[发明专利]将手术器械相对患者身体进行定位的机器人辅助装置

说明书

本发明属于医疗领域，尤其涉及准备和实施外科手术的操作方法学。

本发明具体涉及一种解剖医学成像，用于进行机器人辅助的外科手术。

本发明发现一种优选的(但不限于)脊柱解剖区域的外科手术应用。

为了这个目的，本发明涉及一种将手术器械相对患者身体进行定位的装置。

应注意，将基于腰部脊柱、脊柱前凸症的前弯曲级手术的具体实施例描述本发明。然而，本发明也可用于低位和高位颈部脊柱、背部或胸部脊柱，以及骶部脊柱和尾椎的手术。

在该解剖区域，外科手术是精细、周密以及具有风险的操作，其需要对椎骨进行钻孔、破骨或打磨，解剖肌肉、韧带、椎间盘，同时避免损伤脊髓、神经根、血管和神经。

例如，常规实行的手术包括在腰椎椎管狭窄或椎间盘突出的情况下进行的椎板切除术、(神经)根减压术(radicular release)；通过在椎弓根打螺钉而融合脊椎的关节固定术；通过向椎体中注射骨水泥的椎体成形术和椎体后凸成形术。

为了减少住院治疗并有利于患者的康复，这些手术在尽可能小的操作通道中实施，甚至通过微创或经皮的手术来进行。由于出血造成能见度降低，操作通道的狭窄性使得术者的精细操作变得非常困难。在这种情况下，椎弓根螺钉的误放率升至25％，严重误放率(aggressive misplacements)占到3-5％。

为了提高其操作的精确度，外科医生现在使用解剖医学成像系统，特别是透视和导航。

首先，透视在一定时间内产生X射线，从而连续获得图像并生成一个直观图，而外科医生可以实时监控其器械在解剖结构中的进度。然而，由于长时间、反复暴露于这些离子射线对医务人员和患者都有害，因此这项技术的使用有着特定的限制。

另一方面，导航能够在手术前或手术中影像上观察到虚拟工具，使得外科医生能够在上面实时观察到他的器械的进展，在3D导航中更是如此。

然而，第一个缺陷来自于定位手术工具的复杂运算，这会造成近似情况(approximation)并导致错误定位。此外，现有技术需要在患者身体上定位固定标记物，例如，目前有创地打入脊柱，用于导航系统中图像采集器件(image-acquisition optics)的导向。

此外，这些技术不能处理术者在进行外科操作时人为作业相关的失误，尤其是在向椎弓根拧螺钉前的钻孔加压步骤中。

这就是开发机器人系统辅助手术的原因，其能够帮助外科医生从机械上保证外科操作的精确度和可重复性。

在这种情况下，另一个在术中出现的问题在于患者本身的呼吸和心跳造成的解剖学移位的管理。具体地，呼吸依赖于膈肌运动，产生胸廓和肺部运动，助于气体交换。肌肉活动造成周边解剖结构，例如腹部和脊柱的变形。变形的程度取决于分钟通气量(MV)，根据它的体积和频率，也取决于患者的体位，即站立位、坐位、俯卧位、仰卧位或侧卧位。

在脊柱手术中，胸椎的移动程度较大，而腰椎的移动程度较小。此外，特定椎骨的移动可经外科医生的动作进行调整，这也是他手术中的一部分，即当他在钻孔或对骨骼结构进行破骨，或切断肌肉或韧带时，也能够支撑起椎骨结构。

为了限制腰部手术中的这些移动，当入路路径允许时，患者取俯卧位，注意使腹部在低于胸廓部分的位置自由运动。然后由机械部件和手术台的附件将患者以该体位进行固定。这个特定的俯卧位能显著减小腰部脊柱的运动幅度。

然而，呼吸以及尤其由手术造成的外力导致腰部脊柱往复循环并临时性地移动数毫米，而外科医生则需要仰仗他的灵巧度和视力来对此进行弥补。

在机器人辅助操作的情况下，为维持比外科医生更高的机械精准度，非常重要的是对这些运动进行测量并使机械臂能够自动调整适应这些运动，而伴随这些运动的则是与目标速度相当的实施速度。

为了这个目的，为与术前3D成像中的术前计划相一致，应测量解剖目标，即腰椎的移动，并实时地对其进行补偿，从而使该装置在辅助定位中维持高度的精确性。

目前，包括在导航中，采用将标记物拧入脊椎的方法。其后通过某一计算方法计算图像中显示的定位标记补偿，并将其实时传入机械臂。然而，这种办法的缺陷仍然是有创的。此外，标记物的光学识别存在被术者遮挡的风险，而光学识别信号被传送所述的计算环节，并产生与相对于所捕获的解剖学位移不同的机械臂的移动。