CN116348059A - 棘突夹具 - Google Patents

Abstract

一种设备，包括限定铰链轴线(88)的铰链(84)和一对相对的夹爪(80A、80B)，该一对夹爪包括可移动夹爪和具有不透射线的预定部分的固定夹爪，使得固定夹爪的位置可以从固定夹爪的荧光图像中识别出来。相对的夹爪终止于近侧区域和远侧区域，并且近侧区域连接到铰链，使得可移动夹爪围绕铰链在闭合状态和打开状态之间旋转。夹爪在平行于铰链轴线的平面内弯曲，并终止于远侧区域处的变窄端部，使得在闭合状态下夹爪夹住椎骨的区部。该设备还具有保持铰链和一对相对的夹爪的支撑结构(60)，以及设置在相对的夹爪的相应内表面上的多个尖齿(98)。

Description

棘突夹具

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年12月7日提交的美国临时专利申请62/595,598的权益，该美国临时专利申请62/595,598通过引用并入本文。

本申请是2018年9月4日提交的美国专利申请16/120,480的部分延续，该美国专利申请16/120,480通过引用并入本文。

发明领域

本发明总体上涉及夹具，并且特别是涉及可以附接到有生命的受试者的脊柱的夹具。

发明背景

在图像引导外科手术期间，将正在对其进行外科手术的患者的要素与生成图像的设备配准会是重要的。这通常是外科手术包括外科手术导航系统的情况，该外科手术导航系统生成与实际部分配准的患者部分的图像。下面提供了一些可用于图像引导外科手术中的现有技术参考文献。

Mangiardi等人的美国专利5,665,092描述了一种用于外科手术程序的标记件，该标记件允许执行手术的外科医生以对患者尽可能无痛苦的方式准确地标记要做手术的部位。

Jutras等人的美国专利7,107,091描述了一种适用于与图像引导外科手术系统一起使用的外科手术装置，该外科手术装置被陈述为便于监测相互依赖的可移动骨元件。

Jascob等人的美国专利8,271,069描述了一种用于导航患者的区域的外科手术导航系统，该系统可以包括非侵入性动态参考框架和/或基准标记件、传感器端头器械(sensor tipped instruments)和隔离器电路。动态参考框架可以放置在患者身上的精确位置，用于引导器械。

Hartmann等人的美国专利8,737,708陈述了患者限定患者空间，在该患者空间中可以跟踪和导航器械。图像空间由可以配准到患者空间的图像数据来定义。跟踪装置可以以已知的方式连接到构件，该构件包括在图像数据中生成图像点的可成像部分。所选择的图像切片或部分可用于将重构建的图像数据配准到患者空间。

Moskowitz等人的美国专利8,784,450描述了胸/腰和颈棘突钉，该胸/腰和颈棘突钉钉在/融合在棘突附近。

Brundobler等人的美国专利9,005,211描述了一种用于将引导管固定装置定位在患者的脊柱结构处的方法。该方法包括将附接元件附接到脊柱结构，将引导管附接到附接元件，其中在附接之前校准引导管，以及将引导管的一部分导航到相对于患者的目标区域的预定位置。

Bertagnoli等人的美国专利9,011,441描述了一种用于制备棘间空间以接纳可植入装置的方法。

Lawson等人的美国专利9,060,757描述了一种用于分散和/或压缩相邻椎骨的器械。该器械包括轭架、可移动地安装到轭架的第一叶片、安装到轭架的第二叶片以及调整系统。

Nuckley等人的美国专利9,084,635描述了用于在外科手术期间对准和固定椎骨的许多脊柱稳定装置，例如便于椎弓根螺钉的精确放置。一种稳定装置包括一对钉状轨道，该钉状轨道被偏置以夹住闭合，从而被动地接合多个椎骨。

Rossner的美国专利申请2015/0282735描述了一种用于外科手术导航系统的装置和方法，该外科手术导航系统包括连接单元、可移除地附接到该连接单元的标记件载体单元、以及连接到该连接单元以将装置固定到患者的身体部位的附接单元。

Nehls的美国专利申请2016/0022287描述了临时的、射线照相不透明的骨标记件，该骨标记件具有彼此同心并被配置为刺穿骨的第一穿透构件和第二穿透构件。

Holthuizen等人的美国专利申请2020/0390502描述了一种心室引流面罩上的不透射线基准点的布置。

Onativia Bravo等人的美国专利申请2020/0129264描述了一种也可以包括不透射线球体的参考夹具。

发明概述

本发明的实施例提供了一种设备，该设备包括：

铰链，其限定铰链轴线；

一对相对的夹爪，其包括可移动夹爪和固定夹爪，固定夹爪具有其不透射线的预定部分，使得固定夹爪的位置能够从固定夹爪的荧光图像识别，相对的夹爪终止于相应的近侧区域和远侧区域，其中近侧区域连接到铰链，使得可移动夹爪被配置为在夹爪的闭合状态和打开状态之间围绕铰链旋转，并且夹爪在平行于铰链轴线的相应平面中弯曲并终止于相应的远侧区域处的相应的变窄端部，其中在所述闭合状态下，所述夹爪被配置为夹住椎骨的一个或更多个区部；

支撑结构，其被配置为保持铰链和一对相对的夹爪；以及

多个尖齿，其设置在相对的夹爪的相应内表面上。

在公开的实施例中，预定部分包括固定夹爪的具有第一不透射率(radiopacity)的第一部分，以及固定夹爪的具有不同于第一不透射率的第二不透射率的第二部分，并且第一部分被配置为使得第一部分的荧光图像提供固定夹爪的位置。第一部分可以在第二部分中的预定位置包括多个孔洞。可替代地或附加地，第一部分可以包括结合到第二部分中的预定位置的多个珠。此外，可替代地或附加地，第一部分可以包括设置在固定夹爪的内表面上的预定位置的多个尖齿，并且第二部分可以具有不包括第一部分的固定夹爪。

在另外的公开的实施例中，固定夹爪具有单一不透射率和预定形状，并且预定形状被配置为使得荧光图像提供固定夹爪的位置。典型地，可移动夹爪具有不同于单一不透射率的可移动夹爪不透射率。

根据本发明的实施例，还提供了一种方法，该方法包括：

提供夹具，该夹具包括：

铰链，其限定铰链轴线；

一对相对的夹爪，其包括可移动夹爪和固定夹爪，固定夹爪具有其不透射线的预定部分，使得能够从固定夹爪的荧光图像识别固定夹爪的位置，相对的夹爪终止于相应的近侧区域和远侧区域，其中近侧区域连接到铰链，使得可移动夹爪被配置为在夹爪的闭合状态和打开状态之间围绕铰链旋转，其中在闭合状态下，夹爪被配置为夹住椎骨的一个或更多个区部；以及

在图像引导外科手术程序期间使用夹具。

在替代实施例中，在图像引导外科手术程序期间使用夹具包括在夹具夹住椎骨的一个或更多个区部时，在闭合状态下对夹具进行荧光扫描，并从扫描中识别固定夹爪和椎骨的一个或更多个区部的各自位置。

该方法还可以包括响应于所识别的位置将固定夹爪的参照系与椎骨的一个或更多个区部的参照系配准。该方法还可以包括将具有光学反射器的标记件附接到固定夹爪，以及响应于所获取的标记件的光学图像来跟踪标记件的位置，以便响应于所配准的参照系来跟踪椎骨的一个或更多个区部。

根据结合附图进行的本发明的实施例的以下详细描述，本发明将得到更充分地理解，在附图中：

附图简述

图1是根据本发明的实施例的医疗程序的示意图；

图2A示意性地示出了根据本发明的实施例的在医疗程序中夹具已经被插入和调整之后的情况；

图2B示意性地示出了根据本发明的实施例的定位标记件如何附接到夹具；

图2C示意性地示出了根据本发明的实施例的定位标记件；

图3A、图3B、图3C、图3D和图3E是示出根据本发明的实施例的夹具的选定元件的示意图；

图4A和图4B是示出根据本发明的实施例的夹具的另外的元件的示意图；

图5A、图5B和图5C是示出根据本发明的实施例的标记件附接到夹具的示意图。

图6是根据本发明的实施例的用于执行图1的程序的步骤的流程图；

图7是示出根据本发明的实施例的流程图的步骤之一的示意图；

图8A和图8B是示出根据本发明的替代实施例的夹具的示意图；

图8C、图8D和图8E是示出根据本发明的另外的替代实施例的夹具的示意图；

图9是示出根据本发明的替代实施例的定位标记件的示意图；以及

图10是根据本发明的实施例的使用夹具(诸如图8A和图8B的夹具或图8C、图8D和图8E的夹具)以及图9的标记件执行的步骤的流程图。

具体实施方式

综述

本发明的实施例提供了可以用作夹具的设备，该夹具在本文通过示例假定为棘突夹具，与现有技术的夹具相比，该棘突夹具具有两个弯曲的夹爪(jaw)。通过使夹爪弯曲，夹具能够紧固到患者的两个或更多个棘突上，并且还可以通过相对小的切口插入患者体内。

铰链连接两个夹爪，夹爪中的一个可移动以便围绕铰链旋转，另一个夹爪相对于铰链固定。通过使固定夹爪的预定部分不透射线，固定夹爪被配置为具有可从固定夹爪的荧光图像识别的固定夹爪的位置。

通过将固定夹爪的预定部分配置为不透射线的，在夹爪已经紧固在棘突上之后，固定夹爪的荧光扫描使得固定夹爪的位置以及因此夹具的位置能够与棘突配准。

铰链限定铰链轴线，并且每个夹爪在平行于铰链轴线的相应平面内弯曲。此外，每个夹爪终止于相应的变窄区域，变窄区域便于通过切口将夹具的夹爪插入患者体内。

每个夹爪被配置为具有尖齿，该齿使得夹具在闭合时能够切入并有效地夹住棘突。

夹具支撑结构保持两个夹爪和铰链。支撑结构可用于在夹爪插入患者体内之后操纵夹爪，使得夹爪夹住患者的一个或更多个棘突，而支撑结构保持在患者的外部。

一旦夹爪夹住了患者的棘突，夹具的支撑结构就提供刚性平台，该刚性平台可以附接不相对于患者脊柱移动的定位标记件。夹具及其附接的标记件可以在图像引导外科手术程序期间使用，其中执行该程序的专业人员使用外科手术导航系统。

借助于上述夹具和棘突之间的配准，外科手术导航系统可以在系统的参照系中找到标记件的位置和取向，从而找到夹具和患者的位置和取向。因此，可以补偿由患者和/或专业人员的移动引起的患者和系统之间的任何相对移动。

使用夹具的固定夹爪进行配准过程使得具有窄视场的荧光镜能够执行用于配准的扫描。与现有技术的系统相比，这简化了配准的过程，现有技术的系统需要具有宽视场的荧光镜，或者需要中间步骤以适应荧光镜的窄视场，或者需要单独的配准标记件。

详细描述

在下文中，所有方向性参照(例如，上、下、向上、向下、左、右、顶部、底部、上方、下方、竖直和水平)仅用于标识目的，以帮助读者理解本发明，并且不产生限制，特别是不产生对于本发明的实施例的定位、取向或使用的限制。

现在参考图1，图1是根据本发明的实施例的医疗程序的示意图。在由专业人员22执行的程序期间，专业人员使用外科手术导航系统20，该外科手术导航系统20帮助专业人员执行该程序。外科手术导航系统20包括处理器26，处理器26操作系统的元件，并且处理器26与结合在系统中的由专业人员22佩戴的增强现实组件24通信。除其他外，组件24包括图像捕获装置72，在本文也称为照相机72，该照相机72具有视场74并且被配置为捕获可见光谱中的图像。下面描述系统20、处理器26和装置72的功能。Benishti等人的美国专利9,928,629中描述了类似于增强现实组件24的组件及其操作，该美国专利的公开内容通过引用并入本文。

在此例示的医疗程序在患者30身上执行，并且在该程序的初始阶段期间，专业人员22在患者背部上做出切口32。然后，专业人员将棘突夹具50插入到切口中，使得夹具的相对的夹爪位于棘突的相对侧上。然后，专业人员使夹具在椎板上滑动，并调整夹具以夹住由专业人员选择的患者的一个或更多个棘突。如下面更详细描述的，夹具的夹爪上的齿的尖锐边缘面向前方，并且被配置为将肌肉切到棘突，以便于夹具的插入。这使得夹爪的下侧能够在椎板上滑动。

图2A示意性地示出了根据本发明的实施例在夹具50已经被插入和调整之后的情况。该图示出了夹具50已经被附接以夹住患者30的脊柱40，并且具体地夹住脊柱的椎骨的棘突42和44。如图2A所示，夹具50包括螺柱54，本文作为示例，有四个螺柱54，这些螺柱从夹具的支撑结构60的近侧表面58突出。

图2B示意性地示出了根据本发明的实施例的定位标记件66(在图2C中更详细地示出)如何附接到夹具50。如下所述，标记件66包括已知彼此对准的不透射线和光学可见的元件。因此。标记件的荧光图像和可见光谱图像可用于配准标记件以及标记件所附接的夹具的荧光和可见光谱参照系。

如图2B中示意性示出的，夹具50的螺柱54配置为与标记件66的孔62配合，使得当配合时，标记件就坐于表面58上的多个可选择位置中的一个位置。在本文描述的实施例中，有两个可选择位置，并且图2B示出了附接在这些位置中的一个位置(夹具的左侧)的标记件(图5C示出了附接在夹具的右侧的标记件)。然而，应当理解，螺柱和孔可以被配置为使得存在标记件66可以就坐于表面58上的两个以上的可选择位置。

图2C示意性地示出了根据本发明的实施例的标记件66的细节。标记件66由大致矩形的固体衬底174形成，该衬底包括通向固定螺钉126(下面参考图4B描述)的进入孔洞164，并且这些孔洞被配置为使得，无论标记件附接到夹具的附接方向如何，在标记件已经附接之后，都可通过孔洞164中的一个接近固定螺钉。

在由专业人员22执行的程序期间，标记件66被用作便于跟踪和补偿夹具50相对于组件24的任何明显移动的基准点(fiduciary)。标记件还用于使标记件的可见光谱参照系与标记件的CT参照系配准。

为了充当基准点，标记件66包括以预定图案布置在衬底174的上表面172上的多个反射器168。反射器168反射可见光，并且衬底174在可见光谱中通常是不透明的。当反射器被外科手术导航系统20的投射器(未示出)和/或被环境可见光照射时，图像捕获装置72形成反射器的图像，并且该图像被传送到处理器26。

为了充当配准装置，标记件66还包括多个不透射线元件170，这些不透射线元件170相对于反射器168以已知的预定物理关系布置，并且通常嵌入在衬底174中。作为示例，假定元件170位于反射器168正下方的预设距离处，并且图2C示出了为球体的四个这样的元件。衬底174的材料被选择为在荧光透视下是透明的。

在一些实施例中，反射器168和不透射线元件170不是如上所述包括单独的实体，而是包括既在可见光中反射又不透射线的组合的单个元件。例如，反射器168可以由铝盘形成。

图3A、图3B、图3C、图3D和图3E是示出根据本发明的实施例的夹具50的选定元件的示意图。夹具50包括两个相对的夹爪80A、80B，夹爪80A、80B在夹爪的近侧区域处通过铰链销84连接。夹爪80A、80B在本文也被称为夹爪80。夹爪中的至少一个能够围绕铰链销84旋转，并且在图中夹爪80A被示出为围绕铰链销旋转，而夹爪80B相对于销固定。旋转使得夹爪80能够以连续的方式在夹爪的打开状态(如图3A所示)和夹爪的闭合状态(如图3B所示)之间转换。

铰链销84限定铰链轴线88，并且每个夹爪80位于平行于铰链轴线的相应平面中。图3C示出了夹爪80B，并且该图已经被绘制成使得图3C的纸的平面对应于夹爪80B所在的平面。

每个夹爪80在其各自的平面内弯曲。因此，如图3C所示，夹爪80B包括第一基本直的近侧区域90、第二基本直的远侧区域94和固定地连接两个直区域的弯曲中间区部97。近侧区域90和远侧区域94都是夹爪80B的终端区域。夹爪80A包括两个相似的区域和一个相似的中间区部，这些区域和中间区部连接，如夹爪80B一样。典型地，夹爪的远侧区域足够长，使得它们能够同时夹紧多个相邻的棘突。在公开的实施例中，夹爪约为7厘米长。

在一个实施例中，两个直区部相交形成的角度θ约为90°。然而，在其它实施例中，角度θ可在约70°-90°的范围内。

典型地，每个夹爪80在夹爪的内表面上具有多个齿98，并且两个夹爪的齿被配置为彼此相对。在一个实施例中，当夹爪处于其闭合状态时，相对的齿被配置为彼此相互啮合，如图3D所示。

在公开的实施例中，齿具有棱锥状形状，如图3E所示，其中棱锥的边缘是尖锐的。在这种情况下，每个齿的棱锥被配置为终止于尖点94，这有助于齿夹住棘突。

此外，对于每个齿98，棱锥的一个边缘96被配置为尖锐的并面向前方，以便能够在插入夹具时切割棘突之间的肌肉。此外，每个齿98的棱锥的另一边缘100也被配置为是尖锐的，但是面向后方，以便能够在移除夹具时切割棘突之间的肌肉。应当理解，棱锥形齿的面向前方的尖锐边缘有助于将夹具插入患者30体内，并且棱锥形齿的面向后方的尖锐边缘有助于将夹具从患者身上移除。

夹爪80A和80B的每个远侧区部的远侧末端102通过稍微截头和倒圆而变窄，使得夹爪的远侧端头不是尖锐的。这种构型有助于将夹具插入软体组织，例如肌肉或脂肪。在替代实施例中，末端102的内表面106的边缘104是尖锐的，以便也有助于在夹爪插入期间穿透组织。

在一个实施例中，夹爪80由阳极氧化铝(典型地为黑色阳极氧化铝以用于生物相容性)形成。在其它实施例中，夹爪80可由具有与铝基本相同的物理性质的其它金属或非金属材料形成，包括复合材料。

夹爪80B的近侧区域包括固定到夹爪80B的支撑结构保持基部118(图3A、图3B)，该支撑结构保持基部118又包括盲孔122。下面描述基座118和孔122的功能。

夹具50还包括验证点108，验证点108位于夹具上已知的、预定义的固定位置，并且在此假定为固定到例如不可移动的夹爪80B。然而，验证点108可以位于夹具50的其他固定部分上，例如位于支撑结构60上。

点108位于夹具50上，使得在夹具已经被插入患者30体内之后，当被可见光照射时，验证点对专业人员22是可见的。除了对专业人员22可见之外，验证点被配置为可在荧光图像(例如夹具50的计算机断层扫描(CT)图像)中识别，通常通过图像分割来识别。

为了如上所述是可识别的，验证点108可以包括夹爪80B中的突起和/或凹痕，突起和/或凹痕呈任何方便形状(例如圆柱形)的形式。可替代地或附加地，验证点108可以包括与该点所在的夹具50的材料不同的材料，只要该点的材料与夹具的材料在荧光图像中是可区分的，并且当在可见光下观察时也是可区分的。例如，如果夹爪80B由铝形成，则点108可以由插入夹爪中并从夹爪突出的钛元件(例如球形珠)形成。作为另一个示例，点108可以包括夹爪80B中的空隙，例如球形气穴，并且点的位置可以通过空隙上方的夹爪表面上的光学可见标记(例如涂料斑点)而变得可见。

对于本领域技术人员来说，用于形成验证点108的其他方法，包括但不限于本文描述的那些方法的组合和子组合，将是明显的，并且所有这些方法都被认为包括在本发明的范围内。

验证点108由专业人员22用来验证系统20的不同元件处于配准状态，如下面更详细描述的。

图4A和图4B是示出根据本发明的实施例的夹具50的另外的元件的示意图。图4A示出了组装时的夹具，并示出了保持并致动夹爪80和铰链84的支撑结构60。图4B示出了支撑结构60，该结构的盖114与该结构的其他元件平移分开。盖114固定地附接到支撑结构保持基座118(图3A、图3B)。

支撑结构60包含固定螺钉126，该固定螺钉126被盲孔122和盖114中的开放孔130保持并在该盲孔122和开放孔130内旋转。螺钉126具有与螺母134的内螺纹相配合的外螺纹，并且螺母的侧面接触盖114的壁并在盖114的壁内滑动。因此，旋转螺钉126会使螺母134在盖114内竖直地平移。

螺母134通过杠杆机构136连接到夹爪80A。机构136包括第一铰链销140、杠杆144和第二铰链销148。杆144在其近侧端部处通过第一铰链销140连接到螺母134中的孔152，使得杆能够围绕第一铰链销旋转。杆144在其远侧端部处通过第二铰链销148连接到夹爪80A中的孔156(孔156也在图3A、图3B中示出)

杠杆机构136通过旋转固定螺钉126来操作。当螺钉被旋转使得螺母134在结构60内沿上部方向平移时，铰链148和孔156被朝向固定螺钉拉动，使得夹爪80处于其打开状态，如图3A所示。当固定螺钉126被旋转使得螺母134在结构60内沿下部方向平移时，铰链148和孔156远离固定螺钉移动，使得夹爪80处于其闭合状态，如图3B所示。

应当理解，当固定螺钉126作用于杠杆机构136时，该固定螺钉126根据固定螺钉的旋转将夹爪80固定地保持在任何期望的构型中。因此，螺钉126的第一旋转可以将夹爪固定地保持在打开状态，并且第二旋转可以将夹爪固定地保持在闭合状态。

在上述程序期间，在夹爪的闭合状态下，夹爪通常夹住一个或更多个棘突。为了在夹爪的闭合状态下牢固地夹住棘突，在实施例中，通过选择夹爪的材料和通过选择夹爪的尺寸，夹爪被配置为弯曲，使得夹爪的各个远侧末端102从夹爪不夹住棘突时的夹爪构型偏转最多1mm。图7示意性地示出了当夹爪抓住棘突时由弯曲引起的偏转。

从上面对夹具50的描述可以理解，夹爪的变窄的远侧区部、夹爪的弯曲形状和远侧直区部的相对长的长度的组合意味着即使使用小切口32，也可以操纵夹具50来有效地抓住患者30的多个棘突。

图5A、图5B和图5C是示出根据本发明的实施例的标记件66附接到夹具50的示意图。图5A示出了与夹具的螺柱54配合的标记件的孔62，并且图5B和图5C示出了当标记件和夹具被附接时的标记件和夹具。在所示的实施例中，标记件66可以附接到夹具50，使得标记件位于夹具的左侧(如图5B所示)，或者位于夹具的右侧(如图5C所示)。标记件用螺钉160附接到夹具。

在程序期间，专业人员22可以选择标记件66处于哪个方向，以便能够最好地接近患者。典型地，在将夹爪80插入患者体内之后，支撑结构60近似垂直于患者的脊柱。

如上所述，标记件66包括通向固定螺钉126的进入孔洞164，并且这些孔洞被配置为使得，无论标记件到夹具的附接方向如何，在标记件已经附接之后，都可以通过孔洞164中的一个接近固定螺钉。

如上所述，专业人员22可以在对患者30执行的程序期间使用外科手术导航系统20(图1)，并且标记件66可以被系统用作基准点，从而使得患者和系统之间的任何相对移动能够得到补偿。为了作为基准点操作，外科手术导航系统的处理器26可以使用图像捕获装置72来识别标记件本身的图像，或者识别诸如标记件的反射器168的光学元件的图像。

因此，当反射器168被外科手术导航系统20的投射器(未示出)照射时，和/或被环境可见光照射时，图像捕获装置72形成反射器的图像，并且该图像被传送到处理器26。处理器26使用捕获的图像来查找标记件66和夹具50的位置和取向，从而在由系统定义的参照系中查找夹具50所夹的患者脊柱的位置和取向。因此，处理器26能够补偿标记件和系统之间的可能由患者30和/或专业人员22的移动引起的任何相对移动，并且该补偿使得处理器能够调整呈现给专业人员22的图像，使得调整后的图像相对于患者的脊柱显得稳定。

对于本领域普通技术人员来说，使用标记件66来补偿患者30的任何移动的其他方法将是明显的，并且所有这些方法都被认为包括在本发明的范围内。

根据本发明的实施例，图6是由专业人员22和处理器26在系统20的操作中执行的步骤的流程图，并且图7是示出这些步骤中的一个步骤的示意图。在初始步骤200中，如上文所述，将夹具50插入患者30体内并附接到患者的一个或更多个棘突。标记件66附接到夹具50，如上文参考图5A、图5B、图5C所述。

一旦夹具和标记件被附接，就获取患者、夹具和标记件的CT图像，并且处理器26存储该图像。CT图像包括验证点108的荧光图像。

在光学成像步骤204中，专业人员激活照相机72以获取标记件的光学图像，并且处理器26存储该光学图像。

在配准步骤206中，处理器26通过本领域公知的方法将由在步骤200中获取的标记件66的CT图像定义的参照系和由在步骤204中获取的标记件66的光学图像定义的参照系配准。应当理解，可以执行配准，因为在光学图像中可见的反射器168和在CT图像中可见的不透射线元件170相对于彼此处于已知的物理关系。

在虚拟图像步骤208中，处理器26使用照相机72生成由专业人员22观察到的场景的虚拟图像，在此假定包括夹具50、标记件66和患者30的脊柱。处理器将虚拟图像的参照系与配准的CT和光学参照系配准，并将配准的虚拟图像投影到增强现实组件24中，使得专业人员可以看到它。

在步骤206和/或208中产生的配准可能是不准确的，并且流程图的后面步骤允许专业人员22检查配准的准确性，并且如果必要的话校正配准。

图7示意性地示出了插入患者30体内的夹具50，并且夹具的位于患者体内的下部部分78被示出为用虚线绘制。为简单起见，图中未示出患者的棘突。在图中示意性地示出了当夹爪夹住棘突时由夹爪的远侧区域的弯曲所引起的夹爪80B的末端102的偏转D，通常约为1mm。夹爪80A将经历类似的弯曲和末端偏转。

图7还示意性地示出了照相机72和视场74。应当理解，由照相机72形成的图像包括夹具50和标记件66的上部部分的图像，但是不包括下部部分78的图像。

在工具呈现步骤210中，专业人员22将工具230(图7)引入照相机72的视场74中。工具230具有位于工具上的预定义位置的一个或更多个光学跟踪元件234，并且这些元件被配置为使得由照相机72产生的工具230和元件234的图像使处理器26能够跟踪工具的远侧端头238的位置。

处理器生成工具230的虚拟图像，并将工具虚拟图像投影到增强现实组件24中，使得该图像对专业人员26可见。

在验证步骤214中，专业人员26使远侧端头238在验证点108上按触。该步骤可以在由组件24产生的虚拟图像接通或关断的情况下执行。

在判定步骤218中，专业人员观察远侧端头238的图像和验证点108的图像是否重合。在实施例中，根据在步骤200中获取的CT图像确定的验证点108的位置被合并到由组件24呈现给专业人员的配准图像中。可替代地，处理器26检查重合性，而不是专业人员检查重合性。

如果判定步骤218返回为正，即，两个图像重合，则认为上述系统的配准成功，并且流程图结束。

如果判定步骤218返回为负，则步骤206和/或208的配准不够正确，并且控制先转至调整配准步骤220，并且从步骤220转至判定步骤218。

在调整配准步骤220中，处理器使用由照相机72生成的图像来确定远侧端头238和验证点108在标记件66的光学参照系中的3D坐标值。这些坐标值之间存在差异，如判定步骤218的负返回所示，对应于两个值之间的差值。然后，处理器调整在步骤206和208中执行的配准，以便减小差值，并且迭代地返回到判定步骤218。判定步骤218和调整步骤220的迭代继续，直到判定步骤218返回为正。

图8A和图8B是示出根据本发明的替代实施例的夹具350的示意图，并且图8C、图8D和图8E是示出根据本发明的另外替代实施例的夹具450的示意图。图9是示出根据本发明的替代实施例的与夹具350或夹具450一起使用的定位标记件366的示意图。除了下面描述的差异之外，夹具350和450以及标记件366的操作大致类似于夹具50和标记件66的操作，并且在夹具和标记件中的由相同的附图标记指示的元件在构造和操作上大致相似。

参照图8A和图8B，与夹具50相比，夹具50具有支撑结构60的盖114，该盖114与支撑结构保持基座118以及夹爪80B分离但固定地连接到支撑结构保持基座118以及夹爪80B，而在夹具350中，夹爪80B、盖114和基座118形成为一个单件，本文称为夹爪组合80C。在夹具350的操作期间，夹爪80A绕铰链84旋转，而夹爪组合80C中包括的夹爪80B相对于铰链固定。夹爪组合80C在本文也被称为固定夹爪组合80C，并且夹爪80B在本文也被称为固定夹爪80B。

在本发明的公开的实施例中，夹爪80B被配置为使得夹爪的选定部分352具有与夹爪的其余部分不同的不透射率。当选定部分352在夹爪80B中处于预定的空间关系时，选定部分的不透射率的差异使得在夹爪80B的荧光图像中，选定部分的图像可与其余部分的图像区分开，从而可以从夹爪的选定部分352的荧光图像推断出夹爪80B的位置。

选定部分352通常包括并入夹爪80B中的多个元件。部分352的元件的数量、位置和形状被选择成使得元件的荧光图像能够推断出夹爪80B的位置。

作为公开的实施例的第一示例，选定部分352包括多个圆柱形盲孔洞358，该圆柱形盲孔洞358形成在夹爪80B中的预定位置。在该第一示例中，孔洞358向大气开放，并因此充满空气。夹爪80B和组合80C的剩余部分可以由任何合适的材料形成，该材料例如是铝或其他金属或非金属材料，包括具有与铝大致相同的物理性质的复合材料。在公开的实施例中，本发明人使用七个孔洞358，但是本发明的实施例可以使用更多或更少数量的孔洞。应当理解，夹爪80B的剩余部分和组合80C的剩余部分的不透射率不同于选定部分352(即孔洞358)的不透射率。

作为公开的实施例的第二示例，选定部分352包括接合到孔洞358中的多个珠354，使得珠位于孔洞的预定位置。图8A是示出从孔洞358移出珠354后的分解图。选择珠354(即选定部分352)的材料，使得珠的不透射率不同于夹爪80B的剩余部分和组合80C的剩余部分的不透射率。在公开的实施例中，本发明人使用七个珠354，但是本发明的实施例可以使用更多或更少数量的珠。在公开的实施例中，珠354由钛合金形成，并且夹爪80B的剩余部分和组合80C的剩余部分由具有不同于钛的不透射率的材料(例如铝)形成。在一个实施例中，珠354形成为球形球体，但是应当理解，珠354可以包括任何方便的形状。

作为公开的实施例的第三示例，选定部分352包括多个齿98B，该多个齿98B形成在夹爪80B的内表面上的预定位置，并且齿98B被包括在齿98中。选择多个齿98B(即选择部分352)的材料，使得齿的不透射率不同于夹爪80B的剩余部分和夹爪组合80C的剩余部分的不透射率。典型地，夹爪80B的剩余部分和夹爪组合80C的剩余部分的材料被选择为与夹爪80A的材料相同的材料。夹爪80A包括形成在夹爪80A的内表面上的齿98A，并且齿98A被包括在齿98中。

在第三示例中，通过使夹爪80A(包括夹爪80A的齿98A)、夹爪80B的剩余部分以及组合80C的剩余部分由相同的材料形成，那么在夹具350的荧光图像中，齿98B的图像可与夹具的剩余部分的图像区分开来。因此，夹爪80B的位置可以从夹具的荧光图像推断出来。在公开的实施例中，齿98B由钛合金形成，并且上述夹具350的其他区部由具有不同于钛的不透射率的材料(例如铝)形成。

夹爪80B的其它示例，包括夹爪的具有与其余部分的不透射率不同的不透射率的选定部分，包括上述给出的例子的组合，对于本领域普通技术人员来说是将是明显的，并且所有这样的其它示例被认为包括在本发明的范围内。

在本发明的替代实施例中，夹爪80B和夹爪组合80C由一种或更多种具有共同不透射率的材料形成，从而在替代实施例中不存在具有不同不透射率的部件352。在替代实施例中，当夹具用于外科手术程序中时，一种或更多种材料被选择为具有不同于夹具350附近的元件的不透射率。例如，如果夹具350用于夹持脊柱突起，则替代实施例的一种或更多种材料具有不同于脊柱突起的不透射率的共同不透射率。

在替代实施例中，夹爪80B形成为预定的三维(3D)形状362，并且该形状被配置为使得可以从夹具的荧光图像确定夹爪的位置。在一个实施例中，夹爪80B由铝形成。

参考图8C、图8D和图8E，图8C和图8D是夹具450的透视图，并且图8E是夹具450的一部分的侧视图。相对于夹具50和350，夹具450包括两个相对的夹爪454A和454B，夹爪454A和454B在夹爪的近侧区域处通过铰链销84连接。夹爪454A和454B在本文也被称为夹爪454。

如夹具50和350的夹爪80，夹具450的夹爪454A和454B也包括相应的基本直的近侧区域458A和458B，本文也称为区域458。然而，与夹爪80相对比，夹爪454不包括直的远侧区域，并且也不包括弯曲的中间区部。而是，夹爪454A和454B包括各自的远侧“足状”区域462A和462B，本文也称为足部462，这些区域具有呈人类足部的形状的轮廓。因此，足部462A包括足跟区部466A、足趾区部470A和连接足跟区部和足趾区部的足弓区部474A。类似地，足部462B包括足跟区部466B、足趾区部470B和连接足跟区部466B和足趾区部470B的足弓区部474B。足趾区部是足状区域的变窄区域。

夹爪454A由足跟区部466A形成，足跟区部466A直接且近似正交地连接到直区域458A的远侧末端，使得足部462A和直区域458A位于共同平面中并形成一个单件。类似地，夹爪454B由足跟区部466B形成，足跟区部466B直接且近似正交地连接到直区域458B的远侧末端，使得足部462B和直区域458B位于共同平面中，并且与下面描述的其他元件一起形成一个单件。每个夹爪454位于平行于铰链轴线88的相应平面内。除其他外，图8E示出了夹爪454B，并且该图已经被绘制成使得图8E的纸的平面对应于夹爪454B所在的平面。

相对于夹具350，并且如图8E所示，在夹具450中，夹爪454B、盖114和基座118形成为一个单件，本文称为夹爪组合454C。在夹具450的操作期间，夹爪454A围绕铰链84旋转，而包括在夹爪组合454C中的夹爪454B相对于铰链固定，并且在本文也称为固定夹爪454B。

典型地，夹具450的每个夹爪454在夹爪的内表面上具有多个齿474，并且两个夹爪的齿被配置为彼此相对。在一个实施例中，相对的齿被配置为当夹爪处于其闭合状态时相互啮合。

如下文所述，一旦夹具450已经被夹在患者的骨上，夹具450就与患者配准。通过夹具和患者的荧光成像并根据图像确定夹具的位置来执行配准。

在本发明的公开的实施例中，夹爪454B和夹爪组合454C由一种或更多种具有共同不透射率的材料形成，从而不存在具有不同不透射率的部分。该一种或更多种材料被选择为具有与在夹具用于外科手术程序中时夹具450附近的元件不同的不透射率。例如，如果夹具450用于夹持脊柱突起，则该一种或更多种材料具有不同于脊柱突起的不透射率的共同不透射率。将共同不透射率形成为不同于夹具附近的元件的不透射率有助于根据荧光图像确定夹具的位置。

在公开的实施例中，夹爪454B形成为预定的三维(3D)形状482B，并且该形状被配置为使得可以从夹具的荧光图像确定夹爪的位置。在一个实施例中，夹爪454B由铝形成。

可替代地，夹爪454B可以形成为具有多种不同的不透射率，并且可以例如包括如上面关于夹具350所述的珠或孔洞(图8A和图8B)。

转向图9，与标记件66相对比，标记件366不包括不透射线元件170，而是仅包括反射器168。反射器168使得标记件366能够用作跟踪的基准点，因为标记件仍然与表面58配合(图4A、图8A)，如上面关于标记件66所描述的。然而，由于在标记件366中没有不透射线元件170，因此标记件不充当配准装置，并且现在使用用于夹具350的固定夹爪80B和用于夹具450的固定夹爪454B的荧光图像来实现配准功能，如下面的流程图中所述。

图10是根据本发明的实施例的由处理器26在系统20的操作中使用夹具(诸如夹具350或夹具450)和标记件366执行的步骤的流程图。尽管图10是关于图8A-图8E的夹具来描述的，但是图10可以涉及如本文所描述的具有多重或单一不透射率的任何其他夹具。

还应理解，本文所述的多重不透射率特征(例如，通过包括如在图8A和图8B的夹具中的孔洞或珠)或单一不透射率特征(使用夹具形状)经必要的修改可以在具有各种形状和夹持机构的其它夹具中实现。即，图8A-图8E的夹具仅是示例，并且上面提到的所有这种其他夹具被认为包括在本发明的范围内。

参考图10，最开始专业人员22将夹具350或夹具450插入患者30体内，并将夹具附接到患者的椎骨的一个或更多个区部(在本文作为示例假定为患者的棘突)，如上面对于夹具50所述。专业人员22向处理器26输入用于识别夹爪80B或夹爪454B的位置的数据。即，对于夹爪80B来说，为选定元件352相对于夹爪80B的位置或固定夹爪的预定形状362，且对于夹爪454B来说，为预定形状480B。应当理解，这种数据可以在夹具的生产阶段预定义。可替代地，数据可以与夹具相关联，并且可以在由专业人员选择要使用的夹具类型时输入到处理器。

在夹具350或夹具450附接到患者的情况下，在初始步骤400中，处理器26访问上述识别数据，并且还访问夹具和患者的荧光图像，通常是计算机断层扫描(CT)图像。可选地，处理器通过成像装置获取CT图像。应当理解，夹具350和夹具450的相对低的轮廓有助于CT图像的获取，因为通常获取图像的CT荧光镜具有窄的视场。

在配准步骤404中，处理器26分析在步骤400中获取的图像，通过将所访问的图像与在步骤400中输入的选定元件352的位置或夹爪80B的预定形状362或夹爪454B的预定形状482B进行比较，来识别夹爪80B或夹爪454B的位置。使用所识别的位置和夹具350或夹具450附接到的棘突的图像，处理器将夹爪80B或夹爪454B的参照系与患者30的参照系配准。典型地，配准包括确定夹具所附接到的棘突与夹爪的位置之间的第一向量。

然后，专业人员22将标记件366附接到表面58，使得当标记件与表面配合时，标记件就坐于上面参考图2B所描述的表面上的多个可选择的已知位置中的一个位置。

在操作步骤412中，根据标记件366及其元件的已知尺寸，并且由于标记件相对于组合80C或454C的已知位置，处理器26根据在步骤404中计算的第一向量来确定夹持的棘突和标记件366的位置之间的第二向量。

处理器26使用照相机72来获取标记件366和患者30的光学图像。如上所述，处理器分析标记件366的图像以跟踪标记件，即确定其在系统20的参照系中的位置，包括其位置和取向。使用在上述配准和附接步骤中生成的第二向量，处理器根据标记件位置确定被夹具350或夹具450夹持的棘突的位置，并使用确定的棘突位置来跟踪患者30。

处理器还可以使用由照相机72获取的光学图像来生成专业人员22所观察到的场景的虚拟图像。处理器将虚拟图像与患者30的参照系配准，基本如上面在图6的流程图的虚拟图像步骤208中所描述的，以便将虚拟图像与获取的光学图像对准。

然后，处理器将配准的虚拟图像投影到增强现实组件24中，以供专业人员22观察。如上面参考图7的步骤210所描述的，专业人员可以将可跟踪工具230引入照相机72的视场中，在这种情况下，处理器生成工具的虚拟图像并将虚拟图像投影到组件24中，使得该图像可被专业人员看到。

应认识到，以上描述的实施例是通过示例的方式列举的，并且本发明不限于上文中已经特别示出和描述的那些。更确切地，本发明的范围包括在上文中所述的各种特征的组合和子组合，以及本领域中的技术人员在阅读了前述描述时将想到的且在现有技术中未公开的其变形和修改。

Claims (20)

1.一种用于在图像引导外科手术程序期间在夹具夹住椎骨的一个或更多个区部时使用所述夹具的计算机化方法，所述夹具包括铰链和一对相对的夹爪，所述一对相对的夹爪包括固定夹爪和可移动夹爪，所述固定夹爪具有其不透射线的预定部分，所述可移动夹爪能够在所述夹爪的打开状态和闭合状态之间围绕所述铰链旋转，所述方法包括：

访问处于所述闭合状态的所述夹具的荧光扫描；以及

从所述扫描中识别所述固定夹爪的位置和所述椎骨的一个或更多个区部的位置。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括响应于所述固定夹爪的所识别的位置和所述椎骨的一个或更多个区部的所识别的位置，将所述固定夹爪的参照系与所述椎骨的一个或更多个区部的参照系配准。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括响应于访问附接到所述固定夹爪的标记件的光学图像来跟踪所述标记件的位置，以便响应于所配准的参照系来跟踪所述椎骨的一个或更多个区部。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括生成由执行所述程序的外科医生观察到的场景的虚拟图像，以及响应于所跟踪的标记件的位置和所配准的参照系，将所述虚拟图像与所述外科医生佩戴的增强现实组件中的所述场景的光学图像对准。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定部分包括所述固定夹爪的具有第一不透射率的第一部分和所述固定夹爪的具有第二不透射率的第二部分，所述第二不透射率不同于所述第一不透射率，并且其中所述第一部分被配置为使得所述第一部分的荧光图像提供所述固定夹爪的位置。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一部分在其中包括位于预定位置的多个孔洞。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一部分在其中包括结合到预定位置的多个珠。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一部分包括设置在所述固定夹爪的内表面上的预定位置的多个尖齿，并且其中所述第二部分包括没有所述第一部分的所述固定夹爪。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述固定夹爪具有单一不透射率和预定形状，并且其中所述预定形状被配置为使得所述荧光扫描提供所述固定夹爪的位置。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述可移动夹爪具有不同于所述单一不透射率的可移动夹爪不透射率。

11.一种设备，包括：

铰链，其限定铰链轴线；

一对相对的夹爪，其包括可移动夹爪和固定夹爪，所述固定夹爪具有其不透射线的预定部分，使得所述固定夹爪的位置能够从所述固定夹爪的荧光图像识别，所述相对的夹爪终止于相应的近侧区域和远侧区域，其中所述近侧区域连接到所述铰链，使得所述可移动夹爪被配置为在所述夹爪的闭合状态和打开状态之间围绕所述铰链旋转，并且所述夹爪在平行于所述铰链轴线的相应平面中弯曲并终止于相应的远侧区域处的相应变窄的端部，其中在所述闭合状态下，所述夹爪被配置为夹住椎骨的一个或更多个区部；

支撑结构，其被配置为保持所述铰链和所述一对相对的夹爪；以及

多个尖齿，其设置在所述相对的夹爪的相应内表面上。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述预定部分包括所述固定夹爪的具有第一不透射率的第一部分以及所述固定夹爪的具有第二不透射率的第二部分，所述第二不透射率不同于所述第一不透射率，并且其中所述第一部分被配置为使得所述第一部分的荧光图像提供所述固定夹爪的位置。

13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述第一部分在其中包括位于预定位置的多个孔洞。

14.根据权利要求12所述的设备，其中，所述第一部分在其中包括结合到预定位置的多个珠。

15.根据权利要求12所述的设备，其中，所述第一部分包括设置在所述固定夹爪的内表面上的预定位置的多个所述尖齿，并且其中所述第二部分包括没有所述第一部分的所述固定夹爪。

16.根据权利要求11所述的设备，其中，所述固定夹爪具有单一不透射率和预定形状，并且其中所述预定形状被配置为使得所述荧光图像提供所述固定夹爪的位置。

17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述可移动夹爪具有不同于所述单一不透射率的可移动夹爪不透射率。

18.一种方法，包括：

提供夹具，所述夹具包括：

铰链，其限定铰链轴线；

一对相对的夹爪，其包括可移动夹爪和固定夹爪，所述固定夹爪具有其不透射线的预定部分，使得能够从所述固定夹爪的荧光图像识别所述固定夹爪的位置，所述相对的夹爪终止于相应的近侧区域和远侧区域，其中所述近侧区域连接到所述铰链，使得所述可移动夹爪被配置为在所述夹爪的闭合状态和打开状态之间围绕所述铰链旋转，其中在所述闭合状态下，所述夹爪被配置为夹住椎骨的一个或更多个区部；以及

在相关的医疗程序期间，使用所述夹具将所述固定夹爪的参照系与所述椎骨的一个或更多个区部的参照系配准。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括将包括光学反射器的标记件附接到所述固定夹爪，从而允许响应于所获取的所述标记件的光学图像来跟踪所述标记件的位置，以便响应于所配准的参照系来跟踪所述椎骨的一个或更多个区部。

20.一种设备，包括：

铰链，其限定铰链轴线；

一对相对的夹爪，其包括可移动夹爪和固定夹爪，所述固定夹爪具有预定形状和单一不透射率，使得能够从所述固定夹爪的荧光图像识别所述固定夹爪的位置，所述相对的夹爪终止于相应的近侧区域和远侧区域，其中所述近侧区域连接到所述铰链，使得所述可移动夹爪被配置为在所述夹爪的闭合状态和打开状态之间围绕所述铰链旋转，并且所述夹爪位于平行于所述铰链轴线的相应平面中并终止于相应的远侧区域处的相应的变窄端部，其中在所述闭合状态下，所述夹爪被配置为夹住椎骨的一个或更多个区部；以及

支撑结构，其被配置成保持所述铰链和所述一对相对的夹爪。

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