自適應(yīng)表面外科手術(shù)引導(dǎo)裝置以及制造自適應(yīng)表面外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的系統(tǒng)和方法
【專利說(shuō)明】自適應(yīng)表面外科手術(shù)引導(dǎo)裝置以及制造自適應(yīng)表面外科手 術(shù)引導(dǎo)裝置的系統(tǒng)和方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的奪叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求于2013年3月15日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?1/789, 476的權(quán)益， 通過(guò)引用將其整體并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本申請(qǐng)涉及用于在外科手術(shù)（surgical)應(yīng)用中使用的自適應(yīng)（adaptive)表面外 科手術(shù)引導(dǎo)裝置、工具、設(shè)備或向?qū)Вㄏ挛闹蟹Q為"裝置"或"多個(gè)裝置"）。本申請(qǐng)還涉及 用于制造自適應(yīng)表面外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的系統(tǒng)和用于在外科手術(shù)中使用自適應(yīng)表面外科 手術(shù)引導(dǎo)裝置的方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 外科手術(shù)引導(dǎo)裝置在骨科手術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用。外科手術(shù)引導(dǎo)裝置可以允許 術(shù)前（pre-operative)外科手術(shù)計(jì)劃準(zhǔn)確地被轉(zhuǎn)移到手術(shù)室（operating room)中。另 外，外科手術(shù)引導(dǎo)裝置可以幫助沿著預(yù)定義的切割或鉆孔路徑引導(dǎo)諸如切割或鉆孔器械 (instrument)的外科手術(shù)器械。
[0005] 使用術(shù)前醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)來(lái)創(chuàng)建解剖表面的精確表示可能不總是可行的。例如，各 種解剖表面可以包括在特定類型的醫(yī)學(xué)圖像中不可見(jiàn)的軟組織。作為另一示例，解剖表面 可以在醫(yī)學(xué)圖像中被看到的形狀上變化。用于設(shè)計(jì)外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的可用表面的缺乏可 能導(dǎo)致在得到的裝置中的不穩(wěn)定性。另外，當(dāng)可以包括能夠被定位為附接到骨骼的部分或 在骨骼的部分周圍的部件的可調(diào)節(jié)的外科手術(shù)引導(dǎo)裝置是不穩(wěn)定的或提供不準(zhǔn)確的外科 手術(shù)器械引導(dǎo)位置時(shí)問(wèn)題可能出現(xiàn)。例如，外科手術(shù)引導(dǎo)裝置可能不是完全適合患者的骨 骼并且因此可能是不穩(wěn)定的。此外還有，外科手術(shù)器械的引導(dǎo)位置可能由于支撐解剖結(jié)構(gòu) 與規(guī)劃的外科手術(shù)器械的進(jìn)入點(diǎn)之間的距離的量而是不精確的。
[0006] 鑒于這些和其它缺陷，存在對(duì)提供到解剖表面的牢固且穩(wěn)定的附接的自適應(yīng)表面 外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的系統(tǒng)、方法和設(shè)備的各種實(shí)施方式均具有若干方面， 其中沒(méi)有單個(gè)方面單獨(dú)地負(fù)責(zé)本文中描述的期望屬性。在不限制所附權(quán)利要求的范圍的情 況下，在本文中描述了一些顯著特征。
[0008] 本申請(qǐng)大體涉及可以是患者特異性（patient specific)的外科手術(shù)引導(dǎo)裝置。在 附圖和下面的描述中闡述了在本說(shuō)明書中描述的主題的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的細(xì)節(jié)。其它 特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將從說(shuō)明書、附圖和權(quán)利要求變得明顯。
[0009] 本公開(kāi)中描述的主題的一個(gè)方面提供了一種外科手術(shù)引導(dǎo)裝置。該外科手術(shù)引導(dǎo) 裝置包括一個(gè)或多個(gè)剛性部分，該一個(gè)或多個(gè)剛性部分被配置為附接到潛在解剖表面的第 一區(qū)域。該外科手術(shù)引導(dǎo)裝置還包括可變的可變形部分，該可變的可變形部分耦合到該一 個(gè)或多個(gè)剛性部分，該可變的可變形部分被配置為符合該潛在解剖表面的第二區(qū)域的形狀 以提供該外科手術(shù)引導(dǎo)裝置到該潛在解剖表面的穩(wěn)定附接。本公開(kāi)還提供用于制造外科手 術(shù)引導(dǎo)裝置的方法和將該裝置放置到潛在解剖表面上的使用。
[0010] 本公開(kāi)中描述的主題的另一方面提供一種制造外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的方法。該方法 包括對(duì)該外科手術(shù)引導(dǎo)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)以創(chuàng)建外科手術(shù)引導(dǎo)裝置設(shè)計(jì)。該外科手術(shù)引導(dǎo)裝置 設(shè)計(jì)包括一個(gè)或多個(gè)剛性部分，該一個(gè)或多個(gè)剛性部分被配置為附接到潛在解剖表面的第 一區(qū)域。該外科手術(shù)引導(dǎo)裝置設(shè)計(jì)還包括可變的可變形部分，該可變的可變形部分耦合到 該一個(gè)或多個(gè)剛性部分，該可變的可變形部分被配置為符合該潛在解剖表面的第二區(qū)域的 形狀以提供該外科手術(shù)引導(dǎo)裝置到該潛在解剖表面的穩(wěn)定附接。該方法還包括基于該外科 手術(shù)引導(dǎo)裝置設(shè)計(jì)來(lái)制造該外科手術(shù)引導(dǎo)裝置。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 對(duì)附圖的以下描述僅僅在本質(zhì)上是示例性的并且不旨在限制本教導(dǎo)、其應(yīng)用或其 使用。在附圖中，對(duì)應(yīng)的附圖標(biāo)記指示類似的或?qū)?yīng)的部分和特征。注意，以下附圖的相對(duì) 尺寸不是按比例繪制的。
[0012] 圖Ia圖示了股骨的示例性前視圖。
[0013] 圖Ib圖示了圖Ia的股骨的示例性后視圖。
[0014] 圖Ic圖示了圖Ia的股骨的備選視圖的示例，該備選視圖包括底視圖A、底透視圖 B和頂透視圖C。
[0015] 圖2a圖示了根據(jù)一些實(shí)施例的外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的示例的前透視圖。
[0016] 圖2b圖示了根據(jù)一些實(shí)施例的圖2a的外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的可變的可變形部分的 示例的前視圖。
[0017] 圖2c圖示了根據(jù)一些實(shí)施例的外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的另一示例的前透視圖。
[0018] 圖2d圖示了根據(jù)一些實(shí)施例的圖2c的外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的可變的可變形部分的 示例的前視圖。
[0019] 圖3a圖示了根據(jù)一些實(shí)施例的外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的示例的前透視圖。
[0020] 圖3b圖示了根據(jù)一些實(shí)施例的圖3a的外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的可變的可變形部分的 示例的前視圖。
[0021] 圖3c圖示了根據(jù)一些實(shí)施例的外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的另一示例的前透視圖。
[0022] 圖3d圖示了根據(jù)一些實(shí)施例的圖3c的外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的可變的可變形部分的 示例的前視圖。
[0023] 圖4a圖不了根據(jù)一些實(shí)施例的外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的另一不例的底視圖。
[0024] 圖4b圖示了根據(jù)一些實(shí)施例的圖4a的外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的后視圖。
[0025] 圖5a圖示了根據(jù)一些實(shí)施例的外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的可變的可變形部分的視圖。
[0026] 圖5b圖示了根據(jù)一些實(shí)施例的外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的視圖。
[0027] 圖6a圖示了根據(jù)一些實(shí)施例的外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的視圖。
[0028] 圖6b圖示了根據(jù)一些實(shí)施例的外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的視圖。
[0029] 圖7a圖示了根據(jù)一些實(shí)施例的外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的視圖。
[0030] 圖7b圖示了根據(jù)一些實(shí)施例的外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的視圖。
[0031] 圖8圖示了制造外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的方法的方面。
[0032] 圖9是用于設(shè)計(jì)和制造三維（3-D)對(duì)象的系統(tǒng)的一個(gè)示例。
[0033] 圖10是圖6的計(jì)算機(jī)的一個(gè)示例的功能性方框圖。
[0034] 圖11是用于制造 3-D對(duì)象的過(guò)程。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 以下詳細(xì)描述針對(duì)某些特定實(shí)施例。然而，本文中的教導(dǎo)能夠以許多不同的方式 被應(yīng)用。
[0036] 將參考特定實(shí)施例來(lái)描述本發(fā)明，但是本發(fā)明僅受權(quán)利要求限制。
[0037] 如本文中使用的，單數(shù)形式的"一（a) "、"一個(gè)（an) "和"該（the) "包括單數(shù)和復(fù) 數(shù)指代，除非上下文另行清楚指示。
[0038] 如本文中使用的術(shù)語(yǔ)"包括（comprising) "、"包括了（comprises) "和"由…組成 (comprised of)" 與"包含（including) "、"包含了（includes)" 或"含有（containing)"、 "含有了（contains) "同義并且是包容性的或開(kāi)放式的并且不排除附加的、非記載的構(gòu)件、 元件或方法步驟。術(shù)語(yǔ)"包括"、"包括了"和"由…組成"在指代記載的部件、元件或方法步 驟時(shí)還包含"包括"所述記載的部件、元件或方法步驟的實(shí)施例。
[0039] 另外，說(shuō)明書中和權(quán)利要求書中的術(shù)語(yǔ)"第一"、"第二"、"第三"等用于在類似的元 件之間進(jìn)行區(qū)分并且不一定用于描述順序次序或時(shí)間次序，除非另行規(guī)定。應(yīng)理解，這樣的 術(shù)語(yǔ)在適當(dāng)?shù)那闆r下是可互換的并且本文中描述的本發(fā)明的實(shí)施例能夠以除了本文中描 述的或圖示的其它順序操作。
[0040] 在本說(shuō)明書中對(duì)" 一個(gè)實(shí)施例"、"實(shí)施例"、" 一些方面"、"方面"或" 一個(gè)方面"的 引用意指結(jié)合該實(shí)施例或方面描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性被包含在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí) 施例中。因此，術(shù)語(yǔ)"在一個(gè)實(shí)施例中"、"在實(shí)施例中"、"一些方面"、"方面"或"一個(gè)方面" 在本說(shuō)明書中的各個(gè)地方中的出現(xiàn)不一定全部指代相同的實(shí)施例或方面。另外，可以以任 何適當(dāng)?shù)姆绞絹?lái)組合特定特征、結(jié)構(gòu)或特性，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將從本公開(kāi)顯而易見(jiàn)的。另 外，盡管本文中描述的一些實(shí)施例或方面包括包含在其它實(shí)施例或方面中的一些特征而非 其它特征，但是不同的實(shí)施例或方面的特征的組合意味著在本發(fā)明的范圍內(nèi)，并且形成不 同的實(shí)施例或方面，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的。例如，在所附權(quán)利要求中，能夠以任何組 合來(lái)使用要求保護(hù)的實(shí)施例或方面的特征中的任何特征。
[0041] 本申請(qǐng)公開(kāi)了可以是患者特異性的自適應(yīng)表面外科手術(shù)引導(dǎo)裝置。該外科手術(shù)引 導(dǎo)裝置被設(shè)計(jì)為提供到潛在解剖表面的準(zhǔn)確且穩(wěn)定的附接。提供到解剖表面的準(zhǔn)確且穩(wěn)定 的附接允許精確的外科手術(shù)流程被實(shí)施，諸如外科手術(shù)器械到骨骼的特定部分中的精確引 入。如本文中使用的，術(shù)語(yǔ)"附著"、"附接"和/或其任何變型是指將一個(gè)對(duì)象放置到另一 對(duì)象上、將一個(gè)對(duì)象連接到另一對(duì)象或?qū)⒁粋€(gè)對(duì)象與另一對(duì)象相接觸。例如，外科手術(shù)引導(dǎo) 裝置"被附接到骨骼"（或其它解剖表面）可以是指該裝置在骨骼上的放置以及骨骼的結(jié)構(gòu) 將該裝置保持在適當(dāng)?shù)奈恢弥?。在該示例中，該裝置的形狀可以與骨骼的形狀相匹配，這允 許通過(guò)在骨骼的方向上對(duì)該裝置施加壓力使得該裝置倚靠在骨骼的結(jié)構(gòu)上來(lái)將該裝置附 接到骨骼。作為另一示例，外科手術(shù)引導(dǎo)裝置"被附接到骨骼"（或其它解剖表面）可以是 指使用一個(gè)或多個(gè)夾鉗（clamp)、螺栓（screw)、搭扣（snap)、膠水（glue)等將該裝置附接 到骨骼。作為又一示例，外科手術(shù)引導(dǎo)裝置"被附接到骨骼"（或其它解剖表面）可以是指 附加于一個(gè)或多個(gè)附接設(shè)備（例如，夾鉗、螺栓、搭扣等）之外使用該裝置的放置和/或形 狀兩者來(lái)將該裝置附接到骨骼。
[0042] 在一些實(shí)施例中，外科手術(shù)引導(dǎo)裝置可以基于患者的醫(yī)學(xué)圖像以便使該裝置為患 者特異性。外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的患者特異性性質(zhì)允許外科手術(shù)引導(dǎo)裝置與潛在患者解剖結(jié) 構(gòu)的定制適合（custom fit)，這進(jìn)一步增強(qiáng)執(zhí)行精確的外科手術(shù)流程的能力。如本文中關(guān) 于外科手術(shù)裝置使用的術(shù)語(yǔ)"患者特異性"可以是指基于個(gè)體患者的解剖結(jié)構(gòu)而被設(shè)計(jì)的 以便提供針對(duì)特定個(gè)體患者的定制適合和/或功能的外科手術(shù)裝置、設(shè)備、工具和/或向 導(dǎo)。對(duì)患者特異性設(shè)備、工具或向?qū)У氖褂迷试S針對(duì)患者的改進(jìn)或優(yōu)化的外科手術(shù)介入、骨 科結(jié)構(gòu)和/或運(yùn)動(dòng)學(xué)（kinematics)。附加地，當(dāng)這樣的患者特異性裝置與標(biāo)準(zhǔn)植入物、工 具、設(shè)備、外科手術(shù)流程和/或其它方法結(jié)合使用時(shí)可以獲得類似的益處。
[0043] 在一些實(shí)施例中，患者特異性外科手術(shù)引導(dǎo)裝置可以是基于術(shù)前流程的。例如，術(shù) 前流程能夠識(shí)別特定患者的解剖結(jié)構(gòu)的各種區(qū)域（諸如下面參考股骨100描述的那些）并 且基于所識(shí)別的解剖結(jié)構(gòu)的區(qū)域來(lái)確定針對(duì)各種外科手術(shù)引導(dǎo)裝置部件（例如，柔性和/ 或剛性部分、可變形聯(lián)接（linkage)、夾鉗、孔口（aperture)等）的患者特異性設(shè)計(jì)。術(shù)前 流程也能夠基于所識(shí)別的患者的解剖結(jié)構(gòu)的區(qū)域來(lái)確定在患者的解剖結(jié)構(gòu)上的用于附接 外科手術(shù)引導(dǎo)裝置的優(yōu)選位置。
[0044] 術(shù)前流程可以涉及在執(zhí)行外科手術(shù)之前獲得患者的解剖結(jié)構(gòu)的圖像。數(shù)字患者特 異性圖像信息可以通過(guò)本領(lǐng)域中已知的任何適當(dāng)?shù)氖侄蝸?lái)提供，諸如例如為X光機(jī)、計(jì)算 機(jī)斷層攝影（CT)掃描儀、磁共振成像（MRI)掃描儀、超聲掃描儀等。例如，術(shù)前規(guī)劃可以包 括對(duì)解剖對(duì)象的二維（2-D)圖像或三維（3-D)虛擬模型、或它們的部分的構(gòu)建?？梢允褂?下面進(jìn)一步詳細(xì)描述的統(tǒng)計(jì)方法從諸如X光片的2-D圖像來(lái)創(chuàng)建3-D虛擬模型。在一些實(shí) 施例中，對(duì)3-D虛擬模型的構(gòu)建可以以對(duì)患者進(jìn)行掃描開(kāi)始。掃描可以包括使用生成醫(yī)學(xué) 體積數(shù)據(jù)的掃描技術(shù)，諸如CT掃描、MRI掃描等。在一些實(shí)施例中，掃描的輸出可以包括形 成3-D數(shù)據(jù)集的一疊（stack) 2-D切片。該掃描的輸出可以數(shù)字地被導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)程序中并 且使用圖像處理技術(shù)的領(lǐng)域中已知的統(tǒng)計(jì)算法來(lái)轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生解剖對(duì)象的3-D計(jì)算機(jī)模型。 例如，可以使用諸如如由比利時(shí)的Leuven的Materialise N. V.供應(yīng)的Mimics?的計(jì)算機(jī) 程序從該數(shù)據(jù)集構(gòu)建虛擬3-D模型。
[0045] 在一些實(shí)施例中，仿真模型可以用于在擬合方法中以實(shí)施對(duì)諸如骨骼的解剖對(duì)象 的基于2-D圖像的分割以創(chuàng)建對(duì)象的3-D虛擬模型。例如，可以將對(duì)象的仿真模型與對(duì)象 的醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行比較以便生成3-D模型。醫(yī)學(xué)圖像可以包括CT掃描圖像、X光圖像、MRI 圖像等。可以使用仿真模型，因?yàn)閱螁我环蚨喾t(yī)學(xué)圖像可能不包含建立在醫(yī)學(xué)圖像中 描繪的解剖對(duì)象的可靠3-D模型的充分的信息。因此，為了建立可靠的3-D模型，包括與醫(yī) 學(xué)圖像中的對(duì)象有關(guān)的解剖知識(shí)的仿真模型可以用于解釋圖像。例如，仿真模型可以包括 統(tǒng)計(jì)形狀模型（SSM)，并且解剖知識(shí)可以被濃縮在用于表示解剖對(duì)象的SSM中。SSM可以是 2-D模型或3-D模型并且可以對(duì)應(yīng)于具有與解剖對(duì)象的特性相似的特性的理論預(yù)期對(duì)象。 SSM可以用于在擬合方法中來(lái)實(shí)施對(duì)解剖對(duì)象的基于圖像的分割以通過(guò)將SSM與一幅或多 幅圖像進(jìn)行比較和擬合來(lái)生成3-D模型。
[0046] 在一些實(shí)施例中，迭代最近點(diǎn)過(guò)程或其變型可以用于生成解剖對(duì)象的3-D模型。 例如，對(duì)SSM與一幅或多幅圖像的比較或擬合可以通過(guò)將SSM與一幅或多幅圖像中的對(duì)象 進(jìn)行配準(zhǔn)（registering)或?qū)R（aligning)來(lái)完成。該配準(zhǔn)或?qū)R可以通過(guò)選擇SSM和 /或圖像上的點(diǎn)并且之后將統(tǒng)計(jì)形狀模型上的各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)與圖像上的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行匹配來(lái)完 成。可以使用各種匹配方法。例如，匹配可以通過(guò)確定圖像上的相對(duì)于SSM上的給定點(diǎn)的 最近點(diǎn)來(lái)完成。另外，可以相對(duì)于圖像來(lái)測(cè)試對(duì)SSM的各種平移和旋轉(zhuǎn)以便對(duì)對(duì)應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行 匹配并將SSM與圖像形狀對(duì)齊