机器人手持式手术器械系统和方法与流程

本公开总体上涉及手术机器人手持式器械系统和使用方法。

背景技术：

1、物理切割引导件用于在从患者切除组织时约束手术工具。在某些情况下，物理切割引导件约束此类手术工具，以便准备用于接受替换植入物的关节。用于将物理切割引导件定位并固定到患者身上所需的时间可能占执行手术过程所需的总时间的很大一部分。

2、导航系统(也称为跟踪系统)可用于正确地对准和固定夹具，以及跟踪用于从患者切除组织的手术工具的位置和/或定向。跟踪系统通常采用与工具和被切除的组织相关联的一个或多个跟踪器。然后用户可以查看显示器以确定工具相对于待去除组织的期望切割路径的当前位置。显示器的布置方式可以要求用户将视线从组织和手术部位移开以可视化工具的进程。这可能会分散用户对手术部位的注意力。而且，用户可能难以以期望的方式放置工具。

3、机器人辅助手术通常依赖于具有能够在六个自由度(dof)上移动的机器人臂的大型机器人。这些大型机器人在手术室中操作和操纵可能很麻烦。

4、此外，使用致动器将工具与期望的目标对象对准的机器人手持式手术器械具有有限的可调节范围。因此，操作者需要将这些器械保持在期望的目标对象的一定距离和/或角度内，以允许器械与期望的目标对象对准。然而，操作者很难察觉器械在手术过程中的给定时刻具有多少可调节性。

5、因此，需要一种系统和方法来解决这些挑战中的一个或多个。

技术实现思路

1、本公开的一个方面包括一种手持式手术机器人系统。该手持式手术机器人系统包括手持部分、可移动地联接到手持部分并包括限定刀片平面的刀片安装件的刀片支撑、可拆卸地联接到刀片支撑并设置在刀片平面中的锯片。锯片限定纵向轴线和侧向轴线。手持式手术机器人系统还包括操作地附接到刀片支撑和手持部分的致动器组件。致动器组件被配置成使刀片支撑相对于手持部分在多个自由度上移动。手持式手术机器人系统还包括从手持部分延伸的柄部对准构件。柄部对准构件包括朝向刀片安装件延伸的柄部对准突出部，其中柄部对准突出部的至少一部分相对于锯片的纵向轴线和侧向轴线倾斜，并且当刀片支撑相对于手持部分具有最佳运动范围时柄部对准突出部的所述一部分和刀片平面对准。

2、致动器组件包括多个致动器，所述多个致动器中的每一个被配置成在第一位置和第二位置之间移动，以使刀片支撑相对于手持部分移动。原始位置可以是所述多个致动器中的每一个的第一位置和第二位置之间的中点，并且当所述多个致动器中的至少两个处于其原始位置时刀片支撑具有最佳运动范围。

3、当手持部分处于不提供最佳运动范围的姿态时，刀片平面和柄部对准突出部可以不对准，从而提供手持部分处于不为刀片支撑提供最佳运动范围的姿态的视觉指示。

4、致动器组件被配置用于调节刀片支撑相对于手持部分的俯仰、高度和侧倾中的至少一者。柄部对准突出部相对于刀片平面的第一空间布置可提供刀片支撑相对于手持部分的第一俯仰关系、第一高度关系和第一侧倾关系中的至少一个的视觉指示。因此，第一空间布置提供柄部对准突出部和刀片平面对准并且刀片支撑相对于手持部分具有最佳运动范围的视觉指示。柄部对准突出部相对于刀片平面的第二空间布置提供刀片支撑相对于手持部分的第二俯仰关系、第二高度关系和第二侧倾关系中的至少一个的视觉指示。因此，第二空间布置提供手持部分相对于刀片支撑处于不为刀片支撑提供最佳运动范围的姿态的视觉指示。

5、第一空间布置可提供刀片支撑相对于手持部分的第一俯仰关系的视觉指示，并且第二空间布置可提供刀片支撑相对于手持部分的第二俯仰关系的视觉指示。当致动器使刀片支撑相对于手持部分俯仰时，第二俯仰关系提供刀片支撑相对于手持部分的俯仰的视觉指示，其中在俯仰方向上沿着纵向轴线柄部对准突出部的第一部分比柄部对准突出部的第二部分更远离刀片平面。

6、第一空间布置还可以提供刀片支撑相对于手持部分的第一高度关系的视觉指示，并且第二空间布置还可以提供刀片支撑相对于手持部分的第二高度关系的视觉指示。因此，第二高度关系提供刀片支撑相对于手持部分的高度的视觉指示，其中在高度方向上柄部对准突出部至少部分地位于刀片平面的上方或下方。

7、第一空间布置还可以提供刀片支撑相对于手持部分的第一侧倾关系的视觉指示，并且第二空间布置还可以提供刀片支撑相对于手持部分的第二侧倾关系的视觉指示。因此，第二侧倾关系提供刀片支撑相对于手持部分的侧倾的视觉指示，其中在侧倾方向上柄部对准突出部的外侧部分比柄部对准突出部的内侧部分更远离刀片平面。

8、手持式手术机器人系统还可以包括在与第一柄部对准构件分开的定位处从手持部分延伸的第二柄部对准构件，第二柄部对准构件包括朝向刀片安装件延伸的第二柄部对准突出部，其中第二柄部对准突出部的至少一部分相对于锯片的纵向轴线和侧向轴线倾斜。与上文类似，当刀片支撑相对于手持部分具有最佳运动范围时，第一柄部对准突出部和第二柄部对准突出部与刀片平面对准。

9、手持式手术机器人系统还可以进一步包括从刀片支撑延伸的工具对准构件。工具对准构件包括朝向刀片安装件延伸的工具对准突出部，其中工具对准突出部的至少一部分相对于锯片的纵向轴线和侧向轴线倾斜。工具对准突出部可限定工具对准边缘，并且柄部对准构件限定相对于锯片的纵向轴线和侧向轴线倾斜的柄部对准边缘。工具对准边缘可被限定成使得当刀片支撑与手持部分对准时工具对准边缘从柄部对准边缘偏置并且平行于柄部对准边缘。当手持部分处于不提供最佳运动范围的姿态时，工具对准突出部和柄部对准突出部可以不对准，从而提供手持部分处于不为刀片支撑提供最佳运动范围的姿态的视觉指示。

10、柄部对准突出部和工具对准突出部可包括第一视觉指示物和第二视觉指示物，第一视觉指示物在视觉上能够与第二视觉指示物区分开。当工具对准突出部和柄部对准突出部对准时，柄部对准突出部的第一视觉指示物和工具对准突出部的第一视觉指示物可以对准，从而提供刀片支撑相对于手持部分具有最佳运动范围的视觉指示。当工具对准突出部和柄部对准突出部不对准时，柄部对准突出部的第一视觉指示物和工具对准突出部的第一视觉指示物可以不对准，从而提供手持部分处于不为刀片支撑提供最佳运动范围的姿态的视觉指示。第一视觉指示物可以是第一颜色，第二视觉指示物可以是第二颜色。

11、本公开的另一方面包括一种用于支撑锯片的手持式手术机器人系统。手持式手术机器人系统包括手持部分、可移动地联接到手持部分并限定工具支撑平面的工具支撑、以及操作地附接到工具支撑和手持部分的致动器组件。致动器组件被配置用于使工具支撑相对于手持部分在多个自由度上移动。手持式手术机器人系统还包括从手持部分延伸的柄部对准构件，柄部对准构件包括柄部钩形部分。当工具支撑相对于手持部分具有最佳运动范围时，柄部钩形部分和工具支撑平面对准。

12、本公开的又另一方面包括一种手持式手术机器人系统。手持式手术机器人系统包括手持部分、可移动地联接至手持部分并限定工具支撑平面的工具支撑、以及可拆卸地联接至工具支撑的工具。该工具限定纵向轴线和侧向轴线。手持式手术机器人系统还包括操作地附接到工具支撑和手持部分的致动器组件。致动器组件被配置成使工具支撑相对于手持部分在多个自由度上移动。手持式手术机器人系统还包括从手持部分延伸的柄部对准构件，柄部对准构件包括朝向工具支撑延伸的柄部对准突出部，其中柄部对准突出部的至少一部分被布置成相对于纵向轴线成大于0度且小于90度的角度；其中，当工具支撑相对于手持部分具有最佳运动范围时，柄部对准突出部的所述一部分与工具支撑平面对准。

13、本公开的再另一方面包括一种用于支撑工具的手持式手术机器人系统。手持式手术机器人系统包括手持部分和可移动地联接到手持部分的工具支撑。工具支撑被配置用于支撑限定工具平面的工具。手持式手术机器人系统还包括操作地附接到工具支撑和手持部分的致动器组件。致动器组件被配置成使工具支撑相对于手持部分在多个自由度上移动。手持式手术机器人系统还包括从手持部分延伸的柄部对准构件。柄部对准构件包括在第一柄部支撑臂端部和第二柄部支撑臂端部之间延伸的柄部支撑臂。柄部支撑臂包括被联接至第一柄部支撑臂端部并可拆卸地联接至手持部分的柄部联接部分。柄部对准构件还包括被联接到第二柄部支撑臂端部的柄部对准构件安装件，以及被联接到柄部对准构件安装件的柄部对准指示构件。柄部联接部分可包括柄部联接构件，该柄部联接构件被配置成联接到设置于手持部分上的相应联接构件，以将柄部对准构件联接至手持部分。

14、本公开的又一方面包括机械对准装置，其被配置用于与手持式手术机器人系统一起使用，用于提供手持式手术机器人系统的手持部分相对于手持式手术机器人系统的工具支撑的姿态的视觉指示。该机械对准装置包括在第一支撑臂端部和第二支撑臂端部之间延伸的支撑臂。支撑臂包括联接部分，其被联接到第一支撑臂端部并被配置成可拆卸地联接到手持式手术机器人系统的手持部分和工具支撑中的一个。机械对准装置还包括被联接到第二支撑臂端部的对准构件安装件，以及被联接到对准构件安装件的对准指示构件。

15、本公开的附加方面包括一种用于支撑锯片的手持式手术机器人系统。手持式手术机器人系统还包括手持部分。该系统还包括可移动地联接至手持部分的刀片支撑。刀片支撑被配置用于支撑锯片。该系统还包括操作地附接到刀片支撑和手持部分的致动器组件。致动器组件被配置成使刀片支撑相对于手持部分在多个自由度上移动。该系统还包括被联接到刀片支撑并从刀片支撑延伸的工具对准构件，以及被联接到手持部分并从手持部分延伸的柄部对准构件，其中当刀片支撑相对于手持部分具有期望运动范围时工具对准构件的至少一部分和柄部对准构件的至少一部分对准。

16、本公开的另一方面包括用于支撑锯片的手持式机器人系统。手持式机器人系统还包括手持部分。该系统还包括可移动地联接到手持部分以支撑锯片的刀片支撑。该系统还包括操作地附接到刀片支撑和手持部分的致动器组件。致动器组件被配置用于使刀片支撑相对于手持部分在多个自由度上移动。该系统还包括被联接至刀片支撑并从刀片支撑的两侧延伸的第一工具对准构件和第二工具对准构件。该系统还包括被联接到手持部分并从手持部分延伸的第一柄部对准构件和第二柄部对准构件，其中当刀片支撑相对于手持部分具有期望的运动范围时，第一工具对准构件和第二工具对准构件分别与第一柄部对准构件和第二柄部对准构件对准。

17、本公开的又另一方面包括一种用于与手持式机器人系统一起使用的视觉指示系统。该视觉指示系统包括护罩，该护罩被联接到刀片支撑和手持部分并在刀片支撑和手持部分之间延伸，使得护罩包围所述多个致动器中的至少一个。护罩限定至少两个护罩界标，所述至少两个护罩界标被配置成当刀片支撑和手持部分彼此不对准时相对于彼此移位，以提供刀片支撑相对于手持部分的姿态的视觉指示。

18、本公开的又一方面包括用于支撑锯片的手持式机器人系统。手持式机器人系统包括手持部分和可移动地联接到手持部分以支撑锯片的刀片支撑。该系统还包括多个致动器，其操作地互连刀片支撑和手持部分并且被配置用于使刀片支撑相对于手持部分在多个自由度上移动。该系统还包括刀片支撑上的光源。该系统还包括被联接至刀片支撑并从刀片支撑的两侧延伸的第一工具对准构件和第二工具对准构件。该系统还包括被联接至手持部分并从手持部分延伸的第一柄部对准构件和第二柄部对准构件。当刀片支撑相对于手持部分具有期望的运动范围时，第一工具对准构件和第二工具对准构件分别与第一柄部对准构件和第二柄部对准构件对准。当刀片支撑具有期望的运动范围时，光源点亮，以指示刀片支撑和手持部分处于与切割平面对准的指定范围内。

19、本公开的另又一方面包括一种用于支撑锯片的手持式手术机器人系统。手持式手术机器人系统包括手持部分。该系统还包括被可移动地联接至手持部分的刀片支撑。刀片支撑被配置用于支撑锯片。该系统还包括多个致动器，其操作地互连刀片支撑和手持部分，所述多个致动器被配置用于使刀片支撑相对于手持部分在多个自由度上移动。该系统还包括被联接到刀片支撑并从刀片支撑延伸的工具对准构件，和被联接到手持部分并从手持部分延伸的柄部对准构件，其中柄部对准构件与手持部分可拆卸地连接。

20、本公开的附加方面包括用于根据多个目标平面治疗解剖结构的手术系统。该手术系统包括器械，该器械包括锯片；手持部分；可以包括多个致动器的致动器系统；以及用于支撑锯并移动锯的刀片支撑。所述多个致动器在刀片支撑和手持部分之间延伸，并且刀片支撑可包括被联接到锯安装件的锯驱动电机。该系统还包括导航系统和用于联接到刀片支撑的跟踪器，跟踪器被配置用于确定当前工具平面并且包括跟踪器框架和联接到跟踪器框架的至少六个光学标记。跟踪器框架包括至少两个面，该至少两个面彼此不共面，并且该至少三至六个光学标记中的至少三个被联接到该至少两个面中的每一个。该系统还包括与导航系统和跟踪器通信的控制系统，该控制系统被配置用于控制致动器系统以将当前工具平面与多个目标平面中的至少一个对准。

21、本公开的另一附加方面包括一种控制手术系统的手术方法，该手术系统包括手持式机器人器械、锯片、手持部分、包括多个致动器的致动器系统、以及用于支撑锯并移动锯的刀片支撑。该手术方法包括用工具跟踪器和导航系统确定当前工具平面，用跟踪器上的输入设备选择所述多个目标平面中的一个，以及用所述多个致动器调节工具支撑以将当前平面放置在与选定的目标平面一致。该控制还包括利用输入设备选择所述多个目标平面中的不同的一个目标平面。

22、本公开的最后一个方面包括一种用于跟踪手术锯的手术器械跟踪器。手术器械跟踪器包括跟踪器框架，该跟踪器框架限定用于接收锯的近侧部分的器械接合孔隙，该锯跟踪器框架包括安装件。跟踪器还包括被联接到跟踪器框架的至少六个光学标记，跟踪器框架包括至少两个面，该至少两个面是彼此不平面，其中所述至少三至六个光学标记中的至少三个被联接到所述至少两个面中的每一个。当锯跟踪器的安装件被联接到附件安装件时，跟踪器框架至少部分地包围该附件安装件。