脊柱外科手术中椎弓根螺钉置入的改进方法

专利名称：脊柱外科手术中椎弓根螺钉置入的改进方法
技术领域：
本发明涉及脊柱外科手术技术领域，尤其涉及一种脊柱外科手术中精确确定椎弓根螺钉尺寸和置入位置的计算机控制或自动化方法。
背景技术：
将螺钉置入到人类脊柱是进行大多数脊柱外科手术的共有手术程序，其中典型的是将螺钉置入腰椎和荐椎单节脊椎体的椎弓根。由于该方法在生物力学效果上胜过其它固定方式，外科医生正不断扩展椎弓根螺钉置入脊柱的范围。然而，毗邻脊柱的是大量重要组织和器官，尤其是颈椎和胸椎区域，这些组织和器官对手术创伤的承受力很低，最后可能导致严重的发病率和/或死亡率。因此，大多数专注于椎弓根螺钉置入的研究都以改进保持螺钉在多骨(骨内)环境下的精确度为中心。
图像导航系统不断发展，并愈来愈多地用于帮助医生准确置入螺钉。将椎弓根螺钉置入人体脊柱的关键参数有螺钉的直径、长度、轨线和实际的置入位置。目前许多图像导航系统都是由人工确定这些参数以提高外科医生的手工置入螺钉的效果。到目前为止，还没有系统能为椎弓根螺钉准确置入自动确定椎弓根螺钉理想的直径、长度和轨线。本发明提供了这样一种技术，使医生可以利用开方的或经皮的技术将椎弓根螺钉置入，类似于飞行员利用计算机控制的航空技术驾驶飞机。
于2004年12月2日公开的美国专利申请早期公开第2004/0240715A1号涉及到了脊柱外科手术中确定椎弓根螺钉置入的方法和计算机系统，该方法中，首先确定最小的椎弓根直径，以确定最佳的椎弓根螺钉轨线以及利用最佳轨线确定每个椎弓根螺钉的最大直径和长度。二维横向切片数据堆叠形成三维数据点，通过线性最小二乘解确定符合这些数据的最佳轨线，要求最小二乘解能够通过所有最小横向椎弓根宽度。这一方法的不足之处在于它包括了偏离轨线的确定，尤其是歪曲的椎弓根剖析，使得确定的螺钉最大直径和长度都减小，导致了生物力学结构上的不足。与此相反的，本发明中改进了的新方法可通过最佳轨线的确定将轨线总是集中通过椎弓根，该最佳轨线是利用最小横截面区域(峡部)的中心点及用计算机在相反方向上画出该限制区域的法线的方法确定的，在下文中将进行更详细的描述。本发明的方法可以确定骨内置入的最大螺钉直径和长度。

发明内容
本发明利用三维图象和计算机或类似装置生成一表格，该表格提供了最大允许椎弓根螺钉的直径、长度、轨线的主要数据，还生成阐释各椎弓根的数据的示意图。医生利用这些数据通过以下方式之一进行实际骨内椎弓根螺钉的置入1.按医生优选的方法进行手工椎弓根螺钉置入；2.椎弓根基部圆周轮廓法并结合外科手术中的荧光透视法；3.自动椎弓根螺钉置入；或4.任何商业可用的配准软件(例如计算机断层摄影术/荧光透视法等)。
如果外科医生希望，本发明还可基于轨线进行骨外或椎弓根外进行椎弓根螺钉置入，该轨线始于前皮层附近相同的起点，但与外科医生期望的优选在切向上有一距离或角度。
本发明通过经椎弓根或在椎弓根周围法使进入脊锥体安全可靠，如锥体成形术、锥体后凸成形术或者锥体活组织检查。
此外，本发明还形成了一种新的研究工具，该工具可以提供适于所有脊柱的较小、较大直径或者普通尺寸的椎弓根螺钉。
本发明的方法包括以下步骤
1.首先取得所选的脊柱区域的计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、CT荧光透视或类似的二维成像法形成的二维图像。
2.通过CT、MRI或其它方法，或用任何其它适合的方法生成脊柱的真实尺寸的三维计算机图像。
3.计算机形成单个脊椎体的三维图像，然后用计算机或其它装置将其挖空，类似于一次经椎弓根锥体次切除，将其成为医生期望的规格，例如剩余的锥体皮层或椎根壁的皮层壁厚度。单节脊椎体被形象化为一种去芯的或被挖空的结构，使剩余的脊椎体全部壁通电的或照亮。
4.然后计算机根据外科医生优选的椎弓根皮层壁的直径确定任意给定椎弓根的最窄直径或横截区域(峡部)X，自动确定被置入螺钉的最大允许直径。
5.然后计算机生成一个从峡部X中心开始沿直线伸长的圆柱，该圆柱确定了理想的轴/轨线，并向例如垂直于椎弓根峡部所在平面的两相反方向延伸，这样就能尽可能地将该圆柱集中设置在椎弓根内部而不接触到通电的或照亮的皮层。所述的直线可以刺穿背部或后椎弓根皮层，这样就能延伸到病人的皮肤外至任意所期望的长度。所述直线在锥体内部延伸至与预先确定的前内部皮层壁为预定的距离时停止，该距离由外科医生选择，这样它就不会刺穿前外部皮层。
6.然后计算机以直线为中心在半径方向上扩展其至最终的最大直径，所述直径不超过根据外科医生优选的皮层壁厚度的定义的最窄椎弓根直径。这种同轴扩展最后形成一个明显的圆柱，当该圆柱外表面上任意一点都与除后侧椎弓根皮层外的通电的或照亮的内侧皮层壁接触时停止构建。然而，这种方法不能应用于毗邻已经存在的从峡部产生的直轨迹线的前皮层。
7.然后计算机通过测量圆柱的长度确定螺钉的长度，该圆柱始于预定的前内皮层，到其与背/后皮层的交叉点为止。为了使螺钉的置入更容易，圆柱可以延长到超过其与背/后皮层的交叉点。
8.然后计算机提供一个数据汇总表和一个理想化的示意图，所述数据汇总表显示了每个单个椎弓根的理想椎弓根螺钉的直径、长度和轨线。
9.然后根据最大椎弓根螺钉直径和长度，利用列表的数据确定椎弓根螺钉的生存能力，同样利用列表的数据按外科医生优选的方法进行椎弓根螺钉的置入。


图1a和1b分别是三维计算机图像的侧面和后面，该图像是通过对所选脊柱区域的脊椎体进行CT、MRI或其它研究方式而形成。
图2是从如图1a和1b所示的脊柱区域经人工切除后的单节脊椎体的三维计算机图像。
图3是一个挖空的单节脊椎体的计算机图像，显示了椎弓根内最窄直径或横截面区域(峡部)。
图4是一个挖空的单节脊椎体的计算机图像，显示了穿过峡部中心并沿相反方向延伸穿过后椎弓根皮层及前内皮层的直线。
图5是圆柱形成的示意图，该圆柱以穿过峡部中心的直线为中心轴，在半径方向上扩展而成。
图6a和6b分别是挖空的对称和不规则形状的单节脊椎体的示意图。
图7a和7b分别是直的和弯曲的椎弓根的峡部的示意图。
图8是挖空的脊椎体的示意图，显示了用于确定椎弓根螺钉长度的圆柱的长度。
图9是单节脊椎体的侧视图，显示了外科医生为椎弓根螺钉的安装而标记的单节脊椎体。
图10a是一个由计算机生成的数据汇总表，该表包括最大椎弓根螺钉直径和长度，还包括椎弓根螺钉相对于矢状面和横截面的轨线角度。
图10b是一个脊椎体的侧视图，显示了矢状面及图10a中轨线角度的性质。
图10c是一个脊椎体的平面示意图，显示了横截面及图10a中轨线角度的性质。
图10d是一个脊椎体的后视图，显示了冠状面及图10a中轨线角度的性质。
图11是计算机根据图10a中数据汇总表定义的理想椎弓根螺钉置入生成的示意图表，并展示置入面的冠状面轨线。
图12是最大可利用螺钉尺寸参数表，该表的数据与图10a中的数据汇总表的数据相对应，还包括椎弓根基部圆周轮廓线(冠状面)和椎弓根点A到点B的距离。
图13是计算机根据图12表中的数据生成的螺钉置入的示意图表。
图14a是一个脊椎体的侧视图，显示了峡部和椎弓根基部圆周。
图14b是一个脊椎体的平面示意图，显示了由计算机生成的在横截面和冠状面穿过椎弓根基部圆周的圆柱。
图14c、14d和14e分别是腰椎、胸椎和颈椎区域的脊椎体的平面图，显示了每个脊椎体中峡部和椎弓根基部圆周的关系。
图14f和14g是一个脊椎体的后视图，显示了用于在脊椎体中产生椎弓根螺钉定位孔的锥子的定位。
图14h显示了一个脊椎体两个对齐的后视图，并显示一个人工确定的通过椎弓根基部圆周中心的椎弓根螺钉方向线。
图15a、15c和15e显示了一个脊椎体在不同方位的后视图，并显示一计算机生成的通过其椎弓根基部圆周的椎弓根螺钉圆柱。
图15b、15d和15f分别显示了图15a、15c和15e所示脊椎体的侧视图。
图16是通过椎弓根T1、T2、T4和T5中心的CT轴视图，显示了与每个脊椎体在手术中的前后位荧光透视成像结合后的椎弓根形态、峡部和椎弓根定位孔进入点的确定。
图17a和17b是本发明中可调整锥子的不同实施例的侧视图。
图18a是单节脊椎体和椎弓根基部圆周在手术中前后位荧光透视成像的示意图。
图18b是计算机生成的脊椎体的三维图像的示意图，并显示了由计算机置入的椎弓根圆柱和椎弓根基部圆周。
图18c是图18a和图18b的配准图象示意图。
图19a是本发明的双环椎弓根螺钉排列装置的侧视图。
图19b是图19a所示装置的主视图。
图19c和19d单节脊椎体的平面视图，分别显示了经皮环境和开放的外科手术环境中双环椎弓根螺钉排列装置的使用。
图20是本发明的双环椎弓根螺钉排列装置另一实施例的主视图。
图21a和21b是分别本发明钻孔套管部分第一实施例的尾部的侧视图和主视图，该套管部分用于图19a和19b所示的双环椎弓根螺钉排列装置。
图22a和22b是本发明钻孔套管部分第二实施例的尾部的侧视图和前视图，该套管部分用于图19a和19b所示的双环椎弓根螺钉排列装置。
图23a是一个槽形外套管的立体图，该外套管与图19a和19b中双环椎弓根螺钉排列装置配套使用。
图23b是图23a所示的槽形外套管的主视图，双环椎弓根螺钉排列装置中的一个排列环置入其中。
图24是一个挖空的脊椎体的示意图，显示了不同的椎弓根螺钉轨线，其一具有中心的或理想的轨线，另一具有骨外或椎弓根外轨线，骨外或椎弓根外轨线偏离中心轨线。
图25是一个脊椎体的平面示意图，显示了依照本发明方法进行的椎弓根螺钉的安装。
具体实施例方式
本发明确定椎弓根螺钉的尺寸和置入位置的方法将在下文中进行详细描述。
步骤1首先取得选择的脊柱区域的计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、CT荧光透视法或类似的二维成像方法形成的二维图象。为了增加准确性和详细度，优选薄分割区段。
步骤2，根据步骤1的CT、MRI或其它任何适当的方法取得的图象制得如图1a和图1b所示脊柱的具有真实尺寸的三维计算机图像。
步骤3如图2所示的三维单节脊椎体然后用计算机挖空成外科医生期望的规格(例如剩余的椎体皮层或椎弓根壁的皮层壁的厚度)，类似于一次经椎弓根锥体次切除(eggshell transpedicular vertebral corpectomy)。这些规格允许不对称的厚度，例如，前椎体皮层可能厚五毫米，侧椎体壁厚七毫米，而椎弓根壁只有一毫米厚；或者椎体皮层壁一律五毫米厚，而椎弓根壁只有一毫米厚或者与此类似。该单节脊椎体可以被形象化为一种去芯的或被挖空的结构，使剩下的脊椎体可以一种合适的方式将其全部锥体壁通电(electrified)或照亮(highlighted)。
步骤4然后，计算机通过测量根据外科医生对椎弓根皮层壁的直径参数选择选定的椎弓根的最窄直径或横截区域(峡部)X，自动确定被置入螺钉的最大允许直径，如图3所示。
步骤5然后计算机生成一个从峡部X中心开始沿如图4所示直线10伸长的圆柱，该圆柱确定了理想的轴/轨线，并向例如垂直于椎弓根峡部所在平面的两相反方向延伸，这样就能尽可能地将该圆柱集中设置在椎弓根内部而不接触到剩下的皮层，在峡部中心形成支点。所述的直线可以刺穿背部或后椎弓根皮层，这样就能延伸到病人的皮肤外至任意所期望的长度。所述直线在锥体内部延伸至与预先确定的前内部皮层壁为预定的距离(例如5毫米)时停止，该距离由外科医生选择，这样它就不会刺穿前外部皮层并且还可以最大化螺钉直径，详后述。
步骤6如图5所示，然后计算机以直线10为中心在半径方向上扩展至其最终的最大直径，所述直径不超过基于外科医生优选的皮层壁厚度确定的最窄椎弓根直径。这种同轴扩展最后形成一个可见的圆柱12，当该圆柱外表面上任意一点都与除后侧椎弓根皮层外的内侧皮层壁接触时停止构建。形成的圆柱中心有起始直线10，该起始直线10可以用与圆柱12不同的颜色或模式来鉴别。如下文所述，圆柱12可以越过其与背/后皮层的交点，以便按下文所述的一种自动化方法将螺钉置入。
步骤7对于那些有不规则剖面的椎弓根，如图6b所示，或如图7b所示的弯曲的椎弓根或类似的畸形，允许的最大螺钉直径实际上小于最窄直径方法确定的直径，从而避免了椎弓根皮层壁破裂。
步骤8然后计算机通过测量圆柱12的长度确定椎弓根螺钉的长度，参阅图8，所述圆柱的长度是从靠近预定的前内侧皮层的点D到其与背/后皮层的交点A之间的距离。
步骤9然后计算机产生一个数据汇总表，如图10a所示，该表显示了每个单节脊椎体椎弓根的理想椎弓根螺钉的直径、长度和轨线(如图10b和10c所示，以相应的上端面20为参考面，轨线是通过测量横截面和矢状面相对参考面的角度而得)，还提供了图11所示的理想示意图。参阅图9，经医生鉴定的特殊的脊椎体被加上标签，然后计算机用医生确认的精确脊椎体标签自动标记剩下的脊椎体。
步骤10然后利用表格中的数据确定使用基于如图12所示的最大直径和长度的椎弓根螺钉的生存能力，所述数据同样被用来按外科医生的优选方法确定螺钉的置入。图12还提供了单节椎弓根基部从点A到B的圆周轮廓线(冠状轨线)及它们各自的长度。实际使用的螺钉尺寸是基于外科医生选用的商业上可用的螺钉。一旦外科医生在所选椎弓根螺钉系统内提供可用螺钉的尺寸范围，计算机就能自动确定并产生所述表格，同时产生一个理想化的前后位示意图(冠状)、带有图13所示数据的侧面和横截面图。此外，这个系统还为外科医生提供一种基本能力，即根据单节脊椎体基部选择不同于最大可用直径的直径，并且将这些变化并入到数据汇总表和图中。
步骤11-手工椎弓根螺钉置入然后，外科医生按他或她优选的方法，并利用理想化的示意图和汇总的数据完成椎弓根螺钉的置入。
步骤12a-椎弓根基部圆周轮廓法-人工确定这种方法利用解剖学中意义重大的X光照相技术拍摄的脊椎体图像来匹配如图10d和11所示的冠状面理想的椎弓根螺钉轨线。特别地，在标准的X光照片或荧光透视成像所看到的放射线密度圆周线与椎弓根基部圆周相符。椎弓根基部圆周B被定义为椎弓根壁和它过渡到脊椎体的皮层接合点。所述椎弓根基部圆周显然不同于椎弓根峡部，但是对于单节脊椎体而言，在某些情况下它们是同一个或非常接近，在图14a到14e中可以看到。
对于椎弓根基部圆周技术的人工利用，参阅图14b，首先利用相应的穿过椎弓根的横截面X光图像人工确定通过椎弓根峡部X的理想轨线。然后测量椎弓根峡部X，从而确定最大直径的椎弓根螺钉，轨线被用来确定椎弓根螺钉的最大长度。然后，如图14b所示，通过鉴别椎弓根壁到脊椎体的过渡确定椎弓根基部圆周B。最后，测量A到B的长度，并利用该长度校准合适的工具，例如下文所述的长度可变的锥子，所述A到B的长度对应于后皮层A上的起点到与椎弓根基部圆周B的交点之间的长度。如图14h所示，点A和点B应该关于椎弓根基部圆周从椎弓根基部圆周的顶部(头部)和底部(尾部)边缘集中。然后结合理想轨线和椎弓根基部圆周确定点A关于椎弓根基部圆周前后方向上的位置和点B在椎弓根基部圆周内部的位置。所述椎弓根基部圆周轮廓线具有类似于每个单节脊椎体的前后位X光图像的圆形外形。
对于椎弓根螺钉的人工置入，可以利用标准荧光透视单元排列各个单节脊椎体的上端面，使其平行于所述荧光透视图像。此外，当具有头部脊椎体的脊椎体上端面用对称圆盘空间荧光透视形象化时，及当脊椎体通过椎弓根基部圆周轮廓在荧光透视前后位图像上可以明显识别其距每个椎弓根的距离相等时，脊椎体居中放置。当每个脊椎体有不同的两个椎弓根时，例如天生畸形、瘤、骨折等，该居中放置依然可以进行。然后在荧光透视成像下，将一经适当校准的长度可变的锥子或其他合适的工具T从椎弓根定位孔的起点A插入相应的脊椎体的后皮层，并向椎弓根内推进至点B，参阅图14f和14g。这种置入在荧光透视下确定，并在与理想轨线对齐的直线上绘出A和B两点。工具T被重新调长，更进一步向脊椎体内部推进至点D或改用其他椎弓根探测锥或相似的工具。然后探测椎弓根内骨质的完整性，打开定位孔，具有适当直径和长度的椎弓根螺钉置入到脊椎体。
根据步骤12a，穿过椎弓根T1、T2、T4、T5中心的CT轴视图，如图16所示，结合在手术中每个脊椎体的前后荧光透视成像，展示了椎弓根形态、峡部和椎弓根定位孔进入点的人工确定。椎弓根螺钉的长度、直径和轨线已经确定。椎弓根基部圆周轮廓线由右下角圆代表，并被用来作为识别椎弓根定位孔进入点的一致性手术标记。例如，椎弓根T1和T2的起点A分别是大约2个和1.25个椎弓根基部圆周，如在手术中的前后位荧光透视成像上所见(圆内部用圆点显示)。椎弓根T4和T5的定位孔分别是0.9和0.8个椎弓根基部圆周。
步骤12b-椎弓根基部圆周轮廓法-半自动这种方法类似于步骤12a，除了点A和B与椎弓根基部圆周轮廓是由计算机在构建了椎弓根圆柱后确定的。然后这些数据汇总进图12。所述数据还包括矢向和横向轨线与上端面和中线的夹角度数。长度可变的锥子或其它工具，例如，可以适当调整到图12中的特定椎弓根距离A-B，并按照步骤12a中描述的方法在标准荧光透视图像下将螺钉置入。
步骤12c-椎弓根基部圆周轮廓法-全自动这种方法进一步扩展了本技术，可以实时成像和多个脊椎体形象化，呈现椎弓根螺钉置入情况。产生的数据与图12中的一样，除了椎弓根基部圆周轮廓和标识点A和B是动态的，也不要求如步骤12a和12b中要求的脊椎体居中放置或上端面平行于荧光透视成像。荧光透视成像的脊椎体通过任何适当的方法登记在计算机上，形成带有相应的计算机生成的椎弓根圆柱的脊椎体。然后点A和B被显现出来，如图15a、15c和15e中所示，显示了按图12更新的实时图像。长度可变的锥子或其它工具，例如，可以调整到大约适合每个单个脊椎体从点A开始推进到点B的长度。注意，任意合适的工具，如不可调整的锥子，可以按本发明方法不同于可调整的锥子使用。
步骤13-可调整的可变长度的锥子点A到点B的距离(图14b)，即后皮层到与椎弓根基部圆周的交点的距离，被用来设置可调整的长度可变的锥子的长度A到B，所述锥子用来在荧光透视成像下开设椎弓根定位孔。在椎弓根螺钉置入的一系列步骤中，形成该椎弓根定位孔是第一步，从计算机指出的识别起点A开始，一旦它完全固定，就产生椎弓根圆柱并将其推进到点B。
参阅图17a，锥子100包括一个用来插入锥子本体的射线可穿透的外套102，其末端开口，用来移动地支持射线不可穿透的锥子本体104。所述锥子100完全可以调整到与A到B的长度一致的长度，也可以设置以防止锥子进一步推进超过图14b和其它图中可见的任何距离A到B。
一旦A到B的距离在X光线成像中被确定，外科医生可以调整所述锥子点A到点D的任意长度，即图14b中最后的螺钉长度。这种锥子100最好具有能承受用槌棒或类似物敲打的结构，而其直径也足够窄用来穿透皮肤。为了便于显示深度，锥子本体104可以按固定的增量106用颜色或其他方式标记，如5毫米或10毫米。
锥子100外部末端具有用于敲打的坚固的头部108，还有合适的锁定装置110，如螺钉锁定装置，用来在相对于外套102的期望的位置锁定锥子本体104。所述锥子还有一个窗口112或其它标记，用来显示锥子本体104的位置或长度。图14f和14g显示了一个正在推进椎弓根内部开设螺钉定位孔的锥子。
图17b揭露了一个改进的可调整的锥子300，包括可插导管的或空的锥子本体304和一个具有中心孔309的头部308，这样一个导线311可以穿过头部和锥子本体304延伸至其内端。在定位孔用锥子300打通后，导线311可以留在定位孔中适当的位置，从而在后面的步骤中方便用它的位置为椎弓根螺钉的置入导航。
步骤14-双环排列装置对于在手术中自动置入椎弓根螺钉的方法，有用到具有真实尺寸的三维脊柱模型，该模型中具有计算机自动置入的椎弓根螺钉圆柱，所述圆柱定义了椎弓根螺钉的长度、直径和轨线。另外，还用到椎弓根基部圆周轮廓数据，以利手术中成像的记录。
手术中实时进行荧光透视检查，以准确记录单节脊椎体基部的三维模型。这种荧光透视的脊椎体成像被集中在监控器上，并由外科医生鉴别出特别的脊椎体(例如T2，T3等)。相应的具有真实尺寸的三维单节脊椎体模型与荧光透视图像配准，如图18a、18b和18c所示。上述步骤可以在如外科手术般的暴露的脊柱上进行或经由皮肤进行。
该配准是利用内部脊椎体骨性标记进行，这些标记是荧光透视成像中所见的椎弓根基部圆周，该圆周起于椎弓根皮层壁连接脊椎体的汇合处。如前文所述，这些椎弓根基部圆周形成圆形或是椭圆形，基于脊椎体相对于荧光透视成像中的旋转，可以改变其外形和平方面积。
然后，手术中的荧光透视图像和计算机生成的椎弓根基部圆周轮廓进行配准，通过确保轮廓线重叠和测量的平方面积相等及确保椎弓根间距离相等来获得配准的精确度。这种配准方法消除了将X光线成像标记锚定在病人骨骼上的要求，这种要求特别不利于经皮置入的应用。这种方法还允许一个脊椎体自由独立地向另一个脊椎体移动，来展示计算机产生的模型的符合性，所述方法在不稳定脊柱中尤其有用。外科医生在手术中确认椎弓根基部圆周的配准充分，以进行椎弓根螺钉的置入。所述方法允许计算机生成的模型增大或减小，以匹配手术中的荧光透视成像。
现在包括计算机生成的椎弓根基部圆周和椎弓根圆柱的完整的三维图像接着被投射到手术中的荧光透视成像上。如图19a和19b所示，计算机生成的椎弓根螺钉圆柱200穿过后皮层并凸出到病人体外，并被两个分离的同线环202、204截取及延伸穿过该同线环202、204。该环安装在一个配套的锚定在病床或其他支持物上(未显示)的支架206上，环的尺寸允许截取计算机圆柱图像和将锥子套管插入。第一个环202在靠近后皮层区域208或刚好在体外截取计算机椎弓根螺钉圆柱，而第二个环204在距第一个环202任意期望的距离处截取计算机椎弓根螺钉圆柱。两个环之间的距离越大，螺钉的置入就越准确。环202、204对计算机椎弓根圆柱的截取在计算机监控器上显示，展示环相对计算机椎弓根圆柱200移动。
图19c和19d分别显示了经皮环境和开放的外科手术环境中从脊椎体VB伸出并穿过环202、204的计算机生成的圆柱200和直线210。
椎弓根圆柱的截取发生在两个层面上。计算机椎弓根圆柱200中心线210及其外围圆柱组成，首先，环202、204需要被置于中心线210和椎弓根圆柱200中心。第二，环与脊椎体配准以便在计算机监控器上跟踪其移动，例如通过LED装置。第三，环的内部直径与计算机生成的椎弓根圆柱200的直径匹配。有多种具有不同直径的移动环可供外科医生期望的椎弓根螺钉系统利用。第四，为了与计算机生成的椎弓根圆柱的直径相匹配，环被构造成可以以任意合适的方式改变其直径，如图20所示，环202由可移动连接的部分212制成，该可移动连接的部分212可以旋转来改变环的直径的。计算机椎弓根圆柱与环的配准是在计算机监控器上被鉴别和确定的。
所述同线环202、204现在形成了一个用来放置钻孔套管214的通道(图21a和21b)，该钻孔套管也被固定在支架206上。在钻孔套管214内设有一个坚固的套管元件216(图21a和图21b)或一个特别的内部套管元件218(图22a和22b)，该特别的套管元件内具有多个窄小的可移动的纵向平行的金属杆220，其中心开口可以放置锥子。这些金属杆220可以让内部套管元件218平稳地放置在不平坦的表面上。这种特征在后皮层钻孔区域提供了额外的稳定性以避免钻子被拴牢。另外，特别的内部套管元件218允许这些金属杆缩回，从而荧光透视可以清楚的呈现椎弓根内部的钻孔过程。外科医生可以使用任一种方式。
然后椎弓根被钻孔至所期望的预先校准的深度，不会超过预定的椎弓根螺钉的长度。然后用椎弓根探测器探测椎弓根以确保骨质的完整性。
实际的螺钉置入中，一种特别的槽形外套管230(图23a和23b)被置于与同线环202、204同一条直线上。这种槽形外套管230也连接在支架206或其他锚定装置上。然后旋转所述环大约90度(未显示)并从槽形外套管230上收回。槽形外套管的可调整的内部直径足以容纳任意具有螺纹和变化的头部的椎弓根螺钉。适当的椎弓根螺钉(未显示)被放入承载它的螺丝起子，置入槽形外套管，然后置入各自的椎弓根。
对于改进的可调整的并列环，如图20所示，图23a中的槽形外套管230可以选择使用，环202、204可以留在一定的位置并被调整至一个完全开放的位置从而让螺丝起子可以插入并通过。
步骤15现在有商业可利用的软件包能够将病人手术前的三维脊椎图像与手术中荧光透视图像在手术中配准。这种功能与本发明的方法相结合，可以提供汇总的数据资料和理想化的图表。后面的信息将为实际椎弓根螺钉的置入提供基础，这如前文所述或根据医生的优先选择。
步骤16有些外科医生宁愿从骨外或椎弓根外置入螺钉，那是因为椎弓根螺钉的尺寸太小，难以提供可以利用的螺钉尺寸，对于这些医生来说，计划用奇怪的螺钉置入大的椎弓根或计划用与剖面轴相对的直头螺钉植入，也可以用本发明的方法。本发明是这样实现获取所有理想化的数据，然后由外科医生偏移椎弓根定位孔进入口，该偏移是从理想轨线的正切方向偏移任意期望的距离，也就是说，前螺钉位置在枢轴点D，计算机椎弓根圆柱12从该点产生，如图24所示。此外，这些变化将被自动记载，并结合这些变化产生新的理想化的前后视图、侧视图和轴视图。不管是用椎弓根基部圆周方法，还是用自动排列方法，还是用商业上可用的CT/荧光透视配准法，都可以用这些数据进行螺钉的置入。对于椎弓根基部圆周方法，定位孔的长度被定为可以让合适长度的锥子或其他工具置入。
作为一个实施例，图25显示了用螺丝起子22或类似工具安装椎弓根螺钉20的示意图，椎弓根螺钉穿过峡部X中心。
所述的本发明的方法的许多步骤都是计算机产生的，值得注意的是，任何合适的设备或装置都可以用来实现本发明方法的这些步骤。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
权利要求
1.一种在所选脊柱区域进行外科手术中确定椎弓根中置入螺钉的尺寸和位置的方法，其特征在于，包括用计算机生成所选脊柱区域脊椎体的真实尺寸的三维图像；用计算机挖空三维图像中的脊椎体，其皮层壁具有由执行外科手术的外科医生选择的厚度，从而单节脊椎体被形象化为一种挖空的结构，剩余的脊椎体其壁全部被照亮；用计算机根据外科医生选择的椎弓根皮层壁的厚度确定每个椎弓根的最窄直径或峡部；用计算机生成一直线，该直线从峡部中心开始，并向相反方向延伸，该直线集中在椎弓根内，而不与照亮的壁接触，所述直线在脊椎体内部距前内皮层壁预定的距离处终止，并沿相反方向向外延伸而穿过后椎弓根皮层；用计算机以直线为中心将其扩张至一直径，该直径不超过基于外科医生选择的椎弓根皮层壁厚度确定的峡部直径，所述直线扩张成一个圆柱，当圆柱任一部份接触到脊椎体的照亮的除后椎弓根皮层外的内部皮层壁时，圆柱停止扩大；用计算机确定圆柱从其与前内皮层壁间隔开的最内端到其外端与后椎弓根皮层接触的交点的长度；及用计算机根据所生成的每个椎弓根的圆柱的尺寸和轨线计算理想椎弓根螺钉的直径、长度和轨线。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于首先生产所选脊柱区域的二维图像，然后用计算机生成三维图像。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述二维图像是用计算机断层扫描(CT)、磁共振扫描(MRI)、荧光透视法或类似成像方法生成的。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述二维图像是薄分割区段的，从而更准确和详细。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述峡部中心是所述直线的支点。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于计算机产生一数据汇总表，显示每个脊椎体的理想椎弓根螺钉长度、直径和轨线。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于以每个脊椎体椎弓根的上端面作为参考面，所述轨线是以横截面和矢状面相对参考面的角度而测量得的。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于用计算机生成示意图，显示每个脊椎体理想的椎弓根螺钉的长度、直径和轨线。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于用计算机根据可利用的螺钉来确定螺钉的尺寸。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括脊椎体上在椎弓根基部之间的接点处的椎弓根基部圆周标识，使在手术中进行荧光透视前后位成像扫描与手术前计算机为确定椎弓根螺钉置入和基于椎弓根基部圆周轮廓线的测量生成的三维图像相结合。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于还包括根据预定螺钉轨线将椎弓根基部圆周轮廓线向外投影到后椎弓根皮层的表面，以标识后皮层上的螺钉的起点。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于在手术中荧光透视图像上对应椎弓根基部圆周生成一圆，通过观察与所述圆和后皮层的相对位置来确定椎弓根螺钉定位孔。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于手术中实时荧光透视成像以与每个脊椎体的三维图像配准。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于对于奇形螺钉的置入，所述椎弓根螺钉定位孔通过理想圆柱轨线的切向旋转而偏移，旋转轴是毗邻前内皮层壁的圆柱的最内端。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述生成的直线和圆柱一部分延伸超过后椎弓根皮层，以利手术中椎弓根螺钉的自动置入。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述生成的延伸超过后椎弓根皮层的直线和圆柱被一对间隔的同线环截取并延伸穿过该对同线环，该对同线环安装在由病床或其他支持物支持的支架上，其中一个环置于后椎弓根皮层附近，另一个环与该环向外隔开，所述的环具有大致与穿过其中的圆柱的直径相等的内部直径，所述环为钻孔套管或其他类似工具导航，从而在椎弓根内形成一个与生成的圆柱对应的的供椎弓根螺钉插入的螺钉定位孔。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于所述环是活动安装在所述支架上。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述环是可移除地安装在所述支架上。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于所述每一环都可调整改变其内部直径。
20.如权利要求16所述的方法，其特征在于一钻孔套管插入并穿过所述环，钻孔套管具有一个活动支撑钻孔元件的中心纵向开口。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于所述钻孔套管安装在病床或其他支持物上，并具有内部套管元件，活动支撑钻孔元件。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于所述内套管元件包括相互间隔的、平行的、纵向延伸的及可移动的杆，并形成钻孔元件的中心开口，所述杆可延伸超过钻孔套管的内端，从而在不平坦的表面提供稳定的支持。
23.如权利要求20所述的方法，其特征在于所述环可移动安装在所述支架上，椎弓根内的螺钉定位孔钻好后，钻孔套管移除，具有纵向槽的第二套管装于所述环的外部，并固定于所述支架，从而其纵向轴与生成的圆柱的纵向轴对应，所述圆柱穿过所述环，所述环从所述第二套管移除后，所述第二套管用作引导螺钉置入椎弓根。
24.一种用于开孔的可调整的锥子，该孔供螺钉或其他装置插入椎弓根或身体其他部分，其特征在于所述锥子包括一端开口的长形外套及活动安装在所述外套内的长形锥子本体，，所述锥子本体可以伸长越过所述外套开口端从而改变锥子的长度，所述锥子还包括锁定装置，将所述锥子本体锁定在相对所述外套选定的位置，所述锥子本体上设有标记以显示其相对所述外套的位置。
25.如权利要求24所述的可调整的锥子，其特征在于所述外套是射线可穿透的，而所述锥子本体是射线不可穿透的。
26.如权利要求24所述的可调整的锥子，其特征在于所述锥子本体上的标记是彩带式的以便于观察。
27.如权利要求24所述的可调整的锥子，其特征在于所述外套具有可供观察所述锥子本体上的标记的窗口。
28.如权利要求24所述的可调整的锥子，其特征在于所述外套在其与开口端相对的末端有一个坚固的头部，所述头部构造成适于合适的工具敲打的结构，以在椎弓根或身体其他部位形成孔。
29.如权利要求24所述的可调整的锥子，其特征在于所述锥子本体具有沿中心纵向延伸并贯穿其中的通孔，所述外套之与所述开口端相对的另一端有一中心孔，所述外套中心孔与所述锥子本体通孔纵向对齐，一导线穿过所述锥子本体和外套的通孔和中心孔延伸至所述锥子本体的外端，从而，在锥子移出其所开的孔后，所述导线留在孔中标识该孔，以便螺钉或其他装置的置入。
30.一种在所选脊柱区域进行外科手术中确定椎弓根中置入螺钉的尺寸和位置的方法，其特征在于，包括生成所选脊柱区域脊椎体的真实尺寸的三维图像；挖空三维图像中的脊椎体，其皮层壁具有由执行外科手术的外科医生选择的厚度，从而单节脊椎体被形象化为一种挖空的结构，剩余的脊椎体其壁其壁全部被照亮；根据外科医生选择的椎弓根皮层壁的厚度确定每个椎弓根的最窄直径或峡部；形成一条从峡部中心开始并向相反方向延伸的直线，该直线集中在椎弓根内，而不与照亮的壁接触，所述直线在脊椎体内部距前内皮层壁预定的距离处终止，并沿相反方向向外延伸而穿过后椎弓根皮层；以所述直线为中心将其扩张至一直径，该直径不超过基于外科医生选择的椎弓根皮层壁厚度确定的峡部直径，所述直线被扩张成一个圆柱，当圆柱任一部份接触到脊椎体的照亮的除后椎弓根皮层外的内部皮层壁时，圆柱停止扩大；确定圆柱从其间隔前内皮层壁的最内端到其外端与后椎弓根皮层接触的交点的长度；及根据生成的每个椎弓根的圆柱的尺寸和轨线计算理想椎弓根螺钉的直径、长度和轨线。
全文摘要
一种在所选脊柱区域进行手术中确定椎弓根中置入螺钉的尺寸和位置的方法包括用计算机产生一个所选脊柱区域脊椎体真实尺寸的三维图像；用计算机挖空三维图像中的脊椎体，其皮层壁厚度由做手术的医生选择；用计算机确定每个椎弓根的最窄截面(峡部)；用计算机产生一条从峡部中心开始并沿相反方向延伸的直线，该直线集中在椎弓根内不接触其内壁，该直线在脊椎体内到距前内皮层壁预定的距离停止并反向延伸刺穿后椎弓根皮层；用计算机以直线中心将其径向扩张，截面积小于峡部面积，所述直线被扩张成一个圆柱，当其任一部分接触挖空的脊椎体的除后椎弓根皮层外的内皮层壁时停止扩张；用计算机根据生成的每个椎弓根圆柱的尺寸和轨线计算理想椎弓根螺钉直径、长度和轨线。
文档编号A61B17/88GK1960680SQ200580005451
公开日2007年5月9日 申请日期2005年2月18日 优先权日2004年2月20日
发明者赫克托·O·帕切科 申请人:赫克托·O·帕切科