CN107072674A - 多平面可变几何锯齿切割铰接式钻机系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种铰接式钻机系统，包括手持部分和钻机部分。至少两个执行器提供用于控制钻机部分的至少两轴。导航系统提供用于控制至少两个执行器。在一些实施例中，钻机部分提供工具，该工具适配为用于与患者组织进行交互。钻机部分可改进为包括与执行器连通并且附接至钻机部分的至少两个刚性对象。系统可用于在±1.0mm和±1.0°或更好的偏差内对患者组织进行线性切割。

Description

多平面可变几何锯齿切割铰接式钻机系统
相关申请
本申请要求于2014年9月23日提交的序列号为62/054,009的美国临时申请的优先权，且其内容特此通过引用方式并入。
技术领域
本发明一般涉及到计算机辅助钻孔系统，更特别地，涉及一种用于辅助外科手术的新型实用系统。
背景技术
在胸外科，胸腔打开和肋骨缩回经常出现。通常，因为难以适当地闭合和加固用于最佳切割面凝固的线性胸骨切口，摆动锯被用于产生穿过胸骨的弧形切口；这部分是由于缺少确定的参考或锚定多平面结构以帮助密封封闭。但是利用现有设备切割出弧线实际上是很困难并不精确的。理想地，胸骨应当以这样的模式切割，其中所分开胸骨的两个半部能以最大化稳定性和表面积接触的方式重新结合，以使得原发性骨愈合具有最大可用骨骼点和元件。
手动切割锯或者钻机可被操作切割诸如三角连续波这种图案，在本文中该三角连续波通常和同义地称为“锯齿形”图案。然而，这种自由形式切口图案是不精确的，易于错过切口和遭受振动偏差。其他非铰接式(non-articulating)系统带有跟踪机构，在监视器上显示设备的位置和方向。然而，这需要操作者在切割期间不断地检查监视器，并且几乎没有提供帮助以防止误切、不恰当的切割位置或根据计划和/或预编程的切割图案限制位移的能力。
因此，这需要一种方法和设备辅助操作者以一种图案精确地切割胸骨，随后闭合，两个半部连接以提供优异的稳定性和增加的接触表面积，以促进最佳的骨愈合。这进一步需要一种系统防止钻机操作者偏离预先指示的计划切割路径。这也需要一种钻孔系统允许操作者补偿切割表面的位移，同时保持精确切割图案穿过受试者胸骨。
发明内容
提供一种铰接式(articulating)钻机系统，其包括手持部分和钻机部分。提供至少两个执行器用于控制所述钻机部分的至少两轴。提供导航系统用于控制执行器。在某些实施例中，一工具与钻机部分一起提供并适于与患者组织交互。在某些实施例中，该工具可以精确地在组织上标记用于数字化和/或配准的指定区域。在某些实施例中，提供钻机防护件在切割表面的下侧行进，以避免钻机切割钻机防护件下方的任何表面，包括患者组织。
在某些实施例中，导航系统提供关于所述钻机部分的位置、方向或速度之一的实时反馈。当操作设备时，实时反馈可包括将一表面与钻机部分相关联的信息以供控制使用，以调节所述至少两个执行器来补偿表面移动或手持部分的用户移动或防止设备操作超出预指示图案。在某些实施例中，提供用户反馈机构，诸如触发器或者脚踏板。用户反馈机构可以由用户激活以用于与所述导航系统和期望新的固定平面运动的所述钻机进行通信。在某些实施例中，手持部分包括用于附接刚性参考引导件的适配器，该刚性参考引导件为用户提供参考引导件的平面相对于所述钻机部分的平面之间的视觉关系。
钻机部分可被修改为包括与所述至少两个执行器连通并附接到所述钻机部分的至少两个刚性对象。
系统可用于在患者组织上以±1.0mm和±1.0°或更好的偏差内进行任意线性切割。
在某些实施例中，线性切割以“三角波图案”切割用于胸外科手术的胸骨。
附图说明
本发明按照下述附图进一步描述。这些附图并不旨在限制本发明的范围而是展示其某些属性。
图1是由本发明产生的各种示例性的三角波切割图案；
图2是一种铰接式手持钻机的等距视图；
图3是铰接式手持钻机的更详细描绘；
图4展示钻机部分以两个自由度铰接；
图5描绘一种建议的执行器和铰接式手持钻机的钻机部分之间的连接方式；
图6是使用本发明的系统可创建的示例性切割多平面路径；
图7描绘手持钻机系统的一种优选结构；
图8是手持钻机系统的外部硬件和控制的示意图；
图9描述了铰接式手持钻机带有可附接的参考引导件；
图10是手持钻机系统的线性导轨轴承机构的详细视图。
具体实施方式
本公开发明在此描述了一种沿任意平面精确切割的铰接式手持钻机系统，更具体地，沿表面创建精确光滑的图案切口，该图案切口一般并且特别地切至主体胸骨。
应当理解，在提供值范围的情况下，该范围不仅包括该范围的端点值，而且还包括如明确包括在该范围内并且随该范围最后一个有效数字变化的中间值。例如，1到4的列举范围旨在包括1-2、1-3、2-4、3-4和1-4。
如本文所用，“三角波图案”被定义为包括三角波、锯齿图案及其变型(其中图案的线段为弧形)的周期τ的至少一半。根据本发明，在本文中，关于切口图案，“锯齿形”与“三角波”同义使用。图1和图6示出了根据本发明的示例性切口图案，但这并非限制。
本发明在此还表示一种系统，其在开始切割之后并在切开表面期间铰接以将钻机保持在固定的运动平面中。固定平面应理解为保持在旋转度为±1°和平移为±1mm范围内。
在此公开的本发明进一步包括使用导航系统，其包括安装在装置本身上的可跟踪标记、切割目标、或者在切口区域中提供固定参考系、或这些标记器位置的组合。标记器的使用和定位取决于以下因素，包括：切割目标预期运动的程度、切割的精度要求、与手术导航系统接口、放射性主体的特定数据集以及设备的设计和人体工学特征。
本系统的一个特定优点是操作者可以在任意时刻指示系统需要改变切割的平面(例如从锯齿的一个转角到锯齿另一个转角)。
下面对本发明的优选实施例描述并非旨在将发明限制在这些优选实施例，而是使得本领域技术人员可以制造并使用本发明。
一般地，本发明的铰接式手持钻机系统101如图2所示。其主要部件包括手柄105、钻机102和钻头/刀片103。参照图3，手柄包括连接钻机102的至少两根杆106。此后，杆106指的是可以线性致动并附接到钻机部分102的刚性部件。如图4所示，杆由手柄105内的部件线性致动，以在至少两个自由度上平移和/或旋转钻机102。由手柄106内的部件所控制的杆将钻头/刀片103保持在与手柄105方向无关的期望平面中。例如，基于杆106相互之间的致动量，钻机102可以铰接，如图4中表示为α和‘d’的旋转和/或平移。因此在外科手术期间，切割开始后，可在限制范围内保持期望的切割面，而与用户手部如何移动无关。本发明的系统101可应用于切割需要线性切割或一组切割的任何表面或任何物体。在至少一个实施例中，在本发明的系统被优化来用于切割胸骨，但是并不局限于该用途。由本发明系统切割的其它手术情景位置示例性地包括膝关节、髋关节、脊柱、肩关节、肘关节、踝关节、颚、肿瘤部位、手或足关节和其他适当的手术部位，或以同样的方式或逻辑用于任何骨切割面中。本技术领域人员应当理解该设备用于各种不同的外科应用，诸如创伤、矫形外科、神经病学、ENT、肿瘤学等。另外，系统可以用于帮助用户执行需要线性切割或一组切割的外科手术，例如但不限于全髋关节置换术、全膝关节置换术、骨截骨术、脊柱外科手术、显微外科手术刀稳定术、整形手术、颅外科和颅面。类似地，应当理解，尽管所公开的发明被描述为用于医疗设置，但是该设备的其他应用可以用于需要实现和/或计划精确平面切割的任何地方，诸如为构造、稳定焊接/激光、飞行器检查、键合化合物(例如)平滑、木工、砌筑、焊接、缝纫应用而进行切割或为在大工件上产生精确的铆钉图案而进行切割。
钻机
本发明的系统101提供一种切割预期切割表面的机构。用于切割胸骨或其他骨组织的钻机和各种切割钻头/刀片的构造和类型在本领域中是公知常识。例如，在本领域中已知用于人体组织的钻机和用于木材的钻机虽然相似，但由于其预期用途和无菌要求的差异而明显不同。钻机可替换为锯或者本领域目前公知的任何其它可操作切割设备。市售手术锯包括deSoutterMedical制造的心胸DBC和DPX系列，以及用于全髋和膝关节成形术的振荡尖端锯，例如由Stryker制造的System 7Precision Saw。其它类型的切割钻头/刀片可以包括毛头(burr)、立铣刀、铰刀、刀具、雕刻工具、钻头延伸件、钻头(broach)、铣刀、砂磨机以及可附接到往复或旋转钻机/锯102的任何其它工具。
除了包括刀片调节、手柄调节或旋钮调节(未示出)的一个或多个调节以便特定于用户偏好来定位钻机、其把手或旋钮之外，在某些本发明实施例中的钻机具有构造成由人手握持的手柄105。在至少一个实施例中，钻机作为独立单元由操作者手持，没有能够无线地接收和执行致动命令的外部约束。在其他实施例中，钻机和/或其部件电连接到外部单元108，例如但不限于计算机、处理器、控制器、电源、导航系统和/或其组合。
在一个实施例的设备中，杆106通过铰链机构107附接到钻机102，该铰链机构107允许钻机至少在两个自由度上移动。在其他实施例中，杆通过捕获的球体112附接到钻机，其中，其中一根杆适配到套筒113中，该套筒113允许球体来回滑动，如图5所示。当线性致动杆时，钻机实现最优位移。
在某些发明实施例中，系统101包括钻机防护件。当存在时，钻机防护件110在切割表面的下侧行进且阻止钻头/刀片103切伤任何其下表面。在手术环境中，钻机防护件110防止切割表面下方的软组织无意切割。钻机防护件当前存在于手术锯上且可以有不同构造。例如，开颅手术锯具有钻机防护件，其具有坐落在刀片下方的成角度的有脚配件，以防止在切割颅骨时损伤脑组织。在一个实施例中，钻机防护件110由一球体形成，该球体位于附接到钻头/锯片103顶端的球体内，附接到钻头/锯片103顶端的球体沿着胸骨的下侧行进，同时不随钻头旋转而显着旋转，以避免可能的摩擦烧伤和切割软组织。
铰接式钻机
杆106的致动向钻头/刀片提供受控的移动以将其沿着期望的或预先计划的平面固定。在至少一个实施例中，两根杆106被独立地致动以允许钻头/刀片103可以在至少两个自由度上被操作。例如，如果两根杆以相反方向致动，则钻机旋转一个角度α，如图4所示。例如，两根杆以相同方向致动，钻机平移一段距离‘d’。致动实时进行以适当地调节杆以在切割期间保持期望的切割平面。在切割期间，旋转α和/或平移‘d’的程度和量取决于期望切割平面相对于手柄的方向和位置。在另一个实施例中，钻机包括三个或三个以上附接到钻机102所致动的杆106以允许钻头/刀片可在三个或三个以上自由度上操作。类似地，每一独立杆被致动的量控制所期望的切割平面。
控制杆的机构可通过组装在在手柄105内的多个部件来实现。这包括但不限于同步电机、伺服电机、执行器电机、蜗杆传动、齿轮、螺钉、轴承、电源、液压系统、气动系统和/或其组合。用于驱动杆106的机构可由任意线性执行器所产生。可使用来自一个或多个控制器118的信号协调容纳在手柄105内的部件，从而控制钻机102的位置和方向，控制器118包括微处理器，其可容纳在设备内、附接至设备、和/或位于设备外。在一个实施例中，通过两个单独的控制器108从实时处理器109接收信号，由两个独立的线性执行器致动杆。基于由光学跟踪系统118所感测的钻机部分的位置和方向，实时计算机109向控制器108和/或致动部件提供反馈以在切割期间保持钻头/刀片的正确平面。维持期望平面的执行器也可直接与导航系统、操作者反馈系统、计算机、一个或多个处理器和/或其组合通信。
在优选的实施例中，导航系统独立于手柄跟踪钻机部分102的位置和方向。包括有源或无源标记器104的跟踪阵列111被附接到钻机102。与跟踪手柄部分105相比，跟踪钻机102具有多个特定的控制优点。因为钻机102是移动部分且直接由刚性手柄105控制，所以一个优点是无需相对于手柄105校准钻机102。在其他实施例中，至少三个或三个以上的有源或无源标记器被直接附接到和/或并入钻机部分102和/或在钻机部分102内以独立于手柄跟踪钻机。在另一个实施例中，三个有源标记器被构造在可被附接到或并入钻机部分102的标记器阵列111上。有源或无源标记器能够以多种配置和数量被安置在钻机102上。
在其他实施例中，手柄105可被导航系统跟踪，或者钻机的整体位置和方向被跟踪。在进一步的实施例中，手柄和钻机可以包括独立的有源和/或无源标记器组，使得两个部件可通过一个或多个导航系统相对于彼此被跟踪。
本发明的手持钻机系统优选实施例的更详细的视图在图7中示出。如前文所述，手持钻机系统包括钻头/刀片103，和用于线性往复和旋转钻头/刀片103的钻机102。托架201将钻机部分与两根致动杆207连接。在此所示的两根杆207是能够沿线性引导件221滑动的线性导轨。线性导轨207的近端附接有螺母209。螺母与导螺杆211连通。伺服电机213旋转导螺杆211因而使得螺母209沿导螺杆的轴平移。附接到螺母209的线性导轨207相应地移动。因此，控制器可以如前文所述控制伺服电机旋转导螺杆211获得钻机部分的最终位置和方向。
为了稳定性，两台伺服电机213被封装到壳体217。图7中的手持钻机系统也包括两个电气输入端口205和219。电气输入端口205被适配于接收电力和/或钻机102的电机控制输入。电气输入219被适配于接收电力和/或两台伺服电机213的电机控制输入。另外，托架包括将跟踪阵列附接或固定到钻机部分的固定机构203。最后，触发器215与手持部分结合以提供用于用户输入的机构。
用于手持钻机系统的外部硬件和控制装置的优选实施例实施例如图8所示。实时计算机301被编程为系统提供大多数计算任务。来自光学跟踪系统303的数据被发送到可计算手术室内任意被跟踪对象姿态的实时计算机301。或者，光学跟踪系统303可计算被跟踪对象的姿态并直接向实时计算机301发送位置数据。钻机部分的测量姿态与期望或预先计划在三维(3D)空间的姿态相比较。比较可能是相对于其他在手术室内的被跟踪对象，例如一根带有固定跟踪阵列的骨头。用户可通过用户界面计算机305预先计划在手术室内的期望平面。用户界面计算机305可被用于本文描述的各种其他应用。实时计算机301和用户界面计算机305可通过有线或者无线网络307通信。
实时计算机301向两台伺服电机控制器311和313发送控制设置点以校正手持钻机部分的实际测量姿态和期望位置之间的任意偏差。一台伺服电机控制器311控制后端伺服电机而另一台伺服电机控制器313控制前端伺服电机。伺服电机控制器可以是例如由MaxonPrecision Motors,Inc.(Fall River，MA)制造的EPOS电机控制器。实时计算机301也处理来自触发器215和/或来自触发器/踩踏板集成模块315的脚踏板(下文描述)的用户命令。来自实时计算机301和触发器/踩踏板集成模块的命令被发送到连接钻机输入端口205以控制钻机102的钻机控制器321。钻机控制器321可例如由Bien-Air(Bienne Switzerland)制造的BienAir电机控制器。前端伺服电机控制器313、后端伺服电机控制器311和触发器/踩踏板集成模块315连接到电缆分配器317。从电缆分配器317经由电气输入端口219接收指令，伺服电机213被相应地控制。
导航系统
在设备的一个实施例中，钻机的位置和方向被跟踪以确定其在空间中相对于患者解剖的位置。许多类型的导航系统是可用的，例如由NDI制造的Polaris光学导航系统或由Atracsys制造的accuTrack 500，其利用照相机来跟踪手术区域中的有源和/或无源标记器。类似地，钻机的位置和姿态可使用安装在钻机102上的有源和/或无源标记器104跟踪。有源和/或无源标记器能够发射或反射光信号，例如可见光、红外线、紫外线、射频、声波、磁场或能够与导航系统通信的任何其它信号。导航系统的光学跟踪系统118可被电连接到实时处理器和/或计算机109以实时地跟踪钻机102的位置和方向并向控制器108发送信号，控制器108控制手柄内的部件，以相应地驱动在期望平面的杆。在一个实施例中，光学跟踪系统可同步捕获光学标记器的位置。在其它实施例中，个别光学标记器的位置可依次被光学跟踪系统捕获。
在设备的另一个实施例中，导航系统还结合有并入和/或附接到钻机部分的惯性测量单元，例如加速计和/或陀螺仪，以额外跟踪设备(未示出)的速度、位置和方向信息。在一个实施例中，使用本领域公知的滤波技术，如卡尔曼滤波，来自惯性测量单元的数据可在处理器/计算机109内融合来自光学跟踪系统的数据，以估计钻机部分的位置、速度和方向。惯性测量单元可以通过电连接或者WiFi、TCP/IP、UDP、蓝牙或者LiFi连接无线发送数据到实时处理器和/或计算机以接收并处理数据。在另一个实施例中，GPS(未示出)可以类似地作为一种跟踪钻机部分的方法，并且可以与来自光学跟踪系统和惯性测量单元的光学数据相关联地使用。
在一个实施例中，使用跟踪单元来跟踪设备，跟踪单元例如但不限于有源标记器、无源标记器、惯性测量单元、GPS和/或它们的任意组合。另外，跟踪单元可以在钻机上具有多个数量、方向和位置以确保精确的跟踪。在本发明的另一个实施例中，包括有源或无源标记器104的跟踪阵列111可被电连接到钻机并容纳在多个位置或者可以直接合并到钻机部分102。图3展示了在一个实施例中跟踪阵列111在钻机部分102上的例子。
在手术期间，导航系统提供将钻面与钻机102的位置和方向联系的反馈。附加的跟踪单元组可以附接到解剖结构并且提供解剖参考系以监测表面的任何位移。另外，光学标记器可位于手术室中的固定位置，以提供原点作为光学跟踪系统118的坐标参考系。然后，导航系统可以检测钻机和解剖结构的位置和方向，以通过控制器108和/或手柄105内的部件发出任何适当调节杆的信号以保持期望的切割平面。包含光学跟踪、惯性测量单元和/或GPS的导航系统可以直接地或通过诸如计算机/处理器109、控制器108之类的其它设备与容纳在手柄105中的执行器部件通信，使得期望平面保持按照预先计划的切割路径，补偿用户误差和/或解剖移动及它们的任何组合。
在一个实施例中，光学标记器104是能够通过位于钻机系统101上的微处理器驱动的LED，微处理器能够驱动LED以高速率传输数据。微处理器是可以传送多种数据类型。一个示例包括来自惯性测量单元的数据，惯性测量单元可以改善系统的等待时间并提供快速跟踪机制。钻机系统101可另外包括附接或合并在钻机部分102和/或手持部分105内的无线接收器，其可接收来自计算机、处理器、控制器或导航系统的信号和/或数据以维持期望的切割平面。另外，接收器可以是连接到微处理器的光学接收器，微处理器附接至或合并在手持部分105和/或钻机部分102内。钻机系统还可以包括在手持部分105和/或钻机部分102内的微控制器，其通过钻机系统上的接收器接收能够控制执行器的信号，并且可以进一步改进系统的等待时间。
在某些发明实施例中，系统101记录预先指示的切割图案或者在操作钻机之前由操作者教导的切割图案。在至少一个实施例中，通过将钻机和/或钻头/刀片103的顶端接触操作者指定的目标点来向实时处理器109教导参考点。可包括光学跟踪系统118、惯性测量单元和/或GPS的导航系统都可被用作跟踪和设置用户指定的期望点和平面。在至少一个实施例中，操作者所指定的目标点被一台或多台计算机109记录，其中一台或多台计算机与光学跟踪系统118、惯性测量单元、GPS和/或其中的操作者-反馈结构部分进行通信。例如，在一个示例性实施例中，图6示出的切割图案显示了在“胸骨”114前部上的“锯齿形”116切割路径，但是以直线117保持在胸骨后部上。在一个实施例中，用户可通过选择“锯齿”的拐角点115来预定义“锯齿形”切割路径，其通过导航系统由计算机/处理器109注册并记录。然后，操作者将沿着胸骨114的中间向下稳定地切割直线。接着，设备将进行铰接运动以保持钻尖(在胸骨下方)在指示的拐角点115之间的最佳拟合线上，同时钻体以线对线的方式通过顶部上的拐角点155。所得到的图案提供确定的和不同的参考标记和支撑结构以连接胸骨后操作的两半。
在另一个实施例中，实时处理器109可被连接到另一个计算机/处理器或者直接连接到监视器(未示出)以显示关于手术的信息。监视器显示的信息例如但不限于钻机相对于解剖结构的位置、手术的进展、手术步骤、切割精度、警告、安全区域、术中计划、术前计划、切口深度及它们的任意组合。另外，用户可借助于鼠标、键盘、悬架、触摸屏及它们的任意组合与监视器对接。用户界面允许用户操作多种任务，例如但不限于定义术中计划、选择新平面切割、中断或者终止手术、改变切割速度、定义切割平面、基于已经执行或想要执行的切割来相对于解剖结构放置三维(3D)虚拟植入物。在一个具体实施例中，解剖结构的3-D模型展示在显示器上并且随着实际解剖结构的一部分被钻机移除而更新。然后，用户可以虚拟地显示在进行任何骨改变之前植入物如何可以适配在改变的骨上。这可以在手术期间用作实时术中调整的形式将植入物精确地配合在骨上。另外，用户界面允许用户发送信息到处理器/计算机109、一个或多个控制器108、光学跟踪系统118、钻机系统101、钻机部分102、其他外部部件和它们的任意组合。
操作者反馈机构
操作反馈机构允许来自操作者的快速通信以与本发明的系统101交互。操作反馈机构可以可选地是一个或多个机构、按钮、开关的系统，和可包括一台或多台用于解释操作者交互的计算机。在某些发明的实施例中，操作者反馈机构被用于使得操作者能够出于各种原因与系统通信。在某些发明的实施例中，操作者反馈机构是触发器或者脚踏板。在某些发明的实施例中，操作者反馈机构可被操作者在任意时刻激活以向导航系统和设备传达切割平面应当从一个平面改变到另一平面，例如从锯齿的一个转角到锯齿另一个转角。从一个平面到另一个平面的改变将匹配由用户给出的指示，该指示涉及用户在该时间持有设备的方式，即与通过设备的手柄的矢量匹配的平面，或者瞄准在切割之前所指示的胸骨另一部分上的预指示端点的平面。
操作者反馈机构提供一种方法来指示期望切割平面的改变。在另一个实施例中，实时处理器109和光学跟踪系统118可以根据用户指示的预定义点/平面自动确定平面的变化已经发生。光学跟踪系统获知解剖结构相对于钻机部分的位置，并且已经由用户教导了术中计划。当用户切割并到达平面将要改变的预定义点时，用户可以简单地将钻机部分的方向改变到新平面且实时处理器109通过光学跟踪系统118可以自动获知平面已经改变并保持新的平面。因此用户无需附加的触发器或者脚踏板以指示平面已经改变。在一个实施例中，用户可以享有计算机自动更新新平面选项，或者通过触发器或脚踏板以指示系统新平面选项。
在另一个实施例中，触发器(未示出)并入到钻孔系统101且可以由操作者使用以控制钻机速度。触发器被压下的量可与钻头/刀片103的速度增量相关。触发器被拉动的量可与钻头/刀片的速度成线性或者非线性关系。触发器可被放置于手持部分105上，或者钻机部分102。速度触发器可与钻机部分102直接通信以控制速度。
铰接式机构
部件的制造公差和组装可以对铰接式钻机的精度和性能具有显着影响。在一个实施例中，参照图10，钻机部分102的铰接是由旋转导螺杆123的执行器电机产生的。导螺母122连接到连接线性装配件125的隔间124。因此导螺母122通过隔间124连接到线性组件而不是直接连接到线性组件125。在隔间124内是具有位于精密配合孔内的精密球形部件121的机构。该机构允许运动朝Z和X轴的运动及围绕导螺杆和全部轴的旋转，且限制朝Y方向的运动，因而可以传递线性运动，以使钻机部分适当地进行铰接运动。该机构的目的是消除由于制造和组装公差的变化引起的过约束导螺杆和线性导轨组件的可能情况。
参考引导件
在某些医疗过程中(例如全膝关节置换术)期间，需要进行多个平面切割以制备用于植入物的胫骨和股骨。随着钻头/刀片被更深地导入到骨中，用户对于在刀片尖端处的切割具有较少的可见性。随着更深的切割，在更深的区域中控制平面变得更加的困难。因此多个不同配件可以装配到手持部分105且构造成向用户提供关于钻头/刀片位置和方向的参考引导件。参考图9，手持部分105可包括适配器119，其中附接不同类型的参考引导件以帮助指引用户。参考引导件为用户提供关于钻头/刀片相对于手柄的期望平面的视觉连续确认过程。因此用户可以使用参考引导件将手柄保持在有助于将钻头/刀片保持在期望平面中的方向和位置。这对于可能难以控制切割平面的较深切割来说尤其有用。这也可以最小化更深的切割的可变轨迹与预先计划的最佳切割平面轨迹间的改变。
在一个实施例中，参考引导件可以是如图9所构造的附接到手持部分两侧的简单刚性对象。在这个实施例中，引导件匹配切割平面的平面，而且当用户横向切割平面时还可以保护软组织和/或提供关于钻头/刀片103插入骨中有多深的参考。引导件可以是刚性而柔韧的以最小化参考引导件碰到任何软组织的风险。引导件通过提供直接在手术部位的视线中的物理参考平面和/或相对于工作部分102附接到手持部分的手术视线来辅助用户。
在另一个实施例中，参考引导件由在期望平面中推进的流体平面提供。流体平面也可以用于在手术部位中冲洗、控制切割期间的温度梯度和/或去除骨片。在一个实施例中，流体导管可通过适配器119被附接到手持部分的一侧和/或两侧。流体可沿路线流动或者流体导管可被组装，以在平面中喷射流体，该平面利用钻机部分相对于手持部分的位置和方向提供关于期望的切割平面相似的视觉参考引导件。在一个实施例中，流体平面能够以扇形喷射。在另一个实施中，流体能够以直流喷射。在其他实施例中，使用一条或多条流体流来提供在一条或多条扇形流、直流和/或它们组合中的视觉参考引导件。流体流可配置为从钻头/刀片的上方、下方、侧方和/或两侧的位置喷射，但是旨在为用户提供期望切割平面相对于手持部分位置和方向之间的参考。流体可以是例如盐水、带有抗生素的盐水或带一种或多个化学物的流体，该一种或多种化合物对患者有益，如认证外科医生认为合适的。另外，流体流或者透明塑料参考引导件可以是由LED照射以向用户提供关于期望切割平面的更好的视觉反馈。
在其他实施例中，附接到流体导管端部的喷嘴可以用于调节流体的流动和/或形状。例如，喷嘴可被旋转以将流体平面的形状从扇形流改为直流。这类喷嘴是本领域公知的。类似地，用户可通过用户反馈机构控制流体开启、关闭和/或改变被推进到手术部位的流体速度。
在另一个实施例中，冲洗管道由可作为独立单元附接到手持部分的罐或加压隔间代替。例如，包含连通的流体隔间和加压隔间的容器可以通过手动加压或从二氧化碳罐推进流体，从而不需要具有附接到手持装置的外部泵或大型灌溉管。因此，设备仍然可以是没有外部连接的无线独立单元，以保持设备对用户的易用性。
设备反馈
手持钻机系统的触觉、音频和视觉反馈的使用可以向用户提供用于执行手术的附加提示和信息。在一个实施例中，手持部分105可包括附加的执行器、陀螺仪、惯性测量单元、可向用户提供运动学反馈震动触觉设备。本领域中存在当设备在特定方向上移动时提供作用在手上的力的感觉的系统。一个此类例子是由微软研究院所开发，提供反作用转矩反馈的手持设备GyroTab。当设备在特定方向上平移或者旋转，设备提供一个相反的反作用力。手持部分105可以包含类似的元件以帮助在手术期间为引导用户提供额外的附加稳定性和/或帮助找到手术前计划平面。触觉反馈也可用于将用户引导至安全区，在该安全区处，钻机部分102可作为设备的安全特征来接合。
触觉反馈还可以通过与用户的手通信的机构向用户提供反馈以将手持部分调整到期望切割平面。在一个实施例中，触觉机构是位于手持部分前端与用户手指通信的触发器。在其他实施例中，触发器是位于手持部分后端与用户的手掌通信。触发器可以旋转和平移用户的手指，指示手持部分和钻机部分的切割平面之间的误差量。如果手持部分被定向或定位成与期望的切割平面成一角度或距离，则触发器将向用户提供反馈，以通过朝手持部分需要调整的方向旋转和/或平移来调整手持部分以保持平面。在其他实施例中，触发器包括在触发器上的旋转部，旋转该旋转部来向用户提供触觉反馈以相应地调整手持部分保持切割平面。触发器上的旋转部的速度、方向和/或连续旋转可以指示手持部分需要被调整以维持切割平面的量、方向和/或程度。触发器还可以平移向用户提供触觉反馈调整手持部分，以最小化手持部分和期望切割平面之间的平移误差。
触觉反馈还可以由连接到钻机部分和与用户的手通信的手持部分的机构提供。在一个实施例中，刚性结构(例如棒或杆)的一端垂直于钻机部分固定。刚性结构的另一端被垂直固定到例如镍钛诺的柔性材料一端。柔性材料的另一端被固定到与用户的手通信的手持部分。该机构向用户提供钻机部分的平面相对于手持部分的反馈。如果手持部分的位置和/或方向偏离保持期望的切割平面，则柔性材料将向用户的手或手指弯曲以提供力反馈，使得朝与该力的相反方向调整手持部分。柔性材料没有力将指示手持部分正确地对齐以保持钻机部分在期望的切割平面上。
在其他实施例中，在手持部分上与用户的手通信的触觉反馈机构可提供基于术前或者术中计划的新切割平面信息。例如，当用户到达目标点以改变切割平面时，可提供平移和旋转反馈的触发器可指示用户新平面的位置和方向。触发器可通过在手持部分内部的机构与实时处理器通信以改进对用户的反馈。
在另一个实施中，音频反馈可以由系统提供以帮助用户达到各种不同的目的。例如而不限于系统可以在已经找到或达到正确的平面或平面密度时通知用户，通知用户改变平面，如果钻机部分在特定限制之外或正在接近系统不能再调整的限制等，则警告用户。声音可以是任何可听信号，例如蜂鸣、可变蜂鸣序列、某种语言或方言的可听声音、或可以将消息传达给用户的声音的组合。不同的声音可与不同的功能关联。另外，可听声音可与在监视器上提示的消息或信号相关联。
在一个实施例中，系统包括视觉反馈。除了或替代连接到实时处理器的监视器，用户可佩戴一副眼镜。带有内置元件或者外部元件的眼镜可在手术期间向用户显示多种视觉数据。眼镜可以电和/或无线连接以接收来自实时处理器109、光学跟踪系统118、钻机系统101、钻机部分102、另外的外部设备及它们任意组合的信号。可被用户查看的数据类型可包括但不限于手术的进程、前一手术步骤、当前手术步骤、后继手术步骤、平面切割精度、设备在工作范围外的警告、到特定平面的引导、叠加的个体解剖模型、叠加的术前或术中计划模型等。
安全性和无菌
使用铰接式手持钻机系统的可用性和安全性在医疗环境中是至关重要的。在设备的一个实施例中，安全性检查和/或体积的创建使得钻机能只在需要时接合。例如，当钻机部分在由术中或术前所定义平面周围的临床安全范围内的合适安全体积时，实时处理器/计算机109将才发送信号到控制器108并致动在手柄105内的部件。与实时处理器连接以利用患者特定数据的导航系统可以确定钻机部分是否处于适当的体积和/或期望的平面中。在另一个实施例中，可并入到钻孔系统101的灯光或者警告信号变为绿色时指示用户钻机是可操作的且在安全区域内，或者红色信号指示钻头/刀片不可操作且在安全区域外。信号可以是LED灯或者显示屏的形式，其附接或者并入到钻机部分102或手柄105上。一个附加的实施例可提供音频提示钻机部分102在安全体积内或者不安全部分内。音频提示可以蜂鸣、系列蜂鸣、改变节奏的蜂鸣或目标接近度提醒的可变序列、语音记录或任意其他合理布置的音频信号形式以指示安全区域和非安全区域。
任何医疗设备必须是无菌的或者具有无菌屏障以减少对患者的任何感染风险。在一个实施例中，无菌屏障可以覆盖在钻机系统101上，其中钻头/刀片103可以从钻机部分102移除以进行消毒或处理。在另一个实施例中，整个钻机部分102可从手持部分105处分离以进行处理或者拆解并适当地消毒。可能与患者接触的设备材料应由本领域公知的生物相容性材料制成，以确保患者的安全。另外，任何可再用的部件应可被本领域公知的方法消毒。
其他应用
本文所述的手持钻机系统可通过改变带有不同功能性末端操作机构(endeffector)的钻头/刀片而用于其它应用。钻头/刀片103可替换为在骨上产生视觉标记的工具，例如外科手术标记器或笔。考虑到在不同外科手术应用中产生精确平面切割的必要性，设备可用于在待切割的骨上勾画或标记有助于外科医生定义外科手术切口和手术中规划的特定平面。许多设备试图限定胫骨和股骨切口以恢复膝盖的机械轴线。设备标记应当进行切割的位置，并且可以从膝关节的外科手术部位膨胀挤出和外部连接到距骨，以正确地标记切割的配准。利用附接至钻机部分的标记器相对于附接至解剖结构的标记器，具有适配视觉标记器的钻机系统而不是钻头/刀片能够基于光学跟踪系统的精度非常精确地限定切割位置。在一个实施例中，带有视觉标记器尖端的钻机系统可用于创建关于在全膝关节成形术中的胫骨植入物的龙骨位置和方向的十字准线。另外，特定的全膝关节成形术，在外科医生已经进行远侧股骨切割之后，钻机系统可用于标记线以精确地放置四合一切割块，通过手动仪器完成手术的其余部分。
在本发明的其他实施例中，钻头/刀片103可替换为允许铰接式钻机系统用于数字化和/或配准以使多个彼此相关的不同坐标系匹配的工具。钻机系统可被用于配准诸如而不旨在限于术前患者数据(例如来自MRI或者CT、CT/MRI混合数据)、术中数据(例如荧光镜检查)、患者解剖结构的3D仿真模型、患者特定3D解剖结构模型和普通解剖结构3D模型、光学标记器和/或跟踪器相对于患者解剖结构的位置与方向，以校准光学跟踪系统坐标系、指定手术室中相对于患者解剖结构和/或相对于光学跟踪系统和/或相对于光学标记器或跟踪器等的特定点。本领域技术人员应该理解利用手持设备在医疗环境中匹配相对于彼此各种坐标系的功能。配准可通过利用包括半尖锐尖端的杆或者小球探针改变钻头/刀片实现，以定位并配准对象上的特定点，使得实时处理器109匹配各种对象相对于彼此的坐标系，以允许在外科手术期间对每个对象的精确跟踪。
在另一个实施例中，铰接式钻机系统可以柔性模式使用，使得钻机系统可用作除了切割之外的方法。柔性模式可激活以用于上述配准。另外，柔性模式可连同附接到钻机部分而不是钻头/刀片的不同工具用于勾画和限定可以在计算机中建模和/或存储的表面。通过放置新的尖端并沿表面拖动它，曲线、起伏、轮廓等可以由该工具感测并由处理器/计算机记录。只要工具尖端在记录过程期间与表面接触，钻机部分将相对于表面如何移动而移动。该方法可用于重建和限定表面。该方法还可以用作将不规则解剖结构与房间内其他对象的坐标系或与附接到特定解剖结构的标记器/跟踪器坐标系配准的快捷方式。
配件
在另一个设备的实施例中，其他配件可被放置在钻机系统101上向用户提供附加支持以拿住手持系统。手持部分的底部延伸可以允许用户使用双手操作铰接式钻机，从而提供更多的稳定性和控制。在另一个实施例中，用户穿戴的外科手术手套可直接与手持部分接触以提供操纵钻机系统的额外稳定性。手套可包括将用户的手维持在期望切割平面中的锁定机构，当用户需要改变平面时，可相应地调整该锁定机构。另外，手套可包括例如在手套的食指上的引导件或凹口，手持部分可以对齐该引导件或凹口，以提供关于期望切割平面和最佳手持-用户人体工程学的额外参考引导。这对于外科医生的安全性和苛刻的病例很重要。
在另一个实施例中，流体导管可通过将流体推进到外科手术部位中但不必如上所述提供参考平面的适配器119附接到手持部分。在这个实施例中，当导航系统和执行器保持钻机部分102在期望切割面内时，用户可通过调整手持部分105的方式推进流体到外科手术部位的不同位置。因此，在钻机部分102保持期望的切割路径的同时，用户可以在图4中钻机系统101的α和‘d’的范围内灌注、切碎骨或在视觉上清除外科手术部位中的其他位置。例如通过适配器119和/或通过可用于将外部流体导管附接到容纳在手持部分内的流体导管的配件，流体导管可附接到手持部分的外表面。例如，一条或多条流体导管可被附接到手持部分底部的一个或多个端口，其提供与手持部分内的导管流体连接。内部导管被连接到在手持部分上面向外科手术部位处的出口或喷嘴。用户可以利用如前所述的用户反馈机构以指示流体打开、关闭和/或控制流体的速度。
两个自由度对三个自由度
在两个自由度中操作的设备和在三个自由度中操作的设备在外科技术、控制优点、人体工程学等方面具有不同的优点。对于具有两个自由度的设备，与三个自由度设备相比较时，运动更为简单、用于手柄105的电机可以更大、且在不损害人体工程学设计的情况下两个自由度内的运动范围可以更大。但是，三个自由度的设备可向用户提供额外的运动度。例如，当使用三个自由度的设备切割胸骨的时候，可将钻机的方向全程控制为与胸骨所在平面垂直。外科医生可在切割的同时指示平面改变且设备可这样做，因此过渡点将不会在进行平面变化时呈现钻机定向的不连续性。但是对于具有两个自由度的设备，因为只要在临床可接受的标准范围内，相对于胸骨的法向方向不是特别关键，所以下一个平面的方向可根据钻机在平面过渡点的方向确定。
示例
应该理解，虽然已经结合其详细描述对本发明进行了描述，但上述描述意在说明而不是限制由附属权利要求所限定的本发明范围。其它方面、优点和修改都在以下的权利要求的范围内。
示例1
在心脏手术中使用本发明的系统。系统包括由导航系统跟踪的铰接式手持钻机，其中在切割开始后，设备可以铰接以在切穿患者胸骨期间将钻机保持在限制范围内的固定运动平面中，而与外科医生的手如何运动无关。外科医生使用可跟踪标记器或者安装在设备自身的参照设备，在胸骨的骨解剖处补偿切割图案由于患者的呼吸而导致胸骨的位移以保持高精度和一致性切割。
外科医生沿第一切割平面开始切割。外科医生到达外科医生想改为切割锯齿形图案的期望区域，并通过拉动触发器指示设备切割平面应改变。
使用钻机防护件，其位于钻机尖端外，随着骨切割而沿着胸骨下侧行进，使得钻机不会切入骨解剖结构下方的软组织。外科医生开始在锯齿的一个方向切割，同时铰接保持钻机的运动沿着相同的精确方向，以补偿在切割期间可能因外科医生的移动而出现的任意偏差。外科医生拉动钻机上的触发器，指示导航系统允许外科医生改变方向到锯齿的另一个方向。导航系统与致动部件通信，保持平面在锯齿另一个方向并避免外科医生返回到锯齿原来的方向，除非并直到另一个操作反馈机构被使用。外科医生沿着胸骨的长度反复这个过程。一旦锯齿图案制作完成，在心脏外科手术完毕后闭合胸骨将更容易执行而且稳定。另外，通过使用上述示例，外科医生可优化骨整合和可能最小化胸骨重新布线的再次手术。
样例2
样例1中的过程再次执行，但是使用预先指示的端点且图案由外科医生在切割前通过接触设备尖端在患者的胸骨上绘制图案预先指示。一旦预先指示图案完成，在心脏胸外科手术完毕后闭合胸骨将更容易执行而且稳定。
其他实施例
虽然至少有一个示范性的实施例已在上述详细描述中提出，但应该理解多种变化的存在。还应当理解单个示例性实施例或多个示例性实施例仅仅是示例，并不是旨在以任意方式限制所述实施例的范围、适用性或者构造。相反，上述详细说明向本领域技术人员提供方便的路线图以实施单个示范性实施例或多个示范性实施例。应当理解，在不脱离如所附权利要求及其法律等同物所阐释的范围的情况下，可对元件的功能和设置进行各种变化。

Claims (47)

1.一种铰接式钻机系统，包括：
手持部分；
钻机部分；
用于控制所述钻机部分的至少两轴的至少两个执行器；以及
用于控制所述至少两个执行器的导航系统。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少两个执行器允许在至少一个固定运动平面中操作所述钻机部分。
3.根据权利要求1或2之一所述的系统，其中所述钻机部分至少有三轴以在至少三个自由度上操作。
4.根据权利要求1或2之一所述的系统，其中所述钻机部分至少有四轴以在四个自由度上操作。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述导航系统包括至少一个光学标记器和至少一个光学接收器。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述光学标记器是反射型标记器。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述光学标记器是有源标记器。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述有源标记器是发光二极管。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述导航系统进一步地包括惯性测量单元。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述钻机部分进一步地包括与组织交互的工具。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述工具是钻头、锯或者针头。
12.根据权利要求10所述的系统，其中所述工具在组织上标注视觉标记。
13.根据权利要求10所述的系统，其中所述工具在组织上标注特定区域用于数字化和/或配准。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述钻机部分进一步地包括钻机防护件，其中所述钻机防护件在切割表面的下侧行进以避免钻机切割钻机防护件下方的任何表面。
15.根据权利要求10所述的系统，其中所述工具进一步地包括在所述工具尖端的钻机防护件，其中所述钻机防护件在切割表面的下侧行进以避免钻机切割钻机防护件下方的任何表面。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述钻机防护件是第二球体内的一球体，所述球体旋转速度低于所述工具使得组织损害最小化。
17.根据权利要求1所述的系统，其中所述导航系统提供关于所述钻机部分的位置、方向或速度之一的实时反馈。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，当操作设备时，所述实时反馈提供将一表面与所述钻机部分相关联的信息供控制器使用，以调节所述至少两个执行器来补偿表面移动。
19.根据权利要求17所述的系统，其中，当操作设备时，所述实时反馈提供将一表面与所述钻机部分相关联的信息供控制器使用，以调节所述至少两个执行器来补偿所述手持部分的用户移动。
20.根据权利要求17所述的系统，其中，当操作设备时，所述实时反馈提供将一表面与所述钻机部分相关联的信息供控制器使用，以调节所述至少两个执行器来防止设备的操作超出预指示图案。
21.根据权利要求1所述的系统，其中所述钻机部分由所述导航系统跟踪，而与所述手持部分的位置和方向无关。
22.根据权利要求1所述的系统，其中在钻机操作之前通过将钻机部分触摸到用户指定的目标点来记录预指示图案。
23.根据权利要求10所述的系统，其中在钻机操作之前通过将所述工具尖端触摸到用户指定的目标点来记录预指示图案。
24.根据权利要求1所述的系统，进一步包括用户反馈机构。
25.根据权利要求24所述的系统，其中所述用户反馈机构是触发器或脚踏板。
26.根据权利要求24所述的系统，其中所述用户反馈机构是由用户激活以用于与所述导航系统以及期望新的固定运动平面的所述钻机通信。
27.根据权利要求24所述的系统，其中所述用户反馈机构控制所述工具的速度。
28.根据权利要求1所述的系统，其中所述手持部分包括用于附接刚性参考引导件的适配器，所述刚性参考引导件为用户提供所述参考引导件的平面相对于所述钻机部分的平面之间的视觉关系。
29.根据权利要求28所述的系统，其中所述可附接参考引导件由流体平面指示。
30.根据权利要求28所述的系统，进一步包括用于照亮所述参考引导件的光源。
31.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少两个执行器包括线性执行器。
32.根据权利要求1所述的系统，进一步包括面向用户的反馈提示。
33.根据权利要求32所述的系统，其中所述反馈提示是视觉和/或听觉的。
34.根据权利要求32所述的系统，其中所述反馈提示是触觉的以帮助引导或维持用户所处的位置或方向。
35.根据权利要求1所述的系统，进一步包括与所述至少两个执行器连通并附接到所述钻机部分的至少两个刚性对象。
36.根据权利要求35所述的系统，其中至少一个刚性对象附接到所述钻机部分以允许所述钻机部分旋转。
37.根据权利要求36所述的系统，其中配件为所述钻机部分上的槽内的轴承。
38.根据权利要求36所述的系统，其中所述刚性对象包括附接至所述钻机部分的铰链机构。
39.一种使用权利要求1所述的系统在±1.0mm和±1.0°或更好的偏差内进行线性切割的方法。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述线性切割是用户使用权利要求1所述系统所定义的一组线性切割的一部分。
41.根据权利要求39所述的方法，其中所述线性切割是由用户术前计划和通过权利要求1所述系统执行的一组线性切割的一部分。
42.根据权利要求39所述的方法，其中所述线性切割是由用户术中计划和通过权利要求1所述系统执行的一组线性切割的一部分。
43.根据权利要求39所述的方法，其中所述线性切割是用于膝关节置换手术的一系列平面切割中的一部分。
44.根据权利要求39所述的方法，其中所述线性切割是用于膝关节表面置换手术的一系列平面切割中的一部分。
45.根据权利要求39所述的方法，其中所述线性切割是用于膝关节矫正手术的一系列平面切割中的一部分。
46.根据权利要求39所述的方法，其中所述线性切割是使用权利要求1所述系统为胸外科以“三角波图案”在胸骨上切割。
47.根据权利要求39所述的方法，其中所述线性切割是使用权利要求1所述系统为胸外科以“三角波图案”在胸骨的前部和以直线在胸骨的后部上切割。
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