一種用來(lái)精確引導(dǎo)對(duì)一病患進(jìn)行外科手術(shù)的系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]—種用來(lái)精確引導(dǎo)對(duì)一病患進(jìn)行外科手術(shù)的系統(tǒng)
【背景技術(shù)】
[0002]雖然業(yè)界一致認(rèn)為計(jì)算器引導(dǎo)系統(tǒng)可能既可降低風(fēng)險(xiǎn)并可改善許多種外科程序的結(jié)果，例如應(yīng)用在全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)或全人工髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)，或脊柱融合手術(shù)上。但是這種計(jì)算器導(dǎo)引系統(tǒng)的使用率仍然很低。
[0003]例如，市面所販賣(mài)的一些系統(tǒng)可用來(lái)通過(guò)同時(shí)追蹤多個(gè)對(duì)象，例如病患本身，植入物和其他儀器，引導(dǎo)外科醫(yī)生精確的定位植入物，諸如髖關(guān)節(jié)植入。然而，要成為一種切實(shí)可行的解決方案，所使用的引導(dǎo)設(shè)備必須不能妨礙手術(shù)團(tuán)隊(duì)的工作或遮蓋其視線，也不能迫使手術(shù)團(tuán)隊(duì)使用不熟悉的工作方式來(lái)支持。也就是說(shuō)，必須能夠從引導(dǎo)系統(tǒng)能清楚觀察到傷口。另外，附著在病患身上的導(dǎo)航目標(biāo)物，植入物和其他儀器也必須不會(huì)干擾到外科醫(yī)生的工作，但同時(shí)又能夠在整個(gè)過(guò)程中，提供可靠的定位引導(dǎo)。
[0004]在歐洲專(zhuān)利文獻(xiàn)EP607303B1中公開(kāi)一種用于測(cè)量目標(biāo)物圖案的空間位置和朝向的系統(tǒng)，所述圖案包括至少3個(gè)彼此相對(duì)位置已知的目標(biāo)物。
[0005]穩(wěn)定的連接到該目標(biāo)物圖案的任何物體的位置和朝向，可以利用該專(zhuān)利技術(shù)測(cè)量。這樣的目標(biāo)物可能是一個(gè)測(cè)量探針，也可以是一個(gè)組件的一部分，用來(lái)定位到特定的配置中，例如植入物中，或者是用來(lái)追蹤時(shí)間上或空間上的變化，例如經(jīng)受手術(shù)治療的骨骼結(jié)構(gòu)變化的物體。
[0006]另外，例如EP607303B1也已知，如果目標(biāo)物圖案含有至少3個(gè)目標(biāo)物，其中個(gè)別目標(biāo)物之間的相對(duì)位置已知，并且以一定的定位供具放置在目標(biāo)物圖案上，則這種圖案目標(biāo)物在三維空間中相對(duì)于攝像機(jī)的位置和朝向，可以從由攝像機(jī)拍攝所得的目標(biāo)物二維圖像中作出判斷。
[0007]如果所拍攝的照片包含的目標(biāo)物的兩個(gè)或更多的不同已知的目標(biāo)物圖案，即可以用來(lái)判斷這些目標(biāo)物圖案中，個(gè)別相對(duì)于該攝像機(jī)的空間位置和朝向。結(jié)果即可從該EP607303B1的教導(dǎo)衍生出一系統(tǒng)，用來(lái)測(cè)量多個(gè)目標(biāo)物的位置和朝向，例如在全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)中，同時(shí)量測(cè)股骨和植入物的位置和朝向。
[0008]即使前述已知的目標(biāo)物圖案都是相同的圖案，仍可判斷其空間位置和朝向，只要
(I)每一個(gè)初始位置均是已知，且(2)圖像之間的接續(xù)運(yùn)動(dòng)夠小，小到足以追蹤每個(gè)圖案沿時(shí)間的變化，且(3)在任何時(shí)間點(diǎn)，兩個(gè)圖案都不會(huì)形成重迭或極接近重迭，以致于無(wú)法顯示前后兩張圖像之間的運(yùn)動(dòng)。
[0009]在專(zhuān)利文獻(xiàn)EP1712193A1和DE19649399A1中公開(kāi)了具有類(lèi)似能力的替代系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)都能夠判斷多個(gè)目標(biāo)物的位置和朝向，但與專(zhuān)利文獻(xiàn)EP607303B1相同，都需要一個(gè)固定的攝像機(jī)。
[0010]在如專(zhuān)利文獻(xiàn)EP 607303B1，EP 1712193A1和DE 19649399A1中所述的系統(tǒng)中所進(jìn)行的所有測(cè)量，都是基于固定關(guān)連到該攝像機(jī)的參考圖框，通常是使用測(cè)量探針，探測(cè)特定數(shù)量的參考特征，進(jìn)行初始設(shè)定程序得到。這種方式明確陳述在DE 19649399A1中，并隱含在EP 1712193A1的敘述中。如不透過(guò)這種程序，則需要建立數(shù)個(gè)參考圖框，以供量測(cè)時(shí)參照。
[0011]此外，在EP 1712193A1和DE 19649399A1所使用的IR傳感器并無(wú)法拍攝瞬間的圖像，雖然動(dòng)作誠(chéng)然迅速，仍然只能逐點(diǎn)測(cè)量，并不能同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)或多個(gè)點(diǎn)。這種限制使精度略有下降，因?yàn)椴煌哪繕?biāo)物是在略為不同的時(shí)間點(diǎn)量測(cè)。不過(guò)，這種缺點(diǎn)無(wú)傷大局，因?yàn)樗婕暗倪\(yùn)動(dòng)相對(duì)都較小。但是，這種現(xiàn)有技術(shù)要求攝像機(jī)在測(cè)量期間保持靜止，否則將由于傳感器和目標(biāo)物之間的距離較長(zhǎng)，而害及測(cè)量的精度。在一個(gè)固定于攝像機(jī)的坐標(biāo)系統(tǒng)中，只要攝像機(jī)發(fā)生小角度的運(yùn)動(dòng)，即會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)物的位置產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)大的偏移，結(jié)果使得即使在些微的時(shí)間差中所觀測(cè)到的目標(biāo)物，也會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的相對(duì)位移。這在使用攝像機(jī)的情況下，將更為嚴(yán)重。
[0012]因此，在上述已知的系統(tǒng)中，將該攝像機(jī)保持靜止至為重要，否則將會(huì)失去與參考圖框的相關(guān)性。
[0013]因此，上述的系統(tǒng)并不適合應(yīng)用于實(shí)際從事植入物放置的任務(wù)。這種類(lèi)型的手術(shù)涉及使用大的力度以及骨骼結(jié)構(gòu)的繁復(fù)的機(jī)械組成，事實(shí)上并無(wú)法將病患保持固定，將攝像機(jī)維持固定更不切實(shí)際，因?yàn)閿z像機(jī)在手術(shù)過(guò)程中會(huì)阻礙到傷口的視線，或是妨礙到醫(yī)療工作人員的工作。
[0014]另外，也有業(yè)者提出使外科醫(yī)生能夠準(zhǔn)確計(jì)劃最佳植入位置，或者任何其他程序中的幾何結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。但是，如要真正合乎實(shí)際應(yīng)用并因此能大量使用，所產(chǎn)生的計(jì)劃必須與引導(dǎo)系統(tǒng)整合，以使外科醫(yī)生能接收到易于參用且直觀的引導(dǎo)，提供例如在手術(shù)過(guò)程中移動(dòng)植入物以達(dá)到計(jì)劃所定位置的引導(dǎo)。同時(shí)，所提供的引導(dǎo)信息還必須能夠避免使外科醫(yī)生的視覺(jué)專(zhuān)注從傷口移開(kāi)，更不能導(dǎo)致額外的疲勞，例如在醫(yī)生使用手術(shù)放大鏡時(shí)，要求額外的閱讀。
[0015]如上述的計(jì)劃工具已經(jīng)在市面販賣(mài)，包括由例如Medtronic公司與Brainlab公司提供的市售解決方案，其中也有幾種可能與引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行整合。然而，這些工具都需要外科醫(yī)生解讀以二維呈現(xiàn)的圖形，絕大多數(shù)都與傳統(tǒng)的X射線圖像類(lèi)似，或要求外科醫(yī)生在手術(shù)過(guò)程中，手動(dòng)選擇相關(guān)的視野與投射角度。結(jié)果不但費(fèi)時(shí)，且會(huì)提高錯(cuò)誤解讀的風(fēng)險(xiǎn)，并使醫(yī)生的視覺(jué)專(zhuān)注從手術(shù)過(guò)程本身移開(kāi)。
[0016]—些現(xiàn)有的解決方案提供基于通用病患模型所建立的引導(dǎo)。所使用的模型或?yàn)橥耆ㄓ玫哪Ｐ?，或?yàn)橼吔』紬l件的模型，即根據(jù)性別，體型，年齡，形狀或其他選擇條件，從病患類(lèi)型庫(kù)中選擇的模型。雖然這些解決方案有益于手術(shù)過(guò)程的引導(dǎo)，例如可以應(yīng)用在教學(xué)的情況下，但要應(yīng)用到提高手術(shù)的精度，如達(dá)到次毫米的精度，則顯然是未達(dá)實(shí)用階段。要應(yīng)用在規(guī)劃和引導(dǎo)，所使用的模型必須明確為個(gè)別病患的一種精確表示。現(xiàn)存的技術(shù)可以用來(lái)提取例如從CT掃描所得到的計(jì)算器表示。
[0017]使用導(dǎo)引系統(tǒng)也不能達(dá)到明顯延長(zhǎng)手術(shù)過(guò)程的持續(xù)時(shí)間的結(jié)果，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)原因或避免提高感染風(fēng)險(xiǎn)的角度看，都是如此。因此設(shè)定和對(duì)準(zhǔn)時(shí)間必須縮短，且該系統(tǒng)的使用必須簡(jiǎn)化并直觀，才能成為提高外科醫(yī)生效率的輔助工具。
[0018]因此，同樣重要的要求是系統(tǒng)組件的所在位置必須不會(huì)妨礙或遮擋既定的工作流程，而是可以使手術(shù)小組運(yùn)用熟悉的方法以及使用已建立的技法，進(jìn)行手術(shù)。
[0019]此外，該引導(dǎo)設(shè)備也必須具有購(gòu)置的成本效益比，該系統(tǒng)必須是堅(jiān)固和可靠，以避免在操作過(guò)程中發(fā)生故障。并且在系統(tǒng)中，會(huì)與病患接觸的零件必須是一次性零件或適合消毒的零件。
[0020]因此，用于手術(shù)中提供引導(dǎo)的有效解決方案必須滿(mǎn)足多種要求，其中最重要的是:
[0021].能夠獲得對(duì)于個(gè)別病患的精確三維表示，
[0022].能夠?qū)⒃摫硎臼褂迷谝?guī)畫(huà)手術(shù)的目的，并能創(chuàng)建一個(gè)修改后的模型，用于顯示預(yù)期的術(shù)后幾何形狀，
[0023].能夠同時(shí)追蹤多個(gè)目標(biāo)物(病患、儀器、植入物等)，
[0024].使用一導(dǎo)航單元，例如一攝像機(jī)的能力，導(dǎo)航單元在手術(shù)過(guò)程中可以四處移動(dòng)，以避免妨礙或過(guò)度限制手術(shù)團(tuán)隊(duì)的活動(dòng)，
[0025].能夠追蹤外科醫(yī)生相對(duì)于病患的移動(dòng)，以自動(dòng)在相關(guān)的投影中顯示圖形化的引導(dǎo)?目息

【發(fā)明內(nèi)容】

[0026]本發(fā)明的目的即在是提供一種整合的系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供給外科醫(yī)生所需的精確且直觀的空間上測(cè)量數(shù)據(jù)，用于精確引導(dǎo)外科手術(shù)，且不會(huì)妨礙活動(dòng)或遮擋傷口。
[0027]—種用來(lái)精確引導(dǎo)對(duì)一病患進(jìn)行外科手術(shù)的系統(tǒng)，包括:
[0028]a) 一三維數(shù)字化表示，用于表示該病患一相關(guān)部位的術(shù)前幾何形狀；
[0029]b) 一三維數(shù)字化表示，用于表示該病患該相關(guān)部位的術(shù)后預(yù)定幾何形狀，包括任何預(yù)定要附連到該病患的植入物或其他結(jié)構(gòu)；
[0030]c) 一可移動(dòng)光電攝像機(jī)，安裝在一相對(duì)于一外科醫(yī)生的已知位置及朝向；
[0031]d) 一第一載具，包含至少3個(gè)目標(biāo)物，用于供該攝像機(jī)取像，該第一載具用于安裝在一相對(duì)于該病患該相關(guān)部位的已知位置及朝向；
[0032]e) 一第二載具，包含至少3個(gè)目標(biāo)物，用于供該攝像機(jī)(3)取像，該第二載具用于安裝在一相對(duì)于一植入物(I)或外科器械的已知位置及朝向；
[0033]f) 一計(jì)算器，用于根據(jù)該攝像機(jī)3的取像結(jié)果，計(jì)算該含有至少3個(gè)目標(biāo)物的第一載具與第二載具間，以及與該攝像機(jī)間的相對(duì)位置；
[0034]g)軟件，建置在該計(jì)算器，用于計(jì)算該病患的一數(shù)字化表示顯示在一顯示器的相對(duì)投射關(guān)系，以供所顯示的投射可以匹配到該外科醫(yī)生當(dāng)時(shí)對(duì)該病患的實(shí)際視線。
[0035]該病患的相關(guān)部位的術(shù)前幾何形狀的三維數(shù)字化表示，與該病患的相關(guān)部位，包括任何預(yù)定要附連到該病患的植入物或其他結(jié)構(gòu)的術(shù)后幾何形狀的三維數(shù)字化表示，已合并到一單一表不。
[0036]優(yōu)選地，該攝像機(jī)同時(shí)拍攝在該載具上的所有目標(biāo)物的影像。
[0037]優(yōu)選地，該計(jì)算器提供該顯示器，該顯示器附連在計(jì)算器本身或位于一遠(yuǎn)程的適當(dāng)位置，以供觀看，用于顯示如何將一載具相對(duì)于該病患或另一載具移動(dòng)，以達(dá)到所需的相對(duì)位置與朝向的信息。
[0038]優(yōu)選地，該系統(tǒng)包括至少3個(gè)載具，各載具包括至少3個(gè)目標(biāo)物可供該攝像機(jī)取像，各載具用于安裝在一相對(duì)于該病患的一部分、一植入物、一器具或任何其他需要探知位置的裝置的已知位置與朝向。
[0039]優(yōu)選地，該攝像機(jī)為一數(shù)字化攝像機(jī)，經(jīng)校正以精確量測(cè)相對(duì)于空間上的目標(biāo)物的空間方向。
[0040]優(yōu)選地，該目標(biāo)物為主動(dòng)式發(fā)光組件。
【附圖說(shuō)明】
[0041]圖1為本發(fā)明用來(lái)精確引導(dǎo)對(duì)一病患進(jìn)行外科手術(shù)的系統(tǒng)的應(yīng)用示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042]本發(fā)明的目的即在是提供一種整合的系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供給外科醫(yī)生所需的精確且直觀的空間上測(cè)量數(shù)據(jù)，用于精