用于制備脛骨近端的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】一種制備脛骨以容納脛骨植入物組件的方法，該方法包括：執(zhí)行第一組切削以制備所述脛骨上的基底界面表面，其中，基底界面表面包括位于在脛骨上的基底界面表面上方延伸的脛骨隆突的每一側(cè)的部分。該方法還包括：執(zhí)行第二組切削以制備脛骨隆突壁界面表面，其中，壁界面表面在基底界面表面與脛骨隆突的頂面之間大致垂直于基底界面表面延伸。該方法還包括：執(zhí)行第三組切削以制備基底界面表面與壁界面表面之間的圓化相交部。所述多組切削的執(zhí)行服從于切削約束引導。至少一組切削可以利用旋轉(zhuǎn)切削機來執(zhí)行。
【專利說明】用于制備脛骨近端的系統(tǒng)和方法
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年12月31日提交的美國臨時專利申請序列號61/922,723的權(quán)益 和優(yōu)先權(quán)，其公開通過引用方式全部并入于本文中。
【背景技術(shù)】
[0003] 本公開總體上涉及用于執(zhí)行骨骼切除的系統(tǒng)和方法，并且更具體地，涉及用于制 備脛骨近端以容納脛骨假體植入物組件的系統(tǒng)和方法。
[0004] 膝關(guān)節(jié)包括股骨的遠端與脛骨的近端之間的界面（interface)。在正常工作的膝 關(guān)節(jié)中，股骨的內(nèi)側(cè)踝和外側(cè)髁沿著接合至脛骨的相應(yīng)內(nèi)側(cè)踝和外側(cè)髁的半月板平滑地樞 轉(zhuǎn)。當膝關(guān)節(jié)損壞時，形成該關(guān)節(jié)的天然骨骼和軟骨可能無法恰當?shù)剡B接，這可能導致關(guān)節(jié) 疼痛，而且在某些情況下，可能干擾關(guān)節(jié)的正常使用。
[0005] 在某些情況下，需要進行手術(shù)來恢復(fù)關(guān)節(jié)的正常使用并且減輕疼痛。根據(jù)損壞的 嚴重性，手術(shù)可能涉及利用假體組件部分或完全置換關(guān)節(jié)。在這種膝關(guān)節(jié)置換過程期間，外 科醫(yī)生將骨骼和軟骨的損壞部分切除，同時嘗試將健康組織保持原樣。外科醫(yī)生接著使健 康的組織與被設(shè)計成復(fù)制被切除的組織并恢復(fù)適當?shù)南リP(guān)節(jié)運轉(zhuǎn)的人工假體組件配合。
[0006] -種膝關(guān)節(jié)置換過程(全膝關(guān)節(jié)成形術(shù)（"TKA"））涉及切除股骨和脛骨兩者的內(nèi)側(cè) 踝和外側(cè)髁中的每一個的一些或全部，并且去除位于股脛界面處的纖維軟骨半月板。假體 股骨組件(通常由鈷鉻合金或其它強度大的外科手術(shù)級金屬制成)被裝配并固定至股骨的 遠端，以置換股骨的被切除部分。類似地，假體脛骨組件(其基體也典型地由鈷鉻合金、鈦或 其它何適合的金屬制成)被裝配并固定至脛骨的近端，以置換脛骨的被切除部分。
[0007] 在某些情況下，患者膝關(guān)節(jié)處的骨骼可能已經(jīng)惡化至需要TKA手術(shù)的程度，但患者 的交叉韌帶(例如，前交叉韌帶(ACL)和/或后交叉韌帶(PCL))中的一個或更多個有充分條 件來提供足夠關(guān)節(jié)穩(wěn)定性。保持天然的交叉韌帶通常是有利的，因為這樣做通常被認為有 助于本體感受(用于感測身體多個部分相對于彼此在哪里的能力），并且可以使得像爬樓梯 這樣的活動感覺更平穩(wěn)或自然。保留交叉韌帶還可以促進更正常的前后膝蓋運動，這可以 增強患者保持手術(shù)前的運動范圍的能力，特別是在涉及深前屈時。所述韌帶還有助于關(guān)節(jié) 穩(wěn)定性。
[0008] 每一個天然交叉韌帶都連接至一個股骨髁，在股骨的髁間區(qū)內(nèi)通過，并且連接至 脛骨的稱作脛骨隆起的中央頂部。為了適應(yīng)交叉韌帶的通過，在交叉韌帶保留過程中使用 的股骨和脛骨植入物組件通常包括髁間切口，髁間切口限定了股骨的髁間窩和脛骨隆起之 間的垂直通道。股骨和脛骨假體組件中的每一個的內(nèi)側(cè)和外側(cè)組件被深的髁間通道(或"凹 口"）隔開，該踝間通道允許交叉韌帶垂直經(jīng)由該凹口通過。
[0009] 在膝關(guān)節(jié)的正常運轉(zhuǎn)期間，交叉韌帶可以在脛骨的稱作脛骨隆突的接合位置處施 加顯著張力。在健康的膝關(guān)節(jié)中，有足夠的組織包圍脛骨隆突，以幫助橫跨脛骨表面分布該 力。安裝交叉韌帶保留脛骨假體組件，同時旨在保留脛骨隆突處的接合位置通常需要顯著 去除脛骨的周圍的自然組織，以讓路于脛骨植入物的安裝。這種周圍組織提供抵消由交叉 韌帶所施加的張力的很大的接合強度，去除這種組織可以削弱脛骨隆突的接合強度。
[0010] 當前的脛骨制備方法（即，去除骨骼以容納脛骨植入物)可以導致無意中去除與安 裝脛骨植入物所需相比更多的組織，這進一步削弱了脛骨隆突的強度，并且可以導致植入 物失效。具體來說，當前方法采用手動振蕩矢狀鋸來進行平坦切削。進行水平切削的手動鋸 可能過度切削到隆突中，而且進行垂直切削的手動鋸可以過深地切削到脛骨骨骼中。這些 過度切削削弱了脛骨隆突和交叉韌帶接合。另外，傳統(tǒng)平面鋸可以生成尖角和高應(yīng)力梯級 (riser)，這在脛骨隆突處施加了額外的應(yīng)力。嘗試改進這種底切問題，特別是外側(cè)過度切 肖IJ，并且減小應(yīng)力梯級，導致了添加放置在被切除部分與剩余的脛骨隆突部分的相交部處 的鉆針來阻止過度切削。然而，鋸片通常切片，從而仍可以導致過度切削和應(yīng)力梯級。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的一個實施方式涉及一種制備脛骨以容納脛骨植入物組件的方法。該方法 包括:執(zhí)行第一組切削，以制備所述脛骨上的基底界面表面，其中，所述基底界面表面包括 位于在所述脛骨上的所述基底界面表面上方延伸的脛骨隆突的每一側(cè)的部分。該方法還包 括:執(zhí)行第二組切削，以制備脛骨隆突壁界面表面，其中，所述壁界面表面在所述基底界面 表面與所述脛骨隆突的頂面之間大致垂直于所述基底界面表面延伸。該方法還包括:執(zhí)行 第三組切削，以制備所述基底界面表面與所述壁界面表面之間的圓化相交部。在切削約束 引導下執(zhí)行所述多組切削。
[0012] 根據(jù)另一實施方式，一種用于制備脛骨以容納脛骨植入物組件的外科手術(shù)規(guī)劃方 法，該外科手術(shù)規(guī)劃方法包括:獲取所述脛骨的近端的表示，并且獲取脛骨植入物的表示。 所述規(guī)劃方法還包括:將所述脛骨植入物的表示放置在所述脛骨的所述近端的表示上，并 且基于所述脛骨植入物來規(guī)劃所述脛骨的所述近端的制備。所述規(guī)劃所述脛骨的所述近端 的制備的步驟包括:規(guī)劃第一組切削，以制備所述脛骨上的基底界面表面，其中，所述基底 界面表面包括位于在所述脛骨上的所述基底界面部分上方延伸的脛骨隆突的每一側(cè)的部 分;規(guī)劃第二組切削，以制備脛骨隆突壁界面表面，其中，所述壁界面表面在所述基底界面 表面與所述脛骨隆突的頂面之間大致垂直于所述基底界面延伸；以及規(guī)劃第三組切削，以 制備所述基底界面表面與所述壁界面表面之間的圓化相交部。該方法還包括:基于所述第 一組切削、所述第二組切削以及所述第三組切削中的至少一組切削的規(guī)劃來提供切削約束 引導。
[0013] 根據(jù)另一實施方式，一種外科手術(shù)系統(tǒng)包括:外科手術(shù)設(shè)備，其被配置成保持外科 手術(shù)工具并且由用戶操縱以執(zhí)行脛骨的制備，以容納植入物組件；以及切削約束引導，其被 配置成對所述外科手術(shù)工具的移動提供約束。所述切削約束引導被配置成允許用戶執(zhí)行多 個切削，所述多個切削包括：用于制備所述脛骨上的基底界面表面的第一組切削，其中，所 述基底界面表面包括位于在所述脛骨上的所述基底界面部分上方延伸的脛骨隆突的每一 側(cè)的部分;用于制備脛骨隆突壁界面表面的第二組切削，其中，所述壁界面表面在所述基底 界面表面與所述脛骨隆突的頂面之間大致垂直于所述基底界面延伸；以及用于制備所述基 底界面表面與所述壁界面表面之間的圓化相交部的第三組切削。
[0014] 要理解，前面的一般描述和下面的詳細描述都僅是示例性和解釋性的，并且不是 對如要求保護的本發(fā)明的限制。
【附圖說明】
[0015] 附圖被包括進來并構(gòu)成本說明書的一部分，例示了幾個實施方式并與本描述一起 用于說明本公開的原理和特征。
[0016] 圖1例示了與示例性實施方式一致的、裝配有假體系統(tǒng)的術(shù)后假體膝關(guān)節(jié)的立體 圖。
[0017] 圖2例示了根據(jù)傳統(tǒng)方法制備以容納假體組件的脛骨的近端的俯視圖。
[0018] 圖3例示了根據(jù)示例性實施方式制備以容納假體組件的脛骨的近端的俯視圖。
[0019] 圖4例示了根據(jù)示例性實施方式制備以容納假體組件的脛骨的近端的立體圖。
[0020] 圖5例示了根據(jù)一示例性實施方式的觸覺邊界的虛擬表示。
[0021] 圖6例示了根據(jù)示例性實施方式的制備脛骨的近端以容納假體組件的方法。
[0022] 圖7例示了根據(jù)示例性實施方式的規(guī)劃脛骨的近端的制備以容納假體組件的方 法。
[0023] 圖8例示了根據(jù)示例性實施方式的外科手術(shù)系統(tǒng)的實施方式的立體圖。
[0024]圖9例示了根據(jù)示例性實施方式的外科手術(shù)系統(tǒng)的框圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面，對本公開的示例性實施方式進行詳細說明，在附圖中例示了實施方式的示 例。
[0026] 健康的膝關(guān)節(jié)包括股骨的遠端與脛骨的近端之間的界面。如果健康的膝關(guān)節(jié)例如 因受傷或疾病而變得損壞，則可能需要膝關(guān)節(jié)手術(shù)來恢復(fù)關(guān)節(jié)的正常結(jié)構(gòu)和功能。如果膝 關(guān)節(jié)的損壞是嚴重的，則可能需要全膝關(guān)節(jié)成形術(shù)（"TKA"）JKA通常涉及去除關(guān)節(jié)的損壞 部分并且利用一個或更多個假體組件置換該關(guān)節(jié)的損壞部分。
[0027] 在一些TKA過程中，一個或更多個交叉韌帶(包括前交叉韌帶和/或后交叉韌帶)可 以保持原樣，以與假體植入物一起重新使用來形成新的膝關(guān)節(jié)。在這些"交叉保留"應(yīng)用中， 可以將假體植入物組件構(gòu)造成避免干擾或影響經(jīng)過膝關(guān)節(jié)的髁間區(qū)域的保留交叉韌帶。例 如，股骨假體組件和脛骨假體組件中的每一個都可以設(shè)計有髁間"凹口"，該踝間"凹口"從 假體組件的后部朝著假體組件的前部延伸。股骨與脛骨髁間凹口在垂直方向上交疊，提供 允許交叉韌帶從股骨髁間窩向下通過直至脛骨隆突的通道。
[0028]因為交叉韌帶在正常膝關(guān)節(jié)使用期間遭受顯著的張力，所以重要的是交叉韌帶接 合至股骨和脛骨的接合位置具有足夠強度來恰當?shù)貙⒔徊骓g帶錨固至骨骼。否則，由交叉 韌帶施加的力拉緊接合位置周圍的組織，可能導致關(guān)節(jié)失效，這可能需要矯正手術(shù)來修理。 用于限制這種失效的可能性的一種方法是限制并且小心控制在接合位置（即，股骨的髁間 窩和脛骨的脛骨隆突l〇la)處或附近切除的骨骼的量。限制接合位置處的自然組織的干擾 量有助于保留該組織的自然錨固機制，這減少了接合位置處的失效的可能性。
[0029]在圖1所示的實施方式中，假體植入物系統(tǒng)110包括被構(gòu)造為置換自然膝關(guān)節(jié)的被 切除部分的多個組件。根據(jù)一個實施方式，假體植入物系統(tǒng)110包括被構(gòu)造為置換自然脛骨 101的被切除部分的脛骨植入物系統(tǒng)120。假體植入物系統(tǒng)110還包括被構(gòu)造為置換自然股 骨102的被切除部分的股骨組件130。在膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)期間的植入之后，脛骨植入物系統(tǒng) 120與股骨組件130協(xié)作以復(fù)制自然膝關(guān)節(jié)的形狀和功能。
[0030]股骨組件130被固定至股骨102的遠端，并且被構(gòu)造為置換膝關(guān)節(jié)100的自然股骨 部分的結(jié)構(gòu)和功能。同樣，股骨組件130可以由足夠堅硬以提供足夠強度來支撐膝關(guān)節(jié)所需 的力量的外科手術(shù)級金屬或金屬合金材料(諸如外科手術(shù)級不銹鋼、鈦或鈦合金、鈷鉻合 金、鋯合金或鉭)制成。根據(jù)一個實施方式，股骨組件130可以具體實施具有多個不同結(jié)構(gòu)性 特征的單一組件，每個組件皆被構(gòu)造成執(zhí)行與膝關(guān)節(jié)100相關(guān)聯(lián)的特殊功能。例如，股骨組 件130可以包括一對髁132，每個踝皆聯(lián)接至髕骨引導部133。該對髁132被髁間凹口 138彼此 隔開，該凹口提供一個或更多個交叉韌帶1〇3(如前交叉韌帶(ACL) 103a和/或后交叉韌帶 (PCL) 103b)可以通過的通道。
[0031]脛骨植入物系統(tǒng)120可以包括多個組件，所述多個組件協(xié)作以提供與股骨組件130 連接的穩(wěn)定表面，以恢復(fù)適當?shù)南リP(guān)節(jié)功能。如圖1所示，脛骨植入物系統(tǒng)120包括基部121 和一個或更多個插入部123。在膝關(guān)節(jié)置換過程期間，基部121被固定至脛骨101的近端，脛 骨101的近端已經(jīng)通過去除損壞骨骼和組織并對健康骨骼重塑而以手術(shù)方式制備以容納基 部121。一旦基部121被固定至脛骨101，外科醫(yī)生就通過在基部121內(nèi)嚙合并固定插入部123 而完成脛骨植入物系統(tǒng)120的組裝。脛骨假體系統(tǒng)的基部121可以構(gòu)造有穿過中心的通道， 以允許保留的交叉韌帶103與脛骨隆突101a之間的連接。
[0032] 基部121可以被構(gòu)造成模仿脛骨101的頂面的結(jié)構(gòu)和功能。由此，與骨骼組件130類 似地，基部121可以由足夠堅硬以提供重建假體關(guān)節(jié)的剩余部分所基于的穩(wěn)定基體的外科 手術(shù)級金屬或金屬合金材料(諸如外科手術(shù)級不銹鋼、鈦或鈦合金、鈷鉻合金、鋯合金或鉭） 制成。
[0033] 插入部123可以被設(shè)計成模仿自然股脛界面的特定組件的形狀和功能，包括膝關(guān) 節(jié)的內(nèi)側(cè)和外側(cè)半月板等。同樣，插入部123可以由平滑的、半剛性合成或半合成塑料、橡膠 或聚合物材料構(gòu)成。插入部123可以被構(gòu)造成提供平滑表面，該平滑表面被設(shè)計成在正常膝 關(guān)節(jié)運轉(zhuǎn)期間與股骨組件130連接。根據(jù)一個實施方式，插入部123被構(gòu)造成以可去除方式 與基部121嚙合。因此，插入部123被構(gòu)造為如果插入部123例如因過度磨損而隨著時間而劣 化則周期性地置換。
[0034] 圖2描繪了根據(jù)傳統(tǒng)方法制備的脛骨101的近端，其被制備成容納脛骨植入物系 統(tǒng)，如脛骨植入物系統(tǒng)120的基部121。如圖所示，所制備的脛骨101具有基底界面表面151， 其在脛骨隆突l〇la的每一側(cè)都具有基底界面表面部分151a、151b。脛骨101還具有壁界面表 面153,其在基底界面表面151與脛骨隆突101a的頂面102之間大致垂直于基底界面表面151 地延伸。根據(jù)傳統(tǒng)方法制備如圖2所示的脛骨使用傳統(tǒng)鋸(諸如振蕩矢狀鋸或往復(fù)鋸）以進 行水平切削（以形成基底界面表面)和垂直切削（以形成壁界面表面)兩者。執(zhí)行這兩組切削 以便在所制備的骨骼中保持脛骨隆突部分l〇la需要充分控制的定界(delineation)。通常 來說，這些切削導致沿水平方向或垂直方向的過度切削，并因此損害脛骨隆突10 la的強度。 在該傳統(tǒng)方法的一些實踐中，可以在基底界面表面151與脛骨隆突101a之間的相交部處添 加鉆針(drill pin)，以阻止過度切削并幫助減少應(yīng)力梯級。盡管如此，鋸片仍趨于削薄，而 且當在脛骨101中進行水平或垂直切削的同時仍可能過度切削。而且，骨骼的這種額外破壞 產(chǎn)生了骨骼的額外侵害。
[0035] 而且，如圖2所示，使用矢狀鋸生成尖角。例如，基底界面部分151與壁界面部分153 之間的相交部、以及壁界面部分153與脛骨界面101a的頂面102之間的相交部形成尖銳邊 緣，這可以減少針對脛骨隆突造成的應(yīng)力，并減小其總強度。
[0036] 圖3和圖4描繪了根據(jù)在此公開的示例性實施方式制備的脛骨101的近端部，其被 制備成容納脛骨植入物系統(tǒng)，如脛骨植入物系統(tǒng)120的基部121。如圖所示，所制備的脛骨 101具有基底界面表面151，基底界面表面151具有處于脛骨隆突101a的每一側(cè)的基底界面 表面部分151a、151b。脛骨101還具有壁界面表面153,壁界面表面153在基底界面表面151與 脛骨隆突l〇la的頂面102之間大致垂直于基底界面表面151地延伸。脛骨101還具有處于脛 骨隆突l〇la的前端部的、介于基底界面表面部分151a、151b之間的橋狀部分154。最后，脛骨 1〇1具有處于基底界面表面151與壁界面表面153之間的彎曲或圓化相交部（radiused intersection)152。
[0037] 圖3和圖4中示出的脛骨的制備可以利用許多不同的外科手術(shù)切削工具來執(zhí)行。如 同傳統(tǒng)方法，在第一組切削中，基底界面表面151可以利用振蕩外科鋸來制備。在第二組切 削中，壁界面表面153還可以用矢狀鋸或往復(fù)鋸來制備。如圖3和4所示，根據(jù)示例性實施方 式，制備第三組切削（其可以分別與用于制備基底界面表面151的第一組切削或用于制備壁 界面表面153的第二組切削相結(jié)合地制備），以形成基底界面表面151與壁界面表面153之間 的圓化相交部152。圓化相交部152優(yōu)選地利用諸如磨錐(burr)或銼刀(rasp)的旋轉(zhuǎn)切削工 具來形成。相交部152可以通過具有大半徑的旋轉(zhuǎn)切削機來形成，其中，需要一次處理來生 成圓化相交部，或者可以使用具有較小幾何形狀的工具來執(zhí)行雕刻銑銷技術(shù)以形成圓化相 交部。在優(yōu)選實施方式中，壁界面表面153還利用諸如磨錐或圓柱形銼刀的旋轉(zhuǎn)切削機來制 備。這樣，將相交部152以及脛骨隆突101a的壁界面表面153與頂面102之間的上角部弄圓。 而且，針對壁界面表面153,可以通過使用旋轉(zhuǎn)切削機來使其它尖銳邊緣和應(yīng)力梯級減到最 小以包括形成圓化相交部152。在其它實施方式中，基底界面表面151的制備還可以利用諸 如磨錐或圓柱形銼刀的旋轉(zhuǎn)切削工具來執(zhí)行。同樣地，根據(jù)本公開，可以利用旋轉(zhuǎn)切削機來 執(zhí)行第一組切削、第二組切削或者第三組切削中的任一組。前橋154可以沖出或者以骨鉗去 除。在優(yōu)選實施方式中，前橋154也利用旋轉(zhuǎn)切削機形成。
[0038] 圖3和圖4中描繪的脛骨101還在其中制備有粧孔157,粧孔157可以利用旋轉(zhuǎn)切削 機鉆入基底界面表面151中。粧孔157被構(gòu)造成容納來自脛骨植入物系統(tǒng)120的細長凸出部， 以進一步將植入物固定至骨骼，并且阻止植入物與骨骼之間的移動。類似地，可以利用龍骨 (未示出）制備骨骼，所述龍骨與脛骨植入物系統(tǒng)120上的龍骨連接，并且還改進骨骼與植入 物之間的安全性。
[0039] 制備脛骨以容納脛骨植入物系統(tǒng)的方法還包括利用精確切削邊界來限制可損害 脛骨隆突l〇la的強度的過度切削的量。圖5描繪了在本公開的示例性方法中使用的切削約 束引導的一種實現(xiàn)。該圖示出了結(jié)合外科手術(shù)系統(tǒng)(下面更詳細描述的）提供以控制在制備 骨骼期間進行的切削的觸覺邊界501的實現(xiàn)。諸如圖8描繪的系統(tǒng)200的外科手術(shù)系統(tǒng)可以 被構(gòu)造成建立與規(guī)劃的假體植入物組件相關(guān)聯(lián)并且與患者的解剖結(jié)構(gòu)的一個或更多個特 征相關(guān)聯(lián)或者相關(guān)的虛擬觸覺幾何形狀。外科手術(shù)系統(tǒng)200可以被構(gòu)造成生成外科手術(shù)位 置的虛擬表示，該虛擬表示例如包括患者的解剖結(jié)構(gòu)的虛擬表示、在外科手術(shù)過程期間要 使用的外科手術(shù)儀器、用于在外科手術(shù)位置內(nèi)配準其它物體的探針工具、以及與外科手術(shù) 位置相關(guān)聯(lián)的任何其它這種物體。
[0040] 除了物理對象以外，外科手術(shù)系統(tǒng)200還可以被構(gòu)造成生成在軟件中存在的虛擬 對象，并且可以在執(zhí)行外科手術(shù)過程期間有用。例如，外科手術(shù)系統(tǒng)200可以被構(gòu)造成生成 諸如觸覺邊界501的虛擬邊界，所述虛擬邊界對應(yīng)于外科醫(yī)生用于制備骨骼的規(guī)劃，諸如限 定外科醫(yī)生規(guī)劃切削、去除或者其它方式改變的骨骼區(qū)域的邊界。另選或者附加地，外科手 術(shù)系統(tǒng)200可以限定虛擬對象，所述虛擬對象對應(yīng)于外科手術(shù)工具210的一部分應(yīng)當據(jù)以導 航以執(zhí)行特定任務(wù)的希望路徑或路線。
[0041] 虛擬邊界和其它虛擬對象可以限定虛擬坐標空間(通常與患者的解剖結(jié)構(gòu)相關(guān)地 限定）內(nèi)的點、線或表面，其用作在外科手術(shù)儀器的跟蹤位置與虛擬邊界或?qū)ο笙嗷プ饔脮r 向外科手術(shù)儀器提供觸覺反饋的邊界。例如，在外科醫(yī)生執(zhí)行骨骼切削操作時，外科手術(shù)系 統(tǒng)200的跟蹤系統(tǒng)對切削工具的位置進行跟蹤，并且在大多數(shù)情況下，允許外科醫(yī)生在工作 空間中自由移動工具。然而，當工具接近虛擬觸覺邊界（已經(jīng)被配準至患者的解剖結(jié)構(gòu)）時， 外科手術(shù)系統(tǒng)200控制力反饋系統(tǒng)以提供觸覺引導，觸覺引導趨于約束外科醫(yī)生不利用該 切削工具穿透該虛擬觸覺邊界。例如，可以將虛擬觸覺邊界與假體植入物的虛擬模型的幾 何形狀相關(guān)聯(lián)，并且該觸覺引導可以包括被映射至該虛擬邊界并且被外科醫(yī)生體驗為約束 工具移動不穿透該虛擬邊界的阻力的力和/或力矩。由此，外科醫(yī)生可以覺得猶如切削工具 遇到了諸如壁的物理對象。因此，外科手術(shù)系統(tǒng)200的力反饋系統(tǒng)向外科醫(yī)生傳送有關(guān)工具 與虛擬邊界相對的位置的信息并且提供物理力反饋，以在實際切削過程期間引導切削工 具。按這種方式，虛擬邊界充任虛擬切削引導。外科手術(shù)系統(tǒng)200的力反饋系統(tǒng)也可以被構(gòu) 造成限制用戶操縱外科手術(shù)工具的能力。
[0042]如圖5所示，生成示例性觸覺邊界501以允許在工作區(qū)502中對外科手術(shù)工具進行 操縱。觸覺邊界501圍繞需要的脛骨隆突區(qū)101a設(shè)置。這樣，外科醫(yī)生能夠?qū)γ劰?01進行切 削以生成基底界面表面151和前橋部分154,而不會過度切削以致?lián)p害脛骨隆突101a的強 度。如圖所示，觸覺邊界501按相對于規(guī)劃的脛骨隆突101a的需要偏移量生成，以避免工具 過于靠近地切削。觸覺邊界501可以基于要使用的脛骨植入物系統(tǒng)自動生成，并且也可以由 外科醫(yī)生定制。例如，外科醫(yī)生可能想要增加或漸小觸覺邊界501的尺寸，可能想要改變相 對于所規(guī)劃的脛骨隆突l〇la的邊界偏移量，或者可能想要在患者的解剖結(jié)構(gòu)上重新定位所 規(guī)劃的植入物系統(tǒng)并因此重新定位觸覺邊界501。外科手術(shù)系統(tǒng)200可以被構(gòu)造成允許外科 醫(yī)生經(jīng)由用戶接口輸入這些。可以生成附加觸覺邊界并應(yīng)用至外科手術(shù)工具以供其它組切 削使用(如用于切削壁界面表面），來完成根據(jù)所公開的實施方式的骨骼制備。
[0043] 使用經(jīng)由外科手術(shù)系統(tǒng)生成并應(yīng)用的觸覺邊界是生成用于執(zhí)行本方法的切削約 束引導的一種機制。切削約束引導的其它實施方式包括可應(yīng)用于切削工具或應(yīng)用于保持切 削工具的手臂的機械約束，或者可以是專門針對外科手術(shù)計劃生成以允許外科醫(yī)生根據(jù)手 術(shù)規(guī)劃來操縱工具的切削塊(cutting block)，。
[0044] 如上所述的關(guān)節(jié)的制備可以根據(jù)圖6所描繪的示例性實施方式來執(zhí)行。制備骨骼 的方法包括:執(zhí)行第一組切削以在脛骨上制備基底界面表面151 (步驟601)。該基底界面表 面151包括位于在脛骨101上的基底界面表面151上方延伸的脛骨隆突101a的每一側(cè)的部分 151a、151b。該方法還包括:執(zhí)行第二組切削，以制備脛骨隆突壁界面表面153(步驟602)。壁 界面表面153在基底界面表面151與脛骨隆突101a的頂面102之間大致垂直于基底界面表面 151延伸。該方法還包括:執(zhí)行第三組切削，以制備基底界面表面與壁界面表面之間的圓化 相交部(步驟603)。如上所述，在切削約束引導下執(zhí)行所述多組切削。在其它實施方式中，步 驟601、602及603可以按與圖6所示次序不同的次序來執(zhí)行。類似地，當那些步驟涉及利用旋 轉(zhuǎn)切削機切削時，第三組切削（步驟603)可以結(jié)合步驟601或602來執(zhí)行。如上所述，這些組 切削中的一組或更多組切削可以利用旋轉(zhuǎn)切削機來執(zhí)行。
[0045]如上所述的針對關(guān)節(jié)制備的規(guī)劃可以根據(jù)圖7所描繪的示例性實施方式來執(zhí)行。 該外科手術(shù)規(guī)劃方法包括:獲取脛骨的近端的表示(步驟701)。解剖結(jié)構(gòu)的表示可以通過成 像系統(tǒng)來獲取，并且可以包括諸如CT或MRI圖像的圖像。所述圖像可以術(shù)前、術(shù)中或者在外 科手術(shù)規(guī)劃時獲取。所述圖像可以通過外科手術(shù)系統(tǒng)200加載和獲取，如下所述。該方法還 包括:獲取脛骨植入物的表示（步驟702)。模型植入物也可以通過外科手術(shù)系統(tǒng)200加載和 獲取。外科醫(yī)生能夠從許多不同的植入物模型中選擇，并且選定最適于患者和患者解剖結(jié) 構(gòu)的植入物。所述規(guī)劃方法還包括:將脛骨植入物的表示置于脛骨的近端的表示上，并且基 于脛骨植入物來規(guī)劃脛骨的近端的制備(步驟703)。外科醫(yī)生能夠修改植入物在患者的解 剖結(jié)構(gòu)上的位置。在骨骼的表示上定位模型植入物允許規(guī)劃制備骨骼以容納脛骨植入物所 需的切除，包括規(guī)劃第一組切削以在脛骨101上制備基底界面表面151 (步驟704)?；捉缑?表面151包括位于在脛骨上的基底界面部分上方延伸的脛骨隆突101a的每一側(cè)的部分 151a、151b。步驟705包括規(guī)劃第二組切削以制備脛骨隆突壁界面表面153。壁界面表面153 在基底界面表面151與脛骨隆突101a的頂面102之間大致垂直于基底界面表面151延伸。步 驟706包括規(guī)劃第三組切削以制備基底界面表面151與壁界面表面153之間的圓化相交部 152。該方法還包括:基于第一組切削、第二組切削及第三組切削中的至少一組切削的規(guī)劃 來提供切削約束引導(步驟707)。
[0046]根據(jù)上述示例性實施方式的方法，用于確保精確且準確制備關(guān)節(jié)的一種示例性方 法可以利用計算機輔助外科手術(shù)(CAS)系統(tǒng)來幫助外科醫(yī)生在與患者的解剖結(jié)構(gòu)交互作用 之前適當?shù)貙使ぞ卟⑶以诠趋乐袌?zhí)行準確切削。許多CAS系統(tǒng)包括軟件，所述軟件允許用 戶以電子方式配準(register)與手術(shù)位置相關(guān)聯(lián)的某些解剖特征(例如，骨骼、軟組織等）、 手術(shù)儀器及其它界標（landmark) XAS系統(tǒng)可以基于解剖特征的配準來生成手術(shù)位置的圖 形表示。CAS軟件還允許用戶規(guī)劃外科手術(shù)過程的某些方面，并且記錄這些方面以與手術(shù)位 置的圖形表示一起顯示。例如，在膝關(guān)節(jié)置換過程中，外科醫(yī)生可以配準目標導航點、骨骼 和組織切削的位置和深度、可與用于施加觸覺力的對應(yīng)參照相關(guān)聯(lián)的虛擬邊界以及手術(shù)的 其它方面。
[0047]圖8提供了示例性計算機輔助外科手術(shù)(CAS)系統(tǒng)200的示意圖，其中可以實現(xiàn)與 某些公開的實施方式相關(guān)聯(lián)的處理和特征。外科手術(shù)系統(tǒng)200可以被構(gòu)造成執(zhí)行各種矯形 外科手術(shù)過程，舉例來說，如局部或全關(guān)節(jié)置換手術(shù)。如圖2所示，外科手術(shù)系統(tǒng)200包括:跟 蹤系統(tǒng)201、計算系統(tǒng)202、一個或更多個顯示裝置203a、203b以及機器人系統(tǒng)204。應(yīng)當清 楚，系統(tǒng)200以及在此描述的方法和處理可應(yīng)用于許多不同類型的關(guān)節(jié)置換過程。盡管某些 公開的實施方式可以參照關(guān)節(jié)置換過程加以描述，但在此描述的概念和方法可以應(yīng)用于其 它類似的矯形外科手術(shù)，如局部髖關(guān)節(jié)置換、全或局部髖關(guān)節(jié)表面置換、肩關(guān)節(jié)置換或者表 面置換過程，以及其它類型的矯形過程。
[0048]機器人系統(tǒng)204可以由外科醫(yī)生按交互方式使用以對患者執(zhí)行外科手術(shù)過程，如 膝關(guān)節(jié)置換過程。如圖2所示，機器人系統(tǒng)204包括:基部205、關(guān)節(jié)臂206、力系統(tǒng)(未示出）以 及控制器(未示出）。外科手術(shù)工具210(例如，具有手術(shù)部件的末端執(zhí)行器，諸如鋸、擴孔鉆、 磨錐)可以聯(lián)接至關(guān)節(jié)臂206。外科醫(yī)生可以通過抓住并人工移動關(guān)節(jié)臂206和/或外科手術(shù) 工具210來操縱外科手術(shù)工具210。
[0049]所述力系統(tǒng)和控制器被構(gòu)造成在操縱外科手術(shù)工具期間經(jīng)由控制或引導向外科 醫(yī)生提供切削約束引導。所述力系統(tǒng)被構(gòu)造成經(jīng)由關(guān)節(jié)臂206向外科手術(shù)工具提供至少一 些力，并且控制器被編程成生成用于控制所述力系統(tǒng)的控制信號。在一個實施方式中，力系 統(tǒng)包括致動器和可反向驅(qū)動的傳動裝置，它們提供觸覺(或力)反饋以約束或抑制外科醫(yī)生 人工移動手術(shù)工具超出如上所述根據(jù)觸覺對象所限定的預(yù)定觸覺邊界，舉例來說，如美國 專利No. 8，010,180和/或在2009年12月22日提交的美國專利申請No. 12/654,519(美國專利 申請公報No. 2010/0170362)中描述的，每一個都通過引用而全部并入于此。根據(jù)一個實施 方式，外科手術(shù)系統(tǒng)200是由ΜΑΚΟ Surgical Corp.of Fort Lauderdale,Florida制造的 RIOS.Robotic Arm Interactive Orthopedic System。該力系統(tǒng)和控制器可以容納在機器 人系統(tǒng)204內(nèi)。
[0050]跟蹤系統(tǒng)201被構(gòu)造成在外科手術(shù)過程期間確定一個或更多個對象的姿勢（即，位 置和取向）以檢測(多個)對象的移動。例如，跟蹤系統(tǒng)201可以包括檢測裝置，該檢測裝置獲 取對象關(guān)于該檢測裝置的參考坐標系的姿勢。當對象在參考坐標系中移動時，檢測裝置跟 蹤對象的姿勢以檢測(或使得外科手術(shù)系統(tǒng)200能夠檢測)對象的移動。結(jié)果，計算系統(tǒng)202 可以響應(yīng)于被跟蹤的對象或多個對象的移動來捕獲數(shù)據(jù)。被跟蹤的對象例如可以包括工 具/儀器、患者解剖結(jié)構(gòu)、植入物/假體裝置以及外科手術(shù)系統(tǒng)200的組件。利用來自跟蹤系 統(tǒng)201的姿勢數(shù)據(jù)，外科手術(shù)系統(tǒng)200還能夠?qū)⒁粋€空間中的坐標配準(或者映射或關(guān)聯(lián))至 另一空間中的那些坐標，以實現(xiàn)空間對準或?qū)?yīng)(例如，利用公知的坐標變換處理）。物理空 間中的對象可以被配準至任何合適的坐標系，諸如由運行在外科手術(shù)控制器212和/或觸覺 裝置204的計算機裝置上的處理所使用的坐標系。例如，利用來自跟蹤系統(tǒng)201的姿勢數(shù)據(jù)， 外科手術(shù)系統(tǒng)200能夠?qū)⒅T如患者脛骨的物理解剖結(jié)構(gòu)與該解剖結(jié)構(gòu)的表示(如顯示在顯 示裝置203上的圖像)關(guān)聯(lián)起來?；诒桓檶ο蠛团錅蕯?shù)據(jù)，外科手術(shù)系統(tǒng)200例如可以確 定解剖結(jié)構(gòu)的圖像與相關(guān)的解剖結(jié)構(gòu)之間的空間關(guān)系。
[0051 ] 配準(registration)可以包括任何已知的配準技術(shù)，舉例來說，如圖像至圖像配 準(例如，其中配準諸如透視圖像或MR圖像的同一類型或模態(tài)圖像的單模配準和/或配準諸 如MRI和CT的不同類型或模態(tài)圖像的多模配準）；圖像至物理空間配準(例如，圖像至患者配 準，其中，通過常規(guī)成像技術(shù)獲取的患者解剖結(jié)構(gòu)的數(shù)字數(shù)據(jù)集與患者的實際解剖結(jié)構(gòu)配 準）；和/或組合的圖像至圖像和圖像至物理空間配準（例如，將術(shù)前CT和MRI圖像配準至術(shù) 中場景）。計算系統(tǒng)202還可以包括用于將一個空間中的坐標映射(或變換)至另一空間中的 坐標以實現(xiàn)空間對準或?qū)?yīng)的坐標變換處理。例如，外科手術(shù)系統(tǒng)200可以使用坐標變換處 理，以將被跟蹤對象(例如，患者解剖結(jié)構(gòu)等）的位置映射到由運行在觸覺裝置的計算機和/ 或外科手術(shù)控制器212上的處理所使用的坐標系統(tǒng)中。公知地，坐標變換處理可以包括任何 合適的變換技術(shù)，舉例來說，如剛體變換、非剛性變換、仿射變換等。
[0052]跟蹤系統(tǒng)201可以是使得外科手術(shù)系統(tǒng)200能夠連續(xù)確定（或跟蹤）患者的相關(guān)解 剖結(jié)構(gòu)的姿勢的任何各種系統(tǒng)。例如，跟蹤系統(tǒng)201可以包括適于在外科手術(shù)環(huán)境中使用的 非機械跟蹤系統(tǒng)、機械跟蹤系統(tǒng)或者非機械和機械跟蹤系統(tǒng)的任意組合。非機械跟蹤系統(tǒng) 可以包括光學(或可視）、磁、無線電或聲跟蹤系統(tǒng)。這種系統(tǒng)通常包括適于在預(yù)定的坐標空 間中定位可特別識別的跟蹤部件(或跟蹤器)的檢測裝置，所述部件可被所述檢測裝置檢測 并且被構(gòu)造成接合至要跟蹤的對象或者作為要跟蹤的對象的固有部分。例如，可跟蹤部件 可以包括具有獨特的幾何排布的一批標記以及在可跟蹤部件接合至被跟蹤對象時與被跟 蹤對象的已知幾何關(guān)系。所述已知幾何關(guān)系例如可以是可跟蹤部件與被跟蹤對象的端點和 軸之間的預(yù)定幾何關(guān)系。由此，檢測裝置可以至少部分地根據(jù)標記的幾何形狀(若獨特的 話）、軸的取向以及從標記的位置推導出的端點在參照系內(nèi)的位置來識別特定跟蹤對象。
[0053]標記可以包括任何已知標記，舉例來說，諸如被跟蹤對象的外在標記（或基準點） 和/或固有特征。外在標記是接合至患者的人工物體(例如，貼附至皮膚的標記、植入骨骼中 的標記、立體定向架等），并且被設(shè)計成可見并且可被檢測裝置準確檢測到。固有特征是被 跟蹤對象的易見且可準確定位的部分，其被充分限定并且可標識以充任可識別標記(例如， 界標、解剖結(jié)構(gòu)的輪廓、形狀、顏色或者任何其它可以充分識別的可視指示符）。標記可以利 用任何合適檢測方法來定位，舉例來說，公知的光學、電磁、無線電或者聲學方法。例如，具 有對紅外輻射敏感的固定立體攝像機對的光學跟蹤系統(tǒng)可以被用于跟蹤主動(安然發(fā)光二 極管或LED)或者被動地(如具有反射紅外福射的表面的球形標記)發(fā)射紅外福射的標記。類 似地，磁跟蹤系統(tǒng)可以包括固定場發(fā)生器，發(fā)射通過集成到被跟蹤對象中的小線圈所感測 到的空間變化磁場。
[0054]計算系統(tǒng)202可以以通信方式聯(lián)接至跟蹤系統(tǒng)201，并且可以被構(gòu)造成接收來自跟 蹤系統(tǒng)201的跟蹤數(shù)據(jù)?；谒邮盏母檾?shù)據(jù)，計算系統(tǒng)202可以確定與外科手術(shù)環(huán)境的 一個或更多個配準的特征(如外科手術(shù)工具210或者患者的解剖結(jié)構(gòu)的多個部分)相關(guān)聯(lián)的 位置和取向。計算系統(tǒng)202還可以包括外科手術(shù)規(guī)劃和外科手術(shù)輔助軟件，其可以在手術(shù)過 程期間由外科醫(yī)生或手術(shù)支持人員使用。例如，在關(guān)節(jié)置換過程期間，計算系統(tǒng)202可在顯 示裝置203a、203b中的一個或兩個上顯示與手術(shù)過程有關(guān)的圖像。
[0055]計算系統(tǒng)202(和/或外科手術(shù)系統(tǒng)200的一個或更多個構(gòu)成組件)可以包括用于外 科手術(shù)系統(tǒng)200的操作和控制的硬件和軟件。這種硬件和/或軟件被構(gòu)造成使得系統(tǒng)200能 夠執(zhí)行在此描述的技術(shù)。參照圖9,計算系統(tǒng)202包括外科手術(shù)控制器212、顯示裝置203以及 輸入裝置216。
[0056]外科手術(shù)控制器212可以是任何已知計算系統(tǒng)，但優(yōu)選為可編程的、基于處理器的 系統(tǒng)。例如，外科手術(shù)控制器212可以包括微處理器、硬盤驅(qū)動器、隨機存取存儲器(RAM)、只 讀存儲器(R0M)、輸入/輸出（I/O)電路以及任何其它已知計算機組件。外科手術(shù)控制器212 優(yōu)選地適于與各種類型的存儲裝置(持久性的和可去除的）一起使用，舉例來說，諸如便攜 式驅(qū)動器、磁存儲部、固態(tài)存儲部（例如，閃速存儲卡）、光學存儲部以及/或者因特網(wǎng)存儲 部。外科手術(shù)控制器212可以包括一個或更多個計算機，例如包括在合適的操作系統(tǒng)下工作 的個人計算機或工作站，并且優(yōu)選地包括圖形用戶界面(GUI)。
[0057]再次參照圖9,在示例性實施方式中，外科手術(shù)控制器212包括具有處理器222和存 儲器224的處理電路220。處理器222可以被實現(xiàn)為通用處理器，其執(zhí)行一個或更多個計算機 程序以通過操作輸入數(shù)據(jù)并生成輸出來執(zhí)行動作。該處理和邏輯流還可以通過專用邏輯電 路(例如，F(xiàn)PGA(現(xiàn)場可編程門陣列）或ASIC(專用集成電路））、一組處理組件或者其它合適 電子處理組件來執(zhí)行，并且裝置也可以被實現(xiàn)為該專用邏輯電路(例如，F(xiàn)PGA(現(xiàn)場可編程 門陣列）或ASIC(專用集成電路））、一組處理組件或者其它合適電子處理組件。一般來說，處 理器將接收來自只讀存儲器或隨機存取存儲器或兩者的指令和數(shù)據(jù)。存儲器224(例如，存 儲器、存儲器單元、存儲裝置等)包括一個或更多個裝置(例如，RAM、ROM、閃速存儲器、硬盤 存儲部等），以存儲用于完成或易于本申請中描述的各種處理的數(shù)據(jù)和/或計算機代碼。存 儲器224可以是或者包括易失性存儲器或非易失性存儲器。存儲器224可以包括數(shù)據(jù)庫組 件、目標代碼組件、腳本組件或者用于支持本申請中描述的各種活動的任何其它類型的信 息結(jié)構(gòu)。根據(jù)示例性實施方式，存儲器224可通信地連接至處理器222,并且包括用于執(zhí)行在 此描述的一個或更多個處理的計算機代碼。存儲器224可以包含多種模塊，每種模塊都能夠 存儲與特定類型的功能有關(guān)的數(shù)據(jù)和/或計算機代碼。在一個實施方式中，存儲器224包含 與外科手術(shù)過程有關(guān)的若干個模塊，諸如規(guī)劃模塊224a、導航模塊224b、對準模塊224c以及 機器人控制模塊224d。
[0058] 另選或附加地，程序指令可以在人工生成的傳播信號（例如，機器生成的電、光或 電磁信號）上編碼，所述信號被生成以編碼以向合適接收器裝置發(fā)送的信息以供數(shù)據(jù)處理 裝置執(zhí)行。計算機存儲介質(zhì)可以是計算機可讀存儲裝置、計算機可讀存儲基片、隨機或串行 存取存儲器陣列或裝置、或者它們中的一個或更多個的組合，或者被包括在其中。而且，雖 然計算機存儲介質(zhì)不是傳播信號，但計算機存儲介質(zhì)可以是人工生成的傳播信號中編碼的 計算機程序指令的源或目的地。計算機存儲介質(zhì)還可以是一個或更多個分離組件或介質(zhì) (例如，多個CD、盤，或其它存儲裝置），或者被包括在其中。因此，計算機存儲介質(zhì)可以是有 形的和非瞬時的。
[0059] 計算機程序(還已知為程序、軟件、軟件應(yīng)用、腳本或代碼)可以采用任何形式的編 程語言來編寫，包括編譯或解釋語言、聲明或過程語言，并且可以采用任何形式來部署，包 括部署為獨立程序或部署為模塊、組件、子例程、對象或適于在計算環(huán)境中使用的其它單 元。計算機程序可以（但不需要)對應(yīng)于文件系統(tǒng)中的文件?？梢詫⒊绦虼鎯υ诒３制渌?序或數(shù)據(jù)(例如，存儲在標記語言文檔中的一個或更多個腳本）的文件的一部分中、專用于 所討論的程序的單一文件中、或者多個協(xié)作文件(例如，存儲一個或更多個模塊、子程序或 者代碼的多個部分的文件）中。可以將計算機程序部署成在一個計算機上或者在定位在一 個地點或跨多個地點分布并且通過通信網(wǎng)絡(luò)互連的多個計算機上執(zhí)行。
[0060] 一般來說，計算機還包括或者在工作上被聯(lián)接以接收來自用于存儲數(shù)據(jù)的一個或 更多個海量存儲裝置(例如，磁盤、磁光盤或光盤)的數(shù)據(jù)，或者向所述一個或更多個海量存 儲裝置(例如，磁盤、磁光盤或光盤)傳遞數(shù)據(jù)或者兩者皆有。然而，計算機不需要具有這種 裝置。而且，計算機可以嵌入另一裝置中，例如，移動電話、個人數(shù)字助理(PDA)、移動音頻或 視頻播放器、游戲機、全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器或者便攜式存儲裝置(例如，通用串行總線 (USB)閃存驅(qū)動器)等。適于存儲計算機程序指令和數(shù)據(jù)的裝置包括所有形式的非易失性存 儲器、介質(zhì)以及存儲器裝置，舉例來說，包括:半導體存儲器裝置(例如，EPROM、EEPR0M及閃 速存儲器裝置）；磁盤(例如，內(nèi)部硬盤或可去除盤）；磁光盤；以及CD ROM和DVD-ROM盤。處理 器和存儲器可以通過專用邏輯電路來補充或者并入專用邏輯電路中。
[0061] 本說明書中描述的主題的實施方式可以在計算系統(tǒng)中實現(xiàn)，所述計算系統(tǒng)包括后 端組件(舉例來說，如數(shù)據(jù)服務(wù)器），或者包括中間件組件(例如，應(yīng)用服務(wù)器），或者包括前 端組件(例如，具有圖形用戶界面的客戶端計算機或者Web瀏覽器，用戶經(jīng)由其與本說明書 中描述的主題的實施方式交互作用），或者包括一個或更多個這種后端組件、中間件組件或 前端組件的任意組合。該系統(tǒng)的組件可以通過數(shù)字數(shù)據(jù)通信的任何形式或介質(zhì)(例如，通信 網(wǎng)絡(luò))互連。通信網(wǎng)絡(luò)的示例包括:局域網(wǎng)（"LAN"）和廣域網(wǎng)（"WAN"）、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（例如，因特 網(wǎng)）以及對等網(wǎng)絡(luò)(例如，ad hoc對等網(wǎng)絡(luò)）。
[0062]參照圖9中描繪的外科手術(shù)系統(tǒng)200的實施方式，外科手術(shù)控制器212還包括通信 接口 230。計算系統(tǒng)202的通信接口 230經(jīng)由接口聯(lián)接至機器人系統(tǒng)204的計算裝置（未示 出），并且經(jīng)由接口聯(lián)接至跟蹤系統(tǒng)201。所述接口可以包括物理接口和軟件接口。通信接口 230的物理接口可以是或者包括有線或無線接口（例如，插口、天線、發(fā)送器、接收器、收發(fā) 器、有線終端等），以經(jīng)由直接連接或者網(wǎng)絡(luò)連接(例如，因特網(wǎng)連接、LAN、WAN或者WLAN連接 等)與外部源進行數(shù)據(jù)通信。軟件接口可以駐留在外科手術(shù)控制器212、機器人系統(tǒng)204的計 算裝置(未示出）和/或跟蹤系統(tǒng)201上。在一些實施方式中，外科手術(shù)控制器212和計算裝置 (未示出）是同一計算裝置。軟件還可以在遠程服務(wù)器上工作、和外科手術(shù)系統(tǒng)200容納在同 一建筑物中或者處于外部服務(wù)器站點。
[0063] 計算系統(tǒng)202還包括顯示裝置203。顯示裝置203是計算系統(tǒng)52與用戶之間的可視 接口。顯示裝置203連接至外科手術(shù)控制器212,并且可以是適于顯示文本、圖像、圖形和/或 其它可視輸出的任何裝置。例如，顯示裝置203可以包括標準顯示屏（例如，IXD、CRT、0LED、 TFT、等離子等）、觸摸屏、可佩戴顯示器(舉例來說，諸如眼鏡或護目鏡的眼鏡(eyewear))、 投影顯示器、頭戴式顯示器、全息顯示器和/或任何其它可視輸出裝置。顯示裝置203可以設(shè) 置在外科手術(shù)控制器212上或附近(例如，在圖8所示的手推車上），或者可以遠離外科手術(shù) 控制器212(例如，安裝在具有跟蹤系統(tǒng)56的臺子上）。顯示裝置203優(yōu)選地可以調(diào)節(jié)，以使用 戶在外科手術(shù)過程期間可以在需要時定位/重新定位顯示裝置203。例如，顯示裝置203可以 設(shè)置在可調(diào)節(jié)臂(未示出）上，或者設(shè)置在非常適合用戶容易觀察的任何其它位置。如圖8所 示，外科手術(shù)系統(tǒng)200中可以有超過一個顯示裝置203。
[0064] 顯示裝置203可以用于顯示對醫(yī)療過程有用的任何信息，舉例來說，諸如根據(jù)利用 常規(guī)成像技術(shù)獲取的圖像數(shù)據(jù)集而生成的解剖結(jié)構(gòu)圖像、圖形模型(例如，植入物、儀器、解 剖結(jié)構(gòu)的CAD模型等）、被跟蹤對象(例如，解剖結(jié)構(gòu)、工具、植入物等)的圖形表示、約束數(shù)據(jù) (例如，軸、關(guān)節(jié)表面等）、植入物組件的表示、數(shù)字或視頻圖像、對準信息、校準信息、患者數(shù) 據(jù)、用戶數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、軟件菜單、選擇按鈕、狀態(tài)信息等。
[0065]除了顯示裝置203以外，計算系統(tǒng)202還可以包括用于向用戶提供可聽反饋的聲學 裝置(未示出）。該聲學裝置連接至外科手術(shù)控制器212,并且可以是用于生成聲音的任何已 知裝置。例如，該聲學裝置可以包括揚聲器和聲卡、具有集成的音頻支持的主板和/或外部 聲音控制器。在操作中，該聲學裝置可以適于向用戶傳達信息。例如，外科手術(shù)控制器212可 被編程為向該聲學裝置發(fā)送信號以生成如語音合成口頭指示"DONE(完成)"的聲音以表示 完成外科手術(shù)過程的步驟。類似地，該聲學裝置可以用于向用戶提醒敏感狀況，如生成鈴聲 以指示外科手術(shù)切削工具在軟組織的關(guān)鍵部分附近或者正接近觸覺邊界。
[0066]為向用戶提供其它交互作用，本說明書中描述的主題的實施方式可以在具有輸入 裝置216的計算機上實現(xiàn)，輸入裝置216使得用戶能夠與外科手術(shù)系統(tǒng)200通信。輸入裝置 216連接至外科手術(shù)控制器212,并且可以包括使得用戶能夠向計算機提供輸入的任何裝 置。例如，輸入裝置216可以是已知輸入裝置，諸如鍵盤、鼠標器、軌跡球、觸摸屏、觸摸板、話 音識別硬件、撥號盤、開關(guān)、按鈕、可跟蹤探針、腳踏板、遠程控制裝置、掃描儀、攝像機、麥克 風和/或操縱桿。例如，輸入裝置216可以允許用戶如上所述地操縱觸覺邊界。同樣可以使用 其它種類的裝置來向用戶提供交互作用；例如，提供給用戶的反饋可以是任何形式的可感 測反饋，例如，可視反饋、可聽反饋或觸覺反饋，而來自用戶的輸入可以按任何形式接收，包 括聲學、語音或觸覺輸入。另外，計算機可以通過向用戶使用的裝置發(fā)送文檔和從該裝置接 收文檔而與用戶交互作用；例如，通過響應(yīng)于從用戶客戶端裝置上的web瀏覽器接收的請 求，向該web瀏覽器發(fā)送網(wǎng)頁。
[0067] 用于執(zhí)行上述示例性方法的一般外科手術(shù)規(guī)劃和導航(并且包括如結(jié)合外科手術(shù) 系統(tǒng)200描述的觸覺控制和反饋)可以通過計算機化外科手術(shù)系統(tǒng)來執(zhí)行，如在Quaid等人 的美國專利Νο·8,010,180"Haptic Guidance System and Method" 中描述的那樣，其全部 內(nèi)容通過引用而并入于此。
[0068] 在各個示例性實施方式中所示的系統(tǒng)和方法的構(gòu)造和排布結(jié)構(gòu)僅僅是例示性的。 盡管本公開中僅對幾個實施方式進行了詳細描述，但許多變型例也是可能的。因此，所有這 種變型例都旨在被包括在本公開的范圍內(nèi)。任何處理或方法步驟的次序或順序可以根據(jù)另 選實施方式加以改變或重新排序。在不脫離本公開的范圍的情況下，可以在這些示例性實 施方式的設(shè)計、工作條件以及排布結(jié)構(gòu)方面進行其它置換、修改、改變及省略。
【主權(quán)項】
1. 一種制備脛骨以容納脛骨植入物組件的方法，該方法包括： 執(zhí)行第一組切削以制備所述脛骨上的基底界面表面，其中，所述基底界面表面包括位 于在所述脛骨上的所述基底界面表面上方延伸的脛骨隆突的每一側(cè)的部分； 執(zhí)行第二組切削以制備脛骨隆突壁界面表面，其中，所述壁界面表面在所述基底界面 表面與所述脛骨隆突的頂面之間大致垂直于所述基底界面表面延伸； 執(zhí)行第三組切削以制備所述基底界面表面與所述壁界面表面之間的圓化相交部，并且 其中，所述多組切削的執(zhí)行服從于切削約束引導。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第三組切削通過旋轉(zhuǎn)外科手術(shù)切削工具執(zhí) 行。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述第一組切削和所述第二組切削中的至少一組 切削通過所述旋轉(zhuǎn)外科手術(shù)切削工具執(zhí)行。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括:執(zhí)行第四組切削以制備位于所述脛骨 隆突的前端處的所述基底界面表面部分之間的脛骨橋。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述第四組切削利用旋轉(zhuǎn)切削工具執(zhí)行。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述切削約束引導是機械切削引導。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述方法利用外科手術(shù)系統(tǒng)來執(zhí)行，所述外科手 術(shù)系統(tǒng)包括： 外科手術(shù)設(shè)備，其被配置成保持外科手術(shù)工具并且由用戶操縱以執(zhí)行所述脛骨的制 備； 反饋機構(gòu)，其提供所述切削約束引導并且被構(gòu)造成基于所述脛骨與所述外科手術(shù)設(shè)備 之間的關(guān)系向操縱所述外科手術(shù)設(shè)備的所述用戶提供反饋;以及 計算系統(tǒng)，其被編程為將虛擬對象與所述脛骨關(guān)聯(lián)起來，并且其中，所述計算系統(tǒng)還被 編程為控制所述反饋機構(gòu)以在所述用戶操縱所述外科手術(shù)設(shè)備時向所述用戶提供引導。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述計算系統(tǒng)還被配置成生成觸覺邊界，并且其 中，所述反饋機構(gòu)提供觸覺力，所述觸覺力被施加至所述外科手術(shù)工具以約束所述工具不 穿透所述觸覺邊界。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，施加于所述第一組切削的所述切削約束引導被配 置成將所述外科手術(shù)工具的移動限制成不在到所述脛骨隆突的預(yù)定距離內(nèi)移動，以防止所 述基底界面表面與所述脛骨隆突的所述壁界面表面之間的相交部處的底切。10. -種用于制備脛骨以容納脛骨植入物組件的外科手術(shù)規(guī)劃方法，該外科手術(shù)規(guī)劃 方法包括： 獲取所述脛骨的近端的表示； 獲取脛骨植入物的表示； 將所述脛骨植入物的表示置于所述脛骨的所述近端的表示上； 基于所述脛骨植入物來規(guī)劃所述脛骨的所述近端的制備，該規(guī)劃的步驟包括： 規(guī)劃第一組切削以制備所述脛骨上的基底界面表面，其中，所述基底界面表面包括位 于在所述脛骨上的所述基底界面部分上方延伸的脛骨隆突的每一側(cè)的部分； 規(guī)劃第二組切削以制備脛骨隆突壁界面表面，其中，所述壁界面表面在所述基底界面 表面與所述脛骨隆突的頂面之間大致垂直于所述基底界面延伸；以及 規(guī)劃第三組切削以制備所述基底界面表面與所述壁界面表面之間的圓化相交部；以及 基于所述第一組切削、所述第二組切削以及所述第三組切削中的至少一組切削的規(guī) 劃，提供切削約束引導。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，提供切削約束引導包括提供機械切削引導，所 述機械切削引導被配置用于實現(xiàn)規(guī)劃的多組切削。12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，提供切削約束引導包括生成觸覺邊界，所述觸 覺邊界被配置成應(yīng)用于所述外科手術(shù)工具以約束所述工具不穿透所述觸覺邊界。13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述第三組切削通過旋轉(zhuǎn)外科手術(shù)切削工具執(zhí) 行。14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述第一組切削和所述第二組切削中的至少一 組切削通過所述旋轉(zhuǎn)外科手術(shù)切削工具執(zhí)行。15. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，所述方法還包括:提供被配置成執(zhí)行所述外科手術(shù)規(guī) 劃的外科手術(shù)系統(tǒng)，所述外科手術(shù)系統(tǒng)包括： 外科手術(shù)設(shè)備，其被配置成保持外科手術(shù)工具并且由用戶操縱以執(zhí)行所述脛骨的制 備； 反饋機構(gòu)，其提供所述切削約束引導并且被配置成基于所述骨骼與所述外科手術(shù)設(shè)備 之間的關(guān)系向操縱所述外科手術(shù)設(shè)備的所述用戶提供反饋;以及 計算系統(tǒng)，其被編程為將虛擬對象與所述脛骨的表示關(guān)聯(lián)起來，并且其中，所述計算系 統(tǒng)還被編程為控制所述反饋機構(gòu)以在所述用戶操縱所述外科手術(shù)設(shè)備時向所述用戶提供 引導。16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述計算系統(tǒng)還被配置成生成觸覺邊界，并且 其中，所述反饋機構(gòu)提供觸覺力，所述觸覺力被施加于所述外科手術(shù)工具以約束所述工具 不穿透所述觸覺邊界。17. -種外科手術(shù)系統(tǒng)，該外科手術(shù)系統(tǒng)包括： 外科手術(shù)設(shè)備，其被配置成保持外科手術(shù)工具并且由用戶操縱以執(zhí)行脛骨的制備以容 納植入物組件；以及 切削約束引導，其被配置成提供有關(guān)所述外科手術(shù)工具的移動的約束； 其中，所述切削約束引導被配置成允許用戶執(zhí)行多個切削，所述多個切削包括： 用于制備所述脛骨上的基底界面表面的第一組切削，其中，所述基底界面表面包括位 于在所述脛骨上的所述基底界面部分上方延伸的脛骨隆突的每一側(cè)的部分； 用于制備脛骨隆突壁界面表面的第二組切削，其中，所述壁界面表面在所述基底界面 表面與所述脛骨隆突的頂面之間大致垂直于所述基底界面延伸；以及 用于制備所述基底界面表面與所述壁界面表面之間的圓化相交部的第三組切削。18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括:計算系統(tǒng)，其被編程為將虛擬對象 與所述脛骨關(guān)聯(lián)起來；以及反饋機構(gòu)，其用于提供所述切削約束引導，并且其中，所述計算 系統(tǒng)還被編程為控制所述反饋機構(gòu)以在所述用戶操縱所述外科手術(shù)設(shè)備時向所述用戶提 供引導。19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述外科手術(shù)工具是用于執(zhí)行所述第三組切削 的第一外科手術(shù)切削工具，并且其中，所述第一外科手術(shù)切削工具是旋轉(zhuǎn)切削工具。20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括:第二切削工具，該第二切削工具用 于執(zhí)行所述第一組切削和所述第二組切削中的一組或更多組切削。21. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述計算系統(tǒng)還被配置成生成觸覺邊界，并且 其中，所述力反饋機構(gòu)提供觸覺力，所述觸覺力被施加至所述外科手術(shù)工具以約束所述工 具不穿透所述觸覺邊界。22. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述切削約束引導是機械切削引導，所述機械 切削引導被配置成引導所述第一組切削、所述第二組切削或所述第三組切削中的至少一組 切削。
【文檔編號】A61B90/00GK105939692SQ201480074522
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2014年12月22日
【發(fā)明人】M·納德扎荻, A·阿巴西, A·米斯特里, J·奧托
【申請人】馬科外科公司