CN114404015A - 扭矩限制装置 - Google Patents

Abstract

公开了扭矩限制装置，其包括主体、电机、驱动头和处理器。在处理器的控制下，该扭矩限制装置被配置成：将钻孔器具钻入脊柱的骨中，其中骨包括第一皮质层、松质骨层和第二皮质层；当钻孔器具正在钻入第一皮质层时检测第一扭矩值；当钻孔器具正在钻入松质骨层时检测第二扭矩值；当钻孔器具的尖端正在进入骨的松质骨层时，识别从第一扭矩值到第二扭矩值的变化；当钻孔器具正在钻入第二皮质层时检测第三扭矩值；当钻孔器具的尖端正在进入骨的第二皮质层时，识别从第二扭矩值到第三扭矩值的变化；并且响应于识别到钻孔器具的尖端正在进入骨的第二皮质层，停止钻孔器具钻入骨中，从而抑制对脊柱的破坏。

Description

扭矩限制装置

本申请是申请号为201780046112.2的中国发明专利申请(申请日为 2017年06月06日；发明名称：扭矩限制螺丝刀装置、系统和方法)的分案 申请。

交叉引用

本申请要求2016年6月10日提交的美国申请No.62/348,725，2016年10 月6日提交的美国申请No.62/405,031，2016年6月7日提交的美国申请 No.62/346,984，2016年10月6日提交的申请No.62/405,004，2017年3月6 日提交的美国申请No.62/467,461和2017年3月31日提交的美国申请 No.62/480,179的权益。上述每个申请的全部内容通过引用结合在此。

技术领域

本公开总体上涉及扭矩限制螺丝刀装置、系统和方法，例如用于整形 外科手术的扭矩限制螺丝刀。

背景技术

某些外科手术包括将一个或多个螺钉/螺杆插入骨中以保持例如板的 结构。在插入期间，将螺钉拧入骨中并穿入骨中。随着连续转动，螺钉 就位在板上，例如通过接触板的螺钉的头部。螺钉的还进一步转动将螺钉 靠着板固定和/或进一步固定在骨中。螺钉的过度转动可能导致螺钉在骨 中剥离，从而减小螺钉和板的固定。

发明内容

避免或至少抑制骨中的外科螺钉的剥离可能是有益的。这可以通过螺 丝刀来实现，该螺丝刀监测施加到螺钉的扭矩并且当满足某些扭矩标准时 停止或减小螺钉的转动。例如，标准可以包括施加的扭矩量、扭矩如何随 时间变化(例如，扭矩是一致地还是不一致地增加或减小)以及是否已经 满足阈值。该阈值可以帮助确定被感测的扭矩是否指示螺钉正在抵靠板或 其他东西被固定，例如由硬骨的局部区域或其他方式引起的扭矩的短暂尖峰。

而且，在满足一定条件后降低螺钉的转动速度可能是有益的。这可以 减小螺钉和/或螺丝刀的部件的角动量，并且因此即使在螺钉的主动驱动 停止之后也可以减小由这种动量引起的无意转动的可能性，这可以增加螺 钉在骨里剥离的机会。此外，降低螺钉的转动速度可以增加每次转动螺钉 时可用于感测操作的时间量。这可以有助于更精确和准确地监测螺钉的转 动位置和/或施加到螺钉的扭矩。

此外，为使用者提供具有减轻重量和/或具有改善的“感觉”的螺钉 驱动工具可能是有益的。将螺钉插入骨可能需要很大的扭矩。由于这种扭 矩要求，某些传统的动力驱动操作螺钉驱动工具通常非常重(通常大于3.5 磅)和/或可能缺乏足够的“感觉”以使使用者(例如，外科医生)能够 舒适地使用它们以在某些手术中插入螺钉，例如在某些脊柱手术过程中。 一些迹象表明，当使用传统技术时，错位的脊柱椎弓根螺钉的平均率约为 20％。一些迹象表明，高达25％的患者有“有风险”的螺钉(与血管、胸 膜、食道、膈肌、气管等相邻的螺钉)。

公开了各种螺丝刀和相关的系统和方法，其解决了上面讨论的一个或 多个问题或其他问题。螺丝刀可包括主体和电机。电机可以可操作地连接 到在螺丝刀远端处的驱动头，使得电机可以转动驱动头。驱动头可以接收 一个钻头(例如，十字头钻头、平头钻头、星形钻头(例如，Torx)、套 筒钻头或其他)，其可以与具有相应形状的头部的螺钉接合。在一些实施 例中，钻头包括钻孔钻头。螺钉和/或钻孔钻头可以定位在基质(例如， 骨)上的期望插入位置处，并且可以操作电机以驱动螺钉和/或将钻孔钻 头钻入基质中。螺丝刀的各种实施例可以限制和/或控制施加到螺钉和/或 钻头的扭矩。某些实施例在插入过程中降低了螺钉和/或钻头的速度。各 种实施例提供上述优点中的一个或多个，或者不提供任何实施例。

螺丝刀、系统和方法的实施例可以用于许多不同的程序，例如重建、 颅颌面、胸椎、脊柱、骨折修复和肢体手术方法，并且可以包含不同的螺 钉，例如脊柱固定套装螺钉、脊椎椎弓根螺钉、肢体固定螺钉和颅面模块 固定(CMF)螺钉。实施例可用于产生刚性螺钉板构造并减轻螺钉退出的 风险。这对于与CMF板一起使用是有利的。此外，在重建过程中，实施例 可以用于关节置换(例如对于患有关节炎的患者)，重建整形外科可以通 过替换关节来恢复关节的功能。这可以包括膝盖、臀部和肩部外科手术， 但也可以使用其他外科手术。骨折修复可以用于经历创伤的骨，例如股骨 之类的大骨。此外，肢体可以是重建的，其可以包括诸如脚踝、手腕、手、 手指、脚和脚趾的关节。每个确定的扭矩值可以根据具体应用而变化，例 如上面讨论的那些。实施例可以用于整形外科领域和整形外科领域之外。

一些实施例被配置成识别扭矩特性的差异。例如，螺丝刀可用于区分 穿过皮肤、脉管系统(例如，流体)和进入器官之间的区别。在一些实施 例中，螺丝刀可以区分不同的身体组织，使得使用者将知道他们正在哪里 操作。在某些实施例中，螺丝刀配置成减小或避免例如通过钻头和/或螺 钉破坏脊柱。

在一些实施例中，动力设备(例如螺丝刀)能够读取电流和电压，并 且控制器(在设备内部或设备外部)可以被配置成为实现扭矩限制功能。 在一些实施例中，该装置可被编程为使用电流、电压和/或扭矩值来识别 螺钉尖端的基质并相应地管理驱动速度。在一些实施例中，该装置可被编 程为使用电流、电压和/或扭矩值来识别螺旋路径的变化，例如更多或更 少密度的材料。在一些实施例中，该装置可被编程为使用电流、电压和/ 或扭矩值来测量螺钉穿透深度。在一些实施例中，该装置可以使用离散的 电流、电压和/或扭矩值来识别皮质骨和松质骨，并且可以使用这些值来 解释螺钉尖端的当前基底并相应地控制动力装置(例如，如果是检测到更 高密度的组织类型则停止动力装置)。

本文公开了一种用于控制手术扭矩限制螺丝刀的方法的实施例，包括 用外科扭矩限制螺丝刀转动螺钉，从而将螺钉驱动到骨中，在所述转动期 间测量多个扭矩值，至少部分地基于所述测量确定已经达到或超过表示所 述转动的扭矩曲线中的拐点的时间，并且响应于确定已达到或超过所述拐 点，启动扭矩限制功能。

在一些实施例中，所述确定包括确定多个扭矩值中的一个何时大于或 等于阈值。在一些实施例中，所述激活包括在从多个扭矩值中的一个扭矩 值被测量的时间流逝时间间隔之后激活扭矩限制功能。

在一些实施例中，该方法可以进一步包括从多个扭矩值确定第一平均 值，从多个扭矩值确定第二平均值，并且包括将第一平均值与第二平均值 进行比较，其中确定已经达到或超过表示所述转动的扭矩曲线中的拐点的 时间包括确定第一平均值何时大于第二平均值。

在一些实施例中，所述确定包括确定多个扭矩值中的扭矩值何时小于 多个扭矩值中的早期扭矩值。在一些实施例中，所述确定包括确定来自多 个扭矩值中的第一扭矩值何时大于来自多个扭矩值中的N个后续扭矩值。 在一些实施例中，N在2至10个值的范围内。

在一些实施例中，该方法可以进一步包括测量扭矩的减小，并且当所 述扭矩的减小大于或等于阈值减小时计算从所述扭矩的减小的百分比减 小，其中确定已经达到或超过表示所述转动的扭矩曲线中的拐点的时间包 括确定何时所述百分比减小小于或等于百分比阈值。在一些实施例中，百 分比阈值在约5％至约15％的范围内。

在一些实施例中，该方法可以进一步包括预先映射所述螺钉以确定一 个或多个插入测量值，并将权利要求1至9中的一个或多个所述确定值与一 个或多个所述插入测量值进行比较。

本文公开了扭矩限制螺丝刀的实施例，包括具有手柄的主体、定位在 主体中的电机、定位在螺丝刀远端处的驱动头、位于手柄中的电池、位于 手柄中的电子电路板，驱动头配置成接收与螺钉接合并且通过电机转动的 钻头，以使螺丝刀能够将螺钉驱动到骨中，其中螺丝刀被配置成监测电机 的电流消耗以检测施加在螺钉上的扭矩，并且响应于正在被满足的扭矩限 制条件限制施加到螺钉的扭矩量。

本文公开了一种混合型矫形螺丝刀的实施例，该螺丝刀包括配置成由 使用者握持的手柄、至少部分地位于手柄内的电机、位于螺丝刀远端并与 电机连通的驱动头(驱动头配置成转动)和致动器，致动器配置成将螺丝 刀从手动模式切换到动力驱动模式，其中，在手动模式下，仅使用手柄的 使用者手动转动运动来转动驱动头，并且其中，在动力驱动模式下，电机 用于转动驱动头，其中用于混合整形外科螺丝刀的默认模式是手动模式。

在一些实施例中，螺丝刀仅在致动器被致动时维持动力驱动模式。在 一些实施例中，致动器是按钮或开关。

在一些实施例中，混合整形外科螺丝刀还可包括模式致动器，该模式 致动器配置成将螺丝刀从钻孔模式切换到螺钉模式，其中电机在钻孔模式 和螺钉模式之间以不同的速率操作。在一些实施例中，当处于钻孔模式时， 默认模式是动力驱动模式。

在一些实施例中，混合整形外科螺丝刀还可包括多个按钮，其配置成 为打开和关闭螺丝刀，以在处于动力驱动模式时向螺丝刀提供转动方向， 并且在动力驱动模式时为驱动头提供转动速度。在一些实施例中，混合整 形外科螺丝刀还可包括扭矩限制器，该扭矩限制器配置成在动力驱动模式 下实现特定扭矩时停止电机。在一些实施例中，驱动头配置成为确定与驱 动头接触的螺钉的类型。在一些实施例中，混合整形外科螺丝刀还可包括集成电池组。

手柄可以有各种形式。例如，在一些实施例中，手柄包括手枪式握把、 J形钩握把、闭合环握把、球把手握把、T形把手握把等。在一些实施例中， 致动器致动棘轮机构，用于在手动模式和动力驱动模式之间切换。在一些 实施例中，当螺丝刀驱动螺钉时，螺丝刀被配置成识别螺钉被驱入的组织 类型的变化。在一些实施例中，螺丝刀被配置成基于测量的扭矩值、电压 值或电流值识别组织类型的变化。在一些实施例中，驱动头配置成在扭矩 突然增大或减小时自动关闭。

本文还公开了用于将螺钉插入患者骨中的系统的实施例，该系统包括 混合矫形螺丝刀，该螺丝刀包括配置成由使用者握持的手柄、至少部分地 位于手柄内的电机、位于螺丝刀的远端并与电机连通的驱动头和致动器， 驱动头配置成转动，致动器配置成将螺丝刀从手动模式切换到动力驱动模 式，在手动模式下仅使用手柄的使用者手动转动运动来转动螺丝刀，在动 力驱动模式下使用电机以转动驱动头，其中用于混合骨科螺丝刀的默认模 式是手动模式，并且螺钉具有远端标记和近端标记，远端标记在螺钉的远 端尖端附近以指示何时使用手动模式，近端标记在远端标记附近以指示何 时使用动力驱动模式。

在一些实施例中，驱动头配置成在螺钉插入驱动头时读取螺钉类型。 在一些实施例中，远端标记和近端标记是不同的颜色。

本文公开了混合螺丝刀的实施例，该混合螺丝刀包括配置成由使用者 握持的手柄、至少部分地位于手柄内的电机以及位于螺丝刀的远端并与电 机连通的驱动头，驱动头配置成转动，其中驱动头配置成在手动操作或动 力驱动操作中操作，并且其中混合螺丝刀配置成分析驱动头的扭矩以向使 用者提供反馈。

在一些实施例中，反馈是关闭电机。在一些实施例中，反馈是用于使 用者的视觉或听觉提示。在一些实施例中，扭矩是扭矩曲线的一阶导数或 二阶导数。在一些实施例中，混合螺丝刀被配置成向使用者提供关于驱动 头正在操作进入的组织的信息。在一些实施例中，信息是组织类型。

本文公开了一种动力装置的实施例，包括配置成由使用者握持的手 柄、电机和位于螺丝刀的远端上并与电机连通的驱动头，该驱动头配置成 转动，其中动力装置配置成测量在驱动头的操作中使用的电流和/或电压， 并且其中动力装置配置成在第一组织类型和第二组织类型之间区分，并实 现扭矩限制功能。

本文公开了一种动力装置的实施例，包括手柄、电机和控制器，该控 制器配置成接收指示操作电机的扭矩、电压和/或电流测量值的输入，其 中控制器使用测量值来调节电机的操作速度和/或功能。在一些实施例中， 测量值包括扭矩、电压和/或电流的变化。

本文还公开了动力装置的实施例，该动力装置包括能够读取电流和电 压的传感器，以及配置成为实现扭矩限制功能的控制器。在一些实施例中， 该装置被配置成使用电流、电压和扭矩值来识别螺钉尖端的基质并相应地 管理驱动速度。在一些实施例中，该装置被配置成使用电流、电压和扭矩 值来识别螺旋路径的变化，例如更多或更少密度的材料。在一些实施例中， 该装置配置成使用电流、电压和扭矩值来测量螺钉穿透深度。在一些实施 例中，该装置被配置成使用离散的电流、电压或扭矩值来识别皮质骨和松 质骨，使用这些值来识别螺钉尖端被驱动进入的基底的类型，并且响应于 基质类型的变化采取行动。在一些实施例中，该装置被配置成检测螺钉尖 端或螺钉主体何时撞击皮质骨，并且作为响应，发信号通知电机停止驱动。 在一些实施例中，该装置被配置成使用离散的电流、电压或扭矩值来识别 具有可变密度的材料之间的过渡区。

在一些实施例中，该装置被配置成基于预编程到控制器的预期电流、 电压或扭矩反馈来识别和表征材料类型。在一些实施例中，该装置被配置 成基于电流、电压或扭矩读数识别螺钉何时最初开始驱动。在一些实施例 中，该装置被配置成基于电流、电压或扭矩读数识别螺钉何时就位。在一 些实施例中，该装置被配置成区分螺钉就位、螺钉撞击较高或较低密度的 基质、或螺钉基于控制器的编程启动其驱动。在一些实施例中，该装置被 配置成基于电流和电压的读数以及编程到控制器中的信息来识别螺钉尖 端当前穿透的基质。在一些实施例中，该装置被配置成在螺钉以预编程的 预期值驱动时比较电压、电流或扭矩读数，以识别螺钉当前所处的材料类 型。

本文公开了一种电动螺丝刀的实施例，包括被配置成驱动螺钉的驱动 头以及被配置成驱动该驱动头的电机、被配置成控制电机的操作的控制 器，控制器被配置成基于在多个不同的时间所采取的扭矩测量来确定螺钉 是否正在就位在松质骨中或是否正在撞击皮质骨，其中响应于确定螺钉正 在撞击皮质骨，控制器停止电机驱动该驱动头，并且其中响应于确定螺钉 正在就位在松质骨中，螺丝刀继续驱动螺钉直到已经达到扭矩限制标准。

在一些实施例中，用于正在就位在松质骨中的螺钉的扭矩测量通常是 非线性的。在一些实施例中，用于螺钉撞击皮质骨的扭矩测量通常是线性 的。在一些实施例中，确定螺钉是否正在就位在松质骨中或正在撞击皮质 骨是通过等式(t₂-t₁)/t₁>Y确定的，其中X包括连续增加的扭矩值，Y 是百分比值，并且t₁和t₂包括在两个不同时间处的扭矩值。在一些实施例 中，电动螺丝刀还可包括深度计。

本文公开了混合螺丝刀系统的实施例，该混合螺丝刀系统包括被配置 成为连接到机器人臂的手柄、至少部分地位于手柄内的电机以及位于螺丝 刀的远端上并且与电机连通的驱动头，驱动头配置成转动，其中驱动头配 置成在手动操作或动力驱动操作中操作，并且其中混合螺丝刀配置成分析 驱动头的扭矩以向机器人臂提供反馈。

在一些实施例中，手柄可拆卸地连接到机器人臂。在一些实施例中， 机器人臂配置成在没有使用者输入的情况下移动混合螺丝刀。在一些实施 例中，机器人臂配置成在混合动力螺丝刀达到指定的扭矩阈值之后停止运 动。

本文公开了一种混合动力螺丝刀系统的实施例，该混合动力螺丝刀系 统包括机器人臂、电机和连接到机器人臂并且与电机连通的驱动头，驱动 头配置成转动，其中驱动头是被配置成在手动操作或动力驱动操作中操 作，并且其中机器人臂被配置成分析驱动头的扭矩。

以上公开的或本文其他地方公开的任何结构、材料、步骤或其他特征 可用于本公开的任何实施例中。任何实施例的任何结构、材料、步骤或其 他特征可以与任何其他实施例的任何结构、材料、步骤或其他特征组合以 形成进一步的实施例，这些实施例是本公开的一部分。

前面的概述意在是本公开范围内的某些特征的高级概述。该概述、以 下详细描述和相关附图不限制或限定保护范围。保护范围由权利要求限 定。没有任何特征是关键或必不可少的。

附图说明

下面参考附图描述本公开的某些特征。所示实施例旨在说明而非限制 实施例。可以组合不同公开的实施例的各种特征以形成另外的实施例，这 些实施例是本公开的一部分。

图1示意性地示出了螺丝刀的示例性实施例。

图2A示出了图1的螺丝刀的透视图。

图2B示出了可以与图1的螺丝刀一起使用的附件。

图3示出了螺丝刀实施例的手柄形状的示例端视图。

图4-7示出了螺丝刀的示例，该螺丝刀包括具有手柄的主体，该手柄 包括电源，例如电池。

图8A示意性地示出了将螺钉插入骨中的过程中的各个阶段。

图8B示出了在将螺钉插入骨中期间作为时间或转数的函数的扭矩的 示例图。

图8C示出了图8A的阶段与图8B的曲线的关系。

图9示出了作为骨密度的函数的3mm，4mm和5mm螺钉类型的示例性扭矩 的曲线图。

图10示出了具有比较扭矩区域的扭矩图。

图11显示了具有阈值和减速点的扭矩图。

图12示出了在螺钉驱动操作期间监测和控制扭矩的过程。

图13示出了具有公差带的扭矩图。

图14示出了示例性扭矩顶点的特写视图。

图15A示出了具有拐点的扭矩曲线图和发出扭矩限制指令的方法。

图15B示出了具有拐点的扭矩曲线图和发出扭矩限制指令的方法。

图15C示出了具有拐点的扭矩曲线图和发出扭矩限制指令的方法。

图15D示出了具有拐点的扭矩曲线图和发出扭矩限制指令的方法。

图15E示出了具有拐点的扭矩曲线图和发出扭矩限制指令的方法。

图16示出了可以与螺丝刀的实施例一起使用的螺钉的实施例的侧视 图，其中螺钉具有手动和动力区域。

图17示出了与扭矩曲线有关的三个示例性插入测量。

图18描绘了具有头部和螺纹部分的某些螺钉，具有用于被指示的头部 和螺纹部分的示例颜色。

图19显示了具有固定螺钉的两个示例椎弓根螺钉。

图20示出了脊柱固定系统的实施例。

图21-23示出了智能锁定螺钉的实施例。

图24A示出了两个正确放置的腰椎椎弓根螺钉。

图24B示出了适当放置的腰椎椎弓根螺钉和错位的腰椎椎弓根螺钉。

图25示出了相对于患者脊柱的一部分的螺钉行进路径。

图26示出了用于正确插入椎弓根螺钉的通路。

图27示出了前部破坏的实例的X射线图像。

图28示出了侧向破坏的示例的X射线图像。

图29-30示意性示出被驱动到不同组织中的螺钉，其可用于组织区分 目的。

图31-51示出了用于插入一个或多个骨模拟材料中的螺钉的各种扭矩 曲线，以及可用于螺丝刀的操作实施例的曲线的某些特征。

图52示出了具有擦伤皮质骨和/或脊柱的椎弓根螺钉。

图53显示了放置良好的椎弓根螺钉。

图54A-B示出了螺钉遇到硬骨(54A)和螺钉就位在较软骨(54B)中 的示例性扭矩曲线的开始部分，其中Y轴(扭矩)未示出。

图55示出了在通过模拟椎骨的试钻孔操作期间的扭矩曲线。

图56示出了在适当对准的钻孔操作期间的扭矩曲线。

图57示出了未对准钻孔操作期间的扭矩曲线。

图58示出了在没有发生破坏的情况下被驱动到椎骨中的多个螺钉的 扭矩曲线。

图59示出了用于螺丝刀实施例的深度计的实施例。

具体实施例

从以下对附图中所示的几个特定实施例的描述，所公开技术的各种特 征和优点将变得更加明显。这些实施例旨在说明本公开的原理。然而，本 公开不应仅限于所示实施例。在考虑本文公开的原理之后，对于本领域普 通技术人员显而易见的是，可以修改、组合、移除和/或替换所示实施例 的特征。

螺丝刀概述

公开了扭矩限制装置(例如，螺丝刀)、系统和方法的各种实施例。 出于演示的目的，这些装置被称为“螺丝刀”，然而，各种实施例被配置 用于除螺钉之外的物品。例如，若干实施例被配置成驱动钻孔钻头，例如 将钻孔钻头钻入骨中。如下面更全面地描述的，装置、系统和方法可以确 定何时停止将螺钉拧入各种类型的骨中，以避免剥离骨中的螺钉或插入不 正确的位置。一些实施例可以提供动力手术螺丝刀的某些益处，以及手动 螺丝刀的某些益处。通过手动设置，这里公开的螺丝刀可以为外科医生提 供增强的感觉，使得他们感觉舒适并且控制操作。在一些实施例中，手动 模式可以帮助外科医生放置(例如，启动)螺钉，从而减小螺钉的错位， 改善患者健康并最小化风险。通过具有用于进一步插入螺钉的动力驱动模 式，可以减小整体手术时间以及外科医生手臂疲劳，因为将减小体力劳动。

在一些实施例中，扭矩限制螺丝刀可以被配置用于多种设置，例如动 力设置和手动设置，因此可以被认为是“混合”螺丝刀。螺丝刀可以配置 成使使用者能够轻松方便地在设置之间切换。某些实施例在整形外科手术 过程中特别有用，例如将螺钉插入脊柱骨中。螺丝刀也可以用于其他手术 目的，并且特定目的不限制本公开。

所公开的螺丝刀的某些实施例可以用作例如在平面形状因素中的动 力手术装置、在用于脊柱应用的平面形状因素中的动力手术装置、在用于 肢体的平面形状因素中的动力手术装置和/或在用于大骨的平面形状因素 中的动力手术装置。螺丝刀也可以用于其他过程，并且特定的过程不是限 制性的。在一些实施例中，螺丝刀可以远程操作，例如，通过使用机器人。

如图1所示，扭矩限制螺丝刀100包括支撑电机12的主体102(也称为 壳体、手柄或外壳)。传送组件14(例如，一个或多个轴、齿轮等)可操 作地将电机12连接到在螺丝刀100的远端处的驱动头104，使得电机12可以 转动驱动头104。驱动头104可以接收钻头，例如十字头钻头、平头钻头、 星形钻头(例如，Torx)、套筒钻头(例如，六角形)或其他。该钻头又可以与诸如矫形螺钉的具有相应形状的头部的螺钉接合。因此，螺钉可以 定位在基质(例如，骨)上的期望插入位置，并且可以操作电机12以将螺 钉驱动到基质中。

在一些变化中，电机12由电源供电，例如AC或DC电源。在一些实施例 中，电机12由车载电源供电，例如电池、电容器或其他。在一些实施例中， 电机12被配置成从外部源接收电力，例如从控制台、墙壁插座或其他外部 电源接收电力。在一些实施例中，电机12是无刷DC电机。在一些实施例中， 电机12是三相电机。电机12可包括一个或多个霍尔传感器，其可将信号发 送到控制器20以使控制器20能够确定电机12的转数。在某些变化中，控制 器20根据电机12的转数确定螺钉的转数。

螺丝刀100可以监控和/或限制螺丝刀100在插入过程中施加到螺钉的 扭矩。例如，如下面更详细描述的，螺丝刀100可包括传感器18，感测供 应到电机12的电流。传感器18可以将这样的数据发送到控制器20，控制器 20可以包括与存储器24耦合的处理器22以及其他电子组件。因为，在一些 实施例中，供应到电机12的电流可以与施加到螺钉的扭矩成比例，控制器 20可以动态地确定施加到螺钉的扭矩量。在某些变化中，控制器20被配置成确定或接收指示以下数据特征中的一个或多个的信号：提供给电机12的 电流、螺钉和/或电机的转数、螺钉行进的距离(例如，进入骨)、电机12 的速度或其他。

如下面更详细描述的，螺丝刀100的各种实施例可包括适于限制和/ 或控制施加到螺钉的扭矩的算法。这可以使螺丝刀100能够用于不同的螺 钉尺寸和不同的骨密度。该算法可以作为程序代码26包括在存储器24中， 以在计算机可读的非暂时性介质上实现。处理器22可以执行程序代码26以 实行各种操作，例如确定扭矩限制、指示电机停止操作、指示电源28减小 和/或停止向电机12提供电力或其他操作。处理器22和/或程序代码26可以控制和/或实现本公开中描述的任何特征，例如任何扭矩限制特征。一些 实施例被配置成通过关闭(例如，基本上或完全地)到电机12的动力来停 止螺钉的转动。某些实施例包括制动器以主动减速电机或部件。例如，一 些实施例包括摩擦或电磁制动器。

在各种实施例中，螺丝刀100可包括一个或多个计算机或计算设备， 其在存储在一个或多个非暂时性计算机存储设备(例如，硬盘驱动器、固 态存储器等)上的程序模块的控制下实现本文所述的各种功能。每个这样 的计算机或计算设备通常包括硬件处理器和存储器。在螺丝刀100包括多 个计算设备的情况下，这些设备可以但不是必须共同定位。在一些情况下， 螺丝刀100可以由可以动态地分配的基于云的或共享的计算资源控制。这 里描述的过程和算法可以部分或全部地在专用电路中实现，例如专用集成 电路和可编程门阵列设备。所公开的过程和过程步骤的结果可以持久地或 以其他方式存储在任何类型的非暂时性计算机存储器中，例如易失性或非 易失性存储器。

图2A还示出了螺丝刀100。如图所示，螺丝刀100的主体102可包括输 入装置106，例如按钮、开关或其他。通过输入装置106，使用者可以控制 螺丝刀100的操作方面，例如控制器20。例如，使用者可以指示螺丝刀100 关于转动方向(例如，前进或后退)、速度和/或其他方面。输入装置106 可以打开或关闭螺丝刀100，或者将螺丝刀100保持在待机模式。在一些实 施例中，螺丝刀100可具有可变速度选项以及前进和后退能力。

在一些实施例中，不同的附件可以可拆卸地连接到螺丝刀100，例如 在螺丝刀100的夹头处。附件110的示例在图2B中示出。附件110可以允许 使用者访问难以到达区域，例如，如图所示，附件可以包括大约40°，50°，60°，70°，80°，90°，100°，110°，120°或其他值的偏移。附件 110可以改变螺丝刀100的转动平面。此外，附件110可以是用于进一步到 达位置的延伸部。附件110可以选择性地连接到螺丝刀100和/或从螺丝刀 100移除，例如通过连接或断开螺丝刀100的夹头。如图所示，附件110可 包括低轮廓和/或细长构造，并且可延伸活动的达到范围。这在某些类型 的手术中是有益的，例如某些胸腔手术涉及访问前肋骨的后入路。在一些 实施例中，附件110包括具有第一端111和第二端112的延伸适配器。第一端111可以配置成与螺丝刀100的驱动头104配合。第二端112可包括钻头和 /或可配置成与钻头配合和/或可配置成与螺钉配合。附件110可包括动力 传输组件(例如，驱动轴)，其可操作地将螺丝刀100的驱动头104连接到 附件110的第二端112。例如，动力传输组件可以将转动运动从驱动头104 传递到附件110的第二端112。在各种实施例中，附件110被配置成使钻孔 和/或螺钉能够插入到与螺丝刀100的主体102间隔开相当大的距离(例如， 至少约：10毫米，25毫米，50毫米，75毫米，100毫米，150毫米，200毫 米，250毫米，300毫米，上述距离之间的距离，或其他距离)的目标部位 (例如，骨)中。在一些实施例中，附件110具有反射和/或镜子状表面， 其可以添加、连接或集成到附件110中以增强目标部位的可见性。附件110 可以相对于螺丝刀100的主体102铰接或固定。附件110可以配置成与螺丝 刀100一起使用，该螺丝刀100可以包括扭矩限制功能。在一些实施例中， 附件110被配置成与不包括扭矩限制功能的驱动器设备一起使用。

在一些实施例中，螺丝刀100可包括模式开关(或类似机构)，该模式 开关可允许使用者在模式之间切换，例如下面讨论的动力驱动模式和手动 模式。在一些实施例中，模式开关可以基于特定的螺钉类型来改变螺丝刀 100的参数。在一些实施例中，模式开关可以允许螺丝刀100识别不同适配 器或附件的存在。

在一些实施例中，主体102可以向使用者提供关于螺丝刀100的某些参 数的视觉输出，例如，电源状态、模式、速度等。一些实施例被配置成为 提供轨迹定向，例如通过使用MIMS(医疗信息管理系统)、MEMS(微型机 电系统)、陀螺仪或可以提示使用者关于螺丝刀的定向的其他技术。在一 些实施例中，螺丝刀100被配置成指示(例如，向使用者)与“归零”取向的偏差，例如与水平或垂直位置的角度偏差。在一些实施例中，主体102 可包括LED或LCD显示器以向使用者提供信息。在一些实施例中，螺丝刀100 可以连接到外部显示器，例如监测器，例如通过无线网络，以向外部显示 器提供视觉输出。在一些实施例中，触觉提示(例如，小振动)可以向使 用者提供信息。在一些实施例中，电磁场(EMF)或霍尔效应传感器可以 结合到螺丝刀100的实施例中。

可以想到各种形状的螺丝刀100。例如，一些实施例在平面上，这可 以增强感觉。在本公开中，术语“在平面上”描述了具有大致线性配置的 装置。这与“离开平面”装置形成对比，“离开平面”装置通常具有L形配 置，例如手枪式握把。在一些实施例中，螺丝刀100具有在平面上配置， 其中尖端通常与使用者的手对齐，例如尖端和手柄通常共线。在一些变化 中，螺丝刀100具有离开平面配置，例如具有手枪式握把。

在平面上配置可具有许多优点。例如，在平面上配置可以允许使用者 通过螺丝刀沿着线性轴向螺钉施加力，而不是例如通过弯曲或弯头。在一 些实施例中，在平面上的设计减小或消除可能与某些手枪式握把设计相关 联的力矩，例如由于力被施加到手枪式握把装置的手柄然后通过手枪式握 把装置的枪管传递。减小或消除力矩可以增加对螺钉的控制和/或减小使 用者疲劳(例如，通过减小抵消力矩所需的力量)。具有在平面上配置的一些实施例可以避免或减小螺钉相对于基质的滑动，或者至少增加这种滑 动通常发生在期望方向上的机会。例如，在平面上配置可以将手指定位成 比手枪式握把设计更靠近钻头，这可以使使用者能够更好地检测何时发生 滑动，或者即将发生滑动，并且作为响应采取行动。

在一些实施例中，与手枪式握把装置(例如，可能需要使用腕部肌肉 或其他较小的肌肉)相比，在平面上配置允许使用者使用较大的肌肉(例 如，上臂的肌肉)。较大肌肉的接合可以提供更大的强度和/或控制。在一 些实施例中，可能没有悬臂或没有手枪式握把。

在平面上配置可以提供改进的重量分布，例如通过从手柄移除悬臂的 重量。在一些配置中，在平面上配置可以增强使用者可以辨别螺钉和/或 基质的特性的灵敏度。例如，虽然大的肌肉可以控制初始驱动，但是比离 开平面配置更靠近尖端的手指可以用于最终操作。因此，使用者可以使用 他们的手指进行微调，这可以在操作螺丝刀时提供更高的灵活性。此外， 当螺丝刀被较大的手臂肌肉握住时，在平面上配置可以抑制振动。此外， 通过使用大臂肌肉稳定并使用手腕/手指进行操作，与离开平面配置相比， 螺丝刀的移动(尤其是由不希望的颠簸引起的)可能较少，该离开平面配 置使用较大力矩臂并且因此是更容易受到抽搐/运动的影响。

在一些实施例中，装置的光滑形状因素可减小封装尺寸，因此结果是 节省成本。某些实施例可以简化从手动螺丝刀到动力螺丝刀的过渡，可以 增加发生驱动的尖端和组织的可见性，和/或可以减轻螺丝刀的重量，这 可以减轻使用者疲劳。

在一些实施例中，螺丝刀100可以部分地或完全地插套管和/或配置成 被插套管。这可以允许导丝和/或k线(或其他线，其类型不受限制)的螺 纹通过螺丝刀100。此外，套管可以允许抽吸以与螺丝刀100结合使用。套 管可以延伸通过整个螺丝刀100(例如，从后向前)，或者可以包括在主体 102的侧面上的孔，该孔可以引导到螺丝刀100的尖端(或尖端附近)。套 管通常可沿螺丝刀100的纵向轴线(或与之平行)延伸。

此外，在一些实施例中，螺丝刀100内的电机本身也可以被插套管。 因此，套管可以延伸穿过螺丝刀100的电机的至少一部分。电机可以部分 地或完全地插套管和/或配置成被插套管。套管可以延伸通过整个电机(例 如，从后向前)，或者可以包括在主体102的侧面上的孔，该孔可以引导到 螺丝刀100的尖端(或尖端附近)。在一些实施例中，套管通常可沿螺丝刀 100中的电机的纵向轴线(或与之平行)延伸。被插套管的电机可用于许 多不同的应用，包括例如在动力手术装置中使用被插套管的电机，在平面 动力手术装置中使用被插套管的电机，在平面动力手术装置中使用被插套 管的电机用于脊柱应用，在平面上动力手术装置中使用被插套管的电机用 于肢体，和/或在平面上动力手术装置中使用被插套管的电机用于大骨应 用。然而，被插套管的电机也可以用于其他过程，并且特定的过程不是限 制性的。

在一些实施例中，主体102可包括不同形状的手柄(或把手)。在一些 实施例中，不同的手柄可用于替换主体102的一部分，并且因此可与主体 102一体形成。在一些实施例中，不同的手柄可从主体102的近端拆卸，从 而允许使用者选择哪个特定手柄适合特定用途(例如，手术)的需要。在 一些实施例中，手柄可以在手术期间通过外科医生切换。例如，手柄可具 有到主体102的连接机构，例如通过公/母螺纹、按扣、紧固件或其他非限 制性可移除连接装置。

手柄可以由许多不同的材料制成，例如金属、塑料或橡胶，并且可以 具有各种不同的形状。手柄还可以包括抓握特征，例如凸起或凹陷，使得 使用者更容易控制手柄。图3示出了手柄30的示例性横截面形状，其可与 如本文所公开的螺丝刀一起使用。如图所示，这些手柄30可具有大致“T” 形(图3左)或大致圆形或球形(图3右)。虽然示出了这两个特定的手柄 30，但也可以使用其他手柄，例如通常为“J”形、手枪式握把或闭环手 柄等。图3的特定手柄形状和尺寸不是限制性的。

图4-7示出了螺丝刀100的示例。螺丝刀100具有主体102，主体102具 有可由使用者抓握的手柄。在所示的实施例中，手柄具有手枪式握把配置。 在一些实施例中，螺丝刀100大约7英寸长。螺丝刀100可以具有电源，例 如电池28。电源28可以装配在主体102中，例如手柄中。

图5示出了主体102的底部开口。主体102可以具有多个腔，例如设计 用于保持电池28的第一腔42和设计用于保持例如电路板的电子器件的第 二腔44。在安装电路板之后，可以固定盖板以密封第二空腔44以防止水分 侵入。将板和电池都插入手柄中可以减小螺丝刀100的长度和轮廓。

图6示出了放置在螺丝刀100的主体102的手柄中的电池28。在一些实 施例中，电池28完全封闭在主体102中。完全封闭的电池28可以确保电池 28在操作期间不暴露于生物材料。在一些实施例中，电池28用门容纳和/ 或密封。图7显示了手柄内的电池28。螺丝刀设计可包括从底部覆盖电池 28并将其推入手柄的机构。该特征将确保电池28在使用期间接合电源触头 与螺丝刀100。在一些实施例中，该机构可以在一侧铰接以起到疏水阀门 的作用。在其他实施例中，该机构可以固定在一个角上以在空腔上方或远 离空腔转动，以允许电池28插入。

螺丝刀100的各种实施例具有各种操作特性。例如，一些实施例提供 至少约3,000rpm，4,000rpm，5,000rpm，6,000rpm，10,000rpm，上述值 之间的值或其他值的最大转动速度(空载)。如上所述，一些实施例在达 到减速点之后减慢螺钉的转动。某些这样的实施例具有小于或等于约 500rpm，600rpm，700rpm，800rpm，900rpm，1,000rpm，1,100rpm，1,200rpm， 上述值之间的值或其他值的速度减慢(在空载时)。螺丝刀100的某些实施 例可以在螺钉上提供至少约25英寸-盎司，30英寸-盎司，35英寸-盎司， 40英寸-盎司，45英寸-盎司，上述值之间的值或者其他值的扭矩。螺丝刀 100的一些实施例可以在螺钉上提供至少：25N-cm，30N-cm，35N-cm， 40N-cm，45N-cm，在上述值之间的值或其他值的扭矩。

螺丝刀100的各种实施例包括前进输入，使用者可以接合该前进输入 以指示螺丝刀100沿向前方向转动螺钉，例如沿将螺钉插入骨中的方向。 例如，前进输入可以是开关、按钮、拨盘、触发器、滑块、触摸板等。某 些实施例具有多个输入构件，例如快速前进开关(例如，电机将在空载时 以大约4100RPM转动)和慢速前进开关(例如，电机将在空载时以500RPM 转动)。一些实施例具有反向输入，反向输入可以指示螺丝刀10沿相反方 向转动螺钉，例如沿着从骨移除螺钉的方向。反向输入可以类似于前进输 入，例如上述选项。在一些实施例中，接合反向输入使得电机在空载时以 约500RPM转动。在某些实施例中，螺钉的最终转动速度为约500RPM。在一 些实施例中，前进输入和超驰输入是相同的组件。

在各种实施例中，螺丝刀100包括配置成调节扭矩数据的部件，例如 通过过滤扭矩数据、减小来自传感器18(例如，电机电流传感器)的信号 中的噪声或者其他。例如，螺丝刀100可包括一个或多个低通滤波器。过 滤器可以用硬件和/或软件实现。例如，在一些实施例中，滤波器包括电 阻电容器电路。某些实施例包括软件过滤器，软件过滤器被配置成过滤掉 某些频率和/或扭矩水平数据。在各种实施例中，过滤部件可以促进更修 平的扭矩曲线。在一些变化中，过滤部件可以减小扭矩限制功能中的否则 可能由噪声和/或异常值测量引起的错误。在一些实施例中，可以利用查 找表或数学方程来执行电流、电压、功率等到转矩值(诸如纳米、英寸盎 司等)的转换。

在一些实施例中，螺丝刀可以包括附加特征，这些附加特征可以识别 和区分，已经就位的螺钉的起动扭矩与刚刚开始的螺钉的起动扭矩，例如 通过较高的初始扭矩值，这可以防止装置继续驱动并且潜在地剥去已安装 的螺钉。一旦螺钉已经就位并且在螺丝刀(例如驱动软件)已经复位后尝 试进一步拧紧，这可能是特别有利的。在一些实施例中，包括本文所讨论 的扭矩限制螺丝刀和延伸适配器的系统可配置成可拆卸地连接到螺丝刀，延伸适配器配置成能够将螺钉插入与螺丝刀的主体分开至少30mm间隔的 骨中。

关于与扭矩限制螺丝刀相关的某些特征的进一步公开可以在2014年7 月16日提交的美国专利No.9,265,551中找到，其全部内容通过引用并入本 文。例如，在'551专利中公开了某些扭矩限制功能，并且可以与本文公开 的螺丝刀结合使用。

螺钉插入过程概述

将螺钉插入骨中以将板固定在骨上的过程包括几个步骤。如图8A所 示，在初始阶段，螺钉通过板中的开口并且在期望的插入位置处邻近骨定 位。而且，螺钉可以与上面讨论的螺丝刀100连接，螺丝刀100可以开始相 对于骨转动螺钉。当螺钉转动时，螺钉开始切入骨，这提供用于待插入的 螺钉的主体的空间。对于是自动攻丝的螺钉，螺钉可以开始向外推动材料， 从而形成进入骨的路径。为了便于该过程，使用者可以例如通过螺丝刀100对螺钉施加一些轴向力。如图8B所示，在初始阶段期间，扭矩梯度可以呈 现陡峭的向上(例如，正)斜率，并且螺钉的转动速度减小(例如，与空 载时的速度相比)。图8C示出了图8A和8B的关系。

在初始阶段结束后，第一个插入阶段开始。在第一阶段，螺钉主体通 过在初始阶段产生的路径轴向移动到骨中。如图8B所示，在第一阶段期间， 扭矩梯度可以具有向下(例如，负)的斜率，并且与初始阶段的后期部分 相比，螺钉的转动速度可以增加。

在第二阶段，螺钉沿着入口螺纹产生的路径继续前进到骨中。通常， 螺钉基本上使螺钉主体的整体或整个螺纹长度(小于板的轴向厚度)进入 骨中。在一些实施例中，当螺钉前进螺纹的长度时，扭矩对比时间(或扭 矩对比螺钉的转动)曲线将具有正扭矩梯度。

当螺钉头最初靠在板上时，第三阶段开始。如图所示，螺钉通常具有 头部，该头部的直径至少大于板中的开口的部分。因此，在第三阶段期间， 头部可以接触板并且抑制或防止螺钉进一步穿过板。这可导致扭矩曲线的 初始急剧增加。如图8B所示，在第三阶段期间，扭矩梯度可以向上(例如， 正)。例如，斜率可以小于初始阶段的斜率但是大于第二阶段的斜率。在 某些实施例中，第三阶段的后半部分，扭矩梯度呈现平坦化(例如，达到 平台)和/或包括峰值，例如局部最大扭矩，其小于在第四阶段期间的拐 点处的扭矩，将在下面讨论。在某些变化中，第三阶段期间螺钉的转动速 度小于第二阶段期间的速度。

在第四阶段，螺钉完全固定在板上，从而固定地固定螺钉、骨和板。 这可以包括螺钉的头部被部分地或完全地接收到板的开口中并且被该板 阻止或防止进一步轴向移动到骨中。如图8B所示，在第四阶段期间，扭矩 可以继续增加，但速度小于第三阶段的速率。例如，第四阶段中的曲线的 斜率可以小于第三阶段中的斜率(例如，在第三阶段的结束处)。扭矩可 以在第四阶段达到谷峰，之后扭矩开始减小。在一些实施例中，第四阶段 中的螺钉的转动速度小于初始阶段、第一阶段、第二阶段和第三阶段中的 螺钉的转动速度。

在可能在第四阶段之后发生的过扭矩阶段中，可以向螺钉施加额外量 的扭矩以进一步拧紧骨中的螺钉。这可能使骨中的螺钉经受略微的过扭矩 (例如，违反螺钉和/或骨的屈服强度)。过多的过扭矩是不希望的，因为 它会导致螺钉剥离。但是相对小量的过扭矩可能是有益的，因为它可以导 致螺钉和/或骨的轻微变形，这可以帮助将螺钉保持在其位置，并且从而 抑制或防止板相对于骨移动。在各种实施例中，通过转动螺钉最终量来完 成过扭矩。例如，螺钉可以转动大约：一圈、1/2圈、1/4圈、1/8圈、其 中间的值或其他值。在一些实施例中，螺钉过扭矩的量为至少1牛顿厘米 (N-cm)和/或小于或等于约5N-cm(或在约1N-cm和5N-cm之间)。

插入过程各阶段的某些方面在表A中总结如下：

表A

通常，为了从骨移除螺钉并释放板，螺丝刀100可以与螺钉的头部接 合并且反转螺丝的转动。因为螺钉没有切入骨中并且没有紧贴骨或板，所 以在移除操作期间螺钉上的扭矩通常小于上述插入过程期间的扭矩。

螺钉插入过程中的扭矩

用于将螺钉插入给定骨中的扭矩可以显著变化。影响将螺钉插入骨中 所需的扭矩量的一个因素是骨的密度，其可以基于年龄、性别、疾病和其 他因素而改变。通常，骨越致密，插入螺钉所需的力越大。另外，骨的密 度可以根据螺钉的位置而改变。影响将螺钉插入骨中所需的扭矩量的另一 个因素是螺钉的特性，例如直径、长度、螺纹类型(例如，每英寸的形状 和/或螺纹数)、材料、与骨的摩擦系数和其他特征。通常，螺钉越长(例 如，轴向长度至少约为3mm、4mm、5mm或其他)，将螺钉插入完全安装位置 所需的扭矩就越大。

图9示出了作为骨密度的函数的3mm、4mm和5mm螺钉类型的示例性扭 矩。如图所示，基于螺钉的尺寸和类型以及螺钉插入的骨密度基底，可以 存在不同的扭矩要求。这可能在使用固定扭矩限制中引起问题。例如，如 果基于致密骨基底和较小(例如，3mm)螺钉来固定扭矩极限，则插入密 度较大的骨基底上的较大(例如，5mm)螺钉可能不会完全就位。另一方 面，如果基于较大(例如，5mm)螺钉和较致密的基质来固定扭矩极限， 则较不致密的基质上的较小(例如，3mm)螺钉在插入期间可能剥离。

某些螺丝刀包括用于特定螺钉类型的固定扭矩值。例如，对于3mm螺 钉，螺丝刀100可包括扭矩极限，该扭矩极限设定为特定于该类型螺钉和 螺钉将插入的特定类型的骨的值。对于配置成接收和驱动三种类型的螺钉 (例如，3mm、4mm和5mm)的螺丝刀100，螺丝刀100将包括三个扭矩极限 值。这些值可以通过用于具有每种基质的每种螺钉类型的实验来确定。

可变扭矩限制实施例

螺丝刀100的各种实施例使用算法来动态地确定扭矩极限和/或何时 停止螺钉的转动。这可以允许螺丝刀考虑插入变量(例如，骨的密度和螺 钉特定)，以便正确地固定螺钉，同时还抑制或防止螺钉剥离或损坏患者 的骨。在若干实施例中，插入变量不需要被输入螺丝刀。相反，螺丝刀100 的某些实施例可以确定螺钉何时被正确安装和/或可以基于相对于其他参 数(例如螺丝刀100已经转动螺钉的时间和已经施加在螺钉上的扭矩量) 转动螺钉所需的扭矩来避免螺钉的剥离。

下面描述了几种扭矩限制方法、算法和组件。本说明书中任何地方公 开的任何方法、算法或组件可以与本说明书中任何地方公开的任何其他方 法、算法或组件结合使用，或者可以单独使用。

差动扭矩比较

在一些实施例中，可以使用比较在插入操作的某些部分期间扭矩已经 如何变化的算法。为了便于这种比较，控制器20可以在插入螺钉的过程中 计算扭矩的离散变化(例如，扭矩作为时间的函数)。例如，如图10所示， 控制器20可以在螺钉的一些或全部插入中确定Δq值和Δt值，其中Δq是 扭矩的变化，Δt是螺丝的时间、深度或转动的变化。某些实施例在螺钉 的插入阶段期间使用Δq值和Δt值的关系。例如，一些实施例在满足如下 比较时接合扭矩限制特征(例如，停止电机)：

这种算法可以使螺丝刀100能够限制扭矩，同时还考虑插入过程的某 些方面。例如，该算法可以包括和/或考虑在低水平处扭矩开始并且在高 水平处速度开始。算法的某些实施例包括和/或考虑到，当螺钉在被拧入 骨中时，扭矩可能增加并且速度的降低可能减小。算法的一些变化包括和 /或考虑到，当螺钉就位在板上时，扭矩可能增加并且速度可能减小。算 法的各种实施例被配置成抑制或避免螺钉的剥离的失效模式。

在某些实施例中，对测量的扭矩量(或由电机汲取的电流或本文所讨 论的确定转动/扭矩的其他方法)进行采样，例如大约每10毫秒(ms)，20ms 或其他时间值。扭矩和时间数据可以存储在存储器中。这可以便于监测扭 矩相对于时间的变化(例如，扭矩的一阶导数)。如上所述，扭矩可以与 插入螺钉所需的电机功率成正比。在若干实施例中，给定时间的扭矩由控 制器20确定，控制器20接收来自传感器18的指示由电机12汲取的电流的信号。

连续扭矩值、阈值和减速

在一些实施例中，当多个值满足条件时，方法和算法激活(例如，接 合)扭矩限制功能。例如，如下面更详细地讨论的，螺丝刀100可以监测 用于多个(例如，两个、三个、四个、五个)连续减小值的扭矩，并且可 以响应于正被满足的这种条件减小和/或停止螺钉的转动(例如，通过减 小或停止到电机12的功率)。

图11显示了说明性扭矩-时间曲线。如图所示，扭矩曲线可以分为几 个时段，例如时段1、时段2、时段3和时段4。在一些实施例中，时段1(例 如，如上所述的初始阶段)包括初始接合和螺钉进入基底(例如骨)。在 此期间，扭矩量可以迅速增加。时段1还可以包括增加的噪声水平和/或不 可预测或不可靠的扭矩数据。这样，在一些实施例中，在时段1期间测量 的扭矩数据不用于控制螺丝刀的操作。而是，在时段1期间的扭矩数据被 忽略或仅被记录。因此，时段1被称为“死区”。在一些实施例中，死区在 时间0(例如，螺钉开始穿入骨中的螺钉插入过程的开始)之后延伸至少 约50ms和/或小于或等于约200ms。在某些实施例中，死区具有小于或等于 约100ms(或小于或等于约100ms)的持续时间。

时段2发生在时段1结束时。在时段2期间(例如，如上所述的第二阶 段)，螺钉处于穿入基质的过程中并且可以经历比在时段1期间经历的初始 扭矩更小的扭矩。在一些变化中，时段2的扭矩数据不用于扭矩限制目的， 而是记录或记载。

在时段3中(例如，类似于上面讨论的第三阶段和第四阶段的大约前 半部分)，螺钉上的扭矩可以增加。这是因为，例如，螺钉与板接合，并 开始将板紧靠骨。在一些实施例中，在插入螺钉期间达到阈值点(例如， 阈值条件)，例如在时段3的开始处或附近。在一些实施例中，螺丝刀100 响应于达到阈值点呈现扭矩限制功能可激活。例如，如果在达到阈值点之 前经历了扭矩限制条件，不激活扭矩限制功能。相比之下，在达到阈值点 之后，如果发生扭矩限制条件，则可以激活扭矩限制功能。这可以避免激 活扭矩限制功能的错误和/或瞬时扭矩值，这可能导致螺丝刀100的过早停 止和/或螺钉的不完全插入。在某些实施例中，阈值点可以用作闸门，由 此扭矩限制功能可以仅在施加到螺钉的扭矩达到阈值点时或之后接合。

在一些实施例中，阈值点是扭矩和/或电流的函数。例如，阈值点可 以是至少约5N-cm，7N-cm，10N-cm，12N-cm，15N-cm，17N-cm，20N-cm， 25N-cm，上述值之间的值或其他值的扭矩值。在某些变化中，阈值点以大 于或等于约5N-cm和/或小于或等于约15N-cm(或在约5N-cm与约15N-cm之 间)的扭矩发生。在一些实施例中，响应于施加到螺钉的扭矩达到或超过 阈值点的扭矩值，则能够接合扭矩限制功能。如上所述，扭矩可以由电机 12汲取的电流确定。在一些实施例中，当由电机12汲取的电流至少约为 0.25A，0.50A，0.75A，1A，1.25A，1.5A，1.75A，2A，2.5A，3A，上述 值之间的值或其他值时，满足或超过阈值点。在包括多相电机(例如，三 相电机)的某些实施例中，相的平均总正向电流用于确定电流。一些实现 在确定电流时使用直接正交零变换或Park的变换。

在一些实施例中，阈值点是时间的函数。例如，在某些变化中，阈值 点可以从时间0发生一定的时间量。在一些实施例中，阈值点从时间0发生 至少300ms(或至少约300ms)和/或小于或等于500ms(或小于或等于约 500ms)。在某些变化中，阈值点在时间0之后出现大于或等于约200ms(或 大于或等于约200ms)。

继续参考图11，螺丝刀100可包括减速点(例如，减速条件)。在一些 实施例中，螺丝刀100响应于正在或已经达到的减速点而改变其转动螺钉 的速度。例如，在达到减速点之前，螺丝刀100可以以第一速度(例如， 大于或等于大约3600rpm)操作，并且在到达减速点之后，螺丝刀100可以 以第二转动速度操作(例如，小于或等于约900转/分钟)。在一些实施例 中，减速导致螺钉完全插入的延迟至少约为0.10秒，0.25秒，0.50秒，0.75 秒，1秒，1.5秒，上述值之间的值或其他值。螺丝刀100的某些实施例可 以增加插入螺钉所花费的总时间，例如至少上述时间值。螺丝刀100的其 他实施例不会增加总插入时间。例如，一些变化在减速点之前增加插入速 度(并减小插入时间)足够量以抵消在减速点之后的速度降低(和插入时 间的增加)。

降低螺钉的插入速度(例如，转动速度)可能是有益的。例如，这可 以降低在插入螺钉期间扭矩增加的速率。在一些实施例中，降低插入速度 改善了在螺钉插入过程期间(例如，在时段3和/或时段4期间)由螺丝刀 100施加到螺钉的扭矩的监测和/或分辨率，例如通过提供额外的时间用于 处理器22和/或传感器18(例如，电流传感器)以监测螺钉上的扭矩量和/ 或确定是否应激活扭矩限制功能或向使用者显示扭矩。例如，速度从大约3600rpm降低到大约900rpm可以将时段3和/或时段4的持续时间增加大约4 倍。在一些实施例中，减速导致所监测的扭矩(例如，由传感器18检测到 的电机的电流消耗)的分辨率的增加至少约为：2,3,4,5,6，在上述值之 间的值或其他值。

在一些实施例中，转动速度的降低可提供螺钉相对于基质的更准确和 /或精确的转动。例如，电机、传动系和/或螺钉的转速的降低可以减小那 些部件的动量。在一些实施例中，这可以降低错误的可能性，例如由该动 量的非预期转动引起的错误。在一些实施例中，减速导致螺钉的转动动量 减小至少约50％，100％，200％，300％，400％，500％，上述值之间的 值或其他值。

在某些变化中，螺钉速度的降低可以向使用者(例如外科医生)提供 指示。例如，减小可以提供已经达到一定量扭矩的信号，即已经或即将达 到阈值点(例如，在小于或等于约0.75秒内)，即将要到达的扭矩限制点 (例如，在小于或等于约1秒内)，和/或螺丝刀100即将停止驱动螺钉。在 一些实施例中，减速伴随有指示器，例如光(例如，LED)、可听声音或其 他感官指示器的激活。

在一些实施例中，减速点是扭矩和/或电流的函数。例如，减速点可 以是至少约5N-cm，7N-cm，10N-cm，12N-cm，15N-cm，17N-cm，20N-cm， 25N-cm，上述值之间的值或其他值的扭矩值。在某些实施例中，减速点 以大于或等于5N-cm和/或小于或等于15N-cm(或在约5N-cm与约15N-cm之 间)的扭矩发生。在一些实施例中，螺丝刀100响应于螺钉上的扭矩达到 或超过减速点的扭矩值而接合减速功能。如前所述，扭矩可以由电机12汲 取的电流确定。在一些实施例中，当由电机12汲取的电流至少约为0.25A， 0.50A，0.75A，1A，1.25A，1.5A，1.75A，2A，2.5A，3A，上述值之间的 值或其他值时，达到减速点。包括多相电机(例如，三相电机)的一些实 施例使用相的平均总正向电流来确定电流。某些变化在确定电流时使用直 接正交零变换或Park变换。

在一些实施例中，减速点是时间的函数。例如，在某些变化中，减速 点从时间0发生一定量的时间。在一些实施例中，减速点从时间0(或在约 300ms和约500ms之间)发生至少300ms和/或小于或等于500ms。在某些变 化中，减速点在时间0之后大于或等于约200ms(或大于或等于约200ms) 发生。

在一些实施例中，阈值点和减速点是相同的点。例如，如图所示，阈 值点和减速点都可以在时段3的开始处发生。在一些实现中，这由来自时 间0的时间量确定，例如至少约150ms，200ms，250ms，300ms，350ms，400ms， 500ms，上述值之间的值，或者其他值。在其他实施例中，阈值点和减速 点是不同的点。例如，在一些实施例中，减速点发生在阈值点之前；在其 他实施例中，减速点发生在阈值点之后。在一些实施例中，阈值点和减速 点被分开一段时间(例如，小于或等于约100ms)。在一些实施例中，阈值 点和减速点分开扭矩量(例如，小于或等于约3N-cm)。

如图所示，时段4(例如，类似于大约第四阶段的后半部分和上面讨 论的过扭矩阶段)在时段3结束之后开始，例如在扭矩曲线的顶点附近。 时段4可包括扭矩的减小(例如，负扭矩梯度)。这可以表明螺钉和/或基 质的屈服和/或剥离即将发生或已经开始。在一些实施例中，螺丝刀100监 测用于N个连续减小扭矩值的扭矩数据。例如，在一些实现中，N等于 2,3,4,5,6,7或其他。在N为4的实施例中，当观察到4个连续减小的扭矩值 时，将满足扭矩限制条件。在各种实施例中，在已经满足扭矩限制条件并 且已经通过阈值点之后，扭矩限制算法可以指示螺丝刀100停止转动螺钉。 例如，可以减小或消除对电机12的供电。

图12示出了扭矩限制方法和算法的另一个实施例。在这个算法中：

t是以微秒为单位的时间增量；

I是电流采样；

Γ是扭矩，与电流样本成比例；

i是系统样本的时间增量；

n是阵列长度；

Q是dΓ/dt；和

S是计数变量。

该算法可以包括阵列，例如：

如图所示，在第一块601中，可以启动电机12。

例如，响应于使用者激活输入(例如，按钮或开关)，螺丝刀100上的 控制器20可以指示向电机12供电以开始转动螺钉。在一些实施例中，电机 12在至少第二块602中继续运行。

在各种实施例中，收集(例如，观察和记录)扭矩值。在这方面，各 种实施例检测(例如，利用传感器18)由电机12汲取的电流量。该电流汲 取数据可用于确定扭矩量，因为由电机12汲取的电流通常与电机正在施加 到由螺丝刀100驱动的螺钉的扭矩量成比例。如图所示，在块603中，可以 收集在每个时间增量处的扭矩量并存储在存储器24中。扭矩和时间数据可 用于通过n个样本增量创建用于i的阵列或矩阵Q_A。在随后的块604中，可以 收集另外的扭矩值用于额外的时间增量，并且可以使用另外的时间和扭矩 数据来创建另一个阵列或矩阵Q_B。

一些实施例包括比较块605，其中比较Q_A和Q_B。在某些实现中，如果Q_B大于Q_A，则算法返回到较早的块，例如块602。这可以允许创建和比较其他 阵列Q_A和Q_B。因此，在一些实施例中，在算法的实现期间，阵列Q_A和Q_B的比 较基本上不断地发生在循环中。

如图所示，如果Q_B不大于Q_A，则可以执行算法的迭代部分。在一些实 施例中，这包括初始化和/或递增计数变量S。例如，对于每次算法确定Q_B不大于Q_A，则算法可以进行到块606，其中计数变量S增加1。

如图所示，在块607中，将计数变量S与预设数量N的可允许连续减小 扭矩值(例如，2,3,4,5,6或其他)进行比较。例如，如果计数变量S不大 于数量N，则算法可以返回到较早的块(例如，块602)。可以在块603-605 中创建和比较另外的Q_A和Q_B阵列。在返回到块605中时，如果Q_B仍然不大于 Q_A，则算法可以进行到块606并且计数变量S再次增加1。在各种实施例中， 如果Q_B大于Q_A，则计数变量S被初始化(例如，S＝0)。

在某些实施例中，如果计数变量S大于(或在某些变化中大于或等于) N个连续减小的扭矩值，则算法前进到块608，其中可以激活扭矩限制功能。 例如，控制器20可以发出应该停止电机12的指令(例如，通过消除或减小 提供给电机的功率)。因此，可以控制和/或限制施加到螺钉的扭矩。

根据各种实施例，如果观察到少于N个连续减小的扭矩值，则电机12 继续操作。这可以降低扭矩限制算法过早地停止螺钉驱动的可能性。例如， 通过不停止电机12，除非观察到至少N个连续减小的扭矩值，可以避免由 于电流信号中的噪声或瞬时扭矩减小而导致的电机的过早停止。

在一些实施例中，如果计数变量S大于或等于预设数量N的连续减小的 扭矩值，则电机停止。例如，如果N等于4，则当计数变量S大于或等于4时 电机停止(例如，通过块602-606的四次连续迭代，其中每次扭矩值减小)。 否则，在一些实施例中，电机继续运转并驱动螺钉。

公差带和谷峰确定

图13和14示出了扭矩限制方法和算法的另一实施例。如图所示，某些 实施例包括在扭矩曲线的顶点之前和之后的“公差带”。在公差带中停止 螺钉的转动可以确保螺钉固定在骨中(例如，螺钉未被剥离)。

如图13所示，公差带可包括拐点(例如，斜率变化变为零、从正变为 负或以其他方式变化)。在一些实施例中，拐点是二维的，例如扭矩和时 间(或螺钉的转动)。螺丝刀100的某些实施例基于已到达的拐点来监测和 /或发出停止指令。这使得螺丝刀100能够在达到拐点附近、达到拐点处或 达到拐点之后使电机12停止。在一些变化中，在达到拐点并且已经发生另 外的事件之后，电机12部分地或完全地停止。例如，事件可以是扭矩变化 量(例如，扭矩减小至少约：5％，10％，20％，30％，上述值之间的值 或其他值)，发生螺钉的转动(例如，附加转动至少约：1/8圈，1/4圈， 1/2圈，3/4圈，1圈，2圈，上述值之间的值或其他值)，或者其他。

在一些实施例中，控制器20可以通过监测用于多个连续增加的扭矩值 和多个连续减小的扭矩值的扭矩来确定公差带。例如，控制器20可以确定 何时发生N1(例如，2,3,4,5,6,7等)连续增加值，接着是N2(例如， 2,3,4,5,6，7等)连续减小值。这可以指示已经达到谷峰并且应该接合扭 矩限制功能。在一些实施例中，一个或多个扭矩值将连续增加值和连续减 小值分开。例如，响应于可以检测到N1个连续增加值，接着是一个或多个 中间扭矩值，接着是N2个连续减小值，可以结合扭矩限制功能。这可以解 释谷峰处或附近的扭矩的微小变化和/或基本相等的谷峰扭矩值。

公差带可以进一步参看图14的示例性扭矩顶点的特写视图。如图所 示，公差带可包括正斜率部分(也称为上斜坡部分)、负斜率部分(也称 为下斜坡部分)或斜坡的两侧。在一些实施例中，扭矩限制算法在螺钉插 入过程中考虑上斜坡部分和下斜坡部分。在某些实施例中，算法的上斜坡 部分有助于或确保螺钉的固定，而算法的下斜坡部分有助于或确保螺丝刀 在扭矩达到顶点后停止转动螺钉。

某些实施例通过确定在插入操作期间扭矩随时间变化(Δq/Δt)值 的变化来确定上斜坡。该方法还可以包括测量X数量(例如，2,3,4,5,6或 其他)的扭矩数据点。该方法可以包括转动螺钉并监测扭矩值直到扭矩值 达到谷峰(例如，顶点)。例如，可以通过比较在不同扭矩采样点(例如， 0,1,2,3,4)处的Δq/Δt值来确定谷峰，例如可以表示为：Δq(p0)/Δ t，Δq(p1))/Δt，Δq(p2)/Δt，Δq(p3)/Δt，Δq(p4)/Δt等。 在一些实施例中，谷峰(例如，当Δq/Δt的值已达到其最大值时)表示 螺钉被固定就位并且已将骨板压靠在骨上。如果Δq/Δt值处于或接近零， 那么这可以指示螺钉被固定和/或处于或接近谷峰扭矩。这样，在某些实 施例中，响应于Δq/Δt值处于或接近零，停止螺钉转动(例如，通过停止电机12)。

类似地，某些实施例通过确定在插入操作期间扭矩随时间变化(Δq/ Δt)值的变化来确定下斜坡。然而，在使用下斜坡确定谷峰扭矩时，Δ q/Δt比较寻找用于N个连续点的零或略微减小(例如，小于先前值的约 5％)的Δq/Δt值。

拐点

一些实施例识别何时达到或超过拐点(也称为扭矩曲线的谷峰或顶 点)。拐点可以发生在公差带中。图15A-15E示出了可用于识别何时达到或 超过拐点和/或响应于已经达到或超过拐点而采取行动的方法和算法的各 种示例。例如，类似于上面讨论的实施例，该方法可以配置成确定可以用 于激活扭矩限制功能的扭矩限制条件。这可以使螺钉正确就位，同时还可 以防止螺钉剥离。例如，在一些实施例中，螺丝刀100可以基于已经达到 或超过的拐点(例如，在死区之后)发出扭矩限制指令。作为另一个示例， 在一些实施例中，螺丝刀100可以基于已经达到或超过的拐点并且在已经 发生另外的事件之后发出扭矩限制指令。结合图15A-15E描述的方法可包 括结合图10-14描述的方法的任何特征。

如图15A所示，一些方法通过确定扭矩值大于或等于阈值来识别已经 达到或超过了拐点。阈值可以是绝对或平均扭矩值。在一些实施例中，阈 值可以是拐点，并且在各种其他实施例中，阈值可以对应于拐点处或附近 的扭矩曲线上的点，使得其近似于拐点的位置。在一些实施例中，当阈值 大于或等于阈值时，控制器20可以发出扭矩限制指令。例如，在一些实施 例中，当已经满足阈值时，控制器20可以减慢和/或停止电机12。在一些 实施例中，当阈值大于或等于阈值并且在随后的时间间隔ΔT已经过去之 后，控制器20可以发出扭矩限制指令。例如，在一些实施例中，当已经满 足阈值并且时间间隔ΔT已经过去时，控制器20可以减慢和/或停止电机 12。

图15B示出了通过确定一个或多个平均值然后比较它们来识别已经达 到或超过拐点的方法。例如，如图15B所示，可确定时段T₁上的N个连续扭 矩值的第一平均A₁，并将其与在后期T₂上的N个连续扭矩值的随后确定的平 均值A₂进行比较。样本编号N可以是任何合适的数字(例如， 2,3,4,5,6,7,8,9,10或大于10)。时段T₁和T₂可以具有相同或不同的持续时 间，并且是任何合适的值。在一些实施例中，当A₁大于A₂时，控制器20可 以发出扭矩限制指令。例如，在一些实施例中，当A₁大于A₂时，控制器20 可以减慢和/或停止电机12。在一些实施例中，平均值A₁和A₂可具有重叠的 扭矩值。在一些实施例中，一个或多个扭矩值可以将平均值A₁中的N个连续 扭矩值的样本与平均值A₁中的N个连续扭矩值的后续样本分开。平均值A₁和A₂之间的间隔可以帮助解决在拐点处或附近的扭矩的微小变化和/或在 拐点处或附近的基本相等的扭矩值。分离可以小于或等于2,3,4,5,6或更 多扭矩值。

图15C示出了通过比较第一和第二扭矩值(例如，当前扭矩值与先前 扭矩值)来识别已经达到或超过拐点的方法。例如，如图15C所示，可以 将第一扭矩值Γ₁与第二扭矩值Γ₂进行比较。在一些实施例中，当Γ₂小于 Γ₁时，控制器20可以发出扭矩限制指令。例如，在一些实施例中，当Γ₂小于Γ₁时，控制器20可以减慢和/或停止电机12。在一些实施例中，Γ₁和Γ₂可以被时段T分开，并且Γ₁和Γ₂可以在任何合适的采样间隔I处被采 样。采样间隔I可以小于或等于时段T。在一些实施例中，Γ₁是相关的和/ 或锚定到小于拐点的预期值的参考值。在一些实施例中，可以在每个采样 间隔I处迭代地测量Γ₂，然后将其与相同的Γ₁进行比较。在一些实施例中， Γ₂是当前扭矩值，并且Γ₁是在Γ₂之前测量的扭矩值。

图15D示出了通过将测量样本的第一扭矩值与测量样本的一个或多个 后续扭矩值进行比较来识别已经达到或超过拐点的方法。例如，如图15D 所示，对于具有五次测量的样本S，可以将第一扭矩值Γ1与四个后续扭矩 值Γ2-Γ5进行比较。样本S可包括任何合适数量的测量值(例如， 2,3,4,5,6,7,8,9,10或更多)。对于2的样本大小，图15D的方法基本上重 新描述了上面关于图15C所阐述的方法。关于图15D，当第一扭矩值Γ1是 样本中的最大值时，控制器20可以发出扭矩限制指令。例如，在一些实施 例中，当Γ1是样本中的最大值时(例如，当Γ1大于图15D中的Γ2，Γ3， Γ4和Γ5时)，控制器20可以减慢和/或停止电机12。样本S的测量可以是 连续的，并且可以在任何合适的样本间隔I下测量。

图15E示出了通过确定扭矩的百分比减小小于或等于阈值百分比(也 称为百分比滤波器)来识别已经达到或超过拐点的方法。如图15E所示， 当扭矩阈值减小被测量时，可以触发百分比计算。在一些实施例中，阈值 降低可以是大约5N-cm，但是可以理解任何合适的阈值(例如，超出上述 范围的值)。在一些实施例中，当测量值大于或等于阈值减小时，可以使 用测量值或阈值减小来计算百分比减小量。如果百分比减小小于或等于百 分比阈值减小，则控制器20可以减慢和/或停止电机12。例如，在一些实 施例中，当被测量扭矩减小大于或等于阈值减小并且从被测量的或阈值降 低计算的扭矩减小百分比小于或等于阈值百分比时，控制器20可以发出扭 矩限制指令以减速和/或停止电机12。

百分比阈值可以帮助在公差带中的拐点处的谷峰与可能发生的其他 较低值谷峰之间区分(例如，错误或瞬时扭矩值导致的谷峰和/或由在图 8A，8B和8C中初始阶段和第一阶段之间的谷峰)。例如，在一些实施例中， 阈值降低和百分比阈值可分别设定为5N-cm和10％。在这样的实施例中， 如果从例如60N-cm的谷峰测量5N-cm降低，则百分比降低将为约8.3％。在 这种情况下，由于5N-cm的被测量的减小量大于或等于阈值减小并且计算 的8.3％的百分比减小量小于或等于百分比阈值，因此控制器20将发出扭 矩限制指令以减慢和/或停止电机12。然而，如果在相同的示例中，从例 如30N-cm的谷峰测量6N-cm减小，则百分比减小将为约20％。在这种情况 下，即使测得的6N-cm的减小量大于或等于阈值减小，控制器20仍然不会 发出扭矩限制指令，因为计算的20％百分比减小不小于或等于百分比阈值。在一些实施例中，阈值减小和百分比阈值可以通过分析样本扭矩曲线 的汇编(例如，统计上显著的扭矩曲线样本)来建立。在一些实施例中， 当测量的扭矩减小大于或等于设定的阈值减小时，控制器20可以发出扭矩 限制指令，而不计算是否已经满足或超过百分比阈值。

混合功能

螺丝刀100的一些实施例被配置成作为“混合”螺丝刀操作，该螺丝 刀是具有动力状态和手动状态的螺丝刀。在动力状态下，电机12可以为螺 丝钻头部104提供动力，从而驱动螺钉。在手动状态下，使用者(例如， 外科医生)可以手动转动螺丝刀100，从而驱动螺钉。在一些实施例中， 外科医生可以在外科手术期间容易地在自动和手动操作之间来回切换，这 取决于外科医生的特定需要和/或手术的要求。

例如，一些外科医生更喜欢手动开始将螺钉插入患者的骨中。因此， 螺丝刀100可以配置成使使用者能够将螺丝刀100设置在手动模式。这可以 使使用者能够感觉到更多的控制和/或可以促进螺钉的正确对准。在外科 医生确定螺钉在骨内正确对准并插入初始量之后，外科医生可以切换到动 力驱动模式以进一步将螺钉驱动到骨中，例如插入大部分螺钉。这可以减 小外科医生的总体工作量，减小外科医生的压力，减小剥离螺钉头的机会，或者其他。

螺钉插入区域的示例如在图16中所示。如图所示，螺钉可包括“手动 区”和“动力区”。在一些实施例中，螺钉的开始部分(例如，小于螺钉 长度的约30％)包括“手动区”。该区域是外科医生可能希望用螺丝刀100 手动转动螺钉的地方。

在一些实施例中，在螺钉已经插入超过“手动区”的深度之后，螺丝 刀100可以切换到动力驱动模式。然后外科医生可以使用螺丝刀的电机以 驱动螺钉穿过图16中所示螺钉的“动力区”。“动力区”可包括大部分螺钉 长度(例如，至少约70％)。

螺丝刀100的实施例可以节省大量工作和/或提供其他益处。许多骨 (特别是脊柱区域中)非常致密，并且需要花费大量精力手动拧入螺钉。 因此，通过使电机执行与驱动螺钉相关的大部分工作，螺丝刀100可以减 轻外科医生的疲劳、外科医生身体上的负担等。另外，螺丝刀100的动力 驱动操作可以允许更快的外科手术，特别是如果需要将多个螺钉插入患者 体内。此外，通过进行动力驱动操作，外科医生向螺钉提供在纵向轴线外 部的运动的风险较小(例如，在手动使用期间通过意外转动)，由此加宽 了骨中的孔，损坏了骨的边缘，或剥离螺钉。

这对于外科手术可能是有利的，例如通常使用放射性荧光透视成像的 手术。通过使用所公开的螺丝刀100的实施例，可以减小患者对放射性元 件的暴露，特别是对于儿童。例如，通过包括动力驱动模式，可以加速外 科手术。此外，随着外科医生反复执行这些类型的手术，他们可能会经历 累积的辐射暴露。因此，减小外科医生经历荧光透视成像的放射性元件的 时间量可能是有利的。

此外，由于所公开的螺丝刀100的实施例可以包括如上所述的扭矩限 制功能，对于在“动力区域”之后螺丝刀切换到手动模式可能再次是有利 的。这允许使用者在螺钉已经被大部分地插入患者以后对螺钉进行任何最 终调整。例如，如果在外科医生看来，螺丝刀100的扭矩限制功能过早地 停止螺钉的插入，则混合螺丝刀的手动模式可以使外科医生能够添加一些 最终的手动转动以进一步将螺钉插入到患者中。

在一些实施例中，棘轮机构可用于在螺丝刀100的动力驱动操作和手 动操作之间切换。在一些实施例中，棘轮仅在一个方向上操作，例如在向 前(例如，顺时针)方向上操作。一些实施例包括反向超越离合器机构。 在一些实施例中，可以使用双驱动棘轮机构。然而，其他系统可用于在手 动和自动之间切换，并且其他方法不限制本公开。棘轮技术可以增强感觉， 并允许外科医生利用动力和手动设备的好处。

在一些实施例中，从动力驱动模式切换到手动模式可以插入止动件 (例如杆，翼片或齿)以阻止或防止电机或传动组件中的任何中间部件 (轴、齿轮等)的转动，从而为使用者提供手动转动螺丝刀100的能力。 当从手动模式切换到动力驱动模式时，可以移除止动件，允许电机转动驱 动头104。用于在手动和动力驱动模式之间切换的特定方法不是限制性的， 也可以使用其他方法。

在一些实施例中，用于螺丝刀100的默认设置应是手动的，并且仅在 操作特定机构时才能打开电机12并且可以执行动力驱动操作。通过将默认 设置设定为手动，如果没有外科医生故意这样做，螺丝刀100将不会切换 到通电。因此，可以减小或消除螺丝刀100的意外动力驱动操作的风险。 此外，通过使默认设置为手动，这可以减小电池意外放电的可能性并且允 许螺丝刀100的更长的保存期限。然而，应该理解，在其他实施例中，默 认设置可以是动力驱动操作。

可以使用不同的方法从手动控制切换到动力控制(反之亦然)。例如， 主体102可以包括按钮(类似于按钮106)，当按下按钮时，将螺丝刀100从 手动操作切换到动力驱动操作。当释放按钮时，螺丝刀100可以自动切换 回手动操作。因此，当外科医生希望在动力驱动模式下操作螺丝刀100时， 他们将在整个时间内按下按钮。因此，允许外科医生在需要时快速且容易 地停止动力驱动模式，为外科医生提供显著的控制。在一些实施例中，螺 丝刀100可以被压力激活，因此当螺丝刀100的尖端感测到施加的压力时， 它可以自动地开始转动。

也可以使用其他切换螺丝刀100的方法。例如，主体102可包括其他致 动机构，例如杠杆、开关、触摸传感器、热传感器或压力传感器。在一些 实施例中，主体102可具有可转动以激活动力驱动模式的部分。如上所述， 利用这些致动机构，默认可以用于手动控制，并且仅在致动时螺丝刀才切 换到动力驱动操作。这些按钮、开关或其他致动构件的特定位置不是限制 性的，并且可以位于主体102上最容易被外科医生激活的位置。

在一些实施例中，螺丝刀100可以创建自包含的无线或蓝牙网络，其 可以由外科医生或来自外科手术团队的其他人访问。根据外科医生的请 求，外科手术团队的成员可以连接到无线网络并手动地将螺丝刀100切换 到动力驱动模式，例如通过按下智能手机的屏幕。当外科手术团队成员释 放电话屏幕时，螺丝刀100可以切换回手动。这将允许外科医生控制螺丝 刀100，同时保持他或她的手没有任何额外的按钮或其他致动构件。

一些实施例中，主体102可包括其他控制机构，用于在“螺旋模式” 和“钻孔模式”之间切换螺丝刀100的动力驱动操作。这可以改变螺丝刀 的扭矩限制功能，并根据外科医生的需要提供不同的转速/功率输出/扭 矩。在一些实施例中，钻孔模式中的默认可以被动力驱动并且外科医生可 能不需要进一步压下致动器以将螺丝刀100转动为动力驱动模式。然而， 当螺丝刀100切换到螺丝模式时，默认将再次用于手动操作。

在一些实施例中，用于操作螺丝刀100的动力系统可包括降压/升压电 路，其可调节电压和/或电流强度以满足某些条件要求。例如，更高的扭 矩需要更高的电流强度，更高的速度需要更高的电压。这允许螺丝刀100 在螺钉和钻孔模式之间容易地切换，同时保持足够动力给螺丝刀。

在一些实施例中，螺丝刀100可具有第一动力驱动模式以驱动螺钉的 第一部分(例如螺纹拧入骨中的部分)和第二动力驱动模式以驱动螺钉的 第二部分(例如螺钉的固定螺钉部分)。螺丝刀100可包括模式开关，其允 许螺丝刀100在两种模式之间切换。例如，模式开关可以调节两个动力驱 动模式之间的螺丝刀的操作参数(速度、扭矩等)。在一些实施例中，模 式开关可以激活扭矩限制算法，例如美国专利No.9,265,551中所公开的。 在一些实施例中，模式开关可以位于螺丝刀100上，例如通过按钮或开关。 在一些实施例中，可以通过无线连接到螺丝刀100来切换模式。此外，可 以包括多种模式，其中对螺丝刀100进行不同的修改，例如2,3,4,5或6种 不同的动力驱动模式。

螺钉区分与映射

在一些实施例中，螺丝刀100的驱动头104可以配置成接收或检测与螺 丝刀100接合的螺钉的类型。在一些实施例中，可以将与螺钉类型相关的 数据输入螺丝刀100中。这可以手动完成并由使用者输入。在一些实施例 中，螺丝刀100可以访问预制数据库。在一些实施例中，螺丝刀100可以自 适应地学习不同的螺钉类型。这样，螺丝刀100可以通过跟踪进入患者的 螺钉的转数来改变不同的特征，例如扭矩或从自动切换到手动和返回。因 此，螺丝刀可以基于输入信息可变地改变其操作。

具有标记的螺钉可与螺丝刀一起使用。例如，如图16所示，可以标记 螺钉以显示不同的区域(例如，手动和动力区域)。在一些实施例中，螺 钉的前30％可以着色为一种颜色(例如红色)，而螺钉的其余部分可以着 色为不同的颜色(例如绿色)。因此，标记为使用者提供关于何时切换到 动力驱动模式的风险较小的视觉提示。例如，如果他们驱动螺钉并且只看 到绿色并且他们没有感觉到任何问题，则螺钉可能被正确对齐。在一些实 施例中，粗线标记可以显示两个区域之间的差异。在一些实施例中，当螺 钉在动力区域中安全使用时，螺丝刀可以发出声音或光或其他提示。

如上所述，某些螺丝刀包括用于特定螺钉类型的固定扭矩值。例如， 对于3mm螺钉，螺丝刀100可包括扭矩极限，该扭矩极限设定为特定于该类 型螺钉和螺钉将插入的特定类型的骨的值。对于配置成接收和驱动三种类 型的螺钉(例如，3mm、4mm和5mm)的螺丝刀100，螺丝刀100将包括三个 扭矩极限值。这些值可以通过用于具有每种基质的每种螺钉类型的实验来 确定。例如，在一些实施例中，三种类型的螺钉(例如，3mm，4mm和5mm) 可以映射到装置以建立特定于每种类型的螺钉的插入测量。实际上，在一 些实施例中，可以将与设备兼容的任何类型的螺钉(例如，客户特定的螺 钉)映射到设备以确定其插入测量。

例如，在固定扭矩限制实施例中，可以确定兼容螺钉的扭矩极限值(例 如，用于3mm，4mm和5mm螺钉的扭矩极限值)。在可变扭矩限制实施例中， 如下面将参考图10-15E更详细地描述的，可以确定对应于沿扭矩曲线的不 同点的各种插入测量。在一些实施例中，这种映射有利地允许设备被定制 以用于许多类型的兼容螺钉，用于固定扭矩限制实施例和用于可变扭矩限 制实施例。在一些实施例中，这种映射可以有利地允许许多类型的相容螺 钉在许多类型的骨密度(例如，异质、均质、健康和/或骨质疏松的骨密 度等)中抵靠骨板最佳地或几乎最佳地就位。

在一些实施例中，通过将螺钉拧入已知基底(例如，尸体骨样本和/ 或解剖学上精确的合成骨样本)并且进行测量以确定合成扭矩曲线，将螺 钉映射到装置。在映射过程中，骨样本可具有任何合适的密度。在一些实 施例中，统计学上显著数量的相同类型的螺钉被驱动到各种骨样本中以确 定其插入测量值。根据合成的扭矩曲线，可以确定各种插入特性。例如， 在一些实施例中，插入特性可包括初始扭矩谷峰(例如，当螺纹最初捕获 骨样本时的扭矩)、扭矩谷和/或调平事件和/或就位期间的最大扭矩。图 17示出了例如初始扭矩谷峰32、调平期间的扭矩谷值34以及就位期间的最 大扭矩36。然而，也可以理解其他插入特性。例如，对于椎弓根螺钉，可 以映射来自密度过渡的扭矩谷峰，例如，通过使用具有可变密度的骨样本。

在一些实施例中，来自上述映射的数据可以存储在存储器24中，并且 可以在使用之前和/或期间被引用。在一些实施例中，插入测量可以用作 阈值扭矩限制条件，一旦满足或超过阈值扭矩限制条件，导致控制器20发 出扭矩限制指令以减慢和/或停止电机12。在一些实施例中，映射的插入 特征可以用作“导轨”和/或作为插入患者期间的实时扭矩测量的备用测 量的功能。例如，在插入螺钉期间，该类型螺钉的映射插入特性可用于确 定被插入的螺钉是否在某些参数内，例如在映射的插入特性的百分比内。 在一些实施例中，百分比是正和/或负小于或等于约30％，20％，10％，5％， 上述百分比之间的百分比，或其他百分比。在某些实施例中，映射的插入 特性可用于识别和/或滤除测量数据。例如，映射的插入特性可以作为高 和/或低滤波器操作(例如，滤出映射的插入特性之外的数据)。

如上所述，螺钉映射可以解决由于并非所有螺钉都相同而产生的问 题。通过保存(例如，在螺丝刀100的存储器中)关于特定类型的螺钉的 正确就位看起来像什么的参考(例如，就某些扭矩曲线表征而言)，螺钉 的不正确驱动可以被识别和/或校正可以被采取。与此方法相关的挑战可 以是如何确定当前结合在设备中的螺钉的类型，以及因此在存储器中引用 哪些特征。

一些实施例被配置成基于螺钉的着色识别与螺丝刀接合的螺钉的类 型。图18描绘了具有头部和螺纹部分的某些示例性螺钉，具有示出了头部 和螺纹部分的示例颜色。如图所示，最左侧的螺钉具有蓝色头部和粉红色 螺纹部分。在某些实施例中，螺丝刀100可以配置成为确定螺钉的头部和/ 或螺纹部分的颜色。例如，一些实施例使用电子颜色识别，例如发光二极 管(LED)照明。LED可以嵌入在与螺钉啮合的装置部分处或附近。在一些 实施例中，螺丝刀100可包括多个光敏电阻，对不同颜色(例如，光波长) 具有不同的灵敏度。螺丝刀100可以配置成为确定螺钉的头部和/或螺纹部 分的颜色，并使用该颜色来识别螺钉的类型。某些实施例被配置成为访问 用于该类型螺钉的对应的映射螺钉轮廓(例如，扭矩曲线)。然后，螺丝 刀100可以使用相应的映射螺钉轮廓来监控螺钉的驱动和/或识别螺钉是 否被正确驱动(例如，基本上与映射的螺钉轮廓一致)或不正确地(例如， 与映射的螺钉轮廓基本上不一致)。

如图19所示，一些螺钉包括套装螺钉402。如图20所示，这些套装螺 钉402可以将固定杆404保持就位。例如，套装螺钉402可以将杆404紧固在 螺钉头上。套装螺钉402可以固定和/或支撑实际执行治疗“融合”功能的 固定杆404。杆404可以用套装螺钉402固定就位，套装螺钉402将杆404挤 压在螺钉头上。在一些实施例中，螺丝刀100配置成识别套装螺钉402的正 确就位。例如，螺丝刀100可具有拧紧到给定扭矩的模式开关、机械扭矩 限制棘轮选项，或实施本文所公开的扭矩限制方法，以识别套装螺钉402 的正确就位。

实施例可以为“智能锁定”固定螺杆设定特定扭矩，被设计成产生刚 性螺钉板构造并且降低螺钉后退的风险，这通常与CMF固定板一起使用。 此外，实施例可用于为脊柱固定的套装螺钉设定特定扭矩，为脊椎椎弓根 螺钉设定特定扭矩，并为肢体固定螺杆设定特定扭矩，以及为CMF固定螺 杆设定特定扭矩。

图21-23示出了智能锁定螺钉500的实施例。在一些实施例中，智能锁 定螺钉500的头部502可以具有不同的螺纹类型并且通常具有更大的直径， 其可以设计成锁定到固定板中。外科医生可以使用动力以驱动螺钉大部分 进程并使用手动扭矩扳手将螺钉“锁定”到图22中所示的固定板504。在 本公开的一些实施例中，智能锁定螺钉500可以被驱动并锁定到板504中以 达到特定的扭矩值。因此，本公开的实施例能够以特定的预定扭矩值或多个预定扭矩值将智能锁定螺钉500锁定到板504

超驰(Override)功能

螺丝刀100的一些实施例允许使用者超驰由控制器20确定的扭矩限 制。这可以通过允许使用者超驰螺钉的停止来得利，例如如果螺钉碰巧在 就位在板上之前就停止。在若干实施例中，螺丝刀100包括超驰输入，例 如开关、按钮等。超驰输入可以被配置成向控制器20发送超驰信号，这超 驰螺钉的螺丝刀的转动的控制器停止。

如上所述，超驰输入的某些实施例可便于螺钉靠着板就位。有时，当 放置螺钉时，螺钉头保持骨板的“凸出”(例如，螺钉头部的底表面保持 与板的顶部和/或配合表面间隔开)。这可导致板相对于骨的较少固定安 装，可能抑制或阻止愈合和/或可导致患者不适。为了帮助修复凸出的螺 钉，或者出于其他原因，超驰输入可以允许使用者以增量转动螺钉，从而 进一步将螺钉驱动到骨中并且更完全地(或完全地)将螺钉就位在板上。 在某些实施例中，超驰输入暂时超驰扭矩限制特征并且允许一些或所有可 用动力到达电机12以执行增量转动。在各种实施例中，超驰输入的激活提 供螺丝刀钻头的额外增量转动运动，其至少约为：45°，90°，135°， 180°，270°，360°，540°，720°，上述值之间的值或其他值。

在某些实施例中，无论何时激活(例如，按下)超驰输入，超驰功能 都可以被接合。例如，一些实施例允许超驰用于超驰输入的每次激活和/ 或不限制允许的超驰的数量。在某些实现中，仅允许有限数量的超驰。例 如，一些实施例仅允许一个超驰，之后忽略另外的超驰输入。在一些实施 例中，超驰输入被配置成使螺钉转动预定量(例如约：1转，1/2转，1/4 转，上述值之间的值或其他值)，用于超驰输入的每次激活。

根据一些变化，超驰输入的激活允许螺丝刀100的超驰操作一段时间， 而不需要超驰输入的另外激活。这可以有助于在超驰期间过程中方便地操 作其他输入(例如，向前或向后驱动螺钉的控制)，而不需要重复激活超 驰输入。例如，可以按下或以其他方式激活超驰按钮或其他输入设备以启 动超驰时间段，在此期间可以执行一个或多个操作，否则将被禁止或阻止 (例如，由于以上所描述的扭矩限制特征)。在一些实施例中，超驰时间 段可以是至少约：5秒，10秒，30秒，1分钟，2分钟，5分钟，上述值之间 的值，或者其他值。

设想了各种超驰输入设备和用于激活和/或以其他方式控制超驰特征 的方法。例如，在某些实施例中，通过接合(例如，按压和/或保持)按 钮或按钮的组合来激活超驰特征。某些变化包括激活超驰功能的专用按 钮。超驰输入设备的某些实施例包括开关、摇杆、滑动件、接近传感器、 触摸屏或其他。各种实施例可以向使用者提供反馈(例如，触觉视觉和/ 或听觉)。

若干实施例包括可调节的超驰输入装置，其可被移动到多个位置以提 供不同的超驰功能。例如，输入设备可以包括具有多个位置的按钮、滑块 或开关，每个位置具有不同的超驰功能，例如被允许的不同操作和/或不 同的超驰时间段。

在一些实施例中，可调节的超驰输入装置包括可以在各种位置之间转 动的轮子或刻度盘。例如，轮子或刻度盘可具有多个(例如，两个、三个、 四个、五个、六个或更多个)位置，这些位置分开转动距离定位，例如分 开至少约45°或至少约90°。螺丝刀100可以配置成检测刻度盘或轮子的 位置，并提供螺丝钻头或电机12的增量转动，其大约等于、小于、大于或 者以其他方式与刻度盘或轮子的增量转动相关。在某些变化中，螺丝钻头 的增量转动与轮子或刻度盘的转动成比例。在一些各种实施例中，在转动 轮子或刻度盘时，使用者接收触觉或听觉反馈，例如不同的“咔哒声”或 掣子，例如在每个90°增量处。

某些实施例具有带有多个位置的刻度盘或轮子。例如，轮子可以具有 三个位置，每个位置分开大约90°定位。在一些这样的实施例中，当刻度 盘或轮子定位在第一位置时，螺丝刀100将提供第一增量转动(例如，约 90°)。当刻度盘或轮子定位在第二位置时，螺丝刀将提供第二增量转动 (例如，约180°)。当刻度盘或轮子定位在第三位置时，螺丝刀将提供第 三增量转动(例如，约270°)。

在一些实施例中，超驰输入装置控制螺丝刀100的钻头的转动方向。 这可以允许超驰输入设备控制螺钉是向前驱动还是向后驱动。在某些变化 中，螺丝刀10在超驰输入装置处于第一位置时向前驱动螺钉，并在超驰输 入装置处于第二位置时反转螺钉。在一些实施例中，超驰输入装置是轮子 或刻度盘，并且螺丝钻头的转动方向与轮子或刻度盘转动的方向相同。

脊柱应用

上述螺丝刀的实施例可以特别应用于脊柱环境中的插入椎弓根螺钉。 虽然上面讨论的扭矩限制和混合应用可以用于下面描述的脊柱应用，但是 扭矩限制和混合应用也可以与其他类型的组织/材料/结构一起使用，并且 因此可以区分不同类型的材料。

正确放置螺钉可以防止损伤患者的脊柱区域。在一些实施例中，螺丝 刀100可以包括系统，例如如上所述的软件和硬件，其可以警告使用者螺 钉被放置在不适当的区域中，例如在脊柱的不适当区域中。螺钉放置的一 个例子如图24A-B所示。特别是，椎弓根螺钉需要精确放置。正确放置的 螺钉如图24A所示，而未正确放置的螺钉如图24B所示。

当在患者的脊柱上操作时，螺钉将首先穿过具有高密度的皮质骨302 (使用更高的扭矩穿过)并移动到具有较低密度的内部松质骨304中(使 用较低的扭矩通过)。一旦进入松质骨304，就不希望螺钉穿过另一层皮质 骨302，这将意味着螺钉未对准或即将穿过脊髓太远，如图24B所示。因此， 对于使用者来说，知道螺钉是否穿过皮质骨可能是有利的，这将可能意味 着螺钉未对准。

因此，螺丝刀100的实施例可以具有感测系统，例如上述扭矩限制， 其可以通知使用者是否由于撞击围绕脊髓的皮质骨302(例如，脱离松质 骨304)而存在过早的扭矩尖峰。例如，螺丝刀100可以使用螺丝刀100向 使用者提供音频或视觉指示。在一些实施例中，螺丝刀100可以基本上恒 定地提供音频或视觉指示器，其可以在撞击皮质骨时改变。在一些实施例 中，当过过早尖峰发生时，可以自动切断螺丝刀100的驱动头104的动力， 并且因此任何驱动/钻孔操作都将停止。螺丝刀100可以包括致动器以打开 或关闭该特征。在一些实施例中，如果由于皮质骨的破坏导致扭矩突然增 加或减小(例如，超过当前扭矩的1％变化，超过5％变化，超过10％变化， 或超过20％变化)或(例如，超过当前扭矩的约1％的变化，超过约5％的 变化，超过约10％的变化，或超过约20％变化)，则所公开的感测系统可以切断电源和/或提供视觉/听觉指示。在一些实施例中，扭矩限制可以由 使用者根据正在执行的程序或手术的类型手动设置。

在一些实施例中，螺丝刀100可包括视觉指示器，其基于来自螺丝刀 的反馈显示螺钉所处的骨类型。例如，螺丝刀100在皮质骨中时可产生红 光，在松质骨中时产生绿光。在一些实施例中，可以由螺丝刀100产生声 音，其基于骨的类型而不同。此外，连接到螺丝刀100的任何视觉系统， 例如上面讨论的，可以提供螺丝刀100所处的骨的类型的指示。但是，特 定指示器不是限制性的。

如上所述，驱动椎弓根螺钉的最危险部分之一可能是最初近似30％的 驱动，例如由于撞击神经或骶囊的风险。因此，使用者(例如，外科医生) 可以使用手动拧紧，例如上面讨论的混合螺丝刀，其中该过程缓慢且小心 地给使用者带来感觉。如图25所示，脊柱702和外椎骨704之间的间隙在螺 钉行程的早期部分非常窄。这是一种可能导致严重并发症的脊柱骨皮质破 坏最有可能发生的时候。短语“脊柱破坏(breach)”可能意味着“退出 脊椎”。失败的钻孔或螺钉安装并不一定表明脊柱已被破坏。相反地，脊 柱的破坏涉及螺钉或钻刀穿过第二皮质层。这可能表明该路径没有在椎骨 中终止。使用所公开的螺丝刀100的某些实施例，使用者可以缓慢且小心 地驱动螺钉手动通过这个窄的间隙。在一些实施例中，在螺钉的尖端已经 安全地清除神经之后，使用者可以将螺丝刀切换到动力驱动模式用于螺钉 行程的剩余部分(例如，至少大约70％)和/或用于安装螺钉头部和/或用 于施加扭矩限制特征。

基底识别和/或区分概述

在一些实施例中，特别是对于脊柱应用，螺丝刀100可以使用数据输 入(例如，在螺钉插入过程的一部分期间或整个过程中执行的测量)来进 行某些确定。例如，螺丝刀100可以配置成使用数据输入来区分和/或识别 螺钉正被驱入的不同类型的组织。这可以称为“组织区分。虽然下面在脊 柱应用的背景下讨论，但应理解组织区分可用于其他目的。

数据输入可以来自例如电机电流和/或速度，但是也可以使用其他扭 矩测量方法。在一些实施例中，数据输入包括测量的扭矩，该测量的扭矩 可以是从螺丝刀100提供的扭矩导出或指示的数据。在一些实施例中，数 据输入包括电流和/或电压测量，并且算法可用于将输入转换为扭矩值。

如下面更详细讨论的，在一些实施例中，螺丝刀100可以使用数据输 入和/或数据输入的变化来确定螺丝刀100正在驱动螺钉进入的特定材料 类型。例如，螺丝刀100可以被配置成基于数据输入和/或数据输入的变化 来辨别螺钉是否正被驱动到软组织或骨中。此外，螺丝刀100可以被配置 成基于数据输入和/或数据输入的变化来辨别不同的软组织或不同的骨类 型(例如，皮质和松质骨)。

在一些实施例中，数据输入和/或确定可用于调节螺丝刀100的操作。 例如，算法(例如，离散扭矩分析算法)可以使用数据输入来管理螺丝刀 100的螺钉插入速度。该算法可用于调整螺丝刀100的其他特征/功能，例 如电压、电流、钻头的转动速度和/或提供给电机的功率。在一些实施例 中，测量的扭矩和/或测量的扭矩的变化可用于控制螺钉的驱动，例如停 止电机的操作、改变螺钉的驱动速度或其他变化。这可以类似于上面讨论 的扭矩分析算法。

在一些实施例中，可以向使用者呈现(例如，示出或显示)扭矩的变 化。例如，螺丝刀100的实施例可包括一个或多个指示器，例如灯或声音， 其指示螺钉在特定扭矩范围内被驱动和/或螺钉在特定组织层或类型中被 驱动。例如，当螺钉被驱动到第一组织类型和/或层中时，第一指示器可 以激活，并且当螺钉被驱动到第二组织类型和/或层中时，第二指示器可 以激活。螺丝刀100可包括显示器(例如，电子屏幕)，其显示某些信息， 例如施加到螺钉的扭矩，螺钉正被驱入的组织的类型或其他。显示器可以 直接定位在螺丝刀100上，或者可以通过另外的被连接的可视设备，例如 螺丝刀100例如无线或有线连接到的电视屏幕或监测器。

如下面详细讨论的，扭矩和/或扭矩变化可以以多种不同方式测量。 例如，可以在螺钉插入过程的一些或全部(以及一致地或不一致地)期间 进行扭矩测量。在一些实现中，可以向使用者提供连续测量之间的变化。 在一些实施例中，当测量的扭矩在特定范围之外或超过阈值时，向使用者 提供警报。该阈值可以例如通过使用者将特定扭矩曲线输入螺丝刀100以 用于特定程序来创建。例如，扭矩曲线可以用于插入椎弓根螺钉，并且可 以包括用于该特定手术的预编程阈值。此外，可以向使用者提供扭矩或扭 矩的其他方面的变化，例如扭矩测量的一阶或二阶导数。

螺丝刀100可以在各种应用和环境中使用组织区分。例如，螺丝刀100 可以配置成在脊柱整形外科手术期间区分和/或识别不同的组织类型。一 种类型的脊柱整形外科手术是脊柱固定手术(或“融合”)，其中椎骨例如 使用杆或板固定地连接或在一起，该杆或板用椎弓根螺钉固定到椎骨。

椎弓根螺钉可以被驱动通过在椎骨708中的窄椎弓根通道706，如图26 所示。该通道的宽度约为15mm，但这种测量不是限制性的。当诸如椎弓 根螺钉的物体破坏脊柱周围的皮质骨时，例如以上关于图24B所示和讨论 的，可能导致皮质破坏。如果发生皮质破坏，螺钉可能会穿透到孔中，从 而潜在地损伤脊神经根并且对患者造成不利后果。这些破坏可以在许多不 同的方向上发生，例如前部和侧部破坏，分别如图27-28所示。

螺丝刀100的各种实施例被配置成为减小或避免皮质破坏，而不管破 坏方向如何。例如，螺丝刀100可以配置成抑制或防止沿前向(见图27)、 横向(见图28)和/或内侧(medial)方向的破坏。前向(anterior)和横 向(lateral)破坏可能相当普遍，并且可能导致穿透，对患者产生显著的 后果，例如疼痛、神经损伤或其他。在一些应用中，椎弓根破坏在内侧方 向上更常见(例如，大约74％的内侧对比26％的横向)。然而，在与T3-T8 椎骨相关的一些应用中，在横向方向上可能更常发生破坏(例如，92％横 向对比内侧8％)。

在一些实施例中，螺丝刀100可以配置成识别指示皮质破坏即将发生 的特征，并且可以采取措施来抑制或防止破坏，从而显著减轻与椎弓根螺 钉的放置相关的风险。在一些实施例中，螺丝刀100可以使用扭矩曲线或 轮廓来识别即将发生或正在发生破坏，并且可以在孔周围的皮质骨的完全 穿透发生之前采取行动以响应(例如，停止螺钉的驱动)。在一些实施例 中，在螺钉的尖端完全穿透围绕孔的皮质骨之前，电机12可以减速、改变 和/或断电，从而减小损伤脊柱中的敏感结构的机会。

图29示出了插入期间椎弓根螺钉的示意图。图中的大箭头表示螺钉路 径。如图4所示，螺钉穿过围绕外椎骨的皮质骨到构成内组织层的松质骨。 由于皮质骨比松质骨更硬，螺丝刀100将检测扭矩的变化，例如从较高的 扭矩水平到较低的扭矩水平。

在各种实施例中，螺丝刀可被编程或以其他方式配置成将扭矩值或变 化与组织类型或组织类型的变化相关联。例如，在图29的实施例中，螺丝 刀可以将扭矩的减小与从皮质骨到松质骨的螺钉相关联。在一些实施例 中，螺丝刀例如通过使用者输入接收各种操作参数。例如，螺丝刀可以接 收螺钉在插入期间可能遇到的组织类型的数量和/或顺序，那些组织类型 的相应扭矩值，和/或那些组织类型之间的扭矩变化。

图30示出了图29的椎弓根螺钉的示意图，该椎弓根螺钉错位并且在轨 道上撞击皮质骨。同样，图中的大的大致垂直箭头表示螺旋路径。如图所 示，脊柱结构可包括三个组织区域和之间的两个过渡。首先，螺钉将遇到 围绕外椎骨的第一层外皮质骨，随后第一过渡到构成内组织层的松质骨 层。如果继续插入螺钉，则螺钉可以遇到第二过渡区至围绕脊柱的第二层 皮质骨。通常，有利的是在没有完全破坏第二层皮质骨的情况下停止螺钉， 以避免无意中损坏脊柱本身内的组织。因此，在驱动螺钉时，两个不同的 过渡区域可能通过螺丝刀100被检测。第一区域从较高扭矩到较低扭矩(例 如，从皮质骨移动到松质骨)，接着是从较低扭矩到较高扭矩的第二过渡 区域(例如，从松质骨移动到皮质骨)。

在一些实施例中，螺丝刀100被配置成检测螺钉开始穿透第二皮质骨 层并作为响应采取动作。例如，响应于确定螺钉开始穿透第二皮质骨层， 螺丝刀100可以停止(例如，降低)电机，例如在一定数量的转动之后， 例如一、二、三，四个或更多。

虽然上面的讨论涉及用于减小皮质破坏的情况下的螺丝刀100的示 例，但是螺丝刀100也可以用在其他环境中。螺丝刀100的各种实施例可用 于表征其他组织和组织过渡区域，并且特定组织或过渡区域不是限制性 的。因此，螺丝刀100可以配置用于手术和非手术的无数应用。

基底识别和/或区分的示例

图31示出了将螺钉从10磅/立方英尺(PCF)块驱动到20PCF块(例如， 从较低密度到较致密的材料)的扭矩曲线。使用的螺钉是用于复合木材和 木材、方形驱动、316型不锈钢的螺钉，8,2”螺钉，但这仅仅是一个实验 例。如图所示，扭矩测量具有从10PCF块到20PCF块的过渡。这类似于从 较不致密的松质骨层(通常为10-15PCF)过渡到更致密的皮质层(通常 为40-50PCF)。因此，螺丝刀可以使用扭矩的变化(例如，施加到螺钉的 扭矩量的约5％，10％，15％，25％，30％)来检测组织类型的变化。在 一些实施例中，螺丝刀可以使用扭矩斜率的变化来检测组织类型的变化， 例如至少约25％，30％，35％，40％，45％或50％的变化。在一些实施例 中，螺丝刀100可以将扭矩信息的变化传递给使用者和/或自动改变其功能，例如关闭电机，如上所述。

图32-33示出了包括20PCF层、10PCF层和另一个20PCF层的基质的 示例。在图32中，10PCF层比20PCF层薄。在图33中，10PCF层比20PCF 层厚。如图所示，可以存在初始较高的扭矩区域，接着是较低的扭矩区域， 接着是另一较高的扭矩区域。因此，较高扭矩区域可以夹住较低扭矩区域， 类似于上文关于皮质破坏所讨论的皮质-松质-皮质程序。同样，螺丝刀100 的实施例可以检测不同的扭矩值和/或变化，并将这些数据与特定组织类 型和/或组织类型之间的过渡相关联。一些实施例向使用者提供扭矩值和/ 或变化，或组织类型和/或组织类型之间的过渡，以允许使用者理解螺钉 所处的组织的哪个部分。在一些实施例中，螺丝刀可以配置成在经历第二 增加的扭矩区域(例如图32-33中所示的第二个20PCF区域)之后关闭电 机。

图34示出了放置良好的椎弓根螺钉的示例性扭矩曲线。如图所示，椎 弓根螺钉可以经历两个高扭矩区域：最初的皮质骨(显示在最左边的尖峰 接近45英寸-盎司)和第二皮质骨中的就位(显示在最右边的尖峰达到约 100英寸-盎司)。在一些实施例中，当扭矩沿着第二尖钉增加时，电机12 可以断电，这可以在螺钉切入第二皮质骨时发生。例如，在扭矩值减小之 前可以使电机12断电，这可以指示螺钉已经刺穿骨。

在一些实施例中，扭矩区分不用于就位螺钉，而是可以代替地在就位 之前使用。例如，在一些实施例中，扭矩曲线可以在扭矩曲线的末端部分 之前使用，扭矩曲线的末端部分是在手术期间将发生就位的高扭矩区域。 该末端部分将是图34中最右边的尖峰，并且因此扭矩分析应在最右边的谷 峰之前发生。在一些实施例中，螺丝刀100可在第二谷峰之前提供螺丝刀 100的输出或改变功能，例如在相对平坦的中间部分到第二谷峰的过渡处。

在一些实施例中，螺丝刀100的电机12可以在就位程序过程中关闭， 以避免螺钉的剥离。然而，在一些实施例中，扭矩区分不用于避免剥离， 因为在螺钉就位之前发生扭矩差异。

虽然实际扭矩值和曲线可用于确定扭矩的变化，并因此确定组织结 构，但是也可以或替代地有利于观察扭矩的导数，例如扭矩的速度或加速 度。这可以在一些实施例中提供更准确的估计和/或帮助确定组织类型、 组织类型的变化和/或组织类型内的螺钉的位置。

例如，在一些实施例中，一阶导数可用于确定从较低密度组织到较致 密组织的穿透，例如图35中所示，其是图31的导数。因此，当螺钉从较不 致密的组织移动到较致密的组织时，导数值可以增加并且该信息可以提供 给使用者。类似地，一阶导数可用于确定从更致密到更不致密的组织的穿 透，例如图36中所示，其是图31的导数。因此，一阶导数的谷峰和谷底可 用于显示扭矩的变化，然后扭矩变化可与螺丝刀和/或使用者相关。

二阶导数可用于确定一阶导数中的各种减小和增加，这可用于量化相 对密度的变化。与应被预期在一阶导数中具有更大的变化(例如，较慢的 变化)的从显著较低密度到显著更致密的组织的过渡相比，具有相似的组 织密度的情况下，应被预期在一阶导数中具有更小的变化(例如，更快的 变化)。因此，作为一个具体的例子，随着从皮质到在孔中的非常低密度 组织的过渡，在可能通过二阶导数捕获的一阶导数中将是预期的快速减 小，并且二阶导数可以用于表征发生了非常致密到非致密的过渡。另一方 面，二阶导数可用于识别不太明显的组织过渡，例如稍微更致密的肌肉组 织到稍微不那么致密的脂肪组织。

在一些实施例中，二阶导数可用于区分螺钉就位和撞击(例如，来自 撞击较高密度骨的扭矩增加)。图37示出了扭矩测量结果，示出了破坏并 示出了螺钉就位，具体地由图中的两个谷峰示出。在两个谷峰中，用于一 阶导数的初始螺旋穿透谷峰和螺钉就位谷峰正在减小。如图所示，撞击谷 峰比螺钉就位谷峰“更尖锐”，螺钉就位谷峰通常更圆。因此，更尖锐的 谷峰(例如，撞击谷峰)将具有比圆形谷峰更快地改变(例如，降低)的 一阶导数。在一些变化中，二阶导数可用于捕获一阶导数的相对变化率， 和/或表征扭矩曲线的“曲率”。这可以实现两个谷峰的区分、谷峰的类型 的识别(例如，撞击谷峰对比就位谷峰等)。图37显示了此功能的一个示 例。如图所示，来自撞击较高密度皮质骨的螺钉的绝对扭矩似乎比来自螺 钉就位的绝对扭矩更高。此外，来自撞击的扭矩增加速率似乎比来自螺钉 就位的扭矩增加速率快得多。因此，一阶导数的变化率在撞击的情况下似 乎比在就位的情况下更快。

在一些实施例中，二阶导数可用于帮助区分各种螺钉行为，例如在就 位和初始螺钉穿透之间。在螺钉就位中，我们期望增加一阶导数，同样在 螺钉穿透的前几螺纹之后，我们预期减小的一阶导数。二阶导数可用于区 分这两种螺旋行为。示例二阶导数如图38所示。

在一些实施例中，诸如数学公式的算法可用于识别如上所述的扭矩变 化。例如，在图39所示的实施例中，如果在时间t2处的扭矩大于在时间t1 处的扭矩，则确定螺钉已穿透可能更致密的新材料。如果在t2处的扭矩小 于或等于在t1处的扭矩，则确定螺钉保持在相同材料中或已穿透同样或可 能较小致密的新材料。在一些实施例中，可以使用相同的等式，但是包括 附加的显式值，例如t2>t1+X，而X可以预编程到螺丝刀100中或者可以由 使用者添加。因此，螺丝刀100的实施例可以使用两个基于时间的扭矩测 量来确定组织之间是否存在过渡。这些测量可以每隔几秒、每秒或甚至更 短的时间段(例如毫秒)进行，并且特定时间段不是限制性的并且可以传 递给使用者。

在一些实施例中，连续的较低的/较高的值可用于将向上和/或向下过 渡与较多或较小致密的组织相关联，例如图40-41所示。因此，在一些实 施例中，螺丝刀100可以使用多个不同的扭矩测量值来确定组织过渡。例 如，螺丝刀可以分析2个，3个，4个，5个，6个，7个，8个，9个或10个不 同的测量值。在图L所示的示例中，螺丝刀100可以使用多个(例如，4个) 连续减小的扭矩值来识别从较高密度材料到较低密度材料的过渡。在图M 所示的示例中，螺丝刀100可以使用多个(例如，4个)连续增加的扭矩值 来识别从较低密度材料到较高密度材料的过渡。使用连续增加或减小的扭 矩值可以降低被检测为组织过渡的噪声或误差在可能性。

虽然本文描述的所有数学方法可以用作表征螺钉行为和穿透材料的 独立方法，但是各种操作方法也可以用作备用选项。例如，该方法可用于 验证主扭矩控制算法。

例如，如图42所示，在实时操作期间将“预映射”扭矩曲线到设备的 存储器以供参考可能是非常有用的。例如，如果得到驱动到复合材料中的 螺钉的统计上显著的样本尺寸的测量，则可以提取这些曲线的平均表示并 用作预期扭矩路径将是什么样的参考。这些“预映射”曲线可以安装到螺 丝刀100中，并且可以基于这样的曲线对螺丝刀100进行修改，例如电机速 度或信号的激活。例如，当扭矩曲线偏离预映射扭矩曲线的特定百分比时， 例如在约1％，5％，10％或20％之外。在一些实施例中，这可能仅发生在 过渡部分处。可以在任何外科手术之前将该信息加载到螺丝刀100上。在 附图42的较暗线中所示的平均值可以从预映射曲线构建。

例如，可以进行先验分析以确定沿着这个平均路径材料过渡区正在发 生的位置，以及在设备的实际操作期间，数据输入(例如，被测量的扭矩) 曲线显示与扭矩曲线驱动速度可以相应地被调节的部分的相似性的时间。

一些实施例使用数学函数和导数用于先验和事后分析，如图43所示。 例如，通过分析具有可变密度的骨，可以预期在扭矩轴上具有垂直位移(仅 y轴偏移)的类似形状的扭矩曲线，用数学函数表征扭矩曲线并且可以得 到导数和二阶导数应非常有用。此外，可以从不同的扭矩曲线确定平均扭 矩2001。

例如，在图43中，曲线的聚合可以用多项式方程2002表征，并在不同 的时间点求解第一和第二导数。因此，如果扭矩超出多项式方程的特定百 分比，则可以通知使用者或者螺丝刀可以修改功能，例如使电机断电。这 对于实时深度测量尤其有用。例如，在一些实施例中，扭矩曲线可以是扭 矩对比时间。假定可以理解在最初的几个螺纹捕获期间扭矩曲线看起来是 什么样的(并且因此如何识别起始深度)并给出螺钉的螺距和转速(可以 从例如电压中测量)，螺栓的深度可以确定。因此，在一些实施例中，螺 钉行为不仅可以表征为时间的函数，而且可以表示为螺钉深度的函数，这 可以潜在地提高映射的准确性。

例如，机器人辅助手术目前采用MRI并使用它们预编程机器人，参数 可以限制连接到机器人的工具的运动。例如，如果使用者试图推动工具超 过预先编程的参数，则机器人超驰输入(例如，它可以停止沿着轴线移动， 例如在穿透一定深度之后用于锯的深度轴线，从而防止过度切割)。同样 地，患者特定椎间盘的各种尺寸(例如从外皮质骨到孔的距离)可以编程 到螺丝刀的实施例中。在一些实施例中，可以映射健康的扭矩曲线，并且 错位的扭矩曲线看起来类似于用于特定患者的每单位距离，并且然后用该 患者特定信息对设备进行编程。因此，从在某些深度处的用于该特定患者 的扭矩曲线预期可见的事物(其作为时间的函数更难以做到)可以被准确 地表征。如果扭矩曲线从健康扭矩曲线变化，则螺丝刀100的电机12可以 关闭，防止任何意外损坏。

因此，在一些实施例中，可以使用预映射患者手术来在使用之前对螺 丝刀100进行编程。例如，近似螺钉穿透深度以及用健康和不健康的扭矩 曲线在数学上预期的患者特定程序预映射可以允许进一步控制螺丝刀。

如上所述，在驱动螺钉时，螺丝刀100可以在固定的时间间隔内进行 离散的扭矩测量。具有修平功能的斜率表(如移动平均值)可用于确定材 料的变化并识别扭矩的一般变化。

表B(下面)展示了从较低密度材料到较致密材料的某些组织过渡的 扭矩变化。

表B

上面的表值绘制在图44中并且表明即使用10个期间移动平均值，斜率 也可以非常地快速地识别何时何地过渡区已经被确定。

表C(下面)显示了从更致密的材料到更低密度的材料的某些组织过 渡的扭矩变化。

表C

上面的表值绘制在图45中并且表明即使用15个期间移动平均值，斜率 也可以非常地快速地识别出何时何地过渡区已经被确定。在一些实施例 中，斜率的变化率或具有修平函数的二阶导数(例如，移动平均值)可用 于确定关于材料的变化并识别扭矩的一般变化。

表D(下面)表明，通过观察斜率变化率或二阶导数，可以捕获特定 组织过渡的扭矩变化的行为和最初驱动的螺钉的扭矩变化的明显差异。

表D

上述表值是根据图46的扭矩曲线的斜率计算的10个期间移动平均值 计算的。

上面的表值绘制在图47中，并证明斜率的变化率可用于识别螺钉在其 行进路径中的位置、其所处的材料类型以及其他特征。

可以基于预先绘制的扭矩曲线将绝对扭矩值编程到螺丝刀的存储器 中以进行关于行为的确定，例如，识别组织过渡区域或识别螺钉就位。该 特征如图48所示，通常水平线是绝对扭矩极限。虽然并非患者之间的所有 骨都具有相同的密度，但大部分变异性在于松质骨的密度(例如骨质疏松 症)而不是皮质骨的密度。因此，使用特定的螺钉，特定的扭矩值可以与 螺钉插入过程的某些阶段相关联。例如，可以采取X量的扭矩来开始驱动 螺钉，可以采取Y量的扭矩从松质骨过渡到皮质骨等。螺丝刀100的某些实 施例被配置成响应于检测到这种扭矩值而改变行为。例如，如果螺丝刀100 确定施加到螺钉的扭矩接近和/或越过绝对扭矩值(可以编程到螺丝刀100 中)，则螺丝刀100可以采取行动，例如停止驱动螺钉和/或发出警报。

在一些实施例中，螺丝刀配置成识别扭矩的材料变化。例如，如图49 所示，在一些实施例中，如果在时间t2处的扭矩大于先前观察值的X的扭 矩(或先前值的修平，如移动平均值)，则确定螺钉已经穿透可能更致密 的新材料类型。该信息可以例如通过听觉或视觉指示器传递给使用者(例 如，外科医生)。另一方面，如果t2处的扭矩小于先前观察值的X的扭矩(或 先前值的修平，例如移动平均值)，则螺钉保持在相同材料中或已经穿透 可能较小致密的新材料。在这种情况下，在一些实施例中，不会向使用者 提供进一步的信息。

使用扭矩分析来管理驱动速度的一个重大挑战是正确地使读数敏感， 和/或从噪声中提取信号。可以使用各种修平技术来帮助实现这一点，并 且特定的修平过程不是限制性的。一种方法是绘制扭矩的两个移动平均 值，更快和更慢的移动平均值，并查看每个的相对值以确定螺钉当前所处 的材料。例如，如图50所示，5期间移动平均值和20期间移动平均值可以 帮助确定过渡区域或螺钉行为的变化(如就位或初始螺线捕捉)。可以校 准移动平均值，并且可以根据所需的灵敏度校准相对值。较快的移动平均 值对初始扭矩谷峰的响应能力比慢速移动平均值更快。因此，当快速移动 平均值足够接近或越过慢速移动平均值时，它可以用于指示螺钉的第一螺 纹已经被捕获并且螺钉被主动驱动。

另一种修平技术是测量从移动平均值的偏离以确定过渡点，如图51 所示。该公式的一个示例是X期间移动平均值+/-先前X观测值的标准偏差。 超出上偏差或下偏差的材料偏差可以表示材料的变化(可以提供给使用 者)而不会对较小的偏差过度敏感。

在各种实施例中，螺丝刀被编程以识别扭矩曲线何时改变并且确定这 种改变指示螺钉路径中的某些东西已经改变(例如，前几个螺纹已成功捕 获、组织过渡、螺钉就位等)。使用快速和/或慢速移动平均值可以帮助识 别扭矩曲线的变化。某些实现使得使用者能够改变(例如，校准)灵敏度， 例如通过改变移动平均值。

有关使用扭矩差异的更多信息

对于脊柱融合应用或其他应用，该装置的一些实施例可以检测螺钉尖 端或螺钉主体何时撞击皮质骨(例如，内侧、侧面或前侧)。某些实施例 被配置成检测螺钉尖端或螺钉主体何时已经直接撞击皮质骨，例如当螺钉 的尖端在轨迹上以穿透脊柱时。一些变化被配置成检测螺钉尖端或螺钉主 体何时擦过皮质骨302，如图52所示。在一些实施例中，螺丝刀100检测来 自离散电流、电压或扭矩测量或其他数据的影响。响应于检测到撞击，螺 丝刀100可以向电机12发出信号以停止驱动和/或否则可以停止驱动螺钉， 从而抑制或防止对敏感结构(例如，脊髓中的神经)的破坏和/或显著损 坏。在一些实施例中，螺丝刀100被配置成检测螺钉尖端或螺钉主体在适 当的插入轨迹上进入松质骨304，例如图53中所示。

大于4mm的皮质破坏可能被认为是特别严重的并且可能与神经缺陷有 关。另一方面，小于4mm范围的破坏可能是可接受的，例如对于放置在脊 椎动物T10至L4中的某些螺钉。从内侧地2毫米和横向地4毫米的范围的一 些破坏可能是可以接受的。在各种实施例中，动力装置可配置成在可接受 的破坏深度内停止驱动螺钉。某些破坏被评级(例如，0级用于没有破坏， 1级用于小于2毫米的破坏距离，2级用于2毫米至4毫米的破坏距离，3级用于小于4毫米的破坏距离)。螺丝刀100的一些实施例被配置成以2或更小的 等级停止驱动螺钉。

在一些实施例中，螺丝刀100可使用离散的电流、电压或扭矩值识别 具有可变密度的材料之间的过渡区。在一些实施例中，该装置可被编程为 基于预编程到控制器的预期电流、电压或扭矩反馈来识别和表征材料类 型。在一些实施例中，螺丝刀100可以基于电流、电压或扭矩读数识别螺 钉何时最初开始驱动(当第一螺纹已经被卡住时)。在一些实施例中，螺 丝刀100可基于电流、电压或扭矩读数识别螺钉何时就位。在一些实施例 中，螺丝刀100可以基于控制器的编程来区分螺钉就位、撞击较高或较低 密度的基质的螺钉或者启动其驱动(初始螺纹捕获)的螺钉。此外，一旦 螺钉完全就位，使用者可以在重置螺丝刀100中的任何软件之后尝试进一 步扭转螺钉。因此，螺丝刀软件可以包括允许其识别和区分用于已经就位 的螺钉的起动扭矩与借助较高的初始扭矩值刚刚已经开始驱动的螺钉的 起动扭矩的特征。这可以防止螺丝刀100继续驱动并且潜在地剥离已经就 位的螺钉。

在一些实施例中，螺丝刀100可以基于电流和电压的读数以及编程到 控制器中的信息来识别螺钉尖端当前穿透的基质。在一些实施例中，该装 置可以在螺钉以预编程的预期值驱动时比较电压、电流或扭矩读数，以识 别螺钉当前所处的材料类型。

各种实施例被配置成在驱动操作期间确定螺钉的状态。例如，一些实 施例被配置成为确定何时螺钉在组织中(例如在松质骨中)就位(例如， 抵靠着骨板或其他结构)。某些变化被配置成为确定螺钉何时遇到(例如， 开始被驱入)另一种类型的组织，例如皮质骨。在一些实施例中，螺丝刀 100可以基于数据输入的曲线的参数(例如扭矩曲线)来执行确定。例如， 可以基于曲线的形状或斜率进行确定。在一些实施例中，螺丝刀100可以 自动地区分不同的扭矩曲线，例如在潜在的破坏作用(例如撞击硬质皮质 骨的螺钉的尖端)和螺钉就位之间。然后，螺丝刀100的实施例可以基于 扭矩曲线(例如，停止或继续电机操作)来改变操作参数。例如，螺丝刀 100可以以X的扭矩值停止。X可以由使用者设定或者可以包括在螺丝刀100 的部件中。因此，停止可以被电子地或机械地设置。扭矩值(nm、英寸盎 司等)可以通过转换给定的电流、电压和/或功率来确定，例如通过使用 查找表或数学方程。

例如，图54A和54B示出了扭矩曲线，其中螺钉的尖端遇到硬皮质骨 (左)和螺钉就位(右)，每个附图示出在时间值t₁，t₂和t₃处不同的扭矩。 如图54A所示，当撞击硬质皮质骨时，扭矩以一般线性方式增加。然而， 在图54B所示的螺钉就位中，扭矩可以以非线性和/或通常指数的方式增 加。螺丝刀100的实施例可以区分这种扭矩变化。螺丝刀100的各种实施例 可以区分线性、非线性(例如，指数)或其他扭矩曲线。在一些实施例中， 与当螺钉就位时相比，当遇到硬质皮质骨时，扭矩的变化率更大。例如， 当遇到硬皮质骨时，t₁和t₃之间的斜率可以大于当螺钉就位时t₁和t₃之间的 斜率。

在一些实施例中，螺丝刀100的一个或多个操作参数可以基于所确定 的扭矩曲线的类型而改变，例如曲线是线性的还是非线性的，如上所述。 例如，当螺钉遇到硬质皮质骨(其示例在图54A中示出)时，螺丝刀100可 以识别出该曲线通常是线性的。作为响应，螺丝刀100可以停止螺钉的驱 动，从而不会损坏骨。相反地，对于螺钉就位操作(其示例在图54B中示 出)，螺丝刀100可以识别出曲线通常是非线性的。作为响应，螺丝刀100 可以继续驱动直到满足扭矩限制标准，例如本文所公开的。

螺丝刀可以根据算法区分不同的扭矩曲线。例如，如果存在X个连续 增加值并且在(t₂-t₁)/t₁>Y％处的扭矩值，其中可以由使用者选择和设 置X和Y％，可以使电机12减速。在一些实施例中，与硬质皮质骨的撞击将 具有相对急剧的增加，因此Y％值将大于用于螺钉就位，其通常将具有相 对逐渐增加，并且因此将不满足如图54A-B所示的用于停止螺丝刀的电机 的两个条件。在各种实施例中，本公开中描述的算法和过程可以由螺丝刀 100的控制器(例如，可操作地与存储器耦合的处理器)实现。

自适应扭矩限制

在一些实施例中，螺丝刀100可以结合自适应扭矩限制特征。这些特 征可以例如与螺钉或钻头一起使用，以执行密度差异分析。如上所述，螺 丝刀100可以配置成驱动螺钉和/或钻头。例如，螺丝刀100可以转动钻头 以钻入骨中以形成孔。钻头可以从孔中取出，并且可以插入螺钉。

图55示出了通过钻通模拟椎骨产生的各种示例性扭矩曲线。用于试验 1-5的值显示出初始扭矩谷峰，因为它们突破椎骨的外皮质层。当它们通 过较小致密的松质骨层过渡时，扭矩减小并趋于平稳。试验1-5表示正确 钻孔。另一方面，如图15所示，用于试验6-10的值显示两个扭矩谷峰。第 一谷峰通常与试验1-5中的谷峰对齐，但第二谷峰出现较晚(试验1-5没有 这个第二谷峰)。如图所示，这个第二谷峰的扭矩值几乎是第一谷峰的两 倍。在一些实施例中，与第一谷峰相比，第二谷峰可以是所列值之上或之 间的一倍半、二倍、三倍或其他值。第二谷峰的特定大小不是限制性的。 该第二谷峰表示在穿过松质骨后穿过第二皮质层，这通常是不期望的并且 是要避免的。

图56示出了正确对准的钻头的扭矩曲线。钻头在达到扭矩谷峰时穿过 皮质层，并且然后在穿过松质骨时下降到较低值。如图所示，没有大的二 级扭矩谷峰，表明突破第二皮质层。因此，对于正确对准的钻头，螺丝刀 将不需要限制扭矩，尽管仍然可以使用某些扭矩限制特征。

图57显示了未对准钻头的扭矩曲线。如图所示，存在两个扭矩谷峰， 第二扭矩谷峰基本上高于第一谷峰，表明钻头突破第二皮质层。与图56相 比，直到发生破坏，钻头遵循与正确对准的钻头类似的路径。

某些实施例被配置成识别和/或捕获正确钻孔和破坏脊柱的孔之间的 差异。各种实施例被配置成响应于确定孔已经或将要破坏脊柱而采取行 动。例如，螺丝刀可以停止驱动和/或钻孔、发出声音和/或视觉警报等。

在一些实施例中，谷峰探测器可与螺丝刀100一起使用。谷峰探测器 可以通过使用例如运行平均值、一阶导数和/或预设值来定位扭矩谷峰来 工作。在运行平均方法中，可以存储谷峰扭矩。然后，对于每个反馈循环， 将针对扭矩谷峰评估运行平均值。如果扭矩谷峰高于存储值，则更高的扭 矩谷峰将替换该值。这将持续直到运行平均值对于给定数量的反馈期间 (例如，1,10,20,50或100)减小，这可以代表初始谷峰的背面。对于预 设值方法，在广泛测试后，这将适用于特定的钻孔系统。

例如当检测到破坏时电机关闭的情况，自适应扭矩限制可以通过以下 任何一种来触发。在一些实施例中，一旦扭矩谷峰被建立，如果扭矩达到 该值的Y％的特定百分比，则螺丝刀可以关闭螺丝刀100的电机。百分比可 以是例如50,60,70,80,90,95,99,100,105,110，并且使用的具体百分比不 是限制性的。在一些实施例中，一旦扭矩谷峰被建立，如果移动平均值中 的变化率(或导数)超过特定值，则螺丝刀可以关闭螺丝刀100的电机12。

图58示出了在不破坏脊柱的情况下被驱动到椎骨中的螺钉的扭矩曲 线。如图所示，螺钉行进通过区域1中的皮层，驱动通过区域2中的松质骨 层，螺钉螺纹全部进入区域3中的骨，并且螺钉已经就位在区域4中。在一 些实施例中，螺丝刀在就位之前或之后(例如，区域4)停止螺钉可能是 有利的。这是因为螺钉头上的附件可以利用移动性来使杆沿着椎骨对齐， 因为螺钉本身没有一直拧到头部。螺钉可以放入预钻孔中，该钻孔由上面 讨论的钻孔过程控制。因此，在一些实施例中，螺丝刀100可以在发生在 区域3中的所有螺纹已经进入骨时限制电机12。

在一些实施例中，螺丝刀100可以利用以下概念来进行自适应扭矩限 制。在一些实施例中，电机12可在连续减小的扭矩值(例如，3个，4个， 5个，10个，15个或20个减小值)之后关闭。在一些实施例中，指示减小 的斜率的变化率/一阶导数可以使得螺丝刀停止电机。在一些实施例中， 可以使用模仿上面讨论的谷峰查找算法的谷值校验算法。

在一些实施例中，钻孔/驱动器可以以下列方式与钻孔钻头和驱动器 相互作用。驱动器的夹头可以配置成接收不同的几何形状，每个几何形状 用于钻头和驱动器叶片。当插入钻头时，使用者可以触发按钮、开关或其 他机构，从而激活用于钻头的关闭算法。因此，该算法可以仅通过使用者 的激活来使用。在一些实施例中，可以在插入驱动器叶片或钻头/螺钉时 激活算法。在一些实施例中，钻头可以操作到一定深度。在该深度之后没 有预先钻孔路径的情况下，螺钉就位中将看到扭矩的急剧增加。可以从待 插入到驱动器中的最后一个钻刀器或通过输入附加值来知道该深度。

机器人特征

螺丝刀100和硬件/软件的实施例可以被配置成与机器人(例如机器人 臂)一起使用和/或集成。机器人臂可以包括臂单元和控制器单元(例如， 处理器和存储器)。在一些实施例中，机器人可以被配置成使用螺丝刀100 以将螺钉驱动到患者体内。该运动可以由机器人在使用者的控制下或其组 合下自动地执行。

在一些实施例中，螺丝刀100可以被可拆卸地连接到机器人。在某些 变化中，螺丝刀100可包括到机器人的臂单元的近端或远端的连接件，这 可以与手持操作结合或替代。在一些实施例中，螺丝刀可以与臂单元完全 集成。因此，在一些实施例中，单独的螺丝刀可以不连接到机器人臂，代 替地机器人臂可以包括螺丝刀100的部件，包括上面详细讨论的传感技术。 在一些实施例中，机器人臂的本身可以将螺钉驱动到患者体内而无需额外 的手持件。

在一些实施例中，螺丝刀100可以与机器人电连接。例如，两者都可 以共享公共电源。在一些实施例中，螺丝刀100可在机器人外部具有单独 的电源。在某些实施例中，螺丝刀和机器人可以在彼此之间共享软件和/ 或数据。

本文讨论的某些其他特征，例如扭矩限制，可以应用于机器人。例如， 机器人臂可以配置成从螺丝刀100的驱动电机接收电流反馈。机器人可以 被配置成响应于由螺丝刀100施加到螺钉的扭矩达到或超过某个阈值而减 小和/或停止螺钉的驱动(或其他运动)。在一些实施例中，机器人技术可 以识别螺钉何时就位或钻头是否插入，例如基于来自螺丝刀100的电流反 馈。

机器人可以被配置成从螺丝刀100的运动接收力反馈。在某些实施例 中，机器人臂可以基于力反馈来修改其行为。例如，机器人臂可以执行扭 矩限制功能。在某些实施例中，机器人臂被配置成以类似于人能够检测就 位螺钉的方式检测就位螺钉，例如通过检测螺钉的向前进展已经停止，例 如通过力、振动、加速度和/或运动传感器。例如，沿着给定轴线的运动 阻力的突然增加可以指示就位螺钉(或其他扭矩)，并且机器人臂可以减 小或停止螺钉的向前运动和/或采取其他动作(例如，提供警报或通知使 用者减小或停止向前运动)。

在一些实施例中，机器人臂可以用于将螺钉(例如，脊椎椎弓根螺钉) 驱动到患者体内，这可以是令人厌烦的、重复的、相对低风险的和/或商 品化的程序。这样的机器人臂可以极其精确地驱动椎弓根螺钉并且减轻皮 质破坏的风险，例如基于自螺丝刀100接收的信息。这使得螺丝刀100的使 用能够完全自动化和/或不需要任何人为控制(或减小或最小化任何人为 控制)。因此，在一些实施例中，外科医生或其他使用者的工作量可以从 驱动椎弓根螺钉的工作中减小或消除。

在一些实施例中，螺丝刀100可以与混合式机器人一起使用。混合式 机器人可以具有许多不同的模式。例如，一种模式可以是充当外科辅助工 具。在某些模式中，机器人可以提供风险缓解和/或防止区域违规。例如， 当操作螺丝刀100时，机器人可以警告和/或禁止使用者(例如，外科医生) 移动进入某个空间(例如，“禁飞区”)和/或移出某个空间。在某些模式 中，机器人可以执行经济操作，例如使用螺丝刀以完全自动化的方式驱动 螺钉。

深度计机制

在一些实施例中，螺丝刀100还可包括深度计，如图59所示。如图所 示，仪表通常可以从螺丝刀100延伸并用于确定螺钉(或其他工具)的实 时深度，用于识别高概率撞击区域的目的，尽管该仪表也可用于确定其他 区域。在一些实施例中，深度计可与螺丝刀100一体地形成。在一些实施 例中，深度计可以连接到螺丝刀100和/或可从螺丝刀100移除，例如通过 插入螺丝刀100中的孔中，如图59所示。在一些实施例中，深度计可以在 螺丝刀上移动，例如，随着深度增加而推入螺丝刀100中。在一些实施例 中，深度计可以是激光器。在一些实施例中，深度计可包括指示深度的标 记。在一些实施例中，深度计可以向螺丝刀100提供深度信息，并且螺丝 刀100可以向使用者提供输出。在一些实施例中，深度计可以提供物理停 止。在一些实施例中，深度计可提供螺钉深度的视觉或听觉指示。在一些 实施例中，一旦达到特定深度，例如，如使用者所设定的，螺丝刀100可 以自动关闭和/或减速。

例如，如果用于99％的成年人群的椎弓根通道为15mm±2mm，则深度 计可用于确定最可能发生破坏的深度。因此，结合本文讨论的扭矩测量值， 深度计可用于提高螺丝刀100的精度和可靠性。在一些实施例中，深度计 可用于识别螺钉何时位于患者的特定位置。

作为另一示例，对于钻/驱动器组合，如果医疗架仅钻2mm深度的导向 孔，则测量仪的实施例可确定钻的深度并且达到深度时停止钻孔功能(例 如，停止电机和/或切换到手动、提供手动停止)。在一些实施例中，深度 计测量值可以被使用者超驰，例如，如果患者在标准之外。

在一些实施例中，使用者可以识别对于螺丝刀100的螺钉类型。然后， 螺丝刀100可以进入查找表以找到该类型螺钉的插入深度(例如螺钉的总 长度减去螺钉头部的长度)。一旦深度计达到插入深度值，螺丝刀100就可 以确定螺钉就位(或处于适当位置)。在一些实施例中，查找表或其他查 找方法还可以包括可以进一步调整深度计读数的程序信息。在一些实施例 中，使用者不必识别螺钉的类型，并且螺丝刀100将自动识别它。

摘要

已经在某些实施例、示例和变化的方面的上下文中公开了各种螺丝刀 装置、系统和方法。然而，本公开扩展超出具体公开的实施例、示例和对 本发明的其他替代实施例和/或用途的变化，以及其明显的修改和等同物。 另外，虽然已经详细示出和描述了螺丝刀的多种变化，但是基于本公开， 本领域技术人员将容易明白在本公开范围内的其他修改。此外，虽然已经 在外科螺丝刀的背景下讨论了某些示例，但是本文公开的各种发明不限于在外科螺丝刀中使用。实际上，本文公开的各种发明预期用于各种其他类 型的设备和其他环境。

已经在单独实现的上下文中描述的某些特征也可以在单个实现中组 合实现。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或 以任何合适的子组合在多个实现中实现。此外，尽管上面的特征可以描述 为以某些组合起作用，但是在某些情况下，来自所要求保护的组合的一个 或多个特征可以从组合中去除，并且该组合可以要求保证为任何子组合或 任何子组合的变化。

在本公开中的一个实施例、流程图或示例中公开或示出的任何步骤、 过程、结构和/或设备的任何部分可以与在不同实施例、流程图或示例中 公开或示出的任何步骤、过程、结构和/或设备的任何其他部分组合或一 起使用(或代替地)。这里描述的实施例和示例不旨在是离散的并且彼此 分离。所公开的特征的组合、变化和其他实施例在本公开的范围内。

可以调整或修改任何步骤和块。可以使用其他或附加步骤。本文描述 的步骤或块都不是必需的或必不可少的。此外，虽然可以在附图中描绘或 以特定顺序在说明书中描述操作，但是这些操作不需要以所示的特定顺序 或按顺序执行，并且不需要执行所有操作，以实现期望的结果。未描绘或 描述的其他操作可以包含在示例方法和过程中。例如，可以在任何所描述 的操作之前、之后、同时或之间执行一个或多个附加操作。此外，可以在 其他实现中重新排列或重新排序操作。此外，上述实施例中的各种系统组 件的分离不应被理解为在所有实施例中都需要这种分离，并且应当理解， 所描述的组件和系统通常可以集成在单个产品中或者封装到多个产品中。

除非另外特别说明或在所使用的上下文中以其他方式理解，否则本文 使用的条件语言，例如“可”，“可以”，“可能”，“能够”，“例如”等等， 通常旨在传达某些实施例包括，而其他实施例不包括某些特征、元件和/ 或步骤。因此，这种条件语言通常不旨在暗示一个或多个实施例以任何方 式需要特征、元素和/或步骤，或者一个或多个实施例必须包括用于在有 或没有作者输入或提示的情况下决定这些特征、元件和/或步骤包括在任 何特定实施例中或将在任何特定实施例中执行的逻辑。

除非另外特别说明，否则诸如短语“X，Y和Z中的至少一个”的联合 语言在所使用的上下文中通常被理解为传送项目、术语等可以是X，Y或Z。 因此，这种联合语言通常并不意味着暗示某些实施例需要X中的至少一个、 Y中的至少一个和Z中的至少一个给被表示的每一个。

术语“包括”，“包含”，“具有”等是同义的并且以开放式方式包含使 用，并且不排除其他元件、特征、动作、操作等。此外，术语“或”在其 包含意义上使用(而不是在其专有意义上)，因此当使用时，例如，为了 连接元素列表，术语“或”表示一个、一些或全部列表中的元素。术语“和 /或”表示“和”适用于一些实施例，并且“或”适用于一些实施例。因 此，A，B和/或C等同于在一个句子中写的A，B和C以及在另一个句子中写 的A，B或C。术语“和/或”用于避免不必要的冗余。

这里使用的术语“大约”，“约”和“基本上”表示接近所述量的量， 其仍然执行期望的功能或实现期望的结果。例如，在一些实施例中，如上 下文所指示的，术语“大约”，“约”和“基本上”可以指小于或等于所述 量的10％的量。如本文所用的术语“通常”表示主要包括或倾向于特定值、 量或特征的值、量或特征。作为示例，在某些实施例中，如上下文所指示 的，术语“大致平行”可以指从精确平行偏离小于或等于20度的意思。

与本文所用的圆形形状有关的术语，例如直径或半径，应理解为不需 要完美的圆形结构，而是应该应用于具有可以从一侧到另一侧测量的横截 面区域的任何合适的结构。与形状有关的术语，例如“圆形”或“圆柱形” 或“半圆形”或“半圆柱形”或任何相关或类似术语，不要求严格符合圆 形或圆柱形或其他结构的数学定义，但可以包含相当接近的近似结构。同 样，由“通常”一词修饰的形状(例如，“通常为圆柱形”)可包括合理靠 近所述形状的近似。

已经结合附图描述了一些实施例。附图按比例绘制，但是这种比例不 应是限制性的，因为显示以外的尺寸和比例是预期的并且在本公开的范围 内。距离、角度等仅仅是说明性的，并不一定与所示装置的实际尺寸和布 局具有精确的关系。可以添加、移除和/或重新排列组件。此外，本文中 与各种实施例相关的任何特定特征、方面、方法，性能、特性、质量、属 性、元件等的公开内容可以用于本文阐述的所有其他实施例中。另外，将 认识到，可以使用适合于执行所述步骤的任何装置来实践本文描述的任何 方法。

上述各种特征和过程可以彼此独立地使用，或者可以以各种方式组 合。所有可能的组合和子组合都旨在落入本公开的范围内。另外，在一些 实现中可以省略某些方法、事件、状态或过程块。本文描述的方法和过程 也不限于任何特定序列，并且与其相关的块或状态可以以适当的其他序列 执行。例如，所描述的任务或事件可以以具体公开的顺序之外的顺序执行。 可以在单个块或状态中组合多个步骤。示例任务或事件可以串行、并行或 以某种其他方式执行。可以向所公开的示例实施例添加任务或事件或从中 删除任务或事件。这里描述的示例系统和组件可以与所描述的不同地配 置。例如，与所公开的示例实施例相比，可以添加、移除或重新配置元件。

总之，已经公开了扭矩限制螺丝刀系统和方法的各种实施例和示例。 尽管本公开内容是在那些实施例和示例的上下文中，但是本公开内容超出 了具体公开的实施例，延伸到实施例的其他替换实施例和/或其他用途， 以及其某些修改和等同物。此外，本公开明确地预期所公开的实施例的各 种特征和方面可以彼此组合或替代。因此，本公开的范围不应受上述具体 公开的实施例的限制，而应仅通过公平阅读所附权利要求来确定。

Claims (24)

1.一种扭矩限制装置，包括：

主体，所述主体包括手柄，所述手柄被配置成由使用者抓握；

电机，所述电机位于所述主体内；

驱动头，所述驱动头与所述电机可操作地连接，并且被配置成将钻孔器具驱动到脊柱的骨中；和

处理器，所述处理器位于所述主体内；

其中，在所述处理器的控制下，所述扭矩限制装置被配置成：

将所述钻孔器具钻入所述脊柱的所述骨中，其中所述骨包括第一皮质层、松质骨层和第二皮质层；

当所述钻孔器具正在钻入所述第一皮质层时检测第一扭矩值；

当所述钻孔器具正在钻入所述松质骨层时检测第二扭矩值；

当所述钻孔器具的尖端正在进入所述骨的所述松质骨层时，识别从所述第一扭矩值到所述第二扭矩值的变化；

当所述钻孔器具正在钻入所述第二皮质层时检测第三扭矩值；

当所述钻孔器具的尖端正在进入所述骨的所述第二皮质层时，识别从所述第二扭矩值到所述第三扭矩值的变化；并且

响应于识别到所述钻孔器具的尖端正在进入所述骨的所述第二皮质层，停止所述钻孔器具钻入所述骨中，从而抑制对所述脊柱的破坏。

2.根据权利要求1所述的扭矩限制装置，其中，所述扭矩限制装置被配置成通过检测扭矩的量的至少5％的增加来识别从所述第二扭矩值到所述第三扭矩值的变化。

3.根据权利要求1所述的扭矩限制装置，其中，所述第一扭矩值和所述第三扭矩值大于所述第二扭矩值。

4.根据权利要求1所述的扭矩限制装置，其中，所述扭矩限制装置进一步被配置成响应于识别到所述钻孔器具的尖端正在进入所述骨的所述第二皮质层而提供指示，其中所述指示是视觉指示或音频指示。

5.根据权利要求1所述的扭矩限制装置，其中，所述钻孔器具包括自动攻丝式螺钉或钻头。

6.一种扭矩限制装置，包括：

主体，所述主体包括手柄，所述手柄被配置成由使用者抓握；

电机，所述电机位于所述主体内；

驱动头，所述驱动头被配置成接收钻头，所述钻头被配置成与螺钉接合，所述驱动头进一步被配置成被所述电机旋转以使所述螺钉能够钻穿脊柱的骨的至少一部分；和

处理器，所述处理器位于所述主体内；

其中，在所述处理器的控制下，所述扭矩限制装置被配置成：

将所述螺钉钻穿所述脊柱的所述骨的至少一部分，其中所述骨包括第一皮质层、松质骨层和第二皮质层；

当所述螺钉正在钻入所述第一皮质层时检测第一扭矩值；

当所述螺钉正在钻入所述松质骨层时检测第二扭矩值；

当所述螺钉正在进入所述骨的所述松质骨层时，识别从所述第一扭矩值到所述第二扭矩值的变化；

当所述螺钉正在钻入所述第二皮质层时检测第三扭矩值；

当所述螺钉正在进入所述骨的所述第二皮质层时，识别从所述第二扭矩值到所述第三扭矩值的变化；并且

响应于识别到所述螺钉正在进入所述骨的所述第二皮质层，停止所述螺钉钻入所述骨中，从而抑制对所述脊柱的破坏。

7.根据权利要求6所述的扭矩限制装置，其中，所述螺钉是椎弓根螺钉。

8.根据权利要求6所述的扭矩限制装置，还包括位于所述手柄内的电池，所述电池被配置为向所述电机提供电力。

9.一种扭矩限制装置，包括：

主体，所述主体包括手柄，所述手柄被配置成由使用者抓握；

电机，所述电机位于所述主体内；

驱动头，所述驱动头与所述电机可操作地连接，并且被配置成驱动钻孔器具；和

处理器，所述处理器位于所述主体内；

其中，在所述处理器的控制下，所述扭矩限制装置被配置成检测指示所述钻孔器具从第一类型的身体组织进入第二类型的身体组织的扭矩的变化。

10.根据权利要求9所述的扭矩限制装置，其中，所述第一类型的身体组织包括松质骨，并且所述第二类型的身体组织包括皮质骨。

11.根据权利要求9所述的扭矩限制装置，其中，所述第一类型的身体组织包括骨，并且所述第二类型的身体组织包括软组织。

12.根据权利要求9所述的扭矩限制装置，其中，所述第一类型的身体组织包括软组织，并且所述第二类型的身体组织包括骨。

13.根据权利要求9所述的扭矩限制装置，其中，所述第一类型的身体组织和所述第二类型的身体组织具有不同的密度。

14.根据权利要求9所述的扭矩限制装置，其中，所述扭矩限制装置进一步被配置成测量所述电机的电流和电压中的至少一种。

15.根据权利要求14所述的扭矩限制装置，其中，所述扭矩限制装置被配置成至少部分地基于所测量的所述电机的所述电流和所述电压中的至少一种来检测所述扭矩的变化。

16.根据权利要求9所述的扭矩限制装置，其中，所述扭矩限制装置进一步被配置成响应于检测到所述扭矩的变化而停止驱动所述钻孔器具。

17.根据权利要求9所述的扭矩限制装置，其中，所述扭矩限制装置进一步被配置成响应于检测到所述扭矩的至少25％的变化而停止驱动所述钻孔器具。

18.根据权利要求9所述的扭矩限制装置，其中，所述扭矩限制装置进一步被配置成响应于检测到所述扭矩的变化而调节所述钻孔器具的旋转速度。

19.根据权利要求9所述的扭矩限制装置，其中：

所述第一类型的身体组织包括松质骨，并且所述第二类型的身体组织包括皮质骨；

检测所述扭矩的变化包括：

当所述钻孔器具正在钻入所述松质骨时检测第一扭矩值；

当所述钻孔器具正在钻入所述皮质骨时检测第二扭矩值；并且

当所述钻孔器具的至少一部分正在进入所述皮质骨时检测从所述第一扭矩值到所述第二扭矩值的变化。

20.根据权利要求19所述的扭矩限制装置，其中，响应于检测到从所述第一扭矩值到所述第二扭矩值的所述变化，所述扭矩限制装置进一步被配置成停止所述钻孔器具的钻孔。

21.根据权利要求19所述的扭矩限制装置，其中，所述钻孔器具是螺钉或钻头。

22.一种扭矩限制装置，包括：

主体，所述主体包括手柄；

电机；

驱动头，所述驱动头与所述电机可操作地连接，并且被配置成将钻孔器具驱动到脊柱的骨中；和

处理器；

其中，在所述处理器的控制下，所述扭矩限制装置被配置成：

将所述钻孔器具钻入所述脊柱的所述骨中，其中所述骨包括松质骨层和皮质层；

当所述钻孔器具正在钻入所述松质骨层时检测第一扭矩值；

当所述钻孔器具正在钻入所述皮质层时检测第二扭矩值；

当所述钻孔器具的至少一部分正在进入所述骨的所述皮质层时检测从所述第一扭矩值到所述第二扭矩值的变化；并且

响应于检测到所述钻孔器具的至少一部分正在进入所述骨的所述皮质层，停止所述钻孔器具钻入所述骨中，从而抑制对所述脊柱的破坏。

23.根据权利要求22所述的扭矩限制装置，其中，所述钻孔器具是螺钉或钻头。

24.根据权利要求22所述的扭矩限制装置，其中，当所述钻孔器具的至少一部分正在进入所述骨的所述皮质层时检测从所述第一扭矩值到所述第二扭矩值的变化包括：检测所述第一扭矩值与所述第二扭矩值之间的至少25％的变化。

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