專利名稱：脊柱外科手術(shù)中椎弓根螺釘置入的改進方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及脊柱外科手術(shù)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種脊柱外科手術(shù)中精確確定椎弓根螺釘尺寸和置入位置的計算機控制或自動化方法。
背景技術(shù)：
將螺釘置入到人類脊柱是進行大多數(shù)脊柱外科手術(shù)的共有手術(shù)程序，其中典型的是將螺釘置入腰椎和薦椎單節(jié)脊椎體的椎弓根。由于該方法在生物力學(xué)效果上勝過其它固定方式，外科醫(yī)生正不斷擴展椎弓根螺釘置入脊柱的范圍。然而，毗鄰脊柱的是大量重要組織和器官，尤其是頸椎和胸椎區(qū)域，這些組織和器官對手術(shù)創(chuàng)傷的承受力很低，最后可能導(dǎo)致嚴(yán)重的發(fā)病率和/或死亡率。因此，大多數(shù)專注于椎弓根螺釘置入的研究都以改進保持螺釘在多骨(骨內(nèi))環(huán)境下的精確度為中心。
圖像導(dǎo)航系統(tǒng)不斷發(fā)展，并愈來愈多地用于幫助醫(yī)生準(zhǔn)確置入螺釘。將椎弓根螺釘置入人體脊柱的關(guān)鍵參數(shù)有螺釘?shù)闹睆?、長度、軌線和實際的置入位置。目前許多圖像導(dǎo)航系統(tǒng)都是由人工確定這些參數(shù)以提高外科醫(yī)生的手工置入螺釘?shù)男Ч５侥壳盀橹?，還沒有系統(tǒng)能為椎弓根螺釘準(zhǔn)確置入自動確定椎弓根螺釘理想的直徑、長度和軌線。本發(fā)明提供了這樣一種技術(shù)，使醫(yī)生可以利用開方的或經(jīng)皮的技術(shù)將椎弓根螺釘置入，類似于飛行員利用計算機控制的航空技術(shù)駕駛飛機。
于2004年12月2日公開的美國專利申請早期公開第2004/0240715A1號涉及到了脊柱外科手術(shù)中確定椎弓根螺釘置入的方法和計算機系統(tǒng)，該方法中，首先確定最小的椎弓根直徑，以確定最佳的椎弓根螺釘軌線以及利用最佳軌線確定每個椎弓根螺釘?shù)淖畲笾睆胶烷L度。二維橫向切片數(shù)據(jù)堆疊形成三維數(shù)據(jù)點，通過線性最小二乘解確定符合這些數(shù)據(jù)的最佳軌線，要求最小二乘解能夠通過所有最小橫向椎弓根寬度。這一方法的不足之處在于它包括了偏離軌線的確定，尤其是歪曲的椎弓根剖析，使得確定的螺釘最大直徑和長度都減小，導(dǎo)致了生物力學(xué)結(jié)構(gòu)上的不足。與此相反的，本發(fā)明中改進了的新方法可通過最佳軌線的確定將軌線總是集中通過椎弓根，該最佳軌線是利用最小橫截面區(qū)域(峽部)的中心點及用計算機在相反方向上畫出該限制區(qū)域的法線的方法確定的，在下文中將進行更詳細的描述。本發(fā)明的方法可以確定骨內(nèi)置入的最大螺釘直徑和長度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明利用三維圖象和計算機或類似裝置生成一表格，該表格提供了最大允許椎弓根螺釘?shù)闹睆?、長度、軌線的主要數(shù)據(jù)，還生成闡釋各椎弓根的數(shù)據(jù)的示意圖。醫(yī)生利用這些數(shù)據(jù)通過以下方式之一進行實際骨內(nèi)椎弓根螺釘?shù)闹萌?.按醫(yī)生優(yōu)選的方法進行手工椎弓根螺釘置入；2.椎弓根基部圓周輪廓法并結(jié)合外科手術(shù)中的熒光透視法；3.自動椎弓根螺釘置入；或4.任何商業(yè)可用的配準(zhǔn)軟件(例如計算機斷層攝影術(shù)/熒光透視法等)。
如果外科醫(yī)生希望，本發(fā)明還可基于軌線進行骨外或椎弓根外進行椎弓根螺釘置入，該軌線始于前皮層附近相同的起點，但與外科醫(yī)生期望的優(yōu)選在切向上有一距離或角度。
本發(fā)明通過經(jīng)椎弓根或在椎弓根周圍法使進入脊錐體安全可靠，如錐體成形術(shù)、錐體后凸成形術(shù)或者錐體活組織檢查。
此外，本發(fā)明還形成了一種新的研究工具，該工具可以提供適于所有脊柱的較小、較大直徑或者普通尺寸的椎弓根螺釘。
本發(fā)明的方法包括以下步驟
1.首先取得所選的脊柱區(qū)域的計算機斷層掃描(CT)、磁共振成像(MRI)、CT熒光透視或類似的二維成像法形成的二維圖像。
2.通過CT、MRI或其它方法，或用任何其它適合的方法生成脊柱的真實尺寸的三維計算機圖像。
3.計算機形成單個脊椎體的三維圖像，然后用計算機或其它裝置將其挖空，類似于一次經(jīng)椎弓根錐體次切除，將其成為醫(yī)生期望的規(guī)格，例如剩余的錐體皮層或椎根壁的皮層壁厚度。單節(jié)脊椎體被形象化為一種去芯的或被挖空的結(jié)構(gòu)，使剩余的脊椎體全部壁通電的或照亮。
4.然后計算機根據(jù)外科醫(yī)生優(yōu)選的椎弓根皮層壁的直徑確定任意給定椎弓根的最窄直徑或橫截區(qū)域(峽部)X，自動確定被置入螺釘?shù)淖畲笤试S直徑。
5.然后計算機生成一個從峽部X中心開始沿直線伸長的圓柱，該圓柱確定了理想的軸/軌線，并向例如垂直于椎弓根峽部所在平面的兩相反方向延伸，這樣就能盡可能地將該圓柱集中設(shè)置在椎弓根內(nèi)部而不接觸到通電的或照亮的皮層。所述的直線可以刺穿背部或后椎弓根皮層，這樣就能延伸到病人的皮膚外至任意所期望的長度。所述直線在錐體內(nèi)部延伸至與預(yù)先確定的前內(nèi)部皮層壁為預(yù)定的距離時停止，該距離由外科醫(yī)生選擇，這樣它就不會刺穿前外部皮層。
6.然后計算機以直線為中心在半徑方向上擴展其至最終的最大直徑，所述直徑不超過根據(jù)外科醫(yī)生優(yōu)選的皮層壁厚度的定義的最窄椎弓根直徑。這種同軸擴展最后形成一個明顯的圓柱，當(dāng)該圓柱外表面上任意一點都與除后側(cè)椎弓根皮層外的通電的或照亮的內(nèi)側(cè)皮層壁接觸時停止構(gòu)建。然而，這種方法不能應(yīng)用于毗鄰已經(jīng)存在的從峽部產(chǎn)生的直軌跡線的前皮層。
7.然后計算機通過測量圓柱的長度確定螺釘?shù)拈L度，該圓柱始于預(yù)定的前內(nèi)皮層，到其與背/后皮層的交叉點為止。為了使螺釘?shù)闹萌敫菀?，圓柱可以延長到超過其與背/后皮層的交叉點。
8.然后計算機提供一個數(shù)據(jù)匯總表和一個理想化的示意圖，所述數(shù)據(jù)匯總表顯示了每個單個椎弓根的理想椎弓根螺釘?shù)闹睆?、長度和軌線。
9.然后根據(jù)最大椎弓根螺釘直徑和長度，利用列表的數(shù)據(jù)確定椎弓根螺釘?shù)纳婺芰?，同樣利用列表的?shù)據(jù)按外科醫(yī)生優(yōu)選的方法進行椎弓根螺釘?shù)闹萌搿?br>

圖1a和1b分別是三維計算機圖像的側(cè)面和后面，該圖像是通過對所選脊柱區(qū)域的脊椎體進行CT、MRI或其它研究方式而形成。
圖2是從如圖1a和1b所示的脊柱區(qū)域經(jīng)人工切除后的單節(jié)脊椎體的三維計算機圖像。
圖3是一個挖空的單節(jié)脊椎體的計算機圖像，顯示了椎弓根內(nèi)最窄直徑或橫截面區(qū)域(峽部)。
圖4是一個挖空的單節(jié)脊椎體的計算機圖像，顯示了穿過峽部中心并沿相反方向延伸穿過后椎弓根皮層及前內(nèi)皮層的直線。
圖5是圓柱形成的示意圖，該圓柱以穿過峽部中心的直線為中心軸，在半徑方向上擴展而成。
圖6a和6b分別是挖空的對稱和不規(guī)則形狀的單節(jié)脊椎體的示意圖。
圖7a和7b分別是直的和彎曲的椎弓根的峽部的示意圖。
圖8是挖空的脊椎體的示意圖，顯示了用于確定椎弓根螺釘長度的圓柱的長度。
圖9是單節(jié)脊椎體的側(cè)視圖，顯示了外科醫(yī)生為椎弓根螺釘?shù)陌惭b而標(biāo)記的單節(jié)脊椎體。
圖10a是一個由計算機生成的數(shù)據(jù)匯總表，該表包括最大椎弓根螺釘直徑和長度，還包括椎弓根螺釘相對于矢狀面和橫截面的軌線角度。
圖10b是一個脊椎體的側(cè)視圖，顯示了矢狀面及圖10a中軌線角度的性質(zhì)。
圖10c是一個脊椎體的平面示意圖，顯示了橫截面及圖10a中軌線角度的性質(zhì)。
圖10d是一個脊椎體的后視圖，顯示了冠狀面及圖10a中軌線角度的性質(zhì)。
圖11是計算機根據(jù)圖10a中數(shù)據(jù)匯總表定義的理想椎弓根螺釘置入生成的示意圖表，并展示置入面的冠狀面軌線。
圖12是最大可利用螺釘尺寸參數(shù)表，該表的數(shù)據(jù)與圖10a中的數(shù)據(jù)匯總表的數(shù)據(jù)相對應(yīng)，還包括椎弓根基部圓周輪廓線(冠狀面)和椎弓根點A到點B的距離。
圖13是計算機根據(jù)圖12表中的數(shù)據(jù)生成的螺釘置入的示意圖表。
圖14a是一個脊椎體的側(cè)視圖，顯示了峽部和椎弓根基部圓周。
圖14b是一個脊椎體的平面示意圖，顯示了由計算機生成的在橫截面和冠狀面穿過椎弓根基部圓周的圓柱。
圖14c、14d和14e分別是腰椎、胸椎和頸椎區(qū)域的脊椎體的平面圖，顯示了每個脊椎體中峽部和椎弓根基部圓周的關(guān)系。
圖14f和14g是一個脊椎體的后視圖，顯示了用于在脊椎體中產(chǎn)生椎弓根螺釘定位孔的錐子的定位。
圖14h顯示了一個脊椎體兩個對齊的后視圖，并顯示一個人工確定的通過椎弓根基部圓周中心的椎弓根螺釘方向線。
圖15a、15c和15e顯示了一個脊椎體在不同方位的后視圖，并顯示一計算機生成的通過其椎弓根基部圓周的椎弓根螺釘圓柱。
圖15b、15d和15f分別顯示了圖15a、15c和15e所示脊椎體的側(cè)視圖。
圖16是通過椎弓根T1、T2、T4和T5中心的CT軸視圖，顯示了與每個脊椎體在手術(shù)中的前后位熒光透視成像結(jié)合后的椎弓根形態(tài)、峽部和椎弓根定位孔進入點的確定。
圖17a和17b是本發(fā)明中可調(diào)整錐子的不同實施例的側(cè)視圖。
圖18a是單節(jié)脊椎體和椎弓根基部圓周在手術(shù)中前后位熒光透視成像的示意圖。
圖18b是計算機生成的脊椎體的三維圖像的示意圖，并顯示了由計算機置入的椎弓根圓柱和椎弓根基部圓周。
圖18c是圖18a和圖18b的配準(zhǔn)圖象示意圖。
圖19a是本發(fā)明的雙環(huán)椎弓根螺釘排列裝置的側(cè)視圖。
圖19b是圖19a所示裝置的主視圖。
圖19c和19d單節(jié)脊椎體的平面視圖，分別顯示了經(jīng)皮環(huán)境和開放的外科手術(shù)環(huán)境中雙環(huán)椎弓根螺釘排列裝置的使用。
圖20是本發(fā)明的雙環(huán)椎弓根螺釘排列裝置另一實施例的主視圖。
圖21a和21b是分別本發(fā)明鉆孔套管部分第一實施例的尾部的側(cè)視圖和主視圖，該套管部分用于圖19a和19b所示的雙環(huán)椎弓根螺釘排列裝置。
圖22a和22b是本發(fā)明鉆孔套管部分第二實施例的尾部的側(cè)視圖和前視圖，該套管部分用于圖19a和19b所示的雙環(huán)椎弓根螺釘排列裝置。
圖23a是一個槽形外套管的立體圖，該外套管與圖19a和19b中雙環(huán)椎弓根螺釘排列裝置配套使用。
圖23b是圖23a所示的槽形外套管的主視圖，雙環(huán)椎弓根螺釘排列裝置中的一個排列環(huán)置入其中。
圖24是一個挖空的脊椎體的示意圖，顯示了不同的椎弓根螺釘軌線，其一具有中心的或理想的軌線，另一具有骨外或椎弓根外軌線，骨外或椎弓根外軌線偏離中心軌線。
圖25是一個脊椎體的平面示意圖，顯示了依照本發(fā)明方法進行的椎弓根螺釘?shù)陌惭b。
具體實施例方式
本發(fā)明確定椎弓根螺釘?shù)某叽绾椭萌胛恢玫姆椒▽⒃谙挛闹羞M行詳細描述。
步驟1首先取得選擇的脊柱區(qū)域的計算機斷層掃描(CT)、磁共振成像(MRI)、CT熒光透視法或類似的二維成像方法形成的二維圖象。為了增加準(zhǔn)確性和詳細度，優(yōu)選薄分割區(qū)段。
步驟2，根據(jù)步驟1的CT、MRI或其它任何適當(dāng)?shù)姆椒ㄈ〉玫膱D象制得如圖1a和圖1b所示脊柱的具有真實尺寸的三維計算機圖像。
步驟3如圖2所示的三維單節(jié)脊椎體然后用計算機挖空成外科醫(yī)生期望的規(guī)格(例如剩余的椎體皮層或椎弓根壁的皮層壁的厚度)，類似于一次經(jīng)椎弓根錐體次切除(eggshell transpedicular vertebral corpectomy)。這些規(guī)格允許不對稱的厚度，例如，前椎體皮層可能厚五毫米，側(cè)椎體壁厚七毫米，而椎弓根壁只有一毫米厚；或者椎體皮層壁一律五毫米厚，而椎弓根壁只有一毫米厚或者與此類似。該單節(jié)脊椎體可以被形象化為一種去芯的或被挖空的結(jié)構(gòu)，使剩下的脊椎體可以一種合適的方式將其全部錐體壁通電(electrified)或照亮(highlighted)。
步驟4然后，計算機通過測量根據(jù)外科醫(yī)生對椎弓根皮層壁的直徑參數(shù)選擇選定的椎弓根的最窄直徑或橫截區(qū)域(峽部)X，自動確定被置入螺釘?shù)淖畲笤试S直徑，如圖3所示。
步驟5然后計算機生成一個從峽部X中心開始沿如圖4所示直線10伸長的圓柱，該圓柱確定了理想的軸/軌線，并向例如垂直于椎弓根峽部所在平面的兩相反方向延伸，這樣就能盡可能地將該圓柱集中設(shè)置在椎弓根內(nèi)部而不接觸到剩下的皮層，在峽部中心形成支點。所述的直線可以刺穿背部或后椎弓根皮層，這樣就能延伸到病人的皮膚外至任意所期望的長度。所述直線在錐體內(nèi)部延伸至與預(yù)先確定的前內(nèi)部皮層壁為預(yù)定的距離(例如5毫米)時停止，該距離由外科醫(yī)生選擇，這樣它就不會刺穿前外部皮層并且還可以最大化螺釘直徑，詳后述。
步驟6如圖5所示，然后計算機以直線10為中心在半徑方向上擴展至其最終的最大直徑，所述直徑不超過基于外科醫(yī)生優(yōu)選的皮層壁厚度確定的最窄椎弓根直徑。這種同軸擴展最后形成一個可見的圓柱12，當(dāng)該圓柱外表面上任意一點都與除后側(cè)椎弓根皮層外的內(nèi)側(cè)皮層壁接觸時停止構(gòu)建。形成的圓柱中心有起始直線10，該起始直線10可以用與圓柱12不同的顏色或模式來鑒別。如下文所述，圓柱12可以越過其與背/后皮層的交點，以便按下文所述的一種自動化方法將螺釘置入。
步驟7對于那些有不規(guī)則剖面的椎弓根，如圖6b所示，或如圖7b所示的彎曲的椎弓根或類似的畸形，允許的最大螺釘直徑實際上小于最窄直徑方法確定的直徑，從而避免了椎弓根皮層壁破裂。
步驟8然后計算機通過測量圓柱12的長度確定椎弓根螺釘?shù)拈L度，參閱圖8，所述圓柱的長度是從靠近預(yù)定的前內(nèi)側(cè)皮層的點D到其與背/后皮層的交點A之間的距離。
步驟9然后計算機產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)匯總表，如圖10a所示，該表顯示了每個單節(jié)脊椎體椎弓根的理想椎弓根螺釘?shù)闹睆?、長度和軌線(如圖10b和10c所示，以相應(yīng)的上端面20為參考面，軌線是通過測量橫截面和矢狀面相對參考面的角度而得)，還提供了圖11所示的理想示意圖。參閱圖9，經(jīng)醫(yī)生鑒定的特殊的脊椎體被加上標(biāo)簽，然后計算機用醫(yī)生確認的精確脊椎體標(biāo)簽自動標(biāo)記剩下的脊椎體。
步驟10然后利用表格中的數(shù)據(jù)確定使用基于如圖12所示的最大直徑和長度的椎弓根螺釘?shù)纳婺芰Γ鰯?shù)據(jù)同樣被用來按外科醫(yī)生的優(yōu)選方法確定螺釘?shù)闹萌?。圖12還提供了單節(jié)椎弓根基部從點A到B的圓周輪廓線(冠狀軌線)及它們各自的長度。實際使用的螺釘尺寸是基于外科醫(yī)生選用的商業(yè)上可用的螺釘。一旦外科醫(yī)生在所選椎弓根螺釘系統(tǒng)內(nèi)提供可用螺釘?shù)某叽绶秶嬎銠C就能自動確定并產(chǎn)生所述表格，同時產(chǎn)生一個理想化的前后位示意圖(冠狀)、帶有圖13所示數(shù)據(jù)的側(cè)面和橫截面圖。此外，這個系統(tǒng)還為外科醫(yī)生提供一種基本能力，即根據(jù)單節(jié)脊椎體基部選擇不同于最大可用直徑的直徑，并且將這些變化并入到數(shù)據(jù)匯總表和圖中。
步驟11-手工椎弓根螺釘置入然后，外科醫(yī)生按他或她優(yōu)選的方法，并利用理想化的示意圖和匯總的數(shù)據(jù)完成椎弓根螺釘?shù)闹萌搿?br> 步驟12a-椎弓根基部圓周輪廓法-人工確定這種方法利用解剖學(xué)中意義重大的X光照相技術(shù)拍攝的脊椎體圖像來匹配如圖10d和11所示的冠狀面理想的椎弓根螺釘軌線。特別地，在標(biāo)準(zhǔn)的X光照片或熒光透視成像所看到的放射線密度圓周線與椎弓根基部圓周相符。椎弓根基部圓周B被定義為椎弓根壁和它過渡到脊椎體的皮層接合點。所述椎弓根基部圓周顯然不同于椎弓根峽部，但是對于單節(jié)脊椎體而言，在某些情況下它們是同一個或非常接近，在圖14a到14e中可以看到。
對于椎弓根基部圓周技術(shù)的人工利用，參閱圖14b，首先利用相應(yīng)的穿過椎弓根的橫截面X光圖像人工確定通過椎弓根峽部X的理想軌線。然后測量椎弓根峽部X，從而確定最大直徑的椎弓根螺釘，軌線被用來確定椎弓根螺釘?shù)淖畲箝L度。然后，如圖14b所示，通過鑒別椎弓根壁到脊椎體的過渡確定椎弓根基部圓周B。最后，測量A到B的長度，并利用該長度校準(zhǔn)合適的工具，例如下文所述的長度可變的錐子，所述A到B的長度對應(yīng)于后皮層A上的起點到與椎弓根基部圓周B的交點之間的長度。如圖14h所示，點A和點B應(yīng)該關(guān)于椎弓根基部圓周從椎弓根基部圓周的頂部(頭部)和底部(尾部)邊緣集中。然后結(jié)合理想軌線和椎弓根基部圓周確定點A關(guān)于椎弓根基部圓周前后方向上的位置和點B在椎弓根基部圓周內(nèi)部的位置。所述椎弓根基部圓周輪廓線具有類似于每個單節(jié)脊椎體的前后位X光圖像的圓形外形。
對于椎弓根螺釘?shù)娜斯ぶ萌?，可以利用?biāo)準(zhǔn)熒光透視單元排列各個單節(jié)脊椎體的上端面，使其平行于所述熒光透視圖像。此外，當(dāng)具有頭部脊椎體的脊椎體上端面用對稱圓盤空間熒光透視形象化時，及當(dāng)脊椎體通過椎弓根基部圓周輪廓在熒光透視前后位圖像上可以明顯識別其距每個椎弓根的距離相等時，脊椎體居中放置。當(dāng)每個脊椎體有不同的兩個椎弓根時，例如天生畸形、瘤、骨折等，該居中放置依然可以進行。然后在熒光透視成像下，將一經(jīng)適當(dāng)校準(zhǔn)的長度可變的錐子或其他合適的工具T從椎弓根定位孔的起點A插入相應(yīng)的脊椎體的后皮層，并向椎弓根內(nèi)推進至點B，參閱圖14f和14g。這種置入在熒光透視下確定，并在與理想軌線對齊的直線上繪出A和B兩點。工具T被重新調(diào)長，更進一步向脊椎體內(nèi)部推進至點D或改用其他椎弓根探測錐或相似的工具。然后探測椎弓根內(nèi)骨質(zhì)的完整性，打開定位孔，具有適當(dāng)直徑和長度的椎弓根螺釘置入到脊椎體。
根據(jù)步驟12a，穿過椎弓根T1、T2、T4、T5中心的CT軸視圖，如圖16所示，結(jié)合在手術(shù)中每個脊椎體的前后熒光透視成像，展示了椎弓根形態(tài)、峽部和椎弓根定位孔進入點的人工確定。椎弓根螺釘?shù)拈L度、直徑和軌線已經(jīng)確定。椎弓根基部圓周輪廓線由右下角圓代表，并被用來作為識別椎弓根定位孔進入點的一致性手術(shù)標(biāo)記。例如，椎弓根T1和T2的起點A分別是大約2個和1.25個椎弓根基部圓周，如在手術(shù)中的前后位熒光透視成像上所見(圓內(nèi)部用圓點顯示)。椎弓根T4和T5的定位孔分別是0.9和0.8個椎弓根基部圓周。
步驟12b-椎弓根基部圓周輪廓法-半自動這種方法類似于步驟12a，除了點A和B與椎弓根基部圓周輪廓是由計算機在構(gòu)建了椎弓根圓柱后確定的。然后這些數(shù)據(jù)匯總進圖12。所述數(shù)據(jù)還包括矢向和橫向軌線與上端面和中線的夾角度數(shù)。長度可變的錐子或其它工具，例如，可以適當(dāng)調(diào)整到圖12中的特定椎弓根距離A-B，并按照步驟12a中描述的方法在標(biāo)準(zhǔn)熒光透視圖像下將螺釘置入。
步驟12c-椎弓根基部圓周輪廓法-全自動這種方法進一步擴展了本技術(shù)，可以實時成像和多個脊椎體形象化，呈現(xiàn)椎弓根螺釘置入情況。產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與圖12中的一樣，除了椎弓根基部圓周輪廓和標(biāo)識點A和B是動態(tài)的，也不要求如步驟12a和12b中要求的脊椎體居中放置或上端面平行于熒光透視成像。熒光透視成像的脊椎體通過任何適當(dāng)?shù)姆椒ǖ怯浽谟嬎銠C上，形成帶有相應(yīng)的計算機生成的椎弓根圓柱的脊椎體。然后點A和B被顯現(xiàn)出來，如圖15a、15c和15e中所示，顯示了按圖12更新的實時圖像。長度可變的錐子或其它工具，例如，可以調(diào)整到大約適合每個單個脊椎體從點A開始推進到點B的長度。注意，任意合適的工具，如不可調(diào)整的錐子，可以按本發(fā)明方法不同于可調(diào)整的錐子使用。
步驟13-可調(diào)整的可變長度的錐子點A到點B的距離(圖14b)，即后皮層到與椎弓根基部圓周的交點的距離，被用來設(shè)置可調(diào)整的長度可變的錐子的長度A到B，所述錐子用來在熒光透視成像下開設(shè)椎弓根定位孔。在椎弓根螺釘置入的一系列步驟中，形成該椎弓根定位孔是第一步，從計算機指出的識別起點A開始，一旦它完全固定，就產(chǎn)生椎弓根圓柱并將其推進到點B。
參閱圖17a，錐子100包括一個用來插入錐子本體的射線可穿透的外套102，其末端開口，用來移動地支持射線不可穿透的錐子本體104。所述錐子100完全可以調(diào)整到與A到B的長度一致的長度，也可以設(shè)置以防止錐子進一步推進超過圖14b和其它圖中可見的任何距離A到B。
一旦A到B的距離在X光線成像中被確定，外科醫(yī)生可以調(diào)整所述錐子點A到點D的任意長度，即圖14b中最后的螺釘長度。這種錐子100最好具有能承受用槌棒或類似物敲打的結(jié)構(gòu)，而其直徑也足夠窄用來穿透皮膚。為了便于顯示深度，錐子本體104可以按固定的增量106用顏色或其他方式標(biāo)記，如5毫米或10毫米。
錐子100外部末端具有用于敲打的堅固的頭部108，還有合適的鎖定裝置110，如螺釘鎖定裝置，用來在相對于外套102的期望的位置鎖定錐子本體104。所述錐子還有一個窗口112或其它標(biāo)記，用來顯示錐子本體104的位置或長度。圖14f和14g顯示了一個正在推進椎弓根內(nèi)部開設(shè)螺釘定位孔的錐子。
圖17b揭露了一個改進的可調(diào)整的錐子300，包括可插導(dǎo)管的或空的錐子本體304和一個具有中心孔309的頭部308，這樣一個導(dǎo)線311可以穿過頭部和錐子本體304延伸至其內(nèi)端。在定位孔用錐子300打通后，導(dǎo)線311可以留在定位孔中適當(dāng)?shù)奈恢?，從而在后面的步驟中方便用它的位置為椎弓根螺釘?shù)闹萌雽?dǎo)航。
步驟14-雙環(huán)排列裝置對于在手術(shù)中自動置入椎弓根螺釘?shù)姆椒?，有用到具有真實尺寸的三維脊柱模型，該模型中具有計算機自動置入的椎弓根螺釘圓柱，所述圓柱定義了椎弓根螺釘?shù)拈L度、直徑和軌線。另外，還用到椎弓根基部圓周輪廓數(shù)據(jù)，以利手術(shù)中成像的記錄。
手術(shù)中實時進行熒光透視檢查，以準(zhǔn)確記錄單節(jié)脊椎體基部的三維模型。這種熒光透視的脊椎體成像被集中在監(jiān)控器上，并由外科醫(yī)生鑒別出特別的脊椎體(例如T2，T3等)。相應(yīng)的具有真實尺寸的三維單節(jié)脊椎體模型與熒光透視圖像配準(zhǔn)，如圖18a、18b和18c所示。上述步驟可以在如外科手術(shù)般的暴露的脊柱上進行或經(jīng)由皮膚進行。
該配準(zhǔn)是利用內(nèi)部脊椎體骨性標(biāo)記進行，這些標(biāo)記是熒光透視成像中所見的椎弓根基部圓周，該圓周起于椎弓根皮層壁連接脊椎體的匯合處。如前文所述，這些椎弓根基部圓周形成圓形或是橢圓形，基于脊椎體相對于熒光透視成像中的旋轉(zhuǎn)，可以改變其外形和平方面積。
然后，手術(shù)中的熒光透視圖像和計算機生成的椎弓根基部圓周輪廓進行配準(zhǔn)，通過確保輪廓線重疊和測量的平方面積相等及確保椎弓根間距離相等來獲得配準(zhǔn)的精確度。這種配準(zhǔn)方法消除了將X光線成像標(biāo)記錨定在病人骨骼上的要求，這種要求特別不利于經(jīng)皮置入的應(yīng)用。這種方法還允許一個脊椎體自由獨立地向另一個脊椎體移動，來展示計算機產(chǎn)生的模型的符合性，所述方法在不穩(wěn)定脊柱中尤其有用。外科醫(yī)生在手術(shù)中確認椎弓根基部圓周的配準(zhǔn)充分，以進行椎弓根螺釘?shù)闹萌?。所述方法允許計算機生成的模型增大或減小，以匹配手術(shù)中的熒光透視成像。
現(xiàn)在包括計算機生成的椎弓根基部圓周和椎弓根圓柱的完整的三維圖像接著被投射到手術(shù)中的熒光透視成像上。如圖19a和19b所示，計算機生成的椎弓根螺釘圓柱200穿過后皮層并凸出到病人體外，并被兩個分離的同線環(huán)202、204截取及延伸穿過該同線環(huán)202、204。該環(huán)安裝在一個配套的錨定在病床或其他支持物上(未顯示)的支架206上，環(huán)的尺寸允許截取計算機圓柱圖像和將錐子套管插入。第一個環(huán)202在靠近后皮層區(qū)域208或剛好在體外截取計算機椎弓根螺釘圓柱，而第二個環(huán)204在距第一個環(huán)202任意期望的距離處截取計算機椎弓根螺釘圓柱。兩個環(huán)之間的距離越大，螺釘?shù)闹萌刖驮綔?zhǔn)確。環(huán)202、204對計算機椎弓根圓柱的截取在計算機監(jiān)控器上顯示，展示環(huán)相對計算機椎弓根圓柱200移動。
圖19c和19d分別顯示了經(jīng)皮環(huán)境和開放的外科手術(shù)環(huán)境中從脊椎體VB伸出并穿過環(huán)202、204的計算機生成的圓柱200和直線210。
椎弓根圓柱的截取發(fā)生在兩個層面上。計算機椎弓根圓柱200中心線210及其外圍圓柱組成，首先，環(huán)202、204需要被置于中心線210和椎弓根圓柱200中心。第二，環(huán)與脊椎體配準(zhǔn)以便在計算機監(jiān)控器上跟蹤其移動，例如通過LED裝置。第三，環(huán)的內(nèi)部直徑與計算機生成的椎弓根圓柱200的直徑匹配。有多種具有不同直徑的移動環(huán)可供外科醫(yī)生期望的椎弓根螺釘系統(tǒng)利用。第四，為了與計算機生成的椎弓根圓柱的直徑相匹配，環(huán)被構(gòu)造成可以以任意合適的方式改變其直徑，如圖20所示，環(huán)202由可移動連接的部分212制成，該可移動連接的部分212可以旋轉(zhuǎn)來改變環(huán)的直徑的。計算機椎弓根圓柱與環(huán)的配準(zhǔn)是在計算機監(jiān)控器上被鑒別和確定的。
所述同線環(huán)202、204現(xiàn)在形成了一個用來放置鉆孔套管214的通道(圖21a和21b)，該鉆孔套管也被固定在支架206上。在鉆孔套管214內(nèi)設(shè)有一個堅固的套管元件216(圖21a和圖21b)或一個特別的內(nèi)部套管元件218(圖22a和22b)，該特別的套管元件內(nèi)具有多個窄小的可移動的縱向平行的金屬桿220，其中心開口可以放置錐子。這些金屬桿220可以讓內(nèi)部套管元件218平穩(wěn)地放置在不平坦的表面上。這種特征在后皮層鉆孔區(qū)域提供了額外的穩(wěn)定性以避免鉆子被拴牢。另外，特別的內(nèi)部套管元件218允許這些金屬桿縮回，從而熒光透視可以清楚的呈現(xiàn)椎弓根內(nèi)部的鉆孔過程。外科醫(yī)生可以使用任一種方式。
然后椎弓根被鉆孔至所期望的預(yù)先校準(zhǔn)的深度，不會超過預(yù)定的椎弓根螺釘?shù)拈L度。然后用椎弓根探測器探測椎弓根以確保骨質(zhì)的完整性。
實際的螺釘置入中，一種特別的槽形外套管230(圖23a和23b)被置于與同線環(huán)202、204同一條直線上。這種槽形外套管230也連接在支架206或其他錨定裝置上。然后旋轉(zhuǎn)所述環(huán)大約90度(未顯示)并從槽形外套管230上收回。槽形外套管的可調(diào)整的內(nèi)部直徑足以容納任意具有螺紋和變化的頭部的椎弓根螺釘。適當(dāng)?shù)淖倒葆?未顯示)被放入承載它的螺絲起子，置入槽形外套管，然后置入各自的椎弓根。
對于改進的可調(diào)整的并列環(huán)，如圖20所示，圖23a中的槽形外套管230可以選擇使用，環(huán)202、204可以留在一定的位置并被調(diào)整至一個完全開放的位置從而讓螺絲起子可以插入并通過。
步驟15現(xiàn)在有商業(yè)可利用的軟件包能夠?qū)⒉∪耸中g(shù)前的三維脊椎圖像與手術(shù)中熒光透視圖像在手術(shù)中配準(zhǔn)。這種功能與本發(fā)明的方法相結(jié)合，可以提供匯總的數(shù)據(jù)資料和理想化的圖表。后面的信息將為實際椎弓根螺釘?shù)闹萌胩峁┗A(chǔ)，這如前文所述或根據(jù)醫(yī)生的優(yōu)先選擇。
步驟16有些外科醫(yī)生寧愿從骨外或椎弓根外置入螺釘，那是因為椎弓根螺釘?shù)某叽缣。y以提供可以利用的螺釘尺寸，對于這些醫(yī)生來說，計劃用奇怪的螺釘置入大的椎弓根或計劃用與剖面軸相對的直頭螺釘植入，也可以用本發(fā)明的方法。本發(fā)明是這樣實現(xiàn)獲取所有理想化的數(shù)據(jù)，然后由外科醫(yī)生偏移椎弓根定位孔進入口，該偏移是從理想軌線的正切方向偏移任意期望的距離，也就是說，前螺釘位置在樞軸點D，計算機椎弓根圓柱12從該點產(chǎn)生，如圖24所示。此外，這些變化將被自動記載，并結(jié)合這些變化產(chǎn)生新的理想化的前后視圖、側(cè)視圖和軸視圖。不管是用椎弓根基部圓周方法，還是用自動排列方法，還是用商業(yè)上可用的CT/熒光透視配準(zhǔn)法，都可以用這些數(shù)據(jù)進行螺釘?shù)闹萌?。對于椎弓根基部圓周方法，定位孔的長度被定為可以讓合適長度的錐子或其他工具置入。
作為一個實施例，圖25顯示了用螺絲起子22或類似工具安裝椎弓根螺釘20的示意圖，椎弓根螺釘穿過峽部X中心。
所述的本發(fā)明的方法的許多步驟都是計算機產(chǎn)生的，值得注意的是，任何合適的設(shè)備或裝置都可以用來實現(xiàn)本發(fā)明方法的這些步驟。
以上所揭露的僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明申請專利范圍所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。
權(quán)利要求
1.一種在所選脊柱區(qū)域進行外科手術(shù)中確定椎弓根中置入螺釘?shù)某叽绾臀恢玫姆椒?，其特征在于，包括用計算機生成所選脊柱區(qū)域脊椎體的真實尺寸的三維圖像；用計算機挖空三維圖像中的脊椎體，其皮層壁具有由執(zhí)行外科手術(shù)的外科醫(yī)生選擇的厚度，從而單節(jié)脊椎體被形象化為一種挖空的結(jié)構(gòu)，剩余的脊椎體其壁全部被照亮；用計算機根據(jù)外科醫(yī)生選擇的椎弓根皮層壁的厚度確定每個椎弓根的最窄直徑或峽部；用計算機生成一直線，該直線從峽部中心開始，并向相反方向延伸，該直線集中在椎弓根內(nèi)，而不與照亮的壁接觸，所述直線在脊椎體內(nèi)部距前內(nèi)皮層壁預(yù)定的距離處終止，并沿相反方向向外延伸而穿過后椎弓根皮層；用計算機以直線為中心將其擴張至一直徑，該直徑不超過基于外科醫(yī)生選擇的椎弓根皮層壁厚度確定的峽部直徑，所述直線擴張成一個圓柱，當(dāng)圓柱任一部份接觸到脊椎體的照亮的除后椎弓根皮層外的內(nèi)部皮層壁時，圓柱停止擴大；用計算機確定圓柱從其與前內(nèi)皮層壁間隔開的最內(nèi)端到其外端與后椎弓根皮層接觸的交點的長度；及用計算機根據(jù)所生成的每個椎弓根的圓柱的尺寸和軌線計算理想椎弓根螺釘?shù)闹睆?、長度和軌線。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于首先生產(chǎn)所選脊柱區(qū)域的二維圖像，然后用計算機生成三維圖像。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述二維圖像是用計算機斷層掃描(CT)、磁共振掃描(MRI)、熒光透視法或類似成像方法生成的。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述二維圖像是薄分割區(qū)段的，從而更準(zhǔn)確和詳細。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述峽部中心是所述直線的支點。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于計算機產(chǎn)生一數(shù)據(jù)匯總表，顯示每個脊椎體的理想椎弓根螺釘長度、直徑和軌線。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于以每個脊椎體椎弓根的上端面作為參考面，所述軌線是以橫截面和矢狀面相對參考面的角度而測量得的。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于用計算機生成示意圖，顯示每個脊椎體理想的椎弓根螺釘?shù)拈L度、直徑和軌線。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于用計算機根據(jù)可利用的螺釘來確定螺釘?shù)某叽纭?br> 10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括脊椎體上在椎弓根基部之間的接點處的椎弓根基部圓周標(biāo)識，使在手術(shù)中進行熒光透視前后位成像掃描與手術(shù)前計算機為確定椎弓根螺釘置入和基于椎弓根基部圓周輪廓線的測量生成的三維圖像相結(jié)合。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于還包括根據(jù)預(yù)定螺釘軌線將椎弓根基部圓周輪廓線向外投影到后椎弓根皮層的表面，以標(biāo)識后皮層上的螺釘?shù)钠瘘c。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于在手術(shù)中熒光透視圖像上對應(yīng)椎弓根基部圓周生成一圓，通過觀察與所述圓和后皮層的相對位置來確定椎弓根螺釘定位孔。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于手術(shù)中實時熒光透視成像以與每個脊椎體的三維圖像配準(zhǔn)。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于對于奇形螺釘?shù)闹萌?，所述椎弓根螺釘定位孔通過理想圓柱軌線的切向旋轉(zhuǎn)而偏移，旋轉(zhuǎn)軸是毗鄰前內(nèi)皮層壁的圓柱的最內(nèi)端。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述生成的直線和圓柱一部分延伸超過后椎弓根皮層，以利手術(shù)中椎弓根螺釘?shù)淖詣又萌搿?br> 16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述生成的延伸超過后椎弓根皮層的直線和圓柱被一對間隔的同線環(huán)截取并延伸穿過該對同線環(huán)，該對同線環(huán)安裝在由病床或其他支持物支持的支架上，其中一個環(huán)置于后椎弓根皮層附近，另一個環(huán)與該環(huán)向外隔開，所述的環(huán)具有大致與穿過其中的圓柱的直徑相等的內(nèi)部直徑，所述環(huán)為鉆孔套管或其他類似工具導(dǎo)航，從而在椎弓根內(nèi)形成一個與生成的圓柱對應(yīng)的的供椎弓根螺釘插入的螺釘定位孔。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于所述環(huán)是活動安裝在所述支架上。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述環(huán)是可移除地安裝在所述支架上。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于所述每一環(huán)都可調(diào)整改變其內(nèi)部直徑。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于一鉆孔套管插入并穿過所述環(huán)，鉆孔套管具有一個活動支撐鉆孔元件的中心縱向開口。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于所述鉆孔套管安裝在病床或其他支持物上，并具有內(nèi)部套管元件，活動支撐鉆孔元件。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于所述內(nèi)套管元件包括相互間隔的、平行的、縱向延伸的及可移動的桿，并形成鉆孔元件的中心開口，所述桿可延伸超過鉆孔套管的內(nèi)端，從而在不平坦的表面提供穩(wěn)定的支持。
23.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于所述環(huán)可移動安裝在所述支架上，椎弓根內(nèi)的螺釘定位孔鉆好后，鉆孔套管移除，具有縱向槽的第二套管裝于所述環(huán)的外部，并固定于所述支架，從而其縱向軸與生成的圓柱的縱向軸對應(yīng)，所述圓柱穿過所述環(huán)，所述環(huán)從所述第二套管移除后，所述第二套管用作引導(dǎo)螺釘置入椎弓根。
24.一種用于開孔的可調(diào)整的錐子，該孔供螺釘或其他裝置插入椎弓根或身體其他部分，其特征在于所述錐子包括一端開口的長形外套及活動安裝在所述外套內(nèi)的長形錐子本體，，所述錐子本體可以伸長越過所述外套開口端從而改變錐子的長度，所述錐子還包括鎖定裝置，將所述錐子本體鎖定在相對所述外套選定的位置，所述錐子本體上設(shè)有標(biāo)記以顯示其相對所述外套的位置。
25.如權(quán)利要求24所述的可調(diào)整的錐子，其特征在于所述外套是射線可穿透的，而所述錐子本體是射線不可穿透的。
26.如權(quán)利要求24所述的可調(diào)整的錐子，其特征在于所述錐子本體上的標(biāo)記是彩帶式的以便于觀察。
27.如權(quán)利要求24所述的可調(diào)整的錐子，其特征在于所述外套具有可供觀察所述錐子本體上的標(biāo)記的窗口。
28.如權(quán)利要求24所述的可調(diào)整的錐子，其特征在于所述外套在其與開口端相對的末端有一個堅固的頭部，所述頭部構(gòu)造成適于合適的工具敲打的結(jié)構(gòu)，以在椎弓根或身體其他部位形成孔。
29.如權(quán)利要求24所述的可調(diào)整的錐子，其特征在于所述錐子本體具有沿中心縱向延伸并貫穿其中的通孔，所述外套之與所述開口端相對的另一端有一中心孔，所述外套中心孔與所述錐子本體通孔縱向?qū)R，一導(dǎo)線穿過所述錐子本體和外套的通孔和中心孔延伸至所述錐子本體的外端，從而，在錐子移出其所開的孔后，所述導(dǎo)線留在孔中標(biāo)識該孔，以便螺釘或其他裝置的置入。
30.一種在所選脊柱區(qū)域進行外科手術(shù)中確定椎弓根中置入螺釘?shù)某叽绾臀恢玫姆椒?，其特征在于，包括生成所選脊柱區(qū)域脊椎體的真實尺寸的三維圖像；挖空三維圖像中的脊椎體，其皮層壁具有由執(zhí)行外科手術(shù)的外科醫(yī)生選擇的厚度，從而單節(jié)脊椎體被形象化為一種挖空的結(jié)構(gòu)，剩余的脊椎體其壁其壁全部被照亮；根據(jù)外科醫(yī)生選擇的椎弓根皮層壁的厚度確定每個椎弓根的最窄直徑或峽部；形成一條從峽部中心開始并向相反方向延伸的直線，該直線集中在椎弓根內(nèi)，而不與照亮的壁接觸，所述直線在脊椎體內(nèi)部距前內(nèi)皮層壁預(yù)定的距離處終止，并沿相反方向向外延伸而穿過后椎弓根皮層；以所述直線為中心將其擴張至一直徑，該直徑不超過基于外科醫(yī)生選擇的椎弓根皮層壁厚度確定的峽部直徑，所述直線被擴張成一個圓柱，當(dāng)圓柱任一部份接觸到脊椎體的照亮的除后椎弓根皮層外的內(nèi)部皮層壁時，圓柱停止擴大；確定圓柱從其間隔前內(nèi)皮層壁的最內(nèi)端到其外端與后椎弓根皮層接觸的交點的長度；及根據(jù)生成的每個椎弓根的圓柱的尺寸和軌線計算理想椎弓根螺釘?shù)闹睆?、長度和軌線。
全文摘要
一種在所選脊柱區(qū)域進行手術(shù)中確定椎弓根中置入螺釘?shù)某叽绾臀恢玫姆椒òㄓ糜嬎銠C產(chǎn)生一個所選脊柱區(qū)域脊椎體真實尺寸的三維圖像；用計算機挖空三維圖像中的脊椎體，其皮層壁厚度由做手術(shù)的醫(yī)生選擇；用計算機確定每個椎弓根的最窄截面(峽部)；用計算機產(chǎn)生一條從峽部中心開始并沿相反方向延伸的直線，該直線集中在椎弓根內(nèi)不接觸其內(nèi)壁，該直線在脊椎體內(nèi)到距前內(nèi)皮層壁預(yù)定的距離停止并反向延伸刺穿后椎弓根皮層；用計算機以直線中心將其徑向擴張，截面積小于峽部面積，所述直線被擴張成一個圓柱，當(dāng)其任一部分接觸挖空的脊椎體的除后椎弓根皮層外的內(nèi)皮層壁時停止擴張；用計算機根據(jù)生成的每個椎弓根圓柱的尺寸和軌線計算理想椎弓根螺釘直徑、長度和軌線。
文檔編號A61B17/88GK1960680SQ200580005451
公開日2007年5月9日 申請日期2005年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月20日
發(fā)明者赫克托·O·帕切科 申請人:赫克托·O·帕切科