은 초기 정렬을 돕기 위해 공통 좌표계를 공유할 수 있음을 알아야 한다. 총 무릎 관절성형을 위한 대퇴골 모델(226)의 기점은 CT 표식 과정에 의해 규정된 바와 같이 원위 활차구 홈일 수 있다. 부분 무릎 관절 성형을 위한 환자 대퇴골 모델(226)의 기점은 CT 표식 과정에 의해 규정된 바와 같이 내측 및 외측 관절융기(epicondyle) 사이의 중간이 중심일 수 있다. 시스템 또는 사용자는 이러한 지점을 규정할 수 있다. 일반 모델(202)은 환자 대퇴골 모델(226)에 대해 행해진 것과 동일한 방식으로 시스템 또는 사용자에 의해 선택된 미리결정된 기점을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 대퇴골 관절구 표면 상의 "가장 원위" 및 "가장 후측" 지점들은 외과 의사에 의해 검토되고 지시된 대로 2도의 굴곡 또는 다른 각도의 굴곡으로 배치된 대퇴부 임플란트의 의미로 사용된다. 또한, 경골 모델(224)의 임의의 지점(204, 208) 또는 대퇴골 모델(226)의 지점들(212, 214, 218, 220)에 대해, 이들 지점이 골증식체 또는 수술 전 계획에서 외과 의사가 참조하거나 사용하려고 하지 않는 모델 상의 임의의 다른 표면 상에는 배치되지 않아야 한다. 지점들(204, 208, 212, 214, 218, 220)이 골증식체에 놓여 있는지의 여부를 결정하는 것은 이하에서 논의 될 것이다.
지점(212, 214, 218, 220)이 아핀 변환을 통해 일반 대퇴골 모델(202)로부터 환자 대퇴골 모델(226)에 초기에 매핑되었다면, 환자 대퇴골 모델(226) 상의 지점들(212, 214, 218, 220)의 위치는 이제 설명하는 바처럼 기능하는 알고리즘을 통해 최종 위치로 조정된다.
가상 임플란트 좌표계는 대퇴부 기계적 축 좌표 공간으로부터 2도 굴곡되어 배치된다. 이 좌표계의 전측-후측 및 근위-원위 방향은 대퇴골 절제 깊이 지점에 대한 다음 논의에서 사용된다.
도 7 및 도 8에 대해 다음에서 바로 상세히 설명되는 바와 같이, 2개의 후측 지점(214, 220) 각각에 대해, 알고리즘은 각각 지점(214, 220)의 초기 위치 주위에서 검색을 수행하고, 각 지점(214, 220)의 최종 조정 위치는 각 지점(214, 220)의 초기 위치에 또는 초기 위치 부근에 중심이 맞추어진 구체를 가로지르는 모든 삼각형 표면 메쉬면 중 가장 후측 정점이 되도록 결정된다. 일 실시예에서, 환자 대퇴골 모델(226)이 내측-외측 크기에 대해 일반 대퇴골 모델(202)과 실질적으로 매칭된다면, 구체(230)의 반경은 7 밀리미터이다. 환자 대퇴골 모델(226)과 일반 대퇴골 모델(202) 사이의 내측-외측 크기 차이로 인해 스케일링이 필요하다면, 구체(230)는 두 모델(202, 226) 사이의 스케일링에 따라 반경이 7 밀리미터보다 크게 또는 작게 스케일링될 수 있다.
따라서, 삼차원 환자 대퇴골 컴퓨터 모델(226)의 후측 과두 영역의 삼각형 표면 메쉬(228)의 확대도 및 매핑된 후측 지점(214, 214)의 배치를 조정하는 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도인 도 7 및 도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, 후측 지점(214, 220)은 일반 대퇴골 모델(202)로부터 환자 대퇴골 모델(226)의 관절구에 매핑된다[블록 250]. 내측-외측 및 전측-후측 스케일링 인자는 일반 대퇴골 모델(202)과 환자 대퇴골 모델(226) 사이에서 결정되며, 이들 스케일링 인자는 나중에 사용하기 위해 저장된다[블록 252]. 환자 대퇴골 모델 상의 각각의 후측 지점(214, 220)에 대해, 내측-외측 스케일링 인자를 7 mm에 곱한 반경 R을 갖는 가상 구체(230)는 지점(214, 220)을 중심으로 맞추게 된다[블록254].
도 7에 도시된 바와 같이, 일반 대퇴골 모델(202)로부터 환자 대퇴골 모델(226) 상으로 매핑된 후측 지점(214)의 초기 위치는 화살표 A로 표시된 위치에 표시된다. 도 7에서, 후측 지점(214)은 아핀 변환에 의해 계산된 바와 같이 표면 메쉬(228) 상에 위치된다. 그러나, 다른 변환의 경우, 지점(214)은 삼각형 표면 메쉬(228)로부터 외향으로 이격되거나 삼각형 표면 메쉬(228) 내에서 리세스될 수 있다. 후측 지점(214)의 화살표 A의 초기 위치는, 위에서 논의된 바와 같이, 2개의 모델(202, 226) 사이의 M-L 스케일링에 따라 7 밀리미터 또는 다른 반경을 가질 수 있는 구체(230)에 의해 둘러싸여있다. 구체(230)는 다수의 삼각형면(232) 및 표면 메쉬(228)의 정점들과 교차하며, 알고리즘은 점선 화살표로 표시된 바와 같이 후측 지점(214)을 구체(230)에 의해 교차된 임의의 삼각형면(232)의 임의의 정점 중 가장 후측인 정점으로 조정(즉, 이동)시킨다[블록 256]. 최종적으로 환자 대퇴골 모델(226) 상의 후측 지점(214)의 조정된 최종 위치는 도 7의 화살표 B로 표시된다. 이후 후측 절제 깊이는 후측 지점(214)의 조정된 최종 위치에 기초하여 결정된다[블록 258]. 수술 시스템(100)은 후측 절제 깊이를 사용하여 절제 데이터를 생성 할 수 있다. 절제 데이터는 관절성형 절차의 수술 중 일부분 동안 사용될 수 있으며 햅틱 디바이스(60) 또는 수술용 로봇을 제어하기 위한 햅틱 경계로서 사용될 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로, 절제 데이터는 관절성형 절차 동안 수술용 로봇에 의해 이용 될 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로, 절제 데이터는 관절성형 절차 중에 네비게이션 시스템에 의해 이용될 수 있다. 네비게이션 시스템은 관절성형 절차를 수행하는데 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스와 함께 동작할 수 있다. 적어도 2 개의 자유도(예를 들어, 회전하는 버 및 병진 기능(translation capabilities))를 갖는 절단 디바이스와 같은 자율 로봇은 절제를 수행하기 위한 도구 경로로서 이용되는 절제 데이터로 관절성형 절차를 수행 할 수 있다. 본원에 설명된 햅틱 디바이스(60) 또는 적어도 하나의 자유도(예를 들어, 외과 의사에 의해 이동되거나 움직이는 회전 버어)를 갖는 절단 도구와 같은, 외과 보조 디바이스는 절단 도구의 특정 이동을 제어하거나 제한하기 위한 가상 또는 햅틱 경계인 절제 데이터(예, 절제의 깊이)로 관절성형 절차를 수행할 수 있다. 따라서, 도 8의 단계는 환자 뼈에 대한 관절성형 절차를 계획하는데 사용하기 위한 절제면 데이터를 생성하는 방법을 기술한다.
본 명세서에서는 구체(230)가 설명되었지만, 구체 대신에 다른 삼차원 형상이 사용될 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 다른 삼차원 형상 중에서 타원체, 프리즘 또는 박스가 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 제한없이 사용될 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로, 평면 또는 두께가 없는 표면과 같은 2 차원 형상이 여기서 사용될 수 있다.
환자 대퇴골 모델(226) 상의 가장 후측 지점(214)의 위치를 식별하는 기술은 반복적이지 않지만, 특정 실시예에서, 위치를 찾는 것은 반복적인 프로세스 일 수 있다. 특정 경우에, 후측 말단의 뼈 표면은 비교적 건강하고 질병에 걸리지 않을 수 있다. 따라서, 가장 후측 지점(214)의 위치를 결정하는 것은 비 반복적 방법으로 달성될 수 있다.
도 8-10c와 관련하여 바로 다음 단락에서 상세히 논의된 바와 같이, 2개의 원위 지점(212, 218) 각각에 대해 알고리즘은 각 지점(212, 218)의 초기 위치 주위에서 탐색을 수행하고, 각 지점(212, 218)의 최종 조정 위치는 각 지점(212, 218)의 초기 위치에 또는 그 초기위치에 근접하게 중심이 맞춰진 타원체(240) 내부에 위치된 모든 표면 메쉬 정점 중 가장 원위 정점이 되도록 결정되며, 여기서 X가 내측-외측 방향으로 있고, Y가 전측-후측 방향으로 있고, Z가 근위-원위 방향으로 있다. 알고리즘이 반복을 진행될 수록, 타원체(240)의 크기는 다음에 따라 동적으로 조정된다: (1) 발견된 가장 원위 지점은 타원체(240)의 경계에 근접함; (2) 발견된 지점을 둘러싼 영역의 근위-원위 스팬(span)이 큼 - 그 지점이 관절구의 내측-외측 에지 또는 골증식체에 근접한 것을 나타냄 -. 최종 최원위 지점(212, 218)을 발견함으로써 그 프로세스가 만족될 때까지 각 타원체 반복 조정이 있은 후에 새로운 원위 지점이 발견된다.
본 발명은 타원체(240)를 기술하지만, 타원체 대신에 다른 삼차원 형상이 사용될 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 다른 삼차원 형상들 중에서 구체, 프리즘 또는 박스가 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 제한없이 사용될 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로, 평면 또는 두께가 없는 표면과 같은 2차원 형상이 여기서 사용될 수 있다.
아래에서 설명하고 바로 언급되는 알고리즘의 동작과 관련하여, 원위 지점이 타원체 경계에 너무 근접하면, 타원체 외부에 더욱 원위인 지점이 존재하고 검색 타원체가 확대된다는 것을 의미한다. 다음의 논의에서 분명해질 것이지만, 이 과정은 본질적으로 검색 볼륨(즉, 아래에 설명된 것처럼 타원체와 나중에 사용된 구체)의 크기와 형상의 일부 변형으로 반복되며, 가장 원위인 지점이 검색 볼륨 내부에 있고 그 에지 상에 있지 않을 때까지 그 프로세스에 대해 검사한다. 또한, 다음의 논의로부터 명백해지는 바와 같이, 프로세스에 대한 검사 중 하나는, 프로세스의 현재 반복의 반-단축(semi-minor axis) RZ가 프로세스의 바로 이전 반복의 반-단축 RZ로부터 가장 원위 지점으로의 과도한 도약을 가진다는 것이다. 그렇다면, 검색 볼륨이 골증식체를 포함한다는 것이 추정된다. 이러한 골증식체에 응답하여, 검색 볼륨은 그 후 과도한 도약의 양만큼 크기가 감소되고 가장 원위 지점이 발견된다.
일 실시예에서, 환자 대퇴골 모델(226)이 내측-외측 크기에 대하여 일반 대퇴골 모델(202)과 실질적으로 일치하는 경우 타원체의 반-단축(Rx 및 Rz)은 같고, 각각 7 밀리미터이다. 환자 대퇴골 모델(226)과 일반 대퇴골 모델(202) 사이의 내측-외측 크기 차이로 인해 스케일링이 필요한 경우, 타원체의 반-단축은 2 개 모델(202, 226) 사이의 M-L 스케일링에 따라 7 밀리미터보다 크게 또는 작게 스케일링 될 수 있다. 유사하게, 타원체의 반-장축(major axis)(Ry)은 환자 대퇴골 모델(226)이 전측-후측 크기에 대하여 일반 대퇴골 모델(202)과 실질적으로 일치하는 경우 10 밀리미터이다. 환자 대퇴골 모델(226)과 일반 대퇴골 모델(202) 사이의 전측-후측 크기 차이로 인해 스케일링이 필요한 경우, 타원체의 반-장축은 두 모델(202, 226) 사이의 A-P 스케일링에 따라 10 밀리미터보다 크거나 작을 수 있다.
따라서, 도 8 및 계속되는 도 9a 및 도 10 - 각각 삼차원 환자 대퇴골 컴퓨터 모델(226)의 원위 과두 영역의 삼각형 표면 메쉬(228)의 확대도, 및 환자 데퇴골 모델(226) 상에 매핑된 원위 지점(212, 218)의 배치를 조정하는 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도임 -으로부터 알 수 있는 바와 같이, 원위 지점(212, 218)이 일반 대퇴골 모델(202)로부터 환자 대퇴골 모델(226)의 관절구에 매핑된다[블록 250]. 내측-외측 및 전측-후측 스케일링 인자는 일반 대퇴골 모델(202)과 환자 대퇴골 모델(226) 사이에서 결정되며, 이들 스케일링 인자는 나중에 사용하기 위해 저장된다[블록 252]. 도 9a에 도시되고 도 10a에 나타난 바와 같이, 환자 대퇴골 모델 상의 각 원위 지점(212, 218)에 대하여, 가상 타원체(240)는 지점(212, 218)에 중심을 맞추며, 이 타원체(240)은 RX, RZ의 반-단축 및 RY의 반-장축을 가지며, 여기서 RX, RZ 는 각각 전측-후측 스케일링 인자와 곱한 7 mm와 같고, RY 는 10 mm 에 전측-후측 스케일링 인자를 곱한 것과 동일하다[블록 260]. 이들 축 RX, RZ 및 RY 는 도 9b에 도시되어 있고, 이는 도 9a에 사용된 타원체(240)의 확대 등각 투영도이다.
도 9a에 도시 된 바와 같이, 일반 대퇴골 모델(202)로부터 환자 대퇴골 모델(226) 상으로 매핑된 원위 지점(212)의 초기 위치는 삼각형 표면 메쉬(228)상의 화살표 A로 불리는 위치에 표시된다. 전술한 바와 같이, 상이한 변형은 채택된 특정 변환에 따라, 삼각형 표면 메쉬(228)로부터 외향으로 이격되거나 삼각형 표면 메쉬(228) 내에 리세스된 초기 원위 지점(212)을 위치시킬 수 있다. 메쉬 표면의 원위 지점(212)의 화살표(A)에서의 초기 위치가 타원체(240)에 의해 둘러싸이고, 이것은 전술한 바와 같이 RX, RZ의 반-단축 및 RY의 반-장축을 가지며, 여기서 RX, RZ 는 각각 7 밀리미터 또는 두 모델(202, 226) 사이의 A-P 스케일링 인자에 따른 다른 길이이고, RY 는 10 밀리미터 또는 두 모델(202, 226) 사이의 A-P 스케일링 인자에 따른 다른 길이이다. 타원체(240)는 표면 메쉬(228)의 삼각형면(232)의 다수의 정점(242)을 포함하고, 알고리즘은 타원체(240) 내부의 모든 정점(242)의 가장 원위 정점을 발견하며, 이 정점은 화살표 B에 의해 도 9a에 식별된 정점(242)이다[블록 262]. 그 다음, 알고리즘은 도 9a에서 식별된 가장 원위 정점(214)이 타원체(240)의 경계에 너무 근접하는지 여부를 평가한다[블록 264].
일 실시예에서, 알고리즘은 식별된 가장 원위 정점(242)의 위치가 다음의 타원 함수에 적용시 식별된 가장 원위 정점(242)에 대한 함수 결과가 0.65(무차원)보다 크다면 타원체(240)의 경계에 너무 근접한 것으로서 식별된 가장 원위 정점(242)(도 9a에서 화살표 B로 표시됨)을 정의한다: f = x2/a2 + y2/b2 + z2/c2. 타원체 함수에서, x는 Tx-Px이고, 여기서 Tx는 타겟 지점의 x 좌표이고(도 9c의 A), Px는 계산된 새로운 원위 지점의 x-좌표이다(도 9c의 B). 즉, x는 x 방향에서 타원 중심으로부터 계산된 새로운 원위 지점 P까지의 거리이다. 타원체 함수에서 y 및 z의 경우도 마찬가지이다. 즉, y는 Ty-Py이며, 여기서 Ty는 타겟 지점의 y 좌표이고 Py는 계산된 새로운 원위 지점의 y 좌표이다. 그리고, z는 Tz-Pz이며, 여기서 Tz는 타겟 지점의 z-좌표이고, Pz는 계산된 새로운 원위 지점의 z-좌표이다. 타원체 함수에서: a는 반경, Rx = 7 mm(타원의 총 ML 폭은 14 mm 임); b는 반경, Ry = 10 mm(타원의 총 AP 길이는 20 mm 임); c는 반경, Rz = 7 mm(타원의 전체 높이는 14 mm 임)이다.
값 0.65는 타원의 가장자리에서 약 1.5mm에 해당한다. 궁극적으로, 식별된 가장 원위 정점(242)가 타원체(240)의 경계에 너무 가깝지 않으면(예를 들어, 에지로부터 1.5mm), 도 9a의 점선 화살표로 표시된 바와 같이, 원위 지점(212)은 가장 원위 정점으로서 도 9a에 도시된 식별된 가장 원위 정점(242)으로 이동되며[블록 266], 그 결과로 조정된 환자 대퇴골 모델(226) 상의 원위 지점(212) 최종 위치가 도 9a의 화살표 B에 표시된 바와 같다. 이렇게 원위 지점(212)의 조정된 최종 위치는 원위 절제 깊이를 계산하는데 사용될 수 있다[블록 267]. 원위 절제 깊이는 수술용 로봇이나 햅틱 디바이스(60)를 제어하기 위한 햅틱 경계로서 수술 시스템(100)에 의해 사용될 절제 데이터를 생성하는데 사용될 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로, 절제 데이터는 관절성형 절차 동안 수술용 로봇에 의해 이용될 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로, 절제 데이터는 관절성형 절차 중에 네비게이션 시스템에 의해 이용 될 수 있다. 네비게이션 시스템은 관절성형 절차를 수행하는데 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스와 함께 동작 할 수 있다. 적어도 2 개의 자유도(예를 들어, 회전하는 버 및 이동 기능)을 갖는 절단 장치와 같은 자율 로봇은 절제를 수행하기 위한 도구 경로로서 이용되는 절제 데이터로 관절성형 절차를 수행 할 수 있다. 본원에 설명된 햅틱 디바이스(60) 또는 적어도 하나의 자유도(예를 들어, 외과 의사에 의해 움직되거나 이동된 회전 버)를 갖는 절단 도구와 같은 외과 보조 디바이스는 절단 도구의 특정 움직임을 제어하거나 제한하기 위한 가상 또는 햅틱 경계(예, 절제 깊이)로 관절성형 절차를 수행 할 수 있다. 따라서, 가장 원위 지점의 위치를 결정하기 위한 본원에 기술된 방법은 환자 뼈에 대한 관절성형 절차를 계획하는데 사용하기 위한 절제면 데이터를 생성하는 방법을 기술할 수 있다.
한편, 도 9a 및 도 9b과 동일한 타원체(240)인 도 10a, 10b 및 9c로부터 알 수 있는 바와 같이, 식별된 가장 원위 정점(242)(도 9a 및 9c의 화살표 B에 의해 표시됨)가 타원체(240)의 경계에 너무 근접하면, 도 9c에 도시 된 바와 같이, 구체 중심 지점(250)은 화살표 B에 의해 표시된 식별된 가장 원위 정점(242)으로부터 타원체 중심 쪽으로 1 밀리미터인 곳에서 식별된다(예, 도 9a 및 9c의 화살표 A에 의해 표시된 초기 가장 원위 지점(212))[블록 268]. 도 9c에서 도시된 바와 같이, 구체(252)는 구체 중심 지점(250)에 중심이 있고 2 밀리미터의 반경을 갖는다[블록 270]. 구체(252)의 경계를 가로지르는 삼각형 표면 메쉬(228)의 모든 삼각형면(232)에 대해 상측-하측 또는 SI 스팬이 발견되며, SI 스팬은 다음과 같다: Zspan =(Zmax - Zmin)[블록 272]. Zspan은 최상 지점으로부터 최하 지점까지 Z 방향(근위-원위)의 스팬 높이이다.
다른 방법으로, 구체(252) 내에 포함된 모든 삼각형면(232)에 대해, 최소 Z 값(즉, 최하 높이)이 최대 Z 값(즉, 최고 높이)를 가진 정점(242)에서 감산된다. 따라서, SI 스팬은 하나의 좌표 방향(예를 들어, z)을 따라 삼각형면(232)과 구(252)의 교차의 최대 지점과 삼각형면(232)과 구(252)의 교차의 최소 점 사이의 차이를 측정한다. 이로부터 특정 좌표 방향을 따라 최소값과 최대값 사이의 변화 또는 차이가 골의(boney) 표면으로부터 종종 갑자기 튀어 나온 골증식체의 존재를 예측할 수 있다는 것을 결정할 수 있다.
Zspan이 1.5 밀리미터보다 큰지 또는 타원체(240)의 현재 반복의 반-장축 RY 가 A-P 스케일링 인자의 15 배보다 큰지를 보기 위해 검사가 이루어진다(블록 274). 조건 중 하나[블록 274]가 만족되고 및 타원체(240)의 현재 반복의 반-단축 RX, RZ 각각이 3 mm 보다 크지 않으면, 원위 지점(212)이 식별된 구체 중심 지점(250)에 이동되고, 말단 지점(212)의 최종 조정 위치는 원위 절제 깊이를 계산하는데 사용된다[블록 276]. 이런 식으로, Zspan은 Z 방향의 피크(예, 골증식체)를 식별하는데 사용된다. 시스템이 피크(즉, Zspan > 1.5mm)를 감지하면 시스템은 피크 외부에서 가장 높은 엘리베이션을 찾기 위해 검색을 조정할 것이다.
대안으로, 조건 중 하나[블록 274]가 만족되나 타원(240)의 현재 반복의 반-단축 RX, RZ이 각각 3밀리미터보다 크다면, 새로운 타원이 생성되고, 그 새로운 타원은 다음을 포함한다: 반복 처리의 바로 직전 타원체의 반-단축 RX 보다 1밀리미터 작은 반-단축 RX(NEW) (즉, RX(NEW) = RZ - 1mm); 반복 처리의 바로 직전 타원체의 반-단축 RZ 보다 1밀리미터 작은 반-단축 RZ(NEW) (즉, RZ(NEW) = RZ - 1 mm); 및 반복 처리의 바로 직전 타원체의 반-단축 RY 보다 1밀리미터 작은 반-단축 RZ(NEW) (즉, RY(NEW) = RY - 1 mm). 그리고 이 프로세스는 도 10a의 [블록 262]로 되돌아 가서 새로운 타원체로 또 다른 반복을 수행한다[블록 278].
마지막으로, [블록 274]의 조건 중 어느 것도 만족하지 않으면, 구체(252)의 반경은 4 밀리미터로 증가되고, 구체(252)의 경계와 교차되는 삼각형 표면 메쉬(228)의 모든 삼각형면(232)에 대해 SI 스팬이 발견되고, SI 스팬은 Zspan =(Zmax - Zmin)이며, 프로세스는 도 10c의 [블록 282]에서 계속된다. 새로운 4 mm 반경 구체(252)과 관련된 Zspan이 2 밀리미터보다 큰지를 보기 위해 검사가 이루어진다[블록 282]. [블록 282]의 조건이 만족되면, 원위 지점(212)은 식별 된 구체 중심 지점(250)으로 이동되고, 원위 지점(212)의 최종 조정 위치는 원위 절제 깊이를 계산하기 위해 사용된다[단계 284].
본 명세서에서는 구체(252)가 설명되었지만, 구체 대신에 다른 삼차원 형상이 사용될 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 다른 삼차원 형상들 중에서 타원체, 프리즘 또는 박스가 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 제한없이 사용될 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로, 평면 또는 두께가 없는 표면과 같은 2차원 형상이 여기서 사용될 수 있다.
[블록 282]의 조건이 만족되지 않으면, 현재의 반-단축 RX, RZ 에 대한 값이 이전의 반복에서 이전에 만났던 것인지를 확인하는 검사가 이루어진다[블록 286]. 현재의 반-단축 RX, RZ 에 대한 값을 이전에 만났던 경우, 원위 지점(212)은 식별된 구체 중심 지점(250)으로 이동되고, 원위 지점(212)의 최종 조정 위치가 말단 절제 깊이를 계산하는데 사용된다[블록 288].
한편, 현재의 반-단축 RX, RZ 이 이전에 만났던 것이 아니라면, 다음을 갖는 새로운 타원체가 생성된다: 반복에서 바로 직전 처리 타원체의 반-단축 RX 보다 2 밀리미터 큰 반-단축 RX(NEW)(즉, RX(NEW) = RX + 2 ㎜); 반복에서 바로 직전 처리 타원체의 반-단축 RZ 보다 2 밀리미터 큰 반-단축 RZ(NEW) (즉, RZ(NEW) = RZ + 2 mm); 및 반복에서 바로 직전 처리 타원체의 반-단축 RY 보다 2 밀리미터 큰 반-단축 RY(NEW)(즉, RY(NEW) = RY + 2 mm). 그리고 이 프로세스는 도 10a의 [블록 262]로 되돌아 가서 새로운 타원체로 또 다른 반복을 수행한다[블록 290].
전술한 프로세스는 식별된 가장 원위 정점(242)을 결정할 때(도 9a의 화살표 B로 표시됨) 골증식체 또는 다른 불규칙한 뼈의 특징이 발생하는지를 검출하는데 유용 할 수 있다. 골증식체가 환자 대퇴골 모델(226)의 표면으로부터 돌출 할 수 있기 때문에, 가장 원위 정점(242)은 골증식체 상에 놓일 수 있다. 그러나, 일반 대퇴골 모델(202)로부터 환자 대퇴골 모델(226) 상으로 원위 지점(212)을 매핑하기 위해, 골증식체 표면이 절제 깊이를 결정하는데 관련이 없을 수 있으므로 환자 대퇴골 모델(226) 상의 골증식체의 존재를 무시하는 것이 유익 할 수 있다. 즉, 절제 깊이는 가장 원위 정점(242)의 함수이기 때문에, 가장 원위 정점(242)은 불규칙적 뼈 특징의 존재에 의해 변경되어서는 안된다. 따라서, 전술한 프로세스는 다음과 같이 요약 될 수 있다.
원위 지점(212)의 초기 위치는 일반 대퇴골 모델(202)로부터 환자 대퇴골 모델(226) 상으로 매핑되며, 이는 도 9a에서 화살표 A로 표시된 위치에 표시된다. 타원체(240)는 전술한 파라미터에 기초하여 생성된다. 가장 원위 정점(242)은 이전에 기술된 파라미터들에 기초하여 타원체(240) 내에서 식별된다. 가장 원위 정점(242)이 타원체(240)의 경계의 에지에 너무 근접하지 않으면, 가장 원위 정점(242)은 [블록 267]을 참조하여 논의된 바와 같이 원위 절제 깊이를 계산하는데 사용된다. 가장 원위 정점(242)이 타원체(240)의 경계 에지에 너무 가깝다면, 가장 원위 정점(242)이 어떤 실시예에서는 이전에 기술된 Zspan 계산을 통해 골증식체에 놓여 있는지를 결정해야한다. 가장 원위 정점(242)이 골증식체에 놓여 있다면, 타원체의 크기는 줄어들고, 전술한 바와 같이 프로세스가 계속된다. 마지막으로, 가장 원위 정점(242)이 골증식체에 놓이지 않으면, 타원체의 크기가 증가하고 전술한 바와 같이 프로세스가. 타원의 크기를 늘리거나 줄이는 프로세스는 여러 번 발생할 수 있다. 예를 들어 가장 원위 지점이 타원의 에지 근처에 있고 골증식체에 위치하지 않는 것으로 결정되면 그것이 골증식체를 포함하거나 에지 근처에 있을 때까지 타원은 크기가 계속 증가한다.
환자 대퇴골 모델(226) 및 그 위의 지점(212, 214, 218, 220)은 회전 및 이동될 수 있는 삼차원 컴퓨터 모델로서 디스플레이(54) 상에 묘사될 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로, 환자 대퇴골 모델(226) 및 그 위에 지점(212, 214, 218, 220)는 도 6a-6c처럼 3 개의 상이한 시야, 즉 관상면, 축 또는 횡 방향면, 및 시상면의 시야로 디스플레이(54) 상에 묘사될 수 있다. 지점(212, 214, 218, 220) 중 하나 이상이 모델(226)의 뼈 구조에 의해 숨겨지는 경우, 예를 들어 도 6a의 지점(214, 220)의 경우에서와 같이, 숨겨진 지점들은 반투명하게 또는 지점들이 존재함을 나타내는 다른 묘사로 묘사될 수 있지만, 시야 내의 일부 뼈 구조 뒤에 위치할 수도 있다. 특정 실시예에서, 환자 대퇴골 모델(226)은 환자 대퇴골 모델(226)의 표면에 의해 폐색되어도 지점(212, 214, 218, 220)이 보이도록 투명하게 묘사 될 수 있다. 지점(212, 214, 218, 220) 중 하나 이상이 시야에서 완전히 보이는 경우(즉, 모델(226)의 뼈 구조에 의해 숨겨지지 않는 경우), 도 6a의 지점(212, 218), 도 6b에서의 지점(212, 214, 218, 220) 및 도 6c의 지점(212, 214, 220)에서와 같이, 가시 지점(204, 208)이 모델(226)의 뼈 구조에 의해 숨겨지지 않지만 시야에서 완전히 볼 수 있음을 나타내는 진한 완전히 가시적인 지점으로 묘사 될 수 있다.
이러한 지점(212, 214, 218, 220)은 대퇴골 모델(226) 상에 적절하게 위치 될 때, 선택된 대퇴골 임플란트를 (선택된 경골 임플란트와 함께) 허용할 수 있는 환자 대퇴골에 대한 골 절제 깊이를 계산하는데 사용되는 골 절제 깊이 지점으로서 제공될 수 있어서 본원에 기재된 수술 전 계획된 관절성형 절차의 일부로서 환자의 경골 및 대퇴골에 실제 임플란트를 이식할 때 원하는 수술 결과를 달성할 수 있다.
가장 후측 지점(214, 220) 및 가장 원위 지점(212, 218)이 전술한 바와 같이 환자 대퇴골 모델(226) 상에 적절히 위치되면, 이들 지점(212, 214, 218, 220)은 후보 대퇴골 임플란트(320)의 삼차원 컴퓨터 모델, 또는 임플란트(320)과 연관된 데이터와 사용될 수 있어서, 실제 관절성형 절차 동안 실제 환자 뼈에 실제 대퇴골 임플란트를 이식하여 원하는 수술 결과를 달성하도록 실제 대퇴골 임플란트를 수용하기 위한 실제 환자 뼈에서 이루어질 필요가 있는 연관된 골 절제를 수술 전에 계산한다.
도 13은 인접한 전측 챔퍼 절제 접촉면(324), 후측 챔퍼 절제 접촉면(326), 후측 절제 접촉면(328), 및 후측 절제 접촉면(330)과 함께 원위 골 절제 접촉면(322)을 도시하는 후보 대퇴골 임플란트의 삼차원 컴퓨터 모델(즉, 대퇴골 임플란트 모델(320))의 시상도이며, 이들 절제 접촉면은 대퇴골 임플란트 모델(320)의 332의 근위의 내측 및 외측 과두 표면이다.
환자 대퇴골의 삼차원 컴퓨터 모델(예, 환자 대퇴골 모델(226))의 원위 단부 상에 중첩되는 대퇴골 임플란트 모델(320)의 관상면, 축 또는 횡방향면, 및 시상면을 도시하는 도 14a-14c에서 이해되는 바와 같이, 지점(212, 214, 218, 220) 중 1개, 2개, 3개 또는 4개가 대퇴골 임플란트 모델(320)의 관절 표면(332) 상의 유사하거나 등가인 가장 근위 및 가장 원위 대퇴골 지점과 함께 정렬 될 수 있으며, 이에 의해 임플란트 모델(300)의 원위 골 절제 접촉면(322)을 따라 연장되는 제안된 원위 대퇴골 절제(334)를 정의한다. 일부 실시예에서, 정의된 제안된 절제는 또한 도 13 및 도 14의 비교로부터 이해 될 수 있는 바와 같이, 후보 대퇴골 임플란트 모델(320)의 다양한 다른 골 절제 접촉면(324, 326, 328, 330)에 대응하는 제안된 골 절제를 포함할 수 있다.
정의된 제안된 원위 대퇴골 절제(334)는 절제 깊이 및 평면 배향에 따라 정의된다. 물론, 정의된 제안된 원위 대퇴골 절제(334)는 지점(212, 214, 218, 220)에 대해 원위 또는 근위로 절제 깊이를 변경함으로써 수술 전 및/또는 일부 실시예에서 수술 중 외과 의사 입력에 의해 조정되거나 수정 될 수 있고, 원하는 내반슬-외반슬, 내부-외부, 또는 연장-굴곡 회전을 고려하여 제안된 원위 절제(334)의 평면 배향을 변경하여서, 해부학적 (자연적) 정렬이 추가되는지 또는 더욱 종래의 기계적 축 정렬이 추가되는지에 따라, 모든 4개 지점(212, 214, 218, 220) 또는 한 쌍의 지점이 대퇴골 임플란트 모델(320)의 외측 및 내측 관절 표면(332) 상의 유사한 지점에 대응하도록 한다.
또한, 도 14a-14c는 단지 한 쌍의 지점(212, 214)이 대퇴골 임플란트 모델(320)의 관절 표면(332) 중 하나의 유사한 쌍의 짖점 또는 영역과 정렬되는 상황을 예시한다. 예를 들어, 도 12a 내지 12c에 도시된 바와 같이, 외측 지점(212, 214)은 대퇴골 삽입 모델(320)의 관절 표면(334) 상의 유사한 지점 또는 영역과 정렬되지만, 내측 지점(218, 220)은 임플란트 모델(320)의 관절 표면 상의 유사한 내측 지점 또는 영역(332)과는 정렬되지 않는다. 임플란트 모델(320)의 원위 골 절제 접촉면(322)에 매칭되는 이러한 쌍의 지점들 - 외측 상에 있음 -과 함께, 그 결과로, 제안된 절제 표면(334)의 배향이 외측 지점의 매칭을 유지함으로써 결정되고, 반면에 예컨대 대퇴부 기계적 축 또는 다리 기계적 축과 같은 환자의 다리, 대퇴골 또는 경골의 축에 대하여 제안된 원위 절제 표면(334)의 원하는 각도를 달성한다. 일단 외과 의사가 제안된 대퇴골 절제 표면(334)의 깊이 및 배향을 승인하면, 연관 데이터는 수술 중에 햅틱 디바이스(60)를 안내할 때 내비게이션 시스템에 의해 사용하기 위해 수술 시스템(100)에 제공 될 수 있고, 절제된 환자 대퇴골 모델(226)은 원위 절제(334)를 포함하여, 절제하고자 제안된 대퇴골 모델(226)의 다양한 시야이면서 제안된 대퇴골 절제를 도시하는, 도 16a-16c에서 나타난 바와 같이 수술 중 외과 의사에게 표시될 수 있다.
제안된 대퇴골 절제면(334)을 정의하는 전술한 논의는 대퇴골 모델(226) 상에 후보 대퇴골 임플란트(320)를 중첩시키고 시스템(100)의 컴퓨터 디스플레이(54) 상에 가시적으로 그러한 중첩을 나타내는 맥락에서 이루어졌지만, 다른 실시예에서는 후보 대퇴골 임플란트(320)를 나타내는 데이터 - 컴퓨터 디스플레이(54)상의 후보 대퇴골 임플란트의 삼차원 표면 또는 그 실제 시각적 표현을 필요로하지 않음 -에 의해 프로세스가 발생할 수 있다.
3.
관절 갭에 대해 제안된 절제 깊이의 조정
실제 임플란트가 환자의 관절성형 중에 이식될 때 원하는 수술 결과를 가져올 수술 전 계획된 임플란트 모델(224, 226) 사이의 적절한 관절 갭 거리를 설명하기 위해, 골 절제는 수술 시스템(100)을 통해 위에서 상세히 설명한 I(A)(1) 및 I(A)(2) 에 요약 된 수술 전 계획에 따라 이루어지고, 절제 깊이의 수술 전 계획의 일부로 두 간극 거리가 계산된다. 두 계산된 간격 거리는 다음 사이의 최소 부호 거리다: 대퇴골 임플란트 모델(320)의 내측 관절구 표면(332) 및 경골 임플란트 모델(300)의 내측 관절 표면(304) 사이; 대퇴골 임플란트 모델(320)의 외측 관절구 표면(332) 및 경골 임플란트 모델(300)의 외측 관절 표면(304) 사이. 도 17은 경골 임플란트 모델(300)의 경골 관절 표면(304) 및 대퇴골 임플란트 모델(320)의 대퇴부 관절 표면(332)의 등각도이다. 이 개시는 무릎 관절을 형성하는 뼈에 초점을 맞추지만, 여기의 교시는 예를 들어 발목, 팔꿈치 또는 손목과 같은 다른 관절을 형성하는 뼈에도 동일하게 적용된다.
최소 갭 거리는 경골 임플란트 모델(300)의 관절 표면(304)의 면, 내부 에지 및 내부 정점에 의해 정의된 양 보로노이 영역(positive Voronoi region) 내에 위치하는 대퇴부 관절골 임플란트 상의 모든 지점에 대해 양으로 정의된다. 최소 간격은 음 보로노이 영역 내부에 위치하는 대퇴부 임플란트 모델(320)의 관절 표면(332) 상의 모든 지점에 대해 음으로 정의된다. 모델의 관절 표면 사이의 거리는 임플란트가 서로 접촉하는 표면으로서 고려될 필요가 있다.
허용 가능한 정확도를 달성하기 위해, 도 17에 도시된 바와 같이, 갭 거리는 대퇴골 임플란트 모델(320)의 관절 표면 모델(332)의 삼각형 표면 메쉬의 삼각형면들 및 경골 임플란트 모델(300)의 관절 표면 모델(304)의 삼각형 표면 메쉬의 삼각형면들의 정점들 사이에서 계산된다. 대퇴부 관절 표면 모델(320)의 정밀한 분해로 인해, 표면 갭 거리에 대한 정점은 실제 표면 대 표면 갭 거리에 가까운 근사치이다.
시스템(100)은 관절 갭을 계산하기 위해 두 개의 서로 다른 알고리즘을 사용할 수 있는데, 첫 번째는 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘(GSCDA)이고, 두 번째는 증분 검색 근접 거리 알고리즘(ISCDA)이다. GSCDA는 임의의 표면들 사이의 최소 부호 거리를 찾는 것을 보장한다. ISCDA는 볼록 표면에 대해 작동하는 점진적 증분 로컬 검색 알고리즘이다.
이 어플리케이션에서, 제1 관절 포즈에 대한 갭 거리는 GSCDA로 계산된다. 이것은 최근접 갭 거리를 갖는 대퇴골 임플란트 모델(320)의 관절 표면 모델(332)의 표면 메쉬의 갭 거리 및 정점의 인덱스를 반환한다.
이 어플리케이션에서 제2 관절 포즈의 갭 거리는 ISCDA로 계산된다. 이렇게 하면 제1 관절 포즈 계산에서 반환된 정점을 참조한다. 나머지 관절 포즈의 모든 갭 거리 계산은 동일한 방식으로 발생하며, 즉 각각은 ISCDA를 사용하고 이전 관절 포즈 계산에서 정점을 참조한다.
단일 포즈에 대해 GSCDA 알고리즘을 사용하고 나머지 포즈에 대해 ISCDA를 사용하면 갭 계산 속도가 빨라진다. 각 포즈에 대해 GSCDA를 활용하려면 추가 시간 및 컴퓨팅 리소스가 필요하며 특히 분석할 많은 포즈가 필요하다.
특정 실시예에서, 해부학적 또는 실제 경골 관절 표면과는 다른 경골 표면 프로파일이 이용될 수 있다. 예를 들어 경골 관절 표면이 대퇴부 관절 표면과 거의 일치하면, 관절 갭 계산에 다소 편평한 수정된 경골 관절 표면이 사용될 수 있다. 경골 표면 프로파일이 대퇴부 관절 표면과 매우 일치하는 특정 경우에, 미세한 전측-후측 및/또는 내측-외측 이동은 가상 간섭 조건을 초래할 수 있으며, 이것은 계산된 부호 거리를 "타이트"하게 또는 음으로 보여준다. 따라서, 포즈 위치는 경골이 전측-후측 및/또는 내측-외측으로 미세하게 이동되면 간섭 위치를 나타낼 수 있으며, 실제로 간섭 상태가 없는 경우이다. 이러한 지각된 간섭의 측정은 지각된 간섭 조건을 제거하기 위해 임플란트 시스템의 대퇴부 및 경골 구성요소가 서로에 대해 더 떨어져서 위치되어야 한다는 것을 외과 의사에게 나타낼 수 있다. 인지된 간섭을 막기 위해 대퇴부 관절 표면과 약간 평평하거나 미세하게 오목한(즉, 실제 경골보다 평평한) 일반화된 경골 표면 사이의 부호 거리를 계산할 수 있다.
i. 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘 ("GSCDA")
GSCDA는 도 18의 광 위상 검색 스테이지 및 도 19의 협 위상 검색 스테이지로 구분될 수 있다. 각 관절 표면 모델에 대해 계층 구체 트리가 생성된다. 트리는 상향식(bottom up fashion)으로 구성되어 있으므로 각 리프 노드 구체가 단일 삼각형면을 둘러싸고 각 페어런트 노드 구체가 해당 차일드 노드 구체를 둘러싼다. 도 18의 광 위상 검색 스테이지 동안, GSCDA는 협 위상 검색 스테이지에 대한 후보 노드 쌍의 큐를 유지하면서 너비 우선 방식(breadth-first manner)으로 두 구체 트리를 가로지르며, 이는 University of Utah의 컴퓨터 과학과의 데이비드 E.와 Elaine Cohen에 의한 효율적인 최소 거리 계산 을 위한 프레임워크(1998)에 기술 된 알고리즘과 유사 할 수 있고, 본 명세서에서 그 내용이 원용된다. 각 노드 쌍은 모델들(304, 332) 사이의 갭 거리에 대한 하한 및 상한 추정치를 생성한다. 글로벌 상한 추정치는 후보 노드 쌍들을 전지작업하기(prune) 위해 유지된다. 새로운 리프가 아닌 노드 쌍이 글로벌 상한 추정치보다 큰 하한 추정치를 산출하면, 그 쌍은 검색 중에 폐기된다. 리프 노드 쌍은 리프 노드 쌍 목록에 삽입된다. 노드 쌍이 삭제되지 않으면 상위 상한 추정치가 글로벌 상한 추정치를 업데이트하는 데 사용된다. 광 위상 검색은 큐에 더 이상 노드 쌍이 없을 때 종료된다.
도 19에 반영된 바와 같이, 협 위상 탐색 스테이지는 리프 노드 쌍들의 리스트를 가로지르고, 대퇴부 관절구 구성요소 리프 노드에 참조된 정점 및 경골 구성요소 리프 노드에 참조된 삼각형면 사이의 갭 거리를 계산한다. 최소 갭 거리를 갖는 정점-삼각형 쌍이 해결책으로 선택된다. 갭 거리, 삼각형 인덱스 및 최근접 지점 쌍이 알고리즘에 의해 반환된다.
협 위상 검색은 Christer Ericson에 의한 'Real-Time Collision Detection(2005)'의 5.1 절에 기술 된 지점-삼각형 거리 계산 방법을 사용하며, 이는 본 명세서에 원용된다. 음의 갭 거리를 고려하기 위해, 알고리즘은 최근접 지점이 삼각형면에 있고 삼각형 에지 또는 정점에 있지 않을 때 거리의 사인이 삼각형상의 최근접 지점과 그 지점 사이의 차이 벡터 및 삼각형 법선의 내적의 사인에서 결정되도록 알고리즘이 수정된다.
수정된 알고리즘은 최근접 지점이 모델의 임의의 에지 또는 정점에 있을 때 양의 거리를 반환하기 때문에 그 지점이 경골 구성 요소 모델의 내부 에지 및 정점의 음 보로노이 셀에 있는 경우를 처리하지 않는다. 대퇴부 관절구 구성요소 모델의 높은 분해능 때문에 수정된 알고리즘은 모델들 사이의 거리에 합리적인 근사치를 산출하고, 이는 최근접 지점이 경골 구성요소 모델의 내부 에지 또는 정점에 있는 경우에, 최근접 지점이 경골 구성요소 모델의 삼각형면 상에 위치되는 대퇴부 관절부 모델의 근접한 정점일 수 있기 때문이다. 경골 관절 표면의 삼각형면에 대한 대퇴부 관절구 관절 표면의 정점들 사이의 거리를 계산함으로써 갭 거리를 근접하게 추정하는 것은 대퇴부 관절구 관절 표면의 정점들로부터 경골 관절 표면의 정점들로 계산하는 것보다 더 빠르게 수행될 수 있다. 정점-정점 계산이 정확도에서는 미세하게 개선될 수 있지만, 계산 시간이 더 많이 요구되기 때문에, 더 느려질 수 있다.
ii. 증분 검색 근접 거리 알고리즘 ("ISCDA")
ISCDA는 대퇴골 삽입 모델(320)의 관절 표면 모델(332)의 삼각형 표면 메쉬의 삼각형면들의 알려진 정점으로 시작하고 현재의 정점의 모든 이웃 정점들을 검색함으로써 국부적으로 가장 가까운 정점을 발견한다. 현 점점의 모든 인접한 정점들(제1 및 제2 레벨)이 현재 정점보다 경골 임플란트 모델(300)의 관절 표면 모델(304)의 삼각형 표면 메쉬의 삼각형면들로부터 더 멀리 떨어져 있을 때 검색은 종료된다. 갭 거리는 정점의 위치를 입력 위치로 사용하여 깊이 우선 방식(depth-first manner)으로 경골 임플란트 모델의 구체 트리 데이터 구조를 횡단하여 계산된다.
일단 전술한 GSCDA 및 ISCDA의 적절한 적용에 따라 관절 갭 거리가 결정되면, 필요에 따라 절제 깊이와 관련하여 제안된 대퇴골 및 경골 절제면을 조정하기 위해 관절 갭 값을 적용할 수 있다.
iii. 포즈 캡쳐 및 수술 중 관절 간격 계산
환자 대퇴골(11) 및 경골(10)이 추적 및 내비게이션 시스템에 의해 추적되면, 외과 의사는 수술 시스템(100)으로 대퇴골(10)에 대한 경골(10)의 포즈(즉, 위치 및 배향)를 수술 중에 캡쳐하거나 기록할 수 있다. 특히, 외과 의사는 환자의 대퇴골(11) 및 경골(10)을 상이한 굴곡 각도 값을 갖는 한 세트의 포즈로 위치시키고, 각각의 포즈에 대해 대퇴골(11)에 대한 경골의 측정된 위치 및 배향를 포착하거나 그렇지 않으면 기록할 수 있다. 전술한 바와 같이, 대퇴골 임플란트 모델을 갖는 삼차원 대퇴골 모델 및 경골 임플란트 모델을 갖는 삼차원 경골 모델이 디스플레이 스크린 상에 묘사될 수 있으며, 모델의 위치 및 배향은 경골(10) 및 대퇴골(11)의 물리적 위치 및 배향에 대응할 수 있다.
그런 다음 외과 의사는 포즈 중 하나에 대해 GSCDA를 사용하여 관절 갭 계산을 실행할 수 있다. 계산은 확장 포즈(즉, 굴곡 각도 약 0도) 또는 굴곡 포즈(즉, 굴곡 각도가 0도 초과)에서 실행될 수 있다. 그런 다음 나머지 포즈에 대해 ISCDA 계산을 실행할 수 있다. 특정 실시예에서, 외과 의사는 모든 포즈에 대해 GSCDA를 사용하여 관절 계산을 실행할 수 있다.
예를 들어, 외과 의사는 0도 굴곡, 30도 굴곡, 60도 굴곡, 90도 굴곡 및 120도 굴곡에 해당하는 5가지 포즈를 캡쳐할 수 있다. GSCDA 계산은 60도 굴곡 포즈와 같은 포즈 중 하나에 대해 실행된다. 다음으로 ISCDA 계산은 다음의 최근접 포즈에서 실행될 수 있다. 이 예에서 ISCDA의 계산은 다음 순서로 수행될 수 있다: 90도, 120도, 30도, 0도. 각 ISCDA 시퀀스의 시작 부분에서, GSCDA 계산의 정점 인덱스가 검색 초기화에 사용된다(예: 90도 및 30도). 후속 단계에서, ISCDA 계산의 정점 인덱스는 이전 단계에서 사용된다(즉, 90도로부터 정점 인덱스를 120도에, 30도로부터 정점 인덱스를 0도에).
다른 예로서, 무릎 관절에 대한 관절성형 절차를 계획하는 데 사용하기 위한 절제 데이터를 생성하는 방법은 다음 단계를 포함할 수 있다. 컴퓨터는 공통 삼차원 좌표계에서 제1 사전 계획된 배향으로 서로에 대해 배향된 삼차원 대퇴골 모델 및 삼차원 대퇴골 임플란트 모델을 수신할 수 있다. 삼차원 대퇴골 모델은 환자의 대퇴골에 해당 할 수 있다. 삼차원 대퇴골 임플란트 모델은 내측 관절구 표면 및 외측 관절구 표면을 포함할 수 있다. 컴퓨터는 또한 공통 삼차원 좌표계에서 제2 사전 계획된 배향으로 서로에 대해 배향된 삼차원 경골 모델 및 삼차원 경골 임플란트 모델을 수신 할 수 있다. 삼차원 경골 모델은 환자의 경골에 해당 할 수 있다. 삼차원 경골 임플란트 모델은 내측 관절 표면 및 외측 관절 면을 포함할 수 있다. 삼차원 대퇴골 모델과 삼차원 경골 모델은 네비게이션 시스템을 통해 환자의 대퇴골 및 경골의 포즈에 따라 서로에 대해 배향될 수 있다. 컴퓨터는 또한 제1 포즈에서 대퇴골 및 경골의 제1 위치 및 배향에 대응하는 제1 위치 및 배향 데이터를 수신 할 수 있다. 컴퓨터는 또한 삼차원 대퇴골 임플란트 모델의 내측 관절구 표면과 제1 포즈의 삼차원 경골 임플란트 모델 상에 있거나 그 모델과 연관된 제1 지점 사이의 제1 부호 거리를 계산할 수 있다. 상기 컴퓨터는 또한 삼차원 대퇴골 임플란트 모델의 외측 관절구 표면과 제1 포즈의 삼차원 경골 임플란트 모델 상에 있거나 그 모델과 연관된 제2 지점 사이의 제2 부호 거리를 계산할 수 있다. 컴퓨터는 제1 및 제2 부호 거리에 기초하여 절제 깊이를 결정하거나 조절할 수 있다. 컴퓨터는 또한 절제 깊이를 사용하여 절제 데이터를 생성 할 수 있으며, 절제 데이터는 관절성형 절차 중에 네비게이션 시스템에 의해 이용되도록 구성된다.
B. 전측 샤프트 노칭의 방지
수술 전 계획 이미 상세한 설명의 하위 절 A 에서 설명한대로 제안된 골 절제의 결과를 내면, 후보 대퇴골 임플란트 모델의 연관 배향을 검사하여 전측 대퇴부 피질의 노칭이 발생하는지 확인할 수 있다. 총 무릎 관절성형 수술 전 계획에서, 대퇴부 임플란트 모델(320)이 전측 플랜지(402)의 상부 에지(400)가 환자 대퇴골 모델(226)의 전측 대퇴부 피질(404)에 깊숙이 위치하도록 수술전 계획된 경우 전측 대퇴부 피질 노칭(390)이 발생한다. 또한, 도 20a 및 도 20b는 전측 대퇴부 피질(404)이 노칭되도록 환자 대퇴골 모델(226) 상에 배치된 대퇴부 임플란트 모델(320)의 전방 원위도 및 시상 단면도이다. 실제 대퇴 임플란트가 도 20a 및 도 20b에 표시된 바와 같이 이식되는 경우, 대퇴부 피질(404)의 표시된 노칭(390)은 노칭이 대퇴부 샤프트의 파열 또는 과상골절(supracondylar fracture)을 초래할 수 있는 전측 대퇴부 피질의 응력 집중을 생성하므로 바람직하지 않은 수술 결과가 될 것이다.
도 21에 도시 된 바와 같이, 좌표계(408)는 환자 대퇴골 모델(226)에 대해 설정 될 수 있는데, 여기서 X 축은 외측 대퇴골을 향하는 +X-축을 갖는 내측-외측 방향에 있고, Y-축은 후측 대퇴골을 향하는 +Y-축을 가진 전측-후측 방향에 있고, Z 축은 근위 대퇴골을 향하는 +Z 방향을 갖는 상측-하측 방향에 있게 된다.
또한, 도 22a 내지 도 22c는 각각 대퇴부 임플란트 모델(320) 상에 중첩된 햅틱 대상의 아웃라인(410)을 갖는 후보 대퇴부 임플란트 모델(320)의 후측면, 시상-후측면 및 시상면도이다. 후보 대퇴부 임플란트 모델(320)은 대퇴부 임플란트 모델(320)의 전측 플랜지부(414) 상의 전측 골 절제 접촉면(412)을 포함한다. 모델(320)의 전측 골 절제 접촉면(412) 및 실제 대퇴 임플란트는 실질적으로 평면이고, 관절성형 절차 중에 실제 환자 뼈에서 생성된 전측 골 절제 표면과 실질적으로 평면인 표면과 접촉을 이루도록 구성된다.
도 22b 및 도 22c에 도시 된 바와 같이, 햅틱 대상(410)은 대퇴부 임플란트 모델(320)의 전측 플랜지부(414)의 평면 접촉면(412)과 일반적으로 동일 평면이다. 따라서, 햅틱 대상(410)은 본질적으로 대퇴부 임플란트 모델(320)의 전측 플랜지부(414)의 평면 접촉면(412)의 평면 연장부이다.
도 23에 도시된 바와 같이, 대퇴부 임플란트 모델(320)의 전방 플랜지부(414)의 상측 에지 및 햅틱 평면(410)의 상측 경계(418)의 확대된 전방도이며, 일련의 동일 간격의 기준 지점(416A-416K)이 햅틱 평면의 상측 경계(418)를 따라 연장된다. 기준 지점(416A 및 416K)은 일련의 등간격으로 배치된 지점(416A-416K)의 종료 지점이다. 상측 경계(418)를 따르는 지점들(416)의 개수는 도23에 도시 된 것보다 많거나 적을 수 있음을 알아야 한다. 더 많은 지점(416)는 노치 평가의 정확도를 증가시킬 수 있지만, 지점(216)을 증가시키면 컴퓨팅 시간도 증가한다. 후술하는 바와 같이, 이들 기준점은 도 21의 좌표계에 따라 대퇴골 해부학적 Y 방향을 따라 측정된 전측 대퇴부 노치(390)의 깊이를 평가하는데 사용된다.
알고리즘에서 채용된 기준 지점(416A-416K)의 개수는 후보 대퇴부 임플란트 모델(320)의 크기와 관련하여 다음의 가정에 의존한다. 예를 들어 전측 대퇴부 피질의 노칭을 식별하는데 오차가 발생할 확률은 전측 대퇴부 피질의 곡률 반경이 감소하거나 등간격의 기준 지점(416A-416K)의 개수가 감소함에 따라 증가한다. 불행히도, 등간격 기준 지점(416A-416K)의 수를 단순히 증가시키는 것은 알고리즘의 성능에 악영향을 미칠 수 있다.
피질 영역은 대퇴골을 따라 내측에서 외측으로 이동하는 다양한 곡률 반경으로 자연적으로 볼록하다. 따라서, 알고리즘이 마주칠 수 있는 최소 곡률 반경을 10 mm로 가정하고 외과 의사가 느끼는 최소 임상 관련 노치 깊이는 0.125 mm 로 가정하면, 이 두 가정은 최소 지점 간격 3.15 mm를 산출한다. 따라서, 전측 대퇴부 피질 노치 상황(39)의 개략도인 도 24로부터 알 수있는 바와 같이, 전측 대퇴부 피질 노치 상황은 10mm 반경이고, 햅틱면(410)의 상측 에지(418)가 3.15 mm 간격으로 참조 지점(416B-416C)의 쌍을 가지고, 지점(416B-416C)의 쌍이 노치 바로 아래(예, 0.001mm)에 있고, 후보 대퇴부 임플란트 모델(320)이 37.53 mm의 최대 가능 크기를 가지는 상측 에지가 있는 전측 플랜지(414)를 가지고, 3.15 mm 이하의 지점 간격을 가질 수 있는 지점의 최대 개수가 약 12이다(예, 37.53/ 3.15 = 11.91 
12). 따라서, 도 23에서, 12개 기준 지점(416A-416K)이 사용된다. 물론 다른 크기의 전측 플랜지가 사용되는 경우, 알고리즘으로 사용된 참조 지점의 수가 12개의 등간격 참조 지점보다 작거나 클수 있다.
도 25a 및 도 25b는 각각 노칭이 없는 배열 및 노칭 배열에서의 환자 대퇴골 모델(226) 및 후보 대퇴부 임플란트 모델(320)의 단면 시상면도이며, 알고리즘은 좌표(408)의 대퇴골 해부학적 Y 축을 따라 참조 지점(416A-416K)의 각각으로부터 환자 대퇴골 모델(226)의 표면 경계까지 벡터(420)를 투영한다. "노칭" 상태는 다음 두 조건이 충족 될 때 발생하는 것으로 결정된다: (1) 이들 벡터 중 가장 작은 벡터(420)의 길이가 0 mm 이상임; 및 (2) 이들 벡터들 중 최소(420)의 방향은 도 25b에 도시 된 바와 같이 좌표계(408)의 해부학적 + Y와 반대임. "노칭" 상태가 식별되면, 시스템(100)은 오디오 및/또는 시각적 경고 및 "노칭"이 도 20a 및 20b와 유사하게 나타나도록 디스플레이(56) 상에 디스플레이 될수 있는지의 상태를 제공 할 수 있다.
다음 두 가지 조건이 충족되면 "노칭 없음" 상태가 결정된다: (1) 이러한 벡터들 중 가장 작은 벡터(420)의 길이는 0mm보다 큼; 및 (2) 이들 벡터들 중 가장 작은 벡터(420)의 방향은 도 25a에 도시 된 바와 같이 좌표계(408)의 해부학적 + Y와 동일함. 일단 "노칭 없음"상태가 식별되면, 시스템(100)은 오디오 및/또는 시각적 표시 및 "노칭 없음"이 도 25a 또는 도 20a의 노칭 없음 버전과 유사하게 나타나도록 디스플레이(56) 상에 디스플레이 될 수 있는지의 상태를 제공 할 수 있다.
외과 의사가 상세한 설명의 A 절에 따라 수술 전 계획대로 제안된 골 절제를 승인 또는 수정하고 승인하고, 수술전 계획된 뼈 절제술과 관련된 전측 대퇴부 피질 허용되지 않은 노칭이 존재하지 않음을 확인하고, 상세한 설명의 B 항에 따라 허용되지 않는 노칭이 없음이 확인되면, 수술전 계획된 뼈 절제는 환자의 실제 뼈 및 수술 시스템(100)에 수술 중 등록 될 수 있다.
노칭이 발생하는지 여부가 결정되면, 수술 시스템(100)은 환자 대퇴골 모델에 대한 대퇴부 임플란트 모델의 결정된 위치 및 배향에 기초하여 임플란트 구성 요소 위치 및 배향 데이터를 생성할 수 있다. 임플란트 구성 요소의 위치 및 배향 데이터는 관절성형 절차 중에 햅틱 디바이스(60) 또는 수술용 로봇을 제어하기 위한 햅틱 경계를 설정하는데 사용될 수 있다. 따라서, 본원에 기술된 단계들은 환자 뼈에 대한 관절성형 과정을 계획하는데 사용하기 위한 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법을 기술 할 수 있다.
햅틱 평면의 상측 경계(418)를 따라 416A와 416K 사이에서 연장되는 라인이 환자 대퇴골 모델(226)의 견고한 뼈와 교차하는 경우와 같은 노치 평가의 다른 방법이 가능하다. 이러한 경우, 라인이 환자 대퇴골 모델(226)의 견고한 뼈와 교차하는 경우 노칭이 발생한다. 반대로, 라인이 환자 대퇴골 모델(226)의 견고한 뼈와 교차하지 않으면 노칭이 발생하지 않는다.
C. 절제면에 대한 검사 지점의 근접 검사
특정 로봇 보조 정형 외과적 절차에서, 로봇 시스템(100)으로 환자의 뼈의 수술 중 등록은 환자의 뼈의 해부학적 구조 상에 위치하는 제거 가능 검사 지점의 사용을 포함할 수 있다. 검사 지점(600)의 측면도인 도 26a 에 도시된 바와 같이, 검사 지점(600)은 환자의 뼈에 충돌하기 위한 본 앵커 또는 나사와 유사하다. 검사 지점(600)는 근위 단부에 헤드 단부(602) 및 헤드 단부(602)로부터 원위 방향으로 연장되는 샤프트(604)를 포함할 수 있다. 헤드 단부(602)는 다른 형상들 중에서 원추형 또는 절두 원추형인 내부 표면(608)을 갖는 개구 또는 디봇(606)을 포함할 수 있다. 디봇(604)은 등록 기구(예를 들어, 네비게이션 프로브)와의 기계적 인터페이스를 제공한다. 검사 지점(600)의 샤프트(604)는 검사 지점(600)을 뼈 내로 회전식으로 구동시키는 나사산(610) 및 원위 팁(612)을 포함할 수 있다.
총 무릎 관절성형에서 검사 지점 식별 단계를 거친 환자의 뼈(경골(10), 대퇴골(11))의 측면도인 도 26b에 도시된 바와 같이, 네비게이션 프로브(55)의 원위 단부(504)는 검사 지점(600)의 헤드 단부(602) 상의 디봇(606)의 내부 표면(608)과 접촉하여 위치되어 도 1의 네비겡션 시스템(42)의 검출 디바이스(44)를 통해 수술 시스템(100)의 다른 구성 요소에 대해 대퇴골(11)을 위치 적으로 관련시키거나, 참조 또는 등록한다. 검사 지점 식별 동안, 네비게이션 프로브(55)의 원위 단부(504)는 수술 시스템(100)이 검사 지점(600)을 정확히 위치시키고 따라서 디스플레이(56) 상에 도시된 뼈(11)의 임의의 컴퓨터화된 환자 모델(226)과 같이, 환자 대퇴부(11)를 기구(55) 및 수술 시스템(100) 내의 임의의 다른 디바이스에 대해 정확하게 위치시킬 수 있도록 디봇(606) 내의 미리 결정된 위치에서 "바닥부가 될"("bottom out") 것이다. 검사 지점 식별 및 검사 지점(600)의 측면은 다른 주제들 중에서, 2007 년 5 월 18 일자로 출원된 "수술 장치의 교정을 검증하기 위한 시스템 및 방법"이라는 제목의 미국 특허 출원 제11 / 750,807 호에서 논의되며, 그 전체가 본원에 원용된다.
수술 절차 동안 사용되는 각 검사 지점(600)은 환자의 뼈(예를 들어, 대퇴골(11)) 상에 위치 되어서, 특정 외과적 접근법이 주어진 절차 동안 접근 가능해야 한다. 또한, 각 검사 지점(600)은 절차 또는 절차 동안 사용된 도구를 간섭하지 않도록 배치되어야 한다. 예를 들어, 검사 지점(600)은 절단 장치와 간섭하지 않거나 절제에 의해 제거되지 않도록 뼈의 일부에 위치해야 한다. 후술된 방법 및 시스템은 절단 도구와 간섭하지 않고 절제 중에 제거되지 않을 검사 지점(600)의 위치를 수술전 결정하는 것을 도울 수 있다.
도 26c-26e를 참조하는데, 각각 임플란트 구성요소(320) 및 검사 지점(600)의 위치를 나타내는 환자 대퇴골 모델(226), 임플란트 구성요소(300) 및 검사 지점(600)의 위치를 나타내는 환자 경골 모델(224) 및 수술 전 검사 지점 위치 확인 과정(360)에서의 단계를 나타내는 흐름도이다. 관절성형 절차의 수술 전 계획 동안, 외과 의사 또는 의학 전문가는 환자 골 모델(224, 226) 상의 검사 지점(600)의 위치를 식별 할 수 있다[블록(362)]. 대안으로, 검사 지점의 위치는 환자 골 모델(224, 226) 상에 자동으로 위치 될 수 있다. 수술 전 계획은 환자 골 모델(224, 226)에 대해 임플란트 구성 요소(320, 300) 및 절제면(334, 306)의 유형, 위치 및 배향을 계획함으로써 이전 섹션에서 설명한 바와 같이 계속된다[블록 364]. 검사 지점 위치 확인 프로세스(360)는 검사 지점(600)를 위한 대안의 위치 또는 임플란트 구성요소(320, 300)의 대안의 배치/배향을 필요로 하는 특정 방식으로, 연관 절제면이 검사 지점(600)와 간섭하도록 임플란트 구성요소(320, 300)가 계획 될 때 플래너(예를 들어, 외과 의사)에게 경고함으로써 임플란트 구성요소(320, 300)의 계획과 함께 이루어질 수 있다. 특정 실시예에는, 원하는 임플란트 구성 요소(320, 300)의 위치 및 배향을 변경하는 것보다 검사 지점(600)의 위치 및 배치를 수정하는 것이 더 쉬울 수 있다. 따라서, 플래너는 검사 지점(600)이 더 이상 절제면과 간섭하지 않도록 검사 지점(600)의 위치를 변경할 수 있다.
계속해서, 일단 절제면(334, 306)이 [블록 364]에서 식별되면, 도 26f-26g에 도시된 바와 같이, 각각의 절제면에 대해 법선(N)이 식별된다[블록 366]. 이러한 도면들은 각각 절제(334, 306)에 대해 위치된 검사 지점(600)를 갖는 대퇴골 절제(334) 및 경골 절제(306)의 한 쌍의 시상 개략도이다. 도 26f-26g에서, 법선(N)은 절제면(334, 306)에 수직이다. 다음으로, 최단가 부호 거리 벡터(d)가 검사 지점(600)와 각각의 절제면 사이에서 결정된다. 또한, 도 26f-26g는 절단이면(334,306)이 시야와 직각을 이루기 때문에 시상면에서 최단 부호 거리 벡터(d)를 도시하고, 평면(334,306)이 평면 대신에 선으로 나타나게 한다.
최단 부호 거리 벡터는 시각적으로 표시되지만, 최단 부호 거리 벡터(d)는 시각적으로 표시되지 않고 계산될 수 있다. 또한, 도 26f-26의 최단 부호 거리 벡터(d)가 후측 절제(334a)에 대해서 오직 도시되었지만, 최단 부호 거리 벡터(d)가 각 절제면(334)(예, 원위 절제면(334d), 후측 절제면(334p), 원위-전측 챔퍼 절제면(334da) 및 원위-후측 챔퍼 절제면(334dp))에 대해 결정되고, 계산되고, 식별될 수 있다.
최단 부호 거리 벡터(d)는 크기 또는 거리 및 삼차원 방향을 포함한다. 최단 부호 거리 벡터(d)는 검사 지점(600)과 뼈의 절제면(334)과 동일 평면 상에있는 임플란트 구성요소의 관련 절제면(들)상의 대응 지점 간의 가장 짧은 수직 거리로서 정의될 수 있다. 즉, 최단 부호 거리 벡터(d)는 절제면에 수직이고 법선(N)과 평행하다. 도 26g에 도시된 바와 같이, 최단 부호 거리 벡터(d4)는 절제면(334p)과 동일 평면 상에 위치하는 임플란트 구성요소의 관련 절제면 상의 지점까지 연장된다.
특정 실시예에서, 최단 거리 벡터는 최단 부호 거리 벡터(d) 대신에 사용될 수 있다. 즉, 이 특정 실시예에서, 최단 거리 벡터는 임플란트 구성요소 또는 절제된 뼈 표면의 관련 절제면(들)에 수직 일 필요는 없다. 대신에, 최단 거리 벡터는 검사 지점(600)와, 절제면상의 지점 또는 뼈의 절제된 표면(334, 306) 사이의 최단 거리 벡터 일 수 있다. 일부 경우, 최단 거리 벡터는 절제면(334, 306) 또는 절제면에 수직 일 수 있다. 최단 거리 벡터를 사용하는 것은, 경우에 따라, 최단 부호 거리 벡터(d)로 계산된 크기보다 작은 크기를 초래할 수 있다.
이전에 논의된 바와 같이, 최단 거리 벡터는 검사 지점(600)로부터 연관된 절제면(들) 또는 가상으로 절제된 뼈 표면(334, 306)까지 연장 될 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로, 최단 거리 벡터는 검사 지점(600)로부터 절단 도구(예를 들면, 톱날)의 허용 가능한 절삭 둘레를 나타내는 햅틱 대상까지 연장 될 수 있다. 햅틱 객체는 기하학적으로 평면이며 무한하지 않다(즉, 절제 평면과는 다름). 이것은 의도된 절제면에 위치하고 있지만 유한 영역을 가지고 있다. 햅틱 대상의 주위는 톱날을 의도된 절단에 구속하고 톱을 포함하기에 충분히 크도록 설계되어(예: 폭 25mm의 블레이드는 최소 25mm의 햅틱 대상을 가짐), 그 위치에 임플란트를 위치시키는데 필요한 뼈의 양을 최소로 하고, 연조직(즉, 무한대가 아님)을 보호하도록 형상화되어 있다.
다음의 논의는 최단 거리 부호 벡터(d)에 대한 논의와 함께 이루어질 것이지만, 논의는 앞 단락에서 기술된 최단 거리 벡터에도 동등하게 적용될 수 있다.
다시 도 26e에 도시된 바와 같이, 검사 지점 위치 확인 프로세스(360)의 다음 단계는 각각의 개별적인 절제면(344)에 대한 법선(N) 및 거리 벡터(d)가 동일한 방향으로 향하는지를 묻는 것이다[블록 370]. 법선(N)과 거리 벡터(d)가 동일한 방향을 가리키는 경우[블록 372], 절제면은 검사 지점(600)에 대해 "드러나게 높다"고 여겨진다. 이 경우에, 다음 함수가 계산된다: 거리 벡터(d)의 크기가 4.50mm보다 작거나 같으면, 검사 지점(600)의 위치는 절제면(334)에 너무 가깝고 시스템은 플래너에게 경고하며[블록 376], 검사 지점(600)의 위치가 수정되어야 한다는 오디오 및/또는 시각적 표시 일 수 있다. 법선(N)과 거리 벡터(d)가 같은 방향을 가리키고 거리 벡터(d)의 크기가 4.50mm보다 크면, 검사 지점(600)의 위치는 수정 될 필요가 없다.
법선(N)과 거리 벡터(d)가 동일한 방향을 지시하지 않으면(즉, 반대 방향을 가리키고 있음), 절제면(334)은 검사 지점(600)에 대해 "깊은" 위치에 있게 되고, 검사 지점(600)은 관절성형 절차 동안 뼈로부터 절제를 방해하거나 뼈로부터 절제된다 [블록 374]. 그러한 경우에, 시스템은 플래너에게 경고를 보내고[블록 376], 이는 검사 지점(600)의 위치가 수정되어야 한다는 오디오 및/또는 시각적 표시 일 수 있다. 검사 지점 위치/배향 뿐만 아니라 절제면의 위치/배향와 관련된 정보는 수술 시스템(100)에 의해 사용되어 햅틱 디바이스(60) 또는 수술용 로봇과 관절성형 과정 중에 사용될 수 있는 절제 및 검사 지점 위치 데이터를 생성할 수 있다. 따라서, 본원에 기술된 방법의 단계들은 환자 뼈에 대한 관절성형 절차를 계획하는데 사용하기 위한 절제면 및 검사 지점 위치 데이터를 생성하는 방법을 기술할 수 있다.
대체 방법은 법선(N)을 사용하지 않고 검사 지점(600)의 위치가 "깊게" 또는 "드러나게 높게(proud)" 위치하는지의 여부를 결정하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 검사 지점(600)로부터 절제면까지의 최단 부호 거리 벡터(d)가 결정될 수 있다. 양의 부호는 검사 지점(600)이 평면의 "부풀어 높은" 것을 나타낼 수 있다. 반대로, 최단 부호 거리 벡터(d)에 대한 음의 부호는 검사 지점(600)이 평면으로부터 "깊은" 또는 오목한 것을 나타낼 수 있다.
도 26f에 도시된 바와 같이, 대퇴골 절제(334)에 관해서, 검사 지점(600)로부터 전측 절제면(334a)까지의 거리 벡터(d)는 제1 방향(즉, 환자의 뼈쪽으로)을 지시하고, 전측 절제면(334a)에 대한 법선(N)이 제1 방향의 반대인 제2 방향(즉, 환자의 뼈로부터 멀어지는 방향)을 가리킨다. 따라서, [블록 370] 및 [블록 374]에 도시된 바와 같이, 절제면은 검사 지점(600)에 대해 깊이 위치되고, 검사 지점(600)는 절제를 방해하거나(예를 들어, 절단 도구와 접촉) 관절성형 절차 동안 뼈로부터 절제된다. 이 때문에, 경보 또는 경고는 검사 지점(600) 또는 임플란트 구성 요소(320, 300)의 대체 배치를 고려하기 위해 시스템에 의해 계획자에게 신호된다. 검사 지점(600)이 절단 도구와 간섭하거나 뼈로부터 절제되는 것으로 결정되면, 다른 절제면(334da, 334d, 334dp, 334p)에 대한 최단 부호 벡터(d)를 계산할 필요가 없을 수 있다. 그러나, 그러한 계산은 특정 경우에 계산될 수 있다.
도 26f의 경골 절제(306)에 관하여, 검사 지점(600)로부터 근위 경골 절제(306)까지의 거리 벡터(d)는 제1 방향(즉, 환자 뼈쪽으로)을 가리키고, 절제(306)의 법선은 제2 방향(즉, 환자의 뼈에서 멀어짐)을 가리킴, 이는 제1 방향과 반대이다. 따라서, [블록 370] 및 [블록 374]에 도시된 바와 같이, 절제면은 검사 지점(600)에 대해 깊이 위치되고, 검사 지점(600)는 절제를 방해하거나(예를 들어, 절단 도구와 접촉한다) 관절성형 절차시 뼈로부터 절제된다. 이 때문에, 경보 또는 경고는 검사 지점(600) 또는 임플란트 구성 요소(320, 300)의 대체 배치를 고려하기 위해 시스템에 의해 계획자에게 신호된다.
도 26g의 대퇴부 절제 부분을 참조하면, 검사 지점(600)로부터 전측 절제면(334a)까지의 거리 벡터(d)는 제1 방향(즉, 환자의 뼈로부터 멀어짐)으로 가리키고, 전측 절제면(334a)의 법선도 또한 제1 방향(즉, 환자의 뼈로부터 멀어짐)으로 가리킨다. 거리 벡터(d)의 방향 부분 및 법선(N)이 동일한 방향을 가리키고 있기 때문에, 검사 지점 위치 확인 프로세스(360)는 [블록 372]로 계속된다. 이 과정의 이 단계에 따라 거리 벡터(d)의 크기 또는 거리 부분이 다음 방정식에 따라 분석된다: 거리 벡터(d)의 크기가 4.50mm 이하인 경우, 검사 지점(600)이 절제면(334)에 너무 가깝고 경고 또는 경보가 시스템에 의해 플래너에 전송된다[블록 376]. 거리 벡터(d)의 크기가 4.50mm보다 크다면, 검사 지점(600)는 관절성형 과정을 위해 적절하게 위치된다.
도 26g의 대퇴골 절제(334)를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 추가 거리 벡터(d1), (d2), (d3), (d4)는 원래 거리 벡터(d)가 분석된 것과 동일한 방식으로 분석 될 수 있다. 도면에서 알 수 있듯이 모든 거리 벡터(d1), (d2), (d3) 및(d4)는 각각의 법선(N)과 같은 방향을 가리킨다. 따라서, 검사 지점(600)이 각각의 절제면(334da, 334d, 334dp, 334p)에 너무 근접한지를 결정하기 위해 [블록 372]에 대해 분석된다. 거리 벡터(d1), (d2), (d3), (d4) 중 하나 이상이 그들의 각각의 절제면(334da, 334d, 334dp, 334p)으로부터 4.50mm 이하인 경우, 임의의 다른 거리 벡터 (d1), (d2), (d3), (d4)가 절제면(334a, 334da, 334d, 334dp, 334p)으로부터 4.50mm 이하가 되지 않도록 하면서, [블록 372]의 조건을 만족하도록 수정, 조정 또는 이동되어야 한다.
[블록 372]에서 4.50mm 임계값에 대한 이론적 근거가 도 26h의 표 650에 도시되어있다. 표(650)는 검사 지점(600)의 4.50mm 임계 값이 절제면에 너무 가깝게 고려되는 다양한 오차 소스를 설명한다. 표(650)의 라인 1에서 후측 절단 시스템 오차는 해부학적 Y- 방향(예컨대, 도 26f-26g의 전측-후측 방향)에서 후측 절제와 관련된 최대 시스템 오차를 지칭한다. 최대 시스템 오차는 시스템(100)이 후측 절단을 수행하는 동안 사용자가 허용하는 최대 허용 오차 또는 편차이다. 이러한 특정 실시예에서, 해부학적 Y-방향에서의 후측 절단과 관련된 최대 시스템 에러는 참조 X1로 도시된다.
도 26h의 표(650)의 라인 2에서의 원위 절단 시스템 오차는, 해부학적 Z- 방향(예컨대, 도 26f-26g의 원위-근위 방향)에서 원위 절제와 관련된 최대 시스템 오차를 나타낸다. 최대 시스템 오차는 시스템(100)이 원위 절단을 수행하는 동안 사용자가 허락하는 최대 허용 오차 또는 편차이다. 이러한 특정 실시예에서, 해부학적 Z- 방향의 원위 절단과 관련된 최대 시스템 오차는 참조 X2로 예시된다.
도 26h의 표(650)의 라인 3의 후측 절단에 의한 전측 챔퍼 시스템 오차는 표 650의 라인 1을 참조하여 설명된 후측 절단과 관련된 최대 오차로 인한 전측 챔퍼 절단과 관련된 최대 시스템 오차를 나타낸다. 도 26i는 실선으로 도시된 제1 위치의 대퇴골 절제(334)의 시상도이고, 후측 절단부가 해부학적 Y- 방향으로 병진될 때 전측 챔퍼 절단부 X3으로 도시된 양만큼 검사 지점에 더 가깝게 이동한다.
도 26h의 표(650)의 라인 4의 원위 절단에 의한 전측 챔퍼 시스템 오차도 표 650의 라인 2를 참조하여 설명된 원위 절단과 관련된 최대 오차로 인한 전측 챔퍼 절단과 관련된 최대 시스템 오차를 나타낸다. 도 26j에 도시된 바와 같이, 도 26j는 실선으로 도시된 제1 위치, 및 원위 절단부가 해부학적 Z-방향으로 병진 이동 될 때 전측 챔퍼 절단부가 병진된 후 점선으로 도시된 제2 위치의 대퇴 절제부(334)의 시상도이고, 원위 절단부가 해부학적 Z- 방향으로 병진될 때 참조 번호 X4에 의해 도시된 양만큼 전측 챔퍼 절단부가 검사 지점에 더 가깝게 이동한다.
도 26h의 표(650)의 라인 5에서 참조 번호 X5로 도시된 프로파일 오차는, 전측 챔퍼 절단과 관련된 최대 프로파일 오차이다. 프로파일 오차는 외과 의사의 원위 및 후측 절개를 계획된 원위 및 후측 절개와 정렬한 후 전측, 전측 챔퍼 및 후측 챔퍼 절개와 관련된 절제 오차이다. 따라서, 정렬 목적을 위한 1차 및 2차 데이터로 가정되는 원위 및 후측 절단과 관련된 오차이다.
예를 들어, 외과 의사가 대퇴골을 5 번 모두 자르고 시연을 시작한다고 가정하자. 원위 절단이 계획보다 1mm 더 드러나게 높게(prouder) 있고 후측 절단이 계획보다 1mm 깊다고 가정하자. 외과 의사가 시운전을 시작할 때 임플란트 구성요소가 절개된 뼈를 원위 평면에 플러시하고(flushed) 후측 절단부에서 동일하도록 보장함으로써 원위 절단 오차를 제로 아웃한다. 이를 통해 외과 의사는 전측 및 전측 챔퍼 및 후측 챔퍼 절단부에 원위 및 후측 절단 오차를 모두 전달한다. 이 유형의 오차는 절단 부위 주변에 1.5mm의 양측 공차 범위를 설정하여 제어할 수 있다. 즉, 전측 및 후측 절단을 제로 아웃 할 때 모든 전측, 전측 챔퍼 및 후측 챔퍼 절단은 수술 전 계획된 위치에 대해 ± 1.5mm 이내이다.
도 26h의 표(650)의 라인 6에서, 기여 변수의 리스트로서 주어진 조합된 오차인 참조 X6에 의해 도시된 제곱의 루트 합은 후측 절단으로 인한 전측 챔퍼 오차, 원위 절단으로 인한 전측 챔퍼 오차 및 프로파일 오차에 대해 계산된다. 표(650)에 제공된 값들을 사용하여, 제곱의 루트 합은 다음과 같다: RSS = SQRT((X3) ^ 2 +(X4) ^ 2 +(X5) ^ 2) = X6.
도 26h의 표(650)의 라인 7, 검사 지점(600) 내부의 TCP로부터 절개 도구의 블레이드의 거리는 참조 X7에 의해 도시되며, 이는 특정 경우에 약 2.87 ㎜ 일 수 있다. 이 값은 절개 도구의 블레이드가 검사 지점(600)과 접촉하지 않고 검사 지점(600)의 디봇(606)의 중심점으로부터 될 수 있는 최단 거리이다(도 26a 참조). 따라서, 절개 도구는 검사 지점(600)의 도구체 중심점(TCP)으로부터 적어도 2.87 mm 떨어져 있어야 하며, 따라서 도구가 검사 지점(600)을 방해하거나 접촉하지 않는다. 이 계산을 위해, 대퇴부 검사 지점(600)는 시상면에 대해 약 45도 각도로 기울어진 대퇴부 표면에 위치한다고 가정한다.
도 26h의 표(650)에 도시된 바와 같이, 총 임계 거리(X8)는 라인 6상의 제곱의 루트 합 X6을 라인 7의 블레이드 거리 인자 X7과 결합 또는 합산함으로써 계산된다.
도 26h의 경골 차트(652)를 참조하면, 경골 근위 절단 오차는 라인 1에서 참조 Y1로 도시된다. 경골 근위 절단 오차는 해부학적 Z- 방향(예 : 원위 - 근위 방향)에서 근위 절제과 관련된 최대 시스템 오차이다. 즉, Y1은 사용자가 경골의 근위 절제를 수행하는 데 허용되는 최대 허용 오차이다. 경골 차트(652)의 라인 2에서, 블레이드 거리 인자는 경골 검사 지점(600)에 대한 참조(Y2) 로 도시된다. 경골 차트(652)의 라인 1 및 2의 값이 주어지면, 이들 값의 합은 참조 Y3로 도시되고 총 임계 거리이다.
대퇴부 및 경골 검사 지점 임계값 중 더 큰 것은 4.50mm로 반올림되어 여기서 설명된 검사 지점 위치 확인 프로세스(360)에서 사용될 수 있다.
III. 수술 중 연골 표면 등록
일 실시예에서, 삼차원 환자 골 모델(224, 226)은 환자의 실제 대퇴골 및 경골의 CT 이미지로부터 생성된다. 다른 실시예에서, 환자 골 모델(224, 226)은 콘트라스트 인젝션, MRI, X- 레이 등을 갖는 CT와 같은 다른 유형의 의료 이미지로부터 생성된다. 이들 이미징 기법 중 일부는 환자의 연골을 도시하며(예를 들어, 콘트라스트를 갖는 CT 및 MRI) 환자의 연골 및 다른 이미징 진단 양식(예: 직선 CT)의 존재를 반영하는 환자 골 모델를 초래하고, 환자의 실제 피질 또는 외부 뼈 표면만을 반영하고 환자 연골의 존재는 반영하지 않는 환자 골 모델을 초래하지 않을 것이다.
예를 들어, CT가 해상도 및 속도 분야에서 MRI와 같은 다른 이미징 양식보다 장점을 가지고 있기 때문에 직선 CT 이미지가 삼차원 환자 골 모델(224, 226)을 생성하는 데 사용되는 상황에서 결과적인 CT 기반 골 모델은 환자의 연골 표면을 반영하지 않는다. 즉, 골 모델은 골 전용 모델이다. 전술한 수술 전 계획은 환자의 연골 과두 표면을 반영하지 않는 환자 골 모델(224, 226)의 오직 뼈만의 과두 표면의 뼈 절제 깊이를 결정하는 것을 포함하기 때문에, 그리고 실제 대퇴골 및 경골의 외과적 이식이 총 무릎 관절성형 절차의 부분으로서 대체되는 환자의 연골 과두 표면을 복제하는 위치에 각 과두 표면에 위치되도록 배치될 필요가 있기 때문에, 연골의 두께는 수술에서 고려 될 필요가 있다.
전술한 수술 전 계획 방법론에서 사용되고 CT를 통해 생성된 골 모델(224, 226)에서 연골 표현의 결핍을 설명하는 하나의 방법은 수술 전 계획된 대퇴골 및 경골 뼈 절제면(334, 302)을 각각 도 27a 및 27b에서와 같이 연골 두께와 동일한 만큼 원위 및 근위로 이동되는 것이며, 도 27a 및 도 27b는 각각 수술 전 계획대로의 대퇴부 임플란트 및 환자 골 모델(320, 226)의 시상 단면도 및 수술 전 계획대로의 경골 임플란트 및 환자 골 모델(300, 224)의 시상 단면도이다. 도 27a의 점선 화살표로 표시된 바와 같이, 수술 전 계획된 대퇴부 임플란트 과두 표면(332)의 위치는 대퇴부 임플란트 과두 표면의 연골 보상 위치(332A)를 취하기 위해 원위로 움직이고, 대퇴부 절제(334)의 수술 전 계획된 위치는 대퇴부 절제의 연골 보상 위치(334A)를 취하기 위해 원위로 이동된다. 이러한 조정의 결과로 실제 대퇴뷰 임플란트는 절제된 대퇴부 연골 과두 표면 대신에 작동하도록 위치되는 과두 표면을 가지게 된다.
도 27b의 점선 화살표로 도시된 바와 같이, 경골 임플란트 과두 표면(304)의 수술전 계획된 위치는 경골 임플란트 과두 표면의 연골 보상 위치(304A)를 취하기 위해 근위로 움직이고, 경골 절제(306)의 수술 전 계획된 위치는 근위로 이동하여 경골 절제의 연골 보상 위치(306A)를 위한다. 이러한 조정의 결과로 실제 경골 임플란트가 절제된 경골 연골 과두 표면 대신에 작동하도록 위치되는 과두 표면을 가지게 된다.
일 실시예에서, 연골 보상은 연골 두께에 대한 추저 값에 따라 도 27a 및 도 27b에 도시된 이동을 함으로써 이루어질 수 있다. 예를 들어, 수술 전 계획된 대퇴골과 경골의 절제은 각각의 방향으로 예를 들어 2mm의 연골 두께로 이동될 수 있다.
또 다른 실시 측면에서, 연골 보상은 지금 논의 될 바와 같이 수술 중 등록 과정 중에 행해질 수 있다. 도 1과 관련하여 전술 한 바와 같이, 실제 수술 중에, 실제 환자 뼈(10, 11)는 환자 뼈(10, 11)에 부착되고 네비게이션 시스템(42)의 검출 디바이스(44)를 통해 검출되는 네비게이션 마커(46)를 통해 대응하는 환자 골 모델(224, 226)에 위치적으로 등록된다. 실제 뼈(10, 11)의 골 모델(224, 226) 로의 수술 중 등록으로 인해, 시스템(100)은 골 모델 과두 표면이 실제 뼈(10, 11)의 그것과 관련되는 위치를 안다. 그러나, 골 모델은 CT 이미지의 결과이기 때문에, 연골 과두 표면은 수술 전 계획의 일부가 아니며, 시스템(100)은 연골 과두 표면이 실제 뼈 또는 골 모델의 표면과 관련되는 위치를 알지 못한다. 연골을 등록하면 이러한 상황을 개선 할 수 있다.
또한, 도 28a 및 도 28b는 각각 도 1의 시스템의 디스플레이(56) 상에 묘사되는 환자 대퇴부 모델(226)의 축 또는 횡 방향 원위도 및 관상 후측도이다. 표식 캡쳐 영역(500, 501)은 각각의 시야에서 모델(226) 상에서 강조된다. 표식 캡쳐 영역은 수술 중에 외과 의사에 의해 식별 될 수 있는 실제 환자 대퇴골(11) 상의 영역에 속한다.
도 29a 및 도 29b는 각각 도 28a 및 도 28b의 표식 캡쳐 영역(500, 501)의 확대도이다. 일련의 등록 지점(502)이 각 캡처 영역 상에 각각 묘사된다. 일 실시예에서, 각각의 영역(500, 501)은 10개의 지점(502)를 가지며, 다른 실시예에서는 지점(502)의 수가 10보다 크거나 작을 수 있다.
도 1, 도 29a 및 도 29b에 도시된 바와 같이, 네비게이션 프로브(55)의 원위 단부(504) 또는 햅틱 디바이스(60)의 엔드 효과의 자유 단부로부터 연장되는 캡처 프로브의 원위 단부(504)(즉, 도 1의 수술용 도구(58)에 의해 점유되는 부분인 햅틱 디바이스(60)의 부분)가 도 29a 및 도 29b의 디스플레이 상에 도시된 영역(500 및 501)의 지점(502)과 동일한 것으로 의사가 믿는 위치에서 수술 중에 환자의 실제 대퇴골(11)의 실제 연골 관절구 표면과 접촉하도록 외과 의사에 의해 안내된다. 외과 의사는 디스플레이(56) 상에 표시된 지점(502) 중 하나에 대응하는 것으로 믿어지는 위치에서 환자의 실제 대퇴골(11)의 연골 과두 표면에 닿을 때마다, 시스템(100)에 입력을 하고, 실제 연골 지점 위치 및 대응 지점(502)이 디스플레이(56) 상에 나타나도록 등록한다. 이 과정은 모든 10개 지점(502)이 실제 환자 대퇴골(11)의 연골 과두 표면 상의 대응하는 지점 위치에 등록될 때까지 반복된다. 이 프로세스는 골 모델 상에 도시된 특정 지점에 대응하는 연골 표면 상의 개별 지점을 등록하는 것으로 설명되지만, 시스템(100)은 선택적으로 타겟 영역만을 디스플레이하고 캡쳐를 위한 개별 지점을 묘사하지 않을 수 있다.
캡처 프로세스의 결과로서, 실제 환자 대퇴골의 연골 과두 표면은 실제 환자 대퇴골(11)에 등록된 환자 대퇴골 모델을 고려하여 환자 대퇴골 모델(226)에 등록된다. 외과 의사 또는 외과 팀의 일원에 의한 별개의 신중한 동작으로 시스템(100) 내로 각 지점(502)를 개별적으로 입력하는 대신에, 캡쳐 프로세스는 단일 입력(예를 들어, 버튼 클릭 스크린, 풋 페달 입력, 네비게이션 프로브 상의 버튼 누름부(55))에 의해 개시되고, 그 후 시스템이 뼈 표면 상에 네비게이션 프로브(55)의 원위 단부(504)의 위치를 자동으로 입력하는 동안 외과 의사는 영역(500, 501)을 "페인트(paint)"할 수 있다. 따라서 시스템은 외과 의사 또는 외과 팀이 제공하는 단일 입력 신호로 단시간에 10개 지점을 수집 할 수 있다.
도 27a에서 연골 과두 표면의 위치가 점선(332A)으로 표시된 것?럼 연골 과두 표면이 환자 골 모델(226)에 등록되면, 시스템(100)은 임플란트 과두 표면(332)을 연골 과두 표면 라인(332A)과 원위로 위치가 일치하도록 이동시키고, 따라서 수술 전 계획된 절제 라인(334)을 수술 중에 조정된 절제 라인(334A)으로 당긴다. 따라서, 수술 전 계획된 절제 라인은 설명된 등록 프로세스를 통해 환자 대퇴골 모델(226)에 실제 환자 대퇴골(11)의 연골 과두 표면을 등록함으로써 수술 중에 조정되었다.
일단 연골 과두 표면이 등록되면, 수술 전 계획된 절제는 임플란트 과두 표면을 삼차원 뼈 전용 모델의 관절 표면과 매핑된 연골 표면 사이의 차이와 동일한 양만큼 특정 방향으로 원위로 이동시킴으로써 조절되거나 결정될 수 있다.
연골 과두 표면(332A)에 대한 등록 라인이 도 27a에 도시되어 있지만, 일부 실시예에서, 연골 오프셋 정보는 등록되는 연골 영역(500)의 등록된 두께에 의해 대퇴골 모델(226)의 과두 표면으로부터 오프셋되는 지점 또는 다른 기준의 형태일 수 있다. 특정 실시예에서, 시스템(100)은 관심의 특정 뼈 영역에 따라 최하위/ 최원위/최후측/최근위인 단일 지점만을 나타낼 수 있다. 특정 실시예에서, 지점(502)의 전부 또는 일부가 표면을 보간하는데 사용될 수 있고, 시스템(100)은 임플란트 과두 표면(332)을 보간된 표면으로 이동시킬 수 있다.
절제 깊이가 연골의 두께에 따라 조정되면 외과 의사는 변경 사항을 수락하거나 임플란트 계획을 수정할 수 있다.
선행 연골 등록 논의는 대퇴부 수술 중 연골 등록 및 절제 조정의 맥락에서 이루어지지만, 전술한 논의는 도 27a, 도 28a 및 도 29a 내지 도 27b,도 28b 및 도 29b의 ㅂ교로부터 이해되는 것처럼 경골 수술 중 연골 등록에 동일하게 적용될 수 있다.
전술한 연골 등록 프로세스를 통해 연골 두께를 고려하여 수술 전 계획된 절제를 조정했기 때문에, 이식된 임플란트는 절제된 연골 과두 표면 대신 작용하도록 위치된 각각의 과두 표면을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 이식된 임플란트는 절제된 연골 과두 표면 대신에 작용하도록 위치된 오직 하나의 과두 표면(예를 들어, 내측 또는 외측)을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 이식된 임플란트는 절제된 연골 과두 표면 대신에 작용하도록 위치된 과두 표면(예를 들어, 내측 또는 외측)을 갖지 않을 수 있다.
수술 중 연골 등록 과정은 무릎 관절성형을 계획하는데 사용하기 위한 절제 데이터를 생성하는 과정 또는 방법으로 설명 될 수 있다. 환자의 골 모델(226, 224)은 뼈만을 묘사 할 수 있기 때문에, 특정 실시예에서 실제 환자의 뼈는 연골에서 적어도 부분적으로 덮일 수 있으며, 연골의 수술 중 등록은 절제 깊이에 대한 조절량에 대한 통찰을 제공할 수 있고, 이는 연골에 대한 추가적 또는 대안적인 고려가 있거나 없는 상태에서 수술 전에 결정될 수 있다.
상기 프로세스 또는 방법은 일반적으로 다음과 같이 기술 될 수 있다. 시스템의 컴퓨터는 환자의 뼈(예를 들어, 대퇴골, 경골)의 의료 이미지(예를 들어, CT, MRI, X- 선)으로부터 생성된 삼차원 환자 골 모델(226, 224)(예를 들어, 대퇴골 모델, 경골 모델)을 수신할 수 있다. 삼차원 환자 골 모델(226, 224)은 도 1을 참조하는 추적 및 네비게이션 시스템을 통해 실제 환자 뼈의 위치 및 배향과 연관될 수 있다. 삼차원 환자 골 모델(226, 224)은 삼차원 좌표 시스템 또는 공간에 위치 될 수 있다.
상기 방법 또는 프로세스는 또한 외과 의사에 의한 수술 중 등록을 위해 삼차원 환자의 골 모델(226, 224)의 골 모델 표면 상의 타겟 영역(500, 501) 내의 복수의 제1 지점(502)의 위치를 네비게이션 프로브(55)의 원위 단부(504)로 식별하는 것을 포함한다. 상기 방법 또는 프로세스는 또한 삼차원 골 모델(226, 224)의 골 모델 표면 상의 상기 복수의 제1 지점(502)에 대응하는 위치에 실제의 물리적 환자 뼈에 대한 연골의 수술 중 등록에 기초하여 복수의 제2 지점에 대한 위치 데이터를 수신하는 단계를 포함할 수 있다.
방법 또는 프로세스는 또한 골 모델 표면 상의 복수의 제2 지점에 대한 위치 데이터와 복수의 제1 지점의 위치 사이의 비교에 기초하여 절제 깊이를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 방법 또는 프로세스는 또한 절제 깊이를 사용하여 절제 데이터를 생성하는 것을 포함할 수 있다. 절제 데이터는 도 1의 수술 로봇을 제어하기 위한 햅틱 경계로서 사용될 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로, 절제 데이터는 관절성형 절차 동안 수술용 로봇에 의해 이용 될 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로, 절제 데이터는 관절 성형 절차 중에 네비게이션 시스템에 의해 이용 될 수 있다. 네비게이션 시스템은 관절성형 절차를 수행하는 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스와 함께 동작할 수 있다. 적어도 2 개의 자유도(예를 들어, 회전하는 버 및 병진 기능)를 갖는 절단 장치와 같은 자율 로봇은 절제를 수행하기 위한 도구 경로로서 이용되는 절제 데이터로 관절성형 절차를 수행할 수 있다. 본원에 설명된 햅틱 디바이스(60) 또는 적어도 하나의 자유도(예를 들어, 외과의에 의해 이동되거나 병진되는 회전 버어)를 갖는 절개 도구와 같은 외과 보조 디바이스는 가상의 절제 데이터 또는 절개 도구의 특정 움직임을 제어하거나 제한하기 위한 햅틱 경계(예, 절제 깊이)로 관절성형 절차를 수행한다.
본원에 기술된 방법의 일례는 적어도 부분적으로 연골로 덮인 환자의 뼈에 대한 관절성형 과정을 계획하는 데 사용하기 위한 절제 데이터를 생성하는 것을 포함할 수 있다. 이 방법은 네비게이션 시스템을 통해 환자 뼈의 위치 및 배향과 상관되는 골 모델 표면을 포함하는 삼차원 환자 골 모델을 수신하는 컴퓨터를 포함할 수 있다. 삼차원 환자 골 모델은 삼차원 좌표계에 있다. 컴퓨터는 수술 중 등록을 위해 삼차원 환자의 골 모델의 골 모델 표면 상의 타겟 영역을 식별 할 수 있다. 컴퓨터는 또한 삼차원 골 모델의 골 모델 표면상의 타겟 영역 내의 지점들에 대응하는 위치들에서 환자 골격상의 연골의 수술 중 등록에 기초하여 복수의 제1 지점들에 대한 위치 데이터를 수신 할 수 있다. 컴퓨터는 또한 제1 복수 점에 대한 위치 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 절제 깊이를 결정할 수 있다. 컴퓨터는 또한 복수의 제1 지점에 대한 위치 데이터를 적어도 부분적으로 기초하여 절제 깊이를 결정한다. 컴퓨터는 절제 깊이를 사용하여 절제 데이터를 생성할수 있으며, 절제 데이터는 관절성형 절차 중에 네비게이션 시스템에 의해 이용되도록 구성된다.
도 30을 참조하면, 여기에 논의된 다양한 시스템 및 방법을 구현할 수있는 하나 이상의 컴퓨팅 유닛을 갖는 예시적인 컴퓨팅 시스템(1300)의 상세한 설명이 제공된다. 컴퓨팅 시스템(1300)은 관절성형 절차의 수술 전 계획 및 다른 컴퓨팅 또는 네트워크 장치에 이용되는 임의의 컴퓨터 또는 시스템에 적용 가능할 수 있다. 이들 장치의 특정 구현 예는 본 명세서에서 구체적으로 논의되지는 않지만 당업자가 이해할 수 있는 상이한 가능한 특정 컴퓨팅 구조로 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.
컴퓨터 시스템(1300)은 컴퓨터 프로세스를 실행하기 위해 컴퓨터 프로그램 제품을 실행할 수있는 컴퓨팅 시스템일 수 있다. 데이터 및 프로그램 파일은 컴퓨터 시스템(1300)에 입력 될 수 있으며, 컴퓨터 시스템은 파일을 판독하고 거기에 들어 있는 프로그램을 실행한다. 컴퓨터 시스템(1300)의 구성요소들 중 일부는 도 30에 도시되어 있으며, 이들은 하나 이상의 하드웨어 프로세서(1302), 하나 이상의 데이터 저장 장치(1304), 하나 이상의 메모리 장치(1308), 및/또는 하나 이상의 포트(1308-1310)를 포함한다. 또한, 당업자가 인식 할 다른 구성요소들이 컴퓨팅 시스템(1300)에 포함될 수 있지만 명시적으로 도 30에 도시되거나 본 명세서에서 논의 되지는 않는다. 컴퓨터 시스템(1300)의 다양한 구성요소들은 하나 이상의 통신 버스, 점대 점 통신 경로, 또는 도 30에 명시적으로 도시되지 않은 다른 통신 수단을 통해 서로 통신 할 수 있다.
프로세서(1302)는 예를 들어, 중앙 처리 장치(CPU), 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 디지털 신호 프로세서(DSP) 및/또는 하나 이상의 내부 레벨의 캐시를 포함할 수 있다. 프로세서(1302)가 하나의 중앙 처리 유닛, 또는 일반적으로 병렬 처리 환경으로 지칭되는 명령을 실행하고 서로 병렬로 동작을 수행 할 수있는 복수의 처리 유닛을 포함하도록 하나 이상의 프로세서(1302)가있을 수 있다
컴퓨터 시스템(1300)은 종래의 컴퓨터, 분산 컴퓨터, 또는 클라우드 컴퓨팅 아키텍처를 통해 이용가능하게된 하나 이상의 외부 컴퓨터와 같은 임의의 다른 유형의 컴퓨터 일 수 있다. 본 명세서에 기술된 기술은 메모리 장치(들)(1306)에 저장된 데이터 저장 장치(들)(1304) 상에 저장된 소프트웨어로 선택적으로 구현되고/되거나 하나 이상의 포트(1308-1310)을 통해 통신 될 수 있으며, 그 결과 도 30의 컴퓨터 시스템(1300)을 본 명세서에 설명된 동작들을 구현하기위한 전용 기계에 연결한다. 컴퓨터 시스템(1300)의 예들은 퍼스널 컴퓨터, 단말기, 워크스테이션, 이동 전화기, 태블릿, 랩톱, 퍼스널 컴퓨터, 멀티미디어 콘솔, 게임 콘솔, 셋톱 박스 등을 포함한다.
하나 이상의 데이터 저장 장치(1304)는 컴퓨팅 시스템을 수행하기위한 컴퓨터 실행 가능 명령들과 같이 컴퓨팅 시스템(1300)내에서 생성되거나 사용된 데이터를 저장할 수 있는 임의의 비 휘발성 데이터 저장 장치를 포함할 수 있으며, 이는 애플리케이션 프로그램 및 컴퓨팅 시스템(1300)의 다양한 구성요소를 관리하는 운영 체제(OS) 모두의 명령을 포함할 수 있다. 데이터 저장 장치(1304)는 제한없이자기 디스크 드라이브, 광학 디스크 드라이브, SSD(solid state drive), 플래시 드라이브 등을 포함할 수 있다. 데이터 저장 장치(1304)는 하나 이상의 데이터베이스 관리 제품, 웹 서버 제품, 응용 프로그램 서버 제품, 및/또는 기타의 추가 소프트웨어 부품을 포함한 컴퓨터 프로그램 제품과의 유선 또는 무선 네트워크 아키텍쳐를 통해 이용가능하게 되는 착탈식 데이터 저장 매체, 비-착탈식 데이터 저장 매체, 및/또는 외부 저장 장치를 포함할 수 있다. 착탈식 데이터 저장 매체의 예로는 CD-ROM, DVD-ROM, 광 자기 디스크, 플래시 드라이브 등이 있다. 비-착탈식 데이터 저장 매체의 예는 내부 자기 하드 디스크, SSD 등을 포함한다. 하나 이상의 메모리 장치(1306)는 휘발성 메모리(예를 들어, 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM), 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM) 등) 및/또는 비 휘발성 메모리(예를 들어, 판독 전용 메모리(ROM), 플래시 메모리 등)를 포함할 수 있다.
본 명세서에 기술된 기술에 따라 시스템 및 방법을 수행하기 위한 메커니즘을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품은 기계 판독 가능 매체로 지칭 될 수 있는 데이터 저장 장치(1304) 및/또는 메모리 장치(1306)에 들어 있을 수 있다. 머신-판독 가능 매체는 머신에 의한 실행을 위해 본 명세서에 개시된 임의의 하나 이상의 동작을 수행하기 위한 명령을 저장 또는 인코딩할 수 있거나, 또는 이러한 명령에 의해 이용되거나 이와 관련되는 데이터 구조 및/또는 모듈을 저장 또는 인코딩할 수 있는 임의의 유형의 비 일시적인 매체를 포함할 수 있다고 이해될 것이다. 머신-판독 가능 매체는 하나 이상의 실행 가능 명령 또는 데이터 구조를 저장하는 단일 매체 또는 다중 매체(예를 들어, 중앙 집중식 또는 분산형 데이터베이스 및/또는 연관된 캐시 및 서버)를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 컴퓨터 시스템(1300)은 다른 컴퓨팅, 네트워크 또는 차량 디바이스와 통신하기 위한 입력/출력(I/O) 포트(1308) 및 통신 포트(1310)와 같은 하나 이상의 포트를 포함한다. 포트(1308-1310)는 결합되거나 분리 될 수 있고 더 많거나 적은 포트들이 컴퓨터 시스템(1300)에 포함될 수 있다고 이해될 것이다.
I/O 포트(1308)는 정보가 컴퓨팅 시스템(1300)에 입력되거나 컴퓨터 시스템(1300)으로부터 출력되는 I/O 장치 또는 다른 장치에 연결될 수 있다. 이러한 I/O 장치는 하나 이상의 입력 장치, 출력 장치 및/또는 다른 장치를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현예에서, 입력 장치는 인간의 음성, 물리적 움직임, 물리적 터치 또는 압력 등과 같은 인간 생성 신호를 I/O 포트(1308)를 통한 컴퓨팅 시스템(1300)으로의 입력 데이터로서의 전기 신호로 변환한다. 유사하게, 출력 장치는 I/O 포트(1308)를 통해 컴퓨팅 시스템(1300)으로부터 수신된 전기 신호를 소리, 빛 및/또는 터치와 같은 인간에 의한 출력으로서 감지 될 수 있는 신호로 변환할 수 있다. 입력 장치는 정보 및/또는 명령 선택을 I/O 포트(1308)를 통해 프로세서(1302)에 전달하기 위한 영숫자 및 다른 키들을 포함하는 영숫자 입력 장치 일 수 있다. 입력 장치는, 이들에 제한되는 것은 아니지만 마우스, 트랙볼, 커서 방향키, 조이스틱 및/또는 휠과 같은 방향 및 선택 제어 장치; 카메라, 마이크로폰, 위치 센서, 방위 센서, 중력 센서, 관성 센서 및/또는 가속도계와 같은 하나 이상의 센서; 및/또는 터치-감지형 디스플레이 스크린("터치스크린")을 포함하는 다른 유형의 사용자 입력 장치일 수 있다. 출력 장치는 디스플레이, 터치스크린,스피커, 촉각 및/또는 햅틱 출력 장치 등을 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다. 일부 구현예에서, 입력 장치 및 출력 장치는 예를 들어, 터치스크린의 경우에 동일한 장치 일 수 있다.
일 구현예에서, 통신 포트(1310)가 네트워크에 접속되어, 컴퓨터 시스템(1300)이 본 명세서에 설명된 방법 및 시스템을 실행하고 그로서 결정되는 정보 및 네트워크 구성 변경을 전송하는데 유용한 네트워크 데이터를 수신 할 수 있게 된다. 달리 말하면, 통신 포트(1310)는 하나 이상의 유선 또는 무선 통신 네트워크 또는 접속을 통해 컴퓨팅 시스템(1300)과 다른 장치들간에 정보를 송신 및/또는 수신하도록 구성된 하나 이상의 통신 인터페이스 장치에 컴퓨터 시스템(1300)을 연결한다. 이러한 네트워크 또는 접속의 예에는 USB(범용 직렬 버스), 이더넷, Wi-Fi, Bluetooth®, NFC(근거리 무선 통신), LTE(Long-Term Evolution) 등이 포함되지만, 이들에 제한되는 것은 아니다. 하나 이상의 이러한 통신 인터페이스 디바이스는 통신 포트(1310)를 통해 이용되어, 점 대 점 통신 경로, 광역 네트워크(WAN)(예를 들어, 인터넷), 근거리 통신망(LAN), 셀룰러(3G) 또는 4 세대(4G)) 네트워크 또는 다른 통신 수단을 통해 직접적으로 하나 이상의 다른 기계와 통신할 수 있다. 또한, 통신 포트(1310)는 전자기 신호 전송 및/또는 수신을 위해 안테나 또는 다른 링크와 통신할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 환자 데이터, 골 모델(예를 들면, 일반적, 특정 환자용), 변환 소프트웨어 및 다른 소프트웨어 및 다른 모듈 및 서비스는 데이터 저장 장치(1304) 및/또는 메모리 장치(1306)에 저장된 명령에 의해 구현될 수 있으며 프로세서(1302)에 의해 실행될 수 있다. 컴퓨터 시스템(1300)은 수술 시스템(100)과 일체화되거나 그렇지 않으면 수술 시스템(100)의 일부를 형성 할 수 있다.
도 30에 도시된 시스템은, 본 명세서에 개시된 바에 따라 사용되거나 구성될 수 있는 컴퓨터 시스템의 하나의 가능한 예이다. 본 명세서에 개시된 기술을 컴퓨팅 시스템 상에 구현하기 위한 컴퓨터 실행 가능 명령을 저장하는 다른 비 일시적인 유형의 컴퓨터 판독 가능 저장 매체가 사용될 수 있다고 이해될 것이다.
본 명세서에서, 본 명세서에 개시된 방법, 예를 들어 특히 도 8, 10A-10C, 18-19 및 26E에 도시된 방법은 장치에 의해 판독 가능한 명령 또는 소프트웨어 세트로서 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서에 개시된 방법에서의 단계들의 특정 순서 또는 계층 구조는 예시적인 접근의 예라고 이해된다. 설계 선호도에 기초하여, 본 방법의 특정 순서 또는 계층 구조가 본 명세서에 개시된 대상에 속하면서 재배열될 수 있음이 이해된다. 수반되는 방법 청구항에는 여러 단계의 구성요소가 예시적인 순서로 제시되어 있는데, 제시된 특정 순서 또는 계층 구조에 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 기술된 방법들 중 임의의 것을 포함하는 본 발명은 컴퓨터 시스템(또는 다른 전자 디바이스)을 프로그램하여 본 명세서에 따른 프로세스를 수행하는데 사용될 수 있는 명령들을 저장하는 비 일시적 기계 판독 가능 매체를 포함할 수있는 컴퓨터 프로그램 제품 또는 소프트웨어로서 제공될 수 있다. 머신 판독 가능 매체는 기계(예를 들어, 컴퓨터)가 읽을 수 있는 형식(예를 들어, 소프트웨어,처리 응용 프로그램)으로 정보를 저장하는 모든 메커니즘을 포함할 수 있다. 머신 판독 가능 매체는, 이들에 제한되는 것은 아니지만, 자기 저장 매체, 광 저장 매체; 광 자기 저장 매체, 판독 전용 메모리(ROM); 랜덤 액세스 메모리(RAM); 지울 수 있는 프로그램 가능한 메모리(예를 들어, EPROM 및 EEPROM); 플래시 메모리; 또는 전자 명령을 저장하기에 적합한 다른 유형의 매체 일 수 있다.
Claims (115)
- 환자 뼈에 대한 관절성형 절차(arthroplasty procedure)를 계획하는데 사용하기 위한 절제면 데이터를 생성하는 방법으로서,
의료 이미징 기기를 이용하여 캡쳐되고 환자 뼈의 적어도 일부분과 연관된 환자 데이터를 획득하는 단계;
상기 환자 데이터로부터 다각형 표면 메쉬를 포함하는 삼차원 환자 골 모델을 생성하는 단계;
상기 다각형 표면 메쉬 상의 후측 지점(posterior point)의 위치를 식별하는 단계;
상기 위치에 또는 상기 위치 근방에 중심을 둔 삼차원 형상을 생성하는 단계;
상기 삼차원 형상에 의해 둘러싸이는 다각형 표면 메쉬의 모든 정점(vertex) 중 최후측 정점을 식별하는 단계;
후측 절제 깊이를 결정하기 위한 인자로서 상기 최후측 정점을 사용하는 단계; 및
상기 후측 절제 깊이를 이용하여 절제 데이터를 생성하는 단계
를 포함하고,
상기 절제 데이터는 상기 관절성형 절차 중에 내비게이션 시스템에 의해 이용되도록 구성되는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 삼차원 환자 골 모델은 삼차원 환자 대퇴골(femur) 모델인 것인, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제1항에 있어서,
제1 삼차원 골 모델 상에서 제1 후측 지점의 제1 위치를 식별하는 단계; 및 상기 제1 삼차원 골 모델 상의 제1 위치를 상기 삼차원 환자 골 모델 상의 위치로 매핑하는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 위치는 상기 위치와 위치적으로 상관되는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제3항에 있어서,
상기 제1 삼차원 골 모델은 일반 골 모델인 것인, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 삼차원 형상은 약 7mm의 반경을 갖는 구체를 포함하는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제5항에 있어서,
상기 반경이 스케일링 인자로 곱해지는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제6항에 있어서,
상기 스케일링 인자는 삼차원 환자 골 모델과 일반 골 모델 사이의 내측-외측(medial-lateral) 또는 전측-후측(anterior-posterior) 크기 차(difference) 중 하나인 것인, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 다각형 표면 메쉬는 삼각형 표면 메쉬인, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 삼차원 형상은 구체를 포함하는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 내비게이션 시스템은 관절성형 절차를 수행시 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스와 함께 동작하는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 환자 뼈에 대한 관절성형 절차를 계획하는데 사용하기 위한 절제면 데이터를 생성하는 방법으로서,
의료 이미징 기기를 이용하여 캡쳐되고 환자 뼈의 적어도 일부분과 연관된 환자 데이터를 획득하는 단계;
상기 환자 데이터로부터 다각형 표면 메쉬를 포함하는 삼차원 환자 골 모델을 생성하는 단계;
상기 다각형 표면 메쉬 상에서 원위 지점(distal point)의 위치를 식별하는 단계;
상기 위치에 또는 상기 위치 근방에 중심을 둔 삼차원 형상을 생성하는 단계;
상기 삼차원 형상에 의해 둘러싸인 다각형 표면 메쉬의 모든 정점 중 최원위 정점을 식별하는 단계;
상기 최원위 정점이 삼차원 형상의 경계에 너무 근접하는지 여부를 결정하는 단계;
상기 최원위 정점이 삼차원 형상의 경계에 너무 근접하지 않는다면 원위 절제 깊이를 결정하기 위한 기초로서 상기 최원위 정점을 사용하는 단계; 및
상기 원위 절제 깊이를 사용하여 절제 데이터를 생성하는 단계
를 포함하고,
상기 절제 데이터는 상기 관절성형 절차 중 내비게이션 시스템에 의해 이용되도록 구성되는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제11항에 있어서,
삼차원 형상은 Rx가 내측-외측으로 연장되고, Ry가 전측-후측으로 연장되고, Rz가 원위-근위(distal-proximal)로 연장되도록 삼차원 환자 골 모델에 대해 배향된 타원체를 포함하는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제12항에 있어서,
Rx는 약 7mm 이고, Ry는 약 10mm 이고, Rz는 약 7mm 인, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제13항에 있어서,
상기 최원위 정점의 위치가 f = x^2/a^2 + y^2/b^2 + z^2/c^2 의 타원체 함수에 대해 0.65보다 크다면 최원위 정점은 타원체의 경계에 너무 근접한 것이며, 여기서 x는 제1 위치와 최원위 정점 사이의 x-방향으로의 차이고, y는 제1 위치와 최원위 정점 사이의 y-방향으로의 차이고, z는 제1 위치와 최원위 정점 사이의 z- 방향으로의 차이고, a는 Rx 이고, b는 Ry 이고, c는 Rz 인, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제11항에 있어서,
삼차원 환자 골 모델은 삼차원 환자 대퇴골 모델인, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제11항에 있어서,
삼차원 형상은 타원체, 구체, 프리즘, 큐브 또는 실린더를 포함하는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제11항에 있어서,
내비게이션 시스템은 관절성형 절차를 수행시 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스와 함께 동작하는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 환자의 뼈에 대한 관절성형 절차를 계획하는데 사용하기 위한 절제면 데이터를 생성하는 방법으로서,
의료 이미징 기기를 이용하여 캡쳐되고 환자 뼈의 적어도 일부분과 연관된 환자 데이터를 획득하는 단계;
상기 환자 데이터로부터 다각형 표면 메쉬를 포함하는 삼차원 환자 골 모델을 생성하는 단계;
상기 다각형 표면 메쉬 상에 원위 지점의 위치를 식별하는 단계;
상기 위치에 또는 상기 위치 근방에 중심을 둔 제1 삼차원 형상을 생성하는 단계;
상기 제1 삼차원 형상으로 둘러싸인 다각형 표면 메쉬의 모든 정점 중 최원위 정점을 식별하는 단계;
최원위 정점이 골증식체(osteophyte) 상에 위치할 수 있는지 여부를 결정하는 단계;
최원위 정점이 골증식체 상에 위치하는지 여부에 기초하여 원위 절제 깊이를 결정하기 위한 기초로서 최원위 정점 또는 최원위 정점의 조정된 위치를 사용하는 단계; 및
상기 원위 절제 깊이를 사용하여 절제 데이터를 생성하는 단계
를 포함하고,
상기 절제 데이터는 상기 관절성형 절차 중에 내비게이션 시스템에 의해 이용되도록 구성되는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제18항에 있어서,
최원위 정점이 골증식체 상에 위치하는지 여부를 결정하는 단계는 상기 최원위 정점과 상기 위치 사이에 위치된 제2 삼차원 형상을 생성하는 단계를 포함하는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제19항에 있어서,
상기 제2 삼차원 형상에 의해 둘러싸인 다각형 표면 메쉬의 특정 정점을 식별하는 단계, 및 상기 특정 정점과 연관된 정보를 사용하여 상기 원위 정점이 골증식체 상에 위치하는지 여부를 결정하는 단계를 더 포함하는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제20항에 있어서,
상기 정보는 관절 표면(articular surface)으로부터 돌출된 골증식체의 존재와 연관된 방향으로 최소 및 최대 값인, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제19항에 있어서,
상기 제2 삼차원 형상에 의해 둘러싸인 다각형 표면 메쉬의 특정 정점을 식별하는 단계; 및 특정 좌표 방향으로 상기 제2 삼차원 형상에 의해 둘러싸인 특정 정점들 중 하나의 최소 정점 값과, 특정 좌표 방향으로 상기 제2 삼차원 형상에 의해 둘러싸인 특정 정점들 중 다른 하나의 최대 정점 값을 이용하여, 상기 원위 정점이 골증식체 상에 위치하는지 여부를 결정하는 단계를 더 포함하는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제22항에 있어서,
상기 최대 정점 값과 최소 정점 값 사이의 차를 결정하는 단계, 및 상기 차를 사용하여 골증식체의 존재를 결정하는 단계를 더 포함하는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제19항에 있어서,
상기 제2 삼차원 형상은 약 2mm의 반경을 갖는 구체를 포함고, 최원위 정점으로부터 상기 위치를 향하여 1mm 에 중심이 놓이는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제24항에 있어서,
상기 구체의 경계에 의해 둘러싸인 다각형 표면 메쉬의 특정 정점을 식별하는 단계, 및 특정 좌표 방향으로 경계에 의해 둘러싸인 특정 정점 중 하나의 최대 정점 값과 특정 좌표 방향으로 경계에 의해 둘러싸인 특정 정점 중 다른 정점의 최소 정점 값 사이의 차를 결정하는 단계를 더 포함하는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제23항에 있어서,
상기 차를 사용하여 구체의 크기를 증가시킬지 감소시킬지 여부를 결정하는 단계를 더 포함하는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제18항에 있어서,
상기 제1 삼차원 형상은 타원체를 포함하는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제19항에 있어서,
상기 제2 삼차원 형상은 구체를 포함하는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제18항에 있어서,
상기 내비게이션 시스템은 관절성형 절차의 수행 시에 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스와 함께 동작하는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 환자 뼈에 대한 관절성형 절차를 계획하는데 사용하기 위한 절제면 데이터를 생성하는 방법으로서,
환자 뼈의 적어도 일부분과 연관된 환자 데이터를 획득하는 단계;
환자 데이터로부터, 삼차원 좌표계로 지향되고 다각형 표면 메쉬를 포함하는 삼차원 환자 골 모델을 생성하는 단계;
절제면과 연관된 상기 삼차원 좌표계의 특정 방향을 식별하는 단계;
상기 다각형 표면 메쉬 상의 위치를 식별하는 단계;
상기 위치에 또는 상기 위치 근처에서 표면을 생성하는 단계;
상기 다각형 표면 메쉬의 모든 정점들 중 상기 특정 방향으로 상기 표면을 지나 가장 멀리 연장되는 특정 정점을 식별하는 단계;
상기 특정 정점을 특정 절제 깊이를 결정하기 위한 인자로서 사용하는 단계; 및
상기 특정 절제 깊이를 사용하여 절제 데이터를 생성하는 단계
를 포함하며,
상기 특정 절제 데이터는 관절성형 절차 중에 내비게이션 시스템에 의해 이용되도록 구성되는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제30항에 있어서,
상기 표면은 평면인, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제30항에 있어서,
상기 표면은 삼차원 형상인, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제32항에 있어서,
상기 삼차원 형상은 구체, 타원체, 프리즘 또는 큐브인, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제30항에 있어서,
제1 삼차원 골 모델 상의 제1 후측 지점의 제1 위치를 식별하는 단계; 및 상기 제1 삼차원 골 모델 상의 제1 위치를 상기 삼차원 환자 골 모델 상의 위치로 매핑하는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 위치는 상기 위치와 위치적으로 상관되는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제34항에 있어서,
상기 제1 삼차원 골 모델은 일반 골 모델인, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제30항에 있어서,
상기 표면은 약 7mm의 반경을 갖는 구체를 포함하는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제36항에 있어서,
상기 반경에 스케일링 인자가 곱해지는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제37항에 있어서,
상기 스케일링 인자는 삼차원 환자의 골 모델과 일반 골 모델 사이의 내측-외측 또는 전측-후측 크기 차 중 하나인, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 제30항에 있어서,
상기 내비게이션 시스템은 관절성형 절차를 수행하는 데에 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스와 함께 동작하는, 절제면 데이터를 생성하는 방법. - 환자 뼈에 대한 관절성형 절차를 계획하는데 사용하기 위해 절제면 및 검사 지점 위치 데이터를 생성하는 방법으로서
의료 이미징 기기를 이용하여 캡쳐되고 환자 뼈의 적어도 일부분과 연관된 환자 데이터를 획득하는 단계;
상기 환자 데이터로부터, 다각형 표면 메쉬를 포함하는 삼차원 환자 골 모델을 생성하는 단계;
상기 환자 골 모델 상의 제1 검사 지점의 제1 위치를 식별하는 단계;
환자 골 모델에 관해 절제면의 제2 위치를 식별하는 단계 - 상기 절제면은 절제 후에 노출되도록 상기 환자 골 모델 상에 절제 표면을 형성함 -;
상기 제1 위치로부터 상기 절제 표면 상의 지점까지의 최단 부호 거리 벡터(shortest signed distance vector)를 결정하는 단계;
상기 제1 검사 지점의 제1 위치가 상기 절제면의 제2 위치에 너무 근접하게 위치되는지 여부를 결정하기 위해 상기 최단 부호 거리 벡터와 연관된 정보를 사용하는 단계; 및
상기 정보를 사용하여 절제 및 검사 지점 위치 데이터를 생성하는 단계
를 포함하고,
상기 절제 및 검사 지점 위치 데이터는 상기 관절성형 절차 중에 내비게이션 시스템에 의해 이용되도록 구성되는,
절제면 및 검사 지점 위치 데이터를 생성하는 방법. - 제40항에 있어서,
절제 표면에 대한 법선을 식별하는 단계를 더 포함하고, 상기 법선은 환자 골 모델로부터 멀어지게 연장되고 절제 표면에 수직인, 절제면 및 검사 지점 위치 데이터를 생성하는 방법. - 제41항에 있어서,
상기 법선과 최단 부호 거리 벡터 지점이 반대 방향인 경우에 제1 검사 지점의 제1 위치가 절제면의 제2 위치에 너무 근접하게 위치한다고 결정하는 단계를 더 포함하는, 절제면 및 검사 지점 위치 데이터를 생성하는 방법. - 제42항에 있어서,
상기 환자 골 모델은 대퇴골 모델인, 절제면 및 검사 지점 위치 데이터를 생성하는 방법. - 제42항에 있어서,
상기 환자 골 모델은 경골(tibial) 모델인, 절제면 및 검사 지점 위치 데이터를 생성하는 방법. - 제41항에 있어서,
상기 법선과 최단 부호 거리 벡터 지점이 동일한 방향이고, 상기 최단 부호 거리 벡터의 크기가 약 4.50 mm 이하인 경우에, 검사 지점이 절제면에 너무 근접하게 위치된다고 결정하는 단계를 더 포함하는, 절제면 및 검사 지점 위치 데이터를 생성하는 방법. - 제45항에 있어서,
환자 골 모델은 대퇴골 모델인, 절제면 및 검사 지점 위치 데이터를 생성하는 방법. - 제45항에 있어서,
상기 환자 골 모델은 경골 모델인, 절제면 및 검사 지점 위치 데이터를 생성하는 방법. - 제40항에 있어서,
상기 내비게이션 시스템은 관절성형 절차의 수행 시 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스와 함께 동작하는, 절제면 및 검사 지점 위치 데이터를 생성하는 방법. - 측면 대퇴골 영역(lateral femur area), 근위 대퇴골 영역(proximal femur area) 및 후측 대퇴골 영역(posterior femur area)을 포함하는 환자 뼈에 대한 관절성형 절차를 계획하는데 사용하기 위한 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법으로서,
상기 환자 뼈의 적어도 일부분과 연관된 환자 데이터를 획득하는 단계;
상기 환자 데이터로부터 삼차원 환자 대퇴골 모델을 생성하는 단계 - 상기 환자 대퇴골 모델은 표면 경계와 피질 영역을 포함하며, 상기 환자 대퇴골 모델은 내측-외측 방향의 X-축, 후측 대퇴부 영역을 향해 가리키는 +Y-축을 갖는 전측-후측 방향의 Y-축, 및 근위 대퇴부 영역을 향해 가리키는 +Z 축을 갖는 상측-하측(superior-inferior) 방향의 Z-축을 갖는 삼차원 좌표계 내에 있음 -;
상측 에지 및 상기 상측 에지에 인접하고 평평한 전측 골 절제 접촉면을 갖는 전측 플랜지부를 포함하는 삼차원 대퇴부(femoral) 임플란트 모델을 획득하는 단계;
환자 대퇴골 모델에 대한 대퇴부 임플란트 모델의 위치 및 배향을 결정하는 단계;
전측 골 절제 접촉면과 동일 평면인 햅틱면(haptic plane)을 연장하는 단계 - 상기 햅틱면은 대퇴부 임플란트 모델의 전측 플랜지부의 상측 에지보다 상측에 위치된 상측 경계를 포함함 -;
상기 햅틱면의 상측 경계 상의 일련의 지점들을 식별하는 단계;
상기 일련의 지점들의 각각으로부터 상기 환자 대퇴골 모델의 표면 경계의 대응 표면으로 Y-축을 따라 벡터를 투영하는 단계;
벡터들 중 최소 벡터의 길이 및 방향에 기초하여 노칭(notching)이 발생하는 것을 결정하는 단계; 및
상기 환자 대퇴골 모델에 대해 상기 대퇴부 임플란트 모델의 결정된 위치 및 배향에 기초하여 임플란트 구성요소 위치 및 배향 데이터를 생성하는 단계
를 포함하고,
상기 임플란트 구성요소 위치 및 배향 데이터는 관절성형 절차 시 내비게이션 시스템에 의해 사용되도록 구성되는, 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법. - 제49항에 있어서,
상기 노칭은, 최소 벡터 길이가 0mm 이상이고; 최소 벡터의 방향이 좌표계의 +Y-축과 반대인 경우에 발생하는, 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법. - 제49항에 있어서,
최소 벡터의 길이가 0mm보다 크고; 최소 벡터의 방향은 좌표계의 +Y-축과 동일한 방향인 경우에 노칭이 발생하지 않는, 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법. - 제49항에 있어서,
상기 길이는 감지 가능한 노칭 깊이에 기초하는, 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법. - 제49항에 있어서,
상기 일련의 지점들은 햅틱면의 상측 경계를 따라 균등하게 이격되어 있는, 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법. - 제53항에 있어서,
상기 일련의 지점들은 환자 대퇴골 모델의 피질 영역에 또는 피질 영역 부근에서의 곡률 반경에 기초하여 균등하게 이격되어 있는, 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법. - 제53항에 있어서,
상기 일련의 지점들은 임상적으로 관련된 감지 가능한 노칭의 깊이에 기초하여 균등하게 이격되어 있는, 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법. - 제53항에 있어서,
상기 일련의 지점들은, 환자 대퇴골 모델의 피질 영역에서 또는 피질 영역 부근에서의 곡률 반경; 및 임상적으로 관련된 감지 가능한 노칭의 깊이에 기초하여 균등하게 이격되어 있는, 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법. - 제49항에 있어서,
상기 일련의 지점들은 약 3.15 mm만큼 균등하게 이격되어 있는, 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법. - 제49항에 있어서,
상기 환자 데이터는 의료 이미징 기기를 사용하여 캡쳐되는, 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법. - 제49항에 있어서,
내비게이션 시스템이 관절성형 절차를 수행하는 데에 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스와 함께 동작하는, 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법. - 측면 대퇴골 영역, 근위 대퇴골 영역 및 후측 대퇴골 영역을 포함하는 환자 뼈에 대한 관절성형 절차를 계획하는 데 사용하기 위한 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법으로서,
상기 환자 뼈의 적어도 일부분과 연관된 환자 데이터를 획득하는 단계 - 상기 환자 데이터는 의료 이미징 기기를 사용하여 캡쳐됨 -;
상기 환자 데이터로부터 삼차원 환자 대퇴골 모델을 생성하는 단계;
상측 경계 에지를 갖는 연관된 햅틱 절제 대상을 포함하는 전측 플랜지부를 포함하는 삼차원 대퇴부 임플란트 모델을 획득하는 단계;
환자 대퇴골 모델에 대한 대퇴부 임플란트 모델의 위치 및 배향을 결정하는 단계;
상기 상측 경계 에지와 상기 삼차원 환자 대퇴골 모델의 교점에 기초하여 노칭이 발생하는 것을 결정하는 단계; 및
상기 환자 대퇴골 모델에 대한 상기 대퇴부 임플란트 모델의 결정된 위치 및 배향에 기초하여 상기 임플란트 구성요소 위치 및 배향 데이터를 생성하는 단계
를 포함하고,
상기 임플란트 구성요소 위치 및 배향 데이터는 관절성형 절차 시 내비게이션 시스템에 의해 사용되도록 구성되는, 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법. - 제60항에 있어서,
상기 삼차원 환자 대퇴골 모델은 표면 경계 및 피질 영역을 포함하고, 상기 환자 대퇴골 모델은 내측-외측 방향인 X-축, 후측 대퇴골 영역을 향해 가리키는 +Y-축을 갖는 전측-후측 방향인 Y-축, 및 근위 대퇴골 영역을 향해 가리키는 +Z-축을 갖는 상측-하측 방향인 Z-축을 가지는 삼차원 좌표계 내에 있고,
상기 방법은,
상기 햅틱 절제 대상의 상측 경계 에지 상의 일련의 지점들을 식별하는 단계;
상기 일련의 지점의 각각으로부터 상기 환자 대퇴골 모델의 표면 경계의 대응 표면으로 Y-축을 따라 벡터를 투영하는 단계; 및
벡터들 중 최소 벡터의 길이 및 방향에 기초하여 노칭이 발생하는 것을 결정하는 단계를 더 포함하는, 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법. - 제61항에 있어서,
최소 벡터 길이가 0mm 이상이고, 최소 벡터의 방향은 좌표계의 +Y-축과 반대인 경우에 노칭이 발생하는, 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법. - 제61항에 있어서,
최소 벡터의 길이가 0mm보다 크고, 최소 벡터의 방향은 좌표계의 +Y-축과 동일한 경우에 노칭이 발생하지 않는, 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법. - 제61항에 있어서,
상기 길이는 감지 가능한 노칭 깊이에 기초하는, 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법. - 제61항에 있어서,
상기 일련의 지점들이 상측 경계 에지를 따라 동일 간격으로 이격되는, 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법. - 제65항에 있어서,
상기 일련의 지점들은 환자 대퇴골 모델의 피질 영역 또는 피질 영역 부근에서의 곡률 반경에 기초하여 동일 간격으로 이격되어 있는, 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법. - 제65항에 있어서,
상기 일련의 지점들은 임상적 관련된 감지 가능한 노칭의 깊이에 기초하여 동일 간격으로 이격되는, 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법. - 제65항에 있어서,
상기 일련의 지점들은, 환자 대퇴골 모델의 피질 영역의 또는 피질 영역 부근의 곡률 반경; 및 임상적 관련된 감지 가능한 노칭의 깊이에 기초하여 동일 간격으로 이격되는, 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법. - 제61항에 있어서,
상기 일련의 지점들은 약 3.15 mm만큼 균등하게 이격되어 있는, 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법. - 제60항에 있어서,
상기 네비게이션 시스템은 관절성형 절차를 수행하는데 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스와 함께 동작하는, 임플란트 위치 및 배향 데이터를 생성하는 방법. - 적어도 부분적으로 연골(cartilage)로 덮인 환자 뼈에 대한 관절성형 절차를 계획하는데 사용하기 위한 절제 데이터를 생성하는 방법으로서,
네비게이션 시스템을 통해 환자 뼈의 위치 및 배향과 상관되고 골 모델 표면을 포함하며 삼차원 좌표계로 되어 있는 삼차원 환자 골 모델을 수신하는 단계;
수술 중 등록을 위해 상기 삼차원 환자의 골 모델의 골 모델 표면 상의 타겟 영역을 식별하는 단계;
상기 삼차원 골 모델의 골 모델 표면 상의 타겟 영역 내의 지점들에 대응하는 위치들에서 상기 환자 뼈 상의 연골의 수술 중 등록에 기초하여 복수의 제1 지점들에 대한 위치 데이터를 수신하는 단계;
상기 복수의 제1 지점에 대한 위치 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 절제 깊이를 결정하는 단계; 및
상기 절제 깊이를 이용하여 절제 데이터를 생성하는 단계
를 포함하고,
상기 절제 데이터는 상기 관절성형 절차 중에 상기 내비게이션 시스템에 의해 이용되도록 구성되는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제71항에 있어서,
상기 복수의 제1 지점에 대한 위치 데이터를 삼차원 좌표계로 매핑하는 단계를 더 포함하는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제71항에 있어서,
상기 절제 깊이를 결정하는 단계는, 복수의 제1 지점과 골 모델 표면 상의 타겟 영역 사이의 깊이 차를 결정하는 단계를 포함하는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제73항에 있어서,
상기 방법은 깊이 차를 뼈만의 절제 깊이에 가산함으로써 절제 깊이를 결정하는 단계를 더 포함하는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제74항에 있어서,
상기 뼈만의 절제 깊이는 깊이 차의 가산에 의해 원위로 조정되는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제71항에 있어서,
상기 절제 깊이를 결정하는 단계는 복수의 제1 지점에 기초하여 뼈만의 절제 깊이를 변경하는 단계를 포함하는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제76항에 있어서,
상기 뼈만의 절제 깊이는 복수의 제1 지점에 기초하여 원위로 조정되는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제71항에 있어서,
상기 환자 뼈는 대퇴골을 포함하고, 상기 삼차원 환자 골 모델은 삼차원 환자 대퇴골 모델을 포함하는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제78항에 있어서,
상기 타겟 영역은 삼차원 환자 대퇴골 모델의 내측 또는 외측 관절구(condyle) 중 적어도 하나의 관절 부위(articular area)를 포함하는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제71항에 있어서,
상기 환자 뼈는 경골을 포함하고, 상기 삼차원 환자의 골 모델은 삼차원 환자 경골 모델을 포함하는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제80항에 있어서,
상기 절제 깊이는 경골의 근위 절제 깊이를 포함하고, 상기 근위 절제 깊이는 복수의 제1 지점에 대한 위치 데이터에 기초하여 근위로 조정되는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제80항에 있어서,
상기 타겟 영역은 삼차원 환자 경골 모델의 내측 또는 외측 경골 고평부(tibia plateau) 중 적어도 하나의 관절 부위를 포함하는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제80항에 있어서,
상기 삼차원 환자 골 모델은 뼈 전용 모델인, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제71항에 있어서,
상기 삼차원 환자 골 모델은 환자 뼈의 의료 이미지로부터 생성되는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제71항에 있어서,
상기 네비게이션 시스템은 관절성형 절차를 수행시 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스와 함께 동작하는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 환자의 대퇴골 및 경골을 포함하는 무릎 관절에 대한 관절성형 절차를 계획하는데 사용하기 위한 절제 데이터를 생성하는 방법으로서,
공통 삼차원 좌표계에서 제1 사전 계획 배향으로 서로에 대해 배향된 삼차원 대퇴골 임플란트 모델 및 삼차원 대퇴골 모델을 수신하는 단계 - 상기 삼차원 대퇴골 모델은 환자의 대퇴골에 대응하고, 상기 삼차원 대퇴골 임플란트 모델은 내측 관절구 표면(condyle surface)과 외측 관절구 표면을 포함함 -;
공통 삼차원 좌표계에서 제2 사전 계획 배향으로 서로에 대해 배향된 삼차원 경골 임플란트 모델 및 삼차원 경골 모델을 수신하는 단계 - 상기 삼차원 경골 모델은 환자의 경골에 대응하고, 삼차원 경골 임플란트 모델은 내측 관절 표면 및 외측 관절 표면을 포함하며, 삼차원 대퇴골 모델 및 삼차원 경골 모델은 네비게이션 시스템을 통해 환자의 대퇴골 및 경골의 포즈에 따라 서로에 대해 배향됨 -;
제1 포즈에서 상기 대퇴골 및 경골의 제1 위치 및 배향에 대응하는 제1 위치 및 배향 데이터를 수신하는 단계;
제1 포즈에서 삼차원 경골 임플란트 모델 상의 또는 삼차원 경골 임플란트 모델과 연관된 제1 지점과 상기 삼차원 대퇴골 임플란트 모델의 내측 관절구 표면 사이의 제1 부호 거리(signed distance)를 계산하는 단계;
제1 포즈에서 삼차원 경골 임플란트 모델 상의 또는 삼차원 경골 임플란트 모델과 연관된 제2 지점과 상기 삼차원 대퇴골 임플란트 모델의 외측 관절구 표면 사이의 제2 부호 거리를 계산하는 단계;
상기 제1 및 제2 부호 거리에 기초하여 절제 깊이를 결정 또는 조절하는 단계; 및
상기 절제 깊이를 이용하여 절제 데이터를 생성하는 단계
를 포함하고,
상기 절제 데이터는 상기 관절성형 절차 중에 내비게이션 시스템에 의해 이용되도록 구성되는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제86항에 있어서,
상기 삼차원 대퇴골 모델 및 삼차원 경골 모델은 환자의 무릎 관절의 의료 이미지로부터 생성되는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제86항에 있어서,
상기 제1 포즈가 무릎 관절과 연장되어 있는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제86항에 있어서,
상기 제1 지점은 삼차원 경골 임플란트 모델의 내측 관절 표면 상에 있고, 상기 제2 지점은 삼차원 경골 임플란트 모델의 외측 관절 표면 상에 있는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제86항에 있어서,
상기 제1 및 제2 부호 거리는 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘(global search closest distance algorithm)을 통해 계산되는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제90항에 있어서,
상기 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘은 내측 및 외측 관절구 표면 및 내측 및 외측 관절 표면 각각과 연관된 기준 정점을 식별하는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제89항에 있어서,
상기 제1 포즈와 다른 제2 포즈에서 대퇴골 및 경골의 제2 위치 및 배향에 대응하는 제2 위치 및 배향 데이터를 수신하는 단계;
상기 제2 포즈에서 상기 삼차원 대퇴골 임플란트 모델의 상기 내측 관절구 표면과 상기 삼차원 경골 임플란트 모델의 내측 관절 표면 사이의 제3 부호 거리를 계산하는 단계; 및
상기 제2 포즈에서 상기 삼차원 대퇴골 임플란트 모델의 외측 관절구 표면과 상기 삼차원 경골 임플란트 모델의 외측 관절 표면 사이의 제4 부호 거리를 계산하는 단계를 더 포함하는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제92항에 있어서,
상기 제2 포즈가 굴곡을 가지는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제92항에 있어서,
상기 제1, 제2, 제3 및 제4 부호 거리는 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘을 통해 계산되는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제92항에 있어서,
상기 제1 및 제2 부호 거리는 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘을 통해 계산되고, 제3 및 제4 부호 거리는 증분 검색 근접 거리 알고리즘(incremental search closest distance algorithm)을 통해 계산되는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제95항에 있어서,
상기 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘은 내측 및 외측 관절구 표면과 내측 및 외측 관절 표면 각각과 연관된 기준 정점을 식별하고, 증분 검색 근접 거리 알고리즘은 내측 및 외측 관절구 표면의 기준 정점에 인접한 특정 정점에 대하여 이용되어서 특정 정점들 중 어느 것이 기준 정점들 보다 대응하는 내측 또는 외측 관절 표면 각각에 더 근접한지를 결정하는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제86항에 있어서,
상기 삼차원 대퇴골 임플란트 모델은 정점들을 포함하는 제1 삼각형 표면 메쉬를 포함하고, 삼차원 경골 임플란트 모델은 면들을 포함하는 제2 삼각형 표면 메쉬를 포함하며, 상기 제1 및 제2 부호 거리는 삼차원 대퇴골 임플란트 모델의 정점들과 삼차원 경골 삽입 모델의 면들 사이에서 계산되는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제89항에 있어서,
상기 삼차원 경골 임플란트 모델의 내측 및 외측 관절 표면은 관절성형 절차에 사용되는 물리적 경골 임플란트의 내측 및 관절 표면과 비교하여 절제 깊이를 결정하기 위해 보다 평평하거나 덜 오목하게 변경되는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제86항에 있어서,
상기 제1 지점은 삼차원 경골 임플란트 모델과 연관된 경골 절제면의 내측 부분 상에 있고, 상기 제2 지점은 삼차원 경골 임플란트 모델과 연관된 경골 절제면의 외측 부분 상에 있는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제86항에 있어서,
상기 네비게이션 시스템은 관절성형 절차를 수행시 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스와 함께 동작하는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 환자의 제1 뼈와 제2 뼈에 의해 형성된 관절에 대한 관절성형 절차를 계획하는데 사용하기 위한 절제 데이터를 생성하는 방법으로서, '
공통 삼차원 좌표계에서 제1 사전 계획 배향으로 서로에 대해 배향된 제1 삼차원 임플란트 모델 및 제1 삼차원 골 모델을 수신하는 단계 - 상기 제1 삼차원 골 모델은 환자의 제1 뼈에 대응하고, 상기 제1 삼차원 임플란트 모델은 제1 임플란트 관절 표면을 포함함 -;
공통 삼차원 좌표계에서 제2 사전 계획 배향으로 서로에 대해 배향된 제2 삼차원 골 모델 및 제2 삼차원 임플란트 모델을 수신하는 단계 - 상기 제2 삼차원 골 모델은 상기 환자의 제2 뼈에 대응되고, 상기 제2 삼차원 임플란트 모델은 제2 임플란트 관절 표면을 포함하고, 제1 삼차원 골 모델 및 제2 삼차원 골 모델은 네비게이션 시스템을 통해 환자의 제1 뼈 및 제2 뼈의 포즈에 따라 서로에 대해 배향됨 -;
제1 포즈에서 상기 제1 뼈 및 상기 제2 뼈의 제1 위치 및 배향에 대응하는 제1 위치 및 배향 데이터를 수신하는 단계;
상기 제1 포즈에서 2 삼차원 임플란트 모델 상의 제1 지점 또는 제2 삼차원 임플란트 모델과 연관된 제1 지점과 제1 삼차원 임플란트 모델의 제1 임플란트 관절 표면 사이의 제1 부호 거리를 계산하는 단계;
상기 제1 거리에 기초하여 절제 깊이를 결정 또는 조정하는 단계; 및
상기 절제 깊이를 이용하여 절제 데이터를 생성하는 단계
를 포함하고,
상기 절제 데이터는 상기 관절성형 절차 중에 내비게이션 시스템에 의해 이용되도록 구성되는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제101항에 있어서,
상기 관절이 무릎, 발목, 팔꿈치 또는 손목 중 하나인, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제101항에 있어서,
상기 제1 뼈는 대퇴골이고, 제2 뼈는 경골인, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제103항에 있어서,
상기 제1 지점은 제2 삼차원 임플란트 모델과 연관된 근위 경골 절제면의 일부 상에 있는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제103항에 있어서,
상기 제1 삼차원 임플란트 모델은 내측 관절구 표면 및 외측 관절구 표면을 포함하고, 상기 제2 삼차원 임플란트 모델은 내측 관절 표면 및 외측 관절 표면을 포함하고, 상기 제1 부호 거리는 내측 관절구 표면과 제1 지점 사이로 결정되는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제105항에 있어서,
제1 포즈에서 제2 삼차원 임플란트 모델 상의 또는 제2 삼차원 임플란트 모델과 연관된 제2 지점과 상기 외측 관절구 표면 사이의 제2 부호 거리를 계산하는 단계를 더 포함하는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제106항에 있어서,
상기 제1 지점은 제2 삼차원 임플란트 모델의 내측 관절 표면 상에 있고, 상기 제2 지점은 제2 삼차원 임플란트 모델의 외측 관절 표면 상에 있는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제107항에 있어서,
관절성형 절차에서 사용되는 물리적 임플란트의 내측 및 관절 표면과 비교하여 절제 깊이를 결정하기 위해 상기 제2 삼차원 임플란트 모델의 내측 및 외측 관절 표면은 보다 평평하거나 덜 오목하도록 변경되는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제107항에 있어서,
상기 제1 및 제2 부호 거리는 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘을 통해 계산되는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제109항에 있어서,
상기 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘은 내측 및 외측 관절구 표면과 내측 및 외측 관절 표면 각각과 연관된 기준 정점을 식별하는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제107항에 있어서,
상기 제1 포즈와 상이한 제2 포즈로 상기 제1 뼈 및 제2 뼈의 제2 위치 및 배향에 대응하는 제2 위치 및 배향 데이터를 수신하는 단계;
제2 포즈에서 제1 삼차원 임플란트 모델의 내측 관절구 표면과 제2 삼차원 임플란트 모델의 내측 관절 표면 사이의 제3 부호 거리를 계산하는 단계; 및
상기 제2 포즈에서 제1 삼차원 임플란트 모델의 외측 관절구 표면과 제2 삼차원 임플란트 모델의 외측 관절 표면 사이의 제4 부호 거리를 계산하는 단계를 더 포함하는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제111항에 있어서,
상기 제1, 제2, 제3 및 제4 부호 거리는 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘을 통해 계산되는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제111항에 있어서,
상기 제1 및 제2 부호 거리는 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘을 통해 계산되고, 제3 및 제4 부호 거리는 증분 검색 근접 거리 알고리즘을 통해 계산되는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제113항에 있어서,
상기 글로벌 검색 근접 거리 알고리즘은 내측 및 외측 관절구 표면과 내측 및 외측 관절 표면 각각과 연관된 기준 정점을 식별하고, 증분 검색 근접 거리 알고리즘은 내측 및 외측 관절구 표면의 기준 정점에 인접하는 특정 정점에 대해 사용되어서 특정 정점들 중 어느 것들이 기준 정점보다 대응하는 내측 또는 외측 관절 표면에 각각 더 근접한지를 결정하는, 절제 데이터를 생성하는 방법. - 제101항에 있어서,
상기 네비게이션 시스템은 관절성형 절차를 수행시 자율 로봇 또는 외과 보조 디바이스와 함께 동작하는, 절제 데이터를 생성하는 방법.
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