KR102299132B1 - 수술중 골반 레지스트레이션 시스템 및 방법 - Google Patents

수술중 골반 레지스트레이션 시스템 및 방법 Download PDF

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케빈 베치톨드
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에릭 브랜치
바룬 찬드라
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Abstract

관골구를 포함하는 골반을 좌표계 내에서 골반의 컴퓨터 모델과 수술중 레지스터링하기 위한 시스템. 이러한 시스템은, a) 추적 디바이스를 포함하는 수술용 네비게이션 시스템; 및 b) 수술용 네비게이션 시스템과 통신하는 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스는: i) 관골구의 관절 표면 상의 수술중에 수집된 제 1 포인트로부터 제 1 데이터 포인트를 수신하는 단계 - 제 1 데이터 포인트는 추적 디바이스로 수집됨 -; ii) 골반 상의 수술중에 수집된 제 2 포인트로부터 제 2 데이터 포인트를 수신하는 단계 - 제 2 데이터 포인트는 추적 디바이스로 수집되고, 제 2 데이터 포인트는 위치에 있어서 컴퓨터 모델 상의 제 2 가상 데이터 포인트에 대응함 -; 및 iii) 골반에 상대적인 대퇴골의 수술중 회전 중심을 제 1 데이터 포인트로부터 결정하는 단계를 수행한다.

Description

수술중 골반 레지스트레이션 시스템 및 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2016 년 8 월 30 일 출원되고 발명의 명칭이 "INTRA-OPERATIVE PELVIC REGISTRATION"인 미국 가출원 번호 제 62/381,214 호에 대한 우선권을 주장하는데, 이것은 그 전체가 원용에 의하여 본원에 통합된다.
본 출원은 다음 출원들을 그 전체로서 포함한다: 2010 년 9 월 29 일 출원되고 발명의 명칭이 "SURGICAL SYSTEM FOR POSITIONING PROSTHETIC COMPONENT AND/OR FOR CONSTRAINING MOVEMENT OF SURGICAL TOOL"인 미국 특허 출원 번호 제 12/894,071; 2011 년 9 월 16 일 출원되고 발명의 명칭이 "SYSTEMS AND METHOD FOR MEASURING PARAMETERS IN JOINT REPLACEMENT SURGERY"인 미국 특허 출원 번호 제 13/234,190; 2006 년 2 월 21 일 출원되고 발명의 명칭이 "HAPTIC GUIDANCE SYSTEM AND METHOD"인 미국 특허 출원 번호 제 11/357,197; 2009 년 12 월 22 일 출원되고 발명의 명칭이 "TRANSMISSION WITH FIRST AND SECOND TRANSMISSION ELEMENTS"인 미국 특허 출원 번호 제 12/654,519; 2009 년 12 월 22 일 출원되고 발명의 명칭이 "DEVICE THAT CAN BE ASSEMBLED BY COUPLING"인 미국 특허 출원 번호 제 12/644,964; 및 2007 년 5 월 18 일 출원되고 발명의 명칭이 "SYSTEM AND METHOD FOR VERIFYING CALIBRATION OF A SURGICAL DEVICE"인 미국 특허 출원 번호 제 11/750,807.
본 발명은 일반적으로 기형(orthopedic) 관절 교체 수술에 관한 것이고, 특히 수술중 골반 레지스트레이션 방법에 관한 것이다.
고도의 정확도 및/또는 정밀도를 요구하는 응용예, 예컨대 수술 프로시저 또는 다른 복잡한 과제에서 흔히 로봇 시스템이 사용된다. 이러한 시스템은 자율, 원격조종, 및 쌍방향과 같은 다양한 타입의 로봇을 포함할 수 있다.
쌍방향 로봇 시스템은 일부 타입의 수술, 예컨대 관절 교체 수술에 대해서 선호될 수 있는데, 그 이유는 의사가 높은 정도의 정확도 및/또는 정밀도를 여전히 달성하면서 수술 프로시저를 직접적이고 즉시적으로 제어할 수 있게 되기 때문이다. 예를 들어, 무릎 교체 수술에서, 의사는 관절 임플란트, 예컨대 무릎 임플란트를 수용하기 위한 뼈를 조형하기 위해서 쌍방향, 촉각식으로 유도되는 로봇 암을 수동적인 방식으로 사용할 수 있다. 뼈를 조형하기 위하여, 의사는 손으로 로봇 암을 잡고 이것을 조작하여 로봇 암에 커플링되는 절개 툴(예를 들어, 회전하는 버얼(burr))을 이동시켜 뼈 내에 포켓을 절개한다. 의사가, 예를 들어 햅틱 객체에 의하여 버얼의 끝을 미리 규정된 가상 절개 경계 또는 규정된 햅틱 경계 내에 유지시키는 한, 로봇 암은 낮은 마찰과 낮은 관성으로 자유롭게 이동하여 의사가 로봇 암이 실질적으로 무게가 없는 것으로 지각하고 필요에 따라 로봇 암을 이동시킬 수 있게 한다. 그러나, 가상 절개 경계 바깥을 절개하기 위해서 의사가 버얼의 끝을 이동시키고자 하면, 로봇 암은 의사가 버얼의 끝을 가상 절개 경계 너머까지 이동시키는 것을 막거나 방지하는 햅틱 피드백(예를 들어, 강제적인 항력)을 제공한다. 이러한 방식으로, 로봇 암은 매우 정확하고 반복가능한 뼈 절개가 가능해지게 한다. 의사가 무릎 임플란트(예를 들어, 슬개대퇴(patellofemoral) 요소)를 손으로 대응하는 뼈 절개부 상에 이식하면, 절개 뼈와 무릎 임플란트의 구성 및 이들 사이의 계면에 기인하여 임플란트는 대체적으로 정확하게 정렬될 것이다.
전술된 쌍방향 로봇 시스템은 고관절(hip) 교체 수술에서도 사용될 수 있는데, 그러려면 상이한 기능(예를 들어, 골확장(reaming), 매몰(impacting)), 상이한 구성(예를 들어, 직선형, 오프셋), 및 상이한 무게를 가지는 여러 수술용 툴이 사용되어야 할 수 있다. 다양한 툴을 수용하도록 설계된 시스템은, 2010 년 9 월 29 일 출원되고 발명의 명칭이 "SURGICAL SYSTEM FOR POSITIONING PROSTHETIC COMPONENT AND/OR FOR CONSTRAINING MOVEMENT OF SURGICAL TOOL"인 미국 특허 출원 번호 제 12/894,071 에 기술되는데, 이것은 그 전체가 원용에 의해 본원에 포함된다.
고관절 교체 수술, 및 다른 로봇이 지원하거나 완전히 자율적인 수술 프로시저 중에, 실제 물리적 뼈의 자세(즉, 위치 및 회전 배향)를 가상 뼈 모델과 상관시키기 위해서 환자 뼈는 대응하는 가상 또는 컴퓨터 뼈 모델과 수술중에 레지스터링된다. 또한, 환자의 뼈(물리적 공간)는 수술용 로봇, 햅틱 디바이스, 또는 수술용 툴(예를 들어, 회전하는 버얼)에 상대적으로 적어도 하나의 자유도를 가지고 추적된다. 이러한 방식으로, 컴퓨터를 통해서 가상 뼈 모델 상에서 제어되고 규정되는 가상 절개 또는 햅틱 경계가 환자의 뼈(물리적 공간)에 적용됨으로써, 환자의 뼈(물리적 공간)에서 작업을 할 때에 햅틱 디바이스의 물리적 이동(예를 들어, 버링(burring))이 제약되게 할 수 있다.
본원에 개시된 실시예와 관련된 배경기술은 미국 특허출원공개 제2008/0132783호(2008년 6월 5일 공개)에 기재되어 있다.
골반의 복잡한 기하학적 구조 및, 특히 관골구의 오목한 성질 때문에 골반의 수술중 레지스트레이션은 어려울 수 있다. 환자 골반의 레지스트레이션 분야에 몇 가지 방법이 존재하지만, 레지스트레이션 시간은 줄이면서 정확도는 향상시키는 레지스트레이션 방법에 대한 필요성이 당업계에 존재한다.
본 발명의 양태는 수술중에 수집된 제 1 뼈의 환자 데이터를 좌표계 내에서 제 1 뼈의 컴퓨터 모델과 레지스터링하는 시스템을 수반할 수 있다. 제 1 뼈는 오목부를 포함할 수 있고, 볼록부를 포함할 수 있는 제 2 뼈와 관절(joint)을 형성한다. 시스템은 a) 추적 디바이스 및 이동시에 추적 디바이스에 의해 추적되도록 구성되는 적어도 하나의 툴을 포함할 수 있는 수술용 네비게이션 시스템을 포함할 수 있다. 시스템은 b) 수술용 네비게이션 시스템과 통신하는 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스를 더 포함할 수 있는데, 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스는 제 1 뼈의 컴퓨터 모델을 좌표계에 저장한다. 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스는: i) 상기 환자 데이터의 제 1 데이터 포인트를 상기 오목부의 관절 표면(articular surface) 상의 수술중에 수집된 제 1 포인트로부터 수신하는 단계 - 상기 제 1 데이터 포인트는 상기 적어도 하나의 툴을 사용하여 수집되고, 상기 제 1 데이터 포인트는 위치에 있어서 상기 컴퓨터 모델 상의 제 1 관절 영역(articular region)에 대응함 -; ii) 상기 제 1 뼈 상의 수술중에 수집된 제 2 포인트로부터 제 2 데이터 포인트를 수신하는 단계 - 상기 제 2 데이터 포인트는 상기 적어도 하나의 툴을 사용하여 수집되고, 상기 제 2 데이터 포인트는 위치에 있어서 상기 컴퓨터 모델 상의 제 2 가상 데이터 포인트에 대응함 -; iii) 상기 제 1 데이터 포인트로부터 수술중 회전 중심을 결정하는 단계 - 상기 수술중 회전 중심은 상기 제 1 뼈에 상대적인 상기 제 2 뼈의 물리적 회전 중심에 대응함 -; iv) 상기 수술중 회전 중심(intra-operative center of rotation)을 좌표계 내에서 상기 컴퓨터 모델의 가상 회전 중심과 정렬시키는 단계; v) 상기 가상 회전 중심과 상기 제 2 가상 데이터 포인트 사이의 제 1 거리를 상기 수술중 회전 중심과 상기 제 2 데이터 포인트 사이의 제 2 거리와 비교하는 단계; 및 vi) 상기 환자 데이터 및 상기 컴퓨터 모델이 위치 및 배향에 관하여 대응하게 하도록, 상기 환자 데이터 및 상기 컴퓨터 모델의 변환을 실행하는 단계를 수행할 수 있다.
어떤 경우에는, 제 1 뼈는 장골(ilium)을 포함할 수 있고, 오목부는 관골구(acetabulum)를 포함할 수 있으며, 제 2 뼈는 대퇴골(femur)을 포함할 수 있고, 제 2 데이터 포인트는 관골구 가장자리, 관골구의 관절 표면, 또는 상전 장골능(anterior superior iliac spine) 상에 위치될 수 있다.
어떤 경우에는, 시스템은: vii) 상기 제 1 뼈 쌍의 수술중에 수집된 제 3 포인트로부터 환자 데이터의 제 3 데이터 포인트를 수신하는 단계 - 상기 제 3 데이터 포인트는 상기 적어도 하나의 툴로 수집되고, 상기 제 3 데이터 포인트는 상기 제 1 뼈 상에 상기 제 2 데이터 포인트와 다른 위치에 있으며, 위치에 있어서 상기 컴퓨터 모델 상의 제 3 가상 데이터 포인트에 대응함 -; 및 viii) 상기 가상 회전 중심과 상기 제 3 가상 데이터 포인트 사이의 제 3 거리를 상기 수술중 회전 중심과 상기 제 3 데이터 포인트 사이의 제 4 거리와 비교하는 단계를 더 포함할 수 있다.
어떤 경우에는, 제 1 뼈는 장골을 포함할 수 있고, 오목부는 관골구를 포함할 수 있으며, 제 2 뼈는 대퇴골을 포함할 수 있고, 제 2 데이터 포인트는 관골구 가장자리, 관골구의 관절 표면, 또는 상전 장골능 중 하나 상에 위치될 수 있고, 제 3 데이터 포인트는 관골구 가장자리, 관골구의 관절 표면, 상기 상전 장골능 중 하나 상에 위치될 수 있다.
어떤 경우에는, 제 1 뼈는 견갑골(scapula)을 포함할 수 있고, 오목부는 관절와(glenoid cavity)를 포함할 수 있으며, 제 2 뼈는 상완골(humerus)을 포함할 수 있고, 제 2 데이터 포인트는 상기 관절와의 가장자리, 상기 관절와의 관절 표면, 또는 상기 견갑골의 다른 부분 중 하나 상에 위치될 수 있고, 제 3 데이터 포인트는 상기 관절와의 가장자리, 상기 관절와의 관절 표면, 또는 상기 견갑골의 다른 부분 중 하나 상에 위치될 수 있다.
어떤 경우에는, 단계 iii)은 상기 제 1 데이터 포인트에 의해 형성되는 구면(spherical surface)을 계산하는 것을 더 포함할 수 있다.
어떤 경우에는, 시스템은, 상기 구면의 수술중 반경을 계산하는 단계를 더 포함할 수 있고, 수술중 반경은 상기 수술중 회전 중심으로부터 개략적으로 상기 제 1 데이터 포인트를 향해 연장된다.
어떤 경우에는, 시스템은 상기 수술중 반경을 상기 컴퓨터 모델의 가상 회전 중심으로부터 상기 컴퓨터 모델 상의 제 1 관절 영역까지 연장되는 가상 반경과 비교하는 단계를 더 포함할 수 있다.
어떤 경우에는, 상기 수술중 반경과 상기 가상 반경 사이의 차이가 약 3 mm 이하라면 레지스트레이션이 수락가능할 수 있다.
어떤 경우에는, 상기 적어도 하나의 툴은 무구속(free-hand) 네비게이션 프루브, 및 수술용 로봇의 암 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
어떤 경우에는, 상기 관절은 고관절, 견괄절, 무릎 관절, 팔꿈치 관절, 또는 발목 관절 중 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 양태는 컴퓨팅 시스템에서 컴퓨터 프로세스를 수행하기 위한 컴퓨터-실행가능 명령을 저장하는 하나 이상의 유형의 컴퓨터-판독가능 저장 매체를 수반할 수 있다. 컴퓨터 프로세스는, a) 제 1 위치에서 네비게이션 시스템의 추적 디바이스를 사용하여 제 1 환자 뼈 상에서 캡쳐된 환자 데이터 포인트의 복수 개의 제 1 데이터 포인트를 수신하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제 1 환자 뼈는 제 2 환자 뼈의 볼록부와 관절을 형성하는 오목부를 포함할 수 있으며, 상기 복수 개의 제 1 데이터 포인트는 상기 제 1 위치에서의 상기 제 1 환자 뼈의 제 1 가상 표면 프로파일을 나타낸다. 컴퓨터 프로세스는, b) 제 2 위치에서 상기 추적 디바이스를 사용하여 상기 제 1 환자 뼈 상에서 캡쳐된 환자 데이터 포인트의 제 2 데이터 포인트를 수신하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 제 2 위치는 상기 제 1 위치와 다르다. 컴퓨터 프로세스는, c) 상기 복수 개의 제 1 데이터 포인트로부터 제 1 회전 중심을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있는데, 상기 제 1 회전 중심은 상기 제 1 환자 뼈에 상대적인 상기 제 2 환자 뼈의 물리적 회전 중심을 나타낸다. 컴퓨터 프로세스는, d) 상기 제 1 회전 중심을 상기 제 1 환자 뼈의 컴퓨터 모델의 가상 회전 중심과 국부적으로 매칭하는 단계를 더 포함할 수 있는데, 상기 복수 개의 제 1 데이터 포인트, 상기 제 2 데이터 포인트, 좌표계에서의 상기 제 1 회전 중심, 상기 컴퓨터 모델, 및 상기 가상 회전 중심은 공통 좌표계 내에 있다. 컴퓨터 프로세스는, e) 상기 환자 데이터 포인트를 위치 및 배향에 관하여 상기 컴퓨터 모델과 레지스터링하도록, 상기 제 2 데이터 포인트를 상기 컴퓨터 모델의 제 2 가상 데이터 포인트와 국부적으로 매칭하는 단계를 더 포함할 수 있는데, 상기 제 2 가상 데이터 포인트는 상기 제 1 환자 뼈 상의 제 2 위치에 대응하는 위치에서 상기 컴퓨터 모델 상에 위치된다.
어떤 경우에는, 상기 관절은 고관절, 견괄절, 무릎 관절, 팔꿈치 관절, 또는 발목 관절 중 하나를 포함할 수 있다.
어떤 경우에는, 제 1 위치는 관절 표면을 포함할 수 있다.
어떤 경우에는, 단계 c)는 복수 개의 제 1 데이터 포인트에 의해 형성되는 구면을 계산하는 것을 더 포함할 수 있다.
어떤 경우에는, 하나 이상의 유형의 컴퓨터-판독가능 저장 매체는 상기 구면의 제 1 반경을 계산하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 제 1 반경은 상기 제 1 회전 중심으로부터 복수 개의 제 1 데이터 포인트로 연장된다.
어떤 경우에는, 하나 이상의 유형의(tangible) 컴퓨터-판독가능 저장 매체는 상기 제 1 반경을 상기 컴퓨터 모델의 가상 회전 중심으로부터 연장되는 가상 반경과 비교하는 단계를 더 포함할 수 있다.
어떤 경우에는, 단계 e)에서의 정보는 상기 제 2 데이터 포인트와 상기 제 1 회전 중심 사이의 제 1 길이를 포함할 수 있다.
어떤 경우에는, 상기 제 1 길이는 상기 제 2 가상 데이터 포인트와 상기 가상 회전 중심 사이의 가상 거리와 비교될 수 있다.
어떤 경우에는, 상기 제 2 데이터 포인트는 상기 오목부의 가장자리 또는 상기 오목부의 관절 표면 상에 위치될 수 있다.
어떤 경우에는, 상기 제 2 데이터 포인트는 상기 오목부의 가장자리 또는 상기 오목부의 관절 표면 상에 위치될 수 있고, 상기 컴퓨터 프로세스는, f) 상기 추적 디바이스를 사용하여 상기 제 1 환자 뼈 상에서 캡쳐된 환자 데이터 포인트의 제 3 데이터 포인트를 수신하는 단계 - 상기 제 3 데이터 포인트는 위치에 있어서 상기 컴퓨터 모델 상의 제 3 가상 데이터 포인트에 대응하고, 상기 제 3 데이터 포인트는 상기 제 2 데이터 포인트 및 상기 복수 개의 제 1 데이터 포인트와 다름 -; 및 g) 상기 제 1 환자 뼈를 상기 컴퓨터 모델과 레지스터링하도록, 상기 제 3 데이터 포인트 및 상기 제 3 가상 데이터 포인트를 국부적으로 매칭하는 단계를 더 포함할 수 있다.
어떤 경우에는, 상기 제 3 데이터 포인트는 상기 관절로부터 떨어져 있는 해부학적 랜드마크일 수 있다.
어떤 경우에는, 상기 관절로부터 떨어져 있는 것은 적어도 10 cm의 거리를 포함할 수 있다.
어떤 경우에는, 상기 제 1 환자 뼈는 장골일 수 있고, 상기 해부학적 랜드마크는 상전 장골능일 수 있다.
어떤 경우에는, 단계 g)에서의 제 2 정보는, 상기 제 1 회전 중심으로부터 상기 제 3 데이터 포인트까지 연장되는 제 1 벡터를 상기 가상 회전 중심으로부터 상기 제 3 가상 데이터 포인트까지 연장되는 제 2 벡터와 비교하는 것을 더 포함할 수 있다.
어떤 경우에는, 적어도 하나의 면에서의 상기 제 1 벡터와 제 2 벡터 사이의 각도차가 레지스트레이션 정확도를 결정하기 위하여 사용될 수 있다.
어떤 경우에는, 상기 제 3 데이터 포인트, 상기 제 2 데이터 포인트, 및 상기 복수 개의 데이터 포인트는, 상기 제 3 데이터 포인트, 상기 제 2 데이터 포인트, 및 상기 제 1 회전 중심이 콜리니어하지 않으면 수락가능한다.
어떤 경우에는, 상기 컴퓨터 모델은 상기 제 1 환자 뼈의 수술전 이미지, 및 상기 제 1 환자 뼈의 수술중 데이터 모음(data gathering) 중 적어도 하나로부터 생성될 수 있다.
본 발명의 양태는 제 1 뼈와 연관된 환자 데이터를 좌표계 내에서 상기 제 1 뼈의 컴퓨터 모델과 레지스터링하는 컴퓨터화된 방법을 수반할 수 있다. 제 1 뼈는 오목부를 포함할 수 있고, 볼록부를 포함할 수 있는 제 2 뼈와 관절(joint)을 형성한다. 컴퓨터화된 방법은 a) 상기 제 1 뼈의 오목부의 관절 표면 상에서 수술중에 수집된 제 1 포인트로부터 상기 환자 데이터의 제 1 데이터 포인트를 수신하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제 1 데이터 포인트는 네비게이션 시스템의 추적 디바이스로 수집된다. 컴퓨터화된 방법은 b) 상기 제 1 뼈 상에서 수술중에 수집된 제 2 포인트로부터 상기 환자 데이터의 제 2 데이터 포인트를 수신하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 제 2 데이터 포인트는 상기 추적 디바이스로 수집되고, 상기 제 2 데이터 포인트는 위치에 있어서 상기 컴퓨터 모델 상의 제 2 가상 데이터 포인트에 대응한다. 컴퓨터화된 방법은 c) 상기 제 1 데이터 포인트로부터 상기 제 1 뼈에 상대적인 상기 제 2 뼈의 수술중 회전 중심을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 컴퓨터화된 방법은 d) 상기 수술중 회전 중심을 상기 좌표계 내에서 상기 컴퓨터 모델의 가상 회전 중심과 국부적으로 매칭하는 단계를 더 포함할 수 있다. 컴퓨터화된 방법은 e) 상기 가상 회전 중심과 상기 제 2 가상 데이터 포인트 사이의 제 1 거리를 상기 수술중 회전 중심과 상기 제 2 데이터 포인트 사이의 제 2 거리와 비교하는 단계를 더 포함할 수 있다.
어떤 경우에는, 상기 제 2 데이터 포인트는 상기 오목부의 가장자리, 상기 오목부의 관절 표면, 또는 상기 제 1 뼈의 다른 부분 상에 위치될 수 있다.
어떤 경우에는, 컴퓨터화된 방법은, f) 상기 제 1 뼈 쌍의 수술중에 수집된 제 3 포인트로부터 환자 데이터의 제 3 데이터 포인트를 수신하는 단계 - 상기 제 3 데이터 포인트는 상기 추적 디바이스로 수집되고, 상기 제 3 데이터 포인트는 상기 제 1 뼈 상에 상기 제 2 데이터 포인트와 다른 위치에 있으며, 위치에 있어서 상기 컴퓨터 모델 상의 제 3 가상 데이터 포인트에 대응함 -; 및 g) 상기 가상 회전 중심과 상기 제 3 가상 데이터 포인트 사이의 제 3 거리를 상기 수술중 회전 중심과 상기 제 3 데이터 포인트 사이의 제 4 거리와 비교하는 단계를 더 포함할 수 있다.
어떤 경우에는, 상기 관절은 고관절, 견괄절, 무릎 관절, 팔꿈치 관절, 또는 발목 관절 중 하나를 포함할 수 있다.
어떤 경우에는, 단계 c)는 상기 제 1 데이터 포인트에 의해 형성되는 구면(spherical surface)을 계산하는 것을 더 포함할 수 있다.
어떤 경우에는, 컴퓨터화된 방법은 상기 구면의 수술중 반경을 계산하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 수술중 반경은 상기 수술중 회전 중심으로부터 개략적으로 상기 제 1 데이터 포인트를 향해 연장된다.
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어떤 경우에는, 컴퓨터화된 방법은 상기 수술중 반경을 상기 컴퓨터 모델의 가상 회전 중심으로부터 연장되는 가상 반경과 비교하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 양태는 제 1 환자 뼈와 연관된 제 1 환자 데이터를 병진 및 회전에 관하여 좌표계 내에서 상기 제 1 환자 뼈의 컴퓨터 모델과 레지스터링하는 컴퓨터화된 방법을 수반할 수 있다. 상기 제 1 환자 뼈는 제 2 환자 뼈의 볼록부와 관절을 형성하는 오목부를 포함할 수 있다. 컴퓨터화된 방법은, a) 상기 제 1 환자 데이터와 상기 제 1 환자 뼈의 컴퓨터 모델 사이의 병진을, i) 상기 제 1 환자 데이터의 복수 개의 제 1 데이터 포인트를 수신하는 것 - 상기 복수 개의 제 1 데이터 포인트는 제 1 위치에서 상기 제 1 환자 뼈 상에서 수집된 제 1 포인트에 대응하고, 상기 제 1 포인트는 네비게이션 시스템의 추적 디바이스로 수집됨 -; ii) 상기 복수 개의 제 1 데이터 포인트로부터 상기 제 1 환자 뼈의 오목부에 상대적인 상기 제 2 환자 뼈의 볼록부의 수술중 회전 중심을 결정하는 것; 및 iii) 상기 수술중 회전 중심을 상기 좌표계에서의 상기 제 1 환자 뼈의 컴퓨터 모델의 가상 회전 중심과 정렬시키는 것에 의하여 로킹(locking)하는 단계를 더 포함할 수 있다.
어떤 경우에는, 컴퓨터화된 방법은, b) 상기 제 1 데이터 포인트와 상기 제 1 환자 뼈의 컴퓨터 모델 사이의 회전을, i) 상기 제 1 환자 뼈 상의 상기 제 1 데이터 포인트의 제 2 데이터 포인트를 추적 디바이스를 사용하여 캡쳐하는 것 - 상기 제 2 데이터 포인트는 상기 복수 개의 제 1 데이터 포인트와 상이한 위치에 있고, 위치에 있어서 상기 컴퓨터 모델 상의 제 2 가상 데이터 포인트에 대응함 -; 및 ii) 상기 제 2 데이터 포인트 및 상기 제 2 가상 데이터 포인트와 연관된 정보를 사용하여, 상기 제 1 데이터 포인트와 상기 컴퓨터 모델의 회전을 로킹하는 것에 의하여 로킹하는 단계를 더 포함할 수 있다.
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어떤 경우에는, 상기 관절은 고관절, 견괄절, 무릎 관절, 팔꿈치 관절, 또는 발목 관절을 포함할 수 있다.
어떤 경우에는, 제 1 위치는 관절 표면을 포함할 수 있다.
어떤 경우에는, 단계 c)는 복수 개의 제 1 데이터 포인트에 의해 형성되는 구면을 계산하는 것을 더 포함할 수 있다.
어떤 경우에는, 컴퓨터화된 방법은 상기 구면의 수술중 반경을 계산하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 수술중 반경은 상기 수술중 회전 중심으로부터 개략적으로 복수 개의 제 1 데이터 포인트를 향해 연장된다.
어떤 경우에는, 컴퓨터화된 방법은 상기 수술중 반경을 상기 컴퓨터 모델의 가상 회전 중심으로부터 연장되는 가상 반경과 비교하는 단계를 더 포함할 수 있다.
어떤 경우에는, 상기 제 1 환자 뼈는 관골구를 가지는 장골을 포함할 수 있고, 상기 제 2 환자 뼈는 대퇴골을 포함할 수 있으며, 상기 관절은 고관절을 포함할 수 있고, 상기 제 1 위치는 상기 관골구의 관절 표면 상에 있을 수 있으며, 상기 상이한 위치는 상기 관골구 가장자리, 상기 관골구의 관절 표면, 상기 장골의 상전 장골능, 또는 무수술(non-operative) 장골의 상전 장골능 상에 있을 수 있다.
본 발명의 양태는 환자의 제 1 뼈와 연관된 수술중 데이터를 상기 제 1 뼈의 컴퓨터 모델과 레지스터링하는 것을 수반하는 레지스트레이션 프로시저 중의 유도식 랜드마크 캡쳐를 위한 시스템을 수반할 수 있다. 시스템은 a) 추적 디바이스 및 이동시에 추적 디바이스에 의해 추적되도록 구성되는 적어도 하나의 툴을 포함할 수 있는 수술용 네비게이션 시스템을 포함할 수 있다. 시스템은 b) 디스플레이 디바이스를 더 포함할 수 있다. 시스템은 c) 상기 디스플레이 디바이스 및 상기 수술용 네비게이션 시스템과 전기 통신 상태인 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스를 더 포함할 수 있고, 상기 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스는, 입력부; 출력부; 메모리; 및 상기 입력부, 상기 출력부 및 상기 메모리와 전기 통신 상태인 중앙 처리 유닛("CPU")을 포함할 수 있으며, 상기 메모리는 그래픽 사용자 인터페이스("GUI")를 동작시키기 위한 소프트웨어를 포함할 수 있고, 상기 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스는, i) 상기 GUI 및 상기 제 1 뼈의 컴퓨터 모델을 상기 디스플레이 디바이스 상에 디스플레이하도록 구성되며, 상기 GUI는 상기 제 1 뼈의 컴퓨터 모델 상에 디스플레이된 가상 포인트를 포함할 수 있고, 상기 가상 포인트는 상기 적어도 하나의 툴로의 수술중 캡쳐를 위해서 상기 제 1 뼈 상의 물리적 포인트에 대응하며, 상기 GUI는 상기 가상 포인트를 적어도 부분적으로 둘러싸는 그래픽을 더 포함할 수 있고, 상기 그래픽은 상기 가상 포인트로부터 반경만큼 이격되어 배치된다.
GUI는 ii) 상기 적어도 하나의 툴과 상기 제 1 뼈 상의 물리적 포인트 사이의 거리의 변화에 기초하여, 상기 그래픽의 반경의 크기를 조절하도록 더 구성될 수 있다.
어떤 경우에는, 상기 그래픽의 반경의 크기는 상기 거리의 변화가 감소함에 따라 감소된다.
어떤 경우에는, 상기 그래픽의 반경의 크기는 상기 거리의 변화가 증가함에 따라 증가된다.
어떤 경우에는, 그래픽은 화살표 및 원 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
어떤 경우에는, 상기 물리적 포인트가 수술중에 캡쳐되면 상기 그래픽은 색상을 변경한다.
어떤 경우에는, 상기 거리의 변화는, 상기 적어도 하나의 툴의 끝과 상기 제 1 뼈 상의 물리적 포인트 사이일 수 있다.
어떤 경우에는, 상기 적어도 하나의 툴은, 네비게이션 프루브, 및 로봇 암과 커플링된 툴의 끝 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 1a 는 b는 대퇴골 및 골반의 사시도이다.
도 1b 는 도 1a 의 대퇴골 및 골반에 의해 형성된 고관절의 사시도이다.
도 2a 는 고관절 전치환 프로시저를 위한 대퇴부 요소 및 관골구의(acetabular) 구성 요소의 분해 사시도이다.
도 2b 는 도 2a 의 대퇴부 요소 및 관골구 요소의 도 1a 의 대퇴골 및 골반에 상대적인 배치를 각각 나타내는 사시도이다.
도 3a 는 수술 시스템의 일 실시예의 사시도이다.
도 3b 는 도 3a 의 수술 시스템의 로봇 암의 일 실시예의 사시도이다.
도 4 는 수술 프로시저 중에 사용하기 위한 컴퓨터 디스플레이의 일 실시예를 예시한다.
도 5 는 고관절 교체 프로시저의 단계의 일 실시예를 예시한다.
도 6 및 도 7 은 디스플레이 스크린 상에 표시된 골반 레지스트레이션 방법의 일 실시예를 예시한다.
도 8a 는 골반 레지스트레이션 방법의 단계의 일 실시예를 예시한다.
도 8b 는 도 8a 의 골반 레지스트레이션 방법의 많은 단계들의 다양한 특성을 보여주는 표이다.
도 9a 는 관골구의 관절 표면을 따라 강조된 대역을 보여주는, 환자 골반의 3 차원 뼈 모델의 측면도이다.
도 9b 는 관골구의 관절 표면 상의 포인트에 접촉하는 네비게이션의 프루브의 원위의 끝이 있는 수술중의 환자 골반의 측면도이다.
도 9c 는 좌측에 관골구의 관절 표면 상의 캡쳐된 포인트에 의해 생성되는 구를, 그리고 우측에 구의 반경을 보여주기 위해서 구의 3/4 세그먼트를 도시한다.
도 9d 는 환자 골반의 의료용 이미징으로부터 수술전에 결정된 회전 중심점이 있는 3 차원 뼈 모델의 측면도를 도시한다.
도 10a 는 전 관골구 가장자리(anterior acetabular rim) 상에 강조된 점이 있는 3 차원 뼈 모델의 전방 측면도(antero-lateral view)이다.
도 10b 는 전 관골구 가장자리 상의 점에 접촉한 네비게이션의 프루브의 원위의 끝이 있는 수술중의 환자 골반의 측면도이다.
도 10c 는 관골구의 후 관절 표면 상에 강조된 포인트가 있는 3 차원 뼈 모델의 전방 측면도이다.
도 10d 는 관골구의 후 관절 표면 상의 포인트에 접촉하는 네비게이션의 프루브의 원위의 끝이 있는 수술중의 환자 골반의 측면도이다.
도 10e 는 후 관골구 가장자리 상에 강조된 포인트가 있는 3 차원 뼈 모델의 후방 측면도이다.
도 10f 는 후 관골구 가장자리 상의 점에 접촉한 네비게이션의 프루브의 원위의 끝이 있는 수술중의 환자 골반의 측면도이다.
도 10g 는 관골구의 전 관절 표면 상에 강조된 포인트가 있는 3 차원 뼈 모델의 후방 측면도이다.
도 10h 는 관골구의 전 관절 표면 상의 포인트에 접촉하는 네비게이션의 프루브의 원위의 끝이 있는 수술중의 환자 골반의 측면도이다.
도 11a 는 상전 장골능 상에 강조된 포인트가 있는 3 차원 뼈 모델의 전방 측면도이다.
도 11b 는 ASIS 상의 포인트에 접촉하는 네비게이션의 프루브의 원위의 끝이 있는 수술중의 환자 골반의 측면도이다.
도 11c 는 관골구 면에 대한 각도 배향을 측정하기 위해서 벡터 쌍을 표시한 3 차원 뼈 모델의 측면도이다.
도 12a 는 관골구 가장자리의 전후 측면 상에 강조된 대역이 있는 환자 골반의 3 차원 뼈 모델의 측면도이다.
도 12b 는 관골구 가장자리의 전 측면 상의 점에 접촉한 네비게이션의 프루브의 원위의 끝이 있는 수술중의 환자 골반의 측면도이다.
도 12c 는 관골구 가장자리의 상전(posterior and superior) 측면 상에 강조된 대역이 있는 환자 골반의 3 차원 뼈 모델의 측면도이다.
도 12d 는 관골구 가장자리의 후 측면 상의 점에 접촉한 네비게이션의 프루브의 원위의 끝이 있는 수술중의 환자 골반의 측면도이다.
도 13a 는 관골구 면에 수직인 평면 주위의 경사를 측정하기 위한 벡터 쌍을 도시하는, 3 차원 뼈 모델의 앞모습이다.
도 13b 는 후 관골구 가장자리 상에 강조된 포인트, 및 이러한 포인트를 둘러싸는 그래픽의 제 1 실시예가 있는 3 차원 뼈 모델의 후방 측면도인데, 그래픽은 포인트로부터 제 1 반경만큼 이격된다.
도 13c 는 후 관골구 가장자리 상에 강조된 포인트, 및 이러한 포인트를 둘러싸는 그래픽의 제 1 실시예가 있는 3 차원 뼈 모델의 후방 측면도인데, 그래픽은 포인트로부터 제 2 반경만큼 이격된다.
도 13d 는 후 관골구 가장자리 상에 강조된 포인트, 및 이러한 포인트를 둘러싸는 그래픽의 제 2 실시예가 있는 3 차원 뼈 모델의 후방 측면도인데, 그래픽은 포인트로부터 제 1 반경만큼 이격된다.
도 13e 는 후 관골구 가장자리 상에 강조된 포인트, 및 이러한 포인트를 둘러싸는 그래픽의 제 2 실시예가 있는 3 차원 뼈 모델의 후방 측면도인데, 그래픽은 포인트로부터 제 2 반경만큼 이격된다.
도 14 는 본 명세서에서 논의되는 다양한 시스템 및 방법을 구현할 수 있는 하나 이상의 컴퓨팅 유닛을 가지는 예시적인 컴퓨팅 시스템이다.
도 15a 는 무릎 관절의 뒷모습이다.
도 15b 는 견괄절의 전방 측면도이다.
도 15c 는 팔꿈치 관절의 전방 측면도이다.
도 15d 는 발목 관절의 내부도이다.
도 16a 는 상후 장골능(posterior superior iilac spine)과 원위의 천골 사이의 기하학적 관련성을 보여주는, 골반의 뒷모습이다.
도 16b 는 가장 먼 관절과 가장 가까운 관절 사이의 기하학적 관련성을 보여주는, 척추의 뒷모습이다.
I. 개관
고관절은 대퇴골과 골반 사이의 관절이고, 주로 인체의 무게를 정적(예를 들어, 선 상태) 및 동적(예를 들어, 걷는 상태) 자세에서 지지하는 기능을 한다. 도 1a 는 좌측 골반 또는 장골(12) 및 좌측 대퇴골(14)의 근단부를 포함하는, 고관절(10)의 기능측의 뼈를 도시한다. 우측 골반 및 우측 대퇴골의 근단부가 도 1a 에는 도시되지 않지만, 본 명세서의 설명은 제한이 없이 우측 및 좌측 대퇴골 및 골반 양자 모두에 적용가능하다. 계속하면, 대퇴골(14)의 근단부는 대퇴경부(18) 상에 배치된 대퇴골두(femoral head; 16)를 포함한다. 대퇴경부(18)는 대퇴골두(16)를 대퇴골 간부(femoral shaft; 20)에 연결한다. 도 1b 에 도시된 바와 같이, 대퇴골두(16)는 관골구(22)라고 불리는 골반(12) 내의 오목 소켓 내로 맞춤되어, 고관절(10)을 형성한다. 관골구(22) 및 대퇴골두(16) 양자 모두는 충격을 흡수하고 관절(10)의 결구(articulation)를 촉진하는 관절 연골에 의해 덮인다.
시간이 지남에 따라서, 고관절(10)은 퇴화하고(예를 들어, 골관절염 때문에), 통증과 감소된 기능성이 생긴다. 결과적으로, 총 고관절 관절성형(arthroplasty) 또는 고관절 재생(resurfacing)과 같은 고관절 교체 프로시저가 필요할 수 있다. 고관절 교체 중에, 의사는 환자의 고관절(10)의 일부를 인공 구성 요소로 교체한다. 총 고관절 관절성형에서, 의사는 대퇴골두(16) 및 경부(18)를 제거하고, 있던 뼈를 두부(26a), 경부(26b), 및 스템(26c)(도 2a 에 도시되는)을 포함하는 보철 대퇴부 요소(26)로 교체한다. 도 2b 에 도시된 바와 같이, 대퇴부 요소(26)의 스템(26c)은 의사가 대퇴골(14)의 골수관(intramedullary canal)내에 만든 구멍 내에 고정된다. 또는, 병이 대퇴골두(16)의 표면에만 한정되어 있으면, 의사는 대퇴골두가 재생되고(예를 들어, 원통형 골 확장기(reamer)를 사용) 보철 대퇴골두 컵(미도시)과 맞춤되는 더 적게 침습적인 접근법을 선택할 수도 있다. 이와 유사하게, 골반(12)의 천연 관골구(22)가 낡거나 병들게 되면, 의사는 골 확장기를 사용하여 관골구(22)를 재생시키고, 천연 표면을 라이너(liner; 28b)를 포함할 수 있는 반구형 컵(28a)(도 2a 에 도시됨)을 포함하는 보철 관골구 요소(28)로 대체한다. 관골구 요소(28)를 설치하기 위하여, 의사는 컵(28a)을 임팩터 툴의 원단부에 연결하고, 나무망치로 반복적으로 가격함으로써 임팩터 툴의 근단부를 확장된 관골구(22) 내에 이식한다. 관골구 요소(28)가 라이너(28b)를 포함하면, 의사는 컵(28a)을 이식한 후에 컵(28a) 내로 라이너(28b)를 스냅(snap)한다. 의사가 수술하기 위해 환자를 배치하는 위치에 따라서, 의사는 관골구(22)를 확장하기 위해서 직선형 또는 오프셋 골 확장기를 사용하고 관골구 컵을 이식하기 위해서 직선형 또는 오프셋 임팩터를 사용할 수 있다. 예를 들어, 후측방향 접근법을 사용하는 의사는 직선형 골확장과 매복(impaction)을 선호할 수 있는 반면에, 전측방향 접근법을 사용하는 의사는 오프셋 골확장 및 매복을 선호할 수 있다.
II. 예시적인 로봇 시스템
본 명세서에서 설명되는 수술 시스템은 고관절 교체 및 다른 수술 프로시저를 수행하기 위하여 이용될 수 있다. 도 3a 에 도시된 바와 같이, 외과적 애플리케이션을 위한 수술 시스템(5)의 일 실시예는 컴퓨터-지원 네비게이션 시스템(7), 추적 디바이스(8), 컴퓨터(15), 디스플레이 디바이스(9)(또는 다수의 디스플레이 디바이스(9)), 및 로봇 암(30)을 포함한다.
로봇 암(30)은 환자에게 수술 프로시저, 예컨대 고관절 교체 프로시저를 수행하기 위해서 의사에 의해 쌍방향 방식으로 사용될 수 있다. 도 3b 에 도시된 바와 같이, 로봇 암(30)은 베이스(32), 관절형 암(34), 포스(force) 시스템(미도시), 및 제어기(미도시)를 포함한다. 수술용 툴(58)(예를 들어, 도 3a 에서 볼 수 있는 바와 같은 회전식 버얼링 디바이스, 도 3b 에서 볼 수 있는 바와 같은 동작 부재를 가지는 엔드 이펙터(40))은 관절형 암(34)의 단부에 커플링되고, 의사는 손으로 쥐고 관절형 암(34) 및/또는 수술용 툴을 수동으로 이동시킴으로써 수술용 툴(58)을 조작한다.
포스 시스템 및 제어기는 수술용 툴을 조작하는 동안 의사를 제어하고 유도하도록 구성된다. 포스 시스템은 적어도 일부의 힘을 관절형 암(34)을 통해 수술용 툴에 제공하도록 구성되고, 제어기는 포스 시스템을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하도록 프로그래밍된다. 일 실시예에서, 포스 시스템은, 예를 들어 2006 년 2 월 21 일 출원된 미국 특허 출원 번호 제 11/357,197(공개 번호 US 2006/0142657), 및/또는 2009 년 12 월 22 일 출원된 미국 특허 출원 번호 제 12/654,519 에 기술된 바와 같이, 의사가 수술용 툴을 햅틱 객체에 의해 규정되는 미리 규정된 가상 경계를 넘어서 수동으로 이동시키는 것을 제한하거나 방지하기 위한 햅틱(또는 힘) 피드백을 제공하는 액츄에이터 및 역구동식 트랜스미션을 포함하는데, 이들 각각은 전체로서 원용에 의해 본원에 통합된다. 어떤 실시예에서 수술 시스템은 MAKO Surgical Corp. of Fort Lauderdale, Fla에 의해 제조된 RIO TM. Robotic Arm Interactive Orthopedic System이다. 포스 시스템 및 제어기는 로봇 암(30) 내에 하우징되는 것이 바람직하다.
추적 디바이스(8)는 수술용 툴(58)(로봇 암(30)에 커플링됨) 및 환자의 해부학적 구조의 상대적인 위치를 추적하도록 구성된다. 수술용 툴(58)은 추적 디바이스(8)에 의해 직접적으로 추적될 수 있다. 또는, 수술용 툴의 자세는, 로봇 암(30)의 베이스(32)의 위치를 추적하고, 수술용 툴(58)의 자세를 로봇 암(30)의 관절로부터의 관절 인코더 데이터 및 수술용 툴과 로봇 암(30) 사이의 공지된 기하학적 관련성에 기초하여 계산함으로써 결정될 수 있다. 특히, 네비게이션 시스템(7)이 툴과 해부학적 구조 사이의 상대적인 관련성을 알 수 있도록, 추적 디바이스(8)(예를 들어, 광학식, 기계식, 전자기식, 또는 다른 공지된 추적 시스템)는 수술용 툴의 자세(즉, 위치 및 배향) 및 환자의 해부학적 구조를 추적한다(또는 그 결정을 가능하게 함).
수술 중에, 사용자(예를 들어, 의사)는 환자에게 수술 태스크, 예컨대 뼈 절개 또는 임플란트 설치를 수행하기 위하여, 로봇 암(30)을 이동시켜 수술용 툴(58)(예를 들어, 회전식 버얼링 디바이스, 동작 부재가 있는 엔드 이펙터(40))를 조작한다. 의사가 툴(58)을 조작할 때, 추적 디바이스(8)는 수술용 툴의 위치를 추적하고, 로봇 암(30)은 의사가 툴(58)을 환자의 해부학적 구조에 맞게 레지스터링된(또는 매핑된) 미리 규정된 가상 경계를 넘어서 이동시킬 수 없게 제한하는 햅틱(또는 힘) 피드백을 제공하며, 그 결과 매우 정확하고 반복가능한 뼈 절개 및/또는 임플란트 설치가 이루어진다. 로봇 암(30)은 수동 방식으로 동작하고, 의사가 수술용 툴(58)을 가상 경계를 넘어 이동시키려고 할 경우 햅틱 피드백을 제공한다. 햅틱 피드백은 로봇 암(30) 내의 하나 이상의 액츄에이터(예를 들어, 모터)에 의해 생성되고, 케이블 드라이브 송신과 같은 탄력적 송신을 통해 의사에게 전파된다. 로봇 암(30)이 햅틱 피드백을 제공하지 않으면, 로봇 암(30)은 의사에 의해 자유롭게 이동되고, 의사가 요구할 때 활성화될 수 있는 가상 브레이크를 포함하는 것이 바람직하다. 수술 프로시저 중에, 네비게이션 시스템(7)은 수술 프로시저에 관련된 이미지를 디스플레이 디바이스(9) 중 하나 또는 양자 모두에 디스플레이한다.
시스템 내의 다양한 장비를 추적하는 것을 돕기 위해서, 로봇 암(30)은 로봇 암(30)의 광역 또는 그로스 위치를 추적하기 위한 디바이스 마커(48), 관절형(articulating) 암(34)의 원단부를 추적하기 위한 툴 단부 마커(54), 및 레지스트레이션 프로세스에서 사용하기 위한 무구속(free-hand) 네비게이션 프루브(56)를 포함할 수 있다. 이러한 마커(48, 54, 56) 각각(환자의 뼈 내에 위치된 네비게이션 마커와 같은 것들 중에서)은, 예를 들어 광학 카메라가 있는 추적 디바이스(8)에 의해 추적될 수 있다.
컴퓨터(15)는 디스플레이 및 입력 디바이스(예를 들어, 키보드, 마우스)를 포함할 수 있고, 시스템 내의 네비게이션 시스템(7), 추적 디바이스(8), 다양한 디스플레이 디바이스(9), 및 로봇 암(30)과 통신하도록 구성된다. 더욱이, 컴퓨터(15)는 특정 수술 프로시저에 관련된 정보를 수신하고 수술 프로시저를 수행하는 데에 관련된 다양한 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터(15)는 이미지 분석, 수술 계획설정, 레지스트레이션, 네비게이션, 이미지 유도, 및 햅틱 유도에 관련된 기능을 수행하기 위하여 필요한 소프트웨어를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 논의되는 다양한 시스템 및 방법을 구현할 수 있는 하나 이상의 컴퓨팅 유닛을 가지는 예시적인 컴퓨팅 시스템의 더 상세한 분석은 도 14 를 참조하여 후술된다.
도 3b 는 로봇 보조 고관절 관절성형에서 사용하기에 특히 적합한 엔드 이펙터(40)를 도시한다. 엔드 이펙터(40)는 로봇 암(30)의 단부에 탑재되도록 구성된다. 엔드 이펙터(40)는 탑재부(50), 하우징, 커플링 디바이스, 및 해제 부재를 포함한다. 엔드 이펙터(40)는 다수의 동작 부재를 로봇 암(30)에 상대적으로 개별적으로 그리고 상호교환가능하도록 지지하고 정확하게 위치설정하도록 구성된다. 도 3b 에서 볼 수 있는 바와 같이, 엔드 이펙터(40)는 동작 부재(100)에 커플링된다. 엔드 이펙터(40) 및 관련된 툴, 시스템, 및 방법은 2010 년 9 월 29 일 출원된 미국 특허 출원 번호 제 12/894,071 에 기술되는데, 이것은 그 전체가 원용에 의해 본원에 통합된다.
탑재부(또는 마운트)(50)는 엔드 이펙터(40)를 로봇 암(30)에 커플링하는 것이 바람직하다. 특히, 탑재부(50)는 하우징으로부터 연장되고, 탑재부들이 서로에 대해 고정되도록, 엔드 이펙터(40)를 로봇 암(30)의 대응하는 탑재부(35)로, 예를 들어 기계적 체결구를 사용하여 커플링하도록 구성된다. 탑재부(50)는 하우징에 부착되거나 하우징과 일체화되어 형성될 수 있고, 엔드 이펙터(40)를 로봇 암(30)에 상대적으로 정확하고 반복적으로 위치설정하도록 구성된다. 일 실시예에서, 탑재부(50)는 2009 년 12 월 22 일 출원되는 미국 특허 출원 번호 제 12/644,964 에 기술되는 것과 같은 반-운동식 마운트인데, 이것은 그 전체가 원용에 의해 본원에 통합된다.
도 3b 의 엔드 이펙터(40)는 수술용 로봇 암(30)에 의해 추적되고 사용될 수 있는 수술용 툴의 하나의 예이다. 당업계에 공지된 바와 같은 다른 툴(예를 들어, 드릴, 버얼)이 주어진 수술 프로시저를 위해서 로봇 암에 부착될 수 있다.
III. 수술 프로시저의 수술전 계획설정
수술 프로시저 이전에, 환자의 골반(12) 및 대퇴골(14)의 수술전 CT(computed tomography) 스캔이 의료용 이미징 디바이스로 생성된다. 비록 CT 스캔을 집중적으로 설명하지만, 다른 이미징 기법(예를 들어, MRI)도 유사하게 채용될 수 있다. 추가적으로 및 대안적으로, CT 스캔 및/또는 3 차원 모델(512, 514)이 수술 계획설정을 위해서 사용될 수 있는데, 그러면 CT 기초 모델이 아니라 실제 x-선 이미지를 사용하여 임플란트 배치를 계획하는 데에 익숙한 의사에게 도움이 될 수 있다. CT 스캔은 의사에 의해서 또는 독립적 이미징 설비에서 수행될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 수술중 이미징 방법은 뼈의 환자 모델을 생성하도록 채용될 수 있다. 예를 들어, 관심 대상인 다양한 골면이 추적된 프루브로 탐침되어 관심 표면의 표면 프로파일을 생성할 수 있다. 표면 프로파일은 환자 뼈 모델로서 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 환자 뼈 모델 또는 그 일부를 생성하기 위한 모든 방법에 적용가능하다.
도 4 에 도시된 바와 같이, CT 스캔 또는 CT 스캔에서 얻은 데이터는 구획되어 골반(12)의 3 차원 모델(512) 및 대퇴골(14)의 3 차원 모델(514)을 얻는다. 3 차원 모델(512, 514)은 수술 계획을 구성하기 위해서 의사에 의해 사용된다. 의사는 환자의 해부학적 구조의 모델(512, 514)에 상대적인 관골구 요소 및 대퇴부 요소의 요구되는 자세(즉, 위치 및 배향)를 지정함으로써 수술 계획을 세운다. 예를 들어, 관골구 컵의 계획된 자세(500)가 지정되고 컴퓨터 디스플레이, 예컨대 디스플레이 디바이스(9) 상에 디스플레이된다. 수술 프로시저 중에, 물리적 공간에서의 환자의 해부학적 구조 및 수술용 툴의 움직임이 추적 디바이스(8)에 의해 추적되고, 이렇게 추적된 객체들이 네비게이션 시스템(7)(이미지 공간) 내의 대응하는 모델로 레지스터링된다. 결과적으로, 물리적 공간 내의 객체가 이미지 공간 내의 대응하는 모델과 상관된다. 그러므로, 수술 시스템(5)은 환자의 해부학적 구조 및 계획된 자세(500)에 상대적인 수술용 툴의 실제 위치를 알고 있으며, 이러한 정보가 수술 프로시저 중에 디스플레이 디바이스(9)에 그래픽으로 표시된다.
어떤 실시예에서는, 모델(512, 514)은 각각 전체 골면(12, 14)에 대한 것일 수 있다. 어떤 실시예에서는, 모델(512, 514)은 관골구(22) 및 대퇴골두(16)와 같이 관심 대상인 임계 영역을 제공하는 트리밍된 3 차원 모델일 수도 있다. 즉, 트리밍된 3차원 모델은 전체 뼈 모델(512, 514) 중 일부만을 표시한다. 어떤 실시예에서는, 모델(512, 514)은 여러 모델들의 조합일 수도 있다. 예를 들어, 모델(512)은 수술(operative) 골반, 무수술 골반, 및 척추의 개개의 3차원 모델의 조합일 수 있다.
IV. 수술중 프로시저
A.
도 5 는 고관절 전치환을 수행하는 수술중 단계들의 실시예를 예시한다. 이러한 실시예에서, 단계 S1-S7, S9, S11, 및 S12 는 로봇의 지원과 함께 또는 지원이 없이 수행될 수 있다. 다른 실시예들에서, S1-S2 는 요구되지 않을 수 있고, S3-S5 는 S1-S2 이전에 수행될 수 있으며, S7 은 S8 이전의 임의의 시점에 수행될 수 있다. 단계 S8 및 S10 은 로봇 암(30)을 사용하여 수행되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 단계 S8(골확장)은 동작 부재(100)에 커플링된 엔드 이펙터(40)가 있는 도 3 의 로봇 암(30)을 사용하여 수행될 수 있고, 단계 S10(매몰)은 다른 동작 부재에 커플링된 엔드 이펙터(40)를 가지는 로봇 암(30)을 사용하여 수행될 수 있다.
수술 프로시저의 단계 S1 에서, 추적 디바이스(8)가 대퇴골(14)의 움직임을 추적할 수 있게 하기 위해서 추적 어레이가 대퇴골(14)에 부착된다. 단계 S2 에서, 대퇴골(14)의 자세(물리적 공간)를 네비게이션 시스템(7)(이미지 공간) 내의 대퇴골(14)의 3 차원 모델(514)과 상관시키기 위해서, 대퇴골(14)이 레지스터링된다(임의의 공지된 레지스트레이션 기법을 사용함). 또한, 대퇴골 체크포인트가 부착된다. 단계 S3 에서, 대퇴골(14)은 네비게이션된 대퇴부 브로치(broach)를 사용하여 대퇴부 임플란트(예를 들어, 대퇴부 요소(26))를 수용하도록 준비된다.
B. 골반의 추적 및 레지스트레이션
1. 개관
도 5 의 단계 S4 에서, 추적 디바이스(8)가 골반(12)의 움직임을 추적할 수 있도록 관골구 추적 어레이가 골반(12)에 부착된다. 단계 S5 에서, 관골구 추적 어레이가 골반(12)에 대해서 이동되지 않았다는 것을 검증하기 위해서, 수술 프로시저 중에 사용되도록 체크포인트가 골반(12)에 부착된다. 체크포인트는, 예를 들어 2007 년 5 월 18 일 출원된 미국 특허 출원 번호 제 11/750,807(공개 번호 US 2008/0004633)에 기술된 바와 같은 체크포인트일 수 있는데, 이것은 그 전체가 본원에 원용에 의해 통합된다.
단계 S6 에서, 골반(12)의 자세(물리적 공간)를 네비게이션 시스템(7)(이미지 공간) 내의 골반(12)의 3 차원 모델(512)과 상관시키기 위해서 골반(12)은 레지스터링된다. 어떤 실시예에서는, 도 6 에 도시된 바와 같이, 레지스트레이션은 골반(12) 상의 포인트(물리적 공간)를 수집하기 위한 추적된 네비게이션 프루브(56)를 사용하여 달성되고, 이러한 포인트들이 골반(12)의 3 차원 모델(512)(이미지 공간)에 있는 대응하는 포인트에 매칭된다. 어떤 실시예에서는, 레지스트레이션은 로봇 암(30)의 엔드 이펙터(40)에 커플링되는 툴을 사용하여 달성될 수 있다. 어떤 실시예에서는, 레지스트레이션은 네비게이션 시스템(7)으로 추적되는 임의의 툴 또는 디바이스로 달성될 수 있다. 골반의 3 차원 모델(512)(이미지 공간) 및 골반(12)(물리적 공간)을 레지스터링하기 위한 두 가지 방법이 본 출원의 후속 부분에서 설명된다.
2. 제 1 골반 레지스트레이션 방법
도 6 에 도시된 바와 같이, 디스플레이 디바이스(9)는 하나 이상의 레지스트레이션 포인트(516)를 포함하는, 골반(12)의 표현(512)을 표시할 수 있다. 레지스트레이션 포인트(516)는 실제 해부학적 구조 상 어느 지점에서 추적된 프루브로 포인트를 수집할지를 의사가 이해하도록 돕는다. 레지스트레이션 포인트(516)는 의사를 더 돕기 위해서 컬러 코딩될 수 있다. 예를 들어, 추적된 프루브로 다음에 수집될 골반(12) 상의 레지스트레이션 포인트(516) 황색이 될 수 있는 반면에, 이미 수집된 레지스트레이션 포인트(516)는 녹색이 될 수 있고, 나중에 수집될 레지스트레이션 포인트(516)는 적색이 될 수 있다. 레지스트레이션 후에, 디스플레이 디바이스(9)는 레지스트레이션 알고리즘이 물리적으로 수집된 포인트를 골반(12)의 표현(512)에 얼마나 양호하게 근사화하는지를 의사에게 보여줄 수 있다.
예를 들어, 도 7 에 도시된 바와 같이, 오차 포인트(518)는 표현(512)의 표면과 물리적 골반(12)의 대응하는 표면 사이의 레지스트레이션에 얼마나 많은 오차가 존재하는지를 보여주기 위해서 표시될 수 있다. 일 실시예에서, 오차 포인트(518)는, 예를 들어 최소 오차를 나타내는 오차 포인트(518)는 녹색으로 컬러 코딩될 수 있고, 오차량이 커지는 오차 포인트(518)는 청색, 황색, 및 적색으로 컬러 코딩될 수 있다. 컬러 코딩 대신에, 다른 정도의 오차를 나타내는 오차 포인트(518)는 상이한 형상 또는 크기를 가질 수 있다. 검증 포인트(519)도 표시될 수 있다. 검증 포인트(519)는 레지스트레이션을 검증하기 위해서 추적된 프루브로 어느 지점에서 포인트를 수집해야 하는지를 의사에게 보여준다. 레지스트레이션 포인트(519)가 수집되면, 네비게이션 시스템(7)의 소프트웨어는 해부학적 구조 상에서 수집된 실제 포인트와 물리적 공간에서의 표현(512)의 레지스트레이션된 위치 사이의 오차를 디스플레이한다(예를 들어, 밀리미터 단위 수치로). 레지스트레이션 오차가 너무 크면, 의사는 단계 S6 의 레지스트레이션 프로세스를 반복하여 골반(12)을 다시 레지스터링한다.
이러한 타입의 레지스트레이션 방법은, 정확한 포인트를 수집하기 위하여 의사에게, 하나 이상의 레지스트레이션 포인트(516)를 포함하는 골반(12)의 표현(512)을 나타내는 디스플레이 디바이스(9)로부터 환자의 물리적 골반(12)으로 그의 또는 그녀의 초점을 계속하여 전환하도록 요구한다. 초점을 전환하려면 시간이 걸리고, 레지스트레이션 포인트(516)가 환자의 물리적 골반(12) 상 어디에 있는지를 정확하게 추정하려면 더 많은 시간이 걸린다. 본 섹션에서 설명된 이러한 레지스트레이션 방법에서, 정확한 레지스트레이션을 완성하려면 적어도 43 개의 포인트가 필요할 수 있다.
3. 제 1 골반 레지스트레이션 방법
본 섹션은 환자 골반(12)(물리적 공간)을 추적된 프루브(56) 또는 다른 툴(예를 들어, 로봇 암(30)의 단부)을 사용하여 골반(12)의 3 차원 모델(512)(이미지 공간)과 레지스터링하기 위한 다른 레지스트레이션 방법을 설명한다. 본 섹션에 설명된 방법은 이전에 설명된 레지스트레이션 방법과 비교할 때 수집된 포인트의 총 수를 줄일 수 있다. 예를 들어, 본 섹션에서 설명된 방법을 사용하면, 의사는 32 개 이하의 포인트를 가지고 정확한 레지스트레이션을 완료할 수 있다. 또한, 본 섹션에서 설명되는 레지스트레이션의 대부분은 포인트-기초 포인트 수집이 아닌 영역-기초 포인트 수집이다. 지역-기초 포인트 수집 기법에서, 의사는 3 차원 뼈 모델(512) 상에서 식별된 정확한 포인트와 달리 환자의 뼈의 영역 내에서 포인트를 수집할 수 있다. 그러면, 의사는 환자의 해부학적 구조에 집중하고, 그의 또는 그녀의 초점을 디스플레이 스크린(9)으로부터 환자의 물리적 골반(12)으로 다시 전환할 필요가 없이 뼈 상의 허락된 영역 내에서 포인트를 수집할 수 있다. 허락된 영역 내에서 포인트를 수집하면 정확도가 향상되는데, 그 이유는 하나의 허용가능한 포인트와 비교할 때 의사가 허용가능한 포인트의 가능한 많은 위치를 망라하는 영역 내에서 포인트를 수집하는 것이 더 쉽기 때문이다.
환자 골반(12)은 "물리적 공간"에서와 같이 참조되는데, 그 이유는 의사가 프루브(56)가 알려지고 추적 디바이스(8) 및 네비게이션 시스템(7)에 의해서 추적되는 곳에서 수술중에 환자 골반(12)에 접촉하기 위해서 추적된 프루브(56)를 물리적으로 사용하고 있기 때문이다. 골반(12)의 3 차원 모델(512)은 "이미지 공간"에서와 같이 참조되는데, 그 이유는 이러한 모델(512)이 어떤 구현예에서 환자 골반(12)의 수술전 의학적 이미지(예를 들어, CT, MRI)로부터 촬영될 수 있는 골반(12)의 컴퓨터화된 표현이기 때문이다. 전술된 바와 같이, 어떤 구현형태에서는, 골반의 모델(512)은 다른 방식으로, 예컨대 골면에 걸쳐 골반을 수술중 추적하여 골면 프로파일을 생성하는 것을 통하여 생성될 수 있고, 일부 실시예들에서는 일반적인 골반 모델이 제공될 수 있다.
요약하면, "물리적 공간" 및 "이미지 공간"이라는 용어는 본 명세서에서 환자의 물리적 골반(12) 또는 3 차원의 이미지로서 제공되는 환자 골반(12)의 표현인 3 차원 뼈 모델(512) 각각을 참조할 때 명확하게 하기 위하여 사용된다.
골반 레지스트레이션 방법(800)의 흐름도를 나타내는 도 8a 를 참조한다. 방법(800)은 위치와 배향에 관하여 환자 골반(12)(물리적 공간)과 3 차원 모델(512)(이미지 공간)의 초기 매핑을 제공하기 위한 초기 레지스트레이션(802)을 포함할 수 있다. 방법(800)은 위치 및 배향의 정밀 튜닝을 위한 정밀 레지스트레이션(816)을 더 포함할 수 있다.
i. 초기 레지스트레이션
도 8a 에서 볼 수 있는 바와 같이, 초기 레지스트레이션(802)은 회전 중심을 캡쳐하고(804), 관골구 랜드마크를 캡쳐하며(808), 및 이산(distant) 레퍼런스 포인트(814)를 캡쳐하는 단계를 포함한다. 관골구 랜드마크를 캡쳐하는 것(808)은 관골구 가장자리에 있는 포인트를 캡쳐하는 단계(810), 및 관골구 표면에 있는 포인트를 캡쳐하는 단계(812)를 포함할 수 있다.
레지스트레이션 방법(800)의 각각의 단계를 설명할 때, 초기 및 정밀 레지스트레이션의 단계들(802, 816)을 각각의 단계와 연관된 특성들의 개관과 함께 나타내는 표인 도 8b 를 참조할 것이다. Landmark / Region 열은 방법(800)의 각각의 단계에서 관심 대상인 골반의 부분을 나타낸다. Capture Method 열은 포인트 또는 데이터를 캡쳐하는 방법이 포인트-기초 수집 방법인지 영역-기초 수집 방법인지를 나타낸다. 두 방법들의 차이가 후술될 것이다. Used By 열은 방법(800)의 특정 단계가 초기 또는 정밀 레지스트레이션(802, 816)에서 사용될 수 있는지 여부를 나타낸다. Approach Dependent 열은 시스템(5)이 특정 수술법에 따라서 프로시저를 변경할 것인지 여부를 표시한다. 예를 들어, 단계 810 은 관골구 가장자리에 있는 포인트를 캡쳐하는 것은 수술법에 의존적이라는 것을 표시한다. 따라서, 시스템(5)은 초기 레지스트레이션 중에 캡쳐하기 위한 포인트가 선택된 수술법(예를 들어, 직접 전방 접근법, 전측방 접근법, 후측방 접근법)에 대해 특이하다는 것을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 직접 전방 접근법에서, 시스템(5)은 전 관골구 가장자리 상의 캡쳐하기 위한 포인트를 식별할 수 있는데, 그 이유는 관골구의 이러한 특정 영역이 후 관골구 가장자리보다 더 액세스가능하기 때문이다.
마지막으로, Captured In 열은 포인트들이 어디에서 언제 캡쳐되는지를 표시한다. 각각의 행은 "수술전 / 수술중 레지스트레이션"을 나타낸다. 방법(800)의 모든 단계가 환자 골반(물리적 공간) 상의 수술중 레지스트레이션 중에 수행되지만, 환자 골반(12)(물리적 공간)을 환자 골반(12)의 3 차원 뼈 모델(512)(이미지 공간)과 맞추거나 레지스터링하기 위해서는 수술중 레지스트레이션 중에 캡쳐된 포인트가 수술중에 캡쳐된 포인트에 대응하는 수술전에 식별된 랜드마크와 비교되어야 한다. 따라서, Landmark / Region 열 내의 랜드마크 각각은 환자 골반(12)의 수술전 이미지(예를 들어, CT, MRI)에 기초하여 생성되는 3 차원 뼈 모델(512)에서 식별된다. 레지스트레이션 프로세스의 정확도를 결정하기 위하여, 서로에 대한 수술전 랜드마크의 이러한 위치가 수술중에 등록된 포인트의 위치와 비교된다.
이제 초기 레지스트레이션(802) 단계 및, 특히 회전 중심을 레지스터링하는 방법(804)을 중점적으로 설명할 것이다. 설명하기 위해서 도 9a 내지 도 9b 를 참조하는데, 이들은 골반(12)의 3 차원 모델(512)의 측면도 및 골반(12)(물리적 공간)의 측면도를 각각 도시한다. 도 9a 에서 볼 수 있는 바와 같이, 디스플레이 스크린(9)에 표시되는 골반(12)의 3 차원 모델(512)은 관절 상의 강조된 대역(824) 또는 관골구(22)의 초승달 모양의 표면(826)을 포함한다. 관절 표면(826)은 초승달 모양이고 통상적으로 관절 연골로 덮이는데, 이것은 3 차원 모델(512)에는 도시되지 않는다. 관골구(22)의 비-관절 영역은 관골구와(acetabular fossa; 828)이다. 관골구(22)의 관절 표면(826)은 형상이 반구형이고 대퇴골두(미도시)를 포함하며 대퇴골두가 관골구(22) 내에서 회전하게 한다.
도 8 에서 볼 수 있는 바와 같은 회전 중심(804)을 레지스터링하기 위하여, 의사는 네비게이션의 프루브(56)를 사용하여 골반(12)의 3 차원 모델(512)에 있는 강조된 대역(824)에 대응하는 관골구(22)의 관절 표면(826)을 따라 여러 포인트에서 도 9b 에 도시된 바와 같은 환자 골반(12)(물리적 공간) 상의 데이터 포인트(환자 데이터라고 불림)를 캡쳐, 수집, 또는 기록할 수 있다. 다른 실시예는 의사가 관골구(22) 내에서 회전하여 회전 중심(804)을 나타내는 데이터세트를 구축하게 하는 네비게이션의 프루브(56) 또는 추적된 대퇴골(14)을 사용할 수 있다. 데이터 포인트를 캡쳐, 수집, 또는 기록한다는 것은, 시스템(5)(예를 들어, 컴퓨터(15))이 공통 좌표계에서의 서로에 대한 포인트들의 위치를 저장한다는 것을 의미한다. 그러면, 환자 골반(12)(물리적 공간)을 모델(512)과 레지스터링 또는 정렬하기 위해서, 캡쳐된 포인트를 3 차원 뼈 모델(512)의 좌표계 내로 통합시키기 위한 알고리즘이 사용된다. 이러한 방식으로 그리고 레지스트레이션이 완료되면, 수술 시스템(5)의 로봇 암(30)의 수술용 툴(58)의 원단부의 표현은, 실제 환자 골반(12)(물리적 공간)에 대한 수술용 툴(58)의 원단부의 물리적 위치 및 배향과 적절하게 대응하는 방식으로 디스플레이(9) 상에 3 차원 뼈 모델(512)과 관련하여 디스플레이될 수 있다.
강조된 대역(824) 내에서 데이터 포인트 또는 환자 데이터를 캡쳐하는 것은, 포인트-기초 수집과 다른 영역-기초 포인트 수집이라고 불릴 수 있는데, 그 이유는 수락가능한 포인트가 강조된 대역(824)에 대응하는 관절 표면(826)에 걸쳐서 캡쳐될 수 있기 때문이다. 포인트-기초 수집 시스템에서, 특정 포인트는 골반(12)의 3 차원 모델(512)에 표시될 수 있고, 의사는 3 차원 모델(512) 상의 특정 포인트에 대응하는 환자 골반(12)(물리적 공간) 상의 특정 포인트에서 데이터 포인트를 캡쳐하도록 요구될 수 있다.
어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 임의의 두 개의 포인트(830) 사이의 거리가 서로 특정 양만큼 이격될 것을 요구할 수 있다. 시스템(5)은 임의의 두 개의 포인트(830) 사이의 거리가 5 mm보다 크도록 요구할 수도 있다. 시스템(5)은 임의의 두 개의 포인트(830) 사이의 거리가 80 mm 미만이 되도록 요구할 수도 있다. 시스템(5)은 임의의 두 개의 포인트(830) 사이의 요구된 거리를 다른 입력(예를 들어 관골구(22) 또는 관골구 요소(28))에 기초하여 규정하는 알고리즘을 가질 수 있다. 시스템(5)은 임의의 두 개의 포인트(830) 사이의 거리를 포인트 캡쳐 중에 변경할 수 있다. 이러한 요건은 캡쳐된 포인트(830)를 쉽게 분산시켜서, 모든 포인트(830)가, 예를 들어 관절 표면(826)의 하나의 영역 내에서 캡쳐되지 않게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 포인트들(830) 사이에 규정된 거리 간격을 요구하지 않을 수 있다. 어떤 실시예에서는, 최소 간격 거리 요건을 만족되지 않는 수집된 포인트(830)는 이상치로서 거절되거나, 정밀 레지스트레이션(816) 중에 포인트-모델 표면 매칭을 위해서 여전히 사용될 수도 있다.
어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관절 표면(826)에서 수집될 포인트(830)의 최대 및/또는 최소 개수를 요구할 수도 있다. 시스템(5)은 적어도 열 개의 포인트(830)가 캡쳐되도록 요구할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 시스템(5)은 20 개 미만의 포인트(830)가 캡쳐되도록 요구할 수 있다.
도 9c 를 참조하면, 시스템(5)은 강조된 대역(824) 상의 캡쳐된 포인트(830)를 사용하여 중심점(840) 및 반경(834)을 가진 구(832)를 규정할 수 있는데, 그 이유는 관골구(22)의 관절 표면(826)이 구형이기 때문이다. 달리 말하면, 시스템(5)은 캡쳐된 포인트들(830)의 위치를 사용하여 구(832)를 생성할 수 있는데, 그 이유는 이들의 서로에 대한 위치와 포인트들(830)의 최적 근사(best-fit) 연산이 구(832)로 근사화될 수 있기 때문이다. 구(832)의 크기로부터, 반경(834)(또는 직경, 부피 등)이 결정될 수 있다.
도 9c 의 좌측에 있는 구(832)가 강조된 대역(824) 및 구(832)의 구면에 있는 포인트(830)를 도시한다는 것에 주의한다. 우측에 있는 구(832)는 반경(834)을 표시하기 위해서 구(832)의 3/4 세그먼트를 도시한다.
어떤 실시예에서는, 포인트(830)가 포인트(830)의 최소 개수보다 많고 포인트(830)의 최대 개수보다 적으면, 시스템(5)은 포인트(830) 수집을 중단함으로써 포인트(830)의 개수를 최적화할 수 있다. 시스템(5)은 수렴 메트릭과 같은 알고리즘을 사용하여 중단 기준/기준들을 결정할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 수렴 메트릭은, N 개의 수집된 포인트(830)를 사용하여 계산된 반경(834)과 수집된 포인트(830)의 서브세트, 예컨대 N-1 개의 수집된 포인트(830)를 사용하여 계산된 반경(834) 사이의 차이일 수 있다. 두 개의 반경(834) 사이의 차이가 미리 규정된 임계보다 적으면, 시스템(5)은 포인트(830)가 포인트(830)의 최대 개수에 도달하기 이전에 포인트(830) 수집을 종료한다. 어떤 실시예에서는, 수렴 메트릭은 새로운 포인트(830)가 수집될 때마다 계산될 수 있다.
도 9d 에서 볼 수 있는 바와 같이, 회전 중심점(836)은 골반(12)의 3 차원 뼈 모델(512)에 기초하여 수술전에 결정될 수 있다. 그러면, 반경(838)은 회전 중심점(836)으로부터 관골구의 관절 표면(826)까지로 결정될 수 있다. 회전 중심점(836)은 환자 골반(12) 및 대퇴골두(16)의 수술전 스캔에 기초하여 결정될 수 있다.
도 9c 에서와 같은 구(832)의 크기 또는, 특히, 포인트(830)의 수술중 캡쳐로부터 결정되는 구(832)의 반경(834), 또는 환자 데이터(물리적 공간)는, 도 9d 에서 볼 수 있는 바와 같은 3-차원의 뼈 모델(512)(이미지 공간)로부터 결정되는 회전 중심점(836)으로부터의 반경(838)과 비교될 수 있다. 즉, 수술중에 수집된 환자 데이터(예를 들어, 도 9c 의 구(832) 및 반경(834))은 수술전에 결정된 값(예를 들어, 도 9d 의 반경(838))과 비교되어 그들 사이의 변화를 결정할 수 있다.
좀 더 자세하게 설명하면, 시스템(5)의 사용자가 초기 레지스트레이션(802)의 단계(804)를 지나 계속할 수 있기 전에, 시스템(5)은 두 개의 반경들(834, 838) 사이의 특정한 최소 차이를 요구할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 반경들(834, 838)이 서로 5 mm 미만으로 다르도록 요구할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 반경들(834, 838)이 서로 4 mm 미만으로 다르도록 요구할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 반경들(834, 838)이 서로 3 mm 미만으로 다르도록 요구할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 반경들(834, 838)이 서로 2 mm 미만으로 다르도록 요구할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 반경들(834, 838)이 서로 1 mm 미만으로 다르도록 요구할 수 있다.
반경들(834, 838) 사이의 차이가 허용될 수 있는 공차 내이면, 시스템(5)(예를 들어, 컴퓨터(15))은 포인트(830)의 수술중 캡쳐로부터 결정되는 구(832)의 중심점(840)의 위치를 3 차원 뼈 모델(512)로부터 결정되는 회전 중심점(836)과 병합할 수 있다. 이러한 방식으로, 환자 골반(12)(물리적 공간)을 공통 좌표계에서 골반(12)(이미지 공간)의 3 차원 뼈 모델(512)과 레지스터링하는 병진 배향 또는 방향(aspect)은 제자리에 고정되거나 로킹된다. 달리 말하면, 구(832)의 중심점(840)을 회전 중심점(836)과 병합하면 세 개의 자유도(즉, x, y, 및 z 방향의 병진)가 고정되거나 예비적으로 결정될 수 있다; 따라서 세 개의 자유도(즉, x, y, 및 z 방향 중심의 회전)는 아직 알려지지 않는다.
일반적으로, 시스템(5)은 CT 스캔에 기초한 해부학적 구조를 환자에 특이한 기하학적 피쳐로 단순화할 수 있다. 그러면, 캡쳐된 포인트로부터의 환자 데이터에 기초하여 유사한 기하학적 구조가 생성된다. 그러면, CT-기초 환자 특이적 기하학적 피쳐가 수술중에 캡쳐된 기하학적 피쳐와 비교된다. 비교 결과는 포인트 캡쳐 및 뼈 레지스트레이션의 품질을 반영한다.
레지스트레이션 프로세스의 후속 단계는, 골반의 3 차원 뼈 모델(512)(이미지 공간)에 대한 환자 골반(12)(물리적 공간)의 회전 배향을 결정하여, 시스템(5)의 로봇 암(30)이 골반 및 환자 골반의 뼈 모델(512)에 대해서 이미지 공간 및 물리적 공간 각각에서 유사하게 배향되도록 한다.
회전 중심이 계산되거나 캡쳐되면(804), 관골구 랜드마크와 같은 환자 데이터의 다양한 다른 포인트가 도 8 에 도시된 바와 같이 캡쳐될 수 있다(808). 전술된 바와 같이, 관골구 랜드마크의 캡쳐(808)는 골반(12)(이미지 공간)의 3 차원 뼈 모델(512)에 대한 골반(12)(물리적 공간)의 회전 배향을 결정하기 위하여 사용될 수 있다. 그리고, 물리적 공간과 이미지 공간 사이의 병진 관계가 회전 중심점(836)에서 고정되는 것으로 알려져 있기 때문에, 단계 808 에서 캡쳐된 다양한 관골구 랜드마크가 랜드마크와 회전 중심점(836) 사이의 거리를 점검하기 위하여 사용될 수 있다.
단계 808 에서 환자 데이터를 관골구 랜드마크 상의 포인트로서 캡쳐하는 것은 포인트-기초 방식이고, 수술법에 따라 달라질 수 있다. 이전에 설명된 바와 같이, 포인트-기초 데이터 캡쳐란, 포인트가 골반(12)(이미지 공간)의 3 차원 뼈 모델(512)에서 식별되고(예를 들어, 도트로 강조됨) 의사가 네비게이션의 프루브(56)로 환자 골반(물리적 공간) 상의 대응하는 포인트를 선택하도록 요구되는 것을 의미한다. 그러면, 시스템(5)(예를 들어, 컴퓨터(15))은, 예를 들어 회전 중심점(836) 및 3 차원 뼈 모델(512) 상의 강조된 포인트와 구(832)의 중심(840) 및 수술중에 캡쳐된 포인트 사이의 거리를 비교할 수 있다.
단계 808 에서 관골구 랜드마크를 캡쳐하는 것의 설명을 시작하려면, 우선 가장자리 및 관절 표면 상의 포인트를 단계 810 및 812 에서 캡쳐하기 위한 전방 측방향 및 직접적인 전방 접근법이 도 10a 내지 도 10d 에 설명된다. 둘째로, 관골구 가장자리 및 관절 표면 상의 포인트를 단계 810 및 812 에서 캡쳐하기 위한 후방 측방향 접근법이 도 10e 내지 도 10h 에 설명된다. 비록 설명되지는 않지만, 본 발명의 방법은 도 15a 내지 도 15d 에 도시된 바와 같은 다른 고관절 수술법(예를 들어 직접 상방) 또는 다른 관절(예를 들어 숄더, 팔꿈치, 무릎, 발목)을 레지스터링하기 위한 랜드마크를 캡쳐하는 것에 적용될 수 있다.
도 10a 및 도 10b 를 참조하는데, 이들은 각각 환자 골반(12)(이미지 공간)의 3 차원 뼈 모델(512)의 전방 측면도 및 환자 골반(12)(물리적 공간)의 측면도이다. 도 10a 에서 볼 수 있는 바와 같이, 시스템(5)은 환자 골반(이미지 공간)의 3 차원 뼈 모델(512) 상에 관골구(22)의 외부 에지를 형성하는, 관골구 가장자리(844)의 정면측에 있는 하나 이상의 포인트(842)를 식별(예를 들어, 강조)할 수 있다. 그러면, 시스템(5)은 도 10b 에서 볼 수 있는 바와 같이, 네비게이션의 프루브(56)의 원단부를 포인트(842)에 접촉시키고 포인트(842)의 위치를 시스템(5) 내의 환자 데이터로서 로깅(logging), 수집, 또는 캡쳐함으로써, 환자 골반(12)(물리적 공간) 상의 캡쳐 대응하는 포인트(들)(842)를 캡쳐하도록 의사에게 요청할 수 있다. 도 10b 에서 볼 수 있는 바와 같이, 관골구 가장자리(844)의 정면측에 있는 포인트(842)는 직접적인 전방 접근법 또는 전방 측방향 접근법으로부터 의사에 의해 액세스될 수 있다.
그러면 시스템(5)은 시스템(5)에 의해 식별되고 의사에 의해 캡쳐된 각각의 포인트(842)에 대하여, 도 9d 및 도 10a 에서 볼 수 있는 바와 같은 식별된 포인트(842)와 회전 중심점(836)(이미지 공간) 사이의 거리를 도 9c 및 도 10b 의 캡쳐된 포인트(842)와 구(832)의 중심점(840) 사이의 수술중에 수집된 거리와 비교할 수 있다.
어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관골구 가장자리(844)의 정면측에 있는 단일 포인트(842)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관골구 가장자리(844)의 정면측에 있는 두 포인트(842)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관골구 가장자리(844)의 정면측에 있는 다섯 개의 포인트(842)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관골구 가장자리(844)의 정면측에 있는 열 개의 포인트(842)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관골구 가장자리(844)의 정면측에 있는 15개의 포인트(842)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관골구 가장자리(844)의 정면측에 있는 그 외의 개수의 포인트(842)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다.
어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 한번에 하나의 포인트(842)를 3 차원 뼈 모델(512)에 표시하고, 시스템(5)이 3 차원 뼈 모델(512)에 다른 포인트(842)를 표시하기 전에 의사에게 환자 골반(12)(물리적 공간) 상의 대응하는 포인트(842)를 캡쳐하도록 요구할 수도 있다. 다른 실시예들에서, 시스템(5)은 골반의 3 차원 뼈 모델(512)에 모든 포인트(842)(예를 들어, 1, 개 2 개, 5 개, 10 개, 15 개)를 디스플레하고, 의사가 자신이 선호하는 임의의 순서로 대응하는 포인트를 캡쳐하게 할 수 있게 할 수 있다.
계속하여 관골구 랜드마크를 캡쳐하면, 의사는 관골구의 도 8 의 단계 812 에서 관절 표면 상의 하나 이상의 포인트도 캡쳐할 수 있다. 환자 골반(12)(이미지 공간)의 3 차원 뼈 모델(512)의 전방 측면도인 도 10c 에서 볼 수 있는 바와 같이, 하나 이상의 포인트(846)가 환자 골반(이미지 공간)의 3 차원 뼈 모델(512)의 관골구(22)의 관절 표면(826)의 후방측에서 식별(예를 들어, 강조)될 수 있다. 그러면, 시스템(5)은 환자 골반(12)(물리적 공간)의 측면도인 도 10d 에서 볼 수 있는 바와 같이, 네비게이션의 프루브(56)의 원단부를 포인트(846)에 접촉시키고 포인트(846)의 위치를 시스템(5) 내의 환자 데이터로서 로깅(logging), 수집, 또는 캡쳐함으로써, 환자 골반(12)(물리적 공간)의 후방측에 있는 대응하는 포인트(들)(846)를 캡쳐하도록 의사에게 요청할 수 있다. 도 10d 에서 볼 수 있는 바와 같이, 관골구(22)의 후면측에 있는 포인트(846)는 직접적인 전방 접근법 또는 전방 측방향 접근법으로부터 의사에 의해 액세스될 수 있다.
그러면 시스템(5)은 시스템(5)에 의해 식별되고 의사에 의해 캡쳐된 각각의 포인트(846)에 대하여, 도 9d 및 도 10c 에서 볼 수 있는 바와 같은 식별된 포인트(846)와 회전 중심점(836)(이미지 공간) 사이의 거리를 도 9c 및 도 10d 의 캡쳐된 포인트(846)와 구(832)의 중심점(840) 사이의 수술중에 수집된 거리와 비교할 수 있다.
어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관골구(22)의 후방측에 있는 단일 포인트(846)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관골구(22)의 후방측에 있는 두 개의 포인트(846)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관골구(22)의 후방측에 있는 다섯 개의 포인트(846)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관골구(22)의 후방측에 있는 열 개의 포인트(846)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관골구(22)의 후방측에 있는 15개의 포인트(846)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관골구(22)의 후방측에 있는 그 외의 개수의 포인트(846)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다.
어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 한번에 하나의 포인트(846)를 3 차원 뼈 모델(512)에 표시하고, 시스템(5)이 3 차원 뼈 모델(512)에 다른 포인트(846)를 표시하기 전에 의사에게 환자 골반(12)(물리적 공간) 상의 대응하는 포인트(846)를 캡쳐하도록 요구할 수도 있다. 다른 실시예들에서, 시스템(5)은 골반의 3 차원 뼈 모델(512)에 모든 포인트(846)(예를 들어, 1, 개 2 개, 5 개, 10 개, 15 개)를 디스플레하고, 의사가 자신이 선호하는 임의의 순서로 대응하는 포인트를 캡쳐하게 할 수 있게 할 수 있다.
관골구 가장자리 및 관절 표면 상의 포인트를 단계(810 및 812)에서 캡쳐하기 위한 후방 측방향 접근법이 설명된다. 관골구 가장자리(844)에 있는 포인트를 캡쳐하는 것에 대해서는 도 10e 및 도 10f 를 차조하고, 관골구(22)의 관절 표면(826)에 있는 포인트를 캡쳐하는 것에 대해서는 도 10g 및 도 10h 를 참조한다.
디스플레이 스크린(9)에 표시된 골반(12)(이미지 공간)의 3 차원 뼈 모델(512)의 후방 측면도인 도 10e 에서 볼 수 있는 바와 같이, 하나 이상의 포인트(848)가 환자 골반(이미지 공간)의 3 차원 뼈 모델(512)의 관골구(22)의 관골구 가장자리(844)의 후방측에서 식별(예를 들어, 강조)될 수 있다. 시스템(5)은 환자 골반(12)(물리적 공간)의 측면도인 도 10f 에서 볼 수 있는 바와 같이, 네비게이션의 프루브(56)의 원단부를 포인트(848)에 접촉시키고 포인트(848)의 위치를 시스템(5) 내의 환자 데이터로서 로깅(logging), 수집, 또는 캡쳐함으로써, 환자 골반(12)(물리적 공간)의 관골구 가장자리(844)의 후방측에 있는 대응하는 포인트(들)(848)를 캡쳐하도록 의사에게 요청할 수 있다. 도 10f 에서 볼 수 있는 바와 같이, 관골구 가장자리(844)의 후방측에 있는 포인트(848)는 후방 측방향 접근법으로부터 의사에 의해 액세스될 수 있다.
그러면 시스템(5)은 시스템(5)에 의해 식별되고 의사에 의해 캡쳐된 각각의 포인트(848)에 대하여, 도 9d 및 도 10e 에서 볼 수 있는 바와 같은 식별된 포인트(848)와 회전 중심점(836)(이미지 공간) 사이의 거리를 도 9c 및 도 10f 의 캡쳐된 포인트(848)와 구(832)의 중심점(840) 사이의 수술중에 수집된 거리와 비교할 수 있다.
어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관골구 가장자리(844)의 후방측에 있는 단일 포인트(848)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관골구 가장자리(844)의 후방측에 있는 두 개의 포인트(848)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관골구 가장자리(844)의 후방측에 있는 다섯 개의 포인트(848)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관골구 가장자리(844)의 후방측에 있는 열 개의 포인트(848)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관골구 가장자리(844)의 후방측에 있는 15개의 포인트(848)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관골구 가장자리(844)의 후방측에 있는 그 외의 개수의 포인트(848)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다.
어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 한번에 하나의 포인트(848)를 3 차원 뼈 모델(512)에 표시하고, 시스템(5)이 3 차원 뼈 모델(512)에 다른 포인트(848)를 표시하기 전에 의사에게 환자 골반(12)(물리적 공간) 상의 대응하는 포인트(848)를 캡쳐하도록 요구할 수도 있다. 다른 실시예들에서, 시스템(5)은 골반의 3 차원 뼈 모델(512)에 모든 포인트(848)(예를 들어, 1, 개 2 개, 5 개, 10 개, 15 개)를 디스플레하고, 의사가 자신이 선호하는 임의의 순서로 대응하는 포인트를 캡쳐하게 할 수 있게 할 수 있다.
이제 도 8 의 단계 812 에서 전 관골구 랜드마크를 캡쳐하는 것을 중점적으로 설명할 것이다. 디스플레이 스크린(9)에 표시된 골반(12)(이미지 공간)의 3 차원 뼈 모델(512)의 후방 측면도인 도 10g 에서 볼 수 있는 바와 같이, 하나 이상의 포인트(850)가 환자 골반(12)(이미지 공간)의 3 차원 뼈 모델(512)의 관골구(22)의 관절 표면(826)의 전방측에서 식별(예를 들어, 강조)될 수 있다. 시스템(5)은 환자 골반(12)(물리적 공간)의 측면도인 도 10h 에서 볼 수 있는 바와 같이, 네비게이션의 프루브(56)의 원단부를 포인트(850)에 접촉시키고 포인트(850)의 위치를 시스템(5) 내의 환자 데이터로서 로깅(logging), 수집, 또는 캡쳐함으로써, 환자 골반(12)(물리적 공간)의 관골구(22)의 관절 표면(826)의 전방측에 있는 대응하는 포인트(들)(850)를 캡쳐하도록 의사에게 요청할 수 있다. 도 10h 에서 볼 수 있는 바와 같이, 관골구(22)의 관절 표면(826)의 정면측에 있는 포인트(850)는 후방 측방향 접근법으로부터 의사에 의해 액세스될 수 있다.
그러면 시스템(5)은 시스템(5)에 의해 식별되고 의사에 의해 캡쳐된 각각의 포인트(850)에 대하여, 도 9d 및 도 10g 에서 볼 수 있는 바와 같은 식별된 포인트(850)와 회전 중심점(836)(이미지 공간) 사이의 거리를 도 9c 및 도 10h 의 캡쳐된 포인트(850)와 구(832)의 중심점(840) 사이의 수술중에 수집된 거리와 비교할 수 있다.
어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관절 표면(826)의 정면측에 있는 단일 포인트(850)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관절 표면(826)의 정면측에 있는 두 개의 포인트(850)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관절 표면(826)의 정면측에 있는 다섯 개의 포인트(850)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관절 표면(826)의 정면측에 있는 열 개의 포인트(850)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관절 표면(826)의 정면측에 있는 15개의 포인트(850)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 관절 표면(826)의 정면측에 있는 그 외의 개수의 포인트(850)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다.
어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 한번에 하나의 포인트(850)를 3 차원 뼈 모델(512)에 표시하고, 시스템(5)이 3 차원 뼈 모델(512)에 다른 포인트(850)를 표시하기 전에 의사에게 환자 골반(12)(물리적 공간) 상의 대응하는 포인트(850)를 캡쳐하도록 요구할 수도 있다. 다른 실시예들에서, 시스템(5)은 골반의 3 차원 뼈 모델(512)에 모든 포인트(850)(예를 들어, 1, 개 2 개, 5 개, 10 개, 15 개)를 디스플레하고, 의사가 자신이 선호하는 임의의 순서로 대응하는 포인트를 캡쳐하게 할 수 있게 할 수 있다.
도 8 의 단계 808 에서 관골구 랜드마크를 캡쳐하는 단계들이 선택된 수술법에 대해서만 디스플레이되도록, 의사가 시스템(5) 내에서 수술 방법의 타입을 선택할 수 있다는 것에 주의한다. 이러한 방식으로, 도 10a 내지 도 10d 에서 볼 수 있는 바와 같은 직접적 전방 또는 전방 측방향 수술법의 경우, 시스템(5)은 관골구(22) 상에 전 관골구 가장자리(844) 포인트(842) 및 후 관절 표면(826) 포인트(846)만을 디스플레이할 수 있다. 이와 유사하게, 도 10e 내지 도 10h 에서 볼 수 있는 바와 같은 후방 측방향 접근법의 경우, 시스템(5)은 관골구(22) 상에 후 관골구 가장자리(844) 포인트(848) 및 전 관절 표면(826) 포인트(850)만을 디스플레이할 수 있다.
도 8 에 따른 초기 레지스트레이션(802)의 다음 단계는 이산 레퍼런스 포인트(814)를 캡쳐하는 것이다. 이러한 단계(814)에 대해서, 도 11a 내지 도 11c 를 참조한다. 디스플레이 스크린(9)에 표시된 환자 골반(12)(이미지 공간)의 3 차원 뼈 모델(512)의 전방 측면도인 도 11a 에서 볼 수 있는 바와 같이, 포인트(852)는 상전 장골능("ASIS(anterior superior iliac spine)")(854)과 같은 이산 레퍼런스 포인트 또는 마커 상에서 식별(예를 들어 강조)될 수 있다. 어떤 실시예에서는, 이산 레퍼런스 포인트는 장골능 융선(iliac spine crest) 또는 관골구(22)로부터 이격되어 배치되는 다른 랜드마크일 수 있다. 어떤 실시예에서는, 이산 레퍼런스 포인트는 절개부 내의 다른 랜드마크일 수 있다. 어떤 실시예에서는, 이산 레퍼런스 포인트는 골반(12)의 무수술측(non-operative side)에 있는 ASIS, 또는 환자의 무수술측에 있는 다른 랜드마크일 수 있다.
환자 골반(12)(물리적 공간)의 측면도인 도 11b 에서 볼 수 있는 바와 같이, 시스템(5)은 의사에게, 네비게이션의 프루브(56)의 원단부를 포인트(852)에 접촉시키고 포인트(852)의 위치를 시스템(5) 내의 환자 데이터로서 로깅(logging), 수집, 또는 캡쳐함으로써 환자 골반(12)(물리적 공간)의 ASIS(854) 상의 대응하는 포인트(852)를 캡쳐하도록 요구할 수 있다. 도 11b 에서 볼 수 있는 바와 같이, 관골구(22)의 ASIS(854) 상의 포인트(852)는 여러 수술법으로부터 의사에 의해 액세스될 수 있는데, 그 이유는 ASIS가 환자 인체 내로 절개하지 않고서 식별(예를 들어, 촉진)될 수 있기 때문이다. 장골능 융선을 사용하는 시스템(5)의 경우, 장골능 융선에 있는 포인트(852)를 캡쳐하기 위하여 뼈 핀 절개부를 생성할 수 있다.
어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 단일 포인트(852)(예를 들어, ASIS)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 두 개의 포인트(852)(예를 들어, ASIS, 장골능 융선)을 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 다섯 개의 포인트(852)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 열 개의 포인트(852)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 15개의 포인트(852)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 그 외의 개수의 포인트(852)를 식별하고 의사에게 캡쳐하게 할 수 있다.
어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 한번에 하나의 포인트(852)를 3 차원 뼈 모델(512)에 표시하고, 시스템(5)이 3 차원 뼈 모델(512)에 다른 포인트(852)를 표시하기 전에 의사에게 환자 골반(12)(물리적 공간) 상의 대응하는 포인트(850)를 캡쳐하도록 요구할 수도 있다. 다른 실시예들에서, 시스템(5)은 골반의 3 차원 뼈 모델(512)에 모든 포인트(852)(예를 들어, 1, 개 2 개, 5 개, 10 개, 15 개)를 디스플레하고, 의사가 자신이 선호하는 임의의 순서로 대응하는 포인트를 캡쳐하게 할 수 있게 할 수 있다.
그러면 시스템(5)은 시스템(5)에 의해 식별되고 의사에 의해 캡쳐된 각각의 포인트(852)에 대하여, 도 9d 및 도 11a 에서 볼 수 있는 바와 같은 식별된 포인트(852)와 회전 중심점(836)(이미지 공간) 사이의 거리를 도 9c 및 도 11b 의 캡쳐된 포인트(852)와 구(832)의 중심점(840) 사이의 수술중에 수집된 거리와 비교할 수 있다.
디스플레이 스크린(9)에 표시된 환자 골반(12)(이미지 공간)의 3 차원 뼈 모델(512)의 전방 측면도인 도 11c 에서 볼 수 있는 바와 같이, 수술중에 결정된 벡터 V1이 수술전에 결정된 벡터 V2와 비교된다. 수술중에 결정된 벡터 V1은 회전 중심점(836)과 동일한 공간을 차지하는(coextensive) 중심점(840)으로부터, 환자 골반(물리적 공간)의 ASIS(854)에 대응하는 수술중에 캡쳐된 포인트(852')까지 연장될 수 있다. 수술전에 결정된 벡터 V2는 회전 중심점(836)으로부터 골반(12)(이미지 공간)의 수술전 이미지 스캔(예를 들어, CT, MRI)으로부터 결정되는 ASIS(854) 상의 포인트(852)까지 연장될 수 있다.
벡터 V1, V2는 관골구 가장자리(844)와 동일한 공간을 차지하는 관골구 면(856)으로부터 연장될 수 있다. 이러한 면(856)으로부터, 회전 중심(836)에 중앙이 위치된 법선이 식별될 수 있다. 벡터들(V1, V2) 사이의 각도차 A1은 수술중에 캡쳐된 포인트(물리적 공간)의 회전 정렬 또는 배향을 3 차원 뼈 모델(512)(이미지 공간)에 로킹하기 위해서 사용될 수 있다.
시스템(5)은 환자 데이터로서 저장된 대응하는 수술전에 캡쳐된 랜드마크 포인트(이미지 공간)를 레퍼런스로서 사용하고, 사용자에게 수술중에 캡쳐된 랜드마크 포인트(물리적 공간)를 캡쳐하기 위한 유도(guidance)를 제공할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 수술전에 캡쳐된 랜드마크 포인트(이미지 공간)의 3 차원의 기하학적 구조에 기초하여 가이드를 제공하고, 대응하는 수술중에 캡쳐된 랜드마크 포인트(물리적 공간)에 대해서 동일한 3차원의 기하학적 구조를 기대할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 랜드마크 포인트들의 유클리드 거리를 사용하여 가이드를 제공할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 랜드마크 포인트로부터 계산된 벡터들 사이의 3 차원의 각도를 사용하여 가이드를 제공할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 페어드-포인트(paired-point) 레지스트레이션 알고리즘을 사용하여 수술전에 캡쳐된 랜드마크 포인트(이미지 공간) 및 대응하는 수술중에 캡쳐된 랜드마크 포인트(물리적 공간)를 최적으로 근사화하고, 근사화 오차를 사용하여 가이드를 제공할 수 있다. 유도는 시각적, 오디오, 또는 촉각적 피드백 또는 이들의 조합일 수 있다.
수술중에 캡쳐된 랜드마크 포인트가 완성되면, 시스템(5)은 수술중에 캡쳐된 랜드마크 포인트(물리적 공간) 및 대응하는 수술전에 캡쳐된 랜드마크 포인트(이미지 공간)를 사용하여 초기 레지스트레이션(802) 변환을 계산하기 위한 알고리즘을 사용할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 페어드-포인트 레지스트레이션 알고리즘을 사용하여 초기 레지스트레이션(802) 변환을 계산할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 환자 데이터로서 저장된 수술중에 캡쳐된 랜드마크 포인트(836, 842, 846, 848, 850, 852)(물리적 공간), 및 대응하는 수술전에 캡쳐된 랜드마크 포인트(이미지 공간)를 사용하여 초기 레지스트레이션(802) 변환을 계산할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 수술중에 캡쳐된 랜드마크 포인트 및 대응하는 수술전에 캡쳐된 랜드마크 포인트의 서브세트만을 사용하여 최선의 초기 레지스트레이션(802) 변환을 찾을 수 있다.
ii. 정밀 레지스트레이션
다시 도 8a 를 참조하면, 정밀 레지스트레이션(816)은 관골구 랜드마크(818)의 영역-기초 포인트 수집 또는 캡쳐를 포함한다. 이러한 단계에서, 관골구 가장자리(820) 및 관골구(822)의 관절 표면에서 포인트들이 캡쳐된다. 도 8b 에서 볼 수 있는 바와 같이, 정밀 레지스트레이션에서의 영역-기초 캡쳐는 접근법에 의존한다. 도 12a 및 도 12b 는 관골구 가장자리(844)에서 포인트 캡쳐하기 위한 전방 측방향 및 직접적인 전방 접근법을 보여주고, 도 12c 및 도 12d 는 관골구 가장자리(844)에서 포인트 캡쳐하기 위한 후방 측방향 접근법을 보여준다. 어떤 실시예에서는, 레지스트레이션은 정밀 레지스트레이션(816)이 없이 완료될 수도 있다.
우선, 각각 환자 골반(12)(이미지 공간)의 3 차원 뼈 모델(512)의 측면도 및 환자 골반(12)(물리적 공간)의 측면도인 도 12a 및 도 12b 를 참조한다. 도 12a 에서 볼 수 있는 바와 같이, 시스템(5)은, 환자 골반(이미지 공간)의 3 차원 뼈 모델(512) 상에서 관골구(22)의 외부 에지를 형성하는 관골구 가장자리(844)의 전방 및 상방측에서, 강조될 수 있는 대역(858)을 식별할 수 있다. 대역(858)은 관골구 가장자리(844)로부터 어느 정도 외향으로 연장될 수 있다. 대역(858)은 직접적인 전방 또는 전방 측방향 수술법을 위한 영역-기초 포인트 수집 또는 캡쳐에 대하여 허용될 수 있는 위치를 표시할 수 있다.
도 12b 에서 볼 수 있는 바와 같이, 시스템(5)은 의사에게, 네비게이션의 프루브(56)를 사용하여, 골반(12)(이미지 공간)의 3 차원 뼈 모델(512) 상의 대역(858)의 위치에 대응하는, 환자 골반(12)(물리적 공간)상의 포인트(860)를 캡쳐하도록 요구할 수 있다. 따라서, 의사는 네비게이션의 프루브(56)의 원위의 끝을 관골구 가장자리(844)의 전방 및 상방측에 있는 다양한 포인트(860)에 접촉시키고, 각각의 포인트(860)의 위치와 연관된 데이터를 환자 데이터로서 시스템(5)(예를 들어, 컴퓨터) 내에 캡쳐, 로깅(log), 수집, 또는 저장할 수 있다.
환자 골반(12)(이미지 공간)의 3 차원 뼈 모델(512)의 측면도인 도 12c 에서 볼 수 있는 바와 같은 후방 측방향 접근법을 통해 관골구 가장자리(844)를 정밀 레지스트레이션하기 위하여, 시스템은, 환자 골반(12)(이미지 공간)의 3 차원 뼈 모델(512)에서 관골구(22)의 외부 에지를 형성하는, 관골구 가장자리(844)의 후방 및 상방측에 있고 강조될 수도 있는 대역(862)을 식별할 수 있다. 대역(862)은 후방 측방향 수술법을 위한 영역-기초 포인트 수집 또는 캡쳐에 대하여 허용될 수 있는 위치를 표시할 수 있다.
도 12d 에서 볼 수 있는 바와 같이, 시스템(5)은 의사에게, 네비게이션의 프루브(56)를 사용하여, 골반(12)(이미지 공간)의 3 차원 뼈 모델(512) 상의 대역(862)의 위치에 대응하는, 환자 골반(12)(물리적 공간)상의 포인트(864)를 캡쳐하도록 요구할 수 있다. 따라서, 의사는 네비게이션의 프루브(56)의 원위의 끝을 관골구 가장자리(844)의 후방 및 상방측에 있는 다양한 포인트(864)에 접촉시키고, 각각의 포인트(864)의 위치와 연관된 데이터를 환자 데이터로서 시스템(5)(예를 들어, 컴퓨터) 내에 캡쳐, 로깅(log), 수집, 또는 저장할 수 있다.
관골구 가장자리(844)를 따라 포인트를 수집하는 단계(820) 중에, 시스템(5)은 임의의 두 개의 캡쳐된 포인트들(860(전방 및 전방 측방향 접근법의 경우), 864(후방 측방향 접근법의 경우)사이의 거리가 서로로부터 이격된 최소 거리가 되도록 요구할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 두 개의 캡쳐된 포인트들(860, 864) 사이의 최소 간격이 적어도 1 mm가 되도록 요구할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 두 개의 캡쳐된 포인트들(860, 864) 사이의 최소 간격이 적어도 2 mm가 되도록 요구할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 두 개의 캡쳐된 포인트들(860, 864) 사이의 최소 간격이 적어도 3 mm가 되도록 요구할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 두 개의 캡쳐된 포인트들(860, 864) 사이의 최소 간격이 적어도 4 mm가 되도록 요구할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 두 개의 캡쳐된 포인트들(860, 864) 사이의 최소 간격이 적어도 5 mm가 되도록 요구할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 두 개의 캡쳐된 포인트들(860, 864) 사이의 최소 간격이 적어도 6 mm가 되도록 요구할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 두 개의 캡쳐된 포인트들(860, 864) 사이의 최소 간격이 적어도 7 mm가 되도록 요구할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 두 개의 캡쳐된 포인트들(860, 864) 사이에 상이한 최소 간격을 요구할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 임의의 두 개의 포인트(860, 864) 사이의 요구된 거리를 다른 입력(예를 들어 관골구(22) 또는 관골구 요소(28))에 기초하여 규정하는 알고리즘을 가질 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 임의의 두 개의 포인트(860, 864) 사이의 거리를 포인트 캡쳐 중에 변경할 수 있다. 이러한 요건은 캡쳐된 포인트(860, 864)를 쉽게 분산시켜서, 모든 포인트(860, 864)가, 예를 들어 관골구 가장자리(844)의 하나의 영역 내에서 캡쳐되지 않게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 포인트들(860, 864) 사이에 규정된 거리 간격을 요구하지 않을 수 있다. 어떤 실시예에서는 최소 간격 요건을 만족되지 않는 수집된 포인트(860, 864)는 이상치로서 거절되거나, 정밀 레지스트레이션(816) 중에 포인트-모델 표면 매칭을 위해서 여전히 사용될 수도 있다.
어떤 실시예에서는, 시스템(5)은 레지스트레이션 프로세스의 후속 단계로 진행하기 전에 의사가 주어진 수술법에 대하여 포인트(860, 864)의 최대 및/또는 최소 개수를 캡쳐하게 요구할 수 있다. 예를 들어, 어떤 실시예에서 시스템(5)은 최소 20개의 포인트가 캡쳐되도록 요구할 수 있다. 어떤 실시예에서 시스템(5)은 최소 15개의 포인트가 캡쳐되도록 요구할 수 있다. 어떤 실시예에서 시스템(5)은 최소 10개의 포인트가 캡쳐되도록 요구할 수 있다. 어떤 실시예에서 시스템(5)은 최소 5개의 포인트가 캡쳐되도록 요구할 수 있다. 어떤 실시예에서 시스템(5)은 10개 내지 20개의 포인트가 캡쳐되도록 요구할 수 있다.
어떤 실시예에서는, 포인트(860, 864)가 포인트(860, 864)의 최소 개수보다 많고 포인트(860, 864)의 최대 개수보다 적으면, 시스템(5)은 포인트(860, 864) 수집을 중단함으로써 포인트(860, 864)의 개수를 최적화할 수 있다. 시스템(5)은 수렴 메트릭과 같은 알고리즘을 사용하여 중단 기준/기준들을 결정할 수 있다. 어떤 실시예에서, 수렴 메트릭은 1) N 개의 수집된 관골구 가장자리 포인트(860, 864) 및 관절 표면 포인트(830) 및 랜드마크 포인트(842, 846, 848, 850)를 사용하여 계산된 포인트-모델 표면 매칭의 평균제곱오차, 및 2) 수집된 관골구 가장자리 포인트(860, 864)의 서브세트, 예컨대 N-1 개의 수집된 포인트(860, 864) 및 관절 표면 포인트(830) 및 랜드마크 포인트(842, 846, 848, 850)를 사용하여 계산된 포인트-모델 표면 매칭의 평균제곱오차 사이의 차이일 수 있다. 두 평균제곱오차 사이의 차이가 미리 규정된 임계보다 작으면, 시스템(5)은 포인트(860, 864)가 포인트(860, 864)의 최대 개수에 도달하기 전에 포인트(860, 864) 수집을 종료한다. 어떤 실시예에서는, 수렴 메트릭은 새로운 포인트(860, 864)가 수집될 때마다 계산될 수 있다.
다시 도 8a 의 정밀 레지스트레이션(816)을 참조하면, 관골구 관절 표면이 캡쳐되고(822) 환자 데이터로서 저장된다. 이러한 단계(822)는 도 9a 및 도 9b 를 참조하여 설명된 방법과 유사하며, 후속하는 설명은 이러한 도면들을 참조할 것이다. 또한, 도 9a 및 도 9b 를 참조한 설명은 단계 822 의 설명에도 역시 적용가능하다. 예를 들어, 포인트들(830) 사이의 최소 거리가 도 9a 및 도 9b 를 참조하여 설명되었지만, 시스템(5)은 동일한 파라미터를 관골구 관절 표면 캡쳐(822)의 정밀 레지스트레이션에서 사용할 수 있다. 단계 822 에서의 정밀 레지스트레이션, 도 9a 에서 볼 수 있는 바와 같이, 시스템(5)은 디스플레이 스크린(9) 상에서, 관골구(22)의 관절 표면(826)에 있는 강조된 대역(824)을 환자 골반(12)(이미지 공간)의 3 차원 뼈 모델(512)에 표시할 수 있다. 이전에 논의된 바와 같이, 이것은 의사가 강조된 대역(824)(즉, 관절 표면(826))에 대응하는 골반(12)의 임의의 영역에서 환자 골반(12)(물리적 공간) 상의 포인트(830)를 캡쳐할 수 있는 영역-기초 포인트 캡쳐이다.
도 9a 및 도 9b 를 참조하여 설명된 방법과 같이, 시스템(5)은 레지스트레이션(800)의 다른 단계로 이동하기 전에 특정 개수의 포인트(830)가 캡쳐되도록 요구할 수 있다. 어떤 실시예에서 시스템(5)은 최소 20개의 포인트가 캡쳐되도록 요구할 수 있다. 어떤 실시예에서 시스템(5)은 최소 15개의 포인트가 캡쳐되도록 요구할 수 있다. 어떤 실시예에서 시스템(5)은 최소 10개의 포인트가 캡쳐되도록 요구할 수 있다. 어떤 실시예에서 시스템(5)은 최소 5개의 포인트가 캡쳐되도록 요구할 수 있다. 어떤 실시예에서 시스템(5)은 10개 내지 20개의 포인트가 캡쳐되도록 요구할 수 있다.
모든 관골구 가장자리 포인트(860, 864)가 수집되면, 정밀 레지스트레이션(816)을 위한 레지스트레이션 변환을 결정하기 위한 알고리즘이 사용될 수 있다. 어떤 실시예에서, 시스템(5)은 수술중에 캡쳐된 포인트(물리적 공간)를 3 차원 뼈 모델(512)(이미지 공간)과 최적으로 근사화하는 포인트-표면 매칭 알고리즘인 Iterative Closest Point(ICP)(P.J. Besl, H.D. McKay, A method for registration of 3-D shapes, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1992) 기법을 사용할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 수술중에 캡쳐된 포인트는 이전에 언급된 관절 표면 포인트(830), 관골구 가장자리 포인트(860, 864), 및 랜드마크 포인트(842, 846, 848, 850)의 모음일 수 있다. 어떤 실시예에서는, 수술중에 캡쳐된 포인트는 특정 포인트(예를 들어, 통계적 이상치)가 제거된 관절 표면 포인트(830), 관골구 가장자리 포인트(860, 864), 및 랜드마크 포인트(842, 846, 848, 850)의 모음일 수 있다. 어떤 실시예에서는, 수술중에 캡쳐된 포인트는 초기 레지스트레이션(802) 및 정밀 레지스트레이션(816) 양자 모두를 위해서 사용될 수 있다. 어떤 실시예에서는, ICP 알고리즘은 정밀 레지스트레이션(816)을 개선하기 위한 초기 추정(initial guess)으로서 초기 레지스트레이션(802) 변환을 사용할 수 있다.
정밀 레지스트레이션(816)으로부터의 정보를 사용하면서, 품질 메트릭이 레지스트레이션의 정확도를 결정하기 위하여 채용될 수 있다.
정밀 레지스트레이션(816) 중에, 도 11c 를 참조하여 유사하게 설명되는 바와 같이, 관골구의 법선 주위의 회전 배향의 정확도를 점검하고 검증하기 위해서 품질 메트릭이 채용될 수 있다. 도 11c 에서 볼 수 있는 바와 같이, 수술중에 캡쳐된 포인트와 수술전에 결정된 포인트 사이의 회전 배향에서의 차이를 결정하기 위하여 수술중에 결정된 벡터 V1은 수술전에 결정된 벡터 V2와 비교된다. 수술중에 결정된 벡터 V1은 회전 중심점(836)과 동일한 공간을 차지하는(coextensive) 중심점(840)으로부터, 환자 골반(물리적 공간)의 ASIS(854)에 대응하는 수술중에 캡쳐된 포인트(852')까지 연장될 수 있다. 수술전에 결정된 벡터 V2는 회전 중심점(836)으로부터 골반(12)의 수술전 이미지 스캔(예를 들어, CT, MRI)으로부터 결정되는 ASIS(854) 상의 포인트(852)까지 연장될 수 있다.
벡터 V1, V2는 측면도에서 규정되고 관골구 가장자리(844)와 동일한 공간을 차지하는 관골구 면(856)으로부터 연장할 수 있다. 이러한 면(856)으로부터, 회전 중심(836)에 중앙이 위치된 법선이 식별될 수 있다. 벡터들(V1, V2) 사이의 각도차 A1은 수술중에 캡쳐된 포인트(물리적 공간)의 회전 정렬 또는 배향을 3 차원 뼈 모델(512)(이미지 공간)에 로킹하기 위해서 사용될 수 있다.
시스템(5)의 디스플레이 스크린(9)에 표시된 환자 골반(12)(이미지 공간)의 3 차원 뼈 모델(512)의 전방 측면도인 도 13a 에서 볼 수 있는 바와 같은 다른 품질 메트릭이 도 11c 를 참조하여 설명되는 바와 같이 경사 또는 관골구 면(856)에 수직인 면(866) 중심의 회전을 점검하기 위하여 채용될 수 있다. 도 13a 에서 볼 수 있는 바와 같이, 벡터 V1, V2는 도 11c 에서 표시되고 설명된 것과 같은 벡터이다. 도 13a 는 면(866)에 있는 벡터들(V1, V2) 사이의 각도차 A2를 측정하기 위해서 관골구 면(856)에 수직인 평면(866)에 대해서 벡터 V1, V2를 간단하게 표시한다. 각도 A2는 골반(12)(이미지 공간)의 3 차원 뼈 모델(512)과 환자 골반(12)(물리적 공간) 사이의 경사 또는 각도차를 측정하기 위하여 사용될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 시스템(5)은 사용자에게 상이한 위치에서 환자의 해부학적 구조 상에서 추가 포인트를 수집하도록 지시함으로써 품질 메트릭을 포함할 수 있고, 그러면 시스템(5)은 캡쳐된 포인트와 3 차원 뼈 모델(512) 대응하는 표면 사이의 거리를 측정하여 레지스트레이션 정확도가 수락가능하다고 보장한다. 어떤 경우에는, 시스템(5)은 사용자에게 하나의 검증 포인트를 수집하도록 요구할 수 있다. 어떤 경우에는, 시스템(5)은 사용자에게 두 개의 검증 포인트를 수집하도록 요구할 수 있다. 어떤 경우에는, 시스템(5)은 사용자에게 세 개의 검증 포인트를 수집하도록 요구할 수 있다. 어떤 경우에는, 시스템(5)은 사용자에게 여섯 개의 검증 포인트를 수집하도록 요구할 수 있다. 어떤 경우에는, 시스템(5)은 사용자에게 여덟 개의 검증 포인트를 수집하도록 요구할 수 있다. 어떤 경우에는, 시스템(5)은 사용자에게 최대 10개의 검증 포인트를 수집하도록 요구할 수 있다.
검증 포인트의 위치는 낮은 레지스트레이션 신뢰도에 대응하는 위치일 수 있다(예를 들어, 포인트-표면 매핑이 어떤 임계보다 높음). 이러한 방식으로, 낮은 신뢰도의 영역이 식별되고 레지스트레이션 결과 해당 영역에서 신뢰도가 높아질 수 있는지를 결정하기 위하여 이러한 영역 내에서 추가 포인트가 캡쳐될 수 있다. 사용자가 검증 포인트를 캡쳐하면, 캡쳐된 포인트는 원래의 포인트 클라우드에 추가될 수 있고, 모든 포인트가 레지스트레이션 변환을 개량하기 위해서 레지스트레이션 알고리즘에서 사용될 수 있다.
어떤 경우에는, 검증 포인트의 위치는 포인트들이 절개부의 개구부 내에 있도록 접근법(예를 들어, 직접적 전방식)에 의존할 수 있다. 어떤 경우에는, 캡쳐된 포인트들 각각 사이에 최소 거리를 보장하기 위해서, 캡쳐된 포인트들의 균형있는 분산을 보장하기 위해서, 검증 포인트의 위치는 이전에 캡쳐된 포인트로부터 이격될 수 있다.
정밀 레지스트레이션(816)이 완료되면, 시스템(5)은 레지스트레이션 프로세스(800)가 완료됨을 표시할 수 있고, 수술 프로시저가 개시될 수 있다.
후속하는 설명은 로봇 수술의 레지스트레이션 프로시저 중에 환자의 해부학적 구조 상에서 랜드마크를 캡쳐하는 것을 유도하는 것과 연관되는 그래픽 사용자 인터페이스("GUI")(1000)에 중점을 둔다. 의사가 디스플레이 스크린(9) 상이 디스플레이된 3 차원 뼈 모델(512)에 있는 대응하는 가상 포인트를 함께 바라보면서 환자의 골반(12)에 있는 물리적 포인트를 위치설정하도록 시도하고 있을 수 있기 때문에, 이러한 유도는 의사에게 유용할 수 있다. 이러한 방식으로, GUI(1000)는 의사가 뼈 모델(512) 상의 가상 포인트에 대응하는 골반(12) 상의 물리적 포인트에 가까워지고 있다는 가이드를 의사에게 제공할 수 있다.
도 13b 및 도 13c 는 포인트(1002)를 캡쳐할 때 사용자를 유도하는 GUI(1000)의 제 1 실시예를 도시한다. 도 13d 및 도 13e 는 포인트(1002)를 캡쳐할 때 사용자를 유도하는 GUI(1000)의 제 2 실시예를 도시한다.
도 13b 를 참조하면, GUI(1000)는 디스플레이 스크린(9)에 디스플레이되는데, 이것은 환자 골반(12)의 3 차원 뼈 모델(512)을 스크린(9)의 일부에 표시한다. 사용자가 환자의 골반(물리적 공간) 상에서 네비게이션 프루브 또는 다른 추적된 툴(미도시)을 가지고 시스템(5)에서 캡쳐 또는 수집하도록 지시되는 가상 포인트(1002)가 뼈 모델(512)에 디스플레이된다. 어떤 경우에는, 가상 포인트(1002)의 반경(뼈 모델(512)에서 모사되는 환자의 해부학적 구조에 관련됨)은 약 4 밀리미터(mm)일 수 있다. 어떤 경우에는, 가상 포인트(1002)의 반경은, 예를 들어 여러 가지 중에서 2 mm, 6 mm, 또는 10 mm와 같은 다른 거리일 수 있다.
제 1 실시예에서는, 네비게이션 프루브의 끝 또는 다른 추적된 툴이 뼈 모델(512) 상의 가상 포인트(1002)의 위치에 대응하는 환자의 골반(12) 상의 물리적 포인트까지 특정 반경 또는 거리 안에 있으면, 방향 화살표 또는 삼각형(1004)이 나타나고 개략적으로 원형 방식으로 포인트(1002)를 둘러쌀 것이다. 어떤 경우에는, 방향 화살표(1004)는 네비게이션 프루브의 끝이 가상 포인트(1002)에 대응하는 물리적 포인트의 100 mm 반경 안에 들어가기 전까지 디스플레이되지 않을 것이다. 이러한 방식으로, 화살표(1004)는 네비게이션 프루브의 끝이 100 mm 반경 내에서 이동하고 100 mm 반경 밖으로 이동할 때에 각각 나타나고 사라질 수 있다. 100 mm의 반경은 예시적인 것이고, 예를 들어 여러 가지 중에서 50 mm, 150 mm, 또는 200 mm와 같은 다른 거리일 수도 있다.
프루브의 끝이 뼈 모델(512) 상의 포인트(1002)에 대응하는 환자의 골반(12) 상의 포인트로부터 특정 반경 또는 거리(예를 들어, 100 mm)에 접근하거나 진입하면, 화살표(1004)가 나타나고 포인트(1002)로부터 제 1 반경만큼 이격될 수 있다. 사용자가 프루브의 끝을 뼈 모델(512) 상의 포인트(1002)에 대응하는 환자의 골반(12) 상의 포인트에 더 가깝게 이동시키면, 화살표(1004)가 도 13c 에서 볼 수 있는 바와 같이 포인트(1002)에 더 가깝게 이동할 수 있다. 달리 말하면, 사용자가 프루브의 끝을 뼈 모델(512) 상의 포인트(1002)에 대응하는 환자의 골반(12)의 포인트에 더 가깝게 이동시키면, 제 1 반경은 제 2 반경으로 감소된다. 어떤 경우에는, 프루브의 끝이 뼈 모델(512) 상의 포인트(1002)에 대응하는 환자의 골반(12) 상의 물리적 포인트에 점점 더 가까워지면, 화살표(1004)는 이에 대응하여 포인트(1002)에 점점 더 가까워지고, 화살표(1004)의 반경은 점점 감소되어 프루브의 끝이 캡쳐될 포인트(1002)에 가깝다는 것을 표시한다. 어떤 경우에는, 포인트(1002) 및/또는 화살표(1004)는 포인트가 캡쳐될 경우 및/또는 프루브의 끝이 위치에 있어서 포인트(1002)에 정확하게 대응하는 경우에 색을 바꿀 수 있다.
이러한 방식으로, GUI(1000)는 도 13b 에서 볼 수 있는 바와 같이 화살표(1004)가 포인트(1002)로부터 더 멀리 떨어져 있는 제 1 상태로부터 도 13c 에서 볼 수 있는 바와 같이 화살표(1004)가 포인트(1002)에 더 가까운 제 2 상태로 순차적으로 천이되는 방향 화살표(1004)를 포함한다. 어떤 경우에는, 화살표 및/또는 포인트(1002)의 색상은 제 1 상태에서 제 2 상태로 순차적으로 천이할 때에 바뀔 수 있다. 예를 들어, 네비게이션 프루브의 끝이 포인트(1002)에 점점 가깝게 이동함에 따라 색상은 적색으로부터 황색 및 녹색으로 변할 수 있다.
도 13d 를 참조하면, 그래픽 사용자 인터페이스("GUI")(1000)는 디스플레이 스크린(9)에 디스플레이되는데, 이것은 환자 골반(12)의 3 차원 뼈 모델(512)을 스크린(9)의 일부에 표시한다. 사용자가 환자의 골반(물리적 공간) 상에서 네비게이션 프루브 또는 다른 추적된 툴(미도시)을 가지고 시스템(5)에서 캡쳐하도록 지시되는 가상 포인트(1002)가 뼈 모델(512)에 디스플레이된다. 어떤 경우에는, 가상 포인트(1002)의 반경(뼈 모델(512)에서 모사되는 환자의 해부학적 구조에 관련됨)은 약 4 mm일 수 있다. 어떤 경우에는, 가상 포인트(1002)의 반경은, 예를 들어 여러 가지 중에서 2 mm, 6 mm, 또는 10 mm와 같은 다른 거리일 수 있다.
제 2 실시예에서는, 네비게이션 프루브의 끝 또는 다른 추적된 툴이 뼈 모델(512) 상의 가상 포인트(1002)의 위치에 대응하는 환자의 골반(12) 상의 물리적 포인트까지 특정 반경 또는 거리 안에 있으면, 수직 및 수평 부분 정렬 표시자가 있는 원을 가지는 십자선(1004)이 나타나고 포인트(1002)를 둘러쌀 것이다. 어떤 경우에는, 십자선(1004)은 네비게이션 프루브의 끝이 가상 포인트(1002)에 대응하는 물리적 포인트의 100 mm 반경 안에 들어가기 전까지 디스플레이되지 않을 것이다. 이러한 방식으로, 십자선(1004)은 네비게이션 프루브의 끝이 100 mm 반경 내에서 이동하고 100 mm 반경 밖으로 이동할 때에 각각 나타나고 사라질 수 있다. 100 mm의 반경은 예시적인 것이고, 예를 들어 여러 가지 중에서 50 mm, 150 mm, 또는 200 mm와 같은 다른 거리일 수도 있다.
프루브의 끝이 뼈 모델(512) 상의 가상 포인트(1002)에 대응하는 환자의 골반(12) 상의 물리적 포인트로부터 특정 반경 또는 거리에 접근하거나 진입하면, 십자선(1004)의 원이 나타나고 포인트(1002)로부터 제 1 반경만큼 이격될 수 있다. 사용자가 프루브의 끝을 뼈 모델(512) 상의 포인트(1002)에 대응하는 환자의 골반(12) 상의 포인트에 더 가깝게 이동시키면, 십자선(1004)의 원이 도 13e 에서 볼 수 있는 바와 같이 포인트(1002)에 더 가깝게 이동되도록 반경이 작아진다. 달리 말하면, 사용자가 프루브의 끝을 뼈 모델(512) 상의 포인트(1002)에 대응하는 환자의 골반(12)의 포인트에 더 가깝게 이동시키면, 제 1 반경은 제 2 반경으로 감소된다. 어떤 경우에는, 프루브의 끝이 뼈 모델(512) 상의 포인트(1002)에 대응하는 환자의 골반(12) 상의 물리적 포인트에 점점 더 가까워지면, 십자선(1004)의 원의 크기(예를 들어, 반경)는 점점 작아지고 포인트(1002)에 가까워져서, 프루브의 끝이 캡쳐될 포인트(1002)에 가깝다는 것을 표시한다. 어떤 경우에는, 포인트(1002) 및/또는 십자선(1004)의 원은 포인트가 캡쳐될 경우 및/또는 프루브의 끝이 위치에 있어서 포인트(1002)에 정확하게 대응하는 경우에 색을 바꿀 수 있다.
이러한 방식으로, GUI(1000)는 도 13d 에서 볼 수 있는 바와 같이 십자선(1004)의 원의 둘레가 포인트(1002)로부터 더 멀리 떨어져 있는 제 1 상태로부터 도 13e 에서 볼 수 있는 바와 같이 십자선(1004)의 원의 둘레가 포인트(1002)에 더 가까운 제 2 상태로 순차적으로 천이되는 십자선(1004)을 포함한다. 어떤 경우에는, 십자선(1004) 및/또는 포인트(1002)의 색상은 제 1 상태에서 제 2 상태로 순차적으로 천이할 때에 바뀔 수 있다. 예를 들어, 네비게이션 프루브의 끝이 포인트(1002)에 점점 가깝게 이동함에 따라 색상은 적색으로부터 황색 및 녹색으로 변할 수 있다.
방향 화살표 및 십자선(1004)은 여러 가지 중에서 흑점, 포인터, 투명 원 또는 구, 또는 목적지 핀을 포함하는 다른 그래픽으로 대체될 수 있지만 이들로 한정되는 것은 아니다. 추가적으로 또는 대안적으로, 그래픽은 프루브의 끝으로부터 포인트(1002)까지의 거리의 변화를 나타내기 위해서 깜빡이거나, 회전하거나, 확장되거나, 축소될 수 있다. 어떤 경우에는, 프루브의 끝이 포인트(1002)에 대응하는 환자의 골반(12) 상의 포인트로부터 제 1 거리만큼 떨어져 있을 경우 뼈 모델(512) 상의 포인트(1002)를 제 1 방식으로 개략적으로 식별하고, 프루브의 끝이 포인트(1002)에 대응하는 환자의 골반(12)으로부터 제 2 거리만큼 떨어져 있을 경우 뼈 모델(512) 상의 포인트(1002)를 제 2 방식으로 개략적으로 식별하는 임의의 그래픽이 사용될 수 있다. 이러한 예에서, 제 1 거리는 제 2 거리보다 포인트(1002)로부터 멀 수 있고, 제 1 방식은 제 2 방식에서의 그래픽의 제 2 직경보다 큰 제 1 직경을 가지는 그래픽일 수 있다.
도 13b 내지 도 13e 를 참조하여 설명된 GUI가 본 명세서에서 설명되는 방법의 임의의 단계(예를 들어, 초기 레지스트레이션, 정밀 레지스트레이션, 검증)에서 제한이 없이 활용될 수 있다는 것에 주의한다.
본 출원의 앞선 섹션이 골반(12)의 레지스트레이션에 중점을 두고 있지만, 본 명세서에서 설명되는 시스템 및 방법은 다른 뼈 및 관절의 수술중 레지스트레이션에도 적용가능하다. 도 15a 내지 도 15d 는 수술중 레지스트레이션을 위한, 무릎 관절(600), 견괄절(700), 팔꿈치 관절(800), 및 발목 관절(900)을 각각 포함하는 예시적인 관절을 도시한다.
도 15a 에서 볼 수 있는 바와 같이, 무릎 관절(600)은 대퇴골(602)의 원단부 및 경골(tibia; 604)의 근단부를 포함한다. 대퇴골(602)의 원단부는 내측 및 외측 관절구(medial and lateral condyles; 606)를 포함한다. 경골(604)의 근단부는 대퇴골(602)의 대응하는 관절구(606)와 맞춤되도록 구성되는 내측 및 외측부를 포함하는 경골 고평부(tibial plateau; 608)를 포함한다. 무릎 관절(600)이 접힐 때, 관절구(606)는 경골 고평부(608)에 상대적으로 회전한다. 얇은 층의 연골이 관절구(606)와 경골 고평부(608) 사이에 위치될 수 있다. 도면에서 알 수 있듯이, 관절구(606)는 원형 또는 볼록 프로파일을 포함할 수 있는 반면에, 경골 고평부(608)는 오목 프로파일을 포함한다. 무릎 전교체술은 관절구(606)를 포함하는 대퇴골(602)의 원단부를 임플란트의 대퇴부 요소 및 임플란트의 경골 구성 요소와 교체하여 경골 고평부(608)를 대체할 수 있다. 무릎 관절성형을 위한 경골(604) 및 대퇴골(602)의 수술용 레지스트레이션 중에, 골반(12)에 대해서 설명된 시스템 및 방법에서와 같이, 예를 들어 경골 고평부(608)의 형상 또는 다른 것에 기초하여 무릎 관절(600)에 대한 회전 중심이 계산될 수 있다. 이와 유사하게, 경골 고평부(608)를 둘러싸는 경골(604) 또는 대퇴골(602)의 부분 및 관절구(606)가 이러한 뼈들 중 하나 또는 양자 모두에 있는 롱 포인트(long point)와 함께 레지스터링될 수 있다.
도 15b 에서 볼 수 있는 바와 같이, 견괄절(700)은 견갑골(702)의 측부 및 상완골(704)의 근단부를 포함한다. 견갑골(702)은 견갑골(702)의 측단부 상의 얇은 서양배 모양의 관절 표면인 관절와(706)를 포함한다. 형상이 거의 반구형인 상완골두(humeral head; 708)가 관절와(706) 내에 결구된다. 종래의 어깨 전교체술은 상완골두(708) 및 관절와(706)를 상완골(704) 내에 맞춤되는 스템 관절와(706)의 자리에서 견갑골에 맞춤되는 관절와 소켓(glenoid socket) 요소 내에 맞춤되는 임플란트 볼을 가지는 임플란트로 교체할 수 있다. 일반적으로, 상완골두(708)는 볼록 뼈 부분을 포함하는 것으로 간주될 수 있는 반면에, 견갑골(702)은 오목 뼈 부분을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 어깨 관절성형에서의 견갑골(702) 및 상완골(704)의 수술용 레지스트레이션 중에, 골반(12)에 대해서 설명된 시스템 및 방법과 같이, 회전 중심이 견괄절(700), 예를 들어 관절와(706)의 형상 또는 다른 것에 기초하여 계산될 수 있다. 이와 유사하게, 관절와(706)(예를 들어, 관절와(706))의 가장자리)를 둘러싸는 견갑골(702)의 부분 및 롱 포인트(예를 들어, 견갑골(702), 쇄골, 견골봉우(acromion)의 척추 후부)가 레지스터링될 수 있다.
도 15c 에서 볼 수 있는 바와 같이, 팔꿈치 관절(800)은 상완골(802)의 원단부, 및 척골(ulna; 804)의 근단부를 포함한다. 상완골(802)의 원단부는 척골(804)의 도르래패임(trochlear notch; 808)과 결구되는 연골륜(trochlea; 806)을 포함한다. 연골륜(806)은 전방에서 후방으로 볼록하고, 안에서 밖으로 오목하다. 척골(804)의 도르래패임(808)은 전방에서 후방으로 오목하고, 안에서 밖으로 볼록하다. 상완골(802)의 원단부는 소정 반경의 두부(head; 미도시)와 결구되는 소두(capitulum)를 더 포함한다. 일반적으로, 상완골(802)의 원단부는 볼록 뼈 부분을 포함하는 것으로 간주될 수 있는 반면에, 척골(804)은 오목 뼈 부분을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 종래의 팔꿈치 교체술은 상완골(802)의 원단부 및 척골(804)의 근단부를 상박골 금속 스템 구성 요소, 고정된 힌지, 및 척골 금속 스템 구성 요소를 가지는 임플란트 요소로 교체하는 것을 포함한다. 상완골(802) 및 척골(804)의 수술용 레지스트레이션 중에, 골반(12)에 대해서 설명된 시스템 및 방법과 같이, 예를 들어 도르래패임(808)의 형상 또는 다른 것에 기초하여 팔꿈치 관절(800)에 대한 회전 중심이 계산될 수 있다. 이와 유사하게, 도르래패임(808)의 부분(예를 들어, 노치(808), 방사상 노치를 둘러싸는 부분) 및 척골(804) 상의 롱 포인트가 레지스터링될 수 있다.
도 15d 에서 볼 수 있는 바와 같이, 발목 관절(900)은 경골(902)의 원단부 및 거골(talus; 904)을 포함한다. 비골(fibula)은 도시되지 않는다. 경골(902)의 원단부는 하부(inferior) 관절 표면 또는 천정(plafond)을 포함한다. 거골(904)의 상부 표면은 관절 표면 또는 거골활차(trochlea tali)를 포함하는데, 이것은 반-원통형이고 경골(902)의 원단부와 맞춤된다. 일반적으로, 경골(902)의 원단부는 오목 뼈 부분을 포함하는 것으로 간주될 수 있는 반면에, 거골은 볼록 뼈 부분을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 종래의 발목 교체술에서는, 경골(902)의 원단부 및 거골(904)의 근위부가 각각 경골 요소 및 거골 요소로 대체된다. 거골 요소는 통상적으로 볼록이고, 오목인 경골 요소와 맞춤된다. 발목 교체술의 수술용 레지스트레이션 중에, 골반(12)에 대해서 설명된 시스템 및 방법에서와 같이, 예를 들어 경골(902) 또는 원단부 천정의 형상, 또는 다른 것에 기초하여 발목 관절(900)에 대해서 회전 중심이 계산될 수 있다. 이와 유사하게, 경골(902)의 원단부 또는 천정(예를 들어, 둘러싸는 영역) 및 경골(902)(예를 들어, 경골 조면(tibial tuberosity)) 상의 롱 포인트가 레지스터링될 수 있다.
도 16a 및 도 16b 는 정확한 레지스트레이션 프로세스를 위해서 필요한 레지스트레이션 포인트의 개수를 감소시키기 위해서 패턴의 기하학적 구조를 활용하는, 인체의 다른 부분을 위한 추가적이거나 대안적인 레지스트레이션 방법을 도시한다. 도 16a 는 좌측 및 우측 장골(1100), 및 좌측 및 우측 장골(1100) 사이의 천골(1102)을 포함하는 골반(12)의 뒷모습을 도시한다. 도 16b 는 척추(1104)의 뒷모습을 도시한다.
도 16a 에서 볼 수 있는 바와 같이, 좌우 상후 장골능("PSIS")(1106)과 원위의 천골(1108) 사이에는 기하학적 관련성이 존재한다. 원위의 천골(1108)은, 미골(coccyx)의 기저부와 연결되는 부분에서 천골의 꼭지점을 포함하지만 이것으로 한정되는 것은 아닌, 천골(110)의 내외측 정중선에 있는 임의의 포인트일 수 있다. 좌우 PSIS(1106) 및 원위의 천골(1108)은 두 개의 동일한 길이의 변(1110)과 두 개의 동일한 각도(1112)를 가지는 이등변 삼각형을 규정한다. 따라서, 전술된 회전 중심 계산과 유사한 방식으로 기하학적 정보가 레지스트레이션 프로세스에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 의사는 좌우 PSIS(1106)의 위치를 캡쳐할 수 있고, 시스템(5)은 PSIS(1106) 각각으로부터 원위의 천골(1108)까지의 길이(1110)가 동일해야 하는 조건으로 원위의 천골(1108)의 위치를 캡쳐할 때 의사를 가이드할 수 있다. 뼈의 랜드마크들 사이의 기하학적 관계를 알면, 원위의 천골(1108)을 캡쳐하기 위한 위치가 길이들(1110)이 같을 때에 취해지는 것을 보장함으로써 의사에게 가이드를 제공할 수 있다.
도 16b 에서 볼 수 있는 바와 같이, 척추(1104)의 최근위의 관절(1114) 및 척추(1104)의 최원위의 관절(1116) 사이에는 기하학적 관련성이 존재한다. 특히, 근위의 관절(1114) 및 원위의 관절(1116)은 평행한 밑변과 윗변(1118, 1120) 및 원위의 밑변(1118)과 발(1124) 사이의 동일한 각도(1122)를 가지는 등변사다리꼴을 규정할 수 있다. 따라서, 전술된 회전 중심 계산과 유사한 방식으로 기하학적 정보가 레지스트레이션 프로세스에서 사용되어 의사가 정확한 포인트를 캡쳐하게 보장할 수 있다.
C. 로봇 암의 레지스트레이션
다시 도 5 를 참조하면, 단계 S6 에서 골반을 레지스터링한 후에, 로봇 암(30)이 단계 S7 에서 레지스터링될 수 있다. 이러한 단계에서, 로봇 암(30)은 로봇 암(30)(물리적 공간)의 자세를 네비게이션 시스템(7)(이미지 공간)과 상관시키도록 레지스터링된다. 로봇 암(30)은, 예를 들어 2006 년 2 월 21 일 출원된 미국 특허 출원 번호 제 11/357,197(공개 번호 US 2006/0142657)에서 설명된 것처럼 레지스터링될 수 있는데, 이러한 문헌은 그 전체가 본원에 원용에 의해 통합된다.
D. 관골구의 준비 및 수술 프로시저의 수행
수술 중에, 의사는 관절 교체 프로시저, 예컨대 고관절 전치환 또는 고관절 재생 프로시저를 위해서 뼈를 골확장하고 관골구 컵을 이식하는 것을 용이하게 하기 위해서 도 3b 의 로봇 암(30)을 사용할 수 있다. 전술된 바와 같이, 로봇 암(30)은 절개 요소(골확장을 위함)에 커플링되고 보철 요소(매몰을 위함)를 결속시키도록 구성되는 수술용 툴을 포함한다. 예를 들어, 도 3b 에서 볼 수 있는 바와 같이, 골확장을 위해서 엔드 이펙터(40)가 동작 부재(100)에 커플링될 수 있는데, 이것은 절개 요소를 커플링된다. 이와 유사하게, 매몰을 위해서, 엔드 이펙터(40)가 보철 요소를 결속시키는 다른 동작 부재에 커플링될 수 있다. 골확장 및 매몰 중에 적합한 위치가 설정되도록 보장하기 위해서 로봇 암(30)이 사용될 수 있다.
도 5 의 단계 S8 에서, 의사는 도 3b 의 로봇 암(30)에 커플링된 골 확장기, 예컨대 동작 부재(100)를 사용하여 관골구(22)를 재생시킨다. 동작 부재(100)와 관련하여 전술된 바와 같이, 의사는 적절한 동작 부재(예를 들어, 직선형 또는 오프셋 골 확장기)를 엔드 이펙터(40)에 커플링하고, 절개 요소를 수용된 동작 부재에 연결하며, 로봇 암(30)을 수동으로 조작하여 관골구(22)를 골확장한다. 골확장 중에, 로봇 암(30)은 의사에게 햅틱(힘 피드백) 가이드를 제공한다. 햅틱 가이드는 의사가 수술용 툴을 수동으로 이동시키는 것을 제한하여 실제 뼈 절개가 형상 및 위치에 있어서 계획된 뼈 절개에 대응하도록 보장한다(즉, 절개가 수술 계획과 일치함).
도 5 의 단계 S9 에서, 의사는, 예를 들어 2007 년 5 월 18 일 출원된 미국 특허 출원 번호 제 11/750,807(공개 번호 US 2008/0004633)에 설명된 바와 같이, 추적된 프루브로 골반 체크포인트에 접촉함으로써 관골구 추적 어레이와 골반(12) 사이의 레지스트레이션(즉, 기하학적 관련성)이 여전히 유효하다는 것을 검증하는데, 이러한 문헌은 그 전체가 본원에 원용에 의해 통합된다. 레지스트레이션이 열화되었다면(예를 들어, 관골구 추적 어레이가 골확장 중에 부딪쳐서), 골반(12)은 다시 레지스터링된다. 레지스트레이션 검증은 의사가 관골구의 레지스트레이션의 무결성을 점검하기를 원하는 어느 때라도 수행될 수 있다.
도 5 의 단계 S10 에서, 보철 요소(316)는 임팩터 툴을 사용하여 확장된 관골구(22)에 이식된다. 단계 S8(골확장)과 관련하여 전술된 것과 같은 방식으로, 매복 단계 S10 중에, 디스플레이 디바이스(9)는 계획된 자세(500), 활성화 영역(510), 해부학적 구조의 표현(512, 514), 및 수술용 툴의 표현을 도 4 에서 볼 수 있는 바와 같이 보여줄 수 있다. 또한 단계 S8 과 관련하여 전술된 바와 같이, 의사가 햅틱 피드백을 무시하고 엔드 이펙터(40)를 이동시킨다면, 제어기는 실제 자세의 적어도 하나의 양태를 타겟 자세의 대응하는 요구되는 양태와 실질적으로 정렬시키기 위해서 수술용 툴의 자동 제어를 개시할 수 있다.
도 5 의 단계 S11 에서 의사는 대퇴부 요소를 대퇴골(14)에 설치하고, 단계 S12 에서 의사는 다리 길이와 대퇴부 오프셋을 결정한다. 수술 프로시저 중에의 언제라도, 디스플레이 디바이스(9)는 과정 및/또는 결과에 관련된 데이터를 보여줄 수 있다. 예를 들어, 단계 S8 에서의 골확장 및/또는 단계 S10 에서의 매몰 이후에, 확장된 관골구(22)(또는 이식된 관골구 컵)의 실제 위치에 관련된 데이터는, 예를 들어 환자의 해부학적 구조의 세 개의 직교 면(즉, 안팎, 상/하, 및 전/후)에서 실제 위치와 계획된 위치 사이의 오차를 나타내는 수치 데이터를 나타낸다.
V. 예시적인 컴퓨팅 시스템
도 14 를 참조하면, 본 명세서에서 논의되는 다양한 시스템 및 방법을 구현할 수 있는 하나 이상의 컴퓨팅 유닛을 가지는 예시적인 컴퓨팅 시스템(1300)에 대한 상세한 설명이 제공된다. 컴퓨팅 시스템(1300)은 관절성형 프로시저의 수술전 또는 수술중 계획설정(예를 들어, 레지스트레이션)에서 사용되는 임의의 컴퓨터 또는 시스템, 및 다른 컴퓨팅 또는 네트워크 디바이스에 적용가능할 수 있다. 이러한 디바이스들의 특정한 구현형태가, 본 명세서에서 그 전부가 구체적으로 설명되지는 않지만 당업자들에 의해서 이해될 수 있는 가능한 특정 컴퓨팅 아키텍처의 것일 수 있다는 것이 이해될 것이다.
컴퓨터 시스템(1300)은 컴퓨터 프로세스를 실행하기 위해서 컴퓨터 프로그램 제품을 실행할 수 있는 컴퓨팅 시스템일 수 있다. 데이터 및 프로그램 파일은 컴퓨터 시스템(1300)에 입력되고, 컴퓨터 시스템은 파일을 읽고 그 안의 프로그램을 실행한다. 하나 이상의 하드웨어 프로세서(1302), 하나 이상의 데이터 저장 디바이스(1304), 하나 이상의 메모리 디바이스(1308), 및/또는 하나 이상의 포트(1308-1310)를 포함하는, 컴퓨터 시스템(1300)의 일부의 요소가 도 14 에 도시된다. 또한, 당업자들에 의해 이해될 다른 요소들이 컴퓨팅 시스템(1300)에 포함될 수 있지만 도 14 에 명백하게 도시되거나 본 명세서에서 더 설명되지 않는다. 컴퓨터 시스템(1300)의 다양한 요소는 하나 이상의 통신 버스, 점대점 통신 경로, 또는 도 14 에 명백하게 도시되는 않는 다른 통신 수단을 사용하여 서로 통신할 수 있다.
프로세서(1302)는, 예를 들어 중앙 처리 유닛(CPU), 마이크로프로세서, 마이크로콘트롤러, 디지털 신호 프로세서(DSP), 및/또는 하나 이상의 내부 캐시 레벨을 포함할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(1302)가 존재할 수 있어서, 프로세서(1302)는 하나의 중앙-처리 유닛, 또는 서로에 대해 병렬적으로 명령을 실행하고 동작을 수행할 수 있고 개괄적으로 병렬 처리 환경으로 불리는 복수 개의 처리 유닛을 포함하게 된다.
컴퓨터 시스템(1300)은 종래의 컴퓨터, 분산 컴퓨터, 또는 클라우드 컴퓨팅 아키텍처를 통해 이용가능해지는 하나 이상의 외부 컴퓨터와 같은 컴퓨터일 수 있다. 본 명세서에서 설명된 기술은 선택적으로, 데이터 저장 디바이스(들)(1304)에 저장된 소프트웨어로 구현되고, 메모리 디바이스(들)(1306)에 저장되며, 및/또는 하나 이상의 포트(1308-1310)를 통해서 통신되어, 도 14 의 컴퓨터 시스템(1300)을 본 명세서에서 설명되는 동작을 구현하기 위한 특수 목적 머신으로 변환시킨다. 컴퓨터 시스템(1300)의 예예는 개인용 컴퓨터, 단말기, 워크스테이션, 모바일 폰, 태블릿, 랩탑, 개인용 컴퓨터, 멀티미디어 콘솔, 게이밍 콘솔, 셋톱 박스 등이 있다.
하나 이상의 데이터 저장 디바이스(1304)는, 컴퓨팅 시스템(1300) 내에서 생성되거나 채용되는 데이터, 예컨대 컴퓨터 프로세스를 수행하기 위한 컴퓨터 실행가능 명령을 저장할 수 있는 임의의 비-휘발성 데이터 저장 디바이스를 포함할 수 있는데, 이러한 저장 디바이스는 애플리케이션 프로그램 및 컴퓨팅 시스템(1300)의 다양한 구성 요소를 관리하는 운영 체제(OS) 양자 모두의 명령을 포함할 수 있다. 데이터 저장 디바이스(1304)는 자기 디스크 드라이브, 광학 디스크 드라이브, 고상 드라이브(SSDs), 플래시 드라이브 등을 비한정적으로 포함할 수 있다. 데이터 저장 디바이스(1304)는 하나 이상의 데이터베이스 관리 제품, 웹 서버 제품, 애플리케이션 서버 제품, 및/또는 다른 추가적 소프트웨어 구성 요소를 포함하는 이러한 컴퓨터 프로그램 제품을 가지고 있는 착탈식 데이터 저장 매체, 비-착탈식 데이터 저장 매체, 및/또는 유선 또는 무선 네트워크 아키텍처를 통해 이용가능해지는 외부 저장 디바이스를 포함할 수 있다. 착탈식 데이터 저장 매체의 예에는 콤팩트 디스크 판독전용 메모리(CD-ROM), 디지털 다기능 디스크 판독전용 메모리(DVD-ROM), 자기광학적 디스크, 플래시 드라이브 등이 있을 수 있다. 비-착탈식 데이터 저장 매체의 예에는 내부 자기 하드 디스크, SSD 등이 있다. 하나 이상의 메모리 디바이스(1306)는 휘발성 메모리(예를 들어, 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM), 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM) 등) 및/또는 비-휘발성 메모리(예를 들어, 판독-전용 메모리(ROM), 플래시 메모리 등)이 있을 수 있다.
본 명세서에서 설명된 기술에 따른 시스템 및 방법을 구현하기 위한 메커니즘을 보유하는 컴퓨터 프로그램 제품은 데이터 저장 디바이스(1304) 및/또는 메모리 디바이스(1306)에 상주할 수 있는데, 이들은 머신-판독가능 매체라고 불릴 수 있다. 머신-판독가능 매체가 머신에 의한 실행을 위해서 본 발명의 임의의 하나 이상의 동작을 수행하기 위한 명령을 저장 또는 인코딩할 수 있거나 이러한 명령에 의해 활용되거나 이러한 명령과 연관되는 데이터 구조체 및/또는 모듈을 저장 또는 인코딩할 수 있는 임의의 유형의 비-일시적 매체를 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 머신-판독가능 매체는 하나 이상의 실행가능한 명령 또는 데이터 구조체를 저장하는 단일 매체 또는 다수의 매체(예를 들어, 집중형 또는 분산형 데이터베이스, 및/또는 연관된 캐시 및 서버)를 포함할 수 있다.
일부 구현형태들에서, 컴퓨터 시스템(1300)은 다른 컴퓨팅, 네트워크, 네비게이션, 또는 로봇 디바이스와 통신하기 위한 입력/출력(I/O) 포트(1308) 및 통신 포트(1310)와 같은 하나 이상의 포트를 포함한다. 포트(1308-1310)가 결합되거나 개별적일 수 있으며 컴퓨터 시스템(1300) 내에 더 많거나 적은 포트가 포함될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
I/O 포트(1308)는 I/O 디바이스 또는 다른 디바이스에 연결될 수 있고, 이것을 통하여 정보가 컴퓨팅 시스템(1300)에 입력되거나 그로부터 출력된다. 이러한 I/O 디바이스는 하나 이상의 입력 디바이스, 또는 출력 디바이스, 예컨대, 예를 들어 로봇 암, 및 네비게이션 및 추적 시스템을 포함할 수 있다.
일 구현형태에서, 입력 디바이스는 인간 음성, 물리적 이동, 물리적 터치 또는 압력, 및/또는 기타 등등과 같은 인간-생성 신호를 I/O 포트(1308)를 통해 컴퓨팅 시스템(1300)으로 입력되는 입력 데이터로 변환한다. 이와 유사하게, 출력 디바이스는 I/O 포트(1308)를 통해 컴퓨팅 시스템(1300)으로부터 수신된 전기 신호를 사람에 의해 출력되는 것으로 감지될 수 있는 출력, 예컨대 음향, 광, 및/또는 터치로 변환할 수 있다. 입력 디바이스는 정보 및/또는 명령 모음을 I/O 포트(1308)를 통해 프로세서(1302)로 통신하기 위한, 영숫자 및 다른 키를 포함하는 영숫자 입력 디바이스일 수 있다. 입력 디바이스는: 마우스, 트랙볼, 커서 방향 키, 조이스틱, 및/또는 휠과 같은 방향 및 선택 제어 디바이스; 카메라, 마이크로폰, 위치 센서, 배향 센서, 중력의 센서, 관성 센서, 및/또는 가속도계와 같은 하나 이상의 센서; 및/또는 터치-감응 디스플레이 스크린("터치스크린"), 및/또는 네비게이션 및 추적 시스템과 연관된 추적/탐지 디바이스를 비한정적으로 포함하는 다른 타입의 사용자 입력 디바이스일 수 있다. 출력 디바이스는 디스플레이, 터치스크린, 스피커, 촉각적 및/또는 햅틱 출력 디바이스, 및/또는 기타 등등을 비한정적으로 포함할 수 있다. 일부 구현형태들에서, 입력 디바이스 및 출력 디바이스는, 예를 들어 터치스크린의 경우에는 동일한 디바이스일 수 있다.
일 구현형태에서, 통신 포트(1310)는 네트워크에 연결되는데, 통신 포트를 통해서 컴퓨터 시스템(1300)이 본 명세서에 설명된 방법 및 시스템을 실행하는 데에 유용한 네트워크 데이터를 수신하고 결정된 정보 및 네트워크 구성 변화를 송신할 수 있다. 달리 말하면, 통신 포트(1310)는 컴퓨터 시스템(1300)을 컴퓨팅 시스템(1300)과 다른 디바이스 사이에서 하나 이상의 유선 또는 무선 통신 네트워크 또는 연결을 통해서 정보를 송신 및/또는 수신하도록 구성되는 하나 이상의 통신 인터페이스 디바이스에 연결한다. 이러한 네트워크 또는 연결의 예에는 비한정적으로 범용 시리얼 버스(USB), 이더넷, Wi-Fi, Bluetooth®, 근거리장 통신(NFC), LTE(Long-Term Evolution) 등이 있다. 하나 이상의 이러한 통신 인터페이스 디바이스는, 점대점 통신 경로를 통해 직접적으로, 광역 네트워크(WAN)(예를 들어, 인터넷)를 통해, 근거리 네트워크(LAN)를 통해, 셀룰러(예를 들어, 3 세대(3G) 또는 제 4 생성(4G)) 네트워크를 통해, 또는 다른 통신 수단을 통해, 하나 이상의 다른 머신으로 통신하기 위해서 통신 포트(1310)를 통해서 활용될 수 있다. 더 나아가, 통신 포트(1310)는 안테나 또는 전자기 신호 송신 및/또는 수신을 위한 다른 링크와 통신할 수 있다.
예시적인 구현형태에서, 환자 데이터, 뼈 모델(예를 들어, 일반적인, 환자 특이적), 변환 소프트웨어, 추적 및 네비게이션 소프트웨어, 레지스트레이션 소프트웨어, 및 다른 소프트웨어 및 다른 모듈 및 서비스는 데이터 저장 디바이스(1304) 및/또는 메모리 디바이스(1306) 상에 저장된 명령에 의해 구체화되고 프로세서(1302)에 의해 실행될 수 있다. 컴퓨터 시스템(1300)은 수술 시스템(100)과 통합되거나 그 일부를 형성할 수 있다. 시스템은 제 1 뼈에서 수술중 수집된 환자 데이터를 공통 좌표계에서 제 1 뼈의 컴퓨터 모델과 레지스터링하도록 구성될 수 있다. 제 1 뼈는 제 2 뼈와 결합하여, 예를 들어 여러 가지 중에서 고관절, 무릎 관절, 견괄절, 팔꿈치 관절, 또는 발목 관절과 같은 관절을 형성할 수 있다. 시스템은 추적 디바이스 및 이동시에 추적 디바이스에 의해 추적되는 툴(예를 들어, 네비게이션 프루브, 수술용 로봇 암의 단부)를 포함하는 수술용 네비게이션 시스템을 포함할 수 있다. 또한, 시스템은 네비게이션 시스템과 통신하는 컴퓨팅 디바이스(하나 이상)를 포함할 수 있다. 컴퓨팅 디바이스는 다음 단계를 수행할 수 있다: 1) 뼈의 오목부의 관절 표면 상의 수술중에 수집된 제 1 포인트로부터 환자 데이터의 제 1 데이터 포인트를 수신한다. 제 1 데이터 포인트는 적어도 하나의 툴을 사용하여 수집될 수 있다. 제 1 데이터 포인트는 위치에 있어서 컴퓨터 모델 상의 제 1 관절 영역에 대응할 수 있다. 2) 제 1 뼈 상의 수술중에 수집된 제 2 포인트로부터 제 2 데이터 포인트를 수신한다. 제 2 데이터 포인트는 적어도 하나의 툴을 사용하여 수집될 수 있다. 제 2 데이터 포인트는 위치에 있어서 컴퓨터 모델 상의 제 2 가상 데이터 포인트에 대응할 수 있다. 3) 제 1 데이터 포인트로부터 수술중 회전 중심을 결정한다. 수술중 회전 중심은 제 1 뼈에 상대적인 제 2 뼈의 물리적 회전 중심에 대응할 수 있다. 4) 가상 회전 중심과 제 2 가상 데이터 포인트 사이의 제 1 거리를 수술중 회전 중심과 제 2 데이터 포인트 사이의 제 2 거리와 비교한다. 그리고, 5) 위치와 배향에 관하여 대응하도록 환자 데이터 및 컴퓨터 모델을 가지고 변환을 실행한다.
도 14 에서 설명된 시스템은 본 발명의 양태를 채용하거나 그에 따라 구성될 수 있는 컴퓨터 시스템의 오직 하나의 가능한 예일 뿐이다. 본 명세서에서 설명된 기술을 컴퓨팅 시스템에서 구현하기 위한 컴퓨터-실행가능 명령을 저장하는 다른 비-일시적 유형의 컴퓨터-판독가능 저장 매체가 이용될 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
본 명세서에서, 여러 가지 중에서 여기에서 설명된 방법들, 예를 들어 도 5 및 도 8a 및 도 8b 에 도시된 것들은 디바이스에 의해 판독가능한 명령 또는 소프트웨어의 세트로서 구현될 수 있다. 더 나아가, 개시된 방법의 단계들의 특정한 순서 또는 계층구조는 예시적인 접근법의 예들이라는 것이 이해된다. 설계 선호 사항들에 기초하여, 방법의 단계들의 특정 순서 또는 계층구조는 개시된 기술 요지에 속하면서 재정렬될 수 있다는 것이 이해된다. 첨부된 방법 청구항들은 여러 단계들의 요소들을 샘플 순서로 제시하지만, 반드시 제시된 특정 순서 또는 계층구조로 제한되는 것을 의미하지는 않는다.
본 명세서에서 설명되는 방법 중 임의의 것을 포함하는 설명된 내용은 컴퓨터 프로그램 제품, 소프트웨어, 또는 저장된 명령을 가지는 비-일시적 머신-판독가능 매체로서 제공될 수 있으며, 이들은 본 발명에 따른 프로세스를 수행하도록 컴퓨터 시스템(또는 다른 전자 디바이스)을 프로그래밍하기 위해 사용될 수 있다. 머신-판독가능 매체는 머신(예컨대, 컴퓨터)에 의해 판독가능한 형태(예를 들어, 소프트웨어, 프로세싱 애플리케이션)로 정보를 저장하기 위한 임의의 메커니즘을 포함한다. 머신-판독가능 매체는, 자기 저장 매체; 광학 저장 매체; 자기-광학식 저장 매체; 판독 전용 메모리(ROM); 랜덤 액세스 메모리(RAM); 소거가능 프로그램가능 메모리(예컨대, EPROM 및 EEPROM); 플래시 메모리; 또는 전자 명령어들을 저장하기에 적합한 매체의 다른 타입들을 포함할 수도 있지만 이것들로 제한되는 것은 아니다.
본 발명이 다양한 구현형태를 참조하여 설명되었지만, 이러한 실시형태들은 예시적인 것이고 본 발명의 범위는 이들로 한정되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 많은 개조들, 변형들, 부가들, 및 개량들이 가능하다. 좀 더 일반적으로는, 본 발명에 따르는 실시예는 특정 구현형태의 콘텍스트에서 설명되었다. 기능성은 본 발명의 다양한 실시예들에서 상이하게 분리되거나 블록으로 결합될 수 있고, 또는 상이한 용어로 기술될 수 있다. 이러한 그리고 다른 개조들, 변형들, 부가들, 및 개량들은 후속하는 청구항에서 규정되는 본 발명의 범위 내에 속할 수 있다. 예를 들어, 상세한 설명이 고관절을 수반하는 방법에 대해 논의하지만, 본 발명은 여러 가지 중에서 어깨, 발목, 및 척추를 포함하는 다른 관절 에도 유사하게 적용가능하다.
일반적으로, 본 명세서에서 설명되는 실시예가 특정 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어나지 않으면서 수정이 가해질 수 있다. 또한, "포함하는"이라는 용어가 본 명세서에서 사용될 때 포함형으로, 즉 "포함하지만 그것으로 한정되지는 않음"을 의미하도록 의도된다는 것에 주의한다.
다양한 예시적인 실시예에서 도시되는 바와 같은 시스템 및 방법의 구성과 배열은 예시적인 것일 뿐이다. 비록 본 명세서에서는 몇 가지의 실시예들만이 상세히 설명되었지만, 많은 변형예들(예를 들어, 크기, 치수, 구조, 형상 및 다양한 요소들의 비율, 파라미터의 값, 마운팅 장치, 재료의 용도, 색상, 배향 등의 변형)이 가능하다. 예를 들어, 구성 요소들의 위치는 반전되거나 그렇지 않으면 변경될 수 있고, 이산 요소 또는 위치의 성질 또는 개수는 변하거나 변경될 수 있다. 따라서, 이러한 변형예들은 본 발명의 범위 내에 속하게 되도록 의도된다. 임의의 프로세스 또는 방법 단계의 순서 또는 시퀀스는 다른 실시예에 따라서 변경되거나 다시 순서결정될 수 있다. 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 예시적인 실시예의 디자인, 동작 조건 및 배열에 있어서 다른 치환, 변경, 변화, 및 생략이 이루어질 수 있다.

Claims (50)

  1. 수술중에 수집된 제 1 뼈의 환자 데이터를 좌표계 내에서 상기 제 1 뼈의 컴퓨터 모델과 레지스터링하는 시스템에 있어서, 상기 제 1 뼈는 오목부를 포함하고 볼록부를 포함하는 제 2 뼈와 관절(joint)을 형성하는 시스템으로서,
    a) 추적 디바이스 및 상기 추적 디바이스에 있어서 이동중에 추적되도록 구성되는 적어도 하나의 툴; 및
    b) 수술용 네비게이션 시스템과 통신하는 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스 - 상기 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스는 상기 좌표계 내에서 제 1 뼈의 컴퓨터 모델을 저장함 -를 포함하고, 상기 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스는,
    i) 상기 환자 데이터의 제 1 데이터 포인트들을 상기 오목부의 관절 표면(articular surface) 상의 수술중에 수집된 제 1 포인트로부터 수신하는 단계 - 상기 제 1 데이터 포인트들은 상기 적어도 하나의 툴을 사용하여 수집되고, 상기 제 1 데이터 포인트들은 위치에 있어서 상기 컴퓨터 모델 상의 제 1 관절 영역(articular region)에 대응함 -;
    ii) 상기 제 1 뼈 상의 수술중에 수집된 제 2 포인트로부터 제 2 데이터 포인트를 수신하는 단계 - 상기 제 2 데이터 포인트는 상기 적어도 하나의 툴을 사용하여 수집되고, 상기 제 2 데이터 포인트는 위치에 있어서 상기 컴퓨터 모델 상의 제 2 가상 데이터 포인트에 대응함 -;
    iii) 상기 제 1 데이터 포인트들로부터 수술중 회전 중심을 결정하는 단계;
    iv) 상기 수술중 회전 중심(intra-operative center of rotation)을 좌표계 내에서 상기 컴퓨터 모델의 가상 회전 중심과 정렬시키는 단계;
    v) 상기 가상 회전 중심과 상기 제 2 가상 데이터 포인트 사이의 제 1 거리를 상기 수술중 회전 중심과 상기 제 2 데이터 포인트 사이의 제 2 거리와 비교하는 단계; 및
    vi) 상기 환자 데이터와 상기 컴퓨터 모델이 위치 및 배향에 관하여 대응하게 되도록 상기 환자 데이터 및 상기 컴퓨터 모델의 변환을 실행하는 단계
    를 수행하는, 레지스터링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 뼈는 장골(ilium)을 포함하고,
    상기 오목부는 관골구(acetabulum)를 포함하며,
    상기 제 2 뼈는 대퇴골femur)을 포함하고,
    상기 제 2 데이터 포인트는 상기 관골구 가장자리, 상기 관골구의 관절 표면, 또는 상전 장골능(anterior superior iliac spine) 상에 위치되는, 레지스터링 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스는,
    vii) 상기 제 1 뼈 쌍의 수술중에 수집된 제 3 포인트로부터 환자 데이터의 제 3 데이터 포인트를 수신하는 단계 - 상기 제 3 데이터 포인트는 상기 적어도 하나의 툴로 수집되고, 상기 제 3 데이터 포인트는 상기 제 1 뼈 상에 상기 제 2 데이터 포인트와 다른 위치에 있으며, 위치에 있어서 상기 컴퓨터 모델 상의 제 3 가상 데이터 포인트에 대응함 -; 및
    viii) 상기 가상 회전 중심과 상기 제 3 가상 데이터 포인트 사이의 제 3 거리를 상기 수술중 회전 중심과 상기 제 3 데이터 포인트 사이의 제 4 거리와 비교하는 단계를 더 실행하는, 레지스터링 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 뼈는 장골을 포함하고,
    상기 오목부는 관골구를 포함하며,
    상기 제 2 뼈는 대퇴골을 포함하고,
    상기 제 2 데이터 포인트는 상기 관골구 가장자리, 상기 관골구의 관절 표면, 또는 상전 장골능 중 하나 상에 위치되며,
    상기 제 3 데이터 포인트는 상기 관골구 가장자리, 상기 관골구의 관절 표면, 또는 상기 상전 장골능 중 하나 상에 위치되는, 레지스터링 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 뼈는 견갑골(scapula)을 포함하고,
    상기 오목부는 관절와(glenoid cavity)를 포함하며,
    상기 제 2 뼈는 상완골(humerus)을 포함하고,
    상기 제 2 데이터 포인트는 상기 관절와의 가장자리, 상기 관절와의 관절 표면, 또는 상기 견갑골의 다른 부분 중 하나 상에 위치되며,
    상기 제 3 데이터 포인트는 상기 관절와의 가장자리, 상기 관절와의 관절 표면, 또는 상기 견갑골의 다른 부분 중 하나 상에 위치되는, 레지스터링 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    단계 iii)은 상기 제 1 데이터 포인트들에 의해 형성되는 구면(spherical surface)을 계산하는 것을 더 포함하는, 레지스터링 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 컴퓨팅 디바이스는,
    상기 구면의 수술중 반경을 계산하는 단계를 더 실행하고,
    상기 수술중 반경은 상기 수술중 회전 중심으로부터 개략적으로 상기 제 1 데이터 포인트들을 향해 연장되는, 레지스터링 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 컴퓨팅 디바이스는,
    상기 수술중 반경을 상기 컴퓨터 모델의 가상 회전 중심으로부터 상기 컴퓨터 모델 상의 제 1 관절 영역까지 연장되는 가상 반경과 비교하는 단계를 더 실행하는, 레지스터링 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 수술중 반경과 상기 가상 반경 사이의 차이가 약 3 mm 이하라면 레지스트레이션이 수락가능한, 레지스터링 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 툴은 무구속(free-hand) 네비게이션 프루브, 및 수술용 로봇의 암 중 적어도 하나를 포함하는, 레지스터링 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 관절은 고관절, 견괄절, 무릎 관절, 팔꿈치 관절, 또는 발목 관절 중 하나를 포함하는, 레지스터링 시스템.
  12. 컴퓨팅 시스템에서 컴퓨터 프로세스를 수행하기 위한 컴퓨터-실행가능 명령을 저장하는 하나 이상의 유형의 컴퓨터-판독가능 저장 매체로서,
    상기 컴퓨터 프로세스는,
    a) 제 1 위치에서 네비게이션 시스템의 추적 디바이스를 사용하여 제 1 환자 뼈 상에서 캡쳐된 환자 데이터 포인트의 복수 개의 제 1 데이터 포인트를 수신하는 단계 - 상기 제 1 환자 뼈는 제 2 환자 뼈의 볼록부와 관절을 형성하는 오목부를 포함하고, 상기 복수 개의 제 1 데이터 포인트는 상기 제 1 위치에서의 상기 제 1 환자 뼈의 제 1 가상 표면 프로파일을 나타냄 -;
    b) 제 2 위치에서 상기 추적 디바이스를 사용하여 상기 제 1 환자 뼈 상에서 캡쳐된 환자 데이터 포인트의 제 2 데이터 포인트를 수신환자 데이터 포인트의 제 2 데이터 포인트를 수신하는 단계 - 상기 제 2 위치는 상기 제 1 위치와 다름 -;
    c) 상기 복수 개의 제 1 데이터 포인트로부터 제 1 회전 중심을 결정하는 단계;
    d) 상기 제 1 회전 중심을 상기 제 1 환자 뼈의 컴퓨터 모델의 가상 회전 중심과 국부적으로 매칭하는 단계 - 상기 복수 개의 제 1 데이터 포인트, 상기 제 2 데이터 포인트, 좌표계에서의 상기 제 1 회전 중심, 상기 컴퓨터 모델, 및 상기 가상 회전 중심은 공통 좌표계 내에 있음 -; 및
    e) 상기 환자 데이터 포인트를 위치 및 배향에 관하여 상기 컴퓨터 모델과 레지스터링하도록, 상기 제 2 데이터 포인트를 상기 컴퓨터 모델의 제 2 가상 데이터 포인트와 국부적으로 매칭하는 단계 - 상기 제 2 가상 데이터 포인트는 상기 제 1 환자 뼈 상의 제 2 위치에 대응하는 위치에서 상기 컴퓨터 모델 상에 위치됨 -를 포함하는, 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 관절은 고관절, 견괄절, 무릎 관절, 팔꿈치 관절, 또는 발목 관절 중 하나를 포함하는, 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 위치는 관절 표면을 포함하는, 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  15. 제 14 항에 있어서,
    단계 c)는 복수 개의 제 1 데이터 포인트에 의해 형성되는 구면을 계산하는 것을 더 포함하는, 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 컴퓨터 프로세스는,
    상기 구면의 제 1 반경을 계산하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제 1 반경은 상기 제 1 회전 중심으로부터 복수 개의 제 1 데이터 포인트로 연장되는, 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 컴퓨터 프로세스는,
    상기 제 1 반경을 상기 컴퓨터 모델의 가상 회전 중심으로부터 연장되는 가상 반경과 비교하는 단계를 더 포함하는, 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  18. 제 12 항에 있어서,
    단계 e)에서의 정보는 상기 제 2 데이터 포인트와 상기 제 1 회전 중심 사이의 제 1 길이를 포함하는, 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 길이는 상기 제 2 가상 데이터 포인트와 상기 가상 회전 중심 사이의 가상 거리와 비교되는, 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 2 데이터 포인트는 상기 오목부의 가장자리 또는 상기 오목부의 관절 표면 상에 위치되는, 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  21. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 데이터 포인트는 상기 오목부의 가장자리 또는 상기 오목부의 관절 표면 상에 위치되고,
    상기 컴퓨터 프로세스는,
    f) 상기 추적 디바이스를 사용하여 상기 제 1 환자 뼈 상에서 캡쳐된 환자 데이터 포인트의 제 3 데이터 포인트를 수신하는 단계 - 상기 제 3 데이터 포인트는 위치에 있어서 상기 컴퓨터 모델 상의 제 3 가상 데이터 포인트에 대응하고, 상기 제 3 데이터 포인트는 상기 제 2 데이터 포인트 및 상기 복수 개의 제 1 데이터 포인트와 다름 -; 및
    g) 상기 제 1 환자 뼈를 상기 컴퓨터 모델과 레지스터링하도록, 상기 제 3 데이터 포인트 및 상기 제 3 가상 데이터 포인트를 국부적으로 매칭하는 단계를 더 포함하는, 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 3 데이터 포인트는 상기 관절로부터 떨어져 있는 해부학적 랜드마크인, 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 관절로부터 떨어져 있는 것은 적어도 10 cm의 거리를 포함하는, 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 1 환자 뼈는 장골이고, 상기 해부학적 랜드마크는 상전 장골능인, 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  25. 제 24 항에 있어서,
    단계 g)에서의 제 2 정보는, 상기 제 1 회전 중심으로부터 상기 제 3 데이터 포인트까지 연장되는 제 1 벡터를 상기 가상 회전 중심으로부터 상기 제 3 가상 데이터 포인트까지 연장되는 제 2 벡터와 비교하는 것을 포함하는, 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  26. 제 25 항에 있어서,
    적어도 하나의 면에서의 상기 제 1 벡터와 제 2 벡터 사이의 각도차가 레지스트레이션 정확도를 결정하기 위하여 사용되는, 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  27. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 3 데이터 포인트, 상기 제 2 데이터 포인트, 및 상기 복수 개의 데이터 포인트는, 상기 제 3 데이터 포인트, 상기 제 2 데이터 포인트, 및 상기 제 1 회전 중심이 동일 선상에 있지(collinear) 않으면 수락가능한, 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  28. 제 12 항에 있어서,
    상기 컴퓨터 모델은 상기 제 1 환자 뼈의 수술전 이미지, 및 상기 제 1 환자 뼈의 수술중 데이터 모음(data gathering) 중 적어도 하나로부터 생성되는, 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  29. 제 1 뼈와 연관된 환자 데이터를 좌표계 내에서 상기 제 1 뼈의 컴퓨터 모델과 레지스터링하는 컴퓨터화된 방법에 있어서, 상기 제 1 뼈는 오목부를 포함하고 볼록부를 포함하는 제 2 뼈와 관절을 형성하는 컴퓨터화된 방법으로서,
    a) 상기 제 1 뼈의 오목부의 관절 표면 상에서 수술중에 수집된 제 1 포인트로부터 상기 환자 데이터의 제 1 데이터 포인트들을 수신하는 단계 - 상기 제 1 데이터 포인트들은 네비게이션 시스템의 추적 디바이스로 수집됨 -;
    b) 상기 제 1 뼈 상에서 수술중에 수집된 제 2 포인트로부터 상기 환자 데이터의 제 2 데이터 포인트를 수신하는 단계 - 상기 제 2 데이터 포인트는 상기 추적 디바이스로 수집되고, 상기 제 2 데이터 포인트는 위치에 있어서 상기 컴퓨터 모델 상의 제 2 가상 데이터 포인트에 대응함 -;
    c) 상기 제 1 데이터 포인트들로부터 상기 제 1 뼈의 수술중 회전 중심을 결정하는 단계;
    d) 상기 수술중 회전 중심을 상기 좌표계 내에서 상기 컴퓨터 모델의 가상 회전 중심과 국부적으로 매칭하는 단계; 및
    e) 상기 가상 회전 중심과 상기 제 2 가상 데이터 포인트 사이의 제 1 거리를 상기 수술중 회전 중심과 상기 제 2 데이터 포인트 사이의 제 2 거리와 비교하는 단계를 포함하는, 컴퓨터화된 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 제 2 데이터 포인트는 상기 오목부의 가장자리, 상기 오목부의 관절 표면, 또는 상기 제 1 뼈의 다른 부분 상에 위치되는, 컴퓨터화된 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 컴퓨터화된 방법은,
    f) 상기 제 1 뼈 쌍의 수술중에 수집된 제 3 포인트로부터 환자 데이터의 제 3 데이터 포인트를 수신하는 단계 - 상기 제 3 데이터 포인트는 상기 추적 디바이스로 수집되고, 상기 제 3 데이터 포인트는 상기 제 1 뼈 상에 상기 제 2 데이터 포인트와 다른 위치에 있으며, 위치에 있어서 상기 컴퓨터 모델 상의 제 3 가상 데이터 포인트에 대응함 -; 및
    g) 상기 가상 회전 중심과 상기 제 3 가상 데이터 포인트 사이의 제 3 거리를 상기 수술중 회전 중심과 상기 제 3 데이터 포인트 사이의 제 4 거리와 비교하는 단계를 더 포함하는, 컴퓨터화된 방법.
  32. 제 29 항에 있어서,
    상기 관절은 고관절, 견괄절, 무릎 관절, 팔꿈치 관절, 또는 발목 관절 중 하나를 포함하는, 컴퓨터화된 방법.
  33. 제 29 항에 있어서,
    단계 c)는 상기 제 1 데이터 포인트들에 의해 형성되는 구면(spherical surface)을 계산하는 것을 더 포함하는, 컴퓨터화된 방법.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 컴퓨터화된 방법은, 상기 구면의 수술중 반경을 계산하는 단계를 더 포함하고,
    상기 수술중 반경은 상기 수술중 회전 중심으로부터 개략적으로 상기 제 1 데이터 포인트들을 향해 연장되는, 컴퓨터화된 방법.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 컴퓨터화된 방법은,
    상기 수술중 반경을 상기 컴퓨터 모델의 가상 회전 중심으로부터 연장되는 가상 반경과 비교하는 단계를 더 포함하는, 컴퓨터화된 방법.
  36. 제 1 환자 뼈와 연관된 제 1 환자 데이터를 병진 및 회전에 관하여 좌표계 내에서 상기 제 1 환자 뼈의 컴퓨터 모델과 레지스터링하는 컴퓨터화된 방법에 있어서, 상기 제 1 환자 뼈는 제 2 환자 뼈의 볼록부와 관절을 형성하는 오목부를 포함하는 컴퓨터화된 방법으로서,
    a) 상기 제 1 환자 데이터와 상기 제 1 환자 뼈의 컴퓨터 모델 사이의 병진을,
    i) 상기 제 1 환자 데이터의 복수 개의 제 1 데이터 포인트를 수신하는 것 - 상기 복수 개의 제 1 데이터 포인트는 제 1 위치에서 상기 제 1 환자 뼈 상에서 수집된 제 1 포인트에 대응하고, 상기 제 1 포인트는 네비게이션 시스템의 추적 디바이스로 수집됨 -;
    ii) 상기 복수 개의 제 1 데이터 포인트로부터 상기 제 1 환자 뼈의 수술중 회전 중심을 결정하는 것; 및
    iii) 상기 수술중 회전 중심을 상기 좌표계에서의 상기 제 1 환자 뼈의 컴퓨터 모델의 가상 회전 중심과 정렬시키는 것에 의하여 로킹(locking)하는 단계를 더 포함하는, 컴퓨터화된 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 컴퓨터화된 방법은,
    b) 상기 제 1 데이터 포인트와 상기 제 1 환자 뼈의 컴퓨터 모델 사이의 회전을,
    i) 상기 제 1 환자 뼈 상의 상기 제 1 데이터 포인트의 제 2 데이터 포인트를 추적 디바이스를 사용하여 캡쳐하는 것 - 상기 제 2 데이터 포인트는 상기 복수 개의 제 1 데이터 포인트와 상이한 위치에 있고, 위치에 있어서 상기 컴퓨터 모델 상의 제 2 가상 데이터 포인트에 대응함 -; 및
    ii) 상기 제 2 데이터 포인트 및 상기 제 2 가상 데이터 포인트와 연관된 정보를 사용하여, 상기 제 1 데이터 포인트와 상기 컴퓨터 모델의 회전을 로킹하는 것에 의하여 로킹하는 단계를 더 포함하는, 컴퓨터화된 방법.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 관절은 고관절, 견괄절, 무릎 관절, 팔꿈치 관절, 또는 발목 관절을 포함하는, 컴퓨터화된 방법.
  39. 제 37 항에 있어서,
    상기 제 1 위치는 관절 표면을 포함하는, 컴퓨터화된 방법.
  40. 제 39 항에 있어서,
    단계 c)는 상기 복수 개의 제 1 데이터 포인트에 의해 형성되는 구면을 계산하는 것을 더 포함하는, 컴퓨터화된 방법.
  41. 제 40 항에 있어서,
    상기 컴퓨터화된 방법은, 상기 구면의 수술중 반경을 계산하는 단계를 더 포함하고,
    상기 수술중 반경은 상기 수술중 회전 중심으로부터 개략적으로 상기 복수 개의 제 1 데이터 포인트를 향해 연장되는, 컴퓨터화된 방법.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 컴퓨터화된 방법은,
    상기 수술중 반경을 상기 컴퓨터 모델의 가상 회전 중심으로부터 연장되는 가상 반경과 비교하는 단계를 더 포함하는, 컴퓨터화된 방법.
  43. 제 37 항에 있어서,
    상기 제 1 환자 뼈는 관골구를 가지는 장골을 포함하고,
    상기 제 2 환자 뼈는 대퇴골을 포함하며,
    상기 관절은 고관절을 포함하고,
    상기 제 1 위치는 상기 관골구의 관절 표면 상에 있고,
    상기 상이한 위치는 상기 관골구 가장자리, 상기 관골구의 관절 표면, 상기 장골의 상전 장골능, 또는 무수술(non-operative) 장골의 상전 장골능 상에 있는, 컴퓨터화된 방법.
  44. 환자의 제 1 뼈와 연관된 수술중 데이터를 상기 제 1 뼈의 컴퓨터 모델과 레지스터링하는 것을 수반하는 레지스트레이션 프로시저 중의 유도식 랜드마크 캡쳐를 위한 시스템으로서,
    a) 추적 디바이스 및 상기 추적 디바이스에 의하여 이동중에 추적되도록 구성되는 적어도 하나의 툴;
    b) 디스플레이 디바이스; 및
    c) 상기 디스플레이 디바이스 및 수술용 네비게이션 시스템과 전기 통신 상태인 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스 - 상기 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스는, 입력부; 출력부; 메모리; 및 상기 입력부, 상기 출력부 및 상기 메모리와 전기 통신 상태인 중앙 처리 유닛("CPU")을 포함하고, 상기 메모리는 그래픽 사용자 인터페이스("GUI")를 동작시키기 위한 소프트웨어를 포함하며, 상기 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스는,
    i) 상기 GUI 및 상기 제 1 뼈의 컴퓨터 모델을 상기 디스플레이 디바이스 상에 디스플레이하는 것 - 상기 GUI는 상기 제 1 뼈의 컴퓨터 모델 상에 디스플레이된 가상 포인트를 포함하고, 상기 가상 포인트는 상기 적어도 하나의 툴로의 수술중 캡쳐를 위해서 상기 제 1 뼈 상의 물리적 포인트에 대응하며, 상기 GUI는 상기 가상 포인트를 적어도 부분적으로 둘러싸는 그래픽을 더 포함하고, 상기 그래픽은 상기 가상 포인트로부터 반경만큼 이격되어 배치됨 -; 및
    ii) 상기 적어도 하나의 툴과 상기 제 1 뼈 상의 물리적 포인트 사이의 거리의 변화에 기초하여, 상기 그래픽의 반경의 크기를 조절하는 것을 수행하도록 구성되는, 유도식 랜드마크 캡쳐 시스템.
  45. 제 44 항에 있어서,
    상기 그래픽의 반경의 크기는 상기 거리의 변화가 감소함에 따라 감소되는, 유도식 랜드마크 캡쳐 시스템.
  46. 제 44 항에 있어서,
    상기 그래픽의 반경의 크기는 상기 거리의 변화가 증가함에 따라 증가되는, 유도식 랜드마크 캡쳐 시스템.
  47. 제 44 항에 있어서,
    상기 그래픽은 화살표 및 원 중 적어도 하나를 포함하는, 유도식 랜드마크 캡쳐 시스템.
  48. 제 44 항에 있어서,
    상기 물리적 포인트가 수술중에 캡쳐되면 상기 그래픽은 색상을 변경하는, 유도식 랜드마크 캡쳐 시스템.
  49. 제 44 항에 있어서,
    상기 거리의 변화는, 상기 적어도 하나의 툴의 끝과 상기 제 1 뼈 상의 물리적 포인트 사이인, 유도식 랜드마크 캡쳐 시스템.
  50. 제 44 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 툴은, 네비게이션 프루브, 및 로봇 암과 커플링된 툴의 끝 중 적어도 하나를 포함하는, 유도식 랜드마크 캡쳐 시스템.
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