相關(guān)申請的交叉引用

本申請主張2014年12月8日遞交的序列號為62/088,896的美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)；據(jù)此，其內(nèi)容通過引用的方式并入。

本發(fā)明通常涉及計(jì)算機(jī)輔助外科系統(tǒng)(computer-aidedsurgicalsystems)，特別是涉及一種用于執(zhí)行計(jì)算機(jī)輔助的全關(guān)節(jié)成形術(shù)(computer-aidedtotaljointarthroplasty)的新型優(yōu)越的方法。

背景技術(shù)：

全關(guān)節(jié)置換術(shù)(totaljointreplacement)(tjr)(又稱主要全關(guān)節(jié)置換術(shù)(primarytotaljointarthroplasty))是一種外科手術(shù)，其中一關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)連接表面被替換為假體部件或植入物。tjr已被證明是一個成功的手術(shù)，特別是對于臀部、膝蓋、肩膀以及腳踝，并使人們在恢復(fù)功能的同時大大減少與骨關(guān)節(jié)炎相關(guān)的疼痛。

骨骼是一種通過破骨細(xì)胞(osteoclasts)吸收基質(zhì)和通過成骨細(xì)胞(osteoblasts)沉積新基質(zhì)而不斷變化的活組織。關(guān)節(jié)軟骨(articularcartilage)是一種在關(guān)節(jié)表面上發(fā)現(xiàn)的無血管組織，用于提供一平滑的界面，使骨骼可以彼此連接。tjr是一種矯形外科手術(shù)(orthopedicprocedures)，其中關(guān)節(jié)的典型磨損關(guān)節(jié)表面被假體部件或植入物代替。tjr通常需要去除關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)軟骨，包括一根據(jù)使用的關(guān)節(jié)和植入物而決定的不同量的骨骼。這些軟骨和骨骼然后被替換為合成植入物、典型的金屬或塑料，用于產(chǎn)生新的關(guān)節(jié)表面。

關(guān)節(jié)置換術(shù)中使用的替代植入物的預(yù)期壽命有限，且時而需要更換。一tjr植入物的替換稱為翻修全關(guān)節(jié)置換術(shù)(revisiontotaljointreplacement)(rtjr)，并涉及從骨骼中移除舊的植入物(多個)，移除在tjr期間使用的任何的骨骼接合劑(bonecement)(聚(甲基丙烯酸甲酯)或pmma)，重塑骨骼以適應(yīng)新的翻修植入物(多個)，并將新的翻修植入物(多個)植入骨骼中。已知rtjr是一個困難且冗長的手術(shù)，因?yàn)橥饪漆t(yī)生通常具有的關(guān)于先前的tjr中的骨骼接合劑的位置和數(shù)量的信息有限。舊植入物和骨骼接合劑的移除通常使用一系列手工工具進(jìn)行，包括骨鑿(osteotomes)、鋸(saws)、沖孔(punches)、動力鋸(powersaws)、動力鉆(powerburs)和超聲儀器。然而，這些工具可能使用起來非常的乏味，特別是試圖從更深的腔或小洞移除骨骼接合劑時。此外，這些工具在移除植入物或骨骼結(jié)合劑時存在著一骨折的風(fēng)險。為了增加骨骼接合劑和骨骼-植入物接口的可見度，可能會將孔或視窗切割或鉆入骨骼中；然而，這些程序傾向于削弱骨骼并增加后期骨折的風(fēng)險。

翻修關(guān)節(jié)置換術(shù)是一項(xiàng)在過程的技術(shù)上存在困難的手術(shù)，常常在手術(shù)中會出現(xiàn)挑戰(zhàn)。例如，在移除先前植入物或骨骼接合劑上的困難可能會導(dǎo)致健康骨骼的過量移除。此外，骨骼結(jié)構(gòu)可能會因?yàn)楣ぞ叨鴵p壞，而且充分清除所有骨骼接合劑所需的時間長度可能會使患者的生命安全受到威脅。在轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人的美國專利5,769，092中描述了一種用于移除骨骼接合劑或其他材料的計(jì)算機(jī)實(shí)施的系統(tǒng)和方法。然而，現(xiàn)在在成像方面已有的進(jìn)展可能會在翻修關(guān)節(jié)置換術(shù)期間改善骨骼和或骨骼接合劑的移除。因此，需要一種更有效的方法來充分移除先前的植入物、任何骨骼接合劑，并為翻修植入物準(zhǔn)備好一新的空腔且不會進(jìn)一步破壞骨骼的結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種用于一患者的一全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(totalkneereplacement(tkr))的翻修方法包括對具有一安裝的植入物的骨骼進(jìn)行一成像掃描。分離安裝的植入物和植入物區(qū)域外的骨骼。然后獲得一基于安裝的植入物的制造商規(guī)格的三維(3d)模型。被分離植入物的制造商規(guī)格的3d模型被配準(zhǔn)以用于生成其轉(zhuǎn)換矩陣(transformationmatrixthereof)。轉(zhuǎn)換矩陣應(yīng)用于患者的一組數(shù)字成像和醫(yī)學(xué)通信(dicom)數(shù)據(jù)。基于此產(chǎn)生的術(shù)前計(jì)劃，用來針對患者使用的新植入物調(diào)整tkr。

還提供一種外科手術(shù)系統(tǒng)，其包括能從具有一安裝的假體的骨骼的一圖像接收數(shù)據(jù)的一輸入設(shè)備。一數(shù)據(jù)庫包含安裝的假體的三維(3d)模型和制造商規(guī)格。提供一計(jì)算機(jī)處理器單元(cpu)分離安裝的假體和在假體區(qū)域外的骨骼，將制造商的3d模型配準(zhǔn)到分離的植入物并生成其轉(zhuǎn)換矩陣。提供了一種手術(shù)工具，其計(jì)算植入物的轉(zhuǎn)換矩陣到患者的一組數(shù)字成像和醫(yī)學(xué)通信(dicom)數(shù)據(jù)中以執(zhí)行一外科手術(shù)。

附圖說明

被視為本發(fā)明的主題在說明書結(jié)論的權(quán)利要求中特別指出并明確要求保護(hù)，結(jié)合以下附圖的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的前述的和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，其中：

圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明用于執(zhí)行一植入物的翻修的一外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；

圖2a～2c分別描繪了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一股骨和制造與機(jī)械軸垂直的遠(yuǎn)側(cè)平面切口、和用于植入物的倒角；以及

圖3描繪了根據(jù)本發(fā)明的用于股骨柄植入物移除的轉(zhuǎn)子截骨術(shù)的實(shí)施例。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明作為矯形外科手術(shù)的一系統(tǒng)和方法是有實(shí)用性的。本發(fā)明的各種實(shí)施例的以下描述并不旨在將本發(fā)明限制于這些具體實(shí)施例，而是使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠通過其實(shí)例的方面來使用本發(fā)明。本文公開了在矯形手術(shù)中使用一患者的現(xiàn)有植入物作為一配準(zhǔn)(registration)工具的系統(tǒng)和進(jìn)程。此外，系統(tǒng)和方法可能會與計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)或?qū)Ш较到y(tǒng)一起使用以幫助去除骨骼、骨骼接合劑或骨假體，通常一骨假體被用于于髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)、膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)、以及相似手術(shù)中。假體的移除可以通過常規(guī)方法，通過導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)器人輔助或鉸接手持系統(tǒng)來完成。骨骼和/或骨骼接合劑的移除可以使用導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、鉸接手持系統(tǒng)及其組合來執(zhí)行。機(jī)器人系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、以及鉸接手持系統(tǒng)的示例可以與以下所公開的發(fā)明一起使用，包括機(jī)器人醫(yī)生外科手術(shù)系統(tǒng)(思科手術(shù)公司)(thinksurgical，inc.)、naviopfs系統(tǒng)(bluebelttechnologies，inc.)、rio機(jī)器人系統(tǒng)(makosurgicalcorp.)、垂直地圖asm膝導(dǎo)航(strykercorporation)、一導(dǎo)航手繪鋸(traksurgical)、導(dǎo)航切割指引、4自由度鋸、具有1至7自由度的系統(tǒng)、具有至少一個自由度的鉸鏈?zhǔn)殖质较到y(tǒng)、在本申請中通過引用全部并入本文的臨時申請62/054,009中本申請的同一受讓人所公開的鉸接式手持式鉆孔系統(tǒng)、或任何其他計(jì)算機(jī)控制或計(jì)算機(jī)輔助的外科手術(shù)裝置。

這里將提及髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的替換，且其應(yīng)該被理解為所述的本發(fā)明可被應(yīng)用于身體內(nèi)的其它關(guān)節(jié)和體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的任何其他骨骼。通過本發(fā)明修補(bǔ)的這些其它關(guān)節(jié)示例性地包括髖關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、指關(guān)節(jié)、腳趾關(guān)節(jié)、或其他關(guān)節(jié)。如本文所用，受試者被定義為一人；或一非人靈長類動物、一馬、一牛、一羊、一山羊、一狗、一貓、一嚙齒動物、和一鳥類動物。

本發(fā)明的實(shí)施例提供一種方法，其使用患者植入物的已知幾何結(jié)構(gòu)在翻修關(guān)節(jié)置換期間提供快速和準(zhǔn)確的術(shù)中配準(zhǔn)。本發(fā)明概念的實(shí)施例包括患者的植入物的幾何結(jié)構(gòu)的分離，通過計(jì)算機(jī)斷層掃描(ct)進(jìn)行掃描，隨后配準(zhǔn)植入物制造商的三維(3d)模型；因此可以獲得準(zhǔn)確和可預(yù)測的數(shù)字化目標(biāo)?；蛘?，可以使用雙平面x射線而不是ct來配準(zhǔn)患者的植入物的制造商3d模型?？梢詣?chuàng)建雙平面x射線的術(shù)前計(jì)劃，然后將其轉(zhuǎn)換為相對于制造模型定位的3-d植入物計(jì)劃。測量植入物移除后的剩余的骨量，以便從一組術(shù)前計(jì)劃中選出最佳計(jì)劃。本發(fā)明方法的實(shí)施例是有優(yōu)勢的，因?yàn)楸然颊叩囊鍪中g(shù)的骨骼已知有更高的精度的植入物的幾何結(jié)構(gòu)。用數(shù)字成像和醫(yī)學(xué)通信(dicom)標(biāo)準(zhǔn)案卷(standardfiles)分離植入物的方法是有優(yōu)勢的，因?yàn)榕c骨骼分離相比，其需要較少的計(jì)算步驟和時間。此外，與傳統(tǒng)的數(shù)字化到骨骼的方法相比，術(shù)中配準(zhǔn)中使用患者植入物的制造商的3d模型需要的數(shù)字化點(diǎn)大大減少。一精確的植入物模型允許對患者的整個手術(shù)骨進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)字化，而不需要手術(shù)部位外的任何部分解剖結(jié)構(gòu)的數(shù)字化。掃描和/或分離骨骼的準(zhǔn)確性僅影響計(jì)劃準(zhǔn)確性，而不是影響計(jì)劃準(zhǔn)確度和數(shù)字化準(zhǔn)確度。如果植入物被計(jì)劃到dicom標(biāo)準(zhǔn)案卷，而不是骨骼的實(shí)體模型，則骨骼的分離(segmentation)不是必要的。

在本發(fā)明的一具體實(shí)施方案中，僅給出植入物模型庫和一用于沿植入物的一個或多個表面進(jìn)行導(dǎo)航切割的系統(tǒng)，其中表面是平坦的或其他任意連接或未連接的幾何結(jié)構(gòu)，表面點(diǎn)的坐標(biāo)從植入物的裸露表面收集，例如在翻修全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(tkr)手術(shù)期間的一脛骨襯墊(tibiatray)。隨后，系統(tǒng)在植入物庫中找到收集的表面坐標(biāo)和3d植入物模型之間最佳擬合匹配。在確定最佳擬合植入物之后，3d植入物模型被配準(zhǔn)到患者的數(shù)字化的植入物，并因此被配準(zhǔn)到患者的手術(shù)骨中。然后使用者用常規(guī)的方法移除植入物。植入物移除后測量剩余的骨量，以便于可以從一組術(shù)前計(jì)劃中選擇最佳計(jì)劃，并且使用如上所述的導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)或鉸接手持系統(tǒng)為新植入物準(zhǔn)備骨骼。

在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，僅給出植入物模型庫和一用于沿植入物的一個或多個表面進(jìn)行導(dǎo)航切割的系統(tǒng)，其中表面是平坦的或其他任意連接或未連接的幾何結(jié)構(gòu)，表面點(diǎn)的坐標(biāo)從植入物的裸露表面收集，例如在翻修全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(tkr)手術(shù)期間的一脛骨襯墊。隨后，系統(tǒng)在植入物庫中找到收集的表面坐標(biāo)和3d植入物模型之間最佳擬合匹配。在確定最佳擬合植入物之后，3d植入物模型被配準(zhǔn)到患者的數(shù)字化的植入物，并因此被配準(zhǔn)到患者的手術(shù)骨中。然后用導(dǎo)航下的切割設(shè)備、和一機(jī)器人系統(tǒng)或一鉸接鉆孔系統(tǒng)來分離關(guān)節(jié)連接的表面，直到分離足夠到移除植入物而不會對骨骼造成進(jìn)一步的顯著損傷。

例如，在一翻修tkr的手術(shù)中，臨時申請62/054,009中公開的導(dǎo)航的自動鉸接手持切割工具的鉆頭尖端用于追蹤植入物的表面(在移除襯墊之后)同時在導(dǎo)航空間內(nèi)收集3d坐標(biāo)。所收集的坐標(biāo)然后是最適合于一脛骨襯墊庫的，且從襯墊底部的位置中從現(xiàn)在配準(zhǔn)的托盤幾何結(jié)構(gòu)中計(jì)算出一個水平面。隨后，切割器被定位在將平面使得切割器移除脛骨襯墊下方材料的大致位置，并且允許切割器自動鉸接并鎖定到相對于平面的跟蹤模式。所述的切割器被打開，即使在存在骨骼運(yùn)動的情況下，也要仔細(xì)切割方向被鎖定的平面。操作員通過查看反饋信息，可能是圖形性質(zhì)，來確定鉆頭相對于龍骨的當(dāng)前位置，仔細(xì)地圍繞龍骨切割。一旦圍繞龍骨的切割完成到外科醫(yī)生感覺足夠的程度，脛骨襯墊被拉開，留下平面的骨骼表面。如果在脛骨表面上留下接合劑，操作員可能向系統(tǒng)指示應(yīng)將平面切割成較低的深度，然后重復(fù)切割以刮掉其余的接合劑。以這種方式，本發(fā)明減少了骨骼接合劑的手動移除。在一實(shí)施例中，手持鉸接系統(tǒng)可以包括確保龍骨不被切割的一自由度。例如naviopfs系統(tǒng)(bluebelttechnologies)具有手持式裝置，由此該切割器線性地制動。當(dāng)使用者移動切割器時，由于活躍的線性制動，該系統(tǒng)可以主動地避免沖擊脛骨基板的龍骨。

或者，一使用者可以在沒有植入物模型時來定位襯墊底部或接合劑層，例如使用一導(dǎo)航的自動鉸接手持式切割工具的切割器的尖端。使用者在移除脛骨襯墊(tibialliner)后，可以將脛骨襯墊頂部的點(diǎn)數(shù)字化，以便在導(dǎo)航空間中定義該平面。然后使用者收集位于襯墊的底部或結(jié)合劑層的點(diǎn)，其將指定脛骨托盤平面與接合劑層或托盤的底部之間的偏移距離。然后使用者將鉸接切割器具保持平行于頂平面，但是向下偏移到接合劑層或襯墊的底部以移除植入物或穿過接合劑切割。以這種方式，本發(fā)明減少了骨骼接合劑的手動移除，并且保留了健康的骨骼，而不需要制造商的植入物模型。

此外，當(dāng)股骨和脛骨組件中的任一個或兩者松動時，接合劑通常具有分離的不平坦表面；然而，接合劑在股骨和脛骨組件的頂部上仍然具有平坦表面，其仍然附著在骨骼上。植入物在骨骼上的位置可以通過簡單的數(shù)字化接合劑平坦表面的頂部來確定并且創(chuàng)建一組通用的五平面或者配準(zhǔn)植入物的內(nèi)表面的已知幾何結(jié)構(gòu)，其之后可以用于執(zhí)行1)一術(shù)前計(jì)劃，2)一骨骼表面翻修以清除接合劑，或3)植入位置的移位，例如一股骨的近端幾毫米，其之后可以用手持裝置執(zhí)行。

應(yīng)當(dāng)理解的是植入物移除的方法可以類似地與導(dǎo)航設(shè)備和/或機(jī)器人輔助設(shè)備一起使用。例如，脛骨襯墊的3d坐標(biāo)、骨骼接合劑的平坦表面、襯墊的底部和/或接合劑層可以使用與一光學(xué)追蹤系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)及其任何組合通信的一光學(xué)或機(jī)械數(shù)字化追蹤器確定和/或收集。該坐標(biāo)可用于幫助植入物移除，例如在植入物和骨骼之間切割?；蛘邤?shù)據(jù)可以用來確定五平面的通用集合或者配準(zhǔn)植入物的內(nèi)表面的已知幾何結(jié)構(gòu)，然后可以用于執(zhí)行1)一術(shù)前計(jì)劃，2)一骨骼表面翻修以清除接合劑，或3)植入物位置的移位，例如一股骨近端幾毫米，其之后都可以用諸如上述的一導(dǎo)航系統(tǒng)或一機(jī)器人系統(tǒng)執(zhí)行。

在另一實(shí)施例中，一機(jī)器人系統(tǒng)上的一夾具可以在指定位置附接到現(xiàn)有植入物。夾具在植入物上的位置使機(jī)器人系統(tǒng)具有植入物的位置和方向，因此不需要數(shù)字化。然后機(jī)器人系統(tǒng)相對于植入物執(zhí)行術(shù)前計(jì)劃，例如，通過在植入物下方或周圍切割以移除植入物，同時對新植入物同時執(zhí)行術(shù)前計(jì)劃。

本文公開的實(shí)施例也可用于翻修單室膝關(guān)節(jié)手術(shù)。植入物被類似地掃描、分離并用于配準(zhǔn)。在手術(shù)中配準(zhǔn)了uka植入物后，可以通過常規(guī)方法，使用導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)或手持鉸接系統(tǒng)來移除現(xiàn)有的植入物。然后可以使用導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)或一手持鉸接系統(tǒng)來準(zhǔn)備骨骼，其中現(xiàn)有植入物在植入物的相對側(cè)上，或者根據(jù)患者的診斷和需要整個骨骼可準(zhǔn)備用于全膝蓋調(diào)整案例。例如，如果一患者有一側(cè)向單室膝關(guān)節(jié)置換，則外側(cè)植入物可用于一外科手術(shù)的配準(zhǔn)。外科手術(shù)可以是膝關(guān)節(jié)側(cè)面的翻修案例，或者是一膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)的主要單側(cè)膝關(guān)節(jié)置換術(shù)，也可以是全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)。植入物為一手術(shù)區(qū)域中的所有解剖組件提供了一個配準(zhǔn)工具。

在翻修全髖關(guān)節(jié)置換的情況下，現(xiàn)有假體在骨骼中很好地固定并且難以移除，可能不得不將重要的骨骼移除到假體的遠(yuǎn)端部分。在一個實(shí)施例中，使用者可以數(shù)字化股骨的近端部分中的裸露的假體以配準(zhǔn)假體至制造商的模型，從而將其配準(zhǔn)到術(shù)前計(jì)劃。一旦配準(zhǔn)，系統(tǒng)允許在外科醫(yī)生計(jì)劃的假體遠(yuǎn)端進(jìn)行一干凈的截骨術(shù)。由于外科醫(yī)生無法可視地看到在骨骼內(nèi)的植入物，所以系統(tǒng)排除了任何猜測的成分或在骨頭中鉆多孔以確定假體位置。隨后，系統(tǒng)可以準(zhǔn)備裸露的骨庫用于一第二次假體的插入。該系統(tǒng)可以是導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)或手持鉸接系統(tǒng)中的任何一個。

另外，在翻修全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中，通常需要移除接合劑以適當(dāng)?shù)販?zhǔn)備用于新植入物的管道。在一實(shí)施例中，在將植入的假體配準(zhǔn)到制造商的模型之后，系統(tǒng)可以用于在假體周圍提供導(dǎo)航的超聲波接合劑移除以便于移除假體。當(dāng)超聲波工具位于植入物表面的一特定距離內(nèi)時，該系統(tǒng)可以激活超聲波工具。這將保持工具在定義的“安全區(qū)域”中運(yùn)行且降低對周圍組織造成任何傷害的風(fēng)險。例如，可以使用一導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)或手持系統(tǒng)來定位諸如oscar3(orthosonics)的超聲波裝置，使得其處于安全的距離以去除可能在術(shù)前圖像中被識別的骨接合劑。

在另一個實(shí)施例中，可以創(chuàng)建植入物特定的引導(dǎo)物(implantspecificguides)，其完美地置于植入物上。引導(dǎo)物具有用于鋸槽的位置，使得新的膝植入物相對于上述的術(shù)前計(jì)劃精確定位。或者，可以使用植入物特定的針形引導(dǎo)物。引導(dǎo)物完美坐于植入物上，并顯示外科醫(yī)生在哪里放置作為術(shù)前規(guī)劃一部分的針。接下來，移除植入物，然后將切割引導(dǎo)物并固定到然后用到的引導(dǎo)物放置的針用于完成該計(jì)劃。

用于執(zhí)行機(jī)器人輔助手術(shù)的系統(tǒng)和方法記載于美國專利號5,086,401中。計(jì)算機(jī)輔助成像和探針跟蹤系統(tǒng)記載在美國專利號5,383,454；5,198,877；以及wo91/07726。現(xiàn)在參考圖1，一般如10所示的示例性系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)用于機(jī)器人輔助外科手術(shù)的本發(fā)明的翻修方法。系統(tǒng)10包括一術(shù)前計(jì)劃工作站12和一植入物設(shè)計(jì)庫14，例如以cad模型數(shù)據(jù)集15的形式。獲得骨骼圖像數(shù)據(jù)集16，例如代表性的一ct骨骼圖像，且轉(zhuǎn)移到術(shù)前計(jì)劃工作站12。使用者，例如一治療醫(yī)師或與治療醫(yī)師一起工作的助手，能夠在術(shù)前計(jì)劃工作站工作，以選擇和定位患者骨骼內(nèi)的一合適的植入物設(shè)計(jì)。關(guān)于上述引用的orthodoc術(shù)前計(jì)劃系統(tǒng)的文獻(xiàn)中詳細(xì)描述了這樣的術(shù)前計(jì)劃的細(xì)節(jié)。

系統(tǒng)10還包括一機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)20，其包括一機(jī)器人控制器22，例如可編程計(jì)算機(jī)形式的數(shù)字處理器、一在線顯示屏24、和一機(jī)器人臂26。機(jī)器人臂26可以是任何常規(guī)的具有可操縱的機(jī)械臂28的工業(yè)機(jī)器人，其具有至少5個軸并且能夠高精度地放置。在一些實(shí)施例中，一力-扭矩傳感器30安裝在臂28的遠(yuǎn)端，并且具有探針32或一手術(shù)切割工具(未示出)形式的端部執(zhí)行器可以附接到力-扭矩傳感器。

機(jī)器人系統(tǒng)20還包括一安全處理器44、和實(shí)時監(jiān)視計(jì)算機(jī)46。力-扭矩傳感器30、安全處理器44、實(shí)時監(jiān)視器46、以及骨骼運(yùn)動監(jiān)視器50各自幫助監(jiān)視位置、滑動和阻止可操縱臂28的效應(yīng)器端。在一些實(shí)施例中，骨骼60(例如，股骨)被固定在固定器組件52中的位置。對這些參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測有助于確保機(jī)器人系統(tǒng)按計(jì)劃運(yùn)行。上述描述了機(jī)器人醫(yī)生機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)(thinksurgical，inc.，fremont，california，usa)的引用文獻(xiàn)中記載了監(jiān)控系統(tǒng)的細(xì)節(jié)。

在一些發(fā)明實(shí)施例中，一數(shù)字化骨骼數(shù)據(jù)集包括由一骨骼數(shù)字化儀臂測量的一系列骨骼中的表面位置的坐標(biāo)位置，配準(zhǔn)到機(jī)器人坐標(biāo)系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)10還包括例如共同擁有美國專利no.6,033,415中所述的骨數(shù)字化儀臂100。獲取的數(shù)字化骨數(shù)據(jù)集17由數(shù)字化儀臂100獲得，并用于將骨骼圖像數(shù)據(jù)集16變換成機(jī)器人坐標(biāo)系統(tǒng)。應(yīng)當(dāng)理解的是諸如dicom的數(shù)據(jù)集容易從附加源獲得。

實(shí)施例：

實(shí)施例1：翻修tkr過程(恢復(fù)當(dāng)前植入物的關(guān)節(jié)線)

本發(fā)明方法的在用于翻修tkr過程來恢復(fù)患者的當(dāng)前植入物的關(guān)節(jié)線的一實(shí)施例的一個實(shí)現(xiàn)中，該過程以包括一術(shù)前協(xié)議、術(shù)中協(xié)議：配準(zhǔn)、以及術(shù)中協(xié)議：外科手術(shù)的三步協(xié)議實(shí)施。

用于翻修tkr的本發(fā)明實(shí)施例的術(shù)前協(xié)議的實(shí)施例包括步驟：獲取具有安裝的植入物的手術(shù)骨的一ct掃描；從容積數(shù)據(jù)分離安裝的植入物；在植入物區(qū)域外分離骨骼(僅用于術(shù)前計(jì)劃且在術(shù)中并不需要)；確定植入物布置/模型/尺寸，并將制造商的3d模型配準(zhǔn)到患者的分離植入物中，從而在制造商的3d模型和患者的dicom數(shù)據(jù)之間提供一轉(zhuǎn)換矩陣。所述植入物可以自然而然地通過確定植入物布置、模型和尺寸確定最佳匹配的分離植入物，或植入物也可以手動確定，如果布置、模型和尺寸已知。相對于使用任何過程的dicom數(shù)據(jù)計(jì)劃手術(shù)。對于給定的植入物，有幾個預(yù)先打包的計(jì)劃取決于植入物移除后剩余的骨量。手術(shù)計(jì)劃將新植入物的關(guān)節(jié)表面與安裝的(舊)植入物的關(guān)節(jié)表面對準(zhǔn)。手術(shù)計(jì)劃的不同之處在于新的平面切口與舊的平面切口相偏移的量。在某些本發(fā)明的實(shí)施例中，計(jì)劃自動相對于舊植入物(制造商的模型)產(chǎn)生的，且所有的計(jì)劃是在過程將被執(zhí)行的手術(shù)室中是可得到的。

術(shù)中協(xié)議的一本發(fā)明實(shí)施例包括用于翻修tkr的本發(fā)明實(shí)施例的配準(zhǔn)，通過：數(shù)字化嚴(yán)格地固定在患者的手術(shù)骨上的患者的植入物；配準(zhǔn)數(shù)字化植入物于虛擬的(nominal)3-d模型，從而在數(shù)字化植入物和制造商的3-d模型之間提供轉(zhuǎn)換矩陣；并計(jì)算數(shù)字化植入物和患者的dicom數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換矩陣，從而配準(zhǔn)整個患者的手術(shù)骨于術(shù)前的系列計(jì)劃。

術(shù)中協(xié)議的一個實(shí)施例：用于tka調(diào)整的本發(fā)明的實(shí)施方式的外科手術(shù)包括步驟：繼續(xù)移除患者假體組件，并在移除組件之后，測量在移除期間各種平面中移除的骨量，示例性地包括前-后、近-遠(yuǎn)和其他方向；選擇將新的平面切口放置在剩余的骨庫中的計(jì)劃；使用機(jī)器人切割骨骼并鉆孔髓內(nèi)通道；使用適當(dāng)?shù)膲|片來植入股骨組件以補(bǔ)償添加的骨移除，以恢復(fù)先前的植入物關(guān)節(jié)表面；以及植入脛骨組件，使用適當(dāng)?shù)木酆衔锖穸?polythickness)以補(bǔ)償添加的骨移除，以恢復(fù)先前的植入物關(guān)節(jié)表面。如本文所用，聚合物指的是常規(guī)的tka植入物的聚合物接觸表面，其示例性地包括不同交聯(lián)程度的聚乙烯；其它聚亞烷基、氟化聚亞烷基及其共聚物。

實(shí)施例2：翻修tka過程(與機(jī)械軸正交的新關(guān)節(jié)線)

在用于翻修tkr以創(chuàng)建一垂直于機(jī)械軸的新的關(guān)節(jié)線的本發(fā)明方法的實(shí)施例的一個實(shí)現(xiàn)中，該過程可以以包括一術(shù)前協(xié)議、術(shù)中協(xié)議：配準(zhǔn)、和術(shù)中協(xié)議：外科手術(shù)的三步協(xié)議實(shí)施。

用于翻修tkr的本發(fā)明實(shí)施例的術(shù)前協(xié)議的一個實(shí)施例包括：獲取具有安裝的植入物的骨骼的一ct掃描；分離安裝的植入物；分離在植入物區(qū)域外的骨骼：只需在術(shù)前計(jì)劃中，而在術(shù)中不需要；確定植入物的布置/模型/尺寸，并配準(zhǔn)制造商的3d模型至患者的分離的植入物中，從而在制造商的3d模型和患者的dicom數(shù)據(jù)之間提供轉(zhuǎn)換矩陣?？梢酝ㄟ^確定植入物的布置、模型和尺寸與分離的植入物最佳匹配來自然而然確定植入物，或者如果布置、模型和尺寸是已知的，也可以手動確定植入物。解剖標(biāo)志位于dicom數(shù)據(jù)上，這些數(shù)據(jù)在執(zhí)行過程的手術(shù)室中是可得的。

術(shù)中協(xié)議的一種實(shí)施例：用于tka調(diào)整的本發(fā)明實(shí)施例的配準(zhǔn)包括步驟：數(shù)字化嚴(yán)格固定在患者手術(shù)骨上的患者植入物；配準(zhǔn)數(shù)字化植入物于虛擬的3d模型，從而在數(shù)字化植入物和制造商的3d模型之間提供轉(zhuǎn)換矩陣；并計(jì)算數(shù)字化植入物和患者的dicom數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換矩陣，從而配準(zhǔn)整個患者的手術(shù)骨于一組解剖標(biāo)志中。

術(shù)中協(xié)議的一種實(shí)施例：用于tka調(diào)整的本發(fā)明的一實(shí)施方式的外科手術(shù)包括步驟：繼續(xù)移除患者假體組件；使用單個點(diǎn)數(shù)字化股骨近端遠(yuǎn)端水平面，以形成與機(jī)械軸線垂直的遠(yuǎn)側(cè)平面切口，然后對外科醫(yī)生希望使用的新植入物模型和尺寸進(jìn)行特定的倒角(chamfer)切割(如圖2a、2b和2c所示，分別用于股骨102、倒角切口120和植入物140)；并使用單個點(diǎn)數(shù)字化脛骨的近端-遠(yuǎn)端水平面，以形成與機(jī)械軸線正交的遠(yuǎn)側(cè)平面切口(類似于股骨的準(zhǔn)備)，然后對外科醫(yī)生希望使用的植入物模型和尺寸進(jìn)行特定的脛骨成型。在具體實(shí)施例中的上述步驟的變動中，不執(zhí)行或制造術(shù)前計(jì)劃或解剖標(biāo)志，且在術(shù)中產(chǎn)生切割位置。

實(shí)施例3：翻修thr過程

在用于翻修thr以調(diào)整髖關(guān)節(jié)植入物的的本發(fā)明方法的一實(shí)施例的一實(shí)現(xiàn)中，該過程可以在包括一術(shù)前協(xié)議、和一術(shù)中協(xié)議：具有配準(zhǔn)和外科手術(shù)的協(xié)議步驟中進(jìn)行。

用于翻修thr的本發(fā)明實(shí)施例的術(shù)前協(xié)議的一個實(shí)施例包括步驟：用獲取具有安裝的植入物的骨骼的一ct掃描；分離安裝的植入物；分離植入物區(qū)域外的骨骼：只需在術(shù)前計(jì)劃中，而術(shù)中不需要；確定植入物的布置/模型/尺寸，并配準(zhǔn)制造商的3d模型于患者中的分離植入物，從而在制造商的3d模型和患者的dicom數(shù)據(jù)之間提供轉(zhuǎn)換矩陣?？梢酝ㄟ^確定植入物的布置、模型和尺寸與分離植入物匹配最佳來自然而然確定植入物，或者如果布置、型號和尺寸是已知的，也可以手動確定植入物。相對于使用任何過程的dicom數(shù)據(jù)計(jì)劃手術(shù)。對于給定的植入物，有幾個預(yù)先打包的計(jì)劃取決于植入物和接合劑移除后剩余的骨量。在手術(shù)計(jì)劃期間，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)所需的腿部長度、偏移(offset)、前傾角度、以及運(yùn)動范圍，同時確保新的植入物組件位置完好地放置于骨骼中。可以創(chuàng)建多個計(jì)劃取決于剩余的骨量，所有計(jì)劃在執(zhí)行過程的手術(shù)室中都是可得的。

用于翻修thr調(diào)整的本發(fā)明實(shí)施例的術(shù)中協(xié)議的一種實(shí)施例包括：

a)選擇是否將執(zhí)行如圖3所示的一標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)子截骨術(shù)(1)、一轉(zhuǎn)子滑動截骨術(shù)(2)、或者一擴(kuò)張性轉(zhuǎn)子截骨術(shù)(3)。

b)配準(zhǔn)

i.數(shù)字化植入物和骨骼的最突出的暴露的交叉點(diǎn)(大致在圖3的點(diǎn)處)

ii.如有必要，在截骨區(qū)域內(nèi)鉆幾個孔以沿植入物數(shù)字化附加點(diǎn)，以改善配準(zhǔn)

iii.沿著股骨的側(cè)向軸數(shù)字化轉(zhuǎn)子截骨術(shù)的“終點(diǎn)”、或遠(yuǎn)端、終點(diǎn)，或在骨骼的表面上數(shù)字化截骨路徑。

iv.配準(zhǔn)數(shù)字化植入物于虛擬3-d模型，從而提供數(shù)字化植入物和制造商的3-d模型之間的轉(zhuǎn)換矩陣。

v.計(jì)算數(shù)字化植入物和患者dicom數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換矩陣，從而配準(zhǔn)整個患者的手術(shù)骨骼于該組術(shù)前計(jì)劃

c)移除植入物

d)測量剩余的骨量并選擇合適的計(jì)劃

e)機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)根據(jù)術(shù)前計(jì)劃使用新植入物的3-d模型切割患者的股骨

f)手動執(zhí)行任何額外的骨量

g)植入所需的植入物

本領(lǐng)域技術(shù)人員將從前面的詳細(xì)描述以及附圖和權(quán)利要求中認(rèn)識到，在不脫離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍的情況下，可以對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行修改和改變。