CN110022782A - 用于脊柱手术的牵张工具 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种牵张工具，其可以用于外科手术中，例如脊柱重建手术，该牵张工具测量中柱处的脊柱长度和椎间间距，测量椎间张力并且建立椎间间隔片高度。牵张工具可以是气动操作的，并且包括可与骨螺钉接合的牵张器臂。致动器臂的相对移动调节骨螺钉的相对位置。在某些实施例中，牵张工具用于利用气压在脊柱的中柱处施加期望量的张力以产生受控的牵张力。牵张工具系统可以包括非接触式手势传感器、微控制器和数字调节器。

Description

用于脊柱手术的牵张工具

相关申请的交叉参考

本申请要求提交于2016年10月26日的美国临时申请No.62/413,186的优先权，其以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及用于外科手术的牵张工具，并且更具体地，涉及可以气动操作的用于脊柱重建手术的牵张工具。

背景技术

各种牵张工具已经用于脊柱重建手术，在所述脊柱重建手术中相邻的脊椎被操纵到所需的位置。然而，需要存在改进的牵张工具，以用于脊柱手术和其它类型的手术。

发明内容

本发明提供了一种牵张工具，所述牵张工具可以用于外科手术中，例如脊柱重建手术，所述牵张工具测量中柱处的脊柱长度和椎间间距，测量椎间张力并且建立椎间间隔片高度。牵张工具可以是气动操作的并且包括可与骨螺钉接合的牵张器臂。致动器臂的相对移动调节骨螺钉的相对位置。在某些实施例中，牵张工具用于利用气压在脊柱的中柱处施加期望量的张力以产生受控的牵张力。牵张工具系统可以包括非接触式手势传感器、微控制器和数字调节器。

本发明的一个方面是提供一种用于脊柱手术的牵张工具，所述牵张工具包括：致动器，所述致动器包括安装在壳体中的可往复移动的活塞；第一牵张器臂，所述第一牵张器臂构造和布置成可释放地接合第一骨螺钉；第二牵张器臂，所述第二牵张器臂构造和布置成可释放地接合第二骨螺钉；以及连杆机构，所述连杆机构连接到致动器活塞以及第一牵张器臂和第二牵张器臂，其中所述连杆机构构造和布置成在致动器活塞往复移动时将第一牵张器臂和第二牵张器臂相对于彼此移动。

本发明的另一个方面是提供一种用于脊柱手术的气动牵张工具系统，所述气动牵张工具系统包括：可加压的气缸；致动器活塞，所述致动器活塞能够在可加压的气缸中往复移动；第一牵张器臂，所述第一牵张器臂构造和布置成可释放地接合第一骨螺钉；第二牵张器臂，所述第二牵张器臂构造和布置成可释放地接合第二骨螺钉；以及连杆机构，所述连杆机构连接到致动器活塞以及第一牵张器臂和第二牵张器臂，其中所述连杆机构构造和布置成在将加压空气引入可加压的气缸时将第一牵张器臂和第二牵张器臂相对于彼此移动，并且所述气动牵张工具系统还包括控制器，所述控制器构造和布置成控制引入气缸的气压的水平。

从以下描述中，本发明的这些和其它方面将更加明显。

附图说明

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的用于脊柱手术的气动牵张工具系统。

图2是根据本发明的实施例的脊柱的一部分的局部示意性侧视图，其示出了在中柱手术期间牵张工具的使用。

图3是根据本发明的实施例的脊柱的一部分的局部示意性侧视图，其示出了在中柱手术期间牵张工具的使用。

图4是根据本发明的实施例的脊柱的一部分的局部示意性前视图，其示出了在中柱手术期间牵张工具的使用。

图5是根据本发明的实施例的脊柱的一部分的局部示意性侧视图，所述脊柱包括安装的骨螺钉，该骨螺钉可以利用气动牵张工具操纵。

图6是根据本发明的实施例的由牵张器臂保持的骨螺钉的局部示意性侧视图，以及图7是其局部示意性侧剖视图。

图8是根据本发明的实施例的气动牵张工具的等距视图。

图9是根据本发明的实施例的气动牵张工具的局部示意性侧剖视图。

图10是图9的牵张工具的局部示意性侧剖视图，其中所述牵张工具的牵张器臂处于扩展位置或牵张位置。

图11是根据本发明的另一个实施例的气动牵张工具的连杆机构的局部示意性侧剖视图。

图12是示出根据本发明的实施例的气动牵张工具的操作的示意性流程图。

图13是示出根据本发明的另一个实施例的气动牵张工具的操作的示意性流程图。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的气动牵张工具系统40的部件和操作。气动牵张工具40可以连接到第一骨螺钉20和第二骨螺钉24，所述第一骨螺钉20和第二骨螺钉24在图1的底部处示出并在下面进一步详细描述。气动牵张工具40通过压力调节器34连接到加压空气源32。在所示的实施例中，压力输送开关36接收来自压力调节器34的调节气压，并选择性地将加压空气通过第一空气供应管线37或第二空气供应空气管线38进给到气缸41中。尽管本文主要描述了气动致动的牵张工具，但是应该理解，牵张工具可以通过其它装置来致动，例如电动机等。

如图1中进一步所示，致动器活塞50往复地接收在气缸41内，并且连接到连杆机构52。连杆机构52连接到第一牵张器臂43和第二牵张器臂47。第一牵张器臂43与第一骨螺钉20可释放地接合，以及第二牵张器臂47与第二骨螺钉24可释放地接合。

气缸41可以配备有压力释放阀39，所述压力释放阀39可以用于将气缸41内的气压维持在最大选定值处或以下，从而限制施加到致动器活塞50的力。机械止动件53还可以用于限制连杆机构52和/或致动器活塞50的移动，以便限制第一牵张器臂43和第二牵张器臂47之间的最大行程距离。在图1所示的实施例中，机械止动件53设置在连杆机构处。替代地，机械止动件53可以设置在任何其它合适的位置处(例如气缸41的内部)，以便限制致动器活塞50的移动。

如图1中进一步所示，接近传感器65可以用于确定第一牵张器臂43和第二牵张器臂47之间的距离和/或确定第一骨螺钉20和第二骨螺钉24之间的距离。如下面更全面地描述的，接近传感器65可以包括各种已知类型的位置传感器，其适于在根据本发明的实施例的脊柱牵张手术期间使用，以确定和限制第一骨螺钉20和第二骨螺钉24之间的行进距离和/或第一牵张器臂43和第二牵张器臂47之间的行进距离。

如图1中进一步所示，提供控制器70以控制气动牵张工具系统40的操作。控制器70通过信号线72连接到压力调节器34，通过信号线73连接到压力输送开关36，通过信号线74连接到气缸41，并且通过信号线75连接到接近传感器65。可以通过非接触式运动传感器82、接触式致动器84和/或语音命令86将控制输入施加到控制器70。如下面更全面地描述的，外科医生或其他操作者可以在外科手术期间通过选择的触觉装置和/或非触觉装置操纵控制器70，例如通过手部运动。

尽管可以使用运动传感器来致动牵张工具，但是应该理解，可以使用任何其它合适类型的非接触式传感器。此外，可以使用可以在手术之前消毒的任何合适的机械装置来控制致动，例如按钮、拨盘和拨动开关、操纵杆等。此外，可以通过语音命令来实现致动，例如，使用智能手机经由蓝牙与匹配的应用程序配合来实施。微控制器可以用在致动系统中，并且可以以任何传统方式连接，例如以太网、Wi-Fi、蓝牙和USB等。

在某些实施例中，在涉及脊柱中柱的脊柱手术过程中使用本发明的牵张工具。如本文所用，术语“中柱”是指沿着脊柱的Y轴线行进并且沿着Z轴线延伸的区域，所述区域在一侧上由每个椎体的后表面界定在靠近后纵韧带(PLL)的区域中，并且在另一侧上(沿着Z轴线测量)界定在沿Z轴线从椎体的后表面测量的穿过椎体的距离(即，从每个椎体的后侧到前侧)的大约三分之一的距离处。应该理解，中柱的前边界基本上处于沿Z轴线长度测量的穿过椎体的距离的三分之一距离处(33.3％)，但是前边界可以延伸到沿Z轴线长度测量的穿过椎体的距离的50％，即，中柱可以名义上为0％至33.3％的范围，但是在某些实施例中范围可以高达50％。

根据本发明的实施例，提供了用于牵张、张紧和/或平移脊柱节段的气动工具。该系统提供了在确定存在或不存在脊柱不稳定性时计算和量化力、位移和刚度的能力。例如，在腰椎中，这可以是3mm或更大的牵张、平移或双侧韧带松弛。也可以存在大于11度的过度角运动。本发明的气动牵张工具可以用于检测两个椎骨节段之间的过度生理关系。如下面更全面地描述的，牵张器械可以包括平行于中柱的活塞以测量牵张和压缩，和/或还可以提供垂直于骨锚的活塞以测量平移或剪切运动。施加到活塞的气压的量可以用于控制牵张的量。可以测量中柱处的牵张距离，并且其与由牵张工具施加的力的量相关联。

可以由运动感测装置控制进入本发明的牵张工具40的气动气缸41的加压空气的流动。例如，当操作者的手移过运动传感器时，空气以受控的压力输送到牵张工具的气动气缸，这导致牵张器臂彼此远离移动，从而沿着Y轴线分离相邻的椎骨。操作者可以沿相反的方向将他或她的手移过运动传感器，使得发送控制信号以减小输送到气动气缸的压力，从而减小牵张力并允许牵张器臂和相应的附接的椎骨沿着Y轴线移动地更靠近。

根据本发明的实施例，牵张工具40可以用于执行各种脊柱手术程序。图2是包括三个椎骨10、12和16的脊柱的一部分的局部示意性侧视图，每个椎骨具有以骨螺钉20、24、28的形式安装在其中的骨锚。图2示出了后中柱线MC以及前中柱线MC’，所述前中柱线在从每个椎骨的后侧测量时位于每个椎骨的直径的三分之一距离处。第一骨螺钉20包括头部21和末端22。第二骨螺钉24包括头部25和末端26。第三骨螺钉28包括头部29和末端30。如图2中进一步所示，每个骨螺钉20、24和28包括中柱标记23、27和31，当骨螺钉安装在椎骨中时，中柱标记位于后中柱线MC上或其附近。中柱标记23、27和31可以包括任何合适类型的可检测特征，例如肩部、凹部或异种材料等。图2还示意性地示出了本发明的牵张装置40，所述牵张装置40包括两个牵张器臂43和47，每个牵张器臂连接在第一骨螺钉20的头部21和第二骨螺钉24的头部25附近。

可以以中柱测量引导器或测量仪(MCMG)的形式提供牵张工具40，所述牵张工具40可以用于腰椎的后路。可以使用骨螺钉或带杆骨螺钉(posted bone screw)，使得外科医生或操作者可以使用荧光透视并且从螺钉的外部轮廓或其他可检测的特征精确地确定螺钉插入到中间骨韧带柱的深度，其中后纵韧带在侧向投影中位于中间骨韧带柱中。只要可以确定向下到中柱的深度，螺钉可以放置在脊柱前凸、脊柱后凸中或以交替的角度放置。以这种方式，可以确定中柱的应力、轴向高度和旋转位置。用户可以直接测量沿中柱设置的距离、牵张力以及压缩力。中柱测量引导器允许外科医生直接测量沿着纵韧带的矫正力和韧带整复(Ligamentotaxis)张力。

图3是脊柱的一部分的局部示意性侧视图，其中已经从每个椎骨的前侧安装螺钉或销形式的中柱标记。具有末端122的第一骨螺钉或销120安装在椎骨10中，以及具有末端26的第二骨螺钉或销124安装在椎骨12中。销120的末端122位于中柱内的点123处或其附近，即位于后中柱线MC处。销124的末端126位于中柱内的点127处或其附近，即位于后中柱线MC处。在图3中也示意性地示出了牵张装置40，所述牵张装置40包括附接到螺钉或销120和124的牵张器臂43和47。

图3中所示的实施例可以例如在颈椎前路减压融合术期间通过Caspar销来使用中柱测量测量仪，所述Caspar销从颈椎前部插入。放置在颈椎椎体前部的Caspar销或任何杆或锚固螺钉可以以各种中性或屈曲伸展角度插入中柱一定深度。虽然Caspar销可以放置在脊柱前凸或脊柱后凸中，但每个销的末端可以用作位于中柱内的测量点。中柱测量引导器的三轴特性的这种构造是有利的，因为这使得锚固点和Caspar销不依赖于彼此具有平行定向或正交定向。三个计算测量值(线性位移；角位移或运动；以及应变或应力)的参考点可以用于找到从颅部Caspar销的末端到尾部Caspar销的末端的有效位移和力矩，以确定沿着脊椎中柱的位移和力矩。骨锚可以是临时的以便评估融合的要求，或者它们可以是永久性锚固件，所述永久性锚固件旨在直接结合到融合器械构造中，无论是微创手术、小开手术、还是开放手术。

图4是脊柱的一部分的局部示意前视图，其中骨螺钉已经从侧向安装到每个椎骨中。第一骨螺钉220安装在椎骨10中。骨螺钉220包括头部221、末端222和过渡标记223。第二骨螺钉安装在另一个椎骨12中。骨螺钉224包括头部225、末端226和过渡标记227。如图4中示意性所示出的，牵张工具40包括第一牵张器臂43和第二牵张器臂47，所述第一牵张器臂43在第一骨螺钉的头部221附近附接到第一骨螺钉220，所述第二牵张器臂47在第二骨螺钉的头部225附近连接到第二骨螺钉224。

图4示出了侧向胸腰椎入路，例如外侧腰椎椎间融合LLIF、极外侧腰椎椎间融合XLIF或直接外侧椎间融合DLIF。示出了具有肩部的双直径螺钉。即使可以铰接手术台，并且放置在椎体中的螺钉可以以一定角度放置，也可以确定中柱参数。如果使用双直径螺钉，或者在外部轮廓上具有可以通过荧光镜可视的标记的螺钉，则可以精确地确定从中柱测量引导器向下到中间骨韧带柱的深度。这可以用于具有辅助固定的外侧腰椎椎间融合LLIF(DLIF或XLIF)。辅助固定可以用于双重目的-它还用于椎间隙的压缩-牵张，该椎间隙准备用于通过直接外侧入路使用和植入椎体间间隔件。

图5示出了腰椎部分10、12和14，其可以经历类似于图2中所示的实施例的后入路。图5中所示的第一骨螺钉和第二骨螺钉通常包括具有可接合的通槽的圆形头部21和25，其中头部中的一个头部25具有从其延伸的销。

根据本发明的实施例，牵张工具可以用于沿着Y轴线移动和测量中柱处的相邻椎骨之间的距离(中柱间隙平衡)，如Paul McAfee在2016年11月4日提交的题为“Methods andApparatus for Spinal Reconstructive Surgery,Measuring Spinal Length andIntervertebral Spacing at the Middle Column,Measuring Intervertebral Tensionand Establishing Intervertebral Spacer Heights”的美国申请序列号No.15/344,320中所述，其以引用方式并入本文。

图6和图7示出了牵张工具的牵张器臂43的一部分，所述牵张器臂43具有接合末端44，所述接合末端可释放地接合第一接骨螺钉20的头部21。在所示的实施例中，骨螺钉20的头部21在一个方向上径向伸长并且在另一个方向上变平，以允许头部21装配到接合末端44的槽中。头部21可以通过牵张器臂43围绕骨螺钉20的轴向方向旋转90°而保持在接合末端44的槽中，例如通过卡口式接合，或者通过本领域技术人员已知的任何其它合适类型的可释放的紧固结构。

图8是根据本发明的实施例的气动牵张工具40的等距视图。牵张工具40包括壳体41，所述壳体41具有位于其中的气动气缸。附接到壳体41的第一牵张器臂安装组件42具有可释放地安装在其上的第一牵张器臂43。牵张器臂43包括接合末端44，所述接合末端44可以可释放地固定到或接触骨螺钉或销，如上所述。锁定机构45可以用于将牵张器臂43可释放地固定在牵张器臂安装组件42中。第二牵张器臂安装组件46相对于壳体41可滑动地安装，并且能够相对于壳体41进行往复移动R。第二牵张器臂47可释放地安装在第二臂安装组件46上。第二牵张器臂47包括接合末端48，所述接合末端48可以可释放地固定到或接触另一个骨螺钉或销，如上所述。锁定机构49可以用于将第二牵张器臂47可释放地固定在第二牵张器臂安装组件46中。第二牵张器臂安装组件46安装在活塞上，所述活塞在壳体41中的气动气缸内移动。根据本发明的实施例，可以手动或自动测量沿着方向R的行进距离，以便提供第一牵张器臂43和第二牵张器臂47之间的相对移动的测量。加压空气源可以经由端口37连接到气动气缸41。在受控压力下输送空气使得第一牵张器臂43和第二牵张器臂47相对于彼此移动。

相对的第一牵张器臂43和第二牵张器臂47可以与第一骨螺钉20和第二骨螺钉24以及图3至图5中所示的螺钉和销接合，所述第一骨螺钉20和第二骨螺钉24如图2所示附接到相邻脊椎10和12。通过使用壳体41中的气动活塞迫使第一牵张器臂43和第二牵张器臂47彼此远离。气动活塞迫使牵张器臂43和47彼此远离，从而增加相邻椎骨10和12之间的间距，例如沿着脊柱的Y轴线的间距。施加到活塞的气压的量控制牵张的量。可以测量中柱处的牵张距离，并且将其与由牵张工具40施加的力的量相关联。

因此，牵张工具40可以包括牵张器臂，所述牵张器臂可锁定地安装在相应的安装支架组件上。牵张器臂的相对移动可以由容纳在手柄内的气动气缸控制，该手柄可以由外科医生握取并操纵。牵张器臂之间的相对移动程度可以通过对外科医生可视的标记来指示，例如，标记可以用于指示在牵张手术的开始和结束时牵张器臂之间的间距，并且此种测量可以与在手术期间由气动气缸施加的牵张力的量相关联。

图9和图10是示出根据本发明的实施例的气动牵张工具40的部件的局部示意性侧剖视图。牵张工具40包括气缸41，所述气缸41具有可在其中往复移动的致动器活塞50。致动器活塞50通过多个O形环密封件51密封在气缸41内。连杆机构52控制第一牵张器臂43和第二牵张器臂47的相对移动。在所示的实施例中，连杆机构包括第一牵张器臂43与压力缸41的壳体的刚性附接以及第二牵张器臂47与致动器活塞50的刚性附接。第一牵张器臂43和第二牵张器臂47可以从图9所示的完全缩回位置移动到图10所示的牵张位置或扩展位置。

如图9和图10进一步所示，第一空气供应管线37供给到气缸41的后部部分中，而第二空气供应管线38供给到气缸41的前部部分中。当加压空气通过第一空气供应管线37供给时，加压空气迫使致动器活塞50从图9所示的位置到达扩展位置，例如图10所示的扩展位置。替代地，当加压空气通过第二空气供应管线38供给时，可以迫使致动器活塞50从图10所示的扩展位置到达图9所示的完全缩回位置。在常规的脊柱重建手术期间，通过由第一供应管线37引入气缸41的加压空气产生的力实现使相邻脊椎彼此远离的牵张。然而，在某些手术中，也可能期望将相邻的脊椎强制地朝向彼此拉近或缩回，在这种情况下，可能期望通过第二供应管线38供应加压空气。尽管第二供应管线38示出为通过图8至图11中的气缸壳体的侧部进入，但是应该理解，供给管线可以位于任何合适的位置，例如，第二供应管线38可以沿着气缸壳体的长度从气缸壳体的端部延伸到进入气缸的期望入口位置。

根据本发明的实施例，牵张工具40设计成使得其可以重复高压消毒，因此选择空气作为用于运行的方式。仅需要无菌区域内的活塞和空气软管来操作气动工具。控制气压的设备可以位于无菌区域外部。这允许在牵张工具的设计中使用多种传统电子器件部件。将重复灭菌的部件可以由常规金属或聚合物材料制成，这些材料可以经受重复的高压灭菌循环以及重复的EtO或Gamma辐射循环。

一个或多个加压腔室位于患者身体的外部。这是为了降低与潜在的机械故障或操作者失败相关的风险。它还允许使用相对较大的横截面的活塞，这继而允许使用较低(并且因此安全)的压力来实现所需的机械力。

牵张工具40的基本机械功能是向脊柱施加力。这通过使用一个或多个气动活塞来实现。活塞根据腔室内的气压施加恒定的、可预测的力。可以基于活塞的几何形状来计算该力，和/或所述力可以基于测量由活塞产生的力来测量和校准并且相对于活塞中的输入压力进行绘制。可以对微控制器进行编程以针对任何类型的输入-输出曲线校正进行校正，其中可能需要所述输入-输出曲线校正来适应与预期线性转换曲线的偏差。

通过利用活塞的各种组合，可以在分离的运动平面或复合的运动平面中操纵脊柱。当前实施例可以利用一个活塞沿着Y轴线在脊柱的轴向方向上施加力。这是用于中柱平衡的主要运动，并且也是在手术期间用于牵张椎间隙的主要运动。该活塞可以称为牵张活塞。

实施例还可以使用第二活塞，例如，以远离轴向活塞90度的取向安装。该第二活塞可以具有双腔室设计，从而允许沿前滑动方向(脊椎前移)或沿后滑动方向(脊椎后移)施加力。因此，可以在X轴线和/或Z轴线上执行牵张。该活塞可以称为滑脱活塞。第二活塞可以直接位于连接器下方，该连接器允许器械附接到安装在台上的臂。使用安装在台上的臂使旋转位移最小化，因为利用第二活塞施加力将会施加趋向于使得器械围绕其自身和围绕附接点旋转的力矩。除了使用安装在台上的臂来抵消旋转移动之外，可以使用任何其它合适类型的机械约束来最小化不希望的旋转位移。

根据某些实施例，如图1所示的接近传感器65或类似的位置传感器可以用于检测第一牵张器臂43和第二牵张器臂47的相对位置，和/或检测第一骨螺钉20和第二骨螺钉24的相对位置(例如，在其中心柱标记23和27处)，从而使得可以测量由器械实现的牵张量。可以适用于根据本发明而使用的本领域技术人员已知的传感器的示例包括柔性电位计、磁角位置传感器、接近传感器、磁场传感器、霍尔效应传感器或其它测量距离的装置。将此信息进给到微控制器允许创建自动化机器人控制回路，其可以通过多种有用的方式操纵脊柱。

图11是示出根据本发明的另一个实施例的牵张工具连杆机构152的局部示意性侧剖视图。在图11所示的实施例中，连杆机构152由致动器活塞50致动，其类似于图8至图10的先前实施例中所示的那样。然而，如图11所示，具有接合末端144的第一牵张器臂143以基本垂直于第一骨螺钉20的轴向方向的取向接合第一骨螺钉20的头部21。类似地，第二牵张器臂147包括接合末端148，所述接合末端148接合第二骨螺钉24的头部25。第二牵张器臂147的取向通常垂直于第二骨螺钉24的轴向方向。第一连杆臂153通过在其一个端部处的枢转接合件155和在其另一个端部处的枢转接合件156将致动器活塞50连接到第一牵张器臂143。类似地，第二连杆臂157通过第一枢转接合件155和另一个枢转接合件158连接在致动器活塞50和第二牵张器臂147之间。在所示的实施例中，第一连杆臂153和第二连杆臂157以及枢轴连接件155至156、158容纳在连杆机构152的壳体160内。

在图11所示的构造中，致动器活塞50可以例如如上所述相对于活塞缸41在方向Fz上往复移动。致动器活塞50沿着图11中所示的箭头Fz的方向相对于气缸41的往复移动使得第一致动器臂143和第二致动器臂147在基本垂直于致动器活塞50的行进方向的方向上朝向彼此移动和远离彼此移动。如上所述，可以手动或自动测量沿着方向Fz行进的距离，并且考虑到连杆几何形状，该距离可以用于确定第一牵张器臂143和第二牵张器臂147的相对位置，以及其各自的第一骨螺钉20和第二骨螺钉24的相对位置。

在图12中示意性地示出了基本控制回路，在所述基本控制回路中外科医生或其他操作者可以做出由非接触式传感器读取的手势。手势被解释为增加或减少命令压力，并且标准压力传感器可以用于测量压力并产生相应的压力数据。然后，可以将所感测的压力水平与命令水平输入进行比较，并且可以将压力水平与相应的力相关联。然后，可以将调节后的信号发送到压力调节器，以例如通过输入阀增加或减少引入气缸的压力量。

因此，图12中所示出的基本控制回路可以包括以下步骤：从压力传感器读取数据；比较压力水平与命令输入水平；将压力转化为力；调节到数字压力调节器的信号，以增加或减少输入阀允许的压力量；读取传感器，例如非接触式运动传感器或机械控制按钮；以及解释传感器信息以增加或减少命令压力。

在图13中示意性地示出中柱间隙平衡控制回路，在所述中柱间隙平衡控制回路中确定目标牵张距离并将所述距离输入系统，并且压力命令信号用于将气缸内的压力增加选定的量。将增加的压力与最大允许压力进行比较，并且如果增加的压力小于最大允许压力，则继续增加压力。如果为否，则不生成进行增加的压力命令并退出回路。然后，读取位移数据并将其与最大允许位移数据进行比较。如果测量的位移小于最大位移，则可以施加额外的压力，从而导致额外的位移。如果测量的位移数据到达最大允许位移，则不再施加进一步的压力，不会进一步产生位移并退出回路。如果位移数据小于目标距离，则继续回路。

因此，图13中所示出的中柱间隙平衡控制回路可以包括以下步骤：输入目标牵张距离；以确定的步骤命令压力增加；比较压力命令与最大允许压力；如果压力命令小于最大允许压力，则增加压力；如果为否，则退出回路；读取位移数据；比较位移数据与最大允许位移数据；如果小于最大位移，则继续；如果为否，则退出回路；如果位移数据小于目标距离，则继续；如果为否，则退出回路。

目标牵张距离可以由外科医生输入为数值，或者其可以基于中柱距离的图像分析经由软件装置输入。如果通过图像分析确定目标距离，则可以在进行新的荧光透视成像时迭代地更新该图像分析，从而允许不断提高精度。

根据上述实施例，牵张工具40的基本机械功能是例如通过使用一个或多个气动活塞向脊柱施加力。一个或多个活塞根据腔室内的气压施加恒定的、可预测的力。可以基于活塞的几何形状来计算该力，和/或所述力可以基于测量由活塞产生的力来测量和校准并且相对于活塞中的输入压力进行绘制。可以对微控制器进行编程以针对任何类型的输入-输出曲线校正进行校正，可能需要所述输入-输出曲线校正以适应与预期线性转换曲线的偏差。通过利用活塞的各种组合，可以在分离的运动平面或复合的运动平面中操纵脊柱。实施例可以利用一个活塞沿着Y轴线在脊柱的轴向方向上施加力。这是用于中柱平衡的主要运动，并且也是在手术期间用于牵张椎间隙所采用的主要运动。

牵张工具40可以用于执行本文所述的中柱间隙平衡程序。例如，基于术前荧光透视扫描，测量中柱处的脊柱长度，然后基于将脊柱恢复到其自然解剖位置(例如，当PLL被拉直且张紧时)来计算目标轴向牵张距离。通过施加已知的力并通过一个或多个接近传感器和/或荧光透视监测进度，或者通过向微控制器提供目标距离并允许牵张工具根据需要施加力，可以到达目标。为了确保安全地执行该程序，可以将力和牵张距离的上限编程到控制软件中。这些限制也可以通过机械止动件和/或在一定气压以上致动的压力释放阀在物理上设计到工具中以防止过度运动。气压限制和机械止动件都可以作为可由外科医生调节的特征提供。

可以在力-位移图上绘制所实现的力和所产生的运动。该图可以用于评估脊柱的稳定程度。例如，目前的医学指南建议，在屈曲-伸展X射线分析中移动3mm或更大的脊柱运动节段应该通过脊柱融合术进行固定，而移动小于此的脊柱运动节段不应该融合。牵张器械可以以客观受控的方式施加移动脊柱所需的力，并同时记录由此产生的运动。

另外，通过将通信装置(例如蓝牙芯片、以太网卡或其它输出数字信号的装置)附接到微控制器，器械能够将收集的信息发送到存储装置。存储装置可以是任何形式的计算机存储器，附接到例如打印机的电子装置的存储器，或者可以上传到互联网上的数据库。然后，该信息可以用作手术的电子记录的一部分。它可以是独立的记录，或者可以与手术中使用的其它装置的输出(例如麻醉记录)结合。

单独使用时，可以利用本发明的牵张工具来执行中柱间隙平衡程序。基于术前荧光透视扫描，测量脊柱长度(例如，沿着PLL的路径)，然后基于将脊柱恢复到其自然解剖位置(例如，当PLL被拉直且张紧时)来计算目标轴向牵张距离。通过施加已知的力并通过荧光透视监测进度，或者通过向微控制器提供目标距离并允许牵张工具根据需要施加力，可以到达目标。为了确保安全地执行该程序，可以将力和牵张距离的上限编程到控制软件中。这些限制也可以通过机械止动件和/或在一定气压以上致动的压力释放阀在物理上设计到工具中以防止过度运动。气压限制和机械止动件都可以在制造中固定，或者可以作为可由外科医生调节的特征提供。

可以在力-位移图上绘制所实现的力和所产生的运动。该图可以用于评估脊柱的稳定程度。例如，目前的医学指南建议，在屈曲-伸展X射线分析中移动3mm或更大的脊柱运动节段应该通过脊柱融合术进行固定，而移动小于此的脊柱运动节段不应该融合。当前实施例的器械可以以客观受控的方式施加移动脊柱所需的力，并同时记录由此产生的运动。

另外，通过将通信装置(例如蓝牙芯片、以太网卡或其它输出数字信号的装置)附接到微控制器，器械能够将收集的信息发送到存储装置。存储装置可以是任何形式的计算机存储器，附接到例如打印机的电子装置的存储器，或者可以上传到互联网上的数据库。然后，该信息可以用作手术的电子记录的一部分。它可以是独立的记录，或者可以与手术中使用的其它装置的输出(例如麻醉记录)结合。

不需要将牵张工具的使用限制在单个装置上。可以利用牵张工具的阵列来创建施加力的复杂模式。此种阵列可以用于精确地矫正脊柱畸形。例如，可以将骨锚(例如美国专利No.8,974,507中描述的一种骨锚)放入将旨在被手术操作的每个椎骨的骨中。可以将器械放置在每对骨锚上，然后在外科医生的非接触式控制下，每个器械可以单独地或组合地施加已知的、精确的受控力以实现脊柱畸形的手术矫正。与只有两只手可供使用的外科医生相比，这允许了可以使用目前已知的工具进行管理更多的力的施加点。与人的手可以实现的情况相比，这还允许了更精确(并且因此安全)的负载施加。最后，与人的手不同，器械将不会疲劳。因此，在整个冗长的脊柱手术中，可以在单个脊柱节段上维持力。外科医生还将能够测量每个手术等级下的脊柱稳定程度，并且根据此信息做出术中决策。

在某些实施例中，器械不仅限于传统的手术设定。可以在局部麻醉下以微创方式插入骨锚并附接器械。通过这样做，外科医生可以通过在使用或不使用X射线的办公室环境中通过直接施加力来诊断脊柱稳定性。另外，通过保持患者清醒，可以进行疼痛源的简单测试。例如，通过向退行性脊柱节段施加牵张力，可以实时从患者获取关于疼痛是否得到缓解的反馈。由于测试是计算机控制的，因此可以简单地编程安慰剂循环以验证疼痛缓解是身体上的还是心理上的。

本发明的牵张工具可以是安装在台上的或免持的。压力传感器和灯可以用作可编程控制板上的指示器，以指示渐进式力施加的循环或逐步添加。该器械可以用作脊柱张紧、牵张或平移装置，其直接锚固到在相邻水平处的椎骨，以在确定脊柱器械和/或骨融合程序的适应症时确定脊柱韧带松弛。

在本文中表示为用于执行指定功能的装置的任何元件旨在涵盖执行该功能的任何方式，其包括例如执行该功能的元件的组合。此外，如可以通过此类装置加功能的权利要求来限定本发明，本发明的事实在于由各种所述装置提供的功能以所附权利要求限定的方式组合并结合在一起。因此，任何可以提供此种功能的装置都可以被认为是本文所示装置的等同物。

在各种实施例中，可以使用各种模型或平台来实践本发明的某些方面。例如，软件即服务(SaaS)模型或应用服务提供商(ASP)模型可以用作软件应用交付模型，以将软件应用传送到客户或其他用户。例如，可以通过互联网连接来下载此类软件应用程序，并且可以独立地(例如，下载到膝上型或台式计算机系统)或通过第三方服务提供商(例如，通过第三方网站访问)来操作。另外，可以结合本发明的各种实施例采用云计算技术。

此外，与本实施例相关联的处理可以由可编程设备执行，例如计算机。可以用于使可编程设备执行处理的软件或其它指令集可以存储在任何存储装置中，例如计算机系统(非易失性)存储器。此外，可以在制造计算机系统时或者经由计算机可读存储器存储介质对一些处理进行编程。

还可以理解，可以使用存储在计算机可读存储介质上的指示计算机或计算机系统执行处理步骤的指令来执行本文描述的某些处理方面。计算机可读介质可以包括例如存储器装置，例如磁盘、只读和读/写类型的光盘、光盘驱动器和硬盘驱动器。计算机可读介质还可以包括存储器，其可以是物理的、虚拟的、永久的、临时的、半永久的和/或半临时的。存储器和/或存储部件可以使用能够存储数据的任何计算机可读介质来实现，例如易失性或非易失性存储器、可移动或不可移动存储器、可擦除或不可擦除存储器、可写或可重写存储器等。

“计算机”、“计算机系统”、“计算设备”、“部件”或“计算机处理器”可以是，例如但不限于，处理器、微计算机、小型计算机、服务器、大型机、膝上型计算机、个人数据助理(PDA)、无线电子邮件装置、智能电话、移动电话、电子平板电脑、蜂窝电话、寻呼机、传真机、扫描仪或构造成发送、处理和/或接收数据的任何其它可编程装置或计算机设备。本文公开的计算机系统和基于计算机的装置可以包括存储器和/或存储部件以用于存储在获取、处理和传送信息时使用的某些软件应用程序。可以理解，关于所公开实施例的操作，此种存储器可以是内部的或外部的。在各种实施例中，“主机”、“引擎”、“加载器”、“过滤器”、“平台”或“部件”可以包括各种计算机或计算机系统，或者可以包括软件、固件和/或硬件的合理组合。在某些实施例中，“模块”可以包括软件、固件、硬件或其任何合理组合。

通常，对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，本文描述的各种实施例或其部件或部分可以在软件、固件和/或硬件或其模块的许多不同实施例中实现。用于实现一些本发明实施例的软件代码或专用控制硬件不是对本发明的限制。用于计算机软件和其它计算机实现的指令的编程语言可以在执行之前由编译器或汇编器翻译成机器语言和/或可以在运行时由解释器直接翻译。此种软件可以存储在任何类型的合适的计算机可读介质上，例如磁性或光学存储介质。因此在没有具体参考实际软件代码或专用硬件部件的情况下，描述了实施例的操作和行为。缺少此种具体参考是可行的，因为清楚理解的是，普通技术人员将能够设计软件并控制硬件以基于本文的描述仅用合理的努力并且无需过度的实验来实现本发明的实施例。

本文描述的系统和方法的各种实施例可以采用一个或多个电子计算机网络来促进不同部件之间的通信、传输数据或共享资源和信息。可以根据用于互连网络中的装置的硬件和软件技术对此类计算机网络进行分类，例如光纤、以太网、无线LAN、HomePNA、电力线通信或G.hn标准。

可以基于网络的元件或部件之间的功能关系来表征计算机网络，例如主动网络、客户端-服务器或端对端功能架构。可以根据网络拓扑对计算机网络进行分类，例如总线网络、星形网络、环形网络、网状网络、星形总线网络或分层拓扑网络。还可以基于用于数据通信的方法对计算机网络进行分类，例如数字网络和模拟网络。

如本文所采用的，应用服务器可以是此服务器，其托管API以将业务逻辑和业务处理开放而供其它应用使用。应用服务器可以主要服务于基于web的应用，而其它服务器可以用作会话初始化协议服务器，例如，或者与电话网络一起工作。

尽管可以将一些实施例示出和描述为包括执行各种操作的功能部件、软件、引擎和/或模块，但是可以理解，此类部件或模块可以由一个或多个硬件部件、软件部件和/或其组合实现。

本文描述的流程图和方法示出了各种实现的功能和操作。如果体现在软件中，则每个块、步骤或动作可以表示代码的模块、片段或一部分，所述代码包括用于实现一个或多个指定的逻辑功能的程序指令。程序指令可以以源代码的形式具现，该源代码包括用编程语言编写的人类可读语句或者包括可由合适执行系统(例如计算机系统中的处理部件)识别的数字指令的机器代码。如果具现在硬件中，则每个块可以表示电路或多个互连电路以实现一个或多个指定的逻辑功能。

如本文所用，“包括”、“包含”和类似术语在本申请的上下文中理解为与“具有”同义，并且因此是开放式的并且不排除存在另外的未描述或未列举的元素、材料、阶段或方法步骤。如本文所用，“由......组成”在本申请的上下文中理解为排除任何未指明的元素、材料、阶段或方法步骤的存在。如本文所用，“基本上由......组成”在本申请的上下文中理解为包括指定的元素、材料、阶段或方法步骤，并且在可适用时还包括不会实质上影响本发明的基本或新颖特征的任何未指定的元素、材料、阶段或方法步骤。

在本申请中，除非另外特别说明，否则单数的使用包括复数并且复数包含单数。另外，在本申请中，除非另外特别说明，“或”的使用意指“和/或”，即使在某些情况下可能明确地使用“和/或”。在本申请和所附权利要求中，除非清楚且明确地限于一个指示物，否则冠词“一”，“一个”和“该”包括复数指示物。

尽管上面为了说明的目的描述了本发明的特定实施例，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离所附权利要求限定的本发明的情况下，可以对本发明的细节进行各种变化。

Claims (10)

1.一种用于脊柱手术的牵张工具，所述牵张工具包括：

致动器，所述致动器包括安装在壳体中的可往复移动的活塞；

第一牵张器臂，所述第一牵张器臂构造和布置成可释放地接合第一骨螺钉；

第二牵张器臂，所述第二牵张器臂构造和布置成可释放地接合第二骨螺钉；以及

连杆机构，所述连杆机构连接到所述致动器活塞以及所述第一牵张器臂和所述第二牵张器臂，其中所述连杆机构构造和布置成在所述致动器活塞往复移动时使所述第一牵张器臂和所述第二牵张器臂相对于彼此移动。

2.根据权利要求1所述的牵张工具，其中，在将加压空气引入可加压的气缸中时，所述致动器活塞能够在可加压的所述气缸中往复移动。

3.根据权利要求2所述的牵张工具，其中，所述连杆机构将所述第一牵张器臂可释放地固定到所述气缸，并且将所述第二牵张器臂可释放地固定到所述致动器活塞。

4.根据权利要求2所述的牵张工具，其中，所述连杆机构包括第一连杆臂和第二连杆臂，所述第一连杆臂在其端部处可枢转地连接到所述致动器活塞并且在其另一个端部处可枢转地连接到所述第一牵张器臂，所述第二连杆臂在其端部处可枢转地连接到所述致动器活塞并且在其另一个端部处可枢转地连接到所述第二牵张器臂。

5.根据权利要求2所述的牵张工具，所述牵张工具还包括接近传感器，所述接近传感器构造和布置成检测所述第一牵张器臂和所述第二牵张器臂之间的可变距离。

6.根据权利要求2所述的牵张工具，所述牵张工具还包括压力传感器，所述压力传感器构造和布置成检测施加在所述第一牵张器臂和所述第二牵张器臂之间的可变压力。

7.根据权利要求2所述的牵张工具，所述牵张工具还包括如下装置，所述装置用于控制引入所述气缸的气压从而控制所述第一牵张器臂和所述第二牵张器臂之间的相对移动或者控制施加在所述第一牵张器臂和所述第二牵张器臂之间的力。

8.根据权利要求2所述的牵张工具，所述牵张工具还包括控制器，所述控制器构造和布置成控制引入所述气缸的气压的水平。

9.根据权利要求8所述的牵张工具，其中，所述控制器接收来自运动传感器、接触式致动器和语音命令中的至少一个的输入，从而控制所述气压的水平。

10.一种用于脊柱手术的气动牵张工具系统，所述气动牵张工具系统包括：

可加压的气缸；

致动器活塞，所述致动器活塞能够在可加压的所述气缸中往复移动；

第一牵张器臂，所述第一牵张器臂构造和布置成可释放地接合第一骨螺钉；

第二牵张器臂，所述第二牵张器臂构造和布置成可释放地接合第二骨螺钉；以及

连杆机构，所述连杆机构连接到所述致动器活塞以及所述第一牵张器臂和所述第二牵张器臂，其中所述连杆机构构造和布置成在将加压空气引入可加压的所述气缸时使所述第一牵张器臂和所述第二牵张器臂相对于彼此移动，

并且所述气动牵张工具系统还包括控制器，所述控制器构造和布置成控制引入所述气缸的气压的水平。