[发明专利]自动化的关节成形术规划

说明书

提供系统和方法以帮助规划全膝关节成形术过程的至少一部分。该系统和方法根据期望的临床对线目标以最小用户输入自动对线植入部件和骨骼。该系统和方法还允许用户在临床方向上仅对股骨、胫骨或植入物的位置和方向进行操作，而不管股骨、胫骨或植入物的预先调整的位置和方向如何。提供图形用户界面，其包括三维(3‑D)视图窗口、视图选项窗口、患者信息窗口、植入物家族窗口、工作流程特定任务窗口以及肢体和膝盖对线测量窗口。

相关申请的交叉引用

本申请主张2016年3月2日提交的序列号为62/302,770的美国临时专利申请的优先权，其通过引用并入本文。

技术领域

本发明一般涉及计算机辅助手术规划的计算机，更具体地说，涉及直观地规划全膝关节成形术过程(total knee arthroplasty procedure)的计算机化方法。

背景技术

全膝关节成形术(TKA)是一种手术治疗，其中膝关节的关节表面用假体组件或植入物重新替换。TKA要求在股骨远端和胫骨近端上移除磨损或损坏的软骨和骨骼。然后，将移除的软骨和骨骼用合成的植入物重新替换，合成的植入物通常由金属或塑料形成，以产生新的接合表面。

计算机辅助手术系统和患者专用仪器(PSI)作为术前规划和精确执行手术规划的工具越来越受欢迎，以确保患者膝关节内的植入物的准确最终位置和对线(alignment)，这可以改善长期的临床结果并提高假体的存活率。通常，计算机辅助手术系统和PSI系统包括两个部件，交互式术前规划软件程序和计算机辅助手术设备或PSI，其利用来自软件的术前数据来帮助医生精确地执行手术。

传统的交互式术前规划软件从患者的计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)图像数据集生成患者的骨骼解剖结构的三维(3-D)模型。制造商植入物的一组3-D计算机辅助设计(CAD)模型预先加载到软件中，允许用户将所期望的植入物的部件放置到骨骼解剖结构的3-D模型中，以指定在骨骼上的植入物的最佳位置和对线。术前规划数据用于制造患者特异性仪器，或者由手术设备加载和读取，以帮助医生在手术中执行规划。这样的数据在定位手术机器人方面也是有价值的，以便确保机器人的空间进入所需的手术区域，同时保持人类对其的访问。

然而，一些术前规划软件在一些方面受到限制，抑制了用户直观地规划TKA中植入物的所有六个自由度的能力。首先，用户可能必须手动执行大部分规划步骤。例如，用户识别股骨和胫骨上的大部分解剖标志，以确定各种解剖学参考(例如，机械轴)。其次，由于用户手动调整植入物的位置和方向，因此一系列顺序的旋转和平移可能导致后续或先前的自由度不直观地改变。这是固有的，因为随着植入物顺序旋转或平移，植入物的坐标系的方向的附加变化。这是非直观的，因为用户正在尝试完成关于三个已经确认的正交平面测量的某些临床对线目标。那些正交平面包括冠状面以实现期望的临床内翻-外翻(varus-valgus)，轴向面以实现期望的临床内-外(internal-external)，以及矢状面以确保植入物适合于期望的内翻-外翻和内-外对线目标。从这些平面测量的临床对线目标很重要，因为它们是行业标准，并且被医生用于评估术后临床结果和植入物对线。

传统的术前规划软件的另一个限制是不能允许医生或不同的医生自动地规划不同的对线目标。不同的医生有不同的植入物对线策略。例如，对于内翻-外翻对线，一些医生更喜欢对线植入物以恢复腿的机械轴，而其他医生更喜欢对线植入物以恢复膝盖的原生动力学(native kinematics)。同样，对于内-外对线(internal-external alignment)，一些医生更喜欢将植入物与经上髁轴(transepicondylar axis)对线，而其他医生更喜欢原生运动学对线。传统的规划软件可受限于根据单个默认对线目标策略自动地将植入物对线骨骼。结果，期望的结果可能是先验不可能的。另外，在关于诸如密度或结构的参数的骨骼特征异常的情况下，重新选择对线策略的能力可以提供相当好的临床结果。