用于外科手術工具追蹤的系統的制作方法

用于外科手術工具追蹤的系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了機器人外科手術的系統和方法。在一個實施方案中，系統包括控制器，其被構造成控制至少一個伺服電動機的致動；外科手術儀器，其被構造成在至少部分由所述至少一個伺服電動機的致動所控制的工作空間中可移動；和機械追蹤器連桿，其耦合在細長儀器與患者骨骼解剖結構的一部分之間，所述追蹤器連桿包括與一個或多個接頭旋轉傳感器相關的一個或多個接頭，且被構造成將接頭信號發送到所述控制器；其中所述控制器至少部分基于從所述機械追蹤器接收的所述接頭信號來控制所述儀器的定位。
【專利說明】用于外科手術工具追蹤的系統
[0001]相關申請案的交叉參考
[0002]本申請要求2011年10月18日申請的美國申請第13/276，048號的優先權，其全部內容以引用的方式并入本文中。
【技術領域】
[0003]本發明大致涉及外科手術系統，且更明確地涉及用于在外科手術期間追蹤工具位置和定向的系統和方法。
[0004]發明背景
[0005]微創外科手術(MIS)是通過比傳統外科手術途徑中使用的切口小很多的切口進行的外科手術。例如，在骨科應用中，如全膝關節置換術中，MIS切口長度可在約4英寸至6英寸的范圍內，而傳統全膝外科手術中的切口長度通常在6英寸至12英寸的范圍內。由于更小的切口長度，MIS手術一般比傳統外科手術途徑要低創，其使對軟組織的創傷降到最小，減少了術后疼痛，促進更早的活動，縮短住院時間并加快康復。
[0006]MIS給外科醫師呈現了若干挑戰。例如，在微創骨科關節置換術中，較小的切口大小可降低外科醫師查看并接觸解剖結構的能力，這可能增加對骨頭塑形并估計適當植入物位置的復雜性。結果，植入物的精確布置可能較困難。用于消除這些問題的常規技術例如包括外科手術導航、定位受試患者的肢體以用于最優的關節暴露，并利用特別設計的小型化儀器和復雜的外科手術技術。然而這種技術通常需要大量專門儀器，冗長的訓練過程和高水平的技術。此外，單個外科醫師和各個外科醫師之間的手術結果不足以可預測，可重復和/或精確。結果，植入物的性能和壽命在患者之間不同。
[0007]為了協助MIS和常規外科手術技術，已作出進步來協助了解外科手術儀器與其在外科手術期間干預的組織結構之間的空間和旋轉關系。例如，各種類型的光學追蹤構造，如從加拿大安大略的Northern Digital, Inc.可購得的那些構造已被利用于外科手術中以追蹤外科手術儀器位置。光學追蹤的一個挑戰在于一般必須維持被追蹤的儀器上的標記與感測攝像頭之間的視線，且維持這個視線以及實質上光學無碎屑的標記狀態可能從外科手術的角度而言是次優的。需要以最小的外科手術干預而非常適于檢測關于外科手術儀器相對于靶組織結構的位置和旋轉信息的微創追蹤技術。
[0008]附圖簡述
[0009]圖1圖示了可能會受到骨科干預的肩關節的一些解剖結構。
[0010]圖2圖示了骨科外科手術系統，其包括由機械追蹤器耦合到患者的骨骼解剖結構的骨頭移除儀器。
[0011]圖3圖示了機器人外科手術系統，其包括基部子系統，機器人儀器支持結構和骨科外科手術儀器。
[0012]圖4A圖示了根據本發明的機械追蹤器。
[0013]圖4B圖示了根據本發明的機械追蹤器的局部剖視圖。[0014]圖4C圖示了根據本發明的機械追蹤器的局部剖視圖。[0015]圖4D圖示了根據本發明的機械追蹤器的局部剖視圖。
[0016]圖4E圖示了根據本發明的機械追蹤器的局部剖視圖。
[0017]圖4F圖示了根據本發明的運動學接口構件的靠近正交圖。
[0018]圖5圖示了根據本發明的使用機械追蹤器的外科手術過程的方面。
[0019]圖6圖示了根據本發明的機械追蹤器的局部剖視圖，其特征為將電位器作為接頭旋轉傳感器。
[0020]圖7A圖示了根據本發明的校準構造的一個視圖。
[0021]圖7B圖示了根據本發明的校準構造的另一視圖。
[0022]圖8圖示了根據本發明的校準過程。

【發明內容】

[0023]一個實施方案涉及機器人外科手術系統，其包括控制器，所述控制器被構造成控制至少一個伺服電動機的致動；外科手術儀器，其被構造成在至少部分由至少一個伺服電動機的致動所控制的工作空間中可移動；和機械追蹤器連桿，其耦合在細長儀器與患者骨骼解剖結構的一部分之間，所述追蹤器連桿包括與一個或多個接頭旋轉傳感器相關的一個或多個接頭，且被構造成將接頭信號發送到控制器；其中所述控制器至少部分基于從機械追蹤器接收的接頭信號來控制儀器的定位。外科手術儀器可包括骨頭移除儀器。外科手術儀器可包括電機致動的毛刺。外科手術儀器可由耦合到至少一個伺服電動機的連桿臂耦合到不動基部單元。連桿臂可包括機器人臂，且控制器可被構造成選擇性地啟動至少一個伺服電動機以在外科手術儀器上強制執行動作限制。控制器可被構造成將觸覺反饋提供到手術員，所述手術員通過一個或多個伺服電動機的受控致動來處理外科手術儀器。控制器可被構造成由一個或多個伺服電動機的受控致動而將矯正動作提供到外科手術儀器。機械追蹤器連桿可包括由至少一個可移動接頭耦合的至少兩個實質上剛性部分。機械追蹤器連桿可包括由兩個或多個可移動接頭以串聯構造耦合的至少三個實質上剛性的部分。所述串聯構造可包括近端和遠端，其每個都耦合到運動學快速連接配合件。近端運動學快速連接配合件可被構造成固定且可移除地耦合到骨骼骨頭。遠端運動學快速連接配合件可被構造成固定且可移除地耦合到外科手術儀器。近端運動學快速連接配合件可被構造成使用耦合到骨骼骨頭的額外運動學快速連接配合件而固定且可移除地耦合到骨骼骨頭。遠端運動學快速連接配合件可被構造成使用耦合到外科手術儀器的額外運動學快速連接配合件而固定且可移除地耦合到外科手術儀器。近端和額外運動學快速連接配合件可通過與一個或多個運動學定向的表面相關的一個或多個磁鐵而被偏置到停留在耦合構造中。遠端和額外運動學快速連接配合件可由與一個或多個運動學定向的表面相關的一個或多個磁鐵而被偏置到停留在耦合構造中。額外運動學快速連接配合件可耦合到直接緊固到骨骼骨頭的一個或多個針腳。一個或多個接頭旋轉傳感器的至少一個可包括編碼器。一個或多個接頭旋轉傳感器的至少一個可包括電位計。機械追蹤器連桿可包括板載電源，其被構造成對一個或多個接頭旋轉傳感器供電。追蹤器連桿可包括選自由以下項組成的組的可丟棄聚合材料:尼龍、玻璃填充的尼龍、聚對苯二甲酸乙二酯、聚苯乙烯、聚乙烯和其共聚物。
[0024]另一實施方案涉及在患者骨頭上進行機器人外科手術的方法，其包括將近端骨骼緊固件耦合到靠近骨頭的骨骼結構；在近端骨骼緊固件與外科手術儀器之間耦合機械追蹤器連桿，所述追蹤器連桿包括與一個或多個接頭旋轉傳感器相關的一個或多個接頭，且被構造成將接頭信號發送到控制器；和至少部分基于從機械追蹤器接收的接頭信號控制外科手術儀器的定位，且一個或多個伺服電動機操作地耦合到控制器。耦合近端骨骼緊固件可包括將針腳固定地耦合到靠近骨頭的骨骼結構。患者的骨頭可包括患者的肩關節的骨頭，且靠近骨頭的骨骼結構可包括患者的肩胛骨。患者的骨頭可包括患者的脛骨，且靠近骨頭的骨骼結構可包括患者的股骨。方法還可以包括移除一部分組織，包括患者的骨頭，外科手術儀器包括移除骨頭的儀器。移除骨頭的儀器可包括旋轉毛刺，且移除包括骨頭的一部分組織可包括可控制地移動毛刺。方法還可包括使用有線連接將接頭信號傳輸到控制器。方法還可以包括使用無線連接將接頭信號傳輸到控制器。方法還可以包括操作控制器以抵抗由手術員通過耦合可移動儀器支撐結構的一個或多個伺服電動機的致動對外科手術儀器的操縱所嘗試的外科手術儀器的運動。方法還可以包括操作控制器以響應于由手術員通過耦合可移動儀器支撐結構的一個或多個伺服電動機的致動而對外科手術儀器的操縱的嘗試來提供外科手術儀器的矯正動作。一個或多個伺服電動機可操作地耦合到可移動儀器支撐結構，其可被構造成將外科手術儀器耦合到不動機械基部，且可移動儀器支撐結構可包括由可移動接頭耦合的一系列剛性連桿。可移動儀器支撐結構可以是機器人臂。將機械追蹤器連桿耦合到近端骨骼緊固件可包括利用可移除耦合的運動學快速連接配合件。將機械追蹤器連桿耦合到外科手術儀器可包括利用可移除耦合的運動學快速連接配合件。移動外科手術儀器可導致當耦合到外科手術儀器的末端執行器靠近將要做手術的患者的骨頭的一部分時機械追蹤器連桿和可移動儀器支撐結構的每個在沒有與彼此沖突的情況下在外科手術動作范圍中移動。控制器還可以被操作來通過一個或多個伺服電動機的選定致動而給予手術員觸覺反饋。方法還可以包括在手術中將機械追蹤器連桿從近端骨骼緊固件去耦。方法還可以包括在手術中將機械追蹤器連桿從外科手術儀器去耦。方法還可以包括通過移動外科手術儀器和從機械追蹤器連桿和儀器支撐結構兩者的運動而在控制器處接收信號來同步機械追蹤器連桿和儀器支撐結構相對于彼此的運動。方法還可以包括通過移動外科手術儀器和從機械追蹤器連桿和儀器支撐結構兩者的運動而在控制器處接收信號來相對于儀器支撐結構的運動校準機械追蹤器連桿的運動。方法還可以包括通過移動外科手術儀器和從機械追蹤器連桿和儀器支撐結構兩者的運動而在控制器處接收信號來切換耦合到外科手術儀器的末端執行器和相對于儀器支撐結構的運動重新校準機械追蹤器連桿的運動。一個或多個接頭旋轉傳感器的至少一個可包括編碼器。一個或多個接頭旋轉傳感器的至少一個可包括電位計。方法還可以包括使用編碼器校準電位計。方法還可以包括當校準時產生校準信息，和將所述校準信息存儲在操作地耦合到電位計的存儲器裝置上。
【具體實施方式】
[0025]如上文所描述，某些外科手術技術已發展到依靠對外科手術儀器相對于靶組織的空間和旋轉定位的詳細了解。例如，在某些骨科外科手術背景中，期望利用靶組織結構的手術前和手術中的圖像和模型，以及儀器(其被同步來協調對儀器和解剖結構共同的系統)，以可預測地解決各種靶組織結構。參考圖1，描繪了肩部的骨骼解剖結構的某些方面，包括肱骨(2)、肩胛骨(4)和鎖骨出)。在骨科外科手術儀器被利用來修改這個解剖結構的一個或多個部分的幾何結構以修復損傷、準備假肢或其它外科手術目標的場景中，可在手術中利用本地機械追蹤器以隨著干預進行而了解相對于骨骼解剖結構耦合到其的外科手術儀器的位置和定向。
[0026]參考圖2，圖示了這種構造的一個實施方案，其中外科手術儀器(48)(包括手柄部分(52)、細長部分(54)和末端執行器(50)，如電機致動的毛刺，其被構造成旋轉以移除鈣化組織)通過在手術室本地的機械追蹤器構造(即，其直接耦合在外科手術儀器48與直接在干預受試體周圍的解剖結構之間，在此為肩關節)操作地耦合到肩胛骨(4)的一部分。在所描繪的實施方案中，外科手術儀器(48)由儀器緊固件耦合到機械追蹤器，所述緊固件包括運動學接口構件(44)，其可移除地附接到包括機械追蹤器的遠端的類似運動學接口構件
(42)。這個遠端運動學接口構件(42)優選地經由可旋轉接頭(40)耦合到具有近端(32)和遠端(30)的細長構件(20)。所描繪的實施方案中的近端(32)經由另一接頭(38)耦合到具有近端(28)和遠端(26)的另一細長構件(18)，其近端(28)經由另一接頭(36)耦合到具有近端(24)和遠端(22)的第三細長構件(16)。最近端細長構件(16)的近端(24)由另一可旋轉接頭(34)耦合到運動學接口構件(14)。骨骼緊固件(10)耦合在肩胛骨(4)與機械追蹤器的近端之間。利用一個或多個針腳(8)以將骨骼緊固件(10)緊固到肩胛骨
(4)的鈣化組織，而運動學接口構件(12)與機械追蹤器連桿的近端的類似運動學接口構件
(14)界面接合。隨著每個可旋轉接頭(34、36、38、40)處的足夠自由度和動作范圍和對每個這種接頭處的旋轉活動的了解，可具有對儀器相對于受試解剖結構的三維空間定位和旋轉的實時和近實時了解，且這種了解可例如被利用來遵循特定外科手術計劃。例如，根據手術前或手術中的計劃，可能期望僅從受試骨骼解剖結構移除特定部分或體積的骨頭。雖然所描繪的實施方案示出了可旋轉地耦合到彼此和緊固構造(10、46)的三個細長構件(16、18、20)，但是其它實施方案可包含更多或更少的細長構件和/或接頭。優選地，細長構件在外科手術工具(48)的運動期間對于相對低慣性架空是輕量的，且實質上剛性，使得在機械連桿的使用期間可利用關于其偏向的某些假設(在另一實施方案中，如果撓曲性可用應變計或類似物來特征化，那么其可以更加撓曲，使得連桿的偏向可結合到連桿部分的位置和定向的確定中)。
[0027]參考圖3，這種機械連桿構造可與機器人外科手術系統(56)合并利用，如例如美國專利8，010，180中所描述的(其全部內容以引用的方式并入本文中)從佛羅里達勞德代爾堡的MAKO Surgical Corporat1n的商標名R1(RTM)下可購得的機器人外科手術系統。所描繪的儀器(48)可耦合到圖2的構造的機械連桿(以及從而肩部)，而這種儀器(48)還通過儀器支撐結構(58)(如所描繪的機器人臂)保持耦合到基部控制器子系統(60)，其包括計算機化的控制器，如處理器或微控制器。機器人臂可包括由計算機化的控制器控制的一個或多個伺服電動機，且這些伺服電動機可選擇性地由控制器啟動以在外科手術儀器(48)上強制執行動作限制，如通過將觸覺反饋提供到其的手正在試圖移動外科手術儀器(48)的手術員，或隨著手術員試圖沿著相對于相關組織結構偏離預定切割/非切割或接觸/非接觸計劃的路徑移動外科手術儀器(48)時提供矯正動作。優選地，儀器支撐結構和機械追蹤器連桿的運動可被構造成對于手術工作空間中外科手術儀器(48)的動作的有用范圍不在空間上相交或彼此沖突。這種機械連桿構造還可以與徒手的外科手術工具(即，不由儀器支撐結構所支撐)合并利用，如從Blue Belt Technologies, Inc.可購得的那些工具。[0028]參考圖4A-4F，示出適合于干預構造(如圖2中所描繪的構造)的機械追蹤器連桿的一個實施方案的各種方面。如圖4A中所示，這種機械追蹤器實施方案包括兩個運動學接口構件(14、42)，其通過三個細長構件(16、18、20)和四個接頭復體(34、36、38、40)可旋轉地耦合到彼此。進一步詳細來說，下方描繪的運動學接口構件(14)可旋轉地耦合到外殼(62)，其可旋轉地耦合到另一外殼出4)。這個第二外殼(64)可旋轉地耦合到細長構件
(16)，其在本實施方案中固定地附接到另一外殼(68)。旋轉自由度由外殼(68)與外殼(66)之間的旋轉接口引起，所述外殼(66)在本實施方案中固定地耦合到第二細長構件(18)。所描繪的機械追蹤器實施方案的剩余方面對連桿的另一端上的那些，始于固定地耦合到第二細長構件(18)的外殼(70)，以及外殼(70)與外殼(72)之間的另一旋轉接頭是相當勻稱的。外殼(72)固定地耦合到第三細長構件(20)，且第三細長構件(20)的另一端可旋轉地耦合到另一外殼(74)，其可旋轉地耦合到最后外殼(76)，所述最后外殼(76)最終可旋轉地耦合到運動學接口構件(42)。本實施方案中的外殼(62、64、66、68、70、72、74、76)被構造成罩住旋轉接頭接口，且相關接頭旋轉傳感器被構造成以更高水平的精度監視每個旋轉自由度的旋轉。
[0029]參考圖4B，如圖4A中圖示的實施方案的部分剖視圖被描繪來示出罩在外殼中的接頭旋轉傳感器。在本實施方案中，接頭旋轉傳感器是精確數字編碼器，如從加利福尼亞帕洛阿爾托的Hewlett Packard Corporat1n可購得的那些編碼器。如圖4B中所示,第一接頭復體(34)界定了三個旋轉軸(114、112、116)，其每個可由編碼器監視(分別為78、80、82)。第二接頭復體(36)界定可由編碼器(84)監視的單個旋轉軸(118)。第三接頭復體
(38)界定可由編碼器(86)監視的單個旋轉軸(120)。第四接頭復體(40)界定可由三個編碼器(分別為88、90、92)監視的三個旋轉軸(126、122、124)。如在關于第四接頭復體(40)的第三編碼器(92)的進一步細節中所指出，每個編碼器優選地包括或操作地偶接到編碼器板(178)，其耦合到微控制器(176)且存儲器裝置(174)被構造成協助編碼器(92)的操作并使其能夠例如經由導線或無線通信鏈路操作地耦合到例如可能居于筆記本或桌面型計算機系統中或計算基站中(如圖3中所描繪(60))的計算機化的控制器。
[0030]參考圖4C，描繪進一步剖面圖，其圖示了編碼器(78、80、82、84、86、88、90、92)的布置。參考圖4D，描繪了相同實施方案的甚至更進一步的剖面圖，其示出一個或多個電池(128、130、132)可罩在其內，或可包括一個或多個細長構件(16、18、20)以對機械追蹤器連桿提供移動電源以操作編碼器或其它組件。
[0031]參考圖4E，描繪了第一接頭復體(34)的靠近部分剖面圖，其示出編碼器(78、80、82)，以及相關的編碼器板(分別為98、94、96)。運動學接口構件(14)也相當靠近地示出，且圖示了這個接口的各種特征，其自身圖示于圖4F中。參考圖4F，運動學接口構件(14)的這個實施方案包括三個鐵磁體(106、108、110)和三個幾何“母側”凹槽(100、102、104)，其被構造成以“快速連接”形式可移除地耦合到“公側”形式，其特征為是以類似構造的類似但具相反極性的磁鐵，且突出元件被構造成緊密配合于“母側”凹槽(100、102、104)中。磁性元件的極性優選地被選擇來允許僅一個耦合定向，使得當接口(即，“公”側和“母”側被耦合時，其相對定向已知)。這種運動學快速連接接口被構造成可靠地提供公差較緊密且可靠定向的接口，所述接口容易地通過以施加負載(例如，由外科醫師的手施加)對磁性接口負載過多施壓而脫離。在一個實施方案中，機械追蹤器的實質上所有主要結構部分(除了如快速連接運動學接口構件的鐵磁體部分的部分，某些導電元件，如導線，和電源/電池的某些部分和旋轉傳感器組件之外)包括聚合材料，其可相對廉價地大量制造，且可促進可被殺菌且包裝來在手術中一次使用的“可丟棄”機械追蹤器的實施方案。適當聚合物包括但不限于尼龍、玻璃填充的尼龍、聚乙烯、聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯，和其共聚物。
[0032]參考圖5，圖示了在外科手術干預中利用機械追蹤器的過程。在建立了一個或多個外科手術接觸點(134)之后，例如，通過建立一個或多個切口或入口，近端緊固件可耦合到與將要手術改變(136)的組織相關的外科手術室附近的暴露骨骼結構(即，通過外科手術通路來暴露)。例如，在肩部外科手術實施方案中，一個切口可被建立來接觸肩胛骨的一部分以緊固骨骼緊固件(例如，使用針腳8，如圖2中描繪的緊固件10構造)，且可在近處建立另一切口以接觸將要用外科手術工具改變的骨頭。運動學配合件，如磁性快速連接類型的運動學配合件可耦合到骨骼緊固件(138)。此外，運動學配合件，如磁性快速連接類型的運動學配合件可耦合到儀器緊固件，其可耦合到外科手術儀器(140)。外科手術儀器優選地由可移動支撐結構支撐，如圖3中所描繪的結構，其中可移動支撐結構包括機器人臂，其可由來自手術員的操縱命令負載來移動，遭受可通過可移動支撐結構作為“觸覺阻力”機電地提供到手術員的阻力。機械追蹤器連桿可在運動學配合件之間相互耦合，所述運動學配合件耦合到外科手術儀器和骨骼解剖結構；在一個實施方案中，運動學快速連接接口可在機械追蹤器的近端和遠端處選擇以提供有效且可預測的耦合(142)。隨著機械追蹤器處在一定位置，外科手術儀器可在空間中移動和重定向，例如，在用于干預的預期外科手術工作空間中移動和重定向，同時其保持耦合到機械追蹤器(其耦合到骨骼解剖結構)和可移動支撐結構。操作地耦合到機械追蹤器接頭傳感器和關于可移動支撐結構的運動的空間/運動學信息兩者的(例如，如來自光學追蹤系統的感測信息或來自將使用于校準/同步的儀器支撐結構的接頭旋轉傳感器信息，但是一旦機械追蹤器已經同步/校準之后則可或可以不在外科手術中利用)計算機化的控制器可被利用來查看數據流并且相對于彼此校準或同步兩個動作追蹤系統(144、146)。隨著機械追蹤器被校準和同步，可進行外科手術的處理階段(148)，同時機械追蹤器的接頭傳感器被利用來了解外科手術儀器相對于解剖結構的位置和定向。如果利用具有不同幾何結構的末端執行器，或如果利用不同外科手術儀器，那么可重復校準/同步。在利用運動學快速連接接口的實施方案中，近端、遠端或整個機械追蹤器連桿可從其與骨骼解剖結構或外科手術儀器的耦合瞬時移除，例如以適應與一個或多個成像系統的工具切換或檢查，這需要靠近的通路而沒有在直接工作空間中的追蹤器。在已經實質上完成外科手術之后，系統可從傷口隨著撤出而移除，所述傷口可被閉合(150)。
[0033]為了進一步圖示利用所提的機械追蹤器技術的過程的各種實施方案，下文是兩個示例性構造的描述。在第一構造中，機器人外科手術系統(如圖3中描繪的系統)將利用于骨科接頭干預中-比如說在肩部或膝蓋上。系統包括相對于全局坐標系(即，如手術室的地面)可瞬間不動的基部、控制器和外科手術儀器，如機電致動的旋轉毛刺儀器，其由機器人臂操作地耦合到基部，所述機器人臂包括由與接頭旋轉傳感器相關的接頭耦合的多個剛性連桿。隨著基部瞬間不動且相對于機器人臂的遠端的儀器的幾何結構已知，控制器能夠了解儀器的末端執行器尖端相對于與不動基部相關的全局坐標系的位置和定向。然而，這個全局坐標系不一定同時，或處于同步，組織的坐標系(或多個坐標系)涉及在手術中-且這些坐標系可能在手術期間隨著例如患者略微或明顯相對于手術室的地面移動而移動。為了能夠同步和校準，并維持末端執行器對組織結構的這種同步和校準，可將機械追蹤器在組織結構與儀器之間相互耦合，且來自機械追蹤器的接頭旋轉信息可傳輸(例如，通過導線或無線連接性)到控制器以使控制器能夠維持儀器和儀器末端執行器相對于組織的同步。鑒于這種同步，外科手術可例如根據預定組織移除計劃來執行。如果患者的解剖結構相對于全局坐標系移動，那么來自機械追蹤器的數據被利用來維持末端執行器相對于組織的同步，且在一個實施方案中，在手術中經由在圖形用戶界面中基于圖像的三維虛擬環境而對手術員示出工具相對于解剖結構在何處。
[0034]在第二示例性構造中，在沒有相關儀器支撐結構的情況下利用手持(“徒手”)外科手術儀器。在徒手儀器與解剖結構之間相互耦合的機械追蹤器可被利用來例如通過將末端執行器接觸到已知的解剖標志或可能已經緊固到解剖結構的已知位置的標記而首先與解剖結構建立校準/同步。在儀器與解剖結構同步之后，可用操作地耦合到來自機械追蹤器的接頭傳感器信息的控制器來進行干預，且這個信息可被利用來協助手術員根據預定組織移除計劃并且伴隨例如圖形用戶界面中基于圖像的三維虛擬環境的協助而移動徒手工具。
[0035]參考圖6，描繪了類似于圖4B的實施方案的實施方案，只是接頭傳感器是相對廉價的電位計(152、154、156、158、160、162、164、166)，而不是如圖4B的實施方案中的編碼器。圖6的實施方案中還指出的是板(172)、微控制器(170)和存儲器裝置(168)，其可對于相關電位計(166)特定地被構造。在某些構造中，可選擇與編碼器對照的相對廉價的電位計以減小部件的成本并增加機械追蹤器總成的可丟棄性。然而，電位計的一個挑戰在于其通常具有非線性度(即，從其射出的電壓關于角偏轉不一定是線性的)。為使電位計更適合作為高精度的接頭旋轉傳感器，如在所提的機械追蹤器構造中所述，每個電位計可相對于高精度的接頭旋轉傳感器(如精度編碼器)而特征化，且非線性度可映射到方程式，其特征為查找表，等等，使得電壓可精確地映射到接頭旋轉角且從而被相關控制器利用以協助了解相關外科手術儀器相對于相關解剖結構的位置和定向。
[0036]參考圖7A和圖7B，描繪了使用精確編碼器來使電位計特征化的構造的兩個正視圖。所描繪的器件包括基部構件(180)和耦合到可旋轉構件(184)的直立構件(182)，其中繞輪軸(188)的旋轉接頭導致相關的精確編碼器(206)和電位計(208)兩者一起旋轉。旋轉構件可通過手柄(186)的操縱而手動旋轉(204)。編碼器(206)和電位計(208)兩者經由導線(202、200)耦合到計算系統(192)，其包括控制器或微控制器，其優選地經由導線(196、198)耦合到顯示器(190)和存儲器裝置(194)。隨著旋轉構件(184)旋轉(204)，電位計(208)的電壓輸出可對比于編碼器(206)的輸出和相關角旋轉位置且相對于其被特征化，并且可利用數學技術(如多項式擬合)來開發可預測的數學關系，或查找表，其可隨后被利用來在沒有編碼器(206)的進一步協助的情況下確定從電位計(208)的旋轉角位置。以每個電位計為特征的信息(例如，數學關系或查找表)可存儲在對于所述板是本地的存儲器上，且與每個電位計相關的微控制器合并到機械追蹤器總成中。
[0037]參考圖8，圖示了校準電位計并以其為特征以用作精確接頭旋轉傳感器的上文描述的過程。電位計樣品耦合到高分辨率編碼的測試器件(210)。電位計和編碼器兩者耦合到能夠并行監視來自兩者的信號的計算系統(212)。電位計和編碼器通過給定范圍的動作場景(出于機械追蹤器的功能優選地至少靠近目標范圍的動作場景)來旋轉循環(214)，且建立某一關系以能夠將電位計輸出電壓與目標范圍的動作場景中的接頭旋轉角相關(216)。特征化信息(如與輸出電壓和編碼器角、查找表，等等擬合的多項式)優選地存儲在操作耦合到電位計樣本的存儲器裝置上(例如，在相關板上，或在操作耦合到控制器或計算系統的相關存儲器裝置上)(218)。通過使用電位計特征化信息確定的旋轉反饋來檢查已知接頭旋轉，也可以在原位進行校準(220)。
[0038]本文中描述了本發明的各種示例性實施方案。在非限制的意義上對這些實例進行參考。其被提供來圖示本發明的更寬泛的可應用方面。在未脫離本發明的真實精神和范疇的情況下，可對所描述的本發明進行各種改變并且等效物可被取代。此外，可進行許多修改以適應對于本發明的目的、精神或范疇的特定情況、材料、物質組成、過程、過程動作或步驟。此外，如本領域技術人員將了解，本文中描述和圖示的每個個別變更都具有分立組件和特征，其可容易地從任何其它若干個實施方案的特征分離或組合，而不脫離本發明的范疇或精神。所有這些修改意在處于與本公開相關的權利要求的范疇內。
[0039]所描述的用于實行所提的干預的任何裝置可以封裝組合來提供以用于執行這些干預。這些供應的“裝備”還可以包括指令，以使用于如通常出于這種目的而被利用的無菌托盤或容器中并與其封裝。
[0040]本發明包括可使用所提的裝置而執行的方法。方法可包括提供這種適當裝置的動作。這種提供可由終端用戶來執行。換句話說，所述“提供”動作僅需要終端用戶獲得、接觸、接近、定位、設置、啟動、供電或另外動作來提供所提的方法中必需的裝置。本文中敘述的方法可以邏輯上可行的敘述事件的任何順序以及以所敘述的事件順序來執行。
[0041]本發明的示例性方面以及關于材料選擇和制造的細節已經在上文闡明。至于本發明的其它細節，這些可結合上文引述的專利和公開案以及本領域技術人員一般已知或了解的內容來了解。例如，本領域技術人員將了解，一個或多個光滑涂層(例如，親水聚合物，如基于聚乙烯吡咯烷酮的組分、含氟聚合物，如四氯乙烯、親水性凝膠或硅酮)或適合用作低摩擦軸承表面的聚合物部分(如超高分子量聚乙烯)可結合裝置的各種部分來使用，如(例如，如果期望)可移動耦合部分的相對較大界面表面，以促進這些對象相對于儀器其它部分或附近組織結構的低摩擦操縱或推進。按照如共同利用或邏輯地利用的額外動作，相同原理關于本發明的基于方法的方面是有效的。
[0042]此外，雖然本發明已經參考可選地合并各種特征的若干個實例而被描述，但是本發明不限于被描述或指示的內容，如關于本發明的每個變動是預期的。在未脫離本發明的真實精神和范疇的情況下可對所描述的本發明進行各種改變，且等效物(無論是本文中引述的或為了某些簡潔性而未包括的等效物)可被取代。此外，在提供某一范圍的值之處，應理解，在所述范圍的上限與下限之間的每個中間值以及所述范圍中的任何其它陳述的值或中間值都涵蓋在本發明內。
[0043]另外，預期所描述的本發明變動的任何可選特征可獨立地闡明和要求，或與本文中描述的任何一個或多個特征組合。對單數項的引用包括了具有復數個相同項存在的可能性。更明確而言，如本文中以及與其相關的權利要求中所使用，除非明確另外陳述，否則單數形式“一個”、“所述”包括復數個引用物。換句話說，冠詞的使用在上文描述以及與本公開相關的權利要求中允許了“至少一個”所提項。還應注意，這些權利要求可被起草來排除任何可選元件。因而，這個陳述意在用作結合所要求的元件的敘述使用如“單純”、“僅僅”和類似術語的這些排他性術語或使用“負”限制的先行基礎。[0044]在沒有使用這種排他性術語的情況下，與本公開相關的權利要求中的術語“包括”應允許包括任何額外元件一無論給定數量的元件是否列舉在這些權利要求中，或者額外特征可被視為轉變這些權利要求中所闡明的元件的性質。除了如本文中明確定義之外，本文中使用的所有技術和科學術語作為盡可能寬泛的共同理解的意義來給出，同時維持權利要求的有效性。
[0045]本發明的寬度不應限制于所提供的實例和/或所提的說明書，而是僅受到與本公開相關的權利要求語言的范疇所限制。
【權利要求】
1.一種機器人外科手術系統,其包括: a.控制器，其被構造成控制至少一個伺服電動機的致動； b.外科手術儀器，其被構造成在至少部分由所述至少一個伺服電動機的致動控制的工作空間中可移動；和 c.機械追蹤器連桿，其耦合在細長儀器與患者骨骼解剖結構的一部分之間，所述追蹤器連桿包括與一個或多個接頭旋轉傳感器相關的一個或多個接頭，且被構造成將接頭信號發送到所述控制器； 其中所述控制器至少部分基于從所述機械追蹤器接收的所述接頭信號來控制所述儀器的定位。
2.根據權利要求1所述的系統，其中所述外科手術儀器包括骨頭移除儀器。
3.根據權利要求2所述的系統，其中所述外科手術儀器包括機電致動的毛刺。
4.根據權利要求1所述的系統，其中所述外科手術儀器由耦合到所述至少一個伺服電動機的連桿臂而耦合不動基部單元。
5.根據權利要求4所述的系統，其中所述連桿臂包括機器人臂，且其中所述控制器被構造成選擇性地啟動所述至少一個伺服電動機以在所述外科手術儀器上強制執行動作限制。
6.根據權利要求5所述的系統，其中所述控制器被構造成將觸覺反饋提供到手術員，其通過所述一個或多個伺服電動機受控的致動來處理所述外科手術儀器。
7.根據權利要求5所述的系統，其中所述控制器被構造成由所述一個或多個伺服電動機的受控致動而將矯正動作提供到所述外科手術儀器。
8.根據權利要求1所述的系統，其中所述機械追蹤器連桿包括由至少一個可移動接頭耦合的至少兩個實質上剛性部分。
9.根據權利要求8所述的系統，其中所述機械追蹤器連桿包括由兩個或多個可移動接頭以串聯構造耦合的至少三個實質上剛性部分。
10.根據權利要求9所述的系統，其中所述串聯構造包括近端和遠端，其每個都耦合到運動學快速連接配合件。
11.根據權利要求10所述的系統，其中近端運動學快速連接配合件被構造成固定且可移除地耦合到骨骼骨頭。
12.根據權利要求10所述的系統，其中遠端運動學快速連接配合件被構造成固定且可移除地耦合到所述外科手術儀器。
13.根據權利要求11所述的系統，其中所述近端運動學快速連接配合件被構造成使用耦合到所述骨骼骨頭的額外運動學快速連接配合件而固定且可移除地耦合到所述骨骼骨頭。
14.根據權利要求12所述的系統，其中所述遠端運動學快速連接配合件被構造成使用耦合到所述外科手術儀器的額外運動學快速連接配合件而固定且可移除地耦合到所述外科手術儀器。
15.根據權利要求13所述的系統，其中所述近端和額外運動學快速連接配合件通過與一個或多個運動學定向的表面相關的一個或多個磁鐵而被偏置到停留在耦合構造中。
16.根據權利要求14所述的系統，其中所述遠端和額外運動學快速連接配合件通過與一個或多個運動學定向的表面相關的一個或多個磁鐵而被偏置到停留在耦合構造中。
17.根據權利要求13所述的系統，其中所述額外運動學快速連接配合件耦合到直接緊固到所述骨骼骨頭的一個或多個針腳。
18.根據權利要求1所述的系統，其中所述一個或多個接頭旋轉傳感器的至少一個包括編碼器。
19.根據權利要求1所述的系統，其中所述一個或多個接頭旋轉傳感器的至少一個包括電位計。
20.根據權利要求1所述的系統，其中所述機械追蹤器連桿包括板載電源，其被構造成對所述一個或多個接頭旋轉傳感器供電。
21.根據權利要求1所述的系統，其中所述追蹤器連桿包括選自由以下項組成的組的可丟棄聚合材料:尼龍、玻璃填充的尼龍、聚對苯二甲酸乙二酯、聚苯乙烯、聚乙烯和其共聚物。
22.一種在患者骨頭上進行機器人外科手術的方法，其包括: a.將近端骨骼緊固件耦合到靠近所述骨頭的骨骼結構； b.在所述近端骨骼緊固件與外科手術儀器之間耦合機械追蹤器連桿，所述追蹤器連桿包括與一個或多個接頭旋轉傳感器相關的一個或多個接頭，且被構造成將接頭信號發送到控制器；和 c.至少部分基于從所述機械追蹤器接收的所述接頭信號控制所述外科手術儀器的定位，且一個或多個伺服電動機操作地耦合到所述控制器。
23.根據權利要求22所述的方法，其中耦合近端骨骼緊固件包括將針腳固定地耦合到靠近所述骨頭的所述骨骼結構。
24.根據權利要求23所述的方法，其中所述患者的所述骨頭包括所述患者的肩關節的骨頭，且其中靠近所述骨頭的骨骼結構包括所述患者的肩胛骨。
25.根據權利要求23所述的方法，其中所述患者的所述骨頭包括所述患者的脛骨，且其中靠近所述骨頭的所述骨骼結構包括所述患者的股骨。
26.根據權利要求22所述的方法，其還包括移除一部分組織，包括所述患者的所述骨頭，外科手術儀器包括移除骨頭的儀器。
27.根據權利要求26所述的方法，其中所述移除骨頭的儀器包括旋轉毛刺，且其中移除包括所述骨頭的一部分組織包括可控制地移動所述毛刺。
28.根據權利要求22所述的方法，其還包括使用有線連接將所述接頭信號傳輸到所述控制器。
29.根據權利要求22所述的方法，其還包括使用無線連接將所述接頭信號傳輸到所述控制器。
30.根據權利要求22所述的方法，其還包括操作所述控制器以抵抗由手術員通過耦合所述可移動儀器支撐結構的所述一個或多個伺服電動機的致動對所述外科手術儀器的操縱所嘗試的所述外科手術儀器的運動。
31.根據權利要求22所述的方法，其還包括操作所述控制器以響應于由手術員通過耦合所述可移動儀器支撐結構的所述一個或多個伺服電動機的致動而對所述外科手術儀器的操縱的嘗試來提供所述外科手術儀器的矯正動作。
32.根據權利要求22所述的方法，其中所述一個或多個伺服電動機操作地耦合到可移動儀器支撐結構，其可被構造成將所述外科手術儀器耦合到不動機械基部，且其中所述可移動儀器支撐結構包括由可移動接頭耦合的一系列剛性連桿。
33.根據權利要求32所述的方法，其中所述可移動儀器支撐結構是機器人臂。
34.根據權利要求22所述的方法，其中將所述機械追蹤器連桿耦合到所述近端骨骼緊固件包括利用可移除耦合的運動學快速連接配合件。
35.根據權利要求22所述的方法，其中將所述機械追蹤器連桿耦合到所述外科手術儀器包括利用可移除耦合的運動學快速連接配合件。
36.根據權利要求22所述的方法，其中移動所述外科手術儀器導致所述機械追蹤器連桿和所述可移動儀器支撐結構的每個在沒有與彼此沖突的情況下在外科手術動作范圍中移動，其中耦合到所述外科手術儀器的末端執行器靠近將要做手術的患者的骨頭的一部分。
37.根據權利要求30所述的方法，其中所述控制器還被操作來通過所述一個或多個伺服電動機的選定致動而給予所述手術員觸覺反饋。
38.根據權利要求34所述的方法，其還包括在手術中將所述機械追蹤器連桿從所述近端骨骼緊固件去耦。
39.根據權利要求35所述的方法，其還包括在手術中將所述機械追蹤器連桿從所述外科手術儀器去耦。
40.根據權利要求32所述的方法，其還包括通過移動所述外科手術儀器和從所述機械追蹤器連桿和儀器支撐結構兩者的運動而在所述控制器處接收信號來同步所述機械追蹤器連桿和儀器支撐結構相對于彼此的運動。
41.根據權利要求32所述的方法，其還包括通過移動所述外科手術儀器和從所述機械追蹤器連桿和儀器支撐結構兩者的運動而在所述控制器處接收信號來相對于所述儀器支撐結構的運動校準所述機械追蹤器連桿的運動。
42.根據權利要求41所述的方法，其還包括通過移動所述外科手術儀器和從所述機械追蹤器連桿和儀器支撐結構兩者的運動而在所述控制器處接收信號來切換耦合到所述外科手術儀器的末端執行器和相對于所述儀器支撐結構的運動重新校準機械追蹤器連桿的運動。
43.根據權利要求22所述的方法，其中所述一個或多個接頭旋轉傳感器的至少一個包括編碼器。
44.根據權利要求22所述的方法，其中所述一個或多個接頭旋轉傳感器的至少一個包括電位計。
45.根據權利要求44所述的方法，其還包括使用編碼器校準所述電位計。
46.根據權利要求45所述的方法，其還包括當校準時產生校準信息，和將所述校準信息存儲在操作地耦合到所述電位計的存儲器裝置上。
【文檔編號】A61B19/00GK104039259SQ201280055980
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年10月15日 優先權日:2011年10月18日
【發明者】H·康, S·諾特曼 申請人:瑪口外科股份有限公司