CN112423697A - 允许手术设备附接的、具有集成靶向参考的与骨结构界接的机械接口设备 - Google Patents

允许手术设备附接的、具有集成靶向参考的与骨结构界接的机械接口设备 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于固定到患者的颅骨2上的设备1，该设备可以在使用外科器械的扫描引导的外科手术中用作基准标记。设备1包括对于所施加的扫描的电磁波来说半透明的材料和基准标记，并且其中设备1包括以良好限定的方式将该设备固定到外科器械的装置。

Description

允许手术设备附接的、具有集成靶向参考的与骨结构界接的 机械接口设备
技术领域
本发明涉及一种用于固定到患者的颅骨(骨结构)上的设备，该设备可以在使用外科器械(设备)的扫描引导的外科手术中用作基准标记。基准标记用作靶向参考。
背景技术
从2017年3月15日的Weber等人.Sci.Robot.2，eaal4916(2017)已知了这样的设备。已知的设备由四个外科基准螺钉组成。这些螺钉在颅骨的计算机断层(ComputerTomography，CT)扫描期间用作标记。该扫描用于引导外科器械，即在这种情况下沿着钻孔轨迹引导钻孔机器人。一旦进行扫描，患者的颅骨就被固定到手术台上。然后，使用骨锚定基准螺钉记录患者的侧向颅骨，以允许将钻孔轨迹的进入点和患者光学参考颅骨附接点转移到该位点。使用经皮8mm骨螺钉安装患者光学参考物。因此，在扫描和确定钻孔轨迹之后，需要许多步骤来确保机器人钻头在颅骨中具有正确的进入点，并遵循根据扫描确定的精确钻孔轨迹。这些步骤需要时间，使外科手术过程复杂化，并需要患者在麻醉护理下的时间更长。
发明内容
根据本发明，该设备包括对于所施加的扫描的电磁波来说半透明的材料和基准标记，并且其中该设备包括用于以良好限定的方式将该设备固定到外科器械的装置。
该设备包括对所施加的扫描的电磁波半透明的材料。基准标记被添加到该设备。这可以是像基准螺钉或金种子的传统基准标记。与基准标记的传统使用相反，这种标记不必附接到颅骨上，但也可以附接到该设备上。该设备可以使用例如螺钉或夹具以良好限定的方式固定到外科器械上。该设备可以通过例如骨螺钉固定到颅骨上。根据本发明的设备具有这样的优点，即利用扫描获得的数据可以直接作为外科器械的位置的参考，因为设备相对于外科器械的良好限定的固定清楚地限定了(多个)基准标记的位置，即颅骨相对于外科器械的位置。该设备作为颅骨和外科器械之间的适配器(机械接口)起作用。在根据Weber等人已知的示例中，扫描是在CT扫描中用x光获得的，但是根据本发明的设备也可以用于其他技术，诸如磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)或正电子发射断层扫描(Positron emission tomography，PET)。在光学装置的情况下基准标记并不总是可见的，尤其是在它嵌入设备中的情况下。该设备可以容易地设置有界标，即从外部可见的光学识别标记，其位置和相对于基准标记的参考是精确已知的。如果手术的一部分是手工完成的，这样的界标就特别有用。于是，这个界标用作外科医生的引导。
根据本发明，用于将设备固定到外科器械上的装置包括设备的平坦表面和外科器械上的配合表面，其中一个表面具有装配在另一表面上的凹口内的突起。然后，表面匹配，并且突起和凹口给出了表面的稳定且良好限定的耦接。凹口和突起的位置可以在设备上或外科器械上，或者在两者上，只要一个表面上的突起与另一表面上的凹口匹配。然后，可以将表面夹持、螺钉连接或螺栓连接在一起，以形成半永久连接。突起和凹口使得良好限定的固定成为可能。夹持、螺钉连接或螺栓连接的精度不关键。
优选地，突起是沿着一条线定位的、其轴线垂直于它们所在的表面的三个圆柱形销。从表面突出的圆柱销装配在配合表面中的槽中。在一个方向上，这些槽的宽度对应于销的直径；在垂直方向上，槽的长度大于销直径。这意味着在销和销的圆周上的槽壁之间只有两条接触线。实际上，较大意味着槽的长度的尺寸比销的直径大约大10％至20％。两个销或凹口各自位于设备的相对的外边缘附近，并且第三个销或凹口位于外部销或凹口之间，例如在设备的中心。对应于外边缘上的销的槽在垂直于线的方向上具有与销相同的尺寸(宽度)，并且在沿着线的方向上具有更大的尺寸(长度)，中间的槽在沿着线的方向上具有与销相同的尺寸(宽度)，并且在垂直于线的方向上具有更大的尺寸(长度)。对于位于盘边缘附近的销(即外部销)，接触线在设备的切线方向上；对于中间的销，接触线在径向方向上。装配在它们各自的槽中的三个定位销一起固定设备，以便进行设备和器械之间的两个平面内平移以及还进行围绕平面外轴线的旋转。因此，销和槽在设备和外科器械之间提供了运动耦接。设备可以具有许多形状，如三角形或矩形，但是优选地，该设备包括适配器盘。这样的形状容易地适合于颅骨。优选地，盘在设备和外科器械的配合表面之间具有接触表面，该外科器械沿着盘的外边缘呈环的形状。这个环从表面的其余部分稍微升高。这种接触环防止适配器盘的任何平面外(即垂直于接触表面)的平移。销、槽以及盘和器械之间的环形接触面完全限定了盘的坐标。环不必完全闭合，即它可以由环的一部分制成。
作为设备的材料，使用对扫描的电磁波半透明的固体材料。存在许多可以使用的材料，如陶瓷或塑料。优选地，半透明材料是聚醚醚酮(PEEK)。这种材料很结实，并且容易进行加工。这种材料是基于其(例如在MRI扫描中的)完全的兼容性(其针对医疗仪器FDA批准的优异的可加工性和可用性)选择的。另外，在通常可获得的所有技术聚合物中，它具有优异的机械性能，例如比刚度和功能温度窗口。
根据本发明的另外的实施例，设备可以用骨螺钉固定到颅骨上，这些骨螺钉装配在从设备突出的套筒中。套筒从盘突出，使得它们可以位于颅骨上的皮肤的开口内。套筒的长度应该比皮肤的厚度更长，使得套筒的一个端部直接接触颅骨的骨头。套筒的另一端靠在设备上。皮肤位于套筒周围。螺钉在套筒内部，并旋拧到颅骨的骨头中以将设备固定到颅骨上。因此，该设备的固定力通过套筒和螺钉直接传递到颅骨的骨头上。这可以防止皮肤被夹留在设备和颅骨之间。在没有套筒的情况下，长时间段内施加到皮肤上形成的夹持力可能会导致皮肤损伤，甚至潜在地导致皮肤坏死。
套筒可以是分离的部件，但是也可以集成在设备(即适配器盘中)中，例如当设备通过注射成型制成时，盘可能地具有以下不同尺寸：XS、S、M、L、XL。
实际上，患者的颅骨可以有许多形状。根据本发明，如果该设备具有固定到颅骨上的、遵循颅骨在该表面的位置处的轮廓的表面，则对于相对于颅骨的良好固定是有利的。设备上的这种表面可以使用颅骨的光学3D扫描并使用这些3D扫描数据来修改设备的与颅骨的表面配合/装配在一起的表面而制成。当颅骨在设备需要被固定的位置处具有局部变形时，这尤其有用。
在根据Weber等人的已知设备中，基准螺钉被用作标记。实际上，这种螺钉的材料是不锈钢或钛。但是这些金属导致成像伪影，诸如扫描中的光斑。这使得难以使颅骨的扫描数据以标记为参考，尤其是当自动算法用于参考时。根据本发明，基准标记包括设备中的填充有液体或糊状造影剂的空腔。空腔可以被精确成形并定位在设备内。造影剂不导致伪影，并且扫描数据可以链接到基准标记的精度大大提高。
造影剂取决于所使用的扫描的类型。对于MRI，造影剂可以是NaCl和CuSO4的水溶液。因此，扫描中所需的对比度可以根据扫描中使用的波精确地调整。为了在MRI扫描中使用，根据经验将盐的优选浓度确定为1000ml软化水中700mg CuSO4.5H2O和2000mg NaCl。对于MRI，也可以使用钆造影剂。对于CT扫描，碘基化合物和硫酸钡化合物可以用作造影剂。
空腔可以有许多形状，如星形或矩形形状。优选地，空腔具有三角形凹槽的形状。由于三角形的中心可能很难定义，所以可以很容易地从三角形的角部的坐标推导出三角形的中心的坐标。应该选择使用三角形凹槽的内角还是外角、或者使用两者(总共六个点)。然后，中心点被精确地限定为所有角坐标向量之和的向量平均值。另一有利的形状是圆形凹槽，其具有与圆形凹槽相交的短的径向指向的线性凹槽。因此，可以推导出圆的中心和基于所述线的方向的方向。
外科器械可以在远离设备的情况下对患者进行手术，但是当设备具有外科器械可以穿过其在颅骨上进行手术的孔时，这是有利的。患者可以靠在设备上，即患者躺在器械上，而设备被推靠到器械上。该器械可以经由设备上的孔从患者下方进行手术。来自手术的任何碎屑(如血液和骨头碎片)由于重力而从手术区域脱落。传统手术不可能是这样的方式，因为外科医生需要能够看到手术区域。从患者下方使用器械使得很难看到手术区域。然而，该器械通过将该设备良好限定地固定到该器械上准确地知道颅骨的坐标，并且可以在没有光学帮助的情况下进行手术。
本发明还涉及根据本发明的设备在外科手术过程中的用途。
附图说明
借助于以下附图进一步解释本发明，在附图中：
图1示出了使用根据本发明的设备的用于深度脑刺激的器械。
图2示出了设备(适配器盘)到外科器械的静态确定的固定。
图3示出了呈圆柱体的形式的突起如何装配在矩形槽中。
图4示出了在矩形槽中带有定位销的设备的仰视图，每个销的固定方向用箭头指示、接触线用点指示。
图5示出了如何将设备固定到患者的头部的后部上。
图6示出了如何用三个钛套筒和骨螺钉将该设备附接到患者的头部。
图7示出了图6的细节。
图8示出了在PEEK设备中如何实现用作基准标记的包含流体的空腔。
图9示出了针对150mm显示视场(Display Field of View，DFOV)扫描的基准标记三角形边长的测量。
具体实施方式
图1示出了用于固定到患者的颅骨2的设备1。设备1可以在使用外科器械3的扫描引导外科手术中用作基准标记。设备1包括对所施加的扫描的电磁波半透明的材料和基准标记，并且其中设备1包括以良好限定的方式将该设备1固定到外科器械3的装置。基准标记可以是诸如基准螺钉或金种子的传统基准标记。不同扫描方法的基准标记是众所周知的。在设备1中，小的金种子被用作基准标记(末示出)。这种标记具有小尺寸(3×1mm)，并且可以通过钻小孔并将种子粘合在适当位置而嵌入设备1中。设备1可以使用例如螺栓或夹具以良好限定的方式固定到外科器械3上。设备1可以通过骨螺钉4固定到颅骨2上。设备1具有这样的优点，即利用扫描获得的数据可以直接作为外科器械3的位置的参考，因为设备1相对于外科器械3的良好限定的固定清楚地限定了(多个)基准标记的位置，即颅骨2相对于外科器械3的位置。设备1作为颅骨2和外科器械3之间的适配器(机械接口)起作用。因此，设备1作为用于靶向扫描和将器械3固定到患者的头部两者的共享参考。在光学装置的情况下基准标记并不总是可见的，尤其是在它嵌入设备中的情况下。设备可以容易地设置有界标，即从外部可见的光学识别标记，其位置和对基准标记的参考是精确已知的。
本发明可以应用于许多扫描技术，诸如磁共振成像(MRI)、CT或正电子发射断层扫描(PET)。
图2示出了将设备1固定到外科器械3的一部分上的装置12和13。装置包括设备1的表面10和外科器械3上的配合表面11，其中一个表面11具有装配在另一表面10上的凹口13内的突起12。突起12和凹口13可以具有许多形状，只要它们彼此装配到一起。表面10、11然后匹配，并且突起12和凹口13使得表面10、11的稳定且良好限定的耦接成为可能。凹口13和突起12的位置可以在设备1上或外科器械3上，或者在两者上，只要一个表面10或11上的突起12与另一表面11或10上的凹口13匹配。表面10、11然后可以被夹持或螺栓连接在一起，以形成半永久连接。
图2、图3和图4示出了突起12是沿着线18定位的、其轴线垂直于它们所在的平坦表面11的三个圆柱形销12。从设备1安装到其上的表面11突出的所有三个定位销12装配在设备1的配合表面10中的倒圆矩形凹口(槽)13中。图3示出了从表面11突出的圆柱形销12如何装配在配合表面10的槽13中(见图2)。这些槽13的宽度W对应于销12的直径；槽13的长度略大于销12直径。在每个销12和销12的圆周上的槽13的壁之间只有两条接触线20。稍大意味着槽13的长度L的尺寸比销12的直径大大约10％至20％。这意味着销12仪在一个方向D1上受限，并且能够在另一方向D2上稍微移动。图4示出了两个销12A和相对应的凹口13各自位于设备1的相对的外边缘附近，并且第三个销12B和其相对应的凹口13位于外部销12A之间，例如在设备1的中心。对应于外边缘上的销12A的槽13在垂直于线18的方向D1上具有与销12相同的尺寸(宽度W)，并且在沿着线18的方向上具有稍大的尺寸(长度L)，对应于销12B的中间的槽13在沿着线18的方向D1上具有与销12相同的尺寸(宽度W)，并且在垂直于线18的方向上具有稍大的尺寸(长度L)。对于位于盘边缘附近的销12A(即外部销12A)，接触线20在设备1的切线方向上；对于中间的销12B，接触线20在径向方向上。装配在它们各自的槽13中的三个定位销12A、12B一起固定设备1和器械3之间的两个平面内平移以及围绕平面外轴线的相对旋转。因此，销12和槽13提供了设备1和外科器械3之间的运动耦接。这意味着耦接中的每个自由度只固定一次。图2和图4中示出的装置的耦接被设计成使得其可以以通过180度的相对旋转分离的两种方式关闭。这个180度的值自然来自沿着患者的头部的右侧或左侧设置器械3的期望。另外，它简化了制造过程，因为运动耦接所需的三个槽13现在位于单条线18上。
设备1可以具有许多形状，如三角形或矩形，但是优选地，设备1包括适配器盘。图1和图5示出了这种形状如何容易地适合于颅骨2的方式。图2和图4示出了盘形设备(盘)1在盘1和外科器械3的配合表面10、11之间具有接触表面，该接触表面沿着盘1的外边缘呈环21的形状。该环从表面11稍微升高。注意，环21不需要完全封闭，即它可以是中断的。当盘1落在器械3的配合表面11上时，它同样落在环21上，该环具有与盘1的接触表面相同的外径和小几毫米的内径。这导致环形接触表面固定平面外(即垂直于接触表面)的平移和围绕两个平面内轴线的旋转。在盘1已经落下后，其用通过孔15从下边接近并被固定在螺纹孔16中的两个螺栓固定。当拧紧螺栓时，盘1通过摩擦固定在配合表面11上，其中上面提及的环形表面21作为接触平面。
销12、槽13以及盘1和器械3之间的环形接触面21完全限定了盘1的坐标。结果是非常刚性和可靠的连接，该连接可以一次又一次地进行和拆卸，而不会明显磨损或位置丢失。
适配器盘1和器械3之间耦接的再现性由它们的制造公差决定。对于精确的手工加工工作，对于适配器盘1的尺寸(即，100mm)的工件，可以实现±0.01mm的公差。
定位销12在器械3上的位置以及盘1中的相对应的槽13的位置的制造公差导致盘1和器械3之间的耦接中的游隙。该游隙主要是在盘1和器械3之间的两个平面内平移以及围绕平面外轴线的相对旋转的方向上。
对于所提及的两个平移，在销12和槽13的位置方面的±0.01mm的制造公差导致在每个相应方向上的0.04mm的最坏情况游隙。相对旋转具有0.6毫弧度(milliradian)的最坏情况游隙。因为这些游隙值可以存在于器械3和适配器盘1之间的耦接中，所以它们可以直接叠加到器械3的精度上。
作为设备1的材料，使用对扫描的电磁波半透明的固体材料。可以使用许多材料，如陶瓷或塑料。对于MRI，使用的半透明材料是聚醚醚酮(PEEK)。这种材料很结实，并且很容易加工。这种材料是基于其在MRI扫描中的完全的兼容性(其针对医疗仪器FDA批准的优异的可加工性和可用性)选择的。另外，在通常可获得的所有技术聚合物中，它具有优异的机械性能，例如比刚度和功能温度窗口。
图6和图7示出了该设备(即适配器盘1)如何用骨螺钉4固定到颅骨2，这些骨螺钉装配在从适配器盘1突出的钛套筒25中。适配器盘1附接到患者的头部的后部上(图5)。套筒25从盘1突出，使得它们可以位于颅骨2上的皮肤26的开口内。这些套筒25和骨螺钉4是仅有的具有与患者的创伤性接触的部件。套筒25的长度应该比皮肤26的厚度更长，使得套筒25的一个端部直接与颅骨2的骨头接触。套筒25的另一端靠在适配器盘1上。皮肤26位于套筒25周围。螺钉4在套筒25内部，并螺钉连接到颅骨2的骨头中以将适配器盘1固定到颅骨2上。以这样的方式，适配器盘1的固定力经由套筒25和螺钉4直接传递到颅骨2的骨头上。这防止皮肤26被夹留在适配器盘1和颅骨2之间。在没有套筒25的情况下，长时间段内施加到皮肤上形成的夹持力可能会导致皮肤损伤，甚至潜在地导致皮肤坏死。套筒25可以是分离的部件，但是也可以集成在适配器盘1中，例如当适配器盘1通过注射成型直接生产时。当人们使用分离的部件时，选择钛合金作为套筒25的材料，因为这与例如MRI的扫描兼容，并且该材料在这种特定环境中是惰性的。
实际上，患者的颅骨2可以有许多形状。在许多情况下，设备1的表面30的适合于颅骨2的凹形形状(如图6所示)将很好地适合于颅骨2。然而，如果设备1具有在匹配的颅骨表面处遵循颅骨2的轮廓的表面30，则对于颅骨2的良好固定是有利的。设备1上的这种表面30可以使用颅骨2的光学3D扫描并使用这些3D扫描数据来修改设备1使得其与颅骨2的表面配合/装配在一起而制成。当颅骨2在设备1需要固定的位置处具有局部变形时，这尤其有用。
在根据Weber等人已知的设备中，基准螺钉4被用作标记。同样在设备1中，螺钉4或套筒25可以用作基准标记。实际上，这种螺钉4或套筒25由不锈钢或钛制成。但是这些金属导致成像伪影，诸如扫描中的光斑。这种光斑降低了精度。这使得难以使颅骨2的扫描数据以标记为参考，尤其是当自动算法用于使扫描数据以基准标记为参考时。图8示出基准标记包括设备1中的填充有液体或糊状造影剂的空腔35。空腔35可以被精确成形并定位在设备1内。在图8中，设备1被分成部分1A和部分1B，该部分1B包括空腔35。部分1A和部分1B装配在一起并且形成设备1。造影剂取决于所使用的扫描的类型。对于MRI，造影剂可以是NaCl和CuSO4的水溶液。以这样的方式，扫描中所需的对比度可以根据扫描中使用的波精确地调整。为了在MRI扫描中使用，根据经验将盐的优选浓度确定为1000ml软化水中700mgCuSO4.5H2O和2000mg NaCl。对于MRI，也可以使用钆造影剂。对于CT扫描，碘基化合物和硫酸钡化合物可以用作造影剂。
为了给靶向MRI扫描提供可用的参考，PEEK适配器盘1的特征在于填充有氯化钠和硫酸铜的水溶液的内腔35。虽然简单的水就可以了，但在这种情况下，质子的弛豫时间会比MRI扫描仪产生清晰图像所需的时间长。这将导致较长的扫描时间。通过加入所提及的两种盐，弛豫时间以及由此扫描时间减少。根据经验将盐在水中的理想浓度确定为1000ml软化水中700mg CuSO4.5H2O和2000mg NaCl。
空腔35可以具有许多形状，如星形或矩形形状。图8示出了包含溶液的空腔35如何被成形为三角形凹槽35的方式。它被定向为使得它的边中的一条与参考y轴重合，而另外两条边指向负x轴的方向。正z轴被定向为垂直于三角形的平面、在患者的头部的方向上。三角形的中心36被标识为(x，y，z)＝(0，0，0)。由于三角形的中心36在MRI图像中难以定义，所以它的坐标可以从角部的坐标中推导出。应该选择使用三角形的内角还是外角，或者三角形的上层和下层这两者(总共六个点)。然后，中心36点被定义为所有角坐标向量之和的向量平均值。
空腔35的另一有利形状是圆形凹槽，其具有与圆形凹槽相交的短的径向指向的凹槽。以这样的方式，也可以容易地推导出圆的中心36和基于相交线的方向的方向。
已经使用飞利浦医疗系统公司(Philips Medical Systems Intera)的1.5TMRI扫描仪验证了标记的可见性。图9示出了来自具有0.5毫米厚度的切片的最终扫描图像。显示视场为150mm。对于该扫描，三角形参考标记可以清楚地形成。用成像软件测量了三角形内边的长度A、B、C。为此，已经尽可能精确地选择了角部。这产生了A为33.67mm、B为34.39mm和C为34.31mm的值。用卡尺在加工零件上测量的实际长度是34.6mm。如从图9中示出的测量中推导出那样，清楚的是，有限的MRI分辨率导致内边显得更短一些(并且外边更长)。由于最大偏差小于百分之三，所以使用六个角坐标的平均来寻找中心36点坐标仍然将给出准确的值。
以下描述示出了盘1如何用于外科手术的示例。作为示例，将描述使用MRI扫描的深度脑刺激外科手术，但是设备1可以用于其他外科手术，诸如移除脑或颌骨肿瘤、或者当植入耳蜗植入物时、以及当使用除MRI之外的扫描技术时。
手术过程中的所有步骤优选地在一个单日进行(参见图1、图5、图6、图7)。这一天从通过在患者的颅骨2上的皮肤26上制作小切口来将凹形适配器盘1附接到患者的颅骨2的后部上开始。然后，将长度略大于皮肤26的厚度的钛套筒25插入在切口中，使得套筒25靠在颅骨2的骨头上。钛骨螺钉4插入适配器盘1上的孔中，并经由套筒25旋拧到颅骨2的骨头中。因此，适配器盘1牢固地固定到患者的头部上。对患者的头部进行MRI扫描，之后外科医生可以指出深度脑刺激的刺激目标和电极的进入点。它们的坐标是相对于盘1的外部的消晰可辨的界标来定义的。现在，目标和进入点坐标将通过数学算法直接转换为器械3的设置，该算法直接来自器械3的运动学。
选择盘1在颅骨2的后部上的固定位置，以便具有手术的最小干扰，并提供足够的骨厚度。另外，这样的患者在手术台上处于仰卧位置。适配器盘1将因此落在其在器械3基座上的配合表面11上。然后利用通过孔15、16的两个螺栓将适配器盘1固定到器械3的基座上。这个位置在盘1放置在头部的后部上的情况下，将螺钉4和套筒25上的由于头部的重量而产生的剪切载荷保持到最小。局部骨厚度足以支撑利用所提及的螺钉4进行的刚性固定，并且产生的疤痕在恢复时位于患者的发际线内。
在颅骨2中在由器械3指示的位置处手动制作钻孔。将器械3固定到患者的头部的后部确保了良好的可视性和对钻孔的接近性。在制作钻孔的情况下，可以通过切口打开脑膜。然后，可以将具有例如驱动电极的心轴的刺激电极植入到大脑中。
在这个深度脑刺激示例中，器械3也是由PEEK制成的。然后，器械3的整体MRI兼容性允许在实时MRI下进行电极植入。
结合优化的计划手术过程，适配器盘1的使用给出了比当前使用的深度脑刺激器械可实现的定位精度高一个数量级的定位精度。结果是手术成功率方面的提高。

Claims (11)

1.一种用于固定到患者的颅骨上的、能够在使用外科器械的扫描引导式外科手术中用作基准标记的设备，其特征在于，所述设备包括对于所施加的扫描的电磁波来说半透明的材料和基准标记，并且其中所述设备包括用于以良好限定的方式将所述设备固定到所述外科器械的装置。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，用于将所述设备固定到所述外科器械的装置包括所述设备的表面和所述外科器械上的配合表面，其中一个表面具有装配在另一表面上的凹口内的突起。
3.根据前述权利要求中的一个或多个所述的设备，其特征在于，所述突起是沿着一条线定位的、其轴线垂直于所述突起所在的平坦表面的三个圆柱形销，其中两个销或凹口各自位于所述设备的相反的外边缘附近，并且第三个销或凹口位于外部销之间，并且其中对应于所述销的所述凹口是槽，其中对应于边缘上的销的外槽在垂直于所述线的方向上具有与所述销相同的尺寸，并且在沿着所述线的方向上具有更大的尺寸，在所述外槽之间的所述槽在沿着所述线的方向上具有与所述销相同的尺寸，并且在垂直于所述线的方向上具有更大的尺寸。
4.根据前述权利要求中的一个或多个所述的设备，其特征在于，所述设备包括适配器盘，其中所述设备和所述外科器械的配合表面之间的接触表面沿着所述适配器盘的外边缘呈环的形状。
5.根据前述权利要求中的一个或多个所述的设备，其特征在于，所述半透明材料包括聚醚醚酮(PEEK)，并且所述扫描是磁共振成像(MRI)扫描。
6.根据前述权利要求中的一个或多个所述的设备，其特征在于，所述设备能够用骨螺钉固定到所述颅骨，所述骨螺钉装配在从所述设备突出的套筒中。
7.根据前述权利要求中的一个或多个所述的设备，其特征在于，所述设备的固定到所述颅骨的表面遵循所述颅骨在该表面的位置处的轮廓。
8.根据前述权利要求中的一个或多个所述的设备，其特征在于，所述基准标记包括所述设备中的填充有液体或糊状造影剂的空腔。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述空腔的形状是三角形凹槽。
10.根据前述权利要求中的一个或多个所述的设备，其特征在于，所述设备具有孔，所述外科器械能够通过所述孔在颅骨上进行手术。
11.一种根据前述权利要求中的一个或多个所述的设备在外科手术中的用途。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10029737A1 (de) * 2000-06-23 2003-05-22 Mri Devices Daum Gmbh Navigation eines medizinischen Instrumentes
CN101938952A (zh) * 2007-11-05 2011-01-05 洛桑联邦理工学院 用于无框架神经外科立体定向术的可调节立体定向装置和方法
US20130096573A1 (en) * 2011-10-18 2013-04-18 Hyosig Kang System and method for surgical tool tracking
US20170000564A1 (en) * 2013-11-29 2017-01-05 The Johns Hopkins University Computer-assisted planning and execution system
US20170007349A1 (en) * 2010-06-10 2017-01-12 Matthew S. Solar Trajectory guide, access port, and fiducial marker alignment

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6546277B1 (en) * 1998-04-21 2003-04-08 Neutar L.L.C. Instrument guidance system for spinal and other surgery
DE10039737A1 (de) 2000-08-16 2002-02-28 Franzen Soehne Gmbh & Co Kg S Drehverschluss
WO2005046451A2 (en) * 2003-11-10 2005-05-26 The Cleveland Clinic Foundation Apparatus and methods for use in mounting a surgical trajectory guide
US20050215888A1 (en) * 2004-03-05 2005-09-29 Grimm James E Universal support arm and tracking array
WO2009006935A1 (en) * 2007-07-06 2009-01-15 Karolinska Institutet Innovations Ab Stereotactic surgery system
US11786324B2 (en) 2012-06-21 2023-10-17 Globus Medical, Inc. Surgical robotic automation with tracking markers
US10245446B2 (en) * 2013-03-14 2019-04-02 University Of Iowa Research Foundation Marker-flange for MRI-guided brachytherapy
US9700342B2 (en) 2014-03-18 2017-07-11 Monteris Medical Corporation Image-guided therapy of a tissue
US20170035525A1 (en) 2015-08-03 2017-02-09 Adventist Health System/Sunbelt, Inc. Neurosurgical Alignment and Treatment Devices
US11090130B2 (en) 2015-10-09 2021-08-17 Oregon State University Fiducial marker for computed tomography and magnetic resonance imaging
US10709508B2 (en) * 2016-07-28 2020-07-14 Medtronics Ps Medical, Inc. Tracked powered drill assembly

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10029737A1 (de) * 2000-06-23 2003-05-22 Mri Devices Daum Gmbh Navigation eines medizinischen Instrumentes
CN101938952A (zh) * 2007-11-05 2011-01-05 洛桑联邦理工学院 用于无框架神经外科立体定向术的可调节立体定向装置和方法
US20170007349A1 (en) * 2010-06-10 2017-01-12 Matthew S. Solar Trajectory guide, access port, and fiducial marker alignment
US20130096573A1 (en) * 2011-10-18 2013-04-18 Hyosig Kang System and method for surgical tool tracking
US20170000564A1 (en) * 2013-11-29 2017-01-05 The Johns Hopkins University Computer-assisted planning and execution system

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