[发明专利]两自由度系统和用于脊部应用的方法

说明书

本文提供了一种通过两自由度(2‑DOF)手术设备将椎弓根螺钉手术植入患者的方法和系统。获取对象的脊柱的图像。生成脊柱的二维正交平面图像或3‑D模型。对于待植入的每个椎弓根螺钉，定义脊柱的椎弓根上的椎弓根平面，并确定沿着椎弓根平面待植入的每个椎弓根螺钉的轨迹。2‑DOF手术设备帮助外科医生部分地基于椎弓根平面而将椎弓根螺钉植入患者的椎弓根中。机载指示器或监视器帮助外科医生在剩余的的自由度上放置椎弓根。

相关申请

本申请要求2017年3月21日提交的序列号为62/474,313的美国临时申请的优先权，其内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明一般涉及一种计算机辅助手术，更具体地，涉及一种用于基于术前规划的最佳轨迹而在期望的位置和方向上将椎弓根螺钉对准并插入穿过椎弓根(pedicle)的方法。

背景技术

脊椎，也称为脊骨或脊柱，是轴向骨架的一部分。脊椎由称为椎骨的分段系列骨骼组成，其中分段系列骨骼由椎间盘分开。脊椎容纳脊管，脊管是包围并保护脊髓的腔体。在人类脊椎中，通常有三十三个椎骨；上部二十四个通过椎间盘进行关节连接和分离，下部九个在成人中融合，五个在骶骨中融合，四个在尾椎或尾骨中融合。关节连接的椎弓根据其脊部的区域而被命名。有七个颈椎、十二个胸椎和五个腰椎。椎弓根是一块狭窄的骨头，呈密集的茎状结构，从椎骨的后部突出。每个椎骨有两个椎弓根。一系列椎弓根穿过脊柱并将横突与椎体结合。

图1A和1B分别示出了脊柱10的分段和横截面视图。如图所示，脊柱10具有一系列椎骨12，这一系列椎骨12由椎间盘14彼此分开。椎弓根16从椎骨12延伸并将横突18连接到椎骨12。棘突20从椎板22延伸，其连接到横突18的相对侧。

椎弓根螺钉是一种特殊类型的骨螺钉，设计用于植入脊椎弓根。椎弓根螺钉用于矫正畸形，和/或治疗对患者脊柱造成的创伤。椎弓根螺钉可用于仪器程序中，以将杆和板固定到脊部。螺钉还可以用于固定脊部的一部分以帮助神经元(脊髓、退出神经根、包含马尾神经的神经束)的减压和通过将骨结构维持在一起而融合。图2是插入患者脊柱10中的椎弓根螺钉24的X射线图像。

目前，有几种可用的导航系统提供视觉反馈以帮助椎弓根螺钉对准穿过椎弓根。然而，当仅仅依靠视觉反馈时，试图将椎弓根在5-DOF上对准穿过这块狭窄的骨骼通常是困难且耗时的。随着椎弓根逐渐变窄，在脊柱的上胸部和颈部区域的程序变得更加困难。

插入椎骨的椎弓根螺钉的位置和方向(姿态(POSE))对于安全和成功的结果是非常关键的。通常，外科医生规划并创建植入规划，从而植入的螺钉的最终放置可以为患者脊柱的分段提供必要的支撑或固定。即使临床上可接受的范围之外的小的植入对准偏差也与不太理想的结果和增加的随访手术率相关。

因此，需要一种改进的系统和方法，用于基于术前规划的最佳轨迹在期望的位置和方向上将椎弓根螺钉对准并插入穿过椎弓根。

发明内容

本文提供了一种通过两自由度(2-DOF)手术设备将椎弓根螺钉手术植入患者的方法。该方法包括获取对象的脊柱的图像。生成脊柱的二维正交平面图像或生成的三维模型。对于待植入的每个椎弓根螺钉，定义脊柱的椎弓根上的椎弓根平面，并确定待沿着椎弓根平面植入的每个椎弓根螺钉的轨迹。椎弓根平面在内-侧方向和内-外旋转上通过椎弓根的中心来定义。2-DOF手术工具的机载指示器或监视器提供反馈，以允许用户将椎弓根螺钉在上-下平移、前-后平移(深度)和曲-伸角度上对准。机载指示器包括一个或多个发光二极管(LED)，用于当2-DOF手术工具与椎弓根平面对准时的直接视觉反馈，以及何时完成用于椎弓根螺钉依次推进和最终位置的深度感知。

附图说明

参考以下附图进一步详细说明本发明。这些附图并不旨在限制本发明的范围，而是说明其某些属性，其中：

图1A和1B分别示出了脊柱的分段和横截面视图；