本發明涉及醫學領域，尤其涉及一種脊柱椎弓根螺釘植入路徑規劃方法。

背景技術：

椎弓根螺釘技術由于其在脊柱三柱固定生物力學方面的優越性，使得它在脊柱外科手術中被廣泛應用。但常規開放椎弓根固定融合手術需要對椎旁肌進行廣泛的剝離和長時間的牽拉，這樣往往導致椎旁肌肉的去神經和萎縮，引起脊柱融合病的發生。近年來，隨著現代醫學科學技術的進步，人們在力求椎弓根螺釘植入的安全和準確的同時，又探索運用微創的手段經皮植入椎弓根螺釘，從而有效的減少人為損傷。由于經皮椎弓根螺釘技術的出現避免了傳統脊柱后路內固定植入手術的大切口、肌肉剝離多，術后康復慢等的缺點，目前它已經逐漸成為微創脊柱外科的基本技術手段之一。

由于椎弓根狹窄，螺釘一旦穿出椎弓根的側壁，手術即失敗。經椎弓根內固定手術成敗的關鍵是螺釘能否準確地經椎弓根到達椎體。因此從后路正確地找到椎弓根標志，進以確定螺釘的入點及進針方向極為重要。實際手術中醫生多憑借經驗，參照x光圖像的脊柱解剖點進行徒手植入，目前手術失敗率高達30％。

最理想的手術路徑，是采用椎弓根標準軸定位原理，就是讓椎弓根的軸線與c型臂x光機的發射軸線盡可能重疊，保證手術植入路徑與椎弓根軸線平行，選擇椎弓根橢圓形貓眼的中心位置，就可以得到椎弓根植入的最佳路徑。專利cn104224306a提供了一種利用三維建模尋找椎弓根螺釘最佳入點的方法，可以輔助醫生在術前完成手術路徑規劃。但是實際手術中，椎弓根螺釘植入點的確定一般都是憑借經驗進行人為的選擇，無法保證實際手術路徑與規劃路徑一致。

由于主觀因素的影響，實際手術中用戶選擇的位置都不一樣。而選擇位置的準確性嚴重影響到椎弓根螺釘的植入效果，選擇不當，甚至會造成螺釘穿出椎弓根側壁，造成手術失敗。如何科學、合理、精準的找到螺釘植入點的位置，在椎弓根螺釘植入手術過程中將顯得尤為重要。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明的目的在于提供一種脊柱椎弓根螺釘植入路徑規劃方法，該方法能夠快速、精準的找到脊柱椎弓根標準軸位圖中的螺釘植入點。

(二)技術方案

為達成上述目的，本發明提供一種脊柱椎弓根螺釘植入路徑規劃方法，如圖1所示，包括如下步驟：s1、術前規劃：對術前患者ct影像數據進分割處理與三維重建，根據脊柱椎弓根的解剖特點在脊柱椎弓根螺釘植入3d規劃系統中進行手術路徑規劃確定最佳植入路徑；s2、在脊柱椎弓根螺釘植入3d規劃系統，調整脊柱3d位姿，截取左右椎弓根螺釘模擬軸位圖；s3、術中標準軸位圖獲取：采用脊柱椎弓根螺釘植入2d導航系統，通過調整c型臂，獲取術中脊柱的x-ray軸位圖；s4、術中椎弓根螺釘植入路徑確認：在脊柱椎弓根螺釘植入2d導航系統中，將3d規劃系統導出的椎弓根螺釘模擬軸位圖與術中x-ray軸位圖進行配準，確定脊柱椎弓根螺釘植入點。

根據本發明，脊柱椎弓根軸位圖是指在投影圖像上，椎弓根軸前后表面的邊緣投影所形成的兩個圓環重合時的投影圖像。

根據本發明，在步驟s1中，對術前患者ct影像數據進行預處理，包括：對術前ct圖像進行分割與三維重建，導入到脊柱椎弓根螺釘植入3d規劃系統中的ct數據包括dicom數據和分割好的stl數據。

根據本發明，在步驟s1中，所述的脊柱椎弓根的解剖特點：

1)包括，脊柱的左右關鍵點以及椎弓根螺釘植入的左右終點；

2)左右關鍵點和左右終點的選取是通過x、y、z(分別為紅、綠、藍，如圖2所示)三平面相交點來確定的；

3)關鍵點位于椎弓根中心，紅色線位于左弓根中心處(圖4右下方橫斷面圖)、藍色線位于椎弓根中心處(右上方側位圖)，藍色線位于熊貓眼中心處(圖4左下方正位圖)；

4)終點位于椎體的1/3，如圖5所示右側圖。

根據本發明，在步驟s2中，脊柱椎弓根螺釘植入3d規劃系統能夠根據規劃好的左右椎弓根螺釘植入路徑生成模擬的標準軸位圖(如圖9所示)，并進行保存。

根據本發明，在步驟s3中，脊柱椎弓根螺釘植入2d導航系統能夠根據拍攝到的x-ray圖像和脊柱的特征數據，計算出c臂的調整量，使調整c臂后，能夠得到標準的x-ray軸位圖(如圖10所示)。

根據本發明，在步驟s4中，脊柱椎弓根螺釘植入2d導航系統能夠導入x-ray圖像和3d軟件導出的模擬軸位圖，導航系統能夠對左右標準軸位圖進行平移、旋轉、縮放，實現軸位圖與x-ray圖疊加配準。

根據本發明，在步驟s4中，軸位圖與x-ray圖疊加配準之后，選擇軸位圖中釘子的中心位置作為螺釘植入點(如圖12所示)。

(三)有益效果

本發明的脊柱椎弓根螺釘植入路徑規劃方法，能夠科學、合理的規劃出椎弓根螺釘植入路徑，降低椎弓根螺釘植入時，路徑點的定位嚴重依賴醫生經驗、主觀性強，容易出現偏差等問題，提高手術的安全性，進而，減少對患者的輻射次數，降低了危害，縮短了手術時間，降低了醫療成本。

附圖說明

圖1是脊柱椎弓根螺釘植入路徑規劃方法的實施的流程圖

圖2是脊柱椎弓根螺釘植入3d規劃系統軟件示圖

圖3是規劃脊柱段選擇

圖4是規劃左關鍵點

圖5是規劃左終點

圖6是左側椎弓根螺釘規劃路徑效果圖

圖7是不同角度下左側椎弓根螺釘規劃路徑3d示圖

圖8是右側椎弓根螺釘規劃路徑效果圖

圖9是3d軟件中獲取的模擬軸位圖(a為右側、b為左側)

圖10是術中拍攝的x-ray軸位圖

圖11是模擬軸位圖與x-ray軸位圖配準結果

圖12是術中螺釘位置植入點

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。

參照圖1所示，本發明的具體實施方式共包括s1～s4步驟。具體實施方式如下：

步驟s1術前規劃：

步驟s1.1：采用mimics或其他醫學圖像處理軟件，對患者的術前ct數據進行分割處理，得到患者脊柱骨表面，并進行三維重建導出stl模型。

步驟s1.2：在脊柱椎弓根螺釘植入3d規劃系統軟件中導入患者的dicom數據和分割好的stl數據。

如圖2所示，左上方為3d示圖，右上方為側位圖(矢狀面)，左下方為正位圖(冠狀面)、右下方為(橫斷面)；通過調節x、y、z平面(分別顯示為紅、綠、藍)的位置和轉角調節脊柱在三視圖中的位置、轉角、和大小。

步驟s1.3：如圖3所示，調整脊柱三視圖，校正脊柱圖像，調節規劃線位使其位于當前脊柱關節上。

步驟s1.4：規劃左側椎弓根螺釘植入路徑。

步驟s1.4.1：規劃左關鍵點，調節紅色線位于左弓根中心處(如圖4右下方橫斷面圖)、藍色線位于椎弓根中心處(如圖4右上方側位圖)，藍色線位于熊貓眼中心處(如圖4左下方正位圖)，三平面的交點即為左關鍵點；

步驟s1.4.2：規劃左終點，調節綠色規劃線至椎體的1/3處(如圖5所示右側圖)，三平面的交點即為左終點。

如圖6所示，完成左關鍵點以及左終點規劃后，規劃路徑效果。

如圖7所示，不同角度下3d示圖中的手術路徑規劃效果。

步驟s1.5：參照步驟s1.4.1以及步驟s1.4.2規劃右側椎弓根螺釘植入路徑，規劃效果如圖8所示。

步驟s2：調節脊柱的位姿，分別沿規劃的脊柱椎弓根左右側路徑進行投影，得到左右椎弓根螺釘標準軸位圖(如圖9所示)，并保存。

步驟s3：獲取術中x-ray軸位圖：根據術中脊柱的特征點，通過2d導航系統計算c臂調整參數，調整c臂位姿，直到獲取到脊柱的右側標準軸位圖。在x-ray圖像上，椎弓根軸前后表面的邊緣投影所形成的兩個圓環重合(如圖10所示)。

步驟s4：確定椎弓根螺釘植入點：

步驟s4.1：將圖6a所示的模擬標準右軸位圖入到脊柱椎弓根螺釘植入2d導航系統中；

步驟s4.2：通過對模擬標準右軸位圖平移、旋轉、縮放，與x-ray標準右軸位圖進行疊加配準，使得脊柱輪廓重合(如圖11所示)；

步驟s4.3：選取模擬標準右軸位圖中螺釘的位置中心，作為脊柱右側的螺釘植入點(如圖12所示)；

步驟s4.4：按照圖12所示的脊柱右側的螺釘植入點，根據導航系統指示植入脊柱右側椎弓根螺釘。

步驟s4.5：重復步驟s3、s4.1-s4.4，植入脊柱左側椎弓根螺釘。