CN110623732A - 关节外科手术中的软组织平衡 - Google Patents

Abstract

系统和方法可用于执行机器人辅助外科手术。系统可包括机器人控制器，用以监控被联接到机器人臂的端部的端部执行器的位置和取向。机器人控制器可使用端部执行器例如经由软组织平衡部件向骨施力。机器人控制器可使用来自跟踪系统的信息来确定软组织平衡，例如固定到该骨的第一跟踪器的一部分。该软组织平衡可被输出到显示装置。

Description

关节外科手术中的软组织平衡

本申请是申请日为2017年6月16日、申请号为201780037103.7、名为“关节外科手术中的软组织平衡”的发明专利申请的分案申请

优先权的要求

本申请要求于2016年6月16日提交的名为“用于在关节外科手术中平衡软组织的方法和系统(Method and System for Balancing Soft Tissue in Articular Surgery)”的美国临时申请No.62/350,958；于2016年8月15日提交的名为“用于在关节外科手术中平衡软组织的方法和系统(Method and System for Balancing Soft Tissue in ArticularSurgery)”的美国临时申请No.62/375,049；于2016年11月21日提交的名为“关节外科手术中的软组织平衡(Soft Tissue Balancing in Articular Surgery)”的美国临时申请No.62/424,732；以及于2017年5月4日提交的名为“关节外科手术中的软组织平衡(SoftTissue Balancing in Articular Surgery)”的美国临时专利申请No.62/501,585的优先权，其中的每一篇临时专利申请均被通过引用全部结合到本文中。

技术领域

本申请涉及用以帮助将植入物放置于骨的关节表面上的计算机辅助骨科手术。

背景技术

已经研发了计算机辅助外科手术(CAS)以帮助外科医生改变骨，以及将植入物定位和定向到期望的位置。计算机辅助外科手术可涵盖多种装置，这些装置包括手术导航、术前规划和多种机器人装置。计算机辅助外科手术具有潜力的一个领域是骨科关节修复或置换术。例如，软组织平衡是关节修复的重要因素，这是因为不平衡可能导致关节不稳定。然而，当在关节上实施骨科手术时，软组织评估通常由手工完成，外科医生定性地评估患者运动范围的极限。常规技术可能导致错误或缺乏精确度。

附图说明

在不一定按比例绘制的附图中，相同的数字可在不同视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相同数字可表示相似部件的不同实例。附图作为示例而非作为限制大致示出了本文件中所讨论的多种实施例。

图1是根据一些实施例的CAS系统的示意图。

图2是根据一些实施例的CAS系统的脚支撑件的示例性透视图。

图3是根据一些实施例的CAS系统的工具头的透视示意图。

图4是根据一些实施例的与自动化外科手术系统一起使用的CAS控制器的框图。

图5A-5B示出了根据一些实施例的具有钉引导件端部执行器部件的机器人臂。

图6A示出了根据一些实施例的用于在机器人软组织平衡系统中使用的钉。

图6B示出了根据一些实施例的包括钉的机器人软组织平衡系统。

图7A示出了根据一些实施例的用于在机器人软组织平衡系统中使用的踝突枢转件(condyle pivot)。

图7B示出了根据一些实施例的包括踝突枢转件的机器人软组织平衡系统。

图8是示出了根据一些实施例的在膝关节屈曲的情况下使用CAS系统进行术中软组织评估的示意图。

图9是示出了根据一些实施例的在膝关节伸展的情况下使用CAS系统进行术中软组织评估的示意图。

图10A-10D示出了根据一些实施例的用于在韧带牵拉系统中使用的j形适配器和机器人臂。

图11示出了根据一些实施例的一种用于对伸展中的软组织平衡进行测试的系统。

图12示出了根据一些实施例的用于显示韧带平衡的示例性用户界面。

图13示出了图示说明根据一些实施例的用于确定内侧力和侧向力的技术的力图。

图14示出了根据一些实施例的软组织平衡测试的层式扩张器有利实施例。

图15示出了根据一些实施例的软组织平衡测试的齿轮有利实施例。

图16示出了根据一些实施例的软组织平衡测试的长杠杆臂有利实施例。

图17A和图17B是根据一些实施例的用于显示CAS控制器的运动范围(ROM)分析的用户界面。

图18A和图18B是根据一些实施例的用户界面，其用于显示CAS控制器的植入物评估，从而能够实现从尾部视角看到的植入物运动。

图19A和图19B是根据一些实施例的用户界面，其用于显示自动化外科手术控制器的植入物评估，从而能够实现从正面视角看到的植入物运动。

图20是根据一些实施例的引导用于CAS系统的股骨的校准(也称为配准)的示例性图形用户界面(GUI)。

图21是根据一些实施例的引导用于CAS系统的胫骨的校准(也称为配准)的示例性图形用户界面(GUI)。

图22A-22F是根据一些实施例的引导用于CAS系统的关节运动的量化并显示膝关节的内翻角和外翻角的示例性图形用户界面(GUI)。

图23A-23B是根据一些实施例的用于规划植入物选择和定位以及用于在术中或术后评估切除的示例性图形用户界面(GUI)。

图24示出了根据一些实施例的胫骨力检测系统。

图25A-25B示出了根据一些实施例的运动范围测试系统中的髌骨传感器。

图26A-26B示出了根据一些实施例的用于控制机器人臂的增强现实系统。

图27示出了根据一些实施例的用于将股骨从胫骨上转移(distract)的系统。

图28示出了根据一些实施例的机器人臂配准系统。

图29示出了一幅流程图，其示出了根据一些实施例的用于使用机器人臂执行软组织平衡的技术。

图30示出了一幅流程图，其示出了根据一些实施例的用于使用机器人臂执行软组织拉力测试的技术。

图31示出了一幅流程图，其示出了根据一些实施例的用于使用跟踪来实施机器人辅助外科手术的技术。

图32示出了一幅流程图，其示出了根据一些实施例的用于使用力传感器实施机器人辅助外科手术的技术。

图33A-33D示出了根据一些实施例的用于关节置换手术规划的示例性用户界面。

具体实施方式

本文中描述的系统和方法可被用于使用机器人臂进行软组织平衡。在外科手术过程中使用的机器人臂可执行软组织平衡评估。例如，部件(例如钉、切割块等，如下文中进一步描述的那样)可锚固到骨，并且可驱动机器人臂以继续拉动骨或其它解剖结构，以执行软组织平衡评估。在一个示例中，可将软组织放置成处于张力之下以确定平衡。可使用从机器人臂中的力/扭矩传感器接收到的信息来确定所施加的拉力。机器人臂可包括传感器(例如，惯性、光学、编码器等)以测量表示软组织平衡所需的旋转的旋转。在腿部处于屈曲中或处于伸展中的情况下，可利用机器人臂执行软组织平衡。在一个示例中，计算机辅助外科手术(CAS)系统可被用于实施或控制机器人手臂。

在一个示例中，机器人臂可提升(例如，被定位于机器人臂的远端处的)端部执行器以使股骨移位，同时胫骨通过重力、通过其到手术台上的固定(例如，当使用脚支撑件时)、通过人(例如，外科手术助手或外科医生)、通过医用胶带、自粘式包裹物或胶带、或用于固定胫骨的其它固定装置或部件保持静止。在另一示例中，机器人臂可使用层式扩张器来将骨分开。层式扩张器可被插入在介于股骨髁和胫骨平台之间的间隙中。为了辅助该层式扩张器，附加装置可由机器人臂使用和操纵。例如，机器人臂可操纵夹具以受益于该夹具的杠杆作用，以便在骨上施加更大的力矩。层式扩张器可包括齿轮机构(例如，行星齿轮装置、齿条和小齿轮等)，以帮助放大机器人臂的力。

可以使用机器人臂上的传感器或被附接到该机器人臂的部件来确定关节松弛度，以便在外科手术过程中的不同时刻帮助实现软组织平衡。例如，可在使机器人臂对骨进行改变，以确认骨上的预定植入物尺寸或位置或者能够实现对骨上的预定植入物尺寸或位置进行调整之前确定软组织平衡。在另一示例中，可在已经制造一个或多个切割平面之后确定软组织平衡，以便确定是否需要进一步调整。

参照附图并且更具体地参照图1，计算机辅助外科手术(CAS)系统大体以10示出，并且被用于对患者执行骨科手术策略，其包括对运动范围进行术前分析和植入物评估规划，如下文中所述。系统10被相对于处于仰卧位中的患者的膝关节示出，但仅被作为示例示出。系统10可被用于其它身体部位，其非穷举地包括髋关节、脊柱和肩胛骨。CAS系统10的特定功能是帮助规划软组织平衡，由此CAS系统10可被用于全膝关节置换术，以平衡膝关节韧带中的张力/应力。

CAS系统10可以是自动化的，在这种情况下，它可具有机器人臂20、脚支撑件30、大腿支撑件40和CAS控制器50。机器人臂20是系统10的工作端，并且被用于如执刀医生或CAS控制器50所规划的那样并且由CAS控制器50所控制的那样来执行骨改变。脚支撑件30以这样一种方式支撑患者的脚和小腿，使得它仅可选择性地移动。脚支撑件30可以是自动化的，这是因为其运动可由CAS控制器50控制。大腿支撑件40再次以这样一种方式支撑患者的股骨和大腿，使得它仅可选择性地或可选择地移动。大腿支撑件40可以可选择地被自动化，使得其运动可由CAS控制器50进行控制。CAS控制器50控制机器人臂20、脚支撑件30或大腿支撑件40。此外，如下文所述，CAS控制器50可在执刀医生的帮助下或不在执刀医生的帮助下在术前规划中执行运动范围(ROM)分析和植入物评估。CAS控制器50还可通过提供位置和取向及关节松弛边界的术中数据来引导执刀医生完成该外科手术，如下文中所述。跟踪设备70可被用于跟踪患者的骨和机器人手臂20(当存在时)。例如，跟踪设备70可帮助执行患者骨相对于机器人臂的校准，以便随后在X、Y、Z坐标系统中进行导航。

参照图1和图2，提供了机器人臂20的示意性示例。机器人臂20可从基座21竖立，例如相对于支撑患者的手术室(OR)台处于固定关系。在一个示例性构造中，OR台可包括“U”形端部，其中，“U”的每一侧支撑患者的腿部并且在每条腿之间存在开放的底板空间。在该构造中，基座被定位在位于腿部之间的开放式底板空间中，因此允许机器人臂触及患者的每条腿，而无需如在双侧全膝关节置换术中会期望的那样重新定位该基座。机器人臂20相对于患者的相对定位是外科手术过程的精度的决定性因素，由此脚支撑件30和大腿支撑件40可帮助保持手术肢体在所示的X、Y、Z坐标系统中被固定住。机器人臂20具有呈任一适当形式的多个接头22和连杆23，以支撑与患者界接的工具头24。臂20被示出为串联机构，其被布置成使工具头24能够以所需数量的自由度(DOF)移位。例如，机器人臂20控制工具头24的6-DOF运动，这6个DOF为坐标系中的X、Y、Z及俯仰、滚转和偏航。可能存在更少或更多的DOF。为简单起见，仅提供了对于接头22和连杆23的一般说明，但是可存在更多不同类型的接头以便以上述方式移动工具头24。接头22被供电以使机器人臂20以六个DOF如由控制器50所控制的那样移动。因此，接头22的动力使机器人臂20的工具头24可执行精确的运动，例如以一个平移DOF沿单个方向移动，或者被限制成沿着一平面移动等。这种机器人臂20是已知的，例如，如美国专利申请No.11/610,728中所描述的那样，该美国专利申请被通过引用结合到本文中。

参照图3，更详细地示出了工具头24。工具头24可具有层式扩张器板25，这些层式扩张器板25可独立于工具头24的其余部分致动，以与由工具头24支撑的工具同时使用。层式扩张器板25被用于将软组织分开以暴露出手术部位。层式扩张器板25也可用作夹钳，以抓取物体等。工具头24还可包括卡盘或类似的工具界接装置，其通常是可交替地致动的。在图1中，工具头24支撑骨钻26A，该骨钻26A被用于对骨进行表面修复。在图3中，工具头24支撑圆形工具26B。作为非穷举的示例，可由工具头24支撑的其它工具根据手术的性质包括配准指针、扩孔器、往复锯、牵开器。无论是在人的协助下，还是作为自动化过程，多种工具均可以是多颌骨构造的一部分或者可以是可互换的。在工具头24中安装工具可能随后需要一些校准，以便在机器人臂20的X、Y、Z坐标系中跟踪安装好的工具。

为了保持腿部和坐标系之间的固定关系，并且为了如下文中所述执行腿部的受控运动，图1中示出了一般实施例，而在图2中更为详细地示出了脚支撑件30的一种可能的实施方案。脚支撑件30可以是可相对于OR台移位的，以便以一些受控的侧向运动使处于屈曲/伸展的腿部移动(例如，到完全伸展位置和屈曲的膝关节位置)，其中，这些受控的侧向运动被添加到屈曲/伸展。因此，脚支撑件30被示出为具有自动化机构，通过该自动化机构，脚支撑件30被连接到OR台，这种自动化机构具有足够多的DOF以复制小腿的屈曲/伸展。作为选择，脚支撑件30可由被动机构支撑，其中，机器人臂20连接到脚支撑件30以便在该坐标系中以受控的方式致动其移位。脚支撑件30的该机构可具有滑块31，该滑块31在X轴方向上沿着OR台移动。接头32和连杆33也可以是脚支撑件30的机构的一部分，以支撑接收患者的脚的脚界接装置34。

参照图2，脚界接装置34的示例具有L形主体，其以符合人体工程学的方式成形以接收患者的脚。为了将脚固定在脚支撑件33中，可使用不同的机构，其中一个机构具有脚踝夹具35。该脚踝夹具35环绕脚界接装置34的后部，并且横向地支撑一对踝垫36。踝垫36被定位成与患者的相应踝部相对，并且可经由接头37移位，以便被聚合在一起并因此夹持到该踝骨上。还可存在带子38，以例如通过附接到患者的胫骨而将腿部进一步固定在脚支撑件30中。作为图2的布置结构的替代方案，可使用类似于铸造的靴子或者多个带子38，只要将脚固定在脚支撑件33中即可。本质上，脚支撑件30必须将腿部锚固到手术台上。其中，在控制器50的控制下允许可控运动。

参照图1，大腿支撑件40可以是自动化的、静态的或可被动调节的。在后一情况下，大腿支撑件40可以是可相对于OR台移位的，以便根据患者在手术台上的位置更好地定位。因此，大腿支撑件40被示出为包括被动机构，其具有多个可锁定接头，以将大腿支撑件40锁定在期望的位置和取向中。大腿支撑件40的机构可具有滑块41，其在X轴方向中沿着OR台移动。接头42和连杆43也可以是大腿支撑件40的机构的一部分，以支撑大腿支架44。带子45可将大腿/股骨固定在大腿支撑件40中。在一些实例中，大腿支撑件40可能并不是必需的。然而，在对运动范围进行分析的实施例中，股骨经由大腿支撑件40的固定可有助于隔离开关节运动。

参照图4，CAS控制器50被相对于自动化外科手术系统10的其它部件更为详细地示出。控制器50具有处理器单元，用以在适用时控制机器人臂20和腿部支撑件(脚支撑件30和大腿支撑件40)的运动。自动化外科手术控制器50向执刀医生提供计算机辅助外科手术引导，或者呈术前规划中或者呈外科手术过程中的运动范围(ROM)分析或植入物评估的形式。系统10可包括多种类型的界接装置，用于向执刀医生提供信息。界接装置可以是监视器或屏幕，其包括无线便携式装置(例如，电话、平板电脑)、音频引导、LED显示器等。例如，图20-23和图33A-33D中示出了可由系统10操作的图形用户界面(GUI)，例如100、110、120、130和3300A-3300D。随后，控制器50可驱动机器人臂20基于术前获得的规划实施外科手术。控制器50可进行术中软组织平衡评估，并且由此能够进行待进行的校正规划切割，或者引导植入物的选择或对该规划进行其它术中调整。控制器50还可执行术后ROM分析。

因此，例如当机器人臂20是CAS系统10的一部分时，控制器50可具有机器人驱动器51。机器人驱动器51的任务是当适用时，为机器人臂20的多个接头、脚支撑件30和大腿支撑件40供电或对其进行控制。如图4中以双向箭头所示，可存在由机器人臂20和腿部支撑件30、40提供的一些力反馈，以避免过度伸展腿部或损坏该软组织，并帮助确定关节松弛边界。机器人驱动器51可控制脚支撑件30执行特定运动，以便以横向运动复制膝关节的屈曲/伸展，从而测量软组织张力并分析腿部的运动范围，该运动包括内翻/外翻。这样，机器人驱动器51可使用它用于驱动脚支撑件30的运动的位置或取向数据来输出即时屈曲角。传感器A设置在脚支撑件30上或机器人臂20中，以便在整个运动过程中测量表示接头中的张力/应力的力。因此，传感器A必须是足够灵敏的以通过脚支撑件30的运动来检测软组织张力/应力。在机器人臂20的情况下，传感器A可以是被集成在其中的力-扭矩传感器。

CAS控制器50可使用处理器来实施力测量52。力测量52可包括接收来自传感器A的信号，并计算脚支撑件30中的瞬时力，该瞬时力表示膝关节中的或机器人臂20中的张力/应力，如下文中所例示的那样。瞬时力可被用于使用处理器以及来自机器人驱动器51的脚支撑跟踪数据来执行ROM分析53。作为选择或附加地，ROM分析53可使用从跟踪装置70接收到的跟踪数据来确定腿的运动范围，如下文中所述。ROM分析53可将来自跟踪装置70的信号转换成位置或取向数据。在后一情况下，可使用多种类型的跟踪技术来确定瞬时屈曲/伸展和内翻/外翻，例如如图1中所示的光学跟踪、惯性传感器等。利用来自力测量52和来自机器人驱动器51或诸如外科医生或医学专业评估之类的其它来源的组合数据，可执行ROM分析53。ROM分析53的示例性格式在下文描述的图17B中和图22A-22F中示出。因此，ROM分析53的信息可以是随着屈曲/伸展而变的当前内翻/外翻的术前指示。ROM分析53可在术中或术后执行，以帮助量化手术期间或源自手术的软组织平衡。

处理器可被用于执行植入物评估54，以确定一个或多个植入物将如何影响运动范围。使用ROM分析53，植入物评估54基于骨上的可选位置考虑植入物的几何构造。例如，植入物评估54可包括来自术前成像(例如，MRI、CT扫描)的骨模型B，该术前成像或者处于3D视图中，或者处于多个2D视图中。植入物评估54可包括植入物模型C，例如包括具有不同尺寸的植入物的3D模型文件。

植入物评估54可由处理器以全自动的方式执行，通过骨模型、植入物模型或ROM分析53评估骨上的所需植入物尺寸和位置(即，位置和取向)，以平衡软组织张力/应力。植入物评估的示例性格式被示于下文描述的图18B、图19B和图23中。因此，植入物评估的信息可以是随屈曲/伸展而变的预期术后内翻/外翻的术前或术中指示。

植入物评估54可以可选择地包括执刀医生参与。图18A和图19A的图示可以是GUI项目，例如图23A和图23B的GUI 130，其可由执刀医生虚拟地进行手动调整，以使执刀医生分别看到对图18B和图19B的图形的影响。在这种实施例中，植入物评估54可提供该评估以帮助执刀医生做出决定，这与自动地建议骨上的所需植入物尺寸和位置截然相反。骨上的所需植入物尺寸和位置的提议可以是执刀医生导航或所做决策的起点。当选择或设置骨上的植入物尺寸和位置时，植入物评估54可以任何适当的格式产生输出D，例如GUI 130。该格式也可以是图18B和图19B的格式，从而提供对所建议的植入物尺寸和位置的评估。输出D还可包括骨改变数据，以帮助执刀医生或机器人臂20执行骨改变。在这种情况下，处理器可执行表面重修评估55，以计算骨切割体积和位置，用于将基于骨上的植入物尺寸和位置进行的骨切割。

当系统10是自动化的时，输出D还可以是用于机器人臂20的导航文件，以基于来自植入物评估54的术前规划来执行骨改变。该导航文件可包括患者特定的数字控制数据，其定义了待由机器人臂20如由系统10的机器人驱动器51或手术室中的另一系统10的机器人驱动器51所指示的那样执行的策略。用于自动化外科手术的导航文件可结合有校准子文件，以便在开始手术之前校准机器人臂20和患者关节。例如，该校准子文件可包括患者的骨模型B，用于待由机器人臂20的配准指针执行的表面匹配。机器人臂30可获得暴露骨的大量骨界标，以再现该骨的3D表面。随后可将3D表面匹配于患者的骨模型B，以便在X、Y、Z坐标系中设置3D模型。

跟踪设备70的使用在将处于导航文件C中的信息方面是具有决定作用的，并且可提供跟踪数据以执行ROM分析53。例如，跟踪设备70可帮助执行患者骨相对于机器人臂20的校准，用于随后在X、Y、Z坐标系中的导航。根据一个实施例，跟踪设备70包括光学地观察和识别逆反射标记71A、71B和71C的相机，以便以六个DOF(即在位置和取向方面)跟踪肢体。在具有机器人臂20的实施例中，标记71A位于机器人臂20的工具头24上，使得其跟踪允许控制器50计算工具头24和其上的工具26A的位置或取向。同样，标记71B和71C固定到患者骨，例如用于标记71B的胫骨和用于标记71C的股骨。如所示，附着于患者的标记71无需被侵入性地锚固到骨上，这是因为尽管被附着到软组织，但带子或类似的附接装置可提供足够的抓握以防止标记71和骨之间的移动。然而，标记71B和71C也可被直接固定于骨。因此，可使用来自跟踪设备70的数据连续地更新控制器50的ROM分析53，以获得X、Y、Z坐标系中的机器人臂20或患者骨的当前位置或取向。作为对于光学跟踪的替代方案，跟踪系统70可包括惯性传感器(例如，加速度计、陀螺仪等)，其产生跟踪数据，这些跟踪数据将由控制器50用于连续地更新机器人臂20的位置或取向。也可使用其它类型的跟踪技术。

该校准可以上述方式利用使用机器人臂20上的配准指针的机器人臂20并且在跟踪设备70(当存在于自动化外科手术系统10中时)的帮助下实现。另一校准方法用以在外科手术开始时，对其上具有标记71的骨进行放射线照相。例如，C型臂可被用于提供适用的放射线图像。随后将图像用于与患者的骨模型B进行表面匹配。由于存在固定到骨的标记71，因此可能并不需要进行术中配准，这是因为跟踪设备70在X射线和骨模型之间的表面匹配完成之后跟踪X、Y、Z坐标系中的骨的位置或取向。

图5A-5B示出了根据一些实施例的机器人臂502，其具有联接到端部执行器部件504的可拆卸的钉引导部件506。可拆卸的钉引导部件506可包括一个或多个钉(例如，钉508和510)，其可装配在端部执行器部件504的一个或多个孔中。可拆卸的钉引导部件506可与处于锁定位置(例如，如图5A中所示)的端部执行器部件504相联接，并且可被去除(例如，如图5B中所示)。可拆卸的钉引导部件506可使用例如螺钉、摩擦等被锁定到端部执行器部件504。在一个示例中，可拆卸的钉引导部件506可以是一次性的。

在一个示例中，可拆卸的钉引导部件506可包括切割引导件(例如，用于插入锯或其它手术器械的插槽)。例如，可拆卸的钉引导部件506可包括股骨切割引导件、胫骨切割引导件、4合1切割引导件等。在一个示例中，可拆卸的钉引导部件506可被配置成与特定植入物一起使用或者可以一般地使用。

在一个示例中，可以使用衬套，例如在可拆卸的钉引导部件506和端部执行器部件504之间。衬套可被用于防止端部执行器部件504和可拆卸的钉引导部件506之间的干扰，或允许容易地去除该可拆卸的钉引导部件506。衬套可以是可去除的，并且可被固定到端部执行器部件504。在另一示例中，端部执行器部件可包括一个或多个钉，并且可拆卸的钉引导部件506可包括一个或多个孔；这些特征可以是可拆卸的钉引导部件506的一个或多个钉(例如，钉508或510)或端部执行器部件504的孔的补充或替代。

可拆卸的钉引导部件506可包括与端部执行器部件504上的凹槽对应的凹槽。当可拆卸的钉引导部件506和端部执行器部件504联接时，这些凹槽可提供用于接收软组织平衡部件的孔。机器人臂502可使用端部执行器部件504或被锁定到端部执行器部件504的可拆卸的钉引导部件506向软组织平衡部件施力。软组织平衡部件(例如，如下文中在对图6A-6B、7A-7B和10A-10D的讨论中所进一步详细描述的那样)可又向骨或植入物部件施力以测试或配置软组织平衡。

软组织平衡部件可被用于执行韧带平衡拉力测试。基于该拉力测试，可确定股骨旋转。可以呈现股骨旋转(例如，使用图形用户界面，例如下文中在对图22A-22F和图33A-33D的讨论中所描述的那些图形用户界面)。在一个示例中，股骨植入物旋转可被用于计算目标股骨植入物旋转。可显示目标股骨植入物旋转(例如，使用用户界面，例如下文中在对图33A-33D的讨论中所描述的那些用户界面)。目标股骨植入物旋转可以是与股骨旋转的旋转倒转或相反。例如，当股骨旋转为向内3度时，目标股骨植入物旋转可为相对于股骨向外3度。也可进一步调整该目标股骨植入物旋转。

可确定该股骨植入物旋转，使得该旋转可补偿内侧隔室和外侧隔室之间的软组织张力的不平衡。股骨在拉力测试期间的旋转可与所确定的股骨植入物旋转直接相关，使得通过施加该旋转产生矩形或平衡间隙。例如，当将该旋转应用于植入物的放置时，该间隙可在内侧隔室和外侧隔室之间得到平衡。在一个示例中，机器人臂502可通过使用软组织平衡部件拉动股骨来施力以执行拉力测试。为了执行该测试，机器人臂502可施加一个或多个已知负载，以便提高所确定的旋转的准确度。

在一个示例中，扭矩或力传感器可被用于测量在图5A-5B中描绘的一个或多个部件的扭矩，这些部件例如为机器人臂502、端部执行器部件504或可拆卸的钉引导部件506或诸如软组织平衡部件之类的部件。在一个示例中，传感器可被用于检测韧带应力或韧带张力。在另一示例中，位置或取向传感器(例如，导航传感器，诸如被定位在机器人臂502的一部分上的传感器)可被用于确定目标腿的内翻或外翻角。该内翻或外翻角可被用于确定目标腿中的韧带拉伸。通过内翻或外翻角或韧带上的应力或张力，可以确定软组织上的拉伸并且可以确定用于校正该拉伸的旋转，并且可被在图形用户界面(GUI)(例如结合图33A-33D所描述了图形用户界面)上输出。

在一个示例中，可在实施骨切除切割之前执行韧带测试或其它软组织平衡测试。例如，软组织平衡测试可在股骨或胫骨的任何切除之前执行。在一个示例中，可在切除和植入植入物之后执行软组织平衡测试，以验证该软组织是否被适当地平衡。例如，可在切除之前执行第一测试，这可能导致待用于平衡的旋转角，并且可在插入植入物之后执行第二测试，以验证该旋转角是正确的或者该植入物被适当地安置。

在一个示例中，切除骨可包括使用机器人臂502。机器人臂502可具有被附接到端部执行器部件504的切割引导件以引导该切除。引导件可被用于将切割、钻骨或锯切装置与目标物体(例如目标骨)对准。切割引导件通常由外科医生手动地放置在目标对象上。在其它示例中，使用完全自主的机器人切割装置进行切割。在另一示例中，外科医生可利用来自机器人臂502的力辅助(例如，使用被联接到机器人臂502的力传感器)来协作地引导该机器人臂502。在该示例中，外科医生可在机器人臂502作为响应而移动时施加小方向力。机器人臂502可随后响应于(例如，在机器人臂502上或在用户界面上的)外科医生选择自动地对准切割平面。在一个示例中，切割引导件可被用于精确地对准外科器械以例如在目标骨或其它目标对象上进行切割。端部执行器部件504的对准可涉及具有用户界面的规划系统，该用户界面包括将端部执行器部件504的表示定位在目标对象的表示上。在外科手术过程中，术中用户界面(例如，图33A-33D的那些用户界面)上的可选择的指示可被用于致动端部执行器部件504到规划后的对准位置的运动。切割引导件可被用作用于外科器械的引导件，以便在目标物体上进行切割，从而将该外科器械与特定的平面或线对准。通过使用切割引导件，外科医生可保持对外科手术器械的控制，同时还使用机器人臂502以确保外科手术器械与预定切割平面或切割线对准。与外科手术导航系统协作的机器人允许在外科手术过程中将预定的外科手术规划可重复地传递给患者，同时仍然允许外科医生对最终切割进行一定程度的控制。

图6A示出了根据一些实施例的软组织平衡部件，其包括用于在机器人软组织平衡系统600A中使用的钉602。钉602可被用作股骨钉，以向股骨施力。钉602可包括轴部603以接收力并且经由钉602的刚度将力传递到钉部607，该钉部607又可在股骨上施力。钉602可包括由外轴壁605限定的空心轴。该空心轴可垂直于轴部603。空心轴可被用于将钉例如相对于机器人臂或部件锁定或固定在适当位置中(例如，以防止旋转)。

在一个示例中，钉602的钉部607可包括扩大的表面区域以使骨损伤最小化。在一个示例中，可使用不同形状的钉(例如，扁平的、矩形的、三角形的、圆形的等)，以便容置髌骨或软组织。在一个示例中，钉602的轴部603和用于固定或联接钉602的部件(例如，机器人臂或附接到其上的部件)可具有类似于(例如，处于其公差范围内)或小于待使用的股骨植入物的组合厚度、平均厚度或最大厚度。例如，钉602的轴部603和被用于固定或联接钉602的部件可具有一尺寸，使得当使用钉602向股骨施力时，髌腱处于自然张力下。

图6B示出了根据一些实施例的包括钉602的机器人软组织平衡系统600B。软组织平衡系统600B包括机器人臂604以向钉602施力。钉602可向股骨606施力。机器人臂604可包括端部执行器部件610和钉引导部件608，其可以是可拆卸的。机器人臂604、端部执行器部件610和钉引导部件608可以是上文中参照图5A-5B所描述的那些。在一个示例中，钉引导部件608附接到端部执行器部件610，以将钉602相对于机器人臂604固定就位。钉引导部件608可被与端部执行器部件610分离开，以允许去除钉602。

由机器人臂604施加在钉602上的力可致使股骨606移动，从而使韧带处于张紧状态。当通过股骨606上的力拉伸韧带时，可执行平衡测试。例如，可测量或观察韧带中的张力，可跟踪股骨606上的力，或者可确定或观察旋转角。随后可使用该旋转角来设定目标股骨旋转。

在一个示例中，箭头612可表示钉602拉动该股骨606的牵拉方向(例如，力方向)。例如，箭头612可沿平行于股骨606的切除切割的平面的指向。在一个示例中，箭头612可沿垂直于由钉引导部件608的顶面形成的平面的或垂直于钉602的轴线的线指向。

图7A示出了根据一些实施例的软组织平衡部件，其包括用于在机器人软组织平衡系统700A中使用的踝突枢转件702。该踝突枢转件702可被用于向股骨施力。踝突枢转件702可包括轴部703，以接收力并经由踝突枢转件702的刚度将力传递到平台臂705A-705B，平台臂705A-705B又可在股骨上施力。踝突枢转件702可包括中空轴，该中空轴可垂直于轴部703。中空轴可被用于将踝突枢转件例如相对于机器人臂或部件锁定或固定在适当位置(例如，以防止旋转)。

在一个示例中，踝突枢转件702的平台臂705A-705B可包括扩大的表面区域以使骨损伤最小化。在一个示例中，可使用不同形状的平台臂705A-705B(例如，扁平的、矩形的、三角形的、圆形的等)。在一个示例中，踝突枢转件702的轴部703和用于固定或联接踝突枢转件702的部件(例如，机器人臂或附接到其上的部件)可具有类似于(例如，处于其公差范围内)或小于待使用的股骨植入物的组合厚度、平均厚度或最大厚度。例如，踝突枢转件702的轴部703和用于固定或联接踝突枢转件702的部件可具有这样的尺寸，使得当使用踝突枢转件702向股骨施力时，髌腱处于自然张力下。

平台臂705A-705B可各自施加相同的力或可施加不同的力。例如，可以通过机器人臂704将扭矩施加到踝突枢转件702，以保持平台臂705A-705B沿一平面对准，这可包括平台臂705A-705B之间的变化力。当达到极限时，例如，当第一韧带处于阈值水平下的张紧状态中或达到阈值力时，施加在平台臂705A-705B上的相对力可被用于确定待在切除该股骨706时或在创建或插入植入物时所使用的旋转角。在另一示例中，平台臂705A-705B可具有施加到每个平台臂的相等的力，且被允许旋转(例如，远离初始平面)。平台臂705A-705B在端部位置处(例如，相对于初始平面)的角度可被用于确定供稍后使用的该旋转角。当在韧带(例如，内侧韧带和外侧韧带)上达到阈值张力时，当达到阈值力时，或者当达到预定距离时(例如，5mm、10mm、对应于诸如10mm、11mm、12mm等之类的胫骨植入物厚度的距离)等可确定端部位置，该预定距离可包括安全系数(例如，+/-1-5mm)。在一个示例中，可使用端部位置标志的组合，例如约等于胫骨植入物厚度(例如，插入物(聚乙烯)或植入物组件，其可被使用规划技术来预先确定)的预定距离，同时保留最大力作为安全系数。例如，当在预定距离之前达到最大力时，可停止该机器人臂。在另一示例中，平衡后的韧带可被用于标记该端部位置。该阈值张力可被在视觉上或使用传感器加以确定。在一个示例中，可通过光学导航来确定该端部位置(例如，当旋转停止时)。

图7B示出了根据一些实施例的包括踝突枢转件702的机器人软组织平衡系统700B。软组织平衡系统700B包括机器人臂704，以向踝突枢转件702施力。踝突枢转件702可例如通过沿远离胫骨的方向推动股骨706而向股骨706施力。例如，踝突枢转件702可使用平台臂705A-705B来推动股骨706以施加该力。机器人臂704可包括端部执行器部件710和钉引导部件708，其可以是可拆卸的。机器人臂704、端部执行器部件710和钉引导部件708可以是上文结合图5A-5B描述的那些部件。在一个示例中，钉引导部件708附接到端部执行器部件710，以将踝突枢转件702相对于机器人臂704固定就位。钉引导部件708可被与端部执行器部件710分离开，以允许去除踝突枢转件702。

由机器人臂704施加在踝突枢转件702上的力可致使股骨706移动，从而使韧带处于张紧状态。当通过股骨706上的力拉伸该韧带时，可执行平衡测试。例如，可测量或观察韧带中的张力，可跟踪股骨706上的力，或者可确定或观察旋转角。

在一个示例中，平台臂705A-705B的枢转点可位于踝突枢转件702的轴部703处。轴部703可被使用机器人臂704在股骨706的多个点处对准。例如，枢转点可被定位于内翻膝关节中的内髁。在另一示例中，枢转点可以是膝关节的中心。在又一示例中，代替使用如图6A-6B中的钉或如图7A-7B中的踝突枢转件，可使用后桨状件(posterior paddle)、c形适配器或其它模型向股骨706施力。

在一个示例中，可将装置插入到关节中，使得转动该装置的螺钉可允许执行软组织平衡测试。例如，该装置可在螺钉的转动时膨胀。在一个示例中，机器人臂704可转动螺钉。在一个示例中，用于检测胫骨上、股骨上或胫骨与股骨之间的力的力传感器可以是来自印第安纳州华沙市捷迈拜欧米特有限公司(Zimmer Biomet)的eLIBRA软组织力传感器装置。

图7A和图7B中所示的示例性装置被示出为接触部分切除的股骨的远端的特定部分。这是与股骨的远端的示例性接合，其它示例可以不同的取向或在切除之前或在切除之后接合该股骨。另外，在一些示例中，平台臂705A-705B可被确定轮廓以便于与目标骨表面的接合。

在一个示例中，箭头712可表示踝突枢转件702拉动股骨706的牵拉方向(例如，力方向)。例如，箭头712可沿平行于股骨706的切除切割的平面的线指向。在一个示例中，箭头712可沿着垂直于由钉引导部件708的表面或踝突枢转件702的表面(例如与股骨706接触的表面)形成的平面的线指向。

在一个实施例中，CAS控制器50可操作机器人臂20以例如通过使用处理器执行软组织平衡56来执行自动化的软组织平衡评估，尽管它也可以在没有自动化辅助的情况下完成。参照图8，在将装置80(例如钉、切割块等)锚固到骨的情况下，可驱动机器人臂20以便继续拉动该骨，并由此使软组织处于紧张状态下。可使用来自机器人臂20中的力-扭矩传感器A的信号以及力测量52的输出来控制所施加的张力。在一个实施例中，装置80包括钉和切割块。机器人臂20可通过操纵装置80的钉来拉动股骨远离胫骨，使得钉(和股骨)可相对于机器人臂20旋转。股骨的旋转将自然地朝向软组织平衡行进，其中张力T1等于张力T2。装置80可进一步包括惯性传感器，用以测量表示软组织平衡所需的旋转的旋转θ。旋转θ还可由机器人臂20利用适当的传感器(光学、编码器、惯性等)进行监控和测量。参照图9，可在腿部处于伸展中的情况下执行相似的操作。图9是示出了根据一些实施例的在膝关节伸展的情况下使用CAS系统进行术中软组织评估的示意图。在一个示例中，机器人臂20可在伸展或屈曲的情况下将股骨拉动远离该胫骨并自动停止。当达到阈值力或张力时，机器人臂20可例如在预定距离(间隙)处停止，或者在用户选择的停止位置处停止。预定距离(例如，5mm、10mm、对应于诸如10mm、11mm、12mm等之类的胫骨植入物厚度的距离)可包括安全系数(例如，+/-1-5mm)等。在一个示例中，可使用端部位置标志的组合，例如约等于胫骨植入物厚度(例如，插入物(聚乙烯)或植入物组件，其可被使用规划技术来预先确定)的预定距离，同时保留最大力作为安全系数。例如，当在预定距离之前达到最大力时，可停止该机器人臂。在另一示例中，平衡后的韧带可被用于标记该端部位置。

在图8中，使用对装置80起作用的机器人臂20使软组织置于张紧状态下。在一个实施例中，机器人臂20提升装置80以使股骨移位，同时胫骨通过重力或通过其到手术台的固定(例如，当使用脚支撑件30时)、通过人(例如，外科手术助手或外科医生)、通过医用胶带、自粘式包裹物或胶带或用于固定胫骨的其它固定装置或部件保持静止。还考虑使用机器人臂20的层式扩张器25，如图3中所示，以将该骨分开。层式扩张器25可被插入在介于股骨髁和胫骨平台之间的间隙中。为了辅助层式扩张器25，可使用附加装置并由机器人臂操纵。例如，扩张器25可操纵夹具以受益于夹具的杠杆作用，从而在骨处施加较大的力矩。同样，扩张器25可利用齿轮机构(行星齿轮装置、齿条和小齿轮等)操纵扩张器，以帮助放大机器人臂的力。

处理器可执行软组织平衡56以量化关节松弛度，从而在由CAS控制器50操作的外科手术过程中的不同时刻帮助进行软组织平衡。例如，软组织平衡56可在使机器人臂20对骨执行改变之前评估软组织平衡，以确认由植入物评估54产生的骨上的所需植入物尺寸和位置，或者能够对骨上的所需植入物尺寸和位置进行调整，并且影响表面修复评估器55的输出。软组织平衡56可在切割平面已经制成之后评估软组织，以确定是否需要进一步调整。

在另一实施例中，输出D呈患者特定的切割引导3D文件的形式，该文件用于患者特定的切割引导件以便被出于手术用途进行机加工或3D打印。例如，患者特定的切割引导件可具有骨模型的负表面，用于在骨上进行独特的定位，使得切割平面和钻孔引导件被按照规划放置。作为另一示例，输出D可以是被编程到由执刀医生手动导航的惯性传感器单元的这类导航文件。参照图9，可以在腿部处于伸展中的情况下执行类似的操作。

在一个示例中，软组织评估可被在腿部处于屈曲(例如，如图8中所示)或伸展(例如，如图9中所示)的情况下执行。当处于屈曲中时，腿部可被保持处于屈曲角为90度或基本上90度，例如处于正或负10度的范围内。在另一示例中，在腿部处于伸展中的情况下，腿部可例如基于外科医生的偏好而被保持处于伸展角为零度、10度、20度等。当膝关节处于屈曲或伸展中时，软组织评估可被用于在测试期间测量或显示用于软组织平衡的间隙测量值。在一个示例中，当膝关节处于屈曲中时的软组织平衡评估可包括在拉动时并不松解(release)股骨。在另一示例中，该测试可包括继续拉动股骨，随后测量导致软组织(例如，韧带)之间的平衡的旋转量。股骨可以自由旋转以基于韧带上的力的大小来找到平衡。在一个示例中，可在髌骨就位或脱臼的情况下执行软组织平衡评估。

图10A-10D示出了根据一些实施例的软组织平衡部件，其包括j形适配器1006和用于在韧带拉动系统中使用的机器人臂1002(在视图1000A-1000D中所示)。j形适配器1006可附接到位于机器人臂1002的远端上的端部执行器1004。在一个示例中，端部执行器1004可被配置成接收j形适配器1006并将j形适配器1006锁定就位，从而被固定到机器人臂1002。j形适配器1006到端部执行器1004的附接可导致听得见的咔哒声。视图1000A示出了与端部执行器1004分离开的j形适配器1006，并且视图1000B示出了被联接到端部执行器1004的j形适配器1006。视图1000C示出了被附接到处于用于在股骨的外侧部分上执行软组织平衡测试的配置中的端部执行器1004的j形适配器1006，并且视图1000D示出了被附接到处于用于在股骨的内侧部分上执行软组织平衡测试的配置中的端部执行器1004的j形适配器1006。在另一示例中，j形适配器1006可被配置成是可逆的并且被锁定到端部执行器1004中，在每个方向上或在四个方向上(例如，垂直于外侧视图或内侧视图)处于同一位置处。在一个示例中，机器人臂1002可向j形适配器1006施力以便在j形适配器1006与股骨接合的同时在一方向中拉动j形适配器1006。继续拉动该股骨可允许韧带拉动系统确定用于平衡该膝关节的韧带的旋转角。在一个示例中，j形适配器1006可被用于在膝关节的髌骨就位的情况下继续拉动该股骨。在一个示例中，当在屈曲中进行拉力测试时，该髌骨或软组织可被避开或处于正常位置中。

骨钉可被用于将j形适配器1006固定到骨。例如，骨钉可由外科医生或者使用机器人臂1002放置在骨上的预定位置。j形适配器1006可被围绕钉装配，其中，钉适配器锚固件被定位于j形适配器1006的远端。可使用机器人臂1002(例如自动地)或使用力感测和外科医生输入将j形适配器1006装配在钉的周围。随后可使用j形适配器1006在骨(例如，股骨)上施力，以将该骨拉离第二骨(例如，胫骨)，从而进行软组织平衡测试。机器人臂1002可在j形适配器1006上施力，该力随后又在该骨钉上施力，该力随后将力施加在骨上。软组织平衡测试可被通过使用j形适配器1006在使髌骨或软组织就位(例如，并不脱臼)的情况下来执行，以避开该髌骨或软组织。例如，j形适配器1006可到达髌骨的周围，但是当通过机器人臂1002将力施加在j形适配器1006上时保持刚性，从而拉动该骨(例如，股骨)，同时避开髌骨。代替j形适配器1006所使用的直线部件适配器可能受到髌骨的干扰并且需要髌骨脱臼。在髌骨就位的情况下执行软组织平衡测试可获得比在髌骨脱臼的情况下执行该软组织平衡测试更为准确的结果。

在一个示例中，机器人臂1002可在j形适配器1006上施力，以致使j形适配器1006继续拉动骨钉，直到达到阈值力，达到软组织中的阈值张力，根据术前规划，外科医生停止手术，达到预定距离等为止。该预定距离(例如，5mm、10mm、对应于诸如10mm、11mm、12mm等之类的胫骨植入物厚度的距离)可包括安全系数(例如，+/-1-5mm)等。在一个示例中，可使用端部位置标志的组合，例如约等于(例如，使用规划技术预定的)胫骨植入物厚度的预定距离，同时保持最大力作为安全系数。例如，当在该预定距离之前达到最大力时，可停止该机器人臂。在另一示例中，平衡后的韧带可被用于标记该端部位置。j形适配器1006可继续拉动骨钉，直到达到与术前或术中已知的胫骨植入物厚度相匹配的距离为止。当j形适配器1006完成拉动时，可(例如，通过手术规划软件、机器人控制器等)记录骨的旋转角，用于稍后的钉定位或切割引导件放置。在一个示例中，j形适配器1006可包括马蹄形适配器(即，连接于其远端处的两个j形适配器)。

图11示出了根据一些实施例的用于在伸展中测试软组织平衡的系统1100。系统1100可被用于在膝关节处于伸展中时在测试过程中测量或显示用于软组织平衡的间隙测量值。例如，伸展间隙测试可包括在膝关节处于伸展中的同时继续拉动胫骨。在一个示例中，间隔块可被放置在夹具1102上，该夹具1102例如具有作为间隔块插入的垫片或其它平坦的薄表面。例如，平坦附接件可在夹具1102上滑动以执行该测试。夹具1102可被附接到机器人臂1104，该机器人臂1104可致使力被经由夹具1102施加到扁平附接件上。可将力施加到胫骨上以将胫骨拉离股骨。在一个示例中，扁平附接件可包括可卡入到夹具1102的槽口中的一个或多个脚。夹具1102可被用于评估伸展间隙并测试内翻/外翻角。在一个示例中，软组织平衡测试可被以指定的内翻/外翻角执行。可在该角度处执行松解，直到韧带被平衡为止。可通过例如使用传感器来测量部件内的张力(例如，通过测量力)来执行韧带平衡。

在另一示例中，当膝关节处于伸展中时的软组织平衡测试可包括使用被固定到胫骨的板来继续拉动胫骨。可(例如，使用传感器)测量扭矩以确定不平衡的量。在一个示例中，可通过能够自由旋转的板来执行该测试。自由旋转板可被用于在胫骨上施力，直到内翻/外翻角为零以找到平衡为止。在一个示例中，夹具1102可包括间隔块。该间隔块可加宽以施加张力，从而执行韧带平衡测试。

图12示出了根据一些实施例的用于显示韧带平衡的示例性用户界面1200。用户界面1200包括内侧张力指示1202和外侧张力指示1204。在用户界面1200中所示的示例中，指示1202中表示的内侧张力小于指示1204中表示的外侧张力。这表明外侧张力应该被例如通过在外侧韧带上执行松解而减少。在一个示例中，外侧张力可包括隔室(例如外侧隔室和内侧隔室)之间的张力或例如用于区分内侧和外侧的侧副韧带(例如，内侧副韧带和外侧副韧带)之间的张力。在另一示例中，所有韧带复合体在膝关节的平衡中起作用，并且因此可以是平衡的。韧带可包括内侧副韧带(MCL)、外侧副韧带(LCL)、后交叉韧带(PCL)、后囊等。

在一个示例中，在两个韧带之间的用户界面1200中显示的差异可包括力的差异、扭矩的差异或两个韧带之间的位移差异。当执行松解时，可以实时更新该用户界面1200以显示更新的差异。例如，在针对用户界面1200示出的示例中，可在外侧副韧带上执行松解，这可使内侧副韧带和外侧副韧带之间的平衡变得更接近均匀。在一个示例中，机器人臂可在骨上施加恒定的力，以允许外科医生在实时观察该伸展韧带平衡的同时执行韧带松解。在另一示例中，机器人臂可被用于执行韧带松解。可重复进行该过程，直到达到韧带平衡为止。

图13示出了根据一些实施例的力图1300，其示出了用于确定内侧力和外侧力的技术。力图1300示出了在软组织平衡测试期间由机器人臂1306的端部执行器1304作用在胫骨1302上的力的测量值。在一个示例中，机械人力F_RBT由端部执行器1304施加在胫骨1302上。由胫骨1302施加相反的力，该力可被有效界标记为内侧力F_MCL和外侧力F_LCL。这些力被根据下列等式进行平衡：

F_MCL+F_LCL＝F_RBT

等式1

由机器人臂1306施加的力矩(或扭矩)可被使用例如介于端部执行器1304和机器人臂1306之间的力或扭矩传感器来获知。该力矩可被标记为M_RBT并且可通过相等且相反的扭矩来平衡，该相等且相反的扭矩根据下列等式2得自于位于内侧距离(被标记为L_MCL)处的内侧力和位于外侧距离(被标记为L_LCL)处的外侧力。

F_MCL·l_MCL+F_LCL·l_LCL＝M_RBT

等式2

可使用跟踪系统(例如光学跟踪系统)、使用具有已知尺寸的端部执行器或使用被附接到该系统的部件的传感器来获知外侧距离和内侧距离。使用已知的F_RBT和M_RBT以及已知的距离，对于F_MCL和F_LCL，可求解等式1和2。这两种力可被用于确定软组织(例如内侧副韧带和外侧副韧带)中的平衡。这两个力可被在显示装置或用户界面(例如下文中的图22A-22F或图33A-33D中所示的那些或上文中的图12中所示的那些)上输出。

图14示出了根据一些实施例的软组织平衡测试的层式扩张器有利实施例1400。图15示出了根据一些实施例的软组织平衡测试的齿轮有利实施例1500。图16示出了根据一些实施例的软组织平衡测试的长杠杆臂有利实施例1600。在一些情况下，机器人臂可能无法施加足够的力来分离股骨和胫骨或执行软组织平衡测试。为了增大由机器人臂施加的力，可使用机械优势。例如，层式扩张器有利实施例1400示出了层式扩张器1408，用以施加附加支撑，同时机器人臂1406在股骨1402上在1410处(例如，使用如本文中所述的骨钉)施力，以使股骨1402与股骨1402分离。在图14中所示的示例中，可由外科医生(或外科手术助手)或由另一机器人臂向层式扩张器1408施力。

在图15中所示的示例中，齿轮有利实施例1500使用固定到齿轮1504的机器人臂1502，以便在第二齿轮1506上施加扭矩，以移动枢转接头1508，从而致使第一扩张器臂1510与第二扩张器臂1512分离开，第一扩张器臂1510在第一骨上施力，第二扩张器臂1512在第二骨上施力。齿轮有利实施例1500依赖于齿轮1504和1506的附加扭矩来增大机器人臂1502的输出力。在图16中所示的示例中，机器人臂向具有长杠杆臂的层式扩张器1602施力，以便将股骨1604与胫骨1606分离开。由机器人臂施加的扭矩被经由长杠杆臂增大。

图17A和图17B是根据一些实施例的用于显示CAS控制器的运动范围(ROM)分析的用户界面。图18A和图18B是根据一些实施例的用户界面，这些用户界面用于显示CAS控制器的植入物评估，从而能够实现从尾部视角观看到的植入物运动。图19A和图19B是根据一些实施例的用户界面，这些用户界面用于显示自动化外科手术控制器的植入物评估，从而能够实现从正面视角看到的植入物运动。

参照图17B，作为腿部伸展的函数的实际内翻/外翻平衡线60的曲线图被作为脚支撑件30的受控运动的结果而示出。力测量数据允许作为平衡软组织处的内翻/外翻值的指示来定位该线60。线61和62分别示出了作为如由力测量52测量到的图17A中所描绘的外侧运动的结果的处于最大可允许软组织张力下的外翻值和内翻值。图17B的曲线图是术前或术后完成的ROM分析。

可通过植入物评估54产生类似的曲线图，以示出给定植入物在骨上的给定位置处的影响。然而，如图18A和图19A中所示，植入物I的模型可由执刀医生旋转，其中，角度值被即时更新。作为这种虚拟调节的结果，内翻/外翻平衡线60可移位以如60A(图18B)中那样减小外翻或者如在60B(图19B)中那样减小内翻。因此，执刀医生或执行植入物评估54的处理器可执行这种调节，以便通过尽可能多的腿部伸展使平衡线60更接近中性内翻/外翻。

现在参照图20、21、22A-F和23A-23B，结合GUI 100-130描述了可利用CAS系统10操作的外科手术工作流程。表达GUI被以复数的形式使用以表明外科手术工作流程中的GUI页面的变化。外科手术工作流程可以是由CAS控制器50的处理器产生的输出D。

参照图20，提供GUI 100以在骨的校准(也称为配准)期间引导执刀医生以用于后续跟踪。执行该校准以便将肢体定位在通用的X、Y、Z坐标系中。X、Y、Z坐标系的原点和取向可以是任意的，或者可被固定于OR台或任一其它结构点，或者甚至可被固定于患者的骨。在用于全膝关节置换的图20、21、22A-F和图23A-23B的示例中，将会跟踪患者的股骨和胫骨，由此必须设定它们在该坐标系中的位置或取向(即，它们的位置)。GUI可提供股骨的视觉显示，其中，动画用于建议待在该校准期间执行的运动。根据一个实施例，使用处理器确定股骨头中心来执行ROM分析53，以记录多个股骨位置和取向，从而基本上形成其中心是股骨头的中心的球体。在一个实施例中，当使股骨以圆锥形图案移动时，例如手动地获取这些点。GUI 100可指导执刀医生指示所需位置的数量，并且确认已经获取了适用数量的点。GUI100可随后请求利用所跟踪的数字转换器工具(例如，下文中结合图28描述的所跟踪的指针、条码阅读机或配准工具)数字化多个已知的界标，例如机械轴入口点、内上髁、外上髁、前和后Whiteside线、前皮质、内侧踝和外侧髁。这些点的获取可能够实现经由ROM分析53生成可与股骨的骨模型B(图1)匹配或结合的大量点或表面模型。因此，在由GUI 100指导的步骤开始时，在该坐标系中跟踪股骨。

参照图21，还提供GUI 110以在校准(也称为配准)期间仅针对第二骨(即胫骨)引导执刀医生将胫骨定位在该X、Y、Z坐标系中。GUI 110可请求利用跟踪的数字转换器工具将多个已知的界标(例如踝部、胫骨机械轴入口点、内侧平台上和外侧平台上的点或诸如结节的内侧1/3之类的其它点)数字化。虽然未示出，但是GUI 110可建议胫骨相对于股骨的枢转运动被完成以经由跟踪装置70记录该运动并使用该信息来确定胫骨的机械轴。如从图21中观察到的那样，GUI 110可通过视觉示出胫骨和腓骨的其中点将被数字化的区域来提供帮助。这些点的获取可能够实现经由ROM分析53生成可与胫骨的骨模型B(图1)匹配或结合的大量点或表面模型。因此，在由GUI 110指导的步骤开始时，在该坐标系中跟踪股骨和胫骨。

参照图22A-22F，GUI 120被用于引导被跟踪肢体的运动范围数据的收集，该肢体被根据使用GUI 100和110执行的步骤在该坐标系统中加以跟踪。在一个实施例中，作为使用自动化系统10的力反馈能力的替代方案，GUI 120引导人类执刀医生(例如外科医生或医学专业人员)基于由执刀医生感觉到的力确定运动范围的极限和关节松弛度的极限。根据图22A，可以提供外侧腿显示121，以便在视觉上示出具有相关角度的屈曲极限和伸展极限。执刀医生在最大(屈曲)角度和最小(伸展)角度之间相对于股骨手动地移位该胫骨，并且由跟踪装置70对胫骨和股骨进行的跟踪允许处理器记录这些角度，以用于在ROM分析53中使用。执刀医生可帮助通过基于感觉到的阻力判断何时停止伸展和屈曲来确定最大角度和最小角度。腿显示121可以不同的形式呈现测量数据，这些测量数据例如使用运动弧121A来在视觉上显示运动范围。还可设置ROM条121B，其示出了角度的数值，该角度包括中位角。当伸展角度值超出标准时，ROM分析53可识别出影响切除规划的潜在的屈曲挛缩，以便解决该问题。当整个运动范围低于可接受的标准时，ROM分析53可识别出影响切除规划和植入物选择的该状况。

根据图22B，还可在GUI 120中提供前腿显示122，以便在视觉上示出伸展和屈曲时的内翻/外翻角。在第一步骤中，执刀医生手动地伸展腿部，随后使胫骨相对于股骨枢转到最大内翻和外翻角，并且由跟踪装置70对胫骨和股骨进行跟踪允许ROM分析53使用这些角度。最大内翻/外翻角可通过执刀医生基于感觉到的阻力对于何时停止伸展和屈曲作出的判断加以确定。前腿显示122可提供呈不同形式的数据，从而还使用例如运动弧122A在视觉上显示该运动范围，并且还是要伸展内翻/外翻条122B，从而示出内翻和外翻的数值。

然后，根据图22C并使用相同或另一前腿显示122和运动弧122A，执刀医生手动地屈曲该腿部，随后使胫骨相对于股骨枢转到最大内翻和外翻角，并且跟踪胫骨和股骨允许ROM分析53使用这些角度。屈曲内翻/外翻条122C可随后示出内翻和外翻的数值。记录这些值以供处理器随后在执行软组织平衡56时使用。此外，这些值可表示外侧或内侧的松弛或紧绷的膝关节状况，无论它是否可通过植入物定位来校正，均是如此。在后一情况下，系统10可建议韧带松解以纠正该状况。软组织平衡56可通过利用可接受的内翻/外翻角范围进行编程来识别这种状况。所获得的内翻/外翻角可表示内侧副韧带和外侧副韧带的松弛度，这是因为这些韧带界定了膝关节松弛。当未切除后交叉韧带和前交叉韧带(例如，在交叉韧带保留术中)时，这些韧带也可能影响松弛度。膝关节囊和髌腱也可能影响关节松弛。

参照图22D，还可以提供放大的关节显示123，以便在视觉上示出屈曲时的前拖动距离和后拖动距离。为了收集该信息，在腿部屈曲的情况下，执刀医生手动地将胫骨相对于股骨推动以及拉动到最大后部位置和最大前部位置，并且由跟踪装置70对胫骨和股骨进行跟踪允许ROM分析53使用相对于中性位置的牵拉位置，在该中性位置处，胫骨通过软组织张力相对于股骨自然地定位。再者，最大距离可由执刀医生基于所感觉到的阻力对何时停止推拉作出的判断来确定。关节显示123可具有不同的形式，从而使用距离刻度123A以便在视觉上示出该运动范围，并且适于距离条123B，从而示出内翻和外翻的数值。记录这些值以便随后在软组织平衡56期间使用。关节显示123A和123B还可表示目标松弛度(用于比较)，其被编程以反映理想松弛度。理想松弛度可基于外科医生定义的偏好或来自文献的建议值。

因此，在由GUI 120引导的外科手术工作流程步骤开始时，系统10已经记录了关节松弛度数据。所记录的信息可基于由外科医生相对于股骨操纵胫骨感受到的力反馈，或者可以是当自动化部件被编程以限制力值时由自动化部件使用传感器A和力测量52的输出进行操纵的结果。所记录的运动范围和关节松弛度信息可包括最大屈曲角、最大伸展角、运动范围、伸展时、屈曲时或处于任一所需角度的内翻和外翻角度值、前拖动距离、后拖动距离。所记录的信息可以是不同外科手术中的胫骨和股骨的或其它骨的3D骨模型B的函数。使用GUI 120收集信息的顺序可从上文中所述的顺序发生改变。

图22E-22F示出了根据一些实施例的图形用户界面(GUI)2200A和2200B，其可被用于显示膝关节的屈曲/伸展角、间隙、内翻和外翻角。GUI2200A和2200B包括用于显示实时运动范围的视频部件2208。GUI 2200A和2200B包括一个或多个图形信息部件。例如，GUI2200A示出了在屈曲角2204为50度(相对于0度处的完全伸展)处在内侧方向上的6度内翻下的内翻/外翻角2206。GUI 2200B示出了屈曲角2204为59度(相对于0度处的完全伸展)处在内侧方向上的5度内翻下的内翻/外翻角2206。附加信息被示出在GUI 2200A和2200B中的图形信息部件2202处。图形信息部件2202包括间隙信息、内翻/外翻角信息、运动范围信息和伸展/屈曲信息。运动范围信息可被用于创建术前规划。

在一个示例中，GUI 2200A或2200B中的一个或多个可提供远程视频或允许例如与远程外科医生进行远程音频连接。远程视频或远程音频可以是实时连接，以允许远程外科医生讨论手术或向当地外科医生提供培训或监控当地外科医生。由远程外科医生使用的GUI可为远程外科医生提供由当地外科医生操作的外科手术区域的视频显示。

参照图23A和图23B，GUI 130被用于规划植入物位置和取向，从而考虑如使用GUI120获得的关节松弛度和运动范围。GUI 130接收来自植入物评估54和软组织平衡56的输出。GUI 130可具有示出了具有植入物模型C的骨模型B的关节显示131。关节显示131可包括处于伸展中的膝关节的视图(图23A)和处于屈曲中的膝关节的视图(图23B)。根据一个实施例，GUI 130的用户可在屈曲视图和伸展视图之间切换，并且还可根据偏好在视图的正面(图23A和图23B)、矢状面或轴面之间切换。植入物模型C相对于骨模型B的初始或建议位置可通过植入物评估54使用由软组织平衡56输出的关节松弛度数据来确定。当前位置可被使用不同的标志来量化，这些标志例如为下文中所述的标志。当执刀医生改变任一植入物模型C的位置时，关节线变化平面131A可显示术前关节线对所提出的关节线或当前关节线(即，实际位置，如所修改的那样)。外侧松弛度标尺132A和内侧松弛度标尺132B可提供可接受的外侧和内侧软组织张力的视觉指示。在图23A和图23B中，可接受的范围由上限和下限以及表示当前植入物位置处的张力的指针加以指示。标尺132A和132B还可提供间隙距离、当前股骨和胫骨内翻/外翻角，以及用于髌股关节填塞的前间隙作为表示关节松弛度的附加数据。与植入物厚度相比，间隙距离可以是规划切除和韧带松弛度的总和。根据一个实施例，松弛度标尺132A和132B动态地反映对所规划的植入物位置作出的修改。根据植入物的旋转，可通过图18B和图19B中所示的曲线图来反映关于松弛度标尺132A和132B的调节。股骨部件窗口133可实现股骨植入物尺寸的改变。用户可具有改变植入物尺寸的可能性，在这种情况下，可更新(131A、132A、132B等)关节显示131上的所显示的股骨植入物模型和相关信息。间隔部件窗口134可能够实现选择间隔件厚度或间隔件的类型。对间隔部件的改变可导致关节显示131和相关数据(131A、132A、132B等)的动态更新。胫骨部件窗口135可实现胫骨植入物尺寸的改变，其中，用户给出了改变植入物尺寸的选项，在这种情况下，可动态更新(131A、132A、132B等)关节显示131上的所显示的胫骨植入物模型和相关信息。设置位置控制面板136以使用户在平移或定位中改变股骨部件相对于股骨的位置。当使用位置控制面板136修改位置时，可更新关节显示131并且还可以调整适用的数据，例如131A、132A、132B等。可选择地或另外，关节显示131中的植入物可以是小部件，这些小部件可被相对于骨模型B四处运动，随后动态地调整适用数据(例如，131A、132A、132B)。小部件特征可能在所有视图中都是可用的。它具有相同的功能，无论它被叠加在膝关节上还是在GUI 130的左侧面板上：它允许用户相对于该骨定位/定向该植入物。改变植入物的位置或取向的效果将在松弛度标尺中被动态地反映出来。松弛度标尺在屈曲和伸展中将会有所不同。可在所有屈曲角上提供松弛度标尺。

因此，处理器可执行植入物评估54或软组织平衡56，并且可经由GUI130提出植入物部件和用于植入物部件的位置。GUI 130通过动态地更新与关节松弛度和运动范围相关的实时定量数据为执刀医生提供修改植入物部件或它们的位置的可能性，以便协助执刀医生完成切除规划。当选择植入物并且设置它们的位置时，GUI 130的信息被转换成输出D的另一种形式，例如用于根据需要执行切除的个人外科手术器械工具文件或数据、用于机器人臂20的导航文件(当存在时)或用于所跟踪的工具的导航文件。GUI130也可在切除术后使用，以提供用于“切除后”状态的关节松弛度数据。该数据可被用于记录外科手术。这可能还允许在被认为必要时进行切除后修正。可能需要返回到GUI 100或110以重新校准骨，从而在该评估中获得更高的精确度。

图24示出了根据一些实施例的胫骨力检测系统2400。胫骨力检测系统2400包括胫骨基板2402，该胫骨基板2402包括一个或多个力检测部件。在一个示例中，胫骨基板2402包括四个力检测部件，这四个力检测部件对应于四个象限，这四个象限在图24中被标记为象限‘A’、‘B’、‘C’和‘D’。象限可被划分成，使得每个象限可相对于其它象限在至少一个轴上独立地移动。例如，分界线2404示出了象限B和C之间的分离，使得象限B和C可被相对于彼此压缩或解压。力检测部件可位于这些象限内(例如，在胫骨基板2402内，例如，在图24中所示的第一层的下方)。当象限被压缩或解压时，对应于该象限的力检测部件可包括传感器，用于检测压缩力(或测量减压力或力的变化)。在另一示例中，象限可以是相对于彼此不可移动的，同时仍然包括相应的力检测部件以独立地测量每个象限中的力。在又一示例中，胫骨基板2402可被划分成两个半部，每个半部均包括相应的力检测传感器并且可相对于另一半部移动。在又一个示例中，进一步的细分可由包括相应的力检测部件的胫骨基板2402和独立运动(例如，六个、八个等，胫骨基板2402的径向小片)构成。力检测部件可被用于获得关于术中施加在胫骨基板2402上的力的数据。

在一个示例中，可打开膝关节并且可进行导航的胫骨切割。在一个示例中，胫骨切口的变化可能与切口的深度有关，对于从高或低胫骨平台获得参考的大多数外科医生而言，这可能是相对标准的。一旦已经进行了胫骨切割，就可放置胫骨力检测系统2400。胫骨力检测系统2400可包括胫骨基板和聚乙烯试验组合。胫骨力检测系统2400可在内侧和外侧上扩张，以便适合于多种尺寸的膝关节。在一个示例中，胫骨力检测系统2400可具有内侧或侧向倾斜半平台，其具有独立地上升和下降所有四个象限的能力。可使用传感器例如电子地或液压地测量由每个象限经受的上下位移和力。在一个示例中，胫骨力检测系统2400可以是有源装置，使得可在膝关节(例如，在执行股骨切割之前)进行运动范围测试时测量向上或向下移动。在一个示例中，测量在运动范围测试过程中的运动可在跟踪髌骨的同时执行。在一个示例中，可例如通过膝关节上的机器人臂或通过外科医生在一运动范围(例如，整个范围或预定间隔，例如10度、30度、60度、90度)中施加内翻或外翻力。该序列可被利用预应力测试加以重复，以便例如在校正松弛的内侧副韧带(MCL)或外侧副韧带(LCL)之后更好地理解膝关节力学。在一个示例中，该序列可在已经进行股骨切割之后或在进行股骨试验之后加以重复，以提供进一步改进该试验或优化软组织平衡的机会。

在一个示例中，当膝关节需要软组织松解时，松解可以阶段式的和顺序的方式执行，并且可例如在每次干预之后执行对于改良运动学进行的重新评估。该过程允许术中在不同测量点期间量化膝关节运动学。与先前技术相比，量化可被用于更为准确地平衡该软组织。可将量化保存到数据库，例如用于建模、机器学习，以预测未来情况中的结果等。在一个示例中，可向外科医生提供关于特定患者的有用松解的指示。在另一示例中，可提供股骨部件尺寸AP、位置AP或旋转的指示，以改善整个0度至90度范围内的屈曲/伸展间隙，这可包括通过使用髌骨跟踪来考虑髌骨的位置。

在一个示例中，机器人臂可被用于评估骨质量。使用经评估的骨质量，系统可确定在放置植入物(例如胫骨基板2402)时是否使用骨水泥或是否阻止(stem)患者。在另一示例中，胫骨基板2402可以是液压供以动力的。液压动力可被用于致使胫骨或股骨自动旋转到张力旋转角。可例如通过使用胫骨基板2402内的传感器记录该角度。胫骨基板2402可被用于扩张胫骨和股骨之间的间隙。

图25A-25B示出了根据一些实施例的运动范围测试系统的髌骨传感器2504。第一视图2500A示出了具有髌骨传感器2504的髌骨2502的侧视图，其包括髌骨2502相对于股骨2506和胫骨2508的相对放置。第二视图2500B示出了具有髌骨传感器2504的髌骨2502的后视图。

在一个示例中，髌骨传感器2504可被例如在切口或骨切割之前放置在髌骨2502的背部上。髌骨传感器2504可被用于在运动范围测试期间确定髌骨位置。例如，髌骨传感器2504可包括加速计、磁力计、陀螺仪、RFID芯片、光学跟踪传感器或其它位置传感器。在一个示例中，髌骨传感器2504可被定位于髌骨2502的周边周围，例如以检测并输出髌骨2502的轮廓。在另一示例中，可(例如，经由术前或术中成像或直接测量来)测量髌骨2502的尺寸，并且髌骨传感器2504相对于髌骨2502的位置可以是已知的，从而允许获知整个髌骨2502的位置。

髌骨2502的位置可被在外科手术(例如膝关节置换术)过程中使用。在膝关节置换术期间，可使用机器人臂来实施手术的多个方面。机器人臂可使用髌骨2502的检测到的位置(来自髌骨传感器2504)来执行髌骨切割或避开髌骨，同时进行其它切割。在一个示例中，髌骨传感器2504可以是无源传感器。在一个示例中，可使用跟踪组件，例如在授予拜欧米特制造公司(Biomet Manufacturing，LLC)的美国专利8,571,637中所描述的跟踪组件，该美国专利的全部内容被通过引用结合于此。

图26A-26B示出了根据一些实施例的用于控制机器人臂2602的增强现实系统。图26A-26B包括两个示例性实施例。增强现实系统使用虚拟部件来控制现实世界对象。增强现实(AR)装置允许用户查看看似被投影到同样是可见的真实环境中的所显示的虚拟对象。AR装置通常包括两个显示镜头或屏幕，其包括用户的每只眼睛一个。允许光通过这两个显示镜头，使得真实环境的多个方面均是可见的，同时还投射光以使虚拟元件对AR装置的用户是可见的。

增强现实是用于显示叠加在真实环境中的虚拟或“增强”对象或视觉效果的技术。该真实环境可包括房间或特定区域(例如，外科手术部位)，或者可以更普遍地包括整个世界。在真实环境上叠加的虚拟方面可被表示为是被锚固住的或相对于真实环境的一个或多个方面处于设定位置中。例如，图26A的虚拟机器人臂2604可被显示在待由外科医生使用AR装置进行控制的外科手术部位的设定位置中。AR系统可呈现被固定到真实对象的虚拟方面，而并不考虑AR系统的一个或多个观看者(例如，外科医生102)的视角。例如，图26A的虚拟对象2604可被配置成看似远离机器人臂2602一偏移距离。在一个示例中，虚拟对象可看似具有一定程度的透明度或者可以是不透明的(即，阻挡住该真实环境的多个方面)。

外科医生可通过(例如，使用手与虚拟机器人臂2604“交互”或者由AR装置的相机识别的手势)与虚拟机器人臂2604交互来控制虚拟机器人臂2604。虚拟机器人臂2604可随后用于控制机器人臂2602。例如，外科医生可移动该虚拟机器人臂2604并且该机器人臂2602可相应地移动。

在图26B中所示的示例中，一个或多个虚拟控制臂(例如，2606或2608)可用于控制机器人臂2602的移动。例如，外科医生可移动虚拟控制臂2608以致使机器人臂2602以相应的方式移动。使用不止一个虚拟控制臂可允许在控制机器人臂2602的方面具有独立自由度。例如，外科医生可旋转他或她的手以虚拟地“扭转”虚拟控制臂2606，这可能致使机器人臂2602的端部执行器旋转，而并不使该机器人臂2602平移。同样，可移动该虚拟控制臂2608以致使机器人臂2602平移而并不旋转。

在一个示例中，机器人臂2602的多个方面可通过按压可能看似被虚拟地叠加在真实环境中的一个或多个虚拟按钮进行控制。例如，可虚拟地显示按钮以致使机器人臂2602移动到第一位置，从而帮助执行或执行外科手术技术。使用该虚拟按钮允许外科医生保持在原位而无需将他或她的视野转向或转移到显示装置。这允许外科医生将注意力集中在外科手术部位并监控该机器人，以及缩短了用于该外科手术的时间。

在一个示例中，使用虚拟控制元件(例如，2604、2606或2608)控制机器人臂2602来实施手术可避免使用力感测。例如，代替在外科医生移动机器人臂2602时使用力感测来控制机器人臂2602，机器人臂2602可响应于虚拟控制元件的运动。在另一示例中，除了上述增强现实元件之外，还可使用力感测。例如，力感测可被用于使用机器人臂将信息传送到系统。例如，在该机器人臂2602上轻敲可致使机器人臂2602锁定就位、确认动作、拒绝动作等。在另一示例中，可使用如上所述的虚拟按钮来传达信息。使用虚拟控制元件可允许机器人臂2602在整个手术过程中以主动模式被驱动，而并不具有其中主动模式被停用的非主动模式或位置。

图27示出了根据一些实施例的用于将股骨从胫骨上转移的系统2700。该系统包括经由支撑装置2706连接到支撑结构2708的腿支架2704，该支腿支架2704支撑患者的膝关节2702。该支撑装置2706可包括力施加器，例如液压装置、马达等，用以例如在腿部处于伸展状态时在股骨下方施加压力。在另一示例中，支撑装置2706可被连接到机器人臂，该机器人臂可被用于施力。

图28示出了根据一些实施例的机器人臂配准系统2800。该机器人臂配准系统2800包括机器人臂2802、附接到机器人臂2802的远端的端部执行器2804以及附接到端部执行器2804的界标配准识别器2806。该界标配准识别器2806可被用于通过使用机器人臂2802自动识别界标以导航到患者解剖结构的不同点。例如，机器人臂2802可被连接到可跟踪机器人臂2802或患者的解剖结构的系统。使用跟踪数据，机器人臂2802可导航患者的解剖结构以使用界标配准识别器2806自动地查找和标明这些点。在一个示例中，界标配准识别器2806可包括爪工具，以在可能另外利用笔直工具难以到达的角度来配准界标。

图29示出了根据一些实施例的流程图，其示出了用于使用机器人臂来执行软组织平衡的技术2900。技术2900包括使用机器人臂将力施加到患者关节的骨的操作2902。技术2900包括测量力以捕获表明患者关节中的软组织张力的数据的操作2904。技术2900可包括使用处理器跟踪机器人臂的移动的操作，其可包括捕获跟踪数据。技术2900包括基于力数据确定患者关节处的软组织张力的操作2906。可使用跟踪数据确定软组织张力。技术2900可包括输出软组织张力的操作。技术2900可包括从固定到髌骨的背侧的传感器接收髌骨位置信息。技术2900可包括在运动范围测试期间输出髌骨位置信息。技术2900可包括使用利用增强现实装置显示的虚拟部件来控制机器人臂。在一个示例中，可使用患者的解剖结构上的气动袖带传感器来执行患者解剖结构的多个跟踪方面。在一个示例中，该骨可以是胫骨或股骨。

图30示出了根据一些实施例的流程图，其用于使用机器人臂执行软组织拉力测试的技术3000。在一个示例中，技术3000包括切除远侧股骨的操作3002和切除近侧胫骨的操作3004。在一个示例中，技术3000包括在将股骨连接到胫骨的关节处于伸展状态时执行软组织平衡测试(例如韧带测试)的操作3006。可利用间隔部件或垫片装置执行操作3006，以使该关节处于张紧状态。在操作3006之后，技术3000可包括执行松解，例如韧带或肌腱的松解。技术3000包括插入软组织平衡部件(例如钉、踝突枢转件、j形适配器等)的操作3008。一旦插入，软组织平衡部件就可被用于例如在该关节处于屈曲状态时执行拉力测试，以确定平衡该关节中的韧带所需的旋转。

技术3000包括使用所确定的旋转计算用于切割引导件(例如，4合1切割引导件)的钉放置以获得所需或预定的股骨部件旋转的操作3010。操作3010可由处理器执行，例如使用外科手术规划软件向该处理器提供指令。技术3000包括输出钉放置位置或放置用于切割引导件的钉的操作3012。技术3000包括使用放置好的切割引导件执行切割的操作3014。在一个示例中，可选择地，可在操作3014之后或在操作3002之前执行胫骨切割。在一个示例中，可使用机器人臂来执行操作3002、3004、3006、3008、3012、3014或胫骨切割中的任一个或多个。在另一示例中，技术3000可包括使用用于术中更新术前规划的旋转角来输出钉放置的操作。代替术前钉放置位置，可使用输出钉放置，或者可使用平均值或加权平均值。

在一个示例中，技术3000可包括可选操作3016，以使用机器人臂的端部执行器将力施加到诸如股骨或胫骨之类的骨上以执行软组织平衡测试。该端部致动器可向软组织平衡部件施力。在一个示例中，技术3000可包括可选操作3016，以输出关于软组织平衡的信息。在另一示例中，技术3000可包括使用软组织平衡部件而不使用机器人臂向股骨或胫骨施力。

图31示出了根据一些实施例的流程图，其示出了用于利用跟踪执行机器人辅助外科手术的技术3100。技术3100包括使用跟踪系统(例如光学跟踪系统)跟踪骨的移动的操作3102。跟踪系统可包括固定到患者的骨的第一跟踪器。在一个示例中，跟踪系统包括固定到患者的第二骨的第二跟踪器。在一个示例中，跟踪系统包括固定到机器人臂的第三跟踪器。技术3100可包括从跟踪系统接收跟踪信息，该跟踪信息包括用于固定到机器人臂的一部分的第三跟踪器的位置或取向信息。机器人臂的跟踪位置或取向可被用于至少部分地使用来自第二跟踪器的位置和取向信息来跟踪位于机器人臂的远端的端部执行器。

技术3100包括例如使用机器人控制器监控联接到机器人臂的端部的端部执行器的位置和取向的操作3104。技术3100包括使机器人臂相对于骨移动到软组织平衡测试位置和取向的操作3106。技术3100包括可选操作3108，以例如使用机器人控制器控制机器人臂在骨移动时相对于该骨保持该位置和取向。可选操作3108可包括从跟踪系统接收骨移动的指示。技术3100包括使用机器人臂的端部执行器向骨施力的操作3110。技术3100包括可选操作3112，用于在由机器人控制器移动时跟踪端部执行器的位置和取向。

技术3100包括使用端部执行器的位置和取向或来自该跟踪系统的信息(例如固定到骨的第一跟踪器的位置)来确定软组织平衡的操作3114。在一个示例中，确定该软组织平衡可包括使用来自被联接在端部执行器和机器人臂之间的力传感器的力信息。技术3100可包括使用力传感器识别端部执行器的手动运动并允许端部执行器相对于骨的手动运动的操作。在一个示例中，在将骨钉联接到该骨之后，端部执行器可被联接到骨钉的远端。技术3100可包括输出软组织平衡(例如用于在用户界面上显示)的操作。

技术3100可包括下列操作：当该软组织平衡测试表明被连接到该骨的软组织处于平衡中时、当达到阈值力时、当达到阈值张力时、当达到预定距离(例如，等于胫骨植入物厚度的距离)时等，释放骨上的力。释放骨上的力可包括例如通过增量使该力返零。例如，基于在测试期间检测处于预定取向中的骨，该软组织平衡测试表明，被连接到骨的软组织处于平衡状态。在另一示例中，该软组织平衡测试表明，当收集到足够的数据以确定软组织中的平衡时，被连接到该骨的软组织处于平衡状态，并且其中，该平衡表示关节的内侧与外侧之间的张力差异。该平衡可表明用于在关节置换术中进行的切除切割的角度。技术3100可包括基于该软组织平衡执行被连接到该骨的软组织的一部分的松解的操作。技术3100可包括输出(例如用于在用户界面上显示)软组织平衡或骨相对于第二骨的旋转角度的指示的操作。

技术3100可包括在软组织平衡测试期间使用经确定的股骨旋转来计算目标股骨植入物旋转的操作。例如，所使用的经确定的旋转可以是在间隙平衡等于预定间隙距离时的情况。目标股骨植入物可以是经确定的旋转的倒转或反转。在一个示例中，技术3100可包括例如在存储器或数据库中存储目标股骨植入物旋转以供规划软件使用的操作。

图32示出了根据一些实施例的流程图，其用于使用力传感器执行机器人辅助外科手术的技术3200。技术3200包括将骨钉固定在患者关节中的第一骨的远端中的操作3202。技术3200包括操作3204，以使用软组织平衡装置的力传感器测量被连接到第一骨的软组织中的阻力，该软组织平衡装置被通过钉插口联接到骨钉的远端。

技术3200包括使用机器人臂在软组织平衡测试期间操纵给软组织平衡装置的操作3206。操作3206可包括在该软组织平衡测试期间使用机器人臂穿过该软组织平衡装置向关节施加张力。技术3200包括输出软组织平衡测试期间在软组织中的张力的指示的操作3208。在一个示例中，第一骨是股骨，并且软组织包括将股骨连接到患者关节的胫骨的韧带。技术3200可包括在股骨和胫骨处于屈曲或伸展状态的情况下，使用机器人臂操纵软组织平衡装置。

技术3200可包括从机器人臂将用于至少部分关节置换的切除角输出到计算装置以计算关节中的软组织平衡的操作。该计算装置可被用于基于该切除角计算用于切割引导件的钉放置位置。在一个示例中，可根据钉放置位置例如使用机器人臂将钉放置试件或钉定位或放置于第一骨上的一位置处。技术3200可包括当通过该软组织平衡部件将力施加到第一骨时从力传感器输出表示患者关节中的软组织张力的力数据的操作。在一个示例中，可基于该力数据确定患者关节处的软组织张力。

技术3200可包括使机器人臂相对于第一骨移动到软组织平衡测试位置和取向的操作。在一个示例中，可控制机器人臂以在骨移动时相对于第一骨保持该位置和取向。该操作可包括使用软组织平衡部件向第一骨施力。该操作可包括使用光学跟踪系统跟踪第一骨的移动，该光学跟踪系统包括固定到患者的第一骨的第一光学跟踪器和固定到机器人臂的第二光学跟踪器。该操作可包括在使用第一骨的跟踪运动的软组织平衡测试期间确定软组织中的张力。该操作可包括在移动时跟踪软组织平衡部件的位置和取向，并且使用端部执行器的位置和取向以及来自光学跟踪系统的信息确定软组织张力，该信息包括固定到机器人臂的第二光学跟踪器的位置和固定到第一骨的第一光学跟踪器的位置。在一个示例中，该操作可包括使用由力传感器提供的第一骨上的软组织平衡部件的力矢量和由光学跟踪系统提供的第一骨相对于第二骨的相对骨取向来确定内侧软组织中的张力和外侧软组织中的张力。

图33A-33D示出了根据一些实施例的用于关节置换术规划的示例性用户界面3300A-3300D。图33A的用户界面3300A包括切割清单3302，以示出已经执行或尚未完成的切割。用户界面3300A包括示出软组织平衡测试概述的交互式用户指南3304。用户指南3304示出了相对于股骨的目标植入物旋转，以给出平衡的屈曲间隙。用户指南3304示出了软组织平衡测试的四个步骤，从初始状态、到继续拉动股骨、到示出间隙失衡、到最后示出旋转以对准该软组织。

图33B的用户界面3300B包括第二用户指南3306，其包括关于如何插入钉3308以将软组织平衡部件3310连接到股骨3312的指令。钉3308将软组织平衡部件3310保持就位，但可以允许股骨3312旋转。软组织平衡测试可例如通过按压脚踏板来起动，该脚踏板在第二用户指南3306中指示。在一个示例中，软组织平衡测试可通过使用j形或钩形软组织平衡部件3310在髌骨或软组织就位的情况下执行。当起动该软组织平衡测试时，机器人臂可例如通过使用将机器人臂连接到软组织平衡部件3310的端部执行器以在钉3308上施力(该力又可在股骨3312上产生力)来拉动该软组织平衡部件3310，以例如使股骨3312远离胫骨移动。

图33C的用户界面3300C包括第三用户指南3314，其示出了患者关节的图示，该图示包括特定间隙距离处的电流失衡，同时叠置了所建议的平衡(例如，基于完成的松解、切割和添加到关节的植入物)。第三用户指南3314包括与当前旋转或目标股骨植入物旋转有关的信息(例如，该旋转信息可随时间流逝或在手术期间改变，例如从当前旋转改变到目标旋转，或者可示出两者或差异)。所拉动的距离(例如，随时间流逝或在当前时刻)也在第三用户指南3314中示出。第三用户指南3314可包括用户可选择的选项，以将目标股骨植入物旋转应用于该3D规划或不将目标股骨种植体旋转应用于该3D规划。该3D规划可包括术前或术中规划。将目标股骨植入物旋转添加到3D规划可包括将它原样或在具有改变的情况(例如，外科医生调整)下添加到该3D规划中。

用户指南3314可包括力条3313或距离条3315。力条3313可被用于显示当前拉力(例如，股骨上的机器人臂的拉力)。在一个示例中，机器人臂可在力达到最大力时由机器人控制器自动地停止，该最大力可被显示在力条3313上。在一个示例中，外科医生可通过调节力条3313来控制机器人臂。在一个示例中，距离条3315可与力条3313同时移动。距离条3315示出了拉动距离，例如从股骨到胫骨的距离(无论是拉动股骨还是拉动胫骨)。在一个示例中，距离条3315可由外科医生控制以类似地移动该机器人臂。在一个示例中，距离条3315可包括拉动的最大距离，当股骨和胫骨被分离开该最大距离时，可停止该机器人臂。

图33D的用户界面3300D包括第四用户指南3316，其在多幅视图中示出了膝关节中的股骨的旋转。股骨可被相对于胫骨在屈曲状态中进行观察或处于伸展状态中进行观察。当在术中使用时，在将关节放置在这些不同取向中时，用户指南3316可被(例如，使用跟踪器)自动更新。

用户指南3304、3306、3314或3316中的一个或多个可包括关于韧带平衡的信息。例如，可执行软组织平衡测试，并且可将力信息、张力信息或其它传感器数据发送到用户指南3304、3306、3314或3316中的一个或多个，以显示软组织平衡，例如用于平衡韧带的旋转角。在另一示例中，除了存在平衡所处的旋转角之外，用户指南3304、3306、3314或3316中的一个或多个可例如通过提供关于切除之后或之前的实际测量角或检测到的力的反馈来显示测量到的切除技术。

在一个示例中，可识别胫骨结节的内侧边界和外侧边界并将其用于确定内侧第三界标位置。用户指南3304、3306、3314或3316中的一个或多个可显示内侧边界和外侧边界或内侧第三界标位置。例如，机器人臂可被用于识别胫骨结节的最内侧的边界。机器人臂可被用于识别胫骨结节的最外侧边界。系统可使用这些识别出的边界来准确地显示和定位胫骨结节上的被称为内侧第三位置的位置。使用例如具有亚毫米度量精度的传统器械可能无法重复地识别该位置。作为参考，该位置可被用于帮助用于膝关节置换的胫骨基板的旋转放置。

多种注释及示例

这些非限制性示例中的每一个可独立存在，或者可在多种排列或与其它示例中的一个或多个的组合中组合使用。

示例1是一种机器人辅助外科手术系统，包括：跟踪系统，其包括被固定到患者的骨的第一跟踪器，该跟踪系统被配置为跟踪骨的运动；机器人控制器，其用以：监控被联接到机器人臂的端部的端部执行器的位置和取向；使用端部执行器向该骨施力；使用来自跟踪系统的信息确定软组织平衡，该信息包括固定到骨的第一跟踪器的位置；并输出该软组织平衡。

在示例2中，示例1所述的主题可选择地包括软组织平衡部件，该软组织平衡部件被联接到端部执行器并被配置成将力从端部执行器传递到骨。

在示例3中，示例2所述的主题可选择地包括，其中软组织平衡部件包括钉、踝突枢转件、夹具或适配器中的至少一个，适配器被成形为避开患者的膝关节的髌骨或软组织。

在示例4中，示例3所述的主题可选择地包括，其中软组织平衡部件包括踝突枢转件，并且踝突枢转件包括多个平台臂，每个平台臂能够向骨施加单独确定的力。

在示例5中，示例3-4中的任一个或多个所述的主题任选地包括，其中软组织平衡部件包括夹具，并且夹具包括间隔块或扁平附接件中的至少一个。

在示例6中，示例1-5中的任一个或多个所述的主题可选择地包括联接到机器人臂的力传感器，并且为了确定软组织平衡，机器人控制器将使用来自力传感器的力信息。

在示例7中，示例6所述的主题可选择地包括，其中机器人控制器将在由机器人臂执行的拉力测试达到从骨到第二骨的预定间隙距离时确定力信息，该力信息表示将骨连接到第二骨的两条韧带之间的相等力。

在示例8中，示例1-7中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中为了输出软组织平衡，机器人控制器将输出骨的旋转度的指示。

在示例9中，示例8所述的主题可选择地包括，其中机器人控制器将至少部分地基于旋转度的指示来确定用以放置用于使用机器人臂切除该骨的切割引导件的位置。

在示例10中，示例1-9中的任一个或多个所述的主题任选地包括，其中所确定的软组织平衡表示患者的膝关节的内侧和外侧之间的张力差。

在示例11中，示例1-10中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中为了输出软组织平衡，机器人控制器将在骨到达与第二骨相关的预定间隙厚度时，输出由端部执行器施加在骨上的力的大小。

在示例12中，示例1-11中的任一个或多个所述的主题任选地包括切割装置，以基于软组织平衡执行软组织的连接于骨的一部分的松解。

在示例13中，示例1-12中的任一个或多个所述的主题可选择地包括显示装置，以显示输出软组织平衡的指示或骨相对于第二骨的旋转角度。

在示例14中，示例1-13中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中机器人控制器进一步用以使用至少一个植入物的模型和软组织平衡来确定骨上的将至少一个植入物接收在给定位置中所需的改变。

示例15是一种机器人辅助外科手术系统，包括：跟踪系统，其包括固定到患者的骨的第一跟踪器，该跟踪系统被配置成跟踪骨的运动；机器人控制器，其用以：监控联接到机器人臂的端部的端部执行器的位置和取向；使用联接到端部执行器的软组织平衡部件向骨施力，该软组织平衡部件被配置成将力从端部执行器传递到骨；并且使用来自跟踪系统的包括固定到骨的第一跟踪器的位置的信息和来自联接到机器人臂的力传感器的力信息确定软组织平衡；和显示装置，其用以显示软组织平衡的指示，其包括将骨连接到第二骨的至少一个韧带的张力或骨相对于第二骨的旋转角度。

在示例16中，示例15所述的主题任选地包括，其中软组织平衡的指示包括患者的膝关节的内侧韧带和外侧韧带之间的张力差的指示。

在示例17中，示例15-16中的任一个或多个所述的主题可选择地包括切割引导件，该切割引导件联接到机器人臂以基于骨相对于第二骨的旋转角度在关节置换术中引导切除切割。

在示例18中，示例15-17中的任一个或多个所述的主题可选择地包括切割装置，该切割装置联接到机器人臂以基于软组织平衡执行软组织的连接到骨的一部分的松解。

在示例19中，示例15-18中的任一个或多个所述的主题可选择地包括切割引导件，该切割引导件联接到机器人臂以在确定软组织平衡之前引导患者的胫骨上的切除。

在示例20中，示例19所述的主题可选择地包括，其中机器人控制器还至少部分地基于骨相对于第二骨的旋转角度来确定用于切割引导件的钉放置位置。

示例21是一种机器人辅助膝关节置换系统，包括：腿部支架，其用于在关节置换过程中固定患者的解剖结构；机器人臂的端部执行器，其利用软组织平衡部件联接到膝关节的股骨，该软组织平衡部件允许股骨在被联接到端部执行器时自由旋转；机器人控制器，其用以：致使机器人臂向股骨施加拉力，以增大膝关节的股骨与胫骨之间的间隙距离；测量股骨和胫骨之间的间隙距离以及股骨的旋转；并且，当间隙平衡等于预定间隙距离时，将股骨的旋转存储为目标股骨植入物旋转；以及外科手术规划系统，其用以规划切除的位置和取向，使得在股骨上插入股骨植入物致使股骨实现目标股骨植入物旋转。

在示例22中，示例21所述的主题可选择地包括切割引导件，该切割引导件被联接到机器人臂以引导切割装置执行切除。

在示例23中，示例22所述的主题可选择地包括，其中机器人控制器用以：至少部分地基于旋转度的指示来确定骨上的钉孔位置，该钉孔位置被确定成，使得被插入到钉孔位置中的钉使切割引导件与骨对准；致使机器人臂将被联接到机器人臂的端部执行器的钉引导部件放置在骨上，使得钉引导部件的钻孔与钉孔位置对准。

在示例24中，示例21-23中的任一个或多个所述的主题可选择地包括跟踪系统，用以跟踪被固定到股骨和胫骨的跟踪器并输出跟踪信息，并且用以测量股骨和胫骨之间的间隙距离以及股骨的旋转，该机器人控制器使用跟踪信息。

在示例25中，示例21-24中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中机器人控制器进一步致使机器人臂向胫骨施加推力，并在利用机器人臂向胫骨施加推力时，计算膝关节的外侧副韧带和内侧副韧带中的张力，并且还包括显示装置，用以显示外侧副韧带和内侧副韧带中的张力的指示。

示例26是至少一种机器可读介质，包括用于执行机器人辅助外科手术的指令，当由处理器执行时，这些指令致使处理器：致使机器人臂使用被联接到股骨使得股骨自由旋转的软组织平衡部件向股骨施加拉力，以增大股骨和膝关节的胫骨之间的间隙距离；测量股骨和胫骨之间的间隙距离以及股骨的旋转；以及当间隙平衡等于预定间隙距离时，利用股骨的旋转计算目标股骨植入物旋转；存储目标股骨植入物旋转；并且使用外科手术规划系统规划切除的位置和取向，使得在股骨上插入股骨植入物致使股骨实现目标股骨植入物旋转。

在示例27中，示例26所述的主题任选地包括以下指令，这些指令用以：跟踪固定到股骨和胫骨的跟踪器；输出跟踪信息；并使用跟踪信息来测量股骨和胫骨之间的间隙距离以及股骨的旋转。

在示例28中，示例26-27中的任一个或多个所述的主题可选择地包括以下指令，这些指令用以：致使机器人臂向胫骨施加推力；在利用机器人臂向胫骨施加推力时，计算膝关节的外侧隔室和内侧隔室(例如，外侧副韧带和内侧副韧带)中的张力；以及输出外侧隔室和内侧隔室中的张力的指示。

在示例29中，示例26-28中的任一个或多个所述的主题可选择地包括至少部分地基于股骨的旋转来确定用以切割引导件的钉放置位置的指令。

在示例30中，示例29所述的主题可选择地包括致使机器人臂根据钉放置位置定位钉放置试件，用于将钉放置在骨上的位置处的指令。

示例31是一种机器人辅助外科手术系统，包括：骨钉，其适于固定在患者的关节中的第一骨的远端中；软组织平衡装置，其包括力传感器和可联接到骨钉的远端的钉插口，该力传感器适于测量连接到第一骨的软组织中的阻力；机器人臂，其用以在软组织平衡测试期间操纵该软组织平衡装置；以及输出装置，其用以在软组织平衡测试期间输出软组织中的张力的指示。

在示例32中，示例31所述的主题可选择地包括，其中软组织平衡装置是机器人臂上的端部执行器或可联接到骨钉的j形臂。

在示例33中，示例31-32中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中机器人臂在软组织平衡测试期间穿过软组织平衡装置向关节施加张力。

在示例34中，示例31-33中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中机器人臂和软组织平衡装置向计算装置提供输出以计算关节中的软组织平衡。

在示例35中，示例34所述的主题任选地包括，其中软组织平衡被在内侧张力和外侧张力中输出。

在示例36中，示例34-35中的任一个或多个所述的主题任选地包括，其中软组织平衡被作为用于至少部分关节置换的切除角输出。

在示例37中，示例36所述的主题任选地包括，其中选择切除角以在利用假体替换关节的至少一部分之后平衡该软组织。

在示例38中，示例36-37中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中计算装置基于切除角来计算用于切割引导件的钉放置位置。

在示例39中，示例38所述的主题可选择地包括，其中机器人臂被进一步定位钉放置试件，用于根据钉放置位置将钉放置在第一骨上的一位置处。

在示例40中，示例31-39中的任一个或多个所述的主题任选地包括保持装置，用以在软组织平衡测试期间约束患者的关节的第二骨。

在示例41中，示例31-40中的任一个或多个所述的主题可选择地包括力传感器，用以输出表示在将力通过软组织平衡部件施加到第一骨时的患者关节中的软组织张力的力数据。

在示例42中，示例41所述的主题可选择地包括处理器，用以基于力数据确定患者关节处的软组织张力。

在示例43中，示例31-42中的任一个或多个所述的主题可选择地包括机器人控制器，其用以：使机器人臂相对于第一骨移动到软组织平衡测试位置和取向；当骨移动时，控制机器人臂相对于第一骨保持该位置和取向；并使用软组织平衡部件向第一骨施力。

在示例44中，示例43所述的主题可选择地包括光学跟踪系统，该光学跟踪系统包括固定到患者的第一骨的第一光学跟踪器和固定到机器人臂的第二光学跟踪器，光学跟踪系统跟踪第一骨的运动，并且还包括处理器，用于使用第一骨的跟踪运动在软组织平衡测试期间确定软组织中的张力。

在示例45中，示例44所述的主题可选择地包括，其中处理器还用于：当由机器人控制器移动时跟踪软组织平衡部件的位置和取向；并且使用端部执行器的位置和取向以及来自光学跟踪系统的信息确定软组织张力，该信息包括固定到机器人臂的第二光学跟踪器的位置和固定到第一骨的第一光学跟踪器的位置。

在示例46中，示例45所述的主题可选择地包括，其中处理器将使用由力传感器提供的第一骨上的软组织平衡部件的力矢量和由光学跟踪系统提供的第一骨相对于第二骨的相对骨取向，以确定内侧软组织中的张力和外侧软组织中的张力。

示例47是一种用于执行机器人辅助外科手术的方法，包括：将骨钉固定在患者的关节中的第一骨的远端中；使用软组织平衡装置的力传感器测量连接到第一骨的软组织中的阻力，该软组织平衡装置被经由钉插口联接到骨钉的远端；使用机器人臂在软组织平衡测试期间操纵该软组织平衡装置；并且输出软组织平衡测试期间的软组织中的张力的指示。

在示例48中，示例47所述的主题任选地包括，其中第一骨是股骨，并且软组织包括将股骨连接到患者关节的胫骨的韧带，并且还包括在股骨和胫骨处于屈曲或伸展状态的情况下，使用机器人臂来操纵软组织平衡装置。

在示例49中，示例47-48中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中操纵软组织平衡装置包括在软组织平衡期间使用机器人臂穿过软组织平衡装置向关节施加张力。

在示例50中，示例47-49中的任一个或多个所述的主题可选择地包括从机器人臂将用于至少部分关节置换术的切除角输出到计算装置以计算关节中的软组织平衡。

在示例51中，示例50所述的主题可选择地包括使用计算装置基于切除角计算用于切割引导件的钉放置位置。

在示例52中，示例51所述的主题可选择地包括使用机器人臂定位钉放置试件，用于根据钉放置位置将钉放置于第一骨上的一位置处。

在示例53中，示例47-52中的任一个或多个所述的主题可选择地包括从力传感器输出表示当通过软组织平衡部件将力施加到第一骨时的患者关节中的软组织张力的力数据。

在示例54中，示例53所述的主题可选择地包括基于力数据确定患者关节处的软组织张力。

在示例55中，示例47-54中的任一个或多个所述的主题任选地包括使机器人臂移动到相对于第一骨的软组织平衡测试位置和取向；当骨移动时，控制机器人臂以相对于第一骨保持该位置和取向；并且使用软组织平衡部件向第一骨施力。

在示例56中，示例55所述的主题可选择地包括使用光学跟踪系统跟踪第一骨的运动，该光学跟踪系统包括固定到患者的第一骨的第一光学跟踪器和固定到机器人臂的第二光学跟踪器；并且使用第一骨的跟踪运动在软组织平衡测试期间确定软组织中的张力。

在示例57中，示例56所述的主题可选择地包括在移动时跟踪软组织平衡部件的位置和取向；并且使用端部执行器的该位置和取向以及来自光学跟踪系统的信息确定软组织张力，该信息包括固定到机器人臂的第二光学跟踪器的位置和固定到第一骨的第一光学跟踪器的位置。

在示例58中，示例57所述的主题任选地包括使用由力传感器提供的第一骨上的软组织平衡部件的力矢量和由光学跟踪系统提供的第一骨相对于第二骨的相对骨取向来确定内侧软组织中的张力和外侧软组织中的张力。

示例59是一种机器人辅助外科手术系统，包括：机器人臂的端部执行器，其被配置为当机器人臂与胫骨接触并且在特定方向中移动时相患者的膝关节的胫骨施力，以执行软组织平衡测试；以及显示装置，用于在软组织平衡测试期间输出软组织中的张力的指示。

在示例60中，示例59所述的主题可选择地包括力传感器，以输出表示在由机器人臂将力施加到胫骨时的患者关节中的软组织张力的力数据。

在示例61中，示例60所述的主题可选择地包括处理器，用于基于力数据确定患者关节处的软组织张力。

在示例62中，示例59-61中的任一个或多个所述的主题可选择地包括光学跟踪系统，该光学跟踪系统包括固定到患者的胫骨的第一光学跟踪器，该光学跟踪系统用以跟踪胫骨的运动。

在示例63中，示例62所述的主题可选择地包括机器人控制器，其用以：使机器人臂的端部执行器相对于胫骨移动到软组织平衡测试位置和取向；当光学跟踪系统指示胫骨的运动时，控制机器人臂以保持端部执行器相对于胫骨的位置和取向；并使用机器人臂向胫骨施力。

在示例64中，示例63所述的主题可选择地包括处理器，其用于：当由机器人控制器移动时跟踪端部执行器的位置和取向；利用端部执行器的该位置和取向和来自光学跟踪系统的信息确定软组织张力，该信息包括固定到胫骨的第一光学跟踪器的位置。

在示例65中，示例63-64中的任一个或多个所述的主题可选择地包括固定到机器人臂的第二光学跟踪器，并且机器人控制器将使用固定到机器人臂的第二光学跟踪器的位置，以便确定端部执行器相对于胫骨的位置和取向。

在示例66中，示例59-65中的任一个或多个所述的主题可选择地包括处理器，以实现机器人臂的手动运动模式，该手动运动模式允许外科医生起动机器人臂的端部执行器的运动，由机器人臂施加的增力继续该起动运动。

在示例67中，示例66所述的主题任选地包括，其中该起动运动致使端部执行器与胫骨相接触。

在示例68中，示例59-67中的任一个或多个所述的主题可选择地包括处理器，以接收起动软组织平衡测试的指示，并且作为响应，致使机器人臂起动该软组织平衡测试。

在示例69中，示例59-68中的任一个或多个所述的主题任选地包括钉，以在端部执行器与胫骨接触时将端部执行器联接到胫骨。

在示例70中，示例59-69中的任一个或多个所述的主题可选择地包括处理器，用于基于在软组织平衡测试期间确定的软组织中的张力的指示来确定经由该软组织连接到胫骨的股骨的切口上的切除角。

示例71是一种胫骨力检测系统，包括：胫骨基板，其包括：多个力传感器，用于检测胫骨基板的相应位置处的力；和多个致动器，其对应于多个力传感器，这多个致动器致使胫骨基板在相应位置处使股骨相对于胫骨移位；和处理器，其用以：从胫骨基板的多个力传感器接收与相应位置处的力相关的力信息；基于力信息确定股骨相对于胫骨的旋转角度；并输出该旋转角度以供显示。

在示例72中，示例71所述的主题可选择地包括，其中多个力传感器包括对应于胫骨基板的四个象限的四个力传感器。

在示例73中，示例71-72中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中多个致动器被配置为彼此独立地被激活。

在示例74中，示例71-73中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中在确定该旋转角度之前，激活多个致动器以将张力施加到将股骨连接到胫骨的一个或多个韧带，直到这一个或多个韧带处于张力状态为止。

在示例75中，示例71-74中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中多个致动器包括与多个力传感器中的多个力传感器相对应的多个致动器，并且相应的位置在胫骨基板的相应位置处产生力。

在示例76中，示例71-75中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中处理器还使用旋转角度来确定用于股骨的切割的切除角度。

在示例77中，示例71-76中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中响应于在将股骨连接到胫骨的软组织上执行松解切割，多个致动器进一步致使胫骨基板在相应位置处使股骨进一步相对于胫骨移位。

在示例78中，示例71-77中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中多个致动器响应于处理器确定该旋转角度处于预定角度，致使胫骨基板释放该股骨以使其相对于胫骨移位。

示例79是一种用于执行软组织拉力测试的方法，该方法包括：在将股骨连接到胫骨的关节处于伸展状态时，使用机器人臂执行软组织平衡测试；插入附着到机器人臂的远端的软组织平衡部件；在关节处于屈曲状态时，使用软组织平衡部件和机器人臂执行软组织平衡测试，以确定旋转，从而平衡关节中的韧带；基于该旋转计算用于切割引导件的钉放置；并使用机器人臂根据钉放置来放置切割引导件。

在示例80中，示例79所述的主题任选地包括使用放置好的切割引导件执行切割。

在示例81中，示例79-80中的任一个或多个所述的主题可选择地包括在关节处于伸展状态时执行软组织平衡测试之前，使用机器人臂执行胫骨切割。

在示例82中，示例79-81中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中计算该钉放置包括使用外科手术规划软件。

在示例83中，示例79-82中的任一个或多个所述的主题任选地包括，其中软组织平衡部件是钉、踝突枢转件或j形适配器中的一种。

示例84是一种机器人臂控制器，包括：处理器，其用于：接收表示在由机器人臂进行的患者关节的运动期间的患者关节中的软组织张力的力数据；接收用于机器人臂的运动的跟踪数据；使用跟踪数据和力数据来确定作为关节伸展的函数的软组织张力；并输出作为关节伸展的函数的软组织张力。

在示例85中，示例84所述的主题任选地包括，其中处理器进一步使用在关节的骨的给定位置处的至少一个植入物的模型计算作为关节伸展的函数的规划中的软组织张力和作为关节伸展的函数的实际软组织张力，其中该输出包括作为关节伸展的函数的规划中的软组织张力。

在示例86中，示例85所述的主题可选择地包括，其中处理器还用于利用植入物的模型来确定骨上用以在给定位置中接收至少一个植入物所需的改变，其中，该输出包括用于操作机器人设备以实现改变的改变文件。

在示例87中，示例84-86中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中处理器还通过在骨的机器人操纵期间计算关节的骨的旋转来评估软组织平衡。

示例88是一种CAS控制器，包括：跟踪装置，其用于产生表示骨运动的跟踪数据；运动范围(ROM)分析模块，其被配置成用于接收用于骨运动的跟踪数据并用于使用所述跟踪数据确定运动范围和关节松弛度数据；软组织平衡模块和植入物评估模块，其被配置成用于更新关节松弛度数据并根据关节的骨上的可调节位置处的至少一个植入物的模型计算切除平面；以及基于该可调节位置的包括切除平面的输出。

示例89是机器人臂，包括：跟踪传感器，其用于输出表示机器人臂的运动的跟踪数据；软组织平衡部件，其被固定在机器人臂的远端处的端部执行器，该软组织平衡部件被配置成当机器人臂沿指定方向移动时向患者关节的骨施力；力传感器，其用以输出表示当通过该软组织平衡部件将力施加到骨上时的患者关节中的软组织张力的力数据；和处理器，其用以：基于跟踪数据和力数据确定患者关节处的软组织张力；并输出该软组织张力。

在示例90中，示例89所述的主题任选地包括，其中软组织平衡部件包括钉。

在示例91中，示例89-90中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中该软组织平衡部件包括踝突枢转件。

在示例92中，示例89-91中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中使用可去除的钉引导端部执行器部件将软组织平衡部件固定到机器人臂。

在示例93中，示例89-92中的任一个或多个所述的主题任选地包括，其中骨是股骨，并且软组织平衡部件包括韧带拉动部件，其被配置成：在端部执行器上卡合就位；并且在髌骨就位的情况下继续拉动该股骨。

在示例94中，示例93所述的主题可选择地包括，其中处理器用于：从固定到髌骨的背侧的传感器接收髌骨位置信息；并在运动范围测试期间输出该髌骨位置信息。

在示例95中，示例89-94中的任一个或多个所述的主题任选地包括，其中在患者关节处于伸展状态时施力。

在示例96中，示例89-95中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中在患者关节处于屈曲状态时施力。

在示例97中，示例89-96中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中使用利用增强现实装置显示的虚拟部件来控制机器人臂。

在示例98中，示例89-97中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中将软组织张力输出到显示装置以被显示在用户界面上。

在示例99中，示例98所述的主题可选择地包括，其中该用户界面用以在运动范围测试期间显示患者关节的内翻角和外翻角。

示例100是一种使用机器人臂执行软组织平衡的方法，该方法包括：使用处理器跟踪机器人臂的运动以获得跟踪数据；使用联接到机器人臂的远端的软组织平衡部件向患者关节的骨施力；测量力以捕获指示当通过该软组织平衡部件向骨施力时的患者关节中的软组织张力的数据；基于跟踪数据和力数据确定患者关节处的软组织张力；并输出该软组织张力。

在示例101中，示例100所述的主题可选择地包括，其中软组织平衡部件包括钉。

在示例102中，示例100-101中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中该软组织平衡部件包括踝突枢转件。

在示例103中，示例100-102中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中使用可去除的钉引导端部执行器部件将软组织平衡部件固定到机器人臂。

在示例104中，示例100-103中的任一个或多个所述的主题任选地包括，其中骨是股骨，软组织平衡部件包括韧带牵拉部件，并且还包括：将韧带牵拉部件在端部执行器上卡合就位；在髌骨就位的情况下，使用股骨上的韧带牵拉部件拉动。

在示例105中，示例104所述的主题可选择地包括从固定到髌骨的背侧的传感器接收髌骨位置信息；并在运动范围测试期间输出髌骨位置信息。

在示例106中，示例100-105中的任一个或多个所述的主题任选地包括，其中在患者关节处于伸展状态时施力。

在示例107中，示例100-106中的任一个或多个所述的主题任选地包括，其中在患者关节处于屈曲状态时施力。

在示例108中，示例100-107中的任一个或多个所述的主题可选择地包括使用利用增强现实装置显示的虚拟部件来控制机器人臂。

在示例109中，示例100-108中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中将软组织张力输出到显示装置以被显示在用户界面上。

在示例110中，示例109所述的主题可选择地包括，其中用户界面用以显示运动范围测试期间的患者关节的内翻角和外翻角。

在示例111中，示例100-110中任一个或多个所述的主题任选地包括控制机器人臂自动地检测骨上的点；并使用跟踪数据将该点作为界标进行配准。

示例112是至少一种非暂时性机器可读介质，其包括用于操作机器人臂的指令，当由至少一个处理器执行时，这些指令致使至少一个处理器执行示例100-111所述的方法中的任一个的操作。

示例113是一种胫骨力检测系统，包括：胫骨基板，其包括多个力传感器，以检测胫骨基板的相应位置处的力；处理器，其用以：从胫骨基板的多个力传感器接收用以相应位置的力信息；基于该力信息确定股骨相对于胫骨的旋转角度；并输出用以显示的旋转角度。

示例114是一种机器人辅助外科手术系统，其包括示例1-113中的一个或多个所述的元件。

在示例115中，示例114所述的主题任选地包括在关节处于伸展状态时执行软组织平衡测试之前使用机器人臂来执行胫骨切割。

在示例116中，示例114-115中的任一个或多个所述的主题任选地包括，其中软组织平衡部件是钉、踝突枢转件或j形适配器中的一种。

在示例117中，示例114-116中的任一个或多个所述的主题任选地包括，其中处理器还使用位于关节的骨上的给定位置处的至少一个植入物的模型计算作为关节伸展的函数的规划中的软组织张力，以及作为关节伸展的函数的实际软组织张力，其中该输出包括作为关节伸展的函数的规划中的软组织张力。

在示例118中，示例117所述的主题可选择地包括，其中处理器还使用植入物的模型来确定骨上在给定位置中接收至少一个植入物所需的改变。

在示例119中，示例118所述的主题可选择地包括，其中该输出包括用于操作自动化设备以实现改变的改变文件。

在示例120中，示例114-119中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中使用可去除的钉引导端部执行器部件将软组织平衡部件固定到机器人臂。

在示例121中，示例114-120中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中软组织平衡部件包括j形臂，用以联接到股骨钉，以允许在髌骨到位的情况下执行该软组织平衡测试。

在示例122中，示例121所述的主题可选择地包括，其中处理器用于：从固定到髌骨的背侧的传感器接收髌骨位置信息；并在运动范围测试期间输出髌骨位置信息。

在示例123中，示例114-122中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中使用利用增强现实装置显示的虚拟部件来控制机器人臂。

在示例124中，示例114-123中的任一个或多个所述的主题可选择地包括，其中将软组织张力输出到显示装置以便被显示在用户界面上。

在示例125中，示例124所述的主题可选择地包括，其中用户界面用以在运动范围测试期间显示患者关节的内翻角和外翻角。

在示例126中，示例114-125中的任一个或多个所述的主题任选地包括控制机器人臂以自动地检测骨上的点；并使用跟踪数据将该点作为界标进行配准。

在示例127中，示例126所述的主题任选地包括使用该界标来确定软组织平衡测试期间的软组织中的张力。

在示例128中，示例114-127中的任一个或多个所述的主题可选择地包括可去除的支架，其在被联接到机器人臂的端部执行器时形成锚固件以接收钉，该钉被配置成将端部执行器联接到骨。

在示例129中，示例114-128中的任一个或多个所述的主题可选择地包括附接件，其用以联接到机器人臂的端部执行器，该附接件包括钉、J形钩或L形钩。

在示例130中，示例114-129中的任一个或多个所述的主题可选择地包括附接到机器人臂的远端的扩张器，该扩张器被配置成将第一骨与关节中的第二骨机械地分开，以执行软组织平衡测试。

在示例131中，示例130所述的主题可选择地包括，其中该扩张器包括齿轮或长杠杆臂，以帮助将第一骨与第二骨机械地分开。

在示例132中，示例114-131中的任一个或多个所述的主题可选择地包括处理器，以使用来自术前规划或图像的信息来确定软组织是否处于平衡状态。

在示例133中，示例114-132中的任一个或多个所述的主题任选地包括，其中术后检测该运动范围以确定软组织平衡测试的成功。

示例134是至少一种非暂时性机器可读介质，其包括用于操作机器人臂的指令，当由至少一个处理器执行时，这些指令致使至少一个处理器执行示例1-133所述的方法中的任一个的操作。

示例135是用于执行示例1-133中的任一个所述的方法。

本文中描述的方法示例可以至少部分地是机器或计算机实施的。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以执行如在以上示例中所描述的方法。这种方法的实施可包括代码，例如微代码、汇编语言代码、更高级语言代码等。这种代码可包括用于执行多种方法的计算机可读指令。代码可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包括但不限于硬盘、可移动磁盘、可移动光盘(例如，压缩盘和数字视频盘)、磁带、存储卡或棒、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等。

Claims (20)

1.一种胫骨力检测系统，包括：

胫骨基板，包括：

多个力传感器，所述多个力传感器用于检测所述胫骨基板的相应位置处的力；和

与所述多个力传感器相对应的多个致动器，所述多个致动器致使所述胫骨基板在相应位置处使股骨相对于胫骨移位；和

处理器，所述处理器用以：

从所述胫骨基板的所述多个力传感器接收与所述相应位置处的力有关的力信息；

基于所述力信息确定所述股骨相对于所述胫骨的旋转角度；以及

输出所述旋转角度以供显示。

2.根据权利要求1所述的胫骨力检测系统，其中，所述多个力传感器包括与所述胫骨基板的四个象限相对应的四个力传感器。

3.根据权利要求1所述的胫骨力检测系统，其中，所述多个致动器被配置为彼此独立地被启动。

4.根据权利要求1所述的胫骨力检测系统，其中，在确定所述旋转角度之前，所述多个致动器被致动以将张力施加到将所述股骨连接到所述胫骨的一个或多个韧带，直到所述一个或多个韧带处于张紧状态为止。

5.根据权利要求1所述的胫骨力检测系统，其中，所述多个致动器包括与所述多个力传感器中的多个力传感器相对应的多个致动器，并且所述相应位置在所述胫骨基板的相应位置处产生力。

6.根据权利要求1所述的胫骨力检测系统，其中，所述处理器还使用所述旋转角度来确定用于所述股骨的切割的切除角度。

7.根据权利要求1所述的胫骨力检测系统，其中，响应于在将所述股骨连接到所述胫骨的软组织上执行松解切割，所述多个致动器进一步致使所述胫骨基板在相应位置处使所述股骨相对于所述胫骨进一步移位。

8.根据权利要求1所述的胫骨力检测系统，其中，所述多个致动器响应于所述处理器确定所述旋转角度处于预定角度，致使所述胫骨基板释放所述股骨以使其相对于所述胫骨移位。

9.一种胫骨力检测系统，包括：

胫骨基板，所述胫骨基板包括多个力传感器，以检测所述胫骨基板的相应位置处的力；

处理器，所述处理器用以：

从所述胫骨基板的所述多个力传感器接收用于所述相应位置的力信息；

基于所述力信息确定股骨相对于胫骨的旋转角度；以及

输出所述旋转角度以供显示。

10.根据权利要求9所述的胫骨力检测系统，其中，所述多个力传感器包括与所述胫骨基板的四个象限相对应的四个力传感器。

11.根据权利要求9所述的胫骨力检测系统，其中，所述多个力传感器被配置为彼此独立地被启动。

12.根据权利要求9所述的胫骨力检测系统，其中，所述处理器还用于使用所述旋转角度来确定用于所述股骨的切割的切除角度。

13.根据权利要求9所述的胫骨力检测系统，其中，响应于在将所述股骨连接到所述胫骨的软组织上执行松解切割，所述胫骨基板在相应位置处使所述股骨相对于所述胫骨进一步移位。

14.根据权利要求9所述的胫骨力检测系统，其中，响应于所述处理器确定所述旋转角度处于预定角度，所述胫骨基板用于释放所述股骨以使其相对于所述胫骨移位。

15.一种使用膝关节力检测系统的方法，包括：

在处理电路处并从力传感器接收信息，所述信息表示由股骨施加的力并且对应于所述股骨相对于胫骨的相应位置；

基于接收到的所述信息确定股骨相对于胫骨的旋转角度；以及

输出所述旋转角度以供显示。

16.一种使用软组织平衡系统的方法，包括：

在处理电路处，从固定于胫骨的胫骨基板的多个力传感器接收与相应位置相对应的力信息；

基于所述力信息确定股骨相对于所述胫骨的旋转角度；以及

输出所述旋转角度以供显示。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述多个力传感器包括与所述胫骨基板的四个象限相对应的四个力传感器。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述方法还包括使用所述旋转角度来确定用于所述股骨的切割的切除角度。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述方法还包括致动与所述多个力传感器相对应的多个致动器，从而致使所述胫骨基板在相应位置处使股骨相对于胫骨移位。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述方法还包括在确定所述旋转角度之前，启动所述多个致动器以将张力施加到将所述股骨连接到所述胫骨的一个或多个韧带，直到所述一个或多个韧带处于张紧状态为止。