用于外科手術工具的觸覺控制的系統和方法
【專利說明】用于外科手術工具的觸覺控制的系統和方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2012年12月21日提交的美國申請號13/725，348的權益和優先權，其全部內容以引用的方式并入本文中。
[0003]背景
[0004]本發明總體上涉及觸覺領域，并且更具體地涉及外科手術工具的觸覺控制。
[0005]在計算機輔助外科手術中，外科醫生可利用觸覺裝置。“觸覺”是指觸摸的感覺，且觸覺領域尤其涉及提供反饋給操作者的人交互式裝置。反饋可以包括觸覺，諸如例如，振動。反饋還可以包括提供力給用戶，如運動的正向力或阻力。觸覺的一個常見用途是為裝置用戶提供操縱所述裝置的引導或限制。例如，觸覺裝置可以聯接到外科手術工具，它可以由外科醫生操縱以執行外科手術。外科醫生的外科手術工具操縱可以通過使用在外科手術工具的操縱過程中提供反饋給外科醫生的觸覺被引導或限制。
[0006]手術方案通常在用觸覺裝置執行外科手術之前制定。手術方案可以是針對具體患者的。基于手術方案，外科手術系統在手術過程的部分期間引導或限制外科手術工具的運動。外科手術工具的控制用來在實施手術方案的過程中保護患者和幫助外科醫生。
[0007]通常，在外科手術過程中使用的觸覺裝置可以具有至少兩個操作模式。在自由模式中，外科醫生可基本上自由地操縱聯接到裝置的外科手術工具。在觸覺控制模式中，外科手術系統的組件(例如，觸覺對象)被激活，以引導或限制外科手術工具的運動。使用現有技術的觸覺裝置可通過在手術過程中改進自由模式和觸覺控制模式之間的轉換的機制來增強。
[0008]發明概述
[0009]本發明的一個實施方案涉及一種外科手術系統。所述外科手術系統包括與虛擬觸覺交互點相關聯的外科手術工具，其中所述虛擬觸覺交互點的運動對應于所述外科手術工具的運動。所述外科手術系統還包括處理電路，其被配置為建立虛擬入口邊界和激活觸覺對象，其中被激活的觸覺對象被配置為在所述觸覺交互點穿過所述虛擬入口邊界后約束所述外科手術工具。
[0010]本發明的另一實施方案涉及一種使用外科手術系統的方法。所述方法包括提供外科手術工具和提供虛擬觸覺交互點，其中所述虛擬觸覺交互點的運動對應于所述外科手術工具的運動。所述方法還包括提供虛擬入口邊界和激活觸覺對象，其中被激活的觸覺對象被配置為在所述觸覺交互點穿過所述虛擬入口邊界后約束所述觸覺交互點。
[0011]本發明的又一實施方案涉及一種上面具有在由處理電路執行時有助于計劃或執行外科手術的指令的計算機可讀存儲介質。所述介質包括用于使外科手術工具與虛擬觸覺交互點相關聯使得所述虛擬觸覺交互點的運動對應于所述外科手術工具的運動的指令；用于建立虛擬入口邊界和虛擬出口邊界的指令；用于激活觸覺對象的指令，其中被激活的觸覺對象被配置為在所述觸覺交互點穿過所述虛擬入口邊界后約束所述外科手術工具；以及用于在所述觸覺交互點穿過虛擬出口邊界后停用所述觸覺對象的指令。
[0012]可替代示例性實施方案涉及如一般可在權利要求中所引用的其它特征和特征的組合。
[0013]附圖簡述
[0014]結合附圖，從以下詳細說明將更全面地了解本發明，其中相同的參考標號是指相同的元件，其中：
[0015]圖I是根據示例性實施方案的外科手術系統。
[0016]圖2A和2B是矢狀鋸的實施方案。
[0017]圖3A和3B示出根據示例性實施方案的計劃股骨改造，以及圖3C和3D闡明根據示例性實施方案的計劃脛骨改造。
[0018]圖4示出根據示例性實施方案的使用外科手術系統的方法。
[0019]圖5A-5E示出根據示例性實施方案，當工具法線垂直于觸覺對象時進入和退出觸覺控制。
[0020]圖6A和6B顯示根據示例性實施方案的圖5A-5E的觸覺對象。
[0021]圖7A和7B示出根據示例性實施方案的偏置觸覺對象。
[0022]圖8A-8E示出根據示例性實施方案，當工具軸線垂直于觸覺對象時進入和退出觸覺控制。
[0023]圖9A和9B顯示根據示例性實施方案的圖8A-8E的觸覺對象。
[0024]圖10示出根據示例性實施方案的偏置觸覺對象的另一實施方案。
[0025]圖11A-11E示出根據示例性實施方案，當觸覺對象為線時進入和退出觸覺控制。
[0026]圖12示出圖11A-11E的實施方案的手術方案的各種特征。
[0027]圖13A-13D示出根據示例性實施方案，當觸覺對象為三維體時進入和退出觸覺控制。
[0028]圖14示出圖13A-13D的實施方案的手術方案的各種特征。
[0029]圖15示出當脫開觸覺控制時所采用的觸覺恢復特征。
[0030]圖16示出根據示例性實施方案的入口邊界。
[0031]詳述
[0032]在轉向詳細闡明示例性實施方案的附圖前，應了解，本申請不限于在描述中所陳述或在圖式中所闡明的細節或方法。還應了解，術語是僅出于描述的目的且不應被視為限制性。例如，若干圖解說明描繪當對患者膝蓋進行特定外科手術時與觸覺控制的進入和退出有關的方法。然而，本文所述觸覺控制的實施方案可應用于在任何類型的外科手術過程中對患者的任何部位（包括患者的肩膀、手臂、肘、手、臀、腿、足、頸部、面部等）的外科手術工具的觸覺控制。
[0033]示例件外科手術系統
[0034]參考圖I，外科手術系統100包括導航系統10、計算機20和觸覺裝置30。導航系統追蹤患者的骨骼，以及手術過程中所用的外科手術工具，以允許外科醫生在顯示器24上使骨骼和工具視覺化且使能夠聯接到觸覺裝置30的外科手術工具36的觸覺控制。
[0035]導航系統10可以是任何類型的導航系統，其被配置為在外科手術過程中追蹤患者的解剖結構和外科手術工具。例如，導航系統10可包括非機械式追蹤系統、機械式追蹤系統、或非機械式與機械式系統的任何組合。導航系統10獲得對象關于參考坐標框的位置和取向（即姿勢）。隨著對象在參考坐標框中運動，導航系統追蹤對象的姿勢以檢測對象的運動。
[0036]在一個實施方案中，導航系統10包括如圖1所示的非機械式追蹤系統。所述非機械式追蹤系統是任選的追蹤系統，其具有檢測裝置12和布置在被追蹤對象上且可由檢測裝置12檢測到的可追蹤元件(例如，導航標志14)。在一個實施方案中，檢測裝置12包括基于可見光的檢測器，諸如MicronTracker (加拿大多倫多的克萊倫技術公司(ClaronTechnology Inc.，Toronto, CN))，其檢測在可追蹤元件上的圖案(例如，棋盤圖案)。在另一個實施方案中，檢測裝置12包括立體照相機對，其對紅外輻射敏感且可定位在將進行外科手術的手術室中。可追蹤元件是以安全和穩定的方式被固定到追蹤對象，并且包括具有已知與追蹤對象幾何關系的標志陣列。如已知，所述可追蹤元件可以是有源的(例如，發光二極管或LED)或無源的(例如，反射球、棋盤圖案等)，并有獨特的幾何形狀(例如，標志的獨特幾何結構)，或在有源線接標志的情況下，為獨特的擊發圖案。
[0037]在操作中，檢測裝置12檢測可追蹤元件的位置，且外科手術系統100(例如，使用嵌入式電子器件的檢測裝置12)基于所述可追蹤元件的位置、獨特的幾何形狀和已知與追蹤對象的幾何關系，計算被追蹤對象的姿勢。導航系統10包括用于用戶期望追蹤的每個對象的可追蹤元件，諸如位于脛骨2上的導航標志14、位于股骨4上的導航標志16、觸覺裝置的標志18 (以追蹤觸覺裝置30的全局或總位置)，以及端部效應器標志19 (以追蹤觸覺裝置30的遠端)。
[0038]再次參考圖1中，外科手術系統100還包括處理電路，在圖中表示為計算機20。所述處理電路包括處理器和存儲器裝置。所述處理器可以被實現為通用處理器、專用集成電路(ASIC)、一個或多個場可編程門陣列(FPGA)、一組處理組件、或其它合適的電子處理組件。所述存儲器裝置(例如，存儲器、存儲單元、存儲裝置等)是用于存儲用于完成或便于在本申請中描述的各種進程和功能的數據和/或計算機代碼的一個或多個裝置(例如，RAM、ROM、閃存、硬盤存儲等)。所述存儲器裝置可以是或包括易失性存儲器或非易失性存儲器。存儲器裝置可以包括數據庫組件、對象代碼組件、腳本組件、或任何其它類型的信息結構，用于支撐在本申請中描述的各種活動和信息結構。根據一個示例性實施方案，存儲器裝置可通信經由處理電路連接到所述處理器，并且包括用于(例如，由處理電路和/或處理器)執行本文所述的一個或多個進程的計算機代碼。
[0039]計算機20被配置為與導航系統10和觸覺裝置30通信。另外，計算機20可接收與外科手術有關的信息，并執行與進行外科手術有關的各種功能。例如，計算機20可具有根據需要執行與圖像分析、手術計劃、配準、導航、圖像引導和觸覺引導有關的功能的軟件。
[0040]觸覺裝置30包括基座32、機器人臂34、以及聯接到機器人臂34的外科手術工具36。所述外科手術工具可以是能夠被聯接到機器人臂34的任何外科手術工具。例如，在圖1的實施方案中，外科手術工具36是球形毛刺。外科手術工具36也可以是圖2A中所示的矢狀鋸38、或圖2B中所示的矢狀鋸40。矢狀鋸38的刀片39平行于工具軸線42對準，而矢狀鋸40的刀片39垂直于工具軸線42對準。外科醫生可以在球形毛刺、矢狀鋸38、矢狀鋸40、或任何其它類型的外科手術工具之間進行選擇，這取決于外科醫生希望進行的骨改造類型(例如，孔、平面切口、彎曲邊緣等)。
[0041 ] 外科醫生與觸覺裝置30交互以對患者進行外科手術。一般情況下，觸覺裝置30具有兩種操作模式。在自由模式中，外科醫生可基本上自由地操縱外科手術工具36的姿勢。在觸覺控制模式下，一個或多個觸覺對象52被激活。如本文中各個實施方案中描述，觸覺對象52可以約束外科手術工具36。
_2] 制定手術計劃
[0043]手術計劃在外科醫生進行外科手術前被創建。利用患者的解剖結構的三維示圖，在此也稱為虛擬骨模型45 (參照圖3A-3D)，制定手術計劃。“虛擬骨模型”可包括軟骨或除骨以外的其它組織的虛擬表示。為了獲得虛擬骨模型45，計算機20接收在其上將執行外科手術的患者的解剖結構的圖像。患者的解剖結構可使用任何已知的成像技術，如CT、MRI或超聲波進行掃描。然后將掃描數據分段以獲得虛擬骨模型45。例如，在對膝蓋進行外科手術之前，創建股骨4和脛骨2的三維示圖。可替代地，虛擬骨模型45可以通過從骨模型