CN117835889A - 韧带修复的方法和*** - Google Patents

Abstract

韧带修复。一些示例涉及用于校准在计算机引导的内窥镜韧带修复(例如前交叉韧带(ACL)的修复)中使用的光学设备的方法和相关***。其他示例涉及在韧带修复期间验证三维骨模型与通过内窥镜可见的骨之间的配准的方法和相关***。另外其他示例涉及用于韧带修复的隧道计划的术中改变。

Description

韧带修复的方法和***

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年8月31日提交的、名称为“韧带修复的方法和***(Methodsand Systems of Ligament Repair)”的美国临时申请63/239,006以及还有于2021年8月31日提交的、名称为“基于视频的导航校准装置(Video Based Navigation CalibrationApparatus)”的美国临时申请63/239,018的权益。这两个临时申请通过引用并入本文，如同在下文中完整再现一样。

背景技术

前交叉韧带(ACL)用作膝中的主要机械约束以抵抗胫骨相对于股骨的向前平移。类似地，后交叉韧带(PCL)用作机械约束以抵抗胫骨相对于股骨的向后平移。这些交叉韧带显著地促进膝稳定性，并且ACL损伤非常常见。大多数ACL损伤是韧带的完全撕裂。

由于ACL损伤经常发生在年轻且活跃的患者中，因此进行ACL的重建以使得能够恢复活动。目的是恢复膝的稳定性并减少可能导致退行性骨关节炎的半月板和关节软骨的进一步损伤的机会。重建可以包括放置替代移植物(例如，来自髌骨肌腱或腘绳肌腱的中心三分之一的自体移植物)。将移植物的端部放入通过股骨和胫骨准备的相应遂道中。移植物的端部可以使用干涉螺钉或悬挂固定装置(如由美国马萨诸塞州安多弗的Smith&Nephew制造的ENDOBUTTON^TM牌固定装置)附接。

ACL重建的一个挑战是隧道应当放置在何处。天然ACL由2个主要束组成—前内侧(AM)束和后外侧(PL)束。通常，手术的目标是将重建放置在解剖位置，例如，将单个隧道放置在天然ACL附接部位的覆盖区内。在其他情况下，重建可以涉及在股骨和胫骨两者中创建两个隧道以尝试重新建造两个天然束。

隧道的放置相对于计划隧道位置存在相当大的可变性。已经表明，相对于计划隧道位置，实际隧道位置的误差可以从8.3到13.9毫米(mm)变化。此外，ACL重建中的失败率在10-15％的范围内，其中61％的失败可归因于技术误差。大约80％的技术失败是股骨隧道错位，37％的技术失败是胫骨隧道错位。

发明内容

韧带修复。一个示例是一种校准内窥镜光学***的方法，所述方法包括：将内窥镜放置在校准组件中，所述校准组件将所述内窥镜保持成与所述校准组件的内表面上的校准目标成固定关系；由手术控制器捕获所述校准目标的多个图像，每个图像以摄像头与所述内窥镜之间的独特旋转关系捕获，所述独特旋转关系是相对于所述内窥镜的纵向中心轴线的；以及由所述手术控制器创建表征所述校准目标与所述摄像头的捕获阵列之间的光学失真的表征函数。

在校准所述内窥镜的示例性方法中，将所述内窥镜放置在所述校准组件中还可以包括将所述内窥镜放置在所述校准组件中，使得所述内窥镜的远端的视向垂直于所述校准目标。在校准所述内窥镜的示例性方法中，将所述内窥镜放置在所述校准组件中还可以包括将所述内窥镜放置在所述校准组件中，使得所述内窥镜的远端的视向不垂直于所述校准目标。在校准所述内窥镜的示例性方法中，将所述内窥镜放置在所述校准组件中还可以包括将所述内窥镜放置在所述校准组件中，使得所述内窥镜的纵向中心轴线与所述校准目标的中心相交，并且所述内窥镜的远端的视角垂直于所述校准目标。

校准所述内窥镜的示例性方法还可以包括将水放置在所述校准组件的内部容积内，使得所述校准目标与所述内窥镜的远端之间的内部容积填充有水或盐水。

在校准所述内窥镜的示例性方法中，捕获所述多个图像还可以包括：以所述内窥镜与所述摄像头之间的第一旋转取向捕获所述校准目标的第一图像；然后以所述内窥镜与所述摄像头之间的第二旋转取向捕获所述校准目标的第二图像；然后以所述内窥镜与所述摄像头之间的第三旋转取向捕获所述校准目标的第三图像。

在校准所述内窥镜的示例性方法中，捕获所述多个图像还可以包括以所述内窥镜与所述校准组件之间的固定关系捕获所述校准目标的多个图像。

在校准所述内窥镜的示例性方法中，创建所述表征函数还可以包括创建包括用于通过所述内窥镜具有通过所述内窥镜的单个光路确定基准标记的取向的校准的表征函数。

又一示例是一种用于校准内窥镜光学***的校准组件，所述校准组件包括：限定内部容积的容器，并且所述内部容积限定校准表面；设置在所述校准表面上的校准目标；所述容器的壁，所述容器的壁限定进入所述容器的孔，所述孔限定与所述校准目标相交的中心轴线；轴向保持表面，所述轴向保持表面由与所述孔相关联的壁限定，所述轴向保持表面与所述校准目标相距沿着所述孔的中心轴线测量的预定距离；以及与所述壁相关联的旋转保持表面。

在示例性校准组件中，所述旋转保持表面还可以包括设置在由所述壁限定的沉孔内的脊，并且所述旋转保持表面由所述脊的相对壁限定。所述脊可以平行于所述孔的中心轴线。

在示例性校准组件中，所述壁还可以包括限定通道的凹口，所述通道具有形成所述轴向保持表面的闭合底部、形成所述旋转保持表面的两个侧部以及开放顶部。所述凹口的通道可以垂直于所述孔的中心轴线。

在示例性校准组件中，所述旋转保持表面还可以包括夹子，所述夹子构造成保持内窥镜的光柱。

在示例性校准组件中，所述校准表面可以是平面的。在示例性校准组件中，所述校准表面可以限定限定第一平面的第一部分和限定第二平面的第二部分，并且其中所述第一平面和所述第二平面是非平面的。

在示例性校准组件中，与所述孔相关联的所述容器的壁还可以包括限定内部通路的管，所述管从所述容器突出，并且所述内部通路限定通过所述容器的壁的孔。

在示例性校准组件中，所述孔的中心轴线可以与所述校准目标的中心相交。在示例性校准组件中，所述孔的中心轴线可以与垂直于所述校准表面的矢量形成锐角，所述锐角是非零的。

又一示例是一种用于校准内窥镜光学***的***，所述***包括：内窥镜***，所述内窥镜***包括内窥镜和联接到所述内窥镜的摄像头，所述内窥镜限定纵向中心轴线和光柱；以及校准组件。所述校准组件可以包括：限定内部容积的容器；限定在所述容器的内表面上的校准表面；设置在所述校准表面上的校准目标；以及通过所述容器的壁限定的孔，并且所述内窥镜伸缩通过所述孔，使得所述纵向中心轴线与所述校准目标相交。所述校准组件可以构造成将所述内窥镜的远端保持在距所述校准目标预定距离处，所述校准组件可以构造成将所述内窥镜保持在相对于所述校准目标的固定旋转取向上。

在用于校准所述内窥镜光学***的示例性***中，所述校准组件还可以包括由设置在由所述壁限定的沉孔内的脊限定的一组旋转保持表面，所述一组旋转保持表面由所述脊的相对壁限定，并且其中所述一组旋转保持表面将所述内窥镜保持在相对于所述校准目标的固定旋转取向上。

在用于校准所述内窥镜光学***的示例性***中，所述校准组件还可以包括限定通道的凹口，所述通道具有闭合底部和开放顶部，所述光柱设置在所述凹口内，并且其中所述凹口将所述内窥镜的远端保持在距所述校准目标预定距离处，并且所述凹口将所述内窥镜保持在相对于所述校准目标的固定旋转取向上。

在用于校准所述内窥镜光学***的示例性***中，所述校准组件还可以包括联接到所述光柱的夹子，所述夹子将所述内窥镜保持在相对于所述校准目标的固定旋转取向上。

用于校准所述内窥镜光学***的示例性***还可以包括在所述内窥镜的远端与所述校准目标之间的内部容积内的水。所述水可以是盐水。

在用于校准所述内窥镜光学***的示例性***中，所述校准表面可以是平面的。在用于校准所述内窥镜光学***的示例性***中，所述校准表面可以限定限定第一平面的第一部分和限定第二平面的第二部分，并且其中所述第一平面和所述第二平面是非平面的。

在用于校准所述内窥镜光学***的示例性***中，所述校准组件还可以包括限定内部通路的管，并且所述管从所述容器突出，所述内窥镜伸缩通过所述内部通路，使得所述内窥镜的远端位于所述容器的内部容积内。

在用于校准所述内窥镜光学***的示例性***中，所述内窥镜的纵向中心轴线可以与所述校准目标的中心相交。在用于校准所述内窥镜光学***的示例性***中，所述内窥镜的纵向中心轴线可以与垂直于所述校准表面的矢量形成锐角，所述锐角是非零的。

又一示例是一种术中方法，包括：由手术控制器接收骨的三维骨模型；由所述手术控制器接收在外科手术期间由内窥镜和附接的摄像头观察到的骨的图像，所述骨的图像包括联接到所述骨的基准的图像；由所述手术控制器接收在所述骨的图像中示出的所述骨的外表面的多个位置；由所述手术控制器使用所述多个位置将所述三维骨模型配准到所述骨；由所述手术控制器在显示装置上显示叠加在所述骨的图像上的三维骨模型的表示；以及由所述手术控制器接收所述三维骨模型在所述骨的图像中正确地配准到所述骨的指示。

在示例性术中方法中，接收骨的图像还可以包括接收选自以下各项的至少一个：股骨的髁间窝的图像；以及胫骨的髁间脊的图像。在示例性术中方法中，接收所述三维骨模型还可以包括接收通过分割所述骨的术前图像构建的三维骨模型。

在示例性术中方法中，接收所述骨的外表面的多个位置还可以包括当接触探针在多个位置抵靠所述骨时，由所述手术控制器跟踪所述接触探针的远侧尖端的位置。跟踪所述接触探针的远侧尖端的位置还可以包括选自以下各项的至少一项：跟踪设置在所述接触探针的外表面上的基准，所述基准在由所述内窥镜和附接的摄像头观察到的骨的图像中可见；以及跟踪由立体摄像机看到的联接到所述接触探针的基准阵列。

在示例性术中方法中，显示所述三维骨模型的表示还可以包括将表示所述三维骨模型的网格模型叠加在所述显示装置上示出的所述骨的图像上。

另一示例是手术控制器，包括：配置成联接到显示装置的处理器；以及联接到所述处理器的存储器。所述存储器存储指令，所述指令在由所述处理器执行时使所述处理器：接收骨的三维骨模型；接收在外科手术期间由内窥镜和附接的摄像头观察到的骨的图像，所述骨的图像包括联接到所述骨的基准的图像；接收在所述骨的图像中示出的所述骨的外表面的多个位置；使用所述多个位置将所述三维骨模型配准到所述骨；显示叠加在所述骨的图像上的三维骨模型的表示；以及接收所述三维骨模型在所述骨的图像中正确地配准到所述骨的指示。

在示例性手术控制器中，当所述手术控制器接收所述骨的图像时，所述指令还可以使所述处理器接收选自以下各项的至少一个：股骨的髁间窝的图像；以及胫骨的髁间脊的图像。在示例性手术控制器中，当所述手术控制器接收所述三维骨模型时，所述指令还可以使所述处理器接收通过分割所述骨的术前图像构建的三维骨模型。在示例性手术控制器中，当所述手术控制器接收所述骨的外表面的多个位置时，所述指令还可以使所述处理器在接触探针在多个位置抵靠所述骨时跟踪所述接触探针的远侧尖端的位置。在示例性手术控制器中，当所述手术控制器跟踪所述接触探针的远侧尖端的位置时，所述指令还可以使所述处理器执行选自以下各项的至少一项：跟踪设置在所述接触探针的外表面上的基准，所述基准如在由所述内窥镜和附接的摄像头观察到的骨的图像中看到的；以及跟踪由立体摄像机看到的联接到所述接触探针的基准阵列。

在示例性手术控制器中，当所述手术控制器显示所述三维骨模型的表示时，所述指令还可以使所述处理器将表示所述三维骨模型的网格模型叠加在所述骨的图像上。

又一示例是一种术中方法，包括：由手术控制器在显示装置上显示用于韧带修复的计划隧道路径，所述计划隧道路径相对于骨的至少一部分示出，并且所述计划隧道路径是术前选择的；在外科手术期间由所述手术控制器接收经修改隧道入口位置；在外科手术期间由所述手术控制器计算通过所述骨的经修改的隧道路径，并且在所述显示装置上显示所述经修改的隧道路径；由所述手术控制器并且在钻孔之前跟踪钻丝的钻孔轴线相对于所述经修改的隧道路径的纵向中心轴线的轴向对准；以及由所述手术控制器在所述显示装置上显示图形，所述图形示出所述钻孔轴线和所述经修改的隧道路径的纵向中心轴线的相对位置。

在术中方法中，所述计划隧道路径可以用于前交叉韧带(ACL)修复。

在术中方法中，在计算所述经修改的隧道路径之后，所述方法还可以包括：由所述手术控制器确定指示所述计划隧道路径和所述经修改隧道路径的重叠的值；以及由所述手术控制器在所述显示装置上显示指示所述计划隧道路径和所述经修改隧道路径的重叠的值的视觉表示。

所述术中方法还可以包括：由所述手术控制器计算所述计划隧道路径的计划隧道入口与所述经修改隧道路径的经修改隧道入口之间的入口位置偏移；由所述手术控制器计算所述计划隧道路径的计划隧道出口与所述经修改隧道路径的经修改隧道出口之间的出口位置偏移；以及由所述手术控制器在所述显示装置上显示所述入口位置偏移和所述出口位置偏移的视觉表示。

所述术中方法还可以包括：由所述手术控制器确定指示所述经修改隧道路径的后壁爆裂的可能性的值；以及由所述手术控制器在所述显示装置上显示指示后壁爆裂的可能性的值的视觉表示。在术中方法中，确定指示后壁爆裂的可能性的值还可以包括测量所述经修改隧道路径与三维骨模型的外表面之间的距离。测量所述经修改隧道路径与所述三维骨模型的外表面之间的距离还可以包括测量所述经修改隧道路径与所述三维骨模型的外表面之间的最短距离。

在术中方法中，显示所述计划隧道路径还可以包括显示选自以下各项的至少一个：通过股骨的计划隧道路径；以及通过胫骨的计划隧道路径。

在术中方法中，接收所述经修改隧道入口位置还可以包括由所述手术控制器接收设置在选自以下各项的至少一个内的经修改隧道入口位置：股骨的髁间窝；以及胫骨的髁间脊。

在术中方法中，接收所述经修改隧道入口位置还可以包括基于通过内窥镜和附接的摄像头在所述手术部位内可见的瞄准器的远侧尖端的位置进行接收。

在术中方法中，跟踪所述轴向对准还可以包括跟踪瞄准器的轴向对准，所述钻丝伸缩通过所述瞄准器。

在术中方法中，跟踪所述瞄准器的轴向对准还可以包括：由所述手术控制器通过内窥镜和附接的摄像头接收图像，所述图像包括设置在所述瞄准器的外表面上的基准；以及由所述手术控制器基于所述图像计算所述瞄准器相对于所述骨的外表面的三维模型的轴向对准。

所述术中方法还可以包括：在钻孔期间由所述手术控制器跟踪所述钻丝的钻孔轴线，所述钻孔创建具有中心轴线的通孔；以及由所述手术控制器在所述显示装置上显示指示所述通孔的中心轴线与所述经修改隧道路径的纵向中心轴线之间的偏移的值。

在术中方法中，显示示出所述钻孔轴线与所述经修改隧道路径的纵向中心轴线的相对位置的图形还可以包括：显示指示所述经修改隧道路径的纵向中心轴线的隧道路径目标；显示远端目标，所述远端目标指示所述钻丝的远端相对于所述经修改隧道路径的纵向中心轴线的位置；以及显示近端目标，所述近端目标指示所述钻丝的轴向对准的更近端相对于所述经修改隧道路径的纵向中心轴线的位置。

又一示例是一种手术控制器，包括：配置成联接到显示装置的处理器；以及联接到所述处理器的存储器。所述存储器存储指令，所述指令在由所述处理器执行时使所述处理器：接收在外科手术期间由内窥镜和附接的摄像头观察到的腿骨的图像；在所述显示装置上显示用于前交叉韧带(ACL)修复的计划隧道路径，所述计划隧道路径相对于所述腿骨的至少一部分示出；接收经修改隧道入口位置；计算通过所述腿骨的经修改隧道路径，所述经修改隧道路径具有纵向中心轴线；在所述显示装置上显示所述经修改隧道路径；跟踪钻丝的钻孔轴线相对于所述纵向中心轴线的轴向对准；以及在所述显示装置上显示图形，所述图形示出所述钻孔轴线和所述经修改隧道路径的纵向中心轴线的相对位置。

在示例性手术控制器中，在所述处理器计算所述经修改隧道路径之后，所述指令还可以使所述处理器：确定指示所述计划隧道路径和所述经修改隧道路径的重叠的值；以及在所述显示装置上显示指示所述计划隧道路径和所述经修改隧道路径的重叠的值的视觉表示。

在示例性手术控制器中，所述指令还可以使所述处理器：计算所述计划隧道路径的计划隧道入口与所述经修改隧道路径的经修改隧道入口之间的入口位置偏移；计算所述计划隧道路径的计划隧道出口与所述经修改隧道路径的经修改隧道出口之间的出口位置偏移；以及在所述显示装置上显示所述入口位置偏移和所述出口位置偏移的视觉表示。

在示例性手术控制器中，所述指令还可以使所述处理器：确定指示所述经修改隧道路径的后壁爆裂的可能性的值；以及在所述显示装置上显示指示后壁爆裂的可能性的值的视觉表示。在示例性手术控制器中，当所述处理器确定指示后壁爆裂的可能性的值时，所述指令还可以使所述处理器测量所述经修改隧道路径与三维骨模型的外表面之间的距离。在示例性手术控制器中，当所述处理器测量所述经修改隧道路径与所述三维骨模型的外表面之间的距离时，所述指令还可以使所述处理器测量所述经修改隧道路径与所述三维骨模型的外表面之间的最短距离。

在示例性手术控制器中，当所述处理器显示所述经修改隧道路径时，所述指令还可以使所述处理器显示选自以下各项的至少一个：通过股骨的计划隧道路径；以及通过胫骨的计划隧道路径。

在示例性手术控制器中，当所述处理器接收到所述经修改隧道入口位置时，所述指令使所述处理器接收设置在选自以下各项的至少一个内的经修改隧道入口位置：股骨的髁间窝；以及胫骨的髁间脊。

在示例性手术控制器中，当所述处理器接收到所述经修改隧道入口位置时，所述指令还可以使所述处理器基于所述内窥镜和附接的摄像头观察到的骨的图像内可见的瞄准器的远侧尖端的位置进行接收。

在示例性手术控制器中，当所述处理器跟踪所述轴向对准时，所述指令还可以使所述处理器跟踪瞄准器的轴向对准，所述钻丝伸缩通过所述瞄准器，所述瞄准器在所述内窥镜和附接的摄像头观察到的骨的图像内可见。在示例性手术控制器中，当所述处理器接收到所述内窥镜和附接的摄像头观察到的骨的图像时，所述指令还可以使所述处理器接收包括设置在所述瞄准器的外表面上的基准的图像；并且当所述处理器跟踪所述瞄准器的轴向对准时，所述指令还可以使所述处理器基于所述基准的取向计算所述瞄准器相对于所述骨的外表面的三维模型的轴向对准。

在示例性手术控制器中，所述指令还可以使所述处理器：在钻孔期间跟踪所述钻丝的钻孔轴线，所述钻孔创建具有中心轴线的通孔；以及在所述显示装置上显示指示所述通孔的中心轴线与所述经修改隧道路径的纵向中心轴线之间的偏移的值。

在示例性手术控制器中，当所述处理器显示示出所述钻孔轴线和所述经修改隧道路径的纵向中心轴线的相对位置的图形时，所述指令还可以使所述处理器：显示指示所述经修改隧道路径的纵向中心轴线的隧道路径目标；显示远端目标，所述远端目标指示所述钻丝的远端相对于所述经修改隧道路径的纵向中心轴线的位置；以及显示近端目标，所述近端目标指示所述钻丝的轴向对准的更近端相对于所述经修改隧道路径的纵向中心轴线的位置。

附图说明

对于示例性实施例的详细描述，现在将参考附图，其中：

图1示出了右膝的前视图或前立面图，其中移除了髌骨；

图2示出了右膝的后视图或后立面图；

图3示出了从下方观察髁间窝的股骨的视图；

图4示出了根据至少一些实施例的手术***；

图5示出了根据至少一些实施例的手术部位的概念图，其中手术部位内的各个对象被跟踪；

图6示出了根据至少一些实施例的校准组件的分解透视图；

图7示出了根据至少一些实施例的示例性校准组件的俯视图；

图8示出了根据至少一些实施例的校准组件和关节镜的横截面图；

图9A示出了根据至少一些实施例的校准组件的透视图；

图9B示出了根据至少一些实施例的校准组件的透视图；

图9C示出了根据至少一些实施例的校准组件和关节镜的横截面图；

图9D示出了根据至少一些实施例的校准组件的部分透视剖视图；

图10是根据至少一些实施例的示例性视频显示，其示出了股骨的各部分并且具有在其中可见的骨基准；

图11是根据至少一些实施例的配准过程期间的示例性视频显示，其示出了股骨的各部分和骨基准；

图12是根据至少一些实施例的配准过程期间的示例性视频显示，其示出了股骨的各部分、骨基准和三维骨模型的叠加表示；

图13是根据至少一些实施例的示出了隧道路径的术中改变的示例性视频显示；

图14是根据至少一些实施例的示出了隧道路径的术中改变的计划的示例性视频显示；

图15是根据至少一些实施例的示出了用于放置引导隧道的计算机指导的示例性视频显示；

图16是根据至少一些实施例的示出了相对于经修改隧道路径的引导隧道路径的术中分析的示例性视频显示；

图17示出了根据至少一些实施例的校准内窥镜光学***的方法；

图18示出了根据至少一些实施例的三维骨模型的配准的术中验证方法；

图19示出了根据至少一些实施例的实施术中隧道路径改变的方法；以及

图20示出了根据至少一些实施例的计算机***。

定义

各个术语用于指代特定的***部件。不同公司可能会以不同的名称指代部件–本文件不打算区分在名称上而不是功能上不同的部件。在以下讨论并且在权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放式方式使用，并且因此应该被解释为表示“包括但不限于……”。此外，术语“联接(couple)”或“联接(couples)”旨在表示间接或直接连接。因此，如果第一装置联接到第二装置，则该连接可通过直接连接或通过经由其他装置和连接的间接连接。

“接收…位置”应指接收指示坐标空间(例如，内窥镜的视图的坐标空间)内的骨上的位置的数据。因此，示例性***和方法可以“接收…经修改隧道入口位置”，其是指示隧道入口点在三维坐标空间内的建议位置的数据。其他示例性***和方法可以“接收…骨上的多个位置”，其是指示骨的外表面的位置的数据，作为将骨配准到三维骨模型的一部分。

具有通过内窥镜的“单个光路”的内窥镜应指内窥镜不是在内窥镜的光收集端处具有由眼间距离分开的两条不同光路的立体内窥镜。内窥镜具有形成单个光路的两个或更多个光学构件(例如，玻璃棒、光纤)的事实不应排除作为单个光路的状态。

“通孔”应指通过下面装置的孔或通路。然而，术语“通孔”不应被理解为暗示任何创建方法。因此，通孔可以以任何合适的方式，例如钻孔、镗孔、激光钻孔或铸造创建。

“沉孔”应指进入下面装置的孔或通路。在沉孔与另一孔(例如，通孔)相交的情况下，沉孔因此可以限定内肩部。然而，术语“沉孔”不应被理解为暗示任何创建方法。沉孔可以以任何合适的方式，例如钻孔、镗孔、激光钻孔或铸造创建。

具体实施方式

以下讨论涉及本发明的各个实施例。尽管这些实施例中的一个或多个可能是优选的，但是所公开的实施例不应被解释或以其他方式用作限制本公开的范围(包括权利要求)。另外，本领域技术人员将理解以下描述具有广泛的应用，并且对任何实施例的讨论仅旨在作为该实施例的示例，并不旨在暗示包括权利要求书的本公开的范围被限制到该实施例。

各种示例涉及韧带重建和修复的方法和***。韧带修复(例如，前交叉韧带(ACL)修复)可以通过关节镜和计算机辅助进行。一些示例包括校准内窥镜光学***的方法和***，所述内窥镜光学***包括关节镜和附接的摄像头。校准是为了考虑光学路径内存在的光学失真，使得由关节镜和附接的摄像头创建的图像可以用于关节镜修复，例如用于将骨模型配准到通过关节镜可见的骨，相对于骨模型跟踪手术部位内的各个对象的位置，和/或在术中更新隧道位置。其他示例包括验证三维骨模型与通过关节镜可见的骨的配准。又一些其他示例包括对用于韧带修复的隧道路径进行术中改变，然后沿着经修改隧道路径创建隧道。

各个示例是在ACL修复的背景下开发的，因此下面的讨论是基于开发背景。然而，这些技术适用于许多类型的韧带修复，例如内侧副韧带修复、外侧副韧带修复和后交叉韧带修复。此外，各种示例性方法和***还可以用于计划和放置锚固件以重新附接软组织，例如重新附接髋的上唇、肩部或半月板根。因此，描述和开发背景不应被解读为对教导的适用性的限制。为了引导读者，说明书首先转向对膝的描述。

图1示出了右膝的前视图或前立面图，其中移除了髌骨。特别地，在图1中可见股骨100的下部分，其包括外或外侧髁102和内或内侧髁104。股骨100和髁102和104与包括胫骨结节108和惹迪氏结节110的胫骨106处于操作关系。外侧半月板112和内侧半月板114设置在股骨髁102和104与胫骨106之间。在图1的视图中也可见若干韧带，例如从股骨窝的外侧延伸到胫骨106的内侧的ACL 116。相反地，后交叉韧带118从股骨窝的内侧延伸到胫骨106。还可见腓骨120，以及未具体编号的若干附加韧带。

图2示出了右膝的后视图或后立面图。特别地，在图2中可见股骨100的下部分，其包括外侧髁102和内侧髁104。股骨100和股骨髁102和104再次与胫骨106处于操作关系，并且外侧半月板112和内侧半月板114设置在股骨髁102和104与胫骨106之间。图2还示出了ACL 116从股骨窝的外侧延伸到胫骨106的内侧，但是与胫骨106的附接点不可见。后交叉韧带118从股骨窝的内侧延伸到胫骨106，但是与股骨100的附接点不可见。同样，示出了未具体编号的若干附加韧带。

最常见的ACL损伤是韧带的完全撕裂。治疗涉及通过放置替代移植物(例如，来自髌骨肌腱、四头肌腱或腘绳肌腱的自体移植物)重建ACL。将移植物放置到股骨100和胫骨106内准备的隧道中。当前用于ACL修复的护理标准是定位隧道，使得移植物的隧道入口点位于天然ACL的解剖附接位置处。在天然ACL的附接位置处的这种隧道放置试图重建原始膝运动学。在关节镜手术中，通过胫骨106的隧道的位置相对容易到达，特别是当膝弯曲或屈曲时。然而，通过股骨100的隧道位于髁间窝内。根据患者的身体尺寸和外科医生对通过皮肤的端口(并且各种器械通过所述端口***膝中)的位置的选择，可能难以到达天然ACL与股骨100的附接位置。

图3示出了从下方观察髁间窝的股骨的视图。特别地，在图3中可见外侧髁102和内侧髁104。股骨髁102和104之间限定的是股骨窝200。股骨隧道可以限定股骨窝200内的内孔202，内孔202更靠近外侧髁102并且移位到股骨窝200的后部分中。股骨隧道延伸通过股骨100并在股骨100的外表面或侧表面上形成外孔(外孔在图3中不可见)。图3示出了可用于创建初始隧道或引导孔的示例性钻丝204。一旦外科医生验证引导孔与计划隧道路径紧密对准，就通过用可以使用钻丝204作为引导件的另一器械(例如，扩孔器)钻孔或扩孔来创建股骨隧道。在一些情况下，在髁间窝侧上创建插口或沉孔以适应延伸到骨中的移植物的宽度，并且该沉孔也可以使用可以使用钻丝204作为引导件的另一器械(例如，扩孔器)来创建。

对隧道的钻孔可以从任一方向进行。再次考虑股骨隧道作为示例，可以从股骨100的外部或外侧部分朝向股骨窝200并进入该股骨窝钻出隧道，这称为“由外向内”手术。相反地，可以从股骨窝200的内部朝向股骨100的外侧部分并进入该股骨的外侧部分钻出示例性股骨隧道，这称为“由内向外”手术。下面讨论的各种示例同样适用于由外向内或由内向外手术。由外向内手术可以另外使用将钻丝保持在外部部分上的装置，并且物理地示出膝内的内孔的预期隧道位置。然而，用于由外向内手术的装置难以在关节镜手术中使用，因此许多关节镜修复使用由内向外手术。因此，下面讨论的其他示例基于由内向外手术，但这不应被解读为限制。说明书现在转向示例性手术***。

图4示出了根据至少一些实施例的手术***(未按比例)。特别地，示例性手术***400包括塔架或装置推车402、示例性机械切除器械404、示例性基于等离子体的消融器械(以下简称消融器械406)以及呈关节镜408和附接的摄像头410的示例性形式的内窥镜。内窥镜408限定向其提供光的光连接或光柱420，并且光在内窥镜408内在内部路由以照亮内窥镜408的远端处的术野。装置推车402可以包括摄像机412(说明性地示出为立体摄像机)、显示装置414、切除控制器416和相机控制单元(CCU)以及内窥镜光源和视频控制器418。在示例性情况下，CCU和视频控制器418向关节镜408的光柱420提供光，显示从摄像头410接收的图像。在示例性情况下，CCU和视频控制器418还实现各个附加方面，例如关节镜和摄像头的校准，在显示装置414上显示计划隧道路径，接收经修改隧道入口位置，计算经修改隧道路径，以及计算和显示示出经修改隧道路径与计划隧道路径之间的关系的各种参数。因此，CCU和视频控制器在下文中称为手术控制器418。然而，在其他情况下，CCU和视频控制器可以是与控制器分离且不同的***，其处理术中变化的各方面，但是分离的装置仍然将可操作地联接。

示例性装置推车402还包括泵控制器422(例如，单或双蠕动泵)。未示出机械切除器械404和消融器械406的流体连接，以免使图过于复杂。类似地，未示出泵控制器422与患者之间的流体连接，以免使图过于复杂。在示例性***中，机械切除器械404和消融器械406都联接到为双功能控制器的切除控制器416。然而，在其他情况下，可以存在与消融控制器分离且不同的机械切除控制器。与装置推车402相关联的示例性装置和控制器仅仅是示例，并且其他示例包括真空泵、患者定位***、保持各种器械的机器人臂、超声切割装置和相关控制器、患者定位控制器和机器人手术***。

图4进一步示出了在示例性ACL修复期间可能存在的附加器械。特别地，图4示出了示例性导丝或钻丝424和瞄准器426。钻丝424可以用于创建通过骨的初始或引导隧道。在一些情况下，钻丝的直径可以为约2.4毫米(mm)，但是可以使用更大和更小直径的钻丝424。示例性钻丝424示出为在每一端上具有放大部分，一个放大部分用以示出钻丝242的远端上的切割元件，并且另一放大部分用以示出用于联接到钻具的卡盘的连接器。一旦外科医生钻出引导隧道，外科医生和/或手术控制器418(下面更详细地讨论)然后可以评估引导隧道是否与计划隧道路径匹配或接近匹配。如果认为引导隧道足够，则钻丝424可以用作引导件，以用于创建用于隧道的全直径通孔，并且还可能用于创建与髁间窝相关联的沉孔以容纳移植物。虽然在一些情况下当创建引导隧道时可以单独使用钻丝，但是在其他情况下，外科医生可以使用瞄准器426来帮助引导钻丝424并将其放置在设计的隧道入口位置处。

图4还示出了示例性***可以包括校准组件428。如下面将更详细地讨论的，校准组件428可以用于检测由手术控制器418通过关节镜408和附接的摄像头410接收的图像中的光学失真。将存在另外的工具和器械，例如用于用钻丝424钻孔的钻具，用于创建隧道的通孔和沉孔方面的各种扩孔器，以及用于将移植物缝合和锚固就位的各种工具。这些另外的工具和器械未示出，以免使图进一步复杂化。

说明书现在转向示例性ACL修复的工作流程。工作流程可以在概念上划分为术前计划和术中修复。术中修复工作流程可以在概念上进一步划分为光学***校准、模型配准、术中隧道路径计划、术中隧道创建和术中隧道放置分析。将依次描述每一个。

计划

根据各种示例，ACL修复开始于对患者的膝的成像(例如，X射线成像、计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI))，包括相关解剖结构，如股骨的下部分、胫骨的上部分和关节软骨。下面的讨论假设MRI成像，但是再次可以使用许多不同类型的成像。MRI成像可以从图像切片分割，使得创建解剖结构的体积模型或三维模型。可以使用任何合适的当前可用或之后开发的分割技术来创建三维模型。更具体地，对于ACL修复的示例并且具体地选择通过股骨的隧道路径，创建股骨的下部分(包括股骨髁)的三维骨模型。

使用三维骨模型，创建手术计划，其包括选择通过股骨的计划隧道路径，包括骨的限定隧道的端部的孔的位置。对于示例性由内向外修复，股骨窝内的孔是用于钻孔的入口位置，并且股骨的外侧表面上的孔是出口位置。对于由外向内修复，交换用于钻孔的入口位置和出口位置。仍然假设由内向外修复，入口位置可以被选择为与股骨窝内的天然ACL与股骨的附接位置相同或接近。在一些情况下，选择股骨窝内的入口位置可以涉及使用放置在荧光透视图像上的Bernard&Hertel象限或网格，或者将Bernard&Hertel象限放置在从三维骨模型创建的模拟荧光透视图像上。基于Bernard&Hertel象限的使用，选择隧道的入口位置。对于由内向外修复，出口位置的选择限制较小，不仅因为隧道的靠近出口位置的部分用于放置用于移植物的锚固件，而且因为出口位置在股骨中大致居中(从前到后考虑)，因此出口位置处的骨壁厚度的问题不太重要。在一些情况下，还创建了胫骨的近端的三维骨模型，并且外科医生同样可以选择通过胫骨的(一个或多个)计划隧道路径。

计划的结果可以包括：股骨的远端的三维骨模型；用于胫骨的近端的三维骨模型；通过股骨以及因此用于股骨的计划隧道路径的入口位置和出口位置；以及通过胫骨以及因此通过胫骨的计划隧道路径的入口位置和出口位置。在计划期间也可以选择其他手术参数，例如隧道通孔直径、隧道沉孔直径和深度、期望的修复后屈曲等，但是省略了这些另外的手术参数，以免使说明书过于复杂。

术中修复

说明书现在转向术中方面。术中方面包括用于设置手术***以执行各种修复的步骤和过程。然而，应当注意，一些术中方面(例如，光学***校准)可以在制造通过患者的皮肤的任何端口或切口之前发生，并且实际上在患者被推入手术室之前发生。然而，这些步骤和过程可以被认为是术中的，因为它们在手术环境中发生并且使用用于执行实际修复的手术设备和器械进行。

示例性ACL修复通过关节镜进行，并且在手术控制器418用于手术部位内的关节镜导航的意义上是计算机辅助的。更特别地，在示例性***中，手术控制器418在韧带修复期间通过跟踪手术部位内的各个对象的位置，例如骨在关节镜的视图的三维坐标空间内的位置，以及各种器械(例如，钻丝424、瞄准器426)在关节镜的视图的三维坐标空间内的位置，来提供计算机辅助。说明书转向对这样的跟踪技术的简要描述。

图5示出了在手术部位内具有各种对象的手术部位的概念图。特别地，在图5中可见关节镜408的远端、骨500的一部分(例如，股骨)、手术部位内的骨基准502、接触探针504和探针基准506。依次描述每一个。

关节镜408的远端设计和构造成用通过光柱420(图4)接收的可见光照射手术部位。在图5的示例中，照明由箭头508示出。提供给手术部位的照明被手术部位内的各个对象和组织反射，并且返回到远端的反射光进入关节镜408，沿着关节镜408内的光学通道传播，并最终入射到摄像头410(图4)内的捕获阵列上。由摄像头410内的捕获阵列检测到的图像被电子地发送到手术控制器418(图4)并且在显示装置414(图4)上显示。根据示例性***，关节镜408具有用于捕获手术部位的图像的通过关节镜的单个光路，但是单个光路可以由两个或更多个光学构件(例如，玻璃棒、光纤)构成。也就是说，在示例性***和方法中，由关节镜408、摄像头410和手术控制器418提供的计算机辅助导航设置有关节镜408，所述关节镜不是在远端内窥镜处具有由眼间距离分开的两条不同光路的立体内窥镜。

在外科手术期间，外科医生选择具有对计划外科手术有益的视向的关节镜。视向是指位于由内窥镜的视图的外边缘或周缘对向的角的中心处的线。一些关节镜的视向与关节镜的纵向中心轴线对准，并且这样的关节镜称为“零度”关节镜(例如，视向与关节镜的纵向中心轴线之间的角为零度)。其他关节镜的视向与关节镜的纵向中心轴线形成非零角。例如，对于30°关节镜，视向与关节镜的纵向中心轴线形成30°角，该角被测量为超出关节镜的远端的钝角。在ACL修复的许多情况下，外科医生基于创建的通过患者的皮肤的端口的位置选择30°关节镜或45°关节镜。在图5的示例中，关节镜408的视角510与关节镜408的纵向中心轴线512形成非零角。

仍然参考图5，在关节镜408的视图内是骨500的一部分，以及骨基准502、接触探针504和探针基准506。骨基准502示出为具有设置在其上的图案的平面元件，但是可以使用骨基准502的其他形状(例如，正方形块，在块的每个面上具有图案)。骨基准502可以以任何合适的形式(例如，紧固件，例如螺钉)附接到骨500。骨基准的图案设计成提供关于骨基准502在关节镜408的视图的三维坐标空间中的取向的信息。更特别地，选择图案，使得可以从关节镜408和附接的摄像头410(图4)捕获的图像确定骨基准502的取向，以及因此下面的骨500的取向。

探针基准506示出为附接到接触探针504的平面元件。如下面更详细地讨论的，接触探针504可以用于“绘画”骨500的表面，作为骨500与三维骨模型的配准的一部分，并且接触探针504还可以用于在隧道路径的术中改变的情况下指示经修改隧道入口位置。探针基准506示出为具有设置在其上的图案的平面元件，但是可以使用探针基准506的其他形状(例如，围绕接触探针504的正方形块，在块的每个面上具有图案)。探针基准506的图案设计成提供关于探针基准506在关节镜408的视图的三维坐标空间中的取向的信息。更特别地，选择图案使得可以从关节镜408和附接的摄像头410(图4)捕获的图像确定探针基准506的取向，以及因此接触探针504的点的位置。

在关节镜408的视图内的其他器械也可以具有基准，例如钻丝424(图4)和瞄准器426(图4)，但是没有示出另外的器械，以免使图过于复杂。此外，除了基于通过关节镜408的视图跟踪位置之外或代替基于通过关节镜的视图跟踪位置，可以通过其他方法和***跟踪一个或多个器械的远端的位置。例如，对于刚性地延伸出手术部位的装置(例如，瞄准器426(图4))，位置可以由联接到瞄准器的光学阵列跟踪并通过相机412(图4)(例如，立体摄像机)观察。然后将相机412的三维坐标空间内的位置变换到示例性关节镜的视图的三维坐标空间中以确定远端在手术部位内的位置。

由关节镜408和附接的摄像头410捕获的图像以许多形式经受光学失真。例如，关节镜408的远端与手术部位内的骨500之间的视野填充有流体，例如用于扩张关节的体液和盐水。许多关节镜在远端处具有加宽视野的一个或多个透镜，并且创建更宽的视野导致捕获的图像中的“鱼眼”效果。此外，关节镜内的光学元件(例如，棒状透镜)可以具有制造和/或组装工艺固有的光学像差。此外，摄像头410可以具有用于将接收的图像聚焦到捕获阵列上的各种光学元件，并且各种光学元件可以具有制造和/或组装工艺固有的像差。

–光学***校准

在示例性***中，在每个外科手术中使用之前，内窥镜光学***被校准以考虑各种光学失真。特别地，各种实施例包括用于校准内窥镜光学***的***。再次参考图4，示例性***包括手术控制器418、关节镜408、摄像头410和校准组件428。特别地，校准可以包括将关节镜408放置到校准组件428中。校准组件428将关节镜408保持成与校准组件428的内表面上的校准目标成固定关系。一旦关节镜408的远端位于校准组件428内，示例性方法包括捕获校准目标的多个图像，其中每个图像以摄像头410与关节镜408之间的独特旋转关系捕获，其中独特旋转关系是相对于关节镜408的纵向中心轴线的。使用多个图像，示例性手术控制器418创建表征函数，所述表征函数表征校准目标与摄像头410内的捕获阵列之间的光学失真。表征函数可以包括用于通过关节镜408和附接的摄像头410确定手术部位内可见的基准标记(例如，骨基准502、探针基准506)的取向的校准。说明书现在转向对示例性校准组件428的更详细描述。

图6示出了示例性校准组件的分解透视图。特别地，图6示出了关节镜408(没有摄像头)和示例性校准组件600。校准组件600包括上壳体602和下壳体604。从校准组件600的底部向上移动，下壳体604限定校准表面606。当下壳体604联接到上壳体602时，校准表面606因此设置在由校准组件限定的内部容积的内表面上。校准目标608设置在校准表面606上。在图6的示例中，校准目标608示出为棋盘图案，但是具有区别特征的任何合适图案可以用作校准目标608。

当组装时，下壳体604例如通过紧固件610联接到上壳体602。在用于校准关节镜408时，校准组件600的内部容积填充有水，例如盐水。为了形成防水密封，示例性O形环612设置在上壳体602与下壳体604之间。然而，在其他情况下，可以省略O形环，并且上壳体602与下壳体604之间的连接可以以其他方式(例如，摩擦配合、摩擦焊接)密封。在另外的其他情况下，上壳体602和下壳体604可以是整体部件，因此将不使用紧固件或O形环。

示例性上壳体602限定外壳或容器614和圆筒或管616。容器614与下壳体604一起限定内部容积，校准表面606和校准目标608位于所述内部容积内。管616具有联接到容器614的近端618，以及远端620。如图所示，管616从容器614突出。管616限定从远端620延伸到近端618的通孔。通孔流体地联接到容器614的内部容积，并且因此限定进入容器614的孔。通孔还限定纵向中心轴线624。管的远端620限定凸缘622。凸缘622限定执行若干功能的特征。首先，凸缘622限定当关节镜408沿着纵向中心轴线624伸缩到管616中时将关节镜408的远端保持在距校准组件600的内表面上限定的校准目标608预定距离处的特征。此外，示例性凸缘622限定将关节镜408保持在相对于校准组件600和校准目标608的固定旋转取向上的特征。用以执行将关节镜408保持在距校准目标608预定距离处并且将关节镜408保持在相对于校准组件600的固定旋转取向上的功能的各种示例性特征将在下面更详细地讨论。

仍然参考图6，当关节镜408伸缩到示例性管616中以用于校准时，关节镜408的远端与容器614的内部容积内的校准目标608之间的体积填充有水，例如盐水，以更好地表示使用情况。为此，示例性容器614还限定孔或端口626，所述孔或端口通过容器614的壁限定并且流体地联接到内部容积。为了校准的目的，可以通过端口626注入水。在一些情况下，端口626与连接器或接头628相关联。接头628联接到端口626(例如，压配合、螺纹连接)，并且接头628不仅可以提供用于向内部容积提供水的连接(例如，鲁尔连接)，而且还可以起到止回阀的功能以减少或防止水从内部容积逸出。应注意，为了校准关节镜408和摄像头410(图4)，向内部容积提供足够的水以置换关节镜408的远端与校准目标608之间的体积中的空气。可以添加更多的水，这可以使水的上表面升高到管616内，但是整个校准组件600不需要“充满”水。

图7示出了示例性校准组件600的俯视图。特别地，在图7中可见容器614、管616和管616的远端620上的凸缘622。在图7中更好地示出了由凸缘622限定的帮助保持关节镜408的示例性特征。特别地，凸缘622限定具有示例性圆形横截面形状的沉孔700。因此沉孔700限定大于管616的通孔702的内径的内径。在所示示例中，通孔702的纵向中心轴线624与沉孔700的中心轴线同轴。然而，在其他情况下，并且取决于关节镜的特征的布置和沉孔的横截面形状，中心轴线的对准可能不同。沉孔700和通孔702的内部尺寸的差异产生肩部区域704。当关节镜408(图6)伸缩到管616中时，关节镜408的特征抵靠肩部区域704，从而将关节镜408的远端保持在距校准目标608(图6)预定距离处。因此，肩部区域704可以被认为是轴向保持表面。

示例性沉孔700进一步限定沉孔700的内表面上的脊706。脊706限定顶表面和两个侧表面，脊706向内突出到沉孔700中，并且脊706平行于纵向中心轴线624延伸。示例性脊706，特别是两个相对的侧表面，限定一组旋转保持表面。特别地，脊706设计和构造成配合在关节镜上的相应凹口内。当关节镜408(图6)伸缩到管616中时，在示例性***中，关节镜408的凹口在脊706上滑动，并且凹口的侧壁抵靠旋转保持表面。因此，校准组件600，特别是由脊限定的旋转保持表面，将关节镜保持在相对于校准目标608(图6)的固定旋转取向上。

限定示例性旋转保持表面的脊706设计和构造成与关节镜408(图6)的相应凹口配合。然而，旋转保持表面可以基于关节镜408的相应特征采用任何合适的形式。例如，如果关节镜408限定脊而不是凹口，则与沉孔700相关联的相应特征可以是进入凸缘622的凹口，其中凹口的侧壁形成旋转保持表面。下面给出了其他旋转保持特征和表面，包括将关节镜的远端保持在距校准目标608(图6)预定距离处并将关节镜保持在相对于校准目标608的固定旋转取向上的特征。

图8示出了示例性校准组件和伸缩到校准组件中的关节镜的横截面图。特别地，图8以简化形式示出了关节镜408的横截面，其中省略了关节镜408的内部部件，以免使图过于复杂。此外，图8示出了示例性校准组件600的横截面，所述示例性校准组件包括上壳体602、下壳体604、O形环612和单个紧固件610(基于切割以创建横截面)。在图8中更好地示出了由容器614和下壳体604的内表面(例如，校准表面606)限定的内部容积800。校准目标608(图6)在图8的视图中不可见。

在所示的示例性校准组件600中，校准表面606是平面表面。也可以使用非平面表面，并且当使用时，在校准过程期间考虑非平面表面的形状。在示例性***中，关节镜408的纵向中心轴线624与校准表面606相交，并且因此与校准目标608(图6)相交。在一些情况下，纵向中心轴线624与垂直于校准表面的矢量形成锐角，垂直于校准表面的矢量未示出，以免进一步使图复杂化。在一些情况下，纵向中心轴线624在校准目标608的中心处与校准目标608相交。在其他情况下，并且如图所示，纵向中心轴线624的交点在校准目标608内，但不在校准目标的中心处。在任何情况下，关节镜408和摄像头410(图4)能够捕获校准目标608的图像。

如上所述，每个关节镜设计和构造成具有特定视向，其中视向被量化为相对于纵向中心轴线624的角，并且该角在关节镜408的远端之外测量。在图8中，视向802指向校准表面606并且因此指向校准目标608(图6)。在图8的具体示例中，视向802垂直于校准表面606并且因此垂直于校准目标608。视向802与校准表面606之间的关系至少部分地由有助于形成视向802的关节镜408的远端上的切割角设定。关节镜408的远端上的切割角与关节镜408的平衡具有固定旋转关系，因此视向802的取向由凸缘622限定的旋转保持表面的位置控制。在图8的横截面图中，旋转保持表面不可见；然而，脊706以及示例性关节镜408的相应凹口804的一部分是可见的。

仍然参考图8，在横截面图中可见肩部区域704。当关节镜408如图所示伸缩到校准组件600中时，关节镜408的相应特征接触或抵靠肩部区域704。关节镜408的相应特征抵靠肩部区域704限制关节镜408可以伸缩到校准组件600中的距离。因此，关节镜408和肩部区域704的特征的组合将关节镜408的远端保持在距校准表面606并且因此距校准目标608(图6)的预定距离处。应注意关节镜408的光柱806如何在关于这一点讨论的示例中不接触校准组件600。

图9A示出了另一示例性校准组件的透视图。特别地，图9A的校准组件600包括下壳体900和上壳体902。尽管在图9A中不可见，但是下壳体900限定具有校准目标的校准表面。上壳体902限定容器904和管906。如前所述，容器904与下壳体900一起限定内部容积。此外，如前所述，管906限定通孔，所述通孔流体地联接到容器904内的内部容积。图9A的示例性校准组件600还限定在管906的远端上的凸缘908。

管906相对于容器904和下壳体900的布置不同于图6的校准组件600。特别地，在图9A的示例中，管906的通孔的纵向中心轴线设计和构造成与校准目标(不可见)相交，使得管906的纵向中心轴线垂直于校准表面并且因此垂直于校准目标。然而，更特别地，在图9A的示例性布置中，管906的通孔的纵向中心轴线与校准目标的中心相交，但是设想了其他非中心相交。从管906和容器904的布置得出，图9A的示例性校准组件600可以设计和构造成校准具有零度视角的关节镜。

图9A还示出了将关节镜的远端保持在距校准目标预定距离处并将关节镜保持在相对于校准目标的固定旋转取向上的另一机构。特别地，示例性凸缘908限定提供轴向保持(例如，沿着关节镜和/或管906的通孔的纵向中心轴线的轴向)表面和旋转保持表面的特征。然而，更特别地，示例性凸缘908限定凹口910。凹口910限定具有闭合底部、开放顶部和两个侧壁的通道。由凹口910形成的通道横跨凸缘908切割，并且在所示示例中，在凹口的方向上形成的通道线与管906的通孔的纵向中心轴线相交。在一些情况(未具体示出)下，通道线垂直于管906的通孔的纵向中心轴线。

在使用中，关节镜408(图4)伸缩到管906中，并且光柱420(图4)放置在凹口910中。凹口910的侧壁将关节镜保持在相对于校准组件600的固定旋转取向上。此外，侧壁(以及底壁，如果凹口为矩形的)将关节镜的远端保持在距校准目标预定距离处。因此，凹口910可以被认为是轴向保持表面和旋转保持表面两者。

在图9A中还可见视线计912。在形成上壳体902的材料另外不透明的程度上，示例性视线计912由清晰或透明材料构成，所述清晰或透明材料使得用户能够观察校准组件600内的空气与水之间的界面的高度，并且因此确定校准组件600内的水的深度。外科医生可以在设置过程期间使用视线计以确保向容器904提供足够的水，例如以确保水位高于关节镜的远端。

因此，图9A示出了几种替代布置，包括管906到容器904和下壳体900的替代布置，将关节镜保持在固定旋转取向上的旋转保持特征的替代布置，将关节镜的远端保持在距校准目标预定距离处的轴向保持特征的替代布置，以及示例性视线计。然而，应注意，这些特征不限于图9A的校准组件600。现在理解校准组件，普通技术人员将认识到，可以根据需要混合和匹配各种特征。例如，形成轴向和旋转保持特征的双重作用的凹口910可以与图6-8的管和容器布置一起使用。相反，图6-8的校准组件的凸缘622可以用作图9A的校准组件的凸缘。类似地，视线计可以在图6-8的校准组件600中实现，并且填充机构可以在图9A的校准组件中实现。

图9B示出了另一示例性校准组件的透视图。特别地，图9B的校准组件600包括外壳体920和在图9B中不可见的下壳体。如下面更详细地讨论的，下壳体限定或支撑具有校准目标的校准表面。外壳体920限定容器922和管924。如前所述，容器922与下壳体一起限定内部容积。此外，如前所述，管924限定通孔，所述通孔流体地联接到容器922内的内部容积。图9B的示例性校准组件600还限定设置在管924的远端处的光柱卡扣或夹子926。

在图9B的示例中，管924的通孔的纵向中心轴线设计和构造成与校准目标(不可见)相交，使得管924的纵向中心轴线与校准表面并且因此与校准目标形成锐角。从管924和容器922的布置得出，图9B的示例性校准组件600可以设计和构造成校准具有非零视角的关节镜。此外，当例如放置在桌子上以供使用或稍后重复使用时，图9B的校准组件600可以更稳定。

图9B还示出了将关节镜的远端保持在距校准目标预定距离处，并将关节镜保持在相对于校准目标的固定旋转取向上的另一机构。特别地，示例性夹子926限定提供轴向保持(例如，沿着关节镜和/或管924的通孔的纵向中心轴线的轴向)表面和旋转保持表面的特征。更特别地，示例性夹子926限定第一壁或臂930和第二壁或臂932，但是臂930和932可以是一体形成的部件。臂930和932限定与光柱420(图4)互补的内表面934。特别地，内表面934限定具有中心轴线936的半圆形表面，所述中心轴线与管924的纵向中心轴线624相交。在示例性情况下，中心轴线936垂直于纵向中心轴线624。示例性臂930限定具有外表面(在图9B中不可见)的滑动件938，所述滑动件将光柱420引导到由内表面934限定的体积中。此外，臂932限定具有外表面942的滑动件/释放件940，所述滑动件/释放件将光柱420引导到由内表面934限定的体积中。在将关节镜408(图4)安装到图9B的校准组件600中期间，当关节镜408的细长轴伸缩到管924中时，光柱420抵靠滑动件938的外表面和滑动件/释放件940的外表面942。进一步的压力使臂930和932略微挠曲打开，从而使得光柱420能够卡扣或夹持到夹子926中。因此，夹子926将关节镜408保持在相对于校准组件600的固定旋转取向上，并且夹子926将关节镜408的远端保持在距校准目标的预定距离处。因此，夹子926可以被认为是轴向保持表面和旋转保持表面。

图9C示出了校准组件和关节镜的横截面图。特别地，图9C以简化形式示出了关节镜408。此外，图9C示出了示例性校准组件600的横截面，所述校准组件包括外壳体920、限定校准表面946的下壳体944、校准目标948和可选的反射表面950。示例性外壳体920不仅限定容器922和管924的一部分，而且还限定支架952，所述支架使得图9C的校准组件600能够在使用中和使用之间搁置在水平表面上。在该示例中，下壳体944联接到外壳体920并且以任何合适的形式密封，例如通过在相接点954处将下壳体944摩擦焊接到外壳体920。在图9C中更好地示出了由容器922和外壳体920的内表面(例如，校准表面946)限定的内部容积956。校准目标的图案在图9C的视图中不可见。在一个示例中，校准目标948是具体选择为使得激光标记能够产生校准图案的聚合物，然后将校准目标948放置在校准表面946上并通过其他结构部件保持就位。在其他情况下，校准目标可以是预打印挠性材料，其在下壳体与其余部件组装之前联接(例如，粘附)到校准表面946。

在图9C的示例性校准组件600中，校准表面946是平面表面。也可以使用非平面表面，并且当使用时，在校准过程期间考虑非平面表面的形状。在示例性***中，关节镜408的纵向中心轴线624与校准表面946相交，并且因此与校准目标相交。在一些情况下，纵向中心轴线624与垂直于校准表面的矢量形成锐角，垂直于校准表面的矢量未示出，以免进一步使图复杂化。在一些情况下，纵向中心轴线624在校准目标948的中心处与校准目标948相交。在其他情况下，并且如图所示，纵向中心轴线624的交点在校准目标948内，但不在校准目标的中心处。在任何情况下，关节镜408和摄像头410(图4)能够捕获校准目标948的图像。

如上所述，每个关节镜设计和构造成具有特定视向，其中视向被量化为相对于纵向中心轴线624的角，并且该角在关节镜408的远端之外测量。在图9C中，视向(未具体描绘)指向校准表面948并且因此指向校准目标948。在图9C的具体示例中，视向可以垂直于校准表面946并且因此垂直于校准目标948。视向与校准表面946之间的关系至少部分地由有助于形成视向的关节镜408的远端上的切割角设定。关节镜408的远端上的切割角与关节镜408的平衡器(例如，光柱420)具有固定旋转关系，因此视向的取向由夹子926限定的旋转保持表面的位置控制。在图9C的横截面图中，旋转保持表面是不可见的。

然而，参考图9C，当关节镜408如图所示伸缩到图9C的校准组件600中时，光柱420接触或抵靠夹子926的内表面。光柱420与夹子926的抵靠限制关节镜408可以伸缩到校准组件600中的距离。此外，由夹子926抵靠光柱420实现的旋转保持特征相对于校准目标928定向并保持视向。示例性校准组件600还在从管924到内部容积956的过渡处限定颈部或凸缘958。凸缘958限定与关节镜408的外表面形成滑动配合的直径。也就是说，虽然管924的大部分内表面具有大于关节镜408的外径(例如，1至5mm)的内径，但凸缘958的位置处的内径较小，以使得关节镜408能够伸缩通过凸缘，但仍将关节镜408的远端保持在相对于校准目标948的固定位置。在一个示例中，凸缘958的内径可以比伸缩通过凸缘的关节镜的部分的外径大0.1至0.5mm。为了具有用于由关节镜移动的内部容积956内的流体的排放路径，图9C的示例性校准组件还包括排放孔960。

因此，图9A-9C示出了几种替代布置，包括管到容器和下壳体的替代布置，以及将关节镜保持在固定旋转取向上的轴向和旋转保持特征的替代布置。然而，应注意，这些特征不限于图9A-9C的校准组件600。现在理解校准组件，普通技术人员将认识到，可以根据需要混合和匹配各种特征。例如，夹子926可以与图6-9A的校准组件一起使用。相反，图6-8的校准组件的凸缘622可以用作图9B-9C的校准组件的凸缘。类似地，图9A的视线计可以在图6-8的校准组件600或图9B-9C的校准组件中实现，并且图6-8的填充机构可以在图9A-9C的校准组件中实现。

图6-8和9A-9C的校准目标都显示为平面的。然而，在其他情况下，校准目标不需要是平面的，只要预先知道校准目标的形状即可。图9D示出了示例性校准组件600的部分透视剖视图。特别地，在图9D中可见被切开的容器922以示出下壳体944的一部分和示例性校准目标948。然而，在该情况下，校准目标948限定限定第一平面的第一部分962和限定第二平面的第二部分964，并且其中第一平面和第二平面在校准目标侧上形成锐角(例如，V形)。在图9D中未示出实际校准图案，其可以采用任何合适的形状或形状集合。图9D的视图更好地示出了外壳体920可以限定肩部区域966，所述肩部区域将示例性校准目标948保持就位。此外，图9D示出了从容器922的内表面省略反射表面(例如，图9C的反射表面950)的示例。虽然图9D的校准目标948示出了在校准目标侧上限定它们之间的锐角的两个平面，但是在其他情况下，校准目标可以具有限定第一平面的第一部分和限定第二平面的第二部分，并且其中第一平面和第二平面在校准目标侧上形成钝角(例如，倒V形)。在另外的其他情况下，校准目标可以包括任何合适布置的三个或更多个平面。

在继续讨论使用校准组件之前，有几点是有序的。虽然图6-8和9A-9D示出了若干示例，但是容纳水并且可以包含校准目标的任何容器(例如，盒、袋或包)可以用作校准组件。说明书现在转向作为校准过程的一部分的校准组件的示例性使用。

回到图4，在作为校准过程的一部分的操作中，摄像头410附接到关节镜408。摄像头410通信地联接到手术控制器418，并且关节镜408的光柱光学地联接到手术控制器418的光输出端口。关节镜408伸缩到校准组件428中。将水置于校准组件428的内部容积内，从而使空气在校准目标与关节镜408的远端之间移动。然后，外科医生可以例如通过与手术控制器418交互(例如，通过通信地联接到手术控制器418的平板型便携式电子装置)来触发校准过程。一旦校准过程开始，示例性校准可以包括捕获校准目标的多个图像，每个图像以摄像头410与关节镜408之间的独特旋转关系捕获，并且该独特旋转关系是相对于关节镜408的纵向中心轴线的。更特别地，捕获多个图像可以包括：以关节镜408与摄像头410之间的第一旋转取向捕获校准目标的第一图像，该捕获由手术控制器418通过摄像头410的捕获阵列进行；然后以关节镜408与摄像头410之间的第二旋转取向捕获校准目标的第二图像，例如通过使摄像头410相对于关节镜408转动，同时关节镜408保持在相对于校准组件的固定旋转取向上；然后以关节镜408与摄像头410之间的第三旋转取向捕获校准目标的第三图像，再次例如通过使摄像头410相对于关节镜408转动。在一个示例中，当使用三个图像时，摄像头410可以在每次图像捕获之间转动120旋转度。如果要捕获更大数目的图像，则相应地减少摄像头410在每次图像捕获之间转动的量。

基于捕获的图像，手术控制器418可以计算表征校准目标与摄像头410的捕获阵列之间的光学失真的表征函数。失真不仅包括摄像头410(例如，聚焦组件)的光学器件中引入的失真，而且包括与通过关节镜408的光路相关联的任何光学失真，以及由水引入的任何光学失真(例如，再次模拟手术部位内的情况)。此外，手术控制器418可以使用捕获的图像创建表征函数作为通过关节镜408确定基准标记的取向的校准，在该情况下具有通过关节镜的单个光路。说明书现在转向骨模型的配准，以及配准的人机协同(human-in-the-loop)验证。

–模型配准和人机协同配准验证

术中过程的下一示例性步骤是(一个或多个)骨模型的配准。也就是说，在计划阶段期间，进行对膝的成像(例如，MRI)，包括相关解剖结构，如股骨的下部分、胫骨的上部分和关节软骨。可以分割成像，使得创建解剖结构的体积模型或三维模型。更具体地，对于ACL修复的示例，以及具体地选择通过股骨的隧道路径，在计划期间创建股骨的下部分的三维骨模型。

在术中修复期间，向手术控制器418提供三维骨模型。再次使用ACL修复的示例，以及具体地通过股骨的隧道路径的计算机辅助导航，将股骨的下部分的三维骨模型提供给手术控制器418。因此，手术控制器418接收三维骨模型，并且假设关节镜408通过穿过患者的皮肤的端口***膝中，手术控制器418还接收股骨的视频图像。为了将三维骨模型与通过关节镜408和摄像头410接收的图像相关，手术控制器418将三维骨模型配准到通过关节镜408和摄像头410接收的股骨的图像。

根据示例性方法，将基准标记或骨基准(例如，图5的骨基准502)附接到股骨。骨基准放置使得骨基准在关节镜408的视野内，但是在与通过外侧髁的预期隧道入口/出口点间隔开的位置。更特别地，在示例性情况下，骨基准放置在髁间窝内，高于通过外侧髁的隧道的预期位置或在该预期位置上方。

图10是示出了股骨的各部分和骨基准的示例性视频显示。例如，可以在与装置推车402(图4)相关联的显示装置414(图4)上或任何其他合适的位置示出该显示。特别地，在图10中可见股骨窝或髁间窝1000、外侧髁1002的一部分、内侧髁1004的一部分以及示例性骨基准1006。骨基准1006是包括立方体构件的基准。在立方体构件的六个外面中，底面与附接特征(例如，螺钉)相关联。当骨基准1006固定就位时，底面靠近或抵靠骨，因此在关节镜408(图4)的视图中将不可见。与底面相对的外面包括用于在放置之前保持骨基准1006并且将骨基准1006附接到下面的骨的放置特征。在立方体构件的剩余四个外面(剩余面中的仅两个面可见)中，四个外面中的每一个在其上具有机器可读图案，并且在一些情况下，每个机器可读图案是唯一的。一旦放置，骨基准1006在关节镜408的视图中表示骨的外表面上的固定位置，即使关节镜408的位置相对于骨基准1006移动和改变。最初，手术控制器418不知道骨基准1006相对于三维骨模型的位置，因此需要配准三维骨模型。

为了使视频图像中可见的骨与三维骨模型相关或配准，提供手术控制器418(图4)，该手术控制器因此接收骨的外表面的多个位置。例如，外科医生可以使用接触探针504(图5)接触多个位置。如先前所述，接触探针504包括在由关节镜408(图4)和摄像头410(图4)捕获的视频图像中可见的探针基准506(图5)。手术控制器418已知接触探针504的远端与探针基准506之间的物理关系，因此当外科医生接触骨的外表面上的多个位置中的每一个时，手术控制器418获得骨的外表面相对于骨基准1006的附加“已知”位置。考虑到接触探针504是相对非挠性器械，在其他示例中，接触探针504的跟踪可以通过光学跟踪手术部位外部的光学反射阵列(例如，通过相机412(图4)跟踪)进行，然而，所述光学反射阵列附接到手术部位内部的接触探针504的部分。

在一些情况下，特别是当骨的外表面的各部分暴露于视野时，接收骨的外表面的多个位置可涉及外科医生“绘画”骨的外表面。“绘画”是技术术语，其不涉及颜色或颜料的施加，而是意味着当接触探针504的远端接触骨时接触探针504的运动。

图11是示出了在配准过程期间股骨的各部分和骨基准的示例性视频显示。例如，可以在与装置推车402(图4)相关联的显示装置414(图4)上或任何其他合适的位置示出该显示。特别地，在图11的显示的主要部分中可见髁间窝1000、外侧髁1002的一部分、内侧髁1004的一部分和示例性骨基准1006。在示例性显示的右上角示出了骨的描绘，其可以是从三维骨模型创建的骨的绘制1100。在绘制1100上示出了推荐区域1102，推荐区域1102是作为配准过程的一部分将被绘画的骨的表面的部分。在示例性显示的右下角示出了骨的描绘，其再次可以是从三维骨模型创建的骨的绘制1104。在绘制1104上示出了骨模型的多个位置1106，其作为配准过程的一部分已与骨的外表面上的位置相关联。在示例性显示的右下角还示出了进度指示器1108，其示出了提供和接收骨上的位置的进度。示例性进度指示器1108是具有与所接收的位置的数目成比例的长度的水平条。在示例性情况下，进度指示器1108在长度上从左侧的固定位置朝向右侧增长或延伸，但是可以使用示出了进度的任何合适的图形或数字显示(例如，0％至100％)。

参考主显示和右下绘制两者，当外科医生接触和/或绘画由关节镜408(图4)和摄像头410(图4)捕获的图像内的骨的外表面时，手术控制器418(图4)接收骨上的位置，并且在主显示内将每个位置显示为点或位置1106，并且在右下角示出的绘制内显示每个位置。更具体地，示例性手术控制器418将接收的位置1106的指示叠加在由关节镜408和摄像头410捕获的图像的显示上，并且在所示的示例性情况下，还将接收的位置1106的指示叠加在骨模型的绘制1104上。此外，随着接收的位置1106的数目增加，手术控制器418还更新进度指示器1108。

仍然参考图11，尽管外科医生勤奋，但并非所有由手术控制器418(图4)基于外科医生移动接触探针504(图5)接收到的位置都导致骨表面上的有效位置。在图11的示例中，当外科医生将接触探针504从外侧髁1002的内表面移动到内侧髁1004的内表面时，手术控制器418接收到几个位置1110，这些位置可能表示关节镜的视图的三维坐标空间中的接触探针504的远端不与骨接触的位置。然而，如右下角所示，这些位置1110可能不正确地归因于骨的外表面上的位置。因此，将三维骨模型与关节镜的视图中的三维坐标空间中可见的骨相关不一定是完全决定性的过程。在该相关中可能需要忽略一些接收的位置，可以忽略应该使用的一些接收的位置，并且仍然可以使用应该忽略的其他接收的位置，这可能导致三维骨模型与由骨基准1006锚固的图像中可见的骨之间的不正确相关。说明书现在转向人机协同配准验证。

图12是配准过程期间的示例性视频显示，其示出了股骨的各部分、骨基准和三维骨模型的叠加表示。例如，可以在与装置推车402(图4)相关联的显示装置414(图4)上或任何其他合适的位置示出该显示。为了解决三维骨模型与图像中可见的骨之间的潜在无效配准，在示例性方法和***中，使用人机协同过程来验证视频图像中可见的骨与三维骨模型之间的初始配准。更特别地，在示例性情况下，在接收到图像中可见的骨的外表面的多个位置并执行到三维骨模型的初始配准之后，手术控制器418显示叠加在视频图像中可见的骨的各部分上的三维骨模型的表示，显示和叠加在显示装置414上或其他合适的位置。也就是说，示例性手术控制器418(例如，通过多边形网格或网格模型)将三维骨模型的表示叠加在由关节镜408和摄像头410捕获的图像的显示上，其中三维骨模型的旋转和平移对准与由骨基准1006锚固的视频图像中可见的骨相关。

外科医生继而在视觉上研究三维骨模型相对于视频图像中可见的下面的骨的叠加表示以确定配准过程是否正确。更特别地，外科医生在视觉上将三维骨模型的叠加表示与视频图像中可见的骨的部分进行比较，以确定三维骨模型是否与视频图像中可见的骨充分匹配。与配准过程本身非常相似，配准的人机协同验证是非确定性的练习。可以容忍三维骨模型与视频图像中可见的骨之间的轻微变化，然而在三维骨模型可以可靠地用于帮助引导隧道路径(例如，这里是股骨隧道路径)的放置，或者帮助外科医生在术中改变计划隧道路径的意义上，配准过程可以被认为是正确的。在这样的情况下，外科医生可以提供手术控制器418，并且手术控制器418因此可以接收三维骨模型被正确地配准到视频图像中可见的骨的指示。

另一方面，如果三维骨模型的叠加显示与视频图像中可见的骨不对准，则外科医生可以选择重新开始配准过程，例如通过向手术控制器418提供，并且手术控制器418再次接收到骨的外表面的多个位置。然后手术控制器418可以执行新的配准过程。在其他情况下，外科医生可以选择提供骨的外表面上的附加位置，并且手术控制器418然后可以利用接收到的原始位置和在叠加过程之后接收到的附加位置两者来执行配准过程。重复该过程，直到外科医生批准配准。说明书现在转向术中隧道路径计划。

–隧道路径计划

使用三维骨模型创建手术计划，该手术计划包括通过骨的计划隧道路径，包括进入骨的孔的位置，所述孔限定隧道的端部。然而，在一些情况下，外科医生可以选择不使用计划隧道路径，并且因此选择不使用计划入口位置、出口位置或两者。这种选择可以基于多种原因中的任一种。例如，外科医生在术中可能无法接近计划隧道路径的入口位置，并且因此可能需要移动入口位置以确保充分接近。作为另一示例，在术中过程期间，外科医生可以确定计划隧道入口位置与天然ACL到股骨的附接位置不对准。此外，在术中过程期间，外科医生可以确定隧道入口位置太靠近股骨的后壁，从而增加有时称为“后壁爆裂”的骨碎片的可能性。不管选择改变隧道路径的原因如何，在示例性***中，手术控制器418使得外科医生能够在术中选择经修改隧道入口、经修改隧道出口(如果需要)，并且因此选择通过骨的经修改隧道路径。

图13是根据至少一些实施例的示出了隧道路径的术中改变的示例性视频显示。例如，可以在与装置推车402(图4)相关联的显示装置414(图4)上或任何其他合适的位置示出该显示。特别地，图13示出了由关节镜408(图4)捕获的视频图像中的骨的一部分，其叠加有三维骨模型的网格模型和包括计划隧道入口1302和计划隧道出口1304的选定计划隧道路径1300。然而，出于许多原因，外科医生可以选择修改隧道入口位置和/或隧道出口位置，从而修改计划隧道路径。因此，外科医生可以向手术控制器418(图4)提供，并且因此手术控制器418可以接收经修改隧道入口位置或仅经修改隧道入口1306。提供经修改隧道入口1306可以包括外科医生用跟踪工具(例如接触探针504(图5)或瞄准器426(图4))接触视频图像中示出的骨上的建议位置。在一些情况下，外科医生可以仅基于外科医生看到的视频图像中示出的骨的内容来选择经修改隧道入口1306。作为更具体示例，外科医生可以基于瞄准器426可以到达的位置来选择和提供经修改隧道入口1306。在另外其他情况下，手术控制器418可以从三维骨模型生成模拟荧光透视图像，并在其上投射Bernard&Hertel象限或网格。然后外科医生可以用由Bernard&Hertel象限提供的附加引导来选择经修改隧道入口1306。

图14是示出了隧道路径的改变的计划的示例性视频显示。例如，可以在与装置推车402(图4)相关联的显示装置414(图4)上或任何其他合适的位置示出该显示。特别地，图14在左半部上示出了由关节镜408(图4)捕获的视频图像中的骨的一部分，其叠加有三维骨模型骨的网格模型和先前选择的计划隧道路径1300的描绘。图14在右侧上示出了其上叠加有Bernard&Hertel象限1402的示例性虚拟荧光透视图像1400，其中虚拟荧光透视图像通过以部分透明形式绘制三维骨模型来创建。替代地，虚拟荧光透视图像1400可以被创建为从内侧位置朝向外侧观察的三维骨模型的横截面绘制，并且具有通过髁间窝的中间的横截面的切割平面。

在图14所示的示例性***和方法中，经修改隧道入口1306的选择可以由虚拟荧光透视图像1400和Berndard&Hertel象限1402指导和/或通知。特别地，经修改隧道入口1306的建议位置可以在显示的左半部中显示为视频图像中的骨上的叠加，并且同时在右半部上显示在Bernard&Hertel象限1402内。例如，外科医生可以使用接触探针504(图5)或瞄准器426(图4)提供建议的经修改隧道入口1306。继续描述，假设使用接触探针504，当外科医生在关节镜408(图4)的视图内移动接触探针504时，经修改隧道入口1306的位置不仅相对于视频图像内的骨可见，而且经修改隧道入口1306的位置也在Bernard&Hertel象限1402上示出。因此，外科医生可以基于视频图像中可见的组织和结构以及由Bernard&Hertel象限1402的位置提供的附加信息来选择经修改隧道入口1306。最终经修改入口位置1306可以以任何合适的形式传送到手术控制器418，例如使接触探针504停留预定时间段，其中接触探针的远端抵靠期望位置，或者最终选择可以以其他形式(例如，与键盘、便携式平板装置或语音命令的交互)传送。

回到图13。在许多情况下，创建经修改隧道路径涉及选择经修改隧道入口1306，并且隧道的其他特征(例如，隧道出口位置)保持不变。然而，在一些情况下，并且如图13中所示，外科医生可以改变隧道入口位置和隧道出口位置两者。因此，在另外其他示例中，外科医生可以提供手术控制器418(图4)，并且因此手术控制器418可以接收经修改隧道出口位置或仅经修改隧道出口1308。提供经修改隧道出口1308可以包括外科医生用跟踪工具(例如接触探针504(图5))接触视频图像中示出的骨上的建议位置。在各种示例中，利用经修改隧道入口1306和可选的经修改隧道出口1308，手术控制器计算通过患者的骨的经修改隧道路径1310，并在显示装置上显示经修改隧道路径1310，如图13中所示。

此外，在示例性情况下，手术控制器418(图4)向外科医生提供关于计划隧道路径1300与经修改隧道路径1310之间的关系的信息。特别地，图13的示例性视频显示在右下角还包括用于帮助外科医生评估新创建的经修改隧道路径130的可行性的各种参数。例如，手术控制器418可以计算并提供指示计划隧道路径1300和经修改隧道路径1310的重叠的值，并且手术控制器418可以显示指示重叠的值的视觉表示。在图13的示例中，指示重叠的值的视觉表示是示出为百分比(例如，这里为3％)的数值。以百分比表示的重叠在概念上可以跨越0％到略小于100％，因为在100％重叠时，经修改隧道路径和计划隧道路径将是相同的。在一些情况下，考虑到预期隧道直径，手术控制器418将指示重叠的值计算为百分比。如果计划隧道路径1300的任一部分与经修改隧道路径1310的任一部分相交，则该相交被认为是重叠。在其他情况下，可以相对于计划引导隧道和经修改引导隧道来计算重叠。图13的示例性计划隧道路径1300和经修改隧道路径1310被选择为具有足够的分离以在图13的视图中可见和可区分；然而，在实践中，计划隧道路径1300与经修改隧道路径1310之间的位置变化可能是轻微的，因此考虑到隧道路径的预期直径，具有显著的重叠。

然而，考虑到提供给外科医生的关于计划隧道路径1300和经修改隧道路径1310的信息，在另外其他示例中，手术控制器418(图4)可以计算并提供计划隧道入口1302与经修改隧道入口1306之间的入口位置偏移，并且手术控制器418可以显示偏移的视觉表示。在图13的示例中，偏移的视觉表示是以测量单位(例如，毫米)示出的数值。手术控制器418还可以计算并提供计划隧道出口1304与经修改隧道出口1308之间的出口位置偏移，并且手术控制器418可以以测量单位显示偏移的视觉表示。在图13的示例中，入口偏移示出为9mm，并且出口偏移示出为17mm。再次，图13的示例性计划隧道路径1300和经修改隧道路径1310被选择为具有足够的分离以在图13的视图中可见和可区分；然而，在实践中，计划隧道路径1300和经修改隧道路径1310之间的位置变化可能是轻微的，并且因此具有较小偏移。在许多情况下，经修改隧道出口将与计划隧道出口相同，并且在这样的情况下，出口偏移将为零。

然而，考虑到提供给外科医生的关于计划隧道路径1300和经修改隧道路径1310的信息，在另外其他示例中，手术控制器418(图4)可以计算并提供指示后壁爆裂的值。图13的指示后壁爆裂的值具有两个示例性方面—量化爆裂可能性(例如，低、中和高)，以及指示后壁爆裂可能性的数值。在示例性情况下，指示后壁爆裂可能性的数值可以是由手术控制器418计算的经修改隧道路径1310的预期外径与三维骨模型的骨的外表面之间的距离。更特别地，在示例性情况下，指示后壁爆裂的数值是经修改隧道路径的预期内径与三维骨模型的外表面之间的计算最短距离。在一些情况下，量化爆裂可能性与指示后壁爆裂可能性的数值相关，例如：当经修改隧道路径的预期内径与三维骨模型的外表面之间的最短距离为8mm或更大时，可以显示“低”爆裂可能性；当经修改隧道路径的预期内径与三维骨模型的外表面之间的最短距离在4mm与8mm之间时，可以显示“中”爆裂可能性；并且当经修改隧道路径的内径与三维骨模型的外表面之间的最短距离为4mm或更小时，可以显示“高”爆裂可能性。在许多情况下，通过骨的隧道路径将具有与隧道的髁间窝侧相关联的沉孔，但是沉孔方面未在图13中示出。因此，隧道的沉孔部分可以比出口位置附近的隧道具有更大的内径，并且在示例性情况下，手术控制器418在计算指示后壁爆裂可能性的值时考虑沉孔的预期内径。

不管提供给外科医生的关于计划隧道路径1300与经修改隧道路径1310之间的关系的精确信息如何，如果外科医生基于所提供的信息这样选择，则经修改隧道路径1310可以被废弃，并且可以重新开始选择经修改隧道入口。说明书继续假设外科医生选择经修改隧道路径1310以供使用；然而，不必在每种情况下都选择经修改隧道路径1310，因此基于经修改隧道路径1310的继续描述不应被视为限制。说明书现在转向根据各种示例的隧道的创建。

–隧道创建

在选择经修改隧道路径1310的情况下，示例性方法中的下一步骤是创建实际隧道。在大多数情况下，创建隧道是多步骤过程，其涉及使用钻丝(例如，钻丝424(图4))钻出初始或引导隧道，然后使用钻丝作为一个或多个扩孔器的导丝以增加引导隧道的直径，从而形成通过骨的全直径实际隧道。在一些情况下，实际通道具有与髁间窝相关联的沉孔以适应自体移植物的宽度，并且在这样的情况下，可以使用附加扩孔器创建沉孔。

图15是示出了用于放置引导隧道的计算机指导的示例性视频显示。例如，可以在与装置推车402(图4)相关联的显示装置414(图4)上或任何其他合适的位置示出该显示。特别地，图15在显示的主要部分中示出了由关节镜408(图4)捕获的视频图像中的骨的一部分，其叠加有三维骨模型的网格模型、经修改隧道路径1310的描绘，以及示例性瞄准器426的远端。图15在右下角示出了示例性图形1500，其示出了瞄准器426的纵向中心轴线(该纵向中心轴线对应于钻丝424(图4)的钻孔轴线)和经修改隧道路径1310的纵向中心轴线的相对位置。

初始参考瞄准器426，在由关节镜408(图4)捕获的视图中可见的瞄准器426的部分包括具有通孔的管，并且管和通孔限定纵向中心轴线。在示例性情况下，外科医生使用瞄准器426来保持和引导钻丝424(图4)。由于钻丝424可以具有大约2.4mm的外径，因此瞄准器426被选择为具有内径以与钻丝形成滑动配合，使得瞄准器426的纵向中心轴线与钻丝424的纵向中心轴线同轴。此外，由关节镜捕获的视频图像中可见的瞄准器426的部分包括瞄准器基准1502。基于视频图像，手术控制器418可以“看到”瞄准器基准1502，并且因此计算瞄准器426的远端的位置以及瞄准器426和钻丝424的纵向中心轴线的取向两者，因此在由关节镜408捕获的视图的三维坐标空间中已知位置和取向。

在瞄准器426的初始放置期间，外科医生可以依赖于查看瞄准器426和经修改隧道路径1310在视频图像中的相对位置。然而，为了使瞄准器426与经修改隧道入口1306精细对准，并且使瞄准器426的纵向中心轴线与经修改隧道路径1310的纵向中心轴线对准，在示例性情况下，外科医生可以依赖于由手术控制器418(图4)生成和示出的图形1500。特别地，根据示例性***，手术控制器418接收由关节镜408(图4)和摄像头410(图4)捕获的视频图像，跟踪瞄准器426的远端相对于经修改隧道入口1306的位置，并在显示装置上显示图形1500，所述图形示出了经修改隧道入口1306和瞄准器426的远端的相对位置。

特别地，在示例性显示的右下角是包括隧道路径目标1504的图形1500，所述隧道路径目标表示经修改隧道入口1306并且示例性地示出为延长长度的十字准线。此外，在示例性图形1500中是远端目标1506，该远端目标表示瞄准器426的远端的位置并且示例性地示出为嵌入较小圆内的十字准线。在示例性***和方法中，手术控制器418在显示装置上显示固定在适当位置的隧道路径目标1504，并且还在可变位置处显示远端目标1506，以描绘瞄准器426的远端和经修改隧道入口1306的相对定位。图15的示例性视频显示可以在具有120厘米或更大的尺寸(例如，对角地测量)的显示装置上示出，而瞄准器426的远端与经修改隧道入口1306之间的相对间隔可以仅为几厘米。因此，由隧道路径目标1504和远端目标1506示出的相对位置可以包括比例系数以向外科医生提供缩放的视觉反馈。外科医生的目标是在开始使用钻丝424(图4)钻出引导隧道之前将远端目标1506放置成与隧道路径目标1504对准。钻丝424可以在对准过程期间设置在瞄准器426内，或者外科医生可以在将钻丝424伸缩到瞄准器426中之前对准瞄准器426。

当放置瞄准器426以钻出引导隧道时，外科医生要考虑至少两个对准：1)使实际隧道入口位置接近经修改隧道入口1306或与其对准；以及2)使引导隧道的纵向中心轴线接近经修改隧道路径1310的纵向中心轴线或与其同轴。将远端目标1506放置成与隧道路径目标1504紧密对准仅解决了第一对准考虑。远端目标1506可以与隧道路径目标1504精确对准，但是如果钻出引导隧道，则隧道方向可以与经修改隧道路径1310显著不同。为了根据另外示例实现更好的轴向对准，手术控制器418仍然接收由关节镜408(图4)和摄像头410(图4)捕获的视频图像，跟踪瞄准器426的纵向中心轴线相对于经修改隧道路径1310的纵向中心轴线的取向，并在显示装置上显示示出中心轴线的相对取向的图形。

再次参考右下角中的图形1500，在示例性***和方法中，手术控制器418(图4)进一步生成并显示近端目标1508，该近端目标代表瞄准器426的近侧部分并且示例性地示出为嵌入较大圆内的部分十字准线。在示例性***和方法中，手术控制器418在相对于远端目标1506的可变位置处显示近端目标1508以示出瞄准器426的纵向中心轴线相对于经修改隧道路径1310的纵向中心轴线的取向。也就是说，在图形1500中，经修改隧道路径1310的纵向中心轴线可以被认为垂直于显示装置414(图4)的前面并且设置在隧道路径目标1504的交点或中心处。瞄准器426的纵向中心轴线可以被认为是在近端目标1508和远端目标1506的中心之间延伸的线。外科医生的目标是使近端目标1508与远端目标1506对准，并且使对准的十字准线1508/1506与隧道入口目标1504对准。当所有十字准线对准时，瞄准器426的纵向中心轴线、瞄准器426内的钻丝424(图4)和经修改隧道路径1310应当是同轴的。

关于图15和图形1500的讨论假设在钻出引导孔之前使用瞄准器426来定位钻丝424(图4)。无论在对准过程期间钻丝是否设置在瞄准器426内，一旦开始钻出引导隧道，瞄准器426的纵向中心轴线仍然表示预期钻孔轴线。在其他情况下，可以省略瞄准器426，并且可以跟踪钻丝424本身。也就是说，钻丝424可以包括具有一个或多个机器可读图案的丝基准，手术控制器418可以从所述丝基准确定钻丝424的远端的位置和钻丝的纵向中心轴线的取向(至少靠近手术部位内的骨)。因此，关于这一点的讨论(假设瞄准器426用作用于在钻孔之前实现钻丝的放置和取向的机构)不应被理解为对权利要求的限制。

一旦瞄准器426与经修改隧道路径1310对准，就开始钻出引导隧道。如果钻丝424(图4)尚未在瞄准器426内伸缩，则外科医生使钻丝424在瞄准器426内伸缩。钻孔可以涉及外科医生将瞄准器426保持在如图形1500所示的期望取向上，并且例如通过外部钻孔组件向钻丝424提供旋转能量。一旦钻丝进入骨，钻丝424就以直线钻穿骨，并最终在远侧离开骨。对于由内向外手术，钻丝也在腿的外部部分上离开皮肤。一旦钻丝424完成引导隧道，在瞄准器426仍然套在钻丝424上的情况下，可以分析引导隧道相对于经修改隧道路径1310的放置。

–隧道放置分析

根据示例性方法和***，在使用(一个或多个)扩孔器创建通过骨的全直径隧道之前，手术控制器418(图4)可以向外科医生提供关于引导隧道与经修改隧道路径1310之间的关系的信息，以使得外科医生能够确定引导隧道是否应用作创建通过骨的实际隧道的引导。

图16是示出了相对于经修改隧道路径的引导隧道路径的术中分析的示例性视频显示。例如，可以在与装置推车402(图4)相关联的显示装置414(图4)上或任何其他合适的位置示出该显示。特别地，图16示出了由关节镜408(图4)捕获的视频图像中的骨的一部分，其叠加有三维骨模型的网格模型、包括经修改隧道入口1306和经修改隧道出口1308的经修改隧道路径1310，以及示出捕获和计算的引导隧道的纵向中心轴线1600的叠加。用于引导隧道的入口在实践中可以是可见的，但是在图16中未示出，以免使图进一步复杂化。图16的示例性视频显示在右下角还包括各种参数，以帮助外科医生评估引导隧道相对于经修改隧道路径1310的可行性。例如，手术控制器418可以计算并提供指示沿着引导隧道的路径的隧道相对于经修改隧道路径1310的重叠的值，并且手术控制器418可以显示指示重叠的值的视觉表示。在图16的示例中，指示重叠的值的视觉表示是示出为百分比(例如，这里为97％)的数值。以百分比表示的重叠在概念上可以跨越0％到100％，其中0％是完全未命中，并且100％表示引导隧道的纵向中心轴线1600与经修改隧道路径1310的纵向中心轴线同轴。如前所述，考虑到预期隧道直径，手术控制器418将指示重叠的值计算为百分比—如果预期隧道直径的任一部分与经修改隧道路径1310的任一部分相交，则该相交被认为是重叠。替代地，手术控制器418可以基于引导隧道和将创建经修改隧道路径1310的引导隧道来计算指示重叠的值。

然而，考虑到提供给外科医生的关于沿着引导隧道的预期隧道与经修改隧道路径1310的关系的信息，在另外其他示例中，手术控制器418(图4)可以计算并提供引导隧道与经修改隧道入口1306之间的入口位置偏移，并且手术控制器418可以显示偏移的视觉表示。在图16的示例中，偏移的视觉表示是以测量单位示出的数值。手术控制器418还可以计算并提供引导隧道与经修改隧道出口1308之间的出口位置偏移，并且手术控制器418可以以测量单位显示偏移的视觉表示。在图16的示例中，入口偏移示出为2mm，并且出口偏移示出为3mm。2mm和3mm的示例性偏移可以表明外科医生不能在钻孔开始时将瞄准器426(图4)精确地保持在期望位置，并且/或者外科医生不能保持瞄准器426的纵向中心轴线与经修改隧道路径1310的纵向中心轴线同轴。然而，考虑到约8.3至13.9mm的相关技术的隧道放置误差，2mm和3mm的偏移可能是足够的。

然而，考虑到提供给外科医生的关于相对于经修改隧道路径1310的引导隧道的信息，在另外其他示例中，手术控制器418(图4)可以计算并提供指示后壁爆裂的值。关于创建经修改隧道路径1310的术中变化，图16的指示后壁爆裂的值具有两个示例性方面—量化爆裂可能性(例如，低、中和高)，以及指示后壁爆裂可能性的数值。指示后壁爆裂可能性的数值再次可以是由手术控制器418计算的距离，如沿着引导隧道创建的隧道的预期外径与三维骨模型的骨的外表面之间的距离。然而，更特别地，在示例性情况下，指示后壁爆裂可能性的数值被计算为沿着引导隧道创建的隧道的预期内径与三维骨模型的外表面之间的最短距离。再次，量化爆裂可能性可以与指示后壁爆裂可能性的数值相关，例如：当沿着引导隧道创建的隧道的预期内径与三维骨模型的外表面之间的最短距离为8mm或更大时，显示“低”爆裂可能性；当最短距离在4mm与8mm之间时，可以显示“中”爆裂可能性；并且当最短距离为4mm或更小时，可以显示“高”爆裂可能性。

不管提供给外科医生的关于沿着引导隧道创建的隧道的预期内径与经修改隧道路径1310之间的关系的精确信息如何，如果外科医生基于所提供的信息这样选择，则可以放弃引导隧道并使用上文讨论的过程钻出新的引导隧道。如果第二或后续引导隧道符合外科医生的批准，则示例性方法继续使用(一个或多个)扩孔器来沿着隧道路径创建通过骨的全直径隧道，包括股骨的髁间侧上的沉孔。

软件和硬件

图17示出了根据至少一些实施例的校准内窥镜光学***(例如关节镜和附接的摄像头)的方法。特别地，该方法开始(框1700)并且可以包括：将内窥镜放置在校准组件中，校准组件将内窥镜保持成与校准组件的内表面上的校准目标成固定关系(框1702)；捕获校准目标的多个图像，每个图像以摄像头与内窥镜之间的独特旋转关系捕获，该独特旋转关系是相对于内窥镜的纵向中心轴线的(框1704)；以及创建表征校准目标与摄像头的捕获阵列之间的光学失真的表征函数(框1706)。此后，示例性方法结束(框1708)。示例性方法的部分可以通过用计算机***的处理器(例如，手术控制器418(图4))执行的计算机指令来实现。

图18示出了根据至少一些实施例的三维骨模型配准的术中验证的方法。特别地，该方法开始(框1800)并且包括：接收骨的三维骨模型(框1802)；接收在外科手术期间由内窥镜和附接的摄像头观察到的骨的图像，骨的图像包括联接到骨的基准的图像(框1804)；接收在骨的图像中示出的骨的外表面的多个位置(框1806)；使用多个位置将三维骨模型配准到骨(框1808)；在显示装置上显示叠加在骨的图像上的三维骨模型的表示(框1810)；以及接收三维骨模型正确地配准到骨的图像中的骨的指示(框1812)。此后，该方法结束(框1812)。示例性方法可以通过用计算机***的处理器(例如手术控制器418(图4))执行的计算机指令来实现。

图19示出了根据至少一些实施例的实施术中隧道路径改变的方法。特别地，该方法开始(框1900)并且包括：在显示装置上显示用于韧带修复的计划隧道路径，计划隧道路径相对于腿骨的至少一部分示出，并且计划隧道路径在术前选择(框1902)；在外科手术期间接收经修改隧道入口位置(框1904)；在外科手术期间计算通过患者的腿骨的经修改隧道路径，并在显示装置上显示经修改隧道路径(框1906)；在钻孔之前跟踪钻丝的钻孔轴线相对于经修改隧道路径的纵向中心轴线的轴向对准(框1908)；以及在显示装置上显示显示装置上的图形，所述图形示出钻孔轴线和经修改隧道路径的纵向中心轴线的相对位置(框1910)。此后，该方法结束(框1912)。示例性方法可以通过用计算机***的处理器(例如手术控制器418(图4))执行的计算机指令来实现。

图20示出了示例性计算机***2000。在一个示例中，计算机***2000可以对应于手术控制器418，手术室内的平板装置，或实现本说明书中讨论的任何或所有各种方法的任何其他***。计算机***2000可以连接(例如联网)到局域网(LAN)、内联网和/或外联网(例如装置推车402网络)中的其他计算机***，或者在某些时候连接到互联网(例如当不在外科手术中使用时)。计算机***2000可以是服务器、个人计算机(PC)、平板电脑或能够执行指定将由其采取的动作的一组指令(连续指令或其它指令)的任何装置。此外，虽然仅示出单个计算机***，但术语“计算机”还应被视为包括单独地或共同地执行一组(或多组)指令以执行本文所论述的任何一种或多种方法的任何计算机集合。

计算机***2000包括经由总线2010彼此通信的处理装置2002、主存储器2004(例如，只读存储器(ROM)、闪存、动态随机存取存储器(DRAM)，例如同步DRAM(SDRAM)、静态存储器2006(例如，闪存、静态随机存取存储器(SRAM))以及数据存储装置2008。

处理装置2002表示一个或多个通用处理装置，例如微处理器、中央处理单元等。更具体地，处理装置2002可以是复杂指令集计算(CISC)微处理器、精简指令集计算(RISC)微处理器、超长指令字(VLIW)微处理器或实现其它指令集的处理器或实现指令集组合的处理器。处理装置2002也可以是一个或多个专用处理装置，例如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、网络处理器等。处理装置2002被配置成执行用于执行本文中所论述的任何操作和步骤的指令。一旦用特定指令编程，处理装置2002以及因此整个计算机***2000就变成专用装置，例如手术控制器418。

计算机***2000还可以包括用于与任何合适的网络(例如装置推车402网络)通信的网络接口装置2012。计算机***2000还可以包括视频显示器2014(例如，显示装置414)、一个或多个输入装置2016(例如，麦克风、键盘和/或鼠标)和一个或多个扬声器2018。在一个说明性示例中，视频显示器2014和(一个或多个)输入装置2016可以组合到单个部件或装置(例如，LCD触摸屏)中。

数据存储装置2008可包括计算机可读存储介质2020，其上存储有包含本文所述的方法或功能中的任何一个或多个的指令2022(例如，实现由本文所述的任何装置和/或部件执行的任何方法和任何功能)。指令2022还可以在由计算机***2000执行期间完全或至少部分地位于主存储器2004内和/或处理装置2002内。因此，主存储器2004和处理装置2002也构成计算机可读介质。在某些情况下，指令2022还可以经由网络接口装置2012通过网络发送或接收。

虽然计算机可读存储介质2020在说明性示例中示出为单个介质，但术语“计算机可读存储介质”应理解为包括存储一个或多个指令集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)。术语“计算机可读存储介质”还应被视为包括能够存储、编码或携带一组指令以供机器执行并且使机器执行本公开的方法中的任何一个或多个的任何介质。因此，术语“计算机可读存储介质”应被视为包括但不限于固态存储器、光学介质和磁介质。

以上讨论旨在说明本发明的原理和各种实施例。一旦完全理解上述公开内容，许多变化和修改对于本领域技术人员来说将变得显而易见。旨在将以下权利要求解释为涵盖所有这样的变化和修改。

Claims (69)

1.一种校准内窥镜光学***的方法，所述方法包括：

将内窥镜放置在校准组件中，所述校准组件将所述内窥镜保持成与所述校准组件的内表面上的校准目标成固定关系；

由手术控制器捕获所述校准目标的多个图像，每个图像以摄像头与所述内窥镜之间的独特旋转关系捕获，所述独特旋转关系是相对于所述内窥镜的纵向中心轴线的；以及

由所述手术控制器创建表征所述校准目标与所述摄像头的捕获阵列之间的光学失真的表征函数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述内窥镜放置在所述校准组件中还包括将所述内窥镜放置在所述校准组件中，使得所述内窥镜的远端的视向垂直于所述校准目标。

3.根据权利要求1所述的方法，其中将所述内窥镜放置在所述校准组件中还包括将所述内窥镜放置在所述校准组件中，使得所述内窥镜的远端的视向不垂直于所述校准目标。

4.根据权利要求1所述的方法，其中将所述内窥镜放置在所述校准组件中还包括将所述内窥镜放置在所述校准组件中，使得所述内窥镜的纵向中心轴线与所述校准目标的中心相交，并且所述内窥镜的远端的视角垂直于所述校准目标。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括将水放置在所述校准组件的内部容积内，使得所述校准目标与所述内窥镜的远端之间的内部容积填充有水或盐水。

6.根据权利要求1所述的方法，其中捕获所述多个图像还包括：

以所述内窥镜与所述摄像头之间的第一旋转取向捕获所述校准目标的第一图像；以及然后

以所述内窥镜与所述摄像头之间的第二旋转取向捕获所述校准目标的第二图像；以及然后

以所述内窥镜与所述摄像头之间的第三旋转取向捕获所述校准目标的第三图像。

7.根据权利要求1所述的方法，其中捕获所述多个图像还包括以所述内窥镜与所述校准组件之间的固定关系捕获所述校准目标的多个图像。

8.根据权利要求1所述的方法，其中创建所述表征函数还包括创建包括用于通过所述内窥镜具有通过所述内窥镜的单个光路确定基准标记的取向的校准的表征函数。

9.一种用于校准内窥镜光学***的校准组件，所述校准组件包括：

限定内部容积的容器，并且所述内部容积限定校准表面；

设置在所述校准表面上的校准目标；

所述容器的壁，所述容器的壁限定进入所述容器的孔，所述孔限定与所述校准目标相交的中心轴线；

轴向保持表面，所述轴向保持表面由与所述孔相关联的壁限定，所述轴向保持表面与所述校准目标相距沿着所述孔的中心轴线测量的预定距离；以及

与所述壁相关联的旋转保持表面。

10.根据权利要求9所述的校准组件，其中所述旋转保持表面还包括设置在由所述壁限定的沉孔内的脊，并且所述旋转保持表面由所述脊的相对壁限定。

11.根据权利要求10所述的校准组件，其中所述脊平行于所述孔的中心轴线。

12.根据权利要求9所述的校准组件，其中所述壁还包括限定通道的凹口，所述通道具有形成所述轴向保持表面的闭合底部、形成所述旋转保持表面的两个侧部，以及开放顶部。

13.根据权利要求12所述的校准组件，其中所述凹口的通道垂直于所述孔的中心轴线。

14.根据权利要求9所述的校准组件，其中所述旋转保持表面还包括夹子，所述夹子构造成保持内窥镜的光柱。

15.根据权利要求9所述的校准组件，其中所述校准表面是平面的。

16.根据权利要求9所述的校准组件，其中所述校准表面限定限定第一平面的第一部分和限定第二平面的第二部分，并且其中所述第一平面和所述第二平面是非平面的。

17.根据权利要求9所述的校准组件，其中与所述孔相关联的所述容器的壁还包括限定内部通路的管，所述管从所述容器突出，并且所述内部通路限定通过所述容器的壁的孔。

18.根据权利要求9所述的校准组件，其中所述孔的中心轴线与所述校准目标的中心相交。

19.根据权利要求9所述的校准组件，其中所述孔的中心轴线与垂直于所述校准表面的矢量形成锐角，所述锐角是非零的。

20.一种用于校准内窥镜光学***的***，所述***包括：

内窥镜***，所述内窥镜***包括内窥镜和联接到所述内窥镜的摄像头，所述内窥镜限定纵向中心轴线和光柱；

校准组件，所述校准组件包括：

限定内部容积的容器；

限定在所述容器的内表面上的校准表面；

设置在所述校准表面上的校准目标；

通过所述容器的壁限定的孔，并且所述内窥镜伸缩通过所述孔，使得所述纵向中心轴线与所述校准目标相交；

所述校准组件构造成将所述内窥镜的远端保持在距所述校准目标预定距离处；并且

所述校准组件构造成将所述内窥镜保持在相对于所述校准目标的固定旋转取向上。

21.根据权利要求20所述的***，其中所述校准组件还包括由设置在由所述壁限定的沉孔内的脊限定的一组旋转保持表面，所述一组旋转保持表面由所述脊的相对壁限定，并且其中所述一组旋转保持表面将所述内窥镜保持在相对于所述校准目标的固定旋转取向上。

22.根据权利要求20所述的***，其中所述校准组件还包括限定通道的凹口，所述通道具有闭合底部和开放顶部，所述光柱设置在所述凹口内，并且其中所述凹口将所述内窥镜的远端保持在距所述校准目标预定距离处，并且所述凹口将所述内窥镜保持在相对于所述校准目标的固定旋转取向上。

23.根据权利要求20所述的***，其中所述校准组件还包括联接到所述光柱的夹子，所述夹子将所述内窥镜保持在相对于所述校准目标的固定旋转取向上。

24.根据权利要求20所述的***，还包括在所述内窥镜的远端与所述校准目标之间的内部容积内的水。

25.根据权利要求24所述的***，其中所述水是盐水。

26.根据权利要求20所述的***，其中所述校准表面是平面的。

27.根据权利要求20所述的***，其中所述校准表面限定限定第一平面的第一部分和限定第二平面的第二部分，并且其中所述第一平面和所述第二平面是非平面的。

28.根据权利要求20所述的***，其中所述校准组件还包括限定内部通路的管，并且所述管从所述容器突出，所述内窥镜伸缩通过所述内部通路，使得所述内窥镜的远端位于所述容器的内部容积内。

29.根据权利要求20所述的***，其中所述内窥镜的纵向中心轴线与所述校准目标的中心相交。

30.根据权利要求20所述的***，其中所述内窥镜的纵向中心轴线与垂直于所述校准表面的矢量形成锐角，所述锐角是非零的。

31.一种术中方法，包括：

由手术控制器接收骨的三维骨模型；

由所述手术控制器接收在外科手术期间由内窥镜和附接的摄像头观察到的骨的图像，所述骨的图像包括联接到所述骨的基准的图像；

由所述手术控制器接收在所述骨的图像中示出的所述骨的外表面的多个位置；

由所述手术控制器使用所述多个位置将所述三维骨模型配准到所述骨；

由所述手术控制器在显示装置上显示叠加在所述骨的图像上的三维骨模型的表示；以及

由所述手术控制器接收所述三维骨模型在所述骨的图像中正确地配准到所述骨的指示。

32.根据权利要求31所述的术中方法，其中接收骨的图像还包括接收选自以下各项的至少一个：股骨的髁间窝的图像；以及胫骨的髁间脊的图像。

33.根据权利要求31所述的术中方法，其中接收所述三维骨模型还包括接收通过分割所述骨的术前图像构建的三维骨模型。

34.根据权利要求31所述的术中方法，其中接收所述骨的外表面的多个位置还包括当接触探针在多个位置抵靠所述骨时，由所述手术控制器跟踪所述接触探针的远侧尖端的位置。

35.根据权利要求34所述的术中方法，其中跟踪所述接触探针的远侧尖端的位置还包括选自以下各项的至少一项：跟踪设置在所述接触探针的外表面上的基准，所述基准在由所述内窥镜和附接的摄像头观察到的骨的图像中可见；以及跟踪由立体摄像机看到的联接到所述接触探针的基准阵列。

36.根据权利要求31所述的术中方法，其中显示所述三维骨模型的表示还包括将表示所述三维骨模型的网格模型叠加在所述显示装置上示出的所述骨的图像上。

37.一种手术控制器，包括：

配置成联接到显示装置的处理器；

联接到所述处理器的存储器，所述存储器存储指令，所述指令在由所述处理器执行时使所述处理器：

接收骨的三维骨模型；

接收在外科手术期间由内窥镜和附接的摄像头观察到的骨的图像，所述骨的图像包括联接到所述骨的基准的图像；

接收在所述骨的图像中示出的所述骨的外表面的多个位置；

使用所述多个位置将所述三维骨模型配准到所述骨；

显示叠加在所述骨的图像上的三维骨模型的表示；以及

接收所述三维骨模型在所述骨的图像中正确地配准到所述骨的指示。

38.根据权利要求37所述的手术控制器，其中当所述手术控制器接收所述骨的图像时，所述指令还使所述处理器接收选自以下各项的至少一个：股骨的髁间窝的图像；以及胫骨的髁间脊的图像。

39.根据权利要求37所述的手术控制器，其中当所述手术控制器接收所述三维骨模型时，所述指令还使所述处理器接收通过分割所述骨的术前图像构建的三维骨模型。

40.根据权利要求37所述的手术控制器，其中当所述手术控制器接收所述骨的外表面的多个位置时，所述指令还使所述处理器在接触探针在多个位置抵靠所述骨时跟踪所述接触探针的远侧尖端的位置。

41.根据权利要求40所述的手术控制器，其中当所述手术控制器跟踪所述接触探针的远侧尖端的位置时，所述指令还使所述处理器执行选自以下各项的至少一项：跟踪设置在所述接触探针的外表面上的基准，所述基准如在由所述内窥镜和附接的摄像头观察到的骨的图像中看到的；以及跟踪由立体摄像机看到的联接到所述接触探针的基准阵列。

42.根据权利要求37所述的手术控制器，其中当所述手术控制器显示所述三维骨模型的表示时，所述指令还使所述处理器将表示所述三维骨模型的网格模型叠加在所述骨的图像上。

43.一种术中方法，包括：

由手术控制器在显示装置上显示用于韧带修复的计划隧道路径，所述计划隧道路径相对于骨的至少一部分示出，并且所述计划隧道路径在术前选择；

在外科手术期间由所述手术控制器接收经修改隧道入口位置；

在外科手术期间由所述手术控制器计算通过所述骨的经修改隧道路径，并且在所述显示装置上显示所述经修改隧道路径；

由所述手术控制器并且在钻孔之前跟踪钻丝的钻孔轴线相对于所述经修改隧道路径的纵向中心轴线的轴向对准；以及

由所述手术控制器在所述显示装置上显示图形，所述图形示出所述钻孔轴线和所述经修改隧道路径的纵向中心轴线的相对位置。

44.根据权利要求43所述的术中方法，其中所述计划隧道路径用于前交叉韧带(ACL)修复。

45.根据权利要求43所述的术中方法，其中在计算所述经修改隧道路径之后，所述方法还包括：

由所述手术控制器确定指示所述计划隧道路径和所述经修改隧道路径的重叠的值；以及

由所述手术控制器在所述显示装置上显示指示所述计划隧道路径和所述经修改隧道路径的重叠的值的视觉表示。

46.根据权利要求43所述的术中方法，还包括：

由所述手术控制器计算所述计划隧道路径的计划隧道入口与所述经修改隧道路径的经修改隧道入口之间的入口位置偏移；

由所述手术控制器计算所述计划隧道路径的计划隧道出口与所述经修改隧道路径的经修改隧道出口之间的出口位置偏移；以及

由所述手术控制器在所述显示装置上显示所述入口位置偏移和所述出口位置偏移的视觉表示。

47.根据权利要求43所述的术中方法，还包括：

由所述手术控制器确定指示所述经修改隧道路径的后壁爆裂的可能性的值；以及

由所述手术控制器在所述显示装置上显示指示后壁爆裂的可能性的值的视觉表示。

48.根据权利要求47所述的术中方法，其中确定指示后壁爆裂的可能性的值还包括测量所述经修改隧道路径与三维骨模型的外表面之间的距离。

49.根据权利要求48所述的术中方法，其中测量所述经修改隧道路径与所述三维骨模型的外表面之间的距离还包括测量所述经修改隧道路径与所述三维骨模型的外表面之间的最短距离。

50.根据权利要求43所述的术中方法，其中显示所述计划隧道路径还包括显示选自以下各项的至少一个：通过股骨的计划隧道路径；以及通过胫骨的计划隧道路径。

51.根据权利要求43所述的术中方法，其中接收所述经修改隧道入口位置还包括由所述手术控制器接收设置在选自以下各项的至少一个内的经修改隧道入口位置：股骨的髁间窝；以及胫骨的髁间脊。

52.根据权利要求43所述的术中方法，其中接收所述经修改隧道入口位置还包括基于通过内窥镜和附接的摄像头在手术部位内可见的瞄准器的远侧尖端的位置进行接收。

53.根据权利要求43所述的术中方法，其中跟踪所述轴向对准还包括跟踪瞄准器的轴向对准，所述钻丝伸缩通过所述瞄准器。

54.根据权利要求53所述的术中方法，其中跟踪所述瞄准器的轴向对准还包括：

由所述手术控制器通过内窥镜和附接的摄像头接收图像，所述图像包括设置在所述瞄准器的外表面上的基准；以及

由所述手术控制器基于所述图像计算所述瞄准器相对于所述骨的外表面的三维模型的轴向对准。

55.根据权利要求43所述的术中方法，还包括：

在钻孔期间由所述手术控制器跟踪所述钻丝的钻孔轴线，所述钻孔创建具有中心轴线的通孔；以及

由所述手术控制器在所述显示装置上显示指示所述通孔的中心轴线与所述经修改隧道路径的纵向中心轴线之间的偏移的值。

56.根据权利要求43所述的术中方法，其中显示示出所述钻孔轴线和所述经修改隧道路径的纵向中心轴线的相对位置的图形还包括：

显示指示所述经修改隧道路径的纵向中心轴线的隧道路径目标；

显示远端目标，所述远端目标指示所述钻丝的远端相对于所述经修改隧道路径的纵向中心轴线的位置；以及

显示近端目标，所述近端目标指示所述钻丝的轴向对准的更近端相对于所述经修改隧道路径的纵向中心轴线的位置。

57.一种手术控制器，包括：

配置成联接到显示装置的处理器；

联接到所述处理器的存储器，所述存储器存储指令，所述指令在由所述处理器执行时使所述处理器：

接收在外科手术期间由内窥镜和附接的摄像头观察到的腿骨的图像；

在所述显示装置上显示用于前交叉韧带(ACL)修复的计划隧道路径，所述计划隧道路径相对于所述腿骨的至少一部分示出；

接收经修改隧道入口位置；

计算通过所述腿骨的经修改隧道路径，所述经修改隧道路径具有纵向中心轴线；

在所述显示装置上显示所述经修改隧道路径；

跟踪钻丝的钻孔轴线相对于所述纵向中心轴线的轴向对准；以及

在所述显示装置上显示图形，所述图形示出所述钻孔轴线和所述经修改隧道路径的纵向中心轴线的相对位置。

58.根据权利要求57所述的手术控制器，其中在所述处理器计算所述经修改隧道路径之后，所述指令还使所述处理器：

确定指示所述计划隧道路径和所述经修改隧道路径的重叠的值；以及

在所述显示装置上显示指示所述计划隧道路径和所述经修改隧道路径的重叠的值的视觉表示。

59.根据权利要求57所述的手术控制器，其中所述指令还使所述处理器：

计算所述计划隧道路径的计划隧道入口与所述经修改隧道路径的经修改隧道入口之间的入口位置偏移；

计算所述计划隧道路径的计划隧道出口与所述经修改隧道路径的经修改隧道出口之间的出口位置偏移；以及

在所述显示装置上显示所述入口位置偏移和所述出口位置偏移的视觉表示。

60.根据权利要求57所述的手术控制器，其中所述指令还使所述处理器：

确定指示所述经修改隧道路径的后壁爆裂的可能性的值；以及

在所述显示装置上显示指示后壁爆裂的可能性的值的视觉表示。

61.根据权利要求60所述的手术控制器，其中当所述处理器确定指示后壁爆裂的可能性的值时，所述指令还使所述处理器测量所述经修改隧道路径与三维骨模型的外表面之间的距离。

62.根据权利要求61所述的手术控制器，其中当所述处理器测量所述经修改隧道路径与所述三维骨模型的外表面之间的距离时，所述指令还使所述处理器测量所述经修改隧道路径与所述三维骨模型的外表面之间的最短距离。

63.根据权利要求57所述的手术控制器，其中当所述处理器显示所述经修改隧道路径时，所述指令使所述处理器显示选自以下各项的至少一个：通过股骨的计划隧道路径；以及通过胫骨的计划隧道路径。

64.根据权利要求57所述的手术控制器，其中当所述处理器接收所述经修改隧道入口位置时，所述指令使所述处理器接收设置在选自以下各项的至少一个内的经修改隧道入口位置：股骨的髁间窝；以及胫骨的髁间脊。

65.根据权利要求57所述的手术控制器，其中当所述处理器接收所述经修改隧道入口位置时，所述指令还使所述处理器基于由所述内窥镜和附接的摄像头观察到的骨的图像内可见的瞄准器的远侧尖端的位置进行接收。

66.根据权利要求57所述的手术控制器，其中当所述处理器跟踪所述轴向对准时，所述指令还使所述处理器跟踪瞄准器的轴向对准，所述钻丝伸缩通过所述瞄准器，所述瞄准器在由所述内窥镜和附接的摄像头观察到的骨的图像内可见。

67.根据权利要求66所述的手术控制器：

其中当所述处理器接收由所述内窥镜和附接的摄像头观察到的骨的图像时，所述指令还使所述处理器接收包括设置在所述瞄准器的外表面上的基准的图像；

其中当所述处理器跟踪所述瞄准器的轴向对准时，所述指令还使所述处理器基于所述基准的取向计算所述瞄准器相对于所述骨的外表面的三维模型的轴向对准。

68.根据权利要求57所述的手术控制器，其中所述指令还使所述处理器：

在钻孔期间跟踪所述钻丝的钻孔轴线，所述钻孔创建具有中心轴线的通孔；以及

在所述显示装置上显示指示所述通孔的中心轴线与所述经修改隧道路径的纵向中心轴线之间的偏移的值。

69.根据权利要求57所述的手术控制器，其中当所述处理器显示示出所述钻孔轴线和所述经修改隧道路径的纵向中心轴线的相对位置的图形时，所述指令还使所述处理器：

显示指示所述经修改隧道路径的纵向中心轴线的隧道路径目标；

显示远端目标，所述远端目标指示所述钻丝的远端相对于所述经修改隧道路径的纵向中心轴线的位置；以及

显示近端目标，所述近端目标指示所述钻丝的轴向对准的更近端相对于所述经修改隧道路径的纵向中心轴线的位置。