动模式操作所述外科 操纵器。
105. 根据权利要求104所述的方法，其还包括通过对多个力输入求和来确定环境力， 所述多个力输入包括由执业医师施加到所述外科器械的外力。
106. 根据权利要求105所述的方法，其还包括计算器械力矢量和取向力矢量，其中所 述器械力矢量表示施加到所述虚拟刚性本体以使所述能量施加器前进到目标位置的一组 力和转矩，并且其中所述取向力矢量表示施加到所述虚拟刚性本体以保持所述能量施加器 的期望取向的一组力和转矩。
107. 根据权利要求106所述的方法，其还包括使得执业医师能够在所述半自动模式中 在所述外科器械沿着所述预定路径前进时将所述外科器械进行重新取向。
108. 根据权利要求106所述的方法，其还包括使得执业医师能够在所述半自动模式中 在所述外科器械沿着所述预定路径前进时调节所述外科器械的进给速率。
109. 根据权利要求106所述的方法，其还包括限定位于所述能量施加器的远侧端部上 方的基准表面。
110. 根据权利要求109所述的方法，其中所述基准表面是与所述外科器械的纵向轴线 垂直的平面。
111. 根据权利要求110所述的方法，其中所述基准表面包括孔口，所述孔口绕着对中 点进行对中，所述纵向轴线与所述基准表面在所述孔口处相交。
112. 根据权利要求111所述的方法，其中与所述对中点所在的点以及所述纵向轴线和 所述基准表面相交的点相交的轴线被称为公共轴线。
113. 根据权利要求112所述的方法，其还包括确定取向恢复力，所述取向恢复力在施 加到所述虚拟刚性本体时引起所述外科器械运动，而使得所述公共轴线朝向所述对中点运 动。
114. 根据权利要求104所述的方法，其还包括利用传感器测量暴露给所述能量施加器 的力和转矩。
115. 根据权利要求113所述的方法，其还包括监测所述传感器的输出并确定所述输出 是否超过阈值。
116. 根据权利要求115所述的方法，其还包括在所述输出超过所述阈值的情况下停止 所述半自动操作模式。
117. 根据权利要求115所述的方法，其还包括在所述输出超过所述阈值的情况下使所 述外科操纵器从所述半自动操作模式过渡到所述手动操作模式。
118. 根据权利要求117所述的方法，其中所述力和转矩由执业医师施加。
119. 一种外科操纵器，其用于操纵外科器械和从所述外科器械延伸的能量施加器，所 述外科操纵器包括： 至少一个控制器，所述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所 述外科操纵器，所述至少一个控制器包括进给速率计算器，所述进给速率计算器被构造成 用以计算器械进给速率。
120. 根据权利要求119所述的外科操纵器，其中所述器械进给速率是所述能量施加器 的远侧端部沿着路径节段前进的速度。
121. 根据权利要求120所述的外科操纵器，其中通过调节限定的进给速率来计算所述 器械进给速率。
122. 根据权利要求121所述的外科操纵器，其中所述限定的进给速率是基于以下因素 中的一个或多个：能量施加器所施加到的空间的形状；能量施加器的类型；患者的健康状 态；能量施加器所施加到的组织的特性；以及所述路径节段的几何形状。
123. 根据权利要求122所述的外科操纵器，其中调节所述限定的进给速率包括将所述 限定的进给速率乘以多个系数。
124. 根据权利要求123所述的外科操纵器，其中所述多个系数中的每一个系数作为施 加到所述进给速率计算器的变量的函数而变化。
125. 根据权利要求124所述的外科操纵器，其中所述变量包括以下变量中的一个或多 个：所述器械进给速率的执业医师调节；暴露给所述能量施加器的力和转矩；所述路径节 段的曲率；通过所述能量施加器施加到患者的外科器械的功率大小；所述能量施加器所施 加到的组织的温度；以及施加到虚拟刚性本体的计算的力。
126. 根据权利要求119所述的外科操纵器，其中在半自动模式中，所述至少一个控制 器被构造成用以使得执业医师能够在所述外科器械沿着预定路径前进时调节所述外科器 械的进给速率。
127. -种用于控制外科操纵器的方法，所述外科操纵器被构造成用以操纵外科器械和 从所述外科器械延伸的能量施加器，所述方法包括以下步骤： 以手动模式或半自动模式操作所述外科操纵器； 计算器械进给速率，其中所述器械进给速率是所述能量施加器的远侧端部沿着路径节 段前进的速度。
128. 根据权利要求127所述的方法，其中计算所述器械进给速率包括调节限定的进给 速率，其中所述限定的进给速率是基于以下因素中的一个或多个：能量施加器所施加到的 空间的形状；能量施加器的类型；患者的健康状态；能量施加器所施加到的组织的特性；以 及所述路径节段的几何形状。
129. 根据权利要求128所述的方法，其中调节所述限定的进给速率包括将所述限定的 进给速率乘以多个系数。
130. 根据权利要求128所述的方法，其中所述多个系数中的每一个系数作为施加到 所述进给速率计算器的变量的函数而变化，并且其中所述变量包括以下变量中的一个或多 个：所述器械进给速率的执业医师调节；暴露给所述能量施加器的力和转矩；所述路径节 段的曲率；通过所述能量施加器施加到患者的外科器械的功率大小；所述能量施加器所施 加到的组织的温度；以及施加到虚拟刚性本体的计算的力。
131. -种外科操纵器，其用于操纵外科器械和从所述外科器械延伸的能量施加器，所 述外科操纵器包括： 至少一个控制器，所述至少一个控制器被构造成用以： 监测施加到所述外科器械和所述能量施加器的力和转矩，其中所述力和转矩包括由执 业医师施加到所述外科器械的力和转矩； 将所述外科器械和所述能量施加器模拟为具有虚拟质量和虚拟惯量的虚拟刚性本 体； 基于所述力和转矩的和来确定所述外科器械的受控姿态； 根据所述受控姿态来定位所述外科器械。
132. 根据权利要求131所述的外科操纵器，其中根据所述受控姿态来定位所述外科器 械模拟了基于由执业医师施加的力和转矩而将要发生的运动。
133. 根据权利要求131所述的外科操纵器，其中所述至少一个控制器进一步被构造成 用以通过调节所述虚拟质量和虚拟惯量中的至少一个来修改所述外科器械对于执业医师 来说感觉如何。
134. 根据权利要求133所述的外科操纵器，其中虚拟质量增大将增加相对于所述外科 器械的感觉的迟缓效果。
135. 根据权利要求134所述的外科操纵器，其中虚拟质量减小将增加相对于所述外科 器械的感觉的响应效果。
136. 根据权利要求135所述的外科操纵器，其中所述至少一个控制器进一步被构造成 用以改变所述虚拟刚性本体的质心的位置，使得对于执业医师，所述外科器械感觉上就好 像所述质心已经移动。
137. -种用于控制外科操纵器的方法，所述方法包括以下步骤： 监测施加到所述外科器械和所述能量施加器的力和转矩，其中所述力和转矩包括由执 业医师施加到所述外科器械的力和转矩； 将所述外科器械和所述能量施加器模拟为具有虚拟质量和虚拟惯量的虚拟刚性本 体； 基于所述力和转矩的和来确定所述外科器械的受控姿态； 根据所述受控姿态来定位所述外科器械。
138. 根据权利要求137所述的外科操纵器，其中根据所述受控姿态来定位所述外科器 械模拟了基于由执业医师施加的力和转矩而将要发生的运动。
139. 根据权利要求137所述的外科操纵器，其中所述至少一个控制器进一步被构造成 用以通过调节所述虚拟质量和虚拟惯量中的至少一个来修改所述外科器械对于执业医师 来说感觉如何。
140. 根据权利要求139所述的外科操纵器，其中虚拟质量增大将增加相对于所述外科 器械的感觉的迟缓效果。
141. 根据权利要求140所述的外科操纵器，其中虚拟质量减小将增加相对于所述外科 器械的感觉的响应效果。
142. 根据权利要求141所述的外科操纵器，其中所述至少一个控制器进一步被构造成 用以改变所述虚拟刚性本体的质心的位置，使得对于执业医师，所述外科器械感觉上就好 像所述质心已经移动。
143. -种用于从患者的解剖结构去除一定体积的材料的外科系统： 外科操纵器，所述外科操纵器包括至少一个控制器； 外科器械，所述外科器械由所述外科操纵器操纵；以及 能量施加器，所述能量施加器从所述外科器械延伸，将施加到所述一定体积的材料，以 去除所述一定体积的材料； 所述至少一个控制器被构造成用以控制所述外科操纵器处于手动模式或半自动模式 的操作，所述至少一个控制器包括材料登记模块，所述材料登记模块被构造成用以收集与 所述能量施加器在所述手动模式中已经施加到所述一定体积的材料上的位置相关的数据， 以在所述半自动模式中引导所述能量施加器的运动。
144. 根据权利要求143所述的外科系统，其中所述材料登记模块被构造成用以提供与 所述能量施加器还没有施加到待去除的所述一定体积的材料上的位置相关的数据。
145. 根据权利要求143或144所述的外科系统，其中所述材料登记模块被构造成用以 包括待去除的所述一定体积的材料的绘图。
146. 根据权利要求143或144所述的外科系统，其中所述材料登记模块被构造成用以 包括待由所述能量施加器去除的一定体积的骨骼的绘图。
147. 根据权利要求146所述的外科系统，其中待由所述能量施加器去除的所述一定体 积的骨骼是基于患者的手术前图像。
148. 根据权利要求143或144所述的外科系统，其中所述外科操纵器包括至少一个臂， 所述至少一个臂在一个端部处连接到所述外科器械，所述至少一个臂具有多个联结件，其 中两个联结件之间的连接形成接头，并且其中两个联结件之间的角度形成接头角度。
149. 根据权利要求148所述的外科系统，其中所述外科操纵器包括至少三个所述接头 以及用于测量所述接头的所述接头角度的至少三个编码器，所述至少一个控制器基于来自 于所述编码器的数据确定所述能量施加器已经施加到所述一定体积的材料上的所述位置。
150. 根据权利要求148所述的外科系统，其包括工具跟踪器，所述工具跟踪器与所述 能量施加器相关联，以跟踪所述能量施加器的运动，所述至少一个控制器基于来自于所述 工具跟踪器的数据确定所述能量施加器已经施加到所述一定体积的材料上的所述位置。
151. 根据权利要求150所述的外科系统，其包括骨骼跟踪器，所述骨骼跟踪器与待去 除的所述一定体积的材料相关联，以跟踪所述一定体积的材料的运动，所述至少一个控制 器基于来自于所述骨骼跟踪器的数据确定所述能量施加器已经施加到所述一定体积的材 料上的所述位置。
152. 根据权利要求143或144所述的外科系统，其包括与所述至少一个控制器通信的 显示器，所述材料登记模块生成图像数据，所述图像数据适合于在所述显示器上显示，以表 明所述能量施加器已经施加到所述一定体积的材料上的程度。
153. 根据权利要求152所述的外科系统，其中所述材料登记模块生成表明所述能量施 加器还没有施加到的所述一定体积的材料的部分的图像数据。
154. 根据权利要求153所述的外科系统，其中所述材料登记模块生成表明所述能量施 加器将不会施加到的所述一定体积的材料的部分的图像数据。
155. 根据权利要求143或144所述的外科系统，其中所述至少一个控制器包括工具路 径生成器模块，所述工具路径生成器模块用于生成在所述半自动模式中所述能量施加器遵 循的工具路径。
156. 根据权利要求155所述的外科系统，其中为了生成用于所述能量施加器的所述工 具路径以至少部分地避免在自由空间中运动而试图去除之前在所述手动模式中去除的材 料，所述工具路径生成器模块参考以下数据中的至少一种：与所述能量施加器在所述手动 模式中已经施加到所述一定体积的材料上的位置相关的数据；或者与所述能量施加器还没 有施加到待去除的所述一定体积的材料上的位置相关的数据。
157. 根据权利要求156所述的外科系统，其中所述工具路径生成器模块被构造成用以 生成所述工具路径，以至少部分地避免在自由空间中运动而试图去除之前在所述手动模式 中由所述能量施加器去除的骨骼。
158. -种利用外科系统从患者的解剖结构去除一定体积的材料的方法，所述外科系统 包括：外科操纵器，所述外科操纵器具有至少一个控制器，所述至少一个控制器能够以手动 模式或半自动模式操作所述外科操纵器；外科器械，所述外科器械由所述外科操纵器操纵； 以及能量施加器，所述能量施加器从所述外科器械延伸，所述方法包括以下步骤： 在所述手动模式中利用所述外科操纵器将所述能量施加器施加到所述一定体积的材 料； 在所述半自动模式中利用所述外科操纵器将所述能量施加器施加到所述一定体积的 材料；以及 利用所述至少一个控制器的材料登记模块收集数据，其中所述数据涉及所述能量施加 器已经施加到所述一定体积的材料上的位置，使得所述至少一个控制器能够在所述半自动 模式中进一步引导所述能量施加器的运动，以至少部分地避免自由空间，在所述自由空间 中，材料的一部分已经从所述一定体积的材料去除。
159. 根据权利要求158所述的方法，其包括提供与所述能量施加器还没有施加到待去 除的所述一定体积的材料上的位置相关的数据。
160. 根据权利要求158或159所述的方法，其包括将待去除的所述一定体积的材料的 绘图提供至所述材料登记模块。
161. 根据权利要求160所述的方法，其中将待去除的所述一定体积的材料的绘图提供 至所述材料记录器包括提供待从患者身上去除的一定体积的骨骼的绘图。
162. 根据权利要求161所述的方法，其中待由所述能量施加器去除的所述一定体积的 骨骼是基于患者的手术前图像。
163. 根据权利要求158或159所述的方法，其包括基于来自多个编码器的数据来确定 所述能量施加器已经施加到所述一定体积的材料上的位置。
164. 根据权利要求158或159所述的方法，其包括基于来自与所述能量施加器相关联 的工具跟踪器的数据来确定所述能量施加器已经施加到所述一定体积的材料上的位置。
165. 根据权利要求164所述的方法，其包括基于来自与待处理的所述一定体积的材料 相关联的骨骼跟踪器的数据来确定所述能量施加器已经施加到所述一定体积的材料上的 位置。
166. 根据权利要求158或159所述的方法，其包括在显示器上显示表明所述能量施加 器已经施加到所述一定体积的材料上的程度的图像。
167. 根据权利要求166所述的方法，其包括在显示器上显示表明所述能量施加器还没 有施加到的所述一定体积的材料的部分的图像。
168. 根据权利要求167所述的方法，其包括在显示器上显示表明所述能量施加器将不 会施加到的所述一定体积的材料的部分的图像。
169. 根据权利要求158或159所述的方法，其中所述至少一个控制器包括工具路径生 成器模块，所述方法还包括利用所述工具路径生成器模块生成在所述半自动模式中所述能 量施加器遵循的工具路径。
170. 根据权利要求169所述的方法，其中为了生成用于所述能量施加器的工具路径以 至少部分地避免在自由空间中运动而试图去除之前在所述手动模式中去除的材料，所述方 法还包括所述工具路径生成器模块参考以下数据中的至少一种：与所述能量施加器在所述 手动模式中已经施加到所述一定体积的材料上的位置相关的数据；或者与所述能量施加器 还没有施加到待去除的所述一定体积的材料上的位置相关的数据。
171. 根据权利要求170所述的方法，其中生成所述工具路径包括：生成所述工具路径 以至少部分地避免在自由空间中运动而试图去除之前在所述手动模式中由所述能量施加 器去除的骨骼。
172. -种从患者的解剖结构去除一定体积的材料的方法，所述所述方法包括以下步 骤： 提供外科系统，所述外科系统包括：外科操纵器，所述外科操纵器具有至少一个控制 器，所述至少一个控制器能够以手动模式或半自动模式操作所述外科操纵器；外科器械，所 述外科器械由所述外科操纵器操纵；以及能量施加器，所述能量施加器从所述外科器械延 伸；以及 利用所述至少一个控制器的材料登记模块收集数据，其中所述数据涉及所述能量施加 器已经施加到所述一定体积的材料上的位置，使得所述至少一个控制器能够在所述半自动 模式中进一步引导所述能量施加器的运动，以至少部分地避免自由空间，在所述自由空间 中，材料的一部分已经从所述一定体积的材料去除。
173. 根据权利要求172所述的方法，其包括提供与所述能量施加器还没有施加到待去 除的所述一定体积的材料上的位置相关的数据。
174. 根据权利要求172或173所述的方法，其包括将待去除的所述一定体积的材料的 绘图提供至所述材料登记模块。
175. 根据权利要求174所述的方法，其中将待去除的所述一定体积的材料的绘图提供 至所述材料记录器包括提供待从患者身上去除的一定体积的骨骼的绘图。
176. 根据权利要求175所述的方法，其中待由所述能量施加器去除的所述一定体积的 骨骼是基于患者的手术前图像。
177. 根据权利要求172或173所述的方法，其包括基于来自多个编码器的数据来确定 所述能量施加器已经施加到所述一定体积的材料上的位置。
178. 根据权利要求172或173所述的方法，其包括基于来自与所述能量施加器相关联 的工具跟踪器的数据来确定所述能量施加器已经施加到所述一定体积的材料上的位置。
179. 根据权利要求178所述的方法，其包括基于来自与待去除的所述一定体积的材料 相关联的骨骼跟踪器的数据来确定所述能量施加器已经施加到所述一定体积的材料上的 位置。
180. 根据权利要求172或173所述的方法，其包括在显示器上显示表明所述能量施加 器已经施加到所述一定体积的材料上的程度的图像。
181. 根据权利要求180所述的方法，其包括在显示器上显示表明所述能量施加器还没 有施加到的所述一定体积的材料的部分的图像。
182. 根据权利要求181所述的方法，其包括在显示器上显示表明所述能量施加器将不 会施加到的所述一定体积的材料的部分的图像。
183. 根据权利要求172或173所述的方法，其中所述至少一个控制器包括工具路径生 成器模块，所述方法还包括利用所述工具路径生成器模块生成在所述半自动模式中所述能 量施加器遵循的工具路径。
184. 根据权利要求183所述的方法，其中为了生成用于所述能量施加器的工具路径以 至少部分地避免在自由空间中运动而试图去除之前在所述手动模式中去除的材料，所述方 法还包括所述工具路径生成器模块参考以下数据中的至少一种：与所述能量施加器在所述 手动模式中已经施加到所述一定体积的材料上的位置相关的数据；或者与所述能量施加器 还没有施加到待去除的所述一定体积的材料上的位置相关的数据。
185. 根据权利要求184所述的方法，其中生成所述工具路径包括：生成所述工具路径 以至少部分地避免在自由空间中运动而试图去除之前在所述手动模式中由所述能量施加 器去除的骨骼。
【专利摘要】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。外科操纵器包括至少一个控制器，所述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。
【IPC分类】A61B19-00, A61B17-16
【公开号】CN104736092
【申请号】CN201380052236
【发明人】D·G·鲍林, J·M·斯图尔特, J·A·卡尔普, D·W·马拉克沃斯基, J·L·莫克特苏马·德拉巴雷拉, P·勒斯勒尔, J·N·比尔, J·凯琴尔
【申请人】史赛克公司
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2013年8月2日
【公告号】CA2879414A1, EP2879608A2, US9119655, US20140039517, US20140039681, WO2014022786A2, WO2014022786A3