[发明专利]用于导航和控制植入体定位装置的系统和方法

说明书

优先权要求

本申请要求于2012年11月9日递交的美国临时申请No.61/724,601的权益，该临时申请的全部内容通过引用并入本文中。

背景技术

使用计算机技术、机器人技术和成像技术辅助进行整形外科手术已为现有技术所知。已有大量用来引导外科手术操作的计算机辅助导航和机器人系统的研究和进展。已经出现两种通常类型的半主动外科手术机器人技术，并已应用于整形操作，例如关节置换术。第一种类型的半主动机器人技术将外科手术工具附接于机器人手臂上，机器人手臂阻止外科医生偏离规划的程序的运动，例如在骨骼切除术中。该第一种类型通常靠术语触觉(haptic or haptics)判断，术语触觉(haptic or haptics)来自希腊语，指触摸(touch)。第二种类型的半主动机器人技术专注于外科手术工具的控制方面，例如切割头的速度。因为机器人手臂不会限制外科医生，因此该第二种类型的半主动机器人技术有时被称作不受约束(free-hand)机器人技术。

这两种外科手术机器人利用导航或跟踪系统在操作期间严密监视外科手术工具和病人。导航系统可用来建立虚拟的三维(3-D)坐标系，在该坐标系内病人和外科手术装置都将被跟踪。

髋关节置换是一个使用外科手术机器人、先进成像和计算机辅助导航技术正在被大家认可的领域。自20世纪60年代初已经开始进行了全髋关节置换(THR)或关节成形术(THA)手术，以修复髋臼和围绕它的区域并替换髋关节部件，例如已经退化的股骨头。当前，仅在美国每年有约200,000例THR手术，其中约40,000例为重做手术，也称作修正手术。由于在植入部件的寿命内可能出现大量问题，例如错位、部件磨损和退化、以及植入体从骨骼上松脱，所以修正手术变得必要。

由于错位带来的突然的身体和情绪上的困难，所以股骨头从髋臼部件或髋臼杯上错位被认为是早期与THR伴随的最常见的问题之一。对于初次的THR外科手术错位的发病率约为2-6％，并且对于修正手术该比例甚至更高。尽管错位可能起因于多种原因，例如软组织的松弛和植入体的松脱，但是最常见的原因是股骨颈与或者髋臼杯植入体的边缘或者围绕植入体的软组织或骨骼的碰撞。碰撞最常发生的原因是髋臼杯部件在骨盆内的错误定位。

一些临床医生和研究人员已经发现：如果杯被特别地定向为前倾约15°并外展45°，那么能够降低碰撞和错位的发生率；然而，这个发生率也与外科手术方法相关。例如，麦科勒姆(McCollum)等人援引了在整形外科文献中报告的THA的比较，其揭示了在采用后外侧的方法进行THA的病人中，具有更高的错位发病率。McCollum，D.E.和W.J.Gray，“全髋关节成形术后的错位(原因和预防)”，临床整形外科和相关研究(Clinical Orthopaedics and Related Research)，Vol.261，p.159-170(1990)。麦科勒姆的数据示出，当病人在侧卧位进行后外侧的THA方法时，腰椎脊柱前凸的曲线变平，骨盆可能被弯曲多达35°。如果杯被定向成相对于人体的纵轴弯曲15°-20°，那么当病人站起并且手术后腰椎脊柱的前凸恢复时，杯将向后弯曲多达10°-15°，导致不稳定的杯的布置。Lewinnek等人进行了一项研究，考虑了所使用的外科手术方法，并且发现落在前倾15°±10°和外展40°±10°区域内的案例具有1.5％的不稳定率，与之相比，落在该区域之外的案例具有6％的不稳定率。Lewinnek G.E.等，“全髋关节置换术后的错位”，骨与关节外科手术杂志(Journal of Bone and Joint Surgery)，Vol.60-A，No.2，p.217-220(1978年3月)。Lewinnek的工作基本上证实了如人们预期的那样，错位与位置异常的程度有关。该研究没有解决其它变量，例如植入体的设计和个体的解剖结构，而它们都是已知的极大影响植入体性能的因素。