CN110464457B - 手术植入规划计算机和由其执行的方法，以及手术系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种手术植入规划计算机和由其执行的方法，以及手术系统。所述手术植入规划计算机相对于患者的骨骼定位植入装置。获得骨骼的初始图像。获得初始位置数据结构，所述初始位置数据结构包含数据，所述数据限定在植入装置上的位置与相对于在初始图像中的骨骼的相应位置之间的映射。获得患者的骨骼的目标图像。生成转换矩阵，所述转换矩阵转换初始图像中的骨骼的一部分的轮廓，以满足用于符合在目标图像中的骨骼的对应部分的轮廓的所限定的规则。基于将转换矩阵应用于初始位置数据结构来生成所转换的位置数据结构。植入装置的图形表示被显示为在基于所转换的位置数据结构所确定的骨骼的目标图像上的位置处叠加。

Description

手术植入规划计算机和由其执行的方法，以及手术系统

相关申请的交叉引用

本申请是于2017年5月31日提交的美国申请序列号15/609,334的部分继续申请，所述美国申请序列号15/609,334是于2016年5月18日提交的美国专利申请15/157,444的部分继续申请，所述美国专利申请15/157,444是于2016年4月11日提交的美国专利申请15/095,883的部分继续申请，所述美国专利申请15/095,883是于2013年10月24日提交的美国专利申请14/062,707的部分继续申请，所述美国专利申请14/062,707是于2013年6月21日提交的美国专利申请13/924,505的部分继续申请，所述美国专利申请13/924,505要求2012年6月21日提交的临时申请61/662,702的优先权，要求2013年3月15日提交给的临时申请61/800,527的优先权，并且要求2018年1月10日提交的临时申请62/615,492的优先权，所有申请以它们的整体并入本文中。

技术领域

本公开涉及医疗装置，更具体地涉及手术机器人系统以及相关的方法和装置。

背景技术

用于机器人辅助手术的位置辨识系统用于以三维(3D)方式确定特定对象的位置且跟踪特定对象。例如，在机器人辅助手术中，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，例如手术器械。

基于红外信号的位置辨识系统可以使用无源传感器和/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，所述无源传感器位于待跟踪对象上的策略性位置处。红外发射器发射信号，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)，并因此产生其自身的红外信号，用于3D检测。

利用有源跟踪传感器或无源跟踪传感器，系统然后基于来自以下一个或多个的信息或与以下一个或多个相关的信息，在几何上解析有源传感器和/或无源传感器的三维位置：红外照相机、数字信号、有源传感器或无源传感器的已知位置、距离、接收响应信号所花费的时间、其它已知变量或其组合。

可因此利用位置反馈来精确地引导机器人臂和工具相对于患者的手术部位的移动。目前，当使用手术机器人时，要在其中植入螺钉、工具或其他手术植入装置的期望位置的手术计划的开发由外科医生手动执行。外科医生分析患者的医学图像，并且可以标记图像以创建手术计划。虽然每个患者均不相同，但他们有许多相似之处。因此，对于每种情况，标记图像以创建手术计划的过程不需要从头开始。这些手术系统可受益于将被植入特定骨骼中的手术植入装置的特征的计划和精确定位、进入角度和该装置的植入深度的计划的更加自动化、快速且准确的过程。这样的过程可以基于为先前患者创建的成功的手术计划。

发明内容

本公开的各种实施方案涉及一种手术系统，所述手术系统允许自动生成手术计划和/或使外科医生能够开发用于相对于一个医学图像中示出的骨骼而植入手术植入装置的手术计划，以及自动转换手术计划，用于将手术植入装置植入在另一个医学图像中显示的骨骼中。在一些实施方案中，外科医生可以计划植入装置相对于骨骼的初始图像的植入，所述初始图像可以对应于该患者或另一患者的较早图像，或者可以对应于一般手术骨骼模型。当然后获得患者骨骼的目标图像时，例如在手术或准备期间，手术系统可以生成与转换初始图像中示出的一个或多个骨骼轮廓相关的转换矩阵，以符合目标图像中的一个或多个相应骨骼轮廓。然后，手术系统使用转换矩阵来将相对于初始图像开发的手术计划转换成现在的相对于目标图像。因此可以相对于目标图像中示出的骨骼来转换植入装置的植入位置、进入角度和深度和/或之前针对初始图像中示出的骨骼所指定的植入装置的尺寸设计。可以显示转换的手术计划以供外科医生查看和/或可以被提供给手术机器人系统，以控制手术机器人系统的手术末端执行器相对于患者骨骼的定位。

根据本发明构思的一些实施方案，提供了一种操作手术植入规划计算机的方法，用于相对于患者的骨骼定位手术植入装置。获得骨骼的初始图像。获得初始位置数据结构，所述初始位置数据结构包含限定在手术植入装置上的一组位置与初始图像中相对于骨骼的相应组位置之间的映射的数据。获得患者骨骼的目标图像。生成转换矩阵，所述转换矩阵转换初始图像中的骨骼的一部分的轮廓，以满足用于符合于在目标图像中的骨骼的对应部分的轮廓的所限定的规则。基于将转换矩阵应用于初始位置数据结构来生成所转换的位置数据结构。手术植入装置的图形表示被显示为叠加在基于所转换的位置数据结构所确定的骨骼的目标图像上的位置处。

在一些另外的实施方案中，所转换的位置数据结构被提供给手术机器人系统，以基于所转换的位置数据结构的数据来控制手术机器人系统的外科末端执行器相对于患者的骨骼上的位置的定位。在骨骼的目标图像的参考坐标系中由所转换的位置数据结构所限定的位置可以被转换到手术末端执行器的另一个参考坐标系。可以基于所转换的位置来控制由手术机器人系统使手术末端执行器相对于患者的骨骼上的位置定位的移动，以有利于将手术植入装置植入患者的骨骼中。

公开了规划相应手术植入的计算机、手术系统和计算机程序产品。

在审阅以下图式和详细描述之后，根据本发明主题的实施方案的其它方法和相应的手术植入规划计算机、手术系统和计算机程序产品对本领域的技术人员来说将是显而易见的。目的在于所有此类方法、手术植入规划计算机、手术系统和计算机程序产品被包含在本说明书内、在本发明主题的范围内且受所附权利要求书保护。此外，目的在于本文中所公开的所有实施方案可单独地实施或者以任何方式和/或组合而组合。

附图说明

被包含以提供对本公开的进一步理解且被并入在本申请的一部分中并构成本申请案的一部分的附图示出了本发明构思的某些非限制性实施方案。在附图中：

图1是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设置的俯视图；

图2示例了根据一个实施方案的包含手术机器人和照相机相对于患者的定位的机器人系统；

图3示例了根据示例性实施方案的手术机器人系统；

图4示例了根据示例性实施方案的手术机器人的部分；

图5示例了根据示例性实施方案的手术机器人的框图；

图6示例了根据示例性实施方案的手术机器人；

图7A-图7C示例了根据示例性实施方案的末端执行器；

图8示例了根据实施方案的在将手术器械插入到末端执行器的导管中之前和之后的手术器械和末端执行器；

图9A-图9C示例了根据示例性实施方案的末端执行器和机器人的臂的部分；

图10示例了根据示例性实施方案的动态参考阵列、成像阵列和其它部件；

图11示例了根据示例性实施方案的配准方法；

图12A-图12B示出了根据示例性实施方案的成像装置的实施方案；

图13A示出了根据示例性实施方案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近视图，多个跟踪标记刚性附连在其上；

图13C是根据一个实施方案的具有刚性附连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型式；

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示出具有附连于其的仅单个跟踪标记的末端执行器的替代型式；

图15B示出具有穿过导管设置的器械的图15A的末端执行器；

图15C示出具有在两个不同位置中的器械的图15A的末端执行器以及用以确定该器械是否定位于导管内还是导管外的合成逻辑；

图15D示出具有在两个不同框架处的导管中且距导管上的单个跟踪标记的其相对距离的器械的图15A的末端执行器；

图15E示出相对于坐标系的图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的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跟踪标记和可移动跟踪标记的可扩展植入物插入于收缩位置和扩展位置中的器械；

图18A-图18B分别描绘用于将具有固定跟踪标记和可移动跟踪标记的铰接式植入物插入在插入位置和成角位置中的器械；

图19A描绘具有可互换或可替代的末端执行器的机器人的实施方案；

图19B描绘具有联接到其的器械式的末端执行器的机器人的实施方案；

图20示例了根据一些示例性实施方案的包括连接到操作的手术机器人系统的手术植入规划计算机的手术系统的框图；

图21描绘了根据一些示例性实施方案的可以在显示设备上显示的一组图像以及由手术植入规划计算机执行以生成转换矩阵的相关操作，该转换矩阵转换手术计划，所述手术计划用于针对在目标图像中的骨骼上的叠加物在相对于在初始图像中的骨骼植入手术植入装置；

图22和图23示出了根据一些示例性实施方案的手术植入规划计算机的操作的流程图。

图24描绘了根据一些示例性实施方案的具有所叠加的手术植入装置的可以经由操作显示在显示装置上的一组骨骼的图像；

图25示例了根据一些示例性实施方案的由手术植入规划计算机执行以相对于图24中所描述的图像中的骨骼的位置来调节手术植入装置的操作的流程图；以及

图26示例了根据一些示例性实施方案的手术植入规划计算机的被配置成进行操作的部件的框图。

具体实施方式

呈现以下讨论以使所属领域的技术人员能够制造和使用本公开的实施方案。对所示出的实施方案的各种修改对于所属领域的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方案的情况下，本文中的原理可以应用于其它实施方案和应用。因此，实施方案不旨在限于所示出的实施方案，而是应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图式来阅读，其中不同附图中的相同元件具有相同的附图标记。附图不一定按比例绘制，且附图描绘了所选择的实施方案，并不旨在限制实施方案的范围。本领域的技术人员将认识到，本文提供的实施例具有许多有用的替代方案并且落入实施方案的范围内。

如上所述，外科医生可以通过分析患者的医学图像并标记图像来制定外科手术计划，以针对期望的位置创建手术计划，其中在使用协助植入该装置的手术机器人时螺钉、工具或其他手术植入装置将被植入所述期望位置中。当使用手术机器人系统时，可以使用计算机化接口在手术前规划期望的螺钉位置。在该接口中，外科医生滚动或以其他方式操纵患者的医学图像的视图，例如CT扫描、X射线或MRI，并将表示螺钉的期望位置的对象定位为在骨骼的所显示的医学图像上的叠加物。该系统通常通过在医学图像的体积扫描的坐标系中存储每个螺钉的尖端位置和尾部位置的x、y、z的笛卡尔坐标将所规划的螺钉位置存储在系统存储器中，或者在荧光检查引导的情况下，保存在荧光镜头图像通过其被投影的坐标系中的尖端位置坐标和尾部位置坐标。之后，当机器人被激活时，其中已经规划好螺钉位置的坐标系统被跟踪摄像机的坐标系统被配准，机器人移动到所规划的位置，拿着导管，用于螺钉孔的准备和螺丝的插入。

根据本文公开的各种实施方案，通过提供手术植入规划计算机来改进手术计划过程，所述手术植入规划计算机在外科医生观察患者的图像之前自动预测螺钉和/或其他手术植入装置的期望位置，并且可以相对于初始医学图像将外科医生的关于螺钉或者其他装置的放置(优选深度、优选角度等)的偏好合并到自动预测的手术计划中。可选地或另外地，手术植入规划计算机获得由外科医生开发的用于相对于初始医学图像植入螺钉或其他植入装置的初始手术计划。该系统将关于初始医学图像做出的自动预测手术计划和/或外科医生的初始手术计划转换为用于将手术植入装置植入到目标医学图像中示出的骨骼中的所转换的计划。这种自动规划可以减少手术所需的时间，并提高规划的准确性。

虽然在开发用于将螺钉植入骨骼中的外科手术计划的背景下描述了各种实施方案，但是本公开不限于此。本文公开的实施方案可用于规划将任何类型的手术植入装置植入骨骼、组织、软骨骼或其他解剖结构中。

以下首先详细描述示例性手术机器人系统，随后描述作为根据本公开的实施方案的手术系统的一部分的手术植入规划计算机的各种配置和操作。

手术机器人系统

现转而参看附图，图1和图2示例了根据示例性实施方案的手术机器人系统100。手术机器人系统100可包含例如手术机器人102、一个或多个机器人臂104、基座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。手术机器人系统100可包含患者跟踪装置116，所述患者跟踪装置116也包含一个或多个跟踪标记118，所述跟踪标记118适于被直接地固定到患者210(例如固定到患者210的骨骼)。手术机器人系统100还可使用例如定位在照相机支架202上的照相机200。照相机支架202可具有任何合适的配置，以将照相机200移动、定向并支撑在期望的位置。照相机200可包含任何合适的一个或多个照相机，例如一个或多个红外照相机(例如，双焦或立体摄影测量照相机)，所述照相机能够在从照相机200的角度可查看的给定测量体积中识别例如有源和无源跟踪标记118(示出为图2中患者跟踪装置116的部分且通过图13A-图13b中的放大视图示出)。照相机200可以扫描给定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，和/或无源标记118可包含反射红外光的回射标记(例如它们将进入的IR辐射反射到入射光的方向中)，所述红外光例如由照相机200上的照明器或其它合适的装置发射。

图1和图2示例了用于将手术机器人系统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，这取决于正在进行外科手术的患者210的区域。照相机200可以与机器人系统100分开，并且被定位在患者210的足部。该位置允许照相机200对手术区域208具有直接的可见视线。再次，可以设想照相机200可以位于具有到手术区域208的视线的任何合适的位置。在所示的配置中，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。手术助理126可以再次定位在外科医生120的对面，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和护士或护理人员或擦洗技术人员124的传统区域可保持不受机器人102和照相机200的位置阻碍。

关于机器人102的其它部件，显示器110可以被附接到手术机器人102，并且在其它示例性实施方案中，显示器110可以与手术机器人102分开，不管是在具有手术机器人102的手术室内，还是在远程位置。末端执行器112可以联接到机器人臂104并且由至少一个发动机控制。在示例性实施方案中，末端执行器112可包括导管114，所述导管114能够接纳和定向用于对患者210进行外科手术的手术器械608(本文进一步描述)。如本文所用的那样，术语“末端执行器”可与术语“末端实行器”和“实行器元件”互换使用。虽然通常用导管114示出，但是应当理解，末端执行器112可以用适合用于外科手术的任何合适的器械替换。在一些实施方案中，末端执行器112可包括任何已知结构，所述任何已知结构用于以期望的方式实现手术器械608的移动。

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、倾斜和/或偏航)可以被选择性地控制)。在一些示例性实施方案中，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，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z轴朝向患者210身体成角度。

在一些示例性实施方案中，手术器械608的位置可以动态地更新，使得手术机器人102可以在手术期间始终知道手术器械608的位置。因此，在一些示例性实施方案中，手术机器人102可以将手术器械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方案中，手术机器人102可以配置成在手术器械608偏离选定的预先规划的轨迹的情况下校正手术器械608的路径。在一些示例性实施方案中，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/或手术器械608的移动。因此，在示例性实施方案中，在使用中，医师或其他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/或手术器械608的自主移动。包含由手术机器人102对手术器械608的控制和移动的手术机器人系统100的另外细节可查阅共同待决美国专利申请系列No.13/924,505，所述专利申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

机器人手术系统100可包括一个或多个跟踪标记118，所述跟踪标记118配置成三维地跟踪机器人臂104、末端执行器112、患者210和/或手术器械608的移动。在示例性实施方案中，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的基座106上、机器人臂104上，和/或末端执行器112上。在示例性实施方案中，所述多个跟踪标记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。在示例性实施方案中，所述多个跟踪标记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、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)中的每一个均能够被机器人102跟踪。在示例性实施方案中，系统100可以使用从每个标记对象所收集的跟踪信息来计算例如末端执行器112、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可包含不透射线标记或光学标记。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。在示例性实施方案中，标记118中的一个或多个可以是光学标记。在一些实施方案中，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。包含手术机器人102和手术器械608的控制、移动和跟踪的手术机器人系统100的进一步细节可查阅美国专利公开No.2016/0242849，所述专利公开的全部内容以引用的方式整体并入本文中。

示例性实施方案包含联接到手术器械608的一个或多个标记118。在示例性实施方案中，例如联接到患者210和手术器械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

二极管，所述

二极管能够使用可商购的红外光学跟踪系统例如

跟踪。

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。在其它实施方案中，标记118可包括能够使用可商购的光学跟踪系统例如PolarisSpectra跟踪的传统的反射球。Polaris Spectra也是北方数字公司的注册商标。在示例性实施方案中，联接到末端执行器112的标记118是有源标记，所述有源标记包括可以接通和断开的红外发光二极管，以及联接到患者210和手术器械608的标记118包括无源反射球。

在示例性实施方案中，由标记118发射和/或反射的光可以由照相机200检测，并且可以用于监视被标记对象的位置和移动。在替代实施方案中，标记118可包括射频的和/或电磁的反射器或收发器，并且照相机200可包含射频的和/或电磁的收发器，或由射频的和/或电磁的收发器所代替。

类似于手术机器人系统100，图3示出了符合本公开的示例性实施方案的处于对接配置的手术机器人系统300和照相机支架302。手术机器人系统300可包括机器人301，所述机器人包含显示器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。照相机支架302可包括照相机326。这些部件参照图5更详细地描述。图3示例了处于对接配置的手术机器人系统300，其中照相机支架302例如在不使用时与机器人301嵌套。所属领域的技术人员将认识到，照相机326和机器人301在手术过程期间可以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示例了符合本公开的示例性实施方案的基座400。基座400可以是手术机器人系统300的一部分，并且包括机柜316。机柜316可以容纳手术机器人系统300的某些部件，所述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示例了手术机器人系统300的示例性实施方案的某些部件的框图。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可以还包括电池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可以还包括计算机408、显示器304和扬声器536。运动控制子系统506可以还包括驱动器电路508、发动机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可以还包括位置传感器540和照相机转换器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，所述不同电压供应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，以例如为发动机512、514、516、518和末端执行器310、发动机510、环324、照相机转换器542以及系统300的其它部件(例如用于冷却机柜316内的电气部件的风扇)供电。

配电模块404还可以将电力提供给其它部件，所述其他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可以由符合本公开并在本文中描述的外科医生来使用。

配电模块404还可以连接到电池402，所述电池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可以用于对电池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接地到其它设备的地面端子端口、将脚踏板544连接到系统300的端口以及连接到跟踪子系统532的端口，所述跟踪子系统532可包括位置传感器540、照相机转换器542以及与照相机支架302相关联的照相机326。连接器面板320还可包含其它端口，所述端口允许与其它部件(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，所述按钮用于给系统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，这可以消除所有的发动机功率并施加机械制动器，以阻止发生所有运动。控制面板322还可以具有指示器，所述指示器向使用者通知某些系统状况，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，所述视觉指示器向系统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，以向使用者显示信息。此外，计算机子系统504还可包含扬声器536，所述扬声器536向使用者提供音频。

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可以对应于包含照相机326的照相机支架302，如参照图3所描述。位置传感器504可以是照相机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使用者使用的器械上的某些标记的位置。此跟踪可以以符合本公开的方式进行，包含使用分别跟踪例如LED或反射标记等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、定向和位置可以被提供给计算机408，这些信息可以在显示器304上向使用者展示。举例来说，具有这些类型的标记并且以这种方式(其可以被称为导航空间)跟踪的手术器械608可以相关于患者的解剖结构的三维图像而向使用者展示。

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和下臂308，或旋转末端执行器310。物理移动可以通过使用一个或多个发动机510-518来进行。举例来说，发动机510可以配置成垂直地升高或降低垂直柱312。发动机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所示的那样。发动机514可以配置成围绕与上臂308接合的点横向移动下臂308，如图3所示的那样。发动机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，所述控制器538可以通过设置在末端执行器310上并且由接合这些测压元件的使用者来激活的测压元件(load cells)来控制这些移动，以便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(其可以是触摸屏输入装置)上指示手术器械或部件在显示器304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此自动移动。

图6示例了符合示例性实施方案的手术机器人系统600。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和机器人基座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可以表示器械工具608被配置成一旦定位成穿过导管606或固定在导管606中所行进的移动路径，例如器械工具608插入患者体内的路径。在示例性操作中，机器人基座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。手术机器人系统600可以与之前描述的手术机器人系统100和300一致。

跟踪阵列612可以安装在器械608上，以监视器械工具608的定位和定向。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最佳所见的那样，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描述的标记118)。跟踪装置可以是与手术机器人系统相关联的一个或多个视线装置。作为实施例，跟踪装置可以是与手术机器人系统100、300相关联的一个或多个照相机200、326，并且还可针对器械608的限定范围或相对定向关于机器人臂604、机器人基座610、末端执行器602和/或患者210来跟踪该跟踪阵列612。跟踪装置可以与结合照相机支架302和跟踪子系统532描述的那些结构一致。

图7A、图7B和图7C分别示例了符合示例性实施方案的末端执行器602的顶视图、前视图和侧视图。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标记和无源标记，例如之前已经描述的跟踪标记118。在示例性实施方案中，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对于照相机200、326可见，或者可以被停用，使得红外标记702对照相机200、326不可见。因此，当标记702为活跃时，末端执行器602可以由系统100、300、600来控制，并且当标记702被停用时，末端执行器602可以被锁定在适当位置，并且不能被系统100、300、600移动。

标记702可以以使得标记702可被一个或多个照相机200、326或与手术机器人系统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。照相机200、326或其它跟踪装置可通过随着跟踪标记702的移动而移动到不同位置和视角来跟踪末端执行器602。标记702和/或末端执行器602的位置可展示在与手术机器人系统100、300、600相关联的显示器110、304上，例如图2所示的显示器110和/或图3所示的显示器304。此显示器110、304可以允许使用者确保末端执行器602关于机器人臂604、机器人基座610、患者210和/或使用者而处于理想位置。

举例来说，如图7A所示的那样，可以将标记702放置在末端执行器602的表面周围，使得远离手术区域208并且面向机器人102、301和照相机200、326放置的跟踪装置能够通过末端执行器602相对于跟踪装置的一系列共同定向来检视标记702中的至少3个。举例来说，以这种方式分布标记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来监视末端执行器602。

另外，在示例性实施方案中，末端执行器602可以配备有红外(infared，IR)接收器，所述红外(IR)接收器可以检测到何时外部照相机200、326准备好读取标记702。在此检测后，末端执行器602然后可以照亮标记702。由IR接收器检测到外部照相机200、326准备好读取标记702可以将同步将标记702(其可以是发光二极管)的占空比的需要通过信号发送给外部照相机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持续照亮。此外，在示例性实施方案中，可以关闭标记702的电源，以防止干扰其它导航工具，例如不同类型的手术器械608。

图8描绘了一种类型的手术器械608，所述手术器械608包含跟踪阵列612和跟踪标记804。跟踪标记804可以是本文所描述的任何类型，所述类型包含但不限于发光二极管或反射球。标记804通过与手术机器人系统100、300、600相关联的跟踪装置来监视，且可以是视线照相机200、326中的一个或多个。照相机200、326可以基于跟踪阵列612和标记804的位置和定向跟踪器械608的位置。例如外科医生120等使用者可以以某种方式定向器械608，使得通过跟踪装置或照相机200、326充分辨识跟踪阵列612和标记804，以在例如示例性手术机器人系统的显示器110上显示器械608和标记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的尺寸设计成和被配置成接纳手术器械608的至少一部分。导管114、606被配置成通过机器人臂104定向，使得手术器械608的插入和轨迹能够到达患者210体内或体上的期望的解剖目标。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，任何合适的手术工具608均可以由末端执行器602定位。作为实施例，手术器械608可包含导丝、套管、牵开器、钻子、扩眼器、螺丝刀、插入工具、拆卸工具等中的一个或多个。虽然中空管114、606通常展示为具有圆筒形配置，但所属领域的技术人员将会理解的是，导管114、606可以具有期望用于容纳手术器械608并接近手术部位的任何合适的形状、尺寸和配置。

图9A-图9C示例了符合示例性实施方案的末端执行器602和机器人臂604的一部分。末端执行器602可还包括主体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可还包括凹陷件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介接手术机器人系统和机器人臂604和/或与手术机器人系统和机器人臂604接合。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。通过这些联接件，末端执行器602可以与柔性无菌屏障外的机器人臂604紧固。在示例性实施方案中，定位联接件可以是磁力运动学安装件，并且增强联接件可以是五杆跨中心夹紧连接件。

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)、一个或多个凹陷件1214、唇缘1218和磁体1220。磁体1220安装在每个凹陷件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件1214中。举例来说，如图9B所示的球1208将坐落在凹陷件1214中，如图9A所示的那样。此坐落可以被认为是磁力辅助的运动学联接。无论末端执行器602的定向如何，磁体1220均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样式的运动学安装件。

关于增强联接件，夹具1204的部分可以配置为固定的接地连接，并且此夹具1204可以用作五杆连接件。当唇缘1212和唇缘1218以一方式接合夹具1204以固定末端执行器602和机器人臂604时，闭合夹具手柄1206可将末端执行器602紧固到机器人臂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经过中心的连接的位置。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，连接件不会打开。因此，在锁定位置中，末端执行器602可稳健地固定到机器人臂604。

弹簧1210可以是张紧的弯曲梁。弹簧1210可包括表现出高刚度和高屈服应变的材料，例如原始PEEK(聚醚醚酮)。末端执行器602与机器人臂604之间的连接可以在末端执行器602与机器人臂604之间提供无菌屏障，而不会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连接件。增强联接件可以使用凸轮或基于摩擦的机构来锁定。增强联接件还可以是足够强大的电磁体，所述电磁体将支持将末端执行器102紧固到机器人臂604。增强联接件可以是多件式套环，所述多件式套环完全与末端执行器602和/或机器人臂604分开，所述末端执行器602和/或机器人臂604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、跨中心连接件或凸轮机构紧固。

参考图10和图11，在手术过程之前或期间，可以进行某些配准程序以在导航空间和图像空间两者中跟踪对象和患者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所示例的那样。

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，并且动态参考基座(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座1404的开口1406中。动态参考基座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，如前所述的那样。

患者固定器械1402附接到患者210的刚性解剖结构，并且可以在整个手术过程中保持附接。在示例性实施方案中，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，动态参考基座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，以便将动态参考基座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/或时间标记1422在图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可以由跟踪子系统532检测到)。如本文先前所述的那样，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还可以含有在图像空间(例如，三维CT图像)中可见的时间标记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座1404相关联，从而允许将导航空间中的对象的描绘被叠加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座1404可以成为参考点，从而允许从手术区域移除配准固定件1410和/或枢转臂1412。

图11提供了符合本公开的用于配准的示例性方法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)导入到系统100、300、600中，例如计算机408中。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，所述目标解剖结构包含配准固定件1410和时间标记1420的可检测成像图案。

在步骤1504处，检测时间标记1420的成像图案，并将其配准在图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的图形表示可以叠加在目标解剖结构的图像上。

在步骤1508处，通过辨识标记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由跟踪子系统532通过红外光在导航空间中辨识的光学标记。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，可以通过使用时间标记1422在图像空间中辨识配准固定件1410，并且可以通过使用标记1420在导航空间中辨识配准固定件1410。在步骤1510处，将图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，通过使用相比于标记1420的导航图案的位置的时间标记1422的成像图案的相对位置来进行此转移。

在步骤1512处，配准固定件1410的导航空间(已经与图像空间一起配准)的配准被进一步转移到附接到患者固定器械1402的动态配准阵列1404的导航空间。因此，因为导航空间与图像空间相关联，因此配准固定件1410可以被拆卸，并且可以使用动态参考基座1404来跟踪导航空间和图像空间两者中的目标解剖结构。

在步骤1514和步骤1516处，导航空间可以叠加在图像空间上和具有导航空间中可见的标记的对象(例如具有光学标记804的手术器械608)上。可以通过手术器械608的图形表示在目标解剖结构的图像上跟踪对象。

图12A-图12B示例了可与机器人系统100、300、600结合使用以获取患者210的手术前、手术中、手术后和/或实时的图像数据的成像装置1304。使用成像系统1304，任何适当的主题可以被成像，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，所述手术重新定位在x射线系统中可能被需要。如图12A所示例的那样，成像系统1304可以是C形臂1308的形式，所述C形臂1308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，以使患者大致上不受来自x射线支撑结构1318的干扰。如图12B所示例的那样，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的机架壳体1324，例如具有轮1332的轮式移动手推车1330，其可包围图像捕获部分(未示例出)。图像捕获部分可包含x射线源和/或发射部分以及x射线接收部分和/或图像接收部分，所述x射线源和/或发射部分以及x射线接收部分和/或图像接收部分可彼此相隔大约一百八十度设置，并且相对于图像捕获部分的轨迹安装在转子(未示例出)上。图像捕获部分可操作，以在图像获取期间旋转三百六十度。图像捕获部分可围绕中心点和/或轴线旋转，允许从多个方向或在多个平面中获取患者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，所属领域的普通技术人员可以选择任何合适的成像系统。

现在转而参看图13A-图13C，手术机器人系统100、300、600依靠末端执行器112、602、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-图13C所示的实施方案中，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描绘了具有机器人102的手术机器人系统100的一部分，所述机器人102包含基座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、照相机等也可以如本文所描述存在。图13B描绘了具有导管114和刚性附连到末端执行器112的多个跟踪标记118的末端执行器112的近视图。在此实施方案中，所述多个跟踪标记118附接到导管112。图13C描绘了具有刚性附连到器械608的多个跟踪标记804的器械608(在这种情况下为探针608A)。如本文其它地方描述的那样，器械608可包含任何合适的手术器械，例如但不限于导丝、套管、牵开器、钻子、扩眼器、螺丝刀、插入工具、移除工具等。

当器械608、末端执行器112或其它对象待以3D跟踪时，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(例如不会妨碍手术操作和可见性等)。标记118、804可以例如用阵列612附连到器械608、末端执行器112或其它待跟踪的对象。通常，三个或四个标记118、804与阵列612一起使用。阵列612可包含线性区段和交叉件，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所示的那样，示出了具有4标记跟踪阵列612的探针608A，并且图13B描绘了具有不同的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附接到探针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作为刚性主体被跟踪，并且允许跟踪系统100、300、600在探针608A在跟踪照相机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或其它待以3D跟踪的对象(例如多个刚性主体)，每个工具608、末端执行器112或类似物上的标记118、804均以已知的标记间间隔不对称地设置。不对称对准的原因使得哪一标记118、804对应于刚性主体上的特定位置以及标记118、804是否从前方还是后方检视(即，镜像)，都是明确的。举例来说，如果标记118、804被设置在工具608或末端执行器112上的正方形中，则系统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均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。不对称和唯一的标记图案允许系统100、300、600检测各个标记118、804，然后对照所存储的模板检查标记间隔，以确定它们表示哪个工具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的对象。在没有此信息的情况下，则除非使用者手动指定哪个检测到的标记118、804对应于每个刚性主体上的哪个位置，否则不能执行刚性主体计算，以提取关键的几何信息，例如工具尖端624和轴622的对准。这些构思对于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-标记918D的末端执行器912的替代型式。在图14A中，具有可移动跟踪标记918A-标记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-标记918D示出于相对于第一配置成角的第二配置中。图14C示出例如在图14A的第一配置中如由照相机200、326看见的跟踪标记918A-标记918D的模板；且图14D示出例如在图14B的第二配置中如由照相机200、326看见的跟踪标记918A-标记918D的模板。

在此实施方案中，涵盖了4标记阵列跟踪，其中标记918A-标记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节阵列标记918A-标记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-标记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照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，所以对照相机坐标系中的标记位置的了解还在照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，使用关于末端执行器112距此阵列612的位置的信息和关于目标轨迹距另一被跟踪源的位置的信息来计算必须针对机器人102的每个轴线输入的将把导管114移动成与轨迹对准并沿着轨迹矢量将尖端移动到特定位置的所需移动。

有时，所期望的轨迹在不方便或不可达的位置中，但如果可旋转导管114，则可到达所期望的轨迹。举例来说，如果导管114可超出倾斜(手腕上下角度)轴线的限度朝上旋转，则远离机器人102的基座106定点的极陡峭轨迹可能是可到达的，但如果导管114平行于将其连接到手腕的末端的板而附接，则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的基座106可能移动，或具有不同导管附接的不同末端执行器112可能与工作的末端执行器交换。这两个解决方案均可能是费时且繁琐的。

如图14A和图14B中最佳所见，如果阵列908配置成使得标记918A-标记918D中的一个或多个不在固定位置中，且替代地，可调节、旋转、枢转或移动标记918A-标记918D中的一个或多个，则机器人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-标记918D中的一个可固定在适当位置，且其它标记918A-标记918D可以是可移动的；标记918A-标记918D中的两个可固定在适当位置，且其它标记918A-标记918D可以是可移动的；标记918A-标记918D中的三个可固定在适当位置，且其它标记918A-标记918D可以是可移动的；或所有标记918A-标记918D均可以是可移动的。

在图14A和图14B中示出的实施方案中，标记918A、918B刚性地直接连接到末端执行器912的基座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-标记918D附接到末端执行器912、器械608或待跟踪的其它对象。但是，在此情况下，阵列908包括多个单独部件。举例来说，标记918A、918B可通过第一阵列908A连接到基座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大致上是线性的，但是第二阵列908B具有弯曲或V形的配置，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，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，考虑包含不同数目个和不同类型的阵列908A、908B以及不同设置、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或到基座906的其它连接器相对于基座906可移动、可旋转或可枢转。因此，标记918C、918D是可移动的，使得当导管914枢转、旋转或移动时，标记918C、918D也枢转、旋转或移动。如图14A中最佳所见的那样，导管914具有纵向轴线916，所述纵向轴线916在大致上法向的或竖直的定向上对准，使得标记918A到918D具有第一配置。现在转而参看图14B，导管914枢转、旋转或移动，使得纵向轴线916现相对于垂直定向成角度，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-图14D所描述的实施方案，如果在导管914与臂104(例如手腕附接件)之间存在旋转件，其中所有四个标记918A到918D均保持刚性地附接到导管914且此转动件由使用者调节，则机器人系统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在先前定向中附接到手腕(机器人臂104)而计算错误的机器人轴线移动。通过刚性地保持一个或多个标记918A-标记918D(例如两个标记918C、918D)在管914上并跨越该旋转件保持一个或多个标记918A-标记918D(例如两个标记918A、918B)，对新位置的自动检测变得可能，且基于在机器人臂104的末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-标记918D中的一个或多个被配置成根据任何合适方式而移动、枢转和旋转等。举例来说，标记918A-标记918D可由例如夹具、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的机构移动：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和图14B中示出，通过仅松开夹具或铰链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而使得导管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可跨越铰链920刚性地互连到附接到机器人臂104的末端执行器912的基座906。铰链920可呈例如翼形螺母等等夹具的形式，所述夹具可被松开并被再收紧，以允许使用者在第一配置(图14A)与第二配置(图14B)之间快速切换。

照相机200、326检测例如图14C和14D中识别的模板中的一个中的标记918A-标记918D。如果阵列908在第一配置(图14A)中且跟踪照相机200、326检测到标记918A-标记918D，则所跟踪标记与如图14C中示出的阵列模板1匹配。如果阵列908是第二配置(图14B)且跟踪照相机200、326检测到相同标记918A-标记918D，则所跟踪标记与如图14D中示出的阵列模板2匹配。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，每个工具在导管914、标记918A到918D与机器人附接件之间均具有其自有的唯一限定的空间关系。使用者可因此在第一配置与第二配置之间调节末端执行器912的位置，而不向系统100、300、600通知改变，且系统100、300、600将适当地调节机器人102的移动，以保持在轨迹上。

在此实施方案中，存在两个装配位置，其中标记阵列与允许系统100、300、600将组合件辨识为两个不同工具或两个不同末端执行器的唯一模板匹配。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)之间或外部的旋转件的任何位置中，标记918A到918D将不与任何模板匹配，且虽然照相机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，其结果与从照相机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，例如识别不同器械608或其它末端执行器112、912等等。

在所描述实施方案中，在图14A和图14B示出了两个离散装配位置。但是，应了解，在旋转接点、线性接点、旋转接点与线性接点的组合、木栓板或其它组件上可存在多个离散位置，其中可通过调节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，每个离散位置均与特定模板匹配，并通过不同已知属性限定唯一工具608或末端执行器112、912。另外，虽然对于末端执行器912举例说明，但是应了解，可移动且和固定的标记918A-标记918D可与任何合适的器械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来跟踪附接到机器人的末端执行器112的三个或三个以上标记的完全刚性主体阵列(例如，如图13A和图13B中所描绘)时，有可能直接跟踪或计算照相机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的每个发动机的编码器已知，完全限定从末端执行器112到基座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的基座106上(未示出)，则同样地有可能基于从每个发动机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座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，则可能需要通过正被跟踪的仅一个额外标记118来跟踪机器人902的完全刚性主体运动。

现在转而参看图15A-图15E，示出了仅具有单个跟踪标记1018的末端执行器1012的替代型式。末端执行器1012可类似于本文中所描述的其它末端执行器，且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可用于添加缺失的自由度以允许完全刚性主体跟踪的目的，和/或可用于充当监督标记以确保关于机器人和照相机定位的假设是有效的目的。

单个跟踪标记1018可作为到末端执行器1012的刚性延伸件附接到机器人末端执行器1012，所述刚性延伸件在任何方便的方向上突出且并不阻挡外科医生的视线。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的末端上的反射球面，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由照相机200、326大体上可见，而且将不阻挡外科医生120的视线或与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可见的同时是可见的。

如图15B中示出的那样，当紧密配合的工具或器械608放置在导管1014内时，器械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，器械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，器械608无法在任何方向上平移。换句话说，器械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的位置的另外两个参数已知，则照相机坐标系中的末端执行器1012的位置被充分限定。

现在参考图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，以及仅位于照相机200、326的视线内的某处。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定位于照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的固定法向(垂直)距离D_F是固定的，且在几何学上已知，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D_D与从导管中心线1016到单个标记1018的已知固定距离D_F匹配时，可确定工具608不是在导管1014内(工具608的中心线616和导管1014的中心线1016重合)就是恰好在此距离D_D与固定距离D_F匹配的可能位置的地点中的某一点处。举例来说，在图15C中，在由透明工具608在两个位置中表示的两个数据帧(所跟踪标记坐标)中，从工具中心线616到单个标记1018的法向检测到的距离D_D与从导管中心线1016到单个标记1018的固定距离D_F匹配，且因此可能需要额外的考量以确定工具608何时定位在导管1014中。

现在转而参看图15D，编程逻辑可用以寻找跟踪数据帧，其中从工具中心线616到单个标记1018的检测到的距离D_D按正确长度保持固定，而不管工具608相对于单个球面1018按大于某一最小距离在空间上移动，以满足工具608在导管1014内移动的条件。举例来说，可通过工具608在第一位置中检测到第一帧F1，且可通过工具608在第二位置(即，相对于第一位置线性移动)中检测到第二帧F2。工具阵列612上的标记804可从第一帧F1移动多于一给定量(例如大于总共5mm)到达第二帧F2。即使在此移动的情况下，从工具中心线矢量C′到单个标记1018的检测到的距离D_D在第一帧F1与第二帧F2两者中大致上相同。

逻辑上，外科医生120或使用者可将工具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将能够通过跟踪五个标记(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。知晓工具608在导管1014内后，可计算在空间上限定机器人末端执行器1012的位置和定向的所有6个自由度。在不具有单个标记1018的情况下，即使确定已知工具608在导管1014内，但是导管1014沿着工具的中心线矢量C′定位于何处，以及导管1014如何相对于中心线矢量C′旋转是未知的。

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和通过中心线矢量C′建构导管1014和工具608的中心线矢量C′和法向矢量。此法向矢量具有定向，所述定向相对于在手腕(在此实例中，平行于那个片段定向)远端的机器人的前臂在已知定向上，并在特定固定位置处与中心线矢量C′相交。为方便起见，可建构三个相互正交的矢量k′、j′和i′，如图15E中示出，限定导管1014的刚性主体位置和定向。三个相互正交的矢量中的一个k′由中心线矢量C′构成，第二矢量j′由穿过单个标记1018的法向矢量构成，且第三矢量i′是第一矢量k′与第二矢量j′的矢量和。当所有接点处于零处时，相对于这些矢量k′、j′和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的任何区段相对于这些矢量k′、j′和i′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，则可确定机器人的任何区段的位置和定向。

在一些实施方案中，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上的所跟踪的标记804已知，但是在导管1014上没有额外跟踪标记1018(或在其它实施方案中，没有多个跟踪标记)的情况下，照相机坐标系中的导管1014自身的旋转定向是未知的。此标记1018基于标记1018相对于中心线矢量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/或可充当监督标记以确保关于机器人和照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)导航并移动到所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的一部分实现机器人102的自动化安全移动。当跟踪照相机200、326不相对于机器人102移动(即，它们在固定位置中)，且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可准确地确定导管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的笛卡尔坐标系的坐标转换。为方便起见，此坐标转换可以是机器人领域中众所周知的平移和旋转的4×4矩阵。此转换将被称为Tcr，以指代“转换-照相机到机器人”。一旦此转换已知，则对于每个被跟踪标记以矢量形式作为x、y、z坐标接收到的跟踪数据的任何新帧均可乘以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来计算坐标的转换。应该明显的是，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可提供与刚性附接的阵列相同的刚性主体信息。也就是说，工具608仅需要被插入到导管1014内的任何位置，并在导管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，假设先前已存储了转换Tcr。因此，在进入循环1102之前，在步骤1104中，在紧固机器人基座106之后，当机器人静态时，存储导管中插入的工具的跟踪数据的大于一或等于一的帧；且在步骤1106中，从此静态数据和先前校准的数据计算从照相机坐标到机器人坐标的机器人导管位置的转换Tcr。Tcr应保持有效，只要照相机200、326不相对于机器人102移动即可。如果照相机200、326相对于机器人102移动，且需要重新获得Tcr，则可使系统100、300、600提示使用者将工具608插入到导管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，则可保证机器人102在已知位置中。转换Tcr应用于DRB 1404的所跟踪位置，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转换到跟踪系统坐标的步骤1110；以及将目标尖端和轨迹从照相机坐标转换到机器人坐标(应用Tcr)的步骤1112。循环1102还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；以及将单个杂散标记从跟踪系统坐标转换到机器人坐标(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转换所跟踪位置的杂散标记坐标是否与小于给定容限的计算出的坐标一致的步骤1120。如果是，则继续进行到步骤1122，计算并将机器人移动应用于目标x、y、z和轨迹。如果否，则继续进行到步骤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的连续监视以验证位置的方法，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，并将末端执行器1012发送至目标位置，但将不可能验证机器人102实际上在预期位置中。举例来说，如果照相机200、326已凸起且Tcr不再有效，则机器人102将移动到错误的位置。出于此原因，单个标记1018提供关于安全的价值。

对于机器人102的既定给定固定位置，理论上有可能将跟踪照相机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将检测不到任何错误，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，则计算出的和所跟踪的位置将不一致且安全检查将起作用。

举例来说，术语“监督标记”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，则监督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方案中，通过机器人的导管1014上的单个标记1018，系统100、300、600可持续检查照相机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(例如因为照相机200、326凸起或发生故障或因为机器人发生故障)，则系统100、300、600可警告使用者且可进行校正。因此，此单个标记1018还可被认为是用于机器人102的监督标记。

应显而易见的是，在完全阵列永久地安装于机器人102上(例如所述多个跟踪标记702安装于图7A-图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督标记的单个标记1018的此类功能性，这是因为不需要照相机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帧处更新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，由此与单个标记1018相比更多地阻挡外科医生对手术区域208的视线和接近，且到完全阵列的视线比到单个标记1018的视线更容易受到阻挡。

现在转而参看图17A-图17B和18A-图18B，描绘了例如植入物固持器608B、608C等器械608，所述器械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。可旋转旋钮628例如以使植入物10、12扩展或铰接。美国专利8,709,086和美国专利8,491,659描述了可扩展融合装置和安装方法，所述美国专利以引用的方式并入本文中。

当跟踪例如植入物固持器608B、608C等工具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，所述固定位置标记804相对于植入物固持器器械608B、608C定位在已知位置。这些固定标记804将不能够相对于器械几何形状在任何定向上移动，并将适用于限定器械608在空间上的位置。另外，存在可附接到阵列612或器械自身的至少一个标记806，所述器械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(例如图17A-图17B示出的可扩展椎间体间隔件的高度，或图18A-图18B中示出的铰接式椎间体间隔件的角度)相关。因此，系统和/或使用者可基于可移动标记806的位置而确定植入物10、12的高度或角度。

在图17A-图17B中示出的实施方案中，四个固定标记804用以限定植入物固持器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(例如收缩位置或扩展位置)的反馈。图17A示出其初始高度处的可扩展间隔件10，且图17B示出扩展状态下的间隔件10，可移动标记806平移到不同位置。在此情况下，当植入物10扩展时，可移动标记806移动成更接近固定标记804，但考虑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给定扩展高度与可移动标记806的特定位置相关。

现在转而参看图18A-图18B，四个固定标记804用以限定植入物固持器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状态下的间隔件12，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给定铰接高度与可移动标记806的特定位置相关。

在这些实施方案中，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。还考虑，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。在此情况下，所有标记804、806的每个缜密配置均与特定定向上或特定高度下的植入物固持器608B、608C和植入物10、12的特定几何形状相关。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均可以是植入物10、12或其它装置的相关信息。另外，虽然举例说明了可扩展和铰接式植入物10、12，但是器械608可与其它医疗装置和材料一起工作，例如间隔件、笼、板、紧固件、钉子、螺钉、杆、销、导线结构、缝合线、锚链夹、卡钉、支架、移植骨骼、生物制剂和接合剂等等。

现在转而参看图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，考虑每个末端执行器112均可以能够基于期望的手术程序而执行一个或多个功能。举例来说，具有导管114的末端执行器112可用于引导器械608，如本文中所描述。另外，末端执行器112可由控制例如手术装置、器械或植入物的不同或替代性的末端执行器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器械。作为非限制性实施例，如图19A中所描绘的末端执行器112可包括牵开器(例如美国专利8,992,425号和美国专利8,968,363中公开的一种或多种牵开器)或用于插入或安装手术装置的一个或多个机构，例如可扩展椎间融合装置(例如美国专利8,845,734、美国专利9,510,954和美国专利9,456,903举例说明的可扩张植入物)、单独椎间融合装置(例如美国专利9,364,343和美国专利9,480,579中举例说明的植入物)、可扩展椎体切除术装置(例如美国专利9,393,128号和美国专利9,173,747中举例说明的椎体切除术植入物)、铰接式间隔件(例如美国专利9,259,327中举例说明的植入物)、刻面假体(例如美国专利9,539,031中举例说明的装置)、椎板成形术装置(例如美国专利9,486,253中举例说明的装置)、棘突间隔件(例如美国专利9,592,082中举例说明的植入物)、可充气物、紧固件，包含多轴螺钉、单面螺钉、椎弓根螺钉、后螺钉等等，骨骼固定板、杆建构物和修改装置(例如美国专利8,882,803中举例说明的装置)、人造和天然椎间盘、运动保留装置和植入物、脊髓刺激剂(例如美国专利9,440,076中举例说明的装置)，以及其它手术装置。末端执行器112可包含一个或多个器械，所述器械直接或间接联接到机器人来向手术目标提供骨骼接合剂、移植骨骼、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、椎骨骼支架术、扩张或其它手术程序的一个或多个器械。

末端执行器自身和/或植入物、装置或器械可包含一个或多个标记118，使得可在三维中识别标记118的定位和位置。考虑标记118可包含有源标记118或无源标记118，所述有源标记118或无源标记118如本文中所描述的可对照相机200直接或间接可见。因此，举例来说，定位于植入物10上的一个或多个标记118可提供在植入之前、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可包含器械608，或其联接到机器人臂104(举例来说，器械608可通过图9A-图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中示出的实施方案中，机器人系统100能够将植入物10插入到患者体内，并可使可扩展植入物10扩展或收缩。因此，机器人系统100可配置成辅助外科医生或者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手术程序而控制每个替代性末端执行器112。

具有手术植入规划计算机的系统和手术机器人系统

图20示例了手术系统的框图，该手术系统包括手术植入规划计算机2000，所述手术植入规划计算机2000连接到外科机器人系统100，并且被配置成根据一些实施方案操作。手术植入规划计算机2000可以连接到手术植入装置目录服务器2010以获得定义手术植入装置的可用类型和特征的信息，例如不同尺寸的骨骼螺钉，并且可以进一步被连接以从患者医学图像服务器2020中获得图像，并且可以被连接以从医学模型图像服务器2030中获得解剖模型图像。

参考图20所示，手术植入规划计算机2000允许相对于初始医学图像自动生成外科手术计划和/或使用由外科医生开发的手术计划，用于相对于初始医学图像植入手术植入装置。手术植入规划计算机2000自动地转换手术计划，所述手术计划用于将手术植入装置植入到目标医学图像中示出的骨骼中。手术植入规划计算机2000可以将所转换的手术计划提供给手术机器人系统100，以通过手术机器人系统来控制手术末端执行器112的运动，以相对于患者的骨骼上的位置定位手术末端执行器112，从而有利于将手术植入装置植入骨骼中。

在一个示例性实施方案中，外科医生可以与手术植入规划计算机2000接合，以针对其中螺钉被插入的骨骼的代表性扫描或图像(统称为“医学图像”，“图像扫描”，和为简洁起见的“图像”)上的骨骼螺钉的位置生成手术计划。手术植入规划计算机2000可以从患者医学图像服务器2020获得正常脊柱的初始图像(例如患者脊柱的CT扫描)，所述正常脊柱可能来自特定或平均身高、年龄和体重的受试者，或者可以从医学模型图像服务器2030获得适当解剖结构的建模初始图像，该医学模型图像服务器2030可以具有基于例如PacificResearch集团的Sawbones模型的图像。可以生成手术计划，所述手术计划识别相对于其中螺钉可以可预见地被需要的初始图像中显示的骨骼的任何可预见位置处可以在何处植入螺钉。该手术计划可以由考虑到通过图像处理可用的骨骼走廊的位置的算法自动生成，或者由熟悉螺钉的适当手术放置的个人手动地生成。例如，在胸腰骶脊柱的图像扫描中，可以通过外科医生滚动图像体积和标记位置来生成外科手术计划，该标记位置识别可以在图像中的T1-S3中的每个椎弓根中植入椎弓根螺钉的位置。初始图像和识别相应螺钉位置的手术计划由手术植入规划计算机2000存储在本地或远程的存储器数据库中，用稍后再次调用并供特定识别的患者或更一般地未来的新患者使用。

当接收到患者的新目标图像并且需要螺钉计划时，外科医生将与手术植入规划计算机2000接合，以指定将螺钉插入目标图像中所示的骨骼的一个或多个区域中的何处。计算机2000响应地获得初始图像、手术计划和目标图像，并执行空间转换，以改变初始图像的轮廓，以根据所定义的规则充分匹配目标图像在指定位置处的轮廓。为了最小化所需的改变量，可以选择从患者医学图像服务器2020或医学模型图像服务器2030检索的初始图像，以匹配目标图像的年龄、性别、身高、体重、种族或其他参数，以提供更近的近似。可以使用不同的转换来改变不同区段的图像，使得例如根据最佳拟合操作，来自初始图像的每个感兴趣的特定骨骼与目标图像充分匹配。举例来说，如果试图将腰椎的三个水平从初始图像匹配到目标图像中的相应三个水平，则计算机2000可以操作，以独立地转换初始图像的每个椎骨，以最佳地匹配在目标图像中示出的每个相应的椎骨。此外，在骨骼内，关键点周围的不同部分可以被不同地拉伸和旋转，以满足初始图像和目标图像中相应部分之间的一致性的所定义的规则。用于转换(例如，改变)的操作可以包括仿射转换，所述仿射转换不需要对身体进行改变，以保持恒定的纵横比。

图21描绘了根据一些示例性实施方案的可以在显示设备上显示的一组图像以及由手术植入规划计算机2000执行以生成转换矩阵的相关操作，该转换矩阵转换手术计划，所述手术计划用于针对在目标图像中的骨骼上的叠加物在相对于在初始图像中的骨骼植入手术植入装置。

参考图21，图像包括初始图像2100、目标图像2110，初始和目标图像2100和2110的初始重叠复合视图2120(其中仅允许总水平缩放、总垂直缩放、旋转和平移)以及目标图像2110的转换叠加复合视图2130，所述转换叠加复合视图2130已经在图像的子集中进一步非对称转换，以更好地符合初始图像2100。初始图像2100示出了骨骼2108和初始手术计划，其中手术螺钉2102的尖端位置2106和尾部位置2104在植入骨骼2108之后将被定位。如上所述，初始图像2100中示出的初始手术计划可以通过外科医生查看在患者或另一患者(例如，来自患者医学图像服务器2020)的初始图像2100或医学模型(例如，来自医学模型图像服务器2030)中骨骼2108而开发，或者可以相对于初始图像2100中示出的骨骼2108由手术植入规划计算机2000自动生成，同时操作以满足相对于骨骼2108的限定和/或确定的特征基于关于螺钉或其他装置的放置的外科医生的先前定义的偏好(优选深度、优选角度等)而生成的一个或多个规则。初始图像2100明显小于目标图像2110，并且为了获得初始叠加物2120，缩放初始图像2100，使得总前后尺寸和侧面尺寸与目标图像2110的那些相匹配。

如下所述的那样，手术植入规划计算机2000进一步非对称地转换由外科手术计划限定的关键解剖区域2122内的植入位置，所述手术计划用于与通过CT扫描、x-射线或其他医学成像过程获得的患者的目标图像2110中示出的骨骼2112。可以将所转换的植入物位置(例如，手术螺钉2132的转换的尖端和尾部位置)提供给手术机器人系统100，以通过手术机器人系统100控制外科末端执行器112的移动，以相对于患者的骨骼来定位手术末端执行器112，以便有利于将手术螺钉2132植入骨骼中。

图22和图23示例了根据一些示例性实施方案由用于生成和使用用于手术计划的转换矩阵的手术植入规划计算机2000所执行操作的流程图。

参考图21和图22所示，计算机2000获得2200骨骼的初始图像2100，并获得2202包含数据的初始位置数据结构，所述数据限定手术植入装置上的一组位置(例如，螺钉2102上的尖端2106和尾部2104)与它们相对于初始图像2100中的骨骼2108被叠加的所在的一组位置之间的映射。可以基于初始位置数据结构中的数据确定手术螺钉2102的尖端和尾部相对于初始图像2100中的骨骼2108的位置。可以从手术植入装置目录服务器2010获得待映射到初始图像的手术植入装置的类型和相关位置(例如，尖端、尾部、其他限定的位置和/或轮廓)，并且初始图像可以从医学模型图像服务器2030和/或患者医学图像服务器2020获得。计算机2000还从患者医疗图像服务器2020获得2204患者骨骼2112的目标图像2110。

计算机2000生成2206转换矩阵，该转换矩阵转换初始图像2100中的骨骼2108的部分2122的轮廓，以满足用于符合于目标图像2110中的骨骼2112的对应部分的轮廓的所定义的规则，其中，所叠加的图像2120的示例部分在图21中示例为2112。可以基于需要单独地被移动或共同被拉伸和/或被旋转以满足符合于在目标图像2110的部分2122中的骨骼2112的对应表面轮廓的所定义的规则的限定在初始图像2100的部分2122中的骨骼2108的表面轮廓的组点的数量来生成转换矩阵。所定义的规则可对应于使骨骼2108改变以实现骨骼2112的相应表面轮廓在部分2122内的最佳配合。用于改变的操作包括但不限于仿射转换，所述仿射转换不要求主体被改变以保持恒定的纵横比。

该所叠加的合成图像2120可以通过转换(例如拉伸)初始图像2100中的骨骼2108而生成，以大约具有与目标图像2110中的骨骼2112相同的总尺寸。所转换的叠加复合视图2130可以沿着初始图像2110中的骨骼2108的前外表面和后外表面以及椎管表面通过进一步转换(例如，通过拉伸和旋转的改变)多个轮廓以更加紧密地符合目标图像2110中的骨骼2112的相应轮廓而生成。

然后，计算机2000基于将转换矩阵应用于手术植入装置(例如，螺钉2102)的初始位置数据结构或将转换矩阵应用于初始位置数据结构的关键点(例如，螺钉尖端2106和螺钉尾部2104)而生成2208转换的位置数据结构。这种区别形成是因为转换穿过不同地被转换的两个区域2122和2124的整个螺钉可能导致弯曲的螺钉2132，而仅转换尖端点和尾部点然后将这些点与直线重新连接将导致在直的螺钉2132。计算机2000在显示设备上显示2214手术植入装置(例如，螺钉2132)的图形表示，所述图形表示在目标图像2110中的骨骼2112上的位置处被叠加，所述位置基于所转换的位置数据结构而确定。

在一个实施方案中，手术植入规划计算机2000可以被配置成在患者的目标图像上显示自动计划的螺钉位置，以供外科医生在需要时查看和调节。计算机2000基于基于骨骼2108的尺寸限定的已知的螺钉的尖端坐标和尾部坐标并且基于从手术植入物装置目录服务器2010获得的可用螺钉的特征数据来自动确定螺钉的长度。计算机2000可以被配置成基于确定的缩放来自动缩放螺钉的直径，所述确定的缩放发生在相对于在初始图像2100中的骨骼的原始螺钉长度与相对于目标图像2110中的骨骼2112的转换的螺钉长度之间。举例来说，如果50mm螺钉在初始图像2100中匹配骨骼2108但是在骨骼2108变形以符合骨骼2112之后，螺钉长度减小到40mm，这种减少将表示螺钉长度减少20％。计算机2000可以配置成相应地将螺钉直径减小20％。可选地或另外地，计算机2000可以访问为一组实际患者提供不同长度的螺钉的数据的历史存储库，所述历史存储库识别选择的什么螺钉直径用于与用于各种限定的骨骼区域的相应的各种长度的螺钉一起使用。可选地或另外地，计算机2000可以使用关于目标图像2110的骨骼轮廓的位置的已知信息，所述位置针对表面一致性在初始图像2100的转换期间被评估，在螺钉所通过的区域内可用的空间量可自动测量，并且螺钉的最佳配合直径自动地选择。

在示例性实施方案中，手术螺钉2102具有由初始位置数据结构相对于初始图像中的骨骼所限定的尖端位置和尾部位置，并且计算机2000缩放(图22中的2210)在基于转换矩阵相对于目标图像2100中的骨骼2108所限定的手术螺钉的尖端位置与尾部位置之间的距离。在另一实施方案中，计算机2000基于手术螺钉的尖端位置与尾部位置之间的距离的缩放来缩放(图22中的2212)手术螺钉的直径。

如上所述，沿着骨骼上的不同部分中的关键点的轮廓可以被不同地拉伸和旋转，以满足初始图像和目标图像中的对应部分之间的一致性的定义规则。在图21中，示例了在所叠加的图像2120内的另一部分2124，其中骨骼2108的轮廓可以被转换，以更接近地符合于也在部分2124内的目标图像2110中的骨骼2112的对应轮廓。可以基于在所叠加的图像2120的部分2124内执行的转换来生成或细化相同或另一转换矩阵。举例来说，可能需要良好的椎弓根螺钉放置以使初始图像形状拟合椎骨的后部区域中的目标图像形状，使得椎弓根宽度叠加，同时还保持椎管的尺寸和椎弓根从中线的偏移。这样的目标可能需要用不同的转换矩阵来转换椎骨的不同部分，并且可能不允许对整个椎骨使用单个转换矩阵。

用于转换初始图像的各个区域以匹配目标图像的对应区域同时保持区域之间的边界处的连续性的通用方法可以使用类似于用于数字地创建其中图像改变的动画视频的技术来应用(参见例如http://www.learnopencv.com/face-morph-using-opencv-cpp-python/)。这种改变技术使用与从初始图像到目标图像的地标对应的点集，使用狄洛尼三角剖分将图像区域或体积划分为离散区域，然后将仿射转换应用于每个三角形(2D)或四面体(3D)，以从初始图像到目标图像拟合每个三角形区域或体积。举例来说，在当前的应用中，为了将理想脊柱的初始图像体积与新患者脊柱的目标图像体积相匹配，诸如棘突、椎板、横突、椎弓根和椎体的关键标记可以通过模式识别和图像处理在初始图像和目标图像中自动识别，或者由用户滚动图像并标记这些位置以创建点对应集来手动识别。可以使用已知技术自动生成狄洛尼三角剖分和用于最佳拟合的仿射转换。然后将对应于尖端点和尾部点所在的四面体的仿射转换应用于螺钉的尖端点和尾端点。螺钉体没有转换，因为这样做可能会改变其圆柱形状。相反，将使用转换的尖端点和尾点定位新的螺钉体以实现目标螺钉计划。

在一些另外的实施方案中，用于生成2206转换矩阵的操作可以包括：修改初始图像2100中的骨骼2108的部分的轮廓的尺寸和/或旋转角度，以满足用于符合于目标图像2110中的骨骼2112的对应部分的轮廓的的尺寸和/或旋转角度的所定义的规则。此外，如上所述，可以重复操作以修改初始图像2100中的骨骼2108的多个部分的轮廓的尺寸和/或旋转角度，以满足符合于目标图像2110中的骨骼2112的相应多个部分的轮廓的尺寸和/或旋转角度的所定义的规则。

在另一个实施方案中，用于修改初始图像2100中的骨骼2108的部分的轮廓的尺寸和/或旋转角度的操作可以包括：应用初始图像2100中的骨骼2108的部分的轮廓的尺寸和/或旋转角度的最佳拟合转换，以满足用于符合于目标图像2110中的骨骼2112的对应部分的轮廓的尺寸和/或旋转角度的所定义的规则，例如在叠加合成图像2120和/或进一步转换的叠加合成图像2130中所示的那样。在另一个实施方案中，用于修改初始图像2100中的骨骼2108的部分的轮廓的尺寸和/或旋转角度的操作可以包括：应用初始图像2100中的骨骼2108的部分的轮廓尺寸和/或旋转角度的仿射转换，以满足用于符合于目标图像2110中的骨骼2112的对应部分的轮廓的尺寸和/或旋转角度的所定义的规则。

在另一实施方案中，用于基于将转换矩阵应用于初始位置数据结构来生成所转换的位置数据结构的操作可以包括：对于在初始位置数据结构中限定的手术植入装置上的一个第一位置，应用转换矩阵以将由初始位置数据结构相对于初始图像2100中的骨骼2108所限定的相应的一个第一位置转换为相对于目标图像2110中的骨骼2112所限定的转换的第一位置，并且将所转换的第一位置存储在转换的位置数据结构中，所述第一位置与手术植入装置上的一个第一位置相关联。

该操作还可以包括生成另一个转换矩阵，该转换矩阵转换初始图像2100中的骨骼2108的另一部分2124的轮廓，以满足用于符合于目标图像2110中的骨骼2112的对应的另一部分2124的轮廓的所定义的规则。基于将转换矩阵应用于初始位置数据结构来生成所转换的位置数据结构的操作还可以包括：对于在初始位置数据结构中限定的手术植入装置上的一个第二位置，应用其他转换矩阵以将初始位置数据结构相对于初始图像2100中的骨骼2108所限定的一个相应的第二位置转换为相对于目标图像2110中的骨骼2112所限定的所转换的第二位置，并且将所转换的第二位置存储在所转换的位置数据结构中，所述第二位置与手术植入装置上的第二个位置相关联。

现在参考图23的流程图，其示例了可以执行以将螺钉2102上的位置到初始图像2100中示出的骨骼2108的映射转换为螺钉2102上的位置到目标图像2110中示出的骨骼2112的对应映射的示例性操作。生成第一转换矩阵2300，所述第一转换矩阵2300转换在初始图像2100中的骨骼2108的第一部分的轮廓，以满足用于符合于在目标图像2110中的骨骼2112的对应第一部分的轮廓的所定义的规则。将第一转换矩阵2302应用于在初始位置数据结构中限定的手术螺钉上的尖端位置。然后将所转换的尖端位置存储2304在所转换的位置数据结构中。生成2306第二转换矩阵，所述第二转换矩阵在初始图像2100中转换骨骼2108的第二部分的轮廓，以满足用于符合于目标图像2110中的骨骼2112的对应第二部分的轮廓的所定义的规则。将第二转换矩阵应用2308到在初始位置数据结构中定义的手术螺钉上的尾部位置，然后将转换后的尾部位置存储2310在转换后的位置数据结构中。

可以设想一些场景，其中用于自动生成用于使用解剖模型将螺钉或其他装置植入患者骨骼的手术计划的操作可能不能为某些患者提供可接受的解决方案。举例来说，骨骼的走廊可以是螺钉的尖端和尾部将定位在初始图像中的所在的位置之间的直线连接(例如，对应于解剖模型或其他患者)，然而在患者的目标图像中的患者骨骼的相应走廊可能过度弯曲。在图24中所示的骨骼图像中描绘了各种这样的场景，其中手术植入装置(例如，螺钉)显示为骨骼上的叠加物。

参考图24，图像2400示例了具有直走廊的骨骼2404，在所述骨骼2404中可以植入螺钉、杆或其他装置2402。形成鲜明对比的是，图像2410示出了具有基本上弯曲的走廊的骨骼2412，植入装置2402可以植入其中。然而，植入装置2402在医学上是不可接受的，其中植入装置2402通过弯曲区域穿过骨骼的表面并延伸到骨骼2412的外部。根据本文的实施方案，手术植入规划计算机2000可以配置成通过调节植入装置2402的位置以完全在骨骼2412内延伸来识别和补偿这种弯曲区域。在图像2420的实施例中，计算机2000从位置2402'向内移动植入装置2402的位置，以便在针对其中将装置2402植入骨骼2412内的位置生成手术计划的同时不延伸到骨骼2412外部。

图25是手术植入规划计算机2000可在执行以在生成手术计划时补偿骨骼曲率或其他骨骼凹陷的相应操作的流程图。参考图25，在由所转换的位置数据结构限定的手术植入装置上的位置与目标图像中的骨骼的相邻表面之间确定2200距离。响应于所确定的距离，计算机2000调节2204其中手术植入装置的图形表示被显示为骨骼的目标图像上的叠加物所在的位置。

用于生成手术计划的操作可以包括基于规则来偏置或约束植入装置的位置，所述规则基于外科医生的偏好来限定。计算机2000可以获得2202一组规则，所述规则限定手术植入装置的穿透深度和相对于目标图像中的骨骼表面的穿透角度，并使用该组规则来调节2204手术植入装置的图形表示被显示为骨骼的目标图像上的叠加物所在的位置。举例来说，一些外科医生可能更喜欢将下腰椎水平的椎弓根螺钉从后向前直接植入，而其他外科医生可能更喜欢将植入的螺钉从外侧向内侧成角度地向内倾斜。可选地或另外地，一些外科医生可能更喜欢将椎弓根螺钉穿透至椎体深度的50％，而其他外科医生可能更喜欢将椎弓根螺钉穿透至椎骨体深度的75％。外科医生对螺钉放置的这些和其他偏好和对植入装置的其他偏好可以与外科医生相对于初始图像制作的外科手术计划一起存储，并且在待指向目标图像的外科手术计划的转换期间由计算机2000使用。计算机2000可以使不喜欢经历计划每个可预见的螺钉和/或其他装置植入位置的过程的外科医生能够从最接近地匹配他们所识别的偏好的可能选择的所限定的集合(例如，图表)中代替地选择。

以这种方式提供手术系统，所述手术系统将相对于初始医学图像而制作的自动生成的预测手术计划和/或外科医生的初始手术计划转换成用于将手术植入装置植入在目标医学图像中所显示的患者的骨骼中的所转换的计划。这种自动规划可以减少手术所需的时间，并提高规划的准确性。可以显示转换的手术计划以供外科医生查看和/或可以被提供给手术机器人系统，以控制手术机器人系统的手术末端执行器相对于患者骨骼的定位。

虽然参考脊柱应用或其他骨骼应用大体上描述了本文中所描述的机器人和相关联系统，但是还应考虑，手术系统被配置成用于其它手术应用中，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)、和颅内的、神经的、心胸的、血管的、结肠直肠的、肿瘤的、牙科的手术和程序以及其它手术和程序。

手术植入规划计算机的组成部分

图26示例了根据一些示例性实施方案被配置成进行操作的手术植入规划计算机2000的组件的框图。计算机2000可包括显示装置2630、无线和/或有线网络接口电路2640、至少一个处理器电路2610(处理器)和至少一个存储器电路2620(存储器)。处理器2610被连接到存储器2620、显示装置2630和网络接口电路2640。存储器2620存储程序代码2622，所述程序代码2622由处理器2610执行以执行操作。处理器2610可以包括一个或多个数据处理电路，例如通用和/或专用处理器(例如，微处理器和/或数字信号处理器)，所述处理器可以在一个或多个数据网络上并置或分布。处理器2610被配置成执行存储器2620(下面描述为计算机可读介质)中的程序代码2622中的计算机程序指令，以执行本文公开的用于手术植入规划计算机2000的一个或多个实施方案的一些或全部操作和方法。网络接口电路2640被配置成通过有线网络(例如，以太网、USB等)或无线网络(例如，Wi-Fi，蓝牙，蜂窝等)与其他电子装置(例如服务器2010、2020和/或2030以及手术机器人系统100)通信。

其他定义和实施方案：

在本发明构思的各种实施方案的上述描述中，应理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，并不意图限制本发明构思。除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包含技术和科学术语)具有与本发明构思所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。将进一步理解的是，例如在常用词典中定义的那些术语应被解释为具有与其在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且除非本文明确定义，否则不应在理想化或过度正式的意义上解释。

当一个元件被称为“连接”、“联接”、“响应”(或其变型)于另一元件时，它可以直接连接、耦合或响应于另一元件，或者可以存在中间元件。相比之下，当元件被称为“直接连接”、“直接联接”、“直接响应”(或其变型)于另一元件时，不存在中间元件。相同的数字始终指代相同的元件。除非另外指定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变型广泛地使用，并且涵盖直接和间接安装、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。如本文所使用，单数形式“一”、“一个”和“所述”也希望包含复数形式，除非上下文另有明确说明。为了简洁和/或清楚起见，可能未详细描述众所周知的功能或配置。术语“和/或”包含一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。

应当理解，尽管本文可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件/操作，但是这些元件/操作不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件/操作与另一元件/操作区分开。因此，在不脱离本发明构思的教示的情况下，在一些实施方案中的第一元件/操作可以在其它实施方案中被称为第二元件/操作。在整个说明书中，相同的附图标记或相同的参考标记表示相同或相似的元件。

如本文所使用，术语“包括”、“包含”、“具有”或其变型是开放式的，并且包含一个或多个所陈述的特征、整数、元件、步骤、组件或功能，但不排除一个或多个其它特征、整数、元件、步骤、组件、功能或其群组的存在或添加。此外，如本文所使用，源自拉丁语短语“例如(exempli gratia)”的通用缩写“eg”可用于引入或指定先前提及的项目的一个或多个一般实例，并且不希望限制此项目。源自拉丁语短语“即(id est)”的通用缩写“ie”可用于依据更一般的叙述指定特定项目。

本文参考计算机实施的方法、设备(系统和/或装置)和/或计算机程序产品的框图和/或流程图图示来描述示例实施方案。应当理解，框图和/或流程图图示的框以及框图和/或流程图图示中的框的组合可以由一个或多个计算机电路执行的计算机程序指令来实施。这些计算机程序指令可以被提供给通用计算机电路、专用计算机电路和/或其它可编程数据处理电路的处理器电路，以产生机器，使得指令经由计算机的处理器和/或其它可编程数据处理设备、转换和控制晶体管、存储在存储器位置中的值，以及此电路内的其它硬件组件执行，以实施在框图和/或流程图框中指定的功能/动作，从而创建用于实施框图和/或流程图框中指定的功能/动作的构件(功能性)和/或结构。

这些计算机程序指令还可以存储在有形计算机可读媒体中，所述有形计算机可读媒体可以指示计算机或其它可编程数据处理设备以特定方式起作用，使得存储在计算机可读媒体中的指令产生包含实施框图和/或流程图框中指定的功能/动作的指令的制品。因此，本发明构思的实施方案可以体现在例如数字信号处理器之类的处理器上运行的硬件和/或软件(包含固件、常驻软件、微代码等)中，这些处理器可以统称为“电路”、“模块”或其变型。

还应注意，在一些替代实施方案中，框中提到的功能/动作可以不按流程图中所示的顺序发生。例如，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者这些框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能/动作。此外，流程图和/或框图的给定框的功能性可以分成多个框，且/或流程图和/或框图的两个或两个以上框的功能性可以至少部分地集成。最后，可以在所示的框之间添加/插入其它框，且/或可以省略框/操作而不脱离本发明构思的范围。此外，尽管一些图包含通信路径上的箭头以示出通信的主要方向，但是应该理解，通信可以在与所示箭头相反的方向上发生。

虽然在前面的说明书中已经公开了本发明构思的几个实施方案，但应该理解，在受益于前述说明和相关附图中呈现的教示的情况下，将能够设想出本发明构思所涉及的本发明构思的许多修改和其它实施方案。因此应该理解，本发明构思不限于上文公开的特定实施方案，并且许多修改和其它实施方案希望包含在所附权利要求书的范围内。进一步设想，来自一个实施方案的特征可以与来自本文描述的不同实施方案的特征组合或一起使用。此外，虽然在本文以及在所附权利要求书中使用了特定术语，但是它们仅在一般和描述性意义上被使用，而不是为了限制所描述发明构思或所附权利要求书的目的。本文引用的每个专利和专利公开的全部公开内容全文以引用的方式并入本文中，如同每个此专利或公开个别地以引用的方式并入本文中。本发明构思的各种特征和/或潜在优点在所附权利要求书中陈述。

Claims (8)

1.一种由手术植入规划计算机执行的方法，所述手术植入规划计算机用于相对于患者的骨骼定位手术植入装置，所述方法包括：

获得骨骼的初始图像；

获得初始位置数据结构，所述初始位置数据结构包含数据，所述数据限定在所述手术植入装置上的一组位置与相对于所述初始图像中的所述骨骼的相应组的位置之间的映射；

获得所述患者的骨骼的目标图像；

生成转换矩阵，所述转换矩阵转换所述初始图像中的骨骼的一部分的轮廓，以满足用于符合于所述目标图像中所述骨骼的相应部分的轮廓的所定义的规则；

基于将所述转换矩阵应用于所述初始位置数据结构，生成所转换的位置数据结构；

显示所述手术植入装置的图形表示，所述图形表示在基于所述所转换的位置数据结构所确定的所述骨骼的目标图像上的位置处被叠加；

对于在所述初始位置数据结构中所限定的所述手术植入装置上的一个第一位置，应用所述转换矩阵，以将由所述初始位置数据结构相对于在所述初始图像中的所述骨骼所限定的一个相应第一位置，转换成相对于所述目标图像中的所述骨骼所限定的所转换的第一位置；

将所述所转换的第一位置存储在所述所转换的位置数据结构中，所述所转换的第一位置与所述手术植入装置上的一个所述第一位置相关联；以及

生成另一个转换矩阵，所述转换矩阵转换在所述初始图像中的所述骨骼的另一部分的轮廓，以满足用于符合于在所述目标图像中的所述骨骼的相应另一部分的轮廓的所述所定义的规则，

其中，基于将所述转换矩阵应用于所述初始位置数据结构而生成所述所转换的位置数据结构还包括：

对于在所述初始位置数据结构中所限定的所述手术植入装置上的一个第二位置，应用所述另一个转换矩阵，以将由所述初始位置数据结构相对于所述初始图像中的所述骨骼所限定的一个相应的第二位置，转换成相对于所述目标图像中的所述骨骼所限定的所转换的第二位置；以及

将所述所转换的第二位置存储在所述所转换的位置数据结构中，所述所转换的第二位置与所述手术植入装置上的一个所述第二位置相关联。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述手术植入装置包括手术螺钉，所述方法还包括：

基于在所述初始位置数据结构中的所述数据相对于在所述初始图像中的所述骨骼来确定所述手术螺钉的尖端和尾部的位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述转换矩阵的生成包括：

修改在所述初始图像中所述骨骼的部分的轮廓的尺寸和/或旋转角度，以满足用于符合于所述目标图像中的所述骨骼的相应部分的轮廓的尺寸和/或旋转角度的所述所定义的规则。

4.根据权利要求3所述的方法，其还包括：

在所述初始图像中重复所述骨骼的多个部分的轮廓的尺寸和/或旋转角度的修改，以满足用于符合于所述目标图像中的所述骨骼的相应的多个部分的轮廓的尺寸和/或旋转角度的所述所定义的规则。

5.根据权利要求3所述的方法，其中在所述初始图像中的所述骨骼的部分的轮廓的尺寸和/或旋转角度的修改包括：

应用在所述初始图像中的所述骨骼的部分的轮廓的尺寸和/或旋转角度的最佳拟合转换，以满足用于符合于在所述目标图像中的所述骨骼的相应部分的轮廓的尺寸和/或旋转角度的所述所定义的规则。

6.根据权利要求3所述的方法，其中在所述初始图像中的所述骨骼的部分的轮廓的尺寸和/或旋转角度的修改包括：

应用在所述初始图像中的所述骨骼的部分的轮廓的尺寸和/或旋转角度的仿射转换，以满足用于符合于在所述目标图像中的所述骨骼的相应部分的轮廓的尺寸和/或旋转角度的所述所定义的规则。

7.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述手术植入装置包括手术螺钉，所述手术螺钉具有尖端位置和尾部位置，所述尖端位置和所述尾部位置相对于所述初始图像中的所述骨骼被限定在所述初始位置数据结构中；以及

基于将所述转换矩阵应用于所述初始位置数据结构而生成所述所转换的位置数据结构包括：

生成第一转换矩阵，所述第一转换矩阵转换在所述初始图像中的所述骨骼的第一部分的轮廓，以满足用于符合于在所述目标图像中的所述骨骼的相应第一部分的轮廓的所述所定义的规则；

对于在所述初始位置数据结构中所限定的所述手术螺钉上的所述尖端位置，应用所述第一转换矩阵，以将由所述初始位置数据结构相对于在所述初始图像中的所述骨骼所限定的对应第一位置，转换成相对于所述目标图像中的所述骨骼所限定的所转换的第一位置；

将所述所转换的第一位置存储在所述所转换的位置数据结构中，所述所转换的第一位置与所述手术螺钉上的所述尖端位置相关联；

生成第二转换矩阵，所述第二转换矩阵转换所述初始图像中的所述骨骼的第二部分的轮廓，以满足用于符合于在所述目标图像中的所述骨骼的相应第二部分的轮廓的所述所定义的规则，

对于在所述初始位置数据结构中所限定的所述手术螺钉上的所述尾部位置，应用所述第二转换矩阵，以将由所述初始位置数据结构相对于在所述初始图像中的所述骨骼的相应第二位置，转换成相对于在所述目标图像中的所述骨骼所限定的所转换的第二位置；以及

将所述所转换的第二位置存储在所述所转换的位置数据结构中，所述所转换的第二位置与所述手术螺钉上的所述尾部位置相关联。

8.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述手术植入装置包括手术螺钉，所述手术螺钉具有尖端位置和尾部位置，所述尖端位置和所述尾部位置由所述初始位置数据结构相对于在所述初始图像中的所述骨骼所限定；以及

基于将所述转换矩阵应用于所述初始位置数据结构而生成所述所转换的位置数据结构包括基于所述转换矩阵缩放在相对于在所述目标图像中的所述骨骼所限定的所述手术螺钉的所述尖端位置与所述尾部位置之间的距离。

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