技术领域
本发明涉及用于矫正脊柱变形的手术规划领域，特别涉及通过使用在患者的脊柱的相当长的长度上测得的脊柱移动性限制来规划具有最小手术矫正步骤的矫正流程。
背景技术
最近已经广泛研究了矢状面分析和全局矢状平衡以及与之相关联的参数的重要性，例如在以下文章中公开的：J.M.Cavanilles-Walker等人发表的题为“Adult Spinal Deformity:Sagittal Imbalance”(International Journal of Orthopedics，第1卷，第3期，第64-72页，2014年)的文章，以及D.Deinlein等人发表的题为“Correlation of Pelvic and Spinal Parameters in Adult Deformity Patients with Neutral Sagittal Imbalance”(Spine Deformity，第1卷，第458-463页，2013年)的文章，以及M.Akbar等人发表的题为“Use of Surgimap Spine In Sagittal Plane Analysis,Osteotomy Planning and Correction Calculation”(Neurosurg.Clin.N.Am.，第24卷，第163-172页，2013年)的文章，以及V.Lafage等人发表的题为“Spino-Pelvic Parameters after Surgery can be Predicted”(SPINE，第36卷，第13号，第1037-1045页，2011年)的文章。
矫正脊柱变形的主要目的之一是使患者自然保持平衡而不会在保持平衡时遭受任何压力或疼痛。在正常人中，平衡是由脊柱弯曲的各种角度以及某些脊柱解剖结构之间的特定距离来决定的。这些角度和距离(特别是矢状面中的腰椎前凸和胸椎后凸以及某些骨盆参数以及冠状面和顶椎椎骨平移中的Cobb角)具有一定的接受的“正常”值，包括标准差余量，使得当具有正常弯曲的脊柱的人站直时，在他没有背痛或背痛最小的姿势下，这些角度和线性距离在被定义为正常的范围内。正如在上面引用的Cavanilles的文章以及其他文章中所述，骨盆、脊柱前凸节段和脊柱后凸节段的主要用途是在能量高效的位置处平衡骨盆上方的头部，允许C7铅垂线(从C7椎体中心画出的垂直线)尽可能靠近S1的后上角。该线被称为矢状垂直轴(SVA)，尽管它只是用于确定正确脊柱姿态的一个替代参数，但它是当前评估矢状面变形中最常用的放射摄影参数之一。另一个常用的这种参数包括T1脊柱-骨盆倾角(T1SP1)。另外，还会使用许多冠状测量结果。
现在参考图1，如由J.Dubousset在书籍“The Pediatric Spine:Principles and Practice”(Raven Press，NY，第479-496页，1994年)中发表的文章“Three-dimensional analysis of the scoliotic deformity”中所教导的。图1示意性地图示了所谓的“经济锥体”，即，对象在其中感觉到他/她的身体保持在人体工程学上有利的平衡位置的空间体积，其中，最优位置当然在锥体的中心。偏离出该锥体外都需要外部支持以使对象感觉平衡。如下所述，任何足够严重的脊柱变形都可能导致对象的姿势落在该锥体外，并且有许多脊柱参数用于表征何时出现这种情况。
在具有健康的脊柱仪态的对象中，SVA应该距离S1的后上角不超过几毫米。如果对象患有脊柱变形而导致SVA发散较大，那么这个人可能感觉到他是不平衡的，并且大脑不断指导这个人绷紧他的姿势以试图矫正其平衡，这通常会导致背痛，并且在恢复患者的平衡或稳定性方面并不总是有效。为了保持某种形式的矢状平衡，患者可以使用不同的补偿机制，例如，盆腔后倾、髋关节伸展或膝关节屈曲。这些机制的主要目标是让患者以能量高效的方式保持直立位置。保持这些位置而抵抗患者脊柱的临床状态会产生疲劳以及肌肉或骨骼背痛，这可能需要或可能不需要手术矫正，但一旦脊柱变形足够大而超过这些补偿机制，通常需要手术介入。
这种手术矫正被设计为实现矢状面对齐的恢复，并且能够包括融合手术和截骨手术两者以及软组织(韧带)松解。脊柱截骨术常被用作脊柱重建手术的一部分以实现脊柱平衡、稳定性和正确的脊柱对齐。从一个或多个椎骨节段的部分切除骨楔以使脊柱与更好的弯曲重新对齐，从而提供更好的矢状平衡。已经开发出几种不同的截骨手术，包括Smith-Peterson截骨术、椎弓根截骨术和脊柱切除术，其中的一些截骨手术已经使用了几十年。但是，如果不准确地完成矫正，那么这个人可能仍然有不平衡和/或疼痛的感觉，并且可能会继续尝试“伸直”他的背部或者纠正他的姿势，而没有在一般意义上成功地处理掉他的问题。如将在下文中所讨论的，这种情况可能源于用于规划脊柱弯曲矫正的程序的非迭代性质，或者源于外科医生经常凭借直觉做出的决定的性质。这些情况的范例能够在H.Koller等人发表的题为“Long-term investigation of nonsurgical treatment for thoracolumbar and lumbar burst fractures:an outcome analysis in sight of spinopelvic balance”(Eur.Spine J.，第17卷，第8号，第1073-1095页，2008年8月)的文章中找到。
商业上有许多软件程序可供使用，它们被设计用于协助医生规划最优手术流程以矫正这种脊柱变形。这些程序中的大部分程序都在2维X射线图像上运行，但有些程序提供基于3-D CT或MRI图像数据集的规划例程。
已经提出了大量用于定义脊柱几何形状的参数。一种当前可用的软件套件具有超过20个参数，医生能够在规划手术的过程中操纵这些参数以恢复患者脊柱的正确姿态。该软件能够“在几次简单点击中进行的20次测量上”进行计算，以便规划正确的矢状对齐。医生使用脊柱的2D矢状面图像并对图像上的椎骨位置进行虚拟调整，从而在脊柱图像中产生更大或更小的弯曲以获得估计的最优弯曲。
然而，由于规划手术的复杂性，在实践中，通常要做的是外科医生在查看图像时根据他的最佳判断和直觉进行切割。如上所述，这是因为医生为了选择正确的切除手术而必须操纵的参数具有复杂性和多样性。另外，规划是对在取自患者站立时但却针对患者在仰卧位与站立位之间的脊柱的不同形式进行矫正时预先获得的静态图像(或在3D成像过程的情况下为图像集合)上执行的。在从处于俯卧位的患者的CT数据集获得图像的情况下，与手术期间类似，不需要这种矫正。
一些现有技术的用于以图形形式预测针对矫正手术的计划的软件程序建议二维矫正，因此并没有展示出例如冠状矫正将如何影响轴向面和矢状面，反之亦然。此外，外科医生通常基于局部来规划对患者的脊柱弯曲的矫正，对于每个矫正步骤仅考虑一对或几块椎骨，并且通常基于外科医生的经验、知识和直觉，而不是基于测量参数。因此需要使用定量数据来扩大这种大致定性的矫正方法。在最近估计的统计结果中，目前使用的方法可能具有局限性，在成人中多达三分之一的脊柱后凸手术是对先前试图进行的矫正的修正，并且在儿科病例中多达7％的侧凸矫正需要修正。
用于对脊柱矫正手术进行规划的可能的软件程序的问题之一可能是它们可能被认为是以类似于图形工程设计程序的方式运行。可以像工程师例如使用CAD程序设计产品那样来调整患者的脊柱。在图形规划中，任何事物都可以实现所需的形状。然而，患者的脊柱结构由于每个椎骨与椎骨的临床情况而具有预先存在的限制。因此，尽管通过截骨术和融合术矫正有缺陷的脊柱弯曲可能出现在虚拟规划程序中，但是患者背部的临床限制可能使得无法成功完成这种流程。并且即使实现了这样的矫正，也可能会付出相比于通过手术会更经济的整体方法(例如，本公开内容中将要描述的方法)对更多的椎骨进行手术的代价。
因此需要一种能够产生用于脊柱弯曲矫正的手术计划的系统和方法，所述系统和方法优选考虑患者的运动范围的个体能力，并且针对患者的变形提供更准确的临床矫正计划。
通过引用将在本部分和说明书的其他部分中提及的每个出版物的公开内容整体并入本文。
发明内容
本公开内容所描述的方法通过预先分析节段或甚至脊柱中个体椎骨的刚性和移动性来实现对脊柱手术矫正流程的规划，并且因此协助外科医生预先规划所使用的手术流程。这可能会降低手术流程的水平，例如，在矫正中执行的截骨术或后路松解。
为了克服不考虑特定患者的脊柱的椎骨的刚性和移动性的现有技术的手术规划程序的局限性，当前提出的方法和系统使用多幅术前图像(最方便的是二维X射线图像)以确定基本上所有的患者椎骨的运动极限或动态运动范围，包括那些最终不需要经受手术流程的椎骨。然后可以使用这些成像限制来限制要规划的矫正流程，使得更准确地考虑患者的个人临床情况。为了实现这个目标，在患者的脊柱处于不同的预定义位置时拍摄大量的额外的X射线图像。因此，在告知患者尽可能舒适地弯曲脊柱时拍摄图像，以便确定针对该特定患者的脊柱运动的自然限制。在本公开内容中，这种弯曲可以任选地被称为并且因此被声称为“最大弯曲”、“完全弯曲”、“可实现弯曲的极限”或类似术语，并且应当理解，这些术语表示类似动作，但并不旨在表示更大或更小的弯曲水平。典型地，这样的弯曲图像在四个不同的方向上产生：即，患者向左弯曲和向右弯曲，以及患者屈曲和伸展。另外，也采集了患者直立的X射线图像，包括AP和侧位，因此总共提供了多达六幅独立的图像，示出了患者的脊柱在每一个椎骨处的运动局限性。也可以任选地使用在两个方向上扭曲的脊柱的图像来提供额外的数据，并且也可以使用可以为确定脊柱移动性提供有用数据的任何其他患者位置。
从这些准备性2D图像获得的信息因此定义了每个椎骨对的生物力学性质，表征了每个椎骨相对于其直接相邻的椎骨的刚性和运动极限。实际上，初步的2D图像使得能够对要执行的患者的脊柱硬度进行全面研究，示出了脊柱移动性的弱点和强点，并且使得手术能够被集中在患者脊柱的更硬区域。外科医生还能够规划哪些脊柱解剖特征需要通过切除术来“松解”，哪些解剖结构不需要切除，这些信息是重要的，因为通过避免手术矫正，该区域中的韧带结构被保留，这是维持脊柱稳定性的重要因素。
基于脊柱的CT图像数据，能够将椎骨的图像及其局部运动极限植入到脊柱的三维图像集中。使用特定患者的脊柱的真实CT图像而不是通常在一些现有技术方法中使用的脊柱的标准模型，基于从患者的实际CT脊柱图像获得的患者的实际椎间运动能力，呈现了脊柱的运动极限的真实临床图片，包括患者的脊柱的所有异常和缺陷。这种布置的优点在于：能够在整个脊柱的全局运动上规划最优手术矫正，使得椎骨伸展不会超出患者解剖结构所允许的极限，除非这样的限制会阻止实现期望的总体弯曲。由于脊柱形状规划能够迭代地确定患者的哪个椎骨比其他椎骨更好地候选用于手术来协助实现所需的整体形状，因此脊柱的这种全局视图还使得能够以比现有技术布置更少的手术介入来获得期望的脊柱形状。因此，目前描述的方法应当推荐优先对具有最为刚性的生物力学性能的那些椎骨执行松解流程，因为这是在整个矫正流程中将获得最优益处的地方。
在一些现有技术布置中，外科医生通过使用一些参数定义理想的脊柱弯曲来简单地基于2D图像与理想情况的偏差来矫正脊柱弯曲。在显示器上“移动”虚拟脊柱图像以提供期望的弯曲和形状，使得选定的脊柱参数达到期望的值(以使脊柱仪态正常化为特征)。一旦该形状完成，外科医生随后检查所得到的期望的脊柱形状，包括测量由新的脊柱形状产生的角度和参数，并且确定哪个椎骨需要手术修改以满足期望的形状和弯曲。这种修改可以通过小面松解流程、用于充分改变椎骨取向的截骨术以及用于提供额外支撑的相邻椎骨之间的融合来释放椎间运动。然而，基于使局部补偿实现整体矫正图像的这种矫正可能并不是最优解决方案，因为它可能试图补偿不利区域处的弯曲。例如，当要在建议的位置处对椎骨进行手术矫正，而这些椎骨事实上具有提供最优整体脊柱形态所需的生物力学移动性而不用经历任何手术时，就会出现这种非最优解决方案。因此，如果在其他地方对脊柱上的其他椎骨进行调整，则可以提出较不剧烈的手术流程，使得第一椎骨能够利用其固有的生物力学移动性。同时，这样的现有技术解决方案可能忽略了在实现总体矢状平衡中补偿将会更有效的区域，因为根据监视器调整的脊柱图像所确定的对这些椎骨进行调整的明显的纯粹局部需要可能很低。这些技术可能需要切除特定椎骨的部分以使得脊柱在运动受限的那些区域能够进行局部运动。这是一种局部化的解决方案，因此可能需要进行比所需的更为剧烈的手术切除。
在本公开内容中描述的使用脊柱的全局视图的技术使得有可能通过在远离有问题的区域的椎骨中进行矫正来实现期望的运动，并且因此对在以前的流程中被识别为是患者问题的主要原因的椎骨使用较不剧烈的手术。
与现有技术方法相反，本公开内容中描述的方法之一能够利用产生所提出的脊柱重建的自动配准方法，其利用了每个椎骨和整个脊柱的椎骨能够执行的最大运动的包络。然后能够确定数学模型，该数学模型考虑了每个单独椎骨的移动性的限制，包括例如相邻椎骨的允许的相互运动。后者对于可能具有部分融合的相邻椎骨的患者来说非常重要，无论是自然的还是通过先前的手术流程。在这种情况下，当患者弯曲时，一些相邻的融合椎骨不会相对于彼此移动。本公开内容的规划程序考虑了这些临床限制并且将不允许局部运动与患者的椎骨在脊柱的这个区域中的预定限制相抵触的任何规划的弯曲模型。这会影响手术期间矫正的可能性——如果变形是结构性的，那么脊柱将不会与规划的融合棒对齐，除了通过手术松解该区域中的脊柱解剖结构。在规划的弯曲引起运动超过患者在该位置处的脊柱移动性的位置处，程序将指示在该椎骨水平处需要椎骨体的截骨切除术或者需要松解流程来移除小关节或椎弓根约束，以便实现期望的角度或位置矫正。因此，所提出的脊柱矫正受限于患者的临床能力。现有技术规划系统中通常不考虑这些限制。在目前提出的系统中，使执行规划的CT数学模型与患者的实际临床状态一致。因此，患者的脊柱可以被认为已经被转换成执行规划的数学模型。因此，在软件模型上以图形方式执行的任何建议的弯曲矫正都接近在客户自身的脊柱上执行的弯曲矫正。在这方面，如果不是完全自动的确定，外科医生从软件显示可获得的测量能力受到患者的脊柱的实际临床状态的限制，并且这种测量能力协助向外科医生提供所需的数据以使得基于患者的实际情况来制定正确的规划决策。由于考虑了患者的自然限制以及在数学方法中实施的建议最优对齐的补偿机制，这可能引起比现有技术的程序更不剧烈的手术。这与将脊柱模型调整为最优弯曲而不考虑由患者的个体临床数据确定的个体解剖/生物力学约束的现有技术情况形成对比。尽管现有技术的程序可以基于对脊柱模型的自动测量，但是当前提出的系统可以被认为涉及自动矫正指令。这些自动矫正指令不仅可以包括关于何处需要进行手术矫正以及需要进行何种手术矫正的手术指令，而且程序还可以例如根据提出的矫正而输出在建议融合的每个水平处使用的正确整形的棒，并且还能够提出用于固定这些棒的螺钉的位置和取向。该流程还能够向棒发出指令以弯曲装置，这将实现根据所提出的矫正在现场准备的正确整形的棒，如在与本申请为共同申请人的作为国际专利申请第WO 2016/088130号公开的标题为“Shaper for Vertebral Fixation Rods”的共同未决的PCT申请中所描述的。
因此，本发明的方法提供了一种用于通过以下操作来自动计算脊柱在三维空间的最优预测全局对齐建议的流程：分析脊柱规划前数据和脊柱规划后数据，同时考虑对象的椎骨水平的临床移动性的影响。
执行本公开内容的方法的结果使得能够获得对对象的脊柱对齐的更为全局的矫正，扩展超出外科医生处理的脊柱的感兴趣区域。这种全局方法引起可被称为头到脚的对齐，因为对象因此能够实现这样的情况：弹簧矫正使得能够实现通用平衡，例如，头部在脊柱中线处居中位于骨盆上方，并且不会从患者的重心线明显突出。因此，通过测量对象或身体的子部分的全身投影姿势(例如通过将头部位置评估为以身体重心以上的中线为中心，向前的视线平行于地面)来执行对齐评估或优化。替代地，能够使中立站立期间下肢关节的屈曲量最小化。因此，通过使用这些流程能够改善对象的姿势和稳定性。
尽管本发明的方法的上述总结已经在对矢状平衡缺乏的矫正方面做出了大量描述，但是应当理解，该方法还涉及矫正与脊柱侧凸相关的问题，并且使用三维分析模型使得这两个问题能够被同时且迭代地处理。
因此，根据本公开内容中描述的方法的示例性实施方式，提供了一种规划对对象的脊柱变形的矫正的方法，包括：
(i)导出处于竖立中立位置的对象的脊柱的三维图像，
(ii)执行对至少一幅三维图像的分割，使得表征所述脊柱的感兴趣区域中的椎骨的位置和取向，
(iii)通过分析处于所述对象的弯曲位的所述对象的脊柱的图像来确定所述椎骨的动态运动范围，
(iv)根据所述分割导出与所述感兴趣区域中的所述椎骨的对齐和位置相关的参数，
(v)确定所述参数是否落入针对所述对象的所述脊柱所期望的参数的可接受范围内，并且
(vi)对至少所述脊柱的所述感兴趣区域中的所述椎骨执行对齐优化，以使所述参数处于所述可接受范围内，从而减少所述对象的脊柱的所述脊柱变形，
其中，通过至少考虑由所述椎骨的所述动态运动范围引起的限制来执行所述对齐优化。
在这种方法中，所述对齐优化可以是通过还考虑所述对象的脊柱的整个长度上的生物力学考虑来执行的。在这些情况中的任一种情况下，所述参数可以涉及所述感兴趣区域中的所述椎骨沿着所述对象的脊柱产生的相互角度、投影和线性位置中的至少一些。此外，关于所述参数是否可能落入参数的可接受范围内的所述确定要么是通过图像处理来自动执行的，要么是通过对图像进行手动测量来执行的，要么是通过医学人员的判断或经验来执行的。
根据本公开内容的上述方法的另外的实施方式，至少考虑由所述椎骨的所述动态运动范围引起的限制可以包括以不超过所述动态运动范围的水平将所述椎骨的运动限制到修正的优化位置。替代地，所述的考虑由所述椎骨的所述动态运动范围引起的限制可以包括对所述脊柱的所述椎骨的无限制的对齐优化，接着对所述椎骨中的至少一些椎骨进行外科介入，所述至少一些椎骨的动态运动范围小于通过执行对所述脊柱的所述椎骨的所述无限制的对齐优化所强制执行的运动。
在上述方法中的任一种方法中，所述对象的所述弯曲位可以包括以下中的至少一个：向右弯曲、向左弯曲、屈曲弯曲、伸展弯曲，以及旋转。此外，用于减少脊柱变形的所述对齐优化可以包括：用于在冠状面中产生矫直的脊柱对齐的优化，或者在矢状面中的脊柱对齐的优化。在后一种情况下，在所述矢状面中的所述脊柱对齐的所述优化可以涉及根据产生小于预定值的矢状垂直轴偏移的流程来操纵矢状参数。
上述方法的其他实施方式涉及：确定所述椎骨的所述动态运动范围是通过确定在所述弯曲下的椎骨围绕其轴向轴、侧向轴和AP轴中的至少一个的旋转程度来执行的。替代地，确定所述椎骨的所述动态运动范围可以是通过将来自处于所述对象的弯曲位或站立位的二维图像的椎骨的图像与来自所述三维图像的对应椎骨的匹配图像进行配准来执行的。
在上述方法中的任一种方法中，对所述脊柱的所述椎骨的所述对齐优化可以包括根据脊柱-骨盆参数的预定值和所述对象的脊柱的补偿机制对所述对象的脊柱的所述三维图像的虚拟调整。
额外地，处于所述对象的弯曲位的所述对象的脊柱的所述图像可以要么是从所述对象的二维X射线图像中获得的，要么是从根据所述对象的三维图像集合导出的二维图像中获得的。处于竖立中立位的所述对象的脊柱的三维图像可以是通过对处于仰卧位或俯卧位的所述对象的脊柱的三维图像数据的预定转换而获得的。
上述方法中的任一种方法还可以包括以下步骤：产生至少一个融合棒的形状以将所述脊柱的所述椎骨保持在优化的对齐姿态中。这样的方法还可以包括定义椎骨的步骤，其中，建议对脊柱解剖结构进行手术矫正以实现所述对齐优化。在这种情况下，所述手术矫正包括后柱矫正或前柱矫正。
最后，在上述方法中，所述脊柱的感兴趣区域中的所述椎骨可以是个体椎骨，或者所述脊柱的感兴趣区域中的所述椎骨可以是包括多个邻接椎骨的脊柱节段。
其他示例性实施方式涉及一种规划对对象的脊柱变形的矫正的方法，包括：
(i)获得处于竖立中立位的所述对象的脊柱的三维图像，
(ii)获得处于由所述对象实现的完全弯曲位的所述对象的脊柱的额外的二维图像，
(iii)获得对处于所述完全弯曲位的所述患者的脊柱的椎骨的平移运动和定向运动中的至少一个的极限进行量化的至少一个参数，并且
(iv)根据用于减少在所述对象的脊柱的所述三维图像中明显可见的脊柱变形的流程来调整所述三维图像中所述椎骨的虚拟位置，
其中，调整所述椎骨的所述虚拟位置的所述步骤是通过考虑由对所述患者的脊柱的椎骨的平移运动和定向运动中的至少一个的所述极限进行量化的所述至少一个参数引起的限制来执行的。
在这种方法中，所述完全弯曲位包括以下中的至少一个：向右弯曲、向左弯曲、屈曲弯曲、伸展弯曲，以及旋转。此外，减少在所述对象的脊柱的所述三维图像中明显可见的脊柱变形的所述流程可以包括用于在冠状面中产生矫直的脊柱对齐的优化。替代地，减少在所述对象的脊柱的所述三维图像中明显可见的脊柱变形的所述流程可以包括在矢状面中的脊柱对齐的优化。在后一种情况下，在所述矢状面中的所述脊柱对齐的所述优化可以涉及根据产生小于预定值的矢状垂直轴偏移的流程来操纵矢状参数。
在后面提到的这些方法中的任一种方法中，所述至少一个参数可以是椎骨的轴向旋转、AP旋转或侧向旋转中的至少一个的程度。额外地，处于竖立中立位的所述对象的脊柱的所述三维图像可以是通过对处于仰卧位或俯卧位的所述对象的脊柱的三维图像数据的预定转换而获得的。
附图说明
结合附图，根据以下详细描述，将更全面地理解和认识本发明，在附图中：
图1示意性地示出了表示对象的正确平衡感的空间范围的锥体；
图2示意性地示出了图示用于分析对象的脊柱弯曲以预测并提供对提供脊柱的最优矫正对齐的过程的指令的方法的流程图；
图3A至图3E示意性地图示了如何能够执行对脊柱的椎骨的分离图像的自动分割和标记以及它们的角度对齐；
图4A至图4C图示了一种方法，通过该方法能够分别针对轴向、侧向和AP方向定义椎骨的旋转轴；并且
图5图示了为了实现具有可接受的全局平衡参数的最优平衡脊柱而执行的示例性迭代矢状对齐优化流程的流程图。
具体实施方式
现在参考图2，图2示出了示意性地图示根据本公开内容的用于分析对象的脊柱弯曲以预测并提供对提供脊柱的最优改善对齐的过程的推荐的示例性方法的典型流程图。在图2的流程图中使用的方法的每一个步骤的细节并不意味着是排他性特定的，并且只有某些方面涉及当前公开的方法的优点。需要进一步解释的步骤的细节在图2之后的附图中进行了图示。在本公开内容的整个详细描述部分中，Schwab参数用于定义矢状脊柱的位置和角度，这是在该领域中非常广泛使用的参数，并且Cobb角和其他相关参数用于定义冠状脊柱的位置和角度。
在步骤20中，获得对象脊柱的三维图像集，使得能够在三维中检查脊柱结构，并且如果设想的(一个或多个)脊柱部分的矫正有这样的需要，则能够在脊柱的整个长度上检查脊柱结构。图像集应当是处于直立位(被称为中立位或自然解剖姿态)的对象的脊柱的图像集。图像集可以是通过能够获得对象在站立时的三维图像的成像系统而直接获得的，或者替代地，如果三维图像集只能在对象躺下时获得，例如对于大多数CT成像系统，则必须在考虑脊柱竖立时因椎骨位置而发生的变化并因此承受负重的变化的情况下将俯卧图像集或仰卧图像集转换为竖立图像的表示。
在步骤21中，对感兴趣的脊柱的区域(这通常是脊柱的整个长度，但是本方法也可以应用于脊柱的有限节段)执行分割。每个椎骨的位置和取向可以通过使用特征提取来定义，但是能够提供这种数据的任何其他形式的图像处理同样是可接受的，例如，被配置为识别椎弓根、终板和椎管的图像处理例程。这可以通过标记与椎骨体的终板平行的平面来方便地执行，例如通过所使用的图像处理流程的特征提取技术来检测。在下面的图3A至图3D中描绘的冠状视图中示出了示例性侧凸变形脊柱的分割。在冠状面上，该流程的目的是获得在脊柱的整个长度上彼此平行的所有平面的最佳可能对齐，这相当于根据自然生物力学移动来矫直脊柱。
在步骤22中，根据分割测量来计算诸如矢状参数PI、PT、SS、LL、TK和SVA的脊柱对齐参数和诸如Cobb角的冠状参数以及诸如众所周知的AVT-T、AVT-L、CD和RAD参数的参数，并且在冠状面和矢状面中执行脊柱对齐优化以实现具有可接受的全局平衡参数的最优平衡脊柱。在下面的图5中概述了一个示例性的矢状优化流程，其中，SVA的预定最大值被用作用于确定优化是否达到其目的的确定性参数，但是也能够使用用于概述矢状优化的其他方案。通过对传统的脊柱对齐参数(例如上面提到的那些)应用预定的限制来执行优化。然而，这种对齐优化与现有技术的流程明显不同，因为根据本发明的方法，考虑了对象的椎骨中的每个椎骨的动态范围，以便通过对个体椎骨进行重新取向或重新定位来实现最优全局对齐。在这个优化步骤中也考虑了每个椎骨相对于其直接相邻的椎骨的解剖约束，例如，两个椎骨之间的距离、每个椎骨的旋转轴以及其他几何限制。额外地，重新对齐的分布还可以考虑针对脊柱不同部分的预期灵活性的任何生物力学规则，例如，下面提到的建议标准，即，应当对总体重新对齐进行划分，使得三分之一落在L1和L4之间，并且三分之二落入L4和S1之间。
通过在步骤23中首先产生在多个预定方向上弯曲到他/她的最大舒适能力的对象的许多二维X射线图像，可以最简单地获得椎骨中的每个椎骨的上述动态移动性范围。尽管二维X射线图像是获得对象的运动范围(ROM)的图像的最简单方法，但是应当理解，也能够使用获得这种二维信息的任何其他方法，例如从人弯曲和屈曲的三维图像集中导出这种二维信息。如步骤24所示，通常使用向左弯曲和向右弯曲，以便通过使用AP图像来确定椎骨在冠状视图中的灵活性或运动的程度，同时通过使用侧向图像获得对象的脊柱在矢状视图中的最大屈曲和伸展，如步骤25所示。可以通过产生对象将他/她的脊柱扭曲到最大舒适程度的2D X射线图像来获得额外的信息。包括直立的X射线图像，总共可以使用多达六幅二维X射线图像来定义对象的椎骨中的每个椎骨的动态移动性极限。在代替使用每个个体椎骨而使用完整的脊柱节段来执行本公开内容的方法的情况下，所获得的数据将针对这些脊柱节段。在下面的描述中，将遵循个体椎骨的对齐分析的情况。
能够通过以下两种方法之一来计算每个椎骨的动态范围：
(i)在步骤26中，通过以下操作来确定每个椎骨的轴向旋转：例如通过下面的图3中示出的方法来分析2D图像，并且使用基于2D X射线图像的自动轴向旋转测量的技术，如在P.Cerney等人在标题为“The Radiographic Method for Evaluation Of Axial Vertebral Rotation-Presentation of the New Method”(Scoliosis，第9卷，第11期，第1748-7161页，2014年)的文章中所描述的。举例来说，对于每个椎骨，能够以针对屈曲和延伸的最大弯曲角度以及向右和向左的弯曲极限以及AP角度和LT角度的形式对运动的极限进行制表。
(ii)替代地，在步骤27中，通过执行2D X射线图像中的每个椎骨的形状与CT图像中的对应椎骨之间的配准或空间相关性来计算动态范围，CT图像中的对应椎骨是根据由于将来自X射线图像的椎骨形状投影到CT图像的选定观察平面上而产生的最接近匹配来确定的。通过这种手段，从2D X射线图像获得的任何椎骨的弯曲限制能够被印记在椎骨的完全三维表示上。因此，通过将二维X射线图像配准到CT图像集，能够产生每个椎骨的三维模型，包括对象能够实现的三维运动范围。
考虑到由特定椎骨的动态范围施加的任何限制，确定椎骨的动态范围的这些方法中的任一种方法然后在步骤22中用作确定最优对齐的脊柱弯曲的输入。这些动态运动范围限制要么能够以微观水平进行应用，要么能够以更宏观的水平进行应用。在前一种情况下，在优化过程中，每一个椎骨能够改变到其受到可允许旋转的限制的取向和位置，这种可允许旋转的限制受到预先规划的2D X射线弯曲图像中获得的数据的限制。在更宏观的水平上，对椎骨的重新对齐的划分也可以由关于脊柱的部分的整体重新对齐的预定决定来控制，使得如果发生某个椎骨比例如其直接相邻的椎骨更严格地受到限制的情况，那么该方法能够决定在多个椎骨上重新分布整个需要的重新对齐，使得运动更受限的椎骨被重新对齐或被重新定向为不是最优的，并且缺失的矫正水平被散布在相邻的椎骨上，从而实现所需的重新对齐优化，而不需要对有问题的运动范围的椎骨进行手术介入。
此外，基于椎骨的组的已知生物力学性质，椎骨的重新对齐的划分还可以由预定的解剖学决定来控制。因此，例如，如果通过优化流程在脊柱的某个节段上指示了某个水平的重新对齐，并且在解剖学上已知该部分中的某个椎骨比其他椎骨更具移动性，则能够考虑解剖学知识而执行对重新对齐的划分。例如，对于脊柱下部的明确指示的重新对齐，可以建议将整个重新对齐进行划分，使得三分之一落在L1和L4之间，三分之二落在L4和S1之间，或其他定义的划分方式。一般来说，对CT扫描的操纵模仿每个椎骨单独地以及相对于其他椎骨的自然移动。因此，围绕关节的旋转是有角度的，并且每一对相邻的椎骨之间的距离是恒定的。
这些步骤的结果使得能够产生用于向外科医生呈现的三维图像集，其中，指示每个椎骨的运动范围，使得外科医生能够针对每个椎骨决定是否对这个椎骨执行全局脊柱对齐的矫正。因此，通过考虑每个椎骨和指向试图改善对象的整体运动的侧翼动作来执行改善全局运动的方法。换句话说，在运动范围受限或者甚至不存在的椎骨或区域中，当规划完整的脊柱对齐时，外科医生可以决定忽略该椎骨或区域，将其视为完全不可动，或者外科医生能够决定借助于手术矫正(例如，骨形成切除或后路松解)以该水平提供运动。在全运动范围可用的区域中，外科医生知道全范围可以用于规划完整的脊柱对齐，并且不需要在该脊柱水平进行手术介入。可以通过使用脊柱健康人群中的脊柱的每个椎骨的生物力学运动参数的数据库，或者通过使用对象自身的整体总运动以及与对象的总运动范围相比定义该对象的个体椎骨或脊柱节段的运动范围来确定“全运动范围”。相反，如果外科医生希望产生脊柱对齐计划，该计划会涉及特定椎骨对的相对运动超出该椎骨对的运动范围的能力，则会向外科医生发出警告，要么该对齐计划是无效的，要么如果要使用，则需要在该特定椎骨对处进行手术矫正。在本公开内容的方法的另外的实施方式中，通过使用计算机控制来执行在每个椎骨水平的运动范围的限制内实现最优结果所需的迭代调整，能够使得在规划全局脊柱对齐时关于哪些椎骨需要手术矫正、哪些椎骨需要例如通过应用融合棒实现运动限制以及哪些椎骨能够利用它们的自然灵活性的决策自动化。
这个流程的结果是完整的脊柱对齐方案，具有在用于定义脊柱对齐的极限内在矢状面中针对SVA参数的值，或者在冠状面中类似使用的另一参数(例如，CD和RAD)的值，所述脊柱对齐提供了对象的足够的全局平衡。然后能够在步骤28中检查该优化对齐的每个椎骨，以检查在步骤23至27中确定的在对象的动态范围内是否可以实现由优化流程提出的椎骨取向和定位。如果椎骨中的任一个椎骨显示实现预测位置所需的重新定向或运动(通常由椎骨的所需旋转来确定)实际上超出了其动态范围的能力，则存在两种可能性。如步骤29所示，该方法能够建议在该特定椎骨上进行截骨术流程或解剖学松解流程。在该步骤中使用的常用外科矫正技术包括椎弓根扣除截骨术(PSO)、Smith-Peterson截骨术(PSO)和椎骨柱切除术(VCR)技术。
能够设想到替代的过程，其中，由2D X射线图像确定的每个椎骨的动态范围限制最初在下面的图5所示的优化流程期间不被考虑，而是优化是在不考虑个体椎骨动态范围限制的情况下被执行的，直到达到(一个或多个)最优脊柱参数。下面的图5使用矢状优化流程来优化SVA测量，但是应当理解，这只是能够优化全局对齐的方式的一个范例，并且替代流程也能够使用其他脊柱参数，例如，矢状面中的PT、PI-LL、TK或LL，或者冠状面优化中的Cobb角、CD或RAD。此时，能够通过自动流程来进行关于如何进行的决策，该自动程序能够审查由最优全局对齐解决方案确定的每个椎骨的取向和位置，并且能够确定这些新的取向和位置是否处于针对每个椎骨可能的动态范围内。如果所获得的解决方案表明任何椎骨移动超过其临床移动性极限，那么该方法能够提出对有问题的椎骨的解剖学松解或对相邻椎骨的截骨术，以将有问题的椎骨的运动限制到其确定的极限。作为替代方案，外科医生可以根据他/她的优选手术技术来审查理想矫正的对齐中所提出的椎骨重新定向中的每个椎骨重新定向(包括移动性限制)，并且能够就如何修正所产生的对齐提出他/她的建议，这能够通过使用程序软件进行模拟。
然后，步骤30中的过程的最后一步是输出完整的优化计划，其能够包括手术建议和/或螺钉位置和融合棒形状。
现在参考图3A至图3E，图3A至图3E图示了如何执行对脊柱的单独的椎骨的自动分割和标记。在图3A至图3C中，在AP X射线图像上示出了脊柱的冠状视图中的分割的范例。图3A示出了对象脊柱弯曲的侧凸性质，图3A所示脊柱的中线由软件使用图像处理技术来标记。在所示的范例程序中，能够从中提取测量值的特定椎骨由点来表示，并且椎骨标识以粗实线显示在屏幕上。在图3B中，示出了分割过程的范例输出，示出了椎骨的终板中的每个终板的斜率以及在冠状视图方向上的椎骨标记。在图3C中，示出了脊柱的选定节段的每个终板的角度的计算机表示，示出了如何能够在选定的椎骨之间定义截面夹角，如由两个标记的椎骨上的粗实线之间的角度α所示。图3D示出了一种方法，通过该方法，程序通过使用借助于特征提取技术在终板上印记的线来确定椎体终板倾斜度。图3A至图3D的内容仅是能够如何实施所公开的分割方法的范例，并不旨在以任何方式限制该方法。最后，图3E示出了关于瞬时旋转轴(IAR)31、32执行在优化过程中使用的图像倾斜运动的方式，其中，中立轴33被标记为穿过IAR。在倾斜图像时，通过在围绕瞬时旋转点旋转每个椎骨并且因此保持相邻旋转点之间的距离恒定来模仿脊柱的生物力学移动。下面将解释这个特征的优点。
现在已经识别出个体椎骨，为了能够表征脊柱的整个椎骨结构，如CT数据集中所成像的，有必要定义个体椎骨的取向和位置。只有当已经实现这样的表征时，才有可能试图优化脊柱的对齐，无论是在一般地寻求直线对齐的冠状方向上，还是在其中多个矢状对齐参数被优化的矢状方向上，如下文将在图5的示例性算法中示出的那样。为了表征每个椎骨的位置和取向，必须首先在CT图像中定义每个椎骨的轴。应当使用定义轴向轴、侧向轴和AP轴的参考方法。现在参考图4A至图4C，图4A至图4C示出了轴向视图、侧向视图和AP视图中的椎骨的CT图像，以说明能够如何实现定义椎骨取向和轴的示例性系统。
在图4A中，示出了椎骨的轴向CT图像，其中，相对于垂直(棘突处理方向)和水平(横向处理方向)十字标线，轴向轴被定义在椎骨体的后缘处并且垂直于终板。该轴用于定义椎骨的轴向旋转，并且每一个个体椎骨具有其自己的定义的轴向轴。连续的轴向轴之间的关系定义了相邻椎骨的取向之间的关系，并且为了试图在优化脊柱对齐中使得一个椎骨与另一个椎骨对齐，该信息是必要的。
在图4B中，示出了同一椎骨的侧向CT图像，其中，旋转轴被定义为位于椎弓根下部，在后纵韧带(PLL)和椎弓根下壁的交界处，并可以被方便地定义为位于椎弓根柱的下方点和后方点上。
在图4C中，示出了椎骨的AP CT图像，并且旋转轴被定义为位于两个椎弓根的底部边缘之间的中心线的中心处。
一旦已经为每个椎骨定义了这些轴，就能够定义每个椎骨的位置和取向，并且因此能够对在三维中具有已知位置和取向的椎骨执行根据优化程序产生的椎骨的任何平移和旋转运动。正如R.P.Schlenk等人的标题为“Biomechanics of Spinal Deformities”(Neurosurg.Focus，第14卷，第1号，2003年)的文章中所表述的，脊柱沿着或围绕瞬时旋转轴(IAR)的六种基本节段移动或变形类型是：1)围绕长轴(A)旋转或平移；2)围绕冠状轴(B)旋转或平移；3)围绕矢状轴(C)旋转或平移；4)沿着长轴(A)平移；5)沿着冠状轴(B)平移；以及6)沿着脊柱的矢状轴(C)平移。
一旦获得了每个椎骨的轴，就使用分割数据来导出相对于整个脊柱对齐计划与感兴趣区域中的椎骨的对齐和位置有关的参数。
典型地，基于椎骨对齐的几何形状(主要是角度)，获得脊柱参数，例如，用于矢状对齐方向的参数LL、TK、PI、PT、SVA。
如图3C所示，从下段(骨盆倾斜测量)开始并且直至SVA(子宫颈测量)，每个参数值都是通过以几何方式测量创建测量的两条线之间的角度来获得的。
如果该值不在根据基于相对于患者年龄、性别和种族从大量健康对象获得的大数据的图谱预先定义的“正常范围”内，则通过使图像围绕枢轴点倾斜来增加或减少参数，通过移动每个像素以创建所期望的移动来操纵CT扫描。如图3E所示，所有图像倾斜运动都是关于瞬时旋转轴(IAR)31、32来执行的，其中，中立轴33被标记为穿过IAR。在倾斜图像时，脊柱的生物力学移动通过围绕瞬时旋转点旋转每个椎骨并且因此保持每两个旋转点之间的距离恒定而使得脊柱长度没有有效变化(这是一个重要的要求)来模拟。围绕任何旋转轴旋转椎骨引起椎骨相对于彼此的线性运动。当屈曲时，旋转轴向前移动，当伸展时，旋转轴向后移动，因此使用术语瞬时旋转轴，这是因为旋转中心随着脊柱移动而移动。通过使用瞬时旋转轴，椎骨的这种更接近或更远离的运动的效果被消除。在图3E中，穿过IAR的中立轴被定位为靠近脊髓中心，使得通过关于这些IAR执行旋转，不会造成脊髓的伸展，因此脊髓的完整性得以保持。
通过椎骨旋转椎骨继续使用迭代算法(这将在图5中进行描述)，直到所有期望的脊柱参数都在正常范围内。
现在参考图5，图5示出了在该范例中旨在使SVA参数的值处于预定最大值内的示例性迭代矢状对齐优化流程的流程图。如前所述，SVA在某个最大值内表明具有这种优化的脊柱对齐的对象将获得良好的全局平衡。通常，在本范例中使用为50毫米的最大SVA值，SVA的负值被限制到-10mm，尽管这些水平取决于医生的偏好，这也可能受到对象的个人能力的影响。SVA的其他标准甚至是其他参数也能够用于这种矢状优化。使用SVA作为确定优化脊柱对齐的标准的决定符合使用“脊柱-骨盆参数”作为算法中用于优化脊柱对齐的一些主要参数，这些参数对直立对象的脊柱平衡具有直接影响，如上面引用的一些参考文献中清楚显示的那样。一些使用的与髋轴(其是膝关节后面的关节)相关的测量结果和参数(例如，PI和PT)支持这一位置。图5的流程图中所图示的算法基于脊柱节段之间的已知补偿机制。因此，例如，改变胸椎后凸(TK)对腰椎前凸(LL)有直接影响，改变SVA直接影响TK角度。
在图5所示的范例流程算法中，针对各种矢状脊柱参数的极限选择以下标准，尽管如先前所述，所使用的具体极限依据个人专业偏好并且依据患者的特征(例如，年龄、性别和种族)，但是，所使用的具体极限也可能因医师不同而不同：
PI＝PT+SS
PT<25°
|LL-PI|<10°
30<LL<80°
20<TK<40°
-10°<SVA<50mm，
0°<Cobb<10°
在步骤51中，确定PT的值，并且如果发现PT大于25°，则骶椎斜率SS增加预定角度，通常增加1°，但是如果PT的值明显大于25°，则能够使用更大的初始增量角度。再次测量PT，并重复这种迭代直到PT的值小于25°。
一旦PT的值小于25°，则在步骤52中，测量LL-PI的绝对值，并且如果不小于10°，则LL的值增加或减小以试图使LL-PI的绝对值小于10°。换句话说，优化的这个步骤旨在确保LL角度与PI角度之差保持小于10°，而不管LL或PI是否是更大的角度。为了确保这一点，LL的值根据LL-PI的实际值是正还是负而增加或减少。如果LL是主角，并且LL比PI大10°以上，则LL逐渐减小。相反，如果PI是主角，并且PI比LL大10°以上，则LL必须逐渐增加。
一旦LL-PI的绝对值小于10°，则在步骤53中，测量TK，并且确定TK是否落入20°至40°之间。否则，TK的值会增加或减少，以便使TK处于期望范围内。
一旦TK落在期望范围内，则在步骤54中测量SVA的值。如果SVA的值大于50mm或者小于-10mm，则角度TK增加或减小以使SVA处于-10mm至50mm的范围内，即，C7铅垂线落在S1终板的后上角的前方。如果SVA大于50mm，则TK减少。如果SVA仍大于50mm，则LL会增加到80°，同时仍能确保|LL-PI|小于10°。如果发现SVA小于-10mm，则增加TK以试图使SVA处于正常范围内。如果SVA仍然不能为正，则LL下降到30°的水平，同时仍然确保|LL-PI|小于10°。由于LL的值随着TK的变化而变化，因此在这些步骤中的任何步骤之后，再次测量|LL-PI|的值以确保该标准仍然得到保持。
一旦SVA的值已经达到-10mm至50mm的范围内，则矢状对齐流程被认为在步骤55处得到优化，并且椎骨中的每个椎骨的位置和取向构成医师在图2所示的主要优化算法中实施的优化的脊柱。
本领域技术人员会认识到，本发明不受上文具体示出和描述的内容的限制。相反，本发明的范围包括上文描述的各种特征的组合和子组合，以及本领域技术人员在阅读以上描述时将会想到的且不属于现有技术的变型和修改。