[发明专利]基于虚拟标识配准操控的脊柱导航手术机器人

说明书

本发明属于一种医疗手术器械。 

尽管脊柱手术的治疗方式有多种多样，如脊柱骨折椎弓根钉内固定、脊柱滑脱椎弓根钉内固定、脊柱侧弯矫形术、椎体成形术等，但大多数都要通过椎弓根这一途径置入螺钉内固定或穿刺方能实现。所谓椎弓根就是连接人椎骨椎体和椎弓较窄的、呈不规则圆柱状、半中空的骨性结构，左右侧各有一个，从腰椎到颈椎，其宽度和高度逐渐减小，其周围是脊髓、血管和脏器等重要组织。毫无疑问，经椎弓根置入螺钉内固定或穿刺存在一定风险，穿透其骨皮质即有可能损伤神经、血管和脏器，造成瘫痪等灾难性后果。因此，准确的经椎弓根置入在脊柱外科领域具有十分重要的意义。目前最为常用的经椎弓根途径置入方法是人工置入，采用X线正、侧位透视引导，手感调整角度，精度较差，文献报道其失误率可达6-41％。近年来，许多不同的方法应用于提高经椎弓根途径置入的精确性，如诱发电位(SEP)、术中电诱发肌电图监测(EMG)，电阻抗、计算机辅助导航(computer aided surgery navigation system，CASNS)、个体化导向模板或数字化导向模板、电磁导航(EM)、手术机器人等。SEP、EMG、电阻抗等是以将要突破椎弓根骨皮质时发出警报的方式提醒术者调整置入方向，这类技术的不足是发现失误时可能为时已晚。个体化导向模板或数字化导向模板是利用逆向工程原理制作三维模板及引导管，模板与椎骨后表面配合后引导椎弓根置入。CASNS、EM等将术前获取的脊柱CT、MRI图像三维重建后数据存于“虚拟世界坐标空间”，术中定位器实时地将目标椎骨和手术器械的空间位置建立在“现实世界坐标系”中，通过这两个坐标空间的匹配引导经椎弓根置入。根据影像采集的方式不同，CASNS可分为两种：(1)基于CT的导航系统。术前进行手术部位脊柱CT扫描并三维重建。术者通过重新格式化和几何测量选择合适的进针点，术中根据系统的引导减少手术的盲目性。(2)基于C形臂X线机透视的导航系统。无需术前CT扫描，手术时将数据收集环安装到影像增强器并扫描数据收集环空影像，然后将参考架连接到需要手术的脊柱位置开始扫描。选择并激活图像，术者根据多幅图像显示的手术器械位置，模拟手术操作的路径，可谓是脊柱外科真正意义的实时导航。CASNS虽显著提高了置入的准确性，但仍存在6％的失误率，还存在影像易漂移(漂移发生率为66％)、追踪系统易受干扰、操作繁琐费时、定位方法有创、不能动态实时监测等不足。1995年以来，国外相继研发了几种用于椎弓根置入的机器人，如以色列的脊柱助理 (Spineass iant)、韩国的SPINEBOT以及德国的一种机器人等，都要依赖于上述CASNS进行定位和姿态控制，这样CASNS的不足在它们身上都可能会有体现。包含CASNS的手术机器人，不仅构成更加复杂，置入精度也难以进一步提高。综上所述，尽管这些引导置入的方法形式迥异，但无一例外都要参照或依赖椎骨表面的解剖标志。由于脊柱外科手术时，椎骨表面的解剖标志可能被破坏，组织也会发生变形(如椎板切除减压硬脊膜膨隆)，这样它们会偏离术前图像重建所确定的位置，偏离范围有时甚至可达几个厘米，使术前配准和融合形成的数据在术中出现偏差，这样无疑会影响导航的精度。而纠正这种组织变形产生误差的最佳方法就是术中应用实时超声、术中CT和MRI实时成像技术、实时更新定位影像，及时发现和纠正偏差。这无疑将使整个手术系统更加复杂，操作也更为繁琐费时，临床上难以推广应用。 

本发明的目的是提供一种基于基于椎骨内虚拟标识配准操控的、准确高效、操作简便的脊柱导航手术机器人。