背景技术
在一些情况下，可期望扩张患者体内的解剖通道。这可包括鼻旁窦口扩张(例如，以治疗鼻窦炎)、喉扩张、欧氏管扩张、耳、鼻或喉内其他通道的扩张等。扩张解剖通道的一种方法包括使用导丝和导管将可充胀球囊定位在解剖通道内，然后用流体(例如，盐水)使球囊充胀以扩张解剖通道。例如，可膨胀球囊可定位在鼻旁窦处的口内，并且然后充胀，以由此通过重塑与该口相邻的骨来扩张口，而不需要切开粘膜或移除任何骨。然后扩张的口可允许改善从受影响的鼻旁窦的引流和通风。可用于执行此类过程的系统可根据2011年1月6日公布的名称为“Systems and Methods for Transnasal Dilation of Passagewaysin the Ear,Nose or Throat”的美国公布2011/0004057的教导内容来提供，该公布的公开内容以引用方式并入本文。此类系统的示例是由Acclarent,Inc.(Irvine,California)提供的
可变观察方向内窥镜可与此类系统一起使用，从而提供解剖通道(例如，耳、鼻、喉、鼻旁窦等)内的可视化以将球囊定位在期望位置处。可变观察方向内窥镜能够沿多个横向视角观察，而不必使内窥镜的轴在解剖通道内挠曲。此类内窥镜可根据2010年2月4日公布的名称为“Swing Prism Endoscope”的美国公布2010/0030031的教导内容来提供，该公布的公开内容以引用方式并入本文。
图像引导的外科手术(IGS)是一种这样的外科技术：其中使用计算机来获得已经插入患者体内的器械的位置与一组术前获得图像(例如，CT或MRI扫描、3-D标测图等)的实时相关性，以便在术前获得的图像上叠加器械的当前位置。在一些IGS规程中，在外科手术之前获得手术区的数字断层扫描(例如，CT或MRI、3-D标测图等)。然后使用专门编程的计算机将数字断层扫描数据转化成数字地图。在外科手术过程中，具有安装在其上的传感器(例如，发出电磁场和/或响应于外部产生电磁场的电磁线圈)的特殊器械用于执行手术，同时传感器向计算机发送数据从而指示每个外科器械的当前位置。该计算机将从安装在器械上的传感器接收的数据与由手术前断层扫描生成的数字地图相关联。断层扫描图像连同指示器(例如，十字准线或照亮点等)一起显示于系统显示装置(例如，视频监视器)上，从而示出每个外科器械相对于扫描图像中所示解剖特征部的实时位置。由系统显示装置描绘的扫描图像和指示器在本文中统称为“导航图像”。这样，即使外科医生不能直接在体内的器械当前位置处目视观察其本身，外科医生也能够通过观察显示装置而了解每个配备传感器的器械的确切位置。
可用于耳鼻喉(ENT)和鼻窦手术中的电磁IGS系统的示例包括InstaTrak ENT
当施用到功能性鼻窦内窥镜手术(FESS)、鼻窦活检规程、鼻窦球囊扩张术和/或各种其他ENT规程时，相比于只通过内窥镜观察所能实现的，IGS的使用使外科医生能够更精确移动和定位外科器械。这是因为典型的内窥镜图像是在空间上受限的二维视线图。图像引导系统的使用提供了围绕手术区的所有解剖结构的实时三维视图，而不仅是在空间上受限的二维直接视线内窥镜视图中实际可见的视图。因此，图像引导系统在执行FESS、鼻窦球囊扩张术和/或各种其他ENT手术期间，尤其在不存在或很难从内窥镜目视观察正常解剖标志的情况下可能特别有用。
期望提供进一步有利于在ENT规程和其他医疗规程中使用IGS导航系统和相关联的部件的特征。尽管已研制出若干系统和方法并用于IGS和ENT手术，但是据信，在本发明人之前尚未有人研制出或使用所附权利要求书中所描述的发明。
附图说明
并入本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施方案，并且与上面给出的本发明的一般描述以及下面给出的实施方案的详细描述一起用于解释本发明的原理。
图1示出了外科导航系统的示例性内窥镜的透视图；
图2示出了图1的内窥镜的远侧端部的示意性侧剖视图，其示出了包括摆动棱镜以及第一导航传感器和第二导航传感器的内部部件的细节；
图3示出了图1的内窥镜的远侧端部的示意性侧正视图，其示出了内窥镜的示例性视角范围；
图4示出了图1的内窥镜的近侧端部部分的示意性侧正视图，其示意性地示出了具有第一致动器和第二致动器以及能够操作以控制致动器的控制器的驱动机构；
图5示出了结合图1的内窥镜的示例性外科导航系统的示意性透视图；
图6示出了图5的外科导航系统的所选部件的示意图，其包括处理器以及图4的驱动机构控制器和致动器；并且
图7示出了在三维坐标系内操作的图1的内窥镜的示意性侧视图，其示出了朝向坐标系内的所选感兴趣点取向的内窥镜的视线。
附图并非旨在以任何方式进行限制，并且设想本发明的各种实施方案可以多种其他方式来执行，包括那些未必在附图中示出的方式。并入本说明书中并构成其一部分的附图示出了本发明的若干方面，并与说明书一起用于解释本发明的原理；然而，应当理解，本发明并不限于所示出的明确布置方式。
具体实施方式
本发明的某些示例的以下说明不应用于限定本发明的范围。从下面的描述而言，本发明的其他示例、特征、方面、实施方案和优点对本领域的技术人员而言将变得显而易见，下面的描述以举例的方式进行，这是为实现本发明所设想的最好的方式中的一种方式。如将认识到，本发明能够具有其他不同且明显的方面，所有这些方面均不脱离本发明。因此，附图和说明应被视为实质上是例示性的而非限制性的。
为公开的清楚起见，术语“近侧”和“远侧”在本文中是相对于握持具有远侧外科端部执行器的外科器械的外科医生或其他操作者定义的。术语“近侧”是指元件更靠近外科医生布置的位置，并且术语“远侧”是指元件更靠近外科器械的外科端部执行器且更远离外科医生布置的位置。此外，在本文中参照附图来使用空间术语诸如“上部”、“下部”、“竖直”、“水平”等的程度，应当理解，此类术语仅用于示例性描述目的，并且不旨在是限制性的或绝对的。就这一点而言，应当理解，外科器械诸如本文所公开的那些可以不限于本文所示和所述的那些取向和位置的多种取向和位置使用。
如本文所用，针对任何数值或范围的术语“约”和“大约”表示允许零件或多个部件的集合执行如本文所述的其指定用途的合适的尺寸公差。
如上所述，外科规程可使用配备有IGS导航系统的导航传感器的外科器械结合内窥镜来执行，该内窥镜提供外科器械和周围患者解剖结构的直接可视化。IGS和内窥镜检查的这种组合使得外科医生能够相比单独使用IGS或内窥镜更精确地操纵和观察外科器械和解剖结构。然而，在一些情况下，外科医生可能难以确认由IGS导航系统显示的导航图像上标识的某些解剖特征部是否是用内窥镜观察的相同解剖特征部。换句话讲，可能难以将内窥镜视图与由IGS导航系统显示的CT图像(或其他先前捕获的图像)中的感兴趣区域实时准确关联。
下文所述的示例性外科导航系统包括自动驱动的内窥镜和IGS部件，这些IGS部件跟踪内窥镜的远侧端部在患者体内的位置。系统显示器示出IGS导航图像，并且允许外科医生选择导航图像上的对应于患者的某个解剖特征部的感兴趣点。该系统然后控制与内窥镜联接的驱动机构，以自动地将内窥镜的视线朝向由外科医生指示的感兴趣点引导。因此，外科医生了解，利用内窥镜观察的解剖特征部是对应于外科医生经由IGS导航图像指定的感兴趣点的相同解剖特征部。
图1至图3示出了外科导航系统(100)的示例性内窥镜(10)，其附加部件在下文结合图5至图7更详细地描述。本发明示例的内窥镜(10)包括可用作柄部的主体(12)，和细长刚性轴(14)，该细长刚性轴沿着纵向轴轴线(A)从主体(12)朝远侧延伸并终止于远侧轴端部(16)处，通过该远侧轴端部捕获内窥镜图像，如下所述。在本发明示例中，轴(14)能够相对于主体(12)围绕轴轴线(A)旋转。内窥镜轴(14)设置有圆形外表面，从而使轴(14)在使用中无创伤。在一个示例中，轴(14)可具有大约4mm的外径和大约175mm的工作长度。
主体(12)的远侧端部包括光源端口(18)，该光源端口径向向外突出并与容纳在内窥镜(10)内的光学导管(28)连通。另选地，可使用光管或其他光通信特征部来代替光学导管(28)以将可见光从光源端口(18)传达到远侧轴端部(16)。光源端口(18)被构造成与光源(20)连接，该光源能够操作以经由光学导管(28)在远侧轴端部(16)处提供照明，以使得能够捕获照亮的内窥镜图像。图像端口(22)设置在主体(12)的近侧端部处并且被构造成与为外科医生提供捕获的图像的可视化的观察装置(24)联接。观察装置(24)可呈例如目镜、相机或显示屏的形式。
如图2所示，远侧轴端部(16)包括具有弯曲透明窗口(26)的圆形尖端，内窥镜(10)被构造成通过该窗口捕获图像。光学导管(28)沿着轴轴线(A)纵向延伸穿过轴(14)，并且被构造成将通过窗口(26)捕获的图像光学传输到图像端口(22)，使得图像可由操作者利用观察装置(24)观察。在一些示例中，光学导管(28)可呈包括多个图像光纤和照明光纤的光纤电缆的形式。在其他示例中，参考本文的教导内容，光学导管(28)可包括对于本领域的普通技术人员而言显而易见的各种其他类型的光学传输元件。例如，光学导管(28)可实施柱状透镜技术。自聚焦透镜(30)在窗口(26)的近侧布置在光学导管(28)的远侧端部处，并且被构造成将捕获的图像从下文所述的可移动光学元件(32)朝近侧传输到光学导管(28)。
呈摆动棱镜(32)形式的可移动光学元件在远侧轴端部(16)内布置在透明窗口(26)和自聚焦透镜(30)之间。摆动棱镜(32)能够操作以通过窗口(26)捕获图像并且通过透镜(30)将图像朝近侧传输到光学导管(28)。摆动棱镜(32)被构造成围绕横向于轴轴线(A)延伸的枢转轴线(A1)枢转；并且为内窥镜(10)提供穿过窗口(26)的可移动视场，其中该视场具有限定视线(LS)的中心。视线(LS)随摆动棱镜(32)围绕枢转轴线(A1)枢转；并且限定相对于轴轴线(A)的视角。细长致动连接件(34)与摆动棱镜(32)的侧部联接并且朝近侧延伸穿过内窥镜轴(14)到达主体(12)。致动连接件(34)被构造成在轴(14)内纵向滑动，从而使摆动棱镜(32)围绕枢转轴线(A1)在第一端部枢转位置和第二端部枢转位置之间枢转，以调整视线(LS)的方向。偏置弹簧(36)联接到摆动棱镜(32)并且可被构造成朝向介于第一端部枢转位置和第二端部枢转位置之间的中间枢转位置偏置摆动棱镜(32)。如下文更详细所述，致动连接件34被构造成通过自动化驱动机构并且任选地还通过外科医生经由手动操纵布置在主体12上的特征部来移动。
如图3所示，其中轴轴线(A)由零角度表示，摆动棱镜(32)可围绕枢转轴线(A1)安装和枢转，使得视线(LS)可相对于轴轴线(A)从大约-5度枢转到大约150度；从大约0度枢转到大约120度；从大约10度枢转到大约90度；或任何其他合适的范围。在本发明示例中，摆动棱镜(32)和窗口(26)提供跨越大约60度的视场。因此，在各种示例中，内窥镜(10)的视场可允许基于摆动棱镜(32)的枢转范围跨越大约180度、大约140度或任何其他合适的观察范围的观察范围。
如图2所示，内窥镜(10)的远侧轴端部(16)还包括多个导航传感器(40,42)，该多个导航传感器能够操作以与外科导航系统(100)的IGS部件通信，如下所述，以在外科规程期间跟踪远侧轴端部(16)在患者体内的位置和旋转取向。具体地，本发明示例的远侧轴端部(16)包括呈第一导电线圈(例如，螺旋地缠绕成线圈构型的第一金属线)形式的第一导航传感器(40)和呈第二导电线圈(例如，螺旋地缠绕成线圈构型的第二金属线)形式的第二导航传感器(42)。第一传感器线圈(40)围绕轴轴线(A)定位并与其同轴，以便环绕光学导管(28)的远侧部分。第二传感器线圈(42)围绕横向于轴轴线(A)延伸的第二轴线(A2)定位；并且在本发明示例中在远侧轴端部(16)的内壁附近与轴轴线(A)径向间隔开。因此，第一传感器线圈和第二传感器线圈(40,42)围绕相应轴线(A,A2)定位，两个轴线相对于彼此成角度，使得轴线(A,A2)彼此既不同轴也不平行。此外，第一传感器线圈和第二传感器线圈(40,42)彼此轴向间隔开，使得传感器线圈(40,42)中的任一个没有彼此重叠的部分。在本发明示例中，第二传感器线圈(42)布置在第一传感器线圈(40)的远侧和自聚焦透镜(30)的近侧，但在其他示例中可提供另选的布置。
如下文更详细所述，在内窥镜(10)推进通过围绕患者生成的交变电磁场时，上述导航传感器(40,42)的构型使得能够精确跟踪远侧轴端部(16)的位置和旋转取向。然而，应当理解，第一传感器和第二传感器(40,42)可以各种其他构型布置，其中传感器(40,42)围绕相对于彼此成角度的相应轴线定位，以便实现上述相同的位置跟踪有益效果。例如，第一导航传感器(40)可围绕相对于轴轴线(A)倾斜延伸的轴线定位，例如如2018年3月19日提交的名称为“Navigation Instrument With Obliquely Oriented Sensing Coil”的美国专利申请15/923164号中所公开的，该专利申请的公开内容以引用方式并入本文。另外，在一些型式中，可省略第二导航传感器(42)。在其他型式中，可提供三个或更多个导航传感器。例如，在一些此类变型中，摆动棱镜(32)可设置有其自身的导航传感器，该导航传感器被构造成指示摆动棱镜(32)的角取向，并且因此指示视线(LS)。此外，应当理解，除导电线圈(40,42)之外的各种其他合适类型的导航传感器可用于跟踪远侧轴端部(16)在患者体内的位置和旋转取向。
如图2所示，第一信号传输线(44)纵向延伸穿过轴(14)并且在其远侧端部处与第一导航传感器(40)联接。第一信号传输线(44)在其近侧端部处与将第一传感器(40)放置成与外科导航系统(100)的处理器(108)通信的部件联接，如下文更详细所述。类似地，第二信号传输线(46)纵向延伸穿过轴(14)并且在其远侧端部处与第二导航传感器(46)联接，并且在其近侧端部处与将第二传感器(42)放置成与系统处理器(108)通信的部件联接。信号传输线(44,46)被构造成将由导航传感器(40,42)生成的信号朝近侧传输到系统处理器(108)，以通知内窥镜(10)在患者体内的位置和旋转取向，如下所述。
图4示出了内窥镜(10)的附加特征部，其有利于在外科规程期间操纵摆动棱镜(32)以用于调整视线(LS)的方向。内窥镜(10)包括布置在主体(12)的近侧端部处且具有第一转盘旋钮(52)的第一旋转转盘(50)和从第一转盘旋钮(52)朝近侧延伸的第一转盘轴(54)。第一旋转转盘(50)与主体(12)的近侧端部可旋转地联接并且与内窥镜轴(14)可旋转地固定，使得第一旋转转盘(50)围绕轴轴线(A)相对于主体(12)的旋转驱动轴(14)相对于主体(12)围绕轴轴线(A)的旋转。轴(14)相对于主体(12)的旋转致使摆动棱镜(32)以及因此视线(LS)围绕轴轴线(A)相对于主体(12)旋转。
内窥镜(10)还包括在第一旋转转盘(50)的远侧与主体(12)可旋转地联接的第二旋转转盘(56)。第二旋转转盘(56)具有第二转盘旋钮(58)和从第二转盘旋钮(58)朝近侧延伸的第二转盘轴(60)。在本发明示例中，第一旋转转盘和第二旋转转盘(50,56)围绕轴轴线(A)同轴布置，使得第二转盘轴(60)沿着轴轴线(A)朝近侧延伸穿过第一旋转转盘(50)的中心管腔。另外，第二转盘轴(60)的暴露的近侧端部朝近侧延伸超过第一转盘轴(54)的近侧端部。每个旋转转盘(50,56)包括位于其相应转盘旋钮(52,58)上的脊(62)，这些脊有利于外科医生手动旋转转盘(50,56)以用于选择性地定位摆动棱镜(32)及其视线(LS)。尽管未示出，但旋转转盘旋钮(52,58)和/或内窥镜主体(12)还可包括指示旋转转盘(50,56)的旋转位置的视觉标记或类似特征。
第二旋转转盘(56)与容纳在主体(12)内的内部联接构件(64)联接，该内部联接构件与致动连接件(34)的近侧端部联接。参考本文的教导内容，联接构件(64)的各种合适的构型对于本领域普通技术人员而言将是显而易见的。仅以举例的方式，联接构件(64)和致动连接件(34)的近侧端部可经由互补的螺旋螺纹联接。联接构件(64)能够作为凸轮构件操作，使得第二旋转转盘(56)相对于主体(12)的旋转经由联接构件(64)驱动致动连接件(34)沿着轴轴线(A)的近侧平移和远侧平移。因此，第二旋转转盘(56)相对于主体(12)围绕轴轴线(A)在第一方向上的旋转致使摆动棱镜(32)和视线(LS)相对于轴(14)围绕枢转轴线(A1)在第一方向上枢转。此外，第二旋转转盘(56)相对于主体(12)围绕轴轴线(A)在第二方向上的旋转致使摆动棱镜(32)和视线(LS)相对于轴(14)围绕枢转轴线(A1)在第二方向上枢转。因此，第一旋转转盘和第二旋转转盘(50,56)可选择性地相对于主体(12)旋转，以经由第一旋转转盘(50)实现视线(LS)围绕轴轴线(A)的期望旋转取向；以及经由第二旋转转盘(56)实现视线(LS)相对于轴轴线(A)的期望角取向。这样，视线(LS)可适当地朝向所选感兴趣点，如下文更详细所述。
如图4所示，内窥镜(10)还包括与旋转转盘(50,56)操作性地联接以提供摆动棱镜(32)围绕并且相对于轴轴线(A)的自动化定位的驱动机构(70)。本发明示例的驱动机构(70)包括呈第一电动马达(72)形式的第一致动器，该第一电动马达具有经由第一驱动联轴器(74)与第一转盘轴(54)接合的第一驱动轴。驱动机构(70)还包括呈第二电动马达(76)形式的第二致动器，该第二电动马达具有经由第二驱动联轴器(78)与第二转盘轴(60)接合的第二驱动轴。第一马达(72)能够操作以使第一旋转转盘(50)相对于主体(12)旋转，从而使内窥镜轴(14)相对于主体(12)围绕轴轴线(A)旋转。第二马达(76)能够操作以使第二旋转转盘(56)相对于主体(12)旋转，从而使摆动棱镜(32)相对于轴(14)围绕枢转轴线(A1)枢转。
马达(72,76)可包括例如步进马达，并且驱动联轴器(74,78)可包括例如齿轮构件。在其他示例中，致动器(72,76)可以是对本领域普通技术人员显而易见的各种其他合适的类型。驱动机构(70)可容纳在直接联接到内窥镜主体(12)的壳体(未示出)内。另选地，驱动机构(70)的一个或多个部件可远离主体(12)容纳。
驱动机构马达(72,76)与马达控制器(80)通信，该马达控制器能够操作以响应于由外科导航系统(100)的处理器(108)提供的指令来控制马达(72,76)的启动，如图6所示并且如下文更详细所述。每个马达(72,76)可设置有编码器(未示出)，该编码器向处理器(108)传达马达(72,76)的当前位置状态。因此，此类编码器可使得系统(100)能够监测内窥镜轴(14)围绕轴轴线(A)相对于主体(12)的旋转位置，以及摆动棱镜(32)和视线(LS)围绕枢转轴线(A1)相对于轴轴线(A)的角取向。当由马达控制器(80)控制时，马达(72,76)在外科规程期间提供摆动棱镜(32)以及因此视线(LS)的自动化定位，如下文结合图7所述。
内窥镜(10)可根据以下专利的一个或多个教导内容进行进一步构造：2017年11月7日公布的名称为“Swing Prism Endoscope”的美国专利9808144号，该专利的公开内容以引用方式并入本文；和/或名称为“Swing Prism Endoscope”的美国专利公布2010/0030031号，该专利以引用方式并入上文。
图5示出了外科导航系统(100)，其结合了上述自动驱动的内窥镜(10)和下文所述的各种附加图像引导的外科手术(IGS)特征部。外科导航系统(100)被构造成实现内窥镜(10)的导航传感器(40,42)，以在外科规程期间提供远侧轴端部(16)在患者(P)体内的实时位置跟踪以及摆动棱镜(32)的自动化定位，使得视线(LS)朝向由外科医生标识的所选感兴趣点。尽管未示出，但外科导航系统(100)还可包括一个或多个附加外科器械，每个附加外科器械配备有类似于上述传感器(40,42)的一个或多个导航传感器。
外科导航系统(100)的IGS部件包括场发生器组件(102)，该场发生器组件包括集成在马蹄形框架(104)内的一组电磁场发生器(106)，该马蹄形框架被构造成围绕患者(P)的头部(H)定位。场发生器(106)能够操作以围绕患者的头部(H)生成不同频率的交变磁场。场发生器(106)由此能够跟踪插入患者的头部(H)中的导航器械诸如内窥镜(10)的位置。参考本文的教导内容，可用于形成并驱动场发生器(106)的各种合适的部件对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。
在本发明示例中，框架(104)安装到座椅(200)的头枕，其中患者(P)坐在座椅(200)中，使得框架(104)部分包围患者的头部(H)。仅以举例的方式，座椅(200)和/或场发生器组件(102)可根据以下美国专利申请的教导内容中的至少一些来构造和操作：2018年3月23日提交的名称为“Apparatus to Secure Field Generating Device to Chair”的美国专利申请15/933737号，该专利的公开内容以引用方式并入本文。在其他示例中，患者(P)可支撑在多种其他合适的支撑结构诸如医疗手术台上。框架(104)可由患者支撑结构或邻近于患者支撑结构定位的独立结构支撑。在其他示例中，框架(104)可直接固定到患者的头部(H)。
以如上所述的导电传感器线圈的形式提供的导航传感器(40,42)被构造成与由场发生器(106)生成的电磁场相互作用以生成电信号。具体地，在交变磁场中存在的导航传感器(40,42)在每个传感器(40,42)中诱发电流，该电流作为电信号通过信号传输线(44,46)朝近侧传达到外科导航系统(100)的处理器(108)。处理器(108)接收信号并执行算法以确定相应导航传感器(40,42)在由交变电磁场占据的三维空间内的位置，在本发明示例中，该三维空间包围患者(P)的头部(H)。处理器(108)将该三维空间与患者(P)的已知解剖结构关联，在手术前进行分析，并且确定传感器(40,42)与患者(P)的三维位置。如上所述，本发明示例的导航传感器(40,42)被布置成在远侧轴端部(16)内彼此相邻。因此，每个传感器(40,42)独立地适于指示远侧轴端部(16)在患者(P)体内的位置。在其他示例中，导航传感器(40,42)可沿着轴轴线(A)彼此间隔开，使得每个传感器(40,42)指示内窥镜(10)的相应部分在患者(P)体内的当前位置。
如上所述，第一导航传感器和第二导航传感器(40,42)围绕相对于彼此成角度的相应轴线(A,A2)定位，并且第二传感器(42)在远侧轴端部(16)内从轴轴线(A)径向偏移。因此，由第二传感器(42)提供的信号使得处理器(16)能够确定内窥镜轴(14)的旋转取向，并且因此确定三维空间内围绕轴轴线(A)的视线(LS)。如上所述，应当理解，在一些型式中可省略第二导航传感器(42)，包括其中第一导航传感器(40)围绕相对于轴轴线(A)倾斜延伸的轴线定位的型式。
如上所述，系统(100)可经由与驱动机构(70)的第一马达(72)联接的编码器来监测轴(14)相对于主体(12)的旋转取向。第二编码器可与第二马达(76)联接以使系统(100)能够监测摆动棱镜(32)的角取向，并且因此监测围绕枢转轴线(A1)的视线(LS)。如下文结合图6和图7所述，当生成合适的命令以将视线(LS)朝向患者(P)体内由外科医生指定的感兴趣点引导时，处理器(108)参考摆动棱镜(32)和视线(LS)的这些已知旋转和角度取向，以及远侧轴端部(16)在患者(P)体内的三维位置。
外科导航系统(100)的处理器(108)包括处理单元，该处理单元与一个或多个存储器通信，并且被构造成控制导航系统(100)的场发生器(106)和其他元件。在本发明示例中，处理器(108)安装在控制台(110)中，该控制台包括操作控件(112)，该操作控件包括小键盘和/或指向装置，诸如鼠标或轨迹球。在执行外科规程时，医师使用操作控件(112)与处理器(108)进行交互。处理器(108)使用存储在处理器(108)的存储器中的软件来校准并操作系统(100)。此类操作包括驱动场发生器(106)、处理接收自导航传感器(40,42)的数据、处理来自操作控件(112)的数据以及驱动显示器(114)。例如，软件可以电子形式通过网络下载到处理器(108)，或者另选地或除此之外，该软件可被提供和/或存储在非临时性有形介质(诸如磁存储器、光学存储器或电子存储器)上。
内窥镜(10)的导航传感器(40,42)经由与内窥镜(10)的近侧端部联接的通信单元(116)与处理器(108)通信，如图5所示，并且与信号传输线(44,46)的近侧端部连接。本发明示例的通信单元(116)被构造成提供控制台(110)和导航传感器(40,42)之间的数据和其他信号的无线通信。在一些型式中，通信单元(116)简单地将数据或其他信号单向地从导航传感器(40,42)传达至控制台(110)，而不会也从控制台(110)传送数据或其他信号。在一些其他型式中，通信单元(116)提供导航传感器(40,42)和控制台(110)之间的数据或其他信号的双向通信。尽管本发明示例的通信单元(116)与控制台(110)无线地联接，但一些其他型式可提供通信单元(116)和控制台(110)之间的有线联接。参考本文的教导内容，可结合到通信单元(116)中的各种其他合适的特征和功能对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。
系统显示器(114)能够操作以示出导航图像(118)，该导航图像示出内窥镜(10)的远侧轴端部(16)相对于患者(P)的解剖结构的实时位置。解剖结构可由导航图像(118)以视频相机图像、CT扫描图像和/或计算机生成的解剖结构的三维模型的形式呈现，该导航图像可例如同时显示和/或彼此叠加。除解剖结构图像之外，导航图像(118)还示出了内窥镜(10)和插入患者(P)体内的任何其他外科器械的图形表示，这些外科器械具有类似于上述传感器(40,42)的IGS导航传感器。该图形表示叠加在解剖结构图像上，并且使得医师能够在外科规程期间实时标识内窥镜(10)的远侧轴端部(16)相对于患者(P)的相邻解剖特征部的位置。由导航图像(118)示出的一个或多个图形表示可看起来像相应外科器械诸如内窥镜(10)，或者它们可以是简单得多的表示，诸如点、十字准线等。
仅以举例的方式，显示器(114)可根据2016年1月14日公布的名称为“GuidewireNavigation for Sinuplasty”的美国公布2016/0008083号的教导内容中的至少一些教导内容来示出导航图像(118)，该公布的公开内容以引用方式并入本文。在一些情况下，系统显示器(114)可与由内窥镜(10)提供的内窥镜图像同时示出导航图像(118)。因此，通过显示器(114)提供的图像可帮助医师操纵和以其他方式操纵内窥镜(10)以及患者(P)体内的任何附加外科器械。
可使用任何合适的装置来生成患者(P)的一部分(例如头部(H))的内部解剖结构的三维模型，电磁场围绕该部分生成并且内窥镜(10)在外科规程期间插入该部分中。仅以举例的方式，此类模型可根据2016年10月27日公布的标题为“System and Method to MapStructures of Nasal Cavity”的美国专利公布2016/0310042号的教导内容中的至少一些来产生，该专利公布的公开内容以引用方式并入本文。参考本文的教导内容，可产生三维解剖结构模型的其他合适的方式对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。还应当理解，无论三维模型如何或在何处生成，该模型都可被存储在控制台(110)上。因此，控制台(110)可经由显示器(114)呈现模型的至少一部分的图像，并经由显示器(114)进一步呈现内窥镜(10)的远侧轴端部(16)关于模型的位置的实时视频图像。
在各种示例中，外科导航系统的IGS部件可根据以下美国专利申请的一个或多个教导内容来进一步构造：2017年9月5日提交的名称为“Sensor Guided Instrument withPenetrating Feature”的美国专利申请15/695520；2017年10月30日提交的名称为“Dilation Catheter with Navigation Sensor and Vent Passageway in Tip”的美国专利申请15/797049号；2014年4月22日公布的名称为“Guidewire for Performing ImageGuided Procedures”的美国专利8702626号；2012年11月27日公布的名称为“AnatomicalModeling from a 3-D Image and a Surface Mapping”的美国专利8320711号；2012年5月29日公布的名称为“Adapter for Attaching Electromagnetic Image GuidanceComponents to a Medical Device”的美国专利8190389号；2012年2月28日公布的名称为“Devices,Systems and Methods for Treating Disorders of the Ear,Nose andThroat”的美国专利8123722号；2010年5月18日公布的名称为“Methods and Devices forPerforming Procedures within the Ear,Nose,Throat and Paranasal Sinuses”的美国专利7720521号；2014年12月11日公布的名称为“Systems and Methods for PerformingImage Guided Procedures within the Ear,Nose,Throat and Paranasal Sinuses”的美国专利公布2014/0364725号；2014年7月17日公布的名称为“Guidewire for PerformingImage Guided Proceedings”的美国专利公布2014/0200444号；2015年12月1日公布的名称为“Adapter for Attaching Electromagnetic Image Guidance Components to aMedical Device”的美国专利9198736号；2011年3月10日公布的名称为“Systems andMethods for Performing Image Guided Procedures within the Ear,Nose,Throat andParanasal Sinuses”的美国专利公布2011/0060214号；2015年10月27日公布的名称为“Methods and Apparatus for Treating Disorders of the Ear Nose and Throat”的美国专利9167961号；和/或2007年9月6日公布的名称为“Systems and Methods forPerforming Image Guided Procedures within the Ear,Nose,Throat and ParanasalSinuses”的美国专利公布2007/0208252号。这些参考文献中的每一篇的公开内容以引用方式并入本文。
如上所述，在一些情况下，在外科规程期间，外科医生可能期望将内窥镜视线(LS)精确地朝向患者(P)体内的特定解剖特征部引导，以从内窥镜观察该特征部。如下所述，上述外科导航系统(100)的各种部件使得外科医生能够经由系统显示器(114)标识和选择特定解剖特征部，并且系统(100)然后将自动定向摆动棱镜(32)，使得其视线(LS)朝向解剖特征部以进行内窥镜观察。
如图7所示，内窥镜(10)插入患者(P)体内，使得远侧轴端部(16)定位在由如上所述的由场发生器(106)生成的电磁场占据的三维空间内。处理器(108)将该空间与三维坐标系(120)相关联，并且将位于该空间内的患者(P)的解剖特征部与坐标系(120)关联。处理器(108)跟踪由图7所示的点(x
在图7所示的外科规程期间，外科医生可标识由显示器(114)上的导航图像(118)示出的外科医生希望用内窥镜(10)从内窥镜观察的特定解剖特征部。使用显示器(114)，在具有或不具有操作控件(112)的情况下，外科医生可选择导航图像(118)上的解剖特征部，使得处理器(108)将所选点识别为在坐标系(120)内具有坐标(x
利用上述检测到的信息，处理器(108)执行算法以确定将视线(LS)朝向坐标系(120)内的感兴趣点(POI)引导所需的内窥镜轴(14)围绕轴轴线(A)的必要旋转取向以及摆动棱镜(32)围绕枢转轴线(A1)的必要角取向。基于该算法的结果，处理器(108)生成合适的命令并将其传输到马达控制器(80)。马达控制器(80)执行这些命令以启动第一马达(72)和/或第二马达(76)以使轴(14)相对于主体(12)围绕轴轴线(A)旋转，和/或使摆动棱镜(32)相对于轴(14)围绕枢转轴线(A1)枢转，使得视线(LS)朝向感兴趣点(POI)。在视线(LS)朝向感兴趣点(POI)的情况下，外科医生能够从内窥镜观察对应于感兴趣点(POI)的解剖特征部。如果外科医生希望观察患者(P)体内的另一解剖特征部，则外科医生可选择显示器(114)上的解剖特征部，并且系统(100)可执行上述相同步骤以将视线(LS)朝向新的感兴趣点(POI)引导。这样，外科导航系统(10)实现自动化定向过程，该自动化定向过程使得外科医生能够确保内窥镜摆动棱镜(32)精确地取向成使得内窥镜图像示出患者(P)的期望解剖特征部。
以下实施例涉及本文的教导内容可被组合或应用的各种非穷尽性方式。应当理解，以下实施例并非旨在限制可在本专利申请或本专利申请的后续提交文件中的任何时间提供的任何权利要求的覆盖范围。不旨在进行免责声明。提供以下实施例仅仅是出于例示性目的。预期本文的各种教导内容可按多种其他方式进行布置和应用。还设想到，一些变型可省略在以下实施例中所提及的某些特征。因此，下文提及的方面或特征中的任一者均不应被视为决定性的，除非另外由发明人或关注发明人的继承者在稍后日期明确指明如此。如果本专利申请或与本专利申请相关的后续提交文件中提出的任何权利要求包括下文提及的那些特征之外的附加特征，则这些附加特征不应被假定为因与专利性相关的任何原因而被添加。
一种外科导航系统，包括：(a)内窥镜，其中所述内窥镜包括：(i)主体；(ii)轴，所述轴从所述主体朝远侧延伸并且具有远侧轴端部；(iii)光学导管，所述光学导管朝远侧延伸穿过所述轴，其中所述光学导管能够操作以光学传输图像；以及(iv)可移动光学元件，所述可移动光学元件布置在所述远侧轴端部处，其中所述可移动光学元件被构造成提供限定视线的视场，其中所述可移动光学元件能够操作以捕获所述视场内的图像并且将所述图像朝近侧传输到所述光学导管，以使得所述图像能够由用户可视化；(b)驱动机构，所述驱动机构与所述内窥镜联接，其中所述驱动机构能够操作以相对于所述轴移动所述可移动光学元件以调整所述视线的方向；(c)导航传感器，所述导航传感器与所述内窥镜操作性地相关联，其中所述导航传感器能够操作以生成对应于所述远侧轴端部在患者体内的位置的信号；以及(d)处理器，其中所述处理器与所述导航传感器和所述驱动机构通信，其中所述处理器能够操作以基于从所述导航传感器接收的所述信号来确定所述远侧轴端部在所述患者体内的位置，其中所述处理器能够进一步操作以命令所述驱动机构将所述可移动光学元件定位成使得所述视线朝向所述患者体内的所选感兴趣点。
根据实施例1所述的外科导航系统，其中所述轴是刚性的。
根据前述实施例中任一项所述的外科导航系统，其中所述内窥镜还包括布置在所述远侧轴端部处的窗口，其中所述内窥镜能够操作以通过所述窗口捕获所述图像。
根据前述实施例中任一项所述的外科导航系统，其中所述内窥镜还包括透镜，其中所述透镜布置在所述可移动光学元件和所述光学导管的远侧端部之间。
根据前述实施例中任一项所述的外科导航系统，其中所述可移动光学元件被构造成围绕横向于纵向轴轴线延伸的枢转轴线枢转。
根据实施例5所述的外科导航系统，其中所述驱动机构包括第一致动器和第二致动器，其中所述第一致动器能够操作以使所述可移动光学元件相对于所述主体围绕所述轴轴线旋转，其中所述第二致动器能够操作以使所述可移动光学元件相对于所述轴围绕所述枢转轴线枢转。
根据实施例6所述的外科导航系统，其中所述轴能够相对于所述主体围绕所述轴轴线旋转，其中所述第一致动器能够操作以使所述轴相对于所述主体旋转，从而使所述可移动光学元件和所述视场围绕所述轴轴线旋转。
根据实施例6至7中任一项所述的外科导航系统，其中所述第一致动器包括第一马达，其中所述第二致动器包括第二马达。
根据前述实施例中任一项所述的外科导航系统，其中所述导航传感器包括电磁传感器。
根据前述实施例中任一项所述的外科导航系统，其中所述导航传感器包括导电线圈。
根据前述实施例中任一项所述的外科导航系统，其中所述外科导航系统还包括与所述处理器通信的显示器，其中所述显示器能够操作以示出导航图像，所述导航图像基于由所述导航传感器提供的所述信号实时示出所述轴远侧端部相对于所述患者的解剖结构的所述位置。
根据实施例11所述的外科导航系统，其中所述处理器能够操作以接受所述感兴趣点作为经由所述显示器提供的输入，其中所述感兴趣点对应于由所述导航图像示出的所述患者的解剖特征部。
根据实施例11至12中任一项所述的外科导航系统，其中所述导航图像包括计算机断层摄影(CT)图像。
根据实施例11至13中任一项所述的外科导航系统，其中所述导航图像包括三维图像，其中所述感兴趣点具有对应于三维坐标系的坐标。
根据实施例11至14中任一项所述的外科导航系统，其中所述显示器还与所述内窥镜的所述光学导管通信，其中所述显示器能够进一步操作以显示由所述内窥镜捕获的所述图像。
一种外科导航系统，包括：(a)内窥镜，其中所述内窥镜包括：(i)主体；(ii)轴，所述轴沿着纵向轴轴线从所述主体朝远侧延伸，其中所述轴包括远侧轴端部；(iii)光学导管，所述光学导管朝远侧延伸穿过所述轴，其中所述光学导管能够操作以光学传输图像；以及(iv)可移动光学元件，所述可移动光学元件布置在所述远侧轴端部处，其中所述可移动光学元件被构造成围绕横向于所述轴轴线延伸的枢转轴线枢转，其中所述可移动光学元件被构造成提供限定视线的视场，其中所述可移动光学元件能够操作以捕获所述视野内的图像并且将所述图像朝近侧传输到所述光学导管，以使得所述图像能够由用户可视化；以及(b)驱动机构，所述驱动机构与所述内窥镜联接，其中所述驱动机构能够操作以相对于所述轴移动所述可移动光学元件以调整所述视线的方向，其中所述驱动机构包括：(i)第一致动器，其中所述第一致动器能够操作以使所述可移动光学元件相对于所述主体围绕所述轴轴线旋转；以及(ii)第二致动器，其中所述第二致动器能够操作以使所述可移动光学元件相对于所述轴围绕所述枢转轴线枢转。
根据实施例16所述的外科导航系统，还包括处理器，其中所述处理器能够操作以控制所述第一致动器和所述第二致动器将所述可移动光学元件定位成使得所述视线朝向坐标系内的所选感兴趣点。
根据实施例16至17中任一项所述的外科导航系统，还包括与所述内窥镜操作性地相关联的导航传感器，其中所述导航传感器能够操作以向所述处理器传输对应于所述远侧轴端部在所述坐标系内的位置的信号，其中所述处理器能够操作以基于所述信号来控制所述第一致动器和所述第二致动器。
一种在对患者进行外科规程期间操作外科导航系统的方法，其中所述外科导航系统包括内窥镜，所述内窥镜具有提供限定视线的视场的可移动光学元件，其中所述外科导航系统还包括与所述内窥镜操作性地联接的驱动机构，所述方法包括：(a)在所述外科导航系统的显示器上示出导航图像，其中所述导航图像实时示出所述内窥镜的远侧端部相对于所述患者的解剖结构的位置；(b)经由所述显示器接收用户输入，其中所述用户输入指定对应于由所述导航图像示出的所述患者的解剖特征部的感兴趣点；(c)利用处理器，将所述内窥镜的所述远侧端部的所述位置与由所述用户输入指定的所述感兴趣点进行比较；以及(d)基于所述比较，利用所述处理器控制所述驱动机构以将所述可移动光学元件移动到其中所述视线朝向由所述用户输入指定的所述感兴趣点的位置。
根据实施例19所述的方法，其中所述内窥镜包括纵向轴线，其中所述方法还包括利用所述处理器确定所述内窥镜相对于所述感兴趣点围绕所述纵向轴线的旋转取向，其中所述控制所述驱动机构的步骤进一步基于所述旋转取向的确定。
根据实施例19至20中任一项所述的方法，其中控制所述驱动机构以移动所述可移动光学元件包括使所述可移动光学元件围绕第一轴线旋转以及使所述可移动光学元件围绕横向于所述第一轴线延伸的第二轴线枢转。
应当理解，本文所述的教导内容、表达、实施方案、示例等中的任何一者或多者可与本文所述的其他教导内容、表达、实施方案、示例等中的任何一者或多者进行组合。因此，上述教导内容、表达、实施方案、示例等不应视为彼此孤立。鉴于本文的教导内容，本文的教导内容可进行组合的各种合适方式对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。此类修改和变型旨在包括在权利要求书的范围内。
应当理解，据称以引用方式并入本文的任何专利、专利公布或其他公开材料，无论是全文或部分，仅在所并入的材料与本公开中所述的现有定义、陈述或者其他公开材料不冲突的范围内并入本文。因此，并且在必要的程度下，本文明确列出的公开内容代替以引用方式并入本文的任何冲突材料。据称以引用方式并入本文但与本文列出的现有定义、陈述或其他公开材料相冲突的任何材料或其部分，将仅在所并入的材料与现有的公开材料之间不产生冲突的程度下并入。
上述装置的型式可应用于由医疗专业人员进行的传统医学治疗和手术、以及机器人辅助的医学治疗和手术中。仅以举例的方式，本文的各种教导内容可易于结合到机器人外科系统，诸如Intuitive Surgical,Inc.(Sunnyvale,California)的DAVINCI
上文所述的装置的型式可被设计为在使用一次之后丢弃，或者它们可被设计为供多次使用。在任一种情况下或两种情况下，可对这些型式进行修复以在至少一次使用之后重复使用。修复可包括以下步骤的任意组合：拆卸装置，然后清洁或替换特定零件以及随后进行重新组装。具体地，可拆卸一些型式的装置，并且可以任何组合来选择性地替换或移除装置的任意数量的特定零件或部件。在清洁和/或替换特定部件时，装置的一些型式可在修复设施处重新组装或者在即将进行手术之前由用户重新组装以供随后使用。本领域的技术人员将会了解，装置的修复可利用多种技术进行拆卸、清洁/替换、以及重新组装。此类技术的使用以及所得的修整装置均在本申请的范围内。
仅以举例的方式，本文描述的型式可在手术之前和/或之后消毒。在一种消毒技术中，将装置放置在闭合且密封的容器诸如塑料袋或TYVEK袋中。然后可将容器和装置放置在可穿透容器的辐射场中，诸如γ辐射、x射线、或高能电子。辐射可杀死装置上和容器中的细菌。随后可将经消毒的装置储存在无菌容器中，以供以后使用。还可使用本领域已知的任何其他技术对装置进行消毒，所述技术包括但不限于β辐射或γ辐射、环氧乙烷或蒸汽。
已经示出和描述了本发明的各种实施方案，可在不脱离本发明的范围的情况下由本领域的普通技术人员进行适当修改来实现本文所述的方法和系统的进一步改进。已经提及了若干此类可能的修改，并且其他修改对于本领域的技术人员将是显而易见的。例如，上文所讨论的示例、实施方案、几何形状、材料、尺寸、比率、步骤等均是例示性的而非必需的。因此，本发明的范围应根据以下权利要求书来考虑，并且应理解为不限于说明书和附图中示出和描述的结构和操作的细节。
机译： 带内窥镜自动驱动的外科导航系统
机译： 带内窥镜自动驱动的外科导航系统
机译： 具有自动驱动内窥镜的手术导航系统
