CN105105846A - 一种用来精确引导对一病患进行外科手术的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用来精确引导对一病患进行外科手术的系统，该系统包括：一三维数字化表示，用于表示该病患一相关部位的术前几何形状；一三维数字化表示，用于表示该病患该相关部位的术后预定几何形状，包括任何预定要附连到该病患的植入物或其他结构；一可移动光电摄像机，安装在一相对于一外科医生的已知位置及朝向；一第一载具，包含至少3个目标物，用于供该摄像机取像，该载具用于安装在一相对于该病患该相关部位的已知位置及朝向；一第二载具，包含至少3个目标物，用于供该摄像机取像，该载具用于安装在一相对于一植入物或外科器械的已知位置及朝向；一计算器，用于根据该摄像机的取像结果，计算该含有至少3个目标物的第一载具与第二载具间，以及与该摄像机间的相对位置；及软件，建置在该计算器内，用于计算该病患的一数字化表示显示在一显示器的相对投射关系，以供所显示的投射可以匹配到该外科医生当时对该病患的实际视线。

Description

一种用来精确引导对一病患进行外科手术的系统

技术领域

一种用来精确引导对一病患进行外科手术的系统

背景技术

虽然业界一致认为计算器引导系统可能既可降低风险并可改善许多种外科程序的结果，例如应用在全膝关节置换手术或全人工髋关节置换手术，或脊柱融合手术上。但是这种计算器导引系统的使用率仍然很低。

例如，市面所贩卖的一些系统可用来通过同时追踪多个对象，例如病患本身，植入物和其他仪器，引导外科医生精确的定位植入物，诸如髋关节植入。然而，要成为一种切实可行的解决方案，所使用的引导设备必须不能妨碍手术团队的工作或遮盖其视线，也不能迫使手术团队使用不熟悉的工作方式来支持。也就是说，必须能够从引导系统能清楚观察到伤口。另外，附着在病患身上的导航目标物，植入物和其他仪器也必须不会干扰到外科医生的工作，但同时又能够在整个过程中，提供可靠的定位引导。

在欧洲专利文献EP607303B1中公开一种用于测量目标物图案的空间位置和朝向的系统，所述图案包括至少3个彼此相对位置已知的目标物。

稳定的连接到该目标物图案的任何物体的位置和朝向，可以利用该专利技术测量。这样的目标物可能是一个测量探针，也可以是一个组件的一部分，用来定位到特定的配置中，例如植入物中，或者是用来追踪时间上或空间上的变化，例如经受手术治疗的骨骼结构变化的物体。

另外，例如EP607303B1也已知，如果目标物图案含有至少3个目标物，其中个别目标物之间的相对位置已知，并且以一定的定位供具放置在目标物图案上，则这种图案目标物在三维空间中相对于摄像机的位置和朝向，可以从由摄像机拍摄所得的目标物二维图像中作出判断。

如果所拍摄的照片包含的目标物的两个或更多的不同已知的目标物图案，即可以用来判断这些目标物图案中，个别相对于该摄像机的空间位置和朝向。结果即可从该EP607303B1的教导衍生出一系统，用来测量多个目标物的位置和朝向，例如在全膝关节置换手术中，同时量测股骨和植入物的位置和朝向。

即使前述已知的目标物图案都是相同的图案，仍可判断其空间位置和朝向，只要(1)每一个初始位置均是已知，且(2)图像之间的接续运动够小，小到足以追踪每个图案沿时间的变化，且(3)在任何时间点，两个图案都不会形成重迭或极接近重迭，以致于无法显示前后两张图像之间的运动。

在专利文献EP1712193A1和DE19649399A1中公开了具有类似能力的替代系统。这两种系统都能够判断多个目标物的位置和朝向，但与专利文献EP607303B1相同，都需要一个固定的摄像机。

在如专利文献EP607303B1，EP1712193A1和DE19649399A1中所述的系统中所进行的所有测量，都是基于固定关连到该摄像机的参考图框，通常是使用测量探针，探测特定数量的参考特征，进行初始设定程序得到。这种方式明确陈述在DE19649399A1中，并隐含在EP1712193A1的叙述中。如不透过这种程序，则需要建立数个参考图框，以供量测时参照。

此外，在EP1712193A1和DE19649399A1所使用的IR传感器并无法拍摄瞬间的图像，虽然动作诚然迅速，仍然只能逐点测量，并不能同时测量两个或多个点。这种限制使精度略有下降，因为不同的目标物是在略为不同的时间点量测。不过，这种缺点无伤大局，因为所涉及的运动相对都较小。但是，这种现有技术要求摄像机在测量期间保持静止，否则将由于传感器和目标物之间的距离较长，而害及测量的精度。在一个固定于摄像机的坐标系统中，只要摄像机发生小角度的运动，即会导致目标物的位置产生一个相当大的偏移，结果使得即使在些微的时间差中所观测到的目标物，也会产生相当大的相对位移。这在使用摄像机的情况下，将更为严重。

因此，在上述已知的系统中，将该摄像机保持静止至为重要，否则将会失去与参考图框的相关性。

因此，上述的系统并不适合应用于实际从事植入物放置的任务。这种类型的手术涉及使用大的力度以及骨骼结构的繁复的机械组成，事实上并无法将病患保持固定，将摄像机维持固定更不切实际，因为摄像机在手术过程中会阻碍到伤口的视线，或是妨碍到医疗工作人员的工作。

另外，也有业者提出使外科医生能够准确计划最佳植入位置，或者任何其他程序中的几何结构的系统。但是，如要真正合乎实际应用并因此能大量使用，所产生的计划必须与引导系统整合，以使外科医生能接收到易于参用且直观的引导，提供例如在手术过程中移动植入物以达到计划所定位置的引导。同时，所提供的引导信息还必须能够避免使外科医生的视觉专注从伤口移开，更不能导致额外的疲劳，例如在医生使用手术放大镜时，要求额外的阅读。

如上述的计划工具已经在市面贩卖，包括由例如Medtronic公司与Brainlab公司提供的市售解决方案，其中也有几种可能与引导系统进行整合。然而，这些工具都需要外科医生解读以二维呈现的图形，绝大多数都与传统的X射线图像类似，或要求外科医生在手术过程中，手动选择相关的视野与投射角度。结果不但费时，且会提高错误解读的风险，并使医生的视觉专注从手术过程本身移开。

一些现有的解决方案提供基于通用病患模型所建立的引导。所使用的模型或为完全通用的模型，或为趋近病患条件的模型，即根据性别，体型，年龄，形状或其他选择条件，从病患类型库中选择的模型。虽然这些解决方案有益于手术过程的引导，例如可以应用在教学的情况下，但要应用到提高手术的精度，如达到次毫米的精度，则显然是未达实用阶段。要应用在规划和引导，所使用的模型必须明确为个别病患的一种精确表示。现存的技术可以用来提取例如从CT扫描所得到的计算器表示。

使用导引系统也不能达到明显延长手术过程的持续时间的结果，无论从经济原因或避免提高感染风险的角度看，都是如此。因此设定和对准时间必须缩短，且该系统的使用必须简化并直观，才能成为提高外科医生效率的辅助工具。

因此，同样重要的要求是系统组件的所在位置必须不会妨碍或遮挡既定的工作流程，而是可以使手术小组运用熟悉的方法以及使用已建立的技法，进行手术。

此外，该引导设备也必须具有购置的成本效益比，该系统必须是坚固和可靠，以避免在操作过程中发生故障。并且在系统中，会与病患接触的零件必须是一次性零件或适合消毒的零件。

因此，用于手术中提供引导的有效解决方案必须满足多种要求，其中最重要的是：

·能够获得对于个别病患的精确三维表示，

·能够将该表示使用在规画手术的目的，并能创建一个修改后的模型，用于显示预期的术后几何形状，

·能够同时追踪多个目标物(病患、仪器、植入物等)，

·使用一导航单元，例如一摄像机的能力，导航单元在手术过程中可以四处移动，以避免妨碍或过度限制手术团队的活动，

·能够追踪外科医生相对于病患的移动，以自动在相关的投影中显示图形化的引导信息

发明内容

本发明的目的即在是提供一种整合的系统，该系统提供给外科医生所需的精确且直观的空间上测量数据，用于精确引导外科手术，且不会妨碍活动或遮挡伤口。

一种用来精确引导对一病患进行外科手术的系统，包括：

a)一三维数字化表示，用于表示该病患一相关部位的术前几何形状；

b)一三维数字化表示，用于表示该病患该相关部位的术后预定几何形状，包括任何预定要附连到该病患的植入物或其他结构；

c)一可移动光电摄像机，安装在一相对于一外科医生的已知位置及朝向；

d)一第一载具，包含至少3个目标物，用于供该摄像机取像，该第一载具用于安装在一相对于该病患该相关部位的已知位置及朝向；

e)一第二载具，包含至少3个目标物，用于供该摄像机(3)取像，该第二载具用于安装在一相对于一植入物(1)或外科器械的已知位置及朝向；

f)一计算器，用于根据该摄像机3的取像结果，计算该含有至少3个目标物的第一载具与第二载具间，以及与该摄像机间的相对位置；

g)软件，建置在该计算器，用于计算该病患的一数字化表示显示在一显示器的相对投射关系，以供所显示的投射可以匹配到该外科医生当时对该病患的实际视线。

该病患的相关部位的术前几何形状的三维数字化表示，与该病患的相关部位，包括任何预定要附连到该病患的植入物或其他结构的术后几何形状的三维数字化表示，已合并到一单一表示。

优选地，该摄像机同时拍摄在该载具上的所有目标物的影像。

优选地，该计算器提供该显示器，该显示器附连在计算器本身或位于一远程的适当位置，以供观看，用于显示如何将一载具相对于该病患或另一载具移动，以达到所需的相对位置与朝向的信息。

优选地，该系统包括至少3个载具，各载具包括至少3个目标物可供该摄像机取像，各载具用于安装在一相对于该病患的一部分、一植入物、一器具或任何其他需要探知位置的装置的已知位置与朝向。

优选地，该摄像机为一数字化摄像机，经校正以精确量测相对于空间上的目标物的空间方向。

优选地，该目标物为主动式发光组件。

附图说明

图1为本发明用来精确引导对一病患进行外科手术的系统的应用示意图。

具体实施方式

本发明的目的即在是提供一种整合的系统，该系统提供给外科医生所需的精确且直观的空间上测量数据，用于精确引导外科手术，且不会妨碍活动或遮挡伤口。

本发明的系统可以达成高效且精确的测量，用来量测两个或多个互相相对移动中或可相对移动的物体，特别是一植入物与一相对于位在病患体内的组件，该植入物将固定于该组件上。本发明提供了一组目标物，跟随该病患，一组独立组的目标物，跟随该植入物，以及一量测用摄像机，对该目标物取像，其中每个组的目标物，以及该摄像机在测量过程中都可以彼此相对独立移动或独立被移动，从而提供必要的灵活性，成为解决技术难题的实用方案。

通过将摄像机安装在外科医生的头上，提供两项优于传统的投影式或吸顶式挂架的优点。首先，摄像机对伤口的视线在外科医生执行手术的程序中，可长时不受阻碍。其次，摄像机绝不会位在外科手术的操作范围内，且外科医生也不会被迫在工作中腾出空间，以确保摄像机不会在手术过程中失去视线。

为了支持一个头部安装具，必须将摄像机缩小，轻量化，并维持良好的平衡。因此，一种如专利文献EP607303B1所公开的单一摄像机方法，即较其他使用多台摄像机或传感器数组的方法，更为有利。根据EP607303B1的系统已经市售多年，并已证明其精度已经足以应用于手术引导。

如CT，MRI和PET等先进的成像技术已经可以提供详细的病患体内几何套图。这些技术通常是首先产生一系列通过该病患身体的平面截面图。另外也有一种技术，从上述系列的截面图，产生的3D模型。这种技术正与日俱进。尚有多种技术难题有待解决。例如，要判断骨头与周围材料的影像分界线，通常并非容易。目前，这方面的技术已经发展到能够产生特定于病患的模型，并具备足敷应用在外科手术过程中的质量。

一旦取得特定于病患的3D模型时，外科医生可以利用类似于业界的CAD工具的工具，在计算器上对于预期的变化进行设计、检查、改正及分析。可以使用在计算器的外科手术规画解决方案已经有多种问世，虽然并非所有已知技术都能应用到特定于病患的模型。

手术程序的规划最为有利，以将所得的计划用于作为手术过程期间的引导基础。因此，该外科手术引导系统必须(1)能够利用该特定于病患的模型或表示，(2)也可以利用所得的计划，因应该特定于病患的几何形状的修改，诸如应摘除区域的精确表示，任何植入物应插入的精确位置和朝向等。

因此，在外科手术过程中的初始步骤是将病患对位到该特定于病患的模型或表示中，使该引导系统可以将病患的实际相关部分与该数字化表示互相对准。

这种功能通常是通过使用一个手持式载具，在载具上负载目标物，加以达成。其中，该载体还具有一个触摸点，可以用于指示病患身上的凸出点，而该凸出点也是标示在该数字化表示中。之后，将另一个负载目标物的载具固定到该病患身体的相关部位，使该系统能够连续地将该数字化表示与病患身体的当前位置和朝向对准。

本发明还进一步建基于如下的原理：假设两个或多个目标物图案在时间上给定的时点的位置和朝向为已知，则可以计算出在同样情况下，该两个或多个目标物的相对位置和朝向。本发明也发现，上述原理在摄像机相对于该两个目标物图案移动下，也保持恒真。因此，可以用来设计一测量系统，其中的摄像机可以独立于任何一个或所有的目标物图案而移动，但仍然可以量测到各目标物相对于彼此的位置和朝向。从摄像机所得到的影像即可以用来计算全部三个单元–一台摄像机与两个载具–的相对位置和朝向。

在该程序的其余部分即可判断其中病患相对于外科医生的位置，此时该外科医生配戴该头戴式摄像机。因此，也可以相同于该病患身体相对于外科医生的朝向，显示对该病患的表示，故可降低外科医生的工作负荷并使引导更为直观。

图1显示一位病患10与一第一载具5连同目标物6附接到病患10的相关部位2，用于追踪该部位的当前位置；以及一位外科医生4配戴一个可移动的头戴式摄像机3的系统图。图中显示，所述外科医生依据显示器9上所显示的该病患10的数字化表示11，将一植入物1放置到病患身体的规划位置，该植入物1具有附连的第二载具7，载具7上有目标物6。该数字化表示11是以一台计算器8根据摄像机3的取像结果计算得到。

本发明的一实施例为髋关节置换手术。在手术过程中，植入物1需要精确放置到股骨2上，相对于未受损部分的位置。该预期位置已经预先计划。由于该手术的性质，将股骨2保持静止不动不但不实际，也不可能。同时，将摄像机保持在一个合适且稳定的位置，也是不切实际的想法，因为如此一来摄像机就会位在外科医生的操作路径中。本发明提供了一种可移动的摄像机3，例如为头戴式摄像机，由外科医生4佩戴，从而始终提供外科医生进到伤口区域的清晰视线，而不会妨碍外科医生的视线或运动。本发明也提供载具5，负载3个目标物6，用来安装到股骨2的未受损部位，以提供一个锁定到股骨2，并不断更新的参照。以及一载具7，负载3个目标物6，安装到植入物1上，以提供连续更新的植入物1相对于股骨2的未受损部分的相对位置。本发明也提供一计算器8和一显示器9。该计算器8接收摄像机3提供的影像，并计算分别负载3个目标物6的载具5和7互相间的相对位置和朝向，从而只要负载目标物6的载具5与7是位于该摄像机3的视野内，即能对该植入物1相对于股骨2的预定值入位置和朝向，以及当前的位置和朝向，作出比较。这种功能使得本发明的系统能够计算并将如何相对于股骨2移动植入物1，以达到所希望的位置的引导信息，显示给外科医生4，并同时始终能使显示内容的朝向与外科医生实际所件的病患位置，互相匹配。

该外科医生4，该病患10和该植入物1在测量过程中自由的相对移动。摄像机3拍摄负载目标物6的载具5和7的影像，基本上是同时拍摄，或在紧接的时间内拍摄(取决于所要求的精度)，时间上的密接程度足以用来计算一组一致的，关于载具5和7与目标物6的相对位置和方位。该计算器8提供一个显示器9，可以附连在计算器8本身，也可以位于远程的适当位置，以在手术过程中观看。例如可以挂在墙壁上或者形成一个半透明的显示器，由外科医生穿戴，用来显示如何将植入物1相对于该病患10移动，以达到所需的相对位置与朝向的信息。

Claims (7)

1.一种用来精确引导对一病患(10)进行外科手术的系统，包括：

a)一三维数字化表示，用于表示该病患(10)一相关部位(2)的术前几何形状；

b)一三维数字化表示，用于表示该病患(10)该相关部位(2)的术后预定几何形状，包括任何预定要附连到该病患(10)的植入物(1)或其他结构；

c)一可移动光电摄像机(3)，安装在一相对于一外科医生(4)的已知位置及朝向；

d)一第一载具(5)，包含至少3个目标物(6)，用于供该摄像机(3)取像，该第一载具(5)用于安装在一相对于该病患(10)该相关部位(2)的已知位置及朝向；

e)一第二载具(7)，包含至少3个目标物(6)，用于供该摄像机(3)取像，该第二载具(7)用于安装在一相对于一植入物(1)或外科器械的已知位置及朝向；

f)一计算器(8)，用于根据该摄像机(3)的取像结果，计算该含有至少3个目标物(6)的第一载具(5)与第二载具(7)间，以及与该摄像机(3)间的相对位置；

g)软件，建置在该计算器(8)，用于计算该病患(10)的一数字化表示(11)显示在一显示器(9)的相对投射关系，以供所显示的投射可以匹配到该外科医生当时对该病患的实际视线。

2.如权利要求1的系统，其中该病患(10)的相关部位(2)的术前几何形状的三维数字化表示，与该病患(10)的相关部位(2)，包括任何预定要附连到该病患(10)的植入物(1)或其他结构的术后几何形状的三维数字化表示，已合并到一单一表示。

3.如权利要求1或2的系统，其中该摄像机(3)同时拍摄在该载具(5、7)上的所有目标物的影像。

4.如权利要求1到3中任一项的系统，其中该计算器(8)提供该显示器(9)，该显示器(9)附连在计算器(8)本身或位于一远程的适当位置，以供观看，用于显示如何将一载具(5、7)相对于该病患(10)或另一载具(5、7)移动，以达到所需的相对位置与朝向的信息。

5.如权利要求1到4中任一项的系统，其中包括至少3个载具，各载具包括至少3个目标物可供该摄像机(3)取像，各载具用于安装在一相对于该病患(10)的一部分、一植入物、一器具或任何其他需要探知位置的装置的已知位置与朝向。

6.如权利要求1到5中任一项的系统，其中该摄像机为一数字化摄像机，经校正以精确量测相对于空间上的目标物的空间方向。

7.如权利要求1到5中任一项的系统，其中该目标物为主动式发光组件。