基于全身肌肉骨骼建模和姿势优化的术后整体矢状对准的预测

本申请要求于2019年1月14日提交的美国临时申请No.62/792349的权益和优先权，其全部公开内容通过引用合并于此。

技术领域

本公开描述了基于生物力学模型的模拟的术后矢状对准的预测。

背景技术

维持直立身体姿势和水平凝视的能力需要适当的站立平衡和正常的脊髓骨盆矢状对准。在一些研究中已经证明了不对准与健康相关的生活质量降低之间的关系，突出了当计划脊柱手术时考虑矢状平衡的重要性。这不仅适用于畸形，而且适用于退化情况，因为即使局部不对准也会扭曲最佳的整体平衡，从而导致疼痛和残疾。

发明内容

在一个实施方式中，用于对象的脊柱病理学或脊柱畸形矫正的手术计划和评估的系统包括控制单元、输入装置和显示装置。控制单元被构造成将生物力学模型的一个或多个脊椎体对准到放射照片的一个或多个脊椎体。控制单元还被构造成接收一个或多个脊柱矫正输入。控制单元还被构造成基于所接收的一个或多个脊柱矫正输入，以预定姿势模拟生物力学模型。控制单元还被构造成提供所模拟的生物力学模型的一个或多个特性的显示。

在另一个实施方式中，用于对象的脊柱畸形矫正的手术计划和评估的方法包括将生物力学模型的一个或多个脊椎体对准到放射照片的一个或多个脊椎体。该方法还包括接收一个或多个脊柱矫正输入。该方法还包括基于所接收的一个或多个脊柱矫正输入，以预定姿势模拟生物力学模型。该方法还包括提供所模拟的生物力学模型的一个或多个特性的显示。

附图说明

通过结合附图阅读本说明书，本发明的许多优点对于本领域技术人员将是显而易见的，其中相同的附图标记应用于相同的元件，并且其中：

图1示出了根据本公开的实施方式的用于执行外科手术的示例系统；

图2示出了根据本公开的实施方式的生物力学模型的示例图；

图3示出了根据本公开的实施方式的两个脊椎体的示例图；

图4示出了根据本公开的实施方式的两个脊椎体的另一示例图；

图5示出了根据本公开的实施方式的两个脊椎体和植入物的示例图；

图6示出了根据本公开的实施方式的示例工作流程图；

图7示出了根据本公开的实施方式的示例流程图；

图8示出了根据本公开的实施方式的示例计算机可读介质。

具体实施方式

下面描述本发明的说明性实施方式。为了清楚起见，在本说明书中没有描述实际实现方式的所有特征。当然，应了解，在开发任何此种实际实施方式时，必须作出许多与实施方式相关的决定以激活开发者的特定目标，例如符合与系统相关及与商业相关的限制，这些限制将根据实现方式而变化。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的本领域普通技术人员来说仍然是常规任务。此外，容易理解，尽管下面讨论的主要在脊柱手术的范围内，但是本发明的系统和方法可以在任何数量的解剖学设定中使用，以接近整个身体的任何数量的不同手术目标部位。

现在参考附图，图1是用于执行外科手术的示例系统100的图示。示例系统100包括支撑C形臂成像装置103的基部单元102。C形臂103包括定位在患者P下方并将辐射射束向上引导到接收器105的辐射源104。C形臂103的接收器105将图像数据发送到控制单元122。控制单元122可以与跟踪装置130通信以获得在外科手术期间使用的各种器械(例如，器械T)的位置和定向信息。

基部单元102包括控制面板110，用户可以通过该控制面板控制C形臂103的位置以及辐射暴露。因此，控制面板110允许放射技师在外科医生的指导下获取手术部位的图像，控制辐射剂量，并启动辐射脉冲图像。

C形臂103可以围绕平行于患者P的轴线旋转，以获取手术部位的不同视角。在一些情况下，植入物或器械T可能位于手术部位，需要改变视角以便无阻碍地观察该部位。因此，接收器相对于患者P的位置，更具体地说相对于感兴趣的手术部位的位置，可以在手术过程期间根据外科医生或放射科医师的需要而改变。因此，接收器105可以包括安装在其上的跟踪目标106，该跟踪目标允许使用跟踪装置130跟踪C形臂103的位置。仅作为示例，跟踪目标106可包括围绕目标间隔开的多个红外(IR)反射器或发射器，而跟踪装置130被构造成根据由跟踪目标106反射或发射的IR信号来对接收器105的位置进行三角测量。

控制单元122可以包括与其相关联的数字存储器和用于执行数字和软件指令的处理器。控制单元122还可以结合使用帧抓取器技术的帧抓取器以创建数字图像，以用于作为显示装置126上的显示器123和124进行投影。显示器123和124被定位成在手术期间由外科医生交互式地观看。两个显示器123和124可以用于从两个视图显示图像，例如横向和A/P，或者可以显示手术部位的基线扫描和电流扫描，或者电流扫描和基于先前基线扫描和低辐射电流扫描的“合并”扫描。诸如键盘或触摸屏的输入装置125可以允许外科医生选择和操纵屏幕上的图像。应当理解，输入装置可以包括与由控制单元122实现的各种任务和特征对应的键或触摸屏图标的阵列。控制单元122包括将从接收器105获得的图像数据转换为数字格式的处理器。在一个示例中，控制单元122被构造成从对象接收X射线数据、计算机断层扫描成像数据、磁共振成像数据或双平面X射线数据。在一些情况下，C形臂103可以在电影曝光模式下工作，并且每秒生成许多图像。在这些情况下，可以在短时间段内将多个图像一起平均成单个图像，以减少运动伪影和噪声。

在一个示例中，控制单元122被构造成确定对象的一个或多个脊椎体的数字化位置。脊椎体可以是例如颈椎、胸椎、腰椎、骶骨或尾骨。在一个示例中，控制单元122包括软件，该软件被构造成接收、收集和/或确定分别对应于一个或多个脊椎体的任何数量的位置的一个或多个数字化位置。在另一示例中，控制单元122可从对象的充分详细地描绘脊椎体的任何数据源收集数字化位置，包括但不限于对象的X射线图像、计算机断层扫描图像、磁共振成像图像或双平面X射线图像。在一个示例中，控制单元122可以包含图像识别软件，由此控制单元122将所提供的数据数字化，诸如对象的X射线图像、计算机断层扫描图像、磁共振成像图像或双平面X射线图像，并且控制单元122可以基于来自图像识别软件的输出来选择数字化位置。例如，图像识别软件可以处理图像，识别和发送位置，例如一个或多个脊椎体的拐角。在一些实施方式中，该处理和识别是自动的，而在其它实施方式中，用户从提供给控制单元122的数据手动选择或验证位置，使得控制单元122从用户接收数字化位置。在又一个实施方式中，数字化位置从数字成像部件(例如数字射线照相系统)被数字地接收。

跟踪装置130可包括用于确定与外科手术中使用的各种元件(例如，红外反射器或发射器)相关联的位置数据的传感器。在一个示例中，传感器可以是电荷耦合装置(CCD)图像传感器。在另一示例中，传感器可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。还设想可以使用不同数量的其它图像传感器来实现所描述的功能。

虽然在图1中示出的控制单元122是在手术室或外科手术室内的手术系统的背景下，但是可以设想，控制单元122可以用于手术计划，其中输入装置125和显示装置126没有图1中示出的系统的其余部件。

图2是全身通用生物力学模型200的示例图。生物力学模型200包括连接至一个或多个刚性体节段214、216、218、220和222的肌肉202、204、206、208、210、212和224。如图所示，生物力学模型200处于站立姿势。在另一示例中，生物力学模型200处于不同的预定姿势，诸如就坐姿势。可以设想，预定姿势可包括本文未描述的其它姿势。

在一个示例中，生物力学模型200是人类对象的肌肉骨骼模型。在一个示例中，肌肉骨骼模型包括若干元素，诸如骨骼(例如，刚性体)、关节(例如，移动器、约束和力)、接触元件(例如，刚性约束和顺应力)以及韧带和肌肉致动器(例如，力)。在一个示例中，肌肉骨骼模型的元素基于用户定义的函数。例如，用户定义的函数可以与诸如两个脊椎体之间的最大角度的约束相关联。在一个示例中，从关节跨越的肌肉经由腱和韧带连接到骨骼。作为示例，肌肉能够产生力和运动。在另一个示例中，肌肉骨骼模型包括一个或多个脊髓骨盆参数、韧带参数、肌肉参数和关节运动学。

根据一个实施方式，生物力学模型200被定制为表示患者特定参数。患者特定参数包括例如体重和身高、肌肉强度以及诸如骨盆入射角、骶骨倾斜角和骨盆倾斜的脊髓骨盆参数，该患者特定参数用于确定患者脊柱的矢状曲率。在另一个示例中，脊髓骨盆参数可以包括腰部脊柱前凸、胸部脊柱后凸和C7铅垂线的矢状平移。在另一个示例中，脊髓骨盆参数可以包括脊椎体的相对位置和角度。在一个示例中，韧带参数可以包括近似松弛长度和力-长度关系的系数。

在一个示例中，关节运动学包括肌肉骨骼模型的两个连续节段之间的相对运动。在一个示例中，两个连续节段(例如，刚性体)的分析需要知道标量以限定所涉及的链路的相对运动。例如，标量可以根据相对于人体解剖结构的三个旋转和三个平移来描述。在一个示例中，为了分析关节运动范围，关节运动学可以考虑在一个或多个平面中的运动范围的表征，所述平面诸如矢状平面(即，纵向平面)、横向平面(即，轴向平面或水平平面)和额状面(即，冠状平面)。

图3示出了由将患者特定参数应用于图2的通用生物力学模型200而生成的两个脊椎体302、304的患者特定生物力学模型的示例图300。如图所示，两个脊椎体302、304相对于彼此成给定角度306，并彼此相距给定距离308。

根据示例性实施方式，在手术前拍摄患者的放射照片。可以在患者处于站立姿势时获取放射照片。替代地，可以在患者处于除站立之外的姿势时例如处于俯卧或仰卧位置时来获取放射照片。在手术计划期间，将放射照片传输到控制单元，并且控制单元被构造成将生物力学模型200中表示的一个或多个脊椎体对准到患者的术前放射照片的一个或多个脊椎体，从而创建患者特定的生物力学模型200。在一个示例中，一个或多个脊椎体的对准可包括修改生物力学模型200以表示对象特定的脊髓骨盆矢状对准、脊椎体的形态测定、体重和身高以及肌肉强度(例如，最大允许的主动力)。基于术前放射照片和附加的患者特定参数的输入，患者特定模型200中表示的单个椎骨可以被变形以反映矢状平面中的脊柱曲率，例如，如图4中所示。

根据另一示例，患者的放射照片可以在手术中使用如图1所示的系统来拍摄。根据该示例性实施方式，控制单元122与诸如C形臂的成像系统通信，并且接收在手术期间或刚好在手术之前由成像系统获取的对象的放射照片。术中成像可以用于创建患者特定的生物力学模型200或更新术前创建的现有的患者特定的生物力学模型200。

图4示出了由患者特定的生物力学模型200表示的两个脊椎体302、304的示例图400，该患者特定的生物力学模型是从根据患者的术前放射照片对应的脊椎体变形的图3的通用生物力学模型200生成的。如图4所示，实际患者的两个脊椎体302、304之间的给定角度406小于图3所示的通用生物力学模型200的两个脊椎体302、304之间的给定角度306。此外，图4中的实际患者的两个脊椎体302、304之间的给定距离408小于图3中的通用生物力学模型200的两个脊椎体302、304之间的给定高度308。在一个示例中，实际患者的脊椎体之间的高度差异或角度差异与通用生物力学模型200所表示的更典型的脊柱的高度差异或角度差异可能是由于病理如椎关节强硬所致。

在一个示例中，控制单元122可以被构造成预测或确定模拟的手术矫正将如何影响术后患者的姿势。图5示出了患者特定的生物力学模型200的示例图500，其示出了两个脊椎体302、304，其中植入物510定位在两个脊椎体302、304之间。如图5所示，在插入植入物510之后，脊椎体302、304之间的给定角度506大于插入植入物510之前脊椎体302、304之间的给定角度406(图4)。此外，两个脊椎体302、304之间的给定距离508大于插入植入物510之前两个脊椎体302、304之间的给定距离408。虽然示例性实施方式被示出为使用椎间植入物作为手术矫正，但是可以设想，也可以利用生物力学模型模拟使用其它类型的植入物的其它手术矫正和/或对患者脊柱的修改(包括移除骨骼的全部或部分)或操纵。

基于如图5中示例性示出的两个脊椎体302、304的所接收的一个或多个脊柱矫正输入(例如，模拟植入物510的插入)，控制单元122被构造成模拟处于预定姿势的生物力学模型200。在一个示例中，对融合的或固定的节段(例如，具有植入物510插入其间的脊椎体302、304)施加刚性约束，这使得在给定平面内没有运动，但允许完全的力和力矩传递。

在一个示例中，控制单元122被构造成考虑手术矫正输入来模拟患者的预测的整体姿势。作为示例，通过控制脚踝关节上的身体质心的水平位置来模拟站立身体姿势。在该示例中，颅骨的整体旋转被约束以对水平凝视建模。在姿势优化期间，可以改变膝盖弯曲、骨盆倾斜、腰部和胸部补偿角度。在一个示例中，使用相对节段活动性的比率，腰部和胸部曲率的改变被分布在各个节段之间。

逆动力学是指通过以逆反方式求解给定机械系统的牛顿运动方程来从已知位移估计未知力。关于肌肉骨骼建模，一些感兴趣的力是负责支撑身体姿势或运动的内部肌肉和关节反力量。由于大量的肌肉，运动方程不具有基于肌肉激活的无限数量的组合的唯一解，这可以产生模拟的身体运动学。在一个示例中，肌肉恢复健康标准是基于立方肌肉活动的总和。立方肌肉活动的总和可以基于对象内的各肌肉群的相互作用而使肌肉力量最小化。

在一个示例中，姿势预测可以通过使用逆-逆动态方法来确定，如图6中的示例工作流600所示。在逆-逆动态方法中，添加附加优化回路以基于逆动态模拟的输出反复地调节运动学(例如，姿势)。在一个示例中，模拟预测的肌肉力量可以用作目标函数以在努力找到最佳姿势时被最小化。作为示例，选择最小肌肉消耗作为姿势最优性标准可以对应于经济锥的原理(即，理想的脊柱对准允许具有最小肌肉能量的站立姿势)。在一个示例中，在姿势优化期间，同时优化未融合节段处的胸部和腰部补偿的角度、骨盆倾斜和膝盖弯曲，直到找到解决方案。在一个示例中，控制单元122被构造成实现如工作流600中所描绘的逆-逆动态方法。

参考图6，如方框602所示，控制单元122被构造成接收已针对患者定制的生物力学模型(例如，生物力学模型200)，如本文所述。在一个示例中，用户可选择应用一个或多个逻辑参数，使得生物力学模型维持脚踝上的质心；维持恒定的水平凝视；以姿势肌肉能量被最小化的姿势站立；具有在成像期间与患者匹配的臂位置；没有冠状平面变形，或者这些逻辑参数的任何组合。

如方框604所示，控制单元122被构造成执行运动学分析。在一个示例中，运动学分析包括针对患者的典型活动(例如，就坐、站立、行走等)和针对基本人体运动来模拟全身中的节段的位置、速度和加速度。在一个示例中，控制单元被构造成利用患者的解剖特性来模拟手术矫正(例如，将植入物510插入脊椎体302、304之间)。作为示例，患者的解剖特性可以包括脊椎体的尺寸和形状、肌肉附着部位和关节旋转中心的位置。

如方框606所示，控制单元122被构造成确定一个或多个运动方程。在一个示例中，一个或多个运动方程可用于确定生物力学模型200的各个元件的位置、速度和加速度中的一者或多者。在另一示例中，一个或多个运动方程可用于确定作用于生物力学模型200的各个元件上的力和扭矩中的一者或多者。

如方框608所示，控制单元122被构造成解决肌肉恢复健康问题。在一个示例中，肌肉恢复健康问题可以包括对与对象的一个或多个姿势对应的肌肉力数据或肌肉激活数据的优化。

如方框610所示，控制单元122被构造成输出在工作流600的先前步骤中确定的肌肉和关节力。如方框612所示，控制单元122被构造成确定是否已经满足姿势最优性标准。如果姿势最优性标准已被满足，则工作流600结束于方框618。否则，控制单元122进行到工作流600的方框614。例如，姿势最优性标准可以包括最小肌肉力量、最小矢状不平衡和一个或多个脊椎体上的最小负荷中的一者或多者。

如方框614所示，控制单元122被构造成更新优化的变量。在一个示例中，优化变量可以包括脊髓骨盆参数、腰部补偿、胸部补偿、颈部补偿、骨盆倾斜、髋部弯曲、膝盖弯曲、脚踝弯曲或身体质心的位置。

如方框616所示，控制单元被构造成确定一个或多个姿势测量。例如，姿势测量可包括胸部补偿、腰部补偿、骨盆倾斜和膝盖弯曲中的一者或多者。

图7是根据本文所述的至少一个或多个实施方式的在外科手术期间的示例性方法的流程图。尽管以顺序次序说明每个图中的方框，但在一些示例中，可并行地和/或以不同于本文中描述的次序执行所述方框。而且，基于期望的实现方式，可以将各个方框合并成更少的方框、分成附加的方框和/或移除。

另外，图7的流程图示出了本实施方式的可能实现方式的功能和操作。在这点上，每个方框可以表示程序代码的模块、节段或部分，该程序代码包括可由处理器执行以实现过程中的特定逻辑功能或步骤的一个或多个指令。程序代码可以存储在任何类型的计算机可读介质上，例如，诸如包括磁盘或硬盘驱动器的存储装置。计算机可读介质可以包括短期存储数据的非暂时性计算机可读介质，例如寄存器存储器、处理器高速缓存或随机存取存储器(RAM)，和/或永久性长期存储装置，例如只读存储器(ROM)、光盘或磁盘或光盘只读存储器(CD-ROM)。计算机可读介质可以能够或包括任何其它易失性或非易失性存储系统。计算机可读介质可以被认为是例如计算机可读存储介质、有形存储装置或其它制品。

替代地，图7中的每个方框可以表示被连线以执行该过程中的特定逻辑功能的电路系统。诸如图7中所示的那些说明性方法可以全部或部分地由图1的云和/或系统100中的一个或多个部件来执行。然而，应当理解，示例方法可以替代地由其它实体或实体的组合(即，由其它计算装置和/或计算机装置的组合)来执行，而不脱离本发明的范围。例如，图7的方法的功能可以完全由计算装置(或计算装置的部件，诸如一个或多个处理器)来执行，或者可以跨计算装置的多个部件、跨多个计算装置(例如，图1的控制单元122)和/或跨服务器分布。

参考图7，在外科手术期间的示例性方法700可以包括如由方框702-708所示的一个或多个操作、功能或动作。在一个实施方式中，方法700全部或部分地由图1的系统100实现。根据另一个实施方式，方法700全部或部分地由手术室中的计算装置实现，该计算装置可以与图1的系统100的一个或多个部件通信。根据又一个实施方式，方法700全部或部分地由手术室或外科手术室外部的计算装置实现，例如，在外科医生的办公室或进行手术计划的任何位置。

如方框702所示，方法700包括将生物力学模型的一个或多个脊椎体对准到实际患者的放射照片的一个或多个脊椎体。在一个示例中，生物力学模型包括对象的肌肉骨骼模型。在一个示例中，肌肉骨骼模型包括脊髓骨盆参数、韧带参数和关节运动学中的一者或多者。在一个示例中，肌肉骨骼模型的处理包括逆-逆动力学建模。在另一示例中，该方法还包括基于放射照片的一个或多个脊椎体生成矢状曲率轮廓。在一个示例中，对准生物力学模型的一个或多个脊椎体包括修改生物力学模型以匹配矢状曲率轮廓。作为示例，修改生物力学模型可包括确定一个或多个脊椎体的比例、调节一个或多个脊椎体的定位以及使模拟的对象解剖结构变形中的一者或多者。

如方框704所示，方法700包括接收一个或多个脊柱矫正输入。在一个示例中，一个或多个脊柱矫正输入包括一个或多个脊椎体之间的椎间高度和角度的一个或多个改变。在一个示例中，一个或多个脊柱矫正输入包括模拟一个或多个脊椎体之间的一个或多个脊柱植入物。在另一个示例中，一个或多个脊柱矫正输入包括模拟多个脊椎体之间的一个或多个椎间盘的移除。

如方框706所示，方法700包括基于接收的一个或多个脊柱矫正输入模拟以预定姿势的生物力学模型。在一个示例中，预定姿势是站立身体姿势。在一个示例中，根据生物力学模型内的质心的位置来确定站立身体姿势。在另一个示例中，预定姿势是就坐身体姿势。

如方框708所示，方法700包括提供模拟的生物力学模型的一个或多个特征的显示。在一个示例中，模拟生物力学模型的特性可包括患者的肌肉激活的值、脊柱前凸的值、脊柱后凸的值和Cobb角度的值的任何组合。在另一示例中，一个或多个特征可包括与一个或多个脊椎体上的最小肌肉力量、最小矢状不平衡和最小负荷对应的一个或多个值。

图8描绘了根据示例实施方式构造的示例计算机可读介质。在示例实施方式中，示例系统可以包括一个或多个处理器、一种或多种形式的存储器、一个或多个输入装置/接口、一个或多个输出装置/接口以及机器可读指令，当由一个或多个处理器执行所述机器可读指令时，使得系统执行上述各种功能、任务、能力等。

如上所述，在一些实施方式中，所公开的技术可以由以机器可读格式编码在计算机可读存储介质上或其它介质或制品上的计算机程序指令来实现。图8是示出根据本文公开的至少一些实施方式布置的示例计算机程序产品的概念局部视图的示意图，该示例计算机程序产品包括用于在计算装置上执行计算机过程的计算机程序。

在一个实施方式中，使用信号承载介质802提供示例计算机程序产品800。信号承载介质802可以包括一个或多个编程指令804，当由一个或多个处理器执行时所述编程指令可以提供上面关于图1至图7描述的功能或部分功能。在一些示例中，信号承载介质802可以是计算机可读介质806，例如但不限于硬盘驱动器、光盘(CD)、数字视频盘(DVD)、数字磁带、存储器等。在一些实现方式中，信号承载介质702可以是计算机可记录介质808，诸如但不限于存储器、读/写(R/W)CD、R/WDVD等。在一些实现方式中，信号承载介质802可以是通信介质810(例如，光纤线缆、波导、有线通信链路等)。因此，例如，信号承载介质802可以由无线形式的通信介质810来传送。

一个或多个编程指令804可以是例如计算机可执行和/或逻辑实现的指令。在一些示例中，计算装置可以被构造成响应于由计算机可读介质806、计算机可记录介质808和/或通信介质810中的一者或多者向计算装置传送的编程指令804而提供各种操作、功能或动作。

计算机可读介质806还可以分布在多个数据存储元件中，这些数据存储元件可以彼此远离定位。执行一些或所有存储的指令的计算装置可以是外部计算机或移动计算平台，诸如智能电话、平板装置、个人计算机、可穿戴装置等。替代地，执行一些或所有存储的指令的计算装置可以是远程定位的计算机系统，例如服务器。

应当理解，本文描述的布置仅用于示例的目的。因此，本领域技术人员将理解，可以替代地使用其它布置和其它元件(例如，机器、接口、功能、顺序和功能分组等)，并且根据期望的结果，可以完全省略一些元件。此外，所描述的许多元件是功能实体，所述功能实体可以被实现为离散的或分布式的部件或与其它部件相结合地以任何合适的组合和位置来实现，或者被描述为独立结构的其它结构元件可以被组合。