CN111938815A - 用于手术导航系统的跟踪器 - Google Patents

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CN111938815A CN202010410702.2A CN202010410702A CN111938815A CN 111938815 A CN111938815 A CN 111938815A CN 202010410702 A CN202010410702 A CN 202010410702A CN 111938815 A CN111938815 A CN 111938815A
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Abstract

提供了一种用于手术导航系统的跟踪器(100)。跟踪器(100)包括一个或更多个用于确定跟踪器(100)的位置的标记(12)和被配置成将跟踪器(100)可释放地附接到手术工具的附接元件(14)。附接元件(14)包括用于接收手术工具的开口，其中该开口限定了纵向轴线(20)。一个或更多个标记(12)耦接至附接元件(14)，以相对于纵向轴线(20)对称地布置。

Description

用于手术导航系统的跟踪器
技术领域
本公开总体上涉及用于手术(surgical)导航系统(或者被称为外科导航系统)中的跟踪器。特别地，提出了一种跟踪器，其被配置为可释放地附接到手术工具(或者被称为外科工具)。
背景技术
在手术期间，外科医生经常使用必须插入患者体内的手术工具(surgicaltools)。一旦进入患者体内，外科医生就无法看到工具的末端。为了帮助外科医生在这种情况下对工具进行导航，可以使用手术导航系统(surgical navigation system)，该系统对工具进行跟踪并向外科医生提供视觉或听觉引导。
对工具进行跟踪的一种方法是将跟踪器附接到工具上。手术室中的相机(camera)检测跟踪器并生成数据，该数据用于计算跟踪器的位置，从而计算工具的位置。通常，患者也被跟踪，这使得能够计算工具相对于患者的位置。
可以使用无源(passive)或有源(active)跟踪器(或者被称为被动或主动跟踪器)来进行手术导航。无源跟踪器包括对光进行反射的标记。被反射的光可以被相机检测到。有源跟踪器产生可以被相机检测到的光(例如，通过发光二极管)。
此外，可以通过使用集成标记或通过附接外部跟踪装置来跟踪已知的导航工具。
集成标记的优点是重量轻、平衡性好并且占用空间(footprint)小。但是，由于带有跟踪器的手术工具是作为一个集成的跟踪系统提供的，因此当跟踪技术改变时，外科医生必须适应作为整体的新系统，并且通常无法继续使用他习惯使用的手术工具。
相比之下，一方面，外部跟踪装置具有以下优点：它们可以灵活地与不同类型的手术工具结合使用，从而在改变跟踪技术时，外科医生不必切换到他不熟悉的新手术工具。另一方面，对于外科医生来说，对在其他方面都熟悉的手术工具的操作在其上装有外部跟踪装置时将受到不利的影响，因为带有附接的外部跟踪装置的手术工具比没有附接的外部跟踪装置的手术工具要重得多，而且失去了平衡。
发明内容
需要一种跟踪器(tracker)，其解决一个或更多个上述问题。
根据一个方面，提供了一种用于手术(surgical)导航系统(也被称为外科导航系统)的跟踪器。跟踪器包括用于确定跟踪器的位置的一个或更多个标记(marker)以及被配置为将跟踪器可释放地附接到手术工具的附接元件。附接元件包括配置为用于接收手术工具的开口，其中该开口限定纵向轴线。一个或更多个标记被耦接到附接元件以相对于纵向轴线被对称地布置。
一个或更多个标记可以是或可以包括一个或更多个无源标记(或者被称为被动标记)。这样，它们对于预定光谱的光(例如红外光)可以是反射性的。基于被反射的光，导航系统可以确定跟踪器的位置。
一个或更多个标记可以是或可以包括一个或更多个有源标记(或者被称为主动标记)。这样，有源标记被配置为发射预定光谱的光，例如红外光。例如，有源跟踪器可以包括发光二极管。基于发射的光，可以确定跟踪器的位置。主动标记和被动标记可以被组合在所述一个或更多个标记中。
通过提供附接元件，跟踪器可以可释放地附接到手术工具。因此，本文提出的跟踪器是外部跟踪器，其可以与旨在被跟踪的任何手术工具相关联。附接元件的开口的形状和尺寸可以被适配于旨在与跟踪器一起使用的手术工具的形状和尺寸。因此，开口的尺寸适于接收手术工具。附接元件的开口限定了纵向轴线，该纵向轴线可以在附接元件的纵向方向上延伸。开口可以延伸穿过整个附接元件，从而成为通孔。
在一些变型中，纵向轴线还可限定方向，沿着该方向手术工具可被滑入附接元件的开口中以被附接至跟踪器。在其他变型中，可通过在与纵向轴线限定的方向不同的方向上移动跟踪器来将跟踪器附接到手术工具。
一个或更多个标记可以直接耦接到附接元件。或者，它们可以经由其他耦接元件而被耦接到附接元件。
一个或更多个标记相对于附接元件的纵向轴线对称地布置，从而提供了一种平衡良好的布置。一个或更多个标记因此可以相对于纵向轴线轴对称地布置。
本文公开的跟踪器可以与活检针结合使用。本文公开的跟踪器还可以与其他手术工具结合使用，例如，用于跟踪半刚性的笔直物体(例如分流器(shunts))插入体腔的插入深度。跟踪器也可以与手术钻结合使用，以跟踪钻的插入深度。通常，跟踪器可以跟踪任何刚性笔直器械的插入深度和轨迹。
附接元件可包括套，该套限定用于接收手术工具的开口。因此，附接元件可以包括中空的长形体，该中空的长形体至少部分地被壁包围。
在一种变型中，所述一个或更多个标记可以在由开口限定的纵向轴线上或沿着该纵向轴线布置在附接元件上。在该变型中，一个或更多个标记中的每个标记直接布置在附接元件上。一个或更多个标记被布置为以使其沿着纵向轴线延伸。两个或更多个标记可以被布置为各个标记之间具有一距离。所述一个或更多个标记中的至少一个可以布置在附接元件的纵向端。
在该变型中，所述一个或更多个标记可以被配置和布置成相对于纵向轴线旋转对称。例如，标记可以各自形成球或盘，并且它们可以布置在附接元件上以使得附接元件穿过每个球或盘的中心。
在另一种变型中，所述一个或更多个标记包括两个或更多个标记，其可以布置成与附接元件相距一距离。在该变型中，标记可以经由诸如安装柱或翼的耦接元件而被耦接至附接元件。可以将所述两个或更多个标记布置成相对于纵向轴线对称地布置，例如相对于纵向轴线轴对称。
在另一变型的一方面，所述两个或更多个标记可以布置在安装柱上。安装柱可以耦接至附接元件以被定向为基本上垂直于附接元件的纵向轴线。在这方面，标记经由安装柱而与附接元件耦接。标记可以可释放地安装到安装柱，以能够被分别灭菌或能够被分别处理(disposable)。标记也可以固定地连接到安装柱。
安装柱和附接元件可以被构造为一件式部件(例如，使用注射成型(injectionmolding))。安装柱和附接元件可以进一步由相同的一种或多种材料制成。例如，安装柱和附接元件可以由金属或金属材料制成，例如由钢或不锈钢制成。安装柱和附接元件也可以由塑料材料制成(例如，作为注射成型的部件)。一体式的构造使得可以舒适地操作跟踪器，并实现了成本高效的生产。
附接元件可被配置为可通过夹子机构附接到手术工具。附接元件可具有敞开的边侧，通过在垂直于纵向轴线的方向上移动手术工具，手术工具可经由该敞开的边侧插入附接元件的开口中。如果附接元件构造为套，则套可以形成有敞开的边侧，经由该敞开的边侧可以接收手术工具。附接元件的材料可以足够柔性以使得附接元件可被夹在手术工具上。例如，附接元件可以由塑料材料制成，例如聚醚醚酮(polyether ether ketone，PEEK)。由于夹子机构，可以不需要额外的固定构件来将跟踪器固定到手术工具。
跟踪器可以进一步包括用于相对于手术工具在位置上固定跟踪器的固定构件。例如，在具有附接元件的跟踪器被滑上手术工具之后，可以通过固定构件将跟踪器固定在适当的位置。
固定构件可以包括螺钉元件。螺钉元件可以作用在附接机构上，以便将附接机构夹持到手术工具。螺钉元件可以直接作用在手术工具上，以相对于手术工具固定跟踪器。固定构件可以包括塑料材料，例如PEEK。固定构件可以是与附接机构分离的元件，或者可以由附接机构包括。例如，固定构件可以安装在附接元件上，从而形成单独的元件。
跟踪器可包括止动元件，所述止动元件被配置为与引导件(例如引导管)配合以限制手术工具的插入深度。特别地，在手术期间，通常使用引导件来引导手术工具在患者体内的运动，即，具有跟踪器的手术工具被插入到引导构件中。止动元件被配置为与引导件配合，以便在到达预定位置时停止手术工具在引导件内的运动。预定位置由目标值定义，该目标值用于止动元件/跟踪器与患者体内的目标手术区域之间的相对位置和取向中的至少一个。例如，当手术工具的末端已经到达目标手术区域时，给出用于所述相对位置和取向中的至少一个的目标值。
止动元件可以在附接元件的纵向端处被安装至附接元件。因此，手术工具的止动元件可以被整合到跟踪器中。止动元件可以可释放地或固定地安装到附接元件。止动元件还可包括螺钉元件或任何其他固定装置，用于将止动元件可释放地固定至附接元件。
替代地，附接元件可以形成被配置为与导管配合以限制手术工具的插入深度的止动元件。因此，附接元件不仅具有将跟踪器附接到手术工具的功能，而且还具有限制手术工具的插入深度的功能。
在这两种选择中，即当附接元件形成止动元件时或当止动元件被构造为单独的元件时，止动元件也可以形成固定构件。这样，不需要单独的固定构件，而是止动元件包括用于将附接元件在位置上固定到手术工具的固定装置。该固定装置可以是与将止动元件固定到附接元件的固定装置相同的固定装置，或者其可以是单独的固定装置。
此外，在这两种选择中，即当附接元件形成止动元件时或当止动元件被构造为单独的元件时，止动元件被与跟踪器结合，从而使得能够对止动元件的位置进行双重检查(double checking)。具体地，在使用包括跟踪器的手术工具之前，可以确定或确认止动元件的位置。例如，止动元件可以定位在手术工具上，使得手术工具的末端与止动元件的近侧止动表面之间的距离基本上对应于手术工具的目标插入深度，特别是对应于手术工具在导向件中的插入深度，在该处插入要被停止以进行手术。可以借助于尺子(ruler)确定止动元件，即止动元件的近侧止动表面相对于手术工具的末端的定位。在手术过程中，可以通过所述一个或更多个标记确定跟踪器的位置和/或取向(相对于相机和患者身体两者)。
由于本公开的止动元件被集成到跟踪器中，因此可以在手术(surgery)之前校准或确定止动元件的近侧止动表面与所述一个或更多个标记之间的相对位置。因此，基于跟踪器的位置和/或取向，还可以确定止动元件(即，其止动表面)的位置和/或取向，也是相对于照相机和患者身体两者。因此，例如可以基于这些数据来检查止动元件的相对于患者体内的目标手术区域的相对位置和/或取向是否对应于用于止动元件/跟踪器和患者体内的目标手术区域之间的相对位置和/或取向的目标值。当手术工具的末端已经到达目标手术区域时，给出用于所述相对位置和/或取向的目标值。所述目标值可以在手术前被计划。
在诸如活检针之类的手术工具意外弯曲的情况中，止动元件的近侧止动表面可能会在预期的插入深度被达到之前抵靠引导管。未达到预期的插入深度这一情况可以基于从跟踪器接收到的光通过计算出的位置和取向数据来验证。基于这些数据，外科医生然后可以决定他或她是否要停止插入手术工具，这对应于止动元件的“警告”，还是他或她是否要继续插入。这样，由于止动元件被集成到跟踪器中，并且止动元件与一个或更多个标记之间的距离是已知的，所以除了验证止动元件的位置的手术前过程外，还可以在手术过程中检查或跟踪止动元件的位置。
所述标记可以包括一个或更多个被动标记。一个或更多个标记中的一个或更多个可以具有大致球形的形状。多个标记中的一个或更多个通常可以具有盘形。也可以使用一个或更多个主动标记。
所述一个或更多个标记可以恰好是两个标记，但是所述一个或更多个标记也可以是两个以上的标记，例如三个标记、四个标记或五个标记。
所述一个或更多个标记中的一个或更多个或全部可以是能够与附接元件分离的。为此，可以在每个可分离的标记和附接元件处提供互补的接口。
根据第二方面，提供了一种手术(surgical)系统(或者被称为外科系统)。手术系统包括如本文所述的跟踪器和手术工具，所述手术工具可释放地耦接到跟踪器从而多个标记相对于附接元件的纵向轴线对称地布置。
手术系统可具有与附接元件的纵向轴线重合的纵向轴线。纵向轴线可以是手术杆、针或手术工具的任何其他纵向延伸构件的纵向轴线。因此，多个标记可以相对于手术工具的纵向轴线对称地布置，从而提供了平衡良好的手术工具。
手术工具可具有用于接收跟踪器的纵向构件。例如，手术工具可以是活检针。活检针是已知的手术工具，并且其被用于经由活检针末端处的活检窗口来获取组织样本。
根据第三方面，提供了一种手术系统，在该手术系统中，跟踪器包括止动元件，并且该手术系统包括具有引导件的精密臂，该引导件用于接收手术工具以使其可以在一个方向和与所述一个方向相反的方向上被线性移动。精密臂被配置为可三维地运动，特别是可将引导件三维地运动。引导件包括与止动元件的近侧止动表面配合的邻接表面，以限制手术工具在引导件内沿一个方向的线性运动。引导件可包括手术工具可滑动地插入其中的引导管或多个同轴孔。引导件可具有用于与止动元件配合的表面，以限制引导管内的插入深度。
根据第四方面，提供了一种手术导航系统(也被称为外科导航系统)，其包括如本文所述的跟踪器或手术工具系统，以及光学传感器，光学传感器能够检测由多个标记反射或发射的光并能够产生指示所检测到的光的传感器信号。
光学传感器可以包括至少一个相机。光学传感器可以包括单目相机(monocamera)和/或立体相机(stereo camera)。光学传感器可以被配置为对于由所述多个标记反射或发射的光谱具有增加的灵敏度。所述光谱可以是红外(IR)光谱或可见光谱、或其他光谱。可以通过光学滤波器或根据传感器信号数据的相关波长对传感器信号数据进行过滤的电路来实现更高的灵敏度。
手术导航系统还可包括导航控制器，该导航控制器能够接收传感器信号并且基于接收到的传感器信号来对跟踪器进行注册和/或跟踪。
根据第五方面，提供了一种操作手术导航系统的方法。手术导航系统包括光学传感器和跟踪器，所述跟踪器具有一个或更多个用于确定跟踪器位置的标记、被配置为将跟踪器可释放地附接到手术工具的附接元件以及被配置为与引导件配合使用以限制手术工具的插入深度的止动元件。所述附接元件包括用于接收手术工具的开口，其中该开口限定纵向轴线。所述一个或更多个标记耦接至附接元件以相对于纵向轴线被对称地布置。该方法包括以下步骤：确定止动元件的近侧止动表面与所述一个或更多个标记中的至少一个之间的相对位置；通过光学传感器检测由所述一个或更多个标记反射或发射的光；基于检测到的光，计算跟踪器在手术导航系统的坐标系中的位置和取向中的至少一个；基于所确定的相对位置以及所计算的跟踪器的位置和取向中的至少之一，来计算止动元件的近侧止动表面在手术导航系统的坐标系中的位置和取向中的至少之一。
止动元件的近侧止动表面与所述一个或更多个标记中的至少一个之间的相对位置可以由近侧止动表面与至少一个标记之间的距离以及近侧止动表面相对于至少一个标记如何取向来限定。
计算跟踪器在手术导航系统的坐标系中的位置和/或取向可以包括计算跟踪器相对于光学传感器的位置和/或取向。然后，关于近侧止动表面的后续步骤可以包括计算止动元件的近侧止动表面相对于光学传感器的位置和/或取向。
通常，还通过光学传感器跟踪患者的身体，以便可以计算出患者身体相对于光学传感器的位置和/或取向。从而，可以基于所计算出的近侧止动表面相对于光学传感器的位置和/或取向以及患者身体相对于光学传感器的位置和/或取向，来确定止动元件的近侧止动表面相对于患者的身体的位置和/或取向。
确定近侧止动表面相对于患者身体的位置和/或取向可以包括确定止动元件的近侧止动表面相对于患者体内的目标手术区域的位置和/或取向。然后，可以检查止动元件的近侧止动表面相对于患者体内的目标手术区域的位置和/或取向是否对应于止动元件的近侧止动表面相对于目标手术区域的目标相对位置和/或目标相对取向。特别地，近侧止动表面相对于目标手术区域的目标相对位置和/或目标相对取向是当将手术工具插入患者体内时手术工具的末端已到达目标手术区域时近侧止动表面相对于目标手术区域的位置和/或取向。
在第五方面的变体中，跟踪器可以是手术工具系统的一部分，该手术工具系统包括跟踪器和手术工具，所述手术工具被配置为可释放地耦接至跟踪器从而一个或更多个标记相对于附接元件的纵向轴线对称地布置。该方法可以包括以下步骤：将跟踪器与手术工具耦接，以及将跟踪器固定到手术工具，以使得止动元件的近侧止动表面相对于手术工具的末端的位置和/或取向对应于目标相对位置和/或目标相对取向。
在一种变型中，可以对止动元件的位置进行双重检查。例如，如果确定止动元件的近侧止动表面相对于患者体内的目标手术区域的位置和/或取向对应于止动元件的近侧止动表面相对于目标手术区域的目标相对位置和/或目标相对取向，止动元件应抵靠引导件的抵接表面。或者，反之亦然，如果止动元件抵靠在引导件的邻接表面上从而限制了手术工具的进一步插入，则所确定的止动元件的近侧止动表面相对于患者体内的目标手术区域的位置和/或取向应对应于止动元件的近侧止动表面相对于目标手术区域的目标位置和/或目标取向。如果不是这种情况，则可能存在错误或缺陷。例如，诸如活检针之类的手术工具可能被意外地弯曲，或者跟踪器可能未正确定位到手术工具。在这种情况下，手术导航系统可以输出警告。
附图说明
从以下结合附图的实施方式中，本公开的其他细节、优点和方面将变得显而易见，其中：
图1示出了跟踪器的第一实施方式。
图2示出了跟踪器的第二实施方式，该跟踪器包括止动元件。
图3示出了图2的第二实施方式的修改形式，其中止动元件还具有固定构件的功能。
图4示出了包括图2的跟踪器的手术工具系统的实施方式。
图5示出了手术工具系统的另一个实施方式，该手术工具系统包括跟踪器，该跟踪器具有设置在安装柱上的标记。
图6示出了图4的手术工具系统的修改实施方式。
图7以剖视图示出了跟踪器的第三实施方式。
图8以顶视图示出了图7的跟踪器。
图9示出了手术引导系统的实施方式。
图10示出了包括图2的跟踪器的手术导航系统，以及
图11示出了操作手术导航系统的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了用于手术导航系统的跟踪器的第一实施方式。跟踪器10包括一个或更多个标记12和一个附接元件14，所述一个或更多个标记12安装在该附接元件14上。在图1的实施方式中，提供了两个标记12，并且标记12的每一个均具有球形的形状。在替代实施方式中，可以省略两个标记12之一。
标记12在附接元件14的相对的纵向端16、18上安装到附接元件14。图1的附接元件14限定了穿过附接元件14的内部的纵向开口(这里未示出)。所述开口沿着纵向轴线20在纵向上延伸。所述开口被配置为用于接收诸如活检针(biopsy needle)的手术工具。在图1的示例中，附接元件14具有圆形的(round)外部横截面。附接元件14还可具有正方形或矩形的外部横截面。标记12具有纵向开口，该纵向开口延伸穿过该标记以将标记安装到附接元件，并且所述纵向开口具有相应的圆形或矩形横截面。在横截面为矩形的情况下，标记12不可旋转地安装在附接元件14上。
在图1的实施方式中，标记12被示出为无源(passive)标记，其被配置为反射光，特别是反射诸如IR光的预定光谱的光。然而，图1的跟踪器10以及本文公开的所有跟踪器实施方式也可以配备有源(active)跟踪器，其被配置为发射光，特别是预定光谱的光，例如IR光。
延伸穿过附接元件14的用于接收手术工具的开口具有横截面，所述横截面适配到旨在与跟踪器10结合使用的手术工具的外部形状。例如，在活检针的情况下，开口具有圆形的横截面。在每种情况下，开口的横截面尺寸都使得旨在与跟踪器结合使用的手术工具可以插入所述附接元件的开口中。所述开口构造为通孔，从而其在附接元件14的整个轴向长度上延伸。因此，跟踪器10形成为套，当被手术工具接收时，其可以被沿着手术工具滑动地运动。
从图1中还可以看出，跟踪器10还包括用于将跟踪器在位置上相对于手术工具固定的固定构件22。在本实施方式中，固定构件22被安装在附接元件14上。特别地，固定构件22还被构造为套24，该套24可选地可沿着附接元件14的纵向轴线20滑动。固定构件22包括螺钉26，螺钉26由固定构件26的套24可旋转地接收。通过螺钉26的紧固，附接元件14可以被夹持到手术工具上。在这种情况下，附接元件14应该由可变形的材料制成。附接元件14也可以通过直接作用在手术工具上的固定构件26的螺钉26而固定到手术工具上。在这种情况下，附接元件14可以具有用于螺钉的孔(未示出)，并且附接元件14也可以由刚性材料形成。将理解的是，固定构件26可以被配置为不同的，例如，为了被手动地激活和去激活(不需要螺丝刀)。为此，固定构件26可以设置有杆(lever)。
如图1进一步所示，标记12沿附接元件14的纵向轴线20布置。特别地，一个或更多个标记12中的每个标记12相对于附接元件14的纵向轴线20对称地布置。更具体地，每个标记12布置成相对于纵向轴线20旋转对称。
图2示出了图1的跟踪器10的第二实施方式。图2的跟踪器100除了另外提供了附接到附接元件14的止动元件28之外，其对应于图1的跟踪器10。止动元件28用于限制装备有跟踪器100的手术工具的插入深度。具体地，止动元件28配置为与例如精密臂(precisionarm)的引导件配合，所述引导件例如是用于接收跟踪器100所附接到的手术工具的引导管或引导孔。止动元件28被配置为与引导件配合以限制手术工具的插入深度。止动元件28被附接到附接元件14的纵向端18。从而，两个标记12中之一的标记12不再设置在辅助元件14的纵向端18处，而是在固定元件14的纵向方向上向固定元件14的中心的方向移动。与固定构件26类似，止动元件28构造为套30，其可以被附接元件14接收并且包括用于将止动元件28固定到附接元件14的螺钉32。
止动元件28还可以通过螺钉32以外的其他方式例如通过鲁尔锁连接(Luer-Lockconnection)固定到附接元件14。止动元件28也可以被配置为例如通过胶合(gluing)而固定地连接到附接元件14。止动元件28也可以与附接元件14一体地形成。在这些情况下，不需要诸如螺钉32的固定元件。
固定构件22，或者至少固定构件22的套24，和/或止动元件28可以由塑料材料制成。例如，塑料材料可以是PEEK，其特征在于对许多化学药品具有抵抗力、是生物相容的(biocompatible)并且能够被反复灭菌。塑料材料也可以是聚苯砜(polyphenylenesulfone，PPSO2)。附接元件14的典型材料是金属材料，例如钢或不锈钢。
图3示出了图2的跟踪器100的修改版本。跟踪器110对应于图2的跟踪器100，除了不再提供固定构件22。作为替代，附接元件14可以借助于止动元件28的螺钉32或者通过诸如鲁尔锁连接的任何其他固定手段而被固定到诸如活检针的手术工具。
图4示出了手术工具系统200，其具有手术工具(这里是活检针34)，如图2所示的跟踪器100已经附接到该手术工具。活检针34在其与针34的末端38相对的纵向端36处还包括允许手术医生操作活检针34的手柄40。如在图4中可见的，跟踪器100被滑到活检针上并且通过固定构件22的螺钉26将跟踪器100夹紧或固定在活检针34上跟踪器100在位置上被附接到所述活检针34。此外，止动元件28设置在跟踪器100的靠近活检针34的末端38的纵向端18上。止动元件28的外部横截面尺寸大到足以限制活检针34在引导管或其他引导件中的插入深度。引导管可以附接到相对于要被治疗的患者具有固定位置的精密臂。这样，止动元件28相对于引导件的轴向位置与引导件相对于患者的三维位置和取向一起决定了针34被(允许)插入患者体内的深度。
图4的跟踪器100也可以用图1的跟踪器10代替。在这种情况下，应该在手术工具上提供单独的止动元件。
跟踪器10或100也可以在手柄40的相对侧安装到手术工具。因此，跟踪器10或100100可以不安装在手柄40在图4中的左侧，而是安装在手柄40在图4中的右侧，例如在手柄40的轴向延伸部(这里未示出)上。在这种情况下，不需要在跟踪器100处设置止动元件28，并且可以将现有技术中已知的单独的止动元件附接到诸如活检针的手术工具处。
图5示出了具有跟踪器300的另一实施方式的手术工具系统210(或者被称为外科工具系统)。图5的跟踪器300再次被示出为附接到活检针34，但是，根据本公开，跟踪器300也可以与具有大致纵向的延伸的其他手术工具结合使用。类似于图4的活检针34，图5的活检针34在其一个纵向端处包括末端38(具有活检窗口42)，并且在其另一纵向端处包括操作手柄40。
类似于图1至图4的跟踪器，图5的跟踪器300被滑上活检针34。具体地，跟踪器300包括附接元件44，该附接元件44具有用于接收手术工具(此处为活检针34)的开口，其中开口限定纵向轴线20。被构造为套的附接元件44的纵向轴线20与活检针34的纵向轴线46重合。侧向于附接元件44和活检针34并且在距附接元件44和活检针34一定距离处，布置了多个标记12。在图5的实施方式中，提供至少两个标记12。这里，提供了两个标记12。此外，在图5的实施方式中，标记12被配置为球。标记12被附接到安装柱48，其中安装柱48又被附接到附接元件44。特别地，安装柱48被布置成基本垂直于附接元件44的纵向轴线20。所述两个标记12被均等地设计并且布置成与附接元件44具有相同的距离。因此，多个标记12被布置为相对于附接元件的纵向轴线20和活检针34的纵向轴线46对称。
在图5的实施方式中，附接元件44还具有上述止动元件的功能，以限制手术工具的插入深度。因此，没有提供如图2和图3所示的单独的止动元件，而是附接元件44一体地形成了止动元件。以与图2至图4的止动元件相似的方式，图5的止动元件(也是附接元件)包括用于将跟踪器300固定至手术工具34的螺钉50。因此，不需要单独的固定构件。
图6示出了具有图5中所示的跟踪器300的修改版本的手术工具系统220。具体地，图6的跟踪器400与图5的跟踪器300的不同之处在于标记57是盘形的并且没有通过安装柱耦接到附接元件，而是经由翼58。以与图5的球形标记12类似的方式，图6的盘形标记57相对于附接元件44的纵向轴线20对称地布置，并且位于从附接元件44在远离附接元件44的方向上延伸的(即在基本上垂直于纵向轴线20的方向上延伸的)翼57上。这样，盘形标记47也是侧向地提供给附接元件44，而不是如图1至图4的标记那样轴向地。
附接元件44和安装柱12或翼58可以由金属制成，例如钢或不锈钢。此外，在图5和图6的实施方式中，跟踪器300、400也可以设置在手柄50的相对侧，即，在手柄50在图5和图6中的右侧。
图7示出了图5中示出的跟踪器300的另一修改版本500的平面图。根据该修改版本500，附接元件60也被配置为套，但是该套在其边侧62上是敞开的。所述套具有沿附接元件60的纵向轴线20延伸的开口64(参见图8)。开口64的横截面被适配于旨在与跟踪器500一起使用的手术工具的横截面，并且开口64的尺寸使得手术工具可以被接收在其中。
具有边侧开口的附接元件60形成夹子机构。特别地，诸如活检针之类的手术工具没有被插入附接元件60的开口64中以便沿着附接元件60的纵向轴线20滑动，而是跟踪器500，更具体地是跟踪器500附接元件60通过经由敞开的边侧62接收手术工具而被夹在诸如活检针的手术工具上。特别地，通过将附接元件60在垂直于纵向轴线20的方向上移动以经由敞开的边侧接收手术工具，附接元件60被夹在手术工具上。为了可夹在手术工具上，附接元件60应至少部分地由弹性材料制成，例如由诸如PEEK或PPSO2的塑料材料制成。
跟踪器500的附接元件60具有突出部66，该突出部66在垂直于纵向轴线20的方向的横向方向上(由图7中的虚线指示)延伸离开所述套。跟踪器500还包括安装柱68，安装柱68连接至附接元件60的突出部66并配置为用于接收标记(这里未示出)。在图7和8的实施方式中，提供了两个突起66和用于两个标记的两个安装柱68。安装柱68被设计成相对纵向轴线20对称，所述纵向轴线20由在附接元件60的纵向方向上延伸的开口所限定。此外，如从图6的截面图中可以看到的，安装柱68布置成相对于开口64的中间(中心)定心/居中(centered)。
标记可以通过任何已知的附接机构连接到安装柱68。这种附接机构例如可以包括螺纹、卡扣连接(snap connections)和快速连接。安装柱68和附接元件可以由相同的材料制成。例如，它们都可以由PEEK制成。标记可以具有如图1至5所示的球形或任何其他形状。作为连接到附接元件60上的替代，安装柱68和附接元件60可以构造为一件式的部件，例如构造为注塑部件。
在图7和图8的变型中，附接元件60也可以具有止动元件的限制手术工具的插入深度的功能，特别是在引导管内或精密臂的引导件的孔内的插入深度。
在所有实施方式中，标记12、58可以被可释放地安装到附接元件14和/或安装柱48、68(如果提供的话)，并且从而可以与附接元件14和/或安装柱48、68分开处置，和/或可与附接元件14和/或安装柱48、68分开灭菌。替代地，标记12被不可释放地安装至附接元件14和/或安装柱48、68。
图9示出了手术引导系统80的实施方式。手术引导系统80包括具有跟踪器400的图6的手术工具系统220，但是它也可以包括本文公开的任何其他的手术工具系统。手术引导系统80还包括精密臂82，该精密臂相对于患者能够在三维上移动和固定。为此，精密臂82包括若干臂84，它们通过关节86彼此串联连接。精密臂82还包括引导件88，该引导件88通过接头86耦接至相邻的臂84。引导件88包括两个孔90，其限定了手术工具系统220的插入方向。这两个孔90形成了实际的引导结构。在其他实施方式中，可以使用引导管代替孔90。
如在图9中可以看到的，止动元件44的近侧止动表面45(参见图6)，即，止动元件44的面对引导件88并且靠近手术工具34的末端38的表面45，与引导件88的邻接表面92配合，以限制手术工具34在孔90内沿插入方向的运动。或者换句话说，止动元件44相对于手术工具34的末端38的放置确定手术工具34的插入深度，即，在停止之前，手术工具34可以插入到精密臂82的孔90中(并且因此，插入患者体内)多远。
如在图9中可以看出的，可以通过精密臂82的一个或更多个标记94来跟踪精密臂82的位置和/或取向。特别地，在图9的实施方式中，引导件88装备有一个或更多个标记94，更具体地，装备有三个标记94。借助这些标记94，精密臂82相对于患者身体的三维位置和/或取向(其也被跟踪)可以被确定，并且精密臂82可以被定位和/或取向为使得可以借助手术引导系统80的手术工具34来处理患者身体内的目标手术区域(例如患者的颅骨)。或者，换句话说，精密臂82相对于患者身体的三维取向和/或位置可以通过跟踪带有标记94的精密臂82来实现，从而限定手术工具34的运动轨迹。止动元件44的位置然后限定(在一个维度上)手术工具34可以沿着轨迹移动多远。
图10示出了手术导航系统70，其包括跟踪器和光学传感器72。在图10中，示出了具有图2的跟踪器100的手术导航系统70。然而，可以将手术导航系统70与本文描述的任何跟踪器实施方式结合使用。
光学传感器72包括相机，例如立体相机(stereo camera)。光学传感器72被配置为检测由多个标记反射(在无源标记的情况下)或发射(在有源标记的情况下)的光谱。光学传感器可以例如被配置为检测IR光谱中的光。在这种情况下，手术导航系统70受环境光的影响较小。光学传感器被配置为生成指示所检测到的光的传感器数据。
手术导航系统70包括用于与手术工具相关联的跟踪器100。替代地，手术导航系统70可以包括如上所述的手术工具系统200、210、220。
手术导航系统70还包括导航控制器74，其被配置为接收所述传感器数据并基于接收到的传感器数据来对跟踪器100进行注册或跟踪。导航控制器74可以是光学传感器72的一部分或者是单独的设备。替代地，导航控制器74可以是不属于手术导航系统70的一部分的单独的设备，例如管理患者数据的计算机，但是其可以被附加地用于计算光学传感器72的传感器数据。
手术导航系统70可以进一步包括输出设备76或被连接到输出设备76。输出设备76包括显示器、扬声器、投影仪(beamer)和触觉反馈设备中的至少一个。输出设备76被配置为输出从对跟踪器100的跟踪中导致的信息和/或指令。输出信息可以包括以下至少之一：被跟踪的跟踪器100或相关联的手术工具的视觉显示，跟踪器100或相关的手术工具相对于已注册的患者数据的视觉显示，以及指示跟踪器100的位置(例如，相对于参照患者的虚拟边界)的声音信号。指令可以包括以下至少之一：跟踪器100的目标形状、目标位置和目标取向的视觉显示，以及引导外科医生的语音输出。
图11示出了操作手术导航系统的方法的实施方式的流程图。手术导航系统可以是图10的手术导航系统70，其具有在此公开的跟踪器100、110、300、400、500中的任何一个，该跟踪器包括一体的止动元件。手术导航系统还可包括图9的精密臂82。
在步骤S100中，确定止动元件的近侧止动表面与跟踪器100、110、300、400、500的一个或更多个标记中的至少一个之间的相对位置。在步骤S200中，由一个或更多个标记反射或发射的光由光学传感器检测。在步骤S300中，基于检测到的光，计算跟踪器在手术导航系统的坐标系中的位置和取向中的至少一个。然后，在步骤S400中，基于所确定的相对位置和计算出的跟踪器的位置和/或取向，计算止动元件的近侧止动表面在手术导航系统的坐标系中的位置和取向中的至少一个。
所述相对位置可以由近侧止动表面与至少一个标记之间的距离以及近侧止动表面相对于至少一个标记如何取向来限定。由于止动元件是跟踪器100、110、300、400、500的一部分，因此止动表面与标记之间的相对位置可以是已知的或预定义的变量，也可以在步骤S100中通过诸如尺子(ruler)的普通手段来简单地确定。
在步骤S300中，计算跟踪器在手术导航系统的坐标系中的位置和/或取向可以包括计算跟踪器相对于光学传感器的位置和/或取向。所述计算可以在一个维度中执行(进一步的维度可以基于图9中的标记94来处理)。然后，步骤S400可以包括计算止动元件的近侧止动表面相对于光学传感器的位置和/或取向。
通常，还通过光学传感器跟踪患者的身体，以便可以计算出患者身体相对于光学传感器的位置和/或取向。因此，可以基于在步骤S400中计算出的数据以及患者身体相对于光学传感器的位置和/或取向，在三个维度中确定止动元件的近侧止动表面相对于患者身体的位置和/或取向。
在未在图11中示出的另一方法步骤中，可以确定止动元件的近侧止动表面相对于患者体内的目标手术区域的位置和/或取向。然后，在随后的方法步骤中，可以检查止动元件的近侧止动表面相对于患者体内的目标手术区域的位置和/或取向是否对应于止动元件的近侧止动表面相对于目标手术区域的预先计划的目标相对位置和/或目标相对取向。特别地，近侧止动表面相对于目标手术区域的目标相对位置和/或目标相对取向是当将手术工具插入患者体内时手术工具的末端已到达目标手术区域时近侧止动表面相对于目标手术区域的位置和/或取向。
在本文提出的方法的一个实施方式中，止动元件的位置在上述方法步骤S100之前被确认。具体地，跟踪器被与手术工具耦接，并且跟踪器可以被固定至手术工具以使得止动元件的近侧止动表面与手术工具的末端之间的相对位置和/或相对取向对应于预先计划的所述相对位置和/或相对取向的目标值。近侧止动表面相对于目标手术区域的目标位置和/或目标取向是当将手术工具插入患者体内时手术工具的末端已经到达目标手术区域时近侧止动表面相对于目标手术区域的位置和/或取向。在图9的手术引导系统中，近侧止动表面相对于目标手术区域的目标位置和/或目标取向由引导件的邻接表面与患者体内的目标手术区域之间的相对位置和/或相对取向限定。
因此，通过所公开的方法，可以对止动元件的位置进行双重检查。例如，如果在步骤中确定止动元件的近侧止动表面相对于患者体内的目标手术区域的位置和/或取向对应于止动元件的近侧止动表面相对于目标手术区域的目标相对位置和/或目标相对取向，则该止动元件的近侧止动表面应抵靠引导件的邻接表面。或者，反之亦然，如果止动元件抵靠在引导件的邻接表面上从而限制了手术工具的进一步插入，则所确定的止动元件的近侧止动表面相对于患者体内的目标手术区域的位置和/或取向应对应于止动元件的近侧止动表面相对于目标手术区域的目标位置和/或目标取向。如果不是这种情况，则可能存在错误或缺陷。例如，诸如活检针之类的手术工具可能被意外地弯曲，或者跟踪器可能未被正确定位到手术工具上。然后可以将警告输出给外科医生80。基于该特定的情况，外科医生然后可以决定他或她是否想要停止手术工具的插入或者他或她是否想要继续进行插入。
从上面的示例性实施方式可以明显看出，本发明给出了一种外部跟踪器，该外部跟踪器被设计成相对于附接元件的纵向轴线对称，并且当其被连接至像活检针的手术工具时，可选地其也相对于与附接元件的纵向轴线重合的手术工具的纵向轴线对称。另外，与外部跟踪器的已知解决方案相比，根据本公开的跟踪器具有小的占用空间(footprint)并且重量轻。因此，在也附接有跟踪器的情况下，手术工具平衡良好并且仅略微增加了重量，因此可以由外科医生以熟悉的方式进行操作。
此外，由于本跟踪器是可以附接到手术工具的外部跟踪器，而不是集成的解决方案，因此外科医生可以使用他习惯的手术工具，而不必切换到新的、陌生的系统。
如以上参照图2至图9所描述的，用于定义允许手术工具进入的深度的止动件(stopper)可以与跟踪器结合。在示例性活检工作流程中，可以定义(即，预先计划)活检的目标、进入点和轨迹。目标的深度被计算，并可以在手术前被用于手动调整止动件以使针头中的活检窗口(biopsy window)与目标完美对齐。由于无论如何都需要验证针的末端的位置，因此将止动件与跟踪器结合使用可以对止动件的放置进行双重检查。
图5至图8的实施方式为跟踪器提供了配置为夹子机构的附接元件和/或用于安装标记的安装柱，其中附接元件和安装柱可以由相同的材料制成并且还可以是被配置为一体的部件，图5至图8的实施方式提供了的易于制造的解决方案，因此相对便宜。此外，由于它是可消毒的，因此可以被重复使用。

Claims (20)

1.一种用于手术导航系统的跟踪器，该跟踪器包括
用于确定跟踪器的位置的一个或更多个标记；
附接元件，其被配置为将跟踪器可释放地附接至手术工具，其中，附接元件包括用于接收手术工具的开口，该开口限定纵向轴线；并且其中
所述一个或更多个标记被耦接到所述附接元件，以相对于所述纵向轴线被对称地布置。
2.根据权利要求1所述的跟踪器，其中
附接元件包括套，所述套限定用于接收手术工具的所述开口。
3.根据权利要求1所述的跟踪器，其中
所述一个或更多个标记沿着由所述开口限定的纵向轴线布置在所述附接元件上，其中，可选地，所述一个或更多个标记被配置和布置成相对于所述纵向轴线旋转对称。
4.根据权利要求1所述的跟踪器，其中
所述一个或更多个标记是至少两个标记，并且被布置为与所述附接元件相距一距离。
5.根据权利要求4所述的跟踪器，其中
所述至少两个标记被布置在安装柱或翼上，所述安装柱或翼耦接到附接元件以被定向为基本垂直于附接元件的所述纵向轴线，其中，可选地，所述至少两个标记中的一个或更多个是能够从所述安装柱或翼上拆卸的。
6.根据权利要求1所述的跟踪器，其中
所述附接元件被配置为通过夹子机构能够附接到手术工具，其中，可选地，附接元件具有用于在垂直于所述纵向轴线的方向上插入手术工具的敞开的边侧。
7.根据权利要求1所述的跟踪器，其中
跟踪器包括用于将跟踪器在位置上相对于手术工具固定的固定构件。
8.根据权利要求7所述的跟踪器，其中
所述固定构件安装到所述附接元件。
9.根据权利要求1所述的跟踪器，其中
跟踪器包括止动元件，该止动元件被配置为用于与引导件配合以限制手术工具的插入深度。
10.根据权利要求9所述的跟踪器，其中
所述止动元件在附接元件的纵向端可释放地安装到附接元件，或者所述附接元件形成所述止动元件。
11.根据权利要求9所述的跟踪器，其中
所述止动元件形成用于将跟踪器在位置上相对于手术工具固定的固定构件。
12.根据权利要求1所述的跟踪器，其中
所述一个或更多个标记恰好是两个标记。
13.根据权利要求1所述的跟踪器，其中
所述一个或更多个标记中的一个或更多个能够从附接元件拆卸。
14.一种手术系统，包括
跟踪器，所述跟踪器包括：用于确定跟踪器的位置的一个或更多个标记；附接元件，所述附接元件配置成将跟踪器可释放地附接到手术工具，其中，附接元件包括用于接收手术工具的开口，该开口限定纵向轴线，并且其中，所述一个或更多个标记被耦接到所述附接元件以相对于所述纵向轴线被对称地布置；和
手术工具，所述手术工具被配置为可释放地耦接至跟踪器，以使所述一个或更多个标记相对于附接元件的纵向轴线对称地布置。
15.根据权利要求14所述的手术系统，其中
所述手术工具具有纵向轴线，所述手术工具的纵向轴线与所述附接元件的纵向轴线重合。
16.根据权利要求14所述的手术系统，其中
所述跟踪器包括止动元件；
进一步包括精密臂，该精密臂具有引导件，所述引导件用于接收所述手术工具以使手术工具能够在一个方向和与所述一个方向相反的方向上被线性地移动，其中，所述精密臂被配置为被三维地移动；
并且其中，引导件包括邻接表面，所述邻接表面与止动元件的近侧止动表面配合，以限制手术工具在引导件内在所述一个方向上的线性运动。
17.根据权利要求14所述的手术系统，包括
光学传感器，所述光学传感器能够检测由所述一个或更多个标记反射或发射的光，并且能够生成表示所检测到的光的传感器信号。
18.根据权利要求17所述的手术系统，进一步包括
导航控制器，所述导航控制器能够接收所述传感器信号，并且能够基于所接收的传感器信号来对跟踪器进行注册和/或进行跟踪。
19.一种操作手术导航系统的方法，所述手术导航系统包括：光学传感器和跟踪器，所述跟踪器具有用于确定所述跟踪器的位置的一个或更多个标记、被配置为将所述跟踪器可释放地附接至手术工具的附接元件以及被配置为与引导件配合以限制手术工具的插入深度的止动元件，其中所述附接元件包括用于接收手术工具的开口，该开口限定纵向轴线，其中，所述一个或更多个标记耦接至所述附接元件以相对于所述纵向轴线被对称地布置，
其中，所述方法包括以下步骤：
确定止动元件的近侧止动表面与所述一个或更多个标记中的至少一个之间的相对位置；
通过所述光学传感器检测由所述一个或更多个标记反射或发射的光；
基于检测到的光，计算跟踪器在手术导航系统的坐标系中的位置和取向中的至少一个；和
基于所计算的跟踪器的位置和取向中的至少一个以及所确定的相对位置，来计算止动元件的近侧止动表面在手术导航系统的坐标系中的位置和取向中的至少之一。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述跟踪器是手术工具系统的一部分，所述手术工具系统包括所述跟踪器和被配置为可释放地耦接至所述跟踪器的手术工具，从而所述一个或更多个标记相对于所述附接元件的纵向轴线对称地布置，其中，所述方法包括以下步骤：
将跟踪器与手术工具耦接；和
将跟踪器固定到手术工具，从而止动元件的近侧止动表面相对于手术工具的末端的位置和取向中的至少一个对应于目标相对位置和目标相对取向中的至少一个。
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