1.技术领域

本发明涉及人工椎间盘的模板化(templating)和置入，尤其涉及一种新的、 改进的能够让医生选择人工椎间盘的最优尺寸并将其精确置入到椎骨间以提升 其动态功能的装置和方法。

2.背景技术的描述

人椎间盘的退变已越来越多使用假体椎间盘来治疗。一个成功的外科手术 的决定性因素是在脊柱人工椎间盘置换手术中对假体椎间盘进行适当的模板化 和置入。对模板化来说，重要的参数有高度、宽度、深度和前弯度。对置入来 说，有不同的方法来置入这些人工椎间盘。具体地，这些人工椎间盘能够被前 置，侧置或者后置，最普遍的方法是前置法。置入该假体椎间盘一个关键部分 是其置入的前后位置，因为这决定了该假体的旋转中心及其动态功能，如果该 假体被置入到了椎间隙旋转中心的前面，那该假体实质上就成为了一个刚性装 置。当假体的即时旋转中心在实际椎间隙的中心后部的椎间隙的后三分之一时， 这时该假体处于一个理想的位置。通常在手术时选择适当的人工椎间盘置入尺 寸的模板，随后通过荧光镜检查法或者其它图像引导法来辅助置入假体椎间盘。

到目前为止，多数关于模板化和置入的专利系统及方法，都是在手术时由 外科医生手工操作的。就目前的情况而言，没有可以自动确定理想的高度、宽 度、深度及前弯度或者人工椎间盘假体的实际置入位置的装置和系统。

发明概述

本发明能够自动的生成表格，该表格包含了实际椎间隙和单个的假体(人 工椎间盘)的高度、宽度、深度和前弯度的数据，并同时提供示意图，该示意 图显示单个椎间隙的数据。这种方法实际上确立了两个在尺寸上真正不同的空 间(volumes)。具体的，这种方法建立了该椎间隙的实际空间并且包含了假体椎 间盘建立的空间。该空间分别被展示并且被合并在一起以便于外科医生选择理 想的假体椎间盘。合并的空间的图像有一个关键的特征量来保障理想的假体置 入尺寸和位置并通过假体椎间盘的关节活动度来优化该假体椎间盘的动态功 能，即空间中旋转中心的坐标。外科医生可以利用该数据并通过如下四种方法 之一来进行实际的假体椎间盘的置换：1.方法A：采用外科医生偏好的方法来 手动置入人工椎间盘；2.方法B：利用椎弓根基部圆周轮廓线法，该方法和术 中荧光图像相结合；3.方法C：利用双环矫正装置和钻导法；和4.方法D：使 用任何商业上可获得的计算X断层扫描技术/荧光套准软件。这些方法在本发明 得以体现。

附图简述

图1a和1b分别展示了三维计算机图像的侧面和后面，该图像是通过对所 选脊柱区域的椎骨进行CT、MRI或其它研究方式而形成的；

图2是从如图1a和1b所示的脊柱区域经人工切除后的单节椎骨的三维计 算机图像；

图3是两个邻近的椎骨及其间的椎间隙的冠状面示意图；

图4是图3所示椎骨的径向面示意图；

图5是图3和4所示上部椎骨的横截面示意图；

图6是一个位于椎间盘空间里的假体椎间盘的立体示意图，该椎间盘空间 位于图3、4和5所示的邻近的椎骨之间；

图7是图3-5所示椎骨置入了图6中的假体椎间盘之后的冠状面示意图；

图8是图7所示椎骨和假体椎间盘的径向面示意图；

图9是图7和8所示椎骨和假体椎间盘的横截面平面示意图；

图10是和图7类似的冠状面视图，显示了假体椎间盘的旋转中心和椎骨间 的椎间隙的中心；

图11是和图8类似的径向面视图，显示了假体椎间盘的旋转中心和椎骨间 的椎间隙的中心；

图12是和图9类似的横截面视图，显示了假体椎间盘的旋转中心和椎骨间 的椎间隙的中心；

图13是椎骨的径向面示意图，显示了椎弓根基部圆周的内侧中心(medial center)；

图14是图13所示的椎骨的横截面示意图，显示了椎弓根基部圆周的内侧 中心和椎弓根的峡部；

图15是图13和14所示椎骨的冠状面示意图，显示了椎弓根基部圆周的内 侧中心；

图16是椎骨的径向面视图，显示了椎弓根基部圆周的内侧中心和通过终板 径向中心的前点及后点(anterior and posterior points)；

图17是图16所示椎骨的横截面示意图；

图18是图16和17所示椎骨的冠状面示意图；

图19是生成的材积表的部分示意图，用冠状面、径向面和轴(或者横截面) 视图显示了椎骨间隙中的假体椎间盘的位置；

图20是一个表格，显示了可能依照本发明生成的椎间隙的最大尺寸参数；

图21是邻近椎骨(in elevation of)的径向面示意图，显示了椎弓根基部圆 周的内侧中心和位于椎骨间隙中的假体椎间盘；

图22是图21所示椎骨的冠状面示意图；

图23是图21和22所示椎骨的横截面示意图，并且包括了从冠状面主视图 可以看到的后外侧角(posterolateral corners)的椎弓根基部圆周；

图24是椎间盘空间的立体示意图，为便于对假体椎间盘进行置入和矫正， 显示了该椎间盘空间的中心线；

图25是邻近椎骨的冠状平面的示意图，显示了按照本发明的一种方法置入 椎间隙中假体椎间盘的步骤；

图26是与图14类似的立体示意图，显示了一个采用了双环矫正装置的假 体椎间盘空间；

图27是由计算机生成的假体椎间盘空间的示意图，该假体椎间盘空间有一 条中心线和一个环绕的矫正环；

图28a和28b分别是本发明钻孔套管部分第一实施例的尾部的侧视图和正 视图，该套管部分用于图26的双环矫正装置；

图29a和29b分别是是本发明钻孔套管部分第二实施例的尾部的侧视图和 正视图，该套管部分用于图26的双环矫正装置；

图30是和图27类似的示意图，显示了一个槽形外套管，其环绕在图26的 环上。

优选实施方式的描述

本发明中关于模板化和置入假体椎间盘的方法和装置将在下面详细描述。

步骤1

首先通过计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、CT荧光透视或类似的 二维图像研究获取待查脊椎区域的信息。最好为薄切片区，这样有助于提高精 确度和获取更多细节信息。

步骤2

通过CT、MRI或其它合适的方式得到脊椎骨的计算机三维真实图像，如图 1a和图1b所示。

步骤3

利用图2-5所示的单节椎骨的三维图像确定椎间盘空间的参数，这些参数有 邻近两个椎骨终板间的高度H、宽度W、深度D和前弯度θ。图4中的B表示 椎弓根基部圆周，X表示椎弓根的峡部。

步骤4

如图6-9所示，然后计算机创造一个与实际的假体椎间盘相一致人工空间2， 该实际的假体椎间盘根据制造商的尺寸和推荐的假体前弯度来置入，并根据该 人工空间2自动决定最大允许的假体椎间盘尺寸。例如：一个制造商的假体可 能需要两毫米的前嵌入物(anterior inset)，而另一个制造商的假体可能需要三毫 米的前嵌入物。多个制造商在假体的制造上的推荐标准是不同的，这些不同包 括高度、宽度、深度和前弯度四个参数。另外，为了保证假体椎间盘不至于过 大，最大的人工椎间盘空间的旋转中心必须被限制在位于椎间隙4的中心8之 后，理想地是假体被完全置入后位于中心8的后三分之一的位置。如图10-12 所示，采用椎弓根基部圆周轮廓线法可以确定椎间隙4的中心的距离，这会在下 面全面描述。人工假体椎间盘空间2会与实际的椎间盘空间4相符，除非外科 医生希望指定的更改高度和前弯度。人工椎间盘有两种主要的设计方法，可以 将其作为一个整体化装置来设计，或者是作为多个部分的组合来设计。

步骤5

如图13-18所示，椎弓根基部圆周轮廓线法利用计算机生成一个显示椎弓根 基部圆周B的图像，该椎弓根基部圆周B定义为椎弓根壁和它过渡到脊椎体的 皮层接合点。该椎弓根基部圆周在术中被标识在平面X射线图像和荧光图像上， 通常在前后方向能看到椎体的上侧面的圆形皮层轮廓线。利用椎体的弓根基部 圆周B的内侧中心PB1或者PB2作为参考点，那么一条连接点PB1和PB2的 直线可以被绘制出来。根据该直线，绘制一个垂直于直线PB1-PB2径向平面SP。 各个椎骨的终板E和径向平面SP的交叉确定了前点A和后点P，两点之间的距 离是通过径向中心的终板的距离。A-P两点之间距离的二分之一(1/2A-P)处 是椎体终板的中心点C。该中心点C描述的是实际的椎间盘空间单个及其合并 后的空间图像分析。

步骤6

对于那些外科医生想恢复其丢失的高度和前弯退变的椎间盘来说，计算机 能够修正该人工椎间盘空间以将这些期望的变化具体化，同时将这些变化包括 在理想化的材积示意表(schematic volume table)中。

步骤7

然后计算机提供一个数据汇总表(如图19和20)，该表显示了每个椎间隙 理想假体椎间盘的高度、宽度、深度和前弯度数据，同时提供一个理想化的示 意图，该示意图分别显示了实际椎间盘空间和假体椎间盘空间，同时显示了上 述二者合并后的图像。这些空间将包括可视化的中心点。先让外科医生确定任 何具体的椎骨，并标记所确定的单个椎骨，然后计算机自动的标记剩下的椎体， 并经外科医生确认准确的椎骨标记。

步骤8—方法A：手动置入人工椎间盘

外科医生利用理想化的示意图和汇总数据来并采用偏好的有用功来手动置 入假体椎间盘。

步骤9—方法B：椎弓根基部圆周轮廓线法

此方法利用了一个由计算机生成的显示椎弓根基部圆周B的图像，该椎弓 根基部圆周B定义为椎弓根墙间的并过渡到椎体的皮质交界处。该椎弓根基部 圆周在术中被标识在平面X射线和荧光图像中，该椎弓根基部圆周在术中被标 识在平面X射线图像和荧光图像上，通常在前后方向能看到椎体的上侧面的圆 形皮层轮廓线。

这是一个能够用于人工椎间盘的置入的始终如一的X光的标识。可以利用 荧光透视排列各个单节脊椎体的上端面，使其平行于所述荧光透视图像。此外，， 此过程中同样利用了具有头部脊椎体的脊椎体上端面用对称椎间隙荧光透视形 象化。具有头部脊椎体的脊椎体上端面通常用椎间隙荧光透视形象化，当在荧 光镜AP图中的椎骨的中心和每个椎弓根基部圆周距离相等时，脊椎体居中置 入。

假体椎间盘的嵌入可以采用前置、侧置或者后置的方法。假体椎间盘的最 后面位于与连接椎弓根基部圆周的内侧中心PB1-PB2的椎弓根基部圆周一样的 平面上。因此，假体椎间盘2的上-下后外侧角PLC能够被标记，以此来在荧光 镜光下的AP视图标识该椎弓根基部圆周，并且可以在侧视图得到确认，如图 21-23所示。

步骤10—方法C：双环矫正装置和钻导法

在手术中自动的置入假体椎间盘时，可以利用真实尺寸的三维脊椎模型， 该模型具有计算机自动生成的假体椎间盘空间。另外，从假体椎间盘空间2的 中心点C引出一条直线，该直线延伸到表面的中心点F，采用该法的椎间盘将 被插入以创造一个假体椎间盘空间，该假体椎间盘空间具有指向外部并经过前 面FA、后面FP或者后面FL的直线，如图24所示。

步骤11

参考图25，采用术中实时透视来精确套准假体椎间盘空间和单节椎体基部 的三维模型。这种荧光透视的椎体成像被集中在监控器上，并由外科医生鉴别 出特别的椎体(例如L4，L5等)。相应的具有真实尺寸的三维单节椎体模型与 荧光透视图像套准。上述步骤可以在如外科手术般的暴露的脊柱上进行或经由 皮肤进行。。

步骤12

该套准是利用内部椎体骨性标记进行，这些标记是荧光透视成像中所见的 椎弓根基部圆周B，该圆周起于椎弓根皮层壁连接脊椎体的汇合处。如前文所述， 这些椎弓根基部圆周形成圆形或是椭圆形，基于椎体的相对于荧光透视成像中 的旋转，可以改变其外形和平方面积。

步骤13

然后，手术中的荧光透视图像和计算机生成的椎弓根基部圆周轮廓进行套 准，通过确保轮廓线重叠和测量的平方面积相等及确保椎弓根间距离相等来获 得套准的精确度。这种套准方法消除了将X光线成像标记锚定在病人骨骼上的 要求。这种方法还允许一个椎体自由独立地向另一个椎体移动，来展示计算机 产生的模型的符合性，所述方法在不稳定脊柱中尤其有用。外科医生在手术中 确认椎弓根基部圆周的充分套准，以此进行假体椎间盘的置入。所述方法允许 计算机生成的模型增大或减小，以匹配手术中的荧光透视成像。

步骤14

参考图26和11，现在包括计算机生成的椎弓根基部圆周、假体椎间盘空间 2和中间线L的完整的三维图像被投射到手术中的荧光透视成像上。然后，计算 机生成的假体椎间盘空间2穿过椎间隙并凸出到病人体外，并被两个分离的同 线环R1、R2截取及延伸穿过该同线环R1、R2。该环安装在一个锚定在病床的装 置上(未显示)，环的尺寸大到允许截取计算机空间图像和将锥子套管插入。

第一个环R1在椎间隙的皮层区域附近截取计算机生成的假体椎间盘空间， 第二个环R2在距第一个环R1任意期望的距离处截取计算机生成的假体椎间盘 空间。两环间的距离越长，假体椎间盘置入的精度越高。环对计算机生成的假 体椎间盘空间的截取是手动进行的，并实时显示在计算机上显示器上，以展示 环相对于计算机生成的假体椎间盘空间的移动。

步骤15

假体椎间盘空间的截取发生在两个层面上。电脑生成的假体椎间盘空间包 括带有周围空间的中心线L。首先，环R1和R2需要环绕中心线L和其周围空间。 第二，该环要与椎体套准以便在计算机上跟踪其移动。例如通过LED装置、EMF 或者其它装置。第三，环的内部尺寸被设计成与计算机生成的假体椎间盘空间 相匹配。有多个不同尺寸的环来供外科医生在人工椎间盘系统中使用，或者， 环可被设计成孔径可变的环，以便于和计算机生成的假体椎间盘空间尺寸相匹 配。计算机假体椎间盘空间与环的套准是在计算机监控器上被鉴别和确定的。

步骤16

所述同线环R1和R2现在形成了一个用来置入套管10的通道。该套管也被 固定在锚定在病床的装置上。在套管10内设有一个坚固的钻孔套管12或一个 特别的内部钻孔套管14，该特别的钻孔套管内具有多个窄小的平行的金属杆16， 其中部是空的，可以置入锥子。这些金属杆16可以让内部套管14平稳地放置 在不平坦的表面上。这种特征在后皮层钻孔区域提供了额外的稳定性以避免钻 子被拴牢。另外，特别的内部钻孔套管允许这些金属杆缩回，从而荧光透视可 以清楚的呈现椎间隙内的钻孔过程。外科医生可以使用任一种方式。当使用可 变孔径法时，可以利用一个包含了两个分离的可变孔径的环的坚固套管。

步骤17

椎间隙被钻孔至预先校准的深度，且不超过预定的人工椎间盘深度。

步骤18

探测椎间隙以确保骨质的完整性。

步骤19

在实际的假体椎间盘的置入过程中，一种特别的槽形外套管18被安装与同 线环R1和R2的同一条直线上，如图30所示。该特别的槽形外套管18也固定 的连接到锚定装置。然后将环R1和R2从槽形外套管18上移除。槽形外套管的 内部尺寸大到足以容纳任意假体椎间盘。适当的假体椎间盘被放入承载它的螺 丝起子(未显示)，置入该槽形外套管18，然后置入各自的椎间隙。对于孔径可 变环，其孔径完全开放，以便于承载适当假体椎间盘的螺丝起子的置入。

步骤20

对所有期望的椎间隙重复上述步骤。

步骤21

现在有商业可利用的软件包能够将病人手术前的三维脊椎图像与手术中荧 光透视图像在手术中套准。这种功能与本发明的方法相结合，可以提供汇总的 数据资料和理想化的图表。后面的信息将为实际假体椎间盘的置入提供基础， 这如前文所述或根据医生的优先选择。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明 之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖 的范围。

相关申请的交叉引用

本申请案要求2006年6月28日提交的美国临时申请第60/816,882号的优 先权。

发明背景