專利名稱：醫(yī)療導(dǎo)航方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療導(dǎo)航方法(medical navigation)和系統(tǒng)，尤其是用于確定關(guān)節(jié)的 旋轉(zhuǎn)軸的導(dǎo)航方法和系統(tǒng)。關(guān)節(jié)例如可以是膝蓋、肘、踝、腳趾、髖、手指或肩關(guān)節(jié)。
背景技術(shù)：
在當(dāng)前整形外科導(dǎo)航系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)軸由用指示器(pointer)的2個(gè)點(diǎn)進(jìn)行觸摸 (palpate)的外科醫(yī)生來確定，然后導(dǎo)航系統(tǒng)使用這2點(diǎn)來計(jì)算虛軸。
例如，在使用導(dǎo)航系統(tǒng)的全膝置換術(shù)(TKR)手術(shù)中，已知系統(tǒng)可以觸摸 Whiteside線和/或上髁線和/或下髁線(posterior line)，以及從對(duì)應(yīng)的2個(gè)界標(biāo)(hndmark) 中計(jì)算旋轉(zhuǎn)彎曲軸。外科醫(yī)生必須在導(dǎo)航軟件的配置中選擇他將想要使用的解剖學(xué)旋轉(zhuǎn) 界標(biāo)。例如，外科醫(yī)生可以使用Whiteside線、上髁線或下髁線。一些已知系統(tǒng)具有如 下方法，其中所有三個(gè)上述界標(biāo)一起顯示在合適的顯示器件上并且外科醫(yī)生在外科手術(shù) 期間決定使用哪個(gè)界標(biāo)。
但是，該方法是非常不精確的，因?yàn)辄c(diǎn)難以觸摸并且靠在一起(即所謂的“短 軸問題”)。結(jié)果，觸摸(palpation)中的小誤差導(dǎo)致精確度明顯缺失。事實(shí)上，所有已知 導(dǎo)航系統(tǒng)均產(chǎn)生不精確的旋轉(zhuǎn)軸計(jì)算[Matziolis，Qrthopade 2006.35 848-852，Siston, JBJS 2005 ； 87 : 2276-2觀0]。這是因?yàn)闆]有可以精確觸摸的可靠界標(biāo)。結(jié)果，小觸摸 誤差導(dǎo)致植入物取向的明顯誤差。
已知TKR導(dǎo)航系統(tǒng)的另一缺點(diǎn)就是，如果膝蓋具有骨質(zhì)缺損(bony defect)，這 通常是關(guān)節(jié)炎膝蓋中的情形，對(duì)具有缺損的骨進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量。因此，缺損導(dǎo)致不精確的點(diǎn) 測(cè)量并由此在錯(cuò)誤位置處確定軸，而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)不良。
由此，本發(fā)明克服了上述缺點(diǎn)和問題。發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于確定關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸的方法，包括步 驟
移動(dòng)關(guān)節(jié)的至少一骨頭；
隨著該至少一骨頭的移動(dòng)記錄該至少一骨頭的坐標(biāo)；以及
使用所記錄的坐標(biāo)計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸。
在本申請(qǐng)中，術(shù)語旋轉(zhuǎn)軸所表示的含義與運(yùn)動(dòng)軸(運(yùn)動(dòng)上確定的軸)或功能運(yùn)動(dòng) 軸或彎曲軸相同。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于確定關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸的方法，包括步驟
將至少一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)(fiducial)附接到關(guān)節(jié)的至少一骨頭；
在第一位置和第二位置之間移動(dòng)至少一骨頭；
當(dāng)在第一和第二位置之間移動(dòng)該骨頭時(shí)用測(cè)量系統(tǒng)來記錄該至少一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的 坐標(biāo)；以及
使用所記 錄的坐標(biāo)計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸。 具體實(shí)施例在本申請(qǐng)中，術(shù)語基準(zhǔn)點(diǎn)表示其坐標(biāo)能夠由測(cè)量/導(dǎo)航系統(tǒng)記錄的任何裝置。 基準(zhǔn)點(diǎn)例如可以是陣列、剛體或定位器。該骨頭或每個(gè)骨頭可以以使韌帶伸展的這樣一種方式移動(dòng)。也就是說，移動(dòng)可 使韌帶不松弛。關(guān)節(jié)可包括兩個(gè)骨頭并且骨頭可以相對(duì)彼此移動(dòng)。例如，關(guān)節(jié)可以是膝關(guān)節(jié)、 肘關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、手指、髖、肩或腳趾關(guān)節(jié)。可以由算法來執(zhí)行旋轉(zhuǎn)軸的計(jì)算。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以在旋轉(zhuǎn)軸的計(jì)算之前確定在至少一骨頭上的至少一 個(gè)界標(biāo)的確定。在本申請(qǐng)中，界標(biāo)可是點(diǎn)采集、點(diǎn)測(cè)量或點(diǎn)定義的結(jié)果，和/或可由算法來確 定。該界標(biāo)或者每個(gè)界標(biāo)可以使用諸如計(jì)算機(jī)輔助外科手術(shù)(CAS)、計(jì)算機(jī)斷層攝影 (computerised tomography, CT)、磁共振成像(MRI)、超聲或X射線分析或任何這樣的技 術(shù)的組合之類的技術(shù)來確定。算法可包括在使用所記錄的坐標(biāo)計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸之前確定的該界標(biāo)或者每個(gè)界標(biāo)的 變換。算法可包括所記錄的不相關(guān)坐標(biāo)的除去。算法可包括對(duì)于第一和第二位置之間的所有位置，將在使用所記錄的坐標(biāo)計(jì)算 旋轉(zhuǎn)軸之前所確定的該界標(biāo)或者每個(gè)界標(biāo)變換到其它骨頭的坐標(biāo)系統(tǒng)中。算法可包括基于該變換的界標(biāo)或者每個(gè)變換的界標(biāo)對(duì)平面進(jìn)行最佳擬合計(jì)算。最佳擬合計(jì)算可包括最小二乘法(最小距離)分析(least squares analysis)。算法可包括對(duì)垂直于平面的軸的確定。平面的法線即為旋轉(zhuǎn)軸?？赏ㄟ^機(jī)械、液壓或氣動(dòng)器件來移動(dòng)至少一骨頭。機(jī)械器件可包括擴(kuò)展(spreading)裝置。例如，機(jī)械器件可包括諸如在WO 2007/045460中公開的擴(kuò)展裝置。液壓器件可包括生物適合流體(biocompatible fluid)，例如生理水或鹽水。液壓器件可包括包含在諸如氣球的容器中的生物適合流體。氣動(dòng)器件可包括氣球。氣球通過分別增加或移除空氣而膨脹或縮小。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種用于確定關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸的系統(tǒng)，包括用于在使用中移動(dòng)關(guān)節(jié)的至少一骨頭的裝置；用于在使用中可反轉(zhuǎn)地(reversibly)連接至至少一骨頭的至少一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)；用于在使用中記錄至少一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)的至少一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)；以及被配置成執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的第一或第二方面的方法的至少一個(gè)計(jì)算機(jī)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，方法使用擴(kuò)展裝置來將兩個(gè)骨頭擴(kuò)展開，由此伸展 關(guān)節(jié)的韌帶。基準(zhǔn)點(diǎn)/陣列可反轉(zhuǎn)地連接至兩個(gè)骨頭中的每一個(gè)。然后將關(guān)節(jié)緩慢地從 一個(gè)位置移動(dòng)到另一位置。測(cè)量/導(dǎo)航系統(tǒng)在該移動(dòng)期間中記錄這兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)。 由測(cè)量系統(tǒng)(光學(xué)、電磁等)來測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，并且由計(jì)算機(jī)來處理所記錄的坐標(biāo)。計(jì)算機(jī)使用新算法從測(cè)量結(jié)果中計(jì)算多個(gè)軸，然后計(jì)算關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸(運(yùn)動(dòng)彎曲軸)。作為擴(kuò) 展裝置的替代，可以使用外部施加的力，例如施加力至踝來計(jì)算多個(gè)軸。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的問題并且具有大量?jī)?yōu)點(diǎn)。本發(fā)明沒有使用骨質(zhì)缺損并 且由此避免了上述問題。本發(fā)明沒有依賴短軸以及避免了外科醫(yī)生的觸摸誤差和/或測(cè) 量誤差。本發(fā)明考慮膝蓋韌帶，由此確定功能、運(yùn)動(dòng)軸而不是從骨界標(biāo)中確定的靜態(tài) 軸。本發(fā)明與變形的韌帶一起起作用。本發(fā)明在外科手術(shù)期間提供了容易的過程，而不 依靠比擴(kuò)展裝置或其它在此描述的器件更復(fù)雜的任何物體。所計(jì)算的旋轉(zhuǎn)軸具有多種用途。其可以用于對(duì)齊手術(shù)切口，由此根據(jù)關(guān)節(jié)的運(yùn) 動(dòng)學(xué)來旋轉(zhuǎn)植入物。針對(duì)特定關(guān)節(jié)，其可以用于將植入物定位到最佳功能位置。由于軸 處于兩個(gè)骨頭之間，則針對(duì)兩個(gè)骨頭而不只是針對(duì)一個(gè)骨頭，其可以用于對(duì)齊植入物和 手術(shù)切口?？梢栽谑褂弥T如Smith & Nephew PiGalileo系統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)的TKR中使用本發(fā)明
的實(shí)施例。外科醫(yī)生將一基準(zhǔn)點(diǎn)置于股骨上且將一基準(zhǔn)點(diǎn)置于脛骨上，并且由外科醫(yī)生 來觸摸相關(guān)的界標(biāo)。界標(biāo)可以是由外科醫(yī)生使用上述方法確定的特定的解剖點(diǎn)、區(qū)、區(qū)域，所述方 法諸如用指示器的觸摸、觸針、超聲、MRI、CT、X-射線、算法的自動(dòng)檢測(cè)等。例如當(dāng)外科醫(yī)生壓下腳踏開關(guān)時(shí)可由系統(tǒng)測(cè)量界標(biāo)。除了腳踏開關(guān)，替代系統(tǒng) 可具有不同用戶交互/控制。其它可能的用戶接口包括由系統(tǒng)檢測(cè)的指示器的特殊移 動(dòng)、聲音控制、遠(yuǎn)程控制、光學(xué)面板、在顯示屏上指點(diǎn)的觸針等。在由系統(tǒng)獲得所有相關(guān)的界標(biāo)之后，根據(jù)屏上的值來導(dǎo)航和定向脛骨切割?yuàn)A具 (tibial cutting jig)，然后切割脛骨。放置諸如在W02007/045460中公開的機(jī)械擴(kuò)展器并 且固定有銷釘(pin)從而防止其從膝關(guān)節(jié)滑出。釋放擴(kuò)展器以使膝蓋分開?？申P(guān)閉密封 部(capsule)來更精確地測(cè)量運(yùn)動(dòng)。膝蓋從彎曲至伸展緩慢彎曲。導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量彎曲并 由算法計(jì)算多個(gè)軸(參見

圖1)。從這些軸中，可以由算法來對(duì)一個(gè)精確的軸進(jìn)行評(píng)估。 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的可以利用的兩個(gè)算法(A和B)。 在臨床試驗(yàn)中已經(jīng)評(píng)估了根據(jù)本發(fā)明的算法。如圖3所示，相比于骨上髁軸 (EA)時(shí)，所應(yīng)用的算法產(chǎn)生精確的結(jié)果。所標(biāo)識(shí)的膝關(guān)節(jié)軸的值僅僅示出了所給定移動(dòng) 范圍內(nèi)的輕微變化。不管相比于外科手術(shù)上髁軸的外科手術(shù)前的任何不對(duì)齊，在由計(jì)算 機(jī)斷層攝影限定的膝關(guān)節(jié)軸和上髁軸之間都具有緊密的關(guān)系。結(jié)果顯示，所應(yīng)用的算法 可以用于確定功能膝關(guān)節(jié)軸，并且該結(jié)果也是可重復(fù)的。
權(quán)利要求
1.一種用于確定關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸的方法，包括步驟 移動(dòng)關(guān)節(jié)的至少一骨頭； 隨著該至少一骨頭的移動(dòng)記錄該至少一骨頭的坐標(biāo)；以及 使用所記錄的坐標(biāo)計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸。
2.—種用于確定關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸的方法，包括步驟 將至少一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)附接到關(guān)節(jié)的至少一骨頭； 在第一位置和第二位置之間移動(dòng)該至少一骨頭；當(dāng)在第一和第二位置之間移動(dòng)該骨頭時(shí)用測(cè)量系統(tǒng)來記錄該至少一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的坐 標(biāo)；以及使用所記錄的坐標(biāo)計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中以使韌帶伸展的這樣一種方式移動(dòng)所述至少一骨頭。
4.根據(jù)任何前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述關(guān)節(jié)包括兩個(gè)骨頭并且所述骨頭相 對(duì)彼此移動(dòng)。
5.根據(jù)任何前述權(quán)利要求所述的方法，其中由算法來執(zhí)行旋轉(zhuǎn)軸的計(jì)算。
6.根據(jù)任何前述權(quán)利要求所述的方法，其中在計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸之前，確定所述至少一骨 頭上的至少一個(gè)界標(biāo)的確定。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中使用選自由CAS、CT、MRI、超聲和X射線分 析組成的組中的技術(shù)來確定所述至少一個(gè)界標(biāo)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其中所述算法包括在使用所記錄的坐標(biāo)計(jì)算旋轉(zhuǎn) 軸之前確定的所述至少一個(gè)界標(biāo)的變換。
9.根據(jù)權(quán)利要求5至8中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述算法包括所記錄的不相關(guān)坐 標(biāo)的除去。
10.在依賴于權(quán)利要求2時(shí)根據(jù)權(quán)利要求5至9中的任一項(xiàng)的方法，其中所述算法包 括對(duì)于第一和第二位置之間的所有位置，將在使用所記錄的坐標(biāo)計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸之前確定的 至少一個(gè)界標(biāo)變換到其它骨頭的坐標(biāo)系統(tǒng)中。
11.根據(jù)權(quán)利要求5至10中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述算法包括基于變換的至少 一個(gè)界標(biāo)對(duì)平面進(jìn)行最佳擬合計(jì)算。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述最佳擬合計(jì)算包括最小二乘法分析。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其中所述算法包括垂直于所述平面的軸的確定。
14.根據(jù)任何前述權(quán)利要求所述的方法，其中通過機(jī)械、液壓或氣動(dòng)器件來移動(dòng)所述 至少一骨頭。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述機(jī)械器件包括擴(kuò)展裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述液壓器件包括生物適合流體。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述氣動(dòng)器件包括氣球。
18.—種用于確定關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸的系統(tǒng)，包括 用于在使用中移動(dòng)關(guān)節(jié)的至少一骨頭的裝置；用于在使用中可反轉(zhuǎn)地連接至至少一骨頭的至少一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)；用于在使用中記錄至少一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)的至少一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)；以及 被配置成執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至17中的任一項(xiàng)所述的方法的至少一個(gè)計(jì)算機(jī)。
19.一種基本上如前所述的方法。
20.一種基本上如前所述的系統(tǒng)。
全文摘要
一種用于確定關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸的方法，包括步驟移動(dòng)關(guān)節(jié)的至少一骨頭；隨著該至少一骨頭的移動(dòng)記錄該至少一骨頭的坐標(biāo)；以及使用所記錄的坐標(biāo)計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸。一種用于確定關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸的系統(tǒng)，包括用于在使用中移動(dòng)關(guān)節(jié)的至少一骨頭的裝置；用于在使用中可反轉(zhuǎn)地連接至至少一骨頭的至少一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)；用于在使用中記錄至少一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)的至少一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)；以及被配置成執(zhí)行本發(fā)明的方法的至少一個(gè)計(jì)算機(jī)。
文檔編號(hào)A61B19/00GK102026578SQ200980113499
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2009年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月15日
發(fā)明者J·斯蒂夫特 申請(qǐng)人:史密夫和內(nèi)修整形外科股份公司