CN108969100A - 外科手术机器人系统 - Google Patents

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S·奇基尼
N·约翰逊
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Grosbos Medical Co Ltd
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    • B25J15/0441—Connections means having vacuum or magnetic means
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Abstract

本申请涉及一种外科手术机器人系统。该外科手术机器人系统可包含机器人，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和联接到所述机器人臂的末端执行器。末端执行器、外科手术器械、患者和/或待跟踪的其它对象包含有源和/或无源跟踪标记。例如立体摄影测量红外相机等相机能够检测所述跟踪标记，且所述机器人从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号美国专利申请的部分连续申请，其要求2012年6月21日提交的临时申请第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，其全部内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开涉及位置识别系统，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(3-dimensions，3D)中的特定对象的位置并跟踪特定对象。举例来说，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，例如外科手术器械。
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，待跟踪的对象可包含无源传感器，例如反射球形球，其位于待跟踪对象上的策略位置。红外发射器发射信号，且反射球形球反射信号以帮助确定对象在3D中的位置。在有源传感器或标记中，待跟踪的对象包含有源红外发射器，如发光二极管(light emitting diode，LED)，并因此产生它们自己的用于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：红外相机、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，所述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，所述对象用于机器人辅助外科手术。
根据一个实施例，一种外科手术机器人系统包含机器人，所述机器人具有机器人基部和显示器、联接到所述机器人基部的机器人臂和联接到所述机器人臂的末端执行器，所述末端执行器具有一个或多个跟踪标记，其中所述末端执行器的移动由所述机器人电子控制。所述系统进一步包含包含能够检测所述一个或多个跟踪标记的至少一个相机的相机支架，其中所述机器人确定所述一个或多个跟踪标记的三维位置。
根据另一实施例，一种外科手术机器人系统包含机器人，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、和联接到所述机器人臂的末端执行器。所述末端执行器具有附连到所述末端执行器的基部的第一多个跟踪标记和附连到所述末端执行器的导管的第二多个跟踪标记。所述多个第二跟踪标记能够相对于所述第一多个跟踪标记从第一配置移动到第二配置。所述系统进一步包含至少一个相机，所述至少一个相机能够在所述第一配置和所述第二配置中检测所述第一多个跟踪标记和所述第二多个跟踪标记。所述机器人从至少一个模板确定所述末端执行器的三维位置，所述至少一个模板对应于所述第一多个跟踪标记和所述第二多个跟踪标记的所述第一配置或所述第二配置。
根据另一实施例，一种外科手术机器人系统包含机器人，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、和联接到所述机器人臂的末端执行器。所述末端执行器具有导管，所述导管具有中心纵向轴线和附连到所述导管的单个跟踪标记。所述单个跟踪标记以固定距离与所述中心纵向轴线分离。所述系统包含仪器，所述仪器具有中心线和通过附接到所述仪器的多个跟踪标记从所述仪器延伸的阵列。所述系统进一步包含至少一个相机，所述至少一个相机能够检测所述导管上的所述单个跟踪标记和所述仪器上的所述多个跟踪标记。所述机器人确定所述仪器的所述中心线与所述单个跟踪标记之间的检测到的距离，以确定所述检测到的距离是否匹配所述固定距离。以此方式，所述机器人可确定所述仪器是否定位于所述导管内。
根据又另一个实施例，一种外科手术机器人系统包含机器人，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、和联接到所述机器人臂的末端执行器，所述末端执行器具有导管。所述系统包含仪器，所述仪器具有从所述仪器延伸的具有多个固定跟踪标记和可移动跟踪标记的阵列，所述仪器能够收纳于所述导管中。所述系统还包含配置成插入患者体内的植入物，所述植入物配置成以可拆卸方式联接到所述仪器。所述系统进一步包含至少一个相机，所述至少一个相机能够检测所述仪器上的所述多个固定跟踪标记和所述可移动跟踪标记，其中所述机器人确定所述可移动跟踪标记的位置或移动以确定所述植入物的变量。所述植入物能够是可膨胀植入物、铰接式植入物或可移动植入物，且所述变量可以是所述可膨胀植入物的高度、所述铰接式植入物的移动角度等等。
根据另一实施例，一种外科手术机器人系统包含机器人，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、和联接到所述机器人臂的末端执行器，其中所述机器人配置成控制所述末端执行器的移动以执行既定外科手术程序，且其中所述末端执行器能够与各自配置成执行不同外科手术过程的其它末端执行器互换。
附图说明
图1是外科手术过程期间机器人系统、患者、外科医生和其它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含外科手术机器人和相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到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到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含机器人臂和末端执行器的机器人的一部分；
图13B是图13A所示的末端执行器的特写视图，其具有刚性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是在第一配置中具有可移动跟踪标记的末端执行器的替代性版本；
图14B是在第二配置中具有可移动跟踪标记的图14A中示出的末端执行器；
图14C示出来自图14A的第一配置中的跟踪标记的模板；
图14D示出来自图14B的第二配置中的跟踪标记的模板；
图15A示出仅附着有单个跟踪标记的末端执行器的替代性版本；
图15B示出具有穿过导管安置的仪器的图15A的末端执行器；
图15C示出图15A的末端执行器，其具有在两个不同位置中的仪器，和用以确定仪器是否定位于导管内或导管外部的所得逻辑；
图15D示出具有两个不同框架处的导管中的仪器的图15A的末端执行器，和所述末端执行器离导管上的单个跟踪标记的相对距离；
图15E关于坐标系示出图15A的末端执行器；
图16是用于将机器人的末端执行器导航并移动到期望目标轨迹的方法的框图；
图17A到17B分别描绘用于将具有固定和可移动跟踪标记的可膨胀植入物插入于收缩和膨胀位置中的仪器；
图18A到18B分别描绘用于将具有固定和可移动跟踪标记的铰接式植入物插入于插入和成角位置位置中的仪器；
图19A描绘具有可互换或替代性末端执行器的机器人的实施例；且
图19B描绘机器人的实施例，所述机器人具有联接到其的仪器样式末端执行器。
具体实施方式
应该理解的是，本公开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。本公开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“包含”、“包括”或“具有”和其变型的使用意味着涵盖其后列出的项目和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”和其变体广泛地使用并且包含直接和间接安装、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公开的实施例。对所示实施例的各种修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且在不脱离本公开的实施例的情况下，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，本文提供的实例具有许多有用的替代方案并且落入实施例的范围内。
现转而参看附图，图1和图2示出了根据示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可包含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、例如包含导管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可包含患者跟踪装置116，其也包含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相机支架202上的相机200。相机支架202可具有任何合适的构造以将相机200移动、定向并支撑在期望的位置。相机200可包含能够识别例如在从相机的角度可见的既定测量体积中的有源和无源跟踪标记118的任何合适的一个或多个相机，例如一个或多个红外相机(例如双焦点或立体摄影测量相机)。相机200可以扫描既定的测量体积并且检测来自标记118的光以便识别和确定标记118在三维中的位置。举例来说，有源标记118可包含由电信号(例如红外发光二极管(LED))激活的红外发射标记，并且无源标记118可包含反射红外光的回射标记(例如它们将进入的IR辐射反射进入入射光的方向)，所述红外光例如由相机200上的照明器或其它合适的装置发射。
图1和图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。举例来说，机器人102可以位于患者210附近或旁边。虽然描绘在患者210的头部附近，但是应当理解，机器人102可以位于患者210附近的任何合适的位置，这取决于患者210正在进行外科手术的区域。相机200可以与机器人系统100分开并且定位在患者210的足部。所述位置允许相机200对外科手术区域208具有直接的视线。再次，可以设想相机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与助理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和相机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可包括导管114，导管能够接收和定向用于对患者210进行外科手术的外科手术器械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可包括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可以配置成用于围绕x轴、y轴和z轴中的一个或多个以及Z框轴线选择性旋转(使得与末端执行器112相关联的一个或多个欧拉角(例如滚动、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，与利用例如仅包括旋转轴的六自由度机器人臂的传统机器人相比，对末端执行器112的平移和定向的选择性控制可以允许医疗过程的执行具有显著提高的准确度。举例来说，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可以配置成如果外科手术器械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可配置成允许停止、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，医师或其它用户可以操作系统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的进一步细节包含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，其全部内容以引用的方式并入本文中。
机器人外科手术系统100可包括一个或多个跟踪标记118，其配置成三维地跟踪机器人臂104、末端执行器112、患者210和/或外科手术器械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。
标记118可包含不透射线或光学标记。标记118可呈适合的形状，包含球面、球形、圆柱形、立方体、长方体等等。在示范性实施例中，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的进一步细节包含外科手术机器人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，其全部内容以引用的方式并入本文中。
示范性实施例包含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可包括传统的红外发光二极管(LED)或能够使用商业上可获得的红外光学跟踪系统(例如)跟踪的二极管。是加拿大安大略省滑铁卢北方数字公司(Northern Digital Inc.)的注册商标。在其它实施例中，标记118可包括能够使用商业上可获得的光学跟踪系统(例如Polaris Spectra)跟踪的常规反射球。Polaris Spectra也是北方数字公司的注册商标。在示范性实施例中，联接到末端执行器112的标记118是有源标记，其包括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包括无源反射球。
在示范性实施例中，由标记118发射和/或反射的光可以由相机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可包括射频和/或电磁反射器或收发器，并且相机200可包含射频和/或电磁收发器，或由射频和/或电磁收发器代替。
类似于外科手术机器人系统100，图3示出了与本公开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和相机支架302。外科手术机器人系统300可包括机器人301，机器人包含显示器304、上臂306、下臂308、末端执行器310、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。相机支架302可包括相机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，其中相机支架302例如在不使用时与机器人301嵌套，。本领域技术人员将认识到，相机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示出了与本公开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的一部分并且包括机柜316。机柜316可以容纳外科手术机器人系统300的某些部件，包含但不限于电池402、配电模块404、平台接口板模块406、计算机408、手柄412和平板抽屉414。这些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可包括平台子系统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可以进一步包括电池402、配电模块404、平台接口板模块406和平板充电站534。计算机子系统504可以进一步包括计算机408、显示器304和扬声器536。运动控制子系统506可以进一步包括驱动器电路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可进一步包括位置传感器540和相机转换器542。系统300还可包括脚踏板544和平板546。
经由可以被提供给配电模块404的电源548，将输入电力供应给系统300。配电模块404接收输入电力并且配置成产生不同的电源电压，所述电源电压被提供给系统300的其它模块、部件和子系统。配电模块404可以配置成向平台接口模块406提供不同的电压供应，所述不同电压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、相机转换器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，例如可以位于平板抽屉318内的平板充电站534。平板充电站534可以与平板546进行无线或有线通信以用于为平板546充电。平板546可以由与本公开一致并在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的其它部件还可包含连接器面板320、控制面板322和环324。连接器面板320可以用于将不同的装置和部件连接到系统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。举例来说，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可包括位置传感器540、相机转换器542、以及与相机支架302相关联的相机326。连接器面板320还可包含其它端口以允许与其它部件(例如计算机408)进行USB、以太网、HDMI通信。
控制面板322可以提供控制系统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。举例来说，控制面板322可包含按钮，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，其用于向用户通知某些系统状况，例如线路电力指示器或电池402的充电状态。
环324可以是视觉指示器，以向系统300的用户通知系统300正在操作的不同模式以及对用户的某些警告。
计算机子系统504包含计算机408、显示器304和扬声器536。计算机504包含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)的信息以向用户显示信息。此外，计算机子系统504还可包含扬声器536以向用户提供音频。
跟踪子系统532可包含位置传感器504和转换器542。跟踪子系统532可以对应于包含相机326的相机支架302，如参照图3所描述的。位置传感器504可以是相机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用户使用的器械上的某些标记的位置。所述跟踪可以以与本公开一致的方式进行，包含使用分别跟踪例如LED或反射标记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上向用户示出的计算机408。举例来说，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)可以向用户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可以配置成物理地移动垂直柱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。举例来说，马达510可以配置成垂直升高或降低垂直柱312。如图3所示，马达512可以配置成围绕与垂直柱312接合的点横向移动上臂308。如图3所示，马达514可以配置成围绕与上臂308接合的点横向移动下臂308。马达516和518可以配置成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用户激活以期望的方式移动系统300。
此外，系统300可以通过用户在显示器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。用户可以通过踩踏脚踏板544或一些其它输入装置来启动所述自动移动。
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可包括末端执行器602、机器人臂604、导管606、器械608和机器人基部610。器械工具608可以附接到包含一个或多个跟踪标记(例如标记118)的跟踪阵列612，并且具有相关联的轨迹614。轨迹614可以代表器械工具608配置成一旦其穿过或固定在导管606中而行进的移动路径，例如器械工具608插入患者体内的路径。在示范性操作中，机器人基部610可以配置成与机器人臂604和末端执行器602进行电子通信，使得外科手术机器人系统600可以辅助用户(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并且可包括跟踪标记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。作为实例，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相机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相机支架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可包括一个或多个跟踪标记702。跟踪标记702可以是发光二极管或其它类型的有源和无源标记，例如之前已经描述的跟踪标记118。在示范性实施例中，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对于相机200、326可见，或者可以被停用，使得红外标记702对相机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可被一个或多个相机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。相机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。所述显示器110、304可以允许用户确保末端执行器602处于关于机器人臂604、机器人基部610、患者210和/或用户的理想位置。
举例来说，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和相机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。举例来说，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(infared，IR)接收器，当外部相机200、326准备好读取标记702时，所述红外(IR)接收器可以检测。在检测之后，末端执行器602然后可以照亮标记702。由IR接收器检测到外部相机200、326准备好读取标记702可以表示需要将标记702(其可以是发光二极管)的占空比同步到外部相机200、326。这也可以允许机器人系统作为整体实现较低的功耗，由此标记702将仅在适当的时间被照亮而不是被连续照亮。此外，在示范性实施例中，可以关闭标记702以防止与其它导航工具(例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，其包含跟踪阵列612和跟踪标记804。跟踪标记804可以是本文所述的任何类型，包含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，并且可以是视线相机200、326中的一个或多个。相机200、326可以基于跟踪阵列612和标记804的位置和取向跟踪器械608的定位。举例来说外科医生120等用户可以以某种方式定向器械608，使得通过跟踪装置或相机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配置成通过机器人臂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可包含大致圆筒形器械的至少一部分。虽然螺丝刀作为外科手术工具608被举例说明，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。作为实例，外科手术器械608可包含一个或多个导丝、套管、牵开器、钻孔器、扩眼器、螺丝刀、插入工具、拆卸工具等。虽然中空管114、606总体上显示为具有圆筒形构造，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到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可进一步包括主体1202和夹具1204。夹具1204可包括手柄1206、球1208、弹簧1210和唇缘1212。机器人臂604还可包括凹陷1214、安装板1216、唇缘1218和磁体1220。
末端执行器602可以通过一个或多个联接件机械地接合和/或接合外科手术机器人系统和机器人臂604。举例来说，末端执行器602可以通过定位联接件和/或增强联接件与机器人臂604接合。通过这些联接，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可包括安装板1216(其可以是非磁性材料)、一个或多个凹陷1214、唇缘1218和磁体1220。磁体1220安装在每个凹陷1214下方。夹具1204的部分可包括磁性材料并且被一个或多个磁体1220吸引。通过夹具1204和机器人臂604的磁性吸引，球1208变成坐落在相应的凹陷1214中。举例来说，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都可以配置成足够坚固以支撑末端执行器602的整个重量。定位联接件可以是唯一地约束六个自由度的任何类型的运动学安装件。
关于增强联接件，夹具1204的部分可以配置为固定的接地联动件，并且这种夹具1204可以用作五杆联动件。当唇缘1212和唇缘1218以固定末端执行器602和机器人臂604的方式接合夹具1204时，闭合夹具手柄1206可将末端执行器602固定到机器人臂604。当夹具手柄1206闭合时，当夹具1204处于锁定位置时弹簧1210可被拉伸或受到应力。锁定位置可以是提供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，例如原始PEEK(聚醚醚酮)。末端执行器602和机器人臂604之间的连接可以在末端执行器602和机器人臂604之间提供无菌屏障而不妨碍两个联接件的紧固。
增强联接件可以是具有多个弹簧构件的联动件。增强联接件可以与凸轮或基于摩擦的机构锁定。增强联接件还可以是足够强大的电磁体，其将紧固末端执行器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可包含将被固定到患者210的刚性解剖结构的患者固定器械1402，并且动态参考基部(dynamic reference base，DRB)1404可以被牢固地附接到患者固定器械1402。举例来说，患者固定器械1402可被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(例如跟踪子系统532)可见的标记1408。这些标记1408可以是光学标记或反射球，例如跟踪标记118，如前所述。
患者固定器械1402附接到患者210的刚性解剖结构并且可以在整个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可以所跟踪子系统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还可以含有在成像空间(例如三维CT图像)中可见的基准1422的集合，例如轴承球。如关于图11更详细描述的那样，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提供了与本公开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，其包含配准固定件1410和基准1420的可检测成像图案。
在步骤1504处，检测基准1420的成像图案并将其配准在成像空间中并存储在计算机408中。可选地，此时在步骤1506处，配准固定件1410的图形表示可以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来检测并配准配准固定件1410的导航图案。标记1420可以是经由位置传感器540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处，将成像空间中的配准固定件1410的配准转移到导航空间。举例来说，通过使用基准1422的成像图案比较于标记1420的导航图案的位置的相对位置来完成所述转移。
在步骤1512处，配准固定件1410的导航空间(已经与成像空间一起配准)的配准被进一步转移到附接到患者固定件器械1402的动态配准阵列1404的导航空间。因此，配准固定件1410可以被拆卸并且因为导航空间与成像空间相关联，所以可以使用动态参考基础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处，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，例如成像装置1306和/或C形臂1308装置。可能需要从多个不同位置拍摄患者210的X射线，而不需要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，其包含终止于“C”形的相对远端1312的细长C形构件。C形构件1130可以进一步包括X射线源1314和图像接收器1316。臂的C形臂1308内的空间可以为医生提供空间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，成像系统可包含成像装置1306，成像装置1306具有附接到支撑结构成像装置支撑结构1328的机架外壳1324，例如具有轮1332的轮式移动手推车1330，其可包围图像捕捉部分(未示出)。图像捕获部分可包含X射线源和/或发射部分以及X射线接收和/或图像接收部分，其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。虽然在此举例说明了某些成像系统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。
现转而参看图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包含基部106、机器人臂104和末端执行器112。未示出的其它元件，例如显示器、相机等也可以如本文所述存在。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。在所述实施例中，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可包含任何合适的外科手术器械，例如但不限于导丝、套管、牵开器、钻孔器、扩眼器、螺丝刀、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可包含线性部分、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。举例来说，如图13C所示，示出了具有4标记跟踪阵列612的探针608A，并且图13B描绘了具有不同4标记跟踪阵列612的末端执行器112。
在图13C中，跟踪阵列612用作探针608A的手柄620。因此，四个标记804连接到探针608A的手柄620上，所述手柄不妨碍轴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作为刚体所跟踪并且用于跟踪系统100、300、600在探针608A在跟踪相机200、326前方四处移动时精确地确定尖端624的位置和轴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。举例来说，如果标记118、804被布置在工具608或末端执行器112上的正方形中，那么系统100、300、600将不清楚哪个标记118、804对应于正方形的哪个角。举例来说，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所跟踪对象。如果没有所述信息，则除非用户手动指定哪个检测到的标记118、804对应于每个刚体上的哪个位置，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来说通常是已知的。
现转而参看图14A到14D，示出了具有可移动跟踪标记918A到918D的末端执行器912的替代性版本。在图14A中，具有可移动跟踪标记918A到918D的阵列示出于第一配置中，且在图14B中，可移动跟踪标记918A到918D示出于相对于第一配置成角的第二配置中。图14C示出例如如由图14A的第一配置中的相机200、326看见的跟踪标记918A到918D的模板；且图14D示出例如如由图14B的第二配置中的相机200、326看见的跟踪标记918A到918D的模板。
在此实施例中，涵盖了4标记阵列跟踪，其中标记918A到918D并非全部相对于刚性主体位于固定位置中，且替代地，可例如在测试期间调整阵列标记918A到918D中的一个或多个，以给出关于正被跟踪的刚性主体的经更新信息，而不妨碍对所跟踪标记918A到918D的自动检测和分类的过程。
当跟踪任何工具，例如连接到机器人系统100、300、600的末端执行器912的导管914时，跟踪阵列的主要目的是在相机坐标系中更新末端执行器912的位置。当使用例如如图13B中示出的刚性系统时，反射性标记118的阵列612从导管114刚性地延伸。因为跟踪标记118刚性地连接，所以对相机坐标系中的标记位置的了解还在相机坐标系中提供导管114的中心线、尖端和尾部的准确位置。通常，关于末端执行器112离此阵列612的位置的信息和关于目标轨迹离另一跟踪源的位置的信息用以计算必须针对机器人102的每个轴线输入的将把导管114移动成与轨迹对准的所需移动，并沿着轨迹向量将尖端移动到特定位置。
有时，期望轨迹在不方便或不可达的位置中，但如果可转动导管114，那么可到达期望轨迹。举例来说，如果导管114可超出间距(手腕上下角度)轴线的限度朝上转动，那么远离机器人102的基部106定点的极陡峭轨迹可以是可到达的，但如果导管114平行于将其连接到手腕的末端的板而附接，那么所述极陡峭轨迹可能并非可到达的。为了到达此轨迹，机器人102的基部106可移动，具有不同导管附接的不同末端执行器112可与工作的末端执行器交换。这两个解决方案可以是费时且繁琐的。
如图14A和14B中最好地看出，如果阵列908配置成使得标记918A到918D中的一个或多个不在固定位置中，且替代地，可调整、转动、枢转或移动标记918A到918D中的一个或多个，那么机器人102可提供关于正被跟踪的对象的经更新信息，而不妨碍检测和跟踪过程。举例来说，标记918A到918D中的一个可固定在适当位置，且其它标记918A到918D可以是可移动的；标记918A到918D中的两个可固定在适当位置且其它标记918A到918D可以是可移动的；标记918A到918D中的三个可固定在适当位置且其它标记918A到918D可以是可移动的；或所有标记918A到918D可以是可移动的。
在图14A和14B中示出的实施例中，标记918A、918B刚性地直接连接到末端执行器912的基部906，且标记918C、918D刚性地连接到管914。类似于阵列612，可提供阵列908以将标记918A到918D附接到末端执行器912、仪器608或待跟踪的其它对象。但是，在此状况下，阵列908由多个单独部件组成。举例来说，标记918A、918B可通过第一阵列908A连接到基部906，且标记918C、918D可通过第二阵列908B连接到导管914。标记918A可附连到第一阵列908A的第一端，且标记918B可分离一段直线距离并附连到第一阵列908A的第二端。虽然第一阵列908是大体上线性的，但是第二阵列908B具有弯曲或V形配置，其具有连接到导管914的相应根端，且以V形状从根端发散到远端，其中标记918C在一个远端处且标记918D在另一远端处。虽然在本文中举例说明了具体配置，但是应了解，涵盖了包含不同数目个和不同类型的阵列908A、908B和不同布置、数目和类型的标记918A到918D的其它非对称设计。
导管914可例如跨越铰链920或到基部906的其它连接器相对于基部906可移动、可转动或可枢转。因此，标记918C、918D是可移动的，使得当导管914枢转、转动或移动时，标记918C、918D也枢轴、转动或移动。如图14A中最好地看出，导管914具有纵向轴线916，纵向轴线916在大体上正交或竖直的定向上对准，使得标记918A到918D具有第一配置。现转而参看图14B，导管914枢转、转动或移动，使得纵向轴线916现相对于垂直定向成角，使得标记918A到918D具有不同于第一配置的第二配置。
相比于对于图14A到14D描述的实施例，如果在导管914与臂104(例如手腕附接)之间存在转动，其中剩余的所有四个标记918A到918D刚性地附接到导管914，且此转动由用户调整，那么机器人系统100、300、600将不能够自动地检测到导管914定向已改变。机器人系统100、300、600将跟踪标记阵列908的位置，并将假设导管914在先前定向上附接到手腕(机器人臂104)而计算错误的机器人轴线移动。通过一个或多个标记918A到918D(例如两个标记918C、918D)刚性地保持在管914上并保持一个或多个标记918A到918D(例如两个标记918A、918B)跨越转动，对新位置的自动检测变得可能，且基于在机器人臂104的端上检测到新工具或末端执行器112、912而计算正确的机器人移动。
标记918A到918D中的一个或多个配置成根据任何合适构件而移动、枢转、转动等等。举例来说，标记918A到918D可由例如夹钳、弹簧、杠杆、滑动件、肘节等等铰链920或用于执行以下操作的任何其它合适机构移动：个别地或组合地移动标记918A到918D、个别地或组合地移动阵列908A、908B、相对于另一部分移动末端执行器912的任何部分、或相对于另一部分移动工具608的任何部分。
如图14A和14B中示出，通过仅松开夹钳或铰链920、相对于其它部分908A、908B移动阵列908A、908B的部分并再收紧铰链920使得导管914定向于不同位置中，阵列908和导管914可变得可重新配置。举例来说，两个标记918C、918D可与管914刚性地互连，且两个标记918A、918B可跨越到附接到机器人臂104的末端执行器912的基部906的铰链920刚性地互连。铰链920可呈例如翼形螺母等等夹钳的形式，可松开并再收紧夹钳以允许用户在第一配置(图14A)与第二配置(图14B)之间快速切换。
相机200、326检测例如图14C和14D中标识的模板中的一个中的标记918A到918D。如果阵列908在第一配置(图14A)中且跟踪相机200、326检测到标记918A到918D，那么所跟踪标记匹配如图14C中示出的阵列模板1。如果阵列908是第二配置(图14B)且跟踪相机200、326检测到相同标记918A到918D，那么所跟踪标记匹配如图14D中示出的阵列模板2。阵列模板1和阵列模板2由系统100、300、600辨识为两个相异工具，其各自具有导管914、标记918A到918D与机器人附接之间的其自有的唯一定义的空间关系。用户可因此在第一配置与第二配置之间调整末端执行器912的位置，而不向系统100、300、600通知改变，且系统100、300、600将适当地调整机器人102的移动以保持在轨迹上。
在此实施例中，存在两个装配位置，其中标记阵列匹配允许系统100、300、600将组合件识别为两个不同工具或两个不同末端执行器的唯一模板。在这两个位置(即，分别在图14C和14D中示出的阵列模板1和阵列模板2)之间或的外部转动的任何位置中，标记918A到918D将不匹配任何模板，且虽然相机200、326检测到个别标记918A到918D，但系统100、300、600将不会检测到任何阵列存在，其结果与从相机200、326的视野临时阻挡标记918A到918D的情况相同。应了解，对于其它配置可存在其它阵列模板，其它配置例如标识不同仪器608或其它末端执行器112、912等等。
在所描述实施例中，在图14A和14B示出了两个离散装配位置。但是，应了解，在转动接点、线性接点、转动接点与线性接点的组合、木栓板或其它组合件上可存在多个离散位置，其中可通过调整阵列的一个或多个标记918A到918D相对于其它标记的位置来产生唯一标记模板，其中每个离散位置匹配特定模板，并通过不同已知属性定义工具608或唯一末端执行器112、912。另外，虽然对于末端执行器912举例说明，但是应了解，可移动且固定的标记918A到918D可与任何合适的仪器608或待跟踪的其它对象一起使用。
当使用外部3D跟踪系统100、300、600以跟踪附接到机器人的末端执行器112的三个或更多个标记的完全刚性主体阵列(例如如图13A和13B中所描绘)时，有可能直接跟踪或计算相机200、326的坐标系中的机器人102的每个区段的3D位置。接点相对于跟踪器的几何定向通过设计已知，且接点的线性位置或角位置从机器人102的每个电动机的编码器已知，从而完全定义从末端执行器112到基部116的所有移动部分的3D位置。类似地，如果跟踪器安装于机器人102的基部106(未示出)上，那么同样地有可能基于从每个马达的编码器已知的接点几何形状和接点位置而跟踪或计算从基部106到末端执行器112的机器人102的每个区段的3D位置。
在一些情形中，可能需要从刚性地附接到末端执行器112的少于三个标记118跟踪机器人102的所有片段的位置。具体地说，如果工具608被引入到导管114中，那么可能需要通过正被跟踪的一个额外标记118跟踪机器人902的完全刚性主体运动。
现转而参看图15A到15E，示出了仅具有单个跟踪标记1018的末端执行器1012的替代性版本。末端执行器1012可类似于本文中所描述的另一末端执行器，并可包含沿着纵向轴线1016延伸的导管1014。类似于本文中所描述的其它跟踪标记，单个跟踪标记1018可刚性地附连到导管1014。此单个标记1018可起到添加缺失的自由度以允许完全刚性主体跟踪的作用，和/或可起到充当监测标记以确保关于机器人和相机定位的假设有效的作用。
单个跟踪标记1018可作为末端执行器1012的刚性延伸部附接到机器人末端执行器1012，刚性延伸部在任何方便的方向上突出且并不阻挡外科医生的视野。跟踪标记1018可附连到导管1014或末端执行器1012上的任何其它合适的位置。当附连到导管1014时，跟踪标记1018可定位在导管1014的第一端与第二端之间的位置处。举例来说，在图15A中，单个跟踪标记1018示出为安装于窄轴1017的端上的反射球面，窄轴1017从导管1014前向延伸，并在导管1014的中点上方和导管1014的入口下方纵向定位。此位置允许标记1018由相机200、326大体上可见，而且将不阻挡外科医生120的视觉或与外科手术附近的其它工具或对象碰撞。另外，在此位置中具有标记1018的导管1014被设计成使引入到导管1014中的任何工具608上的标记阵列在导管1014上的单个标记1018可见的同时可见。
如图15B中示出，当紧密配合的工具或仪器608放置在导管1014内时，仪器608变得在6个自由度中的4个中以机械方式受约束。也就是说，除了围绕导管1014的纵向轴线1016之外，仪器608无法在任何方向上旋转，且除了沿着导管1014的纵向轴线1016之外，仪器608无法在任何方向上平移。换句话说，仪器608可仅沿着导管1014的中心线平移并围绕所述中心线旋转。如果另外两个参数已知，例如(1)围绕导管1014的纵向轴线1016的旋转角度；和(2)沿着导管1014的位置，那么相机坐标系中的末端执行器1012的位置变得完全定义。
现参考图15C，系统100、300、600应该能够知晓工具608何时实际上定位于导管1014内部，而非替代地定位于导管1014外部，和仅位于看到相机200、326的某处。工具608具有纵向轴线或中心线616和具有多个所跟踪标记804的阵列612。刚性主体计算可用以基于阵列612在工具608上的所跟踪位置而确定工具608的中心线616定位于相机坐标系中的何处。
从单个标记1018到导管1014的中心线或纵向轴线1016的固定正交(垂直)距离DF是固定的并在几何学上已知，且可跟踪单个标记1018的位置。因此，当从工具中心线616到单个标记1018的检测到的距离DD匹配从导管中心线1016到单个标记1018的已知固定距离DF时，可确定工具608在导管1014内(工具608的中心线616、1016与导管1014重合)或恰好在此距离DD匹配固定距离DF的可能位置的地点中的某一点处。举例来说，在图15C中，从工具中心线616到单个标记1018的正交检测到的距离DD匹配由两个位置中的透明工具608表示的两个数据框架(所跟踪标记坐标)的从导管中心线1016到单个标记1018的固定距离DF，且因此可需要额外的考量以确定工具608何时定位在导管1014中。
现转而参看图15D，编程逻辑可用以寻找跟踪数据的框架，其中从工具中心线616到单个标记1018的检测到的距离DD按正确长度保持固定，而不管工具608在空间上相对于单个球面1018按大于某一最小距离移动，以满足工具608在导管1014内移动的条件。举例来说，可通过第一位置中的工具608检测到第一框架F1，且可通过第二位置(即，相对于第一位置线性移动)中的工具608检测到第二框架F2。工具阵列612上的标记804可从第一框架F1以多于既定量(例如大于总共5毫米)移动到第二框架F2。甚至通过此移动，从工具中心线向量C′到单个标记1018的检测到的距离DD在第一框架F1与第二框架F2中大体上相同。
逻辑上，外科医生120或用户可将工具608放置于导管1014内，并使工具608略微地旋转或使其向下滑动到导管1014中，且系统100、300、600将能够从跟踪五个标记(工具608上的四个标记804加导管1014上的单个标记1018)来检测到工具608在导管1014内。知道了工具608在导管1014内后，可计算在空间上定义机器人末端执行器1012的位置和定向的所有6个自由度。不具有单个标记1018，即使确定已知工具608在导管1014内，但是未知导管1014沿着工具的中心线向量C′定位于何处，且导管1014如何相对于中心线向量C′旋转。
侧重于图15E，跟踪到单个标记1018的存在以及工具608上有四个标记804，有可能通过单个标记1018和通过中心线向量C′建构导管1014和工具608的中心线向量C′和法向量。此法向量具有定向，所述定向相对于在手腕(在此实例中，平行于那个片段)远端的机器人的前臂在已知定向上并在具体固定位置处与中心线向量C′相交。为方便起见，可建构三个相互正交的向量k′、j′、i′，如图15E中示出，从而定义导管1014的刚性主体位置和定向。三个相互正交的向量中的一个k′中的一个由中心线向量C′构成，第二向量j′由穿过单个标记1018的法向量构成，且第三向量i′是第一向量k′与第二向量j′的向量叉积。当所有接点处于零处时，相对于这些向量k′、j′、i′的机器人接点位置已知且固定，且因此刚性主体计算可用以在机器人处于起始位置处时确定机器人相对于这些向量k′、j′、i′的任何区段的位置。在机器人移动期间，如果从跟踪系统检测到工具标记804的位置(此时工具608在导管1014中)和单个标记1018的位置，且每个接点的角度/线性位置从编码器已知，那么可确定机器人的任何区段的位置和定向。
在一些实施例中，固定工具608相对于导管1014的定向可以是有用的。举例来说，末端执行器导管1014可围绕其轴线1016在特定位置中定向以允许加工或植入物定位。虽然附接到插入到导管1014中的工具608的任何东西的定向从工具608上的所跟踪标记804已知，但是在导管1014上没有额外跟踪标记1018(或在其它实施例中没有多个跟踪标记)的情况下，相机坐标系中的导管1014自身的旋转定向未知。此标记1018基于标记1018相对于中心线向量C′的定向而基本上提供从-180°到+180°的“时钟位置”。因此，单个标记1018可提供额外的自由度以允许完全刚性主体跟踪，和/或可充当监测标记以确保关于机器人和相机定位的假设有效。
图16是用于将机器人102的末端执行器1012(或本文中所描述的任何其它末端执行器)导航并移动到期望目标轨迹的方法1100的框图。单个标记1018在机器人末端执行器1012或导管1014上的另一用途是在没有附接到机器人102的完全跟踪阵列的情况下作为方法1100的部分实现机器人102的自动化安全移动。当跟踪相机200、326不相对于机器人102移动(即，它们在固定位置中)，跟踪系统的坐标系与机器人的坐标系共配准，且机器人102经校准使得可仅基于每个机器人轴线的经编码位置而在机器人笛卡尔坐标系中准确地确定导管1014的位置和定向时，此方法1100起作用。
对于此方法1100，跟踪器的坐标系和机器人的坐标系必须共配准，这意味着需要从跟踪系统的笛卡尔坐标系到机器人笛卡尔坐标系的坐标变换。为方便起见，此坐标变换可以是机器人技术的领域中众所周知的平移和旋转的4×4矩阵。此变换将被称为Tcr以指“变换-相机到机器人”。一旦此变换已知，那么对于每个跟踪标记以向量形式作为x、y、z坐标接收到的跟踪数据的任何新框架可乘以4×4矩阵，且所得x、y、z坐标将处于机器人的坐标系中。为了获得Tcr，在机器人上的完全跟踪阵列在机器人坐标系中已知的位置处刚性地附接到机器人时跟踪所述完全跟踪阵列，接着使用已知刚性主体方法以计算坐标的变换。应明显的是，当还读取额外标记1018时，插入到机器人102的导管1014中的任何工具608可与刚性附接的阵列提供相同的刚性主体信息。也就是说，工具608仅需要插入到导管1014内的任何位置并在所述导管1014内处于任何旋转，而不是插入到固定位置和定向。因此，有可能通过以下操作来确定Tcr：将具有跟踪阵列612的任何工具608插入到导管1014中并读取工具阵列612加导管1014的单个标记1018，同时从每个轴线上的编码器确定机器人的坐标系中的导管1014的当前位置。
在图16的方法1100中提供了用于将机器人102导航并移动到目标轨迹的逻辑。在进入循环1102之前，假设先前已存储了变换Tcr。因此，在进入循环1102之前，在步骤1104中，在紧固机器人基部106之后，当机器人静态时，存储导管中插入的工具的大于或等于一帧跟踪数据；且在步骤1106中，从此静态数据和先前校准的数据计算从相机坐标到机器人坐标的机器人导管位置的变换Tcr。Tcr应保持有效，只要相机200、326不相对于机器人102移动即可。如果相机200、326相对于机器人102移动，那么需要重新获得Tcr，可使系统100、300、600提示用户将插入工具608到导管1014中并接着自动执行必需的计算。
在方法1100的流程图中，每一帧所收集数据由患者210身上的DRB 1404的所跟踪位置、末端执行器1014上的单个标记1018的所跟踪位置和每个机器人轴线的位置的快照组成。从机器人的轴线的位置，计算出末端执行器1012上的单个标记1018的位置。此计算出的位置与如从跟踪系统记录的标记1018的实际位置相比较。如果值一致，那么可保证机器人102在已知位置中。变换Tcr应用于DRB 1404的所跟踪位置，以使得可根据机器人的坐标系提供机器人102的目标。可接着命令机器人102移动以到达目标。
在步骤1104、1106之后，循环1102包含从跟踪系统接收DRB 1404的刚性主体信息的步骤1108；将目标尖端和轨迹从图像坐标变换到跟踪系统坐标的步骤1110；和将目标尖端和轨迹从相机坐标变换到机器人坐标(应用Tcr)的步骤1112。循环1102进一步包含从跟踪系统接收机器人的单个杂散标记位置的步骤1114；和将单个杂散标记从跟踪系统坐标变换到机器人坐标(应用所存储Tcr)的步骤1116。循环1102还包含从前向运动学确定机器人坐标系中的单个机器人标记1018的当前位置的步骤1118。来自步骤1116和1118的信息用以确定来自经变换所跟踪位置的杂散标记坐标是否与小于既定容限的计算出的坐标一致的步骤1120。如果是，那么继续进行到步骤1122，计算并将机器人移动应用于目标x、y、z和轨迹。如果否，那么继续进行到步骤1124：在继续进行之前停止并需要完全阵列插入到导管1014中；步骤1126：在插入阵列之后重新计算Tcr；以及继续进行以重复步骤1108、1114和1118。
相比于省略对单个标记1018的连续监控以验证位置的方法，此方法1100具有优点。在不具有单个标记1018的情况下，将仍有可能使用Tcr来确定末端执行器1012的位置并向末端执行器1012发送目标位置，但将不可能验证机器人102实际上在预期位置中。举例来说，如果相机200、326已凸起且Tcr不再有效，那么机器人102将移动到错误位置。出于此原因，单个标记1018关于安全提供值。
对于机器人102的既定固定位置，理论上有可能将跟踪相机200、326移动到单个所跟踪标记1018保持未移动的新位置，这是因为单个所跟踪标记是单点而非阵列。在此状况下，系统100、300、600将不检测任何错误，这是因为在单个标记1018的计算出的和所跟踪位置方面将存在一致。但是，一旦机器人的轴线致使导管1012移动到新位置，那么计算出的和所跟踪位置将不一致且安全检查将起作用。
举例来说，术语“监测标记”可参考相对于DRB 1404在固定位置中的单个标记使用。在此实例中，如果DRB 1404凸起或以其它方式移开，那么监测标记的相对位置改变且可警告外科医生120导航可能存在问题。类似地，在本文中所描述的实施例中，通过机器人的导管1014上的单个标记1018，系统100、300、600可持续检查相机200、326是否已相对于机器人102移动。如果跟踪系统的坐标系对机器人的坐标系的配准丢失例如因为相机200、326凸起或发生故障或因为机器人发生故障，那么系统100、300、600可警告用户且可制成校正。因此，此单个标记1018还可被认为是用于机器人102的监测标记。
应显而易见的是，在完全阵列永久地安装于机器人102上(例如多个跟踪标记702安装于图7A到7C中示出的末端执行器602上)的情况下，不需要作为机器人监测标记的单个标记1018的此类功能性，这是因为不需要相机200、326相对于机器人102在固定位置中，且基于机器人102的所跟踪位置而在每个框架处更新Tcr。使用单个标记1018而非完全阵列的原因是完全阵列更庞大且具干扰性，由此阻挡外科医生的视野和对大于单个标记1018的外科手术视野208的访问，且到完全阵列的视距比到单个标记1018的视距更易于受到阻挡。
现转而参看图17A到17B和18A到18B，描绘了例如植入物固持器608B、608C等仪器608，仪器608包含固定跟踪标记804和可移动跟踪标记806两者。植入物固持器608B、608C可具有手柄620和从手柄620延伸的外轴622。轴622可大体上垂直于手柄620定位，如所示出，或可在任何其它合适的定向上定位。内轴626可在一端处通过旋钮628延伸穿过外轴622。使用所属领域的技术人员已知的典型连接机构，在另一端处，植入物10、12在植入物固持器608B、608C的尖端624处连接到轴622。举例来说，旋钮628可旋转以使植入物10、12膨胀或铰接植入物10、12。以引用的方式并入本文中中的第8,709,086号和第8,491,659号美国专利描述可膨胀融合装置和安装方法。
当例如植入物固持器608B、608C等跟踪工具608时，跟踪阵列612可含有固定标记804与一个或多个可移动标记806的组合，可移动标记806构成阵列612或以其它方式附接到植入物固持器608B、608C。导航阵列612可包含至少一个或多个(例如至少两个)固定位置标记804，固定位置标记804相对于植入物固持器仪器608B、608C与已知位置一起定位。这些固定标记804将不能够相对于仪器几何形状在任何定向上移动，并将适用于定义仪器608在空间上的位置。另外，存在可附接到阵列612或仪器自身的至少一个标记806，仪器能够相对于固定标记804在预定边界内移动(例如滑动、旋转等等)。系统100、300、600(例如软件)使可移动标记806的位置与植入物10的特定位置、定向或其它属性相关(例如图17A到17B中示出的可膨胀椎间体间隔件的高度，或图18A到18B中示出的铰接式椎间体间隔件的角度)。因此，系统和/或用户可基于可移动标记806的位置而确定植入物10、12的高度或角度。
在图17A到17B中示出的实施例中，四个固定标记804用以界定植入物固持器608B，且第五可移动标记806能够在预定路径内滑动以提供关于植入物高度(例如收缩位置或膨胀位置)的反馈。图17A示出其初始高度处的可膨胀间隔件10，且图17B示出膨胀状态下的间隔件10，其中可移动标记806平移到了不同位置。在此状况下，当植入物10膨胀时，可移动标记806更接近固定标记804移动，但预期此移动可逆转或以其它方式不同。标记806的线性平移的量将对应于植入物10的高度。虽然仅示出了两个位置，但是将有可能将此作为连续功能，可通过此连续功能使任何既定膨胀高度与可移动标记806的具体位置相关。
现转而参看图18A到18B，四个固定标记804用以界定植入物固持器608C，且第五可移动标记806配置成在预定路径内滑动以提供关于植入物铰接角度的反馈。图18A示出处于其初始线性状态下的铰接式间隔件12，且图18B示出按某一偏移角处于铰接式状态下的间隔件12，其中可移动标记806平移到不同位置。标记806的线性平移的量将对应于植入物12的铰接角度。虽然仅示出了两个位置，但是将有可能将此作为连续功能，可通过此连续功能使任何既定铰接高度与可移动标记806的具体位置相关。
在这些实施例中，可移动标记806持续滑动以基于位置而提供关于植入物10、12的属性的反馈。还预期，可存在可移动标记806必须处于的缜密位置，所述缜密位置将还能够提供关于植入物属性的其它信息。在此状况下，所有标记804、806的每个缜密配置与具体定向上或具体高度下的植入物固持器608B、608C和植入物10、12的具体几何形状相关。另外，可针对任何其它类型的已导航植入物的其它可变属性而使用可移动标记806的任何运动。
虽然相对于可移动标记806的线性移动描绘并描述，但是可移动标记806不应限于仅滑动，这是因为可存在标记806的旋转或其它移动可适用于提供关于植入物10、12的信息的应用。所述组固定标记804与可移动标记806之间的任何相对位置改变可以是植入物10、12或其它装置的相关信息。另外，虽然举例说明了可膨胀和铰接式植入物10、12，但是仪器608可对其它医疗装置和材料起作用，例如间隔件、笼、板、紧固件、钉子、螺杆、杆、插销、导线结构、缝合线、锚链夹、卡钉、支架、移植骨、生物制剂、接合剂等等。
现转而参看图19A，据设想，机器人末端执行器112可与其它类型的末端执行器112互换。此外，预期每个末端执行器112可以能够基于期望外科手术程序而执行一个或多个功能。举例来说，一导管114的末端执行器112可用于导引如本文中所描述的仪器608。另外，末端执行器112可由控制例如外科手术装置、仪器或植入物的不同或替代性末端执行器112替换。
替代性末端执行器112可包含联接到机器人且可由机器人控制的一个或多个装置或仪器。作为非限制性实例，如图19A中所描绘的末端执行器112可包括回缩器(例如第8,992,425号和第8,968,363号美国专利中公开的一或多种回缩器)或用于插入或安装例如可膨胀椎间融合装置等外科手术装置的一或多个机构(例如第8,845,734号、第9,510,954号和第9,456,903号美国专利中举例说明的可膨胀植入物)、单独椎间融合装置(例如第9,364,343号和第9,480,579号美国专利中举例说明的植入物)、可膨胀椎体切除术装置(例如第9,393,128号和第9,173,747号美国专利中举例说明的椎体切除术植入物)、铰接式间隔件(例如第9,259,327号美国专利中举例说明的植入物)、刻面假体(例如第9,539,031号美国专利中举例说明的装置)、椎板成形术装置(例如第9,486,253美国专利中举例说明的装置)、棘突间隔件(例如第9,592,082号美国专利中举例说明的植入物)、可充气物、紧固件，包含多轴螺杆、单面螺杆、椎弓根螺钉、后螺杆等等、骨固定板、杆建构物和修改装置(例如第8,882,803美国专利中举例说明的装置)、人造和自然椎间盘、运动保留装置和植入物、脊髓刺激剂(例如第9,440,076美国专利中举例说明的装置)和其它外科手术装置。末端执行器112可包含一个或多个仪器，所述仪器直接或间接联接到机器人来向外科手术目标提供骨接合剂、移植骨、活细胞、药品或其它递送物。末端执行器112还可包含被设计成用于执行椎间盘切除术、椎体后凸成形术、椎骨支架术、扩张或其它外科手术程序的一个或多个仪器。
末端执行器自身和/或植入物、装置或仪器可包含一个或多个标记118，使得可在三维中标识标记118的定位和位置。预期标记118可包含如本文中所描述的可对相机200直接或间接可见的有源或无源标记118。因此，举例来说，定位于植入物10上的一个或多个标记118可实现在植入之前、期间和之后对植入物10的跟踪。
如图19B中示出，末端执行器112可包含仪器608，或其联接到机器人臂104(举例来说，仪器608可通过图9A到9C中示出的联接机构联接到机器人臂104)并可由机器人系统100控制的部分。因此，在图19B中示出的实施例中，机器人系统100能够将植入物10插入到患者体内，并可使可膨胀植入物10膨胀或收缩。因此，机器人系统100可配置成辅助外科医生或部分或完全独立于外科医生进行手术。因此，据设想，机器人系统100可以能够针对其指定的功能或外科手术程序而控制每个替代性末端执行器112。
虽然参考脊柱应用大体上描述了本文中所描述的机器人和相关联系统，但是还预期机器人系统配置成用于其它外科手术应用中，包含但不限于外伤手术或其它矫形应用(例如放置髓内钉、板等等)、颅侧、神经、心胸、结肠直肠、肿瘤、牙科和其它外科手术和程序。
虽然在前面的说明书中已经公开了本发明的几个实施例，但应该理解，本发明所涉及的本发明的许多修改和其它实施例将受益于前述说明和相关附图中呈现的教导。因此应该理解，本发明不限于上文公开的特定实施例，并且许多修改和其它实施例旨在被包含在所附权利要求的范围内。进一步设想，来自一个实施例的特征可以与来自这里描述的不同实施例的特征组合或使用。此外，虽然在这里以及在随后的权利要求中使用了特定术语，但是它们仅以一般的和描述性的意义被使用，而不是为了限制所描述发明的目的或者所附权利要求。这里引用的每个专利和出版物的全部公开内容以引用的方式并入，如同每个这样的专利或出版物单独地以引用的方式并入本文中。在下面的权利要求中阐述了本发明的各种特征和优点。

Claims (10)

1.一种外科手术机器人系统，包括：
机器人，其具有机器人基部、联接到所述机器人基部的机器人臂和联接到所述机器人臂的末端执行器，
其中所述机器人配置成控制所述末端执行器的移动以执行既定外科手术程序，且
其中所述末端执行器能够与各自配置成执行不同外科手术程序的其它末端执行器互换。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述末端执行器包含回缩器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述末端执行器包括配置成收纳仪器的导管。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述末端执行器配置成保持植入物。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述植入物是可膨胀植入物、铰接式植入物或可移动植入物。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述末端执行器配置成安装多轴螺钉。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述末端执行器配置成将骨接合剂、移植骨、活细胞、一种或多种药品或其它递送物提供给外科手术目标。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述末端执行器包含被设计成用于执行椎间盘切除术、椎体后凸成形术、椎骨支架术、扩张或其它外科手术程序的一种或多种仪器。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述机器人执行矫形手术。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述机器人对脊柱执行外科手术。
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