用于手术导航的双位置跟踪硬件安装件的制作方法
优先权声明
本申请要求享有2018年10月4日提交的、名称为“dual-positiontrackinghardwaremountforsurgicalnavigation(用于手术导航的双位置跟踪硬件安装件)”的第62/741,280号美国临时申请的优先权的权益，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相关的方法、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，所述各种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，例如关节镜手术、脊柱手术、颌面手术、肩袖手术、韧带修复和置换手术。具体地说，本公开大体上涉及一种用于手术程序的跟踪器阵列，并且更具体地涉及一种在关节置换手术期间使用的跟踪器阵列。
背景技术：
使用计算机、机器人和成像来辅助骨科手术是本领域熟知的。对用来指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。两种一般类型的半主动手术机器人已出现并已应用于骨科手术，例如关节成形术。第一类型的半主动机器人将手术工具附接到机械臂，所述机械臂抵抗外科医生偏离计划程序(例如，骨切除)的移动。此第一类型通常被称为触觉系统，其源自接触的希腊语。第二类型的半主动机器人专注于控制手术工具的各方面，例如切割钻的速度。此第二类型的半主动机器人有时被称为自由臂机器人，因为用户在移动工具时不受限制。
两种类型的手术机器人都包括导航或跟踪系统，所述导航或跟踪系统在手术期间密切地监测手术工具和患者。导航系统可用于建立虚拟三维(3-d)坐标系，在该虚拟三维坐标系中将跟踪患者和手术装置两者。
髋关节置换是使用手术机器人、先进成像和计算机辅助导航正获得认可的一种类型的手术程序。自1960年代早期以来，已经进行了全髋关节置换(thr)或关节成形术(tha)手术，以修复髋臼及其周围的区域，并替换已经退化的髋关节部件，例如股骨头。目前，仅在美国每年进行约200,000台thr手术，其中约40,000台是修正手术。由于在植入部件的寿命期间可能出现的许多问题中的任一个问题，例如脱位、部件磨损和退化以及植入物从骨骼松脱，因此需要进行修正。
股骨头从髋臼部件或杯脱位被认为是与thr相关的最常见的早期问题之一，因为脱位会突然带来身体和情感困难。原发性thr手术后的脱位发生率为大约2-6％，并且在修正手术后的发生率甚至更高。虽然脱位可归因于多种原因，例如软组织松驰和植入物的松动，但最常见的原因是股骨颈与髋臼杯植入物的边缘或者植入物周围的软组织或骨骼的撞击。撞击由于髋臼杯部件在骨盆内的不准确定位而最常发生。
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，且连同文字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提供给cass的其它部件的说明性控制指令。
图2b描绘了根据实施例的cass的部件提供给手术计算机的说明性控制指令。
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说明性流程图。
图4b描绘了根据实施例的用于确定包括术前、术中和术后动作的护理片段的说明性流程图。
图4c描绘了根据实施例的说明性图形用户界面，其包括描绘植入物放置的图像。
图5描绘了根据说明性实施例的跟踪框架和联接器底座。
图6描绘了根据说明性实施例的跟踪框架和附接到骨结构的联接器底座。
图7描绘了根据说明性实施例的跟踪框架和具有多个表面的联接器底座。
图8描绘了根据说明性实施例的跟踪框架以及具有多个表面和一个或多个磁性连接的联接器底座。
图9描绘了根据说明性实施例的跟踪框架以及具有多个表面和一个或多个凹坑(divot)的联接器底座。
图10描绘了根据另一说明性实施例的跟踪框架以及具有多个表面和一个或多个凹坑的联接器底座。
图11描绘了根据说明性实施例的用于向植入物定位提供导航和控制的示例性系统的框图。
图12描绘了根据说明性实施例的用于操作用于导航和控制植入物定位装置的系统的示例性环境的框图。
技术实现要素：
提供了一种计算机辅助手术导航系统。所述系统包括：计算机程序，所述计算机程序适于生成关于患者的身体部位的位置和取向的导航参考信息；安装到所述患者的跟踪装置，所述跟踪装置包括跟踪框架和具有多个表面的联接器底座，其中所述跟踪框架构造成可移除地接合所述多个表面中的每一个表面；传感器，所述传感器配置成识别所述跟踪框架的位置；以及计算机，所述计算机配置成存储所述导航参考信息并且从所述传感器接收所述跟踪框架的位置，以便跟踪至少一个手术参照相对于所述身体部位的位置和取向。
根据一些实施例，所述系统还包括监视器，所述监视器配置成接收和显示所述导航参考信息以及所述至少一个手术参照的位置和取向中的一个或多个。
根据一些实施例，所述多个表面中的每一个表面包括凹坑。根据另外的实施例，所述系统还包括跟踪探针，其中所述传感器还配置成识别所述跟踪探针的位置，并且其中所述计算机还配置成接收所述跟踪探针的位置，并且确定所述跟踪探针是否位于所述多个表面中的一个表面的凹坑中。
根据一些实施例，所述系统还包括机械臂，其中所述计算机还配置成在所述机械臂阻挡所述传感器到所述跟踪框架的视线时通知用户重新定位所述跟踪框架。
根据一些实施例，所述传感器适于感测以下各项中的至少一项：电信号、磁场、电磁场、声音、身体、射频、x射线、光、有源信号或无源信号。
根据一些实施例，所述传感器包括至少两个光学跟踪相机，所述光学跟踪相机用于感测与所述患者的身体部位相关联的至少一个手术参照。
根据一些实施例，所述身体部位是所述患者的骨骼、组织、股骨和头部中的至少一者。
根据一些实施例，所述导航参考信息涉及所述患者的骨骼。根据另外的实施例，所述跟踪装置安装到所述骨骼。
根据一些实施例，所述导航参考信息是所述身体部位的机械轴线。
根据一些实施例，所述手术参照是前骨盆平面。
根据一些实施例，所述系统还包括用于获得所述患者的身体部位的图像的成像器，并且其中所述计算机适于存储所述图像。
还提供了一种可重新定位的手术跟踪组件。所述组件包括底座和跟踪框架，所述底座包括：第一表面，所述第一表面包括一个或多个第一联接特征；不同于所述第一表面的第二表面，所述第二表面包括一个或多个第二联接特征；以及一个或多个骨联接特征，所述一个或多个骨联接特征构造成将联接装置固定到骨骼；所述跟踪框架包括：一个或多个光学跟踪标记；以及一个或多个互补联接特征，所述一个或多个互补联接特征构造成与所述一个或多个第一联接特征配合以接合所述第一表面上的跟踪框架，并且构造成与所述一个或多个第二联接特征配合以接合所述第二表面上的跟踪框架，其中所述一个或多个第一联接特征和所述一个或多个第二联接特征中的每一个构造成基于所述一个或多个互补联接特征而要求所述跟踪框架的特定取向。
根据一些实施例，所述一个或多个第一联接特征包括第一凹坑，所述一个或多个第二联接特征包括第二凹坑，并且所述一个或多个互补联接特征包括与所述第一凹坑和所述第二凹坑中的每一个互补的突起。根据另外的实施例，当所述跟踪框架与所述第一表面接合时，可以在所述第二表面的凹坑中接收探针，由此向跟踪系统指示所述跟踪框架与所述第一表面接合。
还提供了一种用于在手术程序期间将跟踪框架固定到患者的骨骼的联接装置。所述联接装置包括：多个表面，其中每个表面包括一个或多个联接特征，所述一个或多个联接特征构造成通过与所述跟踪框架的一个或多个互补联接特征配合而将所述跟踪框架接合到其上；以及一个或多个骨联接特征，所述一个或多个骨联接特征构造成将所述联接装置固定到骨骼，其中所述一个或多个联接特征构造成基于所述一个或多个互补联接特征而要求所述跟踪框架的特定取向。
根据一些实施例，所述一个或多个联接特征包括一个或多个磁体。
根据一些实施例，所述一个或多个互补联接特征包括一个或多个磁体。
根据一些实施例，所述一个或多个联接特征包括凹坑，并且所述一个或多个互补联接特征包括与所述凹坑互补的突起。
具体实施方式
本公开不限于所描述的特定系统、装置和方法，因为这些系统可以变化。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“植入物宿主”用于指患者。在某些情况下，术语“植入物宿主”还可用于更具体地指特定患者的解剖结构内的预期植入物的特定关节或位置。例如，在全髋关节置换手术中，植入物宿主可以指被置换或修复的患者的髋关节。
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。外科医生或医务人员可包括任何医生、护士、医务人员或技师。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手术程序，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的确切部件将取决于所采用的实施方案而不同。例如，对于膝关节手术，执行器平台105可包括末端执行器105b，该末端执行器在其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注册跟踪系统。
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相机阵列附连到推车之外，在整个手术室中可以放置附加的相机。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在系统注册的特定物体。
在一些实施例中，特定物体可以由外科医生在术前或术中在所述系统中手动地注册。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征。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附加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相关联来跟踪物体的某些特征，例如固定到工具或骨骼的基准标记。例如，外科医生可以执行手动注册过程，由此可以相对于彼此操纵被跟踪的工具和被跟踪的骨骼。通过将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)，可以通过外推法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针采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注册。替代地，cass100可以通过使用由外科医生使用cass探针或其它手段采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。所述注册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)头安装装置(hmd)。例如，在图1中，外科医生111佩戴着arhmd155，其可以例如在患者上覆盖手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)来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的处理任务。
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。跟踪系统115、组织导航系统120和显示器125可以类似地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，可以使用附接到装置的电池来为电动冲击装置供电。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，以帮助进行注册过程。股骨跟踪器阵列可以固定到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，已在一定的准确度(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。外科医生可以查看正被切除(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，以将试验植入物和最终植入物冲击到髋臼中。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。
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所提出的手术计划，所述其它信息例如腿骨的机械和解剖轴线，上髁轴线，股骨颈轴，股骨和髋关节的尺寸(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患者特有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网络模块建立。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，以指定频率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采集数据，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的分析和使用。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，该机械臂充当用于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、杯冲击器、髓针柄和茎插入器。机械臂105a可具有多个自由度(如蜘蛛装置)，并且具有锁定到位的能力(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)。
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，该输入源引导机械臂105a的移动。外科医生或其它医务人员可以与一个或多个输入源接合以在执行手术程序时定位机械臂105a。
附接或集成到机械臂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其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外侧移动机械臂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务人员的任何协助或输入，或者只需要有最少的协助或输入。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务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不给机械臂提供使其进入可能发生软组织损伤的区域的任何指令。手术计算机150可以对外科医生施加某些限制，以防止外科医生在髋臼的内侧壁中过远地扩孔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进一步推进髓针。
机械臂105a还可用于重塑表面(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，以便理解手术的各方面，并且识别例如可用于训练模型中以最少人干预作出决策的模式。在护理片段中采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务人员提供的任何手术后数据。
如进一步详细解释的，在护理片段期间采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整体理解。例如，在一些实施例中，在护理片段中采集的数据可用于生成手术计划。在一个实施例中，随着在手术期间采集数据，在术中改进高水平术前计划。以此方式，随着cass100的部件采集新数据，手术计划可以被看作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在手术期间采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以寻求建议。在另外其它实施例中，可以组合术前和术中规划方法，使得在手术程序期间可以根据需要或期望动态地修改稳健的术前计划。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手术辅助程序的输入。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)获得关于患者的信息。可以采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如何移动部件。
包括在执行器平台105中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操作性地联接。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，以将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，以执行具有完美放置和取向的切割(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，该操作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用于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配备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，定位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；相反，手术计算机150只需要激活部件，该部件然后本地执行软件，指定采集数据的方式，并将其提供给手术计算机150。在图2a的实例中，以该方式操作两个部件：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采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，结合tka，显示器125可以描绘股骨和胫骨的机械和解剖轴线。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度。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手术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可以使用常规手段，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可以采用不同颜色以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可以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可以请求或选择匹配或与其手术计划偏好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。
对于更专用的显示设备，例如arhmd，手术计算机150可以使用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,inc的lifemodtm模拟软件。在一些实施例中，手术计算机150包括允许手术期间(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或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。数据可以使用本领域已知的任何格式来传送。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配置为具有一个或多个能够实现数据解释的软件应用程序。
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。
根据所使用的设备类型，切除设备110可以将各种类型的数据发送至手术计算机150。可以发送的示例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、超声图像以及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交互以提供发送到手术计算机150以进行进一步处理的输入。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))。例如，此类问卷可以由医务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app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采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。可通过对经历类似操作和/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，在中心位置采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部件中手动采集数据。例如，便携式存储装置(例如，usb棒)可以附接到手术计算机150以检索在手术期间采集的数据。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、医务人员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。医务人员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可以采集患者手术前的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便携性和责任法案(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以存储的数据中扫描这些标识符。例如，在一个实施例中，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，手术计算机150执行去识别过程。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推荐。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。定位信息还可包含用于组合式植入物的手术参数，例如整体肢对准、组合胫骨股骨过度伸展和组合胫骨股骨切除。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优化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
使用手术患者护理系统320可以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和医务人员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、规定计划的术中执行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“平衡”的准确术中触觉辨别和准确人工执行平面切除的本能。此现有知识库和执行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局限性：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的手术计划等；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进现有方法。
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来建议或推荐患者的整个护理片段(术前、手术和术后)的最佳总体治疗计划。例如，在一个实施例中，手术患者护理系统320跟踪对所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，所采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访问，并可用于制定未来治疗计划。除了利用统计和数学模型之外，仿真工具(例如
在一些实施例中，手术患者护理系统320采用数据采集和管理方法，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。用户的表性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)、健康历史记录文件和付款人/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可以使手机、可穿戴装置或其它移动装置采集数据(例如，心率、疼痛或不适程度、运动或活动水平，或对患者遵守任何数量的术前计划标准或条件的患者提交的回答)，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采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，修复表现，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，既往伤害(运动、创伤等)，先前关节成形术，先前的创伤手术，先前的运动医学手术，治疗对侧关节或肢，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，恢复表现，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，既往伤害(运动、创伤等)，先前关节成形术，先前的创伤手术，先前的运动医学手术，治疗对侧关节或肢，步态或生物力学信息(背部和踝部问题)，程度或疼痛或不适，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)，使用的植入物大小，使用的植入物的位置/取向/对准，实现的软组织平衡等。
进行操作或治疗的医务人员330可以将各种类型的数据325提供给手术患者护理系统320。此医务人员数据325可包括：例如，已知或优选手术技术(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)，医务人员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)，包括历史数据的之前成功水平(结果、患者满意度)、以及关于运动范围的预期理想结果，恢复天数和装置的存活率。可以例如向医务人员330提供纸质或数字调查，通过医务人员向移动应用程序输入，或通过从emr中提取相关数据，可以捕获医务人员数据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。
与将要进行操作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：流动手术中心(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、社区对比医疗、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)、医务人员可用性、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。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，以及如果治疗是患者特定的，也可以捕获这些数据。
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)等获得。最后，捕获源自模拟操作的数据。模拟输入包括植入物大小、位置和取向。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和医务人员数据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。与手术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用于cass100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、患者特异性膝关节器械(pski)选择系统或由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，人工神经网络功能类似于生物学神经网络，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。
一旦手术完成，采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，从而允许系统的持续改进。
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用于pski系统的切除平面。当与pski系统一起使用时，在手术之前完成预测方程计算和优化。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手术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，并且基于部件的新尺寸、位置和/或取向(使用先前描述的技术)刷新全局优化，以找到其它部件和执行所需的对应切除的新理想位置以实现部件的新优化的大小、位置和/或取向。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/或取向的改变来计算(通过全局优化)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
图4a示出了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，且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仅包括例如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的数据集(例如，仅保留特定韧带的手术)，或由外科医生或医务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，并且修改或用于当前患者。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对用于生成病例计划中的下一步的术中算法的输入。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，都存储在历史数据数据库中。在一些实施例中，与整个连续护理相反，所述系统以分段方式利用术前、术中或术后模块。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。
手术过程显示器
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一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手术可以有效地“回放”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采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测量的切除设备的扭矩和位移，以更好地提供对发生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的切换的能力可以为外科医生和/或手术人员提供益处，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可以用作用于训练未来外科医生和/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针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的当前状态预测手术将如何进行。
机器学习模型的训练可以如下执行。cass100的总体状态可以在手术的持续时间内在多个时间段内采样。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在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目，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，而且还用患者数据(例如，从emr捕获)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条件进行预测或推荐。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描绘了可以显示给外科医生的一系列图像，其描绘植入物放置界面。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的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，其示出预测的切割对手术的影响。此膜条可以在特定的时间增量上描述将如何影响手术，包括例如，如果要执行所设想的动作过程，则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。外科医生或医务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，手术的各个方面可以自动化，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达到实施cass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预测并可从初始状态预览整个手术。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。
使用点探针在髋关节手术期间采集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，其全部内容以引用的方式并入本文。简言之，光学跟踪的点探针可用于描绘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不需要的骨骼之后进行绘图。通过用点探针的尖端刷或刮擦全部剩余骨，在骨表面上采集多个点。这称为描画或“涂染”骨骼。采集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地图。然后，将所创建的其余骨的3d模型用于规划手术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)”的第62/658,988号美国临时专利申请中描述，该申请全部内容以引用的方式并入本文中。
对于髋关节应用，点探针涂染(pointprobepainting)可用于获取关键区域的高分辨率数据，例如髋臼边缘和髋臼窝。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便避免破坏内侧壁是重要的。如果内侧壁被无意中破坏，则手术将需要骨移植的附加步骤。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，髋臼扩孔器可以配置成当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。利用这一知识，cass100可在扩孔时如果预测任何手术活动通过髋臼壁突出，则提供报警或其它响应。
点探针还可用于采集用于将3d模型定向到患者的共同参考点的高分辨率数据。例如，对于诸如asis和耻骨联合等骨盆平面标志，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。对准高度取决于gt的适当位置；因此，在一些实施例中，点探针用于对gt进行涂染以提供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实现手术期间的压配合的能力最大化的柄，以防止股骨部件术后的微动并确保最佳骨向内生长。如本领域中所理解，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位置。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，股骨颈的高分辨率视图(并且可能还有股骨轴)将提供股骨颈角度的更准确的计算。
高分辨率股骨头颈部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，在髋重塑表面期间，不去除股骨头和颈部；而是，头部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，使得可以理解并且使用对其相应几何形状的准确评估来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，获取标志以促进将该术前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。这些缺陷可基于对术前图像的分析来识别。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方法来注册骨解剖内切口。例如，在一个实施例中，激光扫描用于注册。激光条纹投影在所关注解剖区域上方，并且以所述线的变化检测所述区域的高度变化。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。
本公开描述了使用光学手术导航系统在手术期间跟踪患者的骨骼结构的特定部分的示例性系统和方法。通过在术中跟踪骨骼结构，可以采取适当的措施来确保适当的关节功能。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对示例性实施例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将显而易见，可在没有这些具体细节的情况下实践所述实施例。
公开的跟踪系统特别适用于利用手术导航系统(例如，
在使用光学跟踪的手术导航的当前实施方式中，跟踪阵列(即，“跟踪器”)安装到各个身体部位，并且必须对一个或多个光学跟踪相机保持可见。为了使系统保持准确性，跟踪器必须保持在适当的视场中。例如，每个跟踪器必须具有基本上面向相机或图像捕获装置的反射或发射标记特征。作为具体实例，navio系统可能要求其跟踪器以不超过45度的角面向极光光谱相机。其它系统或实施例可以允许跟踪器的“面”与一个或多个光学跟踪相机的观察方向(即，面角)偏离高达75度。
在一些当前实施例中，执行髋关节置换手术的外科医生可以使用被跟踪的探针来定位骨盆上的标志并建立解剖坐标系。通常，由于接近约束和无菌约束，患者首先躺下。然后在患者处于仰卧位置的情况下采集标志。然而，大多数外科医生使用侧向手术方法。因此，必须在采集标志数据之后使患者侧卧以便继续进行手术。在髋臼部件放置期间，改变患者的取向可能导致骨盆跟踪问题。
因此，对于当前骨盆跟踪器安装件设计，外科医生必须定位安装件，使得骨盆跟踪器将在仰卧位置和侧向位置两者上都在导航相机的视野中。由于跟踪装置的面角有限，这种定位可能是困难的。在手术室(or)中，有限的一组可用相机位置会加剧正确定位患者的难度。由于从仰卧到侧向的旋转大约是90度旋转，因此每个位置(例如，仰卧和侧向)可能将跟踪器(即，跟踪器上的反射标志)置于一个或多个相机的视野或检测范围的极限处。
现在参考图5和图6，当前系统通常具有跟踪框架501、联接器主体502、一个或多个螺钉503和联接器底座504。如图5中所示，跟踪框架501可以可移除地联接到联接器底座504。一个或多个螺钉503可用于将联接器底座504附接到骨骼505。如果需要，跟踪器501可以在手术期间从联接器底座504移除。然而，不能修改跟踪器501定位(即，如果它被移除和替换，它将保持在同一取向上)。
如本文所述，单个跟踪器安装固定器通常设计成具有多个接头(例如，联接器主体502和联接器底座504)，其可以允许联接器一开始安装到骨骼上，然后经过调整以对准跟踪器以最佳地面对相机。然而，当一个或多个患者骨骼置于两个显著不同的位置(例如，对于侧向骨盆与仰卧骨盆)时，挑战仍然是为跟踪器找到最佳位置，同时仍要维持跟踪器的可接受视觉。
一种可能的解决方案可以是每个骨骼使用两个跟踪器。在此解决方案中，将要求在注册过程的至少一部分期间，对患者同样地注册两个跟踪器的位置，或者两个跟踪器同时对该跟踪器可见。另外，此类实施例将需要另外的骨固定硬件(例如，螺钉503和联接器504)，从而增加程序的侵入性。
因此，本文提出了一种系统，其中，每个跟踪器在单个跟踪器安装件(例如，联接器)上具有至少两个联接器位置，因此允许跟踪器安全地且可重复地安装在多个位置。在一些实施例中，所述系统可利用双联接器组件(即，具有双联接表面的单个联接器装置)。在双联接器组件中，可基于预定定位约束(例如，两个表面的确切定位和尺寸(即，位置)相对于彼此已知)来构造联接器。
现在参考图7，双联接器组件701可具有两个或更多个联接器特征702(例如，突起)。在另一实施例中，两个特征702可以相对于彼此以大约90度角定向。因此，在一些实施例中，可以使用联接器特征702将跟踪器703安装在多于一个位置(例如，如图7中所示的位置1和位置2)。如本文所论述，联接器的精确机械加工允许跟踪系统知道跟踪阵列704的精确定位，而不管其位于哪个位置。
联接器特征702确保跟踪器703的位置相对于联接器701是已知的。由于联接器特征702的位置相对于彼此是已知的，因此当附接到任一联接器特征时，跟踪器703的位置是已知的。因此，一旦导航系统识别出具有安装/附接到其上的跟踪器的双联接器组件的联接器特征702(即，联接器表面)，那么当跟踪器703置于辅助位置时，可转换相对于跟踪器位置注册的骨骼或骨架结构上的标志。在一些实施例中，可以使用坐标变换算法进行这些相对定位确定。
如本文所论述，应当理解，本文中所论述的方法和程序广泛地适用于各种类型的手术和手术室(or)环境。然而，出于解释的目的，本文中论述了一些具体示例性实施例。例如，在一些实施例中，销可以放置在位于手术台上的仰卧位置的髂骨翼中。可具有集成插销口的双联接器组件可以不紧固地在销上滑动。如本文所论述，跟踪器可以放置在联接器的第一位置上。
在一些实施例中，双联接器组件可包括一个或多个标记。标记可以辅助外科医生定向跟踪器。例如，第一标记可以表示“上”取向，并且第二标记可以表示“侧向”取向。此类标记可允许外科医生大体上理解应当如何附接双联接器组件，使得多个附接定位定向在适当位置。
在另外的实施例中，外科医生可以调整跟踪器和/或双联接器组件在骨骼上的位置，使得跟踪器直接面向成像装置(例如，相机)。在另一实施例中，外科医生在调整期间还可以考虑患者可被移动(例如，翻身)的方向以便将患者定向到手术侧向位置。
一旦取向被优化或令外科医生满意，就可以拧紧插销口。在一些实施例中，如本文所论述，可以使用跟踪器采集骨盆标志，例如骼前上棘和耻骨棘。跟踪器可以相对于双联接器组件注册标志位置。作为具体实例，跟踪系统(例如，
在一些实施例中，前骨盆平面可以用作用于手术导航的解剖参照。一旦注册了前骨盆平面，就可以将前骨盆平面用作解剖参照，这可以更容易地在患者处于仰卧位置时进行。因此，在另一实施例中，一旦注册了前骨盆平面，外科医生就可以从第一联接器位置移除跟踪器，将患者翻身到手术侧向位置，并将跟踪器附接到第二或另外的联接器位置。
基于已知因素和相对坐标，当外科医生准备好导航髋臼部件取向时，外科医生可以将跟踪器附接到第二联接器位置，并(例如，经由用户输入，例如gui输入、触觉输入(例如，在手动工具或脚踏板上)、语音命令、手势等)通知系统第二联接器位置正在使用。在导航期间，系统可跟踪可附接有第二跟踪器的髋臼定位器引导件，以确定引导件相对于跟踪器的取向。
在一些实施例中，系统可以报告髋臼引导件相对于前骨盆平面坐标系的取向。通过了解联接器相对于彼此的位置来实现此类报告。因此，尽管可以用安装在第一联接器位置上的跟踪器采集前骨盆平面的位置信息，但是可以在跟踪器处于第二位置时变换此类位置信息，所述第二位置布置成在患者侧向定位时直接面对相机。使用第二联接器位置使得所有跟踪器能够同时被导航相机看见。
在另一实施例中，如果跟踪器在一个或多个传感器装置的视场之外，则系统可以(例如，经由gui、一个或多个通知灯、一个或多个可听音等)通知用户。因此，在一些实施例中，系统本身可以请求修改或更新跟踪器位置。如本文所论述，在一些实施例中，系统可能能够基于取向或通过某种形式的用户输入(例如，将探针跟踪器插入敞开凹坑中)自动地确定跟踪器所处的位置。
如图8中所示，一些实施例可利用磁性系统(例如，磁体802-807)以用于联接器/目标附接。在一些实施例中，磁体的定位和极性允许在附接不同形状的跟踪框架时一致。作为具体实例，双联接器组件801中的磁体可以放置成使得其极性相反(例如，磁体804可以使磁体的北极面向外以接合跟踪装置808，而磁体805可以使磁体的南极面向外以接合跟踪装置)。因此，在一些实施例中，跟踪装置808将需要处于适当取向(例如，使得磁体802的极吸引磁体804的极且磁体803的极吸引磁体805的极)，以用于与联接器801建立安全连接。
在另一实施例中，并且如图9中所示，标记或凹坑901可以置于每个联接器的表面上。标记/凹坑可以放置成使得第一凹坑901a(即，第一联接器位置上的凹坑)相对于其表面具有与第二凹坑901b(即，第二联接器位置上的凹坑)不同的取向。如图9中所示，跟踪器坐标系“a”是已知的，因为d1相对于“a”坐标系的位置是已知的(即，当跟踪器处于位置1时，将与d2相对于“a”坐标的相对位置(即，当跟踪器处于位置2时)不同。
在另一实施例中，并且如图10中所示，跟踪探针1004可以在使用期间的任何时间放置在任一凹坑(例如，d1、d2等)处以采集额外的定位数据。因此，在一些实施例中，识别双联接器组件1001上的跟踪器探针1004位置可以涉及将探针尖端1003放入一个凹坑中，从而允许图像捕获装置将跟踪框架1002定位在探针上，并且计算探针尖端相对于联接器组件的位置。在另一实施例中，用户可以发信号通知系统(例如，经由用户输入，例如gui输入、触觉输入(例如，在手动工具或脚踏板上)、语音命令、手势等)记录跟踪器的定位，并且因此记录凹坑的定位。附加地或替代地，系统可以自动检测探针跟踪器1001正在使用，并且根据需要自动开始校准/计算。
在一些实施例中，如果系统记录位置并确定与已知凹坑(例如，d1、d2等)匹配，则可以假设跟踪器处于特定位置(例如，位置1、2等)。作为具体实例，如果系统确定探针跟踪器放置在d1，同时还记录跟踪器附接到联接器，则系统可以确定跟踪器处于位置2，因为如果跟踪器处于位置1，则不可接近d1。
在另一实施例中，系统可通过确定探针到骨骼跟踪器距离来检测例如跟踪探针1004处于第二凹坑中。因此，在一些实施例中，跟踪探针1004的确切尺寸规格可以是已知的，并且因此，当跟踪探针移动(例如，在凹坑内枢转)时，跟踪系统将能够基于从跟踪框架1002到固定探针尖端的相对距离来辨别探针尖端1003处于哪个凹坑中。如所讨论的，这将意味着跟踪器处于联接器上的第一位置。类似地，接触第一凹坑将表明正在使用第二联接器。因此，在一些实施例中，凹坑可设计成使得当跟踪器与联接器接合时，联接器接口物理地防止探针跟踪器接触特定凹坑。
在附加或替代实施例中，冗余的标志可以永久地附接到双联接器组件。因此，标志可在两个位置中的一个位置中可见，并且将与跟踪器呈已知关系。因此，当观察到该关系时，它将指示跟踪器处于哪个位置。
因此，本文中公开了一种系统，其允许骨骼跟踪器对一个或多个相机的更直接的可见性，而不管患者的位置如何。这确保更容易接近用户，并且因此为关节置换手术提供整体改进和进一步的保障。
如本文所论述，在一些实施例中，用户可以提供输入数据，所述输入数据通知系统跟踪器已从双联接器组件上的一个联接器移动到另一个联接器。作为具体实例，一些实施例可能需要用户按下按钮(例如，位于诸如钻的手动工具上的按钮)。附加地或替代地，用户可以通过脚踏板或甚至手势(例如，在可由跟踪系统或运动检测系统检测的空间中的一系列预定义手部移动)提供输入数据。
图11是根据示例性实施例描绘用于向植入物定位装置1130提供导航和控制的示例性系统1100的框图。在实施例中，系统1100可包括控制系统1110、跟踪系统1120和植入物定位装置1130。可选地，系统1100还可包括显示装置1140和数据库1150。在一个实例中，这些部件可以组合以在矫形外科(或类似)假体植入手术期间提供对植入物定位装置1130的导航和控制。
控制系统1110可包括一个或多个计算装置，该一个或多个计算装置配置成协调从跟踪系统1120接收的信息并且提供对植入物定位装置1130的控制。在一个实例中，控制系统1110可包括规划模块1112、导航模块1114、控制模块1116和通信接口1118。规划模块1112可提供术前规划服务，其使临床医生能够在进入手术室之前虚拟地规划程序。背景技术讨论了用在全髋关节置换(全髋关节成形术(tha))中的各种术前规划程序，其可以用在手术机器人辅助的关节置换程序中。另外，名称为“computer-assistedsurgeryplannerandintra-operativeguidancesystem(计算机辅助手术规划器和术中指导系统)”的第6,205,411号美国专利论述了另外一种术前规划方法，该专利以全文引用的方式并入本文中。
在例如tha的实例中，规划模块1112可以用于参照虚拟植入物宿主模型操纵植入物的虚拟模型。植入物宿主模型可以根据目标患者的扫描构建。此类扫描可包括计算机断层扫描(ct)、磁共振成像(mri)、正电子发射断层摄影(pet)或关节和周围结构的超声扫描。替代地，可通过基于患者测量值或其它临床医师选择的输入从模型群组选择预定义植入物宿主模型来执行术前规划。在某些实例中，通过测量患者的(目标植入物宿主的)实际解剖结构在术中细化术前规划。在一个实例中，连接到跟踪系统1120的点探头可用于测量目标植入物宿主的实际解剖结构。
在一个实例中，导航模块1114可协调跟踪植入物、植入物宿主和植入物定位装置1130的定位和取向。在某些实例中，导航模块1114还可协调在规划模块1112内的术前规划期间使用的虚拟模型的跟踪。跟踪虚拟模型可以包括这样的操作，例如通过经由跟踪系统1120获得的数据将虚拟模型与植入物宿主对准。在这些实例中，导航模块1114从跟踪系统1120接收关于植入物定位装置1130和植入物宿主的物理定位和取向的输入。对植入物宿主的跟踪可包括跟踪多个个别骨结构。例如，在全膝关节置换程序期间，跟踪系统1120可以使用锚定到个别骨骼的跟踪装置单独地跟踪股骨和胫骨。
在一个实例中，控制模块1116可处理由导航模块1114提供的信息以生成用于控制植入物定位装置1130的控制信号。在某些实例中，控制模块1116还可以与导航模块1114一起工作以产生视觉动画，以在手术程序期间辅助外科医生。可以通过显示装置，例如显示装置1140显示视觉动画。在一个实例中，视觉动画可以包括植入物、植入物宿主和植入物定位装置1130等的实时3-d表示。在某些实例中，对视觉动画进行颜色编码以进一步帮助外科医生定位和定向植入物。
在一个实例中，通信接口1118促进控制系统1110与外部系统和装置之间的通信。通信接口1118可包括有线和无线通信接口，例如以太网、ieee802.11无线或蓝牙等。如图11中所示，在此实例中，经由通信接口1118连接的主要外部系统包括跟踪系统1120和植入物定位装置1130。尽管未示出，但数据库1150和显示装置1140以及其它装置也可经由通信接口1118连接到控制系统1110。在一个实例中，通信接口1118通过内部总线与控制系统1110内的其它模块和硬件系统通信。
在一个实例中，跟踪系统1120为手术装置和植入物宿主的解剖结构的部分提供定位和取向信息，以帮助导航和控制半主动机器人手术装置。跟踪系统1120可包括跟踪器，该跟踪器基于至少三个位置和至少三个角度包括或另外提供跟踪数据。跟踪器可包括与植入物宿主相关联的一个或多个第一跟踪标记和与手术装置(例如，植入物定位装置1130)相关联的一个或多个第二标记。标记或标记中的一些可以是红外源、射频(rf)源、超声源和/或发射器中的一者或多者。跟踪系统1120因此可以是红外跟踪系统、光学跟踪系统、超声跟踪系统、惯性跟踪系统、有线系统和/或rf跟踪系统。一种说明性跟踪系统可以是本文所述的
授予brisson等人的标题为“methodsandsystemstocontrolashapingtool(用于控制塑形工具的方法和系统)”的第6,757,582号美国专利提供了关于在手术环境内使用跟踪系统(诸如跟踪系统1120)的额外细节。第6,757,582号美国专利('582专利)的全文以引用方式并入本文。
图12是示出了根据示例性实施例的用于操作用于导航和控制植入物定位装置1130的系统1200的示例性环境的图。在一个实例中，系统1200可包括与上文参考系统1100论述的部件类似的部件。例如，系统1200可包括控制系统1110、跟踪系统1120、植入物定位装置1130和一个或多个显示装置，例如显示装置1140a、1140b。系统1200还示出了植入物宿主1101、跟踪标记1160、1162和1164以及脚控制器1170。
在一个实例中，跟踪标记1160、1162和1164可以由跟踪系统1120使用以跟踪植入物宿主1101、植入物定位装置1130和参照，例如手术台(跟踪标记1164)的定位和取向。在此实例中，跟踪系统1120使用光学跟踪来监测跟踪标记1160、1162和1164的定位和取向。跟踪标记1160、1162和1164中的每一个包括三个或更多个跟踪球，该跟踪球提供容易处理的目标以确定多达六个自由度的定位和取向。跟踪系统1120可以经过校准，以提供局部3-d坐标系，在该坐标系内，可以对植入物宿主1101和植入物定位装置1130(通过参考植入物)进行空间跟踪。例如，只要跟踪系统1120可以对跟踪标记(例如跟踪标记1160)上的三个跟踪球成像，跟踪系统1120就可以利用图像处理算法在3-d坐标系内生成点。随后，跟踪系统1120(或控制系统1110内的导航模块1114(图11))可使用三个点三角测量与跟踪标记附着到的装置(例如，植入物宿主1101或植入物定位装置1130)关联的准确的3-d位置和取向。一旦植入物定位装置1130的精确定位和取向已知，系统1200就可以使用植入物定位装置1130的已知特性来精确地计算与植入物相关联的位置和取向(在跟踪系统1120无法可视化植入物的情况下，所述植入物可能在植入物宿主1101内并且对外科医生或跟踪系统1120不可见)。
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。在详细描述、附图和权利要求书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。将容易理解，本公开的方面(如本文大体上描述并在附图中图示的)可布置、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，其旨在作为各种方面的说明。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。此类修改和变化意图落在所附权利要求书的范围内。本公开将仅受所附权利要求书的措词以及这些权利要求书有资格享有的等效物的完整范围限制。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，本文中且尤其在所附权利要求(例如，所附权利要求书的主体)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。本领域技术人员还将理解，如果意图是特定数目的所引出的权利要求叙述物，那么在权利要求书中将明确详述此类意图，且在不存在此类详述时不存在此类意图。
例如，为了帮助理解，以下所附权利要求书可以包含使用介绍性短语“至少一个”和“一个或多个”来引出权利要求叙述物。然而，使用此类短语不应被解释为暗示由不定冠词“一(a/an)”引出的权利要求叙述物将包含此类引出的权利要求叙述物的任何特定权利要求限制到只包含这种叙述物的实施例，即使当同一权利要求包括介绍性短语“一个或多个”或“至少一个”时和诸如“一”的不定冠词时(例如，“一”应解释为意指“至少一个”或“一个或多个”)；这同样适用于使用定冠词用于引出权利要求叙述物。
另外，即使明确叙述了特定数目的所引出权利要求叙述物，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、权利要求书或者附图中，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或方面的情况下，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，范围包括每个个别成员。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。
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、变化或改进，其中每一个也旨在由所公开的实施例涵盖。
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