用于异常骨的手术矫正的设计系统和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求于2013年3月13日递交的序列号为No. 61/779,805的美国临时专利 申请的优先权，在此通过参考将其全文并入本文。
技术领域
[0003] 本文档一般涉及计算机辅助的整形外科手术，更具体地涉及使用通用正常骨模型 生成用于改变异常骨的手术计划的系统和方法。
【背景技术】
[0004] 使用计算机、机器人和成像来辅助整形外科手术是本领域中公知的。已经存在对 用于指导手术过程的计算机辅助的导航和机器人系统的大量研究和开发。例如，精确徒手 雕刻家（PFS)采用机器人手术系统以在将假体（prosthesis)精确地切割为想要的形状方 面对手术进行辅助。在例如全髋关节替换的干预中，计算机辅助的手术技术已经被用于提 高手术的精度、可靠性。已经发现通过图像引导的整形外科手术有助于预设计和引导骨折 的错位骨碎片的正确解剖位置，允许通过骨结合技术实现良好固定。
[0005] 股骨髋臼撞击（FAI)是一种以在股骨近端与髋臼缘之间异常接触为特征的情况。 具体地，当股骨头或股骨颈异常摩擦或不具有髋白窝中的完全运动范围时，会发生撞击。人 们越来越怀疑FAI是髋关节炎的主要成因之一。凸轮撞击（CI)和钳夹撞击是FAI的两种 主要类别。CI是由形态异常的股骨头和股骨颈与形态正常的髋白之间的病态接触所导致 的。股骨颈畸形，使得髋关节的运动范围受限，并且颈上的畸形导致股骨、髋白缘彼此撞击。 这会导致撞击组织的刺激并被怀疑是髋关节炎发展的主要机制之一。钳夹撞击是在异常髋 臼缘与典型正常股骨头颈结之间的接触的结果。该病态接触是前髋白杯的异常过渡生长的 结果。这导致了股骨颈与髋白之间的减小的关节间隙和反复接触，导致前上髋白唇的退化。
【发明内容】
[0006] 已经开发了关节镜或开放手术干预以治疗FAI。手术干预的目的是通过增加在弯 曲或其他一些运动中的髋关节间隙来缓解撞击，以及解决相关联的髋白唇和软骨病变。CI 的手术疗法例如包括从股骨颈移除多余骨，以重新创建股骨头的解剖球型，并减少紧靠前 髋臼唇和髋白的股骨颈的突出。通过使用例如高速钻或关节镜刨刀之类的手术工具的手术 可以移除股骨近端上的多余骨。
[0007] 为了设计对目标病态骨的手术修复，需要识别并明确骨的畸变（例如CI中的突出 的股骨头-颈区域）。可以基于来自磁共振（MR)关节造影或计算机断层摄影（CT)扫描的 输出，识别畸形。在许多情况下，需要外科医生智慧地将畸形区域映射到做手术的骨上。在 更先进的过程中能够使用计算机辅助工具，以通过查看模拟的髋关节运动和所得的撞击区 域或者通过将理想化的轴对称表面匹配到股骨颈，来明确骨移除量。然而，这些方法可能难 于操作，并且可能因为缺乏稳定性和确定性而出现问题。例如，撞击区域可能具有降低的可 视性和可访问性，尤其是在微创手术和关节镜技术期间。识别冲击区域可能会存在问题，原 因在于例如髋关节的弯曲和周围软组织的干扰。在不移除过多的骨的情况下，确定正确的 应当移除的骨的量并使其可见在实践中可能是困难的。因此，本发明人已经意识到了对于 以下方法和系统仍然存在相当大的需求：所述方法和系统能够有效且可靠地识别病态骨的 异常、确定要移除的骨的形状和体积、并相应地生成手术设计，该手术设计能够在机器人手 术切割仪器内使用以执行设计的过程。
[0008] 本文描述的各种实施例能够帮助提高疗效和骨整形术计划中的可靠性。
[0009] 示例1包括一种用于设计对异常骨的手术的系统的主题，所述系统可以包括模型 接收器模块，所述模型接收器模块可以被配置为接收通用正常骨模型。所述通用正常骨模 型（例如统计的形状模型）可以包括表示具有与所述异常骨可比的解剖起端的正常骨的数 据集。输入接口可以被配置为接收异常骨表示，所述异常骨表示包括表示所述异常骨的数 据集。手术设计模块可以包括配准模块，所述配准模块被配置为通过创建配准的通用模型 来将通用正常骨模型与异常骨表示进行配准。手术设计形成模块可以被配置为：使用配准 的通用模型来识别异常骨的一个或更多个异常区域。
[0010] 在示例2中，根据示例1的主题可选地可以包括存储器电路和控制器电路。所述 存储器电路可以存储所述通用正常骨模型、所述异常骨表示和控制所述系统的操作的指令 集。所述控制器电路可以与所述手术设计模块和所述存储器电路耦合，并被配置为执行所 述指令集以使得手术设计模块生成用于改变来自一个或更多个异常区域的异常骨部分的 手术设计。
[0011] 在示例3中，根据示例1-2之一或任意组合的主题可选地可以包括：与所述手术设 计模块和所述存储器电路耦合的通信接口。所述通信接口可以被配置为生成示出所述通用 正常骨模型、所述异常骨表示或所述手术设计中的一个或更多个的表示，并且可以配置为 接收用户输入以接受或修改所述手术设计。
[0012] 在示例4中，根据示例1-3之一或任意组合的主题可选地可以包括配准模块，所述 配准模块包括：分割模块，被配置为将所述通用正常骨模型和所述异常骨表示之一或两者 分别划分为多个分段，并从所述异常骨的分段中识别无异常的配准区域；模型变换模块，被 配置为变换所述通用正常骨模型，以使用在所述异常骨的无异常的配准区域与所述通用正 常骨模型的相应分段之间的比较来创建所述配准的通用模型；匹配模块，被配置为响应于 识别出所述异常骨的无异常的配准区域，将所述异常骨的无异常的配准区域与所述配准的 通用模型的相应分段进行匹配；以及对齐模块，被配置为至少部分基于所述匹配将所述配 准的通用模型的剩余分段与所述异常骨的剩余分段对齐。
[0013] 在示例5中，根据示例4的主题可选地可以被配置为：使分割模块向所述分段中的 每一个分段分配标签，使得具有相同标签的分段共享指定特征。
[0014] 在示例6中，根据示例1-5之一或任意组合的主题可选地可以被配置为使得所述 手术设计形成模块包括：特征提取模块，被配置为从所述配准的通用模型中提取多个模型 特征，并从所述异常骨中提取多个异常骨特征；异常检测模块，被配置为使用在所述模型特 征与所述异常骨特征之间的比较来识别所述异常骨的一个或更多个异常区域；以及，改变 决定模块，被配置为：针对所述一个或更多个异常区域中的每一个，从所述异常骨的分段的 体积参数（xabn_al (k))减去所述配准的通用模型的分段的体积参数(k))，其中体积参 数Wk)和Xabn_al(k)分别表示相应分段的形状或体积，以及被配置为：使用所述一个或 更多个异常区域中的每一个的减去后的体积参数来确定改变部分。
[0015] 在示例7中，根据示例6的主题可选地可以被配置为使得：所述异常检测模块响应 于在配准的通用模型的分段OCmOO)与异常骨的分段（Rabn_al(k))之间的体积差异满足 指定准则，将所述Rabn_al (k)确定为异常区域，所述配准的通用模型的分段ICw(k)与和所 述Rabn_al (k)可比的解剖区域相对应。
[0016] 在示例8中，根据示例1-7之一或任意组合的主题可选地可以被配置为使得：所述 模型接收器模块接收统计形状（SS)模型，所述统计形状（SS)模型是使用来自具有正常骨 解剖结构的一组主体的具有可比的解剖起端的正常骨的多个图像所生成的。
[0017] 在示例9中，根据示例1-8之一或者任意组合的主题可选地可以被配置为使得：模 型接收器模块接收参数模型，所述参数模型包括表征所述正常骨解剖结构的一个或更多个 参数。
[0018] 示例10包括一种机器可读存储介质实施例的主题，所述机器可读存储介质包括 指令，所述指令当由机器执行时，使所述机器接收异常骨表示和通用正常骨模型。所述异常 骨表示可以包括表示异常骨的数据集，而所述通用正常骨模型包括表示具有与所述异常骨 可比的解剖起端的正常骨的数据集。可以使得所述机器将所述通用正常骨模型与所述异常 骨表示进行配准，以创建配准的通用模型。可以使用在所述配准的通用模型和所述异常骨 表示之间的比较来识别所述异常骨的一个或更多个异常区域。所述指令然后可以使得所述 机器：生成用于改变来自所述一个或更多个异常区域的异常骨部分的手术设计。
[0019] 在示例11中，根据示例10的主题可选地可以包括如下指令，所述指令使得所述机 器：计算在所述异常骨的一个或更多个异常区域与所述通用正常骨模型之间的相对测量， 所述相对测量表示所述异常骨部分的形状、位置、取向或体积中的至少一个；以及，生成指 令，以在改变所述异常骨的所述部分时引导手术工具。
[0020] 在示例12中，根据示例10-11之一或任意组合的主题可选地可以包括如下指令， 所述指令使得所述机器：生成示出所述通用正常骨模型、所述异常骨表示或所述手术设计 中的一个或更多个的图形表示；以及，接收来自系统用户的接受或修改手术设计的命令。
[0021] 示例13包括一种用于设计对异常骨的手术的方法的主题。所述方法包括接收异 常骨表示和通用正常骨模型的操作。所述异常骨表示可以包括表示所述异常骨的数据集， 例如病变股骨的医学图像。正常骨模型可以包括通用正常骨模型，例如根据来自一组主体 的正常股骨的多个医学图像导出的正常股骨的统计形状模型。所述通用正常骨模型可以与 所述异常骨表示进行配准。可以使用在所述配准的通用模型和所述异常骨表示之间的比较 来检测所述异常骨的一个或更多个异常区域。然而，可以生成用于改变来自所述一个或更 多个异常区域的异常骨部分的手术设计。
[0022] 在示例14中，根据示例13的主题可选地可以被配置为使得：将所述通用正常骨模 型与所述异常骨表示进行配准包括以下操作：将所述通用正常骨模型和所述异常骨表示之 一或二者分别划分为多个分段；从所述异常骨的分段中识别解剖结构无异常的配准区域； 变换所述通用正常骨模型，以使用在所述无异常的配准区域和所述配准的通用模型的相应 分段之间的比较来创建配准的通用模型；将所述异常骨的无异常的配准区域与所述配准的 通用模型的相应分段进行匹配；以及，至少部分基于所述匹配将所述配准的通用模型的剩 余分段与所述异常骨的剩余分段对齐。
[0023] 在示例15中，根据示例13-14之一或任意组合的主题可选地可以被配置为使得检 测所述异常骨的一个或更多个异常区域包括以下操作：从所述配准的通用模型中提取多个 模型特征，并从所述异常骨中提取多个异常骨特征；使用提取出的模型特征和异常骨特征 来计算在所述配准的通用模型的分段与所述异常骨的分段之间的不一致的程度，其中所述 配准的通用模型的分段具有与所述异常骨的分段可比的解剖区域；以及，响应于所述不一 致的程度满足指定准则，将所述异常骨的分段确定为异常的。
[0024] 在示例16中，根据示例15的主题可选地可以被配置为使得计算所述不一致