【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及一种用于穿透解剖结构的医疗设备、包括该医疗设备的医疗系统以及使用方法。
技术介绍
1、本专利技术的原理适用于对由具有不同电导率的解剖介质组成的解剖结构进行任何类型的手术干预。
2、尽管如此，本专利技术特别应用于骨科手术和脊柱手术，在手术中外科医生使用一种或更多种穿透医疗设备来穿透包括骨结构的解剖结构，并且特别地对骨结构钻凿以例如定位或附接假体或植入物。
3、在外科医生可以对其进行手术的骨结构中，一些包括包围松质骨(trabecularbone)层的外皮质骨层，该松质骨层至少部分地覆盖内皮质骨层。解剖结构还可以包括以内皮质骨层为边界的软组织，然后该内皮质骨层形成松质骨层和软组织之间的界面。在手术过程中，重要的是防止对位于外皮质骨层附近或软组织中的功能组织(例如神经或血管系统组织)造成损伤。对于椎弓根的干预尤其如此，其中神经根靠近外皮质骨层并且脊髓构成软组织的一部分，该软组织以形成椎孔的内皮质骨层为界。
4、为了帮助外科医生防止对功能组织造成损伤，众所周知的是，基于解剖结构的不同解剖介质各自的电导率来获取关于穿透医疗设备(例如钻头)相对于解剖结构的不同解剖介质的定位的信息，该电导率表示该介质传导电流的能力。松质骨层和软组织分别构成具有第一电导率和第二电导率的第一解剖介质和第二解剖介质，第一电导率小于第二电导率。皮质骨层构成第三解剖介质并且具有第三电导率，第三电导率小于第一电导率和第二电导率。
5、众所周知，在医疗应用中，手工工具利用了包含骨结构的介质的电导率差异。例如，在文献
6、包含骨结构的解剖结构的介质的电导率的差异也被用在实现至少部分自动化医疗系统的医疗应用中，特别是用在机器人技术中，该部分自动化医疗系统部分地受到自动控制。例如，wo 2019/081850中描述的医疗系统使用这些差异来改变警告信号(该警告信号用在控制机械臂移动的控制信号中)，并在警告信号指示功能组织正在出现损伤或即将出现损伤时修改控制信号。
7、尽管这些前述系统是有益的，但希望提供在穿透到包括骨结构的解剖结构期间提供改善的精度且更可靠地区分解剖介质的系统和方法，从而更好地确保患者的安全。这种改进的系统和方法将适用于对任何类型的解剖结构的任何干预，无论它是否需要穿透骨结构。
技术实现思路
1、根据本专利技术的原理，提供用于穿透解剖结构的系统、设备和方法，该解剖结构具有解剖介质，该解剖结构具有不同电导率，其中生成警告信号，该警告信号预测即将穿透和/或实际穿透到功能组织中，以避免对功能组织造成损伤。
2、在第一实施例中，提供了一种用于穿透解剖结构的医疗设备，该解剖结构由具有不同电导率的解剖区域组成，其中每种介质的电导率都落在定义的范围内。更具体地，该医疗设备包括：
3、-被配置成穿透进入解剖结构中的主体，该主体具有外表面、纵向轴线、被配置成接触解剖结构的远端、以及与该远端相对的近端，
4、-具有第一接触面的至少第一电极，该第一接触面被设置在主体的外表面上的远端处，以与解剖结构接触，
5、-具有第二接触面的至少第二电极，该第二接触面被设置在主体的外表面的远端处，以在与第一接触面间隔开的位置处接触解剖结构，
6、-处理单元，其包括电测量单元和深度感测单元，该电测量单元被配置成测量至少一种电特性a，该至少一种电特性a表示第一接触面和第二接触面之间的解剖介质的电导率s，该电特性a通过传递函数t与电导率s相关联，使得s＝t(a)，该深度感测单元被配置成确定主体远端已经进入解剖结构中的深度，其中，该处理单元被配置成计算电特性值根据深度值的演变。
7、根据本专利技术，处理单元还被配置成当电特性值根据深度的演变满足以下标准中的至少一个时发布警告信号：
8、-越过电导率阈值：处理单元被配置成确定电特性值是否越过电导率阈值，该电导率阈值选自：
9、绝对电导率阈值：na x ds，其中ds在预定义的最小电特性和最大电特性之间的电特性值范围内，并且na为0至1的实数，和
10、相对电导率阈值：nr x ms(d)，其中ms是初始深度值和当前深度值d之间的电特性值的平均值，并且nr是0至5的实数，
11、-越过临界电导率梯度：处理单元被配置成确定电特性值根据深度的演变的至少一个斜率p(d)越过至少一个临界电导率梯度，该临界电导率梯度表示从具有第一电导率的第一解剖介质向具有第二电导率的第二解剖介质的变化。以毫西门子/米/毫米为单位的斜率p(d)计算为如下：
12、
13、其中，t[a(d)]是以毫西门子/米为单位的电导率，该电导率针对深度d处的电特性值a与传递函数t相关联，
14、t[a(d-k x ec)]是以毫西门子/米为单位的电导率，该电导率针对深度d-k x ec处的电特性值a与传递函数t相关联，深度d-k x ec位于距深度d的距离为k x ec处。
15、ec对应于以毫米为单位的表示厚度，例如第三解剖介质的表示厚度(皮质骨层的厚度)，
16、k是0至5的正实数。
17、因此，本专利技术采用一种或更多种特定标准，例如根据深度的电特性测量值的阈值和/或变化，这些标准特别能够表示主体远端附近的解剖结构的介质。前述标准的使用可以是直接的(例如，当测得的电特性直接对应于电导率时)，也可以是间接的(例如当测得的电特性表示电导率但不同于电导率并且通过传递函数与电导率相关联时)。在后一种情况下，可以通过使用传递函数将电特性简化为电导率来验证标准。
18、前述标准中的每一个可以单独使用，也可以与一个或更多个其他标准组合使用。可以以任何合适的方式进行标准的组合，特别是在非二元环境中，例如通过使用模糊逻辑来进行标准的组合。在这种情况下，可以通过连续评估0(以某种方式不满足条件)和1(以某种方式满足条件)之间的满足程度以及模糊推理来进行标准的评估，从而使得可以应用and和or逻辑推理来产生具有一定程度的确定性的结论。在电导率测量中存在不确定性或噪声的情况下，也可以使用所谓的贝叶斯推理(或概率)系统来实现这种类型的逻辑推理。
19、处理单元可以被配置成利用以下条件之一来验证用于越过临界电导率梯度的标准：
20、-在第二电导率大于第一电导率的情况下，电导率增加：
21、
22、其中，c是0至10的实数，
23、-在第二电导率小于第一电导率的情况下，电导率降低：
24、
25、其中，c'是-10至0的实数。
26、因此，用于越过临界电导率梯度的标准可以对应于预定义的电导率的增加或降低。
27、当医疗设备被设计成穿透包括第三解剖介质(该第三解剖介质构成第一解剖介质和第二本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于穿透解剖结构的医疗设备，所述解剖结构具有多种解剖介质，所述多种解剖介质具有一系列电特性，所述医疗设备包括：
2.如权利要求1所述的医疗设备，其中，所述解剖结构包括骨头和软组织，并且所述预定过渡指示所述尖端实际穿透或即将穿透到与神经组织相对应的软组织中。
3.如权利要求1所述的医疗设备，还包括机械臂和末端执行器，并且所述处理单元还被配置成响应于检测到指示解剖介质之间的预定过渡的所述电特性阈值来向所述机械臂或所述末端执行器发布控制信号。
4.如权利要求1所述的医疗设备，还包括机械臂、末端执行器和力感测单元，其中，所述处理单元还被配置成响应于检测到指示解剖介质之间的预定过渡的所述电特性阈值来向所述力感测单元发布控制信号以改变由所述机械臂或所述末端执行器施加的力。
5.如权利要求1所述的医疗设备，还包括机械臂、末端执行器和深度检测单元，其中，所述处理单元还被配置成接收来自所述深度检测单元的深度信号并且响应于检测到指示解剖介质之间的预定过渡的所述电特性阈值来向所述机械臂或所述末端执行器发布控制信号。
6.如权利要求1所
7.如权利要求1所述的医疗设备，其中，所述解剖介质的所述电特性选自电导率、阻抗、电导、电压、电强度或其组合。
8.如权利要求1所述的医疗设备，其中，所述处理单元被配置成将所述绝对阈值确定为Na x Ds，其中，Ds是所述多种解剖介质的电特性值范围，并且Na是为0至1的实数。
9.如权利要求1所述的医疗设备，其中，所述处理单元被配置成将所述相对阈值为Nr xMA(d)，其中，MA是初始深度值和当前深度值d之间的电特性值的平均值，并且Nr是0至5的实数。
10.如权利要求1所述的医疗设备，其中，所述处理单元被配置成将所述临界梯度确定为电特性值根据深度的演变的至少一个斜率p(d)，所述至少一个斜率p(d)表示第一解剖介质向第二解剖介质的变化。
11.如权利要求10所述的医疗设备，其中，所述电特性值的演变的所述至少一个斜率p(d)计算为如下：
12.如权利要求11所述的医疗设备，其中，所述处理单元被配置成基于以下任一项的发生来验证所述临界梯度：
13.如权利要求11所述的医疗设备，还被配置成穿透包括第三解剖介质的解剖结构，所述第三解剖介质构成具有第一电导率的第一解剖介质和具有第二电导率的第二解剖介质之间的界面，所述第三解剖介质具有第三电导率，其中，所述处理单元被配置成基于以下项的发生来验证所述临界梯度：
14.如权利要求13所述的医疗设备，其中，所述处理单元被配置成：如果所述深度值d1和所述深度值d2具有最大差值e使得e＝m x Ec，则检查电特性的变化，其中m是0至80的正实数。
15.如权利要求1所述的医疗设备，其中，所述主体被配置成用于穿透包括骨结构和软组织的解剖结构，其中，所述骨结构具有构成所述第一解剖介质的松质骨层和构成所述第三解剖介质的皮质骨层，并且软组织构成所述第二解剖介质，所述第二电导率大于所述第一电导率，并且所述第三电导率小于所述第一电导率和所述第二电导率。
16.如权利要求15所述的医疗设备，其中，所述主体被配置成钻入所述骨结构中。
17.如权利要求10所述的医疗设备，其中，所述处理单元被配置成基于所述多种解剖介质的电特性的平均值来定义多个临界梯度。
18.如权利要求1所述的医疗设备，其中，所述主体包括钻头、螺纹工具、螺钉、植入物、针、切割刀片、钉子、骨凿刀、钻具、纺锤体、探针、方尖、刮器、刮匙和/或穿刺件。
19.如权利要求1所述的医疗设备，还包括底座和末端执行器，所述主体安装在所述末端执行器上，其中，所述处理单元包括被配置成确定施加在所述主体上的力的力测量单元，并且所述处理单元被配置成响应于设定点力控制所述末端执行器相对于所述底座的位移。
20.如权利要求19所述的医疗设备，其中，所述处理单元被配置成响应于所述警告信号修改所述设定点力。
21.如权利要求4所述的医疗设备，还包括深度检测单元，其中，所述处理单元还被配置成接收来自所述深度检测单元的响应于与呼吸相关联的移动的深度信号，并响应于所述深度信号向所述力感测单元发布控制信号，以响应于所述与呼吸相关联的移动来控制所述末端执行器的位移。
22.如权利要求1所述的医疗设备，其中，所述医疗设备实施为手持工具。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种用于穿透解剖结构的医疗设备，所述解剖结构具有多种解剖介质，所述多种解剖介质具有一系列电特性，所述医疗设备包括：
2.如权利要求1所述的医疗设备，其中，所述解剖结构包括骨头和软组织，并且所述预定过渡指示所述尖端实际穿透或即将穿透到与神经组织相对应的软组织中。
3.如权利要求1所述的医疗设备，还包括机械臂和末端执行器，并且所述处理单元还被配置成响应于检测到指示解剖介质之间的预定过渡的所述电特性阈值来向所述机械臂或所述末端执行器发布控制信号。
4.如权利要求1所述的医疗设备，还包括机械臂、末端执行器和力感测单元，其中，所述处理单元还被配置成响应于检测到指示解剖介质之间的预定过渡的所述电特性阈值来向所述力感测单元发布控制信号以改变由所述机械臂或所述末端执行器施加的力。
5.如权利要求1所述的医疗设备，还包括机械臂、末端执行器和深度检测单元，其中，所述处理单元还被配置成接收来自所述深度检测单元的深度信号并且响应于检测到指示解剖介质之间的预定过渡的所述电特性阈值来向所述机械臂或所述末端执行器发布控制信号。
6.如权利要求1所述的医疗设备，还包括机械臂、末端执行器和深度检测单元，其中，所述处理单元还被配置成接收深度信号，并且响应于所述深度信号来控制在穿透所述解剖结构时所述机械臂或所述末端执行器的操作。
7.如权利要求1所述的医疗设备，其中，所述解剖介质的所述电特性选自电导率、阻抗、电导、电压、电强度或其组合。
8.如权利要求1所述的医疗设备，其中，所述处理单元被配置成将所述绝对阈值确定为na x ds，其中，ds是所述多种解剖介质的电特性值范围，并且na是为0至1的实数。
9.如权利要求1所述的医疗设备，其中，所述处理单元被配置成将所述相对阈值为nr xma(d)，其中，ma是初始深度值和当前深度值d之间的电特性值的平均值，并且nr是0至5的实数。
10.如权利要求1所述的医疗设备，其中，所述处理单元被配置成将所述临界梯度确定为电特性值根据深度的演变的至少一个斜率p(d)，所述至少一个斜率p(d)表示第一解剖介质向第二解剖介质的变化。
11.如权利要求10所述的医疗设备，其中，所述电特性值的演变的所述至少一个斜率p(d)计算为如下：
12.如权利要求11所述的医疗设备，其中，所述处理单元被配置成基于以下任一项的发生来验证所述临界梯度：
13.如权利要求11所述的医疗设备，还被配置成穿透包括第三解剖介质的解剖结构，所述第三解剖介质构成具有第一电导率的第一解剖介质和具有第二电导率的第二解剖介质之间的界面，所述第三解剖介质具有第三电导率，其中，所述处理单元被配置成基于以下项的发生来验证所述临界梯度：
14.如权利要求13所述的医疗设备，其中，所述处理单元被配置成：如果所述深度值d1和所述深度值d2具有最大差值e使得e＝m x ec，则检查电特性的变化，其中m是0至80的正实数。
15.如权利要求1所述的医疗设备，其中，所述主体被配置成用于穿透包括骨结构和软组织的解剖结构，其中，所述骨结构具有构成所述第一解剖介质的松质骨层和构成所述第三解剖介质的皮质骨层，并且软组织构成所述第二解剖介质，所述第二电导率大于所述第一电导率，并且所述第三电导率小于所述第一电导率和所述第二电导率。
...
【专利技术属性】
技术研发人员：斯特凡纳·贝特，吉米·达席尔瓦，蒂博·钱达森，纪饶姆·莫雷尔，莫里斯·布利奥，
申请(专利权)人：脊柱防护公司，
类型：发明
国别省市：
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