CN110430836A - 用于在脊柱外科手术中相对于目标轴线引导外科手术工具的*** - Google Patents

用于在脊柱外科手术中相对于目标轴线引导外科手术工具的*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于相对于限定在患者脊柱的坐标系中的至少一个目标轴线(T)引导由用户保持的外科手术工具(200)的***，包括：(i)机器人装置(300)，包括：‑基座(301)，‑引导装置(303)，所述引导装置(303)被配置用于将所述工具约束到引导轴线(G)，‑紧凑机动化致动单元(304)，所述紧凑机动化致动单元(304)能够相对于所述基座(301)移动，联接到所述引导装置(303)以调节所述引导装置相对于所述目标轴线的位置和取向，‑支撑单元(305)，所述支撑单元(305)连接到所述基座(301)，包括至少一个元件，所述至少一个元件被设计成与所述脊柱或所述患者身体邻近所述脊柱的区域接触，以便在所述引导装置和所述脊柱之间提供局部机械连结，(ii)被动铰接式可锁定保持臂(400)，所述被动铰接式可锁定保持臂(400)支撑所述机器人装置的所述基座(301)，(iii)跟踪单元(500)，所述跟踪单元(500)被配置成实时确定所述引导轴线相对于所述患者脊柱的所述坐标系的所述姿态，(iv)控制单元，所述控制单元被配置成：(a)确定所述引导轴线相对于所述目标轴线的所述姿态，(b)针对所述确定的姿态计算所述机器人装置的工作空间，(c)基于所述计算的工作空间和所述引导装置的所述姿态计算表示所述致动单元使所述引导轴线与所述目标轴线对齐的所述能力的至少一个指示符，(v)用户界面(600)，所述用户界面(600)联接到所述控制单元，被配置用于显示所述引导轴线(G)相对于所述目标轴线(T)的表示，其中所述控制单元还被配置成控制所述致动单元以使所述引导轴线与所述目标轴线对齐。

Description

用于在脊柱外科手术中相对于目标轴线引导外科手术工具的 ***
技术领域
本发明涉及一种用于相对于限定在患者脊柱的坐标系中的至少一个目标轴线引导由用户保持的外科手术工具的***。
背景技术
脊柱外科手术通常涉及在患者椎骨的椎弓根中植入螺钉。
由于椎弓根的小尺寸，因此必须将每个螺钉相对于基本上穿过椎弓根中心的目标轴线准确定位和定向。每个目标轴线通常基于患者脊柱的3D医学图像在术前或手术中进行计划。假设每个目标轴线计划在外科手术期间获取的3D图像中，并且相对于附接到参考***的患者坐标系进行参考。
由于必须将螺钉植入若干(至少两个)椎骨的椎弓根中，因此外科手术干预耗时且重复。
为了缩短外科手术的持续时间并提高外科手术的准确性，希望提供一种机器人***，该机器人***在其工作端处支撑引导装置，以便协助螺钉通过引导装置的定位和植入。
为此，已使用大型机器人(例如来自齐默公司(ZimmerInc)的ROSA机器人)开发出一些应用程序。
在脊柱机器人***中，在参考***的坐标系中计划和已知若干轴线，机器人在其尖端处配备有***，并且机器人被连续地移动和伺服至目标轴线。通常放置四个、六个或八个螺钉，并且它们用于固定螺钉头之间的条，以防止脊柱不稳定。
然而，出于若干原因，此类大型机器人不便于在椎弓根中放置螺钉。首先，这些机器人非常笨重并且阻碍了外科手术医生助手的工作——由于大型机器人的存在，外科手术医生助手可与外科手术医生保持一定距离，从而使得外科手术工具的处理变得复杂。
其次，长运动链的完美刚度难以实现，并且需要对机器人部件的昂贵加工。然而，为了维持完美的准确性，重要的是确保一旦处于正确的位置和取向，由机器人保持的引导装置就不会移动，以便不偏离外科手术工具相对于目标轴线的位置和/或取向。
此外，此类机器人相当慢，并且几乎不适应在外科手术工具的使用期间可能发生的快速运动，以便被伺服至参考***运动。例如，当在由机器人保持的引导件中引入工具时，当工具接触椎骨时，工具会推动椎骨，这可能相当突然。
一般来讲，对于大型机器人而言，维持准确性(在编程中而不仅仅是重复性)和速度为一项技术挑战。
最后，由于机器人仅知道其环境中先前被建模的部分(这不是其完整的环境)，因此当机器人从其静止位置移动到目标轴线时，存在机器人与其环境(例如，患者、电线、附接到患者的***或患者附近的任何其他工具、成像装置)发生碰撞的风险。
另一方面，已开发出紧凑的骨安装式机器人。
具体地，专利EP1414362描述了一种包括机器人装置的***，该机器人装置通过夹具附接到患者椎骨。然而，尽管骨安装式机器人紧凑，但此类骨安装式机器人呈现出其重量可能会折断椎骨的缺点。此外，机器人工作端的运动范围有限。因此，如果机器人未附接在与引导装置与目标轴线的对齐相容的位置，则外科手术医生要么移除机器人并将其重新附接在更合适的位置，要么使用适配器。
这些使得外科手术干预非常繁琐的解决方案中没有一种对于外科手术医生而言为方便的。
发明内容
本发明的一个目的是设计一种用于脊柱外科手术的机器人***，其避免了上述缺点。
为此，本发明提供一种用于相对于限定在患者脊柱的坐标系中的至少一个目标轴线引导由用户保持的外科手术工具的机器人***，包括：
(i)一种机器人装置，包括：
-基座，
-引导装置，其被配置用于在由用户正在操纵工具时将工具约束到引导轴线，
-紧凑机动化致动单元，其能够相对于基座移动，联接到引导装置以调节所述引导装置相对于目标轴线的位置和取向，
-支撑单元，其连接到基座，包括至少一个元件，该至少一个元件被设计成与脊柱或患者身体邻近脊柱的区域接触，以便在引导装置和脊柱之间提供局部机械连结，
(ii)被动铰接式可锁定保持臂，其支撑机器人装置的基座，
(iii)跟踪单元，其被配置成实时确定引导轴线相对于患者脊柱的坐标系的姿态，
(iv)控制单元，其被配置成：
(a)确定引导轴线相对于目标轴线的姿态，
(b)针对所述确定的姿态计算机器人装置的工作空间，
(c)基于所计算的工作空间和引导装置的姿态计算表示致动单元使引导轴线与目标轴线对齐的能力的至少一个指示符，
(v)用户界面，其联接到控制单元，被配置用于显示引导轴线相对于目标轴线的表示，
其中控制单元还被配置成控制致动单元以使引导轴线与目标轴线对齐。
在本文中，术语“脊柱”指定一组椎骨。因此，该术语包含一个或若干个椎骨，或甚至整个脊柱。
在本文中，紧凑机构为在所有维度上最大尺寸约为四十厘米，并且优选长度为十厘米至二十厘米且宽度为七厘米至十五厘米的机构。机构的长度被限定为引导轴线方向上的尺寸，并且宽度为两个其他方向上的尺寸。
所谓“局部机械连结”意指至少两个零件之间的机械连结，其中所述至少两个零件在至少一个自由度上的相对移动为可能的。该术语不包括“完整的”机械连结，即其中不允许零件之间的相对移动的连结。此类完全机械连结的示例将是将机器人***刚性地附接到要被植入在所述骨中的至少一个螺钉或销切割的骨。
如下文进一步详细描述，设置在引导装置和患者脊柱之间的所述局部机械连结可为直接的，这意指支撑单元与待治疗的解剖结构(椎骨)自身接触，或者为间接的，这意指支撑单元与邻近待治疗的解剖结构的患者身体的一部分接触。所述相邻部分可由邻近待治疗的椎骨的椎骨，或位于上面或下面几层的椎骨，或围绕所述椎骨的软组织(可能包含皮肤)，或骨盆骨，或颈椎骨的头盖骨或附接到头盖骨的框架组成。当支撑单元由用户的手保持并且所述手倾斜到椎骨或围绕待治疗的椎骨的软组织和皮肤上时，也可获得间接的局部机械连结。
该***能够补偿给定量的姿态误差(例如，由于用户的小移动或患者的非自愿移动)。
在本文中，所谓“姿态”意指引导装置在高达六个自由度上的3D位置和3D取向。应指出的是，在本专利申请中，没有必要确定所有六个自由度，而只需确定其中的一些自由度。具体地，引导装置根据至少四个自由度移动。
所谓引导轴线与目标轴线的“对齐”，在本文中意指所述引导轴线偏离目标轴线小于0.5mm的距离和小于0.5°的角度。优选地，引导轴线与目标轴线完全重合。
虽然部分机械连结允许机器人装置相对于解剖结构的轻微移动(由于工具在解剖结构中的***、保持工具的用户移动、患者的非自愿移动或工具操作期间的振动)，但致动单元允许考虑这些轻微移动以实时调节引导轴的位置，以便维持其与目标轴线的对齐。实时意指帧速率至少为二十赫兹(理想情况下为三百赫兹)，并且滞后时间小于五十毫秒(理想情况下为五毫秒)
根据优选的实施方案，基于工作空间的包络线和目标轴线之间的距离计算致动单元使引导轴线与目标轴线对齐的能力。
有利地，当目标轴线在工作空间内时，所述能力处于第一水平，其中工作空间的包络线和目标轴线之间的距离低于确定的阈值，并且当目标轴线在工作空间内时，所述能力处于第二水平，其中工作空间的包络线和目标轴线之间的距离大于所述确定的阈值。
根据一个实施方案，致动单元被配置成仅当致动单元使引导装置与目标轴线对齐的能力处于第二水平时才被激活。
根据一个实施方案，用户界面被配置成显示引导轴线相对于目标轴线的2D表示，其中所述2D表示在垂直于目标轴线的平面中包括：具有表示引导轴线的远侧点的中心的第一圆，具有表示引导轴线的近侧点的中心的第二圆以及表示目标轴线的具有交叉点的十字。
另选地，用户界面可被配置成显示引导轴线相对于目标轴线的3D表示，其中所述3D表示包括：具有表示目标轴线的远侧点的交叉点的第一十字，具有表示目标轴线的近侧点的交叉点的第二十字以及表示引导轴线的条。
根据一个实施方案，用户界面还被配置成显示表示致动单元使引导轴线与目标轴线对齐的能力的所述至少一个计算出的指示符。
所述计算出的指示符可作为具有至少一个特征变量的元素显示在用户界面上，该至少一个特征变量作为工作空间的包络线和目标轴线之间的距离的函数。
具体地，所述计算出的指示符可作为三维视图显示在用户界面上，该三维视图包括分别表示引导装置的远侧区段和近侧区段中的工作空间的包络线的一对远侧环面和近侧环面，该用户界面还显示相对于所述远侧环面和近侧环面的引导轴线。
另选地，所述计算出的指示符可作为远侧环面和近侧圆盘显示在用户界面上，该远侧环面和近侧圆盘分别表示引导装置的远侧区段中和参考表面上的工作空间的包络线，该用户界面还显示相对于所述远侧环面和所述近侧圆盘的引导轴线，其中该参考表面选自：患者皮肤、工具在脊柱中的进入点以及脊柱穿过脊柱内的目标点的区段。
根据另一个实施方案，所述计算出的指示符可作为远侧环面和近侧圆盘显示在用户界面上，该远侧环面和近侧圆盘分别表示引导装置的远侧区段中以及包括目标点的脊柱的区段上的工作空间的包络线，该用户界面还显示相对于所述远侧环面和所述近侧圆盘的引导轴线，其中该圆盘含有穿过所述目标点的3D医学图像的切片。
有利地，控制单元可被配置成在若干目标轴线间选择最靠近机器人装置的当前位置的目标轴线，并且针对所述选择的目标轴线执行步骤(a)至步骤(c)。
根据一个实施方案，致动单元被配置成仅当保持臂被锁定时被激活。
根据一个实施方案，控制单元被配置成一旦引导装置已与第一目标轴线对齐并且保持臂已解锁，则选择最靠近第一轴线的第二目标轴线。
根据一个实施方案，机器人装置包括触发器，该触发器被配置成同时锁定保持臂和激活致动单元，以使引导装置与目标轴线对齐。
根据一个实施方案，致动单元包括被配置成在平行平面中移动的两个五条连杆。
根据一个实施方案，引导装置为管。
根据一个实施方案，跟踪单元包括附接到引导装置的第一光学***以及被配置成附接到患者脊柱的第二光学***。
另选地，跟踪单元可包括附接到引导装置的电磁发射器以及被配置成附接到患者脊柱的电磁传感器。
附图说明
参考附图，本发明的另外的特征和优点将出现在以下具体实施方式中，其中：
-图1示出了根据本发明的外科手术***的概述
-图2和图3示出了根据本发明的实施方案的基于光学跟踪的***的透视图，
-图4和图5示出了根据本发明的实施方案的基于电磁跟踪的***的透视图，
-图6示出了根据本发明的实施方案的显示在用户界面上的用于引导机器人装置相对于目标轴线的定位的第一类型的2D视图，
-图7示出了根据本发明的另一个实施方案的显示在用户界面上的用于引导机器人装置相对于目标轴线的定位的第二类型的2D视图，
-图8示出了根据本发明的另一个实施方案的显示在用户界面上的用于引导机器人装置相对于目标轴线的定位的第三类型的2D视图，
-图9A至图9B示出了根据本发明的实施方案的显示在用户界面上的用于引导机器人装置相对于目标轴线的定位的第一类型的3D视图，
-图10示出了根据本发明的另一个实施方案的显示在用户界面上的用于引导机器人装置相对于目标轴线的定位的第二类型的3D视图。
具体实施方式
如下面将进一步详细解释的，该***用于在用工具进行治疗之前计划至少一个目标轴线的环境中，解剖结构必须沿该至少一个目标轴线进行治疗。该治疗通常包含将镗孔钻入解剖结构中和/或将螺钉固定到解剖结构中。
在脊柱外科手术中，通常需要将椎弓根螺钉固定到脊柱两侧上的若干椎骨中。因此，每个螺钉的放置与穿过相应椎弓根的目标轴线相关联。根据本发明的***允许在短时间内将螺钉依次放置在所需椎骨中，并且仅需要来自用户的最小动作。
使用术前图像(例如CT、MRI、超声图像、结合统计形状模型的2D或3DX射线、PET等)或术中3D数据(例如术中CT或CBCT(锥形束计算机断层扫描)、术中MRI、超声图像、2D或3D术中X射线图像、由本地化***提供并且提供3D点的几何数据、3D点云、从3D点云重建的表面等)或两者来执行此类目标轴线的计划。在以下描述中，考虑使用CBCT获取3D术中图像。
多个计算机辅助外科手术方法用于将目标轴线与附接到待操作的解剖结构的参考坐标系配准。
通常，术中图像或数据用于在附接到解剖结构的独特坐标系中配准术前图像，并且通常由可使用任何计算机辅助手术技术(由反射标记制成的光学***、由有源LED制成的光学***、由线圈制成的电磁***、惯性传感器的组合等)的***表示。
使用这些常规计算机辅助外科手术方法中的任何一种，都会使得目标轴线在附接到待操作的解剖结构的坐标系中具有已知的几何表示，并且其移动由跟踪单元实时跟踪，如下文将详细描述的。
图1示出了根据本发明的外科手术***的概述。
该***要么可用于微创外科手术(其中对于每个待治疗的椎骨，只在软组织中开一个小切口)中，要么可用于开放式外科手术中。
患者P躺在手术台100上，通常处于俯卧位置。
旨在沿至少一个目标轴线钻出镗孔或附接螺钉的外科手术工具200由诸如外科手术医生的用户(未示出)使用。所述工具可为钻头、套管针、方锥、螺丝刀、毛刺或任何其他必须沿所确定的轴线引导的工具。
机器人装置300用于引导外科手术工具沿引导轴线G(示于图3中)的移动。
机器人装置300包括基座301，通过该基座301可操纵机器人装置。为此，基座可包括柄部302。
机器人装置300还包括限定引导轴线G的引导装置303。
引导装置303通过致动单元304连接到基座301，该致动单元304允许以至少四个自由度调节引导装置的位置和取向。
引导装置303通常为管，其横截面(通常为圆形)适于工具尺寸。在此类情况下，外科手术医生可手动地将工具200***通过管，以便执行外科手术干预。因此，该工具不附接到引导装置并且由用户与机器人装置分开操纵。
引导装置可包括由沿引导轴线的平移组成的附加自由度。例如，引导装置可包括工具可直接附接到其上的滑动件(未示出)。所述滑动件可为机动化的。
致动单元304为可将线段定位在空间中的任何紧凑机构。它可具有例如，如紧凑的拟人化臂的串行架构或如六足动物的任何平行架构，或者串行和平行部分的组合。
根据优选的实施方案(更好地见于图3中)，致动单元304包括在两个平行平面中可移动的两个五条连杆304a、304b，第一连杆(304a)联接到引导装置的远侧部分并且第二连杆(304b)联接到引导装置303的近侧部分。在本文中，“远侧”和“近侧”指定分别距患者更远和更近的部分。
致动单元304由致动器移动，每个致动器具有编码器，使得引导装置的姿态相对于基座为已知的。因此，机器人装置的工作空间被限定为包括当基座被保持在给定位置时由致动单元可到达的引导装置的所有位置的体积。
此外，机器人装置300包括支撑单元305，该支撑单元305联接到基座301并且被配置成在引导装置303和患者脊柱S之间形成局部机械连结。
支撑单元300可被配置成承载在患者皮肤上。为此，支撑单元可包括软垫。它也可为可拆卸的标贴、真空机构、可快速适于患者皮肤表面的可变形形状(该列表不为限制性的)。还可通过使用增加其稳定性的质量来增强支撑单元。例如，它可为由重材料制成的可变形垫。
否则，具体地在开放式外科手术的情况下，支撑单元可被配置成承载在椎骨上。为此，支撑单元可包括销、两个销、钩、夹、钉或旨在直接接合椎骨的V形端部。
可相对于机器人基座连续地或使用离散位置在若干位置调节支撑单元。例如，线性条在机器人基座中滑动并且在其末端处含有支撑单元，并且滑动件可通过带有弹簧或螺钉的按钮锁定。
该***还包括支撑机器人装置300的基座301的被动铰接式可锁定保持臂400。
保持臂400安装在机械支撑件(诸如附接到手术台100的导轨)上。为了提高保持臂的稳定性，沿工作台的两个导轨可使用工作台下方的机构彼此附接，以在导轨之间形成桥接件。另选地，保持臂也可安装在移动推车上，放置在手术台的一侧上。
保持臂400以若干自由度铰接并且包括用于锁定其位置的开关。出于安全目的，开关可为一个按钮或两个按钮。它也可为脚踏开关。保持臂可使用任何合适的技术(例如气动臂、液压臂、压电臂、机械臂、带有制动器的臂等)。
当引导装置与目标轴线对齐时，保持臂400允许支撑机器人装置300的重量并将基座和支撑单元维持在固定位置。
该***还包括跟踪单元500，使得引导装置303和脊柱的姿态被实时跟踪，并且在实时控制单元和计划***之间共享。
至少一个坐标系501附接到脊柱，而至少一个坐标系502附接到引导装置303。
跟踪单元500实时测量两个坐标系501、502之间的相对运动。
由跟踪单元获得的数据用有线或无线，经由任何合适的连接转移到控制单元。
***还包括联接到控制单元的用户接口600，其旨在向用户显示反馈信息并且使用户能够进行***配置。反馈信息至少包括引导轴线相对于目标轴线的表示。
所述用户界面600可有利地包括位于与控制单元和跟踪单元相同的推车700上的屏幕。
除了所述屏幕之外或代替所述屏幕，用户界面可包括布置在机器人装置自身上以向用户提供信息的指示符。
其中控制单元、跟踪单元和/或用户界面嵌入机器人装置本身中的外科手术***仍将在本发明的范围内，前提条件是嵌入式单元由足够强大的电池供电，并且它们的尺寸和重量不会阻碍用户对机器人装置的操纵。例如，微型相机可附接到机器人装置的基座，并且标记可附接到脊柱和引导装置。
控制单元通常包括电源、AC/DC转换器、为致动单元的AC/DC电机供电的运动控制器、熔断器、实时控制***接口电路。
控制单元能够以合理的高频率和小滞后来执行所提出的实时控制算法。
控制单元基于由跟踪单元提供的数据实时计算引导装置相对于所选择的目标轴线的姿态。
控制单元和跟踪单元可布置在可在手术室中移动的推车中。它们也可安装在单独的推车、铰接的保持臂、照明***上，或者跟踪单元也可直接安装在解剖结构上或附接到机器人装置的一些零件上。例如，引导装置可刚性地支撑电磁发射器，并且电磁传感器可附接到解剖结构。
控制单元被配置成：
(a)确定引导轴线相对于目标轴线的姿态；由于目标轴线相对于患者坐标系的姿态为已知的，因此可做出该确定。
(b)针对所述确定的姿态计算机器人装置的工作空间；该计算可涉及以下步骤：对致动单元的致动器的位置的了解允许确定基座相对于患者坐标系的姿态，然后使用由致动单元的每个致动器允许的最大位移来确定基座的所述姿态的工作空间，
(c)基于所计算的工作空间和引导装置的姿态计算表示致动单元使引导轴线与目标轴线对齐的能力的至少一个指示符；
(d)向用户界面提供由用户界面显示的引导轴线相对于目标轴线的姿态；
(e)控制致动单元以使引导轴线与目标轴线对齐。
根据一个实施方案，计算出的指示符可由控制单元用于激活或不激活致动单元，而不必向用户显示。
根据一个优选的实施方案，计算出的指示符由控制单元提供给用户界面以便被显示(下面将参考图6至图10描述此类指示符的示例)。
该计算出的指示符为有用的，因为如果目标轴线不容纳在工作空间中，则致动单元将不能够使引导装置与目标轴线对齐。另一方面，目标轴线被容纳在工作空间中的事实可能不足以确保机器人装置的令人满意的工作。实际上，如果目标轴线太靠近工作空间的包络线(外表面)，则致动单元将能够将引导装置与目标轴线对齐，但存在这样的风险，即在患者和引导装置相对小的移动致使目标轴线伸出工作空间的情况下，致动单元不能维持这种对齐。因此，为了***的正确操作，优选确保工作空间的包络线和目标轴线之间的一定距离(也称为补偿裕量)。
换句话讲，致动单元使引导轴线与目标轴线对齐的能力可处于两个不同的水平：
-当目标轴线在工作空间内时的第一水平(低水平)，其中工作空间的包络线和目标轴线之间的距离低于确定的阈值，以及
-当目标轴线在工作空间内时的第二水平(高水平)，其中工作空间的包络线和目标轴线之间的距离大于所述确定的阈值。
优选地，致动单元仅当其使引导轴线与目标轴线对齐的能力处于第二水平而不是第一水平时被激活，以便确保致动单元将能够在工具的操作期间补偿引导装置相对于目标轴线的可能移动，从而始终维持引导轴线与目标轴线的对齐。
此外，当工作空间不含有目标轴线时，用户界面可向用户提供关于如何适当地定位机器人装置的指示。例如，圆形箭头可看起来向用户指示在锁定保持臂之前在一个方向上转动机器人，并且直箭头可指示平移的需要。此类箭头可在用户界面的屏幕上或者直接在机器人装置自身上，例如使用小显示器或LED。
下文将描述该***的操作的实施方案。
在使用机器人装置之前，用户基于术前和/或术中医学图像和数据计划对计划***的干预。
该计划步骤允许确定适合于对每个椎骨执行治疗的目标轴线(一般来讲，每个椎骨的两个椎弓根中的每一个都有一个目标轴线)。
计划***可形成根据本发明的外科***的一部分；否则，计划***可单独提供并连接到控制单元。
在外科手术干预期间，用户可要么使用术前数据/图像以及术中配准方法，要么直接使用术中数据/图像。
在这两种情况下，计划的结果由至少一个目标轴线组成，每个轴线的姿态在参考患者脊柱的坐标系中确定。
然后将每个目标轴线的姿态转移到控制单元。
控制单元初始化其子***，并且机器人装置即可使用。
在外科手术干预期间，在第一步骤(接近步骤)中，用户释放保持臂的按钮(一个或多个)，移动由保持臂保持的机器人装置的基座，以便使基座处于致动单元能够使引导装置与目标轴线对齐的位置，并且将支撑单元连接到脊柱或患者身体的相邻区域，以在引导装置和脊柱之间提供局部机械连结。当已达到基座的合适姿态时，用户释放保持臂的按钮，并且锁定保持臂以便固定基座。用户然后可完全释放基座，以便操纵外科手术工具，因为保持臂保持致动单元。
在该接近步骤中，机器人装置优选不活动，引导装置维持在致动装置的中性位置。然后，在第二步骤(操作步骤)中，在保持臂已被锁定之后，致动单元被激活以使引导装置与目标轴线对齐。一旦用户释放保持臂的按钮(一个或多个)，就可自动启动控制单元的激活。
另选地，机器人装置的致动单元可在接近步骤期间被连续地激活，引导装置被伺服到目标轴线。一旦引导装置与目标轴线对齐，用户就锁定保持臂。
在第三步骤中，用户使用由引导装置引导的外科手术工具。引导装置保持伺服到目标轴线，直到保持臂解锁。
根据一个优选的实施方案，用于锁定保持臂的开关还被配置成激活致动单元。例如，开关可包括当使机器人装置的基座移位时由用户按压的触发器。为此，触发器可被布置在基座的柄部上。当机器人装置处于用于使引导装置与目标轴线对齐的合适位置时，用户释放触发器，这激活致动单元以将引导装置移动到目标轴线。
这样，***的操作非常简单明了，从而最大限度地减少了用户要做出的动作。
当引导装置必须连续地与若干目标轴线对齐时，根据本发明的***特别有利。
实际上，控制单元能够在待到达的多个目标轴线中检测最靠近机器人装置的当前位置的一个目标轴线，并且针对所述所选择的目标轴线执行上述步骤。然后，一旦保持臂已解锁并且必须达到新的目标轴线，控制单元就选择最靠近机器人装置的当前位置的下一个目标轴线。然而，用户可始终按压用户界面上的按钮以迫使机器人装置到达预定义的目标轴线而不是最近的目标轴线。
因此，对于要到达的每个目标轴线，该***可用作枪，即仅涉及触发器的动作以锁定/解锁保持臂并且激活/去激活致动单元。
图2和图3示出了根据本发明的实施方案的***的机器人装置的透视图(这些图中未示出控制单元和用户界面)。
在该实施方案中，跟踪基于光学技术。该技术的优点在于它不受操作环境中金属工具的存在的影响。
机器人装置包括基座，该基座包括用于机器人装置的操纵的柄部。基座还附接在保持臂的端部处。
机器人装置包括引导装置以及将引导装置连接到基座的致动单元。在例示的实施方案中，引导装置为具有圆形横截面的线性管。
在例示的实施方案中，致动单元包括通过第一球窝接头连接到引导装置的远侧区段的第一五条连杆，以及通过第二球窝接头连接到引导装置的近侧区段的第二五条连杆。五条连杆在两个平行平面内移动。引导装置可固定到球窝接头中的至少一个，并且可相对于另一个球窝接头滑动。
然而，机器人装置的架构并不限于所示的架构。可使用具有三个、四个、五个或六个自由度的任何其他紧凑机器人架构。例如，机器人装置可具有由六个旋转接头制成的拟人化架构。
在任何情况下，机器人装置的架构为紧凑的，具有短的运动链，从而确保它能够以非常快速的方式被致动，以便补偿引导轴线相对于目标轴线的任何偏差，并且仍然保持非常准确。
机器人装置的柄部有利地包括触发器，该触发器被配置成能够锁定或解锁保持臂，并且同时激活或去激活致动单元。
第一光学***502附接到引导装置。从该***位置有可能计算机器人基座的位置。出于冗余和安全目的，还有可能在机器人基座上使用***，或者使用两个***，一个在基座上，一个在引导装置上。
第二光学***501附接到患者椎骨并且限定患者的坐标系。
这两个***都被布置在3D相机(未示出)的视场中，诸如Polaris Spectra或Vicra相机(加拿大北部数字公司(NorthernDigitalInc.,Canada))或更快的世代。
跟踪***允许实时确定引导装置相对于患者坐标系的位置和取向。
由于致动单元304的电机具有相对于基座的已知位置，因此控制单元能够计算基座相对于患者坐标系的位置和取向。控制单元还能够针对基座的每个姿态计算机器人装置的工作空间。
图4和图5示出了根据本发明的另一个实施方案的***的机器人装置的透视图(这些图中未示出控制单元和用户界面)。
机器人装置的架构类似于参考图2至图3描述的架构，并且因此将不再进行描述。
在该实施方案中，跟踪基于电磁技术。该技术的优点在于，***非常紧凑，并且因此适用于微创外科手术并且它们避免了视线问题。
在一个优选的实施方案中，发射器503附接到引导装置303的近侧部分。另选地，发射器可附接到基座301的近侧部分。
传感器504附接到患者椎骨并且限定患者的坐标系。
尽管电磁***对生成伪影的金属物体敏感，但这种布置方式确保发射器503和传感器504彼此非常靠近，在它们之间没有任何金属物体。可使用检查金属伪影存在的机构以确保测量准确。
图6至图10示出了可由用户界面显示以便示出引导装置相对于目标轴线的位置并且呈现致动单元使引导装置与目标轴线对齐的能力的至少一个指示符的视图的各种但非限制性实施方案。所述视图要么可为二维(2D)要么为三维(3D)。
图6示出了根据本发明的实施方案的显示在用户界面的屏幕上的用于引导机器人装置相对于目标轴线的定位的第一类型的2D视图(顶视图)，以及在三种情况下工作空间相对于椎骨和目标轴线的对应侧视图(底视图)。
在该实施方案中，引导装置的姿态由两个圆表示：具有表示引导装置303的远侧区段的中心的中心的第一圆C1；具有表示引导装置303的近侧区段的中心的中心的第二圆C2。
屏幕的平面对应于垂直于目标轴线T的平面。圆C1、圆C2的中心被计算为引导装置的远侧区段和近侧区段的中心在所述平面上的正交投影。
屏幕上还会显示十字C。十字的交叉点被计算为目标轴线T和上述平面之间的交点。
圆C1、圆C2相对于十字C的相对位置指示引导轴线和目标轴线之间的距离。
为了引导引导轴线与目标轴线对齐，因此用户的目标为使圆的中心与十字重合。这种表示在导航***中为标准的，并且通常难以手动执行。
当用户在接近步骤期间移动机器人装置时，用户界面实时显示圆相对于十字的对应位移。
此外，用户界面还显示与机器人装置的工作空间有关的信息。
在图左侧所示的情况下，引导装置303不与目标轴线对齐，后者穿过椎骨V的椎弓根。这在用户界面的屏幕上由圆C1、圆C2彼此远离的事实表示，并且具体地由它们的中心不与十字C的交叉点重合的事实表示。
此外，机器人装置的工作空间W不允许实现所述对齐。这在用户界面的屏幕上由轮廓的特定颜色和厚度(在例示的实施方案中为薄深正方形I)表示。当然，代替轮廓，具有至少一个特征变量作为工作空间的包络线和目标轴线之间的距离的函数的任何其他元素可用作指示符。
在图中间所示的情况下，引导装置303与目标轴线T对齐。这在用户界面的屏幕上由圆基本上重叠的事实表示，其中它们的中心基本上与十字的交叉点重合。
然而，工作空间W并非对中在目标轴线T上，这为不可取的，因为在患者相对于引导装置的进一步相对移动的情况下可能没有足够的裕量。这在用户界面的屏幕上由不同于先前的情况的轮廓的特定颜色和厚度表示(在例示的实施方案中，具有相同深色的较厚正方形I)。
在图右侧所示的情况下，引导装置303仍与目标轴线T对齐。这仍在用户界面的屏幕上由圆C1、圆C2基本上重叠的事实表示，其中它们的中心基本上与十字C的交叉点重合。
在这种情况下，工作空间W基本上对中在目标轴线T上，这为合适的配置。这在用户界面的屏幕上由不同于先前的情况的轮廓的特定颜色和厚度表示(在例示的实施方案中，具有浅色的较厚正方形I)。
图7示出了根据本发明的另一个实施方案的显示在用户界面的屏幕上的用于引导引导轴线相对于目标轴线的定位的第二类型的2D视图(顶视图)，以及在两种情况下工作空间相对于椎骨和目标轴线的对应侧视图(底视图)。
在该实施方案中，引导装置的姿态由相对于表示目标轴线的十字C的两个圆C1、圆C2表示，如图6所示。因此，不会再次描述圆和十字。
在图7的实施方案中，指示目标轴线T和机器人装置的工作空间W的包络线之间的距离的补偿裕量被表示为可变宽度的表冠I：对应于大补偿裕量的大宽度，对应于小补偿裕量的小宽度。在表冠宽度的变化期间，表冠的外径可保持不变，仅内径变化。
表冠也可根据补偿裕量以可变方式着色和/或纹理化。例如，当补偿裕量小时，表冠可为橙色，并且当补偿裕量大时，表冠可为绿色。
为了引导引导轴线303与目标轴线T对齐，因此用户的目标为使圆的中心与十字重合。
当用户移动机器人装置时，用户界面实时显示圆相对于十字的对应位移，以及根椐补偿裕量变化的表冠宽度变化。
在图左侧所示的情况下，引导装置303与目标轴线T对齐。这在用户界面的屏幕上由圆C1、圆C2基本上重叠的事实表示，其中它们的中心基本上与十字C的交叉点重合。然而，工作空间W不相对于目标轴线T居中，这暗指补偿裕量小。这由具有深色和相对较小宽度的表冠表示。
在图右侧所示的情况下，引导装置303与目标轴线T对齐。这在用户界面的屏幕上由圆基本上重叠的事实表示，其中它们的中心基本上与十字的交叉点重合，如在图的左侧部分上。然而，在这种情况下，工作空间W基本上相对于目标轴线T居中，这暗指补偿裕量大于图的左侧部分中的补偿裕量。这由具有浅色和相对较大宽度的表冠表示。
图8示出了根据本发明的另一个实施方案的显示在用户界面的屏幕上的用于引导引导轴线相对于目标轴线的定位的第三类型的2D视图(顶视图)，以及在两种情况下机器人装置的工作空间相对于椎骨和目标轴线的对应侧视图(底视图)。
圆C1、圆C2、十字C和表冠表示与图7中相同的信息，因此将不再进行详细描述。
在该实施方案中，表示补偿裕量的表冠I具有恒定的宽度，但外径和内径可变。表冠的外径随补偿裕量的增加而增加。
表冠也可根据补偿裕量以可变方式着色和/或纹理化。例如，当补偿裕量小时，表冠可为橙色，并且当补偿裕量大时，表冠可为绿色。
在图左侧所示的情况下，引导装置303与目标轴线T对齐。这在用户界面的屏幕上由圆C1、圆C2基本上重叠的事实表示，其中它们的中心基本上与十字的交叉点重合。然而，工作空间W不相对于目标轴线T居中，这暗指补偿裕量小。这由具有深色和相对较小外径的表冠表示。
在图右侧所示的情况下，引导装置303与目标轴线T对齐。这在用户界面的屏幕上由圆基本上重叠的事实表示，其中它们的中心基本上与十字的交叉点重合，如在图的左侧部分上。然而，在这种情况下，工作空间W基本上相对于目标轴线T居中，这暗指补偿裕量大于图的左侧部分中的补偿裕量。这由具有浅色和相对较大外径的表冠表示。
代替如图6至图8所示的2D视图，用户界面可显示3D视图。
图9A至图9B示出了根据本发明的实施方案的显示在用户界面的屏幕上的用于引导机器人装置相对于目标轴线的定位的第一类型的3D视图。
第一环面T1表示工作空间的包络线的远侧区段；第二环面T2表示工作空间的包络线的近侧区段。目标轴线和每个环面的平面之间的交点由相应的十字表示。条表示引导轴线G。
有利地，从基本上对应于用户相对于椎骨的位置的视点来表示环面和条。因此，机器人装置相对于目标轴线的位置的表示对于用户而言更直观。这种一致的取向可为用户、患者和显示器的给定设置预定义，因为它通常为恒定设置。还可移动3D视图以匹配用户的视点。
例如，在图9A中，从约30°的角度观察环面和条。
在图9B中，从约60°的角度观察环面和条。
用户的目标是将条放置在两个环面内，尽可能地靠近环面的中心。
为了帮助这种定位，环面的颜色和/或纹理可改变。
例如，在图9A和图9B的左侧，该条在近侧环面T2内部，其可以绿色(由浅色表示)显示，但在远侧环面T1外部，其可以橙色(由深色表示)显示。该条也呈深色，表明引导装置不可与目标轴线对齐。
在图9A和图9B中间，该条在近侧环面T2外部，其可以橙色(由深色表示)显示，但在远侧环面T1内部，其可以绿色(由浅色表示)显示。该条也呈深色，表明引导装置不可与目标轴线对齐。
在图9A和图9B的右侧，该条在两个环面T1、T2内部，因此以相同的浅色显示。该条也呈浅色，表明引导装置可使用致动装置与目标轴线对齐。
图10示出了根据本发明的另一个实施方案的显示在用户界面的屏幕上的用于引导引导轴线相对于目标轴线的定位的第二类型的3D视图。
与图9B的视图相比，近侧环面T2由圆盘D替换。
除此之外，用户界面的实施方式类似于已针对图9B描述的实施方式。
该圆盘表示平坦表面，该平坦表面可为患者皮肤、椎骨中的进入点(特别为在开放式外科手术的情况下)，或者椎骨内的目标点(例如椎弓根的中心)。在后一种情况下，圆盘可含有穿过目标点用于计划的3D医学图像的切片。
当然，技术人员可选择工作空间相对于目标轴线的姿态的任何其他表示(在形状、颜色、纹理等方面)，特别是考虑到用户所需的人体工程学和直觉性。
根据本发明的***可用于身体的其他部分，每次需要执行外科手术工具的线性轨迹时，其具有固定的骨或铰接的骨，例如在膝盖、髋部、肩部、颅骨上。
参考文献
EP1414362

Claims (19)

1.一种用于相对于限定在患者脊柱的坐标系中的至少一个目标轴线（T）引导由用户保持的外科手术工具（200）的***，包括：
(i) 机器人装置（300），包括：
- 基座（301），
- 引导装置（303），所述引导装置（303）被配置用于在所述用户使用所述工具时将所述工具约束到引导轴线（G），
- 紧凑机动化致动单元（304），所述紧凑机动化致动单元（304）能够相对于所述基座（301）移动，联接到所述引导装置（303）以调节所述引导装置相对于所述目标轴线的位置和取向，
- 支撑单元（305），所述支撑单元（305）连接到所述基座（301），包括至少一个元件，所述至少一个元件被设计成与所述脊柱或所述患者身体邻近所述脊柱的区域接触，以便在所述引导装置和所述脊柱之间提供局部机械连结，
(ii) 被动铰接式可锁定保持臂（400），所述被动铰接式可锁定保持臂（400）支撑所述机器人装置的所述基座（301），
(iii) 跟踪单元（500），所述跟踪单元（500）被配置成实时确定所述引导轴线相对于所述患者脊柱的所述坐标系的姿态，
(iv) 控制单元，所述控制单元被配置成：
(a) 确定所述引导轴线相对于所述目标轴线的姿态，
(b) 针对所述确定的姿态计算所述机器人装置的工作空间，
(c) 基于所述计算的工作空间和所述引导装置的所述姿态计算表示所述致动单元使所述引导轴线与所述目标轴线对齐的能力的至少一个指示符，
(v) 用户界面（600），所述用户界面（600）联接到所述控制单元，被配置用于显示所述引导轴线（G）相对于所述目标轴线（T）的表示，
其中所述控制单元还被配置成控制所述致动单元以使所述引导轴线与所述目标轴线对齐。
2.根据权利要求1所述的***，其中基于所述工作空间的包络线和所述目标轴线之间的距离计算所述致动单元使所述引导轴线与所述目标轴线对齐的所述能力。
3.根据权利要求2所述的***，其中当所述目标轴线（T）在所述工作空间（W）内时，所述能力处于第一水平，其中所述工作空间的所述包络线和所述目标轴线之间的距离低于确定的阈值，并且当所述目标轴线在所述工作空间内时，所述能力处于第二水平，其中所述工作空间的所述包络线和所述目标轴线之间的距离大于所述确定的阈值。
4.根据权利要求3所述的***，其中所述致动单元被配置成仅当所述致动单元使所述引导装置与所述目标轴线对齐的所述能力处于所述第二水平时被激活。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的***，其中所述用户界面被配置成显示所述引导轴线相对于所述目标轴线的2D表示，其中所述2D表示在垂直于所述目标轴线的平面中包括：具有表示所述引导轴线的远侧点的中心的第一圆（C1），具有表示所述引导轴线的近侧点的中心的第二圆（C2）以及表示所述目标轴线的具有交叉点的十字（C）。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的***，其中所述用户界面被配置成显示所述引导轴线相对于所述目标轴线的3D表示，其中所述3D表示包括：具有表示所述目标轴线的远侧点的交叉点的第一十字，具有表示所述目标轴线的近侧点的交叉点的第二十字以及表示所述引导轴线的条。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的***，其中所述用户界面还被配置成显示表示所述致动单元使所述引导轴线与所述目标轴线对齐的所述能力的所述至少一个计算出的指示符。
8.根据权利要求7所述的***，其中所述计算出的指示符（I）作为具有至少一个特征变量的元素显示在所述用户界面上，所述至少一个特征变量作为所述工作空间的所述包络线和所述目标轴线之间的距离的函数。
9.根据权利要求7所述的***，其中所述计算出的指示符作为三维视图显示在所述用户界面上，所述三维视图包括分别表示所述引导装置（303）的远侧区段和近侧区段中的所述工作空间（W）的所述包络线的一对远侧环面和近侧环面（T1、T2），所述用户界面还显示相对于所述远侧环面和近侧环面的所述引导轴线。
10.根据权利要求7所述的***，其中所述计算出的指示符作为远侧环面和近侧圆盘显示在所述用户界面上，所述远侧环面和所述近侧圆盘分别表示所述引导装置的远侧区段中和参考表面上的所述工作空间的所述包络线，所述用户界面还显示相对于所述远侧环面和所述近侧圆盘的所述引导轴线，其中所述参考表面选自：所述患者皮肤、所述工具在所述脊柱中的进入点以及所述脊柱穿过所述脊柱内的目标点的区段。
11.根据权利要求7所述的***，其中所述计算出的指示符作为远侧环面和近侧圆盘显示在所述用户界面上，所述远侧环面和所述近侧圆盘分别表示所述引导装置的远侧区段中以及包括目标点的所述脊柱的区段上的所述工作空间的所述包络线，所述用户界面还显示相对于所述远侧环面和所述近侧圆盘的所述引导轴线，其中所述圆盘含有穿过所述目标点的3D医学图像的切片。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的***，其中所述控制单元被配置成在若干目标轴线间选择最靠近所述机器人装置的当前位置的所述目标轴线，并且针对所述选择的目标轴线执行步骤（a）至步骤（c）。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的***，其中所述致动单元被配置成仅当所述保持臂被锁定时被激活。
14.根据权利要求13结合权利要求12所述的***，其中所述控制单元被配置成一旦所述引导装置已与第一目标轴线对齐并且所述保持臂已解锁，则选择最靠近所述第一轴线的第二目标轴线。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的***，其中所述机器人装置包括触发器，所述触发器被配置成同时锁定所述保持臂和激活所述致动单元，以使所述引导装置与所述目标轴线对齐。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的***，其中所述致动单元包括被配置成在平行平面中移动的两个五条连杆。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的***，其中所述引导装置为管。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的***，其中所述跟踪单元包括附接到所述引导装置的第一光学***以及被配置成附接到所述患者脊柱的第二光学***。
19.根据权利要求1至17中任一项所述的***，其中所述跟踪单元包括附接到所述引导装置的电磁发射器以及被配置成附接到所述患者脊柱的电磁传感器。
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