使用基准的手术对准的制作方法

使用基准的手术对准的制作方法
【专利摘要】用于使用基准进行手术对准的方法、系统和包括计算机可读存储介质的设备。在一个一般方面中，一种方法包括将导向器联接到关节，该导向器限定轴线且具有成形为基本上适形于关节的一部分的外轮廓。第一基准相对于关节附连在固定方位处。一种定位系统用来确定轴线相对于第一基准的方位，其中轴线的方位基于在导向器联接到关节的同时导向器的方位来确定。导向器从关节被移除，并且在导向器从关节被移除之后，基于第二基准相对于第一基准的方位而将器械相对于轴线定位。
【专利说明】使用基准的手术对准
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求2011年6月16日提交的、名称为“Surgical Alignment UsingReferences”的美国临时申请序列号61/497,604以及2011年6月16日提交的、名称为“Surgical Alignment Using References”的美国临时申请序列号61/497，601的优先权和全部益处。这两份申请的全部内容以引用方式并入本文中。
【技术领域】
[0002]本公开涉及整形外科。
【背景技术】
[0003]常常称为关节置换的关节成形术能恢复受损关节的功能。由受伤、疾病或磨损造成的关节损伤会限制关节的功能并会造成极度的痛苦。受损关节可用提供与自然关节类似的功能的假体置换或增强。例如，在髋关节成形术中，可在髋白、股骨头或两者处放置植入物。

【发明内容】

[0004]在一个一般方面中，一种用于确定器械相对于关节的对准(alignment)的方法包括:将导向器联接到关节，导向器限定轴线且具有成形为基本上适形于关节的一部分的外轮廓；将第一基准相对于关节附连在固定方位；使用定位系统来确定轴线相对于第一基准的方位，在导向器联接到关节的同时，基于导向器的方位确定轴线的方位；从关节移除导向器；以及在从关节移除导向器之后，基于第二基准相对于第一基准的方位而将器械相对于轴线定位。
[0005]实施可包括下列一个或多个特征。例如，当导向器联接到关节时，轴线具有相对于关节的已知的倾斜角和已知的前倾角`。使用定位系统来确定轴线相对于第一基准的方位包括将基准定位在具有相对于轴线的已知偏移量的方位处。导向器的外轮廓在使用导向器之前形成使得外轮廓基本上适形于关节的接纳部分，并且导向器以单一取向与关节的接纳部分配合。使用定位系统来确定轴线相对于第一基准的方位包括将识别器相对于轴线对准，其中识别器包括电磁场发生器、磁传感器和框标(fiducial)中的至少一个。使用定位系统来确定轴线相对于第一基准的方位包括在导向器联接到关节的同时并且在第二基准联接到器械的同时将器械接合到导向器。第二基准包括红外检测器，第一基准包括框标，并且使用定位系统来确定轴线相对于第一基准的方位包括使用定位系统，使得定位系统确定在红外检测器和框标之间的相对方位。第二基准包括电磁场发生器，第一基准包括电磁场传感器，使用定位系统来确定轴线相对于第一基准的方位包括使用定位系统使得定位系统确定电磁场发生器和电磁场传感器之间的相对方位。导向器的外轮廓尺寸设计成与处于单一预定取向的特定患者的髋白配合。将导向器联接到关节包括使导向器与处于单一预定取向的髋臼配合。将第一基准相对于关节附连在固定方位包括将电磁场传感器或框标固结到包括髋臼的骨盆。使用定位系统来确定轴线相对于第一基准的方位包括在导向器配合到处于单一预定取向的髋臼的同时将器械接合到导向器，器械在与导向器接合时相对于髋臼取向成第一取向。将器械相对于轴线定位包括在从关节移除导向器之后使器械相对于髋白返回至第一取向。由导向器限定的轴线的方位使用针对关节的影像数据来确定。
[0006]在另一个一般方面中，一种系统包括:导向器，其具有基本上适形于关节的接纳部分的外轮廓，当导向器配合到关节时，导向器限定具有相对于关节的已知方位的轴线；第一基准装置，其用于附连到关节的骨；第二基准装置，其用于联接在相对于导向器的已知对准处；以及控制单元，其与第一基准装置和第二基准装置通信，控制单元被构造成基于指示当第二基准装置处于与导向器的已知对准并且导向器配合到关节时第二基准装置相对于第一基准装置的方位的数据来确定轴线相对于第一基准装置的方位。
[0007]实施可包括下列一个或多个特征。例如，当导向器联接到关节时，轴线具有相对于关节的已知的倾斜角和已知的前倾角。第二基准被构造成在具有相对于轴线的已知偏移量的方位处附连到导向器。导向器的外轮廓在使用导向器之前形成使得外轮廓基本上适形于关节的接纳部分，并且导向器以单一取向与关节的接纳部分配合。关节是特定患者的髋关节，轴线是基于髋关节的影像数据确定的髋关节的髋臼嵌塞(impaction)轴线，并且导向器是患者专用的导向器，其具有针对特定患者限定的外轮廓，外轮廓基本上适形于髋关节的髋白的一个或多个部分，使得导向器以单一取向与髋白配合。该系统包括电磁场发生器，第一基准装置包括第一电磁场传感器，并且第二基准装置包括电磁场发生器或第二电磁场传感器。该系统包括红外检测器，第一基准装置包括第一框标，并且第二基准装置包括第二框标。为了确定轴线相对于第一基准装置的方位，控制单元被构造成确定轴线在参考系中的方位，第一基准具有相对于参考系的固定方位。控制单元被构造成(i)在第二基准装置或第三基准装置联接到器械的同时确定器械相对于轴线的方位，以及(ii)在用户接口上输出指示器械相对于轴线的方位的数据。控制单元被构造成在导向器从关节被移除之后确定器械的方位。为了确定器械相对于轴线的方位，控制单元被构造成确定器械绕轴线的旋转方位，并且输出指示器械相对于轴线的方位的数据，控制单元被构造成输出指示器械绕轴线的旋转方位的数据。为了确定轴线相对于第一基准装置的方位，控制单元被构造成(i)访问指示轴线相对于导向器的方位的第一数据，并且(ii)访问指示当第二基准装置处于与导向器的已知对准时第二基准和导向器之间的偏移量的第二数据。控制单元还被构造成:基于指示器械相对于第一基准的方位的信息来确定器械相对于关节的旋转中心或关节的表面的方位；计算相对于器械的方位沿轴线的扩孔(reaming)深度；以及提供指示扩孔深度的信息。为了计算扩孔深度，控制单元被构造成:访问指示植入物的一个或多个特性的信息；基于植入物的一个或多个特性确定优选扩孔深度；以及在器械的当前方位和器械的优选方位之间的差异，优选方位对应于优选扩孔深度。为了提供指示扩孔深度的信息，控制单元被构造成提供指示在器械的当前方位和器械的优选方位之间的差异的信息。
[0008]在另一个一般方面中，一种用于确定相对于关节的对准的设备包括一个或多个处理装置和存储指令的一个或多个存储装置，该指令在由一个或多个处理装置执行时可操作以造成一个或多个处理装置执行操作。操作包括接收指示第一基准相对于第二基准的测量方位的信息，测量方位出现`在下列情况下:(i)第一基准相对于关节的骨附连在固定位置处；(ii)具有基本上适形于关节的一部分的外轮廓的患者专用的导向器联接到该骨；并且(iii)第二基准相对于患者专用的导向器联接在已知方位处。操作包括:基于测量方位确定外科轴线相对于第一基准的方位；接收指示在导向器从关节被移除之后器械相对于第一基准的方位的信息；使用器械相对于第一基准的方位确定器械相对于外科轴线的方位。
[0009]在另一个一般方面中，一种用于确定器械相对于关节的对准的方法包括:接收指示第一基准相对于第二基准的方位的信息；第一基准相对于关节附连在固定位置处，第二基准相对于由导向器限定的轴线对准在已知方位处，该导向器联接到关节且在使用之前形成为使得导向器的外轮廓基本上适形于关节的一部分；使用第二基准的已知方位确定轴线相对于第一基准的方位；接收指不器械相对于第一基准的方位的信息；以及使用器械相对于第一基准的方位确定器械相对于轴线的方位。[0010]实施可包括下列一个或多个特征。例如，指示器械相对于第一基准的方位的信息在从关节移除导向器之后生成。第二基准包括电磁场发生器或红外检测器。第二基准包括电磁场传感器、红外反射器或红外发射器。接收指示器械相对于第一基准的方位的信息包括接收指示第三基准相对于第一基准的方位的信息，第三基准在已知方位处联接到器械。该方法包括:访问指示在第二基准的方位和关节的旋转中心或关节的表面之间的偏移量的信息；以及确定关节的旋转中心或关节的表面相对于第一基准的位置。该方法包括:基于指不器械相对于第一基准的方位的信息来确定器械相对于关节的旋转中心或关节的表面的方位；计算相对于器械的方位沿轴线的扩孔深度；以及提供指示扩孔深度的信息。计算扩孔深度包括:访问指示植入物的一个或多个特性的信息；使用植入物的一个或多个特性计算优选扩孔深度；以及计算相对于与优选扩孔深度相对应的方位的器械的方位。提供指示扩孔深度的信息包括提供指示器械相对于优选扩孔深度的方位的信息。提供指示器械相对于优选扩孔深度的方位的信息包括提供指示为到达优选扩孔深度而要扩孔的距离的信息。接收指示第一基准相对于第二基准的方位的信息包括接收指示第二基准绕轴线的旋转方位的信息，接收指示器械相对于第一基准的方位的信息包括接收指示器械的旋转方位的信息，并且确定器械相对于轴线的方位包括确定器械绕轴线的旋转方位。
[0011]在另一个一般方面中，一种用于确定器械相对于关节的对准的控制单元包括:输入模块，其被构造成接收指示第一基准相对于第二基准的方位的信息和指示器械相对于第一基准的方位的信息，第一基准相对于关节附连在固定位置处，第二基准相对于由导向器限定的轴线对准在已知方位处，该导向器联接到关节且在使用之前形成为使得导向器的外轮廓基本上适形于关节的一部分；处理模块，其被构造成使用第二基准的已知方位来确定轴线相对于第一基准的方位并且使用器械相对于第一基准的方位来确定器械相对于轴线的方位；以及输出模块，其被构造成指示器械相对于轴线的方位。
[0012]在另一个一般方面中，一种对准系统包括:导向器，其基本上适形于关节的接纳部分，导向器限定使用针对关节的影像数据确定的轴线；第一电磁场传感器，其联接到导向器且相对于轴线在已知方位处对准；第二电磁场传感器；识别器，其包括电磁场发生器，识别器可操作地联接到第一电磁场传感器和第二电磁场传感器；以及控制单元，其与识别器、第一电磁场传感器和第二电磁场传感器通信，控制单兀被构造成确定轴线相对于第二基准的方位。
[0013]在另一个一般方面中，一种用于确定轴线相对于关节的方位的方法包括:将第一基准相对于关节附连在第一固定方位处；将第二基准相对于关节附连在第二固定方位处使得关节的移动改变第二基准相对于第一基准的方位；测量第二基准相对于第一基准的多个位置，多个位置中的每一个对应于关节的不同方位；以及基于多个位置和轴线相对于其它关节的方位来确定轴线相对于第一基准的方位。
[0014]实施可包括下列一个或多个特征。例如，点的位置相对于第一基准而确定，并且轴线的方位相对于第一基准而确定。该方法包括:测量器械相对于第一基准的方位；以及确定器械相对于轴线的方位。测量第一基准相对于第二基准的多个位置在关节移动期间进行。
[0015]在另一个一般方面中，一种计算轴线相对于关节的方位的方法包括:接收指示关节的运动范围的信息；使用指示运动范围的信息计算基本上对应于关节的旋转中心的第一点；使用在关节的运动范围和一个或多个其它关节的运动范围之间的一种或多种相关性来计算第二点；以及确定在第一点和第二点之间的轴线。
[0016]在另一个一般方面中，一种确定器械相对于关节的对准的方法包括:接收识别第一基准相对于第二基准的多个位置的信息，第一基准和第二基准定位成使得关节的移动改变第二基准相对于第一基准的方位，多个位置中的每一个对应于关节的不同方位；使用多个位置计算关节的旋转中心；使用多个位置和关于其它关节的信息来计算与关节的旋转中心相交的轴线，轴线相对于第一基准的方位为已知的；接收识别器械相对于第一基准的方位的信息；以及确定器械相对于轴线的方位。
[0017]实施可包括下列一个或多个特征。例如，该方法包括基于器械相对于第二基准的方位来指示器械相对于轴线的方位。第一基准固结到第一骨，第二基准固结到第二骨，并且多个位置中的一个或多个对应于关节的运动范围的极端。第一基准固结到骨盆，第二基准固结到股骨，并且多个位置在股骨相对于骨盆的不同方位处测量，不同方位包括与股骨相对于骨盆的运动范围的极端相对应的方位。多个位置中的一个或多个在股骨相对于骨盆的移动期间测量。使用多个位置计算关节的旋转中心包括生成作为对多个位置的数据拟合的球面的表示以及确定对应于球面的中心的点的位置。使用多个位置和关于其它关节的信息来确定与关节的旋转中心相交的轴线的方位包括:使用多个位置生成关节的运动范围的第一表示；基于多个关节的测量的运动范围访问复合表示，该复合表示指示复合轴线的方位，复合轴线的方位使用与多个关节的相应的测量运动范围相对应的方位来确定；以及基于在第一表示和复合表示之间的一种或多种相关性来计算关节的轴线的方位。计算关节的轴线的方位包括识别在第一表不和复合表不之间的一种或多种相关性或执行第一表不相对于复合表示的数据拟合。第一表示包括基本上对应于关节的运动范围的极端的迹线的表示，该迹线是对多个位置中的位置的数据拟合。对应于相应的测量运动范围的轴线使用用于多个关节中的相应关节的影像数据来确定。对应于相应的测量运动范围的轴线具有相对于多个关节中的相应关节的已知的倾斜角和前倾角。使用多个位置和关于其它关节的信息来计算与关节的旋转中心相交的轴线的方位包括:对于多个关节中的每一个来说，访问指示(i)特定关节的运动范围的表示与(ii)具有用于该特定关节的已知的倾斜角和前倾角的轴线之间的关系的数据； 以及使用在基于多个位置的表示与所访问的数据之间的相关性计算轴线的方位。
[0018]在另一个一般方面中，一种分析关节数据的方法包括:对于多个关节中的每一个来说，访问指示⑴对应关节的运动范围、以及(ii)为对应关节确定的相对于该对应关节的运动范围的轴线的方位；识别在关节的运动范围和多个关节的轴线的方位之间的关系；以及存储指示所识别的关系的信息。
[0019]实施可包括下列一个或多个特征。例如，对于多个关节中的每一个来说，使用该对应关节的断层扫描数据来确定轴线的方位。对于多个关节中的每一个来说，轴线的方位的倾斜角和前倾角相对于其对应的关节为已知的。每个轴线中的每一个的方位具有相对于其对应关节的基本上相同的标称倾斜角和如倾角。识别在关节的运动范围和多个关节的轴线之间的关系包括将每个运动范围的表示映射到公共坐标系。将每个运动范围的表示映射到公共坐标系包括识别每个运动范围的一个或多个标志(landmark)和相对于在坐标系中的基准方位对准对应的标志。识别在关节的运动范围和多个关节的轴线之间的关系包括对指示多个关节相对于彼此的运动范围的数据进行数据拟合。基于对应于多个关节的运动范围生成复合表示；使用所识别的关系来确定相对于复合表示的复合轴线的方位；以及存储指示复合运动范围和复合轴线相对于该复合运动范围的方位的信息。该方法包括基于所识别的关系确定指示关于复合轴线的公差的信息，该公差表明记录的特定集合在相对于复合运动范围取向时具有在该公差内的对应轴线。指示多个关节中的每一个的运动范围的数据包括指示基本上对应于对应关节的运动范围的极端的迹线的表示。
[0020]在另一个一般方面中，用于确定器械相对于关节的对准的控制单兀包括:输入模块，其被构造成接收指示关节的运动范围的信息和指示器械相对于基准的方位的信息；处理模块，其被构造成:使用指示运动范围的信息来计算第一点的位置，第一点基本上对应于关节的旋转中心；访问指示对于多个关节中的每一个来说在运动范围和具有相对于该运动范围已知的方位的轴线之间的一个或多个关系的数据；以及使用指示运动范围的信息和所访问的数据来计算第二点的位置；以及输出模块，其被构造成提供指示器械相对于通过第一点和第二点限定的轴线的方位的信息。
[0021] 实施可包括下列一个或多个特征。例如，数据存储模块存储指示一个或多个关系的数据，并且处理模块还被构造成从数据存储模块访问指示该一个或多个关系的数据。指示关节的运动范围的信息是表示关节的不同方位的多个位置。
[0022]在另一个一般方面中，一种对准系统包括:第一基准；第二基准；识别器，其可操作地联接到第一基准和第二基准；控制单元，其与识别器通信，该控制单元被构造成使用指示第一基准相对于第二基准的多个位置的信息来计算关节的旋转中心、使用该多个位置和指示相对于其它关节的相应的运动范围的轴线的方位的信息来计算与关节的旋转中心相交的轴线、并且确定器械相对于该轴线的方位。
[0023]在另一个一般方面中，一种相对于股骨对准器械的方法包括:将基准相对于股骨附连在固定方位处；测量相对于基准的围绕股骨的颈部的多个位置；使用所测量的多个位置来确定轴线相对于基准的方位；确定器械相对于基准的方位；以及基于测量方位相对于轴线对准器械。该方法包括将销沿轴线插入股骨中。将基准相对于股骨附连在固定方位包括将基准附连在股骨的大转子(trochanter)处。使用所测量的多个位置来确定轴线相对于基准的方位包括生成从该多个位置外推的柱形表示和确定该柱形表示的大致中心轴线。
[0024]在另一个一般方面中，一种指示器械相对于股骨的方位的方法包括:接收指示相对于基准的围绕股骨的颈部的多个位置的信息，该基准相对于股骨位于固定方位处；使用所测量的多个位置来确定轴线相对于基准的方位；接收指示器械相对于基准的方位的信息；以及提供指示器械相对于轴线的方位的信息。
[0025]实施可包括下列一个或多个特征。例如，使用所测量的多个位置来确定轴线相对于基准的方位包括生成从该多个位置外推的圆柱体的表示和确定该圆柱体的大致中心轴线的方位。确定圆柱体的半径并提供指示圆柱体的半径的信息。多个位置中的一个或多个通过使可移动探针与股骨的颈部接合来测量。多个位置中的一个或多个响应于在可移动探针与股骨的颈部接触的同时可移动探针的触发机构的促动而测量。多个位置中的一个或多个响应于可移动探针接触股骨的颈部而测量。接收指示相对于基准的围绕股骨的颈部的多个位置的信息包括确定可移动 探针的触发机构被促动并且响应于确定触发机构被促动而记录指示可移动探针相对于基准的方位的信息。
[0026]在另一个一般方面中，用于指不器械相对于股骨的方位的控制单兀包括:输入模块，其被构造成接收(i)指示相对于基准的围绕股骨的颈部的多个位置的信息(该基准相对于股骨位于固定方位处)和(ii)指示器械相对于基准的方位的信息；处理模块，其被构造成使用所测量的多个位置来确定轴线相对于基准的方位；以及输出模块，其被构造成指不器械相对于轴线的方位。
[0027]在另一个一般方面中，一种定位系统包括:第一基准；包括第二基准的可移动探针；识别器，其可操作地联接到第一基准和第二基准；以及控制单元，其与识别器通信，该控制单元被构造成接收(i)指示相对于基准的围绕股骨的颈部的多个位置的信息(该基准位于相对于股骨的固定方位处)和(ii)指示器械相对于基准的方位的信息、使用所测量的多个位置来确定轴线相对于基准的方位、以及指示器械相对于轴线的方位。
[0028]在另一个一般方面中，一种用于确定一个或多个关节特性中的差异的方法包括:将第一基准固定地附连在第一位置处；将第二基准固定到附连在第二位置处，使得关节的移动改变第二基准相对于第一基准的方位；测量第二基准相对于第一基准的第一多个位置；测量第二基准相对于第一基准的第二多个位置；以及使用第一多个位置和第二多个位置来确定在一个或多个关节特性中的差异。
[0029]在另一个一般方面中，一种用于确定一个或多个关节特性中的差异的方法包括:接收指示第一基准相对于第二基准的第一多个位置的信息；接收指示第一基准相对于第二基准的第二多个位置的信息；以及使用第一多个位置和第二多个位置来确定在一个或多个关节特性中的差异。
[0030]实施可包括下列一个或多个特征。例如，第一多个位置指示在外科手术之前的关节的不同方位，并且第二多个位置指示在外科手术之后的关节的不同方位。在第一基准相对于第一骨固连在第一方位处并且第二基准相对于第二骨固连在第二方位的同时，测量第一多个位置和第二多个位置。使用第一多个位置和第二多个位置来确定腿部长度中的差异包括:使用第一多个位置来生成第一表面的第一表示；使用第二多个位置来生成第二表面的第二表不;以及比较第一表不与第二表不。第一表面包括具有第一半径的球面的一部分，第二表面包括具有第二半径的球面的一部分，并且比较第一表示与第二表示包括确定在第一半径和第二半径之间的差异。该方法包括基于第一多个位置和第二多个位置来确定在关节的旋转中心中的差异。该方法包括基于第一多个位置和第二多个位置来确定在关节的运动范围中的差异。确定在一个或多个关节特性中的差异包括下列中的一个或多个:确定腿部长度中的差异、确定关节的旋转中心中的差异、确定关节的运动范围的偏移量、确定在关节的运动范围的尺寸中的差异、以及确定在关节的运动范围的形状中的差异。使用第一多个位置和第二多个位置来确定在一个或多个关节特性中的差异包括:使用第一多个位置生成指示关节的运动范围的极限的表示；使用第二多个位置生成指示关节的运动范围的极限的表不；以及比较第一表不与第二表不。
[0031]关节为髋关节，第一位置是相对于髋关节的骨盆的固定位置，并且第二位置是相对于髋关节的股骨的固定位置。关节为肩关节，第一位置是相对于肩关节的肩胛骨的固定位置，并且第二位置是相对于肩关节的肱骨的固定位置。
[0032]在另一个一般方面中，一种用于确定关节特性中的差异的控制单元包括:输入模块，其被构造成接收指示第一基准相对于第二基准的第一多个位置的信息、以及指示第一基准相对于第二基准的第二多个位置的信息；处理模块，其被构造成使用第一多个位置和第二多个位置来确定在一个或多个关节特性中的差异；以及输出模块，其被构造成指示在一个或多个关节特性中的差异。
[0033]在另一个一般方面中，一种用于确定在关节特性中的差异的系统包括:第一基准，其被构造成附连到第一骨；第二基准，其被构造成附连到第二骨；识别器，其可操作地联接到第一基准和第二基准；以及控制单元，其与识别器通信，该控制单元被构造成接收(i)指示第一基准相对于第二基准的第一多个位置的信息和(ii)指示第一基准相对于第二基准的第二多个位置的信息、并且使用第一多个位置和第二多个位置来确定在一个或多个关节特性中的差异。
[0034]一个或多个实施的细节在附图中和下文的描述中阐述。本公开的其它特征、目的和优点将从说明书和附图显而易见。
【专利附图】

【附图说明】
[0035]图1和图2是对准系统的图示。
[0036]图3A是示出关节的透视图。
`[0037]图3B是用于关节的髋臼导向器的透视图。
[0038]图3C是接纳在关节中的图3B的髋臼导向器的透视图。
[0039]图4A和图4B是示出用于确定轴线的方位的技术的透视图。
[0040]图5A和图5B是示出用于计算器械相对于轴线的方位的技术的透视图。
[0041]图6、图7A和图7B是图1的系统的控制单元的用户接口的图示。
[0042]图8、图9、图1OA至图1OC以及图1lA和图1lB是用于采集关节的数据的过程的图示。
[0043]图12A至图12C和图13是用于处理多个关节的数据的过程的图示。
[0044]图14A、图14B、图15和图16是用于使用其它关节的数据来确定某关节的力线(alignment)的过程的图示。
[0045]图17至图20是用于选择和靶向相对于关节的骨的力线的过程的图示。
[0046]图21A和图21B是示出用于基于相对于关节的骨已知的力线来确定关节的力线的过程的透视图。
[0047]图22A、图22B和图23是用于选择植入物的过程的图示。
[0048]图24A和图24B是示出用于测量关节的特性的过程的透视图。[0049]图25A、图25B、图26A和图26B是为关节翻修术(revision arthroplasty)确定对准的过程的图示。
[0050]图27是图1的系统的控制单元的框图。
[0051]图28是备选的对准系统的图示。
[0052]图29至图31、图36至图38和图40是示出用于相对于关节确定对准的示例性过程的流程图。
[0053]图34和图43是示出用于确定关节特性中的差异的示例性过程的流程图。
[0054]图39是示出用于处理描述多个关节的数据的示例性过程的流程图。
[0055]图32和图41是示出用于相对于关节确定对准的示例性过程的流程图。
[0056]图33和图42是示出用于确定试验植入物的适合性的示例性过程的流程图。
[0057]图35和图44是示出用于确定包括植入物的关节的特性的示例性过程的流程图。
【具体实施方式】
[0058]参看图1，对准系统100可用来在外科手术期间方便器械、植入物和组织的正确对准。例如，对准系统100可用来在例如髋关节10的关节成形术期间对准组织和外科器械30。虽然下文结合髋关节描述了许多技术，但相同的技术可适用于其它关节的关节成形术，包括诸如肩关节的其它球窝关节。这些技术也可应用于除关节成形术之外的外科手术。
[0059]在髋关节成形术期间，外科医生可使用系统100来确定嵌塞轴线相对于髋关节的方位。嵌塞轴线和其它力线可用来例如制备髋白的表面、安装髋白植入物和制备股骨以接纳植入物。系统100可指示在器械的当前对准和优选对准之间的差异，从而辅助外科医生将器械定位在优选对准处。
[0060]系统100包括一个或多个基准。组织和器械的方位相对于基准中的一个或多个而确定，并且基准的方位相对于彼此而确定。基准的示例包括识别器20和传感器12a-12c。系统100包括与传感器12a-12c中的一个或多个通信的识别器20。当与识别器20通信时，每个传感器12a-12c产生指不传感器12a-12c与识别器20的相对方位的信号。
[0061]下文将更详细描述的识别器20产生可由传感器12a_12c检测到的电磁场。识别器20可具有大体上板状的形状，并且也可具有其它形状。识别器20可由落地式底座支撑，如图所示。识别器20可备选地放置在患者下方或另一位置处。如在其它附图中所示和如下所述，识别器20可以是手持式或可联接到可移动器械。
[0062]如本文所用，方位(position)可包括位置(location)和取向(orientation)两者。例如，指示一基准相对于另一基准的方位的数据可指示在基准之间的平移偏移量以及角向偏移量和旋转偏移量。
[0063]控制单元50接收指示基准相对于彼此的方位的信息。基于识别器20和传感器12a-12c的方位以及其它已知的空间关系，控制单元50确定相对于关节10的优选对准和相对于关节10的当前对准。
[0064]两个基准的相`对方位(例如，一基准相对于另一基准的方位)可直接或间接确定。例如，第一基准和第二基准的相对方位可通过确定每个基准相对于第三基准的方位来确定。因此，确定一基准相对于另一基准的方位不需要在由所述基准中任一个限定的参考系中进行测量。[0065]类似地，方位可以是相对于基准已知的，即使它是间接已知的。例如，当基准A和基准B的相对方位为已知并且基准B和基准C的相对方位为已知时，基准A和基准C的相对方位也是已知的，即使该相对方位不是直接存储或计算的。
[0066]控制单元50包括控制模块，其被构造成例如提供功率并控制信号以调节与控制单元50通信的传感器和识别器的操作。控制单元50包括输入模块以从传感器、识别器和其它系统接收信号。使用所接收的信息，控制单元50的处理模块计算器械30与组织的优选对准。处理模块还计算器械和组织相对于优选对准的当前方位。控制单元50还包括输出模块，其可在用户接口 52上指示器械与组织的优选对准和实际对准以及下文中所述的其它信息。例如，用户接口 52可显示包括关节10的表示10’和器械30的表示30’的图像并可指示器械30相对于关节10的方位。
[0067]参看图2，更详细地，识别器20包括电磁(EM)场发生器21，其操作用于产生具有已知特性的EM场。EM场发生器21位于识别器20的外壳23内。EM场发生器21包括一个或多个线圈或产生EM场的其它部件。所生成的EM场由一个或多个磁传感器检测，例如EM场传感器40,其各自基于所检测到的EM场产生输出信号。多种不同的磁传感器中的任一个都可用作EM场传感器40，例如，感应线圈、霍尔效应传感器、磁通门磁场传感器和磁阻传感器中的一个或多个。当EM场传感器40检测到足够的EM场能量时，EM场传感器40产生指不EM场传感器40相对于EM场发生器21的方位的信号。 [0068]控制单元50驱动EM场发生器21，从EM场传感器40接收输出信号，并且显示EM场传感器40和识别器20的相对方位。例如，识别器20、传感器40和控制单元50可包括如在WIPO国际公布N0.W02008/106593和W02009/108214 (每份专利均以引用方式全文并入本文中)中描述的和在美国专利申请N0.12/758，747和12/768,689(每份专利均以引用方式全文并入本文中)中描述的特征。
[0069]识别器20的可用范围为识别器20周围的三维区域，其被称为识别器20的工作容积。工作容积的大小和形状基于由EM场发生器21产生的EM场的特性并且可基于对靶向精度的需求而被修改至更大或更小。识别器20的工作容积的形状和尺寸部分地取决于EM场发生器21的构型、EM场发生器21的操作的具体特性(例如，驱动信号的特性)和其它因素。
[0070]在一些实施中，工作容积是围绕识别器20的区域。例如，识别器20可以在工作容积内大体上居中定位。对于一些实施来说，例如在用于关节成形术对准期间使用的那些实施，工作容积可在宽度上延伸大约50cm或以上并且在深度上延伸大约40cm或以上并且位于距识别器20约5cm的距离处。因此，联接到识别器20的钻导向器或其它器械将从识别器20延伸例如超过5cm以确保在工作容积内的正确对准。备选地，对于一些用途来说，具有较小尺寸的工作容积可用来增加准确度和精度。
[0071]传感器40与识别器20的EM场发生器21通信，例如，当传感器40位于EM场发生器21的工作容积内时通过接收由EM场发生器21产生的EM场。传感器40生成指示所检测到的EM场的强度。传感器40包括例如电感式传感器，其被构造成通过输出一个或多个感应电流而对由识别器20产生的EM场做出响应。传感器40可包括相对于彼此位于已知的固定方位处的两个或更多个感应线圈，并且每个线圈可输出感应电流。
[0072]传感器40包括诸如传感器引线34的连接，以传输输出信号或与该信号有关的数据。传感器引线34提供用于传输传感器40的输出的有线连接。传感器引线34可响应于EM场而载送由传感器40产生的信号。在一些实施中，连接可包括无线发射器。另外，传感器引线34可包括不止一个连接，并且传感器引线34除信号或数据之外可载送功率和控制信号，并且双向通信是可能的。例如，关于传感器40的校准的信息可存储在联接到传感器40的存储装置中。
[0073]由传感器40产生的信号允许确定识别器20和传感器40的相对方位。在EM场发生器21的工作容积内的不同方位处，传感器40检测不同的EM场能，导致不同的输出信号。输出信号可用来准确地确定识别器20相对于传感器40的方位。位于识别器20的工作容积外部的传感器40可不会从场发生器21接收足够的EM能以生成可用来准确地确定传感器40和识别器20的相对方位的输出信号。
[0074]传感器40的输出允许在最多六个自由度中确定传感器40的方位，例如沿通常称为X、Y和Z的三个平移轴线，以及通常称为俯仰、偏航和横摇的三个角向取向，它们均被限定为绕三个平移轴线中的一个的旋转。因此，由单个传感器40产生的信号可限定相对于识别器20的轴线。指示少至三个自由度的传感器可用来测量在参考系中的位置。为了限定轴线的方位，可使用允许确定至少五个自由度的传感器。当需要关于轴线的方位和绕轴线的旋转方位的信息时，可使用指示六个自由度的数据的传感器。
[0075]诸如传感器40和识别器20的基准可联接到组织或器械，从而可基于基准的方位来确定组织或器械的方位。 基准可附连在相对于器械或组织的已知方位处或者附连到未知的方位。
[0076]对于一些测量来说，不需要知道组织或器械的尺寸和基准初始地附连的方位。例如，第一基准可附连在相对于器械或组织的任意方位处。在第一基准保持在相对于器械的固定方位(例如，第一基准随器械移动)的同时，器械可相对于联接到第二基准的骨定位。在特定方位处，控制单元50确定在基准的方位之间的偏移量并存储该偏移量。当器械和骨的相对方位变化时，控制单元50可指示与此前测量的相对方位的偏差。因此，甚至当基准未相对于彼此校准并且基准不位于器械或组织的已知方位处时，控制单元50也可辅助系统100的操作者将器械返回至相对于骨的测量方位。
[0077]对于其它测量来说，传感器40可联接在相对于器械或组织的已知方位处。例如，传感器40可位于器械30的标志处并取向在相对于器械30的已知取向处。系统100的操作者例如通过输入识别标志的信息而向控制单兀50输入指不传感器相对于器械30的位置和取向的信息。控制单元50访问指示器械30的尺寸和标志相对于器械30的特征的方位的信息。例如，控制单元50可访问指示在标志和构造成接合组织的器械30的端部之间的偏移量的信息。
[0078]因为传感器40的方位相对于器械30为已知的，所以控制单元50可基于传感器40的方位来确定器械30的方位。例如，为了确定器械30的端部的方位,控制单元50确定传感器40的方位，并且通过在传感器40和端部之间的偏移量调整该方位。因此，当传感器40的方位相对于基准被确定时，器械30的端部的方位也可相对于相同基准而确定。
[0079]在一些实施中，外科医生或系统100的其它操作者可通过外壳23夹持识别器20以将识别器20相对于患者、器械和/或传感器40定位。识别器20可包括联接构件22，器械和其它附件联接到该联接构件22。通过将识别器20相对于手术部位取向，操作者也将联接的器械相对于手术部位取向。例如，联接构件22可接纳联接到钻导向器26的钻导向器附件24。识别器20可用来定位钻导向器26，从而将插入穿过钻导向器26的钻头或导销引导至医疗程序所需或对于医疗程序合适的方位。也可包括附件以将扩孔钻、钻孔器、嵌塞器和其它器械联接在相对于识别器20的已知方位处。器械可由非铁素体材料构成以限制对在识别器20和传感器40之间的EM通信的干扰。
[0080]在一些实施中，包括EM场发生器21的识别器20为独立式单元或安装到底座。识别器20可因此在器械相对于手术部位定位的同时保持在静止方位，或者可独立于器械的移动而移动。第二传感器40联接到外科器械且与EM场发生器21通信。控制单元50接收联接到器械的传感器40和联接到器械的传感器40两者的输出信号。控制单元50可基于这两个传感器40的信号来确定识别器20相对于器械30的方位。在一些实施中，可使用附加的传感器40。
[0081]控制单元50控制识别器20的操作并接收来自一个或多个传感器40的输入。控制单元50可通过有线或无线链路与识别器20通信以传输控制EM场发生器21的操作的功率和控制信号。例如，识别器20可包括提供到控制单元50的连接的缆线27。
[0082]控制单元50包括一个或多个处理装置，其被构造成确定识别器20的EM场发生器21和每一个传感器40的相对方位。因为每个传感器40的方位相对于相同基准(EM场发生器21)而确定，所以一个或多个处理装置可确定每个传感器40相对于每个其它传感器40的方位。使用来自传感器40的信号，控制单元50确定器械30相对于一个或多个基准的方位。
[0083]控制单元50包括显示器，图像用户接口 52在该显示器上呈现给外科医生。在一些实施中，控制单元50在用户 接口 52上输出对器械30的当前方位是否相对于优选方位可接受的指示。例如，在用户接口 52上的输出可包括一个或多个元素，例如，表示器械30相对于手术对准的角度的元素、表示器械30相对于手术对准的可接受方位的一个或多个元素、表示器械30相对于手术对准的不可接受方位的一个或多个元素、器械30相对于解剖轴线的角度的数字指示、指示器械30的当前方位可接受的元素、以及指示器械30的当前方位不可接受的元素。
[0084]系统100可用于各种测量和程序，包括例如:(I)使用患者专用导向器来确定手术对准；(2)使用存储的数据来确定手术对准；(3)通过测量绕关节的骨的位置来确定手术对准；(4)基于关节的已知方位来确定手术对准；(5)试验部件以选择植入物；(6)确定关节的特性并识别关节的特性中的变化；以及(7)为翻修手术确定对准。
[0085]下面描述使用系统100的方法的示例。
[0086]1.使用患者专用的导向器对准
外科医生可使用系统100来确定手术对准相对于关节的方位。例如，外科医生可使用系统100来确定具有已知方位的嵌塞轴线相对于患者的解剖结构的方位。
[0087]在髋关节成形术中，常常沿嵌塞轴线安装诸如髋白杯的髋白植入物。在手术期间使用的嵌塞轴线确定诸如髋臼杯的髋臼植入物的安装取向。外科医生通过对髋臼扩孔(常常通过将扩孔钻相对于嵌塞轴线取向)而制备髋白以接纳髋白杯。外科医生接着将髋臼杯沿嵌塞轴线打入经制备的髋白中。在关节成形术期间使用的嵌塞轴线可显著地影响重建后的关节的性能。[0088]髋白杯应安装成的优选取向可通过杯前倾角和杯倾斜角来指示。髋白杯的表面或边缘可限定平面。杯倾斜角可以是在杯的表面和矢状面之间在冠状面中的角度。杯前倾角可以是在杯的表面和矢状面之间在横断面中的角度。髋白杯的优选安装取向可以是例如45度的杯倾斜角和20度的杯前倾角。
[0089]嵌塞轴线穿过髋臼杯的中心并且当杯处于优选取向时垂直于髋臼杯的表面取向。沿嵌塞轴线安装髋白杯将髋白杯定位在优选取向。
[0090]为了简化描述，嵌塞轴线的前倾和倾斜在本文中被称为对应于具有等同的杯前倾和倾斜值的取向。例如，嵌塞轴线的前倾角可测量为在冠状面和嵌塞轴线在横断面上的投影之间的角度。嵌塞轴线的倾斜角可测量为在横断面和嵌塞轴线在冠状面上的投影之间的角度。在这样的定义下，20度的杯前倾角对应于20度的嵌塞轴线前倾角，尽管这样的角度不是相对于相同的参考平面测量的。以上所述定义作为示例给出以简化描述。在实施中，可备选地使用倾斜和前倾的其它定义(例如，标准解剖、手术或放射学定义)和用于限定植入物放置的其它解剖参考系。
[0091]为了确定嵌塞轴线相对于患者的关节的方位，外科医生可使用为接纳到关节中而定制形状的患者专用的导向器。导向器可在手术前成形以适形于关节。当位于关节中时，导向器可指示具有相对于关节(更确切地说相对于关节作为其一部分的身体的解剖平面)已知的倾斜角和已知的前倾角的嵌塞轴线的对准。
[0092]作为示例，使用导向器和系统100，外科医生可确定嵌塞轴线相对于关节的方位。外科医生将第一基准放置在相对于关节的固定方位处，例如髋关节的骨盆处。外科医生将导向器放置在关节中，并且相对于由导向器指示的嵌塞轴线对准第二基准。在该对准下，第二基准标记嵌塞轴线相对于第一基准的方位。控制单元50确定基准相对于彼此的方位，并且记录嵌塞轴线相对 于第一基准的方位。外科医生接着将导向器从关节移除。因为导向器从关节被移除，所以外科医生在制备髋白和植入髋白植入物时具有无阻碍的通路。
[0093]系统100使用嵌塞轴线相对于第一基准的记录方位来指示相对于嵌塞轴线的方位的器械的方位。例如，第二基准可联接到器械。随着第二基准和器械一起移动，控制单元50计算在第二基准的当前方位和第二基准的此前确定的方位之间的差异，此前确定的方位对应于沿嵌塞轴线的对准。控制单元50输出信息，该信息例如通过在相对于导向器对准时使第二基准返回至其方位或至从测量方位的特定偏移量处而辅助外科医生沿嵌塞轴线对准器械。由于由系统100如此辅助，外科医生可相对于嵌塞轴线取向器械以执行外科手术，而不需要在扩孔和嵌塞期间物理接触导向器。
[0094]系统100辅助外科医生实现由导向器指示的对准，同时允许外科医生进行调整以应对变化的条件和在手术期间进行的发现。
[0095]1.1对导向器进行手术前成形
参看图3A，采集指示髋关节10的轮廓的信息。该信息可包括在手术之前采集的髋关节10的影像数据55。关节10可使用诸如计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)的断层扫描技术来成像。影像数据的其它示例包括X射线图像和超声扫描数据。
[0096]参看图3B，使用影像数据55，导向器60被制造成基本上适形于关节10的接纳部分，例如髋白13的一个或多个部分。每个髋关节的髋白是独特的。导向器60的外轮廓62成形为基本匹配髋曰13的轮廓，使得导向器60与髋曰13配合。从影像数据55确定的髋臼13的特征被用来对导向器60的对应的配合表面(例如，外轮廓62)进行成形。因此，作为在影像数据55中描述的对特定关节10的定制配合的结果，导向器60是患者专用的。
[0097]导向器60可适形于髋臼13,使得导向器60以单一取向与髋臼13配合。导向器60可由诸如塑料、金属或陶瓷的刚性材料形成。导向器60可以被成形、尺寸设计和成轮廓为使得外轮廓62适形于髋白13的足够部分，以便当导向器60被接纳到髋白13时形成稳定接合。在一些实施中，导向器适形于髋臼13的表面的大部分。
[0098]此外，或作为髋臼13的配合表面的备选方案，导向器60也可适形于其它特征，包括靠近髋臼13的骨盆的部分。导向器60也可适形于例如髋臼缘、坐骨大切迹、髂骨的一部分、和/或髂前下棘的全部或部分。
[0099]因为术前影像数据55用来形成导向器60，所以导向器60可在手术之前成形为适形于髋曰13。导向器60可作为具有通常不可调整的外轮廓62的预成形单元提供给外科医生。例如，导向器60可被模制、切割、机加工、三维打印、或以其它方式制造成合适形状。导向器60可形成为块体或整体单元。
[0100]影像数据55也用来确定嵌塞轴线14相对于关节10的方位。嵌塞轴线14使用影像数据55选择成具有相对于患者的解剖结构已知的倾斜角和已知的前倾角。嵌塞轴线14的方位可任选地在导向器60上指示，从而指示嵌塞轴线14相对于髋白的轮廓的方位。当导向器60被接纳在关节10中时，由导向器60指示的方位与嵌塞轴线14的方位重合。例如，导向器60可限定沿嵌塞轴线14部分地或完全地通过导向器60的导向孔64。附加地或备选地，导向器60的标记或特征可指示轴线14相对于导向器60的取向。
[0101]导向器60任选地包括识别患者的标记,例如,标记在导向器60上的患者姓名或患者编号。其它识别信息可标记在导向器60上或嵌入其中以将导向器60与例如对应关节
10、患者、外科医生或医院相关联。
[0102]影像数据55也可用来确定关`节10的旋转中心点15 (图3A)(例如，关节10的运动中心点)。基准点65相对于导向器60的方位可被确定，其中基准点65对应于关节10的旋转中心点15。例如，基准点65可确定成使得当导向器60驻留在髋臼13中时，基准点65与关节10的旋转中心点15重合。备选地，基准点65可相对于导向器60的标志或特征(例如构造成接合器械30或传感器的部分66)而确定。基准点65的方位可标记在导向器60上或者可单独地指示。
[0103]在一些实施中，可确定在导向器60的标志和导向器60的外轮廓62之间的距离。例如，可确定在部分66和外轮廓62之间沿嵌塞轴线14的距离。备选地，部分66可在距外轮廓已知距离处形成或标记。其它距离(例如，在导向器60的不同标志处导向器60的厚度)也可被测量和记录，或者备选地形成至预定规格。指示这些距离的数据可由控制单元50访问ο
[0104]1.2确定嵌塞轴线的取向
参看图3C，外科医生产生切口以触及关节10和使关节10脱位。外科医生将导向器60插入关节10中，使得它与髋臼13配合。因为导向器60基本上适形于髋臼13的部分，所以髋臼13与处于已知取向的导向器60配合。结果，当导向器60被髋臼13接纳时，由导向器孔64或导向器60的其它标记指示的方位指示嵌塞轴线14相对于关节10的方位。
[0105]使用术前形成的导向器60能显著简化手术程序并减少手术时间。例如，外科医生不需要在手术期间再成形或调整导向器60。外科医生也不需要人工识别髋臼13的特征。因此，在许多情况中，外科医生能基于与髋臼13的接触而将导向器60迅速地定位成与髋臼13稳定接合。因此，使用预成形的导向器60来确定嵌塞轴线14的方位可比使用在手术期间在视觉上识别的解剖基准确定轴线的方位更快速且更准确。此外，在由髋白13接纳时导向器60的稳定性可向外科医生提供对导向器60正确定位的确认。
[0106]因为导向器60在扩孔和嵌塞发生时不需要保持在髋臼13中，所以导向器60能接合尽可能多的髋白13以用于提供与髋白13的精确连接。导向器60可通过与髋白13接合而实现已知的配合定位，并且在一些实施中，不接合骨盆16的其它表面。结果，为了定位导向器60，外科医生不需要将软组织从骨盆16的周围表面分开。因此，外科医生能迅速定位导向器60，而不造成髋白13外部大面积的软组织创伤。
[0107]此外，外科医生对髋臼13的触及通常由于关节10周围的组织而受到限制。例如，外科医生可通过相对狭窄的空间触及髋臼13，其中髋臼13位于可以是距切口大约6至9英寸的深度处。然而，外科医生常常可将导向器60以直接方式配合到髋臼13，而不需要无阻挡的可视性以放置导向器60。
[0108]外科医生将第一基准附连在相对于关节10(例如关节10的骨)的固定位置处。第一基准可在将导向器60插入关节10之前或之后附连。例如，外科医生将位于髋曰13外部的EM场传感器70附连到骨盆16，以免妨碍手术。传感器70可包括具有带螺纹部分的外壳，以允许传感器70在固定位置处拧入骨盆16中。传感器70可安装成使其随骨盆16移动。传感器70可例如通过用来触及髋白13的相同切口或通道植入到髋白13附近。将传感器70附连在相对于骨盆16的固定方位并将传感器70保持在其方位中允许控制单元50使用传感器70来相对于骨盆16建立一致的参考系。
[0109]当传感器70被植入时，不需要知道传感器70相对于关节10的方位。轴线14相对于传感器70的方位随后由系统100确定，因此外科医生具有为传感器70选择位置的灵活性。在一些实施中，传感器70可被植入使得传感器70使用在导向器上的指示取向成基本上平行于嵌塞轴线14。结果，传感器70的方位可提供嵌塞轴线14的取向的视觉指示。传感器70可因此提供随后由控制单元50指示的嵌塞轴线14的轨迹的视觉确认。
[0110]图4A和图4B不出用于使用导向器60确定嵌塞轴线14相对于关节10的方位的备选程序。通过将第二基准定位在相对于轴线14的已知对准处并且在处于已知对准的同时测量第二基准相对于第一基准(传感器70)的方位来确定取向。因此，嵌塞轴线14的方位相对于传感器70的参考系而确定。第二基准可包括例如识别器20 (图4A)或第二 EM场传感器72(图4B)。控制单元50可在用户接口 52上指示器械30、传感器、以及(在确定时)嵌塞轴线14和旋转中心点15的方位中的一个或多个。这些指示可用关节10的三维视图来显示。
[0111]参看图4A，外科医生使用识别器20作为基准来确定轴线14相对于传感器70的方位。诸如扩孔钻的器械30联接到识别器20。外科医生将器械30的端部31插入导向器60的导向器孔64中，从而沿嵌塞轴线14对准器械30和识别器20。传感器70检测由识别器20的EM场发生器21生成的EM场并将信号传输至控制单兀50。基于该信号,控制单兀50确定识别器20相对于传感器70的方位。外科医生在用户接口 52上选择控制器，表明识别器20相对于导向器60对 准。作为响应，控制单元50记录与优选嵌塞轴线14的方位相对应的识别器20的方位。
[0112]识别器20相对于器械的取向为已知的。例如，联接构件22(图2)可附连识别器20，以使得器械30在距识别器20的已知方位处延伸。在一些实施中，关于识别器20相对于器械30的方位的附加信息也是已知的，例如，识别器20沿器械30的长度的方位和识别器20绕器械30的旋转方位。
[0113]已知的方位或偏移量中的一个或多个可由外科医生在控制单元50上输入。例如，外科医生可指示使用了标准偏移量或方位。外科医生可输入表明使用了器械30的特定模型的信息。控制单元50可访问指示器械30的尺寸和沿器械30的各种标志的方位的信息。外科医生也可选择接合导向器60的器械30的标志或识别器20联接到的标志。外科医生也可手动输入非标准的偏移量。已访问器械30的尺寸和在器械30的已知方位处的特定标志时，控制单元50可计算或访问在标志之间的偏移量。在一些实施中，可从控制单元50的存储装置或通过网络访问指示已知方位的数据。
[0114]控制单元50可确定关节10的旋转中心点15相对于传感器70的位置。识别器20相对于端部31的方位也可以是已知的。例如，识别器20可联接在器械30的标志处，导致具有距端部31的已知第一偏移量的方位。基于关节10的影像数据55，在旋转中心点15的位置和导向器60的部分66之间的第二偏移量也可以是已知的并可由控制单兀50访问。器械30可在已知方位处接合导向器60,例如,器械30的端部31可接合导向器60的部分66。因此，从识别器20的方位(当端部31与部分66接合时测量)，增加第一偏移量和第二偏移量导致旋转中心点15相对于传感器70的方位。
[0115]以类似的方式，控制单元50可确定髋曰13的表面的位置。导向器60可具有在部分66 (其 接合器械30的端部31)和外轮廓62 (其接合髋白13)之间沿嵌塞轴线14已知的偏移量或厚度。指示该偏移量的数据可由控制单元50访问并且可与指示在识别器20和端部31之间的偏移量的数据一起用来从识别器20的方位确定髋白13的表面沿嵌塞轴线14的方位。
[0116]在一些实施中，代替沿嵌塞轴线14对准器械30和识别器20，识别器20可取向在相对于嵌塞轴线14的不同的已知方位处。例如，识别器20可在相对于嵌塞轴线14具有已知的平移偏移量和/或角向偏移量的方位处接合导向器60。控制单元50可使用由外科医生输入的或从另一来源访问的已知偏移量来确定嵌塞轴线14的方位。
[0117]参看图4B，轴线14的方位可备选地通过相对于轴线14对准第二 EM传感器72而相对于EM传感器70确定。外科医生将第二传感器72相对于轴线14定位在已知的方位处。例如，外科医生将第二传感器72在沿轴线14的导向器孔64处(例如，在部分66处)联接到导向器60。传感器70、72被引入识别器20的EM场发生器21的工作容积内。在一些实施中，在将导向器60联接到关节10之前，第二传感器72附连到导向器60。例如，可将导向器60提供给外科医生，其中第二传感器72附连在相对于轴线14的已知位置和/或取向处。
[0118]因为所关注的方位是传感器70、72相对于彼此的方位，所以识别器20的精确方位不是关键的。器械30可与EM场发生器21物理地分离，以使得器械30可相对于识别器20自由地移动。例如，识别器20的EM场发生器21可以是自立式或者可具有固定底座。在一些实施中，识别器20可置于患者下方，例如，在未被手术的髋关节下方。[0119]因为识别器20使用EM场与传感器70、72通信，所以不需要在识别器20和传感器70,72之间无阻挡的视线。此外，因为传感器70、72较小且可直接附连到骨，所以骨的正常振动实际上不影响测量。
[0120]传感器70、72检测由EM场发生器21产生的EM场，并且传输指示每个传感器70、72相对于EM场发生器21的方位的信号。控制单元50接收分别指示传感器70、72相对于识别器20的方位的信号。控制单元50使用相对于相同基准(识别器20)测量的两个方位来计算第二传感器72相对于第一传感器70的方位。
[0121]当第二传感器72沿轴线14对准时，第二传感器72的取向指示嵌塞轴线14的方位。因此，控制单元50将第二传感器72的方位记录为轴线14的方位。当第二传感器72取向在相对于轴线14的不同的已知方位处时，控制单元50使用在第二传感器72的方位和轴线14之间的已知偏移量来计算轴线14的方位。控制单元50记录轴线14相对于第一传感器70的计算方位。
[0122]控制单元50也可计算并存储旋转中心点15的方位和相对于第一传感器70在髋臼13的表面上的位置。因为第二传感器72位于相对于导向器60的已知方位处,所以控制单元50可访问在第二传感器72的方位和旋转中心点15的位置以及髋白13的表面的位置之间的已知偏移量，以确定它们相对于传感器70的位置。控制单元50可显示轴线14相对于关节10的方位的指示14’。
[0123]在图4A和图4B两者中所示的实施中，控制单元50可确定并存储绕嵌塞轴线14的旋转方位。例如，接合器械30的端部31或第二传感器72的导向器60的部分66可包括键槽或凹口，其允许在绕嵌塞轴线14的有限数量的旋转方位(例如，单个方位)中对准。备选地，导向器60可包括指示特定旋转方位的标记。
[0124]外科医生将器械30或第二传感器72定位在由导向器60指示的已知的旋转对准中。结果，识别器20相对于传感器70的方位(图4A)或第二传感器72相对于传感器70的方位(图4B)对应于已知的旋转方位。
[0125]1.3取向器械
在外科医生使用控制单兀50来确定嵌塞轴线14相对于第一传感器70的方位之后,外科医生从关节10移除导向器60，露出髋臼13。当外科医生将器械30相对于关节10定位时，系统100辅助外科医生相对于嵌塞轴线14取向器械30。例如，系统100可指示扩孔钻的当前取向的变化，这种变化将导致扩孔钻沿嵌塞轴线14定位。因此，在外科医生例如通过移除软骨和骨而制备髋白13的同时，系统100辅助外科医生沿嵌塞轴线14定位扩孔钻。系统100也可指示用于将髋臼植入物打入经制备的髋臼13的嵌塞工具的对准。
[0126]图5A和图5B示出用于确定器械30相对于关节的当前对准的备选技术。图5A和图5B中所不备选技术中的任一种都可与图4A和图4B中所不技术中的任一种一起用来确定嵌塞轴线14的方位。器械30的方位可例如使用识别器20的方位(当联接到器械30时)(图5A)或使用联接到器械30的EM场传感器的方位(图5B)来确定。
[0127]参看图5A，在识别器20联接到器械30的同时，外科医生定位器械30。识别器20相对于器械30附连在固定方位`处，以便识别器20和器械30 —起移动。如果使用图4A的技术来确定嵌塞轴线14的方位，识别器20可保持附连在用来测量嵌塞轴线14的方位的器械30的相同方位处。在一些实施中，外科医生可将识别器20围绕器械30联接在器械30的已知方位处。
[0128]外科医生在髋臼13附近移动器械30，并且传感器70检测来自附连到器械30的识别器20的EM场。传感器70的输出指示传感器70和识别器20的相对方位，控制单元50使用该相对方位来计算器械30相对于传感器70的方位。当外科医生将器械30移动至相对于髋臼13对准时，来自传感器70的信号变化以反映其相对于识别器20变化的方位。当器械30相对于髋白13移动时,控制单兀50使用传感器信号来计算器械30的方位。
[0129]参看图5B，作为备选技术，外科医生将第二传感器72在器械30的已知的固定方位处联接到器械30。例如，第二传感器72可附连在器械30的标志处，例如接纳第二传感器72的器械30的部分。在一些实施中，第二传感器72具有已知的旋转方位。例如，外科医生可附连第二传感器72，使得器械30在相对于器械30已知的旋转方位处接纳第二传感器72。
[0130]外科医生使器械30靠近髋臼13，造成传感器70、72被引入识别器20的EM场发生器21的工作容积内。控制单元50从传感器70、72接收指示它们相对于识别器20的相应方位的信号。使用器械30相对于第二传感器72的已知方位，以及相对于识别器20已知的传感器70、72的方位,控制单兀50计算器械30相对于第一传感器70的方位。为了相对于关节10定位第二器械，外科医生将传感器72置于相对于第二器械的已知方位处。
[0131]在一些实施中，代替将第二传感器72附连到器械，外科医生可将不同的传感器联接到器械30。在一些实施中，第三传感器和第二传感器72可在手术之前校准。控制单元50可存储指示传感器的校准的信息，或者每个传感器可包括存储在存储装置上的校准数据。
[0132]图5A和图5B的技术允许控制单元50计算器械30相对于传感器70的当前方位。因为嵌塞轴线14的方位相对于传感器70确定，所以控制单元50可比较器械30的当前方位与嵌塞轴线的方位。随着器械30的方位改变，控制单元50从(多个)传感器70、72接收更新的信号并重新计算器械30相对于轴线14的方位。
[0133]参看图6，控制单元50在用`户接口 52上指示器械30的方位。控制单元50指示器械30相对于轴线14的对准，例如，指示在器械30的当前方位和嵌塞轴线的方位之间的差异。在髋臼13的扩孔和髋臼壳的嵌塞期间，扩孔钻和嵌塞器在它们与嵌塞轴线14共线时正确地对准。
[0134]作为示例，当识别器20保持联接在与图4A中的器械30的相同方位处时，对应于与导向器60的先前的物理对准的识别器20的方位是其中器械30沿嵌塞轴线14对准的方位。将器械30和识别器20返回至前一方位沿嵌塞轴线14对准器械30。
[0135]以类似的方式，当使用第二传感器72来确定如图4B所示的嵌塞轴线14的方位，并且第二传感器72保持联接在图5B中器械30的相同方位处时，器械30在第二传感器72相对于此前记录的第一传感器70返回至相同方位时沿嵌塞轴线14对准。因此，控制单元50可通过比较(i)第二传感器72相对于第一传感器70的当前方位与(ii)第二传感器72相对于第一传感器70的此前记录方位而辅助外科医生沿嵌塞轴线14对准器械30。当前方位与记录方位的偏差指示器械30与嵌塞轴线14的偏差。
[0136]控制单元50可显示关节10的三维图示54 (例如,渲染(rendering))。例如,控制单元50可访问影像数据55并可基于影像数据55显示例如关节10的断层扫描图像或其它图示。相对于第一传感器70确定的嵌塞轴线14的方位可定位成与如对影像数据55的注释中指示的嵌塞轴线14的方位重合。当绕嵌塞轴线14的旋转方位相对于第一传感器70为已知时，该已知的旋转方位可用来在第一传感器70的坐标参考系中进一步取向影像数据55。备选地，一个或多个解剖标志的位置可通过将解剖标志与器械30的端部31或探针接触而相对于第一传感器70进行测量。控制单元50使用标志的测量方位来表示在影像数据55中指示的关节10的对应方位。
[0137]如果影像数据55不可得，则可显示髋关节的一般图示，以针对影像数据55所述的相同方式对准到第一传感器70的坐标系。 [0138]图示54可以是从外科医生预计观察手术部位的大致角度对手术部位的可视化，以使得图示54对应于外科医生对患者的髋臼13的视图。图示54的视角可以是沿嵌塞轴线14向下看的取向。
[0139]相对于图示54，控制单元50指示嵌塞轴线14相对于关节10的方位和指示器械30的当前对准的一个或多个标记68。控制单元50也可显示当器械30在轴线14的特定公差内对准时可接受定位的指示并且显示当器械30定位在公差以外时不可接受定位的指示。
[0140]控制单元50也可显示例如在器械30的对准和嵌塞轴线14的轨迹之间的差异的指示。例如，控制单元50显示指示器械30与轴线14的平移偏移量和角向偏差的信息。控制单元50可显示表示沿轴线14的对准的诸如圆的标记80和指示器械30的方位的第二标记81或圆。两个标记80、81重合的方位可对应于器械30沿轴线14的对准。
[0141]控制单元50也可显示嵌塞轴线14的倾斜角56和前倾角57。附加地或备选地可显示将由在当前方位处的嵌塞引起的杯倾斜角和杯前倾角(如果不同的话)。控制单元50计算并例如用与嵌塞轴线的倾斜角和前倾角的偏差的数值指示58a、58b来指示在器械30的当前方位和嵌塞轴线14之间的差异。备选地，控制单元50可显示器械30的绝对倾斜角和前倾角，而不是与优选的倾斜角和前倾角的差异。
[0142]嵌塞轴线14的倾斜角56和前倾角57可使用关节10的影像数据55来确定，导致嵌塞轴线14方位相对于解剖参考轴线为已知的。由导向器60限定的嵌塞轴线14是与由控制单元50测量的相同嵌塞轴线14，并且因此具有与使用影像数据55确定的相同的倾斜角和前倾角。器械30与轴线14的偏差因此指示与轴线14的已知倾斜角和前倾角的偏差，以允许控制单元50确定器械30的绝对倾斜角和前倾角。控制单元50可显示器械30的和嵌塞轴线14的倾斜角和前倾角，其指示优选对准。为了满足患者的需求，外科医生也可将优选的嵌塞轴线调整至不同于由导向器60指示的轴线14。
[0143]控制单元50可用在髋臼13中就位的植入物的图像82来显示关节的视图。当外科医生移动器械30时，控制单元50相对于关节10移动植入物的图像82，显示当在器械30的当前方位处执行扩孔或嵌塞时将产生的植入物的方位。外科医生可输入识别待安装的髋臼植入物的信息，例如植入物的部件号。控制单元50可使用所接收的信息来访问将生成图像的植入物的模型。
[0144]控制单元50还显示用来辅助外科医生实现用于对髋臼13扩孔的优选深度的信息。优选扩孔深度59a、当前扩孔深度59b和这两个深度59a、59b之间的差异59c也可在用户接口 52上被指示。控制单元50可基于关节10的旋转中心点15的已知方位且基于指示待安装的髋白植入物的特性的所访问的信息来确定优选扩孔深度59a。所访问的信息可指示例如特定髋白植入物的尺寸(例如，植入物的厚度)和植入物的旋转中心的方位。控制单元50计算优选扩孔深度59a，使得利用适当的髋白壳嵌塞，所安装的髋白植入物将具有这样的旋转中心:其与关节10的初始旋转中心重合或具有由外科医生确定的具体偏移量。
[0145]作为备选，控制单元50可基于髋臼13的表面的已知方位和髋臼植入物的厚度来确定优选扩孔深度59a。此外，优选扩孔深度59a可选择为在特定范围内的深度。最小深度可被设定以确保髋白植入物能足够牢固地锚固的髋白13，并且最大深度可被设定以防止造成骨盆的内侧壁变得过薄。
[0146]器械30的端部31 (例如，扩孔钻的顶点)可具有相对于联接到器械30的基准的已知方位，并且该已知方位可输入到控制单元50。因此，控制单元50可在扩孔和其它程序期间跟踪器械30的端部31的方位。
[0147]随着扩孔继续，控制单元50可刷新用户接口 52以反映更新后的扩孔深度信息。在一些实施中，旋转中心点15可用指示器53显示，指示器53指示当扩孔结束于当前方位时将获得的旋转中心点。随着扩孔继续，指示器53朝所显示的旋转中心点15前进且最终到达该点，表明已获得适当的扩孔深度。因此，系统100辅助外科医生获得优选扩孔深度，并且指示何时扩孔不完全或过度。 [0148]参看图7A，控制单元50可在用户接口 52上显示髋臼13的侧视图13’，例如，垂直于嵌塞轴线14的视图(例如，立体剖视图)。用户接口 52可显示图像84，该图像示出髋臼13的当前表面85和在扩孔之后的期望表面86，以及扩孔必须继续以到达所需方位的距离87。控制单元50也可显示停止平面的指示78，该平面指示最大扩孔距离，超出该距离可发生对患者的伤害。
[0149]控制单元50也可计算和显示旋转中心点15的方位和将从在当前扩孔深度处安装所选髋白植入物导致的旋转中心点88。
[0150]用户接口 52也可示出在用户接口 52上的一个或多个彩色指示89，以指示所需的扩孔量。例如，用户接口可显示用于指示扩孔应继续的绿色符号、用于指示扩孔接近或到达所需方位的蓝色符号、或用于指示扩孔应停止(例如，因为达到或超出所需深度或因为扩孔钻失准)的红色符号。
[0151]外科医生可在用户接口 52上指示扩孔何时完成。控制单元50可基于所达到的最终扩孔深度识别建议的髋白植入物和用于股骨植入物的建议颈部长度，该长度可用来实现匹配关节旋转中心点15的初始方位。
[0152]参看图7B，在一些实施中，控制单元50确定器械30相对于所需旋转方位的旋转方位。例如，当对准嵌塞器以安装髋白植入物时，控制单元50可显示具有待安装的髋白植入物的图像91的关节10的图像90。控制单元50可显示指示器92，其指示器械30的优选旋转方位93和当前旋转方位94。
[0153]如上所述，当用来使用导向器60测量嵌塞轴线14的方位时，识别器20或第二传感器72的方位可具有绕嵌塞轴线14的已知旋转取向。该旋转方位(例如，相对于解剖基准的标准方位)可使用在导向器60形成时刻的影像数据55相对于患者的解剖结构来确定。控制单元50访问指示相对于患者的解剖结构的标准旋转方位的信息。控制单元50还访问指示待安装的髋白植入物的特性的信息，例如，在植入物中的孔95的方位，螺钉可插入穿过该孔以将植入物锚固到骨盆。
[0154]使用指示标准旋转方位和骨盆的已知特性的信息，控制单元50计算绕嵌塞轴线14的优选旋转方位，该方位将对准孔95与足够厚的骨盆骨以与螺钉形成稳定连接。备选地，控制单元50可访问指示预计算的优选旋转方位的信息。控制单元50比较器械30的当前旋转方位与优选旋转方位，并且更新用户接口 52以指示达到优选旋转方位所需的方位中的变化。
[0155]使用图6、图7A和图7B中所示用户接口 52上显示的指示，外科医生完成外科手术。因为导向器60已从关节10移除，所以外科医生具有到整个髋臼13的通路。因为控制单元50指示在不存在导向器60的情况下嵌塞轴线14的方位，所以外科医生保持相对于轴线14对准器械30的能力。例如，外科医生相对于嵌塞轴线14对准扩孔钻并制备髋臼13以接纳髋臼植入物，例如，通过移除髋臼13的软骨并扩孔至如在用户接口 52上指示的优选深度。外科医生也可使用系统100沿嵌塞轴线14对准嵌塞器械并将髋白植入物沿嵌塞轴线14打入(drive into)方位。
[0156]所描述的技术可用来确定除髋关节之外的关节(例如，肩关节)的对准。作为示例，基本上适形于关节盂的导向器可用来确定手术对准相对于肩胛骨的方位。系统100可用来指示相对于如上所述肩胛骨的对准。
[0157]2.使用用于多个关节的数据进行对准
外科医生可使用系统100来确定关节相对于患者的解剖轴线的手术对准，而不使用针对待手术的关节的影像数据。具有相对于患者的解剖结构的已知对准的外科轴线的方位可基于关于多个人的关节的数据来识别。例如，数据库可存储指示多个关节的集合的特性和在相对于相应的关节的已知方位处手术对准的方位的关节数据。在所存储的关节数据和用于不在集合中的关节的数据之间的相关性可用来确定与不在集合中的关节的特定倾斜角和前倾角相对应的方位。
[0158]对于相同类型的关节，例如不同患者的髋关节，关节的运动范围可具有类似的特性。例如，大体上对应于髋关节的运动范围的极限的区域可具有特征形状。因此，不同的髋关节的运动范围的表示可指示类似的形状和对应的特征。
[0159]可采集用于关节的集合的数据，包括描述集合中每个关节的运动范围的数据。可为集合中的每个关节确定一个或多个力线，例如，具有已知的倾斜角和前倾角的轴线。该轴线相对于每个关节的运动范围的方位可以被确定和存储。
[0160]可基于在运动范围之间的共性来确定不同关节的运动范围之间的关系。例如，可将描述第一关节的第一运动范围的关节数据与描述不同的第二关节的第二运动范围的关节数据相比较。当具有特定倾斜角和特定前倾角的轴线相对于第一运动范围的方位已知时，可相对于第二运动范围确定具有相同倾斜角和相同前倾角的对应方位。
[0161]使用所存储的数据，可为在存储的数据中未描述的不同关节10确定手术对准。测量关节10的运动范围，并且控制单元50比较所测量的运动范围与在数据库中描述的关节的存储的运动范围。基于在关节10的测量的运动范围和其它关节的存储的运动范围之间的共性，控制单元50选择用于关节10的嵌塞轴线，该嵌塞轴线对应于其它关节的嵌塞轴线相对于它们的运动范围的方位。例如，存储的数据可指示具有45度的倾斜角和15度的前倾角的轴线相对于用于多个关节的相应运动范围的方位。对于关节10来说，存储的关节数据可用来使用关于关节10的运动范围的信息来识别具有相同倾斜角和前倾角的轴线。
`[0162]通过使用存储的关节数据计算关节的手术对准，常常可以迅速确定手术对准，并且不需要针对关节的影像数据。患者不产生对关节成像的成本，并且避免将伴随CT扫描的辐射照射。也可在没有定制导向器且不需要外科医生人工识别髋臼的解剖基准的情况下确定手术对准。
[0163]下面描述采集关节数据、分析数据和在手术期间使用数据来对准器械的示例。
[0164]2.1采集关节数据
系统100可用来采集关节数据，该数据可用来在随后的程序中辅助外科医生。作为示例，系统100可用来采集关于多个髋关节的嵌塞轴线的数据，该数据可包括在髋关节数据的数据库中。在一些实施中，通过使用患者专用导向器测量髋关节来采集髋关节数据。
[0165]参看图8，示出了将在数据库中描述的关节200。系统100采集关于关节200的运动范围的信息。外科医生建立两个基准，其可相对于彼此移动且相对于关节200位于固定方位处。例如，外科医生在相对于关节200的不同的固定方位处植入第一 EM场传感器210和第二 EM场传感器212。第一传感器210在髋臼204外部附连到骨盆202，并且随骨盆202移动。第二传感器212例如在股骨206的大转子208的顶端处附连到股骨206，并且随股骨206移动。结果，股骨206相对于骨盆202的移动造成传感器210、212相对于彼此移动。
[0166]外科医生定位识别器20使得传感器210、212两者均在EM场发生器21的工作容积内。控制单元50从传感器210、212接收指示传感器210、212相对于场发生器21的方位的信号。控制单元50可在用户接口 52上显示诸如关节200的表示200’的信息。
[0167]参看图9，外科医生将关节200移动通过运动范围。在关节200的多个不同方位处，控制单元50记录传感器210、212的相对位置。因为传感器210、212的方位相对于相同基准(识别器20)为已知的，所以控制单元50可确定传感器210、212相对于彼此的位置。控制单元50可将第一传感器210指定为例如固定基准点，并可记录第二传感器212相对于第一传感器210的不同测量位置。记录的位置可由点220表示，该点指示在三维坐标系中第二传感器212相对于第一传感器210的方位。关节200和点220的方位可在用户接口 52上显示或以其它方式指示。`
[0168]控制单元50记录传感器210、212相对于彼此的不同位置，每个位置对应于关节200的不同方位。在传感器210、212在运动中的同时，或在传感器210、212为静止的同时，控制单元50可记录方位。外科医生可手动地接合控制器，其造成控制单元50记录传感器210,212的当前方位。备选地，控制单元50可例如以限定的时间间隔或在检测到方位的变化之后自动地记录在关节200的不同方位处传感器210、212的不同位置。
[0169]经由外科医生的关节200通过运动范围的移动可包括到在关节200的运动范围的极端处或附近的方位的移动。控制单元50记录与在运动范围的极端处或附近的关节200的方位相对应的传感器210、212的一个或多个位置。因此，记录的点220可包括特异(outlying)点221，其基本上对应于在关节200的运动范围的极端处的关节200的方位。例如，特异点221可对应于方位，使得可使用特异点221来逼近运动范围的极限。控制单元50可识别特异点221，并且在特异点221之间内插线性或弯曲段，以限定基本上对应于在三个维度中运动范围的极限的路径。
[0170]在一些实施中，对应于关节200的一个或多个关节方位的点220被记录。控制单元50可记录传感器210、212的一个或多个方位，其基本上对应于例如髋部屈曲、髋部延伸、髋部过伸、髋部外展、髋部内收、髋部外旋和髋部内旋中的一个或多个的极端。[0171]参看图1OA至图10C,控制单元50基于点220生成表示。例如,该表示可指示逼近点220的位置的三维表面的特征。如本文所用，表示可以是数据结构。表示可以但不一定能够被渲染以用于视觉显示。为了计算表面，控制单元50可使用数据拟合技术(例如，曲线拟合或非线性回归技术)，例如普通最小二乘或总最小二乘算法，来计算内插在点220之间和/或从点220外推的表面。
[0172]例如，基于点220生成的表面可以是绕关节200的球面230，其被计算以延伸穿过由点220跨越的区域。控制单元50可通过将曲线拟合技术应用于点220以选择包括下列的参数来生成球面230: (i)球面230的中心点232的方位和(ii)球面230的半径。球面230因此是从点220外推的数据拟合，并且不一定是对点220的最佳或精确拟合。中心点232对应于关节200的旋转中心。
[0173]控制单元50计算逼近由点220跨越的区域的运动范围表面234。表面234可逼近由点220中的全部或基本上全部跨越的区域。换言之，对于基本上所有记录的点220来说，通过中心点232和特定点220的线性轴线与表面234相交。表面234可基本上由特异点221界定。表面234可以是球面230的一部分，并且可具有逼近特异点221的边界237。因此，边界237可基本上对应于在关节200通过其运动范围的移动期间传感器212的记录位置的极限，其中边界237形成逼近传感器212的移动极限的迹线或路径。指示关节的运动范围的特性的诸如表面234的表面在本文中被称为关节的运动范围表面。
[0174]因为点220的位置相对于第一传感器210来测量,所以表面234的方位、球面230和中心点232是相对于第一传感器210已知的。控制单元50可在用户接口 52上指示计算的表面234、球面230、测量的点220和中心点232相对于彼此的方位。
[0175]参看图11A，外科医生使关节200脱位并将定制的导向器260插入髋臼204中。导向器260基于针对关节200的术前影像数据术前形成以基本上适形于髋曰204。导向器260指示用于关节200的嵌塞轴线270的方位。嵌塞轴线270具有基于针对关节200的影像数据相对于患者的解剖结构确定的已知倾斜角和已知前倾角。例如，导向器260可指示嵌塞轴线270的方位，使得当导向器2 60与关节配合时，嵌塞轴线270具有15度的倾斜角和45度的前倾角或另一个已知的倾斜角或前倾角。
[0176]在导向器260被置于关节200中的同时,识别器20被用来确定由导向器260指不的嵌塞轴线270的方位。例如，嵌塞轴线270的对准使用沿嵌塞轴线270对准的第三传感器214并使用上文结合图5B描述的技术相对于此前植入的第一传感器210来确定。备选地，识别器20相对于嵌塞轴线270来对准，如结合图5A所描述那样。
[0177]备选地，关节200的嵌塞轴线270可使用不需要导向器260的其它技术来确定，例如，使用参照图21A和图21B的技术。
[0178]参看图11B，控制单元50确定嵌塞轴线270与表面234相交的交点236的位置。如上所述，控制单兀50确定表面234的方位和嵌塞轴线270相对于相同基准(第一传感器210)的方位。因此，控制单元50可参照第一传感器210计算交点236的位置，其指示嵌塞轴线270相对于表面234的方位。
[0179]控制单元50记录指示表面234的特性的数据，例如，描述边界237的形状和表面234的曲率的数据。控制单元50也可记录指示球面230的半径和球面230的中心点232相对于表面234的位置的数据。控制单元50也记录指示交点236相对于表面234的位置的数据。中心点232和交点236 —起限定嵌塞轴线270，并且因此指示嵌塞轴线270相对于表面234的方位。控制单元50也记录嵌塞轴线270的倾斜角和前倾角。
[0180]针对关节200所描述的测量和计算可对不同患者的髋关节重复。在一些实施中，当针对不同关节的数据被采集时，可将位于股骨处的基准放置在大体上一致的方位处以方便比较来自不同髋关节的数据。例如，可将基准一致地置于股骨的大转子的顶端处。基准可备选地置于另一解剖位置处，例如，在大转子的不同部分处，在股骨颈部的特定部分处，或在小转子处或附近。
[0181]无论位于骨盆处的传感器的方位如何，运动范围表面都具有大体上相当的形状。位于相对于骨盆固定位置处的传感器的方位可从一关节到另一关节变化，而不影响所记录的数据的可比性。
[0182]2.2分析采集的数据
参看图12A，可包括或不包括控制单元50的计算机系统310从一个或多个存储装置访问描述多个关节的数据。例如，计算机系统310可访问数据库300，数据库300存储描述不同的髋关节的数据。为简化起见，用于每个关节的数据被称为记录。然而，数据不一定存储为任何特定格式，并且可存储在任何合适的数据结构或存储系统中。用于多个关节的数据可存储在单个数据结构中，并且用于单个关节的数据可分布在许多不同的数据结构中。
[0183]数据库300存储多个记录302a_302c,每个记录描述不同关节的特性。记录302a-302c可因此包括关于不同人的不同髋关节的信息。每个记录302a_302c描述(I)用于髋关节的运动范围和(2)相对于运动范围的髋关节的一个或多个力线(例如一个或多个嵌塞轴线)的方位。
[0184] 每个记录302a_302c可描述髋关节的三维的运动范围表面304a_304c和交点306a-306c的位置。交点306a_306c可指示嵌塞轴线与对应表面304a_304c相交的位置。在一些实施中，每个记录302a-302c也可指示对应于对应髋关节的旋转中心的中心点的位置。备选地，髋关节的旋转中心点可从运动范围表面304a-304c来计算。每个记录302a-302c也可指示由交点306a_306c和对应的中心点限定的嵌塞轴线的倾斜角和前倾角。
[0185]在一些实施中，由交点306a_306c表不的嵌塞轴线可具有相同倾斜角和相同前倾角。例如，每个交点306a-306c可指示与具有对应髋关节的例如45的倾斜角和15度的前倾角的轴线的交点相对应的位置。
[0186]参看图12A和图12B，计算机系统310识别在记录302a_302c中的关节数据之间的关系。例如，计算机系统310通过识别在不同关节的运动范围表面304a-304c之间的相关性而识别关节的运动范围之间的相关性。由计算机系统310识别的相关性可包括例如在运动范围表面304a-304c (例如运动范围表面304a_304c的对应标志)之间的共性。标志可包括运动范围表面304a-304c的边界305a_305c的部分(例如，边缘)。
[0187]计算机系统310使用该相关性在公共的坐标参考系中对准运动范围表面304a-304c。运动范围表面304a-304c可相对于坐标系单独地对准，或者可相对于彼此直接对准。在一些实施中，计算机系统310也可将运动范围表面304a-304c缩放至共同的曲率半径。
[0188]参看图13，用于在坐标系中对准表面304a_304c的技术的示例包括确定轴线相对于每个表面304a-304c的标志的方位。标志可包括例如作为整体的表面304a_304c的边界305a-305c、边界305a_305c的区段、或边界305a_305c的特定点。也可识别最大值点和最小值点以及沿边界的拐点并将它们用作标志。计算机系统310识别不同表面304a-304c的标志，并且使用该标志将每个表面304a-304c对齐到坐标系。虽然标志可在形状和方位上从一运动范围表面到另一运动范围表面变化，但所用标志可以是可能在大多数运动范围表面中存在的运动范围表面的特性特征，并且因此可指示在不同表面之间的相关性。
[0189]在图13的示例中，计算机系统310识别运动范围表面304a的第一标志307a和第二标志308a。计算机系统310限定通过标志307a、308a的轴线Yp计算机系统310通过识别与第一标志307a和第二标志308a相对应的标志来识别与其它运动范围表面304b、304c的相关性。对于其它运动范围表面304b、304c中的每一个来说，计算机系统310识别对应的第一标志307b、307c和对应的第二标志308b、308c。计算机系统310基于对应的标志限定分别针对每个表面304b、304c的轴线Y2、Y3。对于每个表面304a-304c来说，计算机系统310也确定在第一标志307a-307c和第二标志308a_308c之间的距离的中点309a_309c。
[0190]计算机系统310沿公共轴线Y对准轴线Y1、Y2、Y3中的每一个。计算机系统310也对准表面304a-304c，使得中点309a_309c均由轴线X相交，从而将中点定位在X-Y坐标系的原点处。通过使用对应的标志来对准运动范围表面304a-304c，在表面304a_304c之间的相关性体现在表面304a-304c在坐标系中相对于彼此的所得方位中。由于根据相同标准对准到相同坐标系，表面304a-304c因此也相对于彼此对准。虽然仅示出两个轴线，但运动范围表面304a-304c可在三个维度中描述运动范围，并且如上所述对准可将表面304a_304c取向在坐标系的三个维度中。
[0191]计算机系统310也可使用超出图示那些的附加相关性来取向运动范围表面304a-304c。例如，计算机系统310可基于附加标志为运动范围表面304a确定第二轴线N，并可确定在轴线N和轴线Y1之间的角度Θ。可为其它运动范围表面304b、304c确定对应的角度并可使用该角度将每个表面304a-304c对准到坐标系。计算机系统310可使用在标志之间的距离、标志之间的角度、表面304a-304c的面积、以及其它特征中的共性来取向表面304a-304c。此外,在对准表面304a_304c时坐标系的轴线不一定与标志相交,并且可建立在轴线和标志之间的各种不同的关系。
[0192]代替将每个表面304a_304c单独地对准到坐标系，可将表面304a_304c的对应标志直接相对于彼此对准。在一些实施中，运动范围表面304a-304c使用数据拟合技术来相对于彼此对准。数据拟合可用来基于在各个表面304a-304c的边界305a_305c、边界305a-305c的特定标志特征、或由表面304a_304c跨越的区域之间的共性而将表面304a-304c相对于彼此对准。例如，数据拟合可用来确定使在对应标志的方位之间的总误差最小化的表面304a-304c的方位。在一些实施中，不一定识别特定标志，并且通过数据拟合对准表面304a-304c的整个边界305a_305c或区域。 [0193]现在参看图12C，计算机系统310基于关节数据生成复合表示320。复合表示320包括关于广义运动范围和广义嵌塞轴线相对于广义运动范围的方位的信息。计算机系统310使用运动范围表面304a-304c之间的相关性来确定广义或复合表示320。例如，计算机系统310使用基于对应标志对准到公共参考系的表面304a_304c的方位来确定复合表不320。[0194]当表面304a_304c的力线基于对应特征中的相关性而已知时，表面304a_304c在本文中被称为相关的。因此，对于相关的表面304a-304c来说，计算机系统310存储指示例如每个表面304a-304c相对于参考系的方位的数据。
[0195]复合表示320可包括基于运动范围表面304a_304c的边界305a_305c计算的复合运动范围表面322。为了确定复合运动范围表面322的边界325，计算机系统310使用例如数据拟合来确定相对于作为整体的相关表面304a-304c具有最小误差的边界325。计算机系统310备选地确定多个表面304a-304c的边界305a_305c的平均值或加权平均值。
[0196]计算机系统310也为记录302a_302c中描述的关节分析嵌塞轴线的相交。计算机系统310计算相关表面304a-304c的嵌塞轴线将与复合运动范围表面322相交的交点324a-324c。根据对应于不同嵌塞轴线的交点324a_324c，计算机系统310确定在复合表面322上的最佳拟合交点326。例如，计算机系统310计算将为相对于交点324a_324c的误差最小点的交点326。
[0197]记录302a_302c的交点306a_306c可各自指示具有特定倾斜角和前倾角(例如，45度和15度)的轴线的方位。结果，交点326表示通过具有相同倾斜角和前倾角(例如，45度和15度)的轴线的复合表面322的相交。如果记录302a-302c指示具有倾斜角和前倾角的不同组合(例如，45度和15度、50度和20度、50度和15度等)的不同轴线的相交，那么复合表示320可包括针对不同轴线中每一个的复合表面322上的交点。
[0198]计算机系统310识别绕复合交点326延伸的区域330、331、332，该区域指示对于嵌塞轴线相对于复合运动范围表面322的方位的统计置信水平。例如，计算机系统310识别多个区域330、331、332，每个区域封闭复合运动范围表面322的不同部分，并且包含与相关记录302a-302c的嵌塞轴线的 交点的特定百分比。第一区域330、第二区域331和第三区域332可分别包括例如通过复合运动范围表面322的相关记录302a-302c的嵌塞轴线的交点324a-324c 的 90%、95% 和 99%。
[0199]数据库300可包括复合表示320和描述各个关节的记录302a_302c两者。复合表示320可包括例如指示复合运动范围表面322和复合嵌塞轴线的交点326的信息。表面322的旋转中心点328 (参见图13)和表面322的曲率半径均可从表面322导出并且也可被存储。
[0200]交点326和旋转中心点328限定复合轴线329 (参见图13)相对于复合运动范围表面322的方位。复合轴线329因此基于在嵌塞轴线(每个均处于相同的已知倾斜角和前倾角)相对于记录302a-302c中描述的关节的运动范围的方位之间的相似性。结果，复合轴线329表示具有相对于复合表面322的倾斜角和前倾角的特定集合(例如，45度的倾斜角和15度的前倾角)的轴线。在一些实施中，可限定多个复合轴线，每个对应于倾斜角和前倾角的不同组合。
[0201]2.3使用存储的数据来对准
系统100可通过使用数据库300中的髋关节数据确定嵌塞轴线的方位而辅助外科医生，而不需要正在手术的关节的影像数据。数据库300中的数据用来确定在数据库300中的记录302a-302c中未描述的关节的嵌塞轴线的方位。
[0202]关节的嵌塞轴线可通过确定沿嵌塞轴线的两个点、关节的计算的旋转中心和相对于关节的运动范围的极限确定的第二点来限定。数据库300中的数据指示处于对关节的已知倾斜角和前倾角的一个或多个嵌塞轴线相对于这些关节的运动范围的方位。在数据库300中描述的嵌塞轴线与关节的相关联的运动范围之间的关系用来为数据库300中未描述的关节确定第二点沿嵌塞轴线的取向。不需要用针对关节的影像数据来确定用于关节的嵌塞轴线的轨迹。
[0203]参看图14A，外科医生在相对于关节400固定且在关节400移动时相对于彼此可移动的方位处建立两个基准。例如，外科医生在骨盆402处植入第一 EM场传感器420并且在股骨406的大转子408的顶端处植入第二 EM场传感器422。在传感器420、422在EM场发生器21的工作容积内的同时，外科医生将关节400移动通过运动范围。控制单元50在关节400的多个方位处记录传感器422相对于传感器420的位置424，包括在关节400的运动范围的极端处的方位。关节400或点426的图像或其它表示400’、424’或其它数据可呈现在用户接口 52上。
[0204]参看图14B,如针对图1OA所述,控制单元50基于所测量的位置424计算表面,例如球面430。控制单元50计算球面430的中心点432，其对应于关节400的运动中心。控制单元50也计算运动范围表面434，其可以是球面430的一部分。运动范围表面434逼近在关节400通过运动范围的移动期间由传感器422的测量位置424跨越的区域。球面430、表面434、测量位置424、旋转中心432的方位可在用户接口 52上显示或以其它方式指示。
[0205]参看图15，控制单元50确定嵌塞轴线446与运动范围表面434相交的点440。交点440和中心点432限定用于关节400的嵌塞轴线446的方位。为了识别交点440，控制单元50使用来自数据库300的数据。控制单元50可将数据库300存储在内部存储介质上。附加地或备选地，控制单元50通过网络或从可移动介质访问数据库300。
[0206]表面434上的交点440的位置可基于复合表面322上的交点326的位置来确定。例如，控制单元50可定位与相对于复合表面322的交点326相对应的表面434上的点440。对应的点440可以是这样的点:该点具有例如与点326具有的相对于复合表面322的边界325的位置类似的、相对于表面434的边界435的位置。
[0207]嵌塞轴线446的方位可基于表面322、434的几何形状的相似性来确定。例如，交点326相对于复合表面322的边界325的方位用来确定相对于关节400的表面434的边界435的嵌塞轴线446的对应交点440。控制单元50可识别复合表面322的标志327并可确定在交点326和标志327之间的相对距离。控制单元50可接着识别与复合表面322的标志327相对应的表面434的标志437，并可限定在具有相对于表面434的标志437类似的相对距离的位置处的交点440。
[0208]例如，控制单元50可以以如针对图13描述的类似的方式将两个表面434、322相对于彼此对准。 控制单元50使用在表面322、434(包括例如对应标志437、327和对应边界325,435)之间的相关性在公共坐标参考系中取向表面322、434。控制单元50可基于例如在表面322、434的边界325、435之间的最小误差、表面322、434的区域的最大重叠程度、表面322、434的标志437、327的对准、或这些和其它标准的组合来对准表面322、434。一旦这两个表面322、434被相对于彼此取向，则复合表面322上的交点326就与运动范围表面434上的对应位置重合。因此，当表面322、434基于对应特征对准时，交点440可选择为交点326的位置。
[0209]在一些实施中，使用描述各个关节的记录302a_302c而不是多个关节的复合表示320来确定交点440。例如，控制单元50可访问针对不同关节的一个或多个记录302a-302c，并可基于在记录302a-302c中描述的一个或多个交点324a_324c来确定交点440的位置。控制单元50也可使用记录302a-302c的子集(例如，控制单元50基于与运动范围表面434的高相似度选择的记录的子集)来确定交点。
[0210]在一些实施中，不同的复合表示用于不同的患者。例如，可访问针对具有小、中或大股骨颈长度的患者的不同的复合表示。每个复合表示可使用描述运动范围表面具有在特定范围内的曲率半径的关节的数据而生成。对于具有在特定范围内的曲率半径的患者来说，合适的植入物可具有在对应范围内的股骨颈长度。类似地，在特定范围内的曲率半径可对应于股骨柄尺寸的特定范围。
[0211]为了确定关节400的交点440，控制单元50选择最适合关节400的运动范围表面434的曲率半径的复合表示。因此，可基于具有与正在手术的关节类似的特性的关节的性质来确定交点。此外，每个不同的复合表示可对应于不同的股骨植入物尺寸或股骨植入物尺寸范围。控制单元50可基于用来计算交点440的特定复合表示、基于运动范围表面434的曲率半径、或基于关节400的运动范围的其它方面来向外科医生建议适合关节400的特定的股骨植入物或植入物特性。
[0212]参看图16，控制单元50限定通过对应于关节400的旋转中心的点432且通过位于运动范围表面434上的交点440的关节400的嵌塞轴线446。运动范围表面434、旋转中心点432和第二点的方位均相对于第一传感器420为已知的。因此,系统100可用来在第一传感器420的参考系中相对于嵌塞轴线446对准器械30。
[0213]嵌塞轴线446的倾斜角和前倾角也是已知的，因为嵌塞轴线446被选择为对应于复合轴线329。复合轴线329表示已知的倾斜角和前倾角。因为嵌塞轴线446具有与复合轴线329相对于复合表面322所具有的方位对应的相对于运动范围表面434的方位，所以嵌塞轴线446具有与复合轴线329相同的倾斜角和前倾角。因此，嵌塞轴线446相对于解剖基准已知的方位可用作基准轴线，从该基准轴线可确定器械30相对于解剖基准的方位。
[0214]控制单元50计算如上文针对图5A和图5B所述的器械的对准，并且在用户接口 52上输出器械30的对准的指示，如上文参照图6、图7A和图7B所述。控制单元50也显示关于嵌塞轴线446的公差，其指示器械的对准多么接近地对应于数据库300中描述的关节的力线。例如，控制单元50可指示将包括数据库300中描述的嵌塞轴线的特定百分比的交点的区域330、331、332。例如，区域330、331、332可被指示，其分别包含关节记录302a_302c的样本集中描述的嵌塞轴线的至少90%、95%和99%。区域330、331、332的边界可由控制单元50访问或者可由控制单元50确定。
[0215]除了指示器械30相对于嵌塞轴线446的对准之外，控制单元50可指示关节400的髋臼的扩孔的优选扩孔深度和当前扩孔深度。如上所述，控制单元50计算优选扩孔深度，使得在髋白壳的嵌塞之后，关节400的旋转中心将位于关节400的初始旋转中心点432处或到旋转中心点432的期望偏移量处。另外，控制单元50可基于它们相对于嵌塞轴线446的方位显示器械30的前倾角和倾斜角。
[0216]在一些实施中，控制单元50比较关节400的运动范围表面434的形状和尺寸与复合表面322。当运动范围表 面434在与复合运动范围表面322的相似度的阈值水平之外时，控制单元50在用户接口 52上指示差异。例如，控制单元50可基于表面322、434之间的差异确定关节400在一个或多个方面为异常灵活(flexible)的，这可以成为特别考虑的依据以确保重建后的关节400的稳定性。控制单元50可因此提醒外科医生可需要小心或对手术进行调整以确保重建后的关节400不易脱位。控制单元50可建议补偿异常的运动范围特性，例如建议使用所计算的特定倾斜角或前倾角以补偿异常。
[0217](3)用于股骨表面重修的对准
外科医生可使用系统100制备股骨以接纳股骨植入物。使用关于股骨颈的方位和尺寸的输入，系统100计算用于股骨导销的轴线。股骨颈可在外科手术进行时测量，从而不需要关节的影像数据。系统100也指示器械相对于计算的轴线的对准以指导导销沿轴线的安装。所安装的导销可接着用于对股骨头扩孔。
[0218]参看图17，外科医生在相对于关节400的股骨406的固定位置处建立基准。例如，此前用来确定关节400的运动范围的传感器422可保持在股骨406的大转子408处。传感器422可定位成避免妨碍股骨头409和股骨颈410的表面重修或股骨植入物的植入。股骨406和传感器422被引入到EM场发生器21的工作容积内。
[0219]外科医生暴露并测量股骨颈410。例如，外科医生通过使股骨颈410与联接到EM场传感器452的探头450接触来测量在股骨颈410的表面上的不同位置456。探头450包括接触股骨颈410的端部454，例如狭窄的顶端。探头450的端部454相对于探头450的传感器452的位置是已知的并且固定的。例如，在传感器452和端部454之间的距离是已知的，以允许控制单兀50基于由传感器452产生的信号来确定端部454的方位。
[0220]在探头450的端部454与股骨颈410接触的情况下，外科医生按下按钮451或启动另一个触发器，造成控制单元50记录传感器452相对于传感器422的当前方位。控制单元50确定探头450的传感器452相对于端部454的方位并存储接触股骨颈410的端部454的位置456。外科医生移动探头450并记录绕股骨颈410的附加位置456。
[0221]在一些实施中，控制单元50响应于探头450接合股骨颈410而自动地记录位置
456。探头450的端部454可包括响应于接触的元件,例如压敏元件或可压低(depressible)的元件。当与端部454的接触发生时，探头450发送信号至控制单元50，触发控制单元50以记录探头450的当前方位。因此，当外科医生抵靠股骨颈410接触端部454时，控制单元50自动地记录所接触的位置456。
[0222]当位置456被测量时，例如通过在用户接口 52上显示在股骨406的三维视图406’上的指示456’，控制单元50可指示探头450的方位并指示相对于股骨406的位置456。
[0223]参看图18，控制单元50使用测量的位置456来计算用于插入导销的轴线464。例如，控制单元50从测量的位置456外推以计算绕股骨颈410的圆柱体462。圆柱体462可被计算以具有最小误差大小和相对于位置456的对准。备选地，圆柱体462可被计算以具有包含基本上所有位置456的半径。控制单元50计算圆柱体462的中心轴线464，其为导销的优选轨迹。控制单元50可在用户接口 52上显示类似于图16中所示视图的三维视图。
`[0224]参看图19，控制单元50在用户接口 52上显示圆柱体462的视图。例如，控制单元50显示通过圆柱体462的中心轴线对准的圆柱体462的视图。圆柱体462的半径也可被确定和在用户接口 52上指示。测量的位置456和指示中心轴线464的点466也在用户接口 52上被指示。使用用户接口 52，外科医生可调整圆柱体462相对于所测量的位置456的位置，并且因此改变轴线464相对于测量的位置456的方位。例如，外科医生可在垂直于圆柱体462的方向上偏移圆柱体462的方位及其中心轴线464，以调整圆柱体462相对于股骨颈410的偏移量。在一些实施中，当关节400的旋转中心被确定时，如上所述，可在用户接口 52上指示旋转中心点432。
[0225]参看图20，控制单元50指示器械相对于股骨406的力线。外科医生使用钻470，其包括联接在相对于钻470已知的固定方位处的EM场传感器472。带有其附连的传感器472的钻470和带有植入的传感器422的股骨406被引入EM场发生器21的工作容积内。基于从传感器422、472所接收的信号，控制单元50计算钻470相对于轴线464的方位。
[0226]备选地，代替使用联接到钻470的传感器472，钻470可在已知方位处联接到EM场发生器21。植入的传感器422相对于EM场发生器21的方位因此指示钻470相对于传感器422的方位，并且可用来确定钻470相对于轴线464的取向。
[0227]在用户接口 52上，控制单元50显示钻470的方位的指示470’和轴线464相对于钻470的方位的指示464’。例如，控制单元50指示与轴线464的角度偏差和平移偏移量。控制单元50可基于测量的位置456以及轴线464的力线和钻470相对于股骨406的力线来显示示出股骨406的三维方面的图示。
[0228]外科医生将导销474装配在钻470上并且沿着由控制单元50指示的轴线464植入导销474。当导销474被插入时，控制单元50基于从传感器422、472接收的信号来更新显示在用户接口 52上的信息，以反映钻470相对于轴线464的当前方位。在导销474被植入之后，外科医生在视觉上确认植入的销474相对于股骨406的解剖特征的正确放置。在导销474就位的情况下，外科医生使用导销474来对准用于制备股骨406以接纳股骨植入物的切削工具。
[0229]此外，圆柱体462的半径可用来选择用来切割股骨头409的工具的大小和构型。例如，外科医生可配置切削工具以确保股骨颈410的切割不发生在导销474的特定半径内，以避免在制备股骨406的同时在股骨颈410中形成凹口。在其中不会发生切割的绕导销474的半径可以是圆柱体462的半径。
`[0230]基于对关节400的运动范围的测量，系统100计算关节400相对于植入的传感器422的旋转中心点432。旋转中心点432是位于股骨头409内部的点。在关节400脱位之前确定的旋转中心点432可由控制单元50用来确定例如对股骨406扩孔的适当深度或执行股骨颈410的截骨术的优选位置。
[0231](4)定位外科轴线
外科医生可使用系统100基于关节的一个骨的方位来确定该关节的另一个骨的手术对准。例如，对于髋关节400来说，股骨导销轴线464 (图18)的方位可用来确定嵌塞轴线相对于骨盆402的方位。下文进一步详细描述的这种技术是对使用导向器或使用针对其它关节的关节数据确定嵌塞轴线的方位的方法的备选方案。
[0232]外科医生将第一基准(第一传感器420)附连在相对于骨盆402的固定方位处并将第二基准(第二传感器422)附连在相对于股骨406的固定方位处，如参照图14A所述。第二基准422不一定置于大转子408的顶端处，而是可以位于那里。可选地，关节400的运动范围和关节400的旋转中心可使用参照图14A描述的技术相对于第一传感器420确定。
[0233]参看图21A,外科医生将关节400脱位。外科医生确定相对于股骨406的力线,例如，通过股骨406的颈部410的大致中心的轴线。该轴线可以是如参照图17和图18描述而确定的导销轴线464，基于绕股骨406的颈部410的测量位置456而确定。控制单元50确定导销轴线464相对于第二传感器422的方位。备选地，代替确定通过股骨406的颈部410的基本上中心轴线的方位，可确定具有相对于股骨406已知的解剖对准的不同轴线的方位。
[0234]参看图21B,代替沿导销轴线464插入导销,外科医生使关节400复位(reduce)。在关节400复位的情况下，外科医生将股骨406置于相对于骨盆402已知的方位处。例如，外科医生将患者的腿部置于中立位中。中立位可以是对应于髋部的完全伸展的“零度”方位，例如，其中股骨406以与患者站立时类似的方式伸直的方位。在中立位中，代表通过股骨颈410的基本上中心轴线的导销轴线464与用于安装髋臼植入物的优选的嵌塞轴线重合。
[0235]外科医生使识别器20靠近关节400，以使得第一传感器420和第二传感器422与识别器20电磁连通。外科医生选择控制单元50的控制器，其指示股骨406定位在中立位中。作为响应，控制单元50使用来自第一传感器420和第二传感器422的传感器信号来计算每个传感器420、422相对于识别器20的方位。利用传感器420、422相对于相同基准已知的的方位，控制单兀50计算第二传感器422相对于第一传感器420的方位。
[0236]如上所述，控制单元50此前确定导销轴线464相对于第二传感器422的方位。控制单元50使用⑴第一传感器420和第二传感器422之间的偏移量以及(ii)第二传感器422和导销轴线464之间的偏移量来确定导销轴线464相对于第一传感器420的方位。因为关节400处于中立位，所以导销轴线464的方位是关节400的嵌塞轴线465的方位。控制单兀50将相对于第一传感器420确定的导销轴线464的方位记录为嵌塞轴线465的方位。
[0237]外科医生使关节400脱位，并且例如如参照图5A和图5B所述通过将识别器20或第三传感器联接到器械30而将器械相对于嵌塞轴线465对准。控制单元50显示指示器械30相对于关节400且相对于优选对准的当前方位，如参照图6、图7A和图7B所述。虽然嵌塞轴线465的倾斜角和前倾角可能不是准确已知的，但控制单元50能以误差边际显示对应于嵌塞轴线465的可能的倾斜角和前倾角。外科医生使用在用户接口 52上的输出对关节400的髋臼扩孔并且沿嵌塞轴线465安装髋臼植入物。
[0238]在一些实施中，嵌塞轴线的方位可通过将股骨406定位在不同于关节400的中立位的相对于骨盆402已知的方位而确定。例如，传感器420、422的方位可在90度的屈曲下测量。控制单元50可使用在该方位与髋关节的中立位之间的已知偏移量或关系(对于特定髋关节400或对于一般髋关节已知)来从导销轴线464的方位确定嵌塞轴线465的方位。以类似的方式，可将除了通过股骨颈410的大致中心的轴线之外的相对于股骨406的计算的方位与在该计算方位和股骨颈410之间的关系一起使用。
[0239]作为备选，在确定导销轴线464的方位之后，在使关节400复位和确定嵌塞轴线465的方位之前，可沿导销轴线464钻出孔。外科医生将第三传感器在沿导销轴线464的力线中沿导销轴线464插入导销孔。在第三传感器驻留在股骨头409或股骨颈410内的同时，外科医生使关节400复位。外科医生接着将关节400定位在中立位，并且在关节400处于中立位的同时使用控制单元50来记录第三传感器相对于第一传感器420的定位。在关节400的中立位中，第三传感器沿关节的优选的嵌塞轴线465对准。[0240]外科医生再次使关节400脱位并将第三传感器从导销孔移除。外科医生可将第三传感器联接在器械30的已知方位处。当外科医生移动器械30时，控制单元50可指示第三传感器相对于第三传感器的此前测量方位的方位。控制单元50的输出可辅助外科医生将第三传感器沿嵌塞轴线465返回至其此前方位或返回至与嵌塞轴线的特定偏移处，从而将器械相对于嵌塞轴线465对准。
[0241]可使用相同技术来确定除髋关节之外的关节的力线，包括诸如肩关节的球窝关节。例如，外科医生可将第一传感器置于相对于肩胛骨的固定方位处并且将第二传感器置于相对于肱骨的固定方位处。外科医生使肩关节脱位，并且测量与在用于髋关节的股骨颈上测量的位置类似的在肱骨上的位置。使用该测量的位置，控制单元50确定第一轴线相对于在肱骨上的第二传感器的方位。第一轴线具有相对于例如肱骨头已知的方位，控制单元50确定通过肱骨的解剖颈部的大致中心的轴线的方位或相对于肱骨的另一已知方位。
[0242]外科医生接着使肩关节复位，并且将肱骨对准到相对于肩胛骨的已知方位。该已知方位可以是例如中立位，即，当肱骨的纵向轴线大体平行于患者身体的纵向轴线时，与在患者的侧面处的患者的手臂相对应的方位。
[0243]在肩关节处于已知方位的同时，外科医生使用控制单元来确定第一轴线相对于第一传感器的方位。外科医生使用控制单元50来确定嵌塞轴线的方位以用于制备和安装用于肩关节的关节盂植入物。当肩关节处于中立位时，嵌塞轴线可不与第一轴线重合，但是对于一般地肩关节来说可具有与当关节处于中立位时由第一轴线表示的解剖方位的已知角向偏移量和方位偏移量。以与上文所述类似的方式，基于第二传感器相对于第一传感器的方位、第一轴线相对于第二传感器的方位以及在第一轴线和嵌塞轴线的方位之间的标准偏移量，控制单元50确定嵌塞轴线的方位。
[0244](5)试验技术
可将诸如EM场传感器的基准附连到试验部件(例如，试验植入物)或永久性植入物来确定试验部件或植入物对于特定关节的适合性。例如，外科医生可使用系统100来选择用于髋关节400的合适的股骨部件。类似的技术可用来选择髋白植入物，或选择用于诸如肩关节的另一类关节的植入物。
[0245]参看图22A，已确定关节400的旋转中心点432的位置，例如，如参照图14A和图14B所述。股骨406的优选股骨颈轴线(例如导销轴线464)的方位也已确定，例如，如参照图17和图18所述。这些方位由控制单元50存储为与第二传感器422的相对方位，第二传感器422附连在相对于股骨406的固定位置处。旋转中心点432和轴线464的方位是关节400的性质，其指示例如应由植入物匹配的优选对准。
[0246]外科医生例如通过执行股骨颈410和股骨头409的关节成形术来制备股骨406以接纳植入物。外科医生也沿股骨的纵向轴线扩孔到股骨406中以限定在股管中的开口 411。从而将股骨406制备成接纳股骨植入物。
[0247]参看图22B，控制单元50访问指示一个或多个试验部件的特性的数据。例如，控制单元50可访问包括关于多个股骨试验部件中每一个的数据的试验部件库。对于每个试验部件来说，该数据可指示下列中的一个或多个:颈部长度、颈部高度、颈部角度、颈部长度、与柄轴线453的偏移量、部件宽度或其它尺寸、以及其它特性。该数据也可指示用于接纳球头的耳轴(trunnion)或其它紧固件的方位。[0248]由该数据指示的特性可包括限定接纳试验部件的关节将如何操作的功能特性。功能特性可包括颈部轴线455的方位，例如，通过试验部件的颈部的大致中心轴线的方位。功能特性也可包括关节旋转中心点457，其可表示由于安装植入物而可能将对关节导致的旋转中心。该数据也可描述对试验部件的调整和可从例如通过使用具有不同尺寸的球头的标准定位实现的偏移量。在一些实施中，不同的球头可用来实现针对相同试验部件或植入物的不同旋转中心点。
[0249]该数据可包括关于试验部件和用于多个植入物类型的对应植入物的数据。该数据也可描述模块化的植入物系统，以允许控制单元50确定模块化部件的不同组合的尺寸和特性。在一些实施中，用于试验部件的数据表示指示试验部件的外表面尺寸的模型459。控制单元50可使用模型459不仅确定沿匹配的试验部件的外部的方位，而且显示试验部件的二维或三维视图。
[0250]该数据也描述一个或多个标志461a、461b相对于试验部件的方位。结果，每个试验部件的特性可具有相对于标志的已知关系。例如，颈部轴线455的方位、关节旋转中心点
457、以及由模型459表示的试验部件的表面可相对于每个标志461a、461b为已知的。 [0251]使用用户接口 52，外科医生输入其偏好，例如将在手术中使用的植入物或植入物系统的优选类型。使用试验部件库中的数据，控制单元50比较试验部件的特性与股骨406和关节400的已知特性。例如，第二基准422可位于股骨406的解剖基准方位处，例如大转子408的顶端，并且可将位置输入到控制单元50。控制单元50使用在旋转中心点432和第二基准422之间的距离来确定可能匹配关节400的特性的试验部件的颈部长度。类似地，控制单元50使用相对于第二基准422的位置的旋转中心点432的位置来确定试验部件的颈部角度。控制单元50使用旋转中心点相对于轴线464的位置来确定实现关节旋转中心点432所需的偏移量，如果有的话。控制单元50选择可能导致正确的关节特性的一个或多个试验部件，并且在用户接口 52上提供指示所选试验部件的信息。
[0252]参看图23，外科医生选择可能已由控制单元50建议或者可能未被建议的试验部件463，并且在用户接口 52上指示哪个试验部件463被选中。例如，外科医生输入试验部件463或对应植入物的产品代码，或从在用户接口 52上显示的选项中选择。如果使用模块化部件或可调整部件，外科医生指示所用部件的特定组合或配置。
[0253]外科医生将试验部件463插入股骨406中。外科医生也将第三EM传感器467附连在标志461b处。传感器467可在试验部件463被插入股骨406之前或之后附连到试验部件463。标志461b可以是例如在构造成接纳螺钉或其它紧固件的内孔中的位置。为了实现在标志461处的已知方位,传感器467的外壳可接合内孔的底部。备选地，传感器467的外壳的一部分可接合试验部件463以与试验部件的外表面齐平。控制单元50访问指示在试验部件463上的标志461b的位置的信息。例如，外科医生可输入识别标志461b的信息。备选地，外科医生可选择由控制单元50建议的标志461b。
[0254]控制单元50从试验部件库访问指示试验部件463的特性的数据。该数据指示例如在标志461b和试验部件463的颈部轴线468之间的偏移量以及在标志461b和对应于旋转中心的试验部件463的点469之间的偏移量。因为第三传感器467位于标志461b处，所以偏移量可用来确定颈部轴线468的方位和相对于由第三传感器467产生的信号指示的方位的点469。[0255]当试验部件463联接到关节400时，试验部件463限定关节400的新性质。例如，一个性质是与试验部件463的颈部轴线468重合的新股骨轴线。当试验部件463联接到股骨406时，颈部轴线468取代股骨406的自然颈部轴线(例如，导销轴线464)。由试验部件463限定的关节400的另一个性质是用于关节400的新旋转中心点。在安装试验部件463的情况下，关节400具有由将位于点469处的试验部件463的特性限定的新的旋转中心点。
[0256]为了确定关节400的新性质是否为可接受的，外科医生使股骨406靠近识别器20，使得第二传感器422和第三传感器467在EM场发生器21的工作容积内。控制单元50基于由传感器422、467产生的信号来确定第三传感器467相对于第二传感器422的方位。使用从试验部件库中的数据获取的偏移量，控制单元50确定颈部轴线468和旋转中心点469相对于第一传感器420的方位。在试验部件463联接到处于当前方位的股骨406的同时，这些方位表示关节400的 当前性质。
[0257]控制单元50比较颈部轴线468的当前方位与优选颈部轴线464的方位，确定例如一个或多个角向和平移偏移量。例如，控制单元50可确定角度β，其表示在颈部轴线468和优选颈部轴线464之间的倾斜角度中的差异。控制单元50还比较试验部件463的旋转中心点469的位置与关节400的优选旋转中心点432的位置，确定在位置之间的偏移量D。因此，控制单元50确定在关节400的初始性质与利用联接在其当前方位处的试验部件463实现的关节400的性质之间的差异。
[0258]在一些实施中，控制单元50在用户接口 52上显示股骨406和试验部件463的图示，并且显示轴线464、468和点432、469的方位。控制单元50还指示在优选方位与由试验部件463实现的方位之间的差异。
[0259]控制单元50确定当前试验部件463的特性是否在与优选特性的可接受公差内。例如，控制单元50可比较在第一性质和第二性质与阈值之间的差异。如果计算的差异满足阈值，则控制单元50在用户接口 52上指示当前试验部件463提供可接受的关节特性。
[0260]如果试验部件463的特性不可接受，则控制单元50比较试验部件463的当前特性与通过调整或添加特定的模块化部件(例如，具有特定特性的球头)而利用相同的试验部件463可实现的一系列其它关节特性。控制单元50确定特定球头或对试验部件463的调整是否能实现优选的关节特性。如果可以，则控制单元50识别或调整产生优选特性的部件并且在用户接口 52上指示部件或调整。当使用模块化植入物系统时，控制单元50可指示实现所需关节特性的部件的一个或多个组合。
[0261]如果在试验部件库中描述的部件或调整都不能用试验部件463产生优选关节特性，则控制单元50指示试验部件463是不可接受的。控制单元50也可指示试验部件不可接受的原因，例如，因为颈部为4mm,太短。
[0262]使用试验部件库中的数据，控制单元50识别可实现优选关节特性的第二试验部件。例如，控制单元50在试验部件库中获取试验部件模型471a-471c以选择最接近产生优选关节特性且满足外科医生偏好的试验部件。控制单元50可选择第二试验部件，例如，对应于模型471c的试验部件，以修正由使用试验部件463导致的与优选关节旋转中心432和优选颈部轴线464的偏移量β、D。
[0263]如果试验部件463是不可接受的，则外科医生将其从股骨406移除并将传感器467从试验部件463移除。外科医生将新的试验部件插入股骨406中，例如，对应于控制单元50确定最可能实现所需关节特性的模型471c的试验部件。外科医生在第二试验部件的标志处插入第三传感器467，并且使用控制单元50来以与上文针对第一试验部件463描述的相同方式比较相对于优选关节特性的第二试验部件的特性。
[0264]外科医生可重复试验过程，直到识别具有可接受特性的试验部件为止。外科医生可接着在合适的试验部件和球头就位的情况下使关节400复位，以测量关节的运动范围，包括使用下文参照图26A和图26B所描述的技术。当外科医生确信关节400利用特定试验部件呈现出合适的特性时，外科医生选择具有与所选试验部件相同特征的永久性植入物，并且将永久性植入物安装在试验部件的位置。
[0265]在一些实施中，代替将传感器附连在试验部件的标志处，传感器可附连到钻孔器或用来安装试验部件的其它器械。当试验部件正确地置于股骨406中时，外科医生使用控制单兀50来确定钻孔器上的传感器相对于股骨406上的传感器422的方位。控制单兀50可使用传感器相对于钻孔器的已知方位和钻孔器与试验部件的已知方位来从附连到钻孔器的传感器的方位确定试验部件的方位。
[0266]上述试验技术也可用于肩关节例如以试验肱骨植入物。以与上文中所述类似的方式，控制单元50可使用关于肱骨试验部件的数据在手术进行中提供关于在肩关节的自然旋转中心和带有特定肱骨试验部件或植入物的肩关节的新旋转中心之间的距离以及其它特性的信息。
[0267](6)测量关节特性
外科医生可使用系统100来测量关节的特性。测量的特性可与此前测量的关节的特性相比较以确定部件的适合性或评价完成的手术的质量。
[0268]参看图24A，外科医生使用控制单元50来记录指示关节400的运动范围的信息。例如在外科手术开始时记录运动范围以在手术期间调整之前指示关节400的运动学特性。如上所述，传感器420、422可位于相对于关节400固定、但当关节400移动时相对于彼此可移动的方位处。如图所示，第一传感器420可植入在骨盆402处，并且第二传感器422可植入在股骨406处。在传感器420、422位于EM场发生器21的工作容积内的同时，外科医生将关节400移动通过其运动范围。控制单元50记录在关节400的不同方位处第二传感器422相对于第一传感器420的第一组位置424，该方位包括对应于关节400的运动范围的极限的方位。
[0269]控制单元50计算第二传感器422相对于第一传感器420的第一组记录位置的逼近。例如，如上所述，控制单元50外推围绕关节400的最佳拟合球面430。球面430的中心点432对应于关节400的旋转中心。控制单元50还计算运动范围表面434，即逼近由第一组位置424跨越的区域的球面430的一部分。
[0270]在一些实施中，外科医生还可在控制单元50上输入参数以指示关节400的优选运动范围，关节400可与由表面434指示的运动范围不同。例如，外科医生可伸展、限制、偏移或再成形表面434以根据患者的需求设定优选的运动范围。
[0271]参看图24B，外科医生例如在对关节400的调整之后将关节400移动通过第二运动范围。例如，第二运动范围可在插入假体之后或在关节400修复之后进行。第二运动范围可在插入试验部件以测试试验部件的适合性之后进行。
[0272]控制单元50记录第二传感器422相对于第一传感器420的第二组位置477，每个位置对应于通过第二运动范围的关节400的不同方位。第二运动范围可用与在通过第一运动范围的移动期间相对于股骨406处于相同方位处的第二传感器422进行。因此，由第二传感器422在第二运动范围期间描绘的轨迹可与第二传感器422在第一运动范围期间的轨迹直接比较。备选地，如果第二传感器422已移动，或者如果不同的传感器附连到股骨406上，则控制单元50将位置相关以偏移记录的位置，使得数据为已知的，就像第二传感器422相对于股骨406 —直保持在其初始方位中那样。
[0273]控制单元50计算第二组位置477的逼近。例如，控制单元50使用第二组位置477外推第二球面480，其中第二球面480的中心点482对应于关节400的当前旋转中心。使用第二组位置477，控制单元50识别逼近关节400的新运动范围的在第二球面480上的表面484。
[0274]控制单元50识别在初始或优选的测量关节特性与随后测量的关节特性之间的差异。例如，控制单元50确定第二球面480的中心点482是否从第一球面430的中心点432偏移。控制单元50还比较第二球面480的半径与第一球面430的半径以确定患者的腿部的长度是否已通过手术改变。如果患者的腿部已在手术期间缩短，则第二球面480被指示为小于第一球面430。控制单元50确定腿部长度中的差异，并且如果长度中的差异为零，则腿部在第一组位置424和第二组位置477的测量之间已改变。此外，控制单元50比较初始运动范围的极限与第二运动范围的极限，例如，通过比较第二运动范围表面484与初始运动范围表面434。
[0275]控制单元50指示初始运动范围与当前运动范围之间的差异。例如，控制单元50显示围绕关节400的三维视图的计算球面430、480或运动范围表面434、484的描绘。控制单元50也可显示旋转中心点432、482和测量位置424、477。
[0276]当控制单元50确定关节400的当前特性不同于关节400的初始特性时,控制单元50计算建议变化以修正差异。例如，控制单元50确定用于修正关节400的旋转中心中的偏移的建议偏移量，以及用于修正腿部长度中的变化的建议调整。控制单元50也指示用于再对准由表面484指示的运动范围与表面434的调整。控制单元50在用户接口 52上指示对关节400的建议改变，从而允许外科医`生调整关节400，从而实现初始测量的特性。
[0277]在对关节400进行调整之后，例如，在基于在用户接口 52上指示的建议改变调整关节400之后，可进行附加的运动范围测量。控制单元50可测量传感器422相对于传感器420的第三组位置，基于第三组位置计算最佳拟合球面和运动范围表面，并且确定在恢复优选关节特性中接着进行的调整。运动范围测量和与初始关节特性的比较可重复进行，直到外科医生确信关节400的运动学特性(kinematics)符合关节的优选运动学特性为止，该优选运动学特性可以是在外科手术之前测量的运动学特性。
[0278](7)为翻修手术确定对准
外科医生可使用系统100来确定对准并选择用于关节翻修术手术的植入物。例如，外科医生可使用该系统来迅速确定关节特性，例如关节的旋转中心的方位。
[0279]参看图25A，关节400示出为在初次关节成形术已完成之后。股骨植入物490安装在股骨406处，并且髋臼植入物491安装在关节400的髋臼中。
[0280]对于翻修手术来说，外科医生识别安装在关节400中的植入物490、491的类型。例如，外科医生可识别产品代码或针对植入物490、491的其它识别信息。外科医生将识别植入物490、491的信息输入控制单元50中。控制单元50可访问类似于试验部件库的植入物库，其描述多个植入物的特性。控制单元50访问指示植入物490、491的特性的数据。外科医生也可将关于重建后的关节400的附加信息(例如，识别关节400的球部件的信息)输入到控制单元50。
[0281]外科医生将三个EM传感器481、483、485附连在关节400处。第一传感器481附连在相对于骨盆402的固定位置处，例如在骨盆402上。第二传感器483位于相对于股骨的固定位置处，例如在股骨406上。第三传感器485附连在股骨植入物490的标志处。外科医生将识别器20取向成使得传感器481、483、485位于EM场发生器21的工作容积内。
[0282]控制单元50从传感器481、483、485接收信号，并且确定传感器481、483、485相对于彼此的方位。控制单元50使用基于来自植入物库的数据确定的股骨植入物490的标准特性来确定旋转中心点493和股骨颈轴线494相对于传感器481、483、485的方位。
[0283]控制单元50确定相对于第一传感器481和第二传感器483两者的旋转中心点。因此，当关节400复位时，旋转中心点493的方位可使用不同的传感器481、483相对于骨盆402和股骨406已知。
[0284]外科医生可将股骨406移入相对于骨盆的已知对准中，使得股骨颈轴线494的方位具有相对于优选嵌塞轴线的已知方位。例如，如参照图21B所述，外科医生将股骨406移入相对于骨盆402的中立力线，其中股骨颈轴线494与优选嵌塞轴线重合。在关节400的中立位中，外科医生使用控制单元50来记录传感器481、483、485相对于彼此的方位，并且在关节400处于中立位的同时，控制单元50将股骨颈轴线494的方位指定为嵌塞轴线的方位。
[0285]在一些实施中，代替将关节400对准在中立位以确定嵌塞轴线的方位，第四EM传感器可附连到具有相对于髋白植入物491已知的方位的标志。控制单元50访问指示髋臼植入物491的特性的植入物库中的数据，并且使用该数据来确定嵌塞轴线相对于标志的方位。因为第四传感器位于相对于髋臼植入物491的已知的固定方位处，所以外科医生可使用第一传感器481和第四传感器确定髋白植入物491沿其安装的嵌塞轴线的方位，而不使用股骨颈轴线494的方位。
[0286]此外，当使用第四传感器来确定嵌塞轴线的方位时，控制单元50可用来确定嵌塞轴线(基于髋白部件491的安装方位确定)是否与股骨颈轴线494 (基于股骨植入物490的安装方位确定)重合。外科医生可将关节400定位在中立位中，并可使用控制单元50来比较股骨颈轴线494的方位与嵌塞轴线的方位。控制单元50可计算在轴线之间的偏移量，并可使用该偏移量来调整翻修后的关节400的优选轴线。
[0287]可选地，在关节400复位的同时，外科医生可测量关节400的运动范围，如参照图24A所述。可将由初次关节成形术导致的运动范围与在关节翻修术期间和之后测量的运动范围相比较，以确定是否已获得合适的运动范围。
[0288]参看图25B，外科医生使关节400脱位，并且如果手术这样需要，则移除股骨植入物490。第二传感器483保持在股骨406上，使得初始旋转中心点493和初始股骨颈轴线494的方位可借助于它们相对于第二传感器483的已知方位而相对于股骨406已知。
[0289]以类似的方式，外科医生可移除髋臼植入物491。因为嵌塞轴线的方位相对于保持附连到骨盆402的第一传感`器481已知，所以外科医生可使用系统100来相对于嵌塞轴线定位器械和植入物。
[0290]参看图26A，外科医生可在控制单元50上输入偏移量以改变关节400的所需特性。例如，如果由初次关节成形术导致的旋转中心是不期望的，则外科医生可通过指示与此前的旋转中心点493的偏移量来设定新的旋转中心点495。控制单元50使用上述技术来选择实现所需的关节特性的试验部件和植入物。例如，控制单元50可识别和建议实现关节495的新的旋转中心点的新植入物。
[0291]参看图26B，在外科医生完成手术的试验阶段之后，外科医生安装股骨植入物498和髋白植入物499。外科医生使关节400复位并将传感器485附连在股骨部件485的标志处。外科医生使用控制单元50来基于传感器485的方位和股骨植入物498的已知特性确定关节400的一个或多个特性。例如，控制单元50计算当前旋转中心点497的位置并将该位置与在关节翻修术之前的关节400的旋转中心点493的位置相比较。因此，外科医生可比较在翻修之后关节400的特性与从初次关节成形术起关节的特性以确定翻修的目标是否已实现以及是否应进行额外的调整。
[0292]可使用上述技术的组合。当开始关节成形术时，控制单元50可显示选项的列表以允许外科医生定制手术。例如，控制单元50可允许外科医生选择外科医生喜欢用来确定关节的嵌塞轴线的方位的方法。作为另一示例，外科医生可选择使用系统100来安装髋臼植入物，但在制备股骨以接纳股骨植入物时选择不使用系统100进行辅助。控制单元50因此允许外科医生通过在手术开始时选择“照菜单点(a la carte)”选项来创建定制的手术计划。在手术期间，控制单元50通过省略外科医生不期望的步骤和功能来使手术更有效率。
[0293]参看图27，控制单元50包括输入模块110、处理模块120和输出模块130。控制单元50还包括控制模块140 、通信模块150和电源(未示出)。虽然控制单元50的功能描述为模块，但功能不一定由单独的部件来执行。例如，单个处理器可执行操作以便能够实现多个模块的功能。作为另一示例，单个部件或接口可提供输入和输出功能两者。
[0294]输入模块110包括传感器接口 112以从EM场传感器接收信号。传感器接口 112可包括有线通信链路、无线通信链路或两者。传感器接口 112也可被构造成从其它类型的传感器接收输入，例如，红外传感器、超声传感器和接近传感器(例如，涡电流传感器)。传感器接口 112可用来请求和接收存储在传感器中的校准数据。
[0295]输入模块110也包括用户输入控制器116，例如，按钮、小键盘和触敏表面。输入模块110可包括允许从一个或多个外围装置接收输入的有线或无线接口。
[0296]输入模块110可选地包括识别器输入接口 114以从识别器20接收输入。在一些实施中，控制单元50不需要来自识别器20的输入。由控制单元50传输的控制信号可用来确定识别器20的操作性质。然而，在其它实施中，识别器20可通过识别器输入接口 114提供信息。如下文中参照图28所述，一些识别器可输入指示基准的相对方位的数据，并且这样的信息可通过识别器输入接口 114接收。
[0297]处理模块120包括一个或多个处理装置122和一个或多个存储装置124。一个或多个处理装置122与一个或多个存储装置124通信以记录和访问数据，例如，通过输入模块接收的数据和作为由一个或多个处理装置122进行的计算的结果而产生的数据。一个或多个存储装置124存储可由一个或多个处理装置122执行的指令，从而造成一个或多个处理装置122执行如上所述的操作。操作包括例如确定基准之间的相对方位和基于该相对方位计算对准。一个或多个存储装置124可包括通过网络访问的远程存储装置。一个或多个存储装置124可存储例如试验部件库、植入物库、描述多个关节的特性的数据、以及其它数据。
[0298]一个或多个处理装置122生成控制信号以控制识别器20的操作。控制单元50使用控制模块140将控制信号传输至识别器20，控制模块140包括用于与识别器20通信的接□。
[0299]输出模块130包括显示器132，在显示器132上显示用户接口 52。在一些实施中，显示器132为可拆卸的或与控制单元50的外壳物理上分离的模块。输出模块130也可包括扬声器或其它装置以将音频输出提供给用户。
[0300]通信模块150允许控制单元50与其它系统通过网络通信。控制单元50可因此通过网络访问数据并可通过网络传输数据。
[0301]参看图28，备选的对准系统500可用来执行上述技术中的每一种。系统500包括控制单元550、识别器520和一个或多个框标，例如红外反射器540a-540c。识别器520和红外反射器540a-540c是可用来在手术期间确定组织和器械的相对方位的基准。系统500中的基准可使用红外线而不是电磁场通信，以允许控制单元550确定相对方位。在一些实施中，红外发射器可除了或代替红外反射器540a-540c使用。
[0302]识别器520包括一个或多个红外探测器，例如红外摄像机或成像装置。例如，识别器520包括两个红外摄像机521。识别器520也可包括红外发射器523以朝红外反射器540a-540c导向红外线。识别 器520可通过通信链路525与控制单元550通信，通信链路525可以是有线的或无线的。
[0303]红外反射器540a_540c可各自包括红外反射器或红外发射器。例如，如图所示，每个红外反射器540a-540c可包括定位在平面中的红外反射元件542的阵列,例如球面。从红外反射元件542反射的红外线指示其中布置球面542的平面的取向。识别器520将红外线朝反射器540a-540c中的一个导向，并且检测从反射器的每一个红外反射器反射的红外线。基于所检测到的红外线，控制单元550计算其中定位有红外反射元件542的平面的方位。例如，控制单元550可使用三角形划分(triangulation)来计算识别器520相对于红外反射器540a_540c的方位和红外反射器540a_540c相对于彼此的方位。
[0304]控制单元550为识别器520的红外摄像机521供电并且从红外摄像机521接收输出信号。使用来自红外摄像机521的输出信号，控制单元550确定红外反射器540a-540c相对于识别器520的方位。控制单兀550还确定反射器540a_540c相对于彼此和相对于器械30及组织的方位。
[0305]作为示例，可使用系统500以类似于上文参照图3A至图6所述技术的方式确定关节10的嵌塞轴线14。第一红外反射器540a可作为半永久性平面基准固定到骨盆16的髂嵴18，这意味着例如红外反射器540a在整个手术中保持方位。第二反射器540b可联接到髋臼导向器60。识别器520将红外线朝反射器540a、540b导向，并且用红外摄像机521检测反射的红外线。控制单元550接收指示所接收的红外线的信息，使用该信息确定平面的方位。基于第二反射器540b的方位和由第二反射器540b指示的平面，控制单元550计算嵌塞轴线14相对于由第一反射器540a指示的平面的方位。第三反射器540c联接到器械30，例如，嵌塞器(impactor)柄部或扩孔钻柄部，并且第三反射器540c相对于器械30的方位相对于第一反射器540a而确定。然后，在控制单元550的用户接口 552上指示器械30相对于嵌塞轴线14的方位。以类似的方式，可使用系统500的识别器520和红外反射器540a-540c而不是使用系统100的识别器20和各种EM传感器执行上述其它技术。
[0306]除了上述基准之外，可使用其它类型的基准。例如，可使用红外传感器、超声传感器和接近传感器(例如，涡电流传感器)作为基准。基准通常在手术完成之后移除。在一些实施中，传感器可被消毒。在其它实施中，使用一次性传感器且在每个手术之后将其丢弃。
[0307]参看图29，可由外科医生执行用于确定相对于关节的对准的过程600。以下描述的过程600也可包括上述附加特征，例如，参照图3A至图7B描述的特征。
[0308]将导向器联接到关节(602)。导向器限定轴线或其它力线，并且导向器具有形成为基本上适形于关节的一部分的外轮廓。由导向器限定的轴线可对应于相对于关节已知的倾斜角和前倾角。轴线的方位可基于关节的影像数据。导向器可以以已知的取向与关节的接纳部分配合。在一些实施中，导向器以单一取向与关节的接纳部分配合。
[0309]将第一基准相对于关节附连在固定方位处(604)。确定轴线相对于第一基准的方位(606)。例如，外科医生可将第二基准联接到器械并将器械相对于轴线对准。外科医生可通过使用控制单元来接收指示第二基准和第一基准的相对方位的信号而确定轴线的方位。外科医生可指示控制单元的操作，使得控制单元确定和存储第二基准相对于第一基准的方位。
[0310]将导向器从关节移除(608)。在将导向器从关节移除之后，将器械定位在关节附近(610)。基于第二基准相对于第一基准的方位来确定器械相对于轴线的方位(612)。外科医生可使用控制单元来确定第二基准和第一基准的相对方位，并且来确定器械相对于第一基准的方位。
[0311]参看图30，可由外科医生执行用于确定相对于关节的对准的过程700。以下描述的过程700也可包括上述附加特征，例如，参照图14A至图16描述的特征。
[0312]将第一基准相对于关节附连在固定方位处(702)。将第二基准相对于关节附连在第二固定方位处(704)。基准可附连到关节的不同骨。将关节移动通过一系列运动(706)。测量第二基准相对于第一基准的多个位置(708)。基于测量的位置和轴线相对于其它关节的方位来确定轴线相对于第一基准的方位。
[0313]通过使用控制单元来确定大致对应于关节的旋转中心的点的位置，外科医生可基于测量的位置确定轴线的方位。外科医生也可基于轴线相对于其它关节的方位使用控制单元来访问数据，并且使用所访问的数据沿轴线确定第二点。例如，外科医生可使用控制单元测量位置，该控制单元被构造成:(i)基于测量的位置生成关节的运动范围的表示，(ii)基于轴线相对于其它关节的方位访问复合表示，并且(iii)使用在第一表示和复合表示之间的相关性来确定轴线的方位。
[0314]参看图31，可由外科医生执行用于确定相对于关节的对准的过程800。以下描述的过程800也可包括上述附加特征，例如，参照图17至图20描述的特征。
[0315]将基准相对于关节的骨附连在固定方位处(802)。测量围绕骨的一部分的位置(804)。测量位置使得位 置相对于基准为已知的。位置可围绕股骨的颈部或肱骨的颈部进行测量。基于测量的位置确定轴线相对于基准的方位。轴线可以是通过股骨的颈部或肱骨的颈部的大致中心轴线。外科医生可使用控制单元确定轴线的方位，该控制单元被构造成基于所测量的位置生成柱形表示并确定柱形表示的大致中心轴线。
[0316]确定器械相对于基准的方位(808)。外科医生可使用控制单元确定器械的方位，控制单元被构造成确定第二基准相对于基准的方位，其中第二基准附连到器械。使用器械相对于基准的方位将器械相对于轴线对准(810)。
[0317]参看图32，可由外科医生执行用于确定相对于关节的对准的过程900。以下描述的过程900也可包括上述附加特征，例如，参照图21A至图21B描述的特征。
[0318]将第一基准相对于关节的第一骨附连在固定方位处(902)。确定轴线相对于第一基准的方位(904)。将第二基准相对于关节的第二骨附连在固定方位处(906)。将第一骨相对于第二骨定位在已知对准中(908)。确定第一基准相对于第二基准的方位,该方位对应于第一骨相对于第二骨的已知对准(910)。例如，在第一骨相对于第二骨在已知对准中对准的同时，可测量第一基准和第二基准的相对方位。确定轴线相对于第二基准的方位(912)。轴线的方位可基于(i)第一基准相对于第二基准的方位、以及(ii)轴线相对于第一基准的方位而确定。
[0319]参看图33，可由外科医生执行用于选择植入物的过程1000。以下描述的过程1000也可包括上述附加特征，例如，参照图22A、图22B和图23描述的特征。
[0320]识别关节的第一性质(1002)。第一性质可以是例如旋转中心点或关节的轴线。第一性质相对于第一基准为已知，并且第一基准位于相对于骨的固定方位处。将植入物联接到骨(1004)。植入物的特性具有相对于植入物的标志的已知关系，例如，相对于标志的已知方位。植入物的特性可以是例如颈部角度、对应于关节旋转中心的植入物的位置、颈部长度、植入物的尺寸、或者由植入物限定的轴线的方位，并且相对于标志的已知关系是相对于标志的已知方位。过程1000可包括确定植入物的特性。外科医生可使用控制单元来访问指示特性和其与标志的关系的数据。
[0321]将第二基准在相对于标志已知的`方位处(例如在标志处)附连到植入物(1006)。确定第二基准和第一基准的相对方位(1008)。基于相对方位和植入物的特性，确定关节的第二性质(1010)。第二性质可由植入物限定。例如，第二性质可以是由植入物在骨处的方位产生的关节的旋转中心。确定在第一性质和第二性质之间的差异(1012)。
[0322]第一性质和第二性质可均为颈部角度、颈部长度、关节旋转中心的位置或颈部的轴线的方位。例如，第一性质可以是关节的自然旋转中心的位置，并且第二性质可以是由当联接到骨时的植入物限定的关节的旋转中心的位置。作为另一示例，骨可以是股骨，第一性质可以是由股骨的颈部限定的轴线的方位，植入物的特性可以是由植入物的颈部限定的轴线的方位，并且第二性质可以是当植入物联接到股骨时由植入物的颈部限定的轴线的方位。
[0323]参看图34，可由外科医生执行用于确定关节特性的过程1100。以下描述的过程1100也可包括上述附加特征，例如，参照图24A至图24B描述的特征。
[0324]将第一基准固定地附连在第一位置处(1102)，例如，在关节的骨处。将第二基准固定地附连在第二位置处，使得关节的移动改变第二基准和第一基准的相对方位(1104)。测量第二基准相对于第一基准的第一组位置(1106)。第一组位置可包括对应于关节的不同方位的基准的相对位置，包括在关节的运动范围的极端处的关节的方位。测量第二基准相对于第一基准的第二组位置(1108)。第二组位置可包括对应于关节的不同方位的基准的相对位置，包括在关节的运动范围的极端处的关节的方位。使用第一多个位置和第二多个位置确定一个或多个关节特性中的差异(1110)。第一组位置可在外科手术之前测量，并且第二组位置可在外科手术之后测量。因此，一个或多个关节特性中的差异可以是由外科手术造成的差异。
[0325]参看图35，可由外科医生执行用于确定用于翻修手术的对准的过程1200。以下描述的过程1200也可包括上述附加特征，例如，参照图25A至图26B描述的特征。
[0326]将第一基准相对于关节的骨附连在固定方位处(1202)。识别附连到骨的植入物(1204)。访问指示所识别的植入物的一个或多个特性的信息(1206)。例如，外科医生可通过将识别所识别的植入物的信息输入到控制单元或通过选择请求访问该特性的控制器而造成信息被访问。将第二基准附连在相对于植入物的已知方位处(1208)。例如，第二基准可附连在植入物的标志处。确定第二基准和第一基准的相对方位(1210)。例如，外科医生可使用控制单元来确定基准的相对方位。基于相对方位、第二基准的已知方位和植入物的一个或多个特性而确定关节的特性(1212)。特性可以是例如关节的旋转中心的方位或由植入物限定的轴线。
[0327]参看图36，可例如由控制单元50、550中的一个过程1300以确定器械相对于关节的对准。过程1300也可包括上述附加特征，例如，参照图3A至图7B所描述的特征。
[0328]接收指示第一基准相对于第二基准的方位的信息，其中第二基准相对于轴线对准(1302)。第一基准相对于关节附连在固定位置处。第二基准在相对于轴线已知的方位处对准，该轴线由联接到关节的导向器限定。导向器在使用之前形成，使得导向器的外轮廓基本上适形于关节的一部分。例如，导向器可以是形成为基本上适形于特定髋关节的髋白的轮廓的髋臼导向器60。轴线可以是基于针对导向器适形于的特定髋关节的诸如断层扫描数据的影像数据为关节确定的嵌塞轴线14。
[0329]确定轴线相对于第一基准的方位(1304)。使用第二基准相对于轴线的已知方位和指示第一基准相对于第二基准的方位的信息来确定轴线的方位。例如，在第二基准的方位之间的偏移量可被确定并用来计算轴线相对于第一基准的方位。
[0330]接收指示器械相对于第一基准的方位的信息(1306)。例如，第三基准可联接到器械，并且可确定指示第三基准相对于第一基准的方位的信息。该信息可在导向器从关节分离之后生成，并可指示当器械从关节分离时器械的方位。
[0331]确定器械相对于轴线的方位(1308)。例如，将器械的方位与在(1304)中确定的轴线的方位相比较，其中两个方位都相对于相同的第一基准已知。器械的方位可在导向器与关节分离之后确定。
[0332]过程1300可包括确定关节的旋转中心点相对于第一基准的位置。当导向器联接到关节时，旋转中心点可相对于导向器已知。基于旋转中心点相对于导向器的已知位置和第二基准相对于导向器的已知方位以及指不第一基准相对于第二基准的方位的信息，确定中心点相对于第一基准的位置。旋转中心点的方位可用来确定关节的优选扩孔深度，例如，基于用于关节的植入物的 已知特性。
[0333]参看图37，可例如由控制单元50、550中的一个过程1400以计算轴线相对于关节的方位。过程1300也可包括上述附加特征，例如，参照图8至图16描述的特征。
[0334]接收指示关节的运动范围的信息(1402)。该信息可包括多个位置424，其中多个位置424中的每一个对应于关节的不同方位。该信息可附加地或备选地包括运动范围的表示，例如在三维坐标系中限定的表面434。信息可指示关节的运动范围的一个或多个极端。
[0335]确定基本上对应于关节的旋转中心的第一点(1404)。第一点的位置可使用指示运动范围的信息来计算。例如，第一点可以是表示关节的运动范围的表面434的焦点或中心点。指示关节的运动范围的信息可以是相对于基准已知的，并且第一点的位置可相对于相同基准而确定。
[0336]使用在运动范围与一个或多个其它关节的第二运动范围之间的一种或多种相关性来确定第二点(1406)。第二点可使用表示在多个关节的运动范围和轴线之间的共性的复合信息来确定。
[0337]相关性可包括在运动范围和第二运动范围之间识别的关系，例如共性和识别的对应标志。相关性也可包括在运动范围的边界和第二运动范围的边界之间的计算方位偏移量，例如用于将边界在最小误差取向对准的偏移量。例如，相关性可用来在三维坐标系中将关节的运动范围与第二运动范围对准。对准可基于沿运动范围的边界的点和/或指示运动范围的其它点和区域在三维中的普通最小平方或几何最小平方。
[0338]使用相关性确定第二点可包括使用相对于第二运动范围已知的轴线的方位来确定相对于运动范围的一个或多个对应方位。当运动范围和第二运动范围基于在公共坐标参考系中的相关性对准时，将针对第二运动范围的轴线的方位在相对于运动范围的对应方位处对准。
[0339]确定在第一点和第二点之间的轴线(1408)。例如，与第一点和第二点相交的轴线相对于第一基准而限定，第一基准位于相对于关节的固定方位处。轴线可以是例如如上所述确定的嵌塞轴线446。
[0340]参看图38，在过程1400中，确定第二点(1406)可包括过程1500的特征。
[0341]生成关节的运动范围的第一表示(1500)。例如，指示关节的运动范围的信息可包括多个位置或点，并且生成表示可包括将表面数据拟合到位置或点。访问基于多个关节的运动范围的复合表不(1504)。确定基于在第一表不和复合表不之间的相关性的方位关系(1506)。例如，在第一表示和复合表示之间的方位关系可基于在对应特征之间的共性来确定。该共性可用来相对于复合表不对准第一表不。基于相对于复合表不已知的点的位置，识别相对于第一表不的对应点的位置(1508)。例如,可用复合表不识别在第一表不上的点，其对应于轴线的交点。用来限定嵌塞轴线的第二点可以是相对于第一表示识别的点。
[0342]参看图39，可以例如由控制单元50、550中的一个或另一个计算机系统来过程1600以分析关节数据。过程1600也可包括上述附加特征，例如，参照图12A、图12B和图13描述的特征。
[0343]访问指示运动范围和轴线的方位的多个记录(1602)。记录可从数据存储装置访问，或者可基于所接收的信息创建。在每个记录中指示的轴线的方位可以是使用对应的关节的断层扫描数据确定的方位。
[0344]识别在记录的轴线和运动范围之间的关系(1604)。该关系可包括基于在对应特征之间的相关性确定的方位关系。存储指不所识别的关系的数据(1606)。关系的不例包括在不同记录中指示的运动范围`之间的相关性、在一个记录中指示的轴线的方位和另一个记录中指示的轴线的方位之间的关系、以及在记录中的一个中的轴线的方位和记录中的不同的一个的运动范围之间的关系(参见图12A至图12C和图13以及对应的描述)。对于记录中的每一个来说，关系还可包括在轴线的方位和关节的运动范围的特征(例如，运动范围的边界)之间的关系。
[0345]过程1600可包括提供对存储的关系的访问。过程1600可包括使用所识别的关系生成和存储运动范围和复合轴线329的复合表示320。过程800可包括基于所识别的关系确定关于复合轴线329的公差，例如，图12C中的区域330、331、332中的一个或多个的半径。公差可指示特定数量的记录、记录的百分比、或百分比的范围(例如，范围“90%或以上”)(当与基于对应特征的复合范围相关时)具有在公差内的对应轴线。 [0346]参看图40，可例如由控制单元50、550中的一个过程1700以指示器械相对于关节的骨的方位。过程1700也可包括上述附加特征，例如，参照图17至图20描述的特征。
[0347]接收指示围绕股骨的颈部的多个位置的信息(1702)。所接收的信息可指示相对于位于相对于股骨的已知方位处的基准的位置。基准可联接到股骨。
[0348]基于多个位置确定轴线的方位(1704)。例如，可从多个位置外推柱形，并且轴线可以是柱形的中心轴线。柱形可相对于基准确定，并且因此可相对于基准确定轴线的方位。
[0349]接收指示器械的方位的信息(1706)。信息可指示器械相对于相同基准的方位，多个位置相对于该基准被指示。
[0350]例如在用户接口上提供指示器械相对于轴线的方位的信息(1708)。例如，可显示股骨的三维视图，其具有轴线的方位和器械的方位的指示。
[0351]参看图41，可例如由控制单元50、550中的一个过程1800以确定相对于关节的对准。过程1800也可包括上述附加特征，例如，参照图21A和图21B描述的特征。
[0352]确定轴线相对于第一基准的方位，第一基准位于相对于关节的第一骨的固定方位处(1802)。接收指示第一基准和第二基准的相对方位的信息(1804)。第二基准位于相对于关节的第二骨的固定方位处。第一基准相对于第二基准的方位对应于第一骨相对于第二骨的已知方位。例如，第一骨可以是股骨，第二骨可以是骨盆，并且已知方位可以是股骨相对于骨盆的中立力线。作为另一示例，第一骨可以是肱骨，第二骨可以是肩胛骨，并且已知方位可以是肱骨相对于肩胛骨的中立方位。
[0353]确定轴线相对于第二基准的方位(1806)。轴线相对于第二基准的方位基于(i)第一基准和第二基准的相对方位以及(ii)轴线相对于第一基准的方位而确定。例如，可确定当第一骨处于相对于第二骨的已知方位时在第二基准的方位和轴线的方位之间的偏差。提供指示轴线的方位的信息(1808)。例如，在使关节脱位之后，可提供指示轴线相对于第二骨的方位的信息。
[0354]参看图42，可例如由控制单元50、550中的一个过程1900以确定植入物的适合性。过程1900也可包括上述附加特征，例如，参照图22A、图22B和图23所描述的特征。
[0355]识别关节的第一'丨生质(1902)。第一'丨生质相对于第一基准为已知，并且第一基准位于相对于骨的固定方位处。访问指示(i)植入物的特性和(ii)在该特性与植入物的标志之间的关系的信息(1904)。植入物的特性可以是例如颈部角度、对应于关节旋转中心的位置、颈部长度、植入物的尺寸、或者由植入物限定的轴线的方位中的一个，并且相对于标志的已知关系是相对于标志的已知方位。接收指示第一基准和第二基准的相对方位的信息(1906)。第二基准位于相对于标志的已知方位处,例如,在标志处。基于相对方位和植入物的特性，确定关节的第二性质(1908)。第二性质可由植入物限定。确定在第二性质和第一性质之间的差异(1910)。
[0356]过程1900也可包括提供指示在第二性质和第一性质之间的差异的信息。过程1900也可包括识别计算为限定关节的第三性质的第二植入物，使得在第三性质和第一性质之间的差异小于在第二性质和第一性质之间的差异，并且提供识别第二植入物的信息。识别第二植入物可包括基于在第一性质和第二性质之间的差异以及特性而识别所需特性。例如，当第一性质和第二性质为颈部长度，并且在它们之间的差异表明第一植入物的颈部长度太短时，可通过将该差异增加至第一植入物的颈部长度而确定所需特性。识别第二植入物还可包括:访问指示多个植入物的特性的数据；比较所需特性与由访问的数据指示的一个或多个特性；以及选择具有基本上等于所需特性的特性的一个或多个植入物或植入物的组合。
[0357]识别第二植入物可包括识别第二植入物的型号或部件号。第一性质和第二性质可以均为颈部角度、颈部长度、关节旋转中心的位置或颈部的轴线的方位。例如，第一性质可以是关节的自然旋转中心的位置，并且第二性质可以是由联接到骨的植入物所限定的关节的旋转中心的位置。
[0358]作为另一示例，第一性质可以是自然股骨的颈部角度，例如，在通过股骨的颈部的轴线和股骨的纵向轴线之间的角度。第二性质可以是由植入物限定的颈部角度，例如，当植入物联接到骨时，通过植入物的颈部的轴线和股骨的纵向轴线的角度。
[0359]在一些实施中，骨为股骨，第一性质是由股骨的颈部限定的轴线的方位，植入物的特性是由植入物的颈部限定的轴线的方位，并且第二性质是当植入物联接到股骨时由植入物的颈部限定的轴线的方位。
[0360] 参看图43，可例如由控制单元50、550中的一个过程2000来确定关节特性中的差异。过程2000可包括上述附加特征，例如，参照图24A和图24B描述的特征。
[0361]接收指示第一基准相对于第二基准的第一多个位置的信息(2002)。接收指示第一基准相对于第二基准的第二多个位置的信息(2004)。第一多个位置和第二多个位置可分别在外科手术之前和之后在关节的不同方位处进行测量。第一多个位置和第二多个位置可用位于相对于关节的骨的已知方位的第一基准和位于相对于关节的不同骨的不同的已知方位的第二基准来测量，使得关节的移动。
[0362]使用第一多个位置和第二多个位置确定在一个或多个关节特性中的差异(2006)。可从第一多个位置外推第一三维表面以表示在第一时点(a first point in time)的运动范围。可从第二多个位置外推第二三维表面以表示在第二时点的运动范围。可比较第一表面和第二表面。第一表面和第二表面可以是球面，并且可比较球面的半径以确定腿部长度中的差异。可比较对应于球面的中心的点以确定关节的旋转中心中的变化。可确定关节的旋转中心中的变化、腿部长度的差异和其它特性。
[0363]基于第一多个位置和第二多个位置，例如使用在第一表面和第二表面之间识别的差异，计算对关节的调整以造成由第一多个位置指示的运动范围具有与由第二多个位置指示的运动范围的特定关系。例如，该特定关系可以是运动范围大小、形状和位置相等，或者具有彼此间的特定偏差。
[0364]参看图44，可例如由控制单元50、550中的一个过程2100以确定翻修手术的对准。过程2200可包括上述附加特征，例如，参照图25A、图25B、图26A和图26B所描述的特征。
[0365]接收识别植入物的信息，该植入物附连到关节的骨(2102)。访问指示所识别的植入物的一个或多个特性的信息(2104)。接收指示第一基准和第二基准的相对方位的信息(2106)。第一基准位于相对于骨的固定方位处。第二基准位于相对于植入物的诸如标志的已知方位处。基于第二基准和第一基准的相对方位来确定关节的特性(2108)。特性的确定也可基于第二基准相对于植入物的已知方位和植入物的一个或多个特性来确定。关节的特性可以是例如关节的旋转中心。关节的特性也可以是由植入物限定的轴线或植入物安装所沿的轴线。
[0366]在上述系统100、500中，控制单元50、550均可包括存储可被执行或解译的指令的一个或多个存储装置，例如，非瞬时性计算机可读介质。当由控制单元的一个或多个处理装置执行时，指令造成控制单元执行上述操作。
[0367]各种实施可包括对应的系统、设备和计算机程序，其构造成执行编码在计算机存储装置上的在本文中描述的过程的动作。一个或多个处理装置或一个或多个计算机的系统可借助于在操作中造成系统执行该动作的安装在系统上的软件、固件、硬件、或它们的组合而如此构造。一个或多个计算机程序可通过具有如下指令而如此构造:该指令在由数据处理设备执行时造成设备执行该动作。
[0368]本说明书中描述的主题的实施和功能操作可实施于数字电子电路中、有形地嵌入的计算机软件或固件中、计算机硬件中，包括在本说明书中公开的结构及其结构等同物、或它们中的一个或多个的组合。本说明书中描述的主题的实施可实施为一个或多个计算机程序，即，计算机程序指令的一个或多个模块，其被编码在有形的非瞬时性计算机可读介质上，以用于由数据处理设备执行或控制数据处理设备的操作。计算机可读介质可以是机器可读的存储装置、机器可读的存储基板、存储器装置、实现机器可读的传播信号的组合物、或它们中的一个或多个的组合。术语“数据处理设备”涵盖所有用于处理数据的设备、装置和机器，包括举例来说可编 程的处理器、计算机、或多个处理器或计算机。除了硬件之外，该设备可包括形成用于所关注的计算机程序的执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、操作系统、或它们中的一个或多个的组合的代码。
[0369]已经描述了多个实施和备选方案。然而，应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可进行各种修改。例如，虽然以上实施中的一些已结合用于髋关节的外科手术进行了描述，但上述实施可用于针对身体的其它关节和手术部位，例如，肩关节。另外，上述实施可用于除关节成形术之外的手术。因此，其它实施在所附权利要求的范围内。
【权利要求】
1.一种系统，包括: 导向器，其具有基本上适形于关节的接纳部分的外轮廓，所述导向器限定当所述导向器配合到所述关节时具有相对于所述关节的已知方位的轴线； 第一基准装置，其用于附连到所述关节的骨； 第二基准装置，其用于联接在相对于所述导向器的已知对准处；以及 控制单元，其与所述第一基准装置和所述第二基准装置通信，所述控制单元构造成基于指示当所述第二基准装置处于与所述导向器的已知对准且所述导向器配合到所述关节时所述第二基准装置相对于所述第一基准装置的方位的数据，来确定所述轴线相对于所述第一基准装置的方位。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述导向器联接到所述关节时，所述轴线相对于所述关节具有已知的倾斜角和已知的前倾角。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二基准构造成在具有相对于所述轴线的已知偏移量的方位处附连到所述导向器。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述导向器的外轮廓在使用所述导向器之前形成，使得所述外轮廓基本上适形于所述关节的接纳部分，并且所述导向器以单一取向与所述关节的接纳部分配合。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于: 所述关节是特定患者的髋关节； 所述轴线是基于针对所述髋关`节的影像数据确定的用于所述髋关节的髋曰嵌塞轴线；并且 所述导向器是患者专用的导向器，其具有针对所述特定患者限定的外轮廓，所述外轮廓基本上适形于所述髋关节的髋白的一个或多个部分，使得所述导向器以单一取向与所述髋臼配合。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括电磁场发生器；其中，所述第一基准装置包括第一电磁场传感器，并且所述第二基准装置包括所述电磁场发生器或第二电磁场传感器。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括红外检测器； 其中，所述第一基准装置包括第一框标，并且所述第二基准装置包括第二框标。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，为了确定所述轴线相对于所述第一基准装置的方位，所述控制单元构造成确定所述轴线在参考系中的方位，所述第一基准具有相对于所述参考系的固定方位。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制单元构造成: 在所述第二基准装置或第三基准装置联接到所述器械的同时，确定器械相对于所述轴线的方位；以及 在用户接口上输出指示所述器械相对于所述轴线的方位的数据。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述控制单元构造成确定在所述导向器从所述关节移除之后所述器械的方位。
11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，为了确定所述器械相对于所述轴线的方位，所述控制单元构造成确定所述器械绕所述轴线的旋转方位；并且其中，为了输出指示所述器械相对于所述轴线的方位的数据，所述控制单元构造成输出指示所述器械绕所述轴线的旋转方位的数据。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，为了确定所述轴线相对于所述第一基准装置的方位，所述控制单元构造成: 访问指示所述轴线相对于所述导向器的方位的第一数据；以及访问指示当所述第二基准装置处于与所述导向器的已知对准时在所述第二基准和所述导向器之间的偏移量的第二。
13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制单元还构造成: 基于指示器械相对于所述第一基准的方位的信息来确定所述器械相对于所述关节的旋转中心或所述关节的表面的方位； 计算相对于所述器械的方位沿所述轴线的扩孔深度；以及 提供指示所述扩孔深度的信息。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于: 为了计算所述扩孔深度，所述控制单元构造成: 访问指示植入物的一个或多个特性的信息； 基于所述植入物的一个或多个特性来确定优选的扩孔深度；以及确定在所述器械的当前方位和所述器械的优选方位之间的差异，所述优选方位对应于优选的扩孔深度；以及 为了提供指示所述扩孔深度的信息，所述控制单元被构造成提供指示在所述器械的当前方位和所述器械的优选方位之间的差异的信息。
15.一种用于确定相对于关节的对准的设备，包括: 一个或多个处理装置和存储指令的一个或多个存储装置，所述指令在由所述一个或多个处理装置执行时可操作以造成所述一个或多个处理装置执行操作，所述操作包括: 接收指示第一基准相对于第二基准的测量方位的信息，所述测量方位出现在下列情况下:(i)所述第一基准相对于所述关节的骨附连在固定位置处；(ii)具有基本上适形于所述关节的一部分的外轮廓的患者专用的导向器联接到所述骨；并且(iii)所述第二基准相对于所述患者专用的导向器联接在已知方位处； 基于所述测量方位来确定外科轴线相对于所述第一基准的方位； 接收指示器械相对于所述第一基准的方位的信息；以及 在所述导向器从所述关节移除之后，使用所述器械相对于所述第一基准的方位来确定所述器械相对于所述外科轴线的方位。
【文档编号】A61B17/88GK103732165SQ201280040044
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年6月8日 优先权日:2011年6月16日
【发明者】M.贝滕加 申请人:史密夫和内修有限公司