CN110799145B - 用于矫形外科干预的手术机器人 - Google Patents

Abstract

用于跟踪并补偿骨骼运动的手术机器人，该机器人包括：机器人臂(3)和位于臂的末端执行器处的工具导引件(5)、与工具导引件在同一平面处附接至机器人臂的跟踪器(1)，该跟踪器包括铰接的部段(1a‑1d)的组件和与所述部段相关联的编码器(2)，使得允许并监测跟踪器在至少六个自由度中的运动。跟踪器基部和工具导引件共用同一参照系、即位于同一平面上，使得该系统能够在没有任何中间装置的情况下直接确定工具导引件相对于被跟踪骨骼的确切位置。这样，光学跟踪器和相关联的相机可以省去。

Description

用于矫形外科干预的手术机器人

技术领域

本发明涉及用于矫形外科干预的机器人，更具体地，涉及用于辅助螺钉插入的机器人，该机器人结合有用于跟踪并补偿骨骼运动的装置。

背景技术

在脊柱手术中为脊柱稳定性而使用椎弓根螺钉系统已经变得越来越普遍。由于据称这些构造物提供改进的融合率和刚度，因此现在这种技术在进行脊柱中的融合手术时使用。已经描述了多种椎弓根螺钉系统，并且正在开发新技术。传统技术在很大程度上依赖于外科医生的灵巧度；利用导航的技术需要外部设备。机器人辅助手术使用与跟踪装置组合的机器人系统，该跟踪装置为外科医生提供可靠的导引。

在US6322567中，描述了一种用于跟踪并补偿骨骼运动的系统。该系统基于下述方法：确定手术机器人臂与骨骼之间的空间关系，以及通过骨骼运动检测器跟踪骨骼的平移运动和旋转运动。该方法的精确度受到负责补偿骨骼运动的手术机器人臂的绝对精确度的固有限制。另外，该系统依赖于确定手术机器人臂的坐标系与跟踪部件的坐标系之间的转换关系的校准程序。机器人臂的精确度和校准程序的精确度是该设计的两个固有限制，所述两个固有限制在系统中引入了不可忽略的误差，这些误差可能影响装置的整体性能。此外，配准程序还依赖于由操纵跟踪系统的人工操作员对骨骼中的一组点进行测量。所述测量引入了可能无法预测的误差。

发明内容

本发明提供了一种跟踪并补偿骨骼运动的手术机器人，该手术机器人包括机械跟踪器和位于机器人臂的末端执行器处的工具导引件。跟踪器基部和工具导引件共用同一参照系、即位于同一平面上，使得该系统能够在没有任何中间装置的情况下直接确定工具导引件相对于被跟踪骨骼的确切位置。这样，可以省去光学跟踪器和相关联的相机，这使手术区域没有妨碍程序的相机和其他装置。

跟踪器通过对骨骼在三个垂直轴线上的位置(x，y，z)和相对于三个垂直轴线的取向(α，β，γ)、即六个参数进行跟踪来确定机器人臂与骨骼之间的空间关系。因此，跟踪器是必须具有至少六个自由度以跟踪那六个参数的机械系统。这是通过铰接的部段的组件和与部段相关联的编码器来实现的。在第一实施方式中，跟踪器是具有六个旋转自由度的四个铰接的部段的组件。在另一实施方式中，跟踪器设置有六个或七个自由度，其中，自由度中的一个自由度是长度可变的部段，并且其他自由度是旋转自由度。

附图说明

为了完成描述并提供对本发明的更好理解，提供了一组附图。所述附图示出了本发明的优选实施方式，该优选实施方式不应当被解释为限制本发明的范围，而应当仅被解释为可以如何实施本发明的示例。

图1示出了本发明的具有跟踪装置的手术机器人。

图2示出了根据本发明的系统的夹钳的细节。

图3a至图3c示出了本发明的三种可能的实施方案：两个实施方案具有六个自由度，而一个实施方案具有七个自由度。

图4和图5是描述本发明工作原理的流程图。

图6是对位于自身的校准位置中的跟踪装置的表示。

具体实施方式

参照图1，本发明的手术机器人设置有跟踪装置。在第一实施方式中，跟踪器由连接的四个刚性本体或部段1a至1d制成，使得该装置是铰接的。跟踪器具有至少6个自由度，以对坐标系的三个垂直轴线上的位置(x，y，z)和取向(α，β，γ)进行跟踪。每个自由度都是通过高分辨率编码器2来连续监测的，因此，跟踪器的梢端相对于跟踪器的基部3的位置和取向在任何给定时间都是已知的。跟踪器的基部3固定至机器人手术臂的末端执行器。同一末端执行器还具有工具导引件5。该工具导引件将根据规划位置在空间中定位，以允许外科医生进行手术。跟踪装置和工具导引件两者共用同一基部，以在跟踪装置的梢端附接至骨骼时对工具导引件与骨骼之间的几何关系进行监测。工具导引件与跟踪器基部之间的确切几何关系是在制造过程期间建立的，并且在系统的寿命期间不需要进行校准，这是因为工具导引件和跟踪器基部这两个元件属于同一刚性本体。在手术期间，跟踪器的梢端优选地通过机械式磁性联接机构附接至夹钳6，并且夹钳固定至骨骼。该联接机构具有检测器，该检测器在跟踪器附接至夹钳时通知系统。如果联接机构意外脱开联接，则触发警报，并且机器人系统进入安全模式，以确保不会产生危害。

重要的是应当注意跟踪器是对骨骼施加可以忽略的力的轻质机械装置。此外，磁性联接机构或动态联接机构7保证了在机器人臂与夹钳之间建立的连接可以随时轻易释放。磁体的力使得当机器人臂与夹钳联接时，跟踪器的梢端和骨骼形成刚性本体。由于这些原因，跟踪器的部段必须由提供硬度而不会显著增加整体结构的重量的材料制成。此外，该材料必须是顺磁性的，以避免由跟踪器梢端的磁体产生的磁场传播至结构的其余部分。如果该磁场沿着跟踪器的部段传播，则部段之间的相对运动可能受到影响。铝合金满足这样的要求，因为铝合金具有高的强度重量比。例如，在诸如海运业、汽车业和航空之类的各种应用中使用的铝合金7075是可以用于本发明中的材料的良好示例。铝合金7075是非常坚固的材料，铝合金7075具有与许多钢材相当的强度并且通常用于飞行器的制造和其他航空航天应用中。钛也是合适的材料，因为钛满足了先前所描述的特性。例如，在这样的应用中通常使用钛合金Ti6Al4V。通过使用允许围绕期望的固定轴线的旋转运动的、具有径向载荷方向的球轴承或滚针轴承来限制每个部段之间的相对运动。这些固定轴线可以是每个接头的纵向轴线或横向轴线或者纵向轴线和横向轴线两者的组合。这样的运动是通过将角位置转换成数字信号的旋转编码器来监测的。

在第一实施方式中，跟踪器是具有至少六个自由度(图1和图3a)的运动链(铰接的部段的组件)。优选地，跟踪器具有四个铰接的部段和六个旋转编码器q1至q6。第一编码器对第一部段沿着第一部段的纵向轴线的旋转进行跟踪。第二编码器对由第一部段和第二部段形成的角度、即沿着与包含第一部段和第二部段的平面垂直的横向轴线的旋转进行跟踪。第三编码器对第二部段与第三部段之间的横向轴线进行跟踪。第四编码器对沿着第三部段的纵向轴线的旋转进行跟踪。第五编码器对第三部段与第四部段之间的横向角度进行跟踪。并且第六编码器对沿着第四部段的纵向轴线的旋转进行跟踪。沿着这些轴线的旋转和平移确定了将跟踪器的基部的坐标系与跟踪器的梢端的坐标系关联起来的运动方程。

在图3b中所示的替代性实施方式中，跟踪器可以包括七个自由度，其中，例如，所述七个自由度中的六个自由度是角向的并且一个自由度是纵向的、即长度可变的部段。在这样的方法中，通过旋转编码器q1至q3和q5至q7来监测旋转自由度，并且通过线性编码器l4来监测纵向自由度。参照图3b，第一编码器对由第一部段和第二部段形成的角度进行跟踪。第二编码器对沿着第二部段的纵向轴线的旋转进行跟踪。第三编码器对于由第二部段和第三部段形成的角度进行跟踪。第四编码器是对第三部段的长度变化进行监测的线性编码器。第五编码器对沿着第三部段的纵向轴线的旋转进行跟踪。第六编码器对由第三部段和第四部段形成的角度进行跟踪。并且第七编码器对沿着第四部段的纵向轴线的旋转进行跟踪。

在图3c中所示的替代性实施方式中，跟踪器可以包括六个自由度，其中，例如，所述六个自由度中的五个自由度是角向的并且一个自由度是纵向的。在这样的方法中，通过旋转编码器q1至q3和q5至q6来监测旋转自由度，通过线性编码器l4来监测纵向自由度。参照图3c，第一编码器对第一部段沿着第一部段的纵向轴线的旋转进行跟踪。第二编码器对沿着第二部段的纵向轴线的旋转进行跟踪。第三编码器对由第二部段和第三部段形成的角度进行跟踪。第四编码器是对第三部段的长度变化进行监测的线性编码器。第五编码器对由第三部段和第四部段形成的角度进行跟踪。并且第六编码器对沿着第四部段的纵向轴线的旋转进行跟踪。

替代性地，跟踪器可以设计成具有线性编码器和旋转编码器的不同组合。最低要求为：允许机械系统在至少在六个自由度中的运动，并且通过编码器来监测这些运动。

在处理单元中对跟踪器的梢端的确切位置和取向进行计算，在该处理单元中，编码器的信号与跟踪器的运动方程结合，以输出将跟踪器的基部相对于跟踪器的梢端进行关联的转换。跟踪器的精确度取决于部段的长度、编码器的分辨率以及跟踪器本身的制造和安装过程。通过长度约为10cm的四个部段和分辨率为16位的六个旋转编码器的组合，可以实现约为50μm的整体理论精确度。

旋转编码器可能是以下两种类型中的至少一种：绝对式或增量式。只要角度变化超过编码器的分辨率，绝对式编码器就会为每个不同的角度提供唯一的数字代码。绝对式编码器的实际读数与绝对式编码器所测量的物理角度之间的关系是在组装系统时建立的。因此，由绝对式编码器制成的跟踪器在系统开机时能够直接计算梢端的位置和取向，并且不需要任何校准位置。增量式编码器测量在编码器开机(或复位)时的角位置与编码器的当前位置之间的角度差。这种类型编码器的优点是可以通过较小的尺寸实现较高的精确度。然而，需要用于每个编码器的已知校准位置。在本发明中，跟踪器通过使其梢端固定至基部而提供了唯一的校准位置，以使增量式编码器在已知位置中复位。在图6中示出了该校准位置。由增量式编码器制成的跟踪器的正常使用通过将跟踪器在校准位置中复位而开始。在正常使用期间，可以随时使用该校准位置以及完整性检查来验证跟踪器是否正常工作，这是因为增量式编码器在增量式编码器返回至其已经被复位的位置时应当读取零值。

由于外科医生将通过工具导引件进行手术，因此工具导引件必须具有高度的硬度。此外，工具导引件直接固定至机器人的末端执行器，因此工具导引件的重量由机器人支撑。这一事实放松了存在于系统的其他元件、比如跟踪器的部段的质量轻的限制。因此，用于工具导引件的选择的材料可以是不锈钢，不锈钢比铝合金重，但也比铝合金更硬。工具导引件将由机器人根据规划位置在空间中定位，以允许外科医生进行手术。可以用于通过工具导引件进行椎弓根螺钉插入的手术工具的示例为克氏针、椎弓根进入系统，比如锥子或铰刀、扩张器、椎弓根探针等。

所针对的手术是在椎骨中插入椎弓根螺钉，但是本发明也可以扩展至其他类型的手术。螺钉的精确位置可以在患者进入手术室中之前根据患者的术前图像进行规划，或者可以在能够使用通常为计算机断层成像系统(CT)的术中三维成像装置的情况下在手术期间进行规划。对手术进行规划包括限定目标椎骨中椎弓根螺钉的尺寸、位置和取向。

在手术室中，机器人辅助系统必须首先建立患者的确切位置。被称为配准的该步骤将实际椎骨的位置和取向相对于手术已经规划的椎骨的术前图像相关联。配准过程包括将夹钳固定至目标区域并采集术中图像。此时，确定了夹钳相对于骨骼的确切位置和取向。如果术前规划是可用的，则将该规划转换成骨骼的术中图像。否则，外科医生直接在患者的术中图像中规划螺钉的确切位置。

应当注意，夹钳附接至骨骼，并且因此夹钳和目标共用同一坐标系。一旦跟踪器梢端与夹钳联接，就可以将在椎骨坐标系中限定的目标位置转换至跟踪器坐标系。因此，可以对工具导引件与目标位置之间的几何关系进行监测。参照图1，跟踪器固定至机器人的末端执行器，并且跟踪器的梢端或远端端部与夹钳6联接，夹钳6进而附接至骨骼。在这种情况下，该系统能够实时定位并跟踪骨骼中的目标位置。因此，可以命令机器人将工具导引件与目标位置对准并保持该几何关系。如果发生骨骼移动，则该移位被跟踪器检测到，并且机器人更新机器人的位置，以保持工具导引件的对准。

跟踪器的梢端与夹钳之间的联接机构基于磁性动态联接系统(图2)，该磁性动态联接系统包括两个部分，每个部分包括磁体，磁体具有相反的极性，使得磁体彼此配合以形成联接部。与联接机构的基部相对应的部分设置在夹钳处，并且与联接机构的顶部部分相对应的其他部分设置在跟踪器处，该跟踪器附接至位于远端端部处的最后的部段。优选地，夹钳部分上的三个V形凹槽8和在跟踪器部分上的三个球体与磁体一起提供了机械联接部。这种联接部形成了两个刚性本体之间的精确且可重复的接合面。该系统提供六个接触点——每个球体有两个接触点——以保证联接机构约束夹钳与跟踪器的梢端之间的相对运动的六个自由度(关于位置的三个自由度和关于旋转的另外三个自由度)。位于每个部分的中央中的磁体提供了避免夹钳与跟踪器的梢端之间的任何相对运动所需的强度。由磁体施加的力使得该力在机器人移动时确保夹钳与跟踪器之间的连接。然而，该力使得该连接可以由人工操作员释放，以允许随时容易地移除系统。当三个V形凹槽8形成120°的角度时，将获得最稳定的动态联接部。然而，对于本发明，优选的是，三个V形凹槽8形成三个角度，使得联接机构只能在唯一的位置中接合。例如，角度110°、110°和140°保证联接机构在唯一的位置中接合。为此，角度中的至少一个角度必须与其他两个角度不同。

当跟踪装置联接至夹钳时，机器人可以以各种模式进行操作。可以命令机器人前往规划位置，其中，该规划位置是在跟踪夹钳的坐标系中表示的。在图4的流程图中示出了该操作。在骨骼不移动的静止情况下，机器人在工具导引件到达期望位置时将停止。在不同的模式中，工具导引件已经与目标位置对准，并且机器人更新机器人的位置，以通过补偿骨骼移动来保持该对准。在图5的流程图中示出了第二功能模式。应当注意，在该模式中，机器人永远不会停止，因为机器人不断地更新其位置以保持工具导引件与目标位置的对准。

夹钳和跟踪器可以具有检测机构，该检测机构在跟踪器附接至夹钳时通知系统。该检测机构包括连接至处理单元的电路，该处理单元能够识别何时已经建立连接。联接机构的基部部分设置有无源电路，并且顶部部分将基部部分连接至处理单元。处理单元施加小的电压，因此，当连接建立时，电路闭合并且检测到电流。为此，动态联接机构的球体由导电材料制成并且电连接至处理单元。V形凹槽具有导电部分，球体与该导电部分接触，以建立顶部部分与基部部分之间的电连接。

如本文中所使用的，术语“包括”及其派生词(比如“包含”等)不应当以排他性的含义理解，即，这些术语不应当被解释为排除所描述和限定的内容可以包括其他元件、步骤等的可能性。

另一方面，本发明显然不限于本文中所描述的特定实施方式，而是还将本领域技术人员可以考虑到的任何变型(例如，关于材料、尺寸、部件、构型等的选择)包括在如权利要求书中所限定的本发明的总体范围内。

Claims (11)

1.一种用于跟踪并补偿骨骼运动的手术机器人，所述机器人包括：

-机器人臂，所述机器人臂包括末端执行器，所述机器人臂还包括工具导引件(5)，所述工具导引件布置在所述机器人臂的所述末端执行器处并且构造成由所述机器人根据规划位置在空间中定位，

其特征在于，所述手术机器人还包括：

-跟踪器(1)，所述跟踪器(1)附接至所述机器人臂，所述跟踪器(1)包括：

基部(3)，所述基部(3)固定至所述机器人臂的所述末端执行器；

远端端部，所述远端端部适于与夹钳(6)联接；

铰接的部段(1a-1d)的组件，所述组件构造成连接所述基部(3)与所述远端端部的运动链；以及

编码器(2)，所述编码器(2)与所述铰接的部段(1a-1d)相关联，以用于跟踪所述铰接的部段(1a-1d)的运动，

其中，允许并监测所述跟踪器(1)在至少六个自由度中的运动，其中，所述工具导引件(5)固定至所述跟踪器(1)的所述基部(3)，以对所述工具导引件与目标位置之间的几何关系进行监测，并且其中所述机器人构造成使所述工具导引件与所述目标位置对准并保持所述工具导引件的对准。

2.根据权利要求1所述的手术机器人，其中，所述跟踪器(1)具有四个铰接的部段(1a-1d)和六个相关联的旋转编码器(q1-q6)。

3.根据权利要求1所述的手术机器人，其中，所述跟踪器(1)具有四个铰接的部段(1a-1d)和五个相关联的旋转编码器(q1-q5)，并且所述铰接的部段中的一个部段能够改变自身的长度并具有相关联的线性编码器(l4)，使得允许并监测在六个自由度中的运动。

4.根据权利要求1所述的手术机器人，其中，所述跟踪器(1)具有四个铰接的部段(1a-1d)和六个相关联的旋转编码器(q1-q6)，并且所述铰接的部段中的一个部段能够改变自身的长度并具有相关联的线性编码器(l4)，使得允许并监测在七个自由度中的运动。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的手术机器人，其中，所述铰接的部段(1a-1d)是由轻质顺磁性材料制成的。

6.根据权利要求5所述的手术机器人，还设置有夹钳(6)，其中，所述夹钳(6)借助于动态联接机构(7)以可移除的方式附接至所述跟踪器(1)的所述远端端部的要更靠近患者的铰接的部段(1a-1d)。

7.根据权利要求6所述的手术机器人，其中，所述动态联接机构(7)包括：

-基部部分，所述基部部分位于所述夹钳(6)处并且设置有第一磁体；以及

-顶部部分，所述顶部部分位于所述跟踪器(1)处并且在所述远端端部处固定至所述跟踪器(1)的最后的铰接的部段，所述顶部部分设置有与所述第一磁体极性相反的第二磁体。

8.根据权利要求6所述的手术机器人，其中，所述动态联接机构(7)在其顶部部分处设置有三个球体并且其基部部分处设置有三个V形凹槽，所述凹槽形成三个角度，其中，所述角度中的至少一个角度与其他两个角度不同，使得所述球体与所述凹槽彼此配合以形成联接部。

9.根据权利要求8所述的手术机器人，其中，所述动态联接机构(7)的所述球体由导电材料制成并且电连接至处理单元，并且所述V形凹槽具有导电部分。

10.根据权利要求1至4、6至9中的任一项所述的手术机器人，其中，所述跟踪器(1)的所述铰接的部段(1a-1d)包含铝合金或钛合金。

11.根据权利要求5所述的手术机器人，其中，所述跟踪器(1)的所述铰接的部段(1a-1d)包含铝合金或钛合金。