CN110072487B - 用于手术机器人系统的跟踪和引导布置及相关方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于手术机器人系统的跟踪和引导布置以及相关的方法。该布置包括对象交互设备以及耦合至对象的基准标记，该对象交互设备包括与引导臂的远端接合的器械。检测器被连接至铰接臂并且可与该铰接臂协作，以被定位成邻近于基准标记，其中，该检测器被配置成用于与基准标记进行交互。该控制器设备被配置成用于从检测器接收同该检测器与基准标记的交互有关数据，用于基于该数据来确定基准标记与检测器之间的空间关系，用于确定器械相对于基准标记的空间关系，并且用于经由引导臂根据所确定的空间关系来引导该器械与对象进行交互。

Description

用于手术机器人系统的跟踪和引导布置及相关方法
背景技术
技术领域
本申请涉及手术机器人以及相关联的引导系统，并且更具体地，涉及用于例如在牙科手术中使用的手术机器人系统的跟踪和引导布置，其中，该布置被配置成用于跟踪手术过程期间的患者移动，以便引导手术器械。
相关技术说明
用于牙科手术过程之类的过程的许多手术机器人系统利用机器人臂来引导手术器械(例如，钻头)并且利用耦合至患者的机械跟踪臂来跟踪相对于该手术器械的患者运动。在这些系统中，机器人臂和机械跟踪臂物理地耦合在一起并且被校准，因此它们的相对位置是已知的。为了跟踪患者移动，机械跟踪臂可经由连接至患者的夹板或其他附连设备而被物理地附连或以其他方式栓系至该患者。在其他实例中，可使用例如光学、电磁、声学等跟踪设备来远程地跟踪患者移动。在这些手术机器人系统中，连接至患者的夹板或其他附连设备充当基准标记以用于参照患者的移动。
然而，被物理地附连或以其他方式栓系至患者的机械跟踪臂可能不利地在患者身上产生重量并物理地约束患者运动。这可能在手术过程期间导致患者不适。同样地，用于通过与基准标记的交互来跟踪患者移动的远程跟踪设备具有其本身的缺点。例如，使用立体相机的远程光学跟踪设备要求大型视场中到一个或多个基准标记的视线，这可能导致经常发生的对手术器械、装备等等的重新定位，或者在手术过程期间通信线路(即，光学跟踪系统情况下的视线)可能以其他方式被阻碍。在另一示例中，电磁跟踪系统可能同样是不利的，因为对通信的干扰或中断可能发生，这可抑制或阻碍系统效率。
由此，可能期望提供解决并克服现有技术系统的这些所注意到的示例性限制的用于手术机器人系统的跟踪和引导布置及相关联的方法。此类能力可期望地促进患者的更加舒适的手术体验和提高的手术效率。
发明内容
通过本公开的各方面满足了以上和其他需要，在一个特定方面中，本公开提供了用于手术机器人系统的跟踪和引导布置，该布置包括对象交互设备，该对象交互设备包括与引导臂的远端接合的器械。该器械可适于与对象进行交互。跟踪和引导布置还包括耦合至该对象的基准标记。跟踪和引导布置还包括检测器，该检测器连接至铰接臂的远端并可与其协作以被定位成邻近于基准标记。该检测器可被配置成用于与基准标记进行交互。跟踪和引导布置还包括控制器设备，该控制器设备包括硬件处理器和存储器。该控制器设备可被配置成用于从检测器接收同该检测器与基准标记的交互有关的数据，用于基于该数据来确定基准标记与检测器之间的空间关系，用于确定器械相对于基准标记的空间关系，并且用于经由引导臂根据所确定的空间关系来指引该器械与对象进行交互。
另一方面提供跟踪和引导手术机器人系统的方法，该方法包括：将连接至铰接臂的远端并与其协作的检测器定位成邻近于耦合至对象基准标记，该检测器被配置成用于与基准标记进行交互。该方法还包括：利用与检测器进行通信的控制器设备发起基准标记与检测器之间的交互，该控制器设备包括硬件处理器和存储器。该方法还包括：由控制器设备从检测器接收同该检测器与基准标记的交互有关数据。该方法还包括：由控制器设备基于所接收的数据来确定基准标记与检测器之间的空间关系。该方法还包括：确定对象交互设备的器械相对于基准标记的空间关系，该器械被连接至引导臂的远端。该方法还包括：经由引导臂根据所确定的空间关系来指引该器械与对象进行交互。
通过阅读以下详细描述连同下文简要描述的附图，本公开的这些和其他特征、方面和优点将是显而易见的。本公开包括在本公开中阐述的两个、三个、四个或更多个特征或要素的任何组合，而不论这种特征或要素在本文中的特定实施例描述中被明确组合还是以其他方式叙述。本公开旨在被整体阅读，从而使得除非本公开的上下文另外明确指明，应当如预期的那样考虑本公开的在本公开的方面和实施例中的任何方面和实施例中的任何可分离特征或要素，即，应当将其考虑为是可组合的。
本公开由此包括但不限于以下实施例：
实施例1：一种用于手术机器人系统的跟踪和引导布置，该系统包括：对象交互设备，包括与引导臂的远端接合的器械，该器械适于用于与对象进行交互；基准标记，耦合至对象；检测器，连接至铰接臂的远端并与其协作以被定位成邻近于基准标记，该检测器被配置成用于与基准标记进行交互；控制器设备，包括硬件处理器和存储器，该控制器设备被配置成用于从检测器接收同该检测器与基准标记的交互有关的数据，用于基于该数据来确定基准标记与检测器之间的空间关系，用于确定器械相对于基准标记的空间关系，并且用于经由引导臂根据所确定的空间关系来引导该器械与对象进行交互。
实施例2：如任何前述或下述实施例所述的布置或其组合，其中，引导臂被设置成与铰接臂处于间隔开的关系。
实施例3：如任何前述或下述实施例所述的布置或其组合，其中，铰接臂被连接至引导臂。
实施例4：如任何前述或下述实施例所述的布置或其组合，其中，引导臂和铰接臂中的每一者的近端被安装到公共基座。
实施例5：如任何前述或下述实施例所述的布置或其组合，其中，铰接臂包括多个串接设置的区段，这些串接设置的区段中，相邻区段通过接头连接，并且其中，位置指示设备与接头中的一个或多个接头接合用于指示与这些接头接合的串接设置的区段之间的角关系。
实施例6：如前述或下述实施例所述的布置及其组合，其中，控制器合并被配置成用于通过由位置指示设备传送的角位置来确定与铰接臂的远端接合的检测器的空间位置。
实施例7：如前述或下述实施例所述的布置或其组合，其中，控制器设备被配置成用于关于检测到的基准标记与检测器之间空间管芯的改变而改变对象交互设备相对于基准标记的空间关系。
实施例8：如前述或下述实施例所述的布置或其组合，其中，基准标记直接被附连至所述对象或者与安装至所述对象的夹板接合。
实施例9：如前述或下述实施例所述的布置或其组合，其中，检测器是光学检测器或电磁检测器。
实施例10：一种跟踪和引导手术机器人系统的方法，该方法包括：将连接至铰接臂的远端并与其协作的检测器定位成邻近于耦合至对象的基准标记，该检测器被配置成用于与基准标记进行交互；利用与检测器进行通信的控制器设备发起基准标记与检测器之间的交互，该控制器设备包括硬件处理器和存储器；由控制器设备从检测器接收同该检测器与基准标记的交互有关的数据；由检测器设备基于所接收的数据来确定基准标记与检测器之间的空间关系；确定对象交互设备的器械相对于基准标记的空间关系，该器械被连接至引导臂的远端；以及经由引导臂根据所确定的空间关系来指引器械与对象进行交互。
实施例11：根据任何前述或下述实施例所述的方法或其组合，进一步包括：将引导臂设置成与铰接臂处于间隔开的关系。
实施例12：根据任何前述或下述实施例所述的方法或其组合，进一步包括：将铰接臂连接至引导臂。
实施例13：如任何前述或下述实施例所述的方法或其组合，进一步包括：将引导臂和铰接臂中的每一者的近端安装到公共基座。
实施例14：如任何前述或下述实施例所述的方法或其组合，其中，铰接臂包括多个串接设置的区段，这些串接设置的区段中，相邻区段通过接头连接，并且其中，位置指示设备与接头中的一个或多个接头接合用于指示这些接头接合的串联设备的区段之间的角关系。
实施例15：如任何前述或下述实施例所述的方法或其组合，进一步包括：由控制器设备通过由位置指示设备传送的角关系来确定与铰接臂的远端接合的检测器的空间位置。
实施例16：如任何前述或下述实施例所述的方法或其组合，进一步包括：由控制器设备关于检测到的基准标记与检测器之间空间关系的改变而改变对象交互设备相对于基准标记的空间关系。
实施例17：如前述或下述实施例所述的方法或其组合，包括：将基准标记直接附连至对象，或者将该基准标记与安装至对象的夹板接合。
实施例18：如任何前述或下述实施例所述的方法或其组合，其中，耦合检测器包括将该检测器耦合成邻近于耦合至对象的基准标记，检测器包括光学检测器或电磁检测器。
通过阅读以下详细描述连同下文简要描述的附图，本公开的这些和其他特征、方面和优点将是显而易见的。本公开包括在本公开中阐述或在权利要求中的任何一个或多个权利要求中所叙述的两个、三个、四个或更多个特征或要素的任何组合，而不论此类特征或要素在本文中的特定实施例描述或权利要求中被明确组合还是以其他方式叙述。本公开旨在被整体阅读，使得除非本公开的上下文另外明确指明，应当如预期的那样将本公开的在本公开的方面和实施例中的任何方面和实施例中的任何可分离特征或要素考虑为是可组合的。
附图说明
以总括方式对本公开作了如此描述，现在将参照所附附图，这些附图不一定按比例绘制，并且在附图中：
图1示意性地图示出根据本公开的各方面的用于手术机器人系统的跟踪和引导布置的第一示例性实施例；
图2示意性地图示出根据本公开的各方面的用于手术机器人系统的跟踪和引导布置的第二示例性实施例；以及
图3示意性地图示出根据本公开的各方面的使用用于手术机器人系统的跟踪和引导布置来进行跟踪和引导的方法。
具体实施方式
现在将在下文中参照所附附图更全面地描述本公开，在所附附图中示出了本公开的一些而非全部方面。事实上，本公开可按许多不同的形式来被具体化并且不应被解释为限于本文中所阐述的各方面；相反，提供这些方面以使得本公开将满足可适用的法律要求。贯穿全文，相同的编号指代相同的要素。
本公开的各方面可至少部分地基于引导型手术机器人系统和方法，诸如，例如在授权给萨尔塞多(Salcedo)等人并且转让给Neocis(其还是本申请的受让人)的美国专利号8,808,000中公开的引导型手术机器人系统和方法。授权给萨尔塞多(Salcedo)等人的US8,808,000的公开内容由此通过引用结合在此。
图1-图3提供了用于手术机器人系统的跟踪和引导布置以及相关联的方法的示例性实施例。根据本公开的一些方面，手术机器人系统和方法可在牙科应用中被利用，尤其用于牙种植过程。然而，用于手术机器人系统的跟踪和引导布置及方法不限于牙科应用，并且可被用于其中需要跟踪患者人体的移动以及引导手术器具的移动的任何应用，而没有与常规手术机器人系统和方法相关联的限制(例如，视线限制、物理栓系、干扰等)。
现在参考图1-图2，总体图示为100的手术机器人系统被提供有用于在机器人手术期间跟踪患者运动的跟踪和引导布置110的相应示例性实施例。如图1-图2中所图示，跟踪和引导布置110和/或手术机器人系统100可被配置用于机器人牙科手术(例如，牙种植手术)，但本领域普通技术人员将会领会，跟踪和引导布置110和/或手术机器人系统100还可容易地适用于或以其他方式容易地适于其他手术过程(例如，颅骨手术、耳鼻喉科(ENT)手术、整形外科手术或者与患者的人体相关联的任何其他手术过程)。
参照图1，跟踪和引导布置110包括混合式(即，组合式)机械和光学跟踪和引导布置，而在图2中，该跟踪和引导布置110包括混合式机械和电磁跟踪和引导布置。在所图示的示例性跟踪和引导布置110中的每一者中，技术的组合(例如，机械跟踪和引导与光学跟踪和引导或者电磁跟踪和引导的组合)克服了某些现有技术跟踪和引导布置中存在的所注意到的缺陷。例如，增加的患者移动的自由度、最小化的视线要求、减少的潜在干扰等是源自根据本公开的跟踪和引导布置110的对自动化机器人手术领域的一些示例性改进。还构想了针对混合式跟踪和引导布置110的其他技术组合。
一般而言，并且参考图1-图2，跟踪和引导布置110包括对象交互设备130，包括引导臂120和器械140(即，手术器械)，该引导臂120诸如例如，铰接臂构件(例如，机器人臂)。器械140被配置成用于接合引导臂120的远端，并且适于在由引导臂120引导的同时与对象进行交互或以其他方式进行通信。如本文中所使用，“对象”可以是诸如患者的颌面部(例如，颌部或嘴部)之类的可移动的任何物或者仅仅其模型。在一些方面中，对象交互设备130在本文中可被称为能够与患者的颌面部进行交互的患者交互设备，并且是“切割设备”、“钻孔设备”、“位点准备设备”、“种植设备”等等，并且该引用旨在指示与引导臂120接合的特定器械140。由此，在理解此类引用旨在指示对象交互设备130的器械140元件被配置成用于经由引导臂120就有创部分或者机器人手术过程的至少对象交互部分而被指引或引导(例如，以“准备”患者的颌部或嘴部内的位点或者以其他方式与患者的颌部或嘴部进行交互)或者被配置成用于以其他方式与对其应用系统100的对象进行交互的情况下，对象交互设备130和器械140可在本文中可互换地被称为被配置用于特定对应的目的或过程。
在一些方面中，一个或多个致动器(未示出)可与引导臂120接合，并且可被配置并布置成用于协作以在由用户操纵时以六个自由度引导(即，以特定方向(水平和/或垂直)平移，和/或绕轴旋转)引导臂120的远端从而完成手术过程。引导臂120还可以被配置成用于限制或以其他方式控制对象交互设备130的移动，并由此限制或以其他方式控制器械140的移动。进一步地，在一些实例中，引导臂120可具有微型平行结构，器械140被固定到该微型平行结构并被允许具有完全的移动自由度。由于器械140包括或被附连至引导臂120的远端，所以对象交互部分(即，切割/钻孔尖端)是对象交互设备130的器械140，并且器械140由此必须处于已知的(即，系统100已知的相对于引导臂120的)空间位置。
在一些方面中，经由引导臂120根据如由跟踪和引导布置110所确定的空间关系来引导或指引器械140。以此种方式，跟踪和引导布置110还包括连接至铰接臂160的远端并可与其协作的检测器150以及耦合至患者的颌部或嘴部的基准标记170。检测器150可以包括被配置成用于与基准标记170进行交互的光学检测器(例如，相机)或电磁检测器(例如，电磁发射器)以及被配置成用于与适当配置的基准标记170进行交互的其他类型的检测器(例如，声学检测器)。基准标记170可以是被配置成用于耦合至诸如患者的颌部或嘴部之类的对象的夹板或其他接合构件。也就是说，在一个实例中，基准标记170被配置成用于以“牢固”或稳固的交互来接合对象(即，夹板与患者的牙齿接合而不相对于患者的嘴部移动)。在该实例中，由于夹板不相对于对象移动，所以可确定夹板在相对坐标系或三维空间(即，X,Y,Z坐标系)中的初始空间位置。由此，夹板可以被配置成用于提供基准标记(即，通过与夹板的稳固交互或者以其他方式与夹板相关联或附连至夹板而形成的已知的原点或坐标要素)，该基准标记可被用来例如在机器人手术期间经由引导臂120来引导对象交互设备130的器械140。
在一些方面中，对象交互设备130的交互部分/器械140可相对于基准标记170被配准或校准。例如，校准元件(未示出)可经由运动学耦合件与对象交互设备130接合(即，以已知的、可重复的方式刚性地安装到对象交互设备130)。本领域的技术人员将由此领会，随后可以使用各种尖端校准方法(例如，不动点等)来校准对象交互设备130的交互部分/器械140。一旦被配准，校准元件就能以已知且可重复的方式利用对象交互设备130中的切割/钻孔元件(器械140)来代替，使得像被配准那样维护校准参数(即，与交互部分/器械140相关联的最远点和轴的位置)。
在一个方面中，基准标记170被配置为是对各种对象“可普遍适用的”(即，能够与任何患者的人体形成稳固接合)，或至少对特定范围的对象适用(即，一个大小适合于某个大小或年龄的患者)。为了确定与基准标记170相关联的参照原点，根据本公开的一方面，基准标记170(例如，夹板或其他接合构件)可与对象(诸如，患者的牙齿)接合，并且随后使用例如计算机化断层扫描(CT)或任何其他合适的成像技术(诸如例如，磁共振成像(MRI))来对对象(例如，患者的颚骨结构)进行成像。在此类实例中，基准标记170可由例如在例如通过CT或MRI所获取的图像中可以清楚地界定的不透射线的材料组成，使得基准标记170在对象(例如，患者的颚骨结构)的图像中是可容易地标识的，或者是以其他方式可检测的。由此，可以将基准标记170建立为例如相对坐标系或三维空间的参照原点。
本领域的技术人员将会领会，能以许多不同方式将基准标记170配置成用于完成如本文中所讨论的期望功能。在一个方面中，可基于跟踪和引导布置110中所实现的检测器150的类型来配置基准标记170。在检测器150是光学检测器的情况下，例如，基准标记170可包括反射标记(即，在三维空间中唯一地界定基准标记170的几何结构或其他特性或特征，使得该基准标记在对象(例如，患者的颚骨结构)的图像中容易被标识或者是以其他方式可检测或可跟踪的)，以供检测器150进行跟踪或以其他方式进行交互(参见，例如，图1)。在另一示例中，在检测器150是电磁检测器的情况下，基准标记170可包括适当的传感器或发射器，以供电磁检测器150进行跟踪或以其他方式与其交互(参见，例如，图2)。
在另一方面中，基准标记170可被配置成基于对象的状况以适当的方式耦合至对象。例如，如果患者具有能够支撑基准标记的某颗坚固的牙齿，则可使用例如粘合剂或者利用合适的夹具将基准标记170刚性地附连至患者的嘴部。在另一示例中，对于无牙齿患者(即，没有牙齿的那些患者)，可将骨钉钻孔穿过基准标记170并且进入到患者的颚骨结构以便将该基准标记170稳固地固定到位。还可使用例如适当的骨螺钉将基准标记170附连至任何患者的颚骨结构。在进一步的方面中，只要基准标记170刚性地保持在恰当的位置，该基准标记相对于对象的定位就可能不关键或不重要。
相应地，在本公开的一些方面中，检测器150可经由铰接臂160被配置成或者能够被定位成邻近于基准标记170，以便通过与基准标记170的近接近性交互来跟踪患者的移动。值得注意的是，图1-图2中所图示的跟踪和引导布置110不被配置成使得检测器150与基准标记170物理地连接。相反，铰接臂160有利地被配置成用于将检测器150定位成邻近或接近基准标记170。例如，铰接臂160被配置成用于将检测器定位在基准标记170若干厘米之内。以此种方式，患者不被物理地栓系至手术机器人系统，并且检测器150可被定位在适合于与基准标记170进行交互的范围中，而没有在现有技术中遇到的限制中的一些限制，诸如，通信阻抗(即，光学检测器情况下的视线的中断)、干扰、或检测器距基准标记的距离。
铰接臂160可包括多个串接设置的区段162A-C，其中，相邻的区段162A-C由接头164A-B连接。接头164A-B可以是使得串接设置的区段162A-C中的每个区段都能够是在相对坐标系或三维空间中可独立定位的(即，可平移的、可移动的、可旋转的)的运动学机构。在图1-图2中的每一附图中，三个串接设置的区段162A-C被图示为：第一区段162A具有安装到基座180的近端，第二区段162B在近端处通过第一接头164A连接至第一区段162A的远端，并且第三区段162C在近端处通过第二接头164B连接至第二区段162B的远端。检测器150使用例如机械联动装置被连接至第三区段162C的远端。例如，可在第三区段162C的远端处和/或在第一区段162A的近端处(铰接臂160在该处被安装或以其他方式耦合至基座180)设置与接头164A-B类似的附加接头。另外，检测器150可被刚性地连接至第三区段162C的远端。以此种方式，对铰接臂160的串接设置的区段162A-C中的一个或多个区段的操纵可使得检测器150能够相对于基准标记170枢转、移动和/或以其他方式被定位在期望的位置中。如本领域普通技术人员将注意到的，可在铰接臂160中利用比图1-图2中所图示的数量更多或更少的数量的串接设置的区段和/或接头。
在一些方面中，铰接臂160被安装至基座180，使得该铰接臂160与引导臂120经由基座180可操作地连接、耦合或进行通信。例如，铰接臂160和引导臂120可在近端处、在基座180处、或者在沿这些臂中的每个臂的长度的另一位置处机械地彼此链接。在其他方面中，铰接臂160可被安装至基座180，使得该铰接臂160与引导臂120相对于彼此以间隔开的关系设置。无论如何，基座180可有利地可移动以方便在各种不同空间、患者位置(仰卧、直立、斜躺)或手术需要等中使用。另外，铰接臂160和/或铰接臂120可被安装至非可移动的基座(例如，静止平台，诸如，墙壁、天花板、地板等)。不论以何种方式来安装铰接臂160和/或引导臂120，得到的安装布置都可使得铰接臂160能够将检测器150定位成邻近于基准标记170，并且可允许对象交互设备130的引导臂120指引器械140与对象进行交互。
如图1-图2公开了其中检测器150和基准标记170被设置成彼此邻近而不是耦合在一起的跟踪和引导布置110，可基于从基准标记170与检测器150之间的交互得到的数据(例如，跟踪数据)来确定基准标记170与检测器150之间的空间关系。为了确定这两个组件之间的空间关系以及执行与用于机器人手术系统100的跟踪和引导相关联的其他功能，跟踪和引导布置110可进一步包括控制器设备190，该控制器设备190包括硬件处理器和存储器，该控制器设备190与跟踪和引导布置110的一个或多个组件可操作地接合。如图1-图2中所图示，例如，控制器设备190经由通信元件(未示出)与至少检测器150、铰接臂160、引导臂120、对象交互设备130以及器械140进行无线通信。在一些方面中，通信元件可以是无线收发机、硬线连接或无论是在性质上电气的、机械的、机电的、声学的还是光学的任何其他合适的机制。
控制器设备190可包括从基座180分开地或与基座180集成地设置的专用计算机设备。控制器设备190可被配置成用于在所定义的相对坐标系或三维空间中确定与基准标记170相关联的参照点或原点，以：相对于基准标记170对检测器150进行铰接从而使得检测器150被设置在邻近于基准标记170的期望位置中，一旦检测器150被铰接至期望位置中就确定检测器150在所定义的相对坐标系或三维空间中的空间位置，发起检测器150与基准标记170之间的交互，从检测器150接收同该检测器150与基准标记170之间的交互有关的数据，并且基于该数据来确定基准标记170与检测器150之间的空间关系。
在一些方面中，确定与基准标记170相关联的参照点或原点可通过在患者处于所定义的相对坐标系或三维空间中的初始位置时对耦合至该患者的基准标记170进行成像来完成。控制器设备190可被配置成用于通过与所利用的任何成像模态(例如，CT或MRI成像)进行对接来发起成像。(多个)图像或数据可被存储在与控制器设备190相关联的数据存储设备(未示出)中，并且可被用来将基准标记170在相对坐标系或三维空间中的初始位置建立为原点。
在一些方面中，相对于基准标记170对检测器150进行铰接，使得检测器150被设置在邻近于基准标记170的期望位置中，可通过相对于基准标记170来操纵串接设置的区段162A-C中的一个或多个区段来完成。例如，可使用与控制器设备190相关联的外围设备(例如，轨迹球或操纵杆与例如3D护目镜结合，这些设备全部未示出)来辅助或以其他方式准许对铰接臂160的串接设置的区段162A-C中的一个或多个区段的虚拟操纵。另外，机器人手术系统100的操作者可手动地操纵铰接臂160的串接设置的区段162A-C中的一个或多个区段，以将检测器150移动至期望位置中。
在一些方面中，一旦检测器150被铰接至期望位置中，就可通过控制器设备190从一个或多个位置指示设备(例如，编码器)接收角关系通信来确定检测器150在所定义的相对坐标系或三维空间中的空间位置。更具体地，该一个或多个位置指示设备(未示出)可与接头164A-B中的一个或多个接头接合，以用于指示与这些接头接合的串接设置的区段162A-C之间在所定义的相对坐标系或三维空间中的角关系。位置指示设备和控制器设备190可彼此通信，使得该一个或多个位置指示设备将所定义的相对坐标系或三维空间内的接头的角关系传送至控制器设备190。在检测器150被设置在第三区段162C的远端的情况下，控制器设备190可被配置成用于基于被传送至该控制器设备190的每个接头164A-B的角关系以及基于诸如例如每个区段162A-C的长度之类的其他信息来确定检测器150的空间位置。涉及检测器150的空间位置的此类数据可被存储在与控制器设备190相关联的数据存储设备中。
在一些方面中，一旦铰接臂160处于所定义的相对坐标系或三维空间中的期望位置，控制器设备190就可被配置成用于发起检测器150与基准标记170之间的交互。控制器设备190可与检测器150进行通信，并且可被配置成用于发起和/或致动检测器150的操作。例如，在检测器150是相机或其他图像捕获设备的情况下，控制器设备190可被配置成用于致动检测器150以按指定的帧速率来获取耦合至患者的基准标记170的图像。在此类方面中，与控制器设备190相关联的外围设备可被配置成用于连续地辅助或以其他方式准许对铰接臂160的一个或多个串接设置的区段162A-C的虚拟操纵，使得在检测器150与基准170之间维持最优间距(例如，若干厘米)。在其他此类方面中，关于该检测器150与基准标记170之间间距的在检测器150与控制器190之间的反馈通信可被配置成用于自动地辅助或以其他方式准许对铰接臂160的一个或多个串接设置的区段162A-C的虚拟操纵，使得在检测器150与基准170之间维持最优间距。
在一些方面中，从检测器150获取的数据可被传输到控制器设备190，使得该控制器设备从检测器150接收同该检测器150与基准标记170的交互有关的数据。检测器150与控制器设备190可经由通信元件进行有线或无线通信。
在一些方面中，为了确定基准标记170与检测器150之间的空间关系，控制器190可被配置成用于利用与基准标记170相关联的参照点或原点以及处于期望位置的检测器150的空间位置，以确定其间的第一空间关系。随后，控制器设备190可被配置成用于利用从检测器150获取的图像来跟踪基准标记170在所定义的相对坐标系或三维空间中的移动。例如，控制器设备190可被配置成用于将关于与基准标记170相关联的原始参照点或原点的数据相对于由检测器150所获取的后续数据进行比较，以便判定基准标记170的空间位置是否已经改变。根据检测器150的已知的空间位置来使用该比较，控制器设备190可确定基准标记170与检测器150之间改变的空间位置。以此种方式，可由检测器150连续地跟踪患者的移动。
在一些方面中，手术机器人系统100或控制器设备190还可包括计划设备或以其他方式包括用于允许用户结合系统100的硬件和/或软件来开发如本文中以其他方式所公开的虚拟手术计划的计划功能。在一些方面中，如将由本领域技术人员领会，可关于例如所定义的相对坐标系或三维空间(相对或绝对)来创建虚拟手术计划，并且虚拟手术计划可被配置成用于将计划参数与基准标记170(或关于患者的其他参照)相关联。控制器设备190可被配置成用于利用基准标记170来配准对象交互设备130和/或器械140。在一些方面中，计划参数可定义手术过程不同部分时或连续地在手术过程期间的基准标记170与对象交互设备130之间的空间关系。然而，如果患者移动，则对象交互设备130可能需要通过将器械140返回至对象交互设备130/器械140与基准标记170之间所定义的空间关系(如虚拟手术计划中的特定点处所定义的)来补偿患者移动。在一些方面中，手术机器人系统100的操作者可在没有虚拟手术计划的辅助的情况下执行手术。
控制器设备190可被配置和布置成用于适当地将基准标记170与检测器150之间的所确定的空间关系同对象交互设备130进行比较，以便确定器械140相对于基准标记170的空间关系。在该实例中，基准标记170与检测器150之间的所确定的空间关系可包括患者位置的改变，该患者位置的改变可同基准标记170与对象交互设备130/器械140之间的空间关系的改变有关或与其成比例，或者以其他方式影响对象标记170与对象交互设备130/器械140之间的空间关系。控制器设备190随后可被配置成用于补偿由于如由检测器150所检测到的基准标记170的改变所反映的患者的移动所造成的基准标记170与对象交互设备130/器械140之间空间关系的改变。例如，控制器设备可被配置成用于指引(即，调整)或物理地引导对象交互设备130/器械140的空间位置，以返回至如在虚拟手术计划中所定义的对象交互设备130/器械140与基准标记170之间的所计划的空间关系。在其他实例中，例如，如果器械140与基准标记170之间的偏差超过阈值，这指示患者的过度移动或其他问题，则控制器设备190可指引发出警报或者甚至中止虚拟手术计划并且将器械140缩回至安全位置。引导臂120能以其他方式被配置成用于基于来自控制器设备190的通信而将对象交互设备130/器械140指引至处于该对象交互设备130/器械140与基准标记170之间的所计划的空间关系。相应地，控制器设备190被配置成用于关于检测到的例如由于患者移动所造成的基准标记170与检测器150之间空间关系的改变而改变对象交互设备130/器械140相对于基准标记170的空间关系。
现在参考图3，公开了一种跟踪和引导手术机器人设备的示例性方法，该方法总体上被指示为200。跟踪和引导布置可包括与参考图1-图2(例如，要素110)所描述的布置类似的混合式布置。相应地，本文中将使用与图1-图2相关联的附图标记约定来描述下列示例性方法200。值得注意的是，跟踪和引导布置可包括例如用于跟踪和引导的电气、机械、机电、声学和光学机制的混合。
在第一步骤202中，连接至铰接臂160的远端并与其可协作的检测器150被定位成邻近于耦合至对象的基准标记170，该检测器150被配置成用于与基准标记170进行交互。如图1中所图示，跟踪和引导布置110包括混合式机械和光学跟踪和引导布置110，其中，与铰接臂160接合的检测器150包括光学检测器(例如，相机)，并且基准标记170包括一个或多个反射标记。作为对比，如图2中所图示，跟踪和引导布置110包括混合式机械和电磁跟踪和引导布置110，其中，检测器150包括电磁检测器(例如，发射器)，并且基准标记170包括一个或多个传感器或发射器。值得注意的是，跟踪和引导布置110还可包括例如用于跟踪和引导的电气、机械、机电、声学和光学设备的混合。
在第二步骤204中，利用与检测器150进行通信的控制器设备190来发起基准标记170与检测器150之间的交互。在一些方面中，控制器190包括硬件处理器和存储器。
在第三步骤206中，控制器设备190从检测器150接收同该检测器150与基准标记170的交互有关的数据。
在第四步骤208中，控制器设备190基于所接收的数据来确定基准标记170与检测器150之间的空间关系。
在第五步骤210中，控制器设备190确定对象交互设备130的器械140相对于基准标记170的空间关系，该器械140被连接至引导臂120的远端。
在第六步骤212中，经由引导臂120根据所确定的关系来指引器械140与对象进行交互。
受益于在前述描述和相关联附图中呈现的教导的本领域的技术人员将想到本文中阐述的发明的与所公开的这些实施例相关的许多修改和其他实施例。因此，应理解的是，本发明的实施例将不限于所公开的具体实施例并且修改和其他实施例旨在于被包括在本发明的范围内。此外，尽管前述描述和相关联附图在要素和/或功能的某些示例组合的情境中描述了示例实施例，但是应当理解的是，在不背离本公开的范围的情况下，可以通过替代性实施例提供要素和/或功能的不同组合。就这一点而言，例如，还设想了处于本公开的范围内的与以上明确描述的要素和/或功能不同的要素和/或功能的组合。尽管本文中采用特定术语，但这些术语仅在通用意义和描述性意义上使用，而不出于限制性目的。
应当理解的是，尽管本文中可以使用术语第一、第二等来描述各个步骤或计算，但是这些步骤或计算不应受限于这些术语。这些术语仅用于将一个操作或计算与另一个操作或计算进行区分。例如，在不背离本公开的范围的情况下，第一计算可以被称为第二计算，并且类似地，第二步骤可以被称为第一步骤。如本文中所使用，术语“和/或”以及“/”符号包括相关联列举项中的一个或多个项的任何和全部组合。
如本文所使用的，单数形式“一个”、“一”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。将进一步理解的是，当在本文中使用时，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(includes)”和/或“包括(including)”指定所述的特征、整数、步骤、操作、要素和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、要素、部件和/或其群组的存在或添加。因此，本文中所使用的术语仅出于描述具体实施例的目的而不旨在是限制性的。

Claims (15)

1.一种用于手术机器人系统的跟踪和引导布置，所述系统包括：
对象交互设备，包括与引导臂的远端接合的器械，所述器械适于与对象进行交互；
基准标记，耦合至所述对象；
检测器，连接至铰接臂的远端并且能与所述铰接臂的远端协作以被定位成邻近于所述基准标记，所述检测器是被配置成用于与所述基准标记进行交互的相机或电磁检测器，并且所述引导臂和所述铰接臂中的每一者的近端被安装至公共基座；
控制器设备，包括硬件处理器和存储器，所述控制器设备被配置成用于从所述相机或所述电磁检测器接收同所述相机或所述电磁检测器与所述基准标记的交互有关的数据，用于基于所述数据来确定所述基准标记与所述相机或所述电磁检测器之间的空间关系，用于操纵所述铰接臂移动所述相机或所述电磁检测器以维持所述相机或所述电磁检测器与所述基准标记之间的最优间距，用于确定所述器械相对于所述基准标记的空间关系，并且用于经由所述引导臂根据所确定的空间关系来指引所述器械与所述对象进行交互。
2.根据权利要求1所述的布置，其中，所述引导臂被设置成与所述铰接臂处于间隔开的关系。
3.根据权利要求1所述的布置，其中，所述铰接臂被连接至所述引导臂。
4.根据权利要求1所述的布置，其中，所述铰接臂包括多个串接设置的区段，所述多个串接设置的区段中的相邻区段通过接头连接，并且其中，位置指示设备与所述接头中的一个或多个接头接合以用于指示与所述一个或多个接头接合的所述串接设置的区段之间的角关系。
5.根据权利要求4所述的布置，其中，所述控制器设备被配置成用于通过由所述位置指示设备传送的所述角关系来确定与所述铰接臂的远端接合的所述检测器的空间位置。
6.根据权利要求1所述的布置，其中，所述控制器设备被配置成用于关于检测到的所述基准标记与所述检测器之间空间关系的改变而改变所述对象交互设备相对于所述基准标记的空间关系。
7.根据权利要求1所述的布置，其中，所述基准标记直接附连至所述对象或者与安装至所述对象的夹板接合。
8.一种跟踪和引导手术机器人系统的方法，所述方法包括：
将连接至铰接臂的远端并能与所述铰接臂的远端协作的相机或电磁检测器定位成邻近于耦合至对象的基准标记，所述相机或所述电磁检测器被配置成与所述基准标记进行交互；
利用与所述相机或所述电磁检测器进行通信的控制器设备发起所述基准标记与所述相机或所述电磁检测器之间的交互，所述控制器设备包括硬件处理器和存储器；
由所述控制器设备从所述相机或所述电磁检测器接收同所述相机或所述电磁检测器与所述基准标记的交互有关的数据；
由所述控制器设备基于所接收的数据来确定所述基准标记与所述相机或所述电磁检测器之间的空间关系；
操纵所述铰接臂移动所述相机或所述电磁检测器以维持所述相机或所述电磁检测器与所述基准标记之间的最优间距；以及
由所述控制器设备确定对象交互设备的器械相对于所述基准标记的空间关系，所述器械被连接至引导臂的远端，所述引导臂和所述铰接臂中的每一者的近端被安装至公共基座。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：将所述引导臂设置成与所述铰接臂处于间隔开的关系。
10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：将所述铰接臂连接至所述引导臂。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述铰接臂包括多个串接设置的区段，所述多个串接设置的区段中的相邻区段通过接头连接，并且其中，所述方法包括：将位置指示设备与所述接头中的一个或多个接头接合以用于指示与所述一个或多个接头接合的所述串接设置的区段之间的角关系。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：由所述控制器设备通过由所述位置指示设备传送的所述角关系来确定与所述铰接臂的远端接合的所述相机或所述电磁检测器的空间位置。
13.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：由所述控制器设备关于检测到的所述基准标记与所述相机或所述电磁检测器之间空间关系的改变而改变所述对象交互设备相对于所述基准标记的空间关系。
14.根据权利要求8所述的方法，包括：将所述基准标记直接地附连至所述对象，或者将所述基准标记与安装至所述对象的夹板接合。
15.根据权利要求8所述的方法，其中，定位所述相机或所述电磁检测器包括将所述相机或所述电磁检测器耦合成邻近于耦合至所述对象的所述基准标记。
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