CN113543714A - 用于规划椎弓根螺钉固定的系统和方法 - Google Patents

用于规划椎弓根螺钉固定的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于规划椎弓根螺钉固定的系统和方法，并且更具体地，涉及一种用于基于C臂图像规划椎弓根螺钉的长度、插入路径等的系统和方法。本发明的用于规划椎弓根螺钉固定的系统包括：C臂，用于采集患者的脊柱图像；插入路径提供单元，用于在C臂图像上提供椎弓根螺钉的进入点和插入终点；配准单元，用于基于参考坐标系计算进入点和插入终点的空间坐标；导向设备，用基于进入点和插入终点的空间坐标确定椎弓根螺钉的插入位置，并根据插入位置引导探针向进入点插入；以及螺钉确定单元，用于通过获取随着探针插入，探针与骨骼接触的起点的坐标，并计算插入终点的坐标与起点的坐标之间的距离来确定椎弓根螺钉的长度状况。本发明使用C臂图像来代替在规划期间使用的常规CT图像，从而可以降低对患者的辐射照射并简化手术过程。根据本发明，即使在手术期间，基于C臂图像，手术规划可以被修改和调整，并且手术过程评估及手术工具导航的精度可以被提高，因为图像配准可以省略。此外，由于基于规划中使用的螺钉引导位置，本发明可连续用于手术，因此可以快速执行手术过程。

Description

用于规划椎弓根螺钉固定的系统和方法
技术领域
本公开涉及一种用于规划椎弓根螺钉固定的系统和方法，并且更具体地，涉及一种用于基于C臂图像规划椎弓根螺钉的长度、插入路径等的系统和方法。
背景技术
椎弓根螺钉用于脊柱固定，穿过椎弓根插入并固定在椎体中，椎弓根螺钉固定规划是指手术操作者确定适合患者和手术部位的椎弓根螺钉的长度、直径等，并预先规划椎弓根螺钉的插入路径的过程。
如图1所示，对于手术操作者的规划来说，脊柱的轴向视图是最有利的。然而，C臂装置无法提供脊柱的轴向视图，因此在手术前拍摄计算机断层扫描(CT)图像以向手术操作者提供轴向视图，从而进行术前规划。
虽然CT图像用于执行规划，但在实际手术过程中主要使用移动C臂X射线装置，因此需要优先将CT图像与C臂2D图像之间进行配准，以便实时验证手术是否按术前规划实施或按规划导航手术工具。此外，如果患者移动或C臂装置移动，则需要重新执行配准。
基于CT图像的规划具有如上提供轴向视图的优点，但缺点是CT扫描由于长时间的辐射照射而对人体有害，并且需要与C臂2D图像配准。
另一方面，C臂图像不提供脊柱的轴向视图，不适用于规划，因为在前后(AP)图像和侧向(LL)图像上未完整显示规划所需的脊柱部分。
尽管实际上并未基于C臂图像执行规划，但C臂是在手术过程中使用的装置。因此，如果基于C臂图像执行规划，则具有不需要3D CT图像与2D图像之间的配准、即使在手术期间也可以根据需要灵活地修改手术规划等许多优点。
发明内容
技术问题
因此，构思本公开以解决相关技术的上述问题，并且本公开的一方面在于提供一种可以基于C臂图像进行椎弓根螺钉固定规划的规划系统和方法。
技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种用于规划椎弓根螺钉固定的系统，包括：C臂，被配置为捕获患者的脊柱图像；插入路径提供器，被配置为在C臂图像上提供椎弓根螺钉的进入点和插入终点；配准器，被配置为基于参考坐标系计算进入点和插入终点的空间坐标；导向器，被配置为基于进入点和插入终点的空间坐标确定椎弓根螺钉的插入位置，并根据插入位置引导探针向进入点插入；以及螺钉确定器，被配置为通过获取探针插入并开始与骨骼接触的起点的坐标，并计算插入终点的坐标与起点的坐标之间的距离来确定椎弓根螺钉的长度状况。
这里，进入点可以被确定在前后(AP)图像上、连接插入终点与椎弓根中心的线上的某个点处，或者可以被确定在侧向(LL)图像上、从插入终点平行于椎体水平线延伸的线上的某个点处。
用于规划椎弓根螺钉固定的系统还可以包括光学跟踪设备，被配置为跟踪与光学标记相连的探针的位置，其中，配准器被配置为确定探针位置被配准到的C臂图像上的像素，并且插入路径提供器被配置为在配准的像素上显示探针的投影图像。
此外，插入路径提供器可以包括用户界面，所述用户界面允许手术操作者在C臂图像上选择进入点和插入终点。
根据本公开的另一个方面，提供了一种规划椎弓根螺钉固定的方法，包括：(a)通过C臂获取患者的脊柱的C臂图像；(b)在C臂图像上确定椎弓根螺钉的进入点和插入终点；(c)基于参考坐标系计算进入点和插入终点的空间坐标；(d)基于进入点和插入终点的空间坐标确定椎弓根螺钉的插入位置，并根据插入位置引导探针向进入点插入；(e)基于参考坐标系，获取探针插入并开始与骨骼接触的起点的坐标；以及(f)通过计算插入终点的坐标与起点的坐标之间的距离来确定椎弓根螺钉的长度状况。
这里，(b)中的进入点可以被确定在前后(AP)图像上、连接插入终点与椎弓根中心的线上的某个点处，或者可以被确定在侧向(LL)图像上、从插入终点平行于椎体水平线延伸的线上的某个点处。
此外，在(b)中，手术操作者可以通过用户界面在C臂图像上选择进入点和插入终点。
有益效果
根据本公开，使用C臂图像代替传统上用于规划的CT图像，从而减少对患者的辐射照射并简化手术过程。
根据本公开，即使在手术过程中，也可以基于C臂图像修改和调整手术规划，并且可以省略图像配准，从而评估手术过程并提高导航手术工具的准确性。此外，规划中使用的螺钉引导位置可连续用于手术，因此可以快速实施手术过程。
附图说明
图1示出了脊柱结构的轴向视图；
图2是根据本公开实施例的用于椎弓根螺钉固定的规划系统的示意性框图；
图3是根据本公开实施例的椎弓根螺钉固定的规划方法的流程图；以及
图4A至图10B是用于描述根据本公开实施例的规划椎弓根螺钉固定的过程的示意图。
具体实施方式
下面将参考附图描述本公开的实施例。
图2是根据本公开实施例的用于椎弓根螺钉固定的规划系统的示意性框图。
参考图2，根据本公开实施例的椎弓根螺钉固定的规划系统包括C臂10、插入路径提供器20、光学跟踪设备30、配准器40、导向器50和螺钉确定器60。
C臂10用于捕获患者的脊柱图像，并使用设置在C形框架两端的X射线源和探测器来捕获C臂X射线图像。
插入路径提供器20用于提供与C臂图像对应的椎弓根螺钉的进入点和插入终点。这里，插入终点是指椎弓根螺钉插入并固定在椎弓根体内时螺钉端部的位置，以及，进入点是指基于与插入终点的相对位置关系选择的用于确定椎弓根螺钉的插入路径的位置。
关于进入点和插入终点的信息可以由临床决策支持系统(CDSS)提供，该系统基于C臂图像自动生成推荐位置信息。CDSS可以基于C臂图像的深度学习来建立，并且可以使用基于各种深度学习算法(例如多层感知器(MLP)、卷积神经网络(CNN)等)的人工智能(AI)或医学可解释人工智能(XAI)。
可替换地，当手术操作者通过用户界面(UI)直接在C臂图像上指定进入点和插入终点时，关于进入点和插入终点的信息可以被确定。具有专业知识的手术操作者可以在没有CDSS帮助的情况下通过UI选择进入点和插入终点。
进一步地，可以基于患者和手术部位的标准化统计准则等提供关于进入点和插入终点的信息，然后由具有专业知识的手术操作者进行调整。这样，关于进入点和插入终点的信息可以通过多种方式确定。
光学跟踪设备30识别手术空间内的参考标记(未示出)并提供参考坐标系，从而将安装有光学标记的各种设备和仪器的位置转换为参考坐标系中的位置。
配准器40用于计算参考坐标系中的进入点和插入终点的空间坐标。换句话说，配准器40用于计算C臂图像上的进入点和插入终点所对应的脊柱内部的位置的空间坐标。
具体地，配准器40可以例如当捕获C臂AP图像和C臂LL图像时，通过基于X射线源和C臂探测器的空间坐标，从C臂AP图像和C臂LL图像上的相同进入点(或插入终点)沿X射线路径的反向投影来确定交点，从而计算出空间坐标。这里，X射线源和C臂探测器的空间坐标可以通过将光学标记附着到X射线源和探测器上来计算。这里，探测器的表面应设置在与C臂图像相同的平面上。
如果很难识别X射线源和探测器的位置，可以基于本申请人于2019年3月13日申请的、申请号为2019-0028592、名称为“C-ARM MEDICAL IMAGING SYSTEM AND REGISTRATIONMETHOD OF 2D IMAGE AND 3D SPACE”的韩国专利申请中公开的方法来实现配准。简而言之，以如下方式计算空间坐标：通过将探测器表面上的AP图像扭曲到第三平面，并将新生成的图像中的像素反向投影到一个空间的方式，来从多个图像中获取交点。
返回参考图2，导向器50基于进入点和插入终点的空间坐标确定椎弓根螺钉的插入位置，并引导探针朝向进入点插入。导向器50可由自动或半自动设备或医疗机器人实现。公知的医疗机器人在仅给定位置坐标时，通过光学跟踪设备30自动移动到螺钉插入位置，并控制末端执行器(未示出)和导向夹具的位置，使得可以根据插入位置插入探针。
螺钉确定器60获取探针插入并开始与骨骼接触的起点的坐标。这里，可以根据探针插入机制，基于附着到探针的光学标记、用于将插入力传递到探针的末端执行器(未示出)等来计算探针末端的插入深度。
螺钉确定器60通过计算插入终点的坐标与起点的坐标之间的距离来确定椎弓根螺钉的长度状况。这里，起点和插入终点指示椎弓根螺钉插入脊柱的总长度，因此可以确定椎弓根螺钉的长度状况为从起点到插入终点的长度，或比从起点到插入终点的长度长预定长度的长度。
图3是根据本公开实施例的椎弓根螺钉固定的规划方法的流程图，以及图4A至图10B是用于描述根据本公开实施例的规划椎弓根螺钉固定的过程的示意图。
参考图3至图10B，将描述根据图2所示的本公开实施例的用于椎弓根螺钉固定的规划系统的操作。
首先，C臂10用于获取患者脊柱的AP图像和LL图像(S1)。本领域普通技术人员熟知C臂10用于捕获AP图像和LL图像，因此为了描述的简化和清楚，将省略其详细描述。因此，图4A和图4B示出了用于描述根据本公开实施例的规划过程的AP图像和LL图像。
C臂10向插入路径提供器20提供捕获到的AP图像和捕获到的LL图像，以及，插入路径提供器20通过在AP图像和LL图像上确定椎弓根螺钉的进入点和插入终点来提供椎弓根螺钉或探针的插入路径(S2)。
图5A和图5B示出了根据本公开实施例的在AP图像和LL图像上标记进入点和插入终点的示例。
参考图5A，左椭圆(以下称为“第一椭圆”)ecl1指示插入终点EP，右椭圆(以下称为“第二椭圆”)ecl2指示进入点MP。这里之所以用椭圆，是因为椎弓根螺钉的插入方向与AP图像的拍摄方向倾斜，表示椎弓根螺钉的直径，其中第一椭圆ecl1指示椎弓根螺钉的末端部分，椭圆的中心分别代表插入终点EP和进入点MP。
参考图5B，右椭圆(以下称为“第三椭圆”)ecl3指示插入终点EP，左椭圆(以下称为“第四椭圆”)ecl4指示进入点MP。图5A和图5B中示出的进入点MP和插入终点EP位于彼此相连的地方。
参考图6，AP图像和LL图像是通过在垂直方向上捕获患者的脊柱而获得的。因此，从AP图像上的某个点PAPimg(例如，进入点)按照与X射线辐射方向相反的方向延伸的线可以到达源SAP。此外，可以在捕获LL图像时获得与和X射线辐射方向重叠的区域相交的线，也可以通过将得到的线投影到LL图像上，来得到第一直线L1。与AP图像上的某个点PAPimg(例如，进入点)对应的LL图像上的进入点PLLimg是第一直线L1上的像素之一。因此，如果AP图像上的进入点的位置发生变化，则第一直线L1的位置发生变化，从而LL图像上的进入点的位置也发生变化。
插入路径提供器20显示AP图像，以便手术操作者可以选择进入点PAPimg，并显示LL图像上对应的第一直线L1，以便手术操作者可以选择第一直线L1上的进入点PLLimg，从而允许手术操作者在AP图像和LL图像上输入进入点MP。此外，通过基于如上所述的辅助手术操作者的CDSS来推荐和显示进入点MP的方法，除了进入点MP之外，还可以显示插入终点EP。
与此类似，参考图5A、图5B和图6描述的AP图像与LL图像之间的像素和坐标的配准可以应用于AP图像和LL图像上的所有像素。
图7A和图7B是用于描述确定AP图像上的插入终点的位置的过程的示意图。
在图7A中，纵向所示的直线SL表示脊柱的棘突，棘突SL右侧所示的圆圈C表示椎弓根的位置。AP图像上的插入终点EP被选择位于显示椎弓根的圆圈C与棘突SL之间，并且，以插入终点EP为中心的椭圆ecl1也位于圆圈C与棘突SL之间，从而确定插入终点EP的位置和椭圆的形状。
参考图7B，可以在连接第一椭圆ecl1和示出椎弓根的圆圈C的第二直线L2上选择进入点MP。当第一椭圆ecl1与穿过插入终点EP并垂直于第二直线L2的第一椭圆ecl1的长轴相交的两个点是EP1和EP2，第二椭圆ecl2与穿过进入点MP并垂直于第二直线L2的第二椭圆ecl2的长轴相交的两个点是MP1和MP2时，得到连接点EP1和点MP1的直线T1和连接点EP2和点MP2的直线T2。
将在AP图像上获得的两个点(EP1,EP2)AP和LL图像上通过类似方法可获得的两个点(EP1,EP2)LL沿X射线路径进行反投影，从而确定两个交点(EP1_3d,EP2_3d)并计算空间坐标。基于如上获得的空间坐标上的两点(EP1_3d,EP2_3d)之间的距离，可以计算椎弓根螺钉的直径。
当插入终点EP移动时，第一椭圆ecl1的形状发生变化，因此第二椭圆ecl2的形状也发生变化。
图8是用于描述确定LL图像上对应于插入终点的第三椭圆ecl3和对应于进入点的第四椭圆ecl4的过程的示意图。
上文已经描述了结合AP图像上选择的插入终点和进入点来选择LL图像上的插入终点和进入点的过程。同样地，图8所示的第三椭圆ecl3和第四椭圆ecl4的大小可以按照配准第一椭圆和第二椭圆的像素的方法(即，参考图6描述的方法)来确定。因此，当第一至第四椭圆中的一个随着其中心移动或直径变化而改变形状时，其他三个椭圆也相应地改变形状。
即使在LL图像上，也可以按照与AP图像相同的方法来确定与直线T1和T2对应的直线。在LL图像上，穿过插入终点EP和进入点MP的第二直线L2与椎体图像上所示的水平直线VB平行。
返回参考图3，接下来，配准器40基于参考坐标系计算进入点MP和插入终点EP的空间坐标(S3)。这里，当光学跟踪设备30识别安装在医疗空间中的参考光学标记时，建立参考坐标系。
如图9所示，第三直线L3和第四直线L4之间的交点P可以被计算，作为与进入点MP配准的空间坐标，其中在该交点P上，彼此正交的AP图像和LL图像上显示的进入点MP(或插入终点)以与X射线辐射方向相反的方向投影。
然而，为了得到按照图9所示方法变换后的空间坐标，需要关于捕获AP图像和LL图像时的源位置信息，以及形成图像的探测器平面的位置信息。如果无法知道探测器平面的位置，则可以通过将扭曲算法应用于X射线辐射路径上空间位置已知的平面来生成图像，如本申请人的、申请号为2019-0028592的韩国专利申请中公开的，并且替代图9所示的AP或LL图像。
导向器50基于进入点和插入终点的空间坐标确定椎弓根螺钉的插入位置，并因此引导探针朝向进入点插入(S4)。
在医疗机器人的情况下，医疗机器人基于接收到的进入点和插入终点的空间坐标移动到合适的位置，并根据插入位置定位用于引导探针插入方向的探针夹具。本领域众所周知，医疗机器人基于给定的坐标移动，并将安装在末端执行器上的探针夹具的方向设置为朝向连接进入点和插入终点的插入路径，因此详细描述将在本公开中省略。此外，也可以类似的方式控制不是医疗机器人而是公知的桥式手术工具导向器50等。
在探针被插入时，螺钉确定器60获取探针末端开始与骨骼接触的点的坐标(下文称为“起始点(SP)”)(S5)。
图10A和图10B是示出了探针pr被插入并与起始点接触的AP图像和LL图像。
插入的探针pr的末端SP根据探针插入深度而变化，但可以借助附着到探针或导向器50的光学标记计算为空间坐标。探针末端的空间坐标可以如图9所示，可以沿X射线辐射方向配准到AP图像和LL图像上的位置，并如图10A和图10B所示被实时跟踪。
螺钉确定器60通过基于起点SP的坐标与插入终点EP的坐标计算两点之间的距离来确定椎弓根螺钉的长度状况(S6)。椎弓根螺钉的长度可以选择为等于起点坐标与插入终点坐标之间的3D空间距离的长度或者比该3D空间距离长预定长度的长度。
如上所述，根据本公开，可以基于C臂图像通过插入探针来确定螺钉的长度，而且插入探针的导向设置可用于插入椎弓根螺钉，从而更快、更准确地执行外科手术。
虽然已经描述了本公开的几个实施例，但是本公开所属领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本公开的技术范围的情况下，可以对本公开实施例进行改变或替换。因此，应当理解，本公开的范围在所附权利要求及其等同物所限定的技术概念内。

Claims (9)

1.一种用于规划椎弓根螺钉固定的系统，包括：
C臂，被配置为捕获患者的脊柱图像；
插入路径提供器，被配置为在C臂图像上提供椎弓根螺钉的进入点和插入终点；
配准器，被配置为基于参考坐标系计算所述进入点和所述插入终点的空间坐标；
导向器，被配置为基于所述进入点和所述插入终点的所述空间坐标确定所述椎弓根螺钉的插入位置，并根据所述插入位置引导探针向所述进入点插入；以及
螺钉确定器，被配置为通过获取所述探针插入并开始与骨骼接触的起点的坐标，并计算所述插入终点的坐标与所述起点的坐标之间的距离来确定所述椎弓根螺钉的长度状况。
2.根据权利要求1所述的用于规划椎弓根螺钉固定的系统，其中，所述进入点被确定在前后(AP)图像上、连接所述插入终点与椎弓根中心的线上的某个点处。
3.根据权利要求1所述的用于规划椎弓根螺钉固定的系统，其中，所述进入点被确定在侧向(LL)图像上、从所述插入终点平行于椎体水平线延伸的线上的某个点处。
4.根据权利要求1所述的用于规划椎弓根螺钉固定的系统，还包括：
光学跟踪设备，被配置为跟踪与光学标记相连的所述探针的位置，其中：
所述配准器被配置为确定所述探针的位置被配准到的所述C臂图像上的像素；以及
所述插入路径提供器被配置为在配准的像素上显示所述探针的投影图像。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的用于规划椎弓根螺钉固定的系统，其中，所述插入路径提供器包括用户界面，所述用户界面允许手术操作者在所述C臂图像上选择所述进入点和所述插入终点。
6.一种规划椎弓根螺钉固定的方法，包括：
(a)通过C臂获取患者的脊柱的C臂图像；
(b)在所述C臂图像上确定椎弓根螺钉的进入点和插入终点；
(c)基于参考坐标系计算所述进入点和所述插入终点的空间坐标；
(d)基于所述进入点和所述插入终点的所述空间坐标确定所述椎弓根螺钉的插入位置，并根据所述插入位置引导探针向所述进入点插入；
(e)基于所述参考坐标系获取所述探针插入并开始与骨骼接触的起点的坐标；以及
(f)通过计算所述插入终点的坐标与所述起点的坐标之间的距离来确定所述椎弓根螺钉的长度状况。
7.根据权利要求6所述的规划椎弓根螺钉固定的方法，其中，(b)中的所述进入点被确定在前后(AP)图像上、连接所述插入终点与椎弓根中心的线上的某个点处。
8.根据权利要求6所述的规划椎弓根螺钉固定的方法，其中，(b)中的所述进入点被确定在侧向(LL)图像上、从所述插入终点平行于椎体水平线延伸的线上的某个点处。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的规划椎弓根螺钉固定的方法，其中，在(b)中，手术操作者通过用户界面在所述C臂图像上选择所述进入点和所述插入终点。
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