两自由度系统和用于脊部应用的方法技术方案

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。

Two degree of freedom system and method for ridge application

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】两自由度系统和用于脊部应用的方法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。
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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专利技术。这些附图并不旨在限制本专利技术的范围，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；图2是插入患者脊柱中的椎弓根螺钉的现有技术X射线图像；图3描绘了根据本专利技术的实施例的用于执行在患者脊柱中植入椎弓根螺钉；图4A和4B描绘了在手术系统中使用的手术设备；图5示出了根据本专利技术的实施例的椎弓根螺钉在患者脊柱中的植入；图6A和6B描绘了根据本专利技术的实施例的关节连接销/螺钉驱动器设备的横截面，其中图6A描绘了具有处于缩回状态的销/螺钉的设备，图6B描绘了具有处于伸展状态的销/螺钉的设备；图6C是示出了根据本专利技术实施例的销/螺钉驱动器设备的工作部分的多个部件的爆炸图；图7A和7B描绘并示出了根据本专利技术的实施例的附接到销-驱动器设备的骨骼稳定构件及其使用；图8A和8B描绘了根据本专利技术实施例的包围工作部分的部分外壳；和图9A和9B描绘了根据本专利技术实施例的包围工作部分的完整外壳。具体实施方式本专利技术可用作一种方法和系统，以帮助外科医生有效且精确地将椎弓根螺钉定位穿过患者脊柱的椎弓根。在一些实施例中，本专利技术的方法和系统的实施例利用两自由度(2-DOF)设备来帮助外科医生在对准术前规划的最佳轨迹的同时在期望的位置和方向上将椎弓根螺钉对准并穿过目标椎弓根。用于椎弓根螺钉放置的本专利技术方法和系统的实施例可以使用视觉反馈或其他机构来提供剩余的相关自由度上的对准。在特定实施例中使用手持式致动器有助于避免当钻子通过手持式致动器使用时(例如当使用机器人握持钻子引导装置时)由于钻子引导装置的意外机械偏转而导致关键方向不准确的可能性。该方法和系统对于脊部融合尤其有利，并且用于矫正畸形，和/或治疗脊柱的创伤，然而，应当理解，其他医学应用可以利用本文公开的主题，例如高胫骨截骨、脊部重建手术、以及其他需要精确放置螺钉植入的程序。本专利技术的各种实施例的以下描述并非旨在将本专利技术限制于这些特定实施例，而是使得本领域技术人员能够通过其示例性方面来制造和使用本专利技术。在本专利技术方法的实施例中，获取患者脊柱的图像。通过计算机断层摄影扫描仪、磁共振成像扫描仪、荧光透视、超声或其他体内询问扫描技术，可以在术前或术中容易地收集这些图像。然后生成脊柱的二维正交平面图像或生成的3-D模型，并用于在脊柱的椎弓根上为每个待植入的椎弓根螺钉定义椎弓根平面。然后确定沿着椎弓根平面待植入的每个椎弓根螺钉的轨迹。在本专利技术的特定实施例中，椎弓根平面通过椎弓根的中心在内-侧(medial-lateral)方向上和内-外旋转中被定义。这确保了2-DOF设备占据了椎弓根的最窄的区域(内-侧距离)。在2-DOF手术工具的实施例上的机载指示器或监视器可以提供同时反馈，以允许使用者实时地将椎弓根螺钉在上-下平移，前-后向平移(深度)和曲-伸角度(矢状平面中的旋转角度)上对准。应当注意，相对于患者解剖结构上任何术前图像和参考标记(例如，不透射线标记、基准标记、基准标记阵列、机械跟踪探针或其组合)的患者解剖结构的术中配准(registration)通过传统方式来进行，说明性地包括二维/三维(2D/3D)荧光、结构光或表面点配准。然后，2-DOF设备可以相对于解剖结构正确地定位椎弓根平面，并且还可以实时调整设备位置以适应例如来自呼吸或心输出量的较小的患者动作。关于规划而言，使用者可以在椎弓根上定位三个内-侧(M-L)中心点以定义椎弓根平面。然后，使用者可以相应地规划剩余的DOF，或者对于剩余的DOF使用与传统导航系统相像的实时视觉渐进反馈。本专利技术实施例中使用的2-DOF设备的实施例可以被配置为钻出用于椎弓根螺钉的导孔(pilothole)，并且随后将椎弓根螺钉驱动到椎弓根中。当设备以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过两自由度(2-DOF)手术设备将椎弓根螺钉手术植入患者的方法，所述方法包括：/n获取对象的脊柱的图像；/n生成所述脊柱的二维正交平面图像或生成的三维模型；/n在所述脊柱的椎弓根上为每个待植入的所述椎弓根螺钉定义椎弓根平面；和/n确定沿着所述椎弓根平面待植入的每个所述椎弓根螺钉的轨迹。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170321 US 62/474,3131.一种通过两自由度(2-DOF)手术设备将椎弓根螺钉手术植入患者的方法，所述方法包括：
获取对象的脊柱的图像；
生成所述脊柱的二维正交平面图像或生成的三维模型；
在所述脊柱的椎弓根上为每个待植入的所述椎弓根螺钉定义椎弓根平面；和
确定沿着所述椎弓根平面待植入的每个所述椎弓根螺钉的轨迹。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述椎弓根平面是参照所述椎弓根在内-侧方向和内-外旋转中定义的。


3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
使用提供反馈的2-DOF手术工具的机载指示器或监视器以允许用户将所述椎弓根螺钉在上-下平移、前-后平移(深度)和曲-伸角度上对准。


4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述机载指示器存在并且包括一个或多个发光二极管(LED)，用于当所述2-DOF手术工具与所述椎弓根平面对准时以及当对于椎弓根螺钉依次前进和最终位置的深度感知完成时的直接视觉反馈。


5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述车载指示器存在并且包括闪烁箭头。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述图像在术前或术中获取。


7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，还包括：
通过所述患者上的参考标记和二维或三维(2D/3D)荧光、结构光或(2D/3D)表面点配准而将所述脊柱与所述图像配准。


8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，通过在所述椎弓根上定位三个内-侧(M-L)中心点来定义每个所述椎弓根平面。


9.根据权利要求1所述的方法，其中，通过在期望的位置和定向上虚拟地将虚拟椎弓根模型放置在所述脊柱的3-D生成的模型中来定义所述椎弓根平面，其中，相对于所述3-D生成的模型放置的所述虚拟椎弓根螺钉模型用于定义所述椎弓根平面。


10.根据权利要求9所述的方法，其中，通过向上或向下平移所述虚拟椎弓根螺钉模型的纵轴或所述虚拟椎弓根螺钉模型上的点中的至少一个，同时约束全部其他自由度，从而来进一步定义所述椎弓根平面。


11.根据权利要求1所述的方法，还包括：
通过所述2-DOF手术设备钻出导孔；和
在所述椎弓根平面的位置和定向上驱动一个所述椎弓根螺钉进入所述椎弓根。


12.根据利要求11中任一项所述的方法，其中，所述2-DOF手术设备由机器人操作。


13.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔尔·祖哈斯，斯坦·G·沙拉耶夫，
申请(专利权)人：思想外科有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US