CN109952070B - 手术导航系统及相关方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于手术导航的包括各种装置和方法的系统(10)。该系统被配置成借助于一个或更多个摄像装置(34、36)拍摄图像来跟踪患者的脊柱。该摄像装置被配置成拍摄一个或更多个阵列(38)的图像。该系统将图像发送给计算机系统(12)。所述一个或更多个阵列例如通过脊柱销(52)或脊柱夹具(124)与患者的脊柱可释放地固定。该系统可以利用和处理所拍摄图像来确定相关解剖学特征、植入物以及器械的空间位置和取向。

Description

手术导航系统及相关方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年10月5日提交的美国临时申请No.62/404,761和2017年2月10日提交的美国临时申请No.62/457,610的优先权日的权益，前述临时申请的全部内容如同本文中全面阐述地一样通过引用到本公开中而明确地并入于此。

技术领域

本申请涉及脊柱手术。更具体地，本申请涉及用于在使辐射暴露最小化的同时增强空间感知和器械可视化的导航系统。描述了这样的装置、系统以及使用方法。

背景技术

脊柱是高度复杂的骨骼和结缔组织系统，其为身体提供支撑，并且保护脆弱的脊髓和神经。脊柱包括一系列彼此堆叠的椎体，每个椎体包括内部或中部的相对较弱的松质骨以及外部的相对较强的皮质骨。位于各个椎体之间的是椎间盘，其缓冲和抑制施加在脊柱上的压缩力。包含脊髓的椎管位于椎体后面。脊柱具有自然曲度(即，腰椎和颈椎区域的脊柱前凸以及胸椎区域的脊柱后凸)，使得上部椎骨和下部椎骨的终板朝向彼此倾斜。

有许多类型的脊柱疾病，包括脊柱侧凸(脊柱异常侧弯)、过度脊柱后凸(脊柱异常前弯)、过度脊柱前凸(脊柱异常后弯)、脊椎前移(一个椎骨在另一椎骨上前移)、以及由异常、疾病或创伤引起的其他疾病(例如椎间盘破裂或滑动、退行性椎间盘疾病、椎骨骨折等)。患有这些病症的患者通常会经历极度和使人衰弱的疼痛，以及神经功能减弱。

医学界的一个值得注意的趋势是从经由传统的“开放式”技术来执行手术转而采用所谓的“微创”或“最小破坏性”技术。开放式手术技术通常是不期望的，因为它们通常需要具有大量组织位移的大切口来获得进入手术目标位点的通路，这伴随着大量疼痛、延长住院时间(增加医疗费用)、以及患者人群中的高发病率。低创手术技术(包括最小入口和微创技术)正在受到青睐，因为它们涉及经由尺寸明显较小的切口进入手术目标位点，并且组织位移要求大大降低。这又减少了疼痛、发病率以及与此类手术相关联的费用。虽然迄今已在这种微创技术上取得了进步，但仍有无法满足的临床需求。

微创手术(MIS)涉及小的手术切口，与传统的“开放式”技术相比，减弱了外科医生对患者解剖学结构的可视化以及三维(3D)空间感知。减弱的可视化可导致降低的位置感知和不准确的植入物放置。微创手术的技术挑战可能导致更长的手术室时间和/或增加放错植入物位置的风险。

术中(Intraoperative)荧光透视(在监视器上显示连续X射线图像的医学成像)是微创手术期间外科医生可视化的当前“黄金标准”。在手术期间通常需要对患者进行反复的术中荧光透视以评估器械和植入物的位置。虽然对于患者而言X射线暴露通常可以忽略不计，但随着时间的推移和对不同患者的多个手术，这种增加的暴露使外科医生和手术室(OR)工作人员面临增加的健康风险。

目前的脊柱导航技术的广泛采用存在许多障碍。系统设定时间、潜在的不准确度、以及对手术工作流程的破坏限制了脊柱导航技术的广泛采用。同时，OR正变得越来越拥挤，并且对于附加技术来说空间有限。未与其它OR系统集成的独立系统增加了OR环境的复杂性、混乱以及低效率。

因此，对于包括作为手术计划的一部分的补偿性变化、提供改进的外科医生可视化、减少对患者和OR工作人员的辐射、提高手术效率以及减少OR设备占用空间的系统和方法的需求仍然存在。

发明内容

通过本公开中描述的用于手术导航的系统和相关方法的实施方式解决了上述需求以及其它需求(尽管要明白的是，并非任意一个实施方式都可解决上述所有的需求)，本公开的用于手术导航的系统可分成多个部件并且可以用于诸如手术计划和导航方法的方法中。

在一方面，提供了一种用于手术导航的系统。所述系统包括：包括跟踪标记物的第一阵列，所述第一阵列与第一解剖学特征可释放地固定。所述系统包括至少一个摄像装置，该至少一个摄像装置被配置成跟踪所述阵列并将所述阵列的图像发送给包括处理器的计算机系统，其中，所述计算机系统被配置成在显示屏上显示所述解剖学特征的仿真。所述第一解剖学特征可以是椎骨。所述第一阵列可以通过脊柱夹具或脊柱销与所述椎骨可释放地固定。所述第一阵列可以包括六自由度的标记物。所述标记物可以是半球形的。所述第一阵列可以包括凹部，并且所述标记物可以至少部分地容纳在所述凹部中。所述第一阵列可以包括至少两个相对的表面，每个表面具有多个标记物。所述标记物可以散布在所述第一阵列的至少两个表面上。所述第一阵列可以是360度阵列或360度棱柱阵列。

所述系统可以包括C臂，该C臂与包括至少一个标记物的C臂阵列安装座联接。所述至少一个摄像装置可以被配置成跟踪所述C臂阵列安装座的所述至少一个标记物。所述至少一个摄像装置可以包括红外摄像装置和可见光摄像装置。

在另一方面，提供了一种基于受治疗者的脊柱的第一椎骨中的第一螺钉引导第二螺钉的方法。所述方法包括以下步骤：设置与所述脊柱的所述第一椎骨可释放地固定的至少一个阵列。所述方法包括以下步骤：设置与导航系统通信的光学跟踪系统，导航系统包括具有处理器的计算机系统，其中，所述光学跟踪系统拍摄所述阵列的图像和所述脊柱的图像并且将图像传送给所述计算机系统。所述方法包括以下步骤：利用所述光学跟踪系统跟踪将所述第一螺钉插入所述第一椎骨中的过程，并且将所跟踪的第一螺钉的图像传送给所述计算机系统；所述方法包括以下步骤：通过所述计算系统，基于所跟踪的脊柱的图像和所跟踪的第一螺钉的图像来按预定取向对第二螺钉进行仿真。所述方法包括以下步骤：在与所述计算机系统通信的显示器上显示所仿真的第二螺钉。

所仿真的第二螺钉可以包括仿真轨迹。所述计算机系统可以被配置成：接收来自用户的指令，以收藏(bookmark)所跟踪和插入的第一螺钉的表示，并且使所述显示屏显示所跟踪和插入的第一螺钉的所述表示。所述计算机系统可以被配置成，生成所述受治疗者的所述脊柱的仿真三维模型。所述计算机系统可以被配置成，确定所述脊柱的椎骨节段(level)。所述方法包括以下步骤：从所述第一椎骨释放所述至少一个阵列；将所述至少一个阵列与所述脊柱的第二椎骨可释放地固定；利用所述光学跟踪系统拍摄所述至少一个阵列与所述第二椎骨的图像；将所拍摄的所述至少一个阵列与所述第二椎骨的图像传送给所述计算机系统；利用所述光学跟踪系统跟踪将第三螺钉插入所述第二椎骨中的过程，并且将所跟踪的第三螺钉的图像传送给所述计算机系统；通过所述计算系统，基于所跟踪的脊柱的图像和所跟踪的第三螺钉的图像来按预定取向对第四螺钉进行仿真；以及在与所述计算机系统通信的显示器上显示所仿真的第四螺钉。

以上呈现了简化的概要，以便提供对所要求保护的主旨的一些方面的基本理解。该概要不是详尽的概述。其不是旨在标识关键/重要部件或者叙述所要求保护的主旨的范围。其唯一目的是以简化形式呈现一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。

附图说明

图1例示了根据导航系统的一个实施方式的计算机系统。

图2例示了根据导航系统的实施方式的光学跟踪系统。

图3例示了根据导航系统的实施方式的光学跟踪系统和移动推车。

图4A例示了根据导航系统的实施方式的组装好的跟踪器。

图4B是图4A的组装好的跟踪器的分解图。

图4C是根据导航系统的实施方式的脊柱销的截面图。

图5是根据导航系统的实施方式的阵列的分解图。

图6A例示了根据导航系统的一个实施方式的阵列的前视立体图。

图6B例示了根据导航系统的另一实施方式的阵列的前视立体图。

图6C例示了根据导航系统的实施方式的阵列的前视立体图。

图6D例示了根据导航系统的又一实施方式的阵列的前视立体图。

图6E例示了根据导航系统的实施方式的阵列的前视立体图。

图6F例示了图6E的阵列的分解图。

图6G例示了根据导航系统的另一实施方式的阵列的前视立体图。

图6H例示了图6G的阵列的分解图。

图6I例示了根据导航系统的又一实施方式的阵列的前视立体图。

图6J例示了图6I的阵列的分解图。

图6K例示了图6I的阵列的90度旋转的正视图。

图7例示了根据导航系统的实施方式的脊柱销。

图8A例示了根据导航系统的另一实施方式的脊柱销。

图8B例示了根据导航系统的实施方式的脊柱销和阵列(作为跟踪器组装件)。

图8C例示了根据导航系统的又一实施方式的脊柱销和阵列(作为跟踪器组装件)。

图8D例示了根据导航系统的实施方式的夹具的前视立体图。

图8E例示了根据导航系统的另一实施方式的夹具的前视立体图。

图9A至图9C例示了根据导航系统的实施方式的脊柱跟踪器插入器的使用，该脊柱跟踪器插入器将脊柱销和阵列固定至棘突。

图10例示了与患者脊柱可拆卸地固定的阵列和脊柱销。

图11A至图11H例示了根据导航系统的实施方式的具有围绕轴不同地旋转的集成360度的器械。

图12A例示了根据导航系统的实施方式的C臂阵列安装座。

图12B例示了安装至C臂的图12A的C臂安装阵列。

图13例示了用于从所接收图像中识别一个或更多个脊柱销的计算。

图14A至图14C例示了固定至第一椎骨、第二椎骨以及第三椎骨的棘突的一组脊柱销的图像。

图15描绘了根据导航系统的实施方式的分割(segmentation)过程。

图16A至图16C例示了根据导航系统的实施方式的从脊柱的CT模型分割出椎骨的过程。

图17A至图17D例示了根据导航系统的实施方式的分割的3D图像集和所分割的3D图像集的各种2D DRR视图。

图18A和图18B例示了根据导航系统的实施方式的由C臂拍摄的具有一组脊柱销的图像，该组脊柱销固定至第一椎骨、第二椎骨、第三椎骨、第四椎骨、第五椎骨以及第六椎骨的棘突。

图19例示了根据导航画面的实施方式的显示屏上的启动菜单。

图20例示了根据导航系统的实施方式的显示屏上的节段选择菜单。

图21例示了根据导航系统的实施方式的显示屏上的模板和外科医生简档菜单。

图22例示了根据导航系统的实施方式的显示屏上的存储模板的设置画面菜单。

图23例示了根据导航系统的实施方式的显示在显示屏上的手术计划画面。

图24例示了根据导航系统的实施方式的显示在显示屏上的另一手术计划画面。

图25例示了根据导航系统的实施方式的显示在显示屏上的2D-3D图像配准菜单画面。

图26A至图26D例示了根据导航系统的实施方式的显示在显示屏上的针对所接收图像的配准和校准算法画面。

图27A至图27D例示了根据导航系统的实施方式的显示在显示屏上的针对所得配准确定的验证画面。

图28例示了根据导航系统的实施方式的显示在显示屏上的3D-3D图像配准菜单画面。

图29例示了根据导航系统的实施方式的显示在显示屏上的器械设置菜单画面。

图30例示了根据导航系统的实施方式的显示在显示屏上的阵列指派菜单画面。

图31至图33例示了根据导航系统的实施方式的显示在在显示屏上的投影轨迹和螺钉画面。

图34例示了根据导航系统的实施方式的显示在显示屏上的分割椎骨画面。

图35A和图35B例示了根据导航系统的实施方式的显示在显示屏上的收藏螺钉特征。

图36A和图36B例示了根据导航系统的实施方式的显示在显示屏上的手术计划菜单画面。

图37和图38例示了根据导航系统的另一实施方式的、根据显示在显示屏上的术前计划螺钉的计划轨迹画面。

图39例示了根据导航系统的另一实施方式的对显示在显示屏上的收藏螺钉特征进行显示的画面。

图40是例示导航系统的实施方式的流程图。

图41是例示导航系统的实施方式的框图。

具体实施方式

以下描述了用于手术导航系统的系统和相关方法的例示性实施方式。为了清楚起见，在本说明书中未对实际实现方式的所有特征进行描述。当然要清楚，在任何这种实际实施方式的开发中，必须进行许多针对实现方式的决策，以实现开发者的特定目标，例如，与系统相关约束和商业相关约束兼容，这些约束将因实现方式不同而变化。此外，应当清楚，这种开发工作可能是复杂和耗时的，但对于受益于本公开的本领域普通技术人员来说，仍然将会是常规任务。本文所公开的用于手术导航系统的系统和相关方法具有独立地和组合地保证专利保护的多种发明特征和组件。

如本文所示和所述，术语“导航”描述了实时利用术中(intraoperative)成像以获得解剖学结构与器械之间的空间感知的能力。在MIS和传统开放式脊柱手术期间，该导航系统通过创新且有效的解决方案来提供最大的外科医生可视化和最小的辐射暴露。具体而言，该导航系统使外科医生能够在后柱手术与前柱手术期间以更高准确度的暴露进行3D图像引导的手术。这为外科医生和医院都带来了好处：1)对于退行性和MIS外科医生来说，需要改善可视化同时减少辐射暴露；2)对于畸形外科医生来说，在复杂脊柱手术中需要实时脊柱骨盆参数评估和解剖学取向；3)对于医院管理人员来说，希望通过更可预测的结果降低医疗保健总成本，形成准确的植入物放置和降低MIS手术的发病率。实际上，本公开的系统提供了降低的总医疗成本，但促进了更可预测的结果、减少OR时间、缩短住院时间、降低术后并发症发生率，以及减少翻修手术(由于准确和可重复的植入物放置)。

本文所述导航系统和方法与脊柱手术以及脊柱手术相关的器械和植入物兼容。举例来说，本文所述导航系统和方法兼容用于胸腰椎融合的开放式和MIS椎弓根螺钉放置、包括侧腰椎体间融合术(XLIF)的侧向椎体间融合术、创伤手术、最大通路手术经椎间孔腰椎体间融合术(MAS TLIF)、最大通路手术后路腰椎体间融合术(MAS PLIF)、侧位固定术、椎体切除术、颈椎前路椎间盘切除融合术(ACDF)、以及颈椎后路融合术(PCF)。预期该导航系统和方法将集成计划(如NuVasive,Inc.的iGA platform)、术中监测、自动化杆弯曲等，以提供解剖学的整体视图，并促进增强的手术解决方案。

在第一方面，提供了导航系统10。如图1所示，导航系统10可以包括一个或更多个硬件组件、一个或更多个软件组件，以及一个或更多个辅助组件。例如，导航系统10可以包括计算机系统12以及一个或更多个显示屏16，该计算机系统12包括控制单元14，该控制单元14包括被配置成执行计算机可执行指令(即，软件)的至少一个处理器。控制单元14可以容纳在技术中枢18中，该技术中枢18上设置有一个或更多个锁定轮20，使得技术中枢18可以容易地在OR周围定位。技术中枢18可以包括连接至显示屏16的一个或更多个臂22。控制单元14可以被配置用于执行应用软件和算法，并且与和导航系统10相关联的其它系统组件(例如辅助显示器24、远程控制装置26(如平板电脑或电话)、移动计算装置28(如术中神经监测技术人员的笔记本电脑)以及云远程和云计划系统30)进行通信和接口。

计算机系统12可以接收通用成像输入，意味着计算机系统12具有与术前CT输入、术前MRI输入、3D C臂输入或术中CT输入一起工作的能力。可以根据行业标准(例如，医学数字成像和通信(DICOM)标准、影像存档和通信系统(PACS)标准、逐行倒相(PAL)标准以及国家电视系统委员会(NTSC)标准)格式化该成像输入。系统12可以通过一个或更多个网络(例如，有线或无线局域网，如医院PACS)或者经由USB、CD、DVD、DVI、复合视频或模拟视频来接收输入。有利地，如本文所讨论的，本系统10采用术中和术前CT图像的自动配准，系统10被配置成通过图像识别来执行每个椎体的分割，并且系统10被配置成配准各个椎体，以使在手术期间可以动态地跟踪脊柱。

所述一个或更多个显示屏16可以是这样的触摸屏：其包括图形用户界面(GUI)，用户可以利用该图形用户界面通过触摸该屏幕16来直接输入命令。系统10提供与外科医生(以及术野内的其他用户)和其他医院人员(术野外)可用的软件和硬件的直观且方便的系统交互。虽然本公开各个方面的各种描述可以涉及一个外科医生或多个外科医生，但要明白的是，这些方面的功能可以扩展至其他用户，根据情况，术语“外科医生”支持术语“用户”。可以主要通过所述一个或更多个显示屏16上的触摸屏图形用户界面来控制软件，该软件控制导航系统10。在一个实施方式中，系统10包括通过所述一个或更多个远程控制装置26进行的辅助控制。

导航系统10接收来自系统10的各个其它部分的数据和输入，包括跟踪椎骨和手术器械的3D成像数据和光学摄像装置34、36(下面进一步详细讨论)、外科医生输入，并且进行处理以向外科医生或OR人员提供实时导航信息。外科医生/OR人员可以从无菌区域与导航软件交互以进行导航视图设置、器械选择/校准、实时植入物计划和尺寸调整、管理特征以及选项选择。在不干扰其它术中计算机辅助模态的情况下控制软件，并且系统10能够在导航模式与其它模式之间容易地转换，例如，术中神经监测(IOM)服务、NUVAM AP O.R.以及BENDINI软件模式。

在导航系统10的第二方面，系统10包括光学跟踪系统32，如图2和图3所示。随着对象(例如，一个或更多个诸如脊柱椎体的身体位置，以及供在手术中使用的一个或更多个器械)在空间中移动，光学跟踪系统32可以提供对象相对于彼此的实时位置。光学跟踪系统32可以与导航系统10的计算机系统12的控制单元14通信。光学跟踪系统32可以包括一个或更多个摄像装置，该摄像装置是红外(IR)摄像装置34和/或可见光摄像装置36(即，感测和发送来自IR或可见光光谱的数据)。可以在控制单元14的软件控制下在IR模式与可见光模式之间选择每个摄像装置34、36。光学跟踪系统32感测(即，看到)系统32的视野内的一个或更多个跟踪阵列38(图4A和图4B)的位置。跟踪阵列38可以定位在受治疗者2的一个或更多个解剖学特征4(例如，正在接受脊柱手术的人的椎体)以及一个或更多个手术器械6上。光学跟踪系统32向导航系统10提供与被跟踪的解剖学特征4和/或手术器械6对应的动态3D位置信息。

光学跟踪系统32可以以任何合适的取向配置。在一个实施方式中，如图2所示，光学跟踪系统32包括位于第一可见光摄像装置36侧面的第一和第二IR摄像装置34。摄像装置34、36可以是分立单元或者通过摄像装置基座37连接在一起。摄像装置34、36可以足够紧凑以定位在手术的无菌区域内而不会干扰手术。摄像装置34、36可以包含高像素数。如本文所用，术语“像素”用于指多分量表示的单个标量元素(也称为感光点(photosite))。摄像装置34、36可以拍摄至少一百万像素、至少两百万像素、至少五百万像素、至少一千万像素、至少一千两百万像素、至少一千五百万像素或者至少两千万像素。可以将薄透明挡板40放置在摄像装置34、36的镜头41上。有利地，高像素数使得挡板40能够在摄像装置34、36正在使用时放置在摄像装置34、36的镜头41上，而不会牺牲所感测的跟踪阵列38的位置的准确度。挡板40还使摄像装置34、36能够被消毒盖布覆盖并放置在无菌区域内。具有挡板40的系统10的实施方式的另一好处是挡板40使得摄像装置34、36能够与跟踪阵列38紧密接近，这进一步允许阵列38的尺寸减小，使得阵列38不太可能干扰正在执行的手术。

光学跟踪系统32可以与设置在一个或更多个阵列38上的标记物42一起使用(下面讨论)。标记物42可以是小尺寸的(例如，3mm直径或在技术上可行的情况下尽可能小)，具有最小的跟踪阵列占用空间(标记物42之间小于10mm，使得阵列38具有小尺寸)。除了在空间上对跟踪阵列38进行跟踪之外，光学跟踪系统32还可以在具有阵列38的对象改变取向(例如，旋转、偏转、滚动)时跟踪该对象。光学跟踪系统32可以定位在OR内，以使中断执行手术的外科医生对受治疗者2的视线的可能性降至最低。

在摄像装置34、36放置在无菌区域外的导航系统10的实施方式中，摄像装置34、36可以放置在移动推车44(图3)上，推车44具有一个或更多个锁定轮46，这样可以通过在OR内转动推车44而对推车44进行各种定位。推车44可以放置在手术床的一端附近。推车44可以包括用于接纳摄像装置34、36的基座48。基座48可以带锁地可调，包括高度、纵向以及横向，使得摄像装置34、36可以最佳地定位以用于手术。

在摄像装置34、36放置在无菌区域内的导航系统10的实施方式中，被消毒盖布覆盖的摄像装置34、36可以配置成通过将一个或更多个摄像装置34、36放置在以下位置之一处来观察C臂194、阵列38(包括在解剖学特征4和/或器械6上)：患者锚固件附件、床栏杆附件、推车附件、顶置吊杆/灯附件或其任何组合。导航系统10的一些实施方式(下面讨论的)包括光学跟踪系统32，该光学跟踪系统32允许摄像装置34、36的单一(即，初始)设置，而在手术期间不需要或不进行额外调整，从而使得无需医院人员在手术过程期间调整和重新调整摄像装置34、36以“看到”或校准导航器械6或标记物42，由此提高手术流程效率。

参照图4至图12B，在第三方面中，导航系统10包括可以牢固地设置在解剖学特征4和/或手术器械6上的一个或更多个跟踪阵列38。导航系统10例如通过摄像装置34、36接收的信息来跟踪该跟踪阵列38，以实现解剖学特征4和手术器械6的导航和跟踪，这将在下面更详细地描述。根据一个或更多个实现方式，导航系统10可以利用跟踪器50跟踪脊柱。

如图4A至图4B的实施方式中所示，跟踪器50(即，阵列38和销52的组装件)包括阵列38，该阵列38上设置有一个或更多个标记物42。阵列38可以牢固地、或锁定地且可释放地与脊柱销52接合。标记物42可以以不同方式定位在阵列38上。标记物42可以定位在阵列38的第一表面56上的各个点处。阵列38可以散布在第一表面56上，如图4A和图4B所示。可以使用脊柱跟踪器插入器54(图9A至图9C)将脊柱销52与一个或更多个解剖学特征4(例如，椎骨)定位或接合。有利地，当经由脊柱销52接合时，导航系统10可以感测和跟踪与脊柱销52接合的阵列38的位置，从而跟踪与脊柱销52接合的椎骨4的位置。跟踪器50可以具有第一端部58和相对设置的第二端部60，阵列38设置在第一端部58处，脊柱销52设置在第二端部60处。在第二端部60的末端，脊柱销52可以包括尖锐尖端62，该尖锐尖端62被构造成与解剖学特征4接合并且可移除地插入解剖学特征4中。因此，当阵列38连接至插入解剖学特征4(如椎骨)的脊柱销52时，跟踪器50使得能够进行单独的椎骨节段配准和动态脊柱跟踪，这将在下面更详细地说明。脊柱销52可以包括靠近尖端62的轴向保持特征76(例如，螺旋形螺纹)，用于将销52与解剖学特征4轴向固定。

跟踪器50可以包括一个或更多个射线照相字形(glyph)元件78，例如球体。跟踪器50可以包括靠近阵列38与脊柱销52的对接位置的第一射线照相字形元件78，以及靠近轴向保持特征76的第二射线照相字形元件78。射线照相字形元件78之间的距离80可以介于5mm至100mm之间、介于15mm至80mm之间、约40mm、或者任何值或其子范围。如图4C所示，脊柱销52的阵列端82可以具有三叶形轮廓(即，横截面)，以在销52与阵列38接合时防止销52旋转。在脊柱销52与解剖学特征4固定之后，阵列38可以与脊柱销52联接。脊柱销52可以用作与系统10进行图像配准的基准，从而允许在多个自由度内进行配准，例如至少4个自由度、至少5个自由度或者至少6个自由度，如下面将更详细地解释的。

图5例示了根据系统10的实施方式的阵列38的分解图。阵列38包括用于将阵列38牢固地联接在跟踪器50的第一端部58处的连接部分64。连接部分64的大小和尺寸被设计成与跟踪器50的互补表面(例如，参考表面)66牢固地联接。阵列38包括用于支承阵列38的各种组件(例如，标记物42和用于保护标记物42的盖70)的主体68。标记物42可以设置在阵列38的相对两侧上(例如，在第一表面56和相对面对的第二表面72上)。标记物42可以至少部分地容纳在主体68中的互补形状的凹部74中。可以以无菌形式提供标记物42和/或主体68，以使它们可以在无菌术野内使用。可以以无菌包装提供标记物42。保护盖70可以是透明并且薄的，并且防止标记物42因受残滓(例如，来自正在接收手术的患者的血液)的遮盖而无法被系统10(特别是光学跟踪系统32)看到。盖70可以由聚合物或玻璃构成，或者可以是薄膜。如果需要，可以对盖70施加偏振以限制视野。

标记物42可以是反射性的和半球形的(如图5所示)，或者球形的。在具有半球形标记物42的系统10的实施方式中，半球形状相对于反射球形具有几个优点。半球形状的优点包括能够更完全地陷入凹部74，这样视角受到物理限制，使得标记物42在其它标记物42正直接面对摄像装置34、36时不会被呈现给摄像装置，从而使系统10能够跟踪正确的标记物42。另外，因为标记物42陷入，所以盖70可以放置在标记物42上。当与系统10的其它组件(例如，高像素数摄像装置34、36)结合使用时，可以将标记物42的尺寸调整成约为3mm。标记物42产生围绕阵列38的主体68的独特图案，以使摄像装置34、36能够感测和跟踪解剖学特征4或器械6的位置和取向。

图6A至图6K例示了阵列38的实施方式。在图6A至图6D中，阵列38的主体68是细长的，并且包括从主体68延伸的多个臂84。主体68可以包括用于可释放地固定脊柱销52的脊柱销接合特征88。阵列38是可移除和可重新定位的，以使可以利用脊柱销52或手术器械6以右旋取向或左旋取向来对阵列38进行定位。有益的是，该特征使外科医生能够将阵列38重新定位成远离正在执行手术的一侧，以使阵列38不会对手术造成视线或物理上的干扰。该特征还有助于摄像装置34、36在没有或更少障碍的情况下看到标记物42，因为随着手术的进行(例如，沿脊柱向下)，外科医生可以在左取向与右取向之间切换阵列38，从而使摄像装置34、36能够观察多个椎骨节段。如果在手术期间由于阵列38的位置而使视线成为问题，那么可以从销52移除未进行手术的椎骨的相应阵列38以清理手术部位，然后在手术移过该位置时再次可释放地固定这些阵列38。清理手术部位的好处是巨大的，这是因为本系统的最小化占用空间减少了医院员工的需求(节省了资金和医院资源)，并且在单个系统上集成现有技术。阵列38的相对小的尺寸也减少了患者和外科医生的影响，从而使外科医生能够自由工作并最小化OR时间，这对患者有益。

臂84可以横向地、纵向地以及垂直地从主体68不同地延伸，以使每个臂84终止于相对于主体68的不同位置。每个臂84可以包括标记物42，例如球形标记物42(图6A至图6B)。在阵列38中，如图6C至图6D所描绘的，臂84终止于桨叶86，使得反射性标记物42(例如粘性反射点)可以设置在桨叶86上。

如图6E至图6K所示，阵列38可以是360度阵列38。360度阵列38可以包括截头圆锥形的主体68，如图6E至图6H所示。截头圆锥形主体68可以包括不同地(垂直地和围绕主体)从主体68延伸至球形标记物42的一个或更多个臂84。阵列38可以包括基座90。基座90可以通过保持机构94(例如O形环密封件)与套环92连接，该保持机构94固定并密封基座90与套环92之间的接触面。套环92可以包括一个或更多个腿96，例如相对设置的一对腿，腿96向上延伸远离套环92并且被构造成与主体68中的对应孔(其可以另选为凹部)98接合。主体68可以包括向内腔102开放的顶部孔100，内腔102通向套环孔104。相比于套环92从主体68伸出，臂84可以从主体68伸出更远(图6E至图6F)。

如图6G至图6H所示，360度阵列38可以被配置成接纳护罩106、或者牢固地且可释放地与护罩106联接。护罩106可以围绕主体68、臂84以及标记物42延伸360度。相比于臂84从主体68伸出，套环92可以从主体68伸出更远(图6G至图6H)。套环92可以包括围绕或靠近其周边延伸的凹槽108，以供可释放地固定护罩106。套环92可以包括一个或更多个引导件110，引导件110从套环孔104延伸至凹槽108，以进一步引导护罩106并将护罩106固定在凹槽108内。顶盖112可以可释放地固定在护罩106上、与套环92相对，顶盖112包括类似于凹槽108的凹槽114(未示出)，用于接纳护罩106。

如图6I至图6K所示，360度阵列38可以是360度棱柱阵列38。主体68可以是诸如具有两个相对平截头体轮廓的十边棱锥的多面体(例如，棱柱)。主体68的外表面(或面)116可以各具有设置在其中的一个或更多个口袋(pocket)118。口袋118可以具有袋状轮廓(即，在第一端部上连续弯曲，通向大致笔直的侧壁，该侧壁通向与连续弯曲的第一端部相对的平坦的第二端部)。标记物42(例如粘性反射点)可以放置在口袋118内。有利地，口袋118的袋状轮廓，特别是弯曲的第一端部，有助于引导和固定标记物42。主体68可以与套环92一体形成，并且保持机构94被构造成利用套环92固定。主体68可以在一个或更多个配合部分中一体形成，如图6J所示。如示出了旋转90度的主体68(1、2、3和4)的图6K所示，口袋118可以在主体的每个面116上处于不同的取向和位置，使得没有哪两个面116具有相同的口袋118位置和取向。有利地，当与标记物42一起使用时，这使得在观察主体68的每个90度旋转和相应面116时标记物42的布局是唯一的。例如，一些口袋118可以朝向主体68的中心120，而其它口袋118朝向主体的远端122，并且口袋118可以相对于彼此在0度与360度之间不同地旋转。有利地，这种构造允许每个口袋118可以相对于所有面116上的所有口袋118唯一地定位在面116上，当使用带有标记物42的阵列38时，这是特别有益的，因为每个标记物处于不同的相对位置和取向，所以当系统10在使用中时，这使得摄像装置34、36能够看到更多的标记物42，并且感测到更多空间数据。

参照图7至图8E，系统10的第四方面包括脊柱销52和/或脊柱夹具124。脊柱销52和脊柱夹具124使阵列38能够牢固且可释放地附接，从而将阵列38与解剖学特征4(例如椎骨，或更具体地，棘突)连接。如图7所示，脊柱销52可以具有通过字形臂128从销52向外延伸的远侧射线照相字形元件126。字形臂128可以按照该字形臂128将射线照相字形元件78和远侧射线照相字形元件126连接的方式，从射线照相字形元件78延伸至远侧射线照相字形元件126。有利地，字形元件78、126的这种构造使得销52能够通过充任射线照相基准而促进系统10的跟踪能力。

靠近深度保持特征76并且与尖端62相对地，销52可以包括深度限制部129(例如，周向扩张体)。当销52插入解剖学特征4时，深度限制部129充任物理止挡，例如防止销52过深地插入特征4以及由此导致的对患者造成伤害的风险。

轴向保持特征76可以包括螺旋形螺纹，如所示。同时，销52的轴向保持特征76与尖端83之间的、销52的部分可以包括骨螺纹130。骨螺纹130和轴向保持特征76可以是差分螺距，以在销52与解剖学特征4(例如，棘突)接合时增强骨保持。销52可以包括工具接合特征131，用于在安装销52期间(图9B和图9C)接合并保持工具，例如脊柱跟踪器插入器54(图9A中所示)。图8B至图8C例示了与阵列38接合的销52。

在系统10的一些实施方式中，提供棘突夹具124。棘突夹具124用于通过夹紧到解剖学特征4上并提供用于可释放地固定阵列38的接触面来将阵列38与该特征4固定在一起。棘突夹具124可以包括中心体132，该中心体132从夹具124的阵列端134到夹具124的夹持端136终止。夹具124可以是对称的(如图8D所示)，或者是不对称的(如图8E所示)。夹具124可以包括被构造成固定解剖学特征4(例如棘突)的相对的第一抓握部138和第二抓握部140。抓握部138、140可以弹性地偏向第一闭合位置(如图所示)，并且被配置成通过使一个或更多个翼142朝向中心体132枢转而变换成第二打开位置。在图8D所示实施方式中，翼142的枢转导致横侧设置的臂144平移，从而将抓握部138、140从第一位置变换成第二位置。臂144可以是波状外形的，例如朝向它们的中心向内连续地逐渐变细，以便使外科医生对手术部位观察的阻碍最小。抓握部138、140皆可以包括多个尖钉146，以增加抓握部138、140与解剖学特征部4之间的夹紧力。在夹具124的阵列端134处，夹具124可以包括阵列取向特征148，例如中心体132上的平坦表面，以在阵列38与夹具124接合时确保阵列38正确地锁定。夹具124可以包括驱动器保持元件150(例如槽口)，以在将夹具124安装在解剖学特征4上期间，确保夹具124保持在诸如脊柱跟踪器插入器54的工具中。中心体132可以包括射线照相字形元件78和远侧射线照相字形元件126。

如图8E所示，夹具124可以是不对称的。该不对称夹具具有抓握部138、140，它们分别是第一钳夹152和第二钳夹154。第一钳夹152可以是可移动的，第二钳夹154可以是相对于中心体132固定的。可移动的第一钳夹152可以弹性偏向第一闭合位置。可移动的第一钳夹152可以与支承件156铰接地连接。支承件156又连接至偏置构件158。偏置构件158可以围绕中心体132设置并且设置在两个偏置构件160(例如弹簧)之间，偏置构件160将偏置构件158保持在第一闭合位置。当偏置构件158沿中心体132平移时，偏置构件158平移支承件156，支承件156又使可移动的第一钳夹152枢转至第二打开位置，从而将偏置构件158的平移运动转换成第一可移动钳夹152的枢转运动。偏置构件160可以环绕中心体132设置。

图10例示了根据系统10的实施方式的联接至阵列38的脊柱销52。可以看出，可以将左旋和右旋阵列38从手术通道移开，有利地使外科医生能够不受限制地或很少受限制地进入，同时仍然保持阵列38的跟踪能力。当与器械6联接时，本公开的阵列38尤其有用，这是因为阵列38上的标记物42的图案使得跟踪系统10能够在器械6旋转时确定阵列38在3D空间中的位置进而确定器械6在3D空间中的位置。对于在使用期间旋转的轴对称器械6尤其如此，因为器械6在沿轴线162旋转时本身看起来没有变化。

虽然已经示出阵列38通过阵列38的连接部分64固定至脊柱销52的互补表面66上的配合特征，但可以设想，任何阵列38可以适于以类似的方式固定至手术器械6的远端上的配合特征。

图11A至图11H例示了根据本公开第五方面的、处于绕轴线162的各种旋转位置的轴对称手术器械6的近端。该器械包括位于器械6的手柄端166处的手柄164。轴168从手柄164延伸至圆柱形阵列170。圆柱形阵列170包括多个凹部172。如图所示，凹部172可以具有围绕圆柱形阵列170的独特图案，并且可以被配置成至少部分地容纳标记物42。随着器械旋转6(如图11A至图11H所示)，至少三个凹部172(进而相关联的标记物42)保持对摄像装置34、36可见，使得系统10可以识别阵列38及其关联器械6的空间位置。根据系统10的一些实施方式，凹部172被配置成使得当圆柱形阵列170旋转时可见标记物区域的3D中心保持稳定。

参照图12A至图12B，系统10的第六方面包括C臂阵列安装座174。C臂阵列安装座174可以被配置成附接至C臂194接收端(例如GE OEC市售的C臂(9800和9990系列)、Philips的Pulsera、Siemens的Arcadis以及Ziehm的Vision)，这些C臂可以通过视频缆线(如BNC缆线)连接至系统10。C臂阵列安装座174可以由可操作地连接至或安装至环178的黑色聚碳酸酯字形安装座176构成。环178可以由例如铝制成。安装座174可以包括夹具180，例如环形夹具，以拉动字形安装座176的背面(未示出)，使得字形安装座176对准接收端。夹具180可以压在接收端铸件的外周上，从而使环178能够径向和旋转地定位，使得接收端上的最上部螺钉与C臂安装座174的埋头对准孔182对中(例如，对准)。安装座174可以包括组装件对准销186，用于引导字形安装座176与环178的组装。

阵列38可以被包括到阵列安装座174中、处于环178的后部(即，字形安装座176的相对面)处。阵列38可以包括安装元件184(例如指旋螺钉)，以将阵列38固定至安装座174。阵列38和安装元件184可以由能够进行高压灭菌的材料制成，以便在患者之间重复使用。还有益的是，本设计避免使用专用工具来安装或调节环178或阵列38。因此，通过使用安装座174，C臂阵列安装座174提供从阵列38到导航系统10的连续视线，这可以针对所有手术成像节段沿垂直和水平取向跟踪C臂194。虽然在图12A中示出了平面光学跟踪阵列38，但可以设想，也可以利用360度阵列38和360度棱柱阵列38。系统10可以利用来自感测到的C臂安装座174的数据，使得能够使用医院现有的C臂194和校准工具，来针对位于OR中进行手术的患者准确地配准术前CT数据集。

参照图26A至图26D，配准板(未示出)可以放置在C臂194的消毒盖布上，使得消毒盖布与环178接合。可以通过系统10拍摄、接收A/P、+25、-25以及横侧图像，并且系统10可以针对所接收图像执行配准和校准算法，这将在下面更详细地描述。

在系统10的第七方面，参照图40，系统10包括这样的计算机可执行指令：该计算机可执行指令包含用于根据所接收成像输入(例如，来自诸如CT、CBCT和MRI的术前源和术中源的2D和3D医学图像)来重建3D脊柱模型的指令，该3D脊柱模型被分割成基于所跟踪的解剖学特征4的刚体(例如，椎骨)。该计算机可执行指令被配置成实时动态地跟踪并显示每个解剖学特征4。系统10的计算机可执行指令被配置成跟踪手术工具相对于各个所跟踪解剖学特征的实时位置并将其关联起来。计算机可执行指令被配置成计算并显示动态3D脊柱模型，其中虚拟工具的流数据覆盖在所显示动态3D脊柱模型上以增强直接解剖学结构可视化。

如可以在图41中看出的，成像输入装置(例如，术前源和术中源)与计算机系统12通信。计算机系统12与触摸屏显示器16通信，触摸屏显示器16可以向外科医生显示来自系统10的数据并从系统接收输入数据。计算机系统12与包括IR摄像装置34和可见光摄像装置36的光学跟踪系统32通信。计算机系统12可以控制摄像装置34、36(视野、IR/可见光功能等)，使摄像装置34、36拍摄并发送图像，以及从摄像装置34、36接收图像数据。

计算机可执行指令可以被配置成执行配准步骤。如本文所使用的，术语“配准”意指虚拟3D数据集的一个或更多个参考点与患者当前解剖位置的一个或更多个参考点的关联。配准步骤可以被配置成针对每个接收图像源进行。在优选实施方式中，配准步骤包括关于患者脊柱的物理柔性的参数。配准步骤可以根据所接收图像数据而改变。例如，如果所接收图像数据来自与一个或更多个术中2D C臂图像同步的术前CT数据集，则配准包括对一个或更多个脊柱销的图像识别，并且可利用两个荧光图像内的一个或更多个图像标记物来配准各个椎骨，并根据术前3D图像重建3D模型。如果是对术中CT/CBCT进行配准，则可对术中3D图像内的一个或更多个脊柱销的图像进行识别来配准各个椎骨。同时，如果图像数据来自MRI-CT，则可对CT图像进行图像识别来将MR图像合并至各个CT分段/椎骨。在荧光MRI配准中，指令可以被配置成在没有任何CT图像的情况下配准3D MRI图像。

系统10的计算机可执行指令可以被配置成辨别脊柱销52。该计算机可执行指令可以被配置成，感测脊柱销52并使用所感测到的脊柱销52来缩放术中射线照相图像，以配准患者空间、图像空间以及导航空间。销52可以包括具有已知的预定直径的字形元件78、126(例如，球体)。当通过摄像装置34、36成像时，每个字形元件78、126在每个成像模态中具有可以通过图像识别技术来利用的一个或更多个特征标识符(例如已知的预定直径)。

作为示例，对于CT，成像的字形元件可以具有围绕该字形元件的光晕特征，该特征可以用于将射线照相光晕的中心与字形元件78、126的中心相关联。同样作为示例，对于荧光图像，成像的字形元件78、126可以被显示为黑点。该中心位置的位置可以受限于第一3D像素(体素)的准确度。通过添加第二字形元件78、126，可以基于两个字形元件78、126与双晕(或双点)之间的已知距离而实现亚体素精度。当这些成像的字形元件78、126沿着单个轴放置时，生成五自由度销。为了生成所有六个自由度，可以将具有五自由度的第二销52定位在图像中，使得可以确定脊柱的取向。如果希望仅使用一个脊柱销52并解决所有6个自由度，那么可以使用具有处于第一轴上的至少两个字形78、126以及与销52的轴正交的附加字形78、126(例如，远侧字形126)的6自由度脊柱销52。图13例示了用于辨别图像中的一个或更多个脊柱销52的计算。如可以在图13中看出的，通过利用阵列38的6个自由度中的位置和取向，计算机可执行指令被配置成计算每个标记物42的两个字形中心。图14A至图14C例示了定位在根据本文所述方法识别的三个相邻椎骨的棘突内的一组脊柱销52。在一些实施方式中，计算机可执行指令可以包括被配置成确定整个脊柱销52的几何结构的图像识别。

在系统10确定销52的取向之后，无论是五自由度还是六自由度，计算机可执行指令都可以被配置成确定销52的相对位置。光学跟踪系统32通过摄像装置34、36可以感测与销52联接的阵列38。如果销52是六自由度销52(例如，除了字形78之外还具有远侧字形126)，那么系统仅需要一个阵列38用于计算机可执行指令确定销52的位置。如果销52是五自由度销52(例如，不包括远侧字形126)，那么计算机可执行指令需要两个销52以及与这两个销52联接的阵列38来确定脊柱相对于摄像装置34、36的指向。光学跟踪系统32可以被配置成感测联接至销52的左/右阵列38，并且计算机可执行指令可以被配置成基于所感测阵列38来计算每个销52的相对位置。计算机可执行指令可以被配置成：比较所确定的销52的射线照相取向的相对位置，以确认它们在可接受的误差容限内对准。一旦系统10确认了这种关联，就可以使用跟踪系统32检测到的脊柱的任何相对移动来更新射线照相数据中的分割椎骨位置。此外，因为跟踪阵列38可以具有六个自由度，所以即使销52具有五个自由度，一旦确认了配准，除了外科医生希望保留的阵列38以外，其它所有阵列38都可以被移除，使得手术部位不受遮挡。根据外科医生的偏好，可以使多个脊柱销52和阵列38留着(即，连接至解剖学特征4)以显示解剖学特征4(各个椎体)的相对移动的指示。如果喜欢传统的3D射线照相视图(类似于CT)，则导航系统10可以检测器械6的顶部位于何处，并且基于所确定的解剖学特征4的位置，系统10可以确定最靠近该顶部或者与尖端相交的最接近椎体，作为确定3D数据集相对于器械的取向的基准。

计算机可执行指令可以被配置成执行分割步骤。如本文所使用的，“分割”描述了辨别3D图像数据内的各个椎骨，使得可以对椎骨进行分离并且彼此不同地处理、操纵以及显示的过程。该分割步骤可以采用分割算法，该分割算法使用成像处理和图像识别软件来使脊柱节段分割过程自动化。图15描绘了分割过程，在该过程中计算机可执行指令自动辨别和提取脊柱曲线，然后检测并辨别各个椎骨，直到它们被彼此分割。可以应用一个或更多个自适应网格来生成脊柱的分割3D模型。每个椎骨或其它解剖学特征4可以单独着色以可视地增强骨-软组织界面，或者可以仅对边缘进行着色。

系统10的计算机可执行指令可以被配置成执行分段式跟踪。如本文所用，“分段式跟踪”是指系统10跟踪具有临床意义的每个椎骨的能力。有利地，即使在手术期间，分段式跟踪也包括单个配准，从而提高准确度，并且使外科医生能够在放置例如椎体间植入物期间脊柱移动时继续导航，而不会失去跟踪的准确度。

系统10的计算机可执行指令可以被配置成执行3D-2D图像配准。如本文所使用的，“3D-2D图像配准”是指利用至少两个视角，在患者就位进行手术的同时接收2D图像(荧光)、校准2D图像、以及将患者解剖学结构的位置配准至3D图像(术前CT)。可以由导航系统10使用2D图像来配准3D图像。3D-2D图像配准可以包括将术前CT接收到系统10中的步骤。计算机可执行指令可以被配置成利用分割算法，根据CT模型将椎骨分割成各个节段。图16A例示了脊柱的CT模型，图16B和图16C例示了分割出图16A的脊柱的三个脊柱节段。计算机可执行指令可以通过数字重建射线照相(DRR)算法，推断并生成基于3D CT模型的一组2D图像。

图17A例示了分割的3D图像数据集。图17B例示了3D图像数据集的2D DRR(轴向视图)。图17C例示了3D图像数据集的2D DRR(矢状视图)。图17D例示了3D数据集的2D DRR(冠状视图)。当脊柱销52插入所关注椎骨节段时(这可以利用C臂194在荧光透视可视化下完成)，脊柱销52的字形元件78、126的几何结构为系统10提供了对患者空间、图像空间以及导航空间进行配准所需的标度，如上所述。C臂194(其可以由导航系统通过C臂阵列安装座174进行跟踪)在至少一个视图中拍摄至少一个所关注椎骨节段的至少一个图像。计算机可执行指令可以被配置成接收该至少一个图像。在图18A和图18B中描绘了由C臂194拍摄的示例性图像。在一些实施方式中，可以对配准进行验证。作为第一个示例，通过使用自动化图像处理和自动化图像识别，计算机可执行指令可以借助于成像算法搜索每个所生成的分段DRR，以确定3D图像数据集的2D表示与2D术中荧光透视图像的图像的匹配。举例来说，该算法可以根据两个视图中超过预定值的互相关值(借助于相似性得分)来确定匹配，以产生单个解。作为第二个示例，参照图27A至图27D，成功的配准可以示出叠加在真实C臂图像上的DRR(例如，仿真C臂照片)。可以在四镜头C臂系列窗口中标识每个节段，并且可以在与99.5％的Z得分对准的任何图像(或其它预先指定的节段)上显示绿色边界。未配准的节段可能没有相关联的(部分节段)DRR，以省略不必要的信息。GUI可以针对每个图像显示外科医生可以选择以验证配准的确认按钮。在系统10的一些实施方式中，必须执行至少两次(两个图像的)验证才能进入GUI的导航画面。在图27A至图27D中，图27C未通过验证，而图27A、图27C以及图27D已通过验证。接下来，计算机可执行指令可以被配置成将每个椎体的模型位置从术前CT位置调整至当前手术患者位置。

计算机可执行指令可以被配置成使3D-2D图像配准菜单画面显示在显示屏16上(图25)。

系统10的计算机可执行指令可以被配置成执行3D-3D图像配准。如本文所使用的，“3D-3D图像配准”是指拍摄和接收3D术中图像并利用导航系统10导入/配准3D术中图像。脊柱销52可以插入所关注椎骨节段中(例如在荧光透视可视化下)。如上所述，脊柱销52的字形元件78、126的几何结构向计算机可执行指令提供了对患者空间、图像空间以及导航空间进行配准所需的标度参数。另外，由于销52在术中3D图像中成像，因此销52(特别是销52的结构中的金属)用作种子点以优化分割算法。一旦执行了分割，计算机可执行指令就使术中3D成像器拍摄所关注椎骨节段的图像。计算机可执行指令被配置成从术中3D成像器接收术中3D图像，并且可以将脊柱的图像分割。在一些实施方式中，首先，将销52与骨头分割开，接下来，利用分割算法，根据CT模型将椎骨分割成单独节段。计算机可执行指令可以被配置成使3D-3D图像配准菜单画面显示在显示屏16上(图28)。

系统10的计算机可执行指令可以被配置成执行3D MRI-2D图像配准。如本文所使用的，“3D MRI-2D图像配准”是指利用至少两个不同视角，在患者就位进行手术的情况下拍摄和接收2D图像(荧光)并且配准患者解剖学结构的位置(例如，解剖学特征4)。该计算机可执行指令可以被配置成基于2D图像对患者解剖学结构的位置进行配准。有利地，3D MRI-2D图像配准不需要术前CT并且可以在缺少3D成像设备的设施中使用。MRI-2D图像配准的另一个好处是便于软组织导航，这是因为计算机可执行指令可以被配置成生成并显示软组织与器械6之间的空间感知。例如，通过在采用3D MRI-2D图像配准的实施方式中使用系统10，外科医生可以对血管和神经根进行可视化和定位，以供进行诸如XLIF的手术，使得能够安全地进入手术目标位点。计算机可执行指令可以被配置成使3D MRI-2D图像配准菜单画面显示在显示屏16上。

系统10的计算机可执行指令可以使显示屏16显示各种工作流程以及利用上述配准所生成图像的可视化。例如，系统的一些实施方式可以包括使“向导”(逐步指导的指令)显示给外科医生以引导外科医生进行导航设置和使用的计算机可执行指令。图19例示了显示屏16上的示例启动菜单画面GUI。外科医生可以从选择区域输入病例特定信息。例如，外科医生可以选择作为手术对象的解剖学部位、手术的节段(例如，图20中所示的节段选择菜单画面)、以及手术入路(approach)(例如，后路、前路、侧路)。在图19中，外科医生选择了腰椎手术、节段L3-节段L5、从侧方入路。选择“开始”按钮使外科医生移至工作流程的下一步。如可以看出的，外科医生也可以保存手术、导入保存的手术、以及进入“演示”模式(例如用于训练或手术计划目的)。外科医生还可以通过对云的安全登录访问来访问设置和保存的手术。应当清楚，本文包含的任何计算机可执行指令可以在云中或者(例如通过计算机系统12)本地存储在导航系统10中。

计算机可执行指令可以检索存储的模板和外科医生简档，例如首选视图的模板(例如，轴向、探针眼、前部、冠状、矢状、内联等)，以简化系统10针对患者的初始设置。计算机可执行指令可以使显示屏16向外科医生显示模板和外科医生简档的菜单，并从外科医生接收模板和外科医生简档选择，如图21所示。图22例示了设置画面菜单，在该画面中，存储的首选视图的模板显示在显示屏16上。计算机可执行指令可以被配置成接收来自外科医生的所选模板选择。

计算机可执行指令可以被配置成使外科医生能够加载术前图像数据集并且在显示屏16上观察2D和/或3D图像数据，以用于计划手术的目的。图23例示了显示在显示屏16上的手术计划画面的示例。如可以在图23中看出的，计算机可执行指令可以被配置成，使显示屏16显示外科医生(例如，外科医生或其他OR人员)可以选择用于手术的节段、螺钉类型以及螺钉尺寸的手术计划菜单。

如可以在图24中看出的，计算机可执行指令可以被配置成使显示屏16显示手术计划画面，在该画面中，外科医生可以访问术前图像数据集的轴向视图、矢状视图以及冠状视图，确定一个或更多个解剖学测量值(例如，椎弓根宽度、椎体宽度或椎体深度)，以及提出手术轨迹。可以为每个单独的椎体计划保存手术计划，这样系统10可以在手术过程中的适当时间期间呈现单独椎体计划的3D或C臂视图。参照图36A和图36B，根据系统10的一些实施方式，可以根据最佳配合将螺钉(经由外科医生选择手动地或通过系统10自动地)放置在每个椎弓根中。可以为每个单独的椎体计划保存手术计划，这样系统可以在手术过程中的适当时间期间呈现单独椎体计划的3D或C臂视图。可以理解，可以将其它手术计划类型并入计算机可执行指令中，例如NuVasive,Inc.的NuvaM ap手术计划软件。

计算机可执行指令可以被配置成使显示屏16显示器械设置菜单(图29)和阵列指派菜单(图30)。计算机可执行指令可以使系统10借助光学跟踪系统32拍摄一个或更多个图像并自动识别阵列38。系统10还可以利用针对器械6的适配器，这使系统10能够识别器械、辨别第一节段描述符(例如，用于螺丝刀的螺丝刀)。计算机可执行指令可以使显示屏16显示诸如下拉菜单的菜单，使得外科医生可以选择器械6的最终描述。有利地，该特征使外科医生能够继续手术工作流程并且无缝地选择导航器械6。

计算机可执行指令可以被配置成(特别是在完成配准和设置步骤之后)，使一个或更多个手术器械的表示实时地覆盖在3D图像数据集的2D表示上。作为示例，器械的表示可以是工程模型(例如计算机辅助设计模型)、线框模型、或简单形状(圆柱、矩形或块)。计算机可执行指令可以被配置成进一步基于手术器械相对于解剖学结构的位置生成仿真轨迹188(例如椎弓根螺钉的轨迹)，并且在显示屏16上的2D表示上显示仿真轨迹188，如图31至图33所示。如可以在图32中看出的，计算机可执行指令可以被配置成使得显示工具菜单，菜单中各种选项(例如系统类型、植入物类型以及仿真轨迹188的螺钉类型)可以由外科医生选择。计算机可执行指令可以被配置成基于仿真轨迹和外科医生关于工具菜单的输入来显示仿真植入物190(例如，椎弓根螺钉)。一旦外科医生对轨迹和植入物选择感到满意，就可以使用系统10来将真实世界植入物191(未示出)导航至其预期位置，优选地，遵循如图33中描绘的仿真轨迹188。虽然这里描述了椎弓根螺钉的定位，但应当清楚，导航系统10可以为任何数量的器械和植入物提供导航信息。

系统10可以包括被配置成生成仿真收藏螺钉192并使得在显示屏16上向外科医生显示仿真收藏螺钉192的计算机可执行指令。当外科医生希望从特定视角(例如，横向)对齐地将两个螺钉插入单个椎骨中时，该特征是有益的。图35A和图35B示出，通过使用所生成的分段式DRR(如上所述)，计算机可执行指令可以被配置成生成用于捕获第一放置螺钉在椎骨中的最终位置的仿真收藏螺钉。当外科医生准备将第二个螺钉放入椎骨时，在DRR图像上显示该仿真收藏螺钉，以使外科医生具有用于放置第二个螺钉的对准参考。仿真螺钉可以由螺钉的实心不透明表示、具有透明主体的螺钉轮廓或线来描绘。计算机可执行指令可以被配置成在除DRR之外的视图(例如3D矢状切片视图)中生成仿真螺钉。图35A例示了用于参考的脊柱DRR中的仿真收藏螺钉，图35B例示了放置在仿真收藏螺钉上的螺钉。

在第八方面中，系统10生成3D术后仿真CT。根据该方面，系统10可以借助计算机可执行指令来处理动态跟踪的椎骨的最后位置和每个放置的螺钉的最终位置，以生成患者的术后3D视图。有益的是，这个3D视图在手术后立即对患者进行准确描绘，使得不需要在手术结束时进行附加3D扫描，从而减少对患者和OR工作人员的辐射暴露，并且节省时间(即，较低的发病率风险和成本节省)。

上述分割步骤特别有利，原因在于它们为外科医生提供了额外的观察选择。参照图37至图39，GUI可以基于外科医生偏好显示手术位点的不同视图。参照图37，GUI可以基于外科医生偏好显示手术位点的不同视图。在一些实施方式中，可以仅显示配准的椎体，并且可以基于配准以当前取向(不是术前CT取向)显示配准的椎体。相邻的椎骨节段可以作为固态工程文件(例如3D.stl或其它格式文件)显示于它们的新位置，并且可以相对于单个患者参考阵列38跟踪所有椎骨节段(上述手术节段)。在一些实施方式中，可以仅针对当前由外科医生进行处理的椎体来对DICOM图像进行导航。图37中示出了CT切片的轴向DRR或工具视图以及横向DRR(左半或者右半)或者矢状工具视图CT。图38例示了根据手术前的计划螺钉显示的计划轨迹(如上所述)，该计划轨迹可由外科医生打开和关闭。图39中示出，收藏螺钉特征也可以由外科医生打开和关闭。GUI可以包括“保持新轨迹”选项，用于为外科医生提供基于现实世界手术条件和外科医生的专业医学判断来调整计划螺钉的新轨迹的选项。

在系统10的第九方面中，系统10接收从多于一个摄像装置34、36拍摄的图像，其中第一摄像装置34、36具有手术部位的视野，第二摄像装置34、36具有配准装置(例如，C臂194)的视野。系统10可以包括被配置成参照阵列38来校准第一摄像装置34、36与第二摄像装置34、36的相对位置的计算机可执行指令。摄像装置34、36例如可以一起设置在摄像装置基座37中，或者单独设置。当摄像装置34、36在相同方向上跟踪或从相反方向跟踪时，系统10可以执行动态校准。

例如，系统10可以包括在无菌手术区域内的第一红外摄像装置34，以拍摄与脊柱连通的阵列38的图像并跟踪该阵列38，如上所述。系统10可以包括位于无菌手术区域外部的第二红外摄像装置34，第二红外摄像装置34拍摄配准装置的图像并跟踪该配准装置。第二红外摄像装置34可以拍摄由第一红外摄像装置34跟踪的阵列38中的至少一个阵列的图像并跟踪该至少一个阵列，但是由于视野受到遮挡的原因，可能无法跟踪由第一红外摄像装置34跟踪的所有阵列38。然而，如上所述，系统10可以接收这些数据并生成3D模型，并且在显示屏16上显示该3D模型的2D表示。

在另一示例中，系统10利用多于一个摄像装置34、36，可以用于拍摄和跟踪连接至解剖学特征4的多于一个阵列38，该解剖学特征4是可以被视为单一结构的单个刚性分段(例如S1/骨盆复合体)。

在又一例示性用途中，在横侧脊柱手术(例如，XLIF手术)期间，第一红外摄像装置34可以拍摄并跟踪脊柱跟踪器阵列38，而第二红外摄像装置34拍摄并跟踪手术通道和固定至髂嵴的阵列38。尽管第一摄像装置和第二摄像装置34都不能跟踪同一阵列38，但系统10可以使用已配准和分割的单个刚性结构，从而使系统能够在配准期间计算摄像装置34之间的间接相关度，使得虽然摄像装置34都不需要跟踪公共阵列38，但两个摄像装置34发送系统10可以接收以生成手术部位的统一3D视图的图像和数据。

在系统10的第十方面，系统10被配置成生成增强现实。系统10可以包括至少三个摄像装置34、36，其中第一红外摄像装置和第二红外摄像装置34可以用于跟踪标记物阵列42(其可以是红外标记物42)，而第三可见光光谱摄像装置36聚焦在手术部位上。该至少三个摄像装置34、36的配置使系统10的计算机可执行指令能够通过对由红外摄像装置34和可见光光谱摄像装置36拍摄的图像进行叠加来生成虚拟工具位置和跟踪标记物42的位置的准确描绘。当椎体具有连接至它们的阵列38时，虚拟表示和可见元件的这种重叠也可以用于分割的椎体。然后，外科医生可以从任一个红外摄像装置34观察椎体和手术器械，并且从可见摄像装置36重叠观察该椎体和手术器械，以使系统10可以例如在视觉上引导外科医生通过由外科医生输入到系统10中的预定手术计划。系统10可以包括可以由外科医生佩戴的可佩戴摄像装置和阵列组装件，以使系统10可以例如通过增强现实眼镜在患者身上显示仿真椎骨和器械。

在系统10的实施方式中，系统10被配置成使用增强现实特征来解决一个或更多个阵列38的故障诊断问题。例如，如果阵列38被阻挡或污染，那么系统10可以被配置成按可见光谱显示强调像素以显示被阻挡或污染的阵列38的位置。系统10可以在强调像素上覆盖阵列38的标记物42的跟踪红外位置的符号，例如彩色球。该故障诊断特征使外科医生能够理解阵列38是否存在视线问题或者是否标记物42之一有缺陷。

尤其有利的是，当前描述的导航系统10使得能够在不中断手术工作计划流程的情况下校准导航系统10。例如，系统10可以在系统10已经确定了器械位置的地方显示放大的像素，使得外科医生可以确认利用仿真校准了OR条件，并且通过仿真准确显示了OR条件。如果需要校准，则系统10可以使用图像识别(例如通过拍摄和接收来自可见光摄像装置36的图像)，来重新校准自己。校准可以是运动激活的，通过外科医生在可见光摄像装置36的视图中对器械6进行旋转来激活并校准。

器械6可以具有许多附件，例如螺丝刀。系统10可以包含这样的计算机可执行指令：该计算机可执行指令被配置成借助摄像装置34、36来拍摄和跟踪器械6和关联螺钉，并且计算螺钉的直径和长度。计算机可执行指令可以被配置成将恰当螺钉的虚拟表示显示在显示屏16上。螺钉的虚拟表示可以具有与螺钉尺寸(例如螺钉直径和螺钉长度)相关联的颜色代码，以供外科医生容易地进行视觉识别。

在第十一方面，系统10可以执行冗余脊柱跟踪。如上所述，系统10可以包括多于一个椎骨跟踪阵列38。系统10可以跟踪每个阵列38的移动，并且如果阵列38的相对移动超过预定值，则外科医生可以通过GUI选择跟踪次要阵列38作为参考或重新配准椎体。

在第十二方面，系统10跟踪各个分割椎体并显示椎体的单独移动。参照图34，系统10可以通过脊柱销52和阵列38跟踪每个椎骨(如上所述)，并且将每个椎骨与其余椎骨分开。系统10可以包括这样的计算机可执行指令：该计算机可执行指令被配置成基于所跟踪和分割的椎骨，生成并显示相对于相邻椎骨移动的仿真椎骨，外科医生可以在任何2D或3D透视图中查看和选择该仿真椎骨。仿真的各个分段可以包含相应的射线照相数据，当系统10接收到来自外科医生的用于切开仿真分段的指令时，可以看到这些数据。仿真分段的外层可以被赋予特定的颜色以帮助外科医生将一个椎骨与也被跟踪和仿真的相邻椎骨区分开。计算机可执行指令可以被配置成显示和隐藏背景(即，非椎体组织)。该背景可以显示为相对于仿真椎骨的差异颜色，例如黑色或另一对比色，以通过照亮外科医生关注的椎骨来辅助外科医生。当从3D视图中隐藏背景时，可以应用可变形变换矩阵来显示软组织如何拉伸的仿真。如果CT和MRI图像已合并，那么可以将这个可变形变换矩阵用于强调软组织，包括使用更多颜色来强调不同的组织类型。在系统10的一些实施方式中，计算机可执行指令被配置成接收来自外科医生的强调特定椎体边界的输入。该特征特别有利于对骨质疏松症患者进行手术，外科医生将从辨别椎体边界的这种辅助中受益。

在第十三方面，系统10可以用于对脊柱畸形矫正进行手术计划和评估的系统和方法中，如国际申请号PCT/US17/20491所述，该申请的全部内容通过引用而并入于此。有利地，导航系统10可以与该手术计划和评估相结合，这样系统10的计算机可执行指令被配置成，在手术开始时拍摄和跟踪椎骨的位置和取向。计算机可执行指令可以被配置成，自动从摄像装置34、36接收图像并更新脊柱骨盆参数，或计算椎间孔或管道容积的变化来评估适当的减压，以确定是否符合优化的手术计划。有利地，这种自动跟踪和更新使得无需中断手术工作流程以手动拍摄另外的C臂图像。

在第十四方面，系统10可以与杆弯曲软件和机器一起使用，例如在美国专利No.7,957,831和美国专利No.8,549,888中描述的、NuVasive，Inc.的BENDINI脊柱杆弯曲系统，这两个专利的全部内容通过引用而并入于此。由于脊柱杆弯曲系统使用螺钉的数字化位置来生成弯曲指令，因此，本系统10通过固定至多于一个椎骨的参考(即，阵列38)简化了该过程，系统10可以借助光学跟踪系统32在将螺钉插入脊柱时拍摄该螺钉的位置、方位以及取向。有利地，这使供脊柱杆弯曲系统使用的工作流程中的数字化步骤自动化，并且由于在手术过程中可以继续自动和连续地跟踪椎骨、植入物以及器械，而允许随着手术的进展来动态更新虚拟杆预览。有利地，一旦利用脊柱杆弯曲系统创建了杆，系统10就可以被配置成生成并向外科医生仿真方向性信息，以便于对杆插入进行导航。

在第十五方面，系统10在与术中神经监测(例如，NuVasive，Inc.的NVM 5神经监测平台)结合使用时提供集成神经监测。例如在美国专利号：8,538,539、8,548,579、8,550,994、8,556,808、8,562,521、8,591,432、8,602,982、8,628,469、8,634,904、8,663,100、8,672,840、8,679,006、8,696,559、8,708,899、8,738,123、8,747,307、8,753,271、8,764,649、8,768,450、8,784,330、8,821,396、8,942,801、8,945,004、8,956,283、8,977,352、8,989,866以及9,037,250中阐述了神经监测平台，这些专利的全部内容通过引用而并入于此。本文所述系统10的导航特征可以与EMG和任意活动集成，以使可以跟踪EMG结果发生的位置并将该位置覆盖到由导航系统10生成的脊柱的2D表示/视图上。仅作为示例，植入的装置(例如椎弓根螺钉)可以基于它们与骨-软组织接触面的接近程度而着色为红色、黄色或绿色：在紧密或突破(breached)的情况下可以将植入的装置显示为红色；在接近的情况下可以将植入的装置显示为黄色；在可接受的距离容限情况下可以将植入的装置显示为绿色。

前面的描述例示并描述了本公开的过程、机器、制造以及其它教导。另外，本公开仅示出并描述了所公开的过程、机器、制造以及其它教导的某些实施方式，但如上所述，要明白的是，本公开的教导能够用于各种其它组合、修改以及环境中，并且能够在如本文所表达的教导的范围内进行与相关领域普通技术人员的技能和/或知识相称的改变或修改。上文描述的实施方式还旨在解释实践本公开的过程、机器、制造、物质组成以及其它教导的已知的某些最佳模式，并且使得本领域其他技术人员能够在这样的或其它实施方式以及伴随特定应用或用途所需的各种修改中利用本公开的教导。因此，本公开的过程、机器、制造以及其它教导不旨在限制本文所公开的确切实施方式和示例。提供本文的任何章节标题仅为了与37 C.F.R.§1.77的建议保持一致或以其它方式提供组织队列。这些标题不应限制或表征本文所述的发明。

虽然本发明容许各种修改和另选形式，但在附图中通过示例示出了本发明的具体实施方式，并且在本文中详细描述了这些具体实施方式。然而，应当明白，本文对具体实施方式的描述并非旨在将本发明限制于所公开的特定形式，相反，本发明要覆盖落入如本文所限定的本发明的精神和范围内的所有修改例、等同物以及另选例。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，本文所述特定示例的任何特征都可以与本文所述的任何其它示例一起使用。根据一些实施方式，下面描述的一些或所有手术导航系统、方法以及工作流程可以与上述一些或所有系统、方法以及工作流程结合使用。

Claims (15)

1.一种用于手术导航的系统，所述系统包括：

脊柱销，所述脊柱销包括：

第一端，所述第一端被构造为与一阵列联接，并且防止相对于所联接的阵列发生旋转；

第二端，所述第二端与所述第一端相反并且具有尖锐尖端，所述尖锐尖端被构造为插入解剖学特征中；

第一射线照相字形元件；以及

第二射线照相字形元件，所述第二射线照相字形元件与所述第一射线照相字形元件分隔开一距离；

包括跟踪标记物的第一阵列，所述第一阵列被构造为通过与所述脊柱销的所述第一端与椎骨可释放地固定；

至少一个摄像装置，所述至少一个摄像装置被配置成跟踪所述第一阵列；以及

计算机系统，所述计算机系统包括处理器，其中，所述计算机系统被配置成：

从所述至少一个摄像装置接收所述第一阵列的一个或更多个摄像机图像；以及

在显示屏上显示所述椎骨的仿真。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一阵列包括六自由度的半球形标记物。

3.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括：包括跟踪标记物的第二阵列，所述第二阵列被配置为与第二解剖学特征可释放地固定。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一阵列包括凹部，并且其中，所述标记物至少部分地容纳在所述凹部中。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一阵列包括至少两个相对的表面，每个表面具有多个标记物。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述标记物包括设置在所述第一阵列的第一表面的至少一个标记物以及设置在所述第一阵列的第二表面的至少一个标记物。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个摄像装置包括红外摄像装置和可见光摄像装置。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述计算机系统还被配置为：

接收一个或更多个3D图像；

识别所述一个或更多个3D图像中的所述第一射线照相字形元件和所述第二射线照相字形元件；

感测所述第一阵列的所述跟踪标记物；以及

使用所述第一阵列的被感测到的跟踪标记物以及识别出的第一射线照相字形元件和第二射线照相字形元件来执行配准。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述计算机系统还被配置为：

接收一个或更多个3D图像；

识别所述一个或更多个3D图像中的被所述距离分隔开的所述第一射线照相字形元件和所述第二射线照相字形元件的几何形状；

感测所述第一阵列的所述跟踪标记物；以及

使用所述第一阵列的被感测到的跟踪标记物以及识别出的几何形状来执行配准。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述距离介于5毫米至100毫米之间。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一射线照相字形元件和所述第二射线照相字形元件是与所述脊柱销的长度同轴的。

12.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括：

从所述第一射线照相字形元件延伸出的第一字形臂；

联接至所述第一字形臂的第三射线照相字形元件；

从所述第二射线照相字形元件延伸出的第二字形臂；以及

联接至所述第二字形臂的第四射线照相字形元件。

13.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括：

深度限制部，所述深度限制部被设置在所述第二射线照相字形元件与所述第二端之间。

14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一端包括三叶形横截面轮廓。

15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述脊柱销还包括工具接合特征，并且其中，所述系统还包括脊柱销插入器，所述脊柱销插入器被构造为与所述工具接合特征联接并且便于所述脊柱销的插入。

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