计算机辅助的外科手术设备和切割组织的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及根据独立权利要求1的前序部分的计算机辅助的外科手术设备，更具体地涉及一种计算机辅助的组织切割的相应方法。
[0002]这种设备可用于切割人或动物组织且特别是人或动物骨头，所述设备包括:具有用于切割患者身体部位的组织的介入部件的外科手术器械；控制单元，该控制单元设置成控制外科手术器械的介入部件关于患者身体部位上的预定切骨线相对于患者身体部位的位置和取向；和跟踪装置，该跟踪装置设置成跟踪患者身体部位的位置和取向。
【背景技术】
[0003]在医疗手术中，自动化或半自动化的技术对于切割人或动物组织而言越来越普遍。例如，WO 2011/035792A1记载了一种计算机辅助的和机械手引导的激光切骨医疗设备。该设备使用机械手引导的激光器如Er: YAG激光器以通过沿着预定切骨线光消融组织来切割人或动物硬组织，例如骨组织。这种设备例如可允许骨组织的精确切割，在许多应用中，例如置换术等领域中，对精度的要求越来越高。
[0004]自动化的切割工具或设备如上文提到的设备通常具有可用以跟踪目标组织和激光头的位置和取向的跟踪装置。例如，目前使用光或磁跟踪系统，其通常监视身体部位或组织和激光头并检测位置和/或取向的偏离。为了进行跟踪，身体部位和激光头通常设置有可由跟踪系统识别的适当的标记防护件(shield)或装置。
[0005]尽管传统切割工具如锯子等难以执行比直的或稍微弯曲的切口更复杂的几何形状，但使用激光将骨消融允许采用比较复杂的切割几何形状。例如，对于上述设备，锯齿、楔形榫和具有相关功能的其它特定切割几何形状是可行的。以这些比较复杂的几何形状切割骨头允许例如置换术和骨整形领域中的各种新应用。
[0006]然而，通常处于200 μπι以下的范围内的当前激光系统可能的切割宽度对所施加的切割的精度提出了高要求。所施加的切割中的微小几何误差可能会阻止正确的应用，比方说，例如在使它们相对于彼此移位之后切掉的骨片的重新装配。例如，如果患者身体部位在切割过程中或在切割过程例如被外科医生中断时停止，则激光引导装置如机械手必须能够以高精度自动重新定位以继续切割过程。
[0007]然而，目前的光或磁跟踪系统不够精确，因为它们的最佳精度通常处于200 μπι的范围内，这相比于例如机械手引导的激光切骨所需的精度而言是不合适的。除此之外，目前的机械手或类似装置还能够以高达约200 μπι的精度移动。因而，机械手和跟踪系统的总体精度对于许多应用而言根本不适合。
[0008]因此，需要一种(半)自动的外科手术设备和方法，其允许以比较高的精度在具有比较复杂的几何形状的人或动物硬组织中施加切割。
[0009]特别地，需要用于提供切割器械如激光束相对于待切割组织的充分精确的移动，以使得可采用比较复杂的切割几何形状。
【发明内容】
[0010]根据本发明，通过如由独立权利要求1的特征定义的计算机辅助的外科手术设备并通过如由独立权利要求12的特征定义的计算机辅助的组织切割方法来解决这种需求。优选实施例是从属权利要求的主题。
[0011]特别地，本发明涉及一种计算机辅助的外科手术设备，其包括:具有用于切割患者身体部位的组织的介入部件的外科手术器械；控制单元，该控制单元设置成控制外科手术器械的介入部件关于患者身体部位上的预定切骨线相对于患者身体部位的位置和取向；和跟踪装置，该跟踪装置设置成跟踪患者身体部位的位置和取向。此外，该设备的外科手术器械包括相对于外科手术器械的介入部件固定地安装的光学监视系统，其中该光学监视系统设置成连续检测人或动物硬组织上的自然标志或施加至患者身体部位的标记的位置并且控制单元设置成在检测到标记的位置的预定偏差时调节外科手术器械的介入部件的位置和/或取向。
[0012]在本发明的上下文中，术语“患者”涉及任何人类并且还涉及动物。与本发明相结合的术语“组织”可涉及人或动物组织并且优选地涉及硬组织如指甲组织且特别是骨组织。术语“身体部位”可涉及要通过该设备切割的患者的任意合适的身体部位。特别地，本发明可涉及任意骨头，例如患者的上颂骨或上颂、下颂骨或下颂、颅骨等。术语“切骨线”可涉及要沿着其切割身体部位的线。它尤其可限定出切口的几何形状。切口的几何形状例如可借助于例如通过成像技术如光学相干断层扫描(0CT)收集的计算机评估的身体部位的数据来计划。在这种切割计划中，计算机也可计算切骨线。
[0013]控制单元可包括计算机，该计算机可配备有硬盘、中央处理单元、随机存取存储器、只读存储器等。该计算机例如可以是个人计算机、便携式计算机等。光学监视系统特别可以是或包括与跟踪装置不同的实体或单元，使得光学监视系统至少部分地与跟踪装置不同。监视系统例如可以通过以刚性方式直接或间接地连接到介入部件而相对于介入部件被固定地安装。例如，它可被螺接、结合或以其它方式刚性地安装在外科手术器械上。标记的位置的上下文中的术语“偏差”可涉及检测出的标记的位置与标记的预期位置之间的差异，其中可根据标记的前一位置和介入部件相对于身体部位的移动来计算预期位置。
[0014]除由跟踪装置提供的手术状况的概览图以外，光学监视系统允许关于切骨线特定地控制切割过程。特别地，光学监视系统允许以比较高的精度提供切割过程的数据。通过相对于外科手术器械的介入部件固定地安装监视系统，可排除相应的偏差并且可相应地提高总体控制的精度。监视系统可被调节成以比较高的分辨率提供比较小的区段或窗口的详细信息或详图。此外，监视系统聚焦在可特定地施加至身体部位以监视切骨线或切口的自然标志或标记允许针对切割过程的高精度控制进一步进行定制。因此，根据本发明的设备允许以比较高的精度在具有比较复杂的切割几何形状的身体部位施加切割。
[0015]例如，可通过在所施加的切口或切骨线自身上使用自然的可见标志或点标志作为标记或通过在身体部位如计划的切口或切骨线附近的待切割的骨头上施加例如激光照射、另外的人工标记来使用本发明。对于更长的切口，可沿着切口的路径(即切骨线)施加多组这些标记(切口或切骨线自身上可见的标志或另外施加的标记)。利用具有例如一个或优选地两个照相机的监视系统，可自动检测到这些标记。如果可通过监视系统看到或检测到多个标记，则可例如在监视系统坐标系内确定它们的三维位置。或类似地，可计算监视系统相对于这些点的精确位置。由于监视系统关于介入部件刚性地或固定地连接并且可被校准，所以可计算介入部件相对于标记的精确位置。由于监视系统和例如其照相机可具有像素分辨率高的比较小的视野，所以能以高精度确定相对于监视系统的位置。在一特定实施例中，视野为lcmXlcm并且分辨率为1000X1000像素。这种设置将产生对于设备的许多应用而言足够精确的处于10 μ m的范围内的位置精度。
[0016]或者，可使用例如与作为外科手术器械的激光头的扫描镜协作的光学相干断层扫描(0CT)探针来形成身体部位在切口或切骨线周围的三维映射图。然后可使用自然标志、来自所施加的切口的标志和潜在地人为形成的标志来确定激光头关于身体部位的相对位置。
[0017]或者，可使用例如对于至少一个照相机而言可见的光源来形成身体部位在切口或切骨线周围的三维映射图。然后可使用自然标志、来自所施加的切口的标志和潜在地人为形成的标志来确定激光头关于身体部位的相对位置。
[0018]或者，可使用立体照相机设置来形成身体部位在切口或切骨线周围的三维映射图。然后可使用自然标志、来自所施加的切口的标志和潜在地人为形成的标志来确定激光头关于身体部位的相对位置。
[0019]优选地，控制单元设置成基于通过光学监视系统检测出的施加至患者身体部位的标记的位置来计算标记的预期位置。这些检测出的标记的位置优选地用于计算组织相对于介入部件的位置。通过计算预期位置并评估检测出的位置，控制单元允许有效地控制切割过程。特别地，可检测位置关于切骨线的比较小的偏差并且可例如对介入部件执行相应的精确调节以继续精确地切割身体部位。
[0020]优选地，控制单元设置成基于标记的以前位置和介入部件相对于身体部位的移动来计算标记的预期位置，其中在标记的预期位置与通过光学监视系统检测出的标记的对应位置不同时检测标记的位置的预定偏差。控制单元的这种设置允许有效地控制切割过程。
[0021]优选地，该外科手术器械包括设置成在手术期间对患者身体部位施加标记的标记部件，在所述手术中通过外科手术器械的介入部件沿着切骨线切割患者身体部位。在此上下文中，术语“标记部件”可涉及适合于对身体部位施加标记以关于切骨线监视切割过程的任意装置。它例如可被设置成在切骨线附近或切骨线处的身体部位上施加圆点或线。这种标记部件允许精确地施加针对控制切骨线的目的特别地设置和成形的标记。与此相似，这种控制的精度和效率会比较高。
[0022]优选地，该计算机辅助的外科手术设备还包括机械手，其中外科手术器械安装在该机械手上并且控制单元设置成控制该机械手的移动以控制外科手术器械相对于患者身体部位的位置和取向。这种机械手允许以比较高的精度在介入部件的所有运动自由度上有效地调节介入部件相对于身体部位的位置和/或取向。
[0023]优选地，介入部件包括激光源。这种激光源允许在身体部位上提供用于切割身体部位的激光束。激光诱导的切割使得可以以比较复杂的切割几何形状精确地切割身体部