本发明一般涉及一种计算机辅助手术，更具体地，涉及一种用于沿着代表最佳和规划的轨迹的线而对准两自由度系统并且用于基于术前规划的最佳轨迹而在期望的位置和方向上将椎弓根螺钉对准并插入穿过椎弓根(pedicle)的方法。
背景技术：
两自由度(2-dof)手术系统非常适合将销对准在平面上或沿平面切割。然而，2-dof手术系统缺乏将销沿着空间中的单线对准(或钻出通道)的自由度。对于钻出骨通道(acl重建)或将螺钉(例如，用于脊柱的椎弓根螺钉)插入骨中来说，具有在线上对准2-dof系统的能力是特别有优势的。剩余的自由度在该应用中负责设备上的监控器的视觉反馈和闪烁光发光二极管(led)
脊椎，也称为脊骨或脊柱，是轴向骨架的一部分。脊椎由称为椎骨的分段系列骨骼组成，其中分段系列骨骼由椎间盘分开。脊椎容纳脊管，脊管是包围并保护脊髓的腔体。在人类脊椎中，通常有三十三个椎骨；上部二十四个通过椎间盘进行关节连接和分离，下部九个在成人中融合，五个在骶骨中融合，四个在尾椎或尾骨中融合。关节连接的椎弓根据其脊部的区域而被命名。有七个颈椎、十二个胸椎和五个腰椎。椎弓根是一块狭窄的骨头，呈密集的茎状结构，从椎骨的后部突出。每个椎骨有两个椎弓根。一系列椎弓根穿过脊柱并将横突与椎体结合。
图1a和1b分别示出了脊柱10的分段和横截面视图。如图所示，脊柱10具有一系列椎骨12，这一系列椎骨12由椎间盘14彼此分开。椎弓根16从椎骨12延伸并将横突18连接到椎骨12。棘突20从椎板22延伸，其连接到横突18的相对侧。
椎弓根螺钉是一种特殊类型的骨螺钉，设计用于植入脊椎弓根。椎弓根螺钉用于矫正畸形，和/或治疗对患者脊柱造成的创伤。椎弓根螺钉可用于仪器程序中，以将杆和板固定到脊部。螺钉还可以用于固定脊部的一部分以帮助神经元(脊髓、退出神经根、包含马尾神经的神经束)的减压和通过将骨结构维持在一起而融合。图2是插入患者脊柱10中的椎弓根螺钉24的x射线图像。
目前，有几种可用的导航系统提供视觉反馈以帮助椎弓根螺钉对准穿过椎弓根。然而，当仅仅依靠视觉反馈时，试图将椎弓根在5-dof上对准穿过这块狭窄的骨骼通常是困难且耗时的。随着椎弓根逐渐变窄，在脊柱的上胸部和颈部区域的程序变得更加困难。
插入椎骨的椎弓根螺钉的位置和方向(姿态(pose))对于安全和成功的结果是非常关键的。通常，外科医生规划并创建植入规划，从而植入的螺钉的最终放置可以为患者脊柱的分段提供必要的支撑或固定。即使临床上可接受的范围之外的小的植入对准偏差也与不太理想的结果和增加的随访手术率相关。
尽管已经得到一种改进的系统和方法，用于基于术前规划的最佳轨迹在期望的位置和方向上将椎弓根螺钉对准并插入穿过椎弓根，仍需要系统改进以及一种使用2-dof系统沿着空间中的单线将销对准(或钻出通道)的改进的方法。
技术实现要素：
本文提供了一种沿着轴线对准2-dof手持手术设备的方法。该方法包括相对于用于骨骼上的植入物或通道的期望位置来定义平面，其中所述植入物或通道具有轴线。将所述2-dof手术设备的末端效应器与所述平面对准重合，并且使所述2-dof手术设备侧到侧移动，同时所述末端效应器保持与所述平面重合，直到当所述末端效应器与用于骨骼上的所述植入物或通道的期望位置的进入点对准时，第一指示器发出信号。随后，将所述末端效应器的尖端在进入点处锚固到所述骨骼中，并且将所述2-dof手术设备围绕锚固的尖端旋转，同时末端效应器保持与所述平面重合，直到当所述末端效应器在期望位置处与植入物或通道的轴线对准时，第二指示器发出信号。末端效应器随后被插入到骨骼中。
一种用于实施该方法以沿着轴线将2-dof手持手术设备对准的系统，包括计算系统、关节连接的2-dof手术设备和跟踪系统。
附图说明
参考以下附图进一步详细说明本发明。这些附图并不旨在限制本发明的范围，而是说明其某些属性，其中：
图1a和1b分别示出了脊柱的分段和横截面视图；
图2是插入患者脊柱中的椎弓根螺钉的现有技术x射线图像；
图3a和3b描绘了根据本发明的实施例的用于执行在患者脊柱中植入椎弓根螺钉并针对于膝盖手术过程；
图4a和4b描绘了在手术系统中使用的手术设备；
图5示出了根据本发明的实施例的椎弓根螺钉在患者脊柱中的植入；
图6a和6b描绘了根据本发明的实施例的关节连接销/螺钉驱动器设备的横截面，其中图6a描绘了具有处于缩回状态的销/螺钉的设备，图6b描绘了具有处于伸展状态的销/螺钉的设备；
图6c是示出了根据本发明实施例的销/螺钉驱动器设备的工作部分的多个部件的爆炸图；
图7a和7b描绘并示出了根据本发明的实施例的附接到销-驱动器设备的骨骼稳定构件及其使用；
图8a和8b描绘了根据本发明实施例的包围工作部分的部分外壳；
图9a和9b描绘了根据本发明实施例的包围工作部分的完整外壳；
图10描绘了根据本发明实施例的3d胫骨模型，带有具有轴线的骨通道的规划位置，以及相对于骨通道定义的虚拟平面；
图11描绘了根据本发明实施例的与定义平面对准重合的两自由度(2-dof)手术设备的末端效应器，其中2-dof手术设备侧到侧移动，而末端效应器通过工作部分的致动而保持与定义平面重合；
图12描绘了根据本发明实施列的锚固在胫骨中的末端效应器的尖端位于用于植入物或通道的定义位置的进入点，其中该尖端在当末端效应器与进入点对准时的指示器信号之后被锚固；和
图13描绘了根据本发明实施例的2-dof手术设备围绕锚固的尖端旋转，直到末端效应器与植入物或通道的轴线的定义位置对准，并且当末端效应器与轴线对准时第二指示器随后发信号至用户。
具体实施方式
本发明可用作一种方法和系统，以帮助外科医生有效且精确地将椎弓根螺钉定位穿过患者脊柱的椎弓根，以及使用2-dof系统以将2-dof手术设备的末端效应器沿着空间中的单线对准的改进方法。
在一些实施例中，本发明的方法和系统的实施例利用两自由度(2-dof)设备来帮助外科医生在对准术前规划的最佳轨迹的同时在期望的位置和方向上将椎弓根螺钉对准并穿过目标椎弓根。用于椎弓根螺钉放置的本发明方法和系统的实施例可以使用视觉反馈或其他机构来提供剩余的相关自由度上的对准。在特定实施例中使用手持式致动器有助于避免当钻子通过手持式致动器使用时(例如当使用机器人握持钻子引导装置时)由于钻子引导装置的意外机械偏转而导致关键方向不准确的可能性。
该方法和系统对于脊部融合尤其有利，并且用于矫正畸形，和/或治疗脊柱的创伤，然而，应当理解，其他医学应用可以利用本文公开的主题，例如高胫骨截骨、脊部重建手术、以及其他需要精确放置螺钉植入的程序。
本发明的各种实施例的以下描述并非旨在将本发明限制于这些特定实施例，而是使得本领域技术人员能够通过其示例性方面来制造和使用本发明。
在本发明方法的实施例中，获取患者脊柱的图像。通过计算机断层摄影扫描仪、磁共振成像扫描仪、荧光透视、超声或其他体内询问扫描技术，可以在术前或术中容易地收集这些图像。然后生成脊柱的二维正交平面图像或生成的3-d模型，并用于在脊柱的椎弓根上为每个待植入的椎弓根螺钉定义椎弓根平面。然后确定沿着椎弓根平面待植入的每个椎弓根螺钉的轨迹。在本发明的特定实施例中，椎弓根平面通过椎弓根的中心在内-侧(medial-lateral)方向上和内-外旋转中被定义。这确保了2-dof设备占据了椎弓根的最窄的区域(内-侧距离)。在2-dof手术工具的实施例上的机载指示器或监视器可以提供同时反馈，以允许使用者实时地将椎弓根螺钉在上-下平移，前-后向平移(深度)和曲-伸角度(矢状平面中的旋转角度)上对准。应当注意，相对于患者解剖结构上任何术前图像和参考标记(例如，不透射线标记、基准标记、基准标记阵列、机械跟踪探针或其组合)的患者解剖结构的术中配准(registration)通过传统方式来进行，说明性地包括二维/三维(2d/3d)荧光、结构光或表面点配准。然后，2-dof设备可以相对于解剖结构正确地定位椎弓根平面，并且还可以实时调整设备位置以适应例如来自呼吸或心输出量的较小的患者动作。
关于规划而言，使用者可以在椎弓根上定位三个内-侧(m-l)中心点以定义椎弓根平面。然后，使用者可以相应地规划剩余的dof，或者对于剩余的dof使用与传统导航系统相像的实时视觉渐进反馈。
本发明实施例中使用的2-dof设备的实施例可以被配置为钻出用于椎弓根螺钉的导孔(pilothole)，并且随后将椎弓根螺钉驱动到椎弓根中。当设备以最佳轨迹对准且实现顺序螺杆拧进和定位的深度感知时，说明性地包括发光二极管(led)的2-dof设备上的机载指示器可以向使用者提供直接视觉反馈。其他机载机构可以说明性地包括闪烁箭头等，可以帮助使用者在剩余的自由度上实时对准。
在2-dof设备的实施例上或在使用者的视线中的一个或多个led指示器可以在椎弓根螺钉推进期间提供进一步的反馈，以帮助对准和/或验证螺钉的最佳位置。例如，在特定实施例中，第一绿光用于指示椎弓根螺钉的进入点和轨迹是正确的；第二绿灯可以指示椎弓根的中间部分位于安全区内，并且确认了轨迹是正确的；第三绿灯指示已达到进入椎体的终点，并确认了椎弓根螺钉的放置的轨迹。当所有三个led灯和led箭头都点亮时，椎弓根螺钉的放置成功完成。在特定实施例中，左(l)和右(r)三维箭头可以用作轨迹引导，潜在地利用附加的跟踪机构，其说明性地包括惯性测量单元(imu)、加速度计和陀螺仪。
本发明的实施例可以用手术系统实现。在本发明的实施例中使用的手术系统的实例说明性地包括1-6自由度手持式手术系统、串式链操纵器系统、并联机器人系统、或主从机器人系统，如美国专利no.5,086,401、7,206,626、8,876,830和8,961,536，美国专利公开no.2013/0060278中所述那样。在特定实施例中，手术系统是转让于本申请的受让人的美国专利no.6,033,415中所述的串式链操纵器系统，其全部内容通过引用并入本文。操纵器系统可以提供自动、半自动或触觉控制及其任何组合。在特定实施例中，附接到操纵器系统的工具可以由使用者手动操纵，同时系统向工具提供动力、主动或触觉控制中的至少一个。
参考附图，图3a和3b示出了2自由度(2-dof)手术系统100。2-dof手术系统100一般地描述在转让给本申请的受让人的美国专利公开no.2015/051713中，其全部内容通过引用并入本文。2-dof手术系统100包括计算系统102、关节连接手术设备104和跟踪系统106。手术系统100能够引导和帮助使用者精确地放置与相对于患者脊柱上的目标椎弓根骨定义的虚拟椎弓根平面重合的椎弓根螺钉，如图3a所示，并且如图3b中的胫骨或腓骨中所示。虚拟平面在手术规划中定义，使得椎弓根螺钉插入在规划的位置和方向中。
关节连接手术设备
图4a和4b更详细地示出了2-dof手术系统100的关节连接手术设备104，其中图4a示出了手术设备104在第一工作姿态中并且图4b示出了手术设备104在第二工作姿态中。手术设备104包括手持部分202和工作部分204。手持部分202包括符合人体工程学设计的外壳体203，以由使用者握持、挥动和操纵。工作部分204包括具有轴线207的末端效应器/工具206。工具206易于附接到马达205并由马达205驱动。手持部分202和工作部分204通过前线性导轨208a和后线性导轨208b连接，其中前线性导轨208a和后线性导轨208b由手持部分202中的部件致动，以控制工作部分204相对于手持部分202的俯仰(pitch)和平移。具有三个或更多个基准标记的跟踪阵列212刚性连接到达工作部分142以允许跟踪系统106跟踪工作部分204的pose。三个或更多基准标记可替代地直接集成到工作部分204上。基准标记可以是诸如发光二极管(led)的主动标记，或者是诸如逆向反射球(retroreflectivesphere)的被动标记。设备104还可以包括一个或更多个使用者输入机构，例如触发器214或按钮。
在手持部分202的外壳内是前致动器210a，其为前滚珠螺钉216a和后致动器210b提供动力，后致动器210b为后滚珠螺钉216b提供动力。致动器(210a，210b)可以是伺服马达，其使滚珠螺钉(216a，216b)双向旋转。线性导轨(208a，208b)的第一端通过铰链(220a，220b)附接到工作部分204，其中铰链(220a，220b)允许工作部分204相对于线性导轨(208a，208b)绕支点运动。滚珠螺母(218a，218b)附接在线性导轨(208a，208b)的第二端。滚珠螺母(218a，218b)与滚珠螺钉(216a，216b)机械连通。致动器(210a，210b)为滚珠螺钉(216a，216b)提供动力，使滚珠螺母(218a，218b)沿滚珠螺钉(216a，216b)的轴平移。相应地，可以根据每个滚珠螺母(218a，218b)在其相应的滚珠螺钉(216a，216b)上的位置来调节工作部分204的平移“d”和俯仰“α”。线性引导222可以进一步约束和引导线性导轨(208a，208b)在平移方向“d”上的运动。
在关节连接的手术设备104的一些发明实施例中，输入/输出端口向设备104提供电力和/或控制信号；或者，该设备可以经由无线连接从电池接收电力并控制信号，从而减轻了将电线连接至设备104的需要。可以使用多种方法来控制关节连接的手术设备104的致动器210和电动机205。在一种方法中，可以经由到输入/输出端口的电连接来提供控制信号。在另一种方法中，控制信号通过无线连接被传送到设备104，从而减轻了对电线的需求。可以经由光学通信来建立无线连接。在第三种方法中，手持部分202可以容纳设备计算机(或微控制器)以向手术设备104提供机载控制。机载设备计算机可以接收外部数据(例如，跟踪数据、信息数据、工作流程数据等)。同样，机载设备计算机可以通过光学通信发送内部数据(例如，操作数据、致动器/滚珠螺钉位置数据，电池寿命等)。在特定实施例中，设备可以通过pct公开wo2016/081931中描述的可见光通信接收无线控制信号，其全部内容通过引用并入本文。
关节连接的手术设备104还可包括一个或多个用户可见的指示器224。一个或多个指示器224可以是发光二极管(led)或其他视觉指示器，以向用户提供信号，例如，当末端执行器206的位置与植入物或通道的期望位置的轴线或进入点对准时通知用户的信号。在特定实施例中，控制手持式手术设备104的控制系统包含软件，当由一个或多个处理器执行时，致使处理器在当末端执行器206与植入物或通道的期望位置的轴线或进入点对准时，由一个或多个指示器224向用户发信号。一个或多个指示器224可以进一步提供关于手术设备的信息(例如，电池寿命、操作条件)。
计算系统和跟踪系统
图3a和3b还详述了计算系统102通常包括用于执行手术进程的硬件和软件。在特定的本发明实施例中，计算系统102向致动器(210a，210b)提供致动命令以控制末端效应器/工具206的位置和方向(pose)。计算系统102配置为独立于手持部分202的pose来保持末端效应器206与定义平面的重合。计算系统102基于如下准确地保持末端效应器/工具206与平面重合：a)定义于或配准于该骨骼的平面的跟踪pose；以及b)工作部分204的跟踪pose。因此，计算系统102可以通过独立于手持部分202的pose的手术规划中定义的虚拟平面来维持工具轴207。
在一些本发明实施例中的计算系统102可包括：包括处理器的设备计算机(或微控制器)108；包括处理器的规划计算机(或微控制器)110；包括处理器的跟踪计算机(或微控制器)111，和外围设备。处理器在计算系统102中操作以执行与本发明的系统和方法相关联的计算。应当理解，处理器功能在计算机、远程服务器、云计算设施或其组合之间共享。
由跟踪计算机111和设备计算机108收集的数据和/或由跟踪计算机111和设备计算机108执行的操作可以一起工作以控制手持手术设备104，因此，由跟踪计算机111和设备计算机108收集的数据和/或由设备执行的操作跟踪计算机111和设备计算机108以控制手术设备104在本文中可以被称为“控制系统”。然而，应当理解，设备计算机108、规划计算机110和跟踪计算机111可以是如图所示的单独的实体，或者可以设想，取决于手术系统100的配置，可以在一台或两台计算机上执行操作。例如，跟踪计算机111可以具有操作数据以控制手术设备104，而无需设备计算机108。或者，设备计算机108可以包括操作数据以规划手术过程，而不需要规划计算机110。此外，可以经由有线或无线连接来连接设备计算机108、规划计算机110和/或跟踪计算机111的任何组合。
在特定的本发明实施例中，设备计算机108可以包括一个或多个处理器、控制器、软件、数据、实用程序和诸如ram、rom或其他非易失性或易失性存储器的任何附加的数据存储介质，以执行与手术设备104的操作相关的功能。例如，设备计算机108可以包括软件、数据和实用程序，以控制手术设备104，例如工作部分204的pose，来接收和处理跟踪数据，控制马达205的速度，执行配准算法，执行校准例程，在整个手术进程中向使用者提供工作流程指令，以及成功执行根据本发明实施例的过程所需的任何其他合适的软件、数据或实用程序。
设备计算机108、规划计算机110和跟踪计算机111可以是如图所示的单独实体，或者可以想到它们的操作可以取决于手术系统100的配置而仅在一个或两个计算机上执行。例如，跟踪计算机111可以具有操作数据以控制设备104，而不需要设备计算机108。或者，设备计算机108可以包括操作数据以规划手术进程，同时需要规划计算机110。在特定的发明实施例中，设备计算机108可以与手术设备104分离地设置，如图3a和3b所示，或者设备计算机108可以被容纳在手术设备104的手持部分202中，以基于从跟踪计算机111接收的信息和/或跟踪数据来提供机载控制。
外围设备都允许使用者与手术系统100交互，并且外围设备可以包括：一个或多个使用者界面，例如显示器或监视器112，其可用于显示用户图形界面(gui)；各种使用者输入机构，说明性地包括键盘114、鼠标122、挂件(pendent)124、操纵杆126、脚踏板128或监视器112可以具有触屏功能。此外，关节连接的手术设备104可具有一个或多个输入机制，其说明性地包括按钮和开关等。
规划计算机110优选地专用于在术前或术中规划手术。例如，规划计算机110可以包含硬件(例如，处理器、控制器和存储器)、软件、数据和实用程序，其能够接收和读取医学成像数据、分割成像数据、构建和操纵三维(3d)虚拟模型、存储和提供诸如骨骼销cad文件、规划与骨骼相关的骨骼通道的pose和/或3d虚拟植入物，椎弓根螺钉cad文件的计算机辅助设计(cad)文件、规划植入物和/或椎弓根螺钉相对于骨骼的pose、提供感兴趣区域(roi)椎弓根骨骼密度的分析并提供利用roi信息来定义界面和最大化螺距/骨骼结构元件集成，生成与系统100一起使用的手术规划数据，以及提供其他各种功能以帮助使用者规划手术。规划计算机还包含如下面进一步描述的专用于定义关于本发明实施例的虚拟平面的软件。最终的手术规划数据可以包括骨骼的图像数据集、骨骼配准数据、对象识别信息、一个或多个椎弓根螺钉相对于骨骼的pose、相对于骨骼定义的一个或多个虚拟平面的pose，以及任何组织修改说明。设备计算机108和规划计算机110可以直接连接在手术室中，或者可以作为单独的实体存在。最终的手术规划很容易通过手术室(or)中的有线或无线连接传送到设备计算机108和/或跟踪计算机111；如果规划计算机110位于or之外，则通过非瞬态数据存储介质(例如，光盘(cd)、便携式通用串行总线(usb驱动器))来对其进行传送。如上所述，计算系统102可以充当具有多个处理器的单个实体，其能够执行设备计算机108、跟踪计算机111和规划计算机110的功能，或其任何组合。用于传递信息和控制的无线连接可包括光学信号或无线电波的使用。
计算系统102可以基于来自于图3所示的跟踪系统106的pose数据精确地将工具轴207维持在3-d空间中。跟踪系统106通常包括用于确定对象相对于检测设备的位置的pose的检测设备。在特定的本发明实施例中，跟踪系统106是一种光跟踪系统，如美国专利no.6,061,644中所述，具有两个或更多个光接收器116，以检测布置在刚性体上的基准标记的位置。基准标记的说明性实例包括：诸如led或电磁辐射发射器的主动发射器；诸如带有反光膜的塑料球的被动反射器；或形状、线条或其他字符的不同图案或序列。布置在刚性体上的基准标记组在本文中称为基准标记阵列(120a，120b，120c，212)，其中，如果标记是主动led，则每个基准标记阵列(120a，120b，120c，212)具有基准标记的独特的几何/排列，或独特的发射波长/频率，从而跟踪系统106可以区分每个被跟踪物体。在特定实施例中，基准标记阵列(120a，120b，120c，212)包括在每个刚性体上以已知几何形状独特布置的三个或更多个主动发射器或被动反射器。在另一实施例中，附接到患者(120a，120b)的基准标记阵列可以包括在刚性体上以已知配置独特布置的基准标记和不透射线标记，从而允许用荧光或ct进行图像配准并随后用光跟踪系统追踪骨骼。
跟踪系统106可以内置在手术灯118中，手术灯118位于吊杆、支架上，或者内置在手术室的墙壁或天花板中。跟踪系统计算机111包括跟踪硬件、软件、数据和实用程序，以在局部或全局坐标系中确定对象(例如，诸如脊柱10、股骨f和胫骨t，手术设备104的骨骼)的pose。这里将从跟踪系统106的输出(即，3d空间中对象的pose)称为跟踪数据，其中该pose数据通过有线或无线连接容易地传送到设备计算机108。可替代地，设备计算机108可以使用直接从光学接收器116检测到的基准标记的位置来确定pose数据。
使用从光接收器/检测器116检测到的基准标记的位置和诸如图像处理、图像滤波、三角测量算法、几何关系处理、配准算法、校准算法和坐标转换处理等操作/过程来确定跟踪或pose数据。
计算系统102使用来自跟踪系统106的pose数据来执行各种功能。例如，可以校准具有附接的探针基准标记阵列120c的数字转换器探针130的pose，使得探针的尖端连续地已知，如美国专利no.7,043,961中所述。使用pct公开wo2016/141378中描述的校准方法，可以知道工具206的尖端或轴关于设备基准标记阵列212的pose。使用pose数据可以容易地执行配准算法以确定骨骼、手术规划和手术系统之间的pose和/或坐标转换。例如，在美国专利no.6,033,415和8,287,522中描述的配准方法中，可以使用跟踪的数字转换器探头收集患者骨骼上的多个点，以转换手术规划的坐标、骨骼的坐标和手术设备的坐标。还可以使用如美国专利no.5,951,475中所述的图像配准来配准骨骼。可以使用来自于用于跟踪骨骼后配准和手术设备的pose的跟踪系统的pose数据来连续地更新坐标转换。
应当理解，在某些发明实施例中，其他跟踪系统与手术系统100结合，例如电磁场跟踪系统、超声跟踪系统、加速度计和陀螺仪、或机械跟踪系统。用其他跟踪系统代替非机械跟踪系统对于本领域技术人员来说应该是显而易见的。在特定实施例中，机械跟踪系统的使用可能是有利的，这取决于所使用的手术系统的类型，例如转让给本申请受让人的美国专利no.6,322,567中所述的手术系统，其全部内容通过引用并入本文。
在手术系统100中，具有光接收器116的光跟踪系统106用于收集脊柱的pose数据。跟踪阵列120a和120b附接到脊柱10，其中随后一个或多个目标椎体配准于手术规划。在特定实施例中，跟踪阵列120a和120b被拧入棘突20。脊柱的pose由跟踪系统106实时跟踪，因此手术规划和手术设备之间的坐标转换被更新为骨骼和手术设备在手术室内移动。因此，工具206的pose与手术规划中定义的任何坐标的pose之间的关系可以由计算系统102确定。反过来，计算系统102可以向致动器(210a，210b)实时地提供致动命令，以将工具轴207精确地维持到所定义的坐标。
另外，使用者可以使用使用者输入机构，例如触发器214或脚踏板128，以向计算系统102指示需要将工具轴207维持到手术规划中定义的其他坐标。例如，工具轴207可以维持在第一定义平面中，并且使用者可以踩踏脚踏板128以中继到计算系统102，工具轴207需要维持在第二定义平面中。
用于脊部手术应用的手术规划和执行。
手术规划由使用者使用规划软件在术前或术中创建。规划软件可以用于从计算机断层摄影(ct)、磁共振成像(mri)、x射线、超声图像数据集或从术中在骨骼上收集的一组点来生成患者的骨骼解剖结构的三维(3-d)模型。制造商的椎弓根螺钉的一组3-d计算机辅助设计(cad)模型可以预先加载到软件中，以进一步帮助使用者定义虚拟椎弓根螺钉平面以指定椎弓根中椎弓根螺钉的最佳配合、位置和/或方向。例如，参考图5，示出了患者的脊柱10的3-d模型。脊柱根螺钉24在脊柱10的骨模型中的最终放置定义了椎弓根平面26，其中骨骼在术中被钻孔以根据需要接收椎弓根螺钉24。手术设备104'是2-dof设备，其可以包括机载指示器28以指示销/螺钉24何时与椎弓根平面26对准。
手术规划包含与一个或多个虚拟椎弓根平面26的位置的相结合的患者的手术骨(椎骨)的3-d模型。椎弓根虚拟平面26的位置可以是由使用者在规划软件中定义。在特定实施例中，使用者可以在椎弓根的模型上定位三个内-侧中心点以定义期望的椎弓根螺钉平面26。在另一实施例中，使用者可以虚拟地将椎弓根螺钉的模型放置在椎弓根模型上的期望的pose中。之后，椎弓根螺钉平面26可以由椎弓根螺钉的纵向中心轴和至少一个从椎弓根的上-下(si)方向上的中心轴平移的非共线点来定义。应当理解，在椎弓根的模型中，椎弓根螺钉的模型的最终pose提供了其他相关的自由度，例如期望的si位置、si角度以及深度。在又一实施例中，规划系统可以包括用于勾勒在椎弓根16上的期望pose中的平面轮廓的工具。最后，虚拟平面26的位置被定义为有助于将椎弓根螺钉24放置在正确的pose中。在另一实施例中，如果使用具有机械臂的机器人系统来执行该程序，则可以在规划软件中将用机器人臂插入弓根钉的轨迹定义为椎弓根螺钉模型的纵向中心轴相对于骨骼模型的位置。仅需要中心轴便可以定义相对于骨骼的轨迹。
在特定实施例中，当与椎弓根平面26正确对准时，使用者或计算系统102可以激活2dof设备的钻子工具以钻出用于椎弓根螺钉24的导孔。然后使用标准钻子将椎弓根螺钉24钻入导孔中。在另一实施例中，使用者可以直接将椎弓根螺钉24钻入椎弓根平面26中，而不需要使用2dof设备的钻子工具来导孔。
使用2-dof手术系统100来精确地放置椎弓根螺钉24具有多个优点。例如，手术设备104实时地致动，因此使用者被主动引导至椎弓根平面26的pose。另外，无论外科医生如何放置2-dof手术系统100的手持部分204，都可以精确地维持椎弓根螺钉24的正确的位置和方向。当钻子被引导穿过引导器时，例如当机器人臂用于简单地将钻子引导装置保持到位时，手持致动器还避免了由于钻子引导装置的意外机械偏转而导致关键方向不准确的可能性。此外，即使使用惯性延迟补偿机构，传统的被动机器人臂和系统也无法补偿呼吸或心输出量。
在特定的发明实施例中，可以在另一发明方法中使用2-dof设备(104、104')上的一个或多个指示器(223、1906)或来自监视器112的反馈以对准线(例如，直线(例如，轴线、椎弓根螺钉的最佳轨迹、骨通道)上的2-dof的末端执行器(椎弓根螺钉、骨骼销、钻头)。在沿轴线对准2-dof手持式手术设备的本发明方法中，相对于骨骼上的植入物或通道的期望位置来定义平面，其中植入物或通道具有轴线。例如，图10描绘了3-d胫骨模型300，其具有具有轴线303的骨通道302的规划位置以及相对于骨通道302定义的虚拟平面304。
2-dof手术设备的末端执行器与该平面重合，并且2-dof手术设备侧到侧移动，同时末端执行器与平面保持重合，直到第一指示器指示末端效应器与在骨骼上的植入物或通道的期望位置的进入点对准。图11描绘了与定义平面304重合对准的2-dof手术设备104的末端执行器206，其中2-dof手术设备104侧到侧移动(如箭头306所示)，而末端执行器206通过致动工作部分204而保持与定义平面304重合。
随后，将末端执行器的尖端在进入点锚固到骨骼中；当末端执行器保持与平面重合时，2-dof手术设备围绕锚固的尖端旋转，直到当末端执行器在期望位置与植入物或通道的轴线对准时，第二指示器发出信号。然后可以将末端执行器插入骨骼中。图12描绘了末端执行器206的尖端在植入物或通道的定义位置的进入点处锚固在胫骨t中，其中当末端执行器与进入点对准时，指示器224发出信号后，该尖端被锚固。图13秒回了2-dof手术设备104围绕锚固的尖端旋转(如箭头308所示)，直到末端执行器206与植入物或通道的轴线303的定义位置对准为止。然后，当末端执行器与轴线303对准时，第二指示器会向用户发出信号。
在末端执行器与轴线303对准之后，末端执行器被插入骨骼中。如果第二指示器是功率控制器，则当末端执行器206与轴线303对准时，钻头(例如，电动机205)自动打开，并且在将末端执行器206插入骨骼中时保持开启。如果在将末端执行器206插入骨骼中时末端执行器206在任何点偏离轴线303，则钻头(例如，电动机205)将自动关闭。
在特定的发明实施例中，第一指示器和第二指示器可以来自相同的指示器或不同的指示器。优选地，第一指示器是2-dof设备上的led，其通过改变颜色或闪烁频率来向进入点发出信号。替代地或组合地，第一指示器可以是在监视器上显示的视觉反馈。例如，骨骼的虚拟模型可以显示在监视器上，其中定义的平面、植入物或通道的轴线以及末端执行器的实时轴线叠加在虚拟骨骼模型上。
用户然后可以尝试将末端执行器的实时叠加轴与植入物或通道的叠加轴对准。监视器上的其他视觉反馈可能包括简单的红色和绿色信号，会根据其与进入点的对准程度来改变频率的闪烁的指示灯。但是，将指示器led保持在设备上可以使用户更轻松地进行操作，因为他们不必在骨骼和监视器之间来回移动。至于第二指示器，可以将相同的机制用作第一指示器。但是，优选地，第二指示器用作末端执行器的功率控制器。例如，一旦末端执行器与植入物或通道的轴线对准，钻头的电源就会自动打开，以将末端执行器插入骨骼。如果用户在任何点偏离轴的轴线(或尖端从进入点移开)，则钻头的电源将自动关闭。
在特定的发明实施例中，末端执行器可以包括钻头、椎弓根螺钉、骨骼螺钉、骨骼销、空心钻头、毛刺、骨钉、铰刀(reamer)、拉刀(broach)或植入物。末端执行器不一定必须在植入物中驱动(例如，椎弓根螺钉、tha股骨柄)。例如，末端执行器可以是首先钻出用于椎弓根螺钉的导向孔的钻头，或者末端执行器可以沿tha中的髋臼杯植入物的中心轴线对准铰刀以制备髋臼。
在特定的发明实施例中，可以以几种不同的方式来定义该平面。常规方法可能包括使用术前骨骼数据(ct、mri、图像、3d骨骼模型)和术前规划软件程序。可以使用规划软件程序中的各种工具或小部件(widget)来定义植入物或通道的期望位置(例如，通道的虚拟模型、植入物的虚拟模型、相对于植入物可定位的一组点、线、样条线或平面、术前骨骼数据、绘图工具等)。一旦定义了植入物或通道的位置，就可以用几种方式来定义该平面。例如，可以使用以下至少一项来定义平面：植入物或通道的轴线和一个附加点；以及或沿着植入物或通道的轴线的中心点(例如进入点)和另外两个点。一个或两个附加点可以由用户在规划软件中的术前骨骼上定义，或由规划软件自动分配。使用者可以基于手术过程中骨骼的预期暴露在术前骨骼数据(例如骨骼模型)上定义一个或两个附加点。该一个或两个附加点可以是由用户或规划软件定义的解剖界标。规划软件可以使用来自先前手术的历史患者病例数据进一步定义平面和/或附加点。术前定义的平面的位置可以使用本领域已知的配准技术配准到手术室中的骨骼。
在特定的发明实施例中可替代地或组合地，该平面可以被定义在暴露的骨骼上。例如，用户可以使用跟踪的数字化仪或跟踪的2-dof手术设备对骨骼上的三个点进行数字化，以定义一个平面，或者可以使用轴和一个附加点来定义该平面。可以通过在骨头上对准设备的数字转换器或末端执行器的轴线来定义该轴线，其中该数字转换器或末端执行器的轴线由计算系统记录以在骨骼上定义一个轴。然后通过使用数字转换器或2-dof手术设备将骨骼上的一个点数字化来定义一个附加点。
关节连接螺钉驱动设备
上述2-dof手术系统100的关节连接设备204可以精确地对准工具/销/螺钉以与一个或多个虚拟平面重合。然而，外科医生仍然必须手动地将设备204推向骨骼以插入螺钉或者为螺钉创建导孔，这对于外科医生来说可能是不舒服的。换句话说，2-dof设备仅能够对准螺钉平面26中的工具/销/螺钉，而使用者必须手动地控制销/螺钉的深度(前-后方向)。然而，如果使用主动的机器人臂，则机器人臂可以控制插入椎弓根螺钉的所有自由度，包括深度。
为了通过2-dof手术设备104为使用者提供进一步的控制和反馈，可以修改2-dof手术设备104以包括第三销/螺钉驱动自由度，其在下文中将被称为关节连接销/螺钉驱动设备104'。参考图6a-6c，其中相同的附图标记具有相对于前述附图标记的含义，示出了关节连接销驱动器设备104'的特定实施例。除了2-dof手术设备104的部件之外，关节连接销驱动器设备104'的工作部分204'还包括构造成将销206'驱动到骨骼中的部件。具体地，参考图6c，工作部分204'包括马达205、马达耦合器1808、销驱动滚珠螺钉1804、销保持器1806和销206'。特别适合的托架1810构造成支撑和承载工作部分204'，并且可包括用于致动销的机构。在一些本发明实施例中，托架1810包括销驱动滚珠螺母1812和连接构件1814，例如孔、轴承或轴支撑件，以接收杆、销钉或轴以用作与线性导轨(208a，208b)的第一端相连接的铰链(220a，220b)。马达耦合器1808将马达205耦合于销驱动滚珠螺钉1804。销驱动滚珠螺钉1804与销驱动滚珠螺母1812机械连通。销保持器1806将销驱动滚珠螺钉1804连接于销206'。销206'可拆卸地附接于销保持器1806，以允许销206'在插入其中时维持在骨骼中。马达205可以双旋转地驱动销驱动滚珠螺钉1804和销206'以推进并驱动销206'进入骨骼。这些部件还可以包括与马达线性导轨(未示出)可操作地连接的马达托架(未示出)。马达托架固定到马达205，以防止马达205旋转，同时允许马达205沿马达线性导轨平移。马达线性导轨可以从托架1810延伸。图6a示出了处于缩回状态的销/螺钉206'，图6b示出了处于伸展状态的销/螺钉206'，其中销206'可以平移距离“d2”。可以存在外防护装置1802以保护使用者免受工作部分204'中的致动机构的影响。如果存在外防护装置1802，则防护装置1802的尺寸可以设计成在销206'处于缩回状态时隐藏整个销206'，或者防护装置1802可以仅隐藏销206'的一部分以允许使用者在骨骼插入之前可视化销206'的尖端。
在特定实施例中，工作部分204'可以包括用于旋转销206'的第一马达205，以及用于平移地驱动销206'的第二马达(未示出)。第二马达可以旋转滚珠螺钉或蜗轮，其与配置有第一马达205的相对的滚珠螺母或齿条连通。当第二马达双旋转地驱动滚珠螺钉或蜗轮时，第一马达205和销206'相应地平移。
关节连接销驱动设备104'的设备计算机108还可以包括用于控制销驱动动作的硬件和软件。在一实施例中，设备计算机108包括两个马达控制器，用于分别独立地控制前致动器210a和后致动器210b，以维持工作部分(204，204')的pose。第三马达控制器可以独立地控制马达205以驱动销206'并将其旋转到骨骼中。在第一马达205旋转销206'并且第二马达(未示出)平移销206'的特定实施例中，设备计算机108可以包括两个单独的马达控制器以独立地控制第一马达205和第二马达。
在特定实施例中，参考图7a-7b，关节连接设备104'包括与手持部分202附接或集成的骨骼稳定构件1902。骨骼稳定构件1902包括一个或多个接触元件(1904a，1904b)，一个或多个接触元件(1904a，1904b)配置成在工作部分204'关节连接时接触骨骼和/或皮肤表面以稳定手持部分202。接触元件(1904a，1904b)可以是平坦表面、尖头突起或具有锯齿状边缘的表面，以与骨骼和/或软组织相互作用并稳定手持部分202。一个或多个接触元件(1904a，1904b)可以突出于工作部分204'之外，使得元件(1904a，1904b)可以接触骨骼而不会负面地影响销/螺钉206'可插入骨骼中的深度。可替代地，接触元件(1904a，1904b)可以从手持部分横向(即，垂直于销轴)突出，使得接触元件(1904a，1904b)与患者的皮肤表面相互作用。当使用者处于用于驱动销/螺钉206'的近似区域时，使用者可以通过接触元件(1904a，1904b)将手持部分202稳定到骨骼和/或软组织。在手持部分稳定的情况下，工作部分204'进一步关节连接，直到销/螺钉206'与虚拟销平面精确重合。在特定实施例中，一旦销/螺钉206'与虚拟销平面214对准，系统100就自动锁定致动器(210a，210b)并启动马达205以将销/螺钉206'驱动到骨骼中。在另一实施例中，在系统100锁定致动器(210a，210b)并驱动销/螺钉206'或两者之前，使用者激活使用者输入机构，例如触发器214或按钮。因此，使用者可以预期和控制销/螺钉206'何时被驱动到骨骼中。使用者可以类似地使用该使用者输入机构来控制销/螺钉206'的伸展或缩回量。
在特定的本发明实施例中，参考图7a，一个或多个指示器1906，例如led或显示器，被附接或集成于设备104'。例如，指示器1906可以附接到外部防护装置1802、工作部分204'或手持部分202。指示器1906向使用者提供关于设备104'相对于设备104'的期望位置的当前位置的反馈。例如，指示器1906可以发出红光以指示设备104'在三个滚珠螺钉(216a，216b，1804)的行程范围之外。换句话说，当工作部分204'和销/螺钉206'不再能够关节连接到达期望的位置、方向或插入销/螺钉206'的期望的深度时，则发出红光。当使用者接近行程范围时，指示器1906可以发出黄光，而当销/螺钉206'与虚拟销平面对准时，指示器1906可以发出绿光。指示器1906还可以生成闪烁光，该闪烁光基于设备104'超过行程范围的接近程度或者销/螺钉206'与虚拟销平面的接近程度而改变闪烁频率。指示器1906还可以指示设备104'何时准备好将销自动地放置在骨骼内。在特定实施例中，工作部分204'直到指示器1906处于活动状态时才启动，其中当设备104'在滚珠螺钉的行程极限内时触发活动状态。由指示器1906传达的该数据可以基于以下之一容易地获得：a)直接从设备104'收集的本地数据，例如设备运动学；b)从跟踪系统106收集的跟踪数据；c)设备104'的pose与手术规划的比较；或者，d)其组合。
在特定的本发明实施例中，参考图8a和8b，关节连接设备104'包括部分外壳(enclosure)2002。图8a是具有部分外壳2002的关节连接设备104'的立体图，图8b是其截面图。部分外壳2002附接到手持部分202并部分地包围工作部分204'。工作部分204'能够在部分外壳2002内进行关节连接。部分外壳2002具有内部尺寸'h'(即高度或直径)，其对应于工作部分204'的行程范围。该尺寸'h'可以提供工作部分204'的平移“d”和占据工作部分204'的俯仰'α'所需的任何附加高度。部分外壳2002的优点是为使用者提供关于工作部分204'的工作空间或行程范围的引导。使用者可以简单地将部分外壳2002的前端放置在骨骼上以稳定手持部分202，此时工作部分204'可以关节连接到虚拟销平面并且将销/螺钉206'驱动到骨骼中。使用者不再试图将较小的销/螺钉206'直接对准销/螺钉平面，而是使用较大的引导装置，部分外壳2002，以使销/螺钉206'在处于销/螺钉平面的大致附近并且允许工作部分204'进行对准。另外，使用者不再需要担心在对准销/螺钉206'的同时超过工作部分204'的行程极限。
部分外壳2002的前端可以用作骨骼接触元件(1904a，1904b)以稳定手持部分202，并且还可以包括诸如锯齿状边缘或一个或多个尖头突起等特征。
销/螺钉206'在伸展状态下延伸超过部分外壳2002，以允许销被驱动到骨骼中，如图8b所示。当销/螺钉206'处于缩回状态时，销/螺钉206'被包围在部分外壳2002内。
部分外壳2002还可以包括指示器1906，以帮助使用者将设备104'定位到如上所述的期望的销平面。
部分外壳2002还被配置为允许跟踪阵列212附接于工作部分204'或工作部分204'的外部防护装置1802'，以允许跟踪系统106跟踪当其关节连接时工作部分204'的pose。
在特定的本发明实施例中，参考图9a和9b，关节连接设备104'包括完整外壳2102。图9a是具有完整外壳2102的关节连接设备102的立体图，图9b是其截面图。完整外壳2102配置有相同的原理并且具有与部分外壳2002相同的优点，除了跟踪阵列212直接附接到完整外壳2102。由于跟踪阵列212附接到完整外壳2102，因此用于控制工作部分204'的控制方案必须修改，其中设备运动学用于确定工作部分204'的pose。特别地，跟踪系统106基于阵列212和手持部分202之间的几何关系来跟踪手持部分202，并且，致动器(210a，210b)位置(即，致动器的旋转位置对应于滚珠螺母(216a，216b)上的滚珠螺母(218a，218b)的位置)用于确定工作部分204'相对于手持部分202的pose。因此，计算系统102可以确定新的致动器位置以控制销/螺钉206'并使其与虚拟销平面对准。
应当理解，部分外壳2002和完整外壳2102的尺寸和形状可以配置为适于组装到具有多于两个自由度具有类似优点的手持系统。例如，可以预期的是，外壳(226，228)的内部尺寸可以容纳具有在一个或多个平移方向、俯仰和偏转中关节连接的关节连接部分的设备的行程极限，诸如美国专利公开no.2013/0060278中描述的系统。然而，随着自由度的增加，外壳(226,228)的尺寸也增加，这可能会妨碍操作工作空间。
应当进一步理解的是，骨骼稳定构件1902、指示器1906、部分外壳2002和完整外壳2102的实施例都可以适用于如图4a-4b所示的2-dof手术设备104。
双皮层钻孔
为了进一步稳定骨骼中的椎弓根螺钉，可能需要将销钻穿过骨骼的两个皮层区域，也称为双皮层钻孔。然而，如果钻头或椎弓根螺钉钻出第二皮层区域并进入软组织，则可能会发生对患者的伤害。因此，提出，如果钻头/螺钉穿过第二皮层区域，则第三销驱动致动轴也可以用于缩回钻头/销。
在特定的本发明实施例中，使用现有的方法来检测骨穿透，例如下述文献中所述的：taha,zahari,a.salah,和j.lee.“用于骨科机器人辅助手术的骨穿透检测”apiems2008第9届亚太工业工程和管理系统会议论文集，2008年(taha,zahari,a.salah,andj.lee."bonebreakthroughdetectionfororthopedicrobot-assistedsurgery."apiems2008proceedingsofthe9thasiapacificindustrialengineeringandmanagementsystemsconference.2008)。然后，关节连接销驱动设备104'以相对于骨骼的恒定最佳缩回速度自动地缩回钻头/销，而不管使用者如何移动手持部分202。这确保了如果钻头/销穿透第二皮层区域，则钻头/销缩回，以免对患者造成任何伤害。缩回速度是与手持部分202的当前速度相结合的最佳缩回速度的函数。
手持部分202和骨骼之间的相对速度可以以几种不同的方式测量。在一个实施例中，手持部分202相对于骨骼的速度没有被检测，而是设想了一速度。在另一实施例中，使用简单的线性距离测量工具，例如激光距离测量设备。在特定实施例中，跟踪系统106用于使用骨骼和手持部分202中的每一个上的一个或多个基准标记来跟踪骨骼和手持部分202。
其他实施例
尽管在前面的详细描述中已经呈现了至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在大量的变型。还应当理解，一个或多个示例性实施例仅仅是示例，并不旨在以任何方式限制所描述的实施例的范围、适用性或配置。相反，前面的详细描述将为本领域技术人员提供用于实现一个或多个示例性实施例的便利路线图。应当理解，在不脱离所附权利要求及其合法等同物所阐述的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。
本文引用的专利、专利申请公布和其他参考文献指示了本领域技术水平。每个专利、专利申请公开和其他文献参考文献均通过引用整体并入本文。这些参考文献旨在以与每个参考文献通过引用单独并入相同的程度而引入。
前面的描述是对本发明的特定实施例的说明，但并不意味着对其实践的限制。以下权利要求，包括其所有等同物，旨在限定本发明的范围。