CN113081269A - 用于对患者的解剖特征进行手术的手术机器人系统 - Google Patents

Abstract

用于对患者的解剖特征进行手术的手术机器人系统包括手术机器人、连接到这种手术机器人的机器人臂以及连接到该机器人臂的末端执行器。配准固定装置与手术机器人系统中的各种配准系统结合使用。这样的配准系统同样包括呈可拆卸的动态参考基座形式的可拆卸基座，以及相关联的安装座，所述动态参考基座和安装座具有某些特征，这些特征允许动态参考基座在不同的操作阶段被选择性地连接、拆卸和重新连接，无论是术前还是术中，并且这些连续的连接是在没有动态参考基座和与之相关联的跟踪标记以及没有丢失配准的情况下完成的。相关的方法使得借助动态参考基座在连接和重新连接期间保持其配准而更有效地和更有效率地执行操作。

Description

用于对患者的解剖特征进行手术的手术机器人系统

相关申请的交叉引用

本申请是2019年6月26日提交的第16/452,737号美国专利申请的部分继续申请，所述美国专利申请是2019年3月22日提交的第16/361,863号美国专利申请的部分继续申请，每一个申请的全部内容出于所有目的通过引用以其整体并入本文中。

技术领域

本公开涉及医疗装置和系统，更具体地涉及神经导航配准和机器人轨迹引导系统、机器人手术及相关方法和装置。

背景技术

用于机器人辅助手术的位置辨识系统用于以3维(3D)方式确定特定对象的位置且跟踪特定对象。举例来说，在机器人辅助手术中，例如当机器人或医生定位和移动器械时，需要高度精确地跟踪某些对象，例如手术器械。

位置辨识系统可使用无源和/或有源传感器或标记来配准和跟踪对象的位置。使用这些传感器，系统可以基于来自或关于一个或多个摄像机、信号或传感器等的信息，以几何方式解析传感器的3维位置。因此，这些手术系统可以利用位置反馈来精确地引导机器人臂和工具相对于患者手术部位的移动。因此，需要一种在手术环境中有效且准确地提供神经导航配准和机器人轨迹引导的系统。

用于机器人辅助手术的位置识别系统通常利用配准固定装置作为上述神经导航配准、机器人轨迹引导或机器人辅助手术的其他定位和相关功能的一部分。位置识别系统和/或关联配准固定装置同样使用跟踪标记，并且通常有必要确定、配准或以其他方式对此类跟踪标记的位置进行处理，以用于位置识别系统、导航或机器人轨迹引导。在某些实施方式中，有时被称为DRB的动态参考基座可以与位置识别系统相关联，该系统包括配准固定装置、立体定向框架等，并且前述的跟踪标记可以同样地与这种DRB相关联。

因此有利的是，有效且准确地完成对包括DRB的跟踪标记或配准固定装置的位置确定。跟踪标记的配准通常涉及相对于要操作的配准固定装置、患者或解剖结构中的一个或多个的位置和方向，并且可能需要在术前以及再次在术中确定或维持这种配准。

当DRB及其相关的定位系统失去配准，或者否则需要重复的验证、配准、重新定位等时，同样不能优化依赖于跟踪标记和位置确定的采用GPS辅助或其他导航方案的需求。

在某些确定与非无菌环境相关联而其他确定与无菌环境相关联的程度上，位置或配准的前述确定更加复杂。

发明内容

根据一些实施方式，手术机器人系统被配置用于在患者的解剖特征上进行手术，并且包括手术机器人、连接到这种手术机器人的机器人臂以及连接到该机器人臂的末端执行器。本文讨论的配准固定装置之一相对于患者被固定或以其他方式固定在位置，所述患者的解剖特征对于相关的外科手术而言是令人感兴趣的。多个跟踪标记具有相对于这种配准固定装置同样配准的位置。

该机器人系统包括一个或多个合适的处理器电路，该处理器电路具有与其相关联的存储器以及将由该处理器电路的合适操作执行的机器可读指令。

在某些实施方式中，配准固定装置包括可拆卸的基座，例如可拆卸的动态参考基座，并且这种可拆卸的动态参考基座具有安装在其上的多个跟踪标记。与配准固定装置和/或可拆卸动态参考基座相关联的安装座被适配为使得在系统确定跟踪标记的位置之后，可相对于配准固定装置重新连接可拆卸动态参考基座(“DRB”)或者机器人系统和这种重新连接使得跟踪标记所具有的位置与这些跟踪标记先前所确定的位置基本相同。

在又进一步的实施方式中，安装座和可拆卸DRB通过安装构件相对于彼此固定，这种安装构件具有形成运动学安装座的特征，其用于将安装座和基座重复地连接在预定的配接位置上，该预定的配接位置的变化小于在连续的拆卸和重新连接之间的15％。

根据又一实施方式，安装构件可包括配接成对的触头和接收销，其中一个触头在安装座或基座上，并且至少一个接收销用于与安装座或基座中的另一个上的触头接合。

在各种另外的实施方式中，键式凸缘在可拆卸的基座和安装座上具有配接或互补的部分，其特征在于，基座和安装座可沿单个方向定位。键式凸缘可以采取从可拆卸的基座或安装座的相对表面之一延伸的支柱以及在可拆卸的基座或安装座的另一个中形成的相应切口的形式，该切口被定位为以间隙很小甚至没有间隙来将支柱容纳在其中，从而确保了基座和安装座可在这种单一方向上定位。

安装构件可以是布置在安装座或DRB的相对表面之一上的一对圆柱销的形式，而相对表面中的另一个上的触头可以是半球形表面的形式，其尺寸为接合相应成对销的两个销中的每个上的相对部分。

上述系统及其各种特征可与多种相关程序或过程相关联，这些相关程序或过程在本文中统称为方法。一种这样的方法涉及利用对应的机器人系统的计算机实现的手术机器人在患者上运行颅骨手术。该方法涉及建立无菌区；但是，在建立无菌区之前，要在非无菌区配准患者，并标出颅骨手术的切开点。患者的配准包括在相对于患者配准固定装置的第一预定位置和方向上对多个跟踪标记进行第一可拆卸安装。在这样的安装之后，通过执行适当的计算机指令来确定对应于多个跟踪标记的跟踪标记位置的第一位置和第一方向。之后，在该方法下，将多个跟踪标记从它们先前的安装中拆卸。在建立无菌区之后，执行多个跟踪标记的第二可拆卸安装。在执行第二可拆卸安装期间，防止在第一位置和第一方向以外安装跟踪标记。

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概念的某些非限制性实施例。在附图中：

图1A是根据一些实施例的用于机器人系统、患者、外科医生和其它医务人员在手术过程期间的位置布置的俯视图；

图1B是根据一些实施例的用于机器人系统、患者、外科医生和其它医务人员在颅骨手术过程期间的另一位置布置的俯视图；

图2示出了根据一些实施例的包含手术机器人和摄像机相对于患者的定位的机器人系统；

图3是示出根据一些实施例的用于确定患者的解剖特征相对于手术机器人的机器人臂的位置和定向的计算机执行的操作的流程图；

图4是示出根据一些实施例的用于确定患者的解剖特征相对于手术机器人的机器人臂的位置和定向的数据的处理的图；

图5A-5C示出了根据一些实施例的用于使用计算机断层扫描(CT)定位器、帧参考阵列(FRA)和动态参考基座(DRB)来配准患者的解剖特征的系统；

图6A和6B示出了根据一些实施例的用于使用荧光检查(荧光)成像来配准患者的解剖特征的系统；

图7示出了根据一些实施例的用于使用术中CT固定装置(ICT)和DRB来配准患者的解剖特征的系统；

图8A和8B示出了根据一些实施例的用于使用DRB和X射线锥束成像装置配准患者的解剖特征的系统；

图9示出了根据一些实施例的用于使用导航探针和基准来对患者的解剖特征进行配准的系统，以用于解剖特征的点对点映射；

图10示出根据一些实施例的中心点-弧机构的调节范围的二维可视化；

图11示出了根据一些实施例的虚拟点旋转机构的二维可视化；

图12是根据本公开的末端执行器的一种可能的实施方式的等距视图；

图13是本公开的末端执行器的另一种可能的实施方式的等距视图；

图14是根据本公开的末端执行器的又一可能实施方式的局部等距剖视图；

图15是根据本公开的末端执行器的另一可能的实施方式的仰角等距视图；

图16是根据本公开的与末端执行器一起使用的一种可能的工具止挡件的等距视图；

图17和18是根据本公开的末端执行器的工具插入锁定机构的一种可能的实施方式的俯视平面图；

图19和20是图16的工具止挡件的俯视平面图，分别示出了打开位置和关闭位置；

图21是用于本文公开的机器人系统和相关联的配准系统中的呈可拆卸的动态参考基座形式的可拆卸的基座的第一等距视图；

图22是图21的可拆卸基座的第二等距视图，其被翻过来以显示其中一个表面的底侧；

图23是根据本公开的各种实施方式的配准固定装置的可拆卸部件的部件的侧视截面放大图；和

图24是根据本公开的某些实施方式的合适的安装座的等距视图。

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，应当理解，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“包括”、“包含”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附加项目。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两者、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。

呈现以下论述以使所属领域的技术人员能够制造和使用本公开的实施例。所属领域的技术人员将容易了解对所图示的实施例的各种修改，并且在不脱离本公开的实施例的情况下，本文的原理可应用于其它实施例和应用。因此，实施例并不旨在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，并且并不旨在限制实施例的范围。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。

根据一些其它实施例，公开了用于神经导航配准和机器人轨迹引导的系统以及相关的方法和装置。在一些实施例中，分析具有患者的解剖特征的第一图像体积、相对于患者的解剖特征固定的配准固定装置、以及相对于配准固定装置固定的第一多个基准标记，并且对于第一多个基准标记中的每个基准标记，确定位置。接下来，基于所确定的第一多个基准标记的位置，确定配准固定装置相对于解剖特征的位置和定向。还分析包括相对于配准固定装置固定的第二多个跟踪标记的数据帧，并且针对第二多个跟踪标记的每个跟踪标记，确定位置。基于第二多个跟踪标记的确定的位置，确定配准固定装置相对于手术机器人的机器人臂的位置和定向。基于所确定的配准固定装置相对于解剖特征的位置和定向以及所确定的配准固定装置相对于机器人臂的位置和定向，确定解剖特征相对于机器人臂的位置和定向，这允许基于确定的解剖特征相对于机器人臂的位置和定向来控制机器人臂。

该实施例和其它实施例的优点包括将神经导航和机器人轨迹对准结合到一个系统中的能力，并支持多种不同的配准硬件和方法。例如，如下面将详细描述的，实施例可以支持计算机断层扫描(CT)和荧光检查(荧光)配准技术，并且可以利用基于框架的和/或无框架的手术布置。此外，在许多实施例中，如果由于配准固定装置的移动而损害了初始(例如术前)配准，则可以在术中重新建立配准固定装置(以及延伸的解剖特征)的配准，而无需暂停手术并重新捕获术前图像。

现转而参看附图，图1A示出了根据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。响应于来自使用者的输入、从处理装置接收的命令，或其它方法，机器人臂104可以沿着和/或围绕相对于基座106的轴线是可移动的。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)。如在下文将更详细地讨论的，跟踪标记118可以固定到或可以是相对于患者210的解剖特征固定的立体定向框架的一部分。立体定向框架还可以被固定到固定装置，以防止在手术过程中患者210的移动。

根据替代实施例，图1B是用于机器人系统100、患者210、外科医生120和其它医务人员在颅骨手术过程期间的另一位置布置的俯视图。在颅骨手术中，例如机器人102可定位在患者210的头部128后面。机器人102的机器人臂104具有末端执行器112，其可在手术过程中保持手术器械108。在该实例中，立体定向框架134相对于患者的头部128固定，以及患者210和/或立体定向框架134也可以固定到患者基座211以防止患者头部128相对于患者基座211的移动。此外，患者210、立体定向框架134和/或患者基座211可以被固定到机器人基座106，诸如经由辅助臂107，以防止手术过程中患者210相对于机器人102的组件相对移动。不同的装置可以相对于患者的头部128和/或患者基座211按需要定位，以有利于该过程，诸如术中CT装置130、麻醉站132、擦洗站136、神经调节站138和/或用于在手术过程中控制机器人102和/或其它装置或系统的一个或多个远程挂件140。

图1A和/或图1B的实例中的手术机器人系统100还可使用传感器，例如摄像机200，其例如定位于摄像机支架202上。摄像机支架202可具有任何合适的构造以将摄像机200移动、定向并支撑在期望的位置。摄像机200可包含任何合适一个或多个摄像机，例如一个或多个摄像机(例如，双焦或立体摄影测量摄像机)，所述摄像机能够在从摄像机200的视角可检视的给定测量体积中识别例如有源或无源跟踪标记118(展示为图2中的患者跟踪装置116的一部分)。在该实例中，摄像机200可扫描给定测量体积并且检测来自跟踪标记118的光，以便识别和确定跟踪标记118在三维中的位置。举例来说，有源跟踪标记118可包含由电信号激活的红外发射标记(例如，红外发光二极管(LED))，和/或无源跟踪标记118可包含反射红外光或其它光的回射标记(例如，其将传入的IR辐射反射到入射光的方向中)，所述红外光由摄像机200或其它合适的传感器或其它装置上的照明器发射。

在许多外科手术程序中，一个或多个手术目标，例如大脑内的目标，被定位在外部参考框架上。例如，立体定向神经外科手术可以使用外部安装的立体定向框架，该框架有利于患者通过框架固定弧进行定位和植入物插入。神经导航用于基于术前或术中成像在脑内配准(例如映射)目标。使用这种术前或术中成像，可以在手术环境中在成像与实际解剖结构之间建立链接和关联，并且这些链接和关联可以在手术期间由机器人轨迹系统利用。

根据一些实施例，可以组合各种软件和硬件元件以创建可用于规划、配准、放置和验证大脑中的器械或植入物的位置的系统。这些系统可整合手术机器人，诸如图1A和/或图1B的手术机器人102，并且可以使用手术导航系统和规划软件对手术机器人进行编程和控制。另外地或替代地，手术机器人102可以被远程地控制，例如通过非无菌人员。

机器人102可以定位在患者210的附近或旁边，并且应当理解，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。摄像机200可以与手术机器人系统100分离并且也以在允许摄像机200对手术区域208具有直接视线的任何合适位置中定位在患者210附近或旁边。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和摄像机200的位置阻碍。

关于机器人102的其它组件，显示器110可附接到手术机器人102，并且在其它实施例中，显示器110可与手术机器人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。在一些实施例中，末端执行器112可包括导管114，所述导管能够容纳并定向用于对患者210执行手术的手术器械108。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可包括任何已知结构，所述任何已知结构用于以所要方式实现手术器械108的移动。

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。在一些实施例中，与使用例如仅包括旋转轴的六自由度机器人臂的常规机器人相比，对末端执行器112的平移和定向的选择性控制可准许医疗手术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。

在一些实施例中，手术仪器108的位置可动态更新，使得手术机器人102可在手术过程期间始终知道手术器械108的位置。因此，在一些实施例中，手术机器人102可将手术器械108快速移动到所要位置，而无需医师的任何进一步帮助(除非医师需要)。在一些其它实施例中，手术机器人102可配置成在手术器械108偏离选定的预先规划的轨迹的情况下校正手术器械108的路径。在一些实施例中，手术机器人102可配置成准许停止、修改和/或手动控制末端执行器112和/或手术器械108的移动。因此，在使用中，在一些实施例中，医师或其它使用者可操作系统100，并且可选择停止、修改或手动地控制末端执行器112和/或手术器械108的自主移动。包含手术机器人102对手术器械108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2013/0345718号共同待决美国专利公开，其全部内容以引用的方式并入本文中。

如下文将更详细地描述，手术机器人系统100可包括一个或多个跟踪标记，其配置成跟踪机器人臂104、末端执行器112、患者210和/或手术器械108在三维中的移动。在一些实施例中，多个跟踪标记可安装(或以其它方式固定)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。在一些实施例中，例如下文的图3的实施例，例如一个或多个跟踪标记可安装或以其它方式固定到末端执行器112。一个或多个跟踪标记可进一步安装(或以其它方式固定)到患者210。在一些实施例中，多个跟踪标记可定位在患者210上与手术视野208间隔开，以减少被外科医生、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可进一步安装(或以其它方式固定)到手术器械108(例如螺丝刀、扩张器、植入物插入器等)。因此，跟踪标记使得被标记对象中的每一个(例如，末端执行器112、患者210和手术器械108)能够被手术机器人系统100跟踪。在一些实施例中，系统100可使用从被标记对象中的每一个收集的跟踪信息以计算例如末端执行器112、手术器械108(例如，定位于末端执行器112的管114中)的定向和位置以及患者210的相对位置。包含手术机器人102和手术器械108的控制、移动和跟踪的手术机器人系统100的其它细节可查阅美国专利公开第2016/0242849号，所述专利公开的全文以引用的方式并入本文中。

在一些实施例中，术前成像可用于识别手术中要靶向的解剖结构。如果外科医生需要，则规划包将允许限定重新格式化的坐标系。重新格式化的坐标系将具有锚固到特定解剖学界标的坐标轴，例如神经外科手术的前联合(AC)和后联合(PC)。在一些实施例中，多个术前检查图像(例如，CT或磁共振(MR)图像)可以被共同配准，使得可以将解剖学上的任何给定点的坐标转换为所有其它术前检查图像上的对应点。

如本文所使用的，配准是确定从一个坐标系到另一坐标系的坐标变换的过程。例如，在术前图像的共同配准中，将CT扫描共同配准到MR扫描意味着可以将解剖点的坐标从CT扫描转换为MR扫描中的相应解剖位置。也可能有利的是将至少一个检查图像坐标系配准到共同配准固定装置的坐标系，例如动态参考基座(DRB)，其可允许摄像机200实时保持患者位置在摄像机空间中的轨迹，使得在手术室的患者上的解剖点的任何术中移动可由机器人系统100检测和由手术机器人102的补偿移动弥补。

图3是示出根据一些实施例的用于确定患者的解剖特征相对于手术机器人的机器人臂的位置和定向的计算机执行的操作300的流程图；操作300可包括在第一时间从术前图像捕获装置接收第一图像体积，例如CT扫描(方框302)。第一图像体积包括患者的解剖特征和相对于患者的解剖特征固定的配准固定装置的至少一部分。配准固定装置包括相对于配准固定装置固定的第一多个基准标记。操作300进一步包括对于所述第一多个基准标记中的每个基准标记确定相对于第一图像体积的基准标记的位置(方框304)。操作300进一步包括，基于所确定的第一多个基准标记的位置，确定配准固定装置上的跟踪标记阵列(基准配准阵列或FRA)相对于解剖特征的位置(方框306)。

操作300还可以包括在晚于所述第一时间的第二时间从包括多个跟踪摄像机的术中跟踪装置接收跟踪数据帧(方框308)。跟踪帧包括相对于配准固定装置(FRA)固定的多个跟踪标记和相对于机器人固定的多个跟踪标记的位置。操作300还包括基于配准固定装置的跟踪标记的位置，确定解剖特征相对于跟踪摄像机的位置和定向(方框310)。操作300进一步包括基于在机器人上多个跟踪标记的确定的位置，确定手术机器人的机器人臂相对于跟踪摄像机的位置和定向(方框312)。

操作300还包括基于所确定的解剖特征相对于跟踪摄像机的位置和定向以及所确定的机器人臂相对于跟踪摄像机的位置和定向，确定解剖特征相对于机器人臂的位置和定向(方框314)。操作300还包括基于所确定的解剖特征相对于机器人臂的位置和定向，控制机器人臂相对于解剖特征的移动，例如沿着一个或多个限定的轴线和/或绕一个或多个限定的轴线旋转(方框316)。

图4是示出根据一些实施例的能够确定患者的解剖特征相对于手术机器人的机器人臂的位置和定向的多个坐标转换系的数据流程400的图。在该实例中，可以转换基于多个检查图像的来自多个检查图像空间402的数据并组合成共同检查图像空间404。来自共同检查图像空间404的数据和来自基于验证图像的验证图像空间406的数据可以被转换和组合为配准图像空间408。来自配准图像空间408的数据可以被转换成患者基准坐标410，其被转换成用于DRB 412的坐标。跟踪摄像机414可以检测DRB 412(由DRB 412'表示)的移动，并且还可以检测探针跟踪器416的位置以随着时间跟踪DRB 412的坐标。机器人臂跟踪器418基于来自机器人规划系统(RPS)空间420或类似建模系统的转换数据，和/或来自跟踪摄像机414的转换数据，确定机器人臂的坐标。

应当理解，可以以不同方式使用和组合这些和其它特征，以实现图像空间(即，来自图像体积的坐标)到跟踪空间(即，供手术机器人实时使用的坐标)的配准。如以下将详细讨论的，这些特征可能包括基于基准的配准，例如带有CT定位器的立体定向框架，使用术中荧光镜检查配准的术前CT或MRI，校准的扫描器配准——其中任何获取的扫描的坐标相对于跟踪空间进行了预先校准，和/或使用跟踪探针的表面配准。

在一实例中，图5A-5C示出了用于配准患者的解剖特征的系统500。在该实例中，立体定向框架基座530固定于患者例如患者的头部的解剖特征528。如图5A所示，立体定向框架基座530可以在配准前使用销夹紧颅骨或其它方法固定到患者的头部528。立体定向框架基座530既可以用作固定平台，以将患者的头部528固定在固定位置，也可以用作配准和跟踪平台，以交替地固定CT定位器536或FRA固定装置534。CT定位器536包括多个基准标记532(例如，N-图案不透射线的杆或其它基准)，其使用图像处理在图像空间中被自动检测。由于CT定位器536到基座530的精确附接机制，这些基准标记532相对于立体定向框架基座530处于已知的空间中。拍摄附接有CT定位器536的患者的3D CT扫描，其具有的图像体积同时包括患者的头部528和CT定位器536的基准标记532。该配准图像可以例如在手术室或放射线中术中或术前拍摄。捕获的3D图像数据集被存储到计算机内存中。

如图5B所示，在配准图像被捕获之后，将CT定位器536从立体定向框架基座530移去并且将框架参考阵列固定装置534附接到立体定向框架基座530。然而，立体定向框架基座530保持固定到患者的头部528，以及用于在手术过程中固定患者，并且用作框架参考阵列固定装置534的连接点。框架参考阵列固定装置534包括框架参考阵列(FRA)，其是三个或更多个被跟踪标记539的刚性阵列，其可以是用于光学跟踪的主参考。通过定位FRA的被跟踪标记539在相对于立体定向框架基座530的固定的已知位置和定向，患者的头部528的位置和定向可以被实时跟踪。在FRA固定装置534和立体定向框架基座530上的安装点可以被设计为使得FRA固定装置534以最小的(即亚毫米级)的变化再现地附接到立体定向框架基座530。立体定向框架基座530上的这些安装点可以是CT定位器536所使用的相同的安装点，其在进行扫描后除去。辅助臂(如图1B的辅助臂107)或其它附接机构也可以用来牢固地固定患者到机器人基座，以确保机器人基座不允许相对于患者移动。

如图5C所示，动态参考基座(DRB)540也可附接至立体定向框架基座530。DRB 540在该实例中包括三个或多个被跟踪标记542的刚性阵列。在该实例中，DRB 540和/或其它被跟踪的标记可以使用辅助安装臂541、销或其它附接机构附接至立体定向框架基座530和/或直接至患者头部528。不同于FRA固定装置534——其仅以用于立体定向框架基座530的明确定位的一种方式安装，DRB 540一般可以根据需要附接，以允许不受阻碍的手术和设备接入。一旦DRB 540和FRA固定装置534被附接，最初与FRA的跟踪标记539相关的配置可任选地转移至或与DRB 540的跟踪标记542相关。例如，如果FRA固定装置534的任何部分阻碍手术进入，外科医生可以仅使用DRB 540移除FRA固定装置534和导航。但是，如果FRA固定装置534不阻碍手术，则外科医生可以选择从FRA标记539导航，而无需使用DRB 540，或者可以同时使用FRA标记539和DRB 540导航。在该实例中，FRA固定装置534和/或DRB 540使用光学标记，其被跟踪的位置在相对于立体定向框架基座530的已知位置，类似于CT定位器536，但应当理解，可以使用许多其它附加和/或替代技术。

图6A和6B示出了根据一些实施例的用于使用荧光检查(荧光)成像来配准患者的解剖特征的系统600。在本实施例中，使用利用被跟踪的配准固定装置644拍摄的多个术中荧光镜检查(荧光)图像，图像空间被配准到跟踪空间。患者的解剖特征(例如，患者的头部628)被放置并牢固地固定在夹紧设备643中的静止位置，以进行其余的手术。用于刚性患者固定的夹紧设备643可以是三销固定系统，如Mayfield夹具、连接到手术台的立体定向框架基座、或根据需要的另一种固定方法。夹紧设备643还可以用作患者跟踪阵列或DRB 640的支撑结构。可以使用辅助安装臂641或其它方式将DRB附接在夹紧设备上。

一旦患者被定位，所述荧光固定装置644附接荧光单元的x射线采集图像增强器(未示出)，并通过拧紧夹紧脚632进行固定。荧光固定装置644包含基准标记(例如，在该实例中跨两个平面布置的金属球，未示出)，其在由荧光图像捕获装置捕获的2D荧光图像上可见，并且可以使用标准针孔摄像机模型用于计算x射线源相对于图像增强器的位置，其通常与患者对侧相距约1米。对由荧光图像捕获装置捕获的荧光图像中的金属球的检测还使得软件能够使荧光图像去扭曲(即，去除针垫形和S形失真)。此外，荧光固定装置644含有3或多个跟踪标记646，用于确定跟踪空间中荧光固定装置644的位置和定向。在一些实施例中，软件可以基于先前捕获的CT图像，通过CT图像体积投影矢量，以基于CT图像中的对比度水平生成合成图像，所述合成图像看起来类似于实际的荧光图像(即，数字重建射线照片(DRR))。通过迭代通过荧光束的理论位置，直到DRR匹配实际荧光拍摄，可在荧光图像和DRR之间在两个或更多的视角发现匹配，并基于此匹配，计算患者的头部628相对于X射线源和探测器的位置。因为在荧光固定装置644上的跟踪标记646跟踪图像增强器的位置并且从投影在2D图像上的荧光固定装置644上的金属基准计算X射线源相对于图像增强器的位置，因此X射线源和检测器在跟踪空间中的位置是已知的，并且该系统能够实现图像到跟踪的配准。

如图6A和6B所示，两个或更多个拍摄从两个不同的视角由荧光图像捕获装置对患者的头部628进行，同时跟踪DRB 640的阵列标记642和荧光固定装置644上的跟踪标记646，所述阵列标记经由安装臂641被固定到配准固定装置630。基于跟踪数据和荧光数据，一种算法计算头部628或其它解剖特征相对于跟踪空间的位置以用于手术过程。通过图像到跟踪的配准，可以计算出任何被跟踪工具在图像体积空间中的位置。

例如，在一个实施例中，可以将从第一荧光视角拍摄的第一荧光图像与从第一视角通过CT图像体积构造的第一DRR进行比较，并且可以将从第二荧光视角拍摄的第二荧光图像与从第二视角通过相同的CT图像体积构造的第二个DRR进行比较。基于比较，可以确定相对于解剖特征的投影视图，第一DRR基本等效于第一荧光图像，并且相对于解剖特征的投影视图，第二DRR基本等效于第二荧光图像。等效性确认在摄像机空间中跟踪的实际荧光机上从发射器到收集器的x射线路径的位置和定向与在CT空间中生成DRR时指定的从发射器到收集器的x射线路径的位置和定向相匹配，因此实现了跟踪空间到CT空间的配准。

图7示出了根据一些实施例的用于使用术中CT固定装置(ICT)和DRB来配准患者的解剖特征的系统700。如图7所示，在一个应用中，可以利用基于基准的图像到跟踪的配准，其使用术中CT固定装置(ICT)750，其具有多个跟踪标记751和不透射线的基准参考标记732，以将CT空间配准到跟踪空间。在使用夹紧装置730例如三销Mayfield框架和/或立体定向框架稳定解剖特征728(例如患者头部)后，外科医生将ICT 750固定到解剖特征728、DRB740或夹紧设备730，使得其相对于DRB 740的跟踪标记742在静止位置，其可以由安装臂741或其它刚性手段保持到位。CT扫描被捕获，其包括ICT 750的基准参考标记732，同时捕获解剖特征728的相关解剖结构。一旦将CT扫描加载到软件中，系统就会自动(通过图像处理)识别ICT体积中ICT的基准参考标记732的位置，这些位置相对于ICT 750的跟踪标记处于固定位置，提供了图像到跟踪的配准。最初基于ICT 750的跟踪标记751的该配准然后涉及或转移到DRB 740的跟踪标记742并且然后可以移除ICT 750。

图8A示出了根据一些实施例的用于使用DRB和X射线锥束成像装置配准患者的解剖特征的系统800。术中扫描器852，例如X光机或其它扫描装置，可以具有安装在其上用于配准的跟踪阵列854，其带有跟踪标记855。基于扫描装置上跟踪阵列854的固定的已知位置，该系统可被校准，以直接映射(配准)跟踪空间到系统获取的任何扫描的图像空间。一旦实现配准，最初基于扫描器的阵列854的跟踪标记855(例如台架标记)的配准涉及或转移到DRB 840的跟踪标记842，其可以通过安装臂841或其它刚性手段被固定到夹紧固定装置830，从而保持患者的头部828。转移配准后，不再使用扫描器上的标记，并且可以根据需要将其移除、停用或覆盖。在一些实施例中，以这种方式将跟踪空间配准到由扫描器获取的任何图像可以避免在图像空间中需要基准或其它参考标记。

图8B示出了替代性系统800'，其使用便携式术中扫描器，在本文中称为C型臂扫描器853。在该实例中，C型臂扫描器853包括C形臂856，其联接到可动基座858以允许C型臂扫描器853被移动到位，并根据需要去除，而不干扰手术的其它方面。臂856在术中被定位在患者头部828的周围，并且臂856相对于患者头部828旋转和/或平移，以捕获X射线或其它类型的扫描以实现配准，该点处C型臂扫描器853可以从患者中移除。

根据一些实施例，用于患者例如患者头部的解剖特征的另一种配准方法可以是使用该解剖特征的表面轮廓图。可以使用被导航或跟踪的探针或其它测量或传感装置(例如激光指示器、3D摄像机等)构造表面轮廓图。例如，外科医生可以用被导航的探针拖动或依次触摸头部表面上的点，以捕获独特突起(例如颧骨、超睫状弓、鼻梁、眉等)上的表面。然后，系统将所得的表面轮廓与从CT和/或MR图像检测到的轮廓进行比较，以寻找提供最近匹配的轮廓的位置和定向。为了考虑患者的移动并确保相对于同一解剖特征获取所有轮廓点，每个轮廓点都与记录时患者身上DRB上的跟踪标记相关。由于轮廓图的位置在跟踪空间中是从被跟踪的探针和被跟踪的DRB已知的，因此一旦在图像空间中找到了相应的轮廓，就可以获得跟踪与图像的配准。

图9示出了根据一些实施例的用于使用被导航霍跟踪的探针和基准来对患者的解剖特征进行配准的系统900，以用于解剖特征928(例如患者头部)的点对点映射。软件将指示使用者使用被跟踪的探针指向可以在CT或MR图像中找到的一系列解剖界标点。当使用者指向软件指示的界标时，系统将捕获被跟踪数据的帧以及跟踪标记在探针和DRB上的跟踪位置。根据标记在探针上的被跟踪位置，可以计算出探针尖端的坐标，并与DRB上标记的位置相关。一旦在两个空间中找到3个或更多点，就实现了跟踪与图像的配准。作为指向天然解剖学界标的替代，也可以使用基准954(即基准标记)，如贴纸基准或金属基准。外科医生将基准954附加至患者，其由对成像不透明的材料构成，例如，如果与CT一起使用，其包含金属，如果与MR一起使用，其包含维生素E。成像(CT或MR)在放置基准954之后进行。然后，外科医生或使用者将在图像体积中手动找到基准的坐标，或者软件将通过图像处理自动找到它们。将具有跟踪标记942的DRB 940与患者通过连接到夹紧设备930或其它刚性装置的安装臂941附连之后，外科医生或使用者也可以通过用被跟踪的探针触摸基准954，在物理空间中相对于DRB 940定位基准954，同时在探针和DRB 940上记录跟踪标记(未示出)。因为在图像空间和跟踪空间中已知相同点的坐标，所以实现了配准。

本文描述的实施例的一种用途是规划轨迹并控制机器人移动到期望的轨迹，此后，外科医生将通过机器人保持的导管放置诸如电极的植入物。其它功能包括导出与现有的立体定向框架(例如Leksell框架)一起使用的坐标，该框架使用五个坐标：X、Y、Z、环形角和圆弧角。这五个坐标是使用在规划阶段相对于图像空间确定的目标和轨迹并知道圆环和圆弧相对于立体定向框架基座或其它配准固定装置的位置和定向来建立的。

如图10所示，立体定向框架允许解剖特征1028(例如，患者的头部)的目标位置1058被当作球体的中心处理并且所述轨迹可绕目标位置1058旋转。到目标位置1058的轨迹由立体定向框架(例如Leksell框架)的环和弧角度调整。可以手动设置这些坐标，并且在机器人发生故障或无法成功跟踪或配准时，可以将立体定向框架用作备用或冗余系统。线性x、y、z向中心点(即目标位置1058)偏移经由所述框架的机制调节。锥体1060绕目标位置1058居中，并且示出了可以通过改变Leksell框架或其它类型框架的环和弧角度来实现所述调节区。该图说明具有环和弧调整的立体定向框架非常适合在更改进入颅骨的进入点的同时从一定角度范围到达固定目标位置。

图11示出了根据一些实施例的虚拟点旋转机构的二维可视化。在该实施例中，机器人臂能够创建不同类型的点旋转功能，该功能使得能够实现新的移动模式，该移动模式使用5轴机械框架不容易实现，但是可以使用本文所述的实施例来实现。通过使用本文所述的配准技术对机器人的轴进行协调控制，此模式允许使用者围绕空间中的任何固定点旋转机器人的导管。例如，机器人可围绕入口点1162旋转到解剖特征1128(例如患者的头部)。此入口点旋转是有利的，因为它允许使用者进行小的钻孔，但不限制其在术中调整目标位置1164的能力。锥体1160表示可以通过单个入口孔到达的轨迹范围。此外，入口点枢转是有利的，因为它允许使用者通过相同的小入口钻孔到达两个不同的目标位置1164和1166。替代地，机器人可以绕颅骨内的目标点(例如，图10所示的位置1058)枢转以从不同的角度或轨迹到达目标位置，如图10所示。这种内部机器人式枢转具有与立体定向框架相同的优点，因为它允许使用者从多种途径接近相同的目标位置1058，例如在照射肿瘤时或在调节路径时，使得关键结构诸如血管或神经当超过它们到达目标时不会交叉。与依靠固定的环形和弧形铰接来保持目标/枢轴点固定的立体定向框架不同，机器人通过轴的受控激活来调整枢轴点，因此机器人可以动态地调整其枢轴点并根据需要在模式之间进行切换，如图10和11所示。

在使用机器人或环形和弧形固定装置插入植入物或器械之后，这些和其它实施例可以允许使用术中成像来验证植入物的位置。可以定性和/或定量地向使用者显示器械或植入物相对于规划轨迹的放置精度。比较规划的位置和放置的位置的一种选择是将术后验证CT图像合并到任何术前图像。一旦合并了术前和术后的图像并显示了规划覆盖，就可以将术后CT上的植入物阴影与规划进行比较，以评估放置的准确性。可以通过图像处理自动执行术后CT上的阴影伪影的检测，并在以尖端和入口处的毫米偏移和沿路径的角度偏移方面数字地显示偏移。由于基于骨骼解剖轮廓执行图像到图像配准，因此该选项不需要在验证图像中出现任何基准。

比较规划的位置和最终放置的第二种选择是使用术中荧光，无论是否连接荧光固定装置。将拍摄两个平面外的荧光图像，并将这些荧光图像与术前CT或MR生成的DRR进行匹配，如上所述，以进行配准。但是，与上述某些配准方法不同，跟踪荧光图像可能不太重要，因为关键信息是电极相对于荧光图像中的解剖结构所处的位置。可以在荧光图像上找到电极的线性或略微弯曲的阴影，并且一旦找到了与该荧光照片相对应的DRR，就可以在CT图像体积中复制该阴影作为面向荧光图像的射线方向和DRR内或向外定向的平面或片。也就是说，系统可能不知道电极在给定的照片上位于荧光图像平面内或外的深度，但是可以计算出可能位置的平面或片，并在3D体积上表示该平面或片。在第二荧光视图中，可以确定不同的平面或片并将其覆盖在3D图像上。这两个平面或片在3D图像上相交的位置是检测到的电极路径。系统可以将该检测到的路径表示为3D图像体积上的图形，并允许使用者重新切分图像体积以从任意期望视角显示该路径和规划路径，还允许自动或手动计算与电极的规划路径与放置位置之间的偏差。跟踪荧光固定装置是不必要的，但可以这样做以帮助使荧光图像变形并计算x射线发射器的位置以提高DRR计算的准确性，迭代查找匹配的DRR和荧光镜头时的收敛速度，以及在3D扫描中放置代表电极的片/平面的位置。

在该实例和其它实例中，期望保持导航完整性，即，确保在整个过程中配准和跟踪保持准确。建立和维护导航完整性的两种主要方法包括：跟踪监视标记相对于DRB上标记的位置，以及检查图像中的界标。在第一种方法中，如果此位置由于例如DRB碰撞而发生变化，则系统可能会警告使用者导航完整性可能会损失。在第二种方法中，如果界标检查显示屏幕上显示的切片中表示的解剖结构与探针尖端指向的解剖结构不匹配，那么外科医生也将意识到导航完整性的损失。在这两种方法中，如果使用CT定位器和框架参考阵列(FRA)的配准方法，则外科医生可以选择重新连接FRA，该FRA仅以一种可能的方式安装到框架基座上，并根据FRA跟踪标记和来自CT定位器536的存储基准，恢复跟踪与图像的配准。然后可以转移此配准或与重新定位的DRB上的跟踪标记相关联。转移配准后，可以根据需要移除FRA。

现在总体上参考图12-18，参考图1A所示的手术机器人系统100，末端执行器112可以配备有组件、配置或以其它方式包括特征，使得一个末端执行器可以保持附接到给定的机器人臂104之一，而无需针对多种不同的外科手术程序而改变为另一末端执行器，仅作为示例例如深脑刺激(DBS)、立体脑电图(SEEG)或内窥镜导航和肿瘤活检。如前所述，末端执行器112可以定向成以与患者的解剖特征可操作接近并且能够接收一个或多个手术工具的方式与患者的解剖特征相对，以便进行针对靠近末端执行器112的解剖特征考虑的操作。末端执行器112的运动和定向可以通过本文讨论的导航、轨迹引导或其它方法的任一种实现，或者可以是适合于特定操作的其它方式。

末端执行器112被适当地配置成允许多个手术工具129可选择性地连接到末端执行器112。因此，例如，通管针113(图13)可以被选择性地附接以便将切口点定位在患者的解剖特征上，或者电极驱动器115(图14)可以被选择性地附接至同一末端执行器112。

参考机器人手术系统100的先前讨论，处理器电路以及可由该处理器电路访问的存储器包括各种子例程和其它机器可读指令，这些子例程和其它机器可读指令被配置为在执行时引起末端执行器112移动，例如，在相关的外科手术的预定阶段，无论是术前、术中还是术后，通过相对于解剖特征的GPS移动而进行。

末端执行器112包括各种组件和特征，用于根据是否以及哪些工具129(如果有)连接到末端执行器112来阻止或允许末端执行器移动。更具体地参考图12，末端执行器112包括位于并连接到近侧表面119的工具插入锁定机构117。工具插入锁定机构117被配置为固定多个手术工具中的任何选定一个，例如前述的通管针113、电极驱动器115，或者用于先前提到的或本公开的其它应用可能想到的用于不同手术的任何其它工具。通过工具插入锁定机构117对工具的固定使得对于能够固定到锁定机构117的多个工具中的任何一个，每个这样的工具可操作且适当地固定在相对于患者的解剖特征的预定高度、定向角度和旋转位置上，使得可以将多个工具固定在同一末端执行器112上适合于所考虑手术的相应位置。

末端执行器112的另一特征是位于末端执行器112的远侧表面123即与患者大致相对的表面上的工具止挡件121。工具止挡件121具有止挡机构125和与其可操作地相关联的传感器127，如参考图16、19和20所见。止挡机构125被安装到末端执行器112，从而可相对于末端执行器选择性地在接合位置和脱离位置之间移动，接合位置用于防止任何工具连接到末端执行器112，脱离位置允许任何工具129被选择性地连接到末端执行器112。传感器127可以在任何合适的位置(图12、14、16)位于末端执行器112的壳体上或内部，以使传感器127检测止挡机构125处于接合位置还是脱离位置。传感器127可以采取适合于这种检测的任何形式，例如任何类型的机械开关或任何类型的磁传感器，包括磁簧开关、霍尔效应传感器或其它磁场检测装置。在一种可能的实施方式中，传感器127具有两个部分，霍尔效应传感器部分(未示出)和磁性部分131，这两个部分相对于彼此移动，以产生并检测与各自的接合和脱离位置相对应的两个磁场。在示出的实施方式中，磁性部分包括两个稀土磁体131，稀土磁体131相对于互补感测部分(未示出)移动，该互补感测部分在磁体131的可操作附近安装在末端执行器112的壳体中，以检测与止挡机构125在接合位置和脱离位置之间的移动相关的磁场的变化。在该实施方式中，霍尔效应传感器是双极的，并且可以检测磁体的北极或南极是否与传感器相对。磁体131被配置为使得一个磁体的北极面对传感器的路径，而另一磁体的南极面对传感器的路径。在这种配置中，当传感器靠近一个磁体(例如，处于脱离位置)时，传感器感测到增加的信号；当传感器靠近另一个磁体(例如，处于接合位置)时，传感器感测到减小的信号；当传感器不靠近任何磁体时，传感器感测到不变的信号。在该实施方式中，响应于检测到止挡机构125处于图13和19所示的脱离位置，传感器127使手术机器人系统100的处理器执行适当的指令以防止末端执行器112相对于解剖特征的移动。这种防止移动可能由于多种原因而适当，例如当工具连接到末端执行器112时，这种工具潜在地与患者的解剖特征相互作用。

用于检测接合的或脱离的工具止挡机构125的传感器127的另一种实施方式可以包括在壳体(未示出)后面的单个磁体和位于优选实施例中示出磁体131的位置处的两个霍尔效应传感器。在这样的配置中，单极霍尔效应传感器是合适的并且将被配置为使得当磁体由于锁定机构脱离而接近时传感器1检测到信号，而传感器2当同一磁体由于锁定机构被接合而接近时检测到信号。当磁体在两个位置之间或不与任一传感器不接近时，两个传感器都不会检测到信号。尽管可以想到其中传感器对于接合位置是活动的而对于脱离位置是不活动的配置，但是优选具有三个信号指示接合、脱离或过渡的配置，以确保在电源故障的情况下的正确行为。

末端执行器112、工具止挡件121和工具插入锁定机构117各自具有同轴对准的管孔或孔，使得多个手术工具129中的任何选定的一个可以通过这些管孔和孔被接收。在该实施方式中，末端执行器具有管孔133，并且工具止挡件121和工具插入锁定机构117具有相应的孔135和137。止挡机构125包括与工具止挡件121的管孔133和孔135轴向对准的环139。环139可选择性地沿箭头A(图16)所示的方向手动旋转，以使止挡机构125在接合位置和脱离位置之间移动。

在一种可能的实施方式中，环139的选择性旋转包括使环139能够被锁定在脱离位置或接合位置的特征。因此，例如，如图所示，制动机构141以任何合适的方式位于环139上并安装到环139上，以将环139锁定为防止某些旋转移动移出预定位置，在这种情况下，所述预定位置是当止挡机构125处于接合位置时。尽管本文中设想了各种形式的制动机构，但是一种合适的布置具有可手动接近的头部，该头部从环139沿周向向外延伸，并具有轴向向内弹簧加载以与相应的凹形制动部分(未示出)接合的凸出突起(未示出)。这样，制动机构141可手动地致动以将环139从其接合位置解锁，以允许环139手动旋转，以使止挡机构125从接合位置(图20)移动至脱离位置(图19)。

工具止挡件121包括枢转地安装在工具止挡件121的孔135附近的杠杆臂143，因此杠杆臂143的端部选择性地沿箭头B所示的方向枢转(图16、19和20)。杠杆臂143可操作地连接到止挡机构125，这意味着它响应于止挡机构125处于接合位置而关闭工具止挡件121的孔135，如图20所示。杠杆臂143也可操作地连接，以响应于止挡机构125处于脱离位置而沿箭头B的方向向后枢转以打开孔135。这样，止挡机构125在接合位置和脱离位置之间的移动分别导致杠杆臂143关闭或打开孔135。

在该实施方式中，杠杆臂143不仅可枢转地安装在孔135附近，而且可平行于在末端执行器112的远侧表面123的最远侧处限定的远侧平面枢转。以这种方式，试图被插入穿过管孔133和孔135的任何一种手术工具129都被阻止插入穿过杠杆臂143在其中旋转以闭合孔135的远侧平面。

现在转到工具插入锁定机构117(图13、17、18)，连接器145被配置以会接并将手术工具129的任何一个固定在相对于患者的解剖特征的其适当高度、方向角度和旋转位置。在所示的实施方式中，连接器145包括可旋转的凸缘147，该凸缘具有形成在其中的至少一个狭槽149，以通过其接收与多个工具129中的选定一个相关联的对应的榫舌151。因此，例如，在图14中，特定的电极驱动器115具有多个榫舌，其中示出了榫舌151之一。在一些实施方式中，可旋转凸缘147可包括套环153，该套环又具有在近侧定向的表面155上径向间隔开的多个狭槽149，如图12中最佳所示。设置在套环153周围的多个狭槽147的尺寸为或以其它方式构造为，以便穿过其中接收与多个工具129中的选定的一个相关联的多个榫舌151中的相应榫舌。因此，如图13所见，可以布置多个狭槽149和对应的榫舌151，以仅在所选工具相对于患者的解剖特征处于正确的预定的方向角度和旋转位置时才允许固定多个工具129中的所选一个。类似地，关于图14中所示的电极驱动器，榫舌151(其中一个在图14的剖视图中示出)已经被接收在径向间隔开的狭槽149中，该狭槽被排列成使得电极驱动器115以适当的方向角度和旋转位置被接收。

在该实施方式中，可旋转凸缘147具有把手173，以促进在打开位置和关闭位置之间的手动旋转，分别如图17和18所示。如图17所示，多组配接狭槽149和榫舌151被布置在不同的角度位置，在本情况下，在可以关于圆的单个直径弦对称但在径向上不对称的位置，并且狭槽的至少一个与其它狭槽相比具有不同的尺寸或延伸的弧长不同。在这种狭槽-榫舌布置中，以及本公开考虑的任何数量的变型中，当可旋转凸缘147处于图17所示的打开位置时，工具129(或稍后讨论的适配器155)只有一个旋转位置被容纳在工具插入锁定机构117中。换句话说，当系统100的使用者将选定的工具129(或工具适配器155)移动到单个适当的旋转位置时，可以通过狭槽149接收对应的榫舌151。在将榫舌151放置到狭槽149中时，榫舌151面对可旋转凸缘147的连接器145内的底表面175。在将榫舌151接收到狭槽149中并且将它们搁置在下面的底表面175上时，选择榫舌151和狭槽149的尺寸，尤其是相对于可旋转凸缘147的高度，以便当可旋转凸缘147旋转到关闭位置时凸缘部分157径向平移以覆盖或接合榫舌151的部分，这种接合在图18示出并且将容纳在连接器145中的工具129(或适配器155)固定在相对于患者的解剖特征的期望的预定的高度、定向角度和旋转位置。

被描述为与工具129相关联的榫舌151可以直接连接到这样的工具129，和/或榫舌151可以位于并固定在上述适配器155上，例如图12、17和18所示的，这种适配器155被配置为将多个手术工具129中的至少一个与末端执行器112互连。在所描述的实施方式中，适配器155包括两个操作部分-工具接收器157，其适于连接所选择的一个或多个手术工具129，第二操作部分是一个或多个榫舌151，在该实施方式中，该榫舌可以被安装和连接到适配器155的远端。

适配器155具有外周边159，在此实施方式中，该外周边的尺寸设置为与可旋转凸缘147的内周边161相对。适配器155分别在近端和远端163、165之间延伸，并具有在端部163、165之间延伸的适配器孔167。适配器孔167的尺寸设计成可容纳多个手术工具129中的至少一个，并且类似地，选择近端和远端163、165之间的距离以使得工具129中的至少一个在预定的适当高度处固定至末端执行器112，用于与容纳在适配器孔167中的这种工具相关的外科手术。

在一种可能的实施方式中，系统100包括多个适配器155，其被配置为可互换的插入物169，其具有基本相同的预定外周边159，以被容纳在可旋转凸缘147的内周边161内。更进一步地，在这种实施方式中，可互换插入物169具有不同的、相应的直径的管孔，可以选择该管孔以在其中容纳相应的工具129。管孔167可包括具有多个手术工具129共有的内径的圆柱形衬套。管孔167的一组可能的直径可以是12、15和17毫米，适用于多种机器人手术操作，例如本公开中确定的那些。

在所示的实施方式中，可旋转凸缘147的内周边161和适配器155的外周边159是圆形的，具有中心、对准的轴线和相应的半径。在所示的实施方式中，可旋转凸缘147的狭槽149从可旋转凸缘147的中心轴线径向向外延伸，而适配器155的榫舌151从适配器155径向向外延伸。

在其它实施方式中，末端执行器112可以配备有至少一个照明元件171(图14和15)，该照明元件171可以朝向要对其进行操作的解剖特征定向。照明元件171可以是位于适配器167内的LED 177环(图14)的形式，该适配器是固定在工具锁定机构117上的衬套的形式。照明元件171也可以是安装在末端执行器112的远侧表面123上的单个LED 179。无论是以LED环177的形式还是安装在末端执行器112的远侧表面上的单个元素LED 179的形式，还是任何其它变化形式，都可以选择一个或多个照明元件171的间距和位置，以使穿过末端执行器112的管孔133被接收的工具129不会投射阴影或以其它方式干扰元件171对进行操作的解剖特征的照明。

根据前面的描述，末端执行器112的操作和相关特征是显而易见的。工具止挡件121是可旋转的、可选择性地锁定的，并且可在接合位置和脱离位置之间移动，并且处于这种脱离位置时传感器防止末端执行器112移动，这是由于在这种脱离位置过程中可能不建议移动的工具的潜在存在。工具插入锁定机构117同样可在打开位置和关闭位置之间旋转，以接收多个可互换插入物169之一和这种插入物的榫舌151，其中选定的工具129可以容纳在这种插入物169中；替代地，榫舌151可以以其它方式与工具129相关联，例如通过使榫舌151直接连接到这样的工具129，配备有榫舌的工具同样可以被容纳在工具插入锁定机构117的对应狭槽149中。工具插入锁定机构117可以从其打开位置旋转，在该打开位置，榫舌151已经被接收在狭槽149中，以固定相关联的适配器155和/或工具129，使得它们相对于患者解剖特征处于适当的相应的高度、定向角度和旋转角度。

对于具有多个适配器155的那些实施方式，选择这样的适配器155的尺寸，包括孔径、高度和其它合适的尺寸，使得单个或最小数量的末端执行器112可以用于多种手术工具129。诸如可互换的插入物169或圆柱形衬套形式的适配器155可有助于将一组扩展的手术工具129连接到末端执行器112，并因此使用同一末端执行器112同样有利于对应的一组扩展的相关联的手术特征。

图1A所示的手术机器人系统100的另一可能实施例在下文描述，并参考图21-24示出。

示出并描述了动态参考基座(“DRB”)1040形式的基座，并且该基座适合与可操作地与手术机器人系统100相关联的任何合适的配准固定装置或配准系统一起使用，手术机器人系统例如系统500(图5A-5C)、600(图6A-6B)、700(图7)、800(图8A-8B)和900(图9)。DRB1040包括如下所示和所述的特征和相应的结构，以使DRB 1040不仅可以相对于具有手术目的的患者解剖体进行连接，而且可以在术前或术中用于相关的配准过程，还可以被拆卸并重新连接，而不会丢失其先前确定的配准。这类特征具有诸如如下优点，例如，通过允许外科医生和其他执业医生更有效地使用机器人系统100及其相关的配准系统增加了工作流程的灵活性，潜在地避免了重新配准的需要(在手术的非无菌和无菌阶段中都使用机器人系统100时可能有这种需要)，或者通过在DRB 1040某个时间点进行连接和配准、拆卸然后再重新连接时避免配准丧失而提高了效率。

可以以与参考DRB 540、640、740、840和940所讨论的相似方式使用和固定DRB1040，不同之处在于在大多数情况下DRB 1040包括允许拆卸和重新连接而不会丢失先前确定的配准的如上提及的特征。DRB 1040可以包括任何合适的配准固定装置或与之成一体，或者DRB 1040可以连接到本文中参考图1-9示出和描述的各种配准固定装置中的任何一个或与之相关联。DRB 1040同样可以用于与多种配准硬件和相关方法中的任一种相关联的更进一步的替代实施例中，无论是通过计算机断层摄影(CT)还是荧光透视(荧光)配准技术，并且同样可以利用基于框架的构造或无框架布置。在图5A-5C、6A-6B、7、8A-8B和9所示的实施方式中，DRB 1040可以可拆卸地安装到安装臂、辅助安装臂或配准固定装置上的其他合适位置，包括例如患者稳定装置、立体定向框架、FRA固定装置等，其安装座1051适当地插在DRB 1040与配准固定装置上的其固定位置之间。

为了在重复的连接和拆卸期间增强DRB 1040的配准的目的，DRB 1040包括或可操作地关联的结构，该结构允许DRB 1040不仅可拆卸地安装，而且在大多数情况下不会丢失配准。在所示的实施方式中，这样的结构包括安装座1051。参考图21-24，在一种合适的实施方式中，安装座1051被固定到DRB 1040的一个平坦表面1053，该平坦表面在图21和图22中所示的方向上可以被视为DRB 1040的底侧。与下侧表面1053相对，DRB 1040具有平坦表面1057，该平坦表面在图21的取向上可以认为是如所示的DRB 1040的上侧或顶侧。安装座1051介于一方面DRB 1040和另一方面机器人系统100的配准固定装置、安装臂或其他部件之间。合适的紧固件，例如可手动操作的螺纹手柄或螺钉1055将DRB 1040和插入的安装座1051都固定到配准固定装置上的适当位置或其他位置。在所示的实施方式中，螺钉1055被螺纹容纳在配准固定装置或其他安装位置的相对的螺纹部分中，以便将DRB 1040夹紧或以其他方式保持至安装座1051。DRB 1040具有一组跟踪标记，诸如图5-9中示为542、642、742、842和942的那些，每个这样的跟踪标记固定在支柱1059中的相应一个上。

DRB 1040和安装座1051的相对表面上的某些特征可将DRB 1040在连续的连接、拆卸和重新连接之间一致地定位。给定DRB 1040及其关联的安装座1051所提供的一致的重新连接位置和方向，如果和当DRB 1040拆下然后重新连接时，安装在DRB 1040上的那组跟踪标记的先前确定的位置也将与随后确定的此类跟踪标记的位置相同或基本相似。这样，配准程序与确定跟踪标记相对于机器人手术系统本身的组件(例如机器人臂、患者固定装置、配准固定装置以及感兴趣的解剖特征)的位置相关联，所有这些配准参数在大多数情况下可以在DRB 1040及其关联的安装座1051的连续连接、拆卸和重新连接之间复制。

更具体地参考图22-24，安装座1051具有平坦的安装表面1061，当将其固定到机器人系统100的适当组件时，该平坦的安装表面与DRB 1040的表面1053成相对关系。安装表面1061包括中央区域，该中央区域具有从中央区域延伸的部分，以终止于弧形周边1065，该周边在该实施方式中包括圆形。安装表面1061在安装表面1061上的径向间隔开的位置上布置了三组接收销1063。这样，在该实施方式中，接收销1063围绕该弧形周界以110度至130度或大约120度的角度间隔开。

当适当地连接时，DRB 1040的底侧1053与安装座1051的安装表面1061相对，在与接收销1063相对应的径向间隔位置处包括触头1066。在该实施方式中，这样的触头1066可以是半球形表面1067的形式，其尺寸和其他方面构造成当DRB 1040和安装座1051彼此夹紧时接合相应的一对接收销1063的两个销中的每个上的相对部分。

可分离的DRB 1040及其对应的安装座1051还被配置为借助于至少一个键式凸缘1068的选择性接合而可定位在单个方向上。在该实施方式中，键式凸缘1068包括位于安装座1051和可拆卸的DRB 1040的相应相对表面上的配接部分，这种配接部分包括从安装座和基座的相对表面之一延伸的支柱1069以及在相对表面的另一个上形成的相应切口1071。在该实施方式中，切口1071形成在安装座1051的主体中，并且在其中接收从可拆卸的DRB1040的下侧1053延伸的支柱1069。切口1071的尺寸可以确定为或以其他方式适于以几乎没有至没有间隙将支柱1069容纳在其中，以便进一步确保DRB 1040和安装座1051以所需的单个取向和位置连接。

相应的接收销1063和相对的触头1066包括多个安装构件1073，用于可拆卸地固定DRB 1040和安装座1051，并且与键式凸缘1068一起，使DRB 1040及其相关联的跟踪标记1042能够在连续的分离以及相对于其他组件的重新连接之间以一致的方向定位，跟踪标记1042已针对该其他组件进行了配准。尽管在该实施方式中，安装构件1073包括相对的一组接收销1063和半球形表面1067，但是安装构件1073可以采取替代形式，包括在安装座1041和动态参考基座1040中的任一个上的一个或多个触头以及具有不同于图21-24中示出和描述的成对的圆柱形接收销的构造的一个或多个接收销。无论安装构件1073的确切构造如何，它们一起形成运动学安装座，其在安装座1051和DRB 1040之间具有相对的部分，以将这种部件推向预定的配接位置，这种预定的配接位置的特征在于各自的角度取向变化在安装座1041和基座1040的连续拆卸和重新连接之间小于15％。

机器人系统100可以包括一个或多个处理器电路、可被一个或多个处理器电路访问的存储器、以及适当的机器可读指令，以执行各种配准功能或以其他方式利用上述可拆卸的DRB 1040、安装座1041及其运动学安装构件1073，允许连接和重新连接而不会在位置或取向上产生显著变化。为此，与DRB 1040相关联的跟踪标记可以在限定四边形的角的间隔位置处包括如本文先前实施例中所示的四个跟踪标记，并且相应的跟踪标记位置可以同样对应于使用本文先前公开的配准系统进行配准的位置。跟踪标记的安装位置可以包括在这种配准系统中的配准的验证值。

适当的程序在被执行时可以将与DRB 1040的多种连接至在下面公开的配准固定装置相对应的第一和第二组验证值进行比较。因此，例如，合适的程序可以在术前比较DRB1040上跟踪标记的安装位置，例如当患者在非无菌区域中被留置时，随后的一组验证值可以对应于术中DRB 1040的重新连接。程序确定两组验证值的基本相同或不相同，并且本文讨论的安装构件1073的运动学安装座和其他特征确保在大多数情况下两组验证值之间的基本相同。

机器人系统100可以包括导航系统形式的合适的程序，以在非无菌环境中在术前执行导航功能，这样的导航功能有利于切口的标记和导航完整性检查的执行。在这种导航功能的背景中，可以在确定第一组跟踪标记位置以及与所考虑的机器人手术程序相关联的配准固定装置的对应的第一位置和第一取向之后，在术前执行指令。此后，在将DRB 1040拆卸和重新连接至安装座1051之后，并且确定在第一组跟踪标记位置和第二组跟踪标记位置之间相同之后，可以由机器人系统100在手术中执行导航功能。

从前面的描述中容易理解，配备有DRB 1040和安装座1051的配准固定装置的特征和结构的使用和操作。在一种可能的方法中，利用相应机器人系统的计算机实现的手术机器人对患者执行颅骨手术。在所考虑的手术中，建立一个无菌区域，并在建立这样的无菌区域之前，对患者进行配准，包括标记、颅骨手术的切开点以及将机器人系统的各个组件相对于彼此和/或与预期手术相关的患者的解剖特征配准。配准患者的步骤可以包括：在相对于患者配准固定装置的第一预定位置和相应的第一方向上，进行第一可拆卸地安装多个跟踪标记，并通过计算机处理器执行的计算机指令来确定对应于上述多个跟踪标记的多个跟踪标记位置。然后，该过程可以包括拆卸多个跟踪标记，诸如在DRB 1040拆卸时发生的，在该DRB 1040上将这样的多个跟踪标记固定在已知位置。

随后，在建立无菌区域之后，可以通过在DRB 1040和安装座1051的相对表面上对齐配接的安装构件1073，将DRB 1040及其多个跟踪标记一起重新连接或重新安装。这样的安装构件1073因此具有使DRB 1040上的跟踪标记与DRB 1040所连接的患者配准固定装置的先前确定的配准重新对准的效果。这样，跟踪标记和配准固定装置只能相对于彼此安装在第二位置，该第二位置与第一先前确定的位置具有相同的对准。

在根据本公开的其他可能的方法中，机器人系统的计算机指令可以使用系统的GPS辅助导航指令标记切口或以其他方式执行配准功能。系统同样可以在手术前或手术中在建立无菌区域之前或之后执行导航完整性检查，并且可拆卸的DRB 1040和相应的安装座1051确保了这种导航完整性检查的成功。

在本发明概念的各个实施例的以上描述中，应当理解，本文使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，而不旨在是限制本发明概念的。除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明概念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。相反，当一个元件被称为与另一个元件“直接地连接”、“直接地联接”、“直接响应于”另一个元件或其变体时，不存在中间元件。贯穿全文以相似的数字指代相似的要素。此外，如本文中使用的“联接”、“连接”、“响应”或其变体可以包含无线联接、连接或响应。除非上下文另外清楚地说明，否则如本文所用，单数形式“一个/一种(a、an)”和“所述(the)”旨在包含复数形式。为了简洁和/或清楚，可能不会详细描述众所周知的功能或构造。术语“和/或”包含相关联的所列项中的一或多个项的任何和所有组合。

应当理解，尽管本文中可以使用术语第一、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/操作与另一个元件/操作区分开。因此，在不脱离本发明概念的教导内容的情况下，在一些实施例中的第一元件/操作可在其它实施例中被称为第二元件/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。

如本文所使用的，术语“包括(comprise/comprising/comprises)”、“包含(include/including/includes)”、“具有(have/has/having)”或其变体是开放式的，并且包含一个或多个陈述的特征、整数、元件、步骤、组件或功能，但是不排除一个或多个其它特征、整数、元件、步骤、组件、功能或其组合的存在或添加。此外，如本文所使用的，源自拉丁短语“exempli gratia”的通用缩写“例如”可以用于介绍或指定先前提及的项目的一个或多个一般实例，并且不旨在限制这种项目。源自拉丁短语“id est”的通用缩写“即”可以用于从更一般的陈述中指定特定项目。

本文中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/或流程展示描述了示例实施例。应当理解的是，可以通过由一个或多个计算机电路执行的计算机程序指令来实现框图和/或流程展示的框以及框图和/或流程展示中框的组合。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，使得经由计算机和/或其它可编程数据处理设备的处理器执行的指令转换并控制晶体管、存储在存储器位置中的值以及这种电路系统内的其它硬件组件，以实现框图和/或一个或多个流程图框中指定的功能/动作，并且由此创建用于实现框图和/或一个或多个流程图框中指定的功能/动作的装置(功能)和/或结构。

这些有形计算机程序指令也可以存储在可以指导计算机或其它可编程数据处理设备以特定方式运行的计算机可读介质中，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包含实施在框图或一个或多个流程图框中指定的功能/动作的指令的制品。因此，本发明概念的实施例可以体现在硬件和/或软件(包含固件、常驻软件、微代码等)中，其在如数字信号处理器等处理器上运行，所述数字信号处理器可以被统称为“电路系统”、“模块”或其变体。

还应该注意的是，在一些替代性实施方式中，框中标注的功能/动作可以不按流程图中标注的顺序发生。例如，根据所涉及的功能/动作，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者所述框有时可以按相反顺序执行。此外，可以将流程图和/或框图的给定框的功能分成多个框，和/或流程图和/或框图的两个或更多个框的功能可以至少部分地集成。最后，在不脱离本发明概念的范围的情况下，可以在所展示的框之间添加/插入其它框，和/或可以省略框/操作。此外，尽管一些图包括通信路径上的箭头以示出通信的主要方向，但是应该理解，通信可在与所描绘箭头相反的方向上发生。

尽管在前面的说明书中已经公开了本发明概念的若干实施例，但是应理解，在受益于前述描述和相关附图中呈现的教导内容的情况下，将能够设想出本发明概念所涉及的本发明概念的许多修改和其它实施例。因此应该理解，本发明概念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旨在包括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与来自本文中所描述的不同实施例的特征组合或一起使用。此外，尽管在本文中以及在所附权利要求书中使用了具体术语，但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概念或所附权利要求书的目的。本文中所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)

1.一种用于对患者的解剖特征进行手术的手术机器人系统，包括：

手术机器人；

连接到所述手术机器人的机器人臂；

连接到所述机器人臂的末端执行器；

相对于所述患者固定的配准固定装置；

相对于所述配准固定装置固定的至少一种多个跟踪标记；

处理器电路；

所述处理器电路可访问的存储器，所述存储器包括机器可读指令；其中所述机器可读指令被配置为使所述处理器电路：

基于包括患者的解剖特征的第一图像体积，为所述多个跟踪标记中的每个跟踪标记确定第一组跟踪标记位置；

基于所述第一组跟踪标记位置，确定所述配准固定装置相对于所述手术机器人的所述机器人臂的第一位置和第一方向；

基于所述配准固定装置相对于所述机器人臂的所述第一位置和所述第一方向，确定所述解剖特征相对于所述机器人臂的对应位置和方向；

基于所述解剖特征相对于所述机器人臂的所述对应位置和方向控制所述机器人臂；

其中所述配准固定装置包括可拆卸基座，其上安装有所述多个跟踪标记；以及可固定所述可拆卸基座的安装座；

其中在确定第一组跟踪标记位置之后，所述安装座适于可移除地接收所述可拆卸基座，以将所述跟踪标记定位在与先前确定的第一组跟踪标记位置相对应的各个位置。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述可拆卸基座包括动态参考基座，并且其中所述跟踪标记位置对应于配准的位置。

3.根据权利要求2所述的系统，还包括患者稳定装置；并且其中所述动态参考基座可拆卸地固定在所述患者稳定装置上。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述安装座包括运动学安装座，其可操作以将所述安装座和所述基座的多个相对部分推至预定的配接位置，所述预定的配接位置的特征在于各个角度取向变化在所述安装座和所述基座的连续拆卸和重新连接之间小于15％。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述可拆卸基座和所述安装座通过至少一个键式凸缘和多个安装构件在相应的、间隔开的安装位置处以单个方向可定位，所述安装构件包括在所述安装座和所述基座的一个上的触头以及用于接合所述安装座和所述基座中的另一个上的触头的至少一个接收销。

6.根据权利要求5所述的系统，

其中所述多个跟踪标记包括在限定四边形的角的间隔位置处的四个跟踪标记；

其中所述可拆卸基座可相对于所述跟踪标记所限定的四边形可移除地安装在中央位置；

其中所述安装位置和所述跟踪标记之间的距离包括配准的验证值；和

其中所述程序包括指令，当被执行时，所述指令用于比较与所述动态参考基座的术前和术中连接相对应的第一组验证值和第二组验证值，并确定两组验证值的基本相同或不相同。

7.根据权利要求6所述的系统，

其中所述安装座包括安装表面，所述安装表面具有中央区域和从中央区域延伸以终止于弧形周边的部分；和

其中所述至少一个接收销包括在所述安装表面上的径向间隔开的位置处的各个接收销组。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述弧形周边包括圆，并且所述销组的相应位置被在大约120°至大约130°范围内的弧径向地间隔开。

9.根据权利要求7所述的系统，其中所述销组包括一对圆柱形销，并且所述触头包括与各对销的两个销中的每个上的相对部分接合的相应的半球形表面。

10.根据权利要求7所述的系统，

其中所述键式凸缘相对于所述安装构件定位，以将所述基座和所述安装座的连接限制在相对于所述配准固定装置的单一方向；和

其中所述键式凸缘包括位于所述安装座和所述基座的相应的相对表面上的配接部分。

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