用於補償自身引起的組織位移的方法和系統的製作方法

2023-07-14 01:27:26

專利名稱：用於補償自身引起的組織位移的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於對包括人在內的動物的由神經觸發的或其他自身引 起的組織位移進行補償的方法和相應的系統。
背景技術：
在外科手術、特別是顯微外科手術中，在獲取活檢樣品中，在醫學成像中， 在記錄神經元和神經膠質細胞的電活動中，以及在對組織進行的放射治療中， 一方面受作用組織與另一方面手術器械、活檢探針、成像裝置或放射束之間的 幾何關係應當是穩定的。儘管患者能夠被部分或全部地固定在支撐體上以避免 他或她在外科手術等過程中發生移動，這並不能避免自主控制下的組織的移 動，也不能，例如，阻止患者的呼吸或通氣或動眼睛。
處理這些運動的方法在本領域是已知的。它們包括監控感興趣的組織相對 於裝置改變了的位置也即其運動，比如用來對組織成像的裝置，或對其放射的. 放射源或與組織相互作用的設備——比如一個用來做活檢的設備，等等。裝置 或放射源或設備被馬達裝置相對於運動的組織以鏡像的方式移位，從而保持其 與組織之間的空間關係或保持其焦點始終在組織上。影響位移的馬達裝置通過 微處理器裝置根據從對組織運動的監控中獲得的位置數據來控制。因此，本領 域己知的方法尋求儘可能接近地跟蹤組織的運動並利用從該追蹤中獲得的位 置數據通過微處理器裝置儘可能快地控制馬達裝置。
本領域已知方法的問題在於它們僅響應組織的運動，其通常是難以預知 的。組織運動的記錄與基於此由微處理器控制及由起效的馬達裝置執行的反測 量之間的時間延遲不容許對由神經觸發的或其他自身引起的位移進行可接受 的補償。
無意識的身體運動源包括心跳，呼吸，腸蠕動，以及肌肉震顫。各種器官 和組織的運動多數通常是不相關的，也就是說，是不協調的，並且通常是不統
一的。它們能夠以合成的方式相互作用使得生理上不相關的運動彼此相加或彼 此補償。它們通常不能僅僅通過對感興趣的組織成像預測出來。
發明目的
本發明的目的是提供一種前面提到過的方法，其不會受到本領域已知補償 方法的部分或全部缺點的影響。
本發明的另一個目的是提供一種實現該方法的系統。
本發明的其他目的將通過以下其許多優選實施例在附圖中示出的發明概 述和所附權利要求而變得顯而易見。
發明概述
根據本發明提供了一種對由神經觸發的或其他自身引起的動物體包括人 體的組織的位移進行補償的方法，其中對組織位移的補償由來自神經觸發的或 其他自身引起的位移的源的電信號發起。
更具體地，根據本發明，提供了一種用於對包括人在內的動物體的組 織——所述組織被以固定關係布置在與位移裝置相接觸的基座上的身體部分 所包括一一由神經觸發的或其他自身引起的位移進行補償的方法，該方法包 括從一個或幾個放置在組織中或其附近的索引標記物採樣位置數據；從一個 或幾個位移源中採樣源活動數據；將位置數據和源活動數據相關生成預測響 應；基於預測響應通過源活動數據控制位移裝置。在本申請中，"位移的組織" 是其自身引起位移將會被補償的組織。"鄰近"位移組織的組織是指與位移組織 一致運動的組織。"自身引起的"表示的是位移的起源或起因位於該主題對象 中，尤其是位於該主題對象的神經系統中。本發明的方法能夠對組織的位移在 宏觀的範圍內一一即在毫米到釐米的範圍內進行補償，並且還可以在微觀的範 圍內——即在〈m—、m—6以至更小的範圍內進行補償。與本領域已知的通過成像 方法獲得的位置數據來跟蹤組織的運動的方法相比，本發明的方法根據的是從 源活動數據對運動進行的預測。
本發明的方法優選包括間隔或連續地對預測對應(correspondence)進行 更新。
在用本發明的方法對自身引起的位移進行補償時較優地考慮在下面被稱 為"人為位移"的組織位移，這是由位移裝置——尤其是由它們在位移補償運動 的開始和/或結束時的突然加速和/或減速引起的。為了防止或將人為位移降到 最小，可設置物理阻尼裝置，如彈簧線圈或橡膠緩衝裝置。作為物理阻尼裝置 的替換或在物理阻尼裝置以外，還可提供控制位移裝置的加速和/或減速的軟體 程序裝置。
根據發明的第一個優選方面，基座的位移是線性的。 根據發明的第二個優選方面，基座的位移是在平面內。 根據發明的第三個優選方面，基座的位移是三維的。
根據第四個優選方面，基座包括保持動物體或人體或其身體部分與基座處 於固定關係的裝置。該保持裝置優選設置在基座的上表面上；它被安裝在基座 上或與基座整合在一起。該保持裝置可以是設有離合器、帶子等的框架，人體 或動物體或身體部分可被放置於其中並被固定。框架可被設置為能在基座上移 動從而可將其上的人體或動物體或身體部分保持在期望位置；例如框架可通過 有限數量的螺絲釘固定到基座上，比如一顆至六顆螺絲釘，其被擰入設置在基 座頂部表面上的孔陣列的對應數量的螺孔中。框架也可被夾在基座頂部表面的 選定位置上。對用來固定或保持其上的動物體或患者或身體部分不動的裝置的 選擇並不是關鍵的。任何適於該目的的可釋放式固定裝置都可以使用。
根據本發明進一步的優選方面，位移裝置是選自電動機裝置、螺線管裝置 和液壓裝置。不同類型位移裝置的組合使用是在本發明的範圍之內，象使用兩 種位移裝置在一個方向上移動基座第一裝置用於粗位移而第二裝置用於精位 移。優點是，進行精位移的裝置可用於根據來自位置傳感器的反饋進行位移修 正。
如果位移的組織是黏膜組織，特別是皮膚組織，或鄰近黏膜或皮膚的組織， 優選用索引標記物放置在該黏膜或皮膚上。標記物可以是，例如塗於皮膚上的 墨水標記。標記物的位置可通過攝影獲得，比如通過視頻，尤其是高速視頻， 位置數據由此成為視頻數據。如果位移是三維的，優選從兩個或多個角度對放 置於黏膜，特別是皮膚上的標記物的位移進行監測。發光二極體(LED)或其 他放置於黏膜，特別是皮膚上的微型光源也可以被用作索引標記物。可選地，
標記物的位置可被雷射都卜勒位移探測儀所跟蹤。
如果位移的組織所處的位置與黏膜或皮膚的距離已經讓它的位移不容易 通過觀察放置在黏膜或皮膚上的標記物所跟蹤的話，那麼標記物就會各自植入 到位移組織或靠近位移組織的組織中。在這種情況下，標記物可以通過適合的 組織穿透性成像技術比如超聲、磁共振或X-射線探測到。植入的標記物優選 為金屬或包括金屬。可選地，植入深層組織中的標記物的運動可通過手術植入 的光纖追蹤到。將在位移組織上或其中、或靠近位移組織的組織上或其中的解 剖結構用作植入的標記物一_其位置可通過先前提及的方法中的一種追 蹤——也包括在本發明的範圍內。植入的標記物優選可被其所植入到的組織所 吸收。適合成為可吸收標記物的材料有，例如，聚酯，聚(交酯)，聚(乙交 酯)，聚(交酯，乙交酯)，其基質可選擇性包括不透射線的生物相容性和可 吸收性材料比如碳酸鈣和磷酸鈣。可吸收不透射線標記物在通過引用包括於此
的US 2005/0036945及US 6,862,470 B2中公開。
優選的源活動數據包括來自骨骼肌的肌電圖(EMG)數據，比如呼吸肌 數據(Resp-EMG)和心電圖(ECG)數據。
根據發明的第二個優選方面驅動裝置能夠進行基座的平面位移。 根據發明的第三個優選方面驅動裝置能夠進行基座的三維位移。 根據發明的另一個優選方面，用於基座線性位移的驅動裝置可包括兩個或 多個作用在相同方向和/或相反方向上的驅動子裝置。用於粗位移的驅動子裝置 與用於精位移的驅動子裝置的組合一一諸如用於釐米範圍的位移的驅動裝置 與用於毫米範圍的另一裝置或者用於毫米範圍的一個裝置與用於微米範圍的 另一裝置的組合是優選的。根據優選實施例，進行精移的驅動裝置與進行粗移 的驅動裝置隔開放置，優選地儘可能接近感興趣的組織所位於的身體部分。尤 其優選由進行精細控制的驅動裝置控制框架關於基座的移位。進行精細控制的 驅動裝置可包括電動機或液壓缸。在本發明的一個實施例中，腦幹的運動—— 比如由心跳或呼吸引起的運動，將得到補償，進行精細控制的驅動裝置被設置 成對該框架或患者或動物體的頭骨操作。
本發明的基座優選為充分平坦的，並且設置成在與其水平表面對應的平面 內移動；在優選實施例中基座體通過球形穿插陣列位於支撐體的一個或多個平
坦表面上。如果支撐體包括兩個或多個表面，它們被放置在一個或多個平行平 面內。基座移動的摩擦阻力應被保持得儘可能低。在支撐體上的基座的另一種 優選設置是通過氣流緩衝墊，將基座移動的摩擦阻力減到最小。


本發明現在將通過引用許多在圖中所示的優選實施例進行解釋，其中 圖1是本發明定位系統的第一實施例的立體圖2是圖1系統的患者或動物支撐臺的頂視圖，動物體以固定關係被放置 在臺子上；
圖2a是圖1系統的患者或動物支撐臺的頂視圖，動物體以相對於安裝在 臺子上的框架固定的關係被放置在臺子上；
圖3是就圖1來看的圖2患者或動物支撐臺的基座的支撐體； 圖4是本發明系統的另一個實施例的框圖； 圖5是本發明方法的一個實施例的框圖； 圖6是本發明系統的第三個實施例的框圖； 圖7是本發明系統的第四個實施例的框圖。
優選實施例描述
患者30以仰臥位置位於本發明定位系統的第一個實施例的定位臺1的患 者或動物基座3上(圖1;還需參見圖2， 2a和3)。基座3的大致形狀為矩 形板。患者通過多個綁帶31被固定到剛性基座3上(圖1)。定位系統包括位 移控制單元2，其中包括操作員界面25。基座3可在由其平行的較低平面限定 的水平面內移位，其較低平面在剛性支撐體4與基座3的下表面鏡像的平行上 表面上滑行——該平行上表面以相應的形式攜帶通過鎖定環20固定在其軸承 座中的球形陣列15 (圖3)。在圖l中，基座3和支撐體4之間的縫隙一定程 度上被放大示出。基座3可通過由放置在氣壓缸外殼7， 8， 9， IO中的缸控制 的活塞聯動對ll， 12; 13， 14進行水平移位。每對活塞ll， 12; 13， 14可中 心固定到基座3的相對邊壁上。缸外殼7， 8; 9， 10分別在軌道16， 17， 18， 19上運動，所述軌道中心安裝在支撐體4的相對邊壁上並在水平方向延伸。支
撐體4通過包括圓腳6的支柱5中心支撐。
在位移控制單元2通過電纜21， 22， 23， 24的控制下，流體通過從外殼 中的電動泵(未示出)提供給外殼7， 8， 9， IO中的氣壓缸。控制單元2包括 微處理器和存儲在存儲器內的位移控制軟體。對微處理器的命令由操作員通過 界面25的鍵盤27輸入。操作參數和其他信息都在監視器26上顯示。
患者30已被選擇在受到心臟的自主運動及呼吸肌運動影響的胸部組織35 進行外科手術。為了防止非自主性呼吸事件的影響，患者通常會被麻醉。組織 35的運動由攝像機33監測，其聚焦於固定到與組織35距離很近的皮膚上的標 記物32上。來自攝像機33的圖像數據通過視頻線34傳送到中央單元2。代替 攝像機33，可以使用例如雷射都卜勒探頭。為了確定補償組織35三維運動所 需的標記物33空間位置，將不得不提供來自兩個或多個攝像機的圖像。ECG 電極36， 37， 38連接到患者30的腋下和左腿從而監測患者的心臟活動；它們 的引線通過總線39連接到控制單元2上；可選地，電極36， 37， 38可連接到 患者的胸部。然而，放置在患者或動物體胸部上的單個電極通常就足夠用於記 錄心臟活動的發生。為了獲得更全面的信息，額外的ECG電極可被連接到適 當位置並與控制單元2相連；但為了清楚起見這種情況並未表示在附圖中。
在圖2中，圖1的定位臺1的患者或動物體基座3被顯示為帶有一個放置 其上的動物體30'。動物體30，的腿通過由在夾子40中的狹縫41延伸的螺栓 42安裝在基座3的螺孔中的四個夾子40被固定到基座3上。這種設置將動物 體30'固定在基座3上。通過夾子的設計和安裝螺絲釘42的孔陣(未示出)的 設計，動物體30'可被固定到基座3的期望位置上。組織35'通過在圖1中介紹 的液壓缸9， 10， 11， 12防止了由神經觸發的或其他自身引起的在基座3的平 面中的位移的發生。
在圖2A中，圖1的定位臺1的患者或動物體基座3被顯示為帶有一個放 置其上的動物體30"。動物體30，的三條腿通過具有狹縫61的夾子60， 63， 64 被固定在基座3上，其狹縫中延伸出螺栓62。螺栓62安裝在設置在基座3的 頂部表面中的螺孔陣列(未示出)的選定的孔中。動物體30"的第四條腿通過 夾子45， 46被固定到U形內框43的底板44上。內框43滑動設置在基座3 上並可通過安裝在U形外框47腿部上的液壓缸48， 50垂直於其腿部沿著相反
方向移動。外框47通過螺栓52安裝到基座上，並且封住內框43，液壓缸48， 50的活塞杆49， 51對內框43工作。液壓缸49， 50被設計成與液壓缸7， 8， 9， 10提供的基座3的粗位移聯動進行內框43的微調位移。這防止了被夾腿上 的感興趣組織44發生由神經觸發的或其他自身引起的位移。
現在參見圖4和5。圖4的框圖是本發明位移補償系統實施例的示意性表 示。哺乳動物A被固定在水平支撐SUP上。哺乳動物的組織N要在外科手術、 活檢，放射性治療等過程中防止移動；由於組織N靠近主動脈，組織N在心 動周期過程中會受到動脈的舒張和收縮的影響，並因而發生位移。組織N的運 動可通過聚焦於布置在與組織N距離很近的皮膚上的標記物M上的攝像機監 測。視頻信號被傳送到視頻處理器，在其中分析圖象以確定並更新標記物M 的坐標，這存儲在微處理器的存儲器中。另外地並與其獨立地，微處理器接收 來自安裝在哺乳動物A上的一組電極E (僅示出一個)的放大的ECG信號數 據。該信號數據在集成於微處理器上的ECG分析單元中進行分析獲得心電圖。 專用軟體/硬體針對選定事件對心電圖進行搜索，比如先於左心室的收縮並因此 預示左心室的收縮的Q波。Q波的標識觸發微處理器指揮X和/或Y馬達開關 開啟對支撐SUP工作的一對馬達裝置X， X'和Y， Y'的一個，從而在x， y平 面內使其產生適當的位移。位移的距離和方向是根據由視頻記錄下來的標記物 M的早先位移，從而對發生位移的時間區間上的位移進行補償。馬達裝置X, X'; Y， Y'可以是，例如，電動馬達，但電動液泵裝置和可通過流體來移位的 氣壓缸內活塞的組合是較優的。成對的馬達裝置以相反方向作用。如果馬達裝 置包括電動馬達——尤其是DC步進馬達， 一個馬達在理論上就足夠進行兩個 方向上的線性位移，這是由於其極性很容易改變。然而，對精密和更重要的是 對快速位移的需要則建議使用成對的馬達裝置。如果需要，垂直於x， y平面 的z方向上(垂直方向上)的位移可通過由Z馬達開關觸發Z， Z'馬達裝置實 現。組織N與支撐SUP—起移位。因而組織N保持了其相對於例如手術器械 或放射源在空間的位置。ECG數據包括預測心臟收縮發生的信息。心肌收縮源 是心臟傳導系統的電活動。ECG數據因而可被稱為"源活動數據"。微處理器將 位置數據(視頻數據)與經放大和分析的源活動數據(ECG數據)相關聯以提 供預測對應。位置數據和源活動數據之間的預測對應用於控制實現支撐SUP
位移的馬達裝置X， X'; Y, Y'， Z， Z'。位置數據由監測標記物M的視頻連 續更新；經更新的數據與存儲在微處理器的存儲器中的位置數據進行比較。如
果識別出來經更新的數據與所存儲的數據之間有差異，則該經更新的數據就用 來修正位置數據與源活動數據之間的相互關係及因此的預測對應。因此，例如 微小的體積改變或呼吸乾擾都可以得到解決。存儲在微處理器中的軟體包括控
制馬達裝置加速和減速的算法從而將對在組織N上由相鄰軟組織慣性引起的
位移期間的延遲影響降低到最小。
可選地，有風險會偏移組織N的呼吸肌系統的收縮可通過對相關神經的 電活動進行監測而預測出來；適於為該目的可移植的電極是本領域已知的。肌 內肌電圖(EMG)對呼吸運動的記錄可以從吸氣階段收縮的肌肉群——尤其是 從胸喙突肋間肌、胸鎖乳突肌和橫膈肌，以及從呼氣階段收縮的腹肌群——尤 其是從腹直肌、腹內斜肌、腹外斜肌、腹橫肌，以及從肋間肌，尤其是三角肌 '獲得。適合本發明使用的從參與呼吸運動的肌肉提供EMG記錄的方法在2006 年Grandevia等人的J Physiol 573:263-275中被公開，所述文獻通過引用被包括 於此。儘管對這些肌肉中的一些進行表面的記錄也可被用在本發明的方法中， 但它們的信噪比遠低於來自肌內記錄的信噪比因而不是優選的。
在患者或動物體的正常或非正常神經狀態下，骨骼肌可能會發生震顫。震 顫是骨骼肌周期性的收縮和放鬆現象，並可被傳播到理應防止位移的組織上。 頻率在8-10 Hz的生理震顫發生在生理活動或不活動的健康人中。諸如基本神 經中樞和小腦等神經系統特定區域的損傷，會在人體或動物體的生理活動以及 靜止狀態下顯著地增大震顫。由所述損傷引起的震顫的發生頻率可處於生理震 顫的頻率範圍之外。為了補償震顫，在受影響的骨骼肌中記錄EMG~優選 地通過一個或多個插入肌內的電極來記錄。這種電極是可以買到且在臨床使用 的。
內部器官比如胃、腸和膀胱的運動，經常周期性發生。在這種情況下這些 肌肉——通常是指平滑肌的肌肉的電活動，可通過在肌肉中插入一個或多個電 極或將它們放置在靠近肌肉的地方來記錄。用在骨骼肌或用在神經系統中的電 極可用來對平滑肌記錄。
觸發肌肉活動的神經系統中的信號比該活動早數個毫秒，有時高達
30-100ms。在特定情況下，記錄神經系統的所述信號而不是各個肌肉發射的信
號或在記錄肌肉發射信號之外還記錄神經系統的信號是有優勢的。可通過植入 到引起震顫的運動中樞的電極或從運動神經進行對神經系統的記錄。合適的電
極是可以買到的；它們包括或由鉑、金、不鏽鋼或合適的合金細線組成，還可 以由，例如，導電聚合物組成。電極可通過外科手術或經皮插入外圍神經而植 入神經系統。
圖6是本發明系統的另一個實施例的框圖。將僅介紹與圖4中所示的系統 存在差別的那些元件。被固定到支撐SUP上的哺乳動物a的深層組織m的運 動不能直接或間接通過對在與鄰近組織接近的皮膚表面的標記物視頻監測獲 得。標記物m被植入到組織n內。標記物m的位置通過用超聲探頭掃描組織 n來進行監測。反射的超聲信號供給到超聲圖像處理器，其中它被變換成一系 列數位化二維圖像。能夠對標記物m精確定位的三維圖像由一系列不同視線的 二維圖像生成。與上所述由視頻獲取的標記物M位置數據的情形一樣，由此 獲得的標記物m的位置數據在微處理器中被與ECG源活動信號相關。
在圖7中所示的本發明系統的實施例是用於補償其中植入有標記物m的 組織n的微量位移的布置的示例。為了對已經在圖4和/或圖6中出現的元件進 行解釋，對這些附圖進行引用。組織n在顯微鏡的放大之下被顯現。標記物m 在組織n中的位置數據通過安裝在分裂波束顯微鏡上的雷射都卜勒振動微探頭 進行採樣。來自雷射都卜勒探頭的信號在雷射振動計中進行解調，從其中傳遞 位置數據到中央微處理器單元。由ECG和呼吸EMG探頭(E; F)採樣的源 活動數據分別被傳送到ECG和EMG信號放大器。放大的信號被饋送到中央微 處理器單元，在那它們被分析並與標記物m位置數據相關，如上針對從視頻獲 取的標記物M位置數據的情形所述的一樣。成對馬達X， X'; Y， Y'， Z， Z' 通過各自的馬達幵關致動來使其上固定有組織n的支撐SUP移位，以補償其 由參與呼吸運動的心臟和肌肉組織引起的位移。
用於分析來自傳感器和視頻的輸入信號以控制防止在一維或二維或三維 空間內發生位移的組織的補償性位移的軟體，其一個重要性能是輸入信號必須 要在比如1毫秒或更短的極短時間內處理，從而使得上次接收到的在對諸如液 壓裝置或電動馬達等位移裝置的指令中使用的輸入數據與相應指令之間的時
間差非常短，比如一或兩個毫秒甚至更短。可依靠操作員進行的補償性位移通 常必須預先校準。典型的校準需要大約10分鐘但也短至一分鐘。通過校準， 操作員確定源信號與例如由視頻或超聲確定的感興趣組織的運動之間的關係。 之後，基於預先校準由一個或多個致動器對組織的補償性位移由操作員和/或軟 件進行優化。操作員可跟隨屏幕或通過列印輸出的數據或以其他任何適當的方 式進行該優化過程。在第二步中，經優化的補償性位移數據之後被存儲到微處 理器的存儲器中。軟體給一個或多個驅動器的指令是由現場輸入數據和/或已經 分析並修正過或未修正的存儲數據預測出的組織運動的鏡像圖像。
跟隨這兩個步驟之後是確定呼氣/吸氣活動和室/房心臟活動的起始的可靠 檢測的標準。這種確定的可靠性隨著採樣期的長度增加，在採樣期間採樣位置 數據和源活動數據被採樣和存儲在存儲器中。從這些數據中能夠計算出源活動 數據的閾值或閾值輪廓，補償性位移就基於此。然後閾值或閾值輪廓通過源活 動數據傳感器監測。由微處理器發給致動器的補償性位移指令由已被微處理器 記錄下來的閾值或識別出來的閾值輪廓觸發。由於感興趣的組織運動隨著時間 可能會產生漂移，監測漂移以及在監測到漂移的情況下通過微處理器中的軟體 重新設定閾值或修正閾值輪廓對該漂移進行補償是很重要的。也很重要的是， 監測影響閾值或閾值輪廓的源活動數據的潛在漂移，以及補償所述漂移。誤差 信號，也就是與由視頻或其他位置數據監視裝置記錄的感興趣組織的預測位移 模式的偏差的信號，被用來更新預測的組織運動模式。為了獲得逐漸改進的預 測組織運動模式，以及從而防止在模式中出現大的擺動，對預測的運動模式的 更新可以通過每個更新循環5%或更少的誤差信號分多個小步進行。對預測的 組織運動模式的修正在下面的補償循環中通過軟體完成。用在所述更新中的誤 差信號的百分比可由操作員設定或整合在軟體中。對預測的運動模式的更新還
可通過Kalman濾波器實現，其相對於較早確定的前攝修正模型對反饋信號的 權重定標，所述反饋信號也就是，與由視頻或其他位置數據監視裝置記錄的感 興趣組織的預測位移模式的偏差的信號。倘若在感興趣組織產生未預料到的大 運動，致動器位移可被限於在該未預料到的運動發生的時間區間的連續片段。 在源活動振幅數據發生明顯變化的情況下，這使得前攝修正能夠逐步更新並因 而能夠用源活動數據來預測周期性運動的振幅。對源活動振幅數據的使用使得
致動器的修正補償性位移能夠按比例定標。在採用單獨的驅動器在一個或多個 方向上進行精移和粗移的本發明的裝置的實施例中，需要同時在精移和粗移水 平上相應地更新前攝修正。
感興趣組織的位置還可通過能夠買到的探頭進行測量。一個示例是探測從 放置在組織上的標記物或從組織處反射回來的光的光纖探頭(MTI-2100
Fotonic傳感器，MTI儀器公司)，通過它可以檢測和監視到納米範圍內的位 移。通過使用兩個或三個這類的探頭設置在距感興趣的組織短距離的位置，組 織在平面或空間中的移位能夠被監測到。本領域己知的和在微米量級對組織位 置的測量有用的方法還有雷射三角測量法和雷射都卜勒技術。
在本發明的方法和系統中使用的頻率直到20MHz並用於對產生位移的微 觀結構進行精密測量的雷射都卜勒儀是德國瓦爾特布隆(Waldbronn)的Ploytec 有限公司的MSV-050手動顯微鏡適配器和MSV-100遠程控制顯微鏡適配器。 對宏觀結構進行位移測量可使用它們的CLV-3D Compact 3-D雷射振動計 (Laser Vibrometer)和PSV-400-3D掃描振動計。
在動物體的大腦和脊髓功能進行的研究中，可使用共焦或多光子共焦顯微 術對神經元的活動和神經元的結構進行監控。然而心跳和呼吸的作用足以降低 從這種顯微術中獲得的圖像的解析度。不固定下來的話，微米範圍內的神經元 的精細細節，例如突觸，是不可能看到的。通過用本發明的方法和系統對由呼 吸或心跳引起的周期性運動進行補償，這些運動可以在很大程度上得到補償， 並且光學解析度也相應提高。
根據本發明在一、二或三維固定組織的另一個示例是通過直徑小到<10-6111 的超精細的電極尖端記錄神經元的活動；在這種情況下感興趣的組織通過外科 手術被暴露出來， 一個或多個微電極通過連接在剛性框架上的微型機械手被插 入到神經系統中。由心跳或呼吸引起的組織相對於微電極的運動將引入電噪聲 並甚至有可能引起神經元的損傷從而削弱或阻礙對受影響的神經元進行記錄； 這個風險通過本發明的方法被消除或至少是充分地降低了。
位置探測器優選地放置在靠近感興趣組織的位置。位置檢測器的小型化允 許對甚至是單個神經細胞進行跟蹤。放置在本發明大體上與圖1和2中的實施 例的患者支撐臺對應的動物支撐臺基座上的動物體以需要的位置用連接裝置 可選擇地全部或部分固定在基座上，比如安裝在基座頂部表面上的固定框架並 且動物體的頭部或脊髓部分或四肢和其他身體部分被放置在其中並通過其保 持。所討論的身體部分中感興趣組織的位移通過包括了本發明定位系統的電力 或液壓致動器進行補償。該布置使得對神經元的研究可以通過共焦或多光子共 焦顯微術來進行，條件是組織的圖像解析度沒有因由動物體內肌肉活動引起的 組織位移而削弱或削弱極輕。
權利要求
1.一種用於對包括人在內的動物體的組織——所述組織被以固定關係布置在與位移裝置相接觸的基座上的身體部分所包括——由神經觸發的或其他自身引起的位移進行補償的方法，所述方法包括(a)將索引標記物布置在所述組織中或附近，或者將所述組織中或附近的結構標識為索引標記物；(b)從所述索引標記物或從所述結構採樣位置數據；(c)從一個或若干位移源採樣源活動數據；(d)將所述位置數據與所述源活動數據相關以生成預測對應；(e)基於所述預測對應通過源活動數據控制所述位移裝置從而以補償所述由神經觸發的或其他自身引起的組織位移的方式使所述基座移位。
2. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，包括.-(f) 間隔地或連續地更新所述預測對應。
3. 如權利要求1或2的方法，其特徵在於，包括在位移的開始或結束時 關於所述位移裝置對所述組織的加速和/或減速來控制所述位移裝置。
4. 如權利要求1到3中任意一項所述的方法，其特徵在於，所述基座的 補償性位移是以下任意一種線性的、在平面內的、在三維空間內的。
5. 如權利要求1到4中任意一項所述的方法，其特徵在於，所述基座包 括保持所述動物體或人體或其身體部分與所述基座處於固定關係的固定裝置。
6. 如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述固定裝置包括安裝在所 述基座頂部上的框架。
7. 如權利要求5或6所述的方法，其特徵在於，所述基座或所述框架包 括選自於離合器、帶子、膠帶、粘性墊或帶子、Velcro⑧繃帶的鎖定裝置。
8. 如權利要求6或7所述的方法，其特徵在於，額外包括基於所述預測 對應通過由源活動數據控制的位移裝置使所述框架關於所述基座移位。
9. 如權利要求1到8中任意一項所述的方法，其特徵在於，所述位移裝 置是選自液壓裝置、螺線管裝置和電動機裝置。
10. 如權利要求1到9中任意一項所述的方法，其特徵在於，用於所述基座和/或所述框架在一個方向上的位移的裝置包括用於粗位移的裝置和用於精 位移的裝置。
11. 如權利要求IO所述的方法，其特徵在於，包括基於來自位置傳感器 的反饋通過所述用於精位移的裝置對所述基座或所述框架的位移進行修正。
12. 如權利要求1到11中任意一項所述的方法，其特徵在於，所述位置 數據來源於高速攝影機、雷射都卜勒位移探測儀、3-D超聲裝置、磁共振裝置、 X射線裝置。
13. 如權利要求1到12中任意一項所述的方法，其特徵在於，所述索引標記物選自於墨水標記、彩色粘性墊、金屬植入物、發光二極體、組織結構。
14. 如權利要求1到13中任意一項所述的方法，其特徵在於，所述源活 動數據包括以下一個或多個來自骨骼肌的肌電圖(EMG)數據——尤其是呼 吸肌數據(Resp-EMG)，心電圖(ECG)數據。
15. —種用於對由神經觸發的或其他自身引起的動物體包括人的組織的 位移進行補償的系統，包括設有用於固定所述動物體或人體或其包含所述組 織的身體部分的裝置的基座，與所述基座接觸的一個或多個位移裝置，用於從 布置在所述組織中或附近的標記物採樣位置數據的裝置，用於從一個或多個位 移源採樣源活動數據的裝置，用於將位置數據與源活動數據相關以生成預測對 應的微處理器裝置，用於基於所述預測對應通過源活動數據控制所述一個或多 個位移裝置的裝置。
16. 如權利要求15所述的系統，其特徵在於，包括用於間隔地或連續地 更新所述預測對應的裝置。
17. 如權利要求15或16所述的系統，其特徵在於，包括用於在位移的開 始或結束時關於所述位移裝置對所述組織的加速和/或減速來控制所述位移裝 置的裝置。
18. 如權利要求15到17所述的系統，其特徵在於，所述用於基座的位移 的裝置是一個能夠進行線性、平面或三維位移的一種裝置。
19. 如權利要求15到18中任意一項所述的系統，其特徵在於，所述固定 裝置以固定或可移置的關係安裝到所述基座。
20. 如權利要求19所述的系統，其特徵在於，所述固定裝置包括設有一個或多個鎖定裝置的框架。
21. 如權利要求20所述的系統，其特徵在於，所述鎖定裝置選自於離合器、帶子、膠帶、粘性墊或帶子、Velcro⑧繃帶。
22. 如權利要求15到21中任意一項所述的系統，其特徵在於，所述位移 裝置選自於液壓裝置、螺線管裝置、電動機裝置。
23. 如權利要求15到22中任意一項所述的系統，其特徵在於，用於所述 基座或所述框架在一個方向上的位移的裝置包括用於粗位移的裝置和用於精 位移的裝置。
24. 如權利要求15到23中任意一項所述的系統，其特徵在於，所述位置 數據釆樣裝置包括高速攝影機、雷射都卜勒位移探測儀、3-D超聲裝置，磁共 振裝置、X射線裝置。
25. 如權利要求15到24中任意一項所述的系統，其特徵在於，所述索引 標記物選自於墨水標記、彩色粘性墊、金屬植入物、發光二極體、組織結構、 生物吸收性放射不透明材料。
26. 如權利要求15到25中任意一項所述的系統，其特徵在於，所述用於 採集源活動數據的裝置包括以下一個或多個來自骨骼肌的肌電圖(EMG)數 據——特別是呼吸肌數據(Resp-EMG)、心電圖(ECG)數據、來自呼吸氣 流的數據、來自神經系統中的神經元活動——特別是神經元運動命令的數據、 與平滑肌活動相關的數據。
27. 如權利要求15到26中任意一項所述的系統，其特徵在於，用於所述 基座的線性位移的驅動裝置包括兩個或多個作用在相同方向和/或相反方向上 的驅動子裝置。
28. 如權利要求15到27中任意一項所述的系統，其特徵在於，所述基座 充分平坦並且設計為在與其水平表面相應的平面內位移。
29. 如權利要求28所述的系統，其特徵在於，所述基座位於平坦的支撐 體上並且在水平面中在所述支撐體上可置換。
30. 如權利要求15到29中任意一項所述的系統在精密顯微手術、活檢樣 品的獲取、醫學成像、對來自神經元和神經膠質細胞或其中的電活動的記錄和 仿真、對患病組織的放射治療、電子設備的植入中的應用。
31.—種用於對由神經觸發的或其他自身引起的動物體包括人的組織的位 移進行補償的方法，其中對所述組織位移的補償是通過來自所述神經觸發的或 其他自身引起的位移的源的電信號發起的。
全文摘要
一種用於對由神經觸發的或其他自身引起的動物體包括人的組織的位移進行補償的系統，包括設有用於固定動物體或人體或其包含該組織的身體部分的裝置的基座，與基座接觸的一個或多個位移裝置，用於從布置在組織中或組織附近的標記物採樣位置數據的裝置，用於從一個或多個偏移源採樣源活動數據的裝置，用於將位置數據與源活動數據相關以生成預測對應的微處理器裝置，用於基於該預測對應通過源活動數據控制所述一個或多個位移裝置的裝置。還公開了對應的方法和應用。
文檔編號A61G13/02GK101355984SQ200680049454
公開日2009年1月28日 申請日期2006年12月28日 優先權日2005年12月28日
發明者J·斯科恩博格, P·皮特森 申請人:神經毫微股份公司