用于寻找髋关节中心的骨科手术系统

摘要

本发明提供一种髋关节中心的寻找方法，能有效提高髋关节中心的近似精度。其由计算机和机械臂辅助进行，包括：在保持检测对象的髋部固定的同时，在使该检测对象的下肢围绕髋关节中心进行第一旋转的不同位置处分别使股骨以圆周方式进行第二旋转；使用导航追踪仪识别固定安装在所述股骨上的参考架，在所述计算机中利用所收集到的与所述第二旋转对应的每组点生成空间曲线图中的各个椭圆；确定组成所述各个椭圆的每组点的质心；确定分别最适合所述各个椭圆的每个平面；确定所述每个平面的穿过质心的垂线；用最小二乘法求取一个表示所有垂线中的最近点的解，用所找到的最近点代表髋关节中心。还提供通过以上方法确定了髋关节中心的膝关节植入物的放置位置设计。

权利要求

1.一种用于寻找髋关节中心的骨科手术系统，使用导航追踪仪识别固定安装在股骨上的参考架，将所述导航追踪仪所获得的信息输入计算机，而得到对应于所述参考架的各移动轨迹位置的空间曲线图信息，其特征在于，能够实现如下步骤：在保持检测对象的髋部固定的同时在使该检测对象的下肢围绕髋关节中心进行第一旋转的不同位置处分别使股骨以圆周方式进行第二旋转时，生成对应于所述第一旋转的不同位置的点数据，并且生成对应于所述第二旋转的各收集位置的收集点数据；

在所述计算机中利用所收集到的与所述第二旋转对应的每组收集点数据生成空间曲线图中的各个椭圆；

确定组成所述各个椭圆的每组点的质心；

确定分别最适合所述各个椭圆的每个平面；

确定所述每个平面的穿过质心的垂线；和用最小二乘法求取一个表示所有垂线中的最近点的解，其中，用所找到的最近点代表髋关节中心，

其中，所述第一旋转是指使检测对象的下肢以髋关节中心为原点而使机械轴围绕预定中心线的转动，该机械轴是指连接髋关节中心和膝关节股骨中心的线，所述第二旋转是指在所述第一旋转的各不同位置处以髋关节中心为原点而使机械轴围绕连接髋关节中心和所述各不同位置的线的转动，所述各个椭圆为所述第二旋转时的膝关节股骨中心的轨迹，所述最近点是所有垂线中的各条垂线彼此之间在空间上最邻近的位置。

2.根据权利要求1所述的用于寻找髋关节中心的骨科手术系统，其特征在于，所述不同位置是所述下肢以所述髋关节中心为原点而围绕预定中心线进行所述第一旋转时的各个位置，

所述预定中心线是连接所述髋关节中心和预定中心的线。

3.根据权利要求1所述的用于寻找髋关节中心的骨科手术系统，其特征在于，以完成所述第一旋转一圈的期间为一个测定周期，基于该周期内在所述不同位置处的所述第二旋转来生成所述空间曲线图中的各个椭圆。

4.根据权利要求1所述的用于寻找髋关节中心的骨科手术系统，其特征在于，在3～15个的所述不同位置处分别进行1～10次的所述第二旋转。

5.根据权利要求4所述的用于寻找髋关节中心的骨科手术系统，其特征在于，通过拟合来求出最适合所述各个椭圆的平面。

6.根据权利要求1所述的用于寻找髋关节中心的骨科手术系统，其特征在于，所述导航追踪仪包括双目光学跟踪仪。

说明书

用于寻找髋关节中心的骨科手术系统

技术领域

[0001] 本发明涉及用于寻找髋关节中心的骨科手术系统。

背景技术

[0002] 由计算机和机械臂辅助的手术是帮助外科医生进行更精确手术的尖端技术。这些技术进步正在彻底改变骨科领域，如全膝关节置换术或部分膝关节置换术。

[0003] 基于这种机器人辅助技术的手术系统可以根据每个病人的解剖结构的独特形状和运动来设计膝关节植入物放置位置。

[0004] 植入物的对齐和固定是根据几个参数进行的，其中包括股骨的机械轴。

[0005] 股骨的机械轴定义为连接髋关节中心和膝关节股骨中心的线，其中髋关节中心定义为一个圆的中心点，该圆在冠状面、矢状面和横向面上与股骨头相匹配。

[0006] 准确估计髋关节和膝关节股骨中心是使植入物与患者的解剖结构正确对齐的重要一步。

[0007] 在其他已经上市的先进的膝关节置换技术系统中，髋关节中心的位置是通过围绕髋关节中心旋转股骨来确定的，期间保持髋部(髋臼)的固定。这种类型的旋转生成一组点，
这些点是通过使用双目跟踪仪识别安装在股骨上的参考架来收集的。膝关节置换手术系统
使用这个参考架来跟踪股骨的位置。

[0008] 在一个完美的系统中，这些收集点属于一个球体，其半径对应于参考架在股骨上的相应位置，其中心为髋关节中心。但在实际系统中，这些点会受到测量误差和噪声的影
响，这些误差和噪声是由股骨运动期间髋关节中心的微小变化引起的。这会导致所找到的
点的位置不准确。

发明内容

[0009] 鉴于上述问题而完成本发明，其目的在于提供一种髋关节中心的寻找方法，能够有效地提高髋关节中心的近似精度。

[0010] 根据本发明的一方面，提供一种髋关节中心的寻找方法，其由计算机和机械臂辅助进行，包括如下步骤：在保持检测对象的髋部固定的同时，在使该检测对象的下肢围绕髋
关节中心进行第一旋转的不同位置处分别使股骨以圆周方式进行第二旋转；使用导航追踪
仪识别固定安装在所述股骨上的参考架，在所述计算机中利用所收集到的与所述第二旋转
对应的每组点生成空间曲线图中的各个椭圆；确定组成所述各个椭圆的每组点的质心；确
定分别最适合所述各个椭圆的每个平面；确定所述每个平面的穿过质心的垂线；用最小二
乘法求取一个表示所有垂线中的最近点的解，用所找到的最近点代表髋关节中心。

[0011] 优选地，所述不同位置是所述下肢以所述髋关节中心为原点而围绕预定中心线进行所述第一旋转时的各个位置，所述预定中心线是连接所述髋关节中心和预定中心的线。

[0012] 优选地，以完成所述第一旋转一圈的期间为一个测定周期，基于该周期内在所述不同位置处的所述第二旋转来生成所述空间曲线图中的各个椭圆。

[0013] 优选地，在3～15个的所述不同位置处分别进行1～10次的所述第二旋转。

[0014] 优选地，通过适当的拟合来求出最适合所述各个椭圆的平面。

[0015] 优选地，所述导航追踪仪包括双目光学跟踪仪。

[0016] 根据本发明的另一方面，提供一种膝关节植入物，其放置位置根据包括股骨的机械轴的参数而确定，所述股骨的机械轴定义为连接髋关节中心和膝关节股骨中心的线，其
中，所述髋关节中心通过以上所述的髋关节中心的寻找方法来确定。

[0017] 根据本发明，通过确定穿过各个椭圆质心的每个平面的垂线，可以更为精确地求取髋关节中心的最佳最小二乘近似值，从而有利于进行植入物的对齐和固定。

附图说明

[0018] 图1示意性地示出了股骨附近的骨骼及安装在上面的参考架的转动模式。

[0019] 图2示出了股骨盘旋运动而在计算机系统中产生的椭圆信息。

[0020] 图3示出了求解所有椭圆的垂线中最近点的示意图。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图详细描述本发明的示例性实施例。下文描述的和附图示出的示例性实施例旨在教导本发明的原理，使本领域技术人员能够在若干不同环境中和对于若干不同
应用实施和使用本发明。因此，本发明的保护范围由所附的权利要求来限定，示例性实施例
并不意在、并且不应该被认为是对本发明保护的范围的限制性描述。

[0022] 为了便于说明，如图1所示，将抱持着检测对象(尤其是患者)的下肢使其(尤其是股骨1)以髋关节中心O1为原点而使其机械轴(连接髋关节中心O1和膝关节股骨中心O2的
线)围绕预定中心线(连接髋关节中心O1和某一预定中心Oi的线)的转动称为公转Re(对应
于“第一旋转”)。而将在某一公转位置Bn(例如B，n为任意适当的自然数)处使股骨1以髋关
节中心O1为原点而使其机械轴围绕连接髋关节中心O1和该公转位置Bn(例如B)或其附近的
位置点的线(下称自转轴)的转动称为自转Ron(例如Ro)。本领域技术人员可以理解，在此自
转并不是使股骨1绕自身的机械轴旋转，而是为了便于区分理解而作的定义(对应于“第二
旋转”)。

[0023] 简而言之，在使股骨1大幅度地公转Re一圈的过程中，还分别在任一位置B(或Bn)附近使股骨1小幅度地自转一圈。进行自转时的各公转位置Bn可以为离散的，例如彼此大致
均匀地间隔开，间隔距离越小则近似精度越高。另外，公转Re的一圈并不一定是一个严格意
义上的圆或椭圆或类似螺旋的包络线(因此在上下文中皆统称为椭圆，但并不限于此)，也
不一定要位于横向于预定中心线的同一平面上。自转时的膝关节股骨中心O2的轨迹中心也
不一定要严格位于任一位置B(或Bn)上。公转、自转的方向也不受限定。

[0024] 在此，设经过多处(优选3～15个，或5～10个)的自转Ron而完成一圈公转Re的期间，为一个测定周期。

[0025] 由此，在根据本发明的系统中，也能在保持髋部2固定的期间通过围绕髋关节中心O1旋转股骨1来确定髋关节中心O1的位置。

[0026] 与以往技术的不同处包括：在各公转位置处还进行自转，由此取代以往仅对应于各公转位置而生成的点(即所谓收集点)数据，而生成对应于各公转位置Bn的小椭圆数据，
从而显著提高髋关节中心O1的定位精度。

[0027] <导航追踪系统>

[0028] 例如使患者以仰卧位姿躺在手术台上，在其股骨的解剖结构上进行参考架3的固定安装，例如侵入式。

[0029] 即，在参考架3上，例如安装有3个以上的反光球4(或靶标)用于追踪定位，还可包括例如三根针脚用以放置在股骨面上，利用钛钉等螺纹件施力以将针脚扎入骨面，将参考
架3的例如底座牢牢固定在股骨1上。

[0030] 通过适当调整参考架3的方位，确定原始配准位置后即可以利用导航追踪仪(例如双目光学跟踪仪)(未示出)进行测定。将导航追踪仪所获得的信息输入计算机，经由数据存
储、处理等，而得到对应于参考架3的各移动轨迹位置的空间曲线图信息。

[0031] 在使用双目跟踪仪识别安装在股骨上的参考架来收集各组点数据的时候，对于股骨与摄像机(未示出)坐标系之间的、参考架与摄像机坐标系之间的、股骨与参考架坐标系
之间的基于坐标变换原理的变换关系，以及对于当前位置的股骨坐标系的重构等骨科导航
设备，不是本发明的重点，在此不再赘述。

[0032] <测定方法>

[0033] 如图1所示，本发明人提出了一种新的寻找髋关节中心O1的方法，即，在关于参考架3的配准完成之后，在例如用专用夹具固定髋部2(例如使骨盆、髋臼保持不动)的同时，在
上述公转Re过程中的各位置Bn，以大致圆周方式旋转股骨1(自转)几次，从而在计算机软件
系统的空间曲线图中生成多个由若干收集点(对应于自转时的各收集位置)围成的小椭圆
E，如图2、图3中所示。

[0034] 使用这些小椭圆E，可以得到一个很好的近似的髋关节中心O。

[0035] 更具体地，例如，在每一个公转位置，以使股骨自转的方式进行摇动，使用通过双目跟踪仪识别参考架所收集到的点，生成空间曲线图中的由若干小椭圆E(对应于各自转)
围成的一个大椭圆F(对应于公转)。

[0036] 如果是在一个完美的理想系统中，髋关节中心在每次运动中保持固定，没有数据测量误差，构成椭圆E的每个点P都属于一个球体，其半径对应于股骨上的相应位置，中心在
髋关节(即，球心对应于髋关节中心)。同样，穿过髋关节中心和椭圆中心的每一条垂直线都
将垂直于该点P所属的椭圆E。

[0037] 然而，在一个真实的系统中，由于患者下肢尤其是骨盆或髋臼会存在晃动、以及多个反光球的加工累计误差等，从椭圆的每个点P到髋关节中心O1的距离可能不是恒定的，穿
过椭圆中心的该椭圆的垂直线不一定会穿过髋关节中心。

[0038] 本发明人研究后认为，在这种情况下，为了提高查找髋关节中心点(Hip Joint Center)的精度，通过使用到每个椭圆中心M的垂线L(Normal Line)，尽管无法确定它们是
否穿过髋关节中心，但如果能确保测量误差较小，则这些垂线L将至少非常接近所期望的点
(髋关节中心O1)地通过逼近髋关节中心O1的最近点O。该最近点O也可看作是这些垂线中的
各条垂线彼此之间在空间上最邻近的位置。

[0039] 而且，当这些垂线L分别垂直于每个椭圆E时，可以使用最小二乘法在这一组垂线中找到三维空间中的最近点O。

[0040] 遵循这一逻辑思想，本发明人找到一种最可行的方法。

[0041] 该方法所基于的算法有五个基本步骤：

[0042] 1.在保持髋部2固定的同时，在不同的位置以圆周方式旋转股骨1几次。

[0043] 2.确定组成椭圆E的每组点的质心M。

[0044] 3.确定最适合每个椭圆E的平面。

[0045] 4.确定穿过椭圆质心M的每个平面的垂线L。

[0046] 5.在最小二乘法中找到一个表示所有垂线L中最近点O的解。

[0047] 所找到的最近点O将代表对患者髋关节中心O1的最佳最小二乘近似值。

[0048] 在此，该“最近点”O包括在理想的情况下刚好通过髋关节中心O1的点，也视为与下肢的股骨头表面相匹配的球体的中心。

[0049] <效果>

[0050] 为了验证上述算法的方法的有效性，使用软件算法生成了100个不同的数据集。每个数据集由一个代表髋关节中心的点和一组椭圆组成，这些椭圆代表以圆周方式转动股骨
时的不同位置。随后，在数据中加入随机噪声，验证了该算法确定髋关节中心位置的有效
性，其中，获得了距离髋关节实际中心0.2mm的平均偏差。

[0051] 由此可知，上述算法可用于膝关节置换术中髋关节中心的估计。

[0052] 关于以圆周方式旋转股骨几次时的“不同的位置”，可以为在股骨1围绕髋关节中心O1旋转(公转)时机械轴与预定中心线的夹角a为恒定值时的每一个位置，也可以为夹角
不是恒定值时的每一个位置。优选地，获得包络成大致环状的多个小椭圆E以提高寻找精
度。

[0053] 根据本发明的上述算法，即使难以实现该夹角a为恒定值的旋转，也能得到上述最佳最小二乘近似值，从而有效地确定最近点。

[0054] 同样地，对应于公转、自转的采集数据，在空间曲线图中也将生成大致椭圆或大致圆环形(因此在上下文中皆统称为椭圆，但并不限于此)。

[0055] 每一个椭圆也并不严格在一个平面上，尽管如此，也可通过常规的算法确定组成各个椭圆E的每组点的质心(M)，并通过适当的拟合方法等来求出适合每个椭圆E的平面。

[0056] 此外，上述100个不同的数据集，对应于100个测定周期，即经过多处的自转而完成100圈公转时的信息。其中，待一个周期的数据检测结束，调用数据处理程序，获取一个周期
内的髋关节中心的最近点，存储在计算机中，并显示在显示界面上。依次循环处理、存储和
显示。

[0057] <标志点>

[0058] 作为将参考架固定安装在股骨上的方式，包括以下直接、间接的方式。

[0059] 以上对通过直接、侵入式固定在股骨上的参考架形成标志点进行定位的方式进行了说明，其中参考架的个数可以为一个，或两个以上。

[0060] 另一方面，作为间接、非侵入式，例如，也可以在下肢皮肤上贴有一定数量(超过三个)的标志点，用来定位下肢的位姿，此时期望这些标志点在下肢上构成一个刚体。如此，也
视为固定安装在股骨上。此时，也可以通过平移关节表面标记点的位置来进行测定。由于标
志点可以固定在关节附近的任意位置，计算简单并且需要最少数目的标志点。只是，由于皮
肤表面曲率受三维人体模型姿态的影响较大，可能会因由该方法计算得到的位置不够稳定
而出现误差。其中，例如，在下肢转动时，皮肤不可避免地会发生微小位移，致使下肢上标志
点的相对位置发生改变，最终也会导致下肢位姿数据中含有噪声。但最终都可通过包含自
转的算法而有效提高了寻找精度。

[0061] <优点>

[0062] 由此，通过根据本发明的上述方法，与仅使下肢并从而仅使股骨进行公转、而在各公转位置处不进行自转的方法相比，可以在空间曲线图中生成沿一个椭圆(对应公转的大
椭圆)的周向排列的多个小椭圆E(对应自转的小椭圆)，而不是仅得到沿该大椭圆的周向排
列的多个点。

[0063] 而且，通过确定穿过椭圆质心的每个平面的垂线，可以更为精确地求取髋关节中心的最佳最小二乘近似值。

[0064] 关于上述公转过程中的自转位置，其个数优选使得所获取的小椭圆彼此相邻接，或更优选地，至少部分彼此重叠。

[0065] 而且，关于每个小椭圆的生成，也可以重复自转1次之上，将所获得平均的结果作为所需要的小椭圆。

[0066] <植入物>

[0067] 本文所描述的植入物可包括用于膝关节置换的植入部和假体。该植入部可用于在内部固定骨折或受损的破损部分。该假体可用于替代骨头的整体或一部分。

[0068] 基于根据本发明所确定的髋关节中心，可用于生成包括股骨的机械轴的股骨几何参数，从而可用于设计适于该患者或该患者所属群体的膝关节置换植入物的放置位置，有
利于进行植入物的对齐和固定。

[0069] 如此，通过计算机辅助的骨科手术系统，可以精确地将髋关节中心的最近点显示在屏幕上，从而可以根据每个患者的解剖结构的独特形状来对齐放置膝关节植入物，提高
手术精度，减少术中创伤。

[0070] 根据本发明的上述方法，适用于计算机和机械臂辅助的全膝关节置换术或部分膝关节置换术(统称膝关节置换术)，某些场景中，还可以省略使用CT等医疗设备进行关节置
换前检查。对于典型的假体植入手术，可以精确设计术中假体的安放位置，降低对医生经验
控制的要求，减少人为因素造成的误差来源。有利于假体位置的准确选择，手术精度的提
高，以及术后的恢复顺利。

[0071] 在本发明中，用于寻找髋关节中心的系统的各单元可由相应的硬件或软件单元实现，各单元可以为独立的软、硬件单元，也可以集成为一个软、硬件单元，在此不用以限制本
发明。各单元的具体实施方式可基于本领域技术人员的知识而实现，在此不再赘述。

[0072] 在上述说明中，将股骨的机械轴定义为连接髋关节中心O1和膝关节股骨中心O2的线。这并不影响关于对下肢机械轴的定义(通过髋关节中心、膝关节股骨中心和踝关节中心
的轴线)，反而有利于下肢机械轴的确定。

[0073] 而且，本发明的用于寻找髋关节中心的方法，也能够适用于寻找膝关节股骨中心。

[0074] 应当指出，上面的说明仅是示例性的，本领域技术人员可以根据上述说明对本发明实施例做出各种修改和变型，这些修改和变型均在本发明的保护范围之内。