手术导航和神经监视集成系统的制作方法

专利名称：手术导航和神经监视集成系统的制作方法
手术导航和神经监视集成系统
背景技术：
001手术操作，特别是神经相关的操作，通常由帮助外科医
生移动和定位手术工具或探针的手术导航系统来辅助。传统的手术导 航系统使用反射镜和/或标记来提供手术工具相对于患者解剖结构手术
前透视图(preoperative rendering)的位置信息。然而，手术导航系统 没有执行神经监视功能以确定神经结构的完整性或手术工具对于该神 经结构的接近性。另一方面，设计神经完整性监视系统以使用电刺激 法来鉴定神经位置，进行预测和防止神经损伤。然而，神经完整性监 视系统不提供视觉导航辅助。因此，需要神经监视和手术导航集成系 统，其能够在操纵手术工具或探针以及在能够神经监视以评估手术工 具对于神经结构的接近性和/或神经结构完整性方面，在视觉上辅助外 科医生。

发明内容
002在一个方面，本公开涉及具有手术进行中神经监视系统 的仪器，该神经监视系统被设计来提供关于患者神经结构的实时神经 学信息。所述仪器进一步包括手术导航系统，该手术导航系统与神经 监视系统进行通讯连接，并被设计来提供神经结构的地理学表示。
003在另一方面，本公开涉及引导神经手术过程的方法。该 方法包括将电刺激施加到患者的神经结构上，以及测定该神经结构对 电刺激的响应。该方法进一步包括由该响应确定神经结构的位置信息， 以及在图形用户界面(GUI)上从神经结构的位置信息显示该神经结构 的地理学表示。
根据另一方面，本公开涉及手术方法，其包括将刺激施加到神经结构 上，以及通过视觉查看表示被刺激神经结构的地理学位置的GUI，在 视觉上确定该神经结构的位置。004在又一方面，本公开涉及一种方法，包括显示患者解剖 结构的手术前显象，以及跟踪器械在患者中的放置。该方法进一步包 括施加刺激到患者的解剖特征上，以及测定该解剖特征对刺激的响应。 该方法也包括基于解剖特征对刺激的响应，修改手术前显象，以改变 解剖特征的显象。
从下面详细的附图和描述，本发明的这些和其他方面、形式、目的、 特征和益处将变得明显。


005图1是手术导航和神经监视集成系统的示意图。006图2是并入了图1的手术导航和神经监视集成系统的手 术间的示意图。
007图3是图1的手术导航和神经监视集成系统的方框图。008图4是图1-3的手术导航和神经监视集成系统显示的GUI
的前视图。
009图5是图4中示出的GUI的一部分的前视图。
010图6是用于图1-3的手术导航和神经监视集成系统的无
线器械追踪系统的方框图。
011图7是根据本公开的一个方面的手术探针的侧视图。012图8是根据本公开一个方面的能施加电刺激的无绳牵开
器(cordless retractor)的侧视图。
013图9是根据本公开一个方面的能施加电刺激的塞绳牵开
器(cordedretractor)的侦lj视图。
014图10是根据本公开一个方面的能施加电刺激的无绳骨螺
丝刀的侧视图。
015图11是根据本公开另一个方面的能施加电刺激的手术螺 丝攻(surgical tap)的侧视图。
016图12是根据本公开的另一个方面的手术探针的侧视图。017图13是图12的手术探针沿其13-13线的截面图。018图14是图12-13示出的手术探针的端视图。
019图15是阐述根据本公开的一个方面的发射仪器接近解剖 结构的信号的步骤的流程图。
020图16是阐述根据本公开的一个方面存取和公开技术资源 的步骤的流程图。
021图17是阐述根据本发明的一个方面确定神经结构完整性 的步骤的流程图。
具体实施例方式
022
一般而言，本公开涉及神经相关外科的领域，更具体而 言，涉及集成手术导航和神经监视的系统和方法。出于利于对本发明 原理的理解的目的，现在对在附图中图解的实施方式或实例进行参考， 并且特定语言被用于描述同一要素。然而，应该理解，没有因而打算 对本发明的范围进行限定。描述的实施方式的任何改变和进一步的修 改，以及本文所述的发明原理的进一步应用将被考虑，如本公开涉及 领域的普通技术人员通常会想到的。
023参考图1，其示出用于共生显示(symbiotic display)手 术导航和神经监视信息的仪器。集成的基于图像的手术导航和神经监 视系统10能使外科医生在监视器12上产生和显示器械14的轨迹，其 优选地是也能促进神经学信息获得的手术器械，与患者解剖结构的可 视化相关。将表示一个或多个预先获得的图像16的数据送到计算机 18。计算机18利用检测器20实时追踪器械14的位置。然后，计算机 18寄存和实时用图像16显示器械14的轨迹。表示器械14的轨迹的图 标附加到预先获得的图像16上，并且在监视器12上显示。根据外科 医生的命令，器械14的实时轨迹可以被储存在计算机18中。在外科 医生的命令发出时，该命令也在显示器12上产生表示器械轨迹的新的 静态图标。外科医生可选择发出附加命令，每一个命令储存实时轨迹 和产生新的静态图标以进行缺省显示。外科医生可以不顾该缺省，并 且选择不显示任何静态图标。外科医生也可选择使用实时的和储存的 器械轨迹进行多个几何学测量。
024除显示和储存器械14相对于患者解剖结构的轨迹之外， 计算机系统18也用代表从患者获得的神经学信息的指示物更新在显示器12上显示的患者解剖结构显象。如在下面更详细描述的，神经学指 示物可以包括某些解剖结构的彩色编码、附加在预获得的图像或其显 象上的文字或图形注解、或其他的识别标记。本文对患者解剖结构显 象的提及可包括预获得的图像、源自一个或多个预获得的图像的图示、 图片信息、或它们的组合。
025参考图2，示出了并入基于图像的手术导航和神经监视系 统10的手术间22。当躺在工作台26上的患者被置于C型臂成象装置 28中时，收集患者24的预获得图像。如本文使用的术语"预获得"不 意指任何给定时间顺序。然而，优选地，在进行手术导航时之前一些 时间，拍摄图像。通常地，从两个基本上正交的方向，例如感兴趣的 解剖学前-后(A-P)和侧面，拍摄图像。成象装置28包括X射线源30 和X射线接收部分32。接收部分32包括目标追踪标记34。由医师或 其他用户通过C型臂控制计算机36控制C型臂成象装置28的操作。
026尽管显示C型臂成象装置28用于从患者24获得图像， 但是应该理解，其他的成象装置可用于获得患者的解剖学图像和/或功 能图像。例如，可以使用记算机断层摄影术(CT)、磁共振(MR)、正电 子发射断层摄影(PET)、超声和单光子发射计算机断层摄影(SPECT)获 得图像。也可使用O型臂成像系统进行图像获取。此外考虑，可以在 手术前用一种远离手术间22的显象方式获得图像，并且可以在手术间 22用另一类型的显象方式在手术前或手术期间获得图像。可以使用已 知的寄存技术寄存这些多形式图像。
027将获得的图像传输到计算机36，在那里图像可被发送到 手术导航计算机18。计算机18提供通过监视器12显示接收的图像的 能力。也可使用其他的装置例如仰视显示器来显示图像。
028进一步参考图2，系统10通常进行器械14的实时追踪， 并且也可追踪接收器部分32和参照系38的位置。检测器20检测待被 追踪的每个对象上追踪标记的存在。检测器20与计算机18相连，该 计算机18用软件模块编程，所述软件模块分析由检测器20传输的信 号，以确定每个对象在检测器空间中的位置。其中检测器定位对象的 方法是本领域已知的。通常，器械14由检测器追踪，检测器是光学追 踪系统(没有显示)的一部分，其使用附着的追踪标记40，例如反射镜，以便在检测器空间中确定其三维位置。计算机18与光学追踪系统通讯 连接，并且将该信息与患者24的预获得图像整合，以产生当外科医生
42进行手术操作时，辅助外科医生42的显示。器械14的轨迹的图像 表示同时地覆盖在患者24的预获得的图像上和在监视器12上显示。 用这样的方式，外科医生42能实时看到器械相对于患者解剖结构的轨 迹。
029进一步参考图2，根据本发明的系统优选地具有储存器械 14的动态实时轨迹的能力。通过使用脚踏开关44发出命令，例如，计 算机18接收在计算机18的内存中存储器械的实时轨迹的信号。可选 地，外科医生或其他用户可使用其他的输入装置例如仪器上的按钮、 声音命令、触摸垫/触摸屏输入等等，发出命令。该"储存命令"也指 示计算机18产生表示器械的存储轨迹的新的静态图标，基本上将该图 标"冻结"在接收输入时的点上。静态图标连同表示器械实时轨迹的 图标，可同时地附加到预获得的图像上。如果正在显示多个图像，静 态和实时图标都可以附加到所有显示的图像上。也可以使用发出存储 命令的其他方法，例如通过GUI。外科医生也可选择储存多个器械轨 迹。每一次发出希望的存储命令时，器械的实时轨迹得以储存，并将 表示储存轨迹的新的静态图标显示在预获得的图像上，或者如果正在 显示一个以上图像，那么显示在所有预获得的图像上。
030根据本发明的系统优选地具有测量实时轨迹和一个或多 个储存的轨迹之间的角度或测量储存的轨迹之间的角度的能力，其与 在美国专利第6,920,347号中描述的方式相类似，其公开内容t皮'并入本 文。
031除将描述的追踪和储存器械轨迹之外，神经学信息可以 从患者获得，并且可以将该信息以可见形式表示，其可以在显示器12 上示出。例如，在预获得的图像和轨迹信息的帮助下，外科医生42可 以以进行引导的方式移动器械14至包含神经结构的解剖学区域，然后， 使用器械14或其他的神经学刺激装置连同电极(没有显示)从神经结构 可获得神经学信息。然后，将获得的神经学信息送至计算机18，所述 计算机i8寄存神经结构的神经学信息，其中从该神经结构获得神经学 信息。基于器械14的位置，计算机18可以确定被刺激的神经结构的位置，然后在显示器12上更新该神经结构的显象，以包括表示获得的 神经学信息的标记或其他指示物。例如，基于位置、方向和神经响应， 计算机18可以确定被刺激神经结构的类型，并且给显示器12上的神 经结构的显象加上注解。可选地，基于其分类或其它限定特征，可以
在显示器12的显象中分配给神经结构指定的颜色。除表征被剌激的神 经结构之外，计算机18连同神经结构的位置信息也可预测神经的结构， 并在显示器12上给外科医生图形显示该预测的结构。在这点上，可以
刺激一部分神经，但是预测完全的神经结构并进行图形显示。此外， 尽管预获得的图像和/或其显象提供给外科医生对与被追踪器械相关的 患者解剖结构以一般了解，但是获得的关于神经结构的神经学信息对 该了解进行了更精确的补充。因此，通过定位神经结构的位置，集成 系统增强外科医生对特定患者的解剖学了解。为了进一步辅助外科医
生，通过定位神经结构，当器械14接近神经结构时，计算机18可以 自动给予外科医生可视或可听的指示。而且，可以调节指示物以与神 经结构的类型、位置或其他特征相符合。
032使用声音识别软件和硬件或其他的输入装置，外科医生 42或其他的用户也可以增加关于神经结构的注解——神经响应从该神 经结构测量。然后，可以将那些注解储存在计算机18的存储器中。在 一个实施方式中，外科医生42戴耳机46和话筒48，以帮助在手术操 作期间进行不用手注解(hands-free note)。如将在下面进一步解释的， 在需要时，计算机18也可通过连接到耳机的音频系统或其他扬声器， 给外科医生广播声音信息。
033现在参考图3，示出手术导航和神经监视集成系统10的 方框图。计算机18包括与显示监视器12的显示屏协同操作的GUI系 统。连同运行计算机18的操作系统46，执行GUI系统。GUI作为计 算机18的一部分执行，以接收来自用户界面47例如键盘、鼠标、光 棒(lightwand)、触摸板、触摸屏、语音识别模块、脚踏开关、控制杆 等的输入数据和命令。为了附图和说明的简单化，没有图解传统计算 机的许多部件例如地址缓冲器、存储缓冲器及其他标准控制电路，这 是因为这些元件是本领域熟知的，并且其详细说明对于理解本发明不 是必需的。034用于执行本发明的多个步骤的计算机程序通常位于存储 器48中，并且通过使用中央处理器(CPU)50进行本发明的过程。存储 器48代表只读存储器和随机存取存储器。存储器也包含储存数据例如 图像数据和表格的数据库52，其包括例如储存的器械位置、延伸值 (extension value)和几何变换参数这些信息，它们与本发明一起使用。 数据库52也可用于储存数据，例如监测的神经学结构的定量和定性评 估。存储器进一步包含技术资料数据库53,其储存与例如手术操作、 一般的解剖学结构信息、视频、出版物、指南、报告、解剖学图解、 手术指导等相关的资料，可被外科医生或其他用户在手术前、手术期 间或手术后访问，以辅助诊断和治疗。也包含在存储器48中的是通信 软件模块60,其帮助通过计算机18的调制解调器62与远距离的数据 库，例如技术资料数据库64通讯。
035应该理解单一表示的图像档案数据库和技术资料数据库 仅仅是用于说明目的，并且认为这样的系统可能需要多个数据库。另 外，计算机18可通过网络(没有显示)访问数据库。根据本发明，可以 使用任何可接受的网络，无论其是公共的、开放的、专用的、私人的、 等等。与网络的通讯联系可为任何可接受的类型，包括传统的电话线、 光纤、电缆调制解调器连接、数字用户线路、无线数据传送系统等等。 在这点上，计算机18装备有公知设计的通信接口硬件62和软件60， 其许可建立与数据库进行网络连接和数据交换。CPU 50，连同包含操 作系统46、追踪软件模块54、校准软件模块56、显示软件模块58、 通信模块60和神经监视软件模块66的计算机软件控制系统10的操作 和进程。CPU 50执行的进程可作为电信号沿着总线68通信到I/O接口 70和视频接口72。除连接到用户界面47之外，1/0接口还连接到打印 机74、图像储存器(远距离的或当地的)76、和音频系统78 (扬声器)。
036追踪软件模块54在本文所述的图像引导系统(image guided system)中进行追踪目标所需的进程，并且是本领域普通技术人 员已知的。校准软件模块56计算修正图像失真的几何变换，并将该图 像记录到解剖学参照系38，并因此记录患者解剖结构。
037显示软件模块58运用，并且如果要求的话，计算导向追 踪标记40和器械14之间的偏移量，以便产生表示器械轨迹的图标，将其用于附加在图像上。对于具有固定长度和角度的器械，这些偏移. 量可以测量一次，并储存在数据库52中。然后，用户从一系列器械进
行选择， 一个用于本方法，所以由显示软件模块58运用适当的偏移量。 对于具有可变长度和角度的器械，可手动测量偏移量，并通过键盘47 输入，或者结合追踪指示器(trackedpointer)(没有示出)或追踪记录导 杆(tracked registration jig)(、没有示出)观!j量。
038在图像数据库52中本地储存的预获得图像数据或在图像 存储器76中远程储存的预获得图像数据可以数字地通过1/0接口 70， 直接地输入计算机18，或者可通过视频接口 72作为视频数据供给。另 外，如果存储器资源有限，那么显示为在存储器储存的项目也可储存 一一至少部分地储存——在硬盘(没有显示)或者其他存储器件例如闪 速存储器中。而且，尽管没有明确地显示，但是图像数据也可通过大 容量存储器件例如硬盘驱动器、光盘、磁带驱动器或任何其他类型的 数据转移和存储仪器，提供到网络上。
039除上面描述的模块和接口之外，计算机18包括神经监视 接口80，以及器械导航接口82。神经监视接口 80接收靠近患者24的 电极84的电信号。响应于通过器械14或其他电刺激探针(没有显示) 施加到患者神经结构的电刺激，电信号通过电极84被检测。在该实例 中，电极是肌电图描记法(EMG)电极，并记录肌肉对神经刺激的响应。 可选地，可以使用其他的神经监视技术，例如运动诱发电位(motor evoked potentials) (MEP)神经监视和体感诱发电位(SSEP)神经监视。刺 激器控制器86与器械14接口 ，并且控制器械14施加的刺激的强度、 方向和模式。外科医生或其他用户通过输入接口 47或在器械14本身 上，可接收确立了期望刺激特征的输入。
040如上所述，集成系统10也使用标记、反射镜或其他追踪 器件进行器械14 (和患者24)的实时追踪。在一个实例中，器械14包 括标记40，其运动被器械追踪器88追踪，所述器械追踪器可包括照相 机或其他己知的追踪仪器。同样地，患者可包含标记或反射镜，以便 患者运动可以被追踪。为了实现电刺激的施加，器械14也连接到电源 90。如将要示出的，器械14可通过位于器械本身内的电池供电，位于 计算机箱内的电源供电，或感应供电。041设计手术导航和神经监视集成系统，以通过器械相对于 患者解剖结构的显象，来辅助外科医生导航器械例如手术工具、探针 或其他器械。如本文所述的，使用追踪工具和技术，可以将器械相对 于患者解剖结构的实时位置和方向信息附加到患者的解剖、功能或导 出图像上。除辅助外科医生进行器械追踪之外，集成系统10也进行神 经监视，以评定神经结构的位置和完整性。在这点上，外科医生可将 器械移动到希望位置，在显示器12上观察器械相对于患者解剖结构的 放置，运用电刺激到靠近器械的神经结构，.和测量对该电刺激的响应。 然后，收集的该神经学信息通过图形或文字的注解、神经结构的颜色 或其他编码、或其他的示踪技术被加到患者解剖结构的显象上，以以 人可辨别的形式输送从施加电刺激所收集的神经学信息。集成系统也 帮助外科医生可视化患者解剖结构，例如关键神经结构和患者解剖结
构的相关位置或完整性。如图4-5所示的，使用GUI输送和促进与手 术导航和神经监视信息的相互作用。
042现在参考图4，示出设计用来辅助外科医生或其他用户导 航手术工具如探针或骨螺丝刀的GUI92。在图解的实例中，GUI 92被 分为图像部分94和菜单部分96。图像部分包含三个图像区98、 100、 102，在图解的实例中，其分别包括患者解剖结构的冠状、矢状和轴图 像。图像部分也包括透视图区104。菜单部分96提供可选择的连接， 当外科医生对其选择时，其能连接在图像区98、 100、 102展现出的或 连接从患者获得的其他数据。图像区提供外科医生用来追踪器械的解 剖图或框架，所述器械可以由指示器106象征性地显示。本文描述的 集成系统追踪器械的运动，并提供指示器位置的实时显象，将其附加 到包含在区98、 100、 102中的图像上。注意，显示的图像可以来自从 患者获得的一个或多个诊断图像、图片模型、或其组合。当器械相对 于患者解剖结构移动时，在图像区显示的图像自动地刷新，以便经由 指示器106，器械的瞬时位置提供位置信息给外科医生。
043而且，因为集成系统支持手术器械导航和神经监视，所 以图像区和指示器106提供的位置反馈可以辅助外科医生隔离神经结 构，以进行神经监视。也就是说，从包含在图像区98、 100、 102的图 像可以确定对神经位置的一般了解。通过所述区的肉眼检查，外科医
14生可随后移动器械靠近神经结构，施加电刺激并测量神经响应。可以 以与已知的神经监视研究一致的方式，使用那些神经响应来评定神经 结构的完整性。另外，神经学信息也可用于定位更精确的刺激神经结
构的位置。例如，患者解剖结构的显象例如在区98、 100、 102中包含
的图像提供对解剖位置、方向和定位的总的视觉了解。然后，刺激神 经结构的神经响应可被用于在患者解剖结构显象上定点该神经结构的 位置和方向，其使用颜色编码或其他指示物。
044而且，基于神经结构的通常位置和它的定位位置，可以 增强神经结构的评定。也就是说，使用神经结构的测量的响应和它的 位置信息，如定位器械靠近结构的外科医生所指出的，计算机可以比 较测量的响应与在数据库中包含的数据，并确定测量的响应是否与期 望给出的相一致。
045除完整性评定和位置定位之外，导航和神经监视信息的 集成能形成神经地图。也就是说，通过反复移动器械和神经学监视， 可以综合组合的信息以定位神经结构位置，基于位置和/或响应分类那 些神经结构，和通过颜色或其他指示物编码患者的神经学、解剖学导 图。
046注意，在该图解的实例中，器械的尖端由指示器106表 示。然而，考虑尖端、后部或整个器械表示可用于帮助导航。同时， 尽管同一解剖的三个图像在不同的视图示出，可使用其他的图像显示 方法。
047仍然参考图4， 一个图像区104是用来图解患者解剖结构 的三维透视图，例如神经结构束108。该透视图可以由患者解剖结构的 多角度图像的记录、源自图片信息的记录或它们的组合形成。在实践 中，外科医生定位器械靠近目标解剖结构。然后，如果需要的话，外 科医生选择菜单96的"3D透视图"标号110。在这样的选择后，计算 机则确定指示器106的位置，并产生指示器"指明"的解剖结构的3D 透视图。这样，外科医生可以选择解剖特征，然后在GUI 92上的3D 透视图中目视检查该解剖特征。
048此外，如上述提及的，集成系统保持或能访问在一个或 多个数据库上包含的技术库。外科医生可以通过选择"技术资料"标号112访问技术资料。在这样的选择后，计算机引起在菜单96中显示 可用资源(没有示出)。考虑可以显示另一个窗；然而，在优选的实施中， 单一 GUI被用于防止屏和窗附加到导航图像上。技术资源可包括与互 联网网页、内部网网页、文章、出版物、报告、地图、指南等的连接。 而且，在一个优选的实例中，当外科医生选择标号112时，使资源清 单改变到器械的给定位置。因此，考虑可以使对技术资源信息的访问 流水线化，以在手术操作期间进行有效访问。
049菜单96也包括追踪器子菜单114和注释子菜单116。在 图解的实例中，追踪器子菜单114包括"当前"标号118、"过去轨迹" 标号120、和"预期轨迹"标号122,其在需要时提供对显示器械导航 信息的视图选项。用户选择标号118使器械的当前位置在图像区显示。 用户选择标号120使器械的移动轨迹被显示。用户选择标号122使预 期轨迹被显示，其基于器械头部的当前位置。考虑，不止一个标号可 以是激活的，或者可以被同时选择。
050注释子菜单116包含"新的"标号124、"查看"标号126、 和"编辑"标号128。标号124、 126、 128帮助产生、查看和编辑关于手 术操作和解剖与神经的注释。在这点上，对于具体的手术操作或解剖 观测，例如对于神经结构、它的位置、完整性或神经响应的观测，外 科医生可以进行一般的注释或记录注解。在一个优选的实例中，当进 行注释时，计算机自动地关联注释与器械位置。因此，在手术操作期 间，可以进行注释，并将注释与神经或其他结构相关联。而且，通过 按下"查看"标号126，计算机将在区116中产生注释清单。可选地， 或另外地，通过将器械定位靠近神经结构，产生的并与神经结构相关 联的注释将是可查看的。与鼠标移动上去会变化(mouse-over)技术相类 似，定位器械靠近注释的神经结构将使任何先前的注释自动地出现， 如果启用这样的特征的话。应当理解，其他的标号和选择器——一般 菜单标号例如患者信息标号130，或特定菜单标号——可并入菜单区 96。也应当理解，在菜单区96中标号的显示和排列仅仅是一个考虑的 实例。
051现在参考图5，示出图像区102以进一步图解器械追踪。 如上所述，通过用户选择适当的输入标号，通过定位指示器106，可以查看器械相对于患者解剖结构的瞬时位置。另外，选择图4的菜单96
上的"过去轨道"标号120，使器械的过去的或移动的轨迹由虚线轨迹 线132示出。相似地，基于器械的尖端或前段的瞬时位置和方向，可 以查看相对于患者解剖结构的预期轨迹134。
052另外，考虑可以储存轨迹途径，并且可以取回储存的轨 迹并相对于患者解剖结构査看。在这点上，当前或实时的器械轨迹可 以与过去的轨迹相比较。此外，应该理解，不必记录所有的器械移动。 在这点上，外科医生或其他用户可以根据需要打开或关闭器械追踪。 同样，尽管上面描述的前瞻技术将器械的图形表示投影到图像，但是 不要求器械的图形表示在待被投影入图像的图像空间中。换句话说， 例如外科医生可把握器械在患者上方并且在图像的空间外，以便器械 的表示不出现在图像中。然而，可能仍然希望将固定长度向前投影入 图像中，以帮助设计该过程。
053在图解的实例中，轨迹由方向线表示。然而，考虑可以 使用其他的表示。例如轨迹可以被自动地分配不同的颜色或独特的数 字标记。也可以使用其他类型的方向指示器，并且可以使用不同的形 状、类型、大小和纹理以区别轨迹。如果需要，外科医生也可选择不 示出任何轨迹的标记。外科医生也可选择通过在菜单96中包含的适当 控制，改变任何轨迹的缺省颜色或标记文本。在一个实例中，过去轨 迹被分配一种颜色，而预期或前瞻轨迹被分配不同的颜色。同样，尽 管在图5中对单一轨迹进行图解，但是应认识到，可以一次追踪多个 器械，它们的轨迹被追踪、预测并在图像上显示。如对于图1-5所描述 的，集成系统10使用标记、反射镜等，追踪器械例如手术工具或探针 相对于患者解剖结构的位置。在一方面，该器械也能将电刺激运用到 神经结构，以便可以确定神经学信息，例如神经位置和神经完整性， 而不需要将另一个器械引入到患者解剖结构中。器械可以通过激发器 控制接口 86和电源90连接到计算机18，或者在可选的实施方式中， 器械可以被无线连接到激发器控制接口 86，并且被感应供电或通过自 备电池供电。
054图6图解用于感应供电给器械和用于无线而不是使用标 记和反射镜确定器械位置信息的操作线路。操作线路136包括用于发生电磁场的信号发生器138。信号发生器138优选地包括多个线圈(没 有示出)。信号发生器138的每一线圈在感应大量磁场后被激活，从而
在感应线圈中感应相应的电压信号。
055信号发生器138使用不同的磁组件，以便相应于传输的 时间依赖性磁场的感应线圈140中感生的电压，产生描述器械位置即 定位与方向的充分信息。如本文使用的，线圈指导电、磁敏感元件， 其响应于随时间变化的磁场，以产生感生电压信号，其为所施加的随 时间变化的磁场的函数，并且代表所施加的随时间变化的磁场。信号 发生器138产生的、含有描述器械位置的充分信息的信号下文被称为 参考信号。
056.也配置信号发生器以在感应线圈140中感生足够给器械 的电子器件例如神经刺激元件142和发射机144供电的电压。在优选 的实施方式中，信号发生器138传输的、给器件供电的信号——下文 称为供电信号，是对于参考信号频率倍增的。调整参考信号和供电信 号的频率范围，以占据互斥的频率间隔。该技术使信号同时通过公共 信道例如无线电信道进行传输，同时保持信号分开，所以它们没有彼 此干扰。参考信号和位置信号优选地是调频的(FM);然而，也可使 用调幅(AM)。
057可选地，可通过单独的信号发生器——每一个在不同的 频率下——传输供电信号。如本文具体化的，接收参考信号的部分进 一步包括传感器146和电源电路148。传感器146和电、源电路148每一 个在传感/供电线圈140上可接收由于频率倍增的参考信号和供电信号 感生的电压信号。传感器146和电源电路148都可以将倍增的磁性信 号感生的电压信号分离为位置信号和供电信号。
058传感器146测量相应于参考信号的感生电压信号部分为 指示器械当前位置的位置信号。通过发射机144传输位置信号。相似 地，电源电路148可保持相应于供电信号的感生电压信号部分，所述 供电信号用于产生足够给发射机144供电并将电刺激施加到神经结构 的动力。电源电路148整流供电信号在线圈140上产生的感生电压， 以产生直流电源，其被用于给发射机144和神经刺激元件142供电。电源电路148使用电容器、小电池或其他储存器件可储存直流电源， 用于以后使用。
059集成系统10包括电磁控制元件150，其调节信号发生器 138的操作，并且包括接收器(没有示出)以接收发射机144无线传输的 位置信息。在这点上，控制元件150适合于接收磁场模式位置信号， 并发射那些位置信号给CPU,以进行处理来确定器械位置和/或方向。 CPU优选地通过首先确定感应线圈140的角取向，然后使用线圈140 的方向来确定器械位置，开始确定器械位置。然而，本发明不局限于 任何具体的确定器械位置的方法。尽管示出单一的传感/供电线圈140， 但是考虑可使用分离的传感和供电线圈。
060如本文描述的，在本公开的一方面中，也使用手术器械 例如探针、牵开器或骨螺丝刀，以将电剌激施加到神经结构。图7-14 图解集成的手术工具和电刺激工具的各种实例。
061图7图解手术探针152，其包括长的并且优选地具有纹理 的柄154，所述柄154具有近端156和远端158。手术探针152通过从 柄近端156延伸出的插口 160可连接到图3的神经监视接口 80。柄包 括靠近锥形远端部分164的横向突出致动器162，所述锥形远端部分 164终结于带有远侧伸出不锈钢轴166的柄远端158。轴166是锥形的， 并优选地在靠近柄远端158的位置具有较大的外径，逐渐减小为靠近 轴远端168的较小外径，其中从柄远端158到轴远端168的远侧伸出 长度被透明塑胶、薄壁、可收缩管材围绕。从柄154伸出并电连接到 导体170的是阳极172和阴极174。阳极和阴极172、 174略微地延伸 超过轴远端168，并被用来将电刺激施加到神经结构。
062柄154外表面也包括反射镜/标记网络176，以帮助追踪 探针152的位置与方向。显示探针152为具有三个反射镜176，其永久 地或可去除地固定到柄154。如传统的手术器械追踪系统已知的，反射 镜176的大小、形状和位置通过手术导航系统可以知道，因此，当由 照相机捕获时，探针152的位置与方向可以容易地确定。应该认识到， 可以使用多于或少于三个的反射镜。
063致动器162能使外科医生在手术操作期间有选择地施加 电刺激到患者解剖结构。如此，探针152可在没有施加电刺激的情况下被用于手术目的，并且当外科医生需要时，用于禁止来自神经结构
的神经响应。在图7图解的实施方式中，探针152由探针152外部的 电源(没有示出)通过插口 160供电。
064在图8中，示出根据本发明另一实施方式的电池供电牵 开器。牵开器178包括长的并且优选地具有纹理的柄180，所述柄180 具有近端182和远端184。从远端184伸出的是锥形轴186，其终止于 弯曲头188，所述弯曲头188包括阳极尖端190和阴极尖端192，它们 是彼此共面的。柄180提供内部体积194，其大小与形状适于容纳电池 1%，.当外科医生需要时，电池196提供足以电刺激神经结构的能量。 在一个实施方式中，电池196被永久地密封在柄180的内部体积194 内，以便防止与体液和千净流体接触。在另一个实施方式中，其没有 在本文图解，电池是可拆卸的，因此通过旋转地拆卸柄的盖部分，电 池可替换。考虑可以使用可充电电池，并且电池可在不用将它们从柄 拆卸的情况下被充电。柄180也包括三个反射镜198，其对照相机(没 有示出)或其他的检测装置提供视觉反馈，以确定牵开器的位置与方向。 与图7描述的相类似，牵开器178进一步包括致动器200，其使外科医 生有选择地打开牵开器178的电刺激功能，以对神经结构施以电刺激。
065图9图解根据本公开的塞绳牵开器202。在该实例中，牵 开器202由远处的电池或其他的电源，通过使用插口 204的传统插孔 连接供电。像图8描述的，牵开器202的柄206包括反射镜208，以能 使手术导航硬件和软件追踪牵开器202的位置与方向。牵开器202也 包括致动器210，以有选择地对神经结构施以电刺激。电刺激由阳极导 体212和阴极导体214促进，所述阳极导体212和阴极导体214延伸 超过轴216。阳极和阴极导体212、 214沿着轴216的全部长度延伸， 并且通过与插口连接器217连接，连接到电源。
066在另一实例中，如在图10所示的，配置骨螺丝刀218以 除驱动接骨螺钉之外提供电刺激。螺丝刀218包括柄220，其具有从其 远端伸出的驱动轴222。调节柄220大小以容纳给电刺激法提供能量的 电池224。柄20也包括以永久的或者可拆卸的方式固定于其上的反射 镜226。驱动轴222延伸出柄220的远端228到驱动头230，所述驱动 头230的大小和形状适合容纳接骨螺钉的推进。与驱动轴222平行延
20伸的是装鞘的阳极和阴极电极232、 234。装鞘的电极232、 234当延伸 时，延伸超过驱动轴222的驱动头230。装鞘的阳极和阴极电极232、 234优选是可收縮的，以便在接骨螺钉推进期间不干扰外科医生。
067外科医生使用眼孔(eyelet) 236，手动地延伸和收回装 鞘的电极232、 234。优选地，眼孔位于充分接近柄220的位置，这样 外科医生可以延伸和收回电极232、 234，同时把持柄220并且能按下 致动器238，以施加电刺激。因此，柄包括由限定电极平移范围的适当 制动装置所限定的腔(没有示出)。
068图11是根据本公开的另一方面的手术螺丝攻的正视图。 在该实例中，手术螺丝攻240被构造用于制备椎弓根孔，但是其也能 够进行神经刺激，并提供导航信息。在这点上，手术螺丝攻240包括 柄242，其具有在其中延伸的传导轴244。绝缘护套246仅仅围绕轴的 一部分，以便限定电刺激于传导尖端248。传导尖端248包括一系列螺 纹250，其在插入螺丝攻期间啮合椎弓根或其他的骨结构。形成螺纹 250，以便纵向凹进部分或沟道252沿着尖端的长度限定。
069柄242具有致动器开关254，其允许用户在插入尖端期间 有选择地施加电刺激。如此，当手术螺丝攻形成椎弓根螺钉引导孔或 探测椎弓根时，可以施加电刺激。能量通过导体256施加到传导尖端 248，所述导体256可连接到图1的神经监视系统的能量源上。可选地， 可以在柄中布置电池，并使用电池给传导尖端248供应电刺激能量。
070柄242也具有三个反射镜258，其给照相机(没有示出)或 其他检测装置提供视觉反馈，以确定螺丝攻的位置与方向。本领域普 通技术人员将理解，可以使用其他的技术追踪螺丝攻的位置，例如柄 中的电子位置传感器。
071图12示出根据本公开的另一实施方式的手术探针260。 类似于上面描述的实例，探针260具有柄262，其具有一系列连接到其 上或其它方式形成于其上的反射镜264。从柄的近端伸出的是用于将探 针260连接到图2的神经监视系统的能量源的插口 266。从柄262的远 端伸出的是部分被绝缘护套270覆盖的传导轴268。轴268的未装鞘部 分是能够探测椎弓根或其他的骨结构的传导尖端272。柄也具有致动器 274,用于有选择地激励传导尖端272以在在探测期间应用电刺激法。072图13是传导尖端272的截面图。如所示，传导轴268包 括阳极传导部分274和阴极传导部分276，其通过绝缘体278与阳极传 导部分274分开。这进一步在图14中图解。对于该结构，在阳极传导 部分276和电绝缘阴极传导部分274之间施以电刺激，进行双极电刺激。
073上面描述的图解性工具被设计不仅仅进行手术功能，而 且对患者的神经结构施加电刺激。如本文所述的，在基于图像的导航 的帮助下，外科医生可移动器械，实时显现该移动，并且根据需要在 各种器械位置施加电刺激，而不需要单独的刺激器械。此外，电刺激 也可以被用于通过应用主要的电刺激模式来增强导航。在这点上，当 器械横向通过患者解剖结构时，电刺激被自动地施加到器械尖端的前 面。如此，当器械移动时，自动地获得神经学信息，并且患者解剖结 构的显象自动地更新以整合神经学信息。此外，神经学信息可用于定 位——以更好的特定性——神经结构的实际位置和方向。例如，可以 在器械移动时施加广范围的电刺激。如果没有测量到神经响应，那么 继续这种广的电刺激。然而，如果测量到神经响应，可以重复地施加 覆盖范围减小的精确电刺激，以定位受刺激的神经结构的位置。
074现在参考图15，在又一个实例中，主要电刺激也可以用 于给外科医生发信号器械正在接近神经或其他的神经结构。该信号 可以是GUI上的视觉标识符或者为本文所述的通过音频系统的可听警 告广播的形式。在这点上，集成系统在280处确定器械的瞬时位置。 然后，系统将器械的位置与关于患者的解剖组成的信息进行比较，以 确定器械接近神经结构，在282这可能在解剖显象上不是明显可见的。 如果器械没有靠近神经结构282、 284，过程返回步骤280。如果器械 在或靠近先前鉴定的神经结构282、 286,则从患者的解剖结构和/或结 构的神经响应，鉴定或分类神经结构。在鉴定神经结构288后，在290 输出适当的信号，其发信号器械接近神经结构。考虑信号提供的强 度和鉴定可基于确定为接近器械的神经结构的类型。例如，依赖于神 经结构的类型，可听报警信号的音量和模式可以改变。此外，在可听 的接近指示器的实例中，可听报警的音量和/或模式可随着器械移动靠 近或远离神经结构而变化。因此，可听的信号给外科医生提供关于器械相对于神经结构的位置的实时反馈。在输出适当的信号后，过程回 到步骤280:确定器械的位置。
075如上所述，集成系统也能够在轨迹之间或器械位置之间 进行测量。因此，例如，可以进行骨骼测量以确定对于具体的手术操 作是否足够的骨骼已经移去。例如，可以跨越待被移去的骨骼的一部 分的轮廓，追踪器械。然后，跨越该轮廓的轨迹可储存为轨迹。在一 个或多个骨骼移去步骤之后，可再一次跨越现在其一部分己被移去的
骨骼，追踪器械。然后，系统可计算那些轨迹之间的差异，并通过GUI
给外科医生提供数值，例如以帮助外科医生确定对于具体的手术操作 是否足够的骨骼已经移去。
076同样地，电刺激的特性可以基于器械的被追踪瞬时位置 自动地调整。也就是说，当外科医生指导施加电剌激时，通过从图像、 图片模型等实时追踪器械和总的了解患者解剖结构布局，集成系统可 以基于接近器械的解剖而自动地设定电刺激的强度、范围和类型。代 替自动地设定电刺激特性，系统可以在GUI上相似地显示，来自该系 统的电刺激值用于外科医生考虑。在这点上，外科医生可以通过到GUI 的适当输入，采用建议的特性，或限定与系统建议的不同的值。同样 地，因为器械能被用于骨粉磨或移去和电刺激，神经响应可以在有效 粉磨或骨除去期间测量。
077虽然已经示出并描述了探针、牵开器、螺丝刀和螺丝攻， 但是考虑，按照本公开的其他手术工具可用来执行手术功能以及施加 电刺激，如钝性扩张器、钻子、椎弓根进出针、活组织检查针、药物 输送针、球尖探针、体内扩张器、椎盘移去工具、体内间隔工具、软 组织牵开器和其他工具。此外考虑，植入物如椎弓根螺钉，在连接到 手术工具的传导部分时，其可以是传导的，且因此在植入物植入时用 于施加电刺激。例如，当接骨螺钉在与螺丝刀的驱动和导电端啮合时， 也可用于施加电刺激。同样，虽然图解示出具有用于任选地光学确定 器械位置和方向的反光镜的手术器械，但是手术器械可包括电路，如 参考图6描述的，用于电磁确定器械位置和方向并为电刺激和发射机 电路进行感应供电。本文所述的手术器械图解了本公开可在其中执行的不同的实例。可认 识到，可以使用除了所述仪器外的其他仪器。进一步，优选地，器械 由生物相容的材料如不锈钢制成。然而，可以理解其他生物相容材料 可以使用。
078进一步，尽管已经描述手术导航和神经监视集成系统， 但是应该认识到，独立系统也可以以同步交换方式彼此通讯连接。因 此，通过软件模块例如本文描述的那些，独立神经监视探针和系统提 供的神经监视信息可被提供给独立的手术导航系统，用于导航和神经 监视信息的集成显象。如本文所述，在要求时，集成系统也能给外科 医生提供对技术资源的访问。而且，设计集成系统以基于器械位置、 神经结构位置或神经结构神经响应提供需要资源的列表。如在图16中 提出的，在292，集成系统被设计来接收来自外科医生或其他用户请求 公开技术资源的用户输入。在294，在进行请求时，响应该输入，集成 系统确定器械的瞬时位置。在296，然后基于器械位置确定靠近器械的 解剖结构。从器械的位置；被识别的接近解剖；和如果适用的话，接 近神经结构的神经响应；系统访问相应部分的技术资源数据库298，从 而在300导出并显示可向外科医生公开的相关技术资源的列表。该列 表优选为用于外科医生选择的在GUI上显示的可选择计算机数据链接 的形式，并可链接到例如文章、出版物、指南、地图、报告、视频、 说明书和手册。在302，响应于用户在GUI上的选择，从数据库上传 选择的技术资源，并在304向外科医生或其他用户公开。考虑集成系 统可从本地或远程数据库上传技术资源。
079能够由本文所述的集成系统进行的另一过程如图17所 示。图17描述预测过程的步骤，用于提供反馈给正在评估神经完整性 的外科医生或其它人。该过程开始于步骤306，确定施加电刺激时电刺 激器械的位置。被刺激的神经结构的位置也在308测定。基于神经结 构的位置，鉴定神经结构310。通过比较患者的解剖信息与先前的神经 地图、神经地图模型、解剖地图等，可以确定神经结构的情况。基于 神经结构的鉴定结果，例如类型，预测神经结构对电刺激的神经学响 应312。然后，将预测的神经学响应与实际的、测得的神经学响应进行 比较314。该比较的结果然后在316传输至外科医生或其他用户，利用GUI帮助确定被剌激神经结构的神经完整性。另外，被剌激的和测量
的神经结构的显象可以基于该比较例如编码或注释的颜色自动更新，
以表明神经学响应与预测的不一致。
080虽然上面仅详细描述了几个示例性实施方式，但是本领域
技术人员可容易理解，不实质偏离本公开的新颖性教导和优点的情况 下，示例性实施例的许多修改都是可能的。因此，所有这些修改和替 代都拟包括在所附权利要求书限定的本发明范围内。本领域技术人员 也应认识到，这样的修改和等效构造或方法不偏离本公开的精神和范 围，且它们可做出不同改变、替换和变化而不偏离本公开的精神和范 围。可以理解所有空间提及，如"水平的"、"垂直的"、"顶部"、"上 面"、"下面"、"底部"、"左边"、"右边"、"向头部"、"向尾部"、"上 部"和"下部"都仅是为了说明性目的，并可在本公开的范围内改变。 进一步，本公开实施方式可适于单独或在多个脊柱水平和椎骨运动段 上结合工作。同样地，虽然已经参考脊骨，和更具体地参考椎骨运动 部分说明了实施方式，但是本公开可类似应用到其他运动段和身体部 分。在权利要求书中，装置加功能条款拟用来涵盖这里所述的、执行 所述功能的元件，其不仅结构等效而且是等效的元件。
权利要求
1.一种仪器，其包括手术过程中神经监视系统，其被配置来提供关于患者神经结构的实时神经学信息；和手术导航系统，其与所述手术过程中神经监视系统进行通讯连接，并被配置来提供所述神经结构的地理学表示。
2. 根据权利要求1所述的仪器，其中所述手术过程中神经监视系 统包括手术工具，其被配置来获取并传递所述实时神经学信息到所述 手术导航系统，且其中所述手术导航系统包括监视器，其被配置来显 示所述神经结构的地理学表示和所述手术工具相对于所述神经结构的 地理学表示的代表性部分。
3. 根据权利要求2所述的仪器，其中所述手术工具被配置来对所 述神经结构施加电刺激并从所述神经结构对电刺激的响应获取所述实 时神经学信息。
4. 根据权利要求2所述的仪器，其中所述手术导航系统包括检测 所述实时神经学信息的电极，且其中所述手术工具包括施加所述电刺 激的阳极和阴极。
5. 根据权利要求2所述的仪器，其中所述手术导航系统包括被配 置来存储含有所述神经结构的图像的图像数据库。
6. 根据权利要求5所述的仪器，其中所述图像包括解剖图像和功 能图像中的至少一个。
7. 根据权利要求5所述的仪器，其中所述图像包括CT图像、MR 图像、PET图像、x射线图像和超声图像中至少一个。
8. 根据权利要求1所述的仪器，进一步包括计算机，其可操作地连接到所述手术过程中神经监视系统和所述手术导航系统，并被配置 来寄存所述实时神经学信息和所述神经结构的地理学表示以便在GUI 中显示。
9. 根据权利要求8所述的仪器，其中所述手术导航系统提供所述 神经结构的解剖环境的显象，以及所述手术过程中神经监视系统提供 关于所述神经结构的完整性信息，且其中所述计算机进一步被配置来 在所述GUI上视觉传达所述神经结构的完整性信息。
10. 根据权利要求1所述的仪器，其中所述手术导航系统进一步 包括手术辅助接口，其被配置来提供随选的手术信息。
11. 根据权利要求10所述的仪器，其中所述手术辅助接口进一步 被配置来播放随选视频记录和随选音频记录中的至少一个，其中所述 随选视频记录和随选音频记录中的所述至少一个为外科医生提供可用 来执行给定手术过程的信息。
12. 根据权利要求1所述的仪器，其中所述手术导航系统进一步 被配置来显示所述神经结构相对于所述患者的图片图像的地理学表 示。
13. —种引导神经手术过程的方法，所述方法包括 对患者神经结构施加电刺激； 确定所述神经结构对所述电刺激的响应； 确定所述神经结构的位置信息；以及在GUI上从所述神经结构的所述位置信息显示所述神经结构 的地理学表示。
14. 根据权利要求D所述的方法，其中所述电刺激是通过手术工 具施加的，并进一步包括在所述GUI上跟踪所述手术工具的位置和指 示所述手术工具的位置。
15. 根据权利要求14所述的方法，进一步包括光学或电磁跟踪所述手术工具。
16. 根据权利要求13所述的方法，进一步包括从所述神经结构对 所述电刺激的响应确定所述神经结构的完整性和在所述GUI上视觉指 示所述完整性。
17. 根据权利要求16所述的方法，进一步包括通过肌电图描记法 (EMG)、运动诱发电位(MEP)、体感诱发电位(SSEP)、组织阻抗和_ (EEG)中的至少一个确定所述完整性。
18. 根据权利要求13所述的方法，进一步包括在从所述患者的诊 断图像获得的解剖背景上显示所述神经结构的地理学表示。
19. 根据权利要求18所述的方法，进一步包括从图像档案和存储 系统调用诊断图像。
20. 根据权利要求13所述的方法，进一步包括将对所述电刺激的 神经结构响应与预期响应对比，且如果所述神经结构响应与所述预期 响应一致，则提供第一指示，和如果所述神经结构响应与所述预期响 应不一致，则提供与所述第一指示不同的第二指示。
21. 根据权利要求20所述的方法，进一步包括将独特的视觉标识 符与所述神经结构的地理学表示相关联，作为所述第二指示。
22. 根据权利要求20所述的方法，进一步包括提供音频警报信号 作为所述第二指示。
23. 根据权利要求20所述的方法，进一步包括为所述患者的受电 刺激的神经结构，生成和保持施加的电刺激及其响应的日志。
24. —种手术方法，其包括对神经结构施加刺激；以及通过视觉査看表示被刺激神经结构的地理学位置的GUI,在视 觉上确定所述被刺激神经结构的位置。
25. 根据权利要求24所述的手术方法，进一步包括用手术工具施 加所述电刺激。
26. 根据权利要求24所述的手术方法，进一步包括确定所述被刺 激神经结构的完整性。
27. 根据权利要求24所述的手术方法，进一步包括在GUI上所述 被剌激神经结构的显象中，从提供编码的被刺激神经结构确定所述被 刺激神经结构的类别。
28. 根据权利要求24所述的手术方法，进一步包括指定关于被刺 激神经结构的位置和完整性中至少一个的注解，并指示神经监视和手 术导航集成系统显示GUI,从而将指定的注解和所述被刺激神经结构 的电子标记相关联。
29. 根据权利要求24所述的手术方法，进一步包括在GUI上选择 到电子文件的链接，该电子文件含有基于被刺激神经结构的位置和完 整性中至少一个的关于所述被刺激神经结构护理的信息。
30. —种方法，其包括 显示患者解剖结构的手术前显象； 跟踪手术工具在所述患者内的位置； 对所述患者的解剖特征施加刺激； 确定所述解剖特征对所述刺激的响应；以及基于所述解剖特征对所述刺激的响应，修改所述手术前显象，以 改变所述解剖特征的显象。
全文摘要
本发明涉及手术导航和神经监视集成系统。该集成系统提供器械相对于患者解剖结构的显象的实时显象。该集成系统也获取和并入神经监视信息到患者解剖结构的显象中。
文档编号A61B19/00GK101616635SQ200880003260
公开日2009年12月30日 申请日期2008年1月17日 优先权日2007年1月25日
发明者E·J·里托斯基, J·B·克雷顿, T·A·卡尔斯, W·K·阿德考科斯 申请人:华沙整形外科股份有限公司