[发明专利]使用动态运动分析的全局平衡

说明书

一种使用对受试者的运动捕获图像的分析来确定所述受试者的外科脊柱矫正的方法，所述方法使用以下步骤：获得脊柱区域的术前三维图像，获得所述受试者在所述受试者的移动进展期间的术前时间序列图像集，在多个所述运动捕获图像中计算与所述受试者的上身区域和下身区域相关的对齐参数，以及确定所述计算的对齐参数中的任何一者是否在一个或多个所述图像中位于其预定可接受范围之外，迭代地调整三维图像中的解剖元素，直到所有的所计算的对齐参数都在其预定可接受范围内；以及根据所述运动捕获图像中的脊柱参数的调整程度，调整所述三维图像中的脊柱解剖结构以确定外科脊柱矫正。

技术领域

本发明涉及脊柱手术规划领域，尤其涉及使用对示出受试者运动分析的图像的分析。

背景技术

由于若干原因，规划脊柱外科手术以矫正脊柱畸形是复杂的。一个或多个椎骨的任何改变都可能影响整个脊椎的对齐和运动范围，因此在规划期间必须考虑这种“连锁效应”。此外，由于脊柱物理连接到骨盆并由此物理连接到股骨头和下肢，因此对脊柱的任何外科干预也会影响身体的其他部位和受试者的全身平衡（在本文称为全局平衡），这可进一步影响受试者在静止时和/或在诸如行走的移动期间的稳定性。脊柱手术对行走的影响尤为重要，因为脊柱作为步态稳定器的作用是必不可少的。例如，脊柱外科手术可能改变受试者的颏额垂线角(CBVA)，或者可能增加或减少膝关节屈曲，这两个因素都改变受试者的动态全局平衡。

为了说明脊柱正确对齐的重要性，参考图1A至图1C，如来源于P. Roussouly等人的题目为“Biomechanical analysis of the spino-pelvic organization andadaptation in pathology（病理学中脊柱-骨盆组织和适应的生物力学分析）”的文章，该文章发布在欧洲脊柱外科杂志第20卷（补充5），第S609-S618页（2011年）上，其示出了不同程度的腰椎前凸对影响受试者全局平衡的力的影响。图1A、图1B和图1C是示出了脊柱对齐对以下三种力的影响的示意图：重力(G)，其可包括腹部压力的力；以及作用于后部肌肉以保持站立位的力(M)；以及远侧腰椎上的接触力(CF)，其是G和M的总和。在每个图中还示出了重力线。图1A示出了具有可接受力水平的正常对齐的脊柱，图1B示出了错位的脊柱，并且图1C示出了严重错位的脊柱。每个图中的双向箭头表示支撑由腰椎前凸的程度引起的对应体重所需的力。在示出了正常对齐的脊柱的图1A中，该力可通过腹部压力减小并且通过腹部肌肉向前稳定。然而，当腰椎向后移动时，如图1B和图1C所示，后部肌肉必须工作以抵消重力。为了用数学方法解释这一点，如图1A至图1C连续所示，系统越不平衡，G的力矩增加得越多，并且M必须增加越多以补偿不断增加的CF。

P. Roussouly的文章指出：“脊柱上的接触力(CF)是向前力（重力、腹部压力）和后部脊柱肌肉力的总和。在承重的情况下，CF大幅增加。在急性背痛的情况下，背部肌肉挛缩增加CF和椎间盘压力，从而对疼痛产生负面影响。在脊柱前凸丢失和进行性后倾骨盆的典型退行性情况下，重力线向前移动，从而保持在股骨头水平；前箭头的距离增加，并以此方式CF增加。”除了引起疼痛之外，这种不平衡和由此产生的力可能引起补偿机制，诸如如图1C所示的增加的膝关节屈曲，并且进一步不利地影响受试者的移动模式，尤其是他的步态周期。

因此，只考虑潜在外科手术区域中的特定椎骨的局部手术规划方法或者用于具有不同平衡参数和移动模式的所有受试者的统一标准方法都可能是不适当的。如果手术规划方法采取局部或统一的方法，并且没有考虑受试者的所有受手术影响的特征（诸如脊柱的所有椎骨、骨盆和下肢），或者外科手术将影响受试者在动态移动期间的全局平衡的方式，则可能会有负面结果。例如，如果通过外科手术未实现适当的平衡，则受试者可能经历肌肉疼痛或使用补偿机制诸如膝关节屈曲、足下垂或跛行，因为他的身体发生应变以便在行走期间保持直立姿势。