机器人辅助韧带移植物放置和张紧制造技术

本发明专利技术描述了在手术程序中放置韧带移植物的方法。手术系统接收与膝关节的运动范围有关的运动学信息，并且注册膝关节的骨解剖结构的一个或多个表面。手术系统还产生膝关节的三维模型。手术系统基于运动学信息和三维模型确定包括移植物隧道的参数的手术计划。还描述了移植物隧道规划系统。将多个跟踪标记附着到患者的骨骼，并且跟踪单元在患者的膝关节的运动范围内捕获所述跟踪标记的定位。点探针捕获患者的骨表面的几何形状。计算模块接收定位数据和几何形状数据，并确定包括移植物隧道的参数的手术计划。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】机器人辅助韧带移植物放置和张紧优先权声明本申请要求2018年8月28日提交的名称为“RoboticAssistedLigamentGraftPlacementandTensioning(机器人辅助韧带移植物放置和张紧)”的美国临时申请号62/723,898的优先权的权益，该临时申请全文以引用方式并入本文。
本公开大体上涉及与计算机辅助手术系统有关的方法、系统和设备，所述计算机辅助手术系统包括各种硬件和软件部件，所述硬件和软件部件一起工作以增强手术工作流。所公开的技术可以应用于例如肩关节、髋关节和膝关节成形术，以及其它手术干预，例如关节镜程序、脊柱程序、颌面程序、回旋套程序、韧带修复和置换程序。更具体地，本公开涉及规划和准备关节以用于韧带重建手术和执行此类手术的方面的方法和系统。所述方法和系统可涉及制备或生成用于形成前交叉韧带(ACL)移植物隧道和产生用于ACL移植物的隧道的患者特异性手术计划。
技术介绍
使用计算机、机器人和成像来在手术过程中提供帮助在本领域中是已知的。对用来引导手术程序的计算机辅助导航和机器人系统来说，已经有大量研究和开发。例如，精密徒手雕刻器采用机器人手术系统以帮助外科医生准确地将骨切割成期望形状。前交叉韧带是膝盖中最常受损伤的韧带，并且是每年在美国进行的最常见运动医学程序之一。ACL损伤最常由非接触减速损伤或与旋转部件的接触损伤引起。每年进行大约100,000次ACL重建。当ACL重建程序失败时，最常见的原因是隧道错位。与天然膝盖相比，当隧道(穿过其放置移植物韧带)处于非解剖位置时，发生隧道错位。超过70％的ACL重建失败是由此问题导致的。隧道通常根据两种技术中的一种来定向：经胫骨隧道创建和前内侧隧道创建。创建经胫骨隧道使外科医生能够更好地可视化解剖结构，并且对外科医生创建的要求较低。然而，各种临床分析已表明，经胫骨技术将隧道置于非解剖位置，这对于患者结果不太有利。相比之下，前内侧隧道创建更多地要求外科医生准确准备，但提供了在正确执行时可产生旋转稳定性增加的解剖隧道放置。执行前内侧技术时解剖结构的可视化受到限制，因为膝盖必须超屈曲以制备隧道。图1A、1B中分别描绘了具有使用经胫骨技术和前内侧技术形成的隧道20、30的膝盖的描绘。除了正确地定位和定向移植物隧道之外，提供移植物的初始张紧对于手术的结果至关重要。低初始移植物张力可导致关节松驰度，而过度张紧移植物可导致功能障碍、移植物失败和导致软骨退化的异常胫骨股骨运动学。在常规的ACL修复手术中，移植物张力被设定成恢复正常的前-后膝盖松驰度。虽然恢复正常的膝盖松驰度是有用的标准，但许多因素可以影响膝盖松驰度。例如，移植物材料的材料特性、移植物隧道的位置和移植物隧道的轨迹都影响手术后的膝盖松驰度。移植物张力常规地施加在胫骨侧上，并且在移植物处于最大张力的位置时(通常在膝盖弯曲20度与30度之间)手动固定移植物。移植物张力可以手动施加，或者可以用张紧器或张紧防护罩来控制。然而，即使使用仪器，固定后的移植物张力也可能由于术中胫骨旋转或移植物材料和/或固定组件的松弛的不准确而改变。先前试图改进ACL重建的结果的系统包括来自法国拉特隆切的PraximMedivisionS.A.的ACL导航系统。Praxim系统使用无图像建模来重新创建患者解剖结构。基于解剖模型和在手术中采集的运动信息，例如膝盖的被动屈曲和伸展，所述系统评估给定隧道放置集合的碰撞风险和非等距(anisometry)曲线。然而，Praxim系统没有识别特定患者的理想隧道放置，并且在执行ACL重建时不会辅助外科医生。因此，需要改善韧带重建手术程序的隧道形成的系统和方法，以改善患者结果。另外，需要使用手术导航技术改善韧带张紧。还需要帮助医务人员执行韧带重建，其中，基于客户的解剖结构、期望的移植物张力、期望的关节松驰度等确定手术程序的隧道放置的定位和取向。
技术实现思路
提供了一种在手术程序期间规划手术隧道的方法。所述方法包括：由手术系统接收与膝关节的运动范围有关的运动学信息；由所述手术系统注册所述膝关节的骨解剖结构的一个或多个表面；由所述手术系统生成所述膝关节的三维模型；以及由所述手术系统基于所述运动学信息和所述三维模型确定手术计划，其中所述手术计划包括一个或多个患者特异性移植物隧道参数。根据某些实施例，由手术系统接收与膝关节的运动范围有关的运动学信息包括：将一个或多个跟踪阵列附着到所述患者的一个或多个骨骼；使所述膝关节屈曲且伸展通过运动范围；以及由跟踪系统记录所述膝关节在所述运动范围内的多个位置。根据某些实施例，所述膝关节的运动范围包括被动运动范围和应力运动范围中的至少一个。根据某些实施例，注册所述膝关节的骨解剖结构的一个或多个表面包括：由探针跟踪系统在所述骨解剖结构的所述一个或多个表面上移动所述探针时，接收探针的多个位置；以及存储关于所述多个位置的位置信息以表征所述骨解剖结构的所述一个或多个表面。根据某些实施例，确定手术计划包括：估计所述韧带移植物的一个或多个特性；基于所述韧带移植物的所述一个或多个特性执行所述膝关节的动态仿真；以及基于所述动态仿真优化所述一个或多个患者特异性移植物隧道参数以最小化所述韧带移植物上的应变量、所述移植物隧道的入口上的接触或应力的量、所述韧带移植物的碰撞以及所述隧道的非等距中的一个或多个。根据某些另外的实施例，所述方法还包括基于所述动态仿真确定所述韧带移植物的目标张力以产生期望的膝盖松驰度。根据某些另外的实施例，所述韧带移植物的所述一个或多个特性包括所述韧带移植物的横截面积、横截面几何形状、弹性、长度和束的数目中的一个或多个。根据某些实施例，所述方法还包括：基于所述手术计划形成一个或多个隧道区段；由所述外科医生将所述韧带移植物通过所述一个或多个隧道区段固定；以及由所述外科医生对所述膝关节执行一个或多个稳定性评估测试。根据某些另外的实施例，所述一个或多个稳定性评估测试包括抽屉测试、拉赫曼测试(Lachmantest)和轴移测试(PivotShifttest)中的一个或多个。根据某些另外的实施例，所述方法还包括：测量所述膝关节的关节松驰度值；将所述膝关节的所述关节松驰度值与所述患者的非手术膝关节的关节松驰度值进行比较；以及基于所述非手术膝关节的关节松驰度值调整所述韧带移植物的实际张力。根据某些实施例，确定手术计划还包括：由所述手术系统从远程数据库接收过去程序数据，其中所述过去程序数据包括移植物隧道参数和患者结果信息；以及基于所述过去程序数据优化所述一个或多个患者特异性移植物隧道参数。根据某些另外的实施例，基于所述过去程序数据优化所述一个或多个患者特异性移植物隧道参数包括利用机器学习技术。根据某些实施例，所述方法还包括：由所述手术系统在显示屏上显示所述手术计划；以及由外科医生输入对所述一个或多个患者特异性移植物隧道参数的一个或多个改变。还提供了一种在手术程序期间使用的移植物隧道规划系统。所述系统包括：多个跟踪标记，所述多个跟踪标记配置成附着到患者的一个或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在手术程序期间规划手术隧道的方法，所述方法包括：/n由手术系统接收与膝关节的运动范围有关的运动学信息；/n由所述手术系统注册所述膝关节的骨解剖结构的一个或多个表面；/n由所述手术系统生成所述膝关节的三维模型；以及/n由所述手术系统基于所述运动学信息和所述三维模型确定手术计划，其中所述手术计划包括一个或多个患者特异性移植物隧道参数。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180828 US 62/723,8981.一种在手术程序期间规划手术隧道的方法，所述方法包括：
由手术系统接收与膝关节的运动范围有关的运动学信息；
由所述手术系统注册所述膝关节的骨解剖结构的一个或多个表面；
由所述手术系统生成所述膝关节的三维模型；以及
由所述手术系统基于所述运动学信息和所述三维模型确定手术计划，其中所述手术计划包括一个或多个患者特异性移植物隧道参数。


2.根据权利要求1所述的方法，其中接收与膝关节的运动范围有关的运动学信息包括：
将一个或多个跟踪阵列附着到所述患者的一个或多个骨骼；
使所述膝关节屈曲并且伸展通过运动范围；以及
由跟踪系统记录所述膝关节在所述运动范围内的多个位置。


3.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中所述膝关节的运动范围包括被动运动范围和应力运动范围中的至少一个。


4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中注册所述膝关节的骨解剖结构的一个或多个表面包括：
由探针跟踪系统在所述骨解剖结构的所述一个或多个表面上移动探针时接收所述探针的多个定位；以及
存储关于所述多个定位的位置信息以表征所述骨解剖结构的所述一个或多个表面。


5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中确定手术计划包括：
估计韧带移植物的一个或多个特性；
基于所述韧带移植物的所述一个或多个特性执行所述膝关节的动态仿真；以及
基于所述动态仿真优化所述一个或多个患者特异性移植物隧道参数以最小化所述韧带移植物上的应变量、所述移植物隧道的入口上的接触或应力的量、所述韧带移植物的碰撞以及所述隧道的非等距中的一个或多个。


6.根据权利要求5所述的方法，还包括基于所述动态仿真确定所述韧带移植物的目标张力以产生期望的膝盖松驰度。


7.根据权利要求5-6中任一项所述的方法，其中所述韧带移植物的所述一个或多个特性包括所述韧带移植物的横截面积、横截面几何形状、弹性、长度和束的数目中的一个或多个。


8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，还包括：
基于所述手术计划形成一个或多个隧道区段；
由外科医生将所述韧带移植物通过所述一个或多个隧道区段固定；以及
由所述外科医生对所述膝关节执行一个或多个稳定性评估测试。


9.根据权利要求8所述的方法，其中所述一个或多个稳定性评估测试包括抽屉测试、拉赫曼测试和轴移测试中的一个或多个。


10.根据权利要求8所述的方法，还包括：
测量所述膝关节的关节松驰度值；
将所述膝关节的所述关节松驰度值与所述患者的非手术膝关节的关节松驰度值进行比较；以及
基于所述非手术膝关节的关节松驰度值调整所述韧...

【专利技术属性】
技术研发人员：里迪特·米特拉，塞缪尔·克莱顿·邓普，布兰尼斯拉夫·哈拉马兹，丹尼尔·法利，本杰明·罗萨多，
申请(专利权)人：史密夫和内修有限公司，新加坡施乐辉亚太有限公司，史密夫和内修整形外科股份公司，
类型：发明
国别省市：美国;US