CN114502093A - 可锁定外科手术系统 - Google Patents

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CN114502093A CN202080051422.5A CN202080051422A CN114502093A CN 114502093 A CN114502093 A CN 114502093A CN 202080051422 A CN202080051422 A CN 202080051422A CN 114502093 A CN114502093 A CN 114502093A
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surgical system
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布莱斯·布伦旺
西里尔·穆兰
索菲·卡昂
尼古拉斯·洛伊·罗达斯
米歇尔·博南
塔里克·艾特·西·塞尔米
马里恩·德克鲁伊兹
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Commed Robotics
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Abstract

本发明涉及一种外科手术系统(10)，其包括：加工工具(16)，其用于由操作者手动移位，可锁定单元(20)，其包括至少两个连接的且手动可移位的元件(23、24、26、28)，其用于根据至少一个计算的锁定配置进行手动设置，传感器单元(32)，其包括至少一个传感器，该至少一个传感器用于在解剖参考系统内实时跟随可锁定单元(20)的实时配置，其中可锁定单元(20)的至少两个元件(23、24、26、28)与可锁定装置协作，所述可锁定装置配置为在可锁定单元(20)的实时配置对应于记录在控制单元(12)内的至少一个锁定配置(L1、L2、L3、L4、L5、L6)时由控制单元(12)启动。

Description

可锁定外科手术系统
技术领域
本发明涉及外科手术机器人领域。特别地，本发明涉及在外科手术期间控制加工工具的定位的领域。
背景技术
从现有技术中已知用于骨切割加工工具的第一类机械引导解决方案。专利FR3033691描述了一种用于在不保留十字韧带的情况下为创建假膝制备骨切割的设备，该设备包括定制的股骨切割引导器和胫骨切割引导器。所述设备基于传输到规划软件的患者关节的扫描数据。每个引导器在两个基本正交的平面中在股骨远端骨骺上和胫骨近端骨骺上具有支撑装置，并且具有用于钻孔引导器通过的装置以及至少一个切割刀片。根据该解决方案，在股骨和胫骨参考系统中数字地确定切割平面。然后，这些切割平面确定两个引导器的配置，这两个引导器在牢固地附接到要加工的骨之后使用。有必要将引导器拧到骨上，以允许对工具进行有效引导。由于需要骨与引导器的机械耦接，该解决方案非常具有侵入性，并且需要为每次手术制造特定的引导器。这种解决方案还导致外科医生花费大量时间在几个连续位置中将骨与引导器机械耦接以进行各种切割。
美国专利No.6554837描述了一种定位装置，该定位装置具有附接到骨的基座。该定位装置由计算机控制的马达驱动。在欧洲专利EP 1 444 957中，装置的位置由导航系统确定。跟踪系统与导航系统结合使用，从而允许正确地定位和定向植入物。上述定位装置的主要缺点是它们基于必须首先附接到骨的锚固元件或基座部件。所述装置还包括大量定位元件，这些定位元件将切割引导器连接到基座上以至少1个至多6个自由度相对于基部调节角度和/或定位切割引导器。因此，这些类型的装置通常在骨附近占据大量空间并且对患者是侵入性的。此外，由于首先要将锚固件或基座部件附接到骨，因此这种定位装置可能造成不必要的损伤甚至使骨断裂。此外，这种定位装置的安装通常很耗时，因为对每个引导器来说，该安装必须非常精确且重复地进行。
另一类解决方案是使用固定到骨和引导器的标记物。然后，根据由固定传感器确定的这些标记物的位置和方向，实时跟踪引导器相对于骨的位置。欧洲专利EP1669033描述了使用这种装置来定位骨切割引导器的示例。然而，定位装置的有效位置需要不间断地获取与装置相关联的标记物的位置和方向。这非常耗费时间和精力，尤其是因为医生必须时刻注意他的移动，以便不会阻挡从固定传感器到标记物的必要“视线”。
专利EP1635715B1描述了另一种用于骨切割的引导装置的解决方案，该引导装置适用于在骨的头部水平处切割骨部分，该引导装置包括：具有用于在所述头部水平处拧到骨的基座的装置；用于围绕两个垂直轴线OX、OY调节第一旋转轴线相对于所述基座的倾斜度的装置；臂，所述臂的一个端部根据第一旋转轴线枢转地组装在所述基座上；以及用于支撑工具的引导器。该引导器根据第二旋转轴线枢转地组装在臂上。
这种系统的一个主要缺点是将基座固定到股骨上非常具有侵入性，因为它需要将大销钉植入到骨中以承受机器人的重量并补偿锯切期间由插入到机器人携带的切割块中的锯施加的力。用来承载主要重量并对主要力做出反应的大销钉可能导致骨折。此外，重量和力量可能导致销钉在骨中运动，这将显著影响系统的准确性。此外，必须非常精确地调节旋转轴线以便达到所有目标平面。然而，该调节是困难的并且容易出错或不准确，因为它是手动完成的，并通过导航系统提供的视觉反馈进行引导。如果在锯切期间由于操作者或锯子施加的力而导致切割平面轻微移动，操作者将很难检测到它并很难手动修正这些调节。此外，如果由于外科手术约束、解剖约束或误操作等，销钉没有放置在正确的位置，机器人将无法将切割块定位成使得所有切口都能够实际到达，需要将销钉重新定位在骨中略有不同的位置处，这将是一项艰巨的任务。此外，该系统不允许在基座固定到股骨时进行胫骨切割，因此需要另一个特定装置来对胫骨进行切割，这需要额外的时间、销钉、系统和工作量。
骨元素的参考系统通常以侵入性和近似的方式确定。在现有技术解决方案中，有时使用髓腔来提供可靠的参考系统，但这些解决方案需要将杆高度侵入性地插入到骨腔中。其他参考系统在理论上是已知的，但通常在患者身上是不可使用的，对于该患者来说切开的幅度以及因此暴露的面积的幅度被最小化。最后，骨科应用需要在复杂表面上进行高精确度的加工。安装假膝的切割平面的零点几毫米的误差或倾斜度都能够导致不稳定、严重的残留疼痛、行走困难和/或假体翻修外科手术。
如上所述，需要一种侵入性更小、更紧凑并对外科医生友好的装置，该装置能够顺利地集成到外科手术流程中，从而成为标准的外科手术技术。本公开通过将在下文中描述的新设计解决现有外科手术机器人的上述限制。
发明内容
为了弥补现有技术的缺点，最显著的是提供一种侵入性更小、更紧凑和更直观的解决方案，本发明涉及一种用于加工定位在手术台上的患者的解剖结构的外科手术系统，所述解剖结构是外科手术系统的解剖参考系统的一部分，所述外科手术系统包括：
-基座单元，其用于固定到手术台，
-加工工具，其用于由操作者手动移位，
-可锁定单元，其由基座单元承载，所述可锁定单元包括：
o至少两个连接的且可手动移位的元件，其用于根据至少一个相对于解剖结构计算的锁定配置进行手动设置，所述锁定配置定义在解剖参考系统内，以及
o约束装置，其用于支撑和引导加工工具，
-抓持元件，其由基座单元承载，所述抓持元件设计用于固定解剖结构，可锁定单元和抓持元件由基座单元承载，
-传感器单元，其包括至少一个传感器，该至少一个传感器用于在解剖参考系统内实时跟随可锁定单元的实时配置，
-控制单元，其包含可锁定单元的至少一个锁定配置的记录，
其中可锁定单元的至少两个元件通过用于与可锁定装置协作的至少一个自由度彼此连接，所述可锁定装置配置为在可锁定单元的实时配置对应于记录在控制单元内的至少一个锁定配置时由控制单元启动，以便将约束装置锁定在确定位置中，该确定位置将加工工具约束在确定的加工平面内。
将可锁定单元并因此将外科手术加工工具的移动约束在手动诱导的轨迹内提高了手术的准确性和安全性。手动移动的系统不是机动或自动致动的，这允许：
-对工具进行更精简和更轻松的控制，因为致动器的集成和控制更复杂，并且对于类似的扭矩阻力来说体积更大，
-更便宜的装置，因为锁定装置通常比致动器便宜，
-轨迹的精确度提高，因为与致动器相比，锁定装置等同于直接驱动，从而意味着没有传动装置也没有齿轮。
根据采用单独或在任何技术上可行的组合的替代实施例，系统还具有以下几个特征：
-控制单元配置成以渐进的方式启动每个锁定装置，
-可锁定单元的每个可移位元件具有在可锁定单元的锁定配置内的确定位置，每个锁定装置的启动与将每个可移位元件与其确定位置的分开的距离成反比，
-锁定装置根据记录在控制单元内的预定顺序逐一启动，
-控制单元包含至少两个锁定配置，所述至少两个锁定配置根据给定的时间顺序记录在控制单元内，控制单元配置为根据每个锁定配置按照时间顺序启动锁定装置，
-可锁定单元的每个锁定配置对应于唯一的加工平面，每个锁定配置将加工工具约束在所述对应的唯一加工平面内，
-约束装置是平面机构，
-约束装置是切割引导器，
-抓持元件包括至少两个部分：配置为刚性地固定到解剖结构的股骨的第一部分以及由基座单元承载的第二部分，所述第一部分是用于与第二部分附接和分离至少两次的可移动部分，
-抓持元件包括第三部分，所述第三部分还配置为刚性地固定到解剖结构的胫骨，所述第三部分是用于与第二部分附接和分离至少两次的另一个可移动部分，
-解剖结构包括第一骨和第二骨，抓持元件的第一部分配置为固定到第一骨并且抓持元件的第三部分配置为固定到第二骨，
-抓持元件的第二部分连接第一部分或第三部分。
定义
在本发明中，下列术语具有以下含义：
“加工”是指切割或用于移除材料的其他方法的机械过程。加工的目的是修改成品元件所有表面的尺寸、精确度、几何形状和表面状态，以便根据预定义的模型从未加工的原始状态转变到最终状态。
“姿态估计”是指对装置相对于待加工解剖结构的位置和定向的估计。该确定可以通过获取图像或点云然后通过数字处理来进行，或者通过了解抓持元件基座的先验几何形状和待加工元件的表面形态来进行。
“参考位置”是指加工工具在待加工元件的参考系统中的位置和取向，并且该工具的加工头必须从该位置和取向移动。换言之，工具放置在称为参考位置的位置和取向上，并通过移动加工头保持在该位置以用于后续加工。
附图说明
下文具体实施方式在结合附图阅读时将得到更好的理解。出于说明目的，在优选实施例中示出了外科手术系统。然而，应该理解的是，本申请不限于所示的精确安排、结构、特征、实施例和构思。附图没有按比例绘制，也无意将权利要求的范围限制在所描述的实施例中。因此，应该理解的是，在所附权利要求中提到的特征后标注有附图标记的情况，包括这些符号只是为了提高权利要求的可理解性，绝不是对权利要求范围的限制。
本发明的特征和优点将从以下系统实施例的描述中变得显而易见，该描述仅以示例的方式并参照附图给出，其中：
-图1a是根据本发明的待加工的解剖结构和六个独立加工平面的示意性图。
-图1b是加工后的解剖结构的示意性表示。
-图1c是植入物被固定后的解剖结构的示意性表示。
-图2a是以整体示出的由操作者使用的外科手术系统的第一实施例的示意性透视图。
-图2b是以整体示出的由操作者使用的外科手术系统的第一实施例的示意性侧视图。
-图2c是以整体示出的使用中的外科手术系统的第一实施例的示意性俯视图。
-图3是以整体示出的由操作者使用的外科手术系统的第二实施例的示意性透视图。
-图4是以整体示出的由操作者使用的外科手术系统的第三实施例的示意性透视图
-图5a是以整体示出的由操作者使用的外科手术系统的第四实施例的示意性透视图。
-图5b是以整体示出的由操作者使用的外科手术系统的第四实施例的示意性侧视图。
-图6a是以第一抓持位置示出的外科手术系统的抓持装置的示意性透视细节图。
-图6b是以第二抓持位置示出的外科手术系统的抓持装置的示意性透视细节图。
-图7是借助于根据本发明的外科手术系统引导的完整外科手术介入的流程图。
尽管已经描述和说明了各种实施例，但具体描述不应理解为仅限于此。本领域的技术人员能够在不背离权利要求书所限定的本公开的真实精神和范围的情况下对实施例进行各种修改。
具体实施方式
如图1所示，解剖结构A是典型的所熟知的经常需要外科手术的膝部关节。如从自身可知，膝部关节包括三块骨：股骨F、胫骨T和髌骨。(我们故意把髌骨排除在该描述之外，因为其没有增加解释的价值)。因此，本说明书中描述的示例涉及骨科外科手术领域，更具体地涉及用于植入股骨和胫骨膝部植入物I(参见图3)的股骨F和胫骨T的制备。
该制备包括一系列众所周知的步骤，每个步骤都是根据给定的预定加工平面P1、P2、P3、P4、P5、P6(参见图1)对骨F、T之一的加工。这些加工步骤本身是众所周知的，其通常以相同的顺序进行，这取决于操作者(外科医生)采用的策略。在图1上，每个加工平面P1、P2、P3、P4、P5、P6按一般公认的时间顺序编号。这些加工平面P1、P2、P3、P4、P5、P6通常由术前外科手术规划确定。术前外科手术规划仅对给定类型植入物(尺寸、设计、品牌等)的给定外科手术的给定患者有效。每个患者(和每个外科手术)都会获得个性化的外科手术规划。因此，针对每次外科手术，加工平面P1、P2、P3、P4、P5、P6都会略有变化。通常的术前外科手术规划的第一步是建立三维骨F、T模型。获得这种三维骨F、T模型的一种方式是使用医学成像，例如计算机断层扫描、X射线、MRI、荧光镜检查、超声或其他成像手段。X射线或扫描仪或者甚至是MRI的采集通常在完全负重期间进行，通常是正面(也称为冠状面或前后)视图、膝部完全伸展和/或屈曲20°至30°的侧面(或剖面)视图、包括从股骨头到踝部关节的下肢的长腿视图以及最后是屈曲30°的膝盖骨视图(也称为天际线视图)。从这些采集中可以构建要在外科手术期间加工的骨F、T的数字模型。然后，基于对三维的骨F、T模型的分析来选择一组特定的膝部植入物I。
本发明的目的是，借助于将在下文描述的外科手术系统10实现对骨F、T的准确且安全的加工。
在建立骨F、T模型后，将其存储在所述外科手术系统10的控制单元12的存储器中。
外科手术系统10包括3D成像传感器14，该3D成像传感器在外科手术系统10内的位置是众所周知的。更确切地说，3D成像传感器14放置在可锁定单元20的已知几何位置处。该3D成像传感器14允许操作者与存储在控制单元12的存储器中的骨F、T模型协作来为每个新手术重置解剖参考系统。一旦为给定患者确定了骨F、T模型并将其存储在控制单元12的存储器内，外科手术系统10就能够用于外科手术。一旦患者被正确安置，待观察的解剖结构A和外科手术系统相对于患者正确放置到位后，就对解剖结构A进行采集。该采集是利用3D成像传感器14进行的。控制单元12分析所进行的采集并将其与骨F、T模型合并。这使控制单元12能够相对于3D成像传感器14并因此相对于外科手术系统10定位解剖结构A。然后，这使控制单元12能够定义解剖参考系统并在该解剖参考系统内为该特定外科手术设置精确的加工平面P1、P2、P3、P4、P5、P6。
在加工步骤后，骨F、T显示出具有锋利边缘的干净末端，以便有利于植入物I的安装和固定(参见图2和图3)。
待加工的骨F、T的自由表面(参见图2)是受限的，因此仅存在少数几个区域加工工具16能够与骨F、T接触。该接触必须是尽可能微创的，以便在确保加工工具16相对于骨F、T的精确的相对定位的同时，既不损伤骨F、T也不损伤周围的软组织。
在图4上将看到外科手术系统10。可以看到，所述外科手术系统10用于加工定位在手术台上的患者的解剖结构A(在该情况下为膝部)。患者通常被麻醉并借助于特定且众所周知的固定装置保持在手术台上。此外，患者的肢体被整体固定到外科手术系统10。
外科手术系统10包括：
-基座单元18，其用于固定到手术台，
-加工工具16，其用于由操作者手动移位，
-可锁定单元20，
-抓持元件22，其设计成固定解剖结构A。
控制单元12例如可以是计算机。该控制单元12包括存储器、实时计算处理器、电源、电源转换器、熔断器、致动器和锁定装置驱动器。控制单元12还包括允许控制单元12与操作者之间的交互的操作者界面13。
该操作者界面13允许
-显示诸如加工工具16相对于解剖结构A的位置之类的实时信息，
-显示规划的植入物位置和术前外科手术规划，以便帮助操作者选择最佳植入物及其位置，
-手动配置30的加工目标位置。
在图2a至图5b上可以看到，由基座单元18承载可锁定单元20和抓持元件22。基座单元18相对于患者是静止的。基座单元18包括例如固定在地面上或附接到手术台的基座，患者被固定在该手术台上。
在一些实施例(未示出)中，基座单元18是固定患者肢体的机动致动单元。该致动单元用于实现患者膝部的机动屈曲-伸展的运动。该致动单元允许操作者根据外科手术步骤移动患者的肢体并露置于手术区域。
在图6a和图6b上可以看到，抓持元件22包括三个部分：配置为刚性地固定到解剖结构A的第一部分22a、由基座单元18承载的第二部分22b以及同样配置为刚性地固定到解剖结构A的第三部分22c。第一部分22a和第三部分22c是两个可移动部分，其分别用于与第二部分22b附接和分离至少两次。更确切地说，抓持元件22部分的第一部分22a和第三部分22c中的每一个是用于拧紧到一个骨F、T的基板：每个基板拧紧到解剖结构A中的一个不同的骨F、T上。抓持元件22的第二部分22b连接第一部分22a或第三部分22c。该连接取决于操作者想要固定哪个骨F、T。如图4所示，第二部分是杆22b。因此，当操作者正在使用加工工具16时，抓持元件22确保可锁定单元20相对于解剖结构A的定位。特别地，在股骨F被加工时，抓持元件22固定股骨，并且在胫骨T被加工时固定胫骨。抓持元件22能够在解剖结构A被加工时将被加工的骨F、T稳定地保持在患者的肉体内。第二部分22b与第一部分22a或第三部分22c的连接和断开由快速释放系统实现。
在图2a至图2c上可以看到，可锁定单元20包括至少两个连接的且手动可移位的元件23、24、26、28，这些元件用于由操作者的手H手动移动。手动可移位元件23、24、26、28必须由操作者来回移动。在没有操作者诱导移动的情况下，所述手动可移位元件23、24、26、28保持静止。在由操作者来回移动时，手动可移位元件23、24、26、28能够根据至少一个相对于解剖结构A计算的锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6来设置。配置L1、L2、L3、L4、L5、L6由控制单元12计算。可锁定单元20的每个手动可移位元件23、24、26、28因此具有在可锁定单元20的计算的锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6内的确定位置。
如已经描述的，不同的加工平面P1、P2、P3、P4、P5、P6是在术前外科手术规划期间由计算机确定的。因此，加工工具16的对应的理想相对位置也是由计算机确定的。每个加工平面P1、P2、P3、P4、P5、P6因此代表了解剖参考系统中加工工具16的目标位置，并且每个加工平面P1、P2、P3、P4、P5、P6对应于可锁定单元20的特定的计算的锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6。每个平面P1、P2、P3、P4、P5、P6代表解剖参考系统统中加工工具16的目标位置并且每个平面P1、P2、P3、P4、P5、P6对应于特定的计算的锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6。
可锁定单元20还包括用于支撑和引导加工工具16的约束装置30。约束装置30设置操作者能够在其中移动工具16的加工平面P1、P2、P3、P4、P5、P6。对于本发明来说，约束装置30能够承载或引导任何种类的工具16，例如锯、钻或锉。在图2a至图5b的示例中，所承载的加工工具16是摆锯。该约束装置30借助于铰接连接件31连接到可锁定单元20。该铰接连接件31可以是快速紧固件。
在图2a、图2b、图2c、图4、图5a和图5b的实施例中，该约束装置30是平面机构。
本领域技术人员众所周知的是，根据刚体的相对运动，机构可以划分为平面机构和空间机构。在平面机构中，刚体的所有相对运动都处于一个平面中或平行平面中。如果存在不处于同一平面或平行平面中的任何相对运动，则机构称为空间机构。换言之，平面机构本质上是二维的，而空间机构是三维的。
如图2a、图2c、图4和图5a所示的平面机构是被动机构，其需要由操作者的手H来致动。平面机构通过将加工工具16阻挡在所确定的取向内来定义加工平面P1、P2、P3、P4、P5、P6。一旦被阻挡，加工工具16就仅能根据三个自由度在加工平面P1、P2、P3、P4、P5、P6内移动。平面机构可以包括连接到控制单元12的编码器。这将允许控制单元12精确地了解平面机构的配置。控制单元12可以借助于触觉、视觉或音频信号来帮助操作者操作加工工具16。
关于图3所示的另一个实施例，约束装置30是包括缝隙或套筒30a的引导元件，该缝隙或套筒形成切割引导器，加工工具16的活动的细长部分(例如刀片)可以穿过该切割引导器插入。该缝隙或套筒30a定向加工工具16并将其限制在预定加工平面P1、P2、P3、P4、P5、P6内。在另一个实施例(未示出)中，可以跟踪约束装置30。加工工具16能够以可移除或不可移除的方式固定到约束装置30。约束装置30借助于铰接连接件31连接到可锁定单元20。如已经描述的，该铰接连接件31可以是快速紧固件。外科手术系统10的可锁定单元20包括六个锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6。
控制单元12的存储器包含可锁定单元20的每个计算的锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6的记录。简而言之，可锁定单元20用于将约束装置30相对于解剖结构A进行定位，以使加工工具16能够加工所述解剖结构A。可锁定单元20的每个计算的锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6对应于唯一的加工平面P1、P2、P3、P4、P5、P6。每个锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6将加工工具16约束在所述对应的唯一加工平面P1、P2、P3、P4、P5、P6内。
可锁定单元20的每个计算的锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6定义在借助于3D成像传感器14设置(重置)的解剖参考系统内。然而，每次将抓持元件22固定到解剖结构A时，3D成像传感器14都会对解剖结构A进行新的采集，以便验证解剖结构是否仍处于原位。如果解剖结构A已经移动，则控制单元12重新计算剩余的锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6，以便使加工平面P1、P2、P3、P4、P5、P6适应于解剖结构A的位置。
在图2a至图5b上可以看到，可锁定单元20的手动可移位元件23、24、26、28通过至少一个自由度彼此连接。在图2a、图2b、图2c、图3和图4所示的实施例中，存在共计四个手动可移位元件23、24、26、28。在图5a和图5b所示的实施例中，存在共计三个手动可移位元件24、26、28。在图2a、图2b、图2c、图3、图5a和图5b所示的实施例中，手动可移位元件23、24、26、28都借助于铰接连接件34、36、38彼此连接。在图4所示的实施例中，第二手动可移位元件24和第三手动可移位元件26通过滑动连接件彼此连接，而其他手动可移位元件23、24、26、28借助于铰接连接件36、38彼此连接。在每个实施例中，手动可移位元件23、24、26、28和连接自由度(铰接连接件34、36、38或滑动连接件)的组合形成平面连杆机构。
三个(如图5a、5b所示)或四个(如图2a、2b、2c、3、4所示)手动可移位元件23、24、26、28都沿相同的方向取向，并且该取向在手动诱导运动期间不会改变：所述手动可移位元件23、24、26、28保持在基本平行于手术台边缘并因此平行于患者肢体的平面内。
如前所述，不同的自由度(滑动或铰接连接件34、36、38)允许操作者将手动可移位元件23、24、26、28移位并使可锁定单元20进入到对应于操作者所需的预定加工平面P1、P2、P3、P4、P5、P6的计算的锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6中。
约束装置30的铰接连接件31的旋转轴线明显垂直于可锁定单元20的滑动或铰接连接件34、36、38的旋转轴线延伸。
外科手术系统10还包括传感器单元32。传感器单元32包括至少一个传感器40、42、44、46，该至少一个传感器用于实时跟随在解剖参考系统内的可锁定单元20的实时配置。传感器单元32连接到控制单元12并且用于估计可锁定单元20相对于股骨F或胫骨T的配置。在附图所示的实施例中，传感器单元32包括安装在滑动或铰接连接件31、34、36、38内并且使控制单元12能够跟随每个手动可移位元件23、24、26、28的位置的多个机械传感器40、42、44、46。当所检测的铰接连接件31、34、36、38的角位置或手动可移位元件23、24、26、28的相对位置对应于在控制单元12的存储器中存储的计算的锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6时，控制单元12输出信号。该信号可以是向操作者通知到达了计算的锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6的听觉、视觉或振动信号。基于该信号，操作者可以对铰接连接件31、34、36、38进行手动锁定并对可锁定单元20进行锁定。然而，在图2a、图2b、图2c所示的优选实施例中，由控制信号发出的信号是电信号。该电信号借助于锁定装置50、52、54、56直接与滑动或铰接连接件31、34、36、38通信。
每个滑动或铰接连接件31、34、36、38与锁定装置50、52、54、56协作。在本实施例中，这些锁定装置50、52、54、56是锁定接头或制动器。每个锁定装置50、52、54、56连接到控制单元12并配置为由控制单元12启动。当控制单元12通过传感器单元32感测到可锁定单元20的实时配置对应于记录在控制单元12的存储器内的预定的计算的锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6之一时，该启动发生。
该启动锁定了滑动或铰接连接件31、34、36、38，并因此将约束装置30锁定在预定的位置中，该预定的位置将加工工具16约束在预定的对应加工平面P1、P2、P3、P4、P5、P6之一内。这样，当到达可锁定设备20的正确锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6时就会通知操作者并且被通知不需要进一步尝试移动手动可移位元件23、24、26、28。然后，操作者知道，可以开始根据对应的加工平面P1、P2、P3、P4、P5、P6加工骨F、T。在一个实施例中，锁定装置在紧急情况下仍然可手动锁定。由控制单元12发出的信号可以是双信号：针对操作者的视觉或听觉或振动信号和指向锁定装置50、52、54、56的电信号。因此，操作者得到有关何时将达到所计算的锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6的一些信息。为此目的，信号可以具有根据与锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6的差异而变化的频率和/或调制和/或强度。信号可以是触觉信号、声音信号或视觉信号。
在实施例中，控制单元12以渐进的方式启动每个可锁定装置：每个锁定装置50、52、54、56的启动与将每个手动可移位元件23、24、26、28与其在锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6内预定的位置分开的距离成反比。这允许操作者感知到何时即将达到锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6，并允许固定可锁定单元20的移动。关于锁定的另一方面，控制单元12可以根据记录在控制单元12的存储器内的顺序逐一启动锁定装置50、52、54、56。待启动的第一锁定装置50、52、54、56是与最靠近基座单元18的铰接连接件34协作的锁定装置50、52、54、56。一旦该第一铰接连接件34被锁定，控制单元就启动第二靠近基座单元18的铰接连接件36。待启动的最后的铰接连接件是将约束装置30连接到可锁定单元20上的连接件31。此外，控制单元12包含至少两个锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6记录。在本发明中，控制单元12包含六个不同的锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6记录。这些计算的锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6按照给定的时间顺序记录在控制单元12内。该时间顺序是由操作者在术前阶段确定的。控制单元12配置为根据每个计算的锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6按照该时间顺序启动锁定装置50、52、54、56。
图7是用于使用外科手术系统10加工解剖结构A以便进行全膝关节置换术的完整外科手术介入的流程图：
-首先，在步骤100期间，安装外科手术系统10并将基座单元18相对于患者以固定方式进行固定，例如在外科手术期间夹持到手术台和/或夹持在保持患者肢体的患者肢体定位器上；
-在步骤101，操作者在将不进行机械加工的区域中将抓持元件22固定到股骨F。抓持元件22的第一部分22a可以通过拧入到股骨F中来固定。其也可以通过抓持机构或化学材料固定；
-在步骤102，通过3D成像传感器获取暴露的患者股骨F和抓持元件22；
-在步骤103，将股骨F定位并登记到存储在控制单元12的存储器内的术前规划数据。将术前外科手术规划从虚拟参考场景转移到真实外科手术场景。控制单元12基于术前模型计算加工平面P1、P2、P3、P4、P5、P6的位置，并通过用户界面13将该位置提交以用于外科医生验证；
-在步骤104，控制单元12计算对应于每个相应加工平面P1、P2、P3、P4、P5、P6的锁定配置L1、L2、L3、L4、L5、L6；
-在步骤105，操作者手动将可锁定单元20朝向第一锁定配置L1移动。触觉或其他方式的信号在移动期间提供反馈，并且当第一铰接连接件34接近其在第一锁定配置L1内的确定位置时，锁定单元20逐渐变得更加难以移动，从而迫使操作者减慢运动。一旦第一铰接连接件到达其在锁定配置L1内的计算的位置，可锁定单元20锁定并且第一铰接连接件变得完全无法移动。操作者对其他铰接连接件遵循相同的流程；
-在步骤106中，约束装置30(在该情况下为平面机构)与第一加工平面P1对齐。控制单元12借助于信号或加工工具16的技术上的释放装置向操作者指示加工可以开始；
-在步骤107中，操作者通过在约束装置30允许的自由度内移动加工工具16来进行加工；
-在步骤108(验证步骤)中，按照与步骤102中相同的流程，再次获取患者的股骨F，以便相对于术前外科手术规划验证加工准确度。可以通过更新规划(即返回到步骤104)进行修正；
-执行步骤105至步骤108，直至完成在股骨F上规划的加工；
-在胫骨T上再次执行步骤102至步骤108以用于在胫骨T上规划的加工。
应当注意的是，本外科手术系统10允许任何操作者在完全安全的情况下操作，因为任何诱导的移动都是手动诱导的，并且只有锁定是自动诱导的。因此，操作者保持了对流程的完全控制。此外，使用基于切开前定义的模型的解剖参考系统，减少了手术持续时间并降低了所述手术的侵入性。缩短手术持续时间是一个重要的问题，因为感染的风险、麻醉后遗症以及与止血带相关的后遗症与所述持续时间呈正相关。

Claims (12)

1.一种用于加工定位在手术台上的患者的解剖结构(A)的外科手术系统(10)，所述解剖结构(A)是所述外科手术系统(10)的解剖参考系统的一部分，所述外科手术系统(10)包括：
-基座单元(18)，其用于固定到所述手术台，
-加工工具(16)，其用于由操作者手动移位，
-可锁定单元(20)，其由所述基座单元(18)承载，所述可锁定单元(20)包括：
o至少两个连接的且手动可移位的元件(23、24、26、28)，其用于根据至少一个相对于所述解剖结构(A)计算的锁定配置(L1、L2、L3、L4、L5、L6)进行手动设置，所述锁定配置(L1、L2、L3、L4、L5、L6)定义在所述解剖参考系统内，以及
o约束装置(30)，其用于支撑和引导所述加工工具(16)，
-抓持元件(22)，其由所述基座单元(18)承载，所述抓持元件设计用于固定所述解剖结构(A)，
-传感器单元(32)，其包括至少一个传感器，所述至少一个传感器用于在所述解剖参考系统内实时跟随所述可锁定单元(20)的实时配置，
-控制单元(12)，其包含所述可锁定单元(20)的至少一个锁定配置(L1、L2、L3、L4、L5、L6)的记录，
其中，所述可锁定单元(20)的至少两个元件(23、24、26、28)通过用于与可锁定装置协作的至少一个自由度彼此连接，所述可锁定装置配置为在所述可锁定单元(20)的实时配置对应于记录在所述控制单元(12)内的至少一个锁定配置(L1、L2、L3、L4、L5、L6)时由所述控制单元(12)启动，以便将所述约束装置(30)锁定在将所述加工工具(16)约束在确定的加工平面(P1、P2、P3、P4、P5、P6)内的确定位置中。
2.根据前一项权利要求所述的外科手术系统(10)，其中，所述控制单元(12)单元配置为以渐进的方式启动每个锁定装置(50、52、54、56)。
3.根据前一项权利要求所述的外科手术系统(10)，其中，所述可锁定单元(20)的每个可移位元件(23、24、26、28)具有在所述可锁定单元20)的锁定配置(L1、L2、L3、L4、L5、L6)内的确定位置，每个锁定装置(50、52、54、56)的启动与将每个可移位元件(23、24、26、28)与其确定位置分开的距离成反比。
4.根据前述权利要求中任一项所述的外科手术系统(10)，其中，所述锁定装置(50、52、54、56)根据记录在所述控制单元(12)内的预定顺序逐一启动。
5.根据前一项权利要求所述的外科手术系统(10)，其中，所述控制单元(12)包含至少两个锁定配置(L1、L2、L3、L4、L5、L6)，所述至少两个锁定配置(L1、L2、L3、L4、L5、L6)根据给定的时间顺序记录在所述控制单元(12)内，所述控制单元(12)配置为根据每个锁定配置(L1、L2、L3、L4、L5、L6)按照所述时间顺序启动所述锁定装置(50、52、54、56)。
6.根据前一项权利要求所述的外科手术系统(10)，其中，所述可锁定单元(20)的每个锁定配置(L1、L2、L3、L4、L5、L6)对应于唯一的加工平面(P1、P2、P3、P4、P5、P6)，每个锁定配置(L1、L2、L3、L4、L5、L6)将所述加工工具(16)约束在所述对应的唯一的加工平面(P1、P2、P3、P4、P5、P6)内。
7.根据前述权利要求中任一项所述的外科手术系统(10)，其中，所述约束装置(30)是平面机构。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的外科手术系统(10)，其中，所述约束装置(30)是切割引导器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的外科手术系统(10)，其中，所述抓持元件(22)包括至少两个部分(22a、22b)：配置为刚性地固定到所述解剖结构(A)的股骨(F)的第一部分(22a)以及由所述基座单元(18)承载的第二部分(22b)，所述第一部分(22a)是用于与所述第二部分(22b)附接和分离至少两次的可移动部分。
10.根据前一项权利要求所述的外科手术系统(10)，其中，所述抓持元件(22)包括第三部分(22c)，所述第三部分(22c)还配置为刚性地固定到所述解剖结构(A)的胫骨(T)，所述第三部分(22c)是用于与所述第二部分(22b)附接和分离至少两次的另一个可移动部分。
11.根据前一项权利要求所述的外科手术系统(10)，其中，所述解剖结构(A)包括第一骨(F)和第二骨(T)，所述抓持元件(22)的第一部分(22a)配置为固定到所述第一骨(F)，所述抓持元件(22)的第三部分(22c)配置为固定到所述第二骨(T)。
12.根据权利要求9或10之一所述的外科手术系统(10)，其中，所述抓持元件(22)的第二部分(22b)连接所述第一部分(22a)或第三部分(22c)。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115919401A (zh) * 2023-03-13 2023-04-07 四川大学华西医院 一种智能化枪状咬骨钳

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4979949A (en) * 1988-04-26 1990-12-25 The Board Of Regents Of The University Of Washington Robot-aided system for surgery
CN1299250A (zh) * 1998-06-29 2001-06-13 内用假肢股份公司 植入膝假体的设备和方法
FR2871363A1 (fr) * 2004-06-15 2005-12-16 Medtech Sa Dispositif robotise de guidage pour outil chirurgical
CN105705110A (zh) * 2013-08-28 2016-06-22 新加坡工艺教育学院 用于引导器械的系统和设备
CN107427326A (zh) * 2015-03-17 2017-12-01 直观外科手术操作公司 用于在手动关节定位期间提供反馈的系统和方法
CN108697415A (zh) * 2016-01-11 2018-10-23 马佐尔机器人有限公司 外科手术机器人系统

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7309339B2 (en) 2003-02-04 2007-12-18 Howmedica Osteonics Corp. Apparatus for aligning an instrument during a surgical procedure
FR2856268B1 (fr) 2003-06-18 2005-10-21 Perception Raisonnement Action Dispositif de guidage de coupe osseuse
DE602004019551D1 (de) 2004-12-08 2009-04-02 Perception Raisonnement Action Vorrichtung zur Positionierung einer Knochenschnittführung
FR3033691A1 (fr) 2015-03-19 2016-09-23 Evolutis Dispositif pour la preparation des coupes osseuses pour la mise en place d'une prothese du genou sans conservation des ligaments croises
US11529734B2 (en) * 2019-10-31 2022-12-20 Verb Surgical Inc. Systems and methods for visual sensing of and docking with a trocar

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4979949A (en) * 1988-04-26 1990-12-25 The Board Of Regents Of The University Of Washington Robot-aided system for surgery
US5403319A (en) * 1988-04-26 1995-04-04 Board Of Regents Of The University Of Washington Bone imobilization device
CN1299250A (zh) * 1998-06-29 2001-06-13 内用假肢股份公司 植入膝假体的设备和方法
FR2871363A1 (fr) * 2004-06-15 2005-12-16 Medtech Sa Dispositif robotise de guidage pour outil chirurgical
CN105705110A (zh) * 2013-08-28 2016-06-22 新加坡工艺教育学院 用于引导器械的系统和设备
CN107427326A (zh) * 2015-03-17 2017-12-01 直观外科手术操作公司 用于在手动关节定位期间提供反馈的系统和方法
CN108697415A (zh) * 2016-01-11 2018-10-23 马佐尔机器人有限公司 外科手术机器人系统

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115919401A (zh) * 2023-03-13 2023-04-07 四川大学华西医院 一种智能化枪状咬骨钳

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