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KR101157312B1 - Surgical navigational and neuromonitoring instrument - Google Patents

Surgical navigational and neuromonitoring instrument Download PDF

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KR101157312B1
KR101157312B1 KR1020097017588A KR20097017588A KR101157312B1 KR 101157312 B1 KR101157312 B1 KR 101157312B1 KR 1020097017588 A KR1020097017588 A KR 1020097017588A KR 20097017588 A KR20097017588 A KR 20097017588A KR 101157312 B1 KR101157312 B1 KR 101157312B1
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KR
South Korea
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instrument
surgical
handle
electrical stimulation
neural
Prior art date
Application number
KR1020097017588A
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Korean (ko)
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KR20090111340A (en
Inventor
로버트 에스. 타이크만
에릭 제이. 라이터스키
로랑 베라드
윌리엄 케이. 애드콕스
존 비. 클레이튼
데이비드 마이어
Original Assignee
워쏘우 오르쏘페딕 인코포레이티드
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Publication date
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Abstract

본 발명은 신경구조체에 전기자극을 인가할 수 있는 수술기구에 관한 것이다. 상기 수술기구는 외과수술 과정에서 내비게이션 추적을 제공하기 위해 상기 기구와 연계되는 추적시스템을 역시 구비한다.The present invention relates to a surgical instrument that can apply electrical stimulation to the nerve structure. The surgical instrument also includes a tracking system associated with the instrument to provide navigation tracking during the surgical procedure.

수술용 내비게이션, 신경 완전성, 컴퓨터단층촬영술, 생검바늘, 척추측만증, 수술전 렌더링, 능동 추적요소 Surgical navigation, nerve integrity, computed tomography, biopsy needles, scoliosis, preoperative rendering, active tracking

Description

수술용 내비게이션 및 신경감시 기구{SURGICAL NAVIGATIONAL AND NEUROMONITORING INSTRUMENT} Surgical Navigation and Neurosurgical Instruments {SURGICAL NAVIGATIONAL AND NEUROMONITORING INSTRUMENT}

본 발명은 신경-관련수술 분야에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수술용 내비게이션(surgical navigation) 및 신경감시(neuromonitoring)를 위한 통합시스템 및 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to the field of neuro-related surgery, and more particularly to integrated systems and methods for surgical navigation and neuromonitoring.

외과의가 수술용 도구 또는 프로브(probe)를 이동하고 이것의 위치를 정하는 것을 돕기 위해 외과수술 및 특히 신경-관련 시술들에 종종 수술용 내비게이션 시스템(surgical navigational system)이 사용된다. 종래의 수술용 내비게이션 시스템은 반사체들(reflectors) 및/또는 마커들(markers)을 사용하여 환자의 해부구조(patient anatomy)의 수술전 렌더링(preoperative rendering)에 대한 수술용 도구의 위치 정보를 제공한다. 그러나 수술용 내비게이션 시스템은 신경구조체(neural structure)의 완전성 또는 이러한 신경구조체에 대한 수술용 도구의 근접성을 판정하기 위한 신경감시 기능이 없다. 다른 한편으로는, 신경 완전성 감시시스템들(neural integrity monitoring systems)은 신경 손상을 예측하고 방지하기 위하여 신경 위치를 확인하는 전기자극(electrostimulation)을 이용하도록 설계된다. 그러나, 신경 완전성 감시시스템들은 시각적 내비게이션(visual navigation)에는 도움이 되지 않는다. 따라서 외과의가 수술용 도구 또는 프로브를 조종하는 것을 시각적으로 도울 뿐 아니라 신경구조체에 대한 수술용 도구 근접성, 신경구조체의 완전성 및 신경구조체의 총체적 건강상태 및 기능을 평가하기 위하여 신경감시할 수 있는 신경감시 및 수술용 내비게이션 통합시스템이 요구되고 있다. 전기자극을 인가하고 수술 내비게이션을 위해 추적될 수 있는 수술기구를 구비하는 것이 더욱 요구되고 있다.Surgical navigational systems are often used in surgical procedures and in particular neuro-related procedures to help the surgeon move and locate surgical instruments or probes. Conventional surgical navigation systems use reflectors and / or markers to provide positional information of the surgical tool for preoperative rendering of the patient's anatomy. . Surgical navigation systems, however, do not have a neurosurveillance function to determine the integrity of the neural structure or the proximity of the surgical tool to such a neural structure. On the other hand, neural integrity monitoring systems are designed to use electrostimulation to identify nerve location to predict and prevent nerve damage. However, neural integrity monitoring systems are not helpful for visual navigation. Thus, not only visually assisting the surgeon in manipulating surgical instruments or probes, but also neurosurgery that can be supervised to assess surgical tool proximity to the neurostructure, the integrity of the neurostructure, and the overall health and function of the neurostructure. And there is a need for an integrated navigation system for surgery. There is a further need for having surgical instruments that can be applied for electrical stimulation and tracked for surgical navigation.

[발명의 요약][Summary of invention]

하나의 양상에서, 본 발명은 전기자극(electrostimulation)을 인가할 수 있는 수술용 도구(surgical tool)에 관한 것이다. 상기 수술용 도구는 핸들부(handle portion) 및 상기 핸들부로부터 연장되는 몸체부재(body member)를 구비하는 기구를 포함한다. 상기 몸체부재는 에너지원(energy source)과 연결된 전기전도부(electrically conductive portion)를 구비하고 에너지원에 의해 공급되는 전기자극에너지(electrostimulation energy)를 인가할 수 있다. 상기 수술용 도구는 상기 기구와 연계되고(associated) 상기 기구의 위치와 관련된 정보를 제공하도록 작동되는 추적시스템(tracking system)을 포함한다.In one aspect, the present invention relates to a surgical tool capable of applying electrostimulation. The surgical tool includes a mechanism having a handle portion and a body member extending from the handle portion. The body member may have an electrically conductive portion connected to an energy source and may apply electrostimulation energy supplied by the energy source. The surgical instrument includes a tracking system associated with the instrument and operable to provide information related to the position of the instrument.

본 발명의 다른 양상에 의하면, 수술용 도구 조립체(surgical tool assembly)가 개시된다. 상기 수술용 도구 조립체는 핸들, 절연 외장(insulating sheath) 및 상기 핸들에 연결되고 상기 절연 외장 내부에 존재하는 전도성 부재(conductive member)를 구비하는 기구를 포함한다. 상기 전도성 부재의 일부분은 절연 외장으로부터 원위로 돌출된다. 수술용 도구 조립체는 기구에 의해 작동가능하고, 신경구조체(neural structure)가 상기 전도성 부재의 일부분과 접촉하고 전기에너지가 상기 전도성 부재에 제공될 때 전기자극을 신경구조체에 인가하기 위하여 전기에너지를 전도성 부재에 제공하도록 설계되는 에너지원을 더 포함한다. 수술용 도구 조립체는 상기 기구와 연계되고 상기 기구의 위치와 관련된 정보를 제공하도록 작동되는 추적시스템을 더 포함한다.According to another aspect of the invention, a surgical tool assembly is disclosed. The surgical instrument assembly includes a handle, an insulating sheath and a mechanism having a conductive member connected to the handle and residing within the insulating sheath. A portion of the conductive member protrudes distal from the insulating sheath. The surgical instrument assembly is operable by an instrument and conducts electrical energy to apply electrical stimulation to the neurostructure when a neural structure is in contact with a portion of the conductive member and electrical energy is provided to the conductive member. It further includes an energy source designed to provide the member. The surgical instrument assembly further includes a tracking system associated with the instrument and operable to provide information related to the position of the instrument.

다른 양상에 의하면, 본 발명은 조직을 통하여 척추구조체(vertebral structure)에 수술기구를 삽입하는 단계 및 상기 척추구조체에 대한 수술기구의 위치를 사용자 인터페이스에서 추적하는 단계를 포함하는 수술방법에 관한 것이다. 상기 방법은 수술기구를 이용하여 척추구조체에 전기자극을 전달하는 단계 및 상기 전기자극에 대한 신경 반응(neurological response)을 감시하는 단계를 포함한다.According to another aspect, the present invention relates to a surgical method comprising inserting a surgical instrument into a vertebral structure through tissue and tracking the position of the surgical instrument relative to the vertebral structure in a user interface. The method includes delivering an electrical stimulus to the spinal structure using a surgical instrument and monitoring a neuralological response to the electrical stimulus.

또 다른 양상에 따라, 본 발명은 신경구조체에 전기자극을 인가할 수 있는 신경감시기구(neuromonitoring instrument)에 관한 것이다. 상기 신경감시기구는 핸들 및 상기 핸들의 원위단부로부터 연장되는 스타일릿(stylet)을 구비한다. 상기 신경감시기구는 상기 핸들 및 스타일릿 중 하나 이상과 연계되는 내비게이션 센서(navigation sensor)를 추가로 구비한다. 상기 내비게이션 센서는 기구의 위치에 관한 피드백(feedback)을 제공하도록 작동된다.According to another aspect, the present invention relates to a neuromonitoring instrument capable of applying electrical stimulation to a neural structure. The neuromonitoring mechanism has a handle and a stylet extending from the distal end of the handle. The neuromonitoring mechanism further includes a navigation sensor associated with at least one of the handle and the stylet. The navigation sensor is operative to provide feedback regarding the position of the instrument.

본 발명의 이러한 및 기타의 양상들, 형태들, 목적들, 특징들 및 이점들은 상세한 도면 및 설명으로부터 명백하게 될 것이다.These and other aspects, forms, objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from the detailed drawings and description.

본 발명은 신경-관련수술 분야에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수술용 내비게이션 및 신경감시를 위한 통합시스템 및 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to the field of neuro-related surgery, and more particularly, to integrated systems and methods for surgical navigation and neurosurgery.

본 발명의 원리에 대한 이해를 증진하기 위하여, 도면들에 도시된 구현예들 및 실시예들을 참조할 것이며 상기 구현예들 및 실시예들을 설명하기 위해 특수한 용어가 사용될 것이다. 그러나 이것에 의해 청구범위의 보호범위를 제한할 의도가 아니라는 것을 이해할 것이다. 설명된 구현예들에서의 임의의 개조 및 추가적인 변경들, 그리고 본 명세서에 설명된 본 발명의 원리들에 대한 임의의 추가적인 응용들도 본 발명이 속하는 기술분야의 기술자에게 통상적으로 가능한 것으로 고려된다.To enhance understanding of the principles of the present invention, reference will be made to the embodiments and embodiments shown in the drawings and special terminology will be used to describe the embodiments and embodiments. It will be understood, however, that this is not intended to limit the scope of the claims. Any modifications and additional variations in the described embodiments, and any additional applications for the principles of the invention described herein, are also contemplated as possible to one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.

도 1을 참조하면 다양한 신경-관련 질환들을 진단하고 치료하는 의사를 보조 하기 위해 수술용 내비게이션 정보 및 신경감시 정보를 종합적으로 표시하기 위한 장치가 도시된다. 이러한 점에서, 본 발명은 척추디스크절제술, 척추복위술(spony reductions), 디스크치환술(disc replacements), 관절치환술(joint replacements), 척추측만증-관련 시술들, 및 다양한 것들과 같은 다수의 외과수술들에 이로운 점을 제공할 수 있다. 영상-기초의 수술용 내비게이션 및 신경감시 통합시스템(10)으로 인하여 외과의는, 바람직하게는 신경정보의 획득을 용이하게 할 수 있는 수술기구인 기구(14)의 궤도를 모니터(12) 상에 환자의 해부구조의 시각화(visualization)에 대하여 생성하고 표시할 수 있다. 하나 이상의 사전-획득된 영상들(pre-acquired images: 16)을 나타내는 데이터는 컴퓨터(18)로 입력된다. 컴퓨터(18)는 디텍터(detector: 20)를 이용하여 실시간으로 기구(14)의 위치를 추적한다. 그리고 나서 컴퓨터(18)는 사전-획득된 영상들(16)과 함께 기구(14)의 궤도를 실시간으로 등록하고 표시한다. 기구(14)의 궤도를 나타내는 아이콘(icon)은 사전-획득된 영상들(16)에 중첩되고 모니터(12) 상에 표시된다. 외과의의 명령에 따라, 기구(14)의 실시간 궤도는 컴퓨터(18)에 저장될 수 있다. 본 명령에 따라 외과의 명령이 있었던 순간의 도구의 궤도를 나타내는 새로운 정지 아이콘이 디스플레이(12) 상에 생성된다. 외과의는 추가적인 명령들을 내릴 수 있고, 각각의 명령으로 디폴트(default)에 의해 실시간 궤도를 저장하고 디스플레이에 새로운 정지 아이콘 생성된다. 외과의는 이러한 디폴트를 무시하고 임의의 정지 아이콘이 표시되지 않도록 선택할 수 있다. 또한 외과의는 실시간 및 저장된 기구 궤도들을 이용하여 다수의 기하학적 측정들을 수행할 수 있다.Referring to FIG. 1, there is shown an apparatus for comprehensively displaying surgical navigation information and neurosurgery information to assist a physician in diagnosing and treating various neuro-related diseases. In this regard, the present invention provides a number of surgical procedures such as spinal discectomy, spine reductions, disc replacements, joint replacements, scoliosis-related procedures, and a variety of others. Can provide benefits. The imaging-based surgical navigation and neurosurveillance integration system 10 allows the surgeon to monitor the trajectory of the instrument 14 on the monitor 12, preferably a surgical instrument that can facilitate the acquisition of neural information. Create and display visualizations of anatomy Data representing one or more pre-acquired images 16 is input to the computer 18. Computer 18 tracks the position of instrument 14 in real time using detector 20. The computer 18 then registers and displays the trajectory of the instrument 14 in real time with the pre-acquired images 16. An icon representing the trajectory of the instrument 14 is superimposed on the pre-acquired images 16 and displayed on the monitor 12. According to the surgeon's instructions, the real-time trajectory of the instrument 14 may be stored in the computer 18. In accordance with this command, a new stop icon is created on the display 12 indicating the trajectory of the instrument at the time of the surgical command. The surgeon can issue additional commands, with each command saving the real-time trajectory by default and creating a new stop icon on the display. The surgeon can override this default and choose not to display any stop icon. The surgeon can also perform multiple geometric measurements using real time and stored instrument trajectories.

또한 환자의 해부구조에 대하여 기구(14)의 궤도를 표시하고 저장하는 것 외에도, 컴퓨터 시스템(18)은 환자로부터 획득된 신경정보를 나타내는 지시자(indicator)에 의해 디스플레이(12) 상에 보이는 환자의 해부구조의 시각화를 업데이트한다. 이하에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 신경 지시자들(neurological indicators)은 특정한 해부학적 구조들의 컬러 코딩(color coding), 사전-획득된 영상들 또는 그 시각화에 중첩되는 문자 또는 그래픽 주석들, 또는 기타의 식별 마커들(identifying markers)을 포함할 수 있다. 본원에서 언급되는 환자의 해부구조의 시각화는 사전-획득된 영상들, 하나 이상의 사전-획득된 영상들로부터 유도되는 그래픽 표시(graphical representation), 도해 정보(atlas information) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.In addition to displaying and storing the trajectory of the instrument 14 relative to the anatomy of the patient, the computer system 18 also displays the patient's view on the display 12 by an indicator representing neural information obtained from the patient. Update the visualization of the anatomy. As described in more detail below, neuralological indicators may be used for color coding of specific anatomical structures, textual or graphical annotations superimposed on pre-acquired images or their visualizations, or otherwise. May include identifying markers. The visualization of the anatomy of the patient referred to herein may comprise pre-acquired images, graphical representation derived from one or more pre-acquired images, atlas information or a combination thereof. have.

도 2를 참조하면, 영상-기초의 수술용 내비게이션 및 신경감시 시스템(10)이 갖추어진 수술실(surgical suite: 22)이 도시된다. 테이블(26)에 누운 환자(24)가 C-암 영상화 장치(C-arm imaging device: 28)에 놓이면 환자(24)의 사전-획득된 영상들이 수집된다. 본원에서 사용되는 용어 "사전-획득된(pre-acquired)"은 임의의 지정된 시간 순서(time sequence)를 의미하지 않는다. 그러나, 바람직하게 상기 영상들은 수술 내비게이션이 수행되기 이전의 어떤 시점에 얻어진다. 통상적으로, 영상들은 해당되는 해부구조의 두 개의 실질적으로 직교하는 방향들, 예컨대 전-후방(anterior-posterior: A-P) 및 측방(lateral)에서 얻어진다. 상기 영상화 장치(28)는 x선 소스(x-ray source: 30) 및 x선 수용부(x-ray receiving section: 32)를 포함한다. x선 수용부(32)는 표적추적마커들(target tracking markers: 34)을 포함한다. C-암 영상화 장치(28)의 작동은 의사 또는 기타의 사용자에 의해 C-암 제어컴퓨터(C-arm control computer: 36)로 조절된다.Referring to FIG. 2, there is shown a surgical suite 22 equipped with an image-based surgical navigation and neurosurgery system 10. When the patient 24 lying on the table 26 is placed in a C-arm imaging device 28, pre-acquired images of the patient 24 are collected. As used herein, the term "pre-acquired" does not mean any designated time sequence. However, preferably the images are obtained at some point before surgical navigation is performed. Typically, the images are obtained in two substantially orthogonal directions of the corresponding anatomy, such as anterior-posterior (A-P) and lateral. The imaging device 28 includes an x-ray source 30 and an x-ray receiving section 32. The x-ray receiver 32 includes target tracking markers 34. Operation of the C-arm imaging device 28 is controlled by a doctor or other user with a C-arm control computer 36.

C-암 영상화 장치(28)는 환자(24)로부터 영상들을 획득하는 것으로 도시되지만, 기타의 영상화 장치들도 환자의 해부학적 및/또는 기능적 영상들을 획득하기 위하여 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 컴퓨터단층촬영술(computed tomography: CT), 자기공명(magnetic resonance: MR), 양전자방출단층촬영술(positron emission tomography: PET), 초음파, 및 단일광자방출컴퓨터단층촬영술(single photon emission computed tomography: SPECT)을 이용하여 영상들을 획득할 수 있다. O-암 영상화 시스템(O-arm imaging system)도 영상 획득용으로 사용될 수 있다. 또한 수술전에는 한 타입의 영상화 기법(imaging modality)에 의해 수술실(22)이 아닌 곳에서 영상들이 획득되고 수술전 또는 수술중에는 다른 타입의 영상화 기법에 의해 수술실(22)에서 영상들이 획득될 수 있다는 것을 고려하여야 한다. 이러한 다중-기법 영상들은 공지된 등록기술들(registration techniques)을 이용하여 등록될(registered) 수 있다.Although C-cancer imaging device 28 is shown to acquire images from patient 24, it should be understood that other imaging devices may also be used to obtain anatomical and / or functional images of the patient. For example, computed tomography (CT), magnetic resonance (MR), positron emission tomography (PET), ultrasound, and single photon emission computed tomography Images can be acquired using SPECT. O-arm imaging systems can also be used for image acquisition. It is also noted that images may be obtained in a non-operating room 22 by one type of imaging modality before surgery and images may be acquired in the operating room 22 by another type of imaging technique before or during surgery. Consideration should be given. Such multi-technological images can be registered using known registration techniques.

획득된 영상들은 컴퓨터(36)로 전송되며 다시 수술용 내비게이션 컴퓨터(18)로 전송될 수 있다. 컴퓨터(18)는 모니터(12)를 통해 수신된 영상들을 표시할 수 있다. 예를 들어 헤드 업 디스플레이(heads up displays)와 같은 기타의 장치들 역시 상기 영상들을 표시하기 위해 사용될 수 있다.The acquired images are transmitted to the computer 36 and again to the surgical navigation computer 18. Computer 18 may display images received via monitor 12. Other devices such as, for example, heads up displays can also be used to display the images.

도 2를 더욱 참조하면, 시스템(10)은 일반적으로 기구(14)의 실시간 추적을 수행하고 또한 수용부(32)의 위치 및 기준 프레임(reference frame: 38)의 위치를 추적할 수 있다. 디텍터(20)는 추적될 각각의 물체 상의 추적마커들의 존재를 탐지한다. 디텍터(20)는 이로부터 전송되는 신호들을 분석하여 디텍터 공간(detector space) 내에 각각의 물체의 위치를 판정하는 소프트웨어 모듈(software modules)에 의해 프로그램되는 컴퓨터(18)와 연결된다. 디텍터가 물체를 지정하는 방식은 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려져 있다.With further reference to FIG. 2, the system 10 generally performs a real time tracking of the instrument 14 and also tracks the position of the receptacle 32 and the position of the reference frame 38. The detector 20 detects the presence of tracking markers on each object to be tracked. The detector 20 is connected to a computer 18 programmed by software modules that analyze the signals transmitted therefrom and determine the position of each object in the detector space. The manner in which the detector designates an object is well known in the art.

일반적으로, 반사체들과 같은 부착되는 추적마커들(40)을 이용하는 광학 추적시스템(optical tracking system) (도시되지 않음)의 일부인 기구(14)가 디텍터에 의해 추적되어 디텍터 공간 내에서 3차원 위치가 판정된다. 컴퓨터(18)는 광학 추적시스템과 통신 연결되어 이러한 정보를 환자(24)의 사전-획득된 영상들과 통합하여, 외과수술이 시술될 때 외과의(42)에게 도움이 되는 디스플레이를 형성한다. 기구(14)의 궤도의 아이콘 표시는 사전-획득된 환자(24)의 영상과 동시에 겹쳐 모니터(12) 상에 표시된다. 이러한 방식으로, 외과의(42)는 환자의 해부구조에 대하여 실시간으로 기구의 궤도를 볼 수 있다.In general, an instrument 14, which is part of an optical tracking system (not shown) that uses attached tracking markers 40, such as reflectors, is tracked by the detector so that a three-dimensional position within the detector space is achieved. It is determined. The computer 18 is in communication with the optical tracking system to integrate this information with the pre-acquired images of the patient 24 to form a display that assists the surgeon 42 when the surgery is performed. An icon representation of the trajectory of the instrument 14 is displayed on the monitor 12 at the same time as the image of the pre-acquired patient 24. In this way, the surgeon 42 can see the trajectory of the instrument in real time with respect to the patient's anatomy.

도 2를 더욱 참조하면, 본 발명에 의한 시스템은 바람직하게는 동적인 기구(14)의 실시간 궤도를 저장할 수 있는 능력을 갖는다. 예를 들어 풋-스위치(foot-switch: 44)를 이용하여 명령을 내리면, 컴퓨터(18)는 신호를 수신하여 컴퓨터(18)의 기억장치에 기구의 실시간 궤도를 저장한다. 대안으로, 외과의 또는 기타의 사용자는 기구의 누름-버튼(push-button), 음성명령, 터치패드/터치스크린 입력 등과 같은 다른 입력장치들을 이용하여 명령을 내릴 수 있다. 이러한 "저장 명령(storage command)"은 또한 컴퓨터(18)가 저장된 기구의 궤도를 나타내는 새로운 정지 아이콘을 생성하게 하는데, 특히 입력이 수신된 때의 지점에 상기 아이콘을 "멈추게(freezing)" 한다. 정지 아이콘은 기구의 실시간 궤도를 나타내는 아이콘과 함께 사전-획득된 영상 위에 동시에 중첩될 수 있다. 다중 영상들이 표시된다면, 정지 및 실시간 아이콘 모두가 모든 표시 영상들에 중첩될 수 있다. 예를 들어 그래픽 사용자 인터페이스(graphical user interface: GUI)를 통한 저장명령을 내리는 기타의 수단이 역시 이용될 수 있다. 외과의는 다중 기구 궤도들을 저장할 수도 있다. 원하는 저장명령이 내려질 때 마다, 기구의 실시간 궤도들이 저장되고 상기 저장된 궤도를 나타내는 새로운 정지 아이콘이 사전-획득된 영상에 표시되고, 하나 이상의 영상이 표시된다면 사전-획득된 모든 영상들 상에 표시된다.With further reference to FIG. 2, the system according to the invention preferably has the ability to store the real time trajectory of the dynamic instrument 14. For example, using a foot-switch 44 to issue a command, the computer 18 receives the signal and stores the real-time trajectory of the instrument in the storage of the computer 18. Alternatively, the surgeon or other user can issue commands using other input devices such as push-buttons, voice commands, touchpad / touchscreen inputs, and the like. This "storage command" also causes the computer 18 to create a new stop icon representing the trajectory of the stored instrument, in particular "freezing" the icon at the point when the input was received. The still icon can be superimposed simultaneously on the pre-acquired image with an icon representing the real-time trajectory of the instrument. If multiple images are displayed, both still and real time icons can be superimposed on all the displayed images. Other means of issuing a store command, for example via a graphical user interface (GUI), may also be used. The surgeon may store multiple instrument trajectories. Whenever a desired save command is issued, the real-time trajectories of the instrument are stored and a new still icon representing the stored trajectory is displayed on the pre-acquired image and, if more than one image is displayed, on all the pre-acquired images. do.

본 발명에 의한 시스템은 바람직하게 미국특허 제6,920,347호에 설명된 것과 유사한 방식으로, 실시간 궤도와 하나 이상의 저장된 궤도들 사이, 또는 저장된 궤도들 사이의 각도들을 추가로 측정할 수 있고, 상기 특허의 전체내용은 참조에 의해 본원에 편입된다.The system according to the invention can further measure the angles between the real-time trajectory and one or more stored trajectories, or between the stored trajectories, preferably in a manner similar to that described in US Pat. No. 6,920,347, and the entirety of the patent The contents are incorporated herein by reference.

기구 궤도의 추적 및 저장 외에도, 설명되는 바와 같이, 환자로부터 신경정보가 얻어지며, 본 정보는 디스플레이(12) 상에 도시될 수 있는 볼 수 있는 형태로 나타날 수 있다. 예를 들어 사전-획득된 영상들 및 궤도 정보를 이용하여, 외과의(42)는 신경구조체를 포함하는 해부학적 부위로 안내되는 방식으로 기구(14)를 이동시킬 수 있고 그리고 나서 전극들 (도시되지 않음)과 함께 기구(14) 또는 기타의 신경자극장치(neurologically stimulating device)를 이용하여 신경구조체로부터 신경정보를 획득할 수 있다. 상기 획득된 신경정보는 컴퓨터(18)로 전송되고 신경구조체와 함께 신경정보를 등록하는데, 여기서 상기 신경정보는 신경구조체로부터 획득된 것이다. 기구(14)의 위치에 기초하여, 컴퓨터(18)는 자극되는 신경구조체의 위치를 판정하고 그리고 나서 디스플레이(12) 상에 상기 신경구조체의 시각화를 업데이트하여 획득된 신경정보를 나타내는 마커 또는 기타의 색인(indices)을 포함할 수 있다. 예를 들어 위치, 방향 및 신경 반응에 기초하여, 컴퓨터(18)는 자극된 신경구조체 군(class)을 판정하고 디스플레이(12) 상의 신경구조체의 시각화에 주석을 붙일 수 있다. 대안으로, 신경구조체는 이들 군 또는 기타의 정의된 특성들에 따라 디스플레이(12)의 시각화에 특정 컬러로 지정될 수 있다.In addition to tracking and storing instrument trajectories, neural information is obtained from the patient, as described, the information may appear in a viewable form that can be shown on the display 12. For example, using pre-acquired images and orbital information, surgeon 42 may move instrument 14 in a manner that is guided to an anatomical site that includes the neurostructure and then the electrodes (shown in FIG. Or other neurostimulating devices may be used to obtain neural information from the neurostructure. The obtained neural information is transmitted to a computer 18 and registers neural information with the neural structure, where the neural information is obtained from the neural structure. Based on the position of the instrument 14, the computer 18 determines the position of the stimulated neurostructure and then updates the visualization of the neural structure on the display 12 to indicate a marker or other representation of the neural information obtained. May contain indices. For example, based on location, orientation, and neural response, computer 18 may determine a stimulated group of neurostructures and annotate the visualization of the neurostructures on display 12. Alternatively, the neurostructures may be assigned to a particular color in the visualization of the display 12 according to these groups or other defined characteristics.

자극된 신경구조체를 특징짓는 것 외에도, 컴퓨터(18)는 신경구조체의 위치 정보와 함께, 신경의 구조를 예측할 수 있고 디스플레이(12)에 상기 예측된 구조를 외과의에게 그래픽으로 표시할 수 있다. 이러한 점에서, 신경 일부가 자극되지만 전체 신경구조체가 예측되고 그래픽으로 표시된다. 또한, 사전-획득된 영상들 및/또는 이들의 시각화들은 외과의에게 추적되는 기구에 대한 환자의 해부구조의 총괄적인 이해를 제공하고, 획득된 신경정보는 이러한 이해를 보충하여 신경구조체에 대한 더 정확한 이해를 돕는다. 따라서 신경구조체 위치를 측정함으로써 통합시스템은 특정 환자의 해부구조에 대한 외과의의 이해를 높인다. 외과의를 더욱 돕기 위하여, 신경구조체들의 국소화(localizing)를 통하여, 기구(14)가 신경구조체에 근접할 때 볼 수 있거나 또는 들을 수 있는 지시자들이 자동으로 컴퓨터(18)에 의해 외과의에게 주어질 수 있다. 또한, 상기 지시자들은 신경구조체의 군(class), 위치, 또는 기타의 특성과 일치하도록 맞추어질 수 있다.In addition to characterizing the stimulated neural structures, the computer 18, along with the location information of the neural structures, can predict the structure of the nerves and graphically display the predicted structures on the display 12 to the surgeon. In this regard, some nerves are stimulated but the entire neural structure is predicted and graphically displayed. In addition, the pre-acquired images and / or visualizations thereof provide the surgeon with a comprehensive understanding of the patient's anatomy of the instrument being tracked, and the acquired neuroinformation supplements this understanding to provide a more accurate view of the neurostructure. Help understanding Thus, by measuring neural structures, the integrated system enhances the surgeon's understanding of the anatomy of a particular patient. To further assist the surgeon, through localizing the neurostructures, indicators that can be seen or heard when the instrument 14 is in close proximity to the neurostructure can be automatically given to the surgeon by the computer 18. In addition, the indicators can be tailored to match the class, location, or other characteristics of the neurostructure.

음성인식 소프트웨어 및 하드웨어 또는 기타의 입력장치들을 이용하여 외과의(42) 또는 기타의 사용자는 신경 반응이 측정된 신경구조체에 관한 기록들(notes)을 추가할 수 있다. 그리고 나서 이러한 기록들은 컴퓨터(18)의 기억장치에 저장될 수 있다. 일구현예에서, 외과의(42)는 헤드폰(headphone: 46) 및 마이크(microphone: 48)을 착용하여 손을 쓰지 않고 외과수술에서 기록할 수 있다. 이하에서 더욱 설명되는 바와 같이, 컴퓨터(18)는 헤드폰 또는 기타의 스피커들에 연결된 오디오 시스템을 통하여 외과의에게 주문형 오디오 정보(on-demand audio information)를 제공할 수 있다.Using speech recognition software and hardware or other input devices, the surgeon 42 or other user can add notes about the neural structure from which the neural response was measured. These records can then be stored in the storage of computer 18. In one embodiment, the surgeon 42 may wear headphones (headphone 46) and microphone (48) to record in a surgical operation without using a hand. As will be described further below, the computer 18 may provide on-demand audio information to the surgeon through an audio system connected to headphones or other speakers.

이제 도 3을 참조하면, 수술용 내비게이션 및 신경감시 통합시스템(10)의 블록도가 도시된다. 컴퓨터(18)는 디스플레이 모니터(12)의 디스플레이 스크린(display screen)과 함께 운영되는 그래픽 사용자 인터페이스 시스템을 포함한다. 그래픽 사용자 인터페이스 시스템은 컴퓨터(18)를 작동시키는 운영체제(operating system: 46)와 함께 구현된다. 그래픽 사용자 인터페이스는 컴퓨터(18)의 일부분으로서 구현되어 키보드, 마우스, 광봉(lightwand), 터치패드, 터치스크린, 음성인식 모듈, 풋 스위치, 조이스틱(joystick) 등과 같은 사용자 인터페이스(user interface: 47)로부터 입력 데이터 및 명령들을 수신한다. 도면 및 설명의 간결성을 위하여, 어드레스 버퍼(address buffer), 메모리 버퍼(memory buffer) 및 기타의 표준제어회로들(standard control circuits)과 같은 종래 컴퓨터의 다수의 구성요소들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지된 구성이며 이들에 관한 설명은 본 발명을 이해함에 있어 필요하지 않으므로 설명되지 않을 것이다.Referring now to FIG. 3, shown is a block diagram of a surgical navigation and neurosurgery integration system 10. Computer 18 includes a graphical user interface system that operates in conjunction with a display screen of display monitor 12. The graphical user interface system is implemented with an operating system 46 for operating the computer 18. The graphical user interface may be implemented as part of the computer 18 from a user interface 47 such as a keyboard, mouse, lightwand, touchpad, touchscreen, voice recognition module, foot switch, joystick, or the like. Receives input data and commands. For simplicity in the drawings and description, many components of a conventional computer, such as address buffers, memory buffers, and other standard control circuits, are known in the art. Known configurations and descriptions thereof will not be described as they are not necessary to the understanding of the invention.

본 발명의 다양한 단계들을 구현하기 위한 컴퓨터 프로그램은 일반적으로 기억장치(memory unit: 48)에 위치되고, 본 발명의 프로세스들은 중앙처리장치(central processing unit: CPU)(50)에 의해 수행된다. 기억장치(48)는 롬(read-only memory)과 램(random access memory)을 나타낸다. 상기 기억장치는 본 발명에서 사용되는 저장된 기구의 위치들, 확장수치들(extension values), 및 기하학적 변환 파라미터들(geometric transform parameters)과 같은 정보를 포함하는, 예를 들어 영상 데이터 및 테이블들과 같은 데이터를 저장하는 데이터베이스(database: 52)를 역시 포함한다. 또한 데이터베이스(52)는, 감시된 신경구조체의 정량적 및 정성적 평가와 같은 데이터를 저장하는데 이용될 수 있다. 상기 기억장치는, 외과의 또는 기타의 사용자가 진단 및 치료에 활용할 수 있도록 수술전, 수술중, 또는 수술후에 이용할 수 있는 예를 들어 외과수술, 전반적인 해부학적 구조 정보, 비디오, 공개물, 설명서, 발표물, 해부학적 설명도, 수술 안내서 등과 관련된 데이터를 저장하는 기술 데이터 데이터베이스(technical data database: 53)를 더 포함할 수 있다. 또한 통신 소프트웨어 모듈(communication software module: 60)이 기억장치(48)에 포함되어 모뎀(modem: 62)을 통해 원격 데이터베이스, 예컨대 기술 데이터 데이터베이스(64)와 컴퓨터(18)가 용이하게 통신될 수 있다.Computer programs for implementing the various steps of the present invention are generally located in a memory unit 48 and the processes of the present invention are performed by a central processing unit (CPU) 50. Memory 48 represents read-only memory and random access memory. The storage device contains information such as the positions of the stored instrument, extension values, and geometric transform parameters used in the present invention, such as image data and tables, for example. It also includes a database (database: 52) that stores data. Database 52 may also be used to store data, such as quantitative and qualitative assessments of monitored neurostructures. The memory device may be used, for example, for surgery, general anatomical structure information, videos, publications, instructions, or the like that may be used by a surgeon or other user for diagnosis and treatment. It may further include a technical data database 53 for storing data related to presentations, anatomical diagrams, surgical guides, and the like. A communication software module 60 is also included in the storage 48 so that the remote database, such as the technical data database 64 and the computer 18, can be easily communicated via a modem 62. .

영상 보관 데이터베이스(image archival database) 및 기술 데이터 데이터베이스의 단일한 표현들은 단지 예시적인 목적으로 이해되고, 이러한 시스템에 다중 데이터베이스들이 요구된다고 가정된다. 또한, 컴퓨터(18)는 네트워크 (도시되지 않음)을 통하여 데이터베이스에 액세스할 수 있다. 본 발명에 의하면, 공중의, 개방형, 전용, 사설 네트워크 등 임의의 허용가능한 네트워크가 적용될 수 있다. 상기 네트워크에 대한 통신 회선(communications links)은 종래의 전화선, 광섬유, 케이블 모뎀 회선(cable modem links), 디지털 가입자 회선(digital subscriber lines), 무선데이터 전송시스템(wireless data transfer systems) 등을 포함하는 임의의 허용가능한 타입일 수 있다. 이러한 점에서, 컴퓨터(18)에는 공지 디자인의 통신 인터페이스(communications interface) 하드웨어(62) 및 소프트웨어(60)가 제공되어 네트워크를 연결하고 데이터베이스들 사이에 데이터를 교환한다.Single representations of an image archival database and a technical data database are understood for illustrative purposes only, and it is assumed that multiple databases are required for such a system. In addition, the computer 18 may access a database via a network (not shown). According to the present invention, any acceptable network may be applied, such as a public, open, dedicated, private network. Communications links to the network may include any conventional telephone line, optical fiber, cable modem links, digital subscriber lines, wireless data transfer systems, and the like. It may be an acceptable type of. In this regard, the computer 18 is provided with communications interfaces hardware 62 and software 60 of known design to connect networks and exchange data between databases.

운영체계(46), 추적 소프트웨어 모듈(tracking software module: 54), 보정소프트웨어 모듈(calibration software module: 56), 디스플레이 소프트웨어 모듈(display software module: 58), 통신 모듈(communication module: 60) 및 신경감시 소프트웨어 모듈(neuromonitoring software module: 66)을 포함하는 컴퓨터 소프트웨어와 조합되어 CPU(50)는 시스템(10)의 작동 및 프로세스를 제어한다. CPU(50)에 의해 구현되는 프로세스들은 전기 신호로서 버스(bus: 68)를 따라 I/O 인터페이스(70) 및 비디오 인터페이스(video interface: 72)로 통신될 수 있다. 사용자 인터페이스(47)로 연결되는 것에 더하여, I/O 인터페이스는 프린터(printer: 74), (원격 또는 로컬) 영상 보관소(image archive: 76), 및 오디오 (스피커) 시스템(78)과 연결된다.Operating system 46, tracking software module 54, calibration software module 56, display software module 58, communication module 60 and neural monitoring In combination with computer software, including a software module 66, the CPU 50 controls the operation and processes of the system 10. Processes implemented by the CPU 50 may be communicated to the I / O interface 70 and the video interface 72 along the bus 68 as electrical signals. In addition to being connected to the user interface 47, the I / O interface is connected to a printer 74, a (remote or local) image archive 76, and an audio (speaker) system 78.

추적 소프트웨어 모듈(54)은 본원에 설명되고 본 발명이 속하는 기술분야의 기술자들에게 공지된 영상 유도 시스템(image guided system)에서 물체들을 추적하기 위한 프로세스들을 수행한다. 보정 소프트웨어 모듈(56)은 기하학적 변환을 계산하여 영상 왜곡들을 보정하고 영상들을 해부학적 기준 프레임(38), 및 결국에는 환자의 해부구조에 등록한다.The tracking software module 54 performs processes for tracking objects in an image guided system described herein and known to those skilled in the art. Correction software module 56 calculates geometric transformations to correct image distortions and register the images in an anatomical frame of reference 38, and eventually in the anatomy of the patient.

디스플레이 소프트웨어 모듈(58)은 가이드 추적마커들(guide tracking markers: 40)과 기구(14) 사이의 오프셋(offsets)을 적용하고, 필요하다면 상기 오프셋을 계산하여 영상들 위에 중첩되는 기구의 궤도를 나타내는 아이콘을 생성한다. 길이와 각도가 고정된 기구에 대하여, 이러한 오프셋은 한번 측정되어 데이터베이스(52)에 저장될 수 있다. 그리고 나서 사용자는 어느 하나가 시술에 이용되는 기구들의 리스트로부터 선택하고 적합한 오프셋이 디스플레이 소프트웨어 모듈(58)에 의해 적용된다. 길이와 각도가 가변인 기구에 대하여, 오프셋은 수작업으로 측정되어 키보드(47)에 의해 입력되거나, 추적 포인터(tracked pointer) (도시되지 않음) 또는 추적 등록 지그(tracked registration jig) (도시되지 않음)와 함께 측정될 수 있다.The display software module 58 applies offsets between the guide tracking markers 40 and the instrument 14 and calculates the offset if necessary to indicate the trajectory of the instrument superimposed on the images. Create an icon. For instruments of fixed length and angle, this offset may be measured once and stored in the database 52. The user then selects one from the list of instruments used for the procedure and the appropriate offset is applied by the display software module 58. For instruments of varying length and angle, the offset is manually measured and entered by the keyboard 47, or a tracked pointer (not shown) or a tracked registration jig (not shown). Can be measured together with.

영상 데이터베이스(52)에 로컬로 저장되거나 영상보관소(76)에 원격으로 저장된 사전-획득된 영상 데이터는 I/O 인터페이스(70)를 통하여 디지털화되어 컴퓨터(18)로 직접 전송되거나 비디오 인터페이스(72)를 통하여 비디오 데이터로서 공급될 수 있다. 또한, 기억장치에 저장되는 것으로 도시된 아이템들 역시, 기억장치 용량이 부족하면 적어도 부분적으로 하드디스크 (도시되지 않음) 또는 플래시 메모리(flash memory)와 같은 기타의 기억장치에 저장될 수 있다. 또한 명백하게 도시되지 않았으나, 영상 데이터는 네트워크를 거쳐, 하드 드라이브, 광디스크들, 테이프 드라이브들(tape drives) 또는 임의의 다른 타입의 데이터 전송 및 저장 장치들과 같은 대용량 저장장치를 통하여 제공될 수 있다.Pre-acquired image data stored locally in image database 52 or remotely in image archive 76 may be digitized via I / O interface 70 and transmitted directly to computer 18 or video interface 72. Via video data. In addition, items that are shown to be stored in storage may also be stored at least partially in other storage devices, such as hard disks (not shown) or flash memory if the storage capacity is insufficient. Also not explicitly shown, image data may be provided via a network and through mass storage devices such as hard drives, optical disks, tape drives or any other type of data transmission and storage devices.

상술된 모듈들 및 인터페이스들 이외에, 컴퓨터(18)는 기구 내비게이션 인터페이스(instrument navigation interface: 82) 뿐만 아니라 신경감시 인터페이스(neuromonitoring interface: 80)를 포함한다. 신경감시 인터페이스(80)는 환자(24)에 근접된 전극들(electodes: 84)로부터 전기신호들을 수신한다. 상기 전기신호들은 기구(14) 또는 기타의 전기자극 프로브(electrostimulating probe) (도시되지 않음)에 의해 환자의 신경구조체에 인가된 전기자극에 반응하는 전극들(84)에 의해 탐지된다. 본 실시예에서, 전극들은 근전도검사(electromyography: EMG) 전극들이며 신경자극에 대한 근육반응들을 기록한다. 대안으로, 기타의 신경감시 기법들, 예를 들어 운동유발전위(motor evoked potentials: MEP) 신경감시 및 체성감각유발전위(somatosensory evoked potentials: SSEP) 신경감시 기법을 이용할 수 있다. 자극 제어기(stimulator control: 86)는 기구(14)와 인터페이스로 연결되어 기구(14)에 의해 인가되는 자극의 강도, 방향 및 패턴을 제어한다. 원하는 자극 특성을 정하는 입력은 입력 인터페이스(input interface: 47)를 통해 또는 기구(14) 자체에서 외과의 또는 기타의 사용자에 의해 주어질 수 있다.In addition to the modules and interfaces described above, the computer 18 includes an instrument navigation interface 82 as well as a neuromonitoring interface 80. The neurosurgery interface 80 receives electrical signals from electrodes 84 in proximity to the patient 24. The electrical signals are detected by electrodes 84 in response to an electrical stimulus applied to the neurostructure of the patient by instrument 14 or other electrostimulating probe (not shown). In this example, the electrodes are electromyography (EMG) electrodes and record muscle responses to neurostimulation. Alternatively, other neurosurveillance techniques can be used, such as motor evoked potentials (MEP) neuromonitoring and somatosensory evoked potentials (SSEP) neurosurveillance techniques. A stimulator control 86 is interfaced with the instrument 14 to control the intensity, direction, and pattern of the stimulus applied by the instrument 14. Input defining the desired stimulus characteristics may be given by a surgeon or other user through an input interface 47 or in the instrument 14 itself.

상술된 바와 같이, 통합시스템(10) 역시 마커, 반사체 또는 기타의 추적장치들을 이용하여 기구(14) (및 환자(24))의 실시간 추적을 수행한다. 대안으로, 기구는 상기 기구의 위치 또는 방향을 판정하기 위한 추적장비(tracking equipment)와 통신되는 신호 이미터들(signal emitters)와 같은 능동장치들(active devices)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 이미터는 적외선, RF 또는 기구를 추적하는 다른 신호들을 방사할 수 있다. 일실예에서, 기구(14)는 마커들(40)을 포함하고 이의 운동은 카메라 또는 기타의 공지된 추적장비를 포함하는 기구 추적기(instrument tracker: 88)에 의해 추적된다. 유사하게, 환자는 마커 또는 반사체를 포함하여 환자의 운동이 추적될 수 있다. 전기자극을 인가하기 위하여, 기구(14)는 전력공급장치(power supply: 90)에 연결된다. 도시되는 바와 같이, 기구(14)는 자체 수용된 배터리에 의해, 컴퓨터 캐비닛(computer cabinet)에 수용된 전력공급장치에 의해 또는 유도되어 전력이 공급될 수 있다. 따라서, 이미터들 또는 송신기들과 같은 능동장치들이 추적을 위해 이용된다면 이들 장치들은 유사하게 젼력이 공급될 수 있다.As described above, the integrated system 10 also performs markers, reflectors or other tracking devices to perform real time tracking of the instrument 14 (and the patient 24). Alternatively, the instrument may include active devices such as signal emitters in communication with tracking equipment for determining the position or orientation of the instrument. For example, the emitter can emit infrared, RF or other signals that track the instrument. In one embodiment, the instrument 14 includes markers 40 and its movement is tracked by an instrument tracker 88 that includes a camera or other known tracking device. Similarly, a patient can include a marker or reflector to track the patient's movement. In order to apply electrical stimulation, the instrument 14 is connected to a power supply 90. As shown, the instrument 14 may be powered by a self-contained battery, a power supply housed in a computer cabinet, or induced. Thus, if active devices such as emitters or transmitters are used for tracking, these devices can be powered similarly.

수술용 내비게이션 및 신경감시 통합시스템은 외과의가 환자의 해부구조에 대한 기구의 시각화를 통하여 기구 예컨대 수술용 도구, 프로브 또는 기타의 기구를 조종하는 것을 돕도록 설계된다. 본원에 설명된 바와 같이, 추적 도구들 및 기법들을 이용하여, 환자의 해부구조에 대한 기구의 실시간 위치 및 방향 정보가 환자의 해부학적, 기능적 또는 유도된 영상에 중첩될 수 있다. 외과의가 기구 추적하는 것을 돕는 것에 더하여, 통합시스템(10)은 신경구조체의 위치 및 완전성을 평가하기 위한 신경감시 역시 수행한다. 이러한 점에서, 외과의는 기구를 바람직한 지점으로 이동시키고 디스플레이(12)로 환자의 해부구조에 대한 기구의 배치를 보면서 기구에 근접된 신경구조체에 전기자극을 인가하여 전기자극에 대한 반응을 측정한다. 수집된 이러한 신경정보는 그래픽 또는 문자 주석, 신경구조체의 컬러 또는 기타의 코딩, 또는 전기자극의 인가로부터 수집된 신경정보를 사람이 식별할 수 있는 형태로 전달할 수 있는 표지법(labeling techniques)을 통하여 환자의 해부구조의 시각화에 추가될 수 있다. 또한 통합시스템은 예를 들어 주요 신경구조체와 같은 환자의 해부구조를 시각화하고 상기 환자의 해부구조를 위치 또는 완전성과 관련하여 외과의에게 도움을 준다. 도 4-5에 대하여 도시된 바와 같이, 그래픽 사용자 인터페이스는 수술용 내비게이션 정보 및 신경감시 정보와의 상호작용을 용이하게 전달하기 위하여 사용된다.Surgical navigation and neurosurgery integration systems are designed to help surgeons manipulate instruments such as surgical instruments, probes or other instruments through visualization of the instrument to the patient's anatomy. As described herein, using tracking tools and techniques, real-time position and orientation information of the instrument with respect to the patient's anatomy may be superimposed on the patient's anatomical, functional or derived image. In addition to helping the surgeon track the instrument, the integrated system 10 also performs neurosurgery to assess the position and integrity of the neurostructure. In this regard, the surgeon measures the response to the electrical stimulus by moving the instrument to a desired point and applying electrical stimulation to the nerve structures proximate the instrument while viewing the placement of the instrument relative to the patient's anatomy with the display 12. The collected neural information may be transferred to the patient through labeling techniques that can convey neural information collected from graphic or text annotations, color or other coding of neural structures, or the application of electrical stimulation in a form that can be identified by a human. It can be added to the visualization of anatomy of. The integrated system also visualizes the anatomy of the patient, such as, for example, the major neural structures, and assists the surgeon in positioning the patient's anatomy with respect to location or integrity. As shown with respect to Figures 4-5, a graphical user interface is used to easily communicate the interaction with surgical navigation information and neurosurgery information.

이제 도 4를 참조하면, 외과의가 예를 들어 프로브 또는 뼈 드라이버와 같은 수술용 도구를 조종하는 것을 돕도록 설계된 그래픽 사용자 인터페이스(92)가 도시된다. 도시된 실시예에서, 그래픽 사용자 인터페이스(92)는 영상부(image portion: 94) 및 메뉴부(menu portion: 96)로 두갈래진다(bifurcate). 도시된 실시예에서, 영상부는 각각 환자의 해부구조의 관상 영상(coronal image), 시상 영상(sagittal image) 및 축 영상(axial image)을 가지는 3개의 영상 구획들(image panes: 98, 100, 102)을 포함한다. 영상부는 렌더링 구획(rendering pane: 104)을 역시 포함한다. 메뉴부(96)는 선택적 링크를 제공하며, 외과의에 의해 선택되면 영상 구획들(98, 100, 102)에 표시되는 것들 또는 환자로부터 획득된 기타의 데이터와의 연결을 가능하게 한다.Referring now to FIG. 4, a graphical user interface 92 is shown that is designed to assist the surgeon in manipulating surgical instruments such as, for example, probes or bone drivers. In the illustrated embodiment, the graphical user interface 92 is bifurcate into an image portion 94 and a menu portion 96. In the illustrated embodiment, the imaging section comprises three image panes 98, 100 and 102 each having a coronal, sagittal and axial image of the patient's anatomy. ). The image portion also includes a rendering pane 104. The menu portion 96 provides an optional link and, when selected by the surgeon, enables connection with those displayed in the image compartments 98, 100, 102 or other data obtained from the patient.

영상 구획들은 외과의가 기구를 추적하도록 해부학적 지도(map) 및 구조(framework)를 제공하고, 포인터(pointer: 106)에 의해 표현되어 표시될 수 있다. 본원에 설명된 통합시스템은 기구의 움직임을 추적하여 구획들(98, 100, 102)에 포함된 영상들에 중첩되는 포인터의 위치의 실시간 시각화를 제공한다. 표시된 영상들은 환자로부터 획득된 하나 이상의 진단 영상들, 도해 모델(atlas model) 또는 이들의 조합에서 유도될 수 있음을 유의한다. 기구가 환자의 해부구조에 대하여 이동되면 영상 구획들에 표시되는 영상들은 자동으로 업데이트되어 상기 기구의 순간 위치는 포인터(106)를 통해 외과의에게 위치 정보를 제공한다.The image compartments provide an anatomical map and framework for the surgeon to track the instrument and can be represented and displayed by a pointer 106. The integrated system described herein tracks the movement of the instrument to provide real time visualization of the position of the pointer superimposed on the images contained in the compartments 98, 100, 102. Note that the displayed images can be derived from one or more diagnostic images, an atlas model, or a combination thereof obtained from the patient. As the instrument is moved relative to the patient's anatomy, the images displayed in the image compartments are automatically updated so that the instantaneous position of the instrument provides position information to the surgeon via pointer 106.

더욱이, 통합시스템은 수술기구 내비게이션 및 신경감시 양자 모두를 제공하므로, 영상 구획들 및 포인터(106)에 의해 제공되는 위치 피드백(positional feedback)을 통하여 신경감시를 위한 신경구조체를 분리시켜 외과의에게 도움을 줄 수 있다. 즉, 영상 구획들(98, 100, 102)에 포함된 영상들로부터 신경 위치에 대한 전체적 이해가 가능하다. 구획들을 시각적으로 관찰하여, 외과의는 신경구조체에 근접하게 기구를 이동시켜 전기자극을 인가하고 신경 반응을 측정한다. 이러한 신경 반응은, 공지된 신경감시기법과 동일한 방식으로 신경구조체의 완전성을 평가하기 위하여 이용될 수 있다. 또한 신경정보는 자극된 신경구조체의 위치를 보다 정확하게 지정하기 위하여 이용될 수 있다. 예를 들어 환자의 해부구조의 시각화, 예컨대 구획들(98, 100, 102)에 포함된 영상들은 해부학적 위치, 방향 및 지점에 대한 전반적인 이해를 제공한다. 이후 자극된 신경구조체의 신경 반응은 컬러-코딩(color-coding) 또는 기타의 색인을 이용하여 환자의 해부구조에 신경구조체의 위치 및 방향을 정확하게 나타내기 위하여 이용될 수 있다.Moreover, the integrated system provides both surgical instrument navigation and neurosurgery, thereby separating the neural structures for neurosurgery through positional feedback provided by the imaging compartments and the pointer 106 to assist the surgeon. Can give In other words, it is possible to understand the whole nerve position from the images included in the image partitions 98, 100, 102. By visually observing the compartments, the surgeon moves the instrument in close proximity to the nervous structure to apply electrical stimulation and to measure the nervous response. This neural response can be used to assess the integrity of the neurostructure in the same manner as known neurosurveillance methods. Neural information can also be used to more accurately specify the location of the stimulated neural structure. For example, visualization of the anatomy of the patient, such as images included in the compartments 98, 100, 102, provides a general understanding of anatomical position, orientation, and location. The neuronal response of the stimulated neurostructure can then be used to accurately indicate the location and orientation of the neurostructure in the anatomy of the patient using color-coding or other indices.

더욱이, 신경구조체의 전반적인 지점 및 그의 국부적 위치에 기초하여, 신경구조체의 평가가 개선될 수 있다. 즉, 컴퓨터는 외과의가 신경구조체에 근접하게 기구를 이동시킴에 따라 나타나는 신경구조체의 측정된 응답 및 그의 위치 정보를 이용하여, 측정된 응답과 데이터베이스에 포함된 데이터를 비교하여 측정된 응답이 예상과 일치하는지를 판정할 수 있다.Moreover, based on the overall location of the neurostructure and its local location, the assessment of the neurostructure can be improved. That is, the computer compares the measured response with the data contained in the database using the measured response of the neural structure and its location information as the surgeon moves the instrument in close proximity to the neural structure. Can be determined.

완전성 평가 및 위치 국소화(positional localization) 이외에, 내비게이션 정보 및 신경감시 정보를 종합하면 신경 지도(neural maps)를 개발할 수 있다. 즉, 반복된 기구의 움직임 및 신경감시를 통하여, 조합된 정보는 통합되어 신경구조체 위치를 지정하고, 위치 및/또는 응답에 기초하여 이들 신경구조체들을 분류하고, 색 또는 기타의 색인을 통하여 환자의 신경학적, 해부학적으로 구동된 지도를 코딩할 수 있다.In addition to completeness assessment and positional localization, neural maps can be developed by integrating navigation information and neurosurgery information. That is, through repeated instrumental movements and neurosurgery, the combined information is integrated to position the neural structures, classify these neural structures based on position and / or response, and identify the patient through color or other indexes. Map neurologically and anatomically driven maps.

도시된 실시예에서, 기구의 팁(tip)은 포인터(106)에 의해 표현됨을 유의한다. 그러나 팁, 후부(hind) 또는 전체의 기구 표현들 역시 내비게이션에서 사용될 수 있다. 또한 동일한 해부구조이지만, 상이한 관점에서 3개의 영상들이 도시되나, 다른 영상 디스플레이 접근들도 가능하다.Note that in the illustrated embodiment, the tip of the instrument is represented by the pointer 106. However, tip, hind or whole instrumental representations can also be used in navigation. Three images are also shown with the same anatomy, but from different perspectives, but other image display approaches are possible.

도 4를 참조하면, 영상 구획들(104) 중 하나는 신경구조체 다발(neural structure bundle: 108)과 같은 환자의 해부구조에 대한 3차원 렌더링(rendering)을 위한 것이다. 렌더링은 환자의 해부구조의 다-각도 영상들, 도해 정보 또는 이들의 조합을 등록하여 형성될 수 있다. 실제로, 외과의는 기구를 표적(target) 해부학적 구조에 근접하게 위치시킨다. 그리고 외과의는 필요하다면 메뉴(96)의 "3D 렌더링" 탭(110)을 선택한다. 이러한 선택에 따라, 컴퓨터는 포인터(106)의 위치를 결정하고 포인터에 의해 "지정된(pointed at)" 해부학적 구조의 3D 렌더링을 생성한다. 이러한 방식으로, 외과의는 해부학적 특징을 선택하고 그래픽 사용자 인터페이스(92)에서 시각적으로 3D 렌더링으로 상기 해부학적 특징을 검사할 수 있다.4, one of the image compartments 104 is for three-dimensional rendering of the anatomy of the patient, such as a neural structure bundle 108. The rendering may be formed by registering multi-angle images of the patient's anatomy, graphic information or a combination thereof. In practice, the surgeon positions the instrument proximate to the target anatomical structure. The surgeon then selects the “3D Rendering” tab 110 of the menu 96 if necessary. According to this selection, the computer determines the location of the pointer 106 and generates a 3D rendering of the anatomical structure “pointed at” by the pointer. In this manner, the surgeon can select an anatomical feature and examine the anatomical feature visually in 3D rendering in a graphical user interface 92.

또한 상기에서 참조한 바와 같이, 통합시스템은 하나 이상의 데이터베이스들에 포함된 기술 라이브러리(technical library)를 유지하거나 이에 대해 액세스할 수 있다. 외과의는 "기술 데이터(technical data)" 탭(112)을 선택하여 기술 데이터에 액세스할 수 있다. 이러한 선택으로, 컴퓨터는 메뉴(96)에서 이용가능한 리소스들 (도시되지 않음)을 표시할 수 있다. 다른 창이 표시될 수도 있으나, 바람직한 구현으로는 단일 그래픽 사용자 인터페이스가 사용되어 내비게이션 영상 위에 스크린 및 창의 중첩을 피하는 것이다. 기술 리소스들(technical resources)은 인터넷 웹 페이지, 인트라넷 웹 페이지(intranet web pages), 게시물, 공개물, 발표물, 지도, 설명서 등과의 연결을 포함할 수 있다. 또한 바람직한 일실시예에서, 리소스들의 리스트는 외과의가 기술 데이터 탭(112)을 선택하는 경우 주어진 기구의 위치에 맞추어진다. 따라서 외과수술 과정에서 효율적으로 기술 리소스 정보에 대해 액세스될 수 있다.As also referenced above, the integrated system may maintain or access a technical library contained in one or more databases. The surgeon may select the "technical data" tab 112 to access technical data. With this choice, the computer can display the resources (not shown) available in the menu 96. Other windows may be displayed, but a preferred implementation is to use a single graphical user interface to avoid superimposing screens and windows on the navigation image. Technical resources may include links to Internet web pages, intranet web pages, posts, publications, presentations, maps, instructions, and the like. Also in a preferred embodiment, the list of resources is tailored to the location of a given instrument when the surgeon selects the technical data tab 112. Thus, technical resource information can be efficiently accessed during the surgical procedure.

메뉴(96)는 추적기 부-메뉴(tracker sub-menu: 114) 및 주석 부-메뉴(annotation sub-menu: 116)를 역시 포함한다. 도시된 실시예에서, 추적기 부-메뉴(114)는 "현재(current)" 탭(118), "과거 궤도(past trajectory) 탭(120) 및 "예측 궤도(anticipated trajectory)" 탭 122를 포함하며 기구 내비게이션 정보를 표시하는 주문형 보기 옵션들(on-demanded view options)을 제공한다. 사용자가 탭 118을 선택하면 도구의 현재 위치가 영상 구획들에 표시된다. 사용자가 탭 120을 선택하면 기구의 이동 궤도(traveled trajectory)가 표시된다. 사용자가 탭 122를 선택하면 기구의 헤드의 현재 위치에 기초하여 예측 궤도가 표시된다. 하나 이상의 탭들이 활성되거나 동시에 선택될 수 있음이 고려된다.The menu 96 also includes a tracker sub-menu 114 and an annotation sub-menu 116. In the illustrated embodiment, the tracker sub-menu 114 includes a "current" tab 118, a "past trajectory tab 120" and a "anticipated trajectory" tab 122 Provides on-demanded view options to display instrument navigation information: When the user selects tab 118, the current position of the tool is displayed in the image panes. The traveled trajectory is displayed The predicted trajectory is displayed based on the current position of the head of the instrument when the user selects tab 122. It is contemplated that one or more tabs may be active or selected at the same time.

주석 부-메뉴(116)는 "새로 만들기(New)" 탭(124), "보기(View)" 탭(126) 및 "편집하기(Edit)" 탭(128)을 포함한다. 탭들(123, 126, 128)은 외과수술 및 해부학적 및 신경 관찰들과 관련한 주석들을 만들고, 보고 및 편집하는 것을 용이하게 한다. 이러한 점에서, 외과의는 특정 외과수술 또는 신경구조체, 그 위치, 완전성 또는 신경응답과 같은 해부학적 관찰에 대한 전반적인 주석을 달거나 기록을 할 수 있다. 바람직한 일실시예에서, 주석이 만들어질 때 컴퓨터는 자동으로 상기 주석을 기구의 위치와 관련시킨다. 따라서 외과수술 과정에서 주석이 만들어지고 신경구조체 또는 기타의 구조체와 관련될 수 있다. 또한 "보기" 탭(126)을 누름으로써 컴퓨터는 주석 리스트(list)가 구획(116)에 나타나도록 할 수 있다. 대안으로, 또는 이에 더하여, 신경구조체와 관련된 주석들은 신경구조체에 근접하게 기구를 위치시켜 보여질 수 있을 것이다. 마우스-오버 기법(mouse-over technique)과 유사하게, 주석이 달린 신경구조체에 근접하게 기구를 위치시키는 경우 이러한 특징이 활성된다면 임의의 이전 주석들이 자동으로 나타날 것이다.Annotation sub-menu 116 includes a "New" tab 124, a "View" tab 126, and an "Edit" tab 128. Tabs 123, 126, 128 facilitate the creation, viewing and editing of annotations relating to surgical procedures and anatomical and neurological observations. In this regard, the surgeon may annotate or record an overall observation of an anatomical observation, such as a particular surgical procedure or neurostructure, its location, completeness, or nerve response. In one preferred embodiment, the computer automatically associates the annotation with the location of the instrument when the annotation is made. Thus, annotations may be made during surgery and associated with neural structures or other structures. In addition, by clicking on the “View” tab 126, the computer can cause the list of annotations to appear in the pane 116. Alternatively, or in addition, annotations associated with the neurostructure may be shown by positioning the instrument in proximity to the neurostructure. Similar to the mouse-over technique, any previous annotations will automatically appear if this feature is activated when the instrument is placed close to an annotated neurostructure.

일반적인 예를 들어 환자정보 탭(patient information tab: 130) 또는 특정 기타의 탭 및 셀렉터(selector)가 메뉴 구획(96) 내에 편입될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한 메뉴 구획(96)의 제시 및 배열은 단지 고려된 하나의 실시예일 뿐이라는 것을 이해하여야 한다.It should be appreciated that a patient example tab 130 or certain other tabs and selectors may be incorporated into the menu pane 96 as a general example. It should also be understood that the presentation and arrangement of menu compartment 96 is just one embodiment contemplated.

이제 도 5를 참조하면, 기구 추적을 더욱 도시한 영상 구획(102)이 도시된다. 상술된 바와 같이, 사용자가 적절한 입력 탭을 선택하면 기구의 순간 위치가 포인터(106)의 국소화를 통해 환자의 해부구조에 대하여 보여질 수 있다. 또한 도 4의 메뉴(96)의 "과거 궤도(past trajectory)" 탭(120)이 선택되면 기구의 과거 또는 이동 궤도가 점선으로 된 궤도선(trajectory line: 132)로 도시된다. 유사하게, 예측 궤도(134) 역시 상기 기구의 첨단부 또는 선단의 순간적인 위치 및 방향에 기초하여 환자의 해부구조에 대해 보여질 수 있다.Referring now to FIG. 5, an image compartment 102 is shown that further illustrates instrument tracking. As described above, when the user selects the appropriate input tap, the instantaneous position of the instrument can be shown relative to the patient's anatomy through localization of the pointer 106. Also, when the “past trajectory” tab 120 of the menu 96 of FIG. 4 is selected, the past or moving trajectory of the instrument is shown with a dashed trajectory line 132. Similarly, predictive trajectory 134 may also be shown for the patient's anatomy based on the instantaneous position and orientation of the tip or tip of the instrument.

또한 궤도 경로들은 저장되고 상기 저장된 궤도들은 불려져(recall) 환자의 해부구조에 대하여 보여질 수 있다. 이러한 점에서, 현재 또는 실시간 기구 궤도는 과거 궤도들과 비교될 수 있다. 또한 모든 기구 움직임이 기록되지는 않는다. 이러한 점에서, 외과의 또는 기타의 사용자는 원하는 바대로 기구 추적 기능을 작동시키거나(on) 멈추게 할(off) 수 있다. 또한, 상술된 예견기법(look-ahead technique)이 영상들 내로 기구의 그래픽 표시를 투사시키지만, 기구의 그래픽 표시가 영상 내로 투사될 영상의 공간 내에 존재하는 것이 반드시 필요한 것은 아니다. 즉, 예를 들어 외과의는 기구를 환자 상부 및 영상의 공간 외부에 둘 수 있는데, 그러면 기구의 표현은 영상에 나타나지 않는다. 그러나, 시술의 용이한 계획을 위해 고정된 길이로 영상 내로 투사되는 것이 여전히 바람직할 수 있다.Orbital paths are also stored and the stored orbits can be recalled and viewed against the anatomy of the patient. In this regard, current or real time instrument trajectories can be compared with past trajectories. In addition, not all instrument movements are recorded. In this regard, the surgeon or other user can turn the instrument tracking function on or off as desired. In addition, although the above-described look-ahead technique projects a graphical representation of the instrument into the images, it is not necessary that the graphical representation of the instrument exists in the space of the image to be projected into the image. That is, for example, the surgeon may place the instrument on top of the patient and outside the space of the image, so that the representation of the instrument does not appear in the image. However, it may still be desirable to project into the image at a fixed length for easy planning of the procedure.

도시된 실시예에서, 궤도는 방향선(directional line)으로 표현된다. 그러나 다른 표현들 역시 이용될 수 있다. 예를 들어 궤도는 자동으로 다른 컬러 또는 특이한 숫자 부호(numerical label)로 지정될 수 있다. 다른 타입들의 방향 지시자들은 역시 이용될 수 있고, 상이한 형상들, 스타일들, 크기들 및 텍스처들(texture)도 궤도들을 구분하기 위하여 적용될 수 있다. 또한 외과의는 원한다면 임의의 궤도에 대하여는 부호가 보이지 않도록 할 수 있다. 또한 외과의는 메뉴(96)에서 적절한 제어를 통하여 임의의 궤도에 대한 디폴트 컬러 또는 부호 문자(label text)를 변경할 수 있다. 하나의 실시예에서, 과거 궤도는 하나의 색상으로 지정되고 예측 또는 예견 궤도들은 상이한 색상으로 지정될 수 있다. 또한 도 5에는 단일 궤도가 도시되지만, 여러 기구들이 동시에 추적되어 이들 궤도들이 추적되고, 예측되고 영상에 표시될 수 있다.In the illustrated embodiment, the trajectory is represented by a directional line. However, other expressions can also be used. For example, trajectories can be automatically assigned to different colors or unusual numeric labels. Other types of direction indicators may also be used, and different shapes, styles, sizes, and textures may also be applied to distinguish the trajectories. The surgeon can also make the sign invisible for any trajectory if desired. The surgeon may also change the default color or label text for any trajectory with appropriate control in menu 96. In one embodiment, past trajectories may be designated one color and predictive or predicted trajectories may be designated different colors. In addition, although a single trajectory is shown in FIG. 5, several instruments can be tracked simultaneously so that these trajectories can be tracked, predicted and displayed in an image.

도 1-5에 설명된 바와 같이, 통합시스템(10)은 환자의 해부구조에 대하여 마커들, 반사체들 등을 이용하여 수술용 도구 또는 프로브과 같은 기구의 위치를 추적한다. 하나의 양상에서, 상기 기구는 또한 전기자극을 신경구조체에 인가할 수 있어 신경 위치 및 신경 완전성(nerve integrity)과 같은 신경정보는 환자의 해부구조에 다른 기구를 도입하지 않고도 판정될 수 있다. 상기 기구는 자극제어기 인터페이스(stimulator control interface: 86) 및 전력공급장치(90)를 통하여 컴퓨터에 연결될(thethered) 수 있고, 대안적인 구현예에서 기구는 무선으로 자극제어기 인터페이스(86)에 연결되고 유도적으로 또는 자체 배터리(self-contained battery)에 의해 전력이 공급될 수 있다.As illustrated in FIGS. 1-5, the integrated system 10 tracks the position of an instrument, such as a surgical tool or probe, using markers, reflectors, and the like relative to the anatomy of the patient. In one aspect, the instrument can also apply electrical stimulation to the neurostructure so that neural information, such as nerve position and nerve integrity, can be determined without introducing another instrument into the patient's anatomy. The instrument may be connected to a computer via a stimulator control interface 86 and a power supply 90, and in an alternative embodiment the instrument is wirelessly connected to and guided to the stimulator controller interface 86. The power may be supplied by power or by a self-contained battery.

도 6은 유도에 의해 도구에 전원을 공급하고 마커들 및 반사체들을 사용하지 않고 무선으로 기구의 위치 정보를 결정하기 위한 동작회로(operational circuitry)이다. 동작회로(136)는 전자기장을 생성하는 신호 생성기(signal generator: 138)를 포함한다. 신호 생성기(138)는 바람직하게는 다중 코일들 (도시되지 않음)을 포함한다. 신호 생성기(138)의 각각의 코일은 연속적으로 활성되어 다수의 자기장을 유도하고 이에 따라 감지코일(sensing coil)에서 대응되는 전압신호를 유도한다.FIG. 6 is operational circuitry for powering a tool by induction and wirelessly determining positional information of the instrument without using markers and reflectors. The operation circuit 136 includes a signal generator 138 for generating an electromagnetic field. Signal generator 138 preferably includes multiple coils (not shown). Each coil of the signal generator 138 is successively activated to induce a plurality of magnetic fields and thus to induce a corresponding voltage signal in the sensing coil.

신호 생성기(138)는 개별적인 자기 어셈블리(magnetic assembly)를 적용하여 전송되는 시간-의존성 자기장(time-dependent magnetic field)에 대응되는 감지코일(140)의 유도 전압은 기구의 지점, 예를 들어 위치 및 방향을 설명하는 충분한 정보를 제공한다. 본원에서 사용되는 코일은 시변 자기장(time-varying magnetic fields)에 응하여 상기 인가된 시변 자기장의 함수로서 이를 나타내는 유도된 전압신호를 발생시키는 전기전도성의, 감자성(magnetically sensitive) 부재를 말한다. 신호 생성기(138)에서 생성되고 기구의 위치를 설명하기에 충분한 정보를 가지는 신호는 이하 기준신호(reference signals)라 한다.The signal generator 138 applies a separate magnetic assembly so that the induced voltage of the sense coil 140 corresponding to the time-dependent magnetic field transmitted is determined by the point of the instrument, e. Provide sufficient information to explain the direction. Coil as used herein refers to an electrically conductive, magnetically sensitive member that generates an induced voltage signal representing it as a function of the applied time varying magnetic field in response to time-varying magnetic fields. The signal generated by the signal generator 138 and having enough information to describe the position of the instrument is referred to as reference signals hereinafter.

또한 신호 생성기는 감지코일(140)에서 전압을 유도하도록 구성되며, 상기 전압은 신호자극유닛(nerve stimulation unit: 142) 및 송신기(transmitter: 144)와 같은 기구의 전자부품들에 전원을 공급하기에 충분하다. 바람직한 구현예에서, 장치에 전원을 공급하기 위해 신호 생성기(138)에 의해 전송되는 신호는 이하에서 전원신호라고 하고, 상기 기준신호와 함께 주파수 다중된다(frequency multiplexed). 기준신호 및 전원신호의 주파수 범위들은 변조되어 상호배타적인 주파수 간격(frequency intervals)을 차지한다. 이러한 기법으로 인하여 상기 신호들은 무선채널과 같은 공통채널을 거쳐 동시에 전송되면서 신호들이 서로 떨어져 상호 간섭하지 않는다. 상기 기준신호 및 위치신호는 바람직하게는 주파수 변조(frequency modulated: FM)되나, 진폭변조(amplitude modulation: AM) 역시 적용될 수 있다.The signal generator is also configured to induce a voltage in the sense coil 140, which is used to power electronic components of the instrument, such as the nerve stimulation unit 142 and the transmitter 144. Suffice. In a preferred embodiment, the signal transmitted by the signal generator 138 to power the device is hereinafter referred to as the power signal and is frequency multiplexed with the reference signal. The frequency ranges of the reference and power signals are modulated to occupy mutually exclusive frequency intervals. Due to this technique, the signals are simultaneously transmitted through a common channel such as a radio channel, so that the signals do not interfere with each other. The reference signal and the position signal are preferably frequency modulated (FM), but amplitude modulation (AM) may also be applied.

대안으로, 전원신호들은 별개의 신호 생성기들에 의해 각각 다른 주파수로 전송될 수 있다. 본원에서 구현되는 바와 같이 기준신호를 수신하는 부분은 감지유닛(sensing unit: 146) 및 전원회로(power circuit: 148)를 더 포함한다. 감지유닛(146) 및 전원회로(148) 각각은 감지/전원코일(140)의 주파수 다중화 기준신호 및 전원신호에 의해 유도된 전압신호를 수신할 수 있다. 감지유닛(146) 및 전원회로(148) 양자 모두는 다중화 자기신호들(multiplexed magnetic signals)에 의해 유도된 전압신호들을 위치신호 및 전원신호로 분리할 수 있다.Alternatively, power signals may be transmitted at different frequencies by separate signal generators. As implemented herein, the portion receiving the reference signal further includes a sensing unit 146 and a power circuit 148. Each of the sensing unit 146 and the power circuit 148 may receive a frequency multiplexed reference signal of the sensing / power coil 140 and a voltage signal induced by the power signal. Both the sensing unit 146 and the power supply circuit 148 can separate voltage signals induced by multiplexed magnetic signals into position signals and power signals.

감지유닛(146)은 기구의 현재 위치를 나타내는 위치신호로서 기준신호에 대응하는 유도된 전압신호 부분을 측정한다. 상기 위치신호는 송신기(144)에 의해 전송된다. 유사하게 전원회로(148)는 전원신호에 대응하는 유도된 전압신호 부분을 보유하여 송신기(144)에 전력을 공급하기에 충분한 전력을 생성하고 신경구조체에 전기자극을 인가한다. 전원회로(148)는 전원신호에 의해 코일(140)에서 생성된 유도전압을 정류하여 DC 전원을 생성하고 이것은 송신기(144) 및 신호자극유닛(142)에 전원을 공급하기 위해 사용된다. 전원회로(148)는 DC 전원을 축전기, 소형전지 또는 기타의 저장장치를 이용하여 저장하여 후에 사용할 수 있다.The sensing unit 146 measures the portion of the induced voltage signal corresponding to the reference signal as a position signal representing the current position of the instrument. The position signal is transmitted by the transmitter 144. Similarly, power supply circuit 148 has a portion of the induced voltage signal corresponding to the power signal to generate sufficient power to power transmitter 144 and apply electrical stimulation to the neural structure. The power supply circuit 148 rectifies the induced voltage generated in the coil 140 by the power supply signal to generate a DC power supply, which is used to supply power to the transmitter 144 and the signal stimulation unit 142. The power supply circuit 148 may store the DC power using a capacitor, a small battery or other storage device for later use.

통합시스템(10)은 신호 생성기(138)의 동작을 조절하고 송신기(144)에 의해 무선 전송되는 위치 정보를 수신하기 위한 수신기 (도시되지 않음)를 포함하는 전자기제어유닛(electromagnetic control unit: 150)을 포함한다. 이러한 점에서, 제어유닛(150)은 자기장 모드 위치신호들을 수신하고 이들 위치신호들을 CPU로 전송하여 기구의 위치 및/또는 방향을 판정한다. 바람직하게 CPU는 기구의 위치를 판정하기 위해 먼저 감지코일(140)의 각 방향(angular orientation)을 판정하고 코일(140)의 방향을 이용하여 기구의 위치를 판정하기 시작한다. 그러나 본 발명은 기구의 위치를 판정하는 임의의 특정한 방법에 한정되지 않는다. 단일한 감지/전원코일(140)이 도시되지만 개별 감지코일 및 전원코일이 이용될 수 있다.The integrated system 10 includes an electromagnetic control unit 150 that includes a receiver (not shown) for adjusting the operation of the signal generator 138 and for receiving location information wirelessly transmitted by the transmitter 144. It includes. In this regard, the control unit 150 receives the magnetic field mode position signals and transmits these position signals to the CPU to determine the position and / or orientation of the instrument. Preferably the CPU first determines the angular orientation of the sense coil 140 to determine the position of the instrument and begins using the orientation of the coil 140 to determine the position of the instrument. However, the present invention is not limited to any particular method of determining the position of the instrument. Although a single sense / power coil 140 is shown, separate sense coils and power coils may be used.

상술된 바와 같이 본 발명의 하나의 양상에서, 프로브, 견인기 또는 뼈 드라이버와 같은 수술기구도 신경구조체에 전기자극을 인가하기 위하여 이용될 수 있다. 전기자극을 인가하는 것 이외에, 수술기구들에는 적절한 회로 및 제어기들(controls)이 장착되어 신경감시 및 내비게이션 시스템을 원격제어할 수 있다. 도 7-14 및 도 18은 다양한 실시예의 수술 및 전기자극 통합도구들을 도시한다.As described above, in one aspect of the invention, surgical instruments such as probes, retractors, or bone drivers may also be used to apply electrical stimulation to the neurostructure. In addition to applying electrical stimulation, surgical instruments may be equipped with appropriate circuitry and controls to remotely control the neurosurveillance and navigation system. 7-14 and 18 illustrate surgical and electrostimulation integration tools of various embodiments.

도 7에는 길고(elongated) 바람직하게는 표면처리되고(textured) 근위단부(proximal end: 156) 및 원위단부(distal end: 158)를 구비하는 핸들(handle: 154)을 포함하는 수술용 프로브(surgical probe: 152)가 도시된다. 수술용 프로브(152)는 핸들의 근위단부(156)로부터 연장되는 잭들(jacks: 160)에 의해 도 3의 신경감시 인터페이스(80)에 연결될 수 있다. 핸들은 횡방향으로 돌출된 작동기(transversely projecting actuator: 162)를 테이퍼진 원위 세그먼트(tapered distal segment: 164)에 근접하게 포함하며, 상기 원위 세그먼트는 핸들 원위단부(158)에서 종단되고(terminated), 원위로 돌출되는 스테인리스 강 샤프트(166)를 지탱한다. 샤프트(166)는 테이퍼지고 바람직하게는 핸들 원위단부(158)에 근접하게 더 큰 외경을 가지며, 샤프트 원위단부(168)에 근접할수록 더 작은 외경을 가지도록 테이퍼지고, 핸들 원위단부(158)로부터 샤프트 원위단부(168)까지의 원위로 돌출되는 길이는 투명 플라스틱의 얇은 벽을 가지는 수축 튜브에 싸여진다. 양극(anode: 172) 및 음극(cathode: 174)은 핸들(154)로부터 연장되고 전도체들(conductor: 170)과 전기적으로 연결된다. 양극 및 음극(172, 174)은 샤프트 원위단부(168)에서 약간 더 연장되고 신경구조체에 전기자극을 인가하기 위하여 사용된다.7 shows a surgical probe comprising a handle 154 that is elongated, preferably surfaced, and has a proximal end 156 and a distal end 158. probe 152 is shown. The surgical probe 152 may be connected to the neurosurgery interface 80 of FIG. 3 by jacks 160 extending from the proximal end 156 of the handle. The handle includes a transversely projecting actuator 162 proximate to the tapered distal segment 164, the distal segment terminated at the handle distal end 158, Supports a stainless steel shaft 166 protruding distally. The shaft 166 is tapered and preferably has a larger outer diameter close to the handle distal end 158, tapered to have a smaller outer diameter closer to the shaft distal end 168, and from the handle distal end 158. The distal protruding length to the shaft distal end 168 is wrapped in a shrink tube having a thin wall of transparent plastic. Anode 172 and cathode 174 extend from handle 154 and are electrically connected to conductors 170. The anode and cathode 172, 174 extend slightly further from the shaft distal end 168 and are used to apply electrical stimulation to the neurostructure.

또한 핸들(154)의 외표면(outer surface)은 프로브(152)의 위치 및 방향을 용이하게 추적하기 위해 반사체/마커 네트워크(reflector/marker network: 176)를 포함한다. 프로브(152)는, 영구식 또는 착탈식으로 핸들(154)에 고정되는 3개의 반사체들(176)을 구비하는 것으로 도시된다. 종래의 수술기구 추적시스템에서 공지된 바와 같이, 상기 반사체들(176)의 크기, 형상 및 위치는 수술용 내비게이션 시스템에 의해 인지되므로, 카메라에 캡쳐될 때 프로브(152)의 위치 및 방향은 즉시 확인될 수 있다. 3개 이상 또는 이하의 반사체들이 사용될 수 있다.The outer surface of the handle 154 also includes a reflector / marker network 176 to facilitate tracking the position and orientation of the probe 152. Probe 152 is shown having three reflectors 176 secured to handle 154 either permanently or detachably. As is known in conventional surgical instrument tracking systems, the size, shape and position of the reflectors 176 are recognized by the surgical navigation system, so the position and orientation of the probe 152 is immediately identified when captured by the camera. Can be. Three or more or less reflectors can be used.

외과의는 외과수술에서 작동기(162)를 통하여 환자의 해부구조에 전기자극을 인가한다. 따라서 프로브(152)는 전기자극을 인가하지 않고 수술목적으로 사용될 수 있고, 의사의 판단 상 필요하다면 신경구조체로부터 신경 반응을 얻기 위하여 사용될 수 있다. 도 7에 도시된 구현예에서, 프로브(152)는 잭들(160)을 통해 프로브(152) 외부에 있는 전력공급장치 (도시되지 않음)에 의해 전력이 공급된다.The surgeon applies electrical stimulation to the anatomy of the patient through the actuator 162 in the surgical procedure. Therefore, the probe 152 may be used for surgical purposes without applying electrical stimulation, and may be used to obtain a neural response from the neural structure if necessary by the doctor. In the embodiment shown in FIG. 7, the probe 152 is powered by a power supply (not shown) external to the probe 152 via jacks 160.

도 8은 본 발명의 다른 구현예에 의한 배터리에 의해 전력공급되는(battery powered) 견인기를 도시한 것이다. 견인기(178)는 길고 바람직하게는 표면 처리되고 근위단부(182) 및 원위단부(184)를 구비하는 핸들(180)을 포함한다. 원위단부(184)로부터 연장되는 테이퍼 샤프트(186)는 서로 동일 평면에 배치되는 양극 팁(anode tip: 190) 및 음극 팁(cathode tip: 192)을 포함하는 만곡 헤드(curved head: 188)에서 종단된다. 대안으로, 예시적 수술용 탭에 대하여 도 12-14에서 기재된 바와 같이 양극 및 음극 전극들(232, 234)은 서로에 대하여 동심으로 배향될 수 있다. 핸들(180)은 외과의가 원할 경우 신경구조체들을 전기자극하기에 충분한 전력을 공급하는 배터리들(196)이 수용되는 크기 및 형상으로 만들어진 내부 공간(interior volume: 194)을 제공한다. 일구현예에서, 상기 배터리들(196)은 체액 및 세척액과 접촉되는 것을 방지하기 위해 영구적으로 핸들(180)의 내부 공간(194) 내부에 밀폐된다. 본원에 도시되지 않은 다른 구현예에서, 핸들의 캡 부분을 나사식으로 돌려 배터리를 제거하여 대체할 수 있다. 충전식 배터리도 사용될 수 있고 핸들로부터 꺼내지 않고도 배터리가 충전될 수 있다고 고려된다.8 illustrates a battery powered retractor in accordance with another embodiment of the present invention. Retractor 178 includes a handle 180 that is long and preferably surface treated and has a proximal end 182 and a distal end 184. Tapered shaft 186 extending from distal end 184 terminates at a curved head 188 that includes an anode tip 190 and a cathode tip 192 coplanar with each other. do. Alternatively, the anode and cathode electrodes 232, 234 can be oriented concentrically with one another as described in FIGS. 12-14 for the exemplary surgical tab. The handle 180 provides an interior volume 194 made of a size and shape to accommodate batteries 196 that provide sufficient power to electrostimulate the neurostructures, if desired by the surgeon. In one embodiment, the batteries 196 are permanently sealed within the interior space 194 of the handle 180 to prevent contact with body fluids and wash fluid. In other embodiments not shown herein, the cap portion of the handle can be screwed to remove and replace the battery. It is contemplated that a rechargeable battery could also be used and that the battery could be charged without removing it from the handle.

또한 핸들(180)은 3개의 반사체들(198)을 포함하며 이것들은 견인기의 위치 및 방향을 판정하기 위해 카메라 (도시되지 않음) 또는 기타의 탐지장치에 시각적 피드백(visual feedback)을 제공한다. 도 7에서 설명된 것과 유사하게, 견인기(178)는 작동기(200)를 더욱 포함하여 외과의는 선택적으로 견인기(178)의 전기자극 기능을 작동시켜 신경구조체에 전기자극을 인가할 수 있다.Handle 180 also includes three reflectors 198 that provide visual feedback to a camera (not shown) or other detector to determine the position and orientation of the retractor. Similar to that described in FIG. 7, the retractor 178 further includes an actuator 200 so that the surgeon can selectively activate the electrical stimulation function of the retractor 178 to apply electrical stimulation to the neurostructure.

도 9는 본 발명에 의한 유선 견인기(corded retractor: 202)를 도시한 것이다. 본 실시예에서, 견인기(202)는 잭들(204)을 사용하는 종래의 잭 연결을 통하여 원격 배터리 또는 기타의 전력공급장치에 의해 전력이 공급된다. 도 8에 대하여 설명된 것처럼, 견인기(202)의 핸들(206)은 수술용 내비게이션 하드웨어 및 소프트웨어가 견인기(202)의 위치 및 방향을 추적가능하게 하는 반사체들(208)을 포함한다. 또한 견인기(202)는 선택적으로 신경구조체에 전기자극을 인가하는 작동기(210)를 포함한다. 샤프트(216)를 지나서 연장되는 양극 전도체(anode conductor: 212) 및 음극 전도체(cathode conductor: 214)에 의해 용이하게 전기자극된다. 양극 및 음극 전도체들(212, 214)은 샤프트(216)의 전체 길이를 따라 연장되어 잭 커넥터들(jack connectors: 217)과의 연결을 통해 전력공급장치에 연결된다.9 illustrates a corded retractor 202 according to the present invention. In this embodiment, retractor 202 is powered by a remote battery or other power supply through a conventional jack connection using jacks 204. As described with respect to FIG. 8, the handle 206 of the retractor 202 includes reflectors 208 that allow surgical navigation hardware and software to track the position and orientation of the retractor 202. The retractor 202 also optionally includes an actuator 210 that applies electrical stimulation to the neurostructure. It is easily electrostimulated by an anode conductor 212 and a cathode conductor 214 extending beyond the shaft 216. The positive and negative conductors 212, 214 extend along the entire length of the shaft 216 and are connected to the power supply through connection with jack connectors 217.

양자의 견인기 실시예들에 대하여는 견인기의 위치 및 방향이 감시될 수 있고, 따라서 상기 견인기는 자동으로 열리거나 닫힐 수 있어 연장된 견인에 의한 신경-관련 손상을 방지할 수 있다는 것이 고려된다.It is contemplated that for both retractor embodiments the position and orientation of the retractor can be monitored, so that the retractor can be opened or closed automatically to prevent nerve-related damage caused by extended traction.

도 10에 도시된 바와 같은 다른 실시예에서, 뼈 드라이버(bone screwdriver: 218)는 뼈 나사를 돌리는 것 외에 전기자극을 공급하도록 구성된다. 드라이버(218)는 핸들(220) 및 그 원위단부로부터 연장되는 구동 샤프트(driving shaft: 222)를 포함한다. 핸들(220)은 전기자극을 위한 전력을 제공하는 배터리들(224)을 수용할 수 있는 크기이다. 또한 핸들(20)은 영구적으로 또는 착탈식으로 부착된 반사체들(226)을 포함한다. 구동 샤프트(222)는 핸들(220)의 원위단부(228)로부터 뼈 나사를 돌릴 수 있는 크기 및 형상으로 만들어진 구동헤드(driving head: 230)까지 연장된다. 구동 샤프트(222)에 평행하게 양극 및 음극 전극들(232, 234)이 피복된다. 상기 피복된 전극들(232, 234)이 연장되는 경우 상기 전극들은 구동 샤프트(222)의 구동헤드(230)를 넘어 연장된다. 피복된 양극 및 음극 전극들(232, 234)은 바람직하게 외과의가 뼈 나사를 돌리는 동안 방해되지 않게 후퇴될 수 있다.In another embodiment as shown in FIG. 10, a bone screwdriver 218 is configured to supply electrical stimulation in addition to turning the bone screw. Driver 218 includes a handle 220 and a driving shaft 222 extending from its distal end. The handle 220 is sized to accommodate batteries 224 that provide power for electrical stimulation. The handle 20 also includes reflectors 226 that are permanently or detachably attached. The drive shaft 222 extends from the distal end 228 of the handle 220 to a driving head 230 that is sized and shaped to turn a bone screw. Anode and cathode electrodes 232, 234 are coated parallel to the drive shaft 222. When the coated electrodes 232, 234 extend, the electrodes extend beyond the drive head 230 of the drive shaft 222. The coated anode and cathode electrodes 232, 234 may be preferably retracted unobstructed while the surgeon turns the bone screw.

피복된 전극들(232, 234)은 아일릿(eyelet: 236)을 이용하는 외과의에 의해 수동으로 연장되거나 후퇴된다. 바람직하게는, 아일릿은 핸들(220)에 충분히 근접하게 배치되어 외과의는 핸들(220)을 잡고도 전극들(232, 234)을 연장하고 후퇴시키고 전기자극을 인가하기 위하여 작동기(238)를 누를 수 있다. 따라서 핸들은 전극들의 이동의 범위를 한정하는 적절한 정지구들(stops)에 의해 형성된 캐비티(cavity) (도시되지 않음)를 포함한다.The covered electrodes 232, 234 are manually extended or retracted by a surgeon using an eyelet 236. Preferably, the eyelet is positioned close enough to the handle 220 such that the surgeon can press the actuator 238 to extend and retract the electrodes 232 and 234 and apply electrical stimulation even when holding the handle 220. have. The handle thus comprises a cavity (not shown) formed by suitable stops that define the range of movement of the electrodes.

도 11은 본 발명의 다른 양상에 의한 수술용 탭의 정면도이다. 본 실시예에서, 수술용 탭(240)은 척추경 구멍(pedicle hole)을 만들기 위한 것이나 신경자극을 줄 수 있고 내비게이션 정보를 제공할 수도 있다. 이러한 점에서, 수술용 탭(240)은 핸들(242) 및 이로부터 연장되는 전도성 샤프트(conductive shaft: 244)를 포함한다. 절연 외장(insulating sheath: 246)은 전도성 팁(conductive tip: 248)으로만 전기자극을 제한하기 위해 샤프트의 일부분만을 둘러싼다. 전도성 팁(248)은 탭이 삽입되는 동안 척추경 또는 다른 뼈 구조체을 체결하는 일련의 나사산들(threads: 250)을 포함한다. 나사산들(250)은 길이방향 오목부 또는 채널(252)이 팁의 길이를 따라 형성되도록 구성된다.11 is a front view of a surgical tab in accordance with another aspect of the present invention. In the present embodiment, the surgical tab 240 is for making pedicle holes, but may give nerve stimulation and provide navigation information. In this regard, surgical tab 240 includes handle 242 and a conductive shaft 244 extending therefrom. An insulating sheath 246 surrounds only a portion of the shaft to limit the electrical stimulation to only the conductive tip 248. Conductive tip 248 includes a series of threads 250 that engage the pedicle or other bone structure while the tab is inserted. Threads 250 are configured such that longitudinal recesses or channels 252 are formed along the length of the tip.

핸들(242)은 팁이 삽입되는 동안 사용자가 선택적으로 전기자극을 인가하게 허용하는 작동기 스위치(actuator switch: 254)를 구비한다. 따라서 수술용 탭이 척추경 나사 파일럿 구멍(pedicle screw pilot hole)을 형성하거나 척추경을 검사하는 동안 전기자극이 인가될 수 있다. 에너지는 도 1의 신경감시시스템의 에너지원에 연결가능한 전도체(256)를 통해 전도성 칩(248)에 인가된다. 대안으로, 배터리들이 핸들 내에 배치되어 전도성 팁(248)에 전기자극 에너지를 공급하기 위해 사용될 수 있다.The handle 242 has an actuator switch 254 that allows the user to selectively apply electrical stimulation while the tip is inserted. Thus, electrical stimulation can be applied while the surgical tab forms a pedicle screw pilot hole or during pedicle examination. Energy is applied to the conductive chip 248 via a conductor 256 connectable to the energy source of the neural monitoring system of FIG. 1. Alternatively, batteries may be disposed in the handle and used to supply electrical stimulation energy to the conductive tip 248.

핸들(242)은 탭의 위치 및 방향을 결정하기 위해 카메라 (도시되지 않음) 또는 기타의 탐지장치(detection device)에 시각적 피드백을 제공하는 반사체들(258)을 역시 구비한다. 본 발명이 속하는 기술분야의 기술자는 탭의 위치를 추적하기 위하여 다른 기술들, 예를 들어 핸들에 있는 전자 위치 센서들(electronic position sensors)을 이용할 수 있다는 것을 알 것이다.The handle 242 also includes reflectors 258 that provide visual feedback to a camera (not shown) or other detection device to determine the position and orientation of the tab. Those skilled in the art will appreciate that other techniques may be used to track the position of the tab, for example electronic position sensors on the handle.

도 12는 본 발명의 다른 구현예에 의한 수술용 프로브(260)를 도시한 것이다. 상술된 실시예와 유사하게, 프로브(260)는 일련의 반사체들(264)이 그 위에 연결되거나 이와 달리 형성되는 핸들(262)을 구비한다. 핸들의 근위단부로부터 잭들(266)이 연장되어 프로브(260)를 도 2의 신경감시시스템의 에너지원에 연결한다. 전도성 샤프트(268)는 핸들(262)의 원위단부로부터 연장되고 절연 외장(insulating sheath: 270)에 의해 부분적으로 덮인다. 샤프트(268)의 피복되지 않은 부분은 척추경 또는 기타의 뼈 구조체를 검사할 수 있는 전도성 팁(272)이다. 핸들은, 검사하는 동안 전기자극을 인가하기 위해 선택적으로 전도성 팁(272)에 전원을 공급하는 작동기(274)를 역시 구비한다.12 illustrates a surgical probe 260 according to another embodiment of the present invention. Similar to the embodiment described above, the probe 260 has a handle 262 to which a series of reflectors 264 are connected or otherwise formed. Jacks 266 extend from the proximal end of the handle to connect probe 260 to the energy source of the neurosurgery system of FIG. 2. Conductive shaft 268 extends from the distal end of handle 262 and is partially covered by an insulating sheath 270. The uncoated portion of the shaft 268 is a conductive tip 272 that can inspect the pedicle or other bone structure. The handle also has an actuator 274 that selectively powers the conductive tip 272 to apply electrical stimulation during inspection.

도 13은 전도성 팁(272)의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 전도성 샤프트(268)는 양극 전도부(anode conductive portion: 274) 및 절연체(insulator: 278)에 의해 양극 전도부(274)와 분리되는 음극 전도부(cathode conductive portion: 276)를 포함한다. 도 14에 이것이 더욱 상세하게 도시된다. 본 구성에 따라, 전기자극은 양극성 전기자극(bipolar electrostimulation)을 위해 양극 전도부(276)와 전기적으로 절연된 음극 전도부(274) 사이에 인가된다.13 is a cross sectional view of the conductive tip 272. As shown, the conductive shaft 268 includes an anode conductive portion 274 and a cathode conductive portion 276 separated from the anode conductive portion 274 by an insulator 278. This is shown in more detail in FIG. 14. According to this configuration, an electrical stimulus is applied between the anode conducting portion 276 and the electrically insulated cathode conducting portion 274 for bipolar electrostimulation.

상술된 예시적인 도구들은 수술기능을 수행할 뿐 아니라 환자의 신경구조체에 전기자극을 인가할 수 있도록 설계된다. 본원에 설명된 바와 같이, 영상 기초 내비게이션(image based navigation)의 도움으로, 외과의는 기구를 이동시키고 실시간으로 이러한 움직임을 보고 원한다면 다양한 기구 위치들에서 별도의 자극기구(stimulation instrument) 없이도 전기자극(단극성 및 양극성)을 인가할 수 있다. 또한 전기자극은 선행된 전기자극패턴을 적용하여 내비게이션을 개선하도록 인가될 수도 있다. 이러한 점에서, 기구가 환자의 해부구조를 횡으로 통과할 때, 기구의 팁 앞으로 전기자극이 자동으로 인가된다. 따라서 상기 기구가 움직일 때 신경정보가 자동으로 획득되고 환자의 해부구조의 시각화는 자동으로 신경정보가 편입되도록 업데이트된다. 또한 신경정보는 더욱 특정하게 신경구조체들의 실제 위치 및 방향을 국소화하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 기구가 움직일 때 광범위한 전기자극이 인가될 수 있다. 신경 반응이 측정되지 않으면, 이러한 광범위 전기자극은 계속된다. 그러나 신경 반응이 측정되면, 정밀한 전기자극(pinpointing electrostimulation)이 적용범위(coverage)를 줄이면서 반복적으로 인가되어 자극된 신경구조체 위치를 국소화할 수 있다.The exemplary tools described above are designed to perform surgical functions as well as to apply electrical stimulation to the nervous structures of the patient. As described herein, with the aid of image based navigation, a surgeon can move an instrument and view this movement in real time, if desired, without any additional stimulation instrument at various instrument locations. Polarity and bipolarity) can be applied. The electrical stimulation may also be applied to improve navigation by applying the preceding electrical stimulation pattern. In this regard, electrical stimulation is automatically applied in front of the tip of the instrument when the instrument crosses the patient's anatomy. Therefore, neural information is automatically acquired when the instrument moves and the visualization of the anatomy of the patient is automatically updated to incorporate neural information. Neural information can also be used to more specifically localize the actual location and orientation of neural structures. For example, a wide range of electrical stimuli can be applied when the instrument is in motion. If no nerve response is measured, this widespread electrical stimulation continues. However, when the nervous response is measured, pinpointing electrostimulation can be applied repeatedly while localizing the stimulated neurostructure location, reducing coverage.

다른 실시예에서 도 15를 참조하면, 선행 전기자극은 외과의에게 기구가 신경 또는 신경구조체로 접근하고 있다는 신호를 보내기 위해 사용될 수 있다. 신호는 그래픽 사용자 인터페이스 상에서 시각적 식별자(visual identifier) 또는 본원에 설명된 오디오 시스템을 통한 가청 경고방송(audible warning broadcast)의 형태일 수 있다. 이러한 점에서, 단계 280에서 통합시스템은 기구의 순간 위치(instantaneous position)를 판정한다. 그리고 나서 단계 282에서 시스템은 기구의 위치를 환자의 해부학적 구조(anatomical makeup)에 대한 정보와 비교하여 해부학적 시각화에서 판독가능하게 보이지 않을 수 있는 신경구조체에 대한 도구의 근접성을 판정한다. 단계 282, 284에서 기구가 신경구조체에 인접하지 않으면, 프로세스 루프는 단계 280으로 돌아간다. 단계 282, 286에서 기구가 이미 확인된 신경구조체에 있거나 그에 인접되면, 신경구조체는 환자의 해부학적 골격(anatomical framework) 및/또는 구조체의 신경 반응으로부터 확인되거나 분류된다. 단계 288에서 신경구조체가 일단 확인되면, 단계 290에서 기구가 신경구조체에 인접하여 있다는 신호를 보내는 적절한 신호가 출력된다. 신호의 강도 및 식별력은 기구에 근접해 있는 것으로 확인된 신경구조체의 타입에 기초를 둘 수 있음이 고려된다. 예를 들어 가청 경고음(audible alarm)의 크기 및 패턴은 신경구조체의 타입에 따라 변할 수 있다. 또한 가청 근접성 지시자들(audible proximity indicators)의 실시예에서, 가청 경고음의 크기 및/또는 패턴은 상기 기구가 신경구조체로 접근하거나 이로부터 멀어짐에 따라 변할 수 있다. 따라서, 가청 신호들은 신경구조체에 대한 기구의 위치를 외과의에게 실시간 피드백(real-time feedback)을 제공한다. 적절한 신호가 출력된 이후에, 프로세스는 단계 280에서 기구의 위치를 판정하는 단계로 돌아간다.In another embodiment, referring to FIG. 15, prior electrical stimulation may be used to signal a surgeon that the instrument is approaching a nerve or nervous structure. The signal may be in the form of a visual identifier on a graphical user interface or an audible warning broadcast through the audio system described herein. In this regard, in step 280 the integrated system determines the instantaneous position of the instrument. Then at step 282 the system compares the position of the instrument with information about the patient's anatomical makeup to determine the proximity of the tool to the neurostructure that may not appear readable in the anatomical visualization. If the instrument is not adjacent to the neural structure at steps 282 and 284, the process loop returns to step 280. If the instrument is in or adjacent to an already identified neurostructure at steps 282, 286, the neurostructure is identified or classified from the patient's anatomical framework and / or neural response of the structure. Once the neural structure is identified in step 288, an appropriate signal is output in step 290 to signal that the instrument is adjacent to the neural structure. It is contemplated that the strength and discernment of the signal may be based on the type of neurostructure found to be in proximity to the instrument. For example, the size and pattern of audible alarms may vary depending on the type of neurostructure. Also in embodiments of audible proximity indicators, the magnitude and / or pattern of audible beeps may change as the instrument approaches or moves away from the neurostructure. Thus, audible signals provide the surgeon with real-time feedback of the position of the instrument relative to the neurostructure. After the appropriate signal is output, the process returns to determining the position of the instrument at step 280.

상술된 바와 같이, 통합시스템은 궤도들 사이 또는 기구 위치들 사이의 측정을 수행할 수도 있다. 따라서, 예를 들어 뼈 측정을 통하여 특정한 외과수술에서 충분한 뼈가 제거되었는지를 판정할 수 있다. 예를 들어 기구는 제거될 뼈 부분의 프로파일을 거쳐 추적될 수 있다. 그리고 나서 상기 프로프일을 거친 궤도는 하나의 궤도로 저장될 수 있다. 하나 이상의 뼈 제거 시술 후, 기구는 일부분이 제거된 뼈를 거쳐 다시 추적될 수 있다. 그리고 나서 상기 시스템은 이들 궤도들 사이의 차이를 계산하고 정량적 수치를 예를 들어 그래픽 사용자 인터페이스를 통하여 외과의에게 제공하여 외과의가 특정한 외과수술에서 충분한 뼈가 제거되었는지를 판정하는 것을 도울 수 있다.As mentioned above, the integrated system may perform measurements between trajectories or between instrument positions. Thus, for example, bone measurements can determine whether enough bone has been removed at a particular surgery. For example, the instrument may be tracked via a profile of the bone portion to be removed. Then the trajectory through the profile can be stored as one trajectory. After one or more bone removal procedures, the instrument may be tracked back through the bone from which portions have been removed. The system can then calculate the difference between these trajectories and provide quantitative figures to the surgeon, for example, via a graphical user interface to help the surgeon determine if enough bone has been removed at a particular surgery.

또한, 전기자극의 특성들은 추적된 기구의 순간 위치에 기초하여 자동으로 조정될 수 있다. 즉, 기구의 실시간 추적 및 영상들, 도해 모델들(atlas models) 등으로부터 환자의 해부구조 배치에 대한 전반적 이해를 통하여, 통합시스템은 외과의가 전기자극의 인가를 지시할 때 기구에 근접한 상기 해부구조에 기초하여 전기자극의 강도, 범위 및 타입을 자동으로 세팅할 수 있다. 전기자극 특성들을 자동으로 세팅하지 않고, 시스템은 외과의에 의해 고려되도록 그래픽 사용자 인터페이스에 시스템에 의해 유도된 전기자극 수치를 유사하게 표시할 수 있다. 이러한 점에서 외과의는, 그래픽 사용자 인터페이스에 적절한 입력들을 통하여, 제안된 특성들을 적용하거나 시스템에 의해 제안된 것들과는 다른 수치를 정의할 수 있다. 또한, 기구는 뼈 밀링(milling) 또는 제거 및 전기자극을 위하여 이용되기 때문에, 능동적 밀링 또는 뼈 제거가 이루어지는 동안 신경 반응들이 측정될 수 있다.In addition, the characteristics of the electrical stimulation can be automatically adjusted based on the momentary position of the tracked instrument. That is, through a real-time tracking of the instrument and an overall understanding of the patient's anatomical layout from images, atlas models, etc., an integrated system allows the anatomical structure to be in close proximity to the instrument when the surgeon indicates the application of electrical stimulation. The strength, range, and type of electrical stimulation can be set automatically based on. Without automatically setting the electrical stimulation characteristics, the system may similarly display the electrical stimulation values induced by the system in a graphical user interface for consideration by the surgeon. In this regard, the surgeon may apply, through appropriate inputs to the graphical user interface, or define a different value than those suggested by the system. In addition, because the instrument is used for bone milling or removal and electrical stimulation, neural responses can be measured during active milling or bone removal.

수술용 내비게이션 및 신경감시 통합시스템이 설명되었으나, 독립적인(stand-alone) 시스템들이 신호변경(handshake) 방식으로 서로 통신 연결될 수 있다. 따라서 본원에 설명된 것들과 같은 소프트웨어 모듈들을 통하여, 독립적인 신경감시 프로브 및 시스템에 의해 제공되는 신경정보는 독립적인 수술용 내비게이션 시스템에 제공되어 내비게이션 정보 및 신경감시 정보의 통합된 시각화를 제공한다.Although surgical navigation and neurosurgery integration systems have been described, stand-alone systems can be communicatively coupled to one another in a handshake manner. Thus, through software modules such as those described herein, the neural information provided by the independent neurosurgical probe and system is provided to an independent surgical navigation system to provide an integrated visualization of the navigation information and the neurosurgical information.

상술된 바와 같이, 통합시스템은 외과의에게 기술 리소스들(technical resources)에 대한 주문형 액세스(on-demand access)를 제공할 수도 있다. 또한, 통합시스템은 기구 위치, 신경구조체 위치 또는 신경구조체 신경 반응에 기초하여 주문형 리소스들의 리스트를 제공하도록 설계된다. 도 16에 보이는 바와 같이, 단계 292에서 통합시스템은 기술 리소스의 공개를 요청하는 외과의 또는 기타의 사용자로부터 사용자 입력을 수신한다. 단계 294에서, 상기 입력에 답하여, 통합시스템은 요청된 때의 기구의 순간 위치를 판정한다. 단계 296에서, 기구 위치에 기초하여 기구에 근접한 해부학적 구조를 판정한다. 기구의 위치, 확인된 근접한 해부구조 및 가능하다면 근접한 신경구조체의 신경 반응으로부터, 단계 298에서 시스템은 기술 리소스 데이터베이스의 대응하는 부분에 액세스하여 단계 299에서 외과의에게 공개될 수 있는 관련 기술 리소스의 리스트를 유도하고 표시한다. 바람직하게는 상기 리스트는 외과의가 선택할 수 있도록 그래픽 사용자 인터페이스에 표시되는 선택가능한 컴퓨터 데이터 링크들의 형태이며, 예를 들어 게시물, 공개물, 설명서, 지도, 발표물, 비디오, 지시서 및 매뉴얼에 연결될 수 있다. 단계 302에서 그래픽 사용자 인터페이스에서 사용자 선택에 응하여, 단계 304에서 선택된 기술 리소스는 데이터베이스로부터 업로드되어(uploaded) 외과의 또는 기타의 사용자에게 공개된다. 통합시스템은 로컬 또는 원격 데이터베이스로부터 기술 리소스를 업로드할 수 있다.As described above, the integrated system may provide the surgeon with on-demand access to technical resources. The integrated system is also designed to provide a list of on-demand resources based on instrument location, neural structure location or neural structure response. As shown in FIG. 16, in step 292 the integrated system receives user input from a surgeon or other user requesting the disclosure of technical resources. In step 294, in response to the input, the integrated system determines the instantaneous position of the instrument when requested. In step 296, an anatomical structure close to the instrument is determined based on the instrument position. From the location of the instrument, the identified close anatomy, and possibly the neural response of the adjacent neural structure, in step 298 the system accesses the corresponding portion of the technical resource database to obtain a list of relevant technical resources that can be released to the surgeon in step 299. Induce and mark. Preferably the list is in the form of selectable computer data links displayed in a graphical user interface for the surgeon to select, and can be linked to, for example, posts, publications, instructions, maps, presentations, videos, instructions and manuals. . In response to the user selection in the graphical user interface at step 302, the technical resource selected at step 304 is uploaded from the database and disclosed to the surgeon or other user. The integrated system can upload technical resources from a local or remote database.

본원에 설명된 통합시스템에 의해 수행될 수 있는 다른 프로세스가 도 17에 도시된다. 도 17은 외과의 또는 다른 이에게 피드백을 제공하는 예측 프로세스가 신경 완전성을 평가하는 단계들을 개시한다. 프로세스는 단계 306에서 개시되고 전기자극이 인가될 때의 전기자극 기구의 위치를 판정한다. 단계 308에서 자극된 신경구조체의 위치도 판정한다. 상기 신경구조체의 위치에 기초하여, 단계 310에서 신경구조체를 확인한다. 신경구조체의 확인은 환자의 해부학적 정보를 이전의 신경 지도, 도해 모델, 해부학적 지도 등과 비교하여 판정할 수 있다. 신경구조체, 예컨대 군(class)의 확인에 기초하여, 단계 312에서 전기자극에 대한 신경구조체의 신경 반응을 예측한다. 그리고 나서 단계 314에서 상기 예측된 신경 반응을 실제의, 측정된 신경 반응과 비교한다. 단계 316에서, 자극된 신경구조체의 완전성을 판정함에 도움이 되도록 상기 비교의 결과를 외과의 또는 기타의 사용자에게 그래픽 사용자 인터페이스에 의해 전달한다. 또한, 자극되고 측정된 신경구조체의 시각화는 상기 비교에 기초하여 자동으로 업데이트되어, 예컨대 컬러 코딩되거나(color coded) 주석이 달려(annotated) 신경 반응이 기대된 것과 일치하지 않는 것을 나타낸다.Another process that can be performed by the integrated system described herein is shown in FIG. 17. 17 discloses steps in which a prediction process that provides feedback to a surgeon or others evaluates neuronal integrity. The process commences at step 306 and determines the location of the electrical stimulation mechanism when the electrical stimulation is applied. In step 308 the location of the stimulated neural structure is also determined. Based on the location of the neural structure, the neural structure is identified in step 310. Identification of the neural structure can be determined by comparing the patient's anatomical information to previous neural maps, graphical models, anatomical maps, and the like. Based on the identification of neural constructs, such as classes, in step 312 the neural response of the neural constructs to electrical stimulation is predicted. Then in step 314 the predicted neural response is compared with the actual, measured neural response. In step 316, the results of the comparison are communicated by the graphical user interface to the surgeon or other user to assist in determining the integrity of the stimulated neurostructure. In addition, the visualization of the stimulated and measured neurostructure is automatically updated based on the comparison, indicating that the neural response, for example color coded or annotated, does not match what was expected.

도 7-14는 본 발명에 의한 수술기구들의 다양한 실시예들을 도시한다. 도 18은 본 발명에 의한 다른 수술기구를 도시한다. 특히, 도 18은 신경구조체에 전기자극을 인가하는데 사용될 수 있는 NIM 프로브(NIM probe: 318)를 도시한다. NIM 프로브는 척추경 내의 파일럿 구멍을 형성하는 데 사용될 수 있어 파일럿 구멍을 형성하는 동안 신경감시가 수행될 수 있다.7-14 illustrate various embodiments of surgical instruments in accordance with the present invention. 18 shows another surgical instrument according to the present invention. In particular, FIG. 18 illustrates a NIM probe 318 that can be used to apply electrical stimulation to the neurostructure. The NIM probe can be used to form pilot holes in the pedicle so that neurosurgery can be performed during the formation of the pilot holes.

도시된 NIM 프로브는, 그 전체내용이 참조에 의해 본원에 편입되는 미국특허 제2006/0173521호에 기재된 구성과 전반적으로 유사하다. NIM 프로브(318)는 니들 조립체(needleassembly: 320) 및 핸들 조립체(handle assembly: 322)를 포함한다. 니들 조립체(320)는 도선(lead: 326)에 의해 신경감시시스템(324)에 전기적으로 연결된다. 도선(326)은 핸들 조립체(322)를 통과하여 연장되고 스타일릿(stylet: 328)과 전기적으로 연결된다. 스타일릿(328)은 절연 캐뉼러(insulating cannular: 330) 내부에 배치된다. 이러한 점에서, 스타일릿(328)은 캐뉼러(330)로부터 원위로 돌출된다. 스타일릿(328)의 근위 돌출부는 피부, 연조직 또는 경조직을 관통하고, 척추경 파일럿 구멍을 형성하며 신경구조체에 전기자극을 인가하는 데 사용될 수 있는 첨단부(tip portion: 332)를 포함한다. NIM 프로브(318)는 선택적으로 캐뉼러(330) 및/또는 스타일릿(328)의 일부분을 둘러싸는 외장(sheath: 334)을 포함한다. 바람직하게는, 캐뉼러(330) 및 외장(334)은 비-전기전도성 재료(non-electrically conductive material)로 제조된다. 이러한 점에서, 첨단부(332)에 전류가 통할 때 스타일릿의 노출되지 않은 부분은 NIM 프로브에 인접된 조직들과 전기적으로 절연된다.The illustrated NIM probe is generally similar to the configuration described in US 2006/0173521, the entire contents of which are incorporated herein by reference. NIM probe 318 includes a needle assembly 320 and a handle assembly 322. The needle assembly 320 is electrically connected to the neurosurveillance system 324 by a lead 326. Conductor 326 extends through handle assembly 322 and is electrically connected to a stylet 328. The stylet 328 is disposed inside an insulating cannular 330. In this regard, stylet 328 protrudes distal from cannula 330. The proximal protrusion of stylet 328 includes a tip portion 332 that can be used to penetrate skin, soft or hard tissue, form a pedicle pilot hole, and apply electrical stimulation to the neurostructure. NIM probe 318 optionally includes a sheath 334 surrounding a portion of cannula 330 and / or stylet 328. Preferably, cannula 330 and sheath 334 are made of a non-electrically conductive material. In this regard, the unexposed portion of the stylet is electrically insulated from tissue adjacent to the NIM probe when current is applied to the tip 332.

또한 NIM 프로브는 캐뉼러, 외장 및 핸들 조립체(322)의 여러 지점들에 위치되는 내비게이션 센서들(navigational sensors: 335)을 포함한다. 하나의 실시예에서, 센서들은 수동장치들(passive devices), 예컨대 반사체들이다. 다른 실시예에서, 센서들은 능동장치들, 예컨대 이미터 또는 송신기이다. 또 다른 실시예에서 수동장치와 능동장치가 조합되어 사용될 수 있다. 능동장치들은 신경감시시스템(324)으로부터 NIM 프로브로 공급되는 에너지에 의해 작동될 수 있다. 대안으로, 능동장치들은 독립적으로, 예컨대 배터리들에 의해서 전력이 공급될 수 있다. 내비게이션 센서들(326)은 본원에 기재된 바와 같은 수술용 내비게이션 시스템과 통신하여 기구의 위치 및/또는 방향을 실시간으로 판정한다. 상술된 바와 같이, 그리고 나서 사용자 인터페이스는 환자의 해부구조에 대한 기구 (또는 그 일부분, 예컨대 스타일릿 팁)의 시각화를 포함하도록 업데이트되어 외과의가 환자를 진단하고 기구를 조종하는 것을 도울 수 있다.The NIM probe also includes navigational sensors 335 located at various points in the cannula, sheath and handle assembly 322. In one embodiment, the sensors are passive devices, such as reflectors. In another embodiment, the sensors are active devices, such as emitters or transmitters. In another embodiment, passive and active devices may be used in combination. Active devices may be activated by energy supplied from neural monitoring system 324 to the NIM probe. Alternatively, the active devices may be powered independently, for example by batteries. Navigation sensors 326 communicate with a surgical navigation system as described herein to determine the location and / or orientation of the instrument in real time. As described above, the user interface may then be updated to include visualization of the instrument (or portion thereof, such as a stylet tip) on the patient's anatomy to help the surgeon diagnose the patient and manipulate the instrument.

프로브, 견인기, 드라이버 및 탭이 도시되고 설명되었으나, 본 발명에 의한 기타의 수술용 도구도 수술 기능들을 수행할 뿐만 아니라 전기자극을 인가하기 위하여 사용될 수 있고 예를 들어 블런트 확장기(blunt dilators), 송곳, 척추경 액세스 니들(pedicle access needles), 생검바늘(biopsy needles), 약물전달바늘(drug delivery needles), 볼 팁 프로브(ball tip probes), 체간 확장기(inner body dilators), 척추디스크 제거도구(spinal disc removal tools), 체간 스페이서 도구(inner body spacer tools), 연조직 견인기(soft tissue retractors), 장갑(gloves), 손가락커버(finger covers), 도구 가이드(tool guides) 등을 포함한다. 또한, 척추경 나사, 디스크 또는 핵 치환체(nucleus replacement)와 같은 임플란트 역시 수술용 도구의 전도부에 연결될 때 전도성일 수 있고 따라서 임플란트가 이식되는 동안 전기자극을 인가하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 뼈 나사 역시 드라이버의 구동 단부(driving end) 및 전도성 단부(conductive end)와 체결될 때 전기자극을 인가하기 위하여 사용될 수 있다. 또한, 기구의 위치 및 방향의 광학적으로 판정하기 위해 반사체를 구비하는 수술기구들이 예시적으로 도시되었으나, 상기 수술기구들은 도 6에 대하여 기술된 것과 같은, 전자기적으로 기구의 위치 및 방향을 판정하고 유도적으로 전기자극 및 송신기 회로에 전력을 공급하는 회로를 포함할 수 있다. 또한, 수술용 도구들은 수술용 내비게이션 및 신경감시 시스템들의 파라미터들을 제어하도록 되어질 수 있다. 수술용 도구들은 무선 또는 유선 연결을 통해 수술용 내비게이션 및 신경감시 시스템들과 통신할 수 있다는 점 역시 고려된다. 전기자극의 크기는 사전-정의되거나(pre-defined) 기구의 상대적인 위치 및 방향에 기초하여 자동으로 결정될 수 있다는 점 또한 고려된다. 따라서, 전기자극 강도 및 패턴은 기구의 위치에 기초하여 자동으로 결정될 수 있다.Although probes, retractors, drivers and tabs have been shown and described, other surgical instruments in accordance with the present invention can also be used to perform surgical functions as well as to apply electrical stimuli, e.g. blunt dilators, awls. Pedicle access needles, biopsy needles, drug delivery needles, ball tip probes, inner body dilators, spinal disc removal tools disc removal tools, inner body spacer tools, soft tissue retractors, gloves, finger covers, tool guides, and the like. In addition, implants such as pedicle screws, discs or nucleus replacements may also be conductive when connected to the conducting portion of the surgical instrument and thus may be used to apply electrical stimulation while the implant is implanted. For example, bone screws may also be used to apply electrical stimulation when engaged with the driving end and the conductive end of the driver. In addition, while surgical instruments having reflectors for optically determining the position and orientation of the instrument are shown by way of example, the surgical instruments may electromagnetically determine the position and orientation of the instrument, as described with respect to FIG. Circuitry for inductively powering the electrical stimulation and transmitter circuitry. In addition, surgical instruments may be adapted to control the parameters of surgical navigation and neurosurgery systems. It is also contemplated that surgical instruments can communicate with surgical navigation and neurosurveillance systems via a wireless or wired connection. It is also contemplated that the magnitude of the electrical stimulation may be pre-defined or automatically determined based on the relative position and orientation of the instrument. Thus, the electrical stimulation intensity and pattern can be automatically determined based on the position of the instrument.

본원에 설명된 수술기구들은 본 발명이 구현될 수 있는 다양한 실시예들을 보여준다. 설명된 것들 이외에 다른 기구들이 사용될 수 있음을 알 것이다. 또한, 바람직하게는, 도구는 생체적합성 재료, 예를 들어 스테인리스 강으로 형성된다. 그러나 다른 생체적합성 재료가 사용될 수 있음을 알 것이다. 또한, 기구의 비-첨단부들이 전기자극을 인가하는 데 사용될 수 있다는 것을 알 것이다. 예를 들어, 팽창기(dilator) 또는 견인기 블레이드(blade)는 다중 전극들이 기구의 길이를 따라 형성되도록 구성될 수 있다. 따라서, 전기자극은 상기 기구의 길이를 따라 선택적으로 인가될 수 있다.The surgical instruments described herein show various embodiments in which the present invention may be implemented. It will be appreciated that other instruments may be used in addition to those described. In addition, the tool is preferably formed of a biocompatible material, for example stainless steel. However, it will be appreciated that other biocompatible materials may be used. It will also be appreciated that non-tips of the instrument can be used to apply electrical stimulation. For example, a dilator or retractor blade can be configured such that multiple electrodes are formed along the length of the instrument. Thus, electrical stimulation can be selectively applied along the length of the device.

단지 몇몇의 예시적인 구현예들이 상세하게 상술되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 기술자들은 본 명세서의 신규한 교시들 및 이점들에서 크게 벗어나지 않고도 예시적 구현예들 내에서 많은 변경들이 가능할 것이라는 것을 쉽게 이해할 것이다. 따라서, 모든 변경들 및 대안들은 하기 청구범위에 정의된 바와 같은 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 본 발명이 속하는 기술분야의 기술자들은 또한 이러한 변경들 및 균등한 구성들 또는 방법들은 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고, 상기 기술자들은 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 본 명세서에서 다양한 변화들, 대체들 및 대안들을 이룰 수 있다는 점을 이해하여야 한다. "수평의", "수직의", "최상부", "상부", "하부", "바닥”, "좌", "우", "머리쪽(cephalad)", "꼬리쪽(caudal)", "상부" 및 "하부"와 같은 모든 공간적 표현들은 예시적 목적이며 본 발명의 범위 내에서 변할 수 있다는 점을 이해하여야 한다. 더욱이, 본 발명의 구현예들은 다중 척추 레벨들 및 척추 운동 분절들에 걸쳐 단독으로 또는 조합되어 작용하도록 될 수 있다. 또한, 구현예들이 척추, 및 더욱 상세하게는 척추 운동 분절들에 대해 설명되었으나, 본 발명은 신체의 다른 운동 분절들 및 부위들에 대해서도 유사하게 적용된다. 청구범위에서, 수단-플러스-기능(means-plus-function) 구들은 상기 언급된 기능을 수행하는 것으로 본원에 설명된 요소들, 및 구조적 균등물들 뿐 아니라 균등한 요소들을 포함하는 것으로 의도된다.Although only a few example implementations have been described in detail above, those skilled in the art will readily appreciate that many modifications may be made within the example implementations without departing from the novel teachings and advantages herein. I will understand. Accordingly, all changes and alternatives are intended to be included within the scope of the invention as defined in the following claims. Those skilled in the art will also appreciate that such changes and equivalent constructions or methods do not depart from the spirit and scope of the invention, and that those skilled in the art will appreciate that various changes herein, without departing from the spirit and scope of the invention, It should be understood that alternatives and alternatives may be made. "Horizontal", "vertical", "top", "top", "bottom", "bottom", "left", "right", "cephalad", "caudal", It is to be understood that all spatial representations such as “upper” and “lower” are for illustrative purposes and may vary within the scope of the present invention. Moreover, embodiments of the present invention are directed to multiple spinal levels and spinal motion segments. In addition, although embodiments have been described with respect to the spine, and more particularly spinal motor segments, the invention applies similarly to other motor segments and sites of the body. In the claims, means-plus-function phrases are intended to include equivalent elements as well as structural equivalents, as described herein, to perform the aforementioned function. .

도 1은 수술용 내비게이션 및 신경감시 통합시스템의 도면이다.1 is a diagram of a surgical navigation and neurosurgery integrated system.

도 2는 도 1의 수술용 내비게이션 및 신경감시 통합시스템이 있는 수술실의 도면이다.FIG. 2 is a view of an operating room having the surgical navigation and neurosurveillance integrated system of FIG. 1.

도 3은 도 1의 수술용 내비게이션 및 신경감시 통합시스템의 블록도이다.3 is a block diagram of the surgical navigation and neurosurgery integrated system of FIG.

도 4는 도 1-3의 수술용 내비게이션 및 신경감시 통합시스템에 의해 표시되는 그래픽 사용자 인터페이스의 정면도이다.4 is a front view of a graphical user interface displayed by the surgical navigation and neurosurveillance integration system of FIGS. 1-3.

도 5는 도 4에 도시된 그래픽 사용자 인터페이스의 일부 정면도이다.FIG. 5 is a partial front view of the graphical user interface shown in FIG. 4.

도 6은 도 1-3의 수술용 내비게이션 및 신경감시 통합시스템과 사용되는 무선 기구 추적시스템의 블록도이다.6 is a block diagram of a wireless instrument tracking system for use with the surgical navigation and neurosurgery integration systems of FIGS. 1-3.

도 7은 본 발명의 하나의 양상에 의한 수술용 프로브의 측면도이다.7 is a side view of a surgical probe according to one aspect of the present invention.

도 8은 본 발명의 하나의 양상에 의한 전기자극을 인가할 수 있는 무선 견인기의 측면도이다.8 is a side view of a wireless retractor capable of applying electric stimulation according to one aspect of the present invention.

도 9는 본 발명의 하나의 양상에 의한 전기자극을 인가할 수 있는 유선 견인기의 측면도이다.9 is a side view of a wired retractor capable of applying electric stimulation according to one aspect of the present invention.

도 10은 본 발명의 하나의 양상에 의한 전기자극을 인가할 수 있는 무선 뼈 드라이버의 측면도이다.10 is a side view of a wireless bone driver capable of applying electrical stimulation in accordance with an aspect of the present invention.

도 11은 본 발명의 다른 양상에 의한 전기자극을 인가할 수 있는 수술용 탭의 측면도이다.11 is a side view of a surgical tab capable of applying electric stimulation according to another aspect of the present invention.

도 12는 본 발명의 다른 양상에 의한 수술용 프로브의 측면도이다.12 is a side view of a surgical probe according to another aspect of the present invention.

도 13은 도 12의 수술용 프로브의 13-13선 단면도이다.FIG. 13 is a cross-sectional view taken along line 13-13 of the surgical probe of FIG. 12.

도 14는 도 12-13에 도시된 수술용 프로브의 단부도(end view)이다.14 is an end view of the surgical probe shown in FIGS. 12-13.

도 15는 본 발명의 하나의 양상에 의한 해부학적 구조에 대한 기구 근접성을 신호로 알리는 단계들의 흐름도이다.15 is a flow chart of the steps of signaling an instrument proximity to an anatomical structure in accordance with an aspect of the present invention.

도 16은 본 발명의 하나의 양상에 의한 기술 리소스에 액세스하여 공개하는 단계들의 흐름도이다.16 is a flowchart of steps for accessing and publishing a technical resource in accordance with an aspect of the present invention.

도 17은 본 발명의 하나의 양상에 의한 신경구조체 완전성을 판정하는 단계들의 흐름도이다.17 is a flowchart of steps for determining neural structure integrity in accordance with an aspect of the present invention.

도 18은 본 발명의 다른 양상에 의한 신경감시 프로브를 도시한 것이다.18 illustrates a neurosurveillance probe according to another aspect of the present invention.

Claims (32)

핸들부(handle portion) 및 상기 핸들부로부터 연장되는 몸체부재(body member)를 구비하는 기구로서, 상기 몸체부재는 에너지원(energy source)과 연결된 전기전도부(electrically conductive portion)를 구비하고 에너지원에 의해 공급되는 전기자극에너지(electrostimulation energy)를 인가할 수 있는 기구; 및 A mechanism having a handle portion and a body member extending from the handle portion, wherein the body member has an electrically conductive portion connected to an energy source and is connected to the energy source. A mechanism capable of applying electrostimulation energy supplied by the apparatus; And 상기 기구와 연계되고(associated) 상기 기구의 위치와 관련된 정보를 제공하도록 작동되는 추적시스템(tracking system)을 포함하는, 전기자극(electrostimulation)을 인가할 수 있는 수술용 도구(surgical tool)로서, 상기 에너지원은 상기 핸들부 내부에 배치되는 하나 이상의 배터리 팩(battery pack)을 포함하고, 상기 에너지원은 상기 기구로부터 이격되어 위치되는 수술용 도구.A surgical tool capable of applying electrostimulation, comprising a tracking system associated with the instrument and operative to provide information related to the position of the instrument, wherein the surgical tool is capable of applying electrostimulation. An energy source includes one or more battery packs disposed within the handle portion, wherein the energy source is positioned away from the instrument. 제1항에 있어서, 상기 핸들부는 상기 에너지원에 연결되는 전기도선(electrical lead)을 포함하는, 전기자극을 인가할 수 있는 수술용 도구.The surgical instrument of claim 1, wherein the handle portion comprises an electrical lead connected to the energy source. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 몸체부재는 전기적으로 절연된 외표면 영역(electrically insulated outer surface area)을 포함하며, 상기 전기전도부는 상기 핸들부로부터 연장되어 상기 절연된 외표면 내부에 존재하는, 전기자극을 인 가할 수 있는 수술용 도구.The electrical stimulation of claim 1, wherein the body member includes an electrically insulated outer surface area, wherein the electrically conductive portion extends from the handle portion and is present within the insulated outer surface. Surgical instruments that can be added. 제1항에 있어서, 상기 추적시스템은 상기 기구에 연결되고 내비게이션 시스템(navigation system)에 의해 탐지되고 분석되는 에너지를 반사하여 상기 기구의 실시간 위치를 판정하도록 작동되는 반사체들(reflectors) 세트를 포함하는, 전기자극을 인가할 수 있는 수술용 도구.The apparatus of claim 1, wherein the tracking system includes a set of reflectors coupled to the instrument and operative to reflect the energy detected and analyzed by a navigation system to determine the real time position of the instrument. , Surgical instruments that can apply electrical stimulation. 제5항에 있어서, 상기 반사체들 세트는 상기 핸들부의 외표면에 연결되는, 전기자극을 인가할 수 있는 수술용 도구.6. The surgical instrument of claim 5, wherein the set of reflectors is connected to an outer surface of the handle portion. 제1항에 있어서, 상기 추적시스템은 상기 기구에 연결되고 내비게이션 시스템에 의해 분석되는 탐지가능한 에너지를 제공하여 상기 기구의 실시간 위치를 판정하도록 작동되는 이미터들(emitters) 세트를 포함하는, 전기자극을 인가할 수 있는 수술용 도구.The electrical stimulation of claim 1, wherein the tracking system includes a set of emitters coupled to the instrument and operable to provide detectable energy analyzed by the navigation system to determine the real time position of the instrument. Applicable Surgical Instruments. 제7항에 있어서, 상기 이미터들 세트는 상기 에너지원에 의해 상기 기구로 제공되는 전기에너지에 의해 작동되는, 전기자극을 인가할 수 있는 수술용 도구.8. The surgical tool of claim 7, wherein the set of emitters is actuated by electrical energy provided to the instrument by the energy source. 제1항에 있어서, 상기 기구는 양극성 전기자극(bi-polar electrostimulation)을 인가할 수 있는, 전기자극을 인가할 수 있는 수술용 도구.The surgical instrument of claim 1, wherein the instrument is capable of applying bi-polar electrostimulation. 제1항에 있어서, 상기 기구는 수술용 프로브(surgical probe)인, 전기자극을 인가할 수 있는 수술용 도구.The surgical instrument of claim 1, wherein the instrument is a surgical probe. 제1항에 있어서, 상기 기구는 수술용 탭(surgical tab)인, 전기자극을 인가할 수 있는 수술용 도구.The surgical instrument of claim 1, wherein the instrument is a surgical tab. 제1항에 있어서, 상기 기구는 드라이버(screwdriver)인, 전기자극을 인가할 수 있는 수술용 도구.The surgical instrument of claim 1, wherein the instrument is a screwdriver. 제1항에 있어서, 상기 기구는 견인기(retractor)인, 전기자극을 인가할 수 있는 수술용 도구.The surgical instrument of claim 1, wherein the instrument is a retractor. 제1항에 있어서, 상기 기구는 단극성 전기자극(uni-polar electrostimulation)을 인가할 수 있는, 전기자극을 인가할 수 있는 수술용 도구.The surgical instrument of claim 1, wherein the instrument is capable of applying uni-polar electrostimulation. 제1항에 있어서, 상기 전기전도부는 전기전도성 임플란트(electrically conductive implant)에 착탈식으로 결합되도록 구성되는 원위단부(distal end)를 구비하는, 전기자극을 인가할 수 있는 수술용 도구.The surgical tool of claim 1, wherein the electrically conductive portion has a distal end configured to be detachably coupled to an electrically conductive implant. 제15항에 있어서, 상기 전기전도성 임플란트는 척추경 나사(pedicle screw)를 포함하는, 전기자극을 인가할 수 있는 수술용 도구.16. The surgical tool of claim 15, wherein the electrically conductive implant comprises a pedicle screw. 제15항에 있어서, 상기 전기전도성 임플란트는 인공디스크(artificial disc)를 포함하는, 전기자극을 인가할 수 있는 수술용 도구.The surgical tool of claim 15, wherein the electrically conductive implant comprises an artificial disc. 제15항에 있어서, 상기 전기전도성 임플란트는 핵 치환체(nucleus replacement)를 포함하는, 전기자극을 인가할 수 있는 수술용 도구.The surgical instrument of claim 15, wherein the electrically conductive implant comprises a nuclearus replacement. 핸들, 절연 외장(insulating sheath) 및 상기 핸들에 연결되고 상기 절연 외장 내부에 존재하는 전도성 부재(conductive member)를 구비하는 기구로서, 여기서 상기 전도성 부재의 일부분은 상기 절연 외장으로부터 원위로 돌출되는 기구; A mechanism having a handle, an insulating sheath and a conductive member connected to the handle and residing within the insulating sheath, wherein a portion of the conductive member protrudes distal from the insulating sheath; 기구에 의해 작동가능하고, 신경구조체(neural structure)가 상기 전도성 부재의 일부분과 접촉하고 전기에너지가 상기 전도성 부재에 제공될 때 전기자극을 신경구조체에 인가하기 위하여 전기에너지를 전도성 부재에 제공하도록 설계되는 에너지원; 및 Operable by an instrument, designed to provide electrical energy to the conductive member to apply electrical stimulation to the neural structure when a neural structure is in contact with a portion of the conductive member and electrical energy is provided to the conductive member Energy source; And 상기 기구와 연계되고 상기 기구의 위치와 관련된 정보를 제공하도록 작동되는 추적시스템을 포함하는, 수술용 도구 조립체(surgical tool assembly).And a tracking system associated with the instrument and operative to provide information related to the position of the instrument. 제19항에 있어서, 상기 에너지원은 배터리인 수술용 도구 조립체.20. The surgical instrument assembly of claim 19, wherein said energy source is a battery. 제20항에 있어서, 상기 배터리는 상기 핸들 내부에 수용되는 수술용 도구 조립체.The surgical tool assembly of claim 20, wherein the battery is housed inside the handle. 제19항에 있어서, 상기 절연 외장은 상기 전도성 부재 상에 비-전도성 코팅층(non-conductive coating)을 포함하는 수술용 도구 조립체.20. The surgical instrument assembly of claim 19, wherein the insulating sheath comprises a non-conductive coating on the conductive member. 제19항에 있어서, 상기 기구는 프로브, 견인기, 드라이버 및 탭 중 하나인 수술용 도구 조립체.20. The surgical tool assembly of claim 19, wherein the instrument is one of a probe, retractor, driver, and tab. 제19항에 있어서, 상기 기구는 양극성 또는 단극성 전기자극을 상기 신경구조체에 인가할 수 있는 수술용 도구 조립체.20. The surgical instrument assembly of claim 19, wherein the instrument is capable of applying bipolar or unipolar electrical stimulation to the neural structure. 제19항에 있어서, 상기 추적시스템은 능동 추적요소(active tracking element), 수동 추적요소(passive tracking element), 또는 능동 및 수동 추적요소들의 조합을 포함하는 수술용 도구 조립체.20. The surgical tool assembly of claim 19, wherein the tracking system comprises an active tracking element, a passive tracking element, or a combination of active and passive tracking elements. 신경구조체에 전기자극을 인가할 수 있는 신경감시기구(neuromonitoring instrument)로서, 상기 기구가A neuromonitoring instrument capable of applying electrical stimulation to a neural structure, the instrument comprising: 핸들 및 상기 핸들의 원위단부로부터 연장되는 스타일릿(stylet); 및 A stylet extending from the handle and the distal end of the handle; And 상기 핸들 및 스타일릿 중 하나 이상과 연계되는 내비게이션 센서(navigation sensor)로서, 상기 내비게이션 센서는 상기 기구의 위치에 관한 피드백(feedback)을 제공하도록 작동되는 내비게이션 센서를 포함하는, 신경구조체에 전기자극을 인가할 수 있는 신경감시기구.A navigation sensor associated with at least one of the handle and stylet, wherein the navigation sensor includes a navigation sensor operative to provide feedback regarding the position of the instrument. Neural Surveillance Device Applicable. 제26항에 있어서, 상기 신경감시기구가 상기 핸들의 상기 원위단부로부터 연장되는 절연재료(insulating material)의 캐뉼러(cannular)를 더 포함하며, 여기서 상기 스타일릿은 상기 캐뉼러의 공간(lumen) 내부에 배치되는, 신경구조체에 전기자극을 인가할 수 있는 신경감시기구.27. The cannula of claim 26, wherein the neuromonitoring mechanism further comprises a cannular of insulating material extending from the distal end of the handle, wherein the stylet is a lumen of the cannula. Neural monitoring device that is disposed inside, which can apply electrical stimulation to the nerve structure. 제27항에 있어서, 상기 내비게이션 센서는 상기 캐뉼러의 외표면에 고정되는, 신경구조체에 전기자극을 인가할 수 있는 신경감시기구.28. The neuromonitoring device according to claim 27, wherein the navigation sensor is fixed to an outer surface of the cannula. 제28항에 있어서, 상기 내비게이션 센서는 반사체인, 신경구조체에 전기자극을 인가할 수 있는 신경감시기구.29. The neuromonitoring apparatus according to claim 28 wherein said navigation sensor is a reflector. 제26항에 있어서, 상기 핸들은 신경구조체에 전기자극을 인가하기 위하여 상기 스타일릿에 에너지를 제공하는 에너지원을 수용하는, 신경구조체에 전기자극을 인가할 수 있는 신경감시기구.27. The neurosurgery device of claim 26 wherein the handle receives an energy source for providing energy to the stylet for applying electrical stimulation to the neural structure. 제30항에 있어서, 상기 에너지원은 배터리인, 신경구조체에 전기자극을 인가할 수 있는 신경감시기구.31. The neuromonitoring apparatus according to claim 30, wherein said energy source is a battery. 제26항에 있어서, 상기 스타일릿은 척추경(pedicle) 내에 구멍을 형성할 수 있는 뽀족한 원위단부를 포함하는, 신경구조체에 전기자극을 인가할 수 있는 신경감시기구.27. The neurosurgery device of claim 26 wherein the stylet includes a sharp distal end capable of forming a hole in the pedicle.
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