术中使用摄影测量对准手术要素的系统和方法与流程

背景技术：

1、1.相关申请的引用

2、本申请要求2021年9月30日提交的美国临时申请第63/250,906号的优先权的权益。这一相关申请的公开内容在此全部并入本公开中。

3、2.技术领域

4、本公开整体涉及矫形关节置换手术领域，并且更具体地，涉及使用摄影测量和三维(“3d”)重建技术来辅助外科医生和技术人员规划并执行矫形手术。

5、3.相关领域

6、髋关节置换术的目的是恢复患者患病前髋关节的自然对准和运动范围。然而，这一目标在实践中可能难以实现，因为髋关节不仅包括关节骨，还包括各种软组织，包括软骨、肌肉、韧带和肌腱。在所有髋关节成形术中，特别是在微创髋关节成形术中，这些软组织的存在可能严重限制外科医生的视野。该问题在具有高体重指数的患者中更为显著。

7、在髋关节成形术中，骨盆本身几乎完全封闭在软组织中。在微创手术中，主切口最终暴露髋臼与股骨头近端的接合处，但是该主切口通常引导外科医生的视线越过髋臼的边缘(即，周边)。延伸越过手术腿的一个或多个四头肌的入口切口可以与髋臼的凹面对准，但是股骨的近端必须被移出并旋转离开髋臼以暴露该视野。

8、更复杂的是，通过入口切口的手术区域的视野通常比通过主切口的视野更加有限。内窥镜相机可以通过入口切口放置以捕获髋臼凹面的图像，但是髋臼的凹面缺少可用于可靠地指示髋臼和骨盆的位置的骨标记物(即，标志)。此外，股骨的任何移动都可能通过结缔软组织传递到骨盆，从而破坏内窥镜相机捕捉的任何图像的有用性。因此，使用内窥镜相机将不必要地延长手术过程，并且在准确地反映髋臼相对于股骨近端的位置方面效果非常有限。

9、人工髋关节植入物通常包括髋臼壳体，外科医生将该髋臼壳体放入髋关节的扩孔髋臼中。该髋臼壳体可容纳衬垫，该衬垫基本上用作股骨部件的大致球形头部的支承件。该股骨部件通常包括杆柄部、颈部和头部。当安装时，柄部被插入到股骨的经切除和扩孔的近端中。颈部将柄部的近端连接到头部。头部又被放置在人工髋臼杯中，并且通常抵靠髋臼杯的衬垫设置。

10、因为外科医生的手术区域的视野经常被软组织阻挡，所以过去外科医生依靠外部标记来尝试估计髋臼杯在髋臼中的正确对准。授予murphy的美国专利公开号2013/0165941就是一个这样的例子。其他供应商提供定位导向件，该定位导向件包括外部水平定位杆和竖直定位杆，该定位杆被设计成与笛卡尔平面的轴线类似。为了尝试实现大约40度(“°”)至大约45°的髋臼杯的外展角，外科医生将引导件放置成与患者的身体纵向轴线(即，从患者的头部延伸至腹股沟的身体的假想中心线)大致呈对角地定位，使得水平定位杆将大致平行于身体纵向轴线设置。为了尝试实现约10°至约15°的前倾角，外科医生将沿着竖直定位杆相对于身体纵向轴线略微提升定位装置。

11、这些外部标记不考虑患者的特定解剖结构，也不考虑骨盆相对于这些标记的运动。例如，完全可能的是，当给定患者仰卧时，患者的左髋臼可定位成略低于患者的右髋臼。此外，许多髋关节成形术需要对患者进行重新定位，以形成某些切口或接近手术区域的某些部分。如上所述，股骨的运动很可能通过软组织传递到骨盆。考虑到在整个标准髋关节成形术中需要对患者进行多次重新定位，对于依赖外部标记的现有髋臼杯定位引导件而言，骨盆不太可能总是位于建议的使用参数范围内。

12、考虑到要让外科医生能够直接看到股骨近端，就需要使股骨近端从髋臼(或髋臼杯，视情况而定)脱位(并因此错位)，正确地对准、确定尺寸和安装股骨部件甚至更加困难。因此，许多外科医生依靠声音和感觉来接近可接受的股骨柄位置。股骨柄和髋臼杯都被压入它们各自的骨头中。股骨柄太大可能容易使股骨近端断裂。作为正常使用的结果，股骨柄太小可能会随着时间的推移下沉到股骨的髓腔中。下沉可能缩短患者的步态，并将不适当的压力施加到颈部、头部和衬垫的部分上，从而加速磨损。

13、另外，即使髋臼杯以期望的外展角和前倾角放置在扩孔髋臼中，并且即使尺寸适当的股骨柄被安置在股骨近端中，以前使用常规技术无法获知股骨部件相对于髋臼杯的位置。术中荧光镜透视检查可用于生成股骨部件相对于髋臼部件的二维(“2d”)图像，但是荧光镜图像缺少足够的3d信息来确保精确对准。例如，利用传统的荧光镜透视检查，无法获知骨盆倾斜。因此，也无法获知骨盆上的任何骨标志的取向。由于不能精确地确定骨盆的取向，因此不可能单独使用荧光镜透视检查来精确地计算患病前自然关节线的位置。此外，长时间使用荧光镜透视检查会使患者受到过量辐射。

14、股骨部件的头部相对于髋臼杯的不正确对准可能导致操作腿相对于对侧腿缩短、头部相对于髋臼杯错位、以及增加髋臼杯、衬垫、头部或颈部的一个部分的受力(由此增加了磨损率并缩短了植入物的寿命)。这些缺点中的任何一个都可能导致患者不适。

15、因此，外科医生不得不满足于在相当大的髋臼杯位置误差范围内操作。尽管有可用的工具和程序，在典型的髋关节成形术中对准重建的髋关节是基于经验、有根据的猜测和偶然。这一问题在微创髋关节成形术中特别显著，部分原因是外科医生的视野非常有限。

技术实现思路

1、因此，长期以来一直被认识到但尚未解决的需求是增强术前和术中成像技术，用以在规划和执行髋关节成形术时准确地对手术关节解剖和人工假体植入物进行建模。

2、通过用于确定矫形元件在空间中的位置的示例性系统或方法，可以减轻在使用当前可用的术前或术中工具和技术的微创手术中外科医生的手术区域的可视化有限的问题，以及这种可视化的缺乏可能导致的不对准的伴随问题，该系统或方法包括：使用深度学习网络来对矫形元件和该假体植入物的部件进行识别和建模，并将该矫形元件的该模型和该假体植入物的该模型映射到来自受试者矫形元件的至少两个单独的二维(“2d”)输入图像的输入的空间数据，其中该至少两个独立的2d输入图像的第一图像是从第一横向位置捕获的，并且其中该至少两个独立的2d输入图像的第二图像是从与第一横向位置以偏置角度偏置的第二横向位置捕获的。

3、在示例性实施方案中，该输入图像可以是射线照相图像。不受理论的束缚，射线照片可能是理想的，因为该射线照片允许体内分析，该体内分析可考虑到被动软组织结构和髋关节周围发生的动态力的外部总和，包括韧带约束、承重力和肌肉活动的影响。

4、不受理论的束缚，可以设想通过将矫形元件的模型和假体植入物的部件的模型映射到空间数据，可相对于所映射和建模的植入物部件来计算所映射和建模的矫形元件的位置。如果该系统应用于两个或多个矫形元件和假体植入物的两个或多个部件，该假体植入物的该部件可有利地相对于彼此对准。

5、还可设想，本文所述的某些示例性系统和方法可被配置为精确地预测植入物部件相对于相邻矫形元件的期望尺寸。

6、还可进一步设想，本文所述的某些示例性系统和方法可被配置为相对于将植入该假体植入物部件的矫形元件精确地定向假体植入物部件的位置。

技术特征：

1.一种用于确定矫形元件和假体植入物的部件在空间中的位置的系统，所述系统包括：

2.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括第三输入图像，所述第三输入图像由所述组织穿透成像机从第三参考帧获取，所述第三图像描绘所述校准夹具。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的系统，其中所述深度学习网络还被配置为识别多个矫形元件和所述假体植入物的多个部件，以定义多个所识别矫形元件和所述假体植入物的多个所识别部件。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述假体植入物的多个所识别部件中的第一所识别部件是髋关节假体植入物的髋臼部件，并且其中所述假体植入物的多个所识别部件中的第二所识别部件是髋关节假体植入物的股骨部件。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中所述假体植入物的所识别部件是髋臼壳体，并且其中所识别矫形元件是靠近所述髋臼壳体的扩孔髋臼。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中所述假体植入物的所识别部件是股骨柄，并且其中所识别矫形元件是靠近所述股骨柄的股骨的髓腔。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中所识别矫形元件被三维建模以定义建模的矫形元件。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所建模的矫形元件显示在显示器上。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中所述假体植入物的所识别部件被三维建模以定义所述假体植入物的建模部件。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述假体植入物的所建模部件显示在显示器上。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统，其中所述假体植入物的所识别部件的经计算外展角显示在显示器上。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的系统，其中所述假体植入物的所识别部件的经计算前倾角显示在显示器上。

技术总结
用于确定矫形元件在空间中的位置的系统和方法，包括：使用射线照相成像技术在不同的参考帧中捕获矫形元件的第一图像和第二图像，使用深度学习网络检测定义该矫形元件上或该矫形元件中的解剖标志的空间数据，将掩模应用于由解剖标志定义的该矫形元件，对来自该第一图像和该第二图像的该空间数据进行投影以定义体积数据，将该深度学习网络应用于该体积数据以生成该矫形元件的经重建三维模型；以及将该矫形元件的该三维模型映射到该空间数据，以确定该矫形元件的该三维模型在三维空间中的位置。

技术研发人员：B·R·哈里斯,F·W·鲍曼
受保护的技术使用者：微创骨科学控股股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17