专利名称：医疗导航方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及医疗导航方法(medical navigation)和系统，尤其是用于确定关节的 旋转轴的导航方法和系统。关节例如可以是膝盖、肘、踝、脚趾、髋、手指或肩关节。
背景技术：
在当前整形外科导航系统中，旋转轴由用指示器(pointer)的2个点进行触摸 (palpate)的外科医生来确定，然后导航系统使用这2点来计算虚轴。
例如，在使用导航系统的全膝置换术(TKR)手术中，已知系统可以触摸 Whiteside线和/或上髁线和/或下髁线(posterior line)，以及从对应的2个界标(hndmark) 中计算旋转弯曲轴。外科医生必须在导航软件的配置中选择他将想要使用的解剖学旋转 界标。例如，外科医生可以使用Whiteside线、上髁线或下髁线。一些已知系统具有如 下方法，其中所有三个上述界标一起显示在合适的显示器件上并且外科医生在外科手术 期间决定使用哪个界标。
但是，该方法是非常不精确的，因为点难以触摸并且靠在一起(即所谓的“短 轴问题”)。结果，触摸(palpation)中的小误差导致精确度明显缺失。事实上，所有已知 导航系统均产生不精确的旋转轴计算[Matziolis，Qrthopade 2006.35 848-852，Siston, JBJS 2005 ； 87 : 2276-2观0]。这是因为没有可以精确触摸的可靠界标。结果，小触摸 误差导致植入物取向的明显误差。
已知TKR导航系统的另一缺点就是，如果膝盖具有骨质缺损(bony defect)，这 通常是关节炎膝盖中的情形，对具有缺损的骨进行点测量。因此，缺损导致不精确的点 测量并由此在错误位置处确定轴，而导致旋转不良。
由此，本发明克服了上述缺点和问题。发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于确定关节的旋转轴的方法，包括步 骤
移动关节的至少一骨头；
随着该至少一骨头的移动记录该至少一骨头的坐标；以及
使用所记录的坐标计算旋转轴。
在本申请中，术语旋转轴所表示的含义与运动轴(运动上确定的轴)或功能运动 轴或弯曲轴相同。
根据本发明的第二方面，提供一种用于确定关节的旋转轴的方法，包括步骤
将至少一个基准点(fiducial)附接到关节的至少一骨头；
在第一位置和第二位置之间移动至少一骨头；
当在第一和第二位置之间移动该骨头时用测量系统来记录该至少一个基准点的 坐标；以及
使用所记 录的坐标计算旋转轴。 具体实施例在本申请中，术语基准点表示其坐标能够由测量/导航系统记录的任何装置。 基准点例如可以是阵列、刚体或定位器。该骨头或每个骨头可以以使韧带伸展的这样一种方式移动。也就是说，移动可 使韧带不松弛。关节可包括两个骨头并且骨头可以相对彼此移动。例如，关节可以是膝关节、 肘关节、踝关节、手指、髋、肩或脚趾关节。可以由算法来执行旋转轴的计算。根据本发明的实施例，可以在旋转轴的计算之前确定在至少一骨头上的至少一 个界标的确定。在本申请中，界标可是点采集、点测量或点定义的结果，和/或可由算法来确 定。该界标或者每个界标可以使用诸如计算机辅助外科手术(CAS)、计算机断层摄影 (computerised tomography, CT)、磁共振成像(MRI)、超声或X射线分析或任何这样的技 术的组合之类的技术来确定。算法可包括在使用所记录的坐标计算旋转轴之前确定的该界标或者每个界标的 变换。算法可包括所记录的不相关坐标的除去。算法可包括对于第一和第二位置之间的所有位置，将在使用所记录的坐标计算 旋转轴之前所确定的该界标或者每个界标变换到其它骨头的坐标系统中。算法可包括基于该变换的界标或者每个变换的界标对平面进行最佳拟合计算。最佳拟合计算可包括最小二乘法(最小距离)分析(least squares analysis)。算法可包括对垂直于平面的轴的确定。平面的法线即为旋转轴。可通过机械、液压或气动器件来移动至少一骨头。机械器件可包括扩展(spreading)装置。例如，机械器件可包括诸如在WO 2007/045460中公开的扩展装置。液压器件可包括生物适合流体(biocompatible fluid)，例如生理水或盐水。液压器件可包括包含在诸如气球的容器中的生物适合流体。气动器件可包括气球。气球通过分别增加或移除空气而膨胀或缩小。根据本发明的第三方面，提供一种用于确定关节的旋转轴的系统，包括用于在使用中移动关节的至少一骨头的装置；用于在使用中可反转地(reversibly)连接至至少一骨头的至少一个基准点；用于在使用中记录至少一个基准点的坐标的至少一个测量系统；以及被配置成执行根据本发明的第一或第二方面的方法的至少一个计算机。根据本发明的优选实施例，方法使用扩展装置来将两个骨头扩展开，由此伸展 关节的韧带。基准点/阵列可反转地连接至两个骨头中的每一个。然后将关节缓慢地从 一个位置移动到另一位置。测量/导航系统在该移动期间中记录这两个基准点的坐标。 由测量系统(光学、电磁等)来测量基准点，并且由计算机来处理所记录的坐标。计算机使用新算法从测量结果中计算多个轴，然后计算关节的旋转轴(运动弯曲轴)。作为扩 展装置的替代，可以使用外部施加的力，例如施加力至踝来计算多个轴。本发明克服了现有技术的问题并且具有大量优点。本发明没有使用骨质缺损并 且由此避免了上述问题。本发明没有依赖短轴以及避免了外科医生的触摸误差和/或测 量误差。本发明考虑膝盖韧带，由此确定功能、运动轴而不是从骨界标中确定的静态 轴。本发明与变形的韧带一起起作用。本发明在外科手术期间提供了容易的过程，而不 依靠比扩展装置或其它在此描述的器件更复杂的任何物体。所计算的旋转轴具有多种用途。其可以用于对齐手术切口，由此根据关节的运 动学来旋转植入物。针对特定关节，其可以用于将植入物定位到最佳功能位置。由于轴 处于两个骨头之间，则针对两个骨头而不只是针对一个骨头，其可以用于对齐植入物和 手术切口。可以在使用诸如Smith & Nephew PiGalileo系统的导航系统的TKR中使用本发明
的实施例。外科医生将一基准点置于股骨上且将一基准点置于胫骨上，并且由外科医生 来触摸相关的界标。界标可以是由外科医生使用上述方法确定的特定的解剖点、区、区域，所述方 法诸如用指示器的触摸、触针、超声、MRI、CT、X-射线、算法的自动检测等。例如当外科医生压下脚踏开关时可由系统测量界标。除了脚踏开关，替代系统 可具有不同用户交互/控制。其它可能的用户接口包括由系统检测的指示器的特殊移 动、声音控制、远程控制、光学面板、在显示屏上指点的触针等。在由系统获得所有相关的界标之后，根据屏上的值来导航和定向胫骨切割夹具 (tibial cutting jig)，然后切割胫骨。放置诸如在W02007/045460中公开的机械扩展器并 且固定有销钉(pin)从而防止其从膝关节滑出。释放扩展器以使膝盖分开。可关闭密封 部(capsule)来更精确地测量运动。膝盖从弯曲至伸展缓慢弯曲。导航系统测量弯曲并 由算法计算多个轴(参见
图1)。从这些轴中，可以由算法来对一个精确的轴进行评估。 图2示出了根据本发明的可以利用的两个算法(A和B)。 在临床试验中已经评估了根据本发明的算法。如图3所示，相比于骨上髁轴 (EA)时，所应用的算法产生精确的结果。所标识的膝关节轴的值仅仅示出了所给定移动 范围内的轻微变化。不管相比于外科手术上髁轴的外科手术前的任何不对齐，在由计算 机断层摄影限定的膝关节轴和上髁轴之间都具有紧密的关系。结果显示，所应用的算法 可以用于确定功能膝关节轴，并且该结果也是可重复的。
权利要求
1.一种用于确定关节的旋转轴的方法，包括步骤 移动关节的至少一骨头； 随着该至少一骨头的移动记录该至少一骨头的坐标；以及 使用所记录的坐标计算旋转轴。
2.—种用于确定关节的旋转轴的方法，包括步骤 将至少一个基准点附接到关节的至少一骨头； 在第一位置和第二位置之间移动该至少一骨头；当在第一和第二位置之间移动该骨头时用测量系统来记录该至少一个基准点的坐 标；以及使用所记录的坐标计算旋转轴。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中以使韧带伸展的这样一种方式移动所述至少一骨头。
4.根据任何前述权利要求所述的方法，其中所述关节包括两个骨头并且所述骨头相 对彼此移动。
5.根据任何前述权利要求所述的方法，其中由算法来执行旋转轴的计算。
6.根据任何前述权利要求所述的方法，其中在计算旋转轴之前，确定所述至少一骨 头上的至少一个界标的确定。
7.根据权利要求6所述的方法，其中使用选自由CAS、CT、MRI、超声和X射线分 析组成的组中的技术来确定所述至少一个界标。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述算法包括在使用所记录的坐标计算旋转 轴之前确定的所述至少一个界标的变换。
9.根据权利要求5至8中的任一项所述的方法，其中所述算法包括所记录的不相关坐 标的除去。
10.在依赖于权利要求2时根据权利要求5至9中的任一项的方法，其中所述算法包 括对于第一和第二位置之间的所有位置，将在使用所记录的坐标计算旋转轴之前确定的 至少一个界标变换到其它骨头的坐标系统中。
11.根据权利要求5至10中的任一项所述的方法，其中所述算法包括基于变换的至少 一个界标对平面进行最佳拟合计算。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述最佳拟合计算包括最小二乘法分析。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述算法包括垂直于所述平面的轴的确定。
14.根据任何前述权利要求所述的方法，其中通过机械、液压或气动器件来移动所述 至少一骨头。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述机械器件包括扩展装置。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述液压器件包括生物适合流体。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述气动器件包括气球。
18.—种用于确定关节的旋转轴的系统，包括 用于在使用中移动关节的至少一骨头的装置；用于在使用中可反转地连接至至少一骨头的至少一个基准点；用于在使用中记录至少一个基准点的坐标的至少一个测量系统；以及 被配置成执行根据权利要求1至17中的任一项所述的方法的至少一个计算机。
19.一种基本上如前所述的方法。
20.一种基本上如前所述的系统。
全文摘要
一种用于确定关节的旋转轴的方法，包括步骤移动关节的至少一骨头；随着该至少一骨头的移动记录该至少一骨头的坐标；以及使用所记录的坐标计算旋转轴。一种用于确定关节的旋转轴的系统，包括用于在使用中移动关节的至少一骨头的装置；用于在使用中可反转地连接至至少一骨头的至少一个基准点；用于在使用中记录至少一个基准点的坐标的至少一个测量系统；以及被配置成执行本发明的方法的至少一个计算机。
文档编号A61B19/00GK102026578SQ200980113499
公开日2011年4月20日 申请日期2009年4月15日 优先权日2008年4月15日
发明者J·斯蒂夫特 申请人:史密夫和内修整形外科股份公司