CN114469211A - 多级扩张器与套管系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种供在包含微创外科手术在内的外科手术中使用的多级扩张器与套管组合件，其用以提供组织扩张及入孔的打通以使得外科医生能够通达所关注解剖特征且提供对所关注解剖特征的治疗。

Description

多级扩张器与套管系统及方法
本申请是申请日为2017年07月11日、申请号为201780052963.8、发明名称为“多级扩张器与套管系统及方法”的发明专利申请的分案申请。
相关申请案
本申请案主张2016年7月12日提出申请的第62/361,040号美国临时申请案及2016年10月25日提出申请的第62/412,450号美国临时申请案的优先权的权益，所述美国临时申请案的全部揭示均以引用方式并入本文中。
背景技术
例如微创手术的外科手术可需要外科医生将手术工具插入到患者的身体内侧达特定深度以到达患者的身体内侧的目标区。举例来说，微创脊柱外科手术已用于椎骨及脊柱关节的稳定化且用于缓解施加到脊神经的压力。此类手术可利用相对小切口及管状牵开器及套管的插入同时最小化对肌肉及其它周围解剖特征的损坏。微创手术方法可为更快的、更安全的且需要比常规开放手术少的恢复时间。需要不断改进例如微创外科手术的外科手术的安全及速度。
发明内容
各种实施例包含一种供在包含微创外科手术在内的外科手术中使用的多级扩张器与套管组合件，其用以提供组织扩张及入孔的打通以使得外科医生能够通达所关注解剖特征且提供对所关注解剖特征的治疗。
实施例包含一种多级扩张器与套管组合件，其包含处于嵌套配置中的多个伸长构件，所述多个伸长构件可沿着中央轴线相对于彼此滑动，每一构件具有在所述构件的头端与尖端之间的长度尺寸，且所述多个构件中的从中央构件径向向外延伸的每一接连的构件具有比前一构件大的外部尺寸及比所述前一构件短的长度尺寸。
在各种实施例中，所述多个伸长构件经配置使得在第一方向上对第一构件的所述头端施加力会致使所述第一构件及所述组合件的从所述第一构件径向向外定位的任何构件在所述第一方向上移动(例如)到患者的身体中。所述第一构件及从所述第一构件径向向外定位的任何构件可在所述第一方向上相对于所述组合件的从所述第一构件径向向内定位的任何构件移动。在实施例中，在与所述第一方向相反的第二方向上对所述第一构件施加力致使所述第一构件在所述第二方向上相对于所述组合件的从所述第一构件径向向外定位的任何构件移动。
额外实施例包含使用多级扩张器与套管组合件执行外科手术的方法。额外实施例包含用于使用多级扩张器与套管组合件执行机器人辅助式图像导引手术的系统。
附图说明
将从结合附图进行的对本发明的以下详细说明明了本发明的其它特征及优点，在所述附图中：
图1A到1B是根据一个实施例的扩张器与套管组合件的透视图。
图2A到2G示意性地图解说明用于执行外科手术的实施例扩张器与套管组合件。
图3图解说明根据实施例的供与扩张器与套管组合件一起使用的计算机辅助的手术系统。
图4是图解说明根据实施例的用于使用扩张器与套管组合件执行计算机辅助外科手术的方法的过程流程图。
图5A到5G示意性地图解说明根据实施例的用于执行机器人辅助式微创脊柱手术的方法。
图6示意性地图解说明可用于执行各种实施例的计算装置。
具体实施方式
将参考附图详细描述各种实施例。在任何可能的情况下，将贯穿图式使用相同参考编号来指相同或相似部件。对特定实例及实施方案的提及是出于说明性目的，且并不打算限制本发明或权利要求书的范围。
在图1A及1B中图解说明多级扩张器与套管组合件100的实施例。组合件100包含处于嵌套配置中的多个伸长构件101、103、105，使得构件101、103及105可沿着纵向轴线a相对于彼此滑动。第一构件101可具有空心或实心内部且可包括针、套管或类似伸长结构。第二构件103可包括具有纵长地延伸穿过第二构件103的中央开口而且经定大小且经塑形而以滑动啮合接纳第一构件101的套管。第三构件105还可包括具有纵长地延伸穿过第三构件105的中央开口而且经定大小且经塑形而以滑动啮合接纳第二构件103的套管。
构件101、103及105中的每一者具有在构件的第一端(即，头端107)与第二端(即，尖端109)之间延伸的长度。可使得用户能够容易地抓握且操纵构件的一或多个特征(例如手柄、球形把手、凸缘等)可接近于构件中的每一者的头端107。构件101、103及105的长度可变化，使得第一构件101的长度可大于第二构件103的长度，且第二构件103的长度可大于第三构件105的长度。图1A图解说明在构件101、103及105的头端107邻近于彼此而定位的情况下的组合件100。在此配置中，第一构件101的尖端109延伸超过第二构件103的尖端109达距离d1，且第二构件103的尖端109延伸超过第三构件105的尖端109达距离d2。图1B图解说明处于不同配置中的组合件100，其中构件101、103及105的尖端109基本上彼此重合且构件101、103及105的头端107间隔开。
根据各种实施例的多级扩张器与套管组合件100可包含在中央(例如，导向)构件周围的多个嵌套管状或空心构件(例如，套管)，其中从中央构件径向向外延伸，每一接连构件可具有相对较大外部尺寸(即，直径)及相对较短长度尺寸。在一个非限制性实例中，第一或中央构件101可具有大致4mm(例如，2到5mm)的外径，环绕第一构件101的第二构件103可具有大致4mm(例如，2到5mm)的内径及大致9mm(例如，7到10mm)的外径，且环绕第二构件103的第三构件105可具有大致9mm(例如，7到10mm)的内径及大致12mm(例如，11到15mm)的外径。当组合件100如图1A中所展示而配置时，第一或中央构件101的尖端109可延伸超过第二构件103的尖端109达大致25mm(例如，10到40mm)的距离且第二构件103的尖端109可延伸超过第三构件105的尖端109达大致25mm(例如，10到40mm)的距离。作为整体的组合件100可为相对刚性的，其中当组合件100处于图1A中所展示的配置中时较大直径且相对较硬外套管构件103及105在其长度的大部分(例如，>50％，例如75％到90％)内环绕且支撑较小直径中央(例如，导向)构件101。
如上文所论述，构件101、103及105中的每一者可包含可接近构件的头端107而定位的例如手柄、球形把手、凸缘等特征，所述特征可使得用户能够(例如)通过在箭头A的方向上对构件施加向下力或在箭头B的方向上对构件施加向上力而容易地抓握且操纵构件。在图1A到1B的示范性实施例中，第一构件101在头端107处包含手柄111，且第二构件103在头端107处包含横向于构件103的长度尺寸而延伸的凸缘113，且第三构件105也在头端107处包含横向于构件105的长度尺寸而延伸的凸缘115。在此实施例中，第三构件105还包含c形突出部117，c形突出部117在第一构件101的手柄111的方向上从凸缘115延伸且可促进用户对整个组合件100的握持及固持。
组合件100中的构件中的至少一些构件可包含经配置以“捕获”从嵌套组合件100中的所述构件径向向外定位的一或多个构件的一或多个特征，使得当在第一方向上推动具有此特征的特定构件(例如，在图1A中的箭头A的方向上将力施加到构件)时，被推动的构件还会推动嵌套组合件100的从被推动的构件径向向外定位的一或多个构件，从而致使被推动的构件及从所述构件径向向外定位的(若干)构件在所施加力的方向上一起移动。从被推动的构件径向向内定位的任一(何)构件不可被类似地“捕获”，且因此不可在所施加力的方向上与被推动的构件一起移动。
在图1A中所展示的实施例中，举例来说，第一构件101的手柄111在横向于第二构件103的长度尺寸的方向上大于第二构件103中的开口，使得当在箭头A的方向上推动第一构件101时，第一构件101的手柄111向下推动且捕获第二构件103，因此致使第二构件103在箭头A的方向上连同第一构件101一起前进。类似地，第二构件103的凸缘113经定尺寸为大于第三构件105中的开口，使得当在箭头A的方向上推动第二构件103(即，通过直接推动第二构件103或通过用第一构件101的前进“捕获”第二构件103)时，第二构件103的凸缘113向下推动且捕获第三构件105，借此致使第三构件在箭头A的方向上连同第二构件103一起前进。
应注意，在此实施例中，使构件在箭头A的方向上前进不致使构件向下推动且“捕获”从嵌套组合件100中的被推动的构件径向向内定位的任何构件。举例来说，当(例如)通过用户将力直接施加到第三构件105的凸缘115而使第三构件105在箭头A的方向上前进时，第三构件105可在箭头A的方向上相对于从第三构件105径向向内定位的第一构件101及第二构件103自由滑动。类似地，在箭头A的方向上将直接力施加到第二构件103的凸缘113将“捕获”第三构件105(其从第二构件103径向向外定位)，但不捕获第一构件101(其从第二构件103径向向内定位)。因此，可使第二构件103及第三构件105在箭头A的方向上相对于第一构件101(其并非类似地前进)一起前进。
进一步注意，在图1A到1B的嵌套组合件100中，当使构件在箭头B的方向上移动时构件不“捕获”径向向外定位的构件中的任一者。举例来说，第一或中央构件101可在箭头B的方向上相对于第二构件103及第三构件105自由移动且可从组合件100移除。类似地，第二构件103可在箭头B的方向上相对于第三构件105自由移动且还可从组合件100的最外部构件105移除。
尽管图1A到1B的多级扩张器与套管组合件100图解说明处于嵌套配置中的三个构件101、103及105，但将理解，在各种实施例中，组合件100可仅包含两个嵌套构件(例如，构件101及103)或可包含多于三个嵌套构件(例如，一或多个额外构件可从第三构件105径向向外定位)。
图1A到1B的实施例还包含可用于运动追踪/手术导航系统的标志器装置119，如下文进一步详细描述。存在用于在对象在三维空间内移动时追踪对象的位置(包含位置及/或定向)的各种系统及技术。此些系统可包含固定到将被追踪的对象的多个主动或被动标志器及检测由标志器发射或从标志器反射的辐射的感测装置。可基于由感测装置检测到的信号而在软件中建构空间的3D模型。
图1A到1B的标志器装置119包含紧固到刚性支撑结构123的标志器121集合。标志器121可包括经配置以反射处于特定波长的光(例如，IR光)的被动标志器或可为具有用于产生可由如上文所描述的感测装置(例如，一或多个摄像机)感测到的在特定波长或波长范围中的光的光源(例如，LED源)的主动标志器。标志器121可紧固到支撑结构123以提供标志器121相对于彼此且相对于组合件100的固定已知几何关系，此可使得组合件100的位置(x、y、z)及定向(侧倾、纵倾、侧滚)两者均被充分解析。标志器121的特定几何图案可在运动追踪软件中与组合件100相关联，且可使得运动追踪系统能够在三维空间中识别且追踪组合件100。在此实施例中，标志器装置119紧固到组合件100的第三构件105的c形突出部117，尽管将理解，标志器装置可紧固于组合件100上的另一位置处。在实施例中，标志器装置119的支撑结构123可与组合件100的组件整体地形成。
例如图1A到1B中所展示的多级扩张器与套管组合件100可在包含微创外科手术在内的外科手术中用于提供组织扩张及入孔的打通以使得外科医生能够通达所关注解剖特征且提供对所关注解剖特征的治疗。图2A到2G示意性地图解说明用于执行外科手术的例如上文所描述的组合件100。在图2A到2G的非限制性实施例中，组合件100用于执行微创脊柱外科手术，但将理解，本发明的组合件100不限于在此类手术中使用，且可在不具限制地包含各种类型的整形外科、神经病学、心胸及普通外科手术的各种各样外科手术中使用。
图2A图解说明以俯卧姿势支撑于(例如)手术台(为了清晰而未展示)上的患者200。经配置以接纳如上文所描述的多级扩张器与套管组合件100的固持机构201位于患者200上面。固持机构201优选地附接到可维持固持机构201相对于患者200的位置及定向的适合支撑结构(为了清晰而未在图2中展示)。在一些实施例中，支撑结构可为可移动臂或吊杆，固持机构201附接到所述可移动臂或吊杆，且可在使固持机构201相对于患者200移动到所要位置及定向时将所述可移动臂或吊杆锁定于适当位置中。在例如下文参考图3所描述的一些实施例中，支撑结构可为机器人臂且固持机构201可包括附接到机器人臂301的末端的末端执行器302(参见图3)。可控制机器人臂以使末端执行器相对于患者200移动到所要位置及定向。末端执行器/固持机构201可包含与上文参考图1A到1B所描述的标志器装置119类似的标志器装置202以使得能够使用运动追踪系统来追踪末端执行器/固持机构201的位置及/或定向。
末端执行器/固持机构201可包含可经定大小且经塑形以接纳如上文所描述的多级扩张器与套管组合件100的空心管或套管203。图2B图解说明插入到空心管或套管203中的多级扩张器与套管组合件100。组合件100如图1A中所展示而配置，其中嵌套构件101、103、105的头端107邻近于彼此而定位，第一(即，导向)构件101的尖端109在第二构件103的尖端109下面突出短距离(例如，大致25mm)，且第二构件103的尖端109在第三构件105的尖端109下面突出短距离(例如，大致25mm)。
外科医生接着可向下推动组合件的第一(即，导向)构件101的头端107，从而致使第一构件101的尖端109进入患者的皮肤中的小预制切口205且在患者的身体内形成导孔。随着第一构件101前进，第一构件101的头端107向下推动且“捕获”组合件的第二构件103及第三构件105，从而致使组合件的所有三个构件一起前进。随着组合件100前进，第二构件103的尖端穿过切口205进入患者。第二构件103的尖端跟在第一构件101后面且可随着组合件100继续前进到患者中而部分地扩张由第一构件101形成的导孔，如图2C中所展示。
在图2C中，使多级扩张器与套管组合件100的第一(即，导向)构件101前进直到其到达患者的身体内的目标位置为止。所述目标位置可为患者的脊柱的特定部分，例如椎骨的表面。在实施例中，可使用图像导引手术系统将第一构件101导引到目标位置。举例来说，可使用成像装置(例如，x射线CT或荧光镜成像系统、MRI系统、超声成像系统等)在手术前或在手术中获得患者的解剖结构的一或多个诊断图像。可使用已知手术导航技术将诊断图像配准到运动追踪系统的坐标空间。因此，通过追踪仪器在手术区内的位置及/或定向，可确定仪器相对于诊断图像中的解剖特征的位置。举例来说，标志器装置119可用于在使第一构件101前进到患者中时追踪多级扩张器与套管组合件100的运动。基于组合件100的所追踪移动及已知几何形状，图像导引手术系统可用于确定第一构件101的尖端何时位于患者的身体中的目标位置处。
当多级扩张器与套管组合件100的第一(即，导向)构件101已到达患者的身体内的目标位置时，外科医生接着可向下推动组合件的第二构件103的头端107，从而致使第二构件103及第三构件105继续同步地前进到患者的身体中而第一构件101保持在适当位置中。第二构件103继续部分地扩张导孔，而第三构件105在使第三构件105前进到患者的身体中时提供额外扩张。
在图2D中，使多级扩张器与套管组合件100的第二构件103前进直到其到达患者的身体内的目标位置为止，使得第一(即，导向)构件101及第二构件103的尖端接近于目标位置而重叠。在实施例中，可使用如上文所描述的图像导引手术系统将第二构件103导引到目标位置。举例来说，可在使第二构件103及第三构件105前进到患者中时由运动追踪系统来追踪标志器装置119。图像导引手术系统可用于基于标志器装置119的所检测运动及组合件100的已知几何形状而确定第二构件103的尖端何时位于目标位置处。
外科医生可接着向下推动组合件的第三构件105的头端107，从而致使第三构件105进一步前进到患者的身体中而第一构件101及第二构件103保持在适当位置中。在使第三构件103前进到患者的身体中的目标位置时第三构件105可完全扩张导孔。
在图2E中，使多级扩张器与套管组合件100的第三构件105前进直到其到达患者的身体内的目标位置为止，使得第一、第二及第三构件的尖端接近于目标位置全部重叠。在实施例中，可使用如上文所描述的图像导引手术系统将第三构件105导引到目标位置。举例来说，可在使第三构件105前进到患者中时由运动追踪系统追踪标志器装置119。图像导引手术系统可用于基于标志器装置119的所检测运动及组合件100的已知几何形状而确定第三构件105的尖端何时位于目标位置处。
在图2F中，可通过使多级扩张器与套管组合件100的第一(即，导向)构件101穿过第二构件103中的开口205向上且向外滑动而从组合件100移除第一构件101。第二构件103的开口205因此可提供去往患者的身体中的目标位置的畅通入孔或通道。开口205可经定大小以使得外科医生能够穿过开口205将一或多个创伤性手术工具(例如，钻头、螺钉、针、套管、用于抓握或切割的工具、电极、植入物、辐射源、药物及内窥镜)插入到目标位置。举例来说，开口205可用于将钻头导引到患者的骨骼(例如椎骨)的表面，其中外科医生可使用钻头来在骨骼中形成用于螺钉(例如，椎弓根螺钉)或其它植入物的后续插入的导孔。在一个非限制性实施例中，第二构件103中的开口205可具有大致4mm(例如，2到5mm)的直径。接着可从开口205移除一或多个手术工具。
在图2G中，可通过使多级扩张器与套管组合件100的第二构件103穿过第三构件105中的开口207向上且向外滑动而从组合件100移除第二构件103。第三构件105中的开口207可大于第二构件103中的开口205，且因此可提供到达患者的身体中的目标位置的放大的入孔或通道。开口207可使得外科医生能够插入一或多个额外手术工具(例如，钻头、螺钉、针、套管、用于抓握或切割的工具、电极、植入物、辐射源、药物及内窥镜)以到达目标位置。经插入穿过开口207的一或多个额外手术工具可任选地大于经插入穿过开口205的手术工具。举例来说，开口207可用于将螺钉(例如，椎弓根螺钉)及螺钉起子或另一植入物或工具向下导引到患者的骨骼的表面，其中外科医生可使用骨骼中的经预先钻孔的导孔将螺钉插入到患者的骨骼中。在一个非限制性实施例中，第二构件105中的开口207可具有大致9mm(例如，7到10mm)的直径。接着可从开口207移除一或多个额外手术工具。
接着可从患者的身体移除多级扩张器与套管组合件100的第三构件105。接着可通过将第一构件101及第二构件103插入到第三构件105中而重新装配组合件100。任选地，可使末端执行器/固持机构201移动到患者的身体上面的另一位置且可重复所述过程。
图3图解说明根据各种实施例的用于使用多级扩张器与套管组合件100执行机器人辅助式图像导引手术的系统300。在此实施例中，系统300包含机器人臂301、成像装置303及运动追踪系统305。机器人臂301可包括包含由关节连接的多个连杆的多关节臂，所述关节具有致动器及任选编码器以使得连杆能够响应于来自机器人控制系统的控制信号而相对于彼此弯曲、旋转及/或平移。机器人臂301可在一个端处固定到支撑结构且可在机器人臂301的另一端处具有末端执行器302。多级扩张器与套管组合件100由末端执行器302支撑，如上文参考图2A到2G所描述。
成像装置303可用于获得患者200(其可为人类或动物患者)的诊断图像。在实施例中，成像装置303可为x射线计算机断层扫描(CT)成像装置。患者200可定位于成像装置303的中央膛孔307内且可使x射线源及检测器在膛孔307周围旋转以获得患者200的x射线图像数据(例如，原始x射线投射数据)。可使用适合处理器(例如，计算机)处理所收集图像数据以执行对象的三维重建。在其它实施例中，成像装置303可包括x射线荧光镜成像装置、磁共振(MR)成像装置、正电子发射断层扫描(PET)成像装置、单光子发射计算机断层扫描(SPECT)或超声成像装置中的一或多者。在实施例中，可通过将患者200定位在成像装置303的膛孔307内而在手术前(即，在执行外科手术之前)或在手术中(即，在外科手术期间)获得图像数据。在图3的系统300中，可通过在患者200可保持固定时使成像装置303在患者200上方移动以执行扫描而完成此。
在此实施例中，运动追踪系统305包含多个标志器装置119、202及315及一立体光学传感器装置311，立体光学传感器装置311包含两个或多于两个摄像机(例如，IR摄像机)。光学传感器装置311可包含将辐射(例如，IR辐射)引导到手术场中的一或多个IR源(例如，二极管环)，其中辐射可由标志器装置119、202及315反射且由摄像机接收。计算机313可耦合到传感器装置311且可使用(举例来说)三角测量技术确定由摄像机检测的标志器装置119、202、315的位置及定向。可使用由计算机313实施的运动追踪软件产生且连续地更新手术空间的3D模型。在实施例中，计算机313还可从成像装置303接收图像数据且可使用如此项技术中已知的图像配准技术将图像数据配准到关于运动追踪系统305的常见坐标系。在实施例中，参考标志器装置315(例如，参考弧)可刚性地附接到所关注解剖区域中的地标(例如，夹紧或以其它方式附接到患者的椎骨的脊柱棘突)以使得所关注解剖区域能够由运动追踪系统305连续地追踪。另一标志器装置202可刚性地附接到机器人臂301，例如在机器人臂301的末端执行器302上，以使得能够使用运动追踪系统305来追踪机器人臂301及末端执行器302的位置。计算机313可包含经配置以执行机器人臂301的关节坐标与运动追踪系统305的常见坐标系之间的变换(其可使得能够相对于患者200而控制机器人臂301的末端执行器302的位置及定向)的软件。
系统300还可包含如图3中示意性地图解说明的显示装置319。显示装置319可显示由成像装置303获得的患者的解剖结构的图像数据。显示装置319可(例如)通过使得外科医生能够界定患者的身体中的一或多个目标位置及/或进入患者的身体的路径或轨迹以用于插入手术工具以到达目标位置同时使对患者的其它组织或器官的损坏最小化而促进对外科手术的规划。由运动追踪系统305追踪的一或多个对象的位置及/或定向可在显示器319上经展示，且可经展示为覆盖图像数据。举例来说，可基于固定到组合件100的标志器装置119的所追踪位置/定向及组合件100的已知几何形状(其可与运动追踪系统305预先配准)而在显示器319上用图表描绘多级扩张器与套管组合件100相对于患者的解剖结构的位置及/或定向。
图4是图解说明根据一个实施例的用于使用多级扩张器与套管组合件100执行机器人辅助图像导引外科手术的方法400的过程流程图。多级扩张器与套管组合件100可包含处于嵌套配置中的多个伸长构件，如上文参考图1A到2G所描述。可使用如上文参考图3所描述的系统300来执行方法400。
在方法400的步骤401中，可将多级扩张器与套管组合件100定位于患者上。组合件100包含处于嵌套配置中的多个伸长构件，包含中央构件及从所述中央构件径向向外定位的至少一个额外构件。在各种实施例中，多级扩张器与套管组合件100可紧固到机器人臂的末端执行器。所述机器人臂可将末端执行器移动到一位置及定向，使得多级扩张器与套管组合件100可插入到患者的身体中且前进到患者的解剖结构中的预定目标位置。所述目标位置可由外科医生使用从成像装置获得的图像数据来界定，如上文所描述。
在方法400的步骤403中，可提示外科医生向下推动多级扩张器与套管组合件的中央构件的第一端以使中央构件及从中央构件径向向外定位的至少一个额外构件朝向预定目标位置前进。可经由提供于显示装置(例如图3中所图解说明的显示装置319)上的指令及/或通过另一可感知手段(例如通过可听指令)提示外科医生。
在步骤405中，可在使组合件朝向预定目标位置前进时使用运动追踪系统来追踪多级扩张器与套管组合件的移动。在步骤407中，可提供组合件的中央构件的尖端接近于预定目标位置(例如，在预定目标位置的3mm内，例如在预定目标位置的大约1mm内)的指示。
在步骤409中，可提示外科医生向下推动组合件的从中央构件径向向外定位的下一(即，邻近)构件。在步骤411中，可追踪组合件的移动，且在步骤413中，可提供下一构件的尖端接近于预定目标位置的指示。
响应于确定组合件中存在至少一个额外构件(即，确定块415＝“是”)，那么可针对嵌套组合件的每一构件重复步骤409到413，直到使组合件的最外部构件的尖端前进为接近于预定目标位置为止。
响应于确定不存在组合件的额外构件(即，确定块415＝“否”)，那么在步骤417中，可从最外部构件移除组合件的至少一个构件以提供去往预定目标位置的畅通通道。
在各种实施例中，可使多级扩张器与套管组合件的嵌套构件以简单且实际上连续运动前进到目标位置。随着使组合件前进，其可将患者的组织中的开口的不断扩张提供到所要目标深度。接着可从组合件选择性地移除各种构件以提供具有不同尺寸(例如，直径)以用于执行外科手术的各种步骤的畅通通道或套管开口。继外科手术之后，可移除组合件的最外部构件。机器人臂可使末端执行器及多级扩张器与套管组合件任选地移动到患者上方的另一位置以执行后续外科手术。
图5A到5G示意性地图解说明用于执行机器人辅助的外科手术的方法及系统。外科手术可为脊柱外科手术，例如对颈椎(例如，椎骨C1到C7)执行的外科手术。外科手术可为微创经皮外科手术，例如微创颈后路融合。将理解，可使用各种实施例的系统及方法来执行例如胸椎或腰椎手术的其它类型的外科手术。
图5A图解说明定位于预定目标轨迹501上方的机器人臂(未图解说明)的末端执行器102。末端执行器102可包含使得能够使用如上文所描述的运动追踪系统105来追踪末端执行器102的标志器装置202。另一追踪装置115可固定到患者200。举例来说，可(例如)通过将追踪装置115夹紧到附近椎骨平面的棘突而将追踪装置115附接到患者的接近于手术区的骨骼。可将额外标志器装置固定到在外科手术期间使用的各种工具，如下文进一步描述。可在手术导航/图像导引手术系统内预配准且校准工具及其对应标志器装置中的每一者。替代地或另外，可在外科手术的过程期间由导航/图像导引手术系统配准且校准工具。通过使用运动追踪系统105连续地追踪末端执行器102、手术工具及患者标志器装置115，可将所追踪对象中的每一者定位于常见坐标系内的三维空间中。在实施例中，常见坐标系可具有可被视为相对于患者的解剖结构的手术相关部分固定的原点或零点(例如，基于患者标志器装置115的所追踪位置/定向)，且还可被称为患者坐标系。
末端执行器102可包含经配置以固持工具的工具固持器部分503(例如，空心管)。可由外科医生在手术规划期间基于手术前患者图像(例如，x射线CT或荧光镜图像、MR图像等)而界定轨迹501。可在与机器人臂的末端执行器102相同的坐标系(例如，患者坐标系)内配准或同步化患者图像及预界定轨迹。可控制机器人臂以使末端执行器102移动，使得末端执行器102的工具固持器部分503的中央轴线与如图5A中所展示的经界定轨迹501对准。替代地，可基于患者图像而界定目标位置且可使末端执行器102移动使得工具固持器部分503的中央轴线与目标位置相交。可控制机器人臂以便在外科手术的一部分(例如将手术植入物(例如，椎弓根螺钉)插入于患者的解剖结构中的目标位置中)期间保持由末端执行器界定的轨迹。
外科医生可穿过患者的覆盖目标位置的皮肤形成小切口。
如图5B中所展示，扩张器505可设置于末端执行器102的工具固持器部分503内。扩张器505具有与工具固持器部分503的内径基本上对应的外径。扩张器505可为可在工具固持器部分503内滑动的。扩张器505可包含纵长地延伸穿过扩张器505的开口507，如图5B中所展示。开口507可经配置以接纳一或多个工具，例如图5B中所展示的工具509。
在一些实施例中，扩张器505可为包含多个嵌套构件的多级扩张器与套管组合件100，如上文参考图1A到2G所描述。替代地，扩张器505可包括如图5B中所展示的单个构件。扩张器505可包含手柄部分506以使得扩张器能够由外科医生握持及操纵。扩张器505可任选地包含标志器装置(为了清晰而未展示)以使得能够使用运动追踪系统105来追踪扩张器505。
图5B中还展示经插入穿过扩张器505中的开口507的工具509。工具509可为具有狭窄尖锐尖端511、相对较宽轴环部分513及手柄515的锥子或类似装置(例如，针)。轴环部分513可具有与扩张器505的开口507的直径基本上对应的外径。工具509可为可在扩张器505内滑动的。工具509还可包含固定到工具509的标志器装置517以使得能够使用运动追踪系统105来追踪工具509。可在手术导航/图像导引手术系统内配准且校准工具509使得可基于标志器装置517的所追踪位置及/或定向而知晓工具509的尖端511在患者坐标系内的位置及/或定向。
在图5C中，外科医生可向下推动工具509的手柄515以使工具509的尖端511前进穿过患者的皮肤中的切口且进入患者的身体。当轴环部分513在套管505的开口507内滑动时末端执行器102及套管505可导引工具509的移动，使得工具509的尖端511沿着轨迹前进到患者内的目标位置。在实施例中，可经由提供于显示装置(例如图3中所图解说明的显示装置319)上的指令及/或通过另一可感知手段(例如通过可听指令)提示外科医生向下推动工具509。可在使尖端511朝向预定目标位置前进时由运动追踪系统105追踪工具509的移动。还可提供工具的尖端511接近于预定目标位置(例如，在预定目标位置的3mm内，例如在预定目标位置的大约1mm内)的指示。
图5C图解说明经向下推动使得尖端511接触患者200的骨骼512表面的工具509。在一些实施例中，外科医生可继续向下推动工具509，使得尖端511可破坏皮层表面且在骨骼512中形成初步导孔。替代地，外科医生可出于此目的而从扩张器505移除工具509且可使用另一工具(例如，Jamshidi针)。
替代地，具有尖锐尖端511的工具509可与多级扩张器与套管组合件100(例如上文参考图1A到2G所描述)集成在一起。在各种实施例中，与图5B中所展示的工具509一样，多级扩张器与套管组合件100的第一(即，导向)构件101可具有狭窄尖锐尖端511。向下推动导向构件101可致使尖锐尖端511前进到患者中同时还捕获扩张器的一或多个外部级且使扩张器的一或多个外部级前进到患者中，如上文所描述。在实施例中，可关于图像导引手术系统校准且配准集成式工具与扩张器组合件，使得可基于固定到扩张器组合件的标志器的所追踪位置而知晓工具509的尖端511的位置。
在图5D中，可相对于末端执行器102向下推动扩张器505以使扩张器505前进到患者200中且扩张由一或多个其它工具(例如，工具509)预制的开口。如图5D中所展示，可经由工具509向下推动扩张器505。替代地，可在向下推动扩张器505之前从扩张器505移除工具509。可使扩张器505前进到患者200中，直到扩张器505的尖端508对接在骨骼512表面上为止，如图5D中所展示。在一些实施例中，扩张器505的尖端508可经成角度或经仿形以促进与骨骼512的配接。在实施例中，尖端508可包含楔子或其它特征以深入到骨骼表面中及/或抓握骨骼表面。
在实施例中，可经由提供于显示装置(例如图3中所图解说明的显示装置319)上的指令及/或通过另一可感知手段(例如通过可听指令)提示外科医生向下按压扩张器505。在其中追踪扩张器505的实施例中，可在使扩张器505朝向骨骼512前进时由运动追踪系统105追踪扩张器505的移动且在显示装置上显示扩张器505的移动。对于多级扩张器，可使每一嵌套套管前进到骨骼512以提供手术开口的不断扩张。
当使扩张器505对接在骨骼512上时，可从扩张器505移除工具509(例如，锥子)，从而在扩张器505中留下提供去往骨骼512的表面的端口的开口507。对于多级扩张器，可移除扩张器的一或多个内部级以使扩张器具有具所要内径的开口。在多级扩张器的实施例中，每一嵌套套管的内径可与打算在外科手术期间经插入穿过套管的特定工具及/或植入物的外径对应。
在图5E中，钻孔机519经展示为插入穿过扩张器505中的开口507。钻孔机519可包含在钻孔机的尖端521处的钻头520、轴环部分523及手柄555。轴环部分523可具有与扩张器505的开口507的直径基本上对应的外径。钻孔机519还可包含固定到钻孔机519以使得能够使用运动追踪系统105来追踪钻孔机519的标志器装置527。可在手术导航/图像导引手术系统内配准且校准钻孔机519使得可基于标志器装置527的所追踪位置及/或定向而知晓钻孔机519的尖端521在患者坐标系内的位置及/或定向。
钻孔机519可用于在骨骼512内形成用于手术植入件(例如，螺钉)的导孔。导孔的深度可由运动追踪系统105追踪(即，基于钻孔机519的尖端521的位置)且可在显示装置319上提供深度的指示。在一些实施例中，可指令外科医生将钻孔机519插入到扩张器505中且可经由提供于显示装置319上的指令及/或通过另一可感知手段(例如通过可听指令)提示外科医生使用钻孔机519来形成导孔。还可提供导孔已到达预定深度的指示。在形成导孔之后，可从扩张器505移除钻孔机519。
在图5F中，螺钉529及螺钉起子531经展示为插入穿过扩张器505中的开口507。螺钉529可包含从螺钉头部535延伸的螺纹尖端533，及从螺钉头部535的延伸与螺纹尖端533相对的突片部分537。突片部分537及螺钉头部535中的至少一者可包含与扩张器505的开口507的直径基本上对应的外径。此可使得螺钉529的螺纹尖端533能够与由钻孔机519形成的导孔对准，如图5E中所展示。螺钉起子531可包含经定大小且经塑形以与螺钉529的对应部分啮合以便使得螺钉起子531能够将扭矩施加到螺钉529的尖端539。螺钉起子531可包含若干特征以使得螺钉起子531能够与螺钉529的突片部分537配接且还可包含具有与扩张器505的开口507的直径基本上对应的外径的轴环541。
螺钉起子531还可包含手柄543以使得螺钉起子531能够由外科医生抓握且操纵(例如，旋转)。标志器装置545可固定到螺钉起子531以使得能够使用运动追踪系统105来追踪螺钉起子531。在一些实施例中，可在手术导航/图像导引手术系统内配准且校准螺钉起子531使得可基于标志器装置545的所追踪位置及/或定向而知晓螺钉起子531的尖端在患者坐标系内的位置及/或定向。还可校准在螺钉起子531啮合螺钉529时螺钉起子531的尖端与螺钉529的尖端之间的偏移距离以使得能够确定患者的骨骼512内的螺钉的深度。螺钉529及其在患者内的位置的图形描绘可经展示为覆盖显示装置319上的患者图像。
螺钉起子531可用于将螺钉529插入于骨骼512内。插入的深度可由运动追踪系统105追踪(即，基于在螺钉起子531将螺钉529旋拧到骨骼512中时螺钉起子531的尖端的位置及/或螺钉起子531的旋转位移)。可在显示装置319上提供螺钉插入的深度的指示。在一些实施例中，可指令外科医生将螺钉529及螺钉起子531插入到扩张器505中且可经由提供于显示装置319上的指令及/或通过另一可感知手段(例如通过可听指令)提示外科医生使用螺钉起子531来插入螺钉529。还可提供螺钉529已插入到预定深度的指示。
在已将螺钉529插入到骨骼512中之后，可从扩张器505移除螺钉起子531。扩张器505接着可在末端执行器102内向上滑动到螺钉529上方且离开患者200，如图5G中所展示。螺钉529可保持固定到骨骼512，其中突片部分537的一部分延伸超出患者200。
在已将螺钉529放置于患者200中之后，机器人臂可任选地使末端执行器102移动到患者200上方的下一目标位置/轨迹，且可重复上文所描述的过程以用于插入另一螺钉529。
在实施例中，每一螺钉529在患者坐标系内的位置可保存在手术导航/图像导引手术系统内，此可促进杆放置，包含一或多个杆的曲率及/或插入路径。在实施例中，螺钉529的突片部分537可用于紧固杆(例如通过穿过突片部分537抵靠杆插入及/或拧紧固定螺钉或其它扣接机构)。接着可移除(例如，使用突片破坏器)突片部分537，从而使螺钉529的其余部分留在适当位置中。
图6是可用于执行处理控制电路的功能的计算装置(例如上文参考图3所描述的计算机313)的系统框图。当计算装置1300经图解说明为膝上型计算机时，提供计算机装置1300的功能性能力的计算装置可实施为工作站计算机、嵌入式计算机、服务器计算机、桌上型计算机或手持式计算机(例如，平板计算机、智能电话等)。典型计算装置1300可包含耦合到电子显示器1304、扬声器1306及存储器1302的处理器1301，存储器1302可为易失性存储器以及非易失性存储器(例如，磁盘驱动器)。当实施为膝上型计算机或桌上型计算机时，计算装置1300还可包含耦合到处理器1301的软盘驱动器、光盘(CD)或DVD磁盘驱动器。计算装置1300可包含天线1310、多媒体接收器1312、收发器1318及/或耦合到处理器1301的通信电路以用于发送及接收电磁辐射、连接到无线数据链路且接收数据。另外，计算装置1300可包含耦合到处理器1301的网络存取端口1324以用于建立与网络(例如，耦合到服务提供商网络的LAN等)的数据连接。膝上型、桌上型或工作站计算机1300通常还包含用于接收用户输入的键盘1314及鼠标垫1316。
提供前述方法说明仅作为说明性实例且并不打算需要或暗指各种实施例的步骤必须以所呈现的次序来执行。如所属领域的技术人员将了解，可以任何次序执行前述实施例中的步骤的次序。例如“其后”、“然后”、“接下来”等措词未必打算限制所述步骤的次序；这些措词可用于在对方法的整个说明中对读者予以指导。此外，以单数形式对权利要求书要素的任何提及(举例而言，使用冠词“一(a)”、“一(an)”或“所述(the)”)不应理解为将要素限制为单数。
连同本文中所揭示的实施例一起描述的各种说明性逻辑块、模块、电路及算法步骤可实施为电子硬件、计算机软件或二者的组合。为清楚地图解说明硬件与软件的此可互换性，上文通常已就其功能性描述了各种说明性组件、块、模块、电路及步骤。此功能性是实施为硬件还是软件取决于特定应用及施加于总体系统上的设计约束。虽然所属领域的技术人员可针对每一特定应用以变化方式实施所描述功能性，但不应将此类实施方案决策解释为导致背离本发明的范围。
用于实施结合本文中所揭示的方面一起描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块及电路的硬件可借助以下各项来实施或执行：通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或者经设计以执行本文中所描述的功能的其任一组合。通用处理器可为微处理器，但在替代方案中，所述处理器可为任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可实施为计算装置的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器的组合、结合DSP核心的一个或多个微处理器的组合或任一其它此类配置。替代地，可由给定功能所特有的电路来执行一些步骤或方法。
在一或多个示范性方面中，所描述的所述功能可在硬件、软件、固件或其任一组合中实施。如果在软件中实施，那么所述功能可作为一或多个指令或代码存储于非暂时性计算机可读媒体上。可以可驻存于非暂时性计算机可读媒体上的经执行的处理器可执行软件模块体现本文中所揭示的方法或算法的步骤。非暂时性计算机可读媒体包含促进将计算机程序从一个地方传送到另一地方的计算机存储媒体。存储媒体可为可由计算机存取的任何可用媒体。以实例而非限制的方式，此类非暂时性计算机可读存储媒体可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储器、磁盘存储器或其它磁性存储装置或可用于以指令或数据结构的形式载送且存储所要程序代码且可由计算机存取的任一其它媒体。如本文中所使用，磁盘及光盘包含压缩光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘及蓝光光盘，其中磁盘通常磁性地再现数据而光盘借助激光光学地再现数据。以上各项的组合也应包含于非暂时性计算机可读存储媒体的范围内。另外，方法或算法的操作可作为一个或任何代码及/或指令组合或集合驻存于可并入到计算机程序产品中的机器可读媒体及/或计算机可读媒体上。
对所揭示方面的前述说明经提供以使任一所属领域的技术人员能够制作或使用本发明。所属领域的技术人员将轻易明了对这些方面的各种修改，且本文中所定义的一般性原理可在不背离本发明的范围的情况下应用于其它方面。因此，本发明并不打算限于本文中所展示的方面，而应被赋予与本文中所揭示的原理及新颖特征相一致的最宽广范围。

Claims (60)

1.一种多级扩张器与套管组合件，其包括：
处于嵌套配置中的多个伸长构件，其可沿着中央轴线相对于彼此滑动，每一构件具有在所述构件的头端与尖端之间的长度尺寸，且所述多个构件中的从中央构件径向向外延伸的每一接连的构件具有比前一构件大的外部尺寸及比所述前一构件短的长度尺寸。
2.根据权利要求1所述的多级扩张器与套管组合件，其中所述多个伸长构件经配置使得在第一方向上对第一构件的所述头端施加力会致使所述第一构件及所述组合件的从所述第一构件径向向外定位的任何构件在所述第一方向上移动。
3.根据权利要求2所述的多级扩张器与套管组合件，其中所述第一构件及所述组合件的从所述第一构件径向向外定位的任何构件相对于所述组合件的从所述第一构件径向向内定位的任何构件在所述第一方向上移动。
4.根据权利要求3所述的多级扩张器与套管组合件，其中在与所述第一方向相反的第二方向上对所述第一构件施加力致使所述第一构件相对于所述组合件的从所述第一构件径向向外定位的任何构件在所述第二方向上移动。
5.根据权利要求1所述的多级扩张器与套管组合件，其中所述多个构件包括第一空心构件，所述第一空心构件具有纵长地延伸穿过所述第一空心构件的开口，其中所述中央构件包括：从所述中央构件的所述尖端延伸的第一部分，其经定大小且经塑形以在所述第一空心构件的所述开口内滑动；及接近于所述中央构件的所述头端的第二部分，其在横向于所述中央轴线的方向上具有比所述第一空心构件的所述头端处的所述开口的尺寸大的尺寸。
6.根据权利要求5所述的多级扩张器与套管组合件，其中接近于所述中央构件的所述头端的所述第二部分包括手柄及凸缘中的至少一者。
7.根据权利要求5所述的多级扩张器与套管组合件，其中当所述中央构件的所述第二部分邻近于所述第一空心构件的所述头端处的所述开口而定位时，所述中央构件的所述尖端延伸超过所述第一空心构件的所述尖端达预定距离。
8.根据权利要求7所述的多级扩张器与套管组合件，其中所述预定距离介于10mm与40mm之间。
9.根据权利要求7所述的多级扩张器与套管组合件，其中当所述中央构件的所述第二部分邻近于所述第一空心构件的所述头端处的所述开口而定位时，所述中央构件的所述第一部分在其长度的至少50％内由所述第一空心构件环绕且支撑。
10.根据权利要求7所述的多级扩张器与套管组合件，其中所述多个构件进一步包括第二空心构件，所述第二空心构件具有纵长地延伸穿过所述第二空心构件的第二开口，其中所述第一空心构件包括：从所述第一空心构件的所述尖端延伸的第一部分，其经定大小且经塑形以在所述第二空心构件的所述第二开口内滑动；及接近于所述第一空心构件的所述头端的第二部分，其在横向于所述中央轴线的方向上具有比所述第二空心构件的所述头端处的所述开口的尺寸大的尺寸。
11.根据权利要求10所述的多级扩张器与套管组合件，其中接近于所述第一空心构件的所述头端的所述第二部分包括凸缘。
12.根据权利要求10所述的多级扩张器与套管组合件，其中当所述第一空心构件的所述第二部分邻近于所述第二空心构件的所述头端处的所述第二开口而定位时，所述第一空心构件的所述尖端延伸超过所述第二空心构件的所述尖端达预定距离。
13.根据权利要求12所述的多级扩张器与套管组合件，其中所述预定距离介于10mm与40mm之间。
14.根据权利要求10所述的多级扩张器与套管组合件，其中所述中央构件具有介于2mm与5mm之间的外径，所述第一空心构件具有介于2mm与5mm之间的内径及介于7mm与10mm之间的外径，且所述第二空心构件具有介于7mm与10mm之间的内径及介于11mm与15mm之间的外径。
15.根据权利要求10所述的多级扩张器与套管组合件，其中所述第二空心构件包括接近于所述第二空心构件的所述头端的横向于所述中央轴线而延伸的凸缘。
16.根据权利要求10所述的多级扩张器与套管组合件，其中可从所述组合件移除所述中央构件及所述第一空心构件中的每一者以提供穿过所述组合件的具有变化直径的畅通套管通道。
17.根据权利要求10所述的多级扩张器与套管组合件，其中所述中央构件经配置以在使所述中央构件的所述尖端前进到患者的身体内的预定深度时提供穿过所述患者的组织的导向开口，所述第一空心构件的外表面经配置以在使所述第一空心构件的所述尖端前进到所述预定深度时扩张所述导向开口，且所述第二空心构件的外表面经配置以在使所述第二空心构件的所述尖端前进到所述预定深度时提供额外扩张。
18.根据权利要求1-17中任一项所述的多级扩张器与套管组合件，其进一步包括：标志器装置，其固定到所述组合件以使得能够使用运动追踪系统来追踪所述组合件的位置及定向中的至少一者。
19.根据权利要求1-17中任一项所述的多级扩张器与套管组合件，其中所述中央构件包括尖锐尖端以用于破坏骨骼的皮层表面。
20.根据权利要求1-17中任一项所述的多级扩张器与套管组合件，其中所述多个构件中的至少一个构件具有楔子形尖端以用于对接到骨骼表面。
21.一种用于执行机器人辅助式图像导引手术的系统，其包括：
运动追踪系统，其可操作以追踪手术区中的一或多个对象的位置及定向中的至少一者；及
机器人臂，其包括经配置以接纳根据权利要求1-17中任一项所述的多级扩张器与套管组合件且将所述多级扩张器与套管组合件固持在患者的身体上的末端执行器。
22.根据权利要求21所述的系统，其进一步包括：
成像装置，其用于获得所述患者的诊断图像。
23.一种用于执行机器人辅助式图像导引手术的系统，其包括：
运动追踪系统，其能够操作以追踪手术区中的一或多个对象的位置及定向中的至少一者；及
机器人臂，其包括经配置以接纳和固持多级扩张器与套管组合件的末端执行器，所述机器人臂被配置为利用来自所述运动追踪系统的追踪数据将所述多级扩张器与套管组合件移动到患者的身体上的预定位置，
其中所述多级扩张器与套管组合件包括：
处于嵌套配置中的多个伸长构件，其能够沿着中央轴线相对于彼此滑动，所述多个伸长构件中的每一个具有在所述伸长构件的头端与尖端之间的长度尺寸，且所述多个伸长构件中的从中央伸长构件径向向外延伸的每一接连的伸长构件具有比前一伸长构件大的外部尺寸及比所述前一构件短的长度尺寸。
24.根据权利要求23所述的系统，其进一步包括成像装置，其用于获得患者的诊断图像。
25.根据权利要求23所述的系统，其中所述中央伸长构件是第一伸长构件，并且所述多级扩张器与套管组合件的所述多个伸长构件经配置使得在第一方向上对所述多级扩张器与套管组合件的所述第一伸长构件的所述头端施加力会致使所述第一伸长构件及所述多级扩张器与套管组合件的所述多个伸长构件的从所述第一伸长构件径向向外定位的接连的伸长构件中的一个或多个伸长构件在所述第一方向上移动。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述第一伸长构件及所述多级扩张器与套管组合件的所述多个伸长构件的从所述第一伸长构件径向向外定位的接连的伸长构件中的一个或多个伸长构件相对于所述多级扩张器与套管组合件的从所述第一伸长构件径向向内定位的一个或多个伸长构件在所述第一方向上移动。
27.根据权利要求26所述的系统，其中在与所述第一方向相反的第二方向上对所述第一伸长构件施加力致使所述第一伸长构件相对于所述多级扩张器与套管组合件的从所述第一伸长构件径向向外定位的一个或多个伸长构件在所述第二方向上移动。
28.根据权利要求25所述的系统，其中所述多个伸长构件包括第二伸长构件，所述第二伸长构件具有从头端到尖端纵长地延伸穿过所述第二伸长构件的开口，其中所述第一伸长构件包括：从所述第一伸长构件的所述尖端延伸的第一部分，其经定大小且经塑形以在所述第二伸长构件的所述开口内滑动；及接近于所述第一伸长构件的所述头端的第二部分，其在横向于所述中央轴线的方向上具有比所述第二伸长构件的所述头端处的所述开口的尺寸大的尺寸。
29.根据权利要求28所述的系统，其中接近于所述第一伸长构件的所述头端的所述第一伸长构件的所述第二部分包括手柄及凸缘中的至少一者。
30.根据权利要求28所述的系统，其中当所述第一伸长构件的所述第二部分邻近于所述第二伸长构件的所述头端处的所述开口而定位时，所述第一伸长构件的所述尖端延伸超过所述第二伸长构件的所述尖端达预定距离。
31.根据权利要求30所述的系统，其中所述预定距离介于10mm与40mm之间。
32.根据权利要求30所述的系统，其中当所述第一伸长构件的所述第二部分邻近于所述第二伸长构件的所述头端处的所述开口而定位时，所述第一伸长构件的所述第一部分的长度的至少50％被定位在纵长地延伸穿过所述第二伸长构件的开口内。
33.根据权利要求30所述的系统，其中所述多级扩张器与套管组合件的所述多个伸长构件进一步包括第三伸长构件，所述第三伸长构件具有从头端到尖端纵长地延伸穿过所述第三伸长构件的开口，其中所述第二伸长构件包括：从所述第二伸长构件的所述尖端延伸的第一部分，其经定大小且经塑形以在所述第三空心伸长构件的开口内滑动；及接近于所述第二伸长构件的所述头端的第二部分，其在横向于所述中央轴线的方向上具有比所述第三伸长构件的所述头端处的所述开口的尺寸大的尺寸。
34.根据权利要求33所述的系统，其中接近于所述第二伸长构件的所述头端的所述第二伸长构件的所述第二部分包括凸缘。
35.根据权利要求33所述的系统，其中当所述第二伸长构件的所述第二部分邻近于所述第三伸长构件的所述头端处的所述第三伸长构件的开口而定位时，所述第二伸长构件的所述尖端延伸超过所述第三伸长构件的所述尖端达预定距离。
36.根据权利要求35所述的系统，其中所述预定距离介于10mm与40mm之间。
37.根据权利要求35所述的系统，其中所述中央伸长构件具有介于2mm与5mm之间的外径，所述第二伸长构件具有介于2mm与5mm之间的内径及介于7mm与10mm之间的外径，且所述第三伸长构件具有介于7mm与10mm之间的内径及介于11mm与15mm之间的外径。
38.根据权利要求35所述的系统，其中所述第三伸长构件包括接近于所述第三伸长构件的所述头端的横向于所述中央轴线而延伸的凸缘。
39.根据权利要求35所述的系统，其中能够从所述多级扩张器与套管组合件移除所述第一伸长构件及所述第二伸长构件中的每一者以提供穿过所述多级扩张器与套管组合件的具有变化直径的畅通套管通道。
40.根据权利要求35所述的系统，其中所述第一伸长构件经配置以在使所述第一伸长构件的所述尖端前进到患者的身体内的预定深度时提供穿过所述患者的组织的导向开口，所述第二伸长构件的外表面经配置以在使所述第二伸长构件的所述尖端前进到所述预定深度时扩张所述导向开口，且所述第三伸长构件的外表面经配置以在使所述第三伸长构件的所述尖端前进到所述预定深度时提供额外扩张。
41.根据权利要求23-40中任一项所述的系统，其进一步包括标志器装置，其固定到所述多级扩张器与套管组合件以使得能够使用运动追踪系统来追踪所述多级扩张器与套管组合件的位置及定向中的至少一者。
42.根据权利要求23-40中任一项所述的系统，其中所述中央伸长构件包括尖锐尖端以用于破坏骨骼的皮层表面。
43.根据权利要求23-40中任一项所述的系统，其中所述多个伸长构件中的至少一个伸长构件具有楔子形尖端以用于对接到骨骼表面。
44.一种用于执行机器人辅助式图像导引手术的系统，其包括：
运动追踪系统，其能够操作以追踪手术区中的一或多个对象；及
机器人臂，其包括经配置以接纳和固持扩张器组合件的末端执行器，所述机器人臂被配置为利用来自所述运动追踪系统的追踪数据将所述扩张器组合件移动到患者的身体上的预定位置，
其中所述扩张器组合件包括处于嵌套配置中的至少两个伸长构件，其能够沿着中央轴线相对于彼此滑动，所述至少两个伸长构件中的每一个具有在所述伸长构件的头端与尖端之间的长度尺寸，且所述至少两个伸长构件中的每一接连的伸长构件具有比前一伸长构件大的外部尺寸及比所述前一构件短的长度尺寸。
45.根据权利要求44所述的系统，其进一步包括标志器装置，其固定到所述扩张器组合件以使得能够使用运动追踪系统来追踪所述扩张器组合件的位置及定向中的至少一者。
46.根据权利要求44所述的系统，其中所述扩张器组合件经配置使得在第一方向上对第一伸长构件的所述头端施加力会致使所述第一伸长构件以及从所述第一伸长构件径向向外定位的一个或多个接连的伸长构件在所述第一方向上移动。
47.根据权利要求46所述的系统，其中在与所述第一方向相反的第二方向上对所述第一伸长构件施加力致使所述第一伸长构件相对于所述扩张器组合件的从所述第一伸长构件径向向外定位的所述一个或多个接连的伸长构件在所述第二方向上移动。
48.根据权利要求44所述的系统，其中所述至少两个伸长构件包括第二伸长构件，所述第二伸长构件具有从头端到尖端纵长地延伸穿过所述第二伸长构件的开口，其中所述第一伸长构件包括：从所述第一伸长构件的所述尖端延伸的第一部分，其经定大小且经塑形以在所述第二伸长构件的所述开口内滑动；及接近于所述第一伸长构件的所述头端的第二部分，其在横向于所述中央轴线的方向上具有比所述第二伸长构件的所述头端处的所述开口的尺寸大的尺寸。
49.根据权利要求48所述的系统，其中接近于所述第一伸长构件的所述头端的所述第一伸长构件的所述第二部分包括手柄及凸缘中的至少一者。
50.根据权利要求48所述的系统，其中当所述第一伸长构件的所述第二部分邻近于所述第二伸长构件的所述头端处的所述开口而定位时，所述第一伸长构件的所述尖端延伸超过所述第二伸长构件的所述尖端达预定距离。
51.根据权利要求50所述的系统，其中当所述第一伸长构件的所述第二部分邻近于所述第二伸长构件的所述头端处的所述开口而定位时，所述第一伸长构件的所述第一部分的长度的至少50％被定位在纵长地延伸穿过所述第二伸长构件的所述开口内。
52.根据权利要求50所述的系统，其中所述扩张器组合件的所述至少两个伸长构件是至少三个伸长构件并且还包括第三伸长构件，所述第三伸长构件具有从头端到尖端纵长地延伸穿过所述第三伸长构件的开口，其中所述第二伸长构件包括：从所述第二伸长构件的所述尖端延伸的第一部分，其经定大小且经塑形以在所述第三空心伸长构件的开口内滑动；及接近于所述第二伸长构件的所述头端的第二部分，其在横向于所述中央轴线的方向上具有比所述第三伸长构件的所述头端处的所述开口的尺寸大的尺寸。
53.根据权利要求52所述的系统，其中接近于所述第二伸长构件的所述头端的所述第二伸长构件的所述第二部分包括凸缘。
54.根据权利要求52所述的系统，其中当所述第二伸长构件的所述第二部分邻近于所述第三伸长构件的所述头端处的所述第三伸长构件的所述开口而定位时，所述第二伸长构件的所述尖端延伸超过所述第三伸长构件的所述尖端达预定距离。
55.根据权利要求54所述的系统，其中所述第一伸长构件具有介于2mm与5mm之间的外径，所述第二伸长构件具有介于2mm与5mm之间的内径及介于7mm与10mm之间的外径，且所述第三伸长构件具有介于7mm与10mm之间的内径及介于11mm与15mm之间的外径。
56.根据权利要求54所述的系统，其中所述第三伸长构件包括接近于所述第三伸长构件的所述头端横向于所述中央轴线延伸的凸缘。
57.根据权利要求54所述的系统，其中可从所述扩张器组合件移除所述第一伸长构件及所述第二伸长构件中的每一者以提供穿过所述扩张器组合件的具有变化直径的畅通通道。
58.根据权利要求54所述的系统，其中所述第一伸长构件经配置以在使所述第一伸长构件的所述尖端前进到患者的身体内的预定深度时提供穿过所述患者的组织的导向开口，所述第二伸长构件的外表面经配置以在使所述第二伸长构件的所述尖端前进到所述预定深度时扩张所述导向开口，且所述第三伸长构件的外表面经配置以在使所述第三伸长构件的所述尖端前进到所述预定深度时提供额外扩张。
59.根据权利要求44-58中任一项所述的系统，其中所述第一伸长构件包括尖锐尖端以用于破坏骨骼的皮层表面。
60.根据权利要求44-58中任一项所述的系统，其中所述至少两个伸长构件中的至少一个伸长构件包括楔子形尖端以用于对接到骨骼表面。
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