CN110114031B - 机器人切割工作流 - Google Patents

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Abstract

本文中主要描述了用于手术跟踪和控制的系统和方法的实施例。系统可包括：机器人臂，其被配置为允许端部执行器进行交互运动和受控的自主运动；被安装于机器人臂的端部执行器的切割引导件，该切割引导件被配置为在一面内引导手术器械；跟踪系统，其用于确定切割引导件的位置和取向；以及控制系统，其用于允许或防止端部执行器进行交互运动或自主运动。

Description

机器人切割工作流
要求优先权
本申请要求于2016年10月28日提交的美国临时专利申请No.62/414,033的权益，在此要求保护该美国临时专利申请的优先权的权益，并且该美国临时专利申请的全部内容被通过引用结合于此。
背景技术
在手术中使用引导件将切割装置、去毛刺装置或锯切装置与目标物体对齐。切割引导件可用于规划切割并且甚至是在存在切割装置的振动或移动的情况下也使得该切割能够是精确的。然而，由于患者移动、缺乏经验或视觉访问受阻，导致有时会不精确地放置该切割引导件。
随着越来越多的过程使用机器人来积极地影响手术结果，机器人在外科手术中的应用正在增加。虽然使用机器人来控制诸如切割装置之类的手术工具的技术，但这些技术有时会带来高成本、专用装置、手术计划时间更长或手术实施时间更长的问题。
附图说明
在并非必然按比例绘制的附图中，相同的数字可以在不同的视图中描述类似的部件。具有不同字母后缀的相同数字可表示类似部件的不同实例。附图主要通过示例而非作为限制示出了本文献中所讨论的多个实施例。
图1示出了根据一些实施例的包括目标对象和多个区域的系统。
图2A-2D示出了根据一些实施例的包括机器人臂和目标对象的手术空间。
图3示出了根据一些实施例的用于跟踪和控制系统的用户界面。
图4示出了根据一些实施例的用于手术跟踪和控制的系统。
图5示出了根据一些实施例的用于手术跟踪和控制的技术的流程图。
图6A示出了根据一些实施例的示出了系统状态区域的系统。
图6B示出了根据一些实施例的用于与机器人臂一起使用的位于股骨和胫骨周围的安全区域。
图7A-7C示出了根据一些实施例的位于机器人矢状面内的用于机器人臂的端部执行器的安全位置的三个示例。
图8A-8C示出了根据一些实施例的双槽切割引导件的不同视图。
图9A-9B示出了根据一些实施例的在双槽切割引导件的两个槽中使用的切割装置。
图10A示出了根据一些实施例的用于执行股骨切除的双槽切割引导件。
图10B示出了根据一些实施例的用于执行胫骨切除的双槽切割引导件。
图11示出了根据一些实施例的用于使用双槽切割引导件执行外科手术的技术的流程图。
具体实施方式
如上所讨论的那样，引导件可用于将切割装置、去毛刺装置或锯切装置与目标物体(例如目标骨骼)对齐。切割引导件通常由外科医生手动地放置在该目标对象上。在其它示例中，使用完全自主的机器人切割装置进行切割。本文中描述的系统和技术使用机器人臂来控制机器人端部执行器，该机器人端部执行器包括切割引导件、去毛刺引导件或锯引导件。机器人提供了机器人端部执行器的快速精确定位，从而使外科医生能够专注于完成该手术而对患者的影响最小。
本文描述了用于手术跟踪和控制的系统和方法。机器人臂可以在外科手术领域中使用，例如用于全膝关节成形术、髋关节置换术等。在一个示例中，切割引导件可以用于精确地对齐外科器械以例如在目标骨或其它目标对象上进行切割。机器人端部执行器的对齐可以涉及具有用户界面的计划系统，该用户界面包括将机器人端部执行器的表示定位在目标对象的表示上。在外科手术期间，术中用户界面上的可选指示可用于启动机器人端部执行器到计划的对齐位置的运动。
切割引导件可以用作用于外科器械的引导件，以在目标物体上进行切割，例如使外科器械与特定的面或线对准。通过使用切割引导件，外科医生可以保持对手术器械的控制，同时还使用机器人臂以确保该手术器械与预定切割面或切割线对准。与手术导航系统协作的机器人允许在外科手术期间将预定义的手术计划可重复地转移到患者，同时仍然允许外科医生对最终切割进行一定程度的控制。
可以通过跟踪系统(其可以包括跟踪该端部执行器或切割引导件)来跟踪该机器人臂。跟踪系统尤其可以用于确定切割引导件、端部执行器、机器人臂和目标对象的位置等。机器人臂可以由控制系统控制。控制系统可以移动机器人臂，例如响应于在用户界面上接收对可选择指示的选择以移动机器人臂。机器人臂也可以由外科医生通过与端部执行器或机器人臂的类似部分的直接交互而交互地移动。
可以使用跟踪系统在目标对象周围建立多个区域，该跟踪系统维持手术区域周围的虚拟坐标系。例如，可以使用跟踪系统确定和维持目标对象周围的安全区域。这多个区域可包括安全区域周围的交互区域和交互区域周围的自由驱动区域。自由驱动区域可包括手术区域的区域或机器人臂能够移动的区域，而不包括其它区域。交互区域可以包括基于选定位置确定的区域。例如，该选定位置可以包括为切割引导件移动选定的位置，以便处于切割面或切割线内或处于切割位置处。交互区域可以包括环绕选定位置的区域(例如，选定位置周围的几厘米、包括能够装配切割引导件的区域的选定位置)。交互区域可以排除缓冲区域，例如安全区域。安全区域可以是紧邻环绕目标对象的一部分的缓冲区域。例如，在全膝关节成形术期间，安全区域可包括以患者股骨的近端为中心的20厘米的球体。安全区域可包括患者的任一部位周围的缓冲区域。例如，安全区域可以(例如，作为锥形或漏斗形状)远离患者股骨的近端沿着股骨的剩余部分延续。
根据可以基于系统状态改变的多种规则，可以在区域中移动机器人臂或限制机器人臂在区域中的移动。机器人臂可以被自主地移动(例如，由控制系统移动)、交互地移动(例如，由外科医生移动)或两种移动(例如，外科医生可以开始该交互运动，并且控制系统可以控制机器人臂使交互运动更容易或阻力更小)。在某些区域内，并且在某些系统状态下，机器人可以限制端部执行器在一个或多个方向上的运动或将运动限制到单个方向或面。
在一个示例中，第一状态可以包括在自主运动之前的启动状态，以使切割引导件与切割面或线对齐。在第一状态中，可以防止在安全区域内移动(或进入)该安全区域中。当该系统处于第一状态中时，可以允许在交互区域和自由驱动区域中的移动。当机器人臂被交互地移动到交互区域中时，可以启动自主运动。一旦启动，控制系统就可以移动机器人臂，使得切割引导件被在切割面或线中对齐(如先前所计划的那样)。该自主运动可以触发对第二系统状态的改变。在第二系统状态中，可以仅允许沿着切割面或线移动。例如，可以允许切割引导件沿着线或沿着面进行向上或向下的交互运动。可以防止线或面之外的交互运动。在第二状态中，可以允许从交互区域移动到自由驱动区域或安全区域中(例如，当切割引导件被沿着切割面或线移动时)。第二状态中的交互运动可以被限制于沿着切割面或线的移动。例如，交互运动可以沿着切割面或线将切割引导件移动到安全区域内与目标对象相邻的位置。切割引导件可以被固定于目标物体，并且切割装置可以使用切割引导件进行切割。
在使用控制系统在切割面或线中对齐切割引导件以移动机器人臂之后，可以将切割引导件锁定就位。锁定切割引导件可以包括限制切割引导件在切割引导件或面内的移动。在一个示例中，锁定切割引导件可包括相对于目标对象锁定切割引导件。例如，如果目标对象是目标骨并且目标骨移动，则切割引导件可以相对于目标骨自主地移动以保持在锁定位置、锁定线或锁定面内。多个区域也可以随着目标对象的移动而移动或改变。跟踪系统可以跟踪目标对象以确定对目标对象位置或取向的改变(例如，所跟踪的移动)。在一个示例中，锁定切割引导件可包括锁定切割引导件的取向。可以在坐标系内或相对于目标对象定义切割引导件的取向(或位置)。在另一示例中，目标对象的位置或取向可以由坐标系内的跟踪系统所确定。在一些示例中，由跟踪系统维护的坐标系统被相对于目标对象维持住，因此如果检测到目标对象的移动，则整个坐标系相应地移位。
图1示出了根据一些实施例的包括目标对象102和多个区域的系统100。多个区域可以包括安全区域104、交互区域106和自由驱动区域108。可以使用跟踪系统来确定多个区域。例如，跟踪系统可以检测目标对象102(例如，骨、肢体、多个骨、身体部位等)的位置或取向。通过目标对象102的位置或取向，跟踪系统可以确定这多个区域。例如，安全区域104可以包括目标对象102周围的最小距离(例如，10cm、20cm、40cm等)。可以基于待在关于目标物体102的外科手术中使用的手术器械、手术区域中的物体的所施加的力或移动速度、目标物体102的灵敏度或耐久性、控制系统的用以控制手术区域中的物体的功率或控制等来确定该最小距离。交互区域106可包括远离安全区域104一径向距离(例如，5cm、10cm、30cm等)的区域。自由驱动区域108可包括位于安全区域104或交互区域106的外部的区域。
在一个示例中，控制系统可以被用于控制手术器械或机器人部件在系统100的手术区域中的移动。在一个示例中，控制系统可以允许(例如，由外科医生控制的)交互运动并且防止自由驱动区域108内的自主运动(例如，由控制系统控制的运动)。在一个示例中，控制系统可以允许交互区域106内的交互运动或自主运动。在一个示例中，控制系统可以防止安全区域104内的交互运动或自主运动。在另一示例中，控制系统可以允许物体在特定情况下移动到安全区域104中，如下所述。
在一个示例中，机器人系统可以执行指令移动。例如，机器人系统可以使用端部执行器或机器人臂的其它区域上的传感器来检测机器人臂的手动操纵。然后，机器人臂可以根据手动操作来指令机器人臂的移动。例如，指令移动可包括使用马达或控制系统驱动器来辅助机器人臂的交互运动。在另一示例中，机器人系统可允许端部执行器进行后驱动或手动移动。
机器人系统可以执行端部执行器的指令运动，或者作为其自身坐标系中的限定位移，或者作为相对于目标对象坐标系的相对位移。当机器人系统与跟踪系统(例如光学跟踪系统)界接时，关注位置的坐标可以被中继到机器人系统。
机器人运动也可以响应于在端部执行器上施加的力而发生，例如当机器人具有集成式力-扭矩传感器时发生。例如，MedTech ROSA机器人在机器人和端部执行器之间具有力-扭矩传感器。因此，施加到端部执行器(或切割引导件)的力可导致机器人臂的相应的指令运动。其它机器人可以在一个或多个关节中具有力-扭矩传感器，并且可以对机器人臂上的任何位置处施加的力作出响应。
图2A-2D示出了根据一些实施例的包括机器人臂204和目标对象202的手术空间200A-200D。机器人臂204包括端部执行器206和安装到机器人臂204的端部执行器206的切割引导件208。切割引导件可被用于例如在面或线内引导手术器械。手术空间200A可包括多个区域，例如安全区域210、交互区域212和自由驱动区域214。
图2A示出了手术空间200A，其中，机器人臂204、端部执行器206和切割引导件208处于相应的第一位置和第一取向中。手术空间200A将端部执行器206和切割引导件208示出为完全处于自由驱动区域214中，并且端部执行器206、切割引导件208或机器人臂204的任何部分都不处于交互区域212或安全区域210中。在一个示例中，在图2A中所示的取向中，可以允许机器人臂204的交互运动。例如，机器人臂204、端部执行器206或切割引导件208可以由外科医生或其它人在自由驱动区域214内移动。机器人臂204的一部分(例如，包括端部执行器206或者切割引导件208)可以被交互地移动到交互区域212中。可以(例如，通过控制机器人臂204的控制系统)防止进入到安全区域210中的交互运动。
可以通过跟踪系统监视目标对象202、机器人臂204、端部执行器206或切割引导件208，以确定一个或多个部件的位置或取向。从这些区域是位于由跟踪系统所维持的坐标系内的虚拟几何形状的意义上来说，跟踪系统可以建立安全区域210、交互区域212或自由驱动区域214。这些区域的大小和形状是基于特定手术和待在该手术中使用的器械所预先限定的。在手术过程期间，例如，如果附接到机器人臂的端部执行器的器械在该手术期间发生改变，则区域的大小和形状可以发生改变。在一个示例中，除了交互区域212和安全区域210之外，自由驱动区域214可以包括机器人臂204能够在其内移动的区域。在另一示例中，自由驱动区域214可以包括手术空间200A的除了安全区域210和交互区域212之外(例如，除了机器人臂204可以被配置为移动的诸如位于手术空间200A的外部的附加区域之外)的区域。安全区域210可以由跟踪系统建立为环绕目标对象202的区域。交互区域212可以由跟踪系统建立为环绕安全区域210的区域。在一个示例中，切割引导件208进入到交互区域212中的交互运动可以启动机器人臂204的自主运动，以将切割引导件208定位在切割位置中，例如被对齐在切割面或切割线中。在一个示例中，可以防止自主运动移动端部执行器206、切割引导件208或机器人臂204，同时所有的这三个部件都处于自由驱动区域214中。
图2B示出了手术空间200B，其中，机器人臂204被从在手术空间200A中显示的第一位置移动到第二位置。处于第二位置中的机器人臂204保持在自由驱动区域214中。手术空间200B示出了被从自由驱动区域214(例如，当处于第一位置时)移动到位于交互区域212内的第二位置的端部执行器206和切割引导件208。在一个示例中，当尝试交互运动以将端部执行器206、切割引导件208或机器人臂204移动到安全区域210中时，可以防止进行该交互运动。机器人臂204的从位于手术空间200A中的第一位置到位于手术空间200B中的第二位置的移动可以包括交互运动。
在将切割引导件208定位在交互区域212内之后，可以根据系统状态防止或允许进行移动。例如，在第一系统状态中，可以允许在交互区域212和自由驱动区域214内进行交互运动。在第一系统状态中，可以防止进行自主运动。当启动自主运动(例如，选择用户界面上的可选择指示或者启动机器人臂204或其它位置上的启动机构)时，控制系统可以移动机器人臂204，使得切割引导件被对齐在切割位置、切割线或切割面中。选择或启动自主运动可以将该系统改变到第二系统状态，其中，允许进行自主运动并且可以防止进行交互运动。在自主地移动该切割引导件208之后，该系统可以进入第三系统状态，其中，阻止切割引导件208进行位于锁定位置、切割线或切割面之外的运动。在第三系统状态中，可以允许自主运动，以将切割引导件208保持处于对齐位置中(例如，以便在目标对象202移动的情况下，保持切割引导件208与目标对象202对齐)。在第三系统状态中，可以允许例如在切割线或切割面内进行交互运动。当该系统处于第三系统状态中时(例如，在将切割引导件208自主地移动到切割位置、切割线或者切割面之后)，切割引导件208或端部执行器206可被交互地移动到安全区域210中。
图2C示出了手术空间200C，其中，机器人臂204部分处于自由驱动区域214中且部分处于交互区域212中。切割引导件208和端部执行器206被示出为完全处于交互区域212中，尽管在一个示例中，一者或两者可以部分地处于交互区域212中且部分处于自由驱动区域214中。从被示出为处于端部执行器206、切割引导件208或者机器人臂204的手术空间200B中的第二位置到被示出为处于手术空间200C中的第三位置可包括自主运动。例如，控制系统可将端部执行器206、切割引导件208或机器人臂204驱动到被示出为处于手术空间200C中的第三位置或取向。在将端部执行器206、切割引导件208或机器人臂204(例如，通过交互运动从自由驱动区域214)放置在交互区域212中之后，可以启动该自主运动。该启动可以包括在用户界面上进行的选择、在切割引导件208、机器人臂204或端部执行器206的一部分上进行的选择、语音指令等。
在一个示例中，手术空间200C包括切割线或切割面216。切割引导件208可与切割线或切割面216对齐。例如，从用于切割引导件208的被示出为处于手术空间200B中的第二位置到被示出为处于手术空间200C中的第三位置的自主运动可以使切割引导件208移动到与切割线或切割面216对齐的切割位置。
图2D示出了手术空间200D，其中，切割引导件208和端部执行器206(以及可选择地机器人臂204)部分处于安全区域210中且部分处于交互区域212中。在一个示例中，机器人臂204可以占据所有的三个区域。切割引导件208的从被示出为处于手术空间200C中的在交互区域212中于切割线或切割面216对齐的切割位置移动到处于安全区域210中的切割位置的运动可以由交互运动引起。安全区域210中的切割位置可以与切割线或切割面216对齐。例如，在手术空间200C中，切割引导件208可被锁定到切割线或切割面216。锁定切割引导件208可以包括将切割引导件208锁定为仅沿着切割线或在切割面216内移动。在一个示例中，切割线或切割面216可以是坐标系内的绝对切割线或面。在另一示例中，切割线或切割面216可以是相对切割线或面，其中，该切割线或面与目标对象202的位置或取向有关。例如当处于切割位置中或与切割线或面216对齐时，切割引导件208的位置或取向可包括相对于目标对象202的位置或取向的位置或取向。
切割引导件208沿切割线或面216的运动可同时包括交互运动和自主运动。例如，如果启动交互运动以将切割引导件208从交互区域212移动到安全区域210，则该交互运动可包括将会导致切割引导件208移出切割线或面216的力。可以通过控制系统产生自主运动(例如，力)以防止该交互运动致使切割引导件208离开切割线或面216。
手术空间200D可包括销218。销218可用于将切割引导件208固定到目标对象202。例如，切割引导件208可在于目标对象202上进行切割之前被固定住。在将切割引导件208固定到目标物体202之后，切割引导件208可以由控制系统进行控制，以响应于目标物体202的运动使用机器人臂204自主地移动。例如，响应于(例如，使用跟踪系统)检测到目标物体202的轻微运动，控制系统可产生小的力以移动机器人臂204，使得切割引导件208停留在切割线或面216内并相对于该目标对象处于固定位置中。销218可被用于防止切割引导件208沿切割线或面216移动(例如，意外的交互运动)。在另一示例中，可在用户界面上进行选择，以使切割引导件208被(例如，在坐标系中或相对于目标对象202)锁定到最终位置中。响应于该选择，跟踪系统可以监视目标对象202和切割引导件208。如果检测到目标对象202的任何移动，则控制系统可致使机器人臂204移动切割引导件208，以便保持切割引导件208被相对于目标对象202固定住。
图3示出了根据一些实施例的用于跟踪和控制系统的用户界面300。用户界面300可包括手术空间观察器302，其可以是虚拟的或是来自摄像机的视图。手术空间观察器302可包括目标骨、一个或多个区域以及包括端部执行器的机器人臂的视图，该端部执行器包括切割引导件。在一个示例中，手术空间观察器302可以实时更新视图。
用户界面300可以包括切割引导件位置选择指示304。可以选择切割引导件位置选择指示304以预先确定用于切割引导件的位置或取向。在选择切割引导位置选择指示304之后，手术空间观察器302可用于选择用于切割引导件的锁定位置、切割位置、切割线或切割面。例如，用户可以将切割引导件表示拖动到一位置。在一个示例中，用户界面300可以例如基于先前的选择来提供推荐位置、线或面。手术空间观察器302可防止选择位于安全区域内或位于自由驱动区域内的位置。手术空间观察器302可允许选择位于交互区域内的位置。例如，当选择切割引导件位置选择指示304时，手术空间观察器302可以突出显示或以其它方式指定该交互区域。
切割引导件的位置可以通过术前或术中计划技术来确定。术前计划技术可以使用成像(例如，MRI、X射线、CT等)来图形化地模拟患者的骨。可以(例如由外科医生)使用术前计划技术将虚拟植入物定位在用户界面300中的骨模型上，以便在执行切割之前可视化或评估植入物位置。术中技术可包括使用光学系统来记录骨标志并以图形化的方式重建患者的骨。在一个示例中，术中技术可被与术前成像结合使用。术中计划技术可用于将虚拟植入物定位在骨模型上以(例如，使用用户界面300)可视化或评估所计划的切割。当外科医生对计划感到满意时，切割面可被在机器人系统中配准，并且可以提示机器人臂来定位和定向端部执行器以实现计划切割(例如，将端部执行器与切割面或切割线对齐)。用户界面300可以被配置为用于术前计划、术中计划、术中实时反馈或术后评估。例如，用户界面300的不同方面可被用于计划和实时反馈，以使外科医生能够使用端部执行器和机器人臂来规划和执行手术。
用户界面300可包括可选择指示306，一旦选择，该可选择指示306就可以致使控制系统移动该切割引导件。切割引导件可被通过机器人臂响应于正被选定的可选择指示306自主地移动。在一个示例中，当切割引导件处于自由驱动区域中时，可选择指示306可以是不可选择的。在一个示例中，可选择指示306可以是仅在切割引导件处于交互区域中时才是可选择的。在另一示例中，可选择指示306可以是不管区域如何均是可选择的，并且控制系统可以仅在首先将切割引导件定位在交互区域内时自主地移动该切割引导件。
图4示出了根据一些实施例的用于手术跟踪和控制的系统400。系统400可包括机器人臂402、跟踪系统408和控制系统410。
机器人臂402可包括端部执行器404，其包括被安装在端部执行器404上的切割引导件406。机器人臂402可被配置为允许端部执行器404进行交互运动和受控的自主运动。切割引导件406可被配置为在线或面内引导手术器械(例如，用以切割目标对象的切割装置)。
跟踪系统408可以可选择地包括摄像机412或红外传感器414。跟踪系统408可以使用摄像机412或红外传感器414来跟踪机器人臂402、端部执行器404、切割引导件406、目标对象等。在一个示例中，跟踪系统408可被用于确定切割引导406的位置或取向。可以相对于坐标系或相对于目标对象来确定该位置或取向。通常用于这类应用的示例性光学跟踪装置是来自加拿大安大略省滑铁卢北方数字公司(Northern Digital)的Polaris光学跟踪系统。
控制系统410可以可选择地包括用户界面416。在另一示例中，用户界面416可以与控制系统410分离开或者可以被通信地联接到控制系统410。控制系统410可被用于例如使用切割引导件、目标对象或坐标系的位置或取向确定由切割引导件406占据的区域。该区域可包括安全区域，交互区域或自由驱动区域。响应于确定该区域是自由驱动区域，控制系统410可允许端部执行器404进行交互运动并且防止端部执行器404进行自主运动。响应于确定该区域是交互区域，控制系统410可允许端部执行器404进行交互运动和自主运动。
控制系统410可以防止进入到安全区域中的(自主或交互)运动。在一个示例中，控制系统410可响应于确定该区域是交互区域，致使端部执行器404自主地移动到切割位置。可以响应于对用户界面416上的移动的可选择指示的选择而引起自主运动。用户界面416可以用于选择预定切割位置，例如相对于目标对象的位置。在一个示例中，控制系统410可以响应于确定该区域是自由驱动区域来停用该可选择指示。在一个示例中，控制系统410可以响应于确定该区域是交互区域而启动该可选择指示。
在将端部执行器404移动到切割位置之后，可以允许切割引导件406沿切割面或切割线交互地移动。可以通过控制系统410防止切割引导件406移动到切割面或切割线之外。在一个示例中，在切割引导件406处于切割面或切割线中时，切割引导件406可被允许通过控制系统410进入安全区域。在一个示例中，仅在切割引导件406自主地移动到切割位置之后，可发生这种允许。
在一个示例中，控制系统410可以在致使切割引导件406移动到切割位置之后将切割引导件406锁定到切割位置中。锁定该切割引导件406可包括锁定切割引导件406的位置或取向，将切割引导件锁定到切割面或切割线，相对于坐标系锁定该切割引导件，或者相对于目标对象(例如，目标对象的位置、距离或取向)锁定切割引导件。
在一个示例中，跟踪系统408可以确定切割引导件406的轨迹，例如通过施加到切割引导件406、端部执行器404或机器人臂402的交互力加以确定。控制系统410可确定该轨迹将会致使机器人臂402或机器人臂的一部分、端部执行器404或切割引导件406进入安全区域。响应于确定该轨迹将会导致进入到安全区域中，控制系统410可防止机器人臂402的运动。
在一个示例中，控制系统410可使用目标对象(例如，目标骨)的解剖标志或目标对象的识别位置(例如，数字化位置)来建立该交互区域。跟踪系统408可确定目标对象相对于坐标系的位置或取向。可以通过跟踪系统确定切割引导件406相对于目标对象的位置或取向的位置或取向。在一个示例中，通过目标对象的位置或取向来确定该坐标系。
图5示出了一幅流程图，其示出了根据一些实施例的用于手术跟踪和控制的技术500。技术500包括用于跟踪机器人臂的端部执行器的交互运动的操作502。可以使用跟踪系统来跟踪该交互运动。技术500包括操作504以确定安装于机器人臂的端部执行器的切割引导件已经移动到交互区域中。切割引导件可被从自由驱动区域移动到交互区域。该交互区域可包括目标对象周围的区域，例如目标对象周围的球体的一部分。该交互区域可排除紧邻环绕目标对象的区域，例如安全区域。
技术500包括操作506以接收指示，从而自主地移动端部执行器，使得切割引导件被在切割面中对齐。技术500包括操作508以自主地移动该端部执行器，使得切割引导件被在切割面中对齐。技术500可包括将切割引导件锁定到切割面中。锁定该切割引导件可包括相对于坐标系或目标对象锁定该切割引导件。例如，切割引导件可被相对于目标物体锁定到切割面中，使得当目标物体移动时，控制系统致使切割引导件与目标物体一起自主地移动。
技术500可包括例如使用跟踪系统、例如通过交互力确定该切割引导件的轨迹的操作。技术500可包括确定该轨迹将会致使机器人臂进入安全区域。该安全区域可以介于交互区域和目标对象之间。响应于确定该轨迹将会致使机器人臂进入安全区域，技术500可包括防止机器人臂移动到安全区域中。防止该运动可包括利用来自控制系统的自主力来抵消该交互力。
技术500可包括呈现用户界面，该用户界面包括可选择的指示。技术500可以包括接收涉及可选择的指示的输入。响应于该输入，该切割引导件可被例如通过控制系统自主地移动到切割位置。在一个示例中，技术500包括响应于确定该切割引导件处于自由驱动区域中而停用该可选择的指示，或者响应于确定该切割引导件处于交互区域中来启动该可选择的指示。
图6A示出了根据一些实施例的系统600A，该系统600A示出了系统状态区域。系统600A包括安全区域602和交互区域604。交互区域604可包括子区域，例如特定的切割子区域、特定的锯切子区域、特定的去毛刺子区域、为外科手术(例如，全膝关节成形术、髋关节置换术等)所特定的子区域。子区域可以是为特定手术所预先设定的。子区域可被用于在交互区域604内导航以启动特定手术。例如，外科医生可将端部执行器放置到第一子区域中以启动第一过程，并且随后将端部执行器(例如，在该过程已经发生之后)移动到第二子区域以启动第二过程。第一过程可包括自主运动(例如，到切割面或其它对齐面)，执行切割或外科手术，并且可以包括使端部执行器与目标对象接合或脱离接合。在第一过程完成之后，可以使端部执行器移动到第二子区域以执行第二过程。例如，全膝关节成形术通常需要在两个或更多个不同的面中进行多次切割。该端部执行器可以被移动到第一子区域以(例如，在自主地移动该端部执行器以在第一切割面中对齐切割引导件之后)执行第一切割，并且随后移动到第二子区域以执行第二切割。
作为示例，系统600A示出了与全膝关节成形术相关的三个特定子区域。这些子区域中的一个或多个可被用在全膝关节成形术中。例如，图6A中示出了股骨特定的交互区域606、4合1的特定交互区域608和胫骨特定的交互区域610。用于切割、去毛刺或锯切其它关节或身体部位的区域可包括相应的骨特定的或位置特定的区域，并且子区域并不限于图6A中所示的三个子区域。特定的交互区域(例如，606-610)可以是交互区域的子区域，例如出于将端部执行器放置到子区域中的目的。子区域可以延伸到安全区域中，例如用于在将端部执行器锁定到用于切割、去毛刺或锯切的面或线中之后引导端部执行器。4合1的特定交互区域608可以与4合1的切割引导件一起使用，这些4合1的切割引导件为例如由印第安纳州华沙市的Zimmer Biomet公司制造的那些4合1的切割引导件。4合1的切割引导件可用在全膝关节成形术中以进行精细切割。在一个示例中，其它精细切割引导件可被用在为了方便和说明而被在本文中所指定的4合1的特定交互区域608中，但是可以包括其它切割引导件。
在一个示例中，将端部执行器手动地移动到某些区域中可以触发不同的系统手术状态。例如，当端部执行器被带入到股骨特定的交互区域606中时，该系统可进入股骨切除状态。进入股骨切除状态可以致使用户界面示出股骨切除计划。当用户(例如，外科医生)选择股骨切除计划时，可以移动端部执行器以与同股骨切除相关的切割线或切割面对齐。在一个示例中，当端部执行器被带入到胫骨特定的交互区域610时，该系统可以进入胫骨切除状态，这可致使用户界面示出胫骨切割计划。用户可以在用户界面上选择胫骨切割计划，以便例如将端部执行器自主地移动到胫骨切割面或线。在一个示例中，当端部执行器被带入到4合1的特定交互区域608中时，该系统可以进入4合1的切除状态，这可致使用户界面示出4合1的切割计划。用户可以选择4合1的切割计划以便使端部执行器移动到4合1的切割面或线。
可以预先选择其它交互区域以执行手术技术。例如，可以将用于另一外科手术(例如，用于锯切)的位置指定为锯切交互区域。锯切交互区域可以与上述其它特定交互区域606-610类似的方式操作。例如，锯切交互区域可以是该交互区域的子区域，或者锯切交互区域可以从属于安全区域(例如，在那里，防止端部执行器进行自主或交互运动，直到该端部执行器被自主地移动到锯切面或线中)。
对应于特定的交互区域(例如，606-610)的手术状态(例如，股骨、胫骨、4合1)可以由端部执行器的位置自主地进行控制。例如，当端部执行器被移动(例如，交互地或经由指令运动)到股骨特定的交互区域606中时，系统600A可以自主地进入该股骨手术状态。(例如，从自由驱动区域或从另一手术状态)改变到手术状态可以致使用户界面显示选择以将端部执行器移动到对应于与该手术状态相关联的手术动作的预定面或线。
图6B示出了根据一些实施例的用于与机器人臂一起使用的位于股骨612和胫骨618周围的安全区域614。安全区域614可包括位于股骨周围的预定距离616，例如距该骨5厘米(例如，从该骨的外侧部分径向向外)。在一个示例中，安全区域614可与胫骨618相交。在另一示例中，安全区域614也可以围绕胫骨618延伸。在又一示例中，安全区域614可在胫骨618的周围行进并与股骨612相交。预定距离616可以是位于股骨612的周围的均匀距离，或者可随着与例如股骨612的远端相距的距离增大或减小。
安全区域614可被用作仅允许机器人臂进行自主运动的区域，爱自主运动可包括抵抗的交互运动(例如，通过抵抗由外科医生施加的力来防止外科医生移动机器人臂)。作为选择，在安全区域614内，机器人可以被编程以忽略来自外科医生的交互输入并且仅对指令(自主)运动作出响应。该自主运动可包括仅在面或轴线(例如，切割面或轴线)内进行的运动，其中，机器人臂可以已经在机器人臂自主地移动到安全区域614中之前移动到位于交互区域或一些其它区域内的面或轴线中。在一个示例中，安全区域614可用于防止或允许在安全区域614内操作的机器人臂的特定速度。例如，与在处于其它区域(例如，自由驱动区域或交互区域)中时的快速或未受限(例如，受控制该机器人的马达的功率的影响)的速度相比，当处于安全区域内时，机器人臂的速度可被限制到中速或慢速。在一些示例中，机器人可以被编程为在安全区域614内具有增大的灵敏度，其中，增大的灵敏度包括检测端部执行器上的力。在这些示例中，如果端部执行器与位于安全区域内的器械或患者相接触，则它可以被立即检测到并且运动被停止或反转。可以可选择地配置增大的灵敏度并将其设定为不同的力输入设置。
在一个示例中，机器人臂可由诸如踏板、手持装置或机器人控制器的用户界面之类的控制装置进行控制。当启动该控制装置时，机器人臂可以进入安全区域614，离开安全区域614，锁定到面或轴线中等。在一个示例中，当控制装置被释放时，可要求操作该控制装置的外科医生在机器人臂(或机器人臂的切割引导件或端部执行器)位于安全区域614之外时重新启动该控制装置。当机器人臂的一部分(例如切割引导件或端部执行器)处于该安全区域614内时，可询问外科医生是否钉固住该切割引导件。当被钉固住时，可以防止机器人臂移动。当切割引导件未被钉固住时，机器人控制器可以重新开始骨跟踪或机器人臂运动(例如，离开安全区域614)。
图7A-7C示出了根据一些实施例的位于股骨矢状面内的用于机器人臂的端部执行器的安全位置的三个示例700A-700C。图7B示出了处于大致伸展的腿部位置中的股骨702和胫骨704，图7C示出了处于大致弯曲位置中的股骨702和胫骨704，且图7A示出了处于部分弯曲位置中的股骨702和胫骨704。
在一个示例中，股骨702和胫骨704可被用于确定参考线，该参考线包括例如股骨机械解剖(FMA)轴献710或胫骨机械解剖(TMA)轴线712。在一个示例中，可以使用切割线或面来确定例如在全膝关节成形术或部分膝关节成形术中执行切割的位置。例如，远侧切割线或面706可被用作用于切割股骨的切割线或面706。远侧切割面位置707可被定义为机器人臂开始在股骨702上执行股骨切割的位置。近侧切割线或面708可被用作用于切割胫骨704的切割线或面，其中，近侧切割面位置709限定了机器人臂开始在胫骨704上执行胫骨切割的位置。在一个示例中，远侧切割面位置707可表示用于股骨切割的第一位置，并且近侧切割面位置709可表示用于胫骨切割的第二位置。如通过机器人臂所控制的那样，诸如被固定到机器人臂的双槽切割引导件(例如，如在下文中在图8A-8C中所示)之类的切割引导件可以在第一位置和第二位置之间转换。当该切割引导件是双槽切割引导件时，机器人臂可将切割引导件从第一位置平移到第二位置(或反之亦然)，而并不旋转或具有最小量的旋转，这可在手术期间节省时间。
示例700A-700C示出了安全矢量714，其端部是安全位置720。选择安全位置720以避免切割引导件、端部执行器或器械与患者或其它器械(例如，牵开器、骨参考等)之间的接触。安全矢量714可以相对于TMA轴线712偏移等于斯塔除以‘y’的角度718。可以预先确定值‘y’，使得安全矢量714或安全位置720被相对于TMA轴线712或FMA轴线TMA适当地偏移。例如，‘y’可以被设定为等于2，使得安全矢量714处于从FMA轴线710到TMA轴线712的中间(即，安全矢量714将介于FMA轴线710和TMA轴线712之间的角度二等分)。在一个示例中，‘y’的值可被设定为其它值，例如4或1/2，使得安全矢量更为接近或更为远离FMA轴线710或TMA轴线712中的一个，这可被用在期望远离轴线710或712中的一个的附加安全性的手术中。在一个示例中，安全矢量714可相对于FMA轴线710成一角度偏移。角度斯塔716可对应于膝关节的由介于FMA轴线710和TMA轴线712之间的角度形成的弯曲角度。斯塔716除以值‘y’的角度随后被用于确定用于使安全矢量714相对于TMA轴线712远离股骨702偏离的角度718。安全矢量714可以与FMA轴线710和TMA轴线712的交点相距预定距离(例如，20cm)。在安全矢量714的端部处，可以定义用于机器人臂的安全位置720。在一个示例中，机器人臂的一部分可以在安全位置720、远侧切割面位置707和近侧切割面位置709之间转换。例如，可以通过机器人臂将固定于机器人臂的端部的切割引导件(自主地或交互地)定位于安全位置720处。可以启动手术，并且机器人臂可将切割引导件从安全位置720转换到远侧切割面位置707，以执行股骨切除。在完成该股骨切除之后，机器人臂可使切割引导件自主地移动到近侧切割面位置709，并且可以执行胫骨切除。在完成该胫骨切除之后，机器人臂可使切割引导件返回到安全位置720。在另一示例中，胫骨切除可在股骨切除之前发生。在又一示例中，可以可选择地指令该切割引导件在切割之间返回到安全位置702。
在一个示例中，当启动手术时，机器人臂可以自主地使切割引导件、端部执行器或器械移动到安全位置720，该安全位置720被如上所述基于股骨和胫骨位置(例如，它们的机械轴线之间的角度)确定。在到达安全位置720之后，切割引导件、端部执行器或器械可被(自主地或交互地)移动到最终切割位置(例如，远侧切割面位置707或近侧切割面位置709)。当机器人臂交互地移动切割引导件、端部执行器或器械时，机器人臂可确定面或轴线以从该安全位置720接近远侧切割面位置707或近侧切割面位置709，并且机器人臂的速度可由外科医生控制。
图8A-8C示出了根据一些实施例的双槽切割引导件804的不同视图800A-800C。例如，在图8A中，双槽切割引导件804示出了附接于机器人臂802的双槽切割引导件804的视图800A。双槽切割引导件804包括第一槽806和第二槽808。这两个槽可以是彼此垂直的或大致彼此垂直的(例如，在直角的几度内)。
在图8B中，视图800B示出了特写和截面图，其中，双槽切割引导件804的远端被切除以更为清楚地示出槽806和808。在图8C中，截面图示出了包括第一槽806和第二槽808的双槽切割引导件804。
图9A-9B示出了根据一些实施例的在双槽切割引导件904的槽(906和908)中使用的切割装置910。双槽切割引导件904允许切割装置910以两个不同的基本正交的取向定向，而并不使切割引导件904或机器人臂902旋转。双槽切割引导件904可被固定到机器人臂902的远端。图9A示出了第一视图900A，其示出了处于双槽切割引导件904的第二槽908中的切割装置910的第一取向。图9B示出了第二视图900B，其示出了处于双槽切割引导件904的第一槽906中的切割装置910的第二取向。如在这两幅视图中所示，切割装置910可被插入到双槽切割引导件904的任一槽中。切割装置910也可随后被从双槽切割引导件904的槽中移除，并被插入到另一槽中。在另一示例中，可将两个不同的切割装置用于不同的槽。
图10A示出了根据一些实施例的用于执行股骨切除的双槽切割引导件1004。图10B示出了根据一些实施例的用于执行胫骨切除的双槽切割引导件1004。在一个示例中，可以使用相同的双槽切割引导件1004来执行这两种切除。双槽切割引导件1004可被固定到机器人臂1002的远端。图10A示出了第一视图1000A，其示出了处于双槽切割引导件1004的第二槽1008中的用以执行股骨1012的切除的切割装置1010的第一取向。图10B示出了第二视图1000B，其示出了处于双槽切割引导件1004的第一槽1006中的用以执行胫骨1014的切除的切割装置1010的第二取向。
在一个示例中，切割装置1010可以执行如第一视图1000A中所示的股骨切除，并且可被从第二槽1008移除。机器人臂1002可随后使切割引导件1004从第一视图1000A中所示的用于股骨切除的位置平移到第二视图1000B中所示的用于胫骨切除的位置。切割装置1010可被插入到第一槽1006中，并且可以执行该胫骨切除。切割引导件1004的通过机器人臂1002从第一视图1000A中的位置到第二视图1000B中的位置的平移可以在不旋转切割引导件1004或机器人臂1002的情况下发生，或者在仅具有较小的旋转调节的情况下发生。在利用机器人臂1002平移双槽切割引导件1004而并不存在大量旋转的情况下允许使用单个切割引导件来执行股骨切除和胫骨切除使得能够比在使用切割引导件(例如，单槽切割引导件)的旋转的情况或者在使用第二切割引导件的情况更快地实施这些过程。在另一示例中，可使用两个不同的切割装置在两个槽中进行切除，这可仍然保留了上文中关于旋转和两个槽所述的优点。在一个示例中，可以颠倒这些过程(例如，胫骨切除并且然后是股骨切除)。
图11示出了一幅流程图，其示出了根据一些实施例的用于使用双槽切割引导件来实施外科手术的技术1100。技术1100包括操作1102以跟踪被固定到机器人臂的端部执行器的切割引导件。该切割引导件可包括双槽切割引导件或具有不止两个槽的切割引导件。
技术1100包括用于执行切割引导区域确定的决策操作1104。在一个示例中，可以使用跟踪系统来执行该决策操作1104。例如，跟踪系统可被用于(例如，使用机器人控制器)跟踪机器人切割引导件的端部执行器和(例如，使用光学跟踪器)跟踪骨或其它患者解剖结构的位置。该跟踪系统可以确定该端部执行器在何处与患者解剖结构的多个方面或者端部执行器和患者解剖结构中的一者或两者的绝对位置相关。当该确定表明该区域是安全区域1106时，技术1100包括仅允许进行自主运动的操作1107。例如，机器人臂可以抵抗除了由机器人控制器控制的自主运动之外的任何运动。诸如由外科医生施加的之类的有意或无意的力可以被(例如，使用由机器人控制器启动的反作用力或者通过简单地不启动任何机器人关节的移动)通过机器人臂抵抗或阻止住。在某些示例中，机器人臂可以仅通过指令运动来移动。在这些示例中，指令运动可以是自主的或交互的。在安全区域内，该控制器可以限制指令运动以仅包括自主运动。
当该确定(可选择地)表明该区域是自由驱动区域1108时，技术1100包括可选择的操作1109以仅允许进行交互运动(例如，防止机器人臂自主地移动或关闭提供给机器人臂的电源或对于机器人臂的控制)。在一个示例中，交互运动可包括由机器人臂例如响应于(例如，由外科医生施加在)该臂上的外力作为力辅助施加的力，但是可以不包括自主的(例如，在没有外部力的情况下)运动。
当该确定表明该区域是交互区域1110时，技术1100包括操作1112以允许进行自主运动或交互运动。例如，当机器人臂的远端处的端部执行器处于交互区域1110中时，可以通过机器人控制器或操纵该机器人臂的外科医生来控制运动。
技术1100包括操作1114以自主地移动该端部执行器，使得切割引导件的第一槽被在第一切割面中对齐。可以响应于确定该交互运动已经致使切割引导件移动到交互区域中来执行操作1114。端部执行器可以被布置成使得切割引导件的第一槽被在第一切割面中对齐。在一个示例中，第一切割面是股骨远侧切割面。在一个示例中，第一槽被配置为接收手术器械以沿第一切割面执行股骨远侧切割。技术1100包括操作1116以确定第一切除已经被完成。可以使用被插入到切割引导件的第一槽中的手术器械来完成该第一切除。
技术1100包括操作1118以自主地移动该端部执行器，使得切割引导件的第二槽被在第二切割面中对齐。在一个示例中，技术1100可包括确定第二切除已经被完成，可以包括将端部执行器移除到自由驱动区域1108或交互区域1110。在一个示例中，可以仅当机器人处于交互区域1110内，但实际上可以在安全区域1106内发生时，启动操作1114、1116和1118。
可以例如响应于确定该第一切除已经完成，自主地移动该端部执行器。该端部执行器可被布置成使得切割引导件的第二槽在被(例如，通过由机器人控制器控制的机器人臂)自主地移动之后，被在第二切割面中对齐。
在一个示例中，移动该端部执行器可以包括例如通过平移该端部执行器而并不旋转该端部执行器，在第二切割面中对齐该切割引导件的第二槽。例如，端部执行器可以在并不从在第一切割面中对齐该切割引导件的第一槽的位置旋转到在第二切割面中对齐该切割引导件的第二槽的位置的情况下平移。在一个示例中，第二切割面是胫骨近侧切割面。第二槽可被配置成接收手术器械(或第二手术器械)以沿第二切割面执行胫骨近侧切割。在另一示例中，第一槽和第二槽被在切割引导件上彼此正交地布置。
在一个示例中，术语“机器可读介质”可以包括被配置为存储一个或多个指令的单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库或相关联的高速缓存贮存区和服务器)。术语“机器可读介质”可以包括能够存储、编码或承载用于由机器执行的指令并且致使机器执行本公开的任何一种或多种技术或能够存储、编码或承载由这些指令使用或与这些指令相关联的数据结构的任何介质。非限制性机器可读介质示例可包括固态存储器以及光学和磁性介质。机器可读介质的具体示例可包括：非易失性存储器，例如半导体存储装置(例如，电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM))和闪存装置；磁盘，例如内部硬盘和可移除磁盘；磁光盘；和CD-ROM盘和DVD-ROM盘。
示例1是一种用于手术跟踪和控制的系统，包括：机器人臂，其被配置为允许端部执行器进行交互运动和受控的自主运动；切割引导件，其被安装于机器人臂的端部执行器，该切割引导件被配置成在一面内引导手术器械；跟踪系统，其用于确定切割引导件相对于坐标系的位置和取向；和控制系统，其用于：至少使用切割引导件的位置确定由切割引导件占据的区域；响应于确定该区域是自由驱动区域，允许端部执行器进行交互运动并防止端部执行器进行自主运动；并且响应于确定该区域是交互区域，允许端部执行器进行交互运动和自主运动。
在示例2中，示例1所述的主题包括，其中，控制系统进一步响应于确定该区域是交互区域而致使端部执行器自主地移动到切割位置。
在示例3中，示例2所述的主题包括，其中，在移动到该切割位置之后，允许切割引导件沿切割面移动并且防止切割引导件移动到切割面之外。
在示例4中，示例3所述的主题包括，其中，允许切割引导件在处于切割面中的同时进入安全区域。
在示例5中，示例2-4所述的主题包括，其中，控制系统用于在致使切割引导件移动到切割位置之后，将切割引导件锁定到切割位置。
在示例6中，示例5所述的主题包括，其中，控制系统用于在切割引导件被锁定时相对于目标对象的跟踪运动来移动该切割引导件，使得该切割引导件被相对于目标对象锁定到切割位置中。
在示例7中，示例5-6所述的主题包括，其中，为了将切割引导件锁定到切割位置中，控制系统用于响应于经由用户界面接收选择而将切割引导件锁定到切割位置中。
在示例8中，示例2-7所述的主题包括，其中，控制系统用于在切割引导件的交互定位之后将切割引导件锁定到切割位置中，该交互定位在自主运动之后发生。
在示例9中，示例2-8所述的主题包括，其中，控制系统还包括用户界面，该用户界面包括可选择的指示，该可选择的指示一旦选择，就致使控制系统将切割引导件自主地移动到切割位置。
在示例10中，示例9所述的主题包括，其中，切割位置是由外科医生相对于目标对象选择的预定切割位置。
在示例11中，示例9-10所述的主题包括，其中，控制系统用于：响应于确定该区域是自由驱动区域，禁用可选择的指示；并且响应于确定该区域是交互区域，启用可选择的指示。
在实施例12中，实施例1-11所述的主题包括，其中，控制系统用于使用目标骨的解剖学界标来建立该交互区域。
在示例13中，示例1-12所述的主题包括，其中，跟踪系统还用于确定目标对象相对于该坐标系的位置和取向。
在示例14中，示例13所述的主题包括，其中，切割引导件的位置和取向被相对于目标对象的位置和取向确定，并且坐标系被根据目标对象的位置和取向确定。
在示例15中，示例1-14所述的主题包括，其中，切割引导件包括第一槽和第二槽，第一槽和第二槽被配置成接收手术器械，并且控制系统进一步用于控制机器人臂以将切割引导件从位于交互区域内的第一位置导航到位于交互区域内的第二位置，第一位置使第一槽与第一切割面对齐，第二位置使第二槽与第二切割面对齐。
在示例16中，示例15所述的主题包括，其中，为了导航该切割引导件，控制系统用于平移该切割引导件而并不旋转该切割引导件。
在示例17中，示例15-16所述的主题包括，其中，第一切割面是股骨远侧切割面，第一槽被配置为接收手术器械以在处于第一位置中时执行股骨远侧切割，第二切割面是胫骨近侧切割面，并且第二槽被配置成在处于第二位置中时接收手术器械以执行胫骨近侧切割。
在示例18中，示例15-17所述的主题包括，其中，第一槽和第二槽被正交地布置。
示例19是一种用于手术跟踪和控制的方法，该方法包括：使用跟踪系统跟踪机器人臂的端部执行器的交互运动；使用跟踪系统确定交互运动是否已经致使被安装到机器人臂的端部执行器的切割引导件移动到交互区域中；接收指示以自主地移动该端部执行器，使得切割引导件被在切割面中对齐；并且响应于确定该交互运动已致使切割引导件移动到交互区域中而自主地移动该端部执行器，使得切割引导件被在切割面中对齐。
在示例20中，示例19所述的主题包括：将切割引导件锁定到切割面中并当切割引导件被锁定时，相对于目标对象的跟踪运动移动切割引导件，使得切割引导件被相对于目标对象锁定到切割面中。
在示例21中，示例19-20所述的主题包括：通过交互力确定切割引导件的轨迹；确定该轨迹将会致使机器人臂进入安全区域；并且响应于确定该轨迹将会致使机器人臂进入安全区域，从而防止机器人臂移动到安全区域中。
在示例22中，示例19-21所述的主题包括，其中，自主地移动该端部执行器使得该切割引导件被在切割面中对齐包括将切割引导件的第一槽与该切割面对齐；并且进一步包括：接收指示，以自主地移动该端部执行器，使得切割引导件的第二槽被在第二切割面中对齐；并且自主地移动该端部执行器，使得切割引导件的第二槽被在第二切割面中对齐。
在示例23中，示例22所述的主题包括，其中，切割引导件的第一槽和第二槽是正交的，并且自主地移动该端部执行器使得切割引导件的第二槽被在第二切割面中对齐包括使端部执行器从位于交互区域内的位置自主地平移，使得切割引导件被在切割面中对齐到位于该交互区域内的位置，使得切割引导件的第二槽被在第二切割面中对齐，而并不旋转该端部执行器。
示例24是至少一种机器可读介质，其包括由处理器执行的用于操作手术跟踪和控制系统的指令，这些指令致使处理器执行操作以：使用跟踪系统跟踪机器人臂的端部执行器的交互运动；使用跟踪系统确定交互运动是否已经致使被安装于机器人臂的端部执行器的切割引导件移动到交互区域中；接收指示以自主地移动端部执行器，使得切割引导件被在切割面中对齐；并且响应于确定该交互运动已致使切割引导件移动到交互区域中而自主地移动该端部执行器，使得切割引导件被在切割面中对齐。
在示例25中，示例24所述的主题包括：呈现用户界面的指令，该用户界面包括可选择的指示，当选择该指示时，该指示致使处理器执行操作以自主地移动端部执行器，使得切割引导件被在切割面中对齐。
在示例26中，示例25所述的主题包括以下指令，其用于：响应于确定该端部执行器已经移动到自由驱动区域中，禁用该可选择的指示；以及响应于确定该端部执行器已进入该交互区域中，启用该可选择的指示。
示例27是一种用于手术跟踪和控制的系统，包括：机器人臂，其被配置为允许端部执行器进行交互运动和受控的自主运动；切割引导件，其被安装于机器人臂的端部执行器，该切割引导件具有第一槽和第二槽，第一槽和第二槽被配置成接收手术器械；跟踪系统，其用于确定切割引导件相对于坐标系的位置和取向；以及控制系统，其用于：控制机器人臂将切割引导件导航到第一位置中，并且从第一位置导航到第二位置，第一位置将第一槽与第一切割面对齐，第二位置将第二槽与第二切割面对齐。
在示例28中，示例27所述的主题包括，其中，为了将切割引导件从第一位置导航到第二位置，控制系统用于平移该切割引导件，而并不旋转该切割引导件。
在示例29中，示例27-28所述的主题包括，其中，第一切割面是股骨远侧切割面，并且第一槽被配置为接收手术器械，以在处于第一位置中时执行股骨远侧切割。
在示例30中，示例27-29所述的主题包括，其中，第二切割面是胫骨近侧切割面，并且第二槽被配置为接收手术器械，以在处于第二位置中时，执行胫骨近侧切割。
在示例31中，示例27-30所述的主题包括，其中，第一切割面和第二切割面是正交的。
在示例32中，示例27-31所述的主题包括，其中，控制系统还使用由摄像机捕获到的信息来检测该切除已经完成。
在示例33中，示例27-32所述的主题包括，其中，控制系统还用于：响应于确定该切割引导件处于交互区域中，使用机器人臂致使切割引导件进行自主运动到第一位置，该第一位置处于安全区域内。
示例34是一种用于手术跟踪和控制的方法，该方法包括：使用跟踪系统确定交互运动是否已经致使安装于机器人臂的端部执行器的切割引导件移动到交互区域中；响应于确定交互运动已致使切割引导件移动到交互区域中，自主地移动该端部执行器，使得切割引导件的第一槽被在第一切割面中对齐；使用被插入到切割引导件的第一槽中的手术器械确定已完成第一切除；响应于确定已经完成第一切除，自主地移动该端部执行器，使得切割引导件的第二槽被在第二切割面中对齐。
在示例35中，示例34所述的主题包括，其中，自主地移动端部执行器，使得切割引导件的第二槽被在第二切割面中对齐包括平移端部执行器而并不将端部执行器从使得切割引导件的第一槽被在第一切割面中对齐的位置旋转到使得切割引导件的第二槽被在第二切割面中对齐的位置。
在示例36中，示例34-35所述的主题包括，其中，第一切割面是股骨远侧切割面，第一槽被配置为接收手术器械以沿着第一切割面执行股骨远侧切割，第二切割面是胫骨近侧切割面，并且第二槽被配置成接收手术器械以沿着第二切割面执行胫骨近侧切割。
在示例37中，示例34-36所述的主题包括，其中，第一槽和第二槽被彼此正交地布置在切割引导件上。
在示例38中，示例34-37所述的主题包括，其中，确定已经完成第一切除包括接收已经完成第一切除的用户指示。
在示例39中，示例34-38所述的主题包括，其中，确定已经完成第一切除包括使用由摄像机捕获到的信息来检测已经完成该切除。
在示例40中，示例34-39所述的主题包括：响应于确定切割引导件处于交互区域中，使用机器人臂致使切割引导件自主地移动到第一位置，该第一位置处于安全区域内。
示例41是至少一种非暂时性机器可读介质，其包括由处理器执行的用于操作外科手术跟踪和控制系统的指令，这些指令致使处理器执行操作，以：使用跟踪系统确定是否交互运动已经致使被安装于机器人臂的端部执行器的切割引导件移动到交互区域中；响应于确定该交互运动已致使切割引导件移动到交互区域中，自主地移动该端部执行器，使得切割引导件的第一槽被在第一切割面中对齐；使用被插入到切割引导件的第一槽中的手术器械确定已完成第一切除；响应于确定已经完成第一切除，自主地移动该端部执行器，使得切割引导件的第二槽被在第二切割面中对齐。
在示例42中，示例41所述的主题包括，其中，为了自主地移动端部执行器，使得切割引导件的第二槽被在第二切割面中对齐，指令致使处理器在不旋转该端部执行器的情况下，将端部执行器从使得切割引导件的第一槽被在第一切割面中对齐的位置旋转到使得切割引导件的第二槽被在第二切割面中对齐的位置。
在示例43中，示例41-42所述的主题包括，其中，第一切割面是股骨远侧切割面，第一槽被配置为接收手术器械以沿着第一切割面执行股骨远侧切割，第二切割面是胫骨近侧切割面，并且第二槽被配置成接收手术器械以沿着第二切割面执行胫骨近侧切割。
在示例44中，示例41-43所述的主题包括，其中，第一槽和第二槽被彼此正交地布置在切割引导件上。
在示例45中，示例41-44的主题包括，其中，为了确定已经完成第一切除，指令致使处理器接收已经完成第一切除的用户指示。
在示例46中，示例41-45所述的主题包括，其中，为了确定已经完成第一切除，指令致使处理器使用由摄像机捕获到的信息来检测已经完成该切除。
示例47是至少一种机器可读介质，其包括指令，当由处理电路执行时，指令致使处理电路执行操作以实现示例1-46中的任一个。
示例48是包括实施示例1-46中的任一个的装置的设备。
示例49是实施示例1-46中的任一个的系统。
示例50是实施示例1-46中的任一个的方法。
本文中描述的方法示例可以至少部分是机器或计算机实现的。一些示例可包括编码有指令的计算机可读介质或机器可读介质，这些指令可操作以配置电子装置来执行如上所述的方法。这种方法的实现可以包括代码，例如微代码、汇编语言代码、更高级语言代码等。此类代码可包括用于执行多种方法的计算机可读指令。代码可以形成计算机程序产品的多个部分。此外，在一个示例中，代码可例如在执行期间或在其它时间被有形地存储在一个或多个易失性、非暂时性或非易失性有形计算机可读介质上。这些有形计算机可读介质的示例可以包括但不限于硬盘、可移除磁盘、可移除光盘(例如，紧致盘和数字视频盘)、磁带、存储卡或棒、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等。

Claims (20)

1.一种用于手术跟踪和控制的系统，包括：
机器人臂，所述机器人臂被配置为允许端部执行器进行交互运动和受控的自主运动；
切割引导件，所述切割引导件被安装于所述机器人臂的所述端部执行器，所述切割引导件被配置成在一面内引导手术器械；
跟踪系统，所述跟踪系统用于确定所述切割引导件相对于坐标系的位置和取向；和
控制系统，所述控制系统用于：
至少使用所述切割引导件的所述位置自主地确定由所述切割引导件占据的区域是自由驱动区域还是交互区域；
响应于自主地确定所述区域是所述自由驱动区域，允许所述端部执行器进行交互运动并防止所述端部执行器进行自主运动；和
响应于自主地确定所述区域是所述交互区域，允许所述端部执行器进行交互运动和自主运动。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制系统还响应于确定所述区域是所述交互区域，致使所述端部执行器自主地移动到切割位置。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，在移动到所述切割位置之后，所述切割引导件被允许沿着切割面移动并且被防止移动到所述切割面之外。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述切割引导件被允许在处于所述切割面中的同时进入安全区域。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述控制系统在致使所述切割引导件移动到所述切割位置之后将所述切割引导件锁定到所述切割位置中。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制系统用于在所述切割引导件被锁定住时使所述切割引导件相对于目标对象的跟踪运动移动，使得所述切割引导件被相对于所述目标对象锁定到所述切割位置中。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，为了将所述切割引导件锁定到所述切割位置中，所述控制系统用于响应于经由用户界面接收选择而将所述切割引导件锁定到所述切割位置中。
8.根据权利要求2所述的系统，其中，所述控制系统用于在所述切割引导件的交互定位之后将所述切割引导件锁定到所述切割位置中，所述交互定位发生在所述自主运动之后。
9.根据权利要求2所述的系统，其中，所述控制系统还包括用户界面，所述用户界面包括能够选择的指示，一旦选择，所述能够选择的指示就致使所述控制系统将所述切割引导件自主地移动到所述切割位置。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述切割位置是由外科医生相对于目标对象选择的预定切割位置，所述预定切割位置使所述切割引导件的第一槽与切割面对齐。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制系统用于：
响应于确定所述区域是所述自由驱动区域，禁用所述能够选择的指示；以及
响应于确定所述区域是所述交互区域，启用所述能够选择的指示。
12.根据权利要求1-11中的任一项所述的系统，其中，所述控制系统用于使用目标骨的解剖学界标建立所述交互区域。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述跟踪系统还用于确定目标对象相对于所述坐标系的位置和取向。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述切割引导件的位置和取向被相对于所述目标对象的位置和取向确定，并且所述坐标系被根据所述目标对象的位置和取向确定。
15.一种由根据权利要求1-14中的任一项所述的用于手术跟踪和控制的系统实施的用于手术跟踪和控制的方法，所述方法包括：
使用所述跟踪系统，跟踪所述机器人臂的所述端部执行器的交互运动；
使用所述跟踪系统确定所述交互运动是否已经致使被安装于所述机器人臂的所述端部执行器的所述切割引导件移动到交互区域中；
接收指示以自主地移动所述端部执行器，使得所述切割引导件被在切割面中对齐；以及
响应于确定所述交互运动已致使所述切割引导件移动到所述交互区域中，自主地移动所述端部执行器，使得所述切割引导件被在所述切割面中对齐。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法还包括将所述切割引导件锁定到所述切割面中并在所述切割引导件被锁定时，使所述切割引导件相对于目标对象的跟踪运动移动，使得所述切割引导件被相对于所述目标对象锁定到所述切割面中。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法还包括：
通过交互力确定所述切割引导件的轨迹；
确定所述轨迹将会致使所述机器人臂进入安全区域；以及
响应于确定所述轨迹将会致使所述机器人臂进入所述安全区域，从而防止所述机器人臂移动到所述安全区域中。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法还包括确定目标对象相对于所述坐标系的位置和取向。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，相对于所述目标对象的所述位置和所述取向确定所述切割引导件的所述位置和所述取向，并且根据所述目标对象的所述位置和所述取向确定所述坐标系。
20.至少一种机器可读介质，其中，所述介质包括用于操作计算系统的指令，所述指令在由机器执行时致使所述机器执行根据权利要求15-19所述的方法中的任一种的操作。
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