CN109925058B - 一种脊柱外科微创手术导航系统 - Google Patents

Abstract

一种脊柱外科微创手术导航系统，包括：成像部、处置部、导航部，其特征在于：成像部扫描器环绕处置对象进行扫描成像；处置部包括机械臂、连接杆、动力提供单元、夹闭器以及进入脊柱病变部位的穿刺通道、消融电极针，穿刺通道为一个直径约2mm的微创手术工作套管。本发明结构简单，造价低廉，容易操作，术前融合CT、MRI图像将病人骨性结构、神经、血管、压迫神经的椎间盘组织和韧带整体重建，根据椎间盘突出和压迫神经的位置，术前设计出合理的手术入路，与术中扫描骨骼图像进行配准，同时通过实时导航下远程控制机械臂精准消融压迫神经的组织，安全稳定性好，避免手术中因医生疲劳造成的对正常组织的损害，并且有效减少了射线对病人和医生的伤害。

Description

一种脊柱外科微创手术导航系统

技术领域

本发明属于医疗器械领域，尤其涉及一种脊柱外科微创手术导航系统。

背景技术

手术微创化是目前椎间盘突出症外科治疗的主要发展趋势。目前椎间盘突出症的手术方式都要在病变节段的椎管外壁上开个窗口，然后通过这个窗口，切除压迫到神经的椎间盘、韧带和增生的钙化组织等。依据手术在椎管外壁上开窗部位和大小的不同，会不同程度地损伤椎骨或椎旁骨骼、关节、韧带、肌肉等正常组织，手术治疗后容易导致椎体不稳、神经损伤、疤痕再次压迫神经等并发症。

在切除病变椎间盘组织、解除神经压迫过程中，如何尽可能地减少对正常脊柱结构和神经的损伤，是目前脊柱外科微创研究的重要方向。脊柱内镜技术是近些年来新兴的脊柱微创手术，医生将脊柱内镜器械，经皮肤上一个大约7mm的切口建立通道深入病变部位，以水作为媒介，通过内镜系统将内部病变放大后显示于电视屏幕上，外科医生通过电视屏幕观察病变部位，应用器械经工作通道摘除突出的椎间盘或扩大狭窄的椎管，以达到缓解腰腿痛等症状，它具有创伤小、出血少、术后恢复快、住院时间短等优点。但脊柱内镜由于自身特点，也存在一系列的手术并发症：1.椎间孔镜的直径一般在6mm以上，术中对于脊柱小关节、椎间盘等结构会造成一定的损伤，对颈椎而言，这样的损伤会更加明显，术后引起脊柱退变加重；2.术中工作通道穿刺在C形臂透视引导下进行，无法精确定位被压迫的神经根，很大程度上依赖固定的手术入路和术者的经验，可因被压迫神经根解剖位置变异、神经受压部位不同或者术者无法精准控制穿刺深度而造成神经的直接损伤；3.穿刺置管时由于不清楚椎间孔外血管分布情况或者未按程序进行逐级置入扩张管而致术后出现腹膜后血肿；4.术中过度刺激或损伤神经根和脊神经节，造成病患术后出现神经根性痛觉过敏等感觉异常；5.熟练掌握脊柱内镜现有技术需要医生具有丰富的临床经验，较高的解剖了解程度以及新技术、新器械的熟悉程度和技巧，这些因素使得脊柱内镜学习曲线相对漫长，从而导致更长的手术时间以及因早期手术操作的不熟练而增加上述手术并发症的发生风险；6.术中穿刺置管需要反复透视进行定位，大大增加病人的痛苦和辐射伤害。

近年来，为提高微创脊柱外科手术的精度，减少手术并发症的发生，精准微创治疗得到高度重视与发展，计算机辅助外科就是其中重要的组成部分。而外科手术导航系统为计算机辅助手术中的一个重点应用，目前已经开始应用于外科手术中。基于图像的外科手术导航系统，就是以MRI、CT等医学影像数据为基础，通过运行平台对影像数据的处理，在计算机上显示出病变部位的三维模型，医生手术时对手术器械进行操作，可利用该系统借助彩色图像清晰地观测手术器械与病变部位三维模型的状态，通过手术导航，可以实现安全、可靠的手术过程，减少病人的痛苦。

为此，人们相继开发了许多外科手术导航系统，在脊柱外科方面，北京天智航公司自主研发的天玑骨科手术机器人利用导航辅助，实现目标骨骼的精准定位并完成螺钉置入。在脊柱骨骼成像及精准治疗方面，天玑骨科手术机器人具有明显优势，但其在神经、血管、突出的椎间盘等软组织成像方面是欠缺的。目前的脊柱外科手术导航系统普遍存在下列问题而影响其临床应用及推广：1.术前CT图像进行三维重建，未能将清晰显示椎间盘、神经等软组织的MRI图像与CT图像进行完好融合，术中虽然可以对骨骼三维图像进行重建，但尚不能精准定位神经、血管和压迫神经的椎间盘等组织的位置；2.术前精准三维重建时间比较长；3.术前三维重建和术中图像配准时间较长，临床实用性差。因此，目前市面上针对椎间盘突出症的微创手术导航系统尚有待进一步完善。

为此，需要提供一种结构简单，容易操作，精确度更高的脊柱外科微创手术导航系统。

发明内容

本发明的目的就是提供一种脊柱外科微创手术导航系统，并达到以下优势：1.通过将工作通道的直径由6mm缩小至2mm左右，明显降低手术创伤；2.融合MRI和CT图像，精准显示病变部位的骨骼、神经、血管以及压迫神经的病变组织，并预设出最佳的个体化手术方案和入路；3.术中采用机器臂导航系统，指导手术器械对病变椎间盘组织精准消融。

本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：

成像部，用于读取病人术前病变脊椎的CT、MRI影像信息，在中央计算机系统控制器控制下对病人术前病变脊椎的CT、MRI图像进行融合、分割和三维重建，将病人椎骨、关节、神经、血管、压迫神经的椎间盘组织和韧带整体重建，根据椎间盘突出和压迫神经的位置，术前设计出合理的手术入路，与术中扫描所获取的骨骼图像进行配准以获得术中三维模型；

处置部，依据术前个体化的手术路径规划，在实时导航引导下，从最佳的层面及角度进入，通过微创通道到达处置对象的病变部位，在避免损伤神经、血管、关节结构的同时，安全消融压迫神经的组织；

导航部，根据处置部反馈的信号得出处置部的空间坐标信息，所述空间坐标信息包括处置部相对于病变部位的相对距离、角度信息，所述空间坐标信息以图像信息显示于病变脊椎的三维图像中，导航部使得处置部沿术前规划的手术路径到达病变部位；

所述成像部包括用于扫描处置对象脊椎的扫描器，对病变位置进行扫描成像，形成包含脊柱病变部位骨骼在内的图像信息，所述图像信息经图像信号转换器形成包含脊柱病变部位骨骼在内的图像；

所述成像部包括图像处理器，图像处理器连接图像信号转换器，图像处理器将图像信号转换器所得骨骼图像与病人术前病变脊椎CT、MRI融合图像的三维重建模型及术前手术规划路径进行配准，图像处理器与图像显示器连接，图像处理器处理后获得的脊柱病变部位三维图像配准结果及规划的手术入路显示在图像显示器上；

所述处置部包括机械手臂，机械手臂可实现多自由度运动；

所述处置部包括连接杆，连接杆与动力提供单元连接，动力提供单元可调节连接杆的伸缩长度；

所述连接杆的端部设有夹闭器，夹闭器通过闭合动作可拆卸固定连接有执行件；

所述处置部包括进入处置对象脊柱病变部位的穿刺通道，穿刺通道为一个直径约2mm的微创手术工作套管，穿刺通道设有消融电极针，消融电极针顶部设有温度传感器和与温度传感器连接的冷却装置，温度传感器和冷却装置用于调整消融电极针的工作温度，消融电极针电连接射频机，射频机为电极针提供热凝消融病变组织的高频电流；

所述导航部包括被动红外光学定位仪，被动红外光学定位仪实现对脊柱病变部位和消融电极针的精确定位，实时动态跟踪病人解剖结构、穿刺通道和消融电极针的空间位置变化，进而保证在避免损伤神经、血管、关节结构的同时，安全精准地消融压迫神经的组织；

优选地，所述扫描器为环绕处置对象的三维C形臂；

优选地，所述红外光学定位仪为被动红外光学定位仪。

本发明的有益效果在于：本微创手术导航系统由成像部、处置部、导航部三部分组成，结构简单，造价低廉，容易操作；术前通过CT、MRI融合图像将骨骼、神经、血管、病变椎间盘组织整体重建，进而设计出合理的手术入路，与术中扫描得到的骨骼图像进行配准，通过2mm微创通道到达病变部位，在避免损伤神经、血管、关节结构的同时，安全精准消融压迫神经的组织；通过改善运算方法和设备，术前三维重建以及手术路径规划可以迅速完成，同时术中图像配准时间得到缩减，提高临床实用性和推广性；通过远程控制机械手臂进行操作，使手术系统更加精准稳定控制穿刺角度与深度，避免手术中因医生疲劳造成的对正常组织的损害，大幅度降低术后并发症，并且有效减少了射线对病人和医生的伤害。

附图说明

图1是本系统的结构示意图；

图2是本系统C形臂成像原理图；

图3是本系统穿刺消融突出椎间盘的横截面示意图；

图4是本系统穿刺消融突出椎间盘的侧面示意图；

图5是本系统的工作流程图；

图6是本系统O形臂成像原理图。

图1-6中，1-手术台，2-手术台滑轨组件，3-手术台底座，4-扫描器，40-C形臂，41-X光光源，42-X光成像装置，43-O形臂，5-图像信号转换器，6-图像处理器，7-图像显示器，8-系统控制器，9-被动红外光学定位仪，10-机械手臂，11-动力提供单元，12-连接杆，13-适配器，14-夹闭器，15-穿刺通道，16-消融电极针，17-射频机，18-参考架。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

实施例一：如图1、图2、图5所示，一种脊柱外科微创手术导航系统，术前通过CT、MRI等影像设备获取病人脊柱病变区域的影像数据并且输入到系统控制器8里进行储存，图像处理器6读取系统控制器8里病人术前脊柱病变部位的CT、MRI影像信息，对两者进行融合，提取有用数据进行影像分割，重建三维图像模型，整体显示病人椎骨、关节、神经、血管、压迫神经的椎间盘组织和韧带，根据椎间盘突出和压迫神经的位置进行术前手术路径规划。

手术时，病人俯卧平置于手术台1上，手术台1通过滑轨组件2与下端底座3连接，手术台1可相对底座3进行长度方向的滑动，用于配合扫描器4的扫描成像。成像部，用于获得病人脊柱病变部位的扫描图像信息，成像部包括用于扫描病人脊柱病变部位的扫描器4，三维C形臂40环绕病变脊柱进行扫描，扫描器4通过X光光源41对病人进行X射线照射，并通过X光成像装置42接收穿过病人的X射线信息，当X射线穿透人体后，由不同部位的衰减程度的不同得到图像信息，由图像信号转换器5将衰减程度不同得到的模拟信号信息转化为数字信号信息，数字信号信息通过图像处理器6运算处理得到病人脊柱病变部位的二维骨骼图像，在系统控制器8的控制下，图像处理器6将该二维骨骼图像进行三维重建，所得的三维重建图像与病人术前CT、MRI融合图像的三维重建模型、术前手术规划路径进行配准，使两者重合，获得术中病变部位的三维模型。

该术中三维模型包含病人突出的椎间盘组织，以及同时得到病变位置附近正常组织包括骨骼、血管、神经、卡压的韧带的分布信息，图像处理器6处理后获得的处置对象的病变部位三维图像配准结果及规划的手术入路输出到图像显示器7上。

导航部包括被动红外光学定位仪9、参考架18及适配器13，被动红外光学定位仪9用于对参考架18及适配器13进行空间测量定位，从而实现对病变部位解剖结构和消融电极针的精确定位，参考架18固定于病变部位相邻椎骨的棘突上，通过参考架18上的反射球使被动红外光学定位仪注册病人的空间坐标，实时动态跟踪病变部位的空间位置变化，保证手术导航的准确性，适配器13固定于处置部连接杆12与夹闭器14连接交界处，通过适配器13上的反射球使被动红外光学定位仪9迅速注册和识别与夹闭器14相连接的穿刺通道15和消融电极针16，实时动态跟踪穿刺通道15和消融电极针16的空间位置变化，保证在避免损伤神经、血管、关节结构的同时，安全精准地消融压迫神经的组织。

术中脊柱病变部位三维模型以及手术路径确定后，处置部机械手臂10按照手术路径规划的位移量由系统控制器8控制，在导航部的引导下定位到穿刺部位，机械手臂10包括位于机械手臂10上的连接杆12、动力提供单元11和夹闭器14，连接杆12位于动力提供单元11和夹闭器14之间，按照规划手术入路在动力提供单元11的控制下调节连接杆12伸缩长度，从而精确控制穿刺通道15的穿刺深度，连接杆12的端部设有夹闭器14，夹闭器14通过闭合动作可拆卸固定连接有执行件，用于进入处置对象脊柱病变部位的穿刺通道15位于机械手臂10末端，固定于夹闭器14之上。

如图3、图4所示，穿刺通道15为一个直径约2mm的微创手术工作套管，动力提供单元11驱动穿刺通道15沿规划路径进入脊柱病变部位中，穿刺通道15设有消融电极针16，消融电极针16顶部设有温度传感器和与温度传感器连接的冷却装置，温度传感器和冷却装置用于调整消融电极针16的工作温度，消融电极针16电连接射频机17，射频机17为电极针16提供热凝消融病变组织的高频电流，穿刺通道15及消融电极针16的位置信息均显示于图像显示器7呈现的处置对象脊柱病变部位的三维图像上，实时观察调节穿刺通道15及消融电极针16的位置，安全精准地消融压迫神经的组织。

实施例二：如图1、图2、图5所示，一种脊柱外科微创手术导航系统，该实施例与第一个实施例相比，不同点在于：在该实施例中，用于扫描病人脊柱病变部位的扫描器4为二维C形臂40，扫描器4通过X光光源41对病人进行X射线照射，并通过X光成像装置42接收穿过病人的X射线信息，当X射线穿透人体后，由不同部位的衰减程度的不同得到图像信息，由图像信号转换器5将衰减程度不同得到的模拟信号信息转化为数字信号信息，数字信号信息通过图像处理器6运算处理得到病人脊柱病变部位的二维骨骼图像，在系统控制器8的控制下，图像处理器6将该二维骨骼图像与病人术前CT、MRI融合图像的三维重建模型、术前手术规划路径进行配准，使两者重合。该实施例的其他技术特征与实施例一相同，在此不累述。

实施例三：如图1、图5、图6所示，一种脊柱外科微创手术导航系统，该实施例与第一个实施例相比，不同点在于：在该实施例中，用于扫描病人脊柱病变部位的扫描器4为O形臂43，当X射线穿透人体后，由不同部位的衰减程度的不同得到图像信息，由图像信号转换器5将衰减程度不同得到的模拟信号信息转化为数字信号信息，数字信号信息通过图像处理器6运算处理得到病人脊柱病变部位的二维骨骼图像，在系统控制器8的控制下，图像处理器6将该二维骨骼图像进行三维重建，所得的三维重建图像与病人术前CT、MRI融合图像的三维重建模型、术前手术规划路径进行配准，使两者重合。该实施例的其他技术特征与实施例一相同，在此不累述。

以上描述的仅仅是本发明的实施例而已，当然不能以此限制本发明的保护范围；任何对于上述技术方案的等同替换或变换，都在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种脊柱外科微创手术导航系统，其特征在于，包括：

成像部，用于读取病人术前病变脊椎的CT、MRI影像信息，在中央计算机系统控制器下对病人术前病变脊椎的CT、MRI图像进行融合、分割和三维重建，将病人椎骨、关节、神经、血管、压迫神经的椎间盘组织和韧带整体重建，根据椎间盘突出和压迫神经的位置，术前设计出合理的手术入路，与术中扫描所获取的骨骼图像进行配准以获得术中三维模型；

处置部，依据术前个体化的手术路径规划，在避免损伤神经、血管、关节结构的同时，安全消融压迫神经的组织；

导航部，根据处置部反馈的信号得出处置部的空间坐标信息，使处置部沿术前规划的手术路径到达病变部位；

所述成像部包括用于扫描处置对象脊椎的扫描器，对病变位置进行扫描成像，形成包含脊柱病变部位骨骼在内的图像信息，所述图像信息经图像信号转换器形成包含脊柱病变部位骨骼在内的图像；

所述成像部包括图像处理器，图像处理器连接图像信号转换器，图像处理器将图像信号转换器所得骨骼图像与病人术前病变脊椎CT、MRI融合图像的三维重建模型及术前手术规划路径进行配准，图像处理器与图像显示器连接，图像处理器处理后获得的处置对象脊柱病变部位三维图像配准结果及规划的手术入路显示在图像显示器上；

所述的成像部，在术中扫描所获取的骨骼图像是通过X射线成像的二维骨骼图像；

所述处置部包括进入处置对象脊柱病变部位的穿刺通道，穿刺通道为内含有消融电极针的一个直径约2mm的微创手术工作套管；

所述导航部设置有适配器和用于与脊柱固定的参考架，所述适配器与处置部固定连接；

所述导航部包括被动红外光学定位仪，用于对所述参考架及所述适配器进行空间测量定位，实现对病变部位解剖结构和消融电极针的精确定位，所述参考架固定于病变部位相邻椎骨的棘突上，通过所述参考架上的反射球使所述被动红外光学定位仪注册病人的空间坐标，实时动态跟踪病变部位的空间位置变化，所述适配器固定于处置部连接杆与夹闭器连接交界处，通过所述适配器上的反射球使所述被动红外光学定位仪迅速注册和识别与夹闭器相连接的穿刺通道和消融电极针，实时动态跟踪穿刺通道和消融电极针的空间位置变化。

2.如权利要求1所述的一种脊柱外科微创手术导航系统，其特征在于：所述扫描器为环绕处置对象的三维C形臂。

3.如权利要求1所述的一种脊柱外科微创手术导航系统，其特征在于：所述处置部包括机械手臂，机械手臂可实现多自由度运动。

4.如权利要求1所述的一种脊柱外科微创手术导航系统，其特征在于：所述处置部包括连接杆，连接杆与动力提供单元连接，动力提供单元可调节连接杆的伸缩长度。

5.如权利要求4所述的一种脊柱外科微创手术导航系统，其特征在于：所述连接杆的端部设有夹闭器，夹闭器通过闭合动作可拆卸固定连接有执行件。

6.如权利要求1所述的一种脊柱外科微创手术导航系统，其特征在于：所述穿刺通道设有消融电极针，消融电极针顶部设有温度传感器和与温度传感器连接的冷却装置，温度传感器和冷却装置用于调整消融电极针的工作温度，消融电极针电连接射频机，射频机为电极针提供热凝消融病变组织的高频电流。

7.如权利要求1所述的一种脊柱外科微创手术导航系统，其特征在于：所述扫描器为环绕处置对象的二维C形臂。

8.如权利要求1所述的一种脊柱外科微创手术导航系统，其特征在于：所述扫描器为环绕处置对象的O形臂。

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