用于治疗股骨髋臼撞击症的方法和系统与流程

用于治疗股骨髋臼撞击症的方法和系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年7月2日提交的名称为“planning and robotic assistance for treatment of femoroacetabular impingement(用于治疗股骨髋臼撞击症的规划和机器人辅助)”的美国临时申请序列号63/047,319的权益。该临时申请通过引用结合在此，如同在下面完整复制一样。


背景技术：

3.股骨髋臼撞击症(fai)是导致髋关节的唇侧或关节软骨损伤的原因。fai由股骨颈部上的骨过度生长(称为凸轮畸形)、髋臼缘周围的骨过度生长(称为钳夹畸形)或两者的组合引起。fai的治疗涉及使用机械切除装置来去除骨并且产生在典型运动范围内不会导致撞击的解剖轮廓。治疗可以相对于凸轮畸形、钳夹畸形或这两者进行。
4.治疗fai的挑战之一是难以确定要去除的骨的适当定位和骨量以减少撞击。不同角度的多个x射线可从特定角度表征关节周围的过度生长，但仅使用二维(2d)x射线图像难以表征解剖结构的三维(3d)性质。鉴于此，一种技术是获得磁共振成像(mri)或计算机断层扫描(ct)图像，来以3d视角观察解剖结构。尽管ct可用于构建3d骨模型，从而允许外科医生看到凸轮和钳夹整体畸形，但3d骨模型并未向外科医生提供关于需要切除多少骨以缓解撞击的信息。此外，在关节镜治疗期间，通过关节镜视频难以确定围绕股骨头和颈部的圆周已经有多少骨被去除。因此，外科医生可能严重依赖术中荧光透视来提供2d图像以确定骨的轮廓。通过以各种取向拍摄这些荧光图像，尝试确定撞击是否已解决。
5.由于过度切除可能导致股骨颈骨折和/或髋臼骨折，因此不足切除是常见的。事实上，考虑到重复髋关节镜程序，病例中约64％的原因是不足切除。


技术实现要素：

6.治疗股骨髋臼撞击症。一个示例是一种治疗股骨髋臼撞击症的方法，所述方法包括：由程序控制器监测髋臼股骨关节的第一构件在三维坐标空间中的定位；由所述程序控制器通过在所述三维坐标空间中跟踪切除装置的远端来跟踪从所述髋臼股骨关节的第一构件切除的骨量；以及由所述程序控制器基于所述切除装置的远端相对于与所述髋臼股骨关节的第一构件相关联的规划切除体积的定位控制所述切除装置的切除率。
7.在示例方法中，所述髋臼股骨关节的第一构件可以是选自股骨和髋臼中的至少一个。
8.在示例方法中，控制所述切除率还可包括当所述切除装置的远端位于所述规划切除体积的具有较少要去除的骨的部分上时降低所述切除装置的切割器的转速。
9.在示例方法中，控制所述切除率还可包括当所述切除装置的远端位于所述规划切除体积的指定更多要去除的骨的部分上时提高所述切除装置的切割器的转速。
10.在示例方法中，控制所述切除率还可包括基于所述切除装置的远端相对于所述规划切除体积中要去除的剩余骨的定位而控制所述切除装置的切割器的转速。控制所述切除
率还可包括响应于所述切除装置的远端邻接所述规划切除体积之外的骨，将所述切除装置的切割器的转速改变为零。控制所述切除率还可包括响应于所述切除装置的远端邻接所述规划切除体积下方的区域中的骨，将所述切除装置的切割器的转速改变为零。
11.所述示例方法还可包括：基于多个图像创建所述髋臼股骨关节的第一构件的至少一部分的三维模型；基于所述三维模型创建所述规划切除体积；并且接着向所述程序控制器提供所述三维模型和所述规划切除体积。所述多个图像可选自：x射线图像；计算机断层扫描图像；超声图像；和磁共振成像图像。在某些情况下，在监测所述髋臼股骨关节的第一构件之前，所述示例方法可包括配准所述髋臼股骨关节的第一构件以将所述第一构件与所述模型相互关联。
12.治疗股骨髋臼撞击症的第二示例方法包括：由程序控制器监测髋臼股骨关节的第一构件在三维坐标空间中的定位；由所述程序控制器通过在所述三维坐标空间中跟踪切除装置的远端来跟踪切除的骨量；以及由所述程序控制器生成模拟荧光图像，所述模拟荧光图像显示在骨量已被去除之后所述髋臼股骨关节的第一构件；以及在显示装置上显示所述模拟荧光图像。
13.第二示例方法还可包括：基于多个图像创建所述髋臼股骨关节的第一构件的至少一部分的三维模型，创建所述三维模型在切除骨之前进行；以及向所述程序控制器提供所述三维模型。生成所述模拟荧光图像还可包括基于所述三维模型和所述切除的骨量创建所述模拟荧光图像。
14.在示例第二方法中，所述多个图像可选自：x射线图像；计算机断层扫描图像；和磁共振成像图像。
15.在示例第二方法中，生成所述模拟荧光图像还可包括生成多个模拟荧光图像，每个图像相对于所述髋臼股骨关节呈不同角度。
16.示例第二方法还可包括基于所述切除装置的远端相对于与所述髋臼股骨关节的第一构件相关联的规划切除体积的定位控制所述切除装置的切除率。控制所述切除率还可包括当所述切除装置的远端位于所述规划切除体积的具有少于要去除的预定骨量的部分上时，降低所述切除装置的切割器的转速。控制所述切除率还可包括当所述切除装置的远端位于所述规划切除体积的具有多于要去除的预定骨量的部分上时提高所述切除装置的切割器的转速。控制所述切除率还可包括基于所述切除装置的远端相对于所述规划切除体积中要去除的剩余骨的定位而控制所述切除装置的切割器的转速。控制所述切除率还可包括响应于所述切除装置的远端邻接所述规划切除体积之外的骨，将所述切除装置的切割器的转速改变为零。控制所述切除率还可包括响应于所述切除装置的远端邻接所述规划切除体积下方的区域中的骨，将所述切除装置的切割器的转速改变为零。
17.另一个示例是一种用于治疗股骨髋臼撞击症的系统，所述系统包括：程序控制器；立体摄像头，所述立体摄像头联接到所述程序控制器；显示装置，所述显示装置联接到所述程序控制器；切除控制器，所述切除控制器通信联接到所述程序控制器；切除装置，所述切除装置可操作地联接到所述切除控制器，所述切除装置包括手持件,联接到所述手持件并从所述手持件延伸的细长外管，以及设置在所述细长外管的远端上的切割器；光学跟踪阵列，所述光学跟踪阵列联接到所述切除装置并且在所述立体摄像头的光学视图中。所述程序控制器可被配置成：监测髋臼股骨关节的第一构件在三维坐标空间中的定位；通过在所
述三维坐标空间中跟踪所述切除装置的远端，跟踪从所述髋臼股骨关节的第一构件切除的骨量；以及基于所述切除装置的远端相对于与所述髋臼股骨关节的第一构件相关联的规划切除体积的定位控制所述切除装置的切除率。
18.在示例系统中，当所述程序控制器监测所述髋臼股骨关节的第一构件的定位时，所述程序控制器还可被配置成监测选自股骨和髋臼中的至少一个。
19.在示例系统中，当所述程序控制器控制所述切除率时，所述程序控制器还可被配置成当所述切除装置的远端位于所述规划切除体积的具有少于要去除的预定骨量的部分上时降低所述切除装置的切割器的转速。
20.在示例系统中，当所述程序控制器控制所述切除率时，所述程序控制器还可被配置成当所述切除装置的远端位于所述规划切除体积的具有多于要去除的预定骨量的部分上时提高所述切除装置的切割器的转速。
21.在示例系统中，当所述程序控制器控制所述切除率时，所述程序控制器还可被配置成基于所述切除装置的远端相对于在所述规划切除体积中要去除的剩余骨的定位而控制所述切除装置的切割器的转速。所述程序控制器还可被配置成响应于所述切除装置的远端邻接所述规划切除体积之外的骨，将所述切除装置的切割器的转速改变为零。所述程序控制器还可被配置成响应于所述切除装置的远端邻接所述规划切除体积下方的区域中的骨，将所述切除装置的切割器的转速改变为零。
22.在示例系统中，所述程序控制器还可被配置成在控制所述切除率之前，接收基于多个图像的以三维表示的所述髋臼股骨关节的第一构件的至少一部分的三维模型；并且接收基于所述三维模型的规划切除体积。
23.第二示例系统可包括：程序控制器；立体摄像头，所述立体摄像头联接到所述程序控制器；显示装置，所述显示装置联接到所述程序控制器；切除控制器，所述切除控制器通信联接到所述程序控制器；切除装置，所述切除装置可操作地联接到所述切除控制器，所述切除装置包括手持件，联接到所述手持件并从所述手持件延伸的细长外管，以及设置在所述细长外管的远端上的切割器；以及光学跟踪阵列，所述光学跟踪阵列联接到所述切除装置并且在所述立体摄像头的光学视图中。所述程序控制器可被配置成：监测髋臼股骨关节的第一构件在三维坐标空间中的定位；通过在所述三维坐标空间中跟踪所述切除装置的远端来跟踪切除的骨量；生成模拟荧光图像，所述模拟荧光图像显示不切除骨量时所述髋臼股骨关节的第一构件；以及在所述显示装置上显示所述模拟荧光图像。
24.在第二示例系统中，当所述程序控制器生成所述模拟荧光图像时，所述程序控制器还可被配置成生成多个模拟荧光图像，每个图像相对于所述髋臼股骨关节呈不同角度。
25.在示例系统中，所述程序控制器还可被配置成基于所述切除装置的远端相对于与所述髋臼股骨关节的第一构件相关联的规划切除体积的定位控制所述切除装置的切除率。所述程序控制器还可被配置成当所述切除装置的远端位于所述规划切除体积的具有少于要去除的预定骨量的部分上时，降低所述切除装置的切割器的转速。所述程序控制器还可被配置成当所述切除装置的远端位于所述规划切除体积的具有多于要去除的预定骨量的部分上时提高所述切除装置的切割器的转速。所述程序控制器还可被配置成基于所述切除装置的远端相对于在所述规划切除体积中要去除的剩余骨的定位而控制所述切除装置的切割器的转速。所述程序控制器还可被配置成响应于所述切除装置的远端邻接所述规划切
除体积之外的骨，将所述切除装置的切割器的转速改变为零。所述程序控制器还可被配置成响应于所述切除装置的远端邻接所述规划切除体积下方的区域中的骨，将所述切除装置的所述切割器的转速改变为零。
附图说明
26.对于示例性实施例的详细描述，现在将参考附图，其中：
27.图1示出了示例股骨髋臼关节的三个视图；
28.图2示出了根据至少一些实施例的系统；
29.图3示出了根据至少一些实施例的示例用户界面；
30.图4a、4b、4c和4d示出了根据至少一些实施例的相对于规划切除体积的切除装置的远端；
31.图5示出了根据至少一些实施例的示例用户界面；
32.图6示出了根据至少一些实施例的用于治疗股骨髋臼撞击症的系统的部分框图和部分流程图；
33.图7示出了根据至少一些实施例的方法；
34.图8示出了根据至少一些实施例的控制切除装置的切除率的方法；以及
35.图9示出了根据至少一些实施例的计算机系统。
36.定义
37.各种术语用于指代特定的系统部件。不同的公司可能用不同的名称来指代一个部件-本文不旨在区分名称不同但功能相同的部件。在以下讨论和权利要求书中，术语“包括”和“包含”以开放式方式使用，因此应解释为“包括但不限于
……”
。此外，术语“联接”或“耦联”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它装置和连接的间接连接。
具体实施方式
38.以下讨论涉及本发明的各种实施例。尽管这些实施例中的一个或多个可能是优选的，但是公开的实施例不应被解释为或以其它方式用于限制本公开的范围，包括权利要求书。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。
39.各种示例涉及用于治疗股骨髋臼撞击症的方法和系统。具体地讲，各种示例涉及通过在三维坐标空间中髋臼股骨关节的定位处跟踪切除装置的远端，跟踪从髋臼股骨关节的构件切除的骨量，并且基于切除装置的远端相对于与髋臼股骨关节的构件相关联的规划切除体积的定位控制切除装置的切除率。髋臼股骨关节的构件可以是股骨、髋臼或两者。为了可读性，髋臼股骨关节在下文中仅被称为“髋关节”。在其它示例中，基于对从髋关节的构件切除的骨量的跟踪，示例方法和系统生成模拟荧光图像，所述模拟荧光图像以考虑在术中程序的任何中间阶段的切除髋关节将在实际荧光图像中的样子显示髋关节的构件，以帮助外科医生确定是否已经去除足够的骨以解决股骨髋臼撞击症。描述首先转向对股骨髋臼撞击症的描述，以引导读者。
40.图1示出了示例髋关节的三个视图。特别地，在图1的每个视图中可见，示例髋关节100包括股骨102的一部分和髋臼104的一部分。可见的股骨102的部分包括在股骨102的上端处的较大转子106、从股骨102延伸的股骨颈108和股骨颈108的远端上的股骨头110。股骨头110是球状的并且因此形成髋关节的球窝关节的球。髋臼104限定形成插口112的球形内表面，其在图1的左视图和中间图中以部分剖面示出。股骨头110在插口112内旋转，并且插口112的外边缘由髋臼缘114(中间视图)限定。
41.股骨髋臼撞击症可引起对髋关节的唇侧或关节软骨的刺激和/或损伤。股骨髋臼撞击症可由髋臼缘114周围的骨过度生长引起，这导致钳夹畸形116(左侧视图)。在其他情况下，股骨102，特别是靠近股骨头110的股骨颈108的骨过度生长可能导致股骨髋臼撞击症，这导致凸轮畸形118(中间视图)。在另外其它情况下，可能存在钳夹畸形116和凸轮畸形118(右视图)。
42.从股骨颈108过度生长的骨可以在相对于股骨颈108的纵向中心轴线的任何径向方向上从股骨颈108延伸，但是在大多数情况下，骨过度生长在上表面和前表面上更明显。从髋臼缘114过度生长的骨可以在围绕插口112的任何位置处从髋臼缘114延伸，但是在大多数情况下，骨过度生长在上表面上更明显并且朝向股骨颈108延伸。问题是，钳夹畸形和凸轮畸形可以设置在围绕股骨颈108和/或髋臼缘114的任何定位处。荧光图像仅显示髋关节的轮廓，并且因此在相关领域中，在手术期间，许多外科医生从多个角度生成荧光图像，以尝试测量剩余要去除的骨量以校正撞击。
43.图2示出了根据至少一些实施例的系统。特别地，图2示出规划计算机200、云计算机202、装置推车204、示出患者髋关节100的示例患者以及与髋关节100呈操作关系的切除装置206。每个方面将依次描述。
44.在示例系统中，规划计算机200和云计算机202可以在术前规划期间用于执行各种术前任务。在一些示例中，用于术前规划方面的软件在云计算机202中执行且借助于规划计算机200访问，所述规划计算机可以是任何合适的计算机，例如台式计算机、笔记本电脑、平板电脑或智能手机装置。例如，规划计算机200和/或云计算机202可以接收髋关节100的多个图像。图像可以是x射线图像、计算机断层扫描(ct)图像、超声图像、磁共振成像(mri)图像或组合。在示例系统中，规划计算机200和/或云计算机202可以从图像创建股骨102的外表面的三维模型、髋臼104的三维模型或这两者。至于股骨102，三维模型可包括股骨102的上部或上部部分。至于髋臼104，三维模型可以仅包括髋臼104的相关部分(例如，仅有问题的髋关节100的部分)。
45.使用规划计算机200和/或云计算机202，在示例系统中，外科医生可以为即将进行的手术创建切除规划，或修改自动生成的切除规划，但在任一情况下，切除规划产生与髋关节100相关联的规划切除体积。规划切除体积表示要从股骨颈108去除的骨的体积、要从髋臼缘114去除的骨的体积，或两者。规划切除体积可以采用任何合适的形式。例如，规划切除体积可以由髋关节100的两个三维模型表示：第一三维模型是包括骨过度生长的术前表面模型；第二三维模型是骨过度生长被去除的规划的术后表面模型。在其他情况下，规划切除体积可以是直接表示要从髋关节100的靶构件的术前表面模型的起始点去除的骨的三维体积。在另外的其它示例中，规划切除体积可以是表示相对于髋关节100的靶构件的规划的术后表面模型要去除的骨的三维体积。无论三维表面模型的精确性质和规划切除体积如何，
一旦术前建立，三维表面模型和规划切除体积就可以传输到程序控制器(下文更多论述)以供在示例方法的术中部分期间使用。
46.仍参考图2，示例系统还包括装置推车204。装置推车204可以在示例方法的术中部分期间用于手术设置中。装置推车204可包括程序控制器208、联接到程序控制器208的立体摄像头210、联接到程序控制器208的显示装置212以及通信联接到程序控制器208的切除控制器214。其它装置和控制器可以作为装置推车204的一部分存在，例如内窥镜光源和视频控制器216(下文仅视频控制器216)，以及可以用于控制髋关节100内的流入和流出的蠕动泵系统218。示例装置推车204仅显示由程序控制器208使用的单个显示装置212；然而，在实践中，可以存在第二显示装置以显示由内窥镜或关节镜(未示出)产生的视频图像。第二显示装置可以采用任何合适的形式，例如重复显示器，或实施增强现实(ar)或虚拟现实(vr)系统的头戴式显示器。在另外其它情况下，显示装置212可以由程序控制器208和与关节镜相关联的视频控制器216共享。
47.立体摄像头210可以采用任何合适的形式。在一些情况下，立体摄像头210被设计和构造成接收红外(ir)频带内的光，但在其它情况下，立体摄像头210可以用可见范围内的光操作，或以上两者。无论如何，在立体状态下，立体摄像头210可以由程序控制器208使用以监测各种装置和结构在三维坐标空间的手术室中的定位。即，示例系统基于手术室内的环境光或朝向手术程序的照射光(例如，ir频率)来操作。所关注光由基准阵列的反射器反射，并且基于反射光，程序控制器208可以确定基准阵列(及其附接的装置/结构)的定位。在又一些其它示例中，基准阵列的基准可在相关频率下主动发射光以供立体摄像头210捕获。例如，在切除之前，外科医生可以将股骨基准阵列220机械地且刚性地联接到股骨102，例如通过将股骨基准阵列220联接到股骨102的大转子106。一旦股骨基准阵列220被附接，并且股骨102与股骨102的三维模型相互关联或配准，程序控制器208就可以监测股骨基准阵列220，因此监测股骨102在手术室的三维坐标空间内的定位。
48.作为监测各种装置和结构在三维坐标空间中的定位的另一示例，在切除之前，外科医生可以将髋臼基准阵列222机械地且刚性地联接到髋臼104。髋臼基准阵列222可以在任何合适的位置处联接，例如髂前上棘224或髂前下棘226，或髂前上棘和髂前下棘。一旦髋臼基准阵列222联接到髋臼104，并且髋臼104与髋臼104的三维模型相互关联或配准，程序控制器208就可以监测髋臼基准阵列222，并且因此监测髋臼104在三维坐标空间内的定位。虽然图2示出了一种系统，其中程序控制器208监测股骨102和髋臼104两者的定位，但在一些情况下，可以仅监测髋关节100的一个构件，例如，当仅切除凸轮畸形时仅监测股骨102，或当仅切除钳夹畸形时仅监测髋臼104。
49.仍参考图2，程序控制器208可以使用立体摄像头210来监测可操作地联接到切除控制器214的切除装置206的定位。更具体地，在示例系统中，程序控制器208可以监测切除装置206的远端的定位，以跟踪在切除期间切除的骨量。示例切除装置206包括马达驱动单元(mdu)或手持件230，联接到手持件230且从手持件延伸的细长外管232，以及细长外管232的远端上的切割器234。在一个示例中，切除装置228是其中切割器234是钻刀的机械切除装置，但可以使用任何合适的机械切除装置。为了跟踪切除装置228的远端(例如，切割器234)，光学跟踪阵列236在立体摄像头210的光学视图中联接到切除装置228。通过监测切割器234在三维坐标空间中的定位，程序控制器208可以执行若干有利的任务。例如，程序控制
器208可以跟踪切除的骨量，并且程序控制器208可以控制切除装置206的切除率。每个方面将依次描述。
50.图3示出根据至少一些实施例的示例用户界面。特别地，示例用户界面300可以在用于治疗股骨髋臼撞击症的术中程序期间显示在装置推车204(图2)的显示装置212(也是图2)上。示例用户界面300在从股骨切除骨以治疗凸轮畸形的背景下示出，但显示技术和相关特征同样适用于从髋臼切除骨以治疗钳夹畸形。图3因此描绘了股骨102的一部分。所描绘的股骨102的部分可由在术前规划期间(例如，由规划计算机200和/或云计算机202)创建的三维模型渲染。图3还示出了相对于股骨102的规划切除体积302。特别地，规划切除体积302在股骨102的描绘上渲染，以给出要去除的骨的定位和骨量的视觉指示。在图2中，规划切除体积302通过两种阴影线图案显示不同切除的两个示例区域，但在实践中，一个或多个区域可以存在于规划切除体积中。示例性的较高密度阴影线示出要去除的较大体积，并且较低密度的阴影线示出要去除的较小体积。这等同于陈述在较高密度阴影线区域中，要去除骨的深度大于在较低密度阴影线区域中要去除骨的深度。在实践中，规划切除体积的区域可以颜色编码的形式示出。例如，要去除较多骨的区域可以显示为“较热”颜色(例如，红色和粉色)，并且要去除较少骨的区域可以显示为“较冷”颜色(例如，蓝色和绿色)。
51.图3还示出了切除装置206(图2)的切割器234相对于示例股骨102和规划切除体积302的描绘。具体地，根据示例系统，程序控制器208(图2)被设计和构造成通过跟踪光学跟踪阵列236(图2)来监测切除装置206在三维坐标空间内的定位。了解切割器234相对于光学跟踪阵列236的每个面的定位(例如，通过配准过程)，程序控制器208可以计算切割器234相对于髋关节的构件(此处为股骨102)的三维模型的定位和/或规划切除体积302。然后，示例程序控制器208可以相对于示例股骨102和规划切除体积302对切除装置206的一部分(例如，如图所示的切割器234和细长轴)进行描绘。
52.此外，在示例系统中，程序控制器208(图2)可以跟踪由切除装置206的切割器234去除或切除的骨量(图2)。也就是说，由于示例程序控制器208监测切割器234相对于规划切除体积302的定位，当切割器234邻接规划切除体积302并且切除装置206在操作时，程序控制器208被设计和构造成假定预定骨量从切割器234邻接规划切除体积302的定位处去除。在一些情况下，在术中程序之前，给程序控制器208提供指示根据接触时间的骨切除率的值。在另外其它情况下，在术中程序之前，给程序控制器208提供指示根据切割器234的转速和接触时间的骨切除率的值。在其它实施例中，程序控制器208认为在渲染中的切割器234的定位与骨模型的体元之间的任何碰撞或重叠产生骨去除。在又一种方法中，程序控制器208执行提到的重叠检查，但骨模型更新仅在切割器238旋转时发生。无论预定切除率的精确性质如何，当切割器234与规划切除体积302相互作用时，程序控制器208使用预定切除率跟踪去除的骨量。
53.根据示例系统，程序控制器208(图2)可以被设计和构造成在骨被切除时更新用户界面300。在高水平下，当骨被去除时，用户界面300可以更新规划切除体积302的视觉指示，以显示要去除的其余骨。再次根据用颜色描绘规划切除体积302进行考虑，当骨被去除时，程序控制器208可以通过使颜色“变冷”来改变规划切除体积302的视觉描绘内的颜色。如果一区域最初是指示要去除的较大体积骨的“较热”颜色，那么在去除骨时，剩余骨可以逐渐“较冷”的颜色显示(例如，粉色变成蓝色，蓝色变成绿色)。当规划切除体积的所有骨已被去
除时，程序控制器208可以在屏幕上以白色显示暴露骨，匹配规划切除体积之外的骨的剩余部分。去除过多的骨，暴露的骨可以呈现为不同的、警示或警告颜色(例如，红色)。在另外其它情况下，当切割器234邻接已去除过多骨的区域时，可以实施另外的听觉和视觉改变。就规划切除体积而言，程序控制器208最初示出对规划切除体积302的描绘。随着骨被去除，规划切除体积被更新以有效地成为要去除的剩余切除体积，并且如图3所示，在显示装置212(图2)上描绘的是要去除的剩余切除体积。说明书现在转向基于切割器234与规划切除体积302之间的物理关系来控制切除率。
54.图4a、4b、4c和4d示出根据至少一些实施例的相对于规划切除体积的切除装置的远端。开始考虑图4a，图4a示出了具有不同切除体积的两个区域的示例规划切除体积302，不同切除体积的区域由两种阴影线图案显示。与先前一样，示例性的较高密度阴影线示出要去除较大体积的区域，并且较低密度的阴影线示出要去除较小体积的区域。图4a还示出邻接规划切除体积302的切除装置206的切割器234。通过监测切割器234在三维坐标空间中的定位，程序控制器208(图2)还可以基于切割器234相对于规划切除体积302的定位来控制切除装置206的切除率。在图4a-4c中，规划切除体积302示出为相同，指示切除刚开始。然而，图4d示出了规划切除体积302的中间状态，其中一些骨体积已被去除，包括规划切除体积的右下方的区域，在所述区域中规划切除的所有骨已被去除(并且因此不存在阴影线)。
55.在一些示例情况中，控制切除率可包括基于切割器234相对于规划切除体积302的定位来控制切割器234的转速。考虑切割器234相对于规划切除体积302的第一移动，如图4a和4c所示。在图4a中，切割器234邻接规划切除体积302，在图4c中，切割器234已移动到规划切除体积302的边界之外，意味着图4c中的切割器234邻接不应去除的骨。根据至少一些实施例，程序控制器208(图2)被设计和构造成响应于切割器234邻接规划切除体积302之外的骨而将切割器234的转速降低到零。换句话说，在示例系统中，程序控制器208监测切割器234相对于规划切除体积302的定位，并且当切割器234邻接规划切除体积302之外的骨时，程序控制器208关闭切除装置(例如，通过与切除控制器214通信(图2))。
56.仍然考虑基于切割器234相对于规划切除体积302的定位来控制切除率的示例情况，现在考虑切割器234相对于规划切除体积302的移动，如图4a和图4d所示。在图4a中，切割器234邻接仍需要去除骨的区域中的规划切除体积302，在图4d中，切割器234邻接已去除规划去除的所有骨的骨区域，意味着切割器234现在邻接不应去除的骨。根据至少一些实施例，程序控制器208(图2)被设计和构造成响应于切割器234邻接不应去除的骨而将切割器234的转速降低到零。换句话说，在示例系统中，程序控制器208监测切割器234相对于规划切除体积302的定位，并且当切割器234邻接规划切除体积302下方的骨时，程序控制器208关闭切除装置(例如，通过与切除控制器214通信(图2))。
57.除了当切割器234邻接不应去除的骨时(例如，在规划切除体积302之外或规划切除体积302下方)关闭切除装置206之外，另外的示例实施例可以向外科医生提供触觉反馈和/或向外科医生提供可听反馈，以给出切割器234相对于规划切除体积302的定位的指示。关于触觉/听觉反馈，考虑切割器234相对于规划切除体积302的移动，如图4a和4b所示。在图4a中，切割器234邻接需要去除较大骨体积的区域中的规划切除体积302，在图4b中，切割器234邻接需要去除较小骨体积的区域。根据至少一些实施例，程序控制器208(图2)被设计和构造成响应于切割器234邻接要去除不同骨体积的区域而改变切割器234的转速。例如，
当切割器234邻接规划切除体积302的具有要去除的较大骨的部分时(例如，图4a)，程序控制器208可以命令切除控制器214(图2)以第一转速驱动切割器234。然而，当切割器234相对于规划切除体积302移动以邻接具有要去除较少骨的部分时(图4b)，程序控制器208可命令切除控制器以比第一转速慢的第二转速驱动切割器234。相反，当切割器234邻接规划切除体积302的具有较少要去除的骨的部分时(例如，图4b)，程序控制器208可以命令切除控制器214(图2)以第一转速驱动切割器234，并且当切割器234相对于规划切除体积302移动以邻接具有要去除较大骨的部分时(图4a)，程序控制器208可以命令切除控制器214以比第一转速快的第二转速驱动切割器234。因此，这种速度控制机构可以相对于切割器234在规划切除体积302内的定位，以切除装置206振动的形式向外科医生提供触觉反馈。类似地，并且考虑到转速的改变还可以产生由切除装置206产生的可听声音的变化，因此，这种速度控制机构可以向外科医生提供关于切割器234在规划切除体积302内的定位的可听反馈。在此类示例中，当切割器234邻接要去除更多骨的定位时，切除率可以更高。
58.除了或代替基于切割器234的速度的可听反馈，程序控制器208可具有声音产生装置或扬声器，所述声音产生装置或扬声器基于切割器234相对于规划切除体积的定位产生可听声音。在又一些其它实施例中，可以禁用速度控制方面，将切割器234的转速完全留给外科医生决定(例如，基于外科医生与脚踏板或手持件上的按钮交互)。在此类情况下，程序控制器208可以仍然跟踪切割器238相对于规划切除体积的定位，并且当切割器238超出或低于规划切除体积时，程序控制器208可以提供可听和/或视觉警报，但保持切割器238的转速不变。
59.给外科医生的示例触觉和/或可听反馈还可用于通知外科医生切割器234与规划切除体积302的外边界的接近度。考虑切割器234相对于规划切除体积302的移动，如由图4a、4b和4c所示。在图4a中，切割器234靠近规划切除体积的中心邻接规划切除体积302。在图4b中，切割器234已从靠近中心移动，更靠近规划切除体积的边界。在图4c中，切割器234已移动超过规划切除体积302的边界。根据至少一些实施例，程序控制器208(图2)被设计和构造成响应于切割器234朝向规划切除体积302的边界移动而改变切割器234的转速。例如，当切割器234靠近规划切除体积302的中心时，程序控制器208可以命令切除控制器214(图2)以转速驱动切割器234。然而，当切割器234更靠近规划切除体积302的边界移动时，程序控制器208可以命令切除控制器根据切割器234与边界的接近程度以逐渐较慢的转速驱动切割器234。在某些情况下，当切割器234越过规划切除体积的边界时，程序控制器208可以接着将切割器234的速度减小到零。相反，当切割器234远离规划切除体积302的边界移动时，程序控制器208可以命令切除控制器根据切割器234距边界的距离以逐渐更快的转速驱动切割器234。因此，这种速度控制机构可以切除装置206振动的形式向外科医生提供关于切割器234在规划切除体积302内的定位的触觉反馈。类似地，并且考虑到转速的改变还可以产生由切除装置206产生的可听声音的变化，因此，这种速度控制机构可以向外科医生提供关于切割器234在规划切除体积302内的定位的可听的“无扬声器”反馈。类似的可听反馈可以用声音产生元件或扬声器来实现。说明书现在转向生成模拟荧光图像，以帮助外科医生确定是否已经去除足够的骨。
60.图5示出根据至少一些实施例的示例用户界面。特别地，用户界面500可以在用于治疗股骨髋臼撞击症的术中程序期间显示在装置推车204(图2)的显示装置212(也是图2)
上。示例用户界面500在从股骨切除骨以治疗凸轮畸形的背景下示出，但显示技术和相关特征同样适用于从髋臼切除骨以治疗钳夹畸形。图5的用户界面500示出虚拟或模拟荧光图像502，其包括股骨102的具有凸轮畸形504的一部分。根据示例情况，模拟荧光图像可以从在术前规划期间创建的三维模型(例如，由规划计算机200和/或云计算机202)渲染，并且考虑已去除的骨量。
61.如上文所论述，在示例实施例中，程序控制器208(图2)被设计和构造成监测切割器234相对于规划切除体积的定位，并且跟踪切除的骨量。基于对切除的骨量的跟踪，程序控制器208可以被设计和构造成生成模拟荧光图像502，所述模拟荧光图像以在已去除骨量后髋关节将呈现的样子显示髋关节。根据示例实施例，程序控制器208可以从各种视点和各种髋关节挠曲中的任一个生成模拟荧光图像，其全部帮助外科医生测量是否已经去除足够的骨以解决股骨髋臼撞击症。在一些情况下，外科医生可以放弃实际荧光成像并且仅使用模拟荧光图像502。在其它情况下，外科医生可以使用模拟荧光图像502作为初始引导，并且接着通过术中荧光成像进行验证。
62.在图5中，示出了单个荧光图像，并且因此图5的模拟荧光图像502可以被等效地陈述为单个x射线图像。然而，在另一些其它情况下，示例程序控制器208(图2)可以渲染和显示一系列图像，并且因此可以产生模拟荧光成像，包括显示股骨102相对于髋臼140的移动以显示来自任何合适的有利点的潜在撞击问题。
63.图6示出用于治疗股骨髋臼撞击症的系统的部分框图和部分流程图。特别地，图6在概念上被组织成术前规划方面600和术中程序方面602。从系统角度来看，图6以框图形式示出规划计算机200和/或云计算机202、程序控制器208、显示装置212、立体摄像头210、切除控制器214、切除装置206和股骨基准阵列220。在其它情况下，基准阵列可以是髋臼基准阵列。
64.在术前规划方面600期间，向规划计算机200和/或云计算机202提供多个图像。在图6中，通过框604示出提供多个图像，指定ct扫描图像，但可以将任何合适的图像类型或图像类型组合提供给规划计算机200和/或云计算机202。示例规划计算机200和/或云计算机202可以执行骨建模软件606和切除规划软件608。骨建模软件606被设计和构造成基于多个图像(来自框604)创建髋关节的至少一部分的三维模型，其中如上文所论述三维模型呈任何合适的形式。切除规划软件608被设计和构造成创建规划切除体积。在术中程序方面602之前，规划计算机200和/或云计算机202可以将骨的三维模型和规划切除体积传输到程序控制器208，如箭头609所示。骨的三维模型和规划切除体积的传输可以采用任何合适的形式，例如通过以太网连接、直接联接的串行通信协议、无线点对点连接(例如，蓝牙)或使用存储装置(例如，通用串行总线(usb)固态驱动器)传输。
65.仍然参考图6，并且现在具体地参考术中程序方面602。示例程序控制器208可操作地联接到显示装置212以显示上文所论述的任何示例用户界面。另外，程序控制器208可操作地联接到立体摄像头210以接收手术现场的立体图像，包括切除装置206的光学跟踪阵列236(图2)的立体图像和联接到骨的基准阵列的立体图像，在图6的示例情况下，所述基准阵列是股骨基准阵列220。此外，示例程序控制器208以任何合适的形式(例如，通用串行总线(usb)、控制器局域网(can)总线)可操作地联接到切除控制器214。通过连接到切除控制器214，程序控制器208可以根据切割器相对于规划切除体积的定位控制切除装置206的切割
器的转速。在一些情况下，程序控制器208可以根据切割器相对于规划切除体积的定位和外科医生请求的速度(例如通过与脚踏板交互)控制切除装置206的切割器的转速。由切割器和脚踏板的定位指示的转速中的较慢者可以是实际实现的转速。
66.操作性地，程序控制器208执行切除控制软件610。切除控制软件610在概念上但不一定在物理上分为三个示例部件：解剖配准软件612；组织切除软件614；以及切除评估软件616。解剖配准软件612在配准过程期间使用。例如，考虑从股骨颈去除凸轮畸形的术中程序。在配准过程期间，程序控制器208将由规划计算机200和/或云计算机202提供的骨的三维模型与在外科医生用探针和对应的探针基准阵列(探针和对应的探针基准阵列未示出以免过度使图复杂化)接触股骨上的各个点时通过跟踪股骨基准阵列220的实际股骨相互关联。一旦配准过程完成，示例术中程序方面602就可以进行骨切除。
67.仍参考图6，在骨切除期间，组织切除软件614执行各种任务。例如，组织切除软件617可以监测髋臼股骨关节(例如，使用股骨基准阵列220的股骨)的构件在三维坐标空间中的定位，所述监测使用立体摄像头210。类似地，组织切除软件617可以监测切除装置206的切割器在三维坐标空间中的定位，所述监测使用立体摄像头210和与切除装置206相关联的光学跟踪阵列236(图2)。基于髋关节的构件的定位和切除装置206的切割器的定位，示例性组织切除软件614可以跟踪从髋关节的构件切除的骨量。此外，组织切除软件614可以基于切除装置306的切割器相对于规划切除体积的定位来控制切除装置206的切除率。控制切除率可以采取上文论述的任何形式，包括当切除装置206的切割器位于规划切除体积之外或下方时，将切除率降低到零(例如，关闭切除装置)。控制切除率可以由与切除控制器214通信的程序控制器208的组织切除软件614实施，如由线618所示。
68.尽管图6示出在组织切除软件614之后切除评估软件616执行以方便附图，但在实践中，切除评估软件616可以与组织切除软件614同时或并行执行。切除评估软件616可以被设计和构造成创建上文论述的各种用户界面，例如显示三维骨模型、规划切除模型(包括待切除的其余骨)的用户界面300，以及切割器相对于规划切除体积的定位的视觉指示。除了或代替图3的用户界面300，切除评估软件616可以创建用户界面500，所述用户界面显示单个虚拟荧光图像或包括髋关节的移动的一系列虚拟荧光图像，其中所述图像以考虑已切除的骨量图像将呈现的样子显示下面的骨。
69.图7示出根据至少一些实施例的治疗股骨髋臼撞击症的方法。一些或所有方法可以由执行软件的处理器执行。具体地讲，所述示例方法包括监测髋臼股骨关节的第一构件在三维坐标空间中的定位(框700)。在监测关节的定位的同时，所述示例方法包括监测切除装置的切割器在三维坐标空间中的定位(框702)。然后，示例方法包括跟踪从髋臼股骨关节的第一构件切除的骨量(框704)。由此，所述示例方法包括基于切除装置的远端相对于规划切除体积的定位来控制切除装置的切除率(框708)。此后，所述方法在治疗股骨髋臼撞击症的术中程序方面期间重复。
70.图8示出根据至少一些实施例的控制切除装置的切除率的方法。一些或所有方法可以由执行软件的处理器执行。特别地，图8假设切割器最初抵靠规划切除体积放置，并且外科医生已打开切割器(例如，激起切割元件旋转)，并且因此在概念上，所述方法可以在框800处开始。从打开切割器(还是框800)，示例方法包括确定切割器是否邻接规划切除体积(框802)。如果在任何点处，切割器邻接规划切除体积的周边之外的骨或规划切除体积骨下
方的骨(还是框802)，则示例方法继续停止切割器(框804)。在切割器停止的情况下，示例方法继续跟踪切割器相对于规划切除体积的定位，以确定切割器何时再次邻接规划切除体积内的骨(框806)，以及当切割器再次邻接规划切除体积内的骨时，切割器再次被打开(还是框800)。
71.仍参考图8，并且这次从确定切割器是否邻接规划切除体积(框802)开始。假设切割器仍然邻接规划切除体积(从判定框802的“是”路径)，则下一个示例确定切割器是否正接近规划切除体积的边界(框808)。规划切除体积的边界不仅可以包括规划切除体积的外周，而且还可以包括规划切除体积的下边界，在其之下不应去除另外的骨。关于接近边界的确定可以采取任何合适的形式，例如确定切割器在规划切除体积的外周的预定距离内(例如，2mm至8mm，包括端值)，或者如果已去除足够的骨，则确定切割器在距内周边的预定距离内(例如，图4d)。无论讨论的边界或到边界的距离的精确性质如何，当接近边界(从判定框808的“是”路径)时，示例方法减慢切割速度(框810)以降低切除率，向外科医生提供正在接近边界的触觉/可听反馈，或这两者。由此，示例方法返回到确定切割器是否邻接规划切除体积(还是框802)。出于解释的目的，假设切割器仍然邻接规划切除体积(从判定框802的“是”路径)，再次，示例方法确定切割器是否正接近规划切除体积的边界(还是框808)。如果切割器仍在接近边界，则可以通过示例方法进行又一速度调节(框810)。
72.仍参考图8，现在考虑切割器不接近规划切除体积的边界(判定框808的“否”路径)。示例方法可确定切割器是否远离规划切除体积的边界移动(框812)。关于切割器是否远离边界移动的确定可以采用任何合适的形式。例如，切割器远离规划切除体积的任何边界移动预定距离(例如，2mm至8mm，包括端值)可以是切割器远离边界移动的指示。在其它情况下，当切割器与规划切除体积的最接近边界的平均距离增加时，这可以是切割器远离边界移动的指示。无论讨论的边界或到边界的距离的精确性质如何，如果切割器正远离边界移动(从判定框812的“是”路径)，示例方法可以提高切割器的速度(框814)，然后再次进入判定框808。总之，当切割器大体上远离规划切除体积的边界移动时，切割器速度可以增加到预定速度，并且当切割器接近边界时，切割器速度可以降低。
73.图9示出示例计算机系统900。在一个示例中，计算机系统900可以对应于规划计算机200、云计算机202或程序控制器208。计算机系统可以连接到(例如，联网)局域网(lan)、内联网、外联网或互联网中的其它计算机系统。计算机系统900可以是个人计算机(pc)、平板电脑或能够执行指定将由其采取动作的一组指令(连续或其它指令)的任何装置。此外，虽然仅示出单个计算机系统，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。
74.计算机系统900包括经由总线910彼此通信的处理装置902、主存储器904(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906(例如，闪存、静态随机存取存储器(sram))以及数据存储装置908。
75.处理装置902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902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)微处理器或实施其它指令集的处理器或实施指令集组合的处理器。处理装置902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902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902且因此整个计算机系统900就变成专用装置。
76.计算机系统900还可以包括网络接口装置912。计算机系统900还可包括视频显示器914(例如，显示装置212或与图2的规划计算机200相关联的显示装置)、一个或多个输入装置916(例如，键盘和/或鼠标)和一个或多个扬声器918。在一个说明性示例中，视频显示器914和(若干)输入装置916可以组合到单个部件或装置(例如，lcd触摸屏)中。
77.数据存储装置908可包括计算机可读存储介质920，其上存储了包含本文所述方法或功能中的任何一个或多个的指令922(例如，实现由本文所述任何装置和/或部件执行的任何方法和任何功能)。指令922还可以在由计算机系统900执行期间完全或至少部分地位于主存储器904内和/或位于处理装置902内。因此，主存储器904和处理装置902也构成计算机可读介质。指令922还可经由网络接口装置912通过网络传输或接收。
78.虽然计算机可读存储介质920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”应被视为包括存储一组或多组指令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。
79.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书解释为包括所有这样的变化和修改。