专利名称：轴向外科轨道导引器及导引医疗装置的方法
技术领域：
本发明涉及与在医疗程序期间导引例如针或探头等轴向医疗器械相关的设备及方法。
背景技术：
·在医疗程序期间，通常需要外科医生将例如针、分流器或探头等轴向外科器械插入到患者中以到达患者体内的预先选定的目标。有此需要的一些示范性外科程序包含活检程序及侵入性神经外科程序。为了获得轴向外科器械的相对准确放置，当前惯例是使用依赖于患者的包含目标的一个或一个以上图像的导航技术，例如，众所周知的计算机断层摄影(CT)技术，其提供患者身体的三维体积图像信息(即，“CT图像”或“CT数据集”)。如本文中所使用，术语CT并不限于特定扫描技术，且囊括任何可用技术，例如X射线、2D投影X射线、C臂装置、磁共振成像、超声波以及能够产生患者身体的可用于计划及执行导航外科程序的图像或体积切片的其它类型的成像装置。在获得患者的CT图像之后，由医疗人员在CT图像中识别目标及进入点，且依据这些点识别外科器械的线性轨道。通常借助于计算机系统在适当软件的控制下来执行此操作，所述软件将计算相对于垂直重力向量以及相对于CT扫描仪的坐标系的俯仰角及偏转角。通过已知映射技术，例如参考在患者及CT图像两者上可见的网格或其它标记在患者上标记进入点。依据俯仰角及偏转角，可接着将轨道从图像空间传送到实际患者空间，且可相对于进入点对准外科器械。因此，举例来说，在介入性放射中，在CT引导下的针放置是最先进的程序。将患者定位于CT扫描仪的门架中且在程序期间的不同时间处获得数个CT扫描以局部化进入点并将针插入到身体中的目标点。一些示范性应用包含软组织活检(例如，肺、肝脏、肾脏)、骨活检、椎体成形、RF切除等。所述程序通常借助直针形器械来执行。进入点的局部化通常比患者内部的目标点的局部化问题少。对于进入点局部化，通常借助所关注区域中的网格来对患者进行扫描。在CT扫描中识别出网格条带且其用于使在CT图像中识别的计划进入点与患者上的身体进入点相关。对于目标点局部化，医师通常必须依据CT图像根据计划手动地对准角度且需要进行有规律的周期扫描以监视及控制轨道。因此，针到目标的引导为具有反复控制扫描的反复过程且在丢失目标的情况下通常需要修正针轨道路径。此使得所述程序耗费时间且对患者及医师产生高的X射线暴露量。现代的CT扫描仪提供“CT荧光透视(CT-Fluoro) ”模式，其允许几个切片中的恒定成像。此特征允许医师现场显现针向组织中的穿刺，但其也使患者及工作人员暴露于高剂量X射线且仅允许在CT的轴向平面中的途径(“平面中途径”)。然而，通常，在CT扫描的平面中到目标的途径是不可能的，例如当肋骨阻挡所述途径时或当将必须穿刺关键软组织时。用于将患者空间中的外科器械对准成与CT图像空间中的计划定向相同的定向的其它已知方法通常较繁琐及/或需要复杂的导航系统。一些系统使用外科导航系统来帮助外科人员导引针。举例来说，第2008/0200798号美国专利申请公开案揭示一种活检针导引器，所述活检针导引器具有两个独立的弓形角度导引器以允许导引管围绕单个点枢转且适于粘附地附接到患者的皮肤。所述针导引器特别适合于在CT扫描图像中可见且还具有由单独光学计算机外科导航系统以此项技术中已知的方式追踪的特别适合的导航标记。接着，使来自外科导航系统的图像与CT扫描图像配准以允许外科工作人员确保针导引器以CT扫描图像中界定的定向在患者上对准。在一个实施例中，活检针导引器特别设计有间隔开的标记以帮助识别与CT扫描图像平面的适当对准。第7，876，942号美国专利中揭示基于光学导航系统的另一针导引系统，其中光学导航摄像机直接附接到活检针且具有基准标记的贴片在患者上的选定进入点的区中附接到患者。然而，此类系统除CT成像设备以外还需要复杂的光学外科导航系统，且通常需要在患者上附接追踪标记以便能够使CT图像与患者配准。在其它系统中，在不使用光学计算机外科导航系统的情况下，活检针相对于局部垂直重力向量对准。美国专利申请公开案第2005/0033315号、EP 0414130及EP 0535378揭示基于此原理操作的一些代表性系统。在这些系统中，通常，气泡水平仪或其它机械调平装置用于对准导引器并将对准导引器维持于水平平面中(即，垂直于局部垂直重力向量) 使得可以某一经界定的轨道角度插入针同时使针导引器保持水平。然而，这些系统的缺陷是对准导引器通常必须维持在水平状况中且在垂直CT扫描图像平面的平面中对准以便能够准确地界定所要轨道。EP 1977704揭示一种对准导引器，所述对准导引器使用钟摆在两个垂直平面中自动地识别重力向量使得可在两个独立的垂直平面中对针导引器进行角度调整。以此方式，将所述针围绕偏转角(横向水平轴)调整一个钟摆集合，且其具有用于围绕俯仰角(纵向水平轴)调整针进入角度的量角器。所述对准导引器经设计为操作者免手持的且不附接到患者。同样，此系统的缺陷是必须使所述对准导引器以至少一个旋转自由度维持于特定水平定向中。本发明的发明人已开发出一种可通过消除对外部光学导航系统的需要或消除在能够计算患者空间中的所要轨道之前使轴向导引器维持于特定水平平面中的需要来克服先前已知系统的缺陷中的至少一些缺陷的系统。
发明内容
在本发明的一个实施例中，一种用以将医疗装置导引到枢轴点的外科轨道导引器包含底座，所述底座可以固定位置附接到患者。所述轨道导引器还包含轴向导引部件，所述轴向导引部件与所述底座连接且沿着与所述底座成固定关系的第一轴及垂直于所述第一轴的第二轴与枢轴点对准。所述导引部件具有纵向轴，且所述底座与所述轴向导引部件之间的所述连接使得所述纵向轴始终穿过所述枢轴点且使得防止所述轴向导引部件环绕所述纵向轴旋转。所述轨道导引器进一步包含至少一个电子角度传感器，所述至少一个电子角度传感器与所述轴向导引部件相关联且适于在不必调平所述底座的情况下自动地感测所述轴向导引部件相对于围绕所述第一轴的局部重力向量的第一角度及所述轴向导引部件相对于围绕所述第二轴的局部重力向量的第二角度。本发明的第二实施例为一种在程序期间导引轴向医疗器械的方法，所述方法包含将具有轴向导引部件的轨道导引器放置于患者上使得所述轨道导引器的第一轴与成像装置的预定轴对准的步骤，其中所述轴向导引部件具有穿过所述第一轴上的枢轴点的纵向轴，且其中防止所述轴向导引部件环绕所述纵向轴旋转。所述方法还包含调整所述轴向导引部件使得所述纵向轴位于所述轴向医疗器械的计划轨道上的步骤。最后，所述方法包含将轴向外科器械放置于所述轴向导引部件中以执行医疗程序的步骤。在考虑以下详细描述后，本发明的其它方面及优点将即刻变得显而易见。
图1是操作地定位于CT扫描仪中的患者的示意图，其展示CT扫描仪的基本部分及坐标框架；图2是根据本发明的轨道导 引器的实施例的等距视图，所述轨道导引器具有包含两个正交对准的弓形角度导引器的角度调整机构；图3展示根据本发明的方面操作者将本发明的轨道导引器定位于CT扫描仪中的患者上；图4展示根据本发明的方面操作者调整轨道导引器的对准以匹配预先选定的轨道；图5是轨道导引器的另一实施例的等距视图，所述轨道导引器具有包含单个弓形角度导引器及在所述弓形角度导引器上独立地滑动的滑架的角度调整机构；图6是轨道导引器的另一实施例的等距视图，所述轨道导引器具有包含连接到底座的连杆及导套的角度调整机构；图7a到7d为轨道导引器的又一实施例的视图，所述轨道导引器具有呈半球形布置的角度调整机构；图8是轨道导引器的再一实施例的等距视图，所述轨道导引器具有防止围绕纵向轴旋转的角度调整机构；图9是轨道导引器的额外实施例的等距视图，所述轨道导引器具有呈铰链节形式的角度调整机构；图10是轨道导引器的又一实施例的等距视图，所述轨道导引器包含用于附接包含集成式角度传感器的便携式显示装置的对接机构；且图11是轨道导引器的另一实施例的等距视图，其中传感器位于插入到导引器中的器械上。
具体实施例方式举例来说，当借助于计算机断层扫描(CT)导引系统进行外科程序(例如活检)时，通常可关于CT扫描仪的设置做出可辅助例如活检针等外科工具的导航的一些基本假设。如图1中所展示，CT扫描仪100通常具有与门架104相关联的坐标系102或CT坐标空间以供在为有益地使用CT扫描仪100及相关联CT图像数据(未展示)而可能需要的导航及其它空间计算时使用。具体来说，通常将CT扫描仪门架104设置于“水平”定向中。换句话说，CT扫描仪100的CT坐标空间102的垂直Y轴106平行于局部重力向量(未展示)，且CT坐标空间的由X轴110与Z轴112形成的X-Z平面108因为其垂直于垂直Y轴而为水平的。如果Z轴112为与安装于CT扫描仪100的门架104上的患者诊察床113的纵向轴114平行的轴，那么患者横向轴116为横向于患者诊察床113的纵向轴114的轴，且患者矢状轴118为穿过门架104的垂直轴，那么偏转表示相对于矢状轴118环绕纵向轴114的旋转(即，患者朝向患者的右侧或左侧的旋转)的角度，且俯仰表示相对于矢状轴环绕横向轴116的旋转(即，患者朝向患者的头或脚的旋转)的角度。在其中患者与CT扫描仪轴彼此平行的这些条件下，可自动地使偏转及俯仰与局部重力向量相关。在经调平CT扫描仪100的坐标系中给出这些角度。如图3中所展示，典型的CT扫描仪具有标记平行于X轴110且位于CT扫描仪100的(X-Y)平面120上的线122的激光。为方便起见，将在整个以下描述中使用这些坐标参考，条件是本发明并不取决于所使用的特定定向或类型的坐标系。此外，只要患者被固定化且不相对于诊察床113移动，就可在如下所描述的计算中的任一者中忽略所述患者轴。所揭示系统的一个方面涉及在介入性放射程序中在CT导引下导引针状器械。也 可使用X射线断层摄影、磁共振(MR)导引或产生可以类似方式使用的维度图像数据输出(2D或3D)的其它类似图像模态装置，且除非另有规定，否则将在通篇中使用术语“CT”来指代可提供必需图像数据功能性的所有此些模态。识别并以常规方式在患者的身体上标记进入点，例如通过患者上的在由CT扫描仪获得的CT图像中可见的网格。用于界定轴向器械的轨道的导航式对准工具或“轨道导引器”具有允许针与所要轨道对准的传感器。在于CT控制台计算机上获取第一 CT扫描(诊断扫描)之后，在计算机上界定进入点、目标点并依据这些点界定轨道，且优选地在显示屏幕上展示所述点及轨道。在识别了进入点的情况下，用于完整界定轨道的仅存自由度为两个角度偏转及俯仰，假定其由CT控制台计算机以常规方式输出。当然，可使用不在CT扫描仪上的其它计算机，且术语“控制台计算机”意在囊括任何此种计算机。本发明的一个实施例包含具有轴向导套的“轨道导引器”，其具有集成式角度传感器，例如基于微芯片MEMS (微机电传感器)技术的传感器。图2展不轨道导引器的第一实施例的描绘。轨道导引器200具有底座202，其适于在进入点处抵靠患者的皮肤放置；导套204，其经由枢轴点206围绕两个自由度独立地枢转；及集成式角度传感器208，其测量导套204相对于局部垂直重力向量的角度。底座202优选地为平坦部件、例如板或环；然而，所述底座可为能够抵靠患者放置且优选地使轨道导引器维持于如下文所论述的稳定对准位置中的其它形状。底座202具有从中穿过且包围枢轴点206的孔口(看不到)。套204具有经定大小以允许例如活检针、探头或其它轴向装置(未展示)等选定外科工具从中延伸的孔口 210。套204具有可通过围绕X’轴的角度枢转(即，俯仰)及围绕Z’轴的角度枢转(即，偏转)而以两个自由度调整的纵向轴212，如图式中所描绘。角度传感器208自动地测量轨道导引器200的纵向轴212相对于局部重力向量的角度并输出表示测量值的数字角度数据。在此实施例中，角度传感器208集成到轨道导引器200的导套204中。由于角度传感器208测量相对于局部重力向量的角度，因此底座202不需要为水平的，且底座可相对于重力成任何角度，只要所述底座与X’轴对准即可。通过测量纵向轴212相对于局部重力向量的角度且通过防止导套204围绕纵向轴212旋转，可确定导套204的对准，即，相对于CT扫描仪100的轴向平面120的俯仰及相对于矢状平面(Y-Z)的偏转。角度传感器208优选地包含MEMS角度传感器，所述MEMS角度传感器数字感测传感器208相对于局部重力的角度的改变使得单个传感器可检测导套204的俯仰及偏转两者的改变。如果角度传感器208垂直于导套204的纵向轴212对准且平行于CT装置100的X轴110或Z轴112对准，那么关于导套204的俯仰及偏转的数据将直接与CT装置100的坐标系相关且因此与患者的坐标系相关。此将使得能够简单地且在不必不断地取得患者的X射线或其它扫描的情况下确定到患者内的目标点的途径，因此使患者及操作者两者的辐射暴露最小化。轨道导引器200具有用以从传感器208传送数据的适当数据接口 228 (例如导线数据端口或者无线发射器或收发器)以允许控制台计算机获得供在导航及/或计划在其中执行的例程时使用的数字角度数据。如稍后将论述，显示器也可具有用以直接向操作者显示数据的集成式角度传感器。底座202优选地包含与轨道导引器200的V轴218及V轴216中的一者或两者对准的一个或一个以上标记214，X’轴218及V轴216两者延伸穿过枢轴点206，导套204围绕枢轴点206以俯仰及偏转自由度旋转。枢轴点206相对于底座202处于固定位置中且经设计以直接放置于患者上的进入点的顶部上，使得枢轴点206可在轨道导引器200的使用期间与进入点大致毗连。因此，沿着纵向轴212穿过导套204的导引路径在导套204的每个角度位置处延伸穿过枢轴点206且在适当放置于患者上时穿过患者上的进入点。 因此，重要地，防止导套204围绕其纵向轴212随底座的旋转移动。此可以许多不同方式来实现，关于本文中所揭示的各种实施例来描述所述方式中的几种。举例来说，此允许角度传感器208将环绕CT扫描仪的X轴110的移动与环绕CT扫描仪的Z轴112的移动区分开。在对导套204围绕其纵向轴212的旋转进行此限制的情况下，不需要轨道导引器的校准(或配准)。角度传感器208始终参考重力，且因此自动地与CT扫描仪的Y轴106配准。如果不防止导套的旋转移动，那么在不添加额外校准或配准步骤的情况下，简单的球窝节将是不够的。轨道导引器200还包含角度调整机构，所述角度调整机构包含彼此正交安置且分别在X’ -V RV -Y’平面中对准的外角度导引器236及内角度导引器238。导套204呈伸长中空开口管242的形式且以允许导套204在穿过底座202的孔口上方相对于所述底座移动的方式附接到底座202。底座202与导套204之间的连接可为任何适合节头或连接，例如但不限于球窝节(未展示)。角度导引器236及238中的每一者呈一对平行间隔开的半圆形导轨244及246的形式，半圆形导轨244及246以与相应V轴或V轴对准的两个枢轴连接248及250可枢转地附接到底座202。内角度导引器238的导轨246从外角度导引器236的导轨244径向向内安置使得内及外角度导引器可跨越彼此独立地滑动。滑架部件252可滑动地附接到角度导引器236及238中的每一者及导套204的顶端。滑架部件252在内角度导引器236及外角度导引器238中的每一者之间且沿着所述每一者独立地滑动，使得导套204围绕界定导套204的枢轴点的V轴与V轴相交点以俯仰及偏转独立地枢转。因此，导套204的纵向轴212始终穿过枢轴点对准，且插入到对准导引器204的孔口210中的针或其它轴向器械将始终经对准以在将枢轴点放置于患者上的进入点的顶部上时穿过导套204伸到进入点中。滑架部件252优选地与导套固定地紧固在一起且防止导套围绕其自己的纵向轴210旋转。滑架部件252可任选地包含锁定机构260 (例如凸轮或螺旋型锁)以将导套204锁定于选定定向中。替代地或另外，每一角度导引器可具有其自己的锁定部件以允许独立地锁定每一角度导引器。优选地，轨道导引器200由操作者使用CT扫描仪的投影线122的激光投影手动地旋转，使得X’轴218位于CT扫描仪的X轴110上。在角度传感器与轨道导引器200的X’轴218对准且平行于CT扫描仪100的X轴110的情况下，传感器208能够测量两个独立角度(即，两个自由度)作为环绕CT扫描仪100的Z轴112的角度的偏转及作为环绕CT扫描仪100的X轴110的角度的俯仰，所述两个角度为在于控制台计算机上以CT扫描数据进行计划期间使用的相同角度。只要轨道导引器200的X’轴218与CT扫描仪100的X轴110对准，就不必在水平平面中调平轨道导引器200，即，轨道导引器的底座在患者上不必为“水平”的。由于患者已固定化在CT诊察床113上，因此轨道导引器200与线122的对准也将使导引器200与患者的轴向轴及横向轴对准。此提供胜过为了获得所要的计划轨道而需要使导引器维持于某一水平状况中的各种轨道导引器的显著益处。另外，导套204可容易地由具有不同直径及/或形状的导套替换以适应不同器械或者可装配有插入件以适应不同形状的器械。控制台计算机可使用从轨道导引器200接收的角度数据来计算导套204相对于CT扫描仪的Y轴106在俯仰及偏转自由度(即，重力或局部垂线)上的轨道，并以可用方式在显示装置上显示所述轨道的表示(例如叠加在CT图像上)或对辅助操作者将导套放置于所要轨道中有用的其它显现。为了实现此操作，操作者(例如外科医生或放射科医生)借助直接在标记于患者上的选定进入点的顶部上的枢轴点206定位轨道导引器200并旋转地对准轨道导引器200，使得轨道导引器200上的参考标记214与水平轴(例如，CT扫描仪100的门架平面的X轴110或Z轴112)对准。优选地，如图3中所展示，轨道导引器200上的对应于X’轴的参考标记与来自CT扫描仪100的激光束122对准，激光束122在患者上投影也位于扫描仪100的轴向平面120上的线，此对于大多数CT扫描仪来说为常见的。轨道导引器200在适当位置中以此对准状态固定到患者，例如借助轨道导引器200的底部上的不干胶(未展示)。当然，可使用其它附接结构，例如绑带或钩环构件。或者，轨道导引器可不包含用于将底座附加到患者的扣件，且操作者可将轨道导引器固持于对准状态中。在任何情况中，使轨道导引器在患者上维持于对准状态中还允许将患者在患者诊察床113上移出CT门架104且允许在CT门架外部执行程序，只要患者的定向不相对于CT扫描仪100的坐标系改变即可。轨道导引器与CT扫描仪100的X轴110或Z轴112的旋转预先对准连同患者诊察床113具有相对于重力(即，Y轴106)的已知对准的事实实现CT坐标系102与患者诊察床113上的患者之间的角度配准，此消除了对CT扫描仪100的坐标系与患者的CT图像数据及坐标系之间的额外配准的需要。在轨道导引器已与X轴110对准之后，操作者将针或某一其它器械220插入到轨道导引器200的导套204中，如图4中所展示。轨道导引器200具有与显示单元222操作地耦合的数据接口，显示单元222显示针220在CT坐标系102中的当前角度位置，即，两个角度偏转及俯仰。操作者现在可改变针220在对准单元中的角度位置以使其与CT图像中的用于计划的目标角度匹配，例如，使偏转及俯仰与计划值匹配，借此实现导套204与由控制台计算机计算的计划虚拟对准的对准。显示器可在视觉上辅助操作者以众多模式中的任一者实现此对准。举例来说且参考图10，显示器222可呈沿着计划轨道的轴法向于垂直于计划轨道的轴的平面的“目标”视图224的形式，其中计划轨道的轴在“目标”的中心处，且将导套的轴的实际轨道226显示为与目标轨道偏移与角度不对准成比例的量。因此，当实际轨道226与计划轨道对准时，导套204的轴与目标的中心对准。还预期在视觉上显示导套相对于计划轨道的实际对准的其它方法。举例来说，可使用经典的双窗口视图(一个为X-Y平面且一个为Z-Y平面)，且可以所属领域的技术人员容易理解的方式使用其它显示模式，包含俯仰及偏转的数字值的显
/Jn ο一旦导套204与计划轨道对准，便通过适当锁定机构将导套204锁定成选定对准，且操作者可将针插入到身体中以便以任何可接受方式获得活检或借助类似纵向器械执行其它程序。对于针或器械的深度控制，使用常规参考，例如，针上的校准距离标记，其允许以此项技术中众所周知的方式将针插入到预先校准的目标深度。在一个实施例中，在需要控制扫描来检验针在身体中的位置的情况中，轨道导引器还用作针固持器。举例来说，导套204可包含用于夹持或以其它方式使针在导套中维持 于选定深度处的机构。或者，可通过与患者的摩擦接触使针维持于适当位置中，且套可仅仅使针维持于选定轨道中。此功能性可克服对操作者在扫描期间握持针的需要或可防止针在未由操作者单独地握持的情况下在其自己的重量下弯曲。轨道导引器还可通过将伸长管状部件用于导套来使在插入期间针弯曲的风险最小化，所述伸长管状部件可使针至少在套内维持成直线。可使用较长导套204来提供增加的抗弯性。可提供不同直径的导套以适应与各种针的兼容性，因此使得轨道导引器为开放平台。在数个特定实施例中，采用不同机械概念来控制俯仰及偏转调整且防止导套围绕其纵向轴的旋转移动，此确保由与导套相关联的角度传感器测量的角度为独立的且参考CT扫描仪坐标系的对应角度Sin。此些概念可由(但并不限于)如图式中所展示的一些特定实施例来实现，所述实施例包含使用以下各项的设计一个导引弧形件，其具有沿着所述弧形件移动的导轨(图5);球窝节，其具有锁定套的旋转移动的臂(图6及11);半球形机械件(图7);平移载台(图8);及铰链节(图9及10)。下文将详细地描述这些特定实现形式。参考图5，其展示轨道导引器200的另一变化形式400，其大体类似于图2的轨道导引器200，只不过存在使用枢转连接414可枢转地附接到底座402的仅一个弓形角度导引器404及未附接到底座402的导套406。此外，在此实施例中，角度传感器408紧固到可滑动滑架410且优选地与其成整体。弓形角度导引器404经对准以围绕X’轴枢转，且弓形角度导引器404的导轨412具有与X’轴对准的单个半径。因此，可滑动滑架410通过使弓形角度导引器围绕到底座的枢轴连接且围绕X’轴枢转且通过使可滑动滑架410围绕Z’轴沿着弓形角度导引器404的导轨412滑动而围绕枢轴点以两个自由度枢转。导套406由可滑动滑架410承载且例如借助管状部件界定贯通镗孔418，所述管状部件与枢轴点416纵向对准，借此贯通镗孔418的轴420始终经引导穿过枢轴点416，而不管可滑动滑架410的位置如何。一个或一个以上角度传感器408 (例如MEMS水平传感器)以适于自动地提供俯仰及偏转角度测量数据的方式与导套固定地相关联，且数据接口与角度传感器操作地连接以允许以大致如本文中先前所描述的方式将角度测量数据发射到控制台计算机。同样，可使用适当锁定机构422将插入到镗孔418中的器械锁定于选定深度处。另外，可见标记424安置于底座上且与V轴及V轴中的一者或两者对准以便使得轨道导引器能够与CT扫描仪的X轴及/或Z轴对准，如先前所描述。由于导轨412下方的区域为开放的，因此此给操作者提供对已在导套406中插入到患者的身体中的器械的进入点的直接视觉观察。在另一实施例中，如果枢转连接414被移除且由垂直于底座402固持导轨412的连接替换，那么此装置将允许导套406沿着平面移动且允许导套406在俯仰固定到单个平面时仅沿偏转方向移动。此变化形式对于其中将沿着X-Y平面120插入装置的某些程序可为有用的。转到图6，在轨道导引器200的另一变化形式500中，导套504借助球窝连接506附接到底座502。为了防止导套504围绕其纵向轴512旋转，链接机构508附接到导套504的远端510及底座502。链接机构508包含足以允许导套504围绕枢轴点以两个自由度(即，俯仰及偏转)以所属领域的技术人员清晰的方式枢转的一个或一个以上枢轴节514。轨道导引器500包含以如本文中先前所描述的足以提供相对于重力的自动俯仰及偏转角测量的任何方式与导套504固定地相关联的一个或一个以上角度传感器516以及足以将角度测量提供到外部计算机的适当数据接口。可使用适当锁定机构以所属领域的技术人员清晰的方式将链接机构508及导套504紧固于选定轨道中。另外，一个或一个以上可见标记 518安置于底座上且与V轴及V轴中的一者或两者对准以便使得轨道导引器500能够与CT扫描仪100的X轴110及/或Z轴112对准，如先前所描述。图7a到7d展示轨道导引器200的又一变化形式600。在此实施例中，导引机构由具有一对狭槽604的一对正交定向的弓形角度导引器602组成。呈半球形段的形状的滑架部件606可移动地安装于界定弓形导轨的狭槽604中。滑架部件606包含垂直于弓形角度导引器602的伸长狭槽608。导套610附接到滑架部件606且可在狭槽608内滑动，如图7C中所展示。角度传感器612安装于导套610上。所述对间隔开的弓形导引器602平行于导引器600的X’轴且与其对准。间隔开的弓形导引器602中的弓形导轨604成形为或以其它方式界定圆弧段。滑架部件606由弓形导轨604承载并承载于其之间且在其上滑动。导套610固定于狭槽608内使得导套610可在狭槽608内滑动。滑架部件606的弓形形状使导套的纵向轴614伸过枢轴点616。经插入穿过导套610的针618或其它类似装置将穿过枢轴点616。导套610与狭槽608之间的界面防止导套610围绕其纵向轴614旋转。以此方式，如图7B中所展示使滑架部件606沿着弓形导轨604滑动使导套610围绕枢轴点616以偏转自由度枢转，且如图7C及7D中所展示使导套610在狭槽中来回滑动使导套610围绕枢轴点616以俯仰自由度枢转。角度传感器612优选地以如先前所描述的足以允许角度传感器自动地感测导套610的俯仰及偏转角度测量的方式与导套610整体地连接，且适当数据接口允许将角度测量引导到如本文中先前所论述的控制台计算机。另外，可见标记620安置于底座622上且与V轴及V轴中的一者或两者对准以便使得轨道导引器能够与CT扫描仪的X轴及/或Z轴对准，如先前所描述。如图7B及7D中所展示，可使用粘附物624将轨道导引器600紧固到患者。在图8中，展示轨道导引器200的另一变化形式700，其中轨道导引器700包含第一组平行导轨702及垂直于所述组导轨702的第二组平行导轨704。第一滑架706安装于导轨702上且第二滑架708安装于导轨704上。滑架706及708可沿着相应导轨702及704滑动。滑架706及708中的每一者具有以正交角度重叠的狭槽710及712。导套714安装于狭槽710及712内，使得导套714可在狭槽710及712内滑动且滑架706及708可在导轨702及704上滑动。第一滑架706中的伸长狭槽710与V轴平行对准，且第一滑架706由附接到底座716的导轨702可滑动地承载。滑架706平行于V轴来回滑动。第二滑架708中的伸长狭槽712与V轴平行对准。滑架708由附接到底座716的导轨712可滑动地承载，导轨712允许滑架708平行于X’轴来回滑动。导套714从安装于底座716上的球窝节718延伸直到穿过狭槽中的每一者。在此实施例中，滑架706及708安置成平面布置且沿着X’轴及Z’轴在X’ -V平面中平移。导套714沿着每一狭槽滑动，但通过导套与两个狭槽的界面而被抑制围绕其纵向轴720旋转。举例来说，导套714的外表面可为正方形且直接抵靠狭槽啮合使得所述狭槽防止导套714旋转。还可使用用于防止导套714围绕其纵向轴720旋转的其它机构。角度传感器722优选地以如先前所描述的足以允许角度传感器722自动地感测导套714的俯仰及偏转角度测量的方式与导套714整体地连接，且适当数据接口允许将角度测量引导到如本文中先前所论述的计算机系统。另外，至少一个可见标记724安置于底座716上且与V轴及V轴中的一者或两者对准以便使得轨道导引器能够与CT扫描仪的X’轴及/或Z’轴对准，如先前所描述。图9展示轨道导引器200的另一变化形式800，其中导套802以允许仅围绕两个正交轴枢转的方式附接到底座804。底座804呈附接到患者的身体的粘贴板的形式。导套·802借助铰链节806及杆808附接到底座804，杆808通过两个部件810附接到底座804使得杆808可环绕其纵向轴旋转。铰链节806与杆808的旋转的组合仅允许导套802相对于底座804的V轴及V轴沿俯仰及偏转方向枢转。底座804在附接到患者时禁止轨道导引器800围绕患者的Y轴旋转(即，横滚)且禁止铰链节804在包含X’轴的平面中移动。杆808的长度轴还与CT门架对准以平行于CT门架104的激光线122的XY平面120。则铰链节804的自由度表示相对于患者的偏转旋转。环绕杆808的长度轴的旋转表示相对于患者的俯仰旋转。角度传感器812 (优选地为MEMS角度传感器)以平行于杆808的长度轴的定向整体地安置于导套802上，且因此可确定导套802相对于重力的绝对角度。数据接口(未展示)允许将角度测量引导到如本文中先前所论述的计算机系统。另外，至少一个可见标记814安置于底座804上且与V轴及V轴中的一者或两者对准以便使得轨道导引器能够与CT扫描仪的X轴及/或Z轴对准，如先前所描述。可将针816插入穿过导套802，且使用锁818来锁定针的插入深度。现在转到图10，轨道导引器800的变化形式包含与导套802连接的对接特征822，其中手持式计算机及监视器824单元可通过与对接特征822的快速释放接口 826附接到对接特征822。与对接特征822组合的快速释放接口 826优选地防止监视器单元824相对于导套802旋转。举例来说，如图10中所展示，对接特征822可包含正方形销且快速释放826可包含在其中接纳正方形销的正方形镗孔。虽然在类似于图9的轨道导引器的轨道导引器上展示对接特征822，但用于连接手持式计算机及监视器单元与轨道导引器的特征可容易适于与本发明的任何轨道导引器一起使用。在一个实施例中，手持式计算机及监视器单元包含计算导套的轴的俯仰及偏转对准并显示与计划轨道叠加的对准所必需的软件。在图10中所展示的实施例中，显示器在沿着计划轨道平面的轴垂直于计划轨道的视图中展示对准。在相对于计划轨道的轴的相同平面中展示导套的轴的位置。在一个布置中，展示计划轨道维持于十字准线的相交点处，且将导套的轴的位置显示为相对于十字准线移动。还可使用显示导套的轴的实际轨道相对于计划轨道的位置的其它方法。
预期手持式计算机及监视器单元可适于与本文中所揭示的轨道导引器中的任一者(具有或不具有对接及快速释放接口)一起使用。包含对接及快速释放接口的益处是手持式计算机及监视器单元随导套枢转且使显示器维持成与其固定对准。如果监视器装置具有内置式惯性传感器，那么不需要具有添加的角度传感器装置812。使单元与导套对接的益处是能够使用具有内置式水平传感器的显示单元，所述内置式水平传感器随轨道导引器及导套移动且适于感测轴向导引部件或导套的第一及第二角度。所述布置使得显示器能够在不使用外部数据连接的情况下向操作者呈现目标信息。图11展示图6中所展示的导引器500的另一实施例。轨道导引器900具有底座902及导套904。如同在图6中，导套904借助球窝连接906附接到底座902，且如同在图6中，通过附接到导套904的远端910的链接机构908防止导套104围绕纵向轴912旋转。链接机构908的机械性质与在图6中相同。图6与11之间的一个差异为导套904的横截面形状。导套904具有与针914的横截面匹配的不对称横截面。举例来说，导套904及针914的横截面可为任何不对称几何形状，例如卵形、椭圆形、三角形、五边形等。特定形状并不重要，而是所述形状必须能够防止针914围绕纵向轴912旋转。针914具有安装于其上的一个或一个以上角度传感器916。角度传感器916经安装使得其在借助CT门架104的X轴使用标记918定向轨道导引器900时与V轴成固定且已知的关系。由于存在安装于针914上的角度传感器916，因此不需要具有安装于导套904上的角度传感器。在针914插入于导套904中的情况下，轨道导引器900将以类似于先前所描述的具有直接安装于导套上的传感器的轨道导引器的方式操作。图2及5到11的轨道导引器中所展示的各种机械布置的主要功能是限制并导引导套相对于底座的对准移动使得可无干扰地测量所述移动，可在不需要配准或校准角度传感器的情况下测量俯仰及偏转角，且可以受控方式调整导套的对准。图2及5到11中所展示的变化形式的其它方面在功能上大致与参考图2的类属轨道导引器的示意性描绘而描述的类似且在适当时并入于对其的描述中。本文中所描述的轨道导引器存在许多优点及有用质量。举例来说，轨道导引器结合CT扫描仪在两个装置的坐标系如先前所描述彼此对准的情况下良好地起作用。轨道导引器使得有可能彼此独立地测量俯仰及偏转角。详细地，此意味着可设定并彼此独立地测量两个角度“俯仰”及“偏转”，且不存在用以不同地调整轨道的其它方式，即，修改俯仰及偏转为用以更改轨道的方向的仅有且明显的方式。此外，此意味着某一俯仰及某一偏转明确地界定某一轨道方向。此可参考图2的双弧形件解决方案来最直观地解释。首先，轨道导引器机械弧形件与CT门架对准使得X轴重合(例如，“横滚”角固定地设定为“零”)。接着，两个弧形件沿偏转(较大的外弧形件)及俯仰(较小的内弧形件)的方向移动，或反之亦然。两个弧形件彼此独立地移动且其角度值明确地界定轨道的方向。可在每一弧形件处借助单独的角度传感器容易地测量此些单角度位置。然而，存在更复杂的传感器，例如基于MEMS的角度传感器，其能够测量数个角度位置及向数个区分明显的方向中的移动。举例来说，通过以适当方式将角度传感器附接到轨道导引器，可借助所述单角度传感器测量所有所需角度位置，而不需 要任何调平或校准。为了实现此操作，同样需要来自角度传感器的坐标轴与将测量的所要移动方向对准，且必须禁止向无法通过角度传感器检测的其它方向中的任何其它移动。此情形的实例为具有图5中所展示的单个弧形件及导轨的解决方案以及图8中所展示的矩形平移导引器。在具有单个弧形件的图5中，单个弧形件的机械性质仅允许向指示成像装置的X及Z坐标轴的方向的激光线的方向中的旋转。如之前所提及，在一些实施例中，禁止导套在紧固到患者时以无法通过传感器测量的自由度移动为重要的。因此，可看出，在所有所描述的解决方案中，禁止环绕Y轴的旋转(即，围绕导套的纵向轴的旋转)。换句话说，通过禁止沿“横滚”方向的旋转且维持所有所涉及组件的Z轴的对准，有可能使俯仰及偏转变为明确地界定轨道的绝对度量。工业适用性
本发明的轴向外科轨道导引器对于设定用于基于CT图像获得活检的针的轨道及需要对轴向外科器械的导引的其中已知或计算患者相对于局部重力向量的位置的其它外科程序为有用的。本发明的轴向外科轨道导引器可克服对将需要CT图像与来自导航系统的数据的配准的单独外科导航系统(例如光学或磁性系统)的需要。此外，本发明的轴向外科轨道导引器消除对使导引器相对于水平平面或重力向量维持成预界定关系的需要。因此，本发明的轴向外科轨道导引器通过降低在程序或手术室中必需的设备的复杂度及/或简化在相对于患者界定选定轨道时由操作者对准导引器的实际程序而提供显著益处。虽然本文中的轨道导引器是参考与CT扫描仪一起使用来描述的，但很明显依照本文中所揭示的原理，所述轨道导引器可与其中可通过(举例来说)激光线或其它可见构件将患者的三维图像的坐标系直接物理转移到轨道导引器的坐标系的其它系统一起使用。所属领域的技术人员鉴于前述描述将明了本发明的众多修改形式。因此，本描述仅应解释为说明性且出于使得所属领域的技术人员能够制作并使用本发明且教示最佳实施方式的目的而呈现。保留对归属于所附权利要求书的范围内的所有修改形式的专有权。在此前文中所识别的所有专利、专利申请案及其它印刷出版物以全文引用的方式并入本文中。
权利要求
1.一种用以将医疗装置导引到枢轴点的外科轨道导引器，其包括底座，所述底座可以固定位置附接到患者；轴向导引部件，其与所述底座连接且沿着与所述底座成固定关系的第一轴及垂直于所述第一轴的第二轴与枢轴点对准，所述导引部件具有纵向轴，所述底座与所述轴向导引部件之间的所述连接使得所述纵向轴始终穿过所述枢轴点且使得防止所述轴向导引部件环绕所述纵向轴旋转 '及至少一个电子角度传感器，其与所述轴向导引部件相关联且适于在不必调平所述底座的情况下自动地感测所述轴向导引部件相对于围绕所述第一轴的局部重力向量的第一角度及所述轴向导引部件相对于围绕所述第二轴的局部重力向量的第二角度。
2.根据权利要求1所述的外科轨道导引器，其进一步包含数据连接，所述数据连接适于允许将所述所感测的第一及第二角度传送到外部系统。
3.根据权利要求1所述的外科轨道导引器，其中所述至少一个电子角度传感器选自惯性传感器或水平传感器。
4.根据权利要求2所述的外科轨道导引器，其中所述角度传感器为微机电系统传感器。
5.根据权利要求1所述的外科轨道导引器，其中所述轴向导引部件包括中空管状部件，所述中空管状部件界定延伸穿过所述枢轴点的轴。
6.根据权利要求1所述的外科轨道导引器，其进一步包含显示单元，所述显示单元与所述轴向导引部件刚性连接且随其移动。
7.根据权利要求6所述的外科轨道导引器，其中所述显示单元包括集成式传感器，所述集成式传感器适于感测所述轴向导引部件的所述第一及所述第二角度。
8.根据权利要求2所述的外科轨道导引器，其中数据传送发生在所述角度传感器与显示所述轨道导引器相对于成像系统的坐标系的当前角度位置的显示单元之间。
9.根据权利要求2所述的外科轨道导引器，其中所述数据连接包括无线数据发射器。
10.根据权利要求2所述的外科轨道导引器，其中所述数据连接包括数据电缆连接端□。
11.根据权利要求1所述的外科轨道导引器，其进一步包括粘附物，所述粘附物安置于所述底座上以用于将所述底座附接到患者。
12.根据权利要求1所述的外科轨道导引器，其进一步包括与所述底座相关联的标记， 所述标记在视觉上界定所述第一轴。
13.根据权利要求1所述的外科轨道导引器，其中所述轴向导引部件由第一弓形部件承载，所述第一弓形部件与所述第一轴对准地附接到所述底座，其中所述第一弓形部件可围绕所述第一轴移动且所述导引部件可围绕所述第二轴沿着所述第一弓形部件移动。
14.根据权利要求1所述的外科轨道导引器，其中所述轴向导引部件在所述枢轴点处以球窝连接连接到所述底座，且防止所述轴向导引部件围绕穿过所述枢轴点的所述纵向轴旋转。
15.根据权利要求1所述的外科轨道导引器，其中所述轴向导引部件仅可围绕所述枢轴点以所述第一轴的平面中的一个自由度移动。
16.一种在程序期间导引轴向医疗器械的方法，其包括以下步骤将具有轴向导引部件的轨道导引器放置于患者上，使得所述轨道导引器的第一轴与成像装置的预定轴对准，其中所述轴向导引部件具有穿过所述第一轴上的枢轴点的纵向轴， 且其中防止所述轴向导引部件环绕所述纵向轴旋转；调整所述轴向导引部件使得所述纵向轴位于所述轴向医疗器械的计划轨道上；及将轴向外科器械放置于所述轴向导引部件中以执行医疗程序。
17.根据权利要求16所述的方法，其中可将所述轴向导引部件调整为围绕所述枢轴点以与所述第一及第二轴相关的两个独立自由度移动。
18.根据权利要求16所述的方法，其中可将所述轴向导引部件调整为围绕所述枢轴点以所述第一轴的平面中的一个自由度移动。
19.根据权利要求16所述的方法，其包含将所述轨道导引器紧固到所述患者的步骤。
全文摘要
一种用以将医疗装置导引到枢轴点的外科轨道导引器具有底座，其可以固定位置附接到患者；轴向导引部件，其与所述底座连接且沿着与所述底座成固定关系的第一轴及垂直于所述第一轴的第二轴与枢轴点对准。所述导引部件具有纵向轴且连接到所述底座，使得所述纵向轴始终穿过所述枢轴点且使得防止所述轴向导引部件环绕所述纵向轴旋转。所述导引器进一步具有与所述轴向导引部件相关联的至少一个电子角度传感器，所述至少一个电子角度传感器可在不必调平所述底座的情况下自动地感测所述轴向导引部件相对于围绕所述第一轴的局部重力向量的第一角度及所述轴向导引部件相对于围绕所述第二轴的局部重力向量的第二角度。
文档编号A61B19/00GK102988109SQ20121033018
公开日2013年3月27日 申请日期2012年9月7日 优先权日2011年9月8日
发明者阿米尔·萨尔维斯坦尼, 汉斯·舍普, 克劳泽·韦尔特 申请人:史赛克莱宾格股份有限公司