CN1162251A - 用于神经外科手术的立体规划过程用的装置和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种装置和方法，用以显示所选目标与病人头盖骨上所选点之间的路径，并用以引导外科手术器械沿着任何所选路径前进。系统(10)由图像显示系统(12)、铰接臂并探针(18)以及立体规划系统(16)组成。这些子系统相互连接，因此铰接臂(18)可用以选择与所选图像基准点相对应的病人基准点。应用这些点，图像显示系统(12)将外部位置与被显示的图像相互配准，因此，探针的状态可用被显示图像加以显示。系统(10)还得以识别病人脑内所选的目标(T)，并在颅骨切开手术进行之前，投影从外部位置至目标的路径。对该路径进行估算后，外科大夫可将立体规划系统(16)锁定在位以保持所选的外科手术路径，并引导器械沿着该路径前进。应用该系统去进地这样的外科手术过程的方法也得到了说明。

Description

用于神经外科手术的立体规划过程用的装置和方法

技术领域

本发明总体涉及神经外科手术装置，而更具体地涉及在神经外科手术中应用的立体规划系统。

发明背景

七十年代期间，已开发了放射性图像系统以帮助外科大夫更详尽地弄清病人的内部状况。特别是开发了计算机辅助层析射线照相(CAT)系统，它用以提高根据病人放射性扫描期间产生的数据而得到的图像质量。病人被放置在台架内，放射性源和放射线探测器则相互相对放置以便绕病人身体的一个部分转动。放射线探测器产生的数据被计算机利用以产生该身体部位的放射线照相的图像或“薄片”，从而给大夫以大为清晰的在整个感兴趣区域内的视图。

稍后，放射线照相成像系统还包括磁共振成像(MRI)和正子辐射层析照相(PET)成像，它们产生图像的能源不是应用X射线或类似物。这些装置是有用的，因为它们提供了有关器官和细胞组织的与CAT扫描图像不同或附加的信息。在本申请中，名词扫描器指成像装置，而与用于产生图像的技术无关。

进行神经外科手术可研究、修复或去除位于病人脑内的异常事物。这种外科手术的环境是挑战性的，因为兴趣所在的器官：脑，被相对厚的骨骼结构，头盖骨，所围绕。对外科大夫来说，外科手术前唯一可接近脑的方法是通过成像系统产生的图像。

由于脑的不可接近性、尺寸和大致为半球的形状，脑内点轨迹的确定通常要求参照某个固定的外部参考系统。为给外科大夫提供足够的信息以确定图像上感兴趣的区域，诸如肿瘤或损害，已经开发了各种系统以提供参考点或一些参考点，它们可用于将病人的解剖结果与图像上显示的结构相对应。这些系统通常要求有一个框架牢固地固定于病人的头部以提供参考点或一些参考点。一旦参考结构与病人连接，图像数据就按照相对成像装置而固定的参考框架而产生。也即，这里通常存在参考结构和成像装置之间的机械连接。当数据收集后，病人可从扫描器移走，但参考框架必须依旧连接至病人头上。在整个外科手术过程中参考框架保持连接，这样，外科大夫能将有关病人解剖结构的图像信息与相对框架而定位的，病人头盖骨内的位置相关联。

在这样的一些系统，基于放射性扫描器获取的数据，为外科大夫提供了确定病人脑内兴趣所在的区域的惊人能力的同时，所要求的框架则很麻烦，且使放射性数据的获取复杂化。为保持参考框架的位置，在整个扫描过程和外科手术过程中，它必须保持与病人头部相连接。因为参考框架可有几磅重，且必须牢固地固定在头上，它们可能对病人很不舒服。框架人病人头部伸出的距离在操纵病人时也成为困难。另外，具有比正常头部大的病人常常不能与立体策略框架相适配。

为减少参考框架的笨拙性和它引起的对病人的不舒服，开发了一种立体策略系统，它使用一种可安装至病人头盖骨的头盖骨环。此环是一个相对小的金属圆环，采用多孔螺丝安装在病人头部。一旦环安装好，一块具有两个孔的传送板被固定在环内，两孔中有一个孔具有安装于其中的可转动球和插座机构。传送板还设置有放射线不透过的标记，它可在扫描器产生的放射线图像中加以识别。然后病人被放入至扫描器中，一件从球和插座伸出的构件与机器相连接。一旦病人在扫描器内被定好向以收集图像数据，球和插座被锁定在固定的指向。

图像数据收集后，从环和从与扫描器相连接的病人处伸出的构件被脱开，这样，病人可移走。球和插座仍旧锁定在其指向，这样，病人头盖骨上的传送环的指向可在以后加以复制以便确定目标。

在将夹持球和插座的传送板以安装至病人头部的头盖骨环中拆去后，该板被连接至一件从框架台之上伸出的构件，以复制其在病人头部上的位置和指向。检查扫描器产生的图像，确定所选目标，诸如损害或肿瘤，以及传送板放射标记的座标数据。应用该坐标数据和标记在框架台上的标志，操纵在框架台上的目标标记，从而识别相对放射标记的目标位置。第二球和插座机构被放置在传送板的第二孔中。此后，诸如活体解剖探针的器械于是可通过第二球和插座伸向目标点以确定至目标的距离和路径。然后将第二球和插座锁定在位以保持至目标的指向，而至目标的距离则标记在探针上。

支承着第二球和插座机构的传送板于是可从位于框架台之上的构件中移走，而重新安装至病人头盖骨上的头盖骨环上，并带着被锁定的第二球和插座以确定至所选目标的路径。此后，可应用活体解剖探针标记病人头盖骨，并于此点上进行颅骨切开手术以便在病人头盖骨上提供一个孔。于是活体解剖探针可通过第二球和插座中的孔伸至探针上标记的深度，以便将活体解剖探针放置在损害或肿病之内。用这一方法，外科大夫能精确地放置活体解析探针，而无需在进行活体解剖之前搜索定位肿瘤或损害。上述技术和装置的进一步说明见于美国专利号4805615和4955891(U.S.Patent Nos.4805615 and 4955891)，对其已加以参考。

上述进行活体解剖的方法在许多方面加速了图像数据的收集。首先，安装于病人头盖骨的参考结构与以前使用的参考框架相比是小的。其次，带有球和插座孔的可移动板能使目标区域在进行颅骨切开手术之前在病人脑内精确定位。第三，具有球和插座机构的可移动板确保板正确地放置在病人头盖骨上，并保持在框架台上确定的至目标的路径的精确性。虽然该方法大大加速了脑内目标区域的确定，但是它不能为外科大夫提供有关头盖骨上颅骨切开孔和目标区域之间的中介细胞组织区域的信息，而它位于脑内，且可能深深地位于脑内。此外，扫描器产生的图像数据的指向不一定横越参考环的球和插座的孔的位置，因而不能提供颅骨切开孔和目标面积之间不同深度上的图像数据以帮助外科大夫对至目标的路径进行估算。这样，在外科大夫不需搜索以定位目标的同时，外科大夫确实需要小心地沿着到达目标的路径收回脑细胞组织。不然，有可能损害沿该路径伸展的一些敏感区域。上述参考系统不能在颅骨切开手术之前帮助外科大夫确定这样一些敏感区域的严格位置，并横越至目标的路径。

除确定脑内损害或损伤的轨迹外，为了将对中介细胞组织的损害降至最低，确定适当的路径通过脑子到达轨迹常常是关键的。这样，确定到达现场的路径几乎和确定现场本身一样的关键。在这方面上述系统是不适宜的。

为提供图像数据和置于手术中的病人之间的更为自动化的配匹，已经开发了进行“相互配准”的系统。相互配准是一个过程，计算机通过它将与图像数据关联的基准点和与病人身体相关联的基准点进行配对。通常，图像基准点是通过应用鼠标和光标加以选择，以便在显示图像上识别病人皮肤上的点。铰接臂并探针被连接至计算机以提供计算机外部点的坐标数据。使用者应用该臂并探针，在病人身上选择点，它们对应所选图像基准点，而计算机执行对相应点进行配对的程序。在选定足够的点数之后(通常至少为8个点)，计算机可识别在显示图像上的，对应贴近病人头部的探针位置的点。这样的系统由马萨诸塞州，布鲁克林的雷地奥聂克斯公司(Radionies o Brookline，Masschusetts)制造，并以其产品名字“操作臂”而标记。

这样的系统向外科大夫提供了“导航”信息，也即，外科大夫可将探针放至病人头上或病人头内的特定位置，而在显示图像上识别该位置。通过这一方法，外科大夫可在显示图像上检查区域，并确定它们至探针位置的接近度。因此，外科大夫可坚信至目标的外科手术途径的正确性。

虽然这些系统提供了令人信服的导航信息，但它们仍不能在颅骨切开手术进行之前，在显示的放射线图像上投射出稳定的外科手术路径的图像。这样的系统不能投射稳定的路径，是因为在每次需要检查路径时，外科大夫不能将探针始终如一地定向和稳定在严格的相同位置。结果，因为探针是由手操作的，这样的系统不能确认或持久地指示通至目标的路径。此外，这样的系统不能确保外科大夫能沿着外科大夫根据显示的放射线图像检查结果选择的任何路径前进。

需要的系统是得以使外科大夫能在进行颅骨切开手术进行之前选择、估算通至所选目标的路径，并将该路径锁定在位。需要的系统是能在颅骨切开手术期间和在该手术之后引导外科大夫沿着估算过的外科手术路径通至目标。需要的方法是在路径被估算之后，选择和保持若干条通至多个目标的所选路径。

发明内容

早先已知系统的这些和其它问题可被根据本发明原理建造的系统所克服。该系统包括用于显示放射线图像的成像显示系统；图像基准点选择器，它与成像系统相连接，用于在显示系统上显示的图像上选择基准点；目标选择器，它与成像系统相连接，用于在显示系统上显示的图像上选择目标；铰接臂并探针，它与成像系统相连接，能参照成像系统提出探针的空间坐标，这样，与探针相关联的位置就显示在显示图像上。病人基准点选择器，它与成像系统及铰连臂相连接，用于在病人身上选择基准点，这些点对应显示图像的所选基准点。相互配准处理器将病人基准点与所选图像基准点相互配准，这样，铰接臂提供的坐标可与显示图像配对，从而探针的位置可显示在显示图像上。探针夹持器将铰接臂的探针夹持在靠近病人头部的位置，夹持器是有选择地可锁定的，以便保持靠近病人头部的位置。采用这一系统，外科大夫可对显示于所述显示图像上的，所述探针位置与所述所选目标之间的路径进行估算。

根据本发明原理的系统得以使病人被扫描时，没有固定于病人的任何平板或框架参考物。此系统将图像基准点与病人的所选解剖特征相互配准，这样，探针位置可显示在放射线图像上，并将通至所选目标的路径投射在图像上。外科大夫可对通至所选目标的路径进行估算，假如该路径被认为是可接受的，则将探针位置锁定在位。然后外科大夫可在病人头部标上适当痕迹以进行颅骨切开手术。用相似的方法，通至其它目标的路径可在任何颅骨切开手术之前加以确定和标记。

该系统还包括外科手术器械套管，它们适用于安装在探针夹持器内，这样，器械可在正确的指向和位置上通过套管插入，沿着估算的路径通至所选目标。从而，探针夹持器可用于加快外科大夫对路径的选择和估算，并在此后保持该路径以及沿该路径的导向器械。

本发明的系统还包括弧形板运载杆，用以确定至所选目标的预先规定的半径。刻有凹槽的弧形板被可转动地安装至参考杆上，而安装有探针的探针夹持器则适用于在刻有凹槽的弧形板内滑移。这样，刻有凹槽的弧形板可按半球形的方式绕病人的头部转动，而探针板和夹持器则沿着带凹槽的弧形板滑移，以便由外科大夫应用放射线显示系统进行估算以确定若干入口点。成像系统还设置有处理器，它用于对扫描器产生的放射线数据进行数据内插，以便提供从任何入口点进入的沿着探针的视图，这些入口点是当半球形立体规划系统放置成探针达到夹持器时，沿着该半球形立体规划系统而选择的。应用这一系统，外科大夫可对若干入口点进行估算，并选择其中对病人风险最小的一个入口点。

本系统的另一优点是，当目标选定，并在目标上进行活体解剖或外科手术过程后，外科大夫可在病人脑内选择感兴趣的第二目标。在该次选择后，探针夹持器可松开，重新插入探针以确定通至第二所选目标的第二路径。然后可连接半球形立体规划系统，以便为估算提供多个通至第二目标的入口点，一旦选定合适的路径，就可在第二目标上进行手术。以这种方工使用这一系统可加速外科手术，其中可将放射性种子植入至肿瘤的各个区域，并具有放射性基本局限于肿瘤区域的效果。这类应用也可帮助外科大夫在病人脑中精确地放置多个深度电极，以便进行监视。

根据本发明原理提出的系统的这些和其它优点可参考附图及所附加详细说明加以弄清。

附图概述

本发明可具体化为各种部件和部件的配置，具体化为各种步骤和步骤的安排。附图仅为了展示最佳实施例和其它实施例，而不是为了限制发明。

图1是根据本发明原理的系统的一个实施例的部件的透视示意图；

图2展示了一幅代表性屏幕，它显示图1中系统生成的图像信息；而

图3是用于图1系统中的一个立体规划子系统的最佳实施例视图。

发明的详细说明

图1中所示的是按照本发明原理建造的神经外科手术立体规划系统10。该系统包括图像显示子系统12、铰接臂并探针18，以及立体规划子系统16。图像显示子系统12显示根据扫描器产生的图像数据得出的图像，或根据由这些数据内插获得的数据而得出的图像。子系统12接收操作者用于选择基准点的输入，接受来自铰接臂并探针的坐标数据，并将病人13身上所选的基准点与病人辐射图象的所选基准点进行相互配准，这样就可显示探针的位置和至所选目标的路径。子系统12还显示铰接臂的图像，因此，可对臂并探针的操作进行核对。

铰接臂并探针18通过编码器接口20向显示子系统12提供空间数据。空间数据最好由光学编码器22产生，虽然也可应用其它类型的空间坐标数据产生部件。除了由臂并探针18提供的用于定位探针位置的数据之外，探针24还可提供转动数据，因为它绕其纵向轴转动以转动在子系统12上的被显示图象，这将在下文加以详述。

当外科大夫引导探针穿过病人头部时，立体规划子系统16稳定探针24。子系统16还包含下文将更为详述的部件，它们使探针能被锁定在位，而该位置被用于引导外科手术器械通至被选的目标。子系统16还包含下文也将更为详述的部件，它们可用于为通至病人内部的目标的外科手术路径提供多个入口点，所有这些入口点都对准所选目标范围的中心。这些部件以相当好的可靠程度为外科大夫提供保证，使得被提供的每个探针位置都是指同所选目标的。

辐射显示子系统12包括计算机30，与之连接的是有高分辨率的图形监视器32、鼠标34、脚踏板36、键盘38和磁带驱动器40。计算机12可另外包括3.5英寸的软盘驱动器或类似物以及数字声频磁带(DAT)驱动器或类似物。磁带驱动器40、软盘驱动器和数字声频磁带(DAT)驱动器可用于向计算机30提供辐射图像数据。这些磁带驱动器也可用于将计算机30产生的数据进行归档，或对在计算机30上执行的软件进行修改。计算机30也可采用常规技术与诸如Ethhernet的计算机网络连接。这样的网络可用于提供辐射图像数据、软件或诊断服务。

监视器32最好是从美国Sony公司(Sony Corporation of America)买到的多重扫描HG单枪三束彩色显像管超精细节距分辨率监视器(Multi-Scan HG  Trinitron superfine pitch resolution monitor)。计算机30最好是由德克萨斯州，好屋斯通的台儿计算机公司(Dell Computers of Houston，Texas)生产的Dell 450DE/2DGX。用于阅读图像扫描数据的磁带驱动器40最好是加州，圣地亚哥的奥佛兰德数据公司(Overland Data of San Diego，California)生产的9磁道磁带驱动器。编码器接口20和铰接臂和探针18是由加州，旧金山的浸没式人体接口公司(ImmersionHuman Interface Corp of San Francisco，California)生产的。

计算机30最好执行由宾夕佛尼西洲，匹丝堡的诺摩斯公司(Nomosof Pittsburgh，Pernsylvania)开发的阿脱拉斯(Atlas)程序。阿脱拉斯(Atlas)是一种计算机程序，它显示根据由磁带提供的辐射扫描数据得到的辐射图像，并将数据进行内插以提供在辐射扫描数据中未出现的附加视图。最佳实施例中的阿脱拉斯(Atlas)程序已经修改，以便通过编码器接口20接收来自铰接臂并探针18的数据。通过使用计算机30的驻留操作系统将该程序加以装入，在最佳实施例中，该操作系统是微软磁盘操作系统(MS-DOS)。该阿脱拉斯(Atlas)程序包含其自身高层次的输入/输出程序和其它计算机资源功能，以致阿脱拉斯(Atlas)程序可使用计算机30的驻留操作系统的基本层次的输入/输出操作。在最佳实施例中，计算机30还装备有电话机接口，从而可通过电话从远处提供诸如诊断的软件和其它支撑功能。

铰接臂并探针18安装在外科手术头盖骨夹子46上，而它则被安装在手术台48(它可是已知类型的手术台)上。基底支架50(图1)连接至安装套管52上，它被安装至外科手术头盖骨夹子46的恒星爆炸形连接器54上。基底支架50最好通过六角固定螺线或类似物安装至套管52上。套管52和支架50的配合面最好是有键的，这样，基底支架50就只有一种可能的指向。当如下文详述的那样使用无菌基底支架和放置外科手术帘的臂时，这特点对保持参考点的精度很重要。基底支架50在一端还包括用于铰接臂的可锁紧安装螺丝56，而在其另一端包括一根中空管状延伸杆58，用以夹持铰接臂并探针24。螺丝56绕窄缝60可转动地安装着，该窄缝是为铰接臂并探针18而切割在基底支架50上的。

铰接臂并探针18(图1)还包括安装柱螺栓62、两件臂构件64和探针24。铰接构件68连接安装柱螺栓62、臂构件64和探针24，以形成臂和探针18。在每一铰接点上，具有在两个垂直平面的转动，得以使每个臂具有两个自由度。每一臂构件要对其相应铰接的位置最好设置有光学编码器22，它们在每一铰接处以相互垂直关系与臂相连接。探针24安装在位于臂最外端的套管70之内，从而它能绕其纵向轴转动。这一转动运动被计算机30用于转动在监视器32屏幕上向外科大夫显示的辐射图像。从铰接臂18一端伸出的是接口电缆72，它终止在编码器接口20上。编码器接口20将来自铰接臂18的六个光学编码器22的数据转换成用于计算机30的转动位置(角向)数据。

磁带驱动器40可用于向计算机30提供图像扫描数据。大部分图像扫描器将扫描产生的图像数据，通过将它们贮存在诸如9磁道磁带74的磁性介质上，从而进行归档。然后，该磁带可由磁带驱动器40读出，并向计算机30提供，计算机30将数据贮存在诸如硬盘驱动器的其它磁性介质上。从插入于驱动器40中的磁带上读出的图像数据可像扫描器产生的那样加以使用。但是，每个扫描器生产商可能对数据进行不同的格式化。最好将各类扫描器产生的图像数据，在将它们贮存于计算机30的内部磁性介质上之前，转换成标准格式。通过这一方法，为使用来自不同扫描器的数据，在计算机30上执行的图像显示程序对每种格式就不要求不同的模块或程序。

一般，扫描器产生的数据包括图像数据和非图像数据。非图像数据包括参数定义，诸如病人姓名、日期、病人位置、扫描指向、扫描参数以及对不同扫描器生产者中每一个特有的其它成像细节。在计算机30上执行的程序的最佳实施例将对所有扫描器生产者共同的基本数据条目摘录出，并应用图像数据文件将它们贮存在关键字评价文件中。该关键字评价文件包含一张关键字清单，这些关键字识别每个数据字段和该字段的评价。例如，用于病人姓名的数据字段识别器之后是用于列序扫描的病人姓名的数据表达式。为了系统分析目的，这些文件最好是人可读的，因为它们通常是不被使用者访问的。

图像数据通常包括数值数据，它们代表诸如(Hounsfield)单元的灰色标度值或某个其它亮度/反差值，众所周知，这些值可用于产生图像。这些数字值加以压缩，或表示成整数或实数值。在计算机30上执行的程序的最佳实施例不压缩任何被压缩的值，并将所有数值数据转换成整数数据。然后该数据被贮存在图像数据文件中。这些文件最好按将病人数据相互分开的分级文件结构，以及为每个病人按图像研究项目和系列写入至盘中。

脚踏板36、鼠标34和键盘38可被操作者用以向计算机10提供输入。例如，鼠标34可用于控制监视器32屏幕上的光标以选择不同的任选项，这将在下文详述。再如，脚踏板36可被外科大夫用于激活对病人身上基准点的选择。

在最佳实施例中，在计算机30上执行的图像显示程序包括图形使用者接口(GUI)、输入/输出(I/O)程序库、铰接臂接口程序，以及若干应用模块。GUI接口控制监视器32屏幕上数据和菜单的显示。I/O程序库程序执行诸如从磁带驱动器40读出图像数据的各种输入和输出功能。铰接臂接口在图1所示的子系统12的最佳实施例的监视器32屏幕的底部提供菜单和基准选择点的显示。最后，，应用模块执行软件以进行转换操作，例如，为图像而内插数据，和将图像数据与所选病人的基准点相互配准。

图1中所示的是立体规划子系统16的一个替换实施例，它将铰接臂并探针18连接至病人，使外科手术路径的估算和选择得以进行。该设备包括头盖骨环80、传送板82、旋转插座84，和探针对准球86。该设备是在病人头发被剃光，准备好betadine，注入赛鲁卡因后，通过多孔骨(cancelloas bone)螺丝将头盖骨环80固定至病人头上而加以应用的。当头盖骨环80被固定后，借助从头盖骨伸出的支柱(未表示)将传送板82安装在头盖骨环上。旋转插座84借助六角固定螺丝或类似物安装至头盖骨环上。旋转插座84包括底座92和向上伸出的套管94。探针对准球86插入在套管94中。探针对准球86，例如通过采用如图3所示和描述的探针对准套筒193，适用于接受探针24的端部。这样，探针24可插入至探针对准球86中，探针和球相对病人头皮表面一起运动。

一旦外科大夫基于监视器32上显示的辐射图像所提供信息，选择好特定的取向，可将从套管94向外伸出的螺丝98拧紧以便将探针对准球86固定在位。然后可将已知类型的外科手术器械套管(未表示)插入至探针对准球86中，使钻头或其它器械得以能通过器械套管插入，以打开病人的头盖骨。活组织检查器械也可通过套管插入至目标区域。这样，环80、传送板82、插座84和球86的使用为外科大夫提供了稳定的平台以定位探针24，并将估算的取向可靠地锁定在位，从而为外科手术过程提供导向。

图1中还展示了用于进入现场选择的半球形立体规划系统。该设备包括弧形板运载杆100、转动支承臂102、弧形板104，和可变套管组件106。当探针对准球86已定向成，使探针24指向目标后，可将探针拆去，将弧形板运载杆100插入至探针对准球86中。然后将转动支承臂102安装在弧形板运载杆100上，并采用螺丝110将其绕杆而固定。舌榫或楔112以可锁定的相互关系安装在转动支承臂102上，适用于装配在切割于弧形板104中的轨道内。通过拧紧转动支承臂102的螺丝118，弧形板104可沿弧形板104的长度在任何位置固定至臂102上。可变套管系统106同样适于具有一个锥子，它可滑移地安放在弧形板104中，从而可变套管组件106可沿弧形板104的长度在任何位置上锁定在位。套管组件106还包括插座，例如与图3所示的探针夹持器192相似的插座，它安放探针24，这样，外科大夫可通过对显示于子系统12的监视器32上的路径的观测，估算至所选择目标的路径。因为动载杆100指向目标，支承臂102和弧形板104可按绕目标而对准中心的半球形式绕病人的头转动。支承臂102最好绕弧形板运载杆100被锁定进入位置，以致可变套管组件106中的中心孔位置与弧形板104绕着对准中心的目标距离约19厘米。

半球形立体规划系统的组件使外科大夫得以能以相当好的可靠程度绕病人的头而操作探针24，使得插座是指向先前的所选目标。通过简单地绕杆100回转弧形板104和在弧形板104内滑移套管106，为外科大夫提供了大量用以估算的现场，它们可作为外科手术的导向而锁定在位。

图3中所示的是立体规划系统16的最佳实施例。该系统包括探针夹持器套180和刚性分岔臂182，它被放置在太阳爆炸形连接器54和套管52之间。分岔臂182终止于枢轴转动接头184、可调节臂186由此伸出。另一可调节臂190从臂186端部的枢轴转动接头188伸出。190终止于探针夹持器192，它如结合图1已说明过的那样，设置有传送板82、球插座机构84和调节球86，其中球86适用于安放探针对准套筒193。这样，子系统16提供了一条刚性可调节臂，探针夹持器192和辅助组件可通过它绕病人的头进行操作，然后有选择地锁定在位以进行路径估算、外科手术器械的导向，或半球系统的连接。

为将系统10应用于神经外科手术，病人13在图像扫描器中被扫描以产生一系列图像。一个“系列”可以是病人身体一个容积部分的一组平行、相等间隔的图像，有时又被称为“薄片”。构成系列的图像最好是连续的。多于一个图像系列的组合通常称作“研究项目”或“套”  也可被系统应用。系列的实例有轴向的、冠状的、转动的，和弧矢的。轴向系列是从病人头的顶部至头盖骨的基底，冠状系列是从病人头的脸部至背部，转动系列是围绕病人的头，而弧矢系列则是从病人头的侧视图至另一侧。轴向系列最好是在台架角为0°时产生的，不然，由阿脱拉斯(Atlas)程序最佳实施例进行的数据内可能畸变。

在系列被扫描器产生之后，它可被深入至磁性介质以输运至系统10。通常，图像数据被写入至9磁道磁带74中，它可被9磁道磁带阅读器40读出。使用者可驱动计算机30，并驱动输入/输出(I/O)程序库中的9磁道磁带接口程序。通过采用这一程序，使用者可将图像数据从9磁道磁带74中读入至计算机30中，然后计算机将数据按适当格式贮存至硬盘驱动器或类似物中。计算机30还可借助DAT阅读器、软盘驱动器、计算机网络或类似物从图像扫描器接受数据。

在图像数据被读入至计算机存储器后，使用者可执行程序，它将图像辐射数据显示于监视器32的显示窗口。通过卡嚓一声轻击图2所示屏幕的视图图标(20，使用者可选择特定视图。该行动产生各种系列或视图的显示菜单，使用者可由此进行选择。在选定一个系列之后，该系列的第一个图像或薄片就如图2所示的那样，显示于显示窗口122中。使用者可使用鼠标操作屏幕上的滑移器124按钮，察看系列中的每幅图像。

使用者可选择在第二显示窗口126显示的第二系列。通过卡嚓一声轻击第二窗口的视图图标128，建立第二显示窗口后，使用者可选择显示于该窗口的特定系列，并同样地通过使用鼠标操作滑移器按钮130察看不同薄片。

计算机30也可产生扫描器没有产生的第二系列。计算机30这一过程的产生是通过将扫描器产生的系列之一进行数据内插而产生第二系列的。例如，冠状系列可由扫描器产生，并显示于系统的第一显示窗口。假如使用者选择在第二窗口显示弧矢系列，而它并未被扫描器产生，则系统将每幅冠状图像右手边缘的数据进行内插，由该数据产生弧矢视图。该过程对冠状透视图中的相同间隔的平行图像重复进行，以建立第二弧矢系列。

在最佳实施例中，阿脱拉斯(Atlas)程序将图像数据重新格式化以产生表示被扫描区域的立体图像的数据。这是通过将单个薄片的图像数据进行内插，以产生扫描器未曾获得的附加“薄片”而进行的。这最好通过产生所谓的“Voxel”值来进行，这些值代表在尺度上是立方的图像值，虽然其它的立体形状也可应用。例如，假如系列是由表示3mm的薄片，每一象素代表0.5mm×0.5mm的图像组成的，则被内插的Voxels最好代表一个1mm×1mm×1mm的立方体。为内插用于图像平面中Voxel的Voxel值，将每一形成正方形的四个邻近象素的组合进行平均，所得的平均结果构成数据以形成在1mm×1mm×1mm平面图像中的Voxels。对于代表位于2mm和3mm深度的平面的Voxels，面内的Voxel图像最好应用与自所选平面至基准平面的距离成比例的线性权重与位于下一个较低的4mm平面的下伏图像平面(基准平面)相结合。当然，如在本技术中熟知的，其它内插方案也可应用。内插数据产生后，阿脱拉斯(Atlas)应用这些数据以产生使用者要求的任何系列。

一旦显示窗口或窗口建立，并在那些窗口中显示适当的图像系列，使用者就可选择图像基准点。这是通过将鼠标在图2所示的图像基准点识别器菜单内适当区域上卡嚓一声轻击而进行的。激活图像点图标中之一后，使用者可应用鼠示34操纵一个交叉线光标越过图像，在将其对准于特定特征点之后，在鼠标按钮上卡嚓一声轻击以引起在计算机30上执行程序，将图像上的点和所选图像点图示拟合。使用者可对，例如说，8个点进行这一程序，虽然，在根据本发明的原理的系统中，少一些或多一结点也可实现。但在相互配准产生之前，至少需要3个点，而最好，采用大约8至10个点，则能得到最好的相互配准。

安装套管52、基底支架50，和铰接臂和探针18被安装至夹持病人头的头盖骨夹子46上。头盖骨夹子46最好是俄亥俄州，辛辛那提的俄亥俄医疗器械公司(Ohio Medical Instrumant CO.，Inc.of Cincinnati，Ohio)生产的头盖骨夹子，并标明为修正的“MAYFIELD”夹子。夹子包括安装在套筒臂148内的棘轮臂146，还包括安装在套筒臂上的二销钉固定夹(未表示)，转矩螺丝和销钉150安装在棘轮臂146上。通过熟知的过程，调节夹子以适配病人的头。

设置在套筒臂上的是恒星爆炸形连接器54，安装套管52安装于其上。用于铰接臂和探针18的基底支架50借助六角固定螺丝或类似物被连接至安装套管52上，而铰接臂和探针18则如前所述地连接至基底支架50上。使用者必须将铰接臂放置成使得所有侧向安装的光学编码器位于每一臂部份的相同侧上。假如臂被放置在错误的位置上，则计算机30和编码器接口20演译的与铰接臂相距的角向数据，好像它位于与其真实运动相反的方向，并不正确地显示探针的位置。一旦该臂位于适当的位置，探针24被放置于基底支架的管状延伸杆58中以准备探针的初始化(按图1中点虚线所示)。

通过卡嚓一声轻击探针初始化图示154(图2)，使用者得以使计算机30开始接收与铰接臂并探针18相距的角向数据输入，并将探针在延伸杆58内的位置作为基准点而初始化。在监视器32屏幕的下左部份展示有一个显示区域156，它展示每一臂部分和探针24的尖端的位置。通过将探针24从管状延伸杆58缩回，使用者可在空间中操纵铰接臂和探针尖端，并在屏幕上观察其运动。用这一方法，使用者可检验光学编码器22是否处于正确的位置，例如，通过当探针处于竖直位置向上移动时，同察探针的向上运动。假如显示的探针的运动方向与探针尖端真实运动的方向相反，使用者就知道臂的初始化不正确，应该使铰接臂处于适当位置，重复初始化。

在确信探针是适当地初始化之后，于是使用者可将探针尖端放置在病人头盖骨的外部点，它们对应于先前所选的图像基准点。通常，这些点包括与眼窝或类似物的中心对准的鼻梁。其做法是，使用者首先卡嚓一声轻击邻近病人点图标158的选择按钮，然后将探针24放置于病人头盖骨的点上，它对应一被激活的病人点相关联的图像基准点。通过压低脚踏板36，被探针位置标定的病人基准点坐标就与被激活的病人点相关联。读者应注意到，病人基准点的选择可先于图像基准点的选择。

在使用者至少选好三个病人和图像基准点之后，计算机30开始执行程序以便将辐射图像数据与所选病人基准点相互配准。为进行相互配准，程序最好执行迭代算法。在监视器32(图2)的屏幕上设置有指示器窗口160，以便向使用者提供有关辐射数据与所选病人基准点之间相互配准的质量的信息。通常，相互配准随所选点数而改进，大致8至10个点数正常能提供病人与图像数据之间相当好的相互配准。

相互配准最好通过迭代算法在计算机30上执行的程序模块之一上完成。最佳的算法选择一组图像基准点和相应的病人基准点。计算出由每个所选组确定的几何图表的形心。然后将形心之一的坐标换算成第二个形心的坐标，而与第一形心相关联的点也同样加以换算。将第一组中已换算与未换算点的坐标差进行乘方以确定总的误差值或品质因素。然后只在一个方向将被换算点改变一个增量，计算第一组中点与第二组中它们相应点之间的差，并加以平方。假如误差结果小于品质因素，于是被增加的值成为第一组中的点值，而误差结果成为新的品质因素。

再在相同方向进行增量改变，并计算新的误差结果。当误差结果大于当前的品质因素时，被换算的点就认为是最好的拟合。

现在在另一方向计算和估值增量改变。在第二个方向上的增量改变一直进行到误差结果大于品质因素为止，而先前的被换算点就被认为是最好的拟合。于是在先前的方向进行增量改变，直至误差结果大于当前的品质因素为止。再对第二方向试验增量变化。这一过程继续至在任何一方向的换算都不产生小于当前品质因素的误差结果为止。当这发生时，在第三个方向按照如前所述的那样计算误差结果和品质因素来进行增量改变和试验。当在任一方向的增量改变都不产生大于当前品质因素的误差结果时，相互配准完成，一个组中的所有点可实现至第二个组中相应点的换算。

有时，病人的基准点不是精确地与图像数据中所选的点相对应，从而可能降低相互配准的计算。通过重新设置相应的“应用”图标，撤消这样的点，可改进相互配准的计算。计算机30使使用者得以能有选择地激活和撤消一些点，以确定那些点提供病人和图像数据之间的最佳配准。读者应注意，相互配准随着基准点数目的增多而改进，然而，较好的行动是重新选择图像或病人基准点之一，这样它较好地对应其配对物。

使用者可或在相互配准之前，或在其之后选择目标。这是通过应用鼠标34激活监视器32屏幕上的设置目标图标162，并应用鼠标将光标交叉线移至图像内显示的病人头的内部区域而做到的。通常，感兴趣的区域可能是肿瘤、损害、可疑的活动点，外科大夫希望为其放置深度电极，或一个用以植入放射性外科用的放射性“种子”的区域。目标的坐标通过卡嚓一声轻击设置目标图标162来建立。

在相互配准和目标选择完成后，使用者可将探针24放置在病人头盖骨上的任何位置(只要该区域是扫描器扫描区域的一部分)，从该点(箭头172表示)至目标(以交叉线174表示)的路径得到显示。所显示的至目标的路径最好表明该路径是否确实存在于在该时刻显示的图像薄片上。对每一位置，探针位置和所选目标之间沿被显示路径的距离示于显示窗口(图2)的右下角。例如，外科大夫可将探针放置在示于目前正被显示的图像薄片上的点上。但是，外科大夫也可将探针夹持在这样一个方位，以致从该探针24至目标的路径在到达目标之前要横越一个或多个薄片。在此情况，确实存在于正被显示的薄片上的区域最好用黄色表示，而至目标的路径的其余部分最好用红色表示(图2)。应用鼠标34操纵滑移器按钮130，外科大夫可察看在适当图像薄片中目标路径的每一部分，直至达到目标以估算所选路径横越的细胞组织。假如外科大夫确定该路径具有风险，是不可接受的，则外科大夫可在病人头盖骨上选择不同的指向或不同的点，并重新检查路径。

通过选择视图“横穿探针”，一个系列就展示在第二显示窗口中，它可采用鼠标34移动该显示窗口的滑移器按钮130来加以操纵。用这一方法，横越探针24的平面的图像从探针24展示至目标区域。这样，外科大夫可估算通过病人脑细胞组织达到目标的路径。

一旦外科大夫选定至所选目标的特定路径，头盖骨环80可安装至病人头上，并将传送板82安装在头盖骨环80上。传送板82包括探针对准球86，探针24可放置于其中。当探针24放置在球86中之后，它可移动以便再一次选择至目标区域的，按外科大夫的意见为最佳的路径。当将探针24夹持于该位置时，球86可锁定在位以确定至目标的路径，并把探针移走。最好采用示于图3的装置以避免头盖骨环80贴在病人头上。

最好用可以消毒的第二基底支架50和探针24来代替用于基准点确认和相互配准的基底支架和探针。可以消毒的基底支架和探针最好由灰色阳极化铝制成，而不消毒的由黑色阳极化铝制成。可消毒的管状延伸杆58和探针24最好短于其不消毒的同类物以加速消毒。然而，探针24的安装套管70要与从铰接臂在第二位置上最外的铰链伸出的探针安装柱螺栓相连接，以确保用于相互配准的参考点不会受干扰。

在将一块带孔的消过毒的外科手术帘放置于套管52上之后，将消毒的基底支架安装至管套52上。在将铰接臂并探针18安装至基底支架50上之前，将一块消过毒的圆管状帘放置在臂和安装柱螺栓62之上。然后将探针安装套管70放置在圆管状帘上以便将可消毒的探针24固定在位。接着将探针返回至延伸杆58，使用者卡嚓一声轻击灰色探针图标176(图2)，这样，阿脱拉斯(Atlas)程序可相对探针24的长度进行匹配。外科手术帘的厚度在消毒零件的机构中加以抵销。也即，安装套管的孔适当加大以抵销安装支柱与套管之间的外科手术帘。要求这一抵销是为了确保，用于将探针锁紧至柱上的螺丝不会将探针尖端从柱的中心线移开。接着使用者卡嚓一声轻击探针初始化图标154以检查臂的移动。应用先前的所选基准点，相互配准是自动化的。

在此点上，外科大夫可应用合适的钻头打开病人的头盖骨，将器械套管插入至传送板82中。接着，外科大夫可将，例如，活组织检查针按所指示的深度直接插入至目标，并可相当的自信，活组织检查针是在目标区域，且只穿过在显示窗口显示的图像中检查过的细胞组织。在此过程后，外科大夫可关闭开口或对目标区域进行进一步处理。同样，外科大夫可选择其它目的，并像处理第一个那样对它们进行处理。

在安装的头盖骨板80，并将板82的锁定在位之后，外科大夫可决定装一根弧形板杆100以提供一个半球形器械定位系统，它是绕目标区域而对准中心的。其做法是，将弧形板杆100安装至球86上，将转动支承臂102安装至杆100上，并将弧形板104与支承臂102连接。接着将可变组件106安装至弧形板104上，绕杆100转动支承臂102，相对支承臂102滑移弧形板104；或者沿弧形板104移动可变组件106，就可绕半球选择任何位置。在任一个这样的点上，外科大夫可相当自信，他设置的点是对准目标区域中心的。

虽然通过替换实施例的说明对本发明进行了展示，虽然对实施例说明得相当详细，但申请人并不意图将本申请局限于这样的细节，或至少将所附权利要求的范围限止于这样的细节。对那些精通本技术的人士看来，附加的优点和修正是很容易看到的。例如，MRI和CT图像都可装入至计算机30中，并在与病人相互配准之前，在它们之间可先进行相互配准。MRI扫描可为外科大夫提供器官细节，而CT扫描可为外科大夫提供精确的坐标。因此，从发明的最广泛的方面来看，发明并不局限于所示和所说明的特定细节、有代表性的图像系统以及展示的例子。为此，只要不偏离申请人发明概念的精神或范围，可以有与这些细节不同的差别。

Claims (28)

1.一种神经外科手术立体规划系统，该系统包括：

成像显示系统，它用于显示图像；

图像基准点选择器，它与所述成像系统相连接，用于在显示于所述显示系统的图像上选择基准点；

目标选择器，它与所述成像系统相连接，用于在显示于所述显示系统的图像上选择目标；

铰接臂并探针，它与所述成像系统相连接，所述铰接臂提供所述探针的参照所述成像系统空间坐标，因此，与所述探针相关联的位置在所述被显示图像上被显示；

病人基准点选择器，它与所述成像系统相连接，而所述铰接臂用于在病人上选择基准点，这些点与所述图像基准点选择器所选的所述基准点相对应；

相互配准处理器，它用于将所述的所选病人基准点与所述的所选图像基准点相互配准，这样，所述铰接臂提供的所述坐标可与所述的被显示图像配对，从而从所述被显示的探针位置至所述的所选目标的路径可被显示在所述的被显示图像上；以及

探针夹持器，它用于将所述铰接臂的所述探针夹持在病人头部的附近，所述探针夹持器是可有选择地锁定的，以便保持靠近所述病人头盖骨的位置，从而外科大夫可对显示于所述被显示图像的，在所述探针位置与所述的所选目标之间的路径进行估算，并固定器械夹持器，使得插入于所述器械夹持器中的任一器械都能随着所述被显示的路径前进。

2.如权利要求1的系统，所述图像基准点选择器提供操作员在所述被显示图像上选择所述基准点。

3.如权利要求2的系统，所述图像基准点选择器还包括：

菜单，它给出图像基准点识别器的预定数；和

激活图标，它用于有选择地激活被选的图像基准点。

4.如权利要求1的系统，所述病人基准点选择器还包括：

操作员激活选择器，它用于确认病人基准点，所述操作员激活选择器使所述图像显示系统能接受来自所述铰接臂并探针的坐标数据以确认病人基准点。

5.如权利要求1的系统，所述探针夹持器是可调节的，用于改变在所述夹持器内的所述探针相对病人头盖骨的指向。

6.如权利要求5的系统，所述可调节指向探针夹持器是球和插座机构。

7.如权利要求1的系统，所述探针夹持器还包括：

头盖骨环，它安装至病人的头部；和

传送板，它具有位于其上的插座，用于安放所述探针。

8.如权利要求7的系统，所述探针夹持器还包括球和插座机构，它适用于安装在所述插座内，所述球和插座机构是可锁定在所述插座内的。

9.如权利要求1的系统，所述图像显示系统还包括：

所述探针和铰接臂位置的显示，因此所述铰接臂并探针的操作可加以检验。

10.如权利要求1的系统，其中所述相互配准处理器完成迭代算法，用以将所述的所选病人基准点与用于产生所述被显示放射线图像的放射线数据相互配准。

11.如权利要求1的系统还包括：

立体规划系统，它用以有选择地将外科手术器械放置在病人头部的附近。

12.如权利要求11的系统，所述立体战术系统还包括：

弧形板运载杆，所述弧形板运载杆是可安装在所述探针夹持器内的，因此，所述杆指向所述病人头部内的所选目标；

支承臂，它被安装成可绕所述弧形扳运载杆转动；和

弧形板，它可滑移地安装至所述支承臂，因此所述弧形板确定了一个以所述病人头部内的所述的所选目标为中心的圆周。

13.一种用于估算和固定通至所选目标的外产手术路径的方法，该方法包括的步骤为：

显示根据扫描器图像数据产生的图像；

选择在被显示图像上的基准点；

选择在所述被显示图像内的目标；

提供所述被显示图像外部点的空间坐标；

选择一组外部点，它们具有所述被提供的空间坐标；

将所述的所选外部点与所述的所选图像基准点相互配准，这样，所述的所选目标与所述外部位置之一之间的路径可在所述显示图像上被显示；以及

有选择地将探针固定在病人头部附近，这样，外科大夫可对显示于所述显示图像上的，所述外部位置之一与所述的所选目标之间的所述路径进行估算，器械可由此插入以便沿着所述被显示的路径前进。

14.权利要求13的系统，所述探针定位步骤还包括：

相对病人头盖骨改变所述探针的指向；和

有选择地将所述探针锁定在所选指向。

15.如权利要求13的方法还包括：

显示铰接臂并探针的位置，这样，所述铰接臂并探针的操作就可加以检验。

16.如权利要求13的方法，所述相互配准步骤还包括：

选择第一组图像点；

选择第二组外部点；

计算每组点确定的几何图形的形心；

将所述第一组点换算成对应所述第一个形心换算成所述第二个形心的坐标值；

根据所述第一组点的换算，计算品质因素；

通过在一个方向的增量，换算所述第一组点；

估算所述第一组点是否是一个好于所述未换算点的拟合；和

当所述估算在图像内所显示的所有方向上都小于所述品质因素时，将所述第一组点转换成所述第二组点。

17.一种神经外科手术立体规划系统，术该系统包括：

头盖骨夹子，它用于夹持病人的头；

铰接臂，它一端与探针连接，而在相对端可与头盖骨夹子相连接；

探针夹持器，它位于病人头部附近的所选位置上，用于将探针夹持在所选位置上。探针夹持器是可有选择地锁定的，以便将探针在选定位置保持于选定指向，从而确定一条选定位置与病人头部内目标点之间的路径，以促进沿该路径的估算和操作。

18.如权利要求17的神经外科手术立体规划系统，其中探针夹持器包括：

第一构件，它位于选定位置；

第二构件，它被第一构件所支承，并可相对第一构件运动，用于安放和夹持探针；和

夹子，它相对第一和第二构件而放置，用于将第二构件和探针锁定在相对第一构件的选定指向。

19.如权利要求17的神经外科手术立体规划系统还包括底座，它被连接在铰接臂的相对端和头盖骨夹子之间。

20.如权利要求19的神经外科手术立体规划系统，其中头盖骨夹子包括与头盖骨夹子的臂相连接的第一连接器，而底座则被安装在可与头盖骨夹子上第一连接器相连接的第二连接器上。

21.如权利要求20的神经外科手术立体规划系统，其中底座还包括可松开的夹子，用于安放和夹持与嵌接臂相对端相连接的轴。

22.如权利要求21的神经外科手术立体规划系统，其中底座还包括圆筒，用于安放和夹持探针以加快探针的初始化过程。

23.如权利要求22的神经外科手术立体规划系统，还包括第一未消毒的底座、铰接臂并探针以及第二已消毒的底座、铰接臂并探针。

24.如权利要求23的神经外和手术立体规划系统，其中第一和第二底座中的每一个和第一连接器都具有键系统，因此，第一和第二底座中的每一个都在预定的指向上与第一连接器相连接。

25.如权利要求17的刘经外科手术立体规划系统，其中探针夹持器还包括：

杆，它一端在选定位置和选定指向与探针夹持器连接；和

插座，它与该杆的相对端相连接，并可相对该杆移动至不同位置和指向，该插座安放探针，并将探针夹持在横切目标点的第二选定指向。

26.如权利要求17的神经外科手术立体规划系统，其中探针夹持器还包括：

杆；

杆夹持器，用于将杆夹持在选定位置的选定指向；

支承臂，它可在沿该杆长度的不同位置上与杆连接；

弧形板构件，它可与支承臂连接；和

套管，它可在不同位置与弧形板构件连接，该套管具有插座，用于在第二选定位置和横切目标点的第二选定指向上安放和夹持探针。

27.外科手术立体规划系统，该系统包括：

用于支承病人的装置；

铰接臂，它一端与探针相连接，而在相对端可与支承病人的装置连接；

探针夹持器，它位于病人附近的选定位置，用于将探针夹持在选定位置，探针夹持器是可有选择地锁定的，以便将探针保持在选定位置的选定指向上，从而确定选定位置和病人内的目标点之间的路径以促进沿该路径的估算和操作。

28.外科手术立体规划系统，该系统包括：

用于支承病人的装置；

铰接臂，它具有可活动的端部和可与支承病人的装置相连接的固定端部；

夹持器，它位于病人附近的选定位置，用于将铰接臂的活动端夹持在选定位置，夹持器是可有选择地锁定的，以便将铰接臂的活动端保持在选定位置的选定指向上，从而确定选定位置和病人内的目标点之间的路径以促进沿该路径的估算和操作。

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