CN111132624A - 用于用来定位切割块的机器人辅助骨制备的手术打孔工具 - Google Patents

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Abstract

手术打孔工具(500)可包括具有平坦底部(510)的固定基座部件(505)。平坦底部可包括从其延伸的一个或多个柱(515)。每个柱可包括相关联的尖销(540)。可移动致动部分(520)可被构造成将每个尖销从对应的柱内的非致动位置移动到延伸穿过基座部件且从对应柱伸出的致动位置。

Description

用于用来定位切割块的机器人辅助骨制备的手术打孔工具
优先权声明
本专利申请要求2017年9月29日提交的标题为“Robotically Assisted BonePreparation for Positioning of Cutting Block”(用于定位切割块的机器人辅助骨制备)的美国临时专利申请序列号62/565,860的优先权，该申请据此全文以引用方式并入本文。
技术领域
本公开大体上涉及在规划和执行骨科植入物手术程序时使用机器人系统。更具体地，本公开涉及使用机器人系统来引导骨切除以用于切割块的更高效放置。
背景技术
使用计算机、机器人和成像来辅助骨科手术是本领域熟知的。对用来指导手术程序的计算机辅助导航和机器人系统来说，已经有大量研究和开发。例如，精密徒手雕刻器(precision freehand sculptor，简称PFS)采用机器人手术系统以帮助外科医生准确地将骨骼切割成期望形状。在诸如全膝关节置换术的介入治疗中，已经使用计算机辅助手术技术来提高手术的准确性和可靠性。
切割引导件可以用于骨科手术以帮助外科医生切割或修改靶骨的一些部分。例如，在关节置换手术中，例如全髋关节置换(THR)或全膝关节置换(TKR)中，切割引导件可暂时附接到靶骨，诸如股骨或胫骨。骨科手术切割工具可与切割引导件一起使用，以允许外科医生选择性地切割靶骨端部的部分并且用内假体植入物替换。定位切割引导件以用于制备靶骨可能是耗时且复杂的过程，这对于患者获得积极结果是至关重要的。
发明内容
本发明提供了一种手术打孔工具，其包括：具有平坦底部的固定基座部件；从所述平坦底部延伸的一个或多个柱；一个或多个尖销，每个销与对应的柱相关联；以及可移动致动部分，所述可移动致动部分被构造成将每个尖销从所述对应柱内的非致动位置移动到延伸穿过所述基座部件且从所述对应柱伸出的致动位置。
在一些实施例中，所述基座部件还包括多个通道，所述多个通道被构造成接收和引导所述致动部分。
在一些实施例中，所述手术打孔工具还包括一个或多个装置，所述一个或多个装置被构造成提供反对所述致动部分朝所述基座部件移动的偏置力。在一些实施例中，所述手术打孔工具还包括一个或多个装置，所述一个或多个装置被构造成提供促进所述致动部分朝所述基座部件移动的偏置力。在一些实施例中，所述一个或多个装置包括至少一个弹簧。在一些实施例中，所述手术打孔工具还包括：被构造成将所述尖销固定在所述非致动位置的卡扣；以及释放机构，所述释放机构被构造成将所述卡扣从将所述尖销固定在所述非致动位置释放出来。
在一些实施例中，所述致动部分包括冲击面，所述冲击面被构造成接收使所述尖销从所述非致动位置移动到所述致动位置的冲击力。
在一些实施例中，所述一个或多个柱中的每一个从所述基座延伸出约2.5mm至约5mm。在一些实施例中，所述一个或多个柱中的每一个具有约5mm至约7.5mm的直径。在一些实施例中，所述一个或多个尖销中的每一个在所述致动位置从所述基座延伸出约15mm至约20mm。在一些实施例中，所述一个或多个尖销中的每一个具有约2.5mm至约4mm的直径。在一些实施例中，所述一个或多个尖销包括第一尖销和第二尖销；所述第一尖销的中心距离所述第二尖销的中心约1.25英寸到约1.75英寸。
还提供了一种制备靶骨以接收切割引导件的方法。所述方法包括选择对应于所述切割引导件的打孔工具。所述打孔工具包括多个尖销和可移动致动部分，所述可移动致动部分被构造成将每个尖销从凹入位置移动到伸出位置。所述方法还包括：切除所述靶骨；相对于所切除的靶骨定位所述打孔工具；以及启动所述打孔工具的所述致动部分以将所述多个尖销从所述凹入位置移动到所述伸出位置，由此多个尖销中的每一个在所述靶骨中形成孔。
在一些实施例中，所述切割引导件包括第一安装销和第二安装销；所述第一安装销与所述第二安装销间隔开一定距离；所述多个尖销包括第一尖销和第二尖销；以及所述第一尖销与所述第二尖销间隔开所述距离。
在一些实施例中，切除所述靶骨包括：使用机器人辅助切割工具在所述靶骨中形成远侧平面；以及使用机器人辅助切割工具在所述远侧平面中形成多个凹坑，其中所述多个凹坑被构造成接收所述打孔工具。在一些实施例中，所述多个凹坑中的每一个具有凹入部分；以及每一凹入部分呈圆柱形、立方体、矩形棱柱、三角形棱柱、棱锥和锥体中的一个的形状。在一些实施例中，定位所述打孔工具包括定位所述打孔工具使得所述多个尖销中的每一个与所述多个凹坑中的一个竖直对齐。
在一些实施例中，切除所述靶骨包括使用机器人辅助切割工具在所述靶骨中形成远侧平面；以及定位所述打孔工具包括用手术跟踪系统跟踪所述打孔工具的位置。
在一些实施例中，启动所述打孔工具的所述致动部分包括将冲击力施加到所述打孔工具的所述致动部分。
在一些实施例中，启动所述致动部分包括释放被构造成将所述致动部分保持在某位置的卡扣，使得所述多个尖销处于所述凹入位置。
还提供了一种制备靶骨以接收切割引导件的方法。所述方法包括：由手术系统接收与所述靶骨一起使用的所述切割引导件的指示；以及由所述手术系统确定与所述切割引导件相关联的打孔工具。所述打孔工具包括多个尖销和可移动致动部分，所述可移动致动部分被构造成将每个尖销从凹入位置移动到伸出位置。所述方法还包括：由所述手术系统基于所述切割引导件确定要切除的所述靶骨的一部分；由所述手术系统基于所确定的要切除靶骨的量和位置来控制切割装置的操作；由所述手术系统引导所述打孔工具在所切除的靶骨内的放置；以及由所述手术系统引导所述打孔工具的所述致动部分的致动。
在一些实施例中，控制所述切割装置的操作包括：由所述手术系统跟踪所述切割装置的位置和定向；以及在所述切割工具靠近要切除的靶骨部分时由所述手术系统激活所述切割工具。
如上所述的实例实施例可以提供优于现有技术的各种优点。例如，本文教导的技术可以在手术植入程序期间更快地且精确地定位切割引导件。因此，本文所教导的技术提供了由减少的操作时间和更好地放置植入物带来的更好的患者结果。
下文参考附图详细描述本公开的实施例中的至少一些的另外的特征和优点，以及本公开的各种实施例的结构和操作。
附图说明
并入本说明书中且形成本说明书的一部分的附图说明本公开的实施例，且连同书面描述一起用于解释本公开的原理、特性和特征。在附图中：
图1描绘的图示出了根据实施例的操作用于规划和执行机器人辅助植入物手术的系统的环境。
图2描绘的框图描绘了根据实施例的用于规划和执行植入物手术的系统。
图3A和3B描绘了根据实施例的要操作的样本骨骼和操作样本骨骼使用的手术引导件。
图4A和4B示出了根据实施例的用于临时安装切割引导件的靶骨的制备。
图5A和5B描绘了根据实施例的用于辅助切割引导件附接的打孔引导件的多个视图。
图6A-6D描绘了根据实施例的制备骨骼、附接打孔工具、激活打孔工具并将切割引导件附接到骨骼的可视化工作流。
图7描绘了根据实施例的外科医生执行如图6A-6D中所示的手术过程的过程工作流。
图8描绘了根据实施例的用于辅助如图6A-6D中所示的手术过程的计算机系统的过程工作流。
图9描绘了与本文所述的机器人辅助手术系统一起使用的计算机系统。
具体实施方式
本公开不限于所描述的特定系统、装置和方法，因为这些系统可以变化。描述中使用的术语仅用于描述特定版本或实施例的目的，而不旨在限制范围。
如本文件中所使用，除非上下文另外明确规定，否则单数形式“一个”、“一种”和“该/所述”包括复数指代。除非另有定义，否则本文所使用的所有科技术语具有与本领域普通技术人员通常所理解的相同含义。本公开中的任何内容均不应被解释为承认本公开中描述的实施例由于在前发明而无权把本公开的日期提前。如本文件中所使用，术语“包括”意指“包括但不限于”。
下文所描述的本教导的实施例并不意图为详尽性的或将教导限制于以下详细描述中所公开的精确形式。而是选择并描述了实施例，使得所属领域的技术人员可了解并理解本教导的原理和实践。
机器人辅助手术，例如全膝关节成形术(TKA)，向外科医生提供规划程序并在执行骨切除之前查看程序的预测结果的优点。提供机器人辅助选项的挑战之一在于通过保持与常规仪器的连续性来优化工作流效率。例如，在现有机器人辅助TKA程序的手动部分期间，将一组柱孔(例如，四个柱孔)钻入患者的股骨中。然后使用这些柱孔将远侧切割引导件紧固到股骨，以在股骨中切割初始远侧切口。然后，可以将钻孔引导件紧固到远侧切割引导件，并且可以钻出两个(或更多)额外孔。然后可移除钻孔引导件和远侧切割引导件，且可使用两个额外钻孔附接多切割引导块，例如五合一切割块。
本公开描述了用于将多切割引导块定位和附接到患者的股骨上的改进的工作流。为了实现改进的工作流程，本公开教导使用机器人辅助切割工具来在例如股骨中进行初始远侧切割，从而消除远侧切割引导件。在完成远侧切割之后，打孔工具可用于产生安装多切割引导件的孔以消除钻孔引导件，从而减少程序所需的手术工作流和仪器。
在所提出的工作流中，通过在机器人辅助下钻或另外切割骨骼来在股骨中制备远侧切口。在制备远侧切口(使用机器人控制的切割装置)之后，外科医生可以在位于邻近多切割引导块上的附接销的位置处制备额外的凹坑。例如，外科医生可在远侧切口上制备两个另外的凹坑，第一凹坑在内髁上，第二凹坑在外髁上。打孔工具可以定位在远端切口表面上，打孔工具包括被构造成放置在所制备的凹坑内的两个参考柱。外科医生可冲击打孔工具以产生例如两个孔，所述两个孔定位成接收多切割引导块上的安装销，且使用安装的多切割引导块进行额外骨切除。
图1是使用机器人系统执行手术程序的系统100的图示。系统100可以包括具有相关联的光学跟踪框架155(也称为跟踪阵列155)的手术切割工具150、显示装置130、光学跟踪系统140和患者跟踪框架120(也称为跟踪阵列120)。图1还示出了切口110，可以通过该切口执行膝关节置换手术。
在某些实施方式中，所示的机器人手术系统100可包括手持式计算机控制的手术机器人系统，诸如由宾夕法尼亚州匹兹堡市的Blue Belt Technologies，Inc.制造的
Figure BDA0002421306770000061
手术系统。NAVIO是Blue Belt Technologies，Inc.的注册商标。所示机器人系统使用联接到机器人控制器的光学跟踪系统来跟踪和控制手持式手术器械。例如，光学跟踪系统140跟踪联接到手术工具150的跟踪阵列155和联接到患者的跟踪阵列120，以跟踪器械相对于靶骨的位置(例如，用于膝关节程序的股骨和胫骨)。
图2是描绘用于执行机器人辅助手术程序的示例性系统200的框图。在某些实施方式中，系统200可包括控制系统210、跟踪系统140和手术器械150。可选地，系统200还可包括显示装置130和数据库230。在一些实例中，这些部件可以被组合以提供手术器械150的导航和控制，这些导航和控制可以包括在骨科假体植入物手术(或类似手术)期间使用的切割工具或点探头等的导航和控制。
控制系统210还可包括一个或多个计算装置，所述一个或多个计算装置被配置成协调从跟踪系统140接收的信息并且向手术器械150提供控制。在一个实例中，控制系统210可包括规划模块212、导航模块214、控制模块216和通信接口218。在某些实例中，规划模块212可提供术前规划服务，其赋予临床医生在患者手术过程期间在重新塑形靶关节之前虚拟地规划程序的能力。在规划模块内执行的规划过程的一部分可以包括类似于在Digioia等人的美国专利号6,205,411、标题为“Computer-assisted Surgery Planner and Intra-Operative Guidance System”(计算机辅助手术规划器和术中指导系统)中讨论的操作，其讨论了术前规划的又一种方法。美国专利第6,205,411号的全文以引用方式并入本文。
在例如TKA的一些实例中，规划模块212可以用于参照虚拟植入物宿主模型操纵植入物的虚拟模型。可以通过使用由光学跟踪系统140跟踪的点探头或类似仪器来创建植入物宿主(示出待置换的关节)的虚拟模型。在某些实施方式中，规划模块212可从靶关节的表面收集数据以重建患者的实际解剖结构的虚拟模型。特别是在关节置换手术中，该方法可以通过使用在关节已露出之后且没有术中成像收集的数据来提高规划过程的准确度。从靶骨收集表面数据还可以允许靶骨重复整形，以确保适当配合假体植入物，并优化解剖对位。
在某些实施方式中，导航模块214可在手术程序期间协调对植入物、植入物宿主和手术器械150的定位和取向的跟踪。在某些实例中，导航模块214还可在规划模块212内协调对术前或术中规划期间使用的虚拟模型的跟踪。跟踪虚拟模型可以包括这样的操作，例如通过经由跟踪系统140获得的数据将虚拟模型与植入物宿主对准。在这些实例中，导航模块214可从跟踪系统140接收关于手术器械150和植入物宿主的物理定位和取向的输入。植入物宿主的跟踪可包括例如用跟踪阵列120跟踪多个个别骨结构。例如，在全膝关节置换程序期间，跟踪系统140可以使用锚定到个别骨骼的跟踪装置单独地跟踪股骨和胫骨(如图1中所示)。
在一些实例中，控制模块216可处理由导航模块214提供的信息以产生用于控制手术器械150的控制信号。控制模块216还可以与导航模块214一起工作以产生视觉动画，以在手术程序期间帮助外科医生。可以通过显示装置，例如显示装置130显示视觉动画。在某些实施方式中，视觉动画可以包括植入物、植入物宿主和手术器械150等的实时3-D表示。在某些实例中，视觉动画进行颜色编码以进一步帮助外科医生定位和定向植入物。
在某些实施方式中，通信接口218可促进控制系统210与外部系统和装置之间的通信。通信接口218可包括有线和无线通信接口，例如以太网、IEEE 802.11无线或蓝牙等。如图1中所示，经由通信接口218连接的主要外部系统可包括跟踪系统140和手术器械150。尽管未示出，但数据库230和显示装置130连同其它装置也可经由通信接口218连接到控制系统210。在一些实例中，通信接口218可通过内部总线与控制系统210内的其它模块和硬件系统通信。
在一些实例中，跟踪系统140可提供手术装置和植入物宿主的解剖结构的部分的定位和取向信息，以辅助半主动机器人手术装置的导航和控制。跟踪系统140可包括跟踪器(例如，跟踪阵列120)，其包括或另外提供基于至少三个位置和至少三个角度的跟踪数据。跟踪器可包括与植入物宿主相关联的一个或多个第一跟踪标记和与手术装置(例如，手术器械150)相关联的一个或多个第二标记。标记或标记中的一些可以是红外源、发光源、射频(RF)源、超声源和/或发射器中的一者或多者。举例来说，跟踪系统140可以是红外跟踪系统、光学跟踪系统、超声跟踪系统、惯性跟踪系统、有线系统和/或RF跟踪系统。一种说明性跟踪系统可以是加拿大安大略省的Northern Digital,Inc.生产的
Figure BDA0002421306770000071
3-D运动和位置测量和跟踪系统，但所属领域的技术人员将认识到，可使用其他准确性和/或分辨率的其他跟踪系统。Brisson等人的美国专利第6,757,582号，标题为“Methods andSystems to Control a Shaping Tool(用于控制塑形工具的方法和系统)”提供关于在手术环境内使用跟踪系统(诸如跟踪系统140)的额外细节。美国专利第6,757,582号的全文以引用方式并入本文。
图3A和3B示出了样本靶骨300(例如，患者的股骨)和多切割引导块305。在某些实施方式中，多切割引导块可以是用于TKA的由田纳西州孟菲斯市的Smith&Nephew,Inc.制造的五合一切割引导件。然而，应注意，仅以举例方式提供和描述了五合一切割引导件，且其它类型的多切割引导件可与本文中所描述的技术一起使用。
如图3B中所示，引导块305包括安装销310。为了减少引导块305安装在靶骨300上之后旋转，可包括多个安装销310。然而，由于引导块305在图3B中以侧轮廓视图示出，第二安装销位于可见安装销310后面并被该可见安装销隐藏。引导块305还包括平坦底平面315，所述平坦底平面被构造成与靶骨300上的远侧切割表面相接。在某些实施方式中，安装销310的位置防止引导块305在插入到安装孔中时的旋转运动，并且底平面315与切割骨骼之间的接口防止引导块305侧向移动。
返回参考图3A，虚线320和325指示待移除以容纳引导块305的骨区域。例如，线320示出了被构造成接收安装销310中的至少一个的孔，并且线325示出了被构造成与引导块305的底平面315相接的远侧切割面。
图4A和图4B示出了为手术程序制备的靶骨300之前和之后的图示。在该实例中，切除靶骨300的远侧表面。例如，外科医生使用表面制备工具420，可切除靶骨300以移除区域405，从而限定通过靶骨的皮层部分的远侧切割面(例如，对应于图3A中的线325)。然而，外科医生可以使用表面制备工具在靶骨300的松质骨部分中产生一个或多个凹坑410，而不是钻整个孔(对应于图3A中的线320)。例如，可以基于打孔工具的突出柱(在下面对图5A和图5B的讨论中更详细地描述)的尺寸和形状来确定凹坑410的尺寸和形状。凹坑410的凹入部分的形状可呈圆柱形、立方体、矩形棱柱、三角形棱柱、棱锥、圆锥或其它三维形状。还可以基于打孔工具和/或引导块的着陆点的位置，或基于在着陆点的骨骼和软组织的解剖、机械和物理特性，确定凹坑410的尺寸和形状。
例如，可根据如上所述的规划模块212确定的手术计划来限定远侧切割面和凹坑410的位置。为了实现恰当骨切除，由此准确地形成远侧切割面和凹坑410，可由跟踪系统140(如上文所描述)监测表面制备工具420，且可响应于表面制备工具的当前跟踪位置由控制模块216控制表面制备工具的切割钻或其它切割接口的操作。应注意，球形切割钻在图4B中仅作为实例示出，且其它形状，例如圆柱形或锥形切割钻，可用于切除靶骨300。
在某些实施方式中，表面制备工具420可包括旋转装置，其包括切割钻、手术钻、手术磨机、手术锯、或能够在靶骨300上形成凹入部分的其它手术设备。表面制备工具420可由操作员(例如外科医生)半手动操作，同时其连接到自动化计算机控制系统(例如精密徒手雕刻器(PFS)或其它机器人手术系统)并被自动化计算机控制系统监测。
图5A和5B示出了如本文所述的打孔工具500。如图5A所示，打孔工具500处于非致动位置。打孔工具500可以包括固定基座部件505。在某些实施方式中，基座505可包括平面底部510，其被构造成抵靠靶骨的远侧切割面(例如，如上所述的靶骨300)以及柱515。在一些实例中，柱515可被构造成从基座505延伸约4.0mm。在其他实例中，柱515可被构造成从基座505延伸约2.5mm至约5.0mm。类似地，在一些实施方式中，柱515可具有约6.5mm的直径。在一些例子中，柱515可具有约5mm至约7.5mm的直径。基于柱515的尺寸，凹坑可以被设定尺寸(例如，如上所述的凹坑410)以接收柱515。例如，如果柱515从基座505延伸出约4.0mm，并且柱的直径约为6.5mm，则该凹坑的尺寸可以设定为深约4.5mm，直径6.5mm。
打孔工具500还可包括致动部分520。致动部分520可被设定大小以装配在基座505上的通道525内，通道被构造成引导致动部分的移动。在某些实施方式中，打孔工具500还可包括弹簧530或另一个装置，其被构造成提供反对致动部分520的移动的偏置力。应注意，弹簧530仅作为实例示出为卷簧。
致动部分520可以包括冲击面535。为了启动打孔工具500，外科医生可将冲击力(例如，经由拍打锤)施加到冲击面535。此所施加力可将致动部分520移动到致动位置，如由图5B所示。
如图5B中所示，两个尖销540在致动时从打孔工具500露出。尖销540被构造成通过柱515离开打孔工具500的基座505，从而穿透邻近靶骨中制备的凹坑的靶骨。然后，尖销540可以穿透由于远侧切割而暴露的松质骨骼，从而在松质骨骼中形成两个孔。
可基于对应多切割引导块(例如，如上文所描述的引导块305)上的安装销的尺寸来设定尖销540的尺寸。例如，尖销540的直径可以约为3mm，并且从打孔工具500的基座505伸出约18mm。在一些实施方式中，尖销540的直径可为约2.5mm至约4mm。类似地，在一些实例中，尖销可从打孔工具500的基座505突出约15mm至约20mm。
另外，可基于使用的对应多切割引导块来确定尖销540之间的间距。例如，多切割引导块可以使其安装销在中心间隔开1.5英寸。对应打孔工具500可具有类似地间隔开的尖销540，即，间隔开1.5英寸。在一些实施方式中，打孔工具500可以具有间隔开约1.25英寸至约1.75英寸的尖销540。
取决于切割引导件的制造商，在一些实例中，系列或类似产品线中的每个切割引导件尺寸可具有相同尺寸的安装销。在此实例中，单个打孔工具可与系列中的每一尺寸切割引导件一起使用。例如，如由位于田纳西州孟斐斯市的Smith&Nephew,Inc.制造的JOURNEY II系列中每个切割引导件具有相同的一组安装销。JOURNEY是Smith&Nephew,Inc.的注册商标。因此，单一尺寸的打孔工具可用于JOURNEY II系列中的每种尺寸的切割引导件。在其他实施方式中，每个特定的切割引导件可具有专用且适当尺寸的打孔工具。
另外，打孔工具500可以包括连接点545，该连接点用于将手柄附接到打孔工具以便于操纵和定位。
如上文所描述的打孔工具500可由有利于通过例如蒸汽灭菌工艺轻易清洁和灭菌的材料或材料组制造。在某些实施方式中，打孔工具500可由钛、不锈钢和通常用于制造在手术期间使用的工具和引导件的其他类似材料制造。在一些实例中，打孔工具500可设计成具有不能被拆卸的单体或单件设计。在此类设计中，类似于如图5A和5B中所展示，开放中心空间可包括在设计中，以促进例如在处于缩回位置时尖销540的清洁(如图5A中所示)。在其他实例中，打孔工具500可以是多件式设计，其被构造成被拆开以用于清洁和灭菌。
应注意，如上文所展示的弹簧530作为将打孔工具500保持在缩回位置的方式提供，从而保护用户免受尖销540伤害。然而，例如球和棘爪的额外回缩机构可用以将打孔工具500保持在缩回位置。将打孔工具500保持在缩回位置还用以保护尖销540，从而降低未对准或损坏柱的可能性。
在替代设计中，打孔工具500可被设计成使得弹簧530被构造成促进致动部分520朝靶骨的移动。例如，打孔工具500可以包括将打孔工具固定在非致动位置的卡扣。在激活释放机构时，弹簧可以拉动或以其他方式施加力至致动部分520，从而使尖销540穿透靶骨的松质骨部分。这种设计不需要外科医生将力施加到打孔工具500以用于致动尖销540。
图6A-6D示出了根据本文所述技术的使用打孔工具来制备接收多切割引导件的靶骨的可视化表示。
如图6A中所示，根据如上文关于图4A和4B所述的过程，已使用例如旋转切割工具或另一种类似的手术切割工具来制备靶骨600。因而，靶骨600已经被制备成包括远侧面切割605和凹坑610。
参考图6B，打孔工具620定位在靶骨600上。打孔工具的底表面(例如，如上所述的底部510)可被定位成使得其与远侧切口605相接。另外，打孔工具620的柱(例如，柱515)可定位在靶骨600的凹坑610内。如图6B中所示，打孔工具620可以包括附接柄部625，以有助于将打孔工具定位和保持在适当位置。
参考图6C，打孔工具620已被激活，从而导致尖柱630延伸到靶骨600中，在靶骨中产生两个孔(例如，对应于如上文关于图3A所述的线320)。参考图6D，可从目标骨600移除打孔工具620。多切割引导件640可定位在靶骨600上，使得安装销645配合在由尖柱630形成的孔内，从而确保多切割引导件牢固且正确地定位在靶骨上。外科医生还可以使用例如1/8英寸的保持销将切割引导件640固定到靶骨600。还可以使用诸如摆动锯和多切割引导件640的切割工具切除靶骨600。
图7示出了样本工作流，其可以由外科医生使用本文所述打孔工具技术执行手术过程时执行。假设已经在实际骨骼切除之前执行了手术程序的各种初始步骤，诸如选择用于植入患者的植入物、初始切口和软组织去除、骨表面绘制和成像以及包括在例如上文描述的美国专利第6,205,411号中的其它类似步骤。
基于患者的解剖结构(例如，患者的股骨的大小和形状)和执行的手术类型(例如，TKA)，外科医生可以选择705切割引导件以供在程序期间使用。如上所述，基于切割引导件的尺寸和形状，每个切割引导件可具有相关联的打孔工具，或者单个打孔工具可适于与一系列切割引导件一起工作。
外科医生可以向手术系统提供与所选择的705切割引导件有关的信息(例如，通过如上所述的通信接口218)，并且基于此信息，手术系统可以更新手术计划。应当注意，在下面对图8的讨论中更详细地描述了手术系统的工作流程图。
再次参照图7，外科医生然后可以根据机器人辅助切割工具指令切除710靶骨。例如，手术系统可以确定在切除期间移除的骨骼的量，并且将控制信号提供至由外科医生操作的机器人辅助切割工具。取决于正执行的程序，可以指示外科医生去除靶骨的各部分。例如，在TKA期间，外科医生可以使用机器人辅助切割工具来创建712远侧平面。类似地，外科医生可以创建714用于接收打孔工具的凹坑。骨切除后，外科医生可以将打孔工具附接715到靶骨。外科医生可检查打孔工具的位置，并且在验证打孔工具适当定位时可以启动720打孔工具。外科医生可移除725打孔工具，由此露出由打孔工具产生的孔。外科医生可将选定的切割引导件附接730到由打孔工具产生的孔，并且继续735该程序。
如上所述，为了在如图7所概述的本文所述的程序期间帮助外科医生，手术系统，例如上文参照图2所述的控制系统也可以执行各种功能。例如，图8示出了在使用本文所述技术和过程的程序期间手术系统的样本工作流。
类似于图7，图8的描述假设已经由手术系统在实际骨切除之前执行了手术程序的各种初始步骤，例如接收植入患者中的植入物的选择，确定初始切口和软组织去除的初始手术计划，接收与骨表面绘制和成像有关的信息，确定骨切除的手术计划，以及包括在例如上述美国专利第6,205,411号中的其它类似步骤。
参考图8，手术系统可以接收805外科医生已经选择的切割引导件的指示。基于待使用的切割引导件，手术系统可以任选地确定807与所选切割引导件相关联的打孔工具。基于所选择的切割引导件(和任选的打孔工具)，手术系统可以更新810手术计划，以确定要对靶骨去除的骨骼的量和位置，以适当地接收切割引导件。基于更新的手术计划，手术系统可以向外科医生提供更新的视觉指示(例如，提供要移除的骨骼以容纳所选择的切割引导件的显示)，并且可以控制815切割装置的操作，确保外科医生正在根据手术计划去除骨骼。如上所述，在切割装置的控制815期间，手术系统还可以跟踪切割装置的移动和位置以准确地监测820骨切除的进程。手术系统可以连续地绘制去除的骨骼的量以确定825切割是否完成。如果切割未完成，那么手术系统可继续控制815切割工具的操作，监测820骨切除的过程。然而，如果手术系统确定切割完成，则手术系统可以等待，同时外科医生执行各种手动步骤(例如，放置、启动和移除打孔工具并放置切割引导件)。在接收830外科医生已完成手动步骤的指示后，手术系统可继续监测并辅助手术程序。
应当注意，取决于与手术系统相关联的跟踪系统的能力以及打孔工具和切割引导件的设计，手术系统可以在手动步骤期间继续监测该程序。例如，如果打孔工具和切割引导件被构造成包括可跟踪部件，诸如视觉跟踪传感器阵列，则手术系统可以在如本文所述的程序的手动步骤期间监测打孔工具和/或切割引导件的放置。
还应注意，仅作为实例，以上描述大体上涉及定位股骨切割块。用于将打孔工具并入手术工作流中的打孔工具和相关联过程可应用于任何手术程序，其中骨表面被制备或以其它方式切成特定几何形状，例如，用于接收植入物部件。
另外，如本文中所描述的工作流的各种改变是可能的。例如，可以使用跟踪系统可追踪如本文所述的打孔工具的手柄或另一部件。在这样的实施例中，外科医生可以仅制备远侧切口，而不是使用如本文所述的凹坑和柱组合，使用跟踪系统确定在启动之前打孔工具的正确放置。
图9是说明计算机系统900形式的机器的实例的框图，在所述系统中可执行用于使计算机系统执行本文中论述的方法中的任何一个或多个的指令。在各种实施例中，机器可作为独立装置操作，或可连接(例如，联网)到其它机器。在联网部署中，机器可以在服务器-客户端网络环境中以服务器或客户端机器的身份操作，或者作为点对点(或分布式)网络环境中的对等机器操作。机器可以是个人计算机(PC)、平板PC、机顶盒(STB)、PDA、蜂窝电话、网络装置、网络路由器、交换机或桥，或能够执行指定要由该机器执行(顺序或其他)的动作的指令的任何机器。此外，虽然仅示出了单个机器，但术语“机器”还应被视为包括任何机器集合，所述机器的集合单独地或联合地执行一组(或多组)指令以执行本文中论述的方法和/或过程中的任何一个或多个。
示例性计算机系统900包括经由总线908彼此通信的处理器902(例如，中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)或两者)、主存储器904和静态存储器906。计算机系统900还可包括视频显示单元910(诸如液晶显示器(LCD)或阴极射线管(CRT))、字母数字输入装置912(例如键盘)、用户界面(UI)导航装置(或光标控制装置)914(例如，鼠标)、硬盘驱动单元916、信号生成装置918(例如，扬声器)和网络接口装置920。
磁盘驱动单元916包括机器可读存储介质922，所述机器可读存储介质上存储由本文中描述的方法或功能中的任一种或多种包括或使用的一组或多组指令和数据结构(例如，软件)924。指令924还可以在其由计算机系统900执行期间完全或至少部分地驻留在主存储器904、静态存储器906和/或处理器902内，主存储器904和处理器902也构成机器可读介质。在一个实例中，存储在机器可读存储介质922中的指令924包括使计算机系统900接收靶骨表示的指令，所述靶骨表示包括表示靶骨的解剖结构的数据集。指令924还可以存储使计算机系统900生成用于将切割引导件定位到靶骨上或与靶骨适形的切割引导件定位计划的指令924。机器可读存储介质922还可存储使计算机系统900产生大小、形状或其他构造成接收和定位打孔工具的两个或更多个凹坑的指令924。
虽然机器可读存储介质922在实例实施例中示出为单个介质，但术语“机器可读存储介质”可包括存储所述一个或多个指令或数据结构的单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库，和/或相关联的高速缓存和服务器)。术语“机器可读存储介质”还应被视为包括能够存储、编码或携带用于由机器执行的指令(所述指令使机器执行本发明的方法中的任一个或多个)或能够存储、编码或携带由此类指令使用或与这些指令相关联的数据结构的任何有形介质。因此，术语“机器可读存储介质”应被视为包括但不限于固态存储器以及光介质和磁介质。机器可读介质的具体实例包括非易失性存储器，举例来说，包括半导体存储器装置(例如，可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM))和闪存装置；磁盘，例如内部硬盘和可移动磁盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM盘。“机器可读存储介质”还应包括可被解释为瞬态的装置，例如寄存器存储器、处理器缓存和RAM等。本文中所提供的机器可读存储介质的定义是适用的，即使机器可读存储介质的特征还在于“非暂时性”。例如，任何地方加上“非暂时性”，例如非暂时性机器可读存储介质旨在继续涵盖寄存器存储器、处理器缓存和RAM以及其它存储器装置。
在各种实例中，还可使用传输介质通过通信网络926传输或接收指令924。可使用网络接口装置920以及许多公知的传输协议(例如，HTTP)中的任何一个来传输指令924。通信网络的实例包括LAN、WAN、互联网、移动电话网络、普通老式电话(POTS)网络和无线数据网络(例如，Wi-Fi和WiMAX网络)。术语“传输介质”应被视为包括能够存储、编码或携带用于由机器执行的指令的任何无形介质，且包括数字或模拟通信信号或用以促进此类软件的通信的其它无形介质。
在以上详细描述中，参考形成其一部分的附图。在附图中，除非上下文另外规定，类似符号通常标识类似的部件。在详细描述、附图和权利要求书中描述的说明性实施例并不意味着是限制性的。可以使用其它实施例，并且可以在不脱离本文所呈现的主题的精神或范围的情况下进行其它改变。容易理解的是，本公开的各种特征(如本文大体上描述并在附图中图示的)可以被布置、取代、组合、分离和设计成各种各样的不同构型，这些构型全部在本文中明确设想。
本公开不限于本申请中所描述的特定实施例方面，其旨在作为各种特征的说明。在不脱离本领域技术人员显然明白的精神和范围的情况下，可以进行许多修改和变化。根据前述描述，本公开的范围内的功能等效方法和设备(除本文中所列举的那些之外)对于本领域技术人员将显而易见。此类修改和变化意图落在所附权利要求书的范围内。本公开将仅受所附权利要求书的措词以及这些权利要求书有资格享有的等效物的完整范围限制。应当理解，本公开不限于特定的方法、试剂、化合物、组合物或生物系统，其当然可以变化。还应理解，本文中所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意图是限制性的。
关于本文中基本上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以根据上下文和/或应用酌情从复数转换成单数和/或从单数转换为复数。为了清楚起见，各种单数/复数排列可在本文中明确阐述。
本领域内的技术人员应理解，一般来说，本文中且尤其在所附权利要求(例如，所附权利要求书的主体)中所使用的术语通常意图为“开放性”术语(例如，术语“包括”应解释为“包括但不限于”，术语“具有”应解释为“至少具有”，术语“包括”应解释为“包括但不限于”等等)。虽然各种组合物、方法和装置按照“包括”各种部件或步骤(解释为意为“包括但不限于”)描述，但组合物、方法和装置还可“基本上由各种部件和步骤组成”或“由各种部件和步骤组成”，并且此类术语应解释为定义基本上封闭的构件组。本领域技术人员还将理解，如果意图是特定数目的所引出的权利要求叙述物，那么在权利要求书中将明确详述此类意图，且在不存在此类详述时不存在此类意图。
例如，为了帮助理解，以下所附权利要求书可以包含使用介绍性短语“至少一个”和“一个或多个”来引出权利要求叙述物。然而，使用此类短语不应被解释为暗示由不定冠词“一(a/an)”引出的权利要求叙述物将包含此类引出的权利要求叙述物的任何特定权利要求限制到只包含这种叙述物的实施例，即使当同一权利要求包括介绍性短语“一个或多个”或“至少一个”时和诸如“一”的不定冠词时(例如，“一”应解释为意指“至少一个”或“一个或多个”)；这同样适用于使用定冠词用于引出权利要求叙述物。
另外，即使明确叙述了特定数目的所引出权利要求叙述物，所属领域的技术人员将认识到，此类叙述应解释为意指至少所叙述的数字(例如，无其它修饰词只叙述“两个叙述物”，意味着至少两个叙述物或两个或更多个叙述物)。此外，在使用类似于“A、B和C中的至少一个”的用语的那些情况下，一般来说，这种构造意在本领域技术人员将理解该用语的意义(例如，“具有A、B和C中的至少一个的系统”将包括但不限于只具有A、只具有B、只具有C、一起具有A和B、一起具有A和C、一起具有B和C和/或一起具有A、B和C的系统，等等)。在使用类似于“A、B或C中的至少一个等等”的用语的那些情况下，一般来说，这种构造意在本领域技术人员将理解该用语的意义(例如，“具有A、B或C中的至少一个的系统”将包括但不限于只具有A、只具有B、只具有C、一起具有A和B、一起具有A和C、一起具有B和C和/或一起具有A、B和C的系统，等等)。本领域技术人员还将理解，不管在说明书、权利要求书或者附图中，呈现两个或更多个替代术语的几乎任何转折词和/或短语都应理解为考虑了包括术语之一、术语中任一个或两个术语的可能性。例如，短语“A或B”将理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。
另外，在根据马库什组描述本公开的特征的情况下，本领域的技术人员将认识到，本公开还根据马库什组的任何个别成员或成员的子组描述。
本领域技术人员将理解，出于任何和所有目的，例如就提供书面描述而言，本文公开的所有范围还涵盖任何可能的子范围和所有可能的子范围及其子范围的组合。任何列出的范围可被容易地认为是充分描述并且实现分解为至少相等的二分之一、三分之一、四分之一、五分之一、十分之一等等的相同范围。作为非限制性实例，本文中论述的每个范围可以容易地分解为下三分之一、中三分之一和上三分之一等等。本领域技术人员还将理解，诸如“高达”、“至少”等的所有语言包括叙述的数字，并且指可以随后如上所述分解成子范围的范围。最后，所属领域的技术人员将理解，范围包括每个个别成员。因此，例如，具有1-3个细胞的基团是指具有1、2或3个细胞的基团。类似地，具有1-5个细胞的基团是指具有1、2、3、4或5个细胞的基团，诸如此类。
如本文所使用，词语“约”是指数值量的变化，例如其可通过在现实世界中的测量或处理程序发生；通过这些程序中的无意误差发生；通过制造、来源或组合物或试剂的纯度的差异发生；等等。通常，如本文所使用的词语“约”意指比值或值的范围大或小所陈述值的1/10，例如，±10％。词语“约”还指所属领域的技术人员将认为是等效的变化，只要此类变化不涵盖现有技术实践的已知值。术语“约”之后的每个值或值范围还旨在涵盖所陈述的绝对值或值范围的实施例。无论是否由词语“约”修饰，权利要求书中陈述的定量值包括所叙述值的等同物，例如可能发生的但是所属领域的技术人员将认识到是等同物的此值的数值量的变化。
以上公开的各种特征和功能以及其替代方案可以组合成许多其它不同的系统或应用。本领域的技术人员随后可以进行各种目前不可预见或非预期的替代方案、修改、变化或改进，其中每一个也旨在由所公开的实施例涵盖。

Claims (22)

1.一种手术打孔工具，包括：
具有平坦底部的固定基座部件；
从所述平坦底部延伸的一个或多个柱；
一个或多个尖销，其中每个销与对应的柱相关联；以及
可移动致动部分，所述可移动致动部分被构造成将每个尖销从所述对应柱内的非致动位置移动到延伸穿过所述基座部件并且从所述对应柱伸出的致动位置。
2.根据权利要求1所述的手术打孔工具，其中所述基座部件还包括多个通道，所述多个通道被构造成接收和引导所述致动部分。
3.根据前述权利要求中任一项所述的手术打孔工具，还包括一个或多个装置，所述一个或多个装置被构造成提供反对所述致动部分朝所述基座部件移动的偏置力。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的手术打孔工具，还包括一个或多个装置，所述一个或多个装置被构造成提供促进所述致动部分朝所述基座部件移动的偏置力。
5.根据权利要求3-4中任一项所述的手术打孔工具，其中所述一个或多个装置包括至少一个弹簧。
6.根据权利要求4所述的手术打孔工具，还包括：
被构造成将所述尖销固定在所述非致动位置的卡扣；以及
释放机构，所述释放机构被构造成将所述卡扣从将所述尖销固定在所述非致动位置释放出来。
7.根据前述权利要求中任一项所述的手术打孔工具，其中所述致动部分包括冲击面，所述冲击面被构造成接收使所述尖销从所述非致动位置移动到所述致动位置的冲击力。
8.根据前述权利要求中任一项所述的手术打孔工具，其中所述一个或多个柱中的每一个从所述基座延伸出约2.5mm至约5mm。
9.根据前述权利要求中任一项所述的手术打孔工具，其中所述一个或多个柱中的每一个具有约5mm至约7.5mm的直径。
10.根据前述权利要求中任一项所述的手术打孔工具，其中所述一个或多个尖销中的每一个在所述致动位置从所述基座延伸出约15mm至约20mm。
11.根据前述权利要求中任一项所述的手术打孔工具，其中所述一个或多个尖销中的每一个具有约2.5mm至约4mm的直径。
12.根据前述权利要求中任一项所述的手术打孔工具，其中：
所述一个或多个尖销包括第一尖销和第二尖销；并且
所述第一尖销的中心距离所述第二尖销的中心约1.25英寸到约1.75英寸。
13.一种制备靶骨以接收切割引导件的方法，所述方法包括：
选择对应于所述切割引导件的打孔工具，其中所述打孔工具包括多个尖销和可移动致动部分，所述可移动致动部分被构造成将每个尖销从凹入位置移动到伸出位置；
切除所述靶骨；
相对于所切除的靶骨定位所述打孔工具；以及
启动所述打孔工具的所述致动部分以将所述多个尖销从所述凹入位置移动到所述伸出位置，由此多个尖销中的每一个在所述靶骨中形成孔。
14.根据权利要求13所述的方法，其中：
所述切割引导件包括第一安装销和第二安装销；
所述第一安装销与所述第二安装销间隔开一定距离；
所述多个尖销包括第一尖销和第二尖销；并且
所述第一尖销与所述第二尖销间隔开所述距离。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中切除所述靶骨包括：
使用机器人辅助切割工具在所述靶骨中形成远侧平面；以及
使用机器人辅助切割工具在所述远侧平面中形成多个凹坑，其中所述多个凹坑被构造成接收所述打孔工具。
16.根据权利要求15所述的方法，其中：
所述多个凹坑中的每一个具有凹入部分；并且
每一凹入部分呈圆柱形、立方体、矩形棱柱、三角形棱柱、棱锥和锥体中的一个的形状。
17.根据权利要求15所述的方法，其中定位所述打孔工具包括定位所述打孔工具使得所述多个尖销中的每一个与所述多个凹坑中的一个竖直对齐。
18.根据权利要求13-14中任一项所述的方法，其中：
切除所述靶骨包括使用机器人辅助切割工具在所述靶骨中形成远侧平面；并且
定位所述打孔工具包括用手术跟踪系统跟踪所述打孔工具的位置。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中启动所述打孔工具的所述致动部分包括将冲击力施加到所述打孔工具的所述致动部分。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中启动所述致动部分包括释放被构造成将所述致动部分保持在某位置的卡扣，使得所述多个尖销处于所述凹入位置。
21.一种制备靶骨以接收切割引导件的方法，所述方法包括：
由手术系统接收与所述靶骨一起使用的所述切割引导件的指示；
由所述手术系统确定与所述切割引导件相关联的打孔工具，其中所述打孔工具包括多个尖销和可移动致动部分，所述可移动致动部分被构造成将每个尖销从凹入位置移动到伸出位置；
由所述手术系统基于所述切割引导件确定要切除的靶骨的一部分；
由所述手术系统基于所确定的要切除靶骨的量和位置来控制切割装置的操作；
由所述手术系统引导所述打孔工具在所切除的靶骨内的放置；以及
由所述手术系统引导所述打孔工具的所述致动部分的致动。
22.根据权利要求21所述的方法，其中控制所述切割装置的操作包括：
由所述手术系统跟踪所述切割装置的位置和定向；以及
在所述切割工具靠近要切除的靶骨部分时由所述手术系统激活所述切割工具。
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