CN113993445B - 用于手术配准的***和方法 - Google Patents

Abstract

手术配准***。该***可以包括与手术导航***和手术装置通信的至少一个计算装置。该至少一个计算装置：a)接收与股骨外表面上的位置相对应的外部骨配准数据；b)基于外部骨配准数据计算第一配准变换；c)基于第一配准变换将手术计划的第一去骨计划变换到手术坐标系；d)从股骨的内管接收与位置或取向数据中的至少一项相对应的内部骨管配准数据；e)基于外部和内部骨管骨配准数据计算第二配准变换；f)基于第二配准变换将手术计划的第二去骨计划变换到手术坐标系。

Description

用于手术配准的***和方法

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年3月5日提交的美国临时申请第62/814,057号的权益，该申请通过引用整体并入本申请。

技术领域

本公开总体上涉及用于骨科关节置换手术的手术***，并且更具体地，涉及手术配准的方法。

背景技术

机器人***通常用于需要高度准确度和/或精确度的应用中，例如手术程序或其他复杂任务。这样的***可以包括各种类型的机器人，例如自主的、遥控的和交互式的。

对于某些类型的手术，例如关节置换手术，交互式机器人***可能是优选的，因为它们使外科医生能够保持对手术程序的直接、手动控制，同时仍然实现高度的准确度和/或精确度。例如，在膝关节置换手术中，外科医生可以以被动方式使用交互式、触觉引导的机械臂来雕刻骨骼以接收关节植入物，例如膝关节植入物。为了雕刻骨骼，外科医生手动抓住并操纵机械臂以移动联接到机械臂的切割工具(例如，旋转圆头锉)以在骨骼中切出凹袋。只要外科医生将圆头锉的尖端保持在例如由触觉对象定义的预定义的虚拟切割边界或限定的触觉边界内，机械臂就会以低摩擦和低惯性自由移动，从而外科医生将机械臂视为基本上没有重量，并且可以根据需要移动机械臂。然而，如果外科医生试图移动圆头锉的尖端以在虚拟切割边界外进行切割，则机械臂提供触觉反馈(例如，强制阻力)，以防止或禁止外科医生将圆头锉的尖端移动到虚拟切割边界之外。通过这种方式，机械臂可以实现高度准确、可重复的骨骼切割。当外科医生在相应的骨切口上手动植入膝关节植入物(例如，髌股部件)时，由于所切骨和膝关节植入物的构造及它们之间的界面，植入物通常会准确对齐。

上述交互式机器人***也可用于髋关节置换手术，这可能需要使用具有不同功能(例如，铰孔、冲击)、不同配置(例如，直线、偏移)和不同的重量的多种手术工具。在2010年9月29日提交的题为“SURGICAL SYSTEM FOR POSITIONING PROSTHETIC COMPONENT AND/ORFOR CONSTRAINING MOVEMENT OF SURGICAL TOOL”的美国专利申请第12/894,071号中描述了一种设计用于容纳多种工具的***，该申请在此全文以引用方式并入。

在髋关节置换手术以及其他机器人辅助或完全自主的手术程序中，包括骨盆和股骨在内的患者骨骼在术中与相应的虚拟或计算机骨骼模型配准以将实际物理骨骼的姿势(即，位置和旋转方向)与虚拟骨骼模型相关联。还相对于可包括至少一个自由度(例如，旋转圆头锉)的手术机器人、触觉装置或手术工具追踪患者骨骼(物理空间)。这样，通过计算机在虚拟骨骼模型上控制和定义的虚拟切割或触觉边界可以应用于患者骨骼(物理空间)，从而使触觉装置在工作于患者骨骼(物理空间)上时在物理运动(例如，锉动)上受到约束。

骨盆和股骨的术中配准可能具有挑战性。并且虽然本领域中存在用于配准患者骨盆和股骨的某些***和方法，但本领域对于增加准确性同时减少配准时间的配准方法存在需要。

发明内容

本公开的方面可包括用于配准手术装置和患者的股骨的***。股骨可包括外表面和内管。患者的股骨和手术装置可以在手术坐标系中。该***可以包括与手术导航***和手术装置通信的至少一个计算装置。手术导航***可以追踪手术装置。该至少一个计算装置存储虚拟坐标空间中的手术计划。该至少一个计算装置被配置用于以下步骤。该至少一个计算装置可以接收与股骨外表面上的位置相对应的外部骨配准数据。该至少一个计算装置可以基于外部骨配准数据计算第一配准变换。该至少一个计算装置可以基于第一配准变换将手术计划的第一去骨计划变换到手术坐标系。该至少一个计算装置可以从股骨的内管接收与位置或取向数据中的至少一项相对应的内部骨管配准数据。该至少一个计算装置可以基于外部骨配准数据和内部骨管配准数据两者计算第二配准变换。该至少一个计算装置可以基于第二配准变换将手术计划的第二去骨计划变换到手术坐标系。

在某些情况下，第一去骨计划可以被定义在所述虚拟坐标空间中并且可以包括用于从可以代表患者的股骨的所述内管的虚拟内管的第一去骨部分的第一坐标位置。

在某些情况下，第二去骨计划可以被定义在所述虚拟坐标空间中并且可以包括用于从可以代表患者的股骨的内管的所述虚拟内管的第二去骨部分的第二坐标位置。

在某些情况下，第一去骨计划的第一去骨部分包括比所述第一去骨计划和第二去骨计划组合更少的从虚拟管进行的骨去除。在某些情况下，第一去骨计划仅包括部分股骨管准备计划，其可以小于植入股骨植入物的柄所需的完整管准备计划。在某些情况下，第一去骨计划的第一去骨部分和所述第二去骨计划的第二去骨部分共同构成完整管准备计划。

在某些情况下，第二去骨计划包括机器人去骨部分和手动去骨部分。

在某些情况下，手动去骨部分可以被规划用于拉刀。

在某些情况下，用于所述第二去骨部分的第二坐标位置包括用于所述第一去骨部分的第一坐标位置。

在某些情况下，用于第二去骨计划的第二去骨部分的第二坐标位置包含用于第一去骨计划的第一去骨部分的第一坐标位置。

在某些情况下，手术导航***可以包括包括追踪装置和至少一个被配置为在其移动中被所述追踪装置追踪的工具。

在某些情况下，手术计划还可以包括用于股骨颈蚀刻的位置和取向，所述至少一个计算装置被配置成接收对应于所述股骨颈上的物理标记的股骨颈蚀刻数据，所述标记小于所述股骨颈的完全切除。

在某些情况下，该至少一个计算装置进一步被配置成将所述第一配准变换与所述第二配准变换进行比较，并且基于所述比较继续进行所述第一配准变换或所述第二配准变换中的一个。

本公开的方面可以包括一种计算机实现的对手术装置和患者股骨进行配准的方法。股骨包括外表面和内管。手术装置和患者的股骨处于手术坐标系中。计算机实现的方法可以包括以下步骤。该方法可以包括接收与股骨的外表面上的位置相对应的外部骨配准数据的步骤。该方法可以包括基于外部骨配准数据计算第一配准变换的步骤。该方法可以包括基于所述第一配准变换将手术计划的第一去骨计划变换到所述手术坐标系的步骤，所述第一去骨计划包括部分股骨管准备计划，该部分股骨管准备计划可以小于接收股骨植入物的柄所需的完整管准备计划。该方法可以包括从所述股骨的内管接收与位置或取向数据中的至少一项相对应的内部骨管配准数据的步骤。该方法可以包括基于所述外部骨配准数据和所述内部骨管配准数据计算第二配准变换的步骤。并且该方法可以包括基于所述第二配准变换将手术计划的第二去骨计划变换到所述手术坐标系的步骤。

在某些情况下，该方法还可以包括：确定植入物模型相对于股骨模型的计划植入物放置，所述股骨模型代表患者的股骨。

在某些情况下，该方法还可以包括：确定手术计划以便实现规划的植入物放置，所述手术计划可以包括所述第一去骨计划和所述第二去骨计划。

在某些情况下，可以在相对于代表股骨的股骨模型的虚拟坐标系中规划所述第一去骨计划，所述虚拟坐标系不同于手术坐标系。并且，基于所述第一配准变换将所述第一去骨计划变换到手术坐标系中可以包括以所述第一去骨计划可以相对于所述虚拟坐标系中的股骨骨骼模型相同的位置和取向将所述第一去骨计划映射到手术坐标系中的股骨。

在某些情况下，可以在相对于代表股骨的股骨模型的虚拟坐标系中规划所述第二去骨计划，所述虚拟坐标系不同于手术坐标系。并且，基于所述第二配准变换将所述第二去骨计划变换到手术坐标系中可以包括以所述第二去骨计划可以相对于所述虚拟坐标系中的股骨骨骼模型相同的位置和取向将所述第二去骨计划映射到手术坐标系中的股骨。

在某些情况下，第二去骨计划包括从所述股骨的内管去除骨，并且所述第二去骨计划包含所述第一去骨计划的骨去除。在某些情况下，第二去骨计划包括去除超出第一去骨计划中的骨的额外骨。

本公开的方面可包括用于将第一坐标系中的第一骨骼的患者数据与在可以不同于所述第一坐标系的第二坐标系中的与第一骨骼相关联的手术计划配准的***。第一骨骼可以包括头部和从头部延伸的轴部。该***可以包括与手术导航***通信的至少一个计算装置，该手术导航***可以包括追踪装置和被配置为在其移动中被追踪装置追踪的至少一个工具。该至少一个计算装置将手术计划存储在第二坐标系中。所述手术计划可以包括代表第一骨骼的虚拟骨骼模型、与虚拟骨骼模型相关联的第一去骨计划以及与虚拟骨骼模型相关联的第二去骨计划。该至少一个计算装置被配置为接收与所述第一骨骼相关联的第一数据点云，所述第一数据点云可以包括与所述第一骨骼的头部相关联的第一数据。该至少一个计算装置被配置为根据所述第一数据点云计算第一配准变换。该至少一个计算装置被配置为使用所述第一配准变换，在第一去骨计划已存在于相对于虚拟骨骼模型的第二坐标系中时，将所述手术计划的第一去骨计划在相对于第一骨骼的位置和取向上变换到第一坐标系。该至少一个计算装置被配置为接收与第一骨骼相关联的第二数据点云，所述第二数据点云可以包括与第一骨骼的轴部的内部相关联的第二数据。该至少一个计算装置被配置为从所述第一数据点云和第二数据点云计算第二配准变换。并且，该至少一个计算装置被配置为使用所述第二配准变换，所述第二去骨计划相对于虚拟骨骼模型存在于第二坐标系中时，将所述手术计划的第二去骨计划在相对于第一骨骼的位置和取向上变换到第一坐标系。

在某些情况下，第一数据点云和第二数据点云可以是通过手术装置在手术中采集的，所述手术装置可以在其运动中被所述手术导航***的所述追踪装置追踪。

在某些情况下，第一去骨计划包括用于从所述虚拟骨模型的虚拟管部分去除骨的第一计划。

在某些情况下，第二去骨计划包括用于从虚拟骨模型的虚拟管完全去除骨的第二计划，第一去骨计划和第二去骨计划用于准备植入股骨植入物的柄。

本公开的方面可以包括存储用于在计算***上执行计算机过程的计算机可执行指令的一个或多个有形计算机可读存储介质。计算机过程可以包括以下步骤。计算机过程可以包括接收患者骨盆的多个图像扫描的步骤。计算机过程可以包括从所述多个图像扫描生成所述患者骨盆的三维骨骼模型的步骤。计算机过程可以包括识别与所述多个图像扫描相关联的扫描轴的步骤，该扫描轴沿着成像机的扫描台的长轴定义。计算机过程可以包括识别与所述患者骨盆的三维骨模型相关联的骨轴的步骤。计算机过程可以包括确定所述扫描轴与所述骨轴之间的角度偏移的步骤。计算机过程可以包括确定至少一个虚拟骨骼相对于所述患者骨盆的三维骨骼模型的虚拟旋转中心的步骤。计算机过程可以包括在手术配准程序中采用的配准变换中使用所述角度偏移和所述虚拟旋转中心作为约束的步骤。

本公开的方面可以包括存储用于在计算***上执行计算机过程的计算机可执行指令的一个或多个有形计算机可读存储介质。计算机过程可以包括以下步骤。计算机过程可以包括从手术导航***的至少一个工具接收数据点云的步骤，该至少一个工具在其运动中被手术导航***的追踪装置追踪。该至少一个工具可以被配置为在点云数据中存储数据点。数据点云可以包括公共坐标系中的第一数据和第二数据。第一数据可以包括位于手术台上或靠近手术台的一对点。第二数据可以包括对应于可包括凹部的第一骨骼和可包括凸部的第二骨骼之间的接合面的凹部的多个点。计算机过程可以包括确定所述第一数据的点对之间的向量的步骤。计算机过程可以包括根据所述第二数据确定旋转中心的步骤，所述旋转中心是所述第二骨骼相对于第一骨骼的旋转中心。计算机过程可以包括采用配准变换的步骤，该配准变换将数据点云与至少所述第一骨骼的三维计算机模型配准，所述向量和所述旋转中心是所述配准变换中的约束。

本公开的方面可以包括用于手术配准的计算机实现的方法，该方法包括以下步骤。该方法可以包括从手术导航***的至少一个工具接收数据点云的步骤，该至少一个工具在其运动中被手术导航***的追踪装置追踪。至少一个工具被配置为基于其相对于追踪装置的位置将数据点存储在点云数据中。数据点云可以包括第一坐标系中的第一数据和第二数据。第一数据可以包括位于或靠近手术台的第一坐标点和第二坐标点。第二数据可以包括一个或多个对应于形成在一对骨骼之间的关节的旋转中心的坐标点。该方法可以包括采用配准变换的步骤，该配准变换将数据点云与多个坐标点配准，这些坐标点与这对骨骼和关节的三维计算机模型相关联或近似这对骨骼和关节。多个坐标点可包括对应于关节的旋转中心的一个或多个坐标点。所述多个坐标点在第二坐标系中。

在某些情况下，位于所述手术台上或靠近所述手术台的所述第一坐标点和第二坐标点平行于所述手术台的长轴对齐。

在某些情况下，第一数据可以包括位于或靠近所述手术台的第三坐标点，所述第三坐标点可以位于所述手术台的与所述第一坐标点和第二坐标点相对的一侧。

在某些情况下，一对骨骼和关节的或近似一对骨骼和关节的三维计算机模型可以是从一对骨骼和关节的术前图像扫描生成的。

在某些情况下，一对骨骼和关节的或近似一对骨骼和关节的三维计算机模型可以包括近似一对骨骼和关节的通用骨骼模型。

在某些情况下，所述一对骨骼和关节的或近似所述一对骨骼和关节的三维计算机模型可以包括近似所述一对骨和关节的统计骨骼模型。

本公开的方面可包括外科配准***，其包括以下。配准针，其可包括远侧尖端和近侧发光二极管(LED)光学标记，所述近侧LED光学标记被配置为由手术导航***的追踪装置追踪。针模板，可包括模板块，所述模板块具有多个贯穿其中的通孔，所述多个通孔在所述模板块上彼此间隔开，并且所述多个通孔中的每一个被配置为沿轨迹引导配准针。以及光学定位追踪器，联接到所述针模板，所述光学定位追踪器被配置为由所述手术导航***的追踪装置追踪。

本公开的方面可包括用于将在手术中收集的椎骨的患者数据与坐标系中的椎骨的计算机模型进行配准的***。椎骨可以包括具有外表面和内表面的皮质骨壳，以及皮质骨壳的松质骨内部。椎骨可以限定以皮质骨壳为界的脊髓管。该***可以包括手术导航***，包括追踪装置和至少一个被配置为在其运动中被追踪装置追踪的工具，该至少一个工具可以包括在其远端具有切割元件的末端执行器和配置成感测所述切割元件上的载荷的测力传感器。该***还可以包括与所述手术导航***通信的至少一个计算装置，该至少一个计算装置在坐标系中存储所述椎骨的计算机模型。所述至少一个计算装置被配置为接收与当切割元件接触皮质骨壳和松质骨时在末端执行器的远端处的切割元件所承受的载荷相关的载荷数据。该至少一个计算装置被配置为基于所述载荷数据识别所述切割元件何时接触所述皮质骨壳的内表面。该至少一个计算装置被配置为接收与所述椎骨相关的数据点云，该数据点云可以包括皮质骨壳的内表面上的坐标位置，通过位于所述末端执行器的远端处的切割元件收集所述数据点云。该至少一个计算装置被配置用于以下至少一个：运行或更新变换以将与椎骨相关联的数据点云配准到公共坐标系中的椎骨的计算机模型。

附图说明

图1A是股骨和骨盆的透视图。

图1B是由图1A的股骨和骨盆形成的髋关节的透视图。

图2A是用于全髋置换手术的股骨部件和髋臼部件的分解透视图。

图2B是示出图2A的股骨部件和髋臼部件分别关于图1A的股骨和骨盆的放置的透视图。

图3A是手术***的实施例的透视图。

图3B是图3A的手术***的机械臂的实施例的透视图。

图4图示了在手术程序期间使用的计算机显示器的实施例。

图5图示了髋关节置换手术的步骤的实施例。

图6和图7图示了在显示屏上示出的骨盆配准方法的实施例。

图8示出股骨配准方法的步骤。

图9A描绘了经历分割的股骨近端的术前图像。

图9B描绘了部分切除管的股骨近端。

图9C描绘了沿着股骨管在内部探查的股骨近端。

图9D描绘了沿股骨管完全切除的股骨近端。

图10示出股骨配准方法的步骤。

图11A描绘了经历分割的股骨近端的术前图像。

图11B描绘了股骨管被部分切除的股骨近端。

图11C描绘了股骨近端，股骨管被部分切除，并且股骨的内表面被末端执行器的圆头锉探测。

图11D描绘了股骨管完全切除的股骨近端。

图12图示股骨配准方法的步骤。

图13A描绘了经历分割的股骨近端的术前图像。

图13B描绘了股骨近端，股骨管被部分切除，并且配准工具延伸到股骨管中。

图13C描绘了股骨近端，股骨管被部分切除，并且配准工具延伸到股骨管中，并且工具扩张到内部骨表面。

图13D描绘了股骨管被完全切除的股骨近端。

图13E描绘了用于在股骨近端上规划和执行手术程序的示例性流程图。

图13F描绘了用于在股骨近端上规划和执行手术程序的示例性流程图。

图14A图示了利用来自成像台上的患者取向的信息的配准方法的术前步骤。

图14B图示了利用来自成像台上的患者取向的信息的配准方法的术中步骤。

图14C图示了配准方法的术前和术中步骤。

图14D图示了配准方法的术前和术中步骤。

图15A描绘了成像台上的患者的俯视图。

图15B描绘了手术室台上的患者的俯视图。

图15C描绘了在手术室中确定的向量与根据患者在成像台上的取向确定的骨盆轴之间的角度偏移。

图15D描绘了在成像台上的患者的俯视图。

图15E描绘了手术室台上的患者的俯视图。

图15F描绘了成像台上的患者的俯视图。

图15G描绘了在手术室台上的患者的俯视图。

图16A描绘了各种长度和直径的针以及针模板。

图16B描绘了具有基于针的配准***的第一实施例的股骨的前视图。

图16C描绘了具有基于针的配准***的第二实施例的股骨的前视图。

图17A和17B描绘了在股骨的中远侧部分上使用的基于针的配准***。

图17C描绘了在胫骨的中远侧部分上使用的基于针的配准***。

图18描绘了具有在髂嵴上使用的基于针的配准***的髂骨的侧视图。

图19A和19B分别描绘了在脊柱上使用的基于针的配准***的侧视图和横截面轴向视图。

图20A(现有技术)是具有定位在椎弓根内的骨锚的椎骨的轴向横截面图像。

图20B是具有位于椎弓根颈部区域内的圆头锉的椎骨的轴向横截面图像。

图20C是具有位于椎弓根颈部区域内的圆头锉的椎骨的轴向横截面图像。

图20D是具有圆头锉的椎骨的轴向横截面图像，该圆头锉穿过椎弓根的颈部区域定位到远内皮质壁。

图21是提供了具有一个或多个计算单元的示例计算***，所述计算单元可以实现本文讨论的各种***和方法。

具体实施方式

本申请通过引用整体并入以下申请：国际申请PCT/US2017/049466，提交于2017年8月30日，题为“SYSTEMS AND METHODS FOR INTRA-OPERATIVE PELVIC REGISTRATION”；美国专利申请第12/894,071号，于2010年9月29日提交，题为“SURGICAL SYSTEM FORPOSITIONING PROSTHETIC COMPONENT AND/OR FOR CONSTRAINING MOVEMENT OF SURGICALTOOL”；美国专利申请第13/234,190号，于2011年9月16日提交，题为“SYSTEMS AND METHODFOR MEASURING PARAMETERS IN JOINT REPLACEMENT SURGERY”；美国专利申请第11/357,197号，于2006年2月21日提交，题为“HAPTIC GUIDANCE SYSTEM AND METHOD”；美国专利申请第12/654,519号，于2009年12月22日提交，题为“TRANSMISSION WITH FIRST AND SECONDTRANSMISSION ELEMENTS”；美国专利申请第12/644,964号，于2009年12月22日提交，题为“DEVICE THAT THAT CAN BE ASSEMBLED BY COUPLING”；以及美国专利申请第11/750,807号，于2007年5月18日提交，题为“SYSTEM AND METHOD FOR VERIFYING CALIBRATION OF ASURGICAL DEVICE”。

I.概述

髋关节是股骨和骨盆之间的关节，主要用于在静态(例如，站立)和动态(例如，行走)姿势下支撑身体的重量。图1A图示了髋关节10的手术侧的骨骼，其包括左骨盆或髂骨12和左股骨的近端14。尽管右骨盆和右股骨的近端未在图1A中示出，这里的这种讨论适用于右股骨和左股骨和骨盆而没有限制。继续，股骨14的近端包括设置在股骨颈18上的股骨头16。股骨颈18将股骨头16连接到股骨干20。如图1B所示，股骨头16装配到骨盆12中称为髋臼22的凹窝中，从而形成髋关节10。髋臼22和股骨头16均被关节软骨覆盖，关节软骨吸收震动并促进关节10的关节连接。

随着时间的推移，髋关节10可能退化(例如，由于骨关节炎)，导致疼痛和功能减弱。因此，可能需要进行髋关节置换术，例如全髋关节置换术或髋关节表面置换术。在髋关节置换期间，外科医生用人造部件置换患者髋关节10的部分。在全髋关节置换术中，外科医生移除股骨头16和股骨颈18，并用假体股骨部件26代替天然骨，假体股骨部件26包括头26a、颈26b和柄26c(如图2A所示)。如图2B所示，股骨部件26的柄26c锚固在外科医生在股骨14的髓内管中创建的腔中。或者，如果疾病局限于股骨头16的表面，外科医生可以选择侵入性较小的一种方法，其中对股骨头进行表面重修(例如，使用圆柱形铰刀)，然后与假体股骨头杯(未显示)配合。类似地，如果骨盆12的自然髋臼22磨损或患病，外科医生使用铰刀对髋臼22进行表面重修，并用假体髋臼部件28替换自然表面，该假体髋臼部件包括可包括衬垫28b的半球形杯28a(如图2A所示)。为了安装髋臼部件28，外科医生将杯28a连接到冲击器工具的远端并且通过用锤反复敲击冲击器工具的近端将杯28a植入到铰孔的髋臼22中。如果髋臼部件28包括衬垫28b，则外科医生在植入杯28a之后将衬垫28b咬合到杯28a中。取决于外科医生放置患者进行手术的位置，外科医生可以使用直的或偏置的铰刀对髋臼22进行铰孔并且使用直的或偏置的冲击器来植入髋臼杯28a。例如，使用后外侧入路的外科医生可能更喜欢直铰孔和嵌塞，而使用前外侧入路的外科医生可能更喜欢偏置铰孔和嵌塞。

II.示例性机器人***

本文描述的手术***可用于执行髋关节置换以及其他手术程序。如图3A所示，根据本公开的用于手术应用的手术***5的实施例包括计算机辅助导航***7、追踪装置8、计算机15、显示装置9(或多个显示装置9)和机械臂30。

机械臂30可由外科医生以交互方式使用以对患者执行手术程序，例如髋关节置换手术。如图3B所示，机械臂30包括底座32、铰接臂34、力***(未示出)和控制器(未示出)。手术工具58(例如，如图3A中所见的旋转锉动装置、具有如图3B中所见的操作构件的末端执行器40)联接到铰接臂34的端部，并且外科医生通过抓住并手动移动铰接臂34和/或手术工具来操纵手术工具58。

力***和控制器被配置成在手术工具的操纵期间向外科医生提供控制或引导。力***被配置为通过铰接臂34向手术工具提供至少一些力，并且控制器被编程为产生用于控制力***的控制信号。在一个实施例中，力***包括致动器和可反向驱动的传动装置，它们提供触觉(或力)反馈以约束或禁止外科医生手动移动手术工具超出由触觉对象定义的预定义虚拟边界，例如在2006年2月21日提交的美国专利申请序号11/357,197(公开号US2006/0142657)和/或2009年12月22日提交的美国专利申请序号12/654,519中描述的，各个专利申请的全部内容通过引用并入本文。在某个实施例中，手术***是由佛罗里达州劳德代尔堡的MAKO Surgical Corp.制造的RIO^TM机械臂交互式矫形***。力***和控制器可以容纳在机械臂30内，或者可以是自主或手持单元的一部分。通常，手术配准的方法可以通过手术机器人的机械臂自主操作或由外科医生在触觉控制下引导来完成。类似地，手术配准的方法可以通过在允许的手术区域内操作的手持单元来完成。

追踪装置8被配置为追踪手术工具58(联接到机械臂30)和患者的解剖结构的相对位置。手术工具58可以由追踪装置8直接追踪。或者，手术工具的姿势可以通过追踪机械臂30的底座32的位置并基于来自机械臂30的关节编码器数据以及手术工具和机械臂30之间的已知几何关系来计算手术工具58的姿势来确定。特别地，追踪装置8(例如，光学、机械、电磁或其他已知的追踪***)追踪(或能够确定)手术工具和患者解剖结构的姿势(即，位置和取向)，因此导航***7知道工具和解剖结构之间的相对关系。

在操作中，用户(例如，外科医生)手动移动机械臂30以操纵手术工具58(例如，旋转锉动装置、具有操作构件的末端执行器40)以在患者上执行手术任务，例如骨切割或植入物安装。当外科医生操纵工具58时，追踪装置8追踪手术工具的位置并且机械臂30提供触觉(或力)反馈以限制外科医生将工具58移动到预定义的虚拟边界之外的能力，预定义的虚拟边界配准(或映射)到患者的解剖结构，从而实现高度准确和可重复的骨骼切割和/或植入物放置。机械臂30以被动方式操作并在外科医生试图将手术工具58移动到虚拟边界之外时提供触觉反馈。触觉反馈由机械臂30中的一个或多个致动器(例如，马达)产生并经由柔性传动装置(例如线缆驱动传动装置)传送给外科医生。当机械臂30不提供触觉反馈时，机械臂30可由外科医生自由移动并且优选地包括可以根据外科医生的需要激活的虚拟制动器。在手术程序中，导航***7在显示装置9之一或两者上显示与手术程序相关的图像。

为了帮助追踪***内的各件设备，机械臂30可以包括用于追踪机械臂30的全局或总位置的装置标记48、用于追踪铰接臂34的远端的工具端标记54以及用于配准过程的徒手导航探针56。例如，这些标记48、54、56中的每一个(以及诸如定位在患者骨骼中的导航标记)可由具有光学相机的追踪装置8追踪。

计算机15可以包括显示器和输入装置(例如，键盘、鼠标)并且被配置为与导航***7、追踪装置8、***中的各种显示装置9和机械臂30通信。此外，计算机15可以接收与特定手术程序有关的信息并且执行与手术程序的执行有关的各种功能。例如，计算机15可以根据需要具有软件以执行与图像分析、手术计划、配准、导航、图像引导和触觉引导相关的功能。随后参考图14描述对具有一个或多个计算单元的示例计算***的更详细分析，该计算单元可以实现这里讨论的各种***和方法。

图3B描绘了特别适用于机器人辅助髋关节置换术的末端执行器40。末端执行器40被配置为安装到机械臂30的端部。末端执行器40包括安装部分50、外壳、联接装置和释放构件。末端执行器40被配置为单独且可互换地支撑多个操作构件并相对于机械臂30准确定位多个操作构件。如图3B中所示，末端执行器40联接到操作构件100。末端执行器40和相关工具、***和方法在2010年9月29日提交的美国专利申请第12/894,071号中有所描述，其全部内容通过引用并入本文。

安装部分(或安装件)50优选地将末端执行器40联接到机械臂30。特别地，安装部分50从外壳延伸并且被配置为使用例如机械紧固件将末端执行器40联接到机械臂30的相应安装部分35，使得安装部分相对于彼此固定。安装部分50可以附接到外壳或与外壳一体地形成，并且被配置为相对于机械臂30准确且重复地定位末端执行器40。在一个实施例中，安装部分50是半运动安装件，如在2009年12月22日提交的美国专利申请第12/644,964号中描述，其全部内容通过引用并入本文。

图3B中的末端执行器40是可由手术机械臂30追踪和使用的手术工具的一个示例。本领域中已知的其他工具(例如，钻头、圆头锉)可附接到机械臂以用于给定的手术程序。

III.术前计划手术程序

在手术程序之前，用医学成像装置生成患者骨盆12和股骨14的术前CT(计算机断层摄影)扫描。虽然讨论将集中在CT扫描上，但也可以类似地采用其他成像方式(例如，MRI)。此外和替代地，从CT扫描和/或三维模型512、514导出的X射线图像可用于手术计划，这可能对习惯于使用实际X射线图像计划植入物放置的外科医生是有帮助的，与基于CT的模型相反。此外，可以使用骨骼的通用模型或骨骼的统计模型。在配准过程中，模型可以变形为患者的骨骼。附加地或替代地，还可以使用二维X射线图像的组合来生成患者特定骨骼模型，该二维X射线图像具有或没有在配准期间收集的患者数据(例如，2D到3D模型)。

CT扫描可由外科医生或在独立的成像设施处执行。附加地或替代地，可以采用术中成像方法来生成骨骼的患者模型。例如，可以用被追踪探针探测各种感兴趣的骨表面以生成感兴趣表面的表面轮廓。表面轮廓可以用作患者骨骼模型。因此，本公开适用于生成患者骨骼模型或其一部分的所有方法。

如图4所示，CT扫描或来自CT扫描的数据被分割并获得骨盆12的三维模型512和股骨14的三维模型514。外科医生使用三维模型512、514来构建手术计划。外科医生通过指定髋臼部件和股骨部件相对于患者解剖结构的模型512、514的期望姿势(即，位置和取向)来生成手术计划。例如，髋臼杯的计划姿势500可以被指定并显示在计算机显示器上，例如显示装置9。在手术程序中，患者的解剖结构和手术工具在物理空间中的运动通过追踪装置8来追踪，并且这些追踪对象被配准到导航***7(图像空间)中的相应模型。结果，物理空间中的对象与图像空间中的相应模型相关联。因此，手术***5知道手术工具相对于患者解剖结构的实际位置和计划姿势500，并且该信息在手术程序中以图形方式显示在显示装置9上。

在某些实施例中，模型512、514可以分别是全骨表面12、14。在某些实施例中，模型512、514可以是仅提供关键感兴趣区域例如髋臼22和股骨头16的修整后的三维模型。即，修整后的三维模型仅代表完整骨模型512、514的一部分。在某些实施例中，模型512、514可以是多个模型的组合。例如，模型512可以是手术骨盆、非手术骨盆和脊柱的各个三维模型的组合。

IV.术中程序

A.

图5示出了执行全髋置换术的术中步骤的实施例。在该实施例中，步骤S1-S7、S9、S11和S12可以在有或没有机器人辅助的情况下执行。在其他实施例中，可能不需要S1-S2，S3-S5可以在S1-S2之前完成，S7可以在S8之前的任何时间完成。优选地使用机械臂30执行步骤S8和S10。例如，可以使用图3的机械臂30执行步骤S8(铰孔)，末端执行器40联接到操作构件100，并且步骤S10(冲击)可以使用机械臂30在末端执行器40联接到另一个操作构件的情况下执行。

B.股骨的追踪和配准

在手术程序的步骤S1中，追踪阵列被附接到股骨14以使得追踪装置8能够追踪股骨14的运动。在步骤S2中，股骨14被配准以将股骨14的姿势(物理空间)与导航***7(图像空间)中的股骨14的三维模型514相关联。此外，可以附接股骨检查点。在步骤S3中，准备进行股骨手术。

以下描述提供了在手术程序中在患者髋部上制备和配准股骨的示例性方法。在某些情况下，将参照图8-13对股骨准备和配准的方法进行描述。此外，还将描述股骨植入物的术前规划和股骨准备的某些步骤。

首先，参考图8和9A-9D。在某些情况下，配准方法800可以包括在股骨近端部分的外表面上和准备用于植入股骨植入部件的柄的内部骨表面(例如沿着骨髓腔)上选取点。这样，配准变换可以包括内部和外部骨骼信息以提高变换的准确性。如图8所示，配准方法800可以包括在802对股骨的外骨表面和内骨表面进行分割或建模。图9A中示出了股骨近端902的单个医学图像900，其中外骨表面904和内骨表面906都被识别用于分割。虽然仅示出了单个医学图像900，但是配准方法800可以包括分割包含完整骨骼的多个医学图像。因此，可以分割多个医学图像中的每一个的内骨表面和外骨表面。

配准方法800，在图8的802处，还可以包括识别股骨近端处的点云。如图9A所示，一系列点908和它们各自的位置被识别并存储在点云中。如图中所见，一系列点908位于股骨颈、股骨头和大转子上。

虽然配准方法800的步骤802在手术程序之前发生，但步骤804至808在手术中发生。在图8的804处，配准方法800可以包括在小于规划的触觉体积内通过圆头锉末端执行器切除股骨近端以清除骨腔以进行点选取。如图9B所示，股骨近端902已经在小于用于随后切除以放置植入物的柄的体积912的体积910内切除。

返回参考图8，配准方法800在806可包括外科医生在沿着髓管的内部骨表面上选取、记录或捕获点。如图9C所示，具有尖头的被追踪探针914可用于沿股骨近端902的髓管捕获内部骨表面上的点。探针尖端可延伸穿过底切体积910并进入柄体积912至这些点916用于捕获。在806，配准方法800还可以包括运行优化方法，例如使用组合的新的和现有的点云数据的迭代最近点(ICP)变换，并且可以更新配准变换。

在配准方法800的步骤808，股骨的准备可以完成到计划体积(即，使用圆头锉末端执行器)以用于股骨部件的柄的后续植入。如图9D所示，为了股骨部件的柄的植入，已经切除了整个体积912。

在图10和11A-11D中示出另一种股骨配准方法1000。如图10所示，配准方法1000可以包括在步骤1002分割股骨的外骨表面和内骨表面。步骤1002另外包括在股骨近端选取点云用于骨配准。图11A描绘了股骨近端1102的医学图像1100，其中外骨表面1104和内骨表面1106都被识别用于分割。医学图像1100还包括存储在点云中的一系列点1108。如图中所见，一系列点1108位于股骨颈、股骨头和大转子上。

虽然配准方法1000的步骤1002在手术程序之前发生，但步骤1004至1008在手术中发生。图10的步骤1004包括在比最终计划用于植入股骨植入物部件的柄的体积更小的体积内用末端执行器的圆头锉切除股骨近端。这个较小的体积清除了内部股骨腔以进行点选取。如图11B所示，末端执行器的圆头锉1114切除股骨1102的近端的内部部分内的体积1110。通常，圆头锉1114可以通过股骨颈和大转子以远侧或向下的轨迹切除。在某些情况下，股骨头可能在程序的这一点上保持未切除状态。切除的体积1110，如图11B所示，在稍后将在程序中切除的更大的最终准备体积1112的范围内。

图10的步骤1006包括将末端执行器的圆头锉(或附接到末端执行器末端的其他工具)沿股骨管向下(向远侧)移动，并在骨内部的完整骨表面上选取、记录或捕获点。还可以通过监测***中电机的状态来自动检测骨表面，以确定何时与硬表面接触。然后，使用新的和现有的点云数据组合运行迭代最近点(ICP)计算。然后，更新配准变换。如图11C所示，外科医生将圆头锉1114延伸通过底切触觉体积1110直到圆头锉1114接触内骨表面1106。外科医生捕获、记录或选取内骨表面1106上的点1116。这些点的位置用于更新配准变换。附加地或替代地，***可以自动检测接触内部完整皮质骨表面的圆头锉TCP，或者它可以使用附接到圆头锉末端执行器的力/扭矩传感器(或其他类型的传感器)来测量。

图10的步骤1008包括使用更新的骨配准变换完成将股骨管切除到用于放置股骨植入部件的柄的计划切除体积或触觉体积。如图11D所示，根据手术计划将股骨管完全切除到全切除体积1112。

另一种股骨配准方法1200示于图12和13A-13D中。如图12所示，配准方法1200可以包括，在步骤1202，对股骨近端的外骨表面进行分割，并在由股骨近端的医学图像构建的骨模型中确定股骨管轴或股骨管的股骨解剖Z轴。此外，步骤1202可以包括在股骨近端外表面上选取点云用于骨配准。该特定股骨配准方法1200不包括内骨表面的分割。如图13A所示，多幅医学图像中的医学图像1300取自患者的股骨近端1302。医学图像1300中的股骨近端1302的外骨表面1304被分割，并且股骨管的股骨解剖Z轴1306是从多个医学图像中确定的。该图还示出了股骨近端1302上的点云的多个点1308。多个点1308沿着股骨头、股骨颈和大转子的部分间隔开。

虽然配准方法1200的步骤1202在手术前发生，但步骤1204至1208在手术中发生。图12的步骤1204包括在比完全切除的触觉体积更小的体积内用末端执行器的圆头锉切除股骨近端以用于植入股骨植入部件的柄。步骤1204的较小体积的切除旨在清除腔以进行点选取。此外，在步骤1204，外科医生可以将追踪器机构***髓管中。如图13B所示，股骨管内的初始体积1310经由末端执行器的圆头锉切除。初始体积1310小于将用于植入股骨植入部件的柄的全切除体积1312。在切除初始体积1310之后，将追踪器机构或工具1314***到股骨管中。如图13B所示，追踪器机构1314包括远侧扩张机构、从远侧定位机构向近侧延伸的轴和在追踪器机构的近端处的追踪器。追踪器机构1314可以***股骨管中，使得远侧定位机构延伸经过初始体积1310并进入股骨管的骨中。

图12的步骤1206可以包括将追踪器机构1314与股骨内侧上的皮质骨表面对齐。参考图13C，其示出了在股骨管内处于横向扩张取向的追踪器机构1314，使得轴大致平行于股骨解剖Z轴1306。如图中所见，远侧定位机构1314可包括纵向延伸(与轴平行)的多个构件，其被配置成径向向外扩张以接触股骨1302的内皮质骨表面。多个构件可具有能够在医学成像下看到的多个标记以验证多个构件正在接触股骨的皮质骨表面。如图中所见，当多个构件接触皮质骨表面时，从远侧定位机构向近侧延伸的轴平行于股骨解剖Z轴1306。在某些情况下，骨接触点的位置可以是在追踪器机构1314内被追踪。机构1314可以包括两个、三个或更多个接触点，这些接触点能够使工具在管中居中以便在任何给定位置配准中心点。在这种情况下，可能不需要工具轴。在某些情况下，追踪器机构1314上的接触点可以是弹簧可扩张的，并且在工具***到管中时主动追踪和映射骨的内壁。

回到图12，在步骤1206的配准方法1200还可以包括使用现有点云和股骨解剖Z轴确定运行迭代最近点(ICP)计算，并且可以相应地更新配准变换。

图12的步骤1208可以包括通过移除追踪器机构1314并且将股骨管的剩余部分切除到最终切除体积来完成骨准备，该最终切除体积可能已经基于配准变换而更新。如图13D所示，股骨近端1302可以被完全切除到最终切除体积1316以用于植入股骨植入部件的柄。

图13E中示出了另一种股骨配准方法1330。如图13E所示，配准方法1330可以包括以下操作或步骤。在某些情况下，方法1330可以包括在成像坐标系(1)中相对于患者骨骼的计算机模型来规划植入物的放置。(1)中的植入物计划可以在成像坐标系中提供规划的初始股骨管准备(2a)(用于管配准)和规划的完整准备(2b)(用于接收植入物柄)，因为两个规划股骨管的准备可能与整个植入物计划有关。也可以在成像空间(2c)中计算完整(2b)和管(2a)制备之间的差异(例如,体积差异)。

继续图13E中的方法1330，在植入物规划(也称为术前规划)(1)之后，外科医生可以使用任何已知的配准方法配准股骨近端(3)。从股骨近端配准(3)，计算到骨坐标系(BoneCS A)的近端配准变换(4)。使用(4)中的近端配准变换，将(2)中规划的股骨管准备变换为Bone CS A (5)。从(5)中获知Bone CS A中的股骨管准备计划，然后***可以根据(2a)中确定的计划管准备，通过对股骨近端管进行物理锉动来准备Bone CS A(6)中的管。

随着股骨近端管被锉掉或以其他方式准备好，外科医生然后可以配准现在通过锉动而露出的内骨(7)。(3)中的近端配准可以与(7)中的内骨配准相结合，以计算到Bone CSB(8)的全骨配准变换。通过(8)中的全骨变换，将(2a)中的全骨准备计划变换为Bone CS B(9)。

10中的决策框定义了设计可以在完全准备或仅剩余准备之间划分的位置。

在实例#1中：准备全骨准备(忽略先前准备的管)。从(9)中获知Bone CS B中的完整准备计划，然后***可以根据Bone CS B(11)中的完整准备计划，通过根据(2b)的完整准备计划对股骨近端管进行物理锉动来准备股骨近端。在这第一个实例中完成骨的配准和准备。

现在将描述实例#2或#3。

(16)中的决策框定义了设计可以在有或没有针对近端配准(Bone CS A)和完全配准(Bone CS B)之间的变换的校正的情况下准备剩余骨之间划分的位置。

实例#2：准备剩余骨并进行变换校正。计算来自(4)的Bone CS A和来自(8)的BoneCS B之间的差异。知道上面的变换差异，Bone CS A(5)中的股骨管准备可以变换为Bone CSB(13)。可以通过从Bone CS B(9)中的完整计划准备中减去Bone CS B(13)中的管准备来计算Bone CS B(14)中的剩余骨。知道Bone CS B中的剩余骨，***然后可以根据完整的准备计划通过在股骨近端管中锉动剩余骨来准备Bone CS B(15)中的剩余骨。在第二实例中完成骨的配准和准备。

实例#3：在没有变换校正的情况下准备剩余骨。知道来自(8)的变换，来自(2c)的计划剩余骨被变换为Bone CS B。***然后可以在Bone CS A和Bone CS B之间的差异最小并且由于差异导致的任何未准备好的骨骼将漂浮并从管移除的假设下准备Bone CS B(17)中假定的剩余骨。在这第三实例中完成了骨的配准和准备。

图13F中示出了另一种股骨配准方法1340。方法1340的第一步1342是术前计划关节成形术，例如全髋关节置换术。更具体地，步骤1342可以包括在术前坐标系中相对于患者的股骨规划股骨植入物的植入物放置。这可能包括选择植入物尺寸、形状、类型和制造商，以及其他变量。此外，植入物的术前规划可以包括相对于患者骨骼模型(例如，代表患者身体股骨的虚拟三维骨骼模型)虚拟定位和定向植入物模型(例如，代表由制造商提供的物理植入物的虚拟三维植入物模型)。植入体模型可由制造商提供。患者骨骼模型可以从患者腿部的术前扫描生成。患者骨骼模型可以从统计模型、通用模型或表示或近似患者物理骨骼的形状、大小和配置的其他类型的模型生成。

一旦确定最终植入物位置和取向以实现特定手术结果，就可以确定手术计划以实现最终植入物位置和取向。例如，最终的植入物位置和取向将决定要从股骨管移除的骨的相应位置和取向，因此股骨植入物的柄可以准确地定位在其中以实现期望或规划的最终植入物位置和取向。

作为术前规划步骤1342的一部分，方法1340还可以包括在步骤1344规划或确定初始管准备计划。初始管准备计划也可以称为手术计划的第一去骨计划。在实际的物理手术中，股骨管将通过例如在股骨植入物的柄最终将被定位的位置纵向钻孔来准备。如本文所述，股骨管将在至少两个步骤中制备：用于配准目的的初始管制备；以及用于植入股骨植入物的最终管准备。确定初始管准备计划的步骤1344可以包括确定用于股骨管的部分骨去除的坐标位置。步骤1344还可包括确定手术装置的切割路径以促进从股骨管移除骨。坐标位置和切割路径可以在相对于用于规划最终植入物位置和取向的术前骨模型的坐标系中定义。如本文所述，初始管准备计划可以仅包括部分管准备，该部分管准备包括比植入股骨植入物的柄所需的完整管准备更少的骨去除(例如，更小的深度、更小的直径)。

初始管准备计划是从股骨管去除部分骨而不是完全准备股骨管的一个原因是部分骨去除允许额外的配准步骤，包括来自股骨管的数据，该步骤需要在充分准备股骨管之前发生。股骨内管的这种额外配准可导致更准确的配准过程，从而更准确地充分准备股骨管。至少出于这些原因，骨去除的术前计划可以分为至少第一次去骨计划，包括从股骨管中部分去除骨的计划(用于配准目的)，以及第二次去骨计划，包括从股骨管中完全去除骨，以达到术前规划的最终植入物位置和取向的计划。

方法1340的下一步骤1346可包括规划或确定最终管准备计划。最终管准备计划也可以称为手术计划的第二次去骨计划。或者，最终管准备计划可以称为配准后管准备计划。方法1340的这个步骤136包括用于在步骤1344的初始管准备之后准备股骨管的计划。在某些情况下，该步骤1346包括准备股骨管的计划，以便对管进行充分钻孔以接收股骨植入物的柄。

步骤1346可以包括多个子步骤，例如以下：在步骤1348规划无胸骨股骨准备计划；在步骤1350规划单拉刀准备计划；在步骤1352规划整个管准备计划；在步骤1354，仅规划剩余骨管准备计划。将依次描述这些子步骤中的每一个。

在步骤1346确定最终管准备计划时，该方法可以包括在步骤1348的无拉刀准备计划。在该步骤1348中，计划完全机器人地准备股骨管，而无需外科医生手动拉刀。通过这种方式，外科医生没有留下任何部分的骨头供手工准备；换句话说，整个最终准备计划(无论是整个管准备还是仅剩余骨管准备)都是机器人准备的。

作为无拉刀准备计划的替代方案，最终管准备计划可以包括在步骤1350的单拉刀准备计划。在该步骤1350中，规划通过机器人控制部分准备股骨管，最终由外科医生手动进行的拉刀。通过这种方式，植入植入物所需的一小部分骨去除被排除在最终管准备计划之外，以便外科医生可以手动执行最终的拉刀。在传统(非机器人)手术中，外科医生可能会使用一系列越来越大的拉刀来准备股骨管。在这种情况下，可以使用最终(单个)拉刀，因为最终管准备计划是机器人执行的，不需要拉刀。允许外科医生对股骨管进行最后一次拉削使外科医生能够对植入物的配合进行任何最终调整，并且还可以减少通过机器人准备从管中去除过多骨的机会，因为外科医生可以在拉削时尝试植入物的配合。

除了在步骤1348确定最终管准备计划将包括无拉刀计划还是在步骤1350的单个拉刀计划之外，最终管准备计划1346还可以包括确定在步骤1352是否计划准备整个股骨管(包括从初始管准备区域去除骨)，或者在步骤1354是否计划仅准备骨管的剩余骨(没有被初始管准备去除的骨)。

在步骤1352，最终管准备计划可以包括规划整个股骨管的准备。这可能包括先前由初始管准备计划准备的股骨管的准备。不同之处在于，与第一次配准相比，将进行第二次配准，其中包括更多配准数据(例如，来自股骨内管和外表面的配准数据)，可能会提高从包括第二次去骨计划的术前坐标系到手术坐标系的手术计划映射的准确性。因此，在第二次配准之后可以改进去骨位置的准确性。因此，整个股骨管的规划准备将受益于重新铣削或重新去除最初计划在初始管准备计划中去除的骨部分。

除了重新去除最初计划在初始管准备计划中去除的骨部分之外，在步骤1344，在步骤1352准备整个股骨管的计划可以包括计划用于去除足以植入股骨植入物的柄的剩余骨部分的坐标位置。需要注意的是，包括根据步骤1352准备整个股骨管的最终管准备计划可以包括根据步骤1348的无拉刀准备计划或根据步骤1350的单拉刀准备计划。

在步骤1354，最终管准备计划可以包括规划仅股骨管的骨剩余部分的准备。这可能包括之前没有通过初始管准备计划进行准备的股骨管的准备。在某些情况下，第二次配准可能不会显着提高准确性；因此，在整个管准备计划中，在步骤1352，重新准备骨头所花费的时间增加，可能不值得在精度上略有增加。但是，如果第二次配准后准确度有了显着提高，这可能表明准备整个管是有益的。

在步骤1354中，仅准备股骨管的剩余骨部分的规划可包括规划用于去除足以植入股骨植入物的柄的剩余部分的骨的坐标位置。应注意，包括根据步骤1354仅准备股骨管的骨剩余部分的最终管准备计划可以包括根据步骤1348的无拉刀准备计划或根据步骤1350的单拉刀准备计划。

在一个实例中，最终管准备计划可以包括根据步骤1352准备整个股骨管的计划，以及根据步骤1348的无拉刀准备计划。在一个实例中，最终管准备计划可以包括根据步骤1352准备整个股骨管的计划，以及根据步骤1350的单拉刀准备计划。在一个实例中，最终管准备计划可以包括根据步骤1354的仅准备股骨管的骨剩余部分的计划，以及根据步骤1348的无拉刀准备计划。在一个实例中，最终管准备计划可以包括根据步骤1354仅准备股骨管的骨剩余部分的计划，以及根据步骤1350的单拉刀准备计划。

在步骤1342完成术前计划之后，手术可以开始。作为手术的一部分，在步骤1356，股骨轨道可以安装或联接到患者骨骼。股骨追踪器提供对手术导航***的参考，以便手术机器人在空间上知道患者骨骼在手术坐标系中的接近度。

一旦安装了追踪器，在步骤1358，股骨的近端骨被配准(假设它已经从髋关节脱位)。更具体地，可以通过利用手术装置(例如，追踪指针、机械臂末端执行器)在股骨头外表面上收集、记录、捕获点来配准股骨头。捕获的点(也称为配准数据)可以存储在数据点云中，并且可以根据它们在股骨头的外表面上的位置相对于彼此在空间上定向。收集足够数量的点以近似待配准的表面形状。

手术导航***能够相对于股骨追踪器在空间上定位捕获的点。从步骤1344开始的内管准备计划是相对于代表患者股骨的术前骨模型定义的。因此，配准的目标是将术前手术计划(例如，内管准备计划)准确地变换或映射到相对于实际股骨的手术坐标空间，其位置和取向与手术计划相对于术前骨骼模型的位置和取向相同。这样，手术机械臂和手术计划将在同一坐标系中，可以操作机械臂在实际患者骨骼上执行手术计划，从而完成在步骤1342中术前计划的股骨准备工作。

一旦在股骨近端上捕获到点，***的计算机在步骤1360基于在股骨近端上捕获到的点计算配准变换。配准变换是从术前坐标系到手术坐标系中物理股骨上的捕获点映射与初始管准备计划相关联的坐标点的数学算法。在步骤1362，根据配准变换，包括来自步骤1344的初始管准备计划的手术计划被变换或映射到手术坐标系。

利用手术坐标系中定义的初始管准备计划，方法1340现在包括在步骤1364根据初始管准备计划准备股骨近端中的初始管。如参考步骤1344所述，初始管准备计划可能包括股骨管的部分准备，这比用于用于植入植入物的柄的股骨管的完全准备要少。例如，手术机器人的机械臂可用于钻孔或铣削穿过大转子并进入中央管(即，股骨管)。例如，骨可以被向远侧铣削直到到达皮质骨的内表面。皮质骨比通向皮质骨的海绵骨硬得多；因此，在手术过程中很容易识别。在术前骨模型中也很容易识别内部皮质骨。因此，内部皮质骨提供了可与股骨近端上的配准点结合的配准区域。结合点可能有利于产生更准确的配准变换，因为这些点彼此间隔开，并且位于骨骼的不同表面(内表面和外表面)上。由于股骨头仍然完整(即尚未切除)，因此可以对股骨近端和中央管进行配准。

在中央管的初始、部分准备之后，方法1340可以包括在步骤1366处配准内管。可以以多种方式配准内管。例如，手术装置(例如，被追踪探针、手术臂的末端执行器、之前描述的任何装置)可用于收集、记录或捕获股骨管的内部皮质骨表面上的点。作为另一个例子，手术装置(例如，被追踪探针、手术臂的末端执行器、任何先前描述的装置)可用于收集、记录或捕获与股骨管相关联的取向数据。取向数据可以是轴，例如股骨管的纵轴。捕获的点和/或取向数据可以被定义为配准数据。配准数据可以作为数据的点云存储在计算机中。

一旦内骨被配准，方法1340可以包括使用来自股骨管的配准数据(例如，捕获的点)和来自股骨近端的外表面的配准数据(例如，捕获的点和/或取向数据)计算配准变换。由于在步骤1368的第二配准变换包括来自内管的附加数据，与步骤1360的第一配准相比，配准变换与第一配准变换相比可以具有改进的准确度。

在步骤1370，方法1340可以包括基于步骤1368的计算出的配准变换将来自步骤1346的最终管准备计划变换或映射到手术坐标系。该步骤用于最终管准备计划的骨去除的坐标位置和/或指令从术前坐标系映射到与手术计划相对于术前骨模型定向和定位相同的位置和取向的手术坐标系。这样，最终管准备计划就在患者股骨和手术机器人的手术坐标系中。

在将最终管准备计划变换到手术坐标系之后，方法1340可以包括，在步骤1372，根据最终管准备计划准备股骨。如何准备股骨取决于术前在步骤1346定义的最终管准备计划的参数。对于整个管的术前计划准备，在步骤1352，整个管的物理准备将在步骤1374进行。在该步骤中，整个股骨管可以被铣削或以其他方式移除。这包括铣削先前在步骤1364移除的骨骼的先前部分，以及准备先前未移除的骨剩余部分。如前所述，在步骤1364，初始管准备只是股骨管的部分准备，目的是配准与管相关联的骨表面或轴。股骨管的最后准备是去除足够的骨头以接收股骨植入物的柄。如前所述，整个管预备可以利用涉及来自股骨外部和内部的数据的第二次配准。因此，整个股骨制备仍可从股骨的最初制备的部分移除骨，因为坐标可能由于随后的配准而改变。

对于仅股骨管的骨剩余部分的术前计划准备，在步骤1354，骨剩余部分的物理准备将在步骤1376进行。在该步骤中，骨剩余部分或股骨管的之前没有被移除的部分被准备(即移除)以便为股骨植入物的柄让路。这可能包括仅将先前未移除的骨部分向下铣削到股骨管中。该步骤可以包括子步骤1378，其决定是使用利用股骨近端的外侧上的点计算的第一配准变换，还是利用股骨近端的外侧上的点和取自股骨管的股骨管数据计算出的第二配准变换。

在股骨管的物理准备之后，并且在切除股骨头之前，方法1340可以包括，在步骤1380，标记股骨颈以准备手动切除颈。在机器人髋关节手术中，股骨追踪器可以联接到股骨头。因此，当股骨头被切除时，机器人导航将停止运行，因为追踪器将不再能够正确识别股骨剩余部分的位置。至少出于这个原因，股骨颈通过机器人控制和导航引导进行标记(例如，蚀刻)以在手动切除颈时为外科医生提供指导。股骨颈标记可能是沿计划切除平面进入骨骼的蚀刻或毛刺。蚀刻或毛刺可能是对骨骼的切入，但并未完全切除骨骼。也就是说，切入骨的切口可能不会延伸穿过皮质骨。相反，切口为外科医生提供了一个可见的标记，以使用或验证锯片的正确放置。

股骨的手动准备在步骤1382中示出。颈切除在步骤1384中示出并且可以包括外科医生使用骨锯，使用或不使用附加引导件或夹具，在颈处手动切除股骨头。如果在步骤1350最终的管准备包括单拉刀准备计划，外科医生然后可以在步骤1386对股骨管进行拉削。由于被导航的机器人准备了股骨管准备的其余部分，在植入物试验和植入物安装之前管的手动准备的唯一剩余部分是外科医生使用单个拉刀去除骨的最后剩余部分。这为外科医生提供了在他或她拉削以提供准确的植入物配合时对股骨管进行微小调整和/或试验植入物的机会。

以下是实现图13F的方法1340的示例性***的描述。该***可以配准诸如手术机器人之类的手术装置和诸如股骨之类的患者骨骼。股骨可包括外表面，例如股骨头、股骨颈和大转子。股骨还可包括内管或股骨管。手术装置和股骨在同一手术坐标系(例如手术室)中。该***可以包括与手术导航***和手术装置通信的至少一个计算装置。手术导航***可以包括追踪装置和至少一个工具(例如，被追踪的探针、定位在手术机器人和/或患者身上的追踪阵列)，该工具被配置为在其运动中被追踪装置追踪。手术导航***还被配置为追踪手术装置和/或手术装置上的追踪阵列。该至少一个计算装置在虚拟坐标空间中存储手术计划。手术计划可以包括来自图13F的方法1340的步骤1342的植入物放置的术前计划的数据。在图13F的方法1340的步骤1344，手术计划还可以包括初始管准备计划，也称为第一去骨计划。在图13F的方法1340的步骤1346，手术计划还可以包括最终管准备计划，也称为第二去骨计划。第二去骨计划可以包括步骤1348的无拉刀准备计划、步骤1350的单拉刀准备计划、步骤1352的整个管准备计划和/或步骤1354的骨剩余准备计划等，以及其他步骤，例如颈蚀刻计划。

该至少一个计算装置被配置为执行以下操作：a)接收与股骨的外表面上的位置相对应的外部骨配准数据。该骨配准数据可以对应于来自图13F的方法1340的步骤1358的近端骨的配准。例如，外科医生可以使用由手术导航***在手术坐标系中追踪的追踪探针来捕获、收集或记录患者股骨近端(例如，头、颈)上的点。接下来，该至少一个计算装置被配置为：b)基于外部骨配准数据计算第一配准变换。该步骤可以对应于图13F的方法1340的步骤1360。该至少一个计算装置然后可以：c)基于第一配准变换将手术计划的第一去骨计划变换到手术坐标系。该步骤可以对应于图13F的方法1340的步骤1362。该至少一个计算装置还可以：d)从股骨的内管接收与位置或取向数据中的至少一项相对应的内部骨管配准数据。该步骤可以对应于图13F的方法1340的步骤1366。例如，外科医生可以捕获、收集或记录患者股骨内管上的点，这些点是部分准备用于访问和配准的，以提供可用于股骨管的最终准备的额外配准数据。

该至少一个计算装置还可以：e)基于外部骨配准数据和内部骨配准数据两者计算第二配准变换。该步骤可以对应于图13F的方法1340的步骤1368。并且该至少一个计算装置还可以：f)基于第二配准变换将手术计划的第二去骨计划变换到手术坐标系。该步骤可以对应于图13F的方法1340的步骤1370。

在前面的段落中描述的示例性***可以附加地或替代地被描述为一种计算机实现的手术装置和患者骨骼(例如股骨)的配准方法。计算机实现的方法可以包括由至少一台计算机在步骤a)到f)中描述的步骤，等等。

前面段落中描述的示例性***还可以另外地或替代地被描述为一个或多个有形的计算机可读存储介质，其存储用于在计算***上执行计算机过程的计算机可执行指令，例如前几段中描述的该至少一个计算装置。计算机过程可以包括参考该至少一个计算装置描述的步骤a)到f)，等等。

C.骨盆的追踪和配准

1.概述

在图5的步骤S4中，髋臼追踪阵列附接到骨盆12以使得追踪装置8能够追踪骨盆12的运动。在步骤S5中，检查点可以附接到骨盆12以在手术程序期间使用以验证髋臼追踪阵列没有相对于骨盆12移动。检查点可以是例如于2007年5月18日提交的美国专利申请序号11/750,807(公开号US 2008/0004633)中描述的检查点，该申请在此通过引用整体并入。

在步骤S6中，骨盆12被配准以将骨盆12的姿势(物理空间)与导航***7(图像空间)中的骨盆12的三维模型512相关联。在某些实施例中，如图6所示，使用追踪导航探针56收集骨盆12(物理空间)上的点，然后将这些点与骨盆12(图像空间)的三维模型512上的对应点匹配来完成配准。在某些实施例中，可以使用联接到机械臂30的末端执行器40的工具来完成配准。在某些实施例中，可以使用任何工具或装置来完成配准，该工具或装置由导航***7追踪。在本申请的后续部分中描述了两种配准骨盆(图像空间)和骨盆12(物理空间)的三维模型512的方法。

2.骨盆配准方法

如图6所示，显示装置9可以示出骨盆12的表示512，包括一个或多个配准点516。配准点516帮助外科医生了解在实际解剖结构上的何处用被追踪探针收集点。配准点516可以被颜色编码以进一步帮助外科医生。例如，骨盆12上将被追踪探针接下来收集的配准点516可以被涂成黄色，而已经被收集的配准点516可以被涂成绿色并且随后将被收集的配准点516可以被涂成红色。在配准之后，显示装置9可以向外科医生显示配准算法将物理收集的点拟合到骨盆12的表示512如何。

例如，如图7所示，可以显示误差点518以说明在表示512的表面和物理骨盆12的对应表面之间的配准中存在多少误差。在一个实施例中，误差点518可以是颜色编码的，例如，误差点518代表以绿色显示的最小误差，误差点518代表以蓝色、黄色和红色显示的增加的误差量。作为颜色编码的替代，表示不同误差程度的误差点518可以具有不同的形状或大小。还可以显示验证点519。验证点519向外科医生图解说明从何处用被追踪探针收集点以验证配准。当采集到配准点519时，导航***7的软件显示在解剖结构上采集的实际点与物理空间中表示512的配准位置之间的误差(例如，以毫米为单位的数字)。如果配准误差太大，则外科医生通过重复步骤S6的配准过程来重新配准骨盆12。

这种类型的配准方法要求外科医生将他或她的焦点从显示骨盆12的表示512(包括一个或多个配准点516)的显示装置9连续切换到患者的物理骨盆12，以便收集准确的点。切换焦点需要时间，而准确估计配准点516在患者物理骨盆12上的位置甚至需要更多时间。在本节描述的这种配准方法中，可能至少需要四十三个点才能完成一个准确的配准。

2017年8月30日提交的相关申请PCT/US2017/049466中描述了额外的骨盆配准方法S6，该方法涉及基于术前图像和术中点收集确定髋臼的旋转中心，在此通过整体引用将其并入到本申请中。与先前描述的配准方法相比，所描述的方法可以减少收集点的总数。例如，使用本节中描述的方法，外科医生可以用32个或更少的点完成准确的配准。此外，本节中描述的大部分配准是基于区域的点收集，而不是基于点的点收集。在基于区域的点收集中，允许外科医生收集患者骨骼区域内的点，而不是在三维骨骼模型512上识别的精确点。这允许外科医生专注于患者的解剖结构，并且在骨骼上的允许区域内收集点，而不必将他或她的焦点切换到显示屏9并返回到患者的物理骨盆12。在允许区域内收集点提高了准确性，因为与单个允许点相比，外科医生更容易收集在包含允许点的许多可能位置的区域内的点。

3.利用成像台的Z轴和手术台的Z轴的骨盆配准方法。

参考图14A-14B和15A-15C，其图示了在术前图像扫描(例如，CT、MRI)期间和在手术室中时利用来自患者的髋臼旋转中心数据和患者定位数据的骨盆配准方法1400。更具体地，配准方法1400假设躺在例如仰卧在成像台上用于术前图像扫描(例如，CT、MRI))的患者的取向与躺在手术室台上的相同位置(例如，在本例中为仰卧)的同一患者的取向相同或相似。该患者取向数据或患者定位数据可以与髋臼旋转中心数据以及其他数据结合使用，这些数据可以从术前图像扫描和从术中配准患者骨盆的三维骨骼模型与手术室中患者的物理骨盆中捕获患者髋臼上的点来确定。

首先，参考图14A和14B，它们图示了配准方法1400的示例性步骤。在图14A的步骤1402，配准方法1400可以包括生成患者的术前图像扫描。图像扫描可以通过各种成像方式生成，包括计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)和X射线等。为了生成图像扫描，可以通过成像机1506的成像臂1504对仰卧在成像台1502上的患者1500成像，如图15A所示。在图14A的配准方法1400的步骤1404处，可以沿着图像的骨骼轮廓线分割图像扫描。一旦所有的图像扫描被分割，在图14的步骤1406，可以从分割的图像扫描生成患病区域(例如，髂骨和股骨)的三维骨骼模型。作为从分割图像扫描生成三维骨骼模型的替代，可以生成代表患者骨骼的通用3D骨骼模型或统计3D骨骼模型。

此时，配准方法1400的术前步骤可能不同。步骤1408、1410和1412可以参考配准方法1400的患者定位数据部分，而步骤1414可以参考方法1400的旋转中心计算部分。

在图14A的步骤1408处，Z轴、长轴或上下轴可以从扫描图像或从三维骨骼模型中识别。如图15A所示，Z轴1508沿工作台纵向延伸并从患者1500的头部到脚趾。Z轴1508可以在扫描图像中被识别为成像台1502相对于成像臂1504延伸的轴。例如，在CT扫描中，成像台1502可以被机动化以便平移台1502和沿Z轴1508定位在其上的患者1500通过成像臂1504的开口或通路1510。在该取向上，扫描可定向为垂直于Z轴1508。可在具有骨骼模型的坐标系中识别Z轴1508。

在图14A的步骤1410处，配准方法1400可以包括从扫描图像或骨骼模型确定患者1500的骨盆轴1512(或参考向量)。骨盆轴1512可以是在耻骨联合之间平分患者骨盆的轴，并且在相对的髂骨上的一对髂前上棘之间通常等距。可以使用本文描述的或本领域已知的各种方法来确定骨盆轴线1512。

在图14A的步骤1412处，配准方法1400可以包括确定Z轴1508和骨盆轴1512之间的角度偏移。可以在图15C中看到角度偏移1514，这将在后面讨论。

在图14A的步骤1414处，配准方法1400可以包括根据骨模型确定髋臼的旋转中心。可以通过本文所述的任何方法或本领域已知的任何方法来确定旋转中心。在2017年8月30日提交的PCT/US2017/049466中描述了在从术前图像生成的骨模型中确定患者髋臼旋转中心的示例方法，该申请通过引用整体并入本申请中。确定患者髋臼旋转中心的另一个示例方法是通过患者股骨相对于骨盆的运动学分析或运动分析。

参考图14B和15B，其图示了可以在手术中发生的配准方法1400的步骤。在图14B的步骤1416，配准方法1400可以包括在患者的骨盆上安装追踪器。如图15B所示，患者1500在手术室中，仰卧在手术室台1520上。患者1500也可以以侧卧位躺在手术室台1520上，并且可以合理地假设从仰卧到侧卧位是大约围绕患者1500的长轴进行纯旋转。机械臂1518可位于手术室台1520附近。如图中所见，追踪器1516可安装在骨盆的患病侧。

在图14B的步骤1418处，配准方法1400可包括将患者1500定位或对准在手术室台1520上，如图15B所示，与患者躺在成像台1502上的取向相同。在步骤1420，配准方法1400可以包括沿手术室台1520的长边1524收集手术室台1520上的两个点1522。在方法1400的步骤1422，可以在两点1522之间计算向量1526。该向量1526可以类似于扫描图像的Z轴1508，因为患者1500以可能相同的取向以仰卧位躺在成像台1502和手术室台1520上。向量1526可以由***确定并保存在具有用于追踪器1516的定位数据的公共坐标系中。另外或替代地，可以使用指针或被追踪探针来识别台轴。例如，指针可以定位在空间中，因此它与台1520的长边1524对齐，并且***可以捕获指针的轴。附加地或替代地，指针可以通过例如沿着患者的中线放置指针并使尖头朝向患者的头部来与患者对齐。这种方法也适用于侧卧的患者。

图14B的配准方法1400的步骤1424可以包括定义配准约束，即手术室台1520上的患者骨盆相对于向量1526(或手术室台1520的长轴)以角度偏移1514成角度，如图15C所示。角度偏移1514可以定义为Z轴1508和骨盆轴1512之间的角度，或者角度偏移1514可以定义为手术室台1520上的向量1526和骨盆轴1512之间的角度(假设向量1526和骨盆轴1512在公共坐标系中)。

在图14B的步骤1426处，配准方法1400可以包括确定患者骨盆的旋转中心。旋转中心1528示于图15B中。该步骤1426可以通过本领域已知的任何方法来完成，并且可以通过2017年8月30日提交的PCT/US2017/049466中描述的方法来完成，在此通过引用将其整体并入本申请。在上述PCT申请中，该方法描述了在患者的髋臼上选取点并基于这些点形成球体。从球体可以确定旋转中心。

一旦在步骤1426找到旋转中心，并且在步骤1424找到与角度偏移相关的配准约束，就可以在图14B的步骤1428采用配准变换。配准变换将骨骼模型(根据患者身体的术前图像扫描确定)与手术室台1520上的患者身体合并，使得图15C的机械臂1518可用于以受控方式并根据预定计划对患者的身体进行手术。

知道患者骨盆的旋转中心，在步骤1426，在配准变换期间有效地锁定骨盆在坐标系中的位置。然而，只知道一个固定点(旋转中心)意味着骨盆不受约束地沿该坐标系中的三个轴旋转。因此，需要更多信息来合并骨骼模型和物理骨盆。通过在配准期间锁定患者骨盆相对于向量1526的取向，配准变换可以使用步骤1428的配准约束。由于向量1526包括三个方向(x,y,z)上的坐标，当组合来自向量1526和旋转中心1528的信息时，可以确定骨盆的取向。

另外或替代地，手术配准方法可以如图14C和15D-15E所示。图14C图示了示出手术配准方法1440中的示例性步骤的流程图。图15D图示了在将要经历成像事件(例如，CT、MRI)的成像台1502上的患者1500的俯视图。图15E图示了在手术室台1520上将要进行手术程序的患者1500。配准方法1440获取关于患者1500在成像台1502上的术前位置和取向的信息并且假设当患者躺在手术室台1520上时关于患者的位置和取向的某些信息将是一致的。

参考图14C，在步骤1442，生成患者1500的图像扫描。图像扫描可以是CT、X射线或MRI，以及其他成像方式。在步骤1444，可以相对于成像坐标系确定髋臼旋转中心(COR)。例如，成像装置可以包括基于成像台1502的平移运动的它自己的坐标系(x，y，z)(如图15D中所见，台1502位于xz平面中)。即，台1502可以在z方向上平移以便在成像装置1506的成像臂1504的开口1510内移动患者和台。台1502可以另外在x方向和y方向上平移使患者和台居中位于臂1504的开口1510内。

髋臼的COR可以通过用户在图像扫描中选择COR来识别，例如，通过在多个坐标视图(例如，冠状、矢状、轴向)中选择COR。附加地或替代地，方法1440可以包括根据图像扫描、统计骨骼模型或通用骨骼模型等生成患者骨骼的三维骨骼模型。并且，本领域已知的或本文描述的任何方法可用于从成像坐标系内的骨骼模型识别COR。注意，COR可以是一个或多个点相对于成像坐标系的原点(0,0,0)的三维位置(x,y,z)。

在图14C的步骤1446，移动到方法1440的术中部分，也如图15E所示，患者1500被定位在手术室台1520上。在步骤1448，骨盆追踪装置(解剖追踪器)1516被附接到患者的患病骨盆。

在步骤1450，识别手术室台1520的XYZ坐标。更具体地，在台1520上标识至少三个点1530、1532、1534，其中两个点1530、1532位于台的同一侧(例如台的边缘，以便在x轴上的同一点)，一个点1534位于台1520的相对侧上。两个点1530、1532可以利用手术室台轴或Z轴定向利与手术室台轴或Z轴对齐，如图15E所示。所有点1530、1532和1534可以沿y轴定位在相同位置。换句话说，三个点1530、1532、1534可以相对于由手术室台1520的顶部定义的平面定位在相同的高度。三个点1530、1532、1534可以用***的被追踪指针进行捕获或记录，并且可以相对于骨盆追踪装置1516在术中坐标系中的位置来识别。作为收集手术室台1520上的点1530、1532、1534的替代方案，可以通过沿着对应轴按顺序平移台以确定适用的向量来确定台轴(x，y，z)。在某些情况下，在大量腿部操作之前确定点1530、1532以确保患者没有移动(例如，在股骨脱位之前)可能是有利的。

在步骤1452，可在术中坐标系(相对于解剖追踪器1516或另一点)中确定髋臼中心点(COR)的XYZ坐标。COR可基于所描述或本领域已知的任何方法确定。在某些情况下，COR可以从一系列运动分析中确定。在某些情况下，在股骨头从髋臼脱位之后，可以基于点选取方法来确定COR。

此时，至少在术中坐标系内识别以下点：位于手术室台1520上的点1530、1532和1534，以及患者髋臼的COR。并且至少在术前成像坐标系内识别以下点：髋臼的COR，以及与成像台1502的平移运动相关的坐标轴(x，y，z)。

接下来，在图14C的步骤1454处，在成像坐标点和术中坐标点之间计算六自由度(DOF)变换，以便将术前图像配准到患者1500的术中位置。以这种方式，自主或触觉驱动装置的机械臂或手持式手术装置可能能够识别患者的位置和取向以执行手术程序。

另外或替代地，手术配准方法可以如图14D和15F-15G所示。图14D图示了示出手术配准方法1460中的示例性步骤的流程图。图15F图示了在将要经历成像事件(例如，CT、MRI)的成像台1502上的患者1500的俯视图。图15G图示了在手术室台1520上将要进行手术程序的患者1500。配准方法1460获取关于患者1500在成像台1502上的术前位置和取向的信息并且假设当患者躺在手术室台1520上时关于患者的位置和取向的某些信息将是一致的。

参考图14D，在步骤1462，生成患者1500的图像扫描。图像扫描可以是CT、X射线或MRI，以及其他成像方式。在步骤1464，可以相对于成像坐标系确定髋臼旋转中心(COR)。例如，成像装置可以包括基于成像台1502的平移运动的它自己的坐标系(x，y，z)(如图15F中所见，台1502位于xz平面中)。即，台1502可以在z方向上平移以便在成像装置1506的成像臂1504的开口1510内移动患者和台。台1502可以另外在x方向和y方向上平移使患者和台居中位于臂1504的开口1510内。

髋臼的COR可以通过用户在图像扫描中选择COR来识别，例如，通过在多个坐标视图(例如，冠状、矢状、轴向)中选择COR。附加地或替代地，方法1460可以包括根据图像扫描、统计骨骼模型或通用骨骼模型等生成患者骨骼的三维骨骼模型。并且，本领域已知的或本文描述的任何方法可用于从成像坐标系内的骨骼模型识别COR。注意，COR可以是一个或多个点相对于成像坐标系的原点(0,0,0)的三维位置(x,y,z)。

在图14D的步骤1466，移动到方法1460的术中部分，也如图15G所示，患者1500被定位在手术室台1520上。在步骤1468，骨盆追踪装置(解剖追踪器)1516被附接到患者的患病骨盆。

在步骤1470，识别手术室台1520的XYZ坐标。更具体地，在桌子1520上标识至少三个点1530、1532，其中两个点1530、1532位于台1520的同一侧(例如台的边缘，以便在x轴上的同一点))。两个点1530、1532可以与手术室台轴或Z轴定向或对齐，如图15G所示。点1530、1532可以位于沿y轴的相同位置。换句话说，两个点1530、1532可以相对于由手术室台1520的顶部定义的平面定位在相同的高度。可以用***的追踪指针捕获或记录这两个点1530、1532，并且可以相对于骨盆追踪装置1516在术中坐标系中的位置来识别。作为收集手术室台1520上的点1530、1532的替代方案，可以通过沿着对应轴按顺序平移台以确定适用的向量来确定台轴(x，y，z)。在某些情况下，在大量腿部操作之前确定点1530、1532以确保患者没有移动(例如，在股骨脱位之前)可能是有利的。

在步骤1472，髋臼中心点(COR)的XYZ坐标可在术中坐标系(相对于解剖追踪器1516或另一点)中确定。COR可基于所本文描述的或本领域已知的任何方法确定。在某些情况下，COR可以从一系列运动分析中确定。在某些情况下，在股骨头从髋臼脱位之后，可以基于点选取方法来确定COR。

此时，至少在术中坐标系内识别以下点：位于手术室台1520上的点1530、1532，以及患者髋臼的COR。并且至少在术前成像坐标系内识别以下点：髋臼的COR，以及与成像台1502的平移运动相关的坐标轴(x，y，z)。

接下来，在图14D的步骤1474处，在成像坐标点和术中坐标点之间计算六自由度(DOF)变换，以便将术前图像配准到患者1500的术中位置。以这种方式，自主或触觉驱动装置的机械臂或手持式手术装置可能能够识别患者的位置和取向以执行手术程序。

D.机械臂的配准

返回参考图5，在步骤S6配准骨盆之后，可以在步骤S7配准机械臂30。在该步骤中，机械臂30被配准以将机械臂30的姿态(物理空间)与导航***7(图像空间)相关联。机械臂30可以例如如2006年2月21日提交的美国专利申请序号11/357,197(公开号US 2006/0142657)中所述进行配准，在此通过引用以其整体并入本文。

E.髋臼的准备和手术程序的执行

在操作中，外科医生可以使用图3B的机械臂30以促进关节置换手术，例如铰孔骨和植入髋臼杯以进行全髋置换或髋表面重修手术。如上所述，机械臂30包括构造成联接到切割元件(用于铰孔)并且接合假体部件(用于冲击)的手术工具。例如，如图3B所示，为了铰孔，末端执行器40可以联接到操作构件100，该操作构件100联接到切割元件。类似地，对于冲击，末端执行器40可以联接到接合假体部件的另一个操作构件。机械臂30可用于确保在铰孔和冲击期间正确定位。

在图5的步骤S8中，外科医生使用联接到图3B的机械臂30的铰刀，例如操作构件100，对髋臼22进行表面重修。如上文结合操作构件100所述，外科医生将适当的操作构件(例如，直的或偏置的铰刀)联接到末端执行器40，将切割元件连接到接收的操作构件，并手动操纵机械臂30对髋臼22进行铰孔。在铰孔期间，机械臂30向外科医生提供触觉(力反馈)引导。触觉引导限制了外科医生手动移动手术工具以确保实际骨切口的形状和位置与规划的骨切口(即与手术计划一致的切口)对应的能力。在某些情况下，自主或手持***可以在没有触觉反馈或指导的情况下在定义的虚拟边界内工作。

在图5的步骤S9中，外科医生通过例如2007年5月18日提交的美国专利申请序号11/750,807(公开号US 2008/0004633)中描述的用被追踪探针接触骨盆检查点来验证髋臼追踪阵列和骨盆12之间的配准(即，几何关系)仍然有效，该美国专利申请在此通过引用整体并入本文。如果配准已降级(例如，因为在铰孔期间髋臼追踪阵列被碰撞)，则重新配准骨盆12。可以在外科医生想要检查髋臼配准的完整性的任何时候进行配准验证。

在图5的步骤S10中，使用冲击器工具将假体部件316植入在铰孔的髋臼22上。以与上文结合步骤S8(铰孔)描述的方式相同的方式，在冲击步骤S10期间，显示装置9可以显示规划的姿势500、激活区域510、解剖结构的表示512、514和手术工具的表示，如图4所示。同样如上文结合步骤S8所述，如果外科医生移动末端执行器40以超越触觉反馈，则控制器可以启动手术工具的自动控制以将实际姿势的至少一个方面与目标姿势的对应的所需方面基本上对齐。

在图5的步骤S11中，外科医生将股骨部件安装在股骨14上，并且在步骤S12中，外科医生确定腿长度和股骨偏移。在手术程序过程中的任何时间，显示装置9可以显示与进展和/或结果相关的数据。例如，在步骤S8中的铰孔和/或步骤S10中的冲击)之后，与铰孔的髋臼22(或植入的髋臼杯)的实际位置相关的数据可以包括例如表示患者解剖结构的三个正交平面(即，内侧/外侧、上/下和前/后)中的实际位置和计划位置之间的误差的数字数据。

V.用于股骨、骨盆和椎骨以及其他骨骼的骨配准的工具和方法

基于点选取的骨配准是导航和机器人辅助整形手术中的配准方法之一。在手术程序过程中，在手术部位(例如，髋、膝)处进行切口。定位指针或被追踪探针用于在患者身体的可通过切口进入的骨骼区域上选取数字化点云(坐标系中代表表面轮廓的一组数据点)。通过使用点对和迭代最近点(ICP)算法，将“追踪器空间”(具有与患者身体上的追踪器对应的位置数据和患者采集点的点云的坐标系)中的患者点云数据变换到由分割的医学图像或其他方式形成的患者骨骼的三维骨骼模型。精确的配准变换被确定为点云拟合的最小均方根。

在基于点选取的配准(股骨、骨盆或其他)的情况下，用探针在骨表面上的术中选取点通常需要外科医生通过手术部位处的初始切口接近骨。由于切口面积小，尤其是在微创手术中，仅依赖于在手术切口内收集的点云数据很难保证配准的六自由度精度。为了提高这种配准的准确性，可以将点添加到远离手术部位的点云中。例如，在全髋关节置换手术中，外科医生可能会捕获患者髋臼上的点，并另外捕获患者髂骨的髂嵴表面上的点，以提高配准准确性。仍然在全髋关节置换术的情况下，外科医生可以在股骨近端(例如，股骨头)上选取点，并且可以另外在股骨远端或中远端表面上捕获点以增加配准精度。然而，髂嵴和远端股骨不在初始手术切口内。

为了在髂嵴和远端股骨(即，不在初始手术切口内)上选取这样的远点，外科医生可能需要在远离初始切口的位置进行额外的切口(例如刺伤切口)，仅用于使被追踪探针或定位指针接触患者的(多个)骨骼的目的。在患者体内做额外的切口可能并不理想，因为这种方法会增加感染、疼痛、疤痕和时间的机会。

在此参考图16A-16C描述了在远离手术部位(即，手术切口外)并且不涉及患者皮肤中的额外切口的患者身体区域中使用的配准工具和方法。如图16A所示，不同长度和直径的针1，例如针灸针或注射器针，可用于在硬骨表面上数字化点而无需通过患者的皮肤切开。针1的直径可以足够小以容易地穿透患者皮肤、软组织和患者的软骨而对患者满意度没有副作用。使用针1，可以在通常无法通过伤口内点选取方法访问的解剖区域中选取骨配准点，尤其是在MIS中。

如图16B所示，图16B是根据本公开的股骨6的前视图，一根或多根针1a可以通过针固定器或模板2的多个孔之一***软组织7中。针固定器2可以引导针1a穿过皮肤，并且针1a可以停在股骨6的硬骨表面处。可以将被动或主动定位标记附接到针1a，以便通过一个或多个相机10(例如，光学相机)导航针顶部的位置。针追踪器3a可以联接到针固定器2。然而，如果针尖被追踪，则可能不需要针追踪器3a。固定器2可以具有多种功能，包括：(1)压缩软组织；(2)引导针1a的***；和(3)通过变换8a测量针尖相对于针追踪器3a的位置。

仍参考图16B，骨追踪器4可以通过夹具和骨销5刚性地附接到股骨6的硬骨表面。骨追踪器4空间中的针尖位置可以通过变换9a来确定。针固定器2与针追踪器3a一起可以自由移动到骨骼的不同解剖位置，以将骨骼表面6上的多个点数字化，并将这些点添加到点云中。相机10可以追踪骨追踪器4和针追踪器3a的位置。

如图16C所示，图16C是根据本公开的股骨6的前视图，针1b的近端附接到机械追踪器3b以便通过变换8b在机械追踪器3b空间中导航针尖(针的远端)的位置。机械追踪器3b可以附接到骨夹具5或另一个参考位置。机械追踪器3b可以通过变换9b被配准到光学追踪器4。机械追踪器3b可以指示每个关节的位置——例如通过编码器或光纤追踪器。相机(例如，光学相机)可以追踪光学追踪器4的移动。并且，通过变换9b进一步确定骨追踪器4空间中的针尖位置。机械追踪器3b的针固定器2和尖端中心点(TCP)可以自由移动到骨骼的不同解剖位置，以数字化骨表面6上的多个点，并将这些点添加到点云中。

在某些情况下，可以利用配准***1700，如在图17A-17C中所见。图17A示出了在全髋关节置换术环境中用配准***1700配准的股骨4的前视图，图17B示出了在全膝关节置换术环境中用配准***1700配准的股骨4的前视图，并且图17C示出了在全膝关节置换术环境中用配准***1700配准的胫骨5的前视图。

如图17A所示，股骨4的近端可以通过在手术部位(例如，髋部区域)处穿过患者切口的被追踪指针进行点选取。在全髋关节置换术的情况下，股骨头可能会暴露出来，并且可以通过被追踪指针轻松接近以进行点选取，以开发要在配准过程中使用的数据点云。为了提高配准变换的准确性，包括具有多个通孔的针模板2、针追踪器3和追踪针1a的配准***1700用于股骨4的轴上，大约在股骨近端头和股骨远端髁之间的中间。针模板2可以压在患者的皮肤上，并且针模板2可以用于将一根或多根针1a引导到患者的皮肤中直到它接触股骨的骨表面。光学相机(未示出)可以感测针模板2的位置，以及针在模板2的通孔之一内的对应位置。

因此，当运行配准变换时，***可以使用与股骨头上和股骨中远侧骨表面上的表面点相关联的点云数据以增加过程的准确性。

如图17B所示，股骨4的远端可以通过在手术部位(例如，膝部区域)处穿过患者切口的被追踪指针进行点选取。在全膝关节置换术的情况下，股骨髁可能会暴露出来，并且可以通过被追踪指针轻松接近以进行点选取，以开发用于配准过程的数据点云。为了提高配准变换的准确性，包括具有多个通孔的针模板2、针追踪器3和追踪针1a的配准***1700用于股骨4的轴上，大约在股骨近端头和股骨远端髁之间的中间。针模板2可以压在患者的皮肤上，并且针模板2可以用于将针1a引导到患者的皮肤中直到它接触股骨的骨表面。光学相机(未示出)可以感测针模板2的位置，以及针在模板2的通孔之一内的对应位置。

因此，当运行配准变换时，***可以使用与股骨髁上和股骨中远侧骨表面上的表面点相关联的点云数据以增加过程的准确性。

如图17C所示，胫骨5的近端可以通过在手术部位(例如膝部区域)处穿过患者切口的被追踪指针进行点选取。在全膝关节置换术的情况下，胫骨近端(例如，胫骨平台)可以暴露并通过被追踪指针轻松接近以进行点选取，从而开发用于配准过程的数据点云。为了提高配准变换的准确性，包括具有多个通孔的针模板2、针追踪器3和追踪针1a的配准***1700用于胫骨5的轴上，大约在胫骨近端和胫骨远端之间的中间。针模板2可以压在患者的皮肤上，并且针模板2可以用于将针1a引导到患者的皮肤中直到它接触胫骨的骨表面。光学相机(未示出)可以感测针模板2的位置，以及针在模板2的通孔之一内的对应位置。

因此，当运行配准变换时，***可以使用与胫骨近端和胫骨中远侧骨表面上的表面点相关联的点云数据来增加过程的准确性。

参照图17A-17C描述的配准***1700可以在髂骨上采用，如图18所示。更具体地，髋臼缘2和髋臼关节面1在髋关节置换术中是可接近的；但是，髂嵴4和髂嵴唇下方的区域(即髂嵴4和臀前线之间的髂骨背部分)通常不在传统髋关节置换手术的手术切口内。如图18所示，髋臼的关节面1和边缘2可以经由穿过髋部区域中的切口的被追踪指针进行点选取。从关节面1和缘2，***可以通过例如2017年8月30日提交的PCT/US2017/049466中描述的方法确定旋转中心COR，该申请在此通过引用整体并入本申请。为了提高配准变换的准确性，包括具有多个通孔的针模板2、针追踪器3和追踪针1a的配准***1700用于接近髂前上棘的髂嵴上。针模板2可以压在患者的皮肤上，并且针模板2可以用于将针1a引导到患者的皮肤中直到它接触髂骨的骨表面。光学相机(未示出)可以感测针模板2的位置，以及针在模板2的通孔之一内的对应位置。

因此，当运行配准变换时，***可以使用与髂骨的髋臼区域上和髂嵴表面上的表面点相关联的点云数据来增加过程的准确性。

配准***1700可以附加地或替代地用于可以被分割的患者身体的其他部分，例如脊柱(L1、L2、L3、L4、L5)。如图19A所示，其是髂骨和脊柱的侧视图，追踪阵列可以定位在患者的髂骨上。另外，包括具有多个通孔的针模板2、针追踪器3和追踪针1a的配准***1700可用于脊柱椎骨后部的骨部分。可以将针模板2压在患者的皮肤上，并且可以使用针模板2将针1a引导到患者的皮肤中，直到它接触到椎骨的骨表面。光学相机(未示出)可以感测针模板2的位置，以及针在模板2的通孔之一内的对应位置。

因此，当运行配准变换时，***可以使用与椎骨相关联的点云数据以及另一个配准区域，以提高过程的准确性。本文描述的方法可用于任何骨骼，并且不限于腿和椎骨的骨骼。基于针的配准方法可用于手臂、手、脚、上身和头部的骨骼，但不限于此。

参考图20A-20D，这些图分别描绘了椎骨2000和定位在其中的骨锚固件2002的轴向截面图像、具有部分地定位在椎骨2000内的旋转圆头锉2004的椎骨2000的轴向截面图像、具有部分定位在椎骨2000内的旋转圆头锉2004的椎骨2000的另一个轴向横截面图像、以及延伸穿过椎骨2000到皮质骨2006的远内壁的圆头锉2004的轴向横截面图像。

脊柱配准的准确性可能具有挑战性。通常，追踪器装置放置在患者的骨盆中，因此椎骨(这是手术程序的对象)可能是远离追踪器的几个非刚性关节。因此，当患者处于其他位置中的俯卧位时(即，在胃上)，可能有明显的软组织推压椎骨，这可能会改变椎骨的位置。此外，在相邻的椎骨节段上工作可能会轻微移动脊柱。

随后描述的工具、***和方法的目标是通过在初始穿透椎骨2000的外表面之后识别与椎骨2000的内部皮质骨的接触来确认和改进配准。为此，图20A示出了其中定位有骨锚固件2002的椎骨2000的轴向横截面图像。如图中所见，骨锚固件2002的柄部2008延伸穿过椎骨2000的椎弓根2010同时避免与脊髓2012接触。椎骨2000包括在外部或外壳体上的皮质骨2006(致密骨)，包括围绕椎体的皮质边缘2014，以及皮质骨2006内部的松质骨2016(海绵状或小梁骨)。皮质骨2006比松质骨2016更硬和致密，松质骨是多孔的、较弱的且比皮质骨2006更容易骨折。松质骨2016构成长骨(例如，股骨、胫骨)的轴。皮质骨2006围绕并保护脊髓2012。

当将骨锚固件2002***椎骨2000时，如图20A所示，外科医生试图如图所示定位锚固件2002，其中柄部2008保持在椎骨2000内(即，不离开皮质骨2006的任一侧)。即，一旦它最初穿透皮质骨2006，柄部2008就保留在松质骨2016内。确保将柄部2008放置在椎骨2000内部的常规方法是外科医生在椎弓根2010附近钻穿椎骨2000的外皮质层，并试图通过接触内皮质表面的钻头尖端的“感觉”来识别皮质表面或壁的内表面。一旦外科医生感觉到与皮质骨2006的内壁接触，外科医生就知道不要将钻头延伸得更远。

在配准程序期间，一旦实现皮质接触，骨和圆头锉2004之间的接触点可用于更新骨位置的配准。如果需要，外科医生还可以更新螺钉***计划。可以通过测力传感器2020检测圆头锉2004与骨骼的接触方向来优化配准改进。***可以基于手术导航***相对于患者的配准位置追踪圆头锉2004的位置通过比较接触位置与预期接触来识别误差。如果存在差异，可以使用接触点作为内部配准点来更新配准。

图20B-20D图示了使用手术机器人***(在图20B-20D中未示出，但如在本申请中示出和描述的)的末端执行器2018的圆头锉2004来配准椎骨2000的***和方法。通常，圆头锉2004可用于创建进入椎弓根2010的通路。一旦进入骨内，圆头锉2004可被关闭以停止旋转。外科医生可以推进圆头锉2004通过松质骨2016。末端执行器2018上的测力传感器2020将能够指示圆头锉2004是否接触皮质骨2006。测力传感器2020可以配置为识别和区分松质骨骨2016与皮质骨2006，因为每种骨类型都具有不同的刚度。测力传感器2020可以通过听觉或以其他方式(视觉、触觉)用信号通知圆头锉2004与皮质骨2006的接触。通过触觉设置，手术机器人***可以防止外科医生一旦达到一定的刚度值在皮质骨2006的方向上进一步延伸圆头锉2004。

如图20B所示，外科医生可以将圆头锉2004***椎弓根2010中，进入围绕脊髓2012的皮质骨2006和围绕椎骨2000外部的皮质管2022之间的最小颈部区域。可以将圆头锉2004左右移动(如图20B中的箭头所示)有意接触皮质壁2006并记录其内部特征。圆头锉2004可以围绕进入点枢转以最小化螺纹紧扣区域的任何破坏。

如图20C所示，外科医生可以将圆头锉2004***椎弓根2010中进入围绕脊髓2012的皮质骨2006和围绕椎骨2000外部的皮质锥体之间的最小颈部区域。可以在皮质管2022的内表面上方移动圆头锉2004(如由图20C中的箭头)以在其上绘制或创建配准表面。然后可以将皮质锥体上的识别表面与模型进行比较以改进或调整配准。

如图20D所示，外科医生可以通过椎弓根2010和通过松质骨2016***圆头锉2004，直到圆头锉2004接触皮质边缘2014的远内表面。如果没有与圆头锉2004抵靠椎弓根2012的颈部区域的皮质骨2006的接触，将确认与皮质边缘2014的内表面接触。当测力传感器2020检测到远皮层时，***可以指示这种接触并且可以相应地更新或改进配准。

除了***检测圆头锉2004何时接触皮质骨2006之外，***还可检测皮质骨2006的潜在裂口。例如，一旦圆头锉2004接触皮质骨2006，如由末端执行器2018的测力传感器2020所承受的负载所确定的，在该边界壁处承受的与先前载荷不同的任何载荷(例如，阻力/刚度的突然降低表明皮层壁断裂)可被视为皮质表面2006的潜在破坏。

在某些情况下，手术配准的***和方法可以如下。***可以将在手术中收集的椎骨2000的患者数据与坐标系中的椎骨计算机模型配准。椎骨2000可以包括具有外表面和内表面的皮质骨壳2006，以及皮质骨壳2006的松质骨内部2016。椎骨2000可以限定由皮质骨壳2006界定的脊髓管2022。在某些情况下，该***可以包括手术导航***和至少一个计算装置。手术导航***可以包括追踪装置和由追踪装置追踪的至少一个工具2018。该至少一个工具可以包括在其远端具有切割元件2004的末端执行器2018和感测切割元件2004上的载荷的测力传感器2018。计算装置可以与手术导航***通信。并且该至少一个计算装置可以在坐标系中存储椎骨的计算机模型。

在某些情况下，当切割元件2004接触皮质骨壳2006和松质骨2016时，该至少一个计算装置可以接收与切割元件2004在末端执行器2018的远端处所承受的载荷相关联的载荷数据。该至少一个计算装置还可以基于载荷数据识别切割元件2004何时接触皮质骨壳2006的内表面。该至少一个计算装置还可以接收与椎骨2000相关联的数据点云。数据点云可以包括通过切割元件2004收集的皮质骨壳2006的内表面上的坐标位置。该至少一个计算装置还可以运行或更新变换以将与椎骨2000相关联的数据点云配准到公共坐标系中的椎骨的计算机模型。

VI.示例计算***

参考图21，提供了具有一个或多个计算单元的示例计算***3000的详细描述，该计算单元可以实现这里讨论的各种***和方法。计算***3000可以适用于在关节成形术程序的术前或术中计划(例如，配准)中使用的任何计算机或***，以及其他计算或网络装置。应当理解，这些装置的具体实现可以具有不同的可能的具体计算架构，本文并未具体讨论所有这些架构，但是本领域普通技术人员将理解这些架构。

计算机***3000可以是能够执行计算机程序产品以执行计算机过程的计算***。数据和程序文件可以输入到计算机***3000，该计算机***3000读取文件并执行其中的程序。计算机***3000的一些元件在图21中示出，包括一个或多个硬件处理器3002、一个或多个数据存储装置3004、一个或多个存储器装置3008和/或一个或多个端口3008-3010。此外，本领域技术人员将认识到的其他元件可包括在计算***3000中但未在图21中明确描绘，也没有在此进一步讨论。计算机***3000的各种元件可以通过一条或多条通信总线、点对点通信路径或图21中未明确描绘的其他通信方式相互通信。

处理器3002可以包括例如中央处理单元(CPU)、微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)和/或一个或多个内部级别的高速缓存。可以有一个或多个处理器3002，使得处理器3002包括单个中央处理单元或多个能够彼此并行执行指令和执行操作的处理单元，通常称为并行处理环境。

计算机***3000可以是常规计算机、分布式计算机或任何其他类型的计算机，例如通过云计算架构变得可用的一个或多个外部计算机。当前描述的技术可选地在存储在(多个)数据存储装置3004上、存储在(多个)存储器装置3006上和/或经由端口3008-3010中的一个或多个通信的软件中实现，从而将图21的计算机***3000变换成用于实现这里描述的操作的专用机器。计算机***3000的示例包括个人计算机、终端、工作站、移动电话、平板电脑、膝上型计算机、个人计算机、多媒体控制台、游戏控制台、机顶盒等。

一个或多个数据存储装置3004可以包括能够存储在计算***3000内生成或采用的数据的任何非易失性数据存储装置，例如数据位用于执行计算机过程的计算机可执行指令，其可以包括应用程序和管理计算***3000的各种组件的操作***(OS)两者的指令。数据存储装置3004可以包括但不限于磁盘驱动器、光盘驱动器、固态驱动器(SSD)、闪存驱动器和类似物。数据存储装置3004可以包括可移动数据存储介质、不可移动数据存储介质和/或通过有线或无线网络架构与此类计算机程序产品一起可用的外部存储装置，包括一个或多个数据库管理产品、web服务器产品、应用服务器产品和/或其他附加软件组件。可移动数据存储介质的示例包括压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘只读存储器(DVD-ROM)、磁光盘、闪存驱动器等。不可移除数据存储介质的示例包括内部磁性硬盘、SSD等。该一个或多个存储器装置3006可以包括易失性存储器(例如，动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)等)和/或非易失性存储器(例如，只读存储器(ROM)、闪存等)。

包含实现根据当前描述的技术的***和方法的机制的计算机程序产品可以驻留在数据存储装置3004和/或存储器装置3006中，其可以被称为机器可读介质。应当理解，机器可读介质可以包括能够存储或编码指令以执行由机器执行的本公开的任何一个或多个操作的或能够存储或编码由此类指令使用或与此类指令相关联的数据结构和/或模块的任何有形非暂时性介质。机器可读介质可以包括存储一个或多个可执行指令或数据结构的单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库，和/或相关联的高速缓存和服务器)。

在一些实施方式中，计算机***3000包括一个或多个端口，例如输入/输出(I/O)端口3008和通信端口3010，用于与其他计算、网络、导航或机器人装置通信。应当理解，端口3008-3010可以组合或分开，并且更多或更少的端口可以包括在计算机***3000中。

I/O端口3008可以连接到I/O装置或其他装置，通过该装置将信息输入到计算***3000或从计算***3000输出。这样的I/O装置可以包括但不限于一个或多个更多的输入装置或输出装置，例如机械臂、导航和追踪***。

在一种实施方式中，输入装置将诸如人类语音、物理运动、物理触摸或压力等的人类产生的信号变换成电信号，作为输入数据通过I/O端口3008进入计算***3000。类似地，输出装置可以将经由I/O端口3008从计算***3000接收的电信号变换成可以被人感测为输出的信号，例如声音、光和/或触摸。输入装置可以是字母数字输入装置，包括用于通过I/O端口3008将信息和/或命令选择传送到处理器3002的字母数字和其他键。输入装置可以是另一种类型的用户输入装置，包括但不包括限于：方向和选择控制装置，例如鼠标、轨迹球、光标方向键、操纵杆和/或滚轮；一个或多个传感器，例如相机、麦克风、位置传感器、取向传感器、重力传感器、惯性传感器和/或加速度计；和/或触敏显示屏(“触摸屏”)，和/或与导航和追踪***相关的追踪/探测装置。输出装置可以包括但不限于显示器、触摸屏、扬声器、触感和/或触觉输出装置等。在一些实施方式中，输入装置和输出装置可以是同一装置，例如在触摸屏的情况下。

在一种实施方式中，通信端口3010连接到网络，计算机***3000可以通过该网络接收网络数据，该网络数据用于执行本文阐述的方法和***以及传输由此确定的信息和网络配置变化。换句话说，通信端口3010将计算机***3000连接到一个或多个通信接口装置，该通信接口装置被配置为通过一个或多个有线或无线通信网络或连接在计算***3000和其他装置之间发送和/或接收信息。此类网络或连接的示例包括但不限于通用串行总线(USB)、以太网、Wi-Fi、近场通信(NFC)、长期演进(LTE)等。可以通过通信端口3010使用一个或多个这样的通信接口装置来直接通过点对点通信路径、通过广域网(WAN)(例如因特网)、通过局域网(LAN)、通过蜂窝(例如，第三代(3G)或***(4G))网络或通过另一种通信方式与一个或多个其他机器通信。此外，通信端口3010可以与用于电磁信号发送和/或接收的天线或其他链路通信。

在示例实施方式中，患者数据、骨骼模型(例如，通用的、患者特定的)、变换软件、追踪和导航软件、配准软件和其他软件以及其他模块和服务可以通过存储在数据存储装置3004和/或存储器装置3006上并由处理器3002执行的指令来体现。计算机***3000可以与手术***100集成或以其他方式形成手术***100的一部分。该***可以配置用于将在手术中从第一骨骼采集的患者数据与公共坐标系中第一骨骼的计算机模型配准。第一骨骼可以连接第二骨骼以形成关节，例如髋关节、膝关节、肩关节、肘关节或踝关节等。该***可以包括手术导航***，该***包括追踪装置和在其运动中被追踪装置追踪的工具(例如，导航探针、手术机械臂的末端)。此外，该***可以包括与导航***通信的计算装置(一个或多个)。计算装置可以执行以下步骤：1)从骨的凹部的关节表面上的第一术中收集的点接收患者数据的第一数据点。可以使用至少一个工具收集第一数据点。第一数据点可以在位置上对应于计算机模型上的第一关节区域。2)从第一骨骼上的第二个术中收集的点接收第二数据点。可以使用该至少一个工具收集第二数据点。第二数据点可以在位置上对应于计算机模型上的第二虚拟数据点。3)根据第一数据点确定术中旋转中心。术中旋转中心可以对应于第二骨骼相对于第一骨骼的物理旋转中心。4)比较虚拟旋转中心与第二虚拟数据点之间的第一距离以及术中旋转中心与第二数据点之间的第二距离。并且，5)对患者数据和计算机模型运行变换，以使它们在位置和取向上对应。

图21中阐述的***只是可以根据本公开的方面采用或配置的计算机***的一个可能示例。应当理解，可以利用存储用于在计算***上实现当前公开的技术的计算机可执行指令的其他非暂时性有形计算机可读存储介质。

在本公开中，本文公开的方法，例如图5中所示的方法等，可以被实现为装置可读的指令集或软件。此外，应当理解，所公开的方法中的步骤的特定顺序或层次结构是示例方法的实例。基于设计偏好，可以理解，该方法中步骤的特定顺序或层次结构可以重新排列，同时保持在所公开的主题内。随附的方法权利要求以示例顺序呈现各个步骤的元素，并且不一定意味着限于呈现的特定顺序或层次结构。

包括本文描述的任何方法的所描述的公开可以提供为计算机程序产品、软件或计算机化的方法，其可以包括其上存储有指令的非暂时性机器可读介质，该指令可以用于对计算机***(或其他电子装置)编程来执行根据本公开的过程。机器可读介质包括用于以机器(例如，计算机)可读的形式(例如，软件、处理应用)存储信息的任何机制。机器可读介质可以包括但不限于磁存储介质、光存储介质；磁光存储介质，只读存储器(ROM)；随机存取存储器(RAM)；可擦除可编程存储器(例如，EPROM和EEPROM)；闪存；或其他类型的适合存储电子指令的介质。

虽然已经参考各种实施方式描述了本公开，但是应当理解，这些实施是说明性的并且本公开的范围不限于它们。许多变化、修改、添加和改进都是可能的。更一般地，已经在特定实施方式的上下文中描述了根据本公开的实施例。在本公开的各种实施例中功能性可以在块中不同地分离或组合或者用不同的术语描述功能性。这些和其他变化、修改、添加和改进可以落入所附权利要求所限定的本公开的范围内。例如，虽然描述讨论了涉及髋部的方法，但本公开同样适用于其他关节，包括肩、踝和脊柱等。

一般而言，虽然已经参考特定实施例描述了在此描述的实施例，但是在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以对其进行修改。还请注意，此处使用的术语“包括”旨在包括在内，即“包括但不限于”。

如各种示例性实施例中所示的***和方法的构造和布置仅是说明性的。尽管在本公开中仅详细描述了几个实施例，但是许多修改是可能的(例如，各种元件的尺寸、维度、结构、形状和比例的变化、参数值、安装布置、材料的使用、颜色、取向等)。例如，元件的位置可以颠倒或以其他方式改变，并且离散元件或位置的性质或数量可以改变或变化。因此，所有此类修改旨在包括在本公开的范围内。根据替代实施例，任何过程或方法步骤的顺序或序列可以改变或重新排序。在不脱离本公开的范围的情况下，可以在示例性实施例的设计、操作条件和布置中进行其他替换、修改、改变和省略。

Claims (24)

1.一种用于配准装置和股骨的***，股骨包括外表面和内管，所述股骨和该装置位于公共坐标系中，该***包括：

至少一个计算装置，该至少一个计算装置与导航***和该装置通信，该导航***被配置为追踪该装置，该至少一个计算装置在虚拟坐标空间中存储手术计划，该至少一个计算装置：

a)接收与股骨的外表面上的位置相对应的外部骨配准数据；

b)基于所述外部骨配准数据计算第一配准变换；

c)基于所述第一配准变换将所述手术计划的第一去骨计划变换到所述公共坐标系；

d)从股骨的内管接收与位置或取向数据中的至少一项相对应的内部骨管配准数据；

e)基于所述外部骨配准数据和所述内部骨管配准数据计算第二配准变换；和

f)基于所述第二配准变换将手术计划的第二去骨计划变换到所述公共坐标系。

2.根据权利要求1所述的***，其中，所述第一去骨计划被定义在所述虚拟坐标空间中并且包括用于来自代表所述股骨的所述内管的虚拟内管的第一去骨部分的第一坐标位置。

3.根据权利要求2所述的***，其中，所述第二去骨计划被定义在所述虚拟坐标空间中并且包括用于来自代表所述股骨的所述内管的所述虚拟内管的第二去骨部分的第二坐标位置。

4.根据权利要求3所述的***，其中，所述第一去骨计划的第一去骨部分包括比所述第一去骨计划和第二去骨计划组合更少的从虚拟内管进行的骨去除。

5.根据权利要求3所述的***，其中，所述第一去骨计划仅包括部分股骨管准备计划，其小于植入股骨植入物的柄所需的完整管准备计划。

6.根据权利要求3所述的***，其中，所述第一去骨计划的第一去骨部分和所述第二去骨计划的第二去骨部分共同构成完整管准备计划。

7.根据权利要求6所述的***，其中，所述第二去骨计划包括机器人去骨部分和手动去骨部分。

8.根据权利要求7所述的***，其中，所述手动去骨部分被规划用于拉刀。

9.根据权利要求3所述的***，其中，用于所述第二去骨部分的第二坐标位置包括用于所述第一去骨部分的第一坐标位置。

10.根据权利要求2所述的***，其中，第二去骨计划包含第一去骨计划。

11.根据权利要求1所述的***，其中，所述导航***包括追踪装置和至少一个被配置为在其移动中被所述追踪装置追踪的工具。

12.根据权利要求1所述的***，其中，所述手术计划还包括用于股骨颈蚀刻的位置和取向，所述至少一个计算装置：g)接收对应于所述股骨颈上的物理标记的股骨颈蚀刻数据，所述物理标记小于所述股骨颈的完全切除。

13.根据权利要求1所述的***，其中，所述至少一个计算装置进一步包括：g)将所述第一配准变换与所述第二配准变换进行比较，并且基于所述比较继续进行所述第一配准变换或所述第二配准变换中的一个。

14.一种装置和股骨配准的计算机实现的方法，所述股骨包括外表面和内管，所述装置和所述股骨位于公共坐标系中，所述计算机实现的方法包括：

接收与股骨的外表面上的位置相对应的外部骨配准数据；

基于外部骨配准数据计算第一配准变换；

基于所述第一配准变换将手术计划的第一去骨计划变换到所述公共坐标系，所述第一去骨计划包括部分股骨管准备计划，该部分股骨管准备计划小于接收股骨植入物的柄所需的完整管准备计划；

从所述股骨的内管接收与位置或取向数据中的至少一项相对应的内部骨管配准数据；

基于所述外部骨配准数据和所述内部骨管配准数据计算第二配准变换；以及

基于所述第二配准变换将手术计划的第二去骨计划变换到所述公共坐标系。

15.根据权利要求14所述的计算机实现的方法，还包括：确定植入物模型相对于股骨模型的计划植入物放置，所述股骨模型代表所述股骨。

16.根据权利要求15所述的计算机实现的方法，还包括：确定手术计划以便实现规划的植入物放置，所述手术计划包括所述第一去骨计划和所述第二去骨计划。

17.根据权利要求14所述的计算机实现的方法，其中，在相对于代表股骨的股骨模型的虚拟坐标系中规划所述第一去骨计划，该虚拟坐标系不同于所述公共坐标系，并且

其中，基于所述第一配准变换将所述第一去骨计划变换到所述公共坐标系包括以与所述第一去骨计划相对于所述虚拟坐标系中的股骨模型的位置和取向相同的位置和取向，将所述第一去骨计划在所述公共坐标系中映射到所述股骨。

18.根据权利要求14所述的计算机实现的方法，其中，在相对于代表股骨的股骨模型的虚拟坐标系中规划所述第二去骨计划，所述虚拟坐标系不同于所述公共坐标系，并且

其中，基于所述第二配准变换将所述第二去骨计划变换到所述公共坐标系中包括以与所述第二去骨计划相对于所述虚拟坐标系中的股骨模型的位置和取向相同的位置和取向，将所述第二去骨计划在所述公共坐标系中映射到所述股骨。

19.根据权利要求18所述的计算机实现的方法，其中，所述第二去骨计划包括从所述股骨的内管去除骨，其中，所述第二去骨计划包含所述第一去骨计划的骨去除。

20.根据权利要求18所述的计算机实现的方法，其中，所述第二去骨计划包括去除超出第一去骨计划中的骨的额外骨。

21.一种用于将第一坐标系中的第一骨骼的患者数据与在不同于所述第一坐标系的第二坐标系中的与第一骨骼相关联的手术计划配准的***，所述第一骨骼包括头部和从头部延伸的轴部，该***包括：

a)与导航***通信的至少一个计算装置，该导航***包括追踪装置和被配置为在其移动中被追踪装置追踪的至少一个工具，该至少一个计算装置将手术计划存储在第二坐标系中，所述手术计划包括代表第一骨骼的虚拟骨骼模型、与虚拟骨骼模型相关联的第一去骨计划以及与虚拟骨骼模型相关联的第二去骨计划，所述至少一个计算装置：

i)接收与所述第一骨骼相关联的第一数据点云，所述第一数据点云包括与所述第一骨骼的头部相关联的第一数据；

ii)从所述第一数据点云计算第一配准变换；

iii)使用所述第一配准变换，在第一去骨计划已存在于相对于虚拟骨骼模型的第二坐标系中时，将所述手术计划的第一去骨计划在相对于第一骨骼的位置和取向上变换到所述第一坐标系；

iv)接收与第一骨骼相关联的第二数据点云，所述第二数据点云包括与第一骨骼的轴部的内部相关联的第二数据；

v)从所述第一数据点云和所述第二数据点云计算第二配准变换；以及

vi)使用所述第二配准变换，在所述第二去骨计划相对于虚拟骨骼模型存在于第二坐标系中时，将所述手术计划的第二去骨计划在相对于第一骨骼的位置和取向上变换到第一坐标系。

22.根据权利要求21所述的***，其中，所述第一数据点云和所述第二数据点云是通过手术装置在手术中采集的，所述手术装置在其运动中被所述导航***的所述追踪装置追踪。

23.根据权利要求21所述的***，其中，所述第一去骨计划包括用于从所述虚拟骨骼模型的虚拟管部分去除骨的第一计划。

24.根据权利要求23所述的***，其中，所述第二去骨计划包括用于从所述虚拟骨骼模型的所述虚拟管完全去除骨的第二计划，所述第一去骨计划和第二去骨计划用于准备植入股骨植入物的柄。