CN112469344A - 骨骼切割件和软组织保护件 - Google Patents

Abstract

因此描述了一种骨骼切割系统，包括细长的外科手术的骨骼切割工具(200、220、230)和保护系统。该细长的外科手术的骨骼切割工具(200、220、230)具有第一末端和第二末端，第一末端用于将骨骼切割工具固定至切割机器人或机械，第二末端在细长的外科手术的骨骼切割工具的一端处与第一末端相对。该保护系统(100)包括可附接至细长的骨骼切割工具的保护元件(101、111、121、131、141、151、161)。该保护元件包括插入部分，当该保护元件被附接至细长的切割工具时，该插入部分覆盖细长的切割工具的至少第二末端，使得在用细长的切割工具切割期间，插入部分被插入在软组织与骨骼切割工具(200、220、230)之间，用以阻止骨骼切割工具(200、220、230)切割入软组织中。在用骨骼切割工具切割期间，保护元件一致地遵循骨骼切割工具(200、220、230)。该系统还包括至少一个传感器，用于提取保护元件作用在骨骼上的接触力。

Description

骨骼切割件和软组织保护件

技术领域

本发明涉及外科器械领域。更具体地，本发明涉及用于骨骼切割件的器械，该器械用于提供对软组织的保护，并且涉及包括这种器械的骨骼切割件。

发明背景

在许多外科手术中，骨骼切割是通常的需要。例如，用植入物代替骨骼或骨骼的一部分是相对常见的介入。据估计，每年有超过一百万次介入涉及膝关节和膝关节置换一项。但是，满意度是可变的，由于大约90％的介入持续10年至15年，其他的产生很多并发症，例如无菌性松动、不稳定、感染、聚乙烯磨损、关节纤维化和对位不良。通过提供高质量的切割、精确的切割平面以及通过使对所有维持结构的损伤最小化所致的减少的侵入性，可以缓解这些问题中的大多数。

在更换骨骼的一部分的情况下，与这些类型的介入关联的主要问题一方面与要更换的区域的确定关联，另一方面与实际的介入和按计划去除的区域关联。对于带有受损软骨的关节的特殊情况，应正确识别关节中带有损伤的骨骼部分(其需要去除)。诸如放射线照相成像的扫描在外科手术计划(术前或术中)期间可以有助于识别需要被切割并且用植入物置换的区域。此外，在介入期间，该切割不应当去除多于或少于需要去除的区域，因此切割的精确性很重要。

具体地，骨骼的某些区域通常包括非常靠近骨骼的肌腱、韧带和软组织。肌腱和韧带在骨骼的特定区域中锚固至骨骼，但是在骨骼上延伸并且可以部分地附接至骨骼。即使在远离韧带和肌腱的锚固点位切割的情况下，这些韧带和肌肉也可能在切割期间受损伤。在介入期间，在骨骼形状不规则并且可进入性受限的区域(例如后髁间区域)中，风险尤其高。软组织的损伤会进一步增加并发症，延长康复时间，并且在某些情况下无法完全恢复原始的运动能力，总体上降低人的生活质量。

发明内容

本发明的实施例的目的是为骨骼切割件提供针对韧带的保护件，以及包括这种保护件的用于骨骼切割的系统，其在外科手术期间可有效地减少围绕骨骼的软组织的损伤。

本发明涉及一种用于切割对象的骨骼的骨骼切割系统，该骨骼切割系统包括细长的外科手术的骨骼切割工具，该细长的外科手术的骨骼切割工具具有第一末端和第二末端，第一末端用于将细长的外科手术的骨骼切割工具固定至切割机器人或机械，第二末端与第一末端相对，该骨骼切割系统还包括保护系统，该保护系统包括能附接至细长的骨骼切割工具的保护元件并且包括插入部分，当保护元件附接至细长的骨骼切割工具或其框架时，该插入部分覆盖细长的骨骼切割工具的第二末端的至少一部分，使得在用细长的切割工具切割期间，插入部分被插入在软组织与骨骼切割工具之间，用以阻止骨骼切割工具切割入软组织中，并且其中，在用细长的切割工具切割期间，保护元件一致地遵循骨骼切割工具。该骨骼切割系统包括至少一个传感器，其用于提取保护元件作用在骨骼上的接触力。

至少一个传感器可以包括在骨骼切割系统的任何部分中，例如但不限于在细长的骨骼切割工具的一部分中、在保护系统的一部分中或者在框架或机器人的一部分中，骨骼切割工具和/或保护系统可以附接至该处。

至少一个传感器可以是用于直接或间接地感测保护元件作用在骨骼上的接触力的传感器。

感测例如可以由力传感器或力可以导出的任何合适的传感器来完成，例如压力传感器。

该至少一个传感器可以是用于感测包括保护元件作用在骨骼上的接触力在内的合力的传感器或若干传感器的组合，例如，一种用于组合地测量细长的切割工具作用在骨骼的边缘上的切割力以及保护元件(例如保护元件的插入部分)作用在骨骼边缘上的力。

当保护元件附接至细长的骨骼切割工具或其框架时，插入部分可以定位在细长的切割工具的第二末端处。

第一末端可以由切割机器人或机械直接驱动。第二末端可能不是直接驱动，而是由第一末端的驱动而移动。

有利的是，保护元件定位在要切割的骨骼与软组织之间。这确保骨骼切割工具不会损伤软组织。本发明的实施例的另一个优点是，在难以使用独立于骨骼切割工具而安装的分离的保护元件的情况下，可以执行骨骼与韧带之间的保护。插入元件可以是弯曲部分，该弯曲部分用于覆盖细长的切割工具的末端的至少一部分。该弯曲部分可以覆盖细长的切割工具的顶部和细长的切割工具的侧部的一部分两者。

保护系统还可以包括用于保持保护元件的臂，该臂能附接至骨骼切割工具或骨骼切割工具框架，并且该臂被定位成遵循骨骼切割工具。

臂通常可以具有等于或小于骨骼切割工具的厚度，因为臂在骨骼中形成的狭槽中遵循骨骼切割工具。本发明的实施例的优点在于，即使韧带附接或粘附至骨骼表面，分离件在与骨骼切割工具一起移动时也可以被牢固地保持，并且可以提供有效的韧带分离。

该插入部分可以包括用于将软组织与骨骼分离的软组织分离件。

本发明的实施例的一个优点是，韧带例如通过将韧带从骨骼的表面脱离而可以与骨骼分离，通过软组织分离件的主体将它们分开。

软组织分离件可以是锋利的边缘、钝的端部、锋利的圆形形状、机械运动切割装置、机械振动边缘、电灼刀或者压力射流中的任何一种。

保护系统可以包括冷却系统和/或用于去除碎屑的抽吸器系统。

本发明的实施例的优点在于，可以使用水冷却，这可减少对活的组织的热损伤，和/或可以使用抽吸器，以减少由于切割和骨骼的残留物而堵塞骨骼切割工具的机会。这些系统中的任何一个或两个都可以例如包括在侧臂或切割工具本身中。

所述保护元件可以包括用于支承所述骨骼切割工具的通常为非驱动的第二末端的轴承。

本发明的实施例的优点在于，由于在第二末端处支承铣刨工具，因此可以使用长且薄的铣刨切割件，其能够通过单次运动来执行小的骨骼切割，其中，切割工具通过从骨骼的一端移动至相对端且不返回而完全切割骨骼。

本发明的实施例的优点在于，与常规技术(例如，摆动锯)相比，具有特定几何形状和操作参数的旋转铣刨切割工具可以引起作用在剩余骨骼上的热负荷显著降低。结合本发明可得的切割的高精度和较好的平坦度，可以获得最佳边界条件，以实现骨泥式固定植入物的良好骨骼向内生长。

本发明的实施例的优点在于，与常规技术相比，具有特定几何形状和操作参数的旋转铣刨切割工具导致切割力和振动显著降低，降低对骨骼稳定的要求并且减少由骨骼运动引起的误差。

保护元件可以具有大于骨骼切割工具的宽度，并且其中在使用期间。保护元件在骨骼外部的位置处可以一致地遵循骨骼切割工具。

当保护元件安装在侧臂上时，这样的侧臂在骨骼中的狭缝内部可被定位在骨骼切割工具的一侧，而保护元件或其插入部分定位在形成在骨骼中的狭槽外部。本发明的实施例的优点在于，支承分离件的臂可以具有比切割工具小的厚度，并且可以定位在该工具的切割侧的相对侧，使得该臂在由切割工具建立的狭槽中能够与切割工具一起移动。这样做，用于将保护器连接至框架的臂的额外路径导致增加的软组织接触，因此损伤的风险降低。本发明的实施例的优点在于，通过提供其平滑且均匀的位移，提供了良好的韧带保护。

在一些实施例中，保护系统既包括用于感测保护元件作用在骨骼上的接触力的传感器，又包括用于感测骨骼切割工具作用在骨骼上的力的另一传感器。

本发明的实施例的优点在于，可以监测分离件与骨骼表面之间的接触。这可以实现自动或手动控制，即使骨骼的几何形状未知，也可以确保保护器与骨骼外部之间的预定接触。即使在不使用导航时，也可以获得后者。

本发明还涉及一种包括如上所述的骨骼切割工具和保护系统的骨骼切割系统。

有利的是，提供一种具有嵌入式韧带保护的骨骼切割系统，其通过使组织局部地远离骨骼切割工具的切割部分而对要被切割的骨骼周围的组织提供最小的损伤。

骨骼切割工具可以是细长的骨骼切割工具，并且保护元件在细长的骨骼切割工具的通常是非驱动的第二末端上弯曲，覆盖侧部的一部分。

本发明的实施例的优点在于，确保完整的骨骼切割以及韧带保护。

保护元件可以包括借助于臂附接至骨骼切割工具的框架的弯曲部分。该曲部分可以是钩形的。

本发明的实施例的优点在于，分离件可以在简单的步骤中容易地遵循骨骼表面。

弯曲部分可以在细长的骨骼切割工具的通常是非驱动的第二末端上弯曲，使得弯曲部分覆盖细长的骨骼切割工具的侧表面的至少一部分。细长的骨骼切割工具可以是铣刨切割件。

本发明的实施例的优点在于，确保完整的骨骼切割以及韧带保护。

骨骼切割系统可以包括传感器反馈，例如，用于基于保护元件与骨骼之间或者切割工具与骨骼之间的感测的接触力来引导切割过程。

本发明的实施例的优点在于，可以监测分离件与骨骼表面之间的接触，并且可以根据传感器的测量值调适切割动作，例如，如果检测到脱离接触则其可以停止，或者可以调整切割工具的路径以保持分离件与骨骼或切割件之间的接触。

骨骼切割系统可以进一步包括自适应切割控制。这样的自适应切割控制可以包括根据所获得的传感器反馈来对切割进行调适。

本发明的实施例的优点在于，切割速度和供给速度可以根据骨骼的硬度来调适，并且可以控制热损伤。

该骨骼切割系统还可以包括用于定位骨骼的导航系统和用于主动地或被动地控制切割工具路径的机器人。

该骨骼切割系统可以包括这样的控制器，该控制器用于基于来自导航系统、骨骼的几何形状和可选的力传感器的信息来自动地执行切割。可选地，还可以考虑外科医生的交互信息。

骨骼切割系统可以适合于手动地执行切割，还包括这样的机械引导系统，该机械引导系统连接至骨骼或者连接至沿着预定方向引导该系统的外部框架。切割工具的运动可以通过连接至骨骼的机械引导系统、机器人系统或外部框架而限制成切割平面内的平移和旋转。本发明还涉及包括如上所述的骨骼切割工具和保护系统的套件。

本发明还涉及一种用于外科手术骨骼切割工具的保护系统，该系统包括保护元件，该保护元件呈以下构造而能附接至或者附接至骨骼切割工具或者连结到骨骼切割工具的框架，该构造为：在用骨骼切割工具切割期间，保护元件一致地遵循骨骼切割工具，并且保护元件包括插入部分，当附接至骨骼切割工具或框架时，在切割围绕有软组织的骨骼期间，插入部分被插入在软组织与骨骼切割工具之间，用以阻止骨骼切割工具切割入软组织中。

一方面，本发明还涉及一种用于切割手术对象的骨骼的骨骼切割系统，该骨骼切割系统包括适配于切割骨骼的细长的外科手术的骨骼切割工具，该细长的外科手术的骨骼切割工具具有第一末端和第二末端，第一末端用于将细长的外科手术的骨骼切割工具固定至切割机器人或机械，第二末端在细长的外科手术的骨骼切割工具的一端处与第一末端相对。该骨骼切割系统还包括保护系统，该保护系统包括能附接至细长的骨骼切割工具或细长的骨骼切割工具的框架的保护元件，其中保护元件包括插入部分，当保护元件附接至细长的骨骼切割工具或细长的骨骼切割工具的框架时，插入部分覆盖细长的骨骼切割工具的第二末端的至少一部分，使得在用细长的骨骼切割工具切割期间，插入部分插入在围绕骨骼的软组织与骨骼切割工具之间，用于阻止骨骼切割工具切割入骨骼周围的软组织中。保护元件还包括支承部分，该支承部分用于接纳和支承细长的骨骼切割工具的第二末端的至少一部分。这样的支承通常可以通过支承部分与细长的骨骼切割工具的第二末端之间的接触、例如直接接触来获得。这样的支承部分可以有利地用于细长的骨骼切割工具，该细长的骨骼切割工具的长度为至少3cm，优选地长度为至少4cm，并且直径为2mm至5mm之间，优选地为3mm至4mm之间。

在所附独立权利要求和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选实方面。来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征以及与适当的其他从属权利要求的特征组合，而不是仅仅在权利要求中所明确阐述的。

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐明。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的包括保护装置的骨骼切割工具的实施例。

图2示出了根据本发明实施例的具有保护系统的骨骼切割工具的实施例。

图3和图4示出了根据本发明实施例的具有保护系统的骨骼切割工具在去除骨骼壁时的不同立体图(图4示出了从附图去除骨骼的上部部分以更好地可视化的截面图)。

图5示出了图3和图4的骨骼切割工具在执行狭槽切割时的视图，其中去除了保护元件。

图6示出了根据本发明实施例的具有保护系统的骨骼切割工具。

图7至图9示出了根据本发明的实施例的包括保护系统的骨骼切割工具的不同实施例，其中重叠程度不同。

图10示出了根据本发明实施例的包括保护系统的骨骼切割工具，以及执行单步切割的切割部件的细节。

图11示出了图10中所示的骨骼切割工具的不同立体图。

图12示出了根据本发明实施例的具有保护系统的骨骼切割工具，并且该骨骼切割工具正在被使用。

图13示出了根据本发明实施例的包括保护系统的骨骼切割工具。

图14示出了在去除骨骼壁时的图2的实施例。

图15示出了根据本发明实施例的包括保护系统的骨骼切割工具，该保护系统包括用于提供自动切割的装置。

图16和图17示出了根据本发明实施例的包括保护系统的两个替代的骨骼切割工具，该保护系统包括用于提供手动切割的装置。

图18示出了根据本发明实施例的几种不同的保护元件。

图19示出了根据本发明实施例的骨骼切割工具。

图20示出了根据本发明的执行骨边缘确定的骨骼切割系统的实施例。

图21示出了根据本发明实施例的在由骨骼切割系统所使用的铣刨速度的优化算法中使用的多个参数。

一些附图未明确示出骨骼切割系统的传感器元件，而是集中于根据本发明实施例的骨骼切割系统的其他标准或可选的元件、特征和优点。然而，如本领域技术人员将理解的，可以如其他附图中所示或如下文对说明性实施例的详细描述中所描述的那样集成传感器。

附图仅是示意性的而非限制性的。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可能被夸大并且未按比例绘制。

权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

在不同的附图中，相同的附图标记表示相同或类似的元件。

具体实施方式

将参考特定实施例并参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此，而是仅由权利要求限制。尺寸和相对尺寸不对应于实施本发明的实际减少量。

此外，说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等用于区分相似的元件并且不必一定用于在时间上、空间上、排序中或者以任何其他方式来描述序列。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文描述的本发明的实施例能够以不同于本文描述或说明的其他顺序操作。

此外，说明书和权利要求中的术语“顶部”、“底部”等用于描述目的，而不必一定用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文描述的本发明的实施例能够以不同于本文描述或说明的其他方向操作。

应当注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限于其后列出的装置；其不排除其他元件或步骤。因此，应当将其解释为指定所述的特征、整体、步骤或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤或部件或它们的组合。因此，表述“包括装置A和装置B的设备”的范围不应当限于仅由部件A和部件B构成的装置。这意味着就本发明而言，该设备的仅相关部件是A和B。

贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着与该实施例描述相关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不必一定都但有可能指代相同的实施例。此外，一个本领域普通技术人员从本公开中显而易见的是，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。

类似地，应当理解，在本发明的示例性实施例的说明中，本发明的各种特征在单个实施例、附图或它们的说明中有时组合在一起以用于简化本公开并帮助理解各种发明方面中的一个或多个。然而，该公开方法不应被解释为反映了以下意图：所要求保护的发明需要比每个权利要求中明确记载的更多特征。而是，如所附的权利要求所反映的，发明方面在于少于单个前述公开实施例的所有特征。因此，遵循详细说明的权利要求在此明确地结合到该详细说明中，其中每个权利要求自身作为本发明的单独实施例。

此外，虽然本文描述的一些实施例包括一些特征但不包括被包括在其他实施例中的其他特征，但是如本领域技术人员将理解的，不同实施例的特征的组合意味在本发明的范围内，并形成不同的实施例。例如，在所附的权利要求中，任何要求保护的实施例可以以任何组合使用。

在本文提供的说明中，阐述了许多具体细节。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他情况下，公知的方法、结构和技术没有详细示出，以免模糊对本说明书的理解。

当在本发明的实施例中，当参考骨骼切割工具时，可以参考这样的工具，其例如通过铣刨而允许以任何合适方式来切割或锯骨骼切割骼。

在本发明的实施例中，当参考骨骼中的狭槽或狭缝时，参考的是制成在骨骼中的通常呈平面的切口。其也可以被称为切割平面。

在本发明的实施例中，当参考锯的切割部分时，参考的是锯在移动时允许在骨骼中进行切割的部分。在细长的骨骼切割工具中，其通常是细长的切割工具的侧表面的一部分。在本发明的实施例中，当参考骨骼切割工具的宽度时，通常参考的是它的尺寸，该尺寸将确定当切割时在骨骼中形成的狭槽的宽度。对于铣刨钻的示例，其对应于钻头的直径，对于锯的示例，其通常对应于锯片的厚度。在本发明的实施例中，当参考保护元件的宽度时，通常参考的是当切割时在骨骼中形成的狭槽的宽度所确定的方向上的尺寸。

本发明可提供对附接至骨骼或位于骨骼附近的韧带的有效保护。根据本发明的实施例的保护系统在骨外科手术期间可阻止韧带被骨骼切割工具损伤。合适的骨外科手术包括关节置换术，例如膝关节置换术，但是本发明不限于此，其可以应用于肘部手术、髋关节置换术等。

当切割骨骼的一部分时，很有可能的是骨骼切割工具插入得太深，突出穿过韧带所在的骨骼侧。损伤韧带可能在手术期间以及之后的恢复期间带来严重的并发症。特别地，韧带沿着骨骼轴杆锚固至骨骼，但是它们可以附接或部分地附接至骨骼。这使得韧带在切割骨骼时非常容易受损伤。

在本发明的实施例中，当参考韧带、肌腱或软组织时，通常可以提及这三种组织中的任一种或全部。韧带和肌腱通常具有相同的结构，但是韧带将骨骼连接至骨骼，而肌腱将肌肉连接至骨骼。软组织是两者的集合，但是还包括其他结构，如膝盖囊，其在介入期间也需要保护。

总体上，本发明的装置描述了用于外科手术的骨骼切割工具的保护系统，其包括可附接或附接至骨骼切割工具或附接至被连结至骨骼切割工具的框架的保护元件。由此，保护元件处于这样的构造中，即，在用骨骼切割工具切割期间，该保护元件一致地遵循骨骼切割工具，并且该保护元件包括插入部分，在切割由软组织包围的骨骼期间当附接至骨骼切割工具或框架时，所述插入部分用于插入在软组织和骨骼切割工具之间，以阻止骨骼切割工具切割到软组织中。当骨骼切割工具是细长的外科手术的骨骼切割工具时，其通常具有第一末端和第二末端，第一末端用于将骨骼切割工具固定至切割机器人或机械，第二末端在细长的外科手术的骨骼切割工具的一端处与第一末端相对。保护元件于是包括插入部分，当保护元件附接至细长的骨骼切割工具或细长的骨骼切割工具的框架时，该插入部分覆盖细长的骨骼切割工具的第二末端的至少一部分，使得在用细长的切割工具切割期间，插入部分插入到围绕骨骼的软组织与骨骼切割工具之间，以阻止骨骼切割工具切割到软组织中，并且其中，在用细长的切割工具切割期间，保护元件一致地遵循骨骼切割工具。

本发明的装置确保在切割期间保护软组织。这种保护由保护元件提供，该保护元件重叠并且覆盖骨骼切割工具的至少一部分，在细长的骨骼切割工具的情况下，通常该工具的末端与附接至骨骼切割工具的致动部的一端相对。工具的附接至该工具的致动部的末端，即，附接至切割机器人或机械的末端通常被称为第一末端。使用保护元件的末端通常被称为第二末端。通常，这样的末端不是直接驱动的，而是由于在第一末端处的驱动而移动。在切割工具是细长的切割工具的实施例中，第二末端通常是细长的切割工具的顶部。保护元件可以是分离件，保护元件也与骨骼切割工具一致地移动，即与骨骼切割工具沿相同的方向并且同时移动，在骨骼切割工具的切割路径上跟随骨骼切割工具穿过骨骼。因此，保护元件可以在软组织与骨骼之间滑动或楔入，因此保护元件插入或夹层在软组织与切割工具之间。因此，类似韧带的软组织远离骨骼切割工具的切割部分。这样，当进行切割时，骨骼切割工具不会到达韧带。应当注意的是，“切割路径”是导致狭槽或者切穿主体的路径。切割路径将沿着切割工具的平均运动的路径形成，平均运动也称为“辅助运动”。切割工具的平均运动通常不遵循工具的“切割运动”或“主运动”，其是导致材料从主体中去除的工具的运动；通常，辅助运动和切割运动将沿不同的方向进行。

在第一方面，本发明涉及一种包括保护系统的骨骼切割系统。该保护系统包括保护元件，该保护元件可以覆盖骨骼切割工具或锯的一部分，并且可以沿着骨骼切割工具的切割路径与骨骼切割工具同时移动。图1示出了示出保护系统100的简单实施例，其中，用作保护元件101的板具有边缘102和连结至骨骼切割工具200的附接部分103，在该情况下，以侧向运动来切割的铣刨件具有切割部分201。在一些实施例中，保护元件101是骨骼切割工具200的整体部分。保护元件还可以用作软组织分离件，其用于将软组织与骨骼分离，如稍后将描述的那样。为了说明的目的，在图1中示出了第一末端252和第二末端254。

可以将用作保护元件的板附接至钻头200的中心轴，因此其不随钻头旋转。如果钻头的直径不允许存在不可动中心轴，则附接部分103可以包括轴承，因此与钻头相比可减少旋转。在其他实施例中，钻头和板两者都可以旋转。板的旋转可以用于将韧带与骨骼分开，而不将韧带截切。

在一些实施例中，保护元件101可以比骨骼软，因此板不切割或损伤骨骼，但是比软组织硬。

在一些实施例中，保护元件在细长的骨骼切割工具的第二末端上弯曲，覆盖细长的骨骼切割工具的一侧的一部分。后者将例如在图4、图9、图13、图18和图19中更具体地示出。

图2示出了保护系统的另一实施例，其中弯曲部分111用作分离件。臂301保持弯曲部分111。图14示出了这样的实施例的应用的示例，其中圆锯切穿骨骼400的壁401。在这种情况下，在没有分离件附接的情况下首先去除骨骼的一部分并且同时维持锯与骨骼壁401之间的安全距离。由于切割轴411导致在该步骤中已经去除了上部骨骼的一部分。随后，壁401被切穿(这将在下文的“两步切割和一步切割”部分中进一步说明)。当锯片的直径太小而无法自始附加保护元件时，可以使用两步切割。弯曲部分111可覆盖圆锯210的切割边缘的一部分，该圆锯可以用于去除骨骼400的骨骼壁401，骨骼400例如胫骨近端、股骨远端、股骨头或肱骨头。臂和弯曲部分沿着锯的切割路径可移动。用作分离件的边缘的弯曲部分的末端或尖端112与骨骼的边缘稍微重叠，插入到软组织与骨骼之间，因此当去除骨骼壁401时，锯不会接触软组织。本发明不限于弯曲部分的尖端，并且可以使用分离件的任何合适的边缘。

分离件遵循切割路径的事实具有这样的效果，即，分离件仅将韧带从切割区域局部地分离并拉开，其相对较小。因此，在切割过程期间，韧带不仅受保护，而且也承受较低的应变。

分离件可以基于不同的分离技术，例如使用钝的端部、使用锋利的尖头形状、使用锋利的圆形形状、使用电烙刀、使用压力射流、使用机械移动切割装置或者使用机械振动边缘。

臂可连接至切割件的框架

图3示出了具有保护系统的切割系统的优选实施例，其中弯曲部分121用作分离件以覆盖铣刨切割件220的头端，铣刨切割件220在该情况下是骨骼切割工具，并且臂311保持弯曲部分121。臂311以与铣刨切割件220相同的定向和方向移动并且与其同时移动。例如，臂311可以如图3所示可去除地或永久地附接至切割件的致动器的框架222，但是本发明不限于此；例如，臂和切割件两者都可以通过机器人或类似物遵循相同的路径而同时移动。

图4示出了图3的弯曲部分和铣刨切割件的不同的立体图(沿着图3中的狭槽403的截面图)，其中可以清楚地看到弯曲部分121与骨骼400的外表面402稍微重叠。弯曲部分121的尖端122放置成与骨骼接触，并且其用作分离件的边缘。骨骼切割工具220遵循切割路径去除骨骼壁401，并且弯曲部分121在与骨骼切割工具220一起移动的同时可以楔入韧带与骨骼之间，将韧带从骨骼的区域分离并提起，之后该区域被切割。换句话说，弯曲部分122的边缘在骨骼400的外表面402上拖动，并且存在于该处的任何韧带与骨骼分离并且其滑过弯曲部分121。因此，被弯曲部分121完全覆盖的铣刨切割件220的头端221通过弯曲部分121而与任何韧带分离开，因此骨骼切割工具220不会损伤韧带。

臂和切割狭槽

图3和图5示出了使用具有臂的分离件进行狭槽切割的可能性，该臂适配由骨骼切割工具提供的骨骼中的狭槽。这将在下文的“两步切割和一步切割”部分中进一步描述。臂311的厚度可以与骨骼中的切割狭槽的间隙403相同，优选地更薄。这样，臂和弯曲部分121(在图3中被骨骼的其余上部部分404部分地隐藏)可以遵循骨骼切割工具的切割路径，同时骨骼切割工具正在从骨骼(或骨骼壁)去除材料并且韧带在其外表面处。弯曲部分121的尖端122将韧带与骨骼分离，保护它们免受骨骼切割工具的影响，如也参考图4说明。

保护系统中的传感器

该保护系统可以包括用于感测作用在骨骼上的力的传感器。可以提供传感器以感测保护元件作用在骨骼上的力或者用于感测骨骼切割工具作用在骨骼上的力或者两者的结合。在提供传感器以感测保护元件作用在骨骼上的力的情况下，该传感器可以提供成用于感测保护元件的插入部分作用在骨骼上的力或保护元件的臂作用在骨骼上的力。感测力可以包括借助于力传感器而直接地感测力或者以传感器、例如压力传感器间接地感测力，可以从该传感器导出作用在骨骼上的力。传感器可以是用于感测合力的传感器或若干传感器的组合，从该合力可以导出保护元件作用在骨骼上的接触力。在本发明的一些实施例中，分离件和/或臂可以包括传感器，所述传感器用于感测施加在分离件上的力。图3和图15示出其示例。传感器500包括在臂311与骨骼切割工具的框架222之间。在其他实施例中，还沿着臂或在保护器/弯曲部分中包括传感器，所述传感器用于感测臂上或弯曲部分121等上的力。在一些实施例中，另一个传感器，即，传感器511也可以用于提取弯曲部分的骨接触力。

在一些实施例中，可以感测作用在分离件上的拉力，这可以包括例如弯曲部分121或更具体地其尖端122施加在骨骼表面402上的力。本发明不限于拉力，并且还可以测量其他力和扭矩。用户可以从传感器接收反馈，该反馈可以用于例如与关于骨形状的数据(例如从CT扫描获得的)结合来寻找骨骼的边缘。附加地或替代地，感测的力可以用于调整切割参数，这将在后面解释。传感器可以用于促进自动机器人系统，允许感测边缘以及自动地切割骨骼。

水冷却和碎屑去除

在本发明的一些实施例中，臂和/或分离件包括用于去除碎屑的装置。例如，如图6和图11所示，臂321可以包括碎片去除通道322(例如，抽吸器)和/或用于流体(例如用于引入水)并去除碎屑的导管323。图11示出了碎片去除通道322(图6)的入口325，以及用于水或其他流体的导管323(图6)的出口326。这样的流体可以用于冷却和/或清洁。水可以用作冷却剂，用于降低骨骼切割工具的温度以及骨及其细胞的热应力，因此导管232和出口326可以形成冷却系统。在一些实施例中，用于引入流体以例如去除碎屑的导管可以定位在铣刨件的中间部分中，并且因此可以通过骨骼切割工具的切割部分提供。

可拆卸的分离件

根据本发明的一些实施例，保护元件(例如，分离件)可以是可拆卸的。例如，如图5所示，弯曲部分121可以从其臂311拆卸，因此露出铣刨切割件220的头端221，由于保护元件，该头端221通常不可触及。在替代实施例中，如图6和图11所示，弯曲部分131附接至其臂321，但是臂321可从框架232拆卸，例如，臂321可包括桥接件324，该桥接件将臂321可拆卸地锚固至切割件230的致动器的框架232或底盘架。这允许不同的切割和钻孔可能性，其中仅当骨骼的外壁需要去除时才使用弯曲部分。

宽的分离件

在图12所示的本发明的一些实施例中，弯曲部分151可以选择成使得其宽度w_bp不适配由骨骼切割工具留在骨骼中的切割狭槽的宽度403，切割狭槽的宽度403通常大致对应于细长的骨骼切割工具的宽度，通过该细长的骨骼切割工具来制作狭槽。在狭槽切割期间，弯曲部分必须保持在骨骼的外部，而骨骼切割工具230和臂321在骨骼的内部。比狭槽宽的弯曲部分151确保软组织与切割工具之间的更好的遮蔽。例如，弯曲部分151的从臂变宽的部分可以形成突起153。该突起153与弯曲部分151的尖端152结合，可以用作切割的引导件。这样可改善韧带410的保护，获得在韧带410上更平滑和更均匀的应变，以及与骨骼切割工具的切割部分的更大的分离。

材料

在本发明的实施例中，弯曲部分和/或臂可以是生物相容的。它们可以是金属、例如钢的弯曲部分或臂，和/或可以包括具有消毒、防腐和/或抗菌特性的材料。

在第二方面，本发明涉及一种骨骼切割系统，其包括根据第一方面的实施例的分离件和骨骼切割工具。

骨骼切割工具可以是径向锯，如图2的切割系统110所示。可以使用其他骨骼切割工具，例如摆动锯或往复锯或者具有机械移动的切割边缘以执行骨骼去除的其他切割技术。分离件覆盖锯的切割边缘相对于切割路径的部分，因此其确保分离件在锯到达骨骼的该部分之前与韧带接触并且将它们与骨骼分离。

在优选的实施例中，使用铣刨切割件。铣刨切割件220包括切割部分223和轴224(图4中示出)，该轴连结至框架222中的致动器(图3所示)，以使切割件220围绕其自身的轴线旋转。切割部分可以是钻头、铣刨球刀(mill ball)等。在本发明的特定实施例中，铣刨切割件是立铣刀(end mill)。图1和图3、图4、图6至图13以及图15至图17示出了包括铣刨切割件的根据本发明实施例的骨骼切割系统的示例性实施例，该铣刨切割件的头端被弯曲部分重叠并且掩蔽，作为分离件。

分离件相对于骨骼切割工具的几何形状

在本发明的一些实施例中，分离件与骨骼切割工具的切割部分重叠。例如，分离件可以形成楔形或弯曲部分等，其在骨骼切割工具的切割部分上延伸，具体地在骨骼切割工具与骨骼接触的部分上延伸。如图7中所示，弯曲部分可以从骨骼与骨骼切割工具200之间的接触区域延伸预定距离A。在一些实施例中，距离A为至少1mm。

在优选的实施例中，分离件遮蔽骨骼切割工具的切割部分的一部分。例如，其可以覆盖铣刨切割件的切割部分相对于切割方向D的一部分。切割方向D是沿着切割路径的方向，并且优选地，该切割方向平行于正在被切割的外部表面。在一些实施例中，弯曲部分141的尖端和将所述尖端与骨骼切割工具200的端头结合的线与切割件的轴线形成角度C。另一方面，可以限定切割方向D与切割件轴线之间的切割角E。在优选的实施例中，切割角E大于保护角C；C<E。这样确保适当遮蔽。即使切割方向与外部骨骼表面的切线方向略微偏离，该构造仍然为韧带提供保护。

在图7中示出，如果角度C是钝角，则在分离件与骨骼切割工具之间存在面对切割件轴线的垂直线的距离B。这样是非优选的，因为角度E也必须是钝角，并且铣刨切割件、尤其是立铣刀被优化为在垂直于切割件轴线的切割方向D上切割。在一些实施例中，角度C为正方形的角，因此距离B变为零，如图8中的总重叠线L所示。这允许方向D垂直于轴线。在优选的实施例中，角度C是负的，并且距离S为弯曲部分相对于切割件轴线覆盖切割部分201的距离。因此，只要C<E，即使对于钝角的切割角E(其在介入过程中可能会由于不规则的表面而发生)，弯曲部分仍将覆盖骨骼切割工具的端头，允许韧带分离并且保护韧带离开骨骼切割工具。

应当注意，E不是固定角度，并且在介入期间，可以考虑到由于不规则表面引起的切割方向的差异而改变。通过确保C＜E，例如通过提供较小的保护角C，确保弯曲部分与铣刨切割件之间的较好重叠，因为即使对方向D的相对较大变化，切割角E也可以容易地保持为大于保护角C.

该理论也可以应用于圆锯，如图2所示。在该种情况下，与由切割边缘的旋转运动描述的圆相切、并且包括弯曲部分的尖端的线与任意线(arbitrary line)形成角度C；相对于同一条任意线的切割方向应当如前文那样形成大于C的角度E，以确保适当的覆盖。

在优选的实施例中，切割方向D平行于或几乎平行于骨骼壁的外表面。骨骼切割工具应当相应地重定向。例如，铣刨切割件的轴线应当保持垂直于该方向。分离件的特定几何形状(例如，角度B、距离A或重叠距离S)即使实际上切割方向偏离该方向也确保良好的韧带保护和分离。

切割系统中的传感器

骨骼切割系统可以包括用于感测作用在骨骼上的力的传感器，该力例如保护元件作用在骨骼上的接触力或细长的骨骼切割器作用在骨骼上的接触力或者两者的结合。

在提供传感器以感测保护元件作用在骨骼上的力的情况下，该传感器可以提供成用于感测保护元件的插入部分作用在骨骼上的力或保护元件的臂作用在骨骼上的力。感测力可以包括借助于力传感器而直接地感测力或者可以从其中得出作用在骨骼上的力的传感器、例如压力传感器间接地感测力。传感器可以是用于感测包括保护元件作用在骨骼上的接触力在内的合力的传感器或若干传感器的组合，例如，一种用于组合地测量细长的切割工具作用在骨骼上的力以及保护元件(例如保护元件的插入部分)作用在骨骼边缘上的力的传感器。

传感器可以定位在保护系统本身中、细长的切割工具中、将切割工具和保护系统连接至机器人的框架中或者机器人本身中。传感器可以是用于感测包括保护元件作用在骨骼上的接触力在内的合力的传感器或若干传感器的组合，例如，一种用于组合地测量切割力和保护元件(例如保护元件的插入部分)作用在骨骼边缘上的力。

如参考第一方面的实施例来解释，可以增加传感器500(感测单元、传感器模块等)用于感测由分离件(例如弯曲部分121、131)施加在骨骼表面上的力。这可以与骨骼表面的映射、例如CT扫描结合使用，以查明切割发生在何处，并且如果力减小则发出信号。

在一些实施例中，传感器反馈可以用在本发明的切割系统中。图5示出了包括传感器500的切割系统，该传感器500穿过框架感测弯曲部分131作用在骨骼表面上的接触力。在替代实施例中，还包括用于感测心轴上的力的分离的测力计511。传感器511可以例如是六轴力扭矩换能器，其对切割力和骨骼边缘上的弯曲部分的力进行组合测量。来自切割过程的力于是可以通过计算与弯曲部分的力分开。在一些实施例中，仅6轴测力计可以用于测量结合的力。在一些实施例中，可以使用算法来区分弯曲部分与骨的接触力和切割力。在一些实施例中，可以用力传感器仅感测弯曲部分的力。在一些实施例中，可以使用六轴测力计和力传感器两者。可以控制铣刨切割件的切割和供给速度，以将介入调整为骨骼或骨骼区域的不同的硬度和密度。例如，该速度可以适于提供快速切割，同时减小热负荷并且减小或避免对骨骼的热损伤。例如，如果检测到脱离接触，则骨骼切割工具可以停止。

减少骨骼的热损伤可允许更快恢复，并且这允许使用具有多孔表面的骨泥式固定(cementless)植入物，通过多孔促进骨生长，改善对骨骼的锚固。

通过仔细选择与骨骼切割工具本身相关联的参数，诸如切割部分的尺寸、刀片的类型、螺旋角、齿(也称为凹槽)数等，还可以改善较低的温升。

根据一些实施例，尽管其中本发明不限于此，但是通常在单个步骤中执行切割的实施例中，切割工具有利地具有45mm或更大的最小切割长度，例如50mm或更大，以及在2mm至8mm之间的切割工具直径，例如在3mm至5mm之间。

用于直接或间接地测量细长的切割工具作用在骨骼上的力的传感器可以位于细长的骨骼切割工具与固定环境之间的任何位置。优选地，传感器定位成靠近切割工具。传感器可以例如位于骨骼切割工具的电动机与机器人的末端执行器(end effector)、即机器人在其上安装工具的最后部分之间，例如如图6中的部件511所示。传感器可以集成在机器人臂中，例如在机器人基座与末端执行器之间的某个位置。其他位置也是可能的，例如集成在骨骼切割系统的保护系统的一部分中、电动机或任何其他位置中。

图5和图6示出了根据本发明实施例的传感器实施方式的优选实施例。在图5和图6中，保护元件在传感器之后安装至末端执行器组件，以测量切割力511。这意味着施加在保护元件(131、321)上的力被附加到传感器511的测量中。如果保护元件在传感器511之前连接至末端执行器510，则施加至保护元件的力不由传感器511测量。

在第一种情况下(在传感器511之后连接)，在传感器511的测量中，切割力附加至骨骼作用在保护元件上的接触力。从数学上讲，这两个力可以从511的测量值中分别提取，以获得切割力以及骨骼与保护元件之间的接触力。在第二种情况下，保护元件在传感器511之前连接，在保护元件尖端(其与骨骼接触)与末端执行器之间优选地附加额外的传感器。在保护元件在传感器511之后连接的第一种情况下，也可以提供附加传感器。保护元件尖端与到切割电动机组件231的连接(或直接到511)之间的此类附加的传感器是有益的，因为能以更高的精度和可靠性确定接触力。附加的传感器可以集成在保护元件尖端(保护元件与骨骼接触的位置)与其中框架(321)安装至末端执行器组件的位置之间的任何位置。在图3和图5中，传感器500放置在框架321的基座。替代地，感测元件可以进一步集成在框架321中，或者甚至集成在保护元件的弯曲部分或尖端131中。

在优选实施例中，传感器至少测量在法线方向上的保护件尖端与骨骼接触的力。选择偏离法线的方向是可能的，但是较为次优。在多于1个方向上测量力并且可能包括扭矩测量，这是获得更详细的接触信息的一种选择。

作为接触力测量的替代，可以通过其他感测系统完成对骨骼的边缘位置的检测。该保护元件可以配备有可选的感测系统，以确定该元件与骨骼之间的接触，或者测量骨骼与该装置之间的位置/距离。例如，可以使用压力传感器或距离传感器。

用来测量切割力的传感器511可以在至少一个方向上、优选地在主切割速度方向的方向上测量作用在骨骼上的力。但是，传感器可以扩展到在所有3个正交方向中测量力并围绕这3个正交方向测量扭矩，以具有这样的传感器，其测量所有6个自由度上的力和扭矩(也称为6自由度或万向力传感器)。在多于一个方向上的力和扭矩的测量可以增加切割力测量的精确度，并且也可以确定在非主要运动方向上的切割力。

如先前解释的，传感器可以是力传感器或可以从其中得出作用在骨骼上的力的任何其他传感器。

光学的骨骼和机器人对齐

为了实现机器人控制的骨骼切割，优选地需要知道骨骼相对于机器人的位置。使用三维跟踪系统、例如具有光学相机的跟踪系统，其能够跟踪信标、例如光学标记器的位置。如图15所示，例如光学标记组的信标602例如刚性地附接至骨骼，并且另一个信标601例如刚性地附接至切割机器人。在将它们附接之后，通过骨骼对齐来限定骨骼相对于固定在骨骼602上的信标的位置。在此过程中，通过在骨骼上移动光学指示器来测量骨骼表面上的一系列点位。然后，将通过CT扫描获得的骨骼形状适配到测量点位上。该计算给出了骨骼相对于信标602的位置。通过3D跟踪系统将该信息与信标位置的测量相结合，骨骼相对于相机的位置是已知的。

为了知道机器人相对于机器人上的信标的确切位置，该机器人执行围绕已知点位的多次旋转。通过跟踪附接至机器人的信标的运动，可以计算出机器人相对于机器人上的信标的确切位置。现在，机器人相对于摄像机参考系统的位置也是已知的。由于在摄像机参考系统中已知机器人和骨骼的位置，因此确定骨骼与机器人之间的位置，并且可以开始机器人控制的切割。

切割工具(附接至机器人)的所有运动都是相对于骨骼确定的。骨骼运动可以由机器人遵循，以确保切割工具相对于骨骼的正确位置。

确定骨骼的边缘/轮廓的位置

在本发明的实施例中，骨骼切割系统可以包括用于感测骨骼与保护系统之间的接触的传感器。与现有技术系统相比，该信息可用于感测骨骼的边缘以及更紧密地遵循骨骼轮廓。这样的信息可以例如和与例如从CT扫描或形状模型获得的骨骼形状相关联的数据结合使用。

图20示出了根据本发明的骨骼切割系统的实施例，其中感测了骨骼的边缘。保护元件、例如软组织保护钩131的插入部分沿着骨骼的边缘执行探测运动。保护元件131与骨骼之间的接触由保护系统的传感器、例如集成在保护器支承安装件中的测力计来感测。骨骼被感测的位置用来更新实际骨骼位置和切割件-保护器组件的推导路径。该技术可以补偿小的分割误差和对齐误差。实验测试表明，真实的物理骨骼轮廓位置可以比预测的精度高三倍。在一个示例性测试中，实际物理轮廓的位置的误差为1.51mm(SD＝0.31)，而没有有效地遵循骨骼轮廓。在有效地遵循骨骼轮廓的情况下，预测实际骨骼轮廓的误差降低到0.44mm(SD＝0.29)。

保护元件131的探测运动的示例将在下文描述并且在图20中示出。示例性探测运动是重复运动，包括以下步骤：

1.保护钩131朝向骨骼表面移动

2.如果钩部与骨骼之间的接触被力传感器感测到，则测量该点位的位置，并且停止运动

3.钩部沿相反方向移动(离开骨骼表面)，直到达到例如1-3mm

4.钩部沿着骨骼移动，维持与骨骼相同的距离(如上文限定)。为了执行该运动，使用骨骼的形状(基于CT或基于形状模型)。在此步骤期间，将切割骨骼。

5.当钩部进一步沿着骨骼的周缘移动预定的距离(例如1-20mm)时，沿着骨骼的周缘的运动停止，并且保护钩将再次朝着骨骼的表面移动

6.返回步骤1

重复此过程，直到再截切完成。步骤2的测量点位用于优化实际骨骼位置的预测。在开始时，仅基于骨骼的对齐过程来限定骨骼的位置，但这并不是完全准确的，因为在对齐过程期间的错误是不可避免的。此外，骨骼的形状也不完全准确。如果形状基于CT扫描，则精度受扫描分辨率和分段过程的限制，并且如果形状基于形状模型，则精度受模型和输入点位数量的限制。对骨骼的虚拟形状/轮廓的位置调整的算法设计成使保护钩的位置处的局部误差最小化。骨位置的局部精确性最为重要，因为保护元件的未来路径基于该信息确定。在保护元件的未来移动期间，该元件应当尽可能接近地沿着骨骼的周缘移动，同时避免软组织的穿透和与骨骼的碰撞。

使用骨边缘位置信息

在主动机器人系统中，机器人完全自动地执行切割操作。在这样的系统中，关于接触测量的信息用来优化骨骼位置的估计以调整机器人的计划，以确保保护元件在不与骨骼碰撞的情况下尽可能接近地遵循骨骼的边缘。

在半主动机器人系统中，外科医生与机器人一起积极地工作以执行切割动作。在第一个可能的变型中，外科医生可以用手移动机器人，但是机器人将把运动限制在安全的运动范围内，以确保切割工具停留在正确的平面内并且切割工具不会穿透软组织。在这种情况下，关于骨骼接触的信息可以再次用于优化(局部)骨骼位置的估计，以及相应地调整运动的安全范围。此外，当发生与骨骼接触时，触觉(振动、约束力)、视觉或听觉反馈可以给予外科医生，以支持外科医生在正确方向上引导工具。

在另一个半主动变型中，没有使用机械臂，并且借助于机械支承件或机械装置手动地移动工具，以确保工具停留在正确的切割平面内。为了确保保护装置精确地遵循骨骼的边缘，在保护装置上施加一个或多个方向的主动运动，其将与切割件一起移动。这样，外科医生沿着切割平面、近似地遵循骨骼的边缘移动工具，同时保护元件在切割件的纵向方向上移动，以沿着骨骼的边缘执行探测运动。这样，保护元件可以通过补偿外科医生的运动中的误差来接近地遵循骨骼的边缘。该系统可以将反馈给予外科医生，例如，以将装置保持在其运动范围的中间。

在手动操作的变型中，可以通过添加此测量以将手动工具转换变为智能设备。保护元件与骨骼之间的接触反馈可以通过触觉(振动)、视觉或听觉信号给予外科医生，以支持外科医生在正确的方向上引导工具。此外，反馈可以被集成在可能具有现实增强技术的外科手术导航系统中，以对外科医生提供图形/视觉反馈。

传感器反馈以确定细长的切割工具作用在骨骼上的切割力

为了计算切割速度，使用可以自适应更新的预测模型，这将在图21中进一步说明。该模型根据最大可允许的切割力和切割件的偏转计算最大可允许的切割速度。最大可允许的力由切割装置本身以及由在不使骨骼不稳定的情况下允许施加在骨骼上的最大力限定。该模型可以使用基于CT图像数据的骨骼密度图，或者基于骨骼结构的简化模型，即松质骨或皮质骨。两种结构都具有不同的密度和强度，这导致不同的切割力。关于骨骼结构的信息与局部切割速度结合，以计算所得的切割力。基于给定的钩部末端线速度(v_{钩部_末端})和角速度(ω_{钩部_末端})，计算分布的铣刨速度(v_{铣刨_分布})。结合切割速度与切割力之间的经验关系，确定分布的切割力(F_{铣刨_分布})。根据分布的切割力，计算由切割件施加在切割电动机组件上的总铣刨力(F_{铣刨_总})和总铣刨扭矩(T_{铣刨_总})以及铣刨件偏转。通过优化算法，计算对应于最大铣刨力、扭矩和铣刨件偏转的钩部末端最大线速度和角速度。

由力传感器、例如由如图6所示的传感器511测量的切割力可以用于补偿预测的偏差以及更新预测模型。所有计算都是实时进行的。这允许获得最快的切割时间，而不会超过最大可允许的力和铣刨件偏转。为了限制铣刨件的铣刨力和偏转，可以实时地计算实际的切割长度和铣刨件负荷。取决于力矩，可以使用铣刨件的仅一部分或整个长度来切割骨骼。

分离件支承骨骼切割工具

在本发明的一些实施例中，铣刨切割件的通常是非驱动的第二末端与弯曲部分接触。铣刨切割件的头部和弯曲部分可以包括用于接纳细长的切割工具的第二末端的支承部分。细长的切割工具的支承部分和第二末端可以例如是彼此配合的接合部分。例如，弯曲部分可以包括轴承，如第一方面的实施例中说明的那样。这样的支承部分可以允许切割件220具有更高的刚度，因为轴224弯曲的风险较小。因此，可以获得更高的压力和切割速度。替代地或附加地，可以使用更薄的铣刨切割件220，这减少了切割过程的侵入。

两步切割和一步切割。

在本发明的一些实施例中，骨骼切割工具的切割部分可以沿着工具的大部分长度延伸，使得切割基本上沿着工具的整个长度发生。在图6中示出了具有沿该切割件的大部分长度延伸的切割部分233的铣刨切割件230。通常，设有切割部分的铣刨件的整个长度可以用于切割。铣刨件的非切割长度不干扰铣刨过程，并且该过程无关。通常，提供非切割长度以在切口区域与较笨重的电动机连接部之间引入一定距离。这可以用于狭槽切割，例如用于在单个步骤中提供狭槽切割和骨骼切片。

在下文中说明可以使用图6的切割件230的两步切割和一步切割之间的差异。

图4示出了敞开的骨骼的截面图，而图14示出了上部部分被部分地去除的骨骼。例如，可以容易地去除骨骼不与韧带接触的部分。随后，例如通过目视检查或通过映射，可以切割出骨骼的若干部分，例如几乎没有或没有韧带存在的部分。尽管图14示出了骨骼的上部部分被去除，但是可选地，通过在没有保护元件的情况下用铣刨件切割，例如在臂被去除的情况下，或者在有臂311但没有弯曲部分的情况下用铣刨件切割，狭槽403可以提供在骨骼具有较少韧带的区域中，因此铣刨切割件220的顶部(或头端221)露出并且可用于切割，如图5中所示。不去除臂的优点在于，臂仍可以提供冷却和/或抽吸，以及在骨骼上的支承，以引导和减少刀片的倾斜。大多数与韧带接触的骨骼壁的部分可以留下而不切割，使中空区域405被骨骼壁401围绕，即使提供狭槽切割也是如此。

在第一步骤结束时，如图4所示，使骨骼壁401处在未接触状态，包括外表面402。第二步骤包括去除骨骼壁401的更精细的操作。为了去除壁，可以使用根据本发明的实施例的分离件，因此保护存在于外表面402处的韧带。因此，粗略、快速但部分地去除离开骨骼壁401的材料，随后使用分离件、例如使用铣刨切割件220和分离件121小心地去除壁，如图3和图4所示。这允许在两步中以安全的方式完成骨骼的截切。

第一步骤可以用与本发明的实施例不同的骨骼切割工具来执行，或者用相同的骨骼切割工具但去除分离件。当分离件去除时，能够使用骨骼切割工具用以从骨骼内部去除骨骼材料，允许使用骨骼切割工具以粗略地初步切割，这可以达到：与包括许多韧带的骨骼表面402离开安全距离。在一些实施例中，臂可以保持没有弯曲部分。在手术过程中，该臂仍然可以用于提供穿过狭槽的引导或者提供抽吸或冷却(例如，冷却水)。这在图5中示出。在其他实施例中，臂和弯曲部分都可以被去除。穿透和钻孔也是可能的，因为可以例如使用铣刨球刀来露出骨骼切割工具的顶部部分(例如头端)。于是，可以例如用圆锯切割来去除由穿透留下的侧壁，如图14中所示。

本发明还允许在单个步骤而不是两个步骤中完成骨骼的完全截切。切割控制可以有利地用于增加切割表面的规则性和/或速度。

有利的是铣刨切割件230的切割部分233覆盖其大部分长度。在图6和图10中示出了该实施例，并且图10的放大部分Z示出了过程。弯曲部分131保持在骨骼的外部，并且其尖端搁置在表面上，并且在其移动时抬升诸如韧带的任何材料。切割部分233可以具有一定长度，该长度接近或者大于将被切割的骨骼的平均宽度。切割可以在预期没有很多韧带的区域开始，其中弯曲部分面对具有高密度的韧带和不规则性的骨骼的一侧。应当注意，尽管对于具有较长切割长度的铣刨件，切割可以在单个步骤中完成，但是也可以使用两个步骤过程，其中首先，内部在没有保护元件的情况下切割，而在第二步骤中，剩余的边缘可以在有保护元件的情况下切割。当使用具有较短切割长度的铣刨件时，总是需要这样的两个步骤过程。

由于切割部分233所顺从的应变，如果在单个步骤中切割整个骨骼，则优选地在该实施例中，铣刨切割件230例如通过弯曲部分中的轴承由弯曲部分131支承。这也可提高旋转稳定性，并且允许使用薄的切割件。轴承154在图12中示出。轴承可以由滚动轴承、滑动轴承、流体动力轴承等制成。不同轴承类型的组合也是可能的。可以使用金属或塑料接触材料。可以使用润滑，例如但不限于内部供应的水润滑。

图13示出了臂331的示例性实施例，该臂331包括内部导管，例如水通道332、333。在该实施例中，保护元件161是具有流体动力轴承164的弯曲部分，在放大部分Z2中详细示出，并且臂和弯曲部分包括用于对轴承系统、例如对轴承164和/或轴承衬套165提供流体(例如水)的内部通道334。这些提供了较好且稳定的承载，并且允许高转速和/或更长的旋转时间，因为由于铣刨切割件230的运动而引起的温升在锯和轴承系统两者中均被降低。

本发明可以包括用于自动切割的装置。图15示出了具有机械臂234和用于实现自动切割的导航系统的设置。这可以与适当的硬件和软件一起使用，例如，映射软件和来自患者扫描的数据等。定位系统601或引导系统602可以存在于骨骼400中和机器人臂234上，以控制它们的相对位置。

本发明可以替代地包括用于手动操作骨骼切割系统的装置。图16和图17示出了手动操作的变型，其中跟踪系统602安装在骨骼上，并且跟踪系统602安装在切割平面上，控制铰接的延伸机构的支承。切割件230手动激活(例如，如在钻头中那样通过按压按钮或触发器)并且也手动移动。例如，铰接的延伸部235可以附接至框架232，并且它可以将钻头的运动限制于平面(因此切割路径限制于平面)。铰接的延伸部235可以如图16所示锚固(例如，附接、系结、夹持、拧紧等)至骨骼400，或者替代地锚固至外部物体，诸如臂，例如，如图17中所示的机器人臂234。

尽管在图15、图16和图17中示出了如图6的实施例的铣刨切割件230，但是可以将任何其他切割装置与用于自动切割的装置(例如，与机器人臂和导航系统)或者与用于手动操作的装置组合使用。替代地，可以执行半自动动作，由此在操作员和系统之间存在协作交互。

保护元件概述

图18示出了不同的保护元件。最上方的附图中的保护元件101是参考图1所说明的板。下方两行示出了四个不同实施例的正视图和侧视图。从左开始的第一实施例示出了这样的保护系统，该保护系统包括弯曲部分151，如图12所示，该弯曲部分151的宽度大于铣刨件的直径。第二实施例示出了这样的保护系统，该保护系统包括具有柔软且整圆末端的弯曲部分171，该末端不刮伤骨骼的表面，而是仅将松弛的软材料与该表面分开。在该特定实施例中，没有设置支承轴承。第三实施例示出了这样的保护系统，该保护系统包括具有锋利末端的弯曲部分121，该末端用于将软组织与骨骼表面分离，如参考例图4中所示的实施例所说明的。第四实施例示出了这样的保护系统，该保护系统包括半弯曲部分181，该半弯曲部分没有完全遮蔽切割铣刨件。通过提供适当的切割方向和定向仍然可以提供保护，因此铣刨件不会从切割狭槽中伸出。其他特征可以附加或集成至该保护元件。例如，电灼刀可以集成在边缘中以将软组织与骨骼分离，或者可以使用高压水射流从骨骼去除软组织。此外，机械运动可以施加至分离件以改善分离功能。

尽管本公开主要涉及铣刨切割件，但是也可以使用其他纵向切割工具，例如图19中所示的往复锯。铣刨切割件和往复锯240通常都包括纵向构件，该纵向构件具有连接至致动器222的近侧端242和与该近侧端相对的远侧端。切割部分243从远侧端或头端241朝着近侧端242延伸。切割部分243在至少一侧上通常包括切割区域，其具有锯齿状齿而不是像铣刨切割件那样的螺旋形沟槽。此外，虽然在铣刨切割件中头端可以包括切割部件，在往复锯的情况下，该头端241是平的，但是其可能通过冲击软组织而损伤。在本发明的实施例中，至少头端241被保护元件的弯曲部分171覆盖或遮蔽，因此它不接触软组织，同时至少在侧部中的切割区域执行切割。在这种情况下，弯曲部分171不包括轴承，但是该系统在该弯曲部分上或者在支承锯片的臂311中可以包括引导或支承凸片172，如图中所示。

应当注意，弯曲部171可以覆盖切割部243的一小部分，而不仅仅覆盖头端241。铣刨切割件也是如此。

总而言之，提供了一种骨骼切割工具，其允许在该骨骼切割工具到达骨骼的区域之前通过使用楔入在韧带与骨骼表面之间并且与骨骼切割工具一起移动的分离件而在切割的同时将韧带从骨的区域分离。可以使用传感器、例如用于直接或间接地测量作用在骨骼上的力的传感器来确定骨骼边缘的位置。可以使用传感器、例如用于直接或间接地测量作用在细长的骨骼切割工具上的力的传感器来确定切割件作用在骨骼上的切割力。确定的切割力可以用于调整切割速度以获得最大切割速度，同时不超过细长的切割件上的最大可允许的切割力，以避免或限制作用在细长的切割工具上的应力或破坏细长的切割工具，以限制作用在骨骼上的力，以避免或限制细长的切割工具的弯曲，从而获得平的切割。

通过说明的方式，本发明的实施例不限于此，进一步讨论了骨骼切割实验的例子。在实验中，骨骼切割工具是基于具有较长切割长度和相当小的直径的铣刨件，由此骨骼切割工具进一步与根据本发明的实施例的保护元件结合。由于考虑到较小切割长度而需要应用不同的步骤，这允许克服具有较慢切割过程的问题。参数的适当选择也已经造成了较好的散热性能，考虑到医疗的原因这是重要的。根据本发明的实施例的骨骼切割工具的使用还导致对于剩余骨骼的表面的热坏死减少，这改善了骨泥式固定植入物的自然向内生长并且可降低植入物松动的风险。

本发明的实施例的优点在于，可以使用较长铣刨件，该铣刨件具有被支承的第二末端，即通过轴承被支承。这样的系统可降低切割软组织的风险。较大的切割长度，例如至少45mm(但对于全膝关节置换来说可能更大)能够在单个切割动作中进行切割，导致可以更快地介入。铣刨件的较小直径，例如在2mm至5mm之间(例如大约4毫米)允许狭槽切割而不是将所有材料铣刨掉，导致降低侵入性的技术。后者导致较低的损伤其他结构的风险，并且需要使用的力较小。

最小的铣刨件直径只可以通过为切割工具的切割部分提供较好的支承来利用，由此避免工具的弯曲和破坏。这通过在从动末端处提供较大的直径和/或在第二末端处提供轴承支承件来支承，该轴承支承件例如如上所述地集成在保护系统或保护元件中。本发明的实施例的优点在于，与现有系统相比，可以获得切割部分处的减小直径。

使用以上实施例，可以获得以最小侵入性方式在单个步骤中的狭槽切割。

在该实验中，明显的是，选择好的铣刨件几何形状和操作的切割参数对于使用这种铣刨切割件获得好的结果至关重要。如果选择得当，与传统技术相比，有害的热坏死影响可以减少到原来的1/4。这对于避免植入物松动和使骨泥式固定植入物向内生长非常有利。此外，由于这些最佳的铣刨参数，与常规技术相比，切割的平面度和精度也被极大地改善。此外，与常规技术相比，这还导致较低的切割力，因此减少在切割动作期间由于骨骼运动的误差。在另一方面，本发明还涉及一种用于切割手术对象的骨骼的骨骼切割系统。根据该方面的骨骼切割系统包括适用于切割骨骼的细长的外科手术的骨骼切割工具。细长的外科手术的骨骼切割工具具有第一末端和第二末端，第一末端用于将细长的外科手术的骨骼切割工具固定至切割机器人或机械，第二末端在细长的外科手术的骨骼切割工具的一端处与第一末端相对。骨骼切割系统还包括保护系统，该保护系统包括可附接至细长的骨骼切割工具或细长的骨骼切割工具的框架的保护元件。

保护元件包括插入部分，当保护元件附接至细长的骨骼切割工具或细长的骨骼切割工具的支承件时，该插入部分覆盖细长的骨骼切割工具的第二末端的至少一部分，使得在用细长的切割工具切割期间，插入部分插入在围绕骨骼的软组织与骨骼切割工具之间，以防止骨骼切割工具切入到围绕骨骼的软组织中。

根据本发明的实施例，该保护元件还包括支承部分，该支承部分用于接纳和支承细长的骨骼切割工具的第二末端的至少一部分。这样的支承通常可以通过支承部分与细长的骨骼切割工具的第二末端之间的接触、例如直接接触获得。

尽管实施例不限于此，但是本方面的实施例可以特别有利地与长而薄的细长的骨骼切割工具一起使用，例如与允许在单个切割运动中执行切割的细长的骨骼切割工具一起使用。较长的切割长度，例如至少45mm(但对于全膝关节置换来说可能更大)因此能够在单个切割动作中进行切割，导致更快地介入。有利地，这样的长的切割长度与小直径的铣刨件结合，该小直径例如在2mm至5mm之间(例如大约4毫米)允许狭槽切割而不是将所有材料铣刨掉，导致降低侵入性的技术。后者导致较低的损伤其他结构的风险，并且需要使用的力较小。只可以通过为切割工具的切割部分提供良好的支承来利用这样的较长的长度或最小的铣刨件直径，由此避免工具的弯曲和断裂。支承部分可以是第二末端处的轴承支承。使用以上实施例，可以获得以最小侵入性方式在单个步骤中进行的狭槽切割。应当注意，本方面的实施例的其他特征可以如在第一方面中所述，但是由此，用于提取保护元件作用在骨骼上的接触力的至少一个传感器是可选的。在图1至图19中示出了本发明的实施例的示例，由此应当理解，用于提取保护元件(在图示时)的接触力的至少一个传感器是可选的。

Claims (16)

1.一种用于切割对象的骨骼的骨骼切割系统，所述骨骼切割系统包括适于切割骨骼的细长的外科手术的骨骼切割工具(200、220、230)，细长的外科手术的骨骼切割工具(200、220、230)具有第一末端(252)和第二末端(254)，所述第一末端(252)用于将细长的外科手术的骨骼切割工具固定至切割机器人或机械，所述第二末端(254)在细长的外科手术的骨骼切割工具的一端处与所述第一末端(252)相对，所述骨骼切割系统还包括保护系统(100)，所述保护系统(100)包括能附接至细长的骨骼切割工具或者细长的骨骼切割工具的框架的保护元件(101、111、121、131、141、151、161)，

其中，

所述保护元件包括插入部分，当所述保护元件附接至细长的骨骼切割工具或者细长的骨骼切割工具的框架时，所述插入部分覆盖细长的骨骼切割工具的第二末端的至少一部分，使得在用细长的切割工具切割期间，所述插入部分被插入在围绕所述骨骼的软组织与所述骨骼切割工具(200、220、230)之间，用以阻止所述骨骼切割工具(200、220、230)切割入围绕所述骨骼的软组织中，

并且其中，在用细长的切割工具切割期间，所述保护元件一致地遵循所述骨骼切割工具(200、220、230)，并且其中，所述骨骼切割系统包括至少一个传感器(500、511)，所述至少一个传感器(500、511)用于提取所述保护元件作用在所述骨骼上的接触力。

2.根据权利要求1所述的骨骼切割系统，其特征在于，所述至少一个传感器包括传感器(500)，所述传感器(500)设置在所述保护元件上或集成在所述保护元件中，用于感测所述保护元件作用在所述骨骼上的接触力。

3.根据前述任一权利要求所述的骨骼切割系统，其特征在于，所述至少一个传感器包括传感器(511)，所述传感器(511)设置在细长的外科手术的骨骼切割工具或者细长的外科手术的骨骼切割工具的框架上，用于感测细长的外科手术的骨骼切割工具与所述骨骼之间的相互作用。

4.根据权利要求3所述的骨骼切割系统，其特征在于，所述系统适合于基于对细长的外科手术的骨骼切割工具与所述骨骼之间的相互作用的感测来导出所述保护元件作用在所述骨骼上的接触力。

5.根据前述任一权利要求所述的骨骼切割系统，其特征在于，所述插入部分是弯曲部分，用于覆盖细长的切割工具的第二末端的至少一部分。

6.根据前述任一权利要求所述的骨骼切割系统，其特征在于，所述保护系统还包括用于保持所述保护元件(111、121、131、141、151、161、171)的臂(311、321、331)，所述臂(311、321、331)能附接至所述切割机器人或机械的骨骼切割工具或者骨骼切割工具框架(222、232)，并且所述臂定位成在用所述骨骼切割工具切割期间遵循所述骨骼切割工具(200、220、230)。

7.根据前述任一权利要求所述的骨骼切割系统，其特征在于，所述插入部分包括用于将所述软组织与所述骨骼分离的软组织分离件。

8.根据权利要求7所述的骨骼切割系统，其特征在于，所述软组织分离件是锋利的边缘、钝的端部、锋利的圆形形状、机械运动切割装置、机械振动边缘、电灼刀或者压力射流中的任何一种。

9.根据前述任一权利要求所述的骨骼切割系统，其特征在于，所述保护系统包括冷却系统(323、326、334)和/或用于去除碎屑的抽吸器系统(322、325)。

10.根据前述任一权利要求所述的骨骼切割系统，其特征在于，所述保护元件(131、151、161)包括支承部分，所述支承部分用于接纳和支承细长的骨骼切割工具的第二末端的至少一部分。

11.根据权利要求9所述的骨骼切割系统，其特征在于，所述部分包括轴承(154、164)，所述轴承(154、164)用于支承所述骨骼切割工具(230)的第二末端。

12.根据前述任一权利要求所述的骨骼切割系统，其特征在于，所述保护元件的至少一部分具有宽度w_bp，所述宽度w_bp大于所述骨骼切割工具的宽度。

13.根据前述任一权利要求所述的骨骼切割系统，其特征在于，所述插入部分是弯曲部分(121、131、141、151、161、171)，所述弯曲部分在细长的骨骼切割工具的第二末端上弯曲，覆盖细长的骨骼切割工具的侧表面的至少一部分。

14.根据前述任一权利要求所述的骨骼切割系统，其特征在于，还包括机器人和用于在空间中定位所述骨骼和所述切割工具的导航系统。

15.根据权利要求13所述的骨骼切割系统，其特征在于，所述骨骼切割系统包括控制器，所述控制器用于基于来自所述导航系统、所述骨骼的几何形状和所述传感器的信息来自动地执行所述切割。

16.根据前述任一权利要求所述的骨骼切割系统，其特征在于，所述骨骼切割系统适合于手动地执行切割，还包括机械引导系统，所述机械引导系统连接至所述骨骼，或者连接至用于沿着预定方向引导系统的外部支承件。

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