一種用於椎弓根螺釘植入的術中導航系統的製作方法

2023-04-30 00:25:16

專利名稱：一種用於椎弓根螺釘植入的術中導航系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於醫療器械領域，涉及一種骨科手術椎弓根螺釘植入的術中導航系統，具體涉及一種用於椎弓根螺釘植入的近紅外、電磁定位與CT影像聯合術中導航系統及其工作方法。
背景技術：
以椎弓根螺釘(Pedicle Screw，PS)植入為基礎的脊柱內固定手術，是用經椎弓根螺釘構成的棍棒式內固定方法穩定脊椎結構，以促進病變節段融合康復，具有效果好、周期短、見效快等優點，臨床上已被廣泛用於治療脊柱畸形、脊柱創傷、脊椎滑脫和各種椎間盤退行性疾病。手術需要在椎體上確定理想的植入點、植入方向和植入深度，螺釘植入位置不佳和誤植入已是阻礙椎弓根螺釘內固定技術進一步發展的主要原因，而螺釘植入通道的偏差又是造成植入位置不佳和誤植的主要因素。 為了提高椎弓根螺釘植入的準確率，各國學者對螺釘植入的監測方法和導航技術展開了深入的研究，取得了較快的發展，其主要的監測手段包括X射線成像、術中誘發電位、計算機輔助導航、組織電導率、近紅外定位導航等。X射線可做正、側位或其他位置投照，但不能做橫斷成像，同時椎弓根前後解剖結構存在遮擋。術中誘發電位法，如果已監測到肌電圖變化，神經損傷可能已經發生，該技術也無法進行術中連續監測，同時無法直觀地了解PS的方向和位置。而脊柱外科手術導航系統價格昂貴，操作複雜，註冊系統要求定位精確，一旦定位後就不能移動，否則將嚴重影響椎弓根釘置入準確性。應用CT需在術前採集圖像而術中進行匹配，無法得到完全的實時性。組織電導率只能獲得即將穿破處的信息，不能判斷螺釘與椎體和椎弓根的空間關係，同時穿刺路徑上椎骨組織的電導率差別較小。近紅外定位導航可以實時獲得椎骨組織針道上的光學參數，但無法獲得螺釘的空間位置、方向、植入深度等信息。通過以上分析，目前並沒有一種行之有效的用於椎弓根螺釘植入的監測系統，有
待進一步完善。

發明內容
本發明的目的，在於提供一種用於椎弓根螺釘植入的術中導航系統，其操作簡單、實時有效，可在術中實時監測椎弓根螺釘植入的位置、方向和深度，並在螺釘偏植或到達邊界前進行預警。為了達成上述目的，本發明的解決方案是—種用於椎弓根螺釘植入的術中導航系統，包括多功能鑽頭、近紅外參數採集裝置、電磁定位裝置和計算機，其中，電磁定位裝置包括磁場發生器和電磁定位儀，二者通過電纜連接，而所述電磁定位儀還通過電纜連接計算機；所述多功能鑽頭包括螺紋套管、接收光纖、發射光纖、電磁定位線圈、內部不鏽鋼管、外部不鏽鋼管和手柄，其中，外部不鏽鋼管為中空結構，其一端緊密連接有螺紋套管，另一端螺紋連接手柄；所述外部不鏽鋼管套合在內部不鏽鋼管的外部；所述內部不鏽鋼管的中心為圓形通孔，接收光纖、發射光纖和電磁定位線圈平行緊密設於所述通孔中，且所述電磁定位線圈通過串行電纜連接電磁定位裝置中的電磁定位儀；所述近紅外參數採集裝置包括機盒及設於機盒內部的電源、光源、光譜儀，所述機盒的外部分別設有電源開關、光源開關、光源輸出接口、光源輸入接口和USB接口，其中，電源為內部各模塊供電，並由電源開關控制其啟閉；光源經由光源輸出接口連接發射光纖，且該光源由光源開關控制其啟閉；光譜儀經由 源輸入接口連接接收光纖；USB接口通過USB數據線連接計算機，用以交換數據。上述多功能鑽頭還包括光纖電纜輸出埠，所述光纖電纜輸出埠設於內部不鏽鋼管與螺紋套管相對的一端，所述接收光纖、發射光纖和電磁定位線圈均穿過該光纖電纜輸出埠後再與外部設備連接。
採用上述方案後，本發明將近紅外、電磁定位和CT影像技術三者相結合，達到術中實時導航和監測椎弓根螺釘植入過程並預警的目的。採用近紅外光譜技術實時獲得椎骨相關聯組織參數，採用電磁定位方法實時獲得多功能鑽頭空間位置、角度信息，利用轉換模型將術前CT影像數據轉換為近紅外參數，從而將術中的實時參數和術前的參數進行聯合，達到實時導航的目的，同時完成了導航過程的預警。本發明實施簡單，操作靈活，手術時無需大型的手術設備，便於臨床應用。


圖I是本發明的整體結構示意圖；圖2是本發明中多功能鑽頭的結構示意圖；圖3是本發明的實施流程圖；圖4是本發明對脊椎骨進行重建後的三維模型；圖5是本發明手術註冊示意圖；圖6是本發明椎骨邊界示意圖；圖7 Ca)是本發明植釘路徑上CT值曲線圖；圖7 (b)是本發明植釘路徑上近紅外光學參數曲線圖；圖8是本發明在椎弓根上進行植釘和預警的示意圖。
具體實施例方式首先，本發明提供一種用於椎弓根螺釘植入的術中導航系統，其將近紅外、電磁定位與CT影像三者相結合，其工作原理是利用近紅外對人體組織的良好穿透性，測量一定前視距離上骨組織漫反射光譜，從而計算出特定波長的光強、特定波長範圍的光譜積分面積等參數，統稱為近紅外參數。近紅外光源發出的近紅外光經過不同成分的組織衰減後，近紅外光電傳感器接收到組織漫反射光譜是不同的，解得的近紅外參數也就不同，根據近紅外參數的變化就可以辨別椎弓根螺釘穿刺路徑和一定前視距離上骨組織結構的變化。最新研究成果表明，近紅外參數和CT影像的強度存在密切的關係，近紅外參數對生物組織信息的反映和CT的結果具有同樣的可靠性，近紅外參數組織形態分布和CT影像的解剖信息基本對應，而近紅外測量參數的實時性和「可見性」可以彌補椎弓根螺釘植入手術中實時監測的局限性。
以下將結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細說明。 如圖I所示，本發明一種用於椎弓根螺釘植入的術中導航系統，手術時將本發明置於手術臺附近，配合相應的手術器械進行椎弓根螺釘植入手術，所述術中導航系統包含多功能鑽頭12、近紅外參數採集裝置、電磁定位裝置和計算機1，下面將分別介紹。電磁定位裝置包括磁場發生器15和電磁定位儀14，二者通過電纜連接，而所述電磁定位儀14還通過串行電纜16連接計算機1，所述電磁定位儀14還通過電纜13連接多功能鑽頭12。配合圖2所示，所述多功能鑽頭12包括螺紋套管16、接收光纖10、發射光纖11、電磁定位線圈19、內部不鏽鋼管17、外部不鏽鋼管20和手柄21，其中，外部不鏽鋼管20為中空結構，其一端緊密連接有螺紋套管16，所述螺紋套管16為橫截面U型結構，從而將外部不鏽鋼管20的該端封閉，所述外部不鏽鋼管20的另一端螺紋連接手柄21，所述外部不鏽鋼管20套合在內部不鏽鋼管17的外部，從而將內部不鏽鋼管17的一端封閉，定義內部不鏽鋼管17的另一端為自由端，通過手柄21可方便將外、內部不鏽鋼管20、17套合或拆分；所述內部不鏽鋼管17的中心為圓形通孔，接收光纖10、發射光纖11和電磁定位線圈19平行緊密設於所述通孔中，在本實施例中可在內部不鏽鋼管17內填充膠水用以固定，且所述接收光纖10、發射光纖11和電磁定位線圈19的直徑都是200um左右；為了防止線纜纏繞，所述內部不鏽鋼管17的自由端還設有光纖電纜輸出埠 18，所述接收光纖10、發射光纖11和電磁定位線圈19均穿過該光纖電纜輸出埠 18後再與外部設備連接。所述多功能鑽頭12在使用時，電磁定位線圈19通過串行電纜13連接電磁定位裝置中的電磁定位儀14，而接收光纖10、發射光纖11分別連接近紅外參數採集裝置，電磁定位線圈19用於記錄磁場發生器15產生的磁場坐標，接收光纖10則採集組織散射近紅外光，通過近紅外參數採集裝置處理後送入計算機I計算近紅外光學參數。所述近紅外參數採集裝置包括機盒2及設於機盒2內部的電源、光源、光譜儀、報警模塊，所述機盒2外形呈長方體，並設有把手，便於提拎，所述機盒2的外部分別設有電源開關3、光源開關4、光源輸出接口 5、光源輸入接口 6和USB接口 8，其中，電源為內部各模塊供電，並由電源開關3控制其啟閉；光源經由光源輸出接口 5連接發射光纖11，且該光源由光源開關4控制其啟閉；光譜儀的輸入端經由光源輸入接口 6連接接收光纖10，而輸出端則連接USB接口 8，所述USB接口 8通過USB數據線9連接計算機1，用以實現光譜儀與計算機I之間的數據交換；所述報警模塊還連接計算機1，當光譜儀傳輸的(什麼)數據超過預設值時，計算機I控制報警模塊進行報警。如圖3所示，是本發明在應用中的工作方法，包括術前計劃、術中導航與監測，下面分別說明。所述的術前計劃包含如下步驟步驟A，術前對病人脊椎進行CT掃描，得到DICOM斷層影像數據；步驟B，計算機讀入步驟A得到的影像數據，根據病人手術部位，挑選出合適的CT圖像，對這些CT圖像做分割和插值，得到新的圖像序列；步驟C，對步驟B得到的圖像序列進行體三維重建，獲得三維重建體數據；步驟D，在步驟C得到的三維重建體數據上勾畫最佳植釘路徑並提取路徑上的灰度信息RCT，根據近紅外光學參數和CT影像數據的數學轉換模型，將灰度信息RCT轉換為最佳植釘路徑的近紅外信息Rniks ；其中，近紅外光學參數和CT影像數據的數學轉換模型的獲取方法為首先對椎骨進行CT掃描，然後使用本發明對椎骨的多個植釘路徑的近紅外參數進行測試，獲取各路徑上的CT數據；將CT數據和近紅外參數歸一化處理，尋找二者之間的相關性，建立數學轉換模型。
步驟E，對步驟D所述的植釘路徑進行圓錐化處理，得到N個圓錐體，採用三線性插值算法分別提取各圓錐體的圓錐面的灰度信息，建立植釘路徑灰度信息資料庫ACT ；其中，所述圓錐化的方法為以最佳植釘路徑為中垂線，以植釘點為圓錐體的頂點，圓錐頂角以間隔為I度按照I N度連續變化繪製圓錐體得到N個圓錐形區域，其中N為小於30的自然數；步驟F，根據近紅外光學參數和CT影像數據的數學轉換模型，將步驟E所述的灰度信息資料庫轉換為植釘路徑近紅外光學參數資料庫Aniks,並建立邊界預警模型Wniks ；其中，邊界預警模型的建立方法為植釘時的邊界包括椎弓根兩側、椎體前緣及兩偵U、椎間孔側、椎弓板側等，在植釘路徑近紅外信息資料庫Aniks中找到各邊界的近紅外光學參數變化情況，設定防止穿破的安全距離Tsafe,並將邊界Ts-處的近紅外參數值設定為預警閾值。所述的術中導航包含如下步驟步驟G，使用手術器械撥開椎骨前端皮膚和腰背筋膜，露出椎骨；步驟H，開啟電磁定位裝置，將病人手術部位置於定位裝置有效磁場範圍內，使用多功能鑽頭對椎骨上的棘突、橫突等顯著點的坐標進行註冊，並相應地在三維CT影像中勾畫出這組註冊點的圖像坐標；步驟I，採用快速ICP算法對兩組坐標點進行配準，得到手術空間與計算機三維圖像空間的轉換矩陣，在三維圖像中實時顯示手術多功能鑽頭的位置、方向，實現定位；步驟J，電磁定位裝置計算獲得多功能探頭的空間位置、角度等信息；步驟K，根據步驟J選取合適的植釘點和植釘角度，使用多功能鑽頭開始植釘，同時近紅外參數採集裝置計算獲得多功能探頭所在位置的生物組織近紅外參數Dniks ；步驟L，當Dniks與最佳植釘路徑Rniks之間的匹配誤差小於設定的範圍，則植釘正確；步驟M，當步驟L所述的植釘路徑Dniks與最佳植釘路徑Rniks之間的匹配誤差大於設定的誤差範圍，同時結合電磁定位裝置給出的實時空間位置信息，則採用基於Hausdorff距離和曲率的曲線趨勢匹配算法將步驟M所述的植釘路徑Dniks與植釘路徑近紅外信息資料庫Aniks進行匹配，判斷植入螺釘的位置，並利用邊界預警模型Wniks在螺釘到達邊界前啟動報警裝置進行預警。如圖3所示，首先在術前對患者進行CT掃描，獲取患者脊椎CT影像數據。根據人體各組織對X射線的吸收和透過率的不同，在CT圖像中表現為不同的灰度值，由於骨骼對於X射線具有高吸收率，因此在圖像中表現為白影。具體操作時，將CT序列圖像導入到系統配套軟體，利用閾值分割法將CT圖像中的骨骼分割提取出來，再重建出椎骨的三維模型。醫生根據三維模型選擇合適的植釘點和植釘角度。圖4所示為本發明椎骨重建後的椎骨表面重建圖像。圖5所示為手術註冊示意圖。手術註冊是將計算機三維模型與實際患者腦部相關聯的過程。在多功能鑽頭中布置電磁傳線圈。先在三維模型中勾畫出脊椎骨上的棘突、橫突等多個標記點22，再利用多功能鑽頭貼近這些標記點在患者椎骨上的實際位置，獲取這些點的空間坐標，通過配準變換算法獲得這兩個坐標系之間的轉換矩陣。手術註冊成功後，利用電磁定位裝置13測得多功能鑽頭11的空間位置、角度信息並傳輸至計算機1，計算機I根據註冊結果轉化數據並將其顯示在計算機三維模型中，引導醫生完成手術。圖6所示為椎弓根螺釘植入的最佳路徑23以及椎弓根植釘過程中可能會遭遇的一些邊界示意圖。由於椎骨形狀的特殊性，螺釘必須經椎弓根的狹窄通道這個相對惟一的正確植釘路徑完成植入，出現偏差必定帶來嚴重的後果。具體表現在螺釘穿破椎骨邊界，傷及椎骨周圍的血管和神經。植釘時可能遭遇的邊界24包括椎弓根兩側、椎體前緣及兩側、椎間孔側、椎弓板側等，以資料庫中骨膜處的NIRs參數為基準，根據骨密質、骨疏質、骨膜等三種不同骨組織的NIRs參數的不同，建立穿刺深度與邊界NIRs參數變化值的數學模型Meomdary0在距穿刺邊界一定距離處設定穿刺臨界值，對應的NIRs參數值為報警閾值，建立穿刺深度與NIRs參數的關係的預警模型Mwaming。在實時穿刺過程中根據
^■Boundary 和 Mwaming 這
兩個模型來實時預警，防止螺釘穿破椎骨邊界。圖7 (a)和圖7 (b)分別表示植釘路徑CT值曲線以及相應的近紅外參數曲線。CT值是CT影響中每個像素所對應的物質對X射線線性平均衰減量大小的表示，由於線性衰減係數與物質的質量密度以及化學組成成分有關，因而CT值與該物質的質量密度和化學組成成分密切相關。由於生物組織內部微小邊界的折射率不匹配所引起的光折射會導致光的散射，近紅外優化散射係數表示這種散射所導致的衰減量的大小，該係數與粒子密度以及散射截面的大小有關。結合兩幅圖中曲線走勢以及二者的影響因素，可以看到二者之間存在某種相互轉化關係，通過實驗分別測試椎骨的多個植釘路徑的光學參數及CT數據。將CT數據和近紅外光學參數歸一化處理後在進行光學參數的偽影消除，尋找二者之間的相關性，建立數學關聯模型MNIKS=h (CT )。圖8所示為利用本發明進行椎弓根螺釘植入手術的示意圖。手術時首先使用多功能鑽頭盡享手術註冊，接著根據導航系統選取椎骨上選取了合適的植釘點、植釘角度後進行穿刺，同時採集近紅外參數。穿刺時近紅外參數採集系統上的光源輸出接口通過鑽頭上的發射光纖發射近紅外光至骨組織中，再通過接收光纖接收骨組織內部的漫反射光。根據漫反射光強與約化散射係數μ ' s之間的關係計算穿刺針到達位置骨組織的μ ' 3值，根據已經建立的數學模型MB_toy和Mwaming,實時判斷鑽頭所到達的位置，同時在到達邊界前預警。以上內容是本發明的具體實施方案的詳細說明，不能認定本發明的具體實施只限於這些說明，本技術領域的普通技術人員對本發明的實施步驟和設計思路所作的推演或替換，均應涵蓋在本發明的權利要求範圍中。
權利要求
1.一種用於椎弓根螺釘植入的術中導航系統，其特徵在於包括多功能鑽頭、近紅外參數採集裝置、電磁定位裝置和計算機，其中，電磁定位裝置包括磁場發生器和電磁定位儀，二者通過電纜連接，而所述電磁定位儀還通過電纜連接計算機；所述多功能鑽頭包括螺紋套管、接收光纖、發射光纖、電磁定位線圈、內部不鏽鋼管、外部不鏽鋼管和手柄，其中，夕卜部不鏽鋼管為中空結構，其一端緊密連接有螺紋套管，另一端螺紋連接手柄；所述外部不鏽鋼管套合在內部不鏽鋼管的外部；所述內部不鏽鋼管的中心為圓形通孔，接收光纖、發射光纖和電磁定位線圈平行緊密設於所述通孔中，且所述電磁定位線圈通過串行電纜連接電磁定位裝置中的電磁定位儀；所述近紅外參數採集裝置包括機盒及設於機盒內部的電源、光源、光譜儀，所述機盒的外部分別設有電源開關、光源開關、光源輸出接口、光源輸入接口和USB接口，其中，電源為內部各模塊供電，並由電源開關控制其啟閉；光源經由光源輸出接口連接發射光纖，且該光源由光源開關控制其啟閉；光譜儀的輸入端經由光源輸入接口連接接收光纖，輸出端連接USB接口，所述USB接口通過USB數據線連接計算機，用以實現光譜儀與計算機之間的數據交換。
2.如權利要求I所述的一種用於椎弓根螺釘植入的術中導航系統，其特徵在於所述多功能鑽頭還包括光纖電纜輸出埠，所述光纖電纜輸出埠設於內部不鏽鋼管與螺紋套管相對的一端，所述接收光纖、發射光纖和電磁定位線圈均穿過該光纖電纜輸出埠後再與外部設備連接。
全文摘要
本發明公開一種用於椎弓根螺釘植入的術中導航系統，包括多功能鑽頭、近紅外參數採集裝置、電磁定位裝置和計算機，其中，電磁定位裝置包括通過電纜連接的磁場發生器和電磁定位儀，電磁定位儀還連接計算機；所述多功能鑽頭包括螺紋套管、接收光纖、發射光纖、電磁定位線圈、內部不鏽鋼管、外部不鏽鋼管和手柄，接收光纖、發射光纖和電磁定位線圈平行緊密設於內部不鏽鋼管中，且所述電磁定位線圈連接電磁定位儀，接收光纖和發射光纖分別連接近紅外參數採集裝置的光源輸出接口和光源輸入接口；所述近紅外參數採集裝置連接計算機。此結果操作簡單、實時有效，可在術中實時監測椎弓根螺釘植入的位置、方向和深度，並在螺釘偏植或到達邊界前進行預警。
文檔編號A61B17/16GK102772244SQ20121028631
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月13日 優先權日2012年8月13日
發明者張爽, 李韙韜, 錢志餘, 高慧 申請人:南京航空航天大學