CN111542266A - 医疗系统 - Google Patents

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Abstract

一种医疗系统(10)，其包括：‑机器人臂(11)，‑控制单元(50)，其被配置为发布控制信号，‑医疗装置(25)，其既定穿透解剖结构，所述医疗装置(25)被配置为发出随所述解剖结构的可变电特性而变的警告信号，所述医疗装置(25)包括具有第一电极及第二电极的主体(26)、适合于在所述第一电极与所述第二电极之间施加至少一个测量电流的电力产生器，及适合于基于所述至少一个测量电流确定与所述电特性相关的测量参数并发出对应于所述测量参数的所述警告信号的处理装置(37)，其中所述控制单元被配置为发布随所述警告信号而变的所述控制信号。

Description

医疗系统
技术领域
本发明涉及一种医疗系统。
明确地说，本发明涉及以下类型的医疗系统，其包括：
-机器人臂，其包括底座及执行器，所述机器人臂被配置为允许所述执行器相对于所述底座移动，
-控制单元，其连接到所述机器人臂且被配置为发布控制信号，所述控制信号控制所述执行器相对于所述底座的所述移动。
本发明特别适用于手术领域，其中由所述控制单元控制的机器人臂用来辅助外科医生在对解剖结构的外科手术期间执行其手势中的至少一些。使用此类医疗系统尤其旨在改善手势的精度，且防止损坏解剖结构的特别敏感的组织。
背景技术
举例来说，在整形外科手术或脊柱手术中，医疗系统可用来控制医疗装置(无论是医疗或手术器械或工具还是植入物)相对于作为骨骼结构的解剖结构的移动。医疗系统可由此降低与到达骨骼结构附近的功能组织(例如神经系统组织)有关的损坏风险。当涉及将植入物附着在脊柱的椎骨椎根中，紧邻脊髓、神经末梢及血管结构等功能组织时，控制医疗装置的移动的重要性就变得更大。
在外科手术期间，医疗装置的移动通常由包括跟踪装置及显示装置的导航系统控制。跟踪装置通常包括与医疗装置一体的任何合适性质的靶标，以及一个或多个靶标检测构件。因此，控制单元可检测由跟踪装置确定的医疗装置在参考框架内的位置，并将其叠加在解剖结构的表示上而显示于显示装置上。
然而，此类医疗系统不能提供令人满意的可靠性和安全性，因为其不提供关于医疗装置相对于解剖结构的实际位置的任何信息。在显示装置上显示的位置与医疗装置的实际位置之间的偏移可能对患者造成灾难性后果。
另外，此类医疗系统需要导航装置提供解剖结构的非常精确的表示。此类表示通常是以使患者和医务人员暴露于大量有害辐射(例如X射线)的方式获取大量图像的结果。除了长而复杂的图像处理以获得所需的适当表示之外，已知的医疗系统对患者及医务人员或多或少地造成长期健康风险。
发明内容
本发明旨在克服上文所提及的问题。
为此目的，本发明提供前述类型的医疗系统，其进一步包括既定穿透解剖结构的医疗装置，所述解剖结构包括不同介质且具有随所述介质传导电流的能力而改变的电特性，所述医疗装置包括适合于穿透所述解剖结构的主体，所述医疗装置被配置为在所述主体在所述解剖结构内移动时发出随所述电特性而改变的警告信号，所述医疗装置连接到控制单元，
其中所述医疗装置的所述主体在既定与所述解剖结构接触的远端和与所述远端相对的近端之间延伸，且具有外表面，所述主体包括：
-至少一个第一电极，其包括第一接触表面，所述第一接触表面在所述远端处布置于所述主体的所述外表面上，以便与所述解剖结构接触，
-至少一个第二电极，其包括第二接触表面，所述第二接触表面在所述远端处布置于所述主体的所述外表面上，以便在距所述第一接触表面一定距离处与所述解剖结构接触，
其中所述医疗装置进一步包括：
-电力产生器，其连接到所述第一电极及所述第二电极且适合于在所述第一接触表面与所述第二接触表面之间施加至少一个测量电流，
-处理装置，其连接到所述电力产生器以及所述第一电极及所述第二电极，且适合于基于所述至少一个测量电流确定与所述电特性相关的测量参数，并发出对应于所述测量参数的所述警告信号，
且其中所述控制单元被配置为发布随所述警告信号而变的所述控制信号。
本发明因此使得有可能基于表示医疗装置的主体与解剖结构的相对位置的警告信号来使用反馈回路控制机器人臂的移动。基于医疗装置的主体相对于解剖结构的实际位置的此类控制改善医疗系统的可靠性及安全性。另外，其使得有可能消除导航装置的使用，或至少基于解剖结构的较不精确表示(例如由MRI或超声图像的获取而得出)来依靠导航装置。因此有可能降低或甚至消除患者及医务人员所经受的危害性辐射，从而降低其健康风险。
所述医疗装置的主体可沿着穿透方向延伸，且所述控制信号可包括以下指令：
-只要所述警告信号尚未达到至少一个临界阈值，就使得所述医疗装置的所述主体能够相对于所述解剖结构沿着所述穿透方向在前进方向上移动，
-在所述警告信号达到所述临界阈值时，修改所述医疗装置的所述主体的所述移动。
所述主体的移动包括多个移动参数，其包含所述穿透方向、沿着所述穿透方向的前进方向及与前进方向相对的反向方向中的一个，以及可变前进速度及可变前进力中的一个。当借助于警报信号越过临界阈值检测到医疗装置的主体相对于解剖结构的临界位置时，上述规定尤其使得有可能修改移动参数中的至少一个。
所述控制信号可包括用于在所述警告信号达到所述临界阈值时停止所述医疗装置的主体相对于所述解剖结构的移动的指令。
或者，所述控制信号可包括用于在所述警告信号达到所述临界阈值时使所述主体在沿着所述穿透方向的反向方向上移动的指令。
根据另一变体，所述控制信号可包括用于在所述警告信号达到所述临界阈值时减小所述医疗装置的主体在前进方向上的前进速度及前进力中的一个的指令。
在一个实施例中，医疗装置的主体可安装在机器人臂的执行器上，且所述控制信号可包括用于只要所述警告信号尚未达到临界阈值就使所述执行器在所述前进方向上移动的指令。
所述控制信号可由此包括用于只要所述警告信号尚未达到临界阈值就执行以下操作的指令：
-确定所述医疗装置的主体所位于的当前位置，
-利用前进速度及前进力中的一个使所述主体从所述主体的当前位置移动到在前进方向上位于下游的一组位置，
且在所述警告信号达到所述临界阈值时：
-将当前位置指派该所述主体的所述组位置且在所述主体上外加零速度、零力、与前进速度相对的反向速度及与前进力相对的反向力中的一个，
-或减小所述主体在所述前进方向上的前进速度及前进力中的一个。
在另一实施例中，所述医疗系统可实施于共同操纵背景中，适于通过施加在医疗装置上的外部动作而使得医疗装置的主体能够移动。共同操纵在此处应理解为通过机器人臂及施加外部动作的另一代理同时操纵医疗装置的主体。机器人臂的执行器可由此包含止动部件，且所述控制信号可包括用于在警告信号达到临界阈值时使执行器的止动部件与医疗装置接触的指令。
明确地说，机器人臂可包括区段及将所述区段连接到彼此的接头，所述接头中的至少一个配备有由所述控制信号控制的至少一个可逆致动器，所述控制信号包括只要警告信号尚未达到临界阈值就使得所述执行器能够通过施加在执行器上的外部动作而移动的指令。
在医疗装置的主体利用前进速度及前进力中的一个(在那之前不受控制单元控制)而通过外部动作在前进方向上移动时，控制信号可包括用于在警告信号达到临界阈值时执行以下操作的指令：
-在所述主体上外加零速度、零力、与前进速度相对的反向速度及与前进力相对的反向力中的一个，
-或减小主体在前进方向上的前进速度及前进力中的一个，其变得受控制单元控制。
机器人臂的执行器可包括适合于收纳医疗装置的主体的管道。
管道的一部分，且明确地说，界定医疗装置的主体插入到管道中所经由的上部开口的上部边缘，可形成止动部件，其用以在警告信号达到临界阈值时控制医疗装置的主体的移动。
在医疗装置的主体安装在机器人臂的执行器上时，所述执行器可包括可相对于管道移动的支撑件，且医疗装置的主体可安装在所述支撑件上，所述控制信号包括用于使所述支撑件相对于管道移动的指令。
所述医疗系统可包含力测量装置，所述力测量装置连接到所述控制单元且被配置为发出对应于施加在医疗装置的主体上的力的力信号，所述控制单元被配置为发布随所述力信号而变的控制信号。
所述控制信号可包括以下指令：
-只要所述力信号尚未达到至少一个力阈值，就使得所述医疗装置的所述主体能够在所述前进方向上移动，
-在所述力信号达到所述力阈值时，修改所述医疗装置的所述主体的所述移动。
所述控制信号可包括用于在所述力信号达到所述力阈值时停止所述医疗装置的主体相对于所述解剖结构的移动的指令。
或者，所述控制信号可包括用于在所述力信号达到所述力阈值时使所述主体在沿着所述穿透方向的相反方向上移动的指令。
根据另一替代例，所述控制信号可包括用于在所述力信号达到所述力阈值时减小所述医疗装置的主体在前进方向上的前进速度及前进力中的一个的指令。
所述医疗系统可包含深度检测装置，所述深度检测装置连接到所述控制单元且被配置为发出对应于所述医疗装置的所述主体已穿透到所述解剖结构的深度的深度信号，所述控制单元被配置为发布随深度信号而变的控制信号。
所述控制信号可包括用于执行以下操作的指令：
-只要所述深度信号尚未达到至少一个深度阈值，就使得所述医疗装置的所述主体能够在所述前进方向上移动，
-在所述深度信号达到所述深度阈值时，修改所述医疗装置的所述主体的所述移动。
所述控制信号可包括用于在所述警告信号达到所述深度阈值时停止所述医疗装置的主体相对于所述解剖结构的移动的指令。
或者，所述控制信号可包括用于在所述深度信号达到所述深度阈值时使所述主体在沿着所述穿透方向的相反方向上移动的指令。
根据另一变体，所述控制信号可包括用于在所述深度信号达到所述深度阈值时减小所述医疗装置的主体在前进方向上的前进速度及前进力中的一个的指令。
这些规定使得有可能将提供关于介质的电特性的信息的警告信号与力信号及深度信号中的至少一个进行组合，以便区分具有类似电流传导能力的不同介质，或更精确地界定主体相对于解剖结构的位置，以使得可相应地调适控制信号。
多个预定义的签名可保存在控制单元中，每一签名包括参考警告信号，所述参考警告信号是由在医疗装置的主体穿透到参考解剖结构中期间与电特性相关的测量参数的变化而得出。所述控制信号可包括多组移动参数，每一组移动参数与所述签名中的一个相关联。所述控制单元可接着被配置为用于：
-在将所述医疗装置的所述主体穿透到解剖结构中期间，连续地保存所述测量参数且将所述测量参数的所述变化与所述签名进行比较，及
-如果所述测量参数的所述变化对应于所述签名中的一个，则发布具有与所述签名相关联的所述组移动参数的所述控制信号。
在适当的情况下，每一签名可进一步包括以下中的至少一个：
-参考力信号，其由与在将所述医疗装置的所述主体穿透到所述参考解剖结构中期间施加在所述医疗装置的所述主体上的所述力相关的力参数的变化得出，
-参考深度信号，其由与所述医疗装置的所述主体已穿透到所述参考解剖结构的所述深度相关的深度参数的变化得出。
每一组的移动参数可不同于其它组的移动参数。
每一签名可尤其包括一或多个临界阈值，且在适当的情况下，包括一个或多个深度阈值及一个或多个力阈值。
所述解剖结构可包括具有传导电流的第一能力的第一介质及具有传导电流的第二能力的第二介质，所述第一能力小于所述第二能力。所述控制单元可接着被配置为在所述警告信号在第一变化方向上改变且超过第一临界阈值时检测所述第二介质与所述第一介质之间的界面。
举例来说，所述解剖结构可为皮质骨作为第一介质且松质骨作为第二介质的骨骼结构。可接着选择表示电导率作为所述电特性的测量参数，且可在警告信号低于第一临界阈值时检测松质骨与皮质骨之间的界面。
第一介质可与包括流体的具有传导电流的第三能力的第三介质形成边界，所述第三能力大于所述第一能力及所述第二能力。当在已在第一变化方向上相对于第一临界阈值改变之后，所述警告信号在与第一变化方向相对的第二变化方向上改变且超过表示第二介质的测量参数的最小值达所界定偏差时，所述控制单元可接着被配置为检测第一介质中的裂口。
所述控制单元将初始值指派给测量参数的最小值，且连续地测量所述测量参数的当前值。只要警告信号不超过所界定偏差，如果测量参数的当前值小于测量参数的最小值，控制单元就将测量参数的当前值指派给测量参数的最小值。
在骨骼结构的情况下，皮质骨可与由软组织及血液组成的第三介质形成边界。在警告信号增大到松质骨的代表性电导率的最小值以上达所界定偏差时，就可检测到皮质骨中的裂口。
医疗装置的主体可具有纵向轴线，且所述医疗装置可进一步包括被配置为驱动所述主体围绕所述纵向轴线旋转的驱动装置，所述控制信号包括以下指令：
-只要所述警告信号尚未达到临界阈值，就使得所述主体能够以驱动速度在第一旋转方向上旋转，
-在所述警告信号达到所述临界阈值时，修改所述主体的所述旋转。
每一签名可包括至少一个驱动速度。
所述控制信号可包括用于在所述警告信号达到所述临界阈值时停止所述医疗装置的主体的旋转的指令。
或者，所述控制信号可包括用于在所述警告信号达到所述临界阈值时在第二旋转方向上驱动所述主体的指令，所述第二旋转方向与所述第一旋转方向相对。
根据另一替代例，所述控制信号可包括用于在所述警告信号达到所述临界阈值时减小所述主体在所述第一旋转方向上的驱动速度的指令。
在例如其中与到达功能组织相关的损坏风险低或甚至不存在(特别是由于不存在紧邻的功能组织)的其它应用中，所述控制信号可包括用于在警告信号达到临界阈值时及/或在适当的情况下在力信号达到力阈值时及/或在深度信号达到深度阈值时增大在第一旋转方向上的驱动速度，以便尤其促进主体穿透到解剖结构中的指令。
测量参数可为电压、电流强度、自身在电导率及电阻率当中选择的电特性，或可为例如通过求积分、求平均等处理一个或多个测量电流的结果。可接着将给定时刻的绝对值或给定周期内的变化与对应临界阈值进行比较。
测量电流的测量周期小于医疗装置的主体沿着穿透方向在前进方向上的临界距离与医疗装置的主体的前进速度的比率，所述临界距离明确地说小于或等于1mm。
所述电力产生器可连接到所述控制单元，且所述控制单元可适合于测量医疗装置的主体的前进速度且控制电力产生器以使得其施加测量电流。
机器人臂可从底座延伸到与所述底座相对的执行器末端，所述执行器布置在机器人臂的执行器末端处。
本发明可实施于用于将医疗装置的主体穿透到包括不同介质且电特性随介质传导电流的能力而改变的解剖结构中的方法，所述穿透方法提供以下操作：
-在所述主体穿透所述解剖结构时发布随电特性而变的可变警告信号，及
-通过控制单元发布随警告信号而变的控制信号，控制机器人臂的执行器相对于机器人臂的底座的移动。
所述穿透方法可实现以下操作：
-只要所述警告信号尚未达到至少一个临界阈值，就使得所述医疗装置的主体能够沿着所述主体相对于解剖结构延伸的穿透方向而在前进方向上移动，
-在所述警告信号达到所述临界阈值时，修改所述医疗装置的所述主体的所述移动。
所述穿透方法可实现在所述警告信号达到所述临界阈值时停止所述医疗装置的主体相对于所述解剖结构的移动。
或者，所述穿透方法可实现在所述警告信号达到临界阈值时使所述主体沿着穿透方向在反向方向上移动，所述反向方向与所述前进方向相对。
根据另一变体，所述穿透方法可实现在所述警告信号达到所述临界阈值时减小所述医疗装置的主体在前进方向上的前进速度及前进力中的一个。
在一个实施例中，所述穿透方法可实现只要所述警告信号尚未达到临界阈值就将医疗装置的主体安装在机器人臂的执行器上且使执行器在前进方向上移动。
在另一实施例中，所述穿透方法可实现使得医疗装置的主体能够通过施加在医疗装置上的外部动作而移动且在警告信号达到临界阈值时使执行器的止动部件与医疗装置接触。
机器人臂的执行器可包括适合于收纳医疗装置的主体的管道。
在医疗装置的主体安装在机器人臂的执行器上时，所述执行器可包括可相对于管道移动的支撑件，且医疗装置的主体可安装在所述支撑件上；所述穿透方法可实现使所述支撑件相对于管道移动。
所述医疗系统可包含力测量装置，所述力测量装置连接到所述控制单元且被配置为发出对应于施加在医疗装置的主体上的力的力信号，所述穿透方法实现基于力信号来发布控制信号。
所述穿透方法可实现：
-只要所述力信号尚未达到至少一个力阈值，就使得所述医疗装置的所述主体能够在所述前进方向上移动，
-在所述力信号达到所述力阈值时，修改所述医疗装置的所述主体的所述移动。
所述医疗系统可包含深度检测装置，所述深度检测装置连接到所述控制单元且被配置为发出对应于所述医疗装置的所述主体已穿透到所述解剖结构的深度的深度信号，所述穿透方法实现发布随深度信号而变的控制信号。
所述穿透方法可实现：
-只要所述深度信号尚未达到至少一个深度阈值，就使得所述医疗装置的所述主体能够在所述前进方向上移动，
-在所述深度信号达到所述深度阈值时，修改所述医疗装置的所述主体的所述移动。
所述穿透方法可实现以驱动速度驱动所述医疗装置的主体在第一旋转方向上围绕所述主体的纵向轴线旋转。
所述穿透方法可实现在所述警告信号达到所述临界阈值时停止所述医疗装置的主体的旋转。
或者，所述穿透方法可实现在所述警告信号达到所述临界阈值时在第二旋转方向上驱动所述主体，所述第二旋转方向与所述第一旋转方向相对。
根据另一替代例，所述穿透方法可实现在所述警告信号达到所述临界阈值时减小所述主体在第一旋转方向上的驱动速度。
附图说明
本发明的其它目标及优点将通过阅读作为非限制性实例给出的本发明的一些特定实施例的以下描述而显而易见，所述描述参考附图，其中：
-图1是根据本发明的第一实施例的医疗系统的表示，所述医疗系统包括连接到控制单元的机器人臂及医疗装置，所述医疗装置包括适合于穿透具有可变电特性的解剖结构的主体，所述医疗装置发出随所述电特性而变的可变警告信号，所述医疗装置安装在机器人臂的执行器上且所述控制单元发布控制信号，所述控制信号随所述警告信号而控制执行器相对于机器人臂的底座的移动，以便尤其在警告信号达到临界阈值时修改医疗装置的主体的移动，
-图2是图1的医疗系统的医疗装置的表示，
-图3是根据本发明的第二实施例的医疗系统的表示，所述医疗装置的主体通过施加在医疗装置上的外部动作而移动，医疗装置的主体插入到安装在执行器上的管道中，所述控制单元发布随所述警告信号而变的控制信号，以便尤其在警告信号达到临界阈值时修改医疗装置的主体的移动，
-图4是根据本发明的第三实施例的医疗系统的表示，所述执行器包括管道及可相对于所述管道移动的支撑件，所述医疗装置的主体安装在所述支撑件上，且所述控制信号包括用于使所述支撑件相对于所述管道移动的指令，
-图5是在旋转中的医疗装置的主体的前进速度及驱动速度当中选择的移动参数中的至少一个的演变的表示，其随将所述主体从皮质骨外层的进入点到皮质骨外层中的与所述进入点相对的第一退出点穿透到椎根中期间的电特性的演变而变，
-图6是在医疗装置的主体的前进速度及旋转速度当中选择的移动参数中的至少一个的演变的表示，其随将所述主体从皮质骨外层的进入点到皮质骨内层中的界定椎孔的第二退出点穿透到椎根中期间的电特性的演变而变，
-图7是在医疗装置的主体的前进速度及旋转速度当中选择的移动参数中的至少一个的演变的表示，其随将所述主体从皮质骨外层的进入点到深度阈值穿透到椎根中期间的电特性的演变而变，
-图8是说明使用警告信号来检测医疗装置的主体在皮质骨外层上的滑动且发布在对应医疗装置的主体的前进速度及旋转速度当中选择的移动参数中的一个的表示，
-图9是说明使用警告信号来检测越过横突中的一个以便发布在对应医疗装置的主体的前进速度及旋转速度当中选择的移动参数中的一个的表示，
-图10是说明使用警告信号来检测主体在椎根与脊椎体之间的接面处通过的表示，
-图11是说明使用警告信号来检测主体在其已通过横突中的一个之后穿透到皮质骨的外层中的表示，
-图12是说明使用警告信号与对应于由解剖结构施加在医疗装置的主体上的阻力的力信号的耦合，以便区分医疗装置的主体的两个不同位置的表示。
具体实施方式
在诸图中，相同的附图标号标示相同或类似的元件。
图1和2表示根据本发明的医疗系统10的第一实施例。
不受限制地，所表示的医疗系统10尤其适用于整形外科手术及脊椎手术领域以便在用于将植入物放置于患者脊柱的一个或多个椎骨1中的外科手术期间为外科医生提供辅助。医疗系统10的辅助可为部分的，仅控制外科医生的手势的一部分、代替外科医生完全控制手势，或两者的组合。医疗系统10因此使得能够改善手势的精度，且防止与到达特别敏感的功能组织(例如脊髓、神经末梢，及血管结构)相关的损坏风险。
如图5到12中所表示，椎骨1为在内部包括由脊髓及血管结构横穿的椎孔2的骨骼结构。在背侧面上，椎骨1具有在矢状面中延伸的棘突3及大体上一个在额状面中椎孔2的一侧上延伸的两个横突4(神经末梢在附近通过)。椎骨1在外部由皮质骨的外层5定界。椎孔2自身由皮质骨的内层6定界。松质骨7在皮质骨的外层5与内层6之间。皮质骨的内层6及外层5各自构成具有传导电流的第一能力的第一介质。松质骨构成具有传导电流的第二能力的第二介质，所述第二能力大于第一能力。环绕皮质骨的外层5及在皮质骨的内层6内部的软组织及流体(例如血液)构成具有传导电流的第三能力的第三介质，所述第三能力大于所述第一能力及所述第二能力。
关于在椎骨1中且更通常在骨骼结构中的应用而描述的本发明不限于此类应用。其也适用于包括不同介质且具有的电特性(例如电导率或电阻率)随介质传导电流的能力而改变的任何解剖结构。
医疗系统10包括连接到电子控制单元50的机器人臂11及医疗装置25。
机器人臂11包括底座12及在所展示的实施例中布置在与底座12相对的执行器末端处的执行器14。机器人臂11被配置为使得执行器14能够相对于底座12移动。明确地说，机器人臂11包括通过接头键联在一起的若干区段。在所展示的实施例中，第一区段构成底座12，第二区段13的第一末端借助于具有适当数目自由度的第一接头16安装在所述底座上。承载执行器14的第三区段15借助于也具有适当数目自由度的第二接头17安装在第二区段13的第二末端上。接头16、17中的至少一个配备有至少一个致动器。如将从以下描述显而易见，接头的致动器可为可逆的，换句话说，其允许区段在通过机器人臂11的用户(且明确地说，外科医生)施加在机器人臂11上的外部动作的作用下相对于彼此相对移动。可逆致动器中的至少一个由控制单元50控制。
医疗装置25既定穿透解剖结构。关于穿透椎骨1，重要的是，确保医疗装置25的精确定位以免破坏或(甚至更糟)穿过皮质骨的内层6，从而在神经末梢附近对皮质骨的椎孔2或外层5定界。医疗装置25因此被配置为发出警告信号，其随所述医疗装置在解剖结构内移动时的电特性而改变。
在所展示的实施例中，医疗装置25为配备工具的钻孔装置，其根据类似于专利申请案WO 03/068076中描述的手持式工具的原理的原理而操作且可在名称
Figure BDA0002526043880000111
下购得。尽管相对于钻孔装置描述，但本发明不限于此类型的医疗装置。明确地说，本发明可用其它类型的医疗或外科工具或仪器来实施，特别是探针、方头咬骨钳、刮铲、刮匙或螺丝锥。医疗系统10的医疗装置还可为待放置于解剖结构中的实际植入物，例如螺钉，且明确地说，椎足螺钉。
如在图2中所表示，钻孔装置25包括呈钻头形式的主体26，其适合于穿透椎骨1的骨骼结构。钻头26沿着纵向轴线L在近端26a与远端26b之间延伸，从而形成其借以穿透骨骼结构的尖端27。钻头26具有围绕纵向轴线L的具圆形横截面的大体圆柱形外表面，且具备在尖端27附近的一个或多个螺旋形切割刃。然而，主体26可具有任何其它形状，特别是具有多边形或其它横截面的圆柱形。
钻头26包括第一电极28，其为圆柱形且具有导电材料、在钻头26内部平行于纵向轴线L而延伸。明确地说，第一电极28布置于钻头26的中央孔中，且与纵向轴线L同轴地延伸直到具有第一接触表面29的自由末端，所述第一接触表面与钻头26在尖端27处的外表面齐平。
钻头26也包括第二电极30，其为环形且具有导电材料、沿着纵向轴线L围绕第一电极28延伸。明确地说，第二电极30由钻头26的一部分形成，其自身在此情况下由导电材料制成。第二电极30具有第二接触表面31，所述第二接触表面由平行于纵向轴线L且对应于钻头26的侧表面的圆柱形部分及横向于纵向轴线L、对应于钻头26的远侧表面的环形部分组成。
未展示的电绝缘材料层插置于第一电极28与第二电极30之间，其方式为使得第一接触表面29及第二接触表面31可在将钻头26穿透到解剖结构中期间彼此相距一定距离地与解剖结构接触。
然而，本发明不限于如上所述的主体26、第一电极28及第二电极30以及电绝缘材料层的实施例及布置。有可能第一电极28与第二电极30不同轴地布置，且例如各自制成为插入到主体26中的导电材料杆。此外，第一电极28与第二电极30可各自具有与主体26的侧表面或远侧表面齐平的点状或其它接触表面29、31。主体26还可支撑两个或更多个第一电极28及两个或更多个第二电极30。
医疗装置25还包括钻头26的近端26a一体地紧固到的壳体35。壳体35具有外壳，其围封电子组件，从而使得医疗装置25能够发出适当的警告信号。所述组件尤其包含安装在电路板38上的电力产生器36及电处理装置37。电力产生器36连接到第一电极28及第二电极30，且适合于在第一接触表面29与第二接触表面31之间施加一个或多个测量电流。处理装置37连接到电力产生器36以及第一电极28及第二电极30，且适合于基于测量电流确定与电特性相关的测量参数并发出对应于测量参数的警告信号。
测量参数可尤其为电压、电流强度、自身在电导率及电阻率当中选择的电特性，或可为例如通过求积分、求平均等处理一个或多个测量电流的结果。
壳体35还可围封将电力供应到电力产生器36及处理装置37的装置。其还可包含通过任何合适构件有线或无线地与控制单元50通信的通信接口。
在其它实施例中，电力产生器36及处理装置37以及医疗装置的其它电子组件可远离医疗装置的主体。其可例如由机器人臂11承载或集成到控制单元50中。
为使主体26绕纵向轴线L旋转，钻孔装置25包括驱动装置，例如齿轮马达组合件。
在所展示的第一实施例中，驱动装置与机器人臂11的执行器14一体地安装于外壳40中，以使得一旦一体地紧固到驱动装置，钻孔装置的钻头26就安装在机器人臂11的执行器14上。
图3表示根据本发明的医疗系统10'的第二实施例。此第二实施例本质上不同于第一实施例，不同之处在于其经特殊调适以在共同操纵背景下实施。如上文所指示，钻孔装置25独立于机器人臂11，且可通过由例如外科医生施加在钻孔装置25上的外部动作来实现钻头的移动。
致动器或至少其一部分为可逆的，换句话说，它们可遵循由外部动作外加的钻头的移动，在下文进一步识别的特定情境之外。
然而，机器人臂11的执行器14具有止动部件，从而使得有可能在适当时间控制钻头26的移动，如将从以下描述显而易见。在所展示的实施例中但不受其限制，机器人臂11的执行器14具有适合于收纳钻头26的管道20。管道20可充当用于钻头26的导引件，还可充当止动部件。管道20的一部分，且明确地说，界定钻头26插入到管道20中所经由的上部开口的上部边缘21，可形成止动部件，其将与钻孔装置接触以在必要时控制其移动。
在此第二实施例中，用于钻头26的驱动装置独立于执行器14，且可由未展示的由外科医生握持的手摇钻承载。
应注意，共同操纵也可通过根据第一实施例的医疗系统10获得，其中外科医生直接地(通过操纵钻孔装置25)或间接地(通过操纵执行器14)在钻孔装置25上施加外部动作。还可借助于不同于包括止动部件的机器人臂11的机器人臂来以共同操纵操纵钻孔装置25。另外，可以任何其它合适的方式实施止动部件，以便与钻孔装置25接触且能够控制钻头26的移动。
根据第二实施例的医疗系统10'的其它特征类似于根据第一实施例的医疗系统10的特征，且不再详细描述。为获得更多详情，应参考已经给出的描述。
图4表示根据本发明的第三实施例的医疗系统10″。
机器人臂11的执行器14包含管道20，其类似于先前相对于第二实施例描述的管道。
执行器14还包括支撑件22，所述支撑件可相对于管道20移动且钻头26安装在所述支撑件上。明确地说，在所展示的第三实施例中，支撑件22可沿着管道20的中心轴线平移移动。或者，可提供支撑件22相对于管道20的任何其它移动。支撑件22承载含有驱动装置的外壳40，钻头可一体地紧固到所述驱动装置以便经由管道20旋转。如上文所指示，管道20可接着充当导引件及止动部件。
根据本发明，控制单元50被配置为发布控制信号，所述控制信号随在钻头26穿透椎骨1时由钻孔装置25发出的警告信号而控制执行器14相对于底座12的移动。
图5说明在钻头26从皮质骨的外层5中的进入点A到皮质骨的外层5中的与进入点A相对的第一退出点C穿透到椎骨1的椎根8中期间发布的控制信号。
钻头26的纵向轴线L沿着预定穿透方向T放置，且钻头26的尖端27在进入点A处与皮质骨的外层5接触。文献FR 3,017,042及FR 3,017,043中描述了确定既定穿透解剖结构的医疗装置的主体的进入点及穿透方向T的实例。
在图5中，表示所考虑的电特性的测量参数为在第一接触表面29与第二接触表面31之间流动的测量电流的强度，其表示钻头26的尖端27所位于其中的介质的电导率。因此，所发出的警告信号对应于此强度。
在进入点A处，钻头26的尖端27与皮质骨接触。在从皮质骨的外层5接近皮质骨与松质骨之间的界面B时，钻头26的尖端27接近松质骨。由于皮质骨的电导率低于松质骨的电导率，因此能够在第一接触表面29与第二接触表面31之间行进的强度增大。在通过穿过椎根8中的一个且直到在退出点C处遇到皮质骨的外层5而穿越松质骨时，强度保持大体上不变，且警告信号形成平线区。在退出点C处，在尖端27接近皮质骨且开始钻入皮质骨的外层5时，测量强度降低。在钻入皮质骨的外层5时，钻头26的尖端27接近皮质骨与由软组织及流体(例如血液)组成的介质之间的界面D，所述介质的电导率高于皮质骨及松质骨的电导率。测量强度因此增大，直到在尖端27已越过皮质骨的外层5时达到新平线区。
如图6中所说明，可在钻头26从进入点A到皮质骨的外层5中穿透到椎骨1的椎根8中直到皮质骨的内层6中的第二退出点C'(界定椎孔2)期间获得类似警告信号。实际上，钻头26再次连续地越过皮质骨的外层5中的皮质骨，接着越过松质骨，且接着越过皮质骨的内层6中的皮质骨，随后到达由椎孔2中的软组织及流体(例如血液)组成的介质。
警告信号可接着用于确定钻头26的尖端27相对于椎骨1的骨骼结构的位置。
通过选择各自表示钻头26的尖端27相对于椎骨1的骨骼结构的临界位置的一个或多个临界阈值，且通过比较每一时刻的绝对值或在对应临界阈值下的测量参数在经界定周期内的变化，有可能借助于控制信号控制钻头26的移动。临界位置应理解成意味着关注其与其它位置的区别的位置。其可为向患者呈现风险的位置，但不必如此。为了能够进行比较，临界阈值为可与测量参数进行比较的参考参数的绝对值或变化。可基于对参考解剖结构的测试结果预先确定参考参数，其可由用户选择或可以任何合适方式界定。
举例来说，在对应于第一接触表面29与第二接触表面31之间的强度的警告信号通过减小到低于第一临界阈值SC1而改变时，控制单元50可检测松质骨与皮质骨之间的界面B。在警告信号再次增大超出表示松质骨的测量参数的最小值达所界定偏差时，控制单元50还可检测皮质骨的内层6及外层5中的一个中的裂口。从表示松质骨的测量参数的最小值的偏差构成第二临界阈值SC2。
可在钻入椎骨1期间以差分方式界定表示松质骨的测量参数的最小值。控制单元50将初始值指派给测量参数的最小值，且连续地测量所述测量参数的当前值。只要警告信号不超过第一临界阈值SC，如果测量参数的当前值小于测量参数的最小值，控制单元50就将测量参数的当前值指派给测量参数的最小值。
更一般来说，在解剖结构包括以下时：
-具有传导电流的第一能力的第一介质，
-具有传导电流的第二能力的第二介质，所述第二能力大于第一能力，及
-由第一介质定界且包括流体的具有传导电流的第三能力的第三介质，所述第三能力大于所述第一能力及所述第二能力，
控制单元50可被配置为用于：
-在警告信号在第一变化方向上改变且超出第一临界阈值时，检测第二介质与第一介质之间的界面，
-当在已在第一变化方向上相对于第一临界阈值改变之后，所述警告信号在与第一变化方向相对的第二变化方向上改变且超过表示第二介质的测量参数的最小值达所界定偏差时，检测第一介质中的裂口。
可如上文关于骨骼结构所述来获得表示第二介质的测量参数的最小值。
钻头26的移动由若干移动参数界定，包含：穿透方向T；沿着穿透方向T彼此相对的前进方向(更接近于骨骼结构绘制)及反向方向(移动远离骨骼结构)中的一个；在前进方向上的可变前进速度、在反向方向上的可变反向速度、在前进方向上的可变前进力及在反向方向上的可变反向力中的一个。
只要所述警告信号尚未达到临界阈值，控制单元就发布授权钻头沿着穿透方向T相对于椎骨1的骨骼结构在前进方向上移动的控制信号。
在图1的第一实施例(其中钻头26安装在执行器14上)中，控制单元50通过控制以下来授权钻头26的移动：
-钻头26以驱动速度在第一旋转方向上的旋转，使得钻头26的切割刃可移除材料，及
-执行器14在前进方向上的移动，使得钻头26朝向骨骼结构移动。
为移动执行器14，控制单元50可：
-确定钻头26所位于的当前位置，
-以某一前进速度使钻头26从钻头26的当前位置移动到在前进方向上位于下游的一组位置。
在控制力而非如上所述控制速度的情况下，钻头26朝向所述组位置的移动将通过待在沿着穿透方向相对于骨骼结构在前进方向上前进期间施加的前进力来进行。前进力可由此为沿着所有适当方向的一个或多个前进力、沿着所有适当方向的一个或多个前进扭矩，或其组合，其取决于所使用的医疗装置。
类似地，在图4的第三实施例(其中钻头26安装在执行器14的支撑件22上)中，控制单元50通过控制以下来授权钻头26的移动：
-钻头26以驱动速度在第一旋转方向上的旋转，及
-支撑件22相对于管道20的移动。
在共同操纵中，在图3的第二实施例(其中钻头26通过施加在钻孔装置25上的外部动作而移动)中，控制单元50通过以下授权钻头26的移动：
-不发布任何控制信号，接头16、17通过施加在钻孔装置25上的外部动作而自由移动，
-或控制接头16、17的致动器的驱动，以使得其遵循施加在钻孔装置25上的外部动作。
钻头26接着以由外科医生外加的前进速度或前进力而移动。
相比之下，在警告信号达到临界阈值中的一个时，控制单元50通过修改移动参数中的至少一个而命令钻头26的移动的改变。
明确地说，在图5和6中，控制信号可包括用于在警告信号达到第一临界阈值SC1时减小钻头26在前进方向上的前进速度的指令。另外，控制信号可包括用于在警告信号达到第一临界阈值SC1时减小钻头26在第一旋转方向上的驱动速度的指令。在控制力的情况下，将减小的将为前进力。
在警告信号达到第二临界阈值SC2(从表示松质骨的测量参数的最小值的偏差)时，控制信号可包括用于停止钻头26相对于椎骨1的骨骼结构的移动并中断钻头26的旋转的指令。
在图1及4的第一及第三实施例(其中钻头26安装在执行器14上)中，控制单元50可通过将当前位置指派给钻头26的参考位置(所述当前位置因此变为所述组位置)且将零速度外加在钻头上(如果控制速度)或将零力外加在钻头上(如果控制力)来停止钻头26。
在共同操纵中，在图3的第二实施例(其中钻头26插入到安装在执行器14上的管道20中且钻头26通过施加在钻孔装置25上的外部动作而移动)中，在检测到越过第一临界阈值SC1时，管道20的形成止动部件的上部边缘21可邻接钻孔装置25，以便用来控制钻头26的移动。明确地说，一旦止动部件与钻孔装置25接触，控制单元50就可：
-在检测到越过第一临界阈值SC1时，降低钻头26在前进方向上的前进速度及前进力中的一个，
-在检测到越过第二临界阈值SC2时，在钻头26上外加零速度及零力中的一个。
或者，在警告信号达到第二临界阈值SC2时，控制单元50可命令钻头26以反向速度及反向力中的一个在反向方向上移动，使得钻头26从骨骼结构移开。控制信号还可包括用于在超过第一临界阈值SC1及第二临界阈值SC2中的一个时在与第一旋转方向相对的第二旋转方向上驱动钻头26的指令。
或者，可通过发布具有对应移动参数的适当控制信号来提供对钻头26(且更一般来说，医疗装置的主体)的移动的任何其它控制。明确地说，在警告信号达到对应于突破皮质骨的临界阈值(例如上文所描述的第二临界阈值SC2)时，控制单元50可发布包括用于在指定范围内停止在前进方向及反向方向上移动以便遵循患者的呼吸运动的指令的控制信号。控制信号还可针对由对给定介质的损坏表示的风险而调适。举例来说，在不存在直接较大风险的情况下，通过越过对应临界阈值(例如上文所描述的第一临界阈值SC1)而检测到对皮质骨层的损坏可导致控制单元50降低前进速度但增大在第一旋转方向上的驱动速度，以考虑皮质骨与松质骨相比的较大硬度。
为了确保对钻头26的移动的连续且实时的控制，测量电流的测量周期小于钻头26沿着穿透方向T在前进方向上的临界距离与钻头26的前进速度的比率，所述临界距离特定来说小于或等于1mm。钻孔装置25的电力产生器36可接着连接到控制单元50，且控制单元50可适合于测量钻头26的前进速度且控制电力产生器36，以使得其施加适当的测量电流。
为改善对钻头26的移动的控制，除了警告信号之外，控制单元50还可发布随一个或多个其它信号而变的控制信号。提供关于介质的电特性的信息的警告信号与其它信号的组合可使得能够区分具有类似电流传导能力的不同介质。因此可更精确地界定钻头26相对于椎骨的骨骼结构的实际位置。可接着相应地调适控制信号。
医疗系统可尤其包括深度检测装置，所述深度检测装置连接到控制单元50且被配置为发出对应于钻头26已穿透椎骨1的骨骼结构的深度的深度信号。深度检测装置为任何合适的类型。举例来说，深度检测装置可包括一个或多个位置传感器，其集成到机器人臂11中且使得有可能基于致动器的移动确定深度。作为变体，深度检测装置可包括检测钻头26上的标记的一个或多个外部传感器，例如光学传感器。
因此，在图5和6中，基于警告信号与深度信号的组合，控制单元50可确定在已穿过松质骨之后已到达皮质骨的内层6及外层5中的哪一个，且在适当的情况下，可取决于所到达的皮质骨层而发布不同控制信号。举例来说，较之于在到达皮质骨的外层5时，在到达皮质骨的内层6时前进速度的降低可较大。或，可使得在到达皮质骨的内层6时外加在第二旋转方向上的反向速度及驱动，而在到达皮质骨的外层5时降低在第一旋转方向上的前进速度及驱动速度。
图7说明从达到深度阈值SP1时开始的控制信号的实例。控制信号接着在达到临界阈值SC1及SC2中的一个以及深度阈值SP时修改钻头26的移动。
控制信号可包括只要深度信号尚未达到深度阈值SP1就使得钻头26能够沿着穿透方向T以前进速度从皮质骨的外层5的进入点A在前进方向上移动的指令。
在未通过警告信号检测到超过临界阈值SC1、SC2中的一个的情况下，钻头26的移动继续，直到深度信号达到深度阈值SP1，其指示钻头26的尖端27定位在例如对应于待植入的椎足螺钉的长度的目标深度。在图7中，在达到深度阈值SP1时，控制信号在钻头26上外加零速度以便湿器停止，应理解，可提供钻头26的移动的任何其它改变。举例来说，控制信号可包括用于使钻头26沿着穿透方向T在反向方向上移动或用于减小钻头26的前进速度及前进力中的一个的指令。
根据一些特定规定，若干预定义签名可保存在控制单元50中。每一签名包括由与在将钻头26穿透到参考解剖结构中期间的电特性相关的测量参数的变化得出的参考警告信号。
每一签名还可组合参考警告信号与参考深度信号，其由与钻头26已进入参考解剖结构的深度相关的深度参数的变化得出。
每一签名可具有一组对应移动参数，其中的至少一些可能不同于其它组移动参数中的移动参数。除了上文界定的移动参数之外，每一组移动参数可尤其包括临界阈值、深度阈值，或其它参数。
因此可尤其相对于超过特定临界阈值来以不同方式分析警告信号，其取决于钻头26相对于椎骨1的骨骼结构的实际位置。
控制单元50可接着被配置为用于：
-在将钻头26穿透到椎骨1中期间，连续地保存所述测量参数且将所述测量参数的变化与签名进行比较，及
-如果所述测量参数的所述变化对应于所述签名中的一个，则发布具有对应于所述签名的所述组移动参数的控制信号。
举例来说，测量参数相对于图6中所说明的深度的强度变化可构成内部裂口签名，其表示从面向椎根8的进入点且沿着导致突破皮质骨的内层6的路径钻入椎骨1。
测量参数相对于图7中所说明的深度的强度变化可构成表示钻入椎骨1的预期签名，其可证明适合于从面向椎根8的进入点且沿着导致穿过椎根8的所界定深度的路径放置椎足螺钉。
图8说明基于所述内部裂口或预期签名中的一个检测钻头26在皮质骨的外层5上的滑动。定位于预定进入点A上的钻头26的尖端27滑动，且处于皮质骨的外层6上距预定进入点A一定距离的另一位置B'处。
根据由点线表示的预期签名，作为测量参数的强度应恒定在对应于皮质骨的水平，且应接着在深度信号达到对应于皮质骨与松质骨之间的界面的第三深度阈值SP3(例如约5mm)时增大到松质骨的强度的水平。
然而，在钻头26滑动的情况下，并非处于皮质骨中，钻头的尖端27处于环绕椎骨1的软组织及流体中，其中电导率高于松质骨的电导率。在深度信号已达到第三深度阈值SP3之前，警告信号超过表示突破皮质骨的第二临界阈值SC2，且控制单元在钻头26上外加零速度。
图9说明基于所述内部裂口或预期签名中的一个且由点线表示的检测到穿越横突4中的一个。
根据内部裂口签名，不应在达到第四深度阈值SP4之前通过警告信号超过第二临界阈值SC2而检测到裂口。
在穿越横突4时，钻头26的尖端27定位在预定位置A'处，但穿透方向T将其引导为连续跨过皮质骨、松质骨的外层5，且再次跨过横突4的皮质骨的外层5。警告信号接着超过表示在达到第四深度阈值SP4之前突破皮质骨的第二临界阈值SC2。能够在检测到识别松质骨与皮质骨之间的界面C″的第一临界阈值SC1时外加减小的前进速度的控制单元在第二临界阈值SC2下外加零速度。
图10说明钻头26的尖端27进入椎根8的签名，其中松质骨的密度可增大，从而导致电导率降低。可通过例如在第五深度阈值SP5与第六深度阈值SP6之间的所界定空间窗内以差分方式(意味着通过测量参数的变化)界定的第三临界阈值SC3识别此降低。在此空间窗内，警告信号不得超过表示由到达皮质骨的内层6及外层5中的一个得出的裂口的第二临界阈值SC2。在通过椎根8时，可例如增大钻头26的驱动速度。
图11说明用于穿越横突4中的一个继之以新穿透到皮质骨的外层5中的签名。
尽管在图中表示为随深度而变，但可根据时间获得测量参数的变化。
医疗系统10还可包含力测量装置，所述力测量装置连接到控制单元50且被配置为发出对应于施加在钻头26上的力的力信号；施加在钻头26上的所述力可包括在所有相关方向上的一个或多个力、在所有相关方向上的一个或多个扭矩，或其组合。力测量装置可具有任何合适的类型。举例来说，其可包括一个或多个力传感器，所述一个或多个力传感器集成到机器人臂11中且使得能够基于由致动器施加的力及/或扭矩而确定钻头26上的力。
控制单元50可接着随力信号而控制钻头26的移动，此外还随警告信号且在必要时随深度信号而对其进行控制。明确地说，控制单元50可允许钻头26在前进方向上移动(只要力信号尚未达到力阈值SF)，且在力信号达到力阈值(SF)时修改钻头26的移动。由与在将钻头26穿透到参考解剖结构中期间施加在钻头26上的力相关的力参数的变化得出的参考力信号可提供于每一签名中，且与参考警告信号及(在适当的情况下)参考深度信号组合。
图12为说明警告信号与力信号的组合以便区分钻头26的两个不同位置的表示。在第一穿透方向T1中，钻头26在面向椎根8的退出点B处退出皮质骨的外层5。在第二穿透方向T2中，钻头26在横突4中的一个中的退出点D″处退出皮质骨的外层5。在第一穿透方向T1上穿越皮质骨的外层5以到达松质骨与在第二穿透方向上穿越皮质骨的外层5以到达软组织可导致发布类似的警告信号。相比之下，硬度比软组织大的松质骨将导致可由超过所界定的力阈值SF来表征的力信号的增大。在这些条件下，在警告信号由于从皮质骨通过到松质骨及软组织中的一个而增大时，可监视力信号，且如果力信号FT2不超过深度阈值SP7(例如等于5mm)之后的力阈值SF，则控制单元50检测钻头26在第二方向T2上的位置，且例如通过在钻头26上外加零速度VT2来修改所述移动。
可针对不同于松质骨及软组织的组织获得此类区别。举例来说，力信号可用以区分具有类似电导率的皮质骨与脂肪囊肿。
实例
材料
机器人臂11为具有7个自由度的Barrett WAM臂，且自然地可逆。此可逆性允许对其进行手动操纵，以使得可容易地将其置于所需配置。其由控制单元50使用专属libbarrett API基于Xenomai实时系统控制，所述控制单元由控制PC组成。
经由集成蓝芽兼容微控制器的tinyTILE板实现与钻孔装置25的软件接口。此板经由虚拟USB串行端口与控制PC通信。
钻头26由驱动装置驱动，所述驱动装置包括固定到机器人臂11的执行器末端的齿轮马达单元。此单元由Maxon EC45平坦马达(参考350910)及50:1SGP67S 50减速齿轮组成。其特性如下：
-在负载下的额定速度：78rpm
-额定扭转：2.80Nm
-额定电流：3A
控制机器人臂11以使得能够：
1.在插入之前由外科医生“手动”定位仪器(共同操纵模式)
2.借助于用于通过钻孔装置25即时测量组织电导率的反馈回路(负反馈)自动插入仪器。
所执行的操作如下。
在操纵之前，将钻头26安装在提前安装于机器人臂11上的钻孔上，且其速度可调节。外科医生接下来处于椎骨1及机器人臂11附近。机器人臂处于“锁定”模式，从而将钻孔装置25固持在适当位置。
为进行操纵，外科医生握持钻孔装置25，且在控制杆上按压以“解锁”机器人臂11。其接着可通过共同操纵自由地改变钻头26的位置和定向。外科医生将仪器置于“准备好钻孔”位置(沿着穿透方向对准，与进入点接触)。在位置正确时，其释放控制杆，且机器人臂11返回到锁定模式。
在必要时，可调整进入点及穿透方向。
经由界面(可能与操作者)，外科医生触发自动模式的插入。驱动装置以驱动速度ω1(例如300rpm)启动。机器人沿着穿透方向以前进速度vl(例如1mm/s)在前进方向上前进，且开始监视警告信号。
在前5mm期间，警告信号的值可能减小以达到稳定值，其称作参考值。控制单元50在线识别此参考，因为其可能因患者不同而不同。
控制单元连续地监视警告信号，且只要警告信号接近于参考且警告信号的变化“相当缓慢”就命令前进。
在不再满足这些条件时，命令停止机器人臂且使驱动速度ω2减速(例如100rpm)。
保存位置，且引发刺穿皮质骨。
例如以0.2mm/s的前进速度v2刺穿皮质骨，直到检测到裂口，其命令停止机器人臂11及钻孔。
从椎骨抽出钻孔装置。
仪器及控制
已开发两种控制器。
在手动放置及重新定位阶段期间，机器人臂11仅补偿其自身的重量。其因此可由于其电缆传输系统的高可逆性而手动地自由移动。
为进行钻孔，已开发特定控制示意图。反馈控制示意图采取所需定向、所需初始位置及前进速度作为输入。
其实施的操作模式如下。
在起动时，保存机器人的位置Xini及定向θini。
初始化所需位置及定向(分别为Xdes←Xini及θdes←θini)。
只要由机器人臂11施加到椎骨1的力(经由马达电流及机器人的运动模型估计的力)低于阈值F，就递增所需位置，如下：
Xdes←Xdes+VdesΔT
Vdes为由用户界定的钻孔的前进速度(沿着钻孔的轴线定向的向量)，且ΔT为机器人控制器的循环时间(2ms)。
控制器接着计算待经由比例导数校正器施加的力：
F←Kpp(Xdes-X)-KdpV
其中Kpp及Kdp分别为在某位置的比例及导数增益。
接着将此力与Fmax进行比较，且接着如果其超过此值则使其饱和。
最后，经由机器人的静态传输模型计算用于验证所述位置的接头的扭矩：
τP←(JT)13F
其中(JT)13表示机器人的自然雅可比矩阵的转置的前三列。
利用独立PD校正器控制定向，从而计算力矩M：
M←Kpo∈θ-Kdoω
τθ←(JT)46M
其中Kpo及Kdo分别为某定向上的比例及导数增益，∈θ为定向误差，ω为旋转速度，且(JT)46表示机器人的自然雅可比矩阵的转置的前三列。
通过试错法调整增益以获得适当硬度(保持钻孔对准)及良好阻尼。调整后的增益值：
-定向控制器：Kpo＝18及Kdo＝0.087
-位置控制器：Kpp＝5000及Kdp＝60
在钻孔开始时，从机器人请求前进速度。
仪器与骨骼之间的接触产生阻力。此力产生监视误差。在速度低时，我们可估计：
F＝Kpp(Xdes-X)-KdpV≈Kpp(Xdes-X)
因此，误差与所施加的力成比例。所需位置因此位于尖端的前部中，且比例校正器与“拉动”仪器的弹簧相当。在阻力变大时，此对应于大误差：不存在以完整速度使所需位置继续前进的点，其为力饱和的原因。
对由钻头26测量的警告信号进行滤波，随后经由蓝芽发送。此滤波器为以下形式：
σ(t)＝αs(t)+(1-α)σ(t-T)
其中α＝1/3，s(t)为在时间t测量的未处理信号，σ(t)为在时间t的经滤波信号的值，且T为获取周期(约200ms)。
在观察到信号的快速变化时，需要停止机器人的前进，且多于一秒的延迟可能在钻孔结束时造成裂口。我们因此在信号预处理期间将算法集成到机器人控制中，其使滤波器反转：
Figure BDA0002526043880000231
此使得有可能在时间t处从经滤波信号恢复信号的未处理值，且同时抵消延迟。
使用警告信号来在就要形成裂口之前停止机器人臂。所使用的算法如下。
在警告信号下降到低于临界阈值sc1时，检测到穿透到皮质骨中。
在已穿透皮质骨时，在信号上升到高于其最小值smin时检测到即将发生的裂口，其中偏差大于阈值sc2。
在进行实验时，在实验之前外加阈值sc1及sc2(基于初始测试进行的调整)。相比之下，最小参考值smin从一个钻孔到另一钻孔并非非常可重复；其因此自动地在线计算。
可通过以下伪码描述仪器信号的解译：
初始化：smin←∞；flagcortical＝0
对于从信号(t)接收的每一新值，循环如下：
1.计算最小信号值：
如果s(t)<smin，则smin←s(t)
2.检测到皮质骨中的进入：
如果s(t)<s1且flagcortical＝0，则flagcortical←1
3.在皮质骨中，检测即将发生的裂口：
如果flagcortical＝1且(s(t)-smin)>s2，则停止钻孔。
将阈值设定为：s1＝0.15V且s2＝0.3V
在钻孔期间，不明确地控制马达的旋转速度：向马达发送等于24伏特的命令，其对应于约80转每分钟的马达怠速。此命令贯穿钻孔保持开环。应注意，在钻头已深深地穿透时，电阻强，且旋转速度降低。减小轴向力的优点中的一个为其还(机械地)降低对钻孔的相反扭转，从而使得有可能防止钻头卡住。
因此，初始化钻孔简单地相当于设定正前进速度。
停止将电供应到用于使钻头旋转的马达。
将机器人的所需位置指派给当前位置，其具有立即停止施加力的效果。
可接着观察到机器人臂11的抽出。

Claims (16)

1.一种医疗系统(10、10'、10”)，其包括：
机器人臂(11)，其包括底座(12)及执行器(14)，所述机器人臂(11)被配置为允许所述执行器(14)相对于所述底座(12)移动，
控制单元(50)，其连接到所述机器人臂(11)且被配置为发布控制信号，所述控制信号控制所述执行器(14)相对于所述底座(12)移动，
医疗装置(25)，其既定穿透解剖结构(1)，所述解剖结构(1)包括不同介质且具有随所述介质传导电流的能力而改变的电特性，所述医疗装置(25)包括适合于穿透所述解剖结构(1)的主体(26)，所述医疗装置(25)被配置为在所述主体(26)在所述解剖结构(1)内移动时发出随所述电特性而改变的警告信号，所述医疗装置(25)连接到所述控制单元(50)，
其中，所述医疗装置(25)的所述主体(26)在既定与所述解剖结构接触的远端(26b)和与所述远端(26b)相对的近端(26a)之间延伸，且具有外表面，所述主体包括：
至少一个第一电极(28)，其包括第一接触表面(29)，所述第一接触表面在所述远端(26b)处布置于所述主体(26)的所述外表面上，以便与所述解剖结构(1)接触，
至少一个第二电极(30)，其包括第二接触表面(31)，所述第二接触表面在所述远端(26b)处布置于所述主体(26)的所述外表面上，以便在距所述第一接触表面(29)一定距离处与所述解剖结构(1)接触，
其中，所述医疗装置(25)进一步包括：
电力产生器(36)，其连接到所述第一电极(28)和所述第二电极(30)且适于在所述第一接触表面(29)与所述第二接触表面(31)之间施加至少一个测量电流，
处理装置(37)，其连接到所述电力产生器(36)、所述第一电极(28)和所述第二电极(30)，且适于基于所述至少一个测量电流确定与所述电特性相关的测量参数，并发出对应于所述测量参数的警告信号，
其特征在于，所述控制单元(50)被配置为发布随所述警告信号而变的控制信号。
2.根据权利要求1所述的医疗系统(10、10'、10”)，其特征在于，多个预定义签名保存在所述控制单元中，每一签名包括由所述测量参数在将所述医疗装置的所述主体穿透到参考解剖结构期间的变化得出的参考警告信号，所述控制信号包括多组移动参数，每一组移动参数与所述签名中的一个相关联，所述控制单元被配置为用于：
在将所述医疗装置的所述主体穿透到所述解剖结构期间，连续地保存所述测量参数且将所述测量参数的变化与所述签名进行比较，以及
如果所述测量参数的变化对应于所述签名中的一个，则发布具有与所述签名相关联组的移动参数的所述控制信号。
3.根据权利要求2所述的医疗系统(10、10'、10”)，其进一步包括以下中的至少一个：
力测量装置，其连接到所述控制单元且被配置为发出力信号，所述力信号对应于施加在所述医疗装置的所述主体上的力，
深度检测装置，其连接到所述控制单元且被配置为深度信号，所述深度信号发出对应于所述医疗装置的所述主体已穿透到所述解剖结构的深度，
所述控制单元被配置为发布随所述力信号和所述深度信号中的至少一个而变的控制信号，
其中，在所述医疗系统(10、10'、10”)中，每一签名进一步包括以下中的至少一个：
参考力信号，其由与在将所述医疗装置的所述主体穿透到所述参考解剖结构期间施加在所述医疗装置的所述主体上的所述力相关的力参数的变化得出，
参考深度信号，其由与所述医疗装置的所述主体已穿透到所述参考解剖结构的所述深度相关的深度参数的变化得出。
4.根据权利要求3所述的医疗系统(10、10'、10”)，其特征在于，所述力测量装置被配置为发出对应于施加在所述医疗装置的所述主体上的扭矩的所述力信号，所述参考力信号是由与在将所述医疗装置的所述主体穿透到所述参考解剖结构期间施加在所述医疗装置的所述主体上的所述扭矩相关的所述力参数的变化得出。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的医疗系统(10、10'、10”)，其特征在于，所述医疗装置(25)的所述主体(26)沿着穿透方向(T)延伸，且其中所述控制信号包括以下指令：
只要所述警告信号尚未达到临界阈值(SC1、SC2)，就使得所述医疗装置(25)的所述主体(26)能够相对于所述解剖结构沿着所述穿透方向(T)在前进方向上移动，
当所述警告信号达到所述临界阈值(SC1、SC2)时，修改所述医疗装置(25)的所述主体(26)的移动。
6.根据权利要求5所述的医疗系统(10、10'、10”)，其特征在于，所述医疗装置(25)的所述主体(26)安装在所述机器人臂(11)的所述执行器(14)上，且所述控制信号包括用于只要所述警告信号尚未达到所述临界阈值(SC1、SC2)就使所述执行器(14)在前进方向上移动的指令。
7.根据权利要求5所述的医疗系统(10、10'、10”)，其适合于通过施加在所述医疗装置上的外部动作而使得所述医疗装置的所述主体能够移动，其中所述机器人臂的所述执行器包含止动部件，且所述控制信号包括用于在所述警告信号达到所述临界阈值时使所述执行器的所述止动部件与所述医疗装置接触的指令。
8.根据权利要求5到7中任一项所述的医疗系统(10'、10”)，其特征在于，所述机器人臂的所述执行器包括适于接收所述医疗装置的所述主体的管道。
9.根据权利要求8所述的医疗系统(10”)，在附属于权利要求6时，其特征在于，所述机器人臂的所述执行器包括相对于所述管道可移动的支撑件，且所述医疗装置的所述主体安装在所述支撑件上，所述控制信号包括用于使所述支撑件相对于所述管道移动的指令。
10.根据权利要求5到9中任一项所述的医疗系统(10、10'、10”)，当附属于权利要求3时，其特征在于，每一签名包括至少一个临界阈值。
11.根据权利要求5到10中任一项所述的医疗系统(10、10'、10”)，在附属于权利要求3时，其特征在于，所述控制信号包括以下指令：
只要所述力信号尚未达到力阈值，就使得所述医疗装置的所述主体能够在前进方向上移动，
在所述力信号达到所述力阈值时，修改所述医疗装置的所述主体的所述移动。
12.根据权利要求11所述的医疗系统(10、10'、10”)，其特征在于，每一签名包括至少一个力阈值。
13.根据权利要求5到12中任一项所述的医疗系统(10、10'、10”)，在附属于权利要求3时，其特征在于，所述控制信号包括以下指令：
只要所述深度信号尚未达到深度阈值，就使得所述医疗装置的所述主体能够在所述前进方向上移动，
当所述深度信号达到所述深度阈值时，修改所述医疗装置的所述主体的移动。
14.根据权利要求13所述的医疗系统(10、10'、10”)，其特征在于，每一签名包括至少一个深度阈值。
15.根据权利要求1到14中任一项所述的医疗系统(10、10'、10”)，其特征在于，所述医疗装置的所述主体具有纵向轴线，且所述医疗装置进一步包括驱动装置，所述驱动装置被配置为驱动所述主体围绕所述纵向轴线旋转，所述控制信号包括以下指令：
只要所述警告信号尚未达到临界阈值(SC1、SC2)，就使得所述主体(26)能够以驱动速度在第一旋转方向上旋转，
当所述警告信号达到所述临界阈值(SC1、SC2)时，修改所述主体(26)的旋转。
16.根据权利要求15所述的医疗系统(10、10'、10”)，在附属于权利要求2时，其特征在于，每一签名包括至少一个驱动速度。
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