CN116782848A

CN116782848A - 用于棒插入计划和棒插入的系统和方法

Info

Publication number: CN116782848A
Application number: CN202280012670.8A
Authority: CN
Inventors: D·朱尼奥
Original assignee: Mazor Robotics Ltd
Current assignee: Mazor Robotics Ltd
Priority date: 2021-02-01
Filing date: 2022-01-30
Publication date: 2023-09-19

Abstract

本发明提供了用于计算棒的插入点和路径的系统和方法。可接收具有至少一个图像和关于至少一个塔的位置的信息的外科手术计划。该至少一个图像可描绘外科手术区域。可在该至少一个图像中识别软组织部分和至少一个解剖元件。可基于所识别的软组织部分和至少一个解剖元件来计算插入点和从该插入点到该至少一个塔的路径。可在该插入点处并沿着该路径插入该棒。

Description

用于棒插入计划和棒插入的系统和方法

技术领域

本技术总体上涉及机器人外科手术，并且更具体地涉及计划棒插入并使用机器人辅助或机器人外科手术来执行棒插入。

背景技术

微创外科手术通过最小化所需切口的大小来有利地减少患者创伤。外科机器人在外科手术期间是有用的，并且可自主地(例如，在操作期间没有任何人工输入)、半自主地(例如，在操作期间具有一些人工输入)或非自主地(例如，仅在人工输入的指导下)操作。在一些情况下，与仅用一个机器人臂相比，在外科手术期间使用多个机器人臂可使得能够在更短的时间段内完成更多操作。

发明内容

本公开的示例性方面包括：

根据本公开的至少一个实施方案的一种用于插入棒的机器人系统包括机器人臂，该机器人臂包括近侧端部；和能够相对于该近侧端部移动的远侧端部，该远侧端部被配置为定位棒；至少一个处理器；和存储器，该存储器存储用于由该至少一个处理器执行的指令，该指令在被执行时使该至少一个处理器：跟踪至少一个塔以识别塔移动，该塔从对应的植入的椎弓根螺钉的头部延伸；计算插入点和从该插入点到该至少一个塔的路径；使该机器人臂在该插入点处并沿着该路径插入该棒；以及使该机器人臂在该棒插入期间基于该塔移动而调整该路径。

本文中的任何方面，该系统还包括：至少一个传感器，其中该存储器存储用于由该至少一个处理器执行的附加指令，该附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器：使用该至少一个传感器监测由该机器人臂接收的力的量值。

本文中的任何方面，其中该存储器存储用于由该至少一个处理器执行的附加指令，该附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器：当该力的该量值满足阈值时使该机器人臂暂停该棒的移动。

本文中的任何方面，其中该存储器存储用于由该至少一个处理器执行的附加指令，该附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器：使该机器人臂拧紧该对应的椎弓根螺钉的固定螺钉。

本文中的任何方面，其中该存储器存储用于由该至少一个处理器执行的附加指令，该附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器：使该机器人臂从该对应的椎弓根螺钉的该头部移除该至少一个塔。

本文中的任何方面，其中跟踪该至少一个塔使用导航系统、标记或传感器中的至少一者。

本文中的任何方面，其中使该机器人臂调整该路径包括调整该棒的取向或该棒的位置中的至少一者。

本文中的任何方面，其中该存储器存储用于由该至少一个处理器执行的附加指令，该附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器：验证该棒在该至少一个塔中的放置。

本文中的任何方面，其中验证该棒在该至少一个塔中的放置使用激光指示器和反射器、导航系统、传感器或标记中的至少一者。

根据本公开的至少一个实施方案的一种用于插入棒的机器人系统包括第一机器人臂和第二机器人臂，每个机器人臂包括：近侧端部；和能够相对于该近侧端部移动的远侧端部，其中该第一机器人臂的该远侧端部被配置为定位棒，并且该第二机器人臂的该远侧端部被配置为将至少一个塔保持在已知位置，该至少一个塔从植入多个椎骨中的某个椎骨中的对应的椎弓根螺钉的头部延伸；至少一个处理器；和存储器，该存储器存储用于由该至少一个处理器执行的指令，该指令在被执行时使该至少一个处理器：接收关于该至少一个塔的当前位置的位置信息；基于该当前位置来计算插入点和从该插入点到该至少一个塔的路径；以及使该第一机器人臂在该插入点处并沿着该计算的路径插入该棒。

本文中的任何方面，其中该位置信息是从该第二机器人臂的至少一个传感器接收的。

本文中的任何方面，该系统还包括：跟踪标记，该跟踪标记定位在该第二机器人臂上；和导航系统，该导航系统被配置为基于该跟踪标记的检测到的移动来生成该位置信息。

本文中的任何方面，该系统还包括至少一个传感器，并且其中该存储器存储用于由该至少一个处理器执行的附加指令，该附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器：通过该至少一个传感器验证该棒在该至少一个塔中的放置。

本文中的任何方面，其中该存储器存储用于由该至少一个处理器执行的附加指令，该附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器：使该第一机器人臂拧紧该对应的椎弓根螺钉的固定螺钉。

本文中的任何方面，其中该存储器存储用于由该至少一个处理器执行的附加指令，该附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器：使该第一机器人臂从该对应的椎弓根螺钉的该头部移除该塔。

本文中的任何方面，其中该当前位置不同于该已知位置，并且该存储器存储用于由该至少一个处理器执行的附加指令，该附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器：当该当前位置与该已知位置之间的差异满足预定阈值时使该第一机器人臂在该棒插入期间调整该路径。

本文中的任何方面，其中该当前位置不同于该已知位置，并且该存储器存储用于由该至少一个处理器执行的附加指令，该附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器：基于该当前位置与该已知位置之间的差异满足预定阈值而使该第二机器人臂调整该至少一个塔的位置。

根据本公开的至少一个实施方案的一种用于插入棒的方法包括：跟踪从对应的植入的椎弓根螺钉延伸的至少一个塔以检测该至少一个塔的移动；计算插入点和从该插入点到该至少一个塔的路径；使机器人臂在该插入点处并沿着该路径插入该棒；以及使该机器人臂在该棒插入期间基于该检测到的移动而调整该路径。

本文中的任何方面，该方法还包括：使该机器人臂从该对应的椎弓根螺钉移除该塔。

本文中的任何方面，该方法还包括：使该机器人臂拧紧该对应的椎弓根螺钉的固定螺钉。

本文中的任何方面，该方法还包括：验证该棒在该至少一个塔中的放置。

根据本公开的至少一个实施方案的一种用于插入棒的机器人系统包括机器人臂，该机器人臂包括近侧端部；和能够相对于该近侧端部移动的远侧端部，该远侧端部被配置为将至少一个塔保持在已知位置；至少一个处理器；和存储器，该存储器存储用于由该至少一个处理器执行的指令，该指令在被执行时使该至少一个处理器：计算插入点和从该插入点到该至少一个塔的路径；生成用于沿着该路径插入棒的指令；以及基于关于该棒的位置或该塔的移动的信息而在该棒插入期间更新该路径。

本文中的任何方面，其中该存储器存储用于由该至少一个处理器执行的附加指令，该附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器：当该力的该量值满足阈值时使该机器人臂释放该塔。

本文中的任何方面，其中该存储器存储用于由该至少一个处理器执行的附加指令，该附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器：使该机器人臂拧紧对应于该塔的椎弓根螺钉的固定螺钉。

本文中的任何方面，其中该存储器存储用于由该至少一个处理器执行的附加指令，该附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器：使该机器人臂从对应于该塔的椎弓根螺钉的头部移除该至少一个塔。

本文中的任何方面，其中该存储器存储用于由该至少一个处理器执行的附加指令，该附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器：基于施加在该机器人臂上的力或关于该棒的位置的信息中的至少一者而使该机器人臂将该塔从该已知位置移动到更新位置。

根据本公开的至少一个实施方案的一种用于计算棒的插入点和路径的方法包括：接收具有至少一个图像和关于至少一个塔的位置的信息的外科手术计划，该至少一个图像描绘外科手术区域；在该至少一个图像中识别软组织部分和至少一个解剖元件；基于所识别的软组织部分和至少一个解剖元件来计算插入点和从该插入点到该至少一个塔的路径；以及使机器人臂在该插入点处并沿着该路径插入棒。

本文中的任何方面，其中该至少一个图像是从MRI扫描仪、超声或CT扫描仪中的至少一者获得的。

本文中的任何方面，其中该至少一个图像包括该外科手术区域的第一图像和第二图像，该第一图像包括硬组织信息并且该第二图像包括软组织信息。

本文中的任何方面，其中使用第一成像模态来生成该第一图像，并且使用第二成像模态来生成该第二图像。

本文中的任何方面，其中该第一图像是CT图像，并且该第二图像是超声图像。

本文中的任何方面，其中该第一图像和该第二图像中的一者是术前图像，并且该第一图像和该第二图像中的另一者是术中图像。

本文中的任何方面，其中计算该插入点和该路径基于一个或多个输入。

本文中的任何方面，其中识别该至少一个解剖元件使用特征辨识、机器学习、人工智能或神经网络中的至少一者。

本文中的任何方面，其中识别该软组织部分使用分割。

本文中的任何方面，其中计算该插入点和该路径基于关于该棒的几何形状的信息。

本文中的任何方面，该方法还包括：基于在沿着该路径插入该棒期间该软组织部分的检测到的移动而更新该路径。

本文中的任何方面，该方法还包括：基于该至少一个塔的检测到的移动而更新该路径。

根据本公开的至少一个实施方案的一种用于插入棒的方法包括：接收具有关于插入点和棒到至少一个塔的路径的信息的外科手术计划；使机器人臂在该插入点处使用该路径插入该棒；在使用该路径插入该棒期间跟踪该棒；确定该棒的位姿与该路径之间的差异；以及当该差异满足阈值时更新该路径。

本文中的任何方面，其中将所更新的路径传达给用户。

本文中的任何方面，其中跟踪该棒包括跟踪环绕该棒的软组织部分。

本文中的任何方面，其中该外科手术计划包括描绘外科手术区域的至少一个图像，并且该方法还包括：在该至少一个图像中识别软组织部分和至少一个解剖元件；以及基于所识别的软组织部分和至少一个解剖元件来计算该插入点和从该插入点到该至少一个塔的该路径。

本文中的任何方面，其中该至少一个图像是从MRI扫描仪获得的。

本文中的任何方面，其中识别该软组织部分使用分割。

本文中的任何方面，其中跟踪该棒使用导航系统、标记或传感器中的至少一者。

根据本公开的至少一个实施方案的一种用于计算棒的插入点和路径的系统，该系统包括至少一个处理器；和至少一个存储器，该至少一个存储器存储用于由该至少一个处理器执行的指令，该指令在被执行时使该至少一个处理器：接收具有至少一个图像和关于至少一个塔的位置的信息的外科手术计划，该至少一个图像描绘外科手术区域；识别软组织部分和至少一个解剖元件；基于所识别的软组织部分和至少一个解剖元件来计算插入点和从该插入点到该至少一个塔的路径，该至少一个塔从植入的椎弓根螺钉延伸；以及使机器人臂在该插入点处并沿着该路径插入棒。

任何方面与任一个或多个其他方面组合。

本文所公开特征中的任一个或多个特征。

本文大体上公开特征中的任一个或多个特征。

本文大体上公开的特征中的任一个或多个特征与本文大体上公开的任一个或多个其他特征组合。

方面/特征/实施方案中的任一个与任一个或多个其他方面/特征/实施方案组合。

使用本文所公开的方面或特征中的任一个或多个方面或特征。

应当了解，本文所述的任何特征可与如本文所述的任何其他特征组合来要求保护，而不管特征是否来自同一描述的实施方案。

本公开的一个或多个方面的细节在以下附图和描述中阐述。根据说明书和附图以及权利要求书，本公开中描述的技术的其他特征、目的和优点将是显而易见的。

短语“至少一个”、“一个或多个”以及“和/或”是在操作中具有连接性和分离性两者的开放式表述。例如，表述“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”、“A、B或C中的一个或多个”以及“A、B和/或C”中的每一者意指仅A、仅B、仅C、A和B一起、A和C一起、B和C一起，或A、B和C一起。当上述表述中的A、B和C中的每一者都指诸如X、Y和Z的一个元素或诸如X₁-X_n、Y₁-Y_m和Z₁-Z_o的一类元素时，短语意图指选自X、Y和Z的单个元素、选自同一类的元素(例如，X₁和X₂)的组合以及选自两类或更多类的元素(例如，Y₁和Z_o)的组合。

术语“一个(a/an)”实体是指一个或多个该实体。因此，术语“一个(a/an)”、“一个或多个”和“至少一个”在本文中可以可互换地使用。还应当注意，术语“包括(comprising/including)”、和“具有”可以可互换地使用。

前述内容是本公开的简化概述以提供对本公开的一些方面的理解。本发明内容既不是对本公开及其各个方面、实施方案和配置的广泛性概述也不是详尽性概述。其既不意图确定本公开的关键或重要元素，也不意图划定本公开的范围，而是以简化形式呈现本公开的选定概念，作为对下文呈现的更详细描述的介绍。如应当了解的，本公开的其他方面、实施方案和配置可能单独或组合地利用上文所阐述或下文所详细描述的特征中的一个或多个。

在考虑下文提供的实施方案描述之后，本发明的许多附加特征和优点对于本领域技术人员将变得显而易见。

附图说明

附图并入并形成本说明书的一部分以示出本公开的几个示例。这些附图连同描述一起解释本公开的原理。附图仅示出如何实施和使用本公开的优选和替代示例，并且这些示例不应解释为仅将本公开限制于所示出和所描述的示例。另外的特征和优点将根据以下对本公开的各个方面、实施方案和配置的更详细的描述变得显而易见，如通过以下参考的附图所示出。

图1是根据本公开的至少一个实施方案的系统的框图；

图2是根据本公开的至少一个实施方案的方法的流程图；并且

图3是根据本公开的至少一个实施方案的方法的另一流程图。

具体实施方式

应当理解，本文所公开的各个方面可以与说明书和附图中具体呈现的组合不同的组合进行组合。还应当理解，取决于示例或实施方案，本文所述的任何过程或方法的某些动作或事件可以不同的顺序执行，和/或可添加、合并或完全省略(例如，根据本公开的不同实施方案，实施所公开技术可能不需要所有描述的动作或事件)。此外，虽然为了清楚起见，本公开的某些方面被描述为由单个模块或单元执行，但应当理解，本公开的技术可由与例如计算装置和/或医疗装置相关联的单元或模块的组合执行。

在一个或多个示例中，所描述的方法、过程和技术可在硬件、软件、固件或它们的任何组合中实施。如果在软件中实施，则功能可作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上并且由基于硬件的处理单元执行。计算机可读介质可包括非暂时性计算机可读介质，其对应于有形介质，诸如数据存储介质(例如，RAM、ROM、EEPROM、闪存存储器，或可用于存储指令或数据结构形式的期望程序代码并且可由计算机访问的任何其他介质)。

指令可由一个或多个处理器执行，诸如一个或多个数字信号处理器(DSP)、通用微处理器(例如，Intel Core i3、i5、i7或i9处理器；Intel Celeron处理器；Intel Xeon处理器；Intel Pentium处理器；AMD Ryzen处理器；AMD Athlon处理器；AMD Phenom处理器；Apple A10或10X Fusion处理器；Apple A11、A12、A12X、A12Z或A13 Bionic处理器；或任何其他通用微处理器)、图形处理单元(例如，Nvidia GeForce RTX 2000系列处理器、NvidiaGeForce RTX 3000系列处理器、AMD Radeon RX 5000系列处理器、AMD Radeon RX 6000系列处理器或任何其他图形处理单元)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)或其他等效的集成或离散逻辑电路系统。因此，如本文所用的术语“处理器”可指前述结构或适合于实施所描述的技术的任何其他物理结构中的任一种。另外，本技术可在一个或多个电路或逻辑元件中完全实施。

在详细地解释本公开的任何实施方案之前，应当理解，本公开在其应用方面不限于以下描述中阐述或附图中示出的构造细节和部件布置。本公开能够具有其他实施方案并且能够以各种方式实践或实施。另外，应当理解，本文所用的措词和术语是出于描述的目的，而不应被视为是限制性的。本文中使用“包括(including/comprising)”、或“具有”及其变化形式意在涵盖其后列出的项目及其等效物，以及附加项目。此外，本公开可使用示例来示出其一个或多个方面。除非另有明确说明，否则使用或列出一个或多个示例(其可由“例如(for example)”、“借助于示例”、“例如(e.g.)”、“诸如”或类似语言指示)不意图且并不限制本公开的范围。

微创外科手术(MIS)技术越来越多地用于脊柱规程。当将棒插入患者的背部中时，执行MIS的外科医生可能在棒融合病例中遇到障碍。该规程包括使用附接到插入的椎弓根螺钉的塔，这些塔充当螺钉扩展器并且允许棒(从小切口插入)连续滑入每个塔中。在棒位于所有塔内部之后，使用每个塔中的固定螺钉将棒锁定到位。该规程是耗时的并且在其持续时间内是不稳健的。该规程的复杂性也随着所需螺钉的额外增加而增加。典型的脊柱外科医生试图避免在超过3-4个脊柱节段上执行该规程。

根据本公开的实施方案，外科医生可在机器人平台上计划外科手术规程(或者使用具有用户接口的任何计算机，并且将计划提供给机器人平台)。术前图像可用于计划外科手术规程。术前图像可从MRI或其他成像装置获得。可使用例如基于机器学习的组织算法(例如，U-net)在术前图像中识别解剖元件。软组织可使用组织分割来识别，以识别主血管、神经、神经根、肌肉组织、骨骼、韧带和/或大型器官。术前计划还可包括识别期望的植入物(包括棒)并且确定植入物的期望的位置。然后可插入植入物。可基于在至少一个图像中所识别的软组织和解剖元件和/或插入的植入物的位置来计算插入点和从棒到至少一个塔的路径。可在插入点处并沿着路径插入该棒以将棒放置在至少一个塔中。可跟踪至少一个塔以识别棒插入期间的塔移动。当识别出塔移动或者识别出棒偏离该路径的移动时，可更新路径。本公开的实施方案还提供用于使用机器人臂在插入点处插入棒并且沿着路径移动棒。在一些实施方案中，第一机器人臂可插入棒，并且第二机器人臂可支撑至少一个塔。

本公开的一些实施方案提供用于计算用于棒插入(用于在不存在棒跟踪的情况下的机器人或非机器人插入)的路径。患者可经受术前MRI，并且软件可使用算法(例如，诸如U-net)对MRI中示出的患者的指定脊柱部段的解剖特征执行基于机器的组织辨识。然后执行组织分割以分割主血管、神经和神经根、肌肉组织、骨骼、韧带和其他大型器官。根据MRI完成术前和/或术中计划，包括确定期望的植入物和棒。然后执行该规程以植入期望的植入物。计算用于棒插入的位置，包括优化插入点(基于棒和组织的几何形状)。使用不同的输入来计算路径，诸如避开主血管、避开所识别的神经和神经根、使棒对准以尽可能平行于肌肉结构行进、最小化韧带转移量、最小化运动路径中所需的棒旋转、避免棒插入非相关器官中、避免棒与骨骼解剖结构碰撞、和/或呈现给外科医生的数据。

本公开的一些实施方案提供用于计算用于棒插入(用于在存在棒跟踪的情况下的机器人或非机器人插入)的路径。患者可经受术前MRI，并且软件可使用算法(例如，诸如U-net)对MRI中示出的患者的指定脊柱部段的解剖特征执行基于机器的组织辨识。然后执行组织分割以分割主血管、神经和神经根、肌肉组织、骨骼、韧带和其他大型器官。根据MRI完成术前和/或术中计划，包括确定期望的植入物和棒。然后执行该规程以植入期望的植入物。计算用于棒插入的位置，包括优化插入点(基于棒和组织的几何形状)。使用不同的输入来计算路径，诸如避开主血管、避开所识别的神经和神经根、使棒对准以尽可能平行于肌肉结构行进、最小化韧带转移量、最小化运动路径中所需的棒旋转、避免棒插入非相关器官中、避免棒与骨骼解剖结构碰撞、和/或呈现给外科医生的数据。此外，可使用例如惯性测量单元、在棒远侧端部处的导航和/或电磁传感器来跟踪棒。软件还可向用户显示所需的棒方向和取向。软件还可在棒移动时更新棒路径和取向。

本公开的实施方案还提供用于使用一个机器人臂在棒插入期间跟踪塔。单个臂可插入棒，同时可跟踪塔位置。可计划外科手术并将该外科手术执行到塔被定位或植入患者解剖结构中(在有或没有机器人的情况下)的点。可使用导航、反射器、惯性测量单元或其他方法来跟踪相关塔中的每个塔。棒形状是已知的或被测量出来(例如，可通过在棒上运行的导航探针来测量)，并且棒可以已知的位置和取向附接到机器人。可计算插入点的路径和到塔的路径。机器人可根据所计算的路径来执行棒插入。当塔处于跟踪位置时，机器人路径可随着塔的移动而调整(在塔是柔性的，并且棒在移动并从患者体内偏移时，塔可移动)。

本公开的实施方案还提供用于使用充当棒插入器的多个机器人在棒插入期间跟踪塔。可计划外科手术并将该外科手术执行到塔被定位或植入患者解剖结构中(在有或没有机器人的情况下)的程度。当进行规程时，机器人臂中的一个机器人臂可将塔保持在已知的持续测量的位置(机器人可具有保持端部执行器的塔和避免伤害的安全机构)。棒形状是已知的或被测量出来(例如，可通过在棒上运行的导航探针来测量)，并且棒可以已知的位置和取向附接到机器人。可计算插入点的路径和到塔的路径。机器人可根据所计算的路径来执行棒插入。由于塔由第一机器人臂保持在跟踪位置，且由于机器人知晓第一机器人臂的位置，因此插入棒的机器人臂可随着塔的移动而调整棒的路径(在塔是柔性的，并且棒在移动并从患者体内偏移时，塔可移动)。另选地，当保持塔的机器人将塔(在其计算的限制内)移动成与棒路径对准时，棒插入机器人的路径可能不改变。在其他实施方案中，插入棒的机器人臂可在塔移动时调整路径，并且保持塔的机器人臂可移动塔。如果棒在指定塔内部，则保持塔的机器人臂可进行通信，这可通过以下项利用算法或棒标记识别来完成：(i)电路闭合(例如，在两个机器人之间)，(ii)激光指示器和反射器，(iii)可见光。如果所需路径发生改变，则可更新路径。棒的旋转取向可根据所需的固定而改变(即，许多外科医生在一个取向上插入棒以便于插入，然后将该棒旋转到正确取向)。棒保持机器人可拧入将棒保持到位的固定螺钉。棒保持机器人还可断开塔扩展器。

本公开的实施方案提供了对以下问题的技术解决方案：(1)在脊柱规程中，以及尤其是在MIS脊柱规程中，提高棒插入的成功率；(2)改进棒插入计划；(3)通过考虑和调整椎弓根螺钉塔的移动来减少脊柱规程的持续时间；(4)增加在MIS脊柱外科手术中可成功到达的节段的数量；以及/或者(5)在机器人辅助或机器人微创外科手术期间提高患者安全性。

首先转向图1，示出了根据本公开的至少一个实施方案的系统100的框图。系统100可用于例如：计算插入点和从棒到塔的路径；当识别出塔的移动或棒的移动偏离路径时调整路径；实施本文所公开的方法中的一者或多者的一个或多个方面；用于导航目的；使用多个机器人实施完全自主的和/或机器人辅助的外科手术；或用于任何其他有用的目的。

系统100包括计算装置102、成像装置132、机器人136、导航系统156、数据库160和云164。尽管有前述内容，根据本公开的其他实施方案的系统可省略计算装置102、成像装置132、机器人136、导航系统156、数据库160和/或云164中的任一者或多者。另外，根据本公开的其他实施方案的系统可不同地布置系统100的一个或多个部件(例如，成像装置132、机器人136和/或导航系统156中的一者或多者可包括在图1中示出为计算装置102的一部分的一个或多个部件)。更进一步地，根据本公开的其他实施方案的系统可包括本文所述的任何部件中的两个或更多个部件，包括例如成像装置132、机器人136和/或数据库160。

计算装置102包括至少一个处理器104、至少一个通信接口108、至少一个用户接口112和至少一个存储器116。根据本公开的其他实施方案的计算装置可省略通信接口108和用户接口112中的一者或两者。

计算装置102的至少一个处理器104可为本文中所标识或描述的任何处理器或任何类似处理器。至少一个处理器104可被配置为执行存储在至少一个存储器116中的指令124，这些指令124可使至少一个处理器104利用或基于例如从成像装置132、机器人136、导航系统156、数据库160和/或云164接收到的数据来实施一个或多个计算步骤。

计算装置102还可包括至少一个通信接口108。至少一个通信接口108可用于从外部源(诸如成像装置132、机器人136、导航系统156、数据库160、云164和/或便携式存储介质(例如，USB驱动器、DVD、CD))接收图像数据或其他信息，和/或用于将指令、图像或其他信息从至少一个处理器104和/或计算装置102更一般地传输到外部系统或装置(例如，另一计算装置102、成像装置132、机器人136、导航系统156、数据库160、云164和/或便携式存储介质(例如，USB驱动器、DVD、CD))。至少一个通信接口108可包括一个或多个有线接口(例如，USB端口、以太网端口、火线端口)和/或一个或多个无线接口(例如，被配置为经由一个或多个无线通信协议，诸如802.11a/b/g/n、蓝牙、低功耗蓝牙、NFC、ZigBee等来传输信息)。在一些实施方案中，至少一个通信接口108可用于使得计算装置102能够与一个或多个其他处理器104或计算装置102通信，无论是减少完成计算密集型任务所需的时间还是出于任何其他原因。

至少一个用户接口112可为或包括键盘、鼠标、轨迹球、监视器、电视、触摸屏、按钮、操纵杆、交换机、杆件、头戴式耳机、眼镜或可穿戴装置和/或用于从用户接收信息和/或用于将信息提供给计算装置102的用户的任何其他装置。至少一个用户接口112可用于例如：接收与本文所述的任何方法的任何步骤有关的用户选择或其他用户输入；接收关于计算装置102、成像装置132、机器人136和/或系统100的另一部件的一个或多个可配置设定的用户选择或其他用户输入；接收关于如何存储和/或传送由计算装置102接收、修改和/或生成的数据和/或将该数据存储和/或传送到何处的用户选择或其他用户输入；和/或基于由计算装置102接收、修改和/或生成的数据来向用户显示信息(例如，文本、图像)和/或播放声音。尽管在系统100中包括至少一个用户接口112，但系统100可自动地(例如，在没有经由至少一个用户接口112进行任何输入的情况下或以其他方式)实施本文所述的任何方法的步骤中的一个或多个或全部步骤。

虽然至少一个用户接口112被示出为计算装置102的一部分，但在一些实施方案中，计算装置102可利用与计算装置102的一个或多个其余部件分开容纳的用户接口112。在一些实施方案中，用户接口112可位于计算装置102的一个或多个其他部件附近，而在其他实施方案中，用户接口112可位于远离计算机装置102的一个或多个其他部件之处。

至少一个存储器116可为或包括RAM、DRAM、SDRAM、其他固态存储器、本文所述的任何存储器或用于存储计算机可读数据和/或指令的任何其他有形的非暂时性存储器。至少一个存储器116可存储可用于完成例如本文所述的方法200或300的任何步骤的信息或数据。至少一个存储器116可存储例如：指令124以用于由至少一个处理器104执行，例如以使至少一个处理器104实施方法200和/或方法300的步骤中的一个或多个步骤；和/或一种或多种算法128以用于由处理器使用来实施完成方法200和/或方法300的步骤中的一个或多个步骤所需的任何计算(例如，计算插入点和路径等)或用于任何其他计算。在一些实施方案中，此类指令124和/或算法128可被组织成一个或多个应用程序、模块、包、层或引擎，并且可使至少一个处理器104操纵存储在至少一个存储器116中和/或从系统100的另一部件或经由该另一部件接收的数据。至少一个存储器116还可存储一个或多个外科手术计划120。

成像装置132可能够操作来对解剖特征(例如，骨骼、静脉、组织等)和/或患者解剖结构的其他方面，和/或成像装置132的视野内的任何外科器械或工具进行成像以产生图像数据(例如，描绘或对应于骨骼、静脉、组织、植入物、工具等的图像数据)。成像装置132可能够拍摄2D图像或3D图像以产生图像数据。如本文所用的“图像数据”是指由成像装置132生成或捕获的数据，包含呈机器可读形式、图形/视觉形式和呈任何其他形式的数据。在各种示例中，图像数据可包括对应于患者的解剖特征或其一部分的数据。成像装置132可为或包括例如超声扫描仪(其可包括例如物理上分开的换能器和接收器，或单个超声收发器)、雷达系统(其可包括例如发射器、接收器、处理器和一个或多个天线)、O型臂、C型臂、G型臂或利用基于X射线的成像的任何其他装置(例如，荧光镜、CT扫描仪或其他X射线机)、磁共振成像(MRI)扫描仪、光学相干断层扫描扫描仪、内窥镜、显微镜、热成像相机(例如，红外相机)或适合于获得患者的解剖特征的图像的任何其他成像装置132。

在一些实施方案中，成像装置132可包括多于一个成像装置132。例如，第一成像装置可提供第一图像数据和/或第一图像，并且第二成像装置可提供第二图像数据和/或第二图像。在其他实施方案中，同一成像装置可用于提供第一图像数据和第二图像数据两者和/或本文所述的任何其他图像数据。成像装置132可能够操作来生成图像数据流。例如，成像装置132可被配置为在快门打开的情况下操作，或者在快门在打开与关闭之间连续交替的情况下操作，以便捕获连续图像。

机器人136可为任何外科机器人或外科机器人系统。机器人136可为或包括例如Mazor X^TM隐形版机器人引导系统。机器人136可包括支撑机器人臂148的基座140。机器人136可包括一个或多个机器人臂148(例如，一些机器人136可包括两个机器人臂148、三个机器人臂148、四个机器人臂148或另一数量的机器人臂148)。在一些实施方案中，每个机器人臂148可辅助外科手术规程(例如，通过在插入点处并沿着路径保持和插入棒，通过保持至少一个塔)和/或自动地实施外科手术规程。

每个机器人臂148可具有三个、四个、五个、六个或更多个自由度。

机器人136还包括一个或多个传感器144。传感器144可为力传感器，该力传感器被配置为检测施加在机器人臂148上(例如，无论是经由机器人臂148的端部执行器、由机器人臂148的端部执行器保持的工具，还是以其他方式施加)的力。传感器144可为惯性测量单元传感器、位置传感器、接近度传感器、磁力计或加速度计。在一些实施方案中，传感器144可为线性编码器、旋转编码器或增量编码器。在其他实施方案中，传感器144可为成像传感器。其他类型的传感器也可用作传感器144。一个或多个传感器144可定位在例如机器人臂148上或其他位置。

来自传感器144的数据可被提供给机器人136的处理器、计算装置102的处理器104和/或导航系统156。该数据可用于计算机器人臂148、机器人臂148的端部执行器和/或附接到机器人臂148(无论是经由端部执行器还是以其他方式附接)的工具或其他装置的位姿。计算不仅可基于从传感器144接收的数据，而且可基于关于例如机器人136或其一部分或任何其他相关对象的数据或信息(诸如，例如，物理尺寸)，该数据或信息可被存储在例如计算装置102的存储器116或任何其他存储器中。该数据还可用于检测由机器人臂148接收的力(其可为由受到机器人臂148支撑的工具接收的力)是否超过预定阈值。

一个或多个跟踪标记152可牢固地固定或定位在机器人136上，无论是在基座140、机器人臂148上和/或还是在其他位置。在一些实施方案中，一个或多个跟踪标记152可附加地或另选地附连到系统100的一个或多个其他部件。跟踪标记152可用于使得导航系统156能够确定和/或跟踪机器人136(或固定有一个或多个跟踪标记152的任何其他部件)的位置。在一些实施方案中，一个或多个跟踪标记152(或类似的跟踪标记)可附连到经受外科手术规程的患者，以便使得成像装置132、导航系统156或另一系统或装置能够跟踪患者的位置。

系统100的导航系统156可在操作期间为外科医生和/或机器人136提供导航。导航系统156可为任何现在已知的或将来开发的导航系统，包括例如MedtronicStealthStation^TMS8外科手术导航系统。导航系统156可包括相机或其他传感器，以用于检测和/或跟踪一个或多个参考标记、导航的跟踪标记或在手术室或进行外科手术规程的其他房间内的其他对象。在各个实施方案中，导航系统156可用于跟踪每个机器人136的机器人臂148(或更具体地，附接到机器人臂148的一个或多个跟踪标记152)的位置。导航系统156可用于跟踪一个或多个参考系、标记或阵列或可用于由导航系统156的相机或其他传感器检测的其他结构的位置。导航系统156可用于例如检测安装到患者的参考系的位置和/或一个或多个机器人臂148的位置。导航系统156可包括用于显示来自外部源(例如，计算装置102、成像装置132、数据库160、云164或另一源)的一个或多个图像，或来自导航系统156的相机或其他传感器的视频流的显示器。在一些实施方案中，系统100可在不使用导航系统156的情况下操作。

数据库160可存储将一个坐标系关联到另一坐标系(例如，将一个或多个机器人坐标系关联到患者坐标系和/或导航坐标系)的信息。数据库160可附加地或另选地存储：例如，关于或对应于跟踪标记152的一个或多个特性的信息；一个或多个外科手术计划120(包括例如关于在外科手术部位处和/或附近的患者解剖结构的图像信息，以供机器人136、导航系统156和/或计算装置102或系统100的用户使用)；结合由系统100的一个或多个其他部件完成的或在这些其他部件的协助下完成的外科手术可用的一个或多个图像；和/或任何其他有用的信息。数据库160可被配置为将任何此类信息提供给计算装置102或提供给系统100或系统100外部的任何其他装置，无论是直接地提供还是经由云164提供。在一些实施方案中，数据库160可为或包括医院图像存储系统的一部分，诸如图片存档与通信系统(PACS)、健康信息系统(HIS)和/或用于收集、存储、管理和/或传输包括图像数据的电子医疗记录的另一系统。

云164可为或表示互联网或任何其他广域网。计算装置102可经由通信接口108使用有线连接、无线连接或两者连接到云164。在一些实施方案中，计算装置102可经由云164与数据库160和/或外部装置(例如，计算装置)通信。

图2描绘了用于计划棒插入并更具体地用于计算棒的插入点和路径的方法200。方法200(和/或其一个或多个步骤)可例如由至少一个处理器实施或以其他方式执行。至少一个处理器可与上文所述的计算装置102的处理器104相同或相似。至少一个处理器可为机器人(诸如机器人136)的一部分或导航系统(诸如导航系统156)的一部分。除了本文所述的任何处理器之外的处理器也可用于执行方法200。至少一个处理器可通过执行存储在存储器中的指令(诸如存储器116的指令124)来执行方法200。指令可对应于下文所述的方法200的一个或多个步骤。这些指令可使处理器执行一种或多种算法，诸如算法128。例如，一种或多种此类算法128可用于识别至少一个图像中的软组织和至少一个解剖元件，计算插入点和从插入点到至少一个塔的路径，以及/或者确定棒的位置和/或取向与路径之间的差异。

方法200包括接收外科手术计划(步骤202)。外科手术计划可与外科手术计划120相同或相似。外科手术计划可经由计算装置(诸如计算装置102)的用户接口(例如，用户接口112)和/或通信接口(例如，通信接口108)来接收，并且可存储在计算装置的存储器(诸如存储器116)中。外科手术计划可包括关于至少一个椎弓根螺钉的至少一个塔的信息。该信息可包括关于至少一个椎弓根螺钉的放置和/或位置和/或取向的信息。该信息还可包括至少一个塔的至少一个维度。外科手术计划还可包括关于至少一个解剖元件的信息。例如，该信息可标识椎弓根螺钉可植入的椎骨。

外科手术计划还可包括描绘外科手术区域的至少一个图像。可从成像装置(诸如成像装置132)获得至少一个图像。在一些实施方案中，从MRI或对应于MRI的其他方式获得至少一个图像。在其他实施方案中，至少一个图像包括超声图像、CT图像或使用除了磁共振和/或超声之外的成像模态生成的图像。可在外科手术规程之前(例如，术前)或在外科手术规程期间(例如，术中)获得图像。例如，可在植入至少一个椎弓根螺钉之后获得至少一个图像。

在一些实施方案中，至少一个图像可包括外科手术区域的第一图像和第二图像。在一些情况下，第一图像或第二图像可为术前图像或术中图像。第一图像可包括硬组织信息并且第二图像可包括软组织信息。例如，可使用第一成像模态(诸如CT扫描仪)来生成第一图像。例如，可使用第二成像模态(诸如超声图像)来生成第二图像。在一些实施方案中，可组合第一图像和第二图像。例如，第二图像的软组织信息可与第一图像的硬组织信息组合或添加到第一图像的硬组织信息。

方法200还包括在至少一个图像中识别至少软组织部分和至少一个解剖元件(步骤204)。在一些实施方案中，识别可通过算法(诸如算法128)自动地执行。在其他实施方案中，识别可由外科医生或其他用户执行。识别软组织部分和/或至少一个解剖元件可包括注释或以其他方式标注图像中的每个解剖元件和/或软组织元件。在一些实施方案中，识别软组织部分包括使用一种或多种图像处理算法分割至少一个图像。解剖元件可为或包括例如骨骼、器官、动脉、肌肉、韧带、神经和/或任何其他解剖元件中的一者或多者。软组织部分可为或包括例如血管、神经、神经根、肌肉组织、韧带和/或器官。至少一个解剖元件和软组织部分可能是或不是互相排斥的(例如，图像中的器官可被识别为软组织部分和解剖元件)。

在一些实施方案中，识别至少一个解剖元件使用特征辨识(使用例如边缘检测或其他特征辨识算法)。例如，可在图像中识别椎骨、股骨或其他骨骼的轮廓。在其他实施方案中，可使用机器学习、人工智能和/或神经网络来识别至少一个解剖元件。在此类实施方案中，可向处理器(诸如处理器104)提供多个训练图像(每个训练图像描绘一个或多个解剖元件)，并且每个训练图像可被注释为包括关于图像中的解剖元件的标识信息。执行存储在存储器(诸如存储器116)中或另一存储器中的指令的处理器可使用机器学习算法来分析图像，并且基于该分析来生成用于识别图像中的解剖元件的一种或多种图像处理算法。然后可将此类图像处理算法应用于至少一个图像。

方法200还包括计算棒的插入点和路径(步骤206)。在一些实施方案中，计算可通过算法(诸如算法128)来自动地执行。在其他实施方案中，计算可由外科医生或其他用户执行。计算从插入点到至少一个塔的路径，以将棒定位在至少一个塔中。可基于所识别的软组织部分和所识别的至少一个解剖元件来计算路径。例如，该路径可基于避开特定的软组织特征或解剖元件。

计算插入点和/或路径可基于一个或多个输入。输入可包括例如棒的几何形状、将穿过其中插入棒的一个或多个塔的位置、和/或(例如，经由椎弓根螺钉)将附接棒的椎骨的目标位姿。输入还可包括完成与计算插入点和/或路径有关的一个或多个目的所需的输入。此类目的可包括例如避开主血管、避开所识别的神经和神经根、使棒对准以尽可能平行于肌肉结构行进、最小化韧带转移、最小化运动路径中所需的棒旋转、避免棒插入器官中或穿过器官、和/或避免棒与骨骼解剖结构碰撞。一个或多个输入可经由用户接口和/或通信接口接收，并且可存储在存储器中。在一些实施方案中，可在外科手术计划中或经由外科手术计划提供一个或多个输入。一个或多个输入还可根据在步骤202中获得并在步骤204中处理的至少一个图像来确定。

步骤206可包括生成用于将棒取向在插入点处并沿着路径移动棒的指令。指令可为机器可读形式(诸如指令124)和/或人类可读形式。指令可经由用户接口(诸如用户接口112)和/或经由通信接口(诸如通信接口108)传达给外科医生或用户。指令还可被传达给机器人(诸如机器人136)，以使机器人臂(诸如机器人臂148)执行指令。

方法200还包括在插入点处并沿着路径插入棒(步骤208)。在一些实施方案中，插入棒可由外科医生执行。在这些实施方案中的至少一些实施方案中，在步骤206中生成的指令可被传达给外科医生或用户以插入棒并且沿着路径移动该棒。在其他实施方案中，外科医生可由机器人辅助。例如，机器人可保持棒，但机器人可基于来自外科医生的输入而移动。

在其他实施方案中，机器人臂(诸如机器人臂148)可插入棒。机器人臂可保持或以其他方式支撑棒以对棒进行取向和/或移动棒。在步骤206中生成的指令可被传输到机器人以使机器人臂将棒取向在插入点处并且沿着路径移动棒。

方法200还包括跟踪棒(步骤210)。跟踪棒可包括使用导航系统(诸如导航系统156)、跟踪标记(诸如跟踪标记152)和/或传感器(诸如传感器144)来使得能够在任何给定时间处确定棒的位姿(例如，位置和取向)。例如，标记可附接到棒(例如，附接到棒的近侧端部，以便在棒的远侧端部插入患者体内时可见)并且标记可由导航相机跟踪。在另一示例中，棒可由诸如机器人臂148的确切的机器人臂(例如，其相对于至少机器人坐标系的位姿总是已知的机器人臂)支撑和操纵，并且关于机器人臂以及因此棒的位姿的信息可从机器人获得。在又一示例中，传感器可设置在棒和/或机器人臂上或与该棒和/或该机器人臂集成，并且传感器可传输或以其他方式提供关于棒的位置的信息。传感器可为例如惯性测量单元。

步骤210还可包括跟踪环绕棒的至少软组织部分。软组织部分可由成像装置(诸如成像装置132)实时跟踪或以其他方式监测。可跟踪软组织部分以监测对软组织的损伤或防止对软组织的损伤。不管是为了确保所计算的路径保持可用还是出于任何其他目的，也可跟踪或以其他方式监测软组织部分的位置。可例如使用能够检测软组织的成像装置或以任何其他方式来跟踪软组织部分。可生成警告或通知并将其传达给外科医生或用户以指示软组织何时已发生或可能发生不期望的损伤。警告或通知可经由用户接口(诸如用户接口112)来传达。

方法200还包括确定棒的位置和/或取向与路径之间的差异(步骤212)。棒的位置和/或取向可从上文所述的步骤210获得。在一些实施方案中，确定可通过算法(诸如算法128)来自动地执行。在其他实施方案中，确定可由外科医生或其他用户执行。棒的位置和取向或位姿可在机器人坐标系、或在其中最初确定路径或路径已经被平移到其中的另一坐标系中确定，使得棒的位姿和路径可在单个坐标系中进行比较。

在一些实施方案中，可在棒插入期间连续地确定差异。在其他实施方案中，可以预定增量确定差异。预定增量可基于时间(例如，每5秒)、距离(例如，每四分之一英寸)和/或路径完成百分比(例如，路径每完成5％)。该差异可被显示或以其他方式传达给外科医生或用户。

棒的实际位姿可能由于各种原因而不同于路径。在一些实施方案中，患者的位姿可能会使患者解剖结构的软组织以阻塞最初计算的路径、在棒插入期间将非预期的力施加在该棒上、或以其他方式使得最初计算的路径不能实行的方式偏移。在一些情况下，棒可能有缺陷并且出乎意料地弯曲或以其他方式变形。在其他情况下，先前未检测到的障碍物可能会在棒插入期间被识别，并且可能需要改变所计算的路径。在其他实施方案中，正附接有棒的一个或多个椎弓根螺钉可能会从其所植入的椎骨中脱落，或者椎骨可能会折断，或者棒在附接到一个椎骨的椎弓根螺钉中的放置可能会使附接有另一椎弓根螺钉的椎骨移出所计算的路径。这些原因中的任一者或多者和/或任何其他原因都可能会导致棒的位姿不同于该路径。

方法200还包括更新路径(步骤214)。在一些实施方案中，可基于软组织部分的检测到的移动而更新路径。当例如在步骤212中确定的差异满足阈值时，可检测到移动。在可跟踪至少一个塔(如下文相对于方法300所描述)的其他实施方案中，可基于至少一个塔的检测到的移动而更新路径。在一些实施方案中，更新可通过算法(诸如算法128)来自动地执行。在其他实施方案中，更新可由外科医生或其他用户执行。更新路径可包括更新插入点(例如，计算新的插入点)、整个路径或路径的一部分。例如，可从棒的当前位置更新路径(换句话说，可更新路径的剩余部分)。在另一示例中，可将棒移除并且可更新整个路径和/或插入点。更新路径还可包括调整路径中的一个或多个点处棒的取向和/或棒的位置。可将更新的路径提供给正用于插入棒的机器人，或者可将更新的路径传达给外科医生或用户并且可经由用户接口(诸如用户接口112)进行传达。在一些实施方案中，可向外科医生显示或传达新的棒方向和/或棒取向。

步骤214还可包括更新外科手术计划的一个或多个步骤。更新的路径可能需要基于新的路径而移除、添加或调整一个或多个步骤。例如，更新的路径可能需要用于拧紧对应的椎弓根螺钉的固定螺钉的新的命令。

步骤214还可包括基于更新的路径来生成更新的指令。在一些实施方案中，更新的指令可为人类可读的并且被传达给外科医生。在其他实施方案中，更新的指令可为机器可读的并且被传达给机器人以使机器人臂沿着新的路径移动棒。更新的指令还可使机器人臂从当前路径移除棒并且对棒进行重新取向以沿着更新的路径移动棒。

步骤214还可包括触发警告或警报以通知外科医生该差异已经满足阈值。警告或警报还可通知外科医生路径已经被更新并且可提示外科医生接受更新的路径。在一些实施方案中，阈值可经由用户接口和/或通信接口接收，并且可存储在存储器中。在其他实施方案中，可在外科手术计划中或经由外科手术计划提供阈值。在至少一个实施方案中，阈值可为1mm。在其他实施方案中，阈值可小于或大于1mm。在一些实施方案中，可基于棒上的任何点相对于路径上的对应点的最大位移来计算该差异。在其他实施方案中，可基于棒的顶端相对于路径的位移来计算该差异。在其他实施方案中，该差异可被计算为棒的实际取向与匹配路径的取向之间的旋转角度。因此，例如，如果棒在产生最小阻力的取向上完全插入，然后必须旋转到最终位置，则差异可为棒为了到达最终位置需要旋转的角度。

现在转向图3，例如可由至少一个处理器实施或以其他方式执行插入棒的方法300。至少一个处理器可与上文所述的计算装置102的处理器104相同或相似。至少一个处理器可为机器人(诸如机器人136)的一部分或导航系统(诸如导航系统156)的一部分。除了本文所述的任何处理器之外的处理器也可用于执行方法300。至少一个处理器可通过执行存储在存储器中的指令(诸如存储器116的指令124)来执行方法300。指令可对应于下文所述的方法300的一个或多个步骤。这些指令可使处理器执行一种或多种算法，诸如算法128。例如，一个或多个此类算法128可用于一旦已经定位了每个坐标系就将一个坐标系映射到另一坐标系，以及/或者计算插入点和路径，以及/或者生成棒插入指令。

方法300包括接收关于至少一个塔的当前位置的信息(步骤302)。在一些实施方案中，信息是从传感器(诸如传感器144)获得的传感器数据。在一些实施方案中，传感器设置在至少一个塔上或与该至少一个塔集成。在其他实施方案中，传感器可设置在机器人臂(诸如机器人臂148)上或与该机器人臂集成。传感器可为例如惯性测量单元。

在一些实施方案中，第一机器人臂可支撑并移动棒，并且第二机器人臂可将至少一个塔支撑在已知位置和/或取向上。第一机器人臂和/或第二机器人臂可与机器人臂148相同或相似。在此类实施方案中，可(例如，从设置在第二机器人臂上的一个或多个传感器144)获得关于第二机器人臂以及因此至少一个塔的当前位置和/或取向的信息。

在又一示例中，传感器可设置在至少一个塔上或与该至少一个塔集成，并且冗余传感器可设置在第二机器人臂上或与该第二机器人臂集成，并且每个传感器可被跟踪或可传输关于至少一个塔的当前位置的信息。

在其他实施方案中，信息可从导航系统(诸如导航系统156)接收。在此类实施方案中，至少一个塔和/或第一机器人臂可包括跟踪标记，诸如跟踪标记152(在一些实施方案中，其可为导航LED)和/或可由导航系统156检测的另一装置，导航系统156可使用该另一装置来确定至少一个塔的位姿。跟踪标记可定位在至少一个塔和/或第一机器人臂上或与该至少一个塔和/或该第一机器人臂集成。在这些和其他实施方案中，信息可包括经由相机或其他成像传感器获得的图像数据。

方法300还包括跟踪至少一个塔以识别塔移动(步骤304)。跟踪至少一个塔可使用导航系统(诸如导航系统156)、跟踪标记(诸如跟踪标记152)和/或传感器(诸如传感器144)。例如，标记可附接到至少一个塔并且该标记可由导航相机跟踪。标记还可附接或固定到机器人臂，诸如保持至少一个塔的机器人臂148，并且该标记可由导航相机跟踪。

跟踪至少一个塔可包括将至少一个塔的当前位置和/或取向与至少一个塔的预期或已知位置和/或取向进行比较以识别塔移动。可在步骤302中获得至少一个塔的当前位置和/或取向。然后可将至少一个塔的当前位置和/或取向与已知位置和/或取向(例如，如根据先前获得的传感器数据或以其他方式所确定)进行比较以确定是否存在差异。如果在当前与已知位置和/或取向之间存在差异，则该差异指示至少一个塔已经移动。然后可量化该差异以确定移动的幅度。

所识别的塔移动可指示棒插入偏离计算的路径(下文相对于步骤306描述)或者不再位于所计算的路径上。所识别的塔移动还可指示所计算的路径不再是将棒插入塔中的可行路径(因为塔不再位于所计算的路径上)。在一些实施方案中，所识别的塔移动可触发一个或多个附加动作，诸如重新计算路径，或者使机器人臂将塔移回到先前计算的路径上的位置。

方法300还包括计算插入点和路径(步骤306)。步骤306与上文所述的方法200的步骤206相同或相似。

此外，计算插入点和路径可基于在步骤302中识别的至少一个塔的当前位置和/或取向。例如，至少一个塔的当前位置和/或取向可能不同于该塔的预期或已知位置和/或取向(如例如在术前影像、外科手术计划或甚至在步骤302中接收的传感器数据中所反映的)。可基于当前位置和/或取向来计算或重新计算插入点和路径，而不是将至少一个塔移动到已知位置和/或取向(例如，使用机器人臂)。

方法300还包括使机器人臂在插入点处并沿着路径插入棒(步骤308)。步骤308与上文相对于由机器人臂插入棒所描述的方法200的步骤208相同或相似。

方法300还包括使机器人臂在棒插入期间基于塔移动而调整路径(步骤310)。在一些实施方案中，调整可基于由处理器(诸如处理器104)或机器人臂的处理器执行的算法(诸如算法128)的使用。调整可自动地执行。调整路径可包括调整插入点(例如，计算新的插入点)、整个路径或路径的一部分。例如，可从棒的当前位置调整路径(换句话说，可调整路径的剩余部分)。在另一示例中，可将棒移除并且可调整整个路径和/或插入点。调整路径还可包括调整路径中的多个点处棒的取向和/或棒的位置。

在一些实施方案中，诸如在至少一个塔中的每个塔已经移动相等增量的情况下，剩余部分或整个路径可偏移该增量。例如，如果多个塔中的每个塔都在特定方向上移动了1cm，则路径可在相同的方向上偏移1cm。

步骤310还可包括基于调整的路径来生成更新的指令并将该更新的指令传输到机器人臂，以使机器人臂沿着调整的路径移动棒。更新的指令还可使机器人臂从当前路径移除棒并且对棒进行重新取向以沿着调整的路径移动棒。

步骤310还可包括触发警告或警报以通知外科医生已经识别出塔移动。警告或警报还可通知外科医生路径已经被调整并且可提示外科医生接受调整的路径，之后机器人臂沿着调整的路径移动棒。在一些实施方案中，外科医生或其他用户可提供输入以修改调整的路径。

在第一机器人臂移动棒并且第二机器人臂支撑至少一个塔的实施方案中，方法300还包括使第二机器人臂调整至少一个塔的位置和/或取向(步骤312)。在一些实施方案中，可调整至少一个塔的位置和/或取向以将至少一个塔移回到已知位置和/或取向。在其他实施方案中，可调整至少一个塔以适应棒路径。在另外的实施方案中，在识别出塔移动并且棒的当前位置和/或取向不与路径匹配的情况下，可调整至少一个塔以适应棒的当前位置和/或取向。

在一些实施方案中，可能仅在由第二机器人臂施加在至少一个塔上的力不超过预定阈值的程度上发生步骤312。阈值可为绝对量值或相对量值。预定阈值可基于关于例如塔所连接的椎弓根螺钉的信息(例如，椎弓根螺钉的长度、椎弓根螺钉的宽度)和/或关于经由椎弓根螺钉附接有塔的椎骨的信息(例如，椎骨的尺寸、椎骨的骨骼质量)而自动地生成。另外，预定阈值可由外科医生或其他用户输入。在另外的实施方案中，可自动地生成推荐的预定阈值，并且外科医生或其他用户可修改和/或批准推荐的预定阈值。由第二机器人臂施加在至少一个塔上的力可例如由第二机器人臂上的一个或多个传感器(例如，传感器144)测量。

应当了解，步骤310和312可顺序地或同时地发生。例如，当识别出塔移动时，棒的路径和至少一个塔的位置都可进行调整。在另一示例中，可先调整棒的路径，然后可调整至少一个塔的位置，反之亦然。此外，步骤310和312可基于至少一个塔和/或棒的当前位置和/或取向而优化棒在至少一个塔中的放置。在一些实施方案中，可调整至少一个塔的位姿直到达到预定阈值，然后可基于至少一个塔的所得位置来计算路径。

方法300还包括监测由机器人臂接收的力的量值(步骤314)。接收力的机器人臂可为附接到至少一个塔的机器人臂(如上文结合步骤312所描述)，或者另外可为操纵棒的机器人臂。该力可用传感器(诸如传感器144)来检测。检测到的力可为或包括线性力、旋转力(例如，扭矩)和/或任何其他类型的力。传感器可定位在机器人臂上或其他位置。传感器可被配置为检测机器人臂的运动并且基于关于机器人臂的刚度的信息以及检测到的运动来计算力。另外，传感器可被配置为直接测量力。能够直接测量力或基于一些其他测量而计算力的任何类型的传感器都可用于检测力以达到步骤314的目的。在一些实施方案中，检测到的力可包括一个或多个单独的力分量(例如，在X轴、Y轴和Z轴中的每个轴上的力分量，和/或围绕X轴、Y轴和Z轴的扭矩分量)。

方法300还包括当力的量值满足预定阈值时使操纵棒的机器人臂暂停棒的移动(步骤316)。可以本文所述的任何方式或以任何其他方式来确定预定阈值。步骤316可包括当力的量值满足预定阈值时生成、传输和/或执行指令(诸如指令124)以使机器人臂暂停移动。当力的量值满足预定阈值时，该指令还可使机器人臂从该路径和/或插入点移除棒。

步骤316可包括将检测到的力与预定阈值进行比较。比较可包括将单个组合力矢量与预定阈值进行比较，和/或将单独的力分量与单独的力阈值进行比较。如果总体力矢量的量值低于预定阈值，则检测到的力可被视为低于预定阈值，或者如果任何单独的力分量超过对应的预定阈值分量(并且/或者不管总体力矢量的量值是否低于预定阈值)，则检测到的力可被视为低于预定阈值。

另外，在一些实施方案中，预定阈值可包括取决于检测到的力矢量的方向的阈值量值。因此，例如，预定阈值可包括在第一方向上施加的力的第一阈值量值，以及在不同于第一方向的第二方向上施加的力的不同于第一阈值量值的第二阈值量值。如上文所提及，预定阈值可包括单独的分量(例如，在X轴、Y轴和Z轴方向上，和/或围绕X轴、Y轴和Z轴)或可仅包括总体阈值量值和方向。在其他实施方案中，预定阈值可仅包括阈值量值。

方法300还包括验证棒在至少一个塔中的放置(步骤318)。可使用设置在以下各者上或与以下各者集成的激光指示器和反射器来验证棒的放置：棒、导航系统(诸如导航系统156)、跟踪标记(诸如跟踪标记152)和/或传感器(诸如传感器144)。

在第一机器人臂移动棒并且第二机器人臂支撑至少一个塔的实施方案中，棒的放置可通过第二机器人臂来验证。设置在第二机器人臂上或与该第二机器人臂集成的传感器可感测放置在至少塔中的棒。例如，加速度计可被配置为感测由棒穿过塔的移动引起的至少一个塔(和/或相关联的椎弓根螺钉)的振动和/或其他移动。

在其他实施方案中，可利用电路来验证棒在至少一个塔中的放置。电路可在支撑棒的第一机器人臂与支撑至少一个塔的第二机器人臂之间。更具体地，在棒和塔都是金属的或以其他方式导电的情况下，电信号可传输通过棒，并且第二机器人臂上的传感器可用于检测信号是否传输通过至少一个塔(这将暗示棒和至少一个塔接触)。也可进行相反的操作(例如，可将电信号引入塔中，并且在棒处进行检测)。另外，电信号可被引入塔的第一侧中并且在塔的与塔的第一侧绝缘的相对的第二侧上进行检测。如果检测到信号，则可推断棒已经被适当地放置在塔的两侧之间并且已经将两侧放置成彼此电连通。如上所述或以任何其他方式创建的电路因此可用于确定棒是否已经适当地放置在至少一个塔中的每个塔中。

方法300还包括使机器人臂拧紧固定螺钉(步骤320)。机器人臂可为正(或曾经)附接到至少一个塔的同一个机器人臂，并且可支撑诸如螺丝刀的工具，以拧紧塔和/或椎弓根螺钉的头部中的固定螺钉。在针对多个对应的椎弓根螺钉拧紧多个固定螺钉的实施方案中，可以一定顺序增量地拧紧每个固定螺钉以避免对任何单个椎弓根螺钉产生点载荷。例如，可拧紧第一固定螺钉，然后可拧紧第二固定螺钉，然后可进一步拧紧第一固定螺钉等。

在一些实施方案中，插入棒的机器人臂也可拧紧固定螺钉。在其他实施方案中，不同的机器人臂可拧紧固定螺钉。

方法300还包括使机器人臂从椎弓根螺钉的头部移除至少一个塔(步骤322)。机器人臂可支撑并操作工具以抓持至少一个塔并且施加力以从头部拆卸、分离、断开或以其他方式移除至少一个塔。机器人臂还可使用任何种类的工具或通过简单地将机器人臂的端部压靠在塔上而将力施加到至少一个塔以使至少一个塔断开。

至少一个塔可包括刻槽(score)，以有助于至少一个塔从头部断开。在一些实施方案中，插入棒的机器人臂也可移除至少一个塔。在其他实施方案中，不同的机器人臂可移除至少一个塔。

如基于前述公开内容可了解的，本公开涵盖具有比图2和图3(以及方法200和300的对应描述)中标识的所有步骤更少的步骤的方法，以及包括比图2和图3(以及方法200和300的对应描述)中标识的那些步骤更多的步骤的方法。本文所述的方法的一个或多个步骤可以除了本文描述这些步骤的次序之外的次序执行。

为了避免疑义，本公开的各方面可用于自动地或在机器人辅助下计算用于穿过从植入的椎弓根螺钉延伸的一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或更多个塔插入棒的路径。本文所述的方法可使用两个机器人臂(其中一个机器人臂操纵棒并且第二机器人臂一次保持或操纵塔中的一个塔)，或使用多于两个机器人臂(其中每个附加机器人臂被配置为保持或操纵塔中的另一个塔)来实施。如可了解的，机器人臂的数量越大，可同时保持或操纵的塔的数量就越大。因此，在即将穿过多个椎弓根螺钉塔插入棒并且多个机器人臂可用于保持和/或操纵多个椎弓根螺钉塔中的每个椎弓根螺钉塔的情况下，可使多个机器人臂对准(或以其他方式布置)多个椎弓根螺钉塔以有助于将棒插入其中。当然，对椎弓根螺钉塔的任何这种操纵可能都受到可由对应的机器人臂安全地施加到每个椎弓根螺钉塔的力的大小的限制，并且因此椎弓根螺钉塔的完美对准或其他布置(例如，根据外科手术计划)可能是不可行的。

同样在一些实施方案中，单个机器人臂可设有(或以其他方式配备成)能够同时连接到和/或操纵多个椎弓根螺钉塔的端部执行器。在此类实施方案中，多个椎弓根螺钉塔可使用单个机器人臂保持或以其他方式操纵，而另一个机器人臂操纵棒。

在本公开的另外的实施方案中，可能仅单个机器人臂可用，该机器人臂可用于插入棒或保持和/或操纵一个或多个椎弓根螺钉塔。不管是否基于用户接口上或以其他方式显示的指令，无论哪个/哪些机器人臂未完成的任务都可由外科医生或其他用户来实施。

本公开的实施方案有利地提供用于实现棒插入计划和考虑到塔移动的棒插入。通过调整棒的路径和/或塔的位置，棒在塔中的放置可在规程期间实时优化，从而防止棒的可能由于不准确的放置而导致不可预见的问题的放置。此外，可优化棒插入和路径的计划以减少对路径中的软组织或其他解剖元件的创伤。因此，可提高患者安全性，并且可减少软组织和/或解剖元件创伤。

前述内容并不意图将本公开限于本文所公开的一种或多种形式。在前述的具体实施方式中，例如，出于简化本公开的目的，将本公开的各种特征一起分组在一个或多个方面、实施方案和/或配置中。本公开的方面、实施方案和/或配置的特征可组合在除了上文所论述的那些之外的替代方面、实施方案和/或配置中。本公开的方法不应被解释为反映以下意图：权利要求需要比每项权利要求中明确叙述的特征更多的特征。相反，如以下权利要求书所反映，本发明方面在于少于单个前述公开的方面、实施方案和/或配置的全部特征。因此，以下权利要求特此并入这个具体实施方式中，其中每项权利要求作为本公开的单独的优选实施方案而独立存在。

此外，尽管描述已经包括对一个或多个方面、实施方案和/或配置以及某些变化和修改的描述，但在理解本公开后，其他变化、组合和修改也在本公开的范围内，例如，如可在本领域技术人员的技能和知识内。意图在准许的范围内获得包括替代方面、实施方案和/或配置的权利，包括所要求保护的那些的替代、可互换和/或等效的结构、功能、范围或步骤，而不管这些替代、可互换和/或等效的结构、功能、范围或步骤是否在本文中公开，而且不意图公开用于任何可获专利的主题。

Claims

1.一种用于计算棒的插入点和路径的方法，所述方法包括：

接收具有至少一个图像和关于至少一个塔的位置的信息的外科手术计划，所述至少一个图像描绘外科手术区域；

在所述至少一个图像中识别软组织部分和至少一个解剖元件；

基于所识别的软组织部分和至少一个解剖元件来计算插入点和从所述插入点到所述至少一个塔的路径；以及

使机器人臂在所述插入点处并沿着所述路径插入棒。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个图像是从MRI扫描仪、超声或CT扫描仪中的至少一者获得的。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个图像包括所述外科手术区域的第一图像和第二图像，所述第一图像包括硬组织信息并且所述第二图像包括软组织信息。

4.根据权利要求3所述的方法，其中使用第一成像模态来生成所述第一图像，并且使用第二成像模态来生成所述第二图像。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一图像是CT图像，并且所述第二图像是超声图像。

6.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一图像和所述第二图像中的一者是术前图像，并且所述第一图像和所述第二图像中的另一者是术中图像。

7.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述插入点和所述路径基于一个或多个输入。

8.根据权利要求1所述的方法，其中识别所述至少一个解剖元件使用特征辨识、机器学习、人工智能或神经网络中的至少一者。

9.根据权利要求1所述的方法，其中识别所述软组织部分使用分割。

10.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述插入点和所述路径基于关于所述棒的几何形状的信息。

11.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：

基于在沿着所述路径插入所述棒期间所述软组织部分的检测到的移动而更新所述路径。

12.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括：

基于所述至少一个塔的检测到的移动而更新所述路径。

13.一种用于插入棒的方法：

接收具有关于插入点和棒到至少一个塔的路径的信息的外科手术计划；

使机器人臂在所述插入点处使用所述路径插入所述棒；

在使用所述路径插入所述棒期间跟踪所述棒；

确定所述棒的位姿与所述路径之间的差异；以及

当所述差异满足阈值时更新所述路径。

14.根据权利要求13所述的方法，其中将所更新的路径传达给用户。

15.根据权利要求13所述的方法，其中跟踪所述棒包括跟踪环绕所述棒的软组织部分。

16.根据权利要求13所述的方法，其中所述外科手术计划包括描绘外科手术区域的至少一个图像，并且所述方法还包括：

在所述至少一个图像中识别软组织部分和至少一个解剖元件；以及

基于所识别的软组织部分和至少一个解剖元件来计算所述插入点和从所述插入点到所述至少一个塔的路径。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述至少一个图像是从MRI扫描仪获得的。

18.根据权利要求16所述的方法，其中计算所述插入点和所述路径基于一个或多个输入。

19.根据权利要求16所述的方法，其中识别所述至少一个解剖元件使用特征辨识、机器学习、人工智能或神经网络中的至少一者。

20.根据权利要求16所述的方法，其中识别所述软组织部分使用分割。

21.根据权利要求16所述的方法，其中计算所述插入点和所述路径基于关于所述棒的几何形状的信息。

22.根据权利要求16所述的方法，其中跟踪所述棒使用导航系统、标记或传感器中的至少一者。

23.一种用于计算棒的插入点和路径的系统，所述系统包括：

至少一个处理器；和

至少一个存储器，所述至少一个存储器存储用于由所述至少一个处理器执行的指令，所述指令在被执行时使所述至少一个处理器：

识别软组织部分和至少一个解剖元件；

基于所识别的软组织部分和至少一个解剖元件来计算插入点和从所述插入点到所述至少一个塔的路径，所述至少一个塔从植入的椎弓根螺钉延伸；以及

使机器人臂在所述插入点处并沿着所述路径插入棒。

24.根据权利要求23所述的系统，其中所述至少一个图像是从MRI扫描仪、超声或CT扫描仪中的至少一者获得的。

25.根据权利要求23所述的系统，其中所述至少一个图像包括所述外科手术区域的第一图像和第二图像，所述第一图像包括硬组织信息并且所述第二图像包括软组织信息。

26.根据权利要求25所述的系统，其中使用第一成像模态来生成所述第一图像，并且使用第二成像模态来生成所述第二图像。

27.根据权利要求25所述的系统，其中所述第一图像是CT图像，并且所述第二图像是超声图像。

28.根据权利要求25所述的系统，其中所述第一图像和所述第二图像中的一者是术前图像，并且所述第一图像和所述第二图像中的另一者是术中图像。