用于安放假体组件和/或限制手术工具移动的手术系统的制作方法
【专利说明】用于安放假体组件和/或限制手术工具移动的手术系统
[0001] 本案是国际申请日为2010年9月29日、国际申请号为PCT/US2010/050740、发明 名称为"用于安放假体组件和/或限制手术工具移动的手术系统"、中国国家阶段申请号为 201080051940. 3的中国发明专利申请的分案申请。
[0002] 相关专利申请的交叉参考
[0003] 本申请要求2009年10月1日提交的美国临时专利申请No. 61/278, 066 ;2010年 3月4日提交的美国临时专利申请N〇.61/339,460 ;2010年3月9日提交的美国临时专利 申请No. 61/339,756 ;和2010年8月9日提交的美国临时专利申请No. 61/401,209的优先 权，各申请以引用的方式整体并入本文。
[0004] 发明背景 发明领域
[0005] 本发明大体涉及机器人系统，并且更具体地说涉及用于整形外科关节置换手术的 手术系统。
[0006] 相关技术的描述
[0007] 在需要高准确度和/或精确度的应用中，如在手术程序或其它复杂任务中，常使 用机器人系统。这类系统可包括各种类型的机器人，如自主、遥控操作和交互式机器人。
[0008] 对于一些类型的手术如关节置换手术来说，交互式机器人系统是优选的，因为其 使得外科医生能够保持对手术程序的直接亲自控制，同时仍能达成高准确度和/或精确 度。例如，在膝关节置换手术中，外科医生可以被动方式使用触觉指导的交互式机器人臂来 雕凿骨以接纳关节植入物，如膝关节植入物。为了雕凿骨，外科医生用手抓握并操纵机器人 臂来移动耦合于机器人臂的切削工具（如磨锥），以在骨中切削出口袋（pocket)。只要外 科医生将磨锥的尖端保持在由例如触觉物体限定的预定虚拟切削边界以内，那么机器人臂 就将以低摩擦和低惯性自由移动，使得外科医生感觉机器人臂仿佛基本上没有重量一般并 且可以根据需要移动机器人臂。然而，如果外科医生试图移动磨锥尖端以在虚拟切削边界 以外切削，那么机器人臂就将提供触觉（或力）反馈以阻止或抑制外科医生将磨锥尖端移 动超出虚拟切削边界。以此方式，机器人臂能够获得高度准确、可重复的骨切口。当外科医 生在相应骨切口上手动植入膝关节植入物（如髌股组件）时，植入物通常将因切削骨与膝 关节植入物的构造和其间的界面而准确地对准。
[0009] 尽管上述交互式机器人系统适用于膝关节置换手术，但其并不最适于如髋关节置 换手术等手术类型，所述手术需要使用具有不同功能（例如扩孔、冲击）、不同构造（例如 笔直、偏心）和不同重量的多种手术工具。设计成适应多种工具的系统可能过于复杂并且 需要多种末端执行器，而且在手术程序期间移除和附接不同类型的工具到机器人臂上可能 增加执行程序的时间。另外，在髋关节置换手术中，除了保持适当的切削边界外，手术工具 和植入物的角取向也是重要的。例如，在常规髋关节置换手术中，外科医生使用半球形扩孔 器重整患者髋白的表面，所述髋白为骨盆中的杯状关节窝。接着，将相应杯状植入物（髋臼 杯）附接于冲击器工具的远端。外科医生通过用木槌重复击打冲击器工具的近端将髋臼杯 植入经过扩孔的关节窝中。经过扩孔的关节窝和所植入的髋白杯两者的角取向是重要的， 因为错误的个别和/或相对取向会导致髋臼杯不能与患者髋臼解剖结构的适当型式和倾 斜角对准。未对准可能导致手术后问题，包括关节脱位、在股骨的最大运动范围时股骨撞击 髋臼杯和髋白杯因股骨头与髋白杯界面的不当负荷而加速磨损。对准对于维持正确的腿长 和内偏/外偏也是重要的。最终，髋白杯冲击至经过扩孔的关节窝中产生高冲击力，其可能 会损坏设计用来进行高准确度和/或精确度操作的机器人臂。
[0010] 鉴于上述内容，对改良的机器人手术系统和其组件存在需要。
[0011] 概述
[0012] 根据本发明的一方面，用于在患者的解剖结构上安放假体组件的手术系统包括构 造成啮合假体组件的手术工具、构造成向手术工具提供至少一些力的力系统和经过编程以 比较假体组件的目标姿态与由手术工具啮合的假体组件的实际姿态并且产生使力系统允 许手术工具在移动范围内移动并提供触觉反馈以限制使用者手动移动手术工具超出移动 范围的能力的控制信号的控制器。触觉反馈阻止使用者移动手术工具，所述移动会引起在 假体组件实际姿态的至少一个方面与假体组件目标姿态的相应方面之间出现实质性偏差。 控制器经过编程以产生使力系统在使用者在解剖结构上植入假体组件时维持触觉反馈的 控制信号。
[0013] 根据另一方面，手术系统包括构造成耦合至切削元件的手术工具、构造成对手术 工具提供至少一些力的力系统和经过编程以产生使力系统在切削元件为第一切削元件时 对手术工具的使用者手动移动提供第一限制并在切削元件为第二切削元件时对手术工具 的使用者手动移动提供不同于第一限制的第二限制的控制信号。
[0014] 附图简述
[0015] 并入并构成本说明书的一部分的随附图式说明本发明的实施方案并且结合描述 用于说明的本发明的各方面。
[0016] 图IA是股骨和骨盆的透视图。
[0017] 图IB是由图IA的股骨和骨盆形成的髋关节的透视图。
[0018] 图2A是用于全髋关节置换程序的股骨组件与髋白组件的分解透视图。
[0019] 图2B是说明分别与图IA的股骨与骨盆相关的图2A的股骨组件与髋臼组件置换 的透视图。
[0020] 图3A是手术系统的一个实施方案的透视图。
[0021] 图3B是图3A的手术系统的机器人臂的一个实施方案的透视图。
[0022] 图4A是与操作构件的一个实施方案耦合的末端执行器的一个实施方案的透视 图。
[0023] 图4B是图4A的末端执行器和操作构件的剖面图。
[0024] 图4C是图4A的操作构件的轴干的透视图。
[0025] 图4D是图4C的轴干沿线N-N所取的剖面图。
[0026] 图5A是图4A的末端执行器的耦合装置的一个实施方案处于释放位置的剖面图。
[0027] 图5B是图5A的耦合装置处于连接位置的剖面图。
[0028] 图5C是图4A的末端执行器的接纳部分的一个实施方案的透视图。
[0029] 图是图5A的耦合装置的锁紧构件的一个实施方案的透视图。
[0030] 图5E是图5A的耦合装置的滑动构件的透视图。
[0031] 图6A是与操作构件的另一实施方案耦合的图4A的末端执行器的透视图。
[0032] 图6B是图6A的末端执行器和操作构件的剖面图。
[0033] 图6C是图6A的操作构件的轴干的透视图。
[0034] 图7A是与操作构件的另一实施方案耦合的图4A的末端执行器处于固定位置的剖 面图。
[0035] 图7B是图7A的末端执行器和操作构件处于开离位置的剖面图。
[0036] 图8A是图7A的末端执行器的耦合装置处于释放位置的剖面图。
[0037] 图8B是图8A的耦合装置处于连接位置的剖面图。
[0038] 图9A是与操作构件的另一实施方案耦合的图4A的末端执行器的透视图。
[0039] 图9B是图9A的末端执行器和操作构件的剖面图。
[0040] 图IOA说明外科医生如何握持图4A的末端执行器和操作构件用于对患者的髋臼 进行扩孔。
[0041] 图IOB说明外科医生如何使用图7A的末端执行器和操作构件用于将髋臼杯冲击 进患者经过扩孔的髋臼中。
[0042] 图11说明髋关节置换程序的步骤的一个实施方案。
[0043] 图12是第一切削元件和第二切削元件的一个实施方案的剖面图。
[0044] 图13A说明第一约束器的一个实施方案。
[0045] 图13B说明第二约束器的一个实施方案。
[0046] 图14A-14G说明在手术程序期间使用的电脑显示器的实施方案。
[0047] 图15说明虚拟制动器的一个实施方案。
[0048] 图16A说明松开的虚拟制动器的一个实施方案。
[0049] 图16B说明啮合的虚拟制动器的一个实施方案。
[0050] 图17A说明仪器连接的一个实施方案。
[0051] 图17B说明图17A的仪器连接处于停放配置的一个实施方案。
[0052] 优选实施方案的详细描述
[0053] 本发明的当前优选实施方案在图式中说明。在整个图式中尽量使用相同或类似的 参考数字来表示相同或类似的部分。尽管本说明书主要提及用于整形外科髋关节置换的机 器人臂，但应了解，本文所述的标的物适用于其它类型的机器人系统，包括用于手术和非手 术应用的机器人系统，以及其它身体关节，如肩关节。
[0054] 概要
[0055] 髋关节是股骨与骨盆之间的关节，并且主要用于支撑身体在静态姿态（例如站 立）和动态姿态（例如行走）时的重量。图IA说明髋关节10的骨，所述髋关节包括骨盆 12 (部分示出）和股骨近端14。股骨近端14包括位于股骨颈18上的股骨头16。股骨颈 18连接股骨头16与股骨干20。如图IB中所示，股骨头16配合于骨盆12中称为髋臼22 的凹形关节窝中，由此形成髋关节10。髋白22与股骨头16都被关节软骨覆盖，所述软骨吸 收冲击并促进关节10的咬合。
[0056] 髋关节10可能会随着时间退化（例如，由于骨关节炎），从而导致疼痛和功能减 弱。因此，可能必需髋关节置换程序，如全髋关节成形术或髋关节表面重整。在髋关节置换 期间，外科医生将患者髋关节10部分置换为人工组件。在全髋关节成形术中，外科医生移 除股骨头16和股骨颈18并将天然骨置换为假体股骨组件26,假体股骨组件26包含头26a、 颈26b和干26c (图2A中示出）。如图2B中所示，股骨组件26的干26c锚定于外科医生在 股骨14的髓内管中产生的空腔中。或者，如果疾病局限于股骨头16的表面，那么外科医生 可选择侵入性较低的方法，在所述方法中，对股骨头进行表面重整（例如使用圆柱形扩孔 器）并接着与假体股骨头杯匹配（未示出）。类似地，如果骨盆12的天然髋白22磨损或患 病，那么外科医生使用扩孔器重整髋白22的表面并将天然表面置换为假体髋白组件28,所 述假体髋白组件28包含半球形杯28a (图2A中示出），其可能包括衬垫28b。为了安装髋 臼组件28,外科医生将杯28a连接至冲击器工具的远端并通过用木槌重复击打冲击器工具 的近端将杯28a植入经过扩孔的髋白22中。如果髋白组件28包括衬垫28b，那么外科医生 在植入杯28a后将衬垫28b揿到杯28a中。根据外科医生安置进行手术的患者的位置，外 科医生可以使用笔直或偏心扩孔器来对髋白22进行扩孔和使用笔直或偏心冲击器来植入 髋臼杯28a。举例来说，使用后外侧方法的外科医生可能选择笔直扩孔和冲击，而使用前外 侧方法的外科医生可能选择偏心扩孔和冲击。
[0057] 示例性机器人系统
[0058] 手术系统可根据本发明进行构造以执行髋关节置换，以及其它手术程序。如图3A 中所示，根据本发明用于手术应用的手术系统5的一个实施方案包括计算机辅助导航系统 7、跟踪装置8、显示器装置9 (或多个显示器装置9)和机器人臂30。
[0059] 机器人臂30可由外科医生以交互方式使用以对患者执行手术程序，如髋关节置 换程序。如图3B中所示，机器人臂30包括基座32、铰接臂34、力系统（未示出）和控制器 (未示出）。手术工具（例如具有操作构件的末端执行器40)耦合于铰接臂34,且外科医生 通过抓握并手动移动铰接臂34和/或手术工具来操纵手术工具。
[0060]力系统和控制器构造成在操纵手术工具期间对外科医生提供控制或指导。力