CN109069166A - 确定椎弓根螺钉的最佳放置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定椎弓根螺钉(4)的最佳放置的设备(2)，包括：处理单元(14)，其中，所述处理单元被配置为接收表示人体椎骨模型(18)的模型表面(22)和被最佳放置在所述模型表面的椎弓根部分(28)的跨越空间中的椎弓根螺钉模型(30)的模型数据集，其中，所述处理单元被配置为接收表示至少一个人体椎骨(6)的表面图像(26)的5个图像数据，并且其中，所述处理单元被配置为针对多个所述至少一个人体椎骨中的每个人体椎骨而调整所述模型数据集，使得针对所述多个所述至少一个人体椎骨中的每个人体椎骨提供表示与相应的人体椎骨相适配的经对应调整的模型表面(36)的经调整的模型数据集，其中，10个经调整的模型数据集中的每个经调整的模型数据集还表示经对应调整的椎弓根螺钉模型(38)。本发明还涉及对应的方法、对应的计算机程序单元和对应的计算机可读介质。

Description

确定椎弓根螺钉的最佳放置
技术领域
本发明涉及用于确定椎弓根螺钉的最佳放置的设备和方法，相应的计算机程序单元和计算机可读介质。
背景技术
脊柱是骨骼和结缔组织的复杂系统。脊柱为身体提供支撑并保护脊髓和相关神经，特别是保护其免受损伤。脊柱包括彼此堆叠的一系列椎骨，其也被称为人体椎骨。椎间盘位于每个椎体之间，缓冲并抑制脊柱受到的压缩力。
通常被称为脊柱融合或脊柱固定的技术通常用作对脊柱疾病的处置。这种脊柱疾病可以包括由异常、疾病或创伤引起的疾病。对于脊柱融合来说，外科手术植入物用于一起融合和/或机械固定脊柱的椎骨。具体地，将金属螺钉穿过患者背部插入椎骨中，并且通过金属杆连接相邻椎骨的螺钉以产生固定桥。这种脊柱融合已经有效地用于处置上述脊柱疾病。然而，存在与当前外科手术植入物相关联的若干缺点。这些缺点可能涉及对外科手术植入物(例如，上述金属螺钉)的尺寸的精确测量。另外的缺点可能涉及外科手术植入物的准确放置。
文献US 7194120 B2涉及用于对植入物的图像引导的放置的方法和系统。从一个或多个医学成像设备获得至少表示脊柱的部分的医学图像数据。另外，基于该医学图像数据来确定骨骼结构的表面边界。此外，当要通过在计算机上执行对表面边界的数学比较的算法的计算机处理将椎弓根螺钉的最佳轨迹自动计算为在表面边界内时，计算在表面边界内具有预定初始直径的椎弓根螺钉的最佳轨迹。
WO 2006/092600 A1公开了一种计算机实施的方法，其用于自动规划要在患者的身体部分上执行的外科手术流程的至少部分。提供身体部分的虚拟模型，该虚拟模型具有与身体部分相关联的数据，该数据表示规划的外科手术流程的至少部分，例如要在流程中使用的硬件的部件的表示，例如外科手术器械和植入物。使用从患者的真实身体部分导出的数据使虚拟模型变形，从而调整规划的外科手术流程的部分以反映患者的真实身体部分的解剖结构。
然而，当前用于规划植入物的引导放置(特别是将椎弓根螺钉放置到椎骨中)的方法存在一些缺点。
发明内容
可能需要不太复杂的方法来确定椎弓根螺钉在椎骨内的最佳放置。特别地，相应的确定方法应当是可重现的，可用于自动使用，并且应当提供患者特异性数据来充当椎弓根螺钉的最佳放置的基础而不会损伤相应的椎骨。
通过独立权利要求的主题解决了本发明的目的，其中，在从属权利要求中包括了进一步的实施例。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于规划椎弓根螺钉的放置的设备。所述设备包括处理单元。所述处理单元被配置为接收全局模型数据集，所述全局模型数据集表示：第一人体椎骨的第一模型表面和位于所述第一模型表面的椎弓根部分中的第一椎弓根螺钉模型、第二人体椎骨的第二模型表面和位于所述第二模型表面的椎弓根部分中的第二椎弓根螺钉模型，以及所述第一椎骨相对于所述第二椎骨的模型布置。
所述处理单元被配置为接收至少表示以下内容的图像数据：所述第一人体椎骨的第一图像、所述第二人体椎骨的第二图像，以及所述第一图像相对于所述第二图像的布置。
所述处理单元还被配置为针对所述图像数据而调整所述全局模型数据集，经调整的模型数据集表示：针对所述第一人体椎骨的所述第一图像而调整的第一经调整的模型表面，针对所述第二人体椎骨的所述第二图像而调整的第二经调整的模型表面，所述第一经调整的模型表面相对于所述第二经调整的模型表面的经对应调整的模型布置。所述经调整的模型数据集还表示经对应调整的第一椎弓根螺钉模型和第二椎弓根螺钉模型。
因此，全局模型集是包括至少表示第一人体椎骨和第二人体椎骨的模型表面的数据子集的数据集。数据子集可以表示网格或点网，其表示人体椎骨模型的模型表面。因此，模型表面可以表示人体椎骨模型的表面。
模型数据集还表示椎弓根螺钉模型。因此，模型数据集可以包括表示椎弓根螺钉的模型表面或至少椎弓根螺钉模型的表面的点的数据，例如，表示椎弓根螺钉模型的端部和/或其方向的数据。
椎弓根螺钉模型位于人体椎骨模型的模型表面的椎弓根部分中。
在下文中，模型表面的“跨越空间”指的是由模型表面包住或包围的内部空间。特别地，模型表面的椎弓根部分的跨越空间优选指的是由模型表面的椎弓根部分包住或包围的内部空间。
因此，模型数据集提供关于人体椎骨模型的模型表面来布置椎弓根螺钉模型的位置和方式的信息。例如，如果椎弓根螺钉模型由两个点表示，则优选每个点定义椎弓根螺钉模型应当表示的椎弓根螺钉的一端，这两个点中的至少一个点位于人体椎骨模型的模型表面的跨越空间内。另外，这两个点表示椎弓根螺钉模型关于人体椎骨模型的模型表面的方向。第二点优选位于人体椎骨模型的模型表面之外。在实践中，椎弓根螺钉用于锚定其他外科手术设备，特别是杆。正因如此，椎弓根螺钉应当被精确放置在真实人体椎骨的椎弓根中，以避免损伤椎弓根结构并同时提供良好的锚定效果。
椎弓根螺钉模型的最佳放置可以指椎弓根螺钉模型的预定放置。如果基于模型数据集的信息(特别是基于分别表示的椎弓根螺钉模型)将真正的椎弓根螺钉放置在真实人体椎弓根的椎弓根中，则椎弓根螺钉模型的预定放置可以得到锚定效果与椎弓根螺钉的损伤防止之间的有利折衷，其中，模型表面与真实人体椎弓根的表面图像相适配。
例如，根据表示先前的椎弓根螺钉放置流程的历史数据，能够预先确定椎弓根螺钉的最佳放置，然后能够在模型数据集中对该预定放置进行编码。类似地，基于关于平均人体椎骨形状的统计数据，能够确定人体椎骨模型的模型表面。
所述处理单元被配置为接收至少表示所述第一人体椎骨和所述第二人体椎骨的图像的图像数据。可以通过一个或多个医学成像设备来获得图像数据，所述一个或多个医学成像设备例如为计算机断层摄影(CT)、磁共振成像(MRI)、正电子发射断层摄影(PET)、立体定向超声、内窥镜超声和/或其他医学成像设备(例如，C型臂成像设备)。
特别地，可以针对表示实际对象中的椎骨形状的图像数据而调整模型数据集。在这方面，“调整”是指基于相应模型对图像数据的分割，由此模型数据例如被弹性变形以获得模型表面与图像数据中的椎骨图像的最佳适配。
这种调整涉及本领域公知的技术，参见例如J.Weese等人的文章“ShapeConstrained Deformable Models for 3D Medical Image Segmentation”(InformationProcessing in Medical Imaging 2001，第380-387页，Lecture Notes in ComputerScience，第2082卷，斯普林格，柏林，海德堡)。
在优选实施例中，调整不仅涉及针对图像中的对应椎骨对“局部”椎骨模型的调整，而且还涉及对第一经调整的模型表面相对于第二经调整的模型表面的模型布置的全局调整。也就是说，全局模型数据集还包括关于人体脊柱的各个椎骨相对于彼此的相对空间布置的数据。该模型布置数据同样在调整期间用作额外参数。
例如，模型布置数据可以包括关于两个相应人体椎骨之间的距离(例如，两个人体椎骨的对应突出之间的距离)或第一人体椎骨相对于第二人体椎骨的扭转角度的数据。可以为一个或多个椎骨突出(例如，棘突、横突和/或上关节突出和下关节突出)定义模型距离。通过从图像数据导出实际患者的对应参数，模型布置数据充当针对图像数据对全局模型数据集的调整的额外约束。
备选地或额外地，模型布置数据可以包括在表示人体脊柱的全局坐标系中的特定椎骨点(例如，一个或多个椎骨突出)的坐标数据。
作为效果，提供了针对第一椎骨和第二椎骨(其优选是人体脊柱的相邻椎骨)中的椎弓根螺钉的期望放置，而无需随后的计算。相反，将椎弓根螺钉模型的预定放置与模型表面一起调整，使得在调整之后，经调整的椎弓根螺钉模型相对于经调整的模型表面得到适当的定位。
不是单独计算多根椎骨的椎弓根螺钉模型的最佳放置，而是对全局模型数据集的单个调整就足够了，以便提供特别是在相邻椎骨中对椎弓根螺钉的最佳放置的规划信息。基于该规划信息，能够执行将实际的椎弓根螺钉定位在对应的真实人体椎骨中的后续流程。
根据优选实施例，所述全局模型数据集还表示从所述第一椎弓根螺钉模型延伸到所述第二椎弓根螺钉模型的连接杆模型，其中，所述处理单元被配置为基于对所述布置的所述调整来调整所述连接杆模型，从而得到从第一经调整的椎弓根螺钉模型延伸到第二经调整的椎弓根螺钉模型的经调整的连接杆模型，并且其中，所述经调整的全局模型数据集还表示所述经调整的连接杆模型。
连接杆模型可以表示连接第一螺钉和第二螺钉的实际连接杆的信息，其中，第一螺钉模型用于将第一螺钉放置在与第一表面图像相关的第一人体椎骨中，并且其中，第二螺钉模型用于将第二螺钉放置在与第二表面图像有关的第二人体椎骨中。
作为调整全局模型数据集的结果，对连接杆模型执行相应的调整。因此，经调整的连接杆模型保持最佳状态。能够防止对连接杆的后续计算。相反，正在执行的调整提供了用于放置椎弓根螺钉以及用于在插入两个椎弓根螺钉后连接两个椎弓根螺钉的连接杆的所有必要信息。
根据示例性实施例，由所述模型数据集表示的椎弓根螺钉模型的第一端部位于相应的人体椎骨的模型表面的跨越空间内，并且也由所述模型数据集表示的所述椎弓根螺钉模型的第二端部从所述人体椎骨模型的所述模型表面突出出来。
根据优选实施例，相对于所述人体椎骨模型的相应的模型表面布置由所述模型数据集表示的所述椎弓根螺钉模型，使得所述椎弓根螺钉模型的所述第二端部被布置在表示所述人体椎骨模型的突起的所述模型表面的两个向外延伸的表面部分之间。
人体椎骨模型的突起优选涉及棘突和横突。因此，模型表面的向外延伸的表面部分中的一个可以表示棘突。模型表面的另一个向外延伸的表面部分可以表示人体椎骨模型的横突。
根据另外的实施例，相对于所述人体椎骨模型的相应的模型表面布置由所述模型数据集表示的所述椎弓根螺钉模型，使得所述椎弓根螺钉模型的所述第二端部不与表示所述人体椎骨模型的所述突起的所述模型表面的所述向外延伸的表面部分中的一个垂直重叠。
在详细考虑中，椎骨可以不止包括上述突起。为了直接放置连接杆而不与人体椎骨的突起中的一个突起相交，椎弓根螺钉模型的第二端部被布置为使得它不与人体椎骨模型的模型表面的向外延伸的表面部分中的一个重叠。这在调整模型数据集之后会得到保留。作为效果，当使用模型数据集作为放置椎弓根螺钉和杆的信息基础时，能够放置连接杆且两个椎弓根螺钉之间没有任何冲突。
根据优选实施例，所述模型数据集至少通过以下两项内容来表示所述椎弓根螺钉模型：所述椎弓根螺钉模型进入到所述人体椎骨模型的模型表面的跨越空间中的虚拟进入点、所述椎弓根螺钉模型相对于所述人体椎骨模型的模型表面的方向，以及所述椎骨螺钉模型从所述人体椎骨模型的模型表面的跨越空间出来的虚拟出口点。
例如，模型数据集至少通过椎弓根螺钉模型进入人体椎骨模型的模型表面的跨越空间中的虚拟进入点表示椎弓根螺钉模型。因此，模型数据集提供了真实椎弓根螺钉必须进入人体椎骨的人体椎骨表面处的进入点的信息。因此，虚拟进入点涉及椎弓根螺钉与人体椎骨的表面在何处相交的信息。另外，进入点可以涉及其部分处的模型表面，使得椎弓根螺钉模型的方向与所述表面部分成80°至110°之间的角度。作为效果，如果分别根据由模型数据集或经调整的模型数据集提供的相应信息执行放置，则真实椎弓根螺钉的头部能够容易地放置真实人体椎骨的对应表面部分。在调整模型数据集时，对应地调整虚拟进入点。因此，经调整的模型数据集表示经对应调整的虚拟进入点，其提供用于椎弓根螺钉与具有由图像数据表示的表面图像的人体椎骨的最佳交叉点的信息。
另外，模型数据集可以通过椎弓根螺钉模型相对于人体椎骨模型的模型表面的方向来表示椎弓根螺钉。当调整模型数据集时，也对应地调整椎弓根螺钉的方向。因此，经调整的模型数据集提供必要的信息，以便找到将真实的椎弓根螺钉部分拧入人体椎骨的最佳方向。
模型数据集可以至少通过椎弓根螺钉模型从人体椎骨模型的模型表面的跨越空间出来的虚拟出口点来表示椎弓根螺钉。椎弓根螺钉模型的虚拟出口点优选不是椎弓根螺钉模型与人体椎骨模型的模型表面进一步相交的实际出口点。相反，当知道虚拟进入点时，椎弓根螺钉模型的虚拟出口点可以用作确定椎弓根螺钉模型的方向的基础。因此，椎弓根螺钉模型的虚拟进入点和虚拟出口点可以提供用于在真实人体椎骨内布置椎弓根螺钉的信息。在调整模型数据集时，对应地调整椎弓根螺钉模型的虚拟出口点。因此，在调整之后，最佳虚拟出口点保持最佳状态。
根据优选实施例，模型数据集还至少通过椎弓根螺钉模型进入到人体椎骨模型的模型表面的跨越空间中的穿透深度来表示椎弓根螺钉模型。
在范例中，椎弓根螺钉模型的穿透深度是预定的，使得防止了椎弓根螺钉模型的第一端部的突破。特别地，如果模型数据集还通过椎弓根螺钉模型的虚拟出口点表示椎弓根螺钉模型，则椎弓根螺钉模型的第一端部未达到虚拟出口点。相反，穿透深度预定义椎弓根螺钉模型穿透到人体椎骨模型的模型表面的跨越空间有多深。进一步优选地，椎弓根螺钉模型的第二端部从人体椎骨模型的模型表面向外延伸。
调整模型数据集的结果是：将对应地调整椎弓根螺钉模型的穿透深度。因此，在调整之后，椎弓根螺钉模型相对于人体椎骨模型的模型表面的剩余调整的穿透深度保持最佳状态。特别地，不一定需要对椎弓根螺钉模型的穿透深度的随后计算。相反，单个调整可以足以提供椎弓根螺钉模型在人体椎骨模型的模型表面内的最佳放置。因此，用单个调整步骤就提供了真实的椎弓根螺钉在具有与经调整的模型表面相对应的表面图像的人体椎骨中的放置。
根据优选实施例，模型数据集还至少通过椎弓根螺钉模型的直径来表示椎弓根螺钉模型。
椎弓根螺钉模型的直径优选是预定的，使得对应的真实椎弓根螺钉将在具有与人体椎骨模型的模型表面相对应的表面图像的人体椎骨的椎弓根中提供足够的或最大的锚定。另外，椎弓根螺钉模型的直径优选是预定的，使得在相同的条件下有效地防止对人体椎骨的椎弓根的损伤，如前所述。因此，预定直径可以包括锚定椎弓根与防止椎弓根损伤之间的最佳折衷。
在调整模型数据集时，对应地调整椎弓根螺钉的直径。因此，不必随后计算椎弓根螺钉模型的直径。相反，对模型数据集的单个调整就足够了。
根据优选实施例，模型数据集还至少通过螺纹参数(特别是表示适配类型、螺纹深度和/或螺钉锥度的螺纹参数)来表示椎弓根螺钉模型。
以类似的方式参考关于先前解释的实施例所提供的解释、优选特征和/或效果。特别地，可以以与椎弓根螺钉模型的直径类似的方式来调整螺纹参数。因此，相对于人体椎骨模型最佳的预定螺纹参数在调整之后保持最佳状态。
根据优选实施例，模型数据集还至少通过表示椎弓根螺钉模型从人体椎骨模型的模型表面的跨越空间突出出来的突出长度来表示椎弓根螺钉模型。特别地，突出长度对应于椎弓根螺钉模型从人体椎骨模型的模型表面向外延伸的第二端部的长度。
当基于椎弓根螺钉模型将真实的椎弓根螺钉放置在真实的人体椎骨中时，突出长度在真实的椎弓根螺钉的可接近性与侵入性之间的最佳折衷的意义上可以是最佳的。可接近性优选涉及用于将连接杆连接到椎弓根螺钉的第二端部的可接近性。侵入性可以涉及椎弓根螺钉的第二端部进入紧邻椎弓根螺钉从人体椎骨出来的出口点的人体区域的侵入性。
通过调整模型数据集，相应地调整突出长度。因此，当调整模型数据集时，最佳突出长度保持最佳状态。
尽管已经针对两个优选为相邻的人体椎骨示例性地概述了上面提供的实施例，但是如果图像数据表示多于两幅表面图像，则该设备可以以类似的方式被配置用于多于两个人体椎骨。
根据本发明的另外的方面，提供了一种用于规划椎弓根螺钉的放置的方法，包括以下步骤：
a)提供表示以下内容的全局模型数据集：第一人体椎骨的第一模型表面、第二人体椎骨的第二模型表面、所述第一椎骨相对于所述第二椎骨的模型布置，以及位于相应的所述第一和模型表面的椎弓根部分中的第一椎弓根螺钉模型和第二椎弓根螺钉模型；
b)接收至少表示以下内容的图像数据：相应的第一人体椎骨和第二人体椎骨的第一椎骨图像和第二椎骨图像，以及第一表面图像和第二表面图像相对于彼此的布置；并且
c)针对所述图像数据而调整所述全局模型数据集，使得经调整的模型数据集表示：针对所述第一椎骨图像而调整的第一经调整的模型表面，针对所述第二椎骨图像而调整的第二经调整的模型表面，以及所述第一经调整的模型表面相对于所述第二经调整的模型表面的经对应调整的模型布置，
其中，所述经调整的模型数据集还表示经对应调整的第一椎弓根螺钉模型和第二椎弓根螺钉模型。
应当理解，这里不重复参考设备所提供的所有解释、范例、特征和/或优点，本发明的方法旨在被配置为执行所述设备被配置为的方法的步骤。因此，尽管参考所述设备提供了上述解释、范例、特征和/或优点，但是也旨在针对所述方法以类似的方式提供所有上述范例、解释、特征和/或优点。
根据本发明的第三方面，提供了一种计算机程序单元，所述计算机程序单元在由处理单元运行时适于执行上述方法。
根据本发明的第四方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有程序单元，所述程序单元当由处理单元运行时适于执行上述方法。
参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将变得明显并且得到阐明。
附图说明
下面将参考以下附图来描述本发明的示例性实施例：
图1示意性地图示了该设备的实施例。
图2示意性地图示了人体椎骨模型。
图3以横截面视图示意性地图示了人体椎骨的表面图像。
图4以横截面视图示意性地图示了人体椎骨模型的模型表面。
图5以横截面视图示意性地图示了经调整的模型表面。
图6以横截面视图示意性地图示了图4的模型表面，其中具有指示的椎弓根螺钉。
图7示意性地图示了多个人体椎骨模型的布置。
图8示意性地图示了根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
图1示意性地图示了用于在脊柱融合流程期间确定椎弓根螺钉4在人体椎骨6中的最佳放置的设备2。必须将椎弓根螺钉4精确放入人体椎骨6的椎弓根中，以避免损伤人体椎骨结构并同时提供足够的锚定效果。具体地，将椎弓根螺钉4穿过患者背部插入到相邻的椎骨中，其中，通过连接杆将插入相邻椎骨中的椎弓根螺钉连接，以产生固定的桥。
设备2被配置为提供经调整的数据集，其能够提供用于确定所述椎弓根螺钉4的最佳放置的相关信息，从而满足上述要求。
为此目的，设备2可以包括输入接口10，其被配置为接收数据，特别是图像数据。
另外，设备2可以包括存储单元12。存储单元12被配置为存储数据。具体地，存储单元12被配置为存储模型数据集和/或图像数据。
输入接口10还可以被配置为接收模型数据集。模型数据集是数据的集合。数据(特别是图像数据和/或模型数据集)可以由输入接口10接收并且此后被存储在存储单元12中。
设备2包括处理单元14。优选地，处理单元14被配置为将经由输入接口10接收的数据发送到存储单元12。另外，处理单元14可以被配置为从存储单元12接收数据。
可以经由输出接口16提供由处理单元14执行的过程的结果(特别是数据和/或数据集)以用于进一步的目的。
图2示意性地图示了人体椎骨模型18。人体椎骨模型18可以由三角网形成。三角网还可以形成人体椎骨模型18的内部。优选地，三角网进一步限定了人体椎骨模型18的表面，进一步被称为模型表面22。因此，模型表面22可以由多个点形成，所述多个点形成三角网的外点。然而，模型表面22可以由人体椎骨模型18的表面处的另一种点构造形成。
人体椎骨模型18是三维人体椎骨模型18。因此，模型表面22也是三维模型表面22。
人体椎骨6通常具有两个椎弓根24。脊柱的人体椎骨6以及人体椎骨6的相应椎弓根24通常在尺寸、形状和/或其他尺度上具有变化。
因此，图2中示意性图示的人体椎骨模型18仅表示任意人体椎骨6的模型或多个任意人体椎骨6的平均值的模型。已经在图2中指示出人体椎骨模型18的模型表面22的椎弓根部分28。
另外，图2示意性地图示了两个杆，每个杆指示椎弓根螺钉模型30。每个椎弓根螺钉模型30从外部穿过模型表面22延伸到模型表面22的跨越空间中。模型表面22的跨越空间指的是由模型表面22包围的内部空间。
组合参考图1和图2，处理单元14被配置为接收表示位于模型表面22的椎弓根部分28的跨越空间中的人体椎骨模型18的模型表面22和椎弓根螺钉模型30的模型数据集。结果，如果人体椎骨6对应于人体椎骨模型18，则处理单元14接收在何处以及如何将椎弓根螺钉4放入人体椎骨6的椎弓根部分中的信息。实际上，这是一个相当的罕见的情况。通常，每个人体椎骨6都具有其自己的表面，其很大可能与人体椎骨模型18的模型表面22不匹配。因此，需要调整模型表面22和相关的椎弓根螺钉模型30，以便充当最佳放置椎弓根螺钉的信息基础。
然而，在使用处理单元进行调整之前，需要确定人体椎骨的表面图像。为了确定真实人体椎骨的这种表面图像，医学成像设备(例如，计算机断层摄影(CT)、磁共振成像(MRI)或其他已经命名的医学成像设备之一或其组合)可以用于捕获真实人体椎骨的表面图像。
为简单起见，图3示意性地图示了人体椎骨6的表面图像的横截面视图，其中，外线32指示人体椎骨6的周围线。处理单元14被配置为接收表示至少一个人体椎骨6的表面图像的图像数据。
以与参考图3描述的类似方式，图4示意性地图示了人体椎骨模型18的模型表面22的横截面视图，其中，外线34指示人体椎骨模型18的周围线。另外，图4示意性地图示了人体椎骨模型18的模型表面22的椎弓根部分28以及椎弓根螺钉模型30。
在范例中，椎弓根螺钉模型30可以至少部分地由点集合形成。具体地，该点集合可以对应于图4中指示椎弓根螺钉模型30的虚线点。备选地，椎弓根螺钉模型30可以至少部分地由多个点形成，这些点优选地是椎弓根螺钉模型30的表面的表示的特征。各个特征点可以是椎弓根螺钉模型30应当表示的椎弓根螺钉的每个末端或端部处的点。另外的特征点可以指侧面部分，例如表示椎弓根螺钉模型30应当表示的椎弓根螺钉的直径。
从图4中能够看出，如果使用模型数据集作为放置真实椎弓根螺钉的信息基础，则将每个椎弓根螺钉模型30与模型表面22的椎弓根部分28间隔开，以便提供良好的锚定效果并进一步防止损伤。尽管所指示的椎弓根螺钉模型30被最佳地放置在人体椎骨模型18的模型表面22的椎弓根部分28的跨越空间中，但是该表示不能直接用于将椎弓根螺钉实施到真实的人体椎骨6中。
然而，处理单元14被配置为调整人体椎骨6的模型数据集，使得经调整的模型数据集表示经对应调整的模型表面36，其与相应的人体椎骨6的表面图像26相适配，其中，经调整的模型数据集也表示经对应调整的椎弓根螺钉模型38。如果假设若干人体椎骨6经受椎弓根螺钉4的植入，则可以借助于处理单元14对人体椎骨6中的每个人体椎骨执行上述调整。
图5示意性地图示了在调整模型数据集之后得到经调整的模型数据集的经调整的人体椎骨模型19的横截面表示。经调整的模型数据集表示经调整的模型表面36和经调整的椎弓根螺钉模型38。从图3至图5的概览能够看出，指示经调整的模型表面36的外线40已经得到调整，使得它与外线32相适配，如图3所示，指示人体椎骨6的表面图像26。因此，已经执行了对模型数据集的调整，使得执行了模型表面22的变形以便与人体椎骨6的表面图像26相适配。另外，将调整应用于整个模型数据集将以类似的方式引起椎弓根螺钉模型30的变形，从而得到经调整的椎弓根螺钉模型38。结果，经调整的椎弓根螺钉38的放置将保持最佳状态。详细地，将经调整的椎弓根螺钉模型38最佳地放置在经调整的模型表面36的椎弓根部分28的跨越空间中。为了说明的目的，图5示意性地示出了经调整的椎弓根螺钉模型36的调整尺度。
由于经调整的模型表面36与人体椎骨6的表面图像26相适配，因此经调整的模型数据集提供了用于将真实的椎弓根螺钉最佳地放置到人体椎骨6的椎弓根24中的信息。
图6示意性地图示了如之前在图3中所示的人体椎骨6，其中，基于由经调整的模型数据集提供的信息，已经将椎弓根螺钉4植入人体椎骨6的椎弓根24中。
使用包括处理单元14的设备2的结果是：模型数据集可以用于多个人体椎骨6，以便提供用于将椎弓根螺钉4最佳放置到相应椎弓根24中的信息。即使每个人体椎骨6的结构(特别是它们各自的表面26)彼此可能具有变化，但是每次可以使用相同的模型数据集来最佳地放置椎弓根螺钉4。能够不用对多个人体椎骨6中的每个人体椎骨的后续分析，并且特别是能够不用每次都执行相应的表面图像6和/或相应的椎弓根24的结构和/或宽度的子分析。因此，对于多个人体椎骨6中的每个人体椎骨，仅仅是在每次需要时执行调整，以便为椎弓根螺钉4的最佳放置提供必要的信息。作为效果，需要较少的处理能力并且能够提供可重现的结果。
从图4中能够看出，椎弓根螺钉模型30的第一端部42位于人体椎骨模型18的模型表面22的跨越空间内。优选地，该第一端部42的部分也被称为中间部分43，其位于人体椎骨模型18的模型表面22的椎弓根部分28内。椎弓根螺钉模型30的第二端部44从人体椎骨模型18的模型表面22突出出来。由于椎弓根螺钉模型30由模型数据集表示，因此对于椎弓根螺钉模型30的部分42、43、44也是如此。因此，当调整模型数据集以便在模型表面22与图像表面26之间提供适配时，对椎弓根螺钉模型30的部分42、43、44执行对应的调整。作为效果，如果调整了模型数据集，则椎弓根螺钉模型30的第一端部42、中间部分43和/或第二端部44的最佳放置保持最佳状态，如上文所解释的。
从图2和图4中能够看出，模型数据集可以表示人体椎骨模型18的模型表面22和两个椎弓根螺钉模型30，每个模型都被最佳放置在模型表面22的椎弓根部分28的跨越空间中。在调整模型数据集期间，对应地调整两个椎弓根螺钉模型30，使得将经调整的椎弓根螺钉模型38中的每个模型保持为最佳放置在经调整的模型表面36的相应的椎弓根部分28的跨越空间中。
为了提供椎弓根螺钉4的良好可接近性，如果基于由模型数据集或经调整的模型数据集提供的信息将椎弓根螺钉4放置在人体椎骨6中，则椎弓根螺钉模型30的相应布置和/或尺度应当提供相应的信息基础。因此，根据优选实施例，模型数据集表示椎弓根螺钉模型，使得其被布置在表示人体椎骨模型18的突起的模型表面22的两个向外延伸的表面部分46之间。已经发现：在人体椎骨6中基于由模型数据集提供的信息来实施相应的椎弓根螺钉4的情况下，椎弓根螺钉模型30的第二端部44的这种位置提供了用于将连接杆连接到椎弓根螺钉4的第二端部44的良好可接近性。如上面以类似方式解释的，经调整的模型数据集不会影响良好的可接近性。
进一步优选的是，相对于人体椎骨模型18的模型表面22来布置由模型数据集表示的椎弓根螺钉模型30，使得椎弓根螺钉模型30的第二端部44不与表示人体椎骨模型18的突起的模型表面22的向外延伸的表面部分46中的一个垂直重叠。椎弓根螺钉模型30的这种放置甚至进一步确保了当对各个椎弓根螺钉4的每个放置使用经调整的模型数据集的信息时可能直接连接两个放置在相邻的人体椎骨6中的椎弓根螺钉4。在这种情况下，有效地防止了连接杆与人体椎骨6的突起之间的冲突。
为了将椎弓根螺钉4插入人体椎骨6中，在实践中已经发现：一个有用的信息是所谓的进入点48，如图6所示。进入点48指的是人体椎骨6的表面上的点，应当将椎弓根螺钉4在该点处插入人体椎骨6的内部，因此，本发明的优选实施例是：模型数据集至少由椎弓根螺钉模型30进入人体椎骨模型18的模型表面22的跨越空间的虚拟进入点50表示椎弓根螺钉模型30。在椎弓根螺钉模型30用于实施椎弓根螺钉4的情况下，虚拟进入点50给出相应的椎弓根螺钉4应当进入何处的信息。由于也针对椎弓根螺钉模型30调整模型数据集，从而得到经调整的椎弓根螺钉模型38，因此以类似的方式调整虚拟进入点50，使得当使用经调整的模型数据集作为椎弓根螺钉4的植入的基础时，经调整的模型数据集提供了要在何处插入椎弓根螺钉4的相应信息。
根据另外的优选实施例，模型数据集至少通过椎弓根螺钉模型30相对于人体椎骨模型18的模型表面22的方向52表示椎弓根螺钉模型。在图4中以虚线指示椎弓根螺钉模型30的方向52。从图4中能够看出，虚拟进入点50可以在方向线52上形成一个点。因此，在注意到虚拟进入点50和方向52之后，如果人体椎骨6对应于人体椎骨模型18，想要基于由模型数据集提供的信息将真实椎弓根螺钉4植入人体椎骨6的人则会将接收在何处以及如何将椎弓根螺钉4植入人体椎骨6中的信息。然而，如上所述，通常必须调整人体椎骨模型18的模型表面22，以便与其中必须植入椎弓根螺钉4的人体椎骨6的图像表面26相适配。
图5示意性地图示了经调整的模型数据集的结果，其中，对应地调整方向52和虚拟进入点50。参考先前的解释，虚拟进入点50和方向52保持最佳状态。通过使用该信息将椎弓根螺钉4实施到人体椎骨6中，能够提供如图6所示的椎弓根螺钉4的相应最佳放置。
根据另外的优选实施例，模型数据集至少通过椎弓根螺钉模型30从人体椎骨模型18的模型表面22的跨越空间出来的虚拟出口点54表示椎弓根螺钉模型30。虚拟出口点54不是其中椎弓根螺钉模型30应当从模型表面22向外延伸的点。相反，虚拟出口点54是辅助点，其允许给出关于椎弓根螺钉模型30或椎弓根螺钉4的取向的信息(在该信息用于将椎弓根螺钉4植入人体椎骨6中的情况)。如前所述，将调整模型数据集，使得模型表面22与图像表面26相适配，其中，以类似的方式对虚拟出口点54执行调整。从图5中能够看出，在调整模型数据集而得到经调整的模型数据集之后，经对应调整的虚拟出口点54保持最佳状态。特别地，虚拟出口点54是方向线52上的点。
在实践中，已经发现：使用虚拟进入点50、方向52和虚拟出口点54中的至少两个就足以基于由经调整的模型数据集提供的信息将椎弓根螺钉4最佳地放置到人体椎骨6中。因此，模型数据集和/或经调整的模型数据集的相应子数据集可以保持较小，这允许在较短的时间内执行调整。
根据另外的优选实施例，模型数据集至少通过椎弓根螺钉模型30进入人体椎骨模型18的模型表面22的跨越空间中的穿透深度P来表示椎弓根螺钉模型30。
根据另外的优选实施例，模型数据集至少通过椎弓根螺钉模型30的直径D来表示椎弓根螺钉模型。
根据另外的优选实施例，模型数据集至少通过表示椎弓根螺钉模型从人体椎骨模型18的表面模型22的跨越空间突出出来的突出长度L来表示椎弓根螺钉模型30。
本发明的三个先前描述的实施例中的每个实施例都提供了这样的效果：椎弓根螺钉模型30可以由模型数据集更详细地表示。这些细节涉及穿透深度P、直径D和/或突出长度L。如之前以类似方式解释的，得到经调整的模型数据集的对模型数据集的调整将得到对穿透深度P、直径D和/或突出长度L的类似调整。图5(其表示经调整的人体椎骨模型19)中指示出对穿透深度P、直径D和突出长度L的各自调整。
关于图2，已经描述了模型数据集表示人体椎骨模型18的模型表面22并且将椎弓根螺钉模型30最佳地放置在模型表面22的椎弓根部分28的跨越空间中。在实践中，医学成像设备可以被配置为采集多于一个人体椎骨6的图像。因此，由处理单元14接收到的图像数据可以表示多于一个人体椎骨6的相应的表面图像26。特别地，图像数据可以表示第一人体椎骨的第一表面图像和第二人体椎骨的第二表面图像。
特别地，提供了处理单元14被配置为针对图像数据而调整全局模型数据集，使得针对第一人体椎骨的第一图像而调整第一经调整的模型表面22a，其中，经调整的模型数据集还表示经对应调整的第一调整椎弓根螺钉模型30a。另外，针对第二人体椎骨的第二图像而调整第二经调整的模型表面22b，其中，经调整的模型数据集还表示经对应调整的第二调整椎弓根螺钉模型30b。
该图像数据还表示椎骨图像相对于彼此的布置。该布置信息可以指第一图像相对于第二图像的取向。此外，全局模型数据集还表示第一椎骨18a相对于第二椎骨18b的模型布置。因此，模型布置可以提供将沿着人体脊柱的各个椎骨18a、18b相对于彼此如何定向和/或放置的信息。
另外，处理单元14被配置为调整全局模型数据集，使得经调整的模型数据集表示第一经调整的模型表面相对于第二经调整的模型表面的经对应调整的模型布置。换句话说，在针对图像数据调整模型数据集时，将模型布置(即，全局模型数据)考虑为在确定针对各幅椎骨图像或图像部分对局部椎骨表面模型的调整中的额外约束。
结果，经调整的全局模型数据集提供了如何以及在何处将椎弓根螺钉4放置在两个人体椎骨6上的信息，这两个人体椎骨6优选彼此相邻。
根据本发明的另外的实施例，全局模型数据集还表示从第一椎弓根螺钉模型30a延伸到第二椎弓根螺钉模型30b的连接杆模型56，其中，处理单元14被配置为基于对模型布置的调整而调整连接杆模型，从而得到从第一经调整的螺钉模型延伸到第二经调整的螺钉模型的经调整的连接杆模型，并且其中，经调整的全局模型数据集还表示经调整的连接杆模型。
在范例中，连接杆模型56表示连接杆的长度、直径、取向和/或位置，该连接杆被配置为连接两个椎弓根螺钉4，椎弓根螺钉4应当被植入相邻的人体椎骨6中。
结果，经调整的全局模型数据集可以进一步提供关于连接杆的形式和/或放置连接杆的位置的信息。
在范例中，连接杆模型56可以表示连接杆的形式。例如，连接杆模型56可以表示连接杆的直线形式。然而，连接杆也可以具有弯曲形式。在这种情况下，连接杆模型56可以表示连接杆的弯曲形式。通常，连接杆模型56可以表示连接杆的任意形式。
图8示意性地图示了根据本发明的用于椎弓根螺钉4的最佳放置的方法的流程图。该方法包括以下内容：
在步骤a)中，提供表示以下内容的全局模型数据集：第一人体椎骨的第一模型表面、第二人体椎骨的第二模型表面、所述第一椎骨相对于所述第二椎骨的模型布置，以及位于相应的所述第一和模型表面的椎弓根部分中的第一椎弓根螺钉模型和第二椎弓根螺钉模型。
在步骤b)中，接收至少表示以下内容的图像数据：相应的第一人体椎骨和第二人体椎骨的第一椎骨图像和第二椎骨图像，以及第一表面图像和第二表面图像相对于彼此的布置。
在步骤c)中，针对所述图像数据而调整所述全局模型数据集，使得经调整的模型数据集表示：针对所述第一椎骨图像而调整的第一经调整的模型表面，针对所述第二椎骨图像而调整的第二经调整的模型表面，以及所述第一经调整的模型表面相对于所述第二经调整的模型表面的经对应调整的模型布置，其中，所述经调整的模型数据集还表示经对应调整的第一椎弓根螺钉模型和第二椎弓根螺钉模型。
根据本发明的另外的范例，提供了一种计算机程序单元，所述计算机程序单元在由处理单元运行时适于执行上述方法。
根据本发明的另外的范例，提供了一种计算机可读介质，其上存储有程序单元，所述程序单元在由处理单元运行时适于执行上述方法。
计算机程序单元可以被存储在计算机单元中，所述计算机程序单元也可以是本发明的实施例的部分。该计算单元可以适于执行或引发对上述方法的步骤的执行。此外，该计算单元可以适于操作上述装置的部件。该计算单元能够适于自动操作和/或运行用户的命令。计算机程序可以被加载到数据处理器的工作存储器中。因此，可以装备数据处理器来执行本发明的方法。
必须注意，本发明的实施例是参考不同主题来描述的。特别地，一些实施例是参考方法来描述的，而其他实施例是参考装置来描述的。然而，除非另有说明，本领域技术人员将从上述内容中推断出，除了属于一个实施例的特征的任意组合以外，涉及不同实施例的特征之间的任意组合也被认为在本申请中被公开。
尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示范性的，而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (11)

1.一种用于规划椎弓根螺钉(4)的放置的设备(2)，包括：
处理单元(14)，
其中，所述处理单元被配置为接收表示以下内容的全局模型数据集：
-第一人体椎骨的第一模型表面(22)和位于所述第一模型表面的椎弓根部分(28)中的第一椎弓根螺钉模型，
-第二人体椎骨的第二模型表面和位于所述第二模型表面的椎弓根部分中的第二椎弓根螺钉模型，以及
-所述第一人体椎骨相对于所述第二人体椎骨的模型布置，
其中，所述处理单元被配置为接收至少表示以下内容的图像数据：第一人体椎骨(6)的第一图像(26)、第二人体椎骨的第二图像，以及所述第一图像相对于所述第二图像的布置，
其中，所述处理单元被配置为针对所述图像数据而调整所述全局模型数据集，经调整的模型数据集表示：
-针对所述第一人体椎骨的所述第一图像而调整的第一经调整的模型表面(22a)，
-针对所述第二人体椎骨的所述第二图像而调整的第二经调整的模型表面(22b)，
-所述第一经调整的模型表面相对于所述第二经调整的模型表面的经对应调整的模型布置，
其中，所述经调整的模型数据集还表示经对应调整的第一椎弓根螺钉模型和第二椎弓根螺钉模型(38)。
2.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述全局模型数据集还表示从所述第一椎弓根螺钉模型延伸到所述第二椎弓根螺钉模型的连接杆模型(56)，
其中，所述处理单元被配置为基于对所述模型布置的所述调整来调整所述连接杆模型，从而得到从第一经调整的椎弓根螺钉模型延伸到第二经调整的椎弓根螺钉模型的经调整的连接杆模型，并且
其中，所述经调整的模型数据集还表示所述经调整的连接杆模型。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述连接杆模型表示连接杆的长度、直径、取向和/或位置，所述连接杆被配置为连接两个要植入到相邻的人体椎骨中的椎弓根螺钉。
4.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，椎弓根螺钉模型的第一端部(42)位于相应的人体椎骨的模型表面的跨越空间内，并且所述椎弓根螺钉模型的第二端部(44)从所述模型表面突出出来。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述模型数据集至少通过以下两项内容来表示所述椎弓根螺钉模型：所述椎弓根螺钉模型进入到所述人体椎骨模型的模型表面的跨越空间中的虚拟进入点(50)、所述椎弓根螺钉模型相对于所述人体椎骨模型的模型表面的方向(52)，以及所述椎骨螺钉模型从所述人体椎骨模型的模型表面的跨越空间出来的虚拟出口点(54)。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述椎弓根螺钉模型还包括所述椎弓根螺钉进入到所述人体椎骨模型的跨越空间中的穿透深度。
7.根据权利要求5或6所述的设备，其中，所述椎弓根螺钉模型还包括所述椎弓根螺钉的直径D和/或螺纹参数。
8.根据权利要求4和权利要求5至7中的任一项所述的设备，其中，所述椎弓根螺钉模型还包括所述椎弓根螺钉模型的所述第二端部的突出长度L。
9.一种用于规划椎弓根螺钉的放置的方法，包括以下步骤：
a)提供表示以下内容的全局模型数据集：第一人体椎骨的第一模型表面、第二人体椎骨的第二模型表面、所述第一椎骨相对于所述第二椎骨的模型布置，以及位于相应的所述第一和模型表面的椎弓根部分中的第一椎弓根螺钉模型和第二椎弓根螺钉模型；
b)接收至少表示以下内容的图像数据：相应的第一人体椎骨和第二人体椎骨的第一椎骨图像和第二椎骨图像，以及第一表面图像和第二表面图像相对于彼此的布置；并且
c)针对所述图像数据而调整所述全局模型数据集，使得经调整的模型数据集表示：针对所述第一椎骨图像而调整的第一经调整的模型表面，针对所述第二椎骨图像而调整的第二经调整的模型表面，以及所述第一经调整的模型表面相对于所述第二经调整的模型表面的经对应调整的模型布置，
其中，所述经调整的模型数据集还表示经对应调整的第一椎弓根螺钉模型和第二椎弓根螺钉模型。
10.一种用于控制根据权利要求1至8中的任一项所述的设备的计算机程序单元，所述计算机程序单元在由处理单元运行时适于执行根据权利要求9所述的方法的步骤。
11.一种存储有根据权利要求10所述的程序单元的计算机可读介质。
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