CN111012503A - 具有跟踪标记的手术机器人自动化 - Google Patents

Abstract

描述用于在外科手术期间确定手术植入物的形状并导航所述手术植入物的装置、***和方法。可在外科手术期间确定所述手术植入物的所述形状，且准确地描绘其形状的所述手术植入物的图形表示显示和叠加在患者的目标解剖结构的图形绘图上。所述手术植入物可包含可由与所述导航***相关联的一个或多个相机辨识的***。

Description

具有跟踪标记的手术机器人自动化

相关申请的交叉参考

本申请是2018年5月31日提交的第15/609,334号美国专利(公开为第 2017-0258535号美国专利公开)的部分接续申请，所述第15/609,334号美国专 利是2016年5月18日提交的第15/157,444号美国专利申请(公开为第 2016-0256225号美国专利公开)的部分接续申请，所述第15/157,444号美国专 利申请是2016年4月11日提交的第15/095,883号美国专利申请(公开为第 2016-0220320号美国专利公开)的部分接续申请，所述第15/095,883号美国专 利申请是2013年10月24提交的第14/062,707号美国专利申请(公开为第2014-0275955号美国专利公开)的部分接续申请，所述第14/062,707号美国专 利申请是2013年6月21日提交的第13/924,505号美国专利申请(现 U.S.9,782,229)的部分接续申请，所述第13/924,505号美国专利申请要求2012 年6月21日提交的第61/662,702号临时申请(到期)的优先权以及2013年3 月15日提交的第61/800,527号临时申请(到期)的优先权。本申请还要求2017 年11月21日提交的第62/583,851号临时申请的优先权。以上提及的所有申请 的全部内容出于所有目的以引用的方式并入本文中。

技术领域

本公开涉及已经修改以符合特定患者解剖结构的手术植入物的手术导航， 以及显示叠加在患者解剖结构上的经修改手术植入物的图形表示。

背景技术

脊柱融合术是用于矫正脊柱畸形外科手术。其涉及将脊柱的疼痛部分融合 在一起以便限制其运动，从而缓解疼痛症状。最常利用脊柱融合外科手术来治 疗异常脊柱弯曲(脊柱侧凸、异常脊柱后凸)、椎间盘退化症、脊椎前移、导致 脊神经压迫的创伤，以及感染或肿瘤所导致的椎骨不稳。

融合外科手术涉及具有杆和螺钉的仪器，以及在椎骨之间放置移植骨。在 外科手术期间，外科医生校正脊柱的变形以便确保矢状平面和冠状平面两者中 脊柱的放射照相参数落在临床上接受的值内。在这样做时，外科医生使用杆将 校正后的脊柱固定到适当位置。所述杆可能需要符合脊柱的形状且因此需要相 应地弯曲。

当前在开放式外科手术中执行杆放置时，可在外科医生完全能看见的同时 将杆按压到螺钉头部中的缝隙中。因为手术部位暴露，所以外科医生可查看杆 是否恰当地弯曲且将配合到螺钉头部中。这还允许外科医生就地作出调整。尽 管开放式外科手术允许更容易的触及和对手术的完全视线，但恢复和愈合时间 比微创型外科手术(MIS)长。在MIS手术中，经由若干小切口获得对脊柱的 触及。当利用MIS手术时，***导引件从每一螺钉延伸穿过每一切口。在皮肤 下方，螺钉安装件中存在切割的区段以供随着外科医生纵向驱动其穿过组织时 杆从中通过。此过程可相比于穿过一系列针的孔眼。然而，不同于螺纹，所述 杆为刚性的，且当手术构造由多个层级组成时难以找到供弯曲的杆通过的路径。

在MIS程序中，外科医生可使用位置辨识***来确定特定对象在三维(3D) 中的位置且在三维中跟踪特定对象。在机器人辅助的外科手术中，举例来说， 当例如正由机器人或由医生定位和移动器械时需要以高精度跟踪例如手术器械 和/或手术植入物等特定对象。

基于红外信号的位置辨识***可以使用无源和/或有源传感器或标记来跟 踪对象。在无源传感器或标记中，待跟踪的对象可包含无源传感器，例如反射 球形球，其位于待跟踪对象上的策略位置。红外发射器发射信号，且反射球形 球反射信号以帮助确定对象在3D中的位置。在有源传感器或标记中，待跟踪 的对象包含有源红外发射器，如发光二极管(light emitting diode，LED)，并因 此产生其自身的红外信号，用于3D检测。

利用有源或无源跟踪传感器，***然后基于来自以下一个或多个或与以下 一个或多个相关的信息，在几何学上解析有源和/或无源传感器的三维位置：红 外相机、数字信号、有源或无源传感器的已知位置、距离、接收响应信号所花 费的时间、其它已知变量或其组合。

因为杆必须穿过螺钉头部顶端(tulip)盲目地定位，所以在微创型外科手 术期间可能难以***弯曲的脊柱杆。手术导航技术将在MIS手术中穿过顶端定 位弯曲的杆时为外科医生提供视觉显示。因此，需要实现涉及以已知方式附接 到杆的导航阵列的弯曲杆的手术导航，且弯曲杆的形状必须是已知的。

发明内容

为了满足此需求和其它需要，提供用于导航手术植入物的装置、***和方 法。

根据一个实施例，一种手术导航***包含计算机、相机、显示器、具有植 入物***的手术植入物，以及具有与手术植入物相关联的工具***的检测 工具。计算机可被配置成随着沿着手术植入物的外表面移动检测工具通过接收 与检测工具的位置相关联的数据来确定手术植入物的形状。

根据一个实施例，一种用于机器人辅助外科手术中的手术机器人***包含 计算机、机器人臂、相机、显示器、具有植入物***的手术植入物，以及具 有与手术植入物相关联的工具***的检测工具。计算机可被配置成将机器人 臂移动到患者的解剖结构的目标位置以***手术植入物。计算机可被配置成随 着沿着手术植入物的外表面移动检测工具通过接收与检测工具的位置相关联的 数据来确定手术植入物的形状。

附图说明

图1是外科手术程序期间机器人***、患者、外科医生和其他医务人员的 位置的潜在布置的俯视图；

图2示出了根据一个实施例包含手术机器人和相机相对于患者的定位的机 器人***；

图3示出了根据示例性实施例的手术机器人***；

图4示出了根据示例性实施例的手术机器人的一部分；

图5示出了根据示例性实施例的手术机器人的框图；

图6示出了根据示例性实施例的手术机器人；

图7A-7C示出了根据示例性实施例的末端执行器；

图8示出了根据一个实施例在将手术器械***到末端执行器的导管中之前 和之后的手术器械和末端执行器；

图9A-9C示出了根据示例性实施例的末端执行器和机器人臂的部分；

图10示出了根据示例性实施例的动态参考阵列、成像阵列和其它组件；

图11示出了根据示例性实施例的配准方法；

图12A-12B示出了根据示例性实施例的成像装置的实施例；

图13A示出了根据示例性实施例包含机器人臂和末端执行器的机器人的一 部分；

图13B是图13A所示的末端执行器的特写视图，其具有刚性附连在其上的 多个跟踪标记；

图13C是根据一个实施例具有刚性附连在其上的多个跟踪标记的工具或器 械；

图14A是在第一配置中具有可移动跟踪标记的末端执行器的替代型式；

图14B是在第二配置中具有可移动跟踪标记的图14A中示出的末端执行 器；

图14C示出了来自图14A的第一配置中的跟踪标记的模板；

图14D示出了来自图14B的第二配置中的跟踪标记的模板；

图15A示出了仅附连有单个跟踪标记的末端执行器的替代型式；

图15B示出了具有穿过导管安置的器械的图15A的末端执行器；

图15C示出了图15A的末端执行器，其具有在两个不同位置中的器械，和 用以确定器械定位于导管内还是导管外的所得逻辑；

图15D示出了具有两个不同框架处的导管中的器械的图15A的末端执行 器，和所述末端执行器距导管上的单个跟踪标记的相对距离；

图15E示出了相对于坐标系的图15A的末端执行器；

图16是用于将机器人的末端执行器导航并移动到期望目标轨迹的方法的 框图；

图17A-17B分别描绘用于将具有固定和可移动跟踪标记的可膨胀植入物插 入于收缩和膨胀位置中的器械；

图18A-18B分别描绘用于将具有固定和可移动跟踪标记的铰接式植入物插 入于***和成角位置中的器械；

图19A描绘具有可互换或替代性末端执行器的机器人的实施例；以及

图19B描绘机器人的实施例，所述机器人具有联接到其的器械样式末端执 行器。

图20A-20B描绘符合本公开的原理的手术植入物。

图21描绘符合本公开的原理的用于跟踪手术植入物的***的示例性实施 例。

图22描绘符合本公开的原理的用于跟踪手术植入物的示例性方法。

图23A-23C描绘符合本公开的原理的用于确定脊柱植入物的几何形状的示 例性实施例。

具体实施方式

应该理解的是，本公开在其应用方面不限于在本文的描述中阐述的或者在 图式中示出的组件的构造和布置的细节。本公开的教示可以在其它实施例中使 用和实践，并且以各种方式实践或实行。并且，应理解，本文所使用的措词和 术语是出于描述的目的且不应被视为是限制性的。本文中使用“包含”、“包括” 或“具有”及其变化形式意在涵盖其后列出的项目和其等效物以及额外项目。 除非另外指定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变 型是广泛地使用且涵盖直接以及间接安装、连接、支撑和联接。另外，“连接” 和“联接”不限于物理或机械连接或联接。

呈现以下论述以使所属领域的技术人员能够制造和使用本公开的实施例。 所属领域的技术人员将容易了解对所示出的实施例的各种修改，且本文的原理 可应用于其它实施例和应用，而不脱离本公开的实施例。因此，实施例并不意 图限于所示出的实施例，而是应被赋予与本文中所公开的原理和特征相一致的 最广范围。以下详细描述应参考图式来阅读，其中不同图式中的相似元件具有 相似参考标号。不一定按比例的图式描绘所选择的实施例并且并不打算限制实 施例的范围。熟练的技术人员将认识到，本文中所提供的实例具有许多有用的 替代形式且落在实施例的范围内。

现转而参看附图，图1和图2示出了根据示例性实施例的手术机器人*** 100。手术机器人***100可包含例如手术机器人102、一个或多个机器人臂104、 基部106、显示器110、包含例如导管114的末端执行器112，以及一个或多个 跟踪标记118。手术机器人***100可包含患者跟踪装置116，其也包含一个或 多个跟踪标记118，所述患者跟踪装置适于直接固定到患者210(例如固定到患 者210的骨头)。手术机器人***100还可利用例如定位在相机支架202上的相 机200。相机支架202可具有任何合适的配置以将相机200移动、定向并支撑 在期望的位置。相机200可包含能够识别例如在从相机200的角度可见的既定 测量体积中的有源和无源跟踪标记118的任何合适的一个或多个相机，例如一 个或多个红外相机(例如双焦点或立体摄影测量相机)。相机200可以扫描既定 的测量体积并且检测来自标记118的光以便识别和确定标记118在三维中的位 置。举例来说，有源标记118可包含由电信号(例如红外发光二极管(LED)) 激活的红外发射标记，且无源标记118可包含反射红外光的回射标记(例如它 们将进入的IR辐射反射进入入射光的方向)，所述IR光例如由相机200上的照 明器或其它合适的装置发射。

图1和2示出了手术机器人***100在手术室环境中的放置的潜在配置。 举例来说，机器人102可以位于患者210附近或旁边。虽然描绘在患者210的 头部附近，但是应当理解，机器人102可以位于患者210附近的任何合适的位 置，这取决于患者210正在进行手术的区域。相机200可以与机器人***100 分开并且定位在患者210的足部。该位置允许相机200对手术视野208具有直 接的视线。再次，可以设想相机200可以位于具有到手术视野208的视线的任 何合适的位置。在所示的配置中，外科医生120可以定位在机器人102的对面，但仍然能够操纵末端执行器112和显示器110。手术助理126可以再次与外科 医生120对置地定位，并且可以触及末端执行器112和显示器110两者。如果 需要，外科医生120与助理126的位置可以颠倒。麻醉师122和护士或擦洗护 工124的传统区域保持不受机器人102和相机200的位置阻碍。

关于机器人102的其它组件，显示器110可以被附接到手术机器人102， 且在其它示例性实施例中，显示器110可以与手术机器人102分开，不管是在 具有手术机器人102的手术室内，还是在远处的位置。末端执行器112可以联 接到机器人臂104并且由至少一个发动机控制。在示例性实施例中，末端执行 器112可包括导管114，导管能够接收和定向用于对患者210进行外科手术的 手术器械608(本文进一步描述)。如本文所使用，术语“末端执行器”与术语 “末端施行器”和“施行器元件”可互换使用。虽然通常用导管114示出，但应理解，末端执行器112可以用适用于外科手术的任何合适的仪器代替。在一些 实施例中，末端执行器112可包括用于以期望的方式实现手术器械608的移动 的任何已知结构。

手术机器人102能够控制末端执行器112的平移和定向。机器人102能够 例如沿着x轴、y轴和z轴移动末端执行器112。末端执行器112可以配置成用 于围绕x轴、y轴和z轴中的一个或多个以及Z框轴线选择性旋转(使得与末 端执行器112相关联的一个或多个欧拉角(例如翻转、纵摇和/或横摆)可以被 选择性地控制)。在一些示例性实施例中，与利用例如仅包括旋转轴的六自由度 机器人臂的传统机器人相比，对末端执行器112的平移和定向的选择性控制可 以允许医疗程序的执行具有显著提高的准确度。举例来说，手术机器人***100 可以用于在患者210上操作，并且机器人臂104可以被定位在患者210的身体 上方，末端执行器112选择性地朝向患者210的身体相对于z轴成角度。

在一些示例性实施例中，手术器械608的位置可以动态更新，使得手术机 器人102可以在手术期间始终知道手术器械608的位置。因此，在一些示例性 实施例中，手术机器人102可以将手术器械608快速移动到期望位置，而无需 医师的任何进一步帮助(除非医师需要)。在一些进一步的实施例中，手术机器 人102可以配置成在手术器械608偏离所选择的预先规划的轨迹的情况下校正 手术器械608的路径。在一些示例性实施例中，手术机器人102可配置成允许 停止、修改和/或手动控制末端执行器112和/或手术器械608的移动。因此，在 示例性实施例中，在使用中，医师或其他用户可以操作***100，并且可以选 择停止、修改或手动控制末端执行器112和/或手术器械608的自主移动。包含 手术机器人102对手术器械608的控制和移动的手术机器人***100的进一步 细节可以查阅第13/924,505号共同待决美国专利申请，其全部内容以引用的方 式并入本文中。

机器人手术***100可包括一个或多个跟踪标记118，其配置成三维地跟 踪机器人臂104、末端执行器112、患者210和/或手术器械608的移动。在示 例性实施例中，多个跟踪标记118可以被安装(或以其它方式被固定)到机器 人102的外表面上，例如(且不限于)机器人102的基部106上、机器人臂104 上，或末端执行器112上。在示例性实施例中，多个跟踪标记118中的至少一 个跟踪标记118可以被安装或以其它方式被固定到末端执行器112。一个或多 个跟踪标记118可以进一步被安装(或以其它方式被固定)到患者210。在示 例性实施例中，多个跟踪标记118可以定位在患者210上与手术视野208间隔 开，以减小被外科医生、手术工具或机器人102的其它部分遮挡的可能性。此 外，一个或多个跟踪标记118可以进一步被安装(或以其它方式被固定)到手 术工具608(例如螺丝刀、扩张器、植入物***器等)。因此，跟踪标记118使 得被标记的对象(例如末端执行器112、患者210和手术工具608)中的每一个 都能够被机器人102跟踪。在示例性实施例中，***100可以使用从每个被标 记对象收集的跟踪信息计算例如末端执行器112、手术器械608(例如定位在末 端执行器112的管114中)的定向和位置、以及患者的相对位置210。

标记118可包含不透射线或光学标记。标记118可呈适合的形状，包含球 面、球形、圆柱形、立方体、长方体等等。在示例性实施例中，标记118中的 一个或多个可以是光学标记。在一些实施例中，通过用于检查或检验末端执行 器112的位置，末端执行器112上的一个或多个跟踪标记118的定位可使位置 测量的准确性最大化。包含手术机器人102和手术器械608的控制、移动和跟 踪的手术机器人***100的进一步细节可以查阅第13/924,505号共同待决美国 专利申请，其全部内容以引用的方式并入本文中。

示例性实施例包含联接到手术器械608的一个或多个标记118。在示例性 实施例中，例如联接到患者210和手术器械608的这些标记118，以及联接到 机器人102的末端执行器112的标记118可包括传统的红外发光二极管(LED) 或能够使用商业上可获得的红外光学跟踪***(例如

)跟踪的

二极管。

是加拿大安大略省滑铁卢北方数字公司(Northern Digital Inc.)的注册商标。在其它实施例中，标记118可包括能够使用商业上可 获得的光学跟踪***(例如Polaris Spectra)跟踪的常规反射球。Polaris Spectra 也是北方数字公司的注册商标。在示例性实施例中，联接到末端执行器112的 标记118是有源标记，其包括可以接通和关断的红外发光二极管，并且联接到 患者210和手术器械608的标记118包括无源反射球。

在示例性实施例中，由标记118发射和/或反射的光可以由相机200检测并 且可以用于监视被标记对象的位置和移动。在替代实施例中，标记118可包括 射频和/或电磁反射器或收发器，并且相机200可包含射频和/或电磁收发器，或 由射频和/或电磁收发器代替。

类似于手术机器人***100，图3示出了与本公开的示例性实施例一致的 处于对接配置的手术机器人***300和相机支架302。手术机器人***300可 包括机器人301，机器人包含显示器304、上臂306、下臂308、末端执行器310、 竖直柱312、脚轮314、机柜316、平板抽屉318、连接器面板320、控制面板 322和信息环324。相机支架302可包括相机326。这些组件参照图5更详细地 描述。图3示出了处于对接配置的手术机器人***300，其中相机支架302例 如在不使用时与机器人301嵌套。所属领域的技术人员将认识到，相机326和 机器人301可以在手术程序期间彼此分离并且定位在任何适当的位置处，例如 如图1和2所示。

图4示出了与本公开的示例性实施例一致的基部400。基部400可以是手 术机器人***300的一部分并且包括机柜316。机柜316可以容纳手术机器人 ***300的某些组件，包含但不限于电池402、配电模块404、平台接口板模块 406、计算机408、手柄412和平板抽屉414。这些组件之间的连接和关系参照 图5更详细地描述。

图5示出了手术机器人***300的示例性实施例的某些组件的框图。手术 机器人***300可包括平台子***502、计算机子***504、运动控制子*** 506和跟踪子***532。平台子***502可以进一步包括电池402、配电模块404、 平台接口板模块406和平板充电站534。计算机子***504可以进一步包括计 算机408、显示器304和扬声器536。运动控制子***506可以进一步包括驱动 器电路508、发动机510、512、514、516、518、稳定器520、522、524、526、 末端执行器310和控制器538。跟踪子***532可进一步包括位置传感器540 和相机转换器542。***300还可包括脚踏板544和平板546。

经由可以被提供给配电模块404的电源548，将输入电力供应给***300。 配电模块404接收输入电力并且配置成产生不同的电源电压，所述电源电压被 提供给***300的其它模块、组件和子***。配电模块404可以配置成向平台 接口模块406提供不同的电压供应，所述不同电压供应可以被提供给如计算机 408、显示器304、扬声器536、驱动器508等其它组件，以例如为发动机512、 514、516、518和末端执行器310、发动机510、环324、相机转换器542以及 用于***300的其它组件供电，所述其它组件例如用于冷却机柜316内的电气组件的风扇。

配电模块404还可以将电力提供给其它组件，例如可以位于平板抽屉318 内的平板充电站534。平板充电站534可以与平板546进行无线或有线通信以 用于为平板546充电。平板546可以由与本公开一致并在本文描述的外科医生 来使用。

配电模块404还可以连接到电池402，电池402在配电模块404没有从输 入电力548接收电力的情况下用作临时电源。在其它时间，如果必要，配电模 块404可以用以对电池402进行充电。

平台子***502的其它组件还可包含连接器面板320、控制面板322和环 324。连接器面板320可以用于将不同的装置和组件连接到***300和/或相关 联的组件和模块。连接器面板320可以含有接收来自不同组件的线路或连接的 一个或多个端口。举例来说，连接器面板320可以具有可以将***300接地到 其它设备的接地端子端口、将脚踏板544连接到***300的端口、连接到跟踪 子***532的端口，跟踪子***532可包括位置传感器540、相机转换器542、 以及与相机支架302相关联的相机326。连接器面板320还可包含其它端口以允许与其它组件(例如计算机408)进行USB、以太网、HDMI通信。

控制面板322可以提供控制***300的操作和/或提供关于***300的信息 的各种按钮或指示器。举例来说，控制面板322可包含按钮，其用于使***300 通电或断电、升高或下降竖直柱312、以及升高或下降稳定器520-526，稳定器 520-526可被设计成接合脚轮314以锁定***300以免于物理移动。其它按钮可 以在紧急情况下停止***300，这可以移除所有发动机功率并施加机械制动器 来阻止发生所有运动。控制面板322还可以具有指示器，其用于向用户通知某 些***状况，例如线路电力指示器或电池402的充电状态。

环324可以是视觉指示器，以向***300的用户通知***300正在操作的 不同模式以及对用户的某些警告。

计算机子***504包含计算机408、显示器304和扬声器536。计算机504 包含操作***和用于操作***300的软件。计算机504可以接收和处理来自其 它组件(例如跟踪子***532、平台子***502和/或运动控制子***506)的 信息以向用户显示信息。此外，计算机子***504还可包含扬声器536以向用 户提供音频。

跟踪子***532可包含位置传感器504和转换器542。跟踪子***532可 以对应于包含相机326的相机支架302，如参照图3所描述。位置传感器504 可以是相机326。跟踪子***可以跟踪位于***300的不同组件和/或在手术程 序期间由用户使用的器械上的某些标记的位置。此跟踪可以以与本公开一致的 方式进行，包含使用分别跟踪例如LED或反射标记等有源或无源元件的位置的 红外技术。具有这些类型的标记的结构的定位、定向和位置可以被提供给计算 机408，可以在显示器304上向用户展示。举例来说，具有这些类型的标记并 且以这种方式(其可以被称为导航空间)跟踪的手术器械608可以向用户展示 相关的患者的解剖结构的三维图像。

运动控制子***506可以配置成物理地移动竖直柱312、上臂306、下臂 308或旋转末端执行器310。物理移动可以通过使用一个或多个发动机510-518 来进行。举例来说，发动机510可以配置成竖直地升高或降低竖直柱312。如 图3所示，发动机512可以配置成围绕与竖直柱312接合的点横向移动上臂308。 如图3所示，发动机514可以配置成围绕与上臂308接合的点横向移动下臂308。 发动机516和518可以配置成以可控制翻转并且可控制倾斜的方式来移动末端 执行器310，由此提供可以移动末端执行器310的多个角度。这些移动可以通 过控制器538来实现，控制器538可以通过测压元件来控制这些移动，所述测 压元件设置在末端执行器310上并且由接合这些测压元件的用户激活以按期望 的方式移动***300。

此外，***300可以通过用户在显示器304(其可以是触摸屏输入装置) 上指示手术器械或组件在显示器304上的患者解剖结构的三维图像上的位置， 来提供竖直柱312、上臂306和下臂308的自动移动。用户可以通过踩踏脚踏 板544或一些其它输入装置来起始此自动移动。

图6示出了与示例性实施例一致的手术机器人***600。手术机器人***600可包括末端执行器602、机器人臂604、导管606、器械608和机器人基部 610。器械工具608可以附接到包含一个或多个跟踪标记(例如标记118)的跟 踪阵列612，并且具有相关联的轨迹614。轨迹614可以代表器械工具608配置 成一旦其穿过或固定在导管606中而行进的移动路径，例如器械工具608*** 到患者体内的路径。在示例性操作中，机器人基部610可以配置成与机器人臂 604和末端执行器602进行电子通信，使得手术机器人***600可以辅助用户 (例如外科医生)在患者210上操作。手术机器人***600可以与之前描述的手 术机器人***100和300一致。

跟踪阵列612可以安装在器械608上以监视器械工具608的定位和定向。 跟踪阵列612可以附接到器械608并且可包括跟踪标记804。如图8中最佳所 见，跟踪标记804可以是例如发光二极管和/或其它类型的反射标记(例如如本 文其它地方描述的标记118)。跟踪装置可以是与手术机器人***相关联的一个 或多个视线装置。作为实例，跟踪装置可以是与手术机器人***100、300相关 联的一个或多个相机200、326，并且还可跟踪跟踪阵列612以获得器械608相 对于机器人臂604、机器人基部610、末端执行器602和/或患者210的限定域 或相对定向。跟踪装置可以与结合相机支架302和跟踪子***532描述的那些 结构一致。

图7A、7B和7C分别示出了与示例性实施例一致的末端执行器602的俯视 图、前视图和侧视图。末端执行器602可包括一个或多个跟踪标记702。跟踪 标记702可以是发光二极管或其它类型的有源和无源标记，例如之前已经描述 的跟踪标记118。在示例性实施例中，跟踪标记702是由电信号(例如红外发 光二极管(LED))激活的有源红外发射标记。因此，跟踪标记702可以被激活， 使得红外标记702对于相机200、326可见，或者可以被解除激活，使得红外标 记702对于相机200、326不可见。因此，当标记702为有源时，末端执行器602可以由***100、300、600来控制，并且当标记702被解除激活时，末端 执行器602可以被锁定在适当位置并且不能被***100、300、600移动。

标记702可以以使得标记702可被一个或多个相机200、326或与手术机器 人***100、300、600相关联的其它跟踪装置可见的方式设置在末端执行器602 上或末端执行器602内。相机200、326或其它跟踪装置可在通过跟随跟踪标记 702的移动而移动到不同位置和视角时跟踪末端执行器602。标记702和/或末 端执行器602的位置可显示在与手术机器人***100、300、600相关联的显示 器110、304上，例如图2所示的显示器110和/或图3所示的显示器304。此显 示器110、304可以允许用户确保末端执行器602关于机器人臂604、机器人基 部610、患者210和/或用户处于期望位置。

举例来说，如图7A所示，可以将标记702放置在末端执行器602的表面 周围，使得远离手术视野208并且面向机器人102、301和相机200、326放置 的跟踪装置能够通过末端执行器602相对于跟踪装置100、300、600的一系列 共同定向来检视标记702中的至少3个。举例来说，以这种方式分布标记702 允许当末端执行器602在手术视野208中平移和旋转时通过跟踪装置监视末端 执行器602。

另外，在示例性实施例中，末端执行器602可以配备有红外(infared，IR) 接收器，所述红外(IR)接收器可以检测何时外部相机200、326准备好读取标 记702。在此检测后，末端执行器602然后可以照亮标记702。由IR接收器检 测到外部相机200、326准备好读取标记702可以表示需要将标记702(其可以 是发光二极管)的工作循环同步到外部相机200、326。这也可以允许机器人系 统作为整体实现较低的功耗，由此标记702将仅在适当的时间被照亮而不是被 连续照亮。此外，在示例性实施例中，可以关闭标记702以防止干扰其它导航工具(例如不同类型的手术器械608)。

图8描绘了一种类型的手术器械608，其包含跟踪阵列612和跟踪标记804。 跟踪标记804可以是本文所描述的任何类型，包含但不限于发光二极管或反射 球。由与手术机器人***100、300、600相关联的跟踪装置来监视标记804， 并且标记804可以是视线相机200、326中的一个或多个。相机200、326可以 基于跟踪阵列612和标记804的位置和定向来***械608的定位。外科医生 120等用户可以以某种方式定向器械608，使得由跟踪装置或相机200、326充 分辨识跟踪阵列612和标记804以例如在示例性手术机器人***的显示器110上显示器械608和标记804。

外科医生120可以将器械608放置到末端执行器602的导管606中并调整 器械608，这种方式在图8中是明显的。末端执行器112、310、602的中空管 或导管114、606的尺寸和配置被设定为接收手术器械608的至少一部分。导管 114、606配置成通过机器人臂104定向，使得手术器械608的***和轨迹能够 到达患者210体内或体上的期望解剖目标。手术器械608可包含大致圆筒形器 械的至少一部分。虽然螺丝刀作为手术工具608被举例说明，但应该理解，任 何合适的手术工具608都可以由末端执行器602定位。作为实例，手术器械608可包含一个或多个导丝、套管、牵开器、钻孔器、扩眼器、螺丝刀、***工具、 拆卸工具等。虽然中空管114、606总体上显示为具有圆筒形配置，但所属领域 的技术人员将会理解的是，导管114、606可以具有期望用于容纳手术器械608 并接近手术部位的任何合适的形状、尺寸和配置。

图9A到9C示出了与示例性实施例一致的末端执行器602和机器人臂604 的一部分。末端执行器602可进一步包括主体1202和夹具1204。夹具1204可 包括手柄1206、球1208、弹簧1210和唇缘1212。机器人臂604可进一步包括 凹陷1214、安装板1216、唇缘1218和磁体1220。

末端执行器602可以通过一个或多个联接件机械地介接和/或接合手术机器 人***和机器人臂604。举例来说，末端执行器602可以通过定位联接件和/或 增强联接件与机器人臂604接合。通过这些联接件，末端执行器602可以与柔 性无菌屏障外的机器人臂604紧固。在示例性实施例中，定位联接件可以是磁 力运动学支架，并且增强联接件可以是五杆跨中心夹紧联动件。

关于定位联接件，机器人臂604可包括安装板1216(其可以是非磁性材料)、 一个或多个凹陷1214、唇缘1218和磁体1220。磁体1220安装在每个凹陷1214 下方。夹具1204的部分可包括磁性材料并且被一个或多个磁体1220吸引。通 过夹具1204和机器人臂604的磁性吸引，球1208变成安置到相应的凹陷1214 中。举例来说，如图9B所示的球1208将安置在凹陷1214中，如图9A所示。 此安置可以被认为是磁力辅助的运动学联接。无论末端执行器602的定向如何， 磁体1220都可以配置成足够坚固以支撑末端执行器602的整个重量。定位联接 件可以是唯一地约束六个自由度的任何类型的运动学安装件。

关于增强联接件，夹具1204的部分可以配置为固定的接地联动件，并且这 种夹具1204可以用作五杆联动件。当唇缘1212和唇缘1218以固定末端执行器 602和机器人臂604的方式接合夹具1204时，闭合夹具手柄1206可将末端执 行器602固定到机器人臂604。当夹具手柄1206闭合时，当夹具1204处于锁 定位置时弹簧1210可被拉伸或受到应力。锁定位置可以是提供经过中心的联动 件的位置。由于闭合位置经过中心，因此在没有施加到夹具手柄1206以释放夹 具1204的力的情况下联动件不会打开。因此，在锁定位置中，末端执行器602 可牢固地固定到机器人臂604。

弹簧1210可以是张紧的弯曲梁。弹簧1210可由表现出高刚度和高屈服应 变的材料组成，例如原始PEEK(聚醚醚酮)。末端执行器602和机器人臂604 之间的连接可以在末端执行器602和机器人臂604之间提供无菌屏障而不妨碍 两个联接件的紧固。

增强联接件可以是具有多个弹簧构件的联动件。增强联接件可以与凸轮或 基于摩擦的机构锁定。增强联接件还可以是足够强大的电磁体，其将支持将末 端执行器102紧固到机器人臂604。增强联接件可以是多件式套环，其完全与 末端执行器602和/或机器人臂604分开，在末端执行器602与机器人臂604之 间的接合部上方滑动，并且用螺旋机构、跨中心联动件或凸轮机构紧固。

参考图10和11，在手术程序之前或期间，可以进行某些配准程序以跟踪 导航空间和成像空间中的患者210的目标解剖结构。为了进行这种配准，可以 使用配准***1400，如图10所示。

为了跟踪患者210的位置，患者跟踪装置116可包含将被固定到患者210 的刚性解剖结构的患者固定器械1402，并且动态参考基部(dynamic reference base，DRB)1404可以被牢固地附接到患者固定器械1402。举例来说，患者固 定器械1402可被***到动态参考基部1404的开口1406中。动态参考基部1404 可含有对跟踪装置(例如跟踪子***532)可见的标记1408。这些标记1408 可以是光学标记或反射球，例如跟踪标记118，如前所述。

患者固定器械1402附接到患者210的刚性解剖结构并且可以在整个手术程 序中保持附接。在示例性实施例中，患者固定器械1402被附接到患者210的刚 性区域，例如远离经受手术程序的目标解剖结构定位的骨骼。为了跟踪目标解 剖结构，通过使用临时放置在目标解剖结构上或附近的配准固定件以便将动态 参考基部1404与目标解剖结构的位置配准，使动态参考基部1404与目标解剖 结构相关联。

通过使用枢转臂1412，将配准固定件1410附接到患者固定器械1402。通 过将患者固定器械1402***穿过配准固定件1410的开口1414，将枢转臂1412 附接到患者固定器械1402。通过例如将旋钮1416***穿过枢转臂1412的开口 1418，将枢转臂1412附接到配准固定件1410。

使用枢转臂1412，配准固定件1410可以放置在目标解剖结构上方，并且 其位置可以使用配准固定件1410上的跟踪标记1420和/或基准1422在成像空 间和导航空间中确定。配准固定件1410可以含有在导航空间中可见的标记1420 的集合(例如标记1420可以被跟踪子***532检测到)。如本文先前所描述， 跟踪标记1420可以是在红外光下可见的光学标记。配准固定件1410还可以含 有在成像空间(例如三维CT图像)中可见的基准1422的集合，例如轴承球。 如关于图11更详细描述，使用配准固定件1410，目标解剖结构可以与动态参考基部1404相关联，从而允许将导航空间中的对象的描绘叠加在解剖结构的图 像上。位于远离目标解剖结构的位置处的动态参考基部1404可以成为参考点， 从而允许从手术区域移除配准固定件1410和/或枢转臂1412。

图11提供了与本公开一致的用于配准的示例性方法1500。方法1500在步 骤1502处开始，其中可以将目标解剖结构的图形表示(或图像)导入到*** 100、300、600，例如计算机408。图形表示可以是患者210的目标解剖结构的 三维CT或者荧光镜扫描，其包含配准固定件1410和基准1420的可检测成像 图案。

在步骤1504处，检测基准1420的成像图案并将其配准在成像空间中并存 储在计算机408中。可选地，此时在步骤1506处，配准固定件1410的图形表 示可以叠加在目标解剖结构的图像上。

在步骤1508处，通过辨识标记1420来检测并配准配准固定件1410的导航 图案。标记1420可以是经由位置传感器540由跟踪子***532通过红外光在导 航空间中辨识的光学标记。因此，目标解剖结构的定位、定向以及其它信息被 配准在导航空间中。因此，可以通过使用基准1422在成像空间中辨识配准固定 件1410，并且可以通过使用标记1420在导航空间中辨识配准固定件1410。在 步骤1510处，将成像空间中的配准固定件1410的配准转移到导航空间。举例 来说，通过使用基准1422的成像图案相较于标记1420的导航图案的位置的相 对位置来完成此转移。

在步骤1512处，配准固定件1410的导航空间(已经与成像空间一起配准) 的配准被进一步转移到附接到患者固定件器械1402的动态配准阵列1404的导 航空间。因此，配准固定件1410可以被拆卸，并且因为导航空间与成像空间相 关联，所以可以使用动态参考基部1404来跟踪导航空间和成像空间两者中的目 标解剖结构。

在步骤1514和1516处，导航空间可以叠加在成像空间上，并且对象具有 在导航空间中可见的标记(例如具有光学标记804的手术器械608)。可以通过 手术器械608在目标解剖结构的图像上的图形表示来跟踪对象。

图12A-12B示出了可与机器人***100、300、600结合使用以获取患者210 的手术前、手术中、手术后和/或实时图像数据的成像装置1304。使用成像*** 1304，可以针对任何适当的程序使任何适当的主题成像。成像***1304可以是 任何成像装置，例如成像装置1306和/或C形臂1308装置。可能需要从多个不 同位置拍摄患者210的x射线，而不需要x射线***中可能需要的患者210的 频繁手动重新定位。如图12A所示，成像***1304可以是C形臂1308的形式， 其包含终止于“C”形的相对远端1312的细长C形构件。C形构件1130可以进一步包括x射线源1314和图像接收器1316。臂的C形臂1308内的空间可以 为医生提供空间来在基本上不受来自x射线支撑结构1318的干扰的情况下照料 患者。如图12B所示，成像***可包含成像装置1306，成像装置1306具有附 接到支撑结构成像装置支撑结构1328的机架外壳1324，例如具有轮1332的轮 式移动手推车1330，其可包围图像捕获部分(未示出)。图像捕获部分可包含x 射线源和/或发射部分以及x射线接收和/或图像接收部分，其可安置成彼此相隔 大约一百八十度，并且相对于图像捕获部分的轨道安装在转子上(未示出)。图 像捕获部分可操作以在图像获取期间旋转三百六十度。图像捕获部分可围绕中 心点和/或轴旋转，从而允许从多个方向或多个平面获取患者210的图像数据。 虽然本文举例说明了某些成像***1304，但应该理解，所属领域的普通技术人 员可以选择任何合适的成像***。

现转而参看图13A-13C，手术机器人***100、300、600依靠末端执行器 112、602、手术器械608和/或患者210(例如患者跟踪装置116)相对于期望 的手术区域的准确定位。在图13A-13C所示的实施例中，跟踪标记118、804 刚性地附接到器械608和/或末端执行器112的一部分。

图13A描绘了手术机器人***100的一部分，其具有机器人102，机器人 102包含基部106、机器人臂104和末端执行器112。未示出的其它元件，例如 显示器、相机等也可以如本文所描述存在。图13B描绘了末端执行器112的特 写视图，其具有导管114和刚性固定到末端执行器112的多个跟踪标记118。 在此实施例中，多个跟踪标记118附接到导管112。图13C描绘了具有刚性附 连到器械608的多个跟踪标记804的器械608(在这种情况下为探针608A)。 如本文其它地方所描述，器械608可包含任何合适的手术器械，例如但不限于 导丝、套管、牵开器、钻孔器、扩眼器、螺丝刀、***工具、移除工具等。

当要以3D***械608、末端执行器112或其它对象时，跟踪标记118、 804的阵列可以刚性地附接到工具608或末端执行器112的一部分。优选地， 跟踪标记118、804被附接，使得标记118、804不妨碍(例如不妨碍手术操作、 可视性等)。标记118、804可以附连到器械608、末端执行器112或例如待用 阵列612跟踪的其它对象。通常，三个或四个标记118、804与阵列612一起使 用。阵列612可包含线性区段、交叉件，并且可以是不对称的，使得标记118、 804相对于彼此处于不同的相对位置和定位。举例来说，如图13C所示，示出 了具有4标记跟踪阵列612的探针608A，并且图13B描绘了具有不同4标记 跟踪阵列612的末端执行器112。

在图13C中，跟踪阵列612用作探针608A的手柄620。因此，四个标记 804附接到探针608A的手柄620，不妨碍轴杆622和尖端624。这四个标记804 的立体摄影测量跟踪允许器械608作为刚性主体被跟踪并且允许跟踪***100、 300、600在探针608A在跟踪相机200、326前方四处移动时精确地确定尖端 624的位置和轴杆622的定向。

为了能够自动跟踪一个或多个工具608、末端执行器112或其它要以3D跟 踪的对象(例如多个刚性主体)，每个工具608、末端执行器112或类似物上的 标记118、804以已知的标记间隔不对称地布置。不对称对准的原因是，使得哪 一标记118、804对应于刚性主体上的特定位置以及标记118、804是从前方还 是后方检视(即，镜像)都是明确的。举例来说，如果标记118、804被布置在 工具608或末端执行器112上的正方形中，那么***100、300、600将不清楚 哪个标记118、804对应于正方形的哪个角。举例来说，对于探针608A，不清 楚哪个标记804最接近轴杆622。因此，不知道轴杆622从阵列612延伸的方 向。因此，每个阵列612以及因此每个工具608、末端执行器112或其它待跟 踪的对象应该具有唯一的标记图案，以使其能够与正被跟踪的其它工具608或 其它对象区分。不对称且唯一的标记图案允许***100、300、600检测各个标 记118、804，然后对照所存储的模板检查标记间隔以确定它们代表哪个工具 608、末端执行器112或其它对象。然后可以将检测到的标记118、804自动分 类并以正确的顺序指派给每个所跟踪对象。如果没有该信息，则除非用户手动 指定哪个检测到的标记118、804对应于每个刚性主体上的哪个位置，否则不能 执行刚性主体计算以提取关键的几何信息，例如工具尖端624和轴杆622的对 准。这些概念对于3D光学跟踪方法的技术人员来说通常是已知的。

现转而参看图14A-14D，示出了具有可移动跟踪标记918A-918D的末端执 行器912的替代型式。在图14A中，具有可移动跟踪标记918A-918D的阵列示 出于第一配置中，且在图14B中，可移动跟踪标记918A-918D示出于相对于第 一配置成角的第二配置中。图14C示出例如如由图14A的第一配置中的相机 200、326所见的跟踪标记918A-918D的模板；且图14D示出例如如由图14B 的第二配置中的相机200、326所见的跟踪标记918A-918D的模板。

在此实施例中，涵盖了4标记阵列跟踪，其中标记918A-918D并非全部相 对于刚性主***于固定位置中，且替代地，可例如在测试期间调整阵列标记 918A-918D中的一个或多个，以给出关于正被跟踪的刚性主体的更新后信息， 而不妨碍对所跟踪标记918A-918D的自动检测和分类的过程。

当跟踪任何工具，例如连接到机器人***100、300、600的末端执行器912 的导管914时，跟踪阵列的主要目的是在相机坐标系中更新末端执行器912的 位置。当使用例如如图13B中示出的刚性***时，反射标记118的阵列612从 导管114刚性地延伸。因为跟踪标记118刚性地连接，所以对相机坐标系中的 标记位置的了解还在相机坐标系中提供导管114的中心线、尖端和尾部的准确 位置。通常，关于末端执行器112距此阵列612的位置的信息和关于目标轨迹 距另一被跟踪源的位置的信息用以计算必须针对机器人102的每个轴线输入的 将使导管114移动成与轨迹对准并沿着轨迹向量将尖端移动到特定位置的所需 移动。

有时，期望的轨迹在不方便或不可达的位置中，但如果可转动导管114， 那么可到达期望的轨迹。举例来说，如果导管114可超出间距(手腕上下角度) 轴线的限度朝上转动，那么远离机器人102的基部106指向的极陡峭轨迹可能 是可到达的，但如果导管114平行于将其连接到手腕的末端的板而附接，那么 所述极陡峭轨迹可能并非可到达的。为了到达此轨迹，机器人102的基部106 可移动，或具有不同导管附接的不同末端执行器112可与工作的末端执行器交 换。这两个解决方案可能是费时且繁琐的。

如图14A和14B中最佳所见，如果阵列908配置成使得标记918A-918D 中的一个或多个不在固定位置中，且替代地，可调整、转动、枢转或移动标记 918A-918D中的一个或多个，那么机器人102可提供关于正被跟踪的对象的更 新后信息，而不妨碍检测和跟踪过程。举例来说，标记918A-918D中的一个可 固定在适当位置，且其它标记918A-918D可以是可移动的；标记918A-918D中 的两个可固定在适当位置且其它标记918A-918D可以是可移动的；标记 918A-918D中的三个可固定在适当位置且其它标记918A-918D可以是可移动 的；或所有标记918A-918D可以是可移动的。

在图14A和14B中示出的实施例中，标记918A、918B刚性地直接连接到 末端执行器912的基部906，且标记918C、918D刚性地连接到管914。类似于 阵列612，可提供阵列908以将标记918A-918D附接到末端执行器912、器械 608或待跟踪的其它对象。但是，在此状况下，阵列908由多个单独组件组成。 举例来说，标记918A、918B可通过第一阵列908A连接到基部906，且标记 918C、918D可通过第二阵列908B连接到导管914。标记918A可附连到第一阵列908A的第一端，且标记918B可分离一段直线距离并附连到第一阵列908A 的第二端。虽然第一阵列908是大体上线性的，但是第二阵列908B具有弯曲 或V形配置，相应根端连接到导管914，且以V形状从其发散到远端，其中标 记918C在一个远端处且标记918D在另一远端处。虽然在本文中举例说明了具 体配置，但是应了解，涵盖了包含不同数目个和不同类型的阵列908A、908B 以及不同布置、数目和类型的标记918A-918D的其它非对称设计。

导管914可例如跨越铰链920或到基部906的其它连接器相对于基部906 可移动、可转动或可枢转。因此，标记918C、918D是可移动的，使得当导管 914枢转、转动或移动时，标记918C、918D也枢转、转动或移动。如图14A 中最佳所见，导管914具有纵向轴线916，纵向轴线916在大体上正交或竖直 的定向上对准，使得标记918A-918D具有第一配置。现转而参看图14B，导管 914枢转、转动或移动，使得纵向轴线916现相对于竖直定向成角，使得标记918A-918D具有不同于第一配置的第二配置。

相比于对于图14A-14D描述的实施例，如果在导管914与臂104(例如手 腕附接)之间存在转动，其中所有四个标记918A-918D保持刚性地附接到导管 914，且此转动由用户调整，那么机器人***100、300、600将不能够自动地检 测到导管914定向已改变。机器人***100、300、600将跟踪标记阵列908的 位置，并将假设导管914在先前定向上附接到手腕(机器人臂104)而计算错 误的机器人轴线移动。通过保持一个或多个标记918A-918D(例如两个标记 918C、918D)刚性地在管914上并保持一个或多个标记918A-918D(例如两个 标记918A、918B)跨越转动，对新位置的自动检测变得可能，且基于在机器 人臂104的末端上检测到新工具或末端执行器112、912而计算正确的机器人移 动。

标记918A-918D中的一个或多个配置成根据任何合适的方式而移动、枢转、 转动等等。举例来说，标记918A-918D可由例如夹具、弹簧、杠杆、滑动件、 肘节等等铰链920或用于执行以下操作的任何其它合适的机构移动：个别地或 组合地移动标记918A-918D、个别地或组合地移动阵列908A、908B、相对于 另一部分移动末端执行器912的任何部分、或相对于另一部分移动工具608的 任何部分。

如图14A和14B中示出，通过仅松开夹具或铰链920、相对于其它部分 908A、908B移动阵列908A、908B的部分并再收紧铰链920使得导管914定向 于不同位置中，阵列908和导管914可变得可重新配置。举例来说，两个标记 918C、918D可与管914刚性地互连，且两个标记918A、918B可跨越到附接到 机器人臂104的末端执行器912的基部906的铰链920刚性地互连。铰链920 可呈例如翼形螺母等夹具的形式，可松开并再收紧夹具以允许用户在第一配置 (图14A)与第二配置(图14B)之间快速切换。

相机200、326检测例如图14C和14D中标识的模板中的一个中的标记 918A-918D。如果阵列908在第一配置(图14A)中且跟踪相机200、326检测 到标记918A-918D，那么所跟踪标记与如图14C中示出的阵列模板1匹配。如 果阵列908是第二配置(图14B)且跟踪相机200、326检测到相同标记 918A-918D，那么所跟踪标记与如图14D中示出的阵列模板2匹配。阵列模板 1和阵列模板2由***100、300、600辨识为两个相异工具，其各自具有导管 914、标记918A-918D与机器人附接之间的其自有的唯一限定的空间关系。用 户可因此在第一配置与第二配置之间调整末端执行器912的位置，而不向*** 100、300、600通知改变，且***100、300、600将适当地调整机器人102的 移动以保持在轨迹上。

在此实施例中，存在两个组装位置，其中标记阵列与允许***100、300、 600将组合件辨识为两个不同工具或两个不同末端执行器的唯一模板匹配。在 这两个位置(即，分别在图14C和14D中示出的阵列模板1和阵列模板2)之 间或外部转动的任何位置中，标记918A-918D将不与任何模板匹配，且虽然相 机200、326检测到个别标记918A-918D，但***100、300、600将不会检测到 任何阵列存在，其结果与从相机200、326的视野临时阻挡标记918A-918D的 情况相同。应了解，对于其它配置可存在其它阵列模板例如识别不同器械608或其它末端执行器112、912等等。

在所描述的实施例中，在图14A和14B示出了两个离散组装位置。但是， 应了解，在转动接点、线性接点、转动接点与线性接点的组合、木栓板或其它 组合件上可存在多个离散位置，其中可通过调整阵列的一个或多个标记918A-918D相对于其它标记的位置来产生唯一标记模板，其中每个离散位置与 特定模板匹配，并通过不同已知属性限定唯一工具608或末端执行器112、912。 另外，虽然对于末端执行器912举例说明，但是应了解，可移动且固定的标记 918A-918D可与任何合适的器械608或待跟踪的其它对象一起使用。

当使用外部3D跟踪***100、300、600来跟踪附接到机器人的末端执行 器112的三个或更多个标记的完全刚性主体阵列(例如如图13A和13B中所描 绘)时，有可能直接跟踪或计算相机200、326的坐标系中的机器人102的每个 区段的3D位置。接点相对于***的几何定向通过设计已知，且接点的线性 位置或角位置从机器人102的每个发动机的编码器已知，从而完全限定从末端 执行器112到基部116的所有移动部分的3D位置。类似地，如果***安装 于机器人102的基部106上(未示出)，那么同样地有可能基于从每个发动机的编码器已知的接点几何形状和接点位置而跟踪或计算从基部106到末端执行器 112的机器人102的每个区段的3D位置。

在一些情形中，可能需要从刚性地附接到末端执行器112的少于三个标记 118跟踪机器人102的所有片段的位置。具体地说，如果工具608被引入到导 管114中，那么可能需要通过正被跟踪的仅一个额外标记118跟踪机器人902 的完全刚性主体运动。

现转而参看图15A-15E，示出了仅具有单个跟踪标记1018的末端执行器 1012的替代型式。末端执行器1012可类似于本文中所描述的另一末端执行器， 并可包含沿着纵向轴线1016延伸的导管1014。类似于本文中所描述的其它跟 踪标记，单个跟踪标记1018可刚性地附连到导管1014。此单个标记1018可起 到添加缺失的自由度以允许完全刚性主体跟踪的作用，和/或可起到充当监督标 记以确保关于机器人和相机定位的假设有效的作用。

单个跟踪标记1018可作为到末端执行器1012的刚性延伸部附接到机器人 末端执行器1012，刚性延伸部在任何方便的方向上突出且并不阻挡外科医生的 视野。跟踪标记1018可附连到导管1014或末端执行器1012上的任何其它合适 的位置。当附连到导管1014时，跟踪标记1018可定位在导管1014的第一端与 第二端之间的位置处。举例来说，在图15A中，单个跟踪标记1018示出为安 装于窄轴1017的末端上的反射球面，窄轴1017从导管1014前向延伸，并在导 管1014的中点上方和导管1014的入口下方纵向定位。此位置允许标记1018 由相机200、326大体上可见，而且将不阻挡外科医生120的视觉或与手术附近 的其它工具或对象碰撞。另外，在此位置中具有标记1018的导管1014被设计 成使引入到导管1014中的任何工具608上的标记阵列在导管1014上的单个标 记1018可见的同时可见。

如图15B中示出，当紧密配合的工具或器械608放置在导管1014内时， 器械608变得在6个自由度中的4个中以机械方式受约束。也就是说，除了围 绕导管1014的纵向轴线1016之外，器械608无法在任何方向上旋转，且除了 沿着导管1014的纵向轴线1016之外，器械608无法在任何方向上平移。换句 话说，器械608可仅沿着导管1014的中心线平移并围绕所述中心线旋转。如果 另外两个参数，例如(1)围绕导管1014的纵向轴线1016的旋转角度；和(2) 沿着导管1014的位置，是已知的，那么相机坐标系中的末端执行器1012的位 置被完全限定。

现参考图15C，***100、300、600应该能够知晓工具608何时实际上定 位于导管1014内部，而非替代地定位于导管1014外部，和仅位于相机200、 326的视野内某处。工具608具有纵向轴线或中心线616和具有多个所跟踪标 记804的阵列612。刚性主体计算可用以基于阵列612在工具608上的所跟踪 位置而确定工具608的中心线616定位于相机坐标系中的何处。

从单个标记1018到导管1014的中心线或纵向轴线1016的固定法线(竖直) 距离D_F是固定的并在几何学上已知，且可跟踪单个标记1018的位置。因此， 当从工具中心线616到单个标记1018的检测到的距离DD与从导管中心线1016 到单个标记1018的已知固定距离DF匹配时，可确定工具608在导管1014内 (工具608的中心线616、1016与导管1014重合)或恰好在此距离DD与固定 距离DF匹配的可能位置的地点中的某一点处。举例来说，在图15C中，从工 具中心线616到单个标记1018的检测到的法线距离DD与由两个位置中的透明 工具608表示的两个数据框架(所跟踪标记坐标)中从导管中心线1016到单个 标记1018的固定距离DF匹配，且因此可需要额外的考量以确定工具608何时 定位在导管1014中。

现转而参看图15D，已编程逻辑可用以寻找跟踪数据的框架，其中从工具 中心线616到单个标记1018的检测到的距离DD保持固定在正确长度，而不管 工具608在空间上相对于单个球面1018按大于某一最小距离移动，以满足工具 608在导管1014内移动的条件。举例来说，可通过第一位置中的工具608检测 到第一框架F1，且可通过第二位置(即，相对于第一位置线性移动)中的工具 608检测到第二框架F2。工具阵列612上的标记804可从第一框架F1向第二 框架F2移动多于既定量(例如大于总共5mm)。即使在此移动的情况下，从工 具中心线向量C'到单个标记1018的检测到的距离DD在第一框架F1与第二框 架F2两者中大体上相同。

逻辑上，外科医生120或用户可将工具608放置于导管1014内，并使工具 608略微地旋转或使其向下滑动到导管1014中，且***100、300、600将能够 从跟踪五个标记(工具608上的四个标记804加导管1014上的单个标记1018) 来检测到工具608在导管1014内。知道了工具608在导管1014内后，可计算 在空间上限定机器人末端执行器1012的位置和定向的所有6个自由度。在无单 个标记1018的情况下，即使确定地已知工具608在导管1014内，也不知道导 管1014沿着工具的中心线向量C'定位于何处，以及导管1014如何相对于中心线向量C'旋转。

侧重于图15E，在跟踪到单个标记1018的存在以及工具608上有四个标记 804的情况下，有可能通过单个标记1018和通过中心线向量C'建构导管1014 和工具608的中心线向量C'和法线向量。此法线向量具有定向，所述定向相对 于在手腕(在此实例中，平行于该片段定向)远端的机器人的前臂在已知定向 上并在特定固定位置处与中心线向量C'相交。为方便起见，可建构三个相互正 交的向量k'、j'、i'，如图15E中示出，从而限定导管1014的刚性主***置和定 向。三个相互正交的向量中的一个k'由中心线向量C'构成，第二向量j'由穿过 单个标记1018的法线向量构成，且第三向量i'是第一向量k'与第二向量j'的向 量叉积。当所有接点处于零处时，相对于这些向量k'、j'、i'的机器人接点位置 已知且固定，且因此刚性主体计算可用以在机器人处于起始位置处时确定机器 人的任何区段相对于这些向量k'、j'、i'的位置。在机器人移动期间，如果从跟 踪***检测到工具标记804的位置(此时工具608在导管1014中)和单个标记 1018的位置，且每个接点的角度/线性位置从编码器已知，那么可确定机器人的 任何区段的位置和定向。

在一些实施例中，固定工具608相对于导管1014的定向可能是有用的。举 例来说，末端执行器导管1014可围绕其轴线1016在特定位置中定向以允许机 械加工或植入物定位。虽然附接到***到导管1014中的工具608的任何物件的 定向从工具608上的所跟踪标记804已知，但是在导管1014上没有额外跟踪标 记1018(或在其它实施例中没有多个跟踪标记)的情况下，相机坐标系中的导 管1014自身的旋转定向未知。此标记1018基于标记1018相对于中心线向量 C'的定向而提供从-180°到+180°的基本上“时钟位置”。因此，单个标记1018 可提供额外的自由度以允许完全刚性主体跟踪，和/或可充当监督标记以确保关于机器人和相机定位的假设有效。

图16是用于将机器人102的末端执行器1012(或本文中所描述的任何其 它末端执行器)导航并移动到期望目标轨迹的方法1100的框图。单个标记1018 在机器人末端执行器1012或导管1014上的另一用途是在没有附接到机器人 102的完全跟踪阵列的情况下作为方法1100的部分实现机器人102的自动化安 全移动。当跟踪相机200、326不相对于机器人102移动(即，它们在固定位置 中)，跟踪***的坐标系与机器人的坐标系共配准，且机器人102经校准使得可 仅基于每个机器人轴线的经编码位置而在机器人笛卡尔坐标系中准确地确定导 管1014的位置和定向时，此方法1100起作用。

对于此方法1100，***的坐标系和机器人的坐标系必须共配准，这意味 着需要从跟踪***的笛卡尔坐标系到机器人的笛卡尔坐标系的坐标变换。为方 便起见，此坐标变换可以是机器人技术的领域中众所周知的平移和旋转的4×4 矩阵。。此变换将被称为Tcr以指“变换-相机到机器人”一旦此变换已知，那 么对于每个被跟踪标记以向量形式作为x、y、z坐标接收到的跟踪数据的任何 新框架可乘以4×4矩阵，且所得x、y、z坐标将处于机器人的坐标系中。为了 获得Tcr，在机器人上的完全跟踪阵列在机器人的坐标系中已知的位置处刚性地 附接到机器人时跟踪所述完全跟踪阵列，接着使用已知刚性主体方法来计算坐 标的变换。应显而易见，当还读取额外标记1018时，***到机器人102的导管 1014中的任何工具608可与刚性附接的阵列提供相同的刚性主体信息。也就是 说，工具608仅需要***到导管1014内的任何位置并在导管1014内处于任何 旋转，而不是***到固定位置和定向。因此，有可能通过以下操作来确定Tcr： 将具有跟踪阵列612的任何工具608***到导管1014中并读取工具的阵列612 加导管1014的单个标记1018，同时从每个轴线上的编码器确定机器人的坐标 系中的导管1014的当前位置。

在图16的方法1100中提供了用于将机器人102导航并移动到目标轨迹的 逻辑。在进入循环1102之前，假设先前已存储了变换Tcr。因此，在进入循环 1102之前，在步骤1104中，在紧固机器人基部106之后，当机器人静态时， 存储导管中***的工具的大于或等于一帧跟踪数据；且在步骤1106中，从此静 态数据和先前校准数据计算从相机坐标到机器人坐标的机器人导管位置的变换 Tcr。Tcr应保持有效，只要相机200、326不相对于机器人102移动即可。如果 相机200、326相对于机器人102移动，且需要重新获得Tcr，则可使***100、300、600提示用户将工具608***到导管1014中并接着自动执行必需的计算。

在方法1100的流程图中，每一帧所收集数据由患者210身上的DRB 1404 的所跟踪位置、末端执行器1014上的单个标记1018的所跟踪位置和每个机器 人轴线的位置的快照组成。从机器人的轴线的位置，计算出末端执行器1012 上的单个标记1018的位置。此计算出的位置与如从跟踪***记录的标记1018 的实际位置相比较。如果值一致，那么可保证机器人102在已知位置中。变换 Tcr应用于DRB 1404的所跟踪位置，以使得可根据机器人的坐标系提供机器人 102的目标。可接着命令机器人102移动以到达目标。

在步骤1104、1106之后，循环1102包含从跟踪***接收DRB 1404的刚 性主体信息的步骤1108；将目标尖端和轨迹从图像坐标变换到跟踪***坐标的 步骤1110；以及将目标尖端和轨迹从相机坐标变换到机器人坐标(应用Tcr) 的步骤1112。循环1102进一步包含从跟踪***接收机器人的单个杂散标记位 置的步骤1114；以及将单个杂散标记从跟踪***坐标变换到机器人坐标(应用 所存储Tcr)的步骤1116。循环1102还包含从前向运动学确定机器人坐标系中 的单个机器人标记1018的当前位置的步骤1118。来自步骤1116和1118的信息 用以确定来自经变换所跟踪位置的杂散标记坐标是否与小于既定容限的计算出 的坐标一致的步骤1120。如果是，那么继续进行到步骤1122，计算并将机器人 移动应用于目标x、y、z和轨迹。如果否，那么继续进行到步骤1124：在继续 进行之前停止并需要完全阵列***到导管1014中；步骤1126：在***阵列之 后重新计算Tcr；以及继续进行以重复步骤1108、1114和1118。

相比于省略对单个标记1018的连续监视以检验位置的方法，此方法1100 具有优点。在不具有单个标记1018的情况下，将仍有可能使用Tcr来确定末端 执行器1012的位置并将末端执行器1012发送到目标位置，但将不可能检验机 器人102实际上在预期位置中。举例来说，如果相机200、326已凸起且Tcr不 再有效，那么机器人102将移动到错误的位置。出于此原因，单个标记1018 提供安全价值。

对于机器人102的既定固定位置，理论上有可能将跟踪相机200、326移动 到单个所跟踪标记1018保持未移动的新位置，这是因为单个所跟踪标记是单点 而非阵列。在此状况下，***100、300、600将不会检测到任何错误，这是因 为在单个标记1018的计算出的和所跟踪位置方面将存在一致。但是，一旦机器 人的轴线致使导管1012移动到新位置，那么计算出的和所跟踪位置将不一致且 安全检查将起作用。

举例来说，术语“监督标记”可参考相对于DRB 1404在固定位置中的单 个标记使用。在此实例中，如果DRB 1404凸起或以其它方式移开，那么监督 标记的相对位置改变且可警告外科医生120导航可能存在问题。类似地，在本 文中所描述的实施例中，通过机器人的导管1014上的单个标记1018，***100、 300、600可持续检查相机200、326是否已相对于机器人102移动。如果跟踪 ***的坐标系与机器人的坐标系的配准丢失(例如因为相机200、326凸起或发 生故障或因为机器人发生故障)，那么***100、300、600可警告用户且可作出 校正。因此，此单个标记1018还可被认为是用于机器人102的监督标记。

应显而易见的是，在完全阵列永久地安装于机器人102上(例如多个跟踪 标记702安装于图7A-7C中示出的末端执行器602上)的情况下，不需要作为 机器人监督标记的单个标记1018的此类功能性，这是因为不需要相机200、326 相对于机器人102在固定位置中，且基于机器人102的所跟踪位置而在每个框 架处更新Tcr。使用单个标记1018而非完全阵列的原因是，完全阵列更庞大且 具干扰性，由此阻挡外科医生的视野和对大于单个标记1018的手术视野208 的访问，且到完全阵列的视线比到单个标记1018的视线更容易受到阻挡。

现转而参看图17A-17B和18A-18B，描绘了例如植入物固持器608B、608C 等器械608，器械608包含固定跟踪标记804和可移动跟踪标记806两者。植 入物固持器608B、608C可具有手柄620和从手柄620延伸的外轴622。轴杆 622可大体上垂直于手柄620定位，如所示出，或可在任何其它合适的定向上 定位。内轴626可在一端处通过旋钮628延伸穿过外轴622。使用所属领域的 技术人员已知的典型连接机构，在另一端处，植入物10、12在植入物固持器 608B、608C的尖端624处连接到轴杆622。举例来说，旋钮628可旋转以使植 入物10、12膨胀或铰接植入物10、12。以引用的方式并入本文中的第8,709,086 号和第8,491,659号美国专利描述可膨胀融合装置和安装方法。

当跟踪例如植入物固持器608B、608C等工具608时，跟踪阵列612可含 有固定标记804与一个或多个可移动标记806的组合，可移动标记806构成阵 列612或以其它方式附接到植入物固持器608B、608C。导航阵列612可包含至 少一个或多个(例如至少两个)固定位置标记804，固定位置标记804相对于 植入物固持器器械608B、608C定位在已知位置。这些固定标记804将不能够 相对于器械几何形状在任何定向上移动，并将适用于限定器械608在空间上的 位置。另外，存在可附接到阵列612或器械自身的至少一个标记806，其能够 相对于固定标记804在预定边界内移动(例如滑动、旋转等等)。***100、300、 600(例如软件)使可移动标记806的位置与植入物10的特定位置、定向或其 它属性(例如图17A-17B中示出的可膨胀椎间体间隔件的高度，或图18A-18B 中示出的铰接式椎间体间隔件的角度)相关。因此，***和/或用户可基于可移 动标记806的位置而确定植入物10、12的高度或角度。

在图17A-17B中示出的实施例中，四个固定标记804用以限定植入物固持 器608B，且第五可移动标记806能够在预定路径内滑动以提供关于植入物高度 (例如收缩位置或膨胀位置)的反馈。图17A示出其初始高度处的可膨胀间隔 件10，且图17B示出膨胀状态下的间隔件10，其中可移动标记806平移到了 不同位置。在此状况下，当植入物10膨胀时，可移动标记806移动成更接近固 定标记804，但预期此移动可逆转或以其它方式不同。标记806的线性平移的 量将对应于植入物10的高度。虽然仅示出了两个位置，但是将有可能将此作为 连续功能，可通过此连续功能使任何既定膨胀高度与可移动标记806的特定位 置相关。

现转而参看图18A到18B，四个固定标记804用以限定植入物固持器608C， 且第五可移动标记806配置成在预定路径内滑动以提供关于植入物铰接角度的 反馈。图18A示出处于其初始线性状态下的铰接式间隔件12，且图18B示出 按某一偏移角处于铰接式状态下的间隔件12，其中可移动标记806平移到不同 位置。标记806的线性平移的量将对应于植入物12的铰接角度。虽然仅示出了 两个位置，但是将有可能将此作为连续功能，可通过此连续功能使任何既定铰 接高度与可移动标记806的特定位置相关。

在这些实施例中，可移动标记806持续滑动以基于位置而提供关于植入物 10、12的属性的反馈。还预期，可存在可移动标记806必须处于的缜密位置， 所述缜密位置将还能够提供关于植入物属性的其它信息。在此状况下，所有标 记804、806的每个缜密配置与特定定向上或特定高度下的植入物固持器608B、 608C和植入物10、12的特定几何形状相关。另外，可针对任何其它类型的已 导航植入物的其它可变属性而使用可移动标记806的任何运动。

虽然相对于可移动标记806的线性移动描绘并描述，但是可移动标记806 不应限于仅滑动，这是因为可存在标记806的旋转或其它移动可适用于提供关 于植入物10、12的信息的应用。所述组固定标记804与可移动标记806之间的 任何相对位置改变可以是植入物10、12或其它装置的相关信息。另外，虽然举 例说明了可膨胀和铰接式植入物10、12，但是器械608可对其它医疗装置和材 料起作用，例如间隔件、笼、板、紧固件、钉子、螺杆、杆、插销、导线结构、 缝合线、锚链夹、卡钉、支架、移植骨、生物制剂、接合剂等等。

现转而参看图19A，据设想，机器人末端执行器112可与其它类型的末端 执行器112互换。此外，预期每个末端执行器112可以能够基于期望的手术程 序而执行一个或多个功能。举例来说，具有导管114的末端执行器112可用于 导引如本文中所描述的器械608。另外，末端执行器112可由控制例如手术装 置、器械或植入物的不同或替代性末端执行器112替换。

替代性末端执行器112可包含联接到机器人且可由机器人控制的一个或多 个装置或器械。作为非限制性实例，如图19A中所描绘的末端执行器112可包 括回缩器(例如第8,992,425号和第8,968,363号美国专利中公开的一种或多种 回缩器)或用于***或安装手术装置的一个或多个机构，所述手术装置例如可 膨胀椎间融合装置(例如第8,845,734号、第9,510,954号和第9,456,903号美国 专利中举例说明的可膨胀植入物)、单独椎间融合装置(例如第9,364,343号和 第9,480,579号美国专利中举例说明的植入物)、可膨胀椎体切除术装置(例如 第9,393,128号和第9,173,747号美国专利中举例说明的椎体切除术植入物)、铰 接式间隔件(例如第9,259,327号美国专利中举例说明的植入物)、刻面假体(例 如第9,539,031号美国专利中举例说明的装置)、椎板成形术装置(例如第 9,486,253美国专利中举例说明的装置)、棘突间隔件(例如第9,592,082号美国 专利中举例说明的植入物)、可充气物、紧固件，包含多轴螺杆、单面螺杆、椎 弓根螺杆、后螺杆等等、骨固定板、杆建构物和修改装置(例如第8,882,803 美国专利中举例说明的装置)、人造和自然椎间盘、运动保持装置和植入物、脊 髓刺激剂(例如第9,440,076号美国专利中举例说明的装置)和其它手术装置。 末端执行器112可包含一个或多个器械，所述器械直接或间接联接到机器人来 向手术目标提供骨接合剂、移植骨、活细胞、药品或其它递送物。末端执行器 112还可包含被设计成用于执行椎间盘切除术、椎体后凸成形术、椎骨支架术、 扩张或其它手术程序的一个或多个器械。

末端执行器自身和/或植入物、装置或器械可包含一个或多个标记118，使 得可在三维中识别标记118的定位和位置。预期标记118可包含如本文中所描 述的可对相机200直接或间接可见的有源或无源标记118。因此，举例来说， 定位于植入物10上的一个或多个标记118可实现在植入之前、期间和之后对植 入物10的跟踪。

如图19B中示出，末端执行器112可包含器械608，或其联接到机器人臂 104(举例来说，器械608可通过图9A-9C中示出的联接机构联接到机器人臂 104)并可由机器人***100控制的部分。因此，在图19B中示出的实施例中， 机器人***100能够将植入物10***到患者体内，并可使可膨胀植入物10膨 胀或收缩。因此，机器人***100可配置成辅助外科医生或者部分或完全独立 于外科医生进行操作。因此，据设想，机器人***100可以能够针对其指定的 功能或手术程序而控制每个替代性末端执行器112。

参看图20A-23C，可使用手术导航以便在微创型外科手术(MIS)期间跟 踪弯曲脊柱杆。可能出现的一个问题是，在MIS期间可能难以***弯曲脊柱杆， 因为杆必须穿过螺钉头部顶端盲目地定位。手术导航技术可在MIS手术中穿过 顶端定位弯曲的杆时为外科医生提供视觉显示。为了实现手术导航，导航阵列 应以已知方式附接到杆，且弯曲杆的形状应为已知的。

具有例如位于杆(其自身可附连到跟踪阵列)的端部处的键合六边形等已 知定向的安装点允许在所述杆处于患者体内且在相机和外科医生的直接视野之 外时进行杆的导航。

可通过规划软件在手术前确定关于杆的形状的信息。其可在手术中通过导 航螺钉头部以确定杆形状来确定，例如在使用自动杆弯曲机***时进行。其还 可通过用于扫描弯曲杆的形状的导航棒来确定。

本公开可允许通过提供跟踪阵列在MIS中跟踪患者特定弯曲杆，所述跟踪 阵列监视杆的位置以确保在使用最小切口进入点的同时与椎足螺钉对准。本公 开还可实现杆几何形状检测工具，其允许快速产生弯曲杆的CAD模型，所述 CAD模型接着可在机器人手术***的显示器上叠加在解剖结构上而以图形方 式显示。

如例如第62/583,851号美国临时专利申请(以引用的方式并入本文中)等 其它公开内容中所描述的自动杆弯曲装置可用于自动使杆弯曲以与所要附接点 匹配。所要附接点可以是***之后螺钉头部的位置，或应用再对准之后螺钉头 部将处于的位置。手术规划和/或导航可用于建立杆将需要互连的点的集合。接 着可通过将样条配合到所述点，以直线或曲线连接所述点，或其它方法来建立 杆形状。一旦限定杆形状，自动杆弯曲机就可产生物理弯曲杆，且软件可产生 和保持表示弯曲杆的几何形状的CAD文件。类似于具有CAD表示的其它跟踪 工具，导航***将叠加在患者的解剖结构上且叠加在解剖结构上的螺钉的所规 划或跟踪位置上而呈现弯曲杆的此CAD表示。手术规划软件可允许用户旋转 和转译弯曲杆图像，从而将其相对于解剖结构和所规划螺钉重新定位以检查配 合是否正确。如果被导航，则还可相对于解剖结构和所规划螺钉跟踪弯曲杆的 当前或外推位置。

弯曲杆的导航可涉及将***附接到杆。因为杆为非线性的，所以附接点 必须为已知定向以允许作为具有六(6)自由度的刚性主体来跟踪杆。可使用到 杆的端部的附接机构，其允许以一种可能的方式安装***。此附接机构的一 个可能配置为具有键槽的六边形。跟踪阵列可具有***到凹连接插口中的凸连 接凸台，且键槽将确保***在一个定向中安装(请参见下文进一步详细描述 的图20A-21)。其它可能的配置包含(但不限于)“T”形键槽、具有缺口的圆 柱形、心形、豆形，或具有缺口的N边多边形。

图20A-B示出本公开的示例性实施例。图20A-B示出弯曲之后杆2004的 安装点2002的两个视图。第一视图(图20A)示出安装点2002的前部。中间 凹座或内部通道2008中的键槽2006归因于内部通道2008的不对称性质而帮助 确保存在到杆2004的***连接的恰当对准。第二视图(图20B)从侧部示出 杆2004和安装点2002。附接部分的深度为可检视的，正如沿着六边形的背面 的凹口2010。凹口2010可被配置成供跟踪阵列闩锁到的附接点，从而确保跟 踪器和杆2004之间的紧固连接且确保沿着轴杆的方向的固定的锁定位置。

图21示出根据本公开的原理用于跟踪弯曲杆的***2100的示例性实施例。 ***2100可包含具有安装点2002的杆2004和具有连接点2104的***(或 跟踪阵列)2102。连接点2104可将键槽2006接合在杆上以将***2102*** 到杆2002。***2102可具有附接到六边形键槽2006的连接点2104上的对 应件。***2102锁定到键槽2006中，且环绕凹口2010。将***2102夹 持在杆安装点2002周围将辅助将杆2004固定到***2102。

图22示出符合本公开的原理的***附接和配准的示例性方法2200。在 步骤2202处，自动或手动杆弯曲装置可使杆弯曲以符合已经植入到患者体内的 椎足螺钉头部。

在步骤2204处，对于待跟踪的弯曲杆，确定杆相对于键槽的定向。键槽的 定向可以若干方式中的一种记录。以一种示例性方式，杆定位于杆弯曲机中使 得***在弯曲过程期间知晓杆的定向。以另一示例性方式，键槽可通过自动杆 弯曲装置压印到杆的端部中。以另一示例性方式，可在弯曲之后通过经由光学 感测、激光扫描或其它手段检测杆的形状来检测键槽定向。在杆弯曲之后，CAD 文件可经由与同自动杆弯曲装置相关联的计算机的连接而导入到导航***。外 科医生接着可将***附接到杆，从而经由安置在凹口2010中的夹具将其固 定。***上的标记可先前经校准使得其连接处***的定向为已知的。弯曲 杆的***与患者身上的跟踪阵列同时跟踪，从而允许弯曲杆***的连接器 相对于患者的解剖结构的位置是已知的。杆的锚点呈现在弯曲杆***的连接 器处，如键合连接器的定向所指示而延伸。

在步骤2206处，导航弯曲杆。为了进行导航，外科医生将固持弯曲杆跟踪 器的轴杆，从而将杆经由切口***到手术部位中且在操纵杆穿透切口和螺钉孔 眼的同时向前驱动杆，并保持跟踪阵列处于一个或多个跟踪相机的视野内。操 纵***和杆以遵循杆的弯曲用以保持切口尺寸为最小。

在步骤2208处，弯曲杆相对于患者解剖结构可在机器人***的显示器上显 示。当在导航下向前驱动杆的同时，杆可叠加在解剖结构上且相对于***的椎 足螺钉而以图形方式进行视觉显示。外科医生可看到随着杆前进杆(特别是前 端)的位置如何相对于螺钉孔眼改变。

在步骤2210处，一旦杆已驱动穿过螺钉头部，外科医生就可通过使用与每 一螺钉共线***的驱动器***和拧紧螺钉锁定帽而将螺钉锁定到杆。在杆处于 适当位置的情况下，在螺钉锁定到杆之前或之后，外科医生可从杆的端部拆离 ***。

在一示范性实施例中，可确定在外科手术之前可能是未知的弯曲杆的几何 形状，且可在外科手术时自动或手动地使弯曲杆的几何形状弯曲。一旦确定杆 的几何形状，就可产生CAD模型用于在解剖结构上方视觉显示所述杆。可通 过使用如图23A-C中示出的跟踪工具检测弯曲来确定杆几何形状。

图23A描绘用于确定杆的几何形状的***2300。***2300可包含杆2004 和跟踪工具2302，所述跟踪工具具有足部2304和导航阵列2306。导航阵列2306 可出于导航目的而可由跟踪相机辨识。

为了确定杆的几何形状，杆可固定到手术台使得其保持在相机的坐标系中。 或者，***2102可附接到杆2004的端部，如相对于图21所描述，且杆2004 和工具2302将相对于彼此自由移动，只要***2102和导航阵列2306两者保 持对于跟踪相机可见。用户可沿着杆2004的外表面移动工具2302。工具2302 的端部可具有足部2308，其具有V或半圆形凹口且一端上开放以便允许足部向 上抵靠杆自由按压；或者工具2302的端部可具有足部2310，其为环形以便环 绕杆，从而需要经由开口馈送杆的端部。工具2302可经校准使得圆形开口的中 心的位置或杆的中心将处于的缺口中的位置相对于工具2302的导航阵列2306是已知的。

用户可沿着杆2004移动工具2302来记录弯曲杆的形状。如果工具2302 的足部2304为杆2004所通过的孔洞，则在存在急剧弯曲的情况下杆2304可能 堵塞在孔洞中。避免此情形的一种方式是使孔洞的横截面为薄且平坦，类似于 垫圈。工具2302可在杆的长度上移动，且连续地或递增地记录关于其曲率的数 据。此数据可用于产生CAD模型。

在图23A中，工具2302上的足部2304允许工具2302和导航阵列2306在 接触杆的同时在杆上方移动。***可沿着杆的长度每隔一定间隔检测杆位置， 以记录杆的几何形状用于导航。足部2304可以是U形插口2308，如图23B中 所示出，或足部具有杆所通过的孔洞2310，如图23C中所示出。

尽管大体参考脊柱应用描述本文中所描述的机器人和相关联***，但还预 期机器人***被配置成在其它外科手术应用中使用，包含但不限于外伤手术或 其它矫形应用(例如放置髓内钉、板等等)、颅侧、神经、心胸、血管、结肠直 肠、肿瘤、牙科和其它外科手术及程序。

虽然在前面的说明书中已经公开了本发明的几个实施例，但应该理解，本 发明所涉及的本发明的许多修改和其它实施例将受益于前述说明和相关附图中 呈现的教导。因此应该理解，本发明不限于上文公开的特定实施例，并且许多 修改和其它实施例旨在被包含在所附权利要求的范围内。进一步设想，来自一 个实施例的特征可以与来自这里描述的不同实施例的特征组合或使用。此外， 虽然在这里以及在随后的权利要求中使用了特定术语，但是它们仅以一般的和 描述性的意义被使用，而不是为了限制所描述发明的目的或者所附权利要求。 这里引用的每个专利和公开的全部公开内容以引用的方式并入，如同每个这样 的专利或公开单独地以引用的方式并入本文中。在所附权利要求书中阐述了本 发明的各种特征和优点。

Claims (10)

1.一种手术导航***，其包括：

计算机；

相机；

显示器；

手术植入物，其具有植入物***；以及

检测工具，其具有与所述手术植入物相关联的工具***，

其中所述计算机被配置成随着沿着所述手术植入物的外表面移动检测工具通过接收与所述检测工具的位置相关联的数据来确定所述手术植入物的形状。

2.根据权利要求1所述的手术导航***，其中所述相机被配置成跟踪所述手术植入物。

3.根据权利要求2所述的手术导航***，其中所述显示器被配置成显示所述手术植入物相对于患者解剖结构的图形表示。

4.根据权利要求3所述的手术导航***，其中所述显示器被配置成显示如由所述计算机确定的所述手术植入物的所述形状。

5.根据权利要求1所述的手术导航***，其中所述植入物***包括被配置成由所述相机辨识的一个或多个光学传感器。

6.根据权利要求5所述的手术导航***，其中所述工具***包括被配置成由所述相机辨识的一个或多个光学传感器。

7.根据权利要求1所述的手术导航***，其中手术植入物是被配置成植入到椎足螺钉中的杆。

8.根据权利要求7所述的手术导航***，其中所述杆经由安置于所述杆的端部上的键槽附接到所述植入物***。

9.根据1所述的手术导航***，其中所述检测工具包括u形足部。

10.根据权利要求1所述的手术导航***，其中所述检测工具包括具有通孔的足部。

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