TWI605789B - Surgical navigation system - Google Patents

Description

手術導航系統

本發明係關於一種手術導航系統，特別是一種利用無線通信方式將收發單元所發射調頻頻率與定位標所反射該調頻頻率的一頻率差，計算該收發單元與該定位標的距離，並且以該距離計算相對應的座標，以利進行手術導航作業。

隨這老化人口比例增加，再加上現代人生活特性影響，如肥胖、久坐等，其脊椎產生病變比例逐年增長；在保守性治療失效後，往往需要依靠植入物來協助脊椎減輕疼痛感並維持基本功能。脊椎承擔保護中樞神經基本功能，但是可施打植入物部位相當狹窄，如椎弓根骨釘，稍有不慎將損及中樞神經。

習知技藝中，如美國專利號US 6351659，其為1997年BrainLab針對神經手術提出的導航系統專利，該專利基本涵蓋影像導引手術技術之基礎，其導航定位基礎採用紅外線與紅外線反光球搭配；優點：為紅外線反射球訊號傳遞，無線路引響不照成醫師作業障礙，且無電子產品可直接進入 滅菌釜滅菌等優勢；缺點：紅外線反光球需三顆以上組成座標平面，且球與球之間間隔距離不可太近，造成DRF幾何形狀過大影響手術。

另外，如美國專利號US 8435171揭示一種自動輔助設備與施術者間的操作介面，其利用無線定位技術偵測手術器械與內視鏡扶持機械臂位置，進而透過追蹤手術器械位置來遙控內視鏡視野達到人機界面控制功能。

另外，如美國專利號US 20070270660A1揭示了利用天線陣列偵測反射之無線訊號後進一步推算訊號來源進行患者骨頭、植入物，或是骨科手術器械在空間中位置。

然而，上述技藝中，並無進一步揭露如何針對患者骨頭與醫學影像進行空間座標轉換以及手術導航應用。

本發明目的係以提供一種用於脊椎的手術導航系統，其藉由可調頻收發單元發射調頻訊號至植於脊椎每一椎節上的定位標，當定位標將調頻訊號反射後，藉由發射與接收時調頻訊號的頻率差來計算該距離並且完成座標定位，藉此，可獨立追蹤並即時運算其脊椎的姿態與位置，避免將脊椎視為一剛體，且提升施術椎節定位精度，提升施打椎弓根骨釘精準性與安全性。

本發明用於脊椎手術的手術導航系統，包括：定位模組，包括：收發單元，用以發射調頻頻率訊號，並且接 收定位標頻率訊號及器械頻率訊號；複數個定位標，其分別設置於脊椎的每一椎節上，每一定位標用以接收該調頻頻率訊號後，回傳該定位標頻率訊號至該收發單元，其中該定位標頻率訊號與該調頻頻率訊號為相同波形；手術器械，用以接收該調頻頻率訊號後，回傳該器械頻率訊號至該收發單元，其中該器械頻率訊號與該調頻頻率訊號為相同波形；處理單元，根據定位標頻率訊號與該調頻頻率訊號的訊號差，以一演算法計算該些定位標與該收發單元間的定位標距離，並根據該定位標距離計算出脊椎空間座標，根據器械頻率訊號與該調頻頻率訊號的訊號差，以該演算法計算該手術器械與該收發單元的器械距離，根據並根據該器械距離計算出一器械空間座標，根據該脊椎空間座標及該器械空間座標進行手術導航作業。

10‧‧‧定位模組

11‧‧‧脊椎

12‧‧‧定位標

12A、12B‧‧‧天線

12A1、12B1‧‧‧定位標頻率訊號

13A、13B‧‧‧天線

13A1、13B1‧‧‧器械頻率訊號

121‧‧‧定位標頻率訊號

121A‧‧‧識別碼

13‧‧‧手術器械

131‧‧‧器械頻率訊號

131A‧‧‧器械識別碼

14‧‧‧收發單元

141‧‧‧調頻頻率訊號

L1、L11‧‧‧定位標距離

L2、L21‧‧‧器械距離

20‧‧‧處理單元

30‧‧‧手術影像

31‧‧‧脊椎影像

311‧‧‧脊椎空間座標

32‧‧‧手術器械影像

321‧‧‧器械空間座標

D1、D2‧‧‧訊號差

T1‧‧‧時間

S1、S2‧‧‧角度

圖1係本發明之手術導航系統的示意圖。

圖2係本發明之手術導航系統的方塊圖。

圖3A及圖3B係本發明之手術導航作業的調頻頻率訊號示意圖。

圖4係本發明之手術導航作業的影像示意圖。

圖5係本發明之定位標之天線示意圖。

圖6係本發明之手術器械之天線示意圖。

為了讓本創作之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯，下文將配合所附圖式，作詳細說明如下。

請參閱圖1至圖4，圖1係本發明之手術導航系統的示意圖，圖2係本發明之手術導航系統的方塊圖，圖3A及圖3B係本發明之手術導航作業的調頻頻率訊號示意圖，圖4係本發明之手術導航作業的影像示意圖。首先，在脊椎手術前已先拍攝脊椎CT影像後，再拍攝已植入於脊椎上之本發明所述的定位標12之C-arm影像，接著將二影像疊合為手術影像30，因此手術影像30可包括脊椎影像31及手術器械影像32，接著在匯入本發明所述的手術導航系統以進行手術導航作業，而本發明手術導航系統，包括：定位模組10，定位模組10包括：收發單元14，用以發射調頻頻率訊號141至該複數個定位標12及手術器械13。

複數個定位標，其分別設置於脊椎11的每一椎節上，每一定位標12用以接收該調頻頻率訊號141後，回傳定位標頻率訊號121至該收發單元14，該收發單元接收定位標頻率訊號121，其中該定位標頻率訊號121與該調頻頻率訊號141為相同波形，更詳細而言，該些定位標12內具有天線，當該天線接收到調頻頻率訊號141後將該訊號反射回該收發單元14，因此定位標頻率訊號121與該調頻頻率訊號141為相同波形。

另外，手術器械13，用以接收該調頻頻率訊號141後，回傳該器械頻率訊號131至該收發單元14，該收發單元14接收器械頻率訊號131，其中該器械頻率訊號131與該調頻頻率訊號141為相同波形，更詳細而言，該手術器械13內具有天線，當該天線接收到調頻頻率訊號141後將該訊號反射回該收發單元14，因此器械頻率訊號131與該調頻頻率訊號141為相同波形。

處理單元20，電性連接該收發單元14，根據定位標頻率訊號121與該調頻頻率訊號141的訊號差D1，以演算法計算該些定位標12與該收發單元14間的定位標距離L1，其中該演算法為頻率調制連續波(FMCW)定位演算法，該處理單元20根據同一時間T1所接收到定位標頻率訊號121與該調頻頻率訊號141之間的訊號差D1來計算該定位標距離L1，並根據該定位標距離L1計算出脊椎空間座標311。

上述中，詳細而言，因傳輸速度快，時間差極小，因此本發明取同一時間T1做為取樣。

如上述，該收發單元14至為少二收發單元14，其分別設置於該脊椎11周緣，該處理單元根據二收發單元14所接收到的該二定位標頻率訊號121計算所對應的該二定位標距離L1、L11，再以三角定位法計算出該脊椎空間座標311。

另外，處理單元20根據器械頻率訊號131與該調頻頻率訊號141的訊號差D2，以頻率調制連續波(FMCW)定位 演算法計算該手術器械13與該收發單元14的器械距離L2，根據並根據該器械距離L2計算出器械空間座標321。

如上述，更精確而言，該收發單元14至為少二收發單元14，其分別設置於該手術器械13周緣，該處理單元20根據二收發單元14所接收到的該二器械頻率訊號131計算所對應的該二器械距離L2、L21，再以三角定位法計算出該脊椎空間座標321。

進一步地，該些定位標12更包括識別碼121A，該手術器械13更包括器械識別碼131A，該收發單元14用以接收該識別碼121A及該器械識別碼131A後，該處理單元20將該識別碼121A定義到相對應的該脊椎空間座標311，該處理單元20將該器械識別碼131A定義到相對應的該器械空間座標321，就由該識別碼121A及該器械識別碼131A可確認所對應的定位標及手術器械是否正確。

進一步說明，每一定位標更進一步包括至少二天線12A、12B，其接收該調頻頻率訊號141後，回傳該二定位標頻率訊號12A1、12B1至該收發單元14，該處理單元藉由該二定位標頻率訊號12A1、12B1計算出該二天線12A、12B與收發單元14距離，以此計算出該定位標的角度S1。

另外，該手術器械13更進一步包括至少二器械天線13A、13B，其接收該調頻頻率訊號141後，回傳該二器械頻率訊號13A1、13B1至該收發單元14，該處理器藉由該二器械 頻率訊號13A1、13B1計算出該器械二天線與收發單元距離，以此計算出該手術器械的的角度S2。

如上述，利用本發明，在脊椎手術前可先匯入術前規劃資訊，接著根據該脊椎空間座標、該器械空間座標及定位標和手術器械角度等來進行手術導航作業。

本發明利用無線定位技術實現多椎節定位追蹤導航手術技術，透過調頻式射頻定位技術加上識別碼辨識功能，於每節施術椎節施打定位天線標記，透過獨立追蹤每一節施術節而非使用數值推算方式將全部脊椎視為剛體，進而提升醫學影像註冊精度與速度(加速演算收斂)，提升手術植入物施打安全性與精準度，同時本導航系統適用於長節脊椎手術(脊椎側彎矯正、多節脊椎骨折)，使施術不受大型紅外線反光球定位標記器械限制。

本發明可有效提升醫師執行脊椎手術安全性與施術品質，同時降低手術中穿透式醫學影像使用量並減輕醫護人員游離輻射吸收量；另外醫學影像導航技術為未來智能手術輔助系統主要核心基礎，未來進一步結合手術機械臂與高聚焦式穿透性治療設備(HIFU、伽瑪刀、質子治療)可實現高精準治療，降低患者術後併發症與影響。

綜上所述，乃僅記載本創作為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本創作專利實施之範圍。即凡與本創作專利申請範圍文義相符， 或依本創作專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本創作專利範圍所涵蓋。

10‧‧‧定位模組

11‧‧‧脊椎

12‧‧‧定位標

121‧‧‧定位標頻率訊號

13‧‧‧手術器械

131‧‧‧器械頻率訊號

14‧‧‧收發單元

141‧‧‧調頻頻率訊號

L1、L11‧‧‧定位標距離

L2、L21‧‧‧器械距離

Claims (5)

1. 一種用於脊椎手術的手術導航系統，包括：一定位模組，包括：收發單元，用以發射一調頻頻率訊號，並且接收一定位標頻率訊號及一器械頻率訊號；複數個定位標，其分別設置於一脊椎的每一椎節上，每一定位標用以接收該調頻頻率訊號後，回傳該定位標頻率訊號至該收發單元；一手術器械，用以接收該調頻頻率訊號後，回傳該器械頻率訊號至該收發單元；一處理單元，根據該定位標頻率訊號與該調頻頻率訊號的訊號差，以一演算法計算該些定位標與該收發單元間的一定位標距離，並根據該定位標距離計算出一脊椎空間座標，根據該器械頻率訊號與該調頻頻率訊號的訊號差，以該演算法計算該手術器械與該收發單元的一器械距離，並根據該器械距離計算出一器械空間座標，根據該脊椎空間座標及該器械空間座標進行一手術導航作業，其中該處理單元根據該定位標距離以三角定位法計算出該脊椎空間座標，該處理單元根據該器械以三角定位法計算出該器械空間座標其中該收發單元至為少二收發單元，其分別設置於該脊椎周緣及該手術器械周緣，該處理單元根據二收發單元 所接收到的該二定位標頻率訊號計算所對應的該二定位標距離，再以三角定位法計算出該脊椎空間座標，該處理單元根據二收發單元所接收到的該二器械頻率訊號計算所對應的該二器械距離，再以三角定位法計算出該脊椎空間座標。
2. 如申請專利範圍第1項所述之手術導航系統，其中該演算法為頻率調制連續波(FMCW)定位演算法，該處理單元根據同一時間所接收到定位標頻率訊號與該調頻頻率訊號的訊號差計算該定位標距離，該處理單元同一時間根據器械頻率訊號與該調頻頻率訊號的訊號差計算該器械距離。
3. 如申請專利範圍第1項所述之手術導航系統，其中該些定位標更包括一識別碼，該手術器械更包括一器械識別碼，該收發單元用以接收該識別碼及該器械識別碼後，該處理單元將該識別碼定義到相對應的該脊椎空間座標，該處理單元將該器械識別碼定義到相對應的該器械空間座標。
4. 如申請專利範圍第1項所述之手術導航系統，其中每一定位標更進一步包括至少二天線，其接收該調頻頻率訊號後，回傳該二定位標頻率訊號至該收發單元，該處理器藉由該二定位標頻率訊號計算出該二天線與收發單元距離，以此計算出該定位標的的角度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之手術導航系統，其中該手術器械更進一步包括至少二器械天線，其接收該調頻頻率訊 號後，回傳該二器械頻率訊號至該收發單元，該處理器藉由該二器械頻率訊號計算出該器械二天線與收發單元距離，以此計算出該手術器械的的角度。