用于全髋关节置换术的术前计划的系统和方法技术方案

为外科手术(特别是THA)提供计划工具。可以同时显示患者的肌肉骨骼结构的图像(例如，与相应平面相关联并且处于相同或不同功能性位置中)，并且经由共同配准和空间变换，可以在正确地相对于每个图像的相同位置中渲染并叠加3D植入物或其他对象。该3D植入物可以(例如经由手柄或自动使用图像处理)被适配到患者体内的现有植入物并移动到其他位置，例如以测量现有位置或计划初始位置或新位置。可以相对于与相应图像相关联的各种平面和/或相对于现有植入物来表示测量值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于全髋关节置换术的术前计划的系统和方法交叉引用就美国而言，本申请要求巴黎公约对以下申请的国内利益以及对于其他司法管辖区的优先权：1)2017年10月6日提交的题为”用于全髋关节置换术的术前计划的系统和方法”的美国临时申请号62/569,106，和2)2018年6月29日提交的题为“用于全髋关节置换术的术前计划的系统和方法”的美国临时申请号62/691,912，就允许并入的任何司法管辖区而言，将每个申请的全部内容通过引用并入本文。
本主题涉及包括其方法和系统的外科手术中的计算机辅助程序，并且更具体地涉及一种如用于全髋关节置换术的术前计划的系统和方法。
技术介绍
本说明书和相关附图将使用髋关节置换外科手术作为主要例子；该例子旨在是非限制性的，并且本文所述的系统和方法可以应用于各种其他外科手术程序或肌肉骨骼诊断。髋关节置换外科手术(或全髋关节置换术，THA)涉及用假体植入物置换患者的天然髋关节(近端股骨和髋臼)。植入物的位置对于新关节的功能很重要。例如，未对准的髋臼杯可能在术后脱位，并且错位的股骨柄可能导致假体周围骨折或腿长度不等。当涉及植入假体时，术语“位置"可以指临床相关参数，如相对于骨的平移位置或相对于解剖轴的角位置；术语“位置”旨在由本领域技术人员基于其使用的上下文来解释。在髋关节置换外科手术中，各个植入物的位置很重要，假体关节两侧的组合位置也很重要(例如，髋关节的组合前倾角是髋臼和股骨前倾角的总和，并且已知与髋关节稳定性临床相关)。关节植入物的理想位置可以是患者特异性的，并且特别地，取决于患者的功能性肌肉骨骼运动学(即，各种肌肉骨骼结构如何通过功能性位置移动)。功能性位置或移动通常是指在基本的日常任务(特别是维持基本生活质量必不可少的那些任务，如站起、坐下、上楼梯等)期间肌肉骨骼系统的生物力学和运动学。例如，在健康的肌肉骨骼系统中，骨盆在站立和端坐位置之间的矢状平面内倾斜。具有异常肌肉骨骼系统(例如，运动过度的脊柱、退行性疾病和/或融合的腰椎)的患者可能经历异常的功能性肌肉骨骼运动学，如从站立到端坐的矢状平面内的异常程度的倾斜。例如，僵硬的脊柱可能导致骨盆在端坐时具有相对低的倾斜(向后)变化，这导致异常高的髋关节弯曲，使患者处于碰撞和/或脱位的风险中。图1A和1B示出了从站立到端坐位置的正常骨盆移动，图2A和2B示出了从站立到端坐位置的异常骨盆移动，其中，异常是由脊柱硬件所示的脊柱僵硬引起的。除了影响功能性位置之间的倾斜变化之外，变形还可导致肌肉骨骼系统位置偏离名义上的健康位置(例如，不健康患者在正常站立时可具有在矢状和/或冠状平面上倾斜的骨盆)。
技术实现思路
公开了为外科手术(特别是THA)提供计划工具的方法和系统。可以同时显示患者的肌肉骨骼结构的图像(例如，与相应平面相关联并且处于相同或不同功能性位置中)，并且经由共同配准和空间变换，可以在正确地相对于每个图像的相同位置中渲染并叠加3D植入物或其他对象。该3D植入物可以(例如经由手柄或自动使用图像处理)被适配到患者体内的现有植入物并移动到其他位置，例如以测量现有位置或计划初始位置或新位置。可以相对于与相应图像相关联的各种平面和/或相对于现有植入物来表示测量值。提供了一种计算机实现的方法，该方法包含：访问并显示患者的肌肉骨骼结构的站立AP图像、站立侧面图像和端座侧面图像；分别接收站立AP图像和站立侧面图像上的相应轴坐标作为输入，并且基于相应轴坐标在站立AP图像和站立侧面图像上定义肌肉骨骼结构的参考轴；分别接收站立侧面图像和端坐侧面图像上的相应倾斜坐标作为输入，并且基于相应倾斜坐标确定肌肉骨骼结构的站立AP图像与站立侧面图像之间的倾斜参数的变化；确定站立AP图像与站立侧面图像之间的空间变换以及站立侧面图像与端坐侧面图像之间的空间变换；基于参考轴以及站立AP图像与站立侧面图像之间的空间变换，在相对于参考轴的第一位置为站立AP图像和站立侧面图像中的每个渲染并叠加3D植入物；基于倾斜参数的变化以及站立侧面图像与端座侧面图像之间的空间变换，在第一位置为端坐侧面图像渲染并叠加3D植入物；接收表示3D植入物的第二位置的输入；并且使用每个空间变换和倾斜参数的变化在第二位置渲染并叠加3D植入物以实时地更新站立AP图像、站立侧面图像和端坐侧面图像中的每个。在权利要求1的计算机实现的方法中，该图像可以是以下任何一种模式：x射线、CT、MRI、EOS。该计算机实现的方法可以进一步包含显示倾斜参数的变化。在该计算机实现的方法中，确定空间变换可以包含以下一个或多个：至少部分地基于所接收的坐标来执行计算；基于所接收的图像之间的对应共同特征来执行计算；以及基于已知的图像采集空间信息来执行计算。在该计算机实施的方法中，肌肉骨骼结构可以包含骨盆，并且该方法可以包含计划全髋关节置换术(THA)程序。在该计算机实施的方法中，肌肉骨骼结构可以是骨盆，3D植入物可以是髋臼杯，并且第一位置可以是40度倾斜角和15度前倾角。在该计算机实现的方法中，第一位置可以至少部分地基于倾斜参数的变化，并且可以被选择为通过功能性患者移动使稳定性最大化。该计算机实现的方法可以进一步包含：接收模板信息，所述模板信息包含植入物尺寸和期望位置中的一个或多个；并且根据所接收的模板信息中的至少一个子集来渲染3D植入物。该计算机实现的方法可以进一步包含显示表示3D植入物当前位置的位置信息。在该计算机实现的方法中，3D植入物可以是髋臼杯，并且该位置信息可以是倾斜角度和前倾角度。在该计算机实现的方法中，表示第二位置的输入可以基于以下一个或多个：对与3D植入物相关联的图像的操纵，所述3D植入物叠加在站立AP图像、站立侧面图像和端坐侧面图像中的一个图像上；以及数值的输入。在该计算机实现的方法中，图像的操纵可以包含点击和拖动与3D植入物叠加相关联的手柄。在该计算机实现的方法中，可以提供与3D植入物相关联的图像和相关联的渲染以用于同时显示。提供了一种计算机实现的方法，该方法包含：访问并显示患者的肌肉骨骼结构的至少三个图像，其中，一对图像具有第一位置的不同视图，而另一对图像具有不同功能性位置的相同视图；基于用户输入在至少两个图像上定义肌肉骨骼结构的参考轴；基于在不同功能性位置的共同视图的两个图像来确定肌肉骨骼结构的位置变化参数，该位置变化参数表示患者在功能性位置之间的位置变化；确定图像之间的空间变换；在相对于参考轴的第一位置中并且根据相应空间变换为每个图像渲染并叠加3D植入物，并将3D植入物渲染叠加在相应图像上；接收表示第二位置的输入；并且至少接近实时地为每个图像相应地更新渲染和叠加。互补的计算设备和计算机程序产品方面以及其他方面和特征对于本领域普通技术人员将是显而易见的。附图说明图1A和图1B示出了根据现有技术的从站立位置到端坐位置的正常骨盆运动。图2A和图2B示出了根据现有技术的从站立位置到端坐位置的异常骨盆运动。图3-图6中每个示出了图形用户界面(GUI)的一部分，其被配置成显示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种计算机实现的方法，包括：/n访问并显示患者的肌肉骨骼结构的站立AP图像、站立侧面图像和端坐侧面图像；/n分别接收所述站立AP图像和所述站立侧面图像上的相应轴坐标作为输入，并且基于所述相应轴坐标在所述站立AP图像和所述站立侧面图像上定义所述肌肉骨骼结构的参考轴；/n分别接收所述站立侧面图像和所述端坐侧面图像上的相应倾斜坐标作为输入，并且基于所述相应倾斜坐标确定所述肌肉骨骼结构的所述站立AP图像与所述站立侧面图像之间的倾斜参数的变化；/n确定所述站立AP图像与所述站立侧面图像之间的空间变换以及所述站立侧面图像与所述端坐侧面图像之间的空间变换；/n基于所述参考轴以及所述站立AP图像与所述站立侧面图像之间的所述空间变换，在相对于所述参考轴的第一位置为所述站立AP图像和所述站立侧面图像中的每个图像渲染并叠加3D植入物；/n基于所述倾斜参数的变化以及所述站立侧面图像与所述端座侧面图像之间的所述空间变换，在所述第一位置为所述端坐侧面图像渲染并叠加所述3D植入物；/n接收表示所述3D植入物的第二位置的输入；和/n使用每个空间变换和所述倾斜参数的变化在所述第二位置渲染并叠加所述3D植入物以实时地更新所述站立AP图像、所述站立侧面图像和所述端坐侧面图像中的每个图像。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171006 US 62/569106;20180629 US 62/6919121.一种计算机实现的方法，包括：
访问并显示患者的肌肉骨骼结构的站立AP图像、站立侧面图像和端坐侧面图像；
分别接收所述站立AP图像和所述站立侧面图像上的相应轴坐标作为输入，并且基于所述相应轴坐标在所述站立AP图像和所述站立侧面图像上定义所述肌肉骨骼结构的参考轴；
分别接收所述站立侧面图像和所述端坐侧面图像上的相应倾斜坐标作为输入，并且基于所述相应倾斜坐标确定所述肌肉骨骼结构的所述站立AP图像与所述站立侧面图像之间的倾斜参数的变化；
确定所述站立AP图像与所述站立侧面图像之间的空间变换以及所述站立侧面图像与所述端坐侧面图像之间的空间变换；
基于所述参考轴以及所述站立AP图像与所述站立侧面图像之间的所述空间变换，在相对于所述参考轴的第一位置为所述站立AP图像和所述站立侧面图像中的每个图像渲染并叠加3D植入物；
基于所述倾斜参数的变化以及所述站立侧面图像与所述端座侧面图像之间的所述空间变换，在所述第一位置为所述端坐侧面图像渲染并叠加所述3D植入物；
接收表示所述3D植入物的第二位置的输入；和
使用每个空间变换和所述倾斜参数的变化在所述第二位置渲染并叠加所述3D植入物以实时地更新所述站立AP图像、所述站立侧面图像和所述端坐侧面图像中的每个图像。


2.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述图像是以下任何一种模式：x射线、CT、MRI、EOS。


3.根据权利要求1或2所述的计算机实现的方法，其中所述方法进一步包括显示倾斜参数的变化。


4.根据权利要求1-3中任一项所述的计算机实现的方法，其中确定空间变换包括以下一者或多者：
至少部分地基于所接收的坐标来执行计算；
基于所接收的图像之间的对应共同特征来执行计算；和
基于已知的图像采集空间信息来执行计算。


5.根据权利要求1-4中任一项所述的计算机实现的方法，其中所述肌肉骨骼结构包括骨盆，并且所述方法包括计划全髋关节置换术(THA)程序。


6.根据权利要求1-5中任一项所述的计算机实现的方法，其中所述肌肉骨骼结构是骨盆，所述3D植入物是髋臼杯，并且所述第一位置是40度倾斜角和15度前倾角。


7.根据权利要求1-6中任一项所述的计算机实现的方法，其中所述第一位置至少部分地基于所述倾斜参数的变化，并且被选择为通过功能性患者移动使稳定性最大化。


8.根据权利要求1-7中任一项所述的计算机实现的方法，其中所述方法进一步包括：
接收模板信息，所述模板信息包括植入物尺寸和期望位置中的一者或多者；和
根据所接收的模板信息中的至少一个子集来渲染所述3D植入物。


9.根据权利要求1-8中任一项所述的计算机实现的方法，其中所述方法进一步包括显示表示所述3D植入物的当前位置的位置信息。


10.根据权利要求9所述的计算机实现的方法，其中所述3D植入物是髋臼杯，并且所述位置信息是倾斜角度和前倾角度。


11.根据权利要求1-10中任一项所述的计算机实现的方法，其中表示所述第二位置的所述输入是基于以下一者或多者：
对与所述3D植入物相关联的图像的操纵，使所述3D植入物叠加在所述站立AP图像、所述站立侧面图像和所述端坐侧面图像中的一个图像上；或者
数值的输入。


12.根据权利要求11所述的计算机实现的方法，其中所述图像的操纵包括点击和拖动与所述3D植入物的叠加相关联的手柄。


13.根据权利要求1-12中任一项所述的计算机实现的方法，其中提供与所述3D植入物相关联的图像和相关联的渲染以用于同时显示。


14.一种计算机实现的方法，包括：
访问并显示患者的肌肉骨骼结构的至少三个图像，其中一对图像具有第一位置的不同视图，且另一对图像具有不同功能性位置的相同视图；
基于用户输入在至少两个图像上定义所述肌肉骨骼结构的参考轴；
基于在不同功能性位置的共同视图的两个图像来确定所述肌肉骨骼结构的位置变化参数，所述位置变化参数表示所述患者在所述功能性位置之间的位置变化；
确定所述图像之间的空间变换；
在相对于所述参考轴的第一位置中并且根据相应空间变换为每个图像渲染并叠加3D植入物，并将所述3D植入物渲染叠加在相应图像上；
接收表示第二位置的输入；和
至少接近实时地为每个图像相应地更新渲染和叠加。


15.一种计算机实现的方法，包括：
访问并显示在不同功能位置中的患者肌肉骨骼结构的第一AP图像和第二AP图像；
接收所述第一AP图像上的指定界标的坐标作为输入；
接收所述第二AP图像上的指定界标的坐标作为输入；
基于从所述第一AP图像和所述第二AP图像接收的坐标来计算AP倾斜参数的变化，所述AP倾斜参数的变化由计算机功能计算，所述计算机功能实现系数将坐标映射到倾斜参数的查找表，并且所述查找表由使用代表性人口数据而产生；和
使用所述AP倾斜参数的变化来共同配准所述第一AP图像和所述第二AP图像以在图形用户界面的所述第一AP图像和所述第二AP图像中每个图像上的相同位置叠加对象。


16.根据权利要求15所述的计算机实现的方法，进一步包括基于参考轴以及所述倾斜参数的变化在第一位置为所述第一AP图像和所述第二AP图像中的每个图像渲染并叠加3D植入物。


17.根据权利要求15或权利要求16所述的计算机实现的方法，进一步包括显示指示所述AP倾斜参数的变化和所述第一位置中的任何一者或两者的数值。


18.根据权利要求16所述的计算机实现的方法，其中所述3D植入物是髋臼杯，且所述肌肉骨骼结构是患者的骨盆。


19.根据权利要求18所述的计算机实现的方法，包括显示指示所述第一位置的数值，并且其中所述数值是倾斜角和前倾角，并且其中倾斜角相对于内侧-侧面参考轴，而前倾角相对于每个图像的平面。


20.根据权利要求15-19中任一项所述的计算机实现的方法，其中所述第一AP图像是站立AP骨盆x射线，且所述第二AP图像是仰卧骨盆x射线。


21.根据权利要求20所述的计算机实现的方法，其中所述骨盆的指定界标是下双侧坐骨结节、耻骨联合以及沿着骨盆边缘的最侧面点。


22.根据权利要求15-21中任一项所述的计算机实现的方法，其中所述查找表基于对于男性和女性不同的人口数据，并且其中所述方法包括接收指示患者性别的输入。


23.根据权利要求15或17-22中任一项所述的计算机实现的方法，包括：
访问并显示所述患者的肌肉骨骼结构的第三图像，其中所述第一图像和所述第三图像是具有第一患者位置的不同视图的图像，并且所述第一图像、所述第二图像和所述第三图像共同定义了三个图像；
基于用户输入在所述三个图像上定义所述肌肉骨骼结构的参考轴；
基于所述参考轴来确定所述第一图像与所述第三图像之间的空间变换；和
响应于所述参考轴在所述三个图像中每个图像的第一植入物位置渲染并叠加3D植入物，其中在所述第二图像上的叠加进一步响应于AP倾斜的变化，并且在所述第三图像上的叠加进一步响应于所述空间变换。


24.根据权利要求23所述的计算机实现的方法，包括接收输入以在第二植入物位置叠加所述3D植入物，并且分别响应于所述AP倾斜的变化和所述空间变换而在所述三个图像中的所述第二植入物位置更新所述3D植入物的叠加。


25.一种计算机实现的方法，包括：
在用户界面UI中访问并显示患者的肌肉骨骼结构的至少三个图像，所述肌肉骨骼结构与包括站立冠状平面、仰卧冠状平面和前骨盆平面的不同平面相关联；
响应于经由所述UI接收的输入，共同配准响应于相应平面和由此所定义的参考轴的所述至少三个图像以产生所述至少三个图像的对之间的相应空间变换；
在所述至少三个图像上在第一植入物位置渲染并叠加3D植入物，所述第一植入物位置由相对于不同平...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔瑟夫·A·思奇普，安德鲁·N·哈迪欧，萨曼莎·L·麦克贝，乔纳森·M·维多奇克，
申请(专利权)人：智能联合外科公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA