CN112334116B - 用于自动化手术中的患者摆位的***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明大体上涉及一种用于在医疗或手术过程期间对例如膝的身体部位进行摆位的患者摆位***。此外，本发明大体上涉及一种用于建立及跟踪虚拟边界并控制患者摆位***以调整那些虚拟边界来促进自动化手术过程的***及方法。此外，本发明大体上涉及自主患者摆位子***与机器人手术操纵器子***的协同组合。

Description

用于自动化手术中的患者摆位的***及方法

技术领域

本发明大体上涉及一种用于在医疗或手术过程期间对例如膝的身体部位进行摆位的患者摆位***。本发明还大体上涉及一种用于基于自动化手术参数控制手术操纵器及患者摆位***的***及方法。此外，本发明大体上涉及一种用于建立及跟踪虚拟边界并控制患者摆位***以调整那些虚拟边界来促进自动化手术过程的***及方法。

此外，本发明大体上涉及自主患者摆位子***与机器人手术操纵器子***的协同组合。自主患者摆位子***与机器人手术操纵器子***的协同组合准备好相对简单地完成且相对容易地连同自主或部分自主组合***的预存软件及硬件进行编程。

背景技术

据骨科外科医生发现，使用机器人装置来帮助执行手术过程是有用的。通常，这些机器人装置包括具有一或多个联动装置的可移动臂，及自由远端，使用经附接手术仪器，其可准确且精确地应用到手术部位。执业者在计算机软件、机器学习及/或感觉输入专业算法的帮助下能够定位所述臂以便将手术仪器定位在仪器将执行手术的患者部位。

有利地，不同于外科医生，机器人装置不会经受肌肉劳损、疲劳或无意识移动。因此，与当仪器是手持式且因此被手动定位及支撑时相比，有可能使用机器人装置来稳固地且一致地固持仪器并在高准确度及精确度下沿着经界定路径移动仪器。

此外，一些机器人装置经设计以搭配手术导览***而使用。通常，导览***经配置以处理传感器数据并提供手术仪器位置相对于应用仪器所抵靠的患者位置的指示。在一些例子中，使用计算机辅助设计软件创建虚拟边界以勾画机器人装置/***的末端手术工具可在末端手术工具无法进行操纵的区操纵的区。此基本上消除了仪器将在其预期边界/边缘外起作用或被要求起作用的可能性(即，做得过多，或对不正确的位置执行了治疗)。相反，此基本上消除了仪器将在预期边界/边缘上不起作用或被要求不起作用的可能性(即，做得过少)。

更明确来说，当机器人装置经提供有指示仪器的相对位置的数据时，机器人装置可经配置以自主或半自主地定位仪器以保证其被应用到患者的预期部位。在骨科手术中，虚拟切割边界经创建以勾画在手术期间将由末端手术工具从在手术之后剩余的骨区段移除的骨区段。导览***跟踪末端手术工具关于虚拟切割边界的移动以确定末端手术工具相对于虚拟切割边界的位置及/或定向。机器人***与导览***合作以引导末端手术工具的移动，使得末端手术工具不会移动超过虚拟切割边界。

通常，虚拟切割边界是在手术前创建。虚拟切割边界创建在患者骨头的模型中，且关于所述骨头固定，使得当模型被加载到导览***中时，导览***通过跟踪骨头的移动跟踪虚拟切割边界的移动。虚拟边界还界定在手术期间将由末端手术工具避开的其它解剖学特征。此类特征包含使其免于接触末端手术工具的神经或其它类型的组织。虚拟边界还用于提供导引末端手术工具朝向被治疗的解剖学的虚拟途径，或所述边界可为动态的且跟踪解剖学特征及手术室或手术空间中的可相对于被治疗的解剖学移动的其它对象。

在执行骨科手术过程期间，数个不同手术组件通常被定位在手术部位。此外，需要在过程内适当地对患者进行摆位，包含对肢体进行摆位。一些过程要求患者或患者的肢体在过程的不同部分期间被重新摆位。一种在手术过程期间对患者进行摆位的方法是使用助手外科医生或其他受训人员以在现场手动操作、操纵及判断患者的位置调整。受训人员至少部分地经由专业患者摆位工具/装置执行。然而，此方法具有若干缺点，包含使用额外手术室人员(操作患者摆位工具/装置)所涉及的成本及将那个人员摆位到接近无菌手术野所涉及的风险(其有感染的风险)。

因此，所属领域需要提供一种用于连同经建立或正建立的虚拟约束边界控制自动化患者摆位装置的***及方法。

提供某另一上下文，本发明的特定示范性实施例可直接适用于关节成形术。在膝及髋关节成形术两者的情况下，此过程可帮助减轻疼痛并恢复严重病变的关节中的机能。此治疗选项涉及切掉受损的骨头及软骨(例如用末端手术工具)及用由金属合金、高级塑料及/或聚合物制成的人工关节将其置换。所属领域中已知的此类治疗过程产生可靠的症状缓解及经改进机能。

在将患者放在手术台上前，通常的做法是将无菌布放在所述台上。此布用作无菌屏障。用于关节成形术的一些可用肢体固持器经设计以直接附接到与固持器搭配使用的台。在此类肢体固持器被附接的位置处，难以(如果不是不可能)将布放在肢体固持器周围及/或之下以便提供所要无菌屏障。

更明确来说，髋及膝关节置换术是最常执行的关节置换手术过程，其中关节炎或受损关节的部位被移除且用被称为关节植入物的金属、塑料或陶瓷装置置换。关节植入物或通常可被称为假关节的事物是用于完全或部分置换肌肉骨***内的结构元件以改进及增强关节的机能的长期可植入手术装置。

对上文提及的关节结构的生理学变化被认为是有助于患病膝关节的进展，从而导致考虑进行关节置换手术。这些变化中的一些变化包含：整个膝软骨体积及胫骨软骨体积中的可测量差、骨大小、胫骨软骨体积及骨髓病变中的可测量差。

依据前述内容，其可被认为是克服上文所描述的现有技术的状态的缺陷并提供所述状态的改进的本发明的目标，且可被认为是可能是固有相同的或可被认为是可能是所属领域的技术人员已知的。本发明的另一目标是提供一种手术装置及用于实施手术装置且具有前述特性且根据上述目标的其使用方法，其可用过程且在过程内及用相当简单的设备及用相对简单的工程需求容易地实施。可认识到其它另外目标，且在作为整体考虑以下说明书之后其将变得显而易见，其中通过说明及实例，揭示本发明的实施例。

如本文中所使用，应理解对本发明的目标的任何参考是指本发明的方面及优点，其从其概念及归纳到实践，而不是任何先验的或现有技术概念。

意识到本发明的上述及其它目标，且通过提供新的及经改进方法、过程、组成及***来克服本发明中现有技术的一些限制。从以下描述，本发明的原理及细节的更佳理解将是明显的。

发明内容

本发明的示范性实施例涉及一种用于在自动化手术环境中对患者进行摆位的***及方法。

本发明的示范性实施例还涉及一种自主患者摆位***及操作方法：(1)其构造简单；(2)其易于与骨科机器人手术装置/***集成；(3)其定位在无菌手术野外；及(4)在必要时，其允许在患者摆位***内外手动地对患者进行摆位，无需物理地捆绑患者(例如，在大腿或足部)；及(5)还准许由外科医生所监测及监管的***处理器在自动化手术过程期间容易地对患者的肢体进行摆位、调整及/或重新摆位。

根据本发明的一个方面，提供一种自主患者摆位装置，且其包含：适应于抵靠患者身体的预定部分定位的支撑件；用于沿着大体上线性路径移动所述支撑件的驱动机构；所述驱动机构的电源；用于将所述驱动机构安装到手术台的支架；及用于致动所述驱动机构的远程装置。所述远程装置至少部分地使用多个动态虚拟边界来引导患者摆位装置/子***的移动。

以优选形式，所述支撑件经垫衬以向患者提供额外舒适度。在一个实施例中，支撑件的形状是大体上圆柱形。所述支撑件可适应于抵靠患者身体的任何预定部分定位。在本发明的一个实施例中，所述支撑件经设计以抵靠患者的足部定位。

此外，所述驱动机构可包括数个电、液压或气动操作装置。在本发明的一个实施例中，所述驱动机构包括电动线性致动器。以优选形式，所述支撑件包含延伸部，优选地为角形，且所述驱动机构联接到所述延伸部。优选地，所述延伸部包含用于调整所述支撑件的高度的构件。在本发明的一个实施例中，所述构件包含所述延伸部上的多个大体上间隔的开口，及用于通过此类间隔的开口可释放地将所述延伸部锁定于预定位置中的销。

本发明的装置通过准许所述驱动机构进行远程及自主“智能”操作为外科医生提供便利。本发明还提供一种用于在手术过程期间对患者进行摆位的方法，其包括：将患者摆位在手术台上；在无菌手术野外抵靠患者身体的预定部分定位可移动支撑件；通过致动驱动机构以提供所述支撑件的线性移动以致使患者移动到手术过程的最佳位置来致使所述支撑件移动。

在特定示范性实施例中，自主患者摆位子***通信地耦合到导览***且间接耦合到用于将仪器或手术工具应用到患者的手术操纵器。所述导览***经配置以与所述自主患者摆位子***合作以定位所述支撑件。所述导览***包含导览处理器及可在导览处理器或任何其它处理器上操作的边界生成器模块。所述边界生成器模块经配置以基于多个输入生成边界，所述多个输入包含例如定义将装配到患者的植入物的数据，及定义对所述患者摆位子***的相对变化如何影响接受植入物的患者的组织的位置及姿势的数据。

在特定示范性实施例中，所述***包括跟踪所述支撑件的移动的支撑部分跟踪装置。所述***还可包括跟踪多个虚拟边界中的第一虚拟边界的移动的第一边界跟踪装置，其中所述第一虚拟边界与将治疗的解剖学相关联。所述***可进一步包括跟踪多个虚拟边界中的第二虚拟边界的移动的第二边界跟踪装置，其中所述第二虚拟边界与将由手术工具或仪器避开的对象相关联。控制器经配置以接收与跟踪装置相关联的信息，包含***部分相对于所述第一及第二虚拟边界的位置。所述控制器经配置以随着所述第一及第二虚拟边界相对于彼此移动而引导所述患者定位子***的所述支撑部分相对于所述第一及第二虚拟边界中的每一者的移动。

在优选实施例中，所述可移动支撑件抵靠患者的足跟及足部定位。所述支撑件的移动导致患者的膝在手术过程内折曲到目标位置。取决于将执行的手术过程，所述支撑件在手术过程期间可移动到第二位置等。取决于对患者进行重新摆位的需要，所述支撑件在手术期间的额外移动是可能的且被简化。

还提供一种控制患者摆位子***的支撑件的方法。所述方法包含：在手术过程期间的特定点提供患者摆位子***以适当地对患者进行摆位。导览***与患者摆位子***合作以关于应被应用手术工具的所述患者的组织与不应被应用所述工具的患者的组织之间的边界定位所述支撑件。所述边界是基于多个输入生成的。

在另一实施例中，提供一种用于使用多个动态虚拟边界来引导患者摆位子***的支撑件的移动的方法。所述方法包含跟踪所述支撑件及与将治疗的解剖学相关联的第一虚拟边界的移动。所述方法进一步包含跟踪第二虚拟边界相对于所述第一虚拟边界的移动，其中所述第二虚拟边界与将由手术仪器避开的对象相关联。随着第一及第二虚拟边界相对于彼此移动而相对于所述第一及第二边界中的每一者引导支撑件的移动。

这些实施例的一个优点是除跟踪患者摆位子***之外动态地跟踪可相对于所关注解剖学移动的对象(例如其它工具或解剖学)的能力。第二虚拟边界可为虚拟约束边界或针对相对于与解剖学相关联的第一虚拟边界的移动跟踪的其它类型的虚拟边界。

本文中描述的根据本发明的***及子***的实施例不限于上文或下文描述的示范性方面及特征。特定实施例可包含额外特征或不同特征，而其它实施例包含替代特征。

附图说明

在图中，除非另外指示，否则相似参考数字是指贯穿各个图的相似部件。针对具有字母字符标示的参考数字，例如“102A”或“102B”，字母字符标示可区分同一图中的两个相似部件或元件。当希望参考数字涵盖在所有图中具有相同参考数字的所有部件时，可省略参考数字的字母字符标示。

图1是经由自主患者摆位子***对患者进行摆位且连同机器人手术操纵器装置操作的新的且有用的***的示范性实施例的说明；

图2是共同合作以控制图1的整个***的致动的数个模块的框图；

图3是图1的示范性实例的放大侧视图；

图4A到4C是使用图1到3的***的方法的示范性实施例的流程图；且

图5是经由自主患者摆位子***对患者进行摆位且连同包含自主边垫的机器人手术操纵器装置操作的新的且有用的***的第二示范性实施例的说明。

具体实施方式

为了进一步理解本发明的性质、功能及目标，现应参考以下详细描述。虽然本文中提供了优选实施例的详细描述以及实施及采用本发明的最佳模式，但应理解，本发明可以各种形式体现。因此，本文中揭示的特定细节不应解释为具限制性，而是应解释为权利要求书的基础及用于教示所属领域的技术人员以几乎任何适当详述的***、结构或方式采用本发明的代表基础。

本文中所使用的词“示范性”意味着用作实例、例子或说明。本文中描述为“示范性”的任何方面不一定被理解为排他的、优选的或优于其它方面。

在此描述中，术语“应用程序”还可包含具有可执行内容的文件，例如：目标代码、脚本、字节代码、标记语言文件及补丁。另外，本文中引用的“应用程序”还可包含性质是不可执行的文件，例如可能需要是打开的文档或需要被存取的其它数据文件。

如在此描述中所使用，术语“组件”、“数据库”、“模块”、“***”及类似物希望是指计算机相关实体，是硬件、固件、硬件与软件的组合、软件或执行中软件。举例来说，组件可为(但不限于)在处理器上运行的进程、处理器、对象、可执行件、执行线程、程序及/或计算机。通过说明，在计算装置上运行的应用程序及计算装置两者都可为组件。

一或多个组件可驻存于执行进程及/或线程内，且组件可定位在一个计算机上及/或分布于两个或两个以上计算机之间。另外，这些组件可从具有存储于其上的各种数据结构的各种计算机可读媒体执行。组件可通过本地及/或远程进程通信，例如根据具有一或多个数据分组的信号(例如，来自在本地***、分布式***中与另一组件交互及/或跨例如因特网的网络通过信号与其它***交互的一个组件的数据)。

在此描述中，可互换地使用术语“中央处理单元(“CPU”)”、“数字信号处理器(“DSP”)”、“图形处理单元(“GPU”)”、“处理组件”及“芯片”。此外，CPU、DSP、GPU或芯片可包括通常被称为“核心”的一或多个相异处理组件。

本发明是至少部分地基于在数个手术过程内自主地对患者进行摆位的新的且有用的患者摆位***，手术过程包含(但不限于)全髋置换术、腰椎手术、肘部切开复位内固定术、股骨切开复位内固定术、足部融合术、后交叉韧带重建、肩部修复、全肩置换术、脊柱融合术、胫骨切开复位内固定术、颈部颈椎前路椎间盘切除并融合术、关节镜下前交叉韧带重建、关节镜膝评估及部分及全膝置换术。还应理解，***/子***的支撑部分的构造可取决于被执行的手术过程经修改以适应特定身体部位。虽然关于在手术过程内对患者进行摆位的膝作出以下详细描述中的特定示范性实施例，但应理解，本发明涵盖其它手术过程，且参考其优选实施例作出以下描述及简化对本发明的理解。

在很高水平上，本发明的示范性实施例涉及一种用于将患者摆位在手术台-或患者摆位子***上的设备。

本发明的患者摆位子***的示范性实施例包含适应于抵靠患者身体的预定部分定位(例如(举例来说)定位在患者足部下方)的支撑件。患者摆位子***还包含用于沿着大体上线性路径移动所述支撑件的驱动机构。所述驱动机构可为电、液压或气动的。在优选实施例中，所述驱动机构包括电动线性致动器。

此外，支架用于将所述驱动机构固定到手术操作台或床的支撑轨。使用翼形螺杆、夹钳或其它附接装置。所述支架及附件经设计使得所述驱动机构可取决于将执行的特定手术过程容易地从手术台的一个侧移动到相对侧或末端。

此外，可为了患者的舒适度而对所述支撑件进行垫衬。在优选实施例中，所述支撑件呈圆筒形式；然而，可以设想，所述支撑件可采取与由所选择手术过程所需不同的形式。

在使用中，在示范性实施例中，患者被摆位在手术台上，且患者摆位子***经安装使得可移动支撑件抵靠患者身体的预定部分适当地定位(例如，所述支撑件定位在患者足部下方)。接着，患者摆位子***及/或可移动支撑件可经定位及使用于无菌手术野外(例如，无菌布下方)，有利地不会干扰到患者、外科医生及/或其他手术助手的移动。

如本文中详细地所呈现，在一些手术过程中，有必要将患者肢体或身体移动到第一位置进行前期工作，且接着，随着手术的进行而将那个肢体或身体部分移动到第二、第三或更多最佳位置。本发明的患者摆位***比所属领域中已知或使用的任何***更好地促进了此目标。

本发明还至少部分地基于经由自主患者摆位子***连同定位用于患者的手术仪器或工具的机器人手术操纵器装置对患者进行摆位的新的且有用的***，其中患者的摆位是至少部分地基于机器人手术操纵器装置的要求及需求以及边界需求等。

机器人手术操纵器装置通常包括具有一或多个联动装置的可移动臂，及自由远端，使用经附接手术仪器或工具，其可准确且精确地应用到患者，且用必要计算、处理及传输硬件进行***工作。当机器人装置被提供有指示仪器的相对位置的数据时，机器人装置经配置以自主或半自主地定位仪器以保证其被应用到患者的预期部位。

虚拟切割边界经创建以勾画可用于仪器的区段及约束到仪器的区段。导览***例如跟踪末端手术工具关于虚拟切割边界的移动以确定末端手术工具相对于虚拟切割边界的位置及/或定向。导览***还与其它已知计算机硬件组件介接以致动末端手术工具。本发明探索了并入有自动化患者摆位***的益处。

因而，经配置以连同机器人手术操纵器装置操作的患者摆位子***的示范性实施例包括手术处理组件/子***，其经配置以处理来自***的数据、提供手术仪器的位置相对于患者的位置的指示，并评估所述组件或子组件的状态、位置及/或条件及那些信息与虚拟边界如何相关。举例来说，所述手术处理组件/子***可经配置以接收及处理传感器数据及/或组件数据以创建进行手术的虚拟边界，且处理患者摆位子***的可移动部分的位置，并评估对可移动部分的位置的相对改变如何影响对由虚拟边界界定的患者组织及/或位置的可接近性。

患者摆位子***的示范性实施例还包括被手术导览子***传达信息的控制器子***，控制器子***使用所述信息来适当地致动患者定位子***(致动患者摆位子***的支撑件相对于手术台的纵轴来回移动，例如，朝向手术台的足部或朝向手术台的头部)。

如本文中详细地所呈现，在骨科手术过程的执行期间，数个不同手术组件通常定位在手术部位。举例来说，例如试验植入物的关节组件定位在手术部位以确定应永久装配到患者的适当设定大小的植入物组件。其它实例包含牵开器及***等以及所属领域的一般技术人员已知的任何其它手术仪器。

此外，一些解剖学特征或手术室中的其它对象可相对于被治疗的解剖学移动。例如，手术工具、仪器等的用于在组织中提供开口的牵开器可相对于被治疗的解剖学移动。举例来说，如果使用适当动态虚拟约束边界***无法进行准确地跟踪，那么机器人手术操纵器装置可不经意地撞击不希望的物体或边界及/或将不正确信息提供到监督手术的人。如果过度约束，那么使用机器人手术操纵器装置的外科医生不会被提供完成复杂及动态手术必须的完整能力。

此外，且如上下文，在当前实践中，骨科关节***的每一关节组件通常是单独封装的。由于制造变化，这些关节组件中的每一者具有根据其类型的其它者稍微改变的尺寸。典型的膝置换术将使用三个或三个以上关节组件。这些尺寸的共同变化成为尺寸叠加。

在常规膝置换手术中，尺寸叠加相较于其它潜在对准及放置错误(例如夹具放置或截断错误)源相对较小。选项对用户是可用的以改变关节组件以便组成这些共同错误并实现适当及最佳装配。

因此，需要改进现有技术患者摆位子***及现有技术机器人手术操纵器装置来解决这些问题及各种其它问题。患者摆位子***的示范性实施例连同本发明的机器人手术操纵器装置比所属领域中已知或使用的任何***更好地促进了此目标。

本发明还至少部分地基于经由连同机器人手术操纵器装置操作的患者摆位子***对患者进行摆位的新的且有用的***，其中患者的摆位是与手术操纵器的手术仪器或工具的应用协调的自主模式。更明确来说，机器人手术操纵器装置的手术仪器确定仪器到边界的相对位置，并确定患者就位时患者摆位子***(例如，患者摆位子***的支撑件)的相对位置/定位。此边界界定仪器不应超过其放置的组织的极限。在看起来机器人手术操纵器装置要求、需要或必须定位仪器超过边界的情况下，操纵器不允许仪器的此移动。

举例来说，如果机器人手术操纵器装置确定仪器所需路径/点会导致仪器超出仪器不应跨越的边界，那么手术操纵器：(1)防止仪器移动超过边界；及(2)调整患者摆位子***(例如，患者摆位子***的支撑件及/或患者摆位子***的任何其它组件或子***)以对将治疗的组织进行重新摆位；及(3)在(2)处调整患者摆位子***之后重新评估/确定仪器到新的边界条件的相对位置。接着，机器人手术操纵器装置可在(1)前按要求、请求或必须那样继续尝试移动仪器。

以此方式，在很高水平上，本发明的示范性实施例涉及一种实现自主患者摆位子***与机器人手术操纵器子***的协同组合的机器人手术装置，所述组合用于定位对患者使用的手术仪器且用于基于组织参数及/或植入物参数及/或患者摆位子***(例如，患者摆位子***的支撑件)的参数控制手术仪器。

以替代方式描述，本发明的示范性实施例涉及一种实现自主患者摆位子***与机器人手术操纵器子***的协同组合的机器人手术装置。自主患者摆位子***与机器人手术操纵器子***的组合准备好相对简单地完成且相对容易地连同本文中所描述的自主或部分自主机器人手术操纵器子***的编程进行编程。有利地，自主患者摆位子***与机器人手术操纵器子***的组合导致一种最终***及方法，其：(1)产生比预期更多的优点及益处；及(2)产生通过简单地作出任何其它看似等效组合无法获得的优点及益处。由所述最终***及方法实现的优点及益处包含更快手术时间、在手术期间被感染的风险降低、更有效且高效地使用手术资源及人员、更准确及精确地应用手术工具并减小对在经组合最终***上使用以使其可操作的专门繁琐设置的要求。

实际上，现有技术患者摆位子***存在无数个实例，如果其与现有技术机器人手术操纵器子***组合，那么其将不会产生在本发明中所描述的协同优点及益处。

因而，现有技术患者摆位装置将代表组件，如果其与现有技术机器人手术操纵器子***组合，那么其将不会产生在本发明中所描述的协同优点及益处。与多数(如果并非全部)现有技术的组合最多是组件的组合，如果不小于组件的组合。与此形成鲜明对比，本发明实现自主患者摆位子***与机器人手术操纵器子***的组合且几乎不会遭受并发症。

举例来说，且与并发症相关，固定/静态现有技术装置是在手术过程开始前定位、固定或安装在手术台上的装置。一旦过程开始，此类装置就无法容易地移动、调整或重新定位。因此，如果手术过程需要患者在过程的不同部分期间重新摆位，那么现有技术当前教示在患者摆位装置被移动或手动调整时手术必须被临时停止，通常通过使用翼形螺杆、杠杆、滑杆及类似物。

此外，还建议了机械、电或液压驱动装置，其教示一种用于在手术期间固持、操纵及维持患者的身体部位的设备。所述装置的一个实施例将患者的大腿及足部物理地捆绑到可使用提供横向、倾斜及摆动移动的电动机驱动齿轮移动的支撑件。然而，此类装置机械复杂且需要对装置的定位于无菌手术野中的部分消毒。此外，一旦患者被捆绑到装置中，对腿部进行手动摆位就是不可能的。本发明解决了这些问题。

因此，所属领域需要一种构造简单、易于安装及定位且可连同机器人手术操纵器子***在无菌手术野外使用的自动化患者摆位装置及方法。

人体测量学

可以设想，用一对电子秤来校准重量，重量可精确到0.1kg(其中移除了实验对象的鞋、袜及厚重的衣服)。使用测距仪，高度可精确到0.1cm(其中移除了鞋及袜)。可将身体质量指数(BMI)计算为重量(kg)/高度(m²)。

计算机断层成像(CT扫描)

计算机断层成像(CT)扫描组合从不同角度拍摄的一系列X射线图像，并使用计算机处理创建骨头的横截面图像以提供关于骨头结构的更详细信息。举例来说，可以设想，CT扫描可用于使健康的膝或髋关节及患病的膝或髋关节两者的整个关节可视化以允许进行定制装配。此外，在过程开始前，生成在其处执行过程的患者部位的位置的术前图像。这些图像可基于手术部位的MRI扫描、放射学扫描或计算机断层成像(CT)扫描。这些图像例如使用已知方法经映射到骨骼坐标***。

术前准备-

在治疗患者前，特定准备是必要的，例如给患者盖上消毒过的手术被单并准备要治疗的手术部位。例如，在膝关节成形术中，手术人员可在给患者及设备盖上消毒过的手术被单之后简单地将所关注腿部/足部放置及倚靠在患者摆位子***上。其它准备包含将手术所需的对象放置在手术室中。这些对象可包含腿部固持器、牵开器、吸引/冲洗工具、手术人员及类似物。为了促进在手术期间避开这些对象，可直接或间接确定这些对象中的一或多者的位置信息。在一些实施例中，在手术期间由导览子***动态地跟踪对象中的一或多者。

硬件

患者摆位子***-

可以设想，在一个示范性实施例中，提供一种患者摆位子***，且其包含：支撑件，其适应于抵靠患者足跟定位；作为驱动机构的部分的电动线性致动器，其用于沿着大体上线性路径移动所述支撑件；所述驱动机构的电源；支架，其用于将所述驱动机构安装到手术台；及远程装置，其用于致动所述驱动机构。

更明确来说，可以设想，支架用于将驱动机构固定到手术台的支撑轨，且驱动机构被锚定到支架。可使用翼形螺杆、夹钳或其它附接装置。支架及附件经设计使得驱动机构可取决于将执行的特定手术过程或虚拟边界的要求容易地从手术台的一个侧移动到相对侧或末端。还可以设想，致动器包含电动机、蜗杆传动装置及导螺杆以及推力管。对电动机供电会致使蜗螺杆驱动装置旋转，从而导致推力管伸出或缩回。用于致动驱动机构的远程装置控制到电动机的电力且通信地耦合到其它组件/子***，例如导览子***及/或其它处理单元。线性致动器可为在市场上可买到的装置，例如来自IL奥尔尼磁性公司(MagneticCorporation of Olney,IL)、SKF线性运动(SKF Linear Motion)的子公司的线性驱动装置。此外，驱动机构的电源是通过电插塞提供。

可以设想，在一个示范性实施例中，患者摆位子***的支撑件被垫衬且呈圆柱形形状以为患者的足跟/足部提供额外舒适度。可移动支撑件定位在患者足部下方接近足跟或在足跟上。支撑件的移动致使患者的膝折曲到手术过程的最佳位置，且根据需要调整虚拟边界。

从这个角度，还提供一种控制患者摆位子***的支撑件的方法。导览***，无论是否并入到患者摆位子***中及/或其自身是否建立为***中的独立组件，与患者摆位子***合作以关于应被应用手术仪器的患者的组织与不应被应用能量施加器的患者的组织之间的边界定位支撑件。接着，可致动患者摆位子***及/或可移动支撑件(例如，用定位在无菌手术野外、无菌布下的电动机及移动及/或重叠点)，而不会干扰患者、外科医生及/或其他手术助手的移动。

以优选形式，支撑件包含延伸部，优选地为角形，且驱动机构联接到延伸部。延伸部包含用于调整支撑件的高度的构件。所述构件包含延伸部上的多个大体上间隔的开口，及用于通过此类间隔的开口可释放地将延伸部锁定于预定位置中的销。在一个示范性实施例中，支撑件还包含装配到套筒中或变成套筒的角形延伸部，其中支撑件的高度可例如通过对准套筒中的不同孔与推力管的末端处的互补开口并例如用制轮楔固定推力管及套筒进行竖直调整。

可以设想，在一个示范性实施例中，自主患者摆位子***与导览子***通信地耦合，且因此直接或间接耦合到手术操纵器。导览子***经配置以与患者摆位子***合作以随着手术进行而关于当前存在及/或计算/预期存在的虚拟边界定位支撑件。

导览子***经配置以跟踪各个对象在手术室中的移动。此类对象包含例如手术仪器、患者的股骨及患者的胫骨、牵开器、膝关节稳定器、患者摆位子***或与其相关的组件及组织。导览***还出于操作排定的手术例程、显示其与外科医生的相对位置及定向的目的、出于控制或约束手术仪器及/或患者摆位子***相对于与股骨及胫骨相关联的虚拟切割边界的移动的目的而跟踪这些对象。

导览子***-

可以设想，在一个示范性实施例中，导览子***包括***，例如包括例如光学传感器的感测装置的光学***。如果是光学***，那么相机单元可被安装在可调整臂上以在具有必要的视野/曝光情况下(理想情况下，没有障碍物)定位光学传感器。位置及定向信号及/或数据出于跟踪对象的目的而传输到导览计算机。可以设想其它类型的***。

更明确来说，在一个示范性实施例中，导览子***是个人计算机或膝上型计算机。导览计算机具有显示器、中央处理单元(CPU)及/或其它处理器、存储器及存储装置。导览计算机被加载有软件。所述软件将从***接收的信号转换成代表被跟踪的对象的位置及定向的数据。所属领域的一般技术人员应理解鉴于本发明如何编码必要软件。

此外，导览子***包含导览处理器及可在导览处理器上操作的边界生成器模块。边界生成器模块经配置以基于多个输入生成边界。在特定示范性实施例中，***包括跟踪支撑件的移动的支撑部分跟踪装置，及必要软件，例如，经配置以从***接收数据的***引擎。***还包括跟踪多个虚拟边界中的第一虚拟边界的移动的第一边界跟踪装置，其中第一虚拟边界与将治疗的解剖学相关联。***进一步包括跟踪多个虚拟边界中的第二虚拟边界的移动的第二边界跟踪装置，其中第二虚拟边界与将由仪器等避开的对象相关联。

此外，在任何手术过程开始前，相关数据被加载到导览处理器中。基于跟踪数据的位置及定向，导览处理器确定手术仪器的工作端的位置及手术仪器相对于应用工作端所抵靠的组织的定向。在一些实施例中，导览处理器将数据或相关数据转发到操纵器控制器。接着，操纵器控制器可使用所述数据来控制机器人操纵器。此外，在本发明的一些实施例中，导览处理器将所述数据或相关数据转发到控制器子***。接着，控制器子***可使用所述数据来控制机动化患者摆位子***。

控制器子***-

可以设想，在一个示范性实施例中，控制器子***经配置以从导览***及/或其它组件或子***接收信息以控制患者摆位子***的机动化支撑部分。控制器还经配置以随着第一及第二虚拟边界在手术期间相对于彼此或相对于其它对象或组织移动而引导患者摆位子***的支撑部分例如相对于第一及第二虚拟边界中的每一者的移动。在一些示范性实施例中，控制器经配置为用于致动患者摆位子***的驱动机构的远程装置(从患者摆位子***的观点)。

更明确来说，在一个示范性实施例中，控制器子***是个人计算机或膝上型计算机。控制器子***具有显示器、中央处理单元(CPU)及/或其它处理器、存储器及存储装置。控制器子***被加载有软件。

此外，导览***可利用多个动态虚拟边界以经由控制器子***引导患者摆位子***的移动。导览***利用经建模虚拟约束边界以经由控制器子***致动驱动患者摆位子***的支撑件的移动的电动机。模型可在远程控制器子***的显示器上显示以展示患者摆位子***的移动如何影响手术对象及虚拟边界的位置。此外，控制器子***可经配置以与操纵器控制器通信，例如，以相对于这些虚拟约束边界及相对于患者摆位子***的移动引导操纵器。

以此方式，本发明的装置通过准许患者摆位子***的驱动机构进行远程及自主“智能”操作为外科医生提供便利。本发明还提供一种用于在手术过程期间对患者进行摆位的方法，其包括：将患者摆位在手术台上；在无菌手术野外抵靠患者身体的预定部分定位可移动支撑件；通过自动致动驱动机构以提供所述支撑件的线性移动以依不间断方式致使患者移动到手术过程的最佳位置来致使所述支撑件移动。

机器人手术操纵器装置-

可以设想，机器人手术操纵器装置的仪器或工具可经配置为(但不限于)：钻孔锥；钻头、锯条；超声振动头；电极头；RF电极；烧灼及消融头；及发光头。

软件-

可以设想，在一个示范性实施例中，软件模块运行于导览处理器或控制器子***或包括处理器及存储器的任何其它组件上。这些模块中的一者是生成定义应被应用仪器的组织与不应被应用仪器的组织之间的一或多个边界的映图的边界生成器。到边界生成器中的输入可包含将执行过程的部位的术前图像及/或计算机断层成像(CT扫描)信息及/或人体测量学信息。如果操纵器/仪器用于选择性地移除组织使得患者可被装配植入物，那么到边界生成器中的第二输入是植入物的形状的映图、尺寸及大小信息、制造变化等。此外，到边界生成器中的输入是外科医生设置。这些设置包含指示仪器应被应用到哪一组织的执业者设置。如果仪器用于移除组织，那么所述设置识别将移除的组织与在仪器应用之后剩余的组织之间的边界。如果操纵器用于帮助装配骨科植入物，那么这些设置定义植入物应定位在组织之上的位置。可以设想其它输入。基于输入数据及指令，边界生成器生成定义仪器边界的映图。

这些示范性模块中的另一者是可接收与应用到边界生成器的输入相同的通用输入的工具路径生成器。基于这些输入，工具路径生成器生成工具路径。工具路径生成器接收例如组织的图像、定义边界的形状的数据及关于边界的位置的外科医生设置作为输入。针对骨科手术过程，边界通常是植入物的形状；外科医生设置通常是植入物的位置。一旦过程开始，工具路径生成器就还可接收额外数据。基于此数据，工具路径生成器可修正工具路径。应了解，基于此数据，工具路径生成器定义工具或切割路径。还应了解，基于此数据，针对工具或切割路径生成边界约束。

这些示范性模块中的另一者是接收例如关于手术仪器、患者组织、***组件及子***的传感器数据及跟踪数据作为输入数据的定位引擎。基于这些信号，在涉及患者摆位子***的一个示范性实施例中，定位引擎确定骨头的位置及姿势，及患者摆位子***的状态，以及其组件的定向及定位。

此外，定位引擎将表示其工作的信号转发到例如坐标变换器。

这些示范性模块中的另一者是引用定义患者、工具及***等的术前数据与其当前状态之间的关系的数据的坐标变换器。坐标变换器还可存储指示手术对象及组织相较于其它手术对象及组织的相对性质的数据。

这些示范性模块中的另一者是含有将被应用仪器的组织的体积的映图的经移除材料记录器。通常，此是将移除的组织的体积的映图。维护此映图的其它数据可来自描述植入物的形状及外科医生的个人设置的数据，及与患者摆位装置如何影响骨头的位置及姿势有关的数据。用于定义此体积的其它数据源包含在过程开始时获得的映射数据。此外，记录器还可收集识别将被应用仪器、不被应用仪器、已经被应用仪器等的患者身上的位置的数据。此数据可基于跟踪臂、患者摆位***的平台等的移动的操纵器。此数据可基于命令的或测量的姿势数据。替代地，此数据可基于描述工具***的移动的数据生成。此外，记录器可将关于仪器及工具***的移动的数据变换成定义仪器相对于骨头移动的位置及可能地为患者摆位子***如何促成此情形的数据。记录器存储所述数据。

这些示范性模块中的另一者实际上是执行行为控制的一组模块。行为控制是生成指示仪器的下一命令的姿势的指令的过程。第二组软件模块执行运动控制。运动控制的一个方面是操纵器的控制。举例来说，运动控制过程从行为控制过程接收定义仪器的下一命令的姿势的数据。基于此数据，运动控制过程确定例如操纵器的接合角的下一位置。运动控制的第二方面是基于操纵器的约束将反馈提供到行为控制模块。运动控制模块还监测操纵器的状态以检测外力/转矩是否正在施加到***的操纵器或仪器或任何组件，或对象是否接触***的操纵器或仪器或任何组件。

从图式及以下描述，揭示的特定实施例将变得更加显而易见。

图1是经由自主患者摆位子***对患者进行摆位且连同机器人手术操纵器装置操作新的且有用的***的示范性实施例的说明。***1根据需要在手术内经由患者摆位子***10对患者进行摆位，其中患者的摆位是与手术仪器160的应用协调的自主模式。患者的摆位是至少部分地基于患者摆位子***10的操纵器50、手术导览***210、控制器子***36的要求及需求以及边界需求等。

展示用于将手术仪器160应用到患者600的示范性操纵器50。操纵器50包括被附接手术仪器160的末端执行器110。操纵器50定位末端执行器110以定位及定向手术仪器160，使得所述仪器对患者600执行预期医疗/手术过程。操纵器50连同手术导览***210及控制器子***36以及本文中描述的各种其它组件使用。

操纵器50包含推车52。推车52包含轮式车架。壳体56安置在所述车架上。操纵器50包含(分别地)下臂68及上臂70。每一臂68及70包含四杆联动装置。在特定示范性实施例中，操纵器50包含数个经互连连杆。这些连杆可串联及/或并联连接在一起。所属领域的一般技术人员应理解，这些连杆可与必要致动器及电动机一起形成两个并联四杆联动装置。仪器160连接到连杆的远端。通常，每一对邻近连杆通过接合点连接。连杆的位置由与接合点相关联的致动器设置。

手术导览***210监测末端执行器110及患者600以及患者摆位子***10的位置。导览子***210包括***216，***216包括光学传感器及在手术期间成功地跟踪对象及组织的其它传感器。***216在手术过程内从对象及组织上的***接收信号或将信号传输到所述***。如果***216从***接收光信号，那么所述***被称为相机或光学***。手术导览***210还包含导览处理器218。如果***216从***接收信号，那么***216将基于***相对于***的位置及定向的信号输出到处理器218。如果***从***216接收信号，那么***基于***到***的位置及定向或经由某种其它间接定位方法向处理器218进行输出。

基于接收到的信号，导览处理器218生成指示***到***216的相对位置及定向的数据。在一些版本中，手术导览***210可包含***、传感器***、***及/或计算机***。

基于此监测，手术导览***210确定手术仪器160相对于被应用仪器的患者的部位的位置及患者摆位子***10的位置。此外，生成仪器160应被应用到患者组织所沿着的行进路径。可在过程开始前生成此路径的至少基本版本。手术导览***210计算沿着预界定行进路径移动仪器所需的力及转矩。基于这些力及转矩，操纵器50经由末端执行器110沿着已界定行进路径移动手术仪器160。

更明确来说，在手术过程开始前，额外数据被加载到导览处理器218中。基于***的位置及定向或从组件传感器及处理器接收的数据及先前加载的数据，导览处理器218确定仪器160的工作端的位置及末端执行器110的定向以及平台的位置等。导览处理器218将此数据转发到操纵器控制器124。此外，控制器子***36(参见图2及相关揭示内容以获得更详细描述)将此数据转发到患者摆位子***10的电动机26。

接下来，操纵器50对由手术导览***210在仪器160上命令的力及转矩作出响应以定位仪器160。响应于这些力及转矩，操纵器50以模拟预期路径的方式机械地移动仪器160。随着仪器160移动，手术操纵器50与手术导览***210合作以确定仪器160是否在目标边界内。此边界在患者600内，且超过了此边界不应应用仪器160。操纵器50选择性地限制仪器160移动的范围。此外，操纵器50经由真实世界手术条件的经更新监测及分析而约束末端执行器110原本会导致仪器160应用于经界定边界外的移动。

换种方式来说，虚拟切割边界经创建以勾画可用于仪器160的区段及约束到仪器160的区段。手术导览***210经由***216跟踪末端执行器110/仪器160关于虚拟切割边界的移动以确定末端执行器110/仪器160相对于虚拟切割边界的位置及/或定向。此外，如本文中更详细地所论述，在过程开始前，额外数据被加载到导览处理器218中。基于***的位置及定向(其可能已由外科医生应用到患者600以界定手术部位)及先前加载的数据及虚拟切割边界以及患者摆位子***10的状态等，导览处理器218将所述数据转发到操纵器控制器124及控制器子***36(参见图2及相关揭示内容以获得更详细描述)。导览处理器218还生成指示仪器160到手术部位的相对位置的图像信号。

这些图像信号施加到在此实施例中也是手术导览***210的部分的界面220。界面220基于这些信号生成允许外科医生查看仪器160到手术部位的相对位置的图像。界面220包含触摸屏或允许键入命令且位于无菌野外的其它输入/输出装置。

此外，患者摆位子***10经配置用于将患者600摆位在手术台12上。手术台12被分段且包含头部及上半身支撑区段14、躯干支撑区段16及腿部支撑区段18。手术台12还包含基本上沿着手术台12的长度的一对支座轨20。

患者摆位子***10包含适应于定位在患者足部下方，明确来说，向上抵靠患者600的足部的足跟及/或足弓定位的支撑件22。患者摆位子***10还包含用于沿着大体上线性路径朝向手术台12的足部/底部或朝向手术台12的顶部/头部移动支撑件22的驱动机构24。驱动机构24经至少部分地配置为电动线性致动器。致动器包含具有蜗杆传动装置及导螺杆的电动机26，及推力管28。对电动机28供电会导致蜗螺杆驱动装置旋转，从而导致推力管28伸出或缩回。

支架30用于将驱动机构24固定到支撑轨20。使用翼形螺杆、夹钳或其它附接装置。支架30及附件经设计使得驱动机构24可取决于将执行的特定手术过程容易地从手术台12的一个侧移动到相对侧或末端。此外，驱动机构24由电动机26驱动。驱动机构24的电源是通过电插塞32提供。

为了患者600的舒适度而对支撑件22进行垫衬。在展示的实施例中，支撑件22呈圆筒形式。支撑件22包含装配到套筒40中或变成套筒40的角形延伸部38。套筒40包含延伸穿过套筒40的多个间隔的开口42。在展示的实施例中，支撑件22的高度可通过对准套筒40中的不同孔42与推力管28的末端处的互补开口并用制轮楔44固定推力管及套筒进行竖直调整。

在使用中，患者600被摆位在手术台12上，且患者摆位子***10经安装使得可移动支撑件22无需条带或啮合的情况下抵靠患者足部适当地定位，且患者600放松地躺在可移动支撑件22上。如所展示，本发明的患者摆位子***10在无菌手术野外定位及使用且不会干扰外科医生及/或手术助手的移动。这与现有技术形成鲜明对比。

特定来说，支撑件22的移动导致患者600的膝折曲到手术过程的最佳位置且用于根据需要调整虚拟边界。患者摆位子***10在可移动支撑件22处致动，其中电动机26及推力管28及例如支架30、电插塞32、角形延伸部38、套筒40、间隔的开口42及制轮楔44的其它电子器件及机械重叠点以及控制器子***36定位在无菌手术野外的无菌布58下。

从这个角度，提供一种控制患者摆位子***10的支撑件22的方法。尽管手术导览***210在***1中被说明且启用为其自身独立组件，但其与患者摆位子***10组件合作以至少部分地基于虚拟边界定位支撑件22。导览处理器218确定仪器160到边界的相对位置且经由控制器子***36确定患者摆位子***10的支撑件22与就位患者600的相对位置/定位(参考图2及相关揭示内容以获得更详细描述)。

在看起来导览处理器218要求、需要或必须定位仪器160超过边界的情况下，操纵器50不允许仪器160的此移动。代替地，如果导览处理器218确定仪器160所需的路径/点会导致仪器160触发或超出仪器160不应跨越的边界，那么导览处理器218直接或间接：(1)防止仪器160移动超过边界；及(2)调整患者摆位子***10的支撑件22及/或患者摆位子***10的任何其它组件或子***(例如电动机26及推力管28)，以对将治疗的组织进行重新摆位；及(3)在(2)处调整患者摆位子***10之后，重新评估/确定仪器160到新边界条件的相对位置。接着，机器人手术操纵器装置50可继续尝试在(1)前按要求、需要或必须移动仪器。

图2是共同合作以控制图1的整体***1的致动的数个模块的功能框图。安装到推车52的是操纵器控制器124及关节电动机控制器126。在此实施例中，操纵器控制器124是高速通用数字计算机。操纵器控制器124确定手术仪器160基于来自力/转矩传感器、编码器、手术导览处理器218的数据以及如本文中描述的***1的其它部分的其它信息应被移动到的位置。基于此确定，操纵器控制器124确定每一臂形成连杆需要进行移动以便重新定位手术仪器160及/或沿着所要路径引导手术仪器160的程度。关于连杆将定位的位置的数据被转发到关节电动机控制器126。

每一关节电动机控制器126调节通电信号到关节电动机中的单个者的施加。关节电动机控制器126的主要功能是将通电信号施加到相关联电动机，使得电动机将相关联关节驱动到接近所命令接合角的角度。

触摸屏显示器128或其它用户输入/输出单元也被安装到推车52。显示器128附接到也附接到推车的用户接口130。用户接口130控制信息在显示器128上的呈现且初始地处理经过显示器128键入的用户生成的命令/输入。

工具控制器132将通电信号供应到手术仪器160。工具控制器132通常包含：电力供应器；电力控制电路；用户接口；专用数据处理单元(未说明的组件)。电力供应器将线电压转换成可施加到手术仪器160的电力信号。电力控制器电路选择性地将电力信号施加到与仪器160成一体的发电单元。

在一些实施例中，操纵器显示器128用作工具控制器132的用户接口及输出显示器。用户接口130允许执业者键入关于她/他想要仪器160用作由***1提供的自动化的逆止器的指令。设置及调整工具控制器132及仪器160的操作设置的命令从用户接口130被转发到工具控制器132。

工具控制器132接收经过用户接口130键入的指令及操作仪器160所需的其它数据，如本文中详细地所描述。基于此数据，工具控制器132输出导致仪器160以由导览处理器218及操纵器控制器124以及促成***1的自动化的其它组件指示的方式操作的通电信号。

举例来说，控制器子***36经配置以从导览处理器218及/或其它模块接收信息，并根据需要将通信信号传输到工具控制器132以至少部分地基于由导览处理器218确定的第一及第二虚拟边界以及来自本文中所描述的***1的其它部分的其它信息控制患者摆位子***10的机动化支撑部分22。控制器子***36还经配置以随着第一及第二虚拟边界在手术期间被移动/被命令相对于彼此或相对于其它对象或组织进行移动而引导支撑件22例如相对于第一及第二虚拟边界中的每一者的移动。

如同工具控制器132，控制器子***36将通电信号施加到电动机26。控制器子***36通常包含：电力供应器；电力控制电路；用户接口；数据处理单元。电力供应器将线电压转换成可选择性地施加以旋转电动机26中的蜗杆传动装置及导螺杆的电力信号，从而导致推力管28伸出或缩回。用户接口130还允许执业者键入关于她/他想要电动机26用作由***1提供的自动化的逆止器的指令。

在一些示范性实施例中，操纵器显示器128用作控制器子***36的用户接口及输出显示器。设置及调整控制器子***36及电动机26等的操作设置的命令从用户接口130被转发到控制器子***36。

图3是图1的示范性***的放大侧视图。如本文中更详细地所描述，在一些手术过程中，有必要将患者600的肢体移动到第一位置进行初始工作，且接着，随着手术进行，将所述肢体或身体部分移动到第二、第三或更多最佳位置。以此方式，可在整个手术内修改或调整手术边界。尽管***1使患者摆位子***10的移动自动化，但在一些情况下，连同操纵器50(部分地展示)的自动化，外科医生可能无需远程地命令***1。

出于患者摆位子***10的目的，外科医生可使用脚动开关34远程地致动电动机26的驱动机构。此外，如本文中所描述，所有这些都在布58下方的无菌手术野外。取决于所要运动，外科医生可导致推力管28通过按压开关34的对应末端如图3中展示那样移动。开关34的激活导致控制器子***36在所要方向上驱动电动机26。

此外，控制器子***36接收经过用户接口130或脚动开关34键入的指令及操作电动机26所需的其它数据，如本文中更详细地所描述。基于此数据，控制器子***36输出通电信号，其导致电动机26以由控制器子***36、导览处理器218及操纵器控制器124以及促成***1的自动化的其它组件指示的方式操作，如本文中更详细地所描述。

以此方式，导览处理器218可利用多个动态虚拟边界(未展示)及自动化机器人手术算法，并通过来自控制器子***36的命令引导支撑件22的移动。导览处理器218利用经建模虚拟约束边界以经由控制器子***36致动患者摆位子***10的支撑件22的移动。用于自动化的模型可在显示器128(未展示)上显示以展示患者摆位子***10的移动如何影响所跟踪对象(由外科医生先前沿着且围绕手术部位放置的所跟踪对象)的位置。此外，控制器子***36与操纵器控制器124(未展示)通信以帮助引导操纵器50的链路及手术仪器160相对于这些虚拟约束边界的移动以及患者摆位子***10的移动等。

应将重点放在手术台12上的无菌布58上。布58用作无菌屏障。不同于经设计以附接到无菌布58的顶部上且难以(如果不是不可能)提供最佳无菌屏障/易清理***的现有技术关节成形术的肢体固持器，患者摆位子***10直接定位在手术台12上。患者摆位子***10经安装使得可移动支撑件22被适当地定位。

以此方式，患者摆位子***10及可移动支撑件22整体以及***1的除了操纵器50外的其它结构及机械特征在无菌手术野外定位、使用及/或致动(例如，在无菌布58下，其中患者600的腿暴露在无菌布58外，腿放在无菌布58的顶部上，其本身放在支撑件22的顶部上)。因为支撑件22是圆柱形且经配置以在手术台12的顶部上滚动及滑行，所以随着其通过电动机26进行移动，支撑件22将不会撕裂无菌布58，即使是外科医生或手术人员需要拉动无菌布58以便调整松弛部分等。此维持无菌手术野的完整性且远离可能污染定位将需要困难、成本较高及复杂的消毒及清理协议的任何复杂机械重叠点或枢转点或致动点。

此外，应将重点放在***1的驱动机构24的组成及定位上。驱动机构24与操纵器50的致动机构类似地及/或无关地组成。因为患者摆位子***10易于实施且易于并入到自主手术***中及到软件及应用需求中，所以此具有重要性，而无需使极限及/或复杂变化成为必要。

因而，***1通过准许患者摆位子***10的驱动机构的远程及自主“智能”操作为外科医生提供便利。***1还提供一种用于对患者600进行摆位的方法。

现参考图4，各图是使用图1到3的***的方法的示范性实施例的流程图。所属领域的一般技术人员应理解，示范性方法1000可由不限制本发明的范围的各种构件执行。从基于植入物参数及患者摆位子***10的位置控制手术操纵器50的观点呈现方法1000的流程图。可以设想操纵器50、导览***210及患者摆位子***10在手术过程中用于修复患者600的关节，例如膝关节、髋关节、肩关节及类似物。

更明确来说，在图4A的框1010，在过程前，使用例如MRI或CT扫描的术前图像来创建患者关节的三维模型。例如，MRI或CT扫描用于创建患者600的胫骨及股骨的3D模型。在图4A的框1012，出于在手术过程期间跟踪胫骨及股骨及用于将术前图像配准到解剖学的目的，使用常规方法将具有有源或无源标记的跟踪装置安装到患者600的胫骨及股骨中的每一者。

在图4A的框1014，导览***210接收关于将植入于患者600的股骨及胫骨上的植入物的形状、希望将从患者关节移除的材料的边界的信息及定义对患者摆位子***10的相对变化如何影响患者600的股骨及胫骨的位置及姿势的数据等。植入物及仪器160的测量可由坐标测量机(CMM)、激光测量装置、视频测量装置、测微计、轮廓投影机或其它合适装置进行。

在图4A的框1016，随着患者600放松地躺在手术布58之上的患者摆位子***10的平台部分22上，导览***210基于植入物的形状及关节的当前位置等在患者600的股骨及胫骨上创建虚拟边界。边界的三维形状与当患者600处于所述特定位置且成特定姿势时将从股骨及/或胫骨移除的植入物材料的目标体积相关。导览***210包含运行可操作以基于本文中所描述的多个输入生成边界的边界生成器软件的导览处理器218。

值得注意的是，通过在过程期间跟踪仪器160、患者600的胫骨及股骨的位置及/或定向及患者摆位子***10的当前状态，仪器160的远端被维持在手术边界内。随着边界与患者600的解剖学联系在一起，因为被治疗的患者600的解剖学可在手术过程期间移动，所以跟踪解剖学的移动还跟踪边界的移动。

方法前进到图4B的框1018且包含开始用附接到手术操纵器50的仪器160移除患者600的股骨及胫骨的目标体积的步骤。在图4B的框1020，导览处理器218确定仪器160到边界的相对位置且经由控制器子***36例如确定患者摆位子***10的支撑件22与就位患者600的相位位置/定位。

值得注意的是，为了执行此过程，控制器124及处理器218及控制器子***36等共同地保持跟踪数个不同***1组件及患者600。

在图4B的框1022，在看起来导览处理器218要求、需要或必须定位仪器160超过边界的情况下，导览处理器218不会允许仪器160进行此移动。代替地，如果导览处理器218确定仪器160所需路径/点会导致仪器160触发仪器160不应跨越的边界，那么导览处理器218直接或间接在图4B的框1024防止仪器160移动超出边界，且在图4C的框1026经由电动机26的致动经由控制器子***36调整患者摆位子***10的支撑件22例如以对被治疗的关节进行重新摆位，且在框1026调整患者摆位子***10之后在图4C的框1028重新评估/确定仪器160与新边界条件的相对位置。以此方式，本发明的实施例可十分准确且精确地定位患者关节，使得手术部位的边界经最佳界定以应用手术仪器160。

作为此重新摆位的部分，操纵器控制器124不会在经界定边界外移动仪器160，但控制器子***36不会定位平台22以根据手术需要及要求调整经界定边界。在图4C的框1030，在再次看起来导览处理器218要求、需要或必须定位仪器160超过边界的情况下，导览处理器218不会允许仪器160进行此移动。代替地，如果导览处理器218确定仪器160的所需路径/点会导致仪器160触发仪器160不应跨越的边界，那么方法回到框1026。在看起来不像导览处理器218要求、需要或必须定位仪器160超过边界的情况下，导览处理器218会允许进行移动。

在图4C的框1032，方法前进且包含用仪器160继续移除患者600的股骨及胫骨的目标体积的步骤。接着，方法前进到图4C的框1034且包含将实际植入物放置到关节中的步骤。接着，方法结束。

以此方式，手术导览***210与患者摆位子***10组件合作以至少部分地基于虚拟边界、基于本文中所描述的示范性使用方法定位支撑件22。在其它更详细示范性实施例中，方法可包含控制器子***36从导览处理器218及/或其它模块接收信息，及根据需要将通信信号传输到工具控制器132以至少部分地基于第一及第二虚拟边界以及来自本文中所描述的***1的其它部分的其它信息控制患者摆位子***10的机动化支撑部分22。控制器子***36还可随着在手术期间第一及第二虚拟边界相对于彼此或相对于其它对象或组织被移动/被命令移动而引导支撑件22例如相对于第一及第二虚拟边界中的每一者的移动。

本文中描述的示范性方法中的特定步骤自然地领先于如描述那样起作用的本发明的其它者。然而，如果此次序或顺序不会更改本发明的***及方法的功能性，那么本发明不限于描述的步骤的次序。即，应认识到，一些步骤可在其它步骤之前、之后或并行(基本上同时)执行而不会背离本发明的范围及精神。在一些例子中，可省略或不执行特定步骤，而不会背离本发明。此外，例如“此后”、“接着”、“接下来”等的词不希望限制步骤的次序。这些词仅用于通过示范性方法的描述引导读者。

图5是经由自主患者摆位子***对患者进行摆位并连同机器人手术操纵器装置操作、还包含自主边垫302的新的且有用的***的第二示范性实施例的说明。***2相同于***1，只是除了以下所描述差异外。

***2根据手术需要经由患者摆位子***10及边垫子***300对患者进行摆位，其中患者的摆位是与手术仪器160的应用协调的自主模式。此外，患者的摆位是至少部分地基于操纵器50、手术导览***210及患者摆位子***10的控制器子***36的要求及需求以及边界需求等。

手术导览***210监测末端执行器110及患者600及患者摆位子***10及边垫子***300的位置。基于此监测，手术导览***210确定手术仪器160相对于被应用仪器的患者部位的位置及患者摆位子***10的位置及边垫子***300的位置。此外，生成沿着仪器160应被应用到患者组织所沿着的行进路径。

更明确来说，在手术过程开始前，额外数据被加载到导览处理器218中。基于***的位置及定向或从组件传感器及处理器接收的数据及先前加载的数据、导览处理器218确定仪器160的工作端的位置及末端执行器110的定向以及平台22的位置及边垫302的位置。导览处理器218将此数据转发到操纵器控制器124。此外，控制器子***36将此数据转发到患者摆位子***10的驱动机构24并转发到边垫子***300的驱动机构304。

接下来，操纵器50对由手术导览***210对仪器160命令的力及转矩作出响应以定位仪器160。响应于这些力及转矩，操纵器50以模拟预期路径的方式机械地移动仪器160。随着仪器160移动，手术操纵器50及手术导览***210合作以确定仪器160是否在目标边界内。操纵器50经由真实世界手术条件的经更新监测及分析而约束末端执行器110原本会导致仪器160应用于经界定边界外的移动。

导览处理器218将数据转发到操纵器控制器124及控制器子***36以用于控制患者摆位子***10及边垫子***300。患者摆位子***10及边垫摆位子***300经配置用于将患者600摆位在手术台12上。

类似于患者摆位子***10，边垫子***300包含适应于抵靠患者600的侧定位，明确来说，抵靠将对其手术的侧的患者600的大腿定位的侧支撑件/边垫302。边垫子***300还包含用于相对于台12横向地移动侧支撑件302以调整患者600大腿的横向位置的边垫驱动机构304。驱动机构304经至少部分地配置为相比于驱动机构24具有较短冲程长度的电动线性致动器。因而，经由如同支架30的支架，驱动机构304可固定在手术台12下以便利用较短冲程长度，同时仍将驱动机构304定位在无菌手术野/布58下方。此外，为了患者600的舒适度而对侧支撑件302进行垫衬。在展示的实施例中，侧支撑件302呈平坦垫衬的形式。

在使用中，患者600定位在手术台12及患者摆位子***10上，且侧支撑件302经安装使得可移动支撑件22抵靠患者足部适当地定位，且使得可移动侧支撑件302无需条带或啮合抵靠患者大腿内适当地定位，且患者600放松地躺在可移动支撑件22上且朝向边垫302自然地向外跌落(由于患者600的无意识状态)。

特定来说，支撑件22的移动导致患者600的膝折曲到手术过程的最佳位置，且用于根据需要调整虚拟边界。类似地，侧支撑件302的移动导致患者600的膝朝内或朝外横向移动到手术过程的最佳位置，且用于根据需要调整虚拟边界。患者摆位子***10在驱动机构24处致动，且侧支撑件302在驱动机构304处致动。

从这个角度，提供一种控制患者摆位子***10的支撑件22的方法及一种控制侧支撑件子***300的侧支撑件302的方法。手术导览***210与患者摆位子***10组件及侧支撑件302组件合作以至少部分地基于虚拟边界定位支撑件22及侧支撑件302。导览处理器218确定仪器160到边界的相对位置，且经由控制器子***36确定支撑件22及侧支撑件302与就位患者600的相对位置/定位。

在看起来导览处理器218要求、需要或必须定位仪器160超过边界的情况下，操纵器50不允许仪器160的此移动。代替地，如果导览处理器218确定仪器160所需路径/点会导致仪器160触发仪器160不应跨越的边界，那么导览处理器218直接或间接：(1)防止仪器160移动超出边界；及(2)调整支撑件22及/或侧支撑件302及/或任何其它组件或子***以对将治疗的组织进行重新摆位；及/或(3)在(2)处调整患者摆位子***10及/或侧支撑件子***300之后重新评估/确定仪器160到新边界条件的相对位置。接着，机器人手术操纵器装置可继续尝试在(1)前所要求、需要或必须那样移动仪器。

使用通过实例提供的且不希望限制本发明的范围的其实施例的详细描述描述了在医疗或手术过程期间用于对例如膝的身体部位进行摆位的患者摆位***的***、装置及方法。所描述实施例包括不同特征，在根据本发明的磁性假体的所有实施例中并不是都需要其全部。本发明的一些实施例仅利用部分所述特征或所述特征的可能组合。所属领域的技术人员将想到描述的本发明的实施例及包括在所描述实施例中提及的不同特征组合的本发明的实施例的变化。

所属领域的技术人员应了解，根据本发明的在医疗或手术过程期间用于对例如膝的身体部位进行摆位的患者摆位***的***、装置及方法不受本文中在上文特定展示及描述的内容限制。确切来说，根据本发明的用于在医疗或手术过程期间对例如膝的身体部位进行摆位的患者摆位***的***、装置及方法的范围由所附权利要求书界定。

***1

***2

患者摆位子***10

手术台12

头部及上半身支撑区段14

躯干支撑区段16

腿部支撑区段18

轨20

支撑件22

驱动机构24

电动机26

推力管28

支架30

电插塞32

脚动开关34

控制器子***36

角形延伸部38

套筒40

间隔的开口42

制轮楔44

操纵器50

推车52

壳体56

布58

下臂68

上臂70

末端执行器110

操纵器控制器124

关节电动机控制器126

显示器128

用户接口130

工具控制器132

手术仪器160

手术导览***210

***216

导览处理器218

界面220

边垫子***300

边垫302

边垫驱动机构304

患者600

方法1000。

Claims (14)

1.一种用于在手术过程期间对患者进行摆位的设备，其包括：

圆柱形垫衬支撑件，其适应于抵靠患者身体的足部定位，所述支撑件包括延伸部，且所述延伸部包括用于调整所述支撑件的高度的构件，所述支撑件还包括具有用于沿着大体上线性路径移动所述支撑件的线性致动器的电驱动机构，及用于将所述驱动机构安装到手术台的侧的支架；及

远程装置，其用于致动所述驱动机构，所述远程装置至少部分地经配置为所述支撑件的控制器，所述控制器通信地耦合到手术导览***，所述手术导览***经配置以与所述控制器合作，以相对于对边界要求的变化定位所述支撑件，所述边界界定应被应用自动化手术仪器的所述患者的组织及不应被应用所述手术仪器的所述患者的组织；

其中所述远程装置及所述手术导览***经配置以位于用于所述手术过程的无菌手术区域之外。

2.根据权利要求1所述的用于对患者进行摆位的设备，其中所述延伸部为角形。

3.根据权利要求1所述的用于对患者进行摆位的设备，其中所述驱动机构联接到所述延伸部。

4.根据权利要求3所述的用于对患者进行摆位的设备，其中所述延伸部界定多个大体上间隔的开口。

5.根据权利要求4所述的用于对患者进行摆位的设备，其进一步包括销，所述销用于经由所述大体上间隔的开口将所述延伸部可释放地锁定于预定位置中。

6.根据权利要求1所述的用于对患者进行摆位的设备，其进一步包括用于所述远程装置的、作为对所述手术导览***的紧急超越控制的脚动开关，所述脚动开关经配置以通信地耦合到所述远程装置，且位于所述无菌手术区域之外且位于所述手术台下方。

7.根据权利要求1所述的用于对患者进行摆位的设备，其中所述手术导览***包括手术***、导览处理器及在所述导览处理器上运行的边界生成器模块，且其中所述控制器包括处理器及在所述远程装置处理器上运行的平台控制模块。

8.一种用于在手术过程期间对患者进行摆位的设备，其包括：

圆柱形垫衬支撑件，其适应于抵靠患者身体的足部定位，所述支撑件包括延伸部，且所述延伸部包括用于调整所述支撑件的高度的构件，所述支撑件还包括具有用于沿着大体上线性路径移动所述支撑件的线性致动器的电驱动机构，及用于将所述驱动机构安装到手术台的侧的支架；

远程装置，其用于致动所述驱动机构，所述远程装置至少部分地经配置为所述支撑件的控制器，所述控制器通信地耦合到手术导览***；及

边垫，其适应于抵靠所述患者身体的大腿定位在与所述患者身体的所述足部相同的侧上，所述边垫包括支撑所述边垫的延伸部，所述边垫还包括具有用于相对于所述手术台的所述侧横向地移动所述边垫的线性致动器的电驱动机构，及用于将所述驱动机构安装到手术台的所述侧的支架，所述远程装置还经配置用于致动所述边垫的所述驱动机构，所述手术导览***经配置以与所述控制器合作，以相对于对边界要求的变化定位所述支撑件及所述边垫，所述边界界定应被应用自动化手术仪器的所述患者的组织及不应被应用所述手术仪器的所述患者的组织；

其中所述远程装置及所述手术导览***经配置以位于用于所述手术过程的无菌手术区域之外。

9.根据权利要求8所述的用于对患者进行摆位的设备，其中所述支撑件的所述延伸部为角形。

10.根据权利要求8所述的用于对患者进行摆位的设备，其中所述支撑件的所述驱动机构联接到所述支撑件的所述延伸部。

11.根据权利要求10所述的用于对患者进行摆位的设备，其中所述支撑件的所述延伸部界定多个大体上间隔的开口。

12.根据权利要求11所述的用于对患者进行摆位的设备，其进一步包括销，所述销用于经由所述大体上间隔的开口将所述支撑件的所述延伸部可释放地锁定于预定位置中。

13.根据权利要求8所述的用于对患者进行摆位的设备，其进一步包括用于所述远程装置的、作为对所述手术导览***的紧急超越控制的脚动开关，所述脚动开关经配置以通信地耦合到所述远程装置、且位于所述无菌手术区域之外且位于所述手术台下方。

14.根据权利要求8所述的用于对患者进行摆位的设备，其中所述手术导览***包括手术***、导览处理器及在所述导览处理器上运行的边界生成器模块，且其中所述控制器包括处理器及在所述远程装置处理器上运行的边垫控制模块。

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