用于假体部件定向的系统和方法
用于假体部件定向的系统和方法
【专利摘要】一种计算机实施方法确定假体部件的定向参数值。所述方法包括接收膝关节的第一屈曲位置处的胫骨假体部件与股骨假体部件之间的第一所要分开距离，以及针对所述股骨假体部件的至少一个可能定向，估计所述膝关节的所述第一屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第一估计分开距离。所述方法还包括通过比较所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离来确定所述股骨假体部件的第一定向参数值，以及经由用户界面输出所述第一定向参数值。
【专利说明】用于假体部件定向的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明大体上是有关于假体部件定向系统，且更特定而言，是有关于用于确定将在膝关节置换手术中使用的一个或一个以上假体植入物的定向的系统。
[0002]发明背景
[0003]膝关节包括股骨的远端与胫骨的近端之间的界面。在功能适当的膝关节中，股骨的内侧和外侧骨节沿着附接到胫骨的各别内侧和外侧骨节的半月板平滑地枢转。在例如病性关节炎膝盖的某些膝盖中，软骨可已受损，从而导致股骨与胫骨之间的空间倒塌且引起骨与骨接触。当这一情况发生时，形成关节的自然骨与软骨可能不能适当连接，这一情况可引起关节疼痛和/或妨碍关节的正常使用。
[0004]在一些状况中，需要进行外科手术来校正胫骨与股骨之间的对齐和恢复关节的正常使用。视损害的严重性而定，外科手术可涉及用假体部件部分或完全地替换关节。在这些膝盖替换程序期间，外科医生切除骨和软骨的受损部分，同时试着保持健康组织完整。外科医生接着使健康组织与经设计以复制被切除组织的人造假体部件相配且恢复适当膝关节运作。
[0005]这些假体部件在胫骨和/或股骨上的定向可影响胫骨与股骨之间的对齐，且因此影响关节连接的方式。不当定向的假体部件可能不能恢复适当膝关节运作和/或可造成过早的部件故障或劣化，以及其它问题。因此，这些部件的适当定向至关重要，且外科医生在将假体部件装配到关节之前可将大量时间和精力用在确定假体部件的适当定向上。然而，即使具有外科医生的经验，人工地进行这一确定不能产生假体部件的最佳或甚至可接受的定位或定向。
发明概要
[0006]根据一个方面，本发明针对一种用于确定假体部件的定向参数值的计算机实施方法。所述方法可包括接收膝关节的第一屈曲位置处的胫骨假体部件与股骨假体部件之间的第一所要分开距离，以及针对所述股骨假体部件的至少一个可能定向，估计所述膝关节的所述第一屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第一估计分开距离。所述方法还可包括通过比较所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离来确定所述股骨假体部件的第一定向参数值，以及经由用户界面输出所述第一定向参数值。
[0007]根据另一方面，本发明针对一种用于确定假体部件的定向参数值的系统。所述系统可包括输入装置，所述输入装置经配置以接收膝关节的第一屈曲位置处的胫骨假体部件与股骨假体部件之间的第一所要分开距离。所述系统还可包括处理器，所述处理器以操作方式耦接到所述输入装置。所述处理器可经配置以针对所述股骨假体部件的至少一个可能定向，估计所述膝关节的所述第一屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第一估计分开距离，且通过比较所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离来确定所述股骨假体部件的第一定向参数值。所述系统还可包括显示器，所述显示器以操作方式耦接到所述处理器且经配置以输出所述第一定向参数值。
[0008]根据另一方面，本发明针对用于确定假体部件的定向的另一计算机实施方法。所述方法可包括记录膝盖的多个屈曲位置处的胫骨及股骨的相对位置，以及经由用户界面来接收多个松度值，所述多个松度值中的每一者对应于针对所述膝盖的所述多个屈曲位置中的一者的胫骨与股骨之间的松度偏爱。所述方法还可包括基于所述胫骨和所述股骨的所述记录的相对位置和所述接收的松度值来确定用于所述膝盖的假体部件的定向；以及经由显示器来输出所述假体部件的所述定向。
[0009]所公开实施方案的另外目标和优点将部分地在随后描述中陈述，且将部分地自所述描述显而易见，或可通过实践所公开实施方案来学习。所公开实施方案的目标和优点将借助于附加的权利要求中所特定指出的元件和组合来实现和达成。将理解，如所说明的，先前一般描述和以下详细描述两者仅为例式性和解释性的，而非所公开实施方案的限制。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]并入本说明书中且构成本说明书的部分的【专利附图】
【附图说明】若干实施方案，所述实施方案与描述一起用来解释本发明的原理和特征。
[0011]图1说明符合所公开实施方案的装配有假体部件的手术后假体膝关节的透视图；
[0012]图2是符合所公开实施方案的经编程以确定假体部件定向的计算机系统的示意图；
[0013]图3说明符合所公开实施方案的处于多个不同屈曲位置处的膝关节的侧视图；
[0014]图4说明符合所公开实施方案的例示性用户界面；
[0015]图5是表示符合某些所公开实施方案的处于多个不同屈曲位置的三维股骨假体部件模型与三维胫骨假体部件模型的相对定位的图片说明；
[0016]图6是说明符合所公开实施方案的用于确定假体部件定向的例示性过程的流程图；且
[0017]图7是说明符合所公开实施方案的用于确定假体部件定向的另一例示性过程的流程图。
【具体实施方式】
[0018]现将详细参考本发明的例示性实施方案，所述例示性实施方案的实例将在随附图式中说明。
[0019]图1说明符合所公开实施方案的装配有假体部件110和120的手术后假体膝关节100的透视图。膝关节100包括胫骨101和股骨102。股骨102可包括由骨节间凹口 105分开的外侧骨节103和内侧骨节104。胫骨101可同样地包括外侧骨节106和内侧骨节107。在例如单踝置换术(unicompartmental arthroplasty)的膝盖外科手术期间,假体部件可装配到外侧骨节103、内侧骨节104、外侧骨节106和内侧骨节107中的一个或一个以上。举例来说，图1说明装配到股骨102的内侧骨节104的股骨假体部件110和装配到胫骨101的内侧骨节107的胫骨假体部件120。
[0020]类似假体部件也可装配到外侧骨节103和/或外侧骨节106。此外，仅为了方便起见，下面的例式性实施方案参考内侧骨节上的假体部件，且本领域技术人员将了解，所公开实施方案也适用于外侧骨节上的假体部件。
[0021]股骨假体部件110和/或胫骨假体部件120的定向可影响胫骨101与股骨102之间的对齐且影响膝关节100连接的方式。因此，外科医生通常确定股骨假体部件110和/或胫骨假体部件120的适当定向。所公开实施方案提供系统和方法以将一个或一个以上假体部件的定向(例如，股骨假体部件110或胫骨假体部件120的定向)输出给外科医生。在某些实施方案中，所公开系统和方法可接收来自外科医生的输入(例如，膝关节100的所要松度或紧度)，且可基于来自外科医生的这个输入来确定定向。系统可使用将在下文较详细描述的一个或一个以上最佳化和/或最小化算法来确定定向。
[0022]图2是符合所公开实施方案的可用以确定假体部件定向的例式性计算机系统200的示意图。计算机系统200通常可操作以接收对应于膝关节的所要松度的用户输入210和对应于胫骨101和股骨102的相对位置的骨位置数据220。计算机系统200还可操作以基于用户输入210和/或骨位置数据220而经由显示器206A或其它输入/输出(I/O)装置206输出假体部件定向。在一些实施方案中，计算机系统200可包括于计算机辅助外科手术系统中，所述计算机辅助外科手术系统例如MAKO Surgical Corp.(FortLauderdale, Florida)制造的R1K机器人臂交互式整形外科系统，描述于(例如)2006年2月21日提交的美国专利申请案第11/357，197号(美国专利申请案公开第2006/0142657号)中，所述申请案以引用的方式整体并入本文中。
[0023]如图2所示，计算机系统200可包括处理器201、随机存取存储器(RAM)模块202、只读存储器(ROM)模块203、存储装置204、数据库205、I/O装置206、显示器206A和网络接口 207。处理器201可包括经配置以执行指令和过程数据以执行与计算机系统200有联系的一个或一个以上功能的一个或一个以上微处理器。存储装置204可包括易失性或非易失性、磁性、半导体、带、光学、移动式、非移动式或其它类型的存储装置或计算机可读媒体。RAM模块202可包括从ROM模块203、存储装置204或别处载入的一个或一个以上程序或子程序，所述程序或子程序在由处理器201执行时执行符合所公开实施方案的各种程序、操作或过程。举例来说，RAM模块202可包括使处理器201能够进行以下操作的一个或一个以上程序:基于位置数据220的膝关节100的多个屈曲位置处的胫骨101和股骨102的相对位置；接收作为用户输入210的松度值；基于记录的相对位置和松度值来确定膝关节100的假体部件的定向；以及经由显示器206A输出定向信息。
[0024]I/O装置206可包括能够接收来自用户的输入且将输出发送到用户的任何装置。举例来说，I/O装置206可包括具有一体式键盘和鼠标的控制台，其允许用户(例如，外科医生)输入例如所要松度值的参数或任何其它参数。I/O装置206还可包括可显示用于输出和接收信息的图形用户界面(GUI)的显示器206A。I/O装置206还可包括周边装置，例如打印机、用户可存取磁盘机(例如，USB接口、软碟机、⑶-ROM或DVD-ROM碟机等)、麦克风、扬声器系统或任何其它合适类型的界面装置。举例来说，1/0装置206可包括电子界面，其允许用户将例如计算机断层扫描(CT)数据的患者数据输入到计算机系统200中以便在软件中产生患者的解剖结构的三维模型，如下文将讨论。
[0025]数据库205可包括于RAM模块202、ROM模块203、存储装置204中或别处。在某些实施方案中，数据库205可与计算机系统200分开地定位且可经由网络(例如，由网络接口 207)来存取。数据库205可存储表示患者的解剖结构的各种部分的一个或一个以上三维模型，例如患者的胫骨、股骨、膝关节等的全部或部分的模型。这些模型可(例如)根据使用计算机测绘(CT)、磁共振成像(MRI)、正电子发射断层成像(PET)、协调透视的任何组合获取的数据和在外科手术之前和/或期间获取的血管造影术数据建立。存储在数据库205中的三维模型还可包括关于所述模型的表面的一个或一个以上点。所述点可由用户来选择或可由计算机系统200或另一计算机系统自动地产生，且可识别三维模型上的解剖标志，例如，胫骨骨节的中心、股骨上的滑车凹槽点或任何其它标志点。
[0026]在某些实施方案中，模型可为患者的解剖结构的直接表示。举例而言，在一个实施方案中，三维模型可根据沿着患者的股骨102、膝关节100和胫骨101以截面截取的一系列手术前CT扫描来建构。在其它实施方案中，关于患者的解剖结构的特征的数据点可使用上述技术中的一个或一个以上技术或任何其它技术来确定，且所述数据点可匹配于在可存储在数据库205或别处的三维模型的程式库中的一个或一个以上现存三维模型。
[0027]数据库205还可存储对应于一个或一个以上假体部件的一个或一个以上三维模型。举例来说，数据库205可包括不同胫骨假体部件120和/或股骨假体部件110的三维模型。可基于每一植入物的制造商、型号和大小来存储单独模型。可使用计算机辅助设计(CAD)技术或任何其它技术基于每一假体部件的技术规格来产生模型。计算机系统200在确定一个或一个以上假体部件的定向时可使用存储在数据库205中的患者的解剖结构和假体部件的三维模型。
[0028]将在下文关于图2到图5讨论系统200的例示性特征。仅为了方便起见，以下公开内容讨论使用系统200来确定股骨假体部件110的定向。本领域技术人员将了解，本文中所描述的方法和系统还可用以确定胫骨假体部件120的定向，且不限于确定股骨假体部件110的定向。
[0029]在外科手术之前，计算机系统200可使用存储在数据库205中的患者的解剖结构和假体部件的三维模型来在确定一个或一个以上假体部件的初始定向。举例来说，在外科手术之前，计算机系统200可分析识别三维模型的解剖标志的大小、形状和点以确定股骨假体部件HO和/或胫骨假体部件120的初始定向。在某些实施方案中，外科医生可确定股骨假体部件110的初始定向，且可(例如)经由I/O装置206中的一个将初始定向信息发送到计算机系统200。在其它实施方案中，计算机系统200可在没有来自用户的输入的情况下确定股骨假体部件110的初始定向。
[0030]在外科手术期间，用户可与计算机系统200互动以记录处于膝关节100的不同屈曲位置处的股骨102和胫骨101的相对位置。举例来说，外科医生可在使膝关节100移动通过一系列屈曲位置时将外翻/内翻力矩(亦即，侧向力和弯曲力)施加到所述关节。夕卜翻/内翻力矩可试着将股骨102和胫骨101对齐到其正确相对位置，因为所述股骨和胫骨可能在无病的非关节炎膝盖中。计算机系统200可使用(例如)协调透视成像或任何其它方法来记录处于不同屈曲位置的股骨102和胫骨101的相对位置。与这些相对位置有关的数据可存储在数据库205中或计算机系统200内的别处。
[0031]在一些实施方案中，可在外科医生切除骨并安装假体装置之前记录股骨102和胫骨101的相对位置。然而，在其它实施方案中，可在切除骨中的一者并植入假体部件之后记录所述相对位置。在这些实施方案中，计算机系统200可记录未切除骨和所植入假体部件的相对位置。举例来说，如果计算机系统200正被用以确定股骨假体部件的定向，那么外科医生可在测量股骨和胫骨假体部件的相对位置之前切除胫骨上的受损区域并植入胫骨假体部件。
[0032]图3说明符合所公开实施方案的处于多个不同屈曲位置(可由外科医生在记录股骨102和胫骨101的相对位置时加以控制)处的膝关节100的侧视图。如上文所讨论，夕卜科医生可操纵患者的腿以使胫骨101处于例如相对于股骨102的位置321、322、323和324的多个不同屈曲位置中。举例来说，位置321说明近似90°屈曲，位置322说明近似60°屈曲，位置323说明近似30°屈曲，且位置324说明近似0°屈曲或完全伸展，尽管可使用患者的运动范围中的任何其它位置和数个位置。
[0033]计算机系统200可记录处于每一位置321到324中的股骨102和胫骨101 (或胫骨假体部件120)的相对位置。在图3中，胫骨假体部件120已经安装。因此，在图3的实施方案中，计算机系统200可记录股骨102和胫骨假体部件120的相对位置。然而，如上文所讨论，可在切除和植入胫骨假体部件120和/或股骨假体部件110之前测量股骨102和胫骨101的相对位置。
[0034]计算机系统200可通过针对每一屈曲位置测量股骨假体部件120上的预定点(例如，点342到345中的一个)与股骨102上的对应点之间的距离来记录股骨102和胫骨101的相对位置。在一个实施方案中，股骨102上的对应点可为在特定屈曲位置处测量的股骨102的表面上的最接近点342到345中的一个的点。此外，可使用其它方法来确定处于每一位置321到324中的股骨102和胫骨101 (或胫骨假体部件120)的相对位置，例如，使用多个点之间的距离、相互最接近的股骨102上的点与胫骨101上的点之间的距离、表示股骨102和胫骨101的曲线之间的平均距离等。
[0035]可(例如)基于胫骨假体部件120和/或胫骨101的三维模型来确定点342到345的位置。举例来说，点342到345可对应于可存储在数据库205中的胫骨101的解剖标志，如上文所讨论。类似地，点342到345可对应于胫骨假体部件120或胫骨101上的最接近股骨102定位的点。
[0036]在一个实施方案中，在某些屈曲位置(例如，接近90°的屈曲位置和接近0°的屈曲位置)处可使用额外点。举例来说，计算机系统200可记录接近90°屈曲位置的点341和接近0°屈曲位置的点346处的额外相对位置数据。如图3所示，点341可朝着胫骨假体部件120的后端定位，而点346可朝着胫骨假体部件120的前端定位。记录这些点处的相对位置可允许计算机系统200确保(例如)股骨假体部件的定向在某些屈曲位置不干扰胫骨假体部件120。本领域技术人员将了解，本文中所提及的各种屈曲位置是(例如)由外科医生在将外翻/内翻力矩施加到膝关节时确定的近似。因而，膝关节100的实际屈曲位置可变化大约若干度。
[0037]—旦收集到相对定位数据，即可将这数据存储在数据库205或别处。相对定位数据可由计算机系统200结合用户输入使用以确定一个或一个以上假体部件(例如，股骨假体部件110)的定位，下文将进行较详细讨论。
[0038]如上文所讨论，计算机系统200还可经配置以从用户(例如，外科医生)接收所要松度值。图4公开可显示于(例如)显示器206A上以允许外科医生键入所要松度值的例式性用户界面400。用户界面400包括三个所要松度值输入栏401、402和403，所述输入栏允许外科医生定义分别处于接近90°屈曲、中间屈曲及接近0°屈曲的所要松度值。举例来说，外科医生可将数值键入到输入栏401、402和403中，和/或可使用在每一各别输入右边的箭头来选择所述值。
[0039]如图4所示，松度值可由用户键入以作为不同屈曲值下的股骨假体部件110与胫骨假体部件120之间的所要分开距离。举例来说，在用户界面400中，用户已选择90°屈曲下的1.5mm所要分开距离、中间屈曲(例如，接近45°屈曲)下的1.5mm所要分开距离和完全伸展(例如，接近0°屈曲)下的Imm所要分开距离。
[0040]在图4中示出了三个输入。然而，在某些实施方案中，计算机系统200可针对每一屈曲位置产生具有输入栏的用户界面，计算机系统200记录每一屈曲位置中的股骨102和胫骨101 (或胫骨假体部件120)的相对位置数据。举例来说，如果外科医生记录四个不同屈曲位置处的股骨102与胫骨101 (或胫骨假体部件120)之间的相对位置，如图3所示，那么外科医生可能够键入四个所要松度值，每一所要松度值对应于所述屈曲位置中德一个。在另一实施方案中，外科医生可限于三个值。在这一实施方案中，如果外科医生记录三个以上屈曲位置处的相对位置，那么可丢弃几乎三组相对位置数据。举例来说，计算机系统200可保持在分别最接近0°、45°和90°屈曲的三个屈曲位置处的相对位置数据的集合，且可丢弃数据的其它集合。替代地，可对来自中间屈曲范围中的一个或一个以上位置(例如，位置322和323)的相对位置数据进行平均、插入或其它组合以形成接近中间屈曲点(例如，处于接近45°屈曲处)的单一相对位置值。
[0041]用户界面400还可包括“确认”按钮405和“取消”按钮406。当外科医生对所述松度值满意时，外科医生可选择“确认”按钮405。否则，外科医生可选择“取消”按钮406。选择“确认”按钮405可将所要松度值发送到计算机系统200，从而使计算机系统200能够基于由用户键入的所要松度值和由系统200记录的股骨102与胫骨101 (或胫骨假体部件120)之间的相对位置数据来确定用于假体部件的建议定向。
[0042]图5是表示符合某些所公开实施方案的处于多个不同屈曲位置521到523的三维股骨假体部件模型510与三维胫骨假体部件模型520的相对定位的图片说明。举例来说，股骨假体部件模型510可为股骨假体部件110的三维模型，且胫骨假体部件模型520可为胫骨假体部件120的三维模型。图5说明计算机系统200如何整合存储在(例如)数据库205中的三维模型、股骨102与胫骨101之间的所记录相对位置数据和所要松度值来确定假体部件的一个或一个以上定向参数值。
[0043]计算机系统200可基于上文关于图3所讨论的在接近0°屈曲下记录的相对位置数据来确定胫骨假体部件模型520在接近0°屈曲位置521处的位置。同样地，计算机系统200可基于分别在接近45°屈曲和接近90°屈曲下记录的相对位置数据来确定处于接近45°屈曲位置522和接近90°屈曲位置523处的胫骨假体部件模型520的位置。
[0044]如上文关于图3所讨论，计算机系统200可在切除和安装胫骨假体部件520之前或之后记录相对位置数据。如果计算机系统200在切除和安装之后记录相对位置数据，那么每一点521到523的所记录位置点531到533可对应于上文关于图3所讨论的沿着胫骨假体部件520记录的所记录相对位置数据。另一方面，如果计算机系统200在切除和安装之前记录相对位置数据，那么计算机系统200可基于在图3中沿着胫骨101记录的所记录相对位置数据、胫骨假体部件120的安装计划(例如，计划的切除深度等)和胫骨假体部件120的已知尺寸(例如，厚度)和形状来计算每一屈曲位置521到523的所记录位置点531到 533。
[0045]可(例如)基于胫骨假体部件120和/或胫骨101的三维模型来确定所记录位置点531到533。举例来说，点531到533可对应于可存储在数据库205中的胫骨101的解剖标志，如上文所讨论。类似地，点531到533可对应于胫骨假体部件120或胫骨101上的最接近股骨102定位的点。在另外其它实施方案中，可基于胫骨假体部件120的几何形状来确定点531到533，例如，可确定所述点位于胫骨部件120的质心，或位于相对胫骨部件120的某一其它位置。
[0046]计算机系统200还可通过将每一屈曲位置521到523的所要松度值加到每一屈曲位置521到523的所记录位置点531到533来确定每一屈曲位置521到523的目标值点541到543。举例来说，外科医生可能已键入用于接近0°屈曲的松度值Cl1，如上文关于图4所讨论。因此，计算机系统200可产生用于接近0°屈曲位置521的目标值点541，其为在基本上垂直于处于接近0°屈曲位置521的胫骨假体部件模型520的表面的方向上的与所记录位置点531的距离屯。同样地，如果外科医生键入分别用于45°屈曲和90°屈曲的所要松度值d2和d3，那么计算机系统200可类似地产生在基本上垂直于处于接近45°屈曲位置522的胫骨假体部件模型520的表面的方向上的与接近45°屈曲位置522的所记录位置点532的目标值点542d2mm，和在基本上垂直于处于接近90°屈曲位置523的胫骨假体部件模型520的表面的方向上的与接近90°屈曲位置523的所记录位置的533的目标值点543d3mm0
[0047]由计算机系统200产生的目标值点541到543可对应于(例如)股骨假体部件模型510的表面上的点的目标位置。因此，计算机系统200可实施一个或一个以上算法以改变股骨假体部件模型510在一个或一个以上方向上和关于一个或一个以上轴线的定向以便达成股骨假体组建模型510的表面与目标值点541到543之间的紧密配合。举例来说，计算机系统200可实施一个或一个以上算法(所述算法之实例将在下文讨论)以比较可由计算机系统200估计的估计分开距离值gl、g2和/或g3与其各自所要分开距离值屯、d2和/或d3，以便减少分开距离误差e1、e2和/或e3。基于这些算法，计算机系统200可确定股骨假体部件模型510相对于股骨之模型且因此股骨假体租金110相对于股骨102的建议位置和定向。
[0048]在另一实施方案中，收集任意数目η个不同屈曲位置。计算估计分开距离值gl、g2……gn以作为三维股骨假体部件模型510和三维胫骨假体部件模型520的表面之间的最小距离。最小分开距离是股骨假体部件与胫骨假体部件之间的物理分开距离的估计。在这个实施方案中，还可键入和/或以其它方式收集η个对应距离值屯、d2……dn，且可如上文所讨论地计算η个距离误差e1、e2……en。
[0049]在某些实施方案中，计算机系统200可控制一个或一个以上定向参数以改变股骨假体部件模型510在矢状平面内的定向。举例来说，图5中的股骨假体部件模型510的位置可对应于由计算机系统200基于(例如)股骨假体部件模型510的边缘点和低点确定的初始定向。计算机系统200可接着通过改变对应于每一方向的定向参数值而使股骨假体部件模型510在基本上在矢状平面内的两个平移方向(在图5中展示为X方向和y方向)上移动，且可使股骨假体部件模型510关于基本上正交于矢状平面的轴线(在图5中展示为Θ )旋转，所述旋转通过改变对应于关于所述轴线的旋转的定向参数值来实现。
[0050]在其它实施方案中，计算机系统200可改变股骨假体部件模型510在矢状平面、冠状平面和横向平面中的一个或一个以上平面内的定向。举例来说，在一个实施方案中，计算机系统200可通过改变用于每一方向的定向参数值而使股骨假体部件模型510在三个基本上垂直的方向(例如，X方向、y方向和z方向)上移动,且通过改变用于关于每一轴线的旋转的定向参数值而使股骨假体部件模型510关于三个基本上垂直的轴线(例如，Θ旋转、φ旋转和旋转)旋转，以便能够在任何可能定向来定向股骨假体部件模型510。
[0051]定向参数值可对应于能够确定假体部件的位置定向的一个或一个以上方面的任何类型的信息或值。举例来说，定向参数值可包括例如二维或三维空间的坐标空间中的点，或沿着所述坐标空间中的轴线的平移值。定向参数值还可包括表示围绕轴线的旋转的旋转值。此外，定向参数值可包括与预定定向的平移和/或旋转差。举例来说，定向参数值可表示假体部件模型的初始定向与在一个或一个以上方向上或关于一个或一个以上轴线旋转的假体部件的估计定向之间的差。然而，以上各者仅为实例，且本领域技术人员将了解，可以许多其它方式来表示定向参数值。
[0052]可由计算机系统200使用的用于确定股骨假体部件模型510的定向的例式性算法包括产生成本函数，其包括作为变量输入的一个或一个以上定向参数值且基于一个或一个以上估计分开距离与一个或一个以上第一所要分开距离各自之间的差来输出成本。
[0053]在一个实施方案中，所述成本函数可定义如下:
η
[0054]^ 二 'y' (wtc\J -f- Cm + Cv 4- % (I)
[0055]其中i表示特定屈曲位置，η表示可收集的屈曲位置的总数,Wi是可对每一屈曲位置应用的加权变量，Ci是用于每一屈曲位置的成本函数，Cx是用于使股骨假体部件模型510在基本上平行于矢状平面的第一平移方向(例如，X方向)上移动的成本函数，Cy是用于使假体部件510在基本上平行于矢状平面的第二平移方向(例如，y方向)上移动的成本函数，且C0是用于使股骨假体部件模型510关于基本上垂直于矢状平面的轴线(例如，Θ旋转)旋转的成本函数。如上文所讨论，可收集任何数目η个屈曲位置。加权变量&可允许用户或系统控制器对每一屈曲位置处的分开距离的相对重要性加权。在某些实施方案中，加权变量^可为预定的。在其它实施方案中，加权变量Wi可由用户(例如，外科医生)来配置。
[0056]方程式⑴的成本函数，Cp cx、Cy和C0可定义如下:
[0057]
C| ~ #1..如裏 I氣| ?ζ t,.C1 = Ate1- ￠,) +如襄(2)
[0058]
嫌滅仏
Cjr-M(IA-Tl-1jr)i 如菜咖|> I3f _
[0059]
【权利要求】
1.一种用于确定假体部件的定向参数值的计算机实施方法，所述方法包括: 接收膝关节的第一屈曲位置处的胫骨假体部件与股骨假体部件之间的第一所要分开距离； 针对所述股骨假体部件的至少一个可能定向，估计所述膝关节的所述第一屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第一估计分开距离； 通过比较所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离来确定所述股骨假体部件的第一定向参数值；以及 经由用户界面输出所述第一定向参数值。
2.如权利要求1所述的计算机实施方法，进一步包括: 接收所述膝关节的第二屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第二所要分开距离； 接收所述膝关节的第三屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第三所要分开距离； 针对所述股骨假体部件的所述至少一个可能定向，估计所述膝关节的所述第二屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第二估计分开距离； 针对所述股骨假体部件的所述至少一个可能定向，估计所述膝关节的所述第三屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第三估计分开距离，其中 确定所述股骨假体部件的所述第一定向参数值进一步包括分别比较第二和第三估计分开距离与所述第二和第三所要分开距离。
3.如权利要求2所述的计算机实施方法，进一步包括: 通过分别比较所述第一、第二和第三估计分开距离与所述第一、第二和第三所要分开距离来确定所述股骨假体部件的第二定向参数值和第三定向参数值。
4.如权利要求3所述的计算机实施方法，其中所述第一定向参数值和所述第二定向参数值各自表示沿着基本上在矢状平面中的轴线的平移，且所述第三定向参数值表示关于基本上垂直于矢状平面的轴线的旋转。
5.如权利要求4所述的计算机实施方法，进一步包括: 通过分别比较所述第一、第二、第三估计分开距离与所述第一、第二、第三所要分开距离来确定第四、第五和第六定向参数值，其中 所述第四定向参数值表示沿着基本上垂直于矢状平面的轴线的平移， 所述第五定向参数值表示关于基本上垂直于冠状平面的轴线的旋转，且 所述第六定向参数值表示关于基本上垂直于横向平面的轴线的旋转。
6.如权利要求2所述的计算机实施方法，进一步包括: 确定第二定向参数值，其中确定所述股骨假体部件的所述第一定向参数值和第二定向参数值进一步包括: 产生成本函数，所述成本函数包括分别作为第一和第二输入的所述第一和第二定向参数值且具有基于所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离之间的差和所述第二估计分开距离与所述第二所要分开距离之间的差两者的成本； 确定所述成本函数的局部最小值；以及 确定所述第一和第二定向参数值为所述成本函数的所述局部最小值下的所述第一和第二输入的值。
7.如权利要求3所述的计算机实施方法，其中确定所述股骨假体部件的所述第一、第二和第三定向参数值进一步包括: 产生成本函数，所述成本函数包括分别作为第一、第二和第三输入的所述第一、第二和第三定向参数值且具有基于所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离之间的差、所述第二估计分开距离与所述第二所要分开距离之间的差和所述第三估计分开距离与所述第三所要分开距离之间的差的成本； 确定所述成本函数的局部最小值；以及 确定所述第一、第二和第三定向参数值为所述成本函数的所述局部最小值下的所述第一、第二和第三输入的值。
8.如权利要求2所述的计算机实施方法，其中确定所述假体部件的所述第一定向参数值进一步包括将所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离、所述第二估计分开距离与所述第二所要分开距离和所述第三估计分开距离与所述第三所要分开距离中之至少一者之间的差减至最小。
9.如权利要求4所述的计算机实施方法，其中确定所述股骨假体部件的所述第一、第二和第三定向参数值进一步包括: 针对多个可能第三定向参数值中的每一者: 确定可能第一定向参数值和可能第二定向参数值以便将所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离之间的差减至最小且以便将所述第三估计分开距离与所述第三所要分开距离之间的差减至最小；且 重新计算所述估计第二分开距离与所述所要第二分开距离之间的差； 针对所述多个可能第三定向参数值中的每一者比较所述估计第二分开距离与所述所要第二分开距离之间的所述计算差，以确定对应于最小计算差的所述可能第三定向参数值；且 如果最小计算差小于阈值差，那么确定所述可能第三定向参数值及其对应于最小计算差的对应可能第一和第二定向参数值为所述第一、第二和第三定向参数值。
10.如权利要求1所述的计算机实施方法，其中所述股骨假体部件为内侧或外侧单隔间股骨植入物中的一者。
11.一种用于确定假体部件的定向参数值的系统，所述系统包括: 输入装置，其经配置以接收膝关节的第一屈曲位置处的胫骨假体部件与股骨假体部件之间的第一所要分开距离； 处理器，其以操作方式耦接到所述输入装置且经配置以: 针对所述股骨假体部件的至少一个可能定向，估计所述膝关节的所述第一屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第一估计分开距离；以及 通过比较所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离来确定所述股骨假体部件的第一定向参数值；以及 显示器，其以操作方式耦接到所述处理器且经配置以输出所述第一定向参数值。
12.如权利要求11所述的系统，其中 所述输入装置经进一步配置以: 接收所述膝关节的第二屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第二所要分开距离；且 接收所述膝关节的第三屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第三所要分开距离；且 所述处理器经进一步配置以: 针对所述股骨假体部件的所述至少一个可能定向，估计所述膝关节的所述第二屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第二估计分开距离；且 针对所述股骨假体部件的所述至少一个可能定向，估计所述膝关节的所述第三屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第三估计分开距离，其中 所述处理器确定所述股骨假体部件的所述第一定向参数值进一步包括分别比较第二和第三估计分开距离与所述第二和第三所要分开距离。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述处理器经进一步配置以: 通过分别比较所述第一、第二和第三估计分开距离与所述第一、第二和第三所要分开距离来确定所述股骨假体部件的第二定向参数值和第三定向参数值。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述第一定向参数值和所述第二定向参数值各自表示沿着基本上在矢状平面中的轴线的平移，且所述第三定向参数值表示关于基本上垂直于矢状平面的轴线的旋转。
15.如权利要求13所述的系统，其中所述处理器经进一步配置以: 产生成本函数，所述成本函数包括分别作为第一、第二和第三输入的所述第一、第二和第三定向参数值且具有基于所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离之间的差、所述第二估计分开距离与所述第二所要分开距离之间的差和所述第三估计分开距离与所述第三所要分开距离之间的差的成本； 确定所述成本函数的局部最小值；且 确定所述第一、第二和第三定向参数值为所述成本函数的所述局部最小值下的所述第一、第二和第三输入的值。
16.如权利要求12所述的系统，其中所述处理器经进一步配置以进一步通过将所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离、所述第二估计分开距离与所述第二所要分开距离和所述第三估计分开距离与所述第三所要分开距离中的至少一者之间的差减至最小来确定所述假体部件的所述第一定向参数。
17.如权利要求14所述的系统，其中所述处理器经进一步配置以: 针对多个可能第三定向参数值中的每一者: 确定可能第一定向参数值和可能第二定向参数值以便将所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离之间的差减至最小且以便将所述第三估计分开距离与所述第三所要分开距离之间的差减至最小；且 计算所述估计第二分开距离与所述所要第二分开距离之间的差； 针对所述多个可能第三定向参数值中的每一者比较所述估计第二分开距离与所述所要第二分开距离之间的所述计算差，以确定对应于最小计算差的所述可能第三定向参数值；且 如果最小计算差小于阈值差，那么确定所述可能第三定向参数值及其对应于最小计算差的对应可能第一和第二定向参数值为所述第一、第二和第三定向参数值。
18.一种用于确定假体部件的定向的计算机实施方法，所述方法包括: 记录膝盖的多个屈曲位置处的胫骨及股骨的相对位置； 经由用户界面来接收多个松度值，所述多个松度值中的每一者对应于针对所述膝盖的所述多个屈曲位置中的一者的胫骨假体部件与股骨假体部件之间的松度偏爱； 基于所述胫骨和所述股骨的所述记录的相对位置和所述接收的松度值来确定所述股骨假体部件的定向；以及 经由显示器输出所述股骨假体部件的所述定向。
19.如权利要求19所述的计算机实施方法，其中确定所述假体部件的所述定向包括: 基于所述胫骨和所述股骨的所述记录的相对位置和所述接收的松度值来确定目标值点；以及 修改所述股骨假体部件的模型的定向以将所述目标点与所述股骨假体部件的所述模型的表面之间的距离减至最小。
20.如权利要求18所述的计算机实施方法，其中所述假体部件的所述定向包括各自沿着基本上在矢状平面中的轴线的两个平移值，和关于基本上垂直于矢状平面的轴线的旋转值。
【文档编号】A61B19/00GK104168851SQ201280068363
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2012年12月19日 优先权日:2011年12月29日
【发明者】M·伊基茨, J·K·奥托, C·C·格朗茨, A·Z·阿巴斯 申请人:玛口外科股份有限公司
【专利摘要】一种计算机实施方法确定假体部件的定向参数值。所述方法包括接收膝关节的第一屈曲位置处的胫骨假体部件与股骨假体部件之间的第一所要分开距离，以及针对所述股骨假体部件的至少一个可能定向，估计所述膝关节的所述第一屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第一估计分开距离。所述方法还包括通过比较所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离来确定所述股骨假体部件的第一定向参数值，以及经由用户界面输出所述第一定向参数值。
【专利说明】用于假体部件定向的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明大体上是有关于假体部件定向系统，且更特定而言，是有关于用于确定将在膝关节置换手术中使用的一个或一个以上假体植入物的定向的系统。
[0002]发明背景
[0003]膝关节包括股骨的远端与胫骨的近端之间的界面。在功能适当的膝关节中，股骨的内侧和外侧骨节沿着附接到胫骨的各别内侧和外侧骨节的半月板平滑地枢转。在例如病性关节炎膝盖的某些膝盖中，软骨可已受损，从而导致股骨与胫骨之间的空间倒塌且引起骨与骨接触。当这一情况发生时，形成关节的自然骨与软骨可能不能适当连接，这一情况可引起关节疼痛和/或妨碍关节的正常使用。
[0004]在一些状况中，需要进行外科手术来校正胫骨与股骨之间的对齐和恢复关节的正常使用。视损害的严重性而定，外科手术可涉及用假体部件部分或完全地替换关节。在这些膝盖替换程序期间，外科医生切除骨和软骨的受损部分，同时试着保持健康组织完整。外科医生接着使健康组织与经设计以复制被切除组织的人造假体部件相配且恢复适当膝关节运作。
[0005]这些假体部件在胫骨和/或股骨上的定向可影响胫骨与股骨之间的对齐，且因此影响关节连接的方式。不当定向的假体部件可能不能恢复适当膝关节运作和/或可造成过早的部件故障或劣化，以及其它问题。因此，这些部件的适当定向至关重要，且外科医生在将假体部件装配到关节之前可将大量时间和精力用在确定假体部件的适当定向上。然而，即使具有外科医生的经验，人工地进行这一确定不能产生假体部件的最佳或甚至可接受的定位或定向。
发明概要
[0006]根据一个方面，本发明针对一种用于确定假体部件的定向参数值的计算机实施方法。所述方法可包括接收膝关节的第一屈曲位置处的胫骨假体部件与股骨假体部件之间的第一所要分开距离，以及针对所述股骨假体部件的至少一个可能定向，估计所述膝关节的所述第一屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第一估计分开距离。所述方法还可包括通过比较所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离来确定所述股骨假体部件的第一定向参数值，以及经由用户界面输出所述第一定向参数值。
[0007]根据另一方面，本发明针对一种用于确定假体部件的定向参数值的系统。所述系统可包括输入装置，所述输入装置经配置以接收膝关节的第一屈曲位置处的胫骨假体部件与股骨假体部件之间的第一所要分开距离。所述系统还可包括处理器，所述处理器以操作方式耦接到所述输入装置。所述处理器可经配置以针对所述股骨假体部件的至少一个可能定向，估计所述膝关节的所述第一屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第一估计分开距离，且通过比较所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离来确定所述股骨假体部件的第一定向参数值。所述系统还可包括显示器，所述显示器以操作方式耦接到所述处理器且经配置以输出所述第一定向参数值。
[0008]根据另一方面，本发明针对用于确定假体部件的定向的另一计算机实施方法。所述方法可包括记录膝盖的多个屈曲位置处的胫骨及股骨的相对位置，以及经由用户界面来接收多个松度值，所述多个松度值中的每一者对应于针对所述膝盖的所述多个屈曲位置中的一者的胫骨与股骨之间的松度偏爱。所述方法还可包括基于所述胫骨和所述股骨的所述记录的相对位置和所述接收的松度值来确定用于所述膝盖的假体部件的定向；以及经由显示器来输出所述假体部件的所述定向。
[0009]所公开实施方案的另外目标和优点将部分地在随后描述中陈述，且将部分地自所述描述显而易见，或可通过实践所公开实施方案来学习。所公开实施方案的目标和优点将借助于附加的权利要求中所特定指出的元件和组合来实现和达成。将理解，如所说明的，先前一般描述和以下详细描述两者仅为例式性和解释性的，而非所公开实施方案的限制。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]并入本说明书中且构成本说明书的部分的【专利附图】
【附图说明】若干实施方案，所述实施方案与描述一起用来解释本发明的原理和特征。
[0011]图1说明符合所公开实施方案的装配有假体部件的手术后假体膝关节的透视图；
[0012]图2是符合所公开实施方案的经编程以确定假体部件定向的计算机系统的示意图；
[0013]图3说明符合所公开实施方案的处于多个不同屈曲位置处的膝关节的侧视图；
[0014]图4说明符合所公开实施方案的例示性用户界面；
[0015]图5是表示符合某些所公开实施方案的处于多个不同屈曲位置的三维股骨假体部件模型与三维胫骨假体部件模型的相对定位的图片说明；
[0016]图6是说明符合所公开实施方案的用于确定假体部件定向的例示性过程的流程图；且
[0017]图7是说明符合所公开实施方案的用于确定假体部件定向的另一例示性过程的流程图。
【具体实施方式】
[0018]现将详细参考本发明的例示性实施方案，所述例示性实施方案的实例将在随附图式中说明。
[0019]图1说明符合所公开实施方案的装配有假体部件110和120的手术后假体膝关节100的透视图。膝关节100包括胫骨101和股骨102。股骨102可包括由骨节间凹口 105分开的外侧骨节103和内侧骨节104。胫骨101可同样地包括外侧骨节106和内侧骨节107。在例如单踝置换术(unicompartmental arthroplasty)的膝盖外科手术期间,假体部件可装配到外侧骨节103、内侧骨节104、外侧骨节106和内侧骨节107中的一个或一个以上。举例来说，图1说明装配到股骨102的内侧骨节104的股骨假体部件110和装配到胫骨101的内侧骨节107的胫骨假体部件120。
[0020]类似假体部件也可装配到外侧骨节103和/或外侧骨节106。此外，仅为了方便起见，下面的例式性实施方案参考内侧骨节上的假体部件，且本领域技术人员将了解，所公开实施方案也适用于外侧骨节上的假体部件。
[0021]股骨假体部件110和/或胫骨假体部件120的定向可影响胫骨101与股骨102之间的对齐且影响膝关节100连接的方式。因此，外科医生通常确定股骨假体部件110和/或胫骨假体部件120的适当定向。所公开实施方案提供系统和方法以将一个或一个以上假体部件的定向(例如，股骨假体部件110或胫骨假体部件120的定向)输出给外科医生。在某些实施方案中，所公开系统和方法可接收来自外科医生的输入(例如，膝关节100的所要松度或紧度)，且可基于来自外科医生的这个输入来确定定向。系统可使用将在下文较详细描述的一个或一个以上最佳化和/或最小化算法来确定定向。
[0022]图2是符合所公开实施方案的可用以确定假体部件定向的例式性计算机系统200的示意图。计算机系统200通常可操作以接收对应于膝关节的所要松度的用户输入210和对应于胫骨101和股骨102的相对位置的骨位置数据220。计算机系统200还可操作以基于用户输入210和/或骨位置数据220而经由显示器206A或其它输入/输出(I/O)装置206输出假体部件定向。在一些实施方案中，计算机系统200可包括于计算机辅助外科手术系统中，所述计算机辅助外科手术系统例如MAKO Surgical Corp.(FortLauderdale, Florida)制造的R1K机器人臂交互式整形外科系统，描述于(例如)2006年2月21日提交的美国专利申请案第11/357，197号(美国专利申请案公开第2006/0142657号)中，所述申请案以引用的方式整体并入本文中。
[0023]如图2所示，计算机系统200可包括处理器201、随机存取存储器(RAM)模块202、只读存储器(ROM)模块203、存储装置204、数据库205、I/O装置206、显示器206A和网络接口 207。处理器201可包括经配置以执行指令和过程数据以执行与计算机系统200有联系的一个或一个以上功能的一个或一个以上微处理器。存储装置204可包括易失性或非易失性、磁性、半导体、带、光学、移动式、非移动式或其它类型的存储装置或计算机可读媒体。RAM模块202可包括从ROM模块203、存储装置204或别处载入的一个或一个以上程序或子程序，所述程序或子程序在由处理器201执行时执行符合所公开实施方案的各种程序、操作或过程。举例来说，RAM模块202可包括使处理器201能够进行以下操作的一个或一个以上程序:基于位置数据220的膝关节100的多个屈曲位置处的胫骨101和股骨102的相对位置；接收作为用户输入210的松度值；基于记录的相对位置和松度值来确定膝关节100的假体部件的定向；以及经由显示器206A输出定向信息。
[0024]I/O装置206可包括能够接收来自用户的输入且将输出发送到用户的任何装置。举例来说，I/O装置206可包括具有一体式键盘和鼠标的控制台，其允许用户(例如，外科医生)输入例如所要松度值的参数或任何其它参数。I/O装置206还可包括可显示用于输出和接收信息的图形用户界面(GUI)的显示器206A。I/O装置206还可包括周边装置，例如打印机、用户可存取磁盘机(例如，USB接口、软碟机、⑶-ROM或DVD-ROM碟机等)、麦克风、扬声器系统或任何其它合适类型的界面装置。举例来说，1/0装置206可包括电子界面，其允许用户将例如计算机断层扫描(CT)数据的患者数据输入到计算机系统200中以便在软件中产生患者的解剖结构的三维模型，如下文将讨论。
[0025]数据库205可包括于RAM模块202、ROM模块203、存储装置204中或别处。在某些实施方案中，数据库205可与计算机系统200分开地定位且可经由网络(例如，由网络接口 207)来存取。数据库205可存储表示患者的解剖结构的各种部分的一个或一个以上三维模型，例如患者的胫骨、股骨、膝关节等的全部或部分的模型。这些模型可(例如)根据使用计算机测绘(CT)、磁共振成像(MRI)、正电子发射断层成像(PET)、协调透视的任何组合获取的数据和在外科手术之前和/或期间获取的血管造影术数据建立。存储在数据库205中的三维模型还可包括关于所述模型的表面的一个或一个以上点。所述点可由用户来选择或可由计算机系统200或另一计算机系统自动地产生，且可识别三维模型上的解剖标志，例如，胫骨骨节的中心、股骨上的滑车凹槽点或任何其它标志点。
[0026]在某些实施方案中，模型可为患者的解剖结构的直接表示。举例而言，在一个实施方案中，三维模型可根据沿着患者的股骨102、膝关节100和胫骨101以截面截取的一系列手术前CT扫描来建构。在其它实施方案中，关于患者的解剖结构的特征的数据点可使用上述技术中的一个或一个以上技术或任何其它技术来确定，且所述数据点可匹配于在可存储在数据库205或别处的三维模型的程式库中的一个或一个以上现存三维模型。
[0027]数据库205还可存储对应于一个或一个以上假体部件的一个或一个以上三维模型。举例来说，数据库205可包括不同胫骨假体部件120和/或股骨假体部件110的三维模型。可基于每一植入物的制造商、型号和大小来存储单独模型。可使用计算机辅助设计(CAD)技术或任何其它技术基于每一假体部件的技术规格来产生模型。计算机系统200在确定一个或一个以上假体部件的定向时可使用存储在数据库205中的患者的解剖结构和假体部件的三维模型。
[0028]将在下文关于图2到图5讨论系统200的例示性特征。仅为了方便起见，以下公开内容讨论使用系统200来确定股骨假体部件110的定向。本领域技术人员将了解，本文中所描述的方法和系统还可用以确定胫骨假体部件120的定向，且不限于确定股骨假体部件110的定向。
[0029]在外科手术之前，计算机系统200可使用存储在数据库205中的患者的解剖结构和假体部件的三维模型来在确定一个或一个以上假体部件的初始定向。举例来说，在外科手术之前，计算机系统200可分析识别三维模型的解剖标志的大小、形状和点以确定股骨假体部件HO和/或胫骨假体部件120的初始定向。在某些实施方案中，外科医生可确定股骨假体部件110的初始定向，且可(例如)经由I/O装置206中的一个将初始定向信息发送到计算机系统200。在其它实施方案中，计算机系统200可在没有来自用户的输入的情况下确定股骨假体部件110的初始定向。
[0030]在外科手术期间，用户可与计算机系统200互动以记录处于膝关节100的不同屈曲位置处的股骨102和胫骨101的相对位置。举例来说，外科医生可在使膝关节100移动通过一系列屈曲位置时将外翻/内翻力矩(亦即，侧向力和弯曲力)施加到所述关节。夕卜翻/内翻力矩可试着将股骨102和胫骨101对齐到其正确相对位置，因为所述股骨和胫骨可能在无病的非关节炎膝盖中。计算机系统200可使用(例如)协调透视成像或任何其它方法来记录处于不同屈曲位置的股骨102和胫骨101的相对位置。与这些相对位置有关的数据可存储在数据库205中或计算机系统200内的别处。
[0031]在一些实施方案中，可在外科医生切除骨并安装假体装置之前记录股骨102和胫骨101的相对位置。然而，在其它实施方案中，可在切除骨中的一者并植入假体部件之后记录所述相对位置。在这些实施方案中，计算机系统200可记录未切除骨和所植入假体部件的相对位置。举例来说，如果计算机系统200正被用以确定股骨假体部件的定向，那么外科医生可在测量股骨和胫骨假体部件的相对位置之前切除胫骨上的受损区域并植入胫骨假体部件。
[0032]图3说明符合所公开实施方案的处于多个不同屈曲位置(可由外科医生在记录股骨102和胫骨101的相对位置时加以控制)处的膝关节100的侧视图。如上文所讨论，夕卜科医生可操纵患者的腿以使胫骨101处于例如相对于股骨102的位置321、322、323和324的多个不同屈曲位置中。举例来说，位置321说明近似90°屈曲，位置322说明近似60°屈曲，位置323说明近似30°屈曲，且位置324说明近似0°屈曲或完全伸展，尽管可使用患者的运动范围中的任何其它位置和数个位置。
[0033]计算机系统200可记录处于每一位置321到324中的股骨102和胫骨101 (或胫骨假体部件120)的相对位置。在图3中，胫骨假体部件120已经安装。因此，在图3的实施方案中，计算机系统200可记录股骨102和胫骨假体部件120的相对位置。然而，如上文所讨论，可在切除和植入胫骨假体部件120和/或股骨假体部件110之前测量股骨102和胫骨101的相对位置。
[0034]计算机系统200可通过针对每一屈曲位置测量股骨假体部件120上的预定点(例如，点342到345中的一个)与股骨102上的对应点之间的距离来记录股骨102和胫骨101的相对位置。在一个实施方案中，股骨102上的对应点可为在特定屈曲位置处测量的股骨102的表面上的最接近点342到345中的一个的点。此外，可使用其它方法来确定处于每一位置321到324中的股骨102和胫骨101 (或胫骨假体部件120)的相对位置，例如，使用多个点之间的距离、相互最接近的股骨102上的点与胫骨101上的点之间的距离、表示股骨102和胫骨101的曲线之间的平均距离等。
[0035]可(例如)基于胫骨假体部件120和/或胫骨101的三维模型来确定点342到345的位置。举例来说，点342到345可对应于可存储在数据库205中的胫骨101的解剖标志，如上文所讨论。类似地，点342到345可对应于胫骨假体部件120或胫骨101上的最接近股骨102定位的点。
[0036]在一个实施方案中，在某些屈曲位置(例如，接近90°的屈曲位置和接近0°的屈曲位置)处可使用额外点。举例来说，计算机系统200可记录接近90°屈曲位置的点341和接近0°屈曲位置的点346处的额外相对位置数据。如图3所示，点341可朝着胫骨假体部件120的后端定位，而点346可朝着胫骨假体部件120的前端定位。记录这些点处的相对位置可允许计算机系统200确保(例如)股骨假体部件的定向在某些屈曲位置不干扰胫骨假体部件120。本领域技术人员将了解，本文中所提及的各种屈曲位置是(例如)由外科医生在将外翻/内翻力矩施加到膝关节时确定的近似。因而，膝关节100的实际屈曲位置可变化大约若干度。
[0037]—旦收集到相对定位数据，即可将这数据存储在数据库205或别处。相对定位数据可由计算机系统200结合用户输入使用以确定一个或一个以上假体部件(例如，股骨假体部件110)的定位，下文将进行较详细讨论。
[0038]如上文所讨论，计算机系统200还可经配置以从用户(例如，外科医生)接收所要松度值。图4公开可显示于(例如)显示器206A上以允许外科医生键入所要松度值的例式性用户界面400。用户界面400包括三个所要松度值输入栏401、402和403，所述输入栏允许外科医生定义分别处于接近90°屈曲、中间屈曲及接近0°屈曲的所要松度值。举例来说，外科医生可将数值键入到输入栏401、402和403中，和/或可使用在每一各别输入右边的箭头来选择所述值。
[0039]如图4所示，松度值可由用户键入以作为不同屈曲值下的股骨假体部件110与胫骨假体部件120之间的所要分开距离。举例来说，在用户界面400中，用户已选择90°屈曲下的1.5mm所要分开距离、中间屈曲(例如，接近45°屈曲)下的1.5mm所要分开距离和完全伸展(例如，接近0°屈曲)下的Imm所要分开距离。
[0040]在图4中示出了三个输入。然而，在某些实施方案中，计算机系统200可针对每一屈曲位置产生具有输入栏的用户界面，计算机系统200记录每一屈曲位置中的股骨102和胫骨101 (或胫骨假体部件120)的相对位置数据。举例来说，如果外科医生记录四个不同屈曲位置处的股骨102与胫骨101 (或胫骨假体部件120)之间的相对位置，如图3所示，那么外科医生可能够键入四个所要松度值，每一所要松度值对应于所述屈曲位置中德一个。在另一实施方案中，外科医生可限于三个值。在这一实施方案中，如果外科医生记录三个以上屈曲位置处的相对位置，那么可丢弃几乎三组相对位置数据。举例来说，计算机系统200可保持在分别最接近0°、45°和90°屈曲的三个屈曲位置处的相对位置数据的集合，且可丢弃数据的其它集合。替代地，可对来自中间屈曲范围中的一个或一个以上位置(例如，位置322和323)的相对位置数据进行平均、插入或其它组合以形成接近中间屈曲点(例如，处于接近45°屈曲处)的单一相对位置值。
[0041]用户界面400还可包括“确认”按钮405和“取消”按钮406。当外科医生对所述松度值满意时，外科医生可选择“确认”按钮405。否则，外科医生可选择“取消”按钮406。选择“确认”按钮405可将所要松度值发送到计算机系统200，从而使计算机系统200能够基于由用户键入的所要松度值和由系统200记录的股骨102与胫骨101 (或胫骨假体部件120)之间的相对位置数据来确定用于假体部件的建议定向。
[0042]图5是表示符合某些所公开实施方案的处于多个不同屈曲位置521到523的三维股骨假体部件模型510与三维胫骨假体部件模型520的相对定位的图片说明。举例来说，股骨假体部件模型510可为股骨假体部件110的三维模型，且胫骨假体部件模型520可为胫骨假体部件120的三维模型。图5说明计算机系统200如何整合存储在(例如)数据库205中的三维模型、股骨102与胫骨101之间的所记录相对位置数据和所要松度值来确定假体部件的一个或一个以上定向参数值。
[0043]计算机系统200可基于上文关于图3所讨论的在接近0°屈曲下记录的相对位置数据来确定胫骨假体部件模型520在接近0°屈曲位置521处的位置。同样地，计算机系统200可基于分别在接近45°屈曲和接近90°屈曲下记录的相对位置数据来确定处于接近45°屈曲位置522和接近90°屈曲位置523处的胫骨假体部件模型520的位置。
[0044]如上文关于图3所讨论，计算机系统200可在切除和安装胫骨假体部件520之前或之后记录相对位置数据。如果计算机系统200在切除和安装之后记录相对位置数据，那么每一点521到523的所记录位置点531到533可对应于上文关于图3所讨论的沿着胫骨假体部件520记录的所记录相对位置数据。另一方面，如果计算机系统200在切除和安装之前记录相对位置数据，那么计算机系统200可基于在图3中沿着胫骨101记录的所记录相对位置数据、胫骨假体部件120的安装计划(例如，计划的切除深度等)和胫骨假体部件120的已知尺寸(例如，厚度)和形状来计算每一屈曲位置521到523的所记录位置点531到 533。
[0045]可(例如)基于胫骨假体部件120和/或胫骨101的三维模型来确定所记录位置点531到533。举例来说，点531到533可对应于可存储在数据库205中的胫骨101的解剖标志，如上文所讨论。类似地，点531到533可对应于胫骨假体部件120或胫骨101上的最接近股骨102定位的点。在另外其它实施方案中，可基于胫骨假体部件120的几何形状来确定点531到533，例如，可确定所述点位于胫骨部件120的质心，或位于相对胫骨部件120的某一其它位置。
[0046]计算机系统200还可通过将每一屈曲位置521到523的所要松度值加到每一屈曲位置521到523的所记录位置点531到533来确定每一屈曲位置521到523的目标值点541到543。举例来说，外科医生可能已键入用于接近0°屈曲的松度值Cl1，如上文关于图4所讨论。因此，计算机系统200可产生用于接近0°屈曲位置521的目标值点541，其为在基本上垂直于处于接近0°屈曲位置521的胫骨假体部件模型520的表面的方向上的与所记录位置点531的距离屯。同样地，如果外科医生键入分别用于45°屈曲和90°屈曲的所要松度值d2和d3，那么计算机系统200可类似地产生在基本上垂直于处于接近45°屈曲位置522的胫骨假体部件模型520的表面的方向上的与接近45°屈曲位置522的所记录位置点532的目标值点542d2mm，和在基本上垂直于处于接近90°屈曲位置523的胫骨假体部件模型520的表面的方向上的与接近90°屈曲位置523的所记录位置的533的目标值点543d3mm0
[0047]由计算机系统200产生的目标值点541到543可对应于(例如)股骨假体部件模型510的表面上的点的目标位置。因此，计算机系统200可实施一个或一个以上算法以改变股骨假体部件模型510在一个或一个以上方向上和关于一个或一个以上轴线的定向以便达成股骨假体组建模型510的表面与目标值点541到543之间的紧密配合。举例来说，计算机系统200可实施一个或一个以上算法(所述算法之实例将在下文讨论)以比较可由计算机系统200估计的估计分开距离值gl、g2和/或g3与其各自所要分开距离值屯、d2和/或d3，以便减少分开距离误差e1、e2和/或e3。基于这些算法，计算机系统200可确定股骨假体部件模型510相对于股骨之模型且因此股骨假体租金110相对于股骨102的建议位置和定向。
[0048]在另一实施方案中，收集任意数目η个不同屈曲位置。计算估计分开距离值gl、g2……gn以作为三维股骨假体部件模型510和三维胫骨假体部件模型520的表面之间的最小距离。最小分开距离是股骨假体部件与胫骨假体部件之间的物理分开距离的估计。在这个实施方案中，还可键入和/或以其它方式收集η个对应距离值屯、d2……dn，且可如上文所讨论地计算η个距离误差e1、e2……en。
[0049]在某些实施方案中，计算机系统200可控制一个或一个以上定向参数以改变股骨假体部件模型510在矢状平面内的定向。举例来说，图5中的股骨假体部件模型510的位置可对应于由计算机系统200基于(例如)股骨假体部件模型510的边缘点和低点确定的初始定向。计算机系统200可接着通过改变对应于每一方向的定向参数值而使股骨假体部件模型510在基本上在矢状平面内的两个平移方向(在图5中展示为X方向和y方向)上移动，且可使股骨假体部件模型510关于基本上正交于矢状平面的轴线(在图5中展示为Θ )旋转，所述旋转通过改变对应于关于所述轴线的旋转的定向参数值来实现。
[0050]在其它实施方案中，计算机系统200可改变股骨假体部件模型510在矢状平面、冠状平面和横向平面中的一个或一个以上平面内的定向。举例来说，在一个实施方案中，计算机系统200可通过改变用于每一方向的定向参数值而使股骨假体部件模型510在三个基本上垂直的方向(例如，X方向、y方向和z方向)上移动,且通过改变用于关于每一轴线的旋转的定向参数值而使股骨假体部件模型510关于三个基本上垂直的轴线(例如，Θ旋转、φ旋转和旋转)旋转，以便能够在任何可能定向来定向股骨假体部件模型510。
[0051]定向参数值可对应于能够确定假体部件的位置定向的一个或一个以上方面的任何类型的信息或值。举例来说，定向参数值可包括例如二维或三维空间的坐标空间中的点，或沿着所述坐标空间中的轴线的平移值。定向参数值还可包括表示围绕轴线的旋转的旋转值。此外，定向参数值可包括与预定定向的平移和/或旋转差。举例来说，定向参数值可表示假体部件模型的初始定向与在一个或一个以上方向上或关于一个或一个以上轴线旋转的假体部件的估计定向之间的差。然而，以上各者仅为实例，且本领域技术人员将了解，可以许多其它方式来表示定向参数值。
[0052]可由计算机系统200使用的用于确定股骨假体部件模型510的定向的例式性算法包括产生成本函数，其包括作为变量输入的一个或一个以上定向参数值且基于一个或一个以上估计分开距离与一个或一个以上第一所要分开距离各自之间的差来输出成本。
[0053]在一个实施方案中，所述成本函数可定义如下:
η
[0054]^ 二 'y' (wtc\J -f- Cm + Cv 4- % (I)
[0055]其中i表示特定屈曲位置，η表示可收集的屈曲位置的总数,Wi是可对每一屈曲位置应用的加权变量，Ci是用于每一屈曲位置的成本函数，Cx是用于使股骨假体部件模型510在基本上平行于矢状平面的第一平移方向(例如，X方向)上移动的成本函数，Cy是用于使假体部件510在基本上平行于矢状平面的第二平移方向(例如，y方向)上移动的成本函数，且C0是用于使股骨假体部件模型510关于基本上垂直于矢状平面的轴线(例如，Θ旋转)旋转的成本函数。如上文所讨论，可收集任何数目η个屈曲位置。加权变量&可允许用户或系统控制器对每一屈曲位置处的分开距离的相对重要性加权。在某些实施方案中，加权变量^可为预定的。在其它实施方案中，加权变量Wi可由用户(例如，外科医生)来配置。
[0056]方程式⑴的成本函数，Cp cx、Cy和C0可定义如下:
[0057]
C| ~ #1..如裏 I氣| ?ζ t,.C1 = Ate1- ￠,) +如襄(2)
[0058]
嫌滅仏
Cjr-M(IA-Tl-1jr)i 如菜咖|> I3f _
[0059]
【权利要求】
1.一种用于确定假体部件的定向参数值的计算机实施方法，所述方法包括: 接收膝关节的第一屈曲位置处的胫骨假体部件与股骨假体部件之间的第一所要分开距离； 针对所述股骨假体部件的至少一个可能定向，估计所述膝关节的所述第一屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第一估计分开距离； 通过比较所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离来确定所述股骨假体部件的第一定向参数值；以及 经由用户界面输出所述第一定向参数值。
2.如权利要求1所述的计算机实施方法，进一步包括: 接收所述膝关节的第二屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第二所要分开距离； 接收所述膝关节的第三屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第三所要分开距离； 针对所述股骨假体部件的所述至少一个可能定向，估计所述膝关节的所述第二屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第二估计分开距离； 针对所述股骨假体部件的所述至少一个可能定向，估计所述膝关节的所述第三屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第三估计分开距离，其中 确定所述股骨假体部件的所述第一定向参数值进一步包括分别比较第二和第三估计分开距离与所述第二和第三所要分开距离。
3.如权利要求2所述的计算机实施方法，进一步包括: 通过分别比较所述第一、第二和第三估计分开距离与所述第一、第二和第三所要分开距离来确定所述股骨假体部件的第二定向参数值和第三定向参数值。
4.如权利要求3所述的计算机实施方法，其中所述第一定向参数值和所述第二定向参数值各自表示沿着基本上在矢状平面中的轴线的平移，且所述第三定向参数值表示关于基本上垂直于矢状平面的轴线的旋转。
5.如权利要求4所述的计算机实施方法，进一步包括: 通过分别比较所述第一、第二、第三估计分开距离与所述第一、第二、第三所要分开距离来确定第四、第五和第六定向参数值，其中 所述第四定向参数值表示沿着基本上垂直于矢状平面的轴线的平移， 所述第五定向参数值表示关于基本上垂直于冠状平面的轴线的旋转，且 所述第六定向参数值表示关于基本上垂直于横向平面的轴线的旋转。
6.如权利要求2所述的计算机实施方法，进一步包括: 确定第二定向参数值，其中确定所述股骨假体部件的所述第一定向参数值和第二定向参数值进一步包括: 产生成本函数，所述成本函数包括分别作为第一和第二输入的所述第一和第二定向参数值且具有基于所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离之间的差和所述第二估计分开距离与所述第二所要分开距离之间的差两者的成本； 确定所述成本函数的局部最小值；以及 确定所述第一和第二定向参数值为所述成本函数的所述局部最小值下的所述第一和第二输入的值。
7.如权利要求3所述的计算机实施方法，其中确定所述股骨假体部件的所述第一、第二和第三定向参数值进一步包括: 产生成本函数，所述成本函数包括分别作为第一、第二和第三输入的所述第一、第二和第三定向参数值且具有基于所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离之间的差、所述第二估计分开距离与所述第二所要分开距离之间的差和所述第三估计分开距离与所述第三所要分开距离之间的差的成本； 确定所述成本函数的局部最小值；以及 确定所述第一、第二和第三定向参数值为所述成本函数的所述局部最小值下的所述第一、第二和第三输入的值。
8.如权利要求2所述的计算机实施方法，其中确定所述假体部件的所述第一定向参数值进一步包括将所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离、所述第二估计分开距离与所述第二所要分开距离和所述第三估计分开距离与所述第三所要分开距离中之至少一者之间的差减至最小。
9.如权利要求4所述的计算机实施方法，其中确定所述股骨假体部件的所述第一、第二和第三定向参数值进一步包括: 针对多个可能第三定向参数值中的每一者: 确定可能第一定向参数值和可能第二定向参数值以便将所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离之间的差减至最小且以便将所述第三估计分开距离与所述第三所要分开距离之间的差减至最小；且 重新计算所述估计第二分开距离与所述所要第二分开距离之间的差； 针对所述多个可能第三定向参数值中的每一者比较所述估计第二分开距离与所述所要第二分开距离之间的所述计算差，以确定对应于最小计算差的所述可能第三定向参数值；且 如果最小计算差小于阈值差，那么确定所述可能第三定向参数值及其对应于最小计算差的对应可能第一和第二定向参数值为所述第一、第二和第三定向参数值。
10.如权利要求1所述的计算机实施方法，其中所述股骨假体部件为内侧或外侧单隔间股骨植入物中的一者。
11.一种用于确定假体部件的定向参数值的系统，所述系统包括: 输入装置，其经配置以接收膝关节的第一屈曲位置处的胫骨假体部件与股骨假体部件之间的第一所要分开距离； 处理器，其以操作方式耦接到所述输入装置且经配置以: 针对所述股骨假体部件的至少一个可能定向，估计所述膝关节的所述第一屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第一估计分开距离；以及 通过比较所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离来确定所述股骨假体部件的第一定向参数值；以及 显示器，其以操作方式耦接到所述处理器且经配置以输出所述第一定向参数值。
12.如权利要求11所述的系统，其中 所述输入装置经进一步配置以: 接收所述膝关节的第二屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第二所要分开距离；且 接收所述膝关节的第三屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第三所要分开距离；且 所述处理器经进一步配置以: 针对所述股骨假体部件的所述至少一个可能定向，估计所述膝关节的所述第二屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第二估计分开距离；且 针对所述股骨假体部件的所述至少一个可能定向，估计所述膝关节的所述第三屈曲位置处的所述胫骨假体部件与所述股骨假体部件之间的第三估计分开距离，其中 所述处理器确定所述股骨假体部件的所述第一定向参数值进一步包括分别比较第二和第三估计分开距离与所述第二和第三所要分开距离。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述处理器经进一步配置以: 通过分别比较所述第一、第二和第三估计分开距离与所述第一、第二和第三所要分开距离来确定所述股骨假体部件的第二定向参数值和第三定向参数值。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述第一定向参数值和所述第二定向参数值各自表示沿着基本上在矢状平面中的轴线的平移，且所述第三定向参数值表示关于基本上垂直于矢状平面的轴线的旋转。
15.如权利要求13所述的系统，其中所述处理器经进一步配置以: 产生成本函数，所述成本函数包括分别作为第一、第二和第三输入的所述第一、第二和第三定向参数值且具有基于所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离之间的差、所述第二估计分开距离与所述第二所要分开距离之间的差和所述第三估计分开距离与所述第三所要分开距离之间的差的成本； 确定所述成本函数的局部最小值；且 确定所述第一、第二和第三定向参数值为所述成本函数的所述局部最小值下的所述第一、第二和第三输入的值。
16.如权利要求12所述的系统，其中所述处理器经进一步配置以进一步通过将所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离、所述第二估计分开距离与所述第二所要分开距离和所述第三估计分开距离与所述第三所要分开距离中的至少一者之间的差减至最小来确定所述假体部件的所述第一定向参数。
17.如权利要求14所述的系统，其中所述处理器经进一步配置以: 针对多个可能第三定向参数值中的每一者: 确定可能第一定向参数值和可能第二定向参数值以便将所述第一估计分开距离与所述第一所要分开距离之间的差减至最小且以便将所述第三估计分开距离与所述第三所要分开距离之间的差减至最小；且 计算所述估计第二分开距离与所述所要第二分开距离之间的差； 针对所述多个可能第三定向参数值中的每一者比较所述估计第二分开距离与所述所要第二分开距离之间的所述计算差，以确定对应于最小计算差的所述可能第三定向参数值；且 如果最小计算差小于阈值差，那么确定所述可能第三定向参数值及其对应于最小计算差的对应可能第一和第二定向参数值为所述第一、第二和第三定向参数值。
18.一种用于确定假体部件的定向的计算机实施方法，所述方法包括: 记录膝盖的多个屈曲位置处的胫骨及股骨的相对位置； 经由用户界面来接收多个松度值，所述多个松度值中的每一者对应于针对所述膝盖的所述多个屈曲位置中的一者的胫骨假体部件与股骨假体部件之间的松度偏爱； 基于所述胫骨和所述股骨的所述记录的相对位置和所述接收的松度值来确定所述股骨假体部件的定向；以及 经由显示器输出所述股骨假体部件的所述定向。
19.如权利要求19所述的计算机实施方法，其中确定所述假体部件的所述定向包括: 基于所述胫骨和所述股骨的所述记录的相对位置和所述接收的松度值来确定目标值点；以及 修改所述股骨假体部件的模型的定向以将所述目标点与所述股骨假体部件的所述模型的表面之间的距离减至最小。
20.如权利要求18所述的计算机实施方法，其中所述假体部件的所述定向包括各自沿着基本上在矢状平面中的轴线的两个平移值，和关于基本上垂直于矢状平面的轴线的旋转值。
【文档编号】A61B19/00GK104168851SQ201280068363
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2012年12月19日 优先权日:2011年12月29日
【发明者】M·伊基茨, J·K·奥托, C·C·格朗茨, A·Z·阿巴斯 申请人:玛口外科股份有限公司
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