规划髌骨置换程序的计算机实施的方法技术

提供了一种为患者规划髌骨置换的方法。接收与患者解剖结构有关的输入(例如，人口统计信息)，并且从2D或3D医学成像获得成像数据。确定髌股关节的生物力学测量值，包括机械轴线和术前腿畸形。基于输入生成患者解剖结构的3D模型，并且3D模型根据髌骨的形态来表征。调整植入物尺寸并将其拟合到3D模型，并且基于生物力学优化植入物位置和取向。结果作为患者报告或手术计划输出到计算装置和/或存储介质。还提供了一种用于跟踪髌骨的跟踪器单元。跟踪器单元包括被配置成穿透所述髌骨的支撑件和用于由跟踪系统检测的基准标记物。由跟踪系统检测的基准标记物。由跟踪系统检测的基准标记物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】规划髌骨置换程序的计算机实施的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2020年10月9日提交的标题为―Automatic Patellar Tracking in Total Knee Arthroplasty(全膝关节置换术中的自动髌骨跟踪)”的美国临时申请第63/089,847号的优先权的权益，该临时申请以全文引用的方式并入本文中。


[0003]本公开大体上涉及用于在全膝关节置换术程序中自动化髌骨置换工作流的方法、系统和设备。更具体地，本公开涉及用于以患者特定的方式评估髌骨并自动化各种计算以便优化特定患者的髌骨植入物选择和放置，由此减少外科医生的认知负荷并降低术后疼痛或并发症的可能性的方法、系统和设备。

技术介绍

[0004]全膝关节置换术(TKA)程序旨在使用植入物替换膝关节并恢复天然膝关节的功能。在美国，每年进行超过600,000台全膝关节置换术。已进行大量研究来研发用于在TKA中正确定位和定向股骨和胫骨部件的技术和工具(例如，患者特定的器械(PSI)、股骨和胫骨定制切割引导件、股骨和胫骨术前模板化工具以及手术导航系统)。
[0005]在常规TKA程序中，通常使用髓内(IM)股骨对准系统来改善腿对准。使用远端股骨切割块仔细规划和执行远端股骨切除。特殊器械—尺寸设定引导件—用于设定股骨部件的旋转对准，并确定最佳股骨植入物尺寸。使用正确设定尺寸的前/后(A/P)切割块进行精确的前、后和倒角切割。对于胫骨切除，执行类似的手术步骤以仔细地规划和切除近端胫骨，调整胫骨的尺寸，检查旋转对准和平衡。部件试验是检查股骨部件和胫骨部件的位置以及韧带平衡的重要步骤。使用高度专业化的器械仔细规划和执行股骨和胫骨切除，并在每个步骤评估对准和韧带平衡以确保成功。
[0006]另一方面，在髌骨置换方面取得了有限的进展。用于TKA程序的现有工具，例如患者特定的器械和其它智能手术规划工具，通常不包括髌骨制备。此外，尽管机器人辅助TKA的进步具有各种益处，包括准确的植入物定位、增加运动范围、更好的软组织平衡，以及降低软组织矫形的损伤风险，但目前的机器人辅助手术系统不执行髌骨跟踪和制备。
[0007]目前，用于髌骨置换的优选手术技术是徒手技术，其不针对或考虑髌骨关节的生物力学。外科医生通常用手术卡尺测量一个维度上的切割前和切割后髌骨厚度，该手术卡尺是相对不成熟且不准确的工具。此外，切割是徒手执行的，并且完全依赖于外科医生的技能和经验。另外，由于髌骨的高可变形态和复杂形状，在术中测量髌骨厚度并不简单。
[0008]另外，传统观点认为，对于男性髌骨，髌骨应恢复到大约25mm的厚度，且对于女性髌骨髌骨恢复到22mm(即，在高加索群体中是天然髌骨厚度)。许多外科医生更喜欢自由切除―刚好在关节面下方”的髌骨，并且不将髌骨切割成小于大约12
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15mm的厚度。然而，天然髌骨解剖结构在不同群体中可能有很大不同，这在手术计划中通常未适当考虑。关于膝关节的研究还报道了天然解剖结构中的较大变异性，其可能对膝关节的生物力学具有显著影
响。目前为西方人群患者设计的髌骨植入物可能没有适当考虑其他世系超群体(例如，非洲人、东亚人、南亚人和混血美国人)的差异。髌骨在厚度、高度/宽度比和中脊的相对位置方面可能变化，并且这些变化可以影响对髌骨部件的选择、髌骨接触应力和滑车沟中的髌骨轨迹。
[0009]此外，髌骨轨迹(即，位置和取向)通常未被仔细评估，并且如果正确放置股骨和胫骨部件，则髌骨轨迹仅被认为是足够的。髌骨的错位可导致各种术后困难，包括髌骨骨折、髌骨弹响综合征、髌骨不稳定、髌骨轨迹不良(即，髌骨轨迹障碍)、髌骨高位、髌骨低位和髌骨旋转不良。诸如这些的髌股并发症可能在TKA程序后导致前膝疼痛，并且可能对临床结果和患者满意度产生实质性的负面影响。总体而言，由于慢性疼痛和/或功能限制，20
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30％的TKA患者对其结果不满意。
[0010]由于在髌骨置换方面存在各种困难，并且缺乏精密的工具，因此适当恢复髌股关节的生物力学关键取决于外科医生的技能和经验。外科医生需要同时处理复杂信息，并在手术室中快速连续地作出多个困难决策。必须以足够的切割厚度和适当的植入物尺寸来规划和执行髌骨切割，并且必须为髌骨部件选择一种设计。另外，必须结合股骨和胫骨部件位置和取向选择髌骨部件的最佳位置和取向。此外，可优化髌股关节的生物力学以恢复膝关节的正常功能。鉴于髌股解剖学和生物力学的复杂性，在外科医生需要以最少的可用信息在手术中作出这些各种规划决策的情况下，髌股并发症和疼痛的风险很高。因此，需要减少外科医生的高认知负荷，并且自动化用户体验。
[0011]规划和进行髌骨置换的额外困难源自髌骨的独特几何形状。虽然在TKA期间的机器人辅助有利地允许精确测量关节的生理和功能，但它经常利用需要将跟踪器放置在各个骨上的术中跟踪。因为髌骨小且形状奇怪，所以可能特别难以以安全且可靠的方式在其上放置跟踪器。如所描述的，当前程序利用徒手技术来切除髌骨，而不仔细考虑髌股关节的生物力学。
[0012]因而，提供使自动化髌骨置换工作流以便简化术中决策、改善手术结果并降低髌股并发症的风险的方法将是有利的。另外，具有适合于附着到髌骨以促进通过机器人手术系统在术中跟踪髌骨的跟踪标记物将是有利的。

技术实现思路

[0013]本专利技术提供了一种为患者的膝的髌骨规划置换程序的方法。所述方法包括：接收与所述患者的解剖结构有关的输入，其中所述输入包括与所述膝有关的成像数据；基于所述输入确定所述膝的髌股关节的一个或多个生物力学测量值；基于所述输入生成所述解剖结构的三维(3D)模型，其中所述3D模型包括髌骨模型；基于所述3D模型表征所述髌骨的形态；基于所述3D模型和所述形态中的一者或多者选择一个或多个植入物参数；基于所述一个或多个植入物参数执行一个或多个生物力学模拟；基于所述一个或多个生物力学模拟优化所述植入物的位置和取向；以及将患者特定的规划信息输出到外部计算装置和计算机可读存储装置中的一者或多者，其中所述患者特定的规划信息与优化位置和优化取向有关。
[0014]根据一些实施例，所述方法还包括识别所述髌骨模型上的一个或多个解剖标志，其中还基于所述一个或多个解剖标志来表征所述髌骨的形态，并且其中还基于所述一个或多个解剖标志选择一个或多个植入物参数。根据附加实施例，所述一个或多个解剖标志包
括以下各项中的一者或多者：内侧末端、外侧末端、上部末端、下部末端、前部末端、后部末端、下部关节末端。根据附加实施例，所述一个或多个解剖标志包括以下各项中的一者或多者：所述髌骨的质心、一个或多个后脊点、后脊线、一个或多个周界点、内侧刻面中心点、外侧刻面中心点、刻面轴线和髌骨中点。
[0015]根据一些实施例，所述输入包括所述患者的人口统计信息。根据附加实施例，所述人口统计信息包括所述患者的世系数据。
[0016]根据一些实施例，所述成像数据包括X射线成像数据、MRI成像数据和CT成像数据中的一者或多者。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种为患者的膝的髌骨规划置换程序的计算机实施的方法，所述方法包括：接收与所述患者的解剖结构有关的输入，其中所述输入包括与所述膝有关的成像数据；基于所述输入确定所述膝的髌股关节的一个或多个生物力学测量值；基于所述输入生成所述解剖结构的三维(3D)模型，其中所述3D模型包括髌骨模型；基于所述3D模型表征所述髌骨的形态；基于所述3D模型和所述形态中的一者或多者选择一个或多个植入物参数；基于所述一个或多个植入物参数执行一个或多个生物力学模拟；基于所述一个或多个生物力学模拟优化所述植入物的位置和取向；以及将患者特定的规划信息输出到外部计算装置和计算机可读存储装置中的一者或多者，其中所述患者特定的规划信息与优化位置和优化取向有关。2.根据权利要求1所述的计算机实施的方法，还包括识别所述髌骨模型上的一个或多个解剖标志，其中还基于所述一个或多个解剖标志来表征所述髌骨的形态，并且其中还基于所述一个或多个解剖标志来选择一个或多个植入物参数。3.根据权利要求2所述的计算机实施的方法，其中所述一个或多个解剖标志包括以下各项中的一者或多者：内侧末端、外侧末端、上部末端、下部末端、前部末端、后部末端、下部关节末端、所述髌骨的质心、一个或多个后脊点、后脊线、一个或多个周界点、内侧刻面中心点、外侧刻面中心点、刻面轴线和髌骨中点。4.根据权利要求1
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3中任一项所述的计算机实施的方法，其中所述输入包括人口统计信息，所述人口统计信息至少包括所述患者的世系数据。5.根据权利要求1
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4中任一项所述的计算机实施的方法，其中所述成像数据包括X射线成像数据、MRI成像数据和CT成像数据中的一者或多者。6.根据权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：史密夫和内修整形外科股份公司新加坡施乐辉亚太有限公司，
类型：发明
国别省市：