CN117083022A - 脑活检的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种脑活检装置，包括具有用于获取脑组织样本的取样窗(30)和组织阻断器(31‑33)的活检插管(28)；插入和取出活检插管(28)的线性运动模块；具有压力传感器(24)的真空压力产生器，用于产生和控制真空压力；将脑组织样本保留在采样窗(30)内的侧切模块；容纳所述活检插管(28)、所述直线运动模块、所述真空压力产生器和所述侧切模块的框架；和控制直线运动模块和侧切模块的运动，并控制真空压力发生器的真空压力的控制器。

Description

脑活检的装置和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年12月31日提交的美国临时申请No.63/132,827的权益，在此其全部内容以引用方式并入本文中，包括任何表格、图表或附图。

技术领域

本发明总体上涉及脑活检，并且具体涉及活检插管的设计、活检插管的操纵和脑活检的手术流程。

背景技术

脑活检是一种获取疑似脑肿瘤的患者病灶中的小块组织，并用其进行组织学检查和肿瘤类型/分级确定的手段。与去除一部分颅骨以暴露大脑的开放式活检或开颅手术相比，立体定向脑活检是一种更有效、侵入性更小、风险更低和恢复时间更短的方法。一般而言，立体定向穿刺活检具有相对较高的诊断率，但有可能导致误诊断样本和诊断错误。在立体定向穿刺活检之前，目标病变的位置通过磁共振成像(MRI)或计算机断层扫描(CT)图像识别。在操作过程中，首先通过光学跟踪系统或电磁跟踪系统的导航或患者头部的超声图像将活检套管手动插入目标区域。然后，神经外科医生用注射器手动施加抽吸压力并进行侧切以获取组织标本。相应地，该过程存在两个主要挑战：1)准确导航和套管插入目标病灶，以及2)获得足够的活检产量以进行准确的组织学检查。

关于导航和套管插入，术前CT和MRI图像通常用于定位肿瘤病变并规划插管插入点和轨迹，同时避开大脑的功能区域。在术中阶段，在固定患者颅骨后，使用光学跟踪系统、电磁跟踪系统或实时超声图像实现图像空间和物理空间之间空间数据映射的配准。一旦确定了空间关系，就可以使用手术钻和活检套管等神经外科工具进行手术。

然而，CT和MRI的空间分辨率在毫米量级，可能无法发现大脑中的小血管，因此小血管被忽略在插管插入轨迹规划中。在这种情况下，由于血管破裂，活检过程中可能会发生出血。此外，还缺乏了解采样窗方向对脑出血的发生和程度的影响的信息。

关于获得足够的活检产量以进行准确的组织学检查，施加的抽吸压力、活检插管的类型和大小起着重要作用。通常，仪器由连接到手持部分的外套管和内套管组成。将套管引入目标区域后，通过真空将脑肿瘤组织样本吸入窗口，通过切割机构进行侧切，然后取出。

许多不限于脑活检的活检装置使用由注射器或真空泵产生吸力。然而，为了安全地获得足够数量的活检样本进行组织学检查，外科医生不应凭经验施加吸入压力，而应根据特定脑肿瘤组织的刚度和生物力学来确定。根据肿瘤位置、肿瘤类型和肿瘤分级，每个肿瘤的刚度和生物力学可能会有所不同。因此，需要一种脑活检系统，实现准确导航和套管插入目标病变，并安全获取足以进行组织学检查的活检标本。

发明内容

本发明提供了一种用于脑活组织检查的方法和系统。在一些实施例中，该方法和系统包括获取患者大脑的MRI/CT图像和识别要进行活组织检查的受试者大脑中的病变位置。

该方法和系统还包括获取受试者大脑的增强造影图像以发现病变周围的微小血管，基于此确定采样窗口的方向。

该方法和系统还包括获取受试者大脑的MR/超声弹性成像图像，具体针对待活组织检查的病变位置周围的脑物质。本发明的系统能量化脑组织的硬度，特别是病变的脑组织和病变周围的脑组织，并计算该区域的硬度指数。

该方法和系统还包括跟踪系统，例如光学或电磁跟踪系统，其用于测量对象大脑的MRI/CT/超声图像中抽吸插管的位置坐标。

该系统还包括至少一个机械臂，该机械臂装有脑活检装置和抽吸插管。根据计算出的MR/超声弹性成像图像的刚度指数，针对要整体抽吸或活检的各个病灶计算抽吸压力范围，并且通过压力控制单元将计算出的抽吸压力施加到活检插管。

该系统还包括位于抽吸插管内的组织阻断器，用以避免高抽吸压力下过多的活检产量，并减少抽吸部位处出血的几率。

本发明的方法和系统有利于定制活检产量同时提高脑活检安全性。

通过以下描述和说明性附图，可以更详细地理解本发明及其特征。

附图说明

图1(a)是本发明中脑活检装置的侧视放大图，图1(b)是该装置的俯视放大图。

图2描述了位于脑活检装置底部的线性运动模块，其控制套管的插入和取出。

图3为脑活检装置中部的真空压力产生器，其控制活塞产生负压。

图4为脑活检装置上部的侧切模块，其控制注射器和内套管的转动进行侧切。

图5上半部分描述了活检外插管，下半部为活检内插管和注射器，其通过装有压力传感器的三通模块连接。

图6(a)描述了一组位于内插管和外插管处的耦合器，用于采样窗口方向控制。图6(b)描述了用于采样窗口方向控制的耦合器的工作原理。

图7(a)至7(c)描述了在脑活检过程中内外插管打开采样窗时的工作原理，图7(d)至7(f)描述了内外套管在闭合采样窗时的工作原理。

图8(a)描述了位于活检内插管远端开口的具有不同长度、不同大小和不同形状的组织阻断器。

图8(b)为通过激光或机械加工切割而成的活检内插管采样窗附近的组织阻断器。

图9说明了基于弹性成像法确定组织阻断器性能的过程。

图10(a)和(b)说明了本发明中的插管与原始插管在活组织检查过程中，获得足够产量的真空压力范围的理论和实验比较。

图11(a)到11(d)显示了原始插管的活检采样性能，图11(e)到11(h)显示了本发明中插管的活检采样性能。

图12描述了本发明提出的活检方法的工作流程示意图。

图13描述了本发明提出的活检方法中所使用设备的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种使用半自动和自动系统进行准确和高效的脑活检的设备和方法，来增强患者的术中安全和活检的有效性。

本发明提供了一种带有压力控制单元和抽吸活检插管的脑活检装置，以及一种手术流程，其中MRI/CT扫描仪获取图像用于活检插管轨迹规划，超声造影成像装置或人工智能获取图像用于小血管观察和采样窗口方向控制，导入图像以进行自动轨迹规划的软件，MR/超声弹性成像设备获取组织硬度检测、真空压力测定和组织阻断器选择的图像，空间配准跟踪系统，以及用于神经导航和稳定保持活检装置的机械臂。

在本发明的一个方面，提供了一种脑活检装置，用于自动获得足够量的肿瘤样本。它由三个子组件组成：一个位于底部的线性运动模块包括外壳、用于套管插入/取出的线性执行器和一个用于固定外插管的夹紧机构；一个位于中部的真空压力发生器包括外壳、电机和三个齿轮，组成活塞直线运动机构；一个位于上部的侧切模块包括外盖、注射器固定按钮、电机和两个齿轮组成侧切旋转机构。压力传感器连接固定在上部的注射器和内部活检插管。压力传感器测量注射器产生的压力水平，并将信号发送到控制器以进行反馈控制。控制器接收信号并命令中间部分的电机驱动活塞，直到达到所需压力。

在本发明的另一个方面，提供了一种在其远端具有组织阻断器的活检内插管，即使在真空压力高于所需压力的情况下也能保持合适的活检标本量。否则，随着压力的增加，过多的组织可能会被吸入套管中，并可能发生出血。可以根据MR/超声弹性成像选择组织阻断器的类型、尺寸和长度，以扩大真空压力范围以获得足够的组织量，从而减轻压力控制的需求并提高安全性。

使用本发明的装置，手术流程可描述如下。首先，使用MRI/CT/超声图像以及对比图像在软件中自动规划活检插管轨迹和采样窗口方向。其次，定义要产生的真空压力，并根据MR/超声弹性成像选择组织阻断器。之后，安装在机器人手臂上的活检装置基于跟踪系统导航到规定的入口点。然后准确地输送活检套管通过钻孔到达病灶。最后，由设备控制真空压力和侧切，以获得足够量的肿瘤组织。因此，外科医生在临床上只需要在无法避开功能区域的情况下在软件中修改规划轨迹，并在操作过程中监督机器人系统。这大大减轻了他们的临床负担，提高了脑活检手术的安全性、效率和自动化程度。

更具体地，在外科手术流程下，在MRI(CT)扫描之后，使用超声造影成像设备或人工智能来产生患者大脑中血管的图像。它提供比传统MRI或CT图像更高的图像分辨率，因此包含更多信息，例如小血管的位置和大脑中的功能区域。使用此类图像，更有可能避免穿透血管并降低活检插管插入过程中出血的可能性。此外，可以根据对比图像确定采样窗口方向，以防止周围血管被拉扯和破坏。

工作流程中还使用了MR/超声弹性成像设备，它可以生成通过不同颜色显示组织相对硬度的图像。在轨迹规划后，患者可通过磁共振/超声弹性成像检查，获得脑组织相对硬度的图像。该信息用于设计适当的真空压力并选择适当的组织阻断器以避免过吸和出血。

工作流程中还采用了跟踪系统和机械臂来记录图像空间和物理空间之间的空间数据，并稳定地固定活检装置。两个红外反射标记分别附着在患者侧和机器人手臂上，其位置和方向可由跟踪系统检测。利用相对空间关系，安装在机器人末端执行器上的活检装置可以导航到达计划的进入点并将活检针与计划的方向对齐。

在一些实施例中，本发明的装置包括带有用于采集脑组织样本的采样窗口和组织阻断器的活检插管；用于插入和取出活检插管的线性运动模块；具有压力传感器的真空压力发生器，用于产生和控制真空压力；侧切模块，用于将脑组织样本保留在采样窗内；用于容纳所述活检插管、所述线性运动模块、所述真空压力发生器和所述侧切模块的外壳；用于控制线性运动模块和侧切模块的运动以及控制真空压力发生器的真空压力的控制器。

在一些实施例中，该装置包括活检插管，所述活检插管包括一根具有钝端和靠近远侧尖端的侧窗的外空心管；一根具有钝端和靠近远端尖端的侧窗和朝向近端靠近侧窗的组织阻断器的内空心管；两个耦合器，位于所述外插管和内插管上，用于控制采样窗口的方向；三通连接器位于内空心管的近端；在所述外空心管的近端处的标记和在内中空管的近端处的标记以指示所述采样窗的打开和关闭位置。在一些实施例中，三通连接器连接内部中空管、真空发生器和压力传感器。在一些实施例中，内中空管与所述外中空管同心并且在外中空管内旋转和平移。在优选实施例中，内空心管上的侧窗和外空心管上的侧窗在完全插入外空心管时位于形成采样窗的同一轴向位置，通过旋转内部中空管的来打开和关闭采样窗，其中通过关闭采样窗口来切断脑组织样本。

在一些实施例中，本发明的装置包括两个耦合器，在所述内套管处的一个耦合器具有杆并且在所述外套管处的一个耦合器具有狭槽，所述狭槽与所述杆的形状和高度相匹配，并且其中所述外套管的构造槽是一个局部圆弧，它随着杆的一个方向转动而在相反方向转动时保持不动。所述杆体和所述槽体的形状可为但不限于矩形或圆柱体。

在一些实施例中，本发明的装置包括压力传感器，其测量由真空压力发生器施加到内部中空管的真空压力并向控制器发送命令以进行压力控制。

在一些实施例中，本发明的装置包括具有一定长度、至少一个开口和一定形状的开口的组织阻断器，其中形状可以是但不限于圆形，半圆、三角形、长方形、菱形、正方形、星形、五边形和八边形。在优选实施例中，选择组织阻断器的开口的长度、数量和形状以实现由装置产生的期望范围的真空压力。

在一些实施例中，组织阻断器由内空心管靠近采样窗的部分折叠而成，折叠部分封闭内空心管的管腔，同时留有空气连通的间隙。在一些实施例中，折叠部分可以使用激光或机械加工来切割。折叠部分堵住内空心管的管腔，同时留有空气连通的空隙。间隙的横截面包括但不限于曲线段、线段、锯齿形或光栅形。

在一些实施例中，本发明的装置还包括线性运动模块，该模块包括线性驱动机构以将所述活检插管插入目标点；夹紧机构，用于在到达所述目标点后固定所述活检插管；以及用于容纳所述线性驱动机构和夹持机构的外壳，所述外壳连接到机器人手臂或其他被动或主动保持器作为其末端执行器。

在一些实施例中，所述线性运动模块中的直线驱动机构还包括电机；以及由所述电机驱动的丝杠，以响应于来自所述电机的命令线性地移动所述活检插管。

在一些实施例中，所述线性运动模块中的夹持机构还包括用于插管固定的旋转电机；由所述旋转电机驱动的用于插管固定的凸轮连杆机构；以及由所述凸轮连杆机构驱动以固定所述活检套管的零件。

在一些实施例中，本发明装置的真空压力发生器利用外部压力源或装置内嵌的压力源实现真空产生，真空压力发生器包括固定有注射器活塞的托架和导轨，所述导轨用于所述托架的直线运动；线性驱动机构，用于推进和缩回所述托架和活塞以产生和控制真空；以及容纳所述线性驱动机构、滑架和轨道的壳体，所述壳体在所述装置的中部连接到所述线性运动模块。

在一些实施例中，真空压力发生器中的线性驱动机构包括用于产生真空的旋转电机；一级齿轮与所述用于产生真空的旋转电机耦合并由其旋转；与一级齿轮啮合并由其带动旋转的二级齿轮；三级齿轮与二级齿轮啮合并由其带动旋转以响应来自所述旋转电机的命令线性移动托架和活塞以产生真空。

在一些实施例中，侧切模块包括用于固定所述注射器的针筒的固定机构，所述针筒与切割齿轮连接；驱动所述切割齿轮和注射器进行侧切的旋转机构，将所述采样窗内的脑组织样本从脑组织上切下；壳体，用于容纳所述固定机构和旋转机构，所述壳体在所述装置的上部连接到所述真空压力发生器。

在一些实施例中，侧切模块中的旋转机构还包括侧切旋转电机；与所述用于侧切的旋转电机耦合并由其带动旋转的一级齿轮；切割器齿轮与所述注射器筒连接并响应于来自所述旋转马达的命令由所述一级齿轮旋转以进行侧切。

本发明还提供了用于患者脑部活检的方法，包括第一步：使用MRI/CT扫描仪获得患者脑部图像，显示病灶和主要血管的位置；第二步，利用超声成像设备获取显示小血管的超声造影图像；第三步，使用轨迹规划软件计算插管的进入点、目标点和路径；第四步，使用MR或超声弹性成像获得患者大脑的图像，显示目标点处的组织和目标点周围的正常组织的相对硬度；第五步，使用跟踪系统和自动导航系统来注册用于将所述活检装置递送至目标点的机械臂；第六步，通过所述活检装置进行自动脑活检程序，包括插管、产生真空、侧切和拔管。

在一些实施例中，第二步由人工智能执行以获得显示小血管分布的图像。

在一些实施例中，第三步包括计算包括所述目标点和所述点的坐标的所述插管插入轨迹，所述轨迹被发送到所述机械臂的控制器或所述脑活检装置的控制器。更进一步地说，第三步包括计算采样窗口在所述目标点处的所述方向，活检插管的所述定向由所述机器人臂控制。

在一些实施例中，第四步通过磁共振弹性成像(MRE)或超声弹性成像来生成患者脑组织刚度分布的3D/2D弹性示意图。该3D/2D弹性示意图有助于确定由所述活检装置产生并被发送到所述活检装置的控制器的真空压力值，并有助于根据刚度评估选择所述组织阻断器的类型、尺寸和长度。

在一些实施例中，第五步中的注册由光学跟踪系统、电磁跟踪系统或实时超声图像进行。

图1(a)侧视图和图1(b)顶视图描述了本发明的脑活检装置的优选实施例。该装置由三个子组件组成：位于底部的线性运动模块用于套管的插入和拔出，位于中部的真空压力发生器用于产生和控制真空，位于上部的侧切模块用于侧切。上部通过螺钉连接到中部，而中部通过连接器9连接到底部。整个装置通过连接器1安装在机械臂56(见图13)上。

如图2所示，本发明中的活检装置底部的线性运动模块包括连接器1，连接器1将整个装置连接到作为其末端执行器的机械臂56上。在外壳2中是线性驱动器，其由步进电机3和丝杆4组成，两者负责套管的插入和取出。

在图1(a)中，套管28被驱动插入直到它到达目标位置，并且步进电机5通过旋转凸轮6锁定它。零件7在逆时针方向上被驱动，其向下移动部分8以夹住套管28。连接器9设计用于连接图3所示设备的中间部分。

在图1(a)中，装置中部的真空压力发生器用于驱动注射器17的活塞19产生真空。如图3所示，由马达11和一组三个齿轮12、13、14组成的驱动单元位于外壳10内，以降低马达11产生的速度并增加马达11产生的扭矩。通过齿轮传动，托架16沿导轨15直线移动。如图1(a)所示，注射器17通过弹性锚固按钮22固定在装置的上部并与托架16连接。当托架16被向外驱动时，活塞19被拉动以产生抽吸压力并将组织吸入到采样窗口30。由于压力值取决于马达11的位移，因此在注射器17和内套管29之间安装压力传感器24(见图5)。压力传感器测量产生的压力并向控制器发送信号以命令马达11直到达到期望的压力。

如图4所示，装置上部的侧切模块用于旋转注射器17和内套管27(见图1(a))进行侧切，即将采样窗28中的组织与病人体内的组织分离。该机构由固定在外壳23中的电机21和一组两个齿轮18和20组成。齿轮18与注射器17的针筒连接，它将电机21的运动转换为注射器17的旋转。一旦达到所需的压力并且样品被吸收到采样窗30中(参见图1(a))，马达21驱动注射器17旋转，使得采样窗30关闭来分离组织。

在图5中，描述了外插管28被抽出时的活检插管。外套管28和内套管29均具有钝端和侧窗以形成采样窗30。内套管29与外套管28同心并且可以在其中轴向和旋转移动。两个标记分别附接在套管28和29的近端，以指示采样窗30的打开和关闭位置。三通连接器25连接注射器17的远端与内套管29的近端。为了测量注射器17在其活塞19被马达21致动时产生的压力，压力传感器24安装在三路连接器25处。一组两个耦合器26和27分别安装在插管28和29处，用于精确控制采样窗口方向。

图6(a)中说明了耦合器的两种设计。耦合器26a具有矩形杆，而耦合器26b具有圆柱形杆。相应地，在耦合器27a和27b中存在与杆26a和26b的形状和高度匹配的槽。槽的形状为局部圆弧，使其逆时针被动跟随杆26的转动，而当杆26顺时针转动时则保持不动。在脑活检期间，在套管28和29线性插入后，杆26a和26b准确地锚固在槽27a和27b的一端。具体步骤在图6(b)中解释。为了控制采样窗30的方向，电机21使内套管29沿逆时针方向旋转，从而驱动耦合器26移动耦合器27和外套管28；对于侧切，内套管29以顺时针方式旋转，这使得耦合器27和外套管28仍然关闭窗口30。

图7(a)显示了插入过程中的工作流程。为了不沿插入轨迹划伤组织，采样窗口30在由致动器3驱动插入期间保持关闭，如图7(a)所示。当外套管28的尖端到达肿瘤中的预定位置时，内套管29被电机21旋转以完全打开窗口，由于注射器17产生的真空压力将组织吸入窗口中(参见图7(b)和7(c))。

后续的工作流程在图7(d)、7(e)和7(f)中进行了描述。在真空压力下，一定量的肿瘤组织被吸收到采样窗30中，然后通过侧切从病灶处被切断。当采样窗30关闭且样品在内部时，电机11将内套管29从外套管28缩回和抽出，同时步进电机5固定套管28。在外科医生取下组织之后，可将内套管29再次插入外套管28进行进一步取样。可以重复这样的过程，直到组织的量足以进行组织学检查。

本发明的另一个重要组成部分是内部活检插管。如图8(a)和8(b)所示，具有一个或多个开口的组织阻断器被固定在内部中空管内。由于组织阻挡器靠近采样窗30，即使在施加高真空时也可以避免组织的过度吸入。组织阻滞器能有效防止窗口30的组织过度拉伸，过度拉伸可能导致损伤处出血。

阻断器开口的大小、形状以及长度可以基于患者目标组织与正常组织相比的相对刚度来选择，如从MR/超声弹性成像所确定的(参见图12中的步骤d)。

图9说明了确定组织阻断器属性的过程。可以应用MR/超声设备39(参见图12的步骤d)来扫描患者的头部40，其产生显示脑肿瘤41的相对硬度的图像。然后执行硬度评估42以将肿瘤的相对硬度分为不同的类别，例如图9所示的4个类别。每个类别代表一个相对硬度的水平，可以随着肿瘤硬度的增加从小到大编号。基于硬度评估，可以选择组织阻断器的形状、大小和长度，以实现足够量的组织取样，且不会有组织过量和出血。

在图8(a)描述了具有不同长度、不同形状和不同尺寸的开口的多种组织阻断器。在一些实施例中，组织阻断器31a、31b、31c呈半圆形；其中31a和31b的长度不同，31b和31c的尺寸不同。在进一步的实施例中，组织阻断器32a、32b、32c和32d的开口为圆形；其中32a和32b的长度不同，32b和32c的内径不同，32c和32d的开口数量不同。在进一步的实施例中，组织阻断器33具有方形内孔。在又一实施例中，组织阻断器34具有三角形内孔。

图8(b)显示了本发明的内部活检插管的实施例。在内部活检插管29的制造过程中，通过激光或机械加工切割采样窗30附近的特定形状的一块材料35a。当向采样窗30方向折叠时，形成组织阻隔器35b以阻断内空管的管腔，同时留有空气连通的间隙。组织阻断器用于避免组织过量和出血。组织阻断器的横截面可以是但不限于曲线段(35)、线段(36)、锯齿形(37)或光栅(38)，可根据本发明提供的刚度评估40的确定来选择。

图10(a)中，将本发明带有特定组织阻断器的活检插管获得的活检产率(实线44用于宽开口的阻断器，虚线45用于窄开口的阻断器)与使用没有阻塞器的原始活检插管(实线43)获得的产率进行比较。对于原始的活检插管，实线43表明用于足够量的活检产量的真空压力范围很窄。一旦真空压力控制不准确，极有可能吸取过多标本而引起出血。另一方面，本发明的组织阻断器可显著扩大真空压力的范围并可提供所需的组织量。因此，在本发明装置的压力可能无法被装置精确控制且可能比预期的压力大的情况下，可避免组织过量和出血，从而提高操作的安全性。可以通过选择阻断器类型、尺寸和长度的组合来控制扩展范围。如点划线44和虚线45所示，对于虚线45来说，由于其采用更长或具有更小的内开口的阻断器，所以用于足够量的活检产量的真空压力范围更宽。

在图10(b)所示地一个代表性实验中，进行了对具有半圆形开口的组织阻断器32的研究。总的来说，所收集的数据显示出与图10(a)相似的模式。对于线46，当真空压力大于20kPa时，因为在活检期间内套管没有使用组织阻断器，活检产量显着增加。相比之下，使用1毫米开口的阻断器时，直到真空压力大于35kPa时，产率没有明显增加，如线47所示。然而，使用这种阻断器，在45和50kPa真空压力下观察到过多的组织。最后，在线48、49和50的情况下几乎没有组织多余，其中套管中安装了具有较小开口(分别为0.8毫米、0.6毫米和0.5毫米)的阻断器。实验结果成功地验证了组织阻断器在避免过度切除组织和提高活检安全性方面的性能。

图11作出了所提出的内部活检插管的一个实施例与没有阻断器的原始实施例之间的比较。图11(a)-11(d)显示了套管28位于病灶51的目标区域后，打开采样窗30，通过注射器17引入真空压力，将靠近窗口的标本组织52吸入插管29.然而，如果压力控制不准确且压力大于所需压力，则可能会吸收过多的组织(见(d))并导致出血。相反，图11(e)-11(h)显示了组织阻断器32在真空压力产生过程中的工作原理，即组织52充满窗口后，阻断器可以阻塞通道并减少通道体积，从而抑制组织有效地进入管并抑制病变处的任何出血。

图12和13，描述了本发明中用于脑活检手术工作流程的方法的实施例，其中步骤a、b、c和d包括术前阶段。在步骤a中，对患者的大脑进行常规MRI/CT扫描以获得显示病变位置和主要血管的图像。为了发现非常小的血管，在步骤b中执行超声对比成像以获得具有更高分辨率的图像。在另一个实施例中，基于步骤a中检索到的传统MRI图像，应用人工智能预测微小血管的分布，从而降低超声造影成像的成本。

然后将步骤a和b中收集的图像导入步骤c中的规划软件，以自动生成插管插入轨迹，包括目标点和入口点。神经外科医生可以进一步检查轨迹，以免经过主要血管并确保对患者的伤害最小。除了活检插管在手术中所处的位置之外，本发明的装置还确定插管采样窗口的方向，使其面向血管最少的区域。这保证了在吸入压力下，周围的大部分血管不会收缩，不会发生出血。

本发明的装置和方法的一个重要特征是包括和使用超声弹性成像以准确选择要施加的真空压力和选择合适的组织阻断器。

在一些实施例中，使用装置53(参见图13)的超声弹性成像被应用于获取显示图12的步骤d中的肿瘤组织的刚度的图像。在一些实施例中，执行磁共振弹性成像(MRE)以生成覆盖患者整个大脑的3D弹性图。这些图像有助于神经外科医生确定压力，以避免组织过多和出血。具体来说，超声弹性图值和/或MRE值被发送到本发明的脑活检装置57的控制器(未示出)，以量化肿瘤病变的组织硬度和周围组织区域的至少一个组织硬度，并选择合适的组织阻断器和真空压力。

步骤e和f包含在术中阶段。在手术之前，跟踪系统54在步骤e中执行配准图像空间和物理空间中的数据，即患者大脑在MRI/CT图像和手术室物理空间中的位置和方向。在优选实施例中，与基于框架的方法相比，采用无框架配准方法来减轻患者的痛苦并避免笨重的结构。在一些实施例中，光学跟踪系统被用作跟踪系统；在其他实施例中，使用并采用电磁跟踪系统或实时超声图像进行配准。两个其位置和方向可以被运动跟踪系统检测的反射标记，分别附接到患者侧58和机械臂56。它们的相对空间关系在软件中计算并在监视器55中可视化。此信息将被发送到机械臂56的控制器(未显示)；因此，机械臂56可以自动将活检装置57引导至计划的进入点并将其与计划的方位对齐。

在步骤f中，脑活检手术由本发明的活检装置57执行。首先，活检插管28和29通过线性运动模块的线性驱动器3沿直线轨迹插入到病灶。然后，真空产生器的电机11负责驱动活塞17产生真空压力。位于插管窗口30附近的肿瘤组织然后被吸入内插管29。取决于活塞17的位移的真空压力由控制器(未显示)根据弹性成像检测到的组织硬度来控制(步骤d)，以免造成组织过多和出血。之后，通过侧切模块的旋转电机21进行侧切，将组织与病灶分离。最后，带有标本的内套管29被底部线性驱动器3收回，外科医生可以取下组织以进行进一步的检查。

上述步骤a到f构成了完整的脑活检手术流程，通过它解决了上述两个主要挑战：1)准确导航和套管插入目标病灶，以及2)安全地获得足够的活检产量用于组织学检查。

虽然上面已经描述了本发明的细节，但是应该注意本发明不限于此，而是可以如所附权利要求中所示的各种方式来实现。

本文提及或引用的所有专利、专利申请、临时申请和出版物均通过引用整体并入，包括所有图和表，只要它们不与本说明书的明确教导不一致。

以下是说明实施本发明的过程的例子。这些示例不应被解释为限制性的。除非另有说明，否则所有百分比均按重量计且所有溶剂混合物比例均按体积计。

材料和方法

示例1-脑活检机器人系统

由于手动活检过程中存在的问题，例如插入深度控制不准确、手颤引起的误差以及抽吸压力控制不佳，开发了用于脑活检的机器人系统(参见Minx.in Ye et al.,IEEERobotics and Automation Letters,5,1405,2020，在此全部并入)。本发明的脑活检机器人系统由全新设计的活检模块、UR5机械臂和光学跟踪器组成。活检模块设计有一个带有10毫米侧窗的脑活检插管，连接到一个10毫升无摩擦注射器。重复精度为0.1mm的UR5机器人拥有六个关节，作为主动支架调整活检模块的位姿。

为了导航活检机器人，使用了配备红外立体相机的OTS，精度为0.12-0.15毫米。通过将反光标记附加到感兴趣的对象(例如，活检模块和患者的头骨)，OTS能够监测其视野中感兴趣对象的姿势。在姿势信息的指导下，UR5机器人能够调整活检模块的姿势，使活检针与三维(3D)空间中的目标姿势对齐。一旦定位任务完成，活检模块自动完成所有的插入、抽吸和侧切任务。

示例2-活检模块的设计

活检模块由两部分组成：插入单元和压力控制单元。安装在机器人末端执行器上的连接器用于连接插入单元和机器人。使用可锁定连接器将压力控制单元与插入单元连接。插入单元由由步进电机和丝杠组成的线性致动器驱动。通过改变发送到电机的脉冲数和信号频率，可以控制插入速度和深度。当插管到达所需位置时，步进电机通过连杆机构辅助锁定插管外壳。

压力控制单元由压力控制机构和插管旋转机构组成。对于抽吸压力的产生，使用与电机和齿轮组耦合的丝杠来驱动注射器的柱塞。为了监测压力，采用了压力传感器。压力传感器的精度约为1kPa，其有效测量范围约为100kPa至0kPa。采用三通接头连接注射器、插管和压力传感器。在活检过程中，用于产生抽吸压力的电机是通过使用从压力传感器接收到的反馈信号来控制的。当抽吸压力达到所需值时，电机停止，套管旋转机构带动套管内管旋转，完成侧切任务。

示例3-运动学关系的确定

在引导活检针达到计划轨迹之前，确定针尖、患者和UR5机器人之间的空间关系。针连接到机器人末端执行器的活检模块。由于一些偶然的制造和装配错误，针尖和末端执行器之间的实际空间关系有时与设计的不同。此外，基于关于患者颅骨的术前图像来规划轨迹。考虑到上述因素，OTS被用作一个公共坐标系来校准这些变换。两组光学无源工具标记分别固定在患者头骨和活检模块上作为患者参考系和机器人参考系。有利地，仅当机器人系统首次应用于外科手术时才需要校准。一旦校准完成，就不需要为新的手术程序进行另一次校准，除非光学跟踪系统的位置发生了变化。在标定过程中，确定了以下固定变换：连接机器人参考系和工具中心点参考系的变换；OTS参考系与机器人底座坐标系之间的转换；以及连接机器人参考系和机器人末端执行器坐标系的变换。

示例4-模拟性能验证

为验证所提控制方法的有效性，在虚拟机器人实验平台上搭建了模拟脑活检机器人。在模拟环境中，患者的头骨被简化为一个球体。从初始位置开始，要求UR5机器人操作活检模块以使针尖到达所需位置。将传统的比例控制器v＝K(pG-p)和VPF辅助控制器vAPF＝-(▽Uatt+▽Urep)在仿真机器人中进行了比较。确定了两种控制方法生成的轨迹，并表明当使用传统方法时，针会与球体发生碰撞。相比之下，为避免碰撞，球体表面与VPF辅助控制方法合成的针尖轨迹之间存在一定距离。这些比较结果验证了VPF辅助控制方法的安全性增强。

示例5-实验验证

为验证脑活检机器人系统的适用性和控制算法的可行性，进行了实验定位精度评估。为了定量评估OTS导航的活检机器人的定位精度，将电磁(EM)传感器连接到设备的针尖。EM传感器的均方根(RMS)位置和角度精度分别为1.4毫米和0.5度。进行了两组实验，每组进行了五个试验。在每组的第一次试验中，UR5机器人使用EM传感器记录的针的姿势进行初始化。通过将记录的姿势作为目标，UR5机器人随后在每次试验中移动到任意姿势。之后，应用基于QP的控制方案使UR5机器人能够返回到目标位姿。当UR5机器人完成每项任务时，针的姿势被记录为实际姿势。位置和角度误差都是通过计算目标和实际位姿数据之间的差异获得的。平均位置误差的最大和最小绝对值分别为1.5359毫米和0.3344毫米。平均而言，两组实验产生的角度误差分别为0.4735度和0.5580度。

此外，还执行了孔插入任务。为此，使用透明头骨模型设计了活检模型。在颅骨模型上，有三个孔，三个孔的直径分别为7mm(孔1)、4mm(孔2)和3mm(孔3)。两个插入任务被分配给活检机器人。在第一个任务中，活检机器人被要求依次将针头插入孔1和孔2。在每次插入任务中，当UR5机器人操作的插管到达入口点时，插管轴方向与计划轨迹轴对齐，插管插入和缩回。对于第一个任务，观察到机器人在完成第一个孔洞任务后先自动离开颅骨，然后到达第二个目标孔洞，套管对准规划方向成功插入两个孔洞。机器人轨迹可视化显示针尖经历了弧形路径以避免与头骨碰撞。当机器人完成针插入任务时，快照被捕获。此外，针头和3毫米直径孔的特写视图表明，活检机器人也完成了这项更具挑战性的插入任务。考虑到针的直径为1.8mm，位置误差的最大绝对值估计为0.6mm。

示例6-体外实验

进行了实验以比较手动活检和机器人活检。在机器人活检过程中，机器人被要求到达孔1的入口点并调整插管的姿势。插管插入新鲜大脑后，压力控制单元产生用于标本采集的负压。由于吸入压力对活检产量的长度有影响，因此测试了从-1kPa到-20kPa的压力值。在一个实施例中，施加-15kPa的压力以获取活检标本。实验重复五次，五次试验获得的标本表明，所研制的脑活检机器人能够自动顺利完成立体定向活检手术中涉及的一系列任务。

示例7-设备的使用

邀请了五名志愿临床医生进行手动脑活检程序。每个志愿者被要求重复这个过程三次。通过手动拉动柱塞来控制压力。记录了这些试验中活检产量的最大压力和重量。机器人活检产生的压力接近预定义的-15kPa，而手动活检产生的压力为每个操作员提供了很大的差异。例如，在一种情况下，最大和最小压力相差21.5kPa。在手动活检过程中，一些操作者抱怨很难在保持柱塞静止的同时完成切割操作。这个问题可能是导致在进行切割操作时一些组织从插管的侧窗逸出的事实。结果，得到的收率远低于预期，出现这种现象。获得的标本表明，当压力为-15kPa时，插管的侧窗几乎完全充满。这些结果表明不需要高压。事实上，高压可能会吸入过多的组织，并可能导致出血和周围正常大脑结构的损伤。通过比较手动和机器人方法，可以得出结论，机器人活检模块以较低的可控压力获得了足够的活检产量，并减少了志愿临床医生之间的巨大差异。

应当理解，本文描述的示例和实施例仅用于说明目的，并且本领域技术人员建议能够建议的各种修改或变化，均应被包括在本申请的精神和范围内以及所附权利要求的范围之内。此外，本文公开的任何发明或其实施例的任何要素或限制可以与任何和/或所有其他要素或限制(单独或以任何组合)或本文公开的任何其他发明或其实施例组合，并且所有此类组合是考虑在本发明的范围内而不限于此。

Claims (22)

1.一种脑活检装置，包括：

具有用于获取脑组织样本的取样窗和组织阻断器的活检插管；

插入和取出活检插管的线性运动模块；

具有压力传感器的真空压力产生器，用于产生和控制真空压力；

将脑组织样本保留在采样窗内的侧切模块；

容纳所述活检插管、所述直线运动模块、所述真空压力产生器和所述侧切模块的框架；和

控制直线运动模块和侧切模块的运动，并控制真空压力发生器的真空压力的控制器。

2.根据权利要求1所述的脑活检装置，其特征在于，所述活检插管包括：

末端为钝头，靠近其远端末端有侧窗的外空心管；

具有钝端和靠近其远端的侧窗，并且靠近侧窗有组织阻断器的内空心管；

一组耦合器，位于所述外插管和内插管上，控制采样窗口方向；

位于内空心管近端的三通接头；和

位于所述外空心管的近端处的标记和位于所述内空心管的近端处的标记，用于指示所述取样窗的打开和关闭位置；

其中，所述三通接头连接内空心管、真空发生器和压力传感器。

其中，所述内空心管与所述外空心管同心，并可在外空心管内转动和平移。

其中，内空心管上的侧窗和外空心管上的侧窗完全插入外空心管时位于同一轴向位置，形成取样窗；

其中，通过旋转内空管来打开和关闭采样窗，并通过关闭采样窗来吸取和切断脑组织样本。

3.根据权利要求2所述的脑活检装置，其特征在于，所述一组耦合器包括一个位于所述内套管处的具有杆的耦合器和一个位于所述外套管处的具有槽的耦合器，所述槽与所述杆的形状和高度相匹配；

其中，所述槽的形状为局部圆弧形，使其沿一个方向跟随所述杆的转动，而当所述杆沿相反方向转动时保持不动。

4.根据权利要求2所述的脑活检装置，其特征在于，所述压力传感器测量由所述真空压力发生器施加到所述内空心管的真空压力，并向所述控制器发送命令以进行压力控制。

5.根据权利要求2所述的脑活检装置，其特征在于，所述组织阻断器为具有至少一种长度、至少一种开口，且所述开口的形状选自圆形、半圆形、三角形、矩形、菱形、方形、星形、五边形、八边形等结构；其中，组织阻断器开口的长度、数量和形状的选择影响产生的真空压力的范围。

6.根据权利要求2所述的脑活检装置，其特征在于，所述组织阻断器还可以通过将所述内空心管靠近所述取样窗的部分折叠形成，所述折叠部分封闭所述内空心管的管腔，同时留有空隙用于空气连接。

7.根据权利要求1所述的脑活检装置，其特征在于，所述直线运动模块包括：

用于将所述活检套管插入目标点的直线驱动机构；

用于在到达所述目标点后固定所述活检插管的夹紧机构；和

包含所述线性驱动机构和夹紧机构的外壳，所述外壳被固定到机器人臂或另一个被动或主动保持器作为其末端执行器。

8.根据权利要求7所述的脑活检装置，其特征在于，所述直线运动模块中的直线驱动机构还包括：

电机；和

由所述电机驱动的丝杠响应于来自所述电机的指令线性移动所述活检插管。

9.根据权利要求7所述的脑活检装置，其特征在于，所述直线运动模块中的夹持机构还包括：

用于固定套管的旋转电机；

由所述旋转电机驱动的用于插管固定的凸轮连杆机构；和

由所述凸轮连杆机构驱动的用于固定所述活检插管的零件。

10.根据权利要求1所述的脑活检装置，其特征在于，所述真空压力产生器利用外部压力源或装置内嵌的压力源实现真空的产生。

11.根据权利要求1所述的脑活检装置，其特征在于，所述真空压力产生器包括：

固定在其上的托架和用于所述托架线性移动的轨道注射器活塞；

用于推进和缩回所述托架和活塞以产生和控制真空的线性驱动机构；和

包含所述直线驱动机构、滑架和轨道的壳体，所述壳体在所述装置的中部连接至所述直线运动模块。

12.根据权利要求11所述的脑活检装置，其特征在于，所述真空压力产生器中的直线驱动机构包括：

用于产生真空的旋转电机；

一级齿轮与所述用于产生真空的旋转电机耦合并由其旋转；

与一级齿轮啮合并由其带动旋转的二级齿轮；和

与二级齿轮啮合并由其带动旋转以响应于来自用于真空产生的旋转电机的指令线性移动所述托架和活塞的三级齿轮。

13.根据权利要求1所述的脑活检装置，其特征在于，所述侧切模块包括：

用于固定所述注射器的针筒的固定机构，所述针筒与切割齿轮连接；

驱动所述切割齿轮和注射器进行侧切的旋转机构，将所述取样窗内的脑组织样本从脑组织上切下；

包含所述固定机构和旋转机构的壳体，所述壳体在所述装置的上部连接到所述真空压力发生器。

14.根据权利要求13所述的脑活检装置，其特征在于，所述侧切模块中的旋转机构还包括：

用于侧切的旋转电机；

与所述用于侧切的旋转电机耦合并由其旋转的主齿轮；

切割齿轮与所述注射器针筒连接并响应来自所述旋转马达的命令由所述主齿轮旋转以进行侧切。

15.一种用于获得患者脑部活组织检查的方法，该方法包括：

第一步，使用MRI/CT扫描仪获得患者脑部的图像，显示病灶和主要血管的位置；

第二步，利用超声成像设备获取显示小血管的超声造影图像；

第三步，使用轨迹规划软件计算出插管的切入点、目标点和路径；

第四步，使用磁共振或超声弹性成像获得患者大脑的图像，显示出刚度分布，包括目标点处组织和目标点周围正常组织的相对刚度；

第五步，使用跟踪系统和自动导航系统来注册用于将所述活检装置传递至目标点的机械臂；

第六步，通过所述活检装置进行自动脑活检程序，包括插管、产生真空、侧切和拔管。

16.根据权利要求15所述的获取患者脑活检组织的方法，其特征在于，所述第二步通过人工智能获取显示小血管分布的图像。

17.根据权利要求15所述的获取患者脑活检组织的方法，其特征在于，所述第三步包括计算包括目标点坐标的插管轨迹，该轨迹被发送至所述机械臂的控制器来递送脑活检装置。

18.根据权利要求15所述的获取患者脑活检组织的方法，其特征在于，所述第三步包括计算所述目标点处采样窗的方位，所述活检插管的方位由所述机械臂或所述活检装置控制。

19.根据权利要求15所述的获取患者脑活检组织的方法，其特征在于，所述第四步通过磁共振弹性成像(MRE)或超声弹性成像生成显示患者脑部刚度分布的3D/2D弹性图。

20.根据权利要求19所述的用于获得患者脑活检组织的方法，其中所述3D/2D弹性图帮助确定将由所述活组织检查装置产生并被发送到所述活组织检查装置的控制器的真空压力值。

21.根据权利要求19所述的用于获得患者活检组织的方法，其中，所述3D/2D弹性图能基于刚度评估来选择组织阻断器的类型、尺寸和长度。

22.根据权利要求15所述的获取患者脑活组织切片的方法，其特征在于，所述第五步中的配准通过光学跟踪系统、电磁跟踪系统或实时超声图像进行。