[发明专利]两自由度系统和方法

说明书

提供了一种在患者体内沿着空间中的单线将销对准两自由度(2‑DOF)手持手术设备或在其中钻出通道的方法。相对于用于骨骼上的植入物或通道的期望位置来定义平面，其中植入物或通道具有轴线。将2‑DOF手术设备的末端效应器与平面对准重合，并且使2‑DOF手术设备侧到侧移动，直到当末端效应器与用于骨骼上的植入物或通道的期望位置的进入点对准时，第一指示器发出信号。将末端效应器的尖端在进入点处锚固到骨骼中，并且将2‑DOF手术设备围绕锚固的尖端旋转，直到当末端效应器在期望位置处与植入物或通道的轴线对准时，第二指示器发出信号。

技术领域

本发明一般涉及一种计算机辅助手术，更具体地，涉及一种用于沿着代表最佳和规划的轨迹的线而对准两自由度系统并且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

两自由度(2-DOF)手术系统非常适合将销对准在平面上或沿平面切割。然而，2-DOF手术系统缺乏将销沿着空间中的单线对准(或钻出通道)的自由度。对于钻出骨通道(ACL重建)或将螺钉(例如，用于脊柱的椎弓根螺钉)插入骨中来说，具有在线上对准2-DOF系统的能力是特别有优势的。剩余的自由度在该应用中负责设备上的监控器的视觉反馈和闪烁光发光二极管(LED)

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。

尽管已经得到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，仍需要系统改进以及一种使用2-DOF系统沿着空间中的单线将销对准(或钻出通道)的改进的方法。

发明内容