CN111265301A - 钻具引导固定装置、颅骨插入固定装置及相关方法和机器人系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种钻具引导固定装置、颅骨插入固定装置及相关方法和机器人系统。所述钻具引导固定装置可以被配置为准备颅骨以用于颅骨插入固定装置的附接。钻具引导固定装置可包括中央钻具导向器和在钻具引导固定装置的底部的骨锚导向器。中央钻具导向器限定出穿过其中的中央钻具导向孔，其中该中央钻具导向孔具有在钻具引导装置的底部的第一开口和与钻具引导装置的底部间隔开的第二开口。骨锚钻具导向器可限定穿过其中的骨锚钻具导向孔，并且骨锚钻具导向孔可在相对于中央钻具导向孔的方向垂直的方向上偏离中央钻具导向孔。还讨论了相关的颅骨插入固定装置、机器人系统和方法。

Description

钻具引导固定装置、颅骨插入固定装置及相关方法和机器人 系统

相关申请的交叉引用

本专利申请是2018年12月4日提交的美国申请序列号16/209,266的部分 继续申请，出于所有目的将其全部内容合并于此。

技术领域

本公开涉及医疗设备，更具体地，涉及用于颅骨手术相关方法和机器人系 统的医疗设备。

背景技术

对于针或电极进入大脑的图像引导的插入，外科医生可以首先使用三个或 多个销将金属框架固定至患者的颅骨。然后，通过对颅骨和框架进行CT扫描， 并自动在扫描中检测框架上基准点的位置，将该框架自动配准(register)至大脑 解剖结构，从而实现扫描的坐标系与框架的坐标系之间的转换。外科医生在 CT图像上计划进入大脑所需的轨迹后(通常从共同配准的MR图像具有增强的 可视性)，调整已校准到框架坐标系的多轴机械弧机构，以将引导管固定在相对 于颅骨的适当位置，并与计划的轨迹对齐。然后，外科医生将针穿过该引导管。 由于引导管通过机械弧和框架与颅骨互连，因此在插入针期间，即使患者发生 颠簸、呼吸、咳嗽等，患者可能相对于引导管移动的机会可以减少。

一种可能的由机器人引导的替代方法是将跟踪相机对准机器人并对准患者 颅骨上的阵列，然后让机器人自动将由末端执行器固定的引导管紧贴颅骨定位， 与期望的轨迹对准。然后，外科医生会将针插入机器人固定的引导管中。然而， 在这种方法中，患者的突然运动可能导致针和大脑的相对运动。例如，如果患 者自愿或非自愿地收缩肌肉或咳嗽，则可能发生患者的快速猝然一动。由于机 器人牢固地安装在地板上，因此机器人的引导管可能相对于患者保持静止，并 且如果针同时位于引导管和大脑内，则针可能会横向切开脑组织。如果在针插 入过程中，机器人通过光学或力反馈主动且连续地调整其位置，则机器人有可 能快速重新定位引导管，从而即使在这样的移动过程中，引导管也相对于大脑 保持静止，但目前可用反馈/响应时间可能不足以跟踪此类快速运动，并且在整 个过程中，反馈路径(例如，用于光学跟踪的视线)可能需要保持不受影响。

发明内容

根据本发明构思的一些实施例，描述了一种用于将电极保持器附接到患者 的颅骨的手术机器人系统，该电极保持器被配置为接收要插入患者的脑部的电 极。手术机器人系统包括：机器人基座，其包括计算机；机器人臂，其联接至 机器人基座；末端执行器，其被配置为联接至机器人臂；引导管，其具有可拆 卸的电极保持器和跟踪阵列，该电极保持器设置在引导管尖端的远端，该跟踪 阵列设置在引导管的近端附近，所述引导管被配置成联接至末端执行器；以及 三脚架机构，其配置成在该引导管上滑动并允许微调该引导管相对于颅骨的角 度。

根据本发明构思的一些实施例，描述了一种使用手术机器人将电极保持器 附接到患者的颅骨的方法，该电极保持器被配置为接收要插入患者的脑部的电 极。该方法包括计划轨迹，使用手术机器人将电极保持器附接至颅骨，以及使 用电极保持器将电极插入大脑。所述手术机器人包括：机器人基座，其包括计 算机；机器人臂，其联接至机器人基座；和末端执行器，其被配置为联接至机 器人臂。引导管包括可拆卸的电极保持器和跟踪阵列，该电极保持器设置在引 导管尖端的远端，该跟踪阵列设置在引导管的近端附近，所述引导管被配置成 联接至末端执行器；以及三脚架机构，其配置成在该引导管上滑动并允许调节该引导管相对于颅骨的角度。该方法进一步包括将动态参考基座放置在颅骨上， 将临时裙固定装置定位到动态参考基座，获得动态参考基座和临时裙特征的医 学图像，使用临时裙固定装置将动态参考基座配准到医学图像，移除临时裙固 定装置，使用获得的医学图像计划电极的轨迹，使用机器人将机器人臂和末端 执行器沿计划的轨迹移动到与颅骨相邻的期望位置，并在机器人引导钻具的同 时使用钻具在颅骨上提供孔，在孔中提供引导管和电极保持器并卸下机器人， 将三脚架机构降低并锁定到引导管，为引导管提供跟踪阵列并检查引导管相对 于计划轨迹的对准，将电极插入引导管并穿过电极保持器；并从电极座上取下 引导管。

附图说明

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

图1是外科手术过程期间机器人系统、患者、外科医生和其他医务人员的 位置的可能布置的俯视图；

图2示出了根据一个实施例包含手术机器人和相机相对于患者的定位的机 器人系统；

图3示出了根据示例性实施例的手术机器人系统；

图4示出了根据示例性实施例的手术机器人的一部分；

图5示出了根据示例性实施例的手术机器人的框图；

图6示出了根据示例性实施例的手术机器人；

图7A-7C示出了根据示例性实施例的末端执行器；

图8示出了根据一个实施例在将手术器械插入到末端执行器的引导管中之 前和之后的手术器械和末端执行器；

图9A-9C示出了根据示例性实施例的末端执行器和机器人臂的部分；

图10示出了根据示例性实施例的动态参考阵列、成像阵列和其它组件；

图11示出了根据示例性实施例的配准方法；

图12A-12B示出了根据示例性实施例的成像装置的实施例；

图13A示出了根据示例性实施例包含机器人臂和末端执行器的机器人的一 部分；

图13B是图13A所示的末端执行器的特写视图，其具有刚性附连在其上的 多个跟踪标记；

图13C是根据一个实施例具有刚性附连在其上的多个跟踪标记的工具或器 械；

图14A是在第一配置中具有可移动跟踪标记的末端执行器的替代型式；

图14B是在第二配置中具有可移动跟踪标记的图14A中示出的末端执行器；

图14C示出了来自图14A的第一配置中的跟踪标记的模板；

图14D示出了来自图14B的第二配置中的跟踪标记的模板；

图15A示出了仅附连有单个跟踪标记的末端执行器的替代型式；

图15B示出图15A的末端执行器，其中器械穿过引导管设置；

图15C示出图15A的末端执行器，其中器械在两个不同位置中，以及所得 的用以确定该器械定位于引导管内还是引导管外的逻辑；

图15D示出图15A的末端执行器，其中器械在引导管中在两个不同框架处， 以及其距引导管上的单个跟踪标记的相对距离；

图15E示出相对于坐标系的图15A的末端执行器；

图16是用于将机器人的末端执行器导航并移动到期望的目标轨迹的方法 的框图；

图17A-17B分别描绘用于将具有固定和可移动跟踪标记的可膨胀植入物插 入于收缩和膨胀位置中的器械；

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

图19A描绘具有可互换或替代性末端执行器的机器人的实施例；

图19B描绘机器人的实施例，所述机器人具有联接到其的器械样式末端执 行器；

图20是示出根据本发明构思的一些实施例的机器人控制器的框图；

图21是示出根据发明构思的一些实施例的临时颅骨插入固定装置的图；

图22是示出根据发明构思的一些实施例的钻具引导固定装置的图；

图23是示出根据发明构思的一些实施例的电极保持植入物的截面图；

图24是示出根据发明构思的一些实施例的电极引导管的截面图；

图25是示出根据发明构思的一些实施例的颅骨中的电极保持植入物和电 极线的截面图；

图26是示出根据发明构思的一些实施例的引导管支撑机构的截面图；

图27示出根据发明构思的一些实施例的用于机器人系统的坐标系；

图28A、28B、28C和28D示出根据发明构思的一些实施例的头部框架和 参考固定装置；

图29A、29B、29C和29D示出根据发明构思的一些实施例的与单独的参 考固定装置一起使用的头部框架；

图30A和图30B示出了根据发明构思的一些实施例的将定位特征与机器人 末端执行器一起使用；

图31示出根据发明构思的一些实施例的图案化目标与包括单眼相机的机 器人一起使用；

图32A-32B示出了与本公开的原理一致的动态参考阵列的不同视图；

图33A-33B分别示出了与本公开的原理一致的没有临时裙固定装置和带有 临时裙固定装置的动态参考阵列；

图34A示出了与本公开的原理一致的引导管和可拆卸电极保持器；

图34B示出了与本公开的原理一致的引导管、可拆卸电极保持器和三脚架 机构。

图34C示出了与本公开的原理一致的引导管、可拆卸电极保持器、三脚架 机构和跟踪阵列。

图35示出了与本公开的原理一致的动态参考阵列和末端执行器；

图36示出了与本公开的原理一致的动态参考阵列和末端执行器；

图37示出了与本公开的原理一致的动态参考阵列和具有可拆卸电极保持 器的引导管；

图38示出了与本公开的原理一致的动态参考阵列、具有可拆卸电极保持 器的引导管以及三脚架机构；

图39A示出了与本公开的原理一致的将引导管与轨迹对准的视图；和

图39B示出了与本公开的原理一致的动态参考阵列、具有可分离电极保持 器的引导管和跟踪阵列以及三脚架机构。

具体实施方式

应该理解的是，本公开在其应用方面不限于在本文的描述中阐述的或者在 图中示出的组件的构造和布置的细节。本公开的教导可以在其它实施例中使用 和实践，并且以各种方式实践或实行。并且，应理解，本文所使用的措词和术 语是出于描述的目的且不应被视为是限制性的。本文中使用“包含”、“包括”或 “具有”及其变化形式意在涵盖其后列出的项目和其等效物以及额外项目。除非 另外指定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变型广泛地 使用，并且涵盖直接和间接安装、连接、支撑和联接。此外，“连接”和“联接” 不限于物理或机械连接或联接。

呈现以下讨论以使所属领域的技术人员能够制造和使用本公开的实施方案。 所属领域的技术人员将容易了解对所示出的实施例的各种修改，且本文的原理 可应用于其它实施例和应用，而不脱离本公开的实施例。因此，实施例并不意 图限于所示出的实施例，而是应被赋予与本文中所公开的原理和特征相一致的 最广范围。以下详细描述应参考附图来阅读，其中不同图中的相似元件具有相 似参考标号。不一定按比例的图描绘了所选择的实施例并且并不打算限制实施 例的范围。本领域的技术人员将认识到，本文提供的实施例具有许多有用的替 代方案并且落入实施方案的范围内。

现转而参看附图，图1和图2示出了根据示例性实施例的手术机器人系统 100。手术机器人系统100可包含例如手术机器人102、一个或多个机器人臂 104、基座106、显示器110、例如包含引导管114的末端执行器112，以及一 个或多个跟踪标记118。手术机器人系统100可包含患者跟踪装置116，所述 患者跟踪装置116也包含一个或多个跟踪标记118，所述跟踪标记118适于被 直接地固定到患者210(例如固定到患者210的骨骼)。手术机器人系统100还可 使用例如定位在相机支架202上的相机200。相机支架202可具有任何合适的 构造以将相机200移动、定向并支撑在期望的位置。相机200可包含任何合适 的一个或多个相机，例如一个或多个红外相机(例如，双焦或立体摄影测量相 机)，所述相机能够在从相机200的角度可检视的给定测量体积中识别例如有源 和无源跟踪标记118(示出为图2中的患者跟踪装置116的一部分，且由图13A- 13B中的放大视图示出)。相机200可以扫描给定测量体积并且检测来自标记 118的光，以便识别和确定标记118在三维中的位置。举例来说，有源标记118 可包含由电信号(例如红外发光二极管(LED))激活的红外发射标记，和/或无源标记118可包含反射红外光的回射标记(例如它们将进入的IR辐射反射到入射 光的方向中)，所述红外光例如由相机200上的照明器或其它合适的装置发射。

图1和2示出了用于将手术机器人系统100放置在手术室环境中的可能配 置。举例来说，机器人102可以位于患者210附近或旁边。虽然描绘在患者 210的头部附近，但是应当理解，机器人102可以位于患者210附近的任何合 适的位置，这取决于患者210正在进行手术的区域。相机200可以与机器人系 统100分开并且定位在患者210的足部。该位置允许相机200对手术视野208 具有直接的视线。再次，可以设想相机200可以位于具有到手术视野208的视 线的任何合适的位置。在所示的配置中，外科医生120可以定位在机器人102 的对面，但仍然能够操纵末端执行器112和显示器110。手术助理126可以再 次与外科医生120对置地定位，并且可以触及末端执行器112和显示器110两 者。如果需要，外科医生120与助理126的位置可以颠倒。麻醉师122和护士 或擦洗技术人员124的传统区域可保持不受机器人102和相机200的位置阻碍。

关于机器人102的其它组件，显示器110可以被附接到手术机器人102， 并且在其它示例性实施例中，显示器110可以与手术机器人102分开，不管是 在具有手术机器人102的手术室内，还是在远程位置。末端执行器112可以联 接到机器人臂104并且由至少一个发动机控制。在示例性实施例中，末端执行 器112可包括引导管114，引导管能够接收和定向用于对患者210进行外科手 术的手术器械608(本文进一步描述)。如本文所使用，术语“末端执行器”与术语 “末端施行器”和“施行器元件”可互换使用。虽然通常用引导管114示出，但应 理解，末端执行器112可以用适用于外科手术的任何合适的仪器代替。在一些 实施例中，末端执行器112可包括用于以期望的方式实现手术器械608的移动 的任何已知结构。

手术机器人102能够控制末端执行器112的平移和定向。机器人102能够 例如沿着x轴、y轴和z轴移动末端执行器112。末端执行器112可以配置成用 于围绕x轴、y轴和z轴中的一个或多个以及Z框轴线选择性旋转(使得与末端 执行器112相关联的一个或多个欧拉角(例如滚动、倾斜和/或偏航)可以被选择 性地控制)。在一些示例性实施方案中，与利用例如仅包括旋转轴的六自由度机 器人臂的传统机器人相比，对末端执行器112的平移和定向的选择性控制可以 允许医疗过程的执行具有显著提高的准确度。举例来说，手术机器人系统100 可以用于在患者210上操作，并且机器人臂104可以被定位在患者210的身体 上方，末端执行器112选择性地相对于z轴朝向患者210身体成角度。

在一些示例性实施例中，手术器械608的位置可以动态地更新，使得手术 机器人102可以在手术期间始终知道手术器械608的位置。因此，在一些示例 性实施例中，手术机器人102可以将手术器械608快速移动到期望位置，而无 需医师的任何进一步帮助(除非医师需要)。在一些进一步的实施例中，手术机 器人102可以配置成在手术器械608偏离所选择的预先规划的轨迹的情况下校 正手术器械608的路径。在一些示例性实施例中，手术机器人102可配置成允 许停止、修改和/或手动控制末端执行器112和/或手术器械608的移动。因此， 在示例性实施例中，在使用中，医师或其他用户可以操作系统100，并且可以 选择停止、修改或手动控制末端执行器112和/或手术器械608的自主移动。包 含手术机器人102对手术器械608的控制和移动的手术机器人系统100的进一 步细节可以查阅第13/924,505号共同待决美国专利申请，其全部内容以引用的 方式并入本文中。

机器人手术系统100可包括一个或多个跟踪标记118，所述跟踪标记118 配置成三维地跟踪机器人臂104、末端执行器112、患者210和/或手术器械 608的移动。在示例性实施例中，多个跟踪标记118可以被安装(或以其它方式 被固定)在机器人102的外表面上，例如但不限于机器人102的基座106上、机 器人臂104上，和/或末端执行器112上。在示例性实施例中，所述多个跟踪标 记118中的至少一个跟踪标记118可以被安装或以其它方式被固定到末端执行 器112。一个或多个跟踪标记118可以进一步被安装(或以其它方式被固定)到患 者210。在示例性实施例中，多个跟踪标记118可以定位在患者210上与手术 视野208间隔开，以减小被外科医生、手术工具或机器人102的其它部分遮挡 的可能性。此外，一个或多个跟踪标记118可以进一步被安装(或以其它方式被 固定)到手术工具608(例如螺丝刀、扩张器、植入物插入器等)。因此，跟踪标 记118使得被标记的对象(例如末端执行器112、患者210和手术工具608)中的 每一个都能够被机器人102跟踪。在示例性实施例中，系统100可以使用从 每个被标记对象收集的跟踪信息计算例如末端执行器112、手术器械608(例如定位在末端执行器112的管114中)的定向和位置、以及患者的相对位置210。

标记118可包含不透射线或光学标记。标记118可呈适合的形状，包含球 面、球形、圆柱形、立方体、长方体等等。在示例性实施例中，标记118中的 一个或多个可以是光学标记。在一些实施方案中，通过用于检查或验证末端执 行器112的位置，末端执行器112上的一个或多个跟踪标记118的定位可使位 置测量的准确性最大化。包含手术机器人102和手术器械608的控制、移动和 跟踪的手术机器人系统100的进一步细节可查阅美国专利公开No.2016/0242849，所述专利公开的全部内容以引用的方式整体并入本文中。

示例性实施方案包含联接到手术器械608的一个或多个标记118。在示例 性实施例中，例如联接到患者210和手术器械608的这些标记118，以及联接 到机器人102的末端执行器112的标记118可包括传统的红外发光二极管(LED) 或能够使用商业上可获得的红外光学跟踪系统(例如

)跟踪的

二极管。

是加拿大安大略省滑铁卢北方数字公司(Northern Digital Inc.)的注册商标。在其它实施例中，标记118可包括能够使用商业上可 获得的光学跟踪系统(例如Polaris Spectra)跟踪的常规反射球。Polaris Spectra也 是北方数字公司的注册商标。在示例性实施例中，联接到末端执行器112的标 记118是有源标记，其包括可以接通和关断的红外发光二极管，并且联接到患者210和手术器械608的标记118包括无源反射球。

在示例性实施例中，由标记118发射和/或反射的光可以由相机200检测并 且可以用于监视被标记对象的位置和移动。在替代实施例中，标记118可包括 射频和/或电磁反射器或收发器，并且相机200可包含射频和/或电磁收发器， 或由射频和/或电磁收发器代替。

类似于手术机器人系统100，图3示出了与本公开的示例性实施例一致的 处于对接配置的手术机器人系统300和相机支架302。手术机器人系统300可 包括机器人301，机器人包含显示器304、上臂306、下臂308、末端执行器 310、竖直柱312、脚轮314、机柜316、平板抽屉318、连接器面板320、控制 面板322和信息环324。相机支架302可包括相机326。这些组件参照图5更详 细地描述。图3示出了处于对接配置的手术机器人系统300，其中相机支架302例如在不使用时与机器人301嵌套。所属领域的技术人员将认识到，相机 326和机器人301可以在手术程序期间彼此分离并且定位在任何适当的位置处， 例如如图1和2所示。

图4示出了与本公开的示例性实施例一致的基座400。基座400可以是手 术机器人系统300的一部分并且包括机柜316。机柜316可以容纳手术机器人 系统300的某些组件，包含但不限于电池402、配电模块404、平台接口板模 块406、计算机408、手柄412和平板抽屉414。这些组件之间的连接和关系参 照图5更详细地描述。

图5示出了手术机器人系统300的示例性实施例的某些组件的框图。手术 机器人系统300可包括平台子系统502、计算机子系统504、运动控制子系统 506和跟踪子系统532。平台子系统502可以进一步包括电池402、配电模块 404、平台接口板模块406和平板充电站534。计算机子系统504可以进一步包 括计算机408、显示器304和扬声器536。运动控制子系统506可以进一步包括 驱动器电路508、发动机510、512、514、516、518、稳定器520、522、524、 526、末端执行器310和控制器538。跟踪子系统532可进一步包括位置传感器 540和相机转换器542。系统300还可包括脚踏板544和平板546。

经由可以被提供给配电模块404的电源548，将输入电力供应给系统300。 配电模块404接收输入电力并且配置成产生不同的电源电压，所述电源电压被 提供给系统300的其它模块、组件和子系统。配电模块404可以配置成向平台 接口模块406提供不同的电压供应，所述不同电压供应可以被提供给如计算机 408、显示器304、扬声器536、驱动器508等其它组件，以例如为发动机512、 514、516、518和末端执行器310、发动机510、环324、相机转换器542以及 用于系统300的其它组件供电，所述其它组件例如用于冷却机柜316内的电气组件的风扇。

配电模块404还可以将电力提供给其它组件，例如可以位于平板抽屉318 内的平板充电站534。平板充电站534可以与平板546进行无线或有线通信以 用于为平板546充电。平板546可以由与本公开一致并在本文描述的外科医生 来使用。

配电模块404还可以连接到电池402，电池402在配电模块404没有从输 入电力548接收电力的情况下用作临时电源。在其它时间，如果必要，配电模 块404可以用以对电池402进行充电。

平台子系统502的其它组件还可包含连接器面板320、控制面板322和环 324。连接器面板320可以用于将不同的装置和组件连接到系统300和/或相关 联的组件和模块。连接器面板320可以含有接收来自不同组件的线路或连接的 一个或多个端口。举例来说，连接器面板320可以具有可以将系统300接地到 其它设备的接地端子端口、将脚踏板544连接到系统300的端口、连接到跟踪 子系统532的端口，跟踪子系统532可包括位置传感器540、相机转换器542、 以及与相机支架302相关联的相机326。连接器面板320还可包含其它端口以允许与其它组件(例如计算机408)进行USB、以太网、HDMI通信。

控制面板322可以提供控制系统300的操作和/或提供关于系统300的信息 的各种按钮或指示器。举例来说，控制面板322可包含按钮，其用于使系统 300通电或断电、升高或下降竖直柱312、以及升高或下降稳定器520-526，稳 定器520-526可被设计成接合脚轮314以锁定系统300以免于物理移动。其它 按钮可以在紧急情况下停止系统300，这可以移除所有发动机功率并施加机械 制动器来阻止发生所有运动。控制面板322还可以具有指示器，其用于向用户 通知某些系统状况，例如线路电力指示器或电池402的充电状态。

环324可以是视觉指示器，以向系统300的用户通知系统300正在操作的 不同模式以及对用户的某些警告。

计算机子系统504包含计算机408、显示器304和扬声器536。计算机504 包含操作系统和用于操作系统300的软件。计算机504可以接收和处理来自其 它组件(例如跟踪子系统532、平台子系统502和/或运动控制子系统506)的信息 以向用户显示信息。此外，计算机子系统504还可包含扬声器536以向用户提 供音频。

跟踪子系统532可包含位置传感器504和转换器542。跟踪子系统532可 以对应于包含相机326的相机支架302，如参照图3所描述。位置传感器504 可以是相机326。跟踪子系统可以跟踪位于系统300的不同组件和/或在手术程 序期间由用户使用的器械上的某些标记的位置。此跟踪可以以与本公开一致的 方式进行，包含使用分别跟踪例如LED或反射标记等有源或无源元件的位置的 红外技术。具有这些类型的标记的结构的定位、定向和位置可以被提供给计算 机408，可以在显示器304上向用户展示。举例来说，具有这些类型的标记并 且以这种方式(其可以被称为导航空间)跟踪的手术器械608可以向用户展示相 关的患者的解剖结构的三维图像。

运动控制子系统506可以配置成物理地移动竖直柱312、上臂306、下臂 308或旋转末端执行器310。物理移动可以通过使用一个或多个发动机510-518 来进行。举例来说，发动机510可以配置成竖直地升高或降低竖直柱312。如 图3所示，发动机512可以配置成围绕与竖直柱312接合的点横向移动上臂 308。如图3所示，发动机514可以配置成围绕与上臂308接合的点横向移动下 臂308。发动机516和518可以配置成以可控制翻转并且可控制倾斜的方式来 移动末端执行器310，由此提供可以移动末端执行器310的多个角度。这些移动可以通过控制器538来实现，所述控制器538可以通过测压元件(load cell)来 控制这些移动以便以期望的方式移动系统300，所述测压元件设置在末端执行 器310上并且由接合这些测压元件的使用者激活。

此外，系统300可以通过使用者在显示器304(其可以是触摸屏输入装置)上 指示手术器械或组件在显示器304上的患者解剖结构的三维图像上的位置，来 提供垂直柱312、上臂306和下臂308的自动移动。使用者可以通过踩踏脚踏 板544或一些其它输入装置来启始此自动移动。

图6示出了与示例性实施例一致的手术机器人系统600。手术机器人系统 600可包括末端执行器602、机器人臂604、引导管606、器械608和机器人基 座610。器械工具608可以附接到包含一个或多个跟踪标记(例如标记118)的跟 踪阵列612，并且具有相关联的轨迹614。轨迹614可以代表器械工具608配置 成一旦其穿过或固定在引导管606中而行进的移动路径，例如器械工具608插 入到患者体内的路径。在示例性操作中，机器人基座610可以配置成与机器人 臂604和末端执行器602进行电子通信，使得手术机器人系统600可以辅助用 户(例如外科医生)在患者210上操作。手术机器人系统600可以与之前描述的 手术机器人系统100和300一致。

跟踪阵列612可以安装在器械608上以监视器械工具608的定位和定向。 跟踪阵列612可以附接到器械608并且可包括跟踪标记804。如图8中最佳所 见，跟踪标记804可以是例如发光二极管和/或其它类型的反射标记(例如如本 文其它地方描述的标记118)。跟踪装置可以是与手术机器人系统相关联的一个 或多个视线装置。作为实例，跟踪装置可以是与手术机器人系统100、300相 关联的一个或多个相机200、326，并且还可跟踪跟踪阵列612以获得器械608 相对于机器人臂604、机器人基座610、末端执行器602和/或患者210的限定域或相对定向。跟踪装置可以与结合相机支架302和跟踪子系统532描述的那 些结构一致。

图7A、7B和7C分别示出了与示例性实施例一致的末端执行器602的俯视 图、前视图和侧视图。末端执行器602可包括一个或多个跟踪标记702。跟踪 标记702可以是发光二极管或其它类型的有源和无源标记，例如之前已经描述 的跟踪标记118。在示例性实施例中，跟踪标记702是由电信号(例如红外发光 二极管(LED))激活的有源红外发射标记。因此，跟踪标记702可以被激活，使 得红外标记702对于相机200、326可见，或者可以被解除激活，使得红外标记 702对于相机200、326不可见。因此，当标记702为有源时，末端执行器602可以由系统100、300、600来控制，并且当标记702被解除激活时，末端执行 器602可以被锁定在适当位置并且不能被系统100、300、600移动。

标记702可以以使得标记702可被一个或多个相机200、326或与手术机 器人系统100、300、600相关联的其它跟踪装置可见的方式设置在末端执行器 602上或末端执行器602内。相机200、326或其它跟踪装置可在通过跟随跟踪 标记702的移动而移动到不同位置和视角时跟踪末端执行器602。标记702和/ 或末端执行器602的位置可显示在与手术机器人系统100、300、600相关联的 显示器110、304上，例如图2所示的显示器110和/或图3所示的显示器304。 此显示器110、304可以允许使用者确保末端执行器602相对于机器人臂604、机器人基座610、患者210和/或使用者处于理想位置。

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

另外，在示例性实施例中，末端执行器602可以配备有红外(infared，IR) 接收器，所述红外(IR)接收器可以检测何时外部相机200、326准备好读取标记 702。在此检测后，末端执行器602然后可以照亮标记702。由IR接收器检测 到外部相机200、326准备好读取标记702可以将同步标记702(其可以是发光 二极管)的占空比的需要通过信号发送给外部相机200、326。这也可以允许机 器人系统作为整体实现较低的功耗，由此标记702将仅在适当的时间被照亮而 不是被持续照亮。此外，在示例性实施例中，可以关闭标记702以防止干扰其它导航工具(例如不同类型的手术器械608)。

图8描绘了一种类型的手术器械608，其包含跟踪阵列612和跟踪标记804。 跟踪标记804可以是本文所描述的任何类型，包含但不限于发光二极管或反射 球。由与手术机器人系统100、300、600相关联的跟踪装置来监视标记804， 并且标记804可以是视线相机200、326中的一个或多个。相机200、326可以 基于跟踪阵列612和标记804的位置和定向来跟踪器械608的定位。外科医生 120等用户可以以某种方式定向器械608，使得由跟踪装置或相机200、326充 分辨识跟踪阵列612和标记804以例如在示例性手术机器人系统的显示器110上显示器械608和标记804。

外科医生120可以将器械608放置到末端执行器602的引导管606中并调 整器械608，这种方式在图8中是明显的。末端执行器112、310、602的中空 管或引导管114、606的尺寸和配置被设定为接收手术器械608的至少一部分。 引导管114、606配置成通过机器人臂104定向，使得手术器械608的插入和轨 迹能够到达患者210体内或体上的期望解剖目标。手术器械608可包含大致圆 筒形器械的至少一部分。虽然螺丝刀作为手术工具608被举例说明，但应该理 解，任何合适的手术工具608都可以由末端执行器602定位。作为实例，手术器械608可包含一个或多个导丝、套管、牵开器、钻孔器、扩眼器、螺丝刀、 插入工具、拆卸工具等。虽然中空管114、606总体上显示为具有圆筒形配置， 但所属领域的技术人员将会理解的是，引导管114、606可以具有期望用于容 纳手术器械608并接近手术部位的任何合适的形状、尺寸和配置。

图9A到9C示出了与示例性实施例一致的末端执行器602和机器人臂604 的一部分。末端执行器602可进一步包括主体1202和夹具1204。夹具1204可 包括手柄1206、球1208、弹簧1210和唇缘1212。机器人臂604可进一步包括 凹陷1214、安装板1216、唇缘1218和磁体1220。

末端执行器602可以通过一个或多个联接件机械地介接和/或接合手术机器 人系统和机器人臂604。举例来说，末端执行器602可以通过定位联接件和/或 增强联接件与机器人臂604接合。通过这些联接件，末端执行器602可以与柔 性无菌屏障外的机器人臂604紧固。在示例性实施例中，定位联接件可以是磁 力运动学支架，并且增强联接件可以是五杆跨中心夹紧联动件。

关于定位联接件，机器人臂604可包括安装板1216(其可以是非磁性材料)、 一个或多个凹陷1214、唇缘1218和磁体1220。磁体1220安装在每个凹陷 1214下方。夹具1204的部分可包括磁性材料并且被一个或多个磁体1220吸引。 通过夹具1204和机器人臂604的磁性吸引，球1208变成安置到相应的凹陷1214中。举例来说，如图9B所示的球1208将安置在凹陷1214中，如图9A所 示。此安置可以被认为是磁力辅助的运动学联接。无论末端执行器602的定向 如何，磁体1220都可以配置成足够坚固以支撑末端执行器602的整个重量。定 位联接件可以是唯一地约束六个自由度的任何类型的运动学安装件。

关于增强联接件，夹具1204的部分可以配置为固定的接地联动件，并且 这种夹具1204可以用作五杆联动件。当唇缘1212和唇缘1218以固定末端执行 器602和机器人臂604的方式接合夹具1204时，闭合夹具手柄1206可将末端 执行器602固定到机器人臂604。当夹具手柄1206闭合时，当夹具1204处于 锁定位置时弹簧1210可被拉伸或受到应力。锁定位置可以是提供经过中心的 联动件的位置。由于闭合位置经过中心，因此在没有施加到夹具手柄1206以 释放夹具1204的力的情况下联动件不会打开。因此，在锁定位置中，末端执 行器602可牢固地固定到机器人臂604。

弹簧1210可以是张紧的弯曲梁。弹簧1210可由表现出高刚度和高屈服应 变的材料组成，例如原始PEEK(聚醚醚酮)。末端执行器602和机器人臂604之 间的连接可以在末端执行器602和机器人臂604之间提供无菌屏障而不妨碍两 个联接件的紧固。

增强联接件可以是具有多个弹簧构件的联动件。增强联接件可以与凸轮或 基于摩擦的机构锁定。增强联接件还可以是足够强大的电磁体，其将支持将末 端执行器102紧固到机器人臂604。增强联接件可以是多件式套环，所述多件 式套环完全与末端执行器602和/或机器人臂604分开，所述末端执行器602和/ 或机器人臂604在末端执行器602与机器人臂604之间的接口上滑动，并且用 螺旋机构、跨中心连接件或凸轮机构紧固。

参考图10和图11，在手术过程之前或期间，可以进行某些配准程序以在 导航空间和图像空间两者中跟踪对象和患者210的目标解剖结构。为了进行这 种配准，可以使用配准系统1400，如图10所示例的那样。

为了跟踪患者210的位置，患者跟踪装置116可包含将被固定到患者210 的刚性解剖结构的患者固定器械1402，并且动态参考基座(dynamic reference base，DRB)1404可以被牢固地附接到患者固定器械1402。举例来说，患者固 定器械1402可被插入到动态参考基座1404的开口1406中。动态参考基座 1404可含有对跟踪装置(例如跟踪子系统532)可见的标记1408。这些标记1408 可以是光学标记或反射球，例如跟踪标记118，如前所述。

患者固定器械1402附接到患者210的刚性解剖结构并且可以在整个手术程 序中保持附接。在示例性实施例中，患者固定器械1402被附接到患者210的刚 性区域，例如远离经受手术程序的目标解剖结构定位的骨骼。为了跟踪目标解 剖结构，通过使用临时放置在目标解剖结构上或附近的配准固定装置以便将动 态参考基座1404与目标解剖结构的位置配准，使动态参考基座1404与目标解 剖结构相关联。

通过使用枢转臂1412，将配准固定装置1410附接到患者固定器械1402。 通过将患者固定器械1402插入穿过配准固定装置1410的开口1414，将枢转臂 1412附接到患者固定器械1402。通过例如将旋钮1416插入穿过枢转臂1412的 开口1418，将枢转臂1412附接到配准固定装置1410。

使用枢转臂1412，配准固定装置1410可以放置在目标解剖结构上方，并 且其位置可以使用配准固定装置1410上的跟踪标记1420和/或基准1422在成 像空间和导航空间中确定。配准固定装置1410可以含有在导航空间中可见的 标记1420的集合(例如标记1420可以被跟踪子系统532检测到)。如本文先前 所描述，跟踪标记1420可以是在红外光下可见的光学标记。配准固定装置 1410还可以含有在成像空间(例如三维CT图像)中可见的基准1422的集合，例 如轴承球。如关于图11更详细描述，使用配准固定装置1410，目标解剖结构可以与动态参考基座1404相关联，从而允许将导航空间中的对象的描绘叠加 在解剖结构的图像上。位于远离目标解剖结构的位置处的动态参考基座1404 可以成为参考点，从而允许从手术区域移除配准固定装置1410和/或枢转臂 1412。

图11提供了与本公开一致的用于配准的示例性方法1500。方法1500在 步骤1502处开始，其中可以将目标解剖结构的图形表示(或图像)导入到系统 100、300、600，例如计算机408。图形表示可以是患者210的目标解剖结构的 三维CT或者荧光镜扫描，其包含配准固定装置1410和基准1420的可检测成 像图案。

在步骤1504处，检测基准1420的成像图案并将其配准在成像空间中并存 储在计算机408中。可选地，此时在步骤1506处，配准固定装置1410的图形 表示可以叠加在目标解剖结构的图像上。

在步骤1508处，通过辨识标记1420来检测并配准配准固定装置1410的导 航图案。标记1420可以是经由位置传感器540由跟踪子系统532通过红外光在 导航空间中辨识的光学标记。因此，目标解剖结构的定位、定向以及其它信息 被配准在导航空间中。因此，可以通过使用基准1422在成像空间中辨识配准 固定装置1410，并且可以通过使用标记1420在导航空间中辨识配准固定装置 1410。在步骤1510处，将成像空间中的配准固定装置1410的配准转移到导 航空间。举例来说，通过使用基准1422的成像图案相较于标记1420的导航图案的位置的相对位置来完成此转移。

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

在步骤1514和1516处，导航空间可以叠加在成像空间上，并且对象具有 在导航空间中可见的标记(例如具有光学标记804的手术器械608)。可以通过手 术器械608在目标解剖结构的图像上的图形表示来跟踪对象。

图12A-12B示出了可与机器人系统100、300、600结合使用以获取患者 210的手术前、手术中、手术后和/或实时图像数据的成像装置1304。使用成像 系统1304，可以针对任何适当的程序使任何适当的主题成像。成像系统1304 可以是任何成像装置，例如成像装置1306和/或C形臂1308装置。可能需要从 多个不同位置拍摄患者210的x射线，而不需要x射线系统中可能需要的患者 210的频繁手动重新定位。如图12A所示，成像系统1304可以是C形臂1308 的形式，其包含终止于“C”形的相对远端1312的细长C形构件。C形构件1130 可以进一步包括x射线源1314和图像接收器1316。臂的C形臂1308内的空间 可以为医生提供空间来在基本上不受来自x射线支撑结构1318的干扰的情况下 照料患者。如图12B所示，成像系统可包含成像装置1306，成像装置1306具 有附接到支撑结构成像装置支撑结构1328的机架外壳1324，例如具有轮1332 的轮式移动手推车1330，其可包围图像捕获部分(未示出)。图像捕获部分可包 含x射线源和/或发射部分以及x射线接收和/或图像接收部分，其可安置成彼 此相隔大约一百八十度，并且相对于图像捕获部分的轨道安装在转子上(未示出)。图像捕获部分可操作以在图像获取期间旋转三百六十度。图像捕获部分可 围绕中心点和/或轴旋转，从而允许从多个方向或多个平面获取患者210的图像 数据。虽然本文举例说明了某些成像系统1304，但应该理解，所属领域的普通 技术人员可以选择任何合适的成像系统。

现转而参看图13A-13C，手术机器人系统100、300、600依靠末端执行器 112、602、手术器械608和/或患者210(例如患者跟踪装置116)相对于期望的手 术区域的准确定位。在图13A-13C所示的实施例中，跟踪标记118、804刚性 地附接到器械608和/或末端执行器112的一部分。

图13A描绘了手术机器人系统100的一部分，其具有机器人102，机器人 102包含基座106、机器人臂104和末端执行器112。未示出的其它元件，例如 显示器、相机等也可以如本文所描述存在。图13B描绘了末端执行器112的特 写视图，其具有引导管114和刚性固定到末端执行器112的多个跟踪标记118。 在此实施例中，多个跟踪标记118附接到引导管112。图13C描绘了具有刚性 附连到器械608的多个跟踪标记804的器械608(在这种情况下为探针608A)。 如本文其它地方所描述，器械608可包含任何合适的手术器械，例如但不限于 导丝、套管、牵开器、钻孔器、扩眼器、螺丝刀、插入工具、移除工具等。

当要以3D跟踪器械608、末端执行器112或其它对象时，跟踪标记118、 804的阵列可以刚性地附接到工具608或末端执行器112的一部分。优选地， 跟踪标记118、804被附接，使得标记118、804不妨碍(例如不妨碍手术操作、 可视性等)。标记118、804可以附连到器械608、末端执行器112或例如待用 阵列612跟踪的其它对象。通常，三个或四个标记118、804与阵列612一起使 用。阵列612可包含线性区段、交叉件，并且可以是不对称的，使得标记118、 804相对于彼此处于不同的相对位置和定位。举例来说，如图13C所示，示出 了具有4标记跟踪阵列612的探针608A，并且图13B描绘了具有不同4标记 跟踪阵列612的末端执行器112。

在图13C中，跟踪阵列612用作探针608A的手柄620。因此，四个标记 804附接到探针608A的手柄620，不妨碍轴杆622和尖端624。这四个标记 804的立体摄影测量跟踪允许器械608作为刚性主体被跟踪并且允许跟踪系统 100、300、600在探针608A在跟踪相机200、326前方四处移动时精确地确定 尖端624的位置和轴杆622的定向。

为了能够自动跟踪一个或多个工具608、末端执行器112或其它要以3D跟 踪的对象(例如多个刚性主体)，每个工具608、末端执行器112或类似物上的标 记118、804以已知的标记间隔不对称地布置。不对称对准的原因是，使得哪 一标记118、804对应于刚性主体上的特定位置以及标记118、804是从前方还 是后方检视(即，镜像)都是明确的。举例来说，如果标记118、804被布置在工 具608或末端执行器112上的正方形中，那么系统100、300、600将不清楚哪 个标记118、804对应于正方形的哪个角。举例来说，对于探针608A，不清楚哪个标记804最接近轴杆622。因此，不知道轴杆622从阵列612延伸的方向。 因此，每个阵列612以及因此每个工具608、末端执行器112或其它待跟踪的 对象应该具有唯一的标记图案，以使其能够与正被跟踪的其它工具608或其它 对象区分。不对称且唯一的标记图案允许系统100、300、600检测各个标记 118、804，然后对照所存储的模板检查标记间隔以确定它们代表哪个工具608、 末端执行器112或其它对象。然后可以将检测到的标记118、804自动分类并以 正确的顺序指派给每个所跟踪对象。如果没有该信息，则除非用户手动指定哪个检测到的标记118、804对应于每个刚性主体上的哪个位置，否则不能执行 刚性主体计算以提取关键的几何信息，例如工具尖端624和轴杆622的对准。 这些概念对于3D光学跟踪方法的技术人员来说通常是已知的。

现转而参看图14A到14D，示出了具有可移动跟踪标记918A-标记918D 的末端执行器912的替代型式。在图14A中，具有可移动跟踪标记918A-918D 的阵列示出于第一配置中，且在图14B中，可移动跟踪标记918A-918D示出于 相对于第一配置成角的第二配置中。图14C示出例如在图14A的第一配置中如 由相机200、326看见的跟踪标记918A-标记918D的模板；且图14D示出例如 在图14B的第二配置中如由相机200、326看见的跟踪标记918A-标记918D的 模板。

在此实施例中，涵盖了4标记阵列跟踪，其中标记918A-918D并非全部相 对于刚性主体位于固定位置中，且替代地，可例如在测试期间调整阵列标记 918A-918D中的一个或多个，以给出关于正被跟踪的刚性主体的更新后信息， 而不妨碍对所跟踪标记918A-918D的自动检测和分类的过程。

当跟踪任何工具，例如连接到机器人系统100、300、600的末端执行器 912的引导管914时，跟踪阵列的主要目的是在相机坐标系中更新末端执行器 912的位置。当使用例如如图13B中示出的刚性系统时，反射标记118的阵列 612从引导管114刚性地延伸。因为跟踪标记118刚性地连接，所以对相机坐 标系中的标记位置的了解还在相机坐标系中提供引导管114的中心线、尖端和 尾部的准确位置。通常，关于末端执行器112距此阵列612的位置的信息和关 于目标轨迹距另一被跟踪源的位置的信息用以计算必须针对机器人102的每个轴线输入的将使引导管114移动成与轨迹对准并沿着轨迹向量将尖端移动到特 定位置的所需移动。

有时，期望的轨迹在不方便或不可达的位置中，但如果可转动引导管114， 那么可到达期望的轨迹。举例来说，如果引导管114可超出间距(手腕上下角度) 轴线的限度朝上转动，那么远离机器人102的基座106指向的极陡峭轨迹可能 是可到达的，但如果引导管114平行于将其连接到手腕的末端的板而附接，那 么所述极陡峭轨迹可能并非可到达的。为了到达此轨迹，机器人102的基座 106可移动，或具有不同引导管附接的不同末端执行器112可与工作的末端执 行器交换。这两个解决方案可能是费时且繁琐的。

如图14A和14B中最佳所见，如果阵列908配置成使得标记918A-918D 中的一个或多个不在固定位置中，且替代地，可调整、转动、枢转或移动标记 918A-918D中的一个或多个，那么机器人102可提供关于正被跟踪的对象的更 新后信息，而不妨碍检测和跟踪过程。举例来说，标记918A-918D中的一个可 固定在适当位置，且其它标记918A-918D可以是可移动的；标记918A-918D 中的两个可固定在适当位置且其它标记918A-918D可以是可移动的；标记 918A-918D中的三个可固定在适当位置且其它标记918A-918D可以是可移动的； 或所有标记918A-918D可以是可移动的。

在图14A和14B中示出的实施例中，标记918A、918B刚性地直接连接到 末端执行器912的基座906，且标记918C、918D刚性地连接到管914。类似于 阵列612，可提供阵列908以将标记918A-918D附接到末端执行器912、器械 608或待跟踪的其它对象。但是，在此状况下，阵列908由多个单独组件组成。 举例来说，标记918A、918B可通过第一阵列908A连接到基座906，且标记 918C、918D可通过第二阵列908B连接到引导管914。标记918A可附连到第一阵列908A的第一端，且标记918B可分离一段直线距离并附连到第一阵列 908A的第二端。虽然第一阵列908是大体上线性的，但是第二阵列908B具有 弯曲或V形配置，相应根端连接到引导管914，且以V形状从其发散到远端， 其中标记918C在一个远端处且标记918D在另一远端处。虽然在本文中举例说 明了具体配置，但是应了解，涵盖了包含不同数目个和不同类型的阵列908A、 908B以及不同布置、数目和类型的标记918A-918D的其它非对称设计。

引导管914可例如跨越铰链920或到基座906的其它连接器相对于基座 906可移动、可转动或可枢转。因此，标记918C、918D是可移动的，使得当 引导管914枢转、转动或移动时，标记918C、918D也枢转、转动或移动。如 图14A中最佳所见，引导管914具有纵向轴线916，纵向轴线916在大体上正 交或竖直的定向上对准，使得标记918A-918D具有第一配置。现转而参看图14B，引导管914枢转、转动或移动，使得纵向轴线916现相对于竖直定向成角，使得标记918A-918D具有不同于第一配置的第二配置。

相比于对于图14A-14D描述的实施例，如果在引导管914与臂104(例如手 腕附接)之间存在转动，其中所有四个标记918A-918D保持刚性地附接到引导 管914，且此转动由用户调整，那么机器人系统100、300、600将不能够自动 地检测到引导管914定向已改变。机器人系统100、300、600将跟踪标记阵列 908的位置，并将假设引导管914在先前定向上附接到手腕(机器人臂104)而计 算错误的机器人轴线移动。通过保持一个或多个标记918A-918D(例如两个标记 918C、918D)刚性地在管914上并保持一个或多个标记918A-918D(例如两个标 记918A、918B)跨越转动，对新位置的自动检测变得可能，且基于在机器人臂 104的末端上检测到新工具或末端执行器112、912而计算正确的机器人移动。

标记918A-918D中的一个或多个配置成根据任何合适的方式而移动、枢转、 转动等等。举例来说，标记918A-918D可由例如夹具、弹簧、杠杆、滑动件、 肘节等等铰链920或用于执行以下操作的任何其它合适的机构移动：个别地或 组合地移动标记918A-918D、个别地或组合地移动阵列908A、908B、相对于 另一部分移动末端执行器912的任何部分、或相对于另一部分移动工具608的 任何部分。

如图14A和14B中示出，通过仅松开夹具或铰链920、相对于其它部分 908A、908B移动阵列908A、908B的部分并再收紧铰链920使得引导管914定 向于不同位置中，阵列908和引导管914可变得可重新配置。举例来说，两个 标记918C、918D可与管914刚性地互连，且两个标记918A、918B可跨越到 附接到机器人臂104的末端执行器912的基座906的铰链920刚性地互连。铰 链920可呈例如翼形螺母等夹具的形式，可松开并再收紧夹具以允许用户在第 一配置(图14A)与第二配置(图14B)之间快速切换。

相机200、326检测例如图14C和14D中标识的模板中的一个中的标记 918A-918D。如果阵列908在第一配置(图14A)中且跟踪相机200、326检测到 标记918A-918D，那么所跟踪标记与如图14C中示出的阵列模板1匹配。如果 阵列908是第二配置(图14B)且跟踪相机200、326检测到相同标记918A-918D， 那么所跟踪标记与如图14D中示出的阵列模板2匹配。阵列模板1和阵列模板 2由系统100、300、600辨识为两个相异工具，其各自具有引导管914、标记 918A-918D与机器人附接之间的其自有的唯一限定的空间关系。用户可因此在 第一配置与第二配置之间调整末端执行器912的位置，而不向系统100、300、600通知改变，且系统100、300、600将适当地调整机器人102的移动以保持 在轨迹上。

在此实施例中，存在两个组装位置，其中标记阵列与允许系统100、300、 600将组合件辨识为两个不同工具或两个不同末端执行器的唯一模板匹配。在 这两个位置(即，分别在图14C和14D中示出的阵列模板1和阵列模板2)之间 或外部转动的任何位置中，标记918A-918D将不与任何模板匹配，且虽然相机 200、326检测到个别标记918A-918D，但系统100、300、600将不会检测到任 何阵列存在，其结果与从相机200、326的视野临时阻挡标记918A-918D的情 况相同。应了解，对于其它配置可存在其它阵列模板例如识别不同器械608或 其它末端执行器112、912等等。

在所描述的实施例中，在图14A和14B示出了两个离散组装位置。但是， 应了解，在转动接点、线性接点、转动接点与线性接点的组合、木栓板或其它 组合件上可存在多个离散位置，其中可通过调整阵列的一个或多个标记918A- 918D相对于其它标记的位置来产生唯一标记模板，其中每个离散位置与特定 模板匹配，并通过不同已知属性限定唯一工具608或末端执行器112、912。另 外，虽然对于末端执行器912举例说明，但是应了解，可移动且固定的标记 918A-918D可与任何合适的器械608或待跟踪的其它对象一起使用。

当使用外部3D跟踪系统100、300、600来跟踪附接到机器人的末端执行 器112的三个或更多个标记的完全刚性主体阵列(例如如图13A和13B中所描 绘)时，有可能直接跟踪或计算相机200、326的坐标系中的机器人102的每个 区段的3D位置。接点相对于跟踪器的几何定向通过设计已知，且接点的线性 位置或角位置从机器人102的每个发动机的编码器已知，从而完全限定从末端 执行器112到基座116的所有移动部分的3D位置。类似地，如果跟踪器安装 于机器人102的基座106上(未示出)，那么同样地有可能基于从每个发动机的编码器已知的接点几何形状和接点位置而跟踪或计算从基座106到末端执行器 112的机器人102的每个区段的3D位置。

在一些情形中，可能需要从刚性地附接到末端执行器112的少于三个标记 118跟踪机器人102的所有片段的位置。具体地说，如果工具608被引入到引 导管114中，那么可能需要通过正被跟踪的仅一个额外标记118跟踪机器人 902的完全刚性主体运动。

现转而参看图15A-15E，示出了仅具有单个跟踪标记1018的末端执行器 1012的替代型式。末端执行器1012可类似于本文中所描述的另一末端执行器， 并可包含沿着纵向轴线1016延伸的引导管1014。类似于本文中所描述的其它 跟踪标记，单个跟踪标记1018可刚性地附连到引导管1014。此单个标记1018 可起到添加缺失的自由度以允许完全刚性主体跟踪的作用，和/或可起到充当监 督标记以确保关于机器人和相机定位的假设有效的作用。

单个跟踪标记1018可作为到末端执行器1012的刚性延伸部附接到机器人 末端执行器1012，刚性延伸部在任何方便的方向上突出且并不阻挡外科医生的 视野。跟踪标记1018可附连到引导管1014或末端执行器1012上的任何其它合 适的位置。当附连到引导管1014时，跟踪标记1018可定位在引导管1014的第 一端与第二端之间的位置处。举例来说，在图15A中，单个跟踪标记1018示 出为安装于窄轴1017的末端上的反射球面，窄轴1017从引导管1014前向延伸， 并在引导管1014的中点上方和引导管1014的入口下方纵向定位。此位置允许 标记1018由相机200、326大体上可见，而且将不阻挡外科医生120的视觉或 与手术附近的其它工具或对象碰撞。另外，在此位置中具有标记1018的引导 管1014被设计成使引入到引导管1014中的任何工具608上的标记阵列在引导 管1014上的单个标记1018可见的同时可见。

如图15B中示出，当紧密配合的工具或器械608放置在引导管1014内时， 器械608变得在6个自由度中的4个中以机械方式受约束。也就是说，除了围 绕引导管1014的纵向轴线1016之外，器械608无法在任何方向上旋转，且除 了沿着引导管1014的纵向轴线1016之外，器械608无法在任何方向上平移。 换句话说，器械608可仅沿着引导管1014的中心线平移并围绕所述中心线旋转。 如果另外两个参数，例如(1)围绕引导管1014的纵向轴线1016的旋转角度；和 (2)沿着引导管1014的位置，是已知的，那么相机坐标系中的末端执行器1012 的位置被完全限定。

现参考图15C，系统100、300、600应该能够知晓工具608何时实际上定 位于引导管1014内部，而非替代地定位于引导管1014外部，和仅位于相机 200、326的视野内某处。工具608具有纵向轴线或中心线616和具有多个所跟 踪标记804的阵列612。刚性主体计算可用以基于阵列612在工具608上的所 跟踪位置而确定工具608的中心线616定位于相机坐标系中的何处。

从单个标记1018到引导管1014的中心线或纵向轴线1016的固定法线(竖 直)距离D_F是固定的并在几何学上已知，且可跟踪单个标记1018的位置。因此， 当从工具中心线616到单个标记1018的检测到的距离DD与从引导管中心线 1016到单个标记1018的已知固定距离DF匹配时，可确定工具608在引导管1014内(工具608的中心线616、1016与引导管1014重合)或恰好在此距离DD 与固定距离DF匹配的可能位置的地点中的某一点处。举例来说，在图15C中， 从工具中心线616到单个标记1018的检测到的法线距离DD与由两个位置中的 透明工具608表示的两个数据框架(所跟踪标记坐标)中从引导管中心线1016到 单个标记1018的固定距离DF匹配，且因此可需要额外的考量以确定工具608 何时定位在引导管1014中。

现转而参看图15D，已编程逻辑可用以寻找跟踪数据的框架，其中从工具 中心线616到单个标记1018的检测到的距离DD保持固定在正确长度，而不管 工具608在空间上相对于单个球面1018按大于某一最小距离移动，以满足工具 608在引导管1014内移动的条件。举例来说，可通过第一位置中的工具608检 测到第一框架F1，且可通过第二位置(即，相对于第一位置线性移动)中的工具 608检测到第二框架F2。工具阵列612上的标记804可从第一框架F1向第二框 架F2移动多于既定量(例如大于总共5mm)。即使在此移动的情况下，从工具 中心线向量C'到单个标记1018的检测到的距离DD在第一框架F1与第二框架 F2两者中大体上相同。

逻辑上，外科医生120或用户可将工具608放置于引导管1014内，并使工 具608略微地旋转或使其向下滑动到引导管1014中，且系统100、300、600将 能够从跟踪五个标记(工具608上的四个标记804加引导管1014上的单个标记 1018)来检测到工具608在引导管1014内。知道了工具608在引导管1014内后， 可计算在空间上限定机器人末端执行器1012的位置和定向的所有6个自由度。 在无单个标记1018的情况下，即使确定地已知工具608在引导管1014内，也 不知道引导管1014沿着工具的中心线向量C'定位于何处，以及引导管1014如 何相对于中心线向量C'旋转。

侧重于图15E，在跟踪到单个标记1018的存在以及工具608上有四个标记 804的情况下，有可能通过单个标记1018和通过中心线向量C'建构引导管 1014和工具608的中心线向量C'和法线向量。此法线向量具有定向，所述定向 相对于在手腕(在此实例中，平行于该片段定向)远端的机器人的前臂在已知定 向上并在特定固定位置处与中心线向量C'相交。为方便起见，可建构三个相互 正交的向量k'、j'、i'，如图15E中示出，从而限定引导管1014的刚性主体位 置和定向。三个相互正交的向量中的一个k'由中心线向量C'构成，第二向量j' 由穿过单个标记1018的法线向量构成，且第三向量i'是第一向量k'与第二向量 j'的向量叉积。当所有接点处于零处时，相对于这些向量k'、j'、i'的机器人接 点位置已知且固定，且因此刚性主体计算可用以在机器人处于起始位置处时确 定机器人的任何区段相对于这些向量k'、j'、i'的位置。在机器人移动期间，如 果从跟踪系统检测到工具标记804的位置(此时工具608在引导管1014中)和单 个标记1018的位置，且每个接点的角度/线性位置从编码器已知，那么可确定 机器人的任何区段的位置和定向。

在一些实施例中，固定工具608相对于引导管1014的定向可能是有用的。 举例来说，末端执行器引导管1014可围绕其轴线1016在特定位置中定向以允 许机械加工或植入物定位。虽然附接到插入到引导管1014中的工具608的任何 物件的定向从工具608上的所跟踪标记804已知，但是在引导管1014上没有额 外跟踪标记1018(或在其它实施例中没有多个跟踪标记)的情况下，相机坐标系 中的引导管1014自身的旋转定向未知。此标记1018基于标记1018相对于中心 线向量C'的定向而提供从-180°到+180°的基本上“时钟位置”。因此，单个标记 1018可提供额外的自由度以允许完全刚性主体跟踪，和/或可充当监督标记以 确保关于机器人和相机定位的假设有效。

图16是用于将机器人102的末端执行器1012(或本文中所描述的任何其它 末端执行器)导航并移动到期望目标轨迹的方法1100的框图。单个标记1018在 机器人末端执行器1012或引导管1014上的另一用途是在没有附接到机器人 102的完全跟踪阵列的情况下作为方法1100的部分实现机器人102的自动化安 全移动。当跟踪相机200、326不相对于机器人102移动(即，它们在固定位置 中)，跟踪系统的坐标系与机器人的坐标系共配准，且机器人102经校准使得可 仅基于每个机器人轴线的经编码位置而在机器人笛卡尔坐标系中准确地确定引 导管1014的位置和定向时，此方法1100起作用。

对于此方法1100，跟踪器的坐标系和机器人的坐标系必须共配准，这意味 着需要从跟踪系统的笛卡尔坐标系到机器人的笛卡尔坐标系的坐标变换。为方 便起见，此坐标变换可以是机器人技术的领域中众所周知的平移和旋转的4×4 矩阵。。此变换将被称为Tcr以指“变换-相机到机器人”一旦此变换已知，那么 对于每个被跟踪标记以向量形式作为x、y、z坐标接收到的跟踪数据的任何新 框架可乘以4×4矩阵，且所得x、y、z坐标将处于机器人的坐标系中。为了获 得Tcr，在机器人上的完全跟踪阵列在机器人的坐标系中已知的位置处刚性地 附接到机器人时跟踪所述完全跟踪阵列，接着使用已知刚性主体方法来计算坐 标的变换。应显而易见，当还读取额外标记1018时，插入到机器人102的引导 管1014中的任何工具608可与刚性附接的阵列提供相同的刚性主体信息。也就 是说，工具608仅需要插入到引导管1014内的任何位置并在引导管1014内处 于任何旋转，而不是插入到固定位置和定向。因此，有可能通过以下操作来确 定Tcr：将具有跟踪阵列612的任何工具608插入到引导管1014中并读取工具 的阵列612加引导管1014的单个标记1018，同时从每个轴线上的编码器确定 机器人的坐标系中的引导管1014的当前位置。

在图16的方法1100中提供了用于将机器人102导航并移动到目标轨迹的 逻辑。在进入循环1102之前，假设先前已存储了变换Tcr。因此，在进入循环 1102之前，在步骤1104中，在紧固机器人基座106之后，当机器人静态时， 存储引导管中插入的工具的大于或等于一帧跟踪数据；且在步骤1106中，从 此静态数据和先前校准数据计算从相机坐标到机器人坐标的机器人引导管位置 的变换Tcr。Tcr应保持有效，只要相机200、326不相对于机器人102移动即 可。如果相机200、326相对于机器人102移动，且需要重新获得Tcr，则可使 系统100、300、600提示用户将工具608插入到引导管1014中并接着自动执行 必需的计算。

在方法1100的流程图中，每一帧所收集数据由患者210身上的DRB 1404 的所跟踪位置、末端执行器1014上的单个标记1018的所跟踪位置和每个机器 人轴线的位置的快照组成。从机器人的轴线的位置，计算出末端执行器1012 上的单个标记1018的位置。此计算出的位置与如从跟踪系统记录的标记1018 的实际位置相比较。如果值一致，那么可保证机器人102在已知位置中。变换 Tcr应用于DRB 1404的所跟踪位置，以使得可根据机器人的坐标系提供机器人 102的目标。可接着命令机器人102移动以到达目标。

在步骤1104、1106之后，循环1102包含从跟踪系统接收DRB 1404的刚 性主体信息的步骤1108；将目标尖端和轨迹从图像坐标变换到跟踪系统坐标的 步骤1110；以及将目标尖端和轨迹从相机坐标变换到机器人坐标(应用Tcr)的 步骤1112。循环1102进一步包含从跟踪系统接收机器人的单个杂散标记位置 的步骤1114；以及将单个杂散标记从跟踪系统坐标变换到机器人坐标(应用所 存储Tcr)的步骤1116。循环1102还包含从前向运动学确定机器人坐标系中的 单个机器人标记1018的当前位置的步骤1118。来自步骤1116和1118的信息 用以确定来自经变换所跟踪位置的杂散标记坐标是否与小于既定容限的计算出 的坐标一致的步骤1120。如果是，那么继续进行到步骤1122，计算并将机器 人移动应用于目标x、y、z和轨迹。如果否，那么继续进行到步骤1124：在继 续进行之前停止并需要完全阵列插入到引导管1014中；步骤1126：在插入阵 列之后重新计算Tcr；以及继续进行以重复步骤1108、1114和1118。

相比于省略对单个标记1018的连续监视以检验位置的方法，此方法1100 具有优点。在不具有单个标记1018的情况下，将仍有可能使用Tcr来确定末端 执行器1012的位置并将末端执行器1012发送到目标位置，但将不可能检验机 器人102实际上在预期位置中。举例来说，如果相机200、326已凸起且Tcr不 再有效，那么机器人102将移动到错误的位置。出于此原因，单个标记1018提 供安全价值。

对于机器人102的既定固定位置，理论上有可能将跟踪相机200、326移动 到单个所跟踪标记1018保持未移动的新位置，这是因为单个所跟踪标记是单 点而非阵列。在此状况下，系统100、300、600将不会检测到任何错误，这是 因为在单个标记1018的计算出的和所跟踪位置方面将存在一致。但是，一旦 机器人的轴线致使引导管1012移动到新位置，那么计算出的和所跟踪位置将 不一致且安全检查将起作用。

举例来说，术语“监督标记”可参考相对于DRB 1404在固定位置中的单个 标记使用。在此实例中，如果DRB 1404凸起或以其它方式移开，那么监督标 记的相对位置改变且可警告外科医生120导航可能存在问题。类似地，在本文 中所描述的实施例中，通过机器人的引导管1014上的单个标记1018，系统 100、300、600可持续检查相机200、326是否已相对于机器人102移动。如果 跟踪系统的坐标系与机器人的坐标系的配准丢失(例如因为相机200、326凸起 或发生故障或因为机器人发生故障)，那么系统100、300、600可警告用户且可作出校正。因此，此单个标记1018还可被认为是用于机器人102的监督标记。

应显而易见的是，在完全阵列永久地安装于机器人102上(例如多个跟踪标 记702安装于图7A-7C中示出的末端执行器602上)的情况下，不需要作为机器 人监督标记的单个标记1018的此类功能性，这是因为不需要相机200、326相 对于机器人102在固定位置中，且基于机器人102的所跟踪位置而在每个框架 处更新Tcr。使用单个标记1018而非完全阵列的原因是，完全阵列更庞大且具 干扰性，由此阻挡外科医生的视野和对大于单个标记1018的手术视野208的访 问，且到完全阵列的视线比到单个标记1018的视线更容易受到阻挡。

现转而参看图17A-17B和18A-18B，描绘了例如植入物固持器608B、 608C等器械608，器械608包含固定跟踪标记804和可移动跟踪标记806两者。 植入物固持器608B、608C可具有手柄620和从手柄620延伸的外轴622。轴 杆622可大体上垂直于手柄620定位，如所示出，或可在任何其它合适的定向 上定位。内轴626可在一端处通过旋钮628延伸穿过外轴622。使用所属领域 的技术人员已知的典型连接机构，在另一端处，植入物10、12在植入物固持 器608B、608C的尖端624处连接到轴杆622。举例来说，旋钮628可旋转以 使植入物10、12膨胀或铰接植入物10、12。以引用的方式并入本文中的第 8,709,086号和第8,491,659号美国专利描述可膨胀融合装置和安装方法。

当跟踪例如植入物固持器608B、608C等工具608时，跟踪阵列612可含 有固定标记804与一个或多个可移动标记806的组合，可移动标记806构成阵 列612或以其它方式附接到植入物固持器608B、608C。导航阵列612可包含 至少一个或多个(例如至少两个)固定位置标记804，固定位置标记804相对于植 入物固持器器械608B、608C定位在已知位置。这些固定标记804将不能够相 对于器械几何形状在任何定向上移动，并将适用于限定器械608在空间上的位 置。另外，存在可附接到阵列612或器械自身的至少一个标记806，其能够相对于固定标记804在预定边界内移动(例如滑动、旋转等等)。系统100、300、 600(例如软件)使可移动标记806的位置与植入物10的特定位置、定向或其它 属性(例如图17A-17B中示出的可膨胀椎间体间隔件的高度，或图18A-18B中 示出的铰接式椎间体间隔件的角度)相关。因此，系统和/或用户可基于可移动 标记806的位置而确定植入物10、12的高度或角度。

在图17A-17B中示出的实施例中，四个固定标记804用以限定植入物固持 器608B，且第五可移动标记806能够在预定路径内滑动以提供关于植入物高度 (例如收缩位置或膨胀位置)的反馈。图17A示出其初始高度处的可膨胀间隔件 10，且图17B示出膨胀状态下的间隔件10，其中可移动标记806平移到了不同 位置。在此状况下，当植入物10膨胀时，可移动标记806移动成更接近固定标 记804，但预期此移动可逆转或以其它方式不同。标记806的线性平移的量将 对应于植入物10的高度。虽然仅示出了两个位置，但是将有可能将此作为连 续功能，可通过此连续功能使任何既定膨胀高度与可移动标记806的特定位置 相关。

现转而参看图18A到18B，四个固定标记804用以限定植入物固持器 608C，且第五可移动标记806配置成在预定路径内滑动以提供关于植入物铰接 角度的反馈。图18A示出处于其初始线性状态下的铰接式间隔件12，且图18B 示出按某一偏移角处于铰接式状态下的间隔件12，其中可移动标记806平移到 不同位置。标记806的线性平移的量将对应于植入物12的铰接角度。虽然仅示 出了两个位置，但是将有可能将此作为连续功能，可通过此连续功能使任何既 定铰接高度与可移动标记806的特定位置相关。

在这些实施例中，可移动标记806持续滑动以基于位置而提供关于植入物 10、12的属性的反馈。还预期，可存在可移动标记806必须处于的缜密位置， 所述缜密位置将还能够提供关于植入物属性的其它信息。在此状况下，所有标 记804、806的每个缜密配置与特定定向上或特定高度下的植入物固持器608B、 608C和植入物10、12的特定几何形状相关。另外，可针对任何其它类型的已 导航植入物的其它可变属性而使用可移动标记806的任何运动。

虽然相对于可移动标记806的线性移动描绘并描述，但是可移动标记806 不应限于仅滑动，这是因为可存在标记806的旋转或其它移动可适用于提供关 于植入物10、12的信息的应用。所述组固定标记804与可移动标记806之间的 任何相对位置改变可以是植入物10、12或其它装置的相关信息。另外，虽然 举例说明了可膨胀和铰接式植入物10、12，但是器械608可对其它医疗设备和 材料起作用，例如间隔件、笼、板、紧固件、钉子、螺杆、杆、插销、导线结 构、缝合线、锚链夹、卡钉、支架、移植骨、生物制剂、接合剂等等。

现转而参看图19A，据设想，机器人末端执行器112可与其它类型的末端 执行器112互换。此外，预期每个末端执行器112可以能够基于期望的手术程 序而执行一个或多个功能。举例来说，具有引导管114的末端执行器112可用 于导引如本文中所描述的器械608。另外，末端执行器112可由控制例如手术 装置、器械或植入物的不同或替代性末端执行器112替换。

替代性末端执行器112可包含联接到机器人且可由机器人控制的一个或多 个装置或器械。作为非限制性实例，如图19A中所描绘的末端执行器112可包 括回缩器(例如第8,992,425号和第8,968,363号美国专利中公开的一种或多种回 缩器)或用于插入或安装手术装置的一个或多个机构，所述手术装置例如可膨胀 椎间融合装置(例如第8,845,734号、第9,510,954号和第9,456,903号美国专利 中举例说明的可膨胀植入物)、单独椎间融合装置(例如第9,364,343号和第 9,480,579号美国专利中举例说明的植入物)、可膨胀椎体切除术装置(例如第 9,393,128号和第9,173,747号美国专利中举例说明的椎体切除术植入物)、铰接 式间隔件(例如第9,259,327号美国专利中举例说明的植入物)、刻面假体(例如 第9,539,031号美国专利中举例说明的装置)、椎板成形术装置(例如第9,486,253美国专利中举例说明的装置)、棘突间隔件(例如第9,592,082号美国专利中举例 说明的植入物)、可充气物、紧固件，包含多轴螺杆、单面螺杆、椎弓根螺杆、 后螺杆等等、骨固定板、杆建构物和修改装置(例如第8,882,803美国专利中举 例说明的装置)、人造和自然椎间盘、运动保持装置和植入物、脊髓刺激剂(例 如第9,440,076号美国专利中举例说明的装置)和其它手术装置。末端执行器 112可包含一个或多个器械，所述器械直接或间接联接到机器人来向手术目标 提供骨接合剂、移植骨、活细胞、药品或其它递送物。末端执行器112还可包 含被设计成用于执行椎间盘切除术、椎体后凸成形术、椎骨支架术、扩张或其 它手术程序的一个或多个器械。

末端执行器自身和/或植入物、装置或器械可包含一个或多个标记118，使 得可在三维中识别标记118的定位和位置。预期标记118可包含如本文中所描 述的可对相机200直接或间接可见的有源或无源标记118。因此，举例来说， 定位于植入物10上的一个或多个标记118可实现在植入之前、期间和之后对植 入物10的跟踪。

如图19B中示出，末端执行器112可包含器械608，或其联接到机器人臂 104(举例来说，器械608可通过图9A-9C中示出的联接机构联接到机器人臂 104)并可由机器人系统100控制的部分。因此，在图19B中示出的实施例中， 机器人系统100能够将植入物10插入到患者体内，并可使可膨胀植入物10膨 胀或收缩。因此，机器人系统100可配置成辅助外科医生或者部分或完全独立 于外科医生进行操作。因此，据设想，机器人系统100可以能够针对其指定的 功能或手术程序而控制每个替代性末端执行器112。

尽管大体参考脊柱应用描述本文中所描述的机器人和相关联系统，但还预 期机器人系统被配置成在其它外科手术应用中使用，包含但不限于外伤手术或 其它矫形应用(例如放置髓内钉、板等等)、颅侧、神经、心胸、血管、结肠直 肠、肿瘤、牙科和其它外科手术及程序。

因此，在机器人脊柱(或其他)手术过程中，动态参考基座(DRB)可以固定到 患者(例如，患者的骨头)上，并用于跟踪患者的解剖结构。由于患者正在呼吸， 因此DRB(其连接到患者身体)的位置可能会振荡。一旦将手术工具自动地移动 到目标轨迹并锁定就位，即使通过将末端执行器(例如手术工具)锁定在适当的 位置，患者的运动(例如由于呼吸)也可能导致偏离目标轨迹。因此，这种偏离/ 偏移(如果未被注意和未被考虑)会降低系统和/或手术程序的准确性。

在引导下将针或电极插入大脑的过程中，重要的是大脑不要相对于用来引 导针或电极插入的引导管移动(即使略微移动)。本文公开了在机器人引导下准 备颅骨，然后使用机器人引导递送精确的临时针引导固定装置以安装到颅骨的 方法。然后，在将机器人放在一边的情况下，仅参考临时引导固定装置插入针。 由于临时引导固定装置是相对于颅骨固定的，因此，如果患者在针插入过程中 移动，则应减少脑部受伤的风险。

根据一些实施例，可以使用机器人引导来准备颅骨，并且可以将临时引导 固定装置(也称为颅骨插入固定装置)附接到准备的颅骨上。然后可以将针(或其 他医疗设备)通过临时引导固定装置插入大脑，而无需机器人的进一步帮助。如 果患者在准备颅骨或递送或连接临时装置过程中抽搐，则对脑组织的损害很小/ 不会发生。如果患者在通过临时设备插入电极的过程中抽搐，则设备/针头相对 于大脑的相对运动会减少/不会发生，因此，对脑组织的伤害也会减少/不会发 生。

这样的临时引导固定装置可能需要被递送到其在颅骨上的附接点并且被附 接，而附接的过程不会引起其位置的显著偏移。临时引导固定装置在使用期间 在其与颅骨的界面中应当是稳定的。根据本发明构思的一些实施例，在图21 中示出了用于这种临时引导固定装置2105的设计。在一些实施例中，在临时 引导固定装置2105已经被安装到颅骨2103之后，并且在跟踪元件2115(也称 为跟踪阵列)已经被附接到其上之后，临时引导固定装置2105可以允许一些可 调节性。

图21示出了颅骨2103，其具有临时颅骨插入固定装置2105(也称为临时引 导固定装置、临时针引导器/结构或临时电极引导器/结构)，其通过螺钉锚固件 2101附接到颅骨2103并包括引导管2107。为了稳定性，引导管2107的远端 (固定装置的相邻基座2121)放置在颅骨2103中的凹槽2103a中。穿过引导管 2107的中心孔用于引导医疗设备2109(例如针或电极)的插入。引导管2107可 通过2个或更多个伸缩调节构件2111和/或可移动联接件2127具有一些角度可 调节性，以补偿在附接之后期望的轨迹的改变或在附接过程中发生管位置的偏 移。根据一些实施例，引导管2107可以使用诸如球形接头的可移动联接件2127与颅骨插入固定装置2105的基座2121联接，以允许引导管2107相对于 基座2121的角运动。一旦将其安装到颅骨2103，跟踪阵列2115可以允许跟踪 管的位置和轨迹，从而提供关于临时针引导管2107的最终位置的附加反馈。 上面例如关于跟踪阵列612讨论了跟踪阵列。

准备颅骨2103以接收图21的颅骨插入固定装置2105(也称为临时针引导 固定装置)的过程可以包括在邻近颅骨2103的位置，机器人引导系统对图22的 机器人末端执行器2201进行配准、规划和自动定位，其中如图22所示，机器 人的末端执行器2201可以定位钻具引导固定装置2203。该钻具引导固定装置 2203可以允许对中心孔(示为图21的凹槽2103a)和用于保持图21的颅骨插入 固定装置2105的图21的锚固螺钉2103a-b的导向孔2205a-b进行导向钻孔。中 央钻具引导器2207可以允许中心毛刺孔(图21中的凹槽2013a示出)部分地或 完全地穿过颅骨2103钻出。部分而不是完整的毛刺孔可允许将颅骨插入固定装置2105递送到颅骨2103并牢固地连接颅骨插入固定装置2105，之后，可以 通过颅骨插入固定装置2105(而不是机器人)的引导管2107导引具有较小钻头的 第二钻，创建贯穿颅骨2103的毛刺孔2103b。由于颅骨插入固定装置2105(其 也可以用作该较小直径的辅助通孔2103b的钻具导向器)被导航，因此辅助钻具 可以与可调式钻具止挡件配合操作，以确保辅助钻具精确地穿透到颅骨2103 的厚度而不过度穿透(这可能会损坏大脑)。

因此，钻具引导固定装置2203可以被配置为准备颅骨2103以用于颅骨插 入固定装置2105的附接。如图22所示，钻具引导装置2203可包括中央钻具引 导器2207，其限定出穿过其中的中央钻具导向孔，该中央钻具导向孔具有在钻 具引导装置的底部的第一开口2225和与钻具引导装置间隔开的第二开口2227。 如图22中进一步所示，钻具引导装置2203可以在钻具引导装置2203的底部包 括骨锚钻具导引器2229，其中骨锚钻具导引器2229限定多个(例如，至少三个) 骨锚钻具导引孔2211，其围绕骨锚钻具导引器2229间隔开。根据一些实施例， 骨锚钻具导引器2229可以被设置为围绕中央钻具引导器2207的环(或其他几何 形状/形状)，并且每个骨锚钻具导引孔2211可以在相对于中央钻具导向孔的方 向垂直的方向上偏离中央钻具导向孔。在图22的定向中，中央钻具导向孔沿 竖直方向定向，并且每个骨锚钻具导向孔相对于中央钻具导向孔水平偏移。此 外，每个骨锚钻具导引孔2211可对应于用于螺钉2101的颅骨插入固定装置 2105的基座2121中的相应孔，以使颅骨插入固定装置2105的基座2121中的 孔与使用骨锚钻具导引孔2211钻出的相应导向孔2205相匹配。

如图22中进一步所示，可以在中央钻具引导器2207和骨锚钻具导引器 2229之间设置旋转联接件2210(例如，旋转轴承)，使得骨锚钻具导引器2229 可相对于中央钻具导向装置旋转。中央钻具导向孔和每个骨锚钻具导向孔可以 是圆柱形的。此外，骨锚钻具导引器2229的旋转轴线可以相对于中央钻具导 向孔的轴向平行(例如，重合)。另外，每个骨锚钻具导引孔2211的邻近钻具引 导固定装置2207的底部的第一开口可以比与钻具引导固定装置的底部间隔开 的相应的骨锚钻具导向孔的第二开口更靠近中央钻具导向孔。因此，每个骨锚 钻具导引孔2211可以相对于中央钻具导向孔2227不平行。

如图22进一步所示，中央钻具导向孔的宽度(例如，直径)可以大于骨锚钻 具导引孔2211的宽度(例如，直径)。根据一些实施例，中央钻具导向孔和骨锚 钻具导向孔可以是圆柱形的。另外，连接器2231可以被配置为提供与机器人 致动器的末端执行器2201的可拆卸的联接。

图20是示出了用于机器人手术系统的控制器2000(例如，在计算机408和/ 或计算机子系统内实现)的元件的框图。如图所示，控制器2000可以包含与输 入接口电路2001(也称为输入接口)、输出接口电路2003(也称为输出接口)、控 制接口电路2005(也称为控制接口)和存储器电路2009(也称为存储器)联接的处 理器电路2007(也称为处理器)。存储器电路2009可以包含计算机可读程序代码， 其当由处理器电路2007执行时，使得手术机器人系统执行根据本文公开的实 施例的操作。根据其它实施例，处理器电路2007可以被定义为包含存储器， 使得不需要单独的存储器电路。

如本文所讨论，手术机器人系统的操作可以由(包含处理器2007、输入接 口2001、输出接口2003和/或控制接口2005的)控制器2000执行。例如，处理 器2007可以通过输入接口2001接收用户输入，并且此用户输入可以包含通过 脚踏板544、平板546等接收的用户输入。处理器2007还可以接收从跟踪系统 532和/或相机200通过输入接口2001接收的位置传感器输入。处理器2007可 以通过输出接口2003提供输出，并且此输出可以包含用于在显示器304上渲染 图形/视觉信息和/或待通过扬声器536提供的音频输出的信息。处理器2007可 以通过控制接口2005向运动控制子系统506提供机器人控制信息，并且机器人 控制信息可以用于控制机器人致动器例如机器人臂104(也称为机器人臂)和/或 末端执行器112(在图22中显示为末端执行器2201)的操作。处理器2007还可 通过控制接口2005接收反馈信息。根据发明概念的一些实施例，以下将讨论 手术机器人系统(其包括配置为相对于患者的解剖位置(例如颅骨2103)定位手术 末端执行器和/或钻具引导固定装置2203的机器人致动器)的操作。例如，模块 可以存储在图20的存储器2009中，并且这些模块可以提供指令，使得当处理 器2007执行模块的指令时，处理器2007控制机器人致动器和/或末端执行器以 执行相应操作。

根据图22的一些实施例，手术机器人系统可包括通过末端执行器2201与 诸如机器人臂104的机器人致动器联接的钻具引导固定装置2203。如上所述， 钻具引导固定装置2203可以被配置为准备颅骨以用于颅骨插入固定装置 2105(如图21所示)的附接，颅骨插入固定装置2105用于将医疗设备(例如针和/ 或电极)穿过颅骨插入并进入大脑。上面参照图22讨论了钻具引导固定装置 2203的元件。机器人致动器(例如，机器人臂104)可以被限定为包括末端执行 器2201，并且钻具引导固定装置2203可以与机器人致动器和/或末端执行器 2201可拆卸地联接。而且，机器人致动器可以被配置为定位钻具引导固定装置 2203。控制器2000(例如，包括处理器2007、存储器2009、控制接口2005等) 可以如上所述与机器人致动器联接(例如，通过控制接口2005)，并且控制器 2003可以被配置为控制机器人致动器以基于与颅骨和/或大脑有关的医学成像 信息，以及基于用于将医疗设备插入大脑的计划的轨迹将钻具引导固定装置 2003移至颅骨2103。

根据医疗设备(例如针或电极)的计划轨迹，钻具引导固定装置2203如上文 所述自动定位，医生可以通过中央钻具引导器2207插入合适的钻具和/或钻头 2241以在颅骨2103中钻中心孔，如图22所示。医生可以通过骨锚钻具导引孔 2211插入合适的钻具和/或钻头(例如，小于钻头2241)，以钻出要用于骨锚螺钉 2101的导向孔2205。通过在骨锚钻具导引器2229和中央钻具引导器2207之间 提供旋转联接件2210，医生可以旋转骨锚钻具导引器2229以将锚钻具导引孔 2211(以及所得的导向孔2205)定向在颅骨上的期望位置。一旦医生将骨锚钻具 导引器2229旋转到期望的方向，就可以使用锁定机构来将骨锚钻具导引器 2229相对于中央钻具引导器2207的方向锁定，使得骨锚钻具导引器2229在使 用骨锚钻具导引孔2211将导向孔2205钻入颅骨2103中的同时不移动。因此布 置了骨锚钻具导引孔2211，以在颅骨2103中提供导向孔2205，该导向孔2205 与固定装置2105的基座2121中的用于螺钉2101的孔匹配。因此，可以在钻出 导向孔2205之前锁定骨锚钻具导引器2229的旋转，以保持导向孔2205相对于 彼此的适当定向。

一旦如上所述机器人放置的钻具引导固定装置2203已用于钻出中央孔和 导向孔，就可以将机器人致动器、末端执行器和钻具引导固定装置从颅骨移开， 以允许使用中央孔和导向孔附接颅骨插入固定装置2105。如图21所示，可提 供螺钉2101，使其穿过基座2121并进入导向孔2205，以将颅骨插入固定装置 2105固定至颅骨2103，并且引导管2107的基座可位于凹槽2103a中(使用钻具 2241和中央引导管2207形成)。根据一些实施例，可以使用粘合垫代替螺钉 2101，以将基座2121固定到颅骨2103。根据一些其他实施例，引导管2107可 以在凹部2103a处锚固至颅骨2103，从而不需要螺钉2101来将基座2121固定 至颅骨2103。在这样的实施例中，可以省略螺钉2101，或者可以提供螺钉 2101以推动颅骨(不穿透颅骨)以调节引导管2107的方向(例如，在基座2121和 颅骨2103的不同位置之间提供不同的间隔)。

在递送颅骨插入固定装置2105并将其附接到颅骨2103之后，由于在插入 过程中管位置的某些偏移或由于外科医生改变了期望的轨道，所以针引导管 2107可能需要进一步的轨迹调整。所安装的临时针引导装置的确切位置是已知 的，因为它具有附接的跟踪阵列2115，并且该阵列相对于先前附接并对准的 DRB被跟踪。可以提供作为图21的临时针引导固定装置2105的一部分的调节 机构。这种调节机构可能只需要进行小的调整即可。如果需要进行较大的调整， 则可以钻出不同的通孔和锚定导向孔，并且可以重新定位整个针引导装置。在 图21的实施例中，调节机构可以包括伸缩调节构件，其仅允许管的角度调节。调节机构还可以使管的位置线性移动。调节机构因此可以包括用户可以根据来 自软件的指令和/或在观看来自光学跟踪的反馈的同时独立地调节的一个或多个 不同的伸缩、角度调节或其他方式的可调节构件/机构2111。可调节构件/机构 2111例如可以是基于使用跟踪阵列2115来自相机200的光反馈、颅骨2103和 大脑2141的医学图像信息(例如，CT扫描或MRI)和/或用于医疗设备的计划轨 迹而在控制器2000的控制下操作的电和/或液压致动构件。

颅骨插入固定装置2105因此可以被配置为提供引导以将医疗设备(例如， 针和/或电极)插入脑部2141。如所示，颅骨插入固定装置2105可包括基座 2121、引导管2107、可移动联接件2127和调节构件2111。基座2121可以包括 多个间隔开的接触区域，该多个间隔开的接触区域配置成提供与颅骨2103的 接触；以及用于螺钉2101的多个间隔开的锚固螺钉孔。螺钉孔例如可以设置 在各个接触区域处。

引导管2107可以与基座2121联接，其中引导管2107包括接触端和插入端。 此外，接触端可以被配置为接触颅骨2103中的开口2103a，并且插入端(与颅 骨2103间隔开)可以被配置为容纳医疗设备2109。另外，可移动联接件2127 可设置在基座2121与引导管2107的第一部分之间，并且调节构件2111可联接 在基座2121与引导管2107的第二部分之间。此外，可移动联接件2127可以是 球形接头，该球形接头配置成允许引导管2107相对于基座2121进行角运动。

根据一些实施例，可以提供三个调节构件2111，并且每个调节构件可以包 括至少三个伸缩调节构件，其联接在基座2121和引导管2107的第二部分之间。 此外，伸缩调节构件可配置成将引导管相对于基座锁定在不同的角度方向上。 每个调节构件可以包括伸缩式致动器(例如，手动、电动和/或液压致动的致动 器)，其配置成将引导管2017相对于基座2121移动到不同的角度取向。根据一 些实施例，这样的致动器可以由控制器2000控制以基于医学成像信息、使用 与引导管2107耦合的跟踪阵列2115确定的定位信息和/或计划的轨迹来自动设 置引导管2017的轨迹。

图22显示了钻具导向器2203的机器人定位，以准备颅骨2103接受颅骨插 入固定装置2105。中央钻具引导器2207引导主孔(在图21中示为凹部2103a) 的钻孔，针将通过该主孔插入。骨锚钻具导引孔2211的目的是引导导向孔 2205a和2205b的钻孔，以用于骨锚固螺钉2101，该骨锚固螺钉2101保持附接 到颅骨2103的颅骨插入固定装置2105。在该实施例中，骨锚钻具导引器2229 可以包括三个或更多个骨锚钻具导引孔2211，并且骨锚钻具导引器2229可以 通过旋转轴承2210连接到中央钻具引导器2207，使得当期望时孔2205可以旋转地相对于中央孔2103a定位在颅骨2103中/上。

根据关于图23-26讨论的一些实施例，可以在不需要附接基于销的颅骨框 架的情况下执行颅电极和/或针的插入，从而降低了该过程的发病率。而且，可 以使用机器人辅助来执行颅电极和/或针的插入，而不需要附接的弧机构，从而 增加了手术的速度和/或准确性。

植入物的定位目前可使用穿过颅骨/头骨的较大毛刺孔，其直径通常超过 14毫米。通过使用此大小的孔，可以不再将手术视为微创手术(MIS)。另外， 孔的大尺寸可以为脑脊液(CSF)的泄漏提供途径。这种液体的泄漏可能会导致 颅骨内的压力发生变化和/或颅内的大脑移动。这样的孔尺寸还可能需要在美容 上不期望的植入物以在电极放置之后覆盖孔。

本发明构思的实施例可以结合植入物引导和锁定机构的方法，以将电极植 入物精确地引导至大脑中的目标位置，同时堵塞孔以减少/防止泄漏，同时使用 足够小的切口以被作为MIS。根据这样的实施例，外科医生可以通过较小的孔 插入医疗设备(例如，电极)，并且以更好的美容性固定该孔，同时还堵塞该孔 以减少压力变化和脑移位。根据一些其他实施例，可以在移除机器人定位器之 后插入电极。

在当前的脑电极放置方法中，可将电极及其固定植入物穿过颅骨上的大 毛刺孔插入。大的毛刺孔(直径通常为14毫米或更大)可用于在手术过程中调节 电极位置。但是，一旦电极就位，可能需要植入永久性覆盖物，以将电极固定 在相对于颅骨的最终位置，夹紧导线以防止其移动，同时允许导线的颅外部分 引出皮下。如上所述，这种植入物在美容上可能是不希望的。

当前的植入物固定设计因此可能会很笨重，并因此可能需要在手术过程中 剃掉大块的头发。此外，如果不进行仔细的铣削，植入物覆盖物可能在愈合后 在头皮下留下隆起。

根据本发明构思的一些实施例，由于手术机器人的高精度和更灵活的定位 范围，有可能通过较小的孔插入电极(与用于常规手术的孔相比)。较小的孔可 在电极与毛刺孔的边缘之间留下较小的间隙，这可允许电极附接装置较小。在 一些实施例中，植入物还可有效地密封颅骨并减少/防止压力改变和/或CSF泄 漏。

图23是示出根据发明构思的一些实施例的电极保持植入物的截面图。如 图所示，可以将电极保持植入物放置在穿过头骨(也称为颅骨)的孔中。该机构 的带螺纹的外部2311允许在颅骨中一次抓握，并在完全安装后保持稳定性。 如图所示，引导机构可包括壳体2303、可压缩的插入衬套2305、应变消除帽 2307和O形圈2309。因此，图23的引导机构可用于引导医疗设备(例如电极 2315或针)插入大脑。在患者的医学图像量(MRI和/或CT图像量)上规划了所需 的电极轨迹之后，机器人系统可以自动移动到位并将引导管固定在计划的轨迹 上，定位在颅骨上方，类似于用自动螺丝钉固定在脊柱上所使用的方法。通过 自动定位的引导管(未显示)，外科医生可以在颅骨上钻一个孔。然后，外科医 生可以将电极保持植入物插入颅骨的孔中。

在一些实施例中，可以敲凿颅骨中的毛刺孔以留下可与电极保持植入物的 相应螺纹接合的螺纹。在一些其他实施例中，骨头可以不被敲凿，并且电极保 持植入物的螺纹可以是自切割的。在其他实施例中，可以不敲凿毛刺孔，并且 可以使用外围固定螺钉或通过胶合、压接和/或夹紧到颅骨中来将电极保持植入 物紧固在颅骨中。

当将电极保持植入物固定在颅骨上时，主要的流体通道可能会穿过其中央 孔(电极将穿过该中央孔)。尽管沿着植入物与颅骨交界的外边缘可能有第二流 体路径，但O形圈2309(例如，其包含生物相容性且可能吸收性弹性体材料)可 有助于密封该外部部分，以减少/防止流体泄漏。在其他实施例中，可以代替或 除了O形环之外还使用一层凝胶和/或糊剂，以帮助密封颅骨-植入物界面的外 部。中央孔可以相对于电极同心并且可以容纳锁定电极保持机构。

图23是示出放置在颅骨中的孔中的电极保持植入物的剖视图。一旦完全 安装，植入物的带螺纹的外部2311允许与颅骨的抓握和稳定性。O形环2309 帮助密封植入物-骨界面。应变消除帽2307是滑动金属件，当向下压时，其压 缩插入衬套2305。注意，应变消除帽2307的内径比电极的外径大，从而当向 下移动时它不会迫使电极2315前进。插入衬套2305可以由弹性材料制成，使 得当其被应变消除帽2307压缩时，其朝着抓住电极的孔的中心(朝向电极2315) 扩展而不会引起其前进。

如图24所示，电极保持植入物可以与电极引导管2403可拆卸地互连，并 且电极引导管2403可用于插入电极保持植入物(如图24中的管2403的底部所 示)，例如使用电极引导管2403作为螺丝刀，并沿期望的轨迹同心地引导电极 通过。或者，可以使用两个单独的工具。例如，可以使用第一驱动器工具来插 入电极保持植入物，然后可以将电极引导管连接到电极保持植入物，并用于沿 着期望的轨迹引导电极的通过。在一些实施例中，电极引导管可具有位于倒角 底部的螺纹，该螺纹与电极保持植入物的倒角的顶部边缘中的螺纹互锁。然后 可以将电极本身通过引导线插入至其所需深度。一旦电极就位，就可以部署一种机制，该机构迫使应变消除帽向下(朝向/进入颅骨)，从而压缩保留电极的衬 套。

在某些实施例中，电极保持装置还可以在应变消除帽2307的近端具有固 定螺钉机构，以便当固定螺钉前进时，应变消除帽2307被迫向下(朝向/进入颅 骨)，从而压缩插入衬套2305。固定螺钉可以作为植入物的一部分留在原处， 以保持插入衬套处于压缩状态。在其他实施例中，可以向下推动电极引导管内 的柱塞以迫使远端应变消除帽向下(朝向/进入颅骨)并压缩插入衬套2305。当保 持在该构造中时，另一机构可以部署胶水、压接器和/或附加的固定螺钉以将插 入衬套保持在其压缩状态。

如图24所示，电极2315可以通过电极引导管和电极保持植入物插入。电 极引导管可以放置在电极保持植入物的倒角中并与之牢固连接。

在固定好电极保持植入物和电极2315之后，可以取下电极引导管。然后， 外科医生可以皮下地将植入的电极2315从毛刺孔皮下挖出，如图25所示。倒 角的边缘可为电极提供平缓的过渡，以减少/防止导线平放在颅骨上时对导线的 损坏，如图25所示。电极线的途径可以是，一旦电极保持植入物和电极就位， 电极线就可以从植入物位置在皮肤下方、在患者的耳朵后面、从肩膀向下并进 入锁骨附近的胸部行进。

图25示出，电极线可穿过电极保持植入物并随着弯曲90度逐渐变弯曲， 以在导向管已经被移除以及植入物和电极之间的间隙被密封后与颅骨齐平。倒 角的或交替倒圆的边缘可比平孔允许更平缓的弯曲，从而减少/防止植入物的锁 定机构随时间的磨损。

根据其他实施例，可以将套管放置在适当位置以将电极引导至大脑中的适 当位置。可以提供用于这种过程的工作流程如下。外科医生可以插入电极保持 植入物，然后将套管插入期望的深度。为了使套管更硬并减少/防止流体进入套 管，在插入时套管可能被管心针(硬线)占据。插入套管和管心针后，可以暂时 压缩衬套以固定套管。然后，外科医生可以从套管中取出管心针，并插入电极 线代替管心针。正确放置电极后，外科医生将释放衬管上的压力，取下套管， 最后将衬管重新锁定到电极上。

在电极引导管的另一实施例中，使用临时附接的管而无需进一步的机器人 辅助来将电极定位到其最终深度。这种方法的优点可以是机器人和立体定位框 架可以不给外科医生和成像设备挡道，并且患者可以从手术室被带到不同的房 间/设施(例如用于MRI和/或CT成像的成像室)，这可以相对于电极头更好地可 视化大脑结构，并有助于在患者清醒或睡着时进一步调节电极位置。这样的方 法可能需要电极引导管相对于颅骨刚性地保持在期望的轨迹中。因此，该方法 可能需要将电极保持植入物牢固地互锁到颅骨，并且将电极引导管牢固地互锁 到电极保持植入物，如图24所示。

另一个实施例可以包括在电极引导管的直径之外的另外的稳定机构，如图 26所示，以进一步提供将电极引导管2315保持在期望的轨迹上。这样的稳定 机构可以包括多个至少三个支腿2601或具有调节机构的延伸的边缘，以允许 稳定器(例如，腿部)以轻的力压靠在颅骨上以维持引导管的静态轨迹。

图26示出了剖面侧视图，其示出了在电极引导管上的外伸机构，以在移 除机器人控制的对准管之后相对于颅骨将管的轨迹保持在静态位置。一个或多 个外伸支腿2601可将管保持在静态位置，其中三个支腿提供所需的稳定性， 如同三脚架。支腿2601可设置有相应的调节机构，以调节每只脚抵靠颅骨的 压力。

通过将电极通过小孔锁定在适当的位置，本发明构思的实施例可以为脑电 极放置手术提供更好的替代方法。由于较小的毛刺孔尺寸和孔的更有效/即时的 密封，这样的实施例可以减少CSF泄漏。插入时，导向器可以立即固定在颅骨 上，而不需要额外的紧固件来固定。此外，可以仅使用植入物和电极引导装置 进行最终电极插入或调节，而无需使用机械臂或头部框架，这意味着可以更轻 松地将患者转移出手术室(例如，至MRI或其他成像设备)以最终确定电极位置。

根据下面关于图27-31讨论的一些实施例，可以提供机器人手术，而无需 对患者和机器人进行光学和/或电磁跟踪。此类方法可能适用于颅骨手术，例如 深部脑刺激DBS电极放置。

可以提供落地式5轴机器人(根据图27的坐标系)，依次为从底部到四肢垂 直的线性z轴，然后在肩关节处绕Z轴旋转，然后在连接上臂和下臂的肘关节 处绕Z轴再进行第二次旋转，然后绕下臂滚动，然后在腕关节处俯仰，其中末 端执行器在腕关节远端。这样的机器人可以在不需要光学跟踪机器人或患者的 模式下使用。在这种模式下，机器人的基本坐标系可以直接配准到解剖结构。

如果对机器人进行了很好的校准，则可以根据每个机器人轴的位置(正向运 动学)确定末端执行器的位置，并确定用于将末端执行器驱动到目标位置和轨迹 的每个机器人轴的位置(反向运动学)。在上述示例性5轴机器人中，如果通过 例如每个轴的电动机上的编码器或霍尔效应传感器知道每个轴的当前动态位置， 并且如果每个角关节以真正的平面方式旋转，则线性z轴以真正的线性方式行 进，并且可以精确地知道所制造的段长度和相对的接头端面角度，然后可以使 用正向运动学来精确确定由末端执行器固定的引导管的位置。同样，为了将机 器人驱动到末端执行器上的引导管处于所需位置和方向的位置，可以使用反向 运动学来计算必要的位置，以动态发送每个关节。

检测当前末端执行器位置或将末端执行器的位置驱动到所需位置的这种能 力可以推广到n轴机器人。如图27所示，可以通过笛卡尔坐标系将手术空间中 所需的位置和轨迹参考至患者身上的框架。使用反向运动学，可以确定每个关 节应被驱动到的位置，以将末端执行器以所需的轨迹定位在所需的尖端位置。 一旦知道每个关节的位置，最后一步就是确定准确设置关节位置所需的执行器 位置。考虑到许多不同类型的致动器设计，这种考虑可能是不平凡的，致动器 设计可以包括线性、旋转、耦合和非线性等。例如，线性致动器可以附接到角 形接头的一侧上的杠杆以产生接头的角运动，并且应当适当地校准实现期望的 接头角度所需的精确致动器位置。

在根据本发明构思的一些实施例的方法中，可以通过将机器人的末端执行 器移动到患者安装的参考固定装置上的已知界标上方的位置来执行配准，该患 者安装的参考固定装置同时牢固地固定到患者和机器人基座上，然后自动地从 每个轴上的编码器对机器人关节的位置进行采样，并使用正向运动学来确定界 标在机器人基本坐标系中的位置。该过程可以相对于机器人坐标系配准头部框 架。因为参考固定装置还在相对于头部框架的已知位置处包含不透射线的基准， 所以实现了头部框架相对于解剖坐标系的配准。这些基准点在CT扫描中被检 测到，并通过图像处理自动确定它们的位置。在机器人相对于头部框架对准并 且解剖结构相对于头部框架对准的情况下，机器人相对于解剖结构对准。在手术的剩余部分中，固定有参考固定装置的头部框架仍然牢固地固定在患者和机 器人基座上，因此只要这种刚性互连持续存在，机器人就始终与患者解剖结构 保持对准。然后可以像目前通过使用光学跟踪的现有方法那样自动完成手术程 序。

在颅骨手术中，这样的参考固定装置可以包括定位器，例如当前与Leksell 框架一起使用的N形定位器，其具有附加的配准特征，如图28A、28B、28C 和28D所示。图28B的参考固定装置将临时安装到图28C和28D中插入患者 颅骨中的图28A的框架上，该框架本身(通过图28A、28C和28D的臂)附接到 机器人基座上，以提供框架相对于机器人的刚性。

或者，如图29C和29D所示，可以依次使用图29A的定位器固定装置和 图29B的带有杆、孔、球或承窝的单独的机器人参考固定装置，只要它们固定 在相对于头部框架和彼此具有固定偏移的特定位置，如图29A、图29B、图 29C和图29D所示。例如，图29A的定位器固定装置(带有N形基准杆)可以在 收集CT扫描之前如图29C所示连接到头部框架。在收集CT扫描之后，可以 将定位器固定装置移除，并可以使用与定位器固定装置相同的安装点将具有杆 的图29B的机器人参考固定装置固定至框架，如图29D所示。然后，通过用机 器人的末端执行器触摸机器人参考固定装置上的参考点来对准机器人。或者， 顺序可以颠倒。即，可以首先通过将机器人移动到机器人参考固定装置上的接 触点来执行机器人到头部框架的配准，然后移除机器人参考固定装置，连接 CT参考固定装置并收集CT。无论哪种情况，在执行机器人和CT配准后，两 个固定装置都将被移除，仅保留头部框架。

图28A-D示出头部框架(例如，Leksell)和参考固定装置。图28A显示了具 有刚性臂的头部框架，该刚性臂将其固定到机器人基座。可以看到四个螺纹销 钉，以将头部框架固定到患者的头部。图28B示出了具有N形基准杆以允许 CT对准的参考固定装置，如当前使用Leksell框架定位器所进行的。此外，图 28B显示了允许机器人配准的杆。图28C示出了安装在患者头部上的图28A的 框架，并且图28D示出了安装在患者头部上的图28A的框架和图28B的参考 固定装置。

图29A、29B、29C和29D显示了使用两个单独的参考固定装置执行CT和 机器人对准的替代顺序方法。在图29C中，图29A的CT参考固定装置(N形定 位器)在CT扫描期间临时附接到头部框架(例如，图28A)。在图29D中，图 29B的机器人参考固定装置(带有机器人引导管经过的杆)使用与CT参考固定装 置相同的安装点临时连接到头部框架，以进行机器人对准。在图29C中，CT 参考固定装置连接到头部框架和患者，在图29D中，机器人参考固定装置连接 到头部框架和患者。

如上所述，为了使机器人相对于头部框架对准，可以将机器人臂向下引导 到参考固定装置(例如，图28B/D或图29B/D的固定装置)上的杆、孔、球或承 窝上，该固定装置同时刚性地附接在患者和机器人上以建立参考位置。即，用 于机器人和机器人参考固定装置上的配合特征的一些非限制性选项可以是：(1) 参考固定装置上的杆(例如，如图28B/D或29B/D所示)，由末端执行器保持的 管在其上滑动，直到触底；(2)参考固定装置上的孔，由机器人末端执行器保持 的杆滑入该孔中，直至触底；(3)从参考固定装置伸出的球，机器人配件保持的 承窝形组件装配在该球上；或(4)参考固定装置上的承窝，由机器人配件保持的 球形端部件可插入其中。任何其他合适的配合特征也可能是有效的。与球或承 窝相比，杆或孔可能更可取，因为杆/孔可能需要在空间上匹配一条线，而不仅 仅是单个点，因此在检测到的特征位置中获得更好的精度的可能性更高。图 30A和30B示出了机器人被放置在三个杆中的两个上。为了对准，可能需要标 识至少两个不平行的杆(线)，或者至少需要标识3个点(球/承窝)。将机器人一 直驱动到杆上直到其沿线的已知位置触底也可能是有利的，尽管除非杆平行， 否则不必寻找解决方案。

可以通过操纵杆控制、力控制(利用末端执行器上的响应用户施加的力的腕 带)或自动控制来在杆/孔或球/承窝上手动驱动机器人。自动控制可以包括例如 力反馈机构，该力反馈机构在机器人臂的引导管在参考固定装置上的杆上滑动 时引导机器人臂的运动，保持杆在引导管内居中。或者自动控制可以包括光学 跟踪反馈，其中跟踪系统会检测参考固定装置上的杆，并将末端执行器的引导 管向下移动到杆上方。或者，自动控制可以包括光学和力反馈的组合。

图30A和30B显示了手动或自动在参考固定装置上的定位特征上引导机器 人末端执行器。在图30A中，末端执行器的引导管部分地显示在左后杆上方， 而在图30B中，末端执行器的引导管部分显示在右前杆的上方(触底)。

使用机器人查找框架位置的步骤的另一种实现方式可以是将已校准的相机 连接到末端执行器，并在可见光或红外IR光中执行单一跟踪(与立体跟踪相反)。 可以将图案化的对象以已知的位置和方向放置在头部框架上，并且可以手动或 自动定位机器人以将机器人对准头部框架。为了与单一跟踪一起使用，需要从 特定的明确矢量查看的模式可能是首选。例如，可以使用在不同距离处具有两 个相同或不同尺寸的环的“牛眼(bullseye)”，其中环仅在末端执行器的特定位置 处是同心的。或者，可以使用施加于球体或圆锥体的环形图案，其中如果从特 定方向观察球体或圆锥体，则该环仅是同心的并且是圆形的。或者可以将深色 图案仅应用于球的子部分，这样，如果末端执行器从特定的角度观看，则相机仅对称地观看图案。下面参考图31讨论一个实例。

图31显示了装有相机的机器人末端执行器，该相机提供了与管中心线对 齐的视图。机器人会自动定位或手动定位，直到从使目标图案对称的角度查看 每个目标为止，因为只有一个机器人坐标系可以同时对齐三个角度，所以在查 看三个或更多对齐的角度时可以配准。在此实例中，半球上的图案显示为“X”， 但仅当从直视角度查看时才显示。从其他偏轴角度来看，相机会将图案检测为 不对称图案，其中X的腿长度不同且X偏心。

在初始设置过程中，此方法也可以与常规的双目光学跟踪(例如PolarisSpectra，Northern Digital，Inc.)一起使用。光学标记可以放置在头部框架上， 例如动态参考基座(DRB)，也可以放置在末端执行器的引导管内或周围，例如 有源标记阵列(AMA)或无源管阵列(PTA)。如果已知DRB相对于框架的位置， 并且已知AMA/PTA相对于末端执行器的位置，则一旦相机在视野中以DRB 和AMA/PTA均捕捉到一帧跟踪信息，则配准完成。由于一旦捕获了跟踪数据 并且机器人被牢固地锁定在患者身上并且无法移动，就可以知道DRB和 AMA/PTA之间的转换，因此不再需要DRB和AMA/PTA，可以将其移除或停 用。在DRB和AMA/PTA被移除/停用的情况下，如先前所述的机器人反向运 动学和正向运动学将被用于该过程中的进一步定位。如果需要重新定位患者， 则可以通过重新连接DRB，重新连接PTA或重新激活AMA并捕获新的跟踪 数据，轻松地将机器人重新配准到新的患者位置。

根据本发明构思的一些实施例，可以在过程中不需要光学跟踪的情况下使 用机器人，以减少/消除当前光学跟踪的机器人系统可能常见的视线问题。

转向图32A-39B，公开了用于颅骨电极放置的可拆卸的钻具引导器的示例 性实施例。当前，用于颅骨电极放置的方法可以包括患者追踪器或动态参考基 座(DRB)以及用于将医学图像配准到追踪空间的方法。尽管可以使用为其他应 用例如机器人辅助脊柱手术以及其他跟踪的固定装置如术中CT配准固定装置 (ICT)开发的DRB进行配准和跟踪，但颅骨的球形形状可允许定制的配准和跟 踪装置。在脊柱中，使用棘突钳或骨尖头来安装DRB。但是，在颅骨中，这种 方法可能不可用或不可行。将DRB固定在颅骨上以使其无法旋转或移位的一 种方法是使用多个螺钉。然而，根据本公开的示例性实施例，为了将在患者的 颅骨中产生的孔的数量保持为最小，在图32A-32B中示出了具有单个螺钉的 DRB 3200。DRB3200还具有尖头3202，以在头皮或裸露的颅骨上增加额外的 摩擦稳定性，而不会在骨头中形成额外的孔。

图32A-B示出了颅骨DRB 3200的俯视图和仰视图。通过开口3204的单个 螺钉将DRB 3200固定到颅骨。DRB底侧的三个尖头3202提供了额外的稳定 性。DRB 3200还可包括用于对准配准裙的凹口3208，如下所述。

为了对准，临时附接已知尺寸的裙固定装置3300，其具有不透射线的金属 球3302在相对于DRB 3200的光学球3210的已知位置处嵌入在裙框架中(图 33A-B)。固定装置3300在CT扫描期间就位，然后在获得扫描后将其移除。

图33A-B示出了具有和不具有固定装置3300的DRB 3200，固定装置仅在 扫描期间存在。固定装置以一个方向锁定到DRB 3200的底部，该方向由DRB 3200的底部可见的不对称凹口3208指示。固定装置3300可以嵌入有多个轴承 球(BB)，例如，可以以不对称图案嵌入七(7)个BB，该不对称图案是使用图像 处理从CT扫描体积中自动检测到的。一个或多个跟踪相机可以跟踪DRB 3200 上的光学跟踪球3210的位置，并且由于跟踪球3210相对于BB的位置是固定 的并且是已知的，因此可以实现对解剖结构的跟踪配准。

在使用电极放置工具之前，DRB 3200首先会在远离电极部位的位置连接 到患者的颅骨，并通过收集CT扫描或其他类型的扫描(例如O型臂(锥形束 CT))进行配准。

在图34A-C中示出了与本公开的原理一致的示例性电极导向器3400。图 34A-C示出了引导管3402和附件。图34A示出了引导管3402，在引导管3402 的远侧末端处具有可拆卸的电极保持器3404。可以将电极保持器3404拧入颅 骨中，该颅骨可能已经钻孔和攻丝以容纳电极保持器3404的螺纹部分。引导 管3402可包括靠近引导管3402的顶部的平坦部分3406，以帮助用扳手插入引 导管3402。

在图34B中，一旦引导管3402在颅骨中就位，则三脚架机构3408沿引导 管3402向下以允许调整引导管3402相对于颅骨的角度。三脚架机构3408用定 位螺钉临时锁定在引导管3408上，以防止三脚架机构3408沿引导管3402上下 滑动。三脚架机构3408的脚3410压在颅骨上，但未附连在颅骨上，并且其位 置可以使用旋钮3412进行调节。

在图34C中，使用附接到引导管3402顶部的跟踪阵列3414监视当前管相 对于解剖结构的角度。阵列3414可以绕引导管3402的轴线自由旋转，因为系 统仅需要沿着引导管3402的中心向下追踪矢量(线)，这将是电极的路径。

使用本文描述的系统的方法或工作流程可以包括以下步骤。DRB 3200可 以连接到患者的颅骨，临时裙固定装置3300可以连接到DRB 3200。可以获得 CT扫描或O型臂旋转以接收目标解剖结构的图像，并且系统软件可以自动检 测BB并对图像进行自动配准跟踪。

扫描之后，可以将固定装置330从DRB 3200移除。

可以在获得的医学图像上计划电极的轨迹。这些医学图像可以包括刚获得 的CT扫描或合并的MRI和CT扫描。机器人的末端执行器3500可以自动移动 到患者头皮上方的位置。由末端执行器3500保持的激光可以指向皮肤上的进 入位置，以帮助切割皮瓣，如图35所示。

颅骨可能会暴露，并且使用者可能会在机器人引导钻具的同时钻出开颅手 术的导向孔。颅骨上的孔可以被攻丝以提供螺纹以锁定到电极保持器3404。如 图36所示，机器人可以引导分接头3600。

电极保持器3404可以被拧入螺纹孔中，而机器人为该位置提供引导。然 后可以将机器人卸下，留下电极保持器3404和引导管3402，如图37所示。

将三脚架机构3408降低到引导管3402上方的位置。可以调节脚3410，使 得三脚架机构3408在所有三个脚同时接触头皮的同时不改变引导管3402的定 向。另外，可以调节三脚架脚3410在其围绕引导管3402的旋转中的位置，使 得它们避免与DRB或其他邻近的手术设备如牵开器接触。一旦就位，三角架 机构3408可通过固定螺钉锁定到引导管3402，如图38所示。

跟踪阵列3414然后可以附接到引导管3402的顶部，如图39B所示。使用 导航相对于计划检查引导管3402的对准。可以根据需要调整脚3410以匹配计 划。软件特征可以示出俯视图3900，以辅助微调轨迹，如图39A所示。另外， 系统可以提供关于要调节的脚3410中的哪一个以及在哪个方向上调节每个脚 多少圈的软件反馈。这样做，软件可以知道脚3410相对于DRB 3200的方向， 这可以通过将基准点放置在三脚架的每个脚上，通过自然的基准识别，或者由 用户在软件界面中指定脚的方向来确定。

然后将电极通过电极保持器3404插入引导管3402中至脑内所需的深度。 引导管3402从电极保持器3404脱离并移除，留下电极保持器3404。可以为其 他电极重复此方法或工作流程。

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

当一个元件被称为“连接”、“联接”、“响应”(或其变型)于另一元件时，它可 以直接连接、耦合或响应于另一元件，或者可以存在中间元件。相比之下，当 元件被称为“直接连接”、“直接联接”、“直接响应”(或其变型)于另一元件时，不 存在中间元件。相同的数字始终指代相同的元件。此外，本文使用的“耦合”、 “连接”、“响应”或其变型可以包含无线耦合、连接或响应。如本文所使用，单 数形式“一”、“一个”和“所述”也希望包含复数形式，除非上下文另有明确说明。 为了简洁和/或清楚起见，可能未详细描述众所周知的功能或配置。术语“和/ 或”包含一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。

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

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

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

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

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

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

Claims (10)

1.一种用于将电极保持器附接到患者的颅骨的手术机器人系统，所述电极保持器配置成接收要插入患者脑部的电极，所述手术机器人系统包括：

机器人基座，其包括计算机；

机器人臂，其联接到所述机器人基座；

末端执行器，其被配置为联接至所述机器人臂；

引导管，其具有可拆卸的电极保持器和跟踪阵列，所述电极保持器设置在引导管尖端的远端，所述跟踪阵列设置在所述引导管的近端附近，所述引导管被配置成联接至所述末端执行器；

三脚架机构，其配置成在所述引导管上滑动并允许调节所述引导管相对于所述颅骨的角度。

2.根据权利要求1所述的手术机器人系统，其中引导管被配置成接收电极。

3.根据权利要求2所述的手术机器人系统，其中所述可拆卸的电极保持器包括被配置为被所述颅骨接收的螺纹。

4.根据权利要求3所述的手术机器人系统，其中所述引导管配置成在将所述电极引入所述颅骨之后从所述电极保持器移除。

5.根据权利要求4所述的手术机器人系统，其中所述跟踪阵列被配置成允许经由相机跟踪所述引导管的角度。

6.根据权利要求5所述的手术机器人系统，其中所述三脚架机构包括一个或多个脚，所述一个或多个脚可以被配置成搁置在所述颅骨上而不穿透所述颅骨。

7.根据权利要求6所述的手术机器人系统，其中每个所述脚被配置为经由旋钮来调节。

8.根据权利要求7所述的手术机器人系统，其中所述一个或多个脚被配置为在角度上调节所述引导管。

9.根据权利要求8所述的手术机器人系统，其中所述三脚架机构被配置成利用固定螺钉临时锁定到所述引导管。

10.根据权利要求9所述的手术机器人系统，其中所述机器人基座被配置为将所述末端执行器在轨迹上定位与所述颅骨相邻，所述轨迹与用于插入所述电极的期望轨迹一致。

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