專利名稱：為在脊柱外科手術(shù)中放置椎弓根螺釘或器械而確定椎弓根底周、椎弓根峽部和椎弓根峽 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及脊柱外科領(lǐng)域，涉及在脊柱外科中精確放置推弓根螺 釘或器械的計(jì)算機(jī)化或自動(dòng)化的方法，特別涉及確定推弓根底周(ped ic 1 e base circumference)、牙#弓才艮山夾部和才,弓才艮山夾部中心的方法。
背景技術(shù)：
將螺釘放入人脊柱中是一種普通的外科程序，它使得眾多脊柱外科手 術(shù)得以進(jìn)行。螺釘通常被放置在腰骶推的單個(gè)推骨的推弓根中。由于它們 相比于其他固定方法存在的生物力學(xué)優(yōu)勢(shì)，外科醫(yī)生正在擴(kuò)大脊柱(推弓 根螺釘被放在其中)的面積。但是，與脊柱臨近的是許多極其重要的結(jié)構(gòu) 和器官，特別是頸推和胸推區(qū)域，它們對(duì)手術(shù)引起的創(chuàng)傷有很低的耐受性， 這可能最終導(dǎo)致嚴(yán)重的疾病和/或死亡。因此，大部分對(duì)推弓根螺釘放置的 研究都致力于提高精確度，以將螺釘維持在多骨(骨內(nèi))環(huán)境中。
影像導(dǎo)引系統(tǒng)正不斷發(fā)展，其在輔助外科醫(yī)生精確放置螺釘中越來(lái)越 受到歡迎。將推弓根螺釘置入人脊柱的重要參素是螺釘?shù)闹睆?、長(zhǎng)度和精 確放置的路徑(trajectory)。迄今，許多影像導(dǎo)引系統(tǒng)使得可以手動(dòng)確
定這些參數(shù)，以改善外科醫(yī)生在放置螺釘時(shí)的手動(dòng)操作。至今，沒(méi)有任何 系統(tǒng)可以自動(dòng)確定理想的推弓根螺釘直徑、長(zhǎng)度和精確放置推弓根螺釘?shù)?路徑。本發(fā)明提供這種能力，它類似于飛行員駕駛具有電腦控制的航空性 能的飛機(jī)，使得利用創(chuàng)傷或經(jīng)皮技術(shù)放置推弓根螺釘。
2 004年12月2日公開的發(fā)明專利公開第US 2 004/0240715 Al號(hào)涉及 在脊柱外科手術(shù)中確定推弓根螺釘放置的方法和電腦系統(tǒng)。其公開了 一種 方法，其首先確定最小的推弓根直徑，用來(lái)確定最佳的螺釘路徑，隨后利 用每個(gè)推弓根螺釘?shù)淖罴崖窂絹?lái)確定最大的推弓根直徑和長(zhǎng)度。堆棧 (stack ) 二維橫斷切片(transverse slice )凄t據(jù)以形成三維凄t據(jù)點(diǎn)，以 通過(guò)線性最小二乘解確定最佳路徑來(lái)擬合數(shù)據(jù)，并要求所述線性最小二乘 解在整個(gè)最小橫斷推弓根寬度上進(jìn)行。這個(gè)方法的缺點(diǎn)在于，它可確定出 異常的路徑，特別是對(duì)于變形的推弓根骨骼更是如此，結(jié)果是確定的螺釘 的最佳直徑和長(zhǎng)度較小，導(dǎo)致產(chǎn)生生物力學(xué)較差的構(gòu)造。相反，如下文所 詳細(xì)描述的，本發(fā)明的新的和改進(jìn)的方法通過(guò)確定最佳路徑，從而始終將 路徑沿推弓根的中心排布，其中通過(guò)利用最小橫截面(峽部)的中心位點(diǎn) 并使用計(jì)算機(jī)在相反方向正交于(normal to)所限定的區(qū)域伸出線條。本 發(fā)明的新的和改進(jìn)的方法可為骨內(nèi)放置確定最大的螺釘直徑和長(zhǎng)度。
2005年9月1日公開的美國(guó)申請(qǐng)公開第2005/0192575 Al號(hào)涉及一種 確定理想推弓根螺釘直徑、長(zhǎng)度和路徑的方法，其中有關(guān)于推弓根與推體 結(jié)合的過(guò)渡界面(transitional interface)的描述。此過(guò)渡界面描述了 4,弓才艮底周(B ),其在前后X射線成^f象4義(anteroposterior radiographic imaging)上呈圓形皮質(zhì)密度(round like cortical density)，位于推 體的靠近頭部的側(cè)面。此推弓根底周的重要特點(diǎn)在于，它不同于推弓根峽 部(X,推弓根中最狹窄的區(qū)域)，但有時(shí)可以是相同的。推弓根峽部是使
最大直徑的推弓根螺釘最大化而不會(huì)破裂皮質(zhì)的限速步驟。為了在任何給 定的推弓根中使推弓根螺釘?shù)闹睆阶畲蠡?，必須確定推弓根峽部。隨后， 所述推弓根峽部的中心可用來(lái)確定理想的^各徑，因而可以讓推弓才艮螺釘沿 所述理想的^各徑同軸》丈置。
本申請(qǐng)涉及確定推弓根底周、推弓根峽部和推弓根峽部中心的新的和 改進(jìn)的方法。
發(fā)明概述
根據(jù)本發(fā)明的方法，通過(guò)任何適合的方式獲得推體的任何平面中的連
續(xù)堆棧圖像(serial stacked images )。這些圖像隨后凈皮重建，以獲得尺 寸真實(shí)的推體的三維透視圖。以三維和二維圖像繪制所述推弓根底周和推 弓根峽部。
一旦獲得了推體的真實(shí)三維透視圖，其隨后截取其一個(gè)橫斷面以顯現(xiàn) 并獲得外部皮質(zhì)層。隨后沿所述外部皮質(zhì)表面的切線方向繪制一 系列的第 一線條。然后，垂直于所述位于外部皮質(zhì)表面的切線繪制一系列的第二線 條，所述第二線條位于推體中。
在所述推弓根及其向推體的過(guò)渡部分的區(qū)域，所述第二線條將用于分 辨所述推弓根底周和推弓根峽部。具體地，所述推弓根底周是指相鄰第二 線條彼此呈最大角度、非線性或不調(diào)和的區(qū)域。所述推弓根峽部是指相對(duì) 的第二線條彼此最平行的區(qū)域。所述外部皮質(zhì)表面上的無(wú)窮小的位點(diǎn) (Infinitesimal points)被用來(lái)排布所述第 一切向平面線條以及它們各 自的第二垂直線條。
定義所述推弓根峽部后，就需要定義推弓根峽部的中心，以用來(lái)確定 同心路徑和建造推弓根圓柱體。雖然許多推弓根具有橢圓形或不*見則體積，
但大多數(shù)推弓根仍被概念化地認(rèn)為是圓柱形的。這樣，就有必要精確地確 定這些推弓根的中心。本發(fā)明的方法利用由所述推弓根峽部定義的截面， 隨后將位于兩個(gè)線條交叉點(diǎn)的位點(diǎn)定義為此截面的中心，所述兩個(gè)線條來(lái)
自所述夕卜部皮質(zhì)表面的正交(infinitesimal orthogonal)的第二垂直線 條的中心。此方法可以不考慮推弓根的形狀就能確定推弓根峽部的中心。
附圖簡(jiǎn)述


圖1A是推體徑向圖像的示意圖； 圖1B是推體橫向圖像的示意圖； 圖2是圖1B中所示推體的示意圖3是圖2中所示推體的推弓根部分的示意圖，顯示了如圖2中所示 的正交平面線條及它們各自的垂直線條；
圖4A是推體縱向圖像的示意圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明方法確定的推弓根 底周和推弓根峽部的位置；
圖4 B推體橫向圖像的示意圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明方法確定的推弓根底 周和推弓根峽部。
圖4 C是推體冠狀圖像的示意圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明方法確定的椎弓根 底周和推弓根峽部的位置；
圖5 A是推弓根峽部橫截面的示意圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明方法確定的推 弓根峽部的中心；
圖5 B是具有不規(guī)則形狀的稚弓根峽部的橫截面的示意圖，顯示了根據(jù) 本發(fā)明方法確定的推弓根峽部的中心；
圖5C是具有不同不規(guī)則形狀的推弓根峽部橫截面的示意圖，顯示了根 據(jù)本發(fā)明方法確定的推弓根峽部的中心。
優(yōu)選實(shí)施方式的描述
推弓根底周和推弓根峽部的確定
根據(jù)本發(fā)明的方法，通過(guò)任何適合的方式獲得推體10的任何平面中的
連續(xù)堆棧圖^象(serial stacked images )。這些圖^象隨后#1重建，以獲得 尺寸真實(shí)的推體10的三維透視圖。如圖U和1B所示，用三維和二維圖像 繪制所述推弓根底周B和推弓根峽部X。
一旦獲得了推體10的真三維透視圖，其隨后在橫斷面上被分割以顯現(xiàn) 并獲得外部皮質(zhì)層。隨后沿所述外部皮質(zhì)表面12的切線方向繪制一系列的 第一線條T。然后，垂直于所述位于外部皮質(zhì)表面12的第一線條T繪制一 系列的第二線條P,所述第二線條P位于推體10中。其在圖2中圖示，作 為說(shuō)明性的例子，圖2只描繪了兩條第一切線T和兩條第二垂直線P。
在所述推弓根14及其向推體10的過(guò)渡部分的區(qū)域，所述第二垂直線 條P將用于分辨所述推弓根底周B和推弓根峽部X。具體地，所述推弓根 底周B是指相鄰第二垂直線條P彼此呈最大角度A、非線性或不調(diào)和的區(qū) 域。相反地，所述推弓根峽部X是指相對(duì)的第二垂直線條P彼此最平行的 區(qū)域。所述外部皮質(zhì)表面上的無(wú)窮小的位點(diǎn)被用來(lái)排布所述第 一切向線條 T以及它們各自的第二垂直線條P。其示意性地顯示在圖3中。
如圖4A、 4B和4C所示，來(lái)自無(wú)限多個(gè)的4黃切面(TS1、 TS2、 TS3…) 用來(lái)定義所述推弓根底周B和推弓根峽部X的點(diǎn)隨后被比較以取定所述推 弓根底周B和推弓根峽部X的解剖學(xué)三維位置。圖4B和4C顯示了橫切面 TS2穿過(guò)推弓根14的中心，及其分別在對(duì)黃向和冠狀突出部上的相應(yīng)位點(diǎn)。
推弓根峽部中心的確定
定義所述推弓根峽部X后，就必須進(jìn)一步定義推弓根峽部的中心C。 需要用它來(lái)確定同心路徑和建造推弓根圓柱體。大多數(shù)推弓根仍被概念化
地認(rèn)為是圓柱形；但是，許多推弓根具有橢圓形或不規(guī)則體積。這樣，就 有必要精確地確定這些推弓根的中心。如圖5A、 5B和5C所示，本發(fā)明的 方法利用由所述推弓根峽部X定義的截面，隨后將位于兩個(gè)線條交叉點(diǎn)的 位點(diǎn)定義為此截面的中心C,所述兩個(gè)線條來(lái)自所述外部皮質(zhì)表面的正交 的第二垂直線條P的中心。如圖5A、 5B和5C所示，此方法可以不考慮不 同推弓根的形狀就能確定推弓根峽部的中心。
很容易看到，本發(fā)明的方法提供了確定推弓根底周、推弓根峽部和推 弓根峽部中心的簡(jiǎn)單可靠的方法，其讓推弓根螺釘沿著理想的路徑被同心 地放置。這些方法可以通過(guò)任何合適的方式實(shí)現(xiàn)，例如通過(guò)使用計(jì)算機(jī)等 的視覺成像實(shí)現(xiàn)，或通過(guò)二維截面手動(dòng)實(shí)現(xiàn)。
雖然本發(fā)明已結(jié)合現(xiàn)在認(rèn)為是最佳實(shí)施方式來(lái)描述，但要理解的是， 本發(fā)明并不局限于所揭露的實(shí)施方式，相反，本發(fā)明有意涵蓋在所附權(quán)利 要求書范圍內(nèi)的所有修改和等同變化。
權(quán)利要求
1.一種在脊柱外科手術(shù)期間為了能夠在椎體椎弓根中最佳地放置螺釘或器械而確定椎弓根底周和椎弓根峽部的方法，其包括:產(chǎn)生所述椎體的三維圖像；通過(guò)取所述三維圖像的一個(gè)橫斷面以產(chǎn)生所述椎體的外部皮質(zhì)層的圖像；在所述橫斷面上提供一系列的與所述椎體的外部皮質(zhì)表面相切、在所述椎弓根中和靠近所述椎弓根的第一線條；提供一系列基本垂直于所述一系列的第一線條的第二線條，所述第二線條延伸穿過(guò)所述椎體，并處于椎體的椎弓根之中或靠近所述椎弓根；將所述椎弓根底周定義為所述外部皮質(zhì)表面中相鄰第二線條彼此呈最大角度的區(qū)域；將所述椎弓根峽部定義為所述外部皮質(zhì)表面中彼此相對(duì)的第二線條相互最靠近并平行的區(qū)域。
2. 權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，無(wú)窮小的位點(diǎn)被用于所述外 部皮質(zhì)表面，以排布所述第一線條和所述第二線條。
3. 權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述推弓根底周和推弓根峽 部的解剖學(xué)三維圖像位置是通過(guò)比較無(wú)限個(gè)、以定義所述推弓根底周和推 弓根峽部的橫斷面來(lái)確定的。
4. 權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法進(jìn)一步包括將兩個(gè)線 條的交叉點(diǎn)定義為取自推弓根峽部的橫斷面的中心，所述兩個(gè)線條來(lái)自從 所述外部皮質(zhì)表面延伸出的正交的第二線條的中心。
5. 權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法是通過(guò)計(jì)算機(jī)生成的圖像來(lái)操作的。
6.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法是通過(guò)所述推體的 二維界面手動(dòng)操作的。
全文摘要
在脊柱外科手術(shù)期間，為便于在椎體的椎弓根中置入螺釘而確定椎弓根底周和椎弓根峽部的方法，包括提供與所述椎體的外部皮質(zhì)表面相切的、在來(lái)自所述椎體三維圖像的橫斷面上的椎弓根之中或靠近所述椎弓根，提供一系列的第一線條；提供一系列的第二線條，其穿過(guò)所述椎體、處于所述椎體的椎弓根之中或靠近所述椎弓根，垂直于所述一系列的第一線條；將所述椎弓根底周定義為所述外部皮質(zhì)表面中相鄰第二線條彼此呈最大角度的區(qū)域；將所述椎弓根峽部定義為所述外部皮質(zhì)表面中彼此相對(duì)的第二線條相互最靠近并平行的區(qū)域。所述椎弓根峽部的中心被定義為兩個(gè)線條的交叉點(diǎn)，所述兩個(gè)線條來(lái)自從所述外部皮質(zhì)表面延伸出的正交的第二線條的中心。
文檔編號(hào)A61B17/56GK101374470SQ200780003344
公開日2009年2月25日 申請(qǐng)日期2007年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月24日
發(fā)明者赫克托·O·帕切科 申請(qǐng)人:紐卡迪亞6有限責(zé)任公司