將手術(shù)器械相對(duì)患者身體進(jìn)行定位的機(jī)器人輔助裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種將手術(shù)器械相對(duì)于患者身體(C1)進(jìn)行定位的機(jī)器人裝置(2)。所述裝置包括第一機(jī)械臂(35)，其一端設(shè)有一與至少一件手術(shù)器械緊密連接的組件，用于例如持握、移動(dòng)、定位并引導(dǎo)所述手術(shù)器械；將所述第一臂相對(duì)于所述身體(1)進(jìn)行解剖上調(diào)準(zhǔn)的組件，所述調(diào)準(zhǔn)是如下進(jìn)行的：將在手術(shù)中獲得的所述患者的解剖區(qū)域的圖像，相對(duì)于預(yù)先通過(guò)傳感器所獲得的圖像進(jìn)行調(diào)準(zhǔn)，從而用于實(shí)時(shí)檢測(cè)所述解剖區(qū)域的內(nèi)部移動(dòng)；和基于所檢測(cè)到的移動(dòng)補(bǔ)償所述第一臂移動(dòng)的組件。這種裝置的特征在于，所述的裝置包括至少一個(gè)第二機(jī)械臂(4)，在其一端設(shè)有用于檢測(cè)所述解剖區(qū)域的所述內(nèi)部移動(dòng)的所述傳感器，所述檢測(cè)傳感器接觸定位于所述解剖區(qū)域；和用于控制所述第一臂(3)相對(duì)于所感測(cè)到的內(nèi)部移動(dòng)和相對(duì)于引發(fā)所述第二臂(4)的外部移動(dòng)定位的組件。
【專利說(shuō)明】將手術(shù)器械相對(duì)患者身體進(jìn)行定位的機(jī)器人輔助裝置
[0001]本發(fā)明屬于醫(yī)療領(lǐng)域，尤其涉及準(zhǔn)備和實(shí)施外科手術(shù)的操作方法學(xué)。
[0002]本發(fā)明具體涉及一種解剖醫(yī)學(xué)成像，用于進(jìn)行機(jī)器人輔助的外科手術(shù)。
[0003]本發(fā)明發(fā)現(xiàn)一種優(yōu)選的(但不限于)脊柱解剖區(qū)域的外科手術(shù)應(yīng)用。
[0004]為了這個(gè)目的，本發(fā)明涉及一種將手術(shù)器械相對(duì)患者身體進(jìn)行定位的裝置。
[0005]應(yīng)注意，將基于腰部脊柱、脊柱前凸癥的前彎曲級(jí)手術(shù)的具體實(shí)施例描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明也可用于低位和高位頸部脊柱、背部或胸部脊柱，以及骶部脊柱和尾椎的手術(shù)。
[0006]在該解剖區(qū)域，外科手術(shù)是精細(xì)、周密以及具有風(fēng)險(xiǎn)的操作，其需要對(duì)椎骨進(jìn)行鉆孔、破骨或打磨，解剖肌肉、韌帶、椎間盤，同時(shí)避免損傷脊髓、神經(jīng)根、血管和神經(jīng)。
[0007]例如，常規(guī)實(shí)行的手術(shù)包括在腰椎椎管狹窄或椎間盤突出的情況下進(jìn)行的椎板切除術(shù)、(神經(jīng))根減壓術(shù)(radicular release);通過(guò)在椎弓根打螺釘而融合脊椎的關(guān)節(jié)固定術(shù)；通過(guò)向椎體中注射骨水泥的椎體成形術(shù)和椎體后凸成形術(shù)。
[0008]為了減少住院治療并有利于患者的康復(fù)，這些手術(shù)在盡可能小的操作通道中實(shí)施，甚至通過(guò)微創(chuàng)或經(jīng)皮的手術(shù)來(lái)進(jìn)行。由于出血造成能見(jiàn)度降低，操作通道的狹窄性使得術(shù)者的精細(xì)操作變得非 常困難。在這種情況下，椎弓根螺釘?shù)恼`放率升至25%，嚴(yán)重誤放率(aggressive misplacements)占到 3-5%。
[0009]為了提高其操作的精確度，外科醫(yī)生現(xiàn)在使用解剖醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)，特別是透視和導(dǎo)航。
[0010]首先，透視在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生X射線，從而連續(xù)獲得圖像并生成一個(gè)直觀圖，而外科醫(yī)生可以實(shí)時(shí)監(jiān)控其器械在解剖結(jié)構(gòu)中的進(jìn)度。然而，由于長(zhǎng)時(shí)間、反復(fù)暴露于這些離子射線對(duì)醫(yī)務(wù)人員和患者都有害，因此這項(xiàng)技術(shù)的使用有著特定的限制。
[0011]另一方面，導(dǎo)航能夠在手術(shù)前或手術(shù)中影像上觀察到虛擬工具，使得外科醫(yī)生能夠在上面實(shí)時(shí)觀察到他的器械的進(jìn)展，在3D導(dǎo)航中更是如此。
[0012]然而，第一個(gè)缺陷來(lái)自于定位手術(shù)工具的復(fù)雜運(yùn)算，這會(huì)造成近似情況(approximation)并導(dǎo)致錯(cuò)誤定位。此外，現(xiàn)有技術(shù)需要在患者身體上定位固定標(biāo)記物，例如，目前有創(chuàng)地打入脊柱，用于導(dǎo)航系統(tǒng)中圖像采集器件(image-acquisition optics)的導(dǎo)向。
[0013]此外，這些技術(shù)不能處理術(shù)者在進(jìn)行外科操作時(shí)人為作業(yè)相關(guān)的失誤，尤其是在向椎弓根擰螺釘前的鉆孔加壓步驟中。
[0014]這就是開(kāi)發(fā)機(jī)器人系統(tǒng)輔助手術(shù)的原因，其能夠幫助外科醫(yī)生從機(jī)械上保證外科操作的精確度和可重復(fù)性。
[0015]在這種情況下，另一個(gè)在術(shù)中出現(xiàn)的問(wèn)題在于患者本身的呼吸和心跳造成的解剖學(xué)移位的管理。具體地，呼吸依賴于膈肌運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生胸廓和肺部運(yùn)動(dòng)，助于氣體交換。肌肉活動(dòng)造成周邊解剖結(jié)構(gòu)，例如腹部和脊柱的變形。變形的程度取決于分鐘通氣量(MV)，根據(jù)它的體積和頻率，也取決于患者的體位，即站立位、坐位、俯臥位、仰臥位或側(cè)臥位。
[0016]在脊柱手術(shù)中，胸椎的移動(dòng)程度較大，而腰椎的移動(dòng)程度較小。此外，特定椎骨的移動(dòng)可經(jīng)外科醫(yī)生的動(dòng)作進(jìn)行調(diào)整，這也是他手術(shù)中的一部分，即當(dāng)他在鉆孔或?qū)趋澜Y(jié)構(gòu)進(jìn)行破骨，或切斷肌肉或韌帶時(shí)，也能夠支撐起椎骨結(jié)構(gòu)。
[0017]為了限制腰部手術(shù)中的這些移動(dòng)，當(dāng)入路路徑允許時(shí)，患者取俯臥位，注意使腹部在低于胸廓部分的位置自由運(yùn)動(dòng)。然后由機(jī)械部件和手術(shù)臺(tái)的附件將患者以該體位進(jìn)行固定。這個(gè)特定的俯臥位能顯著減小腰部脊柱的運(yùn)動(dòng)幅度。
[0018]然而，呼吸以及尤其由手術(shù)造成的外力導(dǎo)致腰部脊柱往復(fù)循環(huán)并臨時(shí)性地移動(dòng)數(shù)毫米，而外科醫(yī)生則需要仰仗他的靈巧度和視力來(lái)對(duì)此進(jìn)行彌補(bǔ)。
[0019]在機(jī)器人輔助操作的情況下，為維持比外科醫(yī)生更高的機(jī)械精準(zhǔn)度，非常重要的是對(duì)這些運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量并使機(jī)械臂能夠自動(dòng)調(diào)整適應(yīng)這些運(yùn)動(dòng)，而伴隨這些運(yùn)動(dòng)的則是與目標(biāo)速度相當(dāng)?shù)膶?shí)施速度。
[0020]為了這個(gè)目的，為與術(shù)前3D成像中的術(shù)前計(jì)劃相一致，應(yīng)測(cè)量解剖目標(biāo)，即腰椎的移動(dòng)，并實(shí)時(shí)地對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，從而使該裝置在輔助定位中維持高度的精確性。
[0021]目前，包括在導(dǎo)航中，采用將標(biāo)記物擰入脊椎的方法。其后通過(guò)某一計(jì)算方法計(jì)算圖像中顯示的定位標(biāo)記補(bǔ)償，并將其實(shí)時(shí)傳入機(jī)械臂。然而，這種辦法的缺陷仍然是有創(chuàng)的。此外，標(biāo)記物的光學(xué)識(shí)別存在被術(shù)者遮擋的風(fēng)險(xiǎn)，而光學(xué)識(shí)別信號(hào)被傳送所述的計(jì)算環(huán)節(jié)，并產(chǎn)生與相對(duì)于所捕獲的解剖學(xué)位移不同的機(jī)械臂的移動(dòng)。
[0022]US2006/142657中對(duì)該方法進(jìn)行了部分描述，其涉及含有第一機(jī)械臂和第二被動(dòng)臂(passive arm)的系統(tǒng)。所述第一機(jī)械臂執(zhí)有器械，包括手術(shù)器械，而第二臂則在其遠(yuǎn)末端與固定于目標(biāo)解剖區(qū)域骨骼內(nèi)的標(biāo)記物構(gòu)成一體。因此，骨骼的移動(dòng)誘發(fā)標(biāo)記物的移動(dòng)，通過(guò)被動(dòng)臂捕獲后傳 入機(jī)械臂。
[0023]然而，沒(méi)有成像的情況下，該方法僅限于只能對(duì)骨骼手術(shù)，并不能夠補(bǔ)償其他組織的位移。簡(jiǎn)而言之，骨骼中的機(jī)械固定能跟隨所述區(qū)域的移動(dòng)。
[0024]W02007/002926設(shè)計(jì)了一種無(wú)創(chuàng)的方法，其記載為了治療腫瘤而照射組織用的機(jī)器人系統(tǒng)。具體地，第一機(jī)械臂載有一種輻射發(fā)射源，“LINAC”。第二臂僅支撐在待治療解剖區(qū)域放置的超聲探頭并記錄所述區(qū)域的圖像。這些圖像用于計(jì)算解剖區(qū)域的內(nèi)部移動(dòng)。
[0025]然而，探頭的空間位置由獨(dú)立、額外的光學(xué)系統(tǒng)測(cè)定，仍然會(huì)造成上述的問(wèn)題。
[0026]本文還提供了使用放置在解剖區(qū)域的標(biāo)記物，直接放在皮膚上。測(cè)定這些標(biāo)記物的移動(dòng)能確定所述解剖區(qū)域的外部移動(dòng)。
[0027]此外，需要通過(guò)基于對(duì)數(shù)學(xué)模型的處理得到用于糾正LINAC軌跡的相對(duì)坐標(biāo)，其與實(shí)際測(cè)得的解剖區(qū)域內(nèi)部和外部的移動(dòng)相關(guān)。這種計(jì)算需要大量的處理時(shí)間，從而使其在解剖區(qū)域(如脊柱)的操作中的應(yīng)用具有一定難度，且其經(jīng)常出現(xiàn)不同程度的錯(cuò)誤。
[0028]DE102008022924記載了另一種方法。一種攜帶機(jī)械臂，被稱為“C-臂”的成像系統(tǒng)能夠?qū)嵤┮幌盗信臄z，經(jīng)過(guò)處理后能顯示目標(biāo)解剖區(qū)域的移動(dòng)。
[0029]然而，C臂僅作為一種輔助，取決于拍攝所需方向定位所述的成像系統(tǒng)。這個(gè)臂無(wú)法根據(jù)所述解剖區(qū)域的移動(dòng)而移動(dòng)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，一旦進(jìn)行定位，臂就保持不動(dòng)，否則改變它的位置，而不考慮目標(biāo)的移動(dòng)。
[0030]此外，通過(guò)與解剖區(qū)域外部粘合的微球形標(biāo)記物，實(shí)現(xiàn)對(duì)該區(qū)域移動(dòng)的監(jiān)控。同樣，采用獨(dú)立的光學(xué)或電磁學(xué)系統(tǒng)來(lái)捕獲所述標(biāo)記物的移動(dòng)，并通過(guò)相同的所述解剖區(qū)域的外部移動(dòng)進(jìn)行演算。通過(guò)數(shù)學(xué)處理來(lái)進(jìn)行演算，從而引導(dǎo)另一個(gè)執(zhí)有器械(包括手術(shù)器械)的機(jī)器人。
[0031]US2008/033410中提及另一相關(guān)的典型方法，其描述了單個(gè)機(jī)械臂和固定支架，其初始設(shè)定，并且不能根據(jù)所測(cè)定的位移而產(chǎn)生任何移動(dòng)。事實(shí)上，所述支架包括通過(guò)套筒夾具在末端連接的管子，套筒夾具使其之間互相相連為一體。為了調(diào)節(jié)其相對(duì)位置，則需要松開(kāi)所述的夾具，改變方向，然后再夾緊夾具。
[0032]此外，同樣地，該系統(tǒng)使用一顯示器，所述顯示器采用不是非常精準(zhǔn)的額外光學(xué)體系 [0033]本發(fā)明的目的是針對(duì)本領(lǐng)域現(xiàn)有的缺陷，提供用于將手術(shù)器械相對(duì)于患者身體進(jìn)行定位的裝置，使用至少一個(gè)用于支撐至少一件手術(shù)器械的第一機(jī)械臂，以及同樣為機(jī)械臂的第二牽拉臂。該第二機(jī)械臂旨在實(shí)時(shí)、精確地測(cè)定所述身體的移動(dòng)，并將其與所述第一臂進(jìn)行通信，從而相應(yīng)地補(bǔ)償它的位置。具體地，所述的第二臂能夠測(cè)定所需治療的解剖區(qū)域的內(nèi)部和外部移動(dòng)。
[0034]在另一方面，通過(guò)適當(dāng)?shù)膫鞲衅鱽?lái)測(cè)定內(nèi)部移動(dòng)，尤其是通過(guò)在目標(biāo)解剖區(qū)域之前的、患者皮膚上接觸放置的超聲探頭。通過(guò)這樣實(shí)時(shí)捕獲的內(nèi)部移動(dòng)，可以將這些內(nèi)部的位移傳送至所述第一機(jī)械臂，從而對(duì)其軌跡進(jìn)行補(bǔ)償。
[0035]在這方面，應(yīng)注意，通過(guò)將手術(shù)中獲得的區(qū)域圖像相對(duì)于術(shù)前獲得的影像進(jìn)行調(diào)準(zhǔn)，在初始階段進(jìn)行第一機(jī)械臂的定位。因此，可以根據(jù)第二臂上的傳感器所測(cè)定的內(nèi)部移動(dòng)對(duì)該調(diào)準(zhǔn)進(jìn)行更改。
[0036]在另一方面，第二臂根據(jù)解剖區(qū)域的移動(dòng)動(dòng)作進(jìn)行移動(dòng)，因?yàn)槎呦噙B接，優(yōu)選地為接觸連接。這些區(qū)域的外部移動(dòng)引發(fā)所述第二臂，然后傳遞給所述第一臂。簡(jiǎn)單地說(shuō)，由于第二臂對(duì)著所述的區(qū)域移動(dòng)，且為機(jī)械臂，其可自動(dòng)地極其精確地獲知這些移動(dòng)，從而將其傳送給所述的第一臂。
[0037]再一方面，由于所述的第二臂為機(jī)械臂，其定位已經(jīng)非常清楚。由于其載有傳感器，而傳感器的位置反過(guò)來(lái)也是非常清楚的。因此，可省去測(cè)定傳感器位置的額外的(包括光學(xué)的)系統(tǒng)，而這些傳感器與所述第二臂的末端直接成為一體。
[0038]為了這個(gè)目的，根據(jù)本發(fā)明的所述裝置包括:
[0039]-第一機(jī)械臂，其一端設(shè)有與至少一件手術(shù)器械形成整體的組件，從而持握、移動(dòng)、定位和引導(dǎo)所述的手術(shù)器械；
[0040]-用于對(duì)所述第一臂相對(duì)于所述身體進(jìn)行解剖上調(diào)準(zhǔn)的組件，所述調(diào)準(zhǔn)是如下進(jìn)行的:將手術(shù)中獲得的所述患者的解剖區(qū)域的圖像，相對(duì)于預(yù)先獲得的圖像進(jìn)行調(diào)準(zhǔn)；
[0041]-用于實(shí)時(shí)檢測(cè)所述解剖區(qū)域內(nèi)部移動(dòng)的傳感器，和基于所述被檢測(cè)到的移動(dòng)對(duì)所述第一臂的移動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕M件；
[0042]其中包括:
[0043]-至少一個(gè)第二機(jī)械臂，其一端設(shè)有用于檢測(cè)所述解剖區(qū)域的內(nèi)部移動(dòng)的所述傳感器，所述檢測(cè)傳感器被接觸置于所述解剖區(qū)域；
[0044]-用于控制所述第一臂定位的組件，既基于所述所檢測(cè)到的內(nèi)部移動(dòng)又基于引發(fā)所述第二臂的外部移動(dòng)進(jìn)行控制。
[0045]因此，本發(fā)明實(shí)施機(jī)器人方案，用于協(xié)助引導(dǎo)手術(shù)器械、解剖上調(diào)準(zhǔn)以及開(kāi)放手術(shù)、微創(chuàng)手術(shù)以及經(jīng)皮手術(shù)的手術(shù)操作計(jì)劃，并提供了手術(shù)目標(biāo)區(qū)域(包括腰椎)移動(dòng)的實(shí)時(shí)測(cè)定，對(duì)內(nèi)部或外部測(cè)定的所述移動(dòng)進(jìn)行精確補(bǔ)償，從而相應(yīng)定位機(jī)器人手術(shù)臂，并修正其機(jī)械軌跡并維持引導(dǎo)的精準(zhǔn)度和器械的正確定位。
[0046]此外，應(yīng)注意，所述的第二臂包含用于參考所述傳感器的空間位置的組件，并且用于控制所述臂的定位的組件包括將所述位置的參考值納入考慮的組件。
[0047]此外，所述調(diào)準(zhǔn)組件包括:通過(guò)透視進(jìn)行局部標(biāo)記或通過(guò)經(jīng)皮超聲記錄，從而獲得所述區(qū)域的內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)的組件。
[0048]較佳地，所述的裝置包括用于與所述解剖區(qū)域接觸而測(cè)量所述臂中至少一個(gè)臂的力的組件。
[0049]優(yōu)選地，所述檢測(cè)組件可包括通過(guò)經(jīng)皮測(cè)量而實(shí)時(shí)檢測(cè)所述位移的超聲傳感器，即超聲傳感器裝置。
[0050]具體地，所述的檢測(cè)組件可包括至少一個(gè)與所述解剖區(qū)域形成一體的標(biāo)記物，從而測(cè)量其空間移動(dòng)。
[0051]最后，所述的標(biāo)記物可以是發(fā)出光學(xué)、超聲、電磁，和/或機(jī)械信號(hào)的標(biāo)記物，而檢測(cè)組件可包括接收所述相應(yīng)的光學(xué)、超聲、電磁和/或機(jī)械信號(hào)的傳感器。因此，當(dāng)所述的標(biāo)記物發(fā)出所述的信號(hào)，且該信號(hào)由所述的傳感器所接收時(shí)，就可以檢測(cè)到所述的位移。
[0052]本發(fā)明的其他 特征和優(yōu)點(diǎn)將由下文中本發(fā)明非限制性的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)、清楚的描述，參考唯一的附圖可見(jiàn)，其大致表示了在為手術(shù)臺(tái)上呈俯臥位的患者進(jìn)行手術(shù)的機(jī)器人裝置。
[0053]本發(fā)明涉及機(jī)器人輔助外科工具相對(duì)于患者身體I進(jìn)行定位，以及相對(duì)于與所述身體I的移動(dòng)進(jìn)行定位修正。
[0054]本發(fā)明通過(guò)參考所述身體I的一個(gè)解剖學(xué)部位作為例子來(lái)進(jìn)行描述，即脊柱，更具體地，為腰椎手術(shù)。
[0055]因此，本發(fā)明涉及實(shí)施裝置2，以保障至少一個(gè)手術(shù)器械相對(duì)患者身體I (尤其是一個(gè)特定的解剖區(qū)域)的定位是準(zhǔn)確的。
[0056]首先，當(dāng)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施所述裝置時(shí)，至少一個(gè)手術(shù)器械與至少一個(gè)第一機(jī)械臂3的一端30形成一體，從而進(jìn)行維持、移動(dòng)、定位和引導(dǎo)所述的手術(shù)器械。數(shù)個(gè)臂可各自持握一個(gè)或多個(gè)器械。
[0057]具體地,所述第一機(jī)械臂3包括數(shù)個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的(motorized)、互相連接的部分，從而能在空間中移動(dòng)。所述第一機(jī)械臂3具有一固定末端31，作為在其工作時(shí)的基底部并限定了三維定位標(biāo)記體系。另一遠(yuǎn)末端30具有適于接受一個(gè)或多個(gè)可活動(dòng)連接的手術(shù)器械的組件。該遠(yuǎn)末端30還包括接受傳感器或測(cè)量裝置的組件。
[0058]因此，所述第一機(jī)械臂3代替或引導(dǎo)所述術(shù)者的手并持握手術(shù)工具。
[0059]優(yōu)選地，所述第一臂3通過(guò)相對(duì)于所述身體I解剖上調(diào)準(zhǔn)進(jìn)行定位。這可通過(guò)將所述患者在手術(shù)中所獲得的解剖區(qū)域圖像與之前得到的圖像進(jìn)行調(diào)準(zhǔn)而實(shí)現(xiàn)。
[0060]在這方面，可采用數(shù)個(gè)調(diào)準(zhǔn)技術(shù)。它們包括收集手術(shù)時(shí)或手術(shù)期間患者的解剖區(qū)域圖像，從而對(duì)它們進(jìn)行精確的空間定位，并標(biāo)記第一臂3持握的手術(shù)器械。為此目的，將所獲得的圖像與先前手術(shù)前模式下獲得的圖像進(jìn)行比較和匹配?；谶@些術(shù)前的圖像，形成第一機(jī)械臂3的定位和位移從而完成手術(shù)中進(jìn)行的外科操作。
[0061]應(yīng)注意，可通過(guò)電腦軟件對(duì)2維或三維上的圖像進(jìn)行調(diào)整。[0062]FR2917598中詳細(xì)描述了一種代表性的解剖學(xué)調(diào)準(zhǔn)方法，該方法能在三維空間中捕捉患者身體感興趣部位的解剖表面。隨后，將通過(guò)機(jī)器人在手術(shù)中(per-operatively)所測(cè)定的輪廓，與在手術(shù)前所獲取的掃描儀圖像(即通過(guò)核磁共振成像(MRI)形式所獲得的掃描儀圖像)進(jìn)行調(diào)準(zhǔn)。記錄表面的操作可如下進(jìn)行:或者通過(guò)機(jī)械臂上的機(jī)械探頭進(jìn)行(其進(jìn)入并與所述解剖區(qū)域接觸)，從而記錄機(jī)器人的三維定位標(biāo)記體系中的檢測(cè)點(diǎn)位置，或通過(guò)機(jī)械臂上無(wú)觸點(diǎn)的激光測(cè)距儀掃描感興趣的區(qū)域，從而記錄機(jī)器人的三維定位標(biāo)記體系中的反射點(diǎn)位置。
[0063]在兩種情況下，點(diǎn)記錄法均是基于表面的。簡(jiǎn)而言之，其應(yīng)用于患者皮膚的外表面，或是之前準(zhǔn)備的(即已解剖的)器官。
[0064]基于該方法，可使機(jī)械臂在其遠(yuǎn)端攜帶一超聲探頭。簡(jiǎn)而言之，通過(guò)經(jīng)皮超聲記錄，從而在手術(shù)中或?qū)崟r(shí)地獲取圖像。
[0065]然后，可以執(zhí)行路徑，從而與患者皮膚接觸，并經(jīng)皮獲取所述機(jī)械臂的三維定位標(biāo)記器中的大量檢測(cè)點(diǎn)，從而獲得例如某一骨骼的外形。
[0066]簡(jiǎn)而言之，超聲探頭以及用于處理所獲數(shù)據(jù)的相關(guān)系統(tǒng)可用作測(cè)距儀，從而確定發(fā)生超聲反射的各點(diǎn)的位置，由于生物成分的組分是截然不同的，即骨骼和肌肉密度之間的差異，會(huì)在兩者之間造成的高反射系數(shù)，而對(duì)于由皮膚、肌肉、脂肪和水構(gòu)成的組合層，該比值是低的。因此，可以透過(guò)肌肉和皮膚層，通過(guò)經(jīng)皮方式確定骨面的位置。
[0067]取決于手術(shù)類型和目標(biāo)解剖區(qū)域，所述探頭可發(fā)出頻率約為5-SMHz (兆赫)的超聲波。
[0068]然后，將機(jī) 械臂在手術(shù)中所測(cè)得的三維形狀，與基于手術(shù)前通過(guò)掃描儀器所獲三維圖像所得出的形狀進(jìn)行重新對(duì)準(zhǔn)(realign)。即，切割工具先基于手術(shù)前圖像分離感興趣的解剖區(qū)域(即骨骼，例如本例中的脊椎骨)。這樣，就提供了初始調(diào)準(zhǔn)值，它作為追蹤移動(dòng)的基準(zhǔn)。
[0069]在這個(gè)特定例子中，所述機(jī)械臂可帶有數(shù)個(gè)超聲收發(fā)器，所述超聲收發(fā)器與皮膚接觸放置，且位于俯臥位患者的脊椎的骨性標(biāo)記表面之前(后入路)。所述脊椎骨的鋒部、脊柱和橫突的區(qū)別性的形狀，可為脊椎骨三維成像的實(shí)時(shí)重建提供足夠的信息。然后，通過(guò)將三維圖像或顯著點(diǎn)進(jìn)行匹配，在手術(shù)期間獲得的脊椎圖像就與手術(shù)前圖像進(jìn)行重疊，從而將其定位于所述機(jī)械臂的定位標(biāo)記體系。
[0070]因此，這樣的調(diào)準(zhǔn)是無(wú)創(chuàng)的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，該系統(tǒng)能識(shí)別內(nèi)部的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，例如腰椎，而無(wú)需事先解首1J。
[0071]另一個(gè)調(diào)整的方法是，可采用二維或三維的透視方法。簡(jiǎn)單地說(shuō)，可通過(guò)透視對(duì)所述解剖區(qū)域的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別，從而在手術(shù)中獲得圖像。然而，使用超聲的優(yōu)點(diǎn)在于:可避免透視的有害射線。
[0072]應(yīng)注意，透視可作為超聲的補(bǔ)充手段使用，例如為了獲得解剖學(xué)調(diào)準(zhǔn)的基準(zhǔn)值，或透視可在手術(shù)的給定時(shí)間內(nèi)使用，從而限制輻射量。這些基準(zhǔn)和補(bǔ)充調(diào)準(zhǔn)值可便于進(jìn)行持續(xù)的其他解剖調(diào)準(zhǔn)，從而進(jìn)行控制，并且還可協(xié)助將多個(gè)機(jī)械臂相對(duì)于同一三維定位標(biāo)記體系進(jìn)行移動(dòng)，這可基于其中一個(gè)機(jī)械臂所載有的追蹤標(biāo)記物而實(shí)現(xiàn)。
[0073]因此，透視射線發(fā)射系統(tǒng)可安置于手術(shù)臺(tái)上(即安置患者進(jìn)行手術(shù)的手術(shù)臺(tái))，而機(jī)械臂則攜帶追蹤標(biāo)記物。[0074]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特征，所述解剖區(qū)域的移動(dòng)可被捕獲，并且基于所捕獲的移動(dòng)可以對(duì)所述第一臂的位移進(jìn)行補(bǔ)償。
[0075]簡(jiǎn)要地說(shuō)，本發(fā)明提供了針對(duì)患者身體(尤其是在所述第一機(jī)械臂3定位標(biāo)記體系之內(nèi)的解剖區(qū)域)發(fā)生移動(dòng)的幅度和方向的實(shí)時(shí)測(cè)定，從而相應(yīng)地改變機(jī)械臂的軌跡，甚至可預(yù)估所述的移動(dòng)并提前糾正其路徑。
[0076]較佳地，本發(fā)明包括:將檢測(cè)所述解剖區(qū)域移動(dòng)的定位傳感器置于與所述解剖區(qū)域接觸，而所述傳感器與至少一個(gè)第二臂4的末端形成一體。在一個(gè)實(shí)施例中，該第二臂4可按機(jī)械方式馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，例如，與第一機(jī)械臂3 —樣，第二臂4也設(shè)有數(shù)個(gè)部分，并且各部分之間設(shè)有馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。
[0077]簡(jiǎn)而言之，第二機(jī)械臂在關(guān)節(jié)處由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，從而可以根據(jù)事先傳輸給所述馬達(dá)的指令進(jìn)行移動(dòng)和空間定位。
[0078]相反地，所述第二臂4的空間位移可以直接獲知。簡(jiǎn)而言之，當(dāng)與解剖區(qū)域進(jìn)行接觸或形成一體的第二臂4遠(yuǎn)端移動(dòng)時(shí)，這種移動(dòng)就會(huì)傳遞至形成所述第二臂4各部分的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)。因此，通過(guò)關(guān)節(jié)的移動(dòng)，便可清楚知曉每部分的精確位移以及所述第二臂的移動(dòng)。
[0079]此外，由于第二臂4可采用相同或不同的定位標(biāo)記體系，但所述標(biāo)記體系的位移可相對(duì)于第一臂3的定位標(biāo)記體系而得出，因此本發(fā)明可將所述第二臂4的移動(dòng)直接進(jìn)行傳遞，從而改變所述第一臂3的位移。
[0080]簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，第二臂4的 物理位移可被傳遞，并應(yīng)用于已處于移動(dòng)中的第一臂3。
[0081]因此，本發(fā)明捕捉解剖區(qū)域的內(nèi)部移動(dòng)和外部移動(dòng)，而所述移動(dòng)引發(fā)第二機(jī)械臂4的位移。這些內(nèi)部和外部的移動(dòng)以及第二臂4的位移，可應(yīng)用于改變第一臂3的軌跡。
[0082]更具體地，本發(fā)明包括借助所述的傳感器和所述第二臂來(lái)檢測(cè)內(nèi)部和外部的移動(dòng)，并包括控制所述第一臂3的位置。
[0083]此外，通過(guò)專用的組件進(jìn)行控制，這種控制至少部分通過(guò)控制所述第一臂3的位移而實(shí)現(xiàn)。此外，這些控制組件能夠接收解剖區(qū)域的內(nèi)部和外部位移以及第二機(jī)械臂4的測(cè)量數(shù)據(jù)，從而將這些數(shù)據(jù)結(jié)合并對(duì)其進(jìn)行處理，從而將這些結(jié)果應(yīng)用于所述第一臂3的路徑中。
[0084]因此，本發(fā)明包括一個(gè)或多個(gè)第二臂4，從而精確地測(cè)量患者身體I的移動(dòng)，以糾正第三臂3的定位并維持指導(dǎo)在手術(shù)前計(jì)劃中事先制定的手術(shù)操作。簡(jiǎn)而言之，所述第二臂4，因其精確性，可為第一臂3提供精準(zhǔn)且可重復(fù)的移動(dòng)補(bǔ)償。
[0085]為達(dá)到該目的，所述第一臂3和第二臂4可分開(kāi)或獨(dú)立操作:其中一個(gè)臂3用于定位外科器械，而另一臂4則提供維持合適定位的信息。
[0086]在應(yīng)用于脊椎骨的例子中，第二臂4跟著后者的移動(dòng)并將變化值傳輸至所述第一臂3。如上所述，這些變化可以是內(nèi)部的和外部的，包括不引發(fā)所述第二臂4的任何位移，而且尤其是這些移動(dòng)可引起其位移的情況下。
[0087]根據(jù)具體的特征，所述第一機(jī)械臂3和第二機(jī)械臂4可包括一個(gè)且相同的涉及兩者的三維定位標(biāo)記體系。換言之，所述第二機(jī)械臂4可與第一臂3用相似的方式設(shè)置，具有一基底40,該基底與所述第一機(jī)械臂3的基底定位于一個(gè)相同的定位標(biāo)記體系中。
[0088]在另一實(shí)施例中，所述第二臂可采用不同的定位標(biāo)記體系，而所述不同的定位標(biāo)記體系基于所述第一臂3的定位標(biāo)記體系進(jìn)行限定，從而允許通過(guò)計(jì)算步驟，得出相互之間坐標(biāo)的變換。因此，第二臂4可以允許改變其定位標(biāo)記體系以及用于測(cè)量在手術(shù)期間的內(nèi)部和外部移動(dòng)的定位標(biāo)記體系，同時(shí)計(jì)算其與第一臂3的定位標(biāo)記體系之間的相關(guān)性。
[0089]此外，根據(jù)一優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明包括:在與所述解剖區(qū)域中接觸時(shí)，測(cè)量所述臂3、4中至少一個(gè)臂的力。具體地，第一臂3和第二臂4分別在其遠(yuǎn)端30和41設(shè)置有至少一個(gè)力傳感器。
[0090]力的測(cè)量數(shù)據(jù)允許施加于手術(shù)器械和多個(gè)傳感器及測(cè)量裝置的力進(jìn)行復(fù)核和設(shè)置。此外，還能提供一種交互模式，即手術(shù)人員可以操縱所述第一臂3的末端30從而在手術(shù)中被引導(dǎo)。
[0091]在第二臂4的情況下，力的傳感器可以維持一合適的壓力，以確保傳感器與解剖區(qū)域(即皮膚)進(jìn)行良好的接觸。
[0092]因此，根據(jù)第一實(shí)施例，通過(guò)超聲傳感器的經(jīng)皮測(cè)定，可以檢測(cè)到解剖區(qū)域的內(nèi)部移動(dòng)。該技術(shù)與先前提及的用于基準(zhǔn)解剖調(diào)準(zhǔn)相類似。
[0093]在這個(gè)特定例子和所述的代表性實(shí)施例中，所述機(jī)械臂(尤其是第二臂4)，可攜帶數(shù)個(gè)超聲收發(fā)器，所述超聲收發(fā)器與皮膚接觸放置，且位于俯臥位患者的脊椎的骨性標(biāo)記表面之前(后入路)。所述脊椎骨的鋒部、脊柱和橫突的區(qū)別性的形狀，可為脊椎骨三維成像的實(shí)時(shí)重建提供足夠的信息。
[0094]然而，也可以采用顯著位置點(diǎn)和手術(shù)前所獲得的脊椎骨圖像進(jìn)行局部調(diào)準(zhǔn)，從而優(yōu)化對(duì)運(yùn)動(dòng)中脊柱的確切位置的搜索。因此，通過(guò)計(jì)算坐標(biāo)的變化，基準(zhǔn)調(diào)準(zhǔn)值被更新，從而將其用于機(jī)械臂3、 4的工作定位標(biāo)記體系。
[0095]此外，超聲收發(fā)器通過(guò)第二機(jī)械臂4而與已知位置的皮膚接觸放置，從而能夠跟蹤解剖區(qū)域的外部位置移動(dòng)。簡(jiǎn)而言之，由于所述傳感器由第二機(jī)械臂4所攜帶，因此接觸點(diǎn)或傳感器表面的空間坐標(biāo)是已知的。
[0096]在本文中，所述第二臂4包含用于參考所述檢測(cè)傳感器的空間位置的組件，并且用于控制所述臂3的定位的組件包括將所述位置的參考值納入考慮的組件。
[0097]該方法的優(yōu)點(diǎn)還在于是無(wú)創(chuàng)的。此外，該系統(tǒng)能夠檢測(cè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)(例如，腰椎)的移動(dòng)，而無(wú)需事先解首1J。
[0098]根據(jù)另一實(shí)施例，通過(guò)測(cè)量至少一個(gè)與所述解剖區(qū)域形成一體的標(biāo)記物的空間位移，可以檢測(cè)內(nèi)部移動(dòng)。具體地，在脊椎的例子中，在手術(shù)中將所述的標(biāo)記物有創(chuàng)地?cái)Q入脊椎或其他優(yōu)選的骨骼區(qū)域。
[0099]因此，標(biāo)記物和脊椎這兩者就合為一體。此外，可精確確定所述標(biāo)記物相對(duì)脊椎骨的植入位置，因?yàn)榧棺倒窃诒?、4的定位標(biāo)記體系中的位置，可事先通過(guò)基準(zhǔn)解剖調(diào)準(zhǔn)而得知，其中可通過(guò)透視或超聲手段獲得這類圖像。
[0100]一旦確定了基準(zhǔn)位置，臂中3、4的定位標(biāo)記體系的位置可被測(cè)定，并定期或連續(xù)地進(jìn)行更新。
[0101]因此，根據(jù)各種不同的實(shí)施例，可如下獲得位移的測(cè)定數(shù)據(jù):通過(guò)所述標(biāo)記物發(fā)出光學(xué)、超聲、電磁和/或機(jī)械信號(hào)，并通過(guò)對(duì)應(yīng)的光學(xué)、超聲、電磁和/或機(jī)械傳感器來(lái)接收所述信號(hào)。
[0102]更具體地，所述的標(biāo)記物可直接連接于所述的傳感器，而所述傳感器與第二臂4的遠(yuǎn)端41機(jī)械連接。因此，在后一種情況下，所述機(jī)械連接可以設(shè)計(jì)為鉸鏈連接，特別是幾何網(wǎng)格形式。這樣的網(wǎng)格的優(yōu)勢(shì)在于:可增加所測(cè)定的移動(dòng)的幅度，從而能夠獲得更大的精準(zhǔn)性，以便修正所述第一機(jī)械臂3的位置。
[0103]應(yīng)注意，該位置的修正，可相對(duì)于所述第一臂3定位標(biāo)記體系的坐標(biāo)軸原點(diǎn)，相對(duì)于初始位置、或相對(duì)于其遠(yuǎn)端30的當(dāng)前位置而實(shí)現(xiàn)。
[0104]此外，可對(duì)所述力的傳感器進(jìn)行調(diào)整，從而優(yōu)化該機(jī)械連接所感測(cè)到的移動(dòng)的測(cè)
量數(shù)據(jù)。
[0105]因此，第二臂4記錄的內(nèi)部和外部移動(dòng)的測(cè)量數(shù)據(jù)被提供給第一臂3，基于根據(jù)先前計(jì)劃的軌跡，所述測(cè)量數(shù)據(jù)被用于正確地對(duì)手術(shù)器械進(jìn)行再定位(所述器械位于解剖靶目標(biāo)上)。此外，這種測(cè)量數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)糾正并自動(dòng)更新所實(shí)施的解剖學(xué)調(diào)準(zhǔn)，甚至在手術(shù)器械的位移過(guò)程中。
[0106]根據(jù)其他的特征，可以預(yù)期到所測(cè)定的解剖學(xué)移動(dòng)，尤其是通過(guò)對(duì)解剖區(qū)域的周期性移動(dòng)的模擬獲得。在腰椎的例子中，呼吸運(yùn)動(dòng)是已知的(即已知其周期和幅度)，從而將其考慮在內(nèi)以便改變軌跡。
[0107]如上所述，本發(fā)明涉及一機(jī)械裝置2，它用于相對(duì)于患者身體I對(duì)手術(shù)器械進(jìn)行定位。
[0108]該裝置2與機(jī)械平臺(tái)5相似，因此包括第一機(jī)械臂3，該臂在一端的連接組件30使其與至少一個(gè)手術(shù)器械形成一體；能夠使所述第一臂3相對(duì)于所述身體I進(jìn)行解剖(學(xué))調(diào)準(zhǔn)的組件，所述的調(diào)準(zhǔn) 通過(guò)將所述患者在手術(shù)期中獲得的解剖區(qū)域圖像與先前獲得的圖像進(jìn)行調(diào)準(zhǔn)；檢測(cè)所述解剖區(qū)域的內(nèi)部移動(dòng)的組件和根據(jù)所檢測(cè)的移動(dòng)對(duì)所述第一臂3進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)慕M件。
[0109]有利地，其特征在于，其包括至少一個(gè)第二機(jī)械臂4，其一端設(shè)有檢測(cè)解剖區(qū)域的所述內(nèi)部移動(dòng)的所述傳感器；控制所述第一臂3定位的組件，既基于所述所檢測(cè)到的內(nèi)部移動(dòng)又基于引發(fā)所述第二臂4的外部移動(dòng)進(jìn)行控制。
[0110]因此，本發(fā)明保證了在解剖區(qū)域的手術(shù)器械定位過(guò)程中的機(jī)械準(zhǔn)確度，同時(shí)適應(yīng)患者身體的移動(dòng)。
[0111]此外，運(yùn)用第二機(jī)械臂能夠獲得關(guān)于外部移動(dòng)的數(shù)據(jù)，而不需要用于檢測(cè)傳感器位置的額外的或補(bǔ)償性的系統(tǒng)。
【權(quán)利要求】
1.一種將手術(shù)器械相對(duì)于患者身體(1)進(jìn)行定位的機(jī)器人裝置(2)，包括: -第一機(jī)械臂(3)，其一端設(shè)有與至少一件手術(shù)器械形成整體的組件，從而持握、移動(dòng)、定位和引導(dǎo)所述的手術(shù)器械； -用于對(duì)所述第一臂相對(duì)于所述身體(1)進(jìn)行解剖上調(diào)準(zhǔn)的組件，所述調(diào)準(zhǔn)是如下進(jìn)行的:將手術(shù)中獲得的所述患者的解剖區(qū)域的圖像，相對(duì)于預(yù)先獲得的圖像進(jìn)行調(diào)準(zhǔn)； -用于實(shí)時(shí)檢測(cè)所述解剖區(qū)域的內(nèi)部移動(dòng)的傳感器，和基于所述被檢測(cè)到的移動(dòng)對(duì)所述第一臂的移動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕M件； 其特征在于，包括: -至少一個(gè)第二機(jī)械臂(4)，其一端設(shè)有用于檢測(cè)所述解剖區(qū)域的內(nèi)部移動(dòng)的所述傳感器，所述檢測(cè)傳感器被接觸置于所述解剖區(qū)域； -用于控制所述第一臂(3)定位的組件，既基于所述所檢測(cè)到的內(nèi)部移動(dòng)又基于引發(fā)所述第二臂(4)的外部移動(dòng)進(jìn)行控制。
2.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器人裝置(2)，其特征在于，所述的第二臂(4)包含用于參考所述傳感器的空間位置的組件，并且用于控制所述臂(3)的定位的組件包括將所述位置的參考值納入考慮的組件。
3.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述調(diào)準(zhǔn)組件包括:通過(guò)透視進(jìn)行局部標(biāo)記或通過(guò)經(jīng)皮超聲記錄，從而獲得所述區(qū)域的內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)的組件。
4.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，包括用于與所述解剖區(qū)域接觸而測(cè)量所述臂(3、4)中至少一個(gè)臂的力的組件。
5.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述檢測(cè)組件包括超聲傳感器，用于通過(guò)經(jīng)皮測(cè)量來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)所述的移動(dòng)。
6.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述檢測(cè)組件包括至少一個(gè)與所述解剖區(qū)域形成一體的標(biāo)記物，從而測(cè)定其空間位移。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述的標(biāo)記物是發(fā)散出光學(xué)、超聲、電磁和/或機(jī)械信號(hào)的標(biāo)記物，而所述檢測(cè)組件包括通過(guò)對(duì)應(yīng)的光學(xué)、超聲、電磁和/或機(jī)械傳感器來(lái)接收所述信號(hào)的接收器。
【文檔編號(hào)】A61B19/00GK103997982SQ201280059415
【公開(kāi)日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月30日
【發(fā)明者】P·梅耶, B·納胡, F·巴達(dá)諾, P·圖爾 申請(qǐng)人:法國(guó)醫(yī)療科技公司