用于在骨骼中放置医疗设备的系统和方法与流程

相关申请

本申请主张于2015年4月10日提交且题为“systemandmethodforpediclescrewplacementinvertebra”的在先提交的临时专利申请美国申请第62/145,686号、以及于2015年2月13日提交且题为“systemandmethodforpediclescrewplacementinvertebra”的在先提交的临时专利申请美国申请第62/116,345号的益处和优先权，并且通过全文引用将二者的内容并入本文。

本公开通常涉及医疗系统。更具体地，本公开涉及一种生成有助于手术器械的对准和定向(orientation)以用于将医疗设备插入骨骼中的输出的电子设备。在一个实施方式中，手术器械用于在椎骨中创建导向孔，用于以精确定向(诸如，横断角，矢状角或任何其它角)接收椎弓根螺钉。

背景技术：

经历了诸如脊柱融合的某些程序的患者可能将椎弓根螺钉放入他们的椎骨中。椎弓根螺钉通常通过椎骨的椎弓根植入到椎骨中。一旦通过骨皮质创建了导向孔，就使用探针来创建椎弓根螺钉将被放置到椎骨中所通过的路径。以正确的角度放置椎弓根螺钉帮助确保机械合理构造并避免对周围结构(诸如，脊髓、神经根和血管)的伤害。螺钉的定向可以在两个平面中描述：(1)横断面，其在人直立的情况下平行于地面；以及(2)矢状面，其将人分为左半部和右半部。

为了辅助外科医生恰当地将椎弓根螺钉放置和定向在椎骨中，已经使用了各种机器。然而，这些机器通常是昂贵且庞大的，从而减少了具有用于辅助外科医生恰当地放置和定向椎弓根螺钉的合适器械的可用手术套件(suit)的数目。因此，需要医疗技术的进一步发展，以便实现向外科医生提供期望级别的辅助的体积更小、划算的设备。

技术实现要素：

提供本“发明内容”部分以介绍下面在“具体实施方式”部分中进一步描述的一系列概念。本“发明内容”部分并非旨在标识所主张权利的主题的关键或基本特征，也不旨在用于帮助限制所主张权利的主题的范围。

本文公开的方法包括：模拟模拟手术硬件装置(installation)在骨骼的诊断表示上的插入点和定向，然后通过指示电子设备的定向何时处于模拟定向的阈值内，使用电子设备来对准用于通过骨骼的插入点以期望定向插入手术硬件装置的仪器。

本文公开的装置用于确定用于在骨骼中插入医疗设备的仪器的定向。该装置包括具有定向传感器和处理器的电子设备。处理器被配置为模拟医疗设备在骨骼的图像中的插入，以确定医疗设备的相对于骨骼平面的期望插入角度，使用定向传感器确定电子设备的相对于该平面的定向，并且当电子设备的定向使得电子设备位于医疗设备的相对于该平面的期望角度附近时输出通知。

另一方法方面涉及一种用于验证仪器的插入角度以确定椎弓根螺钉在椎骨中的正确角度的方法。该方法包括将装置的轴与椎骨在其表示中的矢状面、横断面和冠状面中的至少一个对准。该方法还包括捕获椎骨的表示的图像、以及在显示器上生成角度指示线，其中角度指示线响应于装置的旋转和定向而调整，并且当装置处于正确的角度时提供通知，所述正确的角度是在装置的轴与矢状面、横断面和冠状面中的至少一个之间的期望角度。

另一方面涉及一种用于指示用于在椎骨中容纳椎弓根螺钉的管道的插入矢状角的系统。该系统包括图像获取单元、定向传感器、显示器和处理器。处理器被配置为使用图像获取单元获得椎骨的横断面中的横截面视图的图像，并且测量系统的定向并校准该定向以与椎骨的矢状面、横断面或冠状面对准。处理器还被配置为接收管道的插入矢状角、横断角或冠状角、以及管道相对于椎骨的初始位置的定义，并且在显示器上生成角度指示线，其中所述角度指示线响应于系统的旋转而旋转，并且当系统的至少一部分近似地在装置的轴与椎骨的矢状面、横断面或冠状面之间形成所述插入矢状角、横断角或冠状角时提供通知。

附图说明

为了更全面地了解本发明的各个实施例及其优点，现在参考以下结合附图、附录和详细描述的简要描述，其中相同的附图标记表示相同的部分，以及其中：

图1图示了相对于患者身体的矢状面、额状面和横断面的定义；

图2a图示了在相应导向孔中安装有椎弓根螺钉的椎骨的横截面视图；

图2b图示了用于安装椎弓根螺钉的椎骨的示例侧视图；

图2c图示了用于安装椎弓根螺钉的椎骨的示例后视图；

图3a呈现了根据实施例用来定义和验证导向孔的矢状角的装置的示意图；

图3b图示了用于定义椎骨中的导向孔的矢状角的示意图；

图4a图示了在一些实施例中用于定义椎骨的矢状角的医疗操作系统的示意侧视图；

图4b图示了在一些实施例中用于定义椎骨的矢状角的医疗操作系统的示意前视图；

图5a图示了根据本公开的一个或多个实施例的确定用于在骨骼中插入医疗设备的仪器的定向的方法的示例流程图；

图5b、5c和5d图示了根据本公开的一个或多个实施例的分别用于指示矢状角、横断角和冠状角的方法的示例流程图；

图6a-6d图示了用于计算机实施的程序执行图5a-5d所示的方法的示例用户界面，其中，图6a图示了用于选择患者的椎骨的界面，图6b图示了将装置的纵轴与矢状面对准，图6c图示了定义椎弓根螺钉的位置及其矢状角，并且图6d图示了生成用于示出装置的纵轴与矢状面之间的角的角度指示线；

图7图示了图5b或5c所示的对准方法的示例应用；并且

相同的元件用相同的附图标记指示。

具体实施方式

在下面的详细描述以及附图和附录中，阐述了许多具体细节以提供对本公开的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，在某些情况下，本公开可以在没有这样的具体细节的情况下实践。在其它情况下，已经以示意图或框图形式图示了众所周知的元件，以免以不必要的细节混淆本公开。此外，对于大部分，具体细节等已经被省略，因为这些细节不被认为是获得对本公开的完全理解所必要的，并且被认为在本领域普通技术人员的理解之内。

还注意，除非另有说明，否则本文所述的所有功能可以以硬件执行或者作为用于使得计算机、无线电设备或其它设备能够执行预定的操作的软件指令来执行，其中软件指令体现在计算机可读存储介质(诸如ram、硬盘驱动器、闪存或本领域普通技术人员已知的其它类型的计算机可读存储介质)上。在某些实施例中，计算机、无线电设备或其它设备的预定操作由诸如计算机或电子数据处理器的处理器根据诸如计算机程序代码的代码、软件、固件、以及在一些实施例中被编码以执行这样的功能的集成电路来执行。此外，应理解，本文描述为由用户执行的各个操作可以是由用户手动执行的操作，或者可以是用或不用由用户提供的指令执行的自动化处理。

本公开描述了一种系统和计算机实施的方法，用于指示在用于钻取用于容纳椎弓根螺钉的导向孔(本文也称为管道)的导引方向与诸如矢状面的参考平面之间形成的角。

可以实施所公开的系统和方法以导引椎弓根螺钉以期望角度插入。期望角度可以是横断角、矢状角或任何其它角。在一些实施例中，该处理可以包括导向孔的创建。

图1图示了相对于身体部分100的矢状或正中面110、冠状或额状面120以及横断或水平面130，患者的身体部分100位于矢状面110、冠状面120和横断面130的交点处。每个平面彼此正交。在下面的公开中讨论椎骨(或其它身体部分)时，参考矢状面、冠状面和横断面。应理解，当提到这些平面时，它们并非旨在作为对图1所示的具体矢状面、冠状面和横断面的参考，而是作为参考来说明相对于正在讨论的具体椎骨的定向或位置。

图2a图示了在相应导向孔220中安装有椎弓根螺钉210的椎骨205的横截面视图(即，顶视图)200。驱动器230可用于将椎弓根螺钉210旋入导向孔220中。图2b图示了椎骨的侧视图(即，侧视图)250，而图2c图示了椎骨的后视图270。以下讨论集中在利用由所公开的方法导引的工具恰当地创建导向孔。

图3a呈现了用于定义和验证导向孔或管道(诸如图2的导向孔220)的角度的装置300的示意图。装置300具有在一些实施例中用于对准装置300来捕获图像的轴305(诸如纵轴)。装置300包括用于捕获椎骨的图像310的图像获取单元320。在一些实施例中，图像310可以通过将装置300和/或图像获取单元320定位为平行于横断面、矢状面或冠状面而获得，以获得椎骨的图像。

在一些实施例中，图像获取单元320可以是具有足够的视场360的相机，以将装置300的轴305与期望平面恰当地对准。在一些实施例中，轴305代表相对于被捕获的图像横向居中的垂直线。例如，如果期望图像旨在从横截面顶视图捕获椎骨(例如，参见图2a)，则轴305与矢状平面(即，对于椎骨为矢状的平面)对准，并且图像获取单元320被定位为平行于横断面以捕获图2a所示的椎骨的自顶向下视图。如果期望图像旨在从侧视图捕获椎骨(例如，椎骨的侧面图像，参见图2b)，则轴305与横断面(即，横向于椎骨的平面)对准，并且图像获取单元320被定位为平行于矢状面。如果期望图像旨在从后视图或前视图捕获椎骨(参见例如图2c)，则轴305与矢状面对准，并且图像获取单元320被定位为平行于冠状面。

在一些实施例中，图像310可以是经处理的图像，例如，在屏幕上显示的图像、胶片或打印的照片。在其它实施例中，图像获取单元320可以直接使用从诸如射线照片、计算机断层摄影(ct)扫描仪或磁共振成像(mri)机器的外部机器(未示出)获得的图像。

定向装置330可操作以检测移动、定向和位置的变化。在一些实施例中，定向装置330包括陀螺仪332、惯性测量单元334和加速度计336中的至少一个。陀螺仪332可操作以测量至少一个旋转轴，例如，平行于矢状面与冠状面的交点的轴。在其它实施例中，陀螺仪332包括多于一个感测旋转轴，诸如，三个旋转轴，用于检测定向的变化。惯性测量单元334可以检测基数坐标系中的一个或多个方向上的位置的变化。加速度计336可以检测基数坐标系中的一个或多个方向上的速度的变化。在一些实施例中，来自定向装置330的所有部件的数据用于计算定向和位置的连续动态变化。

在一些实施例中，装置300还包括输入部件340，其可操作以接收用户输入以及椎弓根螺钉的插入位置和表示插入方向的期望角度。根据图6a-6d呈现用户输入部件340的示例图示。在一些实施例中，输入部件340可以包括多点触摸屏、计算机鼠标、键盘、触敏垫或任何其它输入设备。

在一些实施例中，装置300还包括处理器350。处理器350可以是能够进行基本计算并且能够执行程序、软件、固件或计算机科学领域中公知的任何应用的任何处理单元。如将解释的是，处理器350可操作以在显示器上输出表示装置定向的角度指示线。在一些实施例中，角度指示线提供了装置300的定向近似地形成期望角度的注释。角度指示线不限于示出矢状角，而是也示出诸如冠状面或横断面的不同平面中的角度。

在一些实施例中，装置300还可以包括存储器存储单元352和网络模块354。存储器存储单元352可以是硬盘驱动器、随机存取存储器、固态存储器、闪存或任何其它储存设备。存储器存储单元352保存与至少操作系统、应用和患者简档相关的数据。网络模块354允许装置300与外部器械以及通信网络通信。

在一些实施例中，装置300还包括显示器360。在一些实施例中，显示器360是用于多点触摸屏的液晶显示器。在一些实施例中，显示器360向用户示出角度指示线，并且当装置与预定义的期望角度近似地对准时提供通知。例如，该通知可以包括向用户通知轴305已经达到期望角度或处于期望角度的可接受范围内的突出显示的线。

简要地参考图7，在一些实施方式中，装置300还包括附接支撑件或机构，其允许装置300附接到医疗器械例如以用于创建导向孔，如图7所示。附接机构700可以由塑料、不锈钢、钛或任何其它材料构成。附接机构700通过例如提供附接到装置701并被配置为连接到器械702的壳体来将装置300耦接到器械702。在一些实施例中，附接机构700可以包括用于将装置300耦合到器械702的磁性附接装置。附接机构700允许装置300提供对所附接医疗器械702的定向的实时测量和显示。

图3b图示了用于定义椎骨205中的导向孔220的矢状角370的示意图。图像获取单元320的视场360允许用户将装置300的轴305与期望平面(例如，矢状面)对准。在图3b所示的实施例中，矢状角370是导向孔220的中心轴365与矢状面之间的角。

图4a图示了医疗操作系统400的示意侧视图，医疗操作系统400可以在一些实施例中用于定义图3a和3b所示的椎骨的矢状角370。医疗操作系统400包括用于捕获椎骨205的横截面视图的机器410。机器410可以是例如ct扫描仪或mri机。在如图4b所示拍摄图像之后，患者108离开机器410。

图4b图示了在横断面中拍摄的医疗操作系统400的示意前视图450，用于定义椎骨205的矢状角370。应当为钻导引架455精确地定义导向孔460的轴。在一些实施例中，装置300可以利用附接机构308附接到钻导引架450。如结合图5b所示的方法所解释的，可以在装置300执行定义和验证矢状角370。

然而，首先，现在参考图5a的流程图501来描述确定用于在骨骼中插入医疗设备的仪器的定向的方法。

首先，模拟模拟手术硬件装置在骨骼的诊断表示上的插入点和定向502。然后，通过指示电子设备的定向何时处于模拟定向的阈值内，使用电子设备来对准用于通过骨骼的插入点以期望定向插入手术硬件装置的仪器503。

模拟所述模拟手术硬件装置在骨骼的诊断表示上的插入点和定向包括：获取骨骼的诊断表示504，将骨骼的诊断表示与参考点对准505，指定所述模拟手术硬件装置在骨骼的诊断表示上的插入点506，并且指定所述模拟手术硬件装置在骨骼的诊断表示上相对于参考点的定向507。

使用电子设备来对准用于通过插入点以期望定向插入手术硬件装置的仪器包括：在插入点将电子设备与仪器对准508，使用电子设备的定向传感器跟踪电子设备和仪器的移动，直到电子设备和仪器的定向处于模拟定向的阈值内为止509，并且指示电子设备和仪器何时处于模拟定向的阈值内511。

图5b图示了用于指示矢状角370的方法的示例流程图500。流程图500的方法用于验证导向孔220在矢状面110中的任何插入角370，用以在椎骨205中容纳椎弓根螺钉210。在510，将装置300的轴305与矢状面对准。在一些实施例中，用户可以握持装置300并且旋转装置300，以将指示轴305的标记与椎骨205的指示矢状面的特征相匹配。在一些实施例中，在用户对准设备时，标记可以显示在屏幕上。

在520，在横断面中捕获横截面视图的图像。在一个实施例中，装置300包括智能电话、平板型计算机、膝上型计算机、或任何便携式计算设备，其包括那些包括用于捕获椎骨205的横截面视图的表示的相机的便携式计算设备。在其它实施例中，椎骨205的图像可以经由有线或无线连接被发送到装置300以在装置300上显示，使得此步骤可以不需要物理表示(例如，胶片、照片、监视器)。

在530，导向孔220的插入矢状角370和导向孔的初始位置375的定义由用户提供。可以使用包括计算机鼠标、键盘、触摸屏等的各个输入设备来执行此输入操作。在一个实施例中，多点触摸屏(例如，显示器360)用于显示图像和接收来自用户的定义输入。此输入的示例图示提供在图6a-6d中。

在540，角度指示线由处理器生成并显示在显示器360上。角度指示线可以响应于装置300旋转而旋转，并且当装置300近似地在装置300的纵轴305与矢状面之间形成插入矢状角370时提供通知。在一些实施方式中，角度指示线是在显示器360中生成的旋转线，其允许用户持续监视装置300的定向的变化。利用定向装置330执行定向监视。更具体地，在一些实施例中，包括至少一个旋转轴的陀螺仪332可以提供监视装置的定向或位置的功能。

指示线可以各种形式生成注释，包括视觉警报(诸如，突出显示角度指示线)、音频警报(诸如，提供具有指示当前角度与期望角度之间的接近度的可变频率的连续声音)、以及允许用户注意到角度变化的小振动。应理解，当达到期望角度时，可以使用任何音频警报，诸如单个声音或一系列声音。同样，当达到期望角度时，可以发出单次振动或一系列振动。在一些实施方式中，图5b所示的流程图500可以适用于在横断面或冠状面中生成指示角，以用于指示相应的横断角或冠状角。

图5c图示了用于指示横断角的实施方式的流程图550，该横断角是相对于椎骨的横断面的角。流程图550的方法用于验证椎骨205在横断面中的任何椎弓根螺钉插入角。在560，将装置300的轴305与横断面对准。在一些实施例中，用户可以握持装置300并且旋转装置300以将指示轴305的标记与椎骨205的指示横断面的特征相匹配。在一些实施例中，在用户对准设备时，标记可以显示在屏幕上。

在570，在冠状面中捕获后视图的图像。在一个实施例中，装置300包括智能电话、平板型计算机、膝上型计算机、或任何便携式计算设备，其包括那些包括用于捕获椎骨205的横截面视图的表示的相机的便携式计算设备。在其它实施例中，椎骨205的图像可以经由有线或无线连接被发送到装置300以在装置300上显示，使得此步骤可以不需要物理表示(例如，胶片、照片、监视器)。

在580，与在530定义的矢状角类似地，由用户提供导向孔的在横断面130中的插入角度和初始位置375的定义。

在590，用于对应的横断角的角度指示线由处理器生成并显示在显示器360上。角度指示线可以响应于装置300旋转而旋转，并且当装置300近似地在装置300的纵轴305与横断面之间形成如步骤580中所定义的插入横断角时提供通知。在一些实施方式中，角度指示线是在显示器360中生成的旋转线，其允许用户持续监视装置300的定向的变化。利用定向装置330执行定向监视。更具体地，在一些实施例中，包括至少一个旋转轴的陀螺仪332可以提供监视装置的定向或位置的功能。

图5d图示了用于指示冠状角的另一实施方式的流程图555。流程图555的方法用于验证椎骨205中的椎弓根螺钉210在冠状面120中的任何插入角。在565，将装置300的轴305与冠状面对准。在一些实施例中，用户可以握持装置300并且旋转装置300，以将指示轴305的标记与椎骨205的指示冠状面的特征相匹配。在一些实施例中，在用户对准设备时，标记可以显示在屏幕上。

在575，在矢状面中捕获侧视图的图像。在一个实施例中，装置300包括智能电话、平板型计算机、膝上型计算机、或任何便携式计算设备，其包括那些包括用于捕获椎骨205的横截面视图的表示的相机的便携式计算设备。在其它实施例中，椎骨205的图像可以经由有线或无线连接被发送到装置300以在装置300上显示，使得此步骤可以不需要物理表示(例如，胶片、照片、监视器)。

在585，与在530定义的矢状角类似地，由用户提供导向孔的在冠状面120中的插入角度和初始位置375的各自定义。

在595，用于对应的冠状角之一的角度指示线由处理器生成并且显示在显示器360上。角度指示线可以响应于装置300旋转而旋转，并且当装置300近似地在装置300的纵轴305与冠状面之间形成插入冠状角时提供通知。在一些实施方式中，角度指示线是在显示器360中生成的旋转线，其允许用户持续监视装置300的定向的变化。利用定向装置330执行定向监视。更具体地，在一些实施例中，包括至少一个旋转轴的陀螺仪332可以提供监视装置的定向或位置的功能。

图6a-6d图示了用于控制计算机实施的程序以执行图5a-5d所示的方法的用户界面的示例。图6a图示了用于选择患者的椎骨的界面600，图6b图示了将装置300的轴305与矢状面对准，图6c图示了定义椎弓根螺钉的位置及其矢状角370，而图6d图示了生成用于示出装置的纵轴与矢状面之间的角的角度指示线652。在一些实施例中，角度指示线可以表示用于对准椎弓根螺钉或导向孔的虚拟换档探针(gearshiftprobe)或其它仪器。在虚拟换档探针被恰当地对准的情况下，虚拟换挡探针可改变颜色、或者可改变长度或宽度。角度指示线可以响应于装置300旋转而旋转，并且当装置300近似地在装置300的纵轴305与冠状面之间形成插入冠状角时提供通知。

在图6a中，可以通过在窗口610中键入患者的姓氏来选择或添加患者的简档。在窗口620中选择期望角度的对应椎骨。相机按钮640允许用户拍摄椎骨的图片。然后，在窗口630中示出该图片。按钮650允许用户移动到下一步骤。如前所述，可以在不使用相机或相机按钮640的情况下提供椎骨处的图片。

例如，通过使用移动设备的相机，用户可以拍摄期望的椎骨体205在横断面130中的轴向视图(ct或mri)的图片。如图6b所示，使用红线622来排列椎骨体，使得其近似地垂直，用于与矢状面(或其它期望平面)对准。重新拍摄按钮624允许用户返回到在先步骤以重新拍摄图像以确保对准是恰当的。按钮626允许用户选择当前照片被用在以下操作中。

在选择按钮626之后，可以将用户返回到如图6c所示的详细视图。在一些实施例中，照片可在手术期间自动翻转以逼近其位置。可以选择按钮642来翻转照片的定向。例如，rl按钮642可以用于根据外科医生正在放置螺钉时是朝着患者的头部看还是朝着患者的脚部看，来翻转图片(和椎弓根螺钉)。

用户接下来通过选择导航按钮644并且通过将十字准线633移动到螺钉的皮质入口点、然后敲击轨迹按钮634来选择最优椎弓根螺钉位置，并且将螺钉旋转到其期望位置635。

敲击导航按钮644并且虚拟换档探针652出现在屏幕上。换档探针的定向与装置300的定向相匹配。在一些实施例中，一旦换档探针652的角度大约在所选择的轨迹的20度内，换档探针652就将变成黄色，一旦为5度，其就将变为绿色，并且，当对准在目标角度的1度内时，绿线654将向外延伸，并且椎弓根螺钉将消失。

在一些实施例中，设备或装置300可以放置在无菌袋中，然后当被用于创建椎弓根螺钉的路径时被抵靠换挡探针放置。

一些换档探针可能太短而不允许将设备(装置300)纵向抵靠它们放置。如果是这种情况，则敲击90度按钮656，屏幕将旋转，因此设备的短边可以抵靠换档探针放置。

所公开的系统和方法的其它实施方式是可以的。例如，装置300还可以使用第二或更多视图来定义不限于矢状面内的各种角度。例如并且根据上述公开，可以从顶视图、侧视图、后视图、前视图及其各种组合捕获图像，以提供多个参考点，使得可以呈现对准角度的三维表示。

另外，不同的移动计算机设备可以通过配备对应的图像获取单元、输入端、以及运动或定向感测单元而被使用或修改为装置300。在一些实施例中，装置300包括智能电话或具有陀螺仪的另一电子设备。此外，可以包括其它运动或定向传感器，诸如，惯性测量单元334和加速度计336。装置300还可以附接到各种医疗设备或器械上，用于导引需要高精度和易于使用的插入角度。智能电话例如可以是iphone。此外，在某些应用中，移动计算机设备可以是ipodtouch、ipad、android电话、android平板型计算机、windows电话、windows平板型计算机或blackberry电话。此外，在一些应用中，移动计算机设备可以是与appletv遥控器组合的appletv、或与任天堂wii遥控器组合的任天堂wii。实际上，移动计算机设备可以是电子设备的任何组合，其中，定向传感器(诸如陀螺仪)在一个电子设备中，而处理器在另一电子设备中。

在一些实施例中，可以使用除了设备的纵轴之外的轴。可以由设备的一部分(例如，设备的边缘或表面)来定义轴。可以同时使用一个以上的定向装置330来给出三维视图。手术装置可以包括椎弓根螺钉、换档探针和其它医疗设备。

虽然本文已经参考特定装置、材料和实施例描述了前述描述，但其并非旨在限于本文公开的细节；而是，其扩展到所有功能上等效的结构、方法和用途，诸如，在所附权利要求的范围内。