关节成形术中用于扩孔的触觉容积的制作方法
【专利摘要】用于在插入髋臼杯之前扩大髋臼的触觉自动系统比传统仪器更精确并且可以减低脱臼的风险并且改善髋关节植入物的耐用性。公开的三维刀具路径指的是触觉容积。一旦该触觉容积在触觉受限的外科手术自动系统的软件中实现，可以仅在所述触觉容积中利用切割工具或钻孔器。触觉容积指导外科医生准备最终扩大的骨表面，并且大大降低扩大不想要的固定的机会，而且大大增加利用一把扩孔刀具，或利用单阶段扩孔过程实施扩孔过程的机会。
【专利说明】关节成形术中用于扩孔的触觉容积
【技术领域】
[0001]本发明涉及自动系统，更具体地，涉及用于通过外科手术塑造骨的控制触觉的外科手术自动系统。例如，就整形手术的关节置换手术来说，本发明涉及用于在需要的地方扩大骨并且可以防止对健康骨进行不必要的扩大的触觉容积。更具体地，本发明涉及控制触觉的自动系统和用于在全髋关节置换术(THA)中安装髋臼杯(acetabular cup)之前扩大髋臼的触觉容积。
【背景技术】
[0002]自动系统通常用于需要高准确度和/或精确度的应用中，比如，外科手术操作或其它复杂的任务。这样的系统可以包括各种类型的自动机器，比如自主操作型，遥控式的，互动式的。本发明涉及带触觉控制的互动式自动系统。
[0003]互动式自动系统是某些类型的手术的首选，如关节置换手术，因为互动式自动系统使外科医生能够对外科手术操作保持直接的、手动控制，同时还实现高准确度和/或精密度。例如，参见图1-3，在髋关节置换手术中，外科医生可以使用配备半球形切割工具或切割工具23的触觉引导的互动式自动手臂以被动方式在髋臼21塑造半球形切口，髋臼21是骨盆22中的杯形孔窝。髋白21接纳通常被称为髋白杯(未显示)的杯，髋白杯转而在部分髋关节置换术中接纳重新露面的股骨或在全髋关节置换术(THA)的情况下，接纳髋关节植入物的球部。为了雕刻骨或，在该例子中，杯所在的髋白21的部分，外科医生手动抓住并调节自动手臂20以移动切割工具或连接至自动手臂的切割工具23。只要外科医生使切割工具保持在由直线触觉路径限定的预定义的虚拟切割边界内，那么外科医生就能在低摩擦和低惯性下自由移动机械手臂。但是，如果外科医生试图将切割工具移动至将骨截掉的触觉路径，机械手臂提供触觉(或力)反馈，防止或抑制外科医生移动切割工具超出虚拟切割边界。
[0004]在其他类型的手术中，使用触觉容积代替直线触觉路径。例如，如通常分配的US2006/0142657所公布，可以用平面、球体、圆锥体、圆柱体，等模拟具有各种几何容积的触觉容积。
[0005]回到髋关节置换手术，比如THA，外科手术自动刀具通常有限地触及直线路径，正常触及这样的地方:安装后预定杯子的边缘将位于髋白杯的预定中心轴上，或者从髋臼杯的预定中心轴偏离一段已知的距离。除了在半球形端，直线延伸的半球形切割工具23产生圆柱形的扩大的容积。直线触觉路径的目的是限制半球形切割工具23的中心沿着通常通向预定的髋白杯的边缘的路径，并且提供用于接收该髋白杯的扩大的半球形端。为了避免意外扩孔和制备不准确的骨，如果切割工具23的中心不是保持沿着直线触觉路径，则控制器可以不允许切割工具23操作。
[0006] 上述互动式自动系统，虽然对THA有用，但对THA和需要使用具有不同功能(例如，扩大，作用)，不同的结构(例如，直线，偏移)，不同的尺寸(例如，多个不同尺寸的切割工具)和不同的重量的多个外科手术刀具的其它类型的置换手术并不是最合适的。用于容纳各种刀具的系统的触觉控制是极其复杂的，因为在外科手术操作中，该系统需要拆卸和安装不同类型的刀具至机器手臂，这可能影响触觉路径的准确性并可以增加需要执行操作的时间。
[0007]此外，在THA中，除了保持适当的切割边界，手术刀具的角取向和植入物是重要的。例如，在传统的THA中，外科医生使用半球形切割工具23 (图2)使髋臼21表面重新置换(图1)。接着，髋曰杯连接至冲击刀具的远端(未展示)。外科医生通过用木槌反复敲打冲击刀具近端将髋白杯植入扩大的孔窝中。扩大的孔窝和植入的髋白杯的角取向都是重要的，因为不正确的取向可以导致髋臼杯的错位，远离适当的版本和髋臼解剖结构的倾斜角度的错位。错位可导致术后问题，包括关节脱位、在极端运动范围中对在髋白杯上的股骨的冲击，和由于股骨的头-髋臼杯-接口负载不当产生的髋臼杯加速磨损。对齐对保持正确的腿长度和内侧/外侧偏移也是重要的。更成问题的是，最近的THA进展表明，理想的髋臼杯的位置是在比之前鉴定的更窄的范围中，并且髋臼杯的位置取决于股骨假体的前倾角。
[0008]在大多数情况下，使用直线触觉路径或直线扩孔不能进行单阶段扩孔过程。具体地，为了实现髋臼杯的正确的尺寸和取向，外科医生通常使用不同尺寸的切割工具。单阶段扩孔是可取的，因为它快速，减少感染的可能性，并且降低了手术室时间。但是，直线触觉路径是不可能的，例如，如果刀具中心被髋白边缘的表面推离触觉路径。在这些情况下，因为切割工具中心被推离触觉路径，在用于杯的碗状切口扩大之前，外科医生需要用不同的切割工具进行多阶段扩孔或在没有触觉限制之有利条件的情况下徒手扩孔。
[0009]至少 由于这些原因，更准确的髋臼杯定位技术将是重要的，因为众所周知在THA中髋臼假体的错位可能导致脱臼，运动的范围减少或加速磨损。此外，需要用于髋关节置换术和其它外科手术的改进的触觉控制系统在仍旧采用触觉控制的同时，能为外科医生提供一些额外的灵活性。
【发明内容】
[0010]在一个实施例中，公开了用于在患者的骨中扩大切口的触觉自动外科手术系统。该系统包括切割工具和控制器，控制器用于比较骨中的预期切口和靠近骨放置时的切割工具的位置。该控制器还用于产生触觉容积，所述触觉容积包括渐细部分，所述渐细部分随触觉容积朝骨延伸而变窄。该控制器还用于产生控制信号，所述控制信号使切割工具在触觉容积内运动并且提供触觉反馈以限制切割工具在触觉容积外的运动。
[0011]以下方程式(I)和(2)公开用于单阶段和多阶段扩孔的改进的抛物线形触觉容积。
[0012]在另一个实施例中，公布了扩大患者的髋臼中的切口的方法。该方法包括确定预期的切口在髋臼的位置包括最终切口的中心轴与预期切口相交的低点、选择具有半径的切割工具，将切割工具放置在髋白上的起始位置，比较髋白上的预期切口和髋白上的切割工具的起始位置，并产生触觉容积，该触觉容积包括随触觉容积朝髋白延伸而变窄的渐细部分。该方法还包括使切割工具在触觉容积内运动并提供触觉反馈从而限制所述切割工具的运动在所述触觉容积内。
[0013]在另一实施例中，公开了用于全髋关节置换术(THA)的触觉自动外科手术系统。该系统包括切割工具和控制器。该控制器用于比较髋白中的预期切口和切割工具起初放在髋臼上的位置。该控制器还用于产生触觉容积，该触觉容积包括渐细部分和直线部分，渐细部分随所述触觉容积朝髋白延伸而变窄，所述直线部分设置在所述渐细部分和髋白之间；该控制器还用于产生控制信号，所述控制信号使所述切割工具在触觉容积内进行运动并提供触觉反馈从而限制至少一部分切割工具的运动在触觉容积内。 公开一种在患者的髋臼中扩大切口的方法。该方法包括确定预期切口在髋臼的位置包括最终切口的中心轴与预期切口相交的低点、选择半径比最终切口更大或更小的切割工具、将切割工具放置在靠近髋白的起始位置、比较髋白上的预期切口和髋白上的切割工具的起始位置、产生包括随触觉容积朝髋白延伸而变窄的渐细部分的触觉容积、使切割工具在触觉容积内运动；其中，如果最终切口的直径大约等于选定刀具的直径，从方程式(I)产生触觉容积:
r(h)<R-^R2 -h2 当 h〈 R 时(I)
其中R为预期切口的半径，并且h为髋臼的外表面和抛物线状渐细部分的外表面上的r之间的距离，并且其中，如果最终切口的直径大于选定刀具的直径，从方程式(2)产生触觉容积:
r(k)<R--jR2 -k2 + (2R - d)/2,当 d〈2R 并且 h〈 R 时(2)
其中，d为选定的刀具的直径。
[0015]结合附图，以下更详细描述了本发明的其它优势和特征。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为固定在手臂上并且咬合骨盆的髋臼的切割工具的透视图。
[0017]图2为半球形切割工具的平面图。
[0018]图3为在髋臼中扩大半球形切口期间，固定在手臂上并且咬合骨盆的髋臼的切割工具的透视图。
[0019]图4展示了在如下情形下使用直线触觉路径的缺陷:当切割工具最初抵靠髋臼放置、从而导致切割工具的中心偏离直线触觉路径时，髋白或髋白边缘的结构与切割工具接合，此时可能导致所述系统呈现切割工具不能操作的现象。
[0020]图5示意性展示了在不破坏预期切口的情况下，半球形切割工具可以采取的可能的最宽路径。
[0021]图6在二维平面上示意性展示了用于发展抛物线形触觉容积的抛物线形触觉路径。
[0022]图7在三维平面上示意性展示了设置在半球形切口或最终的扩大表面上的抛物线形触觉容积。
[0023]图8展示了将半球形切割工具放置在髋臼的髋臼缘上，这引起切割工具的中心轴偏离预定切口的中心轴。
[0024]图9展示了从图8所示的预定切口的中心轴到图8所示的切割工具的中心轴之间的距离的测量。
[0025]图10在二维平面上示意性展示了触觉容积，该触觉容积包括渐细部分、设置在渐细部分上面的圆柱部分和设置在渐细部分下面的直线部分以及预期的半球形切口。[0026]图11在二维平面上示意性展示了在穿过图10所示的触觉容积的直线部分之前切割工具可以采取的开始偏离的路径。
[0027]图12为髋臼、髋臼边缘、切割工具、锥形触觉容积、原直线触觉路径和髋臼中的切口的预定位置。
[0028]图13为半球形切割工具采取的、遵循图10-12所示的锥形触觉容积边界的刀具路径的最大容积。
[0029]图15为在单阶段扩孔过程中能容纳的三种不同的触觉容积的图14中18个案例的百分比，特别展示了带19°半顶角的锥形触觉容积获得最大程度的成功，并且18个案例都不可以用单阶段过程和直线触觉路径扩孔。
【具体实施方式】
[0030]转向图4，为了适应单阶段扩孔，即使切割工具的中心轴24不与正常的预期杯或预期切口 26的中心轴25共线，切割工具23也可以在系统(未在图4中展示)的触觉限制内，并不危及切口 26的最终定位和形状。具体地，在图4中，该切割工具23放置在髋臼21但因为切割工具23和髋臼边缘28之间的干扰，外科医生不能将切割工具定位成其中心轴24与预期刀具路径或直线触觉路径27共线。换句话说，髋臼21的结构防止外科医生将切割工具23放置在可进行触觉路径27限定的单阶段扩孔过程的起始位置中。因此，在本发明之前，需要实施多阶段扩孔过程，这需要外科医生使用多个不同尺寸的切割工具23。多阶段扩孔增加外科手术所需的时间量，手术室消耗的时间量，并且因为使用多种不同尺寸的切割工具23，也可能增加感染的可能性。
[0031]图4中所示的问题的一个解决方案由图5-7中所示的本发明的一个方面和图10-12中所示的本发明的另一方面提供的。
[0032]图5展示了图4中所示的问题的一部分解决方案。具体地，扩大的最终表面或预期切口 26以中心轴27展示。用23a标示切割工具23在髋白和髋白边缘28上的起始位置(参见图4)。明显地，在23a标示的位置时，切割工具23的中心轴24a偏离预期切口 26的中心轴27。如果外科医生打算遵循中心轴24a，那么最终切口的位置(未展示)将偏离预期切口 26的位置。但是，因为23a标示的切割工具的位置不干涉切口 26的预期边缘31，所以扩孔可以从23a所示的位置开始。但是，不能采取直线路径，作为替代，可以使用曲线路径或抛物线路径33。抛物线路径33代表在24a所示的中心轴或在32a所示的刀具中心(同样参见图2的底部中心32)和预期切口 26的中心轴27的最大位移。遵循抛物线路径33，可以看见切割工具23的位置从23a所示的位置移动到23b，23c, 23d等所示的位置。直到切割工具23达到与预期切口 26重合的23m所示的最终位置。因此，曲线路径或抛物线路径33为单阶段扩孔过程提供更多机会，并且如下图6-7所示，为外科医生提供更大的灵活性。
[0033] 转向图6，在不过分扩大预期切口 26，特别是其边缘31的情况下，抛物线路径33能使切割工具23的底部中心32 (见图2)进行最大径向平移。刀具路径33的特定形状取决于最终切口 26的直径或半径，但随着路径33靠近刀具端点34或图2所示的切割工具23的上边缘35到达的最大深度，刀具路径33的特定形状是渐近线的。为了避免破坏预期切口 26的形状，或为了避免过分扩孔，在刀具端点34的高度h的底部中心32的径向平移r必须小于或等于最终切口半径R (参见图2)减去(R2 - h2)的平方根，如方程式I所示:
【权利要求】
1.一种用于扩大患者骨内切口的触觉自动外科手术系统，所述系统包括: 切割工具； 控制器，该控制器被编程为: 将骨中的预期切口与靠近骨放置的切割工具的位置进行比较；和 产生触觉容积，所述触觉容积包括渐细部分，所述渐细部分随触觉容积朝骨延伸而变窄; 产生控制信号，所述控制信号将允许切割工具在触觉容积内移动，并提供触觉反馈，以限制切割工具在触觉容积外的移动。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述触觉容积的渐细部分为圆锥部分。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述圆锥部分的半顶角从约10°至约30°不等。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述圆锥部分的顶角从约12°至约23°不等。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述圆锥部分的顶角约为15°~20°。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述圆锥部分的半顶角约为16°~19°。
7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述触觉容积的渐细部分为抛物线部分。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述抛物线部分的外表面的半径r(h)由方程式I限定: r(h)≤R-√iR2 -k2 当 h〈 R 时(I) 其中R为预期切口的半径，而h为骨的外表面和抛物线部分的外表面上的r之间的距离。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器产生的触觉容积进一步包括设置在渐细部分和骨之间的直线部分。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述直线部分的长度约为O~6mm。
11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述直线部分的长度约为2~4mm。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述触觉容积进一步包括位于渐细部分和骨之间的直线部分。
13.—种扩大患者的髋臼中的切口的方法，所述方法包括: 确定预期切口在髋白中的位置，该位置包括最终切口的中心轴与预期切口相交的低占.选择具有半径的切割工具； 将所述切割工具放置在靠近髋白的起始位置； 比较髋臼上的预期切口和切割工具在髋臼上的的起始位置； 产生渐细部分，所述渐细部分随所述触觉容积朝髋白延伸而变窄； 使切割工具在触觉容积内运动并提供触觉反馈，从而将所述切割工具的运动限制在所述触觉容积内。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述触觉容积的渐细部分为圆锥部分。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述圆锥部分的半顶角从约15°至约.20°不等。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述圆锥部分的顶角从约16°至约.19°不等。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述触觉容积的渐细部分为抛物线状。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述抛物线形渐细部分的外表面的半径r(h)由方程式I限定:
19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述触觉容积进一步包括设置在所述渐细部分和所述骨之间的直线部分。
20.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述触觉容积进一步包括设置在所述渐细部分和所述骨之间的直线部分。
21.一种用于全髋关节置换术(THA)的触觉自动外科手术系统，所述系统包括: 切割工具； 控制器，其被编程 为用于: 当切割工具最初放置在髋臼上时，将髋臼中的预期切口与切割工具的位置进行比较；以及 产生触觉容积，该触觉容积包括渐细部分和直线部分，渐细部分随所述触觉容积朝髋臼延伸而变窄，所述直线部分设置在所述渐细部分和髋白之间； 产生控制信号，所述控制信号使所述切割工具在触觉容积内进行运动并提供触觉反馈从而将切割工具的运动限制在触觉容积内。
22.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，当所述切割工具运动到所述触觉容积外时，所述控制器进一步用于停止所述切割工具的转动。
23.根据权利要求22所述的系统，其特征在于，所述触觉容积包括圆锥部分，所述圆锥部分具有顶角和从顶角朝髋臼延伸的直线路径。
24.根据权利要求22所述的系统，其特征在于，所述触觉容积包括抛物线部分，所述抛物线部分具有顶角和从顶角朝髋臼延伸的直线路径。
25.根据权利要求24所述的系统，其特征在于，所述抛物线部分的外表面的半径r(h)由方程式I限定:
26.—种扩大患者的髋臼中的切口的方法，所述方法包括: 确定预期切口在髋臼中的位置，包括最终切口的中心轴与预期切口相交的低点； 选择半径比最终切口更大或更小的切割工具； 将所述切割工具放置在靠近髋白的起始位置； 比较髋臼上的预期切口和切割工具在髋臼上的起始位置；以及产生触觉容积，所述触觉容积包括渐细部分，所述渐细部分随所述触觉容积朝髋臼延伸而变窄； 使所述切割工具在触觉容积内运动并提供触觉反馈，从而将所述切割工具的运动限制在所述触觉容积内；其中如果最终切口的直径大约等于选定刀具的直径，从方程式(1)产生触觉容积:
【文档编号】B25J13/08GK103930057SQ201280032522
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2012年6月18日 优先权日:2011年6月30日
【发明者】阿玛尔·拉纳瓦特, 马克·帕格纳诺, 劳伦斯·多尔, 理查德·琼斯, 丹尼尔·兰德埃克, 马特·汤普森, 拉杜·约尔古列斯库, 雷尼·巴斯克, 丹尼尔·奥德尔马特 申请人:马可外科公司