一种用于假体对齐的计算机辅助系统技术方案

本申请涉及计算机辅助的假体对齐。本申请公开了一种假体对齐计算设备，包括：处理器单元，被配置为：计算目标骨模型与假体模型之间的一个或多个区域不当对齐，目标骨模型包括目标骨的关节表面（“第一表面”）的目标骨的表面的表示，假体模型包括配置为至少部分替换关节表面的假体的表面（“第二表面”）的表示，其中计算一个或多个区域不当对齐包括：确定目标骨模型和假体模型中的相应分段；从相应分段中提取一个或多个特征；和根据提取出的相应分段的一个或多个特征，计算相应分段之间的相似性；以及基于一个或多个区域不当对齐产生可视的关节接口表示，当假体模型对着目标骨模型定位时，关节接口表示指示假体表面的一个或多个部分与关节表面的相应的一个或多个部分在空间上不当对齐。

A computer aided system for prosthesis alignment

【技术实现步骤摘要】
一种用于假体对齐的计算机辅助系统优先权的权利要求此专利申请要求2014年3月5日提交的美国临时专利申请序列号No.61/948,102的优先权的权益，其由此通过引用的方式被整体并入此处。
此文档一般涉及计算机辅助的矫形外科手术，并且更特别地涉及用于计算机辅助地将假体对齐和定位至骨表面上的系统和方法。
技术介绍
使用计算机、机器人和成像来辅助矫形外科手术在本领域内是公知的。已经存在被用于引导外科手术过程的计算机辅助的导航和机器人系统的大量研究和发展。例如，精确手绘雕刻师采用机器人外科手术系统来辅助外科医生准确地将骨头切成期望的形状。在诸如全髋部替换的干预中，计算机辅助的外科手术技术已经被用于改进外科手术的准确性和可靠性。由图像引导的矫形外科手术也已经被发现在预先规划和引导骨折中移位的骨骼片段的正确解剖位置方面是有用的，允许通过骨缝术的良好固定。功能失调的关节(诸如髋部或膝盖)在关节炎、无血管性坏死或其它衰弱病理状态的情况下可能需要外科手术治疗。关节表面重修成形术是在其中关节组织的一部分(诸如关节表面)由表面重修假体替换的关节替换过程。在某些患者尤其是年轻人和具有相对强壮的骨头的有活力的患者中，已经发现关节表面重修成形术是对传统的全关节替换(诸如全膝盖或全髋部替换)的可行的替代。作为实例，髋部表面重修关节成形术涉及用髋臼中的杯型假体衬垫替换所述髋臼中的磨损的软骨和损坏的骨组织。股骨头可以被修整以及被重新成形，并且股骨假体帽可以被永久地附接至所述修整的股骨头。所述假体带帽的股骨头和所述髋臼杯随后可以被重新连接以恢复髋关节的功能。
技术实现思路
关节表面重修组件的适当的定位对假体移植过程(诸如关节表面重修成形术)的结果可能是至关重要的。在髋部表面重修关节成形术中，在所述髋臼杯被压力装配至所述表面重修的髋臼中之前，髋臼杯需要被适当地定位至所述表面重修的髋臼上并与所述表面重修的髋臼对齐。相似地，在所述股骨帽可以被粘牢到所述修整的股骨头中之前，所述股骨帽必须被与所述修整的主股骨头适当地对齐。将表面重修组件适当地对齐和定位至各自的主骨上允许关节移动的所期望的范围和灵活性。然而，假体组件的不当定位可以导致冲击、增大的脱臼率、所述假体的磨损和失效，连同许多其它并发症。特别地，股骨颈在髋部表面重修的髋臼组件上的冲击可以导致股骨颈骨折和所述髋臼组件的变松。将假体定位至表面重修的目标主骨上通常需要外科医生在内心映射和比较所述假体组件和所述目标骨骼的形状、方位和相对位置。计算机辅助的工具可以被用于辅助所述外科医生更好地将所述假体组件与所述目标骨骼对齐。然而，这些方法和工具可能难以操作，并且可能遭受可靠性和确定性的缺乏。例如，一些外科手术区域可能已经降低了可视性和访问，尤其是在微创外科手术和关节镜技术期间。在所述假体组件上和/或所述主目标骨骼上识别不当对齐的区域可能是有问题的并且不精确的，归因于所述外科手术区域内的周围组织的干扰。确定并且可视化所述假体相对于所述目标骨骼的正确位置和方位可能实际上是困难的。因此，本专利技术人已经认识到：对于可以辅助外科医生以改进的准确度和一致性可靠地将所述假体定位至所述目标骨骼上的系统和方法存有相当大的需求。此处所描述的各种实施例可以帮助改进在将假体(诸如表面重修组件)定位至目标骨骼(诸如主股骨或髋臼)上时的准确性和可靠性。当被集成在机器人外科手术仪器内或者结合机器人外科手术仪器而被使用时，本系统和方法可以改进经历矫形过程的患者结果。例如，假体定位和对齐系统可以包括处理器单元和用户接口单元。所述处理器单元可以接收包括表示目标骨骼表面的第一数据集合的目标骨骼模型和包括表示假体表面的第二数据集合的假体模型。所述假体被配置成至少部分地替换所述目标骨骼的关节表面。使用所述目标骨骼表面表示和所述假体表面表示，当所述假体模型对着所述目标骨骼模型而被定位时，所述处理器单元可以生成指示所述假体表面的一个或多个部分和所述目标骨骼表面的一个或多个部分之间的空间不当对齐的关节接口表示。所述用户接口可以包括接收所述目标骨骼模型或所述假体模型的位置的改变的指示的用户输入模块。所述用户接口也包括可以显示所述目标骨骼模型、所述假体模型和所述关节接口表示中的一个或多个的显示模块。用于将假体表面与目标骨骼表面对齐的方法实施例可以包括接收目标骨骼模型(其包括表示目标骨骼表面的数据集合)、假体模型(其包括表示假体表面的数据集合)和所述目标骨骼模型的位置相对于所述假体模型的位置的指示的操作。所述方法也包括：当所述两个模型相对彼此被定位在某些位置和方位时，生成关节接口表示，其指示与所述目标骨骼表面的一个或多个部分在空间上不当对齐的所述假体表面的一个或多个部分。所述目标骨骼模型、所述假体模型和所述关节接口表示中的一个或多个可以被显示在显示模块上，以向系统用户(诸如外科医生)提供反馈，并且辅助所述系统用户将所述假体适当地定位在所述目标骨骼上。本文档的机器可读存储介质实施例可以包括如下这样的指令：当由机器执行时，致使所述机器接收目标骨骼模型(其包括表示目标骨骼表面的第一数据集合)、假体模型(其包括表示假体表面的第二数据集合)、以及所述目标骨骼模型的位置相对于所述假体模型的位置的指示。可以致使所述机器生成关节接口表示，其指示当所述两个模型相对彼此被定位在某些位置和方位时，与所述目标骨骼表面的相应的一个或多个部分在空间上不当对齐的所述假体表面的一个或多个部分。所述指令也可以致使所述机器将所述目标骨骼模型、所述假体模型和所述关节接口表示中的一个或多个显示在显示模块上，以向系统用户提供反馈。此
技术实现思路
是本申请的教导中的一些的概述，并且不是意在是本主题的排他的或穷尽的处理。关于本主题的进一步的细节在详细的描述和随附的权利要求中被发现。一旦阅读并理解了下面的详细描述以及查看了形成其一部分的附图，本专利技术的其它方面对本领域技术人员而言将是显而易见的，所述附图中的每个不将被理解为限制意义。本专利技术的范围由所附的权利要求以及它们的合法等同方案限定。附图说明各种实施例经由所述附图的各图中的实例而被示出。这样的实施例是说明性的，并且不是意在是本主题的穷尽的或排他的实施例。图1是示出了假体对齐和定位系统的实例的框图。图2是示出了假体对齐和定位系统中的关节接口生成器的实例的框图。图3A-D示出了在股骨表面和所述假体的一个位置处的假体表面之间的关节接口表示的实例。图4A-D示出了在股骨表面和所述假体的另一位置处的假体表面之间的关节接口表示的实例。图5是示出了用于将假体表面与目标骨骼表面对齐的方法的实例的流程图。图6是示出了用于生成关节接口表示的方法的实例的流程图。图7是示出了在其内可以执行用于致使计算机系统执行假体对齐的指令的计算机系统的实例的框图。具体实施方式此处所公开的是用于计算机辅助地将假体组件定位和对齐至目标骨骼上的系统、装置和方法。此处所描述的各种实施例可以帮助改进骨整形术规划中的(诸如矫形移植外科手术中的)效能和可靠性。此处所描述的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种假体对齐计算设备，包括：/n处理器单元，被配置为：/n计算目标骨模型与假体模型之间的一个或多个区域不当对齐，所述目标骨模型包括目标骨的表面（“第一表面”）的表示，所述目标骨的表面包括目标骨的关节表面，所述假体模型包括配置为至少部分替换关节表面的假体的表面（“第二表面”）的表示，其中计算一个或多个区域不当对齐包括：/n确定目标骨模型和假体模型中的相应分段；/n从相应分段中提取一个或多个特征；和/n根据提取出的相应分段的一个或多个特征，计算相应分段之间的相似性；以及/n基于所述一个或多个区域不当对齐产生可视的关节接口表示，当所述假体模型对着目标骨模型定位时，所述关节接口表示指示所述假体表面的一个或多个部分与所述关节表面的相应的一个或多个部分在空间上不当对齐。/n

【技术特征摘要】
20140305 US 61/9481021.一种假体对齐计算设备，包括：
处理器单元，被配置为：
计算目标骨模型与假体模型之间的一个或多个区域不当对齐，所述目标骨模型包括目标骨的表面（“第一表面”）的表示，所述目标骨的表面包括目标骨的关节表面，所述假体模型包括配置为至少部分替换关节表面的假体的表面（“第二表面”）的表示，其中计算一个或多个区域不当对齐包括：
确定目标骨模型和假体模型中的相应分段；
从相应分段中提取一个或多个特征；和
根据提取出的相应分段的一个或多个特征，计算相应分段之间的相似性；以及
基于所述一个或多个区域不当对齐产生可视的关节接口表示，当所述假体模型对着目标骨模型定位时，所述关节接口表示指示所述假体表面的一个或多个部分与所述关节表面的相应的一个或多个部分在空间上不当对齐。


2.根据权利要求1所述的设备，其中基于所述目标骨模型和所述假体模型的表面表示的位置或形态学特征来确定所述目标骨模型和所述假体模型中的相应分段。


3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中所提取的一个或多个特征是基于强度的特征。


4.根据权利要求3所述的设备，其中基于所提取的相应分段的一个或多个强度特征，将所述相似性测量计算为相关系数，交互信息或比率图像均匀性。


5.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中所述相似性测量包括在相应分段中所提取的一个或多个特征之间的距离测量。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中所述目标骨模型包括所述目标骨的所述第一表面的第一三维图形表示，并且所述假体模型包括所述假体的第二表面的第二三维图形表示。


7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中所述处理器单元还被配置为生成所述目标骨模型，所述假体模型和所述关节接口表示中的至少一个的多个指定的视角。


8.根据权利要求1至7中的任一项所述的设备，其中所述处理器单元被配置为生成所述关节接口表示包括：所述处理器单元被配置为生成颜色编码的表示，所述颜色编码的表示包括与在第一方向上和所述目标骨的所述第一表面的第一部分不当对齐的所述假体的所述第二表面的第一部分相关联的第一颜色，以及与在第二方向上和所述目标骨的所述第一表面的第二部分不当对齐的所述假体的所述第二表面的第二部分相关联的不同的第二颜色。


9.根据权利要求8所述的设备，其中所述颜色编码的表示进一步包括不同于所述第一和第二颜色的第三颜色，所述第三颜色与相对于所述第一表面的第三部分被布置在第三指定的范围内并且不与所述第一表面的第三部分不当对齐的所述假体的所述第二表面的第三部分相关联。


10.根据权利要求1至7中的任一项所述的设备，其中所述处理器单元被配置为生成所述可视关节接口表示包括：所述处理器单元被配置为生成颜色编码的表示，所述颜色编码的表示包括各自与在第一方向上和所述目标骨的所述第一表面的第一部分不当对齐第一指定量的所述假体的所述第二表面的第一部分相关联的第一组颜色，以及各自与在第二方向上和所述目标骨的所述第一表面的第二部分不当对齐第二指定量的所述假体的所述第二表面的第二部分相关联的第二组颜色。


11.根据权利要求1至10中的任一项所述的设备，其中所述处理器单元还被配置为生成注释性表示，所述注释性表示包括与在第一方向上和所述目标骨的所述第一表面的第一部分不当对齐的所述假体的所述第二表面的第一部分相关联的第一标志，以及与在第二方向上和所述目标骨的所述第一表面的第二部分不当对齐的所述假体的所述第二表面的第二部分相关联的不同的第二标志。


12.根据权利要求1至11中的任一项所述的设备，其中所述处理器单元被配置成响应于包括所述目标骨模型和所述假体模型中的一个或两者的所述位置的改变的所述指示的所述用户输入而更新所述可视关节接口表示。


13.根据权利要求1至12中的任一项所述的设备，其中所述处理器单元进一步被配置成使用所述可视关节接口表示计算对齐指数，并且响应于所述对齐指数满足指定的标准而确定所述目标骨的所述第一表面和所述假体的所述第二表面之间的期望的对齐。


14.一种系统，包括：
根据权利要求1至13中任一项所述的设备，以及
用户接口单元，包括：
用户输入模块，其被配置成接收包括所述第一和第二模型中的一个或两者的位置的改变的指示的用户输入；和
显示模块，其被耦合至所述用户输入模块和所述处理器单...

【专利技术属性】
技术研发人员：B雅拉马茨，C尼库，
申请(专利权)人：蔚蓝纽带科技公司，
类型：发明
国别省市：美国;US