KR20220042478A - 관성 센서를 사용한 무릎 수술을 위한 방법 - Google Patents

관성 센서를 사용한 무릎 수술을 위한 방법 Download PDF

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KR20220042478A
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모하메드 라쉬완 마푸즈
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테크마 메디컬 엘엘씨
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Abstract

컴퓨터 시스템을 통한 절단 기구 탐색 방법으로서: (a) 단일의 파악된 위치(location) 및 방향(orientation)으로 사람에게 환자-특화 해부학 매퍼(Patient-specific Anatomical Mapper, PAM)를 장착하는 단계, 여기에서 상기 PAM은 단일의 위치 및 방향으로만 정밀하게 그리고 정확하게 사람의 표면에 정확하게 결합되는 표면을 포함함; (b) 상기 사람에 기준 관성 측정부(Inertial Measurement Unit, IMU)를 장착하는 단계; (c) 상기 PAM에 가이드를 작동 가능하게 결합되는 단계, 여기에서 상기 가이드는 절단 슬롯 및 핀 오리피스 중 적어도 하나 및 기구 관성 측정부(IMU)를 포함함; (d) 상기 사람에 대한 상기 가이드의 위치 및 방향의 변화를 나타내는 데이터를 상기 기준 IMU 및 상기 기구 IMU로부터 출력하는 단계; (e) 절단 및 핀 배치 중 적어도 하나를 수행하기 위한 계획과 일치하는 위치 및 방향으로 상기 사람에 대하여 상기 가이드를 재배치하는 단계; 및 (f) 상기 기준 IMU 및 상기 기구 IMU로부터 출력된 데이터를 이용하여 상기 사람에 대한 상기 가이드의 위치 및 방향에 대한 피드백을 시각적으로 표시하는 단계, 상기 데이터는 컴퓨터 프로그램에 의하여 처리되며 상기 컴퓨터 프로그램은 상기 시각적으로 표시되는 피드백을 총괄함; 을 포함하는 컴퓨터 시스템을 통한 절단 기구 탐색 방법.

Description

관성 센서를 사용한 무릎 수술을 위한 방법{METHODS FOR KNEE SURGERY WITH INERTIAL SENSORS}
(관련 출원에 대한 상호 참조)
본 출원은 2018년 6월 20일자로 출원된 "관성 센서를 사용한 무릎 수술을 위한 방법 및 장치"라는 제목의 미국 가특허출원 제62/687,462호의 이점을 주장하며, 그 개시 내용은 여기에 참조로 포함된다.
(본 발명의 소개)
본 개시 내용은 컴퓨터 보조 수술 및 컴퓨터 계획 수술과 관련된 장치, 방법, 및 기술에 관한 것이다.
컴퓨터 보조 수술은 대부분의 큰 관절, 특히 고관절 및 무릎 관절에서 정형 외과 수술의 정밀도를 향상시키는 것으로 나타났다. 기존의 무릎 치환 수술에는 수많은 독특한 수술 기구가 있는 여러 수술 트레이가 필요한데, 각 수술용 트레이는 비싸고 무거우며 재사용을 위해 멸균해야 한다. 컴퓨터 보조 수술 분야에서는 정확도를 유지하거나 약간 향상시키면서 기기의 수를 줄이는 기술이 개발되었다. 이러한 기술의 현재 구성에는 수술 로봇, 광학 탐색, 및 관성 센서 기반 계측이 포함된다.
이러한 현재 시스템 각각은 고유한 장점과 단점을 가지고 있다. 예를 들어, 로봇 시스템은 비싸고 부피가 크며 종종 수술 절차를 설정, 분해, 및 실행하는데 상당한 시간을 필요로 한다. 광학 시스템은 또한 비싸고 가시선 문제로 어려움을 겪고 있으며, 설정 및 분해에 로봇 공학과 마찬가지로 시간이 필요하다. 대부분의 현재 형태의 관성 시스템은 기술의 단점으로 인해 자유도를 제한하기 위해 상당한 수동 계측을 필요로 하며, 종종 적어도 하나 또는 두 개의 계측기 트레이를 필요로 한다. 따라서, 현재 기술의 비용, 공간 제약, 및 자본 장비에 대한 요구 사항 없이 수술 정밀도를 향상시킬 수 있는 기술이 필요하다.
여기에 개시된 것은 무릎 관절 수술을 위한 컴퓨터 보조 수술용 내비게이션 시스템 및 이를 지원하여 상기 내비게이션 시스템이 최소한의 계측으로 “적시에” 전달될 수 있도록 하는 계측(instrumentation)의 일부로서의 기술, 방법, 및 장치"이다.
본 발명의 제 1 양상은 컴퓨터 시스템을 통한 절단 기구 탐색 방법을 제공하는 것으로, 상기 방법은: (a) 단일의 파악된 위치(location) 및 방향(orientation)으로 사람에게 환자-특화 해부학 매퍼(Patient-specific Anatomical Mapper, PAM)를 장착하는 단계, 여기에서 상기 PAM은 단일의 위치 및 방향으로만 정밀하게 그리고 정확하게 사람의 표면에 정확하게 결합되는 표면을 포함함; (b) 상기 사람에 기준 관성 측정부(Inertial Measurement Unit, IMU)를 장착하는 단계; (c) 상기 PAM에 가이드를 작동 가능하게 결합되는 단계, 여기에서 상기 가이드는 절단 슬롯 및 핀 오리피스 중 적어도 하나 및 기구 관성 측정부(IMU)를 포함함; (d) 상기 사람에 대한 상기 가이드의 위치 및 방향의 변화를 나타내는 데이터를 상기 기준 IMU 및 상기 기구 IMU로부터 출력하는 단계; (e) 절단 및 핀 배치 중 적어도 하나를 수행하기 위한 계획과 일치하는 위치 및 방향으로 상기 사람에 대하여 상기 가이드를 재배치하는 단계; 및 (f) 상기 기준 IMU 및 상기 기구 IMU로부터 출력된 데이터를 이용하여 상기 사람에 대한 상기 가이드의 위치 및 방향에 대한 피드백을 시각적으로 표시하는 단계, 상기 데이터는 컴퓨터 프로그램에 의하여 처리되며 상기 컴퓨터 프로그램은 상기 시각적으로 표시되는 피드백을 총괄함;을 포함한다.
상기 제 1 양상의 더욱 상세한 실시 예에서, 상기 PAM 은 경골 및 대퇴골 중 적어도 하나에 장착된다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 기준 IMU는 경골 및 대퇴골 중 적어도 하나에 장착된다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 가이드를 상기 PAM에 작동 가능하게 결합하는 것은 상기 PAM에 무관하게 절단 가이드를 재배치할 수 있도록 적어도 2개의 조인트를 포함하는 기계적 연결구(mechanical connection)를 사용하는 것을 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 적어도 2개의 조인트는 회전 조인트 및 구형 조인트 중 적어도 하나를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 적어도 2개의 조인트는 한 쌍의 회전 조인트와 구형 조인트로 이루어진다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 방법은 상기 기준 IMU 및 상기 기구 IMU 중 적어도 하나가 상기 사람에 대하여 파악된 위치 및 방향에 있는 동안 상기 기구 IMU에 대하여 상기 기준 IMU를 등록하는 단계를 더욱 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 기구 IMU는 단일의 파악된 위치 및 방향으로만 상기 가이드에 장착 가능하다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 기준 IMU는 다수개의 위치 및 방향으로 상기 환자에 장착 가능하다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 기구 IMU에 대하여 상기 기준 IMU를 등록하는 것은 소정의 시간 동안 상기 IMU들을 서로에 대하여 고정 상태로 유지하는 것을 포함한다.
상기 제 1 양상의 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 사람에 대하여 상기 가이드를 재배치하는 것은 상기 PAM에 대해 상기 가이드를 재배치하는 것을 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 방법은 무릎 관절 이완을 평가하기 위하여 상기 기구 IMU에 작동 가능하게 결합된 부하 측정 장치를 사용하여 평가를 수행하는 단계를 더욱 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 계획은 핀을 배치하기 위한 계획으로 이루어진다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 피드백을 시각적으로 표시하는 것은 환자 인체 구조의 가상 모델 및 상기 환자 인체 구조에 대한 상기 가이드의 위치를 반영하는 참조 표시(reference indicia)를 표시하는 것을 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 피드백을 시각적으로 표시하는 것은 환자 인체 구조의 가상 모델 및 상기 가상 모델의 절단을 위하여 의도된 위치를 반영하는 참조 표시를 표시하는 것을 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 방법은 상기 환자의 절제된 측면에 적어도 하나의 핀을 장착하는 단계, 상기 적어도 하나의 핀을 사용하여 상기 환자에 대하여 정적 절단 가이드를 배향하는 단계, 및 상기 정적 절단 가이드를 향하는 환자 포스트에 상기 정적 절단 가이드를 장착하여 하는 단계를 더욱 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 방법은 상기 환자의 절제된 측면에 적어도 하나의 핀을 장착하는 단계, 상기 적어도 하나의 핀을 사용하여 상기 환자에 대하여 가이드 풋(guide foot)을 배향하는 단계, 상기 가이드 풋을 향하는 환자 포스트에 상기 가이드 풋을 장착하는 단계, 상기 PAM과 상기 가이드 사이의 작동 결합을 중단시키는 단계, 및 상기 가이드를 상기 가이드 풋에 작동 가능하게 결합하는 단계를 더욱 포함한다.
본 발명의 제 2 양상은 수술 장비 시스템을 제공하는 것으로, 상기 수술 장비 시스템은: (a) 자이로스코프, 가속도계, 및 자력계를 포함하는 제 1 관성 측정부(IMU); (b) 자이로스코프, 가속도계, 및 자력계를 갖는 제 2 관성 측정부(IMU), 상기 제 2 IMU는 기준 장치에 장착되도록 구성되며, 여기에서 상기 기준 장치는 환자 인체 구조에 장착되도록 구성됨; (c) 단일의 위치 및 방향으로만 환자 인체 구조 표면에 정밀하게 그리고 정확하게 결합되는 표면을 포함하는 환자-특화 해부학 매퍼(PAM), 여기에서 상기 PAM은 상기 환자 인체 구조 표면에 장착되도록 구성됨; 및 (d) 사용시 상기 PAM에 작동 가능하게 결합되도록 구성된 가이드로서, 절단 슬롯 및 핀 오리피스 중 적어도 하나를 포함하고, 소정의 파악된 위치 및 방향으로 상기 제 1 IMU에 결합되도록 구성된 가이드;를 포함한다.
상기 제 2 양상의 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 시스템은 상기 환자 인체 구조의 적어도 하나의 미리 로딩된 가상 해부학적 모델을 갖는 소프트웨어 및 상기 환자 인체 구조의 적어도 하나의 가상 해부학적 모델에 대한 의도된 뼈 절제의 위치 및 방향을 나타내는 수술-전 수술 계획을 포함하는 제어기를 더욱 포함하며, 상기 제어기는 상기 제 1 IMU 및 제 2 IMU에 통신 가능하게 연결되어, IMU 데이터를 수신하고, 상기 환자 인체 구조에 대하여 상기 가이드의 위치 및 방향을 결정하기 위하여 상기 수신된 IMU 데이터를 변형하고, 상기 환자 인체 구조의 가상 해부학적 모델을 시각적으로 표현하도록 디스플레이에 지시를 출력하고, 상기 의도한 뼈 절제를 달성하기 위하여 상기 수술-전 수술 계획과 일치하는 환자 인체 구조에 대하여 상기 가이드가 위치하는지에 대한 안내를 제공하도록 구성된다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 환자-특화 해부학 매퍼는 근위 경골 및 원위 대퇴골 중 적어도 하나에 맞물리도록 구성된다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 환자-특화 해부학 매퍼는 제 1 경골 PAM 및 제 2 대퇴골 PAM을 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 가이드를 상기 PAM에 결합하도록 작동하는 기계적 연결구를 더욱 포함하며, 상기 기계적 연결구는 적어도 하나의 조인트를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 적어도 하나의 조인트는 적어도 2개의 조인트를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 적어도 2개의 조인트는 회전 조인트 및 구형 조인트를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 적어도 2개의 조인트는 한 쌍의 회전 조인트를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 기계적 연결구는 등록 위치 및 방향을 계산하기 위하여(assume) 상기 PAM의 제 1 소정 위치 및 상기 가이드의 제 2 소정 위치에 동시에 장착되도록 구성된다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 시스템은 파악된 위치 및 방향으로 상기 제 1 IMU에 결합되도록 구성된 부하 측정 장치를 더욱 포함한다.
상기 제 2 양상의 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 부하 측정 장치는 다수개의 압전 저항 센서, 다수개의 전기용량 센서, 및 다수개의 압전 기반 스트레인 센서 중 적어도 하나를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 시스템은 파악된 위치 및 방향으로 상기 제 1 IMU에 결합되도록 구성된 정형외과용 임플란트 배치 장치를 더욱 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 정형외과용 임플란트 배치 장치는 소정의 위치 및 방향으로 정형외과용 임플란트에 결합되도록 구성되며, 여기에서 상기 정형외과용 임플란트는 정형외과용 시험체(orthopedic trial) 및 최종 정형외과용 임플란트 중 적어도 하나를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 정형외과용 임플란트는 무릎 치환 수술 또는 무릎 교정 수술 중 적어도 하나의 일부로서 경골 임플란트 및 대퇴골 임플란트 중 적어도 하나를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 시스템은 제어기에 통신 가능하게 결합된 디스플레이를 더욱 포함하며, 상기 디스플레이는, 상기 환자 인체 구조의 가상 해부학적 모델을 시각적으로 표현하도록, 그리고 상기 의도된 뼈 절제를 달성하기 위하여 상기 수술-전 수술 계획과 일치하는 환자 인체 구조에 대하여 상기 가이드가 위치하는지에 대한 안내를 제공하도록, 구성된다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 디스플레이는 다수개의 디스플레이 윈도우를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 다수개의 디스플레이 윈도우 각각은 독립형 화면과 연동된다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 시스템은 최종 정형외과용 임플란트 및 정형외과용 시험체 중 적어도 하나를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 최종 정형외과용 임플란트는 전체적인 무릎 관절 교체 또는 부분적인 무릎 관절 교체의 구성 요소를 포함한다.
상기 제 2 양상의 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 최종 정형외과용 임플란트는 전체 무릎 교체의 환자-특화 경골 구성 요소 및 환자-특화 대퇴골 구성 요소 중 적어도 하나를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 시스템은 적어도 하나의 뼈 절단을 용이하게 하기 위하여 상기 가이드 풋이 상기 환자 인체 구조에 장착될 때 상기 가이드에 작동 가능하게 결합되도록 구성된 가이드 풋을 더욱 포함한다.
본 발명의 제3 양상은, 컴퓨터 시스템을 통하여, 수술용 도구의 3차원적 추적을 용이하게 하기 위하여 관성 측정부를 사용하는 방법을 제공하는 것으로, 상기 방법은: (a) 제 1 관성 측정부(IMU)가 제 1 포유 동물 조직에 대해 재배치 불가능하도록 상기 제 1 IMU를 상기 제 1 포유 동물 조직에 장착하는 단계; (b) 단일의 위치 및 방향으로만 상기 제 1 포유 동물 조직의 표면에 정밀하게 그리고 정확하게 결합되는 표면을 갖는 환자-특화 해부학 매퍼(PAM)를 이용함으로써 제 2 관성 측정부(IMU)를 상기 제 1 포유 동물 조직에 작동 가능하게 결합되는 단계, 상기 제 2 IMU는 상기 제 1 포유 동물 조직에 대하여 재배치 가능함; (c) 상기 PAM이 상기 제 1 포유 동물 조직에 장착되는 동안 상기 제 1 포유 동물 조직 및 상기 제 1 IMU에 대한 상기 제 2 IMU의 위치 및 방향을 등록하는 단계; (d) 상기 제 2 IMU를 수술용 도구에 장착하는 단계; 및 (e) 상기 제 2 IMU가 상기 수술용 도구에 장착되고 상기 PAM에 재배치 가능하게 결합되는 동안 상기 제 1 포유 동물 조직 및 상기 수술용 도구의 위치 및 방향을 3차원적으로 추적하는 단계;를 포함한다.
상기 제3 양상의 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 방법은 상기 제 1 IMU 및 제 2 IMU로부터 출력된 데이터를 이용하여 상기 제 1 포유 동물 조직에 대하여 상기 수술용 도구의 위치 및 방향에 관한 피드백을 표시하는 단계를 더욱 포함하며, 상기 데이터는 컴퓨터 프로그램에 의하여 처리되며 상기 컴퓨터 프로그램은 상기 시각적으로 표시되는 피드백을 총괄한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 피드백은 상기 제 1 포유 동물 조직의 가상 모델, 및 상기 가상 모델 상에서 상기 제 1 포유 동물 조직에 대한 상기 수술용 도구의 상대적인 실제 위치를 나타내는 제 1 표시를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 피드백은 상기 가상 모델 상에서 소정의 계획에 일치하는 상기 제 1 포유 동물 조직에 대한 상기 수술용 도구의 의도된 위치를 나타내는 제 2 표시를 더욱 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 PAM 은 경골 및 대퇴골 중 적어도 하나에 장착된다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 제 1 포유 동물 조직은 경골 및 대퇴골 중 적어도 하나를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 수술용 도구는 상기 PAM에 작동 가능하게 결합된다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 수술용 도구를 상기 PAM에 작동 가능하게 결합하는 것은 상기 PAM에 무관하게 상기 수술용 도구를 재배치할 수 있도록 적어도 2개의 조인트를 포함하는 기계적 연결구를 사용하는 것을 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 적어도 2개의 조인트는 회전 조인트 및 구형 조인트 중 적어도 하나를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 적어도 2개의 조인트는 한 쌍의 회전 조인트와 구형 조인트로 이루어진다.
상기 제3 양상의 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 제 2 IMU는 단일의 파악된 위치 및 방향으로만 상기 수술용 도구에 장착 가능하다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 제 1 IMU는 다수개의 위치 및 방향으로 상기 제 1 포유 동물 조직에 장착 가능하다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 제 1 포유 동물 조직에 대한 상기 제 2 IMU의 위치 및 방향은 소정의 시간 동안 상기 제 1 IMU 및 제 2 IMU를 서로에 대하여 고정 상태로 유지하는 것을 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 시스템은 무릎 관절 이완을 평가하기 위하여 상기 제 2 IMU에 작동 가능하게 결합된 부하 측정 장치를 사용하여 평가를 수행하는 단계를 더욱 포함한다.
본 발명의 제4 양상은 무릎 치환 또는 교정 수술용 수술 장비 키트를 제공하는 것으로, 상기 키트는: (a) 자이로스코프, 가속도계, 및 자력계를 포함하는 제 1 관성 측정부(IMU); (b) 자이로스코프, 가속도계, 및 자력계를 포함하는 제 2 관성 측정부(IMU); (c) 단일의 위치 및 방향으로만 경골 표면과 정밀하게 그리고 정확하게 결합되는 표면을 포함하는 경골 환자-특화 해부학 매퍼(PAM), 상기 경골 PAM은 상기 경골 표면에 장착되도록 구성됨; 및 (d) 단일의 위치 및 방향으로만 대퇴골 표면과 정밀하게 그리고 정확하게 결합되는 표면을 포함하는 대퇴골 환자-특화 해부학 매퍼(PAM), 상기 대퇴골 PAM은 대퇴골 표면에 장착되도록 구성됨;으로 이루어지며, 여기에서, 상기 제 2 IMU는 상기 경골 PAM 및 상기 대퇴골 PAM 중 적어도 하나에 작동 가능하게 결합되도록 구성된다.
상기 제4 양상의 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 키트는 상기 경골 PAM 및 상기 대퇴골 PAM 중 적어도 하나에 재배치 가능하게 결합되도록 구성된 절단 가이드를 더욱 포함하며, 상기 절단 가이드는 절단 슬롯 및 핀 오리피스 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 가이드는 소정의 파악된 위치 및 방향으로 상기 제 1 IMU에 결합되도록 구성된다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 경골 PAM 및 상기 대퇴골 PAM 중 적어도 하나에 상기 절단 가이드를 작동 가능하게 결합하기 위하여 적어도 2개의 조인트를 포함하는 기계적 연결구를 더욱 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 정형외과용 임플란트는 비-환자-특화 임플란트를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 비-환자-특화 임플란트는 대퇴골과 및 경골 트레이 삽입물을 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 비-환자-특화 임플란트는 한 쌍의 관절구를 갖는 대퇴골 임플란트 및 한 쌍의 관절구 리시버를 갖는 경골 트레이 삽입물을 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 키트는 경골 및 대퇴골 중 적어도 하나에 견고하게 장착되도록 구성되는 기준 하우징을 더욱 포함하고, 상기 기준 하우징은 단일의 위치 및 방향으로만 정확하게 상기 제 1 IMU에 장착되도록 구성된다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 키트는 포-인-원(4-in-1) 정적 절단 블록을 더욱 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 키트는 포-인-원 재구성 가능한 절단 블록을 더욱 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 키트는, 컴퓨터에 의해 실행될 때 수술-전 계획과 일치하는 수술 내비게이션 가이드를 제공하도록 동작하는 컴퓨터 판독 가능 코드가 저장된, 물리적 메모리 장치를 더욱 포함한다.
상기 제4 양상의 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 대량 맞춤형 임플란트는 한 쌍의 관절구를 갖는 대퇴골 임플란트 및 한 쌍의 관절구 리시버를 갖는 경골 트레이 삽입물을 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 적어도 2개의 조인트는 회전 조인트 및 구형 조인트 중 적어도 하나를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 적어도 2개의 조인트는 한 쌍의 회전 조인트와 구형 조인트로 이루어진다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 키트는 무릎 관절의 적어도 일부를 대체하도록 구성된 정형외과용 임플란트를 더욱 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 정형외과용 임플란트는 환자-특화 임플란트로 이루어진다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 환자-특화 임플란트는 대퇴골과 및 경골 트레이 삽입물을 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 환자-특화 임플란트는 한 쌍의 관절구를 갖는 대퇴골 임플란트 및 한 쌍의 관절구 리시버를 갖는 경골 트레이 삽입물을 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 정형외과용 임플란트는 대량 맞춤형 임플란트를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 대량 맞춤형 임플란트는 대퇴골과 및 경골 트레이 삽입물을 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 키트는, 컴퓨터에 의해 실행될 때 수술-전 계획과 일치하는 수술 내비게이션 가이드를 제공하도록 동작하는 저장된 컴퓨터 판독 가능 코드를 제공하기 위하여 액세스 가능한 인터넷 주소의 사본을 더욱 포함한다.
본 발명의 제5 양상은 무릎 치환 또는 교정 수술용 수술 장비 키트를 제공하는 것으로, 상기 키트는: (a) 단일의 위치 및 방향으로만 경골 표면과 정밀하게 그리고 정확하게 결합되는 표면을 포함하는 경골 환자-특화 해부학 매퍼(PAM), 상기 경골 PAM은 상기 경골 표면에 장착되도록 구성됨; 및 단일의 위치 및 방향으로만 대퇴골 표면과 정밀하게 그리고 정확하게 결합되는 표면을 포함하는 대퇴골 환자-특화 해부학 매퍼(PAM), 상기 대퇴골 PAM은 상기 대퇴골 표면에 장착되도록 구성됨;을 포함한다.
상기 제5 양상의 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 키트는 자이로스코프, 가속도계, 및 자력계를 포함하는 제 1 관성 측정부(IMU), 자이로스코프, 가속도계, 및 자력계를 갖는 제 2 관성 측정부(IMU)를 더욱 포함하며, 여기에서 상기 제 2 IMU는 상기 경골 PAM 및 상기 대퇴골 PAM 중 적어도 하나에 작동 가능하게 결합되도록 구성된다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 경골 PAM 및 상기 대퇴골 PAM 중 적어도 하나에 재배치 가능하게 결합되도록 구성된 절단 가이드를 더욱 포함하며, 상기 절단 가이드는 절단 슬롯 및 핀 오리피스 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 가이드는 소정의 파악된 위치 및 방향으로 상기 제 1 IMU에 결합되도록 구성된다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 키트는 상기 경골 PAM 및 상기 대퇴골 PAM 중 적어도 하나에 상기 절단 가이드를 작동 가능하게 결합하기 위하여 적어도 2개의 조인트를 포함하는 기계적 연결구를 더욱 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 적어도 2개의 조인트는 회전 조인트 및 구형 조인트 중 적어도 하나를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 적어도 2개의 조인트는 한 쌍의 회전 조인트와 구형 조인트로 이루어진다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 키트는 무릎 관절의 적어도 일부를 대체하도록 구성된 정형외과용 임플란트를 더욱 포함한다. 상세한 다른 실시 예에서, 상기 정형외과용 임플란트는 환자-특화 임플란트로 이루어진다.
상기 제5 양상의 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 환자-특화 임플란트는 대퇴골과 및 경골 트레이 삽입물을 포함한다. 상세한 다른 실시 예에서, 상기 환자-특화 임플란트는 한 쌍의 관절구를 갖는 대퇴골 임플란트 및 한 쌍의 관절구 리시버를 갖는 경골 트레이 삽입물을 포함한다. 상세한 다른 실시 예에서, 상기 정형외과용 임플란트는 대량 맞춤형 임플란트를 포함한다. 상세한 다른 실시 예에서, 상기 대량 맞춤형 임플란트는 대퇴골과 및 경골 트레이 삽입물을 포함한다. 상세한 다른 실시 예에서, 상기 대량 맞춤형 임플란트는 한 쌍의 관절구를 갖는 대퇴골 임플란트 및 한 쌍의 관절구 리시버를 갖는 경골 트레이 삽입물을 포함한다. 상세한 다른 실시 예에서, 상기 정형외과용 임플란트는 비-환자-특화 임플란트를 포함한다. 상세한 다른 실시 예에서, 상기 비-환자-특화 임플란트는 대퇴골과 및 경골 트레이 삽입물을 포함한다. 상세한 다른 실시 예에서, 상기 비-환자-특화 임플란트는 한 쌍의 관절구를 갖는 대퇴골 임플란트 및 한 쌍의 관절구 리시버를 갖는 경골 트레이 삽입물을 포함한다. 상세한 다른 실시 예에서, 상기 키트는 경골 및 대퇴골 중 적어도 하나에 견고하게 장착되도록 구성되는 기준 하우징을 더욱 포함하고, 상기 기준 하우징은 단일의 위치 및 방향으로만 정확하게 상기 제 1 IMU에 장착되도록 구성된다.
상기 제5 양상의 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 키트는 포-인-원 정적 절단 블록을 더욱 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 키트는 포-인-원 재구성 가능한 절단 블록을 더욱 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 키트는, 컴퓨터에 의해 실행될 때 수술-전 계획과 일치하는 수술 내비게이션 가이드를 제공하도록 동작하는 컴퓨터 판독 가능 코드가 저장된, 물리적 메모리 장치를 더욱 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 키트는, 컴퓨터에 의해 실행될 때 수술-전 계획과 일치하는 수술 내비게이션 가이드를 제공하도록 동작하는 저장된 컴퓨터 판독 가능 코드를 제공하기 위하여 액세스 가능한 인터넷 주소의 사본을 더욱 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 키트는 파악된 위치 및 방향으로 상기 제 1 IMU에 결합되도록 구성된 부하 측정 장치를 더욱 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 부하 측정 장치는 다수개의 압전 저항 센서, 다수개의 전기용량 센서, 및 다수개의 압전 기반 스트레인 센서 중 적어도 하나를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 파악된 위치 및 방향으로 상기 제 2 IMU에 결합되도록 구성된 정형외과용 임플란트 배치 장치를 더욱 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 정형외과용 임플란트 배치 장치는 소정의 위치 및 방향으로만 정형외과용 임플란트에 정확하게 결합되도록 구성된다.
본 발명의 제6 양상은 수술용 내비게이션 시스템을 제공하는 것으로, 상기 시스템은: (a) 단일의 위치 및 방향으로만 경골 표면과 정밀하게 그리고 정확하게 결합되는 표면을 포함하는 경골 환자-특화 해부학 매퍼(PAM), 여기에서 상기 경골 PAM은 상기 경골 표면에 장착되도록 구성됨; (b) 단일의 위치 및 방향으로만 대퇴골 표면과 정밀하게 그리고 정확하게 결합되는 표면을 포함하는 대퇴골 환자-특화 해부학 매퍼(PAM), 상기 대퇴골 PAM은 대퇴골 표면에 장착되도록 구성됨; (c) 자이로스코프, 다수개의 가속도계, 및 자력계를 포함하는 제 1 관성 측정부(IMU); (d) 상기 제 1 IMU에 통신 가능하게 결합되는 제 1 송신기; (e) 자이로스코프, 다수개의 가속도계, 및 자력계를 포함하는 제 2 관성 측정부(IMU); (f) 상기 제 2 IMU에 통신 가능하게 결합되는 제 2 송신기; (g) 상기 제 1 및 제 2 송신기에 통신 가능하게 결합된 제 1 신호 수신기; (h) 상기 경골 PAM 및 상기 대퇴골 PAM 중 적어도 하나에 작동 가능하게 결합되도록 구성된 절단 가이드, 상기 가이드는 절단 슬롯 및 핀 오리피스 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 절단 가이드는 단일의 위치 및 방향으로 상기 제 1 IMU에 결합되도록 구성됨; (i) 상기 제 1 신호 수신기에 통신 가능하게 결합된 제어기, 상기 제어기는 환자 인체 구조의 가상 모델에 대한 액세스를 갖는 소프트웨어 및 상기 가상 모델에 대하여 의도된 절제술을 나타내는 수술-전 수술 계획을 포함함;을 포함한다.
상기 제6 양상의 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 제어기에 통신 가능하게 결합된 영상 디스플레이를 더욱 포함하며, 여기에서 상기 제어기 소프트웨어는 상기 제 1 IMU 및 제 2 IMU로부터의 데이터를 처리하고, 상기 환자 인체 구조에 대하여 상기 절단 가이드의 위치 및 방향을 결정하고, 상기 환자 인체 구조의 가상 모델을 시각적으로 표현하도록 영상 디스플레이에 지시를 출력하고, 및 상기 의도된 절제술을 달성하기 위하여 상기 수술-전 수술 계획과 일치하는 상기 환자 인체 구조에 대하여 상기 절단 가이드가 위치하는지에 대한 안내를 제공하도록 구성된다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 경골 PAM은 경골의 근위부에 결합되도록 구성되고, 상기 대퇴골 PAM은 상기 대퇴골의 원위부에 결합되도록 구성된다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 시스템은 상기 절단 가이드를 상기 경골 PAM 및 상기 대퇴골 PAM 중 적어도 하나에 결합하도록 작동하는 기계적 연결구를 더욱 포함하며, 상기 기계적 연결구는 적어도 하나의 조인트를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 적어도 하나의 조인트는 적어도 2개의 조인트를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 적어도 2개의 조인트는 회전 조인트 및 구형 조인트를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 적어도 2개의 조인트는 한 쌍의 회전 조인트를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 기계적 연결구는 등록 위치 및 방향을 계산하기 위하여(assume) 상기 경골 PAM 및 상기 대퇴골 PAM 중 적어도 하나의 제 1 소정 위치 및 상기 절단 가이드의 제 2 소정 위치에 동시에 장착되도록 구성된다.
상기 제6 양상의 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 시스템은 파악된 위치 및 방향으로 상기 제 1 IMU에 결합되도록 구성된 부하 측정 장치를 더욱 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 부하 측정 장치는 다수개의 압전 저항 센서, 다수개의 전기용량 센서, 및 다수개의 압전 기반 스트레인 센서 중 적어도 하나를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 시스템은 파악된 위치 및 방향으로 상기 제 1 IMU에 결합되도록 구성된 정형외과용 임플란트 배치 장치를 더욱 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 정형외과용 임플란트 배치 장치는 소정의 위치 및 방향으로 정형외과용 임플란트에 결합되도록 구성되며, 여기에서 상기 정형외과용 임플란트는 정형외과용 시험체 및 최종 정형외과용 임플란트 중 적어도 하나를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 정형외과용 임플란트는 무릎 치환 수술 또는 무릎 교정 수술 중 적어도 하나의 일부로서 경골 임플란트 및 대퇴골 임플란트 중 적어도 하나를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 영상 디스플레이는 다수개의 디스플레이 윈도우를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 다수개의 디스플레이 윈도우 각각은 독립형 화면과 연동된다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 시스템은 최종 정형외과용 임플란트 및 정형외과용 시험체 중 적어도 하나를 포함하는 정형외과용 임플란트를 더욱 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 최종 정형외과용 임플란트는 전체적인 무릎 관절 교체 또는 부분적인 무릎 관절 교체의 구성 요소를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 최종 정형외과용 임플란트는 전체 무릎 교체의 환자-특화 경골 구성 요소 및 환자-특화 대퇴골 구성 요소 중 적어도 하나를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 시스템은 가이드 풋을 더욱 포함하여, 상기 가이드 풋은 적어도 하나의 뼈 절단을 용이하게 하기 위하여 상기 가이드 풋이 상기 환자 인체 구조에 장착될 때 상기 가이드 풋이 상기 절단 가이드에 작동 가능하게 결합되도록 구성된다.
본 발명의 제7 양상은 수술 절차를 수행하기 위한 방법을 제공하는 것으로, 상기 수술 절차는 영상 디스플레이 상에 디스플레이된 내비게이션 안내를 이용하여 절단 가이드를 재배치하는 단계를 포함하고, 상기 절단 가이드는 제 1 관성 측정부(IMU)를 포함하며, 상기 절단 가이드는 단일의 위치 및 방향으로만 대퇴골 표면과 정밀하게 그리고 정확하게 결합되는 표면을 포함하는 대퇴골 환자-특화 해부학 매퍼(PAM)에 작동 가능하게 결합되고, 여기에서 상기 내비게이션 안내는 상기 절단 가이드의 가상 모델 및 환자 대퇴골의 가상 모델 중 적어도 하나뿐만 아니라 환자 대퇴골에 대한 상기 절단 가이드의 3차원적 위치에 대하여 상기 제 1 IMU로부터의 데이터를 이용한 표시를 포함하며, 여기에서 상기 내비게이션 안내는 또한 수술-전 수술 계획과 일치하는 대퇴골 뼈 절단을 수행하기 위하여 상기 절단 가이드를 재배치하기 위한 안내를 포함한다.
상기 제7 양상의 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 방법은 상기 영상 디스플레이 상에 디스플레이된 내비게이션 안내를 이용하여 상기 절단 가이드를 재배치하는 단계를 더욱 포함하며, 상기 절단 가이드는 제 1 관성 측정부(IMU)를 포함하며, 상기 절단 가이드는 단일의 위치 및 방향으로만 경골 표면과 정밀하게 그리고 정확하게 결합되는 표면을 포함하는 경골 환자-특화 해부학 매퍼(PAM)에 작동 가능하게 결합되고, 여기에서 상기 내비게이션 안내는 상기 절단 가이드의 가상 모델 및 환자 경골의 가상 모델 중 적어도 하나뿐만 아니라 상기 환자 경골에 대한 상기 절단 가이드의 3차원적 위치에 대하여 상기 제 1 IMU로부터의 데이터를 이용한 표시를 포함하며, 여기에서 상기 내비게이션 안내는 또한 수술-전 수술 계획과 일치하는 경골 뼈 절단을 수행하기 위하여 상기 절단 가이드를 재배치하기 위한 안내를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 방법은 정확한 단일의 위치 및 방향으로 상기 대퇴골 PAM 표면을 상기 환자 대퇴골 표면에 장착하는 단계, 제 2 관성 측정부(IMU)를 상기 환자 대퇴골에 결합하는 단계, 및 상기 제 1 IMU 및 제 2 IMU를 서로에 대하여 등록하는 단계를 더욱 포함하는 한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 정확한 단일의 위치 및 방향으로 상기 경골 PAM 표면을 상기 환자 경골 표면에 장착하는 단계, 제 2 관성 측정부(IMU)를 상기 환자 경골에 결합하는 단계, 및 상기 제 1 IMU 및 제 2 IMU를 서로에 대하여 등록하는 단계를 더욱 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 내비게이션 안내는 상기 절단 가이드의 가상 모델만을 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 내비게이션 안내는 상기 환자 대퇴골의 가상 모델만을 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 대퇴골 뼈 절단 및 상기 경골 뼈 절단 중 적어도 하나를 수행하기 위하여, 상기 절단 가이드의 실제 위치를 표현하는 제 1 절단라인 및 상기 절단 가이드의 의도된 수술-전 계획 위치를 나타내는 제 2 절단 라인에 더하여, 상기 내비게이션 안내는 상기 환자 대퇴골의 가상 모델 및 상기 환자 경골의 가상 모델 중 적어도 하나를 포함한다.
더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 방법은 상기 절단 가이드에 의한 안내에 의하여 외과용 톱을 이용하여 상기 대퇴골 뼈 절단을 수행하는 단계, 및 상기 영상 디스플레이에 디스플레이된 내비게이션 안내를 이용하여 상기 절단 가이드를 재배치하는 단계를 더욱 포함하며, 상기 절단 가이드는 상기 제 1 관성 측정부(IMU)를 포함하고 상기 대퇴골 환자-특화 해부학 매퍼(PAM)에 작동 가능하게 결합되며, 여기에서 상기 내비게이션 안내는 상기 절단 가이드의 가상 모델 및 환자 대퇴골의 가상 모델 중 적어도 하나뿐만 아니라 상기 환자 대퇴골에 대한 상기 절단 가이드의 3차원적 위치에 대하여 상기 제 1 IMU로부터의 데이터를 이용한 표시를 포함하며, 여기에서 상기 내비게이션 안내는 또한 상기 수술-전 수술 계획과 일치하는 후속적인 대퇴골 뼈 절단을 수행하기 위하여 상기 절단 가이드를 재배치하기 위한 안내를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 방법은 상기 절단 가이드에 의한 안내에 의하여 외과용 톱을 이용하여 상기 대퇴골 뼈 절단을 수행하는 단계, 여기에서 상기 대퇴골 뼈 절단은 원위 절제술임, 및 상기 영상 디스플레이에 디스플레이된 내비게이션 안내를 이용하여 상기 절단 가이드를 재배치하는 단계를 더욱 포함하며, 상기 절단 가이드는 상기 제 1 관성 측정부(IMU)를 포함하고 상기 대퇴골 환자-특화 해부학 매퍼(PAM)에 작동 가능하게 결합되며, 여기에서 상기 내비게이션 안내는 상기 절단 가이드의 가상 모델 및 환자 대퇴골의 가상 모델 중 적어도 하나뿐만 아니라 상기 환자 대퇴골에 대한 상기 절단 가이드의 3차원적 위치에 대하여 상기 제 1 IMU로부터의 데이터를 이용한 표시를 포함하며, 여기에서 상기 내비게이션 안내는 또한 상기 수술-전 수술 계획과 일치하는 상기 절제된 대퇴골에 구멍을 뚫기 위하여 상기 절단 가이드를 재배치하기 위한 안내를 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 방법은 상기 절단 가이드에 의해 안내되는 수술용 드릴을 이용하여 상기 절제된 대퇴골에 구멍을 뚫는 단계, 상기 드릴 구멍에 수술용 핀을 삽입하는 단계, 상기 절제된 대퇴골에 대하여 상기 삽입된 정렬용 수술 핀을 이용하여 포-인-원 절단 가이드를 재배치하는 단계, 및 상기 포-인-원 절단 가이드의 안내를 이용하여 적어도 하나의 대퇴골 절제술을 수행하는 단계를 더욱 포함한다. 더욱 상세한 다른 실시 예에서, 상기 방법은 상기 절단 가이드에 의해 안내되는 수술용 드릴을 이용하여 상기 절제된 대퇴골에 구멍을 뚫는 단계, 상기 드릴 구멍에 수술용 핀을 삽입하는 단계, 상기 절제된 대퇴골에 대하여 상기 삽입된 정렬용 수술 핀을 이용하여 고정 위치 절단 가이드를 재배치하는 단계, 및 상기 고정 위치 절단 가이드의 안내를 이용하여 적어도 하나의 대퇴골 절제술을 수행하는 단계를 더욱 포함한다.
도 1은 본 개시에 따른 예시적인 영상 유도 수술 시스템의 일부를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 개시에 따른 예시적인 시퀀스의 개요를 도시한 도면으로, 수술-전 영상은 결국 수술 키트 및 수술 안내 지시로 변환된다.
도 3은 원위 대퇴골에 장착된 상기 영상 유도 수술 시스템의 예시적인 구성 요소를 도시한 원위 대퇴골의 정면 사시도이다.
도 4는 원위 대퇴골에 장착된 상기 영상 유도 수술 시스템의 예시적인 구성 요소 및 대안적인 예시적인 구성 요소를 도시한 정면 사시도이다.
도 5는 원위 대퇴골 절제면의 가능한 위치와 삼각법(trigonometry)을 연관시키는 일련의 예시이다.
도 6은 원위 대퇴골에 장착된 예시적인 환자 해부학 매퍼를 도시하고 내외측 치수 및 전후측 치수를 명시하는 원위 대퇴골의 단면도이다.
도 7은 해부학적 통계 아틀라스(anatomical statistical atlas) 내의 모집단(population)에서 취해진 원위 대퇴골로부터의 여러 상이한 환자 인체 구조 표면 및 일반 모델을 사용하는 방법을 나타낸 그래픽 예시이고, 상기 모델은 환자 해부학 매퍼를 생성할 때 환자-특화로 변형될 수 있다.
도 8은 본 개시에 따른 동일한 예시적 절단 가이드 및 기계적 연결구를 나타낸 측면도 및 상면도이다.
도 9는 본 개시에 따른 동일한 예시적 절단 가이드 및 기계적 연결구를 나타낸 정면도 및 상면도이다.
도 10은 본 개시에 따른 또 다른 예시적인 절단 가이드의 상면도이다.
도 11은 본 개시에 따른 예시적인 핀 가이드 및 기계적 연결구의 상면도이다.
도 12는 통계 아틀라스 내의 자동 랜드 마크가 식별될 수 있는 방법을 반영하는 그래픽 모음이다.
도 13은 슬관절 전치환술 수술을 위한 원위 절제술의 내외측 폭의 차이를 보여주는 3개의 중첩 대퇴골의 원위 단면도이다.
도 14는 서로 다른 크기의 대퇴골에 대한 원위 절제술을 위해 얼마나 많은 뼈가 제거되는지를 보여주는 통계 아틀라스로부터 대퇴골의 일련의 원위 단면도를 포함한다.
도 15는 상기 대퇴골의 원위 단부에서 절제 깊이의 변화로 인해 점차적으로 더 많은 뼈가 제거되는 방식 나타내는 중첩 평면도이다.
도 16은 통계 아틀라스 모집단에 걸친 통계적 분포로, 상기 모집단에 걸쳐 내외측 절제 폭이 어떻게 변하는지를 나타낸다.
도 17은 원위 대퇴골을 도시하는 것으로 3개의 위치 중에서 재배치 가능한 예시적인 절단 가이드를 도시하며, 여기에서 다수개의 추가 위치가 가능하며, 하부 회전 조인트를 중심으로 선회함으로써 상기 절단 가이드의 위치가 어떻게 변경될 수 있는지를 보여준다.
도 18은 본 발명 시스템 및 개시에 따른 디스플레이로부터의 스크린 샷으로서, 가상 원위 대퇴골 모델 및 상기 모델에 대한 절제술의 수술-전 의도된 위치를 보여주는 점선을 나타낸다.
도 19는 원위 대퇴골을 도시하는 것으로 다수개의 위치 중에서 재배치 가능한 예시적인 절단 가이드를 도시하며, 여기에서 다수개의 추가 위치가 가능하며, 상부 구형 조인트를 재배치함으로써 상기 절단 가이드의 위치가 어떻게 변경될 수 있는지를 보여준다.
도 20은 본 발명 시스템 및 개시에 따른 디스플레이로부터의 스크린 샷으로서, 가상 원위 대퇴골 모델 뿐만 아니라 상기 모델에 대한 절제술의 수술-전 의도된 위치를 보여주는 제 1 점선 및 상기 환자 인체 구조에 대하여 상기 절단 가이드의 실제 위치를 나타내는 제 2 점선을 나타낸다.
도 21은 본 개시에 따른 구성 요소가 장착되고 본 개시에 따른 수학적 계산을 위한 기준점을 갖는 대퇴골의 원위 단부의 정면 사시도이다.
도 22는 본 개시에 따른 구성 요소가 장착되고, 하부 조인트에 특화된 본 개시에 따른 수학적 계산을 위한 기준점을 갖는, 대퇴골의 측면도이다.
도 23은 본 개시에 따른 구성 요소가 장착되고, 상부 조인트에 특화된 본 개시에 따른 수학적 계산을 위한 기준점을 갖는, 대퇴골의 측면도이다.
도 24는 본 개시에 따른 구성 요소가 장착되고, 상부 구형 조인트에 특화된 본 개시에 따른 수학적 계산을 위한 기준점을 갖는, 대퇴골의 정면 사시도이다.
도 25는 대퇴골의 원위 단부를 나타낸 정면 사시도로서, 그에 장착된 본 발명에 따른 구성 요소를 나타내며, 상기 구성 요소는 원위 대퇴골 절제술을 수행하는 일부분으로서 외과용 톱을 안내하는데 사용된다.
도 26은 대퇴골의 원위 단부를 나타낸 정면 사시도로서, 원위 대퇴골 절제술을 수행한 후에 그에 장착된 본 개시에 따른 구성 요소를 나타낸다.
도 27은 대퇴골의 원위 단부를 나타낸 정면 사시도로서, 본 개시에 따른 구성 요소를 나타내며, 상기 구성 요소는 원위 대퇴골 절제술을 수행한 후에 상기 절제된 대퇴골에 수술용 핀 배치를 예상하여 재배치된 상기 절단 가이드를 가지며 상기 대퇴골 원위 단부에 장착된다.
도 28은 대퇴골의 원위 단부를 나타낸 정면 사시도로서, 본 개시에 따른 구성 요소를 나타내며, 상기 구성 요소는, 원위 대퇴골 절제술을 수행한 후에, 상기 절제된 대퇴골에 수술용 핀 배치를 예상하여 상기 대퇴골 원위 단부에 장착된다.
도 29는 본 발명 시스템 및 개시에 따른 디스플레이로부터의 스크린 샷으로서, 제 1 가상의 원위 대퇴골 모델, 상기 모델에 대한 절제술의 수술-전 의도된 위치를 보여주는 제 1 점선, 상기 환자 인체 구조(전방 절단 및 후방 절단 모두에 대하여)에 대한 상기 절단 가이드의 실제 위치, 및 상기 원위 절제술 및 아직 절제되지 않은 대퇴골 영역을 보여주는 측면도로부터의 제 2 가상 모델을 나타낸다.
도 30은 대퇴골의 원위 단부를 나타낸 정면 사시도로서, 본 개시에 따른 구성 요소를 나타내며, 상기 구성 요소는 상기 대퇴골 원위 단부에 장착되고 도 28에 도시된 바와 같이 설치된 핀을 이용하여 상기 절제된 대퇴골에 장착되는 포-인-원 절단 가이드를 갖는다.
도 31은 TKA 수술-전 계획에 따라 5개의 절제술을 수행하는 대퇴골 포스트의 원위 단부의 측면도이다.
도 32는 대퇴골의 원위 단부를 나타낸 정면 사시도로서, 그로부터 분리된 본 개시에 따른 구성 요소를 나타낸다.
도 33은 대퇴골의 원위 단부를 나타낸 정면 사시도로서, 그에 장착된 본 개시에 따른 구성 요소를 나타내며, 상기 구성 요소는 상기 PAM을 대체하는 가이드 풋을 포함한다.
도 34는 대퇴골의 원위 단부를 나타낸 정면 사시도로서, 그에 장착된 본 개시에 따른 구성 요소를 나타내며, 상기 구성 요소는 대퇴골 전방 절제술을 수행하는 일부분으로서 외과용 톱을 안내하는데 사용된다.
도 35는 본 발명 시스템 및 개시에 따른 디스플레이로부터의 스크린 샷으로서, 제 1 가상의 원위 대퇴골 모델, 상기 모델에 대한 전방 절제술의 수술-전 의도된 위치를 보여주는 제 1 점선, 및 상기 환자 인체 구조에 대하여 상기 절단 가이드의 실제 위치를 나타내는 제 2 점선을 나타낸다.
도 36은 대퇴골의 원위 단부를 나타낸 정면 사시도로서, 그에 장착된 본 개시에 따른 구성 요소를 나타내며, 상기 구성 요소는 대퇴골 후방 절제술을 수행하는 일부분으로서 외과용 톱을 안내하는데 사용된다.
도 37은 대퇴골의 원위 단부를 나타낸 정면 사시도로서, 그에 장착된 본 개시에 따른 구성 요소를 나타내며, 상기 구성 요소는 전방 모따기 대퇴골 절제술을 수행하는 일부분으로서 외과용 톱을 안내하는데 사용된다.
도 38은 대퇴골의 원위 단부를 나타낸 정면 사시도로서, 그에 장착된 본 개시에 따른 구성 요소를 나타내며, 상기 구성 요소는 후방 모따기 대퇴골 절제술을 수행하는 일부분으로서 외과용 톱을 안내하는데 사용된다.
도 39는 경골의 근위 단부를 나타낸 정면도로서, 그에 장착된 본 개시에 따른 구성 요소를 나타내며, 상기 구성 요소는 근위 경골 절제술의 수행을 예상하여 재배치된 상기 절단 가이드를 갖는다.
도 40은 도 39의 경골 및 구성 요소를 나타낸 정면 사시도이다.
도 41은 본 개시에 따른 경골 시험체에 장착된 예시적인 배치 장치의 정면 사시도이다.
도 42는 본 개시에 따른 부하 측정 장치의 정면 사시도이다.
도 43은 본 개시에 따른 수술용 키트를 포함할 수 있는 예시적인 구성 요소를 도시하는 다이어그램이다.
본 개시 내용의 예시적인 실시 예는 컴퓨터 보조 수술 및 컴퓨터 계획 수술과 관련된 예시적인 장치, 방법, 및 기술을 포함하도록 아래에 설명되고 예시된다. 물론, 이하에서 논의되는 실시 예들이 본질적으로 예시적이며 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않고 재구성될 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 그러나, 명확성과 정확성을 위해, 아래에서 논의되는 예시적인 실시 예는 당업자가 본 발명의 범위 내에 속하기 위한 필수가 아닌 것으로 인식해야 하는 선택적 단계, 방법, 및 특징을 포함할 수 있다.
도 1-3을 참조하면, 본 개시에 따른 영상 유도 수술 시스템(100)은 외과의(101) 또는 다른 직원의 사용을 위하여 하나 이상의 영상 디스플레이(106) 및 입력 장치(109) (예를 들면, 키보드, 마우스, 등)에 통신 가능하게 결합된 컴퓨터/제어기 및 관련 소프트웨어(104)를 포함하는 워크스테이션(102) 및 정형외과용 치환 또는 교정 수술과 관련된 수술 내비게이션을 용이하게 하는 수술기구(170, 190)를 포함할 수 있다. 예시적인 형태로, 본 수술은 슬관절 전치환술 치환 또는 교정 수술을 포함할 것이다. 그럼에도 불구하고, 상기 기술 분야의 숙련자는 상기 예시적인 기술, 시스템, 소프트웨어, 및 구성 요소가 임의의 정형외과용 치환 또는 교정 수술 절차의 일부로서 이용될 수 있으며, 결코 무릎에 국한되지 않음을 이해할 것이다.
이 예시적인 실시 예에서, 상기 관련 소프트웨어(104)는 상기 환자(110)에 특이적일 수 있는 조직 모델 (뼈 및 연조직 모델을 포함할 수 있음) (114)을 이용하는 수술용 내비게이션 소프트웨어를 포함한다. 예로서, 상기 환자(110)의 이미징은 하나 이상의 환자-특화 가상 조직 모델(114)을 생성하기에 충분한 주지의 영상기법(112) 중 임의의 것을 이용하여 수술 동안에 또는 이전에 수행될 수 있으며, 이러한 영상기법(112)은 엑스레이, 형광 투시, 초음파, CT, MRI에 한정되지는 않으나 이를 포함한다. 상기 영상기법(112) 중 적어도 하나를 이용하는 데이터 출력으로부터, 하나 이상의 환자-특화 가상의 조직 모델(114)이 뼈 재건 분야의 당업자에게 주지된 다양한 방법 중 임의의 것을 사용하여 생성될 수 있다. 예를 들어, 무릎 수술의 경우, 예시적인 환자-특화 가상의 조직 모델은 대퇴골, 경골, 및 슬개골의 뼈, 이러한 뼈 중 하나 이상과 관련된 연골, 및 결합 인대 조직을 포함할 수 있으며 이에 제한되지는 않는다. 상기 가상의 조직 모델(114)의 일부로서, 상기 소프트웨어(104)는 서로에 대한 뼈의 상대적 위치를 반영하는 데이터와 함께 업로드되어 모델의 정적 포즈가 모션 범위에 걸쳐 이용 가능하고, 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 모델의 동적 이미지를 사용하여 모션 범위에 걸쳐 서로에 대한 상기 모델의 가상 모션을 표시할 수 있다. 이러한 동적 이미지는, 형광 투시에 국한되지는 않으나 형광 투시와 같은 특정 양식으로부터 직접 추출할 수 있으며, 또는 모션 범위에 걸쳐 과다한 정적 포즈를 사용하는 컴퓨터 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 외삽할 수 있다.
예시적인 소프트웨어(104)는 무릎 교체 또는 교정을 달성하기 위하여 수술-전 수술 계획을 생성하거나 통합하기 위해 상기 가상의 조직 모델(114)을 사용할 수 있다. 예시적인 수술 계획의 일부로서, 임플란트의 크기, 필요한 뼈 절단(절제술), 및 최종 정형외과용 임플란트의 적절한 배치를 식별하기 위하여, 하나 이상의 정형외과용 임플란트의 가상 모델(120)을 로딩하거나 생성할 수 있고, 그리고나서 상기 가상의 조직 모델(114) 상에 적합성을 테스트할 수 있다. 예를 들어, 최종 임플란트를 받기 위한 적합도, 크기 조정, 해부학적 랜드마크 식별, 및 뼈 절단 위치를 평가하기 위하여, 상기 예시적인 소프트웨어(104)는 정형외과용 임플란트(120)의 가상 모델을 환자의 가상 뼈 모델(114) 중 적어도 하나에 피팅할 수 있도록 하는 정적 플래너(static panner) (122)를 포함한다. 이러한 정적 플래너(122)의 일부로서, 가상의 임플란트가 선택되고 그 위치가 가상의 조직 모델(114)에 대해 확정되면, 상기 플래너는 상기 정형외과용 임플란트의 이식을 수행하는 데 필요한 뼈 절단 위치를 (실제 환자 뼈에 대해) 계산할 수 있다. 이러한 정적 플래너(122)는 상기 소프트웨어(102)의 일부로서 이용 가능한 동적 플래너(124)와 대조되는데, 이는 상기 가상의 조직 모델(114) 및 상기 정형외과용 임플란트 모델(120)을 통합 유닛으로서 동시에 재배치할 수 있도록 하므로 상기 절제된 환자 뼈 상에서 임플란트 유형, 모양, 크기, 및 위치를 결정하기 위한 운동학적 인자를 평가할 수 있게 된다. 당업자는 외과의가 운동학적 데이터를 사용하여 정형외과용 임플란트를 선택하기 위해 사용하는 요소와 정형외과용 임플란트 사이의 구별을 위하여 외과의가 사용하는 운동학적 고려 사항에 익숙하다. 이러한 동적 플래너(124)의 일부로서, 가상의 임플란트가 선택되고 그 위치가 상기 가상의 조직 모델(114)에 대해 확정되면, 상기 플래너는 상기 정형외과용 임플란트의 이식을 수행하는 데 필요한 뼈 절단의 위치를 (실제 환자 뼈에 대해) 계산할 수 있다.
수술-전 수술 계획이 생성되거나 업로딩된 후, 환자 해부학 매퍼(PAMs) (130) 및 절단 가이드(190)을 포함하나 이에 국한되지 않는 대퇴골, 경골, 및/또는 슬개골을 위한 맞춤형 기구를 생성하기 위해 상기 수술전 계획을 사용할 수 있다.
PAM(130)은 단일의 파악된 위치 및 방향으로만 상기 환자 인체 구조에 일치되고 수술용 핀(210)을 사용하여 상기 환자에게 장착될 수 있는 환자-특화 장치를 포함한다. 예를 들어, 상기 PAM(130)은 상기 환자 인체 구조와 정밀하게 짝을 이루는 음의 기하학적 구조를 가는 하나의 표면을 가질 수 있다 (달리 말하자면, 상기 PAM의 표면 모양은 상기 환자 인체 구조의 표면에, 그의 변화를 포함하여, 정확하게 따르므로 환자 최저점은 PAM 최저점을 반영하는 반면 환자 최고점은 PAM 최저점을 반영한다). 단일의 위치 및 방향으로만 상기 환자 인체 구조에 맞는 PAM을 활용함으로써, 파악된 형상(크기, 너비, 길이, 높이 등)을 갖는 기기 또는 기타 부품을 상기 PAM에 부착하여 상기 수술용 내비게이션 소프트웨어에 의해 활용되는 기준 프레임 내에서 상기 기기 또는 기타 부품의 위치 및 방향의 파악을 용이하게 할 수 있다. 달리 말하자면, 환자 인체 구조(예를 들어, 뼈)에 대한 상기 PAM의 정확한 위치와 방향이 파악되므로, 상기 PAM에 견고하게 장착된 모든 구조 (파악된 치수를 가짐) 또한 상기 환자 인체 구조에 대하여 파악된 위치와 및 방향을 갖게 된다. 또한, PAM은 절단 가이드(190)와 함께 사용될 수 있다.
본 개시에 따르면, 예시적인 절단 가이드(190)는 상기 PAM(130)의 도움으로 정렬되고 위치될 수 있다. 도입에 의해, 예시적인 절단 가이드(190)는 상기 PAM(130)에 재배치 가능하게 장착될 수 있으므로 상기 PAM이 환자의 뼈에 대한 상기 절단 가이드의 위치 및 방향을 파악하기 위해 그의 기준 위치에 사용된다. 반대로, 또는 추가로, 상기 절단 가이드(190)는 상기 PAM(130)으로부터 분리될 수 있다. 그러한 경우에, 상기 PAM(130)은 단일의 방향으로만 정렬 핀을 수용하도록 구성된 오리피스를 갖는 피너(pinner)에 결합 될 수 있다. 상기 피너를 사용함으로써, 올바르게 배치되면, 두 개 이상의 핀이 환자의 뼈에 삽입되어 상기 핀이 예시적인 절단 가이드(상기 PAM 130에서 분리됨)의 오리피스와 정렬된다. 이러한 방식으로, 예시적인 절단 가이드는 하나 이상의 뼈 절단을 수행하도록 상기 절단 가이드를 정렬하기 위해 핀 위로 슬라이딩함으로써 정렬될 수 있다.
상기 수술-전 수술 계획은 또한 여기에서 환자 케이스 파일 또는 수술 계획이라고 하는 컴퓨터 지시를 생성하는 데 사용될 수 있으며, 이는 관련 수술 기기의 실시간 안내를 용이하게 하도록 관련 수술 내비게이션 소프트웨어 애플리케이션(104)에 로딩될 수 있다. 또한, 상기 정적 플래너(122) 및/또는 동적 플래너(124)를 사용하여 생성 또는 선택될 수 있는 수술에 필요한 기기 및 기구는 제조, 포장, 멸균되고 키트(500)에 조립되어 적시에 배송될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 환자(110)의 원위 대퇴골(160)은 기존의 외과적 절개를 통해 또는 경피적으로 환자 뼈에 부착된 강성 기준(rigid reference, 170)을 포함할 수 있다. 예시적인 형태에서, 상기 강성 기준(170)은 상기 영상 유도 수술 시스템(100)의 구성 요소를 포함하고 대퇴골(160)에 고정된 한 쌍의 핀(176)에 장착된 하우징(174)을 포함할 수 있다. 상기 강성 기준(170)은 관성 측정부 장치(172) 또는 상기 수술용 내비게이션 워크스테이션(102)과 통신하는 (유선 또는 무선) 기타 추적 장치와 결합하거나 이를 포함하는 하우징(174)에 의하여 환자 뼈(160)의 추적을 용이하게 한다. 예시적인 형태에서, 관성 측정부(IMUs) 장치(172)는 단일 하우징 내에 포함된 관성 측정부(IMU) (173), 배터리, 및 무선 송신기를 포함할 수 있으며, 여기에서 상기 장치(172)는 데이터를 생성하고 상기 수술용 내비게이션 소프트웨어 애플리케이션(104)에 전송하도록 작동할 수 있다. 각각의 IMU(173, 183)는 적어도 하나의 3축 가속도계, 1개의 3축 자력계 및 1개의 3축 자이로스코프로 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 IMU(173, 183)는 3개의 직교 축에서의 가속도를 나타내는 데이터, 자기 데이터, 및 자이로스코프 데이터를 생성하며, 상기 수술용 내비게이션 소프트웨어 애플리케이션(104)은 상기 IMU의 위치 및 방향의 변화를 결정하기 위해 사용된다. 따라서, 상기 IMU(173)를 상기 강성 기준(170)을 사용하여 뼈에 (예를 들어, 대퇴골(160)) 단단히 장착함으로써, 상기 IMU의 위치 및 방향의 변화는 상기 뼈의 위치 및 방향의 변화에 빠르고 정확하게 기인할 수 있다. 따라서, 상기 IMU(173)가 시간의 함수로서 재배치되는 방법을 알면, 상기 수술용 내비게이션 소프트웨어 애플리케이션(104) 또한 동일한 시간 동안 상기 뼈의 위치 및 방향의 변화를 결정할 수 있다. 이후에 논의되는 바와 같이, 상기 절단 가이드(190)와 관련된 상기 제 2 IMU(182)에 대해 상기 강성 기준(170)의 IMU(172)를 초기화함으로써, 환자 뼈에 대한 상기 절단 가이드의 상대적 위치를 상기 수술용 내비게이션 소프트웨어 애플리케이션(104)에 의하여 결정할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 본 개시에 따른 예시적인 절단 가이드(190)는 하나 이상의 뼈 절단을 수행할 때 외과의를 안내하기 위해 상기 PAM(130)에 재배치 가능하게 장착되도록 구성된다. 이러한 예시적인 절단 가이드(190)는 슬관절 전치환술의 일부로서 대퇴골 및 경골 절제술 각각에 사용될 수 있다.
이러한 예시적인 실시 예에서, 상기 절단 가이드(190)는 하나 이상의 뼈 절단을 수행하기 위해 평면 경로를 따라 수술용 시상 톱 또는 유사한 도구(250) (도 25 참조)를 안내하기 위하여 적어도 하나의 절단 슬롯(200)을 갖는 가이드 본체(192)를 포함한다. 상기 가이드 본체(192)는 또한 상기 슬롯(200)과 별개로 또는 추가로 수술용 핀(210)의 삽입(throughput)을 허용하도록 크기가 결정된 하나 이상의 관통 오리피스(202)를 포함할 수 있다. 예로서, 각각의 수술용 핀(210)은 환자의 뼈에 장착될 수 있고 고정 위치 절단 블록(300)을 안내하고 결합하는데 활용될 수 있다 (도 30 참조). 이 예시적인 실시 예에서, 상기 가이드 본체(192)는 제 2 관성 측정 장치(182)에 장착되도록 구성된 수신기(208)에서 종결되는 넥부(206)를 포함한다.
예를 들어, 상기 제 2 관성 측정 장치(182)는 단일의 하우징 내에 포함된 관성 측정부(IMU) (183), 배터리, 및 무선 송신기를 포함할 수 있으며, 여기에서 상기 장치(182)는 데이터를 생성하여 상기 수술용 내비게이션 소프트웨어 애플리케이션(104)으로 전송하도록 동작할 수 있다.
본 명세서에 개시된 바와 같이, 각각의 IMU(173, 183)는 서로 수직인 세 방향에 (예를 들면, X, Y, Z 방향) 관한 데이터를 출력하기 위해 하나 이상의 센서로 (예를 들면, 자이로 스코프, 가속도계, 자력계) 구성된 별도의 보드로 구성되거나 단일의 회로 기판에 통합될 수 있는 3개의 자이로스코프, 3개의 가속도계, 및 3개의 홀-효과 자력계로(3개의 자이로스코프, 가속도계, 및 자력계 세트) 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 각각의 IMU(173, 183)는 상기 3개의 자이로스코프, 3개의 가속도계, 및 3개의 자력계로부터 21개의 전압 또는 수치 출력을 생성하도록 동작할 수 있다. 예시적인 형태에서, 각각의 IMU(173, 183)은 센서 보드 및 프로세싱 보드를 포함할 수 있으며, 센서 보드는 3개의 가속도계, 3개의 자이로스코프 센서, 및 3개의 자력계(LSM9DS, ST-마이크로일렉트로닉스)로 구성되는 통합 감지 모듈, 및 3개의 가속도계 및 3개의 자력계(LSM303, ST-마이크로일렉트로닉스)로 구성되는 2개의 통합 감지 모듈을 포함할 수 있다. 특히, 상기 IMU(173, 183)는 피치 (상하), 요잉 (좌우), 및 롤링 (시계 방향 또는 반시계 방향 회전)의 적어도 3개의 축에 대한 공간의 회전 변화를 측정하는 각 운동량 센서(angular momentum sensors)도 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 IMU(173, 183)는 3개의 직교 축에서의 가속도를 나타내는 데이터, 자기 데이터 및 자이로스코프 데이터를 생성하며, 수술용 내비게이션 소프트웨어 애플리케이션(104)은 각 IMU의 위치 및 방향의 변화를 결정하기 위해 사용된다.
상기 IMU(183)를 상기 절단 가이드(190)에 견고하게 장착함으로써, 각 IMU(173, 183)의 위치 및 방향의 변화는 환자 뼈에 대한 절단 가이드의 위치 및 방향의 변화에 빠르고 정확하게 기여할 수 있다. 따라서, 상기 IMU(183)가 시간의 함수로서 재배치되는 방법을 알면, 상기 수술용 내비게이션 소프트웨어 애플리케이션(104) 또한 동일한 시간 동안 상기 절단 가이드(190)의 위치 및 방향의 변화를 결정할 수 있다. 이후에 논의되는 바와 같이, 상기 절단 가이드(190)와 관련된 상기 제 2 IMU(182)에 대해 상기 강성 기준(170)의 IMU(172)를 초기화함으로써, 환자 뼈에 대한 상기 절단 가이드의 상대적 위치를 상기 수술용 내비게이션 소프트웨어 애플리케이션(104)에 의하여 결정할 수 있다.
예를 들어, 상기 절단 가이드(190)는 임의의 수의 파악된 위치를 가질 수 있으므로 상기 절단 슬롯(200)이 이러한 파악된 위치 중 하나에 배치될 때 상기 절단 슬롯(200)의 위치가 상기 PAM(130)에 대해 파악되도록 한다. 상기 절단 가이드(190)를 상기 PAM(130)에 재배치 가능하게 장착하기 위해, 하나 이상의 조인트를 포함할 수 있는 기계적 연결구(220)가 그 사이에 존재한다. 예시적인 형태에서, 상기 기계적 연결구(220)는 하부 조인트(222), 조절기(224), 및 상부 조인트(226)를 포함한다.
예를 들어, 상기 하부 조인트(222)는 상기 절단 슬롯(200)에 대한 상기 PAM(130)의 연결에 또는 그 근처에 있을 수 있다. 상기 하부 조인트(222)는 상기 PAM(130)에 대한 상기 조절기(224)의 회전을 선택적으로 억제하고 따라서 대략적인 의미에서 상기 절단 슬롯(200)의 위치를 조정하도록 조여질 수 있는 볼트 또는 나사(230) (선택적으로 스프링 장착)를 포함하는 회전 조인트를 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 하부 조인트(222)는 상기 PAM(130)에 대한 상기 조절기(224)의 선택적 재배치를 허용하는 임의의 조인트 또는 모션 활성화 장치(모터 구동)로 될 수 있어서, 원하는 경우 상기 PAM에 대한 상기 조절기의 재배치가 실질적으로 억제된다.
예를 들어, 상기 하부 조인트에 대한 상기 조절기의 위치를 고정 및 해제하기 위해 상기 조절기(224)는 상기 하부 조인트(222)의 적어도 일부가 맞물리게 되는 장방형의 또는 연장된 형태의 링으로 이루어질 수 있다. 마찬가지로, 상기 조절기(224)는 또한, 예시적인 형태로, 회전 조인트(234)를 포함할 수 있는 상기 상부 조인트(226)에 장착된다.
예시적인 형태에서, 상기 회전 조인트(234)는 상기 절단 가이드(190)에 대한 상기 조절기(224)의 회전을 선택적으로 억제하도록 조여질 수 있는 볼트 또는 나사(240) (선택적으로 스프링 장착)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 상부 조인트(226)는 상기 절단 가이드(190)에 대한 상기 조절기(224)의 선택적 재배치를 허용하는 임의의 조인트 또는 모션 활성화 장치(모터 구동)로 될 수 있어서, 원하는 경우 상기 절단 가이드에 대한 상기 조절기의 재배치가 실질적으로 억제된다. 상기 회전 조인트(234)에 추가하여, 상기 상부 조인트(226) 또한 구형 조인트(236)를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 구형 조인트가 잠금되지 않은 경우, 상기 절단 가이드(190)는 상기 회전 조인트(234)의 회전축에 평행하게 연장되는 축에 대해 최대 45도까지 상기 조절기(224) (및 상기 PAM 130)에 대한 각도로 재배치될 수 있다. 이후에 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 상기 구형 관절(236)의 조정 가능성은 원위 대퇴골 뼈 절단의 내반 또는 외반 특성을 조정하기 위해 이용될 수 있다.
도 4를 참조하면, 도 3의 강성 기준(170) 대신에 또는 이에 추가하여 사용될 수 있는 대안적인 예시적인 강성 기준(270)은 상기 대퇴골(160)에 체결된 한 쌍의 핀(276)에 장착된 관성 측정부를 포함하는 기준 하우징(272)을 포함한다. 이러한 대안적인 예시적인 강성 기준(270)은 전원 공급 장치(예를 들면, 배터리)로 또한 수용하는 하우징(278) 내에 위치된 기준 송신기와 상기 기준 하우징(272) (상기 IMU(274)과 함께)을 통신 가능하게 결합함으로써 (유선(273) 또는 무선), 환자 뼈(160)의 추적을 용이하게 한다. 예시적인 형태에서, 상대적으로 작은 크기의 상기 기준 하우징(272)은 관절 치환 또는 교정의 수술 부위에 접근하기 위해 추가적인 절개 또는 보다 큰 절개 없이 상기 환자 뼈(160)에 장착될 수 있게 된다. 다시 말하면, 이러한 대안적인 예시적인 강성 기준(270)은 상기 송신기 및 전원 공급 장치가 상기 환자 뼈에 견고하게 장착될 것을 요구하지 않음으로써 나머지 강성 기준(170)에 비해 (더 작은) 크기 이점을 제공한다. 예를 들어, 상기 IMU는 데이터를 생성하여 상기 송신기로 전달하도록 동작하며, 이는 상기 데이터를 상기 수술용 내비게이션 소프트웨어 애플리케이션(104)으로 전달한다. 상기 IMU(274)는 적어도 하나의 3축 가속도계, 하나의 3축 자력계, 및 하나의 3축 자이로스코프로 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 IMU(274)는 3개의 직교 축에서의 가속도를 나타내는 데이터, 자기 데이터, 및 자이로 스코프데이터를 생성하며, 상기 수술용 내비게이션 소프트웨어 애플리케이션(104)은 상기 IMU의 위치 및 방향의 변화를 결정하기 위해 이러한 데이터를 사용한다. 따라서, 상기 강성 기준(270)을 이용하여 상기 IMU(274)를 상기 뼈(예를 들면, 대퇴골(160))에 견고하게 장착함으로써, 상기 IMU의 위치 및 방향의 변화는 상기 뼈의 위치 및 방향의 변화에 빠르고 정확하게 기여할 수 있다. 따라서, 상기 IMU(274)가 시간의 함수로서 재배치되는 방법을 알면, 상기 수술용 내비게이션 소프트웨어 애플리케이션(104) 또한 동일한 시간 동안 상기 뼈의 위치 및 방향의 변화를 결정할 수 있다. 이후에 논의되는 바와 같이, 상기 절단 가이드(190)와 관련된 상기 제 2 IMU(182)에 대해 상기 강성 기준(270)의 IMU 장치(274)를 초기화함으로써, 상기 환자 뼈에 대한 상기 절단 가이드의 상대적 위치를 상기 수술용 내비게이션 소프트웨어 애플리케이션(104)에 의하여 결정할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 수술용 내비게이션 소프트웨어(104)를 실행하는 워크스테이션(102)은 상기 IMU(173/274, 183)로부터의 센서 데이터를 처리하고 이 센서 데이터를 상기 환자 인체 구조에 대한 절제면 위치에 관한 정보로 변환하도록 작동한다. 또한, 상기 수술용 내비게이션 소프트웨어(104)는 하나 이상의 영상 디스플레이(106)를 통해 외과의에게 시각화를 제공하도록 작동한다. 예시적인 형태에서, 시각화는 3D 가상 조직 모델(114), 상기 절단 가이드(190) 또는 절단 슬롯(200)의 3D 가상 모델, 돌출부, 텍스트, 또는 상기 환자 인체 구조에 대한 절단 슬롯의 방향 및 위치를 전달하는 임의의 다른 형태를 포함할 수 있다. 시각화의 일부로 전달되는 정보는 초당 최소 10 프레임으로 업데이트될 수 있으므로 디스플레이되는 정보가 거의 실시간 또는 실시간으로 고려될 수 있다.
상기 절단 가이드(190)의 임의의 또는 모든 구성 요소는 일회용으로 될 수 있다. 대안적으로, 상기 절단 가이드(190)의 임의의 또는 모든 구성 요소는 재사용 가능하고 재살균 가능하게 될 수 있다. 어떤 경우이든, 상기 절단 가이드(190), PAM(130) 및 강성 기준(170, 270)의 구성 요소 중 일부 또는 전부는 폴리머, 금속, 및 복합재에 한정되지 않으나 이와 같은 수많은 재료로 제작될 수 있으며, 적층 제조, 사출 성형, 기계 밀링, 및 주조를 포함하나 이에 한정되지 않는 기술을 사용하여 제작될 수 있다. 상기 절단 가이드(190), PAM(130) 및 강성 기준(170, 270)의 개별 구성 요소의 조립 및 연결은 적절한 프레스 피팅, 로킹, 고정 나사, 접착제, 용접과 같은 외부 고정 장치의 활용, 또는 구성 요소를 서로 고정하기 위하여 기계 어셈블리의 숙련자에게 주지된 기타 방법으로 수행될 수 있다. 상기 절단 가이드(190), PAM(130) 및 강성 기준(170, 270)의 다양한 구성 요소가 본 명세서에서 별도로 논의될 수 있지만, 임의의 또는 모든 구성 요소가 통합되거나 분리될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 5를 참조하면, 상기 절단 슬롯(200)의 위치 및 방향에 관한 실시간 피드백을 제공하기 위해 IMU(173/274, 183)은 방향 및 위치를 나타내는 데이터를 생성하도록 작동하며, 이는 상기 워크스테이션(102)에서 실행되는 수술용 내비게이션 소프트웨어(104)에 전달된다. 다음은 슬관절 전치환술(TKA)에 대한 예시적인 절차에서 상기 수술 장비(예를 들면, 절단 가이드(190), PAM(130))에 대해 파악된 치수와 팀을 이루는 경우 상기 절단 슬롯(200)의 방향 및 위치가 상기 수술용 내비게이션 소프트웨어(104)에 의해 어떻게 결정되는지에 대한 논의이다.
본 개시에 따른 IMU(173/274, 183)은 x-축, y-축, 및 z-축에 대한 방향을 측정할 수 있지만 이동(translation)을 직접 측정할 수는 없다. 상기 IMU의 이동을 결정하기 위해서는 외부 센서를 사용하거나 실제 객체(예를 들어, 뼈)에 대해 파악된 시작 위치 및 방향을 사용하여 상기 IMU를 초기화할 수 있다. 예를 들면, 상기 외부 센서는 이동 정보를 제공하기 위해 선형 위치 센서를 (예를 들면, 선형 가변 배치 변압기, 선형 모션 인코더, 초음파 레인징, 또는 광학 레인징) 포함할 수 있다.
예시적인 형태에서, 이후 논의되는 바와 같이, 본 개시는 상기 IMU(173/274, 183)가 절단 가이드(190) 및 PAM(130)에 각각 견고하게 장착되는 초기화 위치를 이용할 수 있으므로, 상기 PAM에 대한 절단 가이드의 상대적 위치 및 방향이 파악된다 (그리고 상기 IMU(173/274, 183)의 상대적 위치와 방향 또한 파악된다). 추가의 예로서, 이러한 초기화 위치는 상기 PAM과 동일한 평면을 따라 정렬된 절단 슬롯(200)을 가질 수 있다. 이러한 초기화 위치를 설정한 후, 상기 절단 가이드(190)는 상기 수술-전 수술 계획을 통해 설정된 대퇴골 뼈 절단을 수행하기 위해 상기 PAM(130)에 대해 재배치될 수 있다.
본 개시 내용의 맥락에서, 수술-전 수술 계획하는 것은 TKA에 대한 원위 뼈 절단의 깊이(예를 들어, 위치)뿐만 아니라 환자 뼈(160) 상의 PAM(130)의 배치를 설정할 것이다. 도 5에 도시 된 바와 같이, "x"로 식별되는 상기 파악된 원위 뼈 절단의 깊이 및 상기 뼈(160)에 대한 상기 PAM(130)의 배치로부터 파악된 시작 위치(B)를 사용하여, 원위 절단을 수행하기 위하여 상기 절단 가이드(190)를 정확하게 위치시키기 위해서는 두 가지 정보가 필요하다: (1) 각도(α); 및(2) 거리(AB). 상기 거리(AB)는 파악된 기구 치수의 함수이며 (이는 상기 PAM의 중심으로부터 상기 절단 슬롯(200)의 중심까지의 선형 거리임), 여기에서 상기 거리(AB)는 본 개시 내용에 따라 일정하며 상기 절단 가이드(190)가 상기 하부 조인트(222)를 통해 상기 PAM(130)을 중심으로 회전되더라도 변하지 않는다. 그 결과, 삼각법을 이용하여, 도 5의 방정식으로부터 상기 각도(α)를 계산할 수 있다. 또한, 이러한 각도(α)를 알게 되면, 상기 수술용 내비게이션 소프트웨어(104)는 상기 PAM(130)의 IMU(183)를 사용하여 상기 IMU(173, 274)를 통해 상기 환자 뼈에 대한 상기 절단 슬롯(200)의 각도 변화를 추적하므로, 상기 절단 슬롯이 상기 각도(α)에 위치될 때 상기 수술용 내비게이션 소프트웨어는 상기 절단 슬롯이 상기 수술-전 수술 계획에 따라 위치됨을 외과의에게 알리고, 상기 외과의는 원위 대퇴골 뼈 절단을 수행할 수 있다. 상기 절단 슬롯(200)이 각도(α)로 정렬되지 않는 경우, 상기 수술용 내비게이션 소프트웨어는 각도(α)를 달성하기 위해 상기 절단 슬롯이 어떻게 재배치되어야 하는지를 나타내는 피드백을 상기 외과의에게 제공한다. 이후에 논의되겠지만, 상기 절단 가이드(190)와 관련된 조인트(226, 236)는 내반/외반, 굴곡/신전 및 기타 공지된 자유도를 조정하기 위해 재배치될 수 있다.
본 개시에 따르면, 상기 기구 (PAM(130), 절단 가이드(190)) 치수를 아는 것은 TKA와 같은 수술 절차 동안 상기 기구의 상대적인 위치 및 방향을 동적으로 계산하는 데 중요하다. 예를 들어, 상기 PAM(130), 절단 가이드(190) 및 절단 슬롯(200) 각각은 바람직하게는 표준 절개 또는 최소 침습 절개에 대한 최소한의 수정으로 원하는 수술을 수행하기 위해 적절한 크기를 가질 수 있다. 각 구성 요소 (예를 들어, 상기 PAM(130), 절단 가이드(190) 및 절단 슬롯(200))에 대한 적절한 치수는 여러 방식으로 수술 전에 선택될 수 있다. 예를 들어, 각 구성 요소는 환자-특화 방식으로 제작될 수 있으며, 여기에서 모든 치수는 환자와 수술 계획에 가장 잘 맞도록 선택된다. 환자-특화 제조는 비용면에서 효율적이지 않을 수 있으므로 또 다른 옵션은 모집단 분석(population analysis)을 기반으로 치수를 선택하는 것이다. 정형외과용 기기 분야의 숙련자는 모집단 분석에 기반한 크기 조정에 익숙할 것이다.
일반적으로, 해부학적 치수는 여러 표본 - 모집단- 에 걸쳐 측정되므로 측정의 범위 및 변동는 상기 표본 전체에 걸쳐 파악된다. 원하는 경우, 상기 모집단을 세분화할 수 있으므로 각 모집단의 소집단 내의 측정 범위와 변동을 파악 된다. 이러한 세분화를 수행하는 방법에는 회귀 모델 구축, 감독되지 않거나 감독되는 클러스터링, 혼합 모델링, 분할(partitioning) 또는 기타 방법론이 포함되지만 반드시 이에 국한되지는 않는다. 이러한 방식으로 각 구성 요소에 대해 최상의 치수 세트 또는 크기를 선택할 수 있다. 이 프로세스는 통계적 기하학적 모델 또는 기계 학습 방법을 사용하여 자동 또는 반자동 방식으로 수행될 수 있다.
포스트 어셈블리를 포함하여 각 기구의 구성 요소의 파악된 치수를 사용하여, 로봇 매니퓰레이터 및 정방향 기구학 분야의 숙련자에게 익숙한 방법을 사용하여 수술기구의 허용 가능한 작업량 - 특히 도달 가능한 절단 방향 및 위치 - 를 결정할 수 있다. 예를 들어, 각 관절의 대너빗 하텐버그 매개변수(Denavit-Hartenberg, DH)는 위에서 설명한 바와 같이 소정의 조인트 유형 - 회전형, 구형, 또는 기타 - 및 기계적 연결구(220)의 각 링크의 파악된 치수가 주어지면 파악된다. 이러한 정보로부터 상기 DH 규칙은 상기 제 1 회전 조인트(222)와 상기 절단 슬롯(200) 사이의 적절한 일련의 변환을 설정하는데 사용될 수 있다. 각 조인트에 대한 변수의 허용 범위의 전부 또는 대부분에서 상기 원위 위치 및 방향을 계산함으로써, 상기 절단 슬롯(200)의 작업량은 수술 절차의 각 단계에 대해 계산될 수 있다. 이러한 규칙은 선택된 구성 요소 치수가 원하는 수술 계획을 달성하기에 충분한지 확인하는 데 사용될 수 있다. 도 6-15는 시스템(100)의 구성 요소 부분의 일부 가능한 임계 치수뿐만 아니라 치수 선택에 대한 입력으로서의 역할을 하는 모집단 변동의 예를 도시한다.
도 6을 참조하면, 상기 PAM(130)은 상기 내외측(mediolateral, ML) 폭 및 전후측(anteroposterior, AP) 높이를 포함하는 환자 특이적 특징에 더하여 임계 치수를 포함할 수 있다. 이러한 예시적인 개시에서, 상기 PAM(130)은 상기 절단 가이드(190)의 회전 중심을 설정하고, 여기에서 상기 PAM(130)의 위치는 상기 시스템(100)의 정확도 및 성능을 최적화하기 위해 선택될 수 있다. 상기 PAM(130)을 상기 절단 가이드(190)에 결합하는 기계적 연결구(220)가 일단 조립되면 상기 절단 가이드가 뼈 또는 연조직과 충돌하지 않고 의도된 절개부 및 대퇴골의 내측면을 모두 제거하도록 상기 AP 및 ML 치수는 신중하게 선택되어야 한다. 마찬가지로, 상기 절단 가이드(190)의 길이 및 상기 기계적 연결구(220)를 통한 로킹 위치의 위치는 수술 단계 각각을 용이하게 하도록 선택되어야 하며 - 이는 상기 절단 슬롯(200)이 충돌없이 적절하게 위치되고 조작될 수 있도록 한다.
도 7을 참조하면, 상기 환자 뼈(160) 상에 상기 PAM(130)의 결합 부위를 설정하고 최적화하는 예시적인 방법은, 수술-전 계획의 일부로서, 훈련된 인간 전문가의 활용을 포함하거나, 추가적으로 또는 대체용으로, 인공 지능(AI)의 사용을 포함한다. AI는 인구 통계 (즉, 통계 아틀라스)에서 추출된 측정 또는 표면 기하학을 사용하여 정확도 및 인구 형태와 관련된 설계 제약을 학습하고, 원하는 계획을 달성하기 위한 정확도에 최적화된 PAM 130의 위치를 출력한다.
다시 도 8 및 9를 참조하면, 본 개시에 따른 예시적인 절단 가이드(190)는, 톱날을 적절하게 포획하기 위해 외과의가 TKA 동안 사용할 것으로 예상되는 의도된 톱날에 기초하여, 부분적으로 구성될 수 있는 치수를 갖는 절단 슬롯(200)을 포함할 수 있다. 많은 TKA 수술에서 외과의는 정형외과용 임플란트를 수용할 대퇴골을 준비하기 위해 원위 대퇴골로부터 뼈를 제거하기 위해 진동 팁 톱을 사용한다. 진동 팁 톱을 위한 예시적인 톱날은 약 1.19 mm의 두께를 가질 수 있지만, 때때로 다른 두께가 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 절단 슬롯(200)의 폭 (AP 방향)은 의도된 톱날의 두께보다 약간 더 클 수 있다. 상기 절단 슬롯(200)의 폭과 상기 톱날 사이의 공차가 더 정밀할수록 상기 블레이드의 뼈 절단이 상기 슬롯과 동일 평면에 있게 되는 정밀도가 더 높아지는 결과를 얻게 된다. 상기 절단 슬롯(200)의 AP 폭을 설정하는 것에 추가하여, 상기 절단 슬롯의 ML 길이는 수술-전 수술 계획에 의해 지시된 바와 같이 전체 원위, 후측 및 전측 표면의 절제를 허용하도록 선택되어야 한다.
도 10을 참조하면, 대안적인 예시적인 절단 가이드(290)는 상기 절단 슬롯(200)을 적어도 2개의 가이드 핀 구멍(294)으로 대체하는 가이드 본체(292)를 포함한다. 이러한 대안적인 예시적인 절단 가이드(290)에서, 상기 가이드 핀 구멍(294)은 별도의 절단 블록(300) (도 30 참조)의 대응 구멍과 일치하므로, 상기 가이드(290)는 상기 절단 블록를 정렬에 사용되는 2개 이상의 수술용 핀(210)을 위치시키는 데 사용될 수 있다. 다시 말해서, 드릴 구멍이 어디에 있는지를 파악하고 수술용 핀(210)을 환자의 뼈에 체결하기 위해 외과의에 의하여 상기 절단 가이드(290)가 이용된다. 추가의 예로서, 환자의 뼈에 뚫린 핀 구멍(또는 수술용 핀 자체의 위치)은 종래의 원위 절단 블록(300) 상의 핀 구멍과 서로 동일한 거리에 있을 수 있다. 상기 핀 구멍의 드릴링 후, 상기 가이드(290)는 상기 수술 용 핀을 사용하여 환자의 뼈에 정렬되는 별도의 절단 블록로 교체될 수 있다. 예를 들어, 예시적인 종래의 절단 블록는 스미스앤드네퓨(Smith & Nephew), 짐머(Zimmer), 디퓨이(DePuy) 및 스트라이커(Stryker)로부터 입수할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 상기 예시적인 절단 가이드(190)는 상기 절단 슬롯(200)을 통해 연장되는 수술용 블레이드에 안정성을 제공하기 위해 상기 가이드 본체(192)에 선택적으로 결합되는 블레이드 지지용 부착 절단 지그(195)를 포함할 수 있다.
도 12-16은 수술-전 수술 계획 소프트웨어(104)를 사용하여 상기 환자 뼈 모델(114), 이 경우에는 대퇴골을 자동으로 랜드마킹하는 예시적인 프로세스를 나타낸다. 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 소프트웨어(104)는 기계적 축 및 절단 지그 절제술 포인트의 위치를 계산하기 위해 통계적 아틀라스 자동 랜드마킹을 사용하도록 동작되는 데, 두 가지 모두 제안된 바람직한 대퇴 원위 절제면(156)을 계산하는 데 사용된다. 도 13은 통계적 아틀라스의 소정 집단에 걸친 절제부의 내외측 폭의 추출 및 측정을 나타낸다. 상기 추출 및 측정된 내외측 폭은 원위 절단 슬롯(200) 치수에 대한 설계제한 범위(design envelope)를 만드는 데 사용된다 (통계 아틀라스 모집단으로부터의 대표가 표시되며 파란색은 가장 큰 크기를, 녹색은 중간 크기를, 적색은 가장 작은 크기를 나타낸다). 도 14는 통계적 아틀라스의 대표에 대해 이루어진 원위 대퇴골 절제술을 나타낸다. 도 15는 절제된 내외측 치수와 원위 절제면(156)의 깊이 변화 사이의 관계를 나타낸다. 예를 들어, 황색은 계획되거나 제안된 절제면 위치보다 4mm 더 말단측인 절제면(156)의 위치를 나타내며, 반면에 적색은 계획되거나 제안된 위치에 상기 절제면을 배치하는 것을 나타내며, 마지막으로 밝은 청색은 계획되거나 제안된 절제면 위치보다 4mm 더 선단측에 상기 절제면을 배치하는 것을 나타낸다. 마지막으로, 도 16은 소정의 모집단 대부분 또는 전부를 포착하는 절단 슬롯(200) 치수를 설정하기 위해 상기 통계적 아틀라스 모집단에 걸친 내외측 폭을 도시한다.
도 17-20을 참조하면, 수술 내비게이션의 초기 단계로서, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)을 환자 뼈(160)에 정렬하기 위해 등록이 수행된다. 등록 설정의 일부로서, 상기 PAM(130)은 상기 환자 뼈(160)에 정렬될 수 있어서 상기 PAM의 환자 특화 표면(들)이 단일의 방향 및 위치로만 상기 환자 인체 구조에 일치하여 정밀하게 접촉된다. 상기 환자 뼈(160)에 상기 PAM(130)을 배치함에 따라 상기 PAM이 상기 조직(예를 들어, 뼈)의 토포그래피와 정밀하게 일치하는 단일의 방향 및 위치를 차지하게 되고, 상기 PAM은 상기 환자 조직(예를 들어, 뼈)에 천공될 수 있는 구멍 내에 수용되는 하나 이상의 수술용 핀(210) 또는 나사를 사용함으로써 상기 환자 조직에 장착될 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 PAM(130)은 상기 환자 조직에 견고하게 부착되므로 상기 조직이 재배치됨에 따라 상기 PAM도 재배치된다. 상기 PAM(130)을 환자 조직에 장착하는 것 이외에도, 상기 강성 기준(170) 역시 환자 조직에 장착된다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 상기 절단 가이드(190)는 상기 기계적 연결구를 통해 상기 PAM(130)에 재배치 가능하게 장착된다.
도 17 및 18을 참조하면, 예시적인 형태에서, 상기 절단 가이드(190)는 상기 기계적 연결구(220)를 사용함으로써, 파악된 등록 위치 및 방향으로 상기 PAM(130)에 장착되고, 이는 상기 PAM을 통해 상기 환자 뼈(160) (예를 들면, 상기 대퇴골)에 대해 파악된 위치 및 방향으로 차례로 이루어진다. 보다 구체적으로, 도 17에 도시된 바와 같이, 상기 하부 조인트(222)는 상기 PAM(130)을 상기 조절기(224)에 결합하고, 상기 상부 조인트(226)는 상기 절단 가이드(190)를 상기 조절기에 결합한다. 특히, 상기 절단 가이드(190)는 상기 절단 슬롯(200)의 지배적인 세로축이 상기 절단 가이드의 지배적인 세로축에 평행하도록 배향될 수 있으므로 이들 축이 동일 평면에 있게 된다. 또한, 파악된 소정의 간격에 대응하여, 상기 조인트(222, 226)를 사용함으로써 상기 조절기(224)를 따라 상기 절단 가이드(190)와 상기 PAM(130) 사이에 간격이 설정된다. 이와 같이, 실선으로 표시된 상기 절단 가이드(190)의 위치는 상기 PAM(130)에 대한 소정의 위치가 된다. 상기 회전식 하부 조인트(222)를 조정함으로써, 상기 절단 가이드(190)는 점선으로 도시된 바와 같이 상기 PAM(130)을 중심으로 회전될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 상기 절단 가이드(190)가 상기 기계적 연결구(220)를 통해 상기 PAM(130)에 장착되고 상기 파악된 등록 위치를 가정할 때 (그리고 상기 강성 기준(170)이 상기 환자 조직에 장착될 때), 기준점을 설정하기 위하여 상기 IMU(173, 183)로부터의 데이터가 상기 영상 유도 수술 시스템(100)에 의하여 기록된다. 보다 구체적으로, 상기 IMU(173, 183)로부터의 데이터는 상기 환자 뼈(160)에 대한 상기 절단 가이드(190)의 위치 및 방향의 변화를 결정하기 위해 처리된다. 이러한 방식으로, 상기 환자 뼈(160)의 향후 모션은 상기 강성 기준(170)의 IMU(173)를 사용하여 독립적으로 추적되는 반면, 상기 절단 가이드(190)의 모션은 상기 추적 IMU(183)를 사용하여 별도로 추적된다. 그 결과, 도 18에 나타낸 바와 같이, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은, 뼈 절단면의 위치 및 방향을 설정하는 수술-전 수술 계획과 일치하거나 일치하지 않는 절단 슬롯의 위치를 구별하기 위하여, 상기 절단 슬롯(200)의 위치 및 방향을 나타내는 점선(185)과 함께 상기 환자의 뼈(160)의 가상 뼈 모델(114)을 디스플레이한다 (색상으로 강조될 수 있음 (예를 들어, 녹색)).
도 19 및 20에 도시된 바와 같이, 상기 환자 뼈에 대한 상기 절단 가이드(190)의 등록을 설정하는 것은 또한 상기 상부 구형 조인트(236)를 사용하여 상기 기계적 연결구(220)에 대한 상기 절단 가이드의 재배치를 포함할 수 있다. 예시적인 형태에서, 상기 상부 구형 조인트(236)는 상기 회전 조인트(234)의 회전축에 평행하게 연장되는 축에 대하여 45도의 각도까지 상기 조절기(224) (및 상기 PAM(130))에 대하여 상기 가이드 본체(및 상기 절단 슬롯(200))이 각도 재배치되도록 상기 가이드 본체(192)를 허용한다. 이러한 방식으로, 상기 구형 조인트(236)는 상기 절단 슬롯(200)의 내반 또는 외반 조정을 허용한다. 예를 들어, 상기 절단 가이드(190) 본체(192)의 실선 위치는 등록 위치를 나타내며, 반면에 점선은 상기 회전 조인트(234)의 회전축에 대해 상기 가이드 본체(192)가 점유할 수 있는 각도 방향에서의 가능한 변화를 나타낸다. 상기 IMU(183)이 상기 가이드 본체(192)에 견고하게 장착되어 있으므로, 상기 절단 슬롯(200)의 위치 및 방향의 변화는 상기 IMU(183)의 위치 및 방향의 변화에 상응하게 반영되며, 이는 그 데이터를 상기 영상 유도 수술 시스템(100)에로 전송한다. 상기 영상 유도 수술 시스템은 상기 절단 슬롯(200)의 위치 및 방향을 계산하기 위하여, 상기 가이드 본체(192)의 치수 및 이에 대한 상기 구형 조인트(236)의 위치를 파악함과 함께, 상기 IMU(183)로부터의 데이터를 사용한다. 그 결과, 도 20에 도시된 바와 같이, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은, 뼈 절단면의 위치 및 방향을 설정하는 수술-전 수술 계획과 일치하거나 일치하지 않는 절단 슬롯의 위치 및/또는 방향을 구별하기 위하여, 의도된 절단 슬롯의 위치 및 방향(색상으로 강조될 수 있음 (예를 들어, 녹색 187))과 관련하여 상기 절단 슬롯(200)의 위치 및 방향(색상으로 강조될 수 있음 (예를 들어, 흰색 189))을 나타내는 한 쌍의 점선(187, 189)과 함께 상기 환자의 뼈(160)의 가상 뼈 모델(114)을 디스플레이한다. 등록 후, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 TKA의 일부로서 상기 대퇴골의 원위 단부에서 하나 이상의 뼈 절단을 용이하게 하기 위해 이용될 수 있다.
도 22를 참조하면, TKA 수술은 원위 대퇴골 절제술을 포함할 수 있다. 전술 한 바와 같이 상기 영상 유도 수술 시스템(100)의 등록 후에, 상기 절단 가이드(190)는 상기 조인트(222, 226) 중 하나 또는 둘 모두를 사용하여 상기 PAM에 대해 재배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 회전 조인트(222)는 원위 대퇴골 절제를 위해 볼트/스크류(230)를 통해 연장되는 회전축을 통해 상기 절단 가이드(190)가 상기 PAM(130) 주위를 회전할 수 있도록 조작될 수 있다. 예시적인 형태에서, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 상기 IMU(173, 183)로부터의 데이터를 처리하고, 상기 환자의 뼈(160)에 대한 상기 절단 가이드(190)의 상대적인 위치 및 방향을 계산하여 상기 절단 슬롯(200)의 상대적인 업데이트된 위치 및 방향, 그리고 상기 환자의 뼈(160)의 가상 뼈 모델(114)을 디스플레이한다. 상기 하부 조인트(222)의 맥락에서, 단일의 회전 조인트만이 사용되기 때문에, 상기 하나 이상의 영상 디스플레이(106)는 "도달 가능한" 영역 또는 상기 상부 구형 조인트를 조작함으로써 절단 가능한 뼈의 허용 범위를 보여줄 수 있다. 특히, 삼각법을 이용함으로써, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 상기 제 1 및 제 2 조인트(222, 226) 사이의 파악된 거리 "lRI_1"을 취하고 사인(θ)를 곱함으로써 원위-근위 거리 "깊이1"를 계산하며, 여기에서 각도(θ)는 상기 절단 가이드(190)의 등록 위치와 상기 절단 가이드의 현재 위치 사이의 각도이다. 상기 IMU(173, 183)로부터의 데이터를 사용함으로써, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 상기 절단 가이드의 위치를 계산하고, 이에 따라, 각도(θ)를 계산하도록 작동한다. 상기 계산된 각도 (θ)를 사용함으로써, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 "깊이1"을 계산하고 상기 환자의 뼈(160)의 가상 뼈 모델(114) 및 상기 절단 슬롯(200)의 상대적인 업데이트된 위치 및 방향을 표현한다. 이러한 방식으로, 외과의는 정확한 원위 대퇴골 뼈 절단을 수행하기 위해 수술-전 수술 계획에 따라 상기 절단 가이드(190)가 상기 PAM(130)에 대하여 더욱 회전되어야 하는지 여부를 결정할 수 있다. 상기 대퇴골 뼈 절단의 "깊이1"에 도달했다고 가정하면, 외과의는 상기 하부 조인트(222)를 제자리에 로킹하고 상기 상부 조인트(226)를 재배치하는 데 집중할 수 있다.
도 23을 참조하면, 상기 상부 조인트(226)는 회전 조인트(234) 및 구형 조인트(236)를 포함할 수 있다. 각각은 상기 PAM(130)에 대한 상기 절단 가이드(190)의 위치를 조정하기 위해 재배치 될 수 있다. 예시적인 형태에서, 상기 절단 가이드(190)는 볼트/스크류(240)를 통해 연장되는 회전축을 중심으로 회전하도록 허용될 수 있다. 상기 볼트/스크류(240)에 대한 회전은 절제를 위한 굴곡 및 신전 각도를 교정 (또는 조정)하기 위해 사용될 수 있다. 특히, 삼각법을 사용함으로써, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 상기 제 2 조인트(226)와 상기 절단 가이드 본체(192) 중심 사이의 파악된 거리 "lRI_2"를 취하고 사인(σ)를 곱함으로써 원위-근위 거리 "깊이2"를 계산하며, 여기에서 각도(σ)는 상기 절단 가이드(190)의 등록 위치와 상기 상부 조인트(226)에 대한 상기 절단 가이드의 현재 위치 사이의 각도이다. 상기 IMU(173, 183)로부터의 데이터를 사용함으로써, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 상기 절단 가이드(190)의 위치를 계산하고, 이에 따라, 각도(σ)를 계산하도록 작동한다. 상기 계산된 각도 (σ)를 사용함으로써, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 "깊이2"을 계산하고 상기 환자의 뼈(160)의 가상 뼈 모델(114) 및 상기 절단 슬롯(200)의 상대적인 업데이트된 위치 및 방향을 표현한다. 이러한 방식으로, 외과의는 정확한 원위 대퇴골 뼈 절단을 수행하기 위해 수술-전 수술 계획에 따라 상기 절단 가이드(190)가 상기 제 2 조인트(226)에 대하여 더욱 회전되어야 하는지 여부를 결정할 수 있다. 상기 대퇴골 뼈 절단의 "깊이2"에 도달했다고 가정하면, 외과의는 상기 상부 회전 조인트(234)를 제자리에 로킹하고 상상기 구형 조인트(236)를 재배치하는 데 집중할 수 있다.
도 24에 도시된 바와 같이, 상기 구형 조인트(236)의 조정은 내반 및 외반 각도 조정을 수용하기 위해 상기 절단 슬롯(200)의 회전을 허용한다. 달리 말하자면, 상기 구형 조인트(236)의 로킹을 해제하면 상기 절단 슬롯(200)이 조작되어 절단의 절제 깊이, 내반 방향, 및 굴곡 방향이 수술 전 계획에 비해 허용될 수 있다. 예시적인 형태에서, 상기 절단 가이드(190)는 상기 구형 조인트(236)의 구 주위로 회전하도록 허용될 수 있다. 특히, 삼각법을 사용함으로써, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 다음 방정식을 사용하여 내측 구획 오프셋 및 외측 구획 오프셋을 계산한다:
Figure pat00001
여기에서:
“lRl_3M”는 내측 구획을 가로지르는 상기 가이드 본체(192)의 길이이고;
“lRl_3L”은 외측 구획을 가로지르는 상기 가이드 본체(192)의 길이이고;
각도 “λ”는 등록 위치와 각도 오프셋 사이의 각도이다.
도 22-26을 참조하면, 상기 대퇴골 뼈 절단의 "깊이2"에 도달했다고 가정하면, 외과의는 상기 상부 회전 조인트(234)를 로킹할 수 있다. 따라서, 내측 깊이 오프셋 "깊이3M"을 얻기 위해, 파악된 길이 "1R1_3M"에 사인(λ)을 곱한다. 마찬가지로, 외측 깊이 오프셋 "깊이3L"을 얻으려면, 파악된 길이 "lRl_3L"에 사인(λ)을 곱한다. 내측 구획의 실제 절제 깊이를 계산하기 위해서는, "깊이1" 및 "깊이2 및 "깊이3M"이 합산된다 (도 22-24 참조). 마찬가지로, 외측 구획의 실제 절제 깊이를 계산하기 위해서는, “깊이1” 및 “깊이2” 및 “깊이3L”이 합산된다 (도 22-24 참조). 상기 IMU(173, 183)로부터의 데이터를 사용함으로써, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 전술한 것을 계산하도록 동작한다. 이러한 방식으로, 외과의는 정확한 원위 대퇴골 뼈 절단을 수행하기 위해 수술-전 수술 계획에 따라 상기 절단 가이드(190)가 상기 구형 조인트(236)에 대해 더 회전되어야하는지 여부를 결정할 수 있다. 상기 절단 가이드(190)의 위치 및 방향이 수용 가능하면, 상기 조인트(222, 226, 236)는 로킹되고 상기 원위 대퇴골 절제술이, 도 25 및 26에 도시된 바와 같이, 외과의가 수술용 톱(250)을 제어하여 수행될 수 있다.
도 27-30을 참조하면, 상기 원위 대퇴골 절제술이 완료된 후, 상기 절단 가이드(190) 및 PAM(130)은 상기 고정 위치 절단 블록(300)를 안내하고 이에 맞물리는 고정 장치 (예를 들어, 수술용 핀(210))의 배치를 용이하게 하는데 사용될 수 있다. 5가지의 뼈 절단이 포함되는 대퇴골 TKA 수술 절차에서, 나머지 절단 (상기 원위 대퇴골 절제술 이외에도)은 전측, 후측, 및 2개의 모따기 절단이다. 이러한 4가지의 뼈 절단을 용이하게 하기 위해, 포-인-원 절단 블록(300)이라고 칭하는 종래의 도구를 사용할 수 있다. 환자의 절제된 대퇴골(160)의 원위 단부에 고정된 이러한 절단 블록(300)은 절제된 원위 표면으로부터 연장되는 2개 이상의 수술용 핀(210)을 수용하도록 구성된 2개 이상의 개구부를 포함한다. 이러한 방식으로, 상기 수술용 핀(210)은 상기 원위 대퇴골에 대해 상기 절단 블록(300)을 정렬하고 상기 절단 가이드 블록을 상기 절단된 대퇴골 표면에 대한 위치로 안내하도록 작동한다. 상기 수술용 핀(210)을 수용하도록 구성된 개구부에 더하여, 상기 절단 블록(300)은 4개 이상의 절단 슬롯을 포함하고, 각각의 절단 슬롯은 언급된 4가지의 나머지 뼈 절단 중 하나에 속한다. 그러나, 상이한 무릎 임플란트는 상이한 절단 위치 및 심지어는 상이한 수의 뼈 절단이 필요할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 그럼에도 불구하고, 본 명세서에 개시된 예시적인 장치 및 방법은 물리적 정렬 가이드에 의해 배치되거나 컴퓨터 피드백 또는 제어를 통해 배치되는 임의의 절단 가이드 (예를 들어, 스마트 또는 덤(smart or dumb))에 적용될 수 있다.
도 28 및 29에 도시된 바와 같이, 상기 포-인-원 절단 블록(300)을 사용하기 위한 절제된 대퇴골을 준비하기 위해서, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)이 상기 절단 가이드(190)를 재배치하기 위한 하나 이상의 영상 디스플레이(106)를 통해 지시를 제공하여 상기 가이드 본체(192)가 상기 IMU(173, 183)로부터의 데이터에 기초하여 절제된 원위 대퇴골(107)의 노출된 표면에 대해 위치된다. 특히, 상기 가이드 본체(192)는 하나 이상의 관통 오리피스(202)가 상기 절제된 대퇴골(107)의 의도된 위치에 정렬되도록 위치되므로 수술용 드릴이 상기 오리피스를 통해 연장되고 상기 대퇴골 내에 구멍을 뚫을 수 있다. 상기 핀 구멍은 나머지 뼈 절단의 내외측 회전 및 전후방 위치를 결정한다. 구멍 생성 후, 2개 이상의 수술용 핀(210)이 각 구멍에 하나씩 배치되며, 선택적으로 가이드 본체 오리피스(202)를 사용하여 상기 수술용 핀을 제자리에 정렬함으로써 상기 수술용 핀이 절제된 대퇴골 내로 연장되고 일반적으로 상기 절제된 대퇴골면에 수직인 말단으로 연장되도록 한다. 상기 수술용 핀(210)이 상기 절제된 대퇴골에 장착된 후, 상기 절단 가이드(190) 및 PAM(130)은 수술 부위에서 제거될 수 있다.
도 30 및 31을 참조하면, 상기 절제된 대퇴골(107) 상의 위치에 있는 상기 수술용 핀(210)으로써, 포-인-원 절단 블록(300)이 상기 원위 절제된 대퇴골(107)에 대해 정렬되어 상기 절단 블록(300)의 2개 이상의 개구부가 상기 2개 이상의 수술용 핀(210)을 수용하도록 구성되므로, 상기 절단 블록이 상기 원위 대퇴골 절제술의 노출된 뼈 표면에 대해 재배치될 수 있다. 상기 수술용 핀(210)을 사용하여 상기 절제된 원위 대퇴골 표면에 대해 정렬된 상기 절단 블록으로써, 외과의는 상기 절단 블록(300)을 제자리에 로킹할 수 있다. 그 후, 외과의는 상기 블록(300)의 각각의 슬롯(302)을 통해 수술용 블레이드를 재배치하여 전측, 후측, 및 2개의 모따기 원위 대퇴골 절단을 수행할 수 있다. 상기 뼈 절단의 완료 후 (도 31 참조), 상기 블록(300) 및 상기 수술용 핀(210)은 정형외과용 시험체 피팅을 예상하여 상기 원위 대퇴골로부터 제거될 수 있다. 전술한 예시적인 수술 절차는 전방, 전측, 후측, 및 2개의 모따기 원위 대퇴골 절단을 수행하기 위해 포-인-원 절단 블록(300)을 사용하지만, 상기 절단 가이드(190), 상기 PAM(130), 및 가이드 풋(260)을 이용하는 것도 본 개시의 범위에 속한다.
도 32-37를 참조하면, 상기 원위 대퇴골 절제술이 완료된 후, 상기 절단 가이드(190) 및 PAM(130)은 가이드 풋(260)을 안내하고 이에 맞물리는 고정 장치 (예를 들어, 수술용 핀(210))의 배치를 용이하게 하는데 사용될 수 있다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 대퇴골 TKA 수술 절차는 일반적으로 5가지의 뼈 절단을 포함하며, 그 중 4가지는 원위 대퇴골 절제술이 완료된 후 남아 있다. 이러한 4가지의 뼈 절단을 용이하게 하기 위해, 상기 기계적 연결구(220) 및 절단 가이드(190)가 장착되는 앵커로서 상기 PAM(130)을 대체하는 가이드 풋(260)을 사용할 수 있다.
도 32에 도시된 바와 같이, 상기 수술용 핀(210)을 배치시키는 데에 상기 PAM(130), 상기 기계적 연결구(220), 및 상기 절단 가이드(190)를 사용한 후, 전술한 구성 요소는 수술 부위로부터 제거될 수 있다. 예시적인 형태에서, 상기 PAM(130)은 상기 PAM과 마찬가지로 상기 기계적 연결구(220)에 연결되는 가이드 풋(260)으로 대체되므로 상기 가이드 풋, 상기 기계적 연결구, 및 상기 절단 가이드(190)가 서로 장착된다. 예시적인 형태에서, 상기 가이드 풋(260)은 상기 대퇴골(107)의 절제된 부분으로부터 연장되는 수술용 핀(260)을 각각 수용하도록 구성된 2개 이상의 오리피스를 포함한다. 상기 가이드 풋(260)의 오리피스는 단일 방향으로만 상기 수술 용 핀(210)을 수용하도록 구성되므로, 상기 가이드 풋이 수술용 핀을 수용하고 상기 절제된 대퇴골(107)에 대해 재배치되어 제자리에 고정될 때, 기 영상 유도 수술 시스템(100)은 상기 대퇴골에 대한 상기 가이드 풋의 위치 및 방향을 정밀하게 파악하게 된다.
이러한 예시적인 실시 예에서, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 상기 가이드 풋(260)의 정밀한 치수가 프로그램되어 있으므로 상기 가이드 풋이 등록 위치에 있을 때, 상기 대퇴골에 대한 상기 절단 가이드(190)의 위치가 파악된다. 달리 말하자면, 상기 절단 가이드(190)는 상기 기계적 연결구(220)를 사용함으로써, 파악된 등록 위치 및 방향으로 상기 가이드 풋(260)에 장착되며, 이는 차례로 상기 가이드 풋에 의하여 상기 환자 뼈(160) (예를 들어, 대퇴골)에 대해 파악된 위치 및 방향으로 된다.
본 명세서에서 논의된 바와 같이, 상기 하부 조인트(222)는 상기 가이드 풋(260)을 상기 조절기(224)에 결합하고, 상기 상부 조인트(226)는 상기 절단 가이드(190)를 상기 조절기에 결합한다. 특히, 상기 절단 가이드(190)는 상기 절단 슬롯(200)의 지배적인 세로축이 상기 절단 가이드의 지배적인 세로축에 평행하도록 배향될 수 있으므로 이들 축이 동일 평면에 있게 된다. 또한, 파악된 소정의 간격에 대응하여, 상기 조인트(222, 226)를 사용함으로써 상기 조절기(224)를 따라 상기 절단 가이드(190)와 상기 가이드 풋(260) 사이에 간격이 설정된다. 이러한 방식으로, 상기 절단 가이드(190)의 위치는 상기 가이드 풋(260)에 대하여 파악된다. 상기 절단 가이드(190)가 상기 기계적 연결구(220)를 통해 상기 가이드 풋(260)에 장착되고 상기 파악된 등록 위치를 가정할 때 (그리고 상기 강성 기준(170)이 상기 환자 조직에 장착될 때), 상기 절제된 대퇴골에 대하여 파악된 위치 및 기준점을 갖는 상기 절단 가이드(190)에 대하여 기준점을 설정하기 위하여 상기 IMU(173, 183)로부터의 데이터가 상기 영상 유도 수술 시스템(100)에 의하여 기록된다. 그리고, 이후 논의되는 바와 같이, 전측, 후측, 및 2개의 모따기 원위 대퇴골 절단을 수행하기 위해 상기 절단 가이드의 활용을 용이하게 하기 위해, 이러한 기준점은 상기 절단 가이드의 위치 및 방향에 대해 상기 영상 유도 수술 시스템(100)에 의하여 추적되고 사용자 (예를 들어, 외과의)에게 통지된다.
도 34 및 35를 참조하면, 상기 IMU(173, 183)로부터의 데이터는 상기 환자 뼈(160)에 대한 상기 절단 가이드(190)의 위치 및 방향의 변화를 결정하기 위해 상기 영상 유도 수술 시스템(100)에 의하여 처리된다. 이러한 방식으로, 상기 환자 뼈(160)의 모션은 상기 강성 기준(170)의 IMU(173)를 사용하여 독립적으로 추적되는 반면, 상기 절단 가이드(190)의 모션은 상기 추적 IMU(183)를 사용하여 별도로 추적된다. 그 결과, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은, 상기 의도된 절단 라인이 수술-전 수술 계획에 일치됨을 확인하기 위하여, 색상 코딩된 (예를 들면, 녹색) 점선(310)과 함께 상기 환자의 뼈(160)의 가상 뼈 모델(114)을 디스플레이한다. 이러한 예시적인 순서에서, 수술-전 수술 계획, 즉, 도 34에 도시된 바와 같은 전측 절단에 따라 필요한 절단을 수행하기 위해 상기 절단 슬롯(200)을 위치시키고 배향시키기 위하여, 외과의는 상기 회전 조인트(222, 234) 및 구형 조인트(236)를 풀고 조임으로써 상기 절단 가이드(190)를 재배치할 수 있다. 상기 하나 이상의 영상 디스플레이(106)는 상기 절단 슬롯(200)을 통과하는 투영된 절단 라인에 대하여 환자의 실제 뼈의 위치 및 방향과 일치하는 상기 뼈 모델(114)을 표현하기 위해 실시간으로 또는 거의 실시간으로 업데이트된다. 결과적으로, 상기 절단 가이드(190)가 수술-전 수술 계획과 일치하도록 위치 및 배향될 때, 외과의는 상기 하나 이상의 영상 디스플레이(106)를 사용하여 상기 위치를 시각적으로 확인할 수 있고 상기 절단 슬롯(200) 내에 수용된 블레이드를 갖는 수술용 톱(250)을 사용하여 뼈 절단을 수행할 수 있다. 이러한 프로세스는 후측 절단 (도 36 참조), 전측 모따기 절단 (도 37 참조), 및 후측 모따기 절단 (도 38 참조)을 수행하기 위하여 상기 절단 슬롯(200)을 재배치 및 재배향하기 위하여 상기 회전 조인트(222, 234) 및 상기 구형 조인트(236)를 풀고 조여 상기 절단 가이드(190)를 재배치함으로써 반복된다. 상기 절단 가이드(190)를 사용하여 마지막 4가지 (또는 그 정도)의 뼈 절단을 수행한 후, 상기 절단 가이드, 상기 기계적 연결구(220) 및 상기 가이드 풋(260)은 수술용 핀(210)으로부터 제거되고 수술 부위로부터 제거될 수 있다. 마찬가지로, 상기 수술용 핀(210)은 정형외과용 시험체 테스트 피팅을 수용하기 위해 상기 원위 절제된 대퇴골로부터 제거될 수 있다. 그러나, 본 실시 예는 또한 상기 원위 대퇴골 절단 이상의 뼈 절단에도 사용될 수 있다.
도 39 및 40를 참조하면, 상기 원위 대퇴골의 뼈 절단 이상의 뼈 절단을 안내하기 위해 상기 영상 유도 수술 시스템(100)을 이용하는 것 역시 본 개시에 따른 것이다. 예로서, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 TKA 수술(교정 또는 치환)의 일부로서 경골 절제를 수행하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 동일한 워크스테이션(102), 소프트웨어(104), 영상 디스플레이(106), 기계적 연결구(220), 및 수술기구(170, 190)를 사용할 수 있다. 그러나, 차이점은 상기 환자-특화 가상의 조직 모델(114) (위에서 논의된 원위 대퇴골이 아닌 근위 경골을 포함함) 및 상기 PAM(130) (대퇴골용 PAM은 경골용 PAM과 동일하지 않음)이다.
이러한 예시적인 논의에서, 상기 PAM(130)은 환자의 근위 경골의 네거티브와 일치하는 기하학적 구조를 갖는 적어도 하나의 표면을 갖도록 구성된다 (달리 말하자면, 상기 PAM의 표면 모양은 환자의 근위 경골의 표면에 모양 변화를 포함하여 정밀하게 일치한다). 상기 환자의 경골에 맞는 PAM(130)을 단일의 위치와 방향으로만 사용함으로써, 상기 수술용 내비게이션 소프트웨어(104)에 의해 활용되는 기준 프레임 내에서 기기 또는 기타 부품의 위치 및 방향의 위치 파악을 용이하게 하기 위해, 파악된 형상 (크기, 폭, 길이, 높이, 등)을 갖는 기기 또는 기타 부품이 상기 PAM에 부착될 수 있다. 달리 말하면, 상기 환자의 경골에 대한 상기 PAM(130)의 정확한 위치 및 방향을 파악하고 있으므로, 상기 PAM에 견고하게 장착되는 모든 구조물(치수 파악됨)은 상기 환자의 경골과 관련하여 파악된 위치 및 방향을 갖게 된다. 이러한 방식으로, 상기 PAM(130)은 가상 기준 프레임을 실제 기준 프레임과 연관시키도록 동작한다.
본 개시 내용의 맥락에서, 가상 수술-전 수술 계획은 TKA에 대한 근위 경골 절제 뼈 절단의 위치 및 방향을 설정할 수 있을 뿐만 아니라 환자의 경골(162) 상에 상기 PAM(130)을 배치할 수도 있다. 이러한 수술-전 수술 계획의 일부로서, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 환자(110)에 대해 상기 영상 유도 수술 시스템을 정렬하기 위해 등록을 사용한다. 등록 설정의 일부로서, 상기 PAM 130이 상기 환자에게 정렬되어 상기 PAM의 환자 특화 표면이 단일 방향 및 위치로만 상기 환자의 경골에 일치되고 정밀하게 접촉된다. 상기 PAM(130)을 상기 환자 경골(162)에 배치함에 따라, 상기 PAM이 상기 경골의 토포그래피와 정밀하게 일치하는 단일의 방향 및 위치를 차지하게 되고, 상기 PAM은 상기 경골에 천공될 수 있는 구멍 내에 수용되는 하나 이상의 수술용 핀(132) 또는 나사를 사용함으로써 상기 환자 조직에 장착될 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 PAM(130)은 상기 경골에 견고하게 부착되므로 상기 경골이 재배치됨에 따라 상기 PAM도 재배치된다. 상기 PAM(130)을 환자 조직에 장착하는 것 이외에도, 강성 기준(도시 않됨) 역시 상기 경골에 장착된다. 마찬가지로, 앞서 논의된 바와 같이, 상기 절단 가이드(190)는 상기 기계적 연결구(220)를 통해 상기 PAM(130)에 재배치 가능하게 장착된다.
예시적인 형태에서, 상기 절단 가이드(190)는 상기 기계적 연결구(220)를 사용함으로써, 파악된 등록 위치 및 방향으로 상기 PAM(130)에 장착되고, 이는 상기 PAM을 통해 상기 환자 뼈(예를 들면, 상기 경골(162))에 대해 파악된 위치 및 방향으로 차례로 이루어진다. 앞서 논의된 바와 마찬가지로, 상기 하부 조인트(222)는 상기 PAM(130)을 상기 조절기(224)에 결합하고, 상기 상부 조인트(226)는 상기 절단 가이드(190)를 상기 조절기에 결합한다. 특히, 상기 절단 가이드(190)는 상기 절단 슬롯(200)의 지배적인 세로축이 상기 절단 가이드의 지배적인 세로축에 평행하도록 배향될 수 있으므로 이들 축이 동일 평면에 있게 된다. 또한, 파악된 소정의 간격에 대응하여, 상기 조인트(222, 226)를 사용함으로써 상기 조절기(224)를 따라 상기 절단 가이드(190)와 상기 PAM(130) 사이에 간격이 설정된다. 상기 회전식 하부 조인트(222)를 조정함으로써, 상기 절단 가이드(190)는 상기 PAM(130)을 중심으로 회전될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 상기 절단 가이드(190)가 상기 기계적 연결구(220)를 통해 상기 PAM(130)에 장착되고 상기 파악된 등록 위치를 가정할 때 (그리고 상기 강성 기준(170)이 상기 환자 조직에 장착될 때), 기준점을 설정하기 위하여 상기 IMU(173, 183)로부터의 데이터가 상기 영상 유도 수술 시스템(100)에 의하여 기록된다. 보다 구체적으로, 상기 IMU(173, 183)로부터의 데이터는 상기 환자 뼈(162)에 대한 상기 절단 가이드(190)의 위치 및 방향의 변화를 결정하기 위해 처리된다. 이러한 방식으로, 상기 경골(162)의 향후 모션은 상기 강성 기준(170)의 IMU(173)를 사용하여 독립적으로 추적되는 반면, 상기 절단 가이드(190)의 모션은 상기 추적 IMU(183)를 사용하여 별도로 추적된다. 그 결과, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은, 뼈 절단면의 위치 및 방향을 설정하는 수술-전 수술 계획과 일치하거나 일치하지 않는 절단 슬롯의 위치를 구별하기 위하여, 상기 절단 슬롯(200)의 위치 및 방향을 나타내는 시각적 기준과 함께 상기 경골의 가상 뼈 모델(114)을 디스플레이한다 (색상으로 강조될 수 있음 (예를 들면, 녹색)).
상기 IMU(183)이 상기 가이드 본체(192)에 견고하게 장착되어 있으므로, 상기 절단 슬롯(200)의 위치 및 방향의 변화는 상기 IMU(183)의 위치 및 방향의 변화에 상응하게 반영되며, 이는 그 데이터를 상기 영상 유도 수술 시스템(100)에로 전송한다. 상기 영상 유도 수술 시스템은 상기 절단 슬롯(200)의 위치 및 방향을 계산하기 위하여, 상기 가이드 본체(192)의 치수를 파악함과 함께, 상기 IMU(183)로부터의 데이터를 사용한다. 그 결과, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은, 상기 경골 절제술의 위치 및 방향을 설정하는 수술-전 수술 계획과 일치하거나 일치하지 않는 절단 슬롯의 위치 및/또는 방향을 구별하기 위하여, 의도된 절단 슬롯의 위치 및 방향(색상으로 강조될 수 있음 (예를 들어, 녹색))과 관련하여 상기 절단 슬롯(200)의 위치 및 방향(색상으로 강조될 수 있음 (예를 들어, 흰색))을 나타내는 한 쌍의 점선과 함께 상기 환자의 경골(162)의 가상 뼈 모델(114)을 디스플레이할 수 있다. 등록 후, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 상기 경골 절제술을 용이하게 하기 위해 이용될 수 있다.
도 39 및 40을 다시 참조하면, 상기 절단 가이드(190)는 상기 조인트(222, 226) 중 하나 또는 둘 모두를 사용하여 상기 PAM에 대해 재배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 회전 조인트(222)는 상기 원위 대퇴골 절제를 위해 볼트/스크류(230)를 통해 연장되는 회전축을 통해 상기 절단 가이드(190)가 상기 PAM(130) 주위를 회전할 수 있도록 조작될 수 있다. 예시적인 형태에서, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 상기 IMU(173, 183)로부터의 데이터를 처리하고, 상기 환자의 경골(162)에 대한 상기 절단 가이드(190)의 상대적인 위치 및 방향을 계산하여 상기 절단 슬롯(200)의 상대적인 업데이트된 위치 및 방향, 그리고 상기 환자의 경골(162)의 가상 뼈 모델(114)을 디스플레이한다. 상기 하부 조인트(222)의 맥락에서, 단일의 회전 조인트만이 사용되기 때문에, 상기 하나 이상의 영상 디스플레이(106)는 "도달 가능한" 영역 또는 상기 상부 구형 조인트를 조작함으로써 절단 가능한 근위 경골의 허용 범위를 보여줄 수 있다. 특히, 논의된 바와 같이, 삼각법을 이용함으로써, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 상기 IMU(173, 183)로부터의 데이터를 사용함으로써 상기 절단 슬롯의 위치를 계산한다. 상기 영상 디스플레이(106)에 의하여 확인되는 바와 같이 적당한 위치에 도착됨에 따라, 외과의는 상기 경골의 근위부를 제거하기 위하여 상기 절단 슬롯(200) 내로 연장되는 수술용 톱(도시 않됨)을 이용할 수 있다. 상기 경골 절제술을 수행한 후, 상기 강성 기준(170), 상기 PAM(130), 상기 기계적 연결구(220), 및 상기 절단 가이드(190)는 수술 부위로부터 제거될 수 있다. 대안적으로, 상기 강성 기준(170)은 정형외과용 시험체 또는 영구적인 임플란트를 배치하는 일부분으로서 유지될 수 있다.
도 41을 참조하면, 상기 절단 가이드(190)로부터 상기 제 2 관성 측정 장치(182)를 제거하고 상기 관성 측정 장치를 배치 장치(400)에 장착하는 것도 본 개시 범위에 속한다. 이러한 상황에서, 상기 제 2 관성 측정 장치(182)는 정형외과용 시험체(410) (예를 들어, 경골 시험판) 또는 최종 정형외과용 임플란트가 장착된 배치 장치(400)에 장착 될 수 있다. 다음의 예는 경골 트레일(410)과 관련하여 설명되지만, 임의의 관절 (예를 들어, 무릎, 엉덩이, 어깨, 발목, 등)에 대한 정형외과용 시험체 또는 최종 임플란트가 상기 배치 장치(400)에 관련하여 유사하게 사용될 수 있음에 유의해야 한다.
예시적인 형태에서, 상기 배치 장치(400)는 파악된 치수를 가지며 단일의 방향 및 위치로만 상기 제 2 관성 측정 장치(182)를 수용할 수 있다. 그 결과, 상기 제 2 관성 측정 장치(182)가 상기 배치 장치(400)에 장착되면, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 이러한 장착을 자동으로 실현하거나 또는 수동 입력에 의존하여 실현할 수 있는데, 이러한 수동 입력은 상기 제 2 관성 측정 장치(182)가 현재 상기 배치 장치에 장착됨을 상기 시스템에 알린다. 어느 경우이든, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 실시간으로 상기 IMU(183)의 위치 및 방향을 계산하기 위해 상기 제 2 관성 측정 장치(182)의 (상기 절단 가이드(190)에 장착되었을 때의) 등록 위치 및 방향을 사용한다. 상기 제 2 관성 측정 장치(182)에 대한 상기 IMU(183)의 위치 및 방향이 일정하고 상기 제 2 관성 측정 장치는 단일의 위치 및 방향으로 상기 배치 장치(400)에 장착될 수 있으므로, 상기 IMU의 위치 및 방향을 계산함으로써, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 상기 배치 장치(400)의 위치 및 방향을 계산하도록 동작한다.
이러한 예시적인 실시 예에서, 상기 배치 장치(400)는 상기 정형외과용 시험체 또는 최종 임플란트에만 미리 소정의 위치 및 방향으로 장착될 수 있는데, 여기에서 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 TKA 절차 동안 이용될 수 있는 각각의 정형외과용 시험체 또는 최종 임플란트에 대하여 CAD 파일 또는 유사한 데이터를 포함한다. 이러한 방식으로, 상기 배치 장치의 위치 및 방향을 파악하고, 상기 배치 장치에 장착된 정형외과용 시험체 또는 임플란트를 파악함으로써 (자동으로 또는 수동 입력을 통해), 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 상기 환자 뼈(예를 들면, 경골)에 대한 상기 정형외과용 시험체 또는 임플란트의 상대적 위치를 계산한다. 그 결과, 외과의는 수술-전 수술 계획에 따라 상기 정형외과용 시험체 또는 임플란트의 위치와 방향에 대해 안내받을 수 있다. 상기 최종 임플란트 및/또는 정형외과용 트레일의 위치 및 방향에 대해 외과의를 안내함으로써, 외과의는 상기 임플란트/시험체를 보다 정밀하게 배치하고 배향할 수 있다. 상기 임플란트/시험체가 확인되지 않는 경우, 외과의는 추가의 뼈 절단이 필요한지 여부, 상이한 크기의 임플란트/트레일이 필요한지 여부, 및 완전히 상이한 임플란트가 필요한지 여부에 대해 전문적인 판단을 내릴 수 있다.
도 42를 참조하면, 상기 제 2 관성 측정 장치(182)를 상기 절단 가이드(190) (또는 상기 제 2 관성 측정 장치(182)가 장착된 다른 수술 장치)로부터 제거하고 장력 장치(420)에 상기 관성 측정 장치를 장착하는 것 (상기 강성 기준(170)이 환자 뼈에 장착된 채로 유지하면서) 또한 본 개시의 범위에 속한다. 이러한 예시적인 상황에서, 상기 장력 장치(420)는 무선 텐셔너(wireless tensioner) 또는 부하 측정 장치를 포함할 수 있다. 예로서, 상기 부하 측정 장치(420)는 다수개의 압전 저항성, 전기용량성, 및 압전 기반 스트레인 센서를 포함할 수 있다. 이러한 센서는 관절 표면의 높은 변형 위치를 매핑하기 위한 센서 어레이로 구성될 수 있습니다. 예시적인 형태에서, 상기 부하 측정 장치(420)는 편평한 표면 또는 상기 조인트 구성 요소의 관절 표면과 일치하도록 표면화될 수 있는 표면을 가질 수 있다. 또한, 상기 부하 측정 장치(420)는 데이터 통신을 위하여 마이크로컴퓨터 및/또는 무선 송신기를 포함할 수 있다.
예시적인 형태에서, TKA의 맥락에서, 상기 부하 측정 장치(420)는 상기 조인트의 조임 정도를 평가하기 위해 대퇴골 및 경골 절제술 이후에 배치될 수 있다. 상기 조인트의 조임 정도를 평가하는 일환으로, 정형외과용 시험체 또는 상기 최종 임플란트가 제자리에 있는 동안 다양한 모션 범위로 상기 조인트를 취할 수 있다. 보다 구체적으로, IMU 데이터와 팀을 이루면, 상기 부하 측정 장치(420)는 상기 IMU 데이터를 사용하는 장치의 전체 위치 및 방향은 물론이고 상기 IMU 데이터로부터 계산된 굴곡 각도와 함께 조인트의 조임 정도 정보를 제공할 수 있다.
예시적인 형태에서, 상기 부하 측정 장치(420)는 파악된 치수를 가지며 단일의 방향 및 위치로만 상기 제 2 관성 측정 장치(182)를 수용할 수 있다. 그 결과, 상기 제 2 관성 측정 장치(182)가 상기 부하 측정 장치(420)에 장착되면, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 이러한 장착을 자동으로 실현하거나 또는 수동 입력에 의존하여 실현할 수 있는데, 이러한 수동 입력은 상기 제 2 관성 측정 장치가 현재 상기 부하 측정 장치에 장착됨을 상기 시스템에 알린다. 어느 경우이든, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 실시간으로 상기 IMU(183)의 위치 및 방향을 계산하기 위해 상기 제 2 관성 측정 장치(182)의 (상기 절단 가이드(190)에 장착되었을 때의) 등록 위치 및 방향을 사용한다. 상기 제 2 관성 측정 장치(182)에 대한 상기 IMU(183)의 위치 및 방향이 일정하고 상기 제 2 관성 측정 장치는 단일의 위치 및 방향으로 상기 부하 측정 장치(420)에 장착될 수 있으므로, 상기 IMU의 위치 및 방향을 계산함으로써, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 상기 부하 측정 장치(420)의 위치 및 방향을 계산하도록 동작한다.
이러한 예시적인 실시 예에서, 상기 영상 유도 수술 시스템(100)은 상기 IMU(182)의 위치 및 방향을 파악함으로써, 환자 뼈 (예를 들어, 경골)에 대한 상기 부하 측정 장치(420)의 상대적 위치를 계산한다. 그 결과, 외과의는 상기 조인트를 로딩하는 것이 수술-전 수술 계획에 일치하는지 여부를 나타내는 피드백을 상기 부하 측정 장치(420)로부터 받을 수 있다. 조인트 조임 정도에 대해 외과의를 안내함에 따라, 외과의는 추가의 뼈 절단이 필요한지 여부, 상이한 크기의 임플란트/트레일이 필요한지 여부, 및 완전히 상이한 임플란트가 필요한지 여부에 대한 전문적인 판단에 의한 모든 문제를 해결할 수 있다.
요약하면, TKA 치환 또는 교정 수술을 수행하기 위한 예시적인 개시된 단계는 임의의 순서로 제한 없이 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 대퇴골(160)에 PAM(130)을 장착한다; (b) 기준 IMU(173)을 대퇴골(160)에 장착한다; (c) 기구 IMU(183)을 절단 가이드(190)에 장착한다; (d) IMU(173, 183)를 서로에 대해 등록한다, 여기에서 적어도 하나의 IMU는 상기 환자 뼈(160)에 대해 파악된 위치에 있다; (e) 수술-전 계획에 일치하는 원위 대퇴골 절제술을 안내하기 위하여 상기 절단 슬롯(200)을 위치시키기 위하여 IMU 안내를 사용하여 상기 PAM(130) (대퇴골 특화)에 대해 상기 절단 가이드(190)를 재배치한다 (상기 회전 조인트(222, 234) 및 구형 조인트(236)를 재배치함을 포함할 수 있음); (f) 상기 원위 대퇴골 절제술을 수행한다; (g) 수술-전 계획에 일치하는 근위 경골 절제술을 안내하기 위하여 상기 절단 슬롯(200)을 위치시키기 위하여 IMU 안내를 사용하여 상기 PAM(130) (경골 특화)에 대해 상기 절단 가이드(190)를 재배치한다 (상기 회전 조인트(222, 234) 및 구형 조인트(236)를 재배치함을 포함할 수 있음); (h) 상기 근위 경골 절제술을 수행한다; (i) 가이드 IMU 부하 측정 장치로 평가를 수행하여 임의의 필요한 절제 변경 및 적절한 구성 요소 회전을 결정하기 위하여, 안내된 IMU 부하 측정 장치로 평가를 수행한다; (j) 핀 위치, 후측 절제, 전측 노칭(anterior notching), 내측/외측 회전에 대한 실시간 또는 거의 실시간 업데이트를 나타내도록 디스플레이(들) 및 IMU 안내를 이용한다, (1) 포-인-원 핀 위치에 상기 절단 가이드를 재배치한다, (2) 하부 회전 조인트를 로킹 해제하고 원하는 핀 근접에 도달할 때까지 회전한다, (3) 하단 회전 조인트를 로킹하고, 구형 조인트를 로킹 해제하고, 원하는 핀 위치에 도달할 때까지 재배치한다, (4) 허용 가능한 위치에 도달하면 모든 조인트를 로킹한다, (5) 수술용 핀 구멍을 드릴링한다, (6) 드릴된 구멍을 이용하여 절제된 대퇴골에 수술용 핀을 장착한다; (k) PAM(130), 기계적 연결구(220) 및 절단 가이드(190)를 제거한다; (l) 절제된 원위 대퇴골에 수술용 핀을 가이드로 사용하여 다중-절단 절단 가이드를 장착한다; (m) 상기 절제된 원위 대퇴골에 수술용 핀을 가이드로 사용하여 가이드 풋(260)을 장착한다, 여기에서 상기 가이드 풋은 궁극적으로 재배치 가능한 절단 가이드(190)에 장착된다; (n) 상기 원위 대퇴골 상에서 후측, 후측 모따기, 전측 모따기, 및 전측 절단 각각에 대한 절단 슬롯을 조정한다; (o) 상기 원위 대퇴골 상에서 후측, 후측 모따기, 전측 모따기, 및 전측 절단 각각을 수행한다 (외과용 톱 사용을 포함할 수 있음); (p) 상기 절제된 대퇴골 및 경골에 정형외과용 시험체 구성 요소를 배치하여 구성 요소 크기 및 배치 위치를 확인한다; (q) 상기 절제된 대퇴골과 경골 상에 최종 정형외과용 구성 요소를 위치시킨다.
도 43을 참조하면, 최종 정형외과용 임플란트 (및 선택적으로 시험체 정형외과용 임플란트)에 추가하여 본 명세서에 개시된 하나 이상의 구성 요소를 포함하는 키트(500)를 제공하는 것 또한 본 개시의 범위에 속한다. 정형 외과 수술, 특히 일차 슬관절 치환술에서 기구 및 재고 감소의 필요성을 감안할 때, 상기 키트(500)는 의료 시설에서 필요한 선반 공간 및 임플란트 제조업체를 위한 기구/재고 비용을 줄이기 위해 "적시" 또는 주문 제작 방식으로 배송할 수 있는 것이 바람직하다. 상기 키트(500)의 각 구성 요소는 고객 요구 사항에 따라 멸균 또는 비-멸균 상태로 전달될 수 있다.
예시적인 키트(500)의 일부로서, 상기 키트는 다음 중 하나 이상을 포함하는 비-환자-특화 패키지(510)를 포함할 수 있다: 2개 이상의 IMU 장치(172, 182), 강성 기준 하우징(174), 기계적 연결구(220), 절단 가이드(190), 가이드 풋(260), 배치 장치(400), 및 장력 장치(420). 상기 키트(500)의 전술한 예시적인 패키지(510) 구성 요소는 단일 사용 (즉, 일회용) 용도일 것으로 예상되지만, 다중 이용을 위한 구성 요소로 재-멸균 및 재사용될 수도 있다. 이러한 방식으로, 상기 키트(500)는 상기 비-환자-특화 패키지(510)을 포함할 수도 포함하지 않을 수도 있다, 특히 외과의가 이전 키트의 구성 요소를 재사용하기도 한다. 비-환자-특화 구성 요소에 추가하여, 상기 키트(500)는 다양한 환자-특화 구성 요소를 포함할 수 있다.
예로서, 상기 키트(500)는 다음 중 하나 이상을 포함하는 환자-특화 패키지(520)를 포함할 수 있다: 원위 대퇴골 PAM(130), 근위 경골 PAM(130), 환자-특화 정형외과용 임플란트, 및 선택적으로 정형외과용 시험체 (예를 들어, 대퇴골 구성 요소, 경골 트레이, 경골 트레이 삽입물, 등). 상기 키트(500)의 전술한 예시적인 패키지(520) 구성 요소는 단일의 수술 절차에만 (즉, 일회용) 사용될 것으로 예상된다.
추가 예로서, 상기 키트(500)는, 구성 요소가 단일 사용 용도인지 또는 재사용 가능한지의 여부에 관계없이, 외과 의 또는 병원이 수술 절차의 일부로서 사용할 것으로 예상할 수 있는 구성 요소를 포함하는 옵션 패키지(530)를 포함할 수 있다. 예시적인 형태에서, 상기 옵션 패키지(530)는 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 수술용 핀, 수술용 드릴 비트, 정적 다중-절단 뼈 절단 가이드 (예를 들면, 포-인-원 절단 블록(300)), 내비게이션이 없는 재구성 가능한 다중-절단 뼈 절단 가이드, 및 비-환자-특화 정형외과용 임플란트 및 선택적인 정형외과용 시험체 (예를 들어, 대퇴골 구성 요소, 경골 트레이, 경골 트레이 삽입물, 등). 상기 키트(500)의 전술한 예시적인 패키지(530) 구성 요소는 단일 사용 (즉, 일회용) 용도일 것으로 예상되지만, 다중-사용 구성 요소로서 재-멸균 및 재사용될 수도 있다.
추가의 예로서, 상기 키트(500)는 하나 이상의 패키지(510, 520, 530)를 포함할 수 있으며, 환자-특화 패키지(520)를 포함하는 경우, 적시 방식으로 제조 및 배송될 수 있다. 더욱이, 상기 키트의 일부로서, 수술 전 또는 수술 시에, 수술 계획을 준비하여 상기 수술용 내비게이션 소프트웨어(104)에서 무선으로 또는 USB 또는 유사한 휴대용 메모리를 통해 사용할 수 있으며, 예를 들어 TKA에 한정되는 것은 아니나 이와 같은 원하는 수술을 실행하기 위하여 상기 키트(500) 구성 요소와 함께 사용가능하다.
상기 설명에 따라, 본 명세서에 설명된 방법 및 장치는 본 발명의 예시적인 실시 예를 구성하지만 본 명세서에 설명된 발명은 어떠한 정확한 실시 예에 한정되지 않으며 청구 범위에 의해 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 그러한 실시 예에 변경이 이루어질 수 있다. 또한, 본 발명은 청구 범위에 의해 정의되며 본 명세서에 설명된 예시적인 실시 예를 설명하는 임의의 제한 또는 요소는 그러한 제한 또는 요소가 명시적으로 언급되지 않는 한 임의의 청구 범위 요소의 해석에 포함되도록 의도되지 않음은 이해되어야 한다. 마찬가지로, 본 발명은 청구 범위에 의해 정의되고 본 발명의 내재적 및/또는 예상치 못한 이점이 본 명세서에서 명시적으로 논의되지 않았더라도 존재할 수 있으므로, 청구 범위의 범위에 속하기 위해 본 명세서에 개시된 본 발명의 확인된 이점 또는 목적의 일부 또는 전부를 충족시킬 필요가 없음을 이해해야 한다.
130 - PAM
170 - 강성 기준
190 - 절단 가이드
173, 183 - IMU
200 - 절단 슬롯
222, 226 - 조인트

Claims (42)

  1. 컴퓨터 시스템을 통한 절단 기구 탐색 방법으로서:
    단일의 파악된 위치(location) 및 방향(orientation)으로 사람에게 환자-특화 해부학 매퍼(Patient-specific Anatomical Mapper, PAM)를 장착하는 단계, 여기에서 상기 PAM은 단일의 위치 및 방향으로만 정밀하게 그리고 정확하게 사람의 표면에 정확하게 결합되는 표면을 포함함;
    기준 관성 측정부(Inertial Measurement Unit, IMU)를 상기 사람에게 장착하는 단계;
    상기 PAM에 가이드를 작동 가능하게 결합되는 단계, 여기에서 상기 가이드는 절단 슬롯 및 핀 오리피스 중 적어도 하나 및 기구 관성 측정부(IMU)를 포함함;
    상기 사람에 대한 상기 가이드의 위치 및 방향의 변화를 나타내는 데이터를 상기 기준 IMU 및 상기 기구 IMU로부터 출력하는 단계;
    절단 및 핀 배치 중 적어도 하나를 수행하기 위한 계획과 일치하는 위치 및 방향으로 상기 사람에 대하여 상기 가이드를 재배치하는 단계; 및
    상기 기준 IMU 및 상기 기구 IMU로부터 출력된 데이터를 이용하여 상기 사람에 대한 상기 가이드의 위치 및 방향에 대한 피드백을 시각적으로 표시하는 단계, 상기 데이터는 컴퓨터 프로그램에 의하여 처리되며 상기 컴퓨터 프로그램은 상기 시각적으로 표시되는 피드백을 총괄함; 을 포함하는 컴퓨터 시스템을 통한 절단 기구 탐색 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 PAM 은 경골 및 대퇴골 중 적어도 하나에 장착됨을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기준 IMU는 경골 및 대퇴골 중 적어도 하나에 장착됨을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가이드를 상기 PAM에 작동 가능하게 결합하는 것은 상기 PAM에 무관하게 절단 가이드를 재배치할 수 있도록 적어도 2개의 조인트를 포함하는 기계적 연결구(mechanical connection)를 사용하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 적어도 2개의 조인트는 회전 조인트 및 구형 조인트 중 적어도 하나를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 적어도 2개의 조인트는 한 쌍의 회전 조인트와 구형 조인트로 이루어짐을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기준 IMU 및 상기 기구 IMU 중 적어도 하나가 상기 사람에 대하여 파악된 위치 및 방향에 있는 동안 상기 기구 IMU에 대하여 상기 기준 IMU를 등록하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 기구 IMU는 단일의 파악된 위치 및 방향으로만 상기 가이드에 장착 가능함을 특징으로 하는 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 기준 IMU는 다수개의 위치 및 방향으로 상기 환자에 장착 가능함을 특징으로 하는 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 기구 IMU에 대하여 상기 기준 IMU를 등록하는 것은 소정의 시간 동안 상기 IMU들을 서로에 대하여 고정 상태로 유지하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 사람에 대하여 상기 가이드를 재배치하는 것은 상기 PAM에 대해 상기 가이드를 재배치하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 무릎 관절 이완을 평가하기 위하여 상기 기구 IMU에 작동 가능하게 결합된 부하 측정 장치를 사용하여 평가를 수행하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 계획은 핀을 배치하기 위한 계획으로 이루어짐을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 피드백을 시각적으로 표시하는 것은 환자 인체 구조의 가상 모델 및 상기 환자 인체 구조에 대한 상기 가이드의 위치를 반영하는 참조 표시(reference indicia)를 표시하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 피드백을 시각적으로 표시하는 것은 환자 인체 구조의 가상 모델 및 상기 가상 모델의 절단을 위하여 의도된 위치를 반영하는 참조 표시를 표시하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환자의 절제된 측면에 적어도 하나의 핀을 장착하는 단계;
    상기 적어도 하나의 핀을 사용하여 상기 환자에 대하여 정적 절단 가이드를 배향하는 단계;
    상기 정적 절단 가이드를 향하는 환자 포스트에 상기 정적 절단 가이드를 장착하여 하는 단계;를 더욱 포함하는 방법.
  17. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환자의 절제된 측면에 적어도 하나의 핀을 장착하는 단계;
    상기 적어도 하나의 핀을 사용하여 상기 환자에 대하여 가이드 풋(guide foot)을 배향하는 단계;
    상기 가이드 풋을 향하는 환자 포스트에 상기 가이드 풋을 장착하는 단계;
    상기 PAM과 상기 가이드 사이의 작동 결합을 중단시키는 단계;
    상기 가이드를 상기 가이드 풋에 작동 가능하게 결합하는 단계;를 더욱 포함하는 방법.
  18. 컴퓨터 시스템을 통하여, 수술용 도구의 3차원적 추적을 용이하게 하기 위하여 관성 측정부를 사용하는 방법으로서;
    제 1 관성 측정부(IMU)가 제 1 포유 동물 조직에 대해 재배치 불가능하도록 상기 제 1 IMU를 상기 제 1 포유 동물 조직에 장착하는 단계;
    단일의 위치 및 방향으로만 상기 제 1 포유 동물 조직의 표면에 정밀하게 그리고 정확하게 결합되는 표면을 갖는 환자-특화 해부학 매퍼(PAM)를 이용함으로써 제 2 관성 측정부(IMU)를 상기 제 1 포유 동물 조직에 작동 가능하게 결합되는 단계, 상기 제 2 IMU는 상기 제 1 포유 동물 조직에 대하여 재배치 가능함;
    상기 PAM이 상기 제 1 포유 동물 조직에 장착되는 동안 상기 제 1 포유 동물 조직 및 상기 제 1 IMU에 대한 상기 제 2 IMU의 위치 및 방향을 등록하는 단계;
    상기 제 2 IMU를 수술용 도구에 장착하는 단계; 및
    상기 제 2 IMU가 상기 수술용 도구에 장착되고 상기 PAM에 재배치 가능하게 결합되는 동안 상기 제 1 포유 동물 조직 및 상기 수술용 도구의 위치 및 방향을 3차원적으로 추적하는 단계; 를 포함하는, 컴퓨터 시스템을 통하여, 수술용 도구의 3차원적 추적을 용이하게 하기 위하여 관성 측정부를 사용하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제 1 IMU 및 제 2 IMU로부터 출력된 데이터를 이용하여 상기 제 1 포유 동물 조직에 대하여 상기 수술용 도구의 위치 및 방향에 관한 피드백을 표시하는 단계를 더욱 포함하며, 상기 데이터는 컴퓨터 프로그램에 의하여 처리되며 상기 컴퓨터 프로그램은 상기 시각적으로 표시되는 피드백을 총괄함을 특징으로 하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 피드백은 상기 제 1 포유 동물 조직의 가상 모델, 및 상기 가상 모델상에서 상기 제 1 포유 동물 조직에 대한 상기 수술용 도구의 상대적인 실제 위치를 나타내는 제 1 표시를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 피드백은 상기 가상 모델상에서 소정의 계획에 일치하는 상기 제 1 포유 동물 조직에 대한 상기 수술용 도구의 의도된 위치를 나타내는 제 2 표시를 더욱 포함함을 특징으로 하는 방법.
  22. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 PAM 은 경골 및 대퇴골 중 적어도 하나에 장착됨을 특징으로 하는 방법.
  23. 제18항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 포유 동물 조직은 경골 및 대퇴골 중 적어도 하나를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  24. 제18항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수술용 도구는 상기 PAM에 작동 가능하게 결합됨을 특징으로 하는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 수술용 도구를 상기 PAM에 작동 가능하게 결합하는 것은 상기 PAM에 무관하게 상기 수술용 도구를 재배치할 수 있도록 적어도 2개의 조인트를 포함하는 기계적 연결구를 사용하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 적어도 2개의 조인트는 회전 조인트 및 구형 조인트 중 적어도 하나를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  27. 제25항에 있어서, 상기 적어도 2개의 조인트는 한 쌍의 회전 조인트와 구형 조인트로 이루어짐을 특징으로 하는 방법.
  28. 제18항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 IMU는 단일의 파악된 위치 및 방향으로만 상기 수술용 도구에 장착 가능함을 특징으로 하는 방법.
  29. 제18항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 IMU는 다수개의 위치 및 방향으로 상기 제 1 포유 동물 조직에 장착 가능함을 특징으로 하는 방법.
  30. 제18항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 포유 동물 조직에 대한 상기 제 2 IMU의 위치 및 방향은 소정의 시간 동안 상기 제 1 IMU 및 제 2 IMU를 서로에 대하여 고정 상태로 유지하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  31. 제18항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 무릎 관절 이완을 평가하기 위하여 상기 제 2 IMU에 작동 가능하게 결합된 부하 측정 장치를 사용하여 평가를 수행하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
  32. 수술 절차를 수행하기 위한 방법으로서:
    상기 수술 절차는 영상 디스플레이 상에 디스플레이된 내비게이션 안내를 이용하여 절단 가이드를 재배치하는 단계;를 포함하고,
    상기 절단 가이드는 제 1 관성 측정부(IMU)를 포함하며,
    상기 절단 가이드는 단일의 위치 및 방향으로만 대퇴골 표면과 정밀하게 그리고 정확하게 결합되는 표면을 포함하는 대퇴골 환자-특화 해부학 매퍼(PAM)에 작동 가능하게 결합되고,
    여기에서 상기 내비게이션 안내는 상기 절단 가이드의 가상 모델 및 환자 대퇴골의 가상 모델 중 적어도 하나뿐만 아니라 환자 대퇴골에 대한 상기 절단 가이드의 3차원적 위치에 대하여 상기 제 1 IMU로부터의 데이터를 이용한 표시를 포함하며,
    여기에서 상기 내비게이션 안내는 또한 수술-전 수술 계획과 일치하는 대퇴골 뼈 절단을 수행하기 위하여 상기 절단 가이드를 재배치하기 위한 안내를 포함함을 특징으로 하는, 수술 절차를 수행하기 위한 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 영상 디스플레이 상에 디스플레이된 내비게이션 안내를 이용하여 상기 절단 가이드를 재배치하는 단계를 더욱 포함하며,
    상기 절단 가이드는 제 1 관성 측정부(IMU)를 포함하며,
    상기 절단 가이드는 단일의 위치 및 방향으로만 경골 표면과 정밀하게 그리고 정확하게 결합되는 표면을 포함하는 경골 환자-특화 해부학 매퍼(PAM)에 작동 가능하게 결합되고,
    여기에서 상기 내비게이션 안내는 상기 절단 가이드의 가상 모델 및 환자 경골의 가상 모델 중 적어도 하나뿐만 아니라 상기 환자 경골에 대한 상기 절단 가이드의 3차원적 위치에 대하여 상기 제 1 IMU로부터의 데이터를 이용한 표시를 포함하며,
    여기에서 상기 내비게이션 안내는 또한 수술-전 수술 계획과 일치하는 경골 뼈 절단을 수행하기 위하여 상기 절단 가이드를 재배치하기 위한 안내를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  34. 제32항 또는 제33항에 있어서,
    정확한 단일의 위치 및 방향으로 상기 대퇴골 PAM 표면을 상기 환자 대퇴골 표면에 장착하는 단계;
    제 2 관성 측정부(IMU)를 상기 환자 대퇴골에 결합하는 단계; 및
    상기 제 1 IMU 및 제 2 IMU를 서로에 대하여 등록하는 단계;를 더욱 포함하는 방법.
  35. 제32항 또는 제33항에 있어서,
    정확한 단일의 위치 및 방향으로 상기 경골 PAM 표면을 상기 환자 경골 표면에 장착하는 단계;
    제 2 관성 측정부(IMU)를 상기 환자 경골에 결합하는 단계; 및
    상기 제 1 IMU 및 제 2 IMU를 서로에 대하여 등록하는 단계;를 더욱 포함하는 방법.
  36. 제32항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내비게이션 안내는 상기 절단 가이드의 가상 모델만을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  37. 제32항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내비게이션 안내는 상기 환자 대퇴골의 가상 모델만을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  38. 제33항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 대퇴골 뼈 절단 및 상기 경골 뼈 절단 중 적어도 하나를 수행하기 위하여, 상기 절단 가이드의 실제 위치를 표현하는 제 1 절단 라인 및 상기 절단 가이드의 의도된 수술-전 계획 위치를 나타내는 제 2 절단 라인에 더하여, 상기 내비게이션 안내는 상기 환자 대퇴골의 가상 모델 및 상기 환자 경골의 가상 모델 중 적어도 하나를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  39. 제33항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절단 가이드에 의한 안내에 의하여 외과용 톱을 이용하여 상기 대퇴골 뼈 절단을 수행하는 단계;
    상기 영상 디스플레이에 디스플레이된 내비게이션 안내를 이용하여 상기 절단 가이드를 재배치하는 단계;를 더욱 포함하며,
    상기 절단 가이드는 상기 제 1 관성 측정부(IMU)를 포함하고 상기 대퇴골 환자-특화 해부학 매퍼(PAM)에 작동 가능하게 결합되며,
    여기에서 상기 내비게이션 안내는 상기 절단 가이드의 가상 모델 및 환자 대퇴골의 가상 모델 중 적어도 하나뿐만 아니라 상기 환자 대퇴골에 대한 상기 절단 가이드의 3차원적 위치에 대하여 상기 제 1 IMU로부터의 데이터를 이용한 표시를 포함하며,
    여기에서 상기 내비게이션 안내는 또한 상기 수술-전 수술 계획과 일치하는 후속적인 대퇴골 뼈 절단을 수행하기 위하여 상기 절단 가이드를 재배치하기 위한 안내를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  40. 제33항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절단 가이드에 의한 안내에 의하여 외과용 톱을 이용하여 상기 대퇴골 뼈 절단을 수행하는 단계, 여기에서 상기 대퇴골 뼈 절단은 원위 절제술임; 및
    상기 영상 디스플레이에 디스플레이된 내비게이션 안내를 이용하여 상기 절단 가이드를 재배치하는 단계;를 더욱 포함하며,
    상기 절단 가이드는 상기 제 1 관성 측정부(IMU)를 포함하고 상기 대퇴골 환자-특화 해부학 매퍼(PAM)에 작동 가능하게 결합되며,
    여기에서 상기 내비게이션 안내는 상기 절단 가이드의 가상 모델 및 환자 대퇴골의 가상 모델 중 적어도 하나뿐만 아니라 상기 환자 대퇴골에 대한 상기 절단 가이드의 3차원적 위치에 대하여 상기 제 1 IMU로부터의 데이터를 이용한 표시를 포함하며,
    여기에서 상기 내비게이션 안내는 또한 상기 수술-전 수술 계획과 일치하는 상기 절제된 대퇴골에 구멍을 뚫기 위하여 상기 절단 가이드를 재배치하기 위한 안내를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 절단 가이드에 의해 안내되는 수술용 드릴을 이용하여 상기 절제된 대퇴골에 구멍을 뚫는 단계;
    상기 드릴 구멍에 수술용 핀을 삽입하는 단계;
    상기 절제된 대퇴골에 대하여 상기 삽입된 정렬용 수술 핀을 이용하여 포-인-원 절단 가이드를 재배치하는 단계; 및
    상기 포-인-원 절단 가이드의 안내를 이용하여 적어도 하나의 대퇴골 절제술을 수행하는 단계;를 더욱 포함하는 방법.
  42. 제40항에 있어서,
    상기 절단 가이드에 의해 안내되는 수술용 드릴을 이용하여 상기 절제된 대퇴골에 구멍을 뚫는 단계;
    상기 드릴 구멍에 수술용 핀을 삽입하는 단계;
    상기 절제된 대퇴골에 대하여 상기 삽입된 정렬용 수술 핀을 이용하여 고정 위치 절단 가이드를 재배치하는 단계; 및
    상기 고정 위치 절단 가이드의 안내를 이용하여 적어도 하나의 대퇴골 절제술을 수행하는 단계;를 더욱 포함하는 방법.
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