矫形手术中使用三维图像重建来辅助评估骨或软组织畸变的系统和方法技术方案

本发明专利技术公开矫形手术中使用三维图像重建来辅助评估骨或软组织畸变的系统和方法，涉及一种用于计算外部骨丢失以用于患病前关节的对准的系统和方法，包括：从至少两个二维(2D)射线照相图像生成手术区域的三维(3D)计算机模型，其中至少第一射线照相图像是在第一定位处捕获的，并且其中至少第二射线照相图像是在第二定位处捕获的，并且其中该第一定位不同于该第二定位；识别该3D计算机模型上的骨丢失区域；以及应用表面调节算法以计算拟合该骨丢失区域的外部缺失骨表面。区域的外部缺失骨表面。区域的外部缺失骨表面。

【技术实现步骤摘要】
矫形手术中使用三维图像重建来辅助评估骨或软组织畸变的系统和方法

技术介绍

[0001]1.相关申请的引用
[0002]本申请要求于2021年7月1日提交的美国临时申请第63/217,567号的权益。这一相关申请的公开内容在此全部并入本公开中。
2.

[0003]本公开大体涉及矫形关节置换手术领域，并且更具体地，涉及使用摄影测量术和三维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。
[0004]3.相关领域
[0005]关节置换手术的新兴目标是恢复患病前关节的自然对准和旋转轴。然而，这一目标在实践中可能难以实现，因为关节不仅包括关节骨，还包括辅助支撑骨和各种软组织，包括软骨、韧带、肌肉和肌腱。过去，外科医生会避免完全恢复自然对准，或者会基于从人群样本中得出的平均值来估计对准角度和其他维度。然而，这些平均值通常无法考虑到特定患者的解剖结构的自然变化，尤其是当患者患有骨关节炎等慢性骨变形疾病时。
[0006]为了解决这一问题，一些护理人员开始使用计算机断层成像(“CT”) 扫描和磁共振成像(“MRI”)技术来检查患者的内部解剖结构，以便帮助规划矫形手术。来自这些CT扫描和MRI的数据甚至已用于以数字形式创建三维 (“3D”)模型。这些模型可发送给专业人员，以设计并生产用于该手术的患者专用植入物和器械。可以使用增材制造技术(例如，3D打印)和其他常规生产技术来构造适合患者特定解剖结构的物理植入物或器械。
[0007]然而，获得CT扫描和MRI可能是复杂、耗时并且昂贵的。CT扫描还往往会使患者在每次治疗中暴露于比使用其他非侵入性成像技术诸如传统射线照相或超声波的情况下患者可能另外经历的辐射更高水平的辐射。此外，安排方面的考虑有时会将CT扫描或MRI检查安排在实际手术前一个月或更早时间。逐渐将矫形外科手术转移到门诊日间手术中心(“ASC”)的趋势可能会加剧这种延迟。ASC往往是较小的设施，通常缺乏昂贵的现场CT扫描仪和MRI机器。这通常会迫使患者在医院安排检查预约。
[0008]检查预约与手术之间的时间延长会增加患者的骨骼和软组织解剖结构在正常使用或疾病进展下进一步恶化或改变的风险。进一步恶化不仅可能会引起患者额外的不适，还会对检查数据对手术团队的有用性产生负面影响。这对于根据过时数据创建的患者专用植入物，以及对于尝试基于患病前关节的自然对准来恢复运动范围的手术技术而言可能尤其成问题。此外，术前检查预约与手术之间的时间延长会增加外部事件对数据产生负面影响的可能性。例如，引起在规划的手术区域发生脱臼或骨折的意外事件通常会破坏先前检查数据的有用性。这种风险在特别活跃或特别虚弱的个体中可能更高。
[0009]另外，并非所有患者都能进行CT扫描或MRI以创建患者专用植入物或器械。这可能部分是由于进行以下操作所需的时间量：获取数据，将数据发送给医疗装置设计专家，产生所需解剖结构的3D模型，基于数据或模型创建患者专用器械或植入物设计，生产患者专用
器械或植入物，跟踪该患者专用器械或植入物并将其运送到手术中心，以及在手术前对该器械或植入物进行消毒。缺乏可用性也可能与患者的医疗保险和疾病类型有关。
[0010]了解患者的软骨和骨丢失的精确数量对于尝试恢复患病前关节的自然运动范围的手术可能是有用的。示例包括初次膝关节置换手术(通常称为“全膝关节成形术”或“TKA”)、总髋关节成形术“THA”和尝试缓解股骨髋臼撞击综合征(“FAI”)的病因的手术。
[0011]以膝关节和TKA手术为例：正常的膝关节通常有一条关节线(更具体地说，“屈伸(“FE”)旋转轴”)，其通常相对于胫骨的机械内侧
‑
外侧 (“ML”)线内翻约2度(
“°”
)至3
°
。在解剖对准TKA手术中，外科医生通常在相对于股骨ML线外翻约3
°
的位置处切除患者的股骨远端髁的一部分，接着垂直于胫骨的纵轴切除胫骨，这会导致切除胫骨ML线的约2
°
至3
°
内翻。然后，外科医生将人工关节的部件放置在经切除区域并对该部件进行测试，评估患者的运动范围，接着根据需要进行调节。
[0012]然而，每个患者的生理机能略有不同。出于这一原因，并且由于检查数据附近的外部变量，许多TKA外科医生选择更针对患者的运动学对准方法，并使用旨在术中定位患者的患病前关节线的工具和手术。这些工具往往测量未磨损或磨损较小的股骨髁的透明关节软骨的厚度。此类工具往往具有与工具的测量端相关联的厚度计。工具的测量端通常插入磨损较小的髁上的软骨的最厚区域中，直到测量端的尖端到达下面的骨。然后，外科医生使用厚度计来测量并记录剩余软骨的量。接着，外科医生将此测量值用作磨损髁上的软骨磨损量的近似值。
[0013]然而，这种技术有若干局限性。首先，磨损较小的髁可能没有足够的剩余软骨来进行准确测量。其次，即使在磨损较小的髁中有足够的关节软骨的情况下，这种软骨测量技术也不能考虑到磨损髁上发生的骨丢失。当相邻髁上几乎没有剩余软骨时，这一问题可能会加剧。因此，现有的术中技术无法用于可靠地测量所有运动学对准TKA中软骨和骨的精确丢失，因此，这些技术加上准确术前数据的问题和可用性，可能会危及人工关节线与自然患病前关节线的准确对准。反复研究表明，改变患病前关节的自然旋转轴的人工关节往往会导致功能不良、植入物过早磨损和患者不适。

技术实现思路

[0014]因此，长期以来一直被认识到但尚未解决的需要是增强术前和术中成像技术，用以在规划和执行矫形手术时准确地对骨畸变和其他生理机能进行建模。
[0015]对常规术前CT和MRI成像技术的使用受限问题、由于骨和软骨在术前成像与外科手术之间的时间内的恶化而导致的数据准确性问题，以及使用当前可用术中工具和技术产生的确定患病前骨或关节的自然关节线的局限性问题，通过用于计算骨畸变程度的系统和/或方法得到缓解，该系统和/或方法包括：使用深度学习网络从受试者矫形元件的至少两个独立的二维(“2D”)输入图像的输入中识别骨畸变区域，其中该至少两个独立的2D输入图像中的第一图像是从第一横向定位处捕获的，并且其中该至少两个独立的2D输入图像中的第二图像是从与第一横向定位偏置某一偏置角度的第二横向定位处捕获的；以及计算校正区域，其中该校正区域移除该骨畸变区域。
[0016]可设想的是，在某些示例性实施方案中，第一输入图像和第二输入图像可以是射线照相输入图像。在不受理论束缚的情况下，可设想的是，射线照片可允许对手术区域进行
体内分析，并且可考虑到被动软组织结构和手术区域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。
[0017]可设想的是，根据本公开的某些实施方案可用于根据源于手术区域的软骨和骨解剖结构的数据和/或源于手术区域的软组织结构的数据来创建患者专用的外科手术规划、植入物和器械。
附图说明
[0018]前述内容将从本公开的示例性实施方案的以下更具体描述中显而易见，如附图中所示。附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种系统，所述系统用于以下各项，包括：包括手术区域的矫形元件3D模型，所述3D模型是从至少两个2D射线照相图像生成的，其中至少第一射线照相图像是在第一定位处捕获的，并且其中至少第二射线照相图像是在第二定位处捕获的，并且其中所述第一定位不同于所述第二定位；计算机器，所述计算机器被配置为识别所述3D模型上的骨畸变区域并且进一步被配置为应用表面调节算法，其中所述表面调节算法被配置为从所述3D模型移除所述骨畸变区域并估计骨表面的形貌以置换所述骨畸变区域。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述表面调节算法是曲线拟合算法。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括显示器，其中所述3D模型显示在所述显示器上。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述显示器是增强现实装置或虚拟现实装置。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括X射线成像机。6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括制造装置，其中所述制造装置被配置为产生所述3D模型的至少一部分的物理模型。7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述制造装置被配置为产生所述骨畸变的物理模型。8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述骨畸变的所述物理模型是负骨畸变的相反体积。9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述制造装置是增材制造装置。10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述骨畸变的所述物理模型包括医疗级聚酰胺。11.一种由包括以下各项的方法产生的骨畸变3D模型：校准射线照相成像机以确定射线照相图像点与对应空间坐标之间的映射关系，从而定义空间数据；使用射线照相成像技术捕获受试者矫形元件的第一射线照相图像，其中所述第一射线照相图像定义第一参考帧；使用所述射线照相成像技术捕获所述受试者矫形元件的第二射线照相图像，其中所述第二射线照相图像定义第二参考帧，并且其中所述第一参考帧以某一偏置角度与所述第二参考帧偏置；投影来自所述受试者矫形元件的所述第一射线照相图像的空间数据和来自所述受试者矫形元件的所述第二射线照相图像的空间数据以定义体积数据；使用深度...

【专利技术属性】
技术研发人员：小布莱恩，
申请(专利权)人：微创骨科学控股股份有限公司，
类型：发明
国别省市：