用于微创治疗的导航和模拟的系统和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求名称为 "PLANNING,NAVIGATIONANDS頂ULATIONSYSTEMSAND METHODSFORMINIMALLYINVASIVETHERAPY"（用于微创治疗的规划、导航和模拟系统及方 法）且于2013年3月15日提交的美国临时专利申请No.61/800, 155的优先权，该临时专 利申请的全部内容以引用方式并入本文中。
[0003] 本申请还要求名称为"PLANNING,NAVIGATIONANDS頂ULATIONSYSTEMSAND METHODSFORMINIMALLYINVASIVETHERAPY"（用于微创治疗的规划、导航和模拟系统及方 法）且于2014年1月8日提交的美国临时专利申请No. 61/924,993的优先权，该申请的全 部内容以引用方式并入本文中。
[0004] 本申请还要求名称为"INSERTIMAGINGDEVICE"（插入式像装置）且于2013年3 月15日提交的美国临时专利申请No. 61/801，746的优先权，该申请的全部内容以引用方式 并入本文中。
[0005] 本申请还要求名称为"INSERTIMAGINGDEVICE"（插入式成像装置）且于2013年 5月1日提交的美国临时专利申请No. 61/818, 255的优先权，该申请的全部内容以引用方式 并入本文中。
[0006] 本申请还要求名称为"INSERTABLEMAGNETICRESONANCEIMAGINGCOILPROBE FORMINIMALLYINVASIVECORRIDOR-BASEDPROCEDURES"（用于基于微创通道的程序的可插 入磁共振成像线圈探针）且于2013年3月15日提交的美国临时专利申请No. 61/801，143 的优先权，该申请的全部内容以引用方式并入本文中。
[0007] 本申请还要求名称为"INSERTABLEMAGNETICRESONANCEIMAGINGCOILPROBE FORMINIMALLYINVASIVECORRIDOR-BASEDPROCEDURES"（用于基于微创通道的程序的可 插入磁共振成像线圈探针）且于2013年5月1日提交的美国临时专利申请No. 61/818,325 的优先权，该申请的全部内容以引用方式并入本文中。
技术领域
[0008] 本公开涉及用于微创治疗和图像引导的医疗程序的导航系统和方法。
【背景技术】
[0009] 微创神经手术程序需要几何上准确且配准患者的成像数据，以便于组织区分和 靶向。迄今为止，尚未实现成像（术前和术中）、手术进入和切除装置的真正整合。医疗装 置仍然是单独的系统，并且需要外科医生在认知上整合信息。
[0010] 诸如磁共振成像（MRI)、计算机断层扫描（CT)和正电子发射断层扫描（PET)的术 前成像数据通过观察台静态地或通过导航系统动态地整合到手术室中。导航系统将装置配 准患者，并且将患者配准术前扫描，以允许在监视器上在术前信息的背景中查看器械。
[0011] 术中成像系统主要由显微镜、内窥镜或外部视频观测器组成。这些是采集、记录和 显示光学波长成像（2D的或立体的）的光学器械，该光学波长成像通常以比外科医生肉眼 所能看到的增加的分辨率下被采集。该光学信息通常显示在屏幕上以供外科医生作为视频 馈送查看，而导航的MRI/CT/PET数据将呈现在单独的屏幕上。
[0012] 已经进行了一些尝试以在导航屏幕上提供用来显示光学视频的小窗口，或者同样 从在光学视频上的导航屏幕显示叠加。模式之间的准确配准、外科医生与装置之间的有效 接口以及装置的真正整合仍然是难以实现的。
[0013] 基于端口的外科手术是一种微创外科手术技术，其中端口被引入以使用外科工具 触及所关注的手术区域。不像诸如腹腔镜技术的其它微创技术，，端口直径大于工具直径。 因此，所关注的组织区域通过端口可见。相应地，在所关注的区域中的暴露组织在皮肤表面 以下几厘米深处，并且可通过端口中的狭窄通道触及。若干问题通常妨碍或削弱了在术中 环境中执行基于端口的导航的能力。例如，端口轴线相对于典型跟踪装置（TD)的位置是一 个自由且不可控的参数，该参数抑制进入端口取向的确定。此外，由于程序所需设备而导 致的可用的有限通路造成间接的进入端口跟踪是不现实且不可行的。另外，要求在程序期 间对进入端口测角以进入脑内的许多区域，这使得对进入端口进行导航成为一个尚未解 决的困难且有挑战性的问题。
[0014] 此外，Stieglitz等人最近的论文[TheSilentLossofNeuronavigation Accuracy:ASystematicRetrospectiveAnalysisofFactorsInfluencingthe MismatchofFramelessStereotacticSystemsinCranialNeurosurgery]强调了准石角 导航的需求，其中，在患者配准之后，存在由于与手术程序有关的其它减轻因素（即，遮盖、 皮肤牵开器的附接和外科手术的持续时间）导致的神经导航准确性的持续损失。外科医生 应意识到在使用导航系统时准确性的这种隐形损失。
[0015] 因此，需要用于将术前和术中规划整合和更新到用于微创手术程序的导航系统中 的系统和方法。
【发明内容】
[0016] 本文所公开的是用来在脑医疗程序期间执行手术规划的导航方法和系统。这些 程序可包括基于端口的手术（使用带有导引器的端口）、脑深部刺激或使用针的脑部活检。 导航系统被配置成利用基于此前准备的多段路径轨迹且基于患者的脑部的术前解剖信息 的规划。该规划被导入导航软件模块中。在程序开始之前，将脑部与其术前解剖信息配准。 一旦已进行了开颅术，导航方法和系统显示脑部的叠加图像和多点路径轨迹。此外，它提供 了引导机构以辅助外科医生沿着第一路径轨迹段同轴地对准外科工具（端口、活检针、导 管等）。使用基于端口的手术作为实例，一旦端口与第一路径轨迹段对准，外科医生开始置 管程序并且沿着第一段移动端口导引器，同时该系统和方法辅助外科医生保持与路径段的 一致同轴，并且向外科医生显示导引器沿着第一段的距离，直到达到该段的端部为止。外科 医生接着改变方向以跟随第二轨迹段。该过程重复，直到到达目标位置。
[0017] 该方法和系统在医疗程序的整个过程中使用视频叠加为外科医生提供了所关注 的患者的解剖结构的位置信息（即，允许外科医生透过盖布看到脑部，并且因此知道他/她 相对于患者的取向）。这允许外科医生在术中更准确地识别脑的解剖结构的潜在位置，而 不是在没有解剖部分的描绘叠加的情况下执行程序。该系统和方法允许外科医生比目前使 用的系统更有效地确认他们具有患者的正确的解剖数据。这是因为在本发明的方法和系统 中，成像的解剖结构被描绘到患者解剖结构的实时成像上，以允许外科医生比较解剖部分 的描绘图像与真实的解剖部分，例如，在端口程序期间比较脑沟位置。
[0018] 该方法和系统允许在与脑有关的手术期间跟踪多个工具，使得外科医生不是"盲 目行动"。例如，该系统可跟踪端口以及结合该端口使用的任何工具，例如在肿瘤切除术的 情况中的切除工具，而目前使用的系统仅跟踪指针工具。
[0019] 导航方法和系统将手术的设置基于预定规划（即，头部夹具的设置、患者的位置、 跟踪装置等）提供给手术团队，以防止这些单元在手术期间的重新调整。导航方法和系统 被配置成使用本地化的术中MRI图像、自适应地更新较大的术前MRI图像的一部分（假定 可从颅骨内内部进入脑中）。导航方法和系统可提供定位准确的图（图像），该图将在手术 期间采集的诸如高光谱明显特征和拉曼光谱明显特征的术中信息与采集信息的位置关联。 例如，这些明显特征可由空间上相关的彩色图表示。
[0020] 虽然主要针对基于端口的脑部手术进行描述，但上述方法和系统不限于基于端口 的脑部手术，并且适用于使用导航系统的任何手术。因此，可以不使用端口，并且解剖部分 可以是解剖结构的任何部分。该系统可用于除了人类之外且包括人类的任何动物。
[0021] 通过参考以下详细描述和附图可实现对本发明的功能和有利方面的进一步理解。
【附图说明】
[0022] 将结合附图从其以下详细描述更充分地理解本文所公开的实施例，附图构成本申 请的一部分，并且在附图中：
[0023] 图1显示了用于支持基于微创进入端口的手术的示例性导航系统。
[0024] 图2是示出导航系统的系统部件的框图。
[0025] 图3A是流程图，示出了在使用导航系统的基于端口的手术程序中涉及的处理步 骤。
[0026] 图3B是流程图，示出了在为图3A中概括的基于端口的手术程序而配准患者的过 程中涉及的处理步骤。
[0027] 图4A示出了导航系统软件的示例性实施例，其示出患者定位步骤。
[0028] 图4B示出了导航系统软件的示例性实施例，其示出配准步骤。
[0029] 图4C示出了导航系统软件的示例性实施例，其示出开颅术步骤。
[0030] 图4D示出了导航系统软件的示例性实施例，其示出接合步骤。
[0031] 图4E示出了导航系统软件的示例性实施例，其示出置管步骤。
[0032] 图5是基于端口的手术程序中工具的图示跟踪。
[0033] 图6A至6D是带有跟踪标记的不例性指引工具的图不。
[0034] 图6E是带有跟踪标记的示例性端口的图示。
[0035] 图7是带有跟踪标记的示例性端口和指引工具的图示。
[0036] 图8是包括其所有独立部件和这些部件所进行的交互的示例性系统的图示。
[0037] 图9是框图，显示了用于规划和评分本文所公开的手术路径的系统部件和输入。
[0038] 图10是框图，显示了用于沿着由图9的示例性规划系统产生的手术路径导航的系 统部件和输入。
[0039] 图IlA是流程图，示出了在使用导航系统的基于端口的手术程序中涉及的备选处 理步骤。
[0040] 图IlB是流程图，示出了在使用导航系统的脑部活检手术程序中涉及的处理步 骤。
[0041] 图IlC是流程图，示出了在使用导航系统的脑深部电刺激程序中涉及的处理步 骤。
[0042] 图IlD是流程图，示出了在使用导航系统的导管/分流管置入程序中涉及的处理 步骤。
【具体实施方式】
[0043] 参照下文讨论的细节将描述本公开的各种实施例和方面。以下描述和附图用以说 明本公开，而不应解释为限制本公开。描述众多具体细节以提供对本公开的各种实施例的 透彻理解。然