CN100400003C - 手术处理人体或动物身体部位或部分的装置 - Google Patents

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Abstract

一种对人体/动物体内的各种类型的部分，具体说骨头、器官等进行手术处理的装置，其具有一壳体(3)，一与壳体(3)相关联的工具(1)，以及一在壳体(3)及工具(1)之间作相对运动(移动)的驱动单元。此装置被设计和构造成可以由使用者对手术工作过程加以控制，在控制过程中利用遥控装置及由计算机辅助的导向进行。采用可使在一预定工作区域内的工具(1)运动到相对于待手术处理部分的一可预定的相对位置的驱动单元，可检测工具(1)的位置以及可控制和/或确定待手术处理部分的位置。

Description

手术处理人体或动物身体部位或部分的装置
技术领域
本发明涉及处理人体或动物身体的所有类型的部位或部分的装置，尤其是手术处理骨及器官等的装置，该装置具有一壳体，一与壳体相关联的工具，以及一驱动单元，该驱动单元能在壳体及工具之间作一相对运动。
背景技术
在对骨进行手术处理时，特别是在进行矫形手术时，通常使用一被动的导向器，该导向器有助使用者在病人身上对工具定位以及制订一精确的手术操作方案。然而所有手术步骤都是使用者自己进行的。
这些导向***时的缺点是计算机导向工具不能自动达到所要求的位置，因为在手术操作时，这些计算机导向工具在进行手术时受到手术者的肌肉震颤和不自觉的瞬间的运动的阻碍。因此，手术之前的手术方案在执行时是不完善的。
具体地说，在臀部及膝部的内修复以及在对髋关节及膝部的前十字形韧带移位的校正性手术时，一般是使用遥控装置进行的，遥控装置在病人手术步骤中自动用作主动的导向器，这些手术步骤事先在一个工作站或直接在手术室进行事先规划的。
这种***的缺点是：一、手术时间被延长了；二、购置及维修保养费用很高，此外，还需要为这种***提供设置的场所。此外，当使用遥控装置时，手术医生无法从主观上对手术台上所发生的意外情况进行控制。
在DE19700402C2中已揭示一种普通类型的装置。这种装置，当用手对精细的结构手术操作时，可以最大程度地补偿手不自主地所发生的震颤，这种对肌肉震颤的补偿对进行微手术是非常重要的。在这方面，该装置安装了加速度及角速度传感器，这些加速度及角速度传感器提供一与装置的移动相关的机械或电信号。
第一步先对这些传感器的信号进行放大。然后对工具的频率、幅度以及方向或加速度进行分析，从而可以评定不希望有的移动并把它们和预期的移动区别开来。根据数据，就有可能动驱动驱动器使它们产生可移动部分的相对运动，以对手握紧部分所产生的不希望有的偏移加以补偿。
虽然该已有技术的装置可以在很大程度上排除工具移动所产生的肌肉颤动，但是问题在于工具不能按预定安排的程序进行定位控制，而是必须要用手进行操作。当手术医生使用手术工具时，例如，使用一钻子时，在使用的位置或使用的角度不对时，已有技术的装置就不能检测出这个误差，所以就不能对它进行纠正。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种用于处理人体或动物体内的各种类型的部分，具体说是人体或动物体的骨、器官等等的装置，此装置在可能使用遥控装置技术及计算机辅助的导向装置的同时，可以让使用者对手术过程控制较好和手术操作程序快速可靠。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种用于对人体和动物体的各种部分进行手术处理的装置，该装置具有一壳体，一与壳体相关联的工具，一在壳体和工具之间作相对运动的驱动单元；其特点在于，工具的位置可以被检测出来，而待手术处理的人体或动物体的部分的位置可以被检测出来和/或被预先确定，所述驱动单元可以被驱动以使在一预定的工作区域内的工具移动到相对于待手术处理的部分的可预定的相对位置上，其中设置有一控制器单元，以便评价位置数据，并为该驱动单元产生受控制的变量。下面讨论的所述装置构造得使工具的位置可以检测出来，以及人体或动物的手术部分的位置可以检测出来和/或可以事先确定。
在手术过程中，可以驱动-驱动单元使它把在一预定工作区域内的工具移到相对于待动手术的部分的一个预定的相对位置。
首先，本发明已经考虑到，尽管有使用者的肌肉颤动和其他无法避免的错误运动，在处理人体或动物体内的所有类型的部分时，尤其是在微手术操作时也可以一手持的装置获得机械精度，正如从使用遥控装置作为主动或半主动导向装置的程序中已知的那样。
为此目的，本发明在第一步骤中先检测工具的位置，以及待手术处理的部分的位置。在下一个步骤中，把检测到的位置数据与预定的位置数据进行比较。通过被测得的偏移，驱动-驱动单元，此驱动单元把工具移向相对于待手术的部分的预定的相对位置。在此过程中，驱动单元使工具相对于使用者所握持的壳体移动，从而按照本发明，在一定的工作区域内工具可以以预定的方式定位，此定位与使用者的移动无关，也与待手术的部位移动无关。在手术过程中由于工具和使用者手之间的机械反馈而产生的使用者的反应性移动，在手术过程中都被纠正。此手持使用可使手术者能得到比已知遥控装置***高的过程控制。
有利的是发明的装置包括一自适应及快速动作的控制器单元。此控制单元对在第一步骤中检测到的位置数据进行评定，然后产生用于驱动单元的受控变量。这两个过程，即检测工具的位置和待手术处理部分的位置及驱动驱动单元的过程，最好连续或反复进行。由此就可以检测出以及相应地纠正例如由手术医生的肌肉颤动产生的工具的快速或高频率移动，以及待手术处理的部分的移动，例如由病人颤抖产生的移动。
该工具可以相对于壳体在所有六个自由度上进行移动。该自由度由沿着三根笛卡尔坐杆轴线(X、Y、Z)的位移组成，其中沿着Z轴线的位移组成工具的前进。为了补偿工具的错误的角度位置，也可使倾斜角度α及偏转角ψ可相对于壳体变化。第六个自由度是工具围绕Z轴线的旋转，它对应于钻头的实际的旋转。
由使用者在操作过程中握住的壳体可以构成一个手柄，***柄等等的形状。这种结构使装置具有优良的可操作性，这意味着使用者可以最大限度地控制手术过程。
为了检测工具及待手术部分的位置数据，可以提供一外部的位置寻找***，它可有效地用光、和/或声、磁、机械或放射性信号操作。
本申请的申请日尚未公开的DE10225007.4号专利申请已揭示了下述的光学跟踪***：使用两个以上的光学传感器使得有可能把冗余度引入跟踪***，此冗余度可以提高跟踪的精确性，跟踪的速度及跟踪的强度。例如可以使用从瞬时不移动的传感器的数据校正-移动的传感器。
此外，在被跟踪的目标上使用被动或主动的色彩标识可以区分不同的标识，其中这有可能提高跟踪的速度。
在光学跟踪情形中出现的图像处理可以通过使用专门的硬件例如现场可编程门阵列(FPGAS)明显地被加速。这样一种设置的一个较佳变型允许将一个相应的硬件与每一图像传感器相关联。使用例如FPGA硬件可以部分或全部地被替换一种现有的主机或控制***。这样，使用者可以采用一个大的灵活的和不受遮蔽的操作现场，这允许在不改变环境现场或操作程序的情况下进行工作。
为了更容易识别出被跟踪的目标，即工具和待进行手术的部分，有利的是把由跟踪***检测出来的标记提供给它们。在操作规划的范围内，有可能使安置在待手术的骨头上的标记的实际位置同病人手术前CT处于同一条直线上。在此过程中，至少三个间隔开的标志可以结合于工具上，这不仅允许检测出例如工具的钻头的位置，而且还可以确定工具在空间中的方向。
因为工具在进入待手术的部分之后，安置在工具钻头上的标记看不到，一个可能和非常有益的办法是在壳体上加上一个可看到的标记。此外，还可以设置一内部传感器，该传感器直接或间接与壳体和/或工具结合，用于检测壳体与工具之间的相对位置。
为此，较佳的是使用一机械位移传感器或角度传感器。此工具位置的间接测定可以确保在整个手术过程中特别是在工具钻头进入待手术处理的部分之后装置的功能。
为了定位工具，驱动单元可以包括诸驱动器，该驱动器可以在工具的预定工作区域内以每一个空间方向施加静态力和/或动态力。驱动器的使用目的是纠正由操作者做出的工具的错误定位以及在操作过程中的位置偏差(例如钻头在骨头上偏离中心)。应当有可能监控所有在整个手术操作过程中出现的力和力矩。以此方式，也就可以记录例如大幅度的跳动(“突然一动”)。既然是这样，当这样一种动作出现时，工具可以自动脱离。
驱动单元的技术可以有利地用一有六脚的平台来实现(Steward飞行模拟机平台)。此六脚平台可以用非常小和高动态线性电动机形成，以致于有可能实现一相应总尺寸的单元。此单元可以容易地置入手持的壳体手中。该六脚平台可以在供使用的充分大的工作区域的六个自由度上进行移动。
在另一种可供选择的实施例中，该驱动单元可以具有这样的结构，即基于两个行星齿轮系的并行布置的结构。只要一个旋转驱动，就可以使钻头轴以四个自由度运动，即在X及Y方向进行移动以及绕X及Y轴线旋转运动。由于零部件的数量少及有利的布置，运动可以进行得非常精确、快速，而且所占用的空间较少。
基本上，对工具的结构没有设限。在医疗中可能使用的工具是例如钻头，在骨头中铣空穴的铣刀或在活组织检查中用的镊子。在这里，要再一次强调指出的是，本发明的装置并不限于医疗，特别是外科手术，而还可以在自动化工业生产领域和/或自己动手做的项目中进行精确的切削、机加工、锯加工或类似的操作。对于工具的机动性应充分注意到使用者的手的震动或摇动，这可以规定，在一特定的实施例中，工具可以有一个40mm直径及10mm长度的圆筒形工作面积。这相当于工具在ZX及ZY平面具有±20°的角度机动性。
在工作区域内，工具的位置控制的精确度在一特定的实施例中可以高到工具的钻头以一限定的方式始终位于0.1mm边长的立方体内。工具的对准度不应偏离该理想方向的0.1。
特别是当工具在手术室中使用时，应规定对工具及壳体都要进行消毒。对于方便使用者使用装置，可以规定一开始就停用操作程序例如钻孔的步骤。只有在操作者将装置移动到规划的钻孔位置附近时，以及在驱动单元正确地与钻头的角度位置及它的位置对齐之后，就会自动地进行钻孔程序。这可以用例如声音和/或光学信号加以指示。
在手术进行的过程中，可以自动地监控某些工作参数。在钻孔过程中，人们特别注意钻子的前进速度、前进力以及旋转速度。在达到了规划的钻孔深度之后，应当有可能保证钻子自动脱开。
有利的是，位置寻找***有一个至少50赫兹的采样速度。此频率还对能够检测出快速运动或者高频震动是必要的，在肌肉震颤的情况下，这种高频震动是在12赫兹左右。该***可以设计成可以以50赫兹的采样速度检测出总数为6个的标记。至于定位的精度，位置寻找***可以设计成误差小于0.1mm，甚至视使用区域而定可以小于0.07mm。
本发明的构思存在着种种改进和进一步发展的可能性。为此目的，一方面可以参阅权项1的从属权项；另一方面，参照附图对本发明的一个较佳实施例作以下说明。在参照附图对本发明的该较佳实施例作叙述的同时，还较详细地叙述了一般较佳的具体实施例以及本发明构思的进一步发展。
附图说明
图1是本发明的用于手术处理人体或动物体的各种类型的部分，具体说是骨头、器官等的装置的一实施例的示意图；
图2是本发明的装置的手持式器具的一实施例的前侧视图；以及
图3是本发明装置的部件之间相互作用的示意方框图。
具体实施方式
本发明的装置的实施例示于图1。此装置包括一钻头形式的工具1，它被夹紧在一工具固定装置2内。借助一图1中未示出的驱动单元，有可能使钻头1相对于一壳体3以六个自由度运动：即沿着3个笛卡儿坐标轴X，Y，Z移动以及绕三个坐标轴旋转，在Z方向上的移动是钻头的前进运动而绕Z轴线的旋转则是钻头的转动。
光学位置寻找***检测所想要的目标。待检测的目标是钻头1，和/或壳体3以及待手术处理的部分，图1中示出的该待手术处理的部分是一个脊柱部分5。在一PC中分析照相机4所摄得的图像。通过一立体后投影，就可以由照相机的图像确定诸目标在空间中的位置。
图2示出了本发明的装置的手持器具的一个实施例的前视和侧视图。一壳体3容纳一支持件6，支持件的前端安装有一工具固定装置2，用于接纳不同的可以互换的工具。该支持件6包括一电气控制的用于驱动工具例如钻头的旋转轴。诸线性驱动器7在支持件6和壳体3之间运转，它们能使支持件6运动并且通过它使钻头在预定的工作区域内运动到相对于壳体3的任何所要求的相对位置上。工具的前进运动是借助在支持件6后面的钻头的轴线上延伸的电气控制的Z轴线的转轴8而产生的。此外，还设置有一气动冲击单元9以致于手持器具能够以灵活的方式用于不同质量，特别是不同硬度的工作部件。
壳体3上设置有一个手柄10，该手柄包括在其面向远离开壳体3的一端上的一重量平衡体11，以平衡驱动单元的重量。手柄10上装有一驱动开关12，此开关允许使用者用手中断或继续程序。支持件6延伸进入壳体的开口用一密封隔膜13封闭，以保护驱动单元及内部的传感器***免受损伤及弄脏。
图3示出了本发明的装置的各部件之间的相互作用。一位置寻找***14以一定的采样速度检测病人15或者行将进行手术处理的很通常的部分的实际的坐标A，以及手持器具16的实际坐标B或者更具体地说是工具的实际坐标。为此目的，以例如上述专利申请DE1022500.74中所述的方法确定要加以检测的相应的位置。在此过程中，工具的实际位置可以直接确定，或者，壳体的实际位置可以通过位置寻找***14加以确定。在图2中没有示出的另一个传感器测量钻头在壳体的坐标系中的相对位置C。
为了评定一合适快速动作的控制器单元17，传送壳体3在病人特定的坐标***中的相对位置C及相对位置D。控制单元17把实际位置数据与从手术操作规划(手术前)所要求位置数据E相比较，并为图中未示出的驱动单元产生一受控变量F。该驱动单元包括诸驱动器并使工具移动至所希望的位置而不考虑操作者及病人15的移动如何。
有关本发明构思的进一步的有益的改进及进一步的发展，请参阅本发明的总体部分的描述及所附的权利要求书。
最后，要特别予以强调的是，上面所叙述的实施例仅仅是任意选择的，其目的，只是为了举例说明本发明的技术内容，但本发明并不限于所述的实施例。

Claims (18)

1.一种用于对人体和动物体的各种部分进行手术处理的装置，该装置具有一壳体(3)，一与壳体(3)相关联的工具(1)，一在壳体(3)和工具(1)之间作相对运动的驱动单元；其特征在于，工具(1)的位置可以被检测出来，而待手术处理的人体或动物体的部分的位置可以被检测出来和/或被预先确定，所述驱动单元可以被驱动以使在一预定的工作区域内的工具(1)移动到相对于待手术处理的部分的可预定的相对位置上，其中设置有一控制器单元(17)，以便评价位置数据，并为该驱动单元产生受控制的变量。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该驱动单元构成可以对工具及对待手术部位的位置进行检测，该驱动单元的驱动可以连续地进行或反复地进行。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，工具安装在壳体内以可相对于壳体以多个自由度移动。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，壳体被制作成有一个手柄，或一个***柄。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该驱动单元包括有一个位置寻找***，用以检测工具及待手术处理部分的位置。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，该位置寻找***构成一外部的光学或声学、或磁性、或机械、或放射性的***。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的装置还包括至少有一个分别与工具及待手术处理的部分相结合的可检测的标记。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的装置还包括至少有一个与壳体相结合的、可检测的标记。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该驱动单元包括至少有一个传感器，它直接或间接地与壳体和/或工具相结合以测定在壳体及工具之间的相对位置。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，该至少一个传感器是一机械移位传感器、或一电感应位移传感器或一角度传感器。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该驱动单元包含多个驱动器。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，该多个驱动器在工作区域内在每个空间方向上施加高达20N的驱动力。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的装置还包括监控所施加的力或力矩的装置。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动单元包括一六只脚的遥控装置。
15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动单元包括一对行星齿轮系。
16.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述工具包括一钻头、一铣刀、一镊子或一针。
17.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该工具具有40mm直径及40mm长度的圆筒形工作区域。
18.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该驱动单元构成可提供对工具的位置的控制精度在笛卡儿座标轴线上为±0.1mm以及在旋转轴线上为±0.1°。
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