CN102892365A - 可重构被导航外科手术工具跟踪器 - Google Patents

Abstract

一种用于对象的可重构的跟踪装置，包括可重新定位的安装装置，所述按照装置构造成可释放地连接到对象以选择性定位在所述对象周围。安装装置还包括：附接到对象的第一件；及能够相对于所述第一件重新定位的第二件。另外安装装置可构造成固定在所述对象周围的至少两个稳定的预构造位置中。

Description

可重构被导航外科手术工具跟踪器

对相关申请的交叉引用

本申请要求2010年4月22日提交的申请号为61/342，996的美国临时专利申请的优选权，本专利申请基于上述临时申请并且通过参考上述临时申请以其全部合并于此。

技术领域

本发明大体涉及用于被导航（navigated）外科手术工具的跟踪布置的可调整结构的方法、工序、装置和系统。在一个实施例中，实施本发明以提高工具的易用性、可用性、结构和整体可跟踪包络（envelope）的至少其中之一。

背景技术

光学导航以及其它导航在手术中用于跟踪刚性体相对于工具在空间中的位置。这些系统经常依赖于相机和标识器的使用，如下面进一步讨论的那样它们的位置由相机跟踪。因此，在图像框上使用空间关系已知的标识器，在相机能感测到标识器的同时可以知道工具相对于刚性体的3D位置。还可使用显示软件来显示工具关于刚性体的3D位置，从而外科医生可以得到工具及患者的周围解剖情况的虚拟的、实时性图像以在手术中提供帮助。

此外，在具有同一相机的同一工作空间中，可以跟踪多个工具及/或对象，包括刚性患者解剖组织例如骨骼。然而，每个对象必需具有其自己的跟踪器，对于每个工具及/或对象来说标识器的结构必需是唯一的，以便让软件（或者分析图像数据的其它计算机处理器）能够基于它们的各自的跟踪器来识别所跟踪的对象。这些跟踪器框相对于使用它们来跟踪的被跟踪对象和解剖组织而言可能较大，可能彼此之间产生干涉。

由于导航系统是光学的，在外科手术过程中所有的跟踪器必需留在相机的感测范围内以避免混乱。如果跟踪器被物理阻塞或者移出相机的视野，实时跟踪将停止，直到相机移回到工作空间感测范围中（即，相机的视角中）。在手术期间这导致一些问题，如果被跟踪的工具及/或对象没有被探测到的话，可能需要对跟踪器的位置对相机而言不可见的那些地方进行再定位。

此外，如前面提到的那样，对可跟踪的工具的一个要求是工具基本必须是刚性的并且具有刚性附接到其上的框以保证空间上的完整性。需要这一点，从而软件可以推断工具相对于其框的位置。跟踪器软件仅仅“知道”框的位置。但是，如果软件被提供了信息，即，工具具有给定尺寸和形状，例如是外科手术钻并且以特定结构附接到该框上的话，那么软件一样会“知道”工具的位置。这样，工具的位置与跟踪器的位置纠缠在一起。如果不知何故工具相对于跟踪器移动的话（例如，当跟踪器安装架变松而跟踪器框相对于工具移位的话），则来自导航系统的工具位置数据不再精确。

因此，工具相对于跟踪器的移动不得不受到限制，以便在手术期间正确地跟踪工具的位置。在利用导航的各种手术中这可能产生问题，因为跟踪器的出现及/或导航仪器的使用可能禁止工具移出跟踪器框存在时所“允许”的范围。这样的限制可能产生物理屏障（例如，当跟踪器框撞到某些东西上时会让外科医生不能移动被跟踪的工具到正确取向），或者当跟踪器框在“相机”的视角中被遮挡时（例如当工具切断防护装置防止特定切割和工具必需转出视场时），可能产生跟踪问题，即使在工具自身可以定向在根据外科医生的理想（期望）位置时系统也不能定位被跟踪的工具。

例如在更换膝盖手术的情况中，膝盖的多个部分（需要切除）可能需要在某个方位使用外科手术工具，在所述方位可能阻止相机看到跟踪器框（即，跟踪器框在相机的感测包络外面）。更具体地说，使用工具的使用者/外科医生，不是保持工具在骨骼上方并从上方切断骨骼，而是需要保持工具在骨骼下方并不得不从下方切断骨骼。为了做到这一点，工具自身必需从其在骨骼上方的方位翻转180度。如果跟踪器框被刚性附接到工具的顶部并且只有在直立的姿态下可以看到，那么当工具翻转180度时，对相机而言跟踪器可能不再可见而跟踪可能被打断，导致几乎不可能基于导航而完成手术过程。因此，工具的实时跟踪将中断，不管工具的位置手术上正确（及符合期望）与否。

上述关于（被跟踪的）工具的移动的限制的问题，一种解决上述问题的尝试是刚性地附接第二跟踪器框到工具的相对侧，从而当工具被翻转时，第二跟踪器（对相机）可见，从而可以无中断地继续对工具的跟踪。然而，在各种应用中，这样的额外跟踪器可能是不期望的或者不实用的。例如，在切割骨骼外科手术过程中，额外的跟踪器可能导致不便、增加重量、降低人体工程学水平、以及禁止在某些方向上（正确切割骨骼可能需要在这样的方向上）抓握工具。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种克服了所有或一些已知缺陷或缺点的可重构工具和跟踪器。

优选地，本发明提供方法和装置在使用单个跟踪器框的情况下来重构被跟踪的对象及/或同时保持其可跟踪性。

被跟踪的对象及/或跟踪器因此可以被重构以允许调整到各种仍然已知的刚性的相对于所附接的跟踪器框的结构。只要操作软件知道工具的几何形状已经改变，并知道新的几何形状（跟踪器框的面对面位置），就可以执行对工具的调整同时仍保持工具的可跟踪性。有许多不同原因需要这样的调整。例如，可能期望提高被跟踪对象或工具的可见范围（例如通过移动跟踪器框以保持对象在导航系统的光学包络中），或者改变工具的几何形状以提高工具的易用性和效用（例如，通过重构工具以在不同位置接收跟踪器）。因此，根据本公开的教导也可用于减小被跟踪的工具的数量，因为跟踪器可以重构到已知位置以允许跟踪对象的额外功能。例如，如果对于某个外科手术过程，在手术过程的不同阶段需要不同几何形状的两个相似工具并且跟踪器在特定固定的跟踪器方位中固定和证实，这些工具潜在地可以组合成一个“工具”，如后面将讨论的那样。

在一个实施例中，本公开涉及可重构被导航的外科手术工具及/或跟踪器，它们可以调整到多种刚性几何形状。在另一实施例中，本公开涉及方法和装置以说明重构并将其通信到跟踪/导航软件。例如，在一个实施例中，可以提供基于旋转的跟踪器安装机构用于在需要切割一部分骨骼的膝盖手术期间使用，在所述膝盖手术中在保持可跟踪性的同时要倒置保持切割骨骼的工具。

在一个优选并且非限制性实施例中，本发明涉及一种跟踪布置，其具有可重新定位的安装布置，所述安装布置可构造成可释放地连接到对象用于在所述对象周围选择性定位。安装布置可还可包括附接到对象的第一件以及可相对于第一件重新定位的第二件。安装布置可还构造成固定在所述对象周围的至少两个稳定的预构造位置中。

依照本发明，提供跟踪布置，其包括固定到对象的可重定位的安装布置并具有附接点，所述附接点构造成在对象周围的至少两个稳定的预构造位置处接收框。

此外，根据本发明，提供被导航的具有附接点的外科手术工具，所述附接点构造成在对象周围的至少两个稳定的预构造位置处将框固定。

本发明的这些及其它特征和特点，以及结构的相关元件的功能和操作方法以及部件的组合及制造的经济性，在参照附图考虑了下面的描述及所附权利要求以后将变得更加明显，所有附图构成本说明书的一部分，在附图中相同的附图标记指代各个图中相应的部件。然而，应该清楚地理解，附图仅用于说明和描述的目的，并非要不适当地限制本发明。如说明书和权利要求书中所使用的那样，除非上下文中另外说明，否则单数形式的“一”或“该/所述”包括多个指示物的情况。

附图说明

图1是在标准膝盖更换外科手术过程期间，示例性光学外科导航安排的简化图；

图2是描述被跟踪对象在切除患者的骨骼的同时的几何关系中的示例性虚拟界面的平面图；

图3为用于光学外科手术导航的附接到对象的示例性跟踪器的透视图；

图4为依照本发明的安装在对象上的可重构跟踪器的实施例的部分透视图；

图5为依照本发明的安装在对象上的可重构跟踪器的实施例的部分透视图；

图6为依照本发明的可重构跟踪器的实施例的透视图；

图7为依照本发明的安装在对象上的可重构跟踪器的实施例的部分透视图，并以阴影示出其它结构；

图8A为依照本发明的安装在对象上的可重构跟踪器的实施例的透视图；及

图8B为依照本发明的可重构跟踪器的实施例的分解图。

具体实施方式

为了下面描述的目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“垂直的”、“水平的”、“顶”、“底”、“横向”、“纵向”以及相关派生词应该与附图中取向的本发明相联系。然而，应该理解，除非明确做出相反的说明，本发明可采取各种替代变化和步骤顺序。还应该理解，在附图中示出的以及在下面的描述中描述的特定装置和工序仅仅是本发明的示例性实施例。因此，与此处公开的实施例有关的指定尺寸和其它物理特性不应被认为是过度限制性的。

应该理解，除非明确做出相反的说明，本发明可采取各种替代变化和步骤顺序。还应该理解，在附图中示出的以及在下面的描述中描述的特定装置和工序仅仅是本发明的示例性实施例。

图1示出示例性光学外科手术导航安排的简化图。可以使用红外相机10和跟踪器12来完成外科手术导航。跟踪器12可以刚性地附接到任何使用者希望在外科手术过程中跟踪的对象14（例如外科手术钻）。跟踪器12可包括安装在框20上的一个或更多IR反射标识器22的结构。例如，图3示出示例性跟踪器12包括跟踪器框20以及标识器22。跟踪器框20示出为刚性地附接到刚性对象14以便通过直接安装到刚性对象14被跟踪。

因而在外科手术过程中相机10可捕捉工作空间的连续图像，并根据这些图片检测到标识器22。利用已知的标识器22在图像框上的刚性空间关系，可以决定对象14在3D（三维）空间中的位置。该对象14的位置可以连续输出到计算机程序，该程序可将该位置与例如从CT扫描及/或超声波图像上确定的患者的解剖组织结合为整体。对象14相对于患者解剖组织诸如骨18的位置也可以连续显示在显示终端或监视器16上。这样，使用者/外科医生能够目视并知道对象14相对于经受外科手术的患者的骨18的位置。

此处观察到，被跟踪的对象14可以是各种需要的外科手术物品，只要它具有已知的物理结构并且跟踪器12的框20可以以已知结构刚性地附接到该物品上。因此，该对象14可以是外科手术钻、点探测器、切割夹具等等。

如图2中能够看到的那样，示出了描述与患者的骨18成几何关系的被跟踪对象14的示例性虚拟界面。可以使用显示软件在显示屏16上显示对象14的几何形状，从而对象14的虚拟的、实时图像以及经受外科手术的患者的周围解剖组织对外科医生可用，以在手术中提供帮助。在手术过程中，该界面图像保持为能被外科医生看到以帮助使用者/外科医生。

在一个优选且非限制性的实施例中，可重构的跟踪器112可包括框120和标识器122，所述标识器可以可调整地安装在转台124上，如图4所示。转台124可包括具有开孔126的环142，所述开孔126与对象14的壳体74上的开孔（未示出）对齐。因此，如图5中看到的那样，跟踪器112可以在已知位置由一个或更多螺钉128固定到壳体74。然而，当从开孔126移除螺钉128时，环142可以转动因此框120和它一起转动。尽管在示出的实施例中示出为两个开孔126，可以理解，可以在其它期望的角旋转位置处设置额外的开孔，从而能够知道被跟踪的对象14的位置。

如在图4-5中能看到的那样，如果在转台124的环142和位于对象14上的壳体74之间存在间隙，任何这样的游隙会允许跟踪器112轻微移动（即使在完全固定到转台124），可以通过固定螺钉128来解决这样的游隙。因此，如图5中所示，通过上紧螺钉128，转台124的轴环140可以更牢固地附接到对象14的壳体74。此外，在替代实施例中，环142也可以用保持件145（诸如球塞）固定到期望的位置，其位于对象14中并朝着内环142中的接收开孔（未示出）偏置以便在不同的已知和期望位置中刚性附接跟踪器112。

如在图8A中更详细地看到的那样，转台184可具有可安装到被跟踪的对象14的轴环140。转台184也可以包括环142，所述环142构造成绕对象14转动，并且可具有延伸部148，跟踪器12可附接到所述延伸部148。延伸部148可由一个或更多附接部件143（诸如螺钉、螺栓、销等）安装到环142，框120可以由一个或更多附接部件123（诸如例如穿过开孔127的螺钉、螺栓、销等）安装到延伸部148。虽然示出转台184具有至少三个部件（即轴环140、环142、延伸部148），可以理解，转台184可以是一体结构，这也在本发明的精神和范围内。此外，在本发明的替代实施例中，跟踪器112可以和转台184成一体结构。因此，当需要倒置保持对象14来进行切割时，跟踪器112可以转动/旋转期望的量（例如180度）以伴随对象14的转动，并留在已知空间结构中的相机10的视野中。

此外，为了保证已经完成一定旋转，在轴环140上的刚性停止件121可以在延伸部148（框20安装在所述延伸部上）的行进的末端处定义界限。一旦延伸部148已经位于至少一个停止件121内，所述延伸部148可以用保持件125（诸如可以接合延伸部148上的凹陷及/或开孔（未示出）的螺钉、螺栓、球塞等）固定在适当位置。因此，跟踪器112可以固定在已知和刚性的期望位置。如上面提到的那样，环142的旋转可以固定到被附接到对象14的轴环140内的刚性停止件121处的两个位置之一（例如，隔开180度）。

在替代实施例中，或者除了其它实施例以外，如在图8A中能够看到的那样，环142可以具有第二延伸部144，该延伸部具有开孔147以接收球塞145。球塞145可以放在对象14的主体周围的已知位置，以允许确定跟踪器112的位置，因而允许在优化标识器122的位置（以便让它们能被相机10检测到）方面有更多可变性。

此处观察到，在图4-5的实施例中的转台124允许跟踪器112精确地旋转例如180度。这样，当使用者/外科医生在切割骨18（诸如大腿骨和胫骨）时切换时，跟踪器112可以符合期望的转到不碍事的已知转动距离到达对象14的另一侧。以此方式，对象14仍可被跟踪，即使被倒置保持。此外，转动标记190可设置在对象14周围，从而可以测量延伸部148的位置。

在另一实施例中，可以如图6和8B中所示可以使用可分度（indexable，或可转位）转台329。可分度转台329示出为具有环342，所述环带有一体延伸部348用于经由螺钉323附接到跟踪器312上。如在图6中能看到的那样，根据一个实施例，跟踪器312还可以被一体附接到延伸部348。和在其它实施例中一样，跟踪器312可具有附接到跟踪器框320的标识器122。可分度转台329还可具有机械分度件341，用于在已知旋转位置处和分度件接收轴环330上的一个或更多凹入的停止件331匹配。在环342上的这样的机械分度件341可以在围绕转台329的轴线的不同角度下使用，以帮助确定跟踪器312已经进行了已知的旋转。

在一个实施例中，对于环342上的脊的分度件341可以和轴环330上的一个或更多对应的凹入的停止件331匹配以提供精确定位。因而这样的可分度转台329，利用停靠在凹入的停止件331中的机械分度件341，可允许跟踪器312以已知增量（例如90度增量）完成360度运动。

转台329还可包括夹子344，所述夹子可用于防止跟踪器312意外移动，以及减小外部力量在跟踪器312的定向/位置上的冲击。夹子344可以利用指旋螺钉343被接合而附接转台329到壳体74。此外，一个或更多波簧垫圈346也可以用来在与壳体74的联接中提供额外的刚性。

图7描述了具有延伸部448、环形部分442和第二延伸部444的卡扣锁定（snap-lock）跟踪台431。第二延伸部444可固定到壳体74及/或对象14，同时环形部分442可固定第二延伸部444及/或对象14。因此，搭扣跟踪台431可重构以定位跟踪器412在诸如示出的至少两个位置432、434中。跟踪器412可具有位于框420上的标识器122，同时安装板430连接到框420上。

搭扣跟踪台431的安装板430可具有附接点，诸如开孔，所述附接点定位在跟踪台431的延伸部448中并经由摩擦卡入（snap）牢固的已知位置中。替代地，安装板430可以被磁力定位在延伸部448上及/或设置有螺钉（未示出）以经由附接点426定位跟踪器412。卡扣锁定允许跟踪器412从第一位置432到第二位置434的快速重新定位。在另一实施例中，延伸部448可以和对象14的结构成一体，从而销安装孔426或者附接点可以免除对延伸部平行于对象14突出的需要。

参考上面讨论的安装布置和跟踪器，在物理重构以后，可以让软件知道所述改变以更新显示以及依赖于被跟踪的对象的几何形状的任何其它程序。有多种不同方式实现与软件的通讯。例如，在一个实施例中，使用者可清楚地传递（例如通过正确的数据录入）被跟踪对象的新构造到软件。在另一实施例中，传感器（例如霍尔效应传感器、编码器、临近传感器、条形码阅读器、RF（射频）ID标签阅读器、LVDT（线性可变差动变压器）等等）可用于自动感测被跟踪的对象的构造中的变化，并将最新的构造信息送入导航软件。在另一实施例中，系统软件可利用被跟踪的工具的定向或位置来推断工具的几何结构。例如，膝盖更换手术可能需要在大腿骨的前面或背面工作。如果被跟踪的工具具有两种构造（例如一种用于前面，一种用于背面），软件可以基于当前被切割的位置而推断工具所处于的构造。因此，导航软件可以明确地被使用者/外科医生“告知”关于对象14目前所处于的构造。可有几个构造，例如，是否选定跟踪器和安装结构处于例如图4或5中所示的“初始”构造中，或者跟踪器是否处于被分度的位置中（在图6的转台的情况下），或者跟踪器是否从“初始”位置转动180度并“卡入”到图7所示的位置中。

根据本发明，有多种方式重构可跟踪的对象或工具（例如外科手术钻）到各种已知刚性位置中。例如，在上面讨论的一个实施例中，可以使用可分度位置（线性位置或转动位置），由此可调整部件（即，被跟踪的工具）卡入已知刚性位置中。可分度部分可以是跟踪器框本身，或者在另一实施例中，是被跟踪的对象的某些部分。在另一实施例中，被跟踪的工具可具有带分级标尺的无限可调整部件。基于该标尺，使用者可调整工具到已知位置，并经由使用者界面传递工具位置到软件。在另一实施例中，无限可调部件的位置可以被与软件通讯的传感器监控。在替代实施例中，被跟踪的工具可具有可交换的（swappable）几何形状。使用者可以移除对象的一部分，并用不同的已知部件来替换该部分。在还一实施例中，使用者可以移动被跟踪工具的一个部件，并重新附接该部件到不同但已知的位置中，例如图7中阴影部分所示。

前面描述了各种方法，它们用于更灵活的外科手术切割定向同时在光学导航的外科手术过程中保持从相机到跟踪器的目视线。这样，外科医生可以在任何定向上保持外科手术工具，并且在可能的调整以后，该工具仍可被跟踪。此处描述的各种跟踪器安装机构所提供的灵活性在各种外科手术过程中可能是有用的，那些外科手术需要外科医生保持外科手术工具在不同定向上（由于难以到达人体解剖组织的区域）。如上面提到的那样，可能有多种原因需要调整工具定向。例如可能期望提高被跟踪对象或工具的可视范围（例如通过移动跟踪器框以保持对象在导航系统的光学包络中），或者改变工具的几何形状以提高工具的易用性和效用，因而经由单个被跟踪的工具提供多种工具的功能。

这里注意到，虽然前面的讨论主要涉及示例性被导航外科手术工具，此处讨论的跟踪器安装机构可以应用到任何使用导航（例如，电磁、机械、主动黄学、被动光学等导航）的（被跟踪）工具，不论该工具本质上是否用于外科手术。例如，除了这里讨论的外科手术切骨工具，本公开的教导可应用到外科手术探针、针、骨等。因此，假定跟踪软件可校准到新定向，则跟踪器可设计成被调整到任何预定和刚性位置。

尽管为了说明目的，已经基于当前认为是最使用的内容以及优选实施例详细描述了本发明，应该理解这些细节仅用于所述说明目的，本发明并不限于所披露的实施例，而是相反，本发明应覆盖在所附权利要求的精神和范围内的变型和等同布置。例如，应该理解，在可能的情况下，可以基于本发明设想任何实施例的一个或更多特征可以和任何其它实施例的一个或更多特征组合。由于对本领域技术人员而言，为了适应特定操作需要和环境而改变的其它变型和变化是显而易见的，因此不应认为本发明限于为了披露目的而选择的实施例，而是覆盖不偏离本发明的精神和范围的所有改变和变型。

Claims (20)

1.一种跟踪装置，包括：

可重新定位的安装装置，构造成可释放地连接到对象以选择性定位在所述对象周围，所述可重新定位的安装装置包括：

附接到对象的第一件；及

能够相对于所述第一件重新定位的第二件；及

其中所述可重新定位的安装装置构造成固定在所述对象周围的至少两个稳定的预构造位置中。

2.根据权利要求1所述的跟踪装置，其中所述第一件包括壳体，所述壳体构造成接收至少一个附接部件以固定第二件到所述壳体。

3.根据权利要求1所述的跟踪装置，其中所述第一件还包括穿过其中的至少一个开孔，所述开孔用于接收附接部件以连接到所述可重新定位的安装装置。

4.根据权利要求1所述的跟踪装置，其中所述第二件包括至少一个延伸部，所述至少一个延伸部具有穿过其中的至少一个开孔以接收用于连接所述至少一个延伸部到所述第一件的附接部件。

5.根据权利要求4所述的跟踪装置，其中所述至少一个延伸部包括相对于所述第一件位于相对方向上的至少两个延伸部。

6.根据权利要求4所述的跟踪装置，其中所述至少一个延伸部包括开孔，所述开孔用于在所述至少两个稳定的预构造位置中接收安装板。

7.根据权利要求1所述的跟踪装置，其中所述可重新定位的安装装置还包括安装板，所述安装板构造成被可释放地固定到所述第二件。

8.根据权利要求1所述的跟踪装置，其中所述第一件还包括至少一个凹陷，所述至少一个凹陷构造成接收所述第二件的一部分在所述至少两个稳定预构造位置中的一个中。

9.根据权利要求8所述的跟踪装置，其中所述可重新定位的安装装置还包括至少一个固定部件，所述至少一个固定部件构造成接合所述第一件和所述第二件中的一个在所述至少两个至少稳定的预构造位置中。

10.根据权利要求9所述的跟踪装置，还包括夹子，所述夹子具有定位成穿过其中的开孔，所述开孔用于接收所述至少一个附接部件，所述夹子构造成邻接所述第二件并在所述至少两个稳定的预构造位置中保持所述第二件与所述第一件相邻。

11.根据权利要求1所述的跟踪装置，还包括至少一个保持件，所述至少一个保持件构造成在所述至少两个稳定的预构造位置中接合所述第一件和所述第二件中的一个。

12.根据权利要求1所述的跟踪装置，还包括框，所述框构造成支撑至少一个标识器，并且构造成连接到所述可重新定位的安装装置。

13.根据权利要求1所述的跟踪装置，还包括转动标示，所述转动标示构造成指出所述可重新定位的安装装置的转动。

14.一种跟踪装置，包括：

固定到对象的可重新定位的安装装置，所述可重新定位的安装装置包括附接点，所述附接点构造成在对象周围的至少两个稳定的预构造位置接收框。

15.根据权利要求14所述的跟踪装置，其中所述框构造成支撑至少一个标识器并可移除地连接到所述可重新定位的安装装置。

16.根据权利要求14所述的跟踪装置，其中所述可重新定位的安装装置还包括构造成固定到所述框的安装板。

17.根据权利要求14所述的跟踪装置，其中所述可重新定位的安装装置还包括具有附接点的延伸部。

18.根据权利要求14所述的跟踪装置，还包括壳体，所述壳体固着到对象并构造成接收至少一个附接部件以固定所述可重新定位的安装装置到所述壳体。

19.一种被导航的外科手术工具，包括：

工具；

附接点，构造成将框固定在所述工具周围的至少两个稳定的预构造位置中；及

其中所述框构造成支撑至少一个标识器。

20.根据权利要求19所述的被导航的外科手术工具，还包括安装板，所述安装板构造成可释放地附接所述框到所述至少两个稳定的预构造位置。

Images