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1、10申请公布号CN104168850A43申请公布日20141126CN104168850A21申请号201280064850722申请日20121031116255520111230FR125391920120427FRA61B19/0020060171申请人法国医疗科技公司地址法国卡斯泰尔诺勒莱72发明人P梅耶B纳胡F巴达诺P图尔74专利代理机构上海一平知识产权代理有限公司31266代理人马莉华崔佳佳54发明名称监测患者呼吸并纠正机械臂轨迹的机器人医疗装置57摘要本发明涉及一种监测患者呼吸并纠正机械臂的机器人医疗装置，包括至少一个机械臂；用于提供患者呼吸的机械通气机；基于患者处于原位和高位。
2、的所述机械通气时期的时间作记录的组件；对所述患者解剖区域进行图像捕获的组件，所述组件的触发与在所述原位和所述高位中记录的时刻同步；对所述原位和高位之间区域的三维位移向量进行计算的组件；根据计算所得三维向量而对所述机械臂轨迹进行纠正的组件。30优先权数据85PCT国际申请进入国家阶段日2014071086PCT国际申请的申请数据PCT/FR2012/0525322012103187PCT国际申请的公布数据WO2013/098496FR2013070451INTCL权利要求书1页说明书6页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书6页附图2页10申请公布号CN10。
3、4168850ACN104168850A1/1页21一种用于监测患者呼吸并纠正机器人轨迹的机器人医疗装置，包括至少一个机械臂；机械通气机，用于提供患者的呼吸；根据机械通气期间时刻的持续时间进行记录的组件，其中，患者处于对应于下一次吸气前的呼气末位置的原位，和对应于吸气末最大位置的高位；对所述患者解剖区域图像进行数字捕获的组件，触发所述组件作捕获与在所述原位和所述高位中所记录的时刻同步；对所述原位和高位之间所述区域中至少一个三维位移向量进行计算的组件；根据各个计算所得三维向量而对所述机械臂轨迹进行纠正的组件。2如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述捕获组件包括超声传感器，后者与所述的解剖区域接。
4、触放置。3如以上任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述捕获组件包括透视仪。4如以上任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述的装置包括将所述透视仪捕获的图像进行重叠的组件，所述的计算组件在一方面包括从重叠图像上测定所述解剖区域的至少一个二维位移向量的模块，以及在另一方面，包括将所述二维向量叠加以获得所述三维向量的模块。5如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的重叠组件包括对各图像中出现的所述解剖区域的至少一个解剖元素的轮廓进行划分区段而对所捕获图像作数据处理的组件，和所述的重叠组件包括对所述处理的轮廓进行重叠。6如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述数据处理组件包括人工指向界面。7如以上任。
5、一权利要求所述的装置，其特征在于，所述纠正机械臂轨迹的组件包括计算机模块，该模块通过与先前捕获的医学影像匹配，从而对所述捕获的解剖区域图像进行重新设定，所述重新设定与优选在原位进行的成像操作同时进行。权利要求书CN104168850A1/6页3监测患者呼吸并纠正机械臂轨迹的机器人医疗装置0001本发明属于医疗领域，尤其涉及准备和实施外科手术操作的方法。0002本发明具体涉及一种解剖医学成像方法，用于进行机器人辅助的外科手术。0003本发明涉及一种监测患者呼吸并纠正机器人轨迹的机器人医疗装置。0004本发明优选但不限于应用于脊柱解剖区域的外科手术。0005应注意，根据腰部脊柱、脊柱前凸的前弯曲级。
6、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。0006在这种情况下，在机器人辅助手术的主要问题在于如何管理患者本身呼吸造成的解剖学移位。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。这种肌肉活动造成周边解剖结构例如腹部，尤其是脊柱的变形。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，例如，站立位、坐位、俯卧位、仰卧位或侧卧位。0007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。0008为了限制腰部手术中的这些移动，例如，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。
7、位置自由运动。然后由手术台的附件和机械部件将患者固定在该体位。这个特定的俯卧位能显著减小腰部脊柱的运动幅度。0009因此，在腰椎区域如此施行精细手术，例如椎板切除术窄通道、神经根减压术RADICULARRELEASE椎间盘凸出、关节固定术通过在椎弓根打螺钉而融合脊椎、椎体后凸成形术以及通过向椎体内灌注骨水泥的椎体成形术。0010然而，呼吸使得腰椎产生数毫米的周期性移动，而外科医生则被迫需要仰仗他的灵巧度和视力来对此进行弥补。0011当采用机器人系统来代替神经外科医生的手时，弥补的任务就变得更为重要。事实上，为了确保安全如椎弓根的精确钻孔、透过微创手术或经皮内镜识别解剖结构的，或划定的安全区域以。
8、避免损伤脊髓、静脉、神经，机器人需确保姿势的良好精准度。此外，机器人还必须通过预测解剖结构的可预期移动而与其保持同步，就如同外科医生的手和眼一样，这一速度适应目标的速度，否则按静态环境下执行程序的机器人会造成更严重的损伤。0012另一个现有的解决方案包括将标记物MARKER钻入患者的脊柱，作为三维测量系统的光学器件的指向。该系统能够实时捕获所述标记物的空间坐标。因此这些坐标可监测标记物所位于的椎骨的移动。然后，根据术前进行的三维医学成像，计算机上的算法计算所述机械臂在其中移动的参考标记体系的补偿量。0013然而，相对于放置参考标记的椎骨的所测位移的精确度有限，因此可在椎骨彼此的移动以及邻近器官。
9、的移动中观察到差异。这样就需要在每个椎骨或在手术解剖区域附近平面的椎骨放置标记物。就此重新思考一下，该解决方案的缺陷在于是有创的，而增加标记物的数量对于数个脊椎的移动而言并非理想的解决方案。0014US2010/063514通过实施例描述了现有技术方案。其是在患者体内解剖区域水平进行有创医疗操作时，监测所述患者的呼吸运动的装置和方法。0015为此目的，需通过X射线或超声进行持续的图像采集。然后记录的图像能够计算出所涉及的解剖区域的位移，然后获得位移曲线，优选为周期性曲线。说明书CN104168850A2/6页40016此外，可通过呼吸机进行监测。在这种情况下，呼吸机的内部时钟可作为术前或术中成。
10、像的触发信号。其仅包括作为触发器用的呼吸机内部时钟。因此，所探测到的移动可随着患者的呼吸同时纠正手术工具的轨迹，尤其是机器人的轨迹。0017然而，该文献没有详细说明所用的技术，尤其是采用的计算方法，从而能基于连续获取图像来获得所需的纠正轨迹。0018本发明的目的是应对本领域现有的缺陷，通过提供模拟在呼吸运动下腰椎移动的装置，从而纠正支撑手术工具和主动操作器件的机器人系统，即，机械臂用于治疗目的的激光类器件或射线器件的移动。0019本发明能够监测这些移动，使机械臂能够自动适应甚至预测这些移动，从而相对于外科医生的精准度维持机器人精准度的改善，并使得所述移动与对应于目标的速度的操作速度一致。002。
11、0此外，本发明提供了一种具有无创优势的解决方法。0021为达此目的，本发明涉及一种机器人医疗装置，用于监测患者的呼吸并纠正机械臂的轨迹，包括0022至少一个机械臂；0023机械通气机，用于提供患者的呼吸；0024根据所述机械通气期间时刻的持续时间进行记录的组件，其中，患者处于对应于下一次吸气前的呼气末位置的原位，和对应于吸气末最大位置的高位；0025对所述患者解剖区域图像进行数字捕获的组件，触发所述组件作捕获与在所述原位和所述高位中所记录的时刻同步；0026对所述原位和高位之间所述区域中至少一个三维位移向量进行计算的组件；0027根据各个计算所得三维向量对所述机械臂轨迹进行纠正的组件。0028。
12、该解决方案的首要基础在于，脊柱手术通常在所谓的“全身”麻醉下进行。因此，通过呼吸机对患者进行通气以确保为机械通气。在这些条件下，然后才可能精确地、可重复地获知麻醉患者的呼吸参数。0029实现本发明的组件会将这些参数考虑在内，并对其进行解读，从而根据患者的呼吸移动对机械臂的移动进行补偿。0030具体地，本发明事实上记录了在两个不同时刻的不同位置。这些位置选自患者身体移动中的所有可能的位置。事实上，这些是与自动人工通气机造成的吸气和呼气相一致的解剖区域位移的极端位置。0031此外，本发明整合了能够检测患者处于这些体位的时刻的组件，其利用所述呼吸机的操作参数。然后正是这些组件控制在这些特定瞬间的触发。
13、，从而无需采用所述呼吸机内部时钟作为触发器。简而言之，因为先前的记录，图像捕获的触发可同时进行。因此，本发明实现了不同于呼吸机内部时钟简单设定的时间同步。0032此外，通过在不同时刻获取的不同图像进行间歇记录，从而患者无需过度暴露于波和射线。0033另外，本发明装置采用计算在两个时刻获取的两个图像之间位移向量的组件。该向量用于纠正机械臂的轨迹，其是通过适应性组件将这种纠正信息传递给所述的臂。0034根据进一步的特征，此类装置的特征在于，所述捕获组件包括超声传感器，后者放说明书CN104168850A3/6页5置与所述解剖区域接触。0035应注意，通过超声进行的检测可由超声扫描构成。0036较佳。
14、地，所述的捕获组件包括透视仪。0037此外，所述的装置包括将所述透视仪捕获的图像进行重叠的组件，所述的计算组件在一方面包括从重叠图像上测定所述解剖区域的至少一个二维位移向量的模块，以及在另一方面，包括将所述二维向量叠加以获得所述三维向量的模块。0038优选地，所述重叠组件包括对各图像中出现的所述解剖区域的至少一个解剖元素的轮廓进行划分区段而对所述捕获图像作计算机处理的组件，所述的重叠包括将所述经处理的轮廓进行重叠。0039具体地，所述的计算机处理组件包括人工指向界面。0040此外，所述纠正机械臂轨迹的组件包括计算机模块，该模块通过将所述捕获的图像与以前获得的医学影像匹配，从而对所述捕获的解剖图。
15、像进行重新设定，所述重新设定与优选在所述原位进行成像操作同时进行。0041应注意，可采用替代的技术方法来捕获或采用解剖测量组件获得等效的结果。0042参考附图，本发明的其他特征和优点将由下文本发明非限制性的实施例的详述得以明了，即0043图1A和1B代表了在患者处于给定体位的时刻作解剖学捕获所对应的透视检测图像的两个例子，所述两个图像分别摄于侧位和前/后位；0044图2A和2B代表了对第一侧面图和第二前位图作互相划分区段的处理步骤的两个例子；和0045图3代表了侧位上，在原位和高位之间两个划分区段的轮廓作叠加后的例子。0046本发明涉及一种机器人医疗装置，所述装置用于监测患者的呼吸并纠正机械臂。
16、的轨迹。0047患者在麻醉下接受该操作。肌松效应影响着肌肉包括膈肌的活动功能至麻痹。而采用机械通气可保证患者的通气。因此，所述的装置包括用于维持患者呼吸的机械呼吸机。故患者完全依赖于机器，即，患者总是精确地、无限重复地定时吸入同样量的空气，从而形成稳定的肺部生理学环境。0048就此而言，患者的体位和机械通气所决定的胸腔、腹部、背部的移动总是具有重复性，因此变得可预测。对于全身麻醉而言，机械通气通常采用容量控制模式，我们也可采用压力控制模式。0049在容量模式的通气操作模式中，容量是一设定值，其特征在于恒定的吸气时间内的流速恒定。0050通常，通气周期可基于多个参数进行调整将吸气时间或持续时间T。
17、I调整至周期的三分之一，和将呼气时间或持续时间TE调整至周期的三分之二。患者呼出气体的时间是恒定的且至少对应于所分配的呼气时间的一半。0051因此，在吸气时间TI中，患者的肺部扩张，造成周边解剖学部分的形变，在吸气时间末到达上限。相反地，在患者的呼气过程中，肺部由于具有弹力特性而自行萎陷，造成周边解剖学部分的形变，在短于设定的呼气时间TE之内，最终于呼气末恢复到其原位。0052在患者呼气末到下一次吸气之间，理论上患者固定于的所谓“原位”。说明书CN104168850A4/6页60053通过实施例，成人每分钟15次的通气频率导致每个周期的总持续时间为4秒，其中吸气一秒，设定的呼气时间为三秒。呼出。
18、气体的时间约为2秒。因此固定不动的时间就是一秒。0054应注意，经麻醉医生确定在某段时间内的通气质量是令人满意的并觉得可接受，对呼吸频率F的实质性调整，即缩短或增加通气周期时间而保持相同的吸气时间，可显著增加患者固定不动的时间。为了增加固定不动的时间，甚至可以考虑缩短吸气时间TI，同时相应增加流量，从而在固定的呼吸频率下维持总通气量。0055首先，基于第一个主要特征，本发明装置的操作过程中，需对患者的通气进行监测，从而判断患者何时在其原位固定不动，何时开始形变，何时达到最大形变即所谓的“高位”，以及呼吸运动何时结束。0056为达此目的，机械肺部通气机通常采用流量和压力传感器，对所述参数进行检测。
19、的内部时钟，即气体吸入时间TI、气体呼出时间即设定的呼气时间TE。因此，置于机械通气系统回路中的传感器能够实时地、连续地监测所述的参数。然后，可通过适当的处理来获知患者何时是固定不动的、胸腔何时开始移动、所述移动何时开始达到其最大幅度、胸腔何时与其他所有相邻的解剖学部分一样恢复至其原位。所述的处理由记录组件实施，其取决于时间、取决于所述机械通气期间所述患者处于这些精确的、清楚限定的原位和高位的时刻。0057因此，本发明记录了患者位于其原位的时刻T0和患者位于其高位的时刻TH。0058更具体地，所述的组件记录了周期性的曲线，所述的曲线确定一段时间内的静息位或原位，以及随后患者的高位，从而知晓肺呼。
20、吸机的参数TI、TE和F是完全已知的和不可变的。0059作为一个非限制性的实施例，在手术期间，根据通常观察到的实际情况，就12个周期、每个5秒的频率而言，测得TI为17秒，TE为33秒，固定不动的时段为03秒。0060根据这些瞬时数据，当患者处于原位和高位时，本发明有利地检测空间解剖位置，而无需精确测量脊柱尤其是腰椎的移动幅度或形变向量。0061为达此目的，本发明的装置包括对所述患者的解剖图像进行数字捕获的组件，基于所述周期性曲线触发所述捕获组件。具体地，所述捕获组件的触发与在所述原位和所述高位记录的时刻同步。换言之，捕获至少会在患者处于原位的时刻T0时以及处于高位的时刻TH时发生。0062基。
21、于优选的实施例，这些捕获的步骤采用透视技术。因此，通过透视拍下至少一张图像来实施每次捕获例如，侧位的图像从一边或从侧面，为呼吸过程中脊柱最具代表性的位移。第二张前/后位的图像自前方可将水平的移动纳入考虑，如图1A和1B所示。0063应注意，还可以采用其他捕获角度，每张图像的平面视角可根据患者的体位或所需捕获的解剖元素进行更改。0064简而言之，在本发明装置的实施中，该步骤由以下组成，一旦患者麻醉，固定并安置于手术台俯卧位，事先准备周期性通气曲线的记录，通过和患者的原位同步来触发透视仪获取两张第一图像，较佳地为侧位和前位图。然后，通过与高位同步来触发两张第二图像。0065根据另一种可选的或补充的。
22、实施方式，这些捕获的步骤可通过超声方式完成。说明书CN104168850A5/6页7所述装置则包括接触放置于患者活动椎骨前方解剖区域的超声传感器，借助力传感器可施加可控的、适当的作用力。超声测量可捕获椎骨的所述位置。0066应注意，借助一个或多个超声传感器，通过超声采集椎骨位点的测量值在患者固定不动时进行，即患者在呼气末处于原位时进行；然后再与高位时同步进行。此外，基于原位和高位的测量值可精确地外推中间位置，而不会相对于记录和机械臂的精准度产生巨大误差。此类外推可除去通过超声的多次测量，然而这是可能的。0067基于如此获得的第一和第二对透视图像，可进行计算机的处理。0068该处理包括首先，对每。
23、幅图像上具体解剖元素的二维轮廓进行划分区段，此例可参见图2A和2B，其显示了所涉及椎骨的椎体。还可以对数个解剖元素，尤其是多个椎骨的轮廓进行划分区段。0069基于如此获得的轮廓，每一对图像，优选为侧位和前位图像，可能在原位和高位进行轮廓的重叠。由图3可见，下图显示了在侧位上两个位置轮廓的重叠，其中原位以实线表示，高位以虚线表示。0070为达此目的，所述装置包括将所述透视仪捕获的图像重叠的组件，所述的计算组件在一方面包括基于重叠的图像测定所述解剖区域的至少一个二维位移向量的模块，另一方面，还包括将所述二维向量叠加，从而获得所述三维向量的模块。0071更具体地，所述重叠组件包括对所述捕获图像进行数。
24、据处理的组件，即，对每张图中解剖区域的至少一个解剖图形的轮廓进行划分区段，所述重叠组件包括将所如此处理的轮廓进行重叠。0072此外，所述数据处理组件可包括人工指向界面，其可让术者确定解剖区域上特定的点，尤其是轮廓的点，例如椎骨的点，从而引导进行解剖学的划分区段。0073基于这些重叠结果，每对优选侧面和/或前面图像之一，所述装置可测定出每一块椎骨分别在侧位垂直或基本垂直和前位水平或基本水平的二维位移向量。0074此外，基于这些侧位和前位二维向量，它们的叠加能够生成每一块椎骨的是三维位移向量。因此，所述的装置包括计算所述原位和高位之间所述区域的至少一个三维位移向量的组件。0075然后，基于这些3D。
25、向量，本发明包括步骤配合呼吸机给出的F、TI和TE等参数，构建每个椎骨的临时三维位移模拟。这样的模拟即可包括代表每个椎骨的一个或多个点位移的至少一条曲线。0076此外，基于原位和高位的轮廓，可精确外推过渡位置而不会相对于记录和机械臂精准度产生巨大误差。此类外推可消除进行多次透视图像的采集，然而这是可能的，但会使患者和工作人员暴露于过量、有害的X射线中。0077应注意，实施例中所选的四张原侧位、高侧位、原前位和高前位图像设置在相同的已知参考标记体系中，透视仪的与机械臂的相同。为此，机械臂可以直接携带所述透视仪的目标指示件。0078所以，基于所获得的三维移动模拟，甚至可通过预测来纠正和改变机械臂系。
26、统介入的轨迹。因此，所述的装置包括基于每个计算所得的三维向量对机械臂进行纠正的组件。0079更具体地，所述对机械臂轨迹进行纠正的组件包括一计算机模块，通过与先前捕获的医学影像进行匹配来重新设定所捕获的解剖图像。事实上，现有的机械系统采用三维说明书CN104168850A6/6页8医学影像的匹配或录入，即，从扫描仪或MRI“核磁共振成像”，和二维影像，如透视进行处理。0080首先，术前的3D成像能够用于制定手术的计划，尤其是每个机械臂执行和入路的操作方式。另一方面，术中的2D成像能获取对照图像，从而确保患者的解剖位置，就如前所述，并将此位置传输给手术器械，也可知晓它们在浏览器或机械系统的3D参考。
27、标记体系中的位置。简而言之，3D或2D影像的录入是一种能够使得工具在术前的3D影像中移动的方法，反之亦然。0081就此而言，扫描中采取预防措施，以确保患者的移动或呼吸的影响不会影响结果。于是，会要求患者制动，而某些系统可以纠正呼吸的移动。于是，3D影像就可以被当作是暂停呼吸时患者固定不动的结果。当患者取仰卧位时，固定不动对于低位脊柱，即腰椎区域是非常正确的。则术前的3D影像就可以作为参考。0082如上所述，当患者置于术中环境俯卧位，椎骨的位置依赖于呼吸运动。在术中2D透视中，这种依赖性在逻辑上是持续的。因此，术中控制2D透视成像系统用作收集相同参考标记体系中的影像和机器人的纽带。应理解，在透视。
28、影像的参考标记体系中通过目标显示件重新设定机械臂的操作可在患者固定不动时例如原位时进行。0083因此，当术前3D影像和2D透视相匹配时，本发明利用患者原位，优选侧位或前位的图像。所述的匹配可通过已知的软件进行，即，表面重合软件。0084基于对2D透视影像的提前校准，通过在患者总体固定不动期间原位的识别和匹配，本发明可利用对所述椎骨移动的模拟来实施纠正原始录入的参考标记体系，这在立体定位的手术期间实施，进而也能通过机器人执行。0085这项功能能够确保所感兴趣的身体区域固定不动，确定为录入操作的原位。此外，其还可以根据患者的呼吸运动对重新定位进行实时纠正。0086因此，通过对患者机械自动通气的实时分析，对固定不动的解剖学原位和高位最大形变的测定，以及对感兴趣解剖区域尤其是椎骨的模拟，本发明用于监测患者呼吸并纠正机器人轨迹的机器人医疗装置确保在外科手术过程中连续的呼吸周期是可重现的。所述的模拟可以在亚毫米的空间精准度以及三十毫秒内的时间精准度下，空间地、实时地纠正机器人在所感兴趣解剖区域中工作的参考标记物体系。0087应注意，本发明的描述以腰椎作为应用举例，但其可延伸至人类脊柱解剖的其他合适节段。说明书CN104168850A1/2页9图1图2说明书附图CN104168850A2/2页10图3说明书附图CN104168850A10。