股骨髋臼撞击手术的带有双α角的计算机辅助计划的制作方法

股骨髋臼撞击手术的带有双α角的计算机辅助计划的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于确定具有股骨头和股骨颈的病理性股骨的切除体积的方法。所述方法包括基于病理性股骨的病理性α角确定所需轮廓的第一点、基于病理性股骨的所需α角确定所需轮廓的第二点、在病理性股骨的股骨颈上确定所需轮廓的第三点，并基于所需轮廓的所述第一、第二和第三点确定病理性股骨的切除体积。
【专利说明】股骨髋臼撞击手术的带有双α角的计算机辅助计划

【技术领域】
[0001]本发明主要涉及手术计划，并且更具体地，涉及用于计划骨科手术的计算机辅助系统和方法。

【背景技术】
[0002]在骨科领域中，切除手术是一种常见的应用实践。在其它方面，切除手术可用于手术治疗骨结构中的骨畸形或增生(骨畸形或增生可能造成严重不适并在受影响区域限制运动范围)。关于这种畸形的常见的并发症包括股骨髋臼撞击(FAI)。FAI是髋关节运动受限于骨盆的髋白，或窝及其所枢接的股骨的头部或股骨头之间的撞击的症状。通常，撞击可能由髋白边缘增生，或钳夹撞击，或股骨的股骨头上的增生，或凸轮撞击而引起。两种撞击形式都可以用切除手术治疗以从受影响的骨移除增生并使关节恢复全范围的运动。例如，对于凸轮撞击，可以切除股骨上的增生，从而恢复股骨头球面形并使股骨头能在没有任何撞击的情况下相对于髋白枢转。
[0003]虽然大多数撞击症状可使用目前现有的手术方式成功治疗，但为了确保适当和有效移除增生，必须先于外科手术进行大量的详细计划。例如，在凸轮撞击症状中，外科医生必须在手术前确定恢复或重建股骨头的球形，并且进一步确保重建的股骨头的外表面和股骨颈之间的平滑过渡的计划。这种计划至少涉及待移除的股骨的具体数量与待移除的骨头的股骨头和颈的具体区域。目前，外科医生能基于医学图像所获得的标准测量结果确定具体的凸轮撞击程度。更明确地，外科医生基于股骨头和颈之间的关系，或α角，分析和诊断凸轮撞击症状，即，从X射线设备、计算机断层扫描(CT)设备，磁共振成像(MRI)设备等等提供的图像直观地确定。例如，如图1所示，基于通常通过股骨头中心的轴向横断面图像，外科医生可以定义α角为股骨的颈轴NA和连接头中心HC与偏离点P的线之间测得的角。头中心HC定义为近似股骨头的圆环或球面S的中心。颈轴NA定义为通过股骨颈的中心，或颈中心NC，和头中心HC的轴。偏离点P定义为股骨头的外表面偏离或者离开近似球面S的点。
[0004]按照传统的标准，如果α角大于50-55°，可以诊断为凸轮撞击。这为外科医生提供了需进行的标准测量。然而，外科医生仍然留下较少的用于确定手术中需要移除的股骨的具体体积和区域的常规方法。虽然先进的三维成像设备和计算机辅助手术系统可以在计划和执行手术阶段提供一些援助，但能见度限制和顺畅接近病理性关节的缺乏引入其它障碍。例如，单纯基于一系列医学图像，外科医生可能难以可视地计划或模拟切除体积的具体尺寸和位置。即使一旦确定手术计划，在正确和有效地将切除体积的具体尺寸和/或位置传送至计算机辅助系统和/或触觉型或机器人引导的手术设备仍可能存在困难。在撞击手术的计划中的这种困难和常规方法的缺乏可能将该领域的外科医生置于沉重负担中，并且进一步地，可以导致撞击手术通常无效率地并且不一致地进行。
[0005]因此，需要精简并进一步促进用于骨科撞击症状的手术治疗的计划过程。此外，需要一种用于在术前模拟切除体积的、提供更多常规的、更有效和更准确的测量结果的计算机辅助系统或方法。


【发明内容】

[0006]在本发明的一个方面，提供一种用于确定具有股骨头和股骨颈的病理性股骨的切除体积的方法。该方法可以基于病理性股骨的病理α角确定所需轮廓的第一点、基于病理性股骨的所需α角确定所需轮廓的第二点、在病理性股骨的股骨颈上确定所需轮廓的第三点，并基于所需轮廓的第一、第二和第三点产生病理性股骨的切除体积。
[0007]在本发明的另一个方面，提供一种用于确定具有股骨头和股骨颈的病理性股骨的切除体积的方法。该方法可以从医学成像设备接收病理性股骨的医学图像，基于医学图像确定病理性股骨的标志物、至少确定对应病理性α角的第一轮廓点和对应所需α角的第二轮廓点、确定病理性股骨上的变形区，并基于第一轮廓点、第二轮廓点和变形区产生切除体积。
[0008]在本发明的另一个方面，提供一种用于切除具有股骨头和股骨颈的病理性股骨的系统。该系统可包括至少一个用于输出病理性股骨的医学图像的医学成像设备，和与该医学成像设备通讯的计算设备。该计算设备可包括存储器和处理器，用于从该医学成像设备接收医学图像、基于病理性股骨的病理α角确定所需轮廓的第一点、基于病理性股骨的所需α角确定所需轮廓的第二点、确定病理性股骨的所需变形区，并基于该第一点、第二点和所需变形区产生病理性股骨的切除体积。

【专利附图】

【附图说明】
[0009]图1为在先技术分析的髋关节的轴向横截面图；
[0010]图2为一个典型的用于计划和/或执行切除手术的系统的示意图；
[0011]图3为典型的用于确定病理性骨结构的切除体积的方法的流程图；以及
[0012]图4为病理性股骨上的凸轮撞击的轴向横截面图；
[0013]图5为病理性股骨及其标志物的轴向横截面图；
[0014]图6为病理性股骨及其径向切片的侧视图；
[0015]图7为病理性股骨及其病理性α角的轴向横截面图；
[0016]图8为病理性股骨及其所需α角的轴向横截面图；
[0017]图9为病理性股骨及其切除弧的侧视图；
[0018]图10为图9的病理性股骨及其切除弧的轴向横截面图；
[0019]图11为与近似球面相比，病理性股骨的增生的相对深度的图形视图；
[0020]图12为病理性股骨及其多个切除轮廓的轴向横截面图；
[0021]图13为第一和第二轮廓点及其局部插值的图形视图；
[0022]图14为病理性股骨及其变形区的轴向横截面图；
[0023]图15为病理性股骨及其所需切除轮廓的轴向横截面图；
[0024]图16为病理性股骨及其另一所需切除轮廓的轴向横截面图；
[0025]图17为病理性股骨及其多个所需切除轮廓的轴向图；
[0026]图18为病理性股骨及其闭合切除轮廓的轴向横截面图；
[0027]图19为病理性股骨及其多个闭合切除轮廓的轴向图；
[0028]图20为病理性股骨及其切除体积的轴向图；
[0029]图21为病理性股骨及其切除体积的另一轴向图；
[0030]图22为病理性股骨及其闭合平面轮廓的轴向横截面图；
[0031]图23为病理性股骨及其多个闭合平面轮廓的轴向图；以及
[0032]图24为病理性股骨及其闭合切除体积的轴向图。

【具体实施方式】
[0033]现结合附图，具体参见实施例或特征。通常，在附图中使用相应的附图标记表示相同或相应的部分。尽管以下披露可能参考涉及髋关节的骨科手术，应当理解，本文描述的主题是适用于身体的其它关节，例如，肩、肘、腕、脊柱、膝、踝等等。
[0034]参见图2，提供一个计算机辅助系统100的典型的实施例，其中在计算机辅助系统100内可以计划或执行外科手术。所示的系统100可用于计划或执行，例如，股骨髋曰撞击(FAI)，或更具体地，凸轮撞击手术。该系统100也可以用于设计或执行其它适当的骨科手术。如所示，该系统100可包括一个或更多个医学成像设备102，一个或更多个手术设备104和计算设备106，该计算设备106与各医学成像设备102和手术设备104通讯。在手术计划中，该计算设备106可从所用的医学成像设备102接收医学图像。在外科手术中，当控制参数或指令传送至手术设备104时，该计算设备106还可以指的是医学图像。
[0035]图2的医学成像设备102可包括X射线设备、计算机断层扫描(CT)设备、磁共振成像(MRI)设备，荧光检查装置，超声设备，或可用于采集病理结构的二维图像或三维模型的任何其它合适的成像设备。例如，为了凸轮撞击手术的目的，医学成像设备102可包括至少一个CT设备，该CT设备用于捕获髋关节的二维切片或视图。更明确地，该CT设备102可用于捕获包括股骨头和股骨颈的股骨的轴向和/或冠状横截面。股骨的轴向以及冠状横截面能从股骨的近端或上端到远端或下端以相当高的分辨率，例如，约Imm的增量获得。接着，捕获的医学图像可以存储在本地的医学成像设备102和/或传送到计算设备106，用于进一步分析。基于对医学图像的分析及其任何用户的修改，计算设备106可以进一步传送在外科手术中操纵或引导手术设备104的、合适的控制参数或指令。
[0036]图2的手术设备104可包括解剖结构上使用的手术工具，包括骨钻、钻、探头、锯、摄像机、镜、灌洗设备、抽吸设备、放射治疗设备等，的任意组合。手术设备104可进一步设有机械或机电装置，该机械或机电装置在外科手术中自动驾驭，或至少部分地引导手术工具通过解剖结构。例如，手术设备104可包括使手术工具能基本自动操作或为用户提供手术工具的至少一些手动操作的计算机辅助和/或触觉型或机器人引导的手术工具。在完全自动的应用中，该手术设备104可仅基于计算设备106提供的预设置的控制参数或指令操作。在其它应用中，如触觉引导的应用，该手术设备104可用于以适合根据计算设备106产生的控制参数限制手术工具的某些动作和/或操作的方式向用户引导或提供感觉反馈。因此，传送至手术设备104的控制参数可对应与所需切除体积相关的三维空间数据、与切除体积的横截面切片有关的一系列二维数据等等。
[0037]图2的计算设备106可以另外地与用于显示医学成像设备102捕获的医学图像的各显示设备108，以及用于接收来自用户，比如外科医生等的任何另外的输入的输入设备110通讯。该显示设备108可包括液晶显示器(IXD)、阴极射线管(CRT)显示器、等离子屏、触摸屏，或能使用户可以看见病理性结构的医学图像的任何其它输出设备。具体地，显示设备108显示的医学图像可以表示为病理性结构的二维或三维透视图。例如，在针对凸轮撞击手术的应用中，该显示设备108可以用于显示病理性股骨的多个轴向和/或冠状横截面中的一个或多个。该输入设备110可包括键盘、鼠标、轨迹球面、触摸屏、触摸板、麦克风、拨号盘、开关、按钮，摄像机，或能使用户将信息输入该计算设备106中的任何其它输入设备。该计算设备106还可包括硬件，比如用于在本地和至少暂时存储数据的存储器112，和用于执行一组预编程的步骤或算法的处理器114。存储在存储器112中的数据可包括由一个或更多个医学成像设备102提供的医学图像的集合，以及可能与瞬时病理性结构相关的任何其它数据。该存储器112还可以用于在本地存储处理器114为了执行算法步骤可能要求的算法或任何其它数据。在可替换的实施例中，该计算设备106可包括控制器、微控制器、可编程只读存储器(PROM)的形式、现场可编程门阵列(FPGA)，或可用于根据预定义的一系列步骤运行的任何其它合适的电路设置。基于所述医学成像设备102提供的医学图像和用户提供的任何输入，计算设备106的处理器114可用于产生一系列控制参数，通过该控制参数，该手术设备104可以执行或引导用户进行外科手术。
[0038]转向图3的实施例，提供一种典型的方法或算法200，通过该方法或算法200，由计算设备104及其相关的处理器114可以，例如，自动协助计划或执行凸轮撞击手术。具体地，该计算设备104及其相关的处理器114可以用软件预编程，从而根据图3所示的步骤201-210运行。在可选步骤201中，计算设备106可以接收病理性髋关节300的医学图像，如图4，其展示了骨盆304的髋白302、股骨306以及股骨头308和颈310，颈310使股骨306枢转地连接至髋白302。更明确地，医学图像可包括由CT医学成像设备102提供的髋关节300的多个横截面切片或轴向视图。从图4的轴向视图中，可能确定股骨306上的增生312的位置和凸轮撞击的位置，或增生312与髋曰302撞击的地方。医学图像还可包括冠状视图或任何其它横截面切片，其充分地显示髋关节300的相关区域。在更进一步的修改中，医学图像可包括髋关节300的侧视图。
[0039]根据图3的算法200的步骤202，该计算设备106可基于在步骤201接收的医学图像确定股骨306内的具体标志物。例如，如图5所示，可从轴向CT图像选定或确定至少与股骨头中心HC，股骨颈中心NC和颈轴NA对应的标志物。头中心HC可以定义为近似于股骨头308的外表面的圆环或球面S的中心。可以基于股骨306的三维模型确定的拟合球面S的参数。更多具体地，对应股骨头308的外表面的多个坐标点可应用于最小二乘球面拟合子算法等等，从而构建最近似股骨头308的球面S并基于其最中心点确定头中心HC。可替换地，基于近似股骨头308的横截面周长的多个二维圆环的计算出的最中心点可得到头中心HC。在更进一步的替代方案中，通过计算使用自动边缘检测滤波器等等检测和接近的股骨头308的外表面的最中心点可得到头中心HC。颈中心NC可定义为从两个或更多个正交平面，例如，其轴向和冠状切片，确定的股骨颈310的共同的横截面中点。此外，颈轴NA可定义为横穿头中心HC和颈中心NC的轴。
[0040]一旦已经确定标志物，计算设备106可以产生一系列所需的切除轮廓，从该切除轮廓中可以最终构建切除体积。此外，每个切除轮廓可以用限定在股骨头308的各径向切片内的两个或更多个轮廓点来构建。例如，如图6所示，算法200在步骤203中能可选地使计算设备106在与颈轴NA成一定角度范围内产生股骨头308的多个径向切片。角度范围可以在用户手动定义的或所述算法200基于，例如，股骨上髁和头中心HC自动定义的坐标系内确定。对于股骨头308的各径向切片，算法200可使计算设备106确定病理性α角αρ。如图7所示，病理性α角αρ可以由颈轴NA和连接头中心HC与近似球面S上的点Ps的线之间的角定义。点Ps可以定义为股骨头308第一次偏离近似球面S并且因此，可以指示增生312在股骨头308上的起源的点。基于病理性α角α ρ，该计算设备106可确定具有最大病理性α角αρ的径向切片，并且进一步地，确定或辅助确定与其对应的所需α角ad。更明确地，该计算装置106可以使用户能够输入适于减轻股骨306的撞击症状的所需α角ad。例如，如图8所示，外科医生可以输入约50°的所需α角a d，或者，按照常规标准可以认为对髋关节是理想的的任何其它α角。由用户提供的并由计算设备106接收的值可以是标量输入值、矢量输入值，或可以适当地由计算设备106解释为所需α角Cid的任何其它形式或值的组合。在替换实施例中，该计算设备106可用于确定对应步骤203中产生的各径向切片的所需α角ad。
[0041]在图3的步骤204中，该计算设备106能可选地用于自动地确定或辅助用户手动地确定切除弧如图9所示。在步骤203中产生的各个单独的径向切片中，可以基于相对于近似球面S获得的具体的增生的深度，或相对深度^的测量结果确定切除弧例如，如图10所示，各径向切片的增生的相对深度可基于该近似球面S的半径和增生的总深度D。之间的差而确定。总深度D。可测量为头中心HC与围绕颈轴NA的预定义角Θ处的增生表面之间的距离。如图10所示，角Θ可预定义为约45°，或在其周围的近似范围内。在所示的特定实施例中，增生的相对深度化可以使用关系& = Rs-D0通过近似值量化。所得的各径向切片的相对深度可以用图形表示，如图11中进一步所示。如所示，相对深度的正指数可对应总深度D。小于近似球面S的半径Rs的股骨306表面，而负指数可对应总深度D。大于近似球面S的半径Rs的股骨306表面。图11中指数的量级可指示股骨306表面和近似球面S之间的大致偏移度。基于这些指数，该计算设备106可以自动地确定或辅助用户手动确定切除弧或表现出明显增生并且需要注意的径向切片的范围。例如，在图11的实施例中，可选定切除弧\为包括这样的径向切片范围:使相对深度值比表现出具有负指数和相当高的量级，或大约与颈轴NA成角0°和角160°之间的角度的径向切片的范围。
[0042]一旦已经定义切除弧在步骤205中，该计算设备106可以继续确定在切除弧\内各径向切片中的切除轮廓的第一轮廓点ps。更具体地，算法200可使该计算设备106首先确定分别对应位于切除弧内，例如，图11中的0°和160°的第一个和最后一个径向切片的第一轮廓点Ps，start和Ps，md。如图12所示,各第一轮廓点Ps，start和Ps，md可定义为在各自的径向切片内病理性α角αρ和股骨306的表面边界之间的交点。为了确定对应位于第一和最后一个径向切片之间的径向切片的中间或局部第一轮廓点Ps, 1(K;al，该计算设备106可以生成，例如，插值曲线C，如图13所示。在其它方面，可以至少部分地基于第一轮廓点Ps，start和Ps，md，切除弧?颈轴NA，近似球面S等插入曲线C1O更明确地，曲线C1可用于接近第一径向切片的第一轮廓点Ps，start和最后一个径向切片的第一轮廓点Ps，md之间的局部第一轮廓点ps,1(x;al的位置。该计算设备106的算法200能可选地修改，从而以与确定各第一轮廓点Ps，start和Ps，md相同的方式分别确定对应各中间径向切片的局部第一轮廓点Ρ3>1.1，而不是使用这种插值方案。
[0043]如图3的步骤206所示，该计算设备106可至少部分地基于所需α角a d另外确定切除轮廓的第二轮廓点Pi。在可替换的实施例中，该第二轮廓点P1可以表示特定切片的切除端。类似于第一轮廓点ps，start和ps，md，第二轮廓点P1可以定义为在步骤203中事先确定的所需α角ad和病理性股骨306的表面边界之间的交点。此外，第二轮廓点P1可以对应具有最大病理性α角αρ的径向切片，例如，根据图13的位于40°的径向切片。该算法200可以进一步使该计算设备106确定对应切除弧\内的其它剩下的径向切片的局部第二轮廓点Pu。-，如图12所示。例如，如图13所示，该计算设备106可以在属于第一径向切片的第一轮廓点Ps，start和第二轮廓点P1之间产生插值曲线C2，从而接近处于0°和40°之间的径向切片的局部第二轮廓点Pu。-的位置。类似地，可以在属于最后一个径向切片的第一轮廓点Ps，md和第二轮廓点P1之间产生插值曲线，从而接近，例如，根据图13，在处于40°和160°之间的径向切片中的局部第二轮廓点Piatrcal的位置。在可替换的实施例中，该计算设备106能以与首先确定第二轮廓点P1相同的方式确定各中间径向切片的局部第二轮廊点 Pl，1ral。
[0044]在图3的步骤207中，该计算设备106可以另外确定股骨颈310的所需变形区或第三轮廓点P2，通过该第三轮廓点P2，第一和第二轮廓点Ps，P1的切除轮廓可以平滑地融合或顺从。例如，在处于切除弧内的各径向切片中，该第三轮廓点P2可以自动地或由用户手动地定义为最接近颈轴NA的股骨颈310的表面边界上的点。任选地，对于一个或更多个径向切片，该用户可以手动地选定所需的第三轮廓点P2的位置。因此，对于选定的切除弧a,内的各径向切片，该计算设备106可用于限定至少两个轮廓点，例如，从病理性α角%获得的第一轮廓Aps，以及从所需α角ad获得的第二轮廓点Pl。该计算设备106可另外用于限定基于股骨颈310的表面边界的变形区或第三轮廓点ρ2。此外，对于各径向切片，该计算设备106可以将第一轮廓点ps设计为切除的起点，第二轮廓点P1设计为切除的中间点，而第三轮廓点P2设计为切除的终点。通过结合切除弧\内的各径向切片的切除轮廓，该算法200能模拟代表性的病理性股骨306上的新的骨表面。
[0045]事先获得的切除轮廓和相关的轮廓点Ps、P1、P2可用其它方案或技术获得。通过上文的描述，这样的修改对本领域技术人员来说将是显而易见的并且不脱离本发明的范围。例如，图3的方法或算法200可在步骤201中使用CT医学成像设备102提供的股骨306的横截面切片或轴向视图限定切除轮廓，而不是基于径向切片限定切除轮廓。更明确地，该计算设备106可以省略图3的步骤203和204，并基于步骤201中接收的医学图像和步骤202中确定的标志物继续确定切除轮廓的相关的轮廓点。
[0046]在这种可修改的算法200的步骤205中，该计算设备106可基于股骨306的病理性α角αρ确定所需切除轮廓的第一轮廓点Ps。如图7所示，病理性α角αρ可以通过测量颈轴NA和连接头中心HC与近似球面S上的点Ps的线之间的角确定。点Ps可以定义为股骨头308第一次偏离近似球面S，并且因此，可以表示增生312在股骨头308上的起源的点。此外，对于从股骨头308的上端至股骨头308的下端或颈310获得的各个横截面切片，可以在相当高的分辨率下确定病理性α角αρ和相关的第一轮廓点Ps。对于各轴向图像，第一轮廓点Ps可定义为在各切片中股骨头308从近似球面S的对应横截面偏离的点。可以重构从单独的轴向图像采集的第一组轮廓点Ps，从而形成点Ps的侧带，Ps的侧带在三维域中限定增生312在股骨头308上的起源。
[0047]在图3的步骤206中，计算设备106基于股骨306的所需α角a d确定所需轮廓的第二轮廓点Pl。更明确地，计算设备106可以使用户或者外科医生能够输入适于减轻股骨306的碰撞症状的所需α角ad。例如，如图8所示，外科医生可以输入大约50°的所需α角a d，或者按照常规标准认为是理想的任何其它α角。由用户提供并且由计算装置106接收的值可以是标量输入值、矢量输入值，或可以由计算设备106解释为所需α角Cid的任何其它形式或值的组合。基于选定的所需α角a d，计算设备106可以更进一步确定第二轮廓点Pi。如图8所示，计算设备106可以将第二轮廓点定义为近似股骨头308的球面S和源自头中心HC并且以颈轴NA产生角Cid的线之间的交点。该切除轮廓的第二轮廓点P1可以表示为可以移除的股骨头308的增生312的深度和股骨颈310的所需起点。步骤205中，对于各横截面图像，例如贯穿股骨头308和颈310的长度所得的轴向CT图像，也可以确定第二轮廓点Pl。连同第一组轮廓点Ps，可以重构从各单独的图像采集的第二组轮廓点P1,以形成可以切除的股骨头308的三维边界或深度。
[0048]在图3的步骤207中，该计算设备106可进一步适于确定股骨颈310上的所需变形区或第三轮廓点P2，通过该所需变形区或第三轮廓点P2，第一和第二轮廓点Ps，P1的所需切除轮廓可以平滑地融合。计算设备106可以使用户能够用显示设备108、输入设备110或其组合输入第三轮廓点P2。如图14所示，例如，对于每个横截面切片，例如，贯穿股骨颈310的长度取得的轴向CT图像，该计算设备106可以使用户能够在股骨颈310上选定第三轮廓点P2。从单独的横截面图像中收集的所得的第三组轮廓点P2可以重构，形成环绕股骨颈310的外周的三维带，表明切除体积应该结束的地方。也如图14所示，计算设备106能可选地使用户能够选择垂直于颈轴NA并表明所需切除轮廓与股骨颈310应该融合的地方的变形平面Pm。接着，计算设备106可以基于变形平面Pm与股骨颈310的外表面相交的地方确定一组三维轮廓点P2。在又一替代方案中，计算设备106可以在没有用户输入的情况下自动检测最佳的变形平面Pm和/或第三组轮廓点P2。例如，通过将边缘检测或者其它图像识别技术应用于医学图像，计算设备106可以自动提示在股骨颈310上的最适合的轮廓点P2组，所需切除轮廓可以通过该最适合的轮廓点P2组变形。
[0049]因此，可以通过对图3的算法200进行任何适当的修改配置计算设备106，例如，使用径向或者轴向切片，以得到所需的一组切除轮廓。基于步骤201提供的医学图像以及步骤202-207中确定的参数，计算设备106可进一步根据步骤208产生新的骨表面和/或切除体积。更明确地，计算设备106能够在空间上限定并将待从病理性股骨306移除的切除体积的三维模型叠加于股骨306的三维模型上。在特定实施例中，计算设备106可以自动提供一个或更多个另外的控制点，从而进一步限定所需切除轮廓。计算设备106可确定位于近似球面S和在第一和第二轮廓点ps，P1之间的更中间的点P(l。例如，如图15所示，在中间点Po和第二轮廓点P1之间的轮廓可以大致趋于沿着近似球面S并顺应轮廓点P1-P2定义的轮廓。例如，如图16所示，第一轮廓点ps和中间轮廓点Ptl之间的轮廓可以相似地大致趋于沿着近似球面S并顺应轮廓点Ptl-P2定义的轮廓。在其它替代性的修改中，计算设备106使用户能够手动地提供一个或更多个另外的控制点，从而进一步限定所需切除轮廓。
[0050]如图16中进一步说明，计算设备16可以另外或者可选择地定义位于股骨颈310的更下部的更多个横向点P3。如图15所示，基于一个或更多个另外的控制点Ptl, P3，以及用户定义的轮廓点P1, P2,计算设备106可以产生参数多项式曲线Ptl-P3，其与各控制和轮廓点Ptl, P1, p2，P3—致，并顺应股骨306的总的所需结构。如图16所示，参数多项式曲线Ptl-P3也可结合一个或更多个分段的轮廓，如点Ps-Ptl之间的轮廓，以进一步限定所需切除轮廓。所得的轮廓，例如，图17中的Ps-P2可以表示股骨306待切除的最合适轮廓。对于所有其他相关切片，计算设备106可以类似地产生对应的切除轮廓，并在三维域中，将该切除轮廓径向地或轴向地叠加至新的骨表面和/或切除体积的空间模型。
[0051]此外，根据图3的可选步骤209，计算设备106可以将对应之前产生的新的骨表面和/或切除体积的控制参数或指令传送至计算机辅助和/或触觉型或机器人引导的手术设备104 (例如，如在共同转让的美国专利号8，010, 180中所公布的)。对于计算机辅助手术设备104，例如，计算设备106可以传递对应通过布尔运算确定的病理性骨表面和新的骨表面之间的切除体积的三维模型的控制参数。更明确地，计算装置106可以从病理性股骨306的三维模型中减去在步骤208中确定的新的骨表面的三维模型以得到切除体积的三维模型。计算设备106还可以在二维域中对股骨306的各径向或轴向切片执行类似的布尔运算。例如，如图18所示，从病理性股骨306的二维图像中减去股骨306的新轮廓ps-p2的二维图像可以提供闭合轮廓。如图19所示，对各横截面重复布尔运算可提供一系列的闭合轮廓，其可进一步叠加，从而在三维空间中构建对应的切除体积。虽然图18和19中所示的视图可表示股骨306的轴向横截面或者切片内形成的闭合轮廓，算法200能可选地在径向横截面或切片内形成围绕颈轴NA可旋转地叠加的闭合轮廓。
[0052]通过叠加闭合轮廓，计算设备106能够产生切除体积的三维模型，如图20所示。计算设备106还可以将对应切除体积的控制参数，例如，以相当高的刷新率或者实时地，传送至合适的手术设备104从而在外科手术中在视觉上引导用户。例如，如图21所示，计算设备106可以，比如通过颜色代码，区分来自股骨306的保留部分的切除体积。可选地，如图22-24所示，在触觉型或机器人弓I导的手术应用中，计算设备106可传送对应闭合体积的控制参数。更明确地，计算装置106可以使用两条或者更多条曲线段产生一系列平面轮廓，例如，图22和23中的所需切除轮廓的线段Ps-Ptl和Pc1-P2t5通过结合图23的平面轮廓，计算设备106能够构建图24的三维的闭合切除体积，并且进一步地，将对应闭合切除体积的控制参数传递至适当的触觉型或者机器人引导的手术设备104.例如，在更进一步的修改中，计算设备106可适于构建径向轮廓而不是使用图12的切除轮廓构建的平面轮廓，并且可旋转地围绕颈轴NA结合以形成闭合切除体积。这样的闭合切除体积可进一步确保手术设备104在整个手术过程中保持在切除体积的边界内，并且没有另外的骨质不必要地移除。
[0053]在更进一步的修改中，例如,在图3的可选择步骤210中，计算设备106能够诊断具有新产生的骨表面和/或切除体积的髋关节300的运动范围。更明确地，计算设备106可以使用图形模型或者图3的步骤201-208产生的图像表示模拟髋关节300的运动。这样的诊断可以用于确定切除体积是否足够并充分修正病理性关节300，并且，如果不能，辅助用户确定待作出的具体调整。例如，如果对髋关节300的计划切除导致运动范围的不足，诊断步骤210可以在视觉上辅助用户并更准确地确定需要调整的切除体积的具体区域。诊断步骤210可通过用户控制可手动操作，也可以通过计算装置106自动执行并评估运动学模拟。此外，步骤210的诊断可以在步骤209传送控制参数之前执行，使得对切除体积或手术计划的任何修改可以在实际操作之前进行。
[0054]基于上文，可见本发明提供一种用于计划和执行骨科撞击症状的手术治疗的更简化的方法。更具体地，本发明提供能使更常规、更有效并且更准确地确定常规治疗的解剖结构的切除体积的手术计划方法和系统。虽然为了说明的目的仅描述了一些实施例，但从上述的描述中，替换和修改对本领域技术人员来说是显而易见的。这些或其它替换可被认为是等效的并且在本发明和权利要求的本质和范围内。
【权利要求】
1.一种用于确定具有股骨头和股骨颈的病理性股骨的切除体积的方法，其包括步骤: 基于病理性股骨的病理性α角确定所需轮廓的第一点； 基于病理性股骨的所需α角确定所需轮廓的第二点； 在病理性股骨的股骨颈上确定所需轮廓的第三点；以及 基于所需轮廓的第一、第二和第三点产生病理性股骨的切除体积。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，针对多个径向切片中的每一个来确定所需轮廓，所述多个径向切片围绕股骨颈的轴设置，并位于切除弧之间，所述切除体积通过将所需轮廓的三维重构体叠加于病理性股骨的三维模型上产生。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，针对延伸于病理性股骨的上端和下端之间的多个轴向横截面中的每一个来确定所需轮廓，所述切除体积通过将所需轮廓的三维重构体叠加于病理性股骨的三维模型上产生。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括在病理性股骨的至少一个股骨头和股骨颈上确定所需轮廓的第四点的步骤。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括通过模拟髋关节运动学以产生的切除体积诊断股骨的运动范围的步骤。
6.一种用于确定具有股骨头和股骨颈的病理性股骨的切除体积的方法，其包括步骤: 从医学成像设备接收病理性股骨的医学图像；基于所述医学图像确定病理性股骨的标志物；确定病理性股骨的至少一个第一轮廓点和第二轮廓点，所述第一轮廓点对应病理性α角，所述第二轮廓点对应所需α角； 确定所述病理性股骨上的变形区；以及 基于所述第一轮廓点、所述第二轮廓点和所述变形区产生切除体积。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二轮廓点对应切片的切除端。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述标志物包括股骨头中心、股骨颈中心和穿过股骨头中心和股骨颈中心的股骨颈轴，所述股骨头从股骨头的一个最小二乘法球面拟合，以及接近所述股骨头的横截面周长的多个二维圆环获得。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述二维圆环用自动边缘检测滤波器在股骨头的轴向横截面上获得。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一轮廓点为病理性股骨头偏离近似股骨头的球面的点，所述病理性α角为股骨颈轴和连接股骨头的中心与第一轮廓点的线之间的角。
11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，至少基于所述第一轮廓点、第二轮廓点和所述变形区，并针对多个径向切片中的每一个来确定所需轮廓，所述多个径向切片围绕股骨颈轴设置、并位于切除弧之间，所述切除体积通过将所需轮廓的三维重构体叠加于病理性股骨的三维模型上产生。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，基于各径向切片的增生的相对深度自动确定所述切除弧，所述相对深度以围绕股骨颈轴的预定角度测量。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述切除弧被设置为包括一个或多个径向切片，所述径向切片的相对深度为负指数。
14.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，至少基于所述第一轮廓点、第二轮廓点和变形区，并针对延伸于病理性股骨的上端和下端之间的对各轴向横截面中的每一个来确定所需轮廓，所述切除体积通过将所需轮廓的三维重构体叠加于所述病理性股骨的三维模型上产生。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述所需轮廓为闭合平面轮廓。
16.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括将对应所述切除体积的控制参数传送至手术设备的步骤。
17.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括通过模拟髋关节运动以产生的切除体积诊断股骨的运动范围的步骤。
18.一种用于切除具有股骨头和股骨颈的病理性股骨的系统，其包括: 至少一个医学成像设备，所述医学成像设备用于输出病理性股骨的医学图像；以及 计算设备，所述计算设备与所述医学成像设备通讯，所述计算设备包括存储器和处理器，所述存储器和处理器用于从所述医学成像设备接收医学图像、基于病理性股骨的病理性α角确定所需轮廓的第一点，基于病理性股骨的所需α角确定所需轮廓的第二点、确定病理性股骨的所需变形区，并基于所述第一点、第二点和所需变形区产生所述病理性股骨的切除体积。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，进一步包括至少一个手术设备，所述计算设备用于将对应切除体积的控制参数传送至所述手术设备。
20.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述计算设备与显示设备和输入设备通讯，所述显示设备用于向用户显示医学图像，所述输入设备用于从用户接收对应至少所述所需α角和所需变形区的输入。
【文档编号】A61B17/3205GK104185451SQ201280066279
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2012年10月5日 优先权日:2011年11月8日
【发明者】斯耐哈·卡索德卡尔, 康孝世, 艾尔伦·莫泽斯 申请人:马可外科公司