CN107995855A - 用于使用运动捕获数据来规划和执行关节置换流程的方法和*** - Google Patents

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Abstract

一种准备手术计划的方法，包括：视频捕获患者的解剖学关节的运动范围以获得运动范围视频；将所述运动范围视频配准到所述患者的骨骼的二维图像；基于所述运动范围视频来识别所述解剖学关节中的潜在碰撞和稳定性问题；使用所述解剖学关节的所识别的潜在碰撞和稳定性问题对所述解剖学关节的二维图像上的假体植入物进行模板化以获得位置数据和取向数据；并且以电子方式保存所述假体植入物的所述位置数据和所述取向数据以用于与手术导航***一起使用。一种用于规划和执行手术流程的***，包括：运动捕获***、X射线***、电子建模***、以及手术导航***。

Description

用于使用运动捕获数据来规划和执行关节置换流程的方法和 ***
优先权主张
本专利申请要求Berend等人于2015年3月26日提交的题为“PATIENT-SPECIFICHIP PLANNING AND POSITIONING ALGORITHM”的美国临时专利申请No.62/138452的优先权权益，在此通过引用以其整体内容并入本文。
技术领域
本文档总体属于但并不限于用于规划和执行关节置换流程的***和方法。更具体地，本公开涉及但并不限于促进假体适配的术前规划技术以及促进假体放置和植入的术中对齐特征。
背景技术
手术导航***，也被称为计算机辅助手术和图像引导式手术，辅助外科医师定位患者解剖结构、引导手术器械、并且以高准确度植入医学设备。手术导航***通常包括计算机、跟踪***、以及患者解剖学信息。能够通过使用诸如荧光透视检查、计算机断层摄影(CT)的成像模式或者通过利用手术导航***简单地限定患者解剖结构的位置来获得患者解剖学信息。手术导航***能够被用于各种各样的手术以改善患者结果。
为了成功地植入医学设备，手术导航***常常采用各种形式的计算技术，以及利用智能器械、数字触摸式设备以及高级3D可视化软件程序。所有这些部件使得外科医师能够执行各种各样的标准和微创的手术流程和技术。此外，这些***允许外科医师更准确地规划、跟踪和导航对器械和植入物相对于患者的身体的放置，以及进行术前和术中身体成像。
为了完成在利用手术导航的手术流程期间对手术器械、工具和/或医学设备的准确的规划、跟踪和导航，外科医师常常使用被耦合到手术部件的“跟踪阵列”。这些跟踪阵列允许外科医师在手术期间跟踪这些手术部件的物理位置以及患者的解剖结构。通过获知跟踪阵列的物理位置，与跟踪***相关联的软件能够准确地计算所跟踪的部件相对于手术计划图像的位置。
然而，手术导航***会受其在术前规划阶段期间被提供的信息限制。例如，手术导航***能够仅与术前概括手术计划一样准确地将假体植入物引导到恰当的对齐中。因此，如果手术计划确定了对于特定患者不是最佳的植入取向，则对植入物的引导式导航将不克服该缺陷。
在Lakin等人的美国专利No.7840256、Sheffer等人的美国专利No.8571637、Hodorek等人的美国专利No.8876830、Marquart等人的美国公开No.2005/0281465、以及Wendt等人的美国公开No.2002/0082498中描述了手术导航***的范例。
发明内容
除了其他内容，本发明人已经认识到了，待解决的问题能够包括假体关节在植入之后在身体内的恰当对齐，特别是针对给定患者以及患者的术后需求。具体地，许多外科医师常常必须依赖于仅基于患者关节弯曲的观测对患者的关节灵活性的专门评估。例如，外科医师可以观测患者步行或蹲举。这些评估不允许外科医师看到实际骨骼机构并且因此常常依赖于外科医师在规划所述流程时的本能或经验。此外，这些评估不考虑在所述流程之后特定患者对所述关节的意图使用，诸如打高尔夫球、网球等。
本主题能够帮助提供对该问题的方案，诸如通过为外科医师提供允许外科医师使实际关节机构可视化的术前手术规划工具，诸如通过使用视觉运动跟踪***和患者穿戴式紧身衣(body suit)。此外，使用所述紧身衣收集的数据稍后能够在所述关节置换流程期间被用于诸如通过使用向外科医师提供方向反馈的器械在对所述假体植入物进行定位时向外科医师提供实时反馈。
一种准备手术计划的方法，包括：视频捕获患者的解剖学关节的运动范围以获得运动范围视频；将所述运动范围视频配准到所述患者的骨骼的二维图像；基于所述运动范围视频来识别解剖学关节中的潜在碰撞和稳定性问题；使用所述解剖学关节的所识别的潜在碰撞和稳定性问题在所述解剖学关节的二维图像上对假体植入物进行模板化以获得位置数据和取向数据；并且以电子方式保存所述假体植入物的所述位置数据和所述取向数据以用于与手术导航***一起使用。
一种用于规划和执行手术流程的***，包括：运动捕获***，其记录患者的解剖学运动的视频；X射线***，其将所述视频配准到所述患者的骨骼***；电子建模***，其生成解剖学模型，根据所述解剖学模型，能够基于经配准的视频来生成针对假体植入物的位置数据和取向数据；以及手术导航***，其使所述位置数据和所述取向数据与所述患者的解剖结构相关。
该概述旨在提供对本专利申请的主题的概述。其并不意图提供对本发明的专有或详尽的解释。包括了详细描述以提供关于本专利申请的另外的信息。
附图说明
图1是具有辅助手术导航***的示范性手术室设施的透视图，所述辅助手术导航***包括与光学***相结合的各种跟踪设备。
图2是示出了能够被用于实施手术计划的各种输入和输出的图1的辅助手术导航***的部件的框图。
图3是被用于收集能够被用于确定手术计划的患者特异性运动范围和运动学数据的视觉运动跟踪***的示意图。
图4是示出了被用于确定和实施手术计划的各种数据收集输入和步骤的框图。
图5A和图5B分别是具有实时反馈的导航辅助手术器械的透视装配图和分解图。
图6是启用实时反馈的手术器械被用于结合手术导航***和患者特异性运动范围和运动学数据执行髋关节置换流程的示意图。
在不必按比例绘制的附图中，相似的附图标记可以描述不同视图中的类似部件。具有不同字母后缀的相同附图标记可以表示类似部件的不同实例。附图通常以范例的方式而非以限制性的方式图示在本文档中所论述的各种实施例。
具体实施方式
图1示出了手术室10的透视图，在手术室10中定位有外科医师12、临床医师14和患者16以执行医学流程。手术导航***20也能够被定位在手术室10中并且包括手术器械22A和22BC以及光学***24。外科医师12在对被示为躺在手术台25上的患者16执行各种关节置换流程(诸如膝和髋置换手术)时由手术导航***20来辅助。***20也能够被用于执行任何数目或其他类型的流程，特别是其他关节置换流程。在Lakin等人的美国专利No.7840256中描述了适合于与本公开一起使用的手术导航***的一个范例，在此通过引用以其整体内容并入本文。通常，在执行任何流程之前，外科医师12和临床医师14能够制定手术计划，所述手术计划概括在流程期间要由外科医师12和临床医师14执行的步骤。在本申请中，术前手术计划能够包括执行各种活动的患者16的运动捕获视频。
手术导航***20能够具有对阵列(诸如阵列26A-26C)进行定位并且实时跟踪所述阵列的跟踪***。阵列26A-26C能够辅助使用术前使用视觉运动跟踪***200(图3)从患者16收集的运动学运动数据将手术器械22A-22C导航到手术室10内的特定位置和取向。运动学运动数据能够辅助外科医师12和临床医师14执行手术计划。
为了完成跟踪，手术导航***20能够包括光学***24，所述光学***能够具有通过使用三角测量方法来检测阵列在空间中的位置的两个CCD(电荷耦合设备)相机27。所跟踪的阵列(包括患者的解剖结构)的相对位置然后能够被示出在计算机显示器(诸如，例如计算机显示器28)上以在手术流程期间辅助外科医师12。通常使用的阵列包括探头阵列、器械阵列、参考阵列、以及校准器阵列。
手术室10能够包括成像***，诸如具有荧光透视显示图像32的C形臂荧光透视***30，以将患者的膝盖的实时图像示出在计算机显示器(视频监视器)28上。C形臂荧光透视***30包括C形臂34，发射器36被安装到C形臂34。跟踪***也能够检测包括参考阵列26A以及参考阵列26B和26C的诊断窥镜(diagnostic scope)22A的位置，所述参考阵列26A以及参考阵列26B和26C能够被附接到患者的解剖结构或另一手术器械。诊断窥镜22A对于患者的股骨的相对位置可以被示出为计算机显示器(视频监视器)44的计算机显示图像42上的附图标记40。手术室10也能够包括器械小车46，器械小车46具有用于保持各种手术器械和阵列(诸如阵列26B和手术器械22B)的托盘48。在各种范例中，手术器械22A能够包括窥镜并且手术器械22B能够包括钻孔机、钻孔器或***件。
光学***24被定位在手术室10中，使得相机27具有对台25和小车46的完整覆盖。手术器械22A和22B能够贯穿手术室10被定位在各种位置处(诸如由外科医师12保持)或者被定位在小车46的托盘48中。
能够利用成像***、虚拟图像、变形图像或者成像技术的组合来采集患者的解剖结构的表示。所述成像***会是能够产生表示患者的解剖结构的任何***，诸如产生X射线二维图像的荧光透视检查、产生三维图像的计算机断层摄影(CT)、产生三维图像的磁共振成像(MRI)、产生二维图像的超声成像等。能够通过利用手术导航***20定义解剖点或者通过应用统计学解剖学模型来创建患者的解剖结构的虚拟图像。能够通过将患者的解剖结构的图像与数据集(诸如患者的解剖结构的虚拟图像)相组合来创建患者的解剖结构的变形图像。一些成像***(诸如C形臂荧光透视30)会要求校准。C形臂能够利用校准网格来校准，所述校准网格使得能够确定针对C形臂的不同取向的荧光透视投影参数以减少失真。配准体模也能够与C形臂一起被用于利用手术导航应用程序来协调图像并且通过C形臂与手术导航***的配准来改善缩放。在James B.Stiehl等人在Chapter 3:C-Arm-BasedNavigation，Springer-Verlag(2004)上的Navigation and Robotics in Total Jointand Spine Surgery一文中提供了对基于C形臂的导航***的更详细的描述。
能够通过查看视频监视器28和44以期望的方式引导所述器械来由外科医师12进行对手术器械22A和22B的引导。具体地，手术器械22A和22B能够被用于将假体植入物植入在相对于患者16的解剖结构的特定位置和取向中。假体植入物的位置和取向能够根据手术计划来确定，所述手术计划能够使用利用视觉运动跟踪***200(图3)捕获的患者16的解剖结构的运动学评价来制定。此外，所述假体植入物能够使用具有实时反馈的导航辅助的手术器械被定位到位并且被植入，如参考图5A和图5B所描述的。
图2是根据本教导的示范性手术导航***实施例(诸如从EBI,L.P.，Parsippany，N.J.USA，a Biomet Company可购得的AcumenTM手术导航***)的框图。手术导航***110能够包括计算机112、输入设备114、输出设备116、可移除存储设备118、跟踪***120、阵列122和患者解剖学数据124，如在从EBI,L.P可购得的手册AcumenTM Surgical NavigationSystem，Understanding Surgical Navigation(2003)中进一步描述的。AcumenTM手术导航***能够在各种成像模式中，诸如创建二维X射线图像的荧光透视模式、创建三维图像的计算机断层摄影(CT)模式、以及通过定义患者的解剖结构的解剖点来创建虚拟图像或者平面和轴的无图像模式。在无图像模式中，不要求单独的成像设备，诸如C形臂(例如，C形臂荧光透视***30)，从而简化设施。AcumenTM手术导航***能够运行各种整形外科应用，包括针对膝关节置换、髋关节置换、脊柱手术、以及创伤手术的应用，如在从EBI,L.P可购得的手册“AcumenTM Surgical Navigation System,Surgical Navigation Applications”(2003)中进一步描述的。James B.Stiehl等人在Chapter 1:Basics of Computer-AssistedOrthopedic Surgery(CAOS)，Springer-Verlag(2004)上的Navigation and Robotics inTotal Joint and Spine Surgery一文中提供了对示范性手术导航***的更详细的描述。
计算机112会是能够恰当地操作手术导航设备和软件的任何计算机，诸如与可商购的个人计算机相似的计算机，其包括处理器126、工作存储器128、核心手术导航实用程序130、应用程序132、存储的图像134以及应用数据136。处理器126能够是具有对于计算机112执行期望的功能的足够能力的处理器，诸如一个或多个微处理器。工作存储器128能够是对于计算机112执行期望的功能足够的存储器，诸如固态存储器、随机存取存储器等。核心手术导航实用程序130是基本操作程序，并且包括图像配准、图像采集、位置算法、取向算法、虚拟小键盘、诊断等。应用程序132能够是被配置用于特定手术导航目的的任何程序，诸如用于单踝膝(“单膝”)、全膝、髋、脊柱、创伤、髓内(“IM”)指甲/杆和外部固定器的整形外科应用程序。所存储的图像134能够是使用先前所讨论的成像***(例如，C形臂荧光透视***30)中的任意***在图像采集期间所记录的那些。应用数据136能够是由应用程序132生成或使用的数据，诸如植入物几何形状、器械几何形状、手术默认值、患者标志等。应用数据136能够被预加载在软件中或者在手术导航流程期间由用户输入。
输入设备114能够是任何常规计算机***设备，诸如键盘、鼠标、指点设备或相机。输入设备114也能够包括用于监听外科医师12、临床医师14和患者16的麦克风。在一个范例中，麦克风能够使得器械22A和22B通过那些中的任一人基于音频呼叫来生成针对外科医师12和临床医师14的视觉或触觉指令。
输出设备116能够是能够创建对于手术有用的输出(诸如视觉输出和听觉输出)的任何设备。所述视觉输出设备能够是能够创建对于手术有用的视觉输出(诸如二维图像、三维图像、全息图像等)的任何设备。所述视觉输出设备能够是用于产生二维和三维图像的监视器、用于产生二维和三维图像的投影仪和指示器灯。听觉输出能够是能够创建被用于手术的听觉输出的任何设备，诸如能够被用于提供语音或音调输出的扬声器。具体地，输出设备能够包括计算机显示器28和44以及导航辅助的手术器械(引导式冲击器工具)510和610(图5A-6)。
可移除存储设备118能够是具有将允许下载数据(诸如应用数据136和患者解剖学数据124)的可移除存储介质的任何设备。可移除存储设备能够是读-写光盘(CD)驱动器、读-写数字视频光盘(DVD)驱动器、闪速固态存储器端口、可移除硬盘驱动器、软盘驱动器等。可移除存储设备118可以包括前述手术计划的全部或部分。
跟踪***120能够是能够确定承载或包含用作跟踪指示的标记的设备的三维位置的任何***。主动跟踪***具有红外线发光二极管(ILED)照明器的集合，其围绕位置传感器透镜以利用红外线光充满测量视场。被动***包含将红外光反射回到位置传感器的回归反射标记，并且所述***对阵列122的实时位置(x、y和z位置)和取向(x、y和z轴周围的旋转)进行三角测量并且利用大约0.35mm均方根(RMS)的准确度将结果报告给计算机***。被动跟踪***的范例是被动***并且标记的范例是NDI Passive SpheresTM，这两者都是能从加拿大安大略的Northern Digital有限公司可购得的。除了被动标记之外，混合跟踪***能够检测主动和主动无线标记。基于主动标记的器械使能可见光LED的自动工具识别、程序控制，并且经由工具按钮输入。混合跟踪***的范例是从Northern Digital有限公司可购得的混合***。标记能够是被动IR反射器、主动IR发射器、电磁标记、以及与光学相机一起使用的光学标记。
如本领域内通常已知的，也可以由电磁跟踪***来跟踪植入物和器械。这些***对设备进行定位和跟踪并且产生对手术流程的实时三维视频显示。这通过使用生成患者的解剖结构周围的局部磁场的电磁场发射器来完成。继而，所述定位***包括在其相对于患者的解剖结构移动时识别被跟踪的器械的位置的磁性传感器。通过不要求利用发射器的视线，电磁***也适于体内使用，并且例如也与用于通过将小型化跟踪传感器包含到手术器械执行介入流程的超声和CT成像过程相集成。通过处理由跟踪传感器所生成的发射的信号，所述***能够确定手术器械在空间中的位置，并且将其相对位置叠加到患者的术前采集的CT图像上。
能够包括阵列26A-26C的阵列122能够是探头阵列、器械阵列、参考阵列、校准器阵列等。阵列122能够具有任何数目的标记，但是通常具有三个或更多个标记以定义实时位置(x、y和z位置)和取向(围绕x、y和z轴的旋转)。阵列能够包括身体和标记。身体包括用于对标记的空间分离的区域。在一些实施例中，存在至少两个臂并且一些实施例能够具有三个臂、四个臂或更多个臂。所述臂通常被非对称地布置为通过跟踪***来促进特定阵列和标记识别。在其他实施例中，诸如在校准器阵列中，身体在不需要臂的情况下为标记的空间分离提供足够的区域。阵列能够是一次性或非一次性的。一致性阵列通常由塑料制造并且包括安装的标记。非一次性阵列由能够被消毒的材料(诸如铝、不锈钢等)制造。所述标记是可移除，因此其能够在消毒之前被移除。
规划和收集患者解剖学数据124是临床医师将实际或近似的解剖学数据输入到手术导航***中的过程。能够通过诸如解剖学绘制、骨骼变形、CT数据输入和其他输入(诸如超声和荧光透视和其他成像***)的技术获得解剖学数据。在本应用中，患者解剖学数据124能够包括使用视觉运动跟踪***收集的运动学数据。因此，所述手术计划也能够包括来自运动捕获***的数据，诸如来自视频视觉运动跟踪***200和视觉数据收集器208(图3)的数据。
患者解剖学数据124也能够包括与针对患者16的特定手术计划有关的患者特异性信息。例如，手术流程的手术计划能够包括各种骨切除的规划、植入物的大小和类型以及包括相关尺寸(诸如特定特征的高度、宽度、取向)的各种几何要求等。术前手术计划能够包括要在手术流程中使用的特定植入物和相关联的器械的推荐。所述术前手术计划能够以能够使用计算机建模软件交互式地查看的数字图像的形式。所述术前计划能够是被设计为获得在手术流程之后健康或接近于健康解剖学取向的计划。健康解剖结构能够基于自然或伤前解剖结构或机械地正确或高效的解剖学取向。
所述手术计划例如能够包括具有准许的切除平面的股骨远端，包括中间和横向前部倒棱刨平面、中间和横向前部切平面、中间和横向后部倒棱刨平面、以及中间和横向后部切平面。所述手术计划能够包括定义对股骨切平面相对于植入物坐标系的期望的内翻倾斜，或者也约束弯曲延长取向中的胫骨切平面。同样地，针对髋关节置换流程，所述手术计划能够包括碰撞、稳定性、子宫后倾、子宫前倾和骨盆倾斜信息。
所述手术计划能够包括用于从患者的解剖结构在外科医师选择的位置和深度处移除一个或多个骨赘/突出，其连同接收植入物的关节表面的平滑度能够使外科医师的术中关节准备并行并且改善外科医师选择的植入物(要么患者特异性的、半定制的要么现成的)的实际适配。
相机27能够观测阵列26A-26C的位置，以及相机27的可视区域内由手术室10的一部分定义的三维空间内的其他阵列。在其他范例中，超过一个光学***24能够被用于确定三维空间。从对应于器械或工具的阵列26A-26C或者与每个阵列相关联或附接到每个阵列的患者解剖结构获得的位置信息由计算机112用于确定能够被发送到引导式工具(诸如引导式冲击器工具510和610(图5A-6))的指令。具体地，计算机112将三维空间内的一个或多个器械或工具的位置进行比较或相关并且然后能够咨询手术计划以确定所述手术流程处在手术计划的哪个步骤处。根据该比较或相关，计算机112能够使得引导式器械(例如，引导式冲击器工具510和610)振动以提供触觉反馈、或者发射在执行三维空间内的手术计划中的特定步骤或过程时引导外科医师的声音或视觉指示器。
图3示出了能够被用于术前规划关节置换流程的视觉运动跟踪***200的示意图。示范性环境202(例如，外科医师办公室、门诊患者、医院等)被图示用于从穿戴紧身衣206的患者204收集视觉和物理运动信息。尽管环境202被描绘为内部位置，但是在一些布置中，环境可以在外部(例如，被定位在外部)或者两种类型的位置的组合(例如，针对包括患者从内部位置移动到外部位置的表现)。在Sullivan等人的美国专利No.9142024中描述了视觉运动跟踪***的一个范例，其被分配给Lucasfilm Entertainment Company Ltd.并且在此通过以其整体通过引用并入本文。
为了收集由患者204产生的视觉信息，视觉数据收集器208和计算机***210能够被包括在视觉运动跟踪***200中。在该特定布置中，视觉数据收集器208能够包括相机212，相机212能够捕获视觉信息的多个帧。一般而言，每个帧能够被认为是如由被包括在紧身衣204中的标记214所表示的患者204的姿态的视觉样本。根据由相机212捕获的信息，姿态能够被表示为描述患者204在特定时间点处如何移动的数值集。例如，姿态可以包括这样的数值，所述数值表示患者202的髋骨以及其他关节和骨骼的角、患者相对于环境202的全局位置和全局取向。通常，表示姿态的数值是相对于预定义的规范化姿态的。例如，用户202坚持双臂水平地向外指向的姿态(被称为“T”姿态)能够被定义为规范化姿态。尽管一个相机212被图示为被包括在视觉运动跟踪***200中，但是也能够包括两个或两个以上相机(其通常针对图像捕获是同步的)以用于从不同的视角来采集视觉信息。为了使用由相机212捕获的视觉数据，计算机***210运行包括接收、处理和输出数据的操作。在一些布置中，计算机***210也能够运行操作以控制(一个或多个)相机的一个或多个操作(例如，控制数据捕获速率、调节相机取向等)。计算机***210的操作也能够包括当图像的序列被记录时计算相机的位置以及其视觉性质，诸如相机的视场、透镜失真和取向。例如，给定足够的标记214以及与标记相关联的信息(诸如由相机212所捕获的标记214的数量、标识和位置)，计算机***210的操作能够导出相机212的位置。
根据标记214或紧身衣206的其他特征或者患者204的特征，一个或多个相机(例如，相机206)记录动作者的动作。为了确定患者204的姿态，计算机***210运行操作以识别在所捕获的2D数据中可见并且被分配与紧身衣206的特定标记的对应性(被称为跟踪)的每个标记214。接下来，一种或多种技术能够由计算机***210用于识别患者206的姿态(被称为求解)，例如，通过找到使标记的所估计的3D位置至来自相机212的所捕获的图像上的再次投影误差最小化的姿态。
连同收集来自患者204的使用视觉数据收集器208收集的图像，也使用X射线***216从患者收集信息。具体地，患者204能够是X射线穿戴紧身衣206，使得标记214相对于患者204的解剖结构被示出。在各种范例中，在相对于“T”姿态中的患者214的各正交方向上取得患者204的X射线图像。
与视觉数据收集器208类似，计算机110能够被用于收集穿戴具有标记214的紧身衣206的患者204的数字图像。通过处理来自X射线***216的数据连同来自视觉数据收集器208的数据，患者204相对于标记114的运动能够经由映射到标记214与患者204的骨骼(例如，股骨、胫骨、骨盆)的运动相关。能够根据在时间方面对应于由相机212所捕获的图像的数据来计算X射线图像数据。
通过产生这两个同步数据集，解剖结构数据能够与图像数据相组合以查看执行特定活动(诸如日常活动(例如，就坐和弯腰)、体育活动(例如，高尔夫和网球)、瑜伽、锻炼、跑步等)的解剖结构。X射线图像能够被用于产生患者204的虚拟表示，所述虚拟表示继而能够被用于通过使用视频数据来描述患者204的运动以使用X射线数据来近似患者204的真实运动学。不需要记录患者204的每个关节(诸如肩膀、膝盖、髋等)，但是其用于在其结合其他关节移动时捕获感兴趣关节的运动范围。
为了组合并且使用由相机212和X射线***216所提供的视觉数据，计算机***210可以运行一个或多个过程。例如，能够运行运动数据组合器218以用于组合数据集并且使用所述数据集形成虚拟地表示患者204的移动的骨骼。为了辅助运行，存储设备220(例如，硬盘驱动器或CD-ROM)与计算机***210进行通信并且能够被用于存储和检索数据。在各种范例中，存储设备220能够包括患者解剖学数据124可以被存储到其上的手术导航***110的存储设备中的一个或多个，诸如可移除存储设备118或工作存储器128。
连同用于从各种源(例如，相机212、X射线数据收集器216、因特网和其他计算机***)接收用户输入和数据的部件(例如，接口卡)，计算机***210也能够包括存储器(未示出)和运行处理操作的一个或多个处理器(也未示出)。存储设备220能够存储数据(例如，视觉数据和X射线数据)并且提供所存储的数据以辅助针对患者204的手术计划的产生。
能够运行各种操作以将X射线数据与视觉数据相组合。例如，来自患者204的一个或多个动作也能够被用作同步触发器。例如，患者204可以执行在每个数据集中能清楚地识别并且被用于准确地对齐数据集的预定义动作(例如，挥动双臂和上下跳动)。
组合的数据允许外科医师(例如，外科医师12)评价患者(例如，患者16)的解剖结构的特定性能。具体而言，外科医师能够查找关节中的潜在碰撞区域(诸如髋关节中的髋臼)或者评价关节中的潜在稳定性问题。不能通过仅观测患者执行一般运动而容易地确定这样的信息。利用组合的运动和X射线数据，外科医师能够将特定细节添加到可能尚未以其他方式被确定并且可能导致患者的更好术后体验的手术计划。具体地，组合的运动和X射线数据能够导致外科医师做出关于植入物位置和对齐的更好的决策，诸如髋关节置换中的更好的髋臼杯放置和股骨部件取向。
图4是示出了被用于确定和实施针对髋关节置换的手术计划的各种数据收集输入和步骤的框图400。在输入410处，患者16的髋关节的运动的功能范围能够被术前捕获并且被配准到骨骼。在输入420处，各种二维图像能够被用于对假体植入物数据进行模板化。在输入430处，统计学数据能够被用于对患者16的解剖结构进行建模以辅助外科医师12对假体植入物的放置。在步骤440处，能够预测假体植入物的类型、大小、位置和取向。
在步骤450处，在手术期间，患者16的解剖结构能够被配准到手术导航***。在步骤460处，各种电子定位信息能够在使用各种引导式器械的手术期间被提供到外科医师。最后，在步骤470处，外科医师能够使用电子定位信息来植入假体设备，如参考图6所讨论的。
在步骤412处，患者16被装备有具有标记的紧身衣。在步骤414处，患者被视频记录穿戴紧身衣。在一个范例中，如所讨论的，图3的***200被用于使用具有标记214的紧身衣2016来捕获患者16的运动数据。在另一范例中，患者16能够智能电话或平板电脑(其使用特定软件应用)来视频记录。患者16能够穿戴具有由视频中的软件应用能识别的标记(诸如视觉标记和/或不透射线标记)阵列的紧身衣。在任何实施例中，所述紧身衣能够是相当紧身的，亦即，其能够可伸展以符合患者16的身体的轮廓，使得标记将与患者16的骨骼结构紧密相关联。这样，在各种范例中，标记能够被放置在关节的相对侧上(诸如在骨盆和股骨上)以记录与髋关节相关联的运动。在另一范例中，患者16的姿态能够被用于使植入物与解剖结构并且使解剖结构与视觉标记相关并且相组合。
在步骤416处，患者16能够执行运动集以捕获患者的运动范围。例如，患者16能够执行“日常生活”活动(诸如弯腰、就坐等)的标准集合。在另外的范例中，患者16能够视频记录地执行尤其要由患者16执行的活动。例如，患者16能够视频记录地执行体育活动(例如，高尔夫和网球)、瑜伽、锻炼、跑步和各种其他活动、运动与否。因此，当设定假体植入物大小并且随后规划或预测针对植入物的位置和取向时，能够观测和评价特定关节中的患者特异性碰撞和稳定性。
在步骤418处，获得穿戴紧身衣的患者16的正交X射线以便校准到患者16的骨骼的视频运动。例如，具有已知几何形状的标记球能够被定位在骨骼的水平处的X射线视场内，使得稍后能够确定X射线的标度。二维X射线图像随后能够由外科医师用于对患者的解剖结构上的假体植入物类型、大小和位置进行模板化。所述模板化还能够包括确定用于在患者16的解剖结构上的切口、切割、切除等的位置。
步骤412-428能够由临床医师或技术人员(或者通过医院或其他门诊设施处的外科医师)执行。步骤412-418容易执行不昂贵并且不需要在无菌或手术环境中进行。因此，能够避免其他更昂贵并且更需求的流程，诸如MRI流程。
在步骤422，患者能够用X射线检查以规划植入物部件位置。可以使用与在先前的步骤中相同或同样的校准标记球来执行X射线检查。能够获得患者16的常规前后和横向直立X射线图。这些X射线图像能够在手术之前被用于使用先前在步骤412-418中获得的运动范围的知识来确定假体植入物以及其相对于患者的骨骼的位置。
在步骤424处，外科医师12能够使用X射线图像对患者16的解剖结构进行模板化以确定用于所述流程的期望的假体植入物。能够通过使用由校准标记球所确定的缩放因子来确定植入物的大小。外科医师12能够对骨骼进行测量，其能够被用于确定植入物大小以及要在流程期间执行的各种切割和切口的位置和深度。
在步骤426处，外科医师12能够评价在执行模板化时一般的和患者特特异性植入物定位因子。例如，能够针对髋关节置换执行常规弯曲挛缩和股骨子宫前倾评价。另外，能够使用在步骤412-418中收集的运动数据的患者特异性范围。例如，如果患者想要能够执行要求特定运动范围的特定活动，则外科医师12能够确保针对假体植入物的预测放置将允许患者16执行该活动。例如，如果特定瑜伽位置要求患者将股骨移动到特定股骨和外展位置，则针对假体植入物的预测放置能够容纳该特定位置，诸如通过避免在该位置中时针对患者16的碰撞或稳定性问题。
在步骤432处，能够咨询具有解剖学骨骼数据的各种数据库。例如，来自骨骼数据库的多个建模骨骼中的一个或多个能够适于在步骤424处取得的患者16的骨骼的所测量的尺寸。在一个范例中，能够咨询精密医学倡议(PMI)骨骼数据库。在步骤434处，能够使用统计学形状模型来生成患者16的骨骼的三维模型。来自统计学形状模型的前部骨盆平面能够被用作用于例如对股骨杯的假体植入物定位的参考。(一个或多个)统计学形状模型能够由外科医师12用于将关节置换流程可视化并且改善对植入物相对于三维骨骼的位置和取向而不必术前生成MRI图像或另一三维图像。
在步骤440处，确定所选择的假体植入物的最后植入的位置和取向。对于髋关节置换而言，能够利用解剖学标志来预测杯和股骨部件的相对位置。例如，杯后部边缘能够被确定为与髋臼后部边缘相比较出露出3mm，并且股骨部件横向肩部可以被确定为在距更大的转节的顶端的11mm处。
在步骤450处，在手术期间，患者16的解剖结构被配准到手术室10的三维空间。如在本文中先前所描述的，在已经实现对关节的访问之后，骨盆和股骨是在手术室10中的配准。对于总髋骨替换而言，标记(诸如阵列26C)能够被放置在相机27的手术视场内部的患者16的骨盆和股骨上。标记被固定到骨骼点，以便不相对于骨骼移动并且使位置信息失真。具体地，使用手术导航***20，要在其上操作的骨骼能够利用电子识别符来标记在利用C形臂荧光透视***30获得的患者16的X射线图像上。那些位置然后使用光学***与三维空间相关。例如，在髋关节置换中，髋臼的内部直径能够使用手术导航***20利用电子标记来“描画”，以定义要被链接到X射线图像的髋臼位置。电子标记能够使用滚动球计算机***设备来放置以加速对髋臼点的配准。配准过程能够包括将股骨或骨盆标志配准以将股骨和骨盆解剖结构链接到X射线图像。
在步骤460处，针对规划的杯和股骨部件在步骤440所生成的电子定位信息能够在手术室10中被匹配到视频监视器28和44和其他部件上的图像。定位信息被用于如下文在步骤470处植入假体时引导手术器械，诸如窥镜22A、钻孔器22B或引导式冲击器工具510。
图5A和图5B分别是具有实时反馈的导航辅助手术器械510的透视装配图和分解图。在所描绘的实施例中，导航辅助手术器械510包括植入组件，诸如引导式冲击器工具。植入组件510能够被用于植入任何适合的假体构件。在所图示的实施例中，植入组件510被用于植入髋臼杯514。植入组件510能够被用于将髋臼杯514植入在患者16(图1)的骨盆614(图6)的髋臼650内。因此，植入装置510能够被用在用于利用假体髋关节组件替换髋关节的过程中。
在Nycz等人的美国专利No.8167823中更详细地描述了植入组件510，其通过该引用以其整体并入本文。下面概述了植入组件510相对于本申请的特征和操作。
植入组件510能够包括冲击器工具516。通常，冲击器工具516能够包括具有在近端或第一末端521处的放大冲击板或头部520的细长杆518。杆518能够纵向为直的以便定义轴A。杆518的远端或第二末端523能够包括如在图2中的体模中所示的耦合机构。在一些实施例中，耦合机构能够包括螺纹(在522处的体模中所示的)和突出部(在524处的体模中所示的)。螺纹522能够使得杆518在髋臼杯514中的对应螺纹孔(未示出)中被可移除地耦合到髋臼杯514。
如下文将参考图6讨论的，为了将髋臼杯514植入在患者16中，负载Fi(图5A)被应用到冲击器工具516的头部520。外科医师能够利用木槌或其他手动工具或者利用自动化工具施加负载Fi。杆518继而沿着轴A将负载Fi传送到髋臼杯514。因此，髋臼杯514利用负载Fi的每次施加逐渐地被驱动到患者16(图1)的骨盆614(图6)的髋臼650中。
植入组件510也能够包括植入装置526。植入装置526可以包括壳体528。壳体528能够在形状方面是基本上圆柱形的，具有与轴A平行并且同心延伸的通道530。通道530接收杆518以将壳体528在相对于轴A的固定位置中被固定地耦合到工具516。壳体528的第一部分532a和第二部分532b能够沿着接缝531分离以将壳体528从杆518移除。
植入装置526可以包括取向传感器534。取向传感器534能够被封装在壳体528内。在其他实施例中，取向传感器534远离冲击器工具16。取向传感器534能够检测冲击器工具516的实际取向。更具体地，取向传感器534能够是能够检测冲击器工具516相对于参考向量的取向的加速度计。在一些范例中，取向传感器534将重力的向量检测为参考向量以检测空间中并且相对于患者冲击器工具516的取向。取向传感器534检测轴A相对于重力的向量的取向以检测工具516的取向。在一些范例中，取向传感器534使用阵列626A(图6)来检测关于相对于手术室10(图1)的三个分离的正交轴X、Y、Z的加速度以便检测冲击器工具516的取向。取向传感器534检测轴A相对于坐标系X、Y、Z的取向。将领会到，取向传感器534可以是除加速度计之外的任何适合的类型。此外，将领会到，取向传感器534能够是检测关于任何数目(例如，两个)的轴的加速度的加速度计。
此外，植入装置526能够包括取向反馈设备536。反馈设备536能够被封装在壳体528内，或者在其他实施例中，反馈设备536远离壳体528。当冲击器工具516的实际取向基本上等于预定目标取向时，取向反馈设备536能够选择性地提供取向反馈信号。由取向反馈设备536提供的反馈信号向外科医师自动地指示冲击器工具516处在目标取向中，使得杯514能够被恰当地定位并且植入以获得额外的方便性和准确度。
取向反馈设备536能够包括发射听觉反馈信号的听觉反馈设备。例如，听觉反馈设备能够包括当冲击器工具516处在目标取向上时发射预编程的声音的扬声器。此外，取向反馈设备536能够包括发射视觉反馈信号的视觉反馈设备。例如，视觉反馈设备能够包括用于当冲击器工具516处在目标取向上时发射预编程的光图案的一个或多个灯，诸如LED灯。另外，取向反馈设备536能够包括当冲击器工具516处在目标取向上时选择性地发射触觉反馈信号的触觉反馈设备。例如，触觉反馈设备能够包括当冲击器工具516处在目标取向上时选择性地使壳体528和冲击器工具516振动的振动电机。将领会到，取向反馈设备536能够提供任何适合的反馈信号。此外，将领会到，反馈信号能够被同时地看到、听到和感觉到，并且该冗余度能够增加准确度和方便性。
导航辅助手术器械510能够与在图4的步骤440处获得的预测位置和取向信息一起被用于在图4的步骤450-470处植入假体设备。
图6是包括启用实时反馈的手术器械610被用于对股骨612和骨盆614执行髋关节置换流程的手术导航***600的示意图。***600也包括光学***624(在范例中，其可以包括图1的光学***24)和相机627(例如，相机27)。手术器械610包括标记阵列626A，而股骨612包括标记阵列626B并且骨盆包括标记阵列626C。
在外科医师相对于股骨612和骨盆614移动手术器械610时，跟踪***实时地定位并且跟踪标记阵列626A-626C(参见由虚线表示的跟踪***的光学路径/测量场)。为了实现这一点，光学***624的相机627通过使用三角测量方法来检测空间中的标记阵列626A-626C的位置。标记阵列626A-626C的相对位置然后被示出在计算机显示器644(例如，计算机显示器44)上的手术计划图像642上。
所述跟踪***通过在其相对于被固定地附接到患者的参考阵列626B和626C移动时参考标记626A的位置来检测手术器械610(在该情况下为髋臼冲击器)相对于股骨612和骨盆614的位置。如在图6中所示的，手术器械610的位置在手术平面图642上被显示为冲击位置图标637。冲击位置图标637能够具有十字线的外观，而目标部位652a和652b能够具有靶眼的外观。根据该图示，冲击位置图标637被示出被定位在骨盆614的髋臼650上面。靶部位652a和652b表示髋臼650上的杯654的不同冲击部位(针对在手术计划中所确定的杯654的不同规划位置)。
通过查看手术计划图像642上的冲击位置图标637，外科医师16能够确定在哪个方向上移动手术器械610，使得其与图像642中的股骨612和骨盆614的图像上的手术靶部位652a或652b中的任一个对齐。例如，在该图示的实施例中，外科医师16必须沿着线639紧接地向右移动指示器610以将冲击位置图标637与手术靶部位652b对齐。
为了定位手术靶部位652b，髋臼650上的点能够由外科医师16和/或计算机跟踪***参考，诸如在图4的步骤450期间。在特定示范性实施例中，手术靶部位652b由通过允许计算机***确定髋臼650的恰当的冲击点(诸如中心)的“描画”或成像技术对髋臼进行建模来识别。无论如何确定手术部位652b，如果其稍后被发现不适于进行手术(即，未恰当地对齐)，则外科医师16总是能够覆盖部位并且仅依赖于用于取向的计算机。
此外，如上文所讨论的，手术器械可以使用各种输出器件向外科医师10提供反馈。具体地，取向反馈设备536能够提供听觉、视觉和触觉反馈。在一个范例中，反馈设备536能够包括外科医师16能够用于沿着轴A将杯654引导到髋臼650中的不同的灯。例如，反馈设备536能够包括向外科医师16指示冲击器610的对齐多么接近于冲击位置图标637的红、黄和绿灯。绿灯可以指示恰当的对齐，红灯可以指示不恰当的对齐，并且黄灯可以指示对齐在特定阈值限值之内。恰当的对齐能够被描述为当冲击器610的轴A垂直于由冲击位置图标637表示的冲击部位对齐时。
在一个范例中，冲击位置图标637和靶部位652a和652b能够被投影到由外科医师16穿戴的抬头显示器(heads-up display)上。例如，不是外科医师16必须在计算机显示器644处查找，外科医师16能够穿戴具有在图标637和靶部位652a和652b能够被投影到其上的外科医师16的视线中的屏幕的头盔。在一个范例中，抬头显示器能够包括谷歌眼镜***。
在另一范例中，来自计算机显示器644的手术计划图像642能够被投影在可定位在手术室10内的移动屏幕上。例如，便携式屏幕能够包括接收或者在其中已经存储有手术计划的智能电话或平板计算机的部件。
利用在本文中所描述的***和方法，外科医师16能够更好地执行手术操作。具体地，整个手术流程能够更准确地并且更迅速地完成，因为每个连续的步骤能够在更少的时间内并且以更多精度完成。最后植入的假体设备能够被植入以避免碰撞和稳定性问题。具体地，术前获得的运动学运动捕获视频和X射线图像能够被用于识别与待由患者执行的患者特异性活动有关的假体设备的潜在碰撞和稳定性问题。这样，能够实施手术计划以避免可能引起碰撞和稳定性问题的植入物取向。能够使用引导式启用实时反馈的手术工具(其是使用术前采集的数据来引导的)来确保恰当的手术计划植入物对齐。
各种说明&范例
范例1能够包括或使用诸如一种准备手术计划的方法的主题，所述方法能够包括：视频捕获患者的解剖学关节的运动范围以获得运动范围视频；将所述运动范围视频配准到患者的骨骼的图像；基于所述运动范围视频来识别解剖学关节中的潜在碰撞和稳定性问题；使用所述解剖学关节的所识别的潜在碰撞和稳定性问题在所述解剖学关节的二维图像或三维模型上对假体植入物进行模板化以获得位置数据和取向数据；并且以电子方式保存所述假体植入物的所述位置数据和所述取向数据以用于与手术导航***一起使用。
范例2任选地能够包括或者任选地能够与范例1的主题相组合以任选地包括视频捕获所述解剖学关节的所述运动范围包括对穿戴具有视觉标记和/或不透射线标记的紧身衣的患者进行视频录像。
范例3能够包括或者任选地能够与范例1或范例2中的一个或者任何组合的主题相组合以任选地包括将所述运动范围视频配准到所述患者的骨骼包括获得穿戴具有所述视标记觉和/或不透射线标记的所述紧身衣的所述患者的正交X射线。
范例4能够包括或者任选地能够与范例1-3中的一个或任何组合的主题相组合以任选地包括视频捕获所述运动范围包括在执行弯曲所述解剖学关节的患者特异性活动时对穿戴具有视觉标记的所述紧身衣的所述患者进行视频录像。
范例5能够包括或者任选地能够与范例1-4中的一个或任何组合的主题相组合以任选地包括对所述假体植入物进行模板化包括在二维图像的数字副本上标记针对所述患者的解剖结构上的解剖学切口的二维图像位置。
范例6能够包括或者任选地能够与范例1-5中的一个或任何组合的主题相组合以任选地包括所述二维图像，所述二维图像包括在没有所述紧身衣的情况下取得的所述患者的骨骼的正交X射线图像。
范例7能够包括或者任选地能够与范例1-6中的一个或任何组合的主题相组合以任选地包括基于统计学数据来生成所述患者的所述解剖学关节的电子三维模型；并且利用所述植入物位置和取向来注释所述三维模型。
范例8能够包括或者任选地能够与范例1-8中的一个或任何组合的主题相组合以任选地包括对所述假体植入物进行模板化包括将所述假体设备的图像定位在所述三维模型上。
范例9能够包括或者任选地能够与范例1-9中的一个或任何组合的主题相组合以任选地包括使用具有定位***的手术***将手术室中所述患者的所述解剖学关节配准到所述患者的图像。
范例10能够包括或者任选地能够与范例1-9中的一个或任何组合的主题相组合以任选地包括将电子定位信息提供到手术设备以便将所述假体植入物定位在根据所述位置数据和所述取向数据的位置和取向处。
范例11能够包括或者任选地能够与范例1-10中的一个或任何组合的主题相组合以任选地包括提供电子定位信息还包括将经颜色编码的视觉指示器显示在***件上，指示***件相对于假体植入物的位置和取向的对齐。
范例12能够包括或者任选地能够与范例1-11中的一个或任何组合的主题相组合以任选地包括提供所述电子定位信息还包括将所述假体植入物的所述位置和所述取向显示到被定位在所述手术室中的移动设备的显示器上。
范例13能够包括或者任选地能够与范例1-12中的一个或任何组合的主题相组合以任选地包括提供所述电子定位信息还包括将所述假体植入物的所述位置和所述取向投影到由所述手术室中的外科医师穿戴的抬头显示器上。
范例14能够包括或者使用诸如一种用于规划和执行手术流程的***的主题，所述***能够包括：运动捕获***，其记录患者的解剖学运动视频；X射线***，其将所述视频配准到所述患者的骨骼***；电子建模***，其生成解剖学模型，根据所述解剖学模型，能够基于经配准的视频来生成针对假体植入物的位置数据和取向数据；以及手术导航***，其使所述位置数据和所述取向数据与患者的解剖结构相关。
范例15能够包括或者任选地能够与范例14的主题相组合以任选地包括手术器械，所述手术器械是基于所述位置数据和所述取向数据由所述手术导航***以电子方式进行引导的。
范例16能够包括或者任选地能够与范例14-15中的一个或任何组合的主题相组合以任选地包括运动捕获***，所述运动捕获***包括：视频相机；以及具有标记的紧身衣。
范例17能够包括或者任选地能够与范例14-16中的一个或任何组合的主题相组合以任选地包括基于骨骼数据库来生成统计学形状模型的电子建模***。
范例18能够包括或者任选地能够与范例14-17中的一个或任何组合的主题相组合以任选地包括手术导航***，所述手术导航***包括：跟踪***，所述跟踪***具有光学***和多个阵列。
范例19能够包括或者任选地能够与范例14-18中的一个或任何组合的主题相组合以任选地包括所述位置数据和所述取向数据能够被投影到其上的可穿戴的抬头显示器上。
这些非限制性范例中的每个可以独立存在，或者可以以各种排列或组合与其他范例中的一个或多个相组合。
以上详细描述包括对形成详细描述的一部分的附图的引用。通过图示的方式，附图示出了在其中能够实践本发明的特定实施例。这些实施例在本文中还被称为“范例”。这样的范例可以包括除了所示或所描述的那些元件之外的元件。然而，本发明人还预期在其中仅提供所示或所描述的那些元件的范例。此外，本发明人还预期使用所示或所描述的那些元件要么相对于特定范例(或其一个或多个方面)要么相对于本文所示或所描述的其他范例(或其一个或多个方面)的任何组合或排列的范例。
在该文档与因此通过引用并入的任何文档之间的不一致的使用的情况下，该文档中的使用进行控制。
在该文档中，如在专利文档中常见的，术语“一”或“一个”被用于独立于“至少一个”或“一个或多个”包括一个或超过一个。在该文档中，术语“或者”被用于指代非专有的或者，使得除非另外指示，否则“A或者B”包括“A而不是B”、“B而不是A”和“A和B”。在该文档中，术语“包括”和“在其中”被用作相应的术语“包括”和“其中”的简明英语等价物。此外，在以下权利要求中，术语“包含”和“包括”是开放式的，即，***、设备、制品、组成、公式或过程包括除在权利要求中的这样的术语仍然被认为是落在该权利要求的范围内之后列出的那些元件的元件。此外，在以下权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅被用作标签，并非旨在将数字要求强加在其对象上。
能够至少部分地机器或计算机实现本文所描述的方法范例。一些范例能够包括编码有可操作用于将电子设备配置为执行如以上范例中所描述的方法的指令的计算机可读介质或机器可读介质。这样的方法的实施方案能够包括诸如微代码、汇编语言代码、高级语言代码等的代码。这样的代码能够包括用于执行各种方法的计算机可读指令。代码可以形成计算机程序产品的部分。此外，在范例中，代码能够有形地被存储在一个或多个易失性非暂态或非易失性有形计算机可读介质上，诸如在运行期间或者在其他时间处。这些触觉计算机可读介质的范例可以包括但不限于：硬盘、可移除磁盘、可移除光盘(例如，光盘和数字视频光盘)、磁带盒、存储器卡或棒、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等。
以上描述旨在是说明性而非限制性的。例如，以上所描述的范例(或其一个或多个方面)可以彼此组合使用。可以使用其他实施例(诸如在回顾以上描述之后由本领域普通技术人员)。摘要被提供以符合37C.F.R.§1.72(b)以允许读者迅速地确定技术公开的性质。主张理解其将不被用于解释或限制权利要求的范围或意义。此外，在以下详细描述中，各种特征可以一起分组以使本公开合理化。这不应当被解释为预期未主张的所公开的特征对于任何权利要求是必要的。相反，发明主题可以在于少于特定公开的实施例的所有特征。因此，以下权利要求在此被并入详细描述作为范例或实施例，以及每个权利要求独立存在作为分离的实施例，并且应当预期到这样的实施例可以以各种组合或排列彼此组合。应当参考权利要求连同这样的权利要求被授予权利的等价物的全部范围来确定。

Claims (19)

1.一种用于规划和执行手术流程的***，所述***包括：
运动捕获***，其记录患者的解剖学运动的视频；
X射线***，其将所述视频配准到所述患者的骨骼***；
电子建模***，其生成解剖学模型，根据所述解剖学模型，能够基于经配准的视频来生成针对假体植入物的位置数据和取向数据；以及
手术导航***，其使所述位置数据和所述取向数据与所述患者的解剖结构相关。
2.根据权利要求1所述的***，还包括手术器械，所述手术器械是基于所述位置数据和所述取向数据由所述手术导航***以电子方式进行引导的。
3.根据权利要求1-2中的任一项所述的***，其中，所述运动捕获***包括：
视频相机；以及
具有标记的紧身衣。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的***，其中，电子建模***基于骨骼数据库来生成统计学形状模型。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的***，其中，所述手术导航***包括跟踪***，所述跟踪***具有光学***和多个阵列。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的***，还包括可穿戴抬头显示器，所述位置数据和所述取向数据能够被投影到所述可穿戴抬头显示器上。
7.一种准备手术计划的方法，所述方法包括：
视频捕获患者的解剖学关节的运动范围以获得运动范围视频；
将所述运动范围视频配准到所述患者的骨骼的图像；
基于所述运动范围视频来识别所述解剖学关节中的潜在碰撞和稳定性问题；
使用所述解剖学关节的所识别的潜在碰撞和稳定性问题在所述解剖学关节的二维图像或三维模型上对假体植入物进行模板化以获得位置数据和取向数据；并且
以电子方式保存所述假体植入物的所述位置数据和所述取向数据以用于与手术导航***一起使用。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，视频捕获所述解剖学关节的所述运动范围包括对穿戴具有视觉标记和/或不透射线标记的紧身衣的所述患者进行视频录像。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，将所述运动范围视频配准到所述患者的所述骨骼包括获得穿戴具有所述视觉标记和/或所述不透射线标记的所述紧身衣的所述患者的正交X射线。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，视频捕获所述运动范围包括在执行使所述解剖学关节弯曲的患者特异性活动时对穿戴具有视觉标记的所述紧身衣的所述患者进行视频录像。
11.根据权利要求7-10中的任一项所述的方法，其中，对所述假体植入物进行模板化包括在所述二维图像的数字副本上标记针对所述患者的解剖结构上的解剖学切口的位置。
12.根据权利要求7-11中的任一项所述的方法，其中，所述二维图像包括在没有所述紧身衣的情况下取得的所述患者的所述骨骼的正交X射线图像。
13.根据权利要求7-12中的任一项所述的方法，还包括：
基于统计学数据来生成所述患者的所述解剖学关节的电子三维模型；并且
利用植入物位置和取向来注释所述三维模型。
14.根据权利要求7-13中的任一项所述的方法，其中，对所述假体植入物进行模板化包括将假体设备的图像定位在所述三维模型上。
15.根据权利要求7-14中的任一项所述的方法，还包括使用具有定位***的手术***将手术室中的所述患者的所述解剖学关节配准到所述患者的图像。
16.根据权利要求7-15中的任一项所述的方法，还包括将电子定位信息提供到手术设备以便将所述假体植入物定位在根据所述位置数据和所述取向数据的位置和取向处。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，提供电子定位信息还包括将经颜色编码的视觉指示器显示在***件上，指示所述***件相对于所述假体植入物的所述位置和所述取向的对齐。
18.根据权利要求16-17中的任一项所述的方法，其中，提供所述电子定位信息还包括将所述假体植入物的所述位置和所述取向显示到被定位在所述手术室中的移动设备的显示器上。
19.根据权利要求16-18中的任一项所述的方法，其中，提供所述电子定位信息还包括将所述假体植入物的所述位置和所述取向投影到由所述手术室中的外科医师穿戴的抬头显示器上。
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