CN108652743B

CN108652743B - 外科手术机器人系统

Info

Publication number: CN108652743B
Application number: CN201810251437.0A
Authority: CN
Inventors: N·R·克劳福德; N·约翰逊; B·马索夫; K·张
Original assignee: Globus Medical Inc
Current assignee: Globus Medical Inc
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2022-03-22
Anticipated expiration: 2038-03-26
Also published as: JP2018161477A; JP7112224B2; US11786324B2; EP3391848A2; US20170252114A1; EP3391848B1; EP3391848A3; CN108652743A

Abstract

本发明涉及一种外科手术机器人系统，其可包括机器人，所述机器人具有机器人基部、联接到所述机器人基部的机器人臂以及联接到所述机器人臂的末端执行器。所述末端执行器、外科手术器械、患者和/或其它待跟踪对象包括有源和/或无源跟踪标记。诸如立体摄影测量红外摄像机的摄像机能够检测到所述跟踪标记，并且所述机器人由所述跟踪标记确定所述对象的三维位置。

Description

外科手术机器人系统

相关申请的交叉引用

本申请是2016年5月18日提交的第15/157,444号美国专利申请案的部分连续申请，其是2016年4月11日提交的第15/095,883号美国专利申请案的部分连续申请，其是2013年10月24日提交的第14/062,707号美国专利申请案的部分连续申请，其是2013年6月 21日提交的第13/924,505号美国专利申请案的部分连续申请，其要求2012年6月21日提交的临时申请案第61/662,702号的优先权，并且要求2013年3月15日提交的第 61/800,527号临时申请的优先权，为了所有目的，其全部内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及位置识别系统，并且具体涉及在机器人辅助外科手术期间的末端执行器和工具跟踪和操纵。

背景技术

位置识别系统用于确定三维(3D)中特定对象的位置并跟踪特定对象。例如，在机器人辅助外科手术中，例如当机器人或医生定位和移动器械时，需要高度精确地跟踪某些对象，诸如外科手术器械。

基于红外信号的位置识别系统可以使用无源和/或有源传感器或标记来跟踪对象。在无源传感器或标记中，待跟踪的对象可以包括无源传感器，诸如反射球形球，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，待跟踪的对象包括有源红外发射器，如发光二极管(LED)，并因此生成它们自己的用于3D检测的红外信号。

利用有源或无源跟踪传感器，系统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，在几何上分辨有源和/或无源传感器的三维位置：红外摄像机、数字信号、有源或无源传感器的已知位置、距离、其接收响应信号所花费的时间、其它已知变量或其组合。

一个问题是跟踪传感器通常刚性附接到待跟踪对象的一部分，并且通常不能在对象本身上移动。而且，系统通常需要多个标记，通常是四个标记，以准确地确定对象的位置。因此，需要提供用于识别对象的三维位置的改进的系统和方法，该系统和方法是准确的，但可以是可移动的和/或提供有更少的传感器或标记，例如以提供关于对象或其位置的附加信息。

发明内容

为了满足这个和其它需求，提供了用于确定对象的三维位置的装置、系统和方法，该对象用于机器人辅助外科手术。

根据一个实施例，外科手术机器人系统包括机器人，其具有机器人基部和显示器、联接到机器人基部的机器人臂、以及联接到机器人臂的末端执行器，末端执行器具有一个或多个跟踪标记，其中末端执行器的运动由机器人电子控制。系统还包括摄像机支架，摄像机支架包括至少一个摄像机，其能够检测一个或多个跟踪标记，其中机器人确定一个或多个跟踪标记的三维位置。

根据另一个实施例，外科手术机器人系统包括机器人，其具有机器人基部、联接到机器人基部的机器人臂、以及联接到机器人臂的末端执行器。末端执行器和/或导管具有多个跟踪标记。末端执行器具有导管，导管限定通过其中的弯曲通道，弯曲通道具有沿着恒定曲率半径延伸的中心轴线。弯曲连接器杆可延伸穿过导管，并具有沿着等于导管中心轴线的恒定半径曲率的恒定半径曲率延伸的中心线。至少一个摄像机被配置为检测末端执行器和/或导管上的多个跟踪标记，并且机器人被配置为定位末端执行器，使得中心轴线沿着螺钉孔弯曲路径延伸。

根据又一个实施例，外科手术机器人系统包括机器人，其具有机器人基部、联接到机器人基部的机器人臂、以及联接到机器人臂的末端执行器。末端执行器和/或导管具有多个跟踪标记。弯曲连接器杆具有沿着恒定曲率半径延伸的中心线。弧形插入器工具包括毂和连接器臂。毂可相对于导管定位，使得弧形插入器工具相对于末端执行器可旋转地固定。连接器臂从毂延伸到远端，远端被配置为连接弯曲连接器杆。至少一个摄像机被配置为检测末端执行器和/或导管上的多个跟踪标记。机器人被配置将末端执行器为与导管的中心轴线定位在期望位置处，其中弧形插入器工具的旋转使弯曲连接器杆在径向路径上移动。

根据另一个实施例，外科手术机器人系统包括机器人，其具有机器人基部、联接到机器人基部的机器人臂、以及联接到机器人臂的末端执行器。末端执行器具有导管，导管具有沿着恒定曲率半径延伸的中心轴线。末端执行器和/或导管具有至少一个跟踪标记。器械具有至少一部分和至少一个阵列，该部分具有沿着等于导管中心轴线的恒定半径曲率的恒定半径曲率延伸的中心线，阵列从附接有多个跟踪标记的器械延伸。至少一个摄像机被配置为检测器械上和末端执行器和/或导管上的多个跟踪标记。

附图说明

图1是外科手术过程期间机器人系统、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的包括外科手术机器人和摄像机相对于患者的定位的机器人系统；

图3示出了根据示范性实施例的外科手术机器人系统；

图4示出了根据示范性实施例的外科手术机器人的一部分；

图5示出了根据示范性实施例的外科手术机器人的框图；

图6示出了根据示范性实施例的外科手术机器人；

图7A-7C示出了根据示范性实施例的末端执行器；

图8示出了根据一个实施例的在将外科手术器械插入末端执行器的导管中之前和之后的外科手术器械和末端执行器；

图9A-9C示出了根据示范性实施例的末端执行器和机器人臂的部分；

图10示出了根据示范性实施例的动态参考阵列、成像阵列和其它部件；

图11示出了根据示范性实施例的配准方法；

图12A-12B示出了根据示范性实施例的成像装置的实施例；

图13A示出了根据示范性实施例的包括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，其具有刚性固定在其上的多个跟踪标记；

图13C是根据一个实施例的具有刚性固定在其上的多个跟踪标记的工具或器械；

图14A是具有弯曲导管和延伸穿过其中的弯曲器械的末端执行器的替代版本；

图14B是图14A的弯曲器械的等距视图。

图15A和15B示出了具有弯曲导管的末端执行器的替代版本；

图16示出了具有弯曲导管的末端执行器的替代版本；

图17A-17C描绘了相对于螺钉头定位的临时跟踪阵列组件；

图18示出了穿过一对螺钉头的多个可能的弯曲路径；

图19A和19B示出了可旋转调节的弯曲导管；

图20A示出了一系列螺钉头，其中一系列螺钉头中的一个头与弯曲的螺钉头路径不对齐，并且图20B示出调整成对齐的螺钉头；

图21A是相对于多个螺钉头定位弯曲杆的弧形插入器工具的透视图；

图21B示出了弧形插入器工具相对于末端执行器的旋转，使得弯曲杆沿着旋转路径移动；和

图22A和22B示出了包括反馈机构的末端执行器的另一替代版本。

具体实施方式

应该理解的是，本发明在其应用中不限于在此描述中阐述的或者在附图中示出的部件的构造和布置的细节。本发明的教导可以在其它实施例中使用和实践并且以各种方式实践或执行。而且，应该理解的是，这里使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应该被认为是限制性的。本文中“包括”、“包含”或“具有”及其变型的使用意味着涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。除非另外指定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变体广泛地使用并且包括直接和间接安装、连接、支撑和联接。此外，“连接”和“联接”不限于物理或机械连接或联接。

呈现以下讨论以使本领域技术人员能够制作和使用本发明的实施例。对所示实施例的各种修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且在不脱离本发明的实施例的情况下，本文中的原理可以应用于其它实施例和应用。因此，这些实施例不旨在限于所示出的实施例，而是将被赋予与本文公开的原理和特征相一致的最宽范围。下面的详细描述将参照附图来阅读，其中不同附图中的相同元件具有相同的附图标记。不一定按比例绘制的附图描绘了所选择的实施例，并不旨在限制实施例的范围。本领域技术人员将认识到，本文提供的示例具有许多有用的替代方案并且落入实施例的范围内。

现在转到附图，图1和图2示出了根据示范性实施例的外科手术机器人系统100。外科手术机器人系统100可以包括例如外科手术机器人102、一个或多个机器人臂104、基部106、显示器110、例如包括导管114的末端执行器112、以及一个或多个跟踪标记 118。外科手术机器人系统100可以包括患者跟踪装置116，其也包括一个或多个跟踪标记118，适于直接固定到患者210(例如，固定到患者210的骨头)。外科手术机器人系统100还可利用例如定位在摄像机支架202上的摄像机200。摄像机支架202可具有任何合适的构造以将摄像机200移动、定向并支撑在期望的位置。摄像机200可以包括能够识别例如在从摄像机的角度可见的给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摄像机，诸如一个或多个红外摄像机(例如，双焦点或立体摄影测量摄像机)。摄像机200可以扫描给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。例如，有源标记118可以包括由电信号(例如，红外发光二极管(LED))激活的红外发射标记，并且无源标记118可以包括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)，该红外光例如由摄像机200 上的照明器或其它合适的装置发射。

图1和图2示出了用于将外科手术机器人系统100放置在外科手术室环境中的可能配置。例如，机器人102可以位于患者210附近或旁边。尽管描绘在患者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正在进行外科手术的区域。摄像机200可以与机器人系统100分开并且定位在患者210的足部。该位置允许摄像机200对外科手术区域208具有直接的视线。再次，可以设想摄像机200可以位于具有到外科手术区域208的视线的任何合适的位置。在所示的构造中，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。外科手术助理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和助手126的位置可以颠倒。麻醉师122和护士或擦洗技术人员124的传统区域不受机器人102和摄像机200的位置阻碍。

关于机器人102的其它部件，显示器110可以被附接到外科手术机器人102，并且在其它示范性实施例中，显示器110可以与外科手术机器人102分开，不管是在具有外科手术机器人102的外科手术室内，还是在远处的位置。末端执行器112可以联接到机器人臂104并且由至少一个马达控制。在示范性实施例中，末端执行器112可以包含导管114，导管能够接收和定向用于对患者210进行外科手术的外科手术器械608(在此进一步描述)。如本文所使用的，术语“末端执行器”与术语“末端履行器”和“末端执行器元件”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器械代替。在一些实施例中，末端执行器112可以包含用于以期望的方式实现外科手术器械608的运动的任何已知结构。

外科手术机器人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可以被配置为用于围绕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(例如滚动、俯仰和/或偏航)可以被选择性地控制)。在一些示范性实施例中，与利用例如仅包含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过程的执行具有显著提高的准确度。例如，外科手术机器人系统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选择性地相对于朝向患者210身体的z轴成角度。

在一些示范性实施例中，外科手术器械608的位置可以动态更新，使得外科手术机器人102可以在外科手术期间始终知道外科手术器械608的位置。因此，在一些示范性实施例中，外科手术机器人102可以将外科手术器械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，外科手术机器人 102可以被配置为如果外科手术器械608偏离选择的预先计划的轨迹，则校正外科手术器械608的路径。在一些示范性实施例中，外科手术机器人102可被配置为允许停止、修改和/或手动控制末端执行器112和/或外科手术器械608的移动。因此，在示范性实施例中，在使用中，医师或其它使用者可以操作系统100，并且可以选择停止、修改或手动控制末端执行器112和/或外科手术器械608的自主移动。外科手术机器人系统100的进一步细节包括通过外科手术机器人102控制和移动外科手术器械608，其可以在共同未决的美国专利申请序列号13/924,505中发现，其全部内容通过引用并入本文。

机器人外科手术系统100可以包括一个或多个跟踪标记118，其被配置为三维地跟踪机器人臂104、末端执行器112、患者210和/或外科手术器械608的移动。在示范性实施例中，多个跟踪标记118可以被安装(或以其它方式被固定)在机器人102的外表面上，例如但不限于机器人102的基部106上、机器人臂104上、或末端执行器112上。在示范性实施例中，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。在示范性实施例中，多个跟踪标记118可以定位在患者210上与外科手术区域208间隔开，以减少被外科医生、外科手术工具或机器人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)到外科手术工具608(例如螺丝刀、扩张器、植入物插入器等)。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和外科手术工具608)中的每一个都能够被机器人102跟踪。在示范性实施例中，系统100可以使用从每个标记对象收集的跟踪信息计算例如末端执行器112、外科手术器械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。

在示范性实施例中，标记118中的一个或多个可以是光学标记。在一些实施例中，通过用于检查或验证末端执行器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。外科手术机器人系统100的进一步细节包括外科手术机器人102和外科手术器械608的控制、移动和跟踪，其可以在共同未决的美国专利申请序列号13/924,505中发现，其全部内容通过引用并入本文。

示范性实施例包括联接到外科手术器械608的一个或多个标记118。在示范性实施例中，例如联接到患者210和外科手术器械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可以包含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系统(诸如

)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可以包含能够使用商业上可获得的光学跟踪系统(诸如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。在示范性实施例中，联接到末端执行器112的标记118是有源标记，其包含可以打开和关闭的红外发光二极管，并且联接到患者210和外科手术器械608的标记118包含无源反射球。

在示范性实施例中，由标记118发射和/或反射的光可以由摄像机200检测并且可以用于监测被标记对象的位置和移动。在替代实施例中，标记118可以包含射频和/或电磁反射器或收发器，并且摄像机200可以包括射频和/或电磁收发器，或由射频和/或电磁收发器代替。

类似于外科手术机器人系统100，图3示出了与本发明的示范性实施例一致的处于对接构造的外科手术机器人系统300和摄像机支架302。外科手术机器人系统300可包含机器人301，机器人包括显示器304、上臂306、下臂308、末端执行器310、垂直柱 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。摄像机支架302可以包含摄像机326。这些部件参照图5更详细地描述。图3示出了处于对接构造的外科手术机器人系统300，其中摄像机支架302与机器人301嵌套，例如，在不使用时。本领域技术人员将认识到，摄像机326和机器人301可以在外科手术过程期间彼此分离并且定位在任何适当的位置处，例如，如图1和图2所示。

图4示出了与本发明的示范性实施例一致的基部400。基部400可以是外科手术机器人系统300的一部分并且包含机柜316。机柜316可以容纳外科手术机器人系统300 的某些部件，包括但不限于电池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。这些部件之间的连接和关系参照图5更详细地描述。

图5示出了外科手术机器人系统300的示范性实施例的某些部件的框图。外科手术机器人系统300可以包含平台子系统502、计算机子系统504、运动控制子系统506和跟踪子系统532。平台子系统502可以进一步包含电池402、配电模块404、平台接口板模块406和平板充电站534。计算机子系统504可以进一步包含计算机408、显示器304和扬声器536。运动控制子系统506可以进一步包含驱动器电路508、马达510、512、514、516、518、稳定器520、522、524、526、末端执行器310和控制器538。跟踪子系统532 可进一步包含位置传感器540和摄像机转换器542。系统300还可以包含脚踏板544和平板546。

经由可以被提供给配电模块404的电源548，将输入电力供应给系统300。配电模块404接收输入电力并且被配置为生成不同的电源电压，该电源电压被提供给系统300的其它模块、部件和子系统。配电模块404可以被配置为向平台接口模块406提供不同的电压供应，该不同电压可以被提供给如计算机408、显示器304、扬声器536、驱动器508 等其它部件，以例如驱动用于系统300的马达512、514、516、518和末端执行器310、马达510、环324、摄像机转换器542以及其它部件，例如用于冷却机柜316内的电气部件的风扇。

配电模块404还可以将电力提供给其它部件，诸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可以由与本发明一致并在此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可以用作对电池402进行充电。

平台子系统502的其它部件还可以包括连接器面板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部件连接到系统300和/或相关联的部件和模块。连接器面板320可以含有接收来自不同部件的线路或连接的一个或多个端口。例如，连接器面板320可以具有可以将系统300接地到其它设备的接地端子端口、将脚踏板544 连接到系统300的端口、连接到跟踪子系统532的端口，跟踪子系统532可以包含位置传感器540、摄像机转换器542、以及与摄像机支架302相关联的摄像机326。连接器面板320还可以包括其它端口以允许与其它部件(诸如计算机408)进行USB、以太网、 HDMI通信。

控制面板322可以提供控制系统300的操作和/或提供关于系统300的信息的各种按钮或指示器。例如，控制面板322可以包括按钮，其用于给系统300通电或断电、升高或下降垂直柱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以锁定系统300以免于物理移动。其它按钮可以在紧急情况下停止系统300，这可以消除所有的马达功率并施加机械制动器来停止发生所有运动。控制面板322还可以具有指示器，其用于向使用者通知某些系统状况，诸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，以向系统300的使用者通知系统300正在操作的不同模式以及对使用者的某些警告。

计算机子系统504包括计算机408、显示器304和扬声器536。计算机504包括操作系统和用于操作系统300的软件。计算机504可以接收和处理来自其它部件(例如跟踪子系统532、平台子系统502和/或运动控制子系统506)的信息以向使用者显示信息。此外，计算机子系统504还可以包括扬声器536以向使用者提供音频。

跟踪子系统532可以包括位置传感器504和转换器542。跟踪子系统532可以对应于包括摄像机326的摄像机支架302，如参照图3所描述的。位置传感器504可以是摄像机326。跟踪子系统可以跟踪位于系统300的不同部件和/或在外科手术过程期间由使用者使用的器械上的某些标记的位置。该跟踪可以以与本发明一致的方式进行，包括使用分别跟踪诸如LED或反射标记的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、取向和位置可以被提供给可以在显示器304上向使用者示出的计算机408。例如，具有这些类型的标记并且以这种方式跟踪的外科手术器械608(其可以被称为导航空间)可以向使用者显示相关的患者的解剖结构的三维图像。

运动控制子系统506可以被配置为物理地移动垂直柱312、上臂306、下臂308或旋转末端执行器310。物理运动可以通过使用一个或多个马达510-518来进行。例如，马达 510可以被配置为垂直升高或降低垂直柱312。如图3所示，马达512可以被配置为围绕与垂直柱312接合的点横向移动上臂308。如图3所示，马达514可以被配置为围绕与上臂306接合的点横向移动下臂308。马达516和518可以被配置为以可控制滚动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可以通过设置在末端执行器310 上的测压元件来控制这些移动，并且由接合这些测压元件的使用者激活以期望的方式移动系统300。

此外，系统300可以通过使用者在显示器304上指示外科手术器械或部件在显示器304(其可以是触摸屏输入装置)上的患者解剖结构的三维图像上的位置，来提供垂直柱312、上臂306和下臂308的自动移动。使用者可以通过踩踏脚踏板544或一些其它输入装置来启动该自动移动。

图6示出了与示范性实施例一致的外科手术机器人系统600。外科手术机器人系统600可以包括末端执行器602、机器人臂604、导管606、器械608和机器人基部610。器械工具608可以附接到包括一个或多个跟踪标记(诸如标记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被配置为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插入患者体内的路径。在示范性操作中，机器人基部610可以被配置为与机器人臂604和末端执行器602进行电子通信，使得外科手术机器人系统600可以辅助使用者(例如外科医生)在患者210上操作。外科手术机器人系统600可以与之前描述的外科手术机器人系统100和300一致。

跟踪阵列612可以安装在器械608上以监测器械工具608的定位和取向。跟踪阵列612可以附接到器械608并且可以包含跟踪标记804。如图8所示，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，如本文其它地方所述的标记118)。跟踪装置可以是与外科手术机器人系统相关联的一个或多个视线装置。作为示例，跟踪装置可以是与外科手术机器人系统100、300相关联的一个或多个摄像机200、326，并且还可跟踪跟踪阵列612以获得与机器人臂604、机器人基部610、末端执行器602和/或患者210相关的器械608的限定域或相对定向。跟踪装置可以与结合摄像机支架302和跟踪子系统532描述的那些结构一致。

图7A、图7B和图7C分别示出了与示范性实施例一致的末端执行器602的俯视图、主视图和侧视图。末端执行器602可以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，诸如之前已经描述的跟踪标记118。在示范性实施例中，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对于摄像机200、326 可见，或者可以被停用，使得红外标记702对摄像机200、326不可见。因此，当标记 702激活时，末端执行器602可以由系统100、300、600来控制，并且当标记702被去激活时，末端执行器602可以被锁定在位并且不能被系统100、300、600移动。

标记702可以以使得标记702可被一个或多个摄像机200、326或与外科手术机器人系统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。摄像机200、326或其它跟踪装置可随着跟踪标记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的位置可显示在显示器110、304上与外科手术机器人系统100、300、600相关联，例如图2所示的显示器 110和/或图3所示的显示器304。该显示器110、304可以允许使用者确保末端执行器602 处于关于机器人臂604、机器人基部610、患者210和/或使用者的理想位置。

例如，如图7A所示，可以将标记物702放置在末端执行器602的表面周围，使得远离外科手术区域208并且面向机器人102、301和摄像机200、326放置的跟踪装置能够以通过末端执行器602相对于跟踪装置100、300、600的一系列共同取向来观看标记702 中的至少3个。例如，以这种方式分配标记702允许当末端执行器602在外科手术区域 208中平移和旋转时通过跟踪装置监视末端执行器602。

另外，在示范性实施例中，末端执行器602可以配备有红外(IR)接收器，当外部摄像机200、326准备好读取标记702时，该红外(IR)接收器可以检测。在该检测之后，末端执行器602然后可以照亮标记702。由IR接收器检测到外部摄像机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)的占空比同步到外部摄像机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，在示范性实施例中，可以关闭标记702 以防止与其它导航工具(诸如不同类型的外科手术器械608)干扰。

图8描绘了一种类型的外科手术器械608，其包括跟踪阵列612和跟踪标记804。跟踪标记804可以是本文所述的任何类型，包括但不限于发光二极管或反射球。通过跟踪与外科手术机器人系统100、300、600相关联的装置来监视标记804，并且可以是视线摄像机200、326中的一个或多个。摄像机200、326可以基于跟踪阵列612和标记804 的位置和取向跟踪器械608的定位。诸如外科医生120的使用者可以以某种方式定向器械608，使得通过跟踪装置或摄像机200、326充分识别跟踪阵列612和标记804以显示器械608以及例如示范性外科手术机器人系统的显示器110上的标记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中并调节器械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的尺寸和构造被设定为接收外科手术器械608的至少一部分。导管114、606被配置为通过机器人臂104定向，使得外科手术器械608的插入和轨迹能够到达患者210体内或体上的期望解剖目标。外科手术器械608可包括大致圆筒形器械的至少一部分。尽管螺丝刀作为外科手术工具608被例示，但应该理解，任何合适的外科手术工具608都可以由末端执行器602定位。作为示例，外科手术器械608可以包括一个或多个导丝、套管、牵开器、钻孔器、扩眼器、螺丝刀、插入工具、拆卸工具等。尽管中空管114、606总体上显示为具有圆筒形构造，但本领域技术人员将会理解的是，导管114、606可以具有期望用于容纳外科手术器械608并进入外科手术部位的任何合适的形状、尺寸和构造。

图9A-9C示出了与示范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可进一步包含主体1202和夹具1204。夹具1204可包含手柄1206、球 1208、弹簧1210和唇缘1212。机器人臂604还可包含凹陷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接合和/或接合外科手术机器人系统和机器人臂604。例如，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，末端执行器602可以与柔性无菌屏障外的机器人臂604 紧固。在一个示范性实施例中，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可以包含安装板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的部分可以包含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变成坐落在相应的凹陷1214中。例如，如图9B所示的球1208将坐落在凹陷1214中，如图9A所示。这个座位可以被认为是磁力辅助的运动学联接件。无论末端执行器602的定向如何，磁体1220都可以被配置为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联动件经过中心的位置。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，诸如原始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，其将紧固末端执行器102支撑到机器人臂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之间的接口上滑动，并且用螺旋机构、跨中心联动件或凸轮机构紧固。

参考图10和图11，在外科手术过程之前或期间，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，可以使用配准系统1400，如图10所示。

为了跟踪患者210的位置，患者跟踪装置116可以包括将被固定到患者210的刚性解剖结构的患者固定器械1402，并且动态参考基部(DRB)1404可以被牢固地附接到患者固定器械1402。例如，患者固定器械1402可被插入到动态参考基部1404的开口1406 中。动态参考基部1404可含有对跟踪装置(诸如跟踪子系统532)可见的标记1408。这些标记1408可以是光学标记或反射球，诸如跟踪标记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外科手术过程中保持附接。在示范性实施例中，患者固定器械1402被附接到患者210的刚性区域，例如远离经受外科手术过程的目标解剖结构定位的骨骼。为了跟踪目标解剖结构，动态参考基部1404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与目标解剖结构相关联，以便将动态参考基部1404与目标解剖结构的位置配准。

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插入穿过配准固定件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插入穿过枢转臂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，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可以被跟踪子系统532检测到)。如本文先前所述，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还可以包含在成像空间(例如，三维CT图像)中可见的基准1422的集合，例如举例而言轴承球。如关于图11更详细描述的那样，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覆盖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，从而允许从外科手术区域移除配准固定件1410和/或枢转臂1412。

图11提供了与本发明一致的用于配准的示范性方法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)导入系统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，其包括配准固定件1410和基准1420的可检测成像图案。

在步骤1504，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，配准固定件1410的图形表示可以覆盖在目标解剖结构的图像上。

在步骤1508处，通过识别标记1420来检测和配准配准固定件1410的导航图案。标记1420可以是经由位置传感器540通过跟踪子系统532通过红外光在导航空间中识别的光学标记。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在成像空间中识别配准固定件1410，并且可以通过使用标记1420 在导航空间中识别配准固定件1410。在步骤1510，将成像空间中的配准固定件1410的配准转移到导航空间。例如，通过使用基准1422的成像图案比较于标记1420的导航图案的位置的相对位置来完成该转移。

在步骤1512，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础1404来跟踪导航和成像空间中的目标解剖结构。

在步骤1514和1516，导航空间可以覆盖在成像空间上，并且对象(例如，具有光学标记804的外科手术器械608)具有在导航空间中可见的标记。可以通过外科手术器械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图示了可与机器人系统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。使用成像系统1304，可以为任何适当的对象成像用于任何适当的过程。成像系统1304可以是任何成像装置，诸如成像装置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，而不需要频繁手动重新定位患者210，这可能需要在X射线系统中进行。如图12A所示，成像系统1304可以是C形臂1308的形式，其包括终止于“C”形的相对远端1312的细长 C形构件。C形构件1130可以进一步包含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以使患者基本上不受来自X射线支撑结构1318的干扰。如图12B所示，成像系统可以包括成像装置1306，该成像装置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，诸如具有轮1332的轮式移动手推车 1330，其可以包围图像捕捉部分(未示出)。图像捕获部分可以包括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，其彼此相隔大约一百八十度设置的，并且相对于图像捕获部分的轨迹安装在转子上(未示出)。图像捕获部分可以用于在图像采集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，允许从多个方向或多个平面获取患者210的图像数据。虽然在此例示了某些成像系统1304，但应该理解，本领域的普通技术人员可以选择任何合适的成像系统。

现在转到图13A-13C，外科手术机器人系统100、300、600依靠末端执行器112、602、外科手术器械608和/或患者210(例如，患者跟踪装置116)相对于期望的外科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描绘了外科手术机器人系统100的一部分，其具有机器人102，其中机器人102包括基部106、机器人臂104和末端执行器112。未示出的其它元件，诸如显示器、摄像机等也可以如本文所述存在。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上的多个跟踪标记118。在该实施例中，多个跟踪标记118附接到导管。图13C描绘了具有刚性固定到器械608上的多个跟踪标记804的器械608(在这种情况下为探针608A)。如本文其它地方所述，器械608可以包括任何合适的外科手术器械，诸如但不限于导丝、套管、牵开器、钻孔器、扩眼器、螺丝刀、插入工具、移除工具等。

当要以3D跟踪器械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，不妨碍外科手术操作、能见度等)。标记118、 804可以例如用阵列612固定到器械608、末端执行器112或其它要跟踪的对象上。通常，三个或四个标记118、804与阵列612一起使用。612可以包括线性部分、交叉部分，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。例如，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连接到探针608A的手柄620上，该手柄不妨碍轴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作为刚体被跟踪并且用于跟踪系统100、300、600在探针608A 在跟踪摄像机200、326前方四处移动时精确地确定尖端624的位置和轴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排列。不对称对齐的原因是，使得标记118、804对应于刚体上的特定位置以及标记118、804是从前方还是后方观察，即镜像，都是明确的。例如，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，那么系统100、300、600 将不清楚哪个标记118、804对应于正方形的哪个角。例如，对于探针608A，不清楚哪个标记804最接近轴622。因此，不知道轴622从阵列612延伸的方式。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。不对称和独特的标记图案允许系统100、300、600检测各个标记118、804，然后针对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分配给每个被跟踪对象。如果没有该信息，则除非使用者手动指定哪个检测到的标记118、804对应于每个刚体上的哪个位置，否则不能执行刚体计算以提取关键的几何信息，例如，诸如工具尖端624和轴622的对齐。这些概念对于3D光学跟踪方法的技术人员而言通常是已知的。

由于各种障碍物，直线进入某些解剖结构可能会很困难。例如，外科医生可能希望在接近椎弓根时避开血管、神经或肿瘤。当前跟踪的器械系统通常只允许直线轨迹。参照图14A-14B，将描述允许任意恒定曲率轨迹的末端执行器912。利用末端执行器912 允许更多种方法和更大的外科手术自由度。

图14A是具有导管904和位于其中的器械908的末端执行器902的特写视图。末端执行器902具有多个跟踪标记906，它们刚性固定在其上，类似于图7A-7C所示的实施例。跟踪标记906可以是发光二极管或其它类型的有源和无源标记，诸如先前已经描述的跟踪标记118。可以以使得标记906被一个或多个摄像机200、326或与外科手术机器人系统100、300、600相关联的其它跟踪装置可见的方式，将标记906设置在末端执行器902 上或末端执行器902内。摄像机200、326或其它跟踪装置可跟踪末端执行器902，因为其随着跟踪标记906的移动而移动到不同位置和视角。

在本实施例中，导管904具有从其近端903到其远端905具有恒定曲率半径R1的弯曲构造。导管904可以相对于末端执行器902是可互换的，使得可以利用各种曲率。例如，每个具有不同曲率半径R1的末端执行器902和多个导管904可以被设置在套件中，使得外科医生可以选择具有期望曲率的期望管904。

图14B描绘了具有刚性固定到器械908的一对跟踪标记阵列920a、920b的器械908(在这种情况下是锥子)。如本文其它地方所述，器械908可以包括任何合适的外科手术器械，例如但不限于导丝、套管、烧灼器、牵开器、钻孔器、扩眼器、螺丝刀、插入工具、移除工具等。诸如必须围绕其中心旋转以正常工作的钻头或螺丝刀之类的工具可以构造为具有弯曲的实心外轴和柔性内轴(未示出)，以允许尽管总体上弯曲但围绕固定尖端点旋转。在所示的实施例中，器械908包括轴912，其从位于近端907处的手柄910 延伸到远端尖端909。轴912具有曲率半径R2，其对应于导管904的曲率半径R1。与导管类似，多个器械908(每个都具有不同的曲率半径R2)被设置在套件中，使得外科医生可以选择具有期望曲率的期望器械908。

每个跟踪标记阵列920a、920b包括多个柱922，其用于安装类似于上述跟踪标记118、 804的跟踪标记(未示出)。每个阵列920a、920b可以包括线性部分、交叉块，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。阵列920a和 920b在不同的平面中延伸，这有助于更精确地跟踪器械908的方向，即曲率的方向。

在示出的实施例中，跟踪阵列920a、920b附接在器械908的手柄910附近，该手柄910避开轴912和尖端909。标记118、804的立体摄影测量跟踪允许器械908作为刚体被跟踪并且用于当探针908在跟踪摄像机200、326前方四处移动时跟踪系统100、300、 600精确地确定尖端624的位置和轴622的定向。

转到图15A-20B，将描述可以使用弯曲导管的另一种应用。脊柱融合包括将椎弓根螺钉插入要融合的椎体，然后将连接器杆穿过螺钉头部。尽管已经表明使用导航和机器人技术可以方便地插入螺钉，但是迄今为止通常手动执行将连杆放置在螺钉头上的步骤。因此，连杆的手动放置可能是乏味且容易出错的。本文描述了各种方法，其中可以使用预弯曲的弯曲杆来将相邻螺钉的头部互连，其中外科手术机器人用于引导杆的路径并使过程自动化。

参考图15A-15B，将描述利用机器人定位的弯曲导管1004a、1004b来引导弯曲杆的通道的实施例。也就是说，导管1004a、1004b被配置为使得其允许弯曲杆而不是直杆穿过其开口。在每个示出的实施例中，导管1004a、1004b由末端执行器1002(示意性示出) 支撑并且限定具有恒定曲率半径R3的通孔1006，该曲率半径补充了预期弯曲杆的曲率半径。尽管每个示出的通孔1006具有针对杆的圆形构造，因为该杆具有圆形横截面，但是通孔1006可以具有各种构造，例如方形、矩形或其它期望的形状。此外，通孔1006 的构造不必与杆的横截面匹配，例如，可以使具有圆形横截面的杆穿过具有方形构造的通孔1006。这种非互补的通道/杆组合可能不容易在杆通过期间卡住。弯曲导管1004a、 1004b可以由金属以及非金属制成，诸如陶瓷或PEEK，其具有低摩擦特性以促进弯曲杆的通过。

图16示出了用于通过弯曲杆的实心壳体的另一替代方案。在图示的实施例中，如图 16所示，导管1004c限定横截面大于预期弯曲杆的贯通通道1007。多个线性轴承1008 定位在贯通通道内以约束弯曲杆1010遵循弯曲路径。需要至少三个轴承1008来限制杆 1010旋转离开弧平面。这样的导管1004提供了更大的制造公差并且可能不易于卡住。

利用每个导管1004a、1004b、1004c，需要知道所需的弯曲路径。为了确定所需的弯曲路径，可以使用螺钉头的定位并找到弯曲路径，使得具有已知曲率的杆可以穿过所有螺钉头。可以通过使用动态参考基准(DRB)和标准跟踪系统100、300、600以及跟踪机器人，包括弯曲导管1004a、1004b、1004c，如前所述使用光学、电磁或其它手段，根据手术前或手术中图像上的计划加上脊柱的跟踪来确定螺钉头定位。

持续更新的杆待传送到螺钉头上的位置的知识，会在需要时自动定位机器人。然而，使用单个DRB来跟踪整个脊柱将不能识别一个椎骨相对于其它椎骨的移动，这可能在螺钉插入后和连接杆之前在外科手术期间操纵脊椎时发生。为了跟踪这种移动并确保杆能够正确地穿过螺钉头中的每个开口，一种方法是使用独立的跟踪器跟踪杆通道将通过的每个螺钉的位置。

参考图17A-17C，在螺钉插入后，无论是机器人还是徒手，跟踪标记118、804的跟踪阵列1021都被临时安装在每个螺钉头1014上。与每个螺钉头1014相关联的分开的阵列1021允许杆1010穿过的每个孔1016必须被监控，并且执行算法以找到用于成功穿过弯曲杆1010的路径和所需的机器人位置。跟踪阵列1021被预先校准，使得当相对于螺钉头1014安装时，螺钉头1014上的通孔1016的定向和位置相对于阵列1021是已知的。该螺钉头安装的临时阵列1021优选地被配置为使得阵列相对于螺钉头1014处于已知的位置和定向，而不管是否已对解剖扫描执行任何配准以将解剖坐标系与跟踪坐标系相关联。

在所示实施例中，每个阵列1021被支撑在阵列组件1020上，阵列组件1020被配置为接合相应的螺钉头1014。阵列组件1020包括在支撑管1026的基部上的连接器1022，该连接器1022相对于螺钉头1014在特定的位置配合。杆通道沿任一方向发生，如图17B 中的虚线箭头所示。由于穿过螺钉头1014的杆的进入孔和离开孔并不需要被区分，所以阵列连接器1022可以以两种方式之一适配到螺钉头上。在图17A-17B所示的实施例中，连接器1022限定与螺钉头部1014上的平坦表面1015互补并对齐的相对的平坦表面 1024。连接器1022和螺钉头部1014的构造不限于所示构造。阵列连接器1022与螺钉头部1014之间的配合表面的示例可以包括但不限于I形、两侧扁平的圆形、细长的六边形、矩形、沙漏形、3销或销-凸片构造。应该注意的是，许多郁金香头外科手术螺钉的横截面已经是两侧扁平的圆形，使得可以利用具有这种设计的现有螺钉用于跟踪阵列组件 1020的配合连接器1022。由于它可能用于在杆1010插入期间监测螺钉头1014的位置并且直到所有螺钉1012已经锁定到互连杆1010，临时阵列组件1020的支撑管1026可以含有贯通通道1027，在拆卸阵列1021之前，锁定工具(未示出)可以通过该通道插入以将螺钉头部锁定到杆上。虽然这里针对固定头螺钉示出，但是这种设计对于可变头螺钉也是有效的，因为跟踪器跟随螺钉头，持续监测头部上的杆通道。在螺钉头1014的位置已知的情况下，可以确定期望的弯曲路径，并且导管1004a定位成其曲率沿期望的弯曲路径P延伸。

为了在两个椎骨插入螺钉的情况下使用这样的跟踪器阵列1021，跟踪的孔位置和已知的杆弯曲将提供可能的解决方案，然而，该解决方案位于附图的平面中。包括但不限于P₁-P₄的路径的阵列是可能的，其将满足如果设想其它平面的杆穿过孔的要求，如图 18所示。由于机器人能够进行3D定位，它可以在任何这些平面中保持轨迹，与这些路径P₁-P₄中的任何一个对齐。

不同于允许两个自由度(在管内旋转并沿着管平移)通过直管插入龙头、钻孔机、螺丝刀等，导管的弯曲通孔1006允许弯曲杆1010仅限于一个自由度(沿着弯曲路径的杆位置)传递。一些机器人操纵器设计在定位末端执行器1002时仅包括5个自由度，这在处理这样的弯曲工具时会引起一些挑战。为了解决这个问题，图19A-19B中所示的弯曲导管组件1030引入了另一个自由度。更具体地说，导管组件1030包括支撑毂1032，其具有可旋转地附接到其上的弯曲导管1034。这样，支撑毂1032可以与末端执行器(未示出)刚性连接，而导管1034可以相对于其旋转，从而限定另一自由度。在所示的实施例中，旋转位置从毂1032上的刻度线标记和刻度盘设置。跟踪标记118、804可以附接到导向管1034，但是由于毂1032固定到跟踪的末端执行器，所以通常不需要在毂1032 上。通过手动或自动调节导管的旋转位置，可以在末端执行器沿路径的任何位置进行定位。

如果手动调整导管1034的旋转位置，则与跟踪系统100、300、600相关联的软件可以向使用者指示需要什么旋转位置。使用者然后可以将末端执行器相对于导管1034旋转到期望的位置并将其锁定在那里。或者，软件可以显示当前根据导管1034上的跟踪器 118、804设置的弯曲路径P。当使用者调整旋转位置时，他们将看到软件上的弯曲管1034 的图像改变其方向。该软件可以被配置为使得如果使用者调整到新的旋转位置，则末端执行器被自动地重新定位，使得曲线P穿过螺钉孔1016。当使用者调整旋转位置时，机器人将跳转到新的位置以满足杆的通过，从而允许使用者在任何数量的平面之间切换，如图18所示。对于自动调节，旋转式执行机构可将旋转位置移动到所需位置。通过这种调整机制，无论是手动还是自动，定位软件都会在数学上找到沿路径特定位置处曲线路径的切线，并将末端执行器移动到与该切线重合的位置。然后，旋转机构将适当地对齐弧平面，使得曲线遵循预期的路径。

转向图20A-20B，将描述用于使弯曲杆穿过三个或更多个螺钉1014的方法。使用两个螺钉时，杆的一系列曲率将成功连接螺钉头，并且限定螺钉路径的弧的一系列平面也将允许螺钉头相互连接。然而，增加曲线必须穿过的第三点约束几何形状，从而只允许在曲率半径和平面两方面的单个解决方案。一些外科手术螺钉具有可变的头部，这使得弯曲杆的解决方案具有稍微更大的灵活性。通过将跟踪器阵列1021附接到每个螺钉头 1014，外科医生可以使螺钉头1014在其范围内枢转，这可以允许具有可能不适合的特定曲率的杆适配。但是，可能需要更换成不同曲率的杆，以使曲线穿过所有螺钉。分别跟踪每个螺钉1012使得有助于通过互动地协助外科医生进行螺钉定位来穿过两个以上螺钉的程序。在该方法中，外科医生计划并插入所有螺钉，然后将跟踪器阵列1021附接到每个螺钉头1014。系统100、300、600然后计算并指示曲率半径工作以使弯曲杆穿过所有螺钉1014。如果这种杆的曲率半径不可用，那么系统100、300、600指示外科医生必须退回多少，或者进一步驱动一个或多个螺钉1012以选择曲率半径以成功连接螺钉头 1014。在图20A中，中间螺钉1012对于弯曲杆穿过其孔1016而言太过隆起。系统100、 300、600指示使用者精确地确定螺钉1012当前定位多少毫米。在需要调节螺钉位置的情况下，虽然不需要但理想的是，螺钉可以在不移除跟踪阵列1021的情况下转动。在如图20B所示驱动螺钉更深入之后，显示弯曲路径P的虚线现在与所有3个螺钉头1014 对齐，从而允许弯曲杆成功插入。

参考图21A-21B，将描述根据另一实施例的用于定位弯曲杆的方法和组件。弧形插入器工具1100被配置为由末端执行器602的导管606支撑。所示的末端执行器602与关于图7A-7C所描述的类似，但是可以具有其它构造。跟踪标记702与末端效应器602相关联，使得跟踪标记702的位置和定向可以由跟踪系统100、300、600跟踪。如将在下文中更详细地描述的，导管606的中心轴线被定位在弯曲连杆1010的旋转中心处。

弧形插入器工具1100包括毂1102，其被配置为用于定位在导管606中。在所示实施例中，毂1102滑入并锁定到末端执行器管606中，仅允许围绕末端执行器管旋转。这样，毂1102以及由此弧形插入器工具1100相对于末端执行器602围绕导管606的中心轴线旋转。毂1102可以包括手柄1104以便于手动旋转弧形插入器工具1100，但是可以省略手柄并且否则手动或自动旋转工具1100。

连接器臂1110从连接到毂1102的近端1111延伸到配置为暂时连接并支撑弯曲杆1010的远端1113。连接器臂1110的形状和构造使得其支撑弯曲杆1010沿着与螺钉头 1014对齐的旋转路径RP旋转。旋转路径RP可以以类似于上述的方式确定。在所示实施例中，旋转路径RP的中心也是杆1010的曲率中心，使得杆在旋转时保持在恒定路径上。如图21B所示，弧形插入器工具1100最初远离螺钉头1014旋转地定位，其中连接器臂 1110的远端1113沿旋转路径RP支撑弯曲杆1010。当插入器工具1100围绕毂1102旋转时，连接器臂1110移动使得弯曲杆1010沿着旋转路径RP行进，直到弯曲杆1010定位在螺钉头1014内。

通过控制机器人动态地控制旋转路径RP的中心的定位，可以使杆1010的曲率中心与旋转路径RP的中心一致。对于这样的方法，跟踪器被放置在工具1100上，使得当其通过其旋转摆动时，可以预测尖端位置并且可以在5个自由度上调整机器人以将工具的尖端定位在需要穿透螺钉头1014的位置。了解跟踪器相对于杆尖端的位置，系统100、 300、600可以显示、覆盖在医学图像上和/或覆盖在螺钉的图像上、杆1010相对于螺钉头1014中的孔的当前位置。外科医生然后可以调整末端执行器602的位置以使杆1010 相对于螺钉头1014中的孔对齐。

参考图22A-22B，将描述末端执行器1120，其被配置为用于调节弧形插入器工具1100 的路径。末端执行器1120包括支撑弧形插入器工具1100的导管1122。末端执行器1120还包括反馈机构1124，例如称重传感器，其被配置为提供反馈以使末端执行器1120在弧形平面之间移动。利用这种系统，外科医生可以计划使用特定的弧形平面来传送连接杆1010。当机器人和工具1100处于传送杆1010的位置时，外科医生可以指示系统100、300、600进入平面选择模式。在平面选择模式中，当外科医生向末端执行器1120的反馈机构1124施加力时，末端执行器1120自动调整所有轴线的位置以移动到新的弧形平面(例如，在如图18中所示的平面P1-P4或成功穿过杆的任何数量的平面之间切换)。也就是说，系统100、300、600将体现施加到末端执行器1120的反馈机构1124的拉力以移动到比当前弧形平面成角度更接近的弧形平面，以及施加的推力以移动到比当前弧形平面成角度更远离的弧形平面(图22B)。在调节期间，使用者将在计算机监视器上看到正在相对于螺钉和/或解剖结构配置的弯曲路径。

除了已经讨论过的使用机器人来定位导向管旋转或穿过其的工具的方法之外，机器人还可以与弯曲的插入器工具刚性对接并执行所有必要的移动以引导该工具通过螺钉头。这种机器人引导将需要完全6个自由度的机器人运动以允许末端执行器移动到所需的位置和方向。如果使用5自由度机器人，则需要通过如图19A-19B所示的机构来实现第六自由度，其中软件向使用者指示必须设置转盘的位置或用附加的执行器来处理这个自由度。

不同的输入装置可以使外科医生能够向系统100、300、600指示如何表现。例如，可以使用正向和反向开/关按钮或梯度(节流器)控制。当使用者在前进位置切换输入装置时，机器人可以沿着期望的路径向前推进弯曲工具。反向控制使机器人沿路径向后移动。不同的节流器水平可以指示移动的速度。

另一种可能的驱动机构是如上所述的反馈机构1024。当感测到来自反馈机构1024的沿着期望路径朝向前方的力时，可发生与力水平成比例的协调运动以将弯曲杆保持在期望路径上；类似地，当反馈机构1024沿期望的路径感测朝向反方向的力时，可能发生反向运动。另一种控制曲杆前进的选择是完全自主的；也就是说，机器人启动并控制弯曲杆的前进，当杆插入到期望的位置时停止。

如果使用机器人插入刚性固定的弯曲工具的方法，则杆与机器人的刚性接口实现其它优点。末端执行器1020处的反馈机构1024除了作为使用者沿着杆插入路径移动的机构之外，还可以用作杆1010是否正确地穿过这些孔的指示器。如果杆偏离孔并撞击螺钉偏心的中心位置，称重传感器应检测到向前运动的异常水平阻力。系统100、300、600 可以向使用者指示穿过孔的杆的螺纹可能需要调整。

在上述任何一种插入弯曲杆(摆动臂、弯曲导管或完全机器人控制的插入)的方法中，还需要一种机构将工具刚性地保持在相对于末端执行器的已知位置中，然后允许释放来自插入器工具的杆。在杆通过弯管的情况下，保持杆的工具的直径应该与杆本身的直径相同，以便两者可以在保持互连的同时滑过引导件。这种连接可能是一个坚实的焊接或单个成型零件，在插入后用切刀切割。由于杆自然地被切割成所需的长度，所以这种方法将允许将相同的部件用于任何数量的水平。在完全机器人控制的方法或者机器人定位的摆动臂的情况下，保持杆的工具可以具有比杆更大的直径，并且因此可以使用任何常见的快速释放或带领的保持器。

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括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，尽管在这里以及在随后的权利要求中使用了特定的术语，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的发明的目的或者所附的权利要求。这里引用的每个专利和出版物的全部公开内容通过引用并入，如同每个这样的专利或出版物单独地通过引用并入本文。在下面的权利要求中阐述了本发明的各种特征和优点。

Claims

1.一种外科手术机器人系统，其包含：

机器人，其具有机器人基部、联接到所述机器人基部的机器人臂、以及可移除地联接到所述机器人臂的末端执行器，

导管，所述导管由所述末端执行器支撑且限定通过其中的弯曲通道，所述弯曲通道具有沿着恒定半径曲率延伸的中心轴线，所述末端执行器或所述导管中的至少一者具有多个跟踪标记；

弯曲连接器杆，其具有沿着等于所述导管中心轴线的所述恒定半径曲率的恒定半径曲率延伸的中心线，使得所述弯曲连接器杆能够延伸穿过所述导管；

手术器械，其具有相应的固定的半径曲率，且包括刚性弯曲的外轴、安置于所述外轴内的柔性内轴和位于所述内轴的末端以与所述内轴一起旋转的手术尖端；和

至少一个摄像机，其能够检测位于所述末端执行器或所述导管的至少一者上的所述多个跟踪标记，

其中所述机器人被配置为定位所述末端执行器使得所述中心轴线沿着螺钉孔弯曲路径延伸，其中所述末端执行器包括具有夹具手柄的夹具、弹簧和一或多个球，当所述夹具手柄处于拉伸所述弹簧的闭合位置时，所述一或多个球经配置以座落于所述机器人臂内。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述弯曲通道由延伸穿过所述导管的弯曲通孔限定：

所述末端执行器通过磁力辅助的运动学联接件可移除地联接到所述机器人臂；

其中所述磁力辅助的运动学联接件包括安装板、一或多个凹陷、唇缘以及多个磁体，所述多个磁体安置于所述一或多个凹陷的下方，且其中当所述夹具手柄处于闭合位置时，所述末端执行器的每一个球经配置以座落于所述一或多个凹陷中的一个内。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述通孔具有与所述弯曲连接器杆的横截面形状互补的构造。

4.根据权利要求2所述的系统，其中所述通孔具有不同于所述弯曲连接器杆的横截面形状的构造。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述弯曲通道由定位在所述导管内的多个线性轴承限定。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统被配置为计算所述螺钉孔弯曲路径。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述摄像机被配置为跟踪临时附接到目标螺钉头的跟踪标记阵列，并且基于所述被跟踪的跟踪标记阵列来计算所述螺钉孔弯曲路径。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述系统被配置为引导对所述目标螺钉头中的一个或多个的调节，使得所述目标螺钉头中的所述一个或多个匹配所述螺钉孔弯曲路径。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述导管相对于所述末端执行器可旋转地调节，以在所述导管中心轴线延伸与所述螺钉孔弯曲路径对齐时提供附加的自由度。

10.一种外科手术机器人系统，其包含：

具有带有纵向中心轴线的导管，所述导管由所述末端执行器支撑，所述末端执行器或所述导管中的至少一者具有多个跟踪标记；

弯曲连接器杆，其具有沿着恒定半径曲率延伸的中心线；

弧形插入器工具，所述弧形插入器工具包含毂和连接器臂，所述毂可相对于所述导管定位，使得所述弧形插入器工具相对于所述末端执行器可旋转地固定，所述连接器臂从所述毂延伸到远端，所述远端被配置为连接所述弯曲连接器杆；和

至少一个摄像机，其能够检测所述末端执行器或所述导管中的至少一者上的多个跟踪标记，

其中所述机器人被配置为将所述末端执行器与所述导管的所述中心轴线定位在期望位置处，其中所述弧形插入器工具的旋转使所述弯曲连接器杆在径向路径上移动，

其中所述末端执行器包括具有夹具手柄的夹具、弹簧和一或多个球，当所述夹具手柄处于拉伸所述弹簧的闭合位置时，所述一或多个球经配置以座落于所述机器人臂内，

其中所述末端执行器通过磁力辅助的运动学联接件可移除地联接到所述机器人臂，

其中所述磁力辅助的运动学联接件包括安装板、一或多个凹陷、唇缘以及多个磁体，所述多个磁体安置于所述一或多个凹陷的下方，且

其中当所述夹具手柄处于闭合位置时，所述末端执行器的每一个球经配置以座落于所述一或多个凹陷中的一个内。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述连接器臂被配置为使得所述径向路径具有第一半径，所述第一半径等于所述恒定半径曲率。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述期望位置与目标螺钉路径间隔开等于所述第一半径的距离。

13.根据权利要求10所述的系统，其中所述弧形插入器工具被配置为相对于所述末端执行器手动旋转。

14.根据权利要求10所述的系统，其中所述机器人被配置为控制所述弧形插入器工具相对于所述末端执行器的旋转。

15.一种外科手术机器人系统，其包含：

导管，所述导管由所述末端执行器支撑且具有沿着恒定曲率半径延伸的中心轴线，所述末端执行器或所述导管中的至少一者具有多个跟踪标记；

器械，其具有相应的固定的半径曲率，且包括刚性弯曲的外轴、安置于所述外轴内的柔性内轴、和位于所述内轴的末端以与所述内轴一起旋转的手术尖端，所述器械进一步包括至少一个从所述器械延伸的跟踪标记阵列，其中所述跟踪标记阵列包括多个跟踪标记；和

至少一个摄像机，其能够检测所述器械上和所述末端执行器或所述导管中的至少一者上的所述多个跟踪标记，

其中当所述夹具手柄处于闭合位置时，所述末端执行器的每一个球经配置以座落于所述一或多个凹陷内。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述机器人的计算机确定所述器械相对于所述导管的位置。

17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述机器人的计算机定位所述末端执行器，使得所述导管引导所述器械在非线性路径上的移动。

18.根据权利要求15所述的系统，其中所述至少一个跟踪标记阵列包括从所述器械延伸的两个阵列，每个阵列在不同的平面中以相对于彼此固定的角度延伸。

19.根据权利要求15所述的系统，其中，所述导管相对于所述末端执行器可拆卸地支撑。

20.根据权利要求19所述的系统，包括多个导管，每个导管具有不同的恒定半径曲率以及用于每个导管的互补器械。