CN102770093B

CN102770093B - 用于脊柱移动性模拟的计算机程序及脊柱模拟方法

Info

Publication number: CN102770093B
Application number: CN201180011059.5A
Authority: CN
Inventors: F·科弗; N·韦尔施; T·韦尔施; E·洛瓦德; F·哈尼施; G·普罗斯; E·舍尔斯
Original assignee: Spontech Spine Intelligence Group AG
Current assignee: SIBAN TECHNOLOGY AND MEDICAL CO., LTD.
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2031-02-25
Also published as: US20130131486A1; WO2011104028A1; EP2538885A1; CN102770093A

Abstract

一种用于脊柱移动性模拟的计算机程序被配置为，如果在计算机上运行，使得计算机执行下列步骤：a)访问与患者的脊柱相关的生物计量数据，该脊柱具有至少一个受损脊柱段；b)显示包含多节椎骨的患者脊柱的模型；c)使用户能够改变脊柱模型中的至少一节椎骨的位置；d)计算位置改变对其余椎骨的影响；e)显示新配置下的脊柱模型，由此考虑用户在步骤c)中改变的位置以及在步骤d)中计算的其余椎骨的位置改变。

Description

用于脊柱移动性模拟的计算机程序及脊柱模拟方法

技术领域

本发明涉及用于脊柱移动性模拟的计算机程序。这种程序可以被用于配置脊柱植入物，例如笼状物（cage）或其他融合植入物，或者非融合植入物例如椎间盘假体。本发明还涉及脊柱模拟方法。

背景技术

在对影响脊柱运动部分特别是影响盘组织的疾病、损伤或畸形的治疗中，很早就知道要移除部分或所有退化、破裂或以其他方式失效的盘。在涉及椎间盘组织被移除或者以其他方式从脊柱运动部分缺失的情形下，矫正措施被指示来确保先前由被移除的盘组织所分隔的椎骨之间的合适间隔。

有时候，两个相邻的椎骨使用移植的骨组织、人工融合组件或其他装置来融合到一起。人工融合组件典型地由例如US 2003/0045938 A1或US2007/0055374 A1中描述的笼状物构成。

但是，脊柱融合过程在医学界引起了对椎间融合的生物力学刚度可能使相邻的脊柱运动段倾向于快速恶化的担忧。更具体而言，和自然的椎间盘不同，脊柱融合阻止了融合的椎骨互相之间的枢转（pivot）和旋转。这种移动性的缺失倾向于增加相邻脊柱运动段上的压力。

作为融合技术的替代，不同类型的椎间盘关节造形假体已被用来防止相邻椎骨之间的椎间盘腔的塌陷，同时保持一定程度的稳定性以及其间的枢转和旋转运动的范围。这样的装置典型地包括两个或更多个特定组件，其分别附着到上部和下部的椎骨。这样的假体的各种类型例如在US2005/0071007、US 2005/0203626 A1、US 2004/0225362 A1、US2006/0142862A1和US 2005/0234553A1中公开。

考虑到椎骨的尺寸和形状沿着人类脊柱显著地变化，有不同尺寸的脊柱植入物可用。例如，用于颈部脊柱的盘腔的植入物通常要比用于腰部脊柱的盘腔的植入物小很多。对于笼状物形式的融合组件，也建议使用具有锥形的笼状物，该锥形角度适合于笼状物所植入的盘腔中占优势的脊椎前凸。脊柱植入物的供应商给外科医生提供表格，他们可以在其中查找哪个植入物适用于植入物应被植入的特定盘腔。

但是，结果是即使使用了允许枢转和旋转运动的假体，植入外科手术的结果经常还是不令人满意。本发明人发现在很多情形下，这是由于植入物没有考虑患者个体的特定需求这一事实。更具体而言，传统方法无法准确恢复染病的椎骨所需的移动性，并且它们还忽略了相应脊柱段中相邻椎骨的自然移动范围，其在患者和患者之间通常是不同的。

对于融合方法，发明人之一提出为外科医生提供不止几种不同的笼状物，而是大量的（例如多达100种）的笼状物，这些笼状物在至少三个几何量例如笼状物的锥形角度、长度和厚度方面不同。为了对此进行最佳使用，外科医生必须能够选择最适合特定患者和应融合的椎骨的笼状物。例如，错误的锥形角度不可避免地导致比相邻关节上所需的更大的压力。错误的笼状物长度会使笼状物在外科手术后的某个时间沉入到被更硬的骨环所包围的椎骨的软骨组织中。如果发生该情况，由笼状物初始建立的椎骨之间的正确角度不会再被保持。

当然，如果使用了可调节的笼状物，确定最佳植入物配置的问题也会出现。这样的可调节笼状物例如通过调节设置螺丝使得能够改变特定的几何参数，例如锥形角度，且由此可以帮助减少需要存储和消毒的笼状物的总体数量。

对于非融合方法，发明人之一在WO 2007/003438A2中提出了模块化椎间盘假体，其可以被单独配置，从而它完美地适应于特定患者的需求。在一个实施例中，该模块化椎间盘假体包括支撑板和携带关节构件的各种嵌件（insert）、界定运动范围的阻挡物（stop）和形成类似为圆顶的帽状物（cap），该帽状物穿透到椎骨的刚性外围骨环中的相对较软的骨组织（骨松质）中。通过装配来自某种构造工具箱的这些组件，外科医生能够将运动的中心定位在他期望脊柱段的自然移动性被完全恢复的位置处。

但是，只基于经验和他例如使用医学影像技术从相关脊柱段中获取的特定生物计量数据，外科医生很难确定最佳融合笼状物或假体的最佳配置。

发明内容

因此本发明的一个目标是提供一种方法，其帮助外科医生确定最适于被植入患者的脊柱植入物的配置。

该目标是通过一种计算机程序来实现的，其被配置为，如果在计算机上运行，使得计算机执行下列步骤：

a)访问与患者的脊柱相关的生物计量数据，该脊柱具有至少一个受损脊柱段；

b)例如以字母数字符号或图形地显示包含多节椎骨的患者脊柱的模型；

c)使用户能够改变脊柱模型中的至少一节椎骨的位置；

d)计算位置改变对其余椎骨的影响；

e)显示新配置下的脊柱模型，由此考虑用户在步骤c)中改变的位置以及在步骤d)中计算的其余椎骨的位置改变。

计算机程序由此模拟患者的脊柱，并且如果用户改变至少一节椎骨的位置，将向他提供关于该改变将会对其余椎骨有何影响的预测。这显著地简化了最佳植入物的选择，因为外科医生现在能够模拟不同的植入物会如何影响患者的脊柱。

通常脊柱模型不会包括患者的所有椎骨，而只是其中的一些。例如，模拟可以被限制于腰部或颈部的椎骨。因此，其余的椎骨（位置改变对这些椎骨的影响被计算）不是脊柱中所有其他的椎骨，而只是模拟所延伸到的那些椎骨。

在一个实施例中，所述生物计量数据包括与受损脊柱段相关的数据以及与可以直接布置在退化脊柱段附近或者离开它一些距离的至少一节健康的脊柱段相关的数据。这使得可能考虑更大的脊柱段，因为远离植入物的椎骨的特定移动性也会对植入物的最佳配置（例如关于融合植入物情形下的锥形角度，或者非融合植入物情形下的运动中心的位置）有显著影响。

计算机程序会提示用户将第一标识符分配给一节椎骨。它然后将使用模式识别算法自动识别图像中显示的椎骨，并将不同的标识符自动地分配给其他显示的椎骨。最后，先前被分配的标识符被显示在图像中。但是，代替全自动的识别和标注例程，可以使用具有计算机辅助标注的交互过程。

计算机程序会向用户提出通过在椎骨边缘上或其附近布置四个点，来确定位于受损脊柱段中的椎间盘腔的几何结构（geometry），所述椎骨在图像中示出，并且在其间形成椎间盘腔。

在一个实施例中，计算机程序执行以下额外的步骤：访问已在植入外科手术期间作为（自动或外科医生执行的）测量的结果、但是在植入物被植入之前所获取的数据。这样的数据可以涉及相邻椎骨之间产生的压力或者牵伸（distraction）力，如果此后植入物的插入建立了一定的距离的话。在外科手术期间由外科医生测量的这样的数据还可以被存储在生物计量数据库中。

类似地，与患者脊柱相关的其他生物计量数据也可以被添加到可被程序访问的生物计量数据库中。此外，每个患者的生物计量数据可以被添加到生物计量数据库中。这带来了自学习的效果，并由此提高计算机程序所产生的预测的准确性。

计算机程序甚至还可以为外科医生提供特定植入物配置的一个或更多个建议。

植入物可以是融合植入物，其不提供由该融合植入物融合的脊柱段的移动性。这样的融合植入物可以包括笼状物，其被配置为插入到椎间盘腔中。在融合植入物的情形下，要融合的椎骨的正确位置对于外科手术的成功至关重要，且计算机程序建议能确保椎骨的这种最佳相对位置的植入物配置。定义融合植入物配置的参数可以包括长度以及一个或多个轴向位置的直径。

如果植入物是保持相邻椎骨的移动性的非融合植入物，则与该移动性相关的参数也需要被计算机程序考虑。除其他要求外，最佳非融合植入物必须具有这样的运动中心，其正好位于它应该在的位置。该最佳位置可以是它在退化出现之前所在的位置。但是，在某些情形下，相邻椎骨的状况需要该位置被转移，从而减少在相邻椎骨以及外围韧带和其他组织上的张力（strain）。

本发明的主题还是一种脊柱模拟方法，其包括下列步骤：

b)使用计算机来显示包含多节椎骨的患者脊柱的模型；

c)使用户能够改变脊柱模型中的至少一节椎骨的位置；

d)计算位置改变对其余椎骨的影响；

生物计量数据可以包括与受损脊柱段相关的数据以及与布置在受损脊柱段附近的至少一节健康的脊柱段相关的数据。

生物计量数据可以包括从患者脊柱在不同的脊柱位置的图像获取的图像数据，所述图像是使用医学影像技术来拍摄的。

所述不同的脊柱位置可以包括中立位置、充分伸展的位置和充分弯曲的位置。

所述方法可以包括显示患者脊柱或其一部分的图像中的一个的步骤。

所述方法可以包括下列额外的步骤：

i)将第一标识符分配给一节椎骨；

ii)使用模式识别算法来自动识别图像中示出的椎骨；

iii)将不同的标识符自动地分配给其他显示的椎骨；

iv)在图像中显示步骤iii)中分配的标识符。

所述方法可以包括将退化参数分配给至少一节椎骨和/或至少一个椎间盘的步骤。

所述方法可以包括在步骤d)中考虑患者相关的数据，特别是年龄、性别、身高和体重指数的步骤。

所述方法可以包括使用边缘检测算法来确定椎骨的边缘的步骤。

所述方法可以包括显示所述边缘并向用户提出修改所显示的边缘的步骤。

所述方法可以包括通过在椎骨边缘上或附近布置四个点来定义位于受损脊柱段中的椎间盘腔的几何结构的步骤，所述椎骨在图像中示出，并且在其间形成椎间盘腔。

所述方法可以包括在图像中显示所述四个点、从而该四个点总是位于可变等腰梯形上的步骤。

所述方法可以包括基于用边缘检测算法确定的边缘来确定椎间盘腔的几何结构并在图像中显示确定的几何结构的步骤。

所述方法可以包括将测量的参考值赋予图像中显示的椎骨之一的几何参数的步骤。

所述方法可以包括基于测量的参考值来计算等腰梯形的真实尺寸的步骤。

所述方法可以包括对图像中示出的至少某些椎骨来确定相对于相邻椎骨进行运动的能力、并确定描述该能力的参数的步骤。

所述方法可以包括确定用于最大伸展和最大弯曲的枢转角度的步骤。

所述方法可以包括确定用于相邻椎骨之间的枢转运动的枢轴的步骤。

所述方法包括确定图像中示出的至少某些椎骨的运动范围的步骤，其中，所述运动范围被定义为用于脊柱的最大伸展和最大弯曲的枢转角度之间的差值。

所述方法可以包括在步骤d)中在多节相邻椎骨之间分配用户所输入的角度改变的步骤。

所述方法可以包括与针对所述多节相邻椎骨所确定的运动范围成比例地在这些椎骨之间分配所述角度改变的步骤。

所述方法可以包括将与患者相关的参数和与其他人相关、并在数据库中存储的相应参数进行比较的步骤。

通过将其他人的退化参数与所述患者的退化参数进行比较，可以选择所述其他人。

所述方法可以包括通过统计分析其他人的参数来修改所述患者的参数的步骤。

所述方法可以包括将针对所述患者获取的生物计量数据添加到数据库的步骤。

所述方法可以包括使用与所述患者相关的参数来计算该患者脊柱的模型的步骤。

所述方法可以包括从植入物数据库中读取数据的步骤，与该植入物的所有可用组件相关的数据被存储在该数据库中。

所述方法可以包括访问在植入外科手术期间作为测量结果、但是在植入物被植入之前所获取的数据，并将这些数据输入到所述脊柱模型中的步骤。

所述方法可以包括输出对受损脊柱段进行治疗的建议的步骤。

所述方法可以包括输出对植入物配置的建议的步骤。

所述植入物包括笼状物，其被配置为插入到椎间盘腔中，或者所述植入物是椎间盘假体，其被配置为插入到椎间盘腔中。

所述方法可以包括通过执行下列步骤来确定位于受损脊柱段中的椎间盘腔的几何结构的步骤：

(a)访问数据库，其他人的椎间盘腔的几何结构被存储在该数据库中；

(b)确定具有和患者在非受损脊柱段中的相应椎间盘腔有相似几何结构的椎间盘腔的其他人，其中，该相似性由算法来确定；

(c)从步骤(b)中确定的人，使用与患者的受损段的椎间盘腔相对应的椎间盘腔的几何结构，来计算平均几何结构；

(d)确定植入物，该植入物如果被插入到患者的受损脊柱段的椎间盘腔中，将改变该椎间盘腔的几何结构，从而它的几何结构与步骤(c)中确定的平均几何结构至少基本相同。

所述方法可以包括显示图形的步骤，其中，对于至少两节相邻的椎骨，最大前倾的位置、最大后倾的位置以及中立位置被示为水平刻度线上的符号。

所述方法可以包括针对刻度线上由符号指示的至少一个位置来显示从其他人获取的统计数据的步骤。

所述方法可以包括将统计数据显示为频率分布曲线的步骤。

本发明的主题还是一种方法，其包括下列步骤：

(a)访问与患者的脊柱相关的生物计量数据，该脊柱具有至少一个受损脊柱段；

(b)访问与其他人的脊柱相关的生物计量数据；

(c)将步骤a)中访问的生物计量数据与步骤b)中访问的生物计量数据进行比较；

(d)输出对要插入到受损脊柱段的椎间盘腔中的植入物的配置的建议。

所述植入物可以包括笼状物，其被配置为插入到椎间盘腔中，或者所述植入物可以是椎间盘假体，其被配置为插入到椎间盘腔中。

所述方法可以包括输出在将植入物插入到椎间盘腔时关于应使用的仪器的建议的步骤，其中，该仪器适合于步骤d)中建议的植入物配置。

附图说明

参考优选实施例的下列详细描述并结合附图，本发明的各种特征和优势将变得更容易理解，在附图中：

图1是人类脊柱的侧视图；

图2是图1中示出的脊柱的两节椎骨的侧视图；

图3是穿过椎间盘假体的截面图；

图4是可以被用来装配图3中示出的假体的不同的上部支撑板的子集的透视图；

图5是可以被用来装配图3中示出的假体的不同的导板的子集的透视图；

图6是可以被用来装配图3中示出的假体的不同的帽状嵌件的子集的透视图；

图7是可以被用来装配图3中示出的假体的不同的关节元件嵌件的子集的透视图；

图8示意性地示出了计算机程序的主要功能；

图9示意性地示出了根据第一实施例的计算机程序的主要模块，该计算机程序适于支持外科医生选择合适的假体；

图10是示出由根据第一实施例的计算机程序执行的重要步骤的流程图；

图11a到11c是患者脊柱的三节相邻椎骨的矢状数字X光图像；

图12是图11a中的图像，但具有准备好的用于标识椎骨的标签；

图13是图11a中的图像，但具有用于输入退化参数的额外的输入字段；

图14是边缘检测之后的图11a中的图像；

图15是关于图像如何被匹配、从而为每节椎骨确定各自的运动范围的图示；

图16是图15中的下部的放大裁剪图（cutout）；

图17是单节椎骨的运动范围的图形图示；

图18是患者的模拟脊柱的图形图示；

图19是图18中的图形图示，但是是在单节椎骨的位置已经被用户改变之后；

图20是椎骨具有的运动自由度的图示；

图21是示出由X光源在X光探测器上对椎骨的投影的示例；

图22是融合植入物的透视图；

图23是穿过六个不同尺寸的融合植入物的横断面图，所述融合植入物具有和图22中示出的植入物相同的一般构成；

图24以和图8类似的表现方法示出了根据第二实施例的计算机程序的主要功能，其中，该计算机程序适于支持外科医生选择合适的融合植入物；

图25是示出由根据第二实施例的计算机程序所执行的重要步骤的流程图；

图26是在两节相邻椎骨之间形成的椎间盘腔的侧视图；

图27是患者脊柱的三节相邻椎骨的矢状数字X光图像，其中外科医生被提示输入穿过一节椎骨的斜线的长度的绝对参考值；

图28a是患者脊柱的五节相邻椎骨的矢状数字X光图像，其中，受损和健康的椎间盘腔被突出显示；

图28b是患者脊柱的五节相邻椎骨的矢状数字X光图像，其中，融合植入物被图形地插入到受损的椎间盘腔中；

图29是示例性结果屏幕，其显示了建议的融合笼状物以及套管，外科医生可以使用该套管来将建议的笼状物插入到椎间盘腔中。

具体实施方式

1.引言

图1是包含椎骨12和椎间盘14的人类脊柱的侧视图，所述椎间盘被布置在相邻椎骨12之间形成的椎间盘腔中。从脊柱10的顶部开始数的前七节椎骨12构成颈部脊柱16，下面的十二节椎骨构成胸部脊柱18，且其余的五节椎骨12构成腰部脊柱19。后者通过骶骨S连接到骨盆。颈部和腰部脊柱16、19具有脊柱前凸弯曲，而胸部脊柱18具有脊柱后凸弯曲。根据图1很清楚，椎骨12以及椎间盘14具有不同的形状和尺寸。这转而引起脊柱段的不同弯曲以及不同移动性。于是由成对的相邻椎骨12构成的关节沿着脊柱具有显著不同的属性。

图2是图1的放大裁剪图，其中示出了两节相邻椎骨12a、12b，移除了椎间盘，从而椎间盘腔15是空的。如果盘14退化，从而它不得不被外科医生移除，椎间盘腔一定不能保持是空的，如图2所示。如果外科医生决定应插入融合植入物，两节相邻的椎骨12a、12b被该植入物刚性地连接，从而允许骨材料在相邻椎骨12a、12b之间生长并最后融合它们。如果外科医生决定使用非融合植入物，即椎间盘假体15，植入物被插入到椎间盘腔15中，并由此替换被移除的盘14。该假体至少在一定程度保持相邻椎体相对于彼此移动的能力。

2.模块化椎间盘假体

图3是穿过椎间盘假体20的截面图，该椎间盘假体如发明人之一所提交的WO 2007/003438A2所述。该较早的申请的完整公开通过引用结合于此。

假体20包含上部元件22a和下部元件22’，其可以执行关于24所表示的运动中心的枢转运动，并可以执行沿着纵轴的旋转运动，该纵轴沿着脊柱延伸。上部元件22包含支撑板26，其在一侧接收帽状嵌件28，并在对侧接收关节元件30和两个导板32。导板32中的每个具有界定枢转范围的凸起34。

下部元件22’以相同的方式被配置；为了使上部元件22和下部元件22’的相应组件可以区分，下部元件22’的组件用带短划线的（dashed）标号来标示。

在如图3所示的植入状态下，可以具有抛光表面的帽状嵌件28、28’被放置在相邻椎骨12a、12b的刚性外围骨环36中。椎骨12a、12b在假体20上施加的力主要由围绕帽状嵌件28和28’的支撑板26、26’的部分来分别承受。这些部分位于椎骨12a、12b的刚性外围骨环36上。

如上所述，在健康人的脊柱中，由成对的相邻椎骨121、12b构成的关节沿着脊柱具有显著不同的属性。因此，图3中示出的假体20的所有或至少部分组件需要适应于这些不同的属性。当然，这些属性在患者和患者之间也显著地不同。例如，诸如患者的年龄、性别、身高和体重等参数对这些属性具有影响。在染病的脊柱段以及在相邻脊柱段中的椎骨12的由遗传引起或后天获得的退化使得很难准确预测假体20的最佳配置，即使上述参数即患者的年龄、性别、身高和体重是已知的。

这特别适用于运动中心24的位置，该位置对于假体20功能性地放入染病的脊柱段的程度有决定作用。例如，如果相邻椎骨12a、12b的移动性被限制，例如由于椎骨12a、12b的原始或后天获得的退化，运动中心24不一定必须位于它在类似的健康脊柱段中应该在的地方。反而，更远端的椎骨的降低的移动性将需要某些适应性调整，从而这些椎骨以及围绕的韧带和其他组织不会被过度地拉紧（strain）。因此由假体20所确定的运动中心24的理想位置需要对相应脊柱段的移动性以及该脊柱段的组件之间的功能性交互的全面分析。

同时，最大枢转范围必须仔细地适应于特定患者的需求，在图3示出的实施例中，该枢转范围主要由导板32、32’的凸起34、34’决定。

在图3示出的假体20中，所有组件都是模块化系统的部分，该系统包含多个不同尺寸和/或形状的组件的集合，从而外科医生能够装配理想地适应于患者的特定需求的假体20。例如，如果图3中示出的假体20允许的枢转范围应该比示出的更大，导板32、32’可以被具有更低的凸起34、34’的不同导板替代。如果运动中心24应该更多地移动到页面的顶部从而它被布置在上部椎骨12a中的几毫米处，关节元件30可以被其中球形表面具有更大的弯曲半径的不同关节元件来替换。其他的调整在上述WO2007/003438A2中更详细地解释。

下面，将参考图4到8来描述某些集合。

图4以透视图并且上下倒置地示出了四个不同的上部支撑26板的子集。在图4的左侧示出的两块支撑板26a、26c通常比在右侧示出的两块支撑板26b和26d要小。这些板26a、26c可以适于被植入到颈部脊柱16中，而其他两块板26b、26d可以被植入到腰部脊柱19中。

在相同直径的板中，板的厚度不同。更具体而言，在顶部示出的两块板26a、26b具有比其他两块板26c、26d更小的厚度。

可以理解，上部支撑板26的完整集合可以包括更多得多的不同的板。板可以关于其他尺寸例如宽度或长度而不同，或者它们可以具有有不同楔角的楔形形状。

图5是导板32的子集的透视图。在图5的左侧示出的三块导板32a、32b和32c比在右侧示出的三块导板32d、32e和32f要小。除此之外，在相同尺寸的导板中，凸起34的形状和尺寸不同，这引起不同的枢转范围。

可以理解，导板的完整集合可以包含更多得多与图5中示出的不同的导板。例如，在某些导板32中，凸起34可以具有其他形状，或可以由弹性材料制成。

图6是帽状嵌件的子集的透视图。帽状嵌件的一般配置在上述WO2007/003438A2中描述，在这里不会被再次解释。在图6中，在顶部示出的帽状嵌件28a、28b比其他两个嵌件28c、28d被提供给更大的支撑板。在相同总体尺寸的嵌件中，在左侧示出的嵌件28a、28c具有比嵌件28b和28d更小的高度和倾斜度（ramp steepness）。

可以理解，帽状嵌件28的完整集合可以包括更多不同的帽状嵌件。例如，其他帽状嵌件可以由不同的材料制成，或者可以具有不同的表面属性（例如粗糙或抛光的表面）。

图7是关节元件的子集的透视图。关节元件30a、30b和30c被提供给相同的支撑板尺寸，但是关于球形弯曲关节表面38的曲率和/或这些表面离关节元件30的对侧平面40的距离方面不同。

可以理解关节元件30的完整集合可以包含更多不同的元件。例如，某些关节元件可以具有非球形的关节表面38，或者承载关节表面的凸起可以以关于嵌入板前倾的方式来布置，所述凸起被固定在所述嵌入板上。

仅基于经验和与特定患者相关的某些生物计量数据，外科医生很难装配理想的假体20。下面将描述一种计算机程序，其支持外科医生合适地选择假体20的组件的任务，从而患者重新获得最佳的移动性，而不会过度拉紧脊柱的其他部分，所述拉紧最终会引起新的不适和疼痛。可以理解，原则上可以采用相同的步骤来确定最适合特定患者的退化椎间盘腔的融合植入物的配置。

2.1计算机程序

图8示意性地示出了计算机程序的基本功能。患者42的生物计量数据被提供给计算机44。计算机44还可以访问数据存储装置45，该装置存储至少一个数据库，该数据库包含大量的健康人的以及具有至少一个退化脊柱段的患者的生物计量数据。

该计算机程序辅助外科医生从装配假体20所需的组件中做出选择。这在图8的底部示出，其中，可用的两个组件集合被示意性地示为一列盒子。每个盒子包括该集合的相同组件。在图8中，SET26所表示的集合包含N个盒子，N是不同上部支撑板26的总数。SET30所表示的集合包含M个盒子，M是不同关节元件30的总数。所述辅助可以基本地包括：如果特定的植入物被插入到特定的位置，患者的脊柱将如何反应。如果需要，计算机程序甚至能够对最佳植入物配置提出建议。这在图8中由指向集合SET26和SET30的特定盒子的虚线来表示。

2.2主程序模块

患者个性化模块46确定患者42的脊柱的参数。为此，患者个性化模块46可以访问患者的数据库48，该数据库包含患者脊柱在不同脊柱位置的图像以及患者相关的数据例如年龄、性别、身高和体重指数。患者个性化模块46分析患者脊柱的图像，并使用参数化脊柱模型来决定描述患者脊柱的各种参数，该参数化脊柱模型将在下面更详细地描述。

这些参数被提供给分析模块50，其使用参数化脊柱模型来模拟患者的脊柱。分析模块50可以访问生物计量数据库52，该数据库包含大量其他人的生物计量数据。优选地，这些生物计量数据已经以参数的形式存储，其可以在参数化脊柱模型中被直接使用。其他患者的参数被用来改进或补充患者个性化模块46已确定的患者脊柱的参数。

预测模块54允许某些参数特别是受插入特定植入物影响的那些参数的变化。预测模块54然后通过访问分析模块50来模拟参数改变对其余参数有何影响。优选地，这些影响被图形地显示，从而用户可以立即了解，对于改变一个或更多个参数所带来的任何改变，患者脊柱将如何反应。

计算机程序还可以包括计划模块56，其可以访问植入物数据库58，该数据库包含所有可用植入物和组件的数据，例如关于以上参考图4到7所述的组件的数据。计划模块56模拟将不同植入物插入到患者脊柱的特定位置时将会产生的影响，并包含评估模块，其评估插入不同植入物带来的影响是正面的还是负面的。为此，评估模块可以使用专家规则，所述规则量化正面或负面的影响，例如，类似于从国际象棋计算机程序所知的。这些模拟的结果是输出推荐的植入物配置。外科医生然后可以优选地通过使用脊柱模型的图形显示来检查推荐的植入物配置是否和他的经验和偏好相符。

2.3计算机程序执行的步骤

图10是计算机程序执行的主要步骤的流程图。这些步骤将在下面参考图11到19来说明。需要注意，这些步骤可以以不同的顺序来执行。

在第一步骤S1中，在不同的脊柱位置获取患者脊柱的图像。图11a到11c在左侧示出了患者脊柱的三节相邻椎骨的矢状数字X光图像。在该示例中，仅示出了三节相邻的椎骨；当然，患者脊柱的三节以上或所有椎骨可以被成像。图11a到11c的左侧示出的图像是在不同的矢状脊柱位置拍摄的。在图11a中，假设脊柱是在中立位置，即患者在拍照时是直立的。图11b示出了完全后倾位置的脊柱段，该位置即患者将其脊柱向后延伸到最大限度。图11c示出了完全前倾位置的脊柱段，这是患者通过将他的头部弯向膝盖来最大限度地弯曲其脊柱时获得的。

通常以不同矢状脊柱位置拍摄的图像不能直接互相比较，因为患者已改变了离X光探测仪的距离。于是在不同图像中示出的同一椎骨看来具有不同的尺寸。这在图11a和11b的左侧示出（这里，为了清楚起见，尺寸的差别被放大了）。

为了能够直接比较图像，于是需要重新缩放图像，从而相同的椎骨具有相同的尺寸。这样的重新缩放操作在图11a中示出。在右侧的重新缩放后的图像中示出的椎骨现在和下面图11b的图像中的椎骨具有相同的尺寸。不同图像之间的缩放因子可以通过确定相同结构在不同图像中的尺寸来得出。

有时候需要获取至少某些图像，例如脊柱在其中立位置的矢状图像和冠状图像，由此可以确定关于参考方向特别是重力方向的方向。如果X光助理使用了百叶窗来避免X光的不必要的曝光，有时候重力方向不容易从图像中推导出。如果这些百叶窗被倾斜地放置，X光机的软件通常会转动图像，从而图像边缘是垂直的或水平的。

这在图11b的左侧示出，其中，虚线59指示在图像中由百叶窗产生的边缘，该图像已被X光机转动从而这些边缘是垂直的或水平的。但是，重力的方向和图像的垂直边缘不是平行的。只有在图像被重新转动之后，它们才会是平行的，如图11b的右侧所示。

如果从X光机拍摄的图像中不容易确定其相对于重力方向或另一参考方向的方向，需要使用更复杂的方法，如以下在2.5小节（引用）中描述的。

转动图像也会是有用的，如果转动图像不是由于使用百叶窗而成为必需的话。一般地转动可以帮助减少图像尺寸，这在计算机处理时间方面是有好处的。

当然，还可能需要重新缩放并重新转动图像，如图11c针对完全前倾的位置所示。

在该重新缩放和/或重新转动步骤之后，图像中示出的椎骨具有相同的尺寸，且其中一个图像，例如示出中立位置的脊柱的图像，可以以其相对于重力方向或另一参考方向的正确方向来示出。

还需要注意，在脊柱的中立位置，还可以拍摄椎骨的冠状图像（通常从背面一侧）。对于这样的图像，也可以执行重新缩放和/或重新转动操作，从而确保椎骨的不同图像可以直接互相比较。

在接下来的步骤S2中，图像中示出的椎骨被识别。为此，患者个性化模块46包含使用模式识别算法来识别图像中示出的椎骨的例程。这可以通过全自动的过程或者以半自动计算机辅助交互过程来执行。一旦图像中的椎骨被识别，准备好的标签60被显示在图像中。开始，所有标签60都是空的，因为患者个性化模块46不能容易地识别图像中示出了哪些椎骨。但是，拍摄图像的外科医生知道示出了哪些椎骨。于是他在其中一节椎骨例如第一骶椎的准备好的标签60中输入标识符（见图12）。患者个性化模块46的例程然后将不同的标识符自动地分配给其他显示的椎骨，并在图像中显示被分配的标识符。该自动完成的结果在图13中示出，其中，不仅是外科医生手动标注的椎骨L3，还有其他两节椎骨L1和L2都被正确地标注。但是，需要注意，用户可以在任何时间自由地移动标签，如果它们没有被计算机正确的分配的话。

在可选的下一步骤S3中，退化参数被分配给受损脊柱段或其椎骨。患者个性化模块为此提示用户将退化参数分配给退化的那些椎骨或椎间盘。在图13中这由输入字段62表示，在该字段中，外科医生可以输入他认为已退化的那些结构的退化参数。在下一可选步骤S4中，使用椎骨检测和椎骨模型匹配算法来确定运动参数。为此，患者个性化模块46首先针对图像应用边缘检测和模型驱动能量最小化算法，从而确定成像的椎骨的外形。这在图14中示出，其中，被检测的边缘64由实线64示出。患者个性化模块46提示外科医生确认边缘被正确地检测，但它也可向他提供修改显示的边缘64的可能。如果外科医生通过检查显示的边缘64，相信边缘检测算法在图像的特定部分没有合适地检测到边缘，例如因为图像不管由于什么原因是模糊的，他可以手动地校正边缘64，如图14中由箭头66所示。箭头66被用来标记边缘64的某一部分，并将边缘移动到其正确的位置。程序然后基于手动设置的椎骨标签和边缘轮廓（例如通过测量点）来重新计算并优化内部脊柱模型。

椎骨的边缘可以以不同的方式来绘制，例如，作为如图14所示的简单边缘轮廓，或者作为由直线连接的拐角点。在一个实施例中，边缘被示出为彩色的模糊轮廓（云），以表示边缘检测的确定程度。这辅助外科医生识别需要手动校正的边缘。

患者个性化模块46还包含一个例程，其使得可能手动或自动地匹配在不同脊柱位置示出的椎骨，从而可以确定相对于相邻椎骨进行移动的能力。在图15的顶部，三节椎骨L1到L3以如图11b所示的后倾位置在左侧示出，并且以如图11c所示的前倾位置在右侧示出。如果右侧图像如箭头68所示被旋转，则可以匹配下面的椎骨L3，即，将一节椎骨移动在另一节上，从而它们重合。这在图15的下面部分示出；为了简单起见，上面的椎骨L1没有在该表示中示出。用点线70表示的椎骨L2表示前倾位置，虚线22表示后倾位置，而实线74表示如图11a所示的中立位置。如图11a到11c所示的椎骨的复杂运动由此被简化为一种表示，其中一节椎骨是固定的，相邻的椎骨被移动到如图15中由线条70、72、74所表示的不同位置。

优选地，对脊柱中的所有椎骨，或至少对图像中示出的那些椎骨，重复图15中示出的过程。

患者个性化模块46还包括一个例程，其确定用于相邻椎骨之间的枢转运动的枢轴，以及对于最大后倾和最大前倾的最大枢转角度。枢轴的位置和最大枢转角度是将要被分析模块50用来模拟患者脊柱的参数。

图16是图15中下面部分的放大图。除了图15之外，还示出了点线76、虚线78和实线80，分别表示前倾、后倾和中立位置的枢转角度。这些线条由该例程确定，以计算枢轴的位置和最大枢转角度。在图16中可以看到，在中立位置的相邻椎骨L2、L3之间形成的角度（实线80）略微是正的，在前倾位置（点线76）略微是负的，而在后倾位置（虚线78）明显是正的。

图17通过三个圆圈82、84、86示出了该枢转运动范围，其中，每个圆圈分别表示最大前倾位置、最大后倾位置和中立位置的枢转角度。椎骨L2、L3之间的所有可能的相对位置可以由在表示最大角度的圆圈82和84之间布置的圆圈来表示。当然，这类图示可以以多种方式来修改。例如，运动范围可以由对于前倾和后倾具有不同颜色的条形来表示。这些颜色会变得越来越亮，直到在最大的前倾和后倾角度分别达到最大的亮度。

在图16中，运动中心由黑点88表示，其表示椎骨L2和L3的枢转运动的枢轴。需要注意，相邻椎骨的相对运动通常不能被完全描述为绕着固定枢轴的枢转。例如，在示出的实施例中，只有从实线74表示的中立位置到点线70表示的前倾位置的迁移才可以用绕着运动中心88的枢转运动来准确描述。但是，从中立位置到虚线72表示的后倾位置，迁移不能用绕着固定枢轴的枢转运动来完全描述。因此，运动中心88通常只对从中立位置的较小偏离才重要。在该运动范围之外，运动中心88不能被认为是固定的，而必须被假设沿着某条线移动，该线也可以由患者个性化模块46来确定。

图18是包含九节相邻椎骨的较大的脊柱段的图形表示。对于每节椎骨，中立位置、最大前倾位置和最大后倾位置分别由实线、点线和虚线表示的圆圈来表示。从该表示可以看到，可能的枢转角度的范围（即有时候也被称为运动范围）通常在椎骨和椎骨之间有所不同，而且中立位置的角度对于每节椎骨一般也是不同的。

在步骤S6中，显示模拟的脊柱。优选地使用图形表示，其使得可能一眼就能容易地识别最相关的参数。在最简单的情形下，该图形显示看起来和图18中示出的类似，但是也可以有额外的信息，例如，运动中心的位置或者相邻椎骨之间的距离。这样的额外信息还可以包括统计数据。例如，在图18的图中可以示出，对于没有退化脊柱段的其他可对比的人来说，中立位置位于何处。这样的图示可以包括频率分布曲线的显示，如针对椎骨L2用虚线89所示例性地示出的。

在下一步骤S7中，预测参数修改的影响。如果相邻椎骨之间的交互是已知的，可以对脊柱段的行为进行建模。例如，在最大前倾位置，枢转角度由图18中示出的一列点线圆给出。如果有人想知道，如果相邻的椎骨没有移动到由图18中的圆圈针对每节椎骨所表示的三个位置中的一个，椎骨的位置是如何改变的，则可以执行简单的插值。该插值改进了在不同位置可用的患者脊柱的更多图像。

改进该模拟的另一方法是将图18中示出的数据与具有类似退化的其他患者的相应数据进行比较。被存储在生物计量数据库52中的这些数据还可以被用来预测在运动范围内的枢转角度的简单改变之外的修改。例如，如果两节相邻椎骨之间的距离以某一方式被插入植入物所改变，仅基于从患者脊柱拍摄的图像很难预测对相邻脊柱的影响。在该情形下，与原来具有类似退化的脊柱的患者相关的可比数据可以是有用的。如果这些可比数据还包含在以类似的方式改变所述距离后从其他患者拍摄的图像，这些图像可以被用于改进预测：对于模拟所针对的患者来说，对其他椎骨有什么影响。因此在步骤S5中进行的与具有类似退化的患者的其他参数数据进行的比较有助于分析模块50所使用的脊柱模型的质量和可靠性。

可以想到将针对所考虑的患者获取的生物计量数据添加到生物计量数据库52。由此，生物计量数据库52随着每个额外的患者而增长。这带来了某种自学习的效果，即，计算机程序被越频繁地使用，计算机程序进行预测的质量变得越好。生物计量数据可以被存储在中心服务器上，该服务器例如通过在线数据交换来获取这些生物计量数据，与患者相关的所有个人数据已经从这些数据中删除。于是中心服务器能够基于匿名的生物计量数据，例如通过相似性搜索或神经网络来执行参数优化。这样的集中过程有助于快速建立包含大量生物计量数据的数据库。

在预测步骤S7的开始，外科医生改变一个或多个显示的参数。图19示出了图18的图形显示，但具有两个额外的黑圈，其表示外科医生已输入的修改，可能意在以曲线89显示的统计数据。黑圈表示可以被特定假体完成的修改后的运动范围，该假体的枢转运动范围被组件的特定选择所限制，如以上参考图3到7所述的。预测模块54现在使用分析模块50所应用的脊柱模型来预测该修改的运动范围将如何影响相邻椎骨的运动范围。在图19的图示中，假设最大后倾（右侧的黑圈）的减少也会减少相邻椎骨的最大后倾角度。这可有助于避免太大的后倾角度（其可能在下面的椎骨处发生），因为太大的后倾角度会对椎间盘产生不利作用，并会进一步加剧椎骨的退化。

外科医生可以以类似的方式来尝试植入物的其他配置，并检查对其他椎骨的作用是否会对所考虑的脊柱段产生总体的正面或负面影响。

2.4扩展到三维模拟

上面假设了计算机程序仅模拟椎骨在矢状平面中的运动。但是，对很多应用来说，还考虑椎骨所具有的其他旋转和平移自由度是有好处的。图20示出了由平行六面体所表示的两节相邻椎骨如何通过沿着三个正交轴X、Y、Z的旋转和平移来进行更复杂的运动。

为了完全地理解椎骨的复杂运动，不仅是矢状平面中的图像，还有正交冠状平面中的图像也需要被拍摄。通常六个图像就足够了，即用于矢状平面的三个图像（中立、前倾、后倾）和冠状平面中的三个图像（中立、向右侧面弯曲和向左侧面弯曲）。

在最简单的情形下，患者脊柱在不同脊柱位置的图像是三维图像，其可以通过CT或MRT成像技术来获取。于是扩展到三维建模是相对直截了当的。

但是，通常只有患者脊柱在不同脊柱位置的二维图像是可用的。在这样的情形下，扩展到三维建模需要可以仅基于图11a到11c中示出的二维图像来确定脊柱的位置。但是，由于二维图像通常是椎骨在屏幕上的中心投影，如果X光源和X光探测仪的位置以及椎骨的形状是已知的，才可以计算椎骨在三维中的方向。图21示出了X光从点X光源90发出、并将具有已知形状的平行六面体92所表示的椎骨投影到X光探测仪94上的场景。从椎骨的图像92’可以确定椎骨在三维中的方向。

可以使用特定患者脊柱的单个三维图像来为该患者确定椎骨的形状。或者，在数据库中存储的可比数据可以被用于该目的。在该上下文中，需要注意，退化通常只影响椎骨的某些部分。关于其他部分，椎骨的形状对于性别、年龄、身高和体重指数类似的患者来说几乎是一样的。因此，假设椎骨的标准形状并且仅基于那些不会受退化影响的部分来确定椎骨的方向，这通常就足够了。

如果对于三个不同的脊柱位置，例如中立、前倾和后倾，在矢状和冠状平面上都拍摄图像，两组图像都允许确定椎骨的方向。通过比较从矢状和冠状图像确定的方向，准确度可以被提高，因为进行了两组统计独立的测量。

一旦针对图11a到11c示出的三种不同配置确定了椎骨的三维方向，上述对二维的脊柱建模也可以被简单地扩展到另外两个维度。在这种扩展的模型中，描述椎骨的位置和运动的参数集合被相应地增加。在第一近似中，不同平面中的枢转运动可以被认为互相独立，从而一节椎骨的枢转运动不会引起相邻椎骨绕着正交枢轴的枢转运动。在更为改进的模型中，不同平面的运动之间的交互也可以被考虑。

2.5参考

如果患者在拍摄图像时携带了铅垂线，则在图像中还有绝对的参考，其使其能够确定椎骨在三维空间中的精确方向。如果患者携带了包含水平仪的带子，则也可以达到类似的效果。于是所有参数例如枢转角度或运动中心的位置可以相对于铅垂线或水平仪所确定的参考方向来给出。获取图像中的参考方向的其他和更复杂的方法在德国专利DE 10 2010 026 934.4中描述。

在一个实施例中，该计算机程序为每个椎骨使用坐标系统。于是该坐标系统的原点应当与椎骨的通常不会受退化影响的特定点关联。这里，该计算机程序选择位于椎弓根圆顶（pedicle dome）中的点作为坐标系统的原点。该点可以例如由圆对称的轴96和对称冠状平面的交叉点来定义，该圆对称的轴96穿过图2中示出的椎弓根圆顶98，且该对称冠状平面穿过椎弓根眼（pedicle eye）和棘突（processus spinosus）之间的中心。

3.融合植入物

图22是融合植入物220的透视图，该植入物如发明人之一所提交的US 2007/055374 A1所描述。该较早申请的完整公开通过引用结合于此。

融合植入物220具有头部222、基部224以及在基部224和头部222之间延伸的中部226。

头部222向下朝着圆端228逐渐变细，并被提供了外部螺纹230，该外部螺纹穿过中部226向下到达基部224。

中部226由被开口234互相分离的四个支柱（strut）232构成。

基部224具有正方形或矩形的横截面，并且也是向下朝着植入物220的一端变细，如从图23中示出的穿过不同尺寸的植入物220的横截面可以最佳地看到的。

如上所述，在健康人的脊柱中，由成对的相邻椎骨构成的关节沿着脊柱具有明显不同的属性。因此融合植入物220必须要适应于这些不同的属性。外科医生应该能够从不同尺寸的植入物集合中为特定的受损椎间盘腔选择最适合该椎间盘腔的融合植入物220，并尽可能地恢复受损脊柱段的原始配置。

图23示出了可以属于外科医生可以从中选择的植入物集合的六个不同尺寸的融合植入物220。从图23中可以看到，该集合的植入物220具有不同长度。相等长度的植入物220沿着其纵轴具有不同直径，这转而引起头部222和基部224之间形成的不同角度。该角度很关键，因为它定义了要被融合的椎骨之间的角度。

仅基于经验和与特定患者相关的生物计量数据，外科医生很难从这样的不同融合植物220的集合中做出最佳选择。下面将描述计算机程序的实施例，其支持外科医生选择合适的融合植入物220的任务，从而患者也将在长期中减轻疼痛。这意味着脊柱的其他部分没有被过度拉紧，该拉紧最终会导致新的不适和疼痛。可以理解，原则上可以采用相同的步骤来确定非融合植入物的配置。

3.1计算机程序

图24以和图8中类似的图示示意性地示出了计算机程序的基本功能。患者42的生物计量数据被提供给计算机244。计算机244还可以访问数据存储装置245，该装置至少存储了大量没有退化脊柱段的人的生物计量数据或从该数据推导出的量（例如均值）。

计算机程序辅助外科医生从具有不同尺寸的融合植入物的集合中选择合适的融合植入物220。这在图24的底部示出，其中具有不同几何属性的融合植物的集合SET240被示意性地示为若干盒子。每个盒子包含相同的融合植入物220，但不同盒子包含不同的融合植入物220。计算机程序所提供的辅助基本上可以是预测，如果集合SET240中的特定融合植入物220被插入到沿着脊柱的特定位置，患者的脊柱将如何反应。计算机程序甚至可以能够在需要时提供对最佳融合植入物220的建议。这在图24中用指向集合240的特定盒子的虚线来表示。

3.2计算机程序执行的步骤

图25是计算机程序所执行的主要步骤的流程图。这些步骤将在下面参考图26到28来说明。再次注意，这些步骤可以以不同的顺序来执行。

该实施例中的前两个步骤S221和S222和第一实施例的在图10中示出的步骤S1和S2相同。因此参考图11和12以及这些图的描述。

在第三步骤S223中，至少一个椎间盘腔的几何结构被相对地确定。下面将参考图26来说明这是怎么完成的，该图示出了在两个相邻椎骨V1、V2之间形成的椎间盘腔。

计算机在计算机屏幕上显示了位于椎骨V1、V2的边缘252上的四个点250,，该边缘是由边缘检测算法检测到的。计算机定位四个点250，从而它们直接接近椎间盘腔215。此外，四个点250被布置在等腰梯形254的侧边上，该等腰梯形在矢状平面上定义了椎间盘腔215的几何结构。点250应该被如此定位，从而融合植入物220在所述点250处与相邻椎骨V1、V2接合。由此点250不是表示椎骨V1、V2的拐角（即边缘具有最小弯曲半径的位置），而是梯形254接触椎骨V1、V2的位置。

如果计算机提供的算法不能正确地自动定位点250，外科医生可以将点250中的一个或多个移动到他认为正确的位置。于是如果外科医生沿着与梯形254的侧边253不一致的方向来移动其中一个点250，梯形254的几何结构将会被自动调整。

对于受损的椎间盘腔，还需要确定梯形254的长度L，因为这定义了将被插入的植入物220应具有的长度。为此，计算机使用的算法通过使用从检测到的边缘获取的额外几何信息来确定梯形254的长度L。例如，具有直径d₁的梯形254的前端被确定，从而它和下部椎骨V2的前边缘256对齐。具有直径d₂的梯形254的后端被确定，从而它和上部椎骨V1上的后点250一致。再一次，计算机程序可以提示外科医生修改算法给出的建议。

根据长度L和四个点250，直径d₁和d₂以及在侧边253之间形成的角度可以被容易地确定。

以这种方式，受损的以及至少直接相邻的椎间盘腔215的尺寸可以被测量。优选地至少5至7个相邻的椎间盘腔可以以相同方式来测量。

在下一步骤S224中，与脊柱段关联的绝对值可以被确定。该确定是必要的，因为椎骨V1、V2的绝对尺寸通常不能从二维矢状X光图像中立即获得。由此上面参考图26说明的步骤S223中的确定过程通常只能以相对的方式来进行。

获取与脊柱段关联的绝对值的一种可能是使用二维或三维CT图像。另一方法是在拍摄X光图像时对患者应用米尺或类似的刻度。米尺然后也被投影到X光探测仪，并且其图像和X光图像使外科医生能够对先前在步骤S223中获取的测量结果进行校准。

在该上下文中，外科医生可以简单地在X光图像上测量某一尺寸，例如某一椎骨L2的对角线，如图27所示。通过将该尺寸与米尺的图像258进行比较，外科医生能够输入所选择尺寸的绝对值，这里是椎骨L2的对角线。然后计算机程序也能够以绝对的方式来确定表示椎间盘腔的梯形254的几何结构。

第三种方法可以是在拍摄X光图像时，使用关于获取几何结构（acquisition geometry）的详细信息。这样的信息可以包括患者相对于X光源和X光探测仪的位置（例如脚步位置）。

在下一步骤S226中，融合植入物220应植入的受损椎间盘腔和未处于受损状态的参考腔可以被外科医生确定。在图28a中，假设椎骨L3和L4之间的椎间盘腔受损，即，融合植入物之一220应该被植入到那儿。该椎间盘腔因此由彩色条形260来指示。当然，类似的标识方式，例如在图像的窗口右侧和左侧的边界上的标记，也可以被使用。受损腔附近的未受损腔也可以被突出显示，例如通过使用不同颜色的条形262。

在下一步骤S227中，显示模拟的脊柱段。外科医生现在能够替换椎骨L3、L4中的一个，所述椎骨定义由条形260指示的受损椎间盘腔。

对于条形260所指示的受损腔，计算机程序建议合适的融合植入物220。从该示例可以看出，建议的融合植入物220已被图形地插入到两节椎骨L3、L4之间并由此替换指示受损腔的条形260。当然，外科医生能够立即放弃该建议，并用他认为更合适的另一植入物来替换建议的植入物220。

当建议合适的植入物220时，计算机程序可以执行下列步骤：

首先从生物计量数据库52获取其他人的脊柱的统计数据。在一个实施例中，这些数据包括如图26中所述的椎间盘腔的直径d₁和d₂以及长度L。其他数据集合也可以被使用，只要它们足以在矢状平面上确定椎间盘腔的几何结构（即形状和尺寸）。优选地这些数据是从健康人获取的。但是，来自具有受损脊柱段的患者的数据也可以被使用，因为远离受损脊柱段时它对其他段的影响很小，从而它可以被忽略。换句话说，在该近似中，这些患者被认为是健康的患者。

在下一步骤中，将描述患者的非受损段的形状和尺寸的相应数据与从数据库52获取的数据进行比较。能找到与患者数据有足够相似度的那些数据集被识别。对于这些数据集，与患者需要融合的特定椎间盘腔相关的数据被用来计算腔的平均形状和尺寸。现在假设患者的受损椎间盘腔在其退化开始之前具有和健康人的可比的腔近似相同的形状和尺寸。因此确定，患者的受损腔应该具有和针对可比的健康人所确定的相同的形状和尺寸。

通常以这种方式确定的椎间盘腔的几何结构将和外科手术开始之前的几何结构不同。这意味着相邻的椎骨L3、L4必须被重新布置，或者，换句话说，外科手术引起的角度改变必须在相邻段之间分配。计算机程序现在计算原始状态和具有插入的植入物220的状态之间的角度差值，然后预测相邻椎骨对该改变将如何反应。需要注意该过程涉及特定的姿势（通常是中立姿势），并且它必须和脊柱弯曲时其如何反应的预测相区分。

在该实施例中，计算机与之前针对相邻椎骨所确定的运动范围成比例地在这些椎骨之间分配角度改变。运动范围被定义为最大伸展和最大弯曲的枢转角度之间的差值，如以上参考图17所说明的。换句话说，算法认为那些具有较大枢转范围的椎骨比具有较小枢转能力的椎骨能补偿更多的角度改变，该角度改变是由融合植入物220的预期插入引起的。

在健康的椎间盘腔之间分配角度改变通常不会对所有椎骨来进行，而是只对染病的脊柱段的相邻的多节椎骨来进行。这基于下列概念：并非所有椎骨都会在植入物220的预期插入之后重新布置。某些椎骨根本不会或者只会很小地枢转。例如，肋骨所附着到的胸部脊柱18上的椎骨可以被认为是固定的。同时固定地连接到骨盆的成人骶骨S在该上下文中也被认为是固定的，尽管已观察到骶骨S的小的枢转运动以补偿腰部椎骨的角度改变。如果融合植入物要被插入到脊柱的腰部区域，椎骨Th12（胸部脊柱18的最下面的椎骨）和骶骨S由此可以被认为是固定的。只有在其枢转位置被假设固定的这两个元件之间的椎骨才被允许补偿融合植入物220的插入所引起的任何角度改变。类似的考虑适用于颈部脊柱16。

为了简单起见，在图28b中假设两节椎骨L1、L5被保持在相同的枢转位置，且只有椎骨L2、L3和L4能够进行（箭头所指示的）的运动，所述运动补偿由植入物220的预期插入所带来的角度改变。

如果外科医生得出结论，椎骨L2到L4的调整运动很可能会产生对这些椎骨的过度拉紧，他可以决定针对不同融合植入物22模拟该场景。该过度拉紧的一个指示经常是如果椎骨L2到L4将移动到非常接近末端位置的位置，它们在脊柱的完全伸展或完全弯曲状态具有所述末端位置。

外科医生可以通过使用如图18和19所示的图形表示、针对非融合植入物的情形来监控该状况。与该表示的唯一不同是，被操作的段的运动范围将会是零，即，在表示由植入物固定的角度的位置处，将只有一个黑点。在这样的表示中，如果在与不同椎骨关联的线条之一中，表示中立位置的中间圆圈移动到非常接近最大前倾或弯曲的位置，则可以识别相邻椎骨关节的过度拉紧。

3.3结果屏幕

图29示出了结果如何可被计算机程序输出到屏幕或打印输出。推荐的植入物220以其真实尺寸被示出。这些尺寸，例如腹部和背部直径d₁、d2以及长度L（见图26），分别在264、266、268处被额外地以毫米指示。唯一标识植入物集合SET240中的每个植入物的物品编号也可以在270处被指示。

这里假设植入物220的基部224是矩形的。这导致两个不同的背部直径d2，其可以用单个植入物220基于它在椎间盘腔中的方向来获取。272处的图示通知外科医生必须从哪个方向将植入物220插入到椎间盘腔中。在该上下文中，参考DE 20 2010 011 773 U1，其更具体地描述了与具有矩形基部224的植入物220的使用相关的各个方面。DE 20 2010 011 773 U1的完整公开通过引用结合于此。

在屏幕的下部，以真实比例的表示示出了套筒274，套筒274的直径在276处指示。套筒274由计算机程序建议用于将上述植入物220插入到椎间盘腔中。如果不同尺寸套筒以及具有椭圆头部的棒体的系统被用来逐步牵伸椎间盘腔，如上述DE 20 2010 011 773 U1所述，计算机程序还可以示出外科医生在该过程中可以使用的套筒和棒体的序列。

4.其他修改

在一个实施例中，还考虑了相邻椎骨的椎弓根之间的距离。这在融合植入的情形下可能特别重要。

如果某些生物计量数据，例如相邻椎骨20之间的力或距离，只能在植入外科手术期间被测量，计算机程序可能能够处理这样的数据并在对患者脊柱建模时考虑它们。为此，可以使用能直接向计算机提供数据的测量仪器，如WO 2010/037558 A2中所公开的。通过该仪器可以获取将被融合或非融合植入物连接的椎骨所施加的力的函数依赖性，所述力依赖于这两节椎骨之间的距离。由于两节椎骨之间的主要的力应该在一定范围内，可以根据该函数来确定在植入物的帮助下应该在两节椎骨之间建立的距离范围。

在3.2节中已提到，骶骨S在一定程度上也可以枢转，作为引入融合植入物所产生的角度改变的结果。如果这也要被考虑，需要在融合植入物的插入所产生的角度改变必须在其间分配的椎骨中包含骶骨S。于是并非骶骨S而是股骨关节平面将被认为是固定的。

上述对优选实施例的描述作为示例来给出。通过给出的公开，本领域技术人员不仅能理解本发明及其伴随的优势，还能发现对公开的结构和方法的各种修改和调整。申请人因此试图覆盖由所附权利要求书及其等价物所定义的本发明的精神和范围内的所有这样的修改和调整。

Claims

1.一种用于脊柱移动性模拟的装置，包括：

a)用于访问与患者的脊柱相关的生物计量数据的装置，该脊柱具有至少一个受损脊柱段，其中，所述生物计量数据包括从患者脊柱在中立位置、充分伸展的位置和充分弯曲的位置的图像获取的图像数据，所述图像是使用医学影像技术来拍摄的；

b)用于针对图像中示出的至少某些椎骨，确定描述相对于相邻椎骨运动的能力的参数的装置，其中，该参数包括被定义为用于脊柱的最大伸展和最大弯曲的枢转角度之间的差值的运动范围；

c)用于显示包含多节椎骨的患者脊柱的模型的装置；

d)用于使用户能够产生两节相邻椎骨之间的角度改变的装置；

e)用于通过与针对多节相邻椎骨在步骤b)中所确定的运动范围成比例地在这些椎骨之间分配所述角度改变，计算位置改变对其余椎骨的影响的装置；

f)用于显示新配置下的脊柱模型，由此考虑用户在步骤d)中改变的位置以及在步骤e)中计算的其余椎骨的位置改变的装置。

2.如权利要求1所述的装置，还包括用于使得计算机图形地显示患者脊柱或其一部分的图像中的一个的装置，并包括：

i)用于提示用户将第一标识符分配给一节椎骨的装置；

ii)用于使用模式识别算法来自动识别图像中示出的椎骨的装置；

iii)用于将不同的标识符自动地分配给其他显示的椎骨的装置；

iv)用于在图像中显示步骤iii)中分配的标识符的装置。

3.如权利要求1所述的装置，还包括用于使得计算机向用户提出通过在椎骨边缘上或附近布置四个点，来确定位于受损脊柱段中的椎间盘腔的几何结构的装置，所述椎骨在图像中示出，并且在其间形成椎间盘腔。

4.如权利要求3所述的装置，还包括用于使得计算机在图像中显示所述四个点，从而该四个点总是位于可变等腰梯形上的装置。

5.如权利要求3或4所述的装置，还包括用于使得计算机基于用边缘检测算法确定的图像中示出的椎骨的边缘来确定椎间盘腔的几何结构，在图像中显示确定的几何结构，并向用户提出修改图像中显示的几何结构的装置。

6.如权利要求3或4所述的装置，还包括用于使得计算机将测量的参考值赋予图像中显示的椎骨之一的几何参数的装置。

7.如权利要求4所述的装置，还包括用于使得计算机基于测量的参考值来计算等腰梯形的真实尺寸。

8.如权利要求1所述的装置，还包括用于使得计算机将与患者相关的参数和与其他人相关、并在数据库中存储的相应参数进行比较的装置，其中，通过将所述其他人的退化参数与所述患者的退化参数进行比较，来选择所述其他人。

9.如权利要求1－4中的任一个所述的装置，还包括用于使得计算机从植入物数据库中读取数据，与植入物的所有可用组件相关的数据被存储在该数据库中，以使得计算机输出对植入物配置的建议的装置。

10.如权利要求1所述的装置，还包括用于使得计算机显示图形的装置，其中，对于至少两节相邻的椎骨，最大前倾的位置、最大后倾的位置以及中立位置被示为水平刻度线上的符号，并针对刻度线上由符号指示的至少一个位置将从其他人获取的统计数据显示为频率分布曲线。