[发明专利]用于确认被追踪骨骼的配准的方法

说明书

提供了一种用于确认关节置换手术中涉及的骨骼的配准的方法，其包括生成的骨骼的三维(3‑D)模型。用追踪装置追踪骨骼，每个骨骼附接有追踪装置，以便在关节置换手术中进行6自由度(DOF)追踪。骨骼的3‑D模型被配准且具有追踪装置的骨骼被移动。然后观察随着骨骼的移动在3‑D模型中的相应运动。然后，当3‑D模型的观察结果与实际骨骼相对应地移动时，将3‑D模型配准到骨骼上，或者当算法检测到3‑D骨骼模型在骨骼移动过程中意外移动时发出警报。还提供了一个系统，用于确认参与关节置换手术的骨骼的配准。

技术领域

本发明总体上涉及计算机辅助骨骼手术(orthopaedic surgery)领域，并且具体地涉及一种用于确认手术中被追踪骨骼的配准的新的有用的方法和系统。

背景技术

全关节置换术(TJR)(也称为初级全关节置换术)是一种外科手术，其中关节的关节面被假体组件、或植入物取代。TJR，尤其是臀部、膝盖、肩膀以及脚踝可以恢复功能，同时大大减少患者骨关节炎相关的疼痛。TJR的好处受到与替换失配相关的并发症的影响。替换关节不完美的配合会给植入物带来不平衡的力量，导致植入物过早磨损和不适。当这种磨损变得极端时，需要进行修复手术。

TJR通常涉及取决于关节和正在使用的替换植入物而移除关节的关节软骨表面，其包括不同量的骨。然后用合成的、通常为金属和/或塑料的植入物代替该软骨和骨骼，以用于创建新的关节表面。植入关节中的假体的位置、定向和顺应性是对患者的临床结果具有显着影响的关键因素。因此，计算机辅助手术装置越来越受欢迎，作为手术前计划和精确执行计划的工具，以确保假体在患者骨骼内的精确最终位置和定向，其可以改善长期临床结果并增加假体的存活率。一般来说，计算机辅助手术系统包括两个部分，交互式手术前计划软件程序和计算机辅助手术装置，其利用来自软件的术前数据来帮助外科医生精确地执行手术。

传统的交互式手术前计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骨骼解剖的三维(3-D)模型。制造商假体的一组3-D计算机辅助设计(CAD)模型预先加载在软件中，允许使用者将所需假体的组件放置到骨骼解剖结构的3-D模型中以指定植入物对骨骼的最佳配合、位置和定向。然后，使用者可以将该术前计划数据保存到由手术装置加载和读取的电子媒介中，以便在术中帮助外科医生执行该计划。

此外，计算机辅助手术的主要目标之一是定义患者特定的计划并及时对病人准确地执行手术。给定植入物的切割体积的准确性是至关重要的，并且根据配准误差、切割制造公差以及植入物制造公差累积误差。本领域中众所周知的诸如点对面表面配准的配准技术可以将患者骨骼的坐标框架与患者骨骼的3-D模型的坐标框架以及手术装置的坐标框架对齐。

在手术机器人的工作空间内，术中在骨骼的位置的配准用于确定机器人的工作空间内的骨骼的精确位置和定向。在一些实施例中，这可以通过探测放置在手术前成像之前安装在骨骼内或骨骼上的不透射线基准标记(fiducial markers)来完成。基准标记被认为是具有不同于周围对象组织的不透明度的材料或能够由外部源(例如光学相机、x射线、射频)检测的参考点。基准标记的示例包括不透射线的销钉，诸如射频识别(RFID)标签或发光二极管(LED)的主动设备(active device)、被动回反射球体(a passive retro-reflective sphere)或其组合。在其他发明实施例中，应用配合在骨骼上的配准指南，或者使用表面匹配算法，或者任何其他方法来确定对象的手术骨骼的定向。这种技术的使用进一步详细描述于：题目为用于在骨科应用中配准的系统和方法的PCT/IB2013/002311，S.Cohan，“ROBODOC实现无脚配准”工业机器人；2001；28，5；pg.381.P.J.Besl，“3-D形状的配准方法”(“A Method for Registration of 3-D Shapes”)IEEE Transactions onPattern Analysis and Machine intelligence，1992；14，pgs.239-256。