CN101129269A - 手术工具导向装置 - Google Patents

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CN101129269A CNA2007101464412A CN200710146441A CN101129269A CN 101129269 A CN101129269 A CN 101129269A CN A2007101464412 A CNA2007101464412 A CN A2007101464412A CN 200710146441 A CN200710146441 A CN 200710146441A CN 101129269 A CN101129269 A CN 101129269A
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Abstract

本发明提供了用于相对于患者(104)定向手术工具(102)的系统(100，200)，包括：用于帮助相对于患者(104)定向手术工具(102)的工具导向装置(110，112)，该工具导向装置(110，112)包括安装部分(112)和工具接收部分(110)，其中工具导向装置(110，112)能够与包括可调节可移动安装结构(106，206)的放射成像子系统的至少一部分结合。在一个实施例中，工具接收部分(110)能够接收末端执行器(110)。在一个实施例中，放射成像子系统的所述至少一部分包括C－臂。在一个实施例中，手术工具(102)的位置能够通过自动移动可调节可移动安装结构(106，206)而被调整。

Description

手术工具导向装置
技术领域
本发明的实施例通常涉及便于手术程序。特别地，某些实施例涉及提供用于引导利于手术的工具的系统、方法和装置。
背景技术
手术可能具有相关的风险。因而，可能需要临床医生和患者都减少任何这种手术风险的幅度和可能性。减小风险的一种途径是改进对手术工具的引导。
C-臂可以用于放射成像子系统，例如举例而言，荧光成像系统。放射成像子系统中的一种倾向可以包括改进的定位子系统。例如，在荧光成像子系统中，当前的发展已经致使改进的精度机动化台架，以及使用于手术导航的追踪技术的激增。
例如，手术导航可以提供增强的指导和显像，例如，诸如外科医生的临床医生可能希望放置手术接骨螺钉以稳定骨折位置。可以使用诸如接骨螺钉驱动器的工具。临床医生可以从多种视图的任一种确定工具轨迹，——例如，多平面或多位置图像视图。然后，例如，外科医生可以手动地维持确定的轨迹以放置骨钉。例如，外科医生可以随着她钻孔、螺旋转动或另外的将骨钉固定到骨折位置而手动地维持工具。相似地，例如，诸如外科医生的临床医生可以需要在确定工具轨迹之后，手动维持一个或多个手术工具。其它范例可以包括利用手术导航的疗法，诸如举例而言，骨活检，组织活检，疼痛处理，和/或切除术。
例如，手术导航还可能使流程复杂化、增加费用和使手术环境混乱。例如，维持工具轨迹的一种解决方法是使用遥控设备。例如，手术遥控设备可能为手术提供相对刚性和精确的工具指导。然而，例如，手术遥控设备可能相对昂贵，并且也可能在可能拥挤的手术环境中占据空间。例如，其可能同时需要C-臂和手术遥控设备以占用相同或者重叠空间。在这种情况下，可能需要在手术过程期间来回移动设备。
因而，需要减少与手术过程相关的风险。需要提供具有降低成本的手术工具指导。另外，需要提供手术工具引导，而不引起手术环境中不必要的拥挤。而且，需要提供手术工具引导，而不扰乱操作环境中的流程。
发明内容
本发明的某些实施例提供了用于相对于患者定向手术工具的系统，包括：用于帮助相对于患者定向手术工具的工具导向装置，该工具导向装置包括安装部分和工具接收部分，其中工具导向装置能够与包括可调节可移动安装结构的放射成像子系统的至少一部分结合。在一个实施例中，工具接收部分能够接收末端执行器。在一个实施例中，该至少一部分放射成像子系统包括C-臂。在一个实施例中，该放射成像子系统包括荧光成像子系统。在一个实施例中，末端执行器包括至少下列之一：孔，夹具，套筒，诸如槽、环、轨、螺纹轴、钩、卡口固定件的安装表面，诸如内窥镜、超声探针的成像设备，诸如针、导管、销、螺杆、金属板、钻孔机和锥子、探针或遥控设备的手术工具或设备。在一个实施例中，工具导向设备进一步包括末端执行器。在一个实施例中，手术工具的位置能够通过自动移动可调节可移动安装结构而被调整。在一个实施例中，系统还包括至少一个位置感测子系统，用于确定手术工具相对于患者的位置。在一个实施例中，可调节可移动安装结构能够至少基于手术工具相对于患者的位置而自动移动。在一个实施例中，该至少一个传感器包括至少下列之一：图像配准子系统；成像子系统；光学导航子系统；以及电磁导航子系统。在一个实施例中，该系统还包括结合机构，其安装到可调节可移动安装结构，用于可释放地将工具导向装置结合到可调节可移动安装结构上。
本发明的某些实施例提供了一种用于相对于患者定向手术工具的方法，包括：使工具导向装置与放射成像子系统的至少一部分结合，工具导向装置可以接收手术工具；并且调整该至少一部分放射成像子系统的位置，其中手术工具的位置相对于患者进行被调整。在一个实施例中，该方法还包括追踪手术工具相对于患者的位置以形成经追踪的位置。在一个实施例中，调整可调节可移动安装结构的位置是至少部分根据经追踪的位置而自动执行。在一个实施例中，该方法还包括调整工具导向装置上末端执行器的位置。在一个实施例中，调整可调节可移动安装结构的位置是根据手术工具相对于患者的计划轨迹而执行。在一个实施例中，将工具导向装置与可调节可移动安装结构结合可以用结合机构执行，所述结合机构用于可释放地使工具导向装置与可调节可移动安装结构结合。
本发明的某些实施例提供了一种用于相对于患者定向手术工具的方法，包括：使手术工具与工具导向装置啮合，该工具导向装置与可调节可移动安装结构结合；定位手术工具相对于患者的位置；确定手术工具相对于患者的经追踪位置；以及确定手术工具相对于患者的经追踪位置是否对应于手术工具相对于患者的期望位置。在一个实施例中，该方法还包括调整可调节可移动安装结构的位置，以便响应于确定手术工具相对于患者的经追踪位置是否对应于手术工具相对于患者的期望位置，引起手术工具相对于患者的位置的相应调整。在一个实施例中，调整手术工具的位置是自动执行。在一个实施例中，手术工具相对于患者的期望位置至少部分基于手术导航计划。
本发明的某些实施例提供了一种用于相对于患者定向手术工具的系统，包括：用于帮助相对于患者定向手术工具的工具导向装置，该工具导向装置包括安装部分和工具接收部分，其中工具导向装置能够与包括可调节可移动安装结构的图像增强器子系统的至少一部分结合。
本发明的某些实施例提供了一种用于相对于患者定向手术工具的系统，包括：用于帮助相对于患者定向手术工具的工具导向装置，该工具导向装置包括安装部分和工具接收部分，其中工具导向装置能够与包括可调节可移动安装结构的导航子系统的至少一部分结合。
本发明的某些实施例提供了一种用于相对于患者定向手术工具的系统，包括：用于帮助相对于患者定向手术工具的工具导向装置，该工具导向装置包括安装部分和工具接收部分，其中工具导向装置能够与包括可调节可移动安装结构的瞄准子系统的至少一部分结合。
附图说明
图1示出了根据本发明一个实施例用于相对于患者定向手术工具的一个系统。
图2示出了根据本发明一个实施例用于相对于患者定向手术工具的多个系统。
图3示出了根据本发明一个实施例用于相对于患者定向手术工具的方法的流程图300。
图4示出了根据本发明一个实施例用于相对于患者定向手术工具的方法的流程图400。
当与随附附图一同阅读时，将更好地理解前述概要以及本发明某些实施例的下列详细描述。出于解释本发明的目的，在附图中示出某些实施例。然而，应当理解，本发明不局限于随附附图中所示的布置和机构。此外，一些附图可能表示根据一个或多个实施例的与本发明的方法和系统相关的显示和/或输出的类型。
具体实施方式
图1示出了根据本发明一个实施例的用于相对于患者104定向手术工具102的系统100。例如，系统100可以包括可调节可移动安装结构106和工具导向装置110。任选地，例如，系统100还可以包括感测子系统108，和/或连接机构112。
可调节可移动安装结构106可以在许多方向和/或维度的任一个上移动，诸如举例而言，线性地沿着一个或多个笛卡尔坐标轴(例如，x，y，z)和/或放射状地。例如，可调节可移动安装结构106可以移动以便调节位置(例如，沿着坐标系)，和/或可以移动以便调节安装结构的空间方向(例如，结构106相对于感兴趣的其它对象的角度，诸如患者104)。例如，可移动结构106的位置可以包括定位和/或空间方向方位。例如，可调节可移动安装结构106可以手动和/或自动调节。调节可以通过杆、钮、手柄、滑轮或通过类似螺线管、伺服系统或马达的自动化设备而执行。例如，安装结构106的移动可以由控制器、计算机、处理器等控制。例如，安装结构106的移动可以至少部分基于从其它部件接收的信息，如下文中将描述的。
例如，安装结构106可以是操作室内可获得的各种器械的任一个的一部分。例如，安装结构106可以是放射成像子系统、导航子系统或瞄准子系统的一部分。例如，安装结构106可以在诸如荧光成像子系统的放射成像子系统的C-臂上。
例如，连接机构112可以用于将工具导向装置110以可释放方式结合到安装结构106上。例如，连接机构112可以包括插销、螺杆、夹具、螺钉或其它形式的硬件，其使工具导向装置110能够可释放地与安装结构106结合。例如，连接机构112可以形成一个或多个部分。例如，结合机构112可以具有半永久安装在安装结构106上的部分，以及例如用于与安装部分啮合的另一部分。例如，结合机构112能够可释放地与安装结构106、各种工具导向装置110和/或末端执行器中任一个结合。
例如，感测子系统108可以任选地包括在系统100中。感测子系统108可以包括多个子系统中的任一个，诸如举例而言，图像配准子系统、成像子系统、光学导航子系统、电磁导航子系统等。例如，感测子系统108可以从放射成像子系统中分离，或者可以(局部地或完整地)结合在放射成像子系统中。感测子系统108也可以与其它子系统通讯，例如举例而言，放射成像子系统。例如，感测子系统108可能能够检测手术工具102相对于患者在一、二和/或三维中的位置。例如，感测子系统108可以对手术工具102成像，或相反地收集关于位置(例如，在笛卡尔坐标系中)的信息，和/或手术工具102的方向。
例如，感测子系统108可以通过连接器114(其可以例如是无线和/或有线的)而通讯信息，从而传送手术工具102相对于患者的位置和/或方向信息。例如，手术工具102的位置和/或方向信息可以用于自动和/或手动控制可调节可移动安装结构106的移动。因而，例如，感测子系统108在某些情况下可以在系统100中形成反馈回路。
例如，工具导向装置110可以用于引导、定向、支持或者另外帮助相对于患者定位手术工具102。工具导向装置110可以与一定范围的手术工具102进行接口，或者不同的工具导向装置110可以用于不同的手术工具102。暂时参考图2，示出了与工具导向装置110接合的多个不同手术工具102。例如，如所讨论的，工具导向装置110可以直接与安装结构106结合或通过结合机构112与安装结构106结合。例如，工具导向装置110可以可连接可释放地、或者半永久连接地或永久地连接到安装结构106。
例如，工具导向装置110可以包括末端执行器，和/或可以用于安装末端执行器。例如，末端执行器可以包括在一维或多维中能够引导、定向、支持、稳定或者另外定位手术工具102的移动的任何部分。例如，末端执行器可以简单得如限制手术工具移动的孔那样，诸如钻头。例如，末端执行器可以相对复杂，诸如小型遥控设备。末端执行器的一个范例是Mazor脊柱遥控设备。其它类型的末端执行器可以包括切除或钻孔设备，夹具，套筒，诸如槽、环、轨、螺纹轴、钩、卡口固定件的安装表面，诸如内窥镜、超声探针的成像设备，诸如针、导管、销、螺杆、金属板、钻孔机和锥子、探针的手术工具或设备。
图2示出了根据本发明一个实施例的用于相对于患者104定向手术工具102的各种系统200-203。例如，系统200-203可能在许多方面类似于系统100。例如，安装结构206可能类似于安装结构106。例如，如在系统200-203中所示，安装结构206可以形成在放射成像子系统上的C-臂的一部分。C-臂在放射成像子系统(例如，荧光成像系统)中的移动可以引起工具导向装置110的相应移动。例如，系统200和201示出了安装结构206的移动如何导致工具导向装置和相应的手术工具相对于患者的移动。例如，系统202和203示出了具有不同类型末端执行器或与其连接的不同类型的工具导向装置110。例如，系统202示出了具有关节式臂杆的工具导向装置110，具有或没有正反馈。例如，系统203示出了工具导向装置110，具有用于确定相对于给定工作区的位置和/或方向的传感器。
图3示出了根据本发明一个实施例用于相对于患者定向手术工具的一种方法的流程图300。例如，方法300的多个步骤的至少一部分可以以交替次序和/或完全/部分同时地执行。例如，步骤304可以与步骤306同时执行，或者步骤304可以在步骤306之后执行。方法300的一些步骤也可以省略，例如步骤306和308。例如，方法300可以部分地由一个或多个处理器执行。
在步骤302，例如，工具导向装置可以与放射成像子系统的至少一部分结合。例如，诸如工具导向装置110的工具导向装置可以永久地或半永久地与放射成像子系统的一部分结合。工具导向装置也可以通过诸如结合机构112的结合机构与放射成像子系统可释放地结合。例如，工具导向装置可以结合入放射成像子系统的一部分中，诸如可调节可移动安装结构106。例如，工具导向装置可以结合到放射成像子系统的C-臂的一部分上。例如，不同类型的工具导向装置可以可释放地、永久地或半永久地与放射成像子系统结合。
在步骤304，例如，可以调整放射成像子系统的位置，由此调整工具导向装置的相应位置。例如，可以调整放射成像子系统的特定部分的位置，或者可以调整整个成像系统位置。例如，放射成像子系统位置可以自动和/或手动调整。例如，放射成像子系统的一部分可以包括C-臂，而C-臂可以自动或手动地可调节可移动。例如，可以响应于诸如步骤306和/或步骤308的其它步骤来调整该位置。例如，通过远程控制器或本地地通过放射成像子系统，可以调整该位置。
在步骤306，可以追踪手术工具相对于患者的位置以形成经追踪的位置。手术工具的位置可以用各种追踪子系统追踪，诸如成像子系统(例如，上面讨论的放射成像系统)、图像配准子系统、光学导航子系统、电磁导航子系统等。例如，可以相对于患者在一维或多维中追踪手术工具的位置。例如，可以相对于诸如基准点的其它对象和/或相对于诸如手术计划的虚拟对象而追踪该位置。例如，可以充分实时地追踪该经追踪的位置信息。例如，经追踪的位置可以被通信到一个或多个其它部件，诸如控制放射成像系统的移动的子系统。例如，经追踪的位置可以包括手术工具的位置信息(例如，笛卡尔坐标系)和/或方向信息。
在步骤308，可以调整工具导向装置上末端执行器的位置。例如，末端执行器可以包括遥控设备，诸如Mazor脊柱遥控设备。例如，因而，末端执行器可能自身能够关节式连接和/或调整手术工具的位置和/或方向。例如，可以与步骤304中执行的调整协同地调整末端执行器的位置，或者可以独立地调整末端执行器的位置。
作为说明性范例，参考图3描述的方法可以以下列方式执行。特定的工具导向装置被设计用于限制钻头的移动。钻头用于钻入患者的骨头中。在步骤302，“钻头”工具导向装置通过结合机构(参见图1、2)与放射成像子系统上的C-臂结合。结合机构允许工具导向装置可释放地与C-臂结合。在步骤304，成像子系统的C-臂根据手术计划来自动调整。例如，手术计划包括钻头进入患者的骨头中的路径的轨迹。C-臂的移动引起工具导向装置和手术工具的相应移动，从而使钻头的位置与手术计划对准。可以用步骤306帮助在步骤304中的调整，其中相对于患者追踪钻头的位置。钻头相对于患者的骨的坐标可以通过诸如电磁导航子系统的手术导航子系统而充分实时确定。钻头的经追踪的位置与手术计划相比较以确定钻头是否追随经计划的轨迹。当钻头位置偏离经计划的轨迹时，放射成像子系统C-臂自动移动以补偿任何偏差。最终，在步骤308，也可以提供诸如Mazor脊柱遥控设备的末端执行器以进一步调整手术工具的位置。
图4示出了根据本发明一个实施例用于相对于患者定向手术工具的一种方法的流程图400。例如，方法400的多个步骤的至少一部分可以以交替次序和/或完全/部分同时地执行。例如，步骤404可以与步骤406同时执行，或者步骤404可以在步骤406之后执行。方法400的一些步骤也可以省略，例如步骤410。例如，方法400可以由一个或多个处理器部分地执行。
在步骤402，手术工具(例如手术工具102)可以与工具导向装置(例如，工具导向装置110)啮合，该工具导向装置与放射成像子系统结合。例如，手术工具(例如，钻、钻头、切除工具、显微镜等)可以与工具导向装置啮合。例如，工具导向装置可以具有各种适配器、设计和/或末端执行器以容纳各种工具。作为选择，例如，可以设计不同类型的工具导向装置以啮合各种手术工具。例如，如上讨论的，工具导向装置自身可以可释放地、永久地或半永久地与放射成像子系统结合。例如，手术工具可以与工具导向装置啮合，从而手术工具可移动和/或可调节。作为范例，工具导向装置可以啮合钻头，从而钻头沿着钻头主轴可移动，并且围绕主轴可旋转。然而，例如，工具导向装置可以充分限制钻头沿着其它维度的运动。作为选择，例如，可以啮合手术工具从而使其充分固定。作为范例，小型遥控设备可以通过夹紧手术工具而充分固定手术工具。例如，小型遥控设备可能自身能够关节式连接，而工具自身相对于夹具可能充分固定。
在步骤404，手术工具可以相对于患者(例如患者104)被定位。通过相对于工具导向装置调整手术工具来定位该手术工具。例如，钻头可以沿着其主轴调整，从而其位于相对于患者的一个位置。例如，手术工具可以相对于患者定位，并且然后相对于工具导向装置上的啮合机构被充分固定。例如，可以根据临床需要、手术计划等，相对于患者定位手术工具。例如，手术工具可以相对于患者手动和/或自动的定位。
在步骤406，可以确定手术工具相对于患者的经追踪的位置。例如，通过多种子系统的任一个可以确定手术工具的经追踪的位置，子系统诸如下列：成像子系统、光学导航子系统、电磁导航子系统、图像配准子系统等。例如，电磁导航子系统可以追踪具有电磁信息的工具的位置。电磁导航子系统的范例包括无源感测系统和有源感测系统。例如，工具自身可以发射电磁信号，或者例如工具可以具有可识别位于患者之外的传感器的天线模式。例如，经追踪的位置可以包括一维或多维中的位置信息(例如，笛卡尔坐标系)。例如，经追踪的位置还可以包括相对于患者或诸如基准点的其它参考物的手术工具的方向信息。
在步骤408，可以确定经追踪的位置是否对应于期望位置。例如，期望位置可以包括一维或多维中的位置信息。例如，期望位置也可以包括方向信息(例如，手术工具相对于患者的方向)。例如，期望位置可以根据临床兴趣而决定。例如，期望位置可以根据手术计划而决定。例如，手术计划可以包括工具轨迹信息。例如，手术计划可以在手术之前或手术期间发展。
在步骤410，放射成像子系统的位置可以被调整以便响应于经追踪的位置和期望位置之间的相应性，引起手术工具的位置的相应调整。例如，可以自动和/或手动地执行步骤410的调整。例如，通过调整放射成像子系统上的C-臂的位置，可以执行调整，例如如图2中所示。
作为说明性范例，根据图4所述的方法可以以下列方式执行。该范例中的手术工具是切除工具，而放射成像子系统是具有C-臂的荧光成像子系统。在步骤402，切除工具与工具导向装置啮合，所述工具导向装置与荧光成像子系统结合。工具导向装置限制切除工具在除了沿着切除工具的主轴之外的每个方向上的移动。切除工具通过将工具插入通过工具导向装置上的孔而与工具导向装置啮合。然后，在步骤404，由遵循手术计划的临床医生定位切除工具。然后，根据手术计划在将切除的肿瘤中定位切除工具。然后，在步骤406，手术导航系统确定切除工具的位置(例如，位置和方向)。例如，通过对相对于患者的工具成像以确定位置，电磁导航子系统可能作用为手术导航系统。在步骤408，确定切除工具的经追踪的位置是否对应于手术计划。然后，在步骤410，当切除工具不对应于根据手术计划的期望位置时，C-臂的位置被调整适当的量以便将切除工具重新对准预期的工具轨迹。
因而，本申请的实施例提供了减少的与手术程序相关的风险。本申请的实施例提供了降低成本的手术工具导向。另外，本申请的实施例提供了手术工具导向，而不引起手术环境中不必要的拥挤。而且，本申请的实施例提供了手术工具导向，而不扰乱操作环境中的流程。
虽然已经参考某些实施例描述了本发明，本领域技术人员将理解，可以进行各种改变，并且可以替换等效方案，而不脱离本发明的范围。另外，可以进行许多修改以使特殊情况或材料适应本发明的教导，而不脱离其范围。例如，特征可以用软件、硬件或其组合而实施。因此，意图是本发明不局限于公开的特殊实施例，而本发明将包括落入随附的权利要求的范围内的所有实施例。
部件列表
100，200-用于定向的系统
102-手术工具
104-患者
110，112-工具导向装置
112-安装部分
110-工具接收部分
106，206-可调节可移动安装结构
110-末端执行器
108，208-位置感测子系统
300-用于定向的方法

Claims (10)

1.一种用于相对于患者(104)定向手术工具(102)的系统(100，200)，包括：
工具导向装置(110，112)，用于帮助相对于患者(104)定向手术工具(102)，所述工具导向装置(110，112)包括安装部分(112)和工具接收部分(110)，
其中所述工具导向装置(110，112)能够与包括可调节可移动安装结构(106、206)的放射成像子系统的至少一部分结合。
2.根据权利要求1的系统(100，200)，其中所述工具接收部分(110)能够接收末端执行器(110)。
3.根据权利要求2的系统(100，200)，其中所述末端执行器(110)包括至少下列之一：孔、切除设备、钻孔设备、夹具、套筒、安装表面、环、轨、螺纹轴、钩、卡口固定件、成像设备、超声探针、手术工具(102)、导管、销、螺杆、金属板、钻孔机，锥子和探针。
4.根据权利要求1的系统(100，200)，其中手术工具(102)的位置能够通过自动移动所述可调节可移动安装结构(106，206)而被调整。
5.根据权利要求1的系统(100，200)，还包括至少一个位置感测子系统(108，208)，其用于确定手术工具(102)相对于患者(104)的位置。
6.根据权利要求4的系统(100，200)，其中所述可调节可移动安装结构(106、206)能够至少根据手术工具(102)相对于患者(104)的所述位置而自动移动。
7.根据权利要求1的系统(100，200)，其中所述至少一个传感器包括至少下列之一：图像配准子系统；成像子系统；光学导航子系统；以及电磁导航子系统。
8.一种用于相对于患者(104)定向手术工具(102)的方法(300)，包括：
将工具导向装置(110，112)与放射成像子系统的至少一部分结合，所述工具导向装置(110，112)能够接收手术工具(102)；以及
调整所述放射成像子系统的所述至少一部分的位置，其中相对于患者(104)调整手术工具(102)的位置。
9.根据权利要求8的方法(300)，还包括追踪所述手术工具(102)相对于患者(104)的位置以形成经追踪的位置。
10.根据权利要求9的方法(300)，还包括调整所述工具导向装置(110，112)上的末端执行器(110)的位置。
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