醫(yī)療程序期間用于確定和追蹤運動的系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于圖像導(dǎo)航手術(shù)(image guided surgery)的系統(tǒng)，更具體地，涉及用于醫(yī)療過程中利用外部可視參考點確定和追蹤運動的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]多年來圖像導(dǎo)航手術(shù)已經(jīng)具有廣泛的發(fā)展，并且目前是手術(shù)程序中非常重要的工具。大部分的改進(jìn)是以體內(nèi)極少到達(dá)的圖像位置諸如內(nèi)臟為中心。
[0003]口腔手術(shù)在本申請中被限定為任何發(fā)生在口腔內(nèi)的手術(shù)，其很難可視化進(jìn)行?？谇幌鄬^小，并且對病人來說很難長時間維持張口的狀態(tài)。即使手術(shù)位置是可見的，一旦鉆子刺入，在任何給定的時間內(nèi)也很難確定鉆子的頂端在哪兒。
[0004]圖像導(dǎo)航手術(shù)涉及使用計算或計算機(jī)化軸向斷層掃描，通常稱為CT或CAT掃描，來創(chuàng)建手術(shù)位置(通常為三維)的數(shù)字圖像。然后，外科醫(yī)生利用該圖像制定用于手術(shù)的計劃。手術(shù)期間，將之前的CT掃描產(chǎn)生的圖像與特定的儀器一起使用，以可視地描繪出儀器的頂端在病人體內(nèi)的位置。
[0005]為了這么做，來自掃描的數(shù)字圖像必須準(zhǔn)確地配準(zhǔn)到(registered)病人手術(shù)位置，使得病人的移動引起對數(shù)字圖像的調(diào)整。必須知道儀器的頂端相對于病人的準(zhǔn)確位置。
[0006]對于口腔手術(shù)，諸如在種植牙期間，醫(yī)生必須將鉆子鉆進(jìn)自由空間，同時控制鉆子隨著病人的潛在移動處于六自由度。這會使鉆子精確地鉆進(jìn)好的骨，同時避免非常困難地鉆進(jìn)牙根和神經(jīng)。因此，圖像導(dǎo)航手術(shù)近年來被用于促進(jìn)鉆孔過程，為了計劃手術(shù)事件以提供恢復(fù)方案，醫(yī)生利用對病人牙齒的CT掃描精確地判斷骨密度、寬度和高度，并且了解其他牙齒的關(guān)系以及解剖結(jié)構(gòu)，該恢復(fù)方案可能是最成功的并且具有最小的創(chuàng)傷。
[0007]現(xiàn)有的計劃軟件和構(gòu)造系統(tǒng)，其利用CT圖像幫助將術(shù)前計劃翻譯成被動手術(shù)導(dǎo)航(passive surgical guide)，即創(chuàng)建用于手術(shù)的虛擬計劃，然后在牙科實驗室中預(yù)構(gòu)造手術(shù)導(dǎo)航以實施該計劃。這些被動手術(shù)導(dǎo)航幫助醫(yī)生準(zhǔn)確地指向正確的位置、角度和深度。被動圖像導(dǎo)航手術(shù)具有局限性，他們必須在手術(shù)前在牙科實驗室中或通過導(dǎo)航制造商預(yù)構(gòu)造。這需要醫(yī)生和病人的更多的時間和花費。如果病人的口腔有變化或者醫(yī)生想要改變計劃，那么該導(dǎo)航就不再有用了。很多情況下，病人不能將他們的嘴巴張開足夠大以容納所需的儀器和導(dǎo)航。
[0008]動態(tài)圖像導(dǎo)航(active image guided surgery)手術(shù)解決了被動導(dǎo)航系統(tǒng)的很多問題，即有限的最大嘴張開、預(yù)先構(gòu)造被動導(dǎo)航的需要以及手術(shù)期間不能改變計劃，這些問題都可以由動態(tài)導(dǎo)航系統(tǒng)克服。為了提供動態(tài)圖像導(dǎo)航手術(shù)，病人嘴巴的位置，具體的骨頭和牙齒，必須被精確地追蹤并配準(zhǔn)到掃描的圖像和手術(shù)工具上。為了這么做，大多數(shù)傳統(tǒng)的系統(tǒng)需要創(chuàng)建配準(zhǔn)設(shè)備，該設(shè)備附接至病人的頭部或插入到嘴巴里，該設(shè)備包括基準(zhǔn)標(biāo)記(fiducial marker)和傳感器。一些配準(zhǔn)設(shè)備附接至頭外部，例如安裝在頭上的夾具(fixture)。為了限制對手術(shù)區(qū)域的干擾并且允許光學(xué)傳感器追蹤夾具和手術(shù)工具的運動，其它配準(zhǔn)設(shè)備涉及附接至顎骨的具有傳感器的夾具。
[0009]為了創(chuàng)建口腔夾具，在手術(shù)前幾周制作通常既包括上部牙齒也包括下部牙齒的印模(impress1n)。然后將該印模送到實驗室，在該實驗室里制作實質(zhì)上復(fù)制了牙齒的鑄型(cast)。由該鑄型制作口腔夾具，或者將其安放在牙齒上，或者設(shè)計將其鉆進(jìn)顎骨里。該夾具包括至少基準(zhǔn)標(biāo)記，并且如果沒有裝配有傳感器，那么就包括光學(xué)傳感器的安裝位置。
[0010]實驗室創(chuàng)建夾具之后，將其送到外科醫(yī)生那里。將戴有該夾具的病人和CT掃描帶進(jìn)實驗室。病人又一次被送回家。病人的口腔的數(shù)字圖像由該掃描創(chuàng)建，并且外科醫(yī)生制定手術(shù)計劃。
[0011]然后又將病人帶來以進(jìn)行手術(shù)。將夾具附接至病人。將光發(fā)射機(jī)定位在病人附近，并且其發(fā)射由傳感器探測到的信號。當(dāng)病人的嘴巴移動時，傳感器發(fā)送信號至軟件，從而對病人口腔的數(shù)字圖像做調(diào)整。該軟件也追蹤儀器的位置，并且描繪相對于牙齒的數(shù)字圖像處于正確位置的儀器的圖像。
[0012]除了給病人造成的不方便，現(xiàn)存系統(tǒng)常常很難精確地將病人配準(zhǔn)到數(shù)字掃描。所有目前的牙科動態(tài)圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)涉及光學(xué)追蹤，其需要將夾具放置在病人的嘴里，并且延伸到最外面以被光發(fā)射機(jī)或接收器探測到。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]公開了口腔手術(shù)期間用于追蹤手術(shù)儀器的圖像導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括配置為可移除地附接至病人的解剖結(jié)構(gòu)的夾具，該解剖結(jié)構(gòu)位于臨近手術(shù)區(qū)域的位置。
[0014]包括托架組件的第一追蹤組件，可移除地附接至該夾具。第一追蹤組件包括第一追蹤圖案表面，該第一追蹤圖案表面包括第一光學(xué)可視圖案。該托架組件將該第一追蹤圖案定位在與該手術(shù)區(qū)域分開的位置。
[0015]系統(tǒng)包括在手術(shù)程序中使用的工具。第二追蹤組件附接至該工具，并且第二追蹤圖案表面。該第二追蹤圖案表面包括第二光學(xué)可視圖案。
[0016]多個照相機(jī)安裝在遠(yuǎn)離該手術(shù)區(qū)域的位置，當(dāng)該照相機(jī)啟動時，該位置允許該照相機(jī)捕獲位于該第一追蹤圖案表面和第二追蹤圖案表面上的光學(xué)可視圖案的圖像。
[0017]處理系統(tǒng)連接至照相機(jī)并且處理捕獲的圖像。處理器配置為識別光學(xué)可視圖案，并且三角測量該第一追蹤組件和第二追蹤組件的位置和方向。該處理系統(tǒng)基于該參考數(shù)據(jù)集確定被追蹤的工具的位置和方向，該參考數(shù)據(jù)集包括該夾具相對于CT掃描的位置和方向。該處理系統(tǒng)分析每個照相機(jī)的第一和第二追蹤圖案表面上的光學(xué)可視圖案的之間的相對變換。
[0018]優(yōu)選地，該夾具配置為可移除地附接至病人口腔內(nèi)的一個或多個牙齒上。
[0019]該托架組件包括可移除地附接至該夾具上的法蘭的托架底座。該托架組件還包括附接至該第一追蹤圖案表面的追蹤底座，以及將該托架底座附接至該追蹤底座的支撐臂。優(yōu)選地，該托架底座包括與法蘭嚙合的兩個分開的安裝桿。優(yōu)選地，該追蹤底座至該第一追蹤圖案表面的附接是可調(diào)節(jié)的。
[0020]在一個實施例中中，該追蹤底座包括具有一系列壓痕和突起的基座。該第一追蹤組件包括附接至該追蹤底座的框，從而允許該框相對于該托架組件可調(diào)節(jié)。該框包括一系列壓痕和突起，該壓痕或突起配置為與該托架底座上的壓痕或突起緊密配合，從而允許托架框相對于該基座的旋轉(zhuǎn)。
[0021]該光學(xué)可視圖案的每一個包括多個2D具有鮮明對比的形狀，設(shè)置該具有鮮明對比的形狀從而唯一地將每個光學(xué)可視圖案與其它光學(xué)可視圖案區(qū)分開。
[0022]定位每個照相機(jī)從而捕獲每個光學(xué)可視圖案的圖像，該圖像與由其它照相機(jī)捕獲的相同的光學(xué)可視圖案的圖像相比，位于不同的視角。該照相機(jī)發(fā)送表示光學(xué)可視圖案的2D圖像的數(shù)據(jù)。
[0023]圖案數(shù)據(jù)集包括用于多個圖案上的有鮮明對比的形狀的位置數(shù)據(jù)。處理器利用該參考數(shù)據(jù)集確定圖像中的特定圖案。
[0024]如附圖中繪示的，根據(jù)以下對優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述和其它特征以及優(yōu)點將變的更加明顯。如可實現(xiàn)的，能夠以各種方式修改本發(fā)明，該修改都不脫離本發(fā)明的范圍。因此，應(yīng)將附圖和說明書認(rèn)為是本質(zhì)性的繪示而非限制目的。
【附圖說明】
[0025]出于繪示本發(fā)明的目的，在圖中展示較佳形式。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不限于圖中展示的精確配置及工具。
[0026]圖1是用于本發(fā)明實施例的具有附接至口腔夾具的圖案顯示表面的追蹤組件的透視圖。
[0027]圖2是圖1中的口腔夾具和追蹤組件的頂視圖。
[0028]圖3是根據(jù)本發(fā)明的具有附接至口腔夾具的追蹤組件的另一個實施例的透視圖。
[0029]圖4是圖3中的口腔夾具和裝置組件的側(cè)視圖。
[0030]圖5是根據(jù)本發(fā)明的用于將追蹤組件附接至口腔夾具的托架的側(cè)視圖。
[0031]圖6是圖5中的托架的不同的側(cè)視圖。
[0032]圖7是根據(jù)本發(fā)明的附接至牙科儀器一起的追蹤組件的另一個實施例的透視圖。
[0033]圖8是圖7中的牙科儀器和追蹤組件的側(cè)視圖。
[0034]圖9是移除了圖7中的牙科儀器的托架組件。
[0035]圖10是用于追蹤組件的圖像顯示表面的圖案的一個實施例的繪示。
[0036]圖11是設(shè)置有四個追蹤圖案的裝置貼片，用于唯一地追蹤該圖案。
[0037]圖11A是圖11中的追蹤圖案的部分的放大視圖。
[0038]圖12是繪示了確定模型狀態(tài)的傳統(tǒng)方法的流程圖。
[0039]圖13是繪示了根據(jù)本發(fā)明