本申請要求2013年12月9日提交的題為“顱骨和顱后骨骼和軟組織的重建”(CRANIUMANDPOSTCRANIALBONEANDSOFTTISSUERECONSTRUCTION)的美國臨時(shí)專利申請系列號61/913,608、2014年3月11日提交的題為“顱骨和顱后骨骼和軟組織的重建”(CRANIUMANDPOSTCRANIALBONEANDSOFTTISSUERECONSTRUCTION)的美國臨時(shí)專利申請系列號61/951,221、2014年4月10日提交的題為“顱骨和顱后骨骼和軟組織的重建”(CRANIUMANDPOSTCRANIALBONEANDSOFTTISSUERECONSTRUCTION)的美國臨時(shí)專利申請系列號61/977,984以及2014年7月10日提交的題為“顱骨和顱后骨骼和軟組織的重建”(CRANIUMANDPOSTCRANIALBONEANDSOFTTISSUERECONSTRUCTION)的美國臨時(shí)專利申請系列號62/022,899的利益，每個(gè)所述臨時(shí)申請的公開內(nèi)容通過參考并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及骨外科的各個(gè)不同方面，包括骨骼和組織重建、患者特異性和大規(guī)模定制的骨外科植入物、性別和種族特異性的骨外科植入物、切割引導(dǎo)器、創(chuàng)傷防護(hù)板、骨移植物切割和放置引導(dǎo)器、患者特異性儀器、慣性測量單元用于運(yùn)動(dòng)學(xué)和病理學(xué)的解剖跟蹤的用途以及慣性測量單元在骨外科手術(shù)期間用于導(dǎo)航的用途。發(fā)明概述本發(fā)明的第一方面提供了一種一種外科導(dǎo)航系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含：通訊連接到主處理器的信號接收器，所述主處理器被編程以利用序貫蒙特卡羅算法來計(jì)算安裝到外科工具的慣性測量單元的三維位置的變化，所述處理器被通訊連接到儲存有多個(gè)外科工具中的每個(gè)工具獨(dú)有的工具數(shù)據(jù)的第一存儲器和儲存有足以構(gòu)建解剖學(xué)特點(diǎn)的三維模型的模型數(shù)據(jù)的第二存儲器，所述主處理器被通訊連接到顯示器，所述顯示器提供關(guān)于所述外科工具相對于所述解剖學(xué)特點(diǎn)的三維位置的視覺反饋。在所述第一方面的更詳細(xì)的實(shí)施方式中，所述外科導(dǎo)航系統(tǒng)還包含參比慣性測量單元，其通訊連接到第一機(jī)載處理器和第一無線傳輸器以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿鲋魈幚砥?，所述參比慣性測量單元被配置成附連到所述解剖學(xué)特點(diǎn)，在那里所述第一機(jī)載處理器指導(dǎo)從所述參比慣性測量單元向所述第一無線傳輸器的數(shù)據(jù)傳輸，其中安裝到所述外科工具的慣性測量單元包含實(shí)用慣性測量單元，其被通訊連接到第二機(jī)載處理器和第二無線傳輸器，所述第二機(jī)載處理器被配置成安裝到所述多個(gè)外科工具之一，并且其中所述主處理器被通訊連接到主接收器，所述主接收器被配置成接收來自于所述第一無線傳輸器的數(shù)據(jù)和來自于所述第二無線傳輸器的數(shù)據(jù)。在又一個(gè)更詳細(xì)的實(shí)施方式中，所述第二機(jī)載處理器通過所述第二無線傳輸器指導(dǎo)安裝有所述實(shí)用慣性測量單元的外科工具的身份的通訊。在另一個(gè)詳細(xì)實(shí)施方式中，所述慣性測量單元包括至少3個(gè)加速計(jì)和3個(gè)磁強(qiáng)計(jì)，所述至少3個(gè)加速計(jì)中的每一個(gè)相對于3個(gè)軸為總共不少于9個(gè)加速計(jì)數(shù)據(jù)流輸出數(shù)據(jù)，至少3個(gè)磁強(qiáng)計(jì)中的每一個(gè)相對于3個(gè)軸為總共不少于9個(gè)磁強(qiáng)計(jì)數(shù)據(jù)流輸出數(shù)據(jù)，所述主處理器利用所述9個(gè)加速計(jì)數(shù)據(jù)流和所述9個(gè)磁強(qiáng)計(jì)數(shù)據(jù)流來計(jì)算安裝到所述外科工具的慣性測量單元的三維位置的變化。在又一個(gè)詳細(xì)實(shí)施方式中，儲存在所述第二存儲器中的模型數(shù)據(jù)包括所述解剖學(xué)特點(diǎn)的三維虛擬模型，儲存在所述第一存儲器中的工具數(shù)據(jù)包括所述多個(gè)外科工具的三維虛擬模型，所述顯示器顯示所述解剖學(xué)特點(diǎn)的三維虛擬模型，所述顯示器顯示所述外科工具的三維虛擬模型，所述主處理器有效地利用來自于所述參比慣性測量單元的數(shù)據(jù)來重新定位所述解剖學(xué)特點(diǎn)的三維虛擬模型，并且所述主處理器有效地利用來自于所述實(shí)用慣性測量單元的數(shù)據(jù)來重新定位所述外科工具的三維虛擬模型。在更詳細(xì)的實(shí)施方式中，所述主處理器有效地利用來自于所述慣性測量單元的數(shù)據(jù)來實(shí)時(shí)地相對于所述解剖學(xué)特點(diǎn)的三維虛擬模型重新定位所述外科工具的三維虛擬模型。在更詳細(xì)的實(shí)施方式中，所述序貫蒙特卡羅算法包括馮·米塞斯-費(fèi)雪密度算法組件。在另一個(gè)更詳細(xì)的實(shí)施方式中，儲存在所述第一存儲器中的工具數(shù)據(jù)包括位置數(shù)據(jù)，其指示了所述外科工具的末端效應(yīng)器與所述外科裝置上用于所述慣性測量單元的安裝位置之間的相對距離，并且所述外科工具包括擴(kuò)孔器、定位杯、沖擊器、鉆孔器、鋸和切割引導(dǎo)器中的至少一者。在又一個(gè)更詳細(xì)的實(shí)施方式中，所述慣性測量單元包括至少3個(gè)磁強(qiáng)計(jì)，并且所述顯示器被連接到所述外科工具或所述主處理器中的至少一者。本發(fā)明的第二方面提供了一種用于包括磁強(qiáng)計(jì)和加速計(jì)的慣性測量單元的校準(zhǔn)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含：(a)初始平臺，其可沿著第一軸相對于中間平臺旋轉(zhuǎn)重新定位；(b)最終平臺，其可沿著第二軸相對于所述中間平臺旋轉(zhuǎn)重新定位，所述第二軸垂直于所述第一軸，所述最終平臺包括止動(dòng)件，其被配置成安裝到慣性測量單元；以及(c)處理器和相關(guān)軟件，其被配置成通訊連接到所述慣性測量單元，所述軟件有效地利用當(dāng)所述初始平臺相對于所述中間平臺旋轉(zhuǎn)時(shí)和當(dāng)所述最終平臺相對于所述中間平臺旋轉(zhuǎn)時(shí)從與所述慣性測量單元相關(guān)的磁強(qiáng)計(jì)輸出的數(shù)據(jù)并記錄類似于橢球的數(shù)據(jù)集，所述軟件有效地將球體擬合于所述數(shù)據(jù)集并產(chǎn)生磁強(qiáng)計(jì)校正計(jì)算以說明局部磁場中的扭曲，由此使從所述磁強(qiáng)計(jì)輸出的未來數(shù)據(jù)規(guī)格化。在所述第二方面的更詳細(xì)的實(shí)施方式中，所述初始平臺是靜止的。在又一個(gè)更詳細(xì)的實(shí)施方式中，所述初始平臺至少部分地容納馬達(dá)，所述馬達(dá)被配置成引起所述中間平臺相對于所述初始平臺旋轉(zhuǎn)。在另一個(gè)詳細(xì)實(shí)施方式中，所述軟件有效地利用當(dāng)所述慣性測量單元處于第一靜止位置時(shí)從與所述慣性測量單元相關(guān)的加速計(jì)輸出的第一數(shù)據(jù)集并有效地利用在與所述第一靜止位置不同的第二靜止位置處從所述加速計(jì)輸出的第二數(shù)據(jù)集來產(chǎn)生加速計(jì)校正計(jì)算，以使從所述加速計(jì)輸出的未來數(shù)據(jù)規(guī)格化。在又一個(gè)詳細(xì)實(shí)施方式中，所述第一靜止位置對應(yīng)于所述初始平臺相對于所述中間平臺處于第一固定位置處并且所述最終平臺相對于所述中間平臺處于第二固定位置處，并且所述第二靜止位置對應(yīng)于所述初始平臺相對于所述中間平臺處于第三固定位置處和所述最終平臺相對于所述中間平臺處于第四固定位置處中的至少一者。在更詳細(xì)的實(shí)施方式中，所述最終平臺包括多個(gè)止動(dòng)件，其中每個(gè)所述多個(gè)止動(dòng)件被配置成安裝到多個(gè)慣性測量單元中的至少一個(gè)。本發(fā)明的第三方面提供了一種校準(zhǔn)包含磁強(qiáng)計(jì)的慣性測量單元的方法，所述方法包括：(a)將包括第一慣性測量單元的第一慣性測量單元圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸和第二旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，所述第一旋轉(zhuǎn)軸垂直于所述第二旋轉(zhuǎn)軸，同時(shí)從所述第一磁強(qiáng)計(jì)接收原始局部磁場數(shù)據(jù)；(b)對所述原始局部磁場數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算，以計(jì)算局部磁場中的扭曲；以及(c)通過說明所述局部磁場中計(jì)算的扭曲，將從所述磁強(qiáng)計(jì)接收到的原始局部磁場數(shù)據(jù)規(guī)格化，以提供精煉的局部磁場數(shù)據(jù)。在所述第三方面的更詳細(xì)的實(shí)施方式中，所述第一慣性測量單元包括第一加速計(jì)，所述方法還包括：(i)將所述第一慣性測量單元在第一三維位置中保持靜止，同時(shí)從所述第一加速計(jì)接收原始加速計(jì)數(shù)據(jù)；(ii)將所述第一慣性測量單元在第二三維位置保持靜止，同時(shí)從所述第一加速計(jì)接收原始加速計(jì)數(shù)據(jù)，所述第二三維位置不同于所述第一三維位置；以及(iii)將從所述第一加速計(jì)接收到的數(shù)據(jù)規(guī)格化，以反映出當(dāng)所述第一加速計(jì)靜止時(shí)的零加速。在又一個(gè)更詳細(xì)的實(shí)施方式中，所述第一慣性測量單元包括第二加速計(jì)，所述方法還包括：(i)當(dāng)所述第一加速計(jì)保持靜止時(shí)，將所述第二慣性測量單元在第三三維位置中保持靜止，同時(shí)從所述第二加速計(jì)接收原始加速計(jì)數(shù)據(jù)；(ii)當(dāng)所述第一加速計(jì)保持靜止時(shí)，將所述第二慣性測量單元在第四三維位置中保持靜止，同時(shí)從所述第二加速計(jì)接收原始加速計(jì)數(shù)據(jù)，所述第四三維位置不同于所述第三三維位置；以及(iii)將從所述第二加速計(jì)接收到的數(shù)據(jù)規(guī)格化，以反映出當(dāng)所述第二加速計(jì)靜止時(shí)的零加速。在另一個(gè)詳細(xì)實(shí)施方式中，所述原始局部磁場數(shù)據(jù)在三維上表示橢球，并且所述精煉的局部磁場數(shù)據(jù)在三維上表示球體。在又一個(gè)詳細(xì)實(shí)施方式中，所述統(tǒng)一計(jì)算包括將球體擬合于所述原始局部磁場數(shù)據(jù)，并且將所述原始局部磁場數(shù)據(jù)規(guī)格化包括從所述原始局部磁場數(shù)據(jù)中減去所述計(jì)算的扭曲以提供精煉的局部磁場數(shù)據(jù)。在更詳細(xì)的實(shí)施方式中，所述方法還包括具有其自己的第一加速計(jì)的第二慣性測量單元。在更詳細(xì)的實(shí)施方式中，所述第二慣性測量單元具有它自己的第一加速計(jì)。本發(fā)明的第四方面提供了一種用于在連接到慣性測量單元時(shí)鑒定外科工具的方法，所述方法包括：(a)將慣性測量單元安裝到多個(gè)外科工具之一，每個(gè)所述多個(gè)外科工具具有獨(dú)特接口；以及(b)讀取所述獨(dú)特接口以將信號傳輸?shù)酵ㄓ嵾B接到所述慣性測量單元的處理器，從而對讀取所述獨(dú)特接口做出響應(yīng)鑒定所述多個(gè)外科工具之一。在所述第四方面的更詳細(xì)的實(shí)施方式中，所述慣性測量單元被操作性連接到多個(gè)開關(guān)，所述獨(dú)特接口占用所述多個(gè)開關(guān)中的至少一個(gè)，并且讀取所述獨(dú)特接口的步驟包括通過所述處理器確定所述多個(gè)開關(guān)中的哪些已被所述獨(dú)特接口占用。在又一個(gè)更詳細(xì)的實(shí)施方式中，所述處理器被連接到所述慣性測量單元，并且所述處理器和慣性測量單元被容納在共同外殼中。在另一個(gè)詳細(xì)實(shí)施方式中，所述處理器遠(yuǎn)離所述慣性測量單元，并且所述處理器和慣性測量單元不被容納在共同外殼中。本發(fā)明的第五方面提供了一種一種進(jìn)行外科導(dǎo)航的方法，所述方法包括：(a)利用多個(gè)慣性測量單元產(chǎn)生加速度數(shù)據(jù)和磁測數(shù)據(jù)；(b)在外科操作位置附近校準(zhǔn)所述多個(gè)慣性測量單元；(c)配準(zhǔn)組成所述多個(gè)慣性測量單元的第一和第二慣性測量單元的相對位置，其中配準(zhǔn)相對位置包括將所述第一慣性測量單元安裝到以特定位置和取向獨(dú)一無二地嚙合患者解剖結(jié)構(gòu)的配準(zhǔn)工具，并且其中配準(zhǔn)所述相對位置包括將所述第二慣性測量單元安裝到所述患者；(d)在配準(zhǔn)后將所述第一慣性測量單元附連到外科工具；(e)將所述外科工具和所述第一慣性測量單元重新定位到與所述患者解剖結(jié)構(gòu)相關(guān)的外科位點(diǎn)；以及(f)當(dāng)至少一個(gè)所述解剖結(jié)構(gòu)不可見或所述外科工具的操作末端不可見時(shí)，提供關(guān)于所述外科工具的位置和取向中的至少一者的視覺反饋。本發(fā)明的第六方面提供了一種進(jìn)行外科導(dǎo)航的方法，所述方法包括：(a)利用多個(gè)慣性測量單元產(chǎn)生加速度數(shù)據(jù)和磁測數(shù)據(jù)；(b)在外科操作位置附近校準(zhǔn)所述多個(gè)慣性測量單元；(c)配準(zhǔn)組成所述多個(gè)慣性測量單元的第一和第二慣性測量單元的相對位置，其中配準(zhǔn)相對位置包括將所述第一慣性測量單元安裝到以特定位置和取向獨(dú)一無二地嚙合患者解剖結(jié)構(gòu)的配準(zhǔn)工具，并且其中配準(zhǔn)所述相對位置包括將所述第二慣性測量單元安裝到所述患者；(d)在配準(zhǔn)后將所述第一慣性測量單元附連到外科工具；(e)將所述外科工具和所述第一慣性測量單元重新定位到與所述患者解剖結(jié)構(gòu)相關(guān)的外科位點(diǎn)；以及(f)針對預(yù)定外科計(jì)劃提供關(guān)于所述外科工具的位置和取向的視覺反饋，其中所述預(yù)定外科計(jì)劃鑒定所述外科工具可能占據(jù)的容許位置范圍和容許取向范圍中的至少一者。本發(fā)明的第七方面提供了一種為特定骨骼產(chǎn)生創(chuàng)傷防護(hù)板的方法，所述方法包括：(a)訪問包含特定骨骼的多個(gè)三維骨骼模型的數(shù)據(jù)庫；(b)為每個(gè)所述多個(gè)三維骨骼模型評估包含縱向輪廓和橫截面輪廓中的至少一者的特點(diǎn)，其中所述縱向輪廓沿著所述多個(gè)三維骨骼模型的主維度獲取；(c)在所述評估的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對所述多個(gè)三維骨骼模型進(jìn)行聚類以產(chǎn)生多個(gè)簇，其中所述多個(gè)簇在數(shù)量上少于所述多個(gè)三維骨骼模型的10％；以及(d)為每個(gè)所述多個(gè)簇產(chǎn)生創(chuàng)傷防護(hù)板。在所述第七方面的更詳細(xì)的實(shí)施方式中，為每個(gè)所述多個(gè)簇產(chǎn)生創(chuàng)傷防護(hù)板包括選擇固定位置以避開軟組織與所述特定骨骼的附連處。在又一個(gè)更詳細(xì)的實(shí)施方式中，所述多個(gè)三維骨骼模型包括至少一個(gè)共性，其中所述共性包含性別、種族、年齡范圍和身高范圍中的至少一者。在另一個(gè)詳細(xì)實(shí)施方式中，為每個(gè)所述多個(gè)簇產(chǎn)生創(chuàng)傷防護(hù)板包括并入該特定簇的平均縱向輪廓和平均橫截面輪廓中的至少一者。本發(fā)明的第八方面是提供一種為特定骨骼產(chǎn)生患者特異性創(chuàng)傷防護(hù)板的方法，所述方法包括：(a)為已損傷或退化的特定骨骼獲得患者特異性圖像數(shù)據(jù)；(b)使用所述患者特異性圖像數(shù)據(jù)來分析所述特定骨骼缺失的那些部分和所述特定骨骼存在的那些部分中的至少一者；(c)以統(tǒng)一狀態(tài)產(chǎn)生所述特定骨骼的患者特異性虛擬骨骼模型，其包括在所述患者特異性圖像數(shù)據(jù)中不可見的骨骼；(d)評估所述患者特異性虛擬骨骼模型的輪廓；以及(e)使用所述患者特異性虛擬骨骼模型產(chǎn)生患者特異性創(chuàng)傷防護(hù)板。本發(fā)明的第九方面是提供一種使用慣性測量單元運(yùn)動(dòng)學(xué)追蹤患者解剖結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)的方法，所述方法包括：(a)將第一慣性測量單元安裝到患者的第一目標(biāo)解剖學(xué)特點(diǎn)的外部；(b)將第二慣性測量單元安裝到患者的第二目標(biāo)解剖學(xué)特點(diǎn)的外部；(c)使用所述第一慣性測量單元將所述患者的第一解剖學(xué)特點(diǎn)的位置與所述患者的第一目標(biāo)解剖學(xué)特點(diǎn)的虛擬模型配準(zhǔn)；(d)使用所述第二慣性測量單元將所述患者的第二解剖學(xué)特點(diǎn)的位置與所述患者的第二目標(biāo)解剖學(xué)特點(diǎn)的虛擬模型配準(zhǔn)；(e)使用所述第一慣性測量單元將所述患者的第一目標(biāo)解剖學(xué)特點(diǎn)的位置與所述第一解剖學(xué)特點(diǎn)的虛擬模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)；以及(f)使用所述第二慣性測量單元將所述患者的第二目標(biāo)解剖學(xué)特點(diǎn)的位置與所述第二解剖學(xué)特點(diǎn)的虛擬模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。附圖簡述圖1是從部分解剖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大規(guī)模定制且患者特異性的模具的總體過程的示意圖。圖2是示意圖，詳細(xì)描述了如何向統(tǒng)計(jì)圖集添加新的解剖結(jié)構(gòu)以便產(chǎn)生對應(yīng)。圖3是對應(yīng)于圖2中的多分辨率3D配準(zhǔn)的多分辨率3D配準(zhǔn)算法概述。圖4是使用多尺度特點(diǎn)的特征點(diǎn)的多尺度配準(zhǔn)。圖5是圖3中概述的多分辨率配準(zhǔn)的低層次分解。圖6是在對應(yīng)產(chǎn)生后捕獲群體變差的圖形表述。圖7是使用部分的、變形的或破碎的解剖結(jié)構(gòu)的完整骨骼重建過程的示意圖。圖8是用于產(chǎn)生缺陷模板的缺陷分類過程的示意圖。圖9是現(xiàn)有的用于髖臼缺陷的AAOS分類的圖形實(shí)例。圖10是現(xiàn)有的Paprosky髖臼缺陷分類的圖形實(shí)例。圖11是現(xiàn)有的Paprosky髖臼缺陷子分類的圖形實(shí)例。圖12是示出了盆骨上不同缺陷的重建結(jié)果的表和相關(guān)的圖，其是圖7中描繪的完整骨骼重建的示例性應(yīng)用和驗(yàn)證。圖13是骨盆上不同缺陷的重建的平均REM誤差的距離圖，其驗(yàn)證了圖7中描繪的完整骨骼重建的準(zhǔn)確性。圖14左側(cè)是具有嚴(yán)重盆骨不連續(xù)的患者的三維模型表述。右側(cè)是左側(cè)示出的患者盆骨的三維模型的實(shí)例。圖15是重建的左側(cè)模型和原始的患者模型的比較，以及右側(cè)和左側(cè)解剖結(jié)構(gòu)。圖16是重建的模型與重建的盆骨模型的鏡像圖之間的距離圖。圖17是具有完全盆骨不連續(xù)的患者和重建結(jié)果，其中RMS誤差為1.8mm。圖18是部分顱骨的重建結(jié)果和重建誤差的平均距離圖。圖19是破碎股骨的重建結(jié)果。圖20是產(chǎn)生患者特異性重建植入物的過程的示意圖。圖21是圖20中描繪的植入物產(chǎn)生的過程的示意圖。圖22是過程流程圖，示出了從部分解剖結(jié)構(gòu)重建患者完整解剖結(jié)構(gòu)和為盆骨不連續(xù)產(chǎn)生患者特異性髖臼杯植入物的各個(gè)不同步驟。圖23是用于患者特異性髖臼植入物的患者特異性放置引導(dǎo)器的圖形表述。圖24包含了對于大規(guī)模定制來說研究植入物的三個(gè)附連位點(diǎn)與髖臼杯取向之間的關(guān)系的圖像。圖25包含的圖像示出了符合本公開的髖臼籠的大規(guī)模定制的工序。圖26是使用模塊化設(shè)計(jì)制造大規(guī)模生產(chǎn)的定制髖臼組件的方法的示意圖。圖27是為重建手術(shù)產(chǎn)生患者特異性股骨柄的過程的示意圖。圖28是用于產(chǎn)生大規(guī)模定制的植入物的過程的示意圖。圖29是示意圖，描繪了使用統(tǒng)計(jì)圖集產(chǎn)生大規(guī)模定制和患者特異性的髖關(guān)節(jié)植入物兩者的過程。圖30是示意圖，描繪了使用統(tǒng)計(jì)圖集產(chǎn)生大規(guī)模定制和患者特異性的髖關(guān)節(jié)植入物兩者的過程。圖31是示意圖，描繪了用于設(shè)計(jì)群體特異性股骨柄組件的過程的概況。圖32是示出了股骨近端標(biāo)志所處位置的圖形表述。圖33是股骨的3D模型，輸出了在股骨中間的髓管腰部和沿著股骨長度的股骨腰部。圖34是示出了股骨近端軸所處位置的圖形表述。圖35是示出了頸部中心計(jì)算所處位置的圖形表述。圖36是用于定義股骨近端解剖軸的兩個(gè)點(diǎn)的圖形表述。圖37是3D股骨近端測量的圖形表述。圖38示出了示例性的Dorr比率，其一般采取2D(來自于XR)。圖39是IM峽部處的B/A比率的圖形表述。圖40是IM管測量的圖形表述。圖41是輪廓和擬合的圓。圖42是為了獲得IM管股骨半徑比而采取的測量的圖形表述。圖43描繪了兩個(gè)股骨模型，其示出了半徑比率變化的影響，其中左側(cè)模型具有0.69的半徑比率，右側(cè)模型具有0.38的半徑比率。圖44是男性和女性的BMD相對于RRFW的圖，以及每個(gè)數(shù)據(jù)集(男性、女性)的最佳直線擬合。圖45是對齊之前股骨近端的內(nèi)側(cè)輪廓、頸軸和頭點(diǎn)的圖形表述。圖46是解剖軸與Z方向?qū)R的圖形表述。圖47是使用股骨頸樞軸點(diǎn)對齊的內(nèi)側(cè)輪廓的圖形表述。圖48是使用模型之間的插值產(chǎn)生的不同模型的圖形表述，以顯示插值的平滑。圖49是骨骼密度的三維作圖的圖形和圖片表述。圖50是X-射線圖，示出了3個(gè)高度處的IM寬度以及近端軸、頭部縊縮和股骨頭。圖51是近端角度對頭部縊縮的圖。圖52是近端角度對頭高度的圖。圖53是頭部縊縮對頭高度的圖。圖54是近端角度的直方圖。圖55是描繪了女性和男性的頭部縊縮和骨距直徑的簇的圖。圖56是描繪了女性和男性的頭部縊縮和近端角度的簇的圖。圖57是頭部縊縮的直方圖。圖58是IM尺寸的直方圖。圖59是對股骨近端的女性測量值的圖形表述。圖60是對股骨近端的男性測量值的圖形表述。圖61是對大轉(zhuǎn)子高度的女性測量值的圖形表述。圖62是對大轉(zhuǎn)子高度的男性測量值的圖形表述。圖63是示出了男性與女性之間髓內(nèi)管形狀差異的圖形表述和表格。圖64描繪了代表正常骨骼密度和品質(zhì)的女性股骨和髓內(nèi)管。圖65描繪了代表低于正常骨骼密度和品質(zhì)的女性股骨和髓內(nèi)管。圖66描繪了代表骨質(zhì)疏松癥的女性股骨和髓內(nèi)管。圖67是包含插值的數(shù)據(jù)集和頭部縊縮的直方圖的圖表。圖68是包含髓管尺寸數(shù)據(jù)集直方圖的圖表。圖69描繪了各個(gè)不同股骨組的內(nèi)側(cè)輪廓和頭部中心分布。圖70是示出了特定尺寸股骨組的頭部縊縮的圖。圖71是反映出男性和女性的前傾角測量值的表格。圖72是描繪了如何測量前-后高度的圖片。圖73是男性和女性的股骨相對于它的樞軸點(diǎn)的頭高度比前-后頭高度的圖，其包括了通過每個(gè)數(shù)據(jù)集(男性、女性)的最佳線性擬合。圖74是男性和女性的股骨相對于它的解剖軸中點(diǎn)的頭高度比前-后頭高度的圖，其包括了通過每個(gè)數(shù)據(jù)集(男性、女性)的最佳線性擬合。圖75是按照本公開在性別和/或種族的基礎(chǔ)上產(chǎn)生股骨柄植入物家族所使用的參數(shù)的圖形描述。圖75.從聚類提取的用于股骨柄組件的大規(guī)模定制植入物的形狀參數(shù)。圖76在組裝和部件分解圖兩者中描繪了原始股骨柄。圖77在組裝和部件分解圖兩者中描繪了修正的股骨柄。圖78是符合本公開的表面點(diǎn)和利用平面來分離髖臼杯幾何形狀的圖形表述。圖79圖示了按照本公開產(chǎn)生的多個(gè)虛擬3D髖臼杯解剖學(xué)模板。圖80圖示了髖臼杯和股骨柄球的解剖形狀，表現(xiàn)出多個(gè)髖臼杯半徑。圖81是髖臼杯與股骨頭之間的曲率匹配的二維描繪。圖82是用于對髖臼杯進(jìn)行橫截面分析的盆骨的作圖輪廓的圖形描繪。圖83是作為確定髖臼杯植入物取向的方法的符合本公開的橫向髖臼韌帶的自動(dòng)檢測的圖形描繪。圖84是用于從患者的微型計(jì)算機(jī)斷層掃描圖提取孔形狀和尺寸以匹配患者骨骼解剖結(jié)構(gòu)的工序的圖形描繪。圖85是按照本公開用于產(chǎn)生寵物特異性植入物和切割引導(dǎo)器的示例性過程圖。圖86是按照本公開使用統(tǒng)計(jì)圖集為寵物產(chǎn)生大規(guī)模定制的骨外科植入物的示例性過程圖。圖87是按照本公開為植入物系統(tǒng)產(chǎn)生患者特異性切割和放置裝置的示例性過程圖。圖88是來自于圖87的非剛性配準(zhǔn)和按照本公開從X-射線產(chǎn)生患者特異性的三維盆骨和股骨近端模型的示例性過程圖。圖89是用于按照本公開重建盆骨和股骨近端的圖片和多個(gè)X-射線圖。圖90是如圖87中所描述的用于從MRI和CT掃描圖自動(dòng)分割盆骨和股骨近端的示例性過程圖。圖91是如圖87中概述的用于從MRI或CT掃描圖自動(dòng)分割復(fù)雜和破碎的解剖結(jié)構(gòu)的示例性過程圖。圖92是為用于髖置換手術(shù)的髖臼杯和股骨柄兩者建立虛擬模板的示例性過程圖。圖93是使用遠(yuǎn)端固定的股骨柄自動(dòng)放置的示例性過程圖，其是圖92中概述的通用過程的具體實(shí)例。圖94是使用壓入配合和三點(diǎn)接觸的股骨柄自動(dòng)放置的示例性過程圖，其是圖92中概述的通用過程的具體實(shí)例。圖95是符合本公開的自動(dòng)尋找盆骨標(biāo)志的圖形描繪。圖96是符合本公開的自動(dòng)髖臼杯取向和放置的圖形描繪。圖97包含了一系列X-射線圖，并疊加有用于按照本公開進(jìn)行髖臼杯和股骨柄放置評估的測量和計(jì)算數(shù)據(jù)。圖98是按照本公開評估髖臼杯和股骨柄放置以確?？傮w肢體長度恢復(fù)和取向的圖形描繪。圖99是用于按照本公開評估和修改植入物放置和調(diào)整尺寸的預(yù)先設(shè)計(jì)的界面的屏幕截圖。圖100包含了一系列工序圖像，其描繪了將患者特異性工具用于股骨柄切除和放置的示例性過程。圖101包含了一系列工序圖像，其描繪了將患者特異性引導(dǎo)器用于髖臼杯擴(kuò)孔和放置的示例性過程。圖102描繪了髖臼的一系列3D虛擬圖，其可用于產(chǎn)生符合本公開的患者特異性工具和鎖機(jī)構(gòu)。圖103是在髖置換手術(shù)期間使用慣性測量單元作為外科導(dǎo)航的一部分的示例性過程圖。圖104是一系列工序圖像，其示出了在髖置換手術(shù)期間使用慣性測量單元作為外科導(dǎo)航的一部分的示例性過程。圖105是一系列工序圖像，其示出了在髖置換手術(shù)期間使用慣性測量單元作為特異性針對股骨的外科導(dǎo)航的一部分的示例性過程。圖106圖示了在髖置換手術(shù)期間，用于校準(zhǔn)在晚些時(shí)候的外科導(dǎo)航中使用的慣性測量單元的位置的示例性工具和過程。圖107是在外科手術(shù)期間準(zhǔn)備使用和使用慣性測量單元以及在手術(shù)操作完成后使用慣性測量來評估手術(shù)結(jié)果的示例性過程流程圖。圖108描繪了一系列圖像，其示出了在外科手術(shù)期間作為便于外科導(dǎo)航的一部分安裝到各種不同工具的慣性測量單元機(jī)箱/機(jī)殼。圖109描繪了示出慣性測量單元(IMU)機(jī)箱/機(jī)殼的一系列圖像，校準(zhǔn)IMU相對于患者解剖結(jié)構(gòu)的位置的圖片，示出了將IMU機(jī)箱用于對擴(kuò)孔器進(jìn)行外科導(dǎo)航的圖片，并且最后示出了將IMU機(jī)箱用于對髖臼杯沖擊器進(jìn)行外科導(dǎo)航的圖片。圖110描繪了畫中畫，其示出了伴隨髖臼杯沖擊器使用IMU機(jī)箱，以及示出了患者解剖結(jié)構(gòu)(在這個(gè)案例中為盆骨)的模型的圖形界面(嵌入圖)，并且所述沖擊器的遠(yuǎn)端用顏色編碼以確認(rèn)沖擊器的取向與手術(shù)預(yù)先計(jì)劃的取向相一致。圖111是按照本公開使用的IMU以及用于描述IMU的相對維度特征的參照尺的圖片。圖112是按照本公開用于為給定群體產(chǎn)生創(chuàng)傷防護(hù)板和固定裝置的示例性過程流程圖。圖113是來自于平均骨骼的圖像，示出了骨骼表面上局域化的點(diǎn)，其橫跨統(tǒng)計(jì)圖集中的骨骼群體局域化，以便確定骨骼或創(chuàng)傷防護(hù)板的形狀。圖114是骨骼的圖像，示出了防護(hù)板位點(diǎn)在整個(gè)群體上的推送，這里示出了單一實(shí)例。圖115是示出了在防護(hù)板位點(diǎn)推送后提取骨骼/創(chuàng)傷防護(hù)板中線曲線的圖。圖116是為創(chuàng)傷防護(hù)板中線曲線計(jì)算3D曲率半徑(參數(shù))的結(jié)果的圖示。圖117是示出了在防護(hù)板位點(diǎn)推送后如何計(jì)算創(chuàng)傷防護(hù)板的長度的圖示。圖118是示出了在防護(hù)板位點(diǎn)推送后如何計(jì)算創(chuàng)傷防護(hù)板的中部寬度的圖示。圖119是示出了在防護(hù)板位點(diǎn)推送后如何計(jì)算創(chuàng)傷防護(hù)板的橫截面半徑的圖示。圖120示出了用于確定簇的最適數(shù)目的防護(hù)板尺寸數(shù)據(jù)的圖。圖121包括用于產(chǎn)生簇的防護(hù)板尺寸數(shù)據(jù)的2D和3D圖(在圖111中示出為“聚類”)。圖122描繪了大量圖像，其反映出防護(hù)板尺寸的參數(shù)化(在圖111中示出為“參數(shù)化曲線”和“產(chǎn)生模型”)。圖123是示出了用于特定簇的接骨板/創(chuàng)傷防護(hù)板的示例性圖像，其被擬合于來自于所述簇的骨骼模型之一，以評估與所述群體的順應(yīng)性/擬合。圖124是3D表面距離圖，反映出了接骨板/創(chuàng)傷防護(hù)板表面的底側(cè)與被選擇用來評估板擬合的骨骼模型的表面之間的間隔。圖125示出了設(shè)計(jì)的防護(hù)板在尸體上的驗(yàn)證，以避免肌肉和韌帶碰撞。圖126是示例性圖，示出了符合本公開的示例性患者擬合的鎖骨創(chuàng)傷系統(tǒng)的元件之間的相互作用。圖127是圖126中描繪的預(yù)先計(jì)劃的元件的示例性過程流程圖。圖128是在圖126中描繪的手術(shù)中引導(dǎo)的示例性過程流程圖，在這種情況下是使用熒光檢查。圖129鎖骨的熒光檢查圖，旁邊是來自于頂視圖的鎖骨圖示，并帶有部分周圍的解剖結(jié)構(gòu)。圖130是在圖126中描繪的手術(shù)中引導(dǎo)的示例性過程流程圖，在這種情況下是使用超聲。圖131是與在多種運(yùn)動(dòng)期間獲取的X-射線或熒光檢查圖像匹配的圖形表述，以及示出了使用一個(gè)或多個(gè)慣性測量單元進(jìn)行的肩運(yùn)動(dòng)學(xué)的手術(shù)后評估的圖。圖132是鎖骨及周圍解剖結(jié)構(gòu)的一對三維圖示。圖133描繪了鎖骨骨骼模型和沿著所述骨骼模型用于鑒定鎖骨中線曲率的點(diǎn)的兩個(gè)不同視圖。圖134描繪了鎖骨骨骼模型和肌肉附連到所述骨骼模型上的位置。圖135示出了給定群體中男性和女性平均鎖骨模型的一系列表面圖以及每個(gè)群體中形狀差異的程度。圖136是鎖骨的一對三維圖示，其將輪廓差異與肌肉附連位點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。圖137是在男性和女性群體內(nèi)獲取的鎖骨的一系列橫截面，其示出了鎖骨在各個(gè)不同肌肉附連位點(diǎn)處的輪廓差異。圖138是在男性和女性群體內(nèi)獲取的鎖骨的一系列橫截面，其示出了鎖骨在沿著鎖骨長度方向上的輪廓差異。圖139示出了對統(tǒng)計(jì)圖集中的群體數(shù)據(jù)做出響應(yīng)產(chǎn)生的左側(cè)和右側(cè)鎖骨模型，反映了左側(cè)和右側(cè)鎖骨之間的形態(tài)差異。圖140描繪了符合本公開的上方側(cè)板所擬合的鎖骨骨骼模型(左)、板中線曲線(中)和示出了曲率半徑的中線板曲率(右)。圖141是描繪了男性和女性鎖骨群體的上方側(cè)板簇的圖，并且表1包括了與其相關(guān)的數(shù)據(jù)。圖142描繪了符合本公開的前部中干7h板所擬合的鎖骨骨骼模型(左)、板中線曲線(中)和示出了單一曲率半徑的中線板曲率(右)。圖143是描繪了男性和女性鎖骨群體的前部中干7h板簇的圖，并且表2包括了與其相關(guān)的數(shù)據(jù)。圖144描繪了符合本公開的上部中干板所擬合的鎖骨骨骼模型(左)、板中線曲線(中)和示出了不同曲率半徑的中線板曲率(右)。圖145是描繪了男性和女性鎖骨群體的上部中干板簇的圖，并且表3包括了與其相關(guān)的數(shù)據(jù)。圖146描繪了符合本公開的前部側(cè)板所擬合的鎖骨骨骼模型(左)、板中線曲線(中)和示出了不同曲率半徑的中線板曲率(右)。圖147是描繪了男性和女性鎖骨群體的前部側(cè)板簇的圖，并且表4包括了與其相關(guān)的數(shù)據(jù)。圖148描繪了符合本公開的前部中干長板所擬合的鎖骨骨骼模型(左)、板中線曲線(中)和示出了不同曲率半徑的中線板曲率(右)。圖149是描繪了男性和女性鎖骨群體的前部中干板簇的圖，并且表5包括了與其相關(guān)的數(shù)據(jù)。圖150是按照本公開，用于為創(chuàng)傷重建手術(shù)產(chǎn)生定制的板放置引導(dǎo)器的示例性過程流程圖。圖151是按照本公開，用于為使用骨移植物的重建手術(shù)產(chǎn)生定制的切割和放置引導(dǎo)器的示例性過程流程圖。圖152是按照本公開，用于產(chǎn)生創(chuàng)傷防護(hù)板模板和放置工具的示例性過程流程圖。圖153是按照本公開，用于產(chǎn)生髖修正籠模板和放置工具的示例性過程流程圖。圖154是按照本公開，使用慣性測量單元進(jìn)行身體解剖結(jié)構(gòu)的軟組織和運(yùn)動(dòng)追蹤的示例性過程流程圖。圖155包含符合本公開的運(yùn)動(dòng)學(xué)軟件界面的一對屏幕截圖，所述軟件界面鑒定軟組織在骨骼模型上的位置并追蹤軟組織畸形。圖156包含股骨、脛骨和腓骨的骨骼模型，其描繪了相應(yīng)骨骼模型上附連有韌帶(MCL、LCL)的點(diǎn)，其中所述點(diǎn)用顏色編碼以識別具有較高或較低韌帶附連可能性的點(diǎn)。圖157包含遠(yuǎn)端股骨的骨骼模型，其描繪了相應(yīng)骨骼模型上附連有韌帶(ACL、PCL)的點(diǎn)，其中所述點(diǎn)用顏色編碼以識別具有較高或較低韌帶附連可能性的點(diǎn)。圖158包含近端脛骨的骨骼模型，其描繪了相應(yīng)骨骼模型上附連有韌帶(ACL、PCL)的點(diǎn)，其中所述點(diǎn)用顏色編碼以識別具有較高或較低韌帶附連可能性的點(diǎn)。圖159描繪了符合本公開的包含韌帶附著的膝關(guān)節(jié)的3D虛擬模型的前、后和兩側(cè)視圖。圖160描繪了使用熒光檢查圖像為圖159的完全組裝的膝關(guān)節(jié)模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)移動(dòng)建模。圖161包括符合本公開的遠(yuǎn)端股骨骨骼模型和近端脛骨骨骼模型的圖，其反映出解剖軸的實(shí)時(shí)追蹤。圖162包括通過多種運(yùn)動(dòng)和重建螺旋軸獲得的膝關(guān)節(jié)模型。圖163包括了膝關(guān)節(jié)骨骼模型，其描繪了冠狀面中的解剖軸。圖164是按照本公開使用慣性測量單元記錄運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以進(jìn)行膝關(guān)節(jié)的臨床檢查的示例性圖。圖165是按照本公開使用慣性測量單元記錄運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以進(jìn)行膝關(guān)節(jié)的臨床檢查的示例性圖。圖166是按照本公開使用慣性測量單元記錄運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以進(jìn)行膝關(guān)節(jié)的臨床檢查的示例性圖。圖167是按照本公開使用慣性測量單元記錄運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以進(jìn)行膝關(guān)節(jié)的臨床檢查的示例性圖。圖168是按照本公開使用慣性測量單元記錄運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以進(jìn)行膝關(guān)節(jié)的臨床檢查的示例性圖。圖169是按照本公開使用慣性測量單元記錄運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以進(jìn)行膝關(guān)節(jié)的臨床檢查的示例性圖。圖170是按照本公開使用慣性測量單元記錄運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以進(jìn)行膝關(guān)節(jié)的臨床檢查的示例性圖。圖171是按照本公開使用慣性測量單元記錄運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以進(jìn)行膝關(guān)節(jié)的臨床檢查的示例性圖。圖172是按照本公開使用慣性測量單元記錄運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以進(jìn)行膝關(guān)節(jié)的臨床檢查的示例性圖。圖173包括一系列照片，第一張示出了套上一對慣性測量單元(IMU)包的患者，第二張示出了所述IMU包相對于單個(gè)IMU的相對尺寸，第三張示出了單個(gè)IMU相對于25美分硬幣的相對尺寸。圖174是符合本公開的描繪了近端脛骨模型的用戶界面的屏幕截圖，所述近端脛骨模型在從慣性測量單元接收的輸入的基礎(chǔ)上動(dòng)態(tài)更新，以便在患者的膝關(guān)節(jié)經(jīng)歷各種動(dòng)作時(shí)提供關(guān)于負(fù)載分布的反饋。圖175是患者的后下背部的照片，示出了分開放置在L1和L5椎骨上方用于追蹤在各種動(dòng)作期間每個(gè)椎骨的相對運(yùn)動(dòng)的慣性測量單元(IMU)，以及顯示了每個(gè)IMU能夠輸出指示橫跨3個(gè)軸的動(dòng)作的數(shù)據(jù)的輔助圖。圖176包含了一系列照片，示出了當(dāng)患者正通過各種動(dòng)作移動(dòng)時(shí)的患者和圖175的IMU。圖177是表示按照本公開使用慣性測量單元數(shù)據(jù)確定至少兩個(gè)物體的相對取向的過程的圖示。圖178包含一對圖，示出了在患者的側(cè)向彎腰活動(dòng)期間與椎骨(特別是L1、L5)相關(guān)的解剖軸的取向的絕對變化。其中“(A)”數(shù)據(jù)圖代表健康患者，“(B)”數(shù)據(jù)圖代表表現(xiàn)出脊柱退變的患者。圖179包含了一對圖像，一張是近端脛骨的頂視圖，第二張是近端脛骨的高架透視圖，示出了帶有用于規(guī)則化IMU以確保脛骨植入物組件的正確取向和位置的外科導(dǎo)航工具。圖180是符合本公開的示例性慣性測量單元校準(zhǔn)裝置的高架透視圖。圖181示出了由在校準(zhǔn)之前從慣性測量單元輸出的數(shù)據(jù)產(chǎn)生的局部磁場圖(等距前視圖和頂視圖)(頂部一系列3張圖近似橢球)以及由在校準(zhǔn)之后從慣性測量單元輸出的數(shù)據(jù)產(chǎn)生的局部磁場圖(等距前視圖和頂視圖)(底部一系列3張圖近似球形)。圖182包含一系列圖，其示出了與慣性測量單元相關(guān)的磁強(qiáng)計(jì)的示例性位置(A)，從磁強(qiáng)計(jì)檢測到的磁場如果被規(guī)則化以說明扭曲時(shí)應(yīng)該反映出的情況(B)，以及如果不進(jìn)行規(guī)則化時(shí)磁強(qiáng)計(jì)上磁場中的局部扭曲的結(jié)果。圖183是不同外科工具的一系列投影，所述外科工具各自具有獨(dú)特的頂表面，以便允許慣性測量單元處理器智能識別安裝有IMU的外科工具。圖184是表示IMU機(jī)殼的輪廓圖，并描繪了圖185的投影之一與IMU機(jī)殼的底部空腔之間的相互作用。圖185是作為肩關(guān)節(jié)置換手術(shù)的一部分使用符合本公開的慣性測量單元準(zhǔn)備近端肱骨和植入肱骨組件的示例性過程流程圖。圖186是作為肩關(guān)節(jié)置換手術(shù)的一部分使用符合本公開的慣性測量單元準(zhǔn)備肩胛窩和植入肩胛盂杯的示例性過程流程圖。圖187是作為反向肩關(guān)節(jié)置換手術(shù)的一部分使用符合本公開的慣性測量單元準(zhǔn)備近端肱骨和植入肱骨組件的示例性過程流程圖。圖188是作為反向肩關(guān)節(jié)置換手術(shù)的一部分使用符合本公開的慣性測量單元準(zhǔn)備肩胛窩和植入肩胛盂球的示例性過程流程圖。詳細(xì)描述下面對本公開的示例性實(shí)施方式進(jìn)行描述和說明，以涵蓋骨外科的各個(gè)不同方面，包括骨骼和組織重建、患者特異性和大規(guī)模定制的骨外科植入物、性別和種族特異性骨外科植入物、切割引導(dǎo)器、創(chuàng)傷防護(hù)板、骨移植物切割和放置引導(dǎo)器和患者特異性儀器。當(dāng)然，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，顯然在下面討論的實(shí)施方式在本質(zhì)上是示例性的，并且可以被重構(gòu)而不背離本發(fā)明的范圍和精神。然而，為清楚和精確起見，下面討論的示例性實(shí)施方式可以包括普通技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到的不必定落于本發(fā)明范圍之內(nèi)的任選的步驟、方法和特點(diǎn)。完整解剖結(jié)構(gòu)重建參考圖1-8，變形解剖結(jié)構(gòu)或部分解剖結(jié)構(gòu)的重建是衛(wèi)生護(hù)理提供者面對的復(fù)雜難題之一。解剖結(jié)構(gòu)的丟失可能是出生狀況、腫瘤、疾病、人身傷害或以前手術(shù)的失敗的結(jié)果。作為為各種不同病患提供治療的一部分，衛(wèi)生護(hù)理提供者可能發(fā)現(xiàn)重建解剖結(jié)構(gòu)或構(gòu)建解剖結(jié)構(gòu)對促進(jìn)各種不同病癥的治療來說是有利的，所述病癥可以包括但不限于骨斷裂/破碎、骨退化、骨外科植入物修正、關(guān)節(jié)退化和定制儀器設(shè)計(jì)。例如，現(xiàn)有技術(shù)的髖重建解決方案需要產(chǎn)生健康患者解剖結(jié)構(gòu)的鏡像，由于如圖15-19中所示天然存在的不對稱性，所述鏡像可能不是健康解剖結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確反映。本公開提供了用于骨骼和組織重建的系統(tǒng)和方法。為了進(jìn)行這種重建，所述系統(tǒng)和相關(guān)方法利用了代表一個(gè)或多個(gè)人的解剖圖像。對這些圖像進(jìn)行處理以產(chǎn)生模擬所討論的正確解剖結(jié)構(gòu)的虛擬三維(3D)組織模型或一系列虛擬3D組織模型。隨后，使用所述系統(tǒng)和相關(guān)方法產(chǎn)生用于重建手術(shù)的模具和/或其他裝置(例如固定裝置、移植裝置、患者特異性植入物、患者特異性手術(shù)引導(dǎo)器)。如圖1中所示，示例性的系統(tǒng)流程的概述始于接收代表解剖結(jié)構(gòu)的輸入數(shù)據(jù)。該解剖結(jié)構(gòu)可以包含在組織退化或由遺傳引起的組織缺失情形中的部分解剖結(jié)構(gòu)，或者該解剖結(jié)構(gòu)可以包含由遺傳或環(huán)境條件引起的變形解剖結(jié)構(gòu)，或者該解剖結(jié)構(gòu)可以包含由一個(gè)或多個(gè)解剖結(jié)構(gòu)破碎引起的破碎組織。解剖結(jié)構(gòu)輸入數(shù)據(jù)包含所討論的解剖結(jié)構(gòu)的二維(2D)圖像或三維(3D)表面表述，其可以例如采取表面模型或點(diǎn)云的形式。在使用2D圖像的情形中，這些2D圖像被用于構(gòu)建所討論的解剖結(jié)構(gòu)的3D虛擬表面表述。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉利用解剖結(jié)構(gòu)的2D圖像來構(gòu)建3D表面表述。因此，為增加簡便性，這一過程的詳細(xì)解釋已被省略。例如，解剖結(jié)構(gòu)輸入數(shù)據(jù)可以包含X-射線圖像、計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)圖、磁共振圖像(MRI)或任何其他成像數(shù)據(jù)中的一者或多者，所討論的組織的3D表面表述可以從其產(chǎn)生。參考圖50和表I，在使用X-射線圖像構(gòu)建虛擬3D骨骼模型的情形中，已發(fā)現(xiàn)成像期間的骨骼旋轉(zhuǎn)在正確構(gòu)建模型中發(fā)揮重要作用。換句話說，如果人們在圖像之間出現(xiàn)骨骼旋轉(zhuǎn)的情況下嘗試編纂X-射線圖像，需要將所述X-射線圖像規(guī)則化以說明這種骨骼旋轉(zhuǎn)。例如，在股骨近端的情形中，已發(fā)現(xiàn)6和15度的骨骼旋轉(zhuǎn)引起從X-射線圖像提取的測量值的顯著變化。例如，這些測量值包括但不限于近端角度、頭部縊縮和髓內(nèi)管寬度。正如在表I中反映出的，對于在零度(即通過初始X-射線建立的起始點(diǎn))下進(jìn)行X-射線成像的同一股骨來說，旋轉(zhuǎn)6度和旋轉(zhuǎn)15度表現(xiàn)出不同的近端角度、頭部縊縮和髓內(nèi)管寬度，正如使用像素計(jì)算的，其中每個(gè)像素大小約為0.29毫米。具體來說，近端角度隨著旋轉(zhuǎn)增加而增加，頭部縊縮也是如此，但是髓內(nèi)管寬度不是如此。在這個(gè)示例性表中，三個(gè)橫向平面沿著縱軸間隔排列，其中每個(gè)平面對應(yīng)于測量髓內(nèi)管寬度的位置。正如在表I中反映出的，對于同一位置來說，髓內(nèi)管的寬度隨著旋轉(zhuǎn)角度而變。因此，正如將在后文中更詳細(xì)討論的，當(dāng)使用X-射線圖像構(gòu)建骨骼的3D虛擬模型時(shí)，在成像期間發(fā)生骨骼旋轉(zhuǎn)的意義上，人們必須考慮旋轉(zhuǎn)偏差。然而，應(yīng)該理解，前述內(nèi)容是可以用于示例性系統(tǒng)和方法的解剖結(jié)構(gòu)的示例性描述，因此絕不打算限制其他解剖結(jié)構(gòu)依照本公開的方法用于本發(fā)明的系統(tǒng)。當(dāng)在本文中使用時(shí)，組織包括骨骼、肌肉、韌帶、肌腱以及在多細(xì)胞生物體中具有特定功能的任何其他確定種類的結(jié)構(gòu)材料。因此，當(dāng)在骨骼的情形中討論所述示例性系統(tǒng)和方法時(shí)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到所述系統(tǒng)和方法對其他組織的適用性。再次參考圖1，將輸入到系統(tǒng)的解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)導(dǎo)向三個(gè)模塊，其中兩個(gè)涉及解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的處理(完整骨骼重建模塊、患者特異性模塊)，而第三個(gè)(異常數(shù)據(jù)庫模塊)將所述解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)庫的一部分編入目錄。第一個(gè)處理模塊、即完整骨骼重建模塊使用從統(tǒng)計(jì)圖集模塊接收的數(shù)據(jù)處理輸入的解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生所討論的骨骼的虛擬3D模型。該3D模型是所討論的骨骼的完整、正常的重建。第二個(gè)處理模塊、即患者特異性模塊使用從完整骨骼重建模塊接收的數(shù)據(jù)處理輸入的解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，以在一個(gè)或多個(gè)最終骨外科植入物之外還產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)模具、固定系統(tǒng)、移植物成形工具和渲染。渲染是指重建的解剖結(jié)構(gòu)的可視化，用于有關(guān)預(yù)期手術(shù)結(jié)果的反饋。更具體來說，患者特異性模塊適合于產(chǎn)生被設(shè)計(jì)成精確擬合患者特異性解剖結(jié)構(gòu)的完全定制的裝置，盡管患者的解剖結(jié)構(gòu)嚴(yán)重偏離正常。此外，患者特異性模塊利用來自于完整骨骼重建模塊的虛擬3D重建的骨骼模型來自動(dòng)鑒定解剖區(qū)域和用于裝置設(shè)計(jì)參數(shù)的特點(diǎn)(例如擬合區(qū)域和/或形狀)。通過這種方式，患者特異性數(shù)據(jù)被用于確定設(shè)計(jì)參數(shù)，以便輸出儀器和任何植入物精確擬合患者的特定解剖結(jié)構(gòu)?；颊咛禺愋阅K的示例性用途將在后文中更詳細(xì)討論。為了更詳細(xì)地理解所述系統(tǒng)的功能和過程，下面將從統(tǒng)計(jì)圖集模塊開始解釋所述系統(tǒng)的模塊。如圖1和2中所示，統(tǒng)計(jì)圖集模塊記錄一個(gè)或多個(gè)解剖結(jié)構(gòu)(例如骨骼)的虛擬3D模型，以捕獲給定群體中固有的解剖學(xué)變化。在示例性形式中，統(tǒng)計(jì)圖集記錄一個(gè)或多個(gè)解剖結(jié)構(gòu)的解剖學(xué)特點(diǎn)的數(shù)學(xué)表述，其被表示成平均表述和圍繞所述平均表述的變差。通過將解剖學(xué)特點(diǎn)表示成數(shù)學(xué)表述，統(tǒng)計(jì)圖集允許自動(dòng)測量解剖結(jié)構(gòu)，并且正如將在后文更詳細(xì)討論的，允許重建丟失的解剖結(jié)構(gòu)。為了在整個(gè)共有解剖結(jié)構(gòu)中提取解剖學(xué)變差，將輸入的解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與通常被稱為模板3D模型或解剖學(xué)3D模板模型的整個(gè)群體中的共同參比框架進(jìn)行比較。這種模板3D模型在圖形顯示器上被直觀地表示成3D模型，它可以旋轉(zhuǎn)并以其他方式直觀操作，但是包含所討論的組織的整個(gè)統(tǒng)計(jì)圖集中所有解剖結(jié)構(gòu)的解剖學(xué)表面特點(diǎn)/表述的數(shù)學(xué)表述(即對于給定骨骼來說，所述骨骼的所有性質(zhì)在從所述模板3D模型產(chǎn)生的統(tǒng)計(jì)圖集的整個(gè)群體中共享)。模板3D模型可以是多個(gè)解剖學(xué)表述的組合或單個(gè)代表性事例，并且可以代表所述統(tǒng)計(jì)圖集的最低熵狀態(tài)。對于待添加到統(tǒng)計(jì)圖集的每個(gè)解剖結(jié)構(gòu)(即輸入的解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù))，產(chǎn)生解剖學(xué)3D模型，并使解剖學(xué)3D模型和模板3D模型兩者經(jīng)歷規(guī)則化過程。在所述規(guī)則化過程中，將所述解剖學(xué)3D模型相對于所述模板3D模型的尺度進(jìn)行規(guī)則化。規(guī)則化過程可以包括縮放解剖學(xué)3D模型和模板3D模型中的一者或兩者以具有共同的單位尺度。在解剖學(xué)3D模型和模板3D模型規(guī)則化后，所述規(guī)則化的解剖學(xué)3D模型和模板3D模型被賦予尺度不變性，以便可以不依賴于尺度(在這種情況下意味著尺寸)使用形狀特點(diǎn)。在規(guī)則化完成后，通過尺度空間映射和特點(diǎn)提取工序?qū)蓚€(gè)3D模型進(jìn)行處理。尺度空間映射和特點(diǎn)提取本質(zhì)上是多分辨率特點(diǎn)提取過程。具體來說，這一過程在多個(gè)特點(diǎn)尺度下提取形狀特異性特點(diǎn)。首先，選擇多個(gè)解剖學(xué)特點(diǎn)，其各自代表在不同尺度空間下存在的特點(diǎn)。隨后，對于所選解剖學(xué)特點(diǎn)的每個(gè)尺度空間表述，提取模型特異性特點(diǎn)。這些提取到的特點(diǎn)被用于取出模板3D模型與解剖學(xué)3D模型之間的魯棒的(對于噪音來說)配準(zhǔn)參數(shù)。在該多分辨率特點(diǎn)提取過程之后，通過多分辨率3D配準(zhǔn)過程處理提取到的數(shù)據(jù)。參考圖2-5，所述多分辨率3D配準(zhǔn)過程使用尺度空間提取的特點(diǎn)在解剖學(xué)3D模型與模板3D模型之間進(jìn)行仿射配準(zhǔn)計(jì)算，以便配準(zhǔn)所述兩個(gè)模型。具體來說，將解剖學(xué)3D模型和模板3D模型通過剛性配準(zhǔn)過程進(jìn)行處理。如圖5中所示，這個(gè)剛性配準(zhǔn)過程有效地將解剖學(xué)3D模型與模板3D模對齊，以確保兩個(gè)模型在同一空間中并且沒有姿態(tài)奇點(diǎn)。為了將所述3D模型對齊，將與每個(gè)模型相關(guān)的型心對齊。此外，將每個(gè)3D模型的主軸對齊以使兩個(gè)3D模型的主要方向相同。最后，通過進(jìn)行迭代最近點(diǎn)計(jì)算將3D模型之間的位姿差異最小化。在剛性配準(zhǔn)之后，使用相似性配準(zhǔn)過程將3D模型配準(zhǔn)。這一過程包括通過計(jì)算使模板3D模型和解剖學(xué)3D模型兩者的正常尺度特點(diǎn)(即脊)最好地對齊的相似性變換，將模板3D模型和解剖學(xué)3D模型迭代地對齊。迭代相似性對齊算法是迭代最近點(diǎn)算法的變化形式。在每次迭代中，計(jì)算點(diǎn)對之間的旋轉(zhuǎn)、平移和縮放比例直至?xí)?。使用用Kd-tree計(jì)算的距離查詢或一些其他的空間分割數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來評估兩個(gè)點(diǎn)集之間的配對或?qū)?yīng)。具體來說，利用兩個(gè)模型的脊來進(jìn)行計(jì)算匹配點(diǎn)對過程。在這個(gè)示例性描述中，脊是指3D模型上的單一主曲率沿著其曲率線具有極值的點(diǎn)。作為計(jì)算匹配點(diǎn)對過程的一部分，鑒定3D模型的脊上彼此匹配的點(diǎn)。接下來，對兩個(gè)3D模型的脊進(jìn)行相似性變換計(jì)算過程，在其中計(jì)算使兩個(gè)模型的脊最好地對齊的旋轉(zhuǎn)、平移和縮放比例。隨后進(jìn)行變換點(diǎn)過程，它有效地將計(jì)算出的旋轉(zhuǎn)、平移和縮放比例應(yīng)用于模板3D模型脊。隨后，計(jì)算每個(gè)匹配的點(diǎn)集之間的均方根誤差或距離誤差，然后計(jì)算相對均方根誤差或距離誤差與以前過程相比的變化。如果相對均方根誤差或距離誤差的變化在預(yù)定閾值之內(nèi)，則進(jìn)行變換過程以將最終的旋轉(zhuǎn)、平移和縮放比例應(yīng)用于模板3D模型。鉸接式配準(zhǔn)過程緊隨相似性配準(zhǔn)過程之后并接收來自于尺度空間特點(diǎn)過程的輸入數(shù)據(jù)。在尺度空間特點(diǎn)過程中，在不同尺度空間下從模板3D模型和解剖學(xué)3D模型提取特點(diǎn)。每個(gè)尺度空間通過使用高斯平滑函數(shù)對原始解剖學(xué)3D模型進(jìn)行卷積來確定。鉸接式配準(zhǔn)過程的目的是將模板3D模型的“n”個(gè)尺度空間特點(diǎn)與在解剖學(xué)3D模型上計(jì)算的“m”個(gè)尺度空間特點(diǎn)匹配。在模板3D模型和解剖學(xué)3D模型上檢測到的特點(diǎn)的數(shù)目之間的差異是由解剖學(xué)變化性造成的。這種檢測到的特點(diǎn)數(shù)目的差異可能引起模板3D模型與解剖學(xué)3D模型之間的許多關(guān)聯(lián)。因此，進(jìn)行雙向的相互特點(diǎn)匹配以容納這種變化性并實(shí)現(xiàn)所有相互特點(diǎn)之間的準(zhǔn)確匹配。具體來說，在尺度空間中在模板3D模型上計(jì)算特點(diǎn)集。在這個(gè)示例性過程中，特點(diǎn)集是代表突出解剖結(jié)構(gòu)(例如盆骨中的髖臼杯、腰椎中的棘突)的連通點(diǎn)集。同樣地，在尺度空間中在解剖學(xué)3D模型上計(jì)算特點(diǎn)集。匹配特點(diǎn)對過程使用形狀描述符(例如曲率、形狀指數(shù)等)將在模板3D模型上計(jì)算的特點(diǎn)集匹配到解剖學(xué)3D模型上的特點(diǎn)集。這個(gè)過程的結(jié)果是模板3D模型與解剖學(xué)3D模型之間特點(diǎn)集的“n-m”映射。如有必要，進(jìn)行重新分組過程以將匹配的特點(diǎn)集重新分組到單一特點(diǎn)集中(例如，如果檢測到髖臼杯是兩塊，則這個(gè)過程將所述兩塊重新分組到單一特點(diǎn)集中)。然后，進(jìn)行計(jì)算過程以計(jì)算模板3D模型和解剖學(xué)3D模型上匹配的特點(diǎn)集中每個(gè)點(diǎn)之間的對應(yīng)。隨后進(jìn)行仿射計(jì)算變換過程，以便計(jì)算將模板3D模型上每個(gè)匹配的特點(diǎn)集變換成它在解剖學(xué)3D模型上的對應(yīng)特點(diǎn)集的旋轉(zhuǎn)、平移和剪切。隨后，使用計(jì)算出的仿射變換參數(shù)(即旋轉(zhuǎn)、平移和剪切)變換模板3D模型。最后，進(jìn)行剛性對齊過程以對齊模板3D模型和解剖學(xué)3D模型上的每個(gè)匹配的特點(diǎn)集。在鉸接式配準(zhǔn)過程和正常尺度特點(diǎn)過程后進(jìn)行的非剛性配準(zhǔn)過程，包括將模板3D模型上的所有表面頂點(diǎn)匹配到上解剖學(xué)3D模型的頂點(diǎn)，并計(jì)算初始對應(yīng)。然后將該對應(yīng)用于計(jì)算將模板3D模型上的每個(gè)頂點(diǎn)移動(dòng)到解剖學(xué)3D模型上的匹配點(diǎn)的變形場。匹配在同一類別中的頂點(diǎn)(即尺度空間特點(diǎn)頂點(diǎn)、正常尺度特點(diǎn)頂點(diǎn)或非特點(diǎn)頂點(diǎn))之間進(jìn)行。在正常尺度特點(diǎn)過程的情形中，在原始尺度空間(脊)、意味著原始輸入模型中計(jì)算模板3D模型和解剖學(xué)3D模型上的形狀特點(diǎn)。具體來說，作為非剛性配準(zhǔn)過程的一部分，在模板3D模型(TMssf)和解剖學(xué)3D模型(NMssf)上計(jì)算尺度空間特點(diǎn)。模板3D模型和解剖學(xué)3D模型上的每個(gè)特點(diǎn)集使用“k”鄰近點(diǎn)來生長。對模板3D模型尺度空間特點(diǎn)使用對齊過程以匹配它在解剖學(xué)3D模型上的相應(yīng)特點(diǎn)。考慮兩個(gè)點(diǎn)云即參照(X)和移動(dòng)(Y)，目的是將兩個(gè)點(diǎn)云反復(fù)對齊，以在最小相對均方根誤差和最大角度閾值的約束下最小化總體誤差測度。在正常尺度下使用迭代最近點(diǎn)進(jìn)行重新對齊過程，以將模板3D模型上的特點(diǎn)集與解剖學(xué)3D模型上的匹配集對齊。在重新對齊后，計(jì)算模板3D模型上的每個(gè)特點(diǎn)集和解剖學(xué)3D模型上的匹配特點(diǎn)集中的點(diǎn)之間的點(diǎn)對應(yīng)。解剖學(xué)3D模型上的匹配點(diǎn)應(yīng)該具有接近于模板3D模型點(diǎn)的表面法線方向。輸出被轉(zhuǎn)發(fā)到計(jì)算變形場步驟。與尺度空間特點(diǎn)計(jì)算過程并行地，對模板3D模型(TMnfp)和解剖學(xué)3D模型(NMnfp)的非特點(diǎn)點(diǎn)或模板3D模型表面上不屬于尺度空間特點(diǎn)或正常尺度特點(diǎn)的剩余點(diǎn)集依照對應(yīng)計(jì)算進(jìn)行處理，以計(jì)算模板3D模型上的非特點(diǎn)點(diǎn)與解剖學(xué)3D模型上的非特點(diǎn)點(diǎn)之間的點(diǎn)對應(yīng)。新模型上的匹配點(diǎn)應(yīng)該具有接近于模板模型點(diǎn)的表面法線方向。輸出被轉(zhuǎn)發(fā)到計(jì)算變形場步驟。此外，與尺度空間特點(diǎn)計(jì)算過程并行地，使用AICP將模板3D模型(TMnsf)上的正常尺度特點(diǎn)(即脊)與解剖學(xué)3D模型(NMnsf)上的正常尺度特點(diǎn)(即脊)對齊。AICP是迭代最近點(diǎn)計(jì)算的變化形式，其中在每次迭代中，計(jì)算匹配的點(diǎn)集之間的平移、旋轉(zhuǎn)和縮放比例。在對齊過程后，進(jìn)行對應(yīng)過程。對來自于尺度空間特點(diǎn)計(jì)算過程、對應(yīng)過程和對齊過程的輸出進(jìn)行變形過程，在其中計(jì)算變形場以將模板3D模型上的每個(gè)點(diǎn)移向它在解剖學(xué)3D模型上的匹配點(diǎn)。對非剛性配準(zhǔn)過程的輸出進(jìn)行松弛過程，以便將模板3D模型網(wǎng)格的頂點(diǎn)移動(dòng)到更接近多分辨率配準(zhǔn)步驟后解剖學(xué)3D模型的表面并平滑輸出模型。具體來說，通過對應(yīng)計(jì)算對正規(guī)空間中的模板3D模型(TMns)和正規(guī)空間中的解剖學(xué)3D模型(NMns)進(jìn)行處理，以使用法向約束的球形搜索算法計(jì)算模板3D模型上與解剖學(xué)3D模型最接近的頂點(diǎn)。這種計(jì)算使用兩種模型的最接近的頂點(diǎn)，產(chǎn)生來自于模板3D模型中的每個(gè)頂點(diǎn)和它在解剖學(xué)3D模型中的匹配頂點(diǎn)的對應(yīng)矢量，這可能產(chǎn)生超過一個(gè)來自于解剖學(xué)3D模型的匹配點(diǎn)。使用模板3D模型上每個(gè)頂點(diǎn)的匹配點(diǎn)，在距所述點(diǎn)和匹配點(diǎn)的歐幾里得距離的基礎(chǔ)上計(jì)算解剖學(xué)3D模型上的匹配點(diǎn)的加權(quán)平均值。此時(shí)，使用加權(quán)平均值更新所述模板3D模型，以便使用計(jì)算出的加權(quán)平均距離移動(dòng)模板3D模型上的每個(gè)點(diǎn)。在計(jì)算加權(quán)過程后，對模板模型上的每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行松弛過程，以便發(fā)現(xiàn)解剖學(xué)3D模型表面上最接近的點(diǎn)并將其移動(dòng)到該點(diǎn)。最后，對變形模板3D模型進(jìn)行平滑化操作以除去噪音。然后對得到的配準(zhǔn)的3D模型(即模板和解剖學(xué)3D模型)進(jìn)行自由變形過程。所述自由變形過程使用解剖學(xué)3D模型的表面來變形模板3D模型的表面。更具體來說，在加權(quán)點(diǎn)對點(diǎn)的基礎(chǔ)上，使用模板3D模型表面和解剖學(xué)3D模型表面兩者上相互匹配的點(diǎn)，將模板3D模型的表面反復(fù)移動(dòng)。參考圖2和6，在所述自由變形過程后，對解剖學(xué)3D模型進(jìn)行對應(yīng)計(jì)算過程，以確定解剖學(xué)3D模型與變形的模板3D模型之間的偏差。這個(gè)對應(yīng)計(jì)算過程細(xì)化來自于自由變形步驟的模板3D模型，以進(jìn)行模板變形3D模型和變形解剖學(xué)3D模型上所選標(biāo)志位置的最終匹配。通過這種方式，對應(yīng)計(jì)算過程計(jì)算并記錄3D模型之間尺寸和形狀的變差，其被記錄為圍繞平均模型的偏差。這種對應(yīng)計(jì)算過程的輸出是規(guī)則化的解剖學(xué)3D模型和已被更新以考慮到解剖學(xué)3D模型中的變差的修正的模板3D模型的相加。換句話說，圖2中概述的過程的輸出是已被修改以具有與修正的模板3D模型相一致的性質(zhì)(例如點(diǎn)對應(yīng))的規(guī)則化的解剖學(xué)3D模型，以便于完整解剖結(jié)構(gòu)重建(例如完整骨骼重建)。參考圖1和7，將來自于統(tǒng)計(jì)圖集模塊和解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的輸入導(dǎo)向全解剖結(jié)構(gòu)重建模塊。例如，所討論的解剖結(jié)構(gòu)可以是骨骼或多個(gè)骨骼。然而，應(yīng)該指出，使用本文中描述的示例性硬件、過程和技術(shù)可以重建骨骼之外的解剖結(jié)構(gòu)。在示例性形式中，全解剖結(jié)構(gòu)重建模塊可以接收關(guān)于部分、變形或破碎盆骨的輸入數(shù)據(jù)。輸入解剖學(xué)數(shù)據(jù)包含所討論的解剖結(jié)構(gòu)的二維(2D)圖像或三維(3D)表面表述，其可以例如采取表面模型或點(diǎn)云的形式。在使用2D圖像的情形中，這些2D圖像被用于構(gòu)建所討論的解剖結(jié)構(gòu)的3D表面表述。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉使用解剖結(jié)構(gòu)的2D圖像來構(gòu)建3D表面表述。因此，為簡潔起見，這個(gè)過程的詳細(xì)解釋被省略。例如，輸入解剖學(xué)數(shù)據(jù)可以包含X-射線圖像、計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)掃描圖、磁共振圖像(MRI)或可以產(chǎn)生3D表面表述的任何其他成像數(shù)據(jù)中的一者或多者。正如將在后文更詳細(xì)討論的，該輸入解剖學(xué)數(shù)據(jù)可以非限制性地用于：(1)鑒定最接近的統(tǒng)計(jì)圖集3D骨骼模型的起點(diǎn)；(2)使用一組3D表面頂點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)；以及(3)重建輸出的最終松弛步驟。如圖7中所示，使用所述輸入解剖學(xué)數(shù)據(jù)(例如患者的骨骼模型)來鑒定統(tǒng)計(jì)圖集中最近似于所討論的患者解剖結(jié)構(gòu)的解剖學(xué)模型(例如骨骼模型)。這一步驟在圖3中被描繪成發(fā)現(xiàn)圖集中最接近的骨骼。為了首先鑒定統(tǒng)計(jì)圖集中最近似于患者骨骼模型的骨骼模型，使用一個(gè)或多個(gè)相似性度量將患者骨骼模型與統(tǒng)計(jì)圖集中的骨骼模型進(jìn)行比較。最初相似性度量的結(jié)果是從統(tǒng)計(jì)圖集選擇作為“初始猜想”用于后續(xù)的配準(zhǔn)步驟的骨骼模型。所述配準(zhǔn)步驟使用所選的圖集骨骼模型(即初始猜想骨骼模型)配準(zhǔn)患者骨骼模型，使得輸出是與圖集骨骼模型對齊的患者骨骼模型。在配準(zhǔn)步驟之后，優(yōu)化對齊的“初始猜想”的形狀參數(shù)以使所述形狀匹配患者的骨骼形狀。優(yōu)化在這種情況下來自于統(tǒng)計(jì)圖集的形狀參數(shù)，以便使用非變形或現(xiàn)有骨骼的區(qū)域來最小化重建與患者骨骼模型之間的誤差。改變形狀參數(shù)值允許表述不同的解剖學(xué)形狀。將這一過程在不同尺度空間下重復(fù)，直至實(shí)現(xiàn)重建形狀的趨同(可能作為迭代之間的相對表面變化或容許的迭代的最大數(shù)目來度量)。進(jìn)行松弛步驟來變形所述優(yōu)化的組織，以最好地匹配原始患者3D組織模型。與示例性情況相一致，將從趨同步驟輸出的來自于重建的盆骨模型的丟失解剖結(jié)構(gòu)施加到患者特異性3D盆骨模型，由此產(chǎn)生患者的重建盆骨的患者特異性3D模型。更具體來說，將重建的盆骨模型上的表面點(diǎn)直接松弛(即變形)到患者特異性3D盆骨模型上，以使重建的形狀最好地匹配到患者特異性形狀。這個(gè)步驟的輸出是完全重建的患者特異性3D組織模型，其代表了患者的正常/完整解剖結(jié)構(gòu)應(yīng)有的狀況。參考圖1，將異常數(shù)據(jù)庫用作數(shù)據(jù)輸入并訓(xùn)練缺陷分類模塊。具體來說，異常數(shù)據(jù)庫含有異常解剖學(xué)特點(diǎn)特異性的數(shù)據(jù)，其包括解剖結(jié)構(gòu)表面表述和相關(guān)的臨床和人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。參考圖1和8，將代表正常/完整組織的完全重建的患者特異性3D組織模型和來自于異常數(shù)據(jù)庫的代表異常/不完整組織的輸入解剖學(xué)數(shù)據(jù)(即3D表面表述或可以從其產(chǎn)生3D表面表述的數(shù)據(jù))輸入到缺陷分類模塊。該來自于異常數(shù)據(jù)庫的解剖學(xué)數(shù)據(jù)可以是組織退化情形中的部分解剖結(jié)構(gòu)或由遺傳造成的組織缺失，或者這種解剖結(jié)構(gòu)可以是由遺傳或環(huán)境條件(例如手術(shù)修正、疾病等)產(chǎn)生的變形的解剖結(jié)構(gòu)，或者這種解剖結(jié)構(gòu)可以是由一種或多種解剖結(jié)構(gòu)破碎造成的破碎組織。例如，輸入解剖學(xué)數(shù)據(jù)可以包含X-射線圖像、計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)掃描圖、磁共振圖像(MRI)或可以從其產(chǎn)生3D表面表述的任何其他成像數(shù)據(jù)中的一者或多者。所述缺陷分類模塊從與所討論的解剖結(jié)構(gòu)的正常3D表述相偶聯(lián)的異常數(shù)據(jù)庫提取多個(gè)異常3D表面表述，以產(chǎn)生定量缺陷分類系統(tǒng)。該缺陷分類系統(tǒng)被用于產(chǎn)生每個(gè)缺陷類別或簇的“模板”。更廣義來說，缺陷分類模塊將解剖學(xué)缺陷分成由密切相關(guān)的缺陷(是指那些具有相似形狀、臨床、外觀或其他特征的缺陷)構(gòu)成的類別，以便于產(chǎn)生應(yīng)對這些缺陷的衛(wèi)生護(hù)理解決方案。該缺陷分類模塊使用軟件和硬件對缺陷進(jìn)行自動(dòng)分類，作為消除或減少術(shù)前數(shù)據(jù)與手術(shù)中觀察者目測數(shù)據(jù)之間的差異的手段。傳統(tǒng)上，獲取術(shù)前放射照片作為定性分析解剖學(xué)重建的必要程度的手段，但是這產(chǎn)生充其量是隨意的術(shù)前計(jì)劃。目前，手術(shù)中觀察者做出解剖結(jié)構(gòu)缺陷程度的最終確定，并在許多情況下得出依賴于放射照片的術(shù)前計(jì)劃是有缺陷的或不完整的結(jié)論。結(jié)果，該缺陷分類模塊通過減小與缺陷分類相關(guān)的觀察者間和觀察者內(nèi)變差并為分類新的缺陷病例提供定量度量，改進(jìn)了現(xiàn)有的分類系統(tǒng)。作為缺陷分類模塊的一部分，所述模塊可以作為輸入獲取一個(gè)或多個(gè)分類類型用作初始狀態(tài)。例如，在盆骨的情形中，缺陷分類模塊可以作為輸入使用對應(yīng)于美國骨外科醫(yī)生學(xué)會(huì)(AmericanAcademyofOrthopaedicSurgeons(AAOS))D’Antonio等人的骨骼缺陷分類結(jié)構(gòu)的缺陷特點(diǎn)。這一結(jié)構(gòu)包括如下4種不同類型：(1)I型，對應(yīng)于節(jié)斷性骨缺損；(2)II型，對應(yīng)于腔性骨缺損；(3)III型，對應(yīng)于合并的節(jié)斷性和腔性骨缺損；以及(4)IV型，對應(yīng)于盆骨不連續(xù)?？蛇x地，缺陷分類模塊可以用在圖10中為盆骨圖示的Paprosky骨骼缺陷分類結(jié)構(gòu)來編程。這種結(jié)構(gòu)包括如下3種不同類別：(1)I型，對應(yīng)于沒有骨溶解的支持性輪圈；(2)II型，對應(yīng)于具有完整的支持性柱和少于2厘米的上內(nèi)或側(cè)向遷移的扭曲的半球；以及(3)III型，對應(yīng)于超過2厘米的上遷移和嚴(yán)重的坐骨溶解并伴有Kohler's線斷裂或完整。此外，缺陷分類模塊可以使用改良的Paprosky骨骼缺陷分類結(jié)構(gòu)來編程。這種結(jié)構(gòu)包括如下6種不同類別：(1)1型，對應(yīng)于沒有組件遷移的支持性輪圈；(2)2A型，對應(yīng)于扭曲的半球，但上遷移少于3厘米；(3)2B型，對應(yīng)于具有小于1/3輪圈周長的更大的半球扭曲，并且圓頂仍具有支持性；(4)2C型，對應(yīng)于完整的輪圈，向Kohler's線內(nèi)向遷移，并且圓頂仍具有支持性；(5)3A型，對應(yīng)于超過3厘米的上遷移和嚴(yán)重的坐骨溶解并伴有完整的Kohler's線；以及(6)3B型，對應(yīng)于超過3厘米的上遷移和嚴(yán)重的坐骨溶解并伴有斷裂的Kohler's線，并且輪圈缺陷超過周長的一半。使用輸出的分類類型和參數(shù)，缺陷分類模塊將解剖學(xué)數(shù)據(jù)與重建的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以辨別解剖學(xué)數(shù)據(jù)最近似于何種分類類型，由此對應(yīng)于得到的指派分類。作為初始步驟，向統(tǒng)計(jì)圖集添加的步驟包括在正常圖集3D骨骼模型與異常3D骨骼模型之間產(chǎn)生對應(yīng)。更具體來說，對3D骨骼模型進(jìn)行比較以辨別正常3D模型中的不存在于異常3D模型中的骨骼。在示例性形式中，通過比較每個(gè)3D骨骼模型表面上的點(diǎn)并產(chǎn)生正常3D骨骼模型表面上不存在于異常3D骨骼模型上的離散點(diǎn)的列表，來鑒定丟失/異常骨骼。這個(gè)系統(tǒng)也可以記錄并列出(即鑒定)所述兩個(gè)模型之間共有的那些表面點(diǎn)，或者概括指出，除非被記錄為不存在于異常3D骨骼模型上的點(diǎn)，否則所有其他點(diǎn)都共同存在于兩個(gè)骨骼模型中(即在正常和異常骨骼模型兩者上)。因此，這個(gè)步驟的輸出是帶有統(tǒng)計(jì)圖集對應(yīng)的異常3D骨骼模型和來自于正常圖集3D骨骼模型的特點(diǎn)(點(diǎn))的列表，所述列表指示該特點(diǎn)(點(diǎn))在異常3D骨骼模型中是存在還是缺失。在產(chǎn)生正常圖集3D骨骼模型(從完整骨骼重建模塊產(chǎn)生)與異常3D骨骼模型(從輸入的解剖學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)生)之間的對應(yīng)后，將來自于異常3D骨骼模型的丟失/異常區(qū)域定位在正常圖集3D骨骼模型上。換句話說，將正常圖集3D骨骼模型與異常3D骨骼模型進(jìn)行比較以鑒定和記錄在正常圖集3D骨骼模型中存在的從異常3D骨骼模型丟失的骨骼。定位可以以多種方式進(jìn)行，包括但不限于曲率比較、表面積比較和點(diǎn)云面積比較。最后，在示例性形式中，將丟失/異常骨骼作為鑒定丟失/異常區(qū)域的幾何邊界的一組邊界點(diǎn)來定位。使用所述邊界點(diǎn)，缺陷分類模塊使用輸入的臨床數(shù)據(jù)從丟失/異常區(qū)域提取特點(diǎn)。在示例性形式中，提取到的特點(diǎn)可以包括形狀信息、體積信息或用于描述缺陷(即丟失或異常)區(qū)域的總體特征的任何其他信息。這些特點(diǎn)可以在現(xiàn)有的臨床數(shù)據(jù)例如正在進(jìn)行的缺陷分類數(shù)據(jù)或不必定與解剖學(xué)特點(diǎn)相關(guān)的患者臨床信息(人口統(tǒng)計(jì)信息、疾病史等)的基礎(chǔ)上精煉。這個(gè)步驟的輸出是代表缺陷區(qū)域的數(shù)學(xué)描述符，其在后續(xù)步驟中被用于對相似的組織(例如骨骼)變形進(jìn)行分組。在統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上對所述數(shù)學(xué)描述符進(jìn)行聚類或分組。具體來說，對描述符進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并與來自于其他患者/尸體的其他描述符進(jìn)行比較，以鑒定給定群體內(nèi)獨(dú)特的缺陷類別。顯然，這種分類的前提在于來自于多個(gè)患者/尸體的多個(gè)描述符，這可以隨著患者/尸體數(shù)目的增加而精煉離散的組的分類和鑒定。來自于這種統(tǒng)計(jì)分析的輸出是一組缺陷類別，其被用于分類新輸入的解剖學(xué)數(shù)據(jù)并確定模板的數(shù)目。將缺陷分類模塊的輸出導(dǎo)向模板模塊。在示例性形式中，所述模板模塊包括對于由缺陷分類模塊所鑒定的每個(gè)缺陷分類來說特異性的數(shù)據(jù)。例如，對于給定缺陷分類來說，每個(gè)模板包括缺陷骨骼的表面表述、缺陷的位置和與缺陷骨骼相關(guān)的測量值。該模板數(shù)據(jù)可以采取表面形狀數(shù)據(jù)、點(diǎn)云表述、一個(gè)或多個(gè)曲率分布情況、維度數(shù)據(jù)和物理量數(shù)據(jù)的形式。來自于模板模塊和統(tǒng)計(jì)圖集的輸出被大規(guī)模定制模塊用于設(shè)計(jì)、試驗(yàn)并允許大規(guī)模定制的植入物、固定裝置、儀器或模具的制造。大規(guī)模定制模塊的示例性用途將在后文中更詳細(xì)討論?；颊咛禺愋灾亟ㄖ踩胛飬⒖紙D1和20，描述了用于為部分、變形和/或破碎解剖結(jié)構(gòu)患者產(chǎn)生患者特異性骨外科植入物引導(dǎo)器和相關(guān)的患者特異性骨外科植入物的示例性過程和系統(tǒng)。出于示例討論的目的，將描述用于具有部分解剖結(jié)構(gòu)的患者的全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。然而，應(yīng)該理解，所述示例性過程和系統(tǒng)適用于在存在不完整或變形解剖結(jié)構(gòu)的情況下適合于患者特異性定制的任何骨外科植入物。例如，所述示例性過程和方法適用于在存在骨退化(部分解剖結(jié)構(gòu))、骨變形或破碎骨的情況下的肩置換和膝置換。因此，盡管在后文中討論的是髖關(guān)節(jié)植入物，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解所述系統(tǒng)和過程對用于原始骨外科或骨外科修正手術(shù)的其他骨外科植入物、引導(dǎo)器、工具等的適用性。盆骨不連續(xù)是最通常與全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(THA)相關(guān)的一種獨(dú)特形式的骨喪失，其中骨溶解或髖臼破裂可以引起盆骨的上面變得與下部分開。骨喪失的量和嚴(yán)重性以及植入物的生物長入潛力，是可以影響特定患者的治療選擇的一些因素。在嚴(yán)重骨喪失和失去骨盆完整性的情況下，可以使用定制的三法蘭杯。首次在1992年引入，這種植入物與現(xiàn)有的籠相比具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它可以為盆骨不連續(xù)提供穩(wěn)定性，消除對結(jié)構(gòu)性植入和籠的手術(shù)中輪廓修整的需求，并促進(jìn)所述構(gòu)建物骨整合到周圍的骨骼中。不論背景如何，不論所討論的是患者的部分、變形和/或破碎的解剖結(jié)構(gòu)，用于產(chǎn)生患者特異性植入物和/或引導(dǎo)器的示例性系統(tǒng)和過程利用前述3D骨骼模型重建的示例性的系統(tǒng)和過程(參見圖1-7及其前述的示例性討論)來產(chǎn)生患者的重建解剖結(jié)構(gòu)的三維模型。更具體來說，在涉及盆骨不連續(xù)的全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的情形中，所述示例性患者特異性系統(tǒng)利用患者盆骨數(shù)據(jù)產(chǎn)生患者完整盆骨的3D模型，其是體側(cè)特異性的(右側(cè)或左側(cè))。因此，為簡潔起見，對將患者解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)用于部分解剖結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生患者解剖結(jié)構(gòu)的3D重建模型的系統(tǒng)和過程的討論被省略。因此，對用于為具有部分、變形和/或破碎解剖結(jié)構(gòu)的患者產(chǎn)生患者特異性骨外科植入物引導(dǎo)器和相關(guān)的患者特異性骨外科植入物的過程和系統(tǒng)的描述，將在三維重建模型形成后描述。具體參考圖20-22和27，在產(chǎn)生盆骨和股骨的患者特異性重建3D骨骼模型后，將不完整的患者特異性3D骨骼模型(對于盆骨和股骨來說)和重建的3D骨骼模型(對于盆骨和股骨來說)兩者用于產(chǎn)生患者特異性骨外科植入物和用于植入物和/或其緊固件的患者特異性放置引導(dǎo)器。具體來說，提取缺陷形狀步驟包括產(chǎn)生患者特異性3D模型與重建的3D模型之間的對應(yīng)(盆骨模型之間的對應(yīng)和股骨模型之間的對應(yīng)，但不是一個(gè)股骨模型與一個(gè)盆骨模型之間的對于)。更具體來說，對3D模型進(jìn)行比較以辨別重建的3D模型中的哪塊骨骼不存在于患者特異性3D模型中。在示例性形式中，通過比較每個(gè)3D模型表面上的點(diǎn)并產(chǎn)生重建的3D模型表面上不存在于患者特異性3D模型上的離散點(diǎn)的列表，來鑒定丟失/異常骨骼。所述系統(tǒng)也可以記錄并列出(即鑒定)在兩個(gè)模型之間共同的那些表面點(diǎn)，或者概括地注明除非被記錄為在患者特異性3D模型上不存在的點(diǎn)，否則其他點(diǎn)都共同存在于兩個(gè)模型中(即在重建的和患者特異性3D模型兩者上)。參考圖21，在產(chǎn)生重建的3D模型(從完整骨骼重建模塊產(chǎn)生)與患者特異性3D模型(從輸入的解剖學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)生)之間的對應(yīng)后，將來自于患者特異性3D模型的丟失/異常區(qū)域定位在重建的3D模型上。換句話說，將重建的3D模型與患者特異性3D模型進(jìn)行比較，以鑒定并記錄從患者特異性3D模型丟失的存在于重建的3D模型中的骨骼。定位可以以多種方式進(jìn)行，包括但不限于曲率比較、表面積比較和點(diǎn)云面積比較。最后，在示例性形式中，將丟失/異常骨骼定位，并且輸出包含兩個(gè)列表：(a)第一列表，其鑒定對應(yīng)于重建的3D模型的在患者特異性3D模型中不存在或變形的骨骼的頂點(diǎn)；以及(b)第二列表，其鑒定對應(yīng)于重建的3D模型的在患者特異性3D模型中也存在并且正常的骨骼的頂點(diǎn)參考圖21、22和27，在提取缺陷形狀步驟后，進(jìn)行植入物位點(diǎn)步驟。輸入來自于提取缺陷形狀步驟的兩個(gè)頂點(diǎn)列表和來自于統(tǒng)計(jì)圖集的正常骨骼(例如盆骨、股骨等)的3D模型(參見圖1和2及其前述的示例性討論)以辨別用于股骨或盆骨植入物的固定位置。更具體來說，自動(dòng)選擇固定位置(即植入物位點(diǎn))以使每個(gè)固定位置都位于患者具有殘骨之處。相反，固定位置不被選擇在患者殘骨的缺陷區(qū)域中。通過這種方式，固定位置的選擇不依賴于最終的植入物設(shè)計(jì)/形狀。固定位置的選擇可以使用形狀信息和統(tǒng)計(jì)圖集位置自動(dòng)進(jìn)行。如圖21中所示，在植入物位點(diǎn)步驟后，下一步是產(chǎn)生患者特異性植入物參數(shù)。為了完成這一步驟，輸入植入物參數(shù)化模板，其通過足以定義植入物的潛在形狀的一組多個(gè)參數(shù)來定義所述植入物。例如，在盆骨重建以置換/增大缺失或退化的髖臼的情形中，植入物參數(shù)化模板包括用于替換髖臼杯的取向的角度參數(shù)和容納股骨頭的維度的深度參數(shù)。髖臼植入物的其他參數(shù)可以包括但不限于髖臼杯直徑、朝向、法蘭位置和形狀、固定螺栓的位置和取向。在多孔植入物的情形中，應(yīng)該包括孔隙的位置和結(jié)構(gòu)特征。例如，在股骨重建以置換/增大缺失或退化的股骨的情形中，植入物參數(shù)化模板包括用于替換股骨頭的取向的角度參數(shù)、頸部長度、頭部縊縮、近端角度以及股骨外部和髁間通道的橫截面分析。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，所選的用于定義植入物的潛在形狀的參數(shù)將隨著待置換或增補(bǔ)的解剖結(jié)構(gòu)而變。因此，足以定義植入物的潛在形狀的參數(shù)的窮舉性名單是不現(xiàn)實(shí)的。然而，如圖22中所示，可以利用重建的3D盆骨模型來獲得髖臼杯的半徑，鑒定包含髖臼杯周圍上脊的盆骨，鑒定髖臼杯相對于殘留盆骨的取向。此外，可以考慮到植入物位點(diǎn)對所述參數(shù)進(jìn)行精煉，以使植入物最好/更好地?cái)M合患者特異性解剖結(jié)構(gòu)。在最后確定足以定義植入物的潛在形狀的所述一組多個(gè)參數(shù)后，進(jìn)行植入物的設(shè)計(jì)。更具體來說，構(gòu)建整個(gè)植入物表面模型的初始迭代。該整個(gè)植入物表面模型的初始迭代由患者特異性輪廓和為植入?yún)^(qū)域估算的輪廓的組合來定義。所述估算的輪廓從重建的3D骨骼模型、丟失的解剖學(xué)骨骼和從重建的3D骨骼模型提取的特點(diǎn)來確定。這些特點(diǎn)和植入物位點(diǎn)的位置可以自動(dòng)確定，并被用于確定植入物總體形狀，正如在圖22中為髖臼杯植入物所描繪的。再次參考圖20，依照定制(即患者特異性)計(jì)劃工序?qū)φ麄€(gè)植入物表面模型的初始迭代進(jìn)行處理。該定制計(jì)劃工序可以包括來自于外科醫(yī)生和工程師的輸入作為迭代審查和設(shè)計(jì)過程的一部分。具體來說，外科醫(yī)生和/或工程師可以審查整個(gè)植入物表面模型和重建的3D骨骼模型，以確定是否需要對整個(gè)植入物表面模型做出改變。這種審查可以引起整個(gè)植入物表面模型的迭代，直至在工程師與外科醫(yī)生之間達(dá)到一致。來自于這個(gè)步驟的輸出是最終植入物的表面模型，其可以采取CAD文件、CNC機(jī)器碼或快速制造指令的形式，以產(chǎn)生最終的植入物或?qū)嶓w模型。參考圖20、22和23，與患者特異性骨外科植入物的設(shè)計(jì)同時(shí)或之后，是患者特異性放置引導(dǎo)器的設(shè)計(jì)。在正如上面的示例性形式中討論的髖臼杯植入物的情形中，可以設(shè)計(jì)并制造一種或多種外科手術(shù)器械，以協(xié)助放置患者特異性髖臼杯。在將患者特異性植入物設(shè)計(jì)成具有與殘骨匹配的尺寸和形狀后，可以利用和并入患者特異性植入物的輪廓和形狀作為放置引導(dǎo)器的一部分。在示例性形式中，髖臼放置引導(dǎo)器包含3個(gè)法蘭，其被配置成接觸髂骨、坐骨和恥骨表面，其中所述3個(gè)法蘭通過環(huán)相互連接。此外，放置引導(dǎo)器的法蘭可以具有與髖臼杯植入物一致的形狀、尺寸和輪廓，使得放置引導(dǎo)器具有與為髖臼杯植入物所計(jì)劃的一致的位置。換句話說，髖臼放置引導(dǎo)器被造型為患者解剖結(jié)構(gòu)(髂骨、坐骨和恥骨的部分表面)的負(fù)形特征，就像髖臼杯植入物那樣，使得放置引導(dǎo)器完美擬合在患者解剖結(jié)構(gòu)上。但是植入物引導(dǎo)器與植入物的顯著差異在于它包括一個(gè)或多個(gè)固定孔，所述固定孔被配置用于指導(dǎo)鉆孔和/或放置緊固件。在示例性形式中，放置引導(dǎo)器包括在圖像分析(例如微型CT)的基礎(chǔ)上確定了尺寸和取向的孔，以確保任何鉆頭或在將髖臼杯植入物固定于殘留盆骨時(shí)使用的其他引導(dǎo)器(例如榫釘)的正確取向?？椎臄?shù)目和取向隨著殘骨而變，殘骨也影響髖臼杯植入物的形狀。圖23描繪了在全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)中使用的患者特異性放置引導(dǎo)器的實(shí)例。在另一種情況下，引導(dǎo)器可以被制造成使其擬合在植入物中并且僅引導(dǎo)固定螺栓的方向。在這種形式中，引導(dǎo)器被造型為植入物的負(fù)形，使得它可以直接放置在植入物上。然而，患者特異性重建植入物的至少一部分尺寸、形狀和輪廓的并入是留待以后處理的主題，不論患者特異性植入物將要偶聯(lián)到的目標(biāo)骨骼是哪塊骨骼。利用本文描述的示例性系統(tǒng)和方法可以提供大量信息，這些信息可以造成更高的骨外科放置準(zhǔn)確性、更好的解剖學(xué)整合以及在手術(shù)前通過重建的三維模型計(jì)算真正的角度和平面取向的能力。使用可大規(guī)模定制的組件制造定制的植入物參考圖26，描述了使用可大規(guī)模定制的組件產(chǎn)生定制的骨外科植入物的示例性過程和系統(tǒng)。出于示例性討論的目的，將描述具有嚴(yán)重髖臼缺陷的患者的全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)。然而，應(yīng)該理解，所述示例性過程和系統(tǒng)適用于在存在不完整解剖結(jié)構(gòu)的情況下適合于大規(guī)模定制的任何骨外科植入物。嚴(yán)重髖臼缺陷需要特殊的手術(shù)和植入物組件來修復(fù)。一種方法是定制的三法蘭，其是完全定制的植入物，由髖臼杯和附連于髂骨、坐骨和恥骨的三個(gè)法蘭構(gòu)成。與所述示例性過程和系統(tǒng)相反，現(xiàn)有技術(shù)的三法蘭植入物包含單個(gè)復(fù)雜組件，其制造繁瑣并且需要為每個(gè)病例重新設(shè)計(jì)整個(gè)植入物(即完全患者特異性的)。所述示例性過程和系統(tǒng)產(chǎn)生一種定制的三法蘭植入物，其除了完全定制的組件之外還以模塊方式利用可大規(guī)模定制的組件，以允許定制裝配和孔隙度。進(jìn)行符合所述示例性過程的預(yù)先計(jì)劃步驟以確定三個(gè)法蘭相對于髖臼杯的取向、法蘭接觸位置以及髖臼杯的取向和尺寸。該預(yù)先計(jì)劃步驟按照緊接這一部分之前的“患者特異性植入物”討論來進(jìn)行。例如，依照植入物位點(diǎn)步驟并如在前一部分中討論的使用其序文中的數(shù)據(jù)輸入，確定植入物固定的具體位置。通過回憶，作為該植入物位點(diǎn)步驟的一部分，將來自于提取缺陷形狀步驟的兩個(gè)頂點(diǎn)列表和來自于統(tǒng)計(jì)圖集的正常盆骨的3D模型(參見圖1和2及其前述的示例性討論)輸入，以辨別定制的三法蘭的固定位置。更具體來說，將固定位置(即植入物位點(diǎn))選擇成各自位于患者具有殘骨之處。換句話說，固定位置不被選擇在患者的殘留盆骨的缺陷區(qū)域中。通過這種方式，固定位置的選擇不依賴于最終的植入物設(shè)計(jì)/形狀。在確定固定位置后，使用緊接這一部分之前的“患者特異性植入物”討論來設(shè)計(jì)三法蘭組件(即法蘭)。所述法蘭被設(shè)計(jì)成相對于置換髖臼杯取向，使得所述髖臼杯取向提供可接受的聯(lián)結(jié)功能。此外，法蘭的接觸表面輪廓與患者的盆骨解剖結(jié)構(gòu)匹配，因?yàn)槿ㄌm的接觸表面被造型成盆骨的骨表面的“負(fù)形”。圖23的示例性過程利用在圖17中描繪的所述過程的最后步驟快速原型制造法蘭(或使用常規(guī)的計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)設(shè)備)。在法蘭被制造后，可以進(jìn)行進(jìn)一步機(jī)械加工步驟以提供空腔，多孔材料可以在所述空腔內(nèi)添加到三法蘭。三法蘭系統(tǒng)的不必是定制組件的一個(gè)部分是髖臼杯組件。在這種示例性過程中，首先制造一批髖臼杯，并且它們提供了在其上建立三法蘭系統(tǒng)的基礎(chǔ)。這些“空”杯保留在庫存中，以備在需要時(shí)使用。如果需要髖臼杯具有特定孔隙度，向髖臼杯添加允許將多孔材料壓力配合到髖臼杯中的機(jī)械特點(diǎn)?；蛘撸绻枰y臼杯具有特定孔隙度，可以使用一種或多種多孔涂料涂布髖臼杯。在空杯形成和如上討論的任何孔隙度問題解決后，通過對髖臼杯進(jìn)行機(jī)械加工以接受法蘭，使髖臼杯具有患者特異性。具體來說，使用法蘭的虛擬模型，系統(tǒng)軟件為法蘭構(gòu)建虛擬鎖機(jī)構(gòu)，其被轉(zhuǎn)變成機(jī)器碼以便將鎖機(jī)構(gòu)機(jī)械加工在髖臼杯中。這些鎖機(jī)構(gòu)允許將髖臼杯緊固到法蘭，使得當(dāng)將法蘭固定到患者的殘骨時(shí)，髖臼杯相對于殘留盆骨正確取向。這種機(jī)械加工可以使用常規(guī)CNC設(shè)備，以將鎖機(jī)構(gòu)形成在空杯中。在制造作為空杯的一部分的鎖機(jī)構(gòu)之后，使用鎖機(jī)構(gòu)之間的接合將法蘭固定到髖臼杯。使三法蘭套件(即最終植入物)經(jīng)歷退火過程，以促進(jìn)組件之間的強(qiáng)烈粘合。在三法蘭植入物退火后，進(jìn)行滅菌步驟，然后進(jìn)行適當(dāng)包裝以確保三法蘭植入物的無菌環(huán)境。大規(guī)模定制的植入物的產(chǎn)生參考圖28，描述了為具有部分、變形和/或破碎的解剖結(jié)構(gòu)的患者產(chǎn)生大規(guī)模定制的骨外科植入物引導(dǎo)器和相關(guān)的大規(guī)模定制的骨外科植入物的示例性過程和系統(tǒng)。出于示例性討論的目的，將描述用于需要初次關(guān)節(jié)置換的患者的全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。然而，應(yīng)該了解，所述示例性過程和系統(tǒng)適用于在存在不完整解剖結(jié)構(gòu)的情況下適合于大規(guī)模定制的任何骨外科植入物和引導(dǎo)器。例如，所述示例性過程和系統(tǒng)適用于其中存在骨退化(部分解剖結(jié)構(gòu))、骨變形或破碎骨的肩置換和膝置換。因此，盡管在后文中討論的是髖關(guān)節(jié)植入物，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解所述系統(tǒng)和過程對用于初次骨外科或骨外科修正手術(shù)的其他骨外科植入物、引導(dǎo)器、工具等的適用性。所述示例性過程利用來自于宏觀視角和微觀視角的輸入數(shù)據(jù)。具體來說，宏觀視角包括確定骨外科植入物和相應(yīng)的解剖結(jié)構(gòu)的總體幾何形狀。相反，微觀視角包括估算松質(zhì)骨的形狀和結(jié)構(gòu)及其孔隙度。宏觀視角包括與統(tǒng)計(jì)圖集模塊通訊的數(shù)據(jù)庫，所述統(tǒng)計(jì)圖集模塊記錄一個(gè)或多個(gè)解剖結(jié)構(gòu)(例如骨骼)的虛擬的3D模型，以捕獲給定群體中固有的解剖學(xué)變化性。在示例性形式中，統(tǒng)計(jì)圖集記錄一個(gè)或多個(gè)解剖結(jié)構(gòu)的解剖學(xué)特點(diǎn)的數(shù)學(xué)表述，其被表示成給定解剖學(xué)群體的平均表述和圍繞所述平均表述的變差。參考圖2和前述統(tǒng)計(jì)圖集以及人們?nèi)绾蜗蚪o定群體的統(tǒng)計(jì)圖集添加解剖結(jié)構(gòu)的討論。將來自于統(tǒng)計(jì)圖集的輸出導(dǎo)向自動(dòng)尋找標(biāo)志模塊和表面/形狀分析模塊。自動(dòng)尋找標(biāo)志模塊利用來自于統(tǒng)計(jì)圖集的輸入(例如可能含有特定標(biāo)志的區(qū)域)和局部幾何分析來計(jì)算統(tǒng)計(jì)圖集內(nèi)每種解剖結(jié)構(gòu)實(shí)例的解剖學(xué)標(biāo)志。這種計(jì)算對于每個(gè)標(biāo)志是特異性的。例如，區(qū)域的近似形狀是已知的，并且正在搜索的標(biāo)志相對于局部形狀特征的位置是已知。例如，遠(yuǎn)端股骨的內(nèi)上髁點(diǎn)的定位，通過在統(tǒng)計(jì)圖集中內(nèi)上踝點(diǎn)的近似位置的基礎(chǔ)上精煉所述搜索來實(shí)現(xiàn)。因此，已知內(nèi)上髁點(diǎn)是該搜索窗口內(nèi)最內(nèi)側(cè)的點(diǎn)，所以對于統(tǒng)計(jì)圖集中定義的內(nèi)上踝區(qū)內(nèi)的每個(gè)骨骼模型進(jìn)行最內(nèi)側(cè)點(diǎn)的搜索，其中搜索的輸出被鑒定為內(nèi)上髁點(diǎn)的標(biāo)志。在為統(tǒng)計(jì)圖集群體內(nèi)的每個(gè)虛擬3D模型自動(dòng)計(jì)算解剖標(biāo)志后，將統(tǒng)計(jì)圖集的虛擬3D模型與形狀/表面分析輸出一起導(dǎo)向特點(diǎn)提取模塊。形狀/表面輸出來自于形狀/表面模塊，所述模塊也接收來自于統(tǒng)計(jì)圖集的輸入。在形狀/表面模塊的情形中，對統(tǒng)計(jì)圖集群體內(nèi)的虛擬3D模型進(jìn)行分析以獲得未被自動(dòng)尋找標(biāo)志所涵蓋的形狀/表面特點(diǎn)。換句話說，也計(jì)算對應(yīng)于解剖結(jié)構(gòu)的總體3D形狀、但不屬于在前面的自動(dòng)尋找標(biāo)志步驟中定義的特點(diǎn)的特點(diǎn)。例如，為虛擬3D模型計(jì)算曲率數(shù)據(jù)。將來自于表面/形狀分析模塊和自動(dòng)尋找標(biāo)志模塊的輸出導(dǎo)向特點(diǎn)提取模塊。使用標(biāo)志和形狀特點(diǎn)的組合，為圖集中的每個(gè)實(shí)例計(jì)算與植入物設(shè)計(jì)相關(guān)的數(shù)學(xué)描述符(即曲率、維度)。這些描述符作為輸入用于聚類過程。在統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上將所述數(shù)學(xué)描述符聚類或分組。具體來說，對所述描述符進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并與來自于剩余解剖結(jié)構(gòu)群體的其他描述符進(jìn)行比較，以鑒定群體中具有相似特點(diǎn)的(解剖結(jié)構(gòu)的)組。顯然，這種聚類的前提在于橫跨整個(gè)群體的來自于多個(gè)解剖結(jié)構(gòu)的多個(gè)描述符。當(dāng)向聚類呈遞在初始聚類中不存在的新實(shí)例時(shí)，輸出的簇被精煉以更好地代表新的群體。來自于這個(gè)統(tǒng)計(jì)分析的輸出是覆蓋所有或絕大多數(shù)解剖學(xué)群體的有限數(shù)目的植入物(包括植入物家族和尺寸)。對于每一簇來說，參數(shù)化模塊提取簇內(nèi)的數(shù)學(xué)描述符。所述數(shù)學(xué)描述符形成用于最終植入物模型的參數(shù)(例如CAD設(shè)計(jì)參數(shù))。將提取到的數(shù)學(xué)描述符送入植入物表面產(chǎn)生模塊。這個(gè)模塊負(fù)責(zé)將數(shù)學(xué)描述符轉(zhuǎn)變成表面描述符，為每一簇產(chǎn)生解剖結(jié)構(gòu)的3D虛擬模型。所述3D虛擬模型在應(yīng)力測試和植入物制造之前補(bǔ)充微觀視角。在微觀視角上，對于給定群體的每個(gè)解剖結(jié)構(gòu)來說，獲得指示結(jié)構(gòu)完整性的數(shù)據(jù)。在示例性形式中，對于骨骼來說該數(shù)據(jù)可以包含微型CT數(shù)據(jù)，其提供針對松質(zhì)骨的結(jié)構(gòu)信息。更具體來說，微型CT數(shù)據(jù)可以包含所討論的骨骼的圖像(整個(gè)群體的多個(gè)骨骼的多個(gè)微型CT圖像)。隨后通過提取松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)模塊對這些圖像進(jìn)行分段，以便提取松質(zhì)骨的三維幾何結(jié)構(gòu)并為群體內(nèi)的每塊骨骼產(chǎn)生虛擬3D模型。得到的3D虛擬模型被輸入到孔眼尺寸和形狀模塊。正如在圖84中圖示的，所述3D虛擬模型包括孔尺寸和形狀信息，其由孔眼尺寸和形狀模塊評估，以確定松質(zhì)骨的孔眼尺寸和大小。這種評估可用于分析骨骼的髓內(nèi)管中的孔尺寸和形狀，以便可以將股骨植入物的干用涂料處理或以其他方式加工以表現(xiàn)出多孔外表，以促進(jìn)股骨的殘骨與股骨植入物之間的整合。來自于該模塊的輸出與從植入物表面產(chǎn)生模塊輸出的3D虛擬模型相組合，被導(dǎo)向虛擬應(yīng)力測試模塊。應(yīng)力測試模塊將來自于孔眼尺寸和形狀模塊的植入物孔隙度數(shù)據(jù)與來自于植入物表面產(chǎn)生模塊的植入物形狀數(shù)據(jù)合并，以確定最終植入物形狀模型和性質(zhì)。例如，所述形狀和性質(zhì)包括為最終植入物模型提供與所討論的骨骼的松質(zhì)骨孔隙度粗略匹配的多孔涂層。一旦并入了所述形狀和性質(zhì)后，最終植入物模型經(jīng)歷虛擬應(yīng)力測試(有限元和機(jī)械分析)以驗(yàn)證模型的功能品質(zhì)。在功能品質(zhì)不可接受的情況下，對定義植入物形狀和孔隙度的參數(shù)進(jìn)行修改，直至獲得可接受的性能。假設(shè)最終植入物模型滿足應(yīng)力測試的判據(jù)，則將最終植入物模型用于產(chǎn)生將虛擬模型轉(zhuǎn)變成真實(shí)植入物所必需的機(jī)器指令(其可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的制造過程進(jìn)一步精煉)。在示例性形式中，所述機(jī)器指令可以包括快速制造機(jī)器指令，以通過快速成型過程(以正確捕獲多孔結(jié)構(gòu))或傳統(tǒng)制造和快速成型的組合來制造最終植入物。性別/種族特異性髖關(guān)節(jié)植入物的產(chǎn)生參考圖29-84，描述了用于產(chǎn)生性別和/或種族特異性植入物的示例性過程和系統(tǒng)。出于示例性討論的目的，將描述需要初次關(guān)節(jié)置換的患者的全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)。然而，應(yīng)該理解，所述示例性過程和系統(tǒng)適用于適合定制的任何骨外科植入物。例如，所述示例性過程和系統(tǒng)適用于肩置換和膝置換以及其他初次關(guān)節(jié)置換手術(shù)。因此，盡管在后文中討論的是髖關(guān)節(jié)植入物，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解所述系統(tǒng)和過程對用于初次骨外科或骨外科修正手術(shù)的其他骨外科植入物、引導(dǎo)器、工具等的適用性。髖關(guān)節(jié)由股骨的頭和盆骨的髖臼構(gòu)成。髖關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)使其成為身體中最穩(wěn)定的關(guān)節(jié)之一。穩(wěn)定性由剛性的杵臼構(gòu)造提供。股骨頭在其關(guān)節(jié)部分是幾乎球形的，形成了三分之二的球。數(shù)據(jù)顯示，女性的股骨頭直徑小于男性。在正常髖部中，假定股骨頭的中心與髖臼的中心完全一致，并且將這種假設(shè)用作大多數(shù)髖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。然而，天然髖臼的深度不足以覆蓋所有天然股骨頭。股骨頭的幾乎圓形的部分是類球形而不是球形，因?yàn)樽钌戏讲糠致晕⒆兤?。這種類球形狀導(dǎo)致載荷以環(huán)狀模式分布在上極周圍。股骨頭的幾何中心被關(guān)節(jié)的三個(gè)軸橫貫：水平軸，豎直軸和前后軸。股骨頭由連接骨干的股骨頸支撐。股骨頸的軸被傾斜設(shè)置并向內(nèi)上側(cè)和前側(cè)延伸。在正平面中股骨頸相對于干的傾斜角是頸干角。在大多數(shù)成年人中，該角度在90至135度之間變化并且是重要的，因?yàn)樗鼪Q定了髖關(guān)節(jié)外展肌的有效性、肢體長度和施加到髖關(guān)節(jié)上的力。傾斜角大于125度被稱為髖外翻，而傾斜角小于125度被稱為髖內(nèi)翻。傾斜角大于125度對應(yīng)于肢體加長、髖關(guān)節(jié)外展肌有效性降低、股骨頭上的載荷增加和股骨頸上的應(yīng)力增加。在髖內(nèi)翻的情形中，小于125度的傾斜角對應(yīng)于肢體縮短、髖關(guān)節(jié)外展肌有效性提高、股骨頭上的載荷減小和股骨頸上的應(yīng)力減小。股骨頸與股骨髁突的橫向軸形成銳角。這個(gè)角朝向內(nèi)側(cè)和前方，并被稱為前傾角。在成年人中，該角平均約為7.5度。髖臼位于髖的側(cè)面髂骨、坐骨和恥骨匯合之處。這三塊分開的骨骼聯(lián)合形成髖臼，其中髂骨和坐骨各自貢獻(xiàn)髖臼的約五分之二，恥骨貢獻(xiàn)五分之一。髖臼是深度不足以覆蓋所有股骨頭的臼，并具有形成關(guān)節(jié)和不形成關(guān)節(jié)的兩個(gè)部分。然而，髖臼關(guān)節(jié)盂唇加深所述臼以提高穩(wěn)定性。與關(guān)節(jié)盂唇一起，髖臼覆蓋略微超過50％的股骨頭。只有髖臼的側(cè)面襯有關(guān)節(jié)軟骨，其在下方被深的髖臼凹口中斷。髖臼腔的中心部分比關(guān)節(jié)軟骨更深并且是非關(guān)節(jié)性的。該中心部分被稱為髖臼窩，并且由薄板與盆骨的界面隔開。髖臼窩對于每位患者來說是獨(dú)特的區(qū)域，并被用于產(chǎn)生患者特異性引導(dǎo)物用于髖臼杯組件的鉆孔和放置。此外，解剖學(xué)特點(diǎn)的變化性進(jìn)一步保證了對群體特異性植入物設(shè)計(jì)的需求。與現(xiàn)有技術(shù)非骨水泥組件的使用相關(guān)的某些問題可以造成股骨管的尺寸、形狀和取向的廣泛變化。股骨柄的骨外科植入物設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)之一是中間外側(cè)和前后維度的大的變化性。近端與遠(yuǎn)端股骨管尺寸的比率也存在顯著變化性。在正常人群中各種不同弧線、錐角、曲線、偏移的不同組合是令人吃驚的。但這不是唯一問題。股骨形態(tài)的祖先差異和現(xiàn)代人群缺乏確定標(biāo)準(zhǔn)，使得設(shè)計(jì)適合的髖關(guān)節(jié)植入物系統(tǒng)有困難。例如，美國印第安人、美國黑人和美國白人之間存在前部曲率、扭轉(zhuǎn)和橫截面形狀的顯著差異。亞洲與西方人群之間股骨的差異存在于股骨的前弓中，在此處中國人與高加索人的股骨相比更前部彎曲和外部旋轉(zhuǎn)，并具有更小的髓內(nèi)管和更小的遠(yuǎn)端髁突。同樣地，高加索人股骨與日本人股骨相比，就遠(yuǎn)端髁突長度維度而言更大。在美國黑人與白人之間，在股骨近端骨礦物質(zhì)密度(BMD)和髖軸長度上也存在種族差異。更高的BMD、更短的髖軸長度和更短的轉(zhuǎn)子間寬度的組合效應(yīng)，可以解釋在美國黑人女性中與她們的白人對應(yīng)者相比骨質(zhì)疏松性骨折的較低發(fā)生率。同樣地，發(fā)現(xiàn)老年亞洲人和美國黑人男性與白人和西班牙人男性相比具有更厚的皮質(zhì)和更高的BMD，這可能對這些種族組中更大的骨強(qiáng)度有貢獻(xiàn)?？偟膩碚f，美國黑人具有比美國白人更厚的骨皮質(zhì)、更窄的骨內(nèi)直徑和更大的BMD。對于原始髖系統(tǒng)來說，合并股骨和盆骨的祖先(和種族)差異變得甚至更有挑戰(zhàn)性。修正手術(shù)產(chǎn)生更大的復(fù)雜性。在這些正常的解剖和種族變化性之外，進(jìn)行修正手術(shù)的外科醫(yī)生面對的困難被下述因素進(jìn)一步加重：(a)由原來放置的假體周圍的骨流失引起的股骨管扭曲；以及(b)由組件和骨水泥的移除產(chǎn)生的醫(yī)源性缺陷。所有前述因素引起大量髖外科醫(yī)生尋找改進(jìn)非骨水泥股骨假體的設(shè)計(jì)的方式。在全髖置換(初次或修正)中，理想的是建立股骨球與髖臼杯之間的最適擬合。股骨柄頸應(yīng)該具有十字形橫截面以降低剛性。股骨柄的長度應(yīng)該使股骨柄與股骨壁在2至3個(gè)股骨管內(nèi)徑范圍內(nèi)具有平行接觸。股骨柄的近端三分之一被多孔包被或羥基磷灰石(HA)包被。股骨柄是圓柱形的(即不是錐形的)，以控制彎曲載荷并允許所有旋轉(zhuǎn)和軸向載荷在近端傳遞。股骨頭位置應(yīng)該重現(xiàn)患者自己的頭中心，除非它是異常的。嘗試滿足這些目標(biāo)的一種方式是為每位患者單獨(dú)地制造股骨假體。換句話說，制造對特定患者來說特異性的假體而不是試圖改造患者骨骼以擬合現(xiàn)成的假體。對于患者特異性(或大規(guī)模定制)初次和修正髖置換來說存在一些共同的設(shè)計(jì)規(guī)則。這些設(shè)計(jì)規(guī)則包括：(1)股骨柄應(yīng)該是無領(lǐng)的(除了在修正中之外)以允許載荷均勻分布到股骨；(2)股骨柄應(yīng)該具有改良的偏菱形橫截面以最大化擬合/填充，但應(yīng)該維持旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性；(3)如有必要股骨柄應(yīng)該彎曲以順從患者骨骼；(4)股骨柄應(yīng)該沿著曲線路徑插入，在假體與骨骼之間沒有間隙；(5)股骨柄頸應(yīng)該具有十字形橫截面以降低剛性；(6)股骨柄的長度應(yīng)該使股骨柄與股骨壁在2至3個(gè)股骨管內(nèi)徑范圍內(nèi)具有平行接觸；(7)股骨柄的近端三分之一被多孔包被或羥基磷灰石(HA)包被；(8)股骨柄是圓柱形的(即不是錐形的)，以控制彎曲載荷并允許所有旋轉(zhuǎn)和軸向載荷在近端傳遞；(9)股骨柄的股骨頭位置應(yīng)該重現(xiàn)患者自己的頭中心，除非它是異常的。下面是將患者群體的性別和/或種族考慮在內(nèi)，為需要初次關(guān)節(jié)置換的患者產(chǎn)生大規(guī)模定制的骨外科植入物的示例性過程和系統(tǒng)。出于示例性討論的目的，描述了用于具有部分解剖結(jié)構(gòu)的患者的全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)。然而，應(yīng)該理解，所述示例性過程和系統(tǒng)適用于在存在不完整解剖結(jié)構(gòu)的情況下適合于大規(guī)模定制的任何骨外科植入物。例如，所述示例性過程和系統(tǒng)適用于存在骨骼退化(部分解剖結(jié)構(gòu))、骨變形或破碎骨的肩置換和膝置換。因此，盡管在后文中討論的是髖關(guān)節(jié)植入物的股骨組件，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解所述系統(tǒng)和過程對用于原始骨外科或骨外科修正手術(shù)的其他骨外科植入物、引導(dǎo)器、工具等的適用性。參考圖29，描繪了使用統(tǒng)計(jì)圖集來產(chǎn)生大規(guī)模定制的和患者特異性的髖關(guān)節(jié)植入物兩者的總體過程流程。首先，所述過程包括統(tǒng)計(jì)圖集，其包含待分析的一塊或幾塊骨骼的幾個(gè)實(shí)例。在髖關(guān)節(jié)植入物的示例性情形中，統(tǒng)計(jì)圖集包括盆骨和股骨的骨骼模型的幾個(gè)實(shí)例。至少對髖臼組件(即髖臼)和近端股骨組件(即股骨頭)進(jìn)行關(guān)節(jié)表面幾何分析。具體來說，所述關(guān)節(jié)表面幾何分析包括對來自于給定人群的統(tǒng)計(jì)圖集的每塊骨骼進(jìn)行標(biāo)志、測量值和形狀特點(diǎn)的計(jì)算。此外，所述關(guān)節(jié)表面幾何分析包括產(chǎn)生代表所述計(jì)算的定量值例如統(tǒng)計(jì)值。從這些計(jì)算，對所述計(jì)算的分布進(jìn)行作圖并在所述分布的基礎(chǔ)上解析。例如，對于鐘形分布來說，可以觀察到約百分之九十(90％)的人群被分組，使得非患者特異性植入物(例如大規(guī)模定制的植入物)可以被設(shè)計(jì)并充分?jǐn)M合這種分組，從而與患者特異性植入物相比降低患者的花費(fèi)。對于剩余的百分之十(10％)的人群來說，患者特異性植入物可能是更好的方法。在大規(guī)模定制的植入物的情形中，可以利用統(tǒng)計(jì)圖集來定量評估多少不同的組(即不同的植入物)才能夠涵蓋絕大多數(shù)的給定人群。這些定量評估可以產(chǎn)生指示基本植入物設(shè)計(jì)的通用參數(shù)的數(shù)據(jù)簇，所述基本植入物設(shè)計(jì)盡管不是患者特異性的，但比現(xiàn)成的可選方案更加特異。在患者特異性植入物的情形中，可以利用統(tǒng)計(jì)圖集來定量評估正常骨骼體現(xiàn)的數(shù)據(jù)以及患者骨骼與正常骨骼之間的差異。更具體來說，統(tǒng)計(jì)圖集可以包括與平均或模板骨骼模型相關(guān)的曲率數(shù)據(jù)。然后可以使用這種模板骨骼模型來外推患者的正確骨骼的形式并制造植入物和用于執(zhí)行植入手術(shù)的手術(shù)器械。圖30圖示概述了統(tǒng)計(jì)圖集在設(shè)計(jì)大規(guī)模定制的和患者特異性髖關(guān)節(jié)植入物中的用途。在植入物框的情形中，再次參考圖20和21以及這些圖的相關(guān)討論。同樣地，在設(shè)計(jì)者框的情形中，再次參考圖20和定制計(jì)劃界面的相關(guān)討論。最后，在患者特異性引導(dǎo)物框的情形中，再次參考圖22和該圖的相關(guān)討論。如圖31中所示，描繪了可用于設(shè)計(jì)和制造性別和/或種族特異性髖關(guān)節(jié)植入物的示例性過程的流程圖。具體來說，所述過程包括利用含有各種不同股骨近端(即包括股骨頭的股骨)樣本的統(tǒng)計(jì)圖集，所述樣本已通過相關(guān)數(shù)據(jù)被鑒定為來自于男性或女性或骨骼所屬的人的種族。此外，統(tǒng)計(jì)圖集模塊記錄一個(gè)或多個(gè)解剖結(jié)構(gòu)(例如骨骼)的虛擬3D模型，以捕獲給定性別和/或種族的人群中固有的解剖學(xué)變化性。在示例性形式中，所述圖集記錄一個(gè)或多個(gè)解剖結(jié)構(gòu)的解剖學(xué)特點(diǎn)的數(shù)學(xué)表述，其被表示成可能具有共同性別和/或種族(或被分組成具有存在解剖學(xué)共性的多個(gè)種族之一)的給定解剖學(xué)群體的平均表述和圍繞所述平均表述的變差。參考圖2和前述統(tǒng)計(jì)圖集以及對于給定群體來說人們?nèi)绾蜗蚪y(tǒng)計(jì)圖集添加解剖結(jié)構(gòu)的討論。來自于所述統(tǒng)計(jì)圖集的輸出被導(dǎo)向自動(dòng)尋找標(biāo)志模塊和表面/形狀分析模塊。參考圖31-43，所述自動(dòng)尋找標(biāo)志模塊利用來自于統(tǒng)計(jì)圖集的輸入(例如可能含有特定標(biāo)志的區(qū)域)和局部幾何分析來計(jì)算統(tǒng)計(jì)圖集內(nèi)每個(gè)解剖結(jié)構(gòu)實(shí)例的解剖學(xué)標(biāo)志。例如，為股骨的每個(gè)3D虛擬模型計(jì)算各種不同的股骨近端標(biāo)志，其包括但不限于：(1)股骨頭中心，其是近似球形的股骨頭的中心點(diǎn)；(2)大轉(zhuǎn)子點(diǎn)，其是大轉(zhuǎn)子上距離通過頸干點(diǎn)垂直于解剖學(xué)頸中心線的平面最近的點(diǎn)；(3)截骨術(shù)點(diǎn)，其是離小轉(zhuǎn)子末端15毫米(離小轉(zhuǎn)子點(diǎn)約30毫米)的點(diǎn)；(4)頸干點(diǎn)，其是頭球上切面包圍最小股骨頸橫截面的點(diǎn)；(5)股骨腰部，其是沿著股骨干具有最小直徑的橫截面；(6)髓內(nèi)管腰部，其是沿著髓內(nèi)管具有最小直徑的橫截面；(7)股骨頸樞軸點(diǎn)，其是股骨解剖軸上與股骨頭中心和股骨解剖軸的遠(yuǎn)端形成等于股骨頸角的角的點(diǎn)；以及(8)小轉(zhuǎn)子點(diǎn)，其是小轉(zhuǎn)子區(qū)上最向外突出的點(diǎn)。作為另一個(gè)實(shí)例，使用所述鑒定到的解剖標(biāo)志為股骨的每個(gè)3D虛擬模型計(jì)算各種不同的股骨近端軸，其包括但不限于：(a)股骨頸解剖軸，其與連接股骨頭中心與股骨頸中心的直線共軸；(b)股骨頸軸，其與連接股骨頭中心點(diǎn)和股骨頸樞軸點(diǎn)的直線共軸；以及(c)股骨解剖軸，其與連接位于總股骨長度從股骨的近端開始距離23％和40％處的兩個(gè)點(diǎn)的直線共軸。作為又一個(gè)實(shí)例，使用鑒定到的解剖標(biāo)志和軸為股骨的每個(gè)3D虛擬模型計(jì)算各種不同的股骨近端測量值，其包括但不限于：(i)近端角度，其是股骨解剖軸與股骨頸解剖軸之間的3D角；(ii)頭部縊縮，其是股骨解剖軸與股骨頭中心之間的水平距離；(iii)頭高度，其是小轉(zhuǎn)子點(diǎn)(參考前面)與股骨頭中心之間的豎直距離；(iv)大轉(zhuǎn)子至頭中心距離，其是頭中心與大轉(zhuǎn)子點(diǎn)(參考前面)之間的距離；(v)頸部長度，其是頭中心與頸樞軸點(diǎn)(參考前面)之間的距離；(vi)頭部半徑，其是擬合于股骨頭的球的半徑；(vii)頸部直徑，其是在與股骨頸解剖軸成法向并通過頸中心點(diǎn)(參考前面)的平面處擬合于頸橫截面的圓的直徑；(viii)股骨頸前傾經(jīng)股骨上髁角，其是經(jīng)股骨上髁軸與股骨頸軸之間的角；(ix)股骨頸前傾后髁角，其是后髁軸與股骨頸軸之間的角；(x)LPFA，其是機(jī)械軸與指向大轉(zhuǎn)子的矢量之間的角；(xi)股骨距面積指數(shù)，其由方程(Z-X)/Z定義，其中Z是在小轉(zhuǎn)子中點(diǎn)下方10厘米處的股骨面積，X是在小轉(zhuǎn)子中點(diǎn)下方10厘米處的髓內(nèi)管面積；(xii)髓腔股骨距面積比率，其是在小轉(zhuǎn)子中間高度下方3厘米處的髓內(nèi)管面積與小轉(zhuǎn)子中點(diǎn)下方10厘米處的髓內(nèi)管面積之間的比率；(xiii)XYR面積，其是小轉(zhuǎn)子中點(diǎn)下方3厘米處的髓內(nèi)管面積與小轉(zhuǎn)子中點(diǎn)下方10厘米處的髓內(nèi)管面積之間的比率；(xiv)短軸/長軸比率，其是在髓內(nèi)管上最狹窄點(diǎn)處擬合于髓內(nèi)管橫截面的橢圓的短軸與長軸之間的比率；以及(xv)股骨半徑與髓內(nèi)管半徑比率，其是在與股骨解剖軸成法向的平面內(nèi)最佳擬合于股骨外周和髓內(nèi)管的圓周的圓的圓半徑的比率(該比率反映出皮質(zhì)骨的厚度，以及因此在骨質(zhì)疏松癥的情況下反映出皮質(zhì)骨損失)。參考圖31和45-47，使用來自于自動(dòng)尋找標(biāo)志模塊的輸出，對給定人群評估股骨柄的參數(shù)。具體來說，不論所述人群是在種族、性別還是兩者的組合的基礎(chǔ)上分組，對內(nèi)側(cè)輪廓、頸部角和頭部縊縮進(jìn)行評估。在內(nèi)側(cè)輪廓的情形中，對于所述人群中的每塊股骨來說，該相對于髓內(nèi)管的輪廓通過將髓內(nèi)管與通過股骨樞軸點(diǎn)延伸并具有垂直于股骨解剖軸和頸軸兩者的法向軸的平面相交(矢量叉積)來產(chǎn)生。在為所述人群中的每塊股骨產(chǎn)生輪廓后，使用髓內(nèi)管尺寸將所述人群細(xì)分成組。在細(xì)分時(shí)，輪廓可能在平面外，因此進(jìn)行對齊過程以將所有輪廓相對于共同平面(例如X-Z平面)對齊。所述對齊過程包括將與股骨頸軸和解剖軸兩者成法向的軸與Y軸對齊，然后將解剖軸與Z軸對齊。通過這種方式，將所有輪廓相對于特定點(diǎn)平移，以使輪廓具有共同的坐標(biāo)系。在所述輪廓具有共同坐標(biāo)系后，利用股骨頸點(diǎn)來驗(yàn)證所述輪廓的點(diǎn)在平面內(nèi)。具體來說，股骨頸點(diǎn)反映出真實(shí)解剖結(jié)構(gòu)并保證輪廓上的點(diǎn)在平面內(nèi)的一致點(diǎn)。通過驗(yàn)證所述輪廓的點(diǎn)在平面內(nèi)，可以顯著減小人群的股骨之間的對齊變化性，這便于將所述輪廓用于頭部縊縮和植入角設(shè)計(jì)。參考圖48，所述統(tǒng)計(jì)圖集也可用于在正常與骨質(zhì)疏松的骨骼之間插值。在設(shè)計(jì)股骨柄并確定其尺寸時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵的考慮是髓內(nèi)管維度。對于股骨來說，在正常骨骼的情況下，與表現(xiàn)出骨質(zhì)疏松癥的股骨相比髓內(nèi)管明顯更窄。這種更窄的髓內(nèi)管維度至少部分是骨厚度(與股骨的主導(dǎo)軸橫向測量)減小的結(jié)果，這相應(yīng)地引起定義髓內(nèi)腔的股骨內(nèi)表面后退。在這種方法中，通過在健康和嚴(yán)重骨質(zhì)疏松的骨厚度之間插值并產(chǎn)生具有所述厚度的虛擬3D模型，來產(chǎn)生合成人群。因此，這個(gè)數(shù)據(jù)集含有對應(yīng)于骨質(zhì)疏松癥的不同階段的骨骼。這個(gè)數(shù)據(jù)集現(xiàn)在可以作為輸入用于植入物干設(shè)計(jì)。在示例性形式中，統(tǒng)計(jì)圖集包括大量正常的非骨質(zhì)疏松的骨骼和骨質(zhì)疏松的骨骼，在這種情況下所述骨骼是股骨。按照本文中描述的用于將骨骼添加到統(tǒng)計(jì)圖集的過程，對圖集的每個(gè)這些正常股骨進(jìn)行定量并表示為3D虛擬模型。同樣地，按照本文中描述的用于將骨骼添加到統(tǒng)計(jì)圖集的過程，對圖集的每個(gè)骨質(zhì)疏松的骨骼進(jìn)行定量并表示為3D虛擬模型。作為正常和骨質(zhì)疏松的骨骼的3D模型的一部分，記錄沿著股骨縱向長度的髓內(nèi)管維度。使用圖集的點(diǎn)對應(yīng)，在圖集骨骼上將髓內(nèi)管鑒定為跨越骨骼總長度的靠近小轉(zhuǎn)子的固定百分率(例如5％)和靠近遠(yuǎn)端皮質(zhì)點(diǎn)的第二固定百分率(例如2％)。此外，骨骼外表面上落于這些近端和遠(yuǎn)端邊界之內(nèi)的點(diǎn)被用于確定骨骼厚度，所述骨骼厚度被定義為從外部點(diǎn)到IM管上最近的點(diǎn)的距離。在股骨近端的情形中，圖51-62證實(shí)了在任何種族人群中存在性別差異。如圖59和60中所示，女性股骨近端的統(tǒng)計(jì)圖集的模板3D模型當(dāng)與男性股骨近端的統(tǒng)計(jì)圖集的模板3D模型相比時(shí)表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)顯著的測量值。具體來說，女性比男性的頭部縊縮小約9.3％。在當(dāng)前的植入物中，頭部縊縮隨干尺寸增加，這在正常女性的情況下是可接受的。但是當(dāng)在骨質(zhì)疏松癥和骨質(zhì)減少的情況下估算頭部縊縮時(shí)出現(xiàn)問題，在所述骨質(zhì)疏松癥和骨質(zhì)減少中骨損失引起髓內(nèi)管尺寸增加，這意味著更大的干尺寸和更大的偏移。同樣地，女性比男性的頸部直徑和頭部半徑小約11.2％。并且女性比男性的頸部長度小約9.5％。此外，女性比男性的近端角度小約0.2％。最后，女性比男性的股骨頭高度小約13.3％。因此，性別骨骼數(shù)據(jù)證實(shí)，簡單地縮放通用股骨植入物(即性別中性的)不能說明骨骼的幾何差異，因此需要基于性別的股骨植入物。參考圖63-68，不僅股骨近端的維度跨過性別線廣泛變化，而且股骨沿著髓內(nèi)管長度的橫截面形狀也是如此。具體來說，橫跨男性和女性股骨的統(tǒng)計(jì)圖集中的給定群體，男性具有比女性更接近于圓形的髓內(nèi)管橫截面。更具體來說，女性具有比男性更偏心8.98％的髓內(nèi)管橫截面。正如將在后文中更詳細(xì)討論的，這種性別特異性數(shù)據(jù)構(gòu)成特點(diǎn)提取數(shù)據(jù)的一部分，其被作圖以得到簇，從所述簇提取數(shù)目和總體形狀參數(shù)，以得到性別特異性股骨植入物。如圖72-74中所示，所述統(tǒng)計(jì)圖集包括對應(yīng)于在給定股骨群體(通過性別分組)中關(guān)于前后(AP)方向上的頭中心偏移的測量值的計(jì)算。在示例性形式中，AP方向由前部垂直指向機(jī)械軸和后踝軸兩者的矢量來確定。測量股骨頭中心與兩個(gè)參比點(diǎn)之間的偏移，其中第一參比點(diǎn)是解剖軸的中點(diǎn)，第二參比點(diǎn)是股骨頸樞軸點(diǎn)。概括來說，在男性和女性股骨之間，相對于頸樞軸點(diǎn)和解剖軸的AP頭高度不表現(xiàn)出顯著差異。同樣地，這種性別特異性數(shù)據(jù)構(gòu)成特點(diǎn)提取數(shù)據(jù)的一部分，其被作圖以得到簇，從所述簇提取數(shù)目和總體形狀參數(shù)，以得到性別特異性股骨植入物。再次參考圖28和31，統(tǒng)計(jì)圖集群體內(nèi)頭中心偏移、髓內(nèi)管的橫截面形狀數(shù)據(jù)和股骨的內(nèi)側(cè)輪廓數(shù)據(jù)構(gòu)成提取的特點(diǎn)數(shù)據(jù)的一部分，其被作圖以辨別給定群體內(nèi)存在的簇的數(shù)目(假設(shè)統(tǒng)計(jì)圖集包括關(guān)于與每塊骨骼相關(guān)的種族的數(shù)據(jù)，則一個(gè)簇是性別特異性的，第二個(gè)簇是性別特異性的)，以便設(shè)計(jì)與圖28的流程圖和相關(guān)討論相符的性別和/或種族特異性的大規(guī)模定制的植入物。鑒定到的性別和/或種族特異性的簇被用于提取設(shè)計(jì)大規(guī)模定制的股骨植入物所必需的參數(shù)。參考圖76，描繪了符合本公開的示例性的大規(guī)模定制的股骨組件。具體來說，所述大規(guī)模定制的股骨組件包括4個(gè)基本元件，其包括球、頸、近端干和遠(yuǎn)端干。每個(gè)基本元件包括可互換的接口，以允許球、頸和干與其他可互換元件的互換。通過這種方式，如果需要較大的股骨球，將只更換股骨球。同樣地，如果需要較大的頸偏移，將頸元件更換為提供必要偏移的不同的頸元件，同時(shí)如果適合，保留其他3個(gè)元件。通過這種方式，股骨組件可以在一定限度內(nèi)定制以擬合患者，而不必犧牲在使用通用植入物時(shí)否則將放棄的擬合或運(yùn)動(dòng)學(xué)。因此，所有股骨元件可以被更換為其他大規(guī)模定制的元件以更好地適合于患者的解剖結(jié)構(gòu)。在這個(gè)示例性實(shí)施方式中，頸被構(gòu)造成圍繞近端干的軸旋轉(zhuǎn)，使得可以在手術(shù)中調(diào)整頸相對于近端干的旋轉(zhuǎn)取向。具體來說，術(shù)前測量值可以確立頸相對于近端干的計(jì)劃旋轉(zhuǎn)位置。然而，手術(shù)中的考慮因素例如體內(nèi)運(yùn)動(dòng)測試可以使外科醫(yī)生改變術(shù)前旋轉(zhuǎn)取向，以提供改進(jìn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)或避免特定碰撞。例如，頸包括圓柱形螺栓，其具有嵌入的具有網(wǎng)紋表面的周邊槽。該圓柱形螺栓被接納在近端干的軸向圓柱形通道中。除了這個(gè)圓柱形通道，第二個(gè)通道與所述圓柱形通道交叉并被造型成接納具有半圓形槽的板，所述槽也具有網(wǎng)紋并且被構(gòu)造成嚙合所述嵌入的周邊槽的網(wǎng)紋表面。緊固到近端干的一對螺釘推動(dòng)板以與圓柱形螺栓嚙合，使得最終圓柱形螺栓相對于近端干的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不再可能。因此，當(dāng)?shù)竭_(dá)這種固定嚙合時(shí)，可以將螺釘松開以允許圓柱形螺栓與近端干之間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，正如在手術(shù)中做出旋轉(zhuǎn)調(diào)整所必需的。頸與球之間的嚙合可以是常規(guī)的，而近端干與遠(yuǎn)端干之間的嚙合是非常規(guī)的。具體來說，近端干包括遠(yuǎn)端柄，其帶有螺紋并用于通過螺紋接納在延伸到遠(yuǎn)端干中的帶螺紋的孔中。因此，通過相對于遠(yuǎn)端干旋轉(zhuǎn)近端干，使得柄的螺紋嚙合遠(yuǎn)端干孔的螺紋，將近端干固定到遠(yuǎn)端干。當(dāng)近端干緊靠遠(yuǎn)端干時(shí)，停止近端干相對于遠(yuǎn)端干的旋轉(zhuǎn)。然而，如果在近端干與遠(yuǎn)端干之間必需旋轉(zhuǎn)調(diào)整，可以利用墊圈來提供對應(yīng)于正確旋轉(zhuǎn)調(diào)整的間隔區(qū)。作為進(jìn)一步的實(shí)例，如果需要較大的旋轉(zhuǎn)調(diào)整，墊圈的厚度較大，而較薄的墊圈將相應(yīng)地提供較小的旋轉(zhuǎn)調(diào)整。每個(gè)基本元件可以以預(yù)定的可選方案制造，所述可選方案考慮到了給定性別和/或種族內(nèi)的尺寸和輪廓變化性。通過這種方式，可以將基本元件的可選方案混合并匹配，以使患者特異性植入物比大規(guī)模定制的股骨組件在形狀上更接近患者的解剖結(jié)構(gòu)，但用于產(chǎn)生患者特異性股骨植入物的成本和過程僅為幾分之一。圖77描繪了符合本公開的另一種可選的示例性大規(guī)模定制股骨組件。具體來說，所述大規(guī)模定制的股骨組件包含5個(gè)基本元件，其包括球、頸、近端干、中間干和遠(yuǎn)端干。每個(gè)基本元件包括可互換的接口，允許球、頸和干與其他可互換元件互換。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，通過增加大規(guī)模定制的股骨組件的元件數(shù)目，類似于堆疊患者天然股骨的片段以重現(xiàn)該骨骼，人們可以使用大規(guī)模定制的元件越來越多地接近患者特異性植入物的擬合。類似于股骨近端在性別和種族之間的解剖學(xué)差異，圖78-83證實(shí)了在統(tǒng)計(jì)圖集內(nèi)的總盆骨群體中存在性別和種族差異。再次參考圖28，使用在性別和種族中的至少一者的基礎(chǔ)上分組的統(tǒng)計(jì)圖集數(shù)據(jù)(即盆骨群體)，設(shè)計(jì)并制造了一系列大規(guī)模定制的髖臼杯植入物。如圖78中圖示的，使分組的圖集數(shù)據(jù)經(jīng)歷自動(dòng)尋找標(biāo)志過程和表面/形狀分析過程，以分離髖臼杯的幾何形狀。此外，如圖82和83中圖示的，定標(biāo)(用于髖臼韌帶的位置)和輪廓分析(用于評估髖臼杯的輪廓)過程導(dǎo)致特點(diǎn)提取，從其最終產(chǎn)生解剖學(xué)髖臼杯植入物表面，如圖79中所示。這個(gè)分析顯示，髖臼杯和股骨頭不是由單一曲率半徑而是由幾個(gè)半徑構(gòu)成的，如圖80和81中所示。動(dòng)物特異性植入物的產(chǎn)生參考圖85，用于設(shè)計(jì)和制造動(dòng)物特異性(即對于動(dòng)物來說患者特異性)植入物和相關(guān)儀器的示例性系統(tǒng)和方法類似于前面針對圖20所描繪和解釋的過程，將該過程在此處并入。作為前置部分，獲取動(dòng)物解剖結(jié)構(gòu)的圖像并自動(dòng)分割以得到虛擬3D骨骼模型。盡管圖示為CT掃描圖像，但應(yīng)該理解可以使用CT之外的其他成像形式，例如但不限于MRI、超聲和X-射線。按照前面的示例性公開內(nèi)容，將受影響的解剖結(jié)構(gòu)的虛擬3D骨骼模型載入到統(tǒng)計(jì)圖集中。隨后，使用來自于統(tǒng)計(jì)圖集的輸入重建骨骼并產(chǎn)生重建的虛擬3D骨骼模型。在重建的虛擬3D骨骼模型的表面上計(jì)算骨骼標(biāo)志以允許確定正確的植入物尺寸。然后將受影響的骨骼的幾何形狀作圖并轉(zhuǎn)變成參數(shù)形式，然后將其用于產(chǎn)生模擬殘留解剖學(xué)幾何形狀的動(dòng)物特異性植入物。除了動(dòng)物特異性植入物之外，制造動(dòng)物特異性儀器并將其用于動(dòng)物殘骨的制備和動(dòng)物特異性植入物的放置。參考圖86，用于設(shè)計(jì)和制造大規(guī)模定制的動(dòng)物植入物的示例性系統(tǒng)和方法類似于前面針對圖28所描繪和解釋的過程，將該過程在此處并入。作為前置部分，使來自于與所討論的骨骼相關(guān)的統(tǒng)計(jì)圖集的3D動(dòng)物骨骼模型經(jīng)歷自動(dòng)尋找標(biāo)志和表面/形狀分析。自動(dòng)尋找標(biāo)志過程使用儲存在圖集中的信息(例如可能含有特定標(biāo)志的區(qū)域)和局部幾何分析，為每個(gè)3D動(dòng)物骨骼模型自動(dòng)計(jì)算解剖學(xué)標(biāo)志。對于統(tǒng)計(jì)圖集中的每塊所討論的骨骼來說，形狀/表面分析直接提取3D虛擬動(dòng)物骨骼模型的特點(diǎn)和表面幾何形狀。隨后，使用標(biāo)志和形狀特點(diǎn)的組合對每個(gè)3D動(dòng)物骨骼模型進(jìn)行特點(diǎn)提取過程，以計(jì)算與植入物設(shè)計(jì)相關(guān)的特點(diǎn)。將這些特點(diǎn)作為輸入用于聚類過程，其中使用預(yù)定的聚類方法將動(dòng)物骨骼群體分成具有相似特點(diǎn)的組。得到的每個(gè)簇代表那些用于定義單個(gè)動(dòng)物植入物的形狀和尺寸的實(shí)例。隨后對每個(gè)簇中心(植入物尺寸)進(jìn)行參數(shù)化過程，以便為總體植入物模型提取參數(shù)(例如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)參數(shù))。隨后，使用提取到的參數(shù)，為每個(gè)簇產(chǎn)生總體植入物表面和尺寸。取決于動(dòng)物患者所落入的簇，從必要的組選擇大規(guī)模定制的植入物并植入?；颊咛禺愋郧懈钜龑?dǎo)器的產(chǎn)生參考圖87-102，描述了用于整合多維醫(yī)學(xué)成像、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)圖形特點(diǎn)，用于設(shè)計(jì)患者特異性切割引導(dǎo)器的示例性過程和系統(tǒng)。出于僅僅示例性解釋的目的，在全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)的背景中描述患者特異性切割引導(dǎo)器。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識到，所述示例性過程和系統(tǒng)適用于可以利用切割引導(dǎo)器的任何外科操作。如圖87中所示，示例性系統(tǒng)流程的概述始于接收代表解剖結(jié)構(gòu)的輸入數(shù)據(jù)。輸入的解剖學(xué)數(shù)據(jù)包含所討論的解剖結(jié)構(gòu)的二維(2D)圖像或三維(3D)表面表述，其可以例如采取表面模型或點(diǎn)云的形式。在使用2D圖像的情形中，這些2D圖像被用于構(gòu)建所討論的解剖結(jié)構(gòu)的3D表面表述。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉利用解剖結(jié)構(gòu)的2D圖像來構(gòu)建3D表面表述。因此，為簡潔起見省略了這個(gè)過程的詳細(xì)解釋。例如，輸入的解剖學(xué)數(shù)據(jù)可以包含X-射線(從至少兩個(gè)角度獲取)、計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)掃描圖、磁共振圖像(MRI)或可以從其產(chǎn)生3D表面表述的任何其他成像數(shù)據(jù)中的一者或多者。在示例性形式中，所述解剖結(jié)構(gòu)包含盆骨和股骨。然而，應(yīng)該理解，下面是可以與示例性系統(tǒng)一起使用的解剖結(jié)構(gòu)的示例性描述，并且絕不打算限制其他解剖結(jié)構(gòu)與本系統(tǒng)一起使用。當(dāng)在本文中使用時(shí)，組織包括骨骼、肌肉、韌帶、肌腱和在多細(xì)胞生物體中具有特定功能的任何其他確定種類的結(jié)構(gòu)性材料。因此，當(dāng)所述示例性系統(tǒng)和方法在涉及髖關(guān)節(jié)的骨骼的背景中討論時(shí)，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識到所述系統(tǒng)和方法對其他組織的適用性。取決于輸入數(shù)據(jù)的類型，系統(tǒng)的股骨和盆骨輸入解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)被導(dǎo)向兩個(gè)模塊之一。在X-射線數(shù)據(jù)的情況下，將2DX-射線圖像輸入到非剛性模塊以便提取3D骨骼輪廓。如果輸入數(shù)據(jù)采取CT掃描圖或MRI圖像的形式，這些掃描圖/圖像被導(dǎo)向自動(dòng)分段模塊，在那里所述掃描圖/圖像被自動(dòng)分段以提取3D骨骼輪廓(和3D軟骨輪廓)。參考圖88，非剛性模塊使用在至少兩個(gè)不同角度獲取的多個(gè)X-射線圖像進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)預(yù)處理步驟。這些步驟可以包括下列一者或多者：噪音降低和圖像增強(qiáng)。對得到的預(yù)處理過的X-射線圖像進(jìn)行校準(zhǔn)步驟，以便配準(zhǔn)所述X-射線圖像。優(yōu)選地，X-射線圖像在存在固定位置校準(zhǔn)裝置的情況下獲取，以便相對于該固定位置校準(zhǔn)裝置配準(zhǔn)X-射線圖像。但是當(dāng)X-射線圖像中不存在固定位置校準(zhǔn)裝置時(shí)，圖像仍然可以使用在多個(gè)圖像中共同檢測到的特點(diǎn)來校準(zhǔn)。從這個(gè)校準(zhǔn)過程輸出的是解剖結(jié)構(gòu)相對于成像器的位置，其在圖88中用“位姿”指稱來鑒定。對得到的預(yù)處理過的X-射線圖像進(jìn)行特點(diǎn)提取步驟。這個(gè)特點(diǎn)提取步驟包含利用預(yù)處理過的X-射線圖像進(jìn)行圖像特點(diǎn)的一個(gè)或多個(gè)計(jì)算。例如，這些計(jì)算可以包括梯度特點(diǎn)、輪廓、紋理分量或任何其他圖像來源的特點(diǎn)。在這個(gè)示例性過程中，特點(diǎn)提取步驟輸出源自于X-射線圖像的在圖88中用“輪廓”指稱表示的解剖結(jié)構(gòu)的輪廓(例如骨骼形狀)以及用“紋理”指稱表示的圖像特點(diǎn)。勾畫輪廓的解剖結(jié)構(gòu)和圖像特點(diǎn)數(shù)據(jù)兩者被導(dǎo)向非剛性配準(zhǔn)步驟。非剛性配準(zhǔn)步驟將來自于特點(diǎn)提取步驟和校準(zhǔn)步驟的輸出配準(zhǔn)到來自于統(tǒng)計(jì)圖集的所討論的解剖結(jié)構(gòu)的3D模板模型。例如，對來自于包含一部分統(tǒng)計(jì)圖集的解剖學(xué)數(shù)據(jù)庫的非線性主元做出響應(yīng)產(chǎn)生3D模板模型。在非剛性配準(zhǔn)步驟期間，3D模板模型的形狀參數(shù)(非線性主元)得到優(yōu)化，以匹配從位姿、輪廓和紋理數(shù)據(jù)得到的X-射線圖像的形狀參數(shù)。來自于非剛性配準(zhǔn)步驟的輸出是3D患者特異性骨骼模型，其類似于對于CT掃描圖或MRI圖像來說從自動(dòng)分段模塊輸出的3D患者特異性骨骼模型，被導(dǎo)向虛擬模板制作模塊。參考圖91，自動(dòng)分段過程始于獲取例如CT掃描圖或MRI圖像，并進(jìn)行自動(dòng)分段工序。具體參考圖90，自動(dòng)分段工序包括將掃描圖/圖像相對于所討論的解剖結(jié)構(gòu)的基本或起始3D模型對齊。在將掃描圖/圖像與基本3D模型對齊后，通過初始變形過程對掃描圖/圖像進(jìn)行處理，以計(jì)算法向矢量，確定剖面點(diǎn)的位置，線性插入強(qiáng)度值，使用Savitsky-Golay濾鏡過濾得到的剖面，產(chǎn)生剖面的梯度，使用高斯加權(quán)剖面方程對剖面進(jìn)行加權(quán)，確定最大剖面，并使用這些最大剖面變形所述基本3D模型。將得到的變形3D模型投影到所討論的解剖結(jié)構(gòu)的來自于統(tǒng)計(jì)圖集的模板3D模型上。使用模板3D模型的參數(shù)，在二次變形過程中將所述變形3D模型進(jìn)一步變形，以類擬模板3D模型獨(dú)有的特點(diǎn)。在后一個(gè)變形過程后，將變形3D模型與掃描圖/圖像進(jìn)行比較以辨別是否存在顯著差異。在變形3D模型與掃描圖/圖像之間存在顯著差異的情形中，再次對變形3D模型和掃描圖/圖像進(jìn)行初始變形過程，然后進(jìn)行二次變形過程。繼續(xù)該回路過程直至變形3D模型對于變形3D模型與掃描圖/圖像之間的差異來說在預(yù)定的公差范圍內(nèi)。在已確定變形3D模型相對于前一次迭代表現(xiàn)出低于顯著的差異或已實(shí)現(xiàn)最大數(shù)量的迭代后，將變形3D模型的表面邊緣平滑化，然后進(jìn)行更高分辨率的網(wǎng)格重劃分步驟，以使表面進(jìn)一步平滑，產(chǎn)生平滑的3D模型。使該平滑的3D模型經(jīng)歷初始變形工序(與前述表面平滑化之前的初始變形過程一致)，以產(chǎn)生3D分段骨骼模型。再次參考圖91，對3D分段骨骼模型進(jìn)行處理以產(chǎn)生輪廓。具體來說，計(jì)算3D分段骨骼模型和掃描圖/圖像的交集，這在每個(gè)圖像/掃描圖平面處產(chǎn)生二元輪廓。也對3D分段骨骼模型進(jìn)行處理以產(chǎn)生患者特異性的骨骼外觀的統(tǒng)計(jì)3D模型。具體來說，在輪廓內(nèi)和輪廓外存在的圖像信息的基礎(chǔ)上對骨骼的外觀和任何解剖學(xué)異常進(jìn)行建模。隨后由分段系統(tǒng)的使用者審查所述骨骼輪廓。該使用者可以是分段專家或分段系統(tǒng)的偶然使用者，其關(guān)注3D模型的不與分段區(qū)相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域。這種關(guān)聯(lián)性的缺乏在丟失區(qū)域或明顯不正確的區(qū)域的情況下可能存在。再鑒定到一個(gè)或多個(gè)錯(cuò)誤區(qū)后，使用者可以選擇模型上指示存在錯(cuò)誤區(qū)的區(qū)域中心的“種子點(diǎn)”，或者手動(dòng)勾畫丟失區(qū)的輪廓。系統(tǒng)的軟件使用來自于CT或MRI的解剖結(jié)構(gòu)的初始掃描圖/圖像，使用種子點(diǎn)來添加或減除所述種子點(diǎn)局部的輪廓。例如，使用者可以選擇骨贅應(yīng)該存在的區(qū)域，并且軟件將掃描圖/圖像與3D模型上的所述區(qū)域進(jìn)行比較，以便將骨贅添加到分段工序。對3D模型做出的任何變化最終由使用者審查并核實(shí)或撤銷。這種審查和修正工序可以根據(jù)需要重復(fù)多次，以應(yīng)對掃描圖/圖像與3D模型之間的解剖學(xué)差異。當(dāng)使用者對3D模型滿意時(shí)，可以對得到的模型進(jìn)行手動(dòng)操作以根據(jù)需要除去模型的橋和潤色區(qū)域，然后輸出到虛擬模板制作模塊。如圖87和92中所示，虛擬模板制作模塊接收來自于自動(dòng)分段模塊和非剛性配準(zhǔn)模塊中的任一者或兩者的3D患者特異性模型。在髖關(guān)節(jié)的情形中，3D患者特異性模型包括盆骨和股骨，兩者都被輸入到自動(dòng)尋找標(biāo)志過程。該自動(dòng)尋找標(biāo)志步驟使用來自于統(tǒng)計(jì)圖集和局部幾何結(jié)構(gòu)搜索中存在的相似解剖結(jié)構(gòu)，計(jì)算股骨和盆骨3D模型上與植入物放置相關(guān)的解剖學(xué)標(biāo)志。在如圖93中所示使用遠(yuǎn)端固定進(jìn)行股骨柄的自動(dòng)放置的情形中，自動(dòng)尋找標(biāo)志包括確定股骨和植入物上的軸。對于股骨來說，計(jì)算解剖學(xué)股骨軸(AFA)，隨后計(jì)算近端解剖軸(PAA)。然后計(jì)算近端頸角(PNA)，其被定義為AFA與PNA之間的角。對于股骨植入物來說，植入物軸是沿著植入物干的長度，并且植入物頸軸是沿著植入物頸的長度。與股骨的PNA類似，植入物角被定義為植入物軸與植入物頸軸之間的角。然后選擇具有最接近于PNA的植入物角的植入物。然后將植入物擬合角(IFA)定義為近端解剖軸與以所選植入物角從股骨頭中心畫出的矢量之間的交叉。當(dāng)如圖93中所示使用遠(yuǎn)端固定和計(jì)算的解剖學(xué)標(biāo)志使用股骨柄的自動(dòng)放置時(shí)，植入物尺寸確定步驟為股骨組件確定/估算適合的植入物尺寸。通過將植入物的寬度與髓內(nèi)管的寬度進(jìn)行比較并選擇具有與髓內(nèi)管最相近的寬度的植入物，來選擇植入物尺寸。隨后，系統(tǒng)前移到植入物放置步驟。在用于遠(yuǎn)端固定股骨柄的植入物放置步驟中，在外科醫(yī)生優(yōu)選的手術(shù)技術(shù)和以前計(jì)算的解剖學(xué)標(biāo)志的基礎(chǔ)上，為所有相關(guān)的植入組件確定/選擇初始植入物位置。產(chǎn)生切除術(shù)平面以模擬股骨近端骨切開術(shù)，并評估植入物的擬合。通過分析對齊的植入物和股骨髓內(nèi)管在沿著植入物軸的各種不同高度處的橫截面來進(jìn)行擬合評估。通過將植入物軸與解剖學(xué)股骨軸對齊，然后平移植入物以使植入物的頸處于股骨近端頸的大概位置中，將植入物與股骨對齊。然后將植入物圍繞解剖學(xué)股骨軸旋轉(zhuǎn)以獲得所需的前傾。作為該植入物放置步驟的一部分，使用迭代計(jì)劃，其包括使用對于植入物放置來說初始的“據(jù)理推測”作為運(yùn)動(dòng)模擬的一部分，以評估“據(jù)理推測”的放置。在示例性形式中，運(yùn)動(dòng)模擬使用估算或測量的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)，使植入物(在所選植入物的放置的基礎(chǔ)上)通過一定范圍的運(yùn)動(dòng)。因此，可以使用運(yùn)動(dòng)模擬來確定碰撞位置并估算植入物在植入后產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)范圍。在運(yùn)動(dòng)模擬產(chǎn)生不令人滿意的數(shù)據(jù)(例如不令人滿意的運(yùn)動(dòng)范圍、不令人滿意的自然運(yùn)動(dòng)模擬等)時(shí)，可以使用另一個(gè)用于植入物放置的位置，然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，以進(jìn)一步精煉植入物的放置，直至達(dá)到令人滿意的結(jié)果。在為所有相關(guān)的植入組件確定/選擇植入物位置后，模板數(shù)據(jù)前進(jìn)到夾具產(chǎn)生模塊。在如圖94中所示使用壓合和三點(diǎn)接觸進(jìn)行股骨柄的自動(dòng)放置的情形中，自動(dòng)尋找標(biāo)志包括確定股骨和植入物上的軸。對于股骨來說，計(jì)算解剖學(xué)股骨軸(AFA)，隨后計(jì)算近端解剖軸(PAA)。然后計(jì)算近端頸角(PNA)，其被定義為AFA與PNA之間的角。對于股骨植入物來說，植入物軸是沿著植入物干的長度，并且植入物頸軸是沿著植入物頸的長度。與股骨的PNA類似，植入物角被定義為植入物軸與植入物頸軸之間的角。然后選擇具有最接近于PNA的植入物角的植入物。然后將植入物擬合角(IFA)定義為近端解剖軸與以所選植入物角從股骨頭中心畫出的矢量之間的交叉。當(dāng)如圖94中所示使用壓合、三點(diǎn)接觸和計(jì)算的解剖學(xué)標(biāo)志使用股骨柄的自動(dòng)放置時(shí)，植入物尺寸確定步驟為盆骨和股骨組件確定/估算適合的植入物尺寸。通過將植入物軸與解剖學(xué)股骨軸對齊而將植入物與股骨對齊，來選擇植入物尺寸。然后旋轉(zhuǎn)植入物以將它的頸軸與股骨頸軸對齊。然后將植入物平移到處于股骨近端內(nèi)解剖學(xué)正確的位置中。隨后，系統(tǒng)前移到植入物放置步驟。在用于壓合股骨柄的植入物放置步驟中，在外科醫(yī)生優(yōu)選的手術(shù)技術(shù)和以前計(jì)算的解剖學(xué)標(biāo)志的基礎(chǔ)上，為所有相關(guān)的植入組件確定/選擇初始植入物位置。產(chǎn)生切除術(shù)平面以模擬股骨近端骨切開術(shù)，并評估植入物的擬合。通過分析植入物和股骨髓內(nèi)管的輪廓來進(jìn)行擬合評估。所述輪廓如下產(chǎn)生：使髓內(nèi)管與法向于解剖軸和股骨頸軸兩者并通過解剖軸與股骨頸軸的交叉點(diǎn)的平面相交，產(chǎn)生輪廓。當(dāng)產(chǎn)生植入物和髓內(nèi)管輪廓時(shí)，只有在同一位置處寬度小于髓內(nèi)管寬度的植入物被保持，產(chǎn)生許多可能正確的植入物尺寸。通過兩種降低植入物與髓內(nèi)管之間的距離均方差的策略來縮減可能尺寸的組。第一種策略最小化植入物的內(nèi)側(cè)和外側(cè)兩者與髓內(nèi)管之間的距離的均方差(MSE)或其他數(shù)學(xué)誤差測度。第二種策略最小化植入物的外側(cè)與髓內(nèi)管之間的距離的MSE。作為該植入物放置步驟的一部分，使用迭代計(jì)劃，其包括使用對于植入物放置來說初始的“據(jù)理推測”作為運(yùn)動(dòng)模擬的一部分，以評估“據(jù)理推測”的放置。在示例性形式中，運(yùn)動(dòng)模擬使用估算或測量的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)，使植入物(在所選植入物的放置的基礎(chǔ)上)通過一定范圍的運(yùn)動(dòng)。因此，可以使用運(yùn)動(dòng)模擬來確定碰撞位置并估算植入物在植入后產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)范圍。在運(yùn)動(dòng)模擬產(chǎn)生不令人滿意的數(shù)據(jù)(例如不令人滿意的運(yùn)動(dòng)范圍、不令人滿意的自然運(yùn)動(dòng)模擬等)時(shí)，可以使用另一個(gè)用于植入物放置的位置，然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，以進(jìn)一步精煉植入物的放置，直至達(dá)到令人滿意的結(jié)果。在為所有相關(guān)的植入組件確定/選擇植入物位置后，模板數(shù)據(jù)前進(jìn)到夾具產(chǎn)生模塊。再次參考圖87，夾具產(chǎn)生模塊產(chǎn)生患者特異性引導(dǎo)器模型。更具體來說，從模板數(shù)據(jù)和相關(guān)的計(jì)劃參數(shù)了解到患者特異性植入物相對于患者殘骨的形狀和放置。因此，使用患者特異性3D骨骼模型，虛擬模板制作模塊計(jì)算植入物相對于患者殘骨的位置，并因此為夾具產(chǎn)生模塊提供關(guān)于打算保留多少患者殘骨的信息。與這個(gè)骨骼保留數(shù)據(jù)相一致，夾具產(chǎn)生模塊利用骨骼保留數(shù)據(jù)指派一個(gè)或多個(gè)骨鋸將患者當(dāng)前的骨骼縮減到按計(jì)劃接受植入物所必需的殘骨。使用所需骨鋸，夾具產(chǎn)生模塊產(chǎn)生切割引導(dǎo)器/夾具的虛擬3D模型，所述切割引導(dǎo)器/夾具具有被構(gòu)造成在單一位置和取向中與患者骨骼配合的形狀。換句話說，切割?yuàn)A具的3D模型被產(chǎn)生為患者殘骨的解剖學(xué)表面的“負(fù)形”，使得真實(shí)切割引導(dǎo)器精確匹配患者的解剖結(jié)構(gòu)。通過這種方式，消除了與切割?yuàn)A具的定位有關(guān)的任何猜測。在夾具產(chǎn)生模塊產(chǎn)生切割?yuàn)A具的虛擬3D模型后，模塊輸出快速原型機(jī)、CNC機(jī)或類似裝置所必需的機(jī)器碼，以制造真實(shí)切割引導(dǎo)器。例如，用于股骨頭和頸切開的示例性切割?yuàn)A具包含中空槽，其形成相關(guān)的引導(dǎo)器以將刀片限制在一定的移動(dòng)范圍內(nèi)并將刀片維持在預(yù)定的取向，這重現(xiàn)了來自于手術(shù)計(jì)劃和模板制作模塊的虛擬切割。還使用夾具產(chǎn)生模塊產(chǎn)生用于股骨柄的放置夾具。參考圖100，在切開股骨頭和頸之后，進(jìn)行髓內(nèi)擴(kuò)孔，然后進(jìn)行股骨柄插入。為了準(zhǔn)備股骨以備股骨植入物的插入，需要沿著與股骨植入物的取向相一致的取向進(jìn)行髓內(nèi)管擴(kuò)孔。如果擴(kuò)孔偏離，股骨植入物的取向可能受損。為了解決這一顧慮，夾具產(chǎn)生模塊產(chǎn)生虛擬引導(dǎo)器，其是患者的殘留或切開骨骼的解剖學(xué)表面的“負(fù)形”，以便快速原型機(jī)、CNC機(jī)或類似裝置可以制造精確匹配患者解剖結(jié)構(gòu)的切割引導(dǎo)器。例如，擴(kuò)孔夾具可以包括軸向引導(dǎo)器，擴(kuò)孔器可以沿著它縱向來回移動(dòng)。使用該擴(kuò)孔夾具，進(jìn)行擴(kuò)孔操作的外科醫(yī)生確保以正確取向擴(kuò)孔。髓內(nèi)管可以接納股骨柄。同樣地，為了從旋轉(zhuǎn)觀點(diǎn)和角度觀點(diǎn)兩者確保股骨柄正確放置在髓內(nèi)管中，夾具產(chǎn)生模塊產(chǎn)生股骨柄放置引導(dǎo)器。例如，股骨柄放置引導(dǎo)器是患者的殘留或切開骨骼的解剖學(xué)表面的“負(fù)形”，同時(shí)也是股骨柄頂部的“負(fù)形”。通過這種方式，放置引導(dǎo)器在股骨干(股骨柄的與股骨球相連的部分)上滑動(dòng)，并在同時(shí)包括與患者的殘留或切開骨骼配合的獨(dú)特形狀，使得股骨柄相對于患者股骨只可能采取單一取向，由此確保股骨柄與術(shù)前計(jì)劃相一致的正確植入。然而，應(yīng)該指出，盡管在初次髖關(guān)節(jié)植入物的背景中描述了示例性夾具，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，上述示例性過程和系統(tǒng)不限于初次髖關(guān)節(jié)植入物或限于髖關(guān)節(jié)植入物或修正手術(shù)程序。相反，所述過程和系統(tǒng)適用于任何髖關(guān)節(jié)植入物以及涉及身體的其他區(qū)域包括但不限于膝、踝、肩、脊柱、頭和肘的手術(shù)程序。如圖101中所示，在髖臼的情形中，夾具產(chǎn)生模塊可以產(chǎn)生制造擴(kuò)孔和用于髖臼杯的髖臼植入物放置引導(dǎo)器的指令。具體來說，從模板數(shù)據(jù)和相關(guān)的計(jì)劃參數(shù)，已知患者特異性髖臼植入物相對于患者殘留盆骨的形狀和放置。因此，使用患者特異性3D髖臼模型，虛擬模板制作模塊計(jì)算髖臼杯植入物相對于患者殘骨的尺寸和位置，因此為夾具產(chǎn)生模塊提供關(guān)于打算保留多少患者殘留盆骨和所需的植入物取向的信息。與這個(gè)骨骼保留數(shù)據(jù)相一致，夾具產(chǎn)生模塊利用骨骼保留數(shù)據(jù)指派一個(gè)或多個(gè)骨鋸/擴(kuò)孔器將患者當(dāng)前的盆骨縮減到按計(jì)劃接受髖臼植入物所必需的殘骨。使用所需骨鋸，夾具產(chǎn)生模塊產(chǎn)生切割引導(dǎo)器/夾具的虛擬3D模型，所述切割引導(dǎo)器/夾具具有被構(gòu)造成通過僅僅一個(gè)取向與患者盆骨的兩個(gè)部分配合的形狀。換句話說，切割?yuàn)A具的3D模型被產(chǎn)生為患者盆骨的解剖學(xué)表面的“負(fù)形”，使得實(shí)際的擴(kuò)孔引導(dǎo)器精確匹配患者的解剖結(jié)構(gòu)。通過這種方式，消除了與擴(kuò)孔夾具的定位有關(guān)的任何猜測。在夾具產(chǎn)生模塊產(chǎn)生擴(kuò)孔夾具的虛擬3D模型后，模塊輸出快速原型機(jī)、CNC機(jī)或類似裝置所必需的機(jī)器碼，以制造實(shí)際的擴(kuò)孔夾具。例如，用于髖臼擴(kuò)孔的示例性髖臼組件夾具包含4零件結(jié)構(gòu)，其中第一零件被構(gòu)造成接納在天然髖臼中并暫時(shí)安裝到第二零件，直至使用第一零件作為放置引導(dǎo)器將第二零件固定到盆骨。在第二零件被緊固到盆骨之后，可以將第一零件取下。隨后，第三零件包括圓柱形或部分圓柱形組件，其獨(dú)一無二地與第二零件配合，以確保擴(kuò)孔器可以相對于第三零件縱向來回移動(dòng)，但是它的取向使用第一和第三零件的組合來固定。在擴(kuò)孔后，將擴(kuò)孔器取下并將第三零件從第一零件取下。使用第四零件將髖臼杯植入物安裝到擴(kuò)孔的髖臼。具體來說，第四零件的形狀僅僅在單一取向上獨(dú)一無二地嚙合第一零件，并在同時(shí)被造型成接納在髖臼杯植入物內(nèi)部。在髖臼杯植入物定位后，將第一和第四零件兩者取出。還應(yīng)該指出，為了在盆骨中鉆出一個(gè)或多個(gè)孔以安放髖臼植入物，可以產(chǎn)生另外的夾具，其中每個(gè)鉆孔夾具被相繼安裝到第一零件，以便驗(yàn)證鉆頭的取向。外科導(dǎo)航參考圖103-111，描繪了在外科手術(shù)期間使用一個(gè)或多個(gè)慣性測量單元(IMU)以便于外科導(dǎo)航正確放置骨外科工具和骨外科植入物的可選示例性系統(tǒng)和過程。該第一可選示例性實(shí)施方式在進(jìn)行全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)的背景中描述。然而，下文中描述的方法、系統(tǒng)和過程適用于外科工具和植入物的引導(dǎo)對其有用的任何其他外科操作。正如示意描繪的，利用患者圖像(X-射線、CT、MRI等)并進(jìn)行分段或配準(zhǔn)以獲得患者解剖結(jié)構(gòu)的虛擬模板的初始步驟以及適合的植入物尺寸、形狀和放置，與以前參考圖87、88、90-92所描述的類似。多少有些差異的是在虛擬模板制作模塊下游使用的模塊和過程。在虛擬模板制作模塊下游是初始化模型產(chǎn)生模塊。該模塊接收模板數(shù)據(jù)和相關(guān)的計(jì)劃參數(shù)(即患者特異性髖臼植入物的形狀和相對于患者殘留盆骨的放置以及患者特異性股骨植入物的形狀和相對于患者殘留股骨的放置是已知的)。使用該患者特異性信息，初始化模型產(chǎn)生模塊制造用于患者原始髖臼杯的初始化裝置的3D虛擬模型和用于股骨植入物的初始化裝置的3D虛擬模型。換句話說，作為患者髖臼的解剖學(xué)表面的“負(fù)形”產(chǎn)生髖臼初始化裝置的3D模型，使得實(shí)際的初始化裝置精確匹配患者的髖臼。同樣地，作為患者殘留股骨和股骨植入物的解剖學(xué)表面的“負(fù)形”產(chǎn)生股骨柄初始化裝置的3D模型，使得實(shí)際的初始化裝置僅在單一位置和單一取向上精確匹配患者的殘留股骨和股骨植入物。除了產(chǎn)生這些初始化裝置之外，初始化模型產(chǎn)生模塊還產(chǎn)生快速原型機(jī)、CNC機(jī)或制造實(shí)際的髖臼初始化裝置和股骨初始化裝置的類似裝置所必需的機(jī)器碼。實(shí)際的髖臼初始化裝置和股骨初始化裝置被制造并安裝到(或同時(shí)成型或集成到)或集成到被配置成具有至少一個(gè)IMU1002的外科導(dǎo)航工具。能夠報(bào)告取向和平移數(shù)據(jù)的IMU1002被合并到(例如安裝到)外科工具以協(xié)助外科導(dǎo)航，其包括定位外科設(shè)備和植入物裝置。這些IMU1002被通訊連接(有線或無線)到軟件系統(tǒng)，所述軟件系統(tǒng)接收來自于IMU的指示相對速度和時(shí)間并允許軟件計(jì)算IMU的當(dāng)前位置和取向的輸出數(shù)據(jù)，或者IMU1002計(jì)算并發(fā)送將在后文中更詳細(xì)討論的外科器械的位置和取向、與IMU相關(guān)聯(lián)的外科器械的位置和取向。在這個(gè)示例性描述中，每個(gè)IMU1002包括3個(gè)陀螺儀、3個(gè)加速計(jì)和3個(gè)霍爾效應(yīng)磁強(qiáng)計(jì)(成套的3個(gè)三軸陀螺儀、加速計(jì)、磁強(qiáng)計(jì))，其可以集成在單一電路板中或者一個(gè)或多個(gè)傳感器(例如陀螺儀、加速計(jì)、磁強(qiáng)計(jì))構(gòu)成單獨(dú)的板，以便輸出與互相垂直的3個(gè)方向(例如X、Y、Z方向)有關(guān)的數(shù)據(jù)。通過這種方式，每個(gè)IMU1002有效地從3個(gè)陀螺儀、3個(gè)加速計(jì)和3個(gè)霍爾效應(yīng)磁強(qiáng)計(jì)產(chǎn)生21個(gè)電壓或數(shù)值輸出。在示例性形式中，每個(gè)IMU1002包括傳感器板和處理板，其中傳感器板包括由3個(gè)加速計(jì)、3個(gè)陀螺儀傳感器和3個(gè)磁強(qiáng)計(jì)構(gòu)成的集成的感應(yīng)模塊(LSM9DS，ST-Microelectronics)和兩個(gè)由3個(gè)加速計(jì)和3個(gè)磁強(qiáng)計(jì)構(gòu)成的集成的感應(yīng)模塊(LSM303，ST-Microelectronics)。具體來說，IMU1002各自包括角動(dòng)量傳感器，其測量至少3個(gè)軸上空間的旋轉(zhuǎn)變化：俯仰軸(上下)，偏蕩軸(左右)和翻滾軸(順時(shí)針或反時(shí)針旋轉(zhuǎn))。更具體來說，每個(gè)包含磁強(qiáng)計(jì)的集成的感應(yīng)模塊被放置在電路板上的不同位置處，其中每個(gè)磁強(qiáng)計(jì)被指派輸出與施加的磁場成正比的電壓，并且也探測三維坐標(biāo)系內(nèi)的3個(gè)方向中的每個(gè)方向上的空間點(diǎn)處磁場的極性方向。例如，第一磁強(qiáng)計(jì)輸出在第一位置處與施加的磁場成正比的電壓和在X方向、Y方向和Z方向上磁場的極性方向，而第二磁強(qiáng)計(jì)輸出在第二位置處與施加的磁場成正比的電壓和在X方向、Y方向和Z方向上磁場的極性方向，并且第三磁強(qiáng)計(jì)輸出在第三位置處與施加的磁場成正比的電壓和在X方向、Y方向和Z方向上磁場的極性方向。通過使用這三組磁強(qiáng)計(jì)，除了檢測局部磁場波動(dòng)之外還可以確定IMU的航向取向。每個(gè)磁強(qiáng)計(jì)使用磁場作為參比并確定與磁北的取向偏離。然而，局部磁場可以被鐵或磁性材料扭曲，通常被稱為硬或軟鐵扭曲。軟鐵扭曲的實(shí)例是具有低的磁導(dǎo)率的材料例如碳鋼、不銹鋼等。硬鐵扭曲由永磁體引起。這些扭曲產(chǎn)生不均勻的場(參見圖184)，其影響用于處理磁強(qiáng)計(jì)輸出和解析航向取向的算法的準(zhǔn)確性。因此，正如在后文中更詳細(xì)討論的，利用校準(zhǔn)算法來校準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)以恢復(fù)在檢測到的磁場中的均勻性。每個(gè)IMU1002可以由可更換或可充電儲能裝置供電，例如但不限于CR2032紐扣電池和200mAh可充電鋰離子電池。IMU1002中集成的感應(yīng)模塊可以包括可配置的信號調(diào)制電路和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，其為傳感器產(chǎn)生數(shù)字輸出。IMU1002可以使用具有電壓輸出的傳感器，其中可以是補(bǔ)償放大器的信號調(diào)制電路被配置成將傳感器輸出調(diào)制到多通道24位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)(ADS1258，TexasInstrument)的輸入范圍。IMU1002還包括集成處理模塊，其包括微控制器和無線傳輸模塊(CC2541，TexasInstrument)。或者，IMU1002可以使用單獨(dú)的低功率微控制器(MSP430F2274，TexasInstrument)作為處理器和緊湊型無線傳輸模塊(A2500R24A，Anaren)用于通訊。所述處理器可以作為每個(gè)IMU1002的一部分被集成，或與每個(gè)IMU分開但與其通訊連接。該處理器可以是兼容藍(lán)牙的，并提供針對陀螺儀、加速計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)的有線或無線通訊，以及提供處理器與信號接收器之間的有線或無線通訊。每個(gè)IMU1002被通訊連接到信號接收器，所述信號接收器使用預(yù)定的裝置標(biāo)識號處理從多個(gè)IMU接收到的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)速率對于單一IMU來說約為100Hz，并且在更多的IMU聯(lián)接共享網(wǎng)絡(luò)時(shí)減少。信號接收器的軟件實(shí)時(shí)接收來自于IMU1002的信號，并在接收到的IMU數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上連續(xù)計(jì)算IMU的當(dāng)前位置。具體來說，將從IMU輸出的加速度測量值針對時(shí)間積分，以計(jì)算IMU在3個(gè)軸中的每個(gè)軸上的當(dāng)前速度。將為每個(gè)軸計(jì)算的速度對時(shí)間積分，以計(jì)算當(dāng)前位置。但是，為了獲得有用的位置數(shù)據(jù)，必須建立參照構(gòu)架，其包括校準(zhǔn)每個(gè)IMU。本公開包括用于校準(zhǔn)在外科導(dǎo)航中使用的一個(gè)或多個(gè)IMU的新系統(tǒng)和方法。在外科導(dǎo)航中利用IMU作為支持性輔助的現(xiàn)有專利參考文獻(xiàn)苦于由大量原因造成的不可操作性。在這些原因中包括IMU相對于金屬外科器械的放置以及缺少IMU校準(zhǔn)。更具體來說，在IMU并入有磁強(qiáng)計(jì)的情形中，對于外科器械和相關(guān)骨外科組件的手術(shù)追蹤來說，磁強(qiáng)計(jì)的現(xiàn)場校準(zhǔn)是勢在必行的。參考圖180，根據(jù)本公開，使用新的校準(zhǔn)工具1000校準(zhǔn)一個(gè)或多個(gè)可能并入有磁強(qiáng)計(jì)的IMU1002。在示例性形式中，校準(zhǔn)工具1000包括靜止底座1006，其中容納有控制器1008、馬達(dá)1012、傳動(dòng)裝置1016、驅(qū)動(dòng)軸1020和電源1024。驅(qū)動(dòng)軸1020被安裝到傳動(dòng)裝置1016的一部分，馬達(dá)1012也是如此，使得所述馬達(dá)有效地驅(qū)動(dòng)所述傳動(dòng)裝置并旋轉(zhuǎn)所述驅(qū)動(dòng)軸。具體來說，馬達(dá)1012包含具有單一驅(qū)動(dòng)軸的電動(dòng)馬達(dá)，傳動(dòng)裝置1016的傳動(dòng)齒輪被安裝到所述驅(qū)動(dòng)軸。該傳動(dòng)齒輪嚙合安裝到驅(qū)動(dòng)軸1020的第二齒輪，使得馬達(dá)1012的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被轉(zhuǎn)變成驅(qū)動(dòng)軸1020的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在這種示例性配置中，靜止底座1006包括圓形的外部，其部分定義了中空的內(nèi)部，以容納馬達(dá)1012、傳動(dòng)裝置1016、控制器1008、電源1024和一部分驅(qū)動(dòng)軸1020。例如，中央豎直軸通過靜止底座1006延伸，其與驅(qū)動(dòng)軸1020的中軸共軸。這種共軸對齊減少了作為驅(qū)動(dòng)軸1020相對于靜止底座1006旋轉(zhuǎn)的結(jié)果而發(fā)生的振動(dòng)。驅(qū)動(dòng)軸1020的旋轉(zhuǎn)有效地使外部臺1030相對于靜止底座1006旋轉(zhuǎn)。在示例性形式中，環(huán)形支承板1034介于靜止底座1006的頂部與外部臺1030的底部之間。靜止底座1006和支承板1034兩者都包括相應(yīng)的允許驅(qū)動(dòng)軸1020的一部分通過的軸向開口。驅(qū)動(dòng)軸1020的靠近外部臺1030的末端被安裝到滑動(dòng)環(huán)1038，其進(jìn)一步被安裝到外部臺。通過這種方式，驅(qū)動(dòng)軸1020相對于靜止底座1006的旋轉(zhuǎn)引起外部臺1030圍繞中央豎直軸旋轉(zhuǎn)。正如將在后文中更詳細(xì)討論的，IMU1002部分地通過將IMU圍繞中央豎直軸旋轉(zhuǎn)來校準(zhǔn)。在這里示例性實(shí)施方式中，外部臺1030包括整塊U形剖面，其具有相應(yīng)的對置的叉形附件1042。每個(gè)附件1042被安裝到滾柱軸承組合件1046，所述組合件被接納并被樞軸安裝到中軸1050。每個(gè)中軸1050同時(shí)被安裝到內(nèi)部平臺1054的相對側(cè)面，所述內(nèi)部平臺坐落在叉形附件1042之間。內(nèi)部平臺1054包括整塊U形剖面，其擬合在相應(yīng)的對置的叉形附件1042內(nèi)，并包括具有多個(gè)多個(gè)直立突出物1058的底座。正如將在后文中更詳細(xì)描述的，直立突出物1058各自被配置成嚙合與每個(gè)IMU1002相關(guān)的相應(yīng)凹口，以固定IMU相對于校準(zhǔn)工具1000的一部分的位置。每個(gè)中軸1050沿著中央軸縱向?qū)R并被安裝到內(nèi)部平臺1054，使得中軸的旋轉(zhuǎn)與內(nèi)部平臺1054相對于外部臺1030的旋轉(zhuǎn)相對應(yīng)。為了使內(nèi)部平臺1054相對于外部臺1030旋轉(zhuǎn)，校準(zhǔn)工具包括安裝到中軸1050之一的滑輪1060。具體來說，中軸1050中的一個(gè)比另一個(gè)更長，以便容納滑輪1060的安裝和滑輪利用同時(shí)還嚙合電動(dòng)馬達(dá)1068的傳動(dòng)皮帶1064的相應(yīng)旋轉(zhuǎn)。在這個(gè)示例性實(shí)施方式，電動(dòng)馬達(dá)1068的從動(dòng)軸被安裝到它自身的滑輪1072，所述滑輪嚙合傳動(dòng)皮帶1064，以在電動(dòng)馬達(dá)被供電時(shí)最終旋轉(zhuǎn)滑輪1060并相應(yīng)地使內(nèi)部平臺1054相對于外部臺1030旋轉(zhuǎn)(圍繞中軸1050的縱向?qū)R的中央軸)。電動(dòng)馬達(dá)1068被安裝到馬達(dá)架1076，其從外部臺1030的底側(cè)在一個(gè)叉形附件1042下方伸出。正如將在后文中更詳細(xì)討論的，IMU1002部分地通過將內(nèi)部平臺1054相對于外部臺1030旋轉(zhuǎn)來校準(zhǔn)，這種旋轉(zhuǎn)因此使IMU相對于與中央豎直軸垂直的縱向中央軸旋轉(zhuǎn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以引入第三旋轉(zhuǎn)軸以使IMU圍繞與縱向中央軸和縱向豎直軸兩者垂直的軸旋轉(zhuǎn)。使用校準(zhǔn)工具1000校準(zhǔn)一個(gè)或多個(gè)IMU1002的示例性校準(zhǔn)工序?qū)⒃诤笪闹忻枋觥Ｔ谑纠孕问街?，IMU1002優(yōu)選地在接近最終在外科導(dǎo)航中使用的地點(diǎn)處校準(zhǔn)。這可能是在手術(shù)室中，更具體來說，在患者所在或所躺的患者病床附近。IMU的校準(zhǔn)是地點(diǎn)特異性的，使得在遠(yuǎn)離目標(biāo)應(yīng)用的地點(diǎn)處校準(zhǔn)IMU可能引起校正地點(diǎn)和使用地區(qū)(即手術(shù)地區(qū))處磁場的有意義的差異。因此，優(yōu)選地在使用地區(qū)附近校準(zhǔn)IMU1002。使用新的校準(zhǔn)工具1000，將每個(gè)IMU1002安裝到內(nèi)部平臺1054的直立突出物1058之一。例如，將每個(gè)IMU1002安裝到具有造型外周的機(jī)殼，所述外周勾畫出開放的底部的輪廓。IMU1002機(jī)殼的造型外周被配置成描畫直立突出物1058的周邊輪廓，使得IMU機(jī)殼可以卡扣配合在相應(yīng)的直立突出物上，以便在校準(zhǔn)工序期間維持IMU機(jī)殼與內(nèi)部平臺1054的嚙合。例如，IMU機(jī)殼可以具有橢圓形、三角形、矩形或嚙合相應(yīng)的直立突出物1058得其他有邊外周。作為示例性討論和說明，IMU機(jī)殼具有輪廓為恒定的豎直橫截面的矩形開口，所述橫截面略微大于直立突出物1058的矩形橫截面。在示例性形式中，校準(zhǔn)工具1000包括4個(gè)直立突出物1058，以允許同時(shí)校準(zhǔn)4個(gè)IMU1002。但是應(yīng)該指出，作為內(nèi)部平臺1054的一部分可以包含多于或少于4個(gè)直立突出物1058，以便同時(shí)為一個(gè)或多個(gè)IMU提供校準(zhǔn)。校準(zhǔn)工序的目的是為了建立針對加速計(jì)的零點(diǎn)(即意味著在靜止位置處，加速計(jì)提供與零加速度相一致的數(shù)據(jù))，和對局部磁場進(jìn)行作圖并規(guī)則化磁強(qiáng)計(jì)的輸出以說明檢測到的磁場的定向方差和扭曲的量。為了校準(zhǔn)IMU1002的加速計(jì)，內(nèi)部平臺1054相對于外部臺1030保持靜止，后者也相對于靜止底座1006保持靜止。使內(nèi)部平臺1054相對于外部臺1030處于第一固定靜止位置，此時(shí)從所有加速計(jì)獲取多個(gè)讀數(shù)。然后將內(nèi)部臺相對于外部臺1030移動(dòng)到第二固定靜止位置，并從所有加速計(jì)獲取第二組多個(gè)讀數(shù)。在加速計(jì)特異性的基礎(chǔ)上記錄在所述多個(gè)固定位置處來自于加速計(jì)的輸出，并將其用于為適用加速計(jì)建立零加速度讀數(shù)。除了建立針對加速計(jì)的零點(diǎn)之外，校準(zhǔn)工序還對局部磁場進(jìn)行作圖并規(guī)則化磁強(qiáng)計(jì)的輸出以說明檢測到的磁場的定向方差和扭曲的量。為了對每個(gè)磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行局部磁場作圖(假設(shè)每個(gè)IMU1002的多個(gè)磁強(qiáng)計(jì)位于不同位置處)，除了將外部臺1030圍繞驅(qū)動(dòng)軸1020并圍繞中央豎直軸相對于靜止底座1006旋轉(zhuǎn)之外，將內(nèi)部平臺1054圍繞中軸1050并圍繞中央軸相對于外部臺1030旋轉(zhuǎn)。記錄當(dāng)內(nèi)部平臺1054圍繞彼此垂直的兩個(gè)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)來自于每個(gè)磁強(qiáng)計(jì)的輸出數(shù)據(jù)。每個(gè)磁強(qiáng)計(jì)圍繞兩個(gè)垂直軸的重新定位產(chǎn)生被每個(gè)磁強(qiáng)計(jì)感應(yīng)到的三維局部磁場的點(diǎn)云或圖。圖(校準(zhǔn)圖1-3)基于從同時(shí)在兩個(gè)軸上旋轉(zhuǎn)的磁強(qiáng)計(jì)接收的數(shù)據(jù)，描繪了從等距的前視圖和頂視圖作圖的示例性局部磁場。正如在局部磁場圖中所反映的，局部圖體現(xiàn)為橢球。這種橢球形狀是通常被稱為硬鐵和軟鐵扭曲的由鐵或磁性材料的存在引起的局部磁場扭曲的結(jié)果。軟鐵扭曲的實(shí)例是具有低的磁導(dǎo)率的材料例如碳鋼、不銹鋼等。硬鐵扭曲由諸如永磁體的材料引起。推測如果沒有局部磁場扭曲，局部磁場圖將是球形。因此，校準(zhǔn)工序通過校準(zhǔn)工具1000或IMU的手動(dòng)操作有效地收集足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)以描述不同取向上的局部磁場。校準(zhǔn)算法計(jì)算校正因數(shù)以將扭曲的橢圓形局部磁場作圖成均勻的球形場。參考圖184，在校準(zhǔn)完成后，使用作為IMU1002的一部分相對于彼此放置在不同位置中的多個(gè)磁強(qiáng)計(jì)檢測局部磁場。不存在任何磁場扭曲的情況下，每個(gè)磁強(qiáng)計(jì)應(yīng)該提供指示完全相同方向例如北極的數(shù)據(jù)。但是局部磁場的扭曲例如鐵或磁性材料(例如外科器械)的存在，導(dǎo)致磁強(qiáng)計(jì)對于北極的方向提供不同數(shù)據(jù)。換句話說，如果來自于磁強(qiáng)計(jì)的輸出不一致地反映北極，則扭曲已經(jīng)發(fā)生，并且IMU1002可能暫時(shí)不能使用所述磁強(qiáng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行追蹤算法。它也可以警告用戶已經(jīng)檢測到扭曲。參考圖185和186，接納IMU1002的示例性外科工具包括每個(gè)器械獨(dú)有的電開關(guān)模式或格柵。更具體來說，每個(gè)外科工具包括突出部，其頂表面主要是平坦的，除了一個(gè)或多個(gè)圓柱形空腔之外。在示例性形式中，每個(gè)IMU1002包括定義了底部開口的機(jī)殼，所述開口被配置成接納所述外科工具的突出部。在這個(gè)底部開口中有4個(gè)開關(guān)，其各自包括偏圓柱形按鈕，使得當(dāng)所述按鈕被壓下時(shí)，開關(guān)關(guān)閉并且將相應(yīng)信號發(fā)送到IMU1002處理器。相反，當(dāng)按鈕未被壓下時(shí)，開關(guān)保持開放，并且沒有開關(guān)關(guān)閉的相應(yīng)信號被送往IMU1002處理器。通過這種方式，處理器確定哪些開關(guān)打開和哪些開關(guān)關(guān)閉，并使用這一信息來鑒定IMU1002被安裝到哪個(gè)外科工具。作為鑒定外科工具的一部分，取決于突出部的頂表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，0至4個(gè)開關(guān)可能被壓下。正如圖示的，外科工具的突出部被接納在IMU1002機(jī)殼底部開口中，使得突出部的頂表面被推到開關(guān)附近。應(yīng)該指出，所述突出部和IMU1002機(jī)殼中的底部開口被構(gòu)造成使得所述突出部僅在單一旋轉(zhuǎn)取向上被接納在底部開口內(nèi)，從而限制了突出部與開關(guān)之間錯(cuò)誤對齊的機(jī)會(huì)，所述錯(cuò)誤對齊否則可能造成外科工具的錯(cuò)誤識別。具體來說，如圖185中所示，校準(zhǔn)適配器外科工具包括位于突出部的右前角(與削掉的角相對)附近的單一圓柱形空腔，以便提供獨(dú)特的構(gòu)造。因此，當(dāng)校準(zhǔn)適配器外科工具的突出部被接納在IMU1002機(jī)殼的底部開口內(nèi)時(shí)，只有2&2開關(guān)格柵中最靠近IMU1002機(jī)殼的右前角的單一開關(guān)被激活，這告知IMU1002處理器IMU1002被安裝到所述校準(zhǔn)適配器外科工具。相反，在第二種獨(dú)特構(gòu)造中，患者解剖學(xué)作圖(PAM)配準(zhǔn)工具適配器外科工具包括位于突出部的右前和右后角附近的兩個(gè)圓柱形空腔。因此，PAM適配器外科工具的突出部被接納在IMU1002機(jī)殼的底部開口內(nèi)，只有2&2開關(guān)格柵中最靠近IMU1002機(jī)殼的右側(cè)的兩個(gè)開關(guān)被激活，這告知IMU1002處理器IMU1002被安裝到所述PAM適配器外科工具。此外，擴(kuò)孔器適配器外科工具包括位于突出部前側(cè)附近(即左前和右前角附近)的兩個(gè)圓柱形空腔。因此，當(dāng)擴(kuò)孔器適配器外科工具的突出部被接納在IMU1002機(jī)殼的底部開口內(nèi)時(shí)，只有2&2開關(guān)格柵中最靠近IMU1002機(jī)殼的前側(cè)的兩個(gè)開關(guān)被激活，這告知IMU1002處理器IMU1002被安裝到所述擴(kuò)孔器適配器外科工具。最后，沖擊器適配器外科工具包括位于突出部的前側(cè)和右側(cè)附近(即左前和右前角以及右后角附近)的3個(gè)圓柱形空腔。因此，當(dāng)沖擊器適配器外科工具的突出部被接納在IMU1002機(jī)殼的底部開口內(nèi)時(shí)，只有2&2開關(guān)格柵中最靠近IMU1002機(jī)殼的前側(cè)和右側(cè)的3個(gè)開關(guān)被激活，這告知IMU1002處理器IMU1002被安裝到所述沖擊器適配器外科工具。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，通過提供多個(gè)開關(guān)或電觸點(diǎn)作為與外科工具相關(guān)的多個(gè)突出部、空腔或電觸點(diǎn)相接的IMU1002的部件可以提供變化，以便明確地鑒定所述IMU1002被安裝到的外科工具。鑒定IMU1002被安裝到的外科工具對于精確外科導(dǎo)航來說是重要的。具體來說，符合本公開的外科導(dǎo)航系統(tǒng)具有軟件包，其已被預(yù)裝有IMU1002可能被安裝到的每種外科工具的CAD模型或表面模型。在這樣做時(shí)，軟件包知道每個(gè)外科工具的相對維度例如但不限于X方向上的長度、Y方向上的寬度和Z方向上的高度，以及沿著外科工具的長度、寬度和高度這些維度如何變化。因此，當(dāng)IMU1002被安裝到外科工具的已知位置中時(shí)，來自于IMU1002的位置和取向信息(通過陀螺儀、加速計(jì)和磁強(qiáng)計(jì))可以被轉(zhuǎn)換成外科工具的位置和取向信息。因此，通過在3D空間中追蹤IMU1002，軟件包能夠在3D空間中追蹤IMU1002被安裝到的外科工具并將所述位置和取向中繼到用戶例如外科醫(yī)生或外科醫(yī)生助手。在示例性形式中，軟件包包括視覺顯示器，其有效地將每個(gè)外科工具顯示為3D模型。當(dāng)IMU1002被安裝到外科工具時(shí)，IMU1002處理器將數(shù)據(jù)發(fā)送到軟件包，其允許軟件包鑒定IMU1002被安裝到哪個(gè)外科工具。在做出這種鑒定之后，軟件包顯示以與源自于IMU的取向信息相一致的取向被安裝到IMU1002的外科工具的3D模型。除了通過操作外科工具的3D虛擬模型實(shí)時(shí)提供取向信息之外，軟件包還通過使用被安裝到參比物(即患者的骨骼)的第二參比IMU1002提供關(guān)于外科工具的位置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。但是在軟件包能夠提供有意義的位置信息之前，需要將IMU1002(安裝到外科工具的IMU#1和安裝到參比物(即骨骼)的IMU#2)相對于彼此配準(zhǔn)。在全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)的情形中，在示例性形式中，如圖103-110中所示，通過以預(yù)定取向嚙合患者解剖結(jié)構(gòu)，利用配準(zhǔn)工具重新產(chǎn)生模板手術(shù)計(jì)劃。當(dāng)每個(gè)實(shí)用IMU1002被安裝到其配準(zhǔn)工具(一個(gè)用于股骨，第二個(gè)用于盆骨)時(shí)，配準(zhǔn)工具以預(yù)定取向(將患者解剖結(jié)構(gòu)精確匹配到IMU“零點(diǎn)”的僅僅一個(gè)取向)被安裝到相關(guān)骨骼。為了進(jìn)行這種配準(zhǔn)，將第二參比IMU精確地安裝到所討論的骨骼(一個(gè)IMU被安裝到盆骨，第二IMU被安裝到股骨)。換句話說，一個(gè)實(shí)用IMU被安裝到髖臼配準(zhǔn)工具，而第二參比IMU被精確安裝到盆骨。在股骨的情形中，一個(gè)實(shí)用IMU被安裝到股骨配準(zhǔn)工具，而第二參比IMU被精確安裝到股骨。作為配準(zhǔn)過程的一部分，計(jì)算機(jī)的軟件利用來自于兩個(gè)IMU(實(shí)用和參比)的輸出來計(jì)算當(dāng)配準(zhǔn)工具最終靜止并位于其獨(dú)特的位置和取向中時(shí)所述實(shí)用IMU的“零”位置。然后，可以將IMU1002從相關(guān)的配準(zhǔn)工具取出并以預(yù)定方式安裝到外科工具(擴(kuò)孔器、鋸、植入物放置引導(dǎo)器等)，以確保外科工具的正確取向和放置?？梢詫MU1002相繼安裝到每個(gè)外科工具并從中取出，直至外科操作完成。在這個(gè)示例性實(shí)施方式中，髖臼配準(zhǔn)工具包括細(xì)長的桿，其具有被造型成僅在單一取向(包括旋轉(zhuǎn)位置和角位置)上契合在患者的髖臼杯內(nèi)的獨(dú)特的突出部。配準(zhǔn)工具的近端包括IMU1002配準(zhǔn)套以接納IMU1002，使得當(dāng)IMU1002被鎖在套中時(shí)，IMU1002相對于配準(zhǔn)工具和獨(dú)特突出部剛性固定。與配準(zhǔn)工具相一致，將第二參比IMU1002剛性固定到位置已知的盆骨。當(dāng)所述配準(zhǔn)工具的獨(dú)特突出部在患者的髖臼杯內(nèi)正確取向(并且鎖在配準(zhǔn)套內(nèi)的IMU1002和安裝到盆骨的IMU1002被激活)時(shí)，鎖定到配準(zhǔn)套的IMU1002相對于計(jì)劃的植入物杯取向的取向(其在所述獨(dú)特突出部在僅僅單一正確取向中被接納在髖臼杯中時(shí)設(shè)定)是已知的。操作人員向軟件系統(tǒng)指示IMU處于正確位置中，并且軟件記錄每個(gè)IMU的位置。將配準(zhǔn)工具(帶有鎖定在套中的IMU1002)從解剖結(jié)構(gòu)中取出，然后將IMU1002從配準(zhǔn)套取出，以準(zhǔn)備將IMU1002安裝到外科工具。例如，將先前安裝到髖臼配準(zhǔn)工具的IMU1002從所述工具中取出，并安裝到位置已知的外科工具。在示例性形式中，將IMU1002(先前安裝到髖臼配準(zhǔn)工具的)以相對于擴(kuò)孔方向已知的取向剛性固定到髖臼杯擴(kuò)孔器，使得髖臼杯擴(kuò)孔器相對于盆骨的取向是已知的并通過兩個(gè)IMU(安裝到髖臼杯擴(kuò)孔器的IMU1002和安裝到盆骨的IMU1002)動(dòng)態(tài)更新。軟件程序?yàn)橥饪漆t(yī)生提供圖形用戶界面，其顯示患者盆骨的虛擬模型和所討論的外科工具、在這種情況下是髖臼杯擴(kuò)孔器的虛擬模型(患者盆骨的虛擬模型已按照虛擬模板制作步驟完成，并且對于可以利用的特定髖臼杯擴(kuò)孔器和其他外科工具來說，髖臼杯擴(kuò)孔器或其他外科工具的虛擬模型先前已被裝載到系統(tǒng)中)，并通過所述圖形用戶界面實(shí)時(shí)更新盆骨和外科工具的取向，向外科醫(yī)生提供位置和取向信息。不使用圖形用戶界面，本系統(tǒng)可以包括具有指示燈的外科裝置，所述指示燈為外科醫(yī)生指示擴(kuò)孔器是否正確取向，并且如果未正確取向的話，需要將擴(kuò)孔器重新定位到何種方向才能將擴(kuò)孔器正確定向成與手術(shù)前計(jì)劃相一致。在使用髖臼杯擴(kuò)孔器完成表面重修后，將IMU1002從髖臼杯擴(kuò)孔器中取出，并以相對于髖臼杯插入器方向已知的取向剛性固定到所述插入器。然后使用髖臼杯插入器放置髖臼杯植入物，同時(shí)IMU繼續(xù)提供加速度反饋，軟件利用所述反饋來計(jì)算位置，以提供關(guān)于盆骨相對于髖臼杯插入器的位置的實(shí)時(shí)反饋。就在髖臼杯放置之前或之后在盆骨中鉆孔而言，先前被安裝到配準(zhǔn)工具的IMU1002可以被剛性固定到外科鉆孔器，以確保鉆孔器相對于盆骨的正確取向。類似的配準(zhǔn)工具和成套IMU可以與軟件系統(tǒng)一起使用，以協(xié)助股骨柄組件的放置。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，股骨配準(zhǔn)工具包括細(xì)長的桿，其具有被造型成在僅僅一個(gè)取向(包括旋轉(zhuǎn)位置和角位置)上部分契合在患者的股骨頸上的遠(yuǎn)端形式。配準(zhǔn)工具的近端包括IMU1002配準(zhǔn)套以接納IMU1002，使得當(dāng)IMU1002被鎖在套中時(shí)，IMU1002相對于所述配準(zhǔn)工具和遠(yuǎn)端形式剛性固定。與配準(zhǔn)工具相一致，將第二參比IMU1002剛性固定到位置已知的股骨。當(dāng)所述配準(zhǔn)工具的遠(yuǎn)端形式相對于患者的股骨頸正確取向(并且鎖在配準(zhǔn)套內(nèi)的IMU1002和安裝到股骨的IMU1002被激活)時(shí)，鎖定到配準(zhǔn)套的IMU1002相對于股骨取向的取向(其在所述遠(yuǎn)端形式在僅僅單一正確取向中被接納在股骨頸上時(shí)設(shè)定)是已知的。操作人員向軟件系統(tǒng)指示IMU處于正確位置中，并且軟件記錄每個(gè)IMU的位置。將配準(zhǔn)工具(帶有鎖定在套中的IMU1002)從解剖結(jié)構(gòu)中取出，然后將IMU1002從配準(zhǔn)套取出，以準(zhǔn)備將IMU1002安裝到外科工具。例如，將先前安裝到股骨配準(zhǔn)工具的IMU1002從所述工具中取出，并安裝到另一個(gè)位置已知的外科工具。在示例性形式中，將IMU1002(先前安裝到股骨配準(zhǔn)工具的)剛性固定到已知位置中的外科鋸，使得IMU1002的移動(dòng)相應(yīng)地轉(zhuǎn)變成外科鋸的已知移動(dòng)?？紤]到另一個(gè)IMU1002被固定安裝到已知位置中的股骨，所述IMU一起工作以向軟件系統(tǒng)提供關(guān)于股骨和外科鋸兩者的位置變化的動(dòng)態(tài)更新的信息(通過加速度數(shù)據(jù))。軟件程序?yàn)橥饪漆t(yī)生提供圖形用戶界面，其顯示患者股骨的虛擬模型和所討論的外科工具、在這種情況下是外科鋸的虛擬模型(患者股骨的虛擬模型已按照虛擬模板制作步驟完成，并且對于可以利用的特定外科鋸和其他外科工具來說，外科鋸或其他外科工具的虛擬模型先前已被裝載到系統(tǒng)中)，并通過所述圖形用戶界面實(shí)時(shí)更新股骨和外科工具的取向，向外科醫(yī)生提供位置和取向信息。不使用圖形用戶界面，本系統(tǒng)可以包括具有指示燈的外科裝置，所述指示燈為外科醫(yī)生指示外科鋸是否正確取向，并且如果未正確取向的話，需要將外科鋸重新定位到何種方向才能將外科鋸正確定向成做出與手術(shù)前計(jì)劃相一致的骨骼切割。在做出必要的骨骼切割后，將IMU1002從外科鋸中取出并剛性固定到擴(kuò)孔器(以正確擴(kuò)充髓內(nèi)管)，然后以相對于插入器方向已知的取向安裝到股骨柄插入器。然后使用股骨柄插入器將股骨柄植入物放置在擴(kuò)充的髓內(nèi)管中，同時(shí)IMU繼續(xù)提供加速度反饋，軟件利用所述反饋來實(shí)時(shí)計(jì)算股骨和股骨柄插入器的位置，并將該位置數(shù)據(jù)通過圖形用戶界面顯示給外科醫(yī)生。在示例性形式中，在全肩關(guān)節(jié)置換手術(shù)的情形中，如圖187和188中所示，通過以預(yù)定取向嚙合患者解剖結(jié)構(gòu)，利用配準(zhǔn)工具重新產(chǎn)生模板手術(shù)計(jì)劃。當(dāng)每個(gè)實(shí)用IMU1002被安裝到其配準(zhǔn)工具(一個(gè)用于肱骨，第二個(gè)用于肩胛骨)時(shí)，配準(zhǔn)工具以預(yù)定取向(將患者解剖結(jié)構(gòu)精確匹配到IMU“零點(diǎn)”的僅僅一個(gè)取向)被安裝到相關(guān)骨骼。為了進(jìn)行這種配準(zhǔn)，將第二參比IMU精確地安裝到所討論的骨骼(一個(gè)IMU被安裝到肱骨，第二IMU被安裝到肩胛骨)。換句話說，一個(gè)實(shí)用IMU被安裝到肱骨配準(zhǔn)工具，而第二參比IMU被精確安裝到肱骨。在肩胛骨的情形中，一個(gè)實(shí)用IMU被安裝到肩胛骨配準(zhǔn)工具，而第二參比IMU被精確安裝到肩胛骨。作為配準(zhǔn)過程的一部分，計(jì)算機(jī)的軟件利用來自于兩個(gè)IMU(實(shí)用和參比)的輸出來計(jì)算當(dāng)配準(zhǔn)工具最終靜止并位于其獨(dú)特的位置和取向中時(shí)所述實(shí)用IMU的“零”位置。然后，可以將IMU1002從相關(guān)的配準(zhǔn)工具取出并以預(yù)定方式安裝到外科工具(擴(kuò)孔器、鋸、植入物放置引導(dǎo)器等)，以確保外科工具的正確取向和放置。可以將IMU1002相繼安裝到每個(gè)外科工具并從中取出，直至外科操作完成。在這個(gè)示例性實(shí)施方式中，如圖188中所示，肩胛骨配準(zhǔn)工具包括細(xì)長的桿，其具有被造型成僅在單一取向(包括旋轉(zhuǎn)位置和角位置)上契合在患者的肩胛盂內(nèi)的獨(dú)特的突出部。配準(zhǔn)工具的近端包括IMU1002配準(zhǔn)套以接納IMU1002，使得當(dāng)IMU1002被鎖在套中時(shí)，IMU1002相對于配準(zhǔn)工具和獨(dú)特突出部剛性固定。與配準(zhǔn)工具相一致，將第二參比IMU1002剛性固定到位置已知的肩胛骨。當(dāng)所述配準(zhǔn)工具的獨(dú)特突出部在患者的肩胛盂內(nèi)正確取向(并且鎖在配準(zhǔn)套內(nèi)的IMU1002和安裝到肩胛骨的IMU1002被激活)時(shí)，鎖定到配準(zhǔn)套的IMU1002相對于計(jì)劃的植入物肩胛盂取向的取向(其在所述獨(dú)特突出部在僅僅單一正確取向中被接納在肩胛盂中時(shí)設(shè)定)是已知的。操作人員向軟件系統(tǒng)指示IMU處于正確位置中，并且軟件記錄每個(gè)IMU的位置。將配準(zhǔn)工具(帶有鎖定在套中的IMU1002)從解剖結(jié)構(gòu)中取出，然后將IMU1002從配準(zhǔn)套取出，以準(zhǔn)備將實(shí)用IMU1002安裝到其他外科工具。例如，將先前安裝到肩胛骨配準(zhǔn)工具的IMU1002從所述工具中取出，并安裝到位置已知的外科工具。在示例性形式中，將IMU1002(先前安裝到肩胛骨配準(zhǔn)工具的)以相對于擴(kuò)孔方向已知的取向剛性固定到肩胛盂擴(kuò)孔器，使得肩胛盂擴(kuò)孔器相對于肩胛骨的取向是已知的并通過兩個(gè)IMU(安裝到肩胛盂擴(kuò)孔器的IMU1002和安裝到肩胛骨的IMU1002)動(dòng)態(tài)更新。軟件程序?yàn)橥饪漆t(yī)生提供圖形用戶界面，其顯示患者肩胛骨的虛擬模型和所討論的外科工具、在這種情況下是肩胛盂擴(kuò)孔器的虛擬模型(患者肩胛骨的虛擬模型已按照虛擬模板制作步驟完成，并且對于可以利用的特定肩胛盂擴(kuò)孔器和其他外科工具來說，肩胛盂擴(kuò)孔器或其他外科工具的虛擬模型先前已被裝載到系統(tǒng)中)，并通過所述圖形用戶界面實(shí)時(shí)更新肩胛骨和外科工具的取向，向外科醫(yī)生提供位置和取向信息。不使用圖形用戶界面，本系統(tǒng)可以包括具有指示燈的外科裝置，所述指示燈為外科醫(yī)生指示擴(kuò)孔器是否正確取向，并且如果未正確取向的話，需要將擴(kuò)孔器重新定位到何種方向才能將擴(kuò)孔器正確定向成與手術(shù)前計(jì)劃相一致。在使用肩胛盂擴(kuò)孔器完成表面重修后，將實(shí)用IMU1002從肩胛盂擴(kuò)孔器中取出，并以相對于肩胛盂插入器方向已知的取向剛性固定到所述插入器。然后使用肩胛盂插入器放置肩胛盂植入物，同時(shí)IMU繼續(xù)提供加速度反饋，軟件利用所述反饋來計(jì)算位置，以提供關(guān)于肩胛骨相對于肩胛盂插入器的位置的實(shí)時(shí)反饋。就在肩胛盂放置之前或之后在肩胛骨中鉆孔而言，先前被安裝到配準(zhǔn)工具的實(shí)用IMU1002可以被剛性固定到外科鉆孔器，以確保鉆孔器相對于肩胛骨的正確取向。類似的配準(zhǔn)工具和成套IMU可以與軟件系統(tǒng)一起使用，以協(xié)助肱骨柄組件的放置。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，肱骨配準(zhǔn)工具包括細(xì)長的桿，其具有被造型成在僅僅一個(gè)取向(包括旋轉(zhuǎn)位置和角位置)上部分契合在患者的肱骨頸上的遠(yuǎn)端形式。配準(zhǔn)工具的近端包括IMU1002配準(zhǔn)套以接納IMU1002，使得當(dāng)IMU1002被鎖在套中時(shí)，IMU1002相對于所述配準(zhǔn)工具和遠(yuǎn)端形式剛性固定。與配準(zhǔn)工具相一致，將第二參比IMU1002剛性固定到位置已知的肱骨。當(dāng)所述配準(zhǔn)工具相對于肱骨頸正確取向(并且鎖在配準(zhǔn)套內(nèi)的IMU1002和安裝到肱骨的IMU1002被激活)時(shí)，鎖定到配準(zhǔn)套的IMU1002相對于肱骨取向的取向(其在所述遠(yuǎn)端形式在僅僅單一正確取向中被接納在肱骨頸上時(shí)設(shè)定)是已知的。操作人員向軟件系統(tǒng)指示IMU處于正確位置中，并且軟件記錄每個(gè)IMU的位置。將配準(zhǔn)工具(帶有鎖定在套中的IMU1002)從解剖結(jié)構(gòu)中取出，然后將實(shí)用IMU1002從配準(zhǔn)套取出，以準(zhǔn)備將IMU1002安裝到其他外科工具。例如，將先前安裝到肱骨配準(zhǔn)工具的IMU1002從所述工具中取出，并安裝到另一個(gè)位置已知的外科工具。在示例性形式中，將IMU1002(先前安裝到肱骨配準(zhǔn)工具的)剛性固定到已知位置中的外科鋸，使得IMU1002的移動(dòng)相應(yīng)地轉(zhuǎn)變成外科鋸的已知移動(dòng)?？紤]到參比IMU1002被固定安裝到已知位置中的肱骨，所述IMU一起工作以向軟件系統(tǒng)提供關(guān)于肱骨和外科鋸兩者的位置變化的動(dòng)態(tài)更新的信息(通過加速度數(shù)據(jù))。軟件程序?yàn)橥饪漆t(yī)生提供圖形用戶界面，其顯示患者肱骨的虛擬模型和所討論的外科工具、在這種情況下是外科鋸的虛擬模型(患者肱骨的虛擬模型已按照虛擬模板制作步驟完成，并且對于可以利用的特定外科鋸和其他外科工具來說，外科鋸或其他外科工具的虛擬模型先前已被裝載到系統(tǒng)中)，并通過所述圖形用戶界面實(shí)時(shí)更新肱骨和外科工具的取向，向外科醫(yī)生提供位置和取向信息。不使用圖形用戶界面，本系統(tǒng)可以包括具有指示燈的外科裝置，所述指示燈為外科醫(yī)生指示外科鋸是否正確取向，并且如果未正確取向的話，需要將外科鋸重新定位到何種方向才能將外科鋸正確定向成做出與手術(shù)前計(jì)劃相一致的骨骼切割。在做出必要的骨骼切割后，將實(shí)用IMU1002從外科鋸中取出并剛性固定到擴(kuò)孔器(以正確擴(kuò)充肱骨髓管)，然后以相對于插入器方向已知的取向安裝到肱骨柄插入器。然后使用肱骨柄插入器將肱骨柄植入物放置在擴(kuò)充的髓管中，同時(shí)IMU繼續(xù)提供加速度反饋，軟件利用所述反饋來實(shí)時(shí)計(jì)算肱骨和肱骨柄插入器的位置，并將該位置數(shù)據(jù)通過圖形用戶界面顯示給外科醫(yī)生。在示例性形式中，在反向肩關(guān)節(jié)置換手術(shù)的情形中，如圖189和190中所示，通過以預(yù)定取向嚙合患者解剖結(jié)構(gòu)，利用配準(zhǔn)工具重新產(chǎn)生模板手術(shù)計(jì)劃。當(dāng)每個(gè)實(shí)用IMU1002被安裝到其配準(zhǔn)工具(一個(gè)用于肱骨，第二個(gè)用于肩胛骨)時(shí)，配準(zhǔn)工具以預(yù)定取向(將患者解剖結(jié)構(gòu)精確匹配到IMU“零點(diǎn)”的僅僅一個(gè)取向)被安裝到相關(guān)骨骼。為了進(jìn)行這種配準(zhǔn)，將第二參比IMU精確地安裝到所討論的骨骼(一個(gè)IMU被安裝到肱骨，第二IMU被安裝到肩胛骨)。換句話說，一個(gè)實(shí)用IMU被安裝到肱骨配準(zhǔn)工具，而第二參比IMU被精確安裝到肱骨。在肩胛骨的情形中，一個(gè)實(shí)用IMU被安裝到肩胛骨配準(zhǔn)工具，而第二參比IMU被精確安裝到肩胛骨。作為配準(zhǔn)過程的一部分，計(jì)算機(jī)的軟件利用來自于兩個(gè)IMU(實(shí)用和參比)的輸出來計(jì)算當(dāng)配準(zhǔn)工具最終靜止并位于其獨(dú)特的位置和取向中時(shí)所述實(shí)用IMU的“零”位置。然后，可以將IMU1002從相關(guān)的配準(zhǔn)工具取出并以預(yù)定方式安裝到外科工具(擴(kuò)孔器、鋸、插入器、鉆孔器引導(dǎo)物、鉆孔器等)，以確保外科工具的正確取向和放置。可以將IMU1002相繼安裝到每個(gè)外科工具并從中取出，直至外科操作完成。在這個(gè)示例性實(shí)施方式中，如圖188中所示，肩胛骨配準(zhǔn)工具包括細(xì)長的桿，其具有被造型成僅在單一取向(包括旋轉(zhuǎn)位置和角位置)上契合在患者的肩胛盂內(nèi)的獨(dú)特的突出部。配準(zhǔn)工具的近端包括IMU1002配準(zhǔn)套以接納IMU1002，使得當(dāng)IMU1002被鎖在套中時(shí)，IMU1002相對于配準(zhǔn)工具和獨(dú)特突出部剛性固定。與配準(zhǔn)工具相一致，將第二參比IMU1002剛性固定到位置已知的肩胛骨。當(dāng)所述配準(zhǔn)工具的獨(dú)特突出部在患者的肩胛盂內(nèi)正確取向(并且鎖在配準(zhǔn)套內(nèi)的IMU1002和安裝到肩胛骨的IMU1002被激活)時(shí)，鎖定到配準(zhǔn)套的IMU1002相對于計(jì)劃的植入物肩胛盂取向的取向(其在所述獨(dú)特突出部在僅僅單一正確取向中被接納在肩胛盂中時(shí)設(shè)定)是已知的。操作人員向軟件系統(tǒng)指示IMU處于正確位置中，并且軟件記錄每個(gè)IMU的位置。將配準(zhǔn)工具(帶有鎖定在套中的IMU1002)從解剖結(jié)構(gòu)中取出，然后將IMU1002從配準(zhǔn)套取出，以準(zhǔn)備將實(shí)用IMU1002安裝到其他外科工具。例如，將先前安裝到肩胛骨配準(zhǔn)工具的IMU1002從所述工具中取出，并安裝到位置已知的外科工具。在示例性形式中，將IMU1002(先前安裝到肩胛骨配準(zhǔn)工具的)以相對于擴(kuò)孔方向已知的取向剛性固定到肩胛盂擴(kuò)孔器，使得肩胛盂擴(kuò)孔器相對于肩胛骨的取向是已知的并通過兩個(gè)IMU(安裝到肩胛盂擴(kuò)孔器的IMU1002和安裝到肩胛骨的IMU1002)動(dòng)態(tài)更新。軟件程序?yàn)橥饪漆t(yī)生提供圖形用戶界面，其顯示患者肩胛骨的虛擬模型和所討論的外科工具、在這種情況下是肩胛盂擴(kuò)孔器的虛擬模型(患者肩胛骨的虛擬模型已按照虛擬模板制作步驟完成，并且對于可以利用的特定肩胛盂擴(kuò)孔器和其他外科工具來說，肩胛盂擴(kuò)孔器或其他外科工具的虛擬模型先前已被裝載到系統(tǒng)中)，并通過所述圖形用戶界面實(shí)時(shí)更新肩胛骨和外科工具的取向，向外科醫(yī)生提供位置和取向信息。不使用圖形用戶界面，本系統(tǒng)可以包括具有指示燈的外科裝置，所述指示燈為外科醫(yī)生指示擴(kuò)孔器是否正確取向，并且如果未正確取向的話，需要將擴(kuò)孔器重新定位到何種方向才能將擴(kuò)孔器正確定向成與手術(shù)前計(jì)劃相一致。在使用肩胛盂擴(kuò)孔器完成表面重修后，將實(shí)用IMU1002從肩胛盂擴(kuò)孔器中取出，并以已知的取向和位置剛性固定到鉆孔器板。然后使用鉆孔器板在肩胛骨中鉆孔，同時(shí)IMU繼續(xù)提供加速度反饋，軟件利用所述反饋來計(jì)算位置，以提供關(guān)于肩胛骨相對于鉆孔器板的位置的實(shí)時(shí)反饋，然后定位肩胛盂基板并安裝肩胛盂組件球。盡管不需要，但當(dāng)通過鉆孔器板鉆孔時(shí)，可以將實(shí)用IMU1002剛性固定到外科鉆孔器，以確保鉆孔器相對于鉆孔器板的正確取向。類似的配準(zhǔn)工具和成套IMU可以與軟件系統(tǒng)一起使用，以協(xié)助肱骨柄組件的放置。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，肱骨配準(zhǔn)工具包括細(xì)長的桿，其具有被造型成在僅僅單一取向(包括旋轉(zhuǎn)位置和角位置)上部分契合在患者的肱骨頸上的遠(yuǎn)端形式。配準(zhǔn)工具的近端包括IMU1002配準(zhǔn)套以接納IMU1002，使得當(dāng)IMU1002被鎖在套中時(shí)，IMU1002相對于所述配準(zhǔn)工具和遠(yuǎn)端形式剛性固定。與配準(zhǔn)工具相一致，將第二參比IMU1002剛性固定到位置已知的肱骨。當(dāng)所述配準(zhǔn)工具相對于肱骨頸正確取向(并且鎖在配準(zhǔn)套內(nèi)的IMU1002和安裝到肱骨的IMU1002被激活)時(shí)，鎖定到配準(zhǔn)套的IMU1002相對于肱骨取向的取向(其在所述遠(yuǎn)端形式在僅僅單一正確取向中被接納在肱骨頸上時(shí)設(shè)定)是已知的。操作人員向軟件系統(tǒng)指示IMU處于正確位置中并且是靜止的，并且軟件記錄每個(gè)IMU的位置為實(shí)用IMU的“零點(diǎn)”。將配準(zhǔn)工具(帶有鎖定在套中的IMU1002)從解剖結(jié)構(gòu)中取出，然后將實(shí)用IMU1002從配準(zhǔn)套取出，以準(zhǔn)備將IMU1002安裝到其他外科工具。例如，將先前安裝到肱骨配準(zhǔn)工具的IMU1002從所述工具中取出，并安裝到另一個(gè)位置已知的外科工具。在示例性形式中，將IMU1002(先前安裝到肱骨配準(zhǔn)工具的)剛性固定到已知位置中的肱骨切除砧，使得IMU1002的移動(dòng)相應(yīng)地轉(zhuǎn)變成切除砧的已知移動(dòng)?？紤]到參比IMU1002被固定安裝到已知位置中的肱骨，所述IMU一起工作以向軟件系統(tǒng)提供關(guān)于肱骨和切除砧兩者的位置變化的動(dòng)態(tài)更新的信息(通過加速度數(shù)據(jù))。軟件程序?yàn)橥饪漆t(yī)生提供圖形用戶界面，其顯示患者肱骨的虛擬模型和所討論的外科工具、在這種情況下是肱骨切除砧的虛擬模型(患者肱骨的虛擬模型已按照虛擬模板制作步驟完成，并且對于可以利用的特定切除砧和其他外科工具來說，切除砧或其他外科工具的虛擬模型先前已被裝載到系統(tǒng)中)，并通過所述圖形用戶界面實(shí)時(shí)更新肱骨和外科工具的取向，向外科醫(yī)生提供位置和取向信息。不使用圖形用戶界面，本系統(tǒng)可以包括具有指示燈的外科裝置，所述指示燈為外科醫(yī)生指示切除砧是否正確取向，并且如果未正確取向的話，需要將切除砧重新定位到何種方向才能將切除砧正確定向成做出與手術(shù)前計(jì)劃相一致的骨骼切割。此外或可選地，可以將實(shí)用IMU1002安裝到用于鉆出一個(gè)或多個(gè)各自插入有參比銷針的孔的鉆孔器板。在這種情況下，如果使用一個(gè)或多個(gè)參比銷針將外科切除砧正確定位和取向，則切除砧可能不必伴有IMU。在任何情況下，在做出必要的骨骼切割后，將實(shí)用IMU1002從外科工具中取出并剛性固定到擴(kuò)孔器(以正確擴(kuò)充肱骨髓管)，然后以相對于插入器已知的取向安裝到肱骨柄插入器。然后使用肱骨柄插入器將肱骨柄植入物放置在擴(kuò)充的髓管中，同時(shí)IMU繼續(xù)提供加速度反饋，軟件利用所述反饋來實(shí)時(shí)計(jì)算肱骨和肱骨柄插入器的位置，并將該位置數(shù)據(jù)通過圖形用戶界面顯示給外科醫(yī)生。除了組件放置之外，可以使用安裝到盆骨和股骨的IMU來追蹤組件旋轉(zhuǎn)以試驗(yàn)組件的潛在侵害，以防止手術(shù)后并發(fā)癥并提高患者總體滿意度。根據(jù)上述使用IMU1002的公開內(nèi)容，下面是用于從每個(gè)IMU的陀螺儀、加速計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)產(chǎn)生三維位置數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型和算法的示例性討論。在示例性形式中，每個(gè)IMU處理器被編程以利用帶有馮·米塞斯-費(fèi)雪密度算法的序貫蒙特卡羅方法(SMC)，在來自于IMU的陀螺儀、加速計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)的輸入的基礎(chǔ)上計(jì)算IMU1002的位置變化。所述IMU數(shù)據(jù)流由在X、Y、Z三個(gè)軸上的1組陀螺儀數(shù)據(jù)(G1)、X、Y、Z軸上的3組加速計(jì)數(shù)據(jù)(A1-A3)和X、Y、Z三個(gè)軸上的3組磁強(qiáng)計(jì)數(shù)據(jù)(M1-M3)構(gòu)成。IMU1002的取向追蹤可以使用來自于每個(gè)傳感器的1組數(shù)據(jù)(即G1、A1、M1)來實(shí)現(xiàn)。使用G1、A1和M1作為實(shí)例，并假設(shè)所有的傳感器原始數(shù)據(jù)都已被轉(zhuǎn)變和處理：在時(shí)間和狀態(tài)＝1時(shí)：1)正如由下面鑒定的算法1所表示的，算法首先產(chǎn)生以預(yù)定的馮·米塞斯-費(fèi)雪密度分散系數(shù)圍繞中間位置的一組N個(gè)粒子。每個(gè)粒子以四元數(shù)形式表示圍繞X、Y和Z軸的取向。換句話說，所述粒子包含從同一概率密度空間抽取的一組獨(dú)立且恒等分布的隨機(jī)變量。在取向追蹤應(yīng)用中，所述粒子是觀察到的取向的統(tǒng)計(jì)上受約束的變化性。但是應(yīng)該指出，準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)量(分散系數(shù))不必是“已知的”，因?yàn)楫?dāng)算法收集更多樣本時(shí)算法優(yōu)化其性質(zhì)。優(yōu)選地使用更高的變化性作為初始猜想并允許算法對它進(jìn)行精煉。在從G1、A1和M1接收到所述第一數(shù)據(jù)集后，計(jì)算IMU的當(dāng)前取向的估算值。這通過首先了解從A1測量的傾斜來實(shí)現(xiàn)。如下面鑒定的算法2中的步驟2和3所示，為了數(shù)學(xué)校正(去旋轉(zhuǎn))磁強(qiáng)計(jì)讀數(shù)，需要傾斜信息。隨后，將A1和M1數(shù)據(jù)用于通過基于高斯牛頓優(yōu)化方法的算法2來估算IMU的初始取向。算法2的目標(biāo)是迭代地確定取向(qobv)，使得所述估算的傾斜和航向分量與來自于A1和M1的讀數(shù)相同并具有可接受的誤差幅度。應(yīng)該指出，盡管算法2需要來自于以前狀態(tài)的輸入，但由于在時(shí)間＝1時(shí)不存在以前狀態(tài)，因此任何輸入都能夠使用。加速計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)不能單獨(dú)用于追蹤取向的原因是加速計(jì)如何測量傾斜的限制。例如，有可能在幾個(gè)特定取向中，由于三角幾何學(xué)象限的本性，盡管IMU采取不同取向，但傾斜的輸出可能是相同的。因此，為了保持追蹤IMU所處在的象限，陀螺儀是必需的。接下來，按照下列方程將所述在中間位置中的一組N個(gè)粒子(qνMF)“旋轉(zhuǎn)”，使得它們的平均值以來自于A1和M1的取向估算值為中心：qest,i(t)=qvMF⊗qobs(t),i=1...N]]>然后，使用下列方程，在G1的基礎(chǔ)上及時(shí)向前估算所有粒子：qest,i(t+1)=qest,iκ(t)+0.5(qest,iκ(t)⊗[0ωxωyωz])Δt,i=1...N]]>其中ω是在時(shí)間t時(shí)測量的角速率，并且Δt是取樣時(shí)長。換句話說，如果G1指示圍繞X軸的角速度，則所有粒子將在牛頓運(yùn)動(dòng)方程的基礎(chǔ)上圍繞X軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)前狀態(tài)下的取向預(yù)期通過使用如下鑒定的算法3對粒子估算值(qest,i(t+1))進(jìn)行平均來獲得。由于四元數(shù)是四維矢量，因此平均以不同方式進(jìn)行。算法3迭代地對來自于粒子組的兩個(gè)四元數(shù)進(jìn)行插值，直至僅剩一個(gè)。在時(shí)間和狀態(tài)＝2時(shí)，接收第二數(shù)據(jù)集。使用與段落[0380]中所述相同的方法(算法2)，計(jì)算最晚的取向估算值，然后將它與來自于以前狀態(tài)的所有粒子估算值(qest,i(t-1))進(jìn)行比較。使用下述方程，將每個(gè)粒子和當(dāng)前取向估算值之間的誤差/殘差用于權(quán)重粒子的準(zhǔn)確度(即更接近于估算值的粒子與更遠(yuǎn)離的粒子相比接受更高的權(quán)重)：qres,i(t)=qest,i(t)⊗conj(qobs(t)),i=1...N]]>δres，i＝2cos(qres,i(t)·q0)wi=1/δres,iΣiN(1/δres,i)]]>δres,i是粒子與當(dāng)前觀察之間的殘留3D角差異。wi是粒子的權(quán)重。接下來，評估粒子的質(zhì)量以取消并重新取樣具有非常低的權(quán)重的粒子。這可以通過使用確定性的、剩余的或輔助性重新取樣計(jì)劃來進(jìn)行。由于算法有利于更接近觀測數(shù)據(jù)的粒子，因此隨著時(shí)間粒子組將開始失去多樣性。粒子將變得高度集中并且不再帶有任何統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。在那時(shí)，替換一小部分粒子以增加多樣性。這通過首先評估粒子的當(dāng)前分散系數(shù)來進(jìn)行。如果分散系數(shù)表明高度集中，則在預(yù)定分散系數(shù)的基礎(chǔ)上在中間位置產(chǎn)生一組新的粒子以代替一部分當(dāng)前粒子。將新的粒子從中間位置旋轉(zhuǎn)到當(dāng)前取向預(yù)期值。這概述在下面的方程中：qrs,i(t)~vMF(f(ΣiNδres,i2))⊗(qexp(t+1))]]>wheref(ΣiNθres,i2=ae-b(ΣiNθres,i2)+ce-d(ΣiNθres,i2),i=1...N]]>此外，由于這種SMC方法的算法是時(shí)間依賴性的，因此接收到的信號的延遲或與IMU數(shù)據(jù)流暫時(shí)失去聯(lián)系可以對估算造成不利影響。如果與IMU數(shù)據(jù)流的聯(lián)系未被密切監(jiān)測，則粒子組可以發(fā)散并使濾波器不穩(wěn)定。這種SMC方法的算法在每次迭代后追蹤粒子組的性質(zhì)以防止過度發(fā)散。最后，在來自于G1的新數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上及時(shí)向前估算粒子，并再次計(jì)算當(dāng)前的取向狀態(tài)。每次從G1、A1和M1接收到新數(shù)據(jù)時(shí)都重新使用上述過程和算法。創(chuàng)傷防護(hù)板的產(chǎn)生參考圖112-125，描述了用于在預(yù)定人群中產(chǎn)生接骨板(即創(chuàng)傷防護(hù)板)的示例性過程和系統(tǒng)。本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識到，骨骼在骨折后能夠經(jīng)歷再生以修復(fù)自身。取決于骨折的嚴(yán)重性和位置，使用的現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)傷防護(hù)板通常需要在手術(shù)室中進(jìn)行彎曲或其他修改，以順應(yīng)不規(guī)則的骨骼形狀并實(shí)現(xiàn)骨碎片之間的最大接觸。然而，過度彎曲降低創(chuàng)傷防護(hù)板的使用壽命，這可能造成接骨板故障和/或創(chuàng)傷防護(hù)板螺釘固定松開。本過程和系統(tǒng)提供了更準(zhǔn)確的創(chuàng)傷防護(hù)板形狀以減少或消除在手術(shù)中塑造板的輪廓的必要性，由此增加板的使用壽命并增加發(fā)生任何接骨板螺釘固定松開之前的時(shí)間。上面對產(chǎn)生創(chuàng)傷防護(hù)板的示例性解釋適用于可以應(yīng)用創(chuàng)傷防護(hù)板的任何和所有骨骼。為簡潔起見，所述示例性解釋描述了產(chǎn)生用于肱骨的創(chuàng)傷防護(hù)板的系統(tǒng)和過程。但是應(yīng)該理解，所述過程和系統(tǒng)同等地適用于身體的其他骨骼和相應(yīng)的創(chuàng)傷防護(hù)板的制造，并且絕不限于肱骨創(chuàng)傷防護(hù)板。作為用于產(chǎn)生創(chuàng)傷防護(hù)板的示例性過程和系統(tǒng)的一部分，產(chǎn)生骨骼統(tǒng)計(jì)圖集和/或?qū)⑵溆糜谒懻摰墓趋馈Ｗ鳛榻忉?，所討論的骨骼包含肱骨。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉統(tǒng)計(jì)圖集以及在一個(gè)或多個(gè)骨骼的情況下如何構(gòu)建統(tǒng)計(jì)圖集。因此，為了進(jìn)一步簡潔，省略了構(gòu)建骨骼統(tǒng)計(jì)圖集的詳細(xì)討論。然而，對于示例性系統(tǒng)和過程的骨骼統(tǒng)計(jì)圖集而言可能的獨(dú)特之處，時(shí)在性別、年齡、種族、變形和/或部分構(gòu)建的基礎(chǔ)上分類骨骼統(tǒng)計(jì)圖集內(nèi)的肱骨。通過這種方式，可以為一個(gè)或多個(gè)上述類別大規(guī)模定制一種或多種創(chuàng)傷防護(hù)板，其中所述一個(gè)或多個(gè)類別建立特定的骨骼群體。在示例性形式中，骨骼統(tǒng)計(jì)圖集包括可以采取各種不同形式的解剖學(xué)數(shù)據(jù)。例如，骨骼統(tǒng)計(jì)圖集可以包括二維或三維圖像以及關(guān)于可以從其獲取測量值的骨骼參數(shù)的信息。示例性的圖集輸入數(shù)據(jù)可以采取X-射線圖像、CT掃描圖像、MRI圖像、激光掃描圖像、超聲圖像、分段骨、物理測量數(shù)據(jù)和可以從其產(chǎn)生骨骼模型的任何其他信息的形式。該輸入數(shù)據(jù)被訪問統(tǒng)計(jì)圖集數(shù)據(jù)的軟件用于構(gòu)建三維骨骼模型(或訪問已被產(chǎn)生并作為統(tǒng)計(jì)圖集的一部分保存的三維骨骼模型)，所述軟件被運(yùn)行以從所述模型產(chǎn)生三維的平均骨骼模型或模板骨骼模型。使用模板骨骼模型，所述軟件可以自動(dòng)指派或允許手動(dòng)指派模板骨骼模型的外表面上的點(diǎn)。作為解釋，在平均肱骨模型的情形中，軟件用戶通過在肱骨模型的外表面上大致勾畫創(chuàng)傷防護(hù)板的形狀，為最終的創(chuàng)傷防護(hù)板建立總體邊界形狀。創(chuàng)傷防護(hù)板的總體邊界形狀也可以通過由用戶指派肱骨模型的外表面上對應(yīng)于外部邊界的一系列點(diǎn)來獲得。一旦確立外部邊界或邊界點(diǎn)，軟件可以自動(dòng)指派或允許手動(dòng)指派肱骨模型的外表面上在已確立的邊界之內(nèi)的點(diǎn)。例如，軟件提供了填充百分率操作，用戶可以在其上指派創(chuàng)傷防護(hù)板的邊界內(nèi)由一系列點(diǎn)所指派的百分率，每個(gè)所述點(diǎn)對應(yīng)于肱骨模型外部上的獨(dú)特位置。此外，軟件提供手動(dòng)點(diǎn)指派特點(diǎn)，用戶可以在其上指派肱骨模型的外表面上在邊界之內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)。應(yīng)該指出，在使用手動(dòng)點(diǎn)指派的情形中，用戶不必建立邊界作為指派肱骨模型外部上的點(diǎn)的前期步驟。相反，當(dāng)點(diǎn)的手動(dòng)指派完成后，通過所指派的最外側(cè)點(diǎn)建立邊界。在指派模板骨骼模型的外表面上的點(diǎn)之后，將定位的點(diǎn)傳播到整個(gè)所討論的骨骼群體。具體來說，由軟件通過統(tǒng)計(jì)圖集的點(diǎn)對應(yīng)將定位的點(diǎn)自動(dòng)施加到給定群體中的每個(gè)三維骨骼模型。例如，給定的骨骼群體可以是性別和種族特異性的，以包含來自于高加索女性的肱骨。使用所述群體的每個(gè)骨骼模型的傳播的點(diǎn)，軟件使用三維填充過程填充邊界內(nèi)的點(diǎn)之間的空隙，為每塊骨骼產(chǎn)生創(chuàng)傷防護(hù)板的三維渲染。隨后，軟件通過細(xì)化過程計(jì)算每個(gè)創(chuàng)傷防護(hù)板的三維渲染的縱向中線。每個(gè)三維創(chuàng)傷防護(hù)板渲染的中線包含沿著其長度具有各種不同曲率的三維中線。軟件提取所述三維中線，并使用最小二乘擬合來確定協(xié)同地最優(yōu)近似三維中線的主要曲率的曲率半徑的優(yōu)選數(shù)目。在肱骨的情形中，已確定三個(gè)曲率半徑準(zhǔn)確地近似中線曲率。但是該數(shù)目可能隨著骨骼群體和創(chuàng)傷防護(hù)板的邊界而變。在這里也可以包括其他特點(diǎn)，例如在沿著板長度的一個(gè)或多個(gè)位置處的橫截面曲率，需要避開的肌肉、神經(jīng)和其他軟組織的位置，或與確定板尺寸或形狀相關(guān)的任何其他特點(diǎn)。例如，所述用于中線的三個(gè)曲率半徑代表在近端肱骨中創(chuàng)傷防護(hù)板中的彎曲，肱骨干與肱骨頭之間的過渡，以及肱骨干的曲率。記錄每個(gè)曲率半徑，并將四維特點(diǎn)矢量應(yīng)用于曲率半徑數(shù)據(jù)，以將半徑聚類成最優(yōu)擬合所述群體的組。在示例性形式中，所述簇?cái)?shù)據(jù)可以指示為了正確擬合所述群體，需要多個(gè)創(chuàng)傷防護(hù)板。一旦將曲率半徑數(shù)據(jù)聚類后，可以最終確定創(chuàng)傷防護(hù)板的維度。在與板設(shè)計(jì)相關(guān)的特點(diǎn)提取后，軟件確定擬合所述群體的簇的最佳數(shù)目。必須指出，在某些情況下有兩個(gè)或更多的簇提供了局部極小值，如圖120中所概述的。為了確定提供可接受的誤差容許度以及每個(gè)家族中合理的板數(shù)目的最適選擇，軟件為每個(gè)簇中的板產(chǎn)生三維表面模型。然后通過將那些板放置在群體上并計(jì)算板與骨骼表面之間的錯(cuò)配，來進(jìn)行自動(dòng)評估。這一分析的結(jié)果允許軟件挑取將被用于該特定群體的板的最適數(shù)目。然后將最終的板模型參數(shù)化，并以避開肌肉和軟組織位置并使固定最大化的方式將螺釘位置置于每塊板上。螺釘?shù)膶挾扔烧麄€(gè)群體中每個(gè)螺釘高度處骨骼的橫截面分析來確定。使用尸體研究驗(yàn)證了肱骨的該過程和方法。具體來說，從高加索白人女性獲取尸體肱骨的CT掃描圖。這些CT掃描圖被軟件用來為每塊肱骨產(chǎn)生單獨(dú)的三維模型。應(yīng)該指出，在該驗(yàn)證研究期間使用的CT掃描圖和三維模型都不是用于產(chǎn)生肱骨創(chuàng)傷防護(hù)板的統(tǒng)計(jì)圖集和相關(guān)群體的一部分。因此，CT掃描圖或三維模型包含了用于驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的肱骨創(chuàng)傷防護(hù)板的新數(shù)據(jù)和模型。在三維驗(yàn)證模型產(chǎn)生后，將每個(gè)模型分類到特定的簇(所述簇得自于從設(shè)計(jì)群體設(shè)計(jì)肱骨創(chuàng)傷防護(hù)板)。在驗(yàn)證模型被分類到的簇的基礎(chǔ)上，將為該簇設(shè)計(jì)的肱骨創(chuàng)傷防護(hù)板擬合到適合的驗(yàn)證三維肱骨骨骼模型，并計(jì)算顯示出驗(yàn)證三維肱骨骨骼模型的外表面與肱骨創(chuàng)傷防護(hù)板的底側(cè)表面之間的任何間隔的測量值。圖124描繪了擬合到驗(yàn)證三維肱骨骨骼模型上的創(chuàng)傷防護(hù)板的距離作圖，示出了骨骼與創(chuàng)傷防護(hù)板之間距離最大的區(qū)域。可以看出，創(chuàng)傷防護(hù)板的大部分與骨骼間隔極小，而符合性較低的區(qū)域僅顯示出0.06至0.09厘米范圍內(nèi)的間隔。因此，該尸體研究的結(jié)論確定了按照上述示例性過程使用上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)傷防護(hù)板具有非凡的輪廓匹配，其當(dāng)在手術(shù)中應(yīng)用時(shí)，避免了外科醫(yī)生不得不彎曲或手動(dòng)重塑接骨板的慣例。參考圖131-138，在這個(gè)過程的另一個(gè)示例性情形中，為鎖骨產(chǎn)生創(chuàng)傷防護(hù)板。在這里，統(tǒng)計(jì)圖集從大量鎖骨產(chǎn)生，其充分捕捉了例如高加索人群內(nèi)的變化性。應(yīng)該指出，統(tǒng)計(jì)圖集可以包括來自于大量種族、來自于大量患者年齡和來自于各種不同地理區(qū)域的鎖骨。示例性的公開內(nèi)容恰巧在高加索人群數(shù)據(jù)集的情形中，盡管本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，所描述的系統(tǒng)和方法不僅限于高加索人群統(tǒng)計(jì)圖集。圖132圖示了通用鎖骨解剖結(jié)構(gòu)。在示例性形式中，鎖骨的統(tǒng)計(jì)圖集還定義了與每個(gè)鎖骨的肌肉附連位點(diǎn)相關(guān)的位置，如圖134中所示。此外，沿著整個(gè)骨骼以10％的增量(參見圖138)以及在肌肉附連位點(diǎn)處和鎖骨腰部處(參見圖137)提取橫截面輪廓。計(jì)算每個(gè)橫截面輪廓的最大和最小維度。此外，通過分析橫跨數(shù)據(jù)集中所有鎖骨表面的同源點(diǎn)之間的大小和方向差異，檢查整個(gè)三維表面的不對稱性。結(jié)果驗(yàn)證了關(guān)于鎖骨不對稱性的現(xiàn)有研究，即左鎖骨比右鎖骨長，但右鎖骨比左鎖骨厚。然而，在男性與女性之間不對稱性的模式有差異，如圖139中所示。另外，如圖133中所示，鎖骨中線不像現(xiàn)有的鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板設(shè)計(jì)的情況一樣遵循對稱的“S”形狀。因此，本公開證實(shí)了目前的鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板未能模擬鎖骨的解剖學(xué)曲率。就圖135和136而言，男性鎖骨在所有維度上以及肌肉和韌帶附連位點(diǎn)輪廓上明顯不對稱(p<.05)，而女性的不對稱性更加可變。然而，在兩種性別中，在后中干上沒有肌肉附連的區(qū)域明顯不對稱。從橫跨統(tǒng)計(jì)圖集提取的鎖骨特點(diǎn)進(jìn)行聚類(按照本申請中的先前描述的聚類方法，其通過參考并入本文)以確定不同的相似性分組(即群體)，從所述分組將每個(gè)不同的組與特定鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板相關(guān)聯(lián)，以最佳擬合所述群體。另外，為每個(gè)創(chuàng)傷防護(hù)板群體確定螺栓固定位置和長度，以最適地避開軟組織(肌肉附連部)并防止另外的骨折或作為螺栓過長或過短的結(jié)果而發(fā)生板松動(dòng)。使用所述過程，設(shè)計(jì)了對應(yīng)于大規(guī)模定制的鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板的幾個(gè)鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板家族，如圖140-149中所示?；颊咛禺愋詣?chuàng)傷防護(hù)板的產(chǎn)生參考圖126，圖示了患者特異性創(chuàng)傷防護(hù)板的過程以包括各個(gè)不同的組成部分。在這些組成部分中包括手術(shù)前外科計(jì)劃、預(yù)先確定輪廓的患者特異性創(chuàng)傷防護(hù)板的產(chǎn)生、放置和緊固患者特異性創(chuàng)傷防護(hù)板的手術(shù)中引導(dǎo)以及任選的患者特異性創(chuàng)傷防護(hù)板的手術(shù)后評估。這些組成部分以及每個(gè)組成部分所涉及的示例性過程和結(jié)構(gòu)的更詳細(xì)討論，在下文中輪流討論。參考圖126-130，圖示了手術(shù)前外科計(jì)劃組成部分的示例性過程流程。為所討論的解剖結(jié)構(gòu)獲得解剖學(xué)數(shù)據(jù)的初始輸入。僅僅出于示例性說明的目的，將鎖骨作為折斷或變形的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，并將鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板作為患者特異性創(chuàng)傷防護(hù)板進(jìn)行描述。將解剖學(xué)數(shù)據(jù)輸入到被配置以選擇或產(chǎn)生患者特異性鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板的軟件包，其中所述解剖學(xué)數(shù)據(jù)包含鎖骨的二維(2D)圖像或三維(3D)表面表述，其可以例如采取表面模型或點(diǎn)云的形式。在使用2D圖像的情形中，使用這些2D圖像來構(gòu)建折斷的鎖骨的3D虛擬表面表述。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉利用解剖結(jié)構(gòu)的2D圖像來構(gòu)建3D表面表述。因此，為簡便起見省略了這一過程的詳細(xì)解釋。例如，輸入的解剖學(xué)數(shù)據(jù)可以包含X-射線圖像、計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)掃描圖、磁共振圖像(MRI)或可以從其產(chǎn)生所討論的組織的3D表面表述的任何其他成像數(shù)據(jù)中的一者或多者。來自于該解剖學(xué)數(shù)據(jù)輸入的輸出是折斷的鎖骨組成部分的3D虛擬表面表述。然后評估折斷的鎖骨組成部分的3D虛擬表面表述以鑒定骨折的位置和形狀，或者在骨骼組成部分完全折斷并分離的情況下，鑒定骨骼組件相對于彼此的位置和形狀。在骨骼組成部分完全折斷并分離的情況下，所述方法和相關(guān)的軟件執(zhí)行骨骼還原過程，這可以允許手動(dòng)重新定位折斷的鎖骨的3D虛擬表面表述以構(gòu)建拼湊的鎖骨。在這種情況下，用戶重新定位并重新定向折斷的鎖骨的3D虛擬表面表述，以產(chǎn)生類似于從包含所述3D虛擬表面表述的組成部分組裝的鎖骨的3D拼湊鎖骨模型?；蛘撸龇椒ê拖嚓P(guān)軟件可以任選地使用鎖骨的3D模板模型提供折斷的鎖骨的3D虛擬表面表述的自動(dòng)重新定位和重建，以構(gòu)建拼湊的鎖骨模型。更具體來說，所述軟件首先從包含所述3D虛擬表面表述的每個(gè)斷骨組件(即骨折的邊緣)的3D虛擬表面表述檢測一個(gè)或多個(gè)骨折位點(diǎn)，并從每個(gè)骨折位點(diǎn)提取輪廓。然后軟件將提取到的輪廓與3D模板鎖骨模型的輪廓進(jìn)行比較，以便為每個(gè)骨折位點(diǎn)以成對方式匹配這些輪廓并定位匹配的骨骼組件/塊。然后將匹配的組件/塊分組在一起。在匹配的組件/塊分組之后，軟件將分組的塊匹配到3D模板鎖骨模型，以鑒定所有骨骼組件/塊相對于所述3D模板鎖骨模型的正確位置。然后將匹配的組件/塊還原成類似于所述3D模板鎖骨模型的3D拼湊鎖骨模型，其正如后文中討論的被軟件用來構(gòu)建3D重建鎖骨模型。再次參考圖7和127，在還原后，使用3D拼湊鎖骨來鑒定統(tǒng)計(jì)圖集中最接近地類似于所討論的患者的3D拼湊鎖骨模型的解剖學(xué)模型(例如完整骨骼模型)。這一步驟在圖3中被描繪成發(fā)現(xiàn)圖集中最接近的骨骼。為了首先鑒定統(tǒng)計(jì)圖集中最接近地類似于所述3D拼湊鎖骨模型的骨骼模型，使用一種或多種相似性度量將所述3D拼湊鎖骨模型與統(tǒng)計(jì)圖集中的骨骼模型進(jìn)行比較。最初的相似性度量的結(jié)果是從統(tǒng)計(jì)圖集中選擇作為“初始猜想”用于后續(xù)配準(zhǔn)步驟的骨骼模型。所述配準(zhǔn)步驟使用所選的圖集骨骼模型(即初始猜想骨骼模型)配準(zhǔn)3D拼湊鎖骨模型，使得輸出是與圖集骨骼模型對齊的患者特異性重建骨骼模型。在配準(zhǔn)步驟之后，優(yōu)化對齊的“初始猜想”的形狀參數(shù)以使所述形狀匹配3D拼湊鎖骨模型。優(yōu)化在這種情況下來自于統(tǒng)計(jì)圖集的形狀參數(shù)，以便使用非骨折區(qū)域來最小化重建的患者特異性骨骼模型與3D拼湊鎖骨模型之間的誤差。改變形狀參數(shù)值允許表述不同的解剖學(xué)形狀。重復(fù)這一過程，直至實(shí)現(xiàn)重建形狀的趨同(可能作為迭代之間的相對表面變化或容許的迭代的最大數(shù)目來度量)。進(jìn)行松弛步驟來變形所述優(yōu)化的骨骼，以最好地匹配所述3D拼湊鎖骨模型。與示例性情況相一致，將從趨同步驟輸出的來自于3D拼湊鎖骨模型的丟失解剖結(jié)構(gòu)施加到變形的3D鎖骨模型，由此產(chǎn)生患者的重建鎖骨的患者特異性3D模型。更具體來說，將3D拼湊鎖骨模型上的表面點(diǎn)直接松弛(即變形)到患者特異性3D鎖骨模型上，以使重建的形狀最好地匹配到患者特異性形狀。這個(gè)步驟的輸出是完全重建的患者特異性3D鎖骨模型，其代表了患者鎖骨的正常/完整解剖結(jié)構(gòu)應(yīng)有的狀況。在全解剖結(jié)構(gòu)重建后，系統(tǒng)軟件開始計(jì)劃還原次序過程。在這個(gè)計(jì)劃還原次序過程中，軟件允許手動(dòng)或自動(dòng)確定哪些鎖骨組成部分(即折斷的鎖骨塊)將彼此重新裝配和安裝以及以何種次序進(jìn)行。在這樣做時(shí)，軟件在存儲器中記錄從骨骼組成部分逐漸組裝鎖骨的3D模型。因此，假設(shè)鎖骨斷裂成6個(gè)組成部分，軟件將記錄示出了待組裝的第一和第二斷骨組成部分的組裝的第一3D模型，然后是示出了待組裝的第一、第二和第三斷骨組成部分的組裝的第二3D模型，以此類推，直至獲得反映出所有6個(gè)斷骨組成部分的組裝位置和取向，從而類似于所述3D拼湊鎖骨模型的最終3D模型。使用還原次序確定，軟件允許使用所述3D拼湊鎖骨手動(dòng)或自動(dòng)選擇多個(gè)鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板模板之一。更具體來說，所述鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板模板包含鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板的一系列3D虛擬表面表述，其已被通用造型成匹配從統(tǒng)計(jì)學(xué)骨骼圖集獲得的與給定群體相關(guān)的尺寸和形狀參數(shù)。換句話說，所述統(tǒng)計(jì)學(xué)骨骼圖集包括已在尺寸、種族、年齡、性別和指示骨骼形狀的任何其他標(biāo)志物中的一者或多者的基礎(chǔ)上分類的多個(gè)正常的全解剖結(jié)構(gòu)鎖骨的表面模型。獲得模板接骨板的程序的示例性討論已在前文中針對圖112-125進(jìn)行過描述，并通過參考并入此處。在自動(dòng)選擇模式中，軟件將多個(gè)鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板模板的維度和輪廓與3D拼湊鎖骨進(jìn)行比較，以辨別哪些模板最緊密地順應(yīng)于3D拼湊鎖骨(即相對于骨骼解剖結(jié)構(gòu)的輪廓和形狀相似性)。使用最緊密地順應(yīng)于所述3D拼湊鎖骨的鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板模板，軟件允許手動(dòng)或自動(dòng)鑒定通過創(chuàng)傷防護(hù)板的固定位點(diǎn)位置，以及確定待使用的固定裝置(例如外科螺栓)的方向和長度。在自動(dòng)固定位點(diǎn)鑒定模式中，軟件考慮肌肉和附連位置以及神經(jīng)位置，以避免將任何固定孔置于神經(jīng)通路或肌肉附連位點(diǎn)中。另外，軟件允許手動(dòng)或自動(dòng)選擇與創(chuàng)傷防護(hù)板一起使用的固定緊固件。通過這種方式，軟件可以將鎖骨斷裂組件的尺寸和形狀、通過創(chuàng)傷防護(hù)板延伸的緊固件孔的位置和取向以及緊固件(例如螺栓)的幾何形狀考慮在內(nèi)自動(dòng)選擇緊固件，以便提高固定強(qiáng)度并嘗試避免鎖骨完整性的不必要的損害。在選擇鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板模板、固定孔位置和固定緊固件之后，軟件進(jìn)行虛擬接骨板放置。這包括將鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板模板放置在3D拼湊鎖骨上并將鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板模板手動(dòng)或自動(dòng)變形以匹配3D拼湊鎖骨的外部表面輪廓，由此產(chǎn)生具有一定尺寸、長度和輪廓維度的虛擬3D患者特異性鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板。軟件記錄所述患者特異性鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板維度，并將這些虛擬維度轉(zhuǎn)變成機(jī)器碼，其允許產(chǎn)生可以快速制造的實(shí)體患者特異性鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板。使用所述患者特異性鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板維度，軟件還接收關(guān)于折斷的鎖骨區(qū)域內(nèi)患者軟組織、血管和神經(jīng)的放置和位置的解剖學(xué)數(shù)據(jù)，以構(gòu)建切割計(jì)劃。切割計(jì)劃是手術(shù)前的，并建議了制造一個(gè)或多個(gè)切口的手術(shù)方法，其增加折斷的鎖骨組成部分的可接近性，并在同時(shí)減少手術(shù)程序的侵入性，從而潛在地減少恢復(fù)時(shí)間和附屬的手術(shù)后創(chuàng)傷。圖134示出了具有表面著色的3D拼湊鎖骨，所述表面著色指示了肌肉附連到患者鎖骨的位置。因此，沿著3D拼湊鎖骨縱向延伸的畫出的圓圈對應(yīng)于固定緊固件的位置，所述緊固件被定向到基本上不含肌肉附連部的位置。在構(gòu)建切割計(jì)劃后，外科醫(yī)生檢查所述計(jì)劃以在批準(zhǔn)計(jì)劃之前做出任何修改。在批準(zhǔn)切割計(jì)劃后，可以將所述計(jì)劃輸出到手術(shù)中外科知道系統(tǒng)。同樣地，可以利用切割計(jì)劃來構(gòu)建手術(shù)前的實(shí)際鎖骨模型，用于估計(jì)彼此安裝以模擬患者正常鎖骨的重建鎖骨組件的形狀。然后可以使用這個(gè)實(shí)際鎖骨模型來試驗(yàn)對鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板的擬合，并在手術(shù)前由外科醫(yī)生通過可能合乎需要的彎曲來制造任何輪廓修改?；蛘?，實(shí)際鎖骨模型可以包含處于松開形式的鎖骨組件，以便必需將一個(gè)或多個(gè)創(chuàng)傷防護(hù)板安裝到它才能將鎖骨組件保持在一起，從而允許外科醫(yī)生離體試驗(yàn)創(chuàng)傷防護(hù)板的擬合并且也離體做出對創(chuàng)傷防護(hù)板的任何修改。參考圖128和129，示例性的患者特異性鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板可以在手術(shù)中使用熒光檢查法來放置。盡管示例性技術(shù)針對將患者特異性鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板附著到患者鎖骨或鎖骨組成部分來描述，但應(yīng)該理解，所述示例性過程同樣適用于將非患者特異性創(chuàng)傷防護(hù)板附著到鎖骨，并且更廣義來說適用于將任何創(chuàng)傷防護(hù)板附著到任何骨骼或斷骨組成部分。圖128描繪了過程流程圖，其描繪了作為用于在手術(shù)中使用熒光檢查法放置患者特異性創(chuàng)傷防護(hù)板的創(chuàng)傷防護(hù)板放置系統(tǒng)的一部分而涉及的各種不同步驟，其包括利用預(yù)先計(jì)劃的數(shù)據(jù)以及放置基準(zhǔn)標(biāo)志物以確立患者位置配準(zhǔn)。更具體來說，將預(yù)先計(jì)劃的數(shù)據(jù)裝載到創(chuàng)傷防護(hù)板放置系統(tǒng)的軟件包中，并且可以包括患者的骨骼幾何形狀和組織幾何形狀、每個(gè)創(chuàng)傷防護(hù)板的位置、用于將創(chuàng)傷防護(hù)板固定到所討論的骨骼或骨骼組成部分的固定裝置的類型和位置，以及與手術(shù)場所和技術(shù)有關(guān)的任何其他相關(guān)信息。用于熒光檢查法的基準(zhǔn)標(biāo)志物包括但不限于光學(xué)、電磁學(xué)、IMU標(biāo)志物(盡管在圖128的過程流程中提到的是光學(xué)標(biāo)志物，其被放置在相對于患者上的解剖學(xué)標(biāo)志已知的位置處)。使用基準(zhǔn)標(biāo)志物和患者的已知解剖學(xué)位置和維度，創(chuàng)傷防護(hù)板放置系統(tǒng)將患者相對于手術(shù)前坐標(biāo)系配準(zhǔn)。隨后，在空間中追蹤所述基準(zhǔn)標(biāo)志物，以便向外科醫(yī)生提供來自于創(chuàng)傷防護(hù)板放置系統(tǒng)的與手術(shù)前計(jì)劃相一致的指示一個(gè)或多個(gè)切口相對于固定的患者參照框的位置的反饋?？梢宰鳛閯?chuàng)傷防護(hù)板放置系統(tǒng)的一部分使用的示例性反饋系統(tǒng)包括但不限于投影在患者表面上勾畫出每個(gè)切口的位置和長度的直觀顯示。在鎖骨包含分開的骨骼組成部分的折斷鎖骨的情形中，創(chuàng)傷防護(hù)板放置系統(tǒng)還能夠直觀顯示多個(gè)鎖骨組件上的識別標(biāo)記，以指示骨骼組件的組裝次序。在示例性形式中，所述直觀顯示包括顯示在每個(gè)骨骼組件上的可見的彩色數(shù)字。所述彩色數(shù)字隨著骨骼組件相對于彼此的取向和位置改變顏色。在示例性形式中，第一骨骼組件用投影到外表面上的顯示數(shù)字“1”來識別。取決于骨骼的取向和位置，顯示數(shù)字“1”可以是紅色、黃色或綠色。紅色數(shù)字指示取向和位置不正確。在移動(dòng)后，如果外科醫(yī)生為了實(shí)現(xiàn)與手術(shù)前計(jì)劃相一致的放置而正在向正確方向移動(dòng)骨骼組件，則所述標(biāo)記變成黃色。在繼續(xù)移動(dòng)后，當(dāng)達(dá)到正確位置時(shí)，所述數(shù)字變成綠色。為每個(gè)鎖骨組件重復(fù)這種重新定位過程。為了向外科醫(yī)生提供這種關(guān)于斷骨組件的位置和取向的直觀反饋，創(chuàng)傷防護(hù)板放置系統(tǒng)使用熒光檢查法在3D空間中追蹤骨骼組件，以分辨骨骼的位置和取向是否與手術(shù)前計(jì)劃相一致。在骨骼組件追蹤之前，使用手術(shù)前數(shù)據(jù)將骨骼組件配準(zhǔn)，以便通過投影的顯示向外科醫(yī)生提供關(guān)于骨骼組件的正確位置和取向的實(shí)時(shí)更新的信息。當(dāng)每個(gè)骨骼片段被追蹤并最終安裝到鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板時(shí)，系統(tǒng)使用熒光檢查圖像驗(yàn)證創(chuàng)傷防護(hù)板放置的進(jìn)展，以證實(shí)板的取向和位置以及固定裝置(例如螺栓)和骨骼組件的取向和位置。最后，當(dāng)通過一個(gè)或多個(gè)鎖骨創(chuàng)傷防護(hù)板將骨骼組件彼此偶聯(lián)時(shí)，系統(tǒng)顯示最終的標(biāo)記，其向外科醫(yī)生指明手術(shù)以滿足手術(shù)前計(jì)劃的目的并且可以結(jié)束。圖130描繪了作為用于在手術(shù)中使用超聲代替熒光檢查法來放置患者特異性創(chuàng)傷防護(hù)板的創(chuàng)傷防護(hù)板放置系統(tǒng)的一部分所涉及的各個(gè)不同步驟的過程流程圖。前面針對圖128的解釋與圖130的解釋相同，其通過參考并入此處，區(qū)別在于系統(tǒng)使用超聲代替熒光檢查法來追蹤骨骼組件、創(chuàng)傷防護(hù)板和固定裝置。因此，為簡便起見省略了冗余的解釋。創(chuàng)傷防護(hù)板放置引導(dǎo)器的產(chǎn)生參考圖150，描述了用于產(chǎn)生患者特異性的創(chuàng)傷防護(hù)板放置引導(dǎo)器的示例性過程和系統(tǒng)。本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識到，骨骼可以在一個(gè)或多個(gè)位置處折斷，產(chǎn)生彼此分開的骨碎片。作為修復(fù)骨骼的重建手術(shù)的一部分，使用一個(gè)或多個(gè)創(chuàng)傷防護(hù)板將這些碎片以固定取向夾持。重建外科醫(yī)生試圖使用先天知識而不是患者特異性解剖學(xué)事實(shí)將骨骼接回到一起。因此，在患者骨骼解剖結(jié)構(gòu)與正常結(jié)構(gòu)的差異程度上，骨碎片極其扭曲，或者骨碎片的數(shù)目大，外科醫(yī)生將訴諸于使用現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)傷防護(hù)板，并使骨碎片匹配板的形狀而不是與之相反。該過程和系統(tǒng)通過產(chǎn)生創(chuàng)傷防護(hù)板放置引導(dǎo)器和定制的創(chuàng)傷防護(hù)板將創(chuàng)傷防護(hù)板匹配到骨骼以復(fù)制原始的骨骼形狀和取向，改進(jìn)了現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)傷防護(hù)板。所述示例性系統(tǒng)始于接收代表骨折解剖結(jié)構(gòu)的輸入數(shù)據(jù)。僅僅出于解釋的目的，骨折的解剖結(jié)構(gòu)包含人類顱骨。應(yīng)該指出，上述過程和系統(tǒng)同等地適用于其他解剖結(jié)構(gòu)/骨骼，包括但不限于手臂、腿和軀干中的骨骼。在示例性形式中，解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)輸入可以采取X-射線圖像、CT掃描圖、MRI或可以代表骨骼尺寸和形狀的任何其他成像數(shù)據(jù)的形式。將輸入的解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)用于構(gòu)建骨折解剖結(jié)構(gòu)的三維虛擬模型。例如，輸入的解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包含骨折顱骨的計(jì)算機(jī)斷層掃描圖，其被軟件處理以將該掃描圖分段并產(chǎn)生三維模型。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉如何利用計(jì)算機(jī)斷層掃描圖來構(gòu)建三維虛擬模型。因此，為了進(jìn)一步簡潔起見，省略了所述過程的這一方面的詳細(xì)描述。在產(chǎn)生骨折顱骨的三維虛擬模型之后，軟件將顱骨的三維虛擬模型與來自于統(tǒng)計(jì)圖集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以確定三維虛擬模型中顱骨骨折的區(qū)域。具體來說，軟件利用從輸入的解剖結(jié)構(gòu)的表面模型提取的特點(diǎn)(例如：表面粗糙度，曲率，形狀指數(shù)，曲度，鄰域連通度)來提取骨折位點(diǎn)的區(qū)域。然后提取那些骨折位點(diǎn)的大概輪廓并匹配在一起以找出匹配的骨折位點(diǎn)。也將骨折片段與圖集匹配以指示放置匹配的骨折位點(diǎn)以便重建正常解剖結(jié)構(gòu)的最佳位置。在軟件產(chǎn)生骨折的顱骨的重建的三維虛擬模型以后，可以將支撐物手動(dòng)和/或自動(dòng)放置在重建的三維虛擬顱骨模型的外部上。支撐物的自動(dòng)放置是程控邏輯的結(jié)果，以最大化骨碎片的穩(wěn)定性同時(shí)最小化支撐物的數(shù)目。當(dāng)在本文中使用時(shí)，術(shù)語支撐物及其復(fù)數(shù)形式是指用于使骨碎片相對于彼此穩(wěn)定的任何支持物。在某些情況下，當(dāng)利用手動(dòng)支撐物放置特點(diǎn)時(shí)，外科醫(yī)生或其他專業(yè)用戶的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以補(bǔ)充或取代所述邏輯。在任何情況下，將一系列支撐物編程在軟件中，這允許軟件或軟件用戶為不同應(yīng)用選擇不同的支撐物。同時(shí)，支撐物的長度可以在骨折和骨碎片的維度的基礎(chǔ)上手動(dòng)或自動(dòng)操控。在將支撐物分派并放置在重建的三維虛擬顱骨模型上之后，由軟件記錄每個(gè)支撐物的維度和輪廓。這一記錄包括制造每個(gè)支撐物所必需的信息，或者至少包括有助于允許外科醫(yī)生或其他專業(yè)人員獲取現(xiàn)有的支撐物并使其順應(yīng)放置引導(dǎo)器的信息。在模制現(xiàn)有支撐物的情形中，軟件提取重建的三維虛擬顱骨模型的輪廓以產(chǎn)生計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)指令，用于產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)指示重建的三維顱骨模型的實(shí)體模型。將這些CAD指令送往快速原型機(jī)，其產(chǎn)生所述一個(gè)或多個(gè)指示重建的三維顱骨模型的實(shí)體模型。通過作為實(shí)體模型再造正確的解剖學(xué)表面，在植入并緊固到患者的顱骨之前，可以將每個(gè)支撐物在目標(biāo)位置處施加到實(shí)體模型并手動(dòng)順應(yīng)。在任何支撐物的位置和長度的基礎(chǔ)上，軟件也提取重建的三維虛擬顱骨模型的輪廓，為一個(gè)或多個(gè)患者特異性支撐物放置引導(dǎo)器產(chǎn)生輪廓數(shù)據(jù)。具體來說，可以為每個(gè)支撐物產(chǎn)生放置引導(dǎo)器。通過這種方式，放置引導(dǎo)器包括在單一方向上與患者顱骨的輪廓匹配的表面輪廓。假如支撐物在重建顱骨的虛擬模型上的位置是已知的，相鄰的顱骨外表面的輪廓也是已知的，則軟件將二者合并以產(chǎn)生虛擬的患者特異性放置引導(dǎo)器。將該虛擬引導(dǎo)器以CAD指令的形式輸出到快速原型機(jī)用于制造。在這個(gè)示例性實(shí)施方式中，制造的患者特異性放置引導(dǎo)器包含細(xì)長的柄，其被構(gòu)造成被外科醫(yī)生抓握。從所述細(xì)長柄的末端延伸出大塊的C形輪廓板。輪廓板的下側(cè)為凹面，以匹配顱骨在支撐物應(yīng)該被放置的位置處的凸面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。盡管不需要，但輪廓板的末端(或另一部分)可以被緊固到支撐物，或者輪廓板可以簡單地提供工作窗口，在所述窗口內(nèi)將支撐物與顱骨對齊并最終緊固到顱骨。在將支撐物附著于顱骨后，可以將輪廓板取下。定制的切割和放置引導(dǎo)器、板參考圖151，變形、斷裂或部分的解剖結(jié)構(gòu)的重建是衛(wèi)生護(hù)理提供者面對的復(fù)雜問題。異常的解剖結(jié)構(gòu)可能是出生狀況、腫瘤、疾病、人身傷害的結(jié)果。作為為各種不同病患提供治療的一部分，衛(wèi)生護(hù)理提供者可能發(fā)現(xiàn)重建解剖結(jié)構(gòu)或構(gòu)建解剖結(jié)構(gòu)對便于各種不同病癥的治療來說是有利的，所述病癥可以包括但不限于骨斷裂/破碎、骨退化、骨外科植入物修正、骨外科初始植入和疾病。本公開提供了使用骨移植物進(jìn)行骨骼和組織重建的系統(tǒng)和方法。為了執(zhí)行這種重建，所述系統(tǒng)和相關(guān)方法利用患者當(dāng)前的解剖結(jié)構(gòu)圖像構(gòu)建兩個(gè)虛擬3D模型：(a)代表當(dāng)前異常解剖結(jié)構(gòu)的第一3D模型；以及(2)代表患者的重建解剖結(jié)構(gòu)的第二3D模型。必須參考前面“全解剖結(jié)構(gòu)重建”一段中對使用患者圖像(X-射線圖像、CT掃描圖、MRI圖像等)以獲得患者的異常解剖結(jié)構(gòu)和重建的解剖結(jié)構(gòu)的虛擬模型的詳細(xì)解釋。該系統(tǒng)和方法在“全解剖結(jié)構(gòu)重建”一段中描述的系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立，以與構(gòu)建可以獲取骨移植物的一個(gè)或多個(gè)骨骼(即供體骨骼)的3D虛擬模型相結(jié)合利用兩個(gè)3D虛擬模型。正如將在后文中更詳細(xì)描述的，對患者的重建和異常的解剖結(jié)構(gòu)的3D虛擬模型進(jìn)行分析，以產(chǎn)生重建所需的骨移植物的3D虛擬模型。將這個(gè)3D虛擬移植物模型與供體骨骼的3D虛擬模型進(jìn)行比較，以訪問供體骨骼上可以切下骨移植物的一個(gè)或多個(gè)位點(diǎn)。在確定切除位置之后，設(shè)計(jì)并制造用于收集移植的骨骼并將移植的骨骼固定到重建位點(diǎn)的切割引導(dǎo)器和移植物放置引導(dǎo)器。作為示例性解釋，將在面部重建的情形中描述該系統(tǒng)和方法，其中供體骨骼包含腓骨。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到，該系統(tǒng)和方法適用于利用一個(gè)或多個(gè)骨移植物的任何重建手術(shù)程序。此外，盡管討論面部重建和腓骨作為骨骼供體，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，所述示例性系統(tǒng)和方法可以用于腓骨之外的供體骨骼。作為討論所述示例性系統(tǒng)和方法用于使用骨移植物的重建手術(shù)計(jì)劃和手術(shù)程序的前置步驟，假設(shè)已按照前面“全解剖結(jié)構(gòu)重建”一段中描述的過程對患者的異常解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像并產(chǎn)生患者的異常和重建的解剖結(jié)構(gòu)的虛擬3D模型。因此，為簡潔起見，已省略利用患者圖像來產(chǎn)生患者的異常和重建的解剖結(jié)構(gòu)兩者的虛擬3D模型的詳細(xì)討論。在患者的異常和重建的解剖結(jié)構(gòu)的虛擬3D模型已被產(chǎn)生后，軟件對解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較并突出差異的區(qū)域。具體來說，虛擬3D模型之間共有的區(qū)域表示將被保留的骨骼，而差異的區(qū)域指示用于重建的一個(gè)或多個(gè)位點(diǎn)。軟件從患者的重建解剖結(jié)構(gòu)的虛擬3D模型提取那些不共有的區(qū)域，并分離這些區(qū)域作為目標(biāo)骨移植物的分開的3D虛擬模型。外科醫(yī)生或其他術(shù)前計(jì)劃人員可以觀察虛擬3D骨移植物模型并對可以最好地切下骨移植物的一塊或多塊骨骼使用他的判斷。不論最初選擇作為移植物候選者的可能的骨骼使用何種邏輯，所討論的骨骼都使用常規(guī)方式(X-射線、CT、MRI等)進(jìn)行成像。使用在前面“全解剖結(jié)構(gòu)重建”一段中描述的過程，對每個(gè)成像的骨骼進(jìn)行分段，并產(chǎn)生成像骨骼的虛擬3D模型。將該3D供體骨骼模型與虛擬3D骨移植物模型進(jìn)行比較，以分離共有的區(qū)域。具體來說，軟件將3D供體骨骼模型的表面輪廓與虛擬3D骨移植物模型的表面輪廓進(jìn)行比較，以鑒定共同或具有相似曲率的區(qū)域。假設(shè)沒有共同或相似的區(qū)域，可以通過分析另一個(gè)可能的供體骨骼重新開始所述過程。相反，如果在供體骨骼中存在共同或具有相似曲率的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域，則在3D供體骨骼模型上突出這些區(qū)域。具體來說，突出的區(qū)域模擬虛擬3D骨移植物模型的形狀。如果所述共同的區(qū)域被判斷為適合于切下骨移植物，則軟件虛擬地切下所述骨移植物作為虛擬的3D模型，并將骨移植物(其具有對于供體骨骼來說特異/獨(dú)有的輪廓)應(yīng)用到患者的異常解剖結(jié)構(gòu)的虛擬3D模型，以驗(yàn)證潛在的擬合和作為重建的一部分可能需要切下的患者異常解剖結(jié)構(gòu)的任何區(qū)域。在被切下的骨骼的虛擬3D模型向患者異常解剖結(jié)構(gòu)的虛擬3D模型的應(yīng)用產(chǎn)生不太令人滿意的重建的情形中，所述過程可以在骨骼選擇點(diǎn)處重新開始，或者被重新開始以切下骨骼的不同區(qū)域。但是，假設(shè)被切下的骨骼的虛擬3D模型向患者異常解剖結(jié)構(gòu)的虛擬3D模型的應(yīng)用產(chǎn)生適合的擬合，則系統(tǒng)前移到設(shè)計(jì)夾具以便于切下骨移植物并將骨移植物安裝到患者的殘骨。在該示例性實(shí)施方式中，系統(tǒng)產(chǎn)生并輸出快速原型機(jī)、CNC機(jī)或類似裝置所必需的機(jī)器碼，以制造骨移植物切割引導(dǎo)器和骨移植物放置引導(dǎo)器。為了產(chǎn)生制造骨移植物切割引導(dǎo)器和骨移植物放置引導(dǎo)器所必需的輸出，系統(tǒng)將被切下的骨骼的虛擬3D模型用于患者異常解剖結(jié)構(gòu)的虛擬3D模型。具體來說，被切下的骨骼的虛擬3D模型定義了虛擬3D切割引導(dǎo)器的邊界。此外，在這個(gè)示例性情形中，打算切下一部分腓骨以提供骨移植物。為了確保腓骨的適合部分被切下，虛擬3D切割引導(dǎo)器包括窗口，切割裝置(鋸、切割鉆等)在所述窗口內(nèi)來回移動(dòng)以產(chǎn)生輪廓適合的骨移植物。虛擬3D切割引導(dǎo)器不僅需要被造型成產(chǎn)生適合的骨移植物輪廓，而且它需要被造型成確保切割引導(dǎo)器在患者供體骨骼上的放置是特殊的。更具體來說，切割引導(dǎo)器在供體骨骼上的放置需要同時(shí)確保被切下的骨骼包括正確的輪廓形狀并且也表現(xiàn)出正確的輪廓。通過這種方式，將虛擬3D切割引導(dǎo)器的底面設(shè)計(jì)成是供體骨骼的將要安裝切割引導(dǎo)器的表面的“負(fù)形”。用于將切割引導(dǎo)器固定到供體骨骼的示例性的安裝技術(shù)包括但不限于螺釘、榫釘和銷針。為了容納一種或多種這些安裝技術(shù)或其他安裝技術(shù)，虛擬3D切割引導(dǎo)器也被設(shè)計(jì)成除了手術(shù)切割器在其中來回移動(dòng)的窗口之外還包括一個(gè)或多個(gè)貫通孔。在虛擬3D切割引導(dǎo)器的設(shè)計(jì)完成后，系統(tǒng)產(chǎn)生并輸出快速原型機(jī)、CNC機(jī)或類似裝置所必需的機(jī)器碼以制造骨移植物切割引導(dǎo)器，隨后制造真實(shí)的切割引導(dǎo)器。除了切割引導(dǎo)器之外，軟件還設(shè)計(jì)一個(gè)或多個(gè)骨移植物放置引導(dǎo)器。骨移植物放置引導(dǎo)器是患者特異性的，并且順應(yīng)于患者的解剖結(jié)構(gòu)(供體骨骼和供體骨骼固定到的殘骨兩者)以確保骨移植物相對于殘骨的正確放置。在示例性形式中，構(gòu)造了用于下頜骨重建手術(shù)的骨移植物放置引導(dǎo)器。為了設(shè)計(jì)所述骨移植物放置引導(dǎo)器，軟件利用被切下的骨骼的虛擬3D模型，將其施加到患者異常解剖結(jié)構(gòu)的虛擬3D模型以構(gòu)建混成模型。使用該混成模型，鑒定骨移植物與相鄰殘骨相接(并且有希望通過骨骼生長來聯(lián)結(jié))的接合處。在這些接合處，取決于各種不同因素例如外科醫(yī)生的偏好性，系統(tǒng)鑒定骨移植物板位置以及對于每塊板來說一個(gè)或多個(gè)引導(dǎo)器，以便于將板正確放置并固定到骨移植物和殘骨。定制的創(chuàng)傷防護(hù)板模板制作和放置引導(dǎo)器參考圖152，以流程圖的形式圖示了用于創(chuàng)傷防護(hù)板模板制作的示例性系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)和方法包括計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件，進(jìn)行計(jì)算以確定一組模板創(chuàng)傷防護(hù)板內(nèi)的最佳擬合，以便減少將來為了擬合創(chuàng)傷防護(hù)板以匹配患者的骨骼幾何形狀可能必需的形狀改變。在示例性形式中，系統(tǒng)包括構(gòu)建作為統(tǒng)一骨骼的患者斷骨的3D模型，然后針對所述3D模型形成模板創(chuàng)傷防護(hù)板，以在植入之前最終定下創(chuàng)傷防護(hù)板的形狀。通過這種方式，最終的創(chuàng)傷防護(hù)板形狀是患者特異性的并允許更接近地?cái)M合于患者解剖結(jié)構(gòu)，消除創(chuàng)傷防護(hù)板的放置位置的不明確性，并縮短手術(shù)時(shí)間。所述系統(tǒng)可以容易地部署在日常臨床環(huán)境或外科醫(yī)生的辦公室中。再次參考圖152，系統(tǒng)的初始輸入是描繪斷骨的多種醫(yī)學(xué)圖像中的任一種。例如，這些醫(yī)學(xué)圖像可以是X-射線、超聲、CT和MRI中的一者或多者。斷骨的圖像由操作人員進(jìn)行分析，以從多個(gè)可能的被編程的骨骼中選擇折斷的骨骼。使用骨骼選擇，所述軟件利用醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)來形成斷骨組件的3D模型(正如前面針對圖127及其相關(guān)描述所描述的，其通過參考并入此處)。然后使用來自于統(tǒng)計(jì)圖集的骨骼數(shù)據(jù)將這些3D骨骼模型還原(即重新裝配以形成拼湊的骨骼，其將3D骨骼模型定向和定位成如同當(dāng)骨骼統(tǒng)一并且未折斷時(shí)彼此相連的情形)，以形成3D拼湊骨骼模型。同樣地，也將來自于統(tǒng)計(jì)圖集的骨骼數(shù)據(jù)與所述3D拼湊骨骼模型組合使用以在完整的未斷折骨骼模型上變形所述3D拼湊骨骼模型，產(chǎn)生所討論的患者骨骼的完整的3D骨骼模型(未斷折的)，其被稱為重建的骨骼模型。通過軟件分析這個(gè)重建的骨骼模型以提取沿著主維度的縱向曲線(即中線曲線)，同時(shí)軟件還提取垂直于主維度獲取的橫截面曲線，以便提取創(chuàng)傷防護(hù)板設(shè)計(jì)參數(shù)。從這些設(shè)計(jì)參數(shù)，軟件計(jì)算在多個(gè)模板創(chuàng)傷防護(hù)板中哪個(gè)最接近類似于設(shè)計(jì)參數(shù)。這些設(shè)計(jì)參數(shù)可以包括創(chuàng)傷防護(hù)板的長度、創(chuàng)傷防護(hù)板的縱向曲率、垂直于所述縱向曲率的橫向曲率、橫向長度和骨骼緊固件的使對肌肉附連位點(diǎn)和神經(jīng)位置的干擾降至最低的固定位置，并在同時(shí)確保創(chuàng)傷防護(hù)板向斷骨的正確安裝和固留。所述重建的骨骼模型也被用于產(chǎn)生實(shí)體3D骨骼模型。在示例性形式中，所述軟件被編程以將虛擬的重建骨骼模型作為機(jī)器碼輸出，從而允許以添加法或減除法快速制造3D骨骼模型的原型。出于本公開的目的，添加法包括3D打印，其中從起始空白畫布通過添加材料以形成骨骼模型的分立的層或薄片來產(chǎn)生模型，所述層或薄片一旦通過打印后續(xù)的層彼此堆疊后，形成最終的骨骼模型。相反，減除法包括從固體材料塊開始，并使用機(jī)器碼(例如CNC碼)機(jī)械加工掉材料以獲得固體骨骼模型。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，可以使用多種方法中的任一種來制造實(shí)體骨骼模型。取決于所選的方法，對軟件進(jìn)行編程以將3D虛擬模型轉(zhuǎn)變成機(jī)器碼，以便于3D骨骼模型的快速原型制造和構(gòu)建。在3D骨骼模型構(gòu)建之后，可以在軟件對被最接近地造型成順應(yīng)于患者斷骨的創(chuàng)傷防護(hù)板的選擇的基礎(chǔ)上，構(gòu)建、機(jī)械加工或選擇模板創(chuàng)傷防護(hù)板。一旦完成后，將所述模板創(chuàng)傷防護(hù)板擬合于3D骨骼模型，并通過手動(dòng)彎曲以使創(chuàng)傷防護(hù)板順應(yīng)于所述3D骨骼模型來進(jìn)一步精煉。在創(chuàng)傷防護(hù)板與骨骼模型之間獲得足夠的順應(yīng)性之后，創(chuàng)傷防護(hù)板可以被認(rèn)為是患者特異性的，并且在滅菌后隨時(shí)準(zhǔn)備好用于植入到患者中。患者特異性髖籠模板制作和放置引導(dǎo)器參考圖153，以流程圖的形式圖示了用于髖籠模板制作和放置引導(dǎo)器的示例性系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)和方法包括計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件，進(jìn)行計(jì)算以確定一組模板髖籠內(nèi)的最佳擬合，以便減少將來為了擬合擬合以匹配患者的骨骼幾何形狀可能必需的形狀改變。在示例性形式中，系統(tǒng)包括構(gòu)建患者髖部(如果骨折或退化的話，作為統(tǒng)一的骨骼)的3D模型，然后針對所述3D模型形成模板髖籠，以在植入之前最終定下髖籠的形狀。通過這種方式，最終的髖籠形狀和附連位點(diǎn)是患者特異性的并允許更接近地?cái)M合于患者解剖結(jié)構(gòu)，消除髖籠的放置位置的不明確性，并縮短手術(shù)時(shí)間。所述系統(tǒng)可以容易地部署在日常臨床環(huán)境或外科醫(yī)生的辦公室中。再次參考圖153，系統(tǒng)的初始輸入是描繪患者髖部(全部或部分盆骨)的多種醫(yī)學(xué)圖像中的任一種。例如，這些醫(yī)學(xué)圖像可以是X-射線、超聲、CT和MRI中的一者或多者。髖骨的圖像被軟件用來構(gòu)建患者髖部的3D虛擬骨骼模型(正如前面針對圖1和7及其相關(guān)描述所描述的，其通過參考并入此處)。然后通過軟件對這個(gè)3D骨骼模型進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)志尋找。所述軟件利用來自于統(tǒng)計(jì)圖集的輸入(例如可能含有特異性標(biāo)志的區(qū)域)和局部幾何分析，與統(tǒng)計(jì)圖集中的那些髖骨模型進(jìn)行比較來計(jì)算3D骨骼模型的解剖學(xué)標(biāo)志。這種計(jì)算對于每個(gè)標(biāo)志來說是特異性的。例如，所述區(qū)域的近似形狀是已知的，正在搜索的標(biāo)志相對于局部形狀特征的位置是已知的。例如，定位髖臼的前盂唇溝槽點(diǎn)的上緣，通過在統(tǒng)計(jì)圖集中的前盂唇溝槽點(diǎn)的上緣的近似位置的基礎(chǔ)上對搜索進(jìn)行精煉來實(shí)現(xiàn)。對于所討論的每個(gè)標(biāo)志，重復(fù)這一過程。在為3D骨骼模型自動(dòng)計(jì)算解剖學(xué)標(biāo)志后，通過軟件對骨骼模型進(jìn)行分析以計(jì)算在多個(gè)模板髖籠中哪一個(gè)最接近擬合所述解剖學(xué)標(biāo)志。除了計(jì)算過個(gè)髖籠中哪一個(gè)最接近擬合患者髖部的解剖學(xué)標(biāo)志之外，軟件還計(jì)算髖籠將被安裝到患者解剖結(jié)構(gòu)的位置。再次參考相關(guān)討論通過參考并入此處的圖20和21，軟件有效地確定髖籠將被安裝到患者解剖結(jié)構(gòu)的位置，并產(chǎn)生虛擬3D引導(dǎo)器，其可被用于輸出足以為修正的髖籠構(gòu)建實(shí)體3D放置引導(dǎo)器的機(jī)器碼。患者髖部的骨骼模型也被用于產(chǎn)生實(shí)體3D骨骼模型。在示例性形式中，軟件被編程以將虛擬3D骨骼模型作為機(jī)器碼輸出，從而允許以添加法或減除法快速制造實(shí)體3D骨骼模型的原型。出于本公開的目的，添加法包括3D打印，其中從起始空白畫布通過添加材料以形成骨骼模型的分立的層或薄片來產(chǎn)生模型，所述層或薄片一旦通過打印后續(xù)的層彼此堆疊后，形成最終的骨骼模型。相反，減除法包括從固體材料塊開始，并使用機(jī)器碼(例如CNC碼)機(jī)械加工掉材料以獲得固體骨骼模型。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，可以使用多種方法中的任一種來制造實(shí)體骨骼模型。取決于所選的方法，對軟件進(jìn)行編程以將3D虛擬模型轉(zhuǎn)變成機(jī)器碼，以便于3D骨骼模型的快速原型制造和構(gòu)建。在3D骨骼模型構(gòu)建之后，可以在軟件對被最接近地造型成順應(yīng)于患者髖部的髖籠的選擇的基礎(chǔ)上，構(gòu)建、機(jī)械加工或選擇髖籠。一旦完成后，將所述模板髖籠擬合于3D骨骼模型，并通過手動(dòng)彎曲以使髖籠順應(yīng)于所述3D骨骼模型來進(jìn)一步精煉。在髖籠與骨骼模型之間獲得足夠的順應(yīng)性之后，髖籠可以被認(rèn)為是患者特異性的，并且在滅菌后隨時(shí)準(zhǔn)備好用于植入到患者中。IMU運(yùn)動(dòng)學(xué)追蹤參考圖154，描繪了使用利用計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件的IMU進(jìn)行骨骼和軟組織的運(yùn)動(dòng)學(xué)追蹤的示例性系統(tǒng)和方法。例如，這種運(yùn)動(dòng)學(xué)追蹤可以提供關(guān)于患者運(yùn)動(dòng)學(xué)的有用信息，用于手術(shù)前外科計(jì)劃。出于示例性解釋的目的，本系統(tǒng)和方法將在追蹤骨骼運(yùn)動(dòng)并從整合了骨骼和軟組織的3D虛擬模型獲得產(chǎn)生的軟組織運(yùn)動(dòng)的背景中進(jìn)行描述。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到，本系統(tǒng)和方法適用于任何骨骼、軟組織或運(yùn)動(dòng)學(xué)追蹤嘗試。此外，盡管骨骼和軟組織的運(yùn)動(dòng)學(xué)追蹤在膝關(guān)節(jié)或脊椎的情形中進(jìn)行討論，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，所述示例性的系統(tǒng)和方法適用于除了膝關(guān)節(jié)之外的關(guān)節(jié)和椎骨之外的骨骼。作為討論用于骨骼和軟組織運(yùn)動(dòng)學(xué)追蹤的示例性系統(tǒng)和方法的前言步驟，假設(shè)患者的解剖結(jié)構(gòu)(待追蹤的)已被成像(包括但不限于X-射線、CT、MRI和超聲)，并且已依照通過參考并入此處的前面的“全解剖結(jié)構(gòu)重建”部分中描述的方法產(chǎn)生了患者解剖結(jié)構(gòu)的虛擬3D模型。因此，為增加簡便性，利用患者圖像產(chǎn)生患者解剖結(jié)構(gòu)的虛擬3D模型的詳細(xì)討論已被省略。如果在所述成像方法的基礎(chǔ)上可以獲得軟組織(例如韌帶、肌腱等)的圖像，則在將骨骼分段以形成患者解剖結(jié)構(gòu)的虛擬3D模型時(shí)，這些圖像也被軟件包含并分段。如果不能從所述成像方法獲得軟組織圖像，則將骨骼的3D虛擬模型移向患者特異性軟組織添加過程。具體來說，可以利用統(tǒng)計(jì)圖集來估算軟組織相對于3D骨骼模型的每個(gè)骨骼形狀的位置。使3D骨骼模型(不論軟組織是否是所述模型的一部分)經(jīng)歷由軟件執(zhí)行的自動(dòng)尋找標(biāo)志的過程。如前文中所討論的，所述自動(dòng)尋找標(biāo)志過程利用來自于統(tǒng)計(jì)圖集的輸入(例如可能含有特定標(biāo)志的區(qū)域)和局部幾何學(xué)分析，為統(tǒng)計(jì)圖集內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)的每種情況計(jì)算解剖學(xué)標(biāo)志。在3D骨骼模型中不存在軟組織的情形中，利用通過軟件為3D骨骼模型計(jì)算的解剖學(xué)標(biāo)志來提供軟組織最可能的位置以及所述軟組織最可能的大小，這兩者被并入到所述3D骨骼模型中，以產(chǎn)生準(zhǔn)患者特異性的3D骨骼和軟組織模型。在任一情況下，所述解剖學(xué)標(biāo)志和所述3D骨骼和軟組織模型可以使用軟件的用戶界面(即軟件界面)觀察和操作。所述軟件界面被通訊連接到視覺顯示器，其向用戶提供關(guān)于患者骨骼和軟組織的相對動(dòng)態(tài)位置的信息，所述信息包含虛擬骨骼和軟組織模型。為了提供這種當(dāng)患者的骨骼和軟組織被重新定位時(shí)被實(shí)時(shí)更新的動(dòng)態(tài)視覺信息，軟件界面也被通訊連接到任何數(shù)目的IMU1002。這些IMU被剛性固定到對應(yīng)于所述虛擬3D模型的骨骼的一個(gè)或多個(gè)骨骼，并追蹤所述骨骼的相對旋轉(zhuǎn)。例如，所述骨骼在膝關(guān)節(jié)的情形中可以包含脛骨和股骨，或者在脊椎的情形中可以包含一個(gè)或多個(gè)椎骨(例如L1和L5椎骨)。為了追蹤骨骼的平移，將附加的追蹤傳感器(例如超寬帶)與每個(gè)IMU相連(或合并作為單一裝置的一部分)，以便將每個(gè)IMU的位置針對它所安裝到的相應(yīng)骨骼配準(zhǔn)。通過這種方式，通過在3D空間中動(dòng)態(tài)追蹤所述追蹤傳感器并了解追蹤傳感器相對于IMU的位置以及安裝到相應(yīng)骨骼的每個(gè)IMU的位置，系統(tǒng)首先能夠?qū)⒆粉檪鞲衅鞯膭?dòng)態(tài)移動(dòng)與所討論的骨骼的動(dòng)態(tài)位置相關(guān)聯(lián)。為了從IMU獲得有意義的數(shù)據(jù)，需要將患者骨骼針對虛擬3D骨骼和軟組織模型配準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，將患者的關(guān)節(jié)或骨骼在對應(yīng)于虛擬3D骨骼模型的位置的預(yù)定位置中保持靜止。例如，可以將患者的股骨和脛骨擺正，使得小腿與大腿在一條線上，此時(shí)所述3D虛擬骨骼模型也體現(xiàn)出股骨和脛骨縱向?qū)R的位置。同樣地，可以將患者的股骨和脛骨取向成彼此垂直并保持在這個(gè)位置中，此時(shí)所述3D虛擬骨骼和軟組織模型被取向成使股骨與脛骨彼此垂直。使用UWB追蹤傳感器，將骨骼相對于彼此的位置針對虛擬3D骨骼和軟組織模型配準(zhǔn)，IMU也是如此。應(yīng)該指出，根據(jù)上面的公開內(nèi)容，在配準(zhǔn)之前使用前文中公開的校準(zhǔn)工具1000將IMU校準(zhǔn)。例如，在所述3D虛擬骨骼和軟組織模型包括股骨、脛骨和膝關(guān)節(jié)的相關(guān)軟組織的膝關(guān)節(jié)的情形中，所述3D虛擬模型可以呈現(xiàn)股骨和脛骨沿著共同軸延伸的位置(即共同軸位姿)。為了將患者與這種共同軸位姿配準(zhǔn)，使患者配備IMU和追蹤傳感器(剛性固定到脛骨和股骨)并采取引起股骨和脛骨沿著共同軸對齊的直腿位置。保持這種位置直至軟件界面確認(rèn)IMU和傳感器的位置相對不變，并且軟件界面的用戶指示正采取配準(zhǔn)位姿。可以對其他位姿重復(fù)這一過程，以便將所述3D虛擬模型與IMU和追蹤傳感器配準(zhǔn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，配準(zhǔn)的精確性一般將隨著配準(zhǔn)位姿數(shù)目的增加而提高。參考圖175和176，在3D虛擬模型包括脊椎的某些椎骨的脊椎的情形中，在患者平躺在工作臺上或直立的情況下所述3D虛擬模型可以呈現(xiàn)椎骨沿著共同軸延伸的位置(即共同軸位姿)。為了將患者與這種共同軸位姿配準(zhǔn)，使患者配備如圖175中所示剛性固定到相對于L1和L5椎骨的位置中的IMU1002和其他追蹤傳感器，并采取與3D虛擬模型的中間直立脊椎位置相關(guān)的中間直立脊椎位置。保持這種位置直至軟件界面確認(rèn)IMU和傳感器的位置相對不變，并且軟件界面的用戶指示正采取配準(zhǔn)位姿?？梢詫ζ渌蛔酥貜?fù)這一過程，以便將所述3D虛擬模型與IMU和追蹤傳感器配準(zhǔn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，配準(zhǔn)的精確性一般將隨著配準(zhǔn)位姿數(shù)目的增加而提高。在配準(zhǔn)后，可以將患者解剖結(jié)構(gòu)在3D空間中移動(dòng)并使用IMU和追蹤傳感器動(dòng)態(tài)追蹤，以便通過3D虛擬模型的移動(dòng)將骨骼和軟組織的移動(dòng)圖形顯示在視覺顯示器上(在脊椎的情形中參見圖176)。當(dāng)患者移動(dòng)時(shí)，軟件從IMU和/或追蹤傳感器讀取輸出并處理這些輸出，以將所述輸出轉(zhuǎn)變成正描繪在視覺顯示器上的3D模型的動(dòng)態(tài)圖形變化(同時(shí)保持例如韌帶長度、關(guān)節(jié)位姿和關(guān)節(jié)表面接觸區(qū)域的追蹤)。如圖177中所示，當(dāng)利用兩個(gè)或更多IMU來追蹤患者解剖結(jié)構(gòu)(例如骨骼)時(shí)，正如上文中討論的，軟件界面確定第一IMU相對于第二IMU的相對取向，因?yàn)槊總€(gè)IMU處理器被編程成在來自于IMU的陀螺儀、加速計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)的輸入的基礎(chǔ)上，利用帶有vonMises-Fisher密度算法的序貫蒙特卡羅方法(SMC)來計(jì)算IMU1002的位置變化。前面的SMC方法的討論通過參考并入此處。具有健康和病態(tài)腰椎的患者的運(yùn)動(dòng)情況顯著不同，使得對于病理患者來說離面運(yùn)動(dòng)更高。具體來說，健康和病理患者可以使用IMU，通過使患者進(jìn)行三種活動(dòng)——軸向旋轉(zhuǎn)(AR)、橫向彎曲(LB)和屈伸(FE)來區(qū)分。對于每種提出的運(yùn)動(dòng)來說，系數(shù)如下計(jì)算：CFE=AAR+ALBAFECLB=AAR+AFEALBCAR=ALB+AFEAAR]]>其中AM表示在為其計(jì)算C的運(yùn)動(dòng)M期間角向運(yùn)動(dòng)的絕對值之和。圖178描繪了使用雙IMU所測量的健康與病理患者的反應(yīng)的比較。通過使用IMU，所述示例性系統(tǒng)允許對患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和定量評估，而不需更昂貴和侵入性的追蹤系統(tǒng)。圖155和174描繪了操作偶聯(lián)到軟件界面的示例性視覺顯示(即用戶界面)。正如在圖155中的示例性形式中所描繪的，股骨遠(yuǎn)端被顯示成與脛骨近端相接(并且也顯示在虛影近端腓骨中)。所述視覺顯示反映出軟件界面的動(dòng)態(tài)更新，以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)患者的小腿相對于大腿重新定位時(shí)相應(yīng)骨骼的位置正在如何變化。在圖174的情形中，軟件還能根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算近端脛骨上的預(yù)測載荷分布。換句話說，在膝關(guān)節(jié)的情形中，軟件追蹤遠(yuǎn)端股骨和近端脛骨的移動(dòng)，并記錄通過膝關(guān)節(jié)的多種運(yùn)動(dòng)，脛骨表面的某些部分被遠(yuǎn)端股骨接觸的頻率。在股骨和脛骨的區(qū)域之間的接觸頻率的基礎(chǔ)上，軟件有效地產(chǎn)生反映出接觸分布的顏色梯度，使得深紅色區(qū)域被接觸得最頻繁，而藍(lán)色區(qū)域被接觸得最少，紅色與藍(lán)色之間的漸變梯度(包括橙色、黃色、綠色和acqua)指示最高與最低頻率之間的接觸區(qū)域。作為另一個(gè)實(shí)例，軟件界面還突出軟組織畸形的位置以及通過這些運(yùn)動(dòng)追蹤解剖學(xué)軸，例如在圖160-162中示出的。例如，如圖156-158所示，軟件利用儲存在骨骼統(tǒng)計(jì)圖集中的軟組織附連位點(diǎn)的位置粗略估計(jì)所述附連位點(diǎn)，并在追蹤的骨骼(在這種情況下是股骨和脛骨)的運(yùn)動(dòng)學(xué)移動(dòng)的基礎(chǔ)上，并入軟組織數(shù)據(jù)作為虛擬模型的一部分。更具體來說，軟件界面被通訊連接到運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)庫和解剖學(xué)數(shù)據(jù)庫(例如骨骼統(tǒng)計(jì)圖集)。來自于這兩個(gè)以前已被關(guān)聯(lián)(將骨骼相對于彼此的運(yùn)動(dòng)學(xué)移動(dòng)與軟組織附連位點(diǎn)的位置相關(guān)聯(lián))的數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，允許軟件同時(shí)顯示解剖學(xué)數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。因此，如圖159中所示，軟件可以被操作以包括韌帶構(gòu)建或重建特點(diǎn)，以便可以顯示與骨骼偶聯(lián)的韌帶。同樣地，軟件界面追蹤并記錄骨骼和韌帶模型的運(yùn)動(dòng)，以便如圖160中所示，顯示在時(shí)間流逝的意義上當(dāng)患者的骨骼通過多種運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)時(shí)，韌帶如何動(dòng)態(tài)地伸展。這些運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)與熒光檢查法相比提供了更清楚的圖像，并且也避免了使患者經(jīng)歷有害輻射。參考圖164-172，動(dòng)態(tài)移動(dòng)的3D虛擬骨骼和軟組織模型的視覺表述特別適用于進(jìn)行診斷和手術(shù)前計(jì)劃的臨床醫(yī)生。例如，臨床醫(yī)生可以對膝關(guān)節(jié)進(jìn)行各種不同試驗(yàn)例如抽屜試驗(yàn)，以觀察骨骼和軟組織在多種運(yùn)動(dòng)中的移動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)學(xué)追蹤信息可以被輸入到例如手術(shù)計(jì)劃界面中，以限制可能違反從運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)獲得的韌帶長度的切口計(jì)劃。運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)也可用于各種膝關(guān)節(jié)試驗(yàn)的實(shí)時(shí)定量(例如Oxford膝關(guān)節(jié)評分)或用于使用統(tǒng)計(jì)模式識別或機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)產(chǎn)生新的可定量的膝關(guān)節(jié)評分系統(tǒng)?？偟膩碚f，當(dāng)可替選方案例如熒光檢查法可能成本更高并且對患者健康更有害時(shí)，臨床醫(yī)生試驗(yàn)可用于更準(zhǔn)確的手術(shù)前和手術(shù)后評估。參考圖173，描繪了示例性的IMU套。所述套被固定安裝到一對棘輪帶。所述棘輪帶被配置成包圍所討論的解剖結(jié)構(gòu)例如股骨遠(yuǎn)端并系緊，以抑制所述套相對于所討論的解剖結(jié)構(gòu)的顯著重新定位。所述套還包括IMU包孔，其尺寸可以接納IMU包。當(dāng)將IMU包至于孔內(nèi)時(shí)，所述孔的尺寸不允許當(dāng)可復(fù)位鎖嚙合IMU包的相反末端時(shí)IMU包相對于所述套顯著移動(dòng)。通過這種方式，可以通過操縱所述鎖將IMU包固定到所述套或從所述套取出。在示例性形式中，所述IMU包除了電源開關(guān)之外，還包括至少一個(gè)IMU1002和相關(guān)電源、IMU處理器和無線傳輸器。通過這種方式，IMU包是獨(dú)立自給的物件，它能夠在用于追蹤患者骨骼時(shí)偶聯(lián)到所述套，然后從所述套取出。在重復(fù)使用和滅菌的情形中，IMU套可以重復(fù)使用或是一次性的，而IMU包打算重復(fù)使用。然而，在某些情況下，將IMU包一次性使用可能更經(jīng)濟(jì)。除了手術(shù)前和手術(shù)后評估之外，本系統(tǒng)和方法可能可用于手術(shù)中評估。對于患者特異性切口計(jì)劃來說，從所述計(jì)劃和患者骨骼數(shù)據(jù)產(chǎn)生定制的切割引導(dǎo)器。使用IMU為TKA進(jìn)行外科導(dǎo)航參考圖179，描繪了使用一個(gè)或多個(gè)慣性測量單元(IMU)以便于外科導(dǎo)航從而在全膝關(guān)節(jié)置換(TKA)手術(shù)期間準(zhǔn)確定位脛骨組件的可替選的示例性系統(tǒng)和方法。利用患者圖像(X-射線、CT、MRI等)和進(jìn)行分段或配準(zhǔn)以獲得患者解剖結(jié)構(gòu)的虛擬模板和適合的植入物尺寸、形狀和放置的初始步驟，與前面參考圖87、88、90-92所描述的相同。略微有些區(qū)別的是在虛擬模板制作模塊下游使用的模塊和過程。在虛擬模板制作模塊下游是初始化模型產(chǎn)生模塊。與前面討論的夾具產(chǎn)生模塊相似，這個(gè)模塊也接收模板數(shù)據(jù)和相關(guān)的計(jì)劃參數(shù)(即患者特異性脛骨植入物的形狀和相對于患者殘留脛骨的放置是已知的，患者特異性股骨植入物得形狀和相對于患者殘留股骨的放置也是已知的)。使用這個(gè)患者特異性信息，初始化模型產(chǎn)生模塊制造用于患者的本源遠(yuǎn)端股骨的初始化裝置的3D虛擬模型和用于近端脛骨的初始化裝置的3D虛擬模型。換句話說，股骨初始化裝置的3D模型被產(chǎn)生成患者遠(yuǎn)端股骨的特定解剖學(xué)表面的“負(fù)形”，使得實(shí)際的初始化裝置精確匹配患者的遠(yuǎn)端股骨。同樣地，脛骨初始化裝置的3D模型被產(chǎn)生成患者近端脛骨的解剖學(xué)表面的“負(fù)形”，使得實(shí)際的初始化裝置僅在單一位置和單一取向下精確匹配患者的殘留脛骨。除了產(chǎn)生這些初始化裝置之外，初始化模型產(chǎn)生模塊還產(chǎn)生快速原型機(jī)、CNC機(jī)或類似裝置所必需的機(jī)器碼，以制造實(shí)際的股骨初始化裝置和脛骨初始化裝置。實(shí)際的股骨初始化裝置和脛骨初始化裝置被制造并安裝到(或同時(shí)形成或集成到)或集成到被配置成具有至少一個(gè)IMU1002的外科導(dǎo)航工具。每個(gè)IMU1002能夠報(bào)告取向和平移數(shù)據(jù)，并與一個(gè)或多個(gè)外科工具組合(例如安裝到它們)來協(xié)助外科導(dǎo)航以在TKA手術(shù)期間放置股骨組件和脛骨組件。每個(gè)IMU1002被通訊偶聯(lián)(有線或無線)到軟件系統(tǒng)，所述軟件系統(tǒng)接收來自于IMU的指示相對速度和時(shí)間并允許軟件計(jì)算IMU的當(dāng)前位置和取向的輸出數(shù)據(jù)，或者IMU1002計(jì)算并發(fā)送將在后文中更詳細(xì)討論的外科器械的位置和取向、與IMU相關(guān)聯(lián)的外科器械的位置和取向。在這個(gè)示例性描述中，每個(gè)IMU1002包括3個(gè)陀螺儀、3個(gè)加速計(jì)和3個(gè)霍爾效應(yīng)磁強(qiáng)計(jì)(成套的3個(gè)三軸陀螺儀、加速計(jì)、磁強(qiáng)計(jì))，其可以集成在單一電路板中或者包含一個(gè)或多個(gè)傳感器(例如陀螺儀、加速計(jì)、磁強(qiáng)計(jì))的單獨(dú)的板，以便輸出與互相垂直的3個(gè)方向(例如X、Y、Z方向)有關(guān)的數(shù)據(jù)。通過這種方式，每個(gè)IMU1002有效地從3個(gè)陀螺儀、3個(gè)加速計(jì)和3個(gè)霍爾效應(yīng)磁強(qiáng)計(jì)產(chǎn)生21個(gè)電壓或數(shù)值輸出。在示例性形式中，每個(gè)IMU1002包括傳感器板和處理板，其中傳感器板包括由3個(gè)加速計(jì)、3個(gè)陀螺儀傳感器和3個(gè)磁強(qiáng)計(jì)構(gòu)成的集成的感應(yīng)模塊(LSM9DS，ST-Microelectronics)和兩個(gè)由3個(gè)加速計(jì)和3個(gè)磁強(qiáng)計(jì)構(gòu)成的集成的感應(yīng)模塊(LSM303，ST-Microelectronics)。具體來說，IMU1002各自包括角動(dòng)量傳感器，其測量至少3個(gè)軸上空間的旋轉(zhuǎn)變化：俯仰軸(上下)，偏蕩軸(左右)和翻滾軸(順時(shí)針或反時(shí)針旋轉(zhuǎn))。更具體來說，每個(gè)包含磁強(qiáng)計(jì)的集成的感應(yīng)模塊被放置在電路板上的不同位置處，其中每個(gè)磁強(qiáng)計(jì)被指派輸出與施加的磁場成正比的電壓，并且也探測三維坐標(biāo)系內(nèi)的3個(gè)方向中的每個(gè)方向上的空間點(diǎn)處磁場的極性方向。例如，第一磁強(qiáng)計(jì)輸出在第一位置處與施加的磁場成正比的電壓和在X方向、Y方向和Z方向上磁場的極性方向，而第二磁強(qiáng)計(jì)輸出在第二位置處與施加的磁場成正比的電壓和在X方向、Y方向和Z方向上磁場的極性方向，并且第三磁強(qiáng)計(jì)輸出在第三位置處與施加的磁場成正比的電壓和在X方向、Y方向和Z方向上磁場的極性方向。通過使用這三組磁強(qiáng)計(jì)，除了檢測局部磁場波動(dòng)之外還可以確定IMU的航向取向。每個(gè)磁強(qiáng)計(jì)使用磁場作為參比并確定與磁北的取向偏離。然而，局部磁場可以被鐵或磁性材料扭曲，通常被稱為硬或軟鐵扭曲。軟鐵扭曲的實(shí)例是具有低的磁導(dǎo)率的材料例如碳鋼、不銹鋼等。硬鐵扭曲由永磁體引起。這些扭曲產(chǎn)生不均勻的場(參見圖校準(zhǔn)1-3)，其影響用于處理磁強(qiáng)計(jì)輸出和解析航向取向的算法的準(zhǔn)確性。因此，正如在后文中更詳細(xì)討論的，利用校準(zhǔn)算法來校準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)以恢復(fù)在檢測到的磁場中的均勻性。每個(gè)IMU1002可以由可更換或可充電儲能裝置供電，例如但不限于CR2032紐扣電池和200mAh可充電鋰離子電池。IMU1002中集成的感應(yīng)模塊可以包括可配置的信號調(diào)制電路和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，其為傳感器產(chǎn)生數(shù)字輸出。IMU1002可以使用具有電壓輸出的傳感器，其中可以是補(bǔ)償放大器的信號調(diào)制電路被配置成將傳感器輸出調(diào)制到多通道24位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)(ADS1258，TexasInstrument)的輸入范圍。IMU1002還包括集成處理模塊，其包括微控制器和無線傳輸模塊(CC2541，TexasInstrument)?；蛘撸琁MU1002可以使用單獨(dú)的低功率微控制器(MSP430F2274，TexasInstrument)作為處理器和緊湊型無線傳輸模塊(A2500R24A，Anaren)用于通訊。所述處理器可以作為每個(gè)IMU1002的一部分被集成，或與每個(gè)IMU分開但與其通訊連接。該處理器可以是兼容藍(lán)牙的，并提供針對陀螺儀、加速計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)的有線或無線通訊，以及提供處理器與信號接收器之間的有線或無線通訊。每個(gè)IMU1002被通訊連接到信號接收器，所述信號接收器使用預(yù)定的裝置標(biāo)識號處理從多個(gè)IMU接收到的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)速率對于單一IMU來說約為100Hz，并且在更多的IMU加入共享網(wǎng)絡(luò)時(shí)減少。信號接收器的軟件實(shí)時(shí)接收來自于IMU1002的信號，并在接收到的IMU數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上連續(xù)計(jì)算IMU的當(dāng)前位置。具體來說，將從IMU輸出的加速度測量值針對時(shí)間積分，以計(jì)算IMU在3個(gè)軸中的每個(gè)軸上的當(dāng)前速度。將為每個(gè)軸計(jì)算的速度對時(shí)間積分，以計(jì)算當(dāng)前位置。但是，為了獲得有用的位置數(shù)據(jù)，必須建立參照構(gòu)架，其包括校準(zhǔn)每個(gè)IMU。在將IMU1002用于外科導(dǎo)航之前，按照前面在本文中討論并因此通過參考并入此處的校準(zhǔn)公開內(nèi)容將IMU校準(zhǔn)。此外，每個(gè)IMU處理器被編程，以利用帶有vonMises-Fisher密度算法的序貫蒙特卡羅方法(SMC)，在來自于IMU的陀螺儀、加速計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)的輸入的基礎(chǔ)上計(jì)算IMU1002的位置變化。如圖179中所示，在校準(zhǔn)后，可以將IMU1002與所討論的解剖結(jié)構(gòu)配準(zhǔn)。在本例中，將IMU配準(zhǔn)到近端脛骨和遠(yuǎn)端股骨。為了將IMU1002配準(zhǔn)到近端脛骨，將第一IMU安裝到近端脛骨定位工具，其具有僅在單一位置和取向上與一部分近端脛骨的外部匹配的內(nèi)表面。一旦以該獨(dú)特的位置和取向定位后，將近端脛骨定位工具安裝到近端脛骨，在示例性形式中使用外科螺栓來進(jìn)行。將第二IMU固定安裝到旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航工具，其被放置在切開的近端脛骨頂上。當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航工具被正確取向并旋轉(zhuǎn)定位在患者的切開的近端脛骨上時(shí)，第二IMU1002相對于第一IMU的取向是已知的。操作人員向軟件系統(tǒng)指明第一IMU處于其正確位置中，然后軟件使用來自于兩個(gè)IMU的輸出來建立第二IMU的位置。將第二IMU的這個(gè)位置與以前確定的外科計(jì)劃進(jìn)行比較，以確定旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航工具的取向和旋轉(zhuǎn)對齊相對于所述外科計(jì)劃是正確的。果真如此的話，利用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航工具在近端脛骨中鉆出一個(gè)或多個(gè)孔，用于晚些時(shí)候TKA的永久性脛骨組件的對齊。如果旋轉(zhuǎn)對齊是錯(cuò)誤的，軟件和視覺顯示器向外科醫(yī)生提供反饋，以便于導(dǎo)航工具針對近端脛骨的正確外科導(dǎo)航。在示例性形式中，軟件程序?yàn)橥饪漆t(yī)生提供圖形用戶界面，其顯示患者近端脛骨的虛擬模型和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航工具的虛擬模型(患者脛骨的虛擬模型已按照虛擬模板制作步驟完成，并且對于可以利用的特定旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航工具來說，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航工具的虛擬模型先前已被裝載在系統(tǒng)中)，并通過所述圖形用戶界面實(shí)時(shí)更新脛骨和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航工具的取向，向外科醫(yī)生提供位置和取向信息。不使用圖形用戶界面，本系統(tǒng)可以包括具有指示燈的外科裝置，所述指示燈為外科醫(yī)生指示旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航工具是否正確取向，并且如果未正確取向的話，需要將旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航工具重新定位到何種方向才能將所述導(dǎo)航工具正確定向成與手術(shù)前計(jì)劃相一致。在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航工具的取向和位置實(shí)現(xiàn)后，外科醫(yī)生可以在股骨近端中鉆出一個(gè)或多個(gè)孔，以準(zhǔn)備植入TKA的近端脛骨組件。類似的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航工具和一組IMU可以與類似的配準(zhǔn)過程并與軟件系統(tǒng)一起使用，以協(xié)助在TKA期間遠(yuǎn)端股骨組件的放置。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉常規(guī)的下頜骨接骨板，因此為簡潔起見，省略了下頜骨接骨板的總體設(shè)計(jì)的詳細(xì)討論。本系統(tǒng)和方法所實(shí)現(xiàn)的與常規(guī)的系統(tǒng)和方法不同，是應(yīng)對殘骨和骨移植物兩者的形狀的患者特異性接骨板和放置引導(dǎo)器的形成。具體來說，對于(自動(dòng)或手動(dòng))鑒定到的每個(gè)接骨板位置，系統(tǒng)設(shè)計(jì)虛擬3D接骨板和相關(guān)的放置引導(dǎo)器。將每個(gè)虛擬3D接骨板和引導(dǎo)器模型針對混成3D模型(包括在重建位置中的骨移植物和患者殘骨)疊加，以確保每個(gè)虛擬3D接骨板和引導(dǎo)器模型的底面是下方骨骼的負(fù)形，無論所述下方骨骼是骨移植物還是殘骨。通過這種方式，虛擬3D接骨板和引導(dǎo)器模型一起工作，以確保接骨板的正確放置和接骨板、骨移植物與殘骨之間的相應(yīng)嚙合。用于將接骨板固定到骨移植物和殘骨的示例性安裝技術(shù)可以包括但不限于螺釘、榫釘和銷針。為了容納一個(gè)或多個(gè)這些安裝技術(shù)或其他安裝技術(shù)，每個(gè)虛擬3D接骨板和放置引導(dǎo)器包括一個(gè)或多個(gè)貫通孔。在每個(gè)虛擬3D接骨板和引導(dǎo)器的設(shè)計(jì)完成后，系統(tǒng)產(chǎn)生并輸出快速原型機(jī)、CNC機(jī)或類似裝置所必需的機(jī)器碼以制造每個(gè)3D接骨板和引導(dǎo)器，隨后制造真實(shí)的接骨板和引導(dǎo)器。遵照上面的描述和發(fā)明概述，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該顯然看出，盡管本文中描述的方法和裝置構(gòu)成本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，但本文包含的發(fā)明不限于僅僅這一個(gè)實(shí)施方式，并且可以對這些實(shí)施方式做出改變而不背離由權(quán)利要求書定義的本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)該理解，本發(fā)明由權(quán)利要求書定義，并且不打算將描述本文中提出的示例性實(shí)施方式的任何限制或要素并入到任何權(quán)利要求書要素的解釋之中，除非這樣的限制或要素被明確陳述。同樣地，應(yīng)該理解，為了落于任何權(quán)利要求項(xiàng)的范圍之內(nèi)，不必滿足本文公開的發(fā)明的任何或所有鑒定到的優(yōu)點(diǎn)或目的，這是因?yàn)楸景l(fā)明由權(quán)利要求書定義，并且還因?yàn)榭赡艽嬖诒景l(fā)明的固有和/或無法預(yù)見的優(yōu)點(diǎn)，盡管它們可能尚未在本文中明確討論。當(dāng)前第1頁1 2 3