CN107405156B - 用于演示对解剖体的计划自主操纵的系统和方法 - Google Patents

Abstract

通过机器人手术系统的工具来演示对解剖体的计划自主操纵的手术系统和方法包括生成表示在第一模式中对由工具自主操纵解剖体的体积的计划约束的操纵参数，并且生成与操纵参数相关并相对于解剖体的表面定义的演示性参数。演示性参数对解剖体的侵入性比操纵参数小。工具在第二模式中按照演示性参数移动，从而相对于解剖体的表面演示对解剖体的自主操纵的计划约束。

Description

用于演示对解剖体的计划自主操纵的系统和方法

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年5月19日提交的美国临时专利申请No.62/163,654的优先权和权益，该申请的公开内容通过引用被整体地结合于此。

技术领域

本发明一般而言涉及用于演示对解剖体的计划自主操纵的系统和方法。

背景技术

机器人手术系统越来越多地用于对患者执行手术过程。机器人手术系统通常包括机器人设备，该机器人设备包括具有可以对其进行高准确度放置的自由的远端可移动臂。应用于手术部位的工具或端部执行器附连到臂的自由端。操作者能够移动臂，从而精确地在手术部位处定位工具以执行过程。

操作者通常希望在手术操作期间以不同的操纵模式动态控制工具。例如，在一些情况下，操作者可能希望手动模式来手动控制工具以便批量操纵解剖体。在其它情况下，操作者可能希望以自主模式控制工具以便自动且高准确度地操纵解剖体。

鉴于自主操纵的效率和准确性，自主操纵很可能在将来取代手动操纵。但是，操作者在手术室中对进行自主操纵可能犹豫不决。许多操作者喜欢手动操作，因为手动操作给操作者带来具有对工具的完全控制的印象。换句话说，由于感觉到与自主操纵相关联的控制不足，因此对允许机器人设备对患者自主操纵，操作者可能会犹豫不决。

发明内容

提供了用于操纵解剖体并演示对解剖体的计划自主操纵的机器人手术系统的一种实施例。机器人手术系统包括被配置为操纵解剖体的工具。控制器被配置为生成操纵参数，其表示在第一模式中对由工具自主操纵解剖体的体积的计划约束。控制器生成与操纵参数相关的演示性参数。演示性参数相对于解剖体的表面定义，使得演示性参数对解剖体的侵入性比操纵参数小。控制器被配置为在第二模式中按照演示性参数来指示工具的移动，从而相对于解剖体的表面演示对解剖体的自主操纵的计划约束。

提供了用于操纵解剖体并演示对解剖体的计划自主操纵的机器人手术系统的另一种实施例。机器人手术系统包括被配置为操纵解剖体的端部执行器和被配置为与解剖体交互的演示性工具。控制器被配置为生成操纵参数，其表示在第一模式中对由端部执行器自主操纵解剖体的体积的计划约束。控制器生成与操纵参数相关的演示性参数。演示性参数相对于解剖体的表面定义，使得演示性参数对解剖体的侵入性比操纵参数小。控制器被配置为在第二模式中按照演示性参数来指示演示性工具的移动，从而相对于解剖体的表面演示对解剖体的自主操纵的计划约束。

还提供了通过机器人手术系统的工具来演示对解剖体的计划自主操纵的方法的一种实施例。所述方法包括生成操纵参数，其表示在第一模式中对由工具自主操纵解剖体的体积的计划约束。生成与操纵参数相关的演示性参数。演示性参数相对于解剖体的表面定义，使得演示性参数对解剖体的侵入性比操纵参数小。该工具在第二模式中按照演示性参数自主移动，从而相对于解剖体的表面演示对解剖体的自主操纵的计划约束。

还提供了通过机器人手术系统的端部执行器来演示对解剖体的计划自主操纵的方法的另一种实施例。该方法包括生成操纵参数，其表示在第一模式中对由端部执行器自主操纵解剖体的体积的计划约束。生成与操纵参数相关的演示性参数。演示性参数相对于解剖体的表面定义，使得演示性参数对解剖体的侵入性比操纵参数小。演示性工具在第二模式中按照演示性参数自主移动，从而相对于解剖体的表面演示对解剖体的自主操纵的计划约束。

该系统和方法有利地演示了在第二模式中的计划的自主操纵。与在第一模式中的操纵的侵入性不同，第二模式中的演示是微创或非侵入性的，因为它是相对于解剖体的表面执行的。通过在第二模式中自主地移动端部执行器或演示性工具，操作者可以在进行第一模式中的自主操纵之前，使计划的自主移动的表示可视化。因此，第二模式向操作者提供了更大的控制感和置信度，从而减轻操作者在第一模式中使用自主操纵时的犹豫。

附图说明

本发明的优点将很容易被理解，因为，当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述本发明的优点变得更好理解，其中：

图1是根据本发明的一种实施例的、用于用工具操纵患者的解剖体并演示对解剖体的计划自主操纵的手术系统的透视图。

图2是根据本发明的一种实施例的用于控制手术系统的控制器的示意图。

图3是根据一个示例的在第一(操纵)模式中根据操纵参数操纵解剖体的工具的侧视图。

图4是根据一个示例的在第二(演示)模式中提供计划操纵的特性的非侵入性演示的工具的侧视图。

图5是根据另一个示例的在第二(演示)模式中提供计划操纵的特性的微侵入性演示的工具的侧视图。

图6是根据一个示例的根据为股骨内侧植入过程定制的演示性边界和演示性路径提供演示的工具的透视图。

图7是根据一个示例的根据用于髌股动脉植入过程的演示性边界和演示性路径提供演示的工具的透视图。

图8图示了用于半球形体积的操纵参数和演示性参数之间的关系。

图9图示了用于矩形体积的操纵参数和演示性参数之间的关系。

图10图示了表示第一(操纵)模式和第二(演示)模式的选择和执行的连续的一系列屏幕截图。

具体实施方式

I.概述

参考附图，其中相同的标号贯穿几个视图指示相同或对应的部分，用于操纵患者12的解剖体的系统10和方法自始至终被示出。

如图1所示，系统10是用于从患者12的解剖体中切除物质(诸如骨头或软组织)的机器人手术切割系统。在图1中，患者12正在经历手术过程。图1中的解剖体包括患者12的股骨(F)和胫骨(T)。手术过程可能涉及组织移除。在其它实施例中，手术过程涉及部分或全部膝盖或髋关节置换手术。系统10被设计成切除要由外科植入物(诸如髋关节和膝盖植入物，包括单间室植入物、双室植入物或全膝盖植入物)替换的物质。这些类型的植入物中的一些在标题为“Prosthetic Implant and Method of Implantation”的美国专利申请No.13/530,927中示出，其公开内容通过引用被结合于此。本领域技术人员明白，本文公开的系统和方法可以用于执行其它外科或非外科手术，或者可以用于其中利用机器人系统的工业应用或其它应用。

系统10包括操纵器14。操纵器14具有基座16和联动装置18。联动装置18可以包括形成串联臂或平行臂构造的连杆。端部执行器20耦合到操纵器14并且可相对于基座16移动以与手术环境(更具体而言，解剖体)交互。端部执行器20由操作者掌握。操纵器14和端部执行器20的一种示例性布置在标题为“Surgical Manipulator Capable of Controlling aSurgical Instrument in Multiple Modes”的美国专利No.9,119,655中描述，该专利的公开内容通过引用被结合于此。操纵器14和端部执行器20可以以替代构造进行布置。端部执行器20包括设计成在手术部位处与患者12的组织接触的能量施加器24。端部执行器20可以具有取决于应用的各种构造。能量施加器24可以是钻头(drill)、锯片、钻(bur)、超声波振动尖端、探针、触针等。操纵器14还容纳操纵器计算机26或其它类型的控制单元。端部执行器20可以类似于于2014年3月15日提交的标题为“End Effector of a Surgical RoboticManipulator”的美国专利申请公开No.204/0276949中所示的端部执行器，该专利通过引用被结合于此。

参考图2，系统10包括控制器30。控制器30包括用于控制操纵器14的软件和/或硬件。控制器30引导操纵器14的运动并相对于坐标系统控制端部执行器20的朝向。在一种实施例中，坐标系统是操纵器坐标系统MNPL(参见图1)。操纵器坐标系统MNPL具有原点，并且原点位于操纵器14上的一个点处。操纵器坐标系统MNPL的一个示例在标题为“SurgicalManipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in Multiple Modes”的美国专利No.9,119,655中描述，该专利的公开内容通过引用被结合于此。

系统10还包括导航系统32。导航系统32及其相关部件的一个示例在于2013年9月24日提交的标题为“Navigation System Including Optical and Non-Optical Sensors”的美国专利No.9,008,757中描述，该专利通过引用被结合于此。导航系统32被设置为跟踪各种物体的移动。这样的物体包括例如端部执行器20和解剖体，例如，股骨F和胫骨T。导航系统32跟踪这些物体以收集每个物体在定位器坐标系统LCLZ中的位置信息。定位器坐标系统LCLZ中的坐标可以使用常规的变换技术变换成操纵器坐标系统MNPL。导航系统32还能够向操作者显示其相对位置和朝向的虚拟表示。

导航系统32包括容纳导航计算机36的和/或其它类型的控制单元的计算机购物车(cart)组件34。导航界面与导航计算机36可操作地通信。导航界面包括一个或多个显示器38。诸如键盘和鼠标的第一输入设备和第二输入设备40、42可以用于将信息输入到导航计算机36中或以其它方式选择/控制导航计算机36的某些特性。构想了包括触摸屏(未示出)或语音激活的其它输入设备40、42。控制器30可以在系统10中的任何一个或多个合适的设备上实现，包括但不限于，操纵器计算机26、导航计算机36及其任何组合。

导航系统32还包括与导航计算机36通信的定位器44。在一种实施例中，定位器44是光学定位器并且包括相机单元46。相机单元46具有外壳48，所述外壳48容纳一个或多个光学位置传感器50。系统10包括一个或多个跟踪器。跟踪器可以包括指针跟踪器PT、工具跟踪器52、第一患者跟踪器54和第二患者跟踪器56。跟踪器包括活动标记58。活动标记58可以是发光二极管或LED。在其它实施例中，跟踪器52、54、56可以具有诸如反射器的无源标记，其反射从相机单元46发射的光。本领域技术人员应当理解，可以利用本文未具体描述的其它合适的跟踪系统和方法。

在图1图示的实施例中，第一患者跟踪器54牢固地固定到患者12的股骨F，并且第二患者跟踪器56牢固地固定到患者12的胫骨T。患者跟踪器54、56牢固地固定到骨头的部分。工具跟踪器52牢固地附连到端部执行器20。应当理解的是，跟踪器52、54、56可以以任何合适的方式固定到其各自的部件。

跟踪器52、54、56与相机单元46通信以向相机单元46提供位置数据。相机单元46将跟踪器52、54、56的位置数据提供给导航计算机36。在一种实施例中，导航计算机36确定股骨F和胫骨T的位置数据以及端部执行器20的位置数据并将其传送到操纵器计算机26。股骨F、胫骨T和端部执行器20的位置数据可以使用常规的登记/导航技术通过跟踪器位置数据确定。位置数据包括对应于股骨F、胫骨T、端部执行器20和被跟踪的任何其它物体的位置和/或朝向的位置信息。本文描述的位置数据可以是位置数据、朝向数据或位置数据和朝向数据的组合。

操纵器计算机26通过使用用于端部执行器20的基于导航的数据和用于端部执行器20的基于编码器的位置数据确定变换矩阵来将位置数据从定位器坐标系统LCLZ变换成操纵器坐标系统MNPL。位于操纵器14的关节处的编码器(未示出)用于确定基于编码器的位置数据。操纵器计算机26使用编码器来计算操纵器坐标系统MNPL中的端部执行器20的基于编码器的位置和朝向。由于端部执行器20的位置和朝向在定位器坐标系统LCLZ中也是已知的，因此可以生成变换矩阵。

如图2所示，控制器30还包括软件模块。软件模块可以是在操纵器计算机26、导航计算机36或其组合上操作以处理数据来帮助系统10的控制的一个或多个计算机程序的一部分。软件模块包括存储在操纵器计算机26、导航计算机36或其组合上的存储器中，以由计算机26、36的一个或多个处理器执行的指令集。此外，用于提示和/或与操作者通信的软件模块可以形成一个或多个程序的一部分，并且可以包括存储在操纵器计算机26、导航计算机36或其组合上的存储器中的指令。操作者与第一输入设备和第二输入设备40、42以及一个或多个显示器38进行交互以与软件模块通信。

在一种实施例中，控制器30包括用于处理数据以引导操纵器14的运动的操纵器控制器60。操纵器控制器60可以从单个源或多个源接收和处理数据。

控制器30还包括用于将与股骨F、胫骨T和端部执行器20相关的位置数据传送到操纵器控制器60的导航控制器62。操纵器控制器60接收并处理由导航控制器62提供的位置数据以引导操纵器14的移动。在一种实施例中，如图1所示，导航控制器62被实现在导航计算机36上。

操纵器控制器60或导航控制器62还可以通过在显示器38上显示股骨F和/或胫骨T和端部执行器20的图像来将患者12和端部执行器20的位置传达给操作者。操纵器计算机26或导航计算机36还可以在显示器38上显示指令或请求信息，使得操作者可以与操纵器计算机26交互以便引导操纵器14。

操纵器14自主地与解剖体交互。具体而言，系统10可以包括半自主模式，其示例在标题为“Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument inMultiple Modes”的美国专利No.9,119,655中描述，该专利的公开内容通过引用被结合于此。在半自主模式中，操纵器14引导端部执行器20以及进而手术部位处的能量施加器24的自主移动。操纵器14能够在没有操作者的帮助的情况下使端部执行器20移动。没有操作者的帮助可能意味着操作者不物理接触端部执行器20来施加移动端部执行器20的力。替代地，操作者可以使用某种形式的控制来远程管理移动的启动和停止。例如，操作者可以按下遥控器的按钮来启动端部执行器20的移动并且释放按钮来停止端部执行器20的移动。可替代地，操作者可以按压按钮来启动端部执行器的移动并且按压按钮来停止端部执行器20的移动。

控制器30被配置为生成相对于解剖体的体积64的操纵参数63，如图3所示。操纵参数63表示对由端部执行器20的能量施加器24自主操纵体积64的计划约束。如下所述，操纵参数63可以包括虚拟切割边界、工具切割路径或其任何组合。操纵参数63被定义以提示解剖体的体积64的操纵、去除和/或切割。操纵参数63以第一模式执行。在一种实施例中，第一模式可以被理解为“操纵”或“切割”模式。因此，为了简单起见，第一模式在下文的详细描述中被称为操纵模式。

如图2所示，控制器30包括用于生成操纵参数63的边界生成器66。边界生成器66是可以在操纵器控制器60上实现的软件模块，如图2所示。可替代地，边界生成器66可以在诸如导航控制器62的其它部件上实现。

如图3所示，边界生成器66生成用于相对于解剖体约束端部执行器20和/或能量施加器24的切割边界68。切割边界68是虚拟边界，因为边界不是物理上存在的，而是通过控制操纵器14和端部执行器20的位置和移动来实现的。切割边界68描绘在手术期间要被端部执行器20从手术后要保留的组织的部分去除的组织的部分。如图3所示，切割边界68与解剖体相关联，并且更具体而言，与解剖体的目标表面67相关联。切割边界68相对于目标表面67定义。目标表面67是在切割完成之后要保留的组织的连续限定的表面区域。对于植入过程，目标表面67是在去除过程之后保留的骨头的表面，并且是植入物要被安装到的表面。切割边界68可以具有基本上符合目标表面67的轮廓。

在该过程期间，切割边界68可以与目标表面67稍微偏移或间隔开。在一种实施例中，这是为了考虑端部执行器20的能量施加器24的尺寸和操纵特性而进行的。端部执行器20的操纵特性可能导致切割边界68的破裂。为了解决这种过渡延伸，切割边界68可以从目标表面67平移在目标表面67和切割边界68之间限定的预定距离。本领域技术人员理解，切割边界68可以具有本文未具体描述的其它构造，并且根据未示出或描述的其它实施例可以相对于解剖体进行配置或定向。

切割边界68可以从到操纵器14，更具体而言，边界生成器66的各种输入中导出。到边界生成器66中的一个输入包括要在其上执行过程的部位的术前图像。如果操纵器14选择性地去除组织，使得患者12可以与植入物适合，那么到边界生成器66的第二输入是植入物的形状的地图。该地图的初始版本可能来自植入物数据库。植入物的形状定义了应该被去除以容纳植入物的组织的边界。如果植入物是旨在适配到患者12的骨头的整形外科植入物，那么这种关系尤其正确。解剖体的术前图像可以被分割以产生计算机生成的解剖体的模型。可以基于计算机生成的解剖体的模型来生成操纵参数63。更具体而言，切割边界68可以相对于计算机生成的模型来生成。

到边界生成器66的另一个输入是操作者设置。这些设置可以指示能量施加器24应该施加到哪个组织。如果能量施加器24去除组织，那么设置可以识别要去除的组织和在施加能量施加器24之后剩余的组织之间的边界。如果操纵器14帮助整形外科植入物的适配，那么这些设置可以定义植入物应该在组织上方的哪里定位。可以使用数据处理单元在术前输入这些设置。可替代地，这些设置可以通过与系统10的部件之一相关联的输入/输出单元输入，诸如利用导航界面40、42。

基于以上输入数据和指令，边界生成器66可以生成切割边界68。切割边界68可以是二维或三维的。例如，切割边界68可以被生成为虚拟地图或其它三维模型。所创建的地图或模型指导端部执行器20的移动。模型可以显示在显示器38上以显示对象的位置。此外，与模型相关的信息可以被转发到操纵器控制器60以指导操纵器14和端部执行器20相对于切割边界68的对应移动。

在实践中，在过程开始之前，在手术部位处的操作者可以设置切割边界68的初始版本。在过程的开始时，更精确地定义要实际上适配到患者12的植入物的数据可以被加载到边界生成器66中。这样的数据可以来自与植入物相关联的存储设备，诸如记忆棒或RFID标签。这样的数据可以是提供给边界生成器66的植入物数据库数据的组成部分。这些数据基于特定植入物的后制造测量。这些数据提供了由于制造变化可能与先前可用的植入物形状的库存定义略有不同的特定植入物的形状的定义。基于这种特定于植入物的数据，边界生成器66可以更新切割边界68以反映要去除的组织与应该保持在适当位置的组织之间的边界。可以植入到患者12中的植入物包括于2012年6月22日提交的标题为“ProstheticImplant and Method of Implantation”的美国专利申请序列No.13/530,927中示出的那些植入物，该专利通过引用被结合于此。在去除适当量的物质(诸如骨头)之后，本文公开的植入物可以植入患者12体内。还构想了其它植入物。

如图2所示，控制器30还包括用于生成操纵参数63的工具路径生成器69。工具路径生成器69是由控制器30(更具体而言，由操纵器控制器60)运行的另一个软件模块。工具路径生成器69生成用于端部执行器20跟随的切割路径70，如图3所示。切割路径70由来回线表示。在图3中，切割路径70被配置为便于要被去除以容纳植入物的骨头的体积64的去除。成品表面的平滑度和质量部分取决于来回线的相对定位。更具体而言，线的每次往返越靠近一起，成品表面越精确和平滑。在图3中，虚线表示要使用操纵器14去除的骨头的外表面72。用于生成切割路径70的一个示例性系统和方法在标题为“Surgical Manipulator Capableof Controlling a Surgical Instrument in Multiple Modes”的美国专利No.9,119,655中被解释，该专利的公开内容通过引用被结合于此。

II.系统和方法概述

如图4-10所示，系统10和方法被配置为演示对解剖体的计划自主操纵。系统10包括演示性工具100，所述演示性工具100被配置为与解剖体交互以演示计划操纵的特性。控制器30在第二模式中这样做。在一种实施例中，第二模式可以被理解为“演示”模式。因此，为了简单起见，第二模式在下文的详细描述中被称为演示模式。演示性工具100与解剖体交互，以在演示模式中演示计划过程。因此，操纵参数63的特性在演示模式下被可视地演示给操作者。

在一种实施例中，演示性工具100是端部执行器20本身，特别地是能量施加器24。即，端部执行器20被用于演示计划过程和执行计划过程。因此，如本节所述，取决于端部执行器20是否也用作演示性工具100，术语“演示性工具”和“端部执行器”可以互换。因此，在本节中，应当理解的是，端部执行器20是演示性工具100，并且术语“演示性工具”被记载以帮助区分系统10和方法的演示性和操纵性特性。

如图4所示，控制器30生成与操纵参数63相关的演示性参数102。演示性参数102表示在操纵模式下对体积64的自主操纵的计划约束的特性。演示性工具100的移动由演示性参数102决定和限制。

演示性参数102相对于解剖体的外表面72定义，使得演示性参数102对解剖体的侵入性比操纵参数63小。与操纵模式下的操纵的侵入性不同，演示模式中的演示是微创或非侵入性的，因为它是相对于解剖体的外表面72执行的。本领域技术人员明白，演示是相对于操纵参数63的一些特性执行的，而不是基于确切的操纵参数63，因为这样做将导致对解剖体的操纵，从而破坏提供演示的一个主要目的。

控制器30被配置为根据演示性参数102指示演示性工具100的移动。在一种实施例中，控制器30在演示模式中指示演示性工具100的自主移动。即，演示性工具100的移动根据演示性参数102在演示模式中自主发生。演示性工具100的自主移动在没有操作者的帮助下发生，使得操作者不与演示性工具100物理接触来施加力以移动演示性工具100。通过在演示模式下自主移动演示性工具100，操作者可以可视化操纵参数63的特性而不分心。本文通过引用描述和结合的关于端部执行器20在操作模式中的自主移动的细节同样适用于演示性工具100在演示模式中的自主运动。

演示性参数102涉及操纵参数63。演示性参数102可以从与用于生成切割边界68和/或切割路径70的输入相同的到操纵器14的输入生成。边界生成器66和控制器30的工具路径生成器69可以生成演示性参数102。演示性参数102可以基于计算机生成的解剖体的模型来生成。但是，与促进对体积64的操纵的操纵参数63不同，演示性参数102相对于解剖体的外表面72定义。因为演示性工具100被防止有效地穿透外表面72，因此演示性参数102有效地保留了体积64。

图4图示了演示性参数102的一个示例，其中演示性参数102是非侵入性的。演示性参数102被定义为使得演示性工具100在演示模式中在整理移动过程中与解剖体的外表面72间隔开。即，演示性工具100不物理地接触外表面72。

如图4-9所示，演示性参数102可以包括演示性边界104、演示性路径106或其任何组合。下面详细描述演示性参数102与切割边界68和/或切割路径70之间的关系的几个示例。

演示性路径106从切割边界68和/或切割路径70得到。演示性路径106演示了切割边界68和/或切割路径70的表示，但是是相对于解剖体的外表面72。演示性工具100沿着演示性路径106移动以演示演示模式中的切割边界68和/或切割路径70。演示性路径106与切割边界68和切割路径70间隔开。

图6图示了图4的解剖体的透视图，该解剖体是在部分(单间室)膝盖置换过程中需要内侧植入物的股骨。图7图示了股骨的另一个透视图，此时需要髌股骨植入。在图6和图7两者中，演示性路径106专门针对植入位置而定制。在图6中，演示性路径106a表示下面的切割边界68的周边。在图7中，演示性路径106b表示下面的切割路径70。再次，演示性路径106可以表示下面的切割边界68和切割路径70两者。

演示性工具100在演示模式中沿着演示性路径106遍历。通常，演示性工具100沿着演示性路径106遍历至少一次，并且潜在地，遍历如操作者所期望的一样多次。

演示性边界104约束演示性工具100的移动，使得演示性工具100被防止移动超过由演示性边界104限定的虚拟约束。虚拟约束可以与从切割边界68和/或切割路径70得出的周边对准。演示性工具100相对于虚拟约束移动以演示演示模式中的周边。演示性边界104向操作者识别切割边界68的限制，但是是相对于解剖体的外表面72。演示性边界104包括演示性路径106或延伸超出演示性路径106。演示性边界104也可以针对特定植入物而定制。

在一些情况下，演示性边界104补充演示性路径106。例如，演示性工具100可以沿着演示性路径106移动以演示周边。演示性边界104防止演示性工具100不经意地接近或接触外表面72。在患者(解剖体)移动或演示性工具100的移动在演示期间以别的方式被干扰的情况下，这会是特别有利的。当操作者希望用演示性工具100手动地确认下面的切割边界68的限制时，这也会是有利的。例如，操作者可以手动地将演示性工具100对着演示性边界104移动，以在触觉上感测演示性边界104的存在。操作者可以在激活演示模式中的演示之前执行这种技术。

在其它示例中，演示性路径106可以由操作者主动地控制和/或操纵。响应于感测到操作者对工具100的移动，可以反应性地采用演示性路径106。例如，工具100可以初始地沿着演示性边界104移动。此后，操作者可能希望通过将工具100移离边界104并朝着手术部位的主要切割区域移动将工具100移动到演示性路径106。在这种情况下，演示性路径106反应性地触发，使得工具100被锁定到演示性路径106中。

在一种实施例中，演示性边界104与切割边界68间隔开，使得外表面72位于目标表面67和演示性边界104之间。通过控制演示性工具100相对于解剖体的外表面72的移动，演示性边界104防止演示性工具100到达目标表面67，并且在一些情况下防止到达外表面72。演示性边界104可以与切割边界68间隔任何适于提供演示的距离。

图8提供了图示操纵参数63和演示性参数102之间的关系的一个示例。在该示例中，切割边界68和目标表面67对应于体积的曲面表面积。切割路径70相对于半球体积的几个层定义。为了简化说明，切割路径70被示为多层螺旋。体积的上平坦表面对应于在操纵模式下的切割或操纵之前解剖体的现有外表面72。在该示例中，演示性路径106表示下面的半球形切割边界68和/或切割路径70的二维版本。因此，演示性路径106是对应于下面的三维切割路径70的二维螺旋。虽然被平坦化，但是在该示例中的演示性路径106仍然表示预期切割边界68和/或切割路径70相对于体积的重要部分。由于三维切割路径70被平坦化成二维演示性路径106，因此演示性路径106可以包括演示性工具100的重复移动。演示性边界104通过防止演示性工具100的手动移动超出由演示性边界104限定的虚拟约束来补充演示性路径106。在该示例中，演示性边界104包括圆形盘104a和包围演示性路径106的圆柱形壁104b。如图8所示，演示性边界104形成开放的圆柱形体积，使得演示性工具100不被约束并且自由地向上移动和远离体积。但是，演示性边界104可以是封闭区域或体积，使得演示性工具100被限制在区域或体积内。演示性边界104可以填充演示性路径106内的空间并且可以扩展到演示性路径106之外。

图9提供了另一个示例，这一次涉及要被去除的物质的矩形体积。切割边界68和目标表面67对应于矩形体积的内侧。切割路径70相对于矩形体积的几个层定义。为了简化说明，切割路径70是多层矩形螺旋。体积的顶表面对应于在操作模式中的切割或操纵之前的解剖体的现有外表面72。在该示例中，演示性路径106表示下面的矩形切割边界68和/或切割路径70的二维版本。因此，演示性路径106是平坦化的矩形螺旋。演示性边界104补充演示性路径106，以防止演示性工具100手动移动超过由演示性边界104限定的虚拟约束。在该示例中，演示性边界104是侧壁104b和包围演示性路径106的矩形区域104a。演示性边界104可以是封闭的或开放的区域或体积。

类似地，图4中的切割边界68定义被设计成容纳植入物的形状并且图4中的切割路径70相对于用于操纵解剖体以容纳植入物的体积64的几个层定义。演示性路径106被成形为与解剖体的外表面72一致和/或对准，并且演示性路径106演示下面的切割边界68和/或切割路径70的限制。虽然不穿透外表面72，但是图4中的演示性路径106仍然表示切割边界68的周边。演示性边界104补充演示性路径106以防止演示性工具100的手动移动超过虚拟约束。在该示例中，演示性边界104是限定下面的切割边界68和/或切割路径70的边界的侧壁104a、104b。

图10图示了显示器的一系列屏幕截图，诸如导航界面的显示器38，其表示操作者如何可以相对于操纵模式利用演示模式。在屏幕200处，显示器38提示用户在演示模式和操作模式之间进行选择。可以通过按压演示模式按钮201来选择演示模式，并且可以通过按压操纵模式按钮202来选择操纵模式。系统10包括以任何合适的硬件或软件实现的开关或按钮，用于允许操作者在操纵模式和演示模式之间切换。这里，操作者通过按压演示模式按钮201来选择演示模式。

在屏幕204处，响应于操作者按压演示模式按钮201，显示器提示演示模式选择屏幕。这里，操作者可以选择其中演示性工具100在演示期间不物理地触摸外表面72的“非侵入性”演示，或者选择其中演示性工具100在演示期间擦过、掠过或蚀刻外表面72的“微创性”演示。下面详细描述这种类型的演示。可以通过按压“非侵入性”演示模式按钮205来选择“非侵入性”演示模式，并且可以通过按压“微创”模式按钮206来选择“微创”演示模式。

在屏幕208处，显示器示出了相对于例如如图3所示和描述的解剖体的演示性工具100。系统10实时地跟踪解剖体和演示性工具100，并且显示解剖体和演示性工具100相对于彼此的位置。这里，系统10创建演示启动区域210，用于确保在演示模式激活之前演示性工具100处于合适的位置。演示启动区域210的位置可以基于诸如操纵参数63或演示性参数102的任何合适的因素来选择。系统10在屏幕上显示演示启动区域210，请求操作者在演示启动区域210内移动演示性工具100。在图10中，请求是说明“把工具放在这里”的文字消息。演示启动区域210是相对于解剖体定义的虚拟区域。一旦系统10确定演示性工具100进入演示启动区域210，就可以指示操纵器14停止移动。可替代地，演示启动区域210可以是虚拟约束区域，使得一旦演示性工具100进入演示启动区域210，演示启动区域210就将演示性工具100锁定就位。一旦演示性工具100进入演示启动区域210，系统10就准备启动非侵入性演示模式。在一些实施例中，系统10可以提供系统10准备启动非侵入性演示模式的触觉、视觉或听觉指示器。例如，当一旦演示性工具100进入演示启动区域210时，系统10可以照亮绿色指示器。

在屏幕212处，显示器示出了根据例如图4的示例提供非侵入性演示的演示性工具100。演示性工具100在演示模式中的移动可以用导航系统32来跟踪。导航系统32跟踪演示性工具100，并相对于解剖体的位置显示演示性工具100的虚拟表示。操纵器控制器60或导航控制器62可以在显示器38上显示股骨F和/或胫骨T以及演示性工具100的图像。

系统10根据非侵入性演示性参数102移动演示性工具100。系统10可以在演示模式下的演示实际执行之前、实际执行之后或实际执行期间同时在显示器上呈现演示。操作者在视觉上确认如所演示的解剖体的预期计划的自主操纵是令人满意的。操作者可以通过亲自检查演示性工具100和解剖体之间的实际关系来这样做。附加地或替代地，操作者可以检查呈现演示性工具100和解剖体之间的虚拟关系的显示器38。

通过这个过程，演示模式为操作者提供了更大的控制感和置信度，从而减轻了操作者在操纵模式中使用自主操纵时的犹豫。

演示模式可以执行预定的持续时间，或者直到操作者手动停止演示模式。一旦演示模式完成，演示性工具100就返回到任何适当的位置，诸如演示启动区域210或远离解剖体的位置。此时，系统10可以再次在屏幕214处提示用户在演示模式和操纵模式之间选择。当然，如果期望，操作者可以通过再次选择演示模式按钮201来选择重新经历演示模式。但是，如果演示是令人满意的，那么操作者选择操纵模式按钮202来启动操纵模式。如本文所述，操作者从演示模式切换到操纵模式以根据操纵参数63激活对解剖体的自主操纵。操纵模式下的操纵实时地显示在屏幕216处。

Ⅲ.其它实施例

手术系统10可以实现除上述以外的演示性工具100和演示性参数102的各种其它实施例。

在一些实施例中，演示性参数102可以从操纵参数63进行数学地变换。例如，演示性边界104可以从切割边界68得出。演示性边界104可以从切割边界68移开并且被修改为对应于解剖体的外表面72。演示性边界104可以基于外表面72和/或植入物的术前图像形成。例如，演示性边界104可以被生成为虚拟地图或其它三维模型。

类似地，演示性路径106可以从切割路径70得出。演示性路径106可以与切割路径70间隔开并且被变换成与解剖体和/或植入物的外表面72一致。演示性边界104和演示性路径106可以是二维或三维的。

对于自主移动，通常在端部执行器20的移动精度和端部执行器20的速度(馈送速率)之间存在权衡。操作者可能希望在演示模式中快速执行演示使得在手术过程中没有不适当的延迟。为了避免这样的延迟，演示性参数102可以有意地比操纵参数63更不精确。例如，演示性边界104可以大致地基于外表面72。演示性边界104不必确切地与解剖体的外表面72成形。例如，演示性边界104可以是平面的并且相对于解剖体的外表面72上的最高点间隔开。由于演示可能旨在用作对操纵参数63进行检查，因此演示性边界104不需要具有与切割边界68相同水平的准确度。由于演示性边界104比切割边界68具有更小的侵入性，因此准确度也可以被减小。

类似地，演示性路径106可以大致地基于切割路径70。例如，切割路径70中的来回线之间的间隔可以对于演示性路径106增加，使得演示性工具100需要更少的时间来遍历路径106。

在一种实施例中，例如，如图5所示，示例性参数102可以是微创性的，而不是非侵入性的。这里，演示性工具100可以在演示模式中在演示期间物理地操纵解剖体。演示性参数102被定义为使得演示性工具100在演示模式中在移动期间穿透解剖体的外表面72。演示性工具100可以擦过、划过或蚀刻外表面72，以表示计划的切割边界和/或切割路径。在一种实施例中，演示性工具100被指示擦过、划过或蚀刻2毫米或更少的外表面72。在另一种实施例中，演示性工具100被指示擦过、划过或蚀刻1毫米或更少的外表面72。在还有的另一种实施例中，演示性工具100被指示擦过、划过或蚀刻0.5毫米或更少的外表面72。在图5中，在外表面72的下方放置的演示性边界104为了简化说明起见被夸大。

演示性操纵提供了计划操纵参数63的特性的永久可视化。以这种方式，操作者可以在演示模式中的移动停止之后物理地看到表示操纵参数63的特性的静态轮廓或路径。与操纵模式相比，在演示模式中允许一些操纵不旨在促进如在操纵模式中所预期的那样为了达到解剖体的目标表面67的目的而去除体积64。

图5图示了其中演示性参数102是微创的实施例的一个实现。演示性参数102被定义为使得演示性工具100在演示模式中在移动期间划过解剖体的外表面72。演示性工具100物理地接触外表面72。演示性边界104保持与切割边界68明显间隔开。但是，演示性边界104被定义为正好在外表面72下方，使得演示性边界104位于切割边界68和外表面72之间。通过正好在外表面72下方，演示性边界104允许外表面72的微创穿透。演示性边界104防止演示性工具100到达体积64的目标表面67和重要部分。演示性边界104可以布置在外表面72下方适于演示的任何微创距离。

在一些实施例中，端部执行器20和演示性工具100是不同的和分离的工具。即，演示性工具100仅用于演示模式中的演示，而不用于操纵模式中的操纵。类似地，端部执行器20仅用于操纵模式中的操纵，而不用于演示模式中的演示。演示性工具100的一个示例可以是用于指向解剖体的触控笔或探针。演示性工具100可以由操纵器14直接或间接支持。可替代地，演示性工具100可以独立于操纵器14被支持和控制。当端部执行器20和演示性工具100是不同的和分离的工具时，本文通过引用描述和结合的关于系统10交互和控制端部执行器20的细节同样适用于演示性工具100。

在这种情况下，当演示将在演示模式中发生之前，端部执行器20可以用演示性工具100交换出去。此后，当操纵将在操纵模式中发生之前，演示性工具100可以与端部执行器20交换。在其中演示性工具100被独立支持的实施例中，当在操纵模式和演示模式之间切换时，演示性工具100可以不需要与端部执行器20交换。

当端部执行器20用作演示性工具100时，可能希望确保端部执行器20的操纵能力贯穿演示模式的一部分或全部被禁用。例如，禁用端部执行器20的操纵能力可以包括防止骨钻旋转等。这样做可以防止在演示模式中的演示期间对解剖体的不经意操纵。当演示模式切换到操纵模式时，端部执行器20的操纵能力可以被启用，以允许端部执行器20如预期那样在操作模式中有效地操纵解剖体。

使用演示性工具100演示在操纵模式中计划操纵的侵入性深度可能是困难的，因为演示性工具100的移动是非侵入性或微创性的。因此，导航系统32可以补充演示模式中的自主演示。导航系统32可以相对于在显示器38上提供的解剖体的外表面72的虚拟表示提供热地图。热地图可以基于操纵参数63，并且可以呈现不同的颜色以完全捕获操纵参数63的侵入性深度。例如，较深的颜色可以指示较深的计划切割边界68或路径70，而较浅的颜色指示较浅的切割边界68或路径70。演示性工具100的移动可以层叠在热地图之上，以向操作者给出充分的演示效果。

在一些实施例中，演示性参数102可以在演示模式中在演示性工具100的移动期间直接照射到外表面72上。这样做可以用于补充演示。例如，演示性边界104或演示性路径106可以使用照亮的点源或线照射在解剖体的外表面72上。点源或线可以是静态或移动的(动画)。例如，当动画时，点源或线可以产生遍历演示性边界104或演示性路径106的彗尾。系统10可以采用任何合适的照明设备，诸如激光或投影仪，用于在演示模式中将演示性参数102直接照射到外表面72上。

系统10可以提供用于修改与演示模式中的演示有关的设置的选项。该选项可以在操作者设置中进行设置。这样的设置可以命令何时、何地以及如何提供演示。例如，操作者可以设置操纵模式和演示模式之间的切换是手动执行还是自主执行。操作者还可以设置演示是由端部执行器20执行还是由一些其它演示性工具100(诸如探针、触控笔等)执行。操作者可以设置演示的速度和/或准确度。例如，如果演示是非侵入性的，那么操作者可以将演示的速度设置为比操纵更快，或者如果演示是微创性的，那么可以将演示的速度设置为比操纵更慢。操作者可以设置是否启用或禁用演示的某些特性，诸如演示性边界104或演示性路径106。此外，操作者可以完全禁用演示。本领域技术人员明白，关于修改本文未具体叙述的演示，各种其它设置是可能的。

在前面的描述中已经讨论了几种实施例。但是，本文讨论的实施例并不旨在是穷举的或将本发明限制于任何特定形式。已使用的术语旨在是本质上描述性而不是限制性的词语。鉴于以上教导，许多修改和变化是可能的，并且本发明可以以与具体描述不同的其它方式实践。

本发明的许多特征和优点从详细说明书中是显而易见的，因此，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真实精神和范围内的本发明的所有这些特征和优点。此外，由于本领域技术人员将容易想到许多修改和变化，因此不希望将本发明限制到所示和描述的确切结构和操作，并且因此，所有合适的修改和等同物都可以诉诸于落入本发明的范围内。

Claims (15)

1.一种用于操纵解剖体并演示对解剖体的计划自主操纵的机器人手术系统，所述系统包括：

端部执行器，被配置为操纵解剖体；

演示性工具，被配置为与解剖体交互；

控制器，被配置为生成表示对在第一模式中由所述端部执行器自主操纵解剖体的体积的计划约束的操纵参数，并且生成与所述操纵参数相关并且相对于解剖体的表面定义的演示性参数，使得所述演示性参数对解剖体的侵入性比所述操纵参数小，并且其中所述控制器被配置为在第二模式中按照所述演示性参数来指示所述演示性工具的移动，从而相对于解剖体的表面演示对解剖体的自主操纵的计划约束。

2.如权利要求1所述的机器人手术系统，其中所述演示性工具被配置为操纵解剖体。

3.如权利要求2所述的机器人手术系统，其中所述演示性参数被定义为使得所述演示性工具在所述第二模式中在移动期间穿透解剖体的表面。

4.如权利要求1所述的机器人手术系统，其中所述演示性参数是非侵入性的。

5.如权利要求4所述的机器人手术系统，其中所述演示性参数被定义为使得所述演示性工具在所述第二模式中在整个移动过程中与解剖体的表面间隔开。

6.如权利要求1-5中任何一项所述的机器人手术系统，其中所述端部执行器被配置为切割骨头。

7.如权利要求1-5中任何一项所述的机器人手术系统，其中所述操纵参数定义相对于解剖体的体积的切割边界，并且其中所述演示性参数定义与所述切割边界相关的演示性边界。

8.如权利要求1-5中任何一项所述的机器人手术系统，其中所述操纵参数定义相对于解剖体的体积的切割路径，并且其中所述演示性参数定义与所述切割路径相关的演示性路径。

9.一种用于操纵解剖体并演示对解剖体的计划自主操纵的机器人手术系统，所述系统包括：

工具，被配置为操纵解剖体；

控制器，被配置为生成表示对在第一模式中由所述工具自主操纵解剖体的体积的计划约束的操纵参数，并且生成与所述操纵参数相关并且相对于解剖体的表面定义的演示性参数，使得所述演示性参数对解剖体的侵入性比所述操纵参数小，并且其中所述控制器被配置为在第二模式中按照所述演示性参数来指示所述工具的移动，从而相对于解剖体的表面演示对解剖体的自主操纵的计划约束。

10.如权利要求9所述的机器人手术系统，其中所述演示性参数被定义为使得所述工具在所述第二模式中在移动期间穿透解剖体的表面。

11.如权利要求9所述的机器人手术系统，其中所述演示性参数是非侵入性的。

12.如权利要求11所述的机器人手术系统，其中所述演示性参数被定义为使得所述工具在所述第二模式中在整个移动过程中与解剖体的表面间隔开。

13.如权利要求9-12中任何一项所述的机器人手术系统，其中所述工具被配置为切割骨头。

14.如权利要求9-12中任何一项所述的机器人手术系统，其中所述操纵参数定义相对于解剖体的体积的切割边界，并且其中所述演示性参数定义与所述切割边界相关的演示性边界。

15.如权利要求9-12中任何一项所述的机器人手术系统，其中所述操纵参数定义相对于解剖体的体积的切割路径，并且其中所述演示性参数定义与所述切割路径相关的演示性路径。

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