用于机器人外科手术的系统和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉参考
[0002] 本申请要求2012年8月3日提交的美国临时专利申请No. 61/679, 258和2013年 3月15日提交的美国临时专利申请No. 61/792, 251的优先权，这两件申请的权益和公开内 容全文以引用方式并入。
技术领域
[0003] 本发明整体涉及外科操纵器。更具体地，本发明涉及能够以手动或半自动模式操 作的外科操纵器。
【背景技术】
[0004] 近来，执业医师已经发现，使用机器人装置来辅助进行外科手术是有用的。机器人 装置通常包括活动臂，该活动臂包括一个或多个联结机构。该臂具有自由的远侧端部，该远 侧端部能够以非常高的精确度放置。设计成应用于外科手术部位的外科器械附接到该臂的 自由端部。执业医师能够精确地定位该臂，以便通过外推法将外科器械精确地定位在患者 身上该器械将要进行医疗或外科手术的部位处。使用机器人系统以保持器械的一个优点在 于，与外科医生的手和臂不同，系统的臂不会经受肌肉张紧或诸如抽搐的神经性动作。从 而，与器械是手持式的并且因此用手定位的情况相比，使用医疗机器人系统能够稳定地保 持器械，或者以较高的精确度沿着预定的路径移动器械。
[0005] 另外的某些机器人外科系统被设计成与外科导航系统一起使用。外科导航系统是 这样一种系统，其能够生成数据，这些数据提供外科器械相对于器械所施加的患者的位置 的较为精确的指示。当向外科机器人系统提供表明器械相对于患者的位置的数据时，机器 人系统能够定位该器械，以确保其施加到患者的该器械预期将要施加到的组织上。这基本 上消除了器械将施加到该器械不应当施加到的组织上的可能性。
[0006] 某些医疗机器人系统被设计成以被称为"半自动"模式的模式进行工作。在这种 操作模式中，机器人系统致动臂，以使得器械沿着预先编程的路径相对于患者的组织进行 运动。这在例如器械是某些类型的切割装置并且具体手术的目的是去除患者组织的预定部 分的情况下是有用的。借助于参考，如果机器人系统以"自动"操作模式进行操作，那么一 旦被致动，机器人就在基本上没有来自外科医生的输入的情况下进行手术。在"半自动"操 作模式中，执业医师能够发出命令，以控制机器人的操作。例如，一些半自动机器人被构造 成使得，为了机器人能够移动该器械，执业医师必须通过连续地压下与机器人相关的控制 按钮或开关来启动命令。在执业医师拒绝启动命令的情况下，机器人至少暂时停止器械的 前进。
[0007] 某些机器人系统不是传统的机器人，原因在于一旦被启动，它们不会使得附接的 器械沿着预先编程的行进路径自动地运动。这些系统包括控制系统，执业医师通过该控制 系统输入表明附接的器械将要定位在何处的命令。根据这些执业医师输入的命令，这种类 型的系统致动系统的臂/多个臂，以引起器械的基本上同时的、实时的运动。这些机器人系 统被认为是以手动模式进行操作的。
[0008] 迄今为止，难以提供一种这样的机器人系统，其能够在单次手术期间在半自动操 作模式和手动操作模式之间切换。例如，据信外科医生可能多次期望初始手动地操作器械， 以去除大质量的组织。手术的这个部分有时候称为减瘤。然后，为了去除组织以限定剩余 组织的表面，外科医生可能期望机器人系统半自动地进行器械的精细定位。手术的这个部 分有时候被称为精切割。
[0009] 此外，有时候可能期望从器械的半自动定位切换回到手动定位。例如，在整形外科 关节置换术中，执业医师可能期望器械（切割工具）眼编程的路径运动，以便精确地成形该 器械所要应用的骨骼。这种精确骨骼成形方便了植入物精确配合到通过切割工具暴露的骨 骼的表面。然而，可能存在这样的状况，其中在手术开始之后，明显该器械可能与外科部位 处的目标碰撞，这样的接触是不期望的。该目标可能是已经运动到外科部位中的组织或者 定位在该部位处的第二器械。在这种状况中，执业医师应当能够即刻中断工具的编程的运 动，手动地控制该工具以重新定位该器械，然后使工具返回到编程的运动。
【发明内容】
[0010] 本发明提供一种外科操纵器，其用于操纵外科器械和从外科器械延伸的能量施加 器。外科操纵器还包括至少一个控制器，控制器被构造成用以使能量施加器前进。
[0011] 在一个实施例中，至少一个控制器被构造成用以确定受控姿态，能量施加器前进 到该受控姿态，其中基于多个力和转矩信号的和来确定该受控姿态。
[0012] 在另一个实施例中，至少一个控制器被构造成用以将外科器械和能量施加器模拟 为虚拟刚性本体。
[0013] 在另一个实施例中，至少一个控制器被构造成用以以手动模式或半自动模式操作 外科操纵器。
[0014] 在另一个实施例中，至少一个控制器包括进给速率计算器，该进给速率计算器被 构造成用以计算器械进给速率。
[0015] 在另一个实施例中，至少一个控制器包括材料登记模块，该材料登记模块被构造 成用以收集与能量施加器已经施加到材料体积所处的位置相关的数据。
[0016] 在这里还可以想到本发明的其它实施例。
【附图说明】
[0017] 本发明具体在权利要求中指明。从以下结合附图的详细描述中，可以理解本发明 的上述和其它特征和优点，其中：
[0018] 图1为本发明的操纵器如何用来使外科器械在患者身上定位和前进的概略视图；
[0019] 图2为本发明的操纵器的透视图，外科器械和导航跟踪器附接到该操纵器；
[0020] 图2A和2B分别为下垂物的俯视图和侧视图，该下垂物用来调节操纵器的操作；
[0021] 图3为操纵器的前视图；
[0022] 图4为操纵器的臂的透视图；
[0023] 图5为操纵器的臂的可供选择的透视图；
[0024] 图6为操纵器的臂的侧视图，其中在近景中看到下部臂；
[0025] 图7为操纵器的臂的俯视图；
[0026] 图8为端部执行器和外科器械的侧视图，这里动力钻头附接到端部执行器；
[0027] 图9为端部执行器和附接的外科器械的前视图；
[0028] 图10为端部执行器和附接的外科器械的透视图；
[0029] 图11为多个处理器的方框图，这些处理器共同配合以控制操纵器和附接的外科 器械的致动；
[0030] 图12为与患者以及调节操纵器的致动的各元件相关的不同坐标系的示意图；
[0031] 图13A至13E形成软件模块的方框图，这些软件模块运行以调节操纵器的致动；
[0032] 图14为形成接头致动器之一的部件的方框图；
[0033] 图15A为骨骼的侧视图，示出了如何形成工具路径以限定外科器械施加到的骨骼 区段；
[0034] 图15B为骨骼的俯视图，示出了工具绘图的布置；
[0035] 图15C示出了单个工具路径如何能够包括一组不同长度和取向的路径节段；
[0036] 图16A-16D示出了处于工具路径力计算器内的子模块；
[0037] 图17示意性地示出了工具路径节段如何被滚动平均过滤器平均；
[0038] 图18A至18D是一组示意图，示出了如何生成取向调节器所用的点和边界；
[0039] 图19为曲线图，示出了器械相对于目标取向的偏移与取向调节器确定的应当施 加到虚拟刚性本体以补偿该偏移的力之间的关系；
[0040] 图20A、20B和20C示意性地示出了通过切割引导器执行的能量施加器的重新定 位；
[0041] 图21A、21B和21C形成由切割引导器执行的处理步骤的流程图；
[0042] 图22示出了限定了最靠近能量施加器的贴片的边界如何可能不是施加器最有可 能相交的贴片，
[0043] 图23A和23B为示意图，示出了由于切割引导器防止能量施加器运动超过限定的 边界而导致器械和能量施加器承受的速度变化；
[0044] 图23C为示意图，示出了由于切割引导器防止能量施加器运动超过限定的边界而 导致器械和能量施加器承受的位置变化；
[0045] 图24为可能产生接头限制约束力的过程的流程图；
[0046] 图25为可能产生干涉角度约束力的过程的流程图；
[0047] 图26为可能产生工作空间约束力的过程的流程图；
[0048] 图27为器械管理器的输入和输出的方框图；
[0049] 图28A-28G共同形成当器械进行半自动前进时由操纵器执行的过程步骤的流程 图；
[0050] 图29A和29B分别为俯视图和侧视图，示意性地示出了当处于半自动模式时器械 的初始取向；
[0051] 图30A和30B分别为俯视图和侧视图，示意性地示出了基于总取向力调节器输出 的力和转矩命令，操纵器如何将器械和能量施加器取向成使得公共轴线延伸穿过中心点；
[0052] 图31示意性地示出了当能量施加器沿着工具路径前进时，基于总取向力调节器 输出的力和转矩命令，公共轴线的取向如何相对保持靠近中心点；
[0053] 图32A、32B和32C分别为俯视图、侧视图和横截面图，示出了即使在工具路径上方 存在障碍828的情况下，操纵器如何能够调节器械的取向以将能量施加器保持在工具路径 上，同时保持公共轴线处于基准表面孔口中；
[0054] 图33A和33B分别为俯视图和侧视图，示出了操纵器如何调节器械的取向以将能 量施加器保持在工具路径上，同时保持公共轴线处于基准表面孔口中；
[0055] 图33C示意性地示出了当能量施加器沿着工具路径前进时，基于总取向力调节器 输出的力和转矩命令，公共轴线的取向如何移动以保持轴线处于基准表面孔口中。
[0056] 图34A、34B和34C是第二组横截面图，示出了位置和取向基准表面和该表面中限 定的孔口在操纵器操作期间如何复位。
[0057] 图35A、35B和35C是第二组横截面图，示出了基准表面和该表面中限定的孔口的 位置和取向在操纵器操作期间如何复位；以及
[0058] 图36A、36B和36C示出了限定能量施加器将要施加到的边界在外科手术期间如何 变化的图序列。
【具体实施方式】
[0059] I.概述
[0060] 本发明整体涉及新型的且可用的外科操纵器，其将外科器械或工具定位在患者体 内或身上。外科操纵器将外科器械定位成使得器械的将施加到组织的端部仅仅施加到该器 械应当施加到的组织。
[0061] 操纵器可以以手动模式或半自动模式操作。当操纵器以手动模式操作时，操纵器 监测执业医师施加在器械上以定位该器械的力和转矩。通过传感器来测量这些力和转矩， 传感器为操纵器的一部分。响应于执业医师施加的力和转矩，操纵器基本上使器械实时地 运动。因此，通过操纵器进行的器械运动可以被认为是仿真了执业医师对器械进行的期望 定位的器械运动。
[0062] 当操纵器以手动模式操作时，操纵器确定器械相对于边界的相对位置。该边界限 定了组织的限制，器械不应当放置成超过该限制。在执业医师有可能希望将器械定位成超 过该边界的情形下，该操纵器不允许器械进行这种运动。例如，如果操纵器确定执业医师重 新定位器械导致器械接近该器械不应当越过的边界，那么操纵器阻止该器械运动超过该边 界。
[0063] 执业医师可能继续尝试将器械重新定位到末端不应当超过的位置。操纵器不会将 末端运动成使得该末端重新定位为超过边界。然而，操纵器根据从执业医师检测到的力将 该器械重新取向。在不允许末端重新定位的情况下器械的这种重新取向向执业医师表明， 器械的末端已经到达不应当越过的边界。操纵器仍然不会响应以使末端沿着边界运动。 [0064] 当操纵器以半自动模式操作时，操纵器计算使器械沿着预定行进路径运动所需的 力和转矩。基于这些力和转矩，操纵器使器械沿着预定行进路径运动。
[0065] 进一步的特征在于，当操纵器在半自动操作期间使器械运动时，执业医师能够进 行器械位置的某些手动调节。一种这样的调节在于，当器械沿着编程的行进路径运动时，执 业医师能够调节器械的取向。
[0066] 在某些形式中，当操纵器使器械前进时，它这样做是基于必须施加到虚拟刚性本 体的力和转矩的确定。该虚拟刚性本体是器械和能量施加器的模型。基于这些力和转矩，操 纵器使器械前进。当操纵器以手动模式操作时，这些力和转矩的分量是这样的力和转矩，即 由于它们施加到虚拟刚性本体，而导致操纵器将器械定位成使得该器械不会越过边界。当 操纵器以半自动模式操作时，施加到虚拟刚性本体的力和转矩包括额外的分量。响应于存 在这些额外的力和转矩分量，操纵器使器械前进，从而能量施加器沿着预定工具路径运动。
[0067] 在某些形式中，操纵器包括多个互连的联结件。这些联结件可以以串联和/或并 联的方式连接在一起。在本发明的一个实施例中，这些联结件形成两个并联的四杆联结机 构。器械连接到联结件的远侧端部。总体上，每对相邻的联结件通过接头进行连接。通过 与接头相关联的致动器来设定联结件的位置。
[0068] 图1和2示出了示例性的操纵器50,其用来将外科器械160施加到患者600。操 纵器50包括端部执行器110,该端部执行器为操纵器的与外科器械160附接的部件。操纵 器50定位端部执行器110,以对外科器械160进行定位和取向，使得该器械在患者身上执行 期望的医疗/外科手术。操纵器50与外科导航系统210结合使用。外科导航系统210监 测端部执行器110和患者600的位置。基于该监测，外科导航系统210确定外科器械160 相对于患者身上器械所要施加到的部位的位置。
[0069] 手持式下垂物190 (图2A)也附接到操纵器50。下垂物190在某些操作模式中用 来调节操纵器和器械160的操作。
[0070] 本发明的操纵器50可以以手动模式操作。当操纵器以手动模式操作时，操纵器响 应于执业医师施加在器械160上的力和转矩来定位该器械。响应于这些力和转矩，操纵器 使器械机械地运动，从而模仿基于执业医师所施加的力和转矩而将要发生的运动。当器械 160运动时，外科操纵器50和外科导航系统210配合以确定器械是否在限定的边界内。通 常但不总是，该边界处于患者内，并且器械不应当超过该边界施加。基于这些数据，操纵器 50选择性地限制器械160运动的范围。具体地，操纵器约束自身不进行否则将导致器械施 加到限定边界之外的运动。从而，如果执业医师施加的力和转矩将导致器械前进超过边界， 那么操纵器不模仿器械的这种预期定位。
[0071] 操纵器50还可以以半自动模式操作。为了以这种模式操作操纵器50，生成行进路 径，器械160应当沿着该行进路径施加。在开始手术之前，至少生成该路径的基本形式。基 于这些力和转矩，以及其它数据，操纵器生成描述器械应当前进到的受控姿态的数据。（"姿 态"应理解为讨论的系统部件的位置和取向）。一旦生成受控姿态，操纵器就使器械前进到 该姿态。与处于手动模式时一样，当器械以半自动模式操作时，操纵器不会使器械160前进 超过边界。
[0072] ii.硬件
[0073] 如图2和3所示，操纵器50包括小车52。小车52包括安装在轮上的框架（框架 未不出）。外壳56设置在框架上。
[0074] 操纵器50分别包括下部臂和上部臂68和70。臂68和70分别从肩部67和69向 上延伸。肩部67和69位于小车外壳56上方。每个肩部67和69以及相关的臂68和70分 别地、共同地相对于小车52的水平基准面具有三个自由度。肩部69 (上部臂70安装到的 肩部）位于肩部67 (下部臂68安装到的肩部）上方。两个肩部67和69均可旋转地附接 到小车框架。每个肩部67和69绕着与小车52的水平基准面垂直地延伸的轴线旋转。每 个肩部67和69的旋转相应地导致相关的臂68或70进行相似的位移。从以下可以明显看 到，肩部不需要总是一致地运动或者具有相同的端部位置。每个肩部67和69相对于小车 52上的基准位置的角度位置被称为肩部的接头角度。
[0075] 如图4和5所示，每个臂68和70包括四杆联结机构。在这些图中，臂处于它们的 标称起始位置。每个臂68和70包括上部联结件74,该上部联结件可枢转地安装到肩部67 或69。虽然上部联结件74能够进行枢转，但是在图4和5中，它们示出为在肩部上方延伸， 并且与地面大致垂直地延伸。驱动联结件76也可枢转地安装到肩部67或69。驱动联结件 76安装到肩部67或69,以便绕着与上部联结件74枢转所绕的轴线相同的轴向进行枢转。 每个驱动联结件从相关的肩部67或69向后延伸。（这里，"向后"是离开患者的方向。"向 前"是朝向患者的方向）。在本发明的图示形式中，与其它联结件不同的是，驱动联结件76 通常不为直梁的形式。相反，每个驱动联结件76形成有弯曲部（弯曲部未示出）。驱动联 结件76的弯曲形状便于联结件与肩部67和69隔开。
[0076] 四杆联结件78可枢转地安装到每个驱动联结件76的后自由端部。四杆联结件78 从相关的驱动联结件76向上延伸，并且与上部联结件74大致平行。从动联结件80是每个 臂68和70的剩余的刚性联结件。每个从动联结件80具有没有用附图标记表示的上部区 段，该上部区段可枢转地附接到相关的近侧四杆联结件78的自由端部。每个从动联结件80 也可枢转地附接到相关的上部联结件74的自由端部。每个从动联结件80具有没有用附图 标记表示的前部区段，该前部区段向外延伸超过上部联结件74。由于肩部67和69在地面 以上具有不同的高度，而使得与上部臂70成一体的驱动联结件80位于与下部臂68成一体 的驱动联结件的上方。
[0077] 与每个肩部67和69 -样，每个联结件74、76、78和80进行旋转。两个联结件之 间的连接被称为接头。两个联结件之间的角度是连接该联结件的接头的接头角度。
[0078] 刚性联接器88 (也为操纵器50的一部分）在从动联结件80的远侧端部之间延伸。 如图6和7所示，腕部82将联接器88连接到下部臂从动联结件80。腕部82连接到下部臂 从动联结件80。腕部82是三自由度的腕部。腕部84将联接器88连接到上部臂从动联结 件80的远侧端部。腕部84是两自由度的腕部。这种类型的操纵器的某些特征的描述，以 及可供选择的能够用来定位端部执行器110的联结件设置的描述，可见于2011年5月31 日公布的名称为MANIPULATOR(操纵器）的美国专利No. 7, 950, 306,该专利明确地以引用方 式并入本文中。
[0079] 三种致动器92、94和96与每个臂68和70相关联，图13D中示意性地示出了每种 致动器中的一个。每个致动器92安装到小车框架，相邻于与相关的臂68或70成一体的肩 部72。
[0080] 致动器94和96安装在与相关的臂68或70成一体的肩部67或69中。致动器94 连接到上部联结件74,以便使上部联结件选择性地枢转。致动器96连接到驱动联结件76， 以便使驱动联结件76枢转。驱动联结件76的枢转使得附接的四杆联结件78进行位移。 四杆联结件78的运动使得附接的从动联结件80进行枢转。具体地，从动联结件80绕着从 动联结件80附接到相关的上部联结件74所绕的轴线进行枢转。这些特定的齿轮组件是大 致"零反冲"齿轮组件。在互锁的齿轮之间基本上不存在松动。齿轮的这种特征有助于肩 部72以及联结件74、76、78和80的精确定位。
[0081] 臂68和70以及联接器88共同形成过致动机构。这意味着一个联结件的致动必 须通过其它致动的联结件中的一个或多个的对应运动来实现。
[0082] 多个部件与每个致动器92、94和96相关联。图14随意地示出了与致动器94相 关联的部件。具体地，致动器包括永磁体同步马达101，该永磁体同步马达附接到处于肩部 67或69内的结构框架87。马达101不是直接附接到框架87。相反，转矩传感器89位于框 架87和马达101之间。
[0083] 与马达101相关联的是以下描述的旋转编码器114。当不向马达供电时，制动器 103锁定马达轴的旋转。通过操纵器控制器124来控制制动器103的锁定/解锁状态。当 操纵器50