术前规划和对手术系统的相关术中配准技术方案

本公开的各方面涉及一种生成切除平面数据以用于规划患者骨骼上的关节成形手术的方法。该方法可以包括：获得与患者骨骼的至少一部分相关联的患者数据，患者数据使用医学成像机器而捕获；从患者数据生成三维患者骨骼模型，患者骨骼模型包括多边形表面网格；识别多边形表面网格上的后侧点的位置；创建以该位置为中心或中心在该位置附近的三维形状；识别由三维形状包围的多边形表面网格的所有顶点的最后侧顶点；使用最后侧顶点作为用于确定后侧切除深度的因素；并且使用后侧切除深度生成切除数据，所述切除数据被配置为在关节成形手术期间由导航系统使用。

Preoperative planning and intraoperative registration of surgical system

Various aspects of the disclosure relate to a method of generating excision plane data for planning arthroplasty on a patient's skeleton. The method may include: obtaining patient data associated with at least part of the patient's skeleton, which is captured by medical imaging machine; generating three-dimensional patient skeleton model from patient data, which includes polygonal surface mesh; identifying the position of the back points on the polygonal surface mesh; and creating three centers around or near the position. Dimensional shape; identifying the last vertex of all vertices of a polygon surface mesh surrounded by three-dimensional shape; using the last vertex as a factor for determining the depth of posterior resection; and generating resection data using the depth of posterior resection, which is configured for use by navigation systems during arthroplasty.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】术前规划和对手术系统的相关术中配准
本公开涉及医疗系统和方法。更具体地，本公开涉及手术的术前规划和相关信息的配准以供计算机化手术系统使用。
技术介绍
现代整形外科关节置换手术通常涉及手术的至少一定程度的术前规划，以便提高特定手术的有效性和效率。特别地，术前规划可以提高骨切除和植入物放置的准确性，同时减少手术的总时间和患者关节打开和暴露的时间。在执行整形外科关节置换手术中使用机器人系统可以大大减少特定手术的术中时间。越来越多地，手术的有效性可能基于术前规划阶段使用的工具、系统和方法。术前规划涉及的步骤的示例可包括确定：植入物大小、位置和取向；切除平面和深度；进入手术部位的轨迹；和其他事项。在某些情况下，术前规划可包括生成患者(一个或多个)骨骼的三维(“3D”)、患者特异性模型以进行关节置换。3D患者模型可以用作视觉辅助，用于规划植入物大小、植入物取向、植入物位置以及相应的切除平面和深度以及其他参数的各种可能性。虽然术前规划的某些方面的框架可能在本领域中是已知的，但是需要工具、系统和方法来进一步改进术前规划的某些方面以进一步提高机器人和机器人辅助的整形外科关节置换手术的效率和有效性。
技术实现思路
本公开的各方面可以涉及一种生成切除平面数据以用于规划患者骨骼上的关节成形手术的方法。该方法可以包括：获得与患者骨骼的至少一部分相关联的患者数据，患者数据使用医学成像机器而捕获；从患者数据生成三维患者骨骼模型，患者骨骼模型包括多边形表面网格；识别多边形表面网格上的后侧点的位置；创建以该位置为中心或中心在该位置附近的三维形状；识别可以被三维形状包围的多边形表面网格的所有顶点的最后侧顶点；使用最后侧顶点作为用于确定后侧切除深度的因素；使用后侧切除深度生成切除数据，所述切除数据被配置为在关节成形手术期间由导航系统使用。在某些情况下，三维患者骨骼模型可以是三维患者股骨模型。在某些情况下，该方法还可以包括：识别第一三维骨骼模型上的第一后侧点的第一位置；并且将第一三维骨骼模型上的第一位置映射到三维患者骨骼模型上的位置。所述第一位置与所述位置在位置上相关。在某些情况下，所述第一三维骨骼模型可以是一般骨模型。在某些情况下，所述三维形状可以包括半径为约7毫米的球体。在某些情况下，半径可以乘以缩放因子。在某些情况下，所述缩放因子可以是所述三维患者骨骼模型与一般骨骼模型之间的内侧-外侧或前-后大小差异之一。在某些情况下，多边形表面网格可以是三角形表面网格。在某些情况下，三维形状可包括球体。在某些情况下，所述导航系统在执行关节成形手术时与自主机器人或外科医生辅助设备协力操作。本公开的各方面可以涉及一种生成切除平面数据以用于规划患者骨骼上的关节成形手术的方法。该方法可以包括：获得与患者骨骼的至少一部分相关联的患者数据，所述患者数据使用医学成像机器而捕获；从患者数据生成三维患者骨骼模型，所述患者骨骼模型包括多边形表面网格；识别多边形表面网格上的远端点的位置；创建以该位置为中心或中心在该位置附近的三维形状；识别由所述三维形状包围的多边形表面网格的所有顶点的最远端顶点；确定所述最远端顶点是否太靠近所述三维形状的边界；如果所述最远端顶点可能不太靠近所述三维形状的边界，则使用所述最远端顶点作为确定远端切除深度的基础；和使用所述远端切除深度生成切除数据，所述切除数据被配置为在关节成形手术期间由导航系统使用。在某些情况下，三维形状可包括相对于所述三维患者骨骼模型定向成使得Rx内侧-外侧延伸、Ry前-后延伸并且Rz远侧-近侧延伸的椭圆体。在某些情况下，Rx可以是约7毫米，Ry可以是约10毫米，Rz可以是约7毫米。在某些情况下，如果所述最远端顶点的位置对于椭圆体函数：f＝x^2/a^2+y^2/b^2+z^2/c^2可能大于0.65，则所述最远端顶点可能太靠近椭圆体的边界，其中，x可以是所述第一位置和所述最远端顶点之间在x方向上的差，y可以是所述第一位置和所述最远端顶点之间在y方向上的差，并且z可以是所述第一位置和所述最远端顶点之间在z方向的差，a可以为Rx，b可以为Ry，并且c可以为Rz。在某些情况下，三维患者骨骼模型可以是三维患者股骨模型。在某些情况下，三维形状可包括椭圆体、球体、棱柱、立方体或圆柱体。在某些情况下，导航系统在执行关节成形手术时与自主机器人或外科医生辅助设备协力操作。本公开的各方面可以涉及一种生成切除平面数据以用于规划患者骨骼上的关节成形手术的方法。该方法可以包括：获得与患者骨骼的至少一部分相关联的患者数据，患者数据使用医学成像机器而捕获；从患者数据生成三维患者骨骼模型，所述患者骨骼模型包括多边形表面网格；识别所述多边形表面网格上的远端点的位置；创建以该位置为中心或中心在该位置附近的第一三维形状；识别由所述第一三维形状包围的多边形表面网格的所有顶点的最远端顶点；确定所述最远端顶点是否可以位于骨赘上；使用所述最远端顶点或所述最远端顶点的调整位置作为用于基于所述最远端顶点是否位于骨赘上来确定远端切除深度的基础；和使用所述远端切除深度生成切除数据，所述切除数据被配置为在关节成形手术期间由导航系统使用。在某些情况下，确定所述最远端顶点是否可以位于骨赘上可包括创建位于所述最远端顶点与所述位置之间的第二三维形状。在某些情况下，该方法可以进一步包括识别由所述第二三维形状包围的多边形表面网格的特定顶点，并使用与所述特定顶点相关联的信息来确定所述远端顶点是否可以位于骨赘上。在某些情况下，所述信息可以是与从关节表面突出的骨赘的存在相关联的方向上的最小值和最大值。在某些情况下，该方法可以进一步包括识别由所述第二三维形状包围的多边形表面网格的特定顶点，并使用在特定坐标方向上由所述第二三维形状包围的所述特定顶点之一的最小顶点值以及在该特定坐标方向上由所述第二三维形状包围的另一个特定顶点的最大顶点值来确定所述远端顶点是否可以位于骨赘上。在某些情况下，该方法可以进一步包括确定所述最大顶点值和所述最小顶点值之间的差，并使用该差来确定骨赘的存在。在某些情况下，所述第二三维形状可以包括具有约2毫米的半径的球体并且朝向距所述最远端顶点的位置1毫米居中。在某些情况下，该方法可以进一步包括识别由所述球体的边界包围的多边形表面网格的特定顶点，并确定在特定坐标方向上由所述边界包围的特定顶点之一的最大顶点值与在该特定坐标方向上由所述边界包围的另一个特定顶点的最小顶点值之间的差。在某些情况下，该方法可以进一步包括使用所述差来确定是增大还是减小球体的大小。在某些情况下，第一三维形状可包括椭圆体。在某些情况下，第二三维形状可包括球体。在某些情况下，导航系统在执行关节成形手术时与自主机器人或外科医生辅助设备协力操作。本公开的各方面可以涉及一种生成切除平面数据以用于规划患者骨骼上的关节成形手术的方法。该方法可以包括：获得与患者骨骼的至少一部分相关的患者数据；从患者数据生成三维患者骨骼模型，所述患者骨骼模型在三维坐标系中定向并且包括多边形表面网格；识别三维坐标系中与切除平面相关联的特定方向；识别多边形表面网格上的位置；在该位置处或该位置附近创建表面；识别在特定方向上延伸超出该表面最远的多边形表面网格的所有顶点中的特定顶点；使用该特定顶点作为用于确定特定切除深度的因素；和使用所述特定切除本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生成切除平面数据以用于规划患者骨骼上的关节成形手术的方法，所述方法包括：获得与患者骨骼的至少一部分相关联的患者数据，所述患者数据使用医学成像机器而捕获；从患者数据生成三维患者骨骼模型，所述患者骨骼模型包括多边形表面网格；识别多边形表面网格上的后侧点的位置；创建以该位置为中心或中心在该位置附近的三维形状；识别由所述三维形状包围的多边形表面网格的所有顶点的最后侧顶点；使用最后侧顶点作为确定后侧切除深度的因素；和使用后侧切除深度生成切除数据，所述切除数据被配置成在关节成形手术期间由导航系统使用。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种生成切除平面数据以用于规划患者骨骼上的关节成形手术的方法，所述方法包括：获得与患者骨骼的至少一部分相关联的患者数据，所述患者数据使用医学成像机器而捕获；从患者数据生成三维患者骨骼模型，所述患者骨骼模型包括多边形表面网格；识别多边形表面网格上的后侧点的位置；创建以该位置为中心或中心在该位置附近的三维形状；识别由所述三维形状包围的多边形表面网格的所有顶点的最后侧顶点；使用最后侧顶点作为确定后侧切除深度的因素；和使用后侧切除深度生成切除数据，所述切除数据被配置成在关节成形手术期间由导航系统使用。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述三维患者骨骼模型是三维患者股骨模型。3.根据权利要求1所述的方法，还包括：识别第一三维骨骼模型上的第一后侧点的第一位置；并且将第一三维骨骼模型上的第一位置映射到三维患者骨骼模型上的位置，其中，所述第一位置与所述位置在位置上相关。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一三维骨骼模型是一般骨骼模型。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述三维形状包括半径为约7毫米的球体。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述半径乘以缩放因子。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述缩放因子是所述三维患者骨骼模型与一般骨骼模型之间的内侧-外侧或前-后大小差异之一。8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多边形表面网格是三角形表面网格。9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述三维形状包括球体。10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述导航系统在执行关节成形手术时与自主机器人或外科医生辅助设备协力操作。11.一种生成切除平面数据以用于规划患者骨骼上的关节成形手术的方法，所述方法包括：获得与患者骨骼的至少一部分相关联的患者数据，所述患者数据使用医学成像机器而捕获；从患者数据生成三维患者骨骼模型，所述患者骨骼模型包括多边形表面网格；识别多边形表面网格上的远端点的位置；创建以该位置为中心或中心在该位置附近的三维形状；识别由所述三维形状包围的多边形表面网格的所有顶点的最远端顶点；确定所述最远端顶点是否太靠近所述三维形状的边界；如果所述最远端顶点不太靠近所述三维形状的边界，则使用所述最远端顶点作为确定远端切除深度的基础；和使用所述远端切除深度生成切除数据，所述切除数据被配置为在关节成形手术期间由导航系统使用。12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述三维形状包括相对于所述三维患者骨骼模型定向成使得Rx内侧-外侧延伸、Ry前-后延伸并且Rz远侧-近侧延伸的椭圆体。13.根据权利要求12所述的方法，其中，Rx为约7毫米、Ry为约10毫米并且Rz为约7毫米。14.根据权利要求13所述的方法，其中，如果所述最远端顶点的位置对于椭圆体函数：f＝x^2/a^2+y^2/b^2+z^2/c^2大于0.65，则所述最远端顶点太靠近椭圆体的边界，其中，x是所述第一位置和所述最远端顶点之间在x方向上的差，y是所述第一位置和所述最远端顶点之间在y方向上的差，并且z是所述第一位置和所述最远端顶点之间在z方向的差，a为Rx，b为Ry，并且c为Rz。15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述三维患者骨骼模型是三维患者股骨模型。16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述三维形状包括椭圆体、球体、棱柱、立方体或圆柱体。17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述导航系统在执行关节成形手术时与自主机器人或外科医生辅助设备协力操作。18.一种生成切除平面数据以用于规划患者骨骼上的关节成形手术的方法，所述方法包括：获得与患者骨骼的至少一部分相关联的患者数据，患者数据使用医学成像机器而捕获；从患者数据生成三维患者骨骼模型，所述患者骨骼模型包括多边形表面网格；识别所述多边形表面网格上的远端点的位置；创建以该位置为中心或中心在该位置附近的第一三维形状；识别由所述第一三维形状包围的多边形表面网格的所有顶点的最远端顶点；确定所述最远端顶点是否位于骨赘上；使用所述最远端顶点或所述最远端顶点的调整位置作为用于基于所述最远端顶点是否位于骨赘上来确定远端切除深度的基础；和使用所述远端切除深度生成切除数据，所述切除数据被配置为在关节成形手术期间由导航系统使用。19.根据权利要求18所述的方法，其中，确定所述最远端顶点是否位于骨赘上包括创建位于所述最远端顶点与所述位置之间的第二三维形状。20.根据权利要求19所述的方法，还包括识别由所述第二三维形状包围的多边形表面网格的特定顶点，并使用与所述特定顶点相关联的信息来确定所述远端顶点是否位于骨赘上。21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述信息是与从关节表面突出的骨赘的存在相关联的方向上的最小值和最大值。22.根据权利要求19所述的方法，还包括识别由所述第二三维形状包围的多边形表面网格的特定顶点，并使用在特定坐标方向上由所述第二三维形状包围的所述特定顶点之一的最小顶点值以及在所述特定坐标方向上由所述第二三维形状包围的另一个特定顶点的最大顶点值来确定所述远端顶点是否位于骨赘上。23.根据权利要求22所述的方法，还包括确定所述最大顶点值和所述最小顶点值之间的差，并使用该差来确定骨赘的存在。24.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第二三维形状包括具有约2毫米的半径的球体并且朝向距所述最远端顶点的位置1毫米居中。25.根据权利要求24所述的方法，还包括识别由所述球体的边界包围的多边形表面网格的特定顶点，并确定在特定坐标方向上由所述边界包围的特定顶点之一的最大顶点值与在所述特定坐标方向上由所述边界包围的另一个特定顶点的最小顶点值之间的差。26.根据权利要求23所述的方法，还包括使用所述差来确定是增大还是减小球体的大小。27.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一三维形状包括椭圆体。28.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第二三维形状包括球体。29.根据权利要求18所述的方法，其中，所述导航系统在执行关节成形手术时与自主机器人或外科医生辅助设备协力操作。30.一种生成切除平面数据以用于规划患者骨骼上的关节成形手术的方法，所述方法包括：获得与患者骨骼的至少一部分相关的患者数据；从患者数据生成三维患者骨骼模型，所述患者骨骼模型在三维坐标系中定向并且包括多边形表面网格；识别三维坐标系中与切除平面相关联的特定方向；识别多边形表面网格上的位置；在所述位置处或所述位置附近创建表面；识别在特定方向上延伸超出所述表面最远的多边形表面网格的所有顶点中的特定顶点；使用所述特定顶点作为确定特定切除深度的因素；和使用所述特定切除深度生成切除数据，所述特定切除数据被配置为在关节成形手术期间由导航系统使用。31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述表面是平面。32.根据权利要求30所述的方法，其中，所述表面是三维形状。33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述三维形状是球体、椭圆体、棱柱或立方体。34.根据权利要求30所述的方法，还包括识别第一三维骨骼模型上的第一后侧点的第一位置；并且将所述第一三维骨骼模型上的所述第一位置映射到所述三维患者骨骼模型上的位置，其中，所述第一位置与所述位置在位置上相关。35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述第一三维骨骼模型是一般骨骼模型。36.根据权利要求30所述的方法，其中，所述表面包括半径为约7毫米的球体。37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述半径乘以缩放因子。38.根据权利要求37所述的方法，其中，所述缩放因子是所述三维患者骨骼模型与一般骨骼模型之间的内侧-外侧或前-后大小差异之一。39.根据权利要求30所述的方法，其中，所述导航系统在执行关节成形手术时与自主机器人或外科医生辅助设备协力操作。40.一种生成切除平面和检查点定位数据以用于规划患者骨骼上的关节成形手术的方法，所述方法包括：获得与患者骨骼的至少一部分相关联的患者数据，所述患者数据使用医学成像机器而捕获；从患者数据生成三维患者骨骼模型，所述患者骨骼模型包括多边形表面网格；识别所述患者骨骼模型上的第一检查点的第一位置；识别切除平面相对于所述患者骨骼模型的第二位置，所述切除平面限定所述患者骨骼模型上在切除后要被暴露的切除表面；确定从所述第一位置到所述切除表面上的点的最短有符号距离矢量；使用与所述最短有符号距离矢量相关联的信息来确定所述第一检查点的所述第一位置是否太靠近所述切除平面的所述第二位置；和使用所述信息生成切除和检查点定位数据，所述切除和检查点定位数据被配置成在关节成形手术期间由导航系统使用。41.根据权利要求40所述的方法，还包括识别所述切除表面的法线，所述法线远离所述患者骨骼模型延伸并垂直于所述切除表面。42.根据权利要求41所述的方法，还包括：当所述法线和所述最短有符号距离矢量指向相反方向时，确定所述第一检查点的所述第一位置太靠近所述切除平面的所述第二位置。43.根据权利要求42所述的方法，其中，所述患者骨骼模型是股骨模型。44.根据权利要求42所述的方法，其中，所述患者骨骼模型是胫骨模型。45.根据权利要求41所述的方法，还包括：当所述法线和所述最短有符号距离矢量指向相同方向并且所述最短有符号距离矢量的大小小于或等于约4.50毫米时，确定所述检查点的位置太靠近所述切除平面。46.根据权利要求45所述的方法，其中，所述患者骨骼模型是股骨模型。47.根据权利要求45所述的方法，其中，所述患者骨骼模型是胫骨模型。48.根据权利要求40所述的方法，其中，所述导航系统在执行关节成形手术时与自主机器人或外科医生辅助设备协力操作。49.一种生成植入物位置和取向数据以用于规划患者骨骼上的关节成形手术的方法，所述患者骨骼包括外侧股骨区域、近端股骨区域和后侧股骨区域，所述方法包括：获得与患者骨骼的至少一部分相关联的患者数据；从所述患者数据生成三维患者股骨模型，所述患者股骨模型包括表面边界和皮质区域，所述患者股骨模型处于三维坐标系中，其中X轴在内侧-外侧方向上，Y轴在前-后方向上，其中+Y轴指向所述后侧股骨区域，并且Z轴在上-下方向上，其中+Z轴指向所述近端股骨区域；获得包括前凸缘部分的三维股骨植入物模型，所述前凸缘部分具有上边缘和前侧骨切除接触表面，所述前侧骨切除接触表面是平面的并且邻近所述上边缘；确定所述股骨植入物模型相对于所述患者股骨模型的位置和取向；延伸与所述前侧骨切除接触表面共面的触觉平面，所述触觉平面包括位于所述股骨植入物模型的前凸缘部分的上边缘上方的上边界；识别所述触觉平面的上边界上的一系列点；沿Y轴投影从所述一系列点中的每一个到所述患者股骨模型的表面边界的对应表面的矢量；基于所述矢量中的最小矢量的长度和方向确定发生切口；和基于所述股骨植入物模型相对于所述患者股骨模型的所确定的位置和取向生成植入部件位置和取向数据，所述植入部件位置和取向数据被配置成在关节成形手术期间由导航系统使用。50.根据权利要求49所述的方法，其中，在以下情况下发生切口：所述矢量中的最小矢量的长度等于或大于0毫米；并且所述矢量中的最小矢量的方向与坐标系的+Y轴相反。51.根据权利要求49所述的方法，其中，在以下情况下不发生切口：所述矢量中的最小矢量的长度大于0毫米；并且所述矢量中的最小矢量的方向与坐标系的+Y轴方向相同。52.根据权利要求49所述的方法，其中，所述长度基于可感知的切口深度。53.根据权利要求49所述的方法，其中，所述一系列点沿着所述触觉平面的上边界等间隔。54.根据权利要求53所述的方法，其中，所述一系列点基于所述患者股骨模型的皮质区域处或所述皮质区域附近的曲率半径等间隔。55.根据权利要求53所述的方法，其中，所述一系列点基于可感知切口的临床上相关的深度等间隔。56.根据权利要求53所述的方法，其中，所述一系列点基于以下内容等间隔：所述患者股骨模型的皮质区域处或所述皮质区域附近的曲率半径；和可感知切口的临床上相关的深度。57.根据权利要求49所述的方法，其中，所述一系列点等间隔约3.15毫米。58.根据权利要求49所述的方法，其中，使用医学成像机捕获所述患者数据。59.根据权利要求49所述的方法，其中，所述导航系统在执行关节成形手术时与自主机器人或外科医生辅助设备协力操作。60.一种生成植入物位置和取向数据以用于规划患者骨骼上的关节成形手术的方法，所述患者骨骼包括外侧股骨区域、近端股骨区域和后侧股骨区域，所述方法包括：获得与患者骨骼的至少一部分相关联的患者数据，所述患者数据使用医学成像机器而捕获；从患者数据生成三维患者股骨模型；获得包括前凸缘部分的三维股骨植入物模型，所述前凸缘部分具有相关联的触觉切除对象，所述触觉切除对象具有上边界边缘；确定所述股骨植入物模型相对于所述患者股骨模型的位置和取向；基于所述上边界...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·K·奥托，A·Z·阿巴西，M·埃基茨，D·佩雷斯，S·穆，X·李，TC·常，
申请(专利权)人：马科外科公司，
类型：发明
国别省市：美国,US