用于優(yōu)化骨科流程參數(shù)的系統(tǒng)和方法

專利名稱：用于優(yōu)化骨科流程參數(shù)的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
用于優(yōu)化骨科流程參數(shù)的系統(tǒng)和方法，例如用于優(yōu)化向特定患者關(guān)節(jié)中的骨科植入物的生物力學和解剖配的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
簡單關(guān)節(jié)，諸如球窩關(guān)節(jié)(例如髖部和肩部)、樞軸關(guān)節(jié)(例如肘)或更復(fù)雜的關(guān)節(jié)，諸如髁關(guān)節(jié)(例如膝關(guān)節(jié))是極其復(fù)雜的系統(tǒng)，其性能可能受到各種因素的顯著影響。用于替換、表面重修或以其他方式修復(fù)這些關(guān)節(jié)的流程是常見的，諸如響應(yīng)于關(guān)節(jié)的損傷或其他退化。例如，利用人工植入物替換股骨、脛骨和膝蓋骨的關(guān)節(jié)面的整膝關(guān)節(jié)成形術(shù)，是用于受到膝關(guān)節(jié)退化或創(chuàng)傷的患者的常見流程。不過，考慮到諸如膝關(guān)節(jié)的系統(tǒng)的復(fù)雜性，使用當前的技術(shù)難以識別將在特定患者體內(nèi)產(chǎn)生最優(yōu)的關(guān)節(jié)功能的植入物的幾何結(jié)構(gòu)和植入的位置和取向。此外，當前可用的很多植入物系統(tǒng)僅提供有限數(shù)量的尺寸選擇，使其甚至更難以針對特定患者來優(yōu)化骨科流程
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例針對用于優(yōu)化針對特定患者的骨科流程的參數(shù)的系統(tǒng)和方法，參數(shù)包括涉及植入患者關(guān)節(jié)中的植入物的解剖配合(例如，切除術(shù)的植入物覆蓋、植入物和解剖結(jié)構(gòu)之間的界面強度、切除的程度(即，移除多少骨骼))和生物力學配合(例如，關(guān)節(jié)運動學、動力學、和/或韌帶(或其他軟組織)平衡)的參數(shù)。這些系統(tǒng)和方法可以利用手術(shù)前搜集的患者特異性信息連同優(yōu)化算法來確定最優(yōu)植入物設(shè)計和向特定患者關(guān)節(jié)中植入植入物的最優(yōu)尺寸、位置和取向。在一些實施例中，從預(yù)先設(shè)計的骨科植入物的分級結(jié)構(gòu)選擇植入物設(shè)計，其中每個植入物反映一般尺寸組選項、解剖尺寸選項和生物力學尺寸選項，至少在一些實施例中，解剖和生物力學尺寸選項是骨科植入物設(shè)計的不同且至少有些獨立的特征的集合。在一些實施例中，優(yōu)化算法中的至少一個利用若干個骨科因素和骨科響應(yīng)之間的定義關(guān)系，以便確定用于骨科流程的最優(yōu)參數(shù)，以實現(xiàn)期望的骨科響應(yīng)。在一些實施例中，不同于或除了用于特定患者的植入物的解剖和生物力學配合之外，可以使用優(yōu)化系統(tǒng)和方法來優(yōu)化骨科流程的參數(shù)。例如，在一些實施例中，可以利用這些系統(tǒng)和方法來優(yōu)化患者治療的其他方面，諸如選擇和優(yōu)化額外治療，諸如定制校正或修復(fù)制度。在一些實施例中，可以提供一種優(yōu)化與涉及向特定患者關(guān)節(jié)中植入至少一個骨科植入物的關(guān)節(jié)流程有關(guān)的參數(shù)的計算機實現(xiàn)的方法，所述方法包括:在計算機處理器中接收關(guān)于所述特定患者的信息，包括:(i)至少部分涉及特定患者關(guān)節(jié)的模型的信息，包括至少部分定義多個軟組織附著位置的信息；(ii)至少部分涉及相對于所述特定患者關(guān)節(jié)的模型的與特定患者關(guān)節(jié)相關(guān)聯(lián)的軸的信息；在所述計算機處理器中接收定義將多個骨科響應(yīng)相關(guān)到多個骨科因素的至少一個關(guān)系的信息，其中:(i)所述多個骨科響應(yīng)中的至少一些均涉及所述關(guān)節(jié)的動力學、運動學和軟組織平衡響應(yīng)中的至少一種；(ii)所述骨科因素中的至少一些涉及接收到的關(guān)于特定患者的信息；(iii)所述骨科因素中的至少一個涉及骨科植入物相對于關(guān)節(jié)的位置和取向中的至少一個；并且(iv)所述骨科因素中的至少一個涉及骨科植入物的關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)；在所述計算機處理器中，使用接收到的關(guān)于特定患者的信息，并使用接收到的定義所述至少一個關(guān)系的信息，自動確定:(i)用于所述骨科植入物的相對于所述特定患者關(guān)節(jié)的建議最優(yōu)位置和建議最優(yōu)取向中的至少一個；以及(ii)用于所述骨科植入物的建議最優(yōu)關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)；從所述計算機處理器輸出關(guān)于用于所述骨科植入物的建議最優(yōu)位置和取向中的至少一個的信息和關(guān)于用于所述骨科植入物的建議最優(yōu)關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)的信息。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中接收至少部分涉及特定患者關(guān)節(jié)的模型的信息包括接收至少部分涉及特定患者關(guān)節(jié)的至少一個關(guān)節(jié)面的信息。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中接收至少部分涉及特定患者關(guān)節(jié)的模型的信息包括接收至少部分涉及所述特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的信息。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中接收至少部分涉及特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的信息包括接收定義中間髁關(guān)節(jié)面、側(cè)面髁關(guān)節(jié)面和髕股關(guān)節(jié)面的信息；并且接收至少部分涉及與特定患者關(guān)節(jié)相關(guān)聯(lián)的軸的信息包括接收定義腿相對于所述特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的機械軸的信息。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中接收至少部分涉及特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的信息包括接收定義脛骨關(guān)節(jié)面和髕骨關(guān)節(jié)面中的至少一個的信息。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中接收關(guān)于特定患者的信息還包括接收涉及如下至少一項的信息:特定患者的步態(tài)；特定患者的人體測量表征；特定患者的生活方式；特定患者的至少一個生理屬性；特定患者的早期損傷；特定患者的共病態(tài)狀況；特定患者的人口統(tǒng)計表征；以及特定患者的骨骼強度表征。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中確定至少一個建議最優(yōu)位置和最優(yōu)取向和建議最優(yōu)關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)還包括使用涉及關(guān)于特定患者的信息的不確定性信息。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中使用所述不確定性信息包括使用概率分布。在一些實施例中，可以提供一種方法 ，其中使用所述概率分布包括使用至少部分涉及與多個軟組織附著位置相關(guān)的信息的概率分布。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中在所述計算機處理器中接收定義將骨科響應(yīng)相關(guān)到骨科因素的關(guān)系的信息包括接收多個方程、多個訓練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多個支持矢量機中的至少一個。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中接收定義所述關(guān)系的信息包括接收定義所述關(guān)系使得所述骨科響應(yīng)的至少一些涉及運動范圍、關(guān)節(jié)穩(wěn)定性、關(guān)節(jié)強度和韌帶平衡中的一種或多種的信息。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中接收定義所述關(guān)系的信息包括接收定義所述關(guān)系使得所述骨科響應(yīng)的至少一個涉及包括多個關(guān)節(jié)的骨科系統(tǒng)的總體平衡的信
肩、O在一些實施例中，可以提供一種方法，其中接收定義將所述骨科響應(yīng)相關(guān)到所述骨科因素的關(guān)系的信息還包括接收定義用于每種骨科響應(yīng)的權(quán)重的信息，其中至少一些權(quán)重是不同的。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中確定所述建議最優(yōu)關(guān)節(jié)形狀幾何結(jié)構(gòu)包括確定用于股骨植入物的建議最優(yōu)中間髁關(guān)節(jié)形狀幾何結(jié)構(gòu)，用于股骨植入物的建議最優(yōu)側(cè)面髁關(guān)節(jié)形狀幾何結(jié)構(gòu)，以及用于股骨植入物的建議最優(yōu)滑車溝關(guān)節(jié)形狀幾何結(jié)構(gòu)。在一些實施例中，可以提供一種方法，其還包括使用涉及所述特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的信息以及用于所述骨科植入物的相對于所述特定患者關(guān)節(jié)的建議最優(yōu)位置和建議最優(yōu)取向，來確定用于所述骨科植入物的建議最優(yōu)尺寸覆蓋幾何結(jié)構(gòu)。在一些實施例中，可以提供一種方法，還包括制造包括建議最優(yōu)尺寸覆蓋幾何結(jié)構(gòu)和建議最優(yōu)關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)的所述骨科植入物。還可以提供一種用于優(yōu)化涉及向特定患者的關(guān)節(jié)中植入至少一個骨科植入物的關(guān)節(jié)流程的參數(shù)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:處理器；以及包括計算機優(yōu)化器應(yīng)用的存儲介質(zhì)，在由處理器執(zhí)行時，所述計算機優(yōu)化器應(yīng)用被配置成使系統(tǒng):(i)訪問關(guān)于特定患者的信息，包括至少部分涉及特定患者關(guān)節(jié)的模型的信息，包括至少部分定義多個軟組織附著的信息，以及至少部分涉及相對于特定患者關(guān)節(jié)的模型的與特定患者關(guān)節(jié)相關(guān)聯(lián)的軸的信息；(ii)訪問定義將多個骨科響應(yīng)相關(guān)到多個骨科因素的至少一個關(guān)系的信息，其中:所述多個骨科響應(yīng)中的至少一些均涉及所述關(guān)節(jié)的動力學、運動學和軟組織平衡響應(yīng)中的至少一種；所述骨科因素中的至少一些涉及關(guān)于特定患者的訪問信息；所述骨科因素中的至少一個涉及骨科植入物相對于關(guān)節(jié)的位置和取向中的至少一個；并且所述骨科因素中的至少一個涉及骨科植入物的關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)；使用關(guān)于特定患者的訪問信息，并使用定義所述至少一個關(guān)系的訪問信息，自動確定:用于所述骨科植入物的相對于所述特定患者關(guān)節(jié)的建議最優(yōu)位置和建議最優(yōu)取向中的至少一個；以及用于所述骨科植入物的建議最優(yōu)關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)；以及從所述計算機處理器輸出關(guān)于用于所述骨科植入物的建議最優(yōu)位置和取向中的至少一個的信息和關(guān)于用于所述骨科植入物的建議最優(yōu)關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)的信息。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中訪問至少部分涉及特定患者關(guān)節(jié)的模型的信息包括訪問至少部分涉及所述特定患者關(guān)節(jié)的至少一個關(guān)節(jié)面的信息。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中訪問至少部分涉及特定患者關(guān)節(jié)的模型的信息包括訪問至少部分涉及所述特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的信息。

在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中訪問至少部分涉及特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的信息包括接收定義中間髁關(guān)節(jié)面、側(cè)面髁關(guān)節(jié)面和髕股關(guān)節(jié)面的信息；以及訪問至少部分涉及與特定患者關(guān)節(jié)相關(guān)聯(lián)的軸的信息包括接收定義腿相對于特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的機械軸的信息。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中訪問至少部分涉及特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的信息包括訪問定義脛骨關(guān)節(jié)面和髕骨關(guān)節(jié)面中的至少一個的信息。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中訪問關(guān)于特定患者的信息還包括訪問涉及如下至少一項的信息:特定患者的步態(tài)；特定患者的人體測量表征；特定患者的生活方式；特定患者的至少一個生理屬性；特定患者的早期損傷；特定患者的共病態(tài)狀況；特定患者的人口統(tǒng)計表征；以及特定患者的骨骼強度表征。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中確定至少一個建議最優(yōu)位置和最優(yōu)取向和建議最優(yōu)關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)還包括使用與關(guān)于特定患者的信息相關(guān)的不確定性信
肩、O在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中使用所述不確定性信息包括使用概率分布。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中使用所述概率分布包括使用至少部分涉及與多個軟組織附著位置相關(guān)的信息的概率分布。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中訪問定義將骨科響應(yīng)相關(guān)到骨科因素的關(guān)系的信息包括訪問多個方程、多個訓練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多個支持矢量機中的至少一個。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中訪問定義所述關(guān)系的信息包括訪問定義所述關(guān)系使得至少一些骨科響應(yīng)涉及運動范圍、關(guān)節(jié)穩(wěn)定性、關(guān)節(jié)強度和韌帶平衡中的一種或多種的信息。
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在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中訪問定義所述關(guān)系的信息包括接收定義所述關(guān)系使得骨科響應(yīng)中的至少一個涉及包括多個關(guān)節(jié)的骨科系統(tǒng)的總體平衡的信息。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中訪問定義將所述骨科響應(yīng)相關(guān)到所述骨科因素的信息還包括接收定義用于每種骨科響應(yīng)的權(quán)重的信息，其中至少一些權(quán)重是不同的。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中確定所述建議最優(yōu)關(guān)節(jié)形狀幾何結(jié)構(gòu)包括確定用于股骨植入物的建議最優(yōu)中間髁關(guān)節(jié)形狀幾何結(jié)構(gòu)，用于股骨植入物的建議最優(yōu)側(cè)面髁關(guān)節(jié)形狀幾何結(jié)構(gòu)，以及用于股骨植入物的建議最優(yōu)滑車溝關(guān)節(jié)形狀幾何結(jié)構(gòu)。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中計算機優(yōu)化器算法被配置成使所述系統(tǒng)使用涉及所述特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的信息以及用于所述骨科植入物的相對于所述特定患者關(guān)節(jié)的建議最優(yōu)位置和建議最優(yōu)取向，來確定用于所述骨科植入物的建議最優(yōu)尺寸覆蓋幾何結(jié)構(gòu)。還可以提供一種優(yōu)化涉及向特定患者的關(guān)節(jié)中植入至少一個骨科植入物的關(guān)節(jié)流程的參數(shù)的計算機實現(xiàn)的方法，所述方法包括:在計算機處理器中接收關(guān)于所述特定患者的信息，包括至少部分涉及特定患者關(guān)節(jié)的模型的信息；在計算機處理器中，使用涉及模型的信息，確定用于骨科植入物的建議最優(yōu)一般尺寸組；在計算機處理器中，使用涉及模型的信息和涉及建議最優(yōu)一般尺寸組的信息，確定用于骨科植入物的相對于特定患者關(guān)節(jié)的建議最優(yōu)位置和建議最優(yōu)取向中的至少一個；在計算機處理器中，使用涉及模型的信息、涉及建議最優(yōu)一般尺寸組的信息和涉及建議最優(yōu)位置和建議最優(yōu)取向中的至少一個的信息，確定用于骨科植入物的建議解剖配合幾何結(jié)構(gòu)；以及從計算機處理器輸出涉及建議最優(yōu)一般尺寸組的信息和涉及建議解剖配合幾何結(jié)構(gòu)的信息。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中接收至少部分涉及特定患者關(guān)節(jié)的模型的信息包括接收至少部分涉及所述特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的信息。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中確定用于骨科植入物的建議最優(yōu)一般尺寸組包括基于特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的至少一個維度從多個可能的一般尺寸組選項選擇建議最優(yōu)一般尺寸組。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中確定用于骨科植入物的建議最優(yōu)一般尺寸組包括基于特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的至少一個前-后或中間-側(cè)面維度選擇建議最優(yōu)一般尺寸組。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中確定用于骨科植入物的相對于特定患者關(guān)節(jié)的建議最優(yōu)位置和建議最優(yōu)取向還包括確定骨科植入物的建議關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中確定骨科植入物的建議關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)包括確定骨科植入物的中間髁關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)、側(cè)面髁關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)和髕股溝關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中確定骨科植入物的建議關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)包括確定用于脛骨植入物和髕骨植入物中的至少一個的關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中確定建議關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)包括從多個可能的關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)選項選擇建議的關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中輸出信息包括從結(jié)合了建議解剖配合幾何結(jié)構(gòu)和建議關(guān)節(jié)面 形狀幾何結(jié)構(gòu)的建議最優(yōu)一般尺寸組輸出涉及建議骨科植入物的信息。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中在所述計算機處理器中接收關(guān)于特定患者的信息包括接收至少部分涉及相對于特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的與特定患者關(guān)節(jié)相關(guān)聯(lián)的軸的信息，并且接收至少部分涉及相對于特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的多個軟組織附
著位置的信息。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中確定用于骨科植入物的建議最優(yōu)位置和建議最優(yōu)取向中的至少一個還包括使用涉及所述軸和軟組織附著位置的信息來確定建議最優(yōu)位置和建議最優(yōu)取向中的至少一個。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中使用涉及軟組織附著位置的信息還包括使用涉及不確定性分布的信息。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中在所述計算機處理器中接收關(guān)于特定患者的信息包括接收至少部分涉及如下至少一項的額外信息:特定患者的步態(tài)；特定患者的人體測量表征；特定患者的生活方式；特定患者的至少一個生理屬性；特定患者的早期損傷；以及特定患者的共病態(tài)狀況。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中確定用于骨科植入物的建議最優(yōu)位置和建議最優(yōu)取向中的至少一個還包括使用所述額外信息來確定建議最優(yōu)位置和建議最優(yōu)取向中的至少一個。
在一些實施例中，可以提供一種方法，其中輸出所述信息還包括輸出涉及用于促進向特定患者體內(nèi)植入骨科植入物的定制手術(shù)器械的信息。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中輸出涉及定制手術(shù)器械的信息還包括輸出涉及具有基于特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的形狀的定制手術(shù)器械上的表面的信息。在一些實施例中，可以提供一種方法，其中確定用于骨科植入物的建議解剖配合幾何結(jié)構(gòu)包括從用于骨科植入物的多個可能周邊幾何結(jié)構(gòu)選項確定用于骨科植入物的建議周邊幾何結(jié)構(gòu)。還可以提供一種 用于優(yōu)化涉及向特定患者的關(guān)節(jié)中植入至少一個骨科植入物的關(guān)節(jié)流程的參數(shù)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:處理器；以及包括計算機優(yōu)化器應(yīng)用的存儲介質(zhì)，在由處理器執(zhí)行時，所述計算機優(yōu)化器應(yīng)用被配置成使所述系統(tǒng):(i)訪問關(guān)于特定患者的信息，包括至少部分涉及特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的信息；(ii)使用涉及三維模型的信息來確定用于骨科植入物的建議最優(yōu)一般尺寸組；(iii)使用涉及三維模型的信息和涉及建議最優(yōu)一般尺寸組的信息來確定用于骨科植入物的相對于特定患者關(guān)節(jié)的建議最優(yōu)位置和建議最優(yōu)取向中的至少一個；(iv)使用涉及三維模型的信息、涉及建議最優(yōu)一般尺寸組的信息和涉及建議最優(yōu)位置和建議最優(yōu)取向中的至少一個的信息來確定用于骨科植入物的建議解剖配合幾何結(jié)構(gòu)；以及(V)從處理器輸出涉及建議最優(yōu)一般尺寸組的信息和涉及建議解剖配合幾何結(jié)構(gòu)的信息。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中計算機優(yōu)化器應(yīng)用在由處理器執(zhí)行時，被配置成使系統(tǒng)基于特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的至少一個維度從多個可能的一般尺寸組選擇建議最優(yōu)一般尺寸組。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中計算機優(yōu)化器應(yīng)用在由處理器執(zhí)行時，被配置成使系統(tǒng)基于特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的至少一個前-后或中間-側(cè)面維度選擇建議最優(yōu)一般尺寸組。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中計算機優(yōu)化器應(yīng)用在由處理器執(zhí)行時，被配置成使系統(tǒng)確定骨科植入物的建議關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中計算機優(yōu)化器應(yīng)用在由處理器執(zhí)行時，被配置成使系統(tǒng)確定骨科植入物的中間髁關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)、側(cè)面髁關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)和髕股溝關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中計算機優(yōu)化器應(yīng)用在由處理器執(zhí)行時，被配置成使系統(tǒng)從多個可能的關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)選擇建議關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中計算機優(yōu)化器應(yīng)用在由處理器執(zhí)行時，被配置成使系統(tǒng)從結(jié)合了建議解剖配合幾何結(jié)構(gòu)和建議關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)的建議最優(yōu)一般尺寸組輸出涉及建議骨科植入物的信息。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中計算機優(yōu)化器應(yīng)用在由處理器執(zhí)行時，被配置成使系統(tǒng)訪問:至少部分涉及相對于特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的與特定患者關(guān)節(jié)相關(guān)聯(lián)的軸的信息；以及至少部分涉及相對于特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的多個軟組織附著位
置的信息。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中計算機優(yōu)化器應(yīng)用在由處理器執(zhí)行時，被配置成使系統(tǒng)在確定建議最優(yōu)位置和建議最優(yōu)取向中的至少一個時使用涉及所述軸和軟組織附著位置的信息。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中計算機優(yōu)化器應(yīng)用在由處理器執(zhí)行時，被配置成使系統(tǒng)在確定建議最優(yōu)位置和建議最優(yōu)取向中的至少一個時使用涉及軟組織附著位置的不確定性分布的信息。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中計算機優(yōu)化器應(yīng)用在由處理器執(zhí)行時，被配置成使系統(tǒng)訪問至少部分涉及如下至少一項的額外信息:特定患者的步態(tài)；特定患者的人體測量表征；特定患者的生活方式；特定患者的至少一個生理屬性；特定患者的早期損傷；以及特定患者的共病態(tài)。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中計算機優(yōu)化器應(yīng)用在由處理器執(zhí)行時，被配置成訪問關(guān)于特定患者的不確定性信息。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中計算機優(yōu)化器應(yīng)用在由處理器執(zhí)行時，被配置成在確定建議最優(yōu)位置和建議最優(yōu)取向中的至少一個時使用所述額外信息。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中計算機優(yōu)化器應(yīng)用在由處理器執(zhí)行時，被配置成輸出涉及用于向特定患者體內(nèi)安裝骨科植入物的定制手術(shù)器械的信息。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中計算機優(yōu)化器應(yīng)用在由處理器執(zhí)行時，被配置成輸出涉及具有基于特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的形狀的定制手術(shù)器械上的表面的信息。在一些實施例中，可以提供一種系統(tǒng)，其中計算機優(yōu)化器應(yīng)用在由處理器執(zhí)行時，被配置成通過從多個用于骨科植入物的多個可能周邊幾何結(jié)構(gòu)確定用于骨科植入物的建議周邊幾何結(jié)構(gòu)來確定建議解剖配合幾何結(jié)構(gòu)。


圖1a和b示意性地圖示出了用于優(yōu)化針對特定患者的骨科流程的參數(shù)的方法的一個非限制性范例。圖2示意性圖示出了用于優(yōu)化針對特定患者的骨科流程的參數(shù)的方法的另一個范例。圖3和4圖示出了可以結(jié)合圖1a和b的方法使用的預(yù)定義植入物模型的分級結(jié)構(gòu)的一個范例。圖5示出了成像數(shù)據(jù)，在這種情況下，為膝關(guān)節(jié)的矢狀MRI圖像切片。圖6示出了額外的成像數(shù)據(jù)，在這種情況下，為腿的全長X射線圖，被示為疊加了膝關(guān)節(jié)的解剖模型。圖7示出了膝關(guān)節(jié)的另一個矢狀MRI圖像切片。圖8示出了膝關(guān)節(jié)的三維解剖模型。圖9示意性圖示出了一 般尺寸組優(yōu)化步驟的一個非限制性范例。圖10示意性圖示出了檢驗步驟的一個非限制性范例。圖11示意性圖示出了在生物力學配合優(yōu)化步驟的一個非限制性范例中使用的一組數(shù)學方程。圖12示意性圖示出了在生物力學配合優(yōu)化步驟的另一個范例中使用的一組神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
圖13示意性圖示出了解剖配合優(yōu)化步驟的一個非限制性范例。圖14圖示出了相對于膝關(guān)節(jié)的三維模型的計劃切除的范例。圖15和16示意性圖示出了在外科醫(yī)生批準步驟的一個非限制性范例中使用的一種類型的輸出(在這種情況下是圖像)。
具體實施例方式圖1和2圖示出了用于優(yōu)化骨科流程的參數(shù)的方法的非限制性范例。在這些特定范例中，這些方法針對優(yōu)化用于全膝關(guān)節(jié)成形術(shù)流程的參數(shù)，盡管本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到可以將這些或類似方法用于其他類型的骨科流程，諸如其他類型的膝關(guān)節(jié)成形術(shù)(例如單間隔或雙間隔)、髖部關(guān)節(jié)成形術(shù)、肩部關(guān)節(jié)成形術(shù)、關(guān)節(jié)表面重修或脊椎骨流程。圖1和2中所圖示的方法可被用于優(yōu)化骨科流程的一個或若干個參數(shù)。例如，圖1a和b中所圖示的方法促進優(yōu)化骨科植入物對特定患者的解剖配合和生物力學配合，而圖2中所圖示的方法僅促進優(yōu)化對特定患者的解剖配合，不優(yōu)化生物力學配合。圖1a和b-優(yōu)化的解剖和生物力學配合
圖1a和b示意性地圖示出了用于為全膝關(guān)節(jié)成形術(shù)流程優(yōu)化植入物對特定患者的解剖和生物力學配合的方法的一個非限制性范例。在本范例中，該方法識別針對患者特定的解剖和生物力學的最優(yōu)植入物以及最優(yōu)位置和取向(例如，在6個自由度中)以用于植入該植入物。在本范例中，以反映推薦的股骨部件、脛骨部件、和任選的髕骨部件以及用于在患者關(guān)節(jié)中植入部件的定制切割導引的數(shù)據(jù)形式輸出這些優(yōu)化的參數(shù)。在其他實施例中，可以輸出優(yōu)化的參數(shù)或另外以其他形式 和方式加以利用。例如，輸出可以包括用于非定制切割導引或系統(tǒng)的設(shè)置(例如，用于計算機輔助的導航系統(tǒng)的設(shè)置或?qū)烧{(diào)節(jié)切割導引的設(shè)置)。在圖1a和b的實施例中，從預(yù)先設(shè)計的股骨、脛骨和髕骨部件選項的數(shù)據(jù)庫或其他集合中識別推薦的股骨、脛骨和髕骨部件，其可以是以股骨、脛骨和髕骨部件選項的數(shù)字三維CAD模型的形式或以其他形式。在一些實施例中，股骨、脛骨和髕骨部件選項可以代表數(shù)百或數(shù)千不同的選項。在本特定實施例中，以分級結(jié)構(gòu)布置植入物選項的數(shù)據(jù)庫，其在圖3和4中被示意性地表示。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，所示出的分級結(jié)構(gòu)僅僅是可以如何布置植入物選項的數(shù)據(jù)庫或其他集合的一個非限制性范例，并且分級的眾多其他變形都是可能的。在另外其他實施例中，可以不按照任何特定的分級結(jié)構(gòu)布置植入物選項。在圖3和4的分級結(jié)構(gòu)中，通過一般尺寸組在頂層302布置植入物選項，其中每個一般尺寸組包括層次304的若干個子組，層次304反映不同的解剖尺寸選項，每個選項進而包括層次306的若干個子組，層次306反映不同的生物力學尺寸選項。盡管圖3和4中僅具體示出了分級結(jié)構(gòu)的一部分，但在本范例中應(yīng)當理解的是，四個一般尺寸選項均包括三種解剖尺寸選項，其中每個解剖尺寸選項包括三個生物力學尺寸選項(總體上有解剖和生物力學尺寸選項的三十六種可能的組合，其中每個一般尺寸選項有九種解剖和生物力學尺寸組合)。其他分級結(jié)構(gòu)可以包括更多或更少層次的選項，其中在每個層次處有更多或更少的選項。例如，在一些實施例中，可能有多個層次的解剖尺寸選項和多個層次的生物力學尺寸選項，在一些情況下，這可能是提高下文進一步論述的優(yōu)化算法的處理效率所期望的。
在圖3和4的分級結(jié)構(gòu)中，一般尺寸組選項可以類似于通常可用于植入物的不同尺寸選項(例如尺寸4，5，6，7……)，其中更小的尺寸一般適于具有更小解剖結(jié)構(gòu)的患者，以及更大的尺寸一般適于具有更大解剖結(jié)構(gòu)的患者。作為股骨植入物情境中的一個非限制性范例，一般尺寸組選項4 一般可以適于具有相對小的前-后維度的股骨的患者，而一般尺寸組選項7 —般可以適于具有相對大的前-后維度的股骨的患者。在圖3和4的分級結(jié)構(gòu)中，層次304的解剖配合尺寸選項可以反映與和患者解剖結(jié)構(gòu)交互的植入物的幾何結(jié)構(gòu)和其他特征相關(guān)的不同尺寸選項。這樣的特征包括，但不限于覆蓋幾何結(jié)構(gòu)(例如植入物的外周邊幾何結(jié)構(gòu)和與患者解剖結(jié)構(gòu)上被切除表面的覆蓋相關(guān)的植入物設(shè)計的其他方面)、界面幾何形狀 (例如與植入物如何與被切除表面對接相關(guān)的銷釘幾何結(jié)構(gòu)和其他方面)、以及切除幾何結(jié)構(gòu)(例如，反映植入物用于與不同切除幾何結(jié)構(gòu)對接的可能內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)，諸如移除的骨骼量，相對彼此的切除取向等)。圖4示意性圖示出了一個這樣的特征可能在解剖配合尺寸選項304-前凸緣維度之間如何變化。如圖4中所示，左側(cè)上的解剖配合選項具有相對窄的前凸緣，而右側(cè)上的解剖配合選項具有相對寬的前凸緣。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，圖4表示了可能解剖配合尺寸選項304的簡化示意表示，并且其他組的解剖配合尺寸選項可以包括更多選項，并且這些選項的各種特征可以從選項到選項而不同，不僅僅是諸如前凸緣維度的單個特征。此外，如上所述，可以在多個層次中，而不僅僅如在圖3和4中所示的單個層次中布置解剖配合選項。例如，分級結(jié)構(gòu)可以包括反映用于不同前凸緣維度的一個層次，反映用于末端(面對表面的骨骼)的不同寬度的選項的另一個層次，等等。在圖3和4的分級結(jié)構(gòu)中，層次306處的生物力學配合尺寸選項可以反映與影響植入物的生物力學性能的植入物的幾何結(jié)構(gòu)和其他特征相關(guān)的不同尺寸選項。這種植入物幾何結(jié)構(gòu)的非限制性范例可以包括關(guān)節(jié)面幾何結(jié)構(gòu)。例如，對于一些股骨部件，不同的生物力學尺寸選項可以反映股骨部件的中間和側(cè)面髁表面和滑車溝表面的形狀、位置、取向、曲率或其他特征方面的變化。作為一個非限制性范例，圖4示出了一組生物力學配合選項306，其中左選項具有相對凹陷的髁表面，而右選項具有相對突出的髁表面。如解剖配合選項那樣，生物力學配合選項可以反映從選項到選項的各種不同特征方面的改變，并可以被布置在單個層次(如圖3和4中所示)或多個層次中。在一些實施例中，植入物模型的集合不是嚴格的分級結(jié)構(gòu)，因為，例如特定的生物力學配合尺寸選項可能適用于供若干種不同的解剖配合尺寸選項使用，并且在至少一些實施例中，不同層次的各種尺寸選項可以反映至少有些獨立可互換的特征。不過，在這些“可互換”實施例中的一些中，一些組合可能不適于用作實際的植入物(例如一些關(guān)節(jié)幾何結(jié)構(gòu)可能與一些覆蓋幾何結(jié)構(gòu)不兼容)，并且從而可能不會始終在可能植入物模型的整個集合中都是完美地可互換的。如下文進一步描述，圖3和4的三層分級結(jié)構(gòu)對應(yīng)于在圖1a和b的方法中執(zhí)行的三個優(yōu)化子過程?？梢詫D1a和b的方法通常分成預(yù)處理步驟、初始一般尺寸組優(yōu)化步驟、生物力學配合優(yōu)化步驟、解剖配合優(yōu)化步驟以及批準/制造步驟。以下更詳細地論述這些步驟中每個的具體但非限制性的范例。為了解釋的目的，以下描述集中于僅單個植入物部件的優(yōu)化，而本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，可以同時、并行、依次或以其他方式向整個植入物系統(tǒng)(例如股骨、脛骨和/或髕骨部件)應(yīng)用優(yōu)化過程。1.預(yù)處理
圖1a和b的方法的預(yù)處理步驟包括步驟102、104、106和108。在步驟102，接收用于骨科流程的關(guān)于特定患者的信息。在一些情況下，這種接收的信息包括通過對特定患者的關(guān)節(jié)(例如感興趣的膝關(guān)節(jié))成像所獲得的數(shù)據(jù)?？梢允褂萌魏芜m當?shù)某上窦夹g(shù)來獲得這種數(shù)據(jù)，包括，但不限于MR1、X射線、CT、超聲波或其組合。在其他實施例中，可是使用不基于圖像的技術(shù)來獲得關(guān)于患者關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)。在圖示的具體實施例中，在步驟102處接收的信息包括DICOM原始數(shù)據(jù)以及從MRI獲得的處理的數(shù)據(jù)之一或兩者。在本特定實施例中，這種數(shù)據(jù)包括足夠的信息以在患者解剖結(jié)構(gòu)的三維相關(guān)表面和其他特征方面進行識別和表征。這種表面和其他特征的非限制性范例包括股骨、脛骨和髕骨的關(guān)節(jié)面(例如，股骨上的中間和側(cè)面髁表面和脛骨上的對應(yīng)關(guān)節(jié)面、股骨上的滑車溝和髕骨上的對應(yīng)關(guān)節(jié)面)，這種解剖結(jié)構(gòu)的非關(guān)節(jié)面，以及這種解剖結(jié)構(gòu)的其他特征(例如脛骨結(jié)節(jié)、脛骨嵴)。在一些實施例中，MRI數(shù)據(jù)可能足以識別骨骼表面、軟骨表面、骨骼/軟骨界面或解剖結(jié)構(gòu)的不同組織和結(jié)構(gòu)之間的其他界面。在本特定實施例中，DICOM原始數(shù)據(jù)和/或從MRI獲得的處理的數(shù)據(jù)還包括足夠細節(jié)以辨別和定位軟組織(例如韌帶和/或肌腱)附著于骨骼解剖結(jié)構(gòu)的三維位置(例如點或區(qū)域)。在與膝關(guān)節(jié)成形術(shù)相關(guān)的實施例中，這樣的附著位置可以包括，但不限于膝前后十字韌帶的附著位置、中間十字韌帶的深處和淺表附著位置、側(cè)面十字韌帶的附著位置、膝后肌腱/肌肉的插入位置、髂脛束插入位置、髕韌帶附著位置和四芯腱在髕骨上的插入位置。在一些實施例中，利用具有具體掃描規(guī)程參數(shù)(例如視場(FOV)、切片厚度、矩陣、場強、掃描平面、掃描時間、帶寬等)的MRI掃描規(guī)程以精確地產(chǎn)生感興趣的生物學結(jié)構(gòu)(肌腱、韌帶、肌肉、軟骨和骨骼)的詳細圖像。可以在患者仰臥的情況下執(zhí)行MRI掃描，從腳開始，他或她的腿完全伸開，并且膝關(guān)節(jié)伸直。在一些實施例中，使用填塞和固定裝置盡可能地限制任何腿部運動 。膝關(guān)節(jié)可以居于MRI線圈的中心，并且可以將線圈定位得盡可能接近等中心。在圖1a和b的具體實施例中，在步驟102處接收的信息還包括足以將患者腿部的機械軸的位置和取向相關(guān)到感興趣的患者關(guān)節(jié)的成像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)?？梢杂苫颊呷?包括髖部和踝關(guān)節(jié))的X射線圖或以其他方式，諸如全長度MRI或CT，來獲得這種額外數(shù)據(jù)。在所示的特定實施例中，在步驟102處接收的信息還可以包括關(guān)于患者和/或外科醫(yī)生對骨科流程的偏好的其他信息。這樣的額外信息可以包括:識別患者的信息、識別外科醫(yī)生的信息、對外科醫(yī)生的容許偏差(例如對于植入物覆蓋配合可允許的懸垂/下垂量)、各種骨科響應(yīng)對外科醫(yī)生的相對重要性(下文論述)、關(guān)于內(nèi)翻/外翻對準的外科醫(yī)生偏好、植入物位置和取向、約束、尺寸設(shè)計(加尺寸、減尺寸)、軟組織和硬組織分析、骨骼強度DXA分數(shù)、激素/血液標記水平、人口統(tǒng)計信息(包括年齡、性別、種族/民族)、過往醫(yī)療史和合并癥、吸煙、過敏、激素狀態(tài)、激素藥物治療、遺產(chǎn)/家族史，等等。如在圖1a中所示，在步驟104處，也可以接收“增強”患者數(shù)據(jù)集。盡管被示為單獨的步驟，但在一些實施例中，步驟104可以是與步驟102相同的步驟的部分。在步驟104處接收的數(shù)據(jù)可以反映在步驟102處接收的標準患者數(shù)據(jù)中未包括但在圖1a和b的優(yōu)化過程中使用的信息。這種增強數(shù)據(jù)可以包括，但不限于以下數(shù)據(jù):反映患者的步態(tài)、足部機械學、患者人體測量學、患者生活方式(例如活動水平、公共活動類型等)、生理屬性(例如作為韌帶強度指標的組織中膠原水平)、先前傷害的存在和表征、與其他關(guān)節(jié)功能或其缺乏有關(guān)的共病態(tài)數(shù)據(jù)、或關(guān)于患者的其他類型的數(shù)據(jù)。在一些實施例中，這種增強的數(shù)據(jù)可以直接或間接影響用作對生物力學配合優(yōu)化器的輸入的骨科因素，下文將更詳細地論述該優(yōu)化器。在一些實施例中，可以使用網(wǎng)絡(luò)或其他基于計算機的接口來收集在步驟102和104中接收的標準和增強數(shù)據(jù)集，該接口允許用戶，諸如外科醫(yī)生、醫(yī)生助理或其他用戶輸入/上載這種數(shù)據(jù)。也可以利用其他數(shù)據(jù)收集方法。在一些實施例中，收集的數(shù)據(jù)類型可以改變。例如，在一些實施例中，可以更新用于生物力學和解剖配合優(yōu)化器的算法，使得針對向優(yōu)化器的輸入需要不同類型的增強數(shù)據(jù)，再次在下文中詳細論述該優(yōu)化器。在這樣的情況下，數(shù)據(jù)收集接口，無論是基于網(wǎng)絡(luò)還是其他方式，都可以被迅速且容易地更新，以反映所需不同的信息。返回到圖la，在步驟106中，可以處理圖像數(shù)據(jù)以創(chuàng)建患者關(guān)節(jié)或其至少部分的三維模型(例如CAD模型)。可以通過分割或以其他方式處理成像數(shù)據(jù)以重構(gòu)幾何結(jié)構(gòu)和形狀，或以其他方式定義患者解剖結(jié)構(gòu)的相關(guān)表面和其他形態(tài)方面來創(chuàng)建三維模型。圖5圖示出了分割的一個非限制性范例，其中處理MRI數(shù)據(jù)的個別圖像切片，以識別患者股骨和脛骨之間的邊界(由圖5中的虛線所指示)以及周圍的解剖結(jié)構(gòu)。可以通過人工、自動化或半自動化過程來實現(xiàn)這樣的分割。在一些實施例中，可以通過可從例如以下公司獲得的軟件包或其他軟件來促進分割-Massachusetts Lexington的Able Software Corp(3D_doctor)、比利時Leuven的Materialise(Mimics)。在一些實施例中，可以使用其他技術(shù)處理成像數(shù)據(jù)，諸如基于閾值的圖像處理，基于概率統(tǒng)計圖集、基于統(tǒng)計形狀建模、或其他技術(shù)。一些實施例可以至少部分利用基于(MathWorks, Inc., Natick,MA的)Matlab的過程作為這種技術(shù)的一部分。在其他實施例中，可以通過在圖像數(shù)據(jù)中或從圖像數(shù)據(jù)識別一組點和/或維度而非詳細分割關(guān)節(jié)面來創(chuàng)建患者關(guān)節(jié)的模型。例如，在一些實施例中，僅有某些關(guān)鍵參考點和/或維度是如下所述的優(yōu)化子過程的必要輸入，并且因此，僅需要從患者特異性數(shù)據(jù)(圖像或其他類型的數(shù)據(jù))識別這些參考點和維度。在一些實施例中，從圖像數(shù)據(jù)創(chuàng)建的模型不需要是三維的。在一些實施例中，可以處理關(guān)于患者的成像數(shù)據(jù)或其他信息以識別額外的定性或定量信息，以便結(jié)合到三維模型中或以其他方式供三維模型使用，諸如但不限于患者腿部的機械軸相對于三維關(guān)節(jié)模型的位置和/或取向和其他參考幀信息(例如特定參考點、軸或其他構(gòu)造相對于三維解剖模型的識別)。在一些實施例中，可以通過在三維模型上疊加患者的全腿X射線圖來確定腿的機械軸及其與患者膝蓋的模型的關(guān)系。圖6示出了使用全腿長度X射線圖402將機械軸404與三維解剖模型406相關(guān)聯(lián)的一個范例。在本特定實施例中，機械軸404被定義為將股骨頭的中心連接到踝關(guān)節(jié)中心的線。在步驟108處，也可是處理成像 數(shù)據(jù)以相對于三維模型識別韌帶和其他軟組織的附著位置。圖7圖示出了使用MRI成像數(shù)據(jù)識別前十字韌帶附著位置408 (ACL在側(cè)面股骨髁上的股骨附著)和410 (ACL在前脛骨坪上的脛骨附著)。在一些實施例中，可以同時或以其他方式結(jié)合對MRI數(shù)據(jù)進行的其他處理，諸如在步驟106處執(zhí)行的處理，來執(zhí)行步驟108。此外，如分割過程那樣，可人工、半自動化、或使用全自動功能來進行韌帶附著位置的識別。在一些實施例中，可以進一步處理接收到的關(guān)于特定患者的圖像數(shù)據(jù)和其他信息，使得三維模型結(jié)合或以其他方式反映其他信息，諸如涉及骨骼(例如骨密度)、軟骨和軟組織的機械性質(zhì)的信息。圖8圖示出了由步驟106和108創(chuàng)建的特定患者解剖結(jié)構(gòu)的三維模型的范例。盡管在圖8中未具體示出，但該模型可以包括機械軸(來自輸入的X射線圖、光柵圖像)、骨骼標志、AP軸、上髁軸、韌帶附著位置的視覺或其他指示符和如上所述的其他信息。2.初始一般尺寸組優(yōu)化
圖1a和b中圖示出的方法的初始一般尺寸組優(yōu)化步驟包括步驟110、112和114。步驟110-114 (在這一實施例中)基于患者解剖結(jié)構(gòu)的三維模型的相對簡單測量從可能的一般尺寸組產(chǎn)生一般尺寸組選項的初始選擇(例如，圖3和4中所示的一般尺寸組選項之一)。在步驟110中，對三維模型進行預(yù)處理以為步驟112進行準備。這樣的預(yù)處理可以構(gòu)成三維模型的單個或小數(shù)量的參考測量，這樣的測量類似于使用傳統(tǒng)尺寸設(shè)計導引所獲取的測量，以對患者的解剖結(jié)構(gòu)初步確定植入物的尺寸。例如，在涉及用于股骨的初始一般尺寸組優(yōu)化的一個范例中，可以在這個步驟確定在預(yù)定義深度和預(yù)定義中間-側(cè)面位置獲取的三維模型的前-后維度測量。在涉及脛骨的另一個范例中，可以在這個步驟執(zhí)行三維模型的中間-側(cè)面維度測量。在步驟112處，可以使用優(yōu)化算法來基于在步驟110處確定的三維模型的一個或多個測量而確定最適當?shù)囊话愠叽缃M選項。在一些實施例中，這樣的算法可以僅從具有與來自步驟110的測量最緊密匹配的對應(yīng)測量的可能選項選擇一般尺寸組選項。在這些實施例中的一些中 ，反映可能植入物模型的數(shù)據(jù)庫或其他數(shù)據(jù)集合可以包括反映用于在步驟112中進行參考的對應(yīng)測量的數(shù)據(jù)點。在其他實施例中，可以利用更復(fù)雜的算法。圖9示意性圖示出了步驟112的一個實施例，其中，基于識別導致脛骨植入物一般尺寸組選項的中間-側(cè)面維度和脛骨的解剖模型之間的最小差異的一般尺寸組選項來識別最緊密配合脛骨的脛骨基板一般尺寸組選項。在圖1a和b中所示的特定實施例中，在步驟114處，可以檢驗在步驟112處選擇的一般尺寸組選項。在一些實施例中，檢驗可以反映人工或自動化檢查所選擇的一般尺寸組選項以確認針對特定患者的適當性(例如，檢查反映疊加在三維解剖模型上的所選擇的一般尺寸組選項的植入物的圖像以確保其適于特定患者)。圖10圖示出了可用于檢驗的圖像的一個非限制性范例。在本范例中，可以檢查圖像以確定(這里為股骨植入物的)一般尺寸組選項是否將滿足患者的特定解剖結(jié)構(gòu)(例如，其使用所識別的一般尺寸組選項將不會導致股骨的前部凹陷)。如果在步驟114處確定所選擇的一般尺寸組選項不適當，則該過程返回到步驟110，以利用調(diào)整的輸入重復(fù)預(yù)處理和/或一般尺寸組優(yōu)化步驟110和112。如果在步驟114處確定所選擇的一般尺寸組選項適當，則該過程前進到下文論述的生物力學配合優(yōu)化步驟。在其他實施例中，可以延遲檢驗，直到過程中的稍后點，或根本不需要檢驗。3.生物力學配合優(yōu)化
圖1a和b中圖示出的方法的生物力學配合優(yōu)化步驟包括步驟116、118和120。步驟116-120導致了針對特定患者識別最優(yōu)生物力學尺寸選項以及針對向特定患者體內(nèi)植入植入物識別最優(yōu)生物力學位置和取向。在步驟116，編譯數(shù)據(jù)，以便為生物力學配合優(yōu)化步驟118做準備。在這個步驟處編譯的數(shù)據(jù)可以包括涉及以下的數(shù)據(jù):患者的解剖結(jié)構(gòu)的三維模型、諸如機械軸的軸相對于三維模型的位置和取向、軟組織附著位置相對于三維模型的位置和取向、在步驟110-114中最初識別的用于植入物的一般尺寸組選項、在步驟104處接收的增強數(shù)據(jù)、和在步驟102處接收的任何外科醫(yī)生偏好。在一些實施例中，也可以在這個點上處理編譯的數(shù)據(jù)以使其適于由優(yōu)化算法使用，如下文更詳細所論述的。在步驟118，運行生物力學配合優(yōu)化算法。在這一實施例中，生物力學配合優(yōu)化算法利用在步驟116處收集的患者特異性數(shù)據(jù)(或該數(shù)據(jù)的進一步處理的形式)和若干個骨科因素和骨科響應(yīng)之間的至少一個定義關(guān)系，以確定用于骨科流程的最優(yōu)生物力學參數(shù)。在序號為61/482843的美國臨時申請中詳細論述了那些關(guān)系中涉及定義關(guān)系和骨科因素以及骨科響應(yīng)的范例，已經(jīng)通過引用將其全文并入本專利申請；不過，下文提供一些非限制性范例的簡述。(a)骨科響應(yīng)
在一些實施例中，骨科響應(yīng)可以反映期望的(定量地、定性地或絕對地)可測量的與患者的粗大運動技能相關(guān)的骨科流程的性能結(jié)果或其他結(jié)果。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，有很多方面來表征患者的粗大運動技能。例如，可以按照運動響應(yīng)、穩(wěn)定性響應(yīng)或強度響應(yīng)的范圍來表征關(guān)節(jié)功能。在更詳細的層次上，可以按照動力學響應(yīng)、運動學響應(yīng)、軟組織平衡響應(yīng)(例如韌帶張力)等進一步表征關(guān)節(jié)功能的這些或其他特性。在一些實施例中，骨科響應(yīng)不僅涉及用于骨科流程的特定感興趣關(guān)節(jié)，還可以涉及患者體內(nèi)的其他關(guān)節(jié)(例如，一種或多種響應(yīng)可以涉及患者關(guān)節(jié)系統(tǒng)的總平衡(例如負載平衡))或患者關(guān)節(jié)系統(tǒng)隨時間的總體預(yù)測可靠性/耐久性。例如，盡管在獨立考慮時，特定植入物和/或用于植入的特定位置和取向可以提供特定關(guān)節(jié)的最優(yōu)功能(例如針對討論中的膝蓋的最優(yōu)膝動力學、運動 學和韌帶平衡)，但特定的植入物、位置和取向可能對對側(cè)關(guān)節(jié)或關(guān)節(jié)系統(tǒng)具有有害影響(例如，可能不利地改變另一個膝的動力學、運動學和/或韌帶平衡，并且可能導致對該膝蓋的過度磨損或其他損傷)。用于優(yōu)化過程中使用的骨科響應(yīng)的數(shù)量可能從幾個響應(yīng)變化到幾百個或更多。圖1a和b中所圖示的方法可以針對用于每位患者的每種骨科響應(yīng)而使用預(yù)定義的值，或可以針對骨科響應(yīng)使用從患者到患者變化的值(例如，基于患者特異性信息，外科醫(yī)生或其他用戶的偏好，或為適于特定患者或特定組患者的骨科響應(yīng)選擇值的半自動或全自動功能)。例如，在一個范例中，患者特異性信息可以反映特定患者參與需要針對關(guān)節(jié)的特定運動學模式的活動，并且因此，可以將與該特定運動學模式相關(guān)的一個或多個骨科響應(yīng)設(shè)置在特定值以適合特定活動。在與全膝關(guān)節(jié)成形術(shù)相關(guān)的一個非限制性范例中，可以被用于生物力學優(yōu)化的特定骨科響應(yīng)包括在各種程度的彎曲、最大PCL、LCL和/或MCL張力、最大髕骨負載和最大四頭肌力量下的中間和側(cè)面髁后轉(zhuǎn)。(b)骨科因素
在這一實施例中，骨科因素反映對一個或多個骨科響應(yīng)有影響(在一些實施例中，有顯著影響)的因素。在圖1a和b中所圖示的過程中，骨科因素包括從手術(shù)前獲得的患者特異性數(shù)據(jù)(例如，患者的特定解剖結(jié)構(gòu)、機械軸對準、韌帶和其他軟組織附著位置、步態(tài)、足部機械部分、人體測量、生活方式、生理性質(zhì)、先前損傷、共病態(tài)或在步驟102和10處4收集的其他信息)導出的骨科因素，以及與要被優(yōu)化的骨科流程的參數(shù)(例如，植入物一般尺寸組、植入物生物力學尺寸、植入物解剖尺寸以及針對植入物的植入的位置和取向)相關(guān)的骨科因素。在至少一些實施例中，這些骨科因素中的很多可以涉及復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)(例如，患者解剖結(jié)構(gòu)的三維形狀、由生物力學尺寸選項所反映的關(guān)節(jié)面形狀等)和復(fù)雜的運動(例如步態(tài)模式等)。同樣地，至少在一些實施例中，可以設(shè)計生物力學優(yōu)化算法和由那些算法使用的定義關(guān)系來利用表示那些復(fù)雜因素的數(shù)值。例如，在與用于各種生物力學配合尺寸選項的中間髁關(guān)節(jié)面的幾何結(jié)構(gòu)相關(guān)的骨科因素的一個非限制性范例中，可以為具有相對大的中間髁關(guān)節(jié)面的生物力學尺寸選項分配針對該特性因素的值5，而可以為具有相對小的中間髁關(guān)節(jié)面的生物力學尺寸選項分配針對該特定因素的值2?？梢允褂萌斯?、自動化或半自動化子過程來實現(xiàn)這樣的分配(并且在至少一些實施例中，可以在諸如步驟116的預(yù)處理步驟之一處執(zhí)行)，并可以利用預(yù)定義的編碼、關(guān)系表或?qū)缀谓Y(jié)構(gòu)、復(fù)雜運動和個人和植入物的其他表征鏈接到針對骨科因素的特定數(shù)值的其他功能。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識至IJ，可以應(yīng)用類似的子過程來向與骨科響應(yīng)相關(guān)聯(lián)的復(fù)雜屬性分配數(shù)值。如下文將要進一步論述的，在至少一些實施例中，可以將至少一些骨科因素和/或響應(yīng)表示為概率分布而非具體數(shù)字。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還將認識到，可以列出巨大數(shù)量的骨科因素作為對用于優(yōu)化的骨科響應(yīng)的潛在影響，盡管在至少一些情況下，僅有那些骨科因素的小子集會顯著或可測量地對骨科響應(yīng)進行影響。如序號為61/482843的美國臨時申請中以及下文所論述的，一些實施例可以僅利用有限數(shù)量的已經(jīng)使用基于統(tǒng)計的篩選實驗或其他方法從可能骨科因素的主體識別的關(guān)鍵骨科因素。(C)骨科因素和響應(yīng)之間的關(guān)系
在圖1a和b中所示的實施例中，步驟118利用骨科因素和響應(yīng)之間的一個或多個定義關(guān)系來識別用于骨科植入物的最優(yōu)生物力學尺寸以及用于植入的最優(yōu)生物力學位置和取向。這些關(guān)系可以采取各種形式。在一種情況下，骨科因素和響應(yīng)之間的關(guān)系可以是一系列數(shù)學方程的形式，每個方程針對一種骨科響應(yīng)。圖11示意性地表示了這樣的一系列方程，其中R1、R2、R3等表示骨科響應(yīng)，以及F1、F2、F3等表示骨科因素。如在圖11中可以看出的，每個方程將未必包括所有的骨科因素，反映的是這些骨科因素影響一些，但非所有骨科響應(yīng)。此外，盡管圖1中所示的方程本質(zhì)上是線性的，但要理解，該關(guān)系本質(zhì)上可以是非線性的，諸如特定因素以非加性方式彼此交互的那些關(guān)系?？梢允褂媒y(tǒng)計分析和虛擬建模工具來確定圖11的方程，以及那些定義關(guān)系中包括的特定骨科因素，虛擬建模工具諸如是序號為61/482843的美國臨時申請中描述的那些?？梢允褂玫倪m當統(tǒng)計分析工具的非限制性范例包括Design-Ease 或Design-Expert (兩者都可以從明尼蘇達州Mi nneapol is的Stat-Ease, Inc.獲得)和Mini tab (可以從賓夕法尼亞的State College的Minitab, Inc.獲得)?？梢允褂玫倪m當虛擬建模工具的非限制性范例包括LifeMOD 或kneeSIM(兩者都可以從加利福尼亞San Clemente的LifeModeler,Inc.獲得)。在圖11中所示的方程中，骨科響應(yīng)(R1，R2，R3等)和因素(F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3等)可以與具體數(shù)值相關(guān)聯(lián)，盡管在至少一些實施例中，可以將至少一些表示為概率分布(諸如鐘形曲線)或以反映骨科因素或響應(yīng)的實際值的不確定性的另一種方式進行表示。同樣地，方程可以說明這個過程的某些方面中的不確定性。例如，在至少一些實施例中，可能難以確定無疑地識別軟組織附著位置，并且因此，可以使用不確定性信息，基于圖像處理期間所識別的估計位置反映這種軟組織附著位置實際位于何處的概率分布。類似地，在至少一些實施例中，不是確定用于骨科植入物的精確最優(yōu)位置和取向，而是可能期望在植入物實際將被定位和取向之處變化的潛在性的情境中確定最優(yōu)位置和取向(例如，以說明制造定制切割導引儀表設(shè)備中的公差、外科醫(yī)生手術(shù)技術(shù)中的變化等)。在一些實施例中，可以由一組訓練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而非一系列方程來定義骨科因素和響應(yīng)之間的一個或多個關(guān)系。圖12示意性圖示出了一組三個訓練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其經(jīng)由一系列互連的節(jié)點提供了因素(對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入)和響應(yīng)(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出)之間的關(guān)系?？梢允褂门c上述那些類似的統(tǒng)計和建模工具來定義和訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和其中使用的因素。在一些實施例中，諸如可從佛羅里達Gainesville的NeuroDimensions, Inc.獲得的NeuroSolutions 6.0的工具可以進一步促進神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)和訓練。在一些實施例中，可以使用從先前骨科流程或研究收集的信息的數(shù)據(jù)庫來訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并且在隨時間收集的額外數(shù)據(jù)時，可以進一步細化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以增強這里所述的優(yōu)化過程。在一些實施例中，可以使用核心方法來探索骨科因素和響應(yīng)之間的一個或多個關(guān)系?？梢允褂没诤诵牡膶W習算法來求解復(fù)雜計算問題，以通過簇集、分類等檢測和利用數(shù)據(jù)中的復(fù)雜模式。

在一些實施例中，可以由一個或多個訓練的支持矢量機來定義一個或多個關(guān)系。像一些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)那樣，可以訓練支持矢量機以識別現(xiàn)有數(shù)據(jù)，諸如從先前的骨科流程或研究中收集的數(shù)據(jù)中的模式，并且一旦被訓練，用于基于針對特定骨科因素的設(shè)置，預(yù)測針對特定患者的骨科流程的骨科響應(yīng)。如上所述，在至少一些實施例中，一個或多個定義關(guān)系(無論是數(shù)學方程、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還是其他關(guān)系)將若干個骨科因素相關(guān)到若干個骨科響應(yīng)。在步驟118的開端，期望骨科響應(yīng)和某些骨科因素的值(例如，與所供應(yīng)的患者特異性信息相關(guān)的骨科因素，與最初識別的一般尺寸組選項相關(guān)的骨科因素)是已知的，并且針對其他骨科因素的值(例如，與骨科植入物的生物力學配合尺寸選項以及針對植入物的植入的位置和取向相關(guān)的因素)是未知的。在步驟118處，生物力學配合優(yōu)化器可以使用定義關(guān)系和針對骨科響應(yīng)和因素的已知值求解未知的骨科因素，由此為未知的骨科因素確定優(yōu)化的值，以用于實現(xiàn)期望的骨科響應(yīng)。在至少一些實施例中，也許不可能完美求解所有方程，因為骨科因素可能以不同方式影響到各種骨科響應(yīng)(例如，為關(guān)節(jié)提供期望的運動學模式的生物力學尺寸選項可能未必提供關(guān)節(jié)中期望水平的穩(wěn)定性，并且相反地，提供關(guān)節(jié)中期望水平的穩(wěn)定性的生物力學尺寸選項可能未必為關(guān)節(jié)提供期望的運動學模式)。同樣地，在一些實施例中，骨科響應(yīng)可以與加權(quán)值相關(guān)聯(lián)，使得優(yōu)化過程相比其他將更大的權(quán)重給予某些響應(yīng)。這些加權(quán)值可以充當量化各種骨科響應(yīng)的相對重要性的期望性因數(shù)或函數(shù)。在圖1b中的步驟120處，檢驗用于生物力學配合的優(yōu)化值。例如，在利用諸如圖3和4中所示的以分級結(jié)構(gòu)布置的植入物模型的數(shù)據(jù)庫或其他集合的實施例中，可以在這個步驟處確定在步驟118處識別的生物力學配合尺寸選項的特定關(guān)節(jié)幾何結(jié)構(gòu)是否適于供在步驟112處識別的一般尺寸組選項使用。此外，可以在這個步驟處確定針對植入物確定的特定位置和取向是否適于識別的一般尺寸組選項和適于患者的特定解剖結(jié)構(gòu)。在步驟120處，可以輸出反映優(yōu)化的生物力學配合尺寸選項和相對于患者解剖結(jié)構(gòu)的用于植入物的位置和取向的植入物的圖像，以供用戶檢驗。替代地，可以輸出關(guān)于優(yōu)化的生物力學配合尺寸、位置和取向的關(guān)鍵度量而非圖像。作為另一種替代，可以使用自動化或半自動化功能以用于檢驗。在所示的特定實施例中，如果在步驟120處檢驗在步驟118處所確定的生物力學配合參數(shù)，則該過程前進到步驟122。如果不是，可以將一般尺寸組或其他參數(shù)從最初識別的參數(shù)改變，并為新的一般尺寸組/參數(shù)重復(fù)步驟116-120。4.解剖配合優(yōu)化
圖1a和b中圖示出的方法的解剖配合優(yōu)化步驟包括步驟122、124、126和128。在所示的特定實施例中，步驟122-128導致了識別用于骨科植入物的最優(yōu)解剖尺寸選項。在其他實施例中，解剖配合優(yōu)化也可以識別用于骨科植入物的最優(yōu)解剖位置和取向。不過，在另外其他實施例中，可以在解剖配合優(yōu)化步驟中將如在生物力學配合優(yōu)化步驟中確定的用于植入物位置和取向?qū)Υ秊楣潭ㄇ也豢筛淖兊?。在步驟122處，該過程確定哪個解剖尺寸選項(例如，從來自預(yù)定義植入物模型的數(shù)據(jù)庫或其他集合的可能解剖尺寸選項中確定，諸如從圖3和4中所示的植入物模型的分級結(jié)構(gòu)中確定)將最好地配合特定患者的解剖結(jié)構(gòu)。例如，如在圖13中使用脛骨作為范例示意性所示的，該過程可以為脛骨基板的解剖配合選項識別外周邊幾何結(jié)構(gòu)502，其將使計劃的切除的外周邊504最好地配合到近側(cè)脛骨(S卩，該脛骨基板外周邊幾何結(jié)構(gòu)將最好地覆蓋切除表面而沒有懸垂)?？梢允褂没颊呓馄式Y(jié)構(gòu)的三維模型、關(guān)于用于骨科植入物的不同解剖尺寸選項的信息、以及關(guān)于在步驟118確定的用于骨科植入物的計劃的位置和取向的信息(在很多情況下，這將確定對解剖結(jié)構(gòu)的對應(yīng)切除的位置和取向)來做出這種確定。序號為61/509928的美國臨時申請公開了用于`執(zhí)行這種優(yōu)化步驟的算法的非限制性范例，已經(jīng)通過引用將其全文并入本專利申請。如該申請中所公開且如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的，這些算法可以通過除了確定用于植入物的最優(yōu)覆蓋幾何結(jié)構(gòu)之外還調(diào)整植入物相對于解剖結(jié)構(gòu)的位置和/或取向來優(yōu)化骨骼覆蓋。 在步驟124處，檢驗在步驟122處識別的優(yōu)化解剖配合(包括優(yōu)化的解剖配合尺寸選項)?？梢园凑疹愃朴谠诓襟E114和120中上述的檢驗的方式執(zhí)行步驟124的檢驗，可以采取其他形式，或者在至少一些實施例中，可以是根本不必要的。如果其被檢驗，該過程前進到步驟126。如果不是，則該過程返回到步驟122以在做出任何必要的調(diào)整之后重新執(zhí)行解剖配合優(yōu)化。在至少一些實施例中，生物力學和解剖配合優(yōu)化步驟可以導致相比與在初始一般尺寸組優(yōu)化步驟110-114中最初確定的內(nèi)容所指定的用于骨科植入物的不同的一般尺寸組選項。例如，生物力學配合優(yōu)化步驟可以為特定患者確定最優(yōu)生物力學尺寸選項，其不對應(yīng)于在步驟110-114中最初識別的一般尺寸組選項。此外，在至少一些實施例中，解剖配合優(yōu)化步驟可以識別至少在一些自由度中與由生物力學配合優(yōu)化步驟所確定的用于骨科植入物的最優(yōu)位置和/或取向不同的用于骨科植入物的最優(yōu)位置和/或取向。例如，提供計劃切除的最優(yōu)覆蓋的脛骨基板解剖配合尺寸選項的位置和取向可能未必提供最優(yōu)生物力學性能。在步驟126，該過程確定生物力學和解剖配合優(yōu)化步驟是否已經(jīng)改變了在更早步驟中所確定的任何優(yōu)化的參數(shù)。如果是這樣的話，該過程前進到步驟128，其中更新或以其他方式調(diào)整關(guān)于到那些參數(shù)的改變的數(shù)據(jù)，并且重新運行生物力學和解剖配合優(yōu)化步驟116-124。在步驟126，如果已經(jīng)尚不存在到在更早步驟中所確定的任何優(yōu)化參數(shù)的改變，該過程前進到批準和制造步驟130-136。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，可以利用步驟126和128作為反饋環(huán)路以促進用于一般尺寸組、生物力學配合和解剖配合的優(yōu)化參數(shù)的收斂，以為骨科流程提供總體優(yōu)化參數(shù)集。5.批準和制造
圖1a和b中所圖示的過程的批準和·制造步驟包括步驟130-136。在本特定實施例中，步驟130-136導致制造植入物(在一些實施例中，為股骨、脛骨和/或髕骨部件)和定制切割導引(在一些實施例中，為定制的股骨、脛骨和/或髕骨切割導引)，反映了在更早步驟中確定的優(yōu)化的一般尺寸組、生物力學配合和解剖配合。在步驟130處，可以處理從更早優(yōu)化步驟獲得的數(shù)據(jù)(例如，反映用于植入物的最優(yōu)位置和取向的數(shù)據(jù)和反映最優(yōu)植入物設(shè)計的數(shù)據(jù))以促進設(shè)計定制切割導引或用于特定患者的導引。例如，在一些實施例中，可以使用反映最優(yōu)位置、取向和植入物設(shè)計的數(shù)據(jù)來計劃或以其他方式定義對患者解剖結(jié)構(gòu)的三維模型的切除的位置和取向(例如，圖14中所圖示的切除平面)?？梢允褂梅从尺@些計劃的切除的數(shù)據(jù)，以及患者解剖結(jié)構(gòu)的三維模型，以定制對患者解剖結(jié)構(gòu)的切割導弓丨，以用于執(zhí)行計劃切除，這樣的定制包括向定制切割導引中結(jié)合具有一種形狀的表面，該形狀基于如三維解剖模型中所反映的患者解剖結(jié)構(gòu)的對應(yīng)表面幾何結(jié)構(gòu)。在步驟132處，輸出關(guān)于優(yōu)化的骨科流程的信息以用于外科醫(yī)生批準。在一些實施例中，輸出的信息可以是說明了優(yōu)化的骨科流程(例如，說明了患者解剖結(jié)構(gòu)上定位和取向的所提出植入物部件，如圖15中所示，并說明了患者解剖結(jié)構(gòu)上定位和取向的所提出定制切割導引，如圖16中所示)的一幅或多幅圖像。在一些實施例中，代替這些圖像或除這些圖像外，可以輸出關(guān)鍵度量數(shù)據(jù)(例如，提出的植入物尺寸、提出的植入物內(nèi)翻/外翻對準等)。可以使用各種裝置和技術(shù)來向外科醫(yī)生提供關(guān)于所提出的骨科流程的信息，包括基于網(wǎng)絡(luò)的接口、電子郵件或反映這種信息的硬拷貝的傳輸。如果外科醫(yī)生不批準，圖1a和b中所示的過程前進到步驟134，其中可以基于外科醫(yī)生的反饋調(diào)整各種輸入(例如，以利用不同的一般尺寸組、不同的植入物對準等)，并可以重新運行生物力學和解剖配合優(yōu)化步驟，如圖1b所示，盡管其可以不必在所有情況下都重新運行優(yōu)化器，以及相反，該過程可以僅返回到步驟130。如果外科醫(yī)生批準，圖1a和b中所示的過程前進到制造步驟136，其中可以制造植入物和/或定制切割導引。圖2-優(yōu)化的解剖配合
圖2示意性圖示出了用于針對全膝關(guān)節(jié)成形術(shù)流程優(yōu)化對特定患者的植入物的解剖配合的方法的非限制性范例。在本范例中，該方法利用與針對圖1a和b的方法上文所述的那些步驟類似的步驟；不過，本方法不優(yōu)化用于特定患者的生物力學配合，僅僅優(yōu)化解剖配合。在圖2的實施例中，可能在過程開始時需要額外的外科醫(yī)生和/或用戶輸入。例如，夕卜科醫(yī)生和/或其他用戶可能需要相對于患者的解剖結(jié)構(gòu)最初指定用于植入物的期望位置和/或取向(例如，在六個自由度中)。至少在一些實施例中，可以通過外科醫(yī)生偏好或其他用戶輸入基于用于確定植入物位置和/或取向的傳統(tǒng)方針來指定這樣的信息。計算機系統(tǒng)
在一些實施例中，可以全部或至少部分地使用計算裝置來執(zhí)行諸如圖1和2中所圖示的那些的過程。計算裝置可以是用于對患者成像的一個或多個裝置和用于定制制造儀表設(shè)備的一個或多個裝置的一部分或與其遠離、用于執(zhí)行流程的植入物或其他裝置的一部分或與其遠離，并且可以接收或訪問通過適當通信介質(zhì)，包括有線、無線、光學、磁或固態(tài)通信介質(zhì)，所獲得的反映患者圖像的數(shù)據(jù)。計算裝置可以包括處理器，其能夠執(zhí)行計算機可讀介質(zhì)(諸如存儲器)上存儲的代碼。計算裝置可以是能夠處理數(shù)據(jù)并執(zhí)行代碼，即一組指令，以執(zhí)行動作的任何裝置。計算裝置的范例包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、臺式個人計算機、膝上型個人計算機、服務(wù)器裝置、手持式計算裝置、移動裝置或其組合。在一些實施例中，處理器可以包括微處理器、專用集成電路(ASIC)、狀態(tài)機或其他適當處理器。處理器可以包括一個處理器或任意數(shù)量的處理器，并且可以訪問存儲器中存儲的代碼。存儲器可以是能夠有形地體現(xiàn)代碼的任何非暫態(tài)計算機可讀介質(zhì)。存儲器可以包括能夠利用可執(zhí)行代碼提供處理器的電子、磁或光學裝置。存儲器的范例包括隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、軟盤、光盤、數(shù)字視頻裝置、磁盤、ASIC、配置的處理器或其他存儲裝置。在一些實施例中，計算裝置可以通過輸入/輸出(I/o)接口與額外的部件共享和/或接收數(shù)據(jù)。I/O接口可以包括USB端口、以太網(wǎng)端口、串行總線接口、并行總線接口、無線連接接口或能夠允許在計算裝置和另 一個部件之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜魏芜m當接口。額外的部件可以包括諸如信息數(shù)據(jù)庫的部件。在其他實施例中，計算裝置包括信息數(shù)據(jù)庫。一些實施例可以包括用戶接口，諸如網(wǎng)絡(luò)用戶接口，允許工程師、外科醫(yī)生或其他用戶上載數(shù)據(jù)，諸如成像數(shù)據(jù)、文件、外科醫(yī)生記錄、偏好等。接口可以是圖形用戶接口，允許用戶上載、訪問、可視化、注釋和/或操控X射線圖、MR1、DIC0M文件、3D CAD模型等。在一些實施例中，該接口可以允許用戶移動骨骼和植入物模型，并建議不同的位置、取向、尺寸、切割平面等。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認識到，可以對上文所述的非限制性實施例做出添加、刪除、替換或其他修改而不脫離本發(fā)明的范圍或精神。
權(quán)利要求
1.一種優(yōu)化涉及向特定患者的關(guān)節(jié)中植入至少一個骨科植入物的關(guān)節(jié)流程的參數(shù)的計算機實現(xiàn)的方法，所述方法包括: (a)在計算機處理器中接收關(guān)于所述特定患者的信息，包括至少部分涉及特定患者關(guān)節(jié)的模型的信息； (b)在計算機處理器中，使用涉及所述模型的信息，確定用于骨科植入物的建議最優(yōu)一般尺寸組； (C)在計算機處理器中，使用涉及所述模型的信息和涉及所述建議最優(yōu)一般尺寸組的信息，確定骨科植入物相對于特定患者關(guān)節(jié)的建議最優(yōu)位置和建議最優(yōu)取向中的至少一個； (d)在計算機處理器中，使用涉及所述模型的信息、涉及所述建議最優(yōu)一般尺寸組的信息和涉及所述建議最優(yōu)位置和建議最優(yōu)取向中的至少一個的信息，確定用于骨科植入物的建議解剖配合幾何結(jié)構(gòu)；以及 (e)從計算機處理器輸出涉及建議最優(yōu)一般尺寸組的信息和涉及建議解剖配合幾何結(jié)構(gòu)的信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的計算機實現(xiàn)的方法，其中接收至少部分涉及特定患者關(guān)節(jié)的模型的信息包括接收至少部分涉及所述特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的計算機實現(xiàn)的方法，其中確定用于骨科植入物的建議最優(yōu)一般尺寸組包括基于特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的至少一個維度從多個可能的一般尺寸組選項選擇建議最優(yōu)一般尺寸組。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的計算機實現(xiàn)的方法，其中確定用于骨科植入物的建議最優(yōu)一般尺寸組包括基于特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的至少一個前-后或中間-側(cè)面維度選擇建議最優(yōu)一般尺寸組。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的計算機實現(xiàn)的方法，其中確定骨科植入物相對于特定患者關(guān)節(jié)的建議最優(yōu)位置和建議最優(yōu)取向還包括確定骨科植入物的建議關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的計算機實現(xiàn)的方法，其中確定骨科植入物的建議關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)包括確定骨科植入物的中間髁關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)、側(cè)面髁關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)、和髕股溝關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的計算機實現(xiàn)的方法，其中確定骨科植入物的建議關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)包括確定用于脛骨植入物和髕骨植入物中的至少一個的關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的計算機實現(xiàn)的方法，其中確定建議關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)包括從多個可能的關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)選項選擇建議關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的計算機實現(xiàn)的方法，其中輸出信息包括從結(jié)合了建議解剖配合幾何結(jié)構(gòu)和建議關(guān)節(jié)面形狀幾何結(jié)構(gòu)的建議最優(yōu)一般尺寸組輸出涉及建議骨科植入物的信息。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的計算機實現(xiàn)的方法，其中在所述計算機處理器中接收關(guān)于特定患者的信息包括接收至少部分涉及相對于特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的與特定患者關(guān)節(jié)相關(guān)聯(lián)的軸的信息，并且接收至少部分涉及相對于特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的多個軟組織附著位置的信息。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的計算機實現(xiàn)的方法，其中確定用于骨科植入物的建議最優(yōu)位置和建議最優(yōu)取向中的至少一個還包括使用涉及所述軸和軟組織附著位置的信息來確定建議最優(yōu)位置和建議最優(yōu)取向中的至少一個。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的計算機實現(xiàn)的方法，其中使用涉及軟組織附著位置的信息還包括使用涉及不確定性分布的信息。
13.根據(jù)權(quán)利要求2所述的計算機實現(xiàn)的方法，其中在所述計算機處理器中接收關(guān)于特定患者的信息包括接收至少部分涉及如下至少一項的額外信息:特定患者的步態(tài)；特定患者的人體測量表征；特定患者的生活方式；特定患者的至少一個生理屬性；特定患者的早期損傷；以及特定患者的共病態(tài)狀況。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的計算機實現(xiàn)的方法，其中確定用于骨科植入物的建議最優(yōu)位置和建議最優(yōu)取向中的至少一個還包括使用額外信息來確定建議最優(yōu)位置和建議最優(yōu)取向中的至少一個。
15.根據(jù)權(quán)利要求2所述的計算機實現(xiàn)的方法，其中輸出所述信息還包括輸出涉及定制手術(shù)器械以便促進向特定患者體內(nèi)植入骨科植入物的信息。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的計算機實現(xiàn)的方法，其中輸出涉及定制手術(shù)器械的信息還包括輸出涉及具有基于特定患者關(guān)節(jié)的三維模型的形狀的定制手術(shù)器械上的表面的信息。
17.根據(jù)權(quán)利要求2所述的計算機實現(xiàn)的方法，其中確定用于骨科植入物的建議解剖配合幾何結(jié)構(gòu)包括從用于骨科植入物的多個可能周邊幾何結(jié)構(gòu)選項確定用于骨科植入物的建議周邊幾何結(jié) 構(gòu)。
全文摘要
用于優(yōu)化針對特定患者的骨科流程的參數(shù)的系統(tǒng)和方法，所述參數(shù)包括涉及植入到患者關(guān)節(jié)中的植入物或植入物系統(tǒng)的解剖和生物力學配合的參數(shù)。這些系統(tǒng)和方法可以利用手術(shù)前搜集的患者特異性信息連同優(yōu)化算法以確定最優(yōu)植入物設(shè)計和用于向特定患者關(guān)節(jié)中植入植入物的最優(yōu)位置和取向。
文檔編號A61B5/107GK103153238SQ201180049513
公開日2013年6月12日 申請日期2011年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月13日
發(fā)明者B.W.麥克金農(nóng), R.C.馬里內(nèi)斯庫塔納索卡, R.瓦恩巴格, W.L.鮑爾斯, J.B.韋貝, N.M.倫茨, Z.C.威爾金森, S.M.哈多克, R.L.蘭頓 申請人:史密夫和內(nèi)修有限公司