患者特定的手术方法和系统与流程
优先权声明
本申请要求享有2018年8月17日提交的名称为“patient-specificsurgicalmethodandsystem(患者特定的手术方法和系统)”的美国临时申请第62/719,415号的优先权的权益，该临时申请通过引用整体并入本文。
本公开大体上涉及与计算机辅助手术系统有关的方法、系统和设备，所述计算机辅助手术系统包括各种硬件和软件部件，所述硬件和软件部件一起工作以增强手术工作流程。所公开的技术可以应用于例如肩关节、髋关节和膝关节成形术，以及其它手术干预，例如关节镜程序、脊柱程序、颌面程序、肩袖程序、韧带修复和置换程序。更具体地，本公开大体上涉及开发个性化手术计划以由机器人辅助手术系统来实施。
背景技术：
在1999年至2008年之间，美国每年进行的全膝关节成形术(tka)的数量翻了一倍。按照目前的轨迹，预计到2030年，美国进行的tka总数将增加到约350万。尽管在手术规划和植入物设计方面取得了进展，但约20-30％的患者仍然对其膝关节置换手术不满意。
膝关节置换程序(例如tka)的最终目标是通过匹配植入物部件的大小和取向以最佳匹配和复制患者的原始解剖结构来恢复膝关节功能并减轻疼痛，即使患者的组织退化且膝关节功能不理想。然而，膝盖是一种在运动期间屈曲、伸展、旋转和平移的复杂关节，因此使得难以对运动和运动的再现进行表征。
使用计算机、机器人和成像来辅助骨科手术(例如tka)在本领域中是已知的，并且已经改善了患者的手术结果。对用来引导手术程序的计算机辅助导航和机器人系统来说，已经有大量研究和开发。例如，手术导航系统可以帮助外科医生以高准确度定位患者解剖结构、引导手术器械和植入医疗装置。手术导航系统通常采用各种形式的计算技术来执行各种标准和微创手术程序和技术。此外，这些系统允许外科医生相对于患者的身体更准确地规划、跟踪和导航器械和植入物的放置，以及进行术前和术中身体成像。然而，诸如膝盖的复杂系统的生物力学难以通过术中观察来准确且完全地表征，在术中观察植入物位置和取向在一定程度上是未知的。
技术实现要素：
本发明提供了一种确定用于手术程序的植入物的患者特定的植入物参数的方法。所述方法包括：由手术系统接收一个或多个初始传递函数；由所述手术系统接收患者的一个或多个术前输入因子；由所述手术系统基于所述一个或多个初始传递函数和所述患者的一个或多个术前输入因子生成手术计划，其中所述手术计划包括一个或多个患者特定的植入物参数；由所述手术系统接收所述患者的一个或多个术中输入因子；由所述手术系统基于所述患者的一个或多个术中输入因子更新所述一个或多个患者特定的植入物参数；以及基于一个或多个更新的患者特定的植入物参数为所述患者选择植入物。
在一些实施例中，所述一个或多个术前输入因子包括生物测定数据、射线照相评估信息、活动或体质水平、健康或受伤历史或其组合。
在一些实施例中，所述一个或多个术中输入因子包括标志位置、股骨或胫骨表面测绘数据、关节松驰度数据、关节负载数据或其组合。
在一些实施例中，所述方法还包括：由所述手术系统接收用于所述手术程序的一个或多个手术输入因子；并且其中生成所述手术计划还基于所述一个或多个手术输入因子。在一些另外的实施例中，所述一个或多个手术输入因子包括植入物部件大小、植入物部件位置或取向、软组织释放信息或其组合。在一些实施例中，所述方法还包括：由所述手术系统接收所述患者的一个或多个术后输入因子；将所述术前输入因子、手术输入因子、术中输入因子、术后输入因子或其组合上传到数据库；以及基于上传的输入因子，为未来患者改进所述一个或多个初始传递函数。在一些另外的实施例中，所述一个或多个术后输入因子包括最终植入物位置或取向信息、患者满意度信息、患者步态、最终运动范围、恢复时间、植入物存活率或其组合。在一些另外的实施例中，改进所述一个或多个初始传递函数包括利用机器学习技术。在一些另外的实施例中，所述数据库包括来自多个患者的输入因子。
在一些实施例中，所述方法还包括：将所述术前输入因子、手术输入因子、术中输入因子或其组合上传到数据库；以及基于上传的输入因子，为未来患者改进所述一个或多个初始传递函数。
在一些实施例中，所述方法还包括由外科医生改变所述一个或多个患者特定的植入物参数的第一患者特定的植入物参数。在一些另外的实施例中，所述方法还包括由所述手术系统基于所述第一患者特定的植入物参数更新所述一个或多个患者特定的植入物参数的第二患者特定的植入物参数。
还提供了一种生成对手术程序之前患者的膝盖的一个或多个骨科响应进行描述的一个或多个传递函数的方法。所述方法包括：由计算系统接收患者的一个或多个输入因子；由所述计算系统生成所述患者的膝盖的三维虚拟模型；模拟所述患者的膝盖的三维虚拟模型以执行一个或多个移动；由所述计算系统分析所述模拟以确定所述一个或多个输入因子与一个或多个骨科响应之间的一个或多个关系；以及生成对所述一个或多个关系进行描述的一个或多个传递函数。
在一些实施例中，所述一个或多个术前输入因子包括生物测定数据、射线照相评估信息、活动或体质水平、健康或受伤历史或其组合。
在一些实施例中，所述一个或多个移动包括一个或多个负载方案、一个或多个移动周期、一个或多个弯曲周期或其组合。
在一些实施例中，分析所述模拟包括对所述一个或多个骨科响应中的每一个进行统计分析。
在一些实施例中，所述方法还包括：接收术中患者信息；以及由所述计算系统基于所述术中患者信息更新所述一个或多个传递函数。在一些另外的实施例中，所述术中患者信息包括标志位置、股骨或胫骨表面测绘数据、关节松驰度数据、关节负载数据或其组合。在一些另外的实施例中，所述术中患者信息包括从外科医生接收的输入。
在一些实施例中，所述手术程序是全膝关节成形术。
如上所述的示例性实施例可以提供优于现有技术的各种优点。下文参考附图详细描述本公开的实施例中的至少一些的另外的特征和优点，以及本公开的各种实施例的结构和操作。
附图说明
并入本说明书中且形成本说明书的一部分的附图说明本公开的实施例，且连同书面描述一起用于解释本发明的原理、特性和特征。在附图中：
图1描绘了根据实施例的包括说明性计算机辅助手术系统(cass)的手术室。
图2a描绘了根据实施例的手术计算机向cass的其它部件提供的说明性控制指令。
图2b描绘了根据实施例的cass的部件向手术计算机提供的说明性控制指令。
图2c描绘了根据实施例的手术计算机通过网络连接到手术数据服务器的说明性实施方式。
图3描绘了根据实施例的手术患者护理系统和说明性数据源。
图4a描绘了根据实施例的用于确定术前手术计划的示例性流程图。
图4b描绘了根据实施例的用于确定护理片段(episodeofcare)，包括术前、术中和术后动作的示例性流程图。
图4c描绘了根据实施例的说明性图形用户界面，包括描绘植入物放置的图像。
图5描绘了框图，该框图描绘了根据如本文中所描述的某些实施例的系统。
图6描绘了根据如本文所描述的某些实施例的用于优化患者特定的手术方法的过程流。
图7描绘了根据如本文所描述的某些实施例用于生成患者特定的传递函数的过程流。
图8描绘了根据如本文所描述的某些实施例的用于生成和优化患者特定的传递函数的多级解空间的图示。
图9描绘了用于实现如本文所描述的过程的说明性计算机系统。
具体实施方式
本公开描述了用于开发表征关节力学和植入物性能的数学方程(例如，传递函数)的示例性过程和技术。可以生成和改进这些传递函数，以表征多输入、多输出系统。可以使用计算机建模和肌肉骨骼模拟为患者或一组患者确定个性化方程，以定义患者特定的输入因子与手术特定的骨科响应之间的关系。
本公开不限于所描述的特定系统、装置和方法，因为这些可以变化。描述中使用的术语仅用于描述特定版本或实施例的目的，而不旨在限制范围。
如本文件中所使用的，除非上下文另外明确规定，否则单数形式“一个”、“一种”和“该/所述”包括复数指代。除非另有定义，否则本文所使用的所有科技术语具有与本领域普通技术人员通常所理解的相同含义。本公开中的任何内容均不应被解释为承认本公开中描述的实施例由于在前发明而无权把本公开的日期提前。如本文件中所使用的，术语“包括”意指“包括但不限于”。
定义
出于本公开的目的，术语“植入物”用于指为置换或增强生物结构而制造的假体装置或结构。例如，在全髋关节置换程序中，使用假体髋臼杯(植入物)来置换或增强佩戴髋臼或髋臼损坏的患者。虽然术语“植入物”通常被认为表示人造结构(与移植物形成对比)，但是出于本说明书的目的，植入物可包括为置换或增强生物结构而移植的生物组织或材料。
出于本公开的目的，术语“实时”用于指当事件发生或由可手术系统接收输入时，在运行中执行的计算或操作。然而，术语“实时”的使用并不意图排除在输入与响应之间引起一些延迟的操作，只要延迟是由机器的性能特性引起的非预期后果。
尽管本公开的许多内容涉及按特定职衔或角色的外科医生或其他医疗专业人员，但本公开中的任何内容都不旨在局限于特定职衔或职能。外科医生或医疗专业人员可包括任何医生、护士、医疗专业人员或技师。除非另外明确地界定，否则这些术语或职衔中的任一个都可与本文公开的系统的用户互换使用。例如，在一些实施例中，对外科医生的提及也可适用于技师或护士。
cass生态系统概述
图1提供了根据一些实施例的示例性计算机辅助手术系统(cass)100的图示。如以下部分中进一步详细描述的，cass使用计算机、机器人和成像技术帮助外科医生执行骨科外科手术，例如全膝关节成形术(tka)或全髋关节成形术(tha)。例如，手术导航系统可以帮助外科医生以高准确度定位患者解剖结构、引导手术器械和植入医疗装置。诸如cass100的手术导航系统通常采用各种形式的计算技术来执行各种标准和微创手术程序和技术。此外，这些系统允许外科医生相对于患者的身体更准确地规划、跟踪和导航器械和植入物的放置，以及进行术前和术中身体成像。
执行器平台105在手术期间相对于患者定位手术工具。执行器平台105的确切部件将根据所采用的实施例而变化。例如，对于膝关节手术，执行器平台105可包括末端执行器105b，该末端执行器在手术工具或器械使用期间保持手术工具或器械。末端执行器105b可以是由外科医生使用的手持装置或器械(例如，
执行器平台105可包括用于在手术期间定位患者的肢体的肢体定位器105c。肢体定位器105c的一个实例是smithandnephewspider2系统。肢体定位器105c可以由外科医生手动操作，或者替代性地基于从手术计算机150接收的指令改变肢体位置(下文描述)。
切除设备110(图1中未示出)使用例如机械、超声波或激光技术执行骨切除或组织切除。切除设备110的实例包括钻孔装置、去毛刺装置、振荡锯切装置、振动冲击装置、扩孔器、超声骨骼切割装置、射频烧蚀装置和激光烧蚀系统。在一些实施例中，切除设备110在手术期间由外科医生保持和操作。在其它实施例中，执行器平台105可用于在使用期间保持切除设备110。
执行器平台105还可包括切割引导件或夹具105d，该切割引导件或夹具用于引导在手术期间用于切除组织的锯或钻。此类切割引导件105d可一体地形成为执行器平台105或机械臂105a的一部分，或者切割引导件可为可以配合地和/或可移除地附接到执行器平台105或机械臂105a的单独结构。执行器平台105或机械臂105a可由cass100控制，以根据术前或术中开发的手术计划将切割引导件或夹具105d定位在患者的解剖结构附近，使得切割引导件或夹具将根据手术计划产生精确的骨切割。
跟踪系统115使用一个或多个传感器来采集定位患者的解剖结构和手术器械的实时位置数据。例如，对于tka程序，跟踪系统可以在程序期间提供末端执行器105b的位置和取向。除了定位数据之外，来自跟踪系统115的数据还可用于推断解剖结构/器械的速度/加速度，该速度/加速度可用于工具控制。在一些实施例中，跟踪系统115可以使用附接到末端执行器105b的跟踪器阵列来确定末端执行器105b的位置和取向。可以基于跟踪系统115的位置和取向以及跟踪系统115与末端执行器105b之间的三维空间中的已知关系推断末端执行器105b的位置。在本发明的各种实施例中可以使用各种类型的跟踪系统，包括但不限于红外(ir)跟踪系统、电磁(em)跟踪系统、基于视频或图像的跟踪系统以及超声配准和跟踪系统。
任何合适的跟踪系统可用于跟踪手术室中的手术物体和患者解剖结构。例如，ir和可见光相机的组合可以在阵列中使用。各种照明源(例如，irled光源)可以照射场景，从而允许进行三维成像。在一些实施例中，这可包括立体成像、三视角(tri-scopic)成像、四视角(quad-scopic)成像等。除了在一些实施例中附连到推车的相机阵列之外，在整个手术室中还可以放置另外的相机。例如，手持工具或由操作员/外科医生佩戴的头戴式耳机可包括成像能力，所述成像能力将图像传送回中央处理器，以将这些图像与由相机阵列捕获的图像相关联。这可以给出用于使用多个视角进行建模的环境的更稳健的图像。此外，一些成像装置可具有合适的分辨率或对场景具有合适的视角，以拾取存储在快速响应(qr)码或条形码中的信息。这可有助于识别未手动注册到系统的特定物体。
在一些实施例中，特定物体可以由外科医生在术前或术中手动地注册到系统。例如，通过与用户界面交互，外科医生可识别工具或骨骼结构的起始位置。通过跟踪与该工具或骨骼结构相关联的基准标记，或者通过使用其它常规图像跟踪模式，处理器可以在该工具或骨骼移动穿过环境时在三维模型中跟踪该工具或骨骼。
在一些实施例中，某些标记，例如识别手术室中的个体、重要工具或骨骼的基准标记，可以包括可由与跟踪系统相关联的相机或相机阵列拾取的无源或有源标识符。例如，irled可以闪烁图案，将唯一标识符传送到该图案的来源，从而提供动态识别标记。类似地，一维或二维光学代码(条形码、qr码等)可以附连到手术室中的物体，以提供可以基于图像分析发生的无源识别。如果这些代码不对称地放置在物体上，则它们还可用于通过将标识符的位置与图像中物体的范围进行比较来确定物体的取向。例如，qr码可以放置在工具托盘的拐角中，从而允许跟踪该托盘的取向和特性。文中各处解释其它跟踪模式。例如，在一些实施例中，外科医生和其他工作人员可以佩戴增强现实头戴式耳机以提供另外的相机角度和跟踪能力。
除了光学跟踪之外，可以通过记录物体的物理特性并将其与可以被跟踪的物体(例如，固定到工具或骨骼的基准标记)相关联来跟踪物体的某些特征。例如，外科医生可以执行手动记录过程，由此可以相对于彼此操纵被跟踪的工具和被跟踪的骨骼。通过使工具的尖端撞击骨骼的表面，可以针对该骨骼绘制三维表面，该三维表面与相对于该基准标记的参考框架的位置和取向相关联。通过用光学方式跟踪与该骨骼相关联的基准标记的位置和取向(姿势)，可以通过外推用环境来跟踪该表面的模型。
将cass100注册到患者的相关解剖结构的注册过程还可以涉及解剖标志的使用，例如骨骼或软骨上的标志。例如，cass100可以包括相关骨骼或关节的3d模型，并且外科医生可以在手术中使用连接到cass的探针采集关于骨标志在患者实际骨骼上的位置的数据。骨标志可包括例如内侧踝和外侧踝、股骨近端和胫骨远端的末端以及髋关节的中心。cass100可以将外科医生用探头收集的骨标志的位置数据与3d模型中的相同标志的位置数据进行比较和配准。替代地，cass100可以通过使用由外科医生使用cass探头或其它手段收集的骨标志和骨表面的位置数据来在没有术前图像数据的情况下构建骨骼或关节的3d模型。所述配准过程还可包括确定关节的各种轴线。例如，对于tka，外科医生可以使用cass100来确定股骨和胫骨的解剖轴线和机械轴线。外科医生和cass100可以通过沿着螺旋方向(即，环行)移动患者的腿来识别髋关节的中心，使得cass可以确定髋关节的中心位于何处。
组织导航系统120(图1中未示出)为外科医生提供了围绕手术区域的患者的骨骼、软骨、肌肉、神经和/或血管组织的术中实时可视化。可以用于组织导航的系统的实例包括荧光成像系统和超声波系统。
显示器125提供图形用户界面(gui)，该图形用户界面显示由组织导航系统120收集的图像以及与手术有关的其它信息。例如，在一个实施例中，显示器125覆盖从各种模式(例如，ct、mri、x射线、荧光、超声波等)采集、术前或术中采集的图像信息，以向外科医生提供患者解剖结构的各种视图以及实时状况。显示器125可包括例如一个或多个计算机监视器。作为显示器125的替代或补充，手术工作人员的一个或多个成员可以穿戴增强现实(ar)头戴式装置(hmd)。例如，在图1中，外科医生111正戴着arhmd155，其可以例如在患者身上覆盖术前图像数据或提供手术规划建议。在以下部分中详述arhmd155在手术程序中的各种示例性使用。
手术计算机150向cass100的各种部件提供控制指令，从那些部件采集数据，并且为手术期间所需的各种数据提供一般处理。在一些实施例中，手术计算机150是通用计算机。在其它实施例中，手术计算机150可以是使用多个中央处理单元(cpu)或图形处理单元(gpu)执行处理的并行计算平台。在一些实施例中，手术计算机150通过一个或多个计算机网络(例如，互联网)连接到远程服务器。例如，远程服务器可用于存储数据或执行计算密集型处理任务。
本领域中通常已知的各种技术可用于将手术计算机150连接到cass100的其它部件。此外，计算机可以使用各技术的混合连接到手术计算机150。例如，末端执行器105b可以通过有线(即，串行)连接来连接到手术计算机150。类似地，跟踪系统115、组织导航系统120和显示器125可以使用有线连接来连接到手术计算机150。替代地，跟踪系统115、组织导航系统120和显示器125可以使用无线技术连接到手术计算机150，所述无线技术例如但不限于wi-fi、蓝牙、近场通信(nfc)或zigbee。
电动冲击和髋臼扩孔器装置
上文关于图1描述的cass设计的灵活性的一部分是，可以根据需要将额外或替代装置添加到cass100中，以支持特定的手术程序。例如，在髋关节手术的背景下，cass100可包括电动冲击装置。冲击装置设计成反复施加冲击力，外科医生可以使用冲击力来执行诸如植入物对准的活动。例如，在全髋关节成形术(tha)中，外科医生将经常使用冲击装置将假体髋臼杯插入到植入物宿主的髋臼中。尽管冲击装置本质上可以是手动的(例如，由外科医生用锤敲击冲击器来操作)，但是在手术环境中使用电动冲击装置通常更容易且更快速。例如，可以使用附接到电动冲击装置的电池来为该装置供电。各种附接件可连接到电动冲击装置以允许在手术期间根据需要以各种方式引导冲击力。同样，在髋关节手术的背景下，cass100可包括电动的、机器人控制的末端执行器，以用于对髋臼进行扩孔以容纳髋臼杯植入物。
在机器人辅助的tha中，可以使用ct或其它图像数据、解剖标志的标识、附接到患者的骨骼的跟踪器阵列和一个或多个相机将患者的解剖结构注册到cass100。可使用夹钳和/或骨销将跟踪器阵列安装在肠骨脊上，并且此类跟踪器可从外部穿过皮肤安装，或通过为执行tha制作的切口在内部(后外侧或前外侧)安装。对于tha，cass100可以利用插入到近端股骨中的一个或多个股骨皮质螺钉作为检查点来辅助注册过程。cass100还可以利用插入到骨盆中的一个或多个检查点螺钉作为附加检查点，以辅助注册过程。股骨跟踪器阵列可以固定到股骨皮质螺钉或安装在股骨皮质螺钉中。cass100可采用使用探针来验证注册的步骤，外科医生将探针精确地放置在为外科医生在显示器125上识别的近端股骨和骨盆的关键区域上。跟踪器可以位于机械臂105a或末端执行器105b上以将臂和/或末端执行器注册到cass100。验证步骤还可利用近端股骨检查点和远端股骨检查点。cass100可以利用颜色提示或其它提示来通知外科医生，已在一定准确度(例如，在1mm内)验证相关骨骼和机械臂105a或末端执行器105b的注册过程。
对于tha，cass100可包括使用股骨阵列的髓针跟踪选项，以允许外科医生在手术中捕获髓针位置和取向，并计算患者的髋关节长度和偏移值。基于所提供的关于患者髋关节的信息以及完成髓针跟踪后计划的植入物位置和取向，外科医生可以对手术计划进行修改或调整。
对于机器人辅助的tha，cass100可包括一个或多个电动扩孔器，该一个或多个电动扩孔器连接或附接到机械臂105a或末端执行器105b，该机械臂或末端执行器根据手术计划使盆骨准备接收髋臼植入物。机械臂105a和/或末端执行器105b可以通知外科医生和/或控制扩孔器的功率，以确保正在根据手术计划切除(扩孔)髋臼。例如，如果外科医生试图切除根据手术计划将要切除的骨骼的边界外部的骨骼，则cass100可以关闭扩孔器或指示外科医生关闭扩孔器。cass100可向外科医生提供关闭或解除扩孔器的机器人控制的选项。显示器125可以使用不同颜色描绘与手术计划相比被切除(扩孔)的骨骼的进展。外科医生可以查看被切除(扩孔)的骨骼的显示，以根据手术计划引导扩孔器完成扩孔。cass100可以向外科医生提供视觉或听觉提示，以警告外科医生正在进行不符合手术计划的切除。
在扩孔后，cass100可以采用附接到或连接到机械臂105a或末端执行器105b的手动或电动冲击器，将试验植入物和最终植入物撞击到髋臼中。机械臂105a和/或末端执行器105b可用于根据手术计划引导冲击器以将试验和最终植入物撞击到髋臼中。cass100可显示试验植入物和最终植入物相对于骨骼的位置和取向，以告知外科医生试验植入物和最终植入物的取向和位置与手术计划比较的情况，并且显示器125可以在外科医生操纵腿和髋关节时显示植入物的位置和取向。如果外科医生对原始植入物位置和取向不满意，则cass100可以通过准备新的手术计划，向外科医生提供重新计划和重新进行扩孔和植入物嵌塞的选项。
在手术前，cass100可以基于髋关节的三维模型和特定于患者的其它信息来开发建议的手术计划，所述其它信息是例如腿骨的机械和解剖轴线、上髁轴线、股骨颈轴线、股骨和髋骨的尺寸(例如，长度)、髋关节的中线轴线、髋关节的asis轴线，以及解剖标志的位置(例如，较小转子标志、远端标志和髋关节的旋转中心)。cass开发的手术计划可以基于髋关节的三维模型和特定于患者的其它信息提供推荐的最佳植入物大小和植入物位置和取向。cass开发的手术计划可包括关于偏移值、倾斜和前倾值、旋转中心、杯尺寸、中间值、上-下拟合值、股骨柄尺寸和长度的建议细节。
对于tha，可以在术前和术中查看cass开发的手术计划，并且外科医生可以在术前或术中修改cass开发的手术计划。cass开发的手术计划可以显示髋关节的计划切除，并且基于该计划切除将计划的植入物叠加到髋关节上。cass100可以向外科医生提供基于外科医生的偏好而向外科医生显示的不同手术工作流程的选项。例如，外科医生可以基于检查和捕获的解剖标志的数量和类型和/或注册过程中使用的跟踪器阵列的位置和数量从不同的工作流程中进行选择。
根据一些实施例，与cass100一起使用的电动冲击装置可以各种不同设置操作。在一些实施例中，外科医生通过手动开关或电动冲击装置上的其它物理机构调整设置。在其它实施例中，可以使用数字接口，该数字接口允许例如经由电动冲击装置上的触摸屏设置输入。这种数字接口可以允许基于例如连接到电动附接装置的附接件的类型改变可用的设置。在一些实施例中，不是调整电动冲击装置本身上的设置，而是可以通过与cass100内的机器人或其它计算机系统通信来改变设置。此类连接可以使用例如电动冲击装置上的蓝牙或wi-fi联网模块建立。在另一个实施例中，冲击装置和端件可以包含在不需要外科医生采取动作的情况下允许冲击装置知道所附接的是哪个端件(杯冲击器、髓针柄等)，并且相应地调整设置的特征。这可以例如通过qr码、条形码、rfid标签或其它方法来实现。
可以使用的设置的实例包括杯冲击设定(例如，单方向、指定的频率范围、指定的力和/或能量范围)；髓针冲击设置(例如，在指定频率范围处的双方向/振荡、指定力和/或能量范围)；股骨头冲击设置(例如，在指定力或能量处的单方向/单次吹气)；和柄冲击设置(例如，在指定频率处以指定力或能量的单方向)。另外，在一些实施例中，电动冲击装置包括与髋臼内衬冲击(例如，在指定力或能量下的单方向/单次吹气)相关的设置。内衬的每种类型可以有多个设置，例如聚合材料、陶瓷材料、黑晶材料或其它材料。此外，电动冲击装置可以基于外科医生的术前测试/成像/知识和/或术中评估提供对不同骨质量的设置。
在一些实施例中，电动冲击装置包括反馈传感器，该反馈传感器在仪器使用期间收集数据，并将数据发送至计算装置，例如装置或手术计算机150内的控制器。然后，此计算装置可以记录数据以供以后分析和使用。可以采集的数据的实例包括但不限于声波、每个仪器的预定共振频率、来自患者骨骼的反应力或反弹能量、装置相对于成像(例如，荧光、ct、超声波、mri等)注册的骨解剖结构的位置，和/或骨骼上的外部应变计。
一旦采集到数据，计算装置可以实时地或接近实时地执行一个或多个算法，以帮助外科医生执行手术程序。例如，在一些实施例中，计算装置使用所收集的数据来导出信息，例如，适当的最终髓针大小(股骨)；柄完全就位(股骨侧)的时间；或对于tha，杯就位(深度和/或取向)的时间。一旦知道了该信息，该信息就可以显示以供外科医生查看，或者它可以用来激活触觉或其它反馈机制以引导手术程序。
另外，从前述算法导出的数据可以用于驱动装置的操作。例如，在用电动冲击装置插入假体髋臼杯期间，一旦植入物完全就位，所述装置可自动延伸冲击头(例如，末端执行器)将植入物移动到适当位置，或关闭装置的电源。在一个实施例中，导出的信息可用于自动调整骨质量的设置，其中电动冲击装置应当使用更少的功率来减轻股骨/髋臼/骨盆骨折或周围组织的损伤。
机械臂
在一些实施例中，cass100包括机械臂105a，该机械臂用作稳定和保持在手术程序期间使用的各种器械的接口。例如，在髋部手术的背景下，这些器械可以包括但不限于牵开器、矢状或往复锯、扩孔器手柄、杯形冲击器、髓针柄和柄插入器。机械臂105a可具有多个自由度(如蜘蛛装置)，并且具有(例如，通过按下按钮、语音激活、外科医生从机械臂移除手，或其它方法)锁定到位的能力。
在一些实施例中，机械臂105a的移动可以通过使用内置到机械臂系统中的控制面板来实现。例如，显示屏可以包括一个或多个输入源，例如物理按钮或具有一个或多个图标的用户界面，所述一个或多个输入源引导机械臂105a的移动。外科医生或其它医疗专业人员可以在执行手术程序时与一个或多个输入源接合以定位机械臂105a。
附接到或集成到机械臂105a中的工具或末端执行器105b可以包括但不限于去毛刺装置、手术刀、切割装置、牵开器、关节张紧装置等。在使用末端执行器105b的实施例中，末端执行器可以定位在机械臂105a的端部处，使得在机械臂系统内执行任何电机控制操作。在使用工具的实施例中，工具可以固定在机械臂105a的远端处，但电机控制操作可以驻留在工具本身内。
机械臂105a可以在内部机动化以稳定机械臂，从而防止其掉落和击中患者、手术台、手术工作人员等，并且允许外科医生在不必完全支撑机械臂重量的情况下移动机械臂。当外科医生移动机械臂105a时，机械臂可以提供一些阻力以防止机械臂移动过快或一次激活太多自由度。机械臂105a的位置和锁定状态可以例如由控制器或手术计算机150跟踪。
在一些实施例中，机械臂105a可以手动(例如，由外科医生)移动，或利用内部电机移动到其针对正在执行的任务的理想位置和取向。在一些实施例中，可以启用机械臂105a以“自由”模式操作，该“自由”模式允许外科医生在不受限制的情况下将臂定位在期望位置。当处于自由模式时，机械臂105a的位置和取向仍可如上所述被跟踪。在一个实施例中，在由手术计算机150跟踪的手术计划的指定部分期间，在用户(例如，外科医生)输入时，可以选择性地释放某些自由度。机械臂105a通过液压或电机内部供电或通过类似手段提供对外部手动运动的阻力的设计可描述为电动机械臂，而无功率反馈手动操纵但可手动或自动锁定就位的臂可描述为无源机械臂。
机械臂105a或末端执行器105b可包括用于控制锯或钻的功率的触发器或其它装置。外科医生接合触发器或其它装置可使机械臂105a或末端执行器105b从电动对准模式转变到锯或钻接合和通电的模式。另外，cass100可包括脚踏板(未示出)，该脚踏板使系统在激活时执行某些功能。例如，外科医生可以激活脚踏板以指示cass100将机械臂105a或末端执行器105b置于自动模式，该自动模式将机械臂或末端执行器置于相对于患者的解剖结构的适当位置，以便执行必要的切除。cass100还可以将机械臂105a或末端执行器105b置于协作模式，该协作模式允许外科医生手动操纵机械臂或末端执行器并将其定位在特定位置中。协作模式可配置成允许外科医生在内侧或横向移动机械臂105a或末端执行器105b，同时限制在其它方向上的移动。如所论述的，机械臂105a或末端执行器105b可包括切割装置(锯、钻和圆头锉)或将引导切割装置的切割引导件或夹具105d。在其它实施例中，机械臂105a或机器人控制的末端执行器105b的移动可以完全由cass100控制，而不需要外科医生或其它医疗专业人员的任何协助或输入，或者只需要最少的协助或输入。在另外其它实施例中，机械臂105a或机器人控制的末端执行器105b的移动可以由外科医生或其他医疗专业人员使用与机械臂或机器人控制的末端执行器装置分开的控制机构，例如使用操纵杆或交互式监视器或显示控制装置远程控制。
以下实例描述了机器人装置在髋关节手术背景下的使用；然而，应理解，机械臂可具有用于涉及膝盖、肩膀等的手术程序的其它应用。在形成前交叉韧带(acl)移植隧道的背景下使用机械臂的一个实例在2018年8月28日提交的名称为“roboticassistedligamentgraftplacementandtensioning(机器人辅助韧带移植放置和张力调整)”的美国临时专利申请第62/723,898号中描述，所述临时专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。
机械臂105a可以用于保持牵开器。例如，在一个实施例中，机械臂105a可以由外科医生移动到所需位置。此时，机械臂105a可以锁定到适当位置。在一些实施例中，向机械臂105a提供关于患者位置的数据，使得如果患者移动，则机械臂可以相应地调整牵开器位置。在一些实施例中，可以使用多个机械臂，由此允许多个牵开器被保持或同时执行多于一个活动(例如，牵开器保持和扩孔)。
机械臂105a还可用于帮助稳定外科医生的手，同时进行股骨颈切割。在此应用中，对机械臂105a的控制可以施加某些限制以防止发生软组织损伤。例如，在一个实施例中，手术计算机150在其操作时跟踪机械臂105a的位置。如果跟踪的位置接近预测到组织损伤的区域，则可以向机械臂105a发送命令，使其停止。替代地，在机械臂105a由手术计算机150自动控制的情况下，手术计算机可以确保机械臂未被提供任何使其进入可能发生软组织损伤的区域的指令。手术计算机150可以对外科医生施加某些限制，以防止外科医生过远地扩孔到髋臼的内侧壁中或以不正确的角度或取向扩孔。
在一些实施例中，机械臂105a可用于在杯冲击期间以期望的角度或取向保持杯冲击器。当已达到最终位置时，机械臂105a可以防止任何进一步的扩孔以防止损伤骨盆。
外科医生可以使用机械臂105a将髓针柄定位在期望位置，并且允许外科医生在期望取向处将髓针冲击到股管中。在一些实施例中，一旦手术计算机150接收到髓针完全就位的反馈，机械臂105a就可以限制手柄以防止髓针进一步前进。
机械臂105a还可用于重塑面(resurfacing)应用。例如，机械臂105a可以在使用传统器械的同时稳定外科医生，并且提供某些限制或约束以允许适当地放置植入部件(例如，导丝放置、倒角切割器、套筒切割器、平面切割器等)。在仅采用圆头锉的情况下，机械臂105a可以稳定外科医生的手持件，并且可以对手持件施加限制以防止外科医生违反手术计划移除非预期的骨骼。
手术程序数据生成和采集
医疗专业人员为治疗临床病症而提供的各种服务统称为“护理片段”。对于特定的手术干预，护理片段可包括三个阶段：术前、术中和术后。在每个阶段期间，采集或生成可用于分析护理片段的数据，以便理解程序的各个方面，并且识别可用于例如训练模型中以最少人工干预作出决策的模式。在护理片段内收集的数据可以存储在手术计算机150或手术数据服务器180中作为完整数据集。因此，对于每个护理片段，存在这样的数据集，其包括关于患者的总称为术前的所有数据、在术中由cass100采集或存储的所有数据，以及由患者或由监测患者的医疗专业人员提供的任何术后数据。
如进一步详细解释的，在护理片段期间收集的数据可用于增强手术程序的性能或提供对手术程序和患者结果的全面理解。例如，在一些实施例中，在护理片段内采集的数据可用于生成手术计划。在一个实施例中，随着在手术期间收集数据，在术中改进高水平的术前计划。以此方式，随着cass100的部件收集新数据，手术计划可以被视为实时或接近实时地动态变化的。在其它实施例中，术前图像或其它输入数据可用于在术前开发仅在手术期间执行的稳固计划。在此情况下，由cass100在手术期间收集的数据可用于提出确保外科医生保持在术前手术计划内的建议。例如，如果外科医生不确定如何实现特定的规定的切割或植入物对准，则可以查询手术计算机150以得到建议。在另外其它实施例中，可以组合术前和术中规划方法，使得可以在手术程序期间根据需要或期望动态地修改稳固的术前计划。在一些实施例中，基于生物力学的患者解剖结构的模型提供模拟数据，以供cass100在开发术前、术中和术后/康复程序时考虑，以优化患者的植入物性能结果。
除了改变手术程序本身之外，在护理片段期间采集的数据可以用作其它辅助手术的程序的输入。例如，在一些实施例中，可以使用护理片段数据来设计植入物。在2011年8月15日提交的名称为“systemsandmethodsforoptimizingparametersfororthopaedicprocedures”的美国专利申请号13/814,531，2012年7月20日提交的名称为“systemsandmethodsforoptimizingfitofanimplanttoanatomy”的美国专利申请号14/232,958以及2008年9月19日提交的名称为“operativelytuningimplantsforincreasedperformance”的美国专利申请号12/234,444中描述了用于设计植入物、确定植入物尺寸和安装植入物的示例性数据驱动技术，所述申请中的每一个的全部内容在此以引用方式并入此专利申请中。
此外，数据可用于教育、培训或研究目的。例如，使用下文图2c中描述的基于网络的方法，其他医生或学生可以在允许其选择性地查看从cass100的各个部件收集的数据的界面中远程查看手术。在手术程序之后，类似界面可以用于“回放”手术以用于培训或其它教育目的，或用于确定程序的任何问题或并发症的源头。
在术前阶段期间获取的数据通常包括手术之前采集或生成的所有信息。因此，例如，可以从患者摄入表或电子医疗记录(emr)获取关于患者的信息。可以收集的患者信息的实例包括但不限于患者人口统计数据、诊断、病史、进展注释、生命体征、病史信息、过敏和实验室结果。术前数据还可包括与所关注解剖区域有关的图像。这些图像可以例如使用磁共振成像(mri)、计算机断层扫描(ct)、x射线、超声波或本领域已知的任何其它模式来捕获。术前数据还可包括从患者捕获的生活质量数据。例如，在一个实施例中，手术前患者使用移动应用程序(“app”)来回答关于其当前生活质量的问卷。在一些实施例中，由cass100使用的术前数据包括关于患者的人口统计、人体测量、文化或可以与活动水平和特定患者活动相符的其它特定特点，以针对该患者定制手术计划。例如，某些文化或人口统计可能更有可能每天使用需要蹲坐的厕所。
图2a和2b提供了可在护理片段的术中阶段期间获取的数据的实例。这些实例基于上文参考图1所描述的cass100的各种部件；然而，应理解，可基于在手术期间使用的设备的类型及其使用来使用其它类型的数据。
图2a示出了根据一些实施例的手术计算机150向cass100的其它部件提供的一些控制指令的实例。注意，图2a的实例假设执行器平台105的部件各自由手术计算机150直接控制。在部件由外科医生111手动控制的实施例中，可以在显示器125或arhmd155上提供指令，指示外科医生111如何移动该部件。
执行器平台105中包括的各种部件由手术计算机150控制，该手术计算机提供指示部件在坐标系内向哪移动的位置命令。在一些实施例中，手术计算机150向执行器平台105提供指令，该指令限定当执行器平台105的部件偏离手术计划时如何反应。这些命令在图2a中作为“触觉”命令被提及。例如，末端执行器105b可以提供抵抗在计划切除的区域外部移动的力。执行器平台105可以使用的其它命令包括振动和音频提示。
在一些实施例中，机械臂105a的末端执行器105b与切割引导件105d可操作地联接。响应于手术场景的解剖模型，机械臂105a可以将末端执行器105b和切割引导件105d移动到适当位置，以匹配根据手术计划执行的股骨或胫骨切割的位置。这可以降低误差的可能性，从而允许视觉系统和利用所述视觉系统的处理器实施手术计划以将切割引导件105d放置在相对于胫骨或股骨的精确位置和取向处，以使切割引导件的切割狭槽与根据手术计划执行的切割对准。然后，外科医生可以使用任何合适的工具，例如振荡或旋转锯或钻，以完美放置和取向执行切割(或钻孔)，因为工具受到切割引导件105d的特征的机械限制。在一些实施例中，切割引导件105d可包括一个或多个销孔，该销孔由外科医生使用以在使用切割引导件执行患者组织的切除之前钻孔，或将切割引导件拧入或钉入适当位置。这可以释放机械臂105a或确保切割引导件105d完全固定而不相对于待切除的骨骼移动。例如，此程序可用于在全膝关节成形术期间进行股骨的第一远端切割。在关节成形术是髋关节成形术的一些实施例中，切割引导件105d可以固定到股骨头或髋臼以进行相应的髋关节成形切除。应理解，利用精确切割的任何关节成形术可以以这种方式使用机械臂105a和/或切割引导件105d。
切除设备110设置有用于执行骨骼或组织操作的各种命令。与执行器平台105一样，位置信息可以提供给切除设备110，以指定在执行切除时其应位于何处。提供给切除设备110的其它命令可以取决于切除设备的类型。例如，对于机械或超声切除工具，命令可以指定工具的速度和频率。对于射频烧蚀(rfa)和其它激光烧蚀工具，命令可以指定强度和脉冲持续时间。
cass100的某些部件不需要由手术计算机150直接控制；而是，手术计算机150只需要激活部件，该部件然后在本地执行软件，该软件指定收集数据并将其提供给手术计算机150的方式。在图2a的实例中，以此方式操作两个部件：跟踪系统115和组织导航系统120。
手术计算机150向显示器125提供外科医生111在手术期间所需的任何可视化。对于监视器，手术计算机150可以提供用于使用本领域已知的技术显示图像、gui等的指令。显示器125可包括手术计划的工作流程的各个方面。例如，在注册过程期间，显示器125可以显示术前构造的3d骨模型，并且在外科医生使用探针收集患者身上的解剖标志的位置时描绘探针的位置。显示器125可包括关于手术目标区域的信息。例如，关于tka，显示器125可以描绘股骨和胫骨的机械轴线和解剖轴线。显示器125可以基于手术计划来描绘膝关节的内翻角和外翻角，并且cass100可以描绘如果对手术计划进行所设想的修改将如何影响这些角。因此，显示器125是交互式界面，其可以动态地更新和显示手术计划的改变将如何影响程序以及安装在骨骼上的植入物的最终位置和取向。
当工作流程进展到准备骨切割或切除时，显示器125可以在执行任何切割之前描绘计划的或推荐的骨切割。外科医生111可以操纵图像显示器以提供目标区域的不同解剖视角，并且可以具有基于患者的术中评估来改变或修改计划的骨切割的选项。显示器125可以描绘如果执行计划的骨切割，所选择的植入物将如何安装在骨骼上。如果外科医生111选择改变先前计划的骨切割，则显示器125可以描绘当植入物安装在骨骼上时，修改的骨切割将如何改变植入物的位置和取向。
显示器125可以向外科医生111提供关于患者、计划的手术干预和植入物的各种数据和信息。可以显示各种患者特定的信息，包括关于患者健康的实时数据，例如心率、血压等。显示器125还可包括关于手术目标区的解剖结构的信息，包括标志的位置、解剖结构的当前状态(例如，是否已经进行任何切除、计划的和执行的骨切割的深度和角度)，以及随着手术计划进展，解剖结构的将来状态。显示器125还可以提供或描绘关于手术目标区的附加信息。对于tka，显示器125可以提供关于股骨与胫骨之间的间隙(例如，间隙平衡)的信息以及如果执行计划的手术计划将如何改变这些间隙的信息。对于tka，显示器125可以提供关于膝关节的其它相关信息(例如，关于关节张力(例如，韧带松驰度)的数据)和关于关节的旋转和对准的信息。显示器125可以描绘当膝关节屈曲时计划的植入物的位置和定位将如何影响患者。显示器125可以描绘不同植入物的使用或相同植入物的不同尺寸的使用将如何影响手术计划，并预览这些植入物将如何定位在骨骼上。cass100可以为tka或tha中的每个计划的骨切除提供此类信息。在tka中，cass100可以为计划的骨切除中的一个或多个提供机器人控制。例如，cass100可以仅为初始远端股骨切割提供机器人控制，并且外科医生111可以使用常规装置(例如，4合1切割引导件或夹具105d)手动地执行其它切除(前切、后切和倒角切割)。
显示器125可以采用不同颜色来通知外科医生手术计划的状态。例如，未切除的骨骼可以第一颜色显示，切除的骨骼可以第二颜色显示，并且计划的切除可以第三颜色显示。在显示器125中植入物可以叠加到骨骼上，并且植入物颜色可以改变或对应于不同类型或大小的植入物。
显示器125上描绘的信息和选项可以根据正在执行的手术程序的类型而变化。此外，外科医生111可以请求或选择与其手术计划偏好匹配或一致的特定手术工作流程显示。例如，对于通常在tka中的股骨切割之前执行胫骨切割的外科医生111，显示器125和相关联的工作流程可以适于考虑此偏好。外科医生111还可以从标准手术工作流程显示预选择包括或删除的某些步骤。例如，如果外科医生111使用切除测量来最终确定植入计划，但在最终确定植入计划时不分析韧带间隙平衡，则手术工作流程显示可以组织成模块，并且外科医生可以基于外科医生的偏好或特定手术的情况选择显示哪些模块以及提供模块的顺序。例如，针对韧带和间隙平衡的模块可以包括切除前和切除后韧带/间隙平衡，并且外科医生111可以根据他们是否在执行骨切除之前或之后(或之前和之后)执行此类韧带和间隙平衡来选择在他们默认手术计划工作流程中包括哪些模块。
对于更专业的显示设备，例如arhmd，手术计算机150可以使用该设备支持的数据格式来提供图像、文本等。例如，如果显示器125是全息装置，如microsofthololenstm或magicleaponetm，则手术计算机150可使用hololens应用程序接口(api)发送命令，指定在外科医生111的视场中显示的全息图的位置和内容。
在一些实施例中，一个或多个手术规划模型可以并入到cass100中，并且用于开发提供给外科医生111的手术计划。术语“手术规划模型”是指在各种情境下模拟解剖结构的生物力学性能以确定执行切割和其它手术活动的最佳方式的软件。例如，对于膝关节置换手术，手术规划模型可以测量功能活动(例如，膝盖深弯曲、步态等)的参数，并且选择膝盖上的切割位置以优化植入物放置。手术规划模型的一个实例是来自smithandnephew公司的lifemodtm仿真软件。在一些实施例中，手术计算机150包括允许在手术期间(例如，基于gpu的并行处理环境)完全执行手术规划模型的计算架构。在其它实施例中，手术计算机150可以通过网络连接到允许进行此执行的远程计算机，例如手术数据服务器180(参见图2c)。作为完全执行手术规划模型的替代方案，在一些实施例中，导出一组传递函数，其将模型捕获的数学操作简化为一个或多个预测方程。然后，代替在手术期间执行完全仿真，而使用预测方程。关于传递函数的使用的进一步细节在名称为“patientspecificsurgicalmethodandsystem(患者特定的手术方法和系统)”的美国临时专利申请第62/719415号中描述，所述临时专利申请的全部内容以引用方式并入本文。
图2b显示了可从cass100的各个部件向手术计算机150提供的一些数据类型的实例。在一些实施例中，所述部件可以在手术期间实时地或接近实时地将数据流传输到手术计算机150。在其它实施例中，所述部件可以排列数据并将其以设定的间隔(例如，每秒)发送到手术计算机150。可以使用本领域已知的任何格式来传送数据。因此，在一些实施例中，所述部件全部以共同格式将数据传输到手术计算机150。在其它实施例中，每个部件都可以使用不同的数据格式，并且手术计算机150配置有一个或多个能够实现数据转换的软件应用程序。
一般来说，手术计算机150可以充当采集cass数据的中心点。数据的确切内容将根据来源而不同。例如，执行器平台105的每个部件向手术计算机150提供测量的位置。因此，通过将测量的位置与手术计算机150最初指定的位置进行比较(参见图2b)，手术计算机可识别在手术期间发生的偏差。
切除设备110可以根据所使用的设备类型将各种类型的数据发送至手术计算机150。可以发送的示例性数据类型包括测量的扭矩、音频签名和测量的位移值。类似地，跟踪技术115可以根据所采用的跟踪方法提供不同类型的数据。示例性跟踪数据类型包括被跟踪物品(例如，解剖结构、工具等)的位置值、超声图像和表面或标志采集点或轴线。当系统操作时，组织导航系统120向手术计算机150提供解剖位置、形状等。
尽管显示器125通常用于输出数据以呈现给用户，但显示器还可以将数据提供至手术计算机150。例如，对于将监视器用作显示器125的一部分的实施例，外科医生111可以与gui交互以提供输入，该输入被发送到手术计算机150以进行进一步处理。对于ar应用，可以将测量的hmd的位置和位移发送至手术计算机150，使得其可以根据需要更新所呈现的视图。
在护理片段的术后阶段期间，可以收集各种类型的数据以量化由于手术导致的患者状况的总体改善或恶化。数据可以采用例如由患者通过问卷报告的自我报告信息的形式。例如，在膝关节置换术的背景下，可以用oxfordkneescore问卷测量功能状态，并且可以用eq5d-5l问卷测量术后生活质量。髋关节置换术背景下的其它实例可包括oxfordhipscore、harrishipscore和womac(westernontarioandmcmasteruniversitiesosteoarthritisindex(西安大略和麦克马斯特大学骨关节炎指数))。此类问卷可以例如由医疗专业人员在临床环境中直接施用，或使用允许患者直接回答问题的移动应用程序来施用。在一些实施例中，患者可以配备有一个或多个可穿戴装置，该一个或多个可穿戴装置收集与手术相关的数据。例如，在进行膝关节手术之后，患者可以配备有膝支具，该膝支具包括监测膝盖定位、柔性等的传感器。该信息可以被收集并传输至患者的移动装置以供外科医生查看，以评估手术结果并解决任何问题。在一些实施例中，一个或多个相机可以在术后的指定活动期间捕获和记录患者身体区段的运动。可以将这种运动捕获与生物力学模型进行比较，以更好地了解患者关节的功能，更好地预测恢复的进展，并确定可能需要的任何可能的翻修。
护理片段的术后阶段可持续患者的整个寿命。例如，在一些实施例中，在已经执行程序之后，手术计算机150或包括cass100的其它部件可以继续接收和收集与手术程序有关的数据。这些数据可以包括例如图像、问题的回答、“常规”患者数据(例如，血型、血压、病状、药物等)、生物测定数据(例如，步态等)，以及关于具体问题(例如，膝或髋关节疼痛)的客观和主观数据。这些数据可以由患者或患者的医生显式地提供给手术计算机150或其它cass部件。替代地或另外，手术计算机150或其它cass部件可以监测患者的emr，并在相关信息可用时检索相关信息。这种患者恢复的纵向视图允许手术计算机150或其它cass部件提供对患者结果的更客观分析，以测量和跟踪给定程序的成功或不成功。例如，在手术程序之后很久，患者经历的病症可以通过对在护理片段期间收集的各种数据项的回归分析来追溯到手术。可通过对经历类似程序和/或具有类似解剖结构的患者组进行分析来进一步增强这种分析。
在一些实施例中，在中心位置处收集数据以提供更容易的分析和使用。在某些情况下，可从各种cass部件手动收集数据。例如，便携式存储装置(例如，usb棒)可以附接到手术计算机150以检索在手术期间收集的数据。然后，数据可以例如通过台式计算机传输到中央存储装置。替代性地，在一些实施例中，手术计算机150经由网络175直接连接到中央存储装置，如图2c中所示。
图2c示出了“基于云”的实施方式，其中，手术计算机150经由网络175连接到手术数据服务器180。此网络175可以是例如专用内联网或互联网。除了来自手术计算机150的数据之外，其它来源可以将相关数据传输到手术数据服务器180。图2c的实例示出了3个额外数据源：患者160、医疗专业人员165和emr数据库170。因此，患者160可以例如使用移动应用程序将术前和术后数据发送至手术数据服务器180。医疗专业人员165包括外科医生及其工作人员以及与患者160一起工作的任何其他专业人员(例如，私人医生、康复专家等)。还应注意，emr数据库170可用于术前和术后数据。例如，假设已经给予患者160足够的权限，则手术数据服务器180可以收集患者手术前的emr。然后，手术数据服务器180可以继续监测emr，以了解手术后的任何更新。
在手术数据服务器180处，护理片段数据库185用于存储在患者的护理片段内收集的各种数据。可使用本领域已知的任何技术实施护理片段数据库185。例如，在一些实施例中，可以使用基于sql的数据库，其中所有各种数据项都以允许它们容易地并入两个sql的行和列集合中的方式构造。然而，在其它实施例中，可以使用no-sql数据库以允许非结构化数据，同时提供快速处理和响应查询的能力。如本领域中所理解的，术语“no-sql”用于定义在其设计中非关系型的一类数据存储。各种类型的no-sql数据库通常可以根据其基础数据模型进行分组。这些分组可包括使用基于列的数据模型(例如，cassandra)、基于文档的数据模型(例如，mongodb)、基于密钥值的数据模型(例如，redis)和/或基于图形的数据模型(例如，allego)的数据库。任何类型的no-sql数据库都可以用来实施本文所述的各种实施例，并且在一些实施例中，不同类型的数据库可以支持护理片段数据库185。
可以使用本领域已知的任何数据格式和传输技术在各种数据源与手术数据服务器180之间传输数据。应注意，图2c中所示的架构允许从数据源向手术数据服务器180的传输，以及由数据源从手术数据服务器180检索数据。例如，如下文详细解释的，在一些实施例中，手术计算机150可以使用来自过去手术、机器学习模型等的数据来帮助指导手术程序。
在一些实施例中，手术计算机150或手术数据服务器180可以执行去识别化过程，以确保存储在护理片段数据库185中的数据符合健康保险携带和责任法案(hipaa)标准或法律规定的其它要求。hipaa提供了在去识别化期间必须从数据中删除的某些标识符的列表。前述去识别化过程可以在传输至护理片段数据库185供存储的数据中扫描这些标识符。例如，在一个实施例中，手术计算机150在启动将特定数据项或数据项集传输到手术数据服务器180之前执行去识别化过程。在一些实施例中，将唯一标识符分配给来自特定护理片段的数据以允许必要时重新识别数据。
尽管图2a–2c讨论了单一护理片段背景下的数据收集，但是应理解，一般概念可以扩展到来自多个护理片段的数据收集。例如，每次用cass100执行手术时，都可以在整个护理片段内收集手术数据，并且可以将手术数据存储在手术计算机150或手术数据服务器180处。如下文进一步详细解释的，稳健的护理片段数据的数据库允许生成优化值、测量值、距离或其它参数，以及与手术程序有关的其它建议。在一些实施例中，各种数据集以允许在手术程序期间快速检索相关信息的方式在数据库或其它存储介质中编索引。例如，在一个实施例中，可以使用以患者为中心的指数集，使得可以容易地提取与特定患者或类似于特定患者的一组患者有关的数据。此概念可以类似地应用于外科医生、植入物特征、cass部件版本等。
在2018年12月21日提交的名称为“methodsandsystemsforprovidinganepisodeofcare(用于提供护理片段的方法和系统)”的美国专利申请号62/783,858中描述了护理片段数据的管理的进一步细节，所述美国专利申请全文以引用方式并入本文中。
开放与封闭的数字生态系统
在一些实施例中，cass100设计成作为独立或“封闭”的数字生态系统操作。cass100的每个部件经过专门设计以用于封闭的生态系统，并且数据通常无法由数字生态系统以外的装置访问。例如，在一些实施例中，每个部件包括实施用于诸如通信、存储、安全等活动的专有协议的软件或固件。对于希望控制cass100的所有部件以确保满足某些兼容性、安全性和可靠性标准的公司来说，封闭的数字生态系统的概念可能是合乎需要的。例如，cass100可以设计成使得除非获得该公司认证，否则不能将新部件与cass一起使用。
在其它实施例中，cass100设计成作为“开放”的数字生态系统操作。在这些实施例中，部件可以由各种不同公司根据诸如通信、存储和安全等活动的标准来生产。因此，通过使用这些标准，任何公司都可以自由地构建cass平台的独立、合规部件。可以使用公开可用的应用程序编程接口(api)和开放、可共享的数据格式在部件之间传输数据。
为了说明可以用cass100执行的一种类型的建议，下文公开了一种用于优化手术参数的技术。在此上下文中，术语“优化”意指基于某些特定标准选择最佳参数。在极端情况下，优化可以指基于来自整个护理片段的数据(包括任何术前数据、给定时间点的cass数据的状态和术后目标)选择最佳参数。此外，可以使用历史数据执行优化，所述历史数据是例如在涉及例如相同外科医生、物理特性与当前患者相似的过去患者等的过去手术期间生成的数据。
优化的参数可以取决于待接受手术的患者解剖结构的部分。例如，对于膝关节手术，手术参数可包括股骨和胫骨部件的定位信息(包括但不限于旋转对准，例如内翻/外翻旋转、外旋、股骨部件的屈曲旋转、胫骨部件的后倾角)，切除深度(例如，膝内翻、膝外翻)，以及植入物类型、大小和位置。定位信息还可包括用于组合式植入物的手术参数，例如，整体肢对准、合并胫骨股骨过度伸展和合并胫骨股骨切除。可由cass100针对给定tka股骨植入物优化的参数的另外实例包括以下各项：
可由cass100针对给定tka胫骨植入物优化的参数的另外实例包括以下各项：
对于髋关节手术，手术参数可包括股骨颈切除位置和角度、杯倾斜角、杯前倾角、杯深度、股骨柄设计、股骨柄尺寸、股骨柄在管内的配合、股骨偏移、腿长度和植入物的股骨形式。
肩部参数可以包括但不限于肱骨切除深度/角度、肱骨柄形式、肱骨偏移、关节盂形式和倾斜，以及反向肩部参数，例如肱骨切除深度/角度、肱骨柄形式、关节盂倾斜/形式、关节盂球取向、关节盂球偏移和偏移方向。
存在用于优化手术参数的各种常规技术。然而，这些技术通常是计算密集的，并且因此，经常需要在术前确定参数。因此，外科医生基于在手术期间可能出现的问题对经优化的参数进行修改的能力受到限制。此外，常规优化技术通常以“黑箱”方式操作，很少或没有关于推荐参数值的解释。因此，如果外科医生决定偏离推荐的参数值，则外科医生通常在不完全理解该偏离对手术工作流程的其余部分的影响，或该偏离对患者手术后生活质量的影响的情况下这么做。
手术患者护理系统
可以使用手术患者护理系统320将优化的一般概念扩展到整个护理片段，所述手术患者护理系统使用手术数据以及来自患者305和医疗专业人员330的其它数据来优化结果和患者满意度，如图3中所描绘。
按常规，全关节成形术的术前诊断、术前手术规划、术中执行规定的计划和术后管理基于个体经验、发表的文献和外科医生的培训知识库(最终，各个外科医生及其同行“网络”的部落知识和期刊出版物)，以及他们使用引导件和视觉提示进行准确的术中“平衡”触觉辨别和准确的手动执行平面切除的本能。此现有知识库和执行方式在提供给需要护理的患者的结果优化方面受到限制。例如，存在关于以下方面的限制：准确诊断患者以获得适当的、侵入性最小的处方护理；使动态患者、医疗保健经济和外科医生偏好与患者期望的结果一致；执行产生适当骨骼对准和平衡等的手术计划；以及从具有不同偏置的断开连接源接收难以协调到整体患者框架的数据。因此，更准确地模拟解剖响应并引导手术计划的数据驱动工具可以改善现有方法。
手术患者护理系统320设计成利用患者特定数据、外科医生数据、医疗保健设施数据和历史结果数据来开发算法，该算法基于期望的临床结果为患者的整个护理片段(术前、手术和术后)建议或推荐最佳总体治疗计划。例如，在一个实施例中，手术患者护理系统320跟踪对建议或推荐计划的遵守性，并且基于患者/护理提供者的表现来调整计划。一旦手术治疗计划完成，所收集的数据就由手术患者护理系统320记录在历史数据库中。该数据库可供未来患者和开发未来治疗计划访问。除了利用统计和数学模型之外，还可以使用仿真工具(例如，
在一些实施例中，手术患者护理系统320采用数据收集和管理方法，以提供具有使用cass100监测和/或执行的不同步骤的详细手术病例计划。用户的表现在完成每个步骤时计算，并且可用于建议对病例计划的后续步骤的改变。病例计划生成依赖于存储在本地或云存储数据库上的一系列输入数据。输入数据可以与接受治疗的当前患者和接受过类似治疗的患者的历史数据两者相关。
患者305向手术患者护理系统320提供输入，例如当前患者数据310和历史患者数据315。本领域中通常已知的各种方法可用于从患者305采集此类输入。例如，在一些实施例中，患者305填写纸质或数字调查，该纸质或数字调查由手术患者护理系统320解析以提取患者数据。在其它实施例中，手术患者护理系统320可以从现有信息来源(例如，电子医疗记录(emr)、健康历史文件和付款人/提供者历史文件)提取患者数据。在另外其它实施例中，手术患者护理系统320可以提供应用程序接口(api)，该应用程序接口允许外部数据源将数据推送到手术患者护理系统。例如，患者305可以具有手机、可穿戴装置或其它移动装置来采集数据(例如，心率、疼痛或不适程度、运动或活动水平，或患者提交的对患者遵守任何数量的术前计划标准或条件的回答)，并将该数据提供至手术患者护理系统320。类似地，患者305可以在其移动或可穿戴装置上具有数字应用程序，所述数字应用程序使得能够收集数据并将其传输到手术患者护理系统320。
当前患者数据310可包括但不限于：活动水平，先前存在的病症，合并症，康复表现，健康和体质水平，术前期望水平(与医院、手术和恢复有关)，大都市统计区(msa)驱动得分，遗传背景，既往损伤(运动、创伤等)，先前的关节成形术，先前的创伤手术，先前的运动医学手术，对侧关节或肢体的治疗，步态或生物力学信息(背部和踝部问题)，疼痛或不适的程度，护理基础设施信息(付款人覆盖类型、家庭医疗保健基础设施水平等)，以及该手术的预期理想结果的指示。
历史患者数据315可包括但不限于：活动水平，先前存在的病症，合并症，康复表现，健康和体质水平，术前期望水平(与医院、手术和恢复相关)，msa驱动得分，遗传背景，既往损伤(运动、创伤等)，先前的关节成形术，先前的创伤手术，先前的运动医学手术，对侧关节或肢体的治疗，步态或生物力学信息(背部和踝部问题)，疼痛或不适的程度，护理基础设施信息(付款人覆盖类型、家庭医疗保健基础设施水平等)，手术的预期理想结果，手术的实际结果(患者报告结果[pro]、植入物的存活率、疼痛程度、活动水平等)，使用的植入物的大小，使用的植入物的位置/取向/对准，实现的软组织平衡等。
执行程序或治疗的医疗专业人员330可以将各种类型的数据325提供给手术患者护理系统320。此医疗专业人员数据325可包括：例如，已知或优选手术技术的说明(例如，十字保持(cr)相对于后稳定(ps)，规模提升与规模缩小，止血带与无止血带，股骨柄类型，tha的首选方法等)，医疗专业人员330的培训水平(例如，从业年限、培训资格、培训地点、仿效谁的技术)，包括历史数据的先前成功水平(结果、患者满意度)，以及关于运动范围、恢复天数和装置的存活率的预期理想结果。可以例如通过提供给医疗专业人员330的纸质或数字调查，通过医疗专业人员向移动应用程序的输入，或通过从emr中提取相关数据来捕获医疗专业人员数据325。另外，cass100可以提供描述在手术期间使用cass的数据，例如，简档数据(例如，患者特定膝关节器械简档)或历史日志。
与将要进行程序或治疗的设施有关的信息可以包括在输入数据中。此数据可包含但不限于以下各项：门诊手术中心(asc)对比医院、设施损伤程度、关节置换综合护理计划(cjr)或捆绑候选资格、msa驱动得分、社区对比都市、学术对比非学术、术后网络接入(仅专业护理设施[snf]、家庭监护等)、医疗专业人员可用性、植入物可用性和手术设备可用性。
这些设施输入可以通过例如但不限于调查(纸质/数字)、手术调度工具(例如，应用程序、网站、电子医疗记录[emr]等)、医院信息数据库(在互联网上)等来捕获。也可以捕获与相关联医疗保健经济有关的输入数据，包括但不限于患者的社会经济状况、患者将获得的预期报销水平，以及治疗是否是患者特定的。
这些医疗保健经济输入可以通过例如但不限于调查(纸质/数字)、直接付款人信息、社会经济状况数据库(在带邮政编码的互联网上)等捕获。最后，捕获源自程序仿真的数据。仿真输入包括植入物大小、位置和取向。仿真可以用定制或商购可得的解剖建模软件程序(例如，
在手术之前，患者数据310、315和医疗专业人员数据325可以被捕获并存储在基于云的或在线数据库(例如，图2c中所示的手术数据服务器180)中。与程序有关的信息经由无线数据传输或通过使用便携式介质存储装置手动地提供给计算系统。计算系统配置成生成与cass100一起使用的病例计划。下文将描述病例计划生成。应注意，所述系统能够访问来自接受治疗的先前患者的历史数据，包括由计算机辅助的、患者特定的膝关节器械(pski)选择系统生成或由cass100自身自动生成的植入物大小、放置和取向。为了实现这一点，手术销售代表或病例工程师使用在线门户将病例日志数据上传到历史数据库。在一些实施例中，向在线数据库的数据传输是无线的且自动的。
来自在线数据库的历史数据集用作机器学习模型的输入，例如，递归神经网络(rnn)或其它形式的人工神经网络。如本领域通常所理解的，人工神经网络在功能上类似于生物神经网络，并且由一系列节点和连接组成。所述机器学习模型被训练以基于输入数据预测一个或多个值。对于随后的部分，假设机器学习模型被训练以生成预测方程。这些预测方程可以被优化以确定植入物的最佳尺寸、位置和取向，以实现最佳结果或满意度。
一旦程序完成，收集所有患者数据和可用结果数据，包括由cass100确定的植入物大小、位置和取向，并将其储存在历史数据库中。经由rnn对目标方程的任何后续计算将包括以此方式来自先前患者的数据，从而允许不断改善系统。
除了确定植入物定位之外或作为确定植入物定位的替代方案，在一些实施例中，预测方程和相关联的优化可用于生成与pski系统一起使用的切除平面。当与pski系统一起使用时，预测方程计算和优化在手术之前完成。使用医学图像数据(x射线、ct、mri)估计患者解剖结构。预测方程的全局优化可以提供植入物部件的理想尺寸和位置。植入物部件和患者解剖结构的布尔交点被定义为切除体积。可以产生pski以去除优化的切除包络。在此实施例中，外科医生不能在手术中改变手术计划。
外科医生可以选择在程序之前或期间的任何时间改变手术病例计划。如果外科医生选择偏离手术病例计划，则改变部件的大小、位置和/或取向被锁定，并且基于部件的新大小、位置和/或取向(使用先前描述的技术)刷新全局优化，以找到其它部件的新理想位置和为实现部件的新优化的大小、位置和/或取向而需要执行的相应切除。例如，如果外科医生确定需要在手术中更新或修改tka中的股骨植入物的大小、位置和/或取向，则相对于解剖结构锁定股骨植入物位置，并且将考虑外科医生对股骨植入物大小、位置和/或取向的改变来(通过全局优化)计算胫骨的新最佳位置。此外，如果用于实施病例计划的手术系统是机器人辅助的(例如，与使用
图4a说明如何可以使手术患者护理系统320适于执行病例计划匹配服务。在此实例中，捕获与当前患者310有关的数据，并将其与患者数据和相关结果315的历史数据库的全部或部分进行比较。例如，外科医生可以选择将当前患者的计划与历史数据库的子集进行比较。历史数据库中的数据可以被过滤为包括例如仅具有有利结果的数据组、对应于具有与当前患者概况相同或相似的概况的患者的历史手术的数据集、对应于特定外科医生的数据集、对应于手术计划的特定方面(例如，仅保留特定韧带的手术)的数据集，或由外科医生或医疗专业人员选择的任何其他标准。例如，如果当前患者数据与经历良好结果的先前患者的数据匹配或相关，则可以访问来自先前患者的病例计划，并且使其适合或用于当前患者。所述预测方程可以与识别或确定与病例计划相关联的动作的术中算法结合使用。基于来自历史数据库的相关和/或预选择的信息，术中算法确定外科医生要执行的一系列推荐动作。算法的每次执行都产生病例计划中的下一个动作。如果外科医生执行所述动作，则评估结果。外科医生执行动作的结果用于改进和更新术中算法的输入，以用于生成病例计划中的下一步。一旦病例计划已完全执行，与病例计划相关联的所有数据，包括外科医生执行的与推荐动作的任何偏离，都存储在历史数据的数据库中。在一些实施例中，所述系统以分段方式利用术前、术中或术后模块，而不是整个护理连续期。换句话说，护理者可以指定治疗模块的任何排列或组合，包括使用单个模块。这些概念在图4b中示出并且可以应用于利用cass100的任何类型的手术。
手术过程显示
如上文关于图1-2c所述，cass100的各种部件在手术期间生成详细数据记录。cass100可以跟踪和记录外科医生在手术的每个步骤期间的各种动作和活动，并将实际活动与术前或术中手术计划进行比较。在一些实施例中，可以使用软件工具将这些数据处理成可以有效地“回放”手术的格式。例如，在一个实施例中，可以使用一个或多个gui来描绘在手术期间显示器125上呈现的所有信息。这可以用描绘由不同工具收集的数据的图形和图像来补充。例如，在组织切除期间提供膝盖的视觉描绘的gui可以邻近视觉描绘提供切除设备的测量的扭矩和位移，以更好地提供对发生的与计划切除区域的任何偏离的理解。查看手术计划回放或在实际手术与手术计划的不同方面之间切换的能力可以为外科医生和/或手术人员提供益处，从而允许此类人员识别手术的任何缺陷或挑战性方面，使得可以在将来的手术中进行修改。类似地，在学术环境中，上述gui可以用作用于培训未来外科医生和/或手术人员的教学工具。另外，由于数据集有效地记录外科医生活动的许多方面，因此它也可以出于其它原因(例如，法律或合规原因)用作特定手术程序的正确或不正确执行的证据。
随着时间的推移，随着采集越来越多的手术数据，可以获取丰富的数据库，所述丰富的数据库描述了不同外科医生针对不同患者对各种类型的解剖结构(膝、肩、髋等)执行的手术程序。此外，诸如植入物类型和尺寸、患者人口统计等的方面可以进一步用于增强总体数据集。一旦数据集已经建立，它可以用来训练机器学习模型(例如，rnn)以基于cass100的当前状态预测外科手术将如何进行。
机器学习模型的训练可以执行如下。cass100的总体状态可以在手术的持续时间内在多个时间段内进行采样。然后，可以训练机器学习模型以将第一时间段处的当前状态转化为不同时间段处的未来状态。通过分析cass100的整个状态而不是单个数据项，可以捕获cass100的不同部件之间的相互作用的任何因果关系。在一些实施例中，可以使用多个机器学习模型而不是单个模型。在一些实施例中，机器学习模型可以不仅用cass100的状态来训练，而且还用(例如，从emr捕获的)患者数据和手术人员的成员的标识来训练。这允许模型以更大的特异性进行预测。此外，如果需要，它允许外科医生仅基于其自身的手术经历选择性地进行预测。
在一些实施例中，由前述机器学习模型作出的预测或推荐可直接集成到手术工作流程中。例如，在一些实施例中，手术计算机150可以在后台执行机器学习模型，以对即将发生的动作或手术状况进行预测或推荐。因此，可以针对每个时段预测或推荐多个状态。例如，手术计算机150可以30秒增量预测或推荐接下来5分钟的状态。利用该信息，外科医生可以利用允许对未来状态进行可视化的手术的“过程显示”视图。例如，图4c描绘了一系列可以显示给外科医生的图像，其描绘了植入物放置界面。外科医生可以例如通过将特定时间输入到cass100的显示器125中或指示系统使用触觉、口头或其它指令以特定时间增量前进或后退显示器来循环通过这些图像。在一个实施例中，过程显示可以呈现在arhmd中的外科医生视场的上部。在一些实施例中，可以实时地更新过程显示。例如，当外科医生围绕计划切除区域移动切除工具时，可以更新过程显示，使得外科医生可以看到其动作正如何影响手术的其它方面。
在一些实施例中，不是简单地将cass100的当前状态用作机器学习模型的输入，模型的输入可包括计划的将来状态。例如，外科医生可以指示其正计划进行膝关节的特定骨切除。该指示可以手动输入到手术计算机150中，或者外科医生可以口头提供指示。然后，手术计算机150可以产生膜条，其显示切割对手术的预期影响。此膜条可以在特定时间增量内描述如果要执行所设想的动作过程，手术将如何受到影响，包括例如，患者的解剖结构的变化、植入物位置和取向的变化以及关于手术干预和器械的变化。外科医生或医疗专业人员可以在手术中的任何时间点调用或请求这种类型的膜条，以预览如果要进行所设想的动作，那么所设想的动作过程将如何影响手术计划。
还应注意，利用充分训练的机器学习模型和机器人cass，可以使手术的各个方面自动化，使得外科医生只需要例如通过仅提供对手术的各个步骤的同意而最少地参与。例如，随着时间推移，使用臂或其它装置的机器人控制可以逐渐集成到手术工作流程中，其中相比于机器人操作，外科医生逐渐越来越少地参与手动交互。在这种情况下，机器学习模型可以学习需要哪些机器人命令来实现cass实施计划的某些状态。最终，机器学习模型可用于产生膜条或类似的视图或显示，该膜条或类似的视图或显示从初始状态预测整个手术并可预览整个手术。例如，可以定义初始状态，其包括患者信息、手术计划、植入物特征和外科医生偏好。基于该信息，外科医生可以预览整个手术以确认cass推荐的计划满足外科医生的期望和/或要求。此外，由于机器学习模型的输出是cass100本身的状态，因此可以导出命令以控制cass的部件以实现每个预测状态。在极端情况下，整个手术因此可以仅基于初始状态信息而自动化。
在髋关节手术期间使用点探针获取关键区域的高分辨率
点探针的使用在名称为“systemsandmethodsforplanningandperformingimagefreeimplantrevisionsurgery(用于规划和执行无图像植入物翻修手术的系统和方法)”的美国专利申请号14/955,742中描述，该申请的全部内容以引用方式并入本文中。简言之，光学跟踪的点探针可用于绘制需要新植入物的目标骨骼的实际表面。在去除有缺陷或磨损的植入物之后，以及在去除任何患病或其他不需要的骨骼之后进行绘制。通过用点探针的尖端刷或刮擦全部剩余骨骼，来在骨表面上采集多个点。这被称为描画或“涂染”骨骼。采集的点用于在计算机化规划系统中创建骨表面的三维模型或表面图。然后，将所创建的其余骨骼的3d模型用于规划程序和必需的植入物大小的基础。使用x射线确定3d模型的替代技术在2018年4月17日提交的名称为“threedimensionalguidewithselectivebonematching(具有选择性骨配合的三维引导件)”的美国临时专利申请第62/658,988号中描述，该申请的全部内容以引用方式并入本文中。
对于髋关节应用，点探针涂染可用于获取关键区域(例如，髋臼边缘和髋臼窝)的高分辨率数据。这可以允许外科医生在开始扩孔之前获得详细视图。例如，在一个实施例中，点探针可以用于识别髋臼的底面(窝)。如本领域中众所周知的，在髋关节手术中，确保髋臼的底面在扩孔期间不受损以避免破坏内侧壁是重要的。如果内侧壁被无意中破坏，则手术将需要额外的骨移植步骤。考虑到这一点，来自点探针的信息可用于在手术程序期间向髋臼扩孔器提供操作指南。例如，髋臼扩孔器可以构造成在外科医生到达底面或以其它方式偏离手术计划时向外科医生提供触觉反馈。替代地，当到达底面时或当扩孔器在阈值距离内时，cass100可自动停止扩孔器。
作为附加保障，可以估计髋臼与内侧壁之间的区域的厚度。例如，一旦髋臼边缘和髋臼窝已被涂染且注册到术前3d模型，就可以通过将髋臼表面的位置与内侧壁的位置进行比较来容易地估计厚度。利用此知识，cass100可在扩孔时如果预测任何手术活动突出通过髋臼壁，则提供报警或其它响应。
点探针还可用于采集在将3d模型定向到患者时使用的共同参考点的高分辨率数据。例如，对于诸如asis和耻骨联合的骨盆平面标志，外科医生可以使用点探针来涂染骨骼以表示真正的骨盆平面。考虑到这些标志的更完整视图，注册软件具有更多的信息来定向3d模型。
点探针也可用于采集描述近端股骨参考点的高分辨率数据，该高分辨率数据可用于提高植入物放置的准确性。例如，大转子(gt)的尖端与股骨头中心之间的关系通常用作在髋关节成形术期间对准股骨部件的参考点。该对准高度取决于gt的适当定位；因此，在一些实施例中，点探针用于对gt进行涂染以提供该区域的高分辨率视图。类似地，在一些实施例中，可能有用的是具有较小转子(lt)的高分辨率视图。例如，在髋关节成形术期间，dorr分类有助于选择将使在手术期间实现压配合的能力最大化的柄，以防止术后股骨部件的微动并确保最佳骨向内生长。如本领域中所理解的，dorr分类测量lt处的管宽度与lt下方10cm的管宽度之间的比率。分类的准确性高度取决于相关解剖结构的正确定位。因此，涂染lt以提供该区域的高分辨率视图可能是有利的。
在一些实施例中，点探针用于对股骨颈进行涂染以提供高分辨率数据，该高分辨率数据允许外科医生更好地理解在何处进行颈切割。然后，导航系统可以在外科医生执行颈切割时引导外科医生。例如，如本领域中所理解的，通过将一条线沿着股骨轴的中心放置，将第二条线沿着股骨颈的中心放置来测量股骨颈角度。因此，股骨颈(以及可能还有股骨轴)的高分辨率视图将提供对股骨颈角度的更精确计算。
高分辨率股骨头颈数据还可用于导航重塑表面程序，其中软件/硬件辅助外科医生准备近端股骨并放置股骨部件。如本领域中通常所理解的，在髋关节重塑表面期间，不去除股骨头和股骨颈；而是，头被修剪并用光滑金属覆盖物盖在顶上。在此情况下，外科医生对股骨头和盖进行涂染将是有利的，使得可以理解对它们各自几何形状的准确评估并且用于引导股骨部件的修剪和放置。
使用点探针将术前数据注册到患者解剖结构
如上所述，在一些实施例中，基于所关注解剖区域的2d或3d图像在术前阶段期间开发3d模型。在此类实施例中，在手术程序之前执行3d模型与手术部位之间的注册。注册的3d模型可以用于在手术中跟踪和测量患者的解剖结构和手术工具。
在手术程序期间，获取标志以便于将该术前3d模型注册到患者的解剖结构。对于膝部手术，这些点可包括股骨头中心、远端股骨轴线点、内侧和外侧上髁、内侧和外侧踝骨、近侧胫骨机械轴线点和胫骨a/p方向。对于髋部手术，这些点可以包括髂前上棘(asis)、耻骨联合、沿着髋臼边缘和在半球内的点、较大转子(gt)和较小转子(lt)。
在翻修手术中，外科医生可以对含有解剖缺陷的某些区域进行涂染，以允许更好地可视化和导航植入物插入。可基于对术前图像的分析来识别这些缺陷。例如，在一个实施例中，将每个术前图像与显示“健康”解剖结构(即，无缺陷)的图像库进行比较。患者的图像与健康图像之间的任何显著偏差可被标记为潜在缺陷。然后，在手术期间，可以经由cass100的显示器125上的视觉警报来警告外科医生可能的缺陷。然后，外科医生可以对该区域进行涂染，以向手术计算机150提供关于潜在缺陷的进一步细节。
在一些实施例中，外科医生可以使用非接触式方法来进行骨解剖内切口的注册。例如，在一个实施例中，使用激光扫描进行注册。激光条纹投影在所关注解剖区域上方，并且所述区域的高度变化检测为线的变化。其它非接触式光学方法，例如白光推断法或超声波，可以替代地用于表面高度测量或注册解剖结构。例如，当注册点与正被注册的骨骼(例如，asis，髋关节手术中的耻骨联合)之间存在软组织时，超声技术可能是有益的，从而提供解剖平面的更精确定义。
参考图5，示出了大体上指示为500的示例性手术系统。示例性手术系统500可以配置成在手术中获得与将经受手术程序的膝盖的运动范围有关的位置数据。此位置数据可对应于手术膝盖的离散屈曲或伸展角度。在一些实例中，也可以在手术中收集附加信息，例如软组织和解剖结构信息。在一些实例中，也可以在术中和/或术前收集韧带附接位置。
在某些实施例中，系统500可包括手术导航系统510和导航式装置520，诸如点探针、切割装置或可在手术程序期间使用的另一手术工具。在手术中，患者的膝盖移动通过运动范围，使得可以跟踪各种解剖部件例如股骨、胫骨和髌骨的位置。如本文所述，也可以在手术中收集附加信息，例如，包括韧带应变的软组织信息。
在某些实施中，手术导航系统510可以配置成采用跟踪部件530。跟踪部件530可以配置和实施为手术导航系统510内的整体系统或部件，或者为连接到手术导航系统的独立部件。应了解，所描述主题的实施例可由各种类型的操作环境、计算机网络、平台、框架、计算机架构和/或计算装置实施。
手术导航系统510和/或跟踪部件530可包括一个或多个处理器和存储器装置，以及各种输入装置、输出装置、通信接口和/或其它类型的装置。手术导航系统510和/或跟踪部件530可包括硬件和软件的组合。
手术导航系统510和/或跟踪部件530可以实施和利用一个或多个程序模块。通常，程序模块包括执行特定任务或实施特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等等。
手术导航系统510和/或跟踪部件530可以由一个或多个计算装置实现，所述一个或多个计算装置配置成根据所描述主题的各方面提供各种类型的服务和/或数据存储。示例性计算装置可包括但不限于：个人计算装置、网络服务器、前端服务器、应用服务器、数据库服务器、域控制器、域名服务器、目录服务器和/或其它合适的计算机。手术导航系统510和/或跟踪部件530的部件可通过软件、硬件、固件或其组合来实现。
跟踪部件530可包括处理器532、存储器534、输入装置536、探针接口538、测量数据库540和输出装置542。输入装置536可配置和实施成在实施手术计划之前从外科医生接收指令。
跟踪部件530可以配置成接收和表征与正在手术的膝盖有关的各种解剖信息。例如，处理器532可以配置成执行存储在存储器534中的软件指令，以在跟踪部件530评估移动信息之前从导航式装置520确定胫骨、股骨和/或髌骨的表面信息。在一些实施例中，相对位置和特定信息，例如韧带应变和/或松驰度，可以由处理器532基于从导航式装置(例如，测力计或应变计等)接收的信息确定，或者通过测量膝盖移动通过其全部运动范围时的移动和内翻/外翻信息确定。输出装置542可以生成各种解剖部件的位置测量值和/或显示如本文中所述的手术计划的部分。
如上所述，本公开涉及一种使用计算机建模和模拟计算个性化膝盖性能方程的过程。个性化膝盖性能方程用于为给定患者选择最佳植入物大小、位置和取向。通过测量一系列临床和手术输入因子来完成个性化膝盖性能方程的计算。可以使用机器人辅助手术系统，例如
因此，如本文所教导的，可以为每位患者生成个性化和优化的膝盖性能方程，以在患者特定的输入因子与患者特定的骨科响应之间建立关系。输入因子与响应之间的关系可以描述为一系列复杂数学方程，每个骨科响应一个数学方程。
输入因子可以分为各种类别。例如，输入因子可以包括术前输入因子、术中输入因子、手术输入因子和术后输入因子。输入因子的每种类别还可包括各种类型的输入因子。
例如，术前输入因子可以包括在术前检查期间在门诊收集和/或测量的各种数据和/或信息。在某些实施方式中，这可包括射线照相分析以及从患者的电子健康记录获得的信息。术前输入因子的实例可包括但不限于生物测定数据(例如，性别、身高和/或体重/bmi)、射线照相评估信息(例如，髌骨高度(insall-salvati比率)、骨刺存在和位置、屈曲/伸展间隙、机械轴线、髌骨适合角和/或腿部长度差异)、定性数据(例如，患者活动水平、体质水平、先前损伤和/或合并症)，和其它类似的术前输入因子。
在一些实例中，术中输入因子可包括在手术期间利用例如机器人辅助手术系统收集的各种数据和/或信息。在某些实施方式中，术中输入因子包括由于关节暴露而获得的信息。术中输入因子的实例可包括标志位置(例如，髋关节中心、胫骨踝、股骨膝盖中心、内侧/外侧股骨髁上最后侧点、股骨前凹口点、股骨髁、股骨ap轴、股骨关节线、胫骨膝盖中心、内侧/外侧胫骨平台上的低点、胫骨髁、胫骨ap轴、胫骨结节采集，和/或胫骨关节线)、股骨和胫骨上的表面测绘(例如，通过上述自由采集点)，关节松驰度数据(例如，受应力/未受应力的运动范围采集)，计算的数据(例如，机械/解剖轴、内翻/外翻畸形、韧带特性、骨应力，和/或植入物应力)，和其他相关数据(例如，来自术中测量系统的关节负载数据)。
在一些实例中，手术输入因子可包括基于正在执行的手术的类型而选择并且由例如机器人辅助手术系统实施的参数。例如，基于手术参数的输入因子可包括植入物部件大小、植入物部件位置和取向、软组织释放信息和其它类似的手术参数。
在一些实例中，术后输入因子可包括术后测量以定性地评估手术的成功的数据和/或信息。该信息可用于传递方程的持续改善。例如，术后输入因子可包括最终植入物位置和取向信息(例如通过医学成像获得)、患者满意度测量、恢复特征(例如，最终运动范围、恢复天数和/或植入物存活率)，以及其它类似的术后输入因子。
如上所述，各种输入因子可用于一系列传递函数中以产生一个或多个骨科响应。在某些实施方式中，骨科响应包括可以在手术中(或在一些实例中，在手术前)模拟和评估以预测特定手术的成功可能性的测量。例如，骨科响应可以包括模拟组织应变、模拟力/应力(例如，骨应力、植入物应力、接触应力和/或髌骨剪切力)、运动学(例如，胫骨/股骨运动学和/或髌骨跟踪)、软组织平衡响应(例如，韧带张力信息)和其它类似的骨科响应。
在某些实施例中，可以将临床测量结果记录并上传到数据储存系统，例如基于云的存储系统。可以使用平板电脑应用程序、网站和/或配置成采集患者信息的患者门户输入特定患者信息。一旦上传，数据就可以由机器人辅助手术系统通过例如无线通信访问。一旦测量了术中输入因子，机器人辅助手术系统就可以使用一个或多个患者特定的膝盖性能方程来展示植入物部件相对于一个或多个骨科响应的最佳位置和取向。机器人辅助手术系统用户界面可以允许外科医生根据建议解决方案改变植入物位置。显示与植入物部件的移动和产生的对所关注骨科响应的影响有关的反馈。外科医生有机会改变植入物放置的各方面，并且允许机器人辅助手术系统自动计算新的最佳解决方案，同时保存所有外科医生改变的值。一旦确定了令人满意的植入物位置，就可以根据外科医生同意的计划，使用机器人控制的圆头锉来准确地放置部件。
在某些实施方式中，无线通信和基于云的数据库允许基于术前、术中、手术输入和术后数据收集来持续改善膝盖性能方程。对等式的改进和向传递函数添加项表示潜在的改善。改善可以从云中(即，远离手术系统)的数据库下载到机器人辅助手术系统以用于无缝软件更新。然而，应注意，仅以举例的方式示出提供无线连接和基于云的存储。
在替代实施例中，可以通过由维修人员执行的定期软件更新来改善膝盖性能方程。更新可包括由在基于云的数据库中累积的数据制成的更新的“方程引擎”。可以对不配备有对基于云的数据库的直接无线访问的机器人辅助手术系统执行手动更新。
在一些实施例中，可以基于机器学习技术更新传递函数。可以记录每次外科手术的各种信息，包括例如但不限于患者生理系统的各种相关部分的术前对准和定位信息、各种骨科响应的临床测量结果、一个或多个植入物的实际定位和对准，以及关于患者的步态和/或对手术结果的满意度的术后数据(例如，疼痛是否在膝关节手术后持续存在)。在一个实施例中，信息可以在多个位置并且为多个外科医生记录。以这种方式，可以基于多个外科医生的集体信息和过往经验，识别手术程序的最佳实践并将其用于改进传递函数，以便为未来患者提供最佳结果。
图6-8示出了用于基于如上所述的各种输入因子确定特定患者的优化的传递方程的更详细的示例性过程。例如，如图6中所示，诸如本文所描述的机器人辅助手术系统的计算系统可以接收602特定患者的一组初始传递函数。为了生成初始传递函数，可以实施与图7中所示的过程类似的过程。在一个实施例中，该组初始传递函数可以实时更新。在此类实施例中，该组初始传递函数可包括来自彼此共同定位或远程定位的多个机器人辅助手术系统的信息。在替代实施例中，当手术系统的软件升级发生时和/或类似情况，手术系统可由用户酌情以周期性间隔或非周期性间隔接收602该组传递函数。
如图7中所示，计算系统可以一开始接收702临床研究数据。例如，临床研究数据可以包括各种术前输入因子，诸如上文所描述的那些。基于临床研究数据，计算系统可以生成704患者简档和/或模型。例如，所述模型可以包括表示基于包含在术前输入因子内的各种信息创建的虚拟膝盖的标准三维(3d)模型。在某些实施方式中，可以模拟706模型以在类似负载方案和移动/弯曲循环下执行各种移动。然后，可以分析708模拟的结果以确定一个或多个输入因子与各种响应之间的各种关系。例如，可以将模拟结果导入到设计矩阵中，并且可以对每个骨科响应执行统计分析。基于统计分析，可以针对每个响应生成710一组患者特定的骨科响应信息。因此，可以为每位患者确定个性化膝盖性能方程或一组方程，以在患者特定的输入因子与患者特定的骨科响应之间建立关系。因子与响应之间的关系可以描述为一系列复杂传递函数，每个骨科响应一个传递函数：
r1＝a*f1+b*f2+c*f3+…+x*fn
r2＝d*f1+e*f3+…+y*fn
r3＝g*f2+h*f3+…+z*fn
…
rn＝…
如上文列出的方程示意性地表示患者特定的因子(f1、f2、f3等)与骨科响应(r1、r2、r3等)之间的关系。系数(a、b、c、d等)可基于使用例如建模软件(例如，lifemodeler)获得的建模结果来确定，lifemodeler是由加利福尼亚州圣克莱门特市的lifemodeler公司编写和分销的软件包，该公司现在是smith&nephew公司的子公司。可以看到，每个方程不一定包括所有骨科因子，这反映了这些因子可以影响一些但不是所有响应。
再次参考图6，计算系统还可以接收604额外的患者信息。该信息可以包括例如在手术程序之前收集的患者信息，例如更新的射线照相信息，或在手术中收集的患者信息，例如来自用于定位患者的各种标志(例如，上髁)的触摸指针的信息。基于此更新的患者信息，计算系统可以更新和优化606传递函数。计算系统可以生成和/或更新608手术计划，并且在外科医生同意或修改计划时，手术可以开始并且计算系统可以监测手术程序。计划的修改可以包括例如但不限于，外科医生决定进行比手术计划建议的切割更深或不如建议的切割深的切割。外科医生将更新608手术计划以适应此修改。
在手术期间，计算装置可以继续接收610通过监测各种被跟踪的手术工具(如上所述)或者通过从外科医生接收输入收集的术中数据。如上所述，术中数据可包括由于关节暴露而获得的信息，例如骨形状信息(表面测绘)、关节松驰度数据和其它类似的术中数据。最终，手术可以完成612。
图8示出了与如本文所描述的过程和技术有关的堆叠式解空间的样本视图。例如，如图8中所示，初始解空间800可包括开发传递函数，该传递函数显示与各个输入因子相关的骨科响应。
在生成传递函数之后，将传递函数迁移至术前解空间802，其中，术前输入因子被确定并填充到传递函数中。例如，术前输入因子可用于估计各种植入物选择，以在手术程序期间进行稍后改进。
在手术程序期间，可以将传递函数迁移至术中解空间804，术中输入因子由所述术中解空间确定并填充到传递函数中。基于术中输入因子，传递函数可用于确定用于植入物部件选择、植入物大小和植入物部件位置和取向的最佳解决方案。接着，可在更新的手术计划中将这些值提供给外科医生。
应注意，虽然先前描述的实施例涉及全膝关节成形术，但如本文所描述的过程可应用于其它关节，例如髋、脊柱和肩。类似地，如上文所描述的过程可以结合其它机器人手术系统使用。例如，所描述的过程与具有触觉臂的机器人手术系统兼容。在某些实施方式中，所描述的过程可以与收集临床数据的术前诊断工具结合使用，所述临床数据包括运动学数据、运动捕获数据、测力板(forceplate)数据、步态分析和其它相关临床数据。
图9示出了在其中实施说明性实施例的方面的说明性数据处理系统900的框图。数据处理系统900是计算机的一个实例，例如，服务器或客户端等，实现本发明的说明性实施例的流程的计算机可用代码或指令位于所述计算机中。在一些实施例中，数据处理系统900可以是服务器计算装置。例如，数据处理系统900可以在可操作地连接到如上文所描述的手术系统500的服务器或另一类似计算装置中实施。数据处理系统900可以配置成例如传输和接收与患者有关的信息和/或与手术系统500相关的手术计划。
在所描绘的实例中，数据处理系统900可采用集线器架构，所述集线器架构包括北桥和存储器控制器集线器(nb/mch)901以及南桥和输入/输出(i/o)控制器集线器(sb/ich)902。处理单元903、主存储器904和图形处理器905可以连接到nb/mch901。图形处理器905可以通过例如加速图形端口(agp)连接到nb/mch901。
在所描绘的实例中，网络适配器906连接到sb/ich902。音频适配器907、键盘和鼠标适配器908、调制解调器909、只读存储器(rom)910、硬盘驱动器(hdd)911、光学驱动器(例如，cd或dvd)912、通用串行总线(usb)端口和其他通信端口913，以及pci/pcie装置914可以通过总线系统916连接到sb/ich902。pci/pcie装置914可包括以太网适配器、附加卡和笔记本电脑的pc卡。rom910可以是例如闪存基本输入/输出系统(bios)。hdd911和光学驱动器912可使用集成驱动器电子器件(ide)或串行先进技术附件(sata)接口。超级i/o(sio)装置915可以连接到sb/ich902。
操作系统可以在处理单元903上运行。操作系统可以协调并提供对数据处理系统900内的各种部件的控制。作为客户端，操作系统可以是可商购获得的操作系统。例如javatm编程系统的面向对象的编程系统可以与操作系统一起运行，并从在数据处理系统900上执行的面向对象的程序或应用程序向操作系统提供调用。作为服务器，数据处理系统900可以是运行advancedinteractiveexecutive操作系统或linux操作系统的
用于操作系统、面向对象的编程系统以及应用程序或程序的指令位于诸如hdd911的存储装置上，并且被加载到主存储器904中以供处理单元903执行。本文中所描述的实施例的过程可由处理单元903使用计算机可用程序代码执行，所述计算机可用程序代码可位于例如主存储器904、rom910的存储器中，或位于一个或多个外围装置中。
总线系统916可以由一个或多个总线构成。可以使用任何类型的通信构造或架构来实施总线系统916，所述通信构造或架构可以提供附接到该构造或架构的不同部件或装置之间的数据传输。诸如调制解调器909或网络适配器906的通信单元可以包括可用于传输和接收数据的一个或多个装置。
本领域的普通技术人员将理解，图9中所描绘的硬件可以根据实施方式而变化。其它内部硬件或外围装置，例如闪速存储器、等效非易失性存储器或光盘驱动器，可以补充或代替所描绘的硬件使用。此外，数据处理系统900可以采用许多不同数据处理系统中的任一个的形式，许多不同数据处理系统包括但不限于客户端计算装置、服务器计算装置、平板电脑、笔记本电脑、电话或其它通信装置、个人数字助理等。基本上，数据处理系统900可以是不受架构限制的任何已知或以后开发的数据处理系统。
尽管已公开了结合本教导的原理的各种说明性实施例，但是本教导不限于所公开的实施例。而是，本申请旨在涵盖本教导的任何变化、使用或适应性修改并使用其一般原理。此外，本申请旨在涵盖从本公开的这样的偏离，其属于这些教导所属领域的已知或惯常实践。
在以上详细描述中，参考形成其一部分的附图。在附图中，除非上下文另外规定，类似符号通常标识类似的部件。本公开中描述的说明性实施例并不意味着是限制性的。可以使用其它实施例，并且可以在不脱离本文所呈现的主题的精神或范围的情况下进行其它改变。容易理解的是，本公开的各种特征(如本文大体上描述并在附图中图示的)可以被布置、取代、组合、分离和设计成各种各样的不同构型，这些构型全部在本文中明确设想。
本公开不限于本申请中所描述的特定实施例方面，其旨在作为各种特征的说明。在不脱离本领域技术人员显然明白的精神和范围的情况下，可以进行许多修改和变化。根据前述描述，本公开的范围内的功能等效方法和设备(除本文中所列举的那些之外)对于本领域技术人员将显而易见。应当理解，本公开不限于特定的方法、试剂、化合物、组合物或生物系统，其当然可以变化。还应理解，本文中所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意图是限制性的。
关于本文中基本上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以根据上下文和/或应用酌情从复数转换成单数和/或从单数转换为复数。为了清楚起见，各种单数/复数排列可在本文中明确阐述。
本领域内的技术人员应理解，一般来说，本文中所使用的术语通常意图为“开放性”术语(例如，术语“包括”应解释为“包括但不限于”，术语“具有”应解释为“至少具有”，术语“包括”应解释为“包括但不限于”等等)。虽然各种组合物、方法和装置按照“包括”各种部件或步骤(解释为意为“包括但不限于”)描述，但组合物、方法和装置还可“基本上由各种部件和步骤组成”或“由各种部件和步骤组成”，并且此类术语应解释为定义基本上封闭的构件组。
另外，即使明确叙述了特定数目，所属领域的技术人员将认识到，此类叙述应解释为意指至少所叙述的数字(例如，无其它修饰词只叙述“两个叙述物”，意味着至少两个叙述物或两个或更多个叙述物)。此外，在使用类似于“a、b和c中的至少一个”的用语的那些情况下，一般来说，这种构造意在本领域技术人员将理解该用语的意义(例如，“具有a、b和c中的至少一个的系统”将包括但不限于只具有a、只具有b、只具有c、一起具有a和b、一起具有a和c、一起具有b和c和/或一起具有a、b和c的系统，等等)。在使用类似于“a、b或c中的至少一个等等”的用语的那些情况下，一般来说，这种构造意在本领域技术人员将理解该用语的意义(例如，“具有a、b或c中的至少一个的系统”将包括但不限于只具有a、只具有b、只具有c、一起具有a和b、一起具有a和c、一起具有b和c和/或一起具有a、b和c的系统，等等)。本领域技术人员还将理解，不管在说明书、样本实施例或者附图中，呈现两个或更多个替代术语的几乎任何转折词和/或短语都应理解为考虑了包括术语之一、术语中任一个或两个术语的可能性。例如，短语“a或b”将理解为包括“a”或“b”或“a和b”的可能性。
另外，在根据马库什组描述本公开的特征的情况下，本领域的技术人员将认识到，本公开还根据马库什组的任何个别成员或成员的子组描述。
本领域技术人员将理解，出于任何和所有目的，例如就提供书面描述而言，本文公开的所有范围还涵盖任何可能的子范围和所有可能的子范围及其子范围的组合。任何列出的范围可被容易地认为是充分描述并且实现分解为至少相等的二分之一、三分之一、四分之一、五分之一、十分之一等等的相同范围。作为非限制性实例，本文中论述的每个范围可以容易地分解为下三分之一、中三分之一和上三分之一等等。本领域技术人员还将理解，诸如“高达”、“至少”等的所有语言包括叙述的数字，并且指可以随后如上所述分解成子范围的范围。最后，所属领域的技术人员将理解，范围包括每个单个成员。因此，例如，具有1-3个细胞的基团是指具有1、2或3个细胞的基团。类似地，具有1-5个细胞的基团是指具有1、2、3、4或5个细胞的基团，诸如此类。
如本文所使用，词语“约”是指数值量的变化，例如其可通过在现实世界中的测量或处理程序发生；通过这些程序中的无意误差发生；通过制造、来源或组合物或试剂的纯度的差异发生；等等。通常，如本文所使用的词语“约”意指比值或值的范围大或小所陈述值的1/10，例如，±10％。词语“约”还指所属领域的技术人员将认为是等效的变化，只要此类变化不涵盖现有技术实践的已知值。术语“约”之后的每个值或值范围还旨在涵盖所陈述的绝对值或值范围的实施例。无论是否由词语“约”修饰，本公开中叙述的定量值包括所叙述值的等同物，例如可能发生的但是所属领域的技术人员将认识到是等同物的此值的数值量的变化。
以上公开的各种特征和功能以及其替代方案可以组合成许多其它不同的系统或应用。本领域的技术人员随后可以进行各种目前不可预见或非预期的替代方案、修改、变化或改善，其中每一个也旨在由所公开的实施例涵盖。
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