CN111182841A

CN111182841A - 组织穿透外科手术系统和方法

Info

Publication number: CN111182841A
Application number: CN201880064784.0A
Authority: CN
Inventors: P·A·奥布莱恩; M·F·G·杜佩隆; R·伯克; C·J·伊森; K·曼利; G·努南
Original assignee: University College Cork
Current assignee: University College Cork
Priority date: 2017-08-04
Filing date: 2018-08-03
Publication date: 2020-05-19
Also published as: AU2018310913A1; JP2020529276A; CA3072020A1; WO2019026049A2; JP7170340B2; US11426180B2; WO2019026049A3; EP3661431A2; US20210153876A1

Abstract

一种用于穿透组织和确定组织特性的外科手术系统。器械生成旋转扭矩，并且钻头工具主体在用以接合组织的近端与用以联接于器械的近端之间沿着轴线延伸。被操作性地联接到器械的发射器发射光。被操作性地联接到器械的检测器检测光。随着该器械旋转工具主体，工具主体内的发射光导将由发射器发射的光朝向组织传输。工具主体内的检测光导与发射光导间隔开，并随着器械旋转工具主体，将由组织反射的光朝向检测器传输。发射器沿轴线将光发射到发射光导中，并且当工具主体被联接到器械时，检测器检测从组织反射且横向于轴线离开检测光导的光。

Description

组织穿透外科手术系统和方法

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2017年8月4日提交的美国临时专利申请No.62/541,339的优先权和所有权益，该专利申请的全部公开内容被通过引用结合于此。

技术领域

本公开主要涉及外科手术系统，并且更具体地涉及组织穿透外科手术系统。本公开还涉及利用外科手术系统穿透组织，检测不同组织之间的边界以及确定组织特征的方法。

背景技术

常规的医疗和外科手术程序通常涉及外科手术工具的使用，这些外科手术工具允许外科医生接近并操纵外科手术部位。特别地，诸如骨钻之类的旋转器械经常与畸形矫正术结合使用，以解决多种肌肉骨骼状况，例如创伤、运动损伤、退行性疾病、关节重建等。这些类型的畸形矫正术通常涉及使用螺钉、板、杆、销钉和其它固定装置来稳定或关节连接骨头或骨段。为了确保固定装置的正确安装，外科医生通常在外科手术部位处的骨头上钻一个导向孔。对于导向孔和安装在其中的固定装置来说，不突出到骨头或相邻组织中超过最大深度通常很重要。

附肢和中轴骨骼的大多数骨头包括环绕相对多孔的内部骨层的相对紧凑而致密的外部骨层。因此，可在骨层之间以及通过诸如骨髓之类的其它类型的组织并在其间限定多个“组织边界”。为了确保在组织穿透过程中不穿过某些组织边界，外科医生通常必须依靠详细的解剖学知识、丰富的专业经验以及来自旋转器械的反馈(例如，触觉和/或听觉反馈)。但是，可能有反馈发生得太晚或太快，以致于外科医生在穿过该组织边界之前无法做出反应。

尽管常规的组织穿透外科手术系统对于它们的预期用途来说通常表现良好，但是在本领域中仍然需要解决上述缺陷中的一个或多个。

附图说明

由于在阅读了结合附图进行的后续描述之后，可以更好地理解本文公开的实施例的优点，因此将容易理解它们。

图1A是根据一个实施例的组织穿透外科手术系统的示意图，其被示出为工具主体与旋转器械间隔开，该旋转器械具有发射源和检测器组件。

图1B是根据另一实施例的组织穿透外科手术系统的示意图，其被示出为工具主体与旋转器械间隔开，该旋转器械具有检测器组件和光导，该光导从该旋转器械延伸到具有发射源的控制台。

图2A是图1A-1B的外科手术系统的控制器的局部示意图，其被示出为工具主体的远侧切削端穿透骨头。

图2B是图2A的控制器的另一示意图，其被示出为两个发射源将光轴向地发射到工具主体的近端中，所发射的光被示出为被沿着发射光导朝向该骨头引导，并且由该骨头反射的光被示出为被沿着检测光导远离骨头并朝向检测器组件引导。

图3A是图2A-2B的工具主体的切削端的示意图，其被示出为被邻近于骨头定位。

图3B是图3A的工具主体的另一示意图，其被示出为该切削端穿透皮质骨并接近松质骨。

图3C是图3A-3B的工具主体的另一示意图，其被示出为该切削端穿透松质骨并接近骨髓。

图3D是图3A-3C的工具主体的另一示意图，其被示出为在已穿过骨髓之后，该切削端穿透松质骨并且接近皮质骨。

图4是基于时间的曲线图，其描绘了由图2A-2B的控制器测量到的第一漫反射率值和第二漫反射率值，并且还描绘了基于漫反射率值生成的波形。

图5是图1B的外科手术系统的局部俯视图，其被示出为工具主体被操作性地联接至旋转器械。

图6是沿图5的线6-6截取的截面图。

图7是在图6的标记7处截取的局部截面图。

图8是在图6的标记8处截取的局部截面图。

图9是在图6的标记9处截取的局部截面图。

图10是图5-9的外科手术系统的局部分解透视图，该旋转器械被示出为具有与机头和工具主体间隔开的卡盘组件。

图11是图10的卡盘组件的分解透视图。

图12是局部分解透视图，其描绘了图10的机头的多个部分并且示出了被配置成光学地联接到发射源的调节机构的细节。

图13是图1A-1B的工具主体的左侧视图，其中，工具主体的内部结构特征被以虚线示出。

图14是在图13的标记14处截取的工具主体的一部分的放大图。

图15是在图13的标记15处截取的工具主体的一部分的放大图。

图16是在图13的标记16处截取的工具主体的一部分的放大图。

图17是在图13的标记17处截取的工具主体的一部分的放大图。

图18是图13-17的工具主体的局部前视图。

图19是图13-18的工具主体的远侧切削端的局部透视图。

图20A是透视图，其示出了相对于图1A-2B的检测器组件处于一个旋转位置中的图1A-1B和图13-19的工具主体，其中，机头的一部分被以点划线示出。

图20B是图20B的工具主体和检测器组件的另一透视图，其被示出为工具主体被相对于检测器组件放置在另一旋转位置中。

图21是根据另一实施例的工具主体的分解透视图。

图22是工具主体的阶梯状远侧切削端的局部示意图。

具体实施方式

参考附图，其中遍及若干视图，相同的附图标记被用于指代相同的结构，示出了用于穿透工件的材料并用于确定材料特性的系统。更具体地，在图1A-2B中以30示出了外科手术系统30，其用于穿透患者的组织T并用于确定组织T的特性。因此，在本文所述的图示实施例中，工件被实现为患者解剖结构的一个或多个部分，并且材料被实现为一种或多种类型的组织T。因此，除非另有说明，否则词语“工件”和“患者”在本文中可以互换的方式使用，并且词语“材料”和“组织”同样在本文中可以互换的方式使用。

外科手术系统30通常包括用于生成旋转扭矩的旋转器械32和被配置成可释放地联接到旋转器械32并接合组织T的工具主体34。在本文所示的代表性实施例中，旋转器械32被实现为具有经由可充电电池38供电的马达36的手持钻机，并且工具主体34被实现为或以其它方式形成“钻头”的一部分，该“钻头”沿着轴线AX在用以接合组织T的“切削”远端34A与用以可释放地联接于旋转器械32的“联接”近端34B之间延伸。因此，电池38中存储的电能为马达36供电，该马达36继而生成旋转扭矩以旋转该工具主体34。虽然本文所示的旋转器械32的代表性实施例采用了“车载”马达36和可拆卸电池38，如将通过下文的后续描述而了解到的那样，外科手术系统30的部件可被以多种不同的方式进行配置，例如将旋转器械32拴系于外部控制台40(参见图1B)，该外部控制台40被配置成控制旋转器械，为旋转器械供电或将旋转扭矩传送到旋转器械，以利于在使用过程中旋转该工具主体34。相反，旋转器械32可被实现为具有嵌入式电子器件的便携式的不插电(untethered)的器械(参见图1A)，并且可经由多种类型的无线通信而与其它外部系统、控制器等进行通信。可以设想到其它配置。

本领域技术人员将理解的是，许多不同类型的医疗和外科手术过程通常涉及在组织T中“钻孔”，该组织T包括骨头组织、骨髓组织、肌肉组织、神经组织、上皮组织和/或结缔组织。例如，重建畸形矫正术通常需要诸如外科医生之类的使用者在与断裂相邻的多个位置处在断骨中钻孔，以安装有助于稳定该断裂并促进骨头重新论证(redemonstration)的固定装置。在此，需要穿透骨头的具体深度可根据所钻孔的骨头的类型、断裂的位置、患者的解剖结构、断裂的严重程度、所使用的固定装置的类型、所实施的手术的类型等而具有很大不同。作为说明性示例，图3A-3D在截面图中示意性地描绘了工具主体34的接近和/或穿透骨头的远端34A。所示骨头包括四种不同类型的组织T：骨膜TP的外层、一层相对致密的皮质骨TC、一层相对多孔的(或“罗眼状的”)松质骨TT和骨髓TM。图3A示出了邻近于骨膜TP的外层定位的远端34A。图3B示出了穿过骨膜TP并刺入到皮质骨TC中的远端34A。图3C示出了穿过皮质骨TC并刺入到松质骨TT中而进一步刺入该骨头中的远端34A。图3D示出了穿过骨髓TM并刺入到骨髓TM下方的松质骨TT中而更为进一步地刺入到该骨头中的远端34A。

如从下面的后续描述中将会理解到的是，图3A-3D中所示的工具主体34的远端34A的相应位置(或“钻孔深度”)表明，钻入组织T(例如骨头)的过程通常涉及依次穿透不同类型的组织T。因此，根据所实施的手术的类型，穿透到所需深度可能涉及横穿限定在相邻的多种类型的组织T之间的一个或多个组织边界TB。作为说明，图3A-3D中描绘的骨头限定了六个边界：限定在骨膜TP和皮质骨TC之间的第一边界B1、限定在骨皮质TC和松质骨TT之间的第二边界B2、限定在松质骨TT与骨髓TM之间的第三边界B3、限定在骨髓TM和松质骨TT之间的第四边界B4、限定在松质骨TT和皮质骨TC之间的第五边界B5以及限定在皮质骨TC和骨膜TP之间的第六边界B6。应当理解，不同的患者可能具有不同的骨头/解剖结构，因此，对于某些患者而言，在某些解剖部位处可能不存在组织边界TB和/或多种类型的组织T。

由于图3A-3D中描绘的每种类型的组织T具有不同的物理和材料特性，例如硬度、厚度等，每种特性在不同的患者之间可能不同，因此常规的外科手术钻孔通常需要外科医生调整施加在旋转器械32上以补偿相邻的多种类型的组织T的差异的轴向力的大小。作为说明，与穿过松质骨TT进行钻孔(参见图3C)相比，穿过皮质骨TC进行钻孔(参见图3B)通常需要更大的轴向力。换句话说，如果在依次钻穿皮质骨TC和骨膜TP的同时施加在旋转器械32上的轴向力的大小是基本上恒定的，则在越过限定在皮质骨TC和骨膜TP之间的第六边界B6之后，工具主体34的远端34A会快速地且以不受控制的方式穿过骨膜TP“猛插”到相邻的组织T、肌肉等中。将会理解的是，这种不希望出现的效果可能导致组织T受损，并会使其余的外科手术过程复杂化。

本公开的外科手术系统30被配置成通过确定可用于在组织T穿透期间来预见到组织边界TB的组织T的特征，并且在一些实施例中，在到达该组织边界TB之前中断穿透来帮助防止穿透过多的组织T，例如防止上述“猛插”效应。为此，并且如在图1A-2B中示意性地描绘的那样，外科手术系统30采用主要以42表示的控制器、发射源44和检测器组件46来确定组织T特性并基于漫反射原理检测正在接近的组织边界TB，如下文更为详细描述的那样。

控制器42被设置为例如通过有线或无线通信而与旋转器械32、发射源44和检测器组件46通信，并且被配置成尤其驱动发射源44并记录来自检测器组件46的数据。发射源44被操作性地联接于旋转器械32以朝向组织T发射光，并且检测器组件46被操作性地联接于旋转器械32以检测由组织T反射的光。

为了在使用过程中邻近于组织T发射和收集光，发射光导48和检测光导50被分别支撑在用以传输光的工具主体34内(参见图2A；光导被以虚线描绘)。更具体地，发射光导48被布置成当工具主体34被联接至旋转器械32时，与发射源44光学通信，以便随着旋转器械32于使用过程中旋转工具主体34，将由发射源44发射的光穿过发射光导48并朝向组织T传输。检测光导50与发射光导48间隔开并且被设置成当将工具主体34联接至旋转器械32时与检测器组件46光学通信，以便随着旋转器械32旋转工具主体34，将由组织T反射的光穿过检测光导50并朝向检测器组件46传输。在一些实施例中，工具主体34、发射光导48和检测光导50配合以限定可以可释放的方式附接到卡盘组件58的钻头，如在下面更为详细描述的那样。

如在图2B中最佳描绘的那样，发射源44沿由工具主体34限定的轴线AX将光发射到发射光导48中，并且检测器组件46被布置成检测已经从组织T反射的并且当将工具主体34联接于旋转器械32时，在横向于轴线AX的方向上离开检测光导50的光。换句话说，由发射源44发射的在图2B中以虚线表示的光邻近于近端34B进入发射光导48，并且邻近于远端34A离开发射光导48以被组织T吸收和反射。相反，由组织T反射的在图2B中由点线表示的光邻近于远端34A进入检测光导50，并沿横向于轴线AX的方向离开检测光导50，以便由设置在介于远端34A与近端34B之间的一位置处的检测器组件46检测到。将理解的是，如在本文中所使用的术语“横向”是指“横越”轴线AX或与之“相交”。该配置允许在工具主体34的旋转期间沿着分开的光导48、50“连续地”发射和检测光，以基于在穿透期间由组织T吸收和反射的光量的预定变化检测正在接近的组织边界TB。

如从下面的后续描述中将会理解的那样，虽然所示的外科手术系统30被配置成使得光于近端34B处大致“平行于”轴线AX或以其它方式与轴线AX对准地进入发射光导48，并且大致沿轴线AX行进到远端34A；并且所反射的光在远端34A处进入检测光导50，并且在大致沿“垂直于”或以其它方式横向于轴线AX的方向离开检测光导50之前，大致沿着轴线AX朝向近端34B行进，但是可同样通过互换该布置结构实现上面提到且在下面更详细描述的“连续”检测和发射。更具体地，光可被横向于轴线AX发射并朝向远端34A行进，并且所反射的光可从远端34A行进到近端34B。可设想到其它配置。作为非限制性示例，在一些实施例中，光可被在近端34B处基本平行于轴线AX(未示出)射入和射出该工具主体34，或者光可被横向于轴线AX(未示出)射入和射出该工具主体。因此，下面将更详细地描述旋转器械32、工具主体34、控制器42、发射源44、检测器组件46、发射光导48和检测光导50的多个部件、结构和特征。

现在参考图1A-6，如上所述，旋转器械32用于实施外科手术过程，并经由电池38供电。虽然本文所示的旋转器械32的代表性实施例被实现为手持式外科手术钻，但将会理解的是，旋转器械32可以是足以穿透组织T的任何适用的类型或配置。除了马达36之外，旋转器械32通常包括机头主体52、机头控制器54、输入控制器56和卡盘组件58。下面将更详细地描述这些部件中的每一个。

旋转器械32的机头主体52具有大致呈手枪形的轮廓，其具有握把60和底座62。握把60被配置成例如通过便于电气接触的(未示出，但是在相关技术中通常是已知的)相应成形的互锁连接器可释放地固定到可充电电池38(参见图1A-1B)。机头主体52的底座62支撑卡盘组件58，该卡盘组件58又被配置成可释放地固定工具主体34，如下面更详细地描述的那样。由于在整个附图中大致示出了旋转器械32，因此本领域技术人员将理解的是，可调节握把60和/或底座62的具体配置以适应不同的应用、不同类型的旋转器械32等。

旋转器械32的机头控制器54被设置成与马达36、电池38和输入控制器56(参见图1A-2B)电气连通，并且通常被配置成促进马达36响应于输入控制器56的致动的运转。如通过下面的后续描述将会理解的那样，在一些实施例中，机头控制器54还可用作或以其它方式限定外科手术系统30的控制器42，并且因此，也可被设置成与发射源44和检测器组件46电气连通。相反，机头控制器54和控制器42可被实现为彼此通信的分立部件。可以考虑其它配置。

机头控制器54和旋转器械32的输入控制器56均被支撑在机头主体52内。输入控制器56具有扳机式配置，响应于外科医生的致动，并与机头控制器54通信。马达36以扭矩转换关系与卡盘组件58联接，并且被配置成响应于从机头控制器54接收到的指令、信号等选择性地生成旋转扭矩。由此，当外科医生致动输入控制器56操作旋转器械32时，机头控制器54将电力从电池38引导至马达36，该马达36继而驱动卡盘组件58以旋转工具主体34。本领域技术人员将理解的是，马达36、电池38、机头主体52、机头控制器54、输入控制器56和卡盘组件58可被分别以足以促进旋转工具主体34的多种不同的方式配置。

如图1A中示意性地描绘的那样，发射源44和检测器组件46(例如电池38)可以有利地被联接至旋转器械32的底座62以同时运动，使得外科手术系统30可被以“不插电的”配置加以使用。然而，在其它实施例中，发射源44和/或检测器组件46可被以不同的方式放置、定位或以其它方式布置，例如，发射源44被联接至控制台40(参见图1B)。在此，旋转器械32与控制台40之间的光学通信可被利用通常以64表示的光学系绳来实现，该光学系绳64被配置成当将工具主体34联接到旋转器械32时，将来自发射源44的光引导到工具主体34的发射光导48中。因此，本领域技术人员将认识到，发射源44和/或检测器组件46可被以足以促进与光导48、50的光学通信的任何适当的方式布置、放置或以其它方式配置。

如上所述，发射源44被配置成发射沿着发射光导48朝向组织T引导的光，以在穿透期间检测组织边界TB。如将从下面的后续描述中了解到的那样，外科手术系统30被配置成将所发射的光引导到位于工具主体34的远端34A的“前方”或“下方”的组织T中，以在组织T穿透期间经由漫反射检测正在接近的组织边界TB。在此，由于不同类型的组织T以不同的方式吸收和反射光，并且由于所发射的光被引导到远端34A之外，因此由组织T反射和吸收的光量根据正被穿透的组织T的类型而变化，并且因此，随着远端34A接近组织边界TB而变化。

现在参考图2A-2B，发射源44的代表性实施例包括第一光源66A和第二光源66B。第一光源66A被布置成将处于第一波长W1的光发射到发射光导48中。第二光源66B同样被布置成将光发射到发射光导48中，但是发射处于与第一波长W1不同的第二波长W2的光。在一些实施例中，光源66A、66B包括相应的发光二极管(LED)，其由控制器42驱动以发光。然而，将会了解到的是，光源66A、66B可以是足以发射被引导到发射光导48中的光的任何适用的类型或配置。作为非限制性示例，可以设想到的是，光源66A、66B可各自包括相应的激光二极管，可由具有共用阳极或阴极的单个LED等限定。同样，尽管在图2A-2B中示意性地示出了两个LED，但是将会理解的是，光源66A、66B可具有不同的类型、配置、尺寸等，并且可采用单个光源来发射处于一个波长或不同波长的光。此外，光源66A、66B可被以足以将光发射到发射光导48中的任何适当的方式布置或以其它方式支撑。

继续参考图2A-2B，控制器42被设置成与光源66A、66B电气连通，并且被配置成异步地驱动光源66A、66B，以将处于第一波长W1的光和处于第二波长W2的光相继发射到发射光导48中。为此，在所示实施例中，控制器42被配置成产生第一方波S1以驱动第一光源66A，并且产生第二方波S2以驱动第二光源66B。在所示实施例中，第一方波S1和第二方波S2彼此异相180度，以便于异步地驱动光源66A、66B。然而，将会理解的是，控制器42可以不同的方式驱动第一方波S1和第二方波S2。控制器42被配置成以发射频率FE驱动光源66A、66B，并且随着时间的流逝以检测频率FD从检测器组件46获取检测数据DD，该检测频率FD是所示实施例中的发射频率FE的两倍。然而，将会理解的是，控制器42可被配置成以适合于促进“连续”检测的任何频率从检测器组件46收集检测数据DD。换句话说，每当光源66A、66B中的一个发射光，控制器42就获取检测数据DD。在一些实施例中，发射频率FE大于100Hz。可以考虑其它配置。

如通过下面对图4的后续描述将了解到的那样，光源66A、66B被配置成发出处于不同波长W1、W2的光，以尤其帮助确保可靠地检测多个不同的组织边界TB。为此，在一个实施例中，第一波长W1和第二波长W2各自介于400nm与1000nm之间。在一个实施例中，第一波长W1介于630nm与670nm之间，并且第二波长介于700nm与900nm之间。然而，可以考虑其它配置，并且可以从可见光谱、近红外光谱和/或红外光谱中的任何适用的波长中选择第一波长W1和/或第二波长W2以适应不同的应用需求。有利地，光源66A、66B被配置或被以其它方式驱动，使得第一波长W1可被血液吸收且第二波长W2与第一波长W1相比可被血液较少地吸收。

现在参考图2A-2B和图4，如上所述，每当分别驱动光源66A、66B中的一个时，检测器组件46就检测所反射的光并且控制器42就从检测器组件46获取检测数据DD。这里，检测数据DD包括在驱动第一光源66A时利用检测器组件46测量到的第一漫反射率值D1和在驱动第二光源66B时利用检测器组件46测量到的第二漫反射率值D2。控制器42还被配置成基于第一漫反射率值D1和第二漫反射率值D2生成波形WF，以在组织T穿透期间随时间的流逝关于组织边界阈值TH分析波形WF，并作为响应来控制该旋转器械32。

在图4中，示出了基于时间的曲线图，该曲线图描绘了表示在组织T穿透期间收集到的第一漫反射率值D1和第二漫反射率值D2的线以及表示基于其生成的波形WF的线。为此，在所示实施例中，将波形WF生成为漫反射率值D1、D2的标准化比率。换句话说，控制器42被配置成至少部分地基于第一漫反射率值D1与第二漫反射率值D2的比率来生成波形WF，并且控制器42被配置成针对比率随时间的流逝发生的变化分析在组织穿透期间的波形WF。因此，在图4中，水平轴是时间，竖直轴是任意的，以帮助清楚地描绘随时间的流逝测量到的漫反射率值D1、D2中的每一个的检测数据DD和波形WF。

将会了解到的是，在生成波形WF时利用该比率使漫反射率值D1、D2标准化，以有效地滤除掉存在于两个漫反射率值D1、D2中的某些类型的“信号噪声”。然而，取决于外科手术系统30的特定配置、检测器组件46的精度、检测和发射的速度等，可以设想到的是，控制器42可同时监测一个或两个漫反射率值D1、D2的变化，以检测正在接近的组织边界TB，或者可过滤噪声和/或以不同的方式比较漫反射率值D1、D2。

图4中所示的曲线图表示由组织边界TB描绘的两种不同类型的组织T的顺序穿透，以表明可如何将波形WF随时间的流逝以及关于组织边界阈值TH的变化用于在穿过组织边界TB之前中断或以其它方式控制穿透。这里，在图4中，随着组织T随时间的流逝被穿透以及当组织边界TB接近时，波形WF开始相对于竖直轴发生明显变化。因此，一旦已经超过组织边界阈值TH，控制器42就可作为响应中断旋转器械32的运转。为此，控制器42可与机头控制器54和/或与外科手术系统30的其它部件通信，以促进中断该穿透。作为非限制性说明，一旦已经超过组织边界阈值TH，控制器42就可打开被设置在电池38与马达36之间的继电器。将会理解的是，控制器42可被配置成完全停止工具主体34的旋转、减缓旋转和/或提供不同类型的反馈，例如通过点亮视觉指示器、发出声音警报、产生触觉反馈等。可以考虑其它配置。除了中断工具主体34的旋转之外，在一些实施例中，控制器42被配置成在组织T穿透骨头期间确定患者特定的骨特征BC(或“工件特定的材料特征”)。作为非限制性说明，患者特定的骨特性BC可包括一种或多种类型的组织T的骨密度、硬度、厚度或其它物理参数。在一些实施例中，检测数据DD和/或诸如电子病历(EMR)数据之类的预定的患者数据还可由控制器42用来确定患者特定的骨特征BC，调整波形WF和/或控制旋转器械32。这里，例如，控制器42可确定特定患者的骨头具有某一硬度值，该硬度值用于确定或以其它方式限定患者特定的骨特征BC以控制该外科手术系统30。

现在参考图5-22，如上所述，工具主体34与发射光导48和检测光导50协作以促进光的“连续”检测和发射。为此，并且如图7、图16和图20A-20B中最佳所示，工具主体34限定凹部68，该凹部68横向于轴线AX形成并被布置在远端34A与近端34B之间，其中，检测光导50沿着工具主体34从远端34A延伸到凹部68。反射器表面70位于凹部68内，以将沿着检测光导50传输的光朝向检测器组件46引导(同样参见图2B)。如下面更为详细描述的那样，检测器组件46包括支撑多个光电检测器元件74的支架72，每个光电检测器元件74均被布置成面向轴线AX，以便当旋转器械32在使用过程中旋转该工具主体34时检测从反射器表面70引导的光(参见图20A-20B)。在本文中所示的代表性实施例中，检测器组件46设置有二十个光电检测器元件74，如上所述，每个光电检测器元件74均被配置成感测光并将检测数据DD传送至控制器42。在一些实施例中，光电检测器元件74被支撑在共用“带”或柔性导管(未示出)上，该“带”或柔性导管继而被联接到支架72并且被导线连接于控制器42。

支架72具有大致呈环形的配置并且有助于使光电检测器元件74相对于轴线AX和卡盘组件58对准。由于检测器组件46由(如下面更为详细描述的那样，可从机头主体52的底座62上移除的)卡盘组件58支撑，因此旋转器械32可包括电气触头(未示出)，以促进检测器组件46、控制器42和/或机头控制器54之间的可移除电气连接。虽然在所示实施例中每个光电检测器元件74均由支架72支撑，但是可以设想到的是，所有或一些光电检测器元件74可在不使用支架72的情况下被操作性地联接到旋转器械32的一个或多个部分。此外，本领域技术人员将理解的是，光电检测器元件74可具有多种不同的类型和/或配置，并可被根据应用需求以不同的方式布置、支撑、布线和/或对准，并且可以适用的方式与控制器42通信。此外，在某些实施例中，检测器组件46的光电检测器元件74被布置为使得检测器组件46能够“连续”检测，这意味着在穿透期间由组织T反射的光可在工具主体34随着穿透组织T而旋转期间始终由光电检测器元件74中的一个或多个检测到。此外，虽然二十个光电检测器元件74被围绕支架72径向地布置以实现“连续”检测，但将会了解的是，在某些应用中，可在使用或不使用离散支架72的情况下使用不同数量的光电检测器元件74，如上所述。作为说明性示例，一个或多个光电检测器元件74可形成“积分球”布置结构的一部分，该“积分球”布置结构例如通过施加在卡盘组件58的一部分内的高反射性白色涂层来限定，以反射离开检测光导50直到被光电检测器元件74捕获的光(积分球布置结构未示出)。

如在图7和图16中所示，反射器表面70由反射器元件76(例如反射镜)限定，该反射器元件76被支撑在工具主体34的凹部68内。但是，将会理解的是，在某些实施例中(例如在反射器表面70由工具主体34本身的一部分限定的情况下)可以省略掉反射器元件76。在图21中所示的实施例中，插件78限定了反射器表面70并且例如利用压配合配置结构、粘合剂等固定至工具主体34。在与插件78相邻的位置处，设置盖80，以帮助促进为光导48、50布线以及组装该工具主体34。在一些实施例中，反射器表面70可由工具主体34的一个或多个部分上的涂层限定。

在一些实施例中，工具主体34包括柄构件82和钻头构件84。柄构件82可被可释放地附接于卡盘组件58并且被固定于钻头构件84以同时旋转。如将从下面的后续描述中理解到的是，该配置有助于促进工具主体34的制造。然而，作为选择，工具主体34可被配置成一体的一件式部件。在图13-20B中所描绘的实施例中，柄构件82被经由压配合、过盈配合或类似的制造工艺固定至钻头构件84。然而，将理解的是，柄构件82可被以多种不同的方式(例如利用焊接、粘合剂、互锁结构特征等)固定到钻头构件84。在图21中所示的实施例中，设置有夹子86，以将柄构件82保持于钻头构件84并阻止两者间的旋转和轴向运动。为此，如由图21所示，夹子86被配置成抵靠在形成于钻头构件84中的肩部88上，并且延伸到形成在柄构件82中的凹穴90中。可以设想其它配置。

工具主体34的钻头构件84限定了与远端34A相邻的切削区域92，该切削区域92被成形或以其它方式配置成促进组织T穿透。更具体地，工具主体34包括沿着切削区域92形成的凹槽94，以将组织T远离工具主体34的远端34A并且朝向工具主体34的近端34B引导。将会理解的是，凹槽94可被以多种不同的方式实施，例如实施有不同的间距和形状(将图21与图20A-20B相比较)。如在图19中最佳描绘的那样，工具主体34的切削区域92限定了主钻直径96并且包括以限定在刀具主体34的远端34A与切削区域92的限定主钻直径96的该部分之间的末端角度100(同样参见图22)形成的切削末端面98。在一个实施例中，末端角度100介于90度与130度之间。然而，可以设想到其它配置。

为了便于可释放地附接到卡盘组件58，图7、图10和图13-20B中描绘的工具主体34的代表性实施例设置有帮助保持工具主体34相对于卡盘组件58轴向地且可旋转地固定的平坦部102和浮凸部104。本领域技术人员将会将其视为常规的外科手术卡盘配置，并且将了解到的是，卡盘组件58可以多种不同的方式来配置。现在参考图6-11，旋转器械32包括通常以106表示的轴承，以帮助促进工具主体34在使用过程中围绕轴线AX的旋转。如在图11中最佳描绘的那样，卡盘组件58包括卡盘壳体108，该卡盘壳体108在一对轴承106之间支撑检测器组件46的支架72。如将从下面的后续描述中了解到的那样，这种布置帮助减小振动并减小工具主体34在旋转期间的横向移动，这又有助于在检测器组件46收集检测数据DD时减少噪声。卡盘壳体108适于可移除地附接到机头主体52的底座62，并且通常支撑卡盘套筒110、筒夹112和帽114，它们被在将多种垫片116、偏压元件118和保持夹120插置在某些部件之间的情况下彼此联接，以确保适当地保持该工具主体34并减少噪音、振动、公差叠加等。

卡盘套筒110由轴承106可旋转地支撑，以便相对于卡盘壳体108旋转。当工具主体34被联接至旋转器械32时，卡盘套筒110与工具主体34同时旋转。如在图7中所示的实施例中所最佳描绘的那样，卡盘套筒110限定套筒孔122，该套筒孔122被定位成当工具主体34被联接至旋转器械32时被邻近于工具主体34的反射器表面70设置。这里，由于离开检测光导50的光被反射器表面70横向于轴线AX引导，并且由于卡盘套筒110和工具主体34同时旋转，因此设置套筒孔122以允许沿着检测光导50传输的光在旋转器械32旋转该工具主体34时，穿过套筒孔122并朝向检测器组件46行进。

在图7中所示的实施例中，套筒窗口元件124被设置在套筒孔122中，以便尤其在卡盘套筒110的内部与检测器组件46之间(在卡盘壳体108的内部)等形成物理屏障。在此，套筒窗口元件124可被配置成聚焦、引导或以其它方式允许光从反射器表面70朝向检测器组件46传输。由于检测器组件46被布置成在使用过程中与工具主体34的凹部68和反射器表面70相邻，并且由于检测器组件46的每个光电检测器元件74都面向轴线AX，因此无论工具主体34的旋转位置如何，通过套筒孔122的光都被朝向检测器组件46引导(参见图20A-20B)，并且当旋转器械32旋转该工具主体34时，多个光电检测器元件74中的至少一个检测由组织T反射的光。

如上所述，卡盘套筒110和工具主体34在运转时同时旋转。为了确保套筒孔122和反射器表面70被正确地对准以将光朝向检测器组件46传输，卡盘组件58还包括柱塞126和分度器128(参见图6和图11)。柱塞126和分度器128由筒夹112支撑，该筒夹112又被以销钉连接或以其它方式附接到帽114并且有助于保持住该柱塞126。柱塞126被成形为接合工具主体34的浮凸部104以使工具主体34相对于卡盘套筒110轴向对准。分度器128被配置成邻接工具主体34的平坦部102，以便在使用期间抑制住工具主体34与卡盘套筒110之间的相对旋转。然而，本领域技术人员将理解的是，旋转器械32可采用卡盘组件58，该卡盘组件58被配置成以多种不同的方式可释放地固定该工具主体34以旋转，并且因此可包括不同的布置结构和/或多种类型的部件。

如上所述，继续参考图5-22，发射光导48和检测光导50被分别支撑在工具主体34内并且被彼此间隔开。为此，工具主体34限定了在其中容置有发射光导48的发射通道130以及在其中容置有检测光导50的检测通道132(参见图2A)。在所示实施例中，发射通道130和检测通道132被形成在工具主体34的钻头构件84中，被围绕轴线AX彼此间隔开，并且被邻近于远端34A围绕轴线AX螺旋地布置。因此，发射光导48和检测光导50同样被邻近于远端34A围绕轴线AX螺旋地布置。为了便于工具主体34的制造和光导48、50的布线，在工具主体34的柄构件82中限定了共用通道134，使得光导48、50离开相应的通道130、132并进入共用通道134，在共用通道134处，工具主体34从钻头构件84过渡到柄构件82(参见图7和图16)。但是，将会理解的是，光导48、50可以多种不同的方式被引导通过工具主体34、由工具主体34引导或以其它方式由工具主体34支撑。

如图13-14中所述，发射通道130和检测通道132各自穿过工具主体34的切削区域92朝向切削末端面98延伸。光导48、50中的每一个的至少一部分同样延伸穿过工具主体34的邻近于远端34A围绕轴线AX螺旋形地布置的切削区域92。如图19中所描绘的那样，发射光导48朝向工具主体34的远端34A延伸到与切削末端面98相邻的远侧发射光导端136，以便将发射光导48定位成在穿透期间与组织T接触。同样，检测光导50朝向工具主体34的远端34A延伸到与切削末端面98相邻的远侧检测光导端138，以便将检测光导50定位成在穿透期间与组织T接触。

在图19中所示的实施例中，远侧发射光导端136和远侧检测光导端138与切削末端面98间隔开。在该实施例中，设置有在切削末端面98与远侧发射光导端136之间延伸以将光从发射光导38引导到切削末端面98的发射元件140。同样，设置有在切削末端面与远侧检测光导端138之间延伸以将朝向切削末端面98反射的光朝向检测光导50引导的检测元件142。该配置有助于防止光导48、50在使用期间的磨损。发射元件140和检测元件142可被实现为相对硬的透明的“窗口”，以防止光导48、50磨损，并且促进光始终如一地传输进出相应的光导48、50。然而，将会理解的是，发射元件140和检测元件142可被以多种不同的方式配置，并且如上所述，在一些实施例中可延伸到切削末端面98。

在本文中所示的代表性实施例中，光导48、50被实现为由塑料、玻璃或适合于促进光学传输的其它材料制成的“光纤光缆”。发射光导48、检测光导50、发射通道130和检测通道132各自具有大致呈圆柱形的轮廓。但是，可以考虑其它轮廓。如图18中利用点划线所描绘的那样，发射通道130限定了发射通道直径144，而检测通道132限定了检测通道直径146，这两个直径中的每一个都小于工具主体34的主要钻头直径96的25％。在所示实施例中，发射通道直径144和检测通道直径146彼此相等，并且发射通道130和检测通道132以通道分隔距离147彼此间隔开，该通道分隔距离147大于发射通道直径144。然而，可以设想到其它配置。

如在图22的示意图中利用点划线所描绘的那样，工具主体34的主要钻头直径96可沿着切削区域92延伸到切削末端面98或工具主体34可包括邻近于远端34A的通常以148表示的阶梯状区域。在此，光导48、50各自在前端34A处穿过该阶梯状区域朝向切削末端面98延伸。如上所述，通过将切削末端面98确定尺寸为小于主要钻头直径96的阶梯状区域直径150，该阶梯状区域148有助于防止在组织T穿透期间减轻“猛插”的某些情况。由此，在无法轻易避免“猛插”的情况下，例如在组织T的某些层是相对薄的情况下，组织T的损坏会被大大减少，这是因为阶梯状区域148将在切削区域92的主要钻头直径96之前穿透。

如上文结合对于图1A-1B的描述所指出的那样，发射源44可被集成在机头主体52(参见图1A)内，或者可在控制台40中实现，其中，光学系绳64在控制台40与机头主体52之间延伸(参见图1B)。在图5-12中所描绘的代表性实施例中，所示外科手术系统30被配置成用于与在控制台40中实现的外部发射源44一起使用，并且采用通常以152表示的光学接口以便于连接至光学系绳64。如在图6、图8-9和图12中最佳描绘的那样，光学接口152可包括套管154、安装件156、末端构件158、一个或多个密封件160和发射透镜162。这里，光学系绳64被实现为在控制台40(参见图1B)中的发射源44之间延伸到发射透镜162的光纤光缆。发射透镜162将所发射的光朝向发射光导48引导，如在下文中更为详细描述的那样，并且由末端构件158支撑，该末端构件158又操作性地附接到套管154的一端。套管154具有细长的大致呈管状的配置，被操作性地附接到安装件156，并在其中容置光学系绳64。

光学接口152的部件大致形成光学系绳64的一部分，并被配置成在所示实施例中被从机头主体52上移除。为此，旋转器械32包括挡板164、一个或多个衬套166、接收器168和一个或多个密封件160，以便于光学接口152的可释放附接。挡板164被操作性地附接至机头主体52的底座62并且支撑着衬套166中的一个，该衬套166继而支撑接收器168(参见图9)。接收器168同样具有管状轮廓以接收光学接口152，并且在将工具主体34固定于旋转器械32时沿轴线AX从挡板164穿过马达36并朝向工具主体34的近端34B延伸。另一衬套166支撑接收器168的另一端，并帮助保持接收器168相对于轴线AX对准。如下面更为详细描述的那样，发射透镜162被配置成将从发射源44发射的光朝向工具主体引导。如上所述，由于旋转器械32可被以多种不同的方式配置，因此将同样了解到的是，光学接口152可被以足以将光从发射源44引导至工具主体34的近端34B的多种不同的方式配置。

现在参考图8，如上所述，发射光导48被布置成接收来自发射源44的光，并将光沿着工具主体34的长度从近端34B朝向远端34A引导。为此，可将钻头透镜170固定到工具主体34的近端34B，以将从发射源44发射的光耦合到发射光导48中。更具体地，钻头透镜170和发射透镜162配合以促进光在光学接口152与发射光导48之间的传输。在此，将会理解的是，在工具主体34的旋转期间，钻头透镜170和发射透镜162之间的光学通信可“连续地”发生，这是因为钻头透镜170和发射透镜162均与轴线AX对准。在整个附图中示出的代表性实施例中，发射透镜162和钻头透镜170均具有大致呈球形的轮廓。然而，可以设想其它配置。在一个实施例中，在旋转器械32和发射透镜162之间插置有主要以172表示的调节机构，以便在钻头透镜170与发射透镜162之间保持可选择的距离174(参见图8)。为此，调节机构172包括一对紧固件176，这对紧固件176被布置成邻近于挠曲引导套环178与套管154螺纹接合。紧固件176可沿套管154以“卡紧螺母”布置结构移动以将套管154相对于安装件156轴向定位，该安装件156又调节该可选择的距离174。该配置允许微调或以其它方式调节钻头透镜170与发射透镜162之间的光耦合，以适合不同的应用。然而，将理解的是，可以多种不同的方式来配置调整机构172，或者对于某些应用，可省略掉该调整机构。

根据一个实施例，本文公开了一种使用上述外科手术系统30的方法。该方法包括：驱动旋转器械32穿透组织T；朝向组织T发射处于第一波长W1的光；在发射处于第一波长W1的光的同时，测量由组织T以第一漫反射率值D1反射的光；朝向组织T发射处于第二波长W2的光；在发射处于第二波长W2的光的同时，测量由组织T以第二漫反射率值D2反射的光；基于第一漫反射率值D1和第二漫反射率值D2生成波形WF；在组织T穿透期间关于组织边界阈值TH分析波形WF；以及响应于波形WF关于组织边界阈值TH的变化来控制该旋转器械32。

本文公开了使用上述外科手术系统30的另一种方法。在此，该方法包括：驱动旋转器械32穿透到组织T中；利用发射源44朝向组织T发射光；利用检测器组件46以漫反射率值D1测量由组织T反射的光；经由控制器基于漫反射率值D1生成波形WF；基于漫反射值确定患者特定的骨特征BC；基于患者特定的骨特征BC调整波形WF；在穿透期间关于组织边界阈值TH分析调整后的波形WF；响应于调整后的波形WF关于组织边界阈值TH的变化来控制旋转器械32。在一个实施例中，穿透组织T包括穿透第一骨层(或，“第一材料层”)，穿透骨髓TM(或，“第二材料层”)以及穿透第二骨层(或，“第三材料层”)。在一个实施例中，确定患者特定的骨特征BC(或“工件特定的材料特征”)发生在穿透第二骨层之前，并且基于第一骨层的患者特定的骨特征BC调整该波形WF。这里，如上所述，可以基于患者的解剖结构使用患者特定的骨特征BC来帮助促进精确的组织T穿透。

以这种方式，上述外科手术系统30通过允许在组织T穿透期间可靠且快速地检测不同类型的组织边界TB，提高组织T穿透的安全性和可靠性，从而显着降低了意外“猛插”越过组织边界TB的风险。具体地，本领域技术人员将理解的是，外科手术系统30的配置允许在工具主体34的旋转期间将光“连续”发射出该发射光导48，并由检测器组件46检测由组织T反射的光。此外，将会理解的是，由波形WF提供的第一漫反射率值D1和第二漫反射率值D2的标准化有助于降低噪声并提高组织边界TB的检测精度。将会了解的是，该外科手术系统30为促进改良的术中患者安全性和成功的术后患者康复提供了相当大的机会，并且对于相对“高风险”的外科手术介入(例如涉及颅骨穿孔、椎弓根螺钉置入的外科手术)可能是特别有利的。然而，本公开的外科手术系统30可以简单、可靠且有效的方式用于涉及组织T穿透的多种不同的医疗和/或外科手术。

将进一步理解的是，术语“包括”、“包含”和“含有”具有与术语“包括”、“包含”和“含有”相同的含义。此外，将会明白的是，诸如“第一”、“第二”、“第三”等之类的术语在本文中用于区分某些结构特征和部件，以用于清楚且一致地进行非限制性说明的目的。

在前面的描述中已经讨论了几种配置。然而，本文中讨论的配置并非旨在是穷举的或将本发明限制为任何特定形式。已经使用的术语旨在具有描述性词语的性质，而非限制性的性质。鉴于以上教导，许多修改和变化均是可能的，并且本发明可以不同于具体描述的其它方式实施。

本发明旨在被限定在独立权利要求中，具体特征被列举在从属权利要求中，其中，从属于一个独立权利要求的权利要求的主题也可被结合另一独立权利要求来实现。

本公开还包括以下条款，具体特征被列举在从属条款中，下列条款可被以如参考上面的配置和附图更为详细描述的那样具体实施。

I.一种用于穿透患者组织并确定组织特征的外科手术系统，所述外科手术系统包括：

用于生成旋转扭矩的旋转器械；

发射源，其被操作性地联接到所述旋转器械以发射光；

检测器组件，其被操作性地联接到所述旋转器械以检测光；

钻头，其包括工具主体，所述工具主体在用以接合组织的远端与用以可释放地联接至所述旋转器械的近端之间沿着轴线延伸；

发射光导，其在所述工具主体被联接至所述旋转器械时被支撑在所述工具主体内并被放置成与所述发射源光学通信，以便随着所述旋转器械旋转所述工具主体，将由所述发射源发射的光穿过所述发射光导并朝向所述组织传输；和

检测光导，其被支撑在所述工具主体内，与所述发射光导间隔开，并被放置成在所述工具主体被联接至所述旋转器械时与所述检测器组件光学通信，以将由所述组织反射的光穿过所述检测光导并朝向所述检测器组件传输；

其中，所述发射源将光沿所述轴线发射到所述发射光导中，并且所述检测器组件被布置成当所述工具主体被联接至所述旋转器械时检测从所述组织反射的横向于所述轴线离开所述检测光导的光。

II.如条款I所述的外科手术系统，其中，所述钻头的所述工具主体限定凹部，所述凹部被横向于所述轴线形成并且被布置在所述远端与所述近端之间，并且所述检测光导沿着所述工具主体从所述远端延伸到所述凹部。

III.如条款II所述的外科手术系统，其中，所述钻头的所述工具主体包括被定位在所述凹部内的反射器表面，以将沿着所述检测光导朝向所述检测器组件传输的光。

IV.如条款III所述的外科手术系统，其中，所述旋转器械包括轴承，以操作性地支撑所述工具主体，从而围绕所述轴线旋转；以及

其中，所述检测器组件被邻近于所述轴承布置并且被邻近于所述凹部布置以检测由所述组织反射并被沿着所述检测光导传输的光。

V.如条款I-IV中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述发射源包括：

第一光源，其用于将处于第一波长的光发射到所述发射光导中；和

第二光源，其用于将处于不同于所述第一波长的第二波长的光发射到所述发射光导中。

VI.如条款V所述的外科手术系统，其中，所述第一波长能够被血液吸收，并且所述第二波长与所述第一波长相比能够被血液较少地吸收。

VII.如条款I-VI中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述钻头的所述工具主体限定在其中容置有所述发射光导的发射通道以及在其中容置有所述检测光导的检测通道。

VIII.如条款VII所述的外科手术系统，其中，所述钻头的所述工具主体限定与所述远端相邻的切削区域，所述切削区域被成形为促进组织穿透。

IX.如条款VIII所述的外科手术系统，其中，所述钻头的所述工具主体包括沿着所述切削区域形成的凹槽，以远离所述远端并且朝向所述近端引导组织。

X.如条款VIII-IX中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述工具主体的所述切削区域限定主要钻头直径；以及

其中，所述工具主体的所述切削区域包括切削末端面，所述切削末端面以在所述远端与所述主要钻头直径之间限定的末端角度形成。

XI.如条款X所述的外科手术系统，其中，所述发射通道和所述检测通道各自朝向所述切削末端面延伸穿过所述工具主体的所述切削区域。

XII.如条款XI所述的外科手术系统，其中，所述发射光导朝向所述远端延伸至邻近于所述切削末端面的远侧发射光导端，以将所述发射光导定位成在组织穿透期间与所述组织接触；以及

其中，所述检测光导朝向所述远端延伸至邻近于所述切削末端面的远侧检测光导端，以将所述检测光导定位成在组织穿透期间与所述组织接触。

XIII.如条款XI所述的外科手术系统，其中，所述发射光导朝向所述远端延伸至与所述切削末端面间隔开的远侧发射光导端，以将所述发射光导定位成在组织穿透期间不与所述组织接触；

其中，所述检测光导朝向所述远端延伸到与所述切削末端面间隔开的远侧检测光导端，以将所述检测光导定位成在组织穿透期间不与所述组织接触；以及

所述外科手术系统还包括在所述切削末端面与所述远侧发射光导端之间延伸以将来自所述发射光导的光引导到所述切削末端面的发射元件，以及在所述切削末端面与所述远侧检测光导端之间延伸以将朝向所述切削末端面反射的光引导到所述检测光导的检测元件。

XIV.一种用于穿透患者的组织并用于与适于确定组织特征的外科手术系统一起使用的钻头，所述外科手术系统包括旋转器械，所述旋转器械具有用以发射光的发射源和用以检测光的检测器组件，所述钻头包括：

工具主体，其在用以接合所述组织的远端与用以可释放地联接至所述旋转器械的近端之间沿轴线延伸，所述工具主体限定被横向于所述轴线形成并被设置在所述远端与所述近端之间的凹部；

发射光导，其被支撑在所述工具主体内，沿着所述工具主体从所述近端延伸至所述远端，并且被设置成当所述工具主体被联接至所述旋转器械时与所述发射源光学通信，以便随着所述旋转器械旋转所述工具主体，将由所述发射源发射的光穿过所述发射光导并朝向所述组织传输；以及

检测光导，其被支撑在所述工具主体内，与所述发射光导间隔开，沿着所述工具主体从所述远端延伸到所述凹部，并且被设置成当所述工具主体被联接至所述旋转器械时与所述检测器组件光学通信，以便随着所述旋转器械旋转所述工具主体，将由所述组织反射的光穿过所述检测光导并朝向所述检测器组件传输；

其中，所述发射光导和所述检测光导各自被邻近于所述工具主体的所述远端围绕所述轴线螺旋地设置。

XV.如条款XIV所述的钻头，其中，所述工具主体限定在其中容置有所述发射光导的发射通道以及在其中容置有所述检测光导的检测通道。

XVI.如条款XIV-XV中的任一项所述的钻头，其中，所述工具主体限定与所述远端相邻的切削区域，所述切削区域被成形为促进组织穿透。

XVII.如条款XVI中所述的钻头，其中，所述工具主体包括沿着所述切削区域形成的凹槽，以将组织远离所述远端并且朝向所述近端引导。

XVIII.如条款XV-XVII中的任一项所述的钻头，其中，所述工具主体的所述切削区域限定主要钻头直径；以及

其中，所述工具主体的所述切削区域包括切削末端面，所述切削末端面被以在所述远端和所述主要钻头直径之间限定的末端角度形成。

XIX.如条款XVIII所述的钻头，其中，所述发射通道和所述检测通道各自穿过所述工具主体的所述切削区域朝向所述切削末端面延伸。

XX.如条款XIX所述的钻头，其中，所述发射光导朝向所述远端延伸到邻近于所述切削末端面的远侧发射光导端，以将所述发射光导定位成在组织穿透期间与所述组织接触；以及

XXI.如条款XIX所述的钻头，其中，所述发射光导朝向所述远端延伸至与所述切削末端面间隔开的远侧发射光导端，以将所述发射光导定位成在组织穿透期间不与所述组织接触；

所述钻头还包括在所述切削末端面与所述远侧发射光导端之间延伸以将来自所述发射光导的光引导到所述切削末端面的发射元件以及在所述切削末端面与所述远侧检测光导端之间延伸以将朝向所述切削末端面反射的光朝向所述检测光导引导的检测元件。

XXII.一种用于穿透患者的组织并用以检测不同组织之间的边界的外科手术系统，所述外科手术系统包括：

用于生成旋转扭矩的旋转器械；

钻头，其在用以接合组织的远端与可释放地联接至所述旋转器械的近端之间沿着一轴线延伸；

第一光源，其被操作性地联接到所述旋转器械，以发射处于第一波长的光；

第二光源，其被操作性地联接到所述旋转器械，以发射处于不同于所述第一波长的第二波长的光；

检测器组件，其被操作性地联接到所述旋转器械，以检测由所述组织反射的光；和

控制器，其与所述旋转器械、所述第一光源、所述第二光源和所述检测器组件通信；

其中，所述控制器被配置成在驱动所述第一光源的同时利用所述检测器组件测量第一漫反射率值，在驱动所述第二光源的同时利用所述检测器组件测量第二漫反射率值，基于所述第一漫反射率值和所述第二漫反射率值生成波形，以及分析所述波形以在利用所述钻头进行组织穿透期间检测组织边界阈值并响应于所述检测控制所述旋转器械。

XXIII.如条款XXII中所述的外科手术系统，其中，所述控制器还被配置成响应于所述波形超过所述组织边界阈值而中断所述旋转器械。

XXIV.如条款XXII-XXIII中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述控制器配置成异步地驱动所述第一光源和所述第二光源，以便朝向所述组织相继发射处于所述第一波长和所述第二波长的光。

XXV.如条款XXII-XXIV中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述控制器被配置成至少部分地基于所述第一漫反射率值与所述第二漫反射率值的比率来生成所述波形。

XXVI.如条款XXV所述的外科手术系统，其中，所述控制器被配置成针对所述比率随时间发生的变化分析组织穿透期间的所述波形。

XXVII.如条款XXII-XXVI中的任一项所述的外科手术系统，其中所述第一波长能够被血液吸收，并且所述第二波长与所述第一波长相比能够被血液较少地吸收。

XXVIII.如条款XXII-XXVII中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述组织边界阈值表示选自下列组的两种类型的组织之间的边界，所述组包括骨组织、骨髓组织、肌肉组织、神经组织、上皮组织和结缔组织。

XXIX.如条款XXII-XXVII中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述组织边界阈值表示骨膜与皮质骨之间的边界。

XXX.如条款XXII-XXVII中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述组织边界阈值表示皮质骨与松质骨之间的边界。

XXXI.如条款XXII-XXVII中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述组织边界阈值表示松质骨与骨髓之间的边界。

XXXII.一种用于穿透患者组织并用于确定组织特征的外科手术系统，所述外科手术系统包括：

用于生成旋转扭矩的旋转器械；

钻头，其包括工具主体，所述工具主体在用以接合所述组织的远端与用以可释放地联接至所述旋转器械的近端之间沿着轴线延伸；

发射源，其被操作性地联接到所述旋转器械，以发射平行于所述轴线的光；

检测器组件，其被操作性地联接到所述旋转器械，以检测横向于所述轴线的光；

发射光导，其被支撑在所述工具主体内并被设置成当所述工具主体被联接至所述旋转器械时与所述发射源光学通信，以便随着所述旋转器械旋转所述工具，将由所述发射源发射的光穿过所述发射光导并朝向所述组织传输；和

检测光导，其被支撑在所述工具主体内，与所述发射光导间隔开，并且被设置成在所述工具主体被联接至所述旋转器械时与所述检测器组件光学通信，以便随着所述旋转器械旋转所述工具主体，将由所述组织反射的光穿过所述检测光导并朝向所述检测器组件传输；

其中，所述检测器组件包括支架，所述支架支撑面向所述轴线的多个光电检测器元件，以检测被穿过所述检测光导传输并横向于所述轴线离开所述检测光导的光，使得当所述旋转器械旋转所述工具主体时，所述多个光电检测器元件中的至少一个检测由所述组织反射的光。

XXXIII.一种使用外科手术系统穿透患者组织并检测不同组织之间的边界的方法，所述方法包括：

驱动旋转器械穿透骨组织；

朝向所述骨组织发射处于第一波长的光；

在发射处于所述第一波长的光的同时，测量由所述骨组织以第一漫反射率值反射的光；

朝向所述骨组织发射处于第二波长的光；

在发射处于所述第二波长的光的同时，测量由所述骨组织以第二漫反射率值反射的光；

基于所述第一漫反射率值和所述第二漫反射率值生成波形；

在骨组织穿透期间关于组织边界阈值分析的所述波形；

响应于所述波形相对于所述组织边界阈值的变化控制所述旋转器械。

XXXIV.一种使用外科手术系统穿透患者组织并确定组织特征的方法，所述方法包括：

驱动所述旋转器械穿透到组织中；

利用发射源朝向所述组织发射光；

利用所述检测器组件测量由所述组织以漫反射率值反射的光；

经由控制器基于所述漫反射率值生成波形；

基于所述漫反射率值确定患者特定的骨特征；

基于所述患者特定的骨特征调整所述波形；

在穿透期间关于组织边界阈值分析调整后的波形；

响应于所述调整后的波形相对于所述组织边界阈值的变化来控制所述旋转器械。

XXXV.如条款XXXIV中所述的方法，其中，穿透组织包括穿透第一骨层、穿透骨髓以及穿透第二骨层。

XXXVI.如条款XXXV中所述的方法，其中，确定所述患者特定的骨特征发生在穿透所述第二骨层之前；以及

其中，所述波形的调整基于所述第一骨层的所述患者特定的骨特性。

Claims

1.一种用于穿透工件的材料并用于确定所述材料的特性的外科手术系统，所述外科手术系统包括：

旋转器械，所述旋转器械用以生成旋转扭矩；

发射源，所述发射源被操作性地联接到所述旋转器械以发射光；

检测器组件，所述检测器组件被操作性地联接到所述旋转器械以检测光；

包括工具主体的钻头，所述工具主体在用以接合所述材料的远端与用以可释放地联接至所述旋转器械的近端之间沿轴线延伸；

发射光导，所述发射光导被支撑在所述工具主体内并被设置成当所述工具主体被联接至所述旋转器械时与所述发射源光学通信，以便随着所述旋转器械旋转所述工具主体，将由所述发射源发射的光穿过所述发射光导并朝向所述材料传输；和

检测光导，所述检测光导被支撑在所述工具主体内，与所述发射光导间隔开，并被设置成当所述工具主体被联接至所述旋转器械时与所述检测器组件光学通信，以便随着所述旋转器械旋转所述工具主体，将由所述材料反射的光穿过所述检测光导并朝向所述检测器组件传输；

其中，所述发射源沿着所述轴线将光发射到所述发射光导中，并且所述检测器组件被布置成当所述工具主体被联接至所述旋转器械时检测从所述材料反射的横向于所述轴线离开所述检测光导的光。

2.如权利要求1所述的外科手术系统，其中，所述钻头的所述工具主体限定凹部，所述凹部被横向于所述轴线形成并且被布置在所述远端与所述近端之间，所述检测光导沿着所述工具主体从所述远端延伸至所述凹部。

3.如权利要求2所述的外科手术系统，其中，所述钻头的所述工具主体包括被定位在所述凹部内的反射器表面，以将被沿着所述检测光导传输的光朝向所述检测器组件引导。

4.如权利要求3所述的外科手术系统，其中，所述检测器组件包括支撑多个光电检测器元件的支架，所述光电检测器元件被面向所述轴线布置，以便随着所述旋转器械旋转所述工具主体，检测从所述反射器表面引导的光。

5.如权利要求3-4中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述旋转器械包括轴承，以操作性地支撑所述工具主体以使其围绕所述轴线旋转；以及

其中，所述检测器组件被邻近于所述轴承布置并且被邻近于所述凹部布置以检测由所述材料反射并被沿着所述检测光导传输的光。

6.如权利要求5所述的外科手术系统，其中，所述旋转器械还包括卡盘组件，以可释放地固定所述工具主体以使其旋转；以及

其中，所述卡盘组件包括支撑所述轴承和所述检测器组件的卡盘壳体。

7.如权利要求6所述的外科手术系统，其中，所述卡盘组件还包括卡盘套筒，所述卡盘套筒由所述轴承可旋转地支撑，以便在所述工具主体被联接至所述旋转器械时与所述工具主体同时旋转。

8.如权利要求7所述的外科手术系统，其中，所述卡盘套筒限定套筒孔，所述套筒孔被定位成当所述工具主体被联接至所述旋转器械时，邻近于所述反射器表面，以便随着所述旋转器械旋转所述工具主体，允许沿着所述检测光导传输的光穿过所述套筒孔并且朝向所述检测器组件行进。

9.如权利要求1-8中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述发射源包括：

第一光源，所述第一光源将处于第一波长的光发射到所述发射光导中；和

第二光源，所述第二光源将处于不同于所述第一波长的第二波长的光发射到所述发射光导中。

10.如权利要求9所述的外科手术系统，其中，所述第一波长和所述第二波长各自介于400nm与1000nm之间。

11.如权利要求9-10中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述外科手术系统还包括与所述第一光源和所述第二光源通信的控制器，所述控制器被配置成异步地驱动所述第一光源和所述第二光源，以将处于所述第一波长的光和处于所述第二波长的光相继发射到所述发射光导中。

12.如权利要求9-11中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述控制器被配置成生成第一方波以驱动所述第一光源，并且生成第二方波以驱动所述第二光源。

13.如权利要求12所述的外科手术系统，其中，所述第一方波和所述第二方波彼此异相180度。

14.如权利要求9-13中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述控制器被配置成以发射频率驱动所述第一光源和所述第二光源；以及

其中，所述控制器被配置成以检测频率从所述检测器组件获取检测数据，所述检测频率是所述发射频率的两倍。

15.如权利要求14所述的外科手术系统，其中，所述发射频率大于100Hz。

16.如权利要求9-15中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述控制器被配置成每当所述第一光源和所述第二光源中的一个发射光时，就从所述检测器组件获取检测数据。

17.如权利要求1-16中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述钻头的所述工具主体限定在其中容置有所述发射光导的发射通道以及在其中容置有所述检测光导的检测通道。

18.如权利要求17所述的外科手术系统，其中，所述发射通道和所述检测通道关于所述轴线彼此间隔开。

19.如权利要求17-18中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述发射通道和所述检测通道被各自邻近于所述工具主体的所述远端围绕所述轴线螺旋地设置。

20.如权利要求17-19中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述钻头的所述工具主体限定邻近于所述远端的切削区域，所述切削区域被成形为促进材料穿透。

21.如权利要求20所述的外科手术系统，其中，所述钻头的所述工具主体包括沿着所述切削区域形成的凹槽，以将材料远离所述远端并且朝向所述近端引导。

22.如权利要求20-21中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述工具主体的所述切削区域限定主要钻头直径；以及

23.如权利要求22所述的外科手术系统，其中，所述末端角度介于90度与130度之间。

24.如权利要求22-23中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述发射通道和所述检测通道各自穿过所述工具主体的所述切削区域并朝向所述切削末端面延伸。

25.如权利要求24所述的外科手术系统，其中，所述发射光导朝向所述远端延伸到邻近于所述切削末端面的远侧发射光导端，以将所述发射光导定位成在材料穿透期间与所述材料接触；以及

其中，所述检测光导朝向所述远端延伸至邻近于所述切削末端面的远侧检测光导端，以将所述检测光导定位成在材料穿透期间与所述材料接触。

26.如权利要求24所述的外科手术系统，其中，所述发射光导朝向所述远端延伸至与所述切削末端面间隔开的远侧发射光导端，以将所述发射光导定位成在材料穿透期间不与所述材料接触；

其中，所述检测光导朝向所述远端延伸到与所述切削末端面间隔开的远侧检测光导端，以将所述检测光导定位成在材料穿透期间不与所述材料接触；以及

所述外科手术系统还包括发射元件和检测元件，所述发射元件在所述切削末端面与所述远侧发射光导端之间延伸以将来自所述发射光导的光引导到所述切削末端面，所述检测元件在所述切削末端面与所述远侧检测光导端之间延伸以将朝向所述切削末端面反射的光引导到所述检测光导。

27.如权利要求22-26中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述发射通道和所述检测通道都具有大致呈圆柱形的轮廓。

28.如权利要求22-27中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述发射通道限定发射通道直径，并且所述检测通道限定检测通道直径，所述发射通道直径和所述检测通道直径中的每一个都比所述工具主体的所述主要钻头直径的25％小。

29.如权利要求28所述的外科手术系统，其中，所述发射通道直径等于所述检测通道直径。

30.如权利要求28-29中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述发射通道和所述检测通道以通道分隔距离彼此间隔开，所述通道分隔距离大于所述发射通道直径。

31.如权利要求1-30中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述钻头的所述工具主体包括邻近于所述远端的阶梯状区域，所述发射光导和所述检测光导各自穿过所述阶梯状区域朝向所述远端延伸。

32.如权利要求1-31中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述发射光导和所述检测光导各自具有大致呈圆柱形的轮廓。

33.如权利要求1-32中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述发射光导和所述检测光导各自邻近于所述工具主体的所述远端围绕所述轴线螺旋地延伸。

34.如权利要求1-33中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述发射光导沿着所述工具主体从所述远端延伸到所述近端。

35.如权利要求1-34中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述外科手术系统还包括固定于所述工具主体的所述近端的钻头透镜，以将从所述发射源发射的光耦合到所述发射光导中。

36.如权利要求35所述的外科手术系统，其中，所述钻头透镜具有球形轮廓。

37.如权利要求35-36中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述外科手术系统还包括发射透镜，所述发射透镜被固定于所述旋转器械并且被设置成与所述发射源光学通信以将从所述发射源发射的光朝向所述钻头透镜引导。

38.如权利要求37所述的外科手术系统，其中，所述发射透镜具有球形轮廓。

39.如权利要求37-38中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述外科手术系统还包括被插置在所述旋转器械与所述发射透镜之间的调节机构，以维持所述钻头透镜与所述发射透镜之间的可选择的距离。

40.一种用于穿透工件的材料并用于与适于确定所述材料的特性的外科手术系统一起使用的钻头，所述外科手术系统包括旋转器械，所述旋转器械具有用以发射光的发射源和用以检测光的检测器组件，所述钻头包括：

工具主体，所述工具主体在用以接合所述材料的远端与用以可释放地联接至所述旋转器械的近端之间沿轴线延伸，所述工具主体限定横向于所述轴线形成并被设置在所述远端与所述近端之间的凹部；

发射光导，所述发射光导被支撑在所述工具主体内，沿着所述工具主体从所述近端延伸至所述远端，并且被设置成当所述工具主体被联接至所述旋转器械时与所述发射源光学通信，以便随着旋转器械旋转所述工具主体，将由所述发射源发射的光穿过所述发射光导并朝向所述材料传输；和

检测光导，所述检测光导被支撑在所述工具主体内，与所述发射光导间隔开，沿着所述工具主体从所述远端延伸到所述凹部，并且被设置成当所述工具主体被联接至所述旋转器械时与所述检测器组件光学通信，以便随着所述旋转器械旋转所述工具主体，将由所述材料反射的光穿过所述检测光导并朝向所述检测器组件传输；

其中，所述发射光导和所述检测光导各自邻近于所述工具主体的所述远端围绕所述轴线螺旋地设置。

41.如权利要求40所述的钻头，其中，所述工具主体包括被定位在所述凹部内的反射器表面，以将沿着所述检测光导传输的光朝向所述检测器组件引导。

42.如权利要求40-41中的任一项所述的钻头，其中，所述工具主体限定在其中容置有所述发射光导的发射通道以及在其中容置有所述检测光导的检测通道。

43.如权利要求42所述的钻头，其中，所述发射通道和所述检测通道关于所述轴线彼此间隔开。

44.如权利要求42-43中的任一项所述的钻头，其中，所述发射通道和所述检测通道各自邻近于所述工具主体的所述远端围绕所述轴线螺旋地设置。

45.如权利要求42-44中的任一项所述的钻头，其中，所述工具主体限定邻近于所述远端的切削区域，所述切削区域被成形为促进材料穿透。

46.如权利要求45所述的钻头，其中，所述工具主体包括沿着所述切削区域形成的凹槽，以将材料远离所述远端并且朝向所述近端引导。

47.如权利要求45-46中的任一项所述的钻头，其中，所述工具主体的所述切削区域限定主要钻头直径；以及

48.如权利要求47所述的钻头，其中，所述末端角度介于90度与130度之间。

49.如权利要求47-48中的任一项所述的钻头，其中，所述发射通道和所述检测通道各自穿过所述工具主体的所述切削区域朝向所述切削末端面延伸。

50.如权利要求49所述的钻头，其中，所述发射光导朝向所述远端延伸到邻近于所述切削末端面的远侧发射光导端，以将所述发射光导定位成在材料穿透期间与所述材料接触；以及

51.如权利要求49所述的钻头，其中，所述发射光导朝向所述远端延伸至与所述切削末端面间隔开的远侧发射光导端，以将所述发射光导定位成在材料穿透期间不与所述材料接触；

所述钻头还包括发射元件和检测元件，所述发射元件在所述切削末端面与所述远侧发射光导端之间延伸以将来自所述发射光导的光引导到所述切削末端面，所述检测元件在所述切削末端面与所述远侧检测光导端之间延伸以将朝向所述切削末端面反射的光引导到所述检测光导。

52.如权利要求47-51中的任一项所述的钻头，其中，所述发射通道和所述检测通道各自具有大致呈圆柱形的轮廓。

53.如权利要求47-52中的任一项所述的钻头，其中，所述发射通道限定发射通道直径，并且所述检测通道限定检测通道直径，所述发射通道直径和所述检测通道直径中的每一个都比所述工具主体的所述主要钻头直径的25％小。

54.如权利要求53所述的钻头，其中，所述发射通道直径等于所述检测通道直径。

55.如权利要求53-54中的任一项所述的钻头，其中，所述发射通道和所述检测通道以通道分隔距离彼此间隔开，所述通道分隔距离大于所述发射通道直径。

56.如权利要求40-55中的任一项所述的钻头，其中，所述工具主体包括邻近于所述远端的阶梯状区域，所述发射光导和所述检测光导各自穿过所述阶梯状区域朝向所述远端延伸。

57.如权利要求40-56中的任一项所述的钻头，其中，所述发射光导和所述检测光导各自具有大致呈圆柱形的轮廓。

58.如权利要求40-57中的任一项所述的钻头，其中，所述发射光导和所述检测光导各自邻近于所述工具主体的所述远端围绕所述轴线螺旋地延伸。

59.如权利要求40-58中的任一项所述的钻头，其中，所述发射光导沿着所述工具主体从所述远端延伸到所述近端。

60.如权利要求40-59中的任一项所述的钻头，其中，所述钻头还包括钻头透镜，所述钻头透镜被固定于所述工具主体的所述近端以将从所述发射源发射的光耦合到所述发射光导中。

61.如权利要求60所述的钻头，其中，所述钻头透镜具有球形轮廓。

62.一种用于穿透工件的材料并用于检测不同材料之间的边界的外科手术系统，所述外科手术系统包括：

旋转器械，所述旋转器械用以生成旋转扭矩；

钻头，所述钻头在用以接合材料的远端与可释放地联接至所述旋转器械的近端之间沿着轴线延伸；

第一光源，所述第一光源被操作性地联接到所述旋转器械以发射处于第一波长的光；

第二光源，所述第二光源被操作性地联接到所述旋转器械以发射处于不同于所述第一波长的第二波长的光；

检测器组件，所述检测器组件被操作性地联接到所述旋转器械以检测由所述材料反射的光；和

控制器，所述控制器与所述旋转器械、所述第一光源、所述第二光源和所述检测器组件通信；

其中，所述控制器被配置成在驱动所述第一光源的同时利用所述检测器组件测量第一漫反射率值，在驱动所述第二光源的同时利用所述检测器组件测量第二漫反射率值，基于所述第一漫反射率值和所述第二漫反射率值生成波形，以及分析所述波形以在利用所述钻头进行材料穿透期间检测材料边界阈值并响应于所述检测控制所述旋转器械。

63.如权利要求62所述的外科手术系统，其中，所述控制器还被配置成响应于所述波形超过所述材料边界阈值中断所述旋转器械。

64.如权利要求62-63中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述控制器被配置成异步地驱动所述第一光源和所述第二光源，以朝向所述材料相继发射处于所述第一波长的光和处于所述第二波长的光。

65.如权利要求62-64中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述控制器被配置成至少部分地基于所述第一漫反射率值与所述第二漫反射率值的比率生成所述波形。

66.如权利要求65所述的外科手术系统，其中，所述控制器被配置成针对所述比率随时间发生的变化分析材料穿透期间的所述波形。

67.如权利要求62-66中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述第一波长和所述第二波长各自介于400nm与1000nm之间。

68.如权利要求62-67中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述控制器被配置成生成第一方波以驱动所述第一光源，并且生成第二方波以驱动所述第二光源。

69.如权利要求68所述的外科手术系统，其中，所述第一方波和所述第二方波彼此异相180度。

70.如权利要求68-69中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述控制器被配置成以发射频率驱动所述第一光源和所述第二光源；以及

其中，所述控制器被配置成以检测频率从所述检测器组件获取检测数据以生成所述波形，所述检测频率是所述发射频率的两倍。

71.如权利要求70所述的外科手术系统，其中，所述发射频率大于100Hz。

72.如权利要求62-71中的任一项所述的外科手术系统，其中，所述控制器被配置成每当所述第一光源和所述第二光源中的一个发射光，就从所述检测器组件获取检测数据。

73.一种用于穿透工件的材料并用于确定所述材料的特性的外科手术系统，所述外科手术系统包括：

旋转器械，所述旋转器械用于生成旋转扭矩；

发射源，所述发射源被操作性地联接到所述旋转器械以发射平行于所述轴线的光；

检测器组件，所述检测器组件被操作性地联接到所述旋转器械以检测横向于所述轴线的光；

发射光导，所述发射光导被支撑在所述工具主体内并被设置成当所述工具主体被联接至所述旋转器械时与所述发射源光学通信，以随着所述旋转器械旋转所述工具主体，将由所述发射源发射的光穿过所述发射光导并朝向所述材料传输；和

检测光导，所述检测光导被支撑在所述工具主体内，与所述发射光导间隔开，并被设置成当所述工具主体被联接到所述旋转器械时与所述检测器组件光学通信，以随着所述旋转器械旋转所述工具主体，将由所述材料反射的光穿过所述检测光导并朝向所述检测器组件传输；

其中，所述检测器组件包括支架，所述支架支撑面向所述轴线的多个光电检测器元件，以检测穿过所述检测光导传输并横向于所述轴线离开所述检测光导的光，使得随着所述旋转器械旋转所述工具主体，所述多个光电检测器元件中的至少一个检测由所述材料反射的光。

74.一种使用外科手术系统穿透工件的材料并检测不同材料之间的边界的方法，所述方法包括：

驱动旋转器械穿透材料；

朝向所述材料发射处于第一波长的光；

在发射处于所述第一波长的光的同时，测量由所述材料以第一漫反射率值反射的光；

朝向所述材料发射处于第二波长的光；

在发射处于所述第二波长的光的同时，测量由所述材料以第二漫反射率值反射的光；

基于所述第一漫反射率值和所述第二漫反射率值生成波形；

在材料穿透期间关于材料边界阈值分析所述波形；

响应于所述波形相对于所述材料边界阈值的变化来控制所述旋转器械。

75.一种使用外科手术系统穿透工件的材料并确定所述材料的特性的方法，所述方法包括：

驱动所述旋转器械穿透到材料中；

利用发射源朝向所述材料发射光；

利用检测器组件测量由所述材料以漫反射率值反射的光；

经由控制器基于所述漫反射率值生成波形；

基于所述漫反射率值确定工件特定的材料特性；

基于所述工件特定的材料特性调整所述波形；

分析穿透期间关于材料边界阈值的调整后的波形；

响应于所述调整后的波形相对于所述材料边界阈值的变化来控制所述旋转器械。

76.如权利要求75所述的方法，其中，穿透材料包括穿透第一材料层、穿透第二材料层以及穿透第三材料层。

77.如权利要求76所述的方法，其中，确定所述工件特定的材料特性发生在穿透所述第三材料层之前；以及

其中，基于所述第一材料层的所述工件特定的材料特性来调整所述波形。