[发明专利]为在脊柱外科手术中放置椎弓根螺钉或器械而确定椎弓根底周、椎弓根峡部和椎弓根峡部中心的方法

说明书

本申请要求在2006年1月24日递交的美国临时专利申请第60/761,365号的利益。 

发明领域

本发明主要涉及脊柱外科领域，涉及在脊柱外科中精确放置椎弓根螺钉或器械的计算机化或自动化的方法，特别涉及确定椎弓根底周(pediclebase circumference)、椎弓根峡部和椎弓根峡部中心的方法。 

发明背景 

将螺钉放入人脊柱中是一种普通的外科程序，它使得众多脊柱外科手术得以进行。螺钉通常被放置在腰骶椎的单个椎骨的椎弓根中。由于它们相比于其他固定方法存在的生物力学优势，外科医生正在扩大脊柱(椎弓根螺钉被放在其中)的面积。但是，与脊柱临近的是许多极其重要的结构和器官，特别是颈椎和胸椎区域，它们对手术引起的创伤有很低的耐受性，这可能最终导致严重的疾病和/或死亡。因此，大部分对椎弓根螺钉放置的研究都致力于提高精确度，以将螺钉维持在多骨(骨内)环境中。 

影像导引系统正不断发展，其在辅助外科医生精确放置螺钉中越来越受到欢迎。将椎弓根螺钉置入人脊柱的重要参素是螺钉的直径、长度和精确放置的路径(trajectory)。迄今，许多影像导引系统使得可以手动确 定这些参数，以改善外科医生在放置螺钉时的手动操作。至今，没有任何系统可以自动确定理想的椎弓根螺钉直径、长度和精确放置椎弓根螺钉的路径。本发明提供这种能力，它类似于飞行员驾驶具有电脑控制的航空性能的飞机，使得利用创伤或经皮技术放置椎弓根螺钉。 

2004年12月2日公开的发明专利公开第US 2004/0240715 A1号涉及在脊柱外科手术中确定椎弓根螺钉放置的方法和电脑系统。其公开了一种方法，其首先确定最小的椎弓根直径，用来确定最佳的螺钉路径，随后利用每个椎弓根螺钉的最佳路径来确定最大的椎弓根直径和长度。堆栈(stack)二维横断切片(transverse slice)数据以形成三维数据点，以通过线性最小二乘解确定最佳路径来拟合数据，并要求所述线性最小二乘解在整个最小横断椎弓根宽度上进行。这个方法的缺点在于，它可确定出异常的路径，特别是对于变形的椎弓根骨骼更是如此，结果是确定的螺钉的最佳直径和长度较小，导致产生生物力学较差的构造。相反，如下文所详细描述的，本发明的新的和改进的方法通过确定最佳路径，从而始终将路径沿椎弓根的中心排布，其中通过利用最小横截面(峡部)的中心位点并使用计算机在相反方向正交于(normal to)所限定的区域伸出线条。本发明的新的和改进的方法可为骨内放置确定最大的螺钉直径和长度。 

2005年9月1日公开的美国申请公开第2005/0192575 A1号涉及一种确定理想椎弓根螺钉直径、长度和路径的方法，其中有关于椎弓根与椎体结合的过渡界面(transitional interface)的描述。此过渡界面描述了椎弓根底周(B)，其在前后X射线成像仪(anteroposterior radiographicimaging)上呈圆形皮质密度(round like cortical density)，位于椎体的靠近头部的侧面。此椎弓根底周的重要特点在于，它不同于椎弓根峡部(X，椎弓根中最狭窄的区域)，但有时可以是相同的。椎弓根峡部是使 最大直径的椎弓根螺钉最大化而不会破裂皮质的限速步骤。为了在任何给定的椎弓根中使椎弓根螺钉的直径最大化，必须确定椎弓根峡部。随后，所述椎弓根峡部的中心可用来确定理想的路径，因而可以让椎弓根螺钉沿所述理想的路径同轴放置。 

本申请涉及确定椎弓根底周、椎弓根峡部和椎弓根峡部中心的新的和改进的方法。 

发明概述 

根据本发明的方法，通过任何适合的方式获得椎体的任何平面中的连续堆栈图像(serial stacked images)。这些图像随后被重建，以获得尺寸真实的椎体的三维透视图。以三维和二维图像绘制所述椎弓根底周和椎弓根峡部。 

一旦获得了椎体的真实三维透视图，其随后截取其一个横断面以显现并获得外部皮质层。随后沿所述外部皮质表面的切线方向绘制一系列的第一线条。然后，垂直于所述位于外部皮质表面的切线绘制一系列的第二线条，所述第二线条位于椎体中。 

在所述椎弓根及其向椎体的过渡部分的区域，所述第二线条将用于分辨所述椎弓根底周和椎弓根峡部。具体地，所述椎弓根底周是指相邻第二线条彼此呈最大角度、非线性或不调和的区域。所述椎弓根峡部是指相对的第二线条彼此最平行的区域。所述外部皮质表面上的无穷小的位点(Infinitesimal points)被用来排布所述第一切向平面线条以及它们各自的第二垂直线条。