用于生成定制的觸覺邊界的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】一種用于基于患者特定解剖結(jié)構(gòu)生成所述定制的觸覺邊界的方法，該方法包括：基于將被植入在解剖結(jié)構(gòu)上的虛擬植入物模型的幾何結(jié)構(gòu)識別標準觸覺邊界。該方法還包括：識別與虛擬植入物模型關(guān)聯(lián)的參考特征；以及確定所識別的參考特征與和患者的解剖結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的虛擬模型之間的相交部。識別所識別的參考特征與解剖結(jié)構(gòu)的虛擬模型之間的相交部處的解剖周界，并且在解剖結(jié)構(gòu)的虛擬模型上確定一個解剖特征。基于所述解剖特征修改標準觸覺邊界，以生成所述定制的觸覺邊界。
【專利說明】用于生成定制的觸覺邊界的系統(tǒng)和方法
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2013年12月31日提交的第61/922,740號美國臨時專利申請的益處 和優(yōu)先權(quán)，其公開通過引用完全結(jié)合于此。
【背景技術(shù)】
[0003] 本公開總體涉及與計算機輔助外科手術(shù)（"CAS"）系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的力反饋系統(tǒng)，并且更 特別地涉及用于基于患者特定信息定制與CAS系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的交互式觸覺邊界的系統(tǒng)和方法。
[0004] 膝關(guān)節(jié)包括股骨的遠端與脛骨的近端之間的界面。在正常起作用的膝關(guān)節(jié)中，股 骨的內(nèi)側(cè)(med ia 1)髁和外側(cè)(1 at era 1)髁沿著附接到脛骨的各個內(nèi)側(cè)髁和外側(cè)髁的半月板 平滑地樞軸轉(zhuǎn)動。當膝關(guān)節(jié)受損時，形成關(guān)節(jié)的自然骨骼和軟骨可能無法適當?shù)劂q接，這可 能導(dǎo)致關(guān)節(jié)疼痛，并且在一些情況下，可能干擾關(guān)節(jié)的正常使用。
[0005] 在一些情況下，要求外科手術(shù)以恢復(fù)關(guān)節(jié)的正常使用并且減少疼痛。根據(jù)損傷的 嚴重程度，外科手術(shù)可能涉及用假體組件部分或全部地置換關(guān)節(jié)。在這種膝關(guān)節(jié)置換過程 中，外科醫(yī)生切除骨骼和軟骨的受損部分，同時試圖使健康組織不受損。然后，外科醫(yī)生使 健康組織與被設(shè)計為復(fù)制被切除組織并且恢復(fù)適當膝關(guān)節(jié)操作的人工假體組件配合 (fit) 〇
[0006] 通常，在外科手術(shù)之前，外科醫(yī)生開發(fā)用作執(zhí)行外科手術(shù)的引導(dǎo)的初步（"手術(shù) 前"）計劃。作為手術(shù)前計劃的一部分，外科醫(yī)生除了別的以外還調(diào)查患者關(guān)節(jié)的尺寸、形 狀、運動功能以及情況。使用計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，該調(diào)查可以通過獲得關(guān)節(jié)的基于計 算機的圖像并且在虛擬軟件空間中產(chǎn)生患者的關(guān)節(jié)的基于計算機的模型來執(zhí)行。使用該虛 擬模型，外科醫(yī)生可以評估關(guān)節(jié)的解剖特征的情況，并且除了別的以外還可以計劃需要被 移除的骨骼的位置和量以及假體組件應(yīng)該被植入在骨骼上以恢復(fù)正常關(guān)節(jié)功能的位置和 取向。
[0007] 雖然外科醫(yī)生在基于患者的唯一解剖結(jié)構(gòu)定制外科手術(shù)的大多數(shù)方面時具有很 大的靈活度，但是外科醫(yī)生通常被限制于從有限數(shù)量的不同假體植入物組件中選擇。在許 多情況下，外科醫(yī)生對其解剖結(jié)構(gòu)與任何可用假體植入物組件不精確匹配的患者執(zhí)行外科 手術(shù)。結(jié)果，外科醫(yī)生可能選擇與患者的解剖結(jié)構(gòu)最緊密地配合但是不精確匹配的假體植 入物。然后，外科醫(yī)生可以修改外科手術(shù)計劃(手術(shù)前或手術(shù)中），以適應(yīng)所選假體組件。
[0008] 在一些情況下，CAS系統(tǒng)可以包括連接到一個或更多個外科手術(shù)器械(例如，切削 工具）且被構(gòu)造為提供力反饋以用于在外科手術(shù)期間控制外科手術(shù)器械的力反饋控制系 統(tǒng)。力反饋控制系統(tǒng)可以約束切削工具，以將外科手術(shù)器械的位置或操作限制到特定預(yù)定 義邊界內(nèi)。通過允許用戶在戰(zhàn)略上定義與力反饋控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的虛擬邊界的布置，這些CAS 系統(tǒng)使得外科醫(yī)生能夠在準備接收假體植入物時精確且準確地控制骨骼的切除和雕鑿。
[0009] 因為CAS系統(tǒng)提供了一種用于通過定義外科手術(shù)器械的切削面可以操作的邊界來 準確地、可靠地且精確地執(zhí)行骨骼切削的解決方案，所以一些CAS系統(tǒng)現(xiàn)在包括與可用假體 植入物的尺寸和形狀匹配的虛擬軟件模型。植入物的虛擬軟件模型可以在外科手術(shù)過程之 前或期間相對于患者的關(guān)節(jié)的虛擬模型被定位(在軟件中）。一旦被定位，植入物的軟件模 型就可以被"配準(register)"到患者的解剖結(jié)構(gòu)的虛擬模型，使得切削面被約束為僅在由 植入物的軟件模型定義的區(qū)域內(nèi)操作，將組織移除僅限于與植入物的配準布置關(guān)聯(lián)的患者 的骨骼的特定區(qū)域。
[0010] 提供與可用植入物的選擇關(guān)聯(lián)的視覺模型以及對應(yīng)觸覺邊界的系統(tǒng)可以允許外 科醫(yī)生快速且有效地定義用于準備骨骼以接收植入物的切除圖案。通常，每個虛擬植入物 模型可以與對應(yīng)固定觸覺邊界關(guān)聯(lián)，所述對應(yīng)固定觸覺邊界可以基于與虛擬植入物模型關(guān) 聯(lián)的幾何結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀。然而，在一些情況下，外科醫(yī)生選擇尺寸過小的假體植入物， 但是仍然希望移除可能位于超出要求容納尺寸過小假體植入物的邊界的患病或受損組織。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 根據(jù)一方面，本公開旨在一種用于基于患者特定解剖結(jié)構(gòu)定制觸覺邊界的方法。 該方法可以包括:基于將被植入在所述解剖結(jié)構(gòu)上的虛擬植入物模型的幾何結(jié)構(gòu)識別標準 觸覺邊界。該方法還可以包括:識別與虛擬植入物模型關(guān)聯(lián)的參考特征；以及確定所識別的 參考特征與和所述患者的解剖結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的虛擬模型之間的相交部（intersection)?？梢宰R 別所識別的參考特征與所述解剖結(jié)構(gòu)的所述虛擬模型之間的相交部處的解剖周界，并且可 以在所述解剖結(jié)構(gòu)的所述虛擬模型上確定至少一個解剖特征?？梢曰谒鲋辽僖粋€解剖 特征修改所述標準觸覺邊界，以生成所述定制的觸覺邊界。
[0012] 根據(jù)另一方面，本公開旨在針對用于基于患者特定解剖結(jié)構(gòu)定制觸覺邊界的方法 的另一種方法。該方法可以包括:在虛擬坐標空間中顯示植入物的圖形表示；以及在虛擬坐 標空間中顯示骨骼的圖形表示。該方法還可以包括:基于用戶輸入相對于所述骨骼的圖形 表示定位所述植入物的圖形表示。該方法還可以包括:基于所述植入物的幾何結(jié)構(gòu)顯示標 準觸覺邊界的圖形表示；以及提取與所述植入物的圖形表示關(guān)聯(lián)的參考特征信息。在所提 取的參考特征與所述骨骼的圖形表示之間的相交部處的解剖周界可以被映射，并且根據(jù)所 述參考特征和所述骨骼的圖形表示的相交部的在骨骼的圖形表示上的至少一個解剖特征 也可以被映射。該方法還可以包括:基于至少一個解剖特征修改所述標準觸覺邊界，以生成 所述定制的觸覺邊界；以及在虛擬坐標空間中顯示所述定制的觸覺邊界的圖形表示。
[0013] 根據(jù)又一方面，本公開旨在一種計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，該計算機輔助外科手 術(shù)系統(tǒng)包括:顯示器;輸入設(shè)備，該輸入設(shè)備被構(gòu)造為接收由用戶輸入的數(shù)據(jù)；以及處理器， 該處理器可操作地連接到所述輸入設(shè)備和所述顯示器。所述處理器可以被構(gòu)造為:基于將 被植入在所述解剖結(jié)構(gòu)上的虛擬植入物模型的幾何結(jié)構(gòu)識別標準觸覺邊界，識別與虛擬植 入物模型關(guān)聯(lián)的參考特征，并且確定所識別的參考特征與和所述患者的解剖結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的虛 擬模型之間的相交部。所述處理器還可以被構(gòu)造為識別在所識別的參考特征與所述解剖結(jié) 構(gòu)的虛擬模型之間的相交部處的解剖周界，并且根據(jù)參考特征與所述解剖結(jié)構(gòu)的虛擬模型 的相交部在所述解剖結(jié)構(gòu)的虛擬模型上確定至少一個解剖特征。所述處理器還可以被構(gòu)造 為基于至少一個解剖特征修改所述標準觸覺邊界，以生成所述定制的觸覺邊界，并且在所 述顯示器上顯示所述定制的觸覺邊界和與所述患者的解剖結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的虛擬模型。
[0014] 本發(fā)明的另外目的和優(yōu)點將在以下說明書中部分地闡述，并且部分將從說明書清 楚，或者可以由本發(fā)明的實踐來理解。本發(fā)明的目的和優(yōu)點將經(jīng)由所附權(quán)利要求中特別指 出的元件和組合來實現(xiàn)并且獲得。
[0015] 將理解，上述概括描述和以下詳細描述二者僅是示例性和說明性的，并且不限制 如所要求的本發(fā)明。
【附圖說明】
[0016] 結(jié)合在本說明書中并且構(gòu)成本說明書的一部分的附圖示出多個實施方式，并且與 說明書一起用來解釋本公開的原理和特征。
[0017] 圖1示出與假體系統(tǒng)配合的手術(shù)后假體膝關(guān)節(jié)的立體圖。
[0018] 圖2提供了可以實現(xiàn)與所公開的實施方式一致的特定方法的示例性計算機輔助外 科手術(shù)(CAS)系統(tǒng)的示意圖。
[0019] 圖3提供了可以在與圖2中所示的CAS系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的一個或更多個組件中使用的示例 性計算機系統(tǒng)的示意圖。
[0020] 圖4示出了根據(jù)特定所公開的實施方式的與CAS系統(tǒng)的圖形用戶界面關(guān)聯(lián)的示例 性屏幕截圖。
[0021 ]圖5示出了針對脛骨假體組件的標準觸覺邊界的虛擬表示。
[0022] 圖6示出了基于使平面與骨骼模型交叉的定制觸覺邊界的虛擬表示。
[0023] 圖7示出了根據(jù)特定所公開的實施方式的所述定制的觸覺邊界的虛擬表示。
[0024] 圖8提供了示出用于基于患者特定解剖數(shù)據(jù)生成所述定制的觸覺邊界的示例性方 法的流程圖。
[0025] 圖9示出了根據(jù)特定所公開的實施方式生成所述定制的觸覺邊界的步驟的虛擬表 不。
[0026] 圖10示出了根據(jù)特定所公開的實施方式生成所述定制的觸覺邊界的另一個步驟 的虛擬表示。
[0027] 圖11示出了根據(jù)特定所公開的實施方式生成所述定制的觸覺邊界的另一個步驟 的虛擬表示。
[0028] 圖12示出了根據(jù)特定所公開的實施方式生成所述定制的觸覺邊界的另一個步驟 的虛擬表示。
[0029] 圖13示出了根據(jù)特定所公開的實施方式生成所述定制的觸覺邊界的另一個步驟 的虛擬表示。
[0030] 圖14提供了示出用于基于患者特定解剖數(shù)據(jù)生成所述定制的觸覺邊界的另一個 示例性方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0031] 現(xiàn)在將對本公開的示例性實施方式詳細地作出參考，其示例在附圖中示出。
[0032] 健康膝關(guān)節(jié)包括股骨的遠端與脛骨的近端之間的界面。如果健康膝關(guān)節(jié)例如由于 傷害或疾病而受損，則可能要求膝關(guān)節(jié)外科手術(shù)來恢復(fù)關(guān)節(jié)的正常結(jié)構(gòu)和功能。如果對膝 關(guān)節(jié)的損傷嚴重，則可能要求全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（"TKA"）JKA通常涉及移除關(guān)節(jié)的受損部分 和用一個或更多個假體組件置換關(guān)節(jié)的受損部分。
[0033] 在一些TKA過程中，可以使交叉韌帶(包括前交叉韌帶和/或后交叉韌帶）中的一個 或多個保持不受損傷，將與假體植入物一起再使用以形成新膝關(guān)節(jié)。在這些"交叉保留"應(yīng) 用中，假體植入物組件可以被構(gòu)造為避免干擾或沖擊穿過膝關(guān)節(jié)的髁間區(qū)域的保留交叉韌 帶。例如，股骨和脛骨假體組件中的每個可以設(shè)計有從假體組件的后部朝向假體組件的前 部延伸的髁間"凹口"。股骨和脛骨髁間凹口提供允許交叉韌帶從股骨髁間窩向下經(jīng)過至脛 骨髁間隆突的通道。
[0034] 因為交叉韌帶在正常膝關(guān)節(jié)使用期間處于較大張力，所以重要的是交叉韌帶附接 到股骨和脛骨的附接部位具有足夠強度，以將交叉韌帶適當?shù)劐^定(anchor)至骨骼。否則， 由交叉韌帶施加的力使附接部位周圍的組織拉緊，這可能導(dǎo)致關(guān)節(jié)的失效，這可能要求矯 正外科手術(shù)來修復(fù)。限制這種失效的可能性的一種方式是限制在附接部位（即，股骨的髁間 窩和脛骨的脛骨髁間隆突l〇la)處或附近切除的骨骼的量。限制在附接部位處的自然組織 的干擾量幫助保留組織的自然錨定機制，這降低附接部位處的失效的可能性。
[0035] 在圖1所示的實施方式中，假體植入系統(tǒng)110包括被構(gòu)造為置換自然膝關(guān)節(jié)的切除 部分的多個組件。根據(jù)一個實施方式，假體植入系統(tǒng)110包括被構(gòu)造為置換自然脛骨101的 切除部分的脛骨植入系統(tǒng)120。假體植入系統(tǒng)110還包括被構(gòu)造為置換自然股骨102的切除 部分的股骨組件130。在膝關(guān)節(jié)置換過程期間的植入之后，脛骨植入系統(tǒng)120和股骨組件130 協(xié)作，以復(fù)制自然膝關(guān)節(jié)的形式和功能。
[0036] 股骨組件130被固定到股骨102的遠端，并且被構(gòu)造為置換膝關(guān)節(jié)100的自然股骨 部分的結(jié)構(gòu)和功能。同樣地，股骨組件130可以由充分剛性以便提供支持膝關(guān)節(jié)所要求的力 的足夠強度的外科手術(shù)級金屬或金屬合金材料(諸如外科手術(shù)級鋼、鈦或鈦合金、鈷-鉻合 金、鋯合金或鉭)制造。根據(jù)一個實施方式，股骨組件130可以具體實現(xiàn)具有多個不同結(jié)構(gòu)特 征的單個組件，每個結(jié)構(gòu)特征被構(gòu)造為執(zhí)行與膝關(guān)節(jié)100關(guān)聯(lián)的特定功能。例如，股骨組件 130可以包括一對髁132，該一對髁132中的每個連接到髕骨引導(dǎo)部133。該對髁132通過髁間 凹口 138彼此分離，該髁間凹口 138提供一個或更多個交叉韌帶138(諸如前交叉韌帶(ACL) 103a和/或后交叉韌帶(PLC) 103b)可以通過的通道。
[0037]脛骨植入系統(tǒng)120可以包括多個組件，所述多個組件協(xié)作以提供與股骨組件130鉸 接以恢復(fù)適當膝關(guān)節(jié)功能的穩(wěn)定面。如圖1所示，脛骨植入系統(tǒng)120包括基部121或一個或更 多個插入部123。在膝關(guān)節(jié)置換過程中，基部121被固定到脛骨101的近端，脛骨101的近端已 通過移除受損骨骼和組織并且對健康骨骼整形以接收基部121進行外科手術(shù)準備。一旦基 部121被固定到脛骨101，外科醫(yī)生就通過將插入部123嚙合并且固定在基部121中來完成脛 骨植入系統(tǒng)120的組裝。脛骨假體系統(tǒng)的基部121可以構(gòu)造有穿過中心的通道，以允許所保 留的交叉韌帶103與脛骨髁間隆突101a之間的連接。
[0038] 基部121可以被構(gòu)造為模仿脛骨101的頂面的結(jié)構(gòu)和功能。由此，類似于股骨組件 130,基部121可以由充分剛性以便提供重新構(gòu)建假體關(guān)節(jié)的剩余部分的穩(wěn)定基部的外科手 術(shù)級金屬或金屬合金材料(諸如外科手術(shù)級鋼、鈦或鈦合金、鈷-鉻合金、鋯合金或鉭)制造。
[0039] 插入部123可以被設(shè)計為模仿自然股脛界面的特定組件（除了別的之外包括膝關(guān) 節(jié)的內(nèi)側(cè)半月板和外側(cè)半月板)的形式和功能。同樣地，插入部123可以由平滑的、半剛性合 成或半合成塑料、橡膠或聚合物材料構(gòu)成。插入部123可以被構(gòu)造為提供被設(shè)計為在正常膝 關(guān)節(jié)操作期間與股骨組件130鉸接的平滑表面。根據(jù)一個實施方式，插入部123可以被構(gòu)造 為與基部121可移除地嚙合。因此，如果插入部123例如由于過度磨損而隨著時間劣化，則插 入部123被構(gòu)造用于定期置換。
[0040]為了確保關(guān)節(jié)的精確且準確準備以接收假體植入物，CAS系統(tǒng)可以用于生成可以 幫助外科醫(yī)生在與患者的解剖結(jié)構(gòu)相互作用之前適當?shù)貙R工具的外科手術(shù)部位和對應(yīng) 虛擬引導(dǎo)的圖形表示。許多CAS系統(tǒng)包括允許用戶電子地配準特定解剖特征(例如，骨骼、軟 組織等）的軟件、外科手術(shù)器械、以及與外科手術(shù)部位關(guān)聯(lián)的其它界標。CAS系統(tǒng)可以基于解 剖特征的配準來生成外科手術(shù)部位的圖形表示。CAS軟件還允許用戶計劃外科手術(shù)過程的 特定方面，并且配準這些方面，以便用外科手術(shù)部位的圖形表示顯示。例如，在膝關(guān)節(jié)置換 過程中，外科醫(yī)生可以配準骨骼和組織切削的目標導(dǎo)航點、位置以及深度、可以與用于施加 觸覺力的對應(yīng)參考關(guān)聯(lián)的虛擬邊界、以及外科手術(shù)的其它方面。
[0041]圖2提供了可以實現(xiàn)與特定所公開的實施方式關(guān)聯(lián)的處理和特征的示例性計算機 輔助外科手術(shù)(CAS)系統(tǒng)200的示意圖。CAS系統(tǒng)200可以被構(gòu)造為執(zhí)行廣泛多種整形外科手 術(shù)過程(諸如例如，部分或全關(guān)節(jié)置換外科手術(shù)）。如圖2所示，CAS系統(tǒng)200包括跟蹤系統(tǒng) 201、計算機輔助導(dǎo)航系統(tǒng)202、一個或更多個顯示設(shè)備203a、203b、以及機器人系統(tǒng)204。應(yīng) 想到，CAS系統(tǒng)200以及這里所描述的方法和處理可以應(yīng)用至許多不同類型的關(guān)節(jié)置換過 程。雖然可以關(guān)于膝關(guān)節(jié)置換過程描述特定所公開的實施方式，但是這里所描述的概念和 方法可以應(yīng)用至其它類型的整形外科手術(shù)(諸如部分髖關(guān)節(jié)置換、全部或部分髖關(guān)節(jié)表面 置換、肩關(guān)節(jié)置換或表面置換過程、以及其它類型的整形過程）。
[0042]機器人系統(tǒng)204可以由外科醫(yī)生以交互方式使用以對患者執(zhí)行外科手術(shù)過程(諸 如膝關(guān)節(jié)置換過程）。如圖2所示，機器人系統(tǒng)204包括底座205、關(guān)節(jié)臂206、力系統(tǒng)(未示出） 以及控制器(未示出）。外科手術(shù)工具210(例如，具有操作構(gòu)件的末端執(zhí)行器，諸如鋸、擴孔 器或磨錐)可以連接到關(guān)節(jié)臂206。外科醫(yī)生可以通過抓握并且手動地移動關(guān)節(jié)臂206和/或 外科手術(shù)工具210來操縱外科手術(shù)工具210。
[0043]力系統(tǒng)和控制器被構(gòu)造為在操縱外科手術(shù)工具期間向外科醫(yī)生提供控制或引導(dǎo)。 力系統(tǒng)被構(gòu)造為經(jīng)由關(guān)節(jié)臂206向外科手術(shù)工具提供至少一些力，并且控制器被編程為生 成用于控制力系統(tǒng)的控制信號。在一個實施方式中，力系統(tǒng)包括致動器和可反向驅(qū)動傳動 裝置，致動器和動傳動裝置提供約束或禁止外科醫(yī)生將外科手術(shù)工具手動移動超出由觸覺 對象定義的預(yù)定義虛擬邊界的觸覺（或力）反饋，如例如在第8，010,180號美國專利和/或 2009年12月22日提交的第12/654,519號美國專利申請(第2010/0170362號美國專利申請公 開）（每個都通過引用完全結(jié)合于此)所描述的。根據(jù)一個實施方式，CAS系統(tǒng)200是由佛羅里 達州的勞德代爾堡的ΜΑΚΟ Surgical公司制造的R10?機器人臂交互式整形系統(tǒng)。力系統(tǒng)和 控制器可以容納在機器人系統(tǒng)204內(nèi)。
[0044]跟蹤系統(tǒng)201可以包括被構(gòu)造為跟蹤外科手術(shù)工具201(連接到機器人系統(tǒng)204)的 相對地點、位置、取向和/或姿態(tài)和/或患者的解剖結(jié)構(gòu)(諸如，骨骼)的配準部分的位置的任 何合適設(shè)備或系統(tǒng)。這種設(shè)備可以采用光學、機械或電磁姿態(tài)跟蹤技術(shù)。根據(jù)一個實施方 式，跟蹤系統(tǒng)201包括基于視覺的姿態(tài)跟蹤技術(shù)，其中，光檢測器(諸如相機或紅外傳感器） 被構(gòu)造為確定一個或更多個光學轉(zhuǎn)發(fā)器(未示出）的位置。基于光學轉(zhuǎn)發(fā)器的位置，跟蹤系 統(tǒng)201可以捕獲被配準到該轉(zhuǎn)發(fā)器或該組轉(zhuǎn)發(fā)器的患者的解剖結(jié)構(gòu)的一部分的姿態(tài)（即，位 置和取向）信息。
[0045]導(dǎo)航系統(tǒng)202可以可通信地連接到跟蹤系統(tǒng)201，并且可以被構(gòu)造為從跟蹤系統(tǒng) 201接收跟蹤數(shù)據(jù)。基于所接收的跟蹤數(shù)據(jù)，導(dǎo)航系統(tǒng)202可以確定與外科手術(shù)環(huán)境的一個 或更多個配準特征(諸如，外科手術(shù)工具210或患者的解剖結(jié)構(gòu)的部分)關(guān)聯(lián)的位置和取向。 導(dǎo)航系統(tǒng)202還可以包括可以在外科手術(shù)過程期間由外科醫(yī)生或外科手術(shù)支持人員使用的 外科手術(shù)計劃和外科手術(shù)輔助軟件。例如，在關(guān)節(jié)置換過程期間，導(dǎo)航系統(tǒng)202可以在顯示 設(shè)備203a、203b中的一個或兩個上顯示與外科手術(shù)過程有關(guān)的圖像。
[0046]導(dǎo)航系統(tǒng)202(和/或CAS系統(tǒng)200的一個或更多個構(gòu)成組件)可以包括或具體實現(xiàn) 可以實現(xiàn)與所公開實施方式一致的處理和方法的基于處理器的系統(tǒng)(諸如通用或?qū)Ｓ糜嬎?機）。例如，如圖3所示，CAS系統(tǒng)200可以包括被構(gòu)造為執(zhí)行軟件程序的一個或更多個硬件 和/或軟件組件，諸如，跟蹤軟件、外科手術(shù)導(dǎo)航軟件、3-D骨骼建?；虺上褴浖?、和/或用于 建立并修改虛擬觸覺邊界以便與力系統(tǒng)一起用于向外科手術(shù)工具210提供觸覺反饋的軟 件。例如，CAS系統(tǒng)200可以包括:一個或更多個硬件組件，諸如，例如，中央處理單元(CPU) (處理器231)、計算機可讀媒體(諸如，隨機存取存儲器(RAM)模塊232、只讀存儲器(ROM)模 塊233、以及存儲設(shè)備234);數(shù)據(jù)庫235;-個或更多個輸入/輸出（I/O)設(shè)備236;以及網(wǎng)絡(luò)接 口 237。與CAS系統(tǒng)200關(guān)聯(lián)的計算機系統(tǒng)可以包括除了上面所列出的那些之外的另外的、更 少的和/或不同的組件。將理解的是，上面所列出的組件僅是示例性的且不旨在限制。
[0047] 處理器231可以包括一個或更多個微處理器，所述一個或更多個微處理器被構(gòu)造 為執(zhí)行指令并且處理數(shù)據(jù)以執(zhí)行與CAS系統(tǒng)200關(guān)聯(lián)的一個或更多個功能。如圖3所示，處理 器231可以可通信地連接到RAM 232、R0M 233、存儲設(shè)備234、數(shù)據(jù)庫235、1/0設(shè)備236以及網(wǎng) 絡(luò)接口 237。處理器231可以被構(gòu)造為執(zhí)行計算機程序指令的序列以執(zhí)行各種處理，如下面 將詳細描述的。計算機程序指令可以被加載到RAM中，以便由處理器231執(zhí)行。
[0048] 計算機可讀媒體(諸如RAM 232、R0M 233以及存儲設(shè)備234)可以被構(gòu)造為存儲計 算機可讀指令，該計算機可讀指令在由處理器231執(zhí)行時，可以使得CAS系統(tǒng)200或一個或更 多個構(gòu)成組件(諸如，導(dǎo)航系統(tǒng)202)執(zhí)行與CAS系統(tǒng)200關(guān)聯(lián)的功能或任務(wù)。例如，計算機可 讀媒體可以包括用于使得CAS系統(tǒng)200執(zhí)行用于在關(guān)節(jié)置換術(shù)過程之后確定膝關(guān)節(jié)的參數(shù) 的變化的一個或更多個方法的指令。計算機可讀媒體還可以包含如下指令，該指令使得跟 蹤系統(tǒng)201捕獲與特定配準對象(諸如外科手術(shù)工具210或患者的解剖結(jié)構(gòu)的部分)關(guān)聯(lián)的 多個解剖界標的位置，并且使得導(dǎo)航系統(tǒng)202生成配準對象的虛擬表示以便在I/O設(shè)備236 上顯示。下面將更詳細地描述計算機可讀媒體可以包含指令的示例性方法。將想到，這里所 描述的方法的每個部分可以具有用于使得CAS系統(tǒng)200的一個或更多個組件執(zhí)行所述方法 的、存儲在計算機可讀媒體中的對應(yīng)指令。
[0049] I/O設(shè)備236可以包括被構(gòu)造為與和CAS系統(tǒng)200關(guān)聯(lián)的用戶傳輸信息的一個或更 多個組件。例如，I/O設(shè)備236可以包括具有允許用戶(例如，外科醫(yī)生)輸入與CAS系統(tǒng)200關(guān) 聯(lián)的參數(shù)(例如，外科醫(yī)生命令250)的集成鍵盤和鼠標的控制臺。I/O設(shè)備236還可以包括顯 示器(諸如監(jiān)視器203 &、20313)，包括用于在監(jiān)視器上輸出信息的圖形用戶界面(61]1)。1/0設(shè) 備236還可以包括外圍設(shè)備，諸如，例如，用于打印與CAS系統(tǒng)200關(guān)聯(lián)的信息的打印機、允許 用戶輸入存儲在便攜式媒體設(shè)備、麥克風、揚聲器系統(tǒng)或任何其它合適類型的接口設(shè)備上 的數(shù)據(jù)的用戶可訪問磁盤驅(qū)動器(例如，USB端口、軟盤、CD-ROM或DVD-ROM驅(qū)動器等）。例如， I/O設(shè)備236可以包括允許用戶將患者計算斷層掃描(CT)數(shù)據(jù)260輸入到CAS系統(tǒng)200中的電 子接口。然后，該CT數(shù)據(jù)可以被用于在軟件中生成并操縱患者的解剖結(jié)構(gòu)的部分的虛擬表 示(例如，脛骨101的虛擬模型）。
[0050] 與CAS系統(tǒng)200關(guān)聯(lián)的軟件可以被構(gòu)造為使得能夠執(zhí)行外科手術(shù)計劃、導(dǎo)航以及基 本圖像引導(dǎo)外科手術(shù)能力。例如，與CAS系統(tǒng)200關(guān)聯(lián)的軟件可以包括用于根據(jù)圖像數(shù)據(jù)集 生成并顯示圖像(所捕獲的圖像或計算機生成的所捕獲圖像)的計算機實現(xiàn)處理、用于確定 外科手術(shù)器械的軸的尖端位置和取向的計算機實現(xiàn)處理、以及用于將患者和圖像數(shù)據(jù)集配 準到跟蹤系統(tǒng)201的坐標系的計算機實現(xiàn)處理。這些處理可以使得例如CAS系統(tǒng)200能夠在 顯示設(shè)備203a、203b上顯示疊加在患者的解剖結(jié)構(gòu)的一個或更多個圖像上的所跟蹤外科手 術(shù)器械(和/或假體植入物）的虛擬表示，并且能夠在外科手術(shù)過程期間實時更新所跟蹤器 械的虛擬表示。從圖像數(shù)據(jù)集生成的圖像可以是二維的，或者在三維圖像數(shù)據(jù)集的情況下 是例如基于圖像數(shù)據(jù)集的分割的三維重建。根據(jù)一個實施方式，與圖像數(shù)據(jù)集關(guān)聯(lián)的圖像 可以包括與患者的解剖結(jié)構(gòu)、假體植入物或任何對象關(guān)聯(lián)的CT掃描數(shù)據(jù)。當在顯示設(shè)備 203a、203b上示出多于一個圖像時，CAS系統(tǒng)200可以整合不同圖像中的所跟蹤器械的表示。
[0051] 根據(jù)另一個實施方式，無圖像系統(tǒng)可以被用于在軟件中生成并操縱患者的解剖結(jié) 構(gòu)的部分的虛擬表示（例如，脛骨101的虛擬模型）。無圖像系統(tǒng)包括本領(lǐng)域眾所周知的技 術(shù)，諸如利用在統(tǒng)計成形模型的系統(tǒng)和三維骨骼建模的方法。在無圖像系統(tǒng)的一種形式中， 患者的解剖結(jié)構(gòu)的一部分的視覺表示基于患者特定特性(諸如通過使用探針工具物理接觸 患者的解剖結(jié)構(gòu)獲得的這種解剖界標)來創(chuàng)建。在其它無圖像系統(tǒng)中，通過從數(shù)據(jù)庫或骨骼 模型庫中選擇三維模型來獲得患者的解剖結(jié)構(gòu)的一部分的三維虛擬表示。然后，可以基于 患者特定特性使所選的骨骼模型變形，創(chuàng)建患者的解剖結(jié)構(gòu)的三維表示。
[0052]與CAS系統(tǒng)200關(guān)聯(lián)的處理器231可以被構(gòu)造為建立與患者的解剖結(jié)構(gòu)的一個或更 多個特征關(guān)聯(lián)或有關(guān)的虛擬觸覺幾何結(jié)構(gòu)。如所解釋的，CAS系統(tǒng)200可以被構(gòu)造為創(chuàng)建外 科手術(shù)部位的視覺表示，外科手術(shù)部位的視覺表示包括例如患者的解剖結(jié)構(gòu)的虛擬表示、 將在外科手術(shù)過程期間使用的外科手術(shù)器械、用于配準在外科手術(shù)部位內(nèi)的其它對象的探 針工具、以及與外科手術(shù)部位關(guān)聯(lián)的任何其它這種對象。
[0053]除了物理對象之外，CAS系統(tǒng)200還可以被構(gòu)造為生成虛擬對象，該虛擬對象存在 于軟件中并且在執(zhí)行外科手術(shù)過程期間可能是有用的。例如，CAS系統(tǒng)200可以被構(gòu)造為生 成對應(yīng)于用于準備骨骼的外科醫(yī)生的計劃的虛擬邊界(諸如，定義外科醫(yī)生計劃切削、移除 或以其它方式改變的骨骼區(qū)域的邊界）。另選地或另外地，CAS系統(tǒng)200可以定義對應(yīng)于期望 路徑或路線的虛擬對象，外科手術(shù)工具210的一部分應(yīng)該在該期望路徑或路線上導(dǎo)航以執(zhí) 行特定任務(wù)。
[0054]虛擬邊界和其它虛擬對象可以定義虛擬坐標空間內(nèi)的點、線或表面(通常相對于 患者的解剖結(jié)構(gòu)定義），其用作在外科手術(shù)器械的所跟蹤位置與虛擬邊界或?qū)ο笙嗷プ饔?時向外科手術(shù)器械提供觸覺反饋的邊界。例如，當外科醫(yī)生執(zhí)行骨骼切削操作時，CAS系統(tǒng) 200的跟蹤系統(tǒng)201跟蹤切削工具的位置并且允許當切削工具的虛擬表示不接近觸覺邊界 時外科醫(yī)生在工作空間中自由地移動工具。然而，當工具的表示接近虛擬觸覺邊界（已配準 到患者的解剖結(jié)構(gòu)）時，CAS系統(tǒng)200控制力反饋系統(tǒng)提供傾向于約束外科醫(yī)生用切削工具 穿過虛擬觸覺邊界的觸覺引導(dǎo)。例如，虛擬觸覺邊界可以與假體植入物的虛擬模型的幾何 結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)，并且觸覺引導(dǎo)可以包括被映射到虛擬邊界并且由外科醫(yī)生感受為阻力以約束工 具移動穿過虛擬邊界的力和/或轉(zhuǎn)矩。由此，外科醫(yī)生覺得切削工具遇到了物理對象(諸如， 壁）。以此方式，虛擬邊界起虛擬切削引導(dǎo)的作用。因此，CAS系統(tǒng)200的力反饋系統(tǒng)向外科醫(yī) 生傳輸關(guān)于工具相對于虛擬邊界的位置的信息，并且提供物理力反饋，以在實際切削處理 期間引導(dǎo)切削工具。CAS系統(tǒng)200的力反饋系統(tǒng)還可以被構(gòu)造為將用戶的能力限于操縱外科 手術(shù)工具。
[0055] 與所公開的實施方式一致的系統(tǒng)和方法提供了一種用于定制虛擬觸覺邊界并且 提供用于引導(dǎo)外科手術(shù)器械的觸覺反饋的解決方案。根據(jù)一個實施方式，虛擬觸覺邊界可 以基于修改與對應(yīng)植入物幾何結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的默認邊界的用戶請求來定制。另選地或另外地， 虛擬觸覺邊界可以至少部分地基于患者的解剖結(jié)構(gòu)(例如，軟組織的位置、骨骼的邊緣周界 等)的檢測來定制。用于定制虛擬觸覺邊界的處理可以是植入計劃階段的一部分，在該階段 期間，外科醫(yī)生在手術(shù)前或手術(shù)中計劃假體植入物的放置和關(guān)節(jié)組織的對應(yīng)修改/移除以 容納植入物。圖4提供了與用于CAS系統(tǒng)200的計劃軟件關(guān)聯(lián)的圖形用戶界面的示例性屏幕 截圖。
[0056] 圖4示出了與和CAS系統(tǒng)200關(guān)聯(lián)的計劃軟件的圖形用戶界面畫面相關(guān)的示例性屏 幕截圖400。如圖4所示，計劃軟件可以包括假體植入物(諸如，與脛骨植入系統(tǒng)120關(guān)聯(lián)的脛 骨基部121)的虛擬模型。根據(jù)一個實施方式，虛擬植入物模型可以由假體植入物的制造商 來提供，并且可以提供假體植入物的幾何結(jié)構(gòu)的圖形表示。使用幾何結(jié)構(gòu)的圖形表示，虛擬 觸覺邊界可以被創(chuàng)建并且與虛擬植入物模型關(guān)聯(lián)。
[0057]圖形用戶界面400可以包括多個子畫面，每個子畫面被構(gòu)造為顯示植入計劃的特 定特征。例如，圖形用戶界面400可以包括用于顯示所選虛擬植入物模型（例如，與脛骨基部 121關(guān)聯(lián)的模型）的第一子畫面(例如，左上）。圖形用戶界面400可以包括用于顯示與患者的 解剖結(jié)構(gòu)(例如，脛骨101)(植入物將被定位在其上)關(guān)聯(lián)的虛擬模型的第二子畫面(右上）。 圖形用戶界面400可以包括用于顯示患者的解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的虛擬植入物模型的計劃放置的第 三子畫面（左下）。圖形用戶界面400還可以包括用于顯示與計劃植入物放置關(guān)聯(lián)的各個內(nèi) 側(cè)和外側(cè)切除部401a、401b的視圖的第四子畫面(右下）。將想到，子畫面的數(shù)量和視圖可以 不同于圖4中所示的示例性實施方式中提供的那些。還將想到，一個或更多個子畫面允許用 戶交互地更新視圖和/或視圖內(nèi)的組件。例如，雖然右下畫面示出了基于左下子畫面中所示 的計劃植入物放置的患者的脛骨101的模仿切除的頂視圖，但是將想到，用戶可以選擇用于 顯示子畫面的內(nèi)容的不同視圖（例如，前視圖、后視圖、側(cè)視圖、仰視圖等）。
[0058]在植入計劃階段期間，外科醫(yī)生或醫(yī)療專家可以使用與CAS系統(tǒng)200關(guān)聯(lián)的計劃軟 件來計劃假體植入物到患者的解剖結(jié)構(gòu)上或內(nèi)的放置。同樣地，假體植入物、患者的解剖結(jié) 構(gòu)、外科手術(shù)器械(諸如切削工具）、以及外科手術(shù)過程期間可能使用的任何其它物理對象 的虛擬（即，軟件)3-D模型可以被生成并且配準到虛擬坐標空間(通常是與患者的解剖結(jié)構(gòu) 對應(yīng)的坐標空間）。使用計劃軟件，外科醫(yī)生可以相對于患者的解剖結(jié)構(gòu)虛擬地定位假體植 入物?；谔摂M假體植入物模型，計劃軟件可以生成標準觸覺邊界12。如圖5中所描繪的，標 準觸覺邊界12可以被構(gòu)造為容納切削工具(示意性地示出為切削工具10)的切削輪廓或尺 寸。然而，如圖所示，基于虛擬植入物模型的標準觸覺邊界12可能不足切除或過多切除用于 切除以容納植入物所必須的實際骨骼區(qū)域11。過多切除風險損傷軟組織(諸如膝關(guān)節(jié)中的 交叉韌帶），而不足切除可能留下可能要求用咬骨鉗咬住或剝脫和/或手動消減掉的未切除 骨骼。然而，依賴于植入物模型在骨骼模型上的參考平面的相交部11的邊界16的觸覺邊界 12可能在一些區(qū)域中不能容納切削工具10的尺寸和形狀，如圖6所描繪的。切削工具(諸如， 擺動型鋸片)具有寬有效形狀，寬有效形狀將不太可能配合到圖6中所示的定制觸覺周界的 不規(guī)則幾何結(jié)構(gòu)中。
[0059] 圖7示出了基于標準觸覺邊界12的構(gòu)造并且還容納患者骨骼與植入物參考面的相 交部11的周界16處的特定解剖特征20的所述定制的觸覺邊界18。因此，所述定制的觸覺邊 界18可以容納切削工具10,并且還與用于骨骼移除的必要區(qū)域更緊密地匹配，以最小化不 足切除或過多切除骨骼。下面關(guān)于圖8-圖14的描述詳細地描述所述定制的觸覺邊界18的生 成。
[0060] 圖8提供了示出用于自動地生成患者特定虛擬觸覺邊界的示例性方法的流程圖 800。根據(jù)一個實施方式，圖8中所示的方法可以在與外科手術(shù)過程的執(zhí)行關(guān)聯(lián)的植入物放 置計劃階段期間來實現(xiàn)。計劃階段可以在外科手術(shù)過程開始之前由外科醫(yī)生或其它醫(yī)療專 家在手術(shù)前執(zhí)行。另選地或另外地，計劃階段可以在醫(yī)療過程期間在手術(shù)中執(zhí)行(或重復(fù)）。
[0061] 如圖8的流程圖800所示，一旦虛擬植入物模型被放在相對于患者的解剖結(jié)構(gòu)的期 望位置中，該方法就開始基于與正被使用的植入物關(guān)聯(lián)的植入物模型13的尺寸和形狀、切 削工具的形狀、以及切削工具的接近角來識別標準觸覺邊界12(步驟810)。該標準觸覺邊界 12通常與假體植入物的幾何形狀緊密對應(yīng)。然而，根據(jù)一個實施方式，標準觸覺邊界12可能 與植入物的幾何結(jié)構(gòu)稍微不同。例如，標準觸覺邊界可能稍微大于假體植入物，以允許外科 手術(shù)工具10存取(例如，以適應(yīng)切削工具的寬度)的充足空間或提供用于進入由虛擬觸覺邊 界定義的體積的區(qū)域。標準觸覺邊界12優(yōu)選地是依賴于植入物模型的預(yù)定觸覺，不要求新 觸覺生成。標準觸覺邊界12關(guān)于解剖結(jié)構(gòu)的虛擬模型(諸如圖9中的脛骨的近端的虛擬骨骼 模型14)被示出。
[0062] 一旦標準觸覺邊界12被識別，與虛擬植入物模型關(guān)聯(lián)的參考特征15在虛擬坐標空 間中的位置和取向就被識別（步驟820)。虛擬植入物模型的參考特征15可以具體實現(xiàn)虛擬 植入物模型的一個或更多個點、線、平面或表面，并且通過擴展，可以具體實現(xiàn)與虛擬植入 物模型關(guān)聯(lián)的假體模型。參考特征15可以是參考平面、植入物模型的頂面、底面或其它面、 或另外與植入物模型關(guān)聯(lián)的平面。在圖10的實施方式中，參考特征15是關(guān)于虛擬骨骼模型 14示出的平面。另選地或另外地，參考特征15可以包括或具體實現(xiàn)與外科醫(yī)生希望用作定 制虛擬觸覺邊界的參考的植入物關(guān)聯(lián)的任何特征。
[0063] 一旦已建立與虛擬植入物模型13關(guān)聯(lián)的參考特征15，就可以確定所識別參考特征 15與患者的解剖結(jié)構(gòu)的虛擬模型14之間的相交部(步驟830)。如圖11所示，參考特征15與患 者的解剖結(jié)構(gòu)的虛擬模型14之間的相交部識別患者特定解剖周界16(步驟840)。
[0064] 在確定解剖周界16時，與CAS系統(tǒng)200關(guān)聯(lián)的計劃軟件可以被構(gòu)造為識別患者的解 剖結(jié)構(gòu)專有的特定特征(步驟850)。如圖12所示，解剖特征20被識別在解剖周界16上。解剖 特征20可以包括例如最內(nèi)側(cè)界標、最后部內(nèi)側(cè)界標、最后部外側(cè)界標以及最外側(cè)界標。
[0065] 作為自動檢測的另選方案或除了自動檢測之外，指示解剖特征20的信息（包括對 所識別解剖特征的修改)還可以基于用戶輸入被接收。例如，外科醫(yī)生可以通過使用利用虛 擬坐標空間配準的探針工具物理地接觸患者的解剖結(jié)構(gòu)的點、線或區(qū)域?qū)⒒颊叩慕馄式Y(jié)構(gòu) 的一個或更多個點、線或區(qū)域手動地指定為解剖界標。根據(jù)另一個實施方式，CAS系統(tǒng)200的 用戶可以使用與計劃軟件關(guān)聯(lián)的圖形用戶界面輸入與解剖界標關(guān)聯(lián)的信息。具體地，用戶 可以經(jīng)由圖形用戶界面使用鼠標或者其它輸入設(shè)備在患者的解剖結(jié)構(gòu)的虛擬模型14上或 者解剖周界16上選擇一個或更多個點、線、表面或區(qū)域。例如，患者的解剖結(jié)構(gòu)上的突出骨 贅可能無意間在期望切削區(qū)域外部創(chuàng)建計算機生成界標。然后，外科醫(yī)生可以使用所導(dǎo)航 的探針工具或通過使用圖形用戶界面在虛擬模型上取消選擇界標來取消選擇該界標。 [0066]如圖13所描繪的，一旦在解剖結(jié)構(gòu)的虛擬模型14和/或解剖周界16上識別出解剖 特征20,就可以將與CAS系統(tǒng)200關(guān)聯(lián)的計劃軟件構(gòu)造為基于解剖特征20修改標準觸覺邊界 12(步驟860)。標準觸覺邊界12可以被伸展或收縮以與解剖周界16更緊密地匹配。在特定實 施方式中，可以僅基于簡單公式百分比移動標準觸覺邊界12的邊緣。而且，必要時，可以鎖 定特定幾何結(jié)構(gòu)，以防止植入物形狀的損形。在其它示例性實施方式中，標準觸覺周界12可 以由通過頂點構(gòu)成的一系列簡單線或邊緣構(gòu)成。每個頂點可以被指定為僅沿特定方向伸 展，不伸展（即，保持固定），或不伸展多于指定量。例如，針對脛骨組件的標準觸覺邊界12的 內(nèi)側(cè)邊緣頂點可以被指定為僅內(nèi)外移動/伸展，并且作為一組一起移動/伸展，以便保持基 本形狀。頂點的適應(yīng)性的控制幫助確保所述定制的觸覺邊界18保持可以容納切削工具10的 形狀。
[0067] 另選地或另外地，修改觸覺邊界12的步驟可以被執(zhí)行為由外科醫(yī)生進行的手動處 理。例如，在已識別解剖周界16和/或(通過計劃軟件自動地或通過外科醫(yī)生手動地)確定解 剖特征20之后，外科醫(yī)生可以修改之前建立的標準虛擬觸覺邊界12或自動建立的所述定制 的觸覺邊界18。特別是，外科醫(yī)生可以使用與計劃軟件關(guān)聯(lián)的圖形用戶界面輸入與移動觸 覺邊界關(guān)聯(lián)的信息。例如，外科醫(yī)生可能希望收縮與脛骨組件基部關(guān)聯(lián)的虛擬觸覺邊界的 內(nèi)邊緣，以限制切削工具在脛骨髁間隆突附近的操作，并且避免不小心損傷附接到脛骨髁 間隆突的軟組織(例如，ACL或PCL)的可能性。為此，外科醫(yī)生可以經(jīng)由圖形用戶界面使用鼠 標或其它輸入設(shè)備選擇觸覺邊界的一個或更多個邊界或頂點，并且施加操縱以伸展/移動 邊界。
[0068] 在一個實施方式中，外科醫(yī)生設(shè)置用于可伸展邊界的一系列偏移量偏好。例如，外 科醫(yī)生可能期望觸覺邊界從解剖界標向外偏移設(shè)置距離，以使得切削工具能夠切削骨骼周 界外部，以便提高切削效率。相反，外科醫(yī)生可能期望將觸覺邊界設(shè)置為從解剖界標向內(nèi)偏 移設(shè)置距離，以保守地保護軟組織。
[0069] -旦生成所述定制的觸覺邊界，所述定制的觸覺邊界就可以被配準到患者的解剖 結(jié)構(gòu)且顯示在CAS系統(tǒng)200的顯示器上。具體地，當生成所述定制的虛擬觸覺邊界18時，與 CAS系統(tǒng)200關(guān)聯(lián)的計劃軟件可以被構(gòu)造為將定義所述定制的觸覺邊界18的虛擬表面和特 征映射到與患者的解剖結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的虛擬坐標空間。同樣地，與所述定制的觸覺邊界18關(guān)聯(lián) 的邊界表面變?yōu)殒溄拥交颊叩慕馄式Y(jié)構(gòu)，由此定義患者的解剖結(jié)構(gòu)的允許外科手術(shù)器械在 其中操作的區(qū)域。通過將所述定制的虛擬觸覺邊界18配準到患者的解剖結(jié)構(gòu)，所述定制的 虛擬觸覺邊界18變?yōu)樘摂M地鏈接到患者的解剖結(jié)構(gòu)，使得所述定制的虛擬觸覺邊界18可以 在外科手術(shù)過程期間相對于患者的解剖結(jié)構(gòu)中的特定移動、修改以及調(diào)整被跟蹤(并且觀 看）。然后，CAS系統(tǒng)200可以將虛擬觸覺邊界應(yīng)用至外科手術(shù)器械。
[0070] 圖14提供了示出用于基于患者特定參數(shù)定制觸覺邊界的另一個示例性方法1400 的流程圖。如圖14所示，該方法開始于接收與患者的解剖結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的手術(shù)前圖像或圖像數(shù) 據(jù)(步驟1405)。手術(shù)前圖像可以包括使用用于記錄與患者的解剖結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的圖像的任何合 適成像處理（諸如，例如，X射線、計算斷層掃描（CT)、磁共振(MR)、正電子發(fā)射斷層掃描 (PET)、單光子發(fā)射計算斷層掃描(SPECT)、超聲等)獲得的任何二維或三維圖像數(shù)據(jù)集。根 據(jù)一個實施方式，CAS系統(tǒng)200的I/O設(shè)備236可以接收與將做手術(shù)的特定患者的解剖結(jié)構(gòu)關(guān) 聯(lián)的手術(shù)前CT掃描數(shù)據(jù)260。
[0071] 在接收患者的解剖結(jié)構(gòu)的手術(shù)前圖像時，與CAS系統(tǒng)200關(guān)聯(lián)的軟件生成患者的解 剖結(jié)構(gòu)的3-D虛擬模型(步驟1410)。例如，CAS系統(tǒng)200可以包括用于基于與患者的解剖結(jié)構(gòu) 關(guān)聯(lián)的所接收2-D(或3-D)圖像數(shù)據(jù)集渲染對象的3-D模型的多個不同軟件工具中的一個。 在另選實施方式中，患者的解剖結(jié)構(gòu)的3-D虛擬模型利用無圖像系統(tǒng)來生成。
[0072] 在生成患者的解剖結(jié)構(gòu)的虛擬模型14之后，可以與患者的實際解剖結(jié)構(gòu)配準，使 得CAS系統(tǒng)200可以虛擬地跟蹤患者的實際解剖結(jié)構(gòu)在虛擬軟件空間中的位置和取向。根據(jù) 一個實施方式，該配準處理涉及將患者的解剖結(jié)構(gòu)的多個點與虛擬模型上的對應(yīng)點關(guān)聯(lián)。 這種關(guān)聯(lián)可以使用已配準在虛擬坐標空間中的探針工具來進行，借此，通過使用探針工具 的尖端接觸或"探測"患者的解剖結(jié)構(gòu)的一個或更多個表面來收集患者的解剖結(jié)構(gòu)上的多 個點。一旦虛擬模型14與患者的解剖結(jié)構(gòu)配準，CAS系統(tǒng)200就能夠跟蹤患者的解剖結(jié)構(gòu)在 虛擬坐標空間中的位置和取向。
[0073] 在患者解剖結(jié)構(gòu)的3-D虛擬模型14被生成并且配準到患者的骨骼之后，CAS系統(tǒng) 200的計劃軟件便于假體植入物在患者的解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的計劃(步驟1415)。具體地，CAS系統(tǒng) 200的計劃軟件基于用戶輸入確定虛擬植入物模型13相對于患者的解剖結(jié)構(gòu)的虛擬模型14 的放置。例如，外科醫(yī)生可以從可用于外科手術(shù)的植入物的數(shù)據(jù)庫中選擇虛擬植入物模型 13(例如，與如圖4所示的脛骨基部121關(guān)聯(lián)的虛擬模型）。使用圖形用戶界面400,外科醫(yī)生 可以操縱虛擬植入物模型13相對于患者的解剖結(jié)構(gòu)(例如，脛骨101)的位置，其生成與虛擬 植入物配合的脛骨的虛擬表示，如圖4的圖形用戶界面400的左下子畫面中所示。用于虛擬 地計劃植入物放置的這種處理允許外科醫(yī)生在開始骨骼切除處理之前在模仿軟件環(huán)境中 對植入物相對于患者的解剖結(jié)構(gòu)的位置進行精確調(diào)整。
[0074] 一旦完成虛擬植入物模型13相對于患者的解剖結(jié)構(gòu)的虛擬模型14的放置，就生成 標準觸覺邊界12(步驟1420)。標準觸覺邊界12可以與假體植入物的幾何形狀緊密對應(yīng)。從 虛擬植入物模型13提取參考特征15信息（步驟1425)。根據(jù)一個實施方式，虛擬植入物模型 的參考特征15可以具體實現(xiàn)虛擬植入物模型13的一個或更多個點、線、平面或表面。如上述 實施方式所述，參考特征15是與植入物模型13關(guān)聯(lián)的平面。另選地或另外地，參考特征15可 以包括或具體實現(xiàn)與外科醫(yī)生希望用作定制虛擬觸覺邊界的參考的植入物關(guān)聯(lián)的任何特 征。例如，參考特征15可以包括與直接緊鄰接或面向與患者的解剖結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的虛擬模型14 的表面的虛擬植入物模型13關(guān)聯(lián)的任何表面。
[0075]在提取參考特征信息時，與CAS系統(tǒng)200關(guān)聯(lián)的計劃軟件將參考特征信息映射到患 者的解剖結(jié)構(gòu)的坐標空間上(步驟1430)。即，與CAS系統(tǒng)200關(guān)聯(lián)的計劃軟件將虛擬植入物 模型13的參考特征15配準到患者的骨骼的虛擬模型14,使得相對于患者的骨骼的位置跟蹤 參考面15。
[0076]進一步參照圖14，CAS系統(tǒng)200的計劃軟件確定所映射的參考面15與患者的解剖結(jié) 構(gòu)14之間的相交部，并且基于所確定的相交部虛擬地切除組織（步驟1435) XAS系統(tǒng)200的 計劃軟件還可以被構(gòu)造為基于在切除解剖結(jié)構(gòu)期間獲取的信息修改標準觸覺邊界12以生 成所述定制的觸覺邊界18(步驟1440)。如上所述，所述定制的觸覺邊界18可以通過基于位 于解剖周界16上的至少一個解剖特征20伸展/移動標準觸覺邊界12來生成，解剖周界16由 參考面15和患者的解剖結(jié)構(gòu)14的相交部定義。解剖特征20的識別可以由CAS系統(tǒng)20自動地 進行，或者可以由外科醫(yī)生手動地執(zhí)行。類似地，標準觸覺邊界12的修改可以基于之前識別 的解剖特征20來自動地執(zhí)行，或者可以由外科醫(yī)生手動執(zhí)行，外科醫(yī)生基于患者特定解剖 結(jié)構(gòu)或根據(jù)期望切削方法和技術(shù)移動/伸展邊界，即，限制切削工具在脛骨髁間隆突附近的 操作，并且避免不小心損傷附接到脛骨髁間隆突的軟組織(例如，ACL或PCL))的可能性。
[0077] 在生成所述定制虛擬觸覺邊界18時，CAS系統(tǒng)200的計劃軟件給用戶提供完成虛擬 觸覺邊界的選項（步驟1445)。當用戶決定完成虛擬觸覺邊界時，CAS系統(tǒng)200可以用虛擬觸 覺邊界的坐標更新力系統(tǒng)。同樣地，CAS系統(tǒng)200基于外科手術(shù)器械相對于虛擬觸覺邊界的 跟蹤位置將虛擬觸覺力施加至外科手術(shù)器械(步驟1450)。
[0078] 當前公開的用于定制虛擬觸覺邊界的系統(tǒng)和方法提供了一種用于調(diào)整與用于計 算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)的力反饋控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的虛擬觸覺邊界的解決方案。根據(jù)一個實施 方式，該解決方案允許用戶通過伸展或收縮現(xiàn)有觸覺邊界來修改觸覺邊界，以配合一個或 更多個解剖界標。然后，計劃軟件可以確定伸展后(或收縮后）的邊界與患者的解剖結(jié)構(gòu)的 虛擬模型之間的相交部，以定義新虛擬觸覺邊界的位置，并且基于所確定的相交部建立新 虛擬觸覺邊界。
[0079]上述說明被呈現(xiàn)用于說明和描述的目的。它們不是排他性的，并且不將所公開的 實施方式限于所公開的精確形式。修改和改變在以上教導(dǎo)下是可以的，或者可以從實踐所 公開的實施方式來獲取。例如，所描述的實現(xiàn)包括軟件，但是所公開的實施方式可以被實現(xiàn) 為硬件和軟件的組合，或者在固件中實現(xiàn)。硬件的示例包括計算或處理系統(tǒng)，包括個人計算 機、服務(wù)器、膝上型計算機、主機、微處理器等。另外，雖然所公開的方面被描述為存儲在存 儲器中，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到，這些方面還可以存儲在其它類型的計算機可讀存儲 設(shè)備中，諸如輔助存儲設(shè)備，像硬盤、軟盤、CD-ROM、USB媒體、DVD或其它形式的RAM或ROM。 [0080]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，可以對用于基于患者特定數(shù)據(jù)定制交互 式觸覺邊界的所公開系統(tǒng)和所關(guān)聯(lián)方法作出各種修改和改變。通過考慮說明書和本公開的 實踐，本公開的其它實施方式對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。說明書和示例旨在被 認為僅是示例性的，本公開的真實范圍由所附權(quán)利要求及其等同物來指示。
【主權(quán)項】
1. 一種用于基于患者特定解剖結(jié)構(gòu)定制觸覺邊界的方法，所述方法包括： 基于將被植入在所述解剖結(jié)構(gòu)上的虛擬植入物模型的幾何結(jié)構(gòu)獲得標準觸覺邊界； 識別與虛擬植入物模型關(guān)聯(lián)的參考特征； 確定所識別的參考特征與和所述患者的解剖結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的虛擬模型之間的相交部； 識別所識別的參考特征與所述解剖結(jié)構(gòu)的所述虛擬模型之間的所述相交部處的解剖 周界； 根據(jù)所述參考特征和所述解剖結(jié)構(gòu)的所述虛擬模型的所述相交部，在所述解剖結(jié)構(gòu)的 所述虛擬模型上確定解剖特征；以及 基于至少一個解剖特征修改所述標準觸覺邊界，以生成定制的觸覺邊界。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述解剖周界上識別所述解剖特征。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，在所述解剖周界上在沿內(nèi)、外、前和后方向中的任 一個方向的最外點處識別所述解剖特征。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述解剖結(jié)構(gòu)的虛擬模型上在所述解剖周界內(nèi) 或所述解剖周界的外側(cè)上、或二者處識別所述解剖特征。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括:在顯示器上顯示所生成的定制的觸覺 邊界、與所述患者的所述解剖結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的所述虛擬模型、以及所述虛擬植入物模型中的至 少一個。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述虛擬植入物模型與假體植入物對應(yīng)，并且與 所述虛擬植入物模型關(guān)聯(lián)的參考特征包括與所述假體植入物關(guān)聯(lián)的平面的虛擬表示。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述平面與所述假體植入物的鄰接所述患者的解 剖結(jié)構(gòu)的表面關(guān)聯(lián)。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述虛擬植入物模型包括脛骨假體基部的虛擬模 型，并且其中，所述參考特征包括與所述脛骨假體基部的底面關(guān)聯(lián)的平面。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括： 接收包括指示由用戶定義的解剖特征的信息的信號；以及 基于所接收的信號識別所述解剖特征。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括： 接收指示對所述標準觸覺邊界或所述定制的觸覺邊界的用戶定義修改的信號；以及 基于所接收的信號修改所述標準觸覺邊界或所述定制的觸覺邊界。11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括： 接收指示所述標準觸覺邊界的用戶定義偏移量的信號；以及 基于所接收的信號調(diào)整所述標準觸覺邊界的位置。12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括： 接收與所述患者的解剖結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的計算斷層掃描(CT)數(shù)據(jù)；以及 基于所述CT數(shù)據(jù)生成與所述患者的解剖結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的虛擬模型。13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括： 利用無圖像系統(tǒng)生成與所述患者的解剖結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的虛擬模型。14. 一種用于基于患者特定解剖結(jié)構(gòu)定制觸覺邊界的方法，所述方法包括： 在虛擬坐標空間中顯示植入物的圖形表示； 在虛擬坐標空間中顯示骨骼的圖形表示； 基于用戶輸入相對于所述骨骼的圖形表示定位所述植入物的圖形表示； 基于所述植入物的幾何結(jié)構(gòu)顯示標準觸覺邊界的圖形表示； 提取與所述植入物的圖形表示關(guān)聯(lián)的參考特征信息； 映射在所提取的參考特征與所述骨骼的圖形表示之間的相交部處的解剖周界； 根據(jù)所述參考特征和所述骨骼的圖形表示的所述相交部將解剖特征映射在所述骨骼 的圖形表示上； 基于至少一個解剖特征修改所述標準觸覺邊界，以生成定制的觸覺邊界；以及 在虛擬坐標空間中顯示所述定制的觸覺邊界的圖形表示。15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述至少一個解剖特征被映射在所述解剖周界 上。16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述解剖特征在所述解剖周界內(nèi)或所述解剖周 界的外側(cè)上、或二者處被映射在所述骨骼的圖形表示上。17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述虛擬植入物模型與假體植入物對應(yīng)，并且 與所述虛擬植入物模型關(guān)聯(lián)的參考特征包括與所述假體植入物關(guān)聯(lián)的平面的虛擬表示。18. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述解剖特征包括用于調(diào)整所述虛擬觸覺邊界 的用戶定義界標。19. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，生成所述定制的觸覺邊界包括:接收指示對所 述標準觸覺邊界或所述定制的觸覺邊界的用戶定義修改的用戶輸入。20. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，所述方法還包括： 基于用戶輸入接收指示數(shù)字偏移量的信息；以及 至少部分地基于所接收的數(shù)字偏移量信息生成修改后的觸覺邊界。21. -種計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，所述計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)包括： 顯示器； 輸入設(shè)備，所述輸入設(shè)備被構(gòu)造為接收由用戶輸入的數(shù)據(jù)；以及 處理器，所述處理器可操作地連接到所述輸入設(shè)備和所述顯示器，并且所述處理器被 構(gòu)造為： 基于將被植入在所述解剖結(jié)構(gòu)上的虛擬植入物模型的幾何結(jié)構(gòu)識別標準觸覺邊界； 識別與虛擬植入物模型關(guān)聯(lián)的參考特征； 確定所識別的參考特征與和所述患者的解剖結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的虛擬模型之間的相交部； 識別所識別的參考特征與所述解剖結(jié)構(gòu)的虛擬模型之間的所述相交部處的解剖周界； 根據(jù)所述參考特征和所述解剖結(jié)構(gòu)的虛擬模型的所述相交部，在所述解剖結(jié)構(gòu)的虛擬 模型上確定解剖特征；以及 基于所述解剖特征修改所述標準觸覺邊界，以生成定制的觸覺邊界；以及 在所述顯示器上顯示所述定制的觸覺邊界和與所述患者的所述解剖結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的虛擬 模型。22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，其中，在所述解剖周界上識別所 述解剖特征。23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，其中，在所述解剖周界上在沿 內(nèi)、外、前和后方向中的任一個方向的最外點處識別所述解剖特征。24. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，其中，在所述解剖結(jié)構(gòu)的虛擬模 型上在所述解剖周界內(nèi)或所述解剖周界的外側(cè)上、或二者處識別所述解剖特征。25. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，其中，所述虛擬植入物模型與假 體植入物對應(yīng)，并且與所述虛擬植入物模型關(guān)聯(lián)的參考特征包括與所述假體植入物關(guān)聯(lián)的 平面的虛擬表示。26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，其中，所述平面與所述假體植入 物的鄰接所述患者的解剖結(jié)構(gòu)的表面關(guān)聯(lián)。27. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，其中，所述虛擬植入物模型包括 脛骨假體基部的虛擬模型，并且其中，所述參考特征包括與所述脛骨假體基部關(guān)聯(lián)的平面。28. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，其中，所述處理器還被構(gòu)造為： 接收包括指示由用戶定義的解剖特征的信息的信號；以及 基于所接收的信號識別所述解剖特征。29. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，其中，所述處理器還被構(gòu)造為： 接收指示對所述標準觸覺邊界或所述定制的觸覺邊界的用戶定義修改的信號；以及 基于所接收的信號修改所述標準虛擬觸覺邊界或所述定制的觸覺邊界。30. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，其中，所述處理器還被構(gòu)造為： 接收指示所述標準觸覺邊界的用戶定義偏移量的信號；以及 基于所接收的信號調(diào)整所述標準觸覺邊界的位置。
【文檔編號】A61B34/10GK105939687SQ201480074550
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2014年12月19日
【發(fā)明人】J·奧托, H·康
【申請人】馬科外科公司