在患者特定切口布置期間手術(shù)工具的定位和取向的制作方法
【專利摘要】一種定位設(shè)備包括具有用于與切口進(jìn)入點(diǎn)對準(zhǔn)的第一開口(125)的第一部分(123)。第二部分(127)可定位成從多個不同位置與所述第一開口對準(zhǔn)。致動機(jī)構(gòu)(142)聯(lián)接到所述第一部分和所述第二部分中的至少一個，以設(shè)定所述第一部分和第二部分的相對位置，從而容許在所述第一部分和第二部分之間形成的工具軸線被對準(zhǔn)穿過所述第一開口，使得布置在所述工具軸線上的工具(104)將包括已知的位置和取向。
【專利說明】在患者特定切口布置期間手術(shù)工具的定位和取向
發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)療器械，且更具體地講涉及用于在醫(yī)療應(yīng)用中使用以改善與患者特定切口布置的對準(zhǔn)的裝置、系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微創(chuàng)手術(shù)是使用穿過小的切口插入到患者體內(nèi)的細(xì)長器械來執(zhí)行的。切口的布置對手術(shù)結(jié)果起到重要作用。標(biāo)準(zhǔn)臨床指南定義了相對于眾所周知的解剖學(xué)標(biāo)志的進(jìn)入點(diǎn)。例如，在心臟手術(shù)中，會用到肋骨、胸骨和乳頭以及距這些特征物的規(guī)定距離。這種指南并未顧及由于患者的體型或存在病態(tài)而引起的解剖學(xué)變化。在基于手術(shù)前數(shù)據(jù)集而得的切口規(guī)劃中，由于在現(xiàn)場情況期間執(zhí)行計劃的挑戰(zhàn)性而仍存在臨床實施中的差距。
[0003]參照圖1，例示性地示出微創(chuàng)心臟手術(shù)的配置10。在該實例中，將內(nèi)窺鏡12和兩個器械14及16穿過小的切口 15經(jīng)過肋骨18插入體腔20內(nèi)，所述切口的尺寸可介于約5_和約IOOmm之間。在臨床實踐中，使用由專業(yè)人員協(xié)會、醫(yī)院、或手術(shù)設(shè)備的制造商公布的指南來選擇切口 15。所述指南定義了相對于解剖學(xué)標(biāo)志(例如，肋骨、胸骨、乳頭、這些特征物之間的距離以及距這些特征物的距離等)的進(jìn)入點(diǎn)。然而，總體上，這種指南并不包括解剖結(jié)構(gòu)的變化、患者體型、患者疾病的特異性等。因此，更具患者特定性的切口布置可以是有益的，這會最小化與進(jìn)出有關(guān)的組織創(chuàng)傷和手術(shù)次數(shù)，同時改善了結(jié)果。
[0004]患者特定切口 規(guī)劃有利于介入術(shù)，潛在地減少手術(shù)次數(shù)和并發(fā)癥比率，同時會改善結(jié)果。在標(biāo)準(zhǔn)的臨床實踐中，外科手術(shù)進(jìn)出切口是使用標(biāo)準(zhǔn)指南來選擇的。缺乏患者特定的最佳方案可導(dǎo)致定位在次最優(yōu)切口中的器械可能無法到達(dá)所有關(guān)注區(qū)域的結(jié)果。這又會延長介入時間，并且增加為了到達(dá)目標(biāo)部位而執(zhí)行的手術(shù)量。在手術(shù)內(nèi)執(zhí)行患者特定進(jìn)出切口最佳化的問題仍未解決。
[0005]在將器械(例如)12、14和16插入到體腔20內(nèi)之后，器械12、14和16可以按四個自由度(DOF)來移動——繞切口 15 (支點(diǎn))樞轉(zhuǎn)的兩個角度以及插入和旋轉(zhuǎn)。雖然旋轉(zhuǎn)和插入是直觀且易用的，但角度與內(nèi)窺鏡視圖之間的映射不太直觀、需長期學(xué)習(xí)，并且如研究表明，是在微創(chuàng)外科手術(shù)中的手眼協(xié)調(diào)方面的最大難點(diǎn)。
[0006]解決切口布置問題已成為關(guān)注熱點(diǎn)。已經(jīng)開發(fā)出計算機(jī)算法以基于手術(shù)前的三維醫(yī)療圖像(例如，計算機(jī)斷層掃描(CT)、磁共振成像(MRI)等)來計算器械的最佳切口。將最佳規(guī)劃后續(xù)轉(zhuǎn)化到手術(shù)室中的焦點(diǎn)在于使用外科導(dǎo)航技術(shù)中已知的標(biāo)準(zhǔn)工具跟蹤技術(shù)。然而，由于在內(nèi)窺鏡引導(dǎo)下的器械操作的非直觀性本質(zhì)，在臨床實施時仍存在差距。在現(xiàn)有技術(shù)中基于使用手術(shù)前成像和常規(guī)跟蹤技術(shù)(例如，基于近紅外線光學(xué)攝像機(jī)的定位、基于計算機(jī)視覺的定位、電磁定位)的切口定位最佳化而提議的方法在標(biāo)準(zhǔn)臨床實踐中并不充分地可行。
[0007]—旦外科手術(shù)已開始，在外科手術(shù)之前基于手術(shù)前三維成像執(zhí)行的切口布置最佳化可能就過時了。例如，在心臟手術(shù)中，由于使用心肺泵，左肺被抽氣并且心臟可以是停止的，導(dǎo)致器官出現(xiàn)了不同的布置。而且，切口是相對于手術(shù)前圖像而非相對于內(nèi)窺鏡視頻來規(guī)劃的，但事實上內(nèi)窺鏡是手術(shù)介入者(interventionalist)唯一可用的實時視覺反饋?，F(xiàn)實的患者特定切口規(guī)劃需要大量的額外時間開銷，并且表明了當(dāng)前的外科模擬工具的有限臨床應(yīng)用。另外，常規(guī)的跟蹤系統(tǒng)通常在手術(shù)室內(nèi)進(jìn)行長時間的設(shè)置，并且需要仔細(xì)校正。對于其中在后期手術(shù)階段期間不進(jìn)行跟蹤的情況來說，準(zhǔn)備所需要的臨床開銷可能是不可接受的。雖然切口布置位置限定和約束了介入器械和內(nèi)窺鏡探頭的插入點(diǎn)，但關(guān)于工具應(yīng)當(dāng)如何取向以到達(dá)內(nèi)窺鏡圖像中的特定區(qū)域仍然需要直觀的反饋，而這在當(dāng)今的手術(shù)中是缺乏的。因此，需要改善介入手術(shù)中的器械定位和操縱。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)本發(fā)明原理，定位設(shè)備包括具有用于與切口進(jìn)入點(diǎn)對準(zhǔn)的第一開口的第一部分。第二部分能夠被定位成從多個不同位置與第一開口對準(zhǔn)。致動機(jī)構(gòu)聯(lián)接到第一部分和第二部分中的至少一個，以設(shè)定第一部分和第二部分的相對位置，從而容許在第一部分和第二部分之間形成的工具軸線被對準(zhǔn)穿過第一開口，使得布置在工具軸線上的工具將具有已知的位置和取向。
[0009]另一定位設(shè)備包括:具有用于與切口進(jìn)入點(diǎn)對準(zhǔn)的第一開口的第一板，以及具有用于與第一開口對準(zhǔn)的第二開口的第二板。致動機(jī)構(gòu)聯(lián)接到第一板和第二板中的至少一個，并被設(shè)定成容許工具軸線被對準(zhǔn)穿過所述第一和第二開口，使得布置在工具軸線上的工具將以已知的位置和取向經(jīng)過所述切口進(jìn)入點(diǎn)。
[0010]另一種定位設(shè)備包括:鉸接地聯(lián)接到基部的第一帶槽拱形物，以及鉸接地聯(lián)接到基部并相對于第一帶槽拱形物以正交方式設(shè)置的第二帶槽拱形物。一個通道經(jīng)過第一帶槽拱形物中的狹槽和第二帶槽拱形物的狹槽，用于使所述通道與對應(yīng)于切口進(jìn)入點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)中心對準(zhǔn)，使得通過旋轉(zhuǎn)第一和第二帶槽拱形物來控制工具軸線的旋轉(zhuǎn)，以提供針對所述工具軸線的已知位置和取向的 對準(zhǔn)。
[0011]一種用于將器械定位的方法包括:將窺鏡(scope)放置在受治療者身上的第一切口中；為一個器械確定第二切口的位置；將定位和取向設(shè)備安裝到所述受治療者身上，所述定位和取向設(shè)備包括具有可調(diào)整位置的用于將工具軸線相對于第二切口對準(zhǔn)的至少兩個開口 ；以及根據(jù)所述窺鏡的視場將工具沿著穿過所述至少兩個開口的工具軸線來定位。
[0012]根據(jù)結(jié)合附圖來閱讀的對本發(fā)明的例示性實施例的下列詳細(xì)說明，將顯而易見本發(fā)明的這些和其它目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]本公開將參照下列各圖提供優(yōu)選實施例的下列詳細(xì)描述，其中:
[0014]圖1是示出了針對根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的微創(chuàng)心臟手術(shù)的配置的圖示；
[0015]圖2是示出了針對采用根據(jù)本發(fā)明原理的定位和取向設(shè)備的微創(chuàng)心臟手術(shù)的配置的圖不;
[0016]圖3是示出了根據(jù)一個實施例的臨床工作流的流程圖；
[0017]圖4A是根據(jù)一個實施例的定位和取向設(shè)備的透視圖；
[0018]圖4B是圖4A的設(shè)備的俯視圖；
[0019]圖4C是圖4A的設(shè)備的側(cè)視圖；[0020]圖4D是圖4A的設(shè)備的后視圖；
[0021]圖5A是根據(jù)另一個實施例的另一個定位和取向設(shè)備的透視圖；
[0022]圖5B是圖5A的設(shè)備的俯視圖；
[0023]圖5C是圖5A的設(shè)備的側(cè)視圖；
[0024]圖是圖5A的設(shè)備的后視圖；
[0025]圖6A是根據(jù)另一個實施例的另一個定位和取向設(shè)備的透視圖；
[0026]圖6B是示出了圖6A的設(shè)備的頂板的第一旋轉(zhuǎn)的另一透視圖；
[0027]圖6C是示出了圖6A的設(shè)備的頂板的第二旋轉(zhuǎn)的另一透視圖；
[0028]圖7A是根據(jù)另一個實施例的另一個定位和取向設(shè)備的透視圖；
[0029]圖7B是圖7A的設(shè)備的俯視圖；
[0030]圖7C是圖7A的設(shè)備的側(cè)視圖；
[0031]圖7D是圖7A的設(shè)備的另一個側(cè)視圖；和
[0032]圖8是示出了根據(jù)例示性實施例將器械定位的方法的方框圖/流程圖。
【具體實施方式】
[0033]根據(jù)本發(fā)明原理，提供用于將手術(shù)工具相對于內(nèi)窺鏡裝置、成像裝置或其它器械的定位和取向的布置。除了將疊加在內(nèi)窺鏡視圖上的手術(shù)工具位置和路徑可視化之外，患者特定切口規(guī)劃還需要對介入器械相對內(nèi)窺鏡進(jìn)行了解和控制。還可以利用對介入器械相對于外部的患者登記跟蹤裝置的了解和控制來執(zhí)行患者特定切口規(guī)劃，包括但不限于電磁跟蹤方法、基于光學(xué)的跟蹤方法、基于攝像機(jī)的跟蹤方法、光學(xué)形狀感測等、或者是手術(shù)期間的成像裝置。
[0034]應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明將就醫(yī)療器械來進(jìn)行描述；然而，本發(fā)明的教導(dǎo)內(nèi)容要廣泛得多并且可適用于任何器械。在一些實施例中，本發(fā)明原理用在跟蹤或分析復(fù)雜的生物或機(jī)械系統(tǒng)中。具體地講，本發(fā)明適用于有關(guān)生物系統(tǒng)的內(nèi)部手術(shù)、在身體所有區(qū)域(例如肺部、胃腸道、排泄器官、血管等)中的手術(shù)。圖中描繪的各元件可以用多種硬件和軟件的組合來實施，并且提供可以被組合到單個元件或多個元件中的功能。
[0035]通過使用專用硬件以及能夠執(zhí)行軟件并聯(lián)合適當(dāng)?shù)能浖挠布?，可以提供圖中示出的各個元件的功能。在由處理器提供時，所述功能可由單個專用處理器、由單個共享處理器、或者由多個單獨(dú)的處理器(其中的一些處理器可以是共享的)提供。此外，明確地使用術(shù)語“處理器”或“控制器”不應(yīng)當(dāng)被視為排外地涉及能夠執(zhí)行軟件的硬件，而是可隱含地包括(但不限于)數(shù)字信號處理器(“DSP”)硬件、用于存儲軟件的只讀存儲器(“ROM”)、隨機(jī)存取存儲器(“R AM”)、非易失性存儲器等。
[0036]此外，本文中描述本發(fā)明的原理、方面、和實施例以及其特定實例的所有陳述均意在涵蓋其結(jié)構(gòu)性和功能性等效物。另外，預(yù)期此類等效物包括當(dāng)前已知的等效物以及未來開發(fā)的等效物(即，被開發(fā)以執(zhí)行相同功能的任何元件，而無論其結(jié)構(gòu)如何)兩者。因此，例如，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的是，本文提供的方框圖表示體現(xiàn)本發(fā)明原理的例示性系統(tǒng)元件和/或電路的概念圖。相似地，應(yīng)當(dāng)理解，任何流程表、流程圖和類似圖表均表示可基本上在計算機(jī)可讀的存儲介質(zhì)中表示并且因此由計算機(jī)或處理器執(zhí)行的多種過程，而無論此計算機(jī)或處理器是否被明確地示出。[0037]此外，本發(fā)明的實施例可以采取計算機(jī)程序產(chǎn)品的形式，所述計算機(jī)程序產(chǎn)品可由計算機(jī)可使用或計算機(jī)可讀取的存儲介質(zhì)存取，提供由計算機(jī)或任何指令執(zhí)行系統(tǒng)使用或結(jié)合其來使用的程序代碼。出于該說明的目的，計算機(jī)可使用或計算機(jī)可讀取的存儲介質(zhì)可為任何可以包括、存儲、傳送、傳播或輸送由指令執(zhí)行系統(tǒng)、設(shè)備或裝置使用或者結(jié)合其來使用的程序的設(shè)備。所述介質(zhì)可以是電子的、磁性的、光學(xué)的、電磁性的、紅外的、或者半導(dǎo)體系統(tǒng)(或設(shè)備或裝置)或者傳播介質(zhì)。計算機(jī)可讀介質(zhì)的實例包括半導(dǎo)體或固態(tài)存儲器、磁帶、可移除的計算機(jī)磁盤、隨機(jī)存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、硬磁盤(rigid magnetic disk)和光盤。光盤的當(dāng)前實例包括光盤-只讀存儲器(⑶-ROM)、光盤-讀 / 寫(CD-R/W)、Blu-Ray? 和 DVD。
[0038]現(xiàn)在參見圖示,其中類似的數(shù)字表示相同或相似的元件,首先參見圖2,例示性地示出了根據(jù)一個實施例的針對微創(chuàng)心臟手術(shù)的配置100。在該實例中，內(nèi)窺鏡引導(dǎo)的外科手術(shù)包括使用具有軟件和硬件的實時切口定位系統(tǒng)120，所述軟件和硬件容許規(guī)劃、預(yù)測和測量手術(shù)工具相對于內(nèi)窺鏡圖像或數(shù)據(jù)流的位置。切口定位系統(tǒng)120示出為與計算機(jī)132分離，但也可與計算機(jī)132包含在一起或與其一起使用。切口定位系統(tǒng)120可以采用已知的定位切口位置124、126的方法，以及因此定位手術(shù)工具(例如內(nèi)窺鏡102或其它工具104)的位置和取向的方法。根據(jù)本發(fā)明原理，位置和取向設(shè)備130(總體性地示出)以被校準(zhǔn)的方式附接到工具104 (或者內(nèi)窺鏡102)，以容許手術(shù)工具104 (或102)相對于現(xiàn)場的內(nèi)窺鏡數(shù)據(jù)流或者其它外部跟蹤或手術(shù)期間成像方法的實時操縱。諸如此設(shè)備的裝置或設(shè)備130容許以如下的方式來定位手術(shù)工具102:將手術(shù)工具104定位在由外科醫(yī)生在內(nèi)窺鏡圖像上選擇的區(qū)域中。在受治療者身上指出或放置安裝位置或安裝機(jī)構(gòu)128以辨識用于設(shè)備130的位置或者用以固定設(shè)備130的位置。
[0039]定位設(shè)備130包括具有用于與切口進(jìn)入點(diǎn)124對準(zhǔn)的第一開口 125的第一部分123。第二部分127具有用于與第一開口 125對準(zhǔn)的引導(dǎo)裝置。致動機(jī)構(gòu)142聯(lián)接到第一部分123和/或第二部分127中 的至少一個，并且被設(shè)定成容許工具軸線被對準(zhǔn)穿過第一開口 125，使得布置在工具軸線上的工具104將經(jīng)過到達(dá)根據(jù)規(guī)劃121的患者特定位置。規(guī)劃121可以使用軟件和通過醫(yī)療圖像、測量或諸如此類而獲得的患者特定數(shù)據(jù)而形成并被存儲。
[0040]通過提供定位設(shè)備130，可在窺鏡或攝像機(jī)的視場內(nèi)實現(xiàn)醫(yī)療器械的更可靠定位。以此方式，可一致地且重復(fù)地進(jìn)行實時的患者特定調(diào)整，從而改善器械放置和介入手術(shù)的總成功率。下文將更詳細(xì)地描述用于工具定位和定向布置/設(shè)備130的示例性實施例。
[0041]參見圖3,同時繼續(xù)參見圖2,例示性地示出根據(jù)一個實施例的臨床工作流。在方框202中，工作流以將內(nèi)窺鏡插入到標(biāo)準(zhǔn)切口內(nèi)開始。在方框204中，采用切口定位系統(tǒng)120來識別和形成用于介入器械的最佳進(jìn)出切口。在方框206中，在形成最佳切口以用于在最佳進(jìn)出位置處附接和操縱外科手術(shù)器械之前或之后，采用根據(jù)本發(fā)明原理的定位和取向設(shè)備130。在方框208中，外科手術(shù)則使用關(guān)于如下一個或多個的現(xiàn)場反饋在體內(nèi)進(jìn)行或繼續(xù)接下來的工具部署:介入工具位置、工具取向、路徑信息(預(yù)測的和/或?qū)嶋H的)以及根據(jù)生理監(jiān)測或手術(shù)前信息而得的任何其它輔助信息。所述數(shù)據(jù)可以覆加在內(nèi)窺鏡數(shù)據(jù)流圖像上。
[0042]在外科手術(shù)期間，介入工具呈現(xiàn)不同的取向。因此，使外科醫(yī)生能夠規(guī)劃和操縱工具相對于許多潛在取向的位置/取向是有益的。一旦已選擇切口，還使外科醫(yī)生能夠規(guī)劃和操縱器械的位置/取向，以簡化手眼協(xié)調(diào)任務(wù)。
[0043]再次參見圖2，在下面的實施例中可以手動地、半自動地或者自動地執(zhí)行設(shè)備130的操縱?？梢圆捎镁哂刑幚砥?34、存儲器136、顯示器137和用戶界面138的計算機(jī)系統(tǒng)132以控制設(shè)備130的運(yùn)動、有助于設(shè)備130相對于切口位置或解剖學(xué)標(biāo)志的定位或放置、用于開發(fā)規(guī)劃或者以其它方式為用戶提供指南。這些實施例優(yōu)選地與最佳切口定位布置相組合以促成微創(chuàng)的內(nèi)窺鏡引導(dǎo)的手術(shù)。
[0044]設(shè)備130可以包括(半)自動的機(jī)電、電-光-機(jī)械致動裝置142，所述致動裝置是基于傳感器144和所述致動器裝置/機(jī)構(gòu)142之間的反饋控制回路的。本描述并非意圖詳盡列舉所有可能的布置，而是通過實例示出了根據(jù)本發(fā)明原理的有用特征。也可以采用和想到替代的實施例、布置、構(gòu)型等。
[0045]參見圖4A-4D，其針對根據(jù)一個實施例的內(nèi)窺鏡切口或其它外科裝置示出了定位和取向設(shè)備400。圖4A示出了設(shè)備400的透視圖。圖4B示出了設(shè)備400的俯視圖。圖4C示出了設(shè)備400的側(cè)視圖。圖4D示出了設(shè)備400的后視圖。設(shè)備400包括連接到柱形支撐件402的兩個線性凸臺:X凸臺412和Y凸臺414。在柱形支撐件402的下部，基部404連接到受治療者的身體或者連接到用于此目的的安裝機(jī)構(gòu)(未示出)?；?04和平臺410各自包括分別自其延伸的板或梁406和408。梁406維持圍繞切口進(jìn)入部位開口 426的固定旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，并且提供相對于內(nèi)窺鏡視圖的已知空間構(gòu)型。梁408保持第二點(diǎn)424，所述第二點(diǎn)與在柱體402的基部404處的梁406的開口 426的固定旋轉(zhuǎn)點(diǎn)一起限定軸線420，工具或針可通過所述軸線以特定取向插入到切口中。兩個點(diǎn)424和426被構(gòu)造成保持剛性中空通道(例如，引導(dǎo)裝置等)，工具(未示出)可穿過所述剛性中空通道插入。兩個點(diǎn)424和426中的每一個可以包括球軸承以容許實現(xiàn)正確的工具定位。
[0046]通過改變兩個線性凸臺(X凸臺412和Y凸臺414)的位置，可以改變工具相對于旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的偏擺角(yaw angle)和螺旋角(pitch angle) ( Θ和φ)。所述X凸臺412和Y凸臺414可以使用具有手動杠桿的導(dǎo)螺桿、編碼輪(encoder wheel)或運(yùn)動標(biāo)尺(motionscale)來手動控制，或者所述凸臺412、414可以使用具有導(dǎo)螺桿和編碼器或電位差計的步進(jìn)馬達(dá)或伺服馬達(dá)系統(tǒng)(也見上述圖2)來控制。
[0047]參見圖5A-5D，其針對根據(jù)另一個實施例的內(nèi)窺鏡切口或其它外科裝置示出了定位和取向設(shè)備500。圖5A示出了設(shè)備500的透視圖。圖5B示出了設(shè)備500的俯視圖。圖5C示出了設(shè)備500的側(cè)視圖。圖示出了設(shè)備500的后視圖。設(shè)備500包括四個線性凸臺:在柱形支撐件402的頂部處連接的X凸臺412和Y凸臺414，以及連接到柱形支撐件402的基部404的X凸臺506和Y凸臺504。在柱形支撐件402的下部，基部502連接到受治療者的身體或者連接到用于此目的的安裝機(jī)構(gòu)(未示出)。
[0048]在柱形支撐件402的底部處，梁510將固定旋轉(zhuǎn)點(diǎn)426維持在切口進(jìn)入部位的位置處。兩個下部線性凸臺“X凸臺1”506和“Y凸臺1”504位于相對于切口進(jìn)出部位的已知位置處。在柱形支撐件402頂部的線性凸臺“X凸臺2”412和“Y凸臺2”414被構(gòu)造成改變工具相對于旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的偏擺角和螺旋角(Θ和φ )。如上文所述，所述XY凸臺可使用具有手動杠桿的導(dǎo)螺桿結(jié)合編碼輪或運(yùn)動標(biāo)尺(用于反饋)來手動控制，或者通過使用具有導(dǎo)螺桿和形成(半)自動反饋控制環(huán)的編碼器或電位差計的步進(jìn)馬達(dá)或伺服馬達(dá)系統(tǒng)來控制。在該實施例中，包括兩組線性凸臺的一個優(yōu)點(diǎn)包括，提供用于使底部線性凸臺506、504限定的“旋轉(zhuǎn)點(diǎn)”(X1、Y1)移動的能力。在將工具與切口位置對準(zhǔn)時，這可以是可用的。
[0049]參照圖6A-6C,另一實施例可以包括斯圖爾特平臺組件(Stewart platformassembly) 600，所述平臺組件提供三自由度(DOF)運(yùn)動平臺。組件600包括基部平臺602，所述基部平臺連接到受治療者的身體或者是正被安裝到受治療者身上的安裝機(jī)構(gòu)(未示出)。上部平臺604通過多個致動器606 (優(yōu)選地為線性致動器)聯(lián)接到基部平臺602。致動器606可以被成對地分組，并且可以具有“V”形構(gòu)型。致動器606可以被手動致動，或者致動器606可以包括液壓缸或氣動缸、機(jī)電機(jī)構(gòu)等。致動器606可以被控制以提供位于平臺602和604之間以及位于致動器606之間的工具通道的旋轉(zhuǎn)?；科脚_604的一部分可以包括在旋轉(zhuǎn)中心處的通孔610，所述通孔可與切口進(jìn)入點(diǎn)對準(zhǔn)。上部平臺604的類似部分可以包括通孔612以容許工具通道穿過?？?10和612可以具有球形接頭以容許呈不同構(gòu)型的孔610和612的對準(zhǔn)。
[0050]通過在平臺602和604之間移動成對的致動器606，改變了工具路徑616相對于旋轉(zhuǎn)中心的偏擺角和螺旋角(Θ和φ)(分別參見圖6B和圖6C)。致動器606可以使用位置傳感器(未示出)使用步進(jìn)馬達(dá)或者伺服馬達(dá)而移動。致動器606可以包括簡單的導(dǎo)螺桿，所述導(dǎo)螺桿可以被手動地、或者在電-光-機(jī)械控制下移動，只要存在一定距離的本體感覺以評估沿每個軸線移動的距離。
[0051 ] 參見圖7A-7D，其針對根據(jù)另一個實施例的內(nèi)窺鏡切口或其它外科裝置示出了定位和取向設(shè)備700。圖7Α示出了設(shè)備700的透視圖。圖7Β示出了設(shè)備700的第一側(cè)視圖。圖7C示出了設(shè)備700的俯視圖。圖7D示出了設(shè)備700的第二側(cè)視圖。設(shè)備700包括兩個帶槽拱形物704和706，所述兩個帶槽拱形物各自具有分別設(shè)置于中心處的槽714和716。拱形物704和706鉸接地連接到基部702，所述基部用作軸708和710的鉸鏈接頭的殼體。軸708和710形成鉸鏈連接，并且與其各自的拱形物704和706連接或一體成型以容許拱形物704和706繞軸708和710旋轉(zhuǎn)?；?02連接到受治療者的身體或安裝機(jī)構(gòu)(未示出)，用于使用所述設(shè)備將內(nèi)窺鏡或其它器械的工作通道定位或取向來進(jìn)行手術(shù)。
[0052]拱形物704、706提供了雙軸線系統(tǒng)，所述雙軸線系統(tǒng)可以將具有兩個角度自由度(偏擺角和螺旋角Θ和φ.)的工具軸線720相對于盡可能接近于切口進(jìn)入點(diǎn)定位的旋轉(zhuǎn)中心722定位。旋轉(zhuǎn)中心722與管或通道(例如，引導(dǎo)裝置)712對準(zhǔn)，并且工具軸線720穿過通道712且穿過旋轉(zhuǎn)中心以經(jīng)過定位在旋轉(zhuǎn)中心722處或其周圍的切口而進(jìn)入受治療者體內(nèi)。設(shè)備700可以以已知的相對于切口進(jìn)入部位和成像數(shù)據(jù)流的幾何形狀附接到內(nèi)窺鏡引導(dǎo)系統(tǒng)。
[0053] 設(shè)備700可以包括許多可能的變型，其實例將在下文中以不完全的列表進(jìn)行描述。設(shè)備700可以提供兩個拱形物704和706中的每一個的手動運(yùn)動，以將工具(工具軸線720)定位成期望角度。設(shè)備700可以提供兩個拱形物704和706的手動運(yùn)動以將工具(工具軸線720)定位，并且制動器740 (僅在圖7C中示出)可以位于點(diǎn)“Α”處以視需要固定拱形物704和706 (例如，防止其旋轉(zhuǎn))。設(shè)備700可以但在點(diǎn)“B”處沒有傳感器的情況下包括編碼輪742 (僅在圖7C中示出)，以容許拱形物704、706與標(biāo)記在編碼輪742上的刻度對準(zhǔn)，實現(xiàn)每個拱形物的位置的直接視覺反饋。設(shè)備700可以針對兩個軸線中的每一個在點(diǎn)“B”處包括光學(xué)編碼器或電位差計，所述兩個軸線對應(yīng)于軸708和710。這可以將針對兩個拱形物704和706中的每一個的位置的位置反饋提供為電(或光學(xué))信號。當(dāng)前位置也可以在屏幕或監(jiān)視器(顯示器137)上顯示以供參考。
[0054]設(shè)備700可以包括在點(diǎn)“B”處將光學(xué)編碼器(或者電位差計)系統(tǒng)742與發(fā)光二極管(LED)顯示器組合，其中LED顯示器將使用線指示符或類似指示符來指示每個拱形物704,706的期望位置。以此方式，用戶可手動地或自動地設(shè)定拱形物704、706的位置，并且光學(xué)編碼器(或者電位差計)將在顯示器137上顯示每個拱形物704、706的當(dāng)前位置。用戶可使拱形物與LED顯示線對準(zhǔn)。
[0055]設(shè)備700可以在每個點(diǎn)“A”處包括步進(jìn)馬達(dá)(未示出)。這將容許工具定位的機(jī)動化控制。點(diǎn)“A”處的步進(jìn)馬達(dá)可以增補(bǔ)有位于點(diǎn)“B”處或者包括在步進(jìn)馬達(dá)單元中的光學(xué)編碼器(或電位差計)，以提供位置反饋以及機(jī)動化控制。設(shè)備700可以包括在每個點(diǎn)“A”處的伺服馬達(dá)系統(tǒng)，所述伺服馬達(dá)系統(tǒng)可以包括馬達(dá)和光學(xué)編碼器(或電位差計)以提供工具定位的機(jī)動化控制。
[0056]盡管本發(fā)明實施例已集中于控制角度自由度，但也可以想到工具或工具通道的推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)。所述推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)也可以手動地、半自動地或自動地執(zhí)行。自動推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)可以包括使用馬達(dá)、制動器等。
[0057]本發(fā)明實施例可以用于許多不同應(yīng)用中，并且特別可用于內(nèi)窺鏡引導(dǎo)的微創(chuàng)外科手術(shù)。例如，心臟手術(shù)、微創(chuàng)冠狀動脈旁路移植術(shù)、心房間隔缺損封堵術(shù)(Atrial SeptalDefect closure)、瓣膜修復(fù)/置換術(shù)、腹腔鏡手術(shù)、子宮切除術(shù)、前列腺切除術(shù)、膽囊手術(shù)、經(jīng)自然腔道窺鏡手術(shù)(Natural Orifice Transluminal Surgery) (NOTES)、肺部/支氣管鏡手術(shù)、神經(jīng)外科介入術(shù)等。 [0058]參見圖8，例示性地示出用于將器械定位的另一個方法。在方框802中，將窺鏡(例如，內(nèi)窺鏡)放置在受治療者的第一切口中。窺鏡切口可以使用切口定位技術(shù)來布置，所述切口定位技術(shù)包括標(biāo)準(zhǔn)布置、患者特定布置、切口最佳化布置等。在方框804中，確定器械的第二切口的位置。這優(yōu)選地包括采用切口定位系統(tǒng)以針對定位和取向設(shè)備確定在受治療者身上的安裝位置。該系統(tǒng)使用患者特定數(shù)據(jù)來選擇針對定位和取向設(shè)備的布置的最佳位置。
[0059]在方框806中，將定位和取向設(shè)備安裝在受治療者身上。定位和取向設(shè)備包括具有可調(diào)整位置的用于使工具軸線相對于第二切口對準(zhǔn)的兩個孔。所述定位和取向設(shè)備可以包括:具有用于與切口進(jìn)入點(diǎn)對準(zhǔn)的第一開口的第一板；具有用于與第一開口對準(zhǔn)的第二開口的第二板；以及聯(lián)接到所述第一板和所述第二板或者聯(lián)接在其之間的致動機(jī)構(gòu)，所述致動機(jī)構(gòu)被設(shè)定成容許工具軸線被對準(zhǔn)經(jīng)過第一和第二開口，使得布置在工具軸線上的工具將經(jīng)過到達(dá)根據(jù)規(guī)劃的患者特定位置。所述定位和取向設(shè)備可以包括:鉸接地聯(lián)接到基部的第一帶槽拱形物；鉸接地聯(lián)接到基部并且相對于第一帶槽拱形物正交設(shè)置的第二帶槽拱形物；以及通道，所述通道設(shè)置成穿過所述第一帶槽拱形物中的狹槽和第二帶槽拱形物的狹槽，以使通道與對應(yīng)于切口進(jìn)入點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)中心對準(zhǔn)，使得工具軸線的旋轉(zhuǎn)通過第一和第二帶槽拱形物的旋轉(zhuǎn)來控制，從而控制與根據(jù)規(guī)劃的患者特定位置的對準(zhǔn)。也可以針對定位和取向設(shè)備采用其它構(gòu)型，例如可以采用兩個以上的板或定位點(diǎn)。這可以包括本文所述元件或具有或不具有調(diào)整機(jī)構(gòu)的用以支持包括內(nèi)窺鏡、外科手術(shù)裝置、針等的器械的定位和取向的特別設(shè)計工具的組合。[0060]在方框808中，根據(jù)窺鏡的視場將一個或多個工具沿著穿過所述兩個孔的工具軸線定位。可以想到多個切口以及多個定位和取向設(shè)備。所述工具優(yōu)選地被維持于攝像機(jī)或成像裝置的視場內(nèi)、或在可預(yù)測或已知的位置中，以簡化用戶功能。工具定位和取向可以使用來自窺鏡的位置和/或取向的反饋來控制。例如，第一切口中的窺鏡可以在與器械平行的平面中但發(fā)生偏斜，使得器械與窺鏡彼此面對?；蛘撸Q鏡與器械可以是平行的，兩者都面向同一組織區(qū)域。還可以想到其它構(gòu)型。在方框810中，使用處于定位和取向設(shè)備的設(shè)定位置中的器械繼續(xù)或執(zhí)行手術(shù)?？梢砸曅枰?手動地或自動地)在手術(shù)之前、期間或之后調(diào)整或移動該設(shè)定位置。
[0061]為了解釋隨附權(quán)利要求，應(yīng)當(dāng)理解:
[0062]a)詞語“包括”并不排除除了給定的權(quán)利要求中列舉的那些元件或行為之外的其它元件或行為的存在；
[0063]b)元件前面的詞語“一”或“一個”并不排除多個此類元件的存在；
[0064]c)在權(quán)利要求中的任何參考符號并不限定其范圍；
[0065]d)數(shù)個“裝置”可由相同的物品或硬件或軟件實施的結(jié)構(gòu)或功能表示；和
[0066]e)除非明確地指出，否則不打算要求任何特定行為序列。
[0067]雖然已經(jīng)描述了在患者特定切口布置期間手術(shù)工具的定位和取向的優(yōu)選實施例，但應(yīng)當(dāng)注意，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)上述教導(dǎo)內(nèi)容可以實現(xiàn)許多修改和變化形式。因此，應(yīng)當(dāng)了解，可在本發(fā) 明所公開內(nèi)容的特定實施例中做出變化，所述變化在本文所公開實施例的如隨附權(quán)利要求概述的范圍內(nèi)。因此，雖然已描述了專利法所要求的細(xì)節(jié)和特質(zhì)，但在隨附權(quán)利要求中列出了主張和期望受到專利特許證保護(hù)的內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種定位設(shè)備，包括: 具有用于與切口進(jìn)入點(diǎn)對準(zhǔn)的第一開口(125)的第一部分(123)； 能夠被定位成從多個不同位置與所述第一開口對準(zhǔn)的第二部分(127);和 致動機(jī)構(gòu)(142)，其聯(lián)接到所述第一部分和所述第二部分中的至少一個，以設(shè)定所述第一部分和所述第二部分的相對位置，從而容許在所述第一部分和所述第二部分之間形成的工具軸線被對準(zhǔn)穿過所述第一開口，使得布置在所述工具軸線上的工具(104)將包括已知的位置和取向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述致動機(jī)構(gòu)(144)包括用于相對于所述第一開口致動所述第二部分的至少一個凸臺。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述致動機(jī)構(gòu)(144)包括用于相對于所述第一開口調(diào)整所述第二部分的兩個正交凸臺。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一開口(125)形成于通過第二致動機(jī)構(gòu)(540、506)聯(lián)接到基部的板中，并且所述第二致動機(jī)構(gòu)包括用于相對于所述板致動所述基部的至少一個凸臺。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述致動機(jī)構(gòu)(142)包括多個活塞-缸致動器(606) ο
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一開口(125)形成于板中，所述板接合在受治療者身 上的安裝位置(128)，使得所述第一開口對應(yīng)于所述受治療者中的切口進(jìn)入點(diǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備還包括工具(104)，所述工具穿過所述第一開口和所述第二部分中的第二開口并且沿著所述工具軸線進(jìn)入到進(jìn)入切口中并到達(dá)所述受治療者體內(nèi)，使得所述工具被維持在通過所述受治療者體內(nèi)的窺鏡可見的位置中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，所述致動機(jī)構(gòu)(142)是基于來自所述窺鏡的位置或視圖的反饋而被計算機(jī)控制和設(shè)定在一個位置處的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述定位設(shè)備(130)通過切口定位系統(tǒng)(120)定位在受治療者身上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一部分(123)包括鉸接地聯(lián)接到基部(702)的第一帶槽拱形物(704)，并且所述第二部分包括鉸接地聯(lián)接到所述基部并且相對于所述第一帶槽拱形物正交設(shè)置的第二帶槽拱形物(706)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備還包括通道(712)，所述通道穿過所述第一帶槽拱形物中的所述第一開口和所述第二帶槽拱形物中的狹槽，以使所述通道與對應(yīng)于所述切口進(jìn)入點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)中心對準(zhǔn)，使得通過旋轉(zhuǎn)所述第一帶槽拱形物和所述第二帶槽拱形物來控制所述工具軸線的旋轉(zhuǎn)以控制對準(zhǔn)。
12.—種定位設(shè)備，包括: 具有用于與切口進(jìn)入點(diǎn)對準(zhǔn)的第一開口的第一板(406)； 具有用于與所述第一開口對準(zhǔn)的第二開口的第二板(408);和 致動機(jī)構(gòu)(412、414)，其聯(lián)接到所述第一板和所述第二板中的至少一個，并被設(shè)定成容許工具軸線被對準(zhǔn)穿過所述第一開口和所述第二開口，使得布置在所述工具軸線上的工具將以已知的位置和取向穿過所述切口進(jìn)入點(diǎn)。
13.一種定位設(shè)備，包括: 鉸接地聯(lián)接到基部(702)的第一帶槽拱形物(704)； 鉸接地聯(lián)接到所述基部并且相對于所述第一帶槽拱形物正交設(shè)置的第二帶槽拱形物(706);和 通道(712)，其穿過所述第一帶槽拱形物中的狹槽和所述第二帶槽拱形物中的狹槽，以使所述通道與對應(yīng)于切口進(jìn)入點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)中心對準(zhǔn)，使得通過旋轉(zhuǎn)所述第一帶槽拱形物和所述第二帶槽拱形物來控制所述工具軸線的旋轉(zhuǎn)，以提供針對所述工具軸線的已知位置和取向的對準(zhǔn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一帶槽拱形物和所述第二帶槽拱形物中的至少一個包括用于保持位置的制動器。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其特征在于，所述基部(702)接合受治療者身上的安裝位置，使得所述旋轉(zhuǎn)中心對應(yīng)于所述受治療者中的切口進(jìn)入點(diǎn)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備還包括工具(104)，所述工具穿過所述通道并且沿著所述工具軸線進(jìn)入到進(jìn)入切口中并到達(dá)所述受治療者體內(nèi)，使得所述工具被維持在通過所述受治療者體內(nèi)的窺鏡可見的位置中。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一帶槽拱形物(704)和所述第二帶槽拱形物(704)是基于來自所述窺鏡的位置或視圖的反饋而被計算機(jī)控制和設(shè)定在一個位置處的。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其特征在于，所述定位設(shè)備(130)通過切口定位系統(tǒng)(120)定位在受治療者身上。
19.一種用于將器械定位的方法，包括: 將窺鏡放置(802)在受治療者中的第一切口中； 確定(804)用于器械的第二切口的位置； 將定位和取向設(shè)備安裝(806)到所述受治療者身上，所述定位和取向設(shè)備包括具有可調(diào)整位置的、用于將工具軸線相對于所述第二切口對準(zhǔn)的至少兩個開口 ；和 根據(jù)所述窺鏡的視場將工具沿著穿過所述至少兩個開口的所述工具軸線定位(808)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，安裝(806)包括采用切口定位系統(tǒng)以確定在所述受治療者身上的用于所述定位和取向設(shè)備的安裝位置。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述定位和取向設(shè)備(130)包括:具有用于與切口進(jìn)入點(diǎn)對準(zhǔn)的第一開口的第一板；具有用于與所述第一開口對準(zhǔn)的第二開口的第二板；以及致動機(jī)構(gòu)，其被設(shè)置在所述第一板和所述第二板之間并被設(shè)定成容許工具軸線被對準(zhǔn)穿過所述第一開口和所述第二開口，使得布置在所述工具軸線上的工具將經(jīng)過到達(dá)根據(jù)規(guī)劃的位置。
22.根據(jù)權(quán)利要 求19所述的方法，其特征在于，所述定位和取向設(shè)備(130)包括:鉸接地聯(lián)接到基部的第一帶槽拱形物；鉸接地聯(lián)接到所述基部并且相對于所述第一帶槽拱形物正交設(shè)置的第二帶槽拱形物；以及通道，所述通道設(shè)置成穿過所述第一帶槽拱形物中的狹槽和所述第二帶槽拱形物的狹槽，以使所述通道與對應(yīng)于切口進(jìn)入點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)中心對準(zhǔn)，使得通過旋轉(zhuǎn)所述第一帶槽拱形物和所述第二帶槽拱形物來控制所述工具軸線的旋轉(zhuǎn)，從而控制與根據(jù)規(guī)劃的位置的對準(zhǔn)。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法還包括使用處于所述定位和取向設(shè)備的設(shè)定位置中的所述器械執(zhí)行(810)手術(shù)。
【文檔編號】A61B19/02GK103974672SQ201280059949
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月5日
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