用于无框架神经外科立体定向术的可调节立体定向装置和方法

专利名称：用于无框架神经外科立体定向术的可调节立体定向装置和方法
技术领域：
本发明涉及立体定向手术，尤其涉及无框架神经外科立体定向术。
背景技术：
立体定向手术也被称为立体定向术，是一种微创形式的外科手术，其利用三维坐 标系来定位身体内部的目标并且对它们执行一些动作，例如消融(除去)、活组织检查、损 伤(热损伤、X射线或Y射线诱发损伤)、注射、电刺激、植入等。希腊语中的“立体定向 (stereotactic)，，(另一种公认拼写为“立体定向(stereotaxic) ”)表示在空间中的移动。在神经手术中，立体定向程序涉及使用参考框架(一种配备有头部保持夹和杆的 机械装置)，该参考框架的坐标系(被称为零点或原点)将头部保持在固定位置。脑中的每 个点然后可以在正交参考系中以它的三个坐标(X，y和Z)为参考(笛卡尔坐标)，或备选 地，在极坐标系中也以三个坐标为参考角、深度和前后位置。在立体定向神经外科程序中 限定目标点的标准方法是在保持立体定向框架(或它的子集)的同时通过计算机断层摄影 术(CT)或磁共振成像(MRI)三维(3D)成像患者的头部。由于脑和框架在图像上可见，因此 当目标清楚可识别时目标点的坐标可以在框架的坐标系中直接被限定在图像上或者借助 于立体定向图谱被限定。最后，沿x，y和ζ方向(或备选地，在极坐标保持器中)以高精度 尺度配合的导杆允许神经外科医生沿着通过颅骨中的小螺旋钻的最佳轨迹用探头(电极、 针、套管、X射线或Y射线束等)到达在为预期结构算出的坐标处的脑内部的目标。该程序的主要优点是高精度。而且，立体定向术是神经外科实践中的经典程序，每个神经外科医生都受到该程 序的训练。它的主要缺陷明显在于在整个成像和手术程序期间，患者必须保持在放置框架期间和之后的压力和疼痛 的感觉若干小时，在手术程序期间头部固定在OR台上，这会由于一些操作的持续时间(若干小时) 而导致不舒服并且如果患者试图在操作期间移动则导致框架在他/她的头部上的非常不 适当的位移，导致探头放置精度的严重损失，由于框架所引起的MR扫描仪的磁场的失真，在用立体定向框架执行的MR成像中 有潜在伪影，这会导致在这样的图像上的靶向精度的损失。所以研究者试图提出立体定向框架的替代选择，同时作为严格要求保持高精度。在成像和神经外科机器人的组合上作出了主要努力将小置信标记物放置在患者 的颅骨上。进行3D成像(CT或MRI)，并且然后使用充分校准/配准程序使机器人手臂的坐 标系与由置信标记物限定的患者头部的坐标系配准。然后机器人手臂可以被放置在相对于 患者头部限定的预限定位置和取向，并且也充当用于在神经外科医生的控制下插入手术工 具(针、电极等)或自身进行插入(钻孔)的导向器/支撑器。尽管它部分满足精度要求和最小化患者的不舒服，但是这样的系统的主要缺陷是在使用、校准和维护它们时的高度 复杂性，并且最重要的是它们的过高成本，这使得世界上只有非常有限的少数医院买得起 这样的系统。最后，在让机器人独立于头部移动的过程中有内在的程序风险。由于所有这 些原因，神经外科机器人系统与经典立体定向框架相比没有竞争力。在2000年初，美国田纳西州纳什维尔市范德比特大学医学中心提出了 STarFix技 术，该技术在于为每个患者定制的患者特定三脚架。该程序如下基于预期入口区域位置， 将类似于置信标记物的锚固器拧接在患者的头部上，并且然后通过CT或MRI扫描患者。然 后使用手术计划软件相对于由锚固器限定的坐标系限定目标点。然后将相应数据发送(通 过互联网)到制造商(美国缅因州Bowdoinham市FHC公司)，制造商实现被称为STarFix 的个性化三脚架。然后使用锚固器将该三脚架固定到患者头部上。将导向工具固定到三脚 架以实现操作。在互联网上在http://www. fh-co. com/p67-69B. pdf可以找到更多的细节。该程序的优点是它的复杂性低和患者的舒适性增加，以及它与若干导向和工具保 持装置的兼容性。其他优点包括精度(类似于基于框架的程序)、简单性和效率。但是有若干重要缺陷制造商必须为每个手术操作实现一个新的三脚架。实现耗时1到3天。而且，公 司位于美国，当患者在另一个国家或大陆接受手术时这会在将三脚架从制造商运输到用户 的过程中引起额外延迟。因此，在此期间，锚固器必须保持植入患者头部，这会导致疼痛和 潜在的感染。最重要的是，一旦实现三脚架，没有办法修改手术计划三脚架严格基于术前 计划，在手术期间轨迹绝对不能改变以适应意外事件。计划的任何变化将需要实现新的三脚架，S卩，如果患者不在美国则有上述缺陷的 另一个1到3天延迟。在以下公报中描述了立体定向装置的典型例子WO 2004/058086, US2006/0192319, US 6，282，437 和 WO 2005/039386。

发明内容
本发明提出了一种使用外部校准装置设置固定在患者的头部上的插入导向装置 的几何形状的新方式，导致固定在患者的头部上的元件的最小化，同时在精度和简单性方 面保留立体定向程序的优点。在一个方面中，本发明由三个基本部件组成插入导向装置，校准装置和基于图像 的手术计划软件。定标器(caliber)用于引导三个锚固器植入患者的头部。它例如由带有三个球形 接头的环制造，所述三个球形接头保持所述三个锚固器使得这三个接头的中心处于固定几 何形状。所述三个锚固器使用所述定标器固定在患者颅骨上(例如植入患者的颅骨中或 通过其他等效手段附连)。如下文详细所述，它们被设计为将定位器和三脚架自身固定在患 者的头部上。所述三脚架基本由钻有孔的中心球形接头制造，所述孔将充当插入手术工具 (针、电极等)的导向器。该中心接头由处于固定几何形状的三个腿部支撑。在每个腿部的 末端，球形接头支撑将附连在患者的锚固器上的固定系统。这三个球形接头的中心正好处于与所述定标器的接头的中心相同的几何形状，即，它们正好形成相同的三角形。另外，所 述三脚架的中心接头安装在移动平台(被称为χ-y平台)上，所述移动平台使用两个测微 螺钉允许所述接头在三脚架头部的平面中很精确和受控地移位。所述校准装置用于基于手术计划设置所述三脚架的中心球形接头的取向以到达 目标点。所述手术计划软件允许模拟和计划全部操作，并且使用校准装置返回用于将所述 三脚架的中心球形接头固定在所需取向的值。


图1示出了允许以适当几何形状放置三个锚固器的“定标器”；图2示出了放置在患者的颅骨上的三个锚固器；图3示出了固定在锚固器上的定位器(标记物)；图4示出了在其上带有插入导向装置的校准装置，校准目标点处于由手术计划软 件限定的位置(X，1，ζ)；图5示出了放置在患者的头部上的锚固器的插入导向装置；图6示出了根据本发明的方法的框图。
具体实施例方式通过下面使用根据本发明的系统和参考示范性视图详细描述对患者的头部的典 型立体定向手术将更好地理解本发明。如图1中所示，考虑在手术操作之前由神经外科医生成像的脑中的目标点12和颅 骨1中的进入点(例如基于术前成像或任何其他调查手段)，外科医生在患者的头部中植 入至少三个锚固器2，2'，2"，所述锚固器以这样的方式被定位使得将固定在那些锚固器 上的标记物5，5'，5"(参见图3)将例如通过定标器3处于精确的预定相对位置(预定 几何形状)。在如图所示的三个锚固器2，2'，2〃中，这表示标记物5，5'，5〃，更具体而 言标记物的圆形末端的中心，必须形成对应于如随后下文所述的校准装置的精确预定三角 形。为此，外科医生例如可以使用定标器3，即，允许根据预期相对位置定位三个锚固器2， 2'，2〃的刚性装置。在图2中示出了该情况，其中三个锚固器2，2'，2〃例如均通过螺钉 4,4'，4"或其他等效手段在这样的位置附连到颅骨1使得将附连到它们的标记物将处于 预定相对位置。当然，如果需要的话可以使用三个以上锚固器。定位器或标记物5，5'，5"然后附连(例如拧接或通过任何其他合适的等效手段 固定)到每个所述锚固器2，2'，2〃上。这些标记物5，5'，5〃由与使用的成像系统(例 如CT或MRI)兼容的材料制造并且在由使用的成像系统产生的图像上可见。然后扫描患者 以产生他/她的头部的3D图像体积，其中标记物5，5'，5〃和手术的目标清楚地可见并且 可以被识别。然后将带有标记物的患者的3D图像装载到手术计划软件中。图像例如在正交模 式中显示在计算机的屏幕上，即，在相同时间显示体积的三个正交部分。其他或补充显示模 式也是可能的，例如3D绘制。然后在被显示图像上识别目标点12和三个标记物5，5'，5〃 的位置。这可以手动地进行，用户用鼠标或其他等效手段识别那些点。备选地或补充地，自动图像分析算法可以用于执行该任务。另外，必须在相同图像体积上手动地或通过任何自 动手段识别手术的目标点12。这允许计算目标点12相对于由标记物5，5'，5"组成的参 照的相对位置。在随后阶段为了执行手术程序，插入导向装置6将固定在患者的锚固器2，2'， 2"上，并且外科器械14(电极、针、套管)将通过在颅骨1中通过插入导向装置6的插入导 向器7钻出的小孔15插入脑中。插入导向装置6由支撑插入导向器7的活动部分制造，所 述活动部分可以自由旋转以指向目标点12。关键问题在于朝着目标点12精确地定向该活 动部分。为了实现该目标，根据本发明，使用校准装置8 (参见图4)。该校准装置8携带一 组校准锚固器9，9'，9"，它们的数量等于由患者携带的锚固器2，2'，2"的数量。每个校 准锚固器9，9'，9〃携带与标记物5，5'，5"相同的校准标记物10，10'，10"，并且它们 的圆形末端的相对位置与先前固定在患者的颅骨上的标记物5，5'，5"的圆形末端的相对 位置相同。优选地，根据本发明，校准锚固器9，9'，9"的位置是固定的，使得校准标记物 10,10'，10"也是固定的，它们的圆形末端的中心处于指定相对位置，并且定标器3用于 将锚固器保持在相应位置使得标记物5，5'，5"具有与它们的圆形末端相同的相对位置。可以理解，该校准装置8允许校准目标点11相对于校准装置的校准锚固器9，9'， 9"和校准标记物10，10'，10"放置的位置与实际目标12相对于固定在患者的颅骨上的 标记物5，5'，5"的位置相同。校准目标点10的放置例如可以通过测微x-y-z平台或通过 其他等效手段实现。如上所述，优选地在手术计划阶段通过手术计划软件限定实际目标12 相对于标记物5，5'，5"的相对位置。当然，其他等效方法可以用于实现该目标。然后在与校准目标点11相反的一侧将插入导向装置6放置在校准装置8的校准 标记物10，10'，10"上。将与在手术期间将被使用的外科装置14相似或相同的外科校准 装置13(例如针)插入保持自由旋转的插入导向器7中。然后手动地或自动地移动和调节 校准外科装置12以精确地接触校准目标点11。一旦就位，紧紧地阻塞插入导向装置6，使 得导向器7的取向和位置不再改变。然后从校准装置8的校准标记物10，10'，10〃去除插入导向装置6并且转移到附 连到患者的标记物5，5'，5〃上。标记物5，5'，5〃可以是用于上述成像步骤的标记物，或 者备选地，它们可以是由其他材料制造的替代标记物。实际上，生产在患者的图像上可见的 这样的标记物会相当贵，因此会有兴趣用由更便宜的材料制造的其他标记物来代替用于成 像的标记物。在这样的方法中的另一个优点是使用无菌的替代标记物，而一旦成像步骤完 成，用于成像的标记物并非如此。通过该手段，保证了朝着在装置的校准步骤中再现的手术的实际目标点12精确 地定向插入导向器7。外科医生现在可以去除外科校准装置13并且通过孔15将外科装置 14(如果不同于外科校准装置13)插入患者的头部中。这在图5中被示出。另外，插入导向装置6可以配备有活动部分，允许在插入导向装置6的平面中很精 确地移位插入导向器7的轴。为该目的可以使用小的测微χ-y平坦或其他等效手段。这可 以用于在操作期间稍微移位计划轨迹以到达目标点附近，或改变器械在颅骨中的进入点， 从而例如避免轨迹上的静脉或任何其他障碍物。可以基于在特定手术计划软件中显示的图 像来定义移位(χ和y移位)的定义，并且在校准步骤之前报告插入导向装置6。它也可以
7在外科医生的操作决定这样做时改变。一种根据本发明的方法包括至少以下步骤-)在患者上放置和附连至少三个锚固器；-)将标记物附连到所述锚固器，所述标记物具有预定相对位置；-)采集患者的头部的一个或若干3D图像，其中手术的目标点和标记物是可见的；-)在所述图像上确定目标点和它相对于锚固器的标记物的位置；-)提供带有至少三个校准标记物的校准装置，所述校准标记物具有与患者上的标 记物相同的相对位置；-)放置校准目标点，所述校准目标点相对于校准标记物的位置与目标点相对于患 者上的标记物的位置相同；-)将带有插入导向器的插入导向装置放置在所述校准支撑器上；-)将手术校准装置插入所述插入导向器中并且定向所述插入导向器使得手术校 准装置到达校准目标点；-)在插入导向装置中阻塞插入导向器的位置；-)将插入导向装置从校准标记物转移到患者上的标记物上以便能够执行外科手 术介入。如上所述，优选地在患者上使用至少三个标记物，但是也可以预见更多数量。而 且，标记物可以随后附连到锚固器，或者它们可以被整合到锚固器中。如上所述，患者上的标记物在整个过程中可以是相同的，或者可以在成像步骤中 使用第一组标记物(即，在产生的图像上适当可见的标记物)并且在外科手术中使用另一 组标记物，所述另一组标记物由更便宜的材料制造。因此，优选地使用可以附连到锚固器和 从锚固器去除的标记物。可以由用户(例如外科医生)在图像上自动地或手动地确定标记物和目标点。而 且，其他等效技术可以用于代替成像。优选地，在校准装置8上的校准标记物10，10'，10〃的相对位置是固定的，并且 用附连到患者的标记物5，5'，5〃再现该相对位置。这例如通过用于放置锚固器2，2'， 2"的定标器3进行。当然除了定标器以外的其他等效手段可以用于实现该目标。也可以预见将锚固器2，2'，2〃和标记物5，5'，5〃附连到患者，然后测量标记 物5，5'，5〃的相对位置并且在校准锚固器10，10'，10〃上再现该相同相对位置。与现有技术相比，本发明克服了 STarFix系统的所有缺陷-)该装置未被设计为用于一个指定患者，而是可以适合于任何患者，并且因此患 者之间可以再使用。所以它总是可获得的。由诸如FHC公司这样的制造商实现定制三脚架 引起的延迟因此被消除；-)该程序的不同步骤是简单的，并且不会耗费很多时间。它们可以容易地一个接 一个顺序地实现而不像带有框架的经典立体定向程序那样有中断；-)患者不必多天携带锚固器，由此最小化持续疼痛和感染的风险。而且，可以在操作期间通过若干方式改变和适应该程序。外科医生例如可以在操 作期间使用三脚架上的χ-y平台稍稍平移轨迹，或简单地实时进行另一个校准。通过对校准目标11的定位(其中可以获得高精度)而不是对三脚架的中心接头的取向(其中在工具(针、电极)的尖端报告的重要误差可以由接头的取向的小误差引起) 施加精度限制，校准装置8的使用保证了最佳精度。对于外科医生来说，该程序需要很少的训练。由于装置的更小尺寸和重量，它实际 上比已知技术更简单。对于患者来说，使用本发明的该程序比带有框架的经典程序和使用上述STarFix 装置(在锚固器植入头部之后需要等待几天直到个性化三脚架可获得)的程序更精确、安 全和实际上更舒服。最后，包括硬件和软件的该系统的预期成本明显低于神经外科机器人的成本，使 得任何神经外科服务机构能买得起。本发明并不限于上述系统和方法，例如通过使用等效手段，修改是可能的。而且，给出的示例性例子涉及神经外科手术介入，但是当然其他外科和非外科应 用能够使用本发明的公开装置和方法，并且该描述不应当被理解为在这方面进行限制。参考数字1患者的颅骨2锚固器2'锚固器2〃锚固器3定标器4螺钉(用于锚固器)4'螺钉(用于锚固器)4〃螺钉(用于锚固器)5标记物5 ‘标记物5〃标记物6插入导向装置(I⑶)7插入导向器8校准装置9校准锚固器9'校准锚固器9〃校准锚固器10校准标记物10'校准标记物10〃校准标记物11校准目标点12实际目标13外科校准装置14外科装置15颅骨中的孔
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权利要求
一种用于患者的立体定向的系统，包括至少三个锚固器(2，2′，2″)，其用于附连到患者并且配备有标记物(5，5′，5″)，插入导向装置(6)，其带有用于附连到所述锚固器(2，2′，2″)的插入导向器(7)，外部校准装置(8)，其带有对应于所述标记物(5，5′，5″)的至少三个校准标记物(10，10′，10″)，以及计划和成像软件；由此所述计划和成像软件用于确定患者中的目标点相对于标记物(5，5′，5″)的位置，所述校准装置用于在将插入导向装置安装在附连到患者的所述标记物(5，5′，5″)上之前，使用软件的确定校准和定向安装在所述校准标记物(10，10′，10″)上的插入导向装置(6)的插入导向器(7)。
2.如权利要求1所述的系统，其中它包括带有三个标记物的三个锚固器(2，2'，2")。
3.如权利要求1或2所述的系统，其中它包括定标器(3)，所述定标器3用于放置锚固 器(2，2'，2〃)使得标记物(5，5'，5〃 )处于对应于校准标记物(10，10'，10〃)的位置 的预定位置。
4.如前述权利要求中的任一项所述的系统，其中标记物(5，5'，5")可拆卸地附连到 锚固器(2，2'，2〃)。
5.如前述权利要求中的任一项所述的系统，其中它包括仅仅在成像过程中用于成像目 的的成像标记物(5，5'，5")和用于其他步骤的替代标记物。
6.一种使用如前述权利要求中的任一项所述的系统的方法，至少包括以下步骤 -)在患者上放置和附连带有标记物的至少三个锚固器；-)确定目标点和它相对于标记物的位置；-)提供带有至少三个校准标记物的校准装置，所述校准标记物具有与患者上的标记物 相同的相对位置；-)放置校准目标点，所述校准目标点相对于校准标记物的位置与目标点相对于患者上 的标记物的位置相同；-)将带有插入导向器的插入导向装置放置在所述校准标志物上； -)将手术校准装置插入所述插入导向器中并且定向插入导向器使得所述手术校准装 置到达校准目标点；-)在插入导向装置中阻塞插入导向器的位置；-)将插入导向装置从校准标记物转移到患者上的标记物上以便能够执行外科手术介入。
7.如权利要求6所述的方法，其中在3D成像过程中确定目标点相对于标记物的位置。
8.如权利要求5或6所述的方法，其中将校准标记物的相对位置转移到固定到患者的 标记物。
9.如权利要求5或6所述的方法，其中将固定到患者的标记物的相对位置转移到校准 标记物。
10.如权利要求6-9中的任一项所述的方法，其中固定到患者的标记物包括两组标记 物，第一组标记物用于确定目标相对于标记物的位置，并且第二组标记物用于在外科手术 期间支撑插入导向装置。
11.如权利要求10所述的方法，其中第一组标记物由与成像系统兼容的材料制造并且 在由成像系统产生的图像上可见。
全文摘要
一种系统包括至少三个锚固器(2，2′，2″)，其用于附连到患者并且配备有标记物(5，5′，5″)；插入导向装置(6)，其带有用于附连到所述锚固器(2，2′，2″)的插入导向器(7)；外部校准装置(8)，其带有对应于所述标记物(5，5′，5″)的至少三个校准标记物(10，10′，10″)；以及计划和成像软件。所述计划和成像软件用于确定患者中的目标点相对于标记物(5，5′，5″)的位置，所述校准装置用于在将插入导向装置安装在附连到患者的所述标记物(5，5′，5″)上之前使用软件的确定校准和定向安装在所述校准标记物(10，10′，10″)上的插入导向装置(6)的插入导向器(7)。
文档编号A61B17/34GK101938952SQ200880123404
公开日2011年1月5日 申请日期2008年11月5日 优先权日2007年11月5日
发明者克劳迪奥·波洛, 简-飞利浦·西兰 申请人:洛桑联邦理工学院;洛桑大学