CN110769775A - 自识别手术夹钳、用于与该夹钳一起使用的基准元件及包括这种夹钳和基准元件的套件 - Google Patents

Abstract

一种手术夹钳，其包括两个半部，每个半部具有上部部分(2)和下部部分(3)，下部部分形成适于与手术部位接触的两个钳口(3)，上部部分(2)中的一个上部部分设置有动态联接机构(4、5)和无源电路，该无源电路具有预定的阻抗值，使得不同的夹钳可以通过其不同的阻抗被识别。

Description

自识别手术夹钳、用于与该夹钳一起使用的基准元件及包括 这种夹钳和基准元件的套件

技术领域

本发明涉及手术装置，更具体地，本发明涉及用于在导航系统或机器人系统中使用的手术夹钳。

背景技术

已经开发了计算机辅助手术(CAS)系统，以提高安全性并降低现有手术中的风险，并且计算机辅助手术系统已经使得能够实施新的手术方法，比如微创手术。CAS系统包括在干预期间导引外科医生的导航器，比如US 6351659 B1中提出的导航器。导航器通常基于光学跟踪系统，该光学跟踪系统连续地确定患者和某些手术器械相对于固定坐标系的位置和取向。这种信息与患者的解剖结构的虚拟表示相匹配，以向外科医生给出视觉反馈。然后，外科医生可以观察手术器械相对于例如因被软组织遮盖而原本不可见的某些解剖部位的轨迹。CAS系统的另一种类型是基于光学跟踪器或机械跟踪器的机器人辅助装置。机器人辅助装置、比如在US2014/0350571 A1中描述的机器人辅助装置提出了用以提供用于使手术器械到达预先规划的解剖部位的轨迹的物理导引。所有这些系统都基于将作为跟踪机构的一部分的基准元件固定在患者的解剖部位上。

在某些脊柱外科手术中，例如为了在若干椎体节段上进行手术，在干预期间必须对多于一个的解剖部位进行追踪，如Ughwanogho等人在2010年所述(E.Ughwanogho，J.M.Flynn，“Current Navigation Modalities in Spine Surgery(脊柱外科手术中的当前导航方式)”，University of Pennsylvania Orthopaedic Journal(宾夕法尼亚大学矫形外科杂志)，第20卷，第65至69页，2010年5月)。在这样的干预中，可以通过在要对一个区域进行干预时将夹钳固定在目标椎骨上然后释放夹钳以移动至下一个区域而使用唯一的夹钳对不同的区域循序地进行操作。另一种选择是同时将多于一个的夹钳固定在不同区域上，并且使系统对所述夹钳中的一个夹钳进行跟踪。在这两种情况下，外科医生都必须通知系统：跟踪器安装在何处或者哪个参照阵列是可见的，以将患者的术前图像与夹钳的当前位置相关联。该过程存在一些风险，这是因为人为误差可能会使系统认为跟踪器与不对应于真实物理位置的手术部位相关联。在这样的情况下，呈现给外科医生的、相对于患者的虚拟表示的轨迹将由于这造成的风险而与物理位置不对应。在目前的技术中，不存在描述自动识别机构以让系统知道跟踪器安装在何处的系统。

发明内容

本发明提供了一种参照夹钳，该参照夹钳设置有呈无源电路的形式的独特识别器，该无源电路具有可以被跟踪装置自动识别的预定的阻抗值。在包括多个夹钳的套件中，识别器在干预的开始时、患者配准过程期间与不同的解剖部位自动关联。本发明还包括与夹钳互补的基准件以及一套基准元件，所述一套基准元件各自设置有不透射线的球体的不同构型。

附图说明

为了完成描述并提供对本发明的更好理解，提供了一组附图。所述附图示出了本发明的优选实施方式，该优选实施方式不应当被解释为限制本发明的范围，而应当仅被解释为可以如何实施本发明的示例。

图1示出了根据本发明的夹钳和配准基准元件。

图2示出了根据本发明的附接至患者的脊柱的一组三个夹钳。

图3示出了相同的三个夹钳，其中，在所述夹钳上附接有配准基准元件。

图4示出了相同的三个夹钳，其中，在所述夹钳中的一个夹钳上安装有机械跟踪器和机器人辅助装置。

图5示出了自动识别电路的两个示例。

具体实施方式

本发明提出了用以在手术室中精确地定位并跟踪预先规划的手术部位的手术夹钳。由于本发明，导航手术或机器人辅助手术以具有高精确度的微创方式执行。所针对的手术是将椎弓根螺钉插入椎骨中，但是也可以扩展至其他类型的手术。螺钉的精确位置可以在患者进入手术室中之前根据患者的术前图像进行规划，或者可以在能够使用通常为计算机断层成像系统(CT)的术中三维成像装置的情况下在手术期间进行规划。对手术进行规划包括限定目标椎骨中的椎弓根螺钉的尺寸、位置和取向。

可以在患者进入手术室中之前采集解剖部位的三维图像。在该示例中，该解剖部位与患者的脊柱的一部分相对应。外科医生根据该术前图像对手术进行规划。应当注意的是，该步骤可以在安排手术的几天前执行。当患者进入手术室中并且为了利用导航系统或机器人辅助装置进行手术时，必须建立跟踪装置相对于解剖部位的相对位置和取向。这通过两个步骤的过程来实现。首先，对目标椎骨相对于刚性固定至骨骼的参照物的相对位置和取向进行配准。本发明的如图1中所示的夹钳(1)刚性地固定至骨骼并用作参照物。为了完成配准步骤，一旦夹钳借助于夹钳的两个钳口(3)紧固至椎骨的脊柱棘突，则将具有已知几何形状的元件(1’)临时安装在夹钳上。该元件在文献中被称为配准基准元件。当配准步骤完成时，将配准基准元件从夹钳移除。应当注意的是，夹钳仍然附接至骨骼。然后，在手术期间通过机械跟踪装置或光学跟踪装置对夹钳的相对位置和取向进行跟踪。参照夹钳的下部部分(3)借助于参照夹钳的钳口刚性地固定至骨骼，而上部部分(2)具有动态联接机构(4、5)。动态联接机构准备接纳跟踪装置的一个端部或具有各种标记的配准基准元件。

参照图3，配准基准元件(1’)是由射线可透过的材料制成的刚性本体，该刚性本体具有布置为呈已知几何形状的若干不透射线的球体(8’)。不透射线的球体在二维射线照片或三维计算机断层成像中容易被识别，这是因为不透射线的球体相对于本体的组成配准基准元件的其余部分呈现出高的对比度。当参照夹钳固定至目标骨骼并且配准基准元件安装在夹钳上时，采集该区域的术中图像。期望使用三维术中采集装置以实现较高的精度。如果这样的装置不可用，则必须在不同的取向上采集至少两个二维射线照片，以能够根据球体的二维投影精确地定位基准元件在空间中的位置。在本发明中，能够使用具有独特的识别器的多个夹钳，并且每个夹钳具有相关联的基准元件，该基准元件具有独特的球体构型。不透射线的球体的这些不同构型允许在配准过程期间明确地识别夹钳。因此，当完成配准过程后，系统确切地知道哪个夹钳固定在要进行手术的不同解剖部位中。

配准过程的精确度在很大程度上取决于基准元件的球体与目标区域之间的距离。因此，为了提高精确度，期望将球体安置成尽可能地靠近目标。在该实施方式中，目标区域是椎骨的椎弓根，而系统的更靠近该区域的元件是参照夹钳。在本发明中，参照夹钳还可以包括位于上部部分处的不透射线的球体(8)，球体(8)用于配准过程中。这使配准过程更可靠，从而提高了整个系统的精确度并降低了干预固有的风险。

首先，配准过程建立了参照夹钳的确切位置。这可以由于下述事实来完成：不透射线的球体在术中图像中容易被检测到，并且参照夹钳和基准元件的几何形状是已知的。如前面提到的，术中图像可以是对感兴趣区域的三维重建或若干二维射线照片。在三维术中采集的情况下，参照夹钳的位置通过在三维体积中找到不透射线的球体而容易地建立。如果配准是使用二维射线照片来执行的，则球体的位置通过下述方式来获得：由二维图像对球体的位置进行反投影，并通过对每个球体的各种投影进行三角测量来找到球体在三维空间中的位置。

然后，将椎骨在三维术前图像中的位置和取向与椎骨的术中图像进行匹配。这使用基于标准灰度的配准算法来执行，该配准算法求解将这两个几何形状关联起来的转换。此时，可以在手术室中相对于参照夹钳来识别在椎骨的术前图像上限定的手术部位。重要的是要注意参照夹钳刚性地固定至骨骼，因此，夹钳与骨骼之间不存在相对运动。因此，可以移除配准基准元件，留下固定至骨骼的参照夹钳。从这一点来说，通过跟踪参照夹钳的位置和取向来在手术期间精确地跟踪椎骨的位置和取向。配准基准元件可以因接下来描述的联接机构而从参照夹钳容易地移除。

联接机构(图1)基于磁性动态联接系统，该磁性动态联接系统有利地但非必要地包括两个部分，每个部分包括磁体(5、5’)，这些磁体具有相反的极性，使得这些磁体彼此配合以形成联接部。可安装的元件可以是配准基准元件或跟踪器装置。优选地，位于夹钳部分上的三个V形凹槽(4)和位于另一部分(基准元件或跟踪器)上的三个球体(4’)与磁体一起提供磁体联接部。这种联接部形成了两个刚性本体之间的精确且可重复的接合面。该系统提供了六个接触点——每个球体有两个接触点——以保证联接机构约束夹钳与跟踪器的梢端之间的相对运动的六个自由度(关于位置的三个自由度和关于旋转的另外三个自由度)。位于每个部分的中央中的磁体(5、5’)通过将两个部分保持在一起来提供避免夹钳与跟踪器的梢端之间的任何相对运动所需的强度。由磁体施加的力使得该力确保了在干预期间夹钳与跟踪器之间的连接。然而，该力使得该连接可以通过人工操作员来释放，以允许随时容易地移除系统。当三个V形凹槽形成120°的角度时，将获得最稳定的动态联接部。然而，对于本发明，优选的是，三个V形凹槽形成三个角度，使得联接机构只能在唯一的位置中接合。例如，110°、110°和140°的角度保证联接机构在唯一的位置中接合。为此，这些角度中的至少一个角度必须与其他两个角度不同。

夹钳包括两个刚性的半部，每个半部在其下部部分(3)处具有带尖状部的钳口。每个钳口的尖状部刺入骨骼的表面，以保证在干预期间夹钳牢固地固定至骨骼。半部中的一个半部的上部部分(2)具有动态联接机构的基部，该基部具有三个V形凹槽。另一半部在其上部部分处具有圆形末端，以使通过辅助工具进行的夹钳的夹紧容易。该工具适于夹紧当前的夹钳。夹钳具有棘轮齿机构，以允许将夹钳抵抗骨骼而夹紧并防止夹钳在干预期间从骨骼释放。棘轮夹紧机构在夹钳的两个半部处都具有齿，以允许仅在夹紧方向上的运动。

夹钳和跟踪器(图4)具有检测机构，该检测机构在跟踪器附接至夹钳时通知系统。该检测机构是连接至处理单元的电路，该处理单元能够识别何时已经建立了连接。联接机构的位于夹钳的上部部分处的夹钳部分具有无源电路，并且联接机构的位于跟踪器的梢端处的跟踪器部分将基部部分连接至处理单元。处理单元施加小的电压，因此，当连接建立时，电路闭合，并且检测到电流。

先前描述的动态联接机构的球体由导电材料制成并且连接至处理单元。V形凹槽具有导电部分，球体与该导电部分接触，以建立顶部部分与基部部分之间的电连接。图5a和图5b是实现该检测机构的电路的两个示例。在这两种情况下，在不同的接触部之间均使用值为Z的两个阻抗。在第一示例中，如果由处理单元施加了电压V，则通过电路的电流的值为I＝2V/Z。在第二示例中，如果由处理单元施加了电压V，则通过电路的电流的值为I＝V/2Z。

无源电路的其他构型包括一个或更多个电阻、电容、线圈或线圈的任何组合。该构思在本发明中延伸至自动检测不同的夹钳。必须被干预的椎骨的数目取决于手术的类型并且可以为从仅两个至多于十个。在这种背景下，外科医生可以将若干夹钳固定在不同的椎骨处，以获得位于不同的位置处的可靠的参照物。然后，机器人系统将指示在每个椎骨处必须被插入的螺钉的轨迹。为了实现这一点，至关重要的是，系统始终知道固定有跟踪器的椎骨，因为螺钉的轨迹从一个椎骨至另一个椎骨是不同的。为了使系统能够自动检测不同的夹钳，每个夹钳在检测电路中呈现出不同的阻抗Z。因此，处理单元可以通过测量流过夹钳的电流来识别跟踪器连接至哪个夹钳。不同的夹钳具有与其相关联的识别器。

具有不同的识别器的夹钳具有与该夹钳相关联的不同的配准基准元件，以在配准过程期间同样识别夹钳。不同的配准基准元件具有由射线可透过的材料制成的相同的本体，但是不透射线的球体的构型不同。球体的不同构型使得可以在配准步骤期间识别夹钳，并且因此识别哪个夹钳固定至哪个椎骨。因此，系统可以将椎骨关联至夹钳识别器，并且当跟踪器连接至夹钳时，系统可以立即识别出跟踪器安装在哪个椎骨中。

夹钳在干预期间刚性地固定至骨骼，并且因此，夹钳必须由坚硬且生物相容的材料制成。由于钛满足这两种特性，因而钛是在许多医疗应用中选择的金属。钛合金Ti6Al4V通常用于假肢或器械，并且因此是用于夹钳的优选材料。不锈钢也适合于这样的应用。替代性地，夹钳可以由碳纤维增强的陶瓷材料制成，该陶瓷材料具有射线可透过的优点。

Claims (7)

1.一种手术夹钳(1)，包括两个半部，每个半部具有上部部分(2)和下部部分(3)，所述下部部分形成适于与手术部位接触的两个钳口(3)，其特征在于，所述上部部分(2)中的一个上部部分设置有动态联接机构(4，5)和无源电路，所述无源电路具有预定的阻抗值。

2.根据权利要求1所述的手术夹钳(1)，其中，所述动态联接机构包括磁体(5)和三个V形凹槽(4)，每个凹槽具有至少一个导电部分，所述凹槽形成三个角度，其中，所述角度中的至少一个角度与其他两个角度不同。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的手术夹钳(1)，还包括位于所述上部部分(2)处的不透射线的球体。

4.一种由多个根据前述权利要求1至3中的任一项所述的夹钳形成的套件，其中，每个夹钳具有不同的阻抗。

5.一种用于与根据前述权利要求中的任一项所述的夹钳一起使用的配准基准元件(1’)，所述配准基准元件(1’)包括射线可透过的材料并且设置有与所述夹钳(1)的联接部相匹配的动态联接机构(4’，5’)。

6.根据权利要求5所述的配准基准元件，包括位于顶部部分处的不透射线的球体的预定构型。

7.一种由多个根据权利要求5或6所述的配准基准元件形成的套件，每个基准件具有不同构型的不透射线的球体。

Images