用于外科导航的电磁线圈设备和制造方法
【专利说明】用于外科导航的电磁线圈设备和制造方法
[0001]领域
[0002]本公开涉及电磁导航过程，并且更具体地说涉及用于产生或接收电磁场的线圈阵列。
[0003]背景
[0004]本部分提供与本公开相关的背景信息，所述背景信息不一定是现有技术。
[0005]基于电磁的导航过程包括外科医师使用导航系统来跟踪外科器械在三维(3-D)空间中的位置。除了外科器械，所述导航系统还包括定位器和处理器。定位器产生电磁场(或第一信号)，所述电磁场由外科器械检测。外科器械响应于第一信号产生和/或输出第二信号。处理器随后基于第二信号确定外科器械的位置。
[0006]导航系统可有助于确定指示探针和/或外科器械(如手术刀、导管、抽吸装置或脑深部刺激探针)上的跟踪装置的位置。指示探针可用于跟踪不具有跟踪装置的器械的位置。跟踪装置可指的是指示探针、外科器械或指示探针或外科器械上的装置。可确定跟踪装置相对于受试者(例如，患者)的位置。可通过将跟踪装置的图标或图像叠加在受试者的图像上来在显示器上示出跟踪装置相对于受试者的位置。
[0007]常常在对受试者进行手术之前、期间和/或之后获取受试者的图像数据以用于显示。受试者的图像和对应的图像数据可被配准到受试者。图像数据可限定第一三维空间(或图像空间)。受试者可限定图像数据配准到的第二三维空间(或物理空间)。可使用多个过程来执行配准。
[0008]电磁(EM)导航系统可用于获取或确定导航信息，包括各种跟踪装置的跟踪位置和对配准图像数据的相对位置。在EM导航系统中，EM场由定位器产生并由一个或多个跟踪装置感测。定位器可接近或相对于受试者空间定位。跟踪装置可定位在外科器械上或与其相关联。EM场可受到位于EM场区域中的导电或磁性材料的影响。导电材料的实例是金属、导电聚合物和浸渍聚合物材料。磁性材料的实例是软铁磁铁。
[0009]概述
[0010]本部分提供本公开的简要概述，并且不是本公开的全部范围或其全部特征的全面公开。
[0011]提供了一种电磁装置，并且所述电磁装置包括夹具和多条电线。夹具包括中心构件和线圈分离块。线圈分离块从中心构件突出并彼此分离以提供线圈通道。每条电线在夹具上缠绕在中心构件周围以及在一个线圈通道中以形成多个线圈中的一个。每一个线圈被配置来连接至电磁导航系统并产生将相对于受试者发射的相应的电磁场。
[0012]在其他特征中，提供了另一种电磁场装置，并且所述电磁场装置包括夹具和电线。夹具包括一对端部构件和中心构件。中心构件设置在所述一对端部构件之间。所述一对端部构件和中心构件一起提供线圈通道。线圈通道包括分隔器。中心构件、分隔器以及端部构件一起提供电线通道。电线缠绕在中心构件上和电线通道中以提供线圈。线圈被配置来连接至电磁导航系统并产生将相对于受试者发射的电磁场。
[0013]在其他特征中，提供了一种方法，并且所述方法包括形成包括中心构件和线圈分离块的第一夹具。线圈分离构件从中心构件突出并提供线圈通道。线圈通道彼此隔离并包括第一通道和第二通道。第一电线在第一夹具上缠绕在中心构件周围以及在第一通道中以形成第一线圈。第二电线在第一夹具上缠绕在中心构件和第一线圈周围以及在第二通道中以形成第二线圈。第一电线和第二电线被配置来连接至电磁导航系统，并产生将相对于受试者发射的相应的电磁场。
[0014]在其他特征中，提供了另一种方法，并且所述方法包括确定将被包括在发射线圈阵列中的包括第一夹具在内的夹具的数量。形成夹具。每一个夹具被形成为包括中心构件和一对端部构件。中心构件设置在一对端部构件之间。一对端部构件和中心构件一起提供线圈通道。电线缠绕在夹具上。每条电线缠绕在一个中心构件上以及在相应的一个夹具的一个线圈通道中以提供线圈。夹具安装在基板上以形成发射线圈阵列。每一个夹具安装在基板上的相应的位置中。线圈被配置来连接至电磁导航系统并产生将相对于受试者发射的电磁场。
[0015]从本文提供的描述其他应用领域将变得显而易见。此概述中的描述和具体实例仅旨在用于说明的目的而不旨在限制本公开的范围。
[0016]附图
[0017]本文描述的附图仅用于所选择实施方案而非所有可能的实现方式的说明的目的，并且不旨在限制本公开的范围。
[0018]图1是根据本公开的具有电磁导航系统的手术室的环境视图。
[0019]图2是根据本公开的包括夹具的发射线圈阵列的透视图，所述夹具各自具有多个线圈。
[0020]图3是用于图2的发射线圈阵列的具有三个正交缠绕线圈的夹具的透视图。
[0021]图4是图3的夹具和正交缠绕的线圈的侧视图。
[0022]图5是根据本公开的具有分开的缠绕通道的夹具的透视图。
[0023]图6是根据本公开的包括多个夹具的发射线圈阵列的透视图，所述夹具各自具有相应的线圈。
[0024]图7是用于图6的发射线圈阵列的夹具和对应线圈的透视图。
[0025]图8是图7的夹具和线圈的侧视图。
[0026]图9是根据本公开的具有分开的线圈通道的夹具和对应线圈的透视图。
[0027]图10是图9的夹具和线圈的侧视图。
[0028]图11是示出根据本公开的交叉部分的图9的夹具和线圈的侧视图。
[0029]图12是示出根据本公开的发射线圈阵列的一部分的透视图，其中单线圈夹具安装在相应取向中。
[0030]图13是根据本公开的实施方案的发射线圈阵列制造机器。
[0031]图14示出根据本公开的制造和安装图2的发射线圈阵的方法。
[0032]图15示出根据本公开的制造和安装图6和图12的发射线圈阵的方法。
[0033]贯穿附图的若干视图，对应参考数字指示对应部分。
[0034]详述
[0035]现在将参考附图更充分地描述示例性实施方案。
[0036]以下描述本质上仅仅是示例性的并不旨在限制本公开、申请或用途。应理解，贯穿附图，对应参考数字指示相同或对应的部分和特征。
[0037]EM导航系统的定位器可包括发射线圈阵列(TCA)。尽管本文涉及和/或公开的定位器被主要描述为包括用于发射信号的TCA(或线圈阵列)，TCA可用于接收信号。TCA可包括多组EM线圈。每组EM线圈可包括用于产生EM场的三个正交定位的线圈。下文公开其他布置。线圈布置包括单线圈布置和具有非彼此正交的线圈的线圈布置。正交定位的线圈具有相对于彼此呈直角的相应的中心轴线。EM导航依赖于精确且漫长的校准过程来校准TCA。校准过程还可能引起导航系统制造过程中的“瓶颈”。
[0038]所述校准过程主要由于TCA中的不一致性、不规则性以及不同的差异而执行。这包括线圈放置、每一个线圈的绕组数量、线圈电线的长度、线圈的大小、线圈之间的间距等的差异。下文公开的实现方式提供可将TCA的校准过程最小化和/或消除校准TCA需要的TCA。图2-图12和图14-图15示出TCA和对应的制造方法的实例。图1示出示例性EM导航系统20。EM导航系统20可包括相对于图2-图12和图14-图15示出和/或描述的任何TCA。
[0039]尽管EM导航系统20是主要相对于对人类患者执行手术来进行描述的，但EM导航系统20可用于对其他有生命或无生命的受试者执行手术。另外，本文公开的实现方式可应用于其他EM系统，并且用于除了跟踪装置位置的目的。例如，实现方式可用于产生经颅磁刺激系统中的EM场。另外，本文公开的手术可相对于体积、机械装置和/或封闭结构来执行。体积可为有生命或无生命的物体。受试者可为包括封闭机械装置的物体。
[0040]EM导航系统20执行引导过程。引导过程可为例如外科手术、神经手术、脊柱手术以及整形手术。EM导航系统20允许用户(如外科医师21)在显示器22上观察器械110在坐标系中的位置。坐标系可与如在图像引导过程中的图像相关，或者可与无图像过程相关。
[0041]EM导航系统20可作为基于图像的系统或作为无图像系统来操作。当作为无图像系统操作时，EM导航系统20可将受试者空间配准到代表受试者26的区域的图形显示器，而不是配准到受试者空间和图像空间二者。尽管可获取图像数据来确认器械或受试者26的解剖部分的各种位置，但不需要在任何时候获取受试者26的图像数据。可跟踪受试者26的位置，并且可跟踪器械110相对于受试者26的位置。
[0042]当作为无图像系统操作时，可确定解剖结构相对于器械的位置，并且可跟踪解剖结构和器械的位置。例如，可通过利用器械110触摸若干个点来确定髋白的平面。作为另一个实例，可按类似的方式确定股骨的位置。器械110和解剖结构的位置可在具有图标或图形的显示器上示出。然而，显示器可能不示出受试者26的捕获的实际图像数据。可提供其他数据，如图谱数据或变形图谱数据。图谱数据可为从受试者26产生或推广的图像数据。例如，可基于患者大脑的图像数据的详细分析产生脑图谱。下文进一步描述EM导航系统20作为基于图像系统的操作。
[0043]EM导航系统20可用于导航或跟踪刚性和柔性器械。刚性器械的实例包括钻具马达、探针、锥子、钻头、大外径(OD)针、大或非柔性植入物等。柔性器械的实例包括导管、探针、导线、小OD针、小或柔性植入物、脑深部刺激器、电引线等。器械110可用在受试者26身体的任何区域中。EM导航系统20和器械110可用在各种微创手术中，如关节镜、经皮、立体定向或开放手术中。
[0044]尽管EM导航系统20被描述为使用成像装置28来获取图像数据，但可获取和/或使用其他数据，如患者和非患者具体数据。成像装置28获取受试者26的术前、术中或术后图像数据和/或实时图像数据。成像装置28可为例如荧光X射线成像装置，所述荧光X射线成像装置可被配置为具有X射线源30和X射线接收装置32的C形臂。成像装置28上可包括并安装其他成像装置。可包括校准和跟踪目标以及辐射传感器。成像装置28可为荧光系统的部分，如双平面荧光系统、顶板荧光系统、导管室荧光系统、固定C形臂荧光系统、等中心C形臂荧光系统、三维荧光系统等。
[0045]EM导航系统20还包括成像装置控制器34。成像装置控制器34控制成像装置28:
(i)捕获在X射线接收部分32处接收的X射线图像，并且(ii)存储X射线图像。成像装置控制器34可与成像装置28分离和/或控制成像装置28的旋转。例如，成像装置28可在箭头28a的方向上移动，或者围绕受试者26的纵轴线26a旋转。这允许受试者26的前视图或侧视图被成像。这些移动中的每一个涉及通过构件36来围绕成像装置28的机械轴线的旋转。
[0046]可从X射线源30发射X射线并在X射线接收部分32处将其接收。x射线接收部分32可包括可从接收的X射线产生图像数据的摄像机。其他合适的成像装置和/或系统可用于产生或捕获图像数据。例如，可使用磁共振成像系统或正电子发射断层摄影系统。此夕卜，可包括通过例如C形臂控制器34来在选定的时间跟踪成像装置28的X射线接收部分32的位置的成像器跟踪装置38。图像数据可随后从C形臂控制器34无线或通过链路41转发至导航计算机40的处理模块。导航计算机40可包括被配置来执行指令以执行手术的处理模块。