用于手术配准的系统和方法技术方案

手术配准系统。该系统可以包括与手术导航系统和手术装置通信的至少一个计算装置。该至少一个计算装置：a)接收与股骨外表面上的位置相对应的外部骨配准数据；b)基于外部骨配准数据计算第一配准变换；c)基于第一配准变换将手术计划的第一去骨计划变换到手术坐标系；d)从股骨的内管接收与位置或取向数据中的至少一项相对应的内部骨管配准数据；e)基于外部和内部骨管骨配准数据计算第二配准变换；f)基于第二配准变换将手术计划的第二去骨计划变换到手术坐标系。手术坐标系。手术坐标系。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于手术配准的系统和方法
[0001]对相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2019年3月5日提交的美国临时申请第62/814,057号的权益，该申请通过引用整体并入本申请。


[0003]本公开总体上涉及用于骨科关节置换手术的手术系统，并且更具体地，涉及手术配准的方法。

技术介绍

[0004]机器人系统通常用于需要高度准确度和/或精确度的应用中，例如手术程序或其他复杂任务。这样的系统可以包括各种类型的机器人，例如自主的、遥控的和交互式的。
[0005]对于某些类型的手术，例如关节置换手术，交互式机器人系统可能是优选的，因为它们使外科医生能够保持对手术程序的直接、手动控制，同时仍然实现高度的准确度和/或精确度。例如，在膝关节置换手术中，外科医生可以以被动方式使用交互式、触觉引导的机械臂来雕刻骨骼以接收关节植入物，例如膝关节植入物。为了雕刻骨骼，外科医生手动抓住并操纵机械臂以移动联接到机械臂的切割工具(例如，旋转圆头锉)以在骨骼中切出凹袋。只要外科医生将圆头锉的尖端保持在例如由触觉对象定义的预定义的虚拟切割边界或限定的触觉边界内，机械臂就会以低摩擦和低惯性自由移动，从而外科医生将机械臂视为基本上没有重量，并且可以根据需要移动机械臂。然而，如果外科医生试图移动圆头锉的尖端以在虚拟切割边界外进行切割，则机械臂提供触觉反馈(例如，强制阻力)，以防止或禁止外科医生将圆头锉的尖端移动到虚拟切割边界之外。通过这种方式，机械臂可以实现高度准确、可重复的骨骼切割。当外科医生在相应的骨切口上手动植入膝关节植入物(例如，髌股部件)时，由于所切骨和膝关节植入物的构造及它们之间的界面，植入物通常会准确对齐。
[0006]上述交互式机器人系统也可用于髋关节置换手术，这可能需要使用具有不同功能(例如，铰孔、冲击)、不同配置(例如，直线、偏移)和不同的重量的多种手术工具。在2010年9月29日提交的题为“SURGICAL SYSTEM FOR POSITIONING PROSTHETIC COMPONENT AND/OR FOR CONSTRAINING MOVEMENT OF SURGICAL TOOL”的美国专利申请第12/894,071号中描述了一种设计用于容纳多种工具的系统，该申请在此全文以引用方式并入。
[0007]在髋关节置换手术以及其他机器人辅助或完全自主的手术程序中，包括骨盆和股骨在内的患者骨骼在术中与相应的虚拟或计算机骨骼模型配准以将实际物理骨骼的姿势(即，位置和旋转方向)与虚拟骨骼模型相关联。还相对于可包括至少一个自由度(例如，旋转圆头锉)的手术机器人、触觉装置或手术工具追踪患者骨骼(物理空间)。这样，通过计算机在虚拟骨骼模型上控制和定义的虚拟切割或触觉边界可以应用于患者骨骼(物理空间)，从而使触觉装置在工作于患者骨骼(物理空间)上时在物理运动(例如，锉动)上受到约束。
[0008]骨盆和股骨的术中配准可能具有挑战性。并且虽然本领域中存在用于配准患者骨盆和股骨的某些系统和方法，但本领域对于增加准确性同时减少配准时间的配准方法存在
需要。

技术实现思路

[0009]本公开的方面可包括用于配准手术装置和患者的股骨的系统。股骨可包括外表面和内管。患者的股骨和手术装置可以在手术坐标系中。该系统可以包括与手术导航系统和手术装置通信的至少一个计算装置。手术导航系统可以追踪手术装置。该至少一个计算装置存储虚拟坐标空间中的手术计划。该至少一个计算装置被配置用于以下步骤。该至少一个计算装置可以接收与股骨外表面上的位置相对应的外部骨配准数据。该至少一个计算装置可以基于外部骨配准数据计算第一配准变换。该至少一个计算装置可以基于第一配准变换将手术计划的第一去骨计划变换到手术坐标系。该至少一个计算装置可以从股骨的内管接收与位置或取向数据中的至少一项相对应的内部骨管配准数据。该至少一个计算装置可以基于外部骨配准数据和内部骨管配准数据两者计算第二配准变换。该至少一个计算装置可以基于第二配准变换将手术计划的第二去骨计划变换到手术坐标系。
[0010]在某些情况下，第一去骨计划可以被定义在所述虚拟坐标空间中并且可以包括用于从可以代表患者的股骨的所述内管的虚拟内管的第一去骨部分的第一坐标位置。
[0011]在某些情况下，第二去骨计划可以被定义在所述虚拟坐标空间中并且可以包括用于从可以代表患者的股骨的内管的所述虚拟内管的第二去骨部分的第二坐标位置。
[0012]在某些情况下，第一去骨计划的第一去骨部分包括比所述第一去骨计划和第二去骨计划组合更少的从虚拟管进行的骨去除。在某些情况下，第一去骨计划仅包括部分股骨管准备计划，其可以小于植入股骨植入物的柄所需的完整管准备计划。在某些情况下，第一去骨计划的第一去骨部分和所述第二去骨计划的第二去骨部分共同构成完整管准备计划。
[0013]在某些情况下，第二去骨计划包括机器人去骨部分和手动去骨部分。
[0014]在某些情况下，手动去骨部分可以被规划用于拉刀。
[0015]在某些情况下，用于所述第二去骨部分的第二坐标位置包括用于所述第一去骨部分的第一坐标位置。
[0016]在某些情况下，用于第二去骨计划的第二去骨部分的第二坐标位置包含用于第一去骨计划的第一去骨部分的第一坐标位置。
[0017]在某些情况下，手术导航系统可以包括包括追踪装置和至少一个被配置为在其移动中被所述追踪装置追踪的工具。
[0018]在某些情况下，手术计划还可以包括用于股骨颈蚀刻的位置和取向，所述至少一个计算装置被配置成接收对应于所述股骨颈上的物理标记的股骨颈蚀刻数据，所述标记小于所述股骨颈的完全切除。
[0019]在某些情况下，该至少一个计算装置进一步被配置成将所述第一配准变换与所述第二配准变换进行比较，并且基于所述比较继续进行所述第一配准变换或所述第二配准变换中的一个。
[0020]本公开的方面可以包括一种计算机实现的对手术装置和患者股骨进行配准的方法。股骨包括外表面和内管。手术装置和患者的股骨处于手术坐标系中。计算机实现的方法可以包括以下步骤。该方法可以包括接收与股骨的外表面上的位置相对应的外部骨配准数据的步骤。该方法可以包括基于外部骨配准数据计算第一配准变换的步骤。该方法可以包
括基于所述第一配准变换将手术计划的第一去骨计划变换到所述手术坐标系的步骤，所述第一去骨计划包括部分股骨管准备计划，该部分股骨管准备计划可以小于接收股骨植入物的柄所需的完整管准备计划。该方法可以包括从所述股骨的内管接收与位置或取向数据中的至少一项相对应的内部骨管配准数据的步骤。该方法可以包括基于所述外部骨配准数据和所述内部骨管配准数据计算第二配准变换的步骤。并且该方法可以包括基于所述第二配准变换将手术计划的第二去骨计划变换到所述手术坐标系的步骤。
[0021]在某些情况下，该方法还可以包括：确定植入物模型相对于股骨模型的计划植入物放置，所述股骨模型代表患者的股骨。
[0022]在某些情况下，该方法还可以包括：确定手术计划以便实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于配准装置和股骨的系统，股骨包括外表面和内管，所述股骨和该装置位于公共坐标系中，该系统包括：至少一个计算装置，该至少一个计算装置与导航系统和该装置通信，该导航系统被配置为追踪该装置，该至少一个计算装置在虚拟坐标空间中存储手术计划，该至少一个计算装置：a)接收与股骨的外表面上的位置相对应的外部骨配准数据；b)基于所述外部骨配准数据计算第一配准变换；c)基于所述第一配准变换将所述手术计划的第一去骨计划变换到所述公共坐标系；d)从股骨的内管接收与位置或取向数据中的至少一项相对应的内部骨管配准数据；e)基于所述外部骨配准数据和所述内部骨管配准数据计算第二配准变换；和f)基于所述第二配准变换将手术计划的第二去骨计划变换到所述公共坐标系。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一去骨计划被定义在所述虚拟坐标空间中并且包括用于从代表所述股骨的所述内管的虚拟内管的第一去骨部分的第一坐标位置。3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第二去骨计划被定义在所述虚拟坐标空间中并且包括用于从代表所述股骨的所述内管的所述虚拟内管的第二去骨部分的第二坐标位置。4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第一去骨计划的第一去骨部分包括比所述第一去骨计划和第二去骨计划组合更少的从虚拟管进行的骨去除。5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第一去骨计划仅包括部分股骨管准备计划，其小于植入股骨植入物的柄所需的完整管准备计划。6.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第一去骨计划的第一去骨部分和所述第二去骨计划的第二去骨部分共同构成完整管准备计划。7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第二去骨计划包括机器人去骨部分和手动去骨部分。8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述手动去骨部分被规划用于拉刀。9.根据权利要求3所述的系统，其中，用于所述第二去骨部分的第二坐标位置包括用于所述第一去骨部分的第一坐标位置。10.根据权利要求3所述的系统，其中，来自第二去骨计划的用于第二去骨部分的第二坐标位置包含来自第一去骨计划的用于第一去骨部分的第一坐标位置。11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述导航系统包括追踪装置和至少一个被配置为在其移动中被所述追踪装置追踪的工具。12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述手术计划还包括用于股骨颈蚀刻的位置和取向，所述至少一个计算装置：g)接收对应于所述股骨颈上的物理标记的股骨颈蚀刻数据，所述标记小于所述股骨颈的完全切除。13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个计算装置进一步：g)将所述第一配准变换与所述第二配准变换进行比较，并且基于所述比较继续进行所述第一配准变换或所述第二配准变换中的一个。14.一种装置和股骨配准的计算机实现的方法，所述股骨包括外表面和内管，所述装置和所述股骨位于公共坐标系中，所述计算机实现的方法包括：
接收与股骨的外表面上的位置相对应的外部骨配准数据；基于外部骨配准数据计算第一配准变换；基于所述第一配准变换将手术计划的第一去骨计划变换到所述公共坐标系，所述第一去骨计划包括部分股骨管准备计划，该部分股骨管准备计划小于接收股骨植入物的柄所需的完整管准备计划；从所述股骨的内管接收与位置或取向数据中的至少一项相对应的内部骨管配准数据；基于所述外部骨配准数据和所述内部骨管配准数据计算第二配准变换；以及基于所述第二配准变换将手术计划的第二去骨计划变换到所述公共坐标系。15.根据权利要求14所述的计算机实现的方法，还包括：确定植入物模型相对于股骨模型的计划植入物放置，所述股骨模型代表所述股骨。16.根据权利要求15所述的计算机实现的方法，还包括：确定手术计划以便实现规划的植入物放置，所述手术计划包括所述第一去骨计划和所述第二去骨计划。17.根据权利要求14所述的计算机实现的方法，其中，在相对于代表股骨的股骨模型的虚拟坐标系中规划所述第一去骨计划，该虚拟坐标系不同于所述公共坐标系，并且其中，基于所述第一配准变换将所述第一去骨计划变换到所述公共坐标系包括以与所述第一去骨计划相对于所述虚拟坐标系中的股骨模型的位置和取向相同的位置和取向，将所述第一去骨计划在所述公共坐标系中映射到所述股骨。18.根据权利要求14所述的计算机实现的方法，其中，在相对于代表股骨的股骨模型的虚拟坐标系中规划所述第二去骨计划，所述虚拟坐标系不同于所述公共坐标系，并且其中，基于所述第二配准变换将所述第二去骨计划变换到所述公共坐标系中包括以与所述第二去骨计划相对于所述虚拟坐标系中的股骨模型的位置和取向相同的位置和取向，将所述第二去骨计划在所述公共坐标系中映射到所述股骨。19.根据权利要求18所述的计算机实现的方法，其中，所述第二去骨计划包括从所述股骨的内管去除骨，其中，所述第二去骨计划包含所述第一去骨计划的骨去除。20.根据权利要求18所述的计算机实现的方法，其中，第二去骨计划包括去除超出第一去骨计划中的骨的额外骨。21.一种用于将第一坐标系中的第一骨骼的患者数据与在不同于所述第一坐标系的第二坐标系中的与第一骨骼相关联的手术计划配准的系统，所述第一骨骼包括头部和从头部延伸的轴部，该系统包括：a)与导航系统通信的至少一个计算装置，该导航系统包括追踪装置和被配置为在其移动中被追踪装置追踪的至少一个工具，该至少一个计算装置将手术计划存储在第二坐标系中，所述手术计划包括代表第一骨骼的虚拟骨骼模型、与虚拟骨骼模型相关联的第一去骨计划以及与虚拟骨骼模型相关联的第二去骨计划，所述至少一个计算装置：i)接收与所述第一骨骼相关联的第一数据点云，所述第一数据点云包括与所述第一骨骼的头部相关联的第一数据；ii)从所述第一数据点云计算第一配准变换；iii)使用所述第一配准变换，在第一去骨计划已存在于相对于虚拟骨骼模型的第二坐标系中时，将所述手术计划的第一去骨计划在相对于第一骨骼的位置和取向上变换到所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：Z，
申请(专利权)人：马科外科公司，
类型：发明
国别省市：