[发明专利]多椎体联合约束的椎弓根螺钉最优轨迹规划方法及装置

说明书

本发明涉及一种多椎体联合约束的椎弓根螺钉最优轨迹规划方法，包括如下步骤：确定每个椎体置钉的安全置钉区域，获取每个椎体上螺钉轨迹的入点范围；利用每个椎体上螺钉的入点范围，计算连接杆的最优形态；确定多轴钉钉帽的活动范围；利用椎体置钉的规避区域、连接杆位置及多轴钉钉帽的活动范围形成临床有效螺钉置入轨迹的约束条件，然后确定出每个椎体在联合约束条件下的椎弓根螺钉最优轨迹。本发明能够准确、快速的计算出椎弓根螺钉的临床有效三维置入路径。

技术领域

本发明涉及脊柱椎弓根螺钉置入技术领域，具体是关于一种多椎体联合约束的椎弓根螺钉最优轨迹规划方法及装置。

背景技术

图像引导(机器人辅助)椎弓根螺钉置入可以提高螺钉放置的准确性。与手动螺钉置入相比，图像引导(机器人辅助)螺钉置入具有更高的准确率。然而，目前的商业机器人导航系统普遍缺乏自动化。医生必须在CT或CBCT像上手动规划螺钉轨迹的方向和位置。

目前的螺钉轨迹规划主要是在CBCT图像上使用手动拖放策略来获得螺钉轨迹。此过程会中断工作流程并可能导致错误。因此计算机辅助规划方法成为一种可行的替代方案。例如从不同角度揭示了椎体骨密度和螺钉置入轨迹之间的关系，并根据相关关系规划螺钉轨迹。采用3D规划系统，通过CT图像衍生的骨力学性质或骨密度特性能来寻找和优化螺钉轨迹。根据CT图像和椎体几何特性优化螺钉轨迹，例如通过构建多角度投影并在投影面上标记规避区域的方法寻找最优螺钉轨迹。通过构建椎体和螺钉轨迹图谱然后将图谱配准到目标椎体上进行螺钉轨迹规划。基于椎弓根几何特征的椎体和椎弓根自动分割和轨迹规划方法。通过人工智能方法进行椎体分割和螺钉轨迹规划。

但实践中，通常需要同时处理多个椎体。在这种情况下，同侧螺钉需要与刚性的连接杆连接，以实现最终的目的。因此除了对单个椎体螺钉放置的约束外，还需要很好地理解同侧不同椎体螺钉之间的相互约束关系。但到目前为止，传统的螺钉轨迹规划方法都是针对单椎体的，未考虑多椎体约束的情况。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种多椎体联合约束的椎弓根螺钉最优轨迹规划方法及装置，该方法为多椎体联合置钉提供确定入钉点范围及连接杆设计所需的有效方法，能够准确、快速的计算出椎弓根螺钉的临床有效三维置入路径

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明所述的多椎体联合约束的椎弓根螺钉最优轨迹规划方法，包括如下步骤：

确定每个椎体置钉的安全置钉区域，获取每个椎体上螺钉轨迹的入点范围；

利用每个椎体上螺钉的入点范围，计算连接杆的最优形态；

确定多轴钉钉帽的活动范围；

利用椎体置钉的规避区域、连接杆位置及多轴钉钉帽的活动范围形成临床有效螺钉置入轨迹的约束条件，然后确定出每个椎体在联合约束条件下的椎弓根螺钉最优轨迹。

所述的多椎体联合约束的椎弓根螺钉最优轨迹规划方法，优选地，确定每个椎体置钉的安全置钉区域，获取每个椎体上螺钉轨迹的入点范围是通过以下方式实现的：

椎弓根螺钉最优路径为：

椎体置钉的安全置钉区域为：

其中，M是规避区域上的点，M₀为最优螺钉轨迹的入钉点；ρ为螺钉到规避区域的安全距离，且ρ＞0；为螺钉轨迹的单位方向向量；为特殊符号表示任意；

对公式(2)进行放射变换，使其简化为一个以最优螺钉轨迹为中心线圆柱体，具体为：

z²+Y²＝(d-ρ)² (4)