CN1310622C - 用于得出肢干的承载轴线的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于得出承载轴线(5)的方法，此承载轴线沿一以其第一个末端可旋转地支承在一不固定的回转中心内的肢干(1)的纵向分布，其中所述回转中心特别是对于机械坐标值测量来说是无法达到的，特别是指髋关节窝的回转中心，而所述肢干特别是指股骨，测量借助于一带有用来测量肢干(1)在一个旋转位置上的测量点坐标值的光学坐标测量装置(7、8、9)进行，其中用一刚性固定在肢干(1)第二个末端附近的多点传感器(8)在每个旋转位置上测量多个测量点坐标值，从在许多旋转位置上测量多个测量点坐标值组中选择至少一组，这组坐标值可归入回转中心的同一个位置，并利用附属于这个回转中心位置的测量点坐标值组，以计算承载轴线(5)。

Description

用于得出肢干的承载轴线的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于得出脊椎动物肢干的承载轴线的方法和装置。

背景技术

需要得出例如人的股骨的肢干承载轴线，以便正确地置入假肢/植入体，例如人造膝盖。根据股骨承载轴线的取向，来相应地调整为了安装人造膝盖在股骨上要进行的切除术。通常切除股骨的正面。此外股骨得到至少一个所谓的背侧切面以及一前侧切面，因为通常人造膝盖在股骨一端的部分是做成U形的。

股骨上切除面的准确位置对于人造膝盖长的使用寿命具有决定性的意义。迄今为止施行切除术本身对于有经验的外科医生要求特别高，因为在手术期间必须根据人造膝盖的几何参数在考虑承载轴线的情况下确定基准支承面(Normanlageflche)，其中在某些情况下还要校正病理的缺陷部位，为此必须考虑存在的韧带和肌肉的位置和作用。

用于人造膝盖植入的已知器械包括切割样板(Schneidlehre)形式的切除术辅助工具，切割样板用来引导锯片。为此切割样板借助于不同的装置尽可能精确地根据股骨的承载轴线布置。

由WO 00/00093已知一种用来校正切割样板的装置。这种装置主要由一可拆卸地锁定在股骨远侧区域内的底板以及一与底板铰接和/或可移动地连接的基件组成，基件具有一确定坐标系的工具。基件的取向可以相对于股骨位置准确地定位，确定坐标系的工具用于手术器具如切割样板的定向固定。

这种类型的基准件与股骨固定连接，并校正股骨承载轴线的取向。一定位杆(Ausrichtstab)用来得出承载轴线。这个定位杆在其第一个末端处与基准件连接，并以其第二个末端对准位于髋部的股骨头部，股骨的承载轴线穿过此股骨头部。在借助于所谓的“二指法”(Zwei-Finger-Methode)触到盆腔后，才将定位杆对准到股骨头部。“二指法”触诊的缺点是误差较大。

由US5,871,018和US5,682,886已知用于得出股骨承载轴线的方法，按照这些方法在第一个步骤中例如通过计算机X射线断层摄影得出股骨的坐标，并储存在计算机内。然后借助于储存的数据建立股骨的三维计算机模型，借助于该模型计算用于将样板装在骨上以及接着植入人造膝盖的最佳坐标值。其基础是对股骨承载轴线的计算。

在这种模拟之后，患者的股骨被固定，并用一记录装置扫描股骨表面上的各个点，以便为要进行的手术确定股骨的方位。这种骨骼扫描要求：必须打开股骨的大部分长度，尽可能直至髋关节，以便能移用记录装置扫描其表面，或者必须使用一种作为扫描仪的针，以穿过皮肤直至骨骼。但是因为任何手术操作对于患者是一种风险，并且针刺引起血肿和在骨骼部分的额外的发炎的危险，因此不希望在髋部区域内进行额外的手术操作，或者沿股骨进行针刺，以确定回转中心的位置。此外需要将股骨紧紧地固定在记录装置的测量台上，因为否则在扫描过程中髋关节窝会出现移动，从而在进行记录股骨坐标值后不正确地安装切割样板。

FR2785517介绍了一种用来检测髋关节窝内的股骨头部的回转中心的方法和装置。为此股骨以其股骨头部在髋关节窝内运动，并储存在股骨不同位置记录下来的测量点坐标值。一旦出现股骨回转中心的移动，便在股骨头部上施加相应的反压力，它在确定与股骨的位置有关的点时将一并考虑。

发明内容

本发明的目的是，这样地改进这一类型的方法，即，它允许迅速和方便地获取所必需的信息，以便根据肢干承载轴线的取向按解剖学正确地安装植入体；并提出一种实现这一方法的装置。

为此，本发明提出一种用于得出承载轴线的方法，此承载轴线沿一以其第一个末端可旋转地支承在一不固定的回转中心内的肢干的纵向分布，借助于一带有传感器的光学坐标值测量装置来测量肢干旋转位置的测量点坐标值，其特征为：用一刚性固定在肢干第二个末端附近的多点传感器在每个旋转位置上测量多个测量点坐标值，从在许多旋转位置上测出的测量点坐标值组中选择至少一组，这组坐标值可归入回转中心的同一个位置，并利用附属于这个回转中心位置的测量点坐标值组，以计算承载轴线。

本发明还提供一种用来得出一以其第一个末端可旋转地支承在一不固定的回转中心上的肢干的承载轴线的装置，适合于实施上述方法之任一项的方法，具有一至少带两个相互离开固定距离的、用来空间采集传感器信号的摄影机的摄影装置，两个多点传感器，它们分别包括一带有多个用来测量许多测量点坐标值的测量点的测量点场，其中第一个多点传感器设计成用来扫描骨的基准点的可运动的测头，以确定其坐标值，一用来计算由多点传感器提供的和由摄影装置采集的测量点坐标值组的运算装置，以确定肢干的承载轴线，其特征为：第二个多点传感器这样地刚性安装在肢干第二个末端附近，使得它在肢干的许多旋转位置提供测量点坐标值组，这些测量点坐标值组位于围绕回转中心各位置的球形面上，设有一流程控制装置，以控制顺序地记录和储存在各个旋转位置得到的测量点坐标值组，及其接着的按规定的处理程序进行的处理，并且所述运算装置具有用来进行叠代过程、以确定回转中心的位置的装置，以及具有由回转中心的位置和由骨的基准点确定的肢干第二个末端上的第二个点来计算承载轴线的装置。

本发明的要点在于，从在肢干的大量旋转位置上借助于固定在肢干上的多点传感器测出的测量点坐标值中选择至少一组，它可以和一固定的回转中心相配。利用与固定的回转中心相配的测量点坐标值，以计算肢干的承载轴线。由于从测量点坐标值中选择至少一组，使得可以借助于叠代补偿算法(interative Ausgleichsrechnung)在消除错误的测量值或有较大偏差的测量值的情况下与固定的回转中心相配。因此尽管例如患者的骨盆可能移动，回转中心位于此骨盆内，在腿转动时仍能使固定的回转中心与测量点坐标相配。

为了确定承载轴线，需要得出两个点，承载轴线通过这两个点。第一点是借助于股骨表面的扫描得出的在股骨远端上的基准点，它可以由膝关节附近的上髁及怀特赛得线(Epikondylen-undWhitesidelinie)确定其位置。这个基准点容易得出，因为股骨远端由于要安装人造膝盖肯定是要切开的。第二个点通过与测量点坐标值组相配的回转中心表示。

为了得出这个点，对于股骨的每个旋转位置由测量装置借助于固定在股骨远端上的多点传感器(有源或无源的传感器)进行测量点坐标值的测量。为此例如一有源传感器对每个旋转位置从多个射线源中发出射线。这些射线源，例如红外线发光二极管，相互以固定的距离和角度关系安装在基体上。在另一种应用中，有源传感器也可以用一个或几个无源传感器代替。

由在真正的测量开始之前进行的多点传感器校准得出测量点坐标值，该坐标值描述上述射线源在多点传感器上相互的距离和角度位置。由这个校准得到的测量点坐标值在一个坐标系内与在每个旋转位置上测出的测量点坐标值作比较。接着将那些不在校准的测量点坐标值的规定公差范围内的测量点坐标值删除，用这种方法来排除测量装置大的测量误差，这些测量误差例如可能由外界的影响造成。

在所推荐的方法和所推荐的测量装置中所用的多点传感器具有至少三个，最好是四个，有源或无源的辐射器(发射器或反射元件)，它们被配设的测量装置—特别是两个在一摄影机横梁上的相互离开固定的距离的摄影机—记录下来。发射器或反射器分别按固定的相互的空间关系安装在一基体上。因为基体本身又牢固地固定在肢干末端上，其回转中心和承载轴线是需要确定的，所以在待测试的肢干绕其回转中心转动的时候，“测量点”就表示在空间中的运动轨迹，它们相互具有固定的配置关系。手术师将肢干(也就是说例如患者的大腿连同装在股骨远端上的多点传感器)在多个旋转位置分别停留一段短的时间，这样测量装置便提供了各个测量点当时位置的图象。

如果在这一程序中精确地确定了回转中心，那么所有测量点都位于围绕回转中心的球面上，并且它们的确定是十分平常的。但是这种确定在实际上不可能或者至少不可能严格地实现，而是会发现在步进式回转运动期间发生回转中心的移动。现在本发明一个重要的因素是测量点坐标值组的选取，这些测量点坐标值可以分别与一共同的回转中心相配。在确定回转中心时并非必须用多点传感器不可，而按本发明的方法需要采用这种传感器。由这种传感器提供的坐标值使得可以通过在补偿计算中取平均以高的稳定性和精度求值。由那些可以列入一组的测量点坐标值在测量装置的一个运算装置中算出许多球面，它们反映上面安装着传感器的肢干的第二个末端的运动轨迹。借助于这些球面可以方便和迅速地算出属于这些球面的球心。算出的球心相当于股骨的回转中心或相对于有源和/或无源传感器的回转中心。用这种方法可以迅速和方便地配置对于得出承载轴线所需要的股骨在骨盆的髋臼内的回转中心，而不必在患者的髋部进行额外的手术。

装在股骨远端上的切割样板相对于用这种方法以高的精度算出的股骨承载轴线进行调整，以便接着尽可能精确和解剖方面正确地相对于承载轴线摆放切割装置(锯刀)。为此切割样板可以通过一连接件与已经装在股骨远端上的固定的多点传感器的支架连接，和/或借助于一附加的量规调整。

在这两种情况下，多点传感器和/或切割样板的定位在一其原点设置在患者之外的球坐标系内进行。其中该球坐标系确定一其原点设置在多点传感器内的局部坐标系相对于相当于球心的回转中心的布局。因为切割样板和在它里面进行的切割过程可以根据预先计算好的承载轴线精确地调整，人造膝盖可以以高的相对于承载轴线的精度安装在股骨的切割面上。

通过这种几何位置正确和精确地安装人造膝盖保证：患者在手术后还能很好地运动。

通过这样地选择一组测量点坐标值，使得尽可能多的测量点坐标值相互结合，其中每个测量点坐标值代表股骨的一个旋转位置，这一组测量点坐标值分别牵涉到一个未移动过的回转中心，那么在测量期间和/或在测量和调整切割样板之间由于患者位置的变化而发生的回转中心的移动在确定回转中心时可以识别出来，并且排除对于确定承载轴线的有差错的影响。

在本发明一种优选的实施方案中，从大量由不同旋转位置测出的测量点坐标值中选择一组的这个步骤多次地重复。在每次选择后去除那些其测量点坐标值与算出的测量点坐标值有最大偏差的测量点坐标值。为此，所要计算的偏差以及用来计算作为假想固定回转中心在局部的和球面的坐标系中的坐标值的不同向量参数借助于叠代补偿计算按最小二乘法得出。这里利用以补偿计算为基础的由有误差的测量值确定待测量值的近似值的基本构想，以便提供待测量值(测量点坐标值)的与偏差相关的改进。

主要的未知量是用于将一设在原点位于传感器(有源/无源)内的局部坐标系中的测量点变换到球坐标系内的局部变换向量以及球面变换向量和一旋转矩阵。所述的后两个量用来描述将测量点变换到在球坐标系内的旋转点以及局部坐标系在球坐标系内的旋转。通过将叠代补偿计算用于回转中心的计算，即使是患者在测量时有运动，也可以完全无误差地得出回转中心。

一个重要的边界条件是使用无菌的测量工具以及电子/光学测量装置，结合使用计算装置，该计算装置可以由光学数据传输路径和电子数据处理较快地进行测量，从而缩短手术时间。

承载轴线用计算机辅助的光学测量装置确定。它通过回转中心和在股骨远端上的另一个基准点确定。接着借助于测量装置在外科手术期间这样地调整切割样板，使得其由机械确定的切割导轨相对于患者的承载轴线位于正确的空间位置上。由此切割精度将实现相对于承载轴线的偏差小于1°。

附图说明

下面借助于用附图较详细地说明的实施例对本发明加以阐述。附图表示：

图1股骨的承载轴线；

图2胫骨的承载轴线；

图3按本发明一种实施形式的测量装置的图示；

图4用作对于按本发明的回转中心的计算基础的坐标系的图示；

图5按本发明的求承载轴线的流程图；

图6装在股骨上的切割样板连同多点传感器；

图7包括一用于切割样板定位和装在股骨远端上的装置的切割样板；

图8按本发明的方法的另一个流程图。

具体实施方式

图1表示一健康人的股骨1上的腿的承载轴线的走向，用虚线表示的承载轴线5在a)所示的正面平面内沿内侧/外侧方向α_F分布。承载轴线5通过在髋关节4的髋关节窝内的股骨头部2的回转中心3和通过在膝盖(股骨远端)区域内的骨的基准点确定。

在b)所示的横向平面内，承载轴线的方向β_F通过极点(Durchstoβpunkt)或通过怀特赛得线和上髁轴线或背侧髁轴线的方向确定。

在c)所示的前后向平面内，承载轴线的前侧/背侧方向X_F通过股骨头部2的回转中心3和通过在膝盖区域内股骨上的骨的基准点确定，类似于在正面平面中那样。

图2表示作为人体肢干承载轴线的另一个例子的胫骨6。在a)所示的正面平面内，承载轴线5的内侧/外侧方向α_T通过踝轴线的重心和一在胫骨一侧的膝部内的相应的骨的基准点上的承载轴线的极点确定。在b)所示的横向平面内，承载轴线的方法β_T通过任选以下一条确定：

1.跖的射线

2.倾斜23°的踝轴线，

3.上踝关节的旋转轴线的法线，或

4.根据粗隆。

在c)所示的前后向平面内，承载轴线5的前侧/背侧方向X_T通过上踝关节轴线和胫骨坪(Tibiaplateau)的承载轴线5的极点以及前胫骨6的棱边确定。

由上述两个用来确定承载轴线的例子可以看出，在骨骼和关节切开时得出确定取向的点比较容易进行。但是如果需要避免对于确定在髋关节区域内的回转中心3必需进行附加手术，那么仅仅借助于肢干进行运动来得出在上述三个平面的每一个平面内的回转中心坐标值是非常复杂的。

此外按照现有技术，为了可靠地得出承载轴线，在为了得出承载轴线股骨进行必要的运动期间回转中心的位置不应该变化，以免重新开始测量过程。这同样适用于在测量过程和在得出承载轴线后将调整好的切割样板安装在股骨上之间的时间段。

上面已经提到，对于大腿承载轴线5的走向通过在髋关节窝内的股骨头部的回转中心和在膝盖区域内安装在股骨远端上的轴心确定。因为股骨的远端为了安装人造膝盖肯定得切开，位于股骨远端上的轴心根据骨的基准点确定。这里骨的基准点理解为在股骨远端上的特殊点，它对于股骨承载轴线的走向存在已知的关系，并由手术师根据经验数值选择和确定位置。这个基准点借助于在股骨远端上扫描的多点传感器发出信号。这个多点传感器用来测量在股骨的一个旋转位置上骨的基准点的测量点坐标值。这种可运动的多点传感器(测头)在许多点上也具有发光二极管或点式反射器，其光线被一设置在离开一定距离处的光学接收系统检测，由此将点的坐标值列入一坐标系。

因为在膝盖手术期间股骨头部不能接近，股骨的回转中心必须按照运动学间接地确定。为此通过确定球坐标系原点的测量装置测量股骨在不同旋转位置时的位置。

在图3中表示出这种测量装置的主要元件。它们包括上面已经提到的带有许多给定坐标值的单元的发光二极管或小的反射元件的多点传感器8和8′、带有两个在一摄影机横梁上的摄影机7.1及7.2的光学接收系统、和一控制单元7.4，该控制单元用来接收从发光二极管发出的射线，还包括一数据采集和运算单元7.3，例如以一笔记本电脑(Laptop)的形式。需要一测量范围为约0.5m×0.5m×0.3m和点测量精度为约0.5mm的测量装置。这种类型的测量装置是公知的，例如由Northern Digital Inc.以“Hybrid Polaris”的品牌提供。试验得到约0.25mm的测量精度，因此该测量装置满足对于调整人造膝盖所提出的要求。

图4表示一球坐标系和一局部坐标系，它们用作按本发明的计算回转中心坐标值的计算基础。与股骨刚性连接的多点传感器以相互离开固定距离的测量点P₁₁-P_n1，P₁₂-P_n2，P_1m-P_nm作为测量点阵P_nm(n＝在多点传感器上的测量点数，m＝股骨的位置数)构成一局部坐标系33。在股骨旋转运动期间多点传感器在球1、2…n的球面上绕寻找的球心或旋转中心M运动，此球心相当于在髋关节附近的回转中心。旋转中心M可以通过在球坐标系中的球面变换向量

$\stackrel{\→}{G}=(X,Y,Z),$

和通过局部变换向量

$\stackrel{\→}{L}=(u,v,w).$

描述。

图5表示用来确定旋转中心的各个步骤的流程图。在步骤40中借助于传感器(p/a)和光学接收系统测量在用来确定股骨旋转位置的测量装置中的测量点的坐标值，以便在那里借助于一数据采集和运算装置作进一步处理。

首先在步骤41中校准传感器，通过确定在多点传感器(p/a)上的各个点在局部坐标系中的相互距离和角度位置来实现。然后在步骤42中将由校准得到的测量点坐标值借助于所谓的分段测试(Streckentest)与对于一定的旋转位置测出的测量点坐标值进行比较。接着在步骤44中删除或改正那些在由校准产生的规定公差之外的测量点坐标值，由此可以校正数据组。作为另一种选择可以在步骤43中取消关于股骨一个旋转位置的全部测量点坐标值数据组(测量点坐标值组)，并在股骨一定的旋转位置上重新进行测量点坐标值的测量。因此步骤42用来取消那些含有大的测量误差的测量点坐标值。

因此在步骤45内由步骤44或直接由步骤42得到的经过校正的测量点坐标值原始数据进行叠代补偿计算，以计算回转中心，从而得出承载轴线(步骤46)。

补偿计算用来得出对于有误差地测出的测量点坐标值的临时结果并用来得出其精度。因此测出的测量点坐标值被假定为有误差的，固为应该允许患者在测量过程期间运动，因此可能发生回转中心的移动。

叠代补偿计算按最小二乘法进行。这时按以下步骤进行：

通过光学接收装置测量一测量点或测量点坐标值组P，并在球坐标系中用以下位置向量描述：

$\stackrel{\→}{P_G}=\left(\begin{array}{c}{x}_P\\ y_P\\ z_P\end{array}\right)---\left(1\right)$

前面已经提到，关于局部坐标系的三维测量点坐标值作为位置向量 已经预先确定：

$\stackrel{\→}{P_L}=\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}{u}_P\\ v_P\\ w_P\end{array}\right)\end{array}---\left(2\right)$

对补偿计算有影响的三个未知参数如下：

—通过在三维空间内的旋转矩阵R描述的局部坐标系在球坐标系中的旋转：

$R=\left(\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right)---\left(3\right)$

—回转中心M在球坐标系内的变换，股骨旋转运动轨迹的球形面围绕该回转中心分布：

$\stackrel{\→}{M_G}=\left(\begin{array}{c}{X}_M\\ Y_M\\ Z_M\end{array}\right)---\left(4\right)$

—变换到局部坐标系内的回转中心L：

$\stackrel{\→}{M_L}=\left(\begin{array}{c}{u}_M\\ v_M\\ w_M\end{array}\right)---\left(5\right)$

为了计算未知量和由此产生的误差平方或修正量V，建立一方程组，它以以下的条件方程为基础：

$\stackrel{\→}{P_G}=R*(\stackrel{\→}{P_{\text{L}}}-\stackrel{\→}{M_L})+\stackrel{\→}{M_G}---\left(6\right)$

如果将按方程(1)至(5)的坐标值参数代入用向量表述方法表示的条件方程，那么由此得到以下方程：

$\left(\begin{array}{c}{X}_P\\ Y_P\\ Z_P\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right)*\left(\begin{array}{ccc}{u}_P& -& u_M\\ v_P& -& v_M\\ w_P& -& w_M\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{X}_M\\ Y_M\\ Z_M\end{array}\right)$

通过观察量Xp、Yp、Zp与修正量Vx、Vy、Vz相加得到以下修正方程：

$\stackrel{\→}{X_P}=X_P+v_x=a_{11}(u_P-u_M)+a_{12}(v_P-v_M)+a_{13}(w_P-w_M)+X_M+v_x$

$\stackrel{\→}{Y_P}=Y_P+v_y=a_{21}(u_P-u_M)+a_{22}(v_P-v_M)+a_{23}(w_P-w_M)+Y_M+v_y$

$\stackrel{\→}{Z_P}=Z_P+v_Z=a_{31}(u_P-u_M)+a_{32}(v_P-v_M)+a_{33}(w_P-w_M)+Z_M+v_Z$

根据按最小二乘法的补偿计算现在计算修正量平方之和，其中修正量由未知量的标准偏差得到：

$S_x=S_0*\sqrt{Q_{\mathrm{ii}}},$

其中Q_ii表示一设计矩阵的对角线元，因此加权单元的标准偏差为：

$S_0=\sqrt{\frac{v^T\mathrm{Pv}}{n-u}},$

其中P是观察的权数，n是观察次数，u为未知量数目。

然后对上述未知量得出修正量平方和的偏导数，并使这个导数等于零，以确定和的最小值。由此得到关于未知量的方程组，对未知量解此方程。然后用这些解可以计算待测量测量点坐标值的估计值。由此得出的未知量数据值得出回转中心的坐标值，它通过图4的球坐标系的中心M表示。

对于每个对于股骨一定的旋转位置得出的测量点坐标值组P₁₁-P_n1、P₁₂-P_n2、P_1m-P_nm作出判断，看属于该测量点坐标值组的修正值是否在一由测量装置7的测量精度规定的边界值之内(步骤47)如果不是这样，那么必定起因于两个旋转位置的测量之间的回转中心移动，在步骤48中取消那些具有最大修正量的测量点坐标值组，其中这种考察可以对于特定的坐标方向X或Y或Z分开地进行。

如果在步骤47中断定，测量点坐标值组的修正量在允许的边界值之内，那么在步骤49内与一统计表格相结合将相应回转中心的三维坐标值储存起来。

如果在上述步骤48中取消了具有最大修正量的测量点坐标值组，那么从步骤45出发，在此前选择的多个测量点坐标值组的条件下进行新的补偿计算。重新补偿计算的步骤多次重复，直至不可能再通过并入一个组内组合测量点坐标值组。这在步骤50中判断。如果在步骤50中断定，可以对一组中的测量点坐标值组进行继续选择，那么在步骤51中取消任意一个测量点坐标值组，并从步骤45开始进行新的补偿计算。

如果在步骤50中断定，进行了测量点坐标值组的所有组合，那么在步骤52中再一次检验，从统计学的角度看所储存的结果是否在规定的公差范围之内。接着对于所有其他的坐标方向重复进行上述方法，以便最后在步骤53中显示所计算的回转中心坐标值。

在按本发明的方法中，粗略的补偿估计起有利作用，这个补偿估计由许多相互以固定的距离位于传感器上的测量点得到，由此在补偿计算的方程组中存在多次观察的固定关系。由此可以计算回转中心并且在髋部运动的情况下得出承载轴线。

一旦用这种方法得出了回转中心，那么便可以得出通过回转中心点和预先得出的在股骨远端上的股骨一侧的基准点的假想承载轴线。

图6表示一切割样板10，它相对于股骨1′的已得出的承载轴线5通过一固定在还带有多点传感器8的夹紧装置8A上的样板转接器10A进行调整。

切割样板10相对于所得出的股骨的承载轴线5的调整借助于第二个传感器9进行。该传感器允许切割样板平面调整到垂直于承载轴线。这时三维地考察承载轴线5的取向。用第二个传感器9(样板转接装置)可以将来自测量装置7的扫描过程的在样板坐标系内的测量点坐标值结果传送到计算机辅助的切割样板10上。然后这些结果可以继续处理，以用于用切割样板10的后续工作流程，例如其相对于承载轴线的调整。然后通过调整切割样板达到确定的切割平面预先规定的目的。

图7更确切地表示用来使切割样板在股骨1的远端上定位的装置的结构的一种优选实施形式。这里还可以很好地看到固定安装在股骨远端附近的夹紧装置8A的形状，该夹紧装置一方面(在确定承载轴线的测量时)支承按图3和6的多点传感器8，另一方面在随后的切除手术时支承切割样板10。

可校准的样板转接器10A装在夹紧装置8A上，其(未单独示出的)角度调整机构一方面允许调整切割样板平面相对于承载轴线5的倾角，另一方面允许切割样板绕承载轴线旋转。通过两个电机10B和10C—结合(未单独示出的)直线传动装置—在进行切割样板10在空间内的方位的调整后还可以沿切割样板10调整轴的纵向以及与纵向垂直的方向移动。由此切割样板10与对于当时的患者最佳地估算出的假体数值相匹配地装在所属的切除部位上。在这个过程中还可以通过用可运动的多点传感器或测头8′(图3)精确地确定切割样板当时的位置。

图8表示另一个流程图，它再次以粗略的路线示意表示按本发明的方法一种优选的实施形式的各个步骤。为了作较详细的说明，来考察左边关于股骨的流程图。

首先在步骤61中扫描膝盖区域内的股骨切开的末端上的基准点。接着在步骤62中扫描上髁和怀特赛得线，在步骤63中计算前进运动的方向向量。

如果由步骤61至63没有得到准确的结果，进行退回步骤62的返回线以重复这个步骤。如果在步骤65中得到准确的结果，那么在步骤71中这个结果和由步骤69得到的关于计算承载轴线的第二个点，亦即回转中心汇总到一起，以计算承载轴线和与它有关的切割样板的取向。

在步骤66中应该确定回转中心，为此在步骤67中在股骨的各个旋转位置上进行所要求的测量，并在接着在步骤68内作补偿计算时对测出的测量点坐标值进行处理。这里如果在步骤70内没有得到准确的结果，那么也形成一条退回到步骤67的返回线。

为此在步骤73中调整切割样板，在步骤74中仅仅显示股骨，在步骤75中以获得的数据将股骨连同胫骨一起显示给手术师。

上述用来确定股骨承载轴线以及确定切割样板位置的工步在本方法的一种优选实施形式中在交互的菜单引导框架内进行，它给手术师显示各个待执行的步骤和步骤的中间结果以及一定的选择权。来自手术师的输入通过键盘和/或脚踏开关或在某些情况下用语言控制装置进行。在菜单引导中最好是清晰的彩色图形显示，它也能由在手术台旁的外科医生的位置清楚地看到，并与声信号相组合(例如用于输入操作或者作为对于存在的有用测量结果的信号)。

在本申请文件中公开的全部特征都作为本发明的内容要求专利权，只要它们单独或者相互组合起来与现有技术相比是新的。

                     附图标记表

1股骨                     2股骨头部

3回转中心                 4髋关节

5承载轴线                 6胫骨

7测量装置                 7.1，7.2摄影机

7.3运算装置               7.4控制装置(流程控制)

8、8′、9，多点传感器     8A夹紧装置

10切割样板                10A样板转接器

10B、10C电机              30球面轨迹

31球心                    32测量点

33局部坐标系              34球坐标系

40测量点坐标值测量        41来自校准的测量点坐标值

42分段测试                43取消测量点坐标值组

44校正测量点坐标值组      45校正的测量点坐标值组

46用统计方法进行补偿计算  47超出边界值检验

48退回具有最大修正量的测量点坐标值组

49用统计表储存回转中心坐标值

50最大/最小修正值取消可能性的检验

51退回测量点坐标值组

52统计法检验储存的坐标值

53显示回转中心的坐标值

60关于股骨的流程

61在膝盖内扫描

62用补偿法扫描上髁及怀特赛得线

63前进运动方向向量的计算

64确定没有精确的结果

65确定精确的结果

66确定髋关节中心

67开始要求的测量

68对回转中心进行补偿计算

69确定精确的结果

70确定无精确的结果

71切割样板调整参数的计算

72如果切割部位未调整好、重复以上过程

73确认切割样板已调整好

74股骨的图示

75股骨和胫骨的图示

76质量管理、检验测量、用于校正模型的数据采集等

Claims (23)

1.用于得出承载轴线(5)的方法，此承载轴线沿一以其第一个末端可旋转地支承在一不固定的回转中心(3)内的肢干(1)的纵向分布，借助于一带有传感器的光学坐标值测量装置(7、8、9)来测量肢干(1)旋转位置的测量点坐标值，

其特征为：

用一刚性固定在肢干(1)第二个末端附近的多点传感器(8)在每个旋转位置上测量多个测量点坐标值(P₁₁，P₂₁，P₃₁，P_n1)，

从在许多旋转位置上测出的测量点坐标值组(P₁₁-P_n1；P₁₂-P_n2；P_1m-P_nm)中选择至少一组，这组坐标值可归入回转中心的同一个位置，并利用附属于这个回转中心位置的测量点坐标值组(P₁₁-P_n1；P₁₂-P_n2；P_1m-P_nm)，以计算承载轴线(5)。

2.按权利要求1的方法，

其特征为：所述回转中心为髋关节窝，所述肢干为股骨，以及，所述肢干第二个末端为股骨远端。

3.按权利要求1的方法，

其特征为：由附属于相同的回转中心位置的测量点坐标值组(P₁₁-P_n1；P₁₂-P_n2；P_1m-P_nm)计算多个球形面(30)，它们代表肢干(1)第二个末端的运动轨迹，以便在应用以下条件方程：

P(nm)相对于P(n+im)的相对空间位置

＝P(nm+j)相对于P(n+im+j)的相对空间位置的情况下计算作为肢干(1)回转中心的对应于这些球形面的球心(31)的坐标值，此回转中心是承载轴线(5)上的一个点。

4.按权利要求1至3之任一项的方法，

其特征为：从在大量旋转位置上测出的测量点坐标值组(P₁₁-P_n1；P₁₂-P_n2；P_1m-P_nm)中按叠代过程的多个步骤来选择一组，其中每次取消一个测量点坐标值组并计算在这时各自得到的修正量。

5.按权利要求4的方法，

其特征为：计算是借助于按最小二乘法的叠代补偿计算进行的。

6.按权利要求1至3之任一项的方法，

其特征为：在开始测量测量点坐标值之前先校准多点传感器(8)，对于每个旋转位置由校准得到的测量点坐标值关系式，与已测出的测量点坐标值的关系式进行比较，并取消位于规定公差范围之外的测量点坐标值组。

7.按权利要求1至3之任一项的方法，

其特征为：在采用带有另一个传感器(8)的坐标值测量装置的情况下，根据骨的基准点确定在肢干第二个末端上的对于计算承载轴线所必需的第二个点。

8.按权利要求1至3之任一项的方法，

其特征为：用于得出承载轴线的步骤计算机辅助地进行，其中在菜单引导的框架内显示出用来调整肢干旋转位置的操作指示和由这些步骤得到的中间结果。

9.按权利要求1至3之任一项的方法，

其特征在于：在接着进行的步骤中，调整一个用于机械加工肢干第二个末端的切割样板(10)相对于所确定的承载轴线(5)的位置。

10.按权利要求9的方法，

其特征为：通过一固定安装在骨头上的多点传感器(9)显示出所确定的承载轴线(5)，并借助于一校准过的样板转接器(10A)对切割样板(10)进行调整，所述样板转接器装在一夹紧装置(8A)上，该夹紧装置与骨头固定安装。

11.按权利要求10的方法，

其特征为：在用一附加的传感器(8′)并采用坐标值测量装置扫描切割样板的情况下进行切割样板(10)相对于所述多点传感器(9)的平移调整。

12.用来得出一以其第一个末端可旋转地支承在一不固定的回转中心上的肢干(1)的承载轴线(5)的装置，适合于实施按上述权利要求之任一项的方法，具有

一至少带两个相互离开固定距离的、用来空间采集传感器信号的摄影机(7.1、7.2)的摄影装置(7)，

两个多点传感器(8，8′)，它们分别包括一带有多个用来测量许多测量点坐标值(P₁₁-P_n-1)的测量点的测量点场，其中第一个多点传感器(8′)设计成用来扫描骨的基准点的可运动的测头，以确定其坐标值，

一用来计算由多点传感器提供的和由摄影装置采集的测量点坐标值组的运算装置(7.3)，以确定肢干的承载轴线，

其特征为：第二个多点传感器(8)这样地刚性安装在肢干第二个末端附近，使得它在肢干的许多旋转位置提供测量点坐标值组，这些测量点坐标值组位于围绕回转中心各位置的球形面上，

设有一流程控制装置(7.4)，以控制顺序地记录和储存在各个旋转位置得到的测量点坐标值组，及其接着的按规定的处理程序进行的处理，并且

所述运算装置(7.3)具有用来进行叠代过程、以确定回转中心的位置的装置，以及具有由回转中心的位置和由骨的基准点确定的肢干第二个末端上的第二个点来计算承载轴线的装置。

13.按权利要求12的装置，

其特征为：所述回转中心为髋关节窝，所述肢干为股骨，以及，所述肢干第二个末端为股骨远端。

14.按权利要求12的装置，

其特征为：叠代过程是借助于按最小二乘法的叠代补偿计算进行的。

15.按权利要求12至14之任一项的装置，

其特征为：有一可调的夹紧装置(8A)，作为用来将第二个多点传感器(8)固定在肢干(1)第二个末端附近上的转接器。

16.按权利要求15的装置，

其特征为：有一校准的样板转接器(10A)，它一方面可以与夹紧装置(8A)、另一方面与一个用于肢干第二个末端的机械加工的切割样板(10)这样旋转固定地、但是可直线移动地连接，使得切割样板可通过样板转接器相对于承载轴线(5)调整，并可沿调整轴线移动。

17.按权利要求16的装置，

其特征为：第一个做成测头的多点传感器(8′)还用作测量切割样板(10)实际位置的传感器。

18.按权利要求12至14之任一项的装置，

其特征为：有配设于流程控制装置(7.4)和运算装置(7.3)的显示及输入装置，以实现用于得出回转中心和承载轴线(5)的光学或声学菜单引导。

19.按权利要求16的装置，

其特征为：有配设于流程控制装置(7.4)和运算装置(7.3)的显示及输入装置，以实现用于得出回转中心和承载轴线(5)的光学或声学菜单引导，所述菜单引导也包括用来确定切割样板(10)位置的显示及输入装置。

20.按权利要求12至14之任一项的装置，

其特征为：至少第二个多点传感器(8)包括许多作为有源测量点坐标值传感器的红外线发光二极管。

21.按权利要求20的装置，

其特征为：所述红外线发光二极管安装在一做成三脚架式的传感器底座上。

22.按权利要求16的装置，

其特征为：样板转接器(10A)配有用来使切割样板(10)相对于承载轴线直线移动的电机(10B、10C)。

23.按权利要求22的装置，

其特征为：有配设于流程控制装置(7.4)和运算装置(7.3)的显示及输入装置，以实现用于得出回转中心和承载轴线(5)的光学或声学菜单引导，所述菜单引导也包括用来确定切割样板(10)位置的显示及输入装置，所述电机通过在菜单引导框架内输入的控制信号进行控制。

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