CN117597084A - 用于自动斜侧椎体间融合（olif）通道规划的系统和方法 - Google Patents

用于自动斜侧椎体间融合（olif）通道规划的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种外科手术导航和规划系统。该系统可包括：至少一个处理器；和存储介质，该存储介质存储编程指令。该编程指令可使该处理器接收患者特定的椎骨信息，该患者特定的椎骨信息包括可通过X射线获取的至少一个图像。该系统可执行对该至少一个图像中的对象的分割并自动选择一组对象，用于规划到椎骨节段近侧的位置的最佳轨迹。该系统可确定椎体间植入物的边界尺寸、第一进入切口位置和用于该椎体间植入物从该第一进入切口位置到该椎骨节段近侧的该位置的第一路径。该系统可计算该边界尺寸与该一组对象之间的多个间隙距离。该一组对象可包括腰肌、主动脉和/或腔静脉。

Description

用于自动斜侧椎体间融合(OLIF)通道规划的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请在此并入以下美国专利的相应全部公开内容：2003年7月14日提交的名称为“用于心脏疗法的导航系统(Navigation System for Cardiac Therapies)”的美国专利第7,697,972号；2010年4月29日提交的名称为“用于外科手术导航的方法和装置(Methodand Apparatus for Surgical Navigation)”的美国专利第8,644,907号；2010年4月30日提交的名称为“用于基于图像的导航的方法和装置(Method and Apparatus for Image-Based Navigation)”的美国专利第8,842,893号；以及2003年4月1日提交的名称为“集成电磁导航与患者定位设备(Integration Electromagnetic Navigation and PatientPositioning Device)”的美国专利申请公开第2004/0199072号。
技术领域
本技术整体涉及用于自动斜侧椎体间融合(oblique lateral interbodyfusion，OLIF)通道规划的系统和方法。然而，相关系统和方法不一定限于OLIF通道规划，并且当然可应用于人体的其他部分。
背景技术
诸如退变性椎间盘疾病、椎间盘突出症、骨质疏松症、脊椎滑脱症、狭窄症、脊柱侧凸症、脊柱后凸症和其它曲度异常、肿瘤以及骨折的脊椎病症可能起因于包含由损伤和老化造成的创伤、疾病和退变性病况的因素。脊柱病症或畸形通常至少导致包括疼痛、神经损伤和部分或完全丧失活动能力的症状。脊柱手术可涉及植入一个或多个脊柱植入物以防止椎骨节段(level)处的进一步恶化。本公开描述了对这些现有技术的改进。
发明内容
本公开的技术整体涉及用于确定用于利用椎体间植入物执行手术的最佳轨迹和/或通道的系统和方法。在一些实施方案中，所执行的手术可以是斜侧椎体间融合(OLIF)手术。
在一个方面，本公开提供了例如一种外科手术导航和规划系统。在各种实施方案中，该系统可包括：至少一个处理器；和非暂时性且有形的计算机可读存储介质，该非暂时性且有形的计算机可读存储介质上存储有编程指令。在各种实施方案中，该编程指令可例如使该处理器接收与用于治疗的椎骨节段相关联的患者特定的椎骨信息。在各种实施方案中，该患者特定的椎骨信息可包括至少一个图像。在各种实施方案中，该系统可例如执行对该至少一个图像中的对象的分割并自动选择一组对象，用于规划到椎骨节段近侧的位置的轨迹。在各种实施方案中，该系统可例如确定椎体间植入物的边界尺寸。在各种实施方案中，该椎体间植入物可例如用于沿着该轨迹插入。在各种实施方案中，该系统可例如确定第一进入切口位置。在各种实施方案中，该系统可例如确定用于该椎体间植入物从该第一进入切口位置到该椎骨节段近侧的该位置的第一路径。在各种实施方案中，该系统可例如基于该第一路径计算该椎体间植入物的该边界尺寸与该一组对象之间的第一多个间隙距离。
在另一方面，本公开提供了一种用于确定用于插入椎体间植入物的最佳倾斜通道的方法。该方法可例如包括提供外科手术导航和规划系统的步骤。在各种实施方案中，该外科手术导航和规划系统可例如包括显示器和成像系统，该成像系统包括用于生成X射线的源和用于检测穿过患者的X射线的检测器。在各种实施方案中，该系统可例如包括：至少一个处理器；和非暂时性且有形的计算机可读存储介质，该非暂时性且有形的计算机可读存储介质上存储有编程指令。该方法可还包括接收与用于治疗的椎骨节段相关联的患者特定的椎骨信息的步骤，并且该患者特定的椎骨信息可例如包括从该成像系统获取的至少一个图像。该方法可例如还包括以下步骤：执行对该至少一个图像中的对象的分割并自动选择一组对象，用于规划到椎骨节段近侧的位置的轨迹。在各种实施方案中，该系统可例如确定用于沿着该轨迹插入的椎体间植入物的边界尺寸。该方法可例如还包括以下步骤：确定第一进入切口位置以及确定用于该椎体间植入物从该第一进入切口位置到该椎骨节段近侧的该位置的第一路径。该方法可例如还包括基于该第一路径计算该椎体间植入物的该边界尺寸与该一组对象之间的第一多个间隙距离的步骤。该方法可例如还包括通过该显示器显示可行的外科手术规划的步骤，条件是该第一进入切口位置和该第一路径在预定的误差幅度内围绕脆弱的患者组织导航。
本公开的一个或多个方面的细节在以下附图和说明书中示出。根据说明书和附图以及权利要求书，本公开中描述的技术的其他特征、目的和优点将显而易见。
附图说明
图1是示出示例导航系统的环境视图。
图2是示出用于自动OLIF通道规划的方法的流程图。
图3是示出用于找到患者特定的OLIF轨迹的方法的流程图。
图4A是示出以虚线显出的腰肌、血管和椎骨体的图像。
图4B是示出具有覆盖掩模的分割的腰肌和血管的图像。
图5是椎体间植入物和用于捕获椎体间植入物的图像的图像捕获系统的示例图示。
图6是示出用于规划自动OLIF通道的示例患者的透视图。
图7示出了根据本公开的原理的可被包括在外部电子设备的任何电子部件中的内部硬件的示例系统图。
具体实施方式
本文所述的实施方案涉及自动斜侧椎体间融合(OLIF)通道规划，例如，用于植入用于治疗畸形的椎体间植入物，诸如通过设计考虑腰肌和相邻血管之间的测量距离的轨迹。
通过参考结合形成本公开的一部分的附图所采取的实施方案的以下详细描述，可更容易理解本公开的规划系统。应当理解，本申请不限于本文描述和/或示出的具体设备、方法、条件或参数，并且本文所使用的术语仅仅是为了通过示例的方式描述特定实施方案，而不是为了进行限制。此外，在一些实施方案中，除非上下文另外明确规定，否则如说明书中所使用并且包括所附权利要求书，单数形式“一(a、an)”和“所述(the)”包括复数，并且参考特定数值包括至少该特定值。范围在本文中可表示为“约”或“大约”一个特定值和/或“约”或“大约”另一特定值。当表达这种范围时，另一个实施方案包括从一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当通过使用先行词“约”将值表示为近似值时，应当理解，特定值形成了另一个实施方案。还应理解，所有空间参考，诸如例如水平、垂直、顶部、上部、下部、底部、前部、后部、左侧和右侧，仅用于说明目的，并且可在本公开的范围内变化。例如，参考“上部”和“下部”是相对的并且仅在上下文中用于另一情况，并且不一定是“上”和“下”。
此外，如本说明书中所用并且包括所附权利要求书，疾病或病况的“治疗”可指规划和执行程序，该程序可包括向患者(人或其他哺乳动物)施用一种或多种药物，采用可植入设备，和/或采用治疗疾病的器械，诸如例如用于植入例如骨构建体、椎体间植入物和螺钉的器械。
缓解可发生在疾病或病况的体征或症状出现之前，也可发生在它们出现之后。因此，治疗包括预防某种疾病或不期望的病况和/或降低其可能性(例如，预防可能易患该疾病但尚未被诊断为患有该疾病的患者发生该疾病，或降低发生该疾病的可能性)。另外，治疗不需要完全缓解体征或症状，不需要治愈，并且具体包括对患者仅有微小作用的程序。治疗可包括抑制疾病，例如阻止其发展或缓解疾病，例如使疾病消退。例如，治疗可包括减少急性或慢性炎症；减轻并缓解疼痛和促进新韧带、骨和其他组织的再生长；作为手术的辅助装置；和/或任何修复程序。此外，如说明书和所附权利要求书中所用，术语“组织”包括软组织、韧带、腱、软骨和/或骨，除非另有具体说明。
以下公开包括用于设计穿过患者解剖结构的轨迹的计算系统的描述，该轨迹考虑了腰肌和相邻血管之间相对于椎体间植入物的测量距离，以用于使椎体间植入物在椎骨节段近侧通过。以下公开包括对采用根据本公开的原理的计算系统的计算机实施的方法的描述。还公开了替代实施方案。详细参考在附图中示出的本发明的示例性实施方案。
所设计的植入物可由适于医学应用的生物学上可接受的材料制成，包括计算机辅助金属、计算机辅助塑料、金属、合成聚合物、陶瓷和骨材料和/或它们的复合物。例如，植入物可由诸如以下的材料制成：不锈钢合金、铝、工业纯钛、钛合金、5级钛、超弹性钛合金、钴-铬合金、不锈钢合金、超弹性金属合金(例如，镍钛诺(Nitinol)，超弹性塑料金属，诸如由日本丰田材料公司(Toyota Material Incorporated of Japan)制造的GUM)、陶瓷和其复合物，诸如磷酸钙(例如，由生物有限公司(Biologic Inc.)制造的SKELITETM)、热塑性塑料(诸如聚芳基醚酮(PAEK)，包括聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)和聚醚酮(PEK))、碳-PEEK复合物、PEEK-BaSO4聚合物橡胶、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、织物、硅酮、聚氨酯、硅酮-聚氨酯共聚物、聚合物橡胶、聚烯烃橡胶、水凝胶、半刚性和刚性材料、弹性体、橡胶、热塑性弹性体、热固性弹性体、弹性体复合物、刚性聚合物(包括聚亚苯基、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚乙烯、环氧树脂)、骨材料(包括自体移植、同种异体移植、异种移植或转基因皮质骨和/或皮质海绵骨，以及组织生长或分化因子)、可部分吸收的材料(诸如例如，金属与基于钙的陶瓷的复合物、PEEK与基于钙的陶瓷的复合物、PEEK与可吸收聚合物的复合物)、可完全吸收的材料(诸如例如，基于钙的陶瓷，诸如磷酸钙、磷酸三钙(TCP)、羟基磷灰石(HA)-TCP、硫酸钙)或其他可吸收聚合物(诸如聚交酯、聚乙交酯、聚酪氨酸碳酸酯、聚己内酯)以及它们的组合。
植入物可具有包括以上材料的材料复合物，以实现各种期望特性，诸如强度、刚度、弹性、顺应性、生物力学性能、耐久性和射线可透性或成像偏好。植入物也可由异质材料(诸如上述材料中的两种或更多种材料的组合)制成。
现在将参考附图更完整地描述示例性实施方案。本公开以引用方式将“用于L2-L5外科手术技术的OLIF25程序斜侧椎体间融合(OLIF25Procedure Oblique LateralInterbody Fusion for L2-L5 Surgical Technique)”(美国美敦力枢法模丹历有限公司(Medtronic Sofamor Danek USA,Inc.)，2017年版权)的全部内容并入本文。
参考图1，示出了具有可与外科手术导航系统24一起使用的成像系统20的外科手术室的环境视图。成像系统20可用于对受试者28成像。成像系统20可在外科手术期间的选定的时间获取受试者28的图像。在各种实施方案中，成像系统20可获取图像数据以显示和/或生成受试者28的图像30以供显示设备32显示。
导航系统24可由一个或多个用户(诸如用户36)用于各种目的或程序。导航系统24可用于确定或跟踪器械40(动力工具、植入物等)在容积中的位置。位置可包括三维X、Y、Z位置和取向(迎角和/或倾斜角)两者。取向可包括一个或多个自由度，诸如三个自由度。然而，应当理解，可确定和/或向用户36呈现任何适当的自由度位置信息，诸如小于六个自由度的位置信息。
跟踪器械40的位置可帮助用户36确定器械40的位置，即使用户36不能直接看到器械40。各种程序可阻挡用户36的视野，诸如执行修复或组装无生命系统(诸如机器人系统)、组装机架或汽车的部分等。各种其他程序可包括外科手术程序，诸如对活体受试者执行脊柱程序、神经程序、定位深部脑模拟探针或其他外科手术程序。例如，确定OLIF通道的程序。在各种实施方案中，例如，活体受试者可以是人受试者28，并且程序可在人受试者28上执行。然而，应当理解，对于任何适当的程序，可相对于任何受试者(包括例如动物)来跟踪和/或导航器械40。在人或活体受试者上跟踪或导航用于程序(诸如外科手术程序)的器械仅仅为示例。
在各种实施方案中，如本文进一步讨论的，外科手术导航系统24可并入各种部分或系统，诸如公开于以下中的那些：美国专利第7,697,972号；第8,644,907号；和第8,842,893号；以及美国专利申请公开第2004/0199072号，所有这些文献以引用方式并入本文。各种部件或系统可与导航系统24结合使用或合并使用，诸如成像系统20。然而，应当理解，成像系统20可独立于导航系统24使用。
可操作以对受试者28成像的成像系统20可包括成像系统、磁共振成像(MRI)系统、荧光镜透视检查、计算机断层扫描(CT)系统等。受试者支撑件44可用于在成像期间和/或在程序期间支撑或固持受试者28。相同或不同支撑件可用于程序的不同部分。
在各种实施方案中，成像系统20可包括源46。源46可发射和/或生成X射线。X射线可形成撞击在受试者28上诸如在锥束中的锥体46c。X射线中的一些X射线穿过受试者28，而另一些X射线被该受试者衰减。成像系统20还可包括检测器50，以检测未被受试者28完全衰减或阻挡的X射线。因此，图像数据可包括X射线图像数据。此外，图像数据可以是例如二维(2D)图像数据和/或三维(3D)图像数据。
可例如在外科手术程序期间，在外科手术程序之前或在程序之后，诸如利用上文讨论的成像系统20中的一个或多个成像系统来获取图像数据，以在显示设备32上显示图像30。在各种实施方案中，即使图像数据是2D图像数据，所获取的图像数据也可用于形成或重构选定的类型的图像数据，诸如三维容积。在各种实施方案中，如本文所讨论的，图像数据可包括在图像30内的各种部分(例如，器械40)。如本文所讨论的，所选择的处理器系统可用于从图像30内的其他部分分割器械40，也如本文所讨论的。
可通过一个或多个跟踪系统以可跟踪的容积或导航容积来跟踪器械40。跟踪系统可包括以相同的方式或多种和/或不同的方式或模式操作的一个或多个跟踪系统。例如，跟踪系统可包括电磁(EM)定位器54，如图1所示出的。在各种实施方案中，本领域的技术人员理解，可使用其他适当的跟踪系统，例如包括光学(包括光学或照相机定位器58)、雷达、超声等。本文对EM定位器54和跟踪系统的讨论仅仅是可与导航系统24一起操作的各种跟踪系统的示例。可在跟踪容积中相对于受试者28跟踪器械40的位置，并且然后使用显示设备32将其示出为图形表示或图形覆盖，也被称为图标40i。在各种实施方案中，图标40i可叠加在图像30上和/或邻近图像30。如本文所讨论的，导航系统24可并入显示设备30，并且操作以从选定的图像数据渲染图像30，显示图像30，确定器械的位置，确定图标40i的位置等。
参考图1，EM定位器54可操作以利用包括的发射线圈阵列(TCA)生成电磁场，该发射线圈阵列包括并入到定位器54中的一个或多个发射传导线圈60。定位器54可包括一个或多个线圈分组或阵列。在各种实施方案中，包括多于一个群组并且分组中的每个分组可包括三个线圈，也被称作三重体或三联体。可通过驱动电流通过线圈分组的线圈来为线圈提供动力以生成或形成电磁场。当电流被驱动通过线圈时，所生成的电磁场可延伸远离定位器54并形成导航域或容积66，诸如包围头部、脊柱椎骨28v或其他适当的部分的全部或一部分。可通过TCA控制器和/或电源68为线圈供电。然而，应当理解，可提供EM定位器54中的多于一个EM定位器，并且每个EM定位器可放置在不同的和选定的位置。
导航域或容积66通常限定导航空间或患者空间。可利用器械跟踪设备相对于患者或受试者28在由导航域所限定的导航空间中跟踪器械40，诸如钻子、导线、植入物(例如，螺钉)等。例如，器械40可诸如由用户36相对于动态参考框架(DRF)或患者参考框架跟踪器74可自由移动，该患者参考框架跟踪器相对于受试者28是固定的。跟踪设备70、74可包括利用适当的跟踪系统进行跟踪的跟踪部分，诸如感测并用于测量磁场强度的感测线圈(例如，形成于或放置在线圈中的导电材料)、光学反射器、超声发射器等。由于器械跟踪设备70相对于DRF 74与器械连接或相关联，因此导航系统24可用于跟踪器械40相对于DRF 74的位置。
可将导航容积或患者空间配准到由受试者28的图像30限定的图像空间，并且表示器械40的图标40i可使用显示设备32在导航的(例如，所确定的)和所跟踪的位置处示出，诸如叠加在图像30上。可如本领域中通常已知的那样执行患者空间到图像空间的配准并确定跟踪设备(诸如跟踪设备70)相对于DRF(诸如DRF 74)的位置，包括如以下美国专利中公开的那些：美国专利第7,697,972号；第8,644,907号；和第8,842,893号；以及美国专利申请公开第2004/0199072号，所有这些文献以引用方式并入本文。
导航系统24可还包括导航处理器系统80。导航处理器系统80可包括显示设备32、定位器54、TCA控制器68以及到其的其他部分和/或连接件。例如，可在TCA控制器68与导航处理单元84之间提供有线连接。另外，导航处理器系统80可具有诸如键盘86的一个或多个用户控制输入，和/或具有诸如来自经集成或经由通信系统与一个或多个导航存储器系统88通信的附加输入。还可访问附加和/或替代的存储器系统92，该存储器系统包括可包括图像存储器的分析存储器、模型(例如，具有尺寸和材料的计算机辅助绘图(CAD)模型、已知部件(例如，相对于材料信息的x射线衰减))等等。根据各种实施方案，导航处理器系统80可包括以下美国专利中所公开的那些：美国专利第7,697,972号；第8,644,907号；和第8,842,893号；以及美国专利申请公开第2004/0199072号中公开的那些(这些专利全部以引用方式并入本文中)，或者还可包括可商购获得的由在科罗拉多州路易斯维尔市(Louisville,Colorado)设有营业地点的美敦力导航有限公司(Medtronic Navigation,Inc.)出售的或FusionTM外科手术导航系统。
可经由通信系统(诸如TCA控制器68，还可是跟踪设备控制器)将跟踪信息(包括与由跟踪设备70、74感测到的电磁场相关的信息)传递给包括导航处理器84的导航处理器系统80。因此，器械40的所跟踪的位置可示出为相对于图像30的图标40i。各种其他存储器和处理系统也可与处理器系统80一起被提供和/或与其通信，包括存储器系统88，该存储器系统88与导航处理器84和/或成像处理单元96通信。此类存储器可以是例如数据存储和/或非暂时性计算机可读介质形式的物理存储器，诸如RAM和/或DRAM，和/或基于云的存储器存储解决方案。
图像处理单元96可并入到成像系统20中，诸如成像系统，如上文所讨论的。成像系统20可包括各种附加部分，例如台架100，源46和x射线检测器50可在其中移动。成像系统20也可用跟踪设备104来跟踪。然而，应当理解，在跟踪包括器械跟踪设备40的跟踪设备时不需要存在成像系统20。此外，成像系统20不需要存在于操作室或外科手术室中。包括成像系统20的图示仅用于参考本公开的解释和/或示例公开，并且应当理解，成像系统20和/或受试者28可在选定的程序之前、之后或期间针对选定的图像获取程序被移动。此外，成像系统20可以是任何适当的成像系统，包括例如MRI、CT等。
利用显示设备32显示的图像30可基于以各种方式从受试者28获取的图像数据。例如，成像系统24可用于获取用于生成图像30的图像数据。然而，应当理解，可使用其它适当的成像系统来使用利用选定的成像系统获取的图像数据来生成图像30。成像系统可包括磁共振成像器、计算机断层扫描成像器和其它适当的成像系统。进一步地，获取的图像数据可是二维或三维数据，并且可具有随时间变化的分量，诸如在心律和/或呼吸周期期间对患者成像。
在各个实施方案中，图像数据是利用锥束生成的2D图像数据。用于生成2D图像数据的锥束可是成像系统(诸如成像系统)的一部分。然后，可将2D图像数据用于重构成像受试者(诸如受试者28)的3D图像或模型。可显示重构的3D图像和/或基于2D图像数据的图像。因此，本领域的技术人员理解，可使用选定的图像数据(诸如来自成像系统20)来生成图像30。
图像30是从用成像系统20获取的受试者28的图像数据生成的。在各种实施方案中，用于生成图像30的图像数据可包括螺钉150的图像数据。例如，螺钉150可植入受试者28中。如本领域技术人员所理解的，可在将螺钉150或多于一个螺钉150放置在受试者28中之后获取或生成受试者28的图像。在放置螺钉150之后获取的受试者的图像数据可用于确认和/或评估螺钉150在受试者28中的位置。螺钉150可例如用于固定椎体间植入物。在各种实施方案中，本领域技术人员理解，图像数据和/或所得到或生成的图像30可用于确认包括螺钉、椎体间植入物、保持架(cage)等的任何适当构件或植入物的放置。因此，螺钉150仅仅是示例性的。
因此，图像30可包括椎骨28v的第一椎骨28vi图像。此外，图像30可包括植入物或螺钉图像150i(其可以是器械40，如上文所讨论的)。可进一步描绘或分割螺钉图像150i，如本文所讨论的。
根据各种实施方案，可以基本上自动的方式对图像30进行分割。在各种实施方案中，自动分割可并入到神经网络中。神经网络可被设计为学习或确定选择的权重以激活网络中的不同神经元以识别特征，以及诸如分割图像中物品的应用。神经网络可包括各种类型的网络，诸如卷积神经网络(CNN)。根据各种实施方案，可教导或确定或可使CNN学会诸如利用概率或预测来确定图像30中的各种特征(和/或用于生成图像30的图像数据)。各种特征可包括诸如螺钉150之类的对象和/或其部分，诸如具有这些对象或部分的分割或边界。选定的分割可例如包括识别图像中螺钉150的分割，并且可还包括分割螺钉150的单独部分。
图2是示出用于自动OLIF通道规划的方法200的流程图。可按所示顺序或不同顺序执行方法步骤。可同时执行一个或多个步骤。可在实例化中添加或删除一个或多个步骤。可例如结合图4A至图4B、图5和图6描述方法200。还可结合图7描述方法200。
方法200可包括(在步骤202处)接收例如受试者区域(诸如患者的脊柱)的图像400a(参见图4A)。图像400A可由成像系统、磁共振成像(MRI)系统、荧光镜透视检查、计算机断层扫描(CT)系统等捕获。在一些实施方案中，所接收的图像400A可以是存储在远程服务器790(图7)中的选定的图像，在该远程服务器存储患者的二维图像795(图7)。替代地或除此之外，图像可由成像系统20(图1)捕获。
该方法可包括(在步骤204处)通过至少一个处理器705(参见图7)执行至少一种机器学习算法723(参见图7)。机器学习算法723可包括以下中的一者或多者：生成对抗网络(GAN)算法、卷积神经网络(CNN)算法、自动编码器算法和/或递归神经网络(RNN)算法、线性回归、支持向量机(SVM)算法、支持向量机回归(SVR)算法和/或它们的任何组合。例如，在一些实施方案中，至少一个处理器705可被配置为利用CNN算法与SVM算法的组合。
参考图4A，将公开与图2的所公开的方法一起使用的图像。例如，图4A是示出以虚线显出的腰肌402、404、血管406、408和椎骨体V的图像400A。图4B是示出分割的腰肌402、404和血管406、408的图像400B。在图4B中，图像400B示出了可包括识别和标记腰肌402、404、主动脉406和腔静脉408的对象分割。在各种实施方案中，所示出的掩模仅用于说明目的且表示为阴影线。例如，虚阴影线表示用于腰肌402的掩模，并且水平阴影线表示用于主动脉406的掩模。腔静脉408用垂直阴影线显示。
方法200可包括(在步骤206处)通过至少一个处理器705执行图像400B中的椎骨体V、腰肌402、404(参见图4A和图4B)和/或血管406、408的分割，例如如图4B中所示。血管可以是例如主动脉和腔静脉。图像400B的分割可例如用于确定和/或描绘图像400B中的解剖学肌肉、椎间盘、血管和/或椎骨。图像400B可以是例如图像400A的可用例如植入物和/或脊柱构建体治疗的特定椎骨节段。
各种掩模可例如表示在显示器432上。该表示可例如诸如用掩模的图形表示或图形覆盖显示在显示器432上。图像400B的分割可例如识别图像内的对象。在一些实施方案中，图像内的对象可包括腰肌、神经末梢、主动脉、腔静脉和/或其他处于风险中的患者组织。在一些实施方案中，图像内的对象可包括先前安装的生物力学硬件，诸如板、销、杆、椎体间植入物等。该图像400B可用于手术规划。另外，图像400B还可被用作用于分割那些可在手术期间捕获的各种图像的标记。
返回参考图2，方法200可包括(在步骤208处)通过至少一个处理器705找到接近和/或准许进入受试者椎骨体V的OLIF通道420。OLIF通道420可以是例如到椎骨体V的最佳轨迹，椎体间植入物551可穿过该最佳轨迹。轨迹可被配置为避开腰肌并且提供将使外科手术器械与神经之间的距离最大化的轨迹。在一些实施方案中，此类距离可不一定被最大化，而是例如将足以在已知的误差幅度(和/或预定的误差幅度)内避开此类脆弱的患者组织。在各种实施方案中，运动神经可例如位于腰肌的后侧或末端(当然取决于取向)。可例如规划到椎骨体V中的进入点的轨迹以将到主动脉和腔静脉的距离最小化。在一些实施方案中，此类距离可不一定被最大化，而是例如将足以在已知的误差幅度内避开此类脆弱的患者组织。可沿着无神经途径规划轨迹。更重要的是，轨迹可例如从比椎骨体的中点更靠前的角度接近进入点。
机器学习算法723可例如采用监督机器学习、半监督机器学习、无监督机器学习、深度学习和/或强化机器学习。方法200可例如包括(在步骤210处)通过至少一个处理器705接收与待治疗的脊柱的至少一个节段相关联的信息(和/或存储该信息)。方法200可例如包括(在步骤212处)通过至少一个处理器705接收与至少一个植入物相关联的信息(和/或存储该信息)，以用于规划手术。至少一个植入物可包括椎体间植入物。示例椎体间植入物描述于名称为“椎体间植入物系统和系统(INTERBODY IMPLANT SYSTEM AND SYSTEM)”的美国专利第10,092,412号(其全部内容以引用方式并入本文中)。
方法200可例如包括(在步骤214处)通过至少一个处理器705接收与外科医生的历史和/或个体偏好相关联的信息。在各种实施方案中，对于相同和/或类似的椎骨节段，这可包括与外科医生的先前路径方向和切口位置相关联的信息。例如，关于外科医生的先前路径方向和切口位置的历史信息。类似地，一个外科医生可例如加载可能更有经验和/或已经进行了更多特定种类或类型的手术的替代外科医生的特定偏好。方法200可例如包括(在步骤216处)由至少一个处理器705接收与来自多个外科医生的聚合历史数据和/或临床结果相关联的信息。可处理(在步骤208处)并显示(在步骤218处)OLIF通道的所接收的信息，包括例如可在显示设备432上显示而使得最终用户可查看显示的距离和分割。例如，如图4B中所示。在步骤210、212、214和216处接收的信息可例如被存储在数据集727(图7)和/或本地物理存储器或网络上的外部基于云的存储器中。
图3是示出用于找到患者特定的OLIF轨迹的方法300的流程图。在一些实施方案中，方法300可包括与步骤208(参见图2)广泛相关和/或在步骤208处执行的子例程。方法300可例如包括(在步骤302处)通过至少一个处理器705定位邻近可被选择用于治疗的椎骨节段的腰肌402或404。方法300可包括(在步骤304处)通过至少一个处理器705定位接近被选择用于治疗的相应椎骨节段的接近和/或邻近腰肌402或404的血管(例如，主动脉406和腔静脉408)。方法300可包括(在步骤306处)通过至少一个处理器705确定待在椎骨节段近侧植入的椎体间植入物551的三维(3D)尺寸。当确定植入物的尺寸时，至少一个处理器705还可估计与植入物的可能估计姿态相关联的六个自由度。
方法300可例如包括(在步骤308处)通过至少一个处理器705确定腰肌402或404与接近腰肌402或404的每个血管(例如，主动脉406和/或腔静脉408)之间的距离。方法300可例如包括(在步骤310处)通过至少一个处理器705对腰肌与主动脉之间的距离和/或腰肌与腔静脉之间的距离进行排序。例如，可分析多个外科手术路径，并且系统可例如根据腰肌与主动脉之间的距离对路径进行排序。方法208可包括(在步骤312处)通过至少一个处理器705确定距离是否满足间隙范围和/或具有适当的安全系数。在一些实施方案中，间隙范围可以是存储在系统上的预定范围，并且在其他实施方案中，间隙范围可在特定手术时即时编程。在各种实施方案中，间隙范围可例如基于植入物和/或外科手术器械的大小来确定。在各种实施方案中，系统本身可基于先前的手术来更新间隙范围和/或适当的安全工厂。例如，先前的手术可能已经用具有基本上类似的边界条件的基本上类似的植入物执行，并且外科手术路径和结果可用于计算适当的间隙范围。如果确定(在步骤312处)为“否”，则方法300可结束(例如在步骤314处)。在各种实施方案中，如果不能找到轨迹，则显示警报可由显示设备432显示。如果确定(在步骤312处)为“是”，则方法300可例如包括(在步骤316处)确定针对椎骨节段的切口位置。另外，在各种实施方案中，在步骤314处，系统可连续且自动地实时监测植入物沿着最佳轨迹的安装并且在需要时显示警告。例如，在诸如当在植入物、器械、器械尖端和/或外科手术工具的安装期间存在与最佳轨迹的偏离的情况下，系统可显示警告。警告可包括诸如偏离程度的相关信息，并且提供用于将实际轨迹校正回到最佳轨迹的方向和/或建议。另外，在一些实施方案中，这些“警告”可处于具有黄色警告(轻微偏差)、橙色警告(中等偏差)和红色警告(显著偏差)的层级中。在各种实施方案中，黄色警告仍可在如先前所解释的避开处于风险中的结构的间隙范围内，但仍稍微偏离最佳轨迹。橙色警告可能靠近间隙范围，但仍然能够避开处于风险中的结构。红色警告可以是此类显著偏离，使得如果植入物、器械、器械尖端和/或外科手术工具的进一步推进继续，则可能不利地影响处于风险中的结构。
方法300可包括(在步骤318处)通过至少一个处理器705生成所规划的轨迹，椎骨体间植入物通过该规划的轨迹在腰肌与邻近和/或接近用于治疗的椎骨体的至少一个血管之间行进。所规划的轨迹可例如包括识别在切口和与选定的椎骨体相关联的植入物位置之间的位置处的植入物的估计姿态的变化。
机器学习算法可例如采用特征提取算法来检测所捕获的图像中的对象(诸如腰肌、血管、椎骨体和椎体间植入物)。特征提取算法可包括但不限于边缘检测、角点检测、模板匹配、动态纹理处理、分割图像处理、对象跟踪、背景减除、对象识别和分类等。当在自主手术的背景下使用时，术语“轨迹”可指机器人的运动规划系统将生成并且机器人的运动控制系统在控制器械的运动时将遵循的规划。轨迹包括例如器械在时间范围内的多个时间点处的规划位置和取向，以及植入物的规划位置。在手术期间，轨迹的位置点可例如沿着路径被消耗。
方法300可例如包括(在步骤320处)通过至少一个处理器705确定是否存在另一椎骨节段。如果确定(在步骤320处)为“否”，则该方法可结束(例如，在步骤322处)。如果确定(在320)为“是”，则方法300可例如包括获得待治疗的下一个椎骨体的下一节段信息(在步骤324处)。方法300可例如循环到步骤302以再次开始该过程，以找到到待治疗的下一椎骨体节段的另一轨迹，从而再次开始上述过程。
图5是例如椎体间植入物551和用于捕获椎体间植入物551的图像551i的图像捕获系统500的示例图示。图像捕获系统500可例如包括照相机设备或成像设备507，该设备被配置为捕获椎体间植入物551的不同透视图以形成不同的姿态参考图像。在一些实施方案中，椎体间植入物551的几何形状可具有各种配置，诸如例如圆柱形、圆形、椭圆形、长方形、三角形、具有平面或弓形侧边部分的多边形、不规则、均匀的、不均匀的、一致的、可变的、马蹄形、U形或芸豆形。在一个实施方案中，椎体间植入物可包括剂。该剂可例如包括治疗性多核苷酸或多肽和骨生长促进材料。
图6是例如示出患者的示例图像600的透视图，诸如本文所公开的针对该患者的规划程序可包括规划自动OLIF通道。图像600可例如包括作为规划软件的一部分植入在适当的椎骨节段之间的模拟植入物651A、651B和651C。在各种实施方案中，模拟植入物可指例如待安装在患者体内的实际物理植入物的数字表示。图像600可例如包括模拟切口654和656，可从这些模拟切口规划OLIF通道以到达椎骨。在各种实施方案中，模拟切口654和656可例如表示当安装相应植入物的物理形式时由外科医生执行的实际物理切口。在该图示中，显示了两个切口。然而，可存在一个或三个或四个切口，这些切口可以是例如单独的切口和/或共同延伸的切口。
图7描绘了各种内部电子硬件的示例系统图，该硬件可包括在如本公开所述的电子设备700的任何电子部件中，该电子设备诸如例如计算设备、远程服务器、云计算系统、外部电子设备和/或可用于包含或实施程序指令722的任何其他集成系统和/或硬件。本领域技术人员将理解，此类硬件不需要完全体现为任何一种形式的硬件，而是可根据需要分布在例如上文所公开的各种示例计算机系统中。
总线710可例如用作将硬件的其他所示部件互连的主要信息高速公路。处理器705可以是例如计算系统的中央处理单元(CPU)，该CPU执行执行程序可能需要的机器学习算法723、计算和/或逻辑操作。单独或与图7中公开的一个或多个其他元件结合的CPU 705可以是处理器的示例，正如此类术语在本公开内使用。只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)构成各种有形的和非暂时性的计算机可读存储介质、存储器设备720或数据存储设备的示例，正如此类术语在本公开内使用。存储器设备720可存储计算设备、服务器或用于电子设备平台的操作系统(OS)。存储器设备720可存储诸如用于图像分割724的机器学习算法723、用于通道规划的测量结果725和基于外科医生偏好的预测路径726。在各种实施方案中，存储器设备720可存储执行如本文所公开的各种方法和动作的图像和计算机可执行代码。
用于提供界面并且执行与一个或多个数据集727相关联的任何查询或分析的程序指令722、软件或交互模块可存储在计算机可读存储介质(例如，存储器设备720)中。任选地，程序指令722可例如存储在诸如光盘、数字盘、闪存存储器、存储器卡、通用串行总线(USB)驱动器、光盘存储介质和/或其他记录介质的有形的非暂时性计算机可读介质上。程序指令722可包括当由处理器和/或中央处理器执行时生成OLIF通道规划工具728的指令。例如，诸如用于规划OLIF通道，如结合图2至图3所述。
存储器设备720可包括手术导航接口775，以与手术导航系统24(参见图1)接合。任选的显示界面730可例如允许来自总线710的信息以音频、视频、图形或字母数字格式显示在显示设备732上。与外部设备的通信可使用各种通信端口740发生。通信端口740可例如附接到诸如互联网或内联网的通信网络。在各种实施方案中，与外部设备的通信可经由一个或多个短程通信协议(诸如蓝牙、ZigBee或类似协议)发生。通信端口或设备740可包括用于有线或无线通信的通信设备，并且可与远程服务器790和/或本地服务器通信。
硬件还可例如包括用户界面745，诸如图形用户界面(GUI)，该用户界面允许从诸如以下的输入设备接收数据：键盘或其他输入设备750，诸如鼠标、操纵杆、触摸屏、遥控器、指向设备、视频输入设备和/或音频输入设备。本文所述的图形用户界面可使用由电子设备执行的浏览器应用程序和/或由服务器(未显示)提供的服务来显示。例如，超文本标记语言(HTML)可用于设计图形用户界面770，该图形用户界面具有针对患者图像的HTML标签以及存储在服务器(未示出)的存储器中或从该服务器的存储器提供的其他信息。另一个示例可以是应用程序编程界面(API)。GUI可使用编程指令来实施，该编程指令在被执行时被配置为生成GUI 770并且使显示设备732选择性地显示GUI。
在本文中，“电子通信”可指经由一个或多个信号在两个或更多个电子设备之间传输数据，无论是通过有线还是无线网络，也无论是直接还是间接地经由一个或多个中间设备。如果设备能够经由例如电子通信发送和/或接收数据，则设备“通信地连接”和/或“处于通信中”。
在一个或多个示例中，可在硬件、软件、固件或其任何组合中实施所述技术和方法。如果在软件中实施，则功能可作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上并且由基于硬件的处理单元执行。计算机可读介质可包括非暂时性计算机可读介质，其对应于有形介质，诸如数据存储介质(例如，RAM、ROM、EEPROM、闪存存储器，或可用于存储指令或数据结构形式的期望程序代码并且可由计算机访问的任何其他介质)。
指令722可由诸如以下的一个或多个处理器执行，一个或多个数字信号处理器(DSP)、通用微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)或其他等同的集成或离散逻辑电路系统。因此，如本文所用的术语“处理器”可指前述结构或适合于实施所描述的技术的任何其他物理结构中的任一种。另外，本技术可在一个或多个电路或逻辑元件中完全实施。
在一个或多个示例中，所描述的技术可在硬件、软件、固件或其任何组合中实施。如果在软件中实施，则功能可作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上并且由基于硬件的处理单元执行。计算机可读介质可包括非暂时性计算机可读介质，其对应于有形介质，诸如数据存储介质(例如，RAM、ROM、EEPROM、闪存存储器，或可用于存储指令或数据结构形式的期望程序代码并且可由计算机访问的任何其他介质)。
应当理解，本文所公开的各个方面可与说明书和附图中具体呈现的组合不同的组合进行组合。还应该理解，取决于示例，本文描述的过程或方法的任一者的某些动作或事件可以不同的顺序执行，可完全添加、合并或省略(例如，执行这些技术可能不需要所有描述的动作或事件)。另外，尽管为清楚起见，本公开的某些方面被描述为由单个模块或单元执行，但应当理解，本公开的技术可通过与例如医疗设备相关联的单元或模块的组合来执行。
如本文所用，关于数值的术语“约”意指与其一起使用的数字的数值的加或减10％。上述的特征和功能以及替代方案可组合到许多其他不同的系统或应用中。本领域的技术人员可做出各种替代方案、修改、变化或改进，其各自也旨在被所公开的实施方案所涵盖。

Claims (20)

1.一种外科手术导航和规划系统，所述外科手术导航和规划系统包括：
显示器；
至少一个处理器；
非暂时性且有形的计算机可读存储介质，所述非暂时性且有形的计算机可读存储介质上存储有编程指令，所述编程指令在由所述至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器：
接收与用于治疗的椎骨节段相关联的患者特定的椎骨信息，所述患者特定的椎骨信息包括至少一个图像；
对所述至少一个图像中的多个对象执行分割；
从所述多个对象中自动选择一组对象，用于自动规划到所述椎骨节段近侧的位置的轨迹；
确定椎体间植入物的边界尺寸，
确定第一进入切口位置；
确定用于所述椎体间植入物从所述第一进入切口位置到所述椎骨节段近侧的所述位置的第一路径和取向；以及
基于所述第一路径计算所述椎体间植入物的所述边界尺寸与所述一组对象之间的第一多个间隙距离，
其中所述至少一个处理器使所述显示器显示最佳外科手术规划，条件是所述第一进入切口位置和所述第一路径围绕所述一组对象导航。
2.根据权利要求1所述的外科手术导航和规划系统，其中所述计算机可读存储介质还包括一个或多个编程指令，所述一个或多个编程指令在由所述至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器基于所述第一多个间隙距离来确定所述第一进入切口位置和所述第一路径是否在能够编程的误差幅度内围绕所述一组对象导航。
3.根据权利要求2所述的外科手术导航和规划系统，其中所述一组对象包括邻近所述轨迹的处于风险中的患者组织，其中所述处于风险中的患者组织包括患者主动脉和/或腔静脉。
4.根据权利要求1所述的外科手术导航和规划系统，其中所述计算机可读存储介质还包括一个或多个编程指令，所述一个或多个编程指令在由所述至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器：
确定第二进入切口位置；
确定用于所述椎体间植入物从所述第二进入切口位置到所述椎骨节段近侧的所述位置的第二路径；以及
基于所述第二路径计算所述椎体间植入物的所述边界尺寸与所述一组对象之间的第二多个间隙距离。
5.根据权利要求4所述的外科手术导航和规划系统，其中所述计算机可读存储介质还包括一个或多个编程指令，所述一个或多个编程指令在由所述至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器：
将所述第一多个间隙距离与所述第二多个间隙距离进行比较；以及
基于所述第一多个间隙距离与所述第二多个间隙距离的所述比较来对所述第一路径和所述第二路径进行排序。
6.根据权利要求5所述的外科手术导航和规划系统，其中所述计算机可读存储介质还包括一个或多个编程指令，所述一个或多个编程指令在由所述至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器使所述显示器显示所述第一路径和所述第二路径的所述排序。
7.根据权利要求5所述的外科手术导航和规划系统，其中所述计算机可读存储介质还包括一个或多个编程指令，所述一个或多个编程指令在由所述至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器使所述显示器在能够定制的图形用户界面中显示所述第一多个间隙距离和所述第二多个间隙距离的所述比较。
8.根据权利要求1所述的外科手术导航和规划系统，其中所述计算机可读存储介质还包括一个或多个编程指令，所述一个或多个编程指令在由所述至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器接收包括利用基本上类似的椎体间设备完成的手术的临床结果的聚合历史数据。
9.根据权利要求1所述的外科手术导航和规划系统，其中所述计算机可读存储介质还包括一个或多个编程指令，所述一个或多个编程指令在由所述至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器接收个体外科医生偏好。
10.根据权利要求1所述的外科手术导航和规划系统，所述外科手术导航和规划系统还包括成像系统，所述成像系统包括用于生成X射线的源和用于检测穿过患者的X射线的检测器。
11.根据权利要求10所述的外科手术导航和规划系统，其中所述计算机可读存储介质还包括一个或多个编程指令，所述一个或多个编程指令在由所述至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器从所述成像系统接收包括所述至少一个图像的所述患者特定的椎骨信息。
12.根据权利要求1所述的外科手术导航和规划系统，其中所述轨迹包括相对于患者的倾斜轨迹。
13.根据权利要求1所述的外科手术导航和规划系统，其中所述轨迹包括相对于患者的侧向轨迹。
14.根据权利要求1所述的外科手术导航和规划系统，其中所述轨迹包括相对于患者的斜侧轨迹，用于执行到所述椎骨节段的椎体间融合。
15.根据权利要求1所述的外科手术导航和规划系统，其中所述一组对象包括腰肌。
16.根据权利要求1所述的外科手术导航和规划系统，其中所述计算机可读存储介质还包括一个或多个编程指令，所述一个或多个编程指令在由所述至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器：
针对所述椎骨节段定位腰肌；
定位接近所述腰肌的患者血管；以及
计算所述腰肌与接近所述腰肌的所述患者血管之间的距离。
17.根据权利要求16所述的外科手术导航和规划系统，其中所述患者血管包括患者的主动脉和/或患者的腔静脉。
18.一种用于确定用于插入椎体间植入物的最佳倾斜通道的方法，所述方法包括：
提供外科手术导航和规划系统，所述外科手术导航和规划系统包括：
显示器；
至少一个处理器；和
非暂时性且有形的计算机可读存储介质，所述非暂时性且有形的计算机可读存储介质上存储有编程指令；
接收与用于治疗的椎骨节段相关联的患者特定的椎骨信息，所述患者特定的椎骨信息包括从所述成像系统获取的至少一个图像；
执行对所述至少一个图像中的对象的分割；
自动选择一组对象，用于规划到所述椎骨节段近侧的位置的轨迹；
确定椎体间植入物的边界尺寸，所述椎体间植入物用于沿着所述轨迹插入；
确定第一进入切口位置；
确定用于所述椎体间植入物从所述第一进入切口位置到所述椎骨节段近侧的所述位置的第一路径；
基于所述第一路径计算所述椎体间植入物的所述边界尺寸与所述一组对象之间的第一多个间隙距离；以及
通过所述显示器显示可行的外科手术规划，条件是所述第一进入切口位置和所述第一路径在预定的误差幅度内围绕脆弱的患者组织导航。
19.根据权利要求18所述的方法，所述方法还包括：
针对所述椎骨节段定位腰肌；
定位接近所述腰肌的患者血管；以及
计算所述腰肌与接近所述腰肌的所述患者血管之间的距离。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述患者血管包括患者的主动脉和/或患者的腔静脉。
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