CN116829104A - 用于术中骨融合的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种原位融合系统包括：至少一个机器人臂；生物打印机；聚合工具；至少一个处理器；和存储器，该存储器存储用于由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：控制该至少一个机器人臂以制备至少两个骨表面以支持细胞生长；使该生物打印机在该至少两个骨表面之间从支架材料打印支架；以及使该聚合工具诱导该支架材料聚合。

Description

用于术中骨融合的系统和方法

技术领域

本技术整体涉及机器人辅助的外科手术规程，并且更具体地涉及在机器人辅助的外科手术中实现骨解剖结构的融合。

背景技术

外科手术机器人可以辅助外科医生或其他医疗提供者执行外科手术规程，或者可以自主完成一个或多个外科手术规程。无论是涉及脊柱还是患者解剖结构中的其他部位，融合规程都可用于将一个骨或其一部分固定到另一个骨或其一部分。

公开为WO 2018/185755并且标题为″三维机器人生物打印机(Three DimensionalRobotic Bioprinter)″的国际专利申请PCT/IL2018/050384号描述了一种使用外科手术机器人作为三维打印机来在受试者体内制造生物组织的微创系统。该参考文献的全部内容以引用方式并入本文。

发明内容

本公开的示例性方面包括：

一种原位融合系统，该原位融合系统包括：至少一个机器人臂；生物打印机；聚合工具；至少一个处理器；和存储器，该存储器存储用于由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：控制该至少一个机器人臂以制备至少两个骨表面以支持细胞生长；使该生物打印机在该至少两个骨表面之间从支架材料打印支架；以及使该聚合工具诱导该支架材料聚合。

本文的方面中的任一方面，该系统还包括细胞浸渍工具，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使该至少一个处理器：使用该至少一个机器人臂中的一个机器人臂定位该细胞浸渍工具，使该细胞浸渗工具用细胞成分(cellular element)浸渍该支架。

本文的方面中的任一方面，其中该细胞浸渍工具可选择性地附接到该机器人臂。

本文的方面中的任一方面，其中控制该至少一个机器人臂以制备该至少两个骨表面以支持细胞生长包括：控制该至少一个机器人臂以清理该至少两个骨表面；以及向该至少两个骨表面中的每个骨表面施加表面处理。

本文的方面中的任一方面，其中该表面处理是被配置成促进该支架材料的粘附的涂层。

本文的方面中的任一方面，其中施加该表面处理包括：施加表面处理至预先确定的厚度。

本文的方面中的任一方面，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使该至少一个处理器：重复该使该生物打印机打印该支架以及该使该聚合工具诱导该支架材料聚合，直到该支架从该至少两个骨表面中的一个骨表面延伸到该至少两个骨表面中的另一骨表面。

本文的方面中的任一方面，其中该聚合工具被配置成向该支架材料施加能量以诱导该支架材料聚合。

本文的方面中的任一方面，其中该聚合工具被配置成向该聚合工具施加酶以诱导该支架材料聚合。

本文的方面中的任一方面，其中该至少两个骨表面是椎骨终板。

本文的方面中的任一方面，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使该至少一个处理器：在该至少两个骨表面之间插入可扩张融合器(expandable cage)以将该至少两个骨表面保持在期望的位置中。

本文的方面中的任一方面，其中该至少一个机器人臂包括第一机器人臂和与该第一机器人臂分开的第二机器人臂，并且进一步地，其中该第一机器人臂用于定位该生物打印机以打印该支架，并且该第二机器人臂用于定位该聚合工具以诱导该支架材料聚合。

本文的方面中的任一方面，其中该使该生物打印机在该至少两个骨表面之间打印支架以及该使该聚合工具诱导该支架材料聚合同时发生。

本文的方面中的任一方面，其中该生物打印机和该聚合工具中的每一者可选择性地附接到该至少一个机器人臂。

本文的方面中的任一方面，其中该至少一个机器人臂包括单个机器人臂，并且进一步地，其中该单个机器人臂用于定位该生物打印机以打印该支架并且定位该聚合工具以诱导该支架材料聚合。

一种机器人外科手术系统，该机器人外科手术系统包括：机器人臂，该机器人臂可选择性地连接到制备工具、打印工具和细胞浸渍工具中的每一者；至少一个处理器；和存储器，该存储器存储用于由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：使该机器人臂使用该制备工具来在患者体内制备解剖表面以用于其上的骨生长；使该机器人臂使用该打印工具来在该患者体内打印连接到该解剖表面的支架；以及使该机器人臂使用该细胞浸渍工具来用骨组织细胞浸渍该支架。

本文的方面中的任一方面，其中该支架从支架材料打印，并且进一步地，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：使该机器人臂使用聚合工具来诱导该支架材料的聚合。

本文的方面中的任一方面，其中制备该解剖表面包括：使该机器人臂使用该制备工具来在该解剖表面中产生多个孔。

本文的方面中的任一方面，其中该支架一次一层地打印并用骨组织细胞浸渍。

本文的方面中的任一方面，其中该解剖表面是椎骨终板；该支架在完成时将该椎骨终板与相对的椎骨终板连接；并且将该支架的第一层打印在前韧带上。

本文的方面中的任一方面，其中用骨组织细胞浸渍该支架包括：用骨组织细胞填充由该支架限定的体积。

本文的方面中的任一方面，该系统还包括成像装置，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：在已制备该解剖表面以用于其上的骨生长之后，使该成像装置捕获该解剖表面的图像。

一种原位椎骨融合方法，该原位椎骨融合方法包括：控制可操作地连接到机器人臂的3D打印机以在两个椎骨终板之间并且使用可聚合的支架材料来打印支架结构；以及控制可操作地连接到该机器人臂的聚合工具以诱导该支架材料的聚合。

本文的方面中的任一方面，该方法还包括：控制可操作地连接到该机器人臂的浸渍工具以用骨生长组织浸渍该支架结构。

本文的方面中的任一方面，该方法还包括：控制可操作地连接到终板制备工具的该机器人臂以制备该两个椎骨终板中的每个椎骨终板以用于其上的骨生长。

本文的方面中的任一方面，其中控制该机器人臂以制备该两个椎骨终板中的每个椎骨终板以用于其上的骨生长包括：控制该机器人臂以清洁该两个椎骨终板中的每个椎骨终板并且向该两个椎骨终板中的每个椎骨终板施加表面处理。

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2A至图2I示出了根据本公开的至少一个实施方案的椎骨融合过程的各个步骤。更具体地：

图2A示出了待融合的一对椎骨；

图2B示出了在移除椎间盘之后的图2A的一对椎骨；

图2C示出了在椎间隙扩张之后的图2A的一对椎骨；

图2D示出了图2A的一对椎骨中的一个椎骨的终板的制备；

图2E示出了图2A的一对椎骨中的一个椎骨的终板的进一步制备；

图2F示出了支架在图2A的一对椎骨的椎间隙中的原位打印；

图2G示出了包括图2A的一对椎骨之间的支架的支架材料的聚合；

图2H示出了用细胞成分浸渍图2A的一对椎骨之间的支架；并且

图2I示出了图2A的一对椎骨的完成的椎间融合。

图3是根据本公开的至少一个实施方案的流程图。

图4是根据本公开的至少一个实施方案的流程图。

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。

脊柱融合是用于各种退行性、变形性、创伤性和其他脊柱疾病的外科手术解决方案的主要组成部分。融合可采用同种异体移植物、自体移植物和/或合成骨或骨样材料，有时连同骨生长诱导材料一起采用以促进相邻椎骨之间或骨盆骨之间的融合。使用这些方法的骨融合过程可能需要数月来完成。因此，可能涉及杆和螺钉的金属构造可用于在恢复期期间提供内固定。建立内固定构造增加了外科手术规程的时间、成本和风险。在过去，使用外固定，但需要长时间的卧床休息，从而带来了其自身的风险。延迟的融合也意味着在非融合的情况下可能需要修复手术。

本发明支持术中融合，从而减轻对术后固定的需要并实现对融合程度的术中监测。

骨生物打印目前用于在实验室中培养骨元素以供将来植入和/或填充骨缺陷(例如在肿瘤切除和创伤之后)。

本公开的实施方案涉及原位打印聚合物支架，然后用骨组织细胞包埋该聚合物支架。可在打印之后以各种方式诱导支架材料聚合，包括使用一种或多种酶和/或施加光能。还可使用如聚焦超声的远程能量源来诱导聚合。在聚合之后，打印的支架具有显著强度，该强度对于细胞生长期间所需的临时固定是足够的。

根据本公开的实施方案的融合技术包括以下各项中的一者或多者：1)机器人终板(用于椎间体融合)或其他表面制备，这可包括：移除椎间盘材料或其他软组织残留物；整修终板或其他表面以支持骨生长、小面皮质剥除和/或软骨移除；2)支架聚合物的机器人注射；3)使用外部能量源的聚合的机器人诱导；和/或4)用所需细胞成分的支架的机器人浸渍。

该过程可以分层方式执行，其中多次重复步骤2至步骤4。

本公开的实施方案可用于椎骨、骶髂关节、小面关节和/或断裂的大骨碎片的融合。换句话说，本公开的实施方案可用于例如椎骨/椎间体融合、关节融合、骶骼关节融合和长骨骨折(包括例如髋部骨折)的修复。

本公开的实施方案提供了针对以下问题中的一个或多个问题的技术解决方案：(1)实现两个骨解剖元件的融合；(2)减少融合规程之后的患者恢复时间；(3)减少实现融合所需的植入物的数量；(4)在不将杆、螺钉或金属植入患者体内的情况下实现融合；以及(5)减少为了实现融合而对预先制造的植入物的需要。

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可用于根据本公开的实施方案的术中骨融合，和/或实施本文所公开的方法中的一种或多种方法的一个或多个其他方面。系统100包括计算装置102、一个或多个成像装置112、机器人114、导航系统118、数据库130、云或其他网络134、制备工具138、生物打印机142、聚合工具146和浸渍工具150。根据本公开的其他实施方案的系统可包括比系统100更多或更少的部件。例如，系统1O0可以不包括成像装置112、机器人114、导航系统118、计算装置102的一个或多个部件、数据库130、云134、制备工具138、生物打印机142、聚合工具146和/或浸渍工具150。

计算装置102包括处理器104、存储器106、通信接口108和用户接口110。根据本公开的其他实施方案的计算装置可包括比计算装置102更多或更少的部件。

计算装置102的处理器104可为本文所述的任何处理器或任何类似的处理器。处理器104可被配置成执行存储在存储器106中的指令126，该指令126可使处理器104利用或基于从或经由成像装置112、机器人114、导航系统118、数据库130、云134、制备工具138、生物打印机142、聚合工具146和/或浸渍工具150接收的数据来实施一个或多个计算步骤。

存储器106可以是或包括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(例如指令126)的任何其他有形的非暂时存储器。存储器106可存储可用于完成例如本文所述的方法300和/或400或任何其他方法的任何步骤的信息或数据。存储器106可存储例如一个或多个图像处理算法120、一个或多个分割算法122、一个或多个路径规划算法124和/或指令126。在一些实施方案中，此类指令或算法可被组织成一个或多个应用程序、模块、包、层或引擎。该算法和/或指令可使处理器104操纵存储在存储器106中的数据和/或从或经由成像装置112、机器人114、数据库130、云134、制备工具138、生物打印机142、聚合工具146和/或浸渍工具150接收的数据。

计算装置102也可包括通信接口108。通信接口108可用于从外部源(诸如，成像装置112、机器人114、导航系统118、数据库130、云134、制备工具138、生物打印机142、聚合工具146、浸渍工具150和/或任何其他系统或并非系统100的部分的部件)接收图像数据或其他信息，和/或用于将指令、图像或其他信息传输到外部系统或装置(例如，另一计算装置102、成像装置112、机器人114、导航系统118、数据库130、云134、制备工具138、生物打印机142、聚合工具146、浸渍工具150和/或任何其他系统或并非系统100的部分的部件)。通信接口108可以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/或一个或多个无线收发器或接口(被配置成例如经由例如802.11a/b/g/n、蓝牙、NFC、紫峰等一个或多个无线通信协议传输和/或接收信息)。在一些实施方案中，通信接口108可用于使得装置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。

计算装置102也可包括一个或多个用户接口110。用户接口110可以是或包括键盘、鼠标、轨迹球、监测器、电视、屏幕、触摸屏和/或用于从用户接收信息和/或用于向用户提供信息的任何其他装置。用户接口110可用于例如接收关于本文所描述的任何方法的任何步骤的用户选择或其他用户输入。尽管如此，本文所描述的任何方法的任何步骤的任何所需输入可由系统100(例如，由处理器104或系统100的另一部件)自动生成或由系统100从系统100外部的源接收。在一些实施方案中，用户接口110可用于允许外科医生或其他用户根据本公开的一个或多个实施方案修改待由处理器104执行的指令，和/或修改或调整显示在用户接口110上或与其相对应的其他信息的设置。

尽管用户接口110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110。在一些实施方案中，用户接口110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110可位于远离计算机装置102的一个或多个其他部件之处。

成像装置112可操作以对解剖特征(例如，骨、椎间盘、静脉、组织、椎间隙等)和/或患者解剖结构的其他方面进行成像以产生图像数据(例如，描绘或对应于骨、椎间盘、静脉、组织、椎间隙等的图像数据)。本文所使用的″图像数据″指代由成像装置112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。在不同示例中，图像数据可包括与患者的解剖特征或其一部分相对应的数据。图像数据可以是或包括术前图像、术中图像、术后图像、或独立于任何手术过程拍摄的图像。在一些实施方案中，第一成像装置112可用于在第一时间获得第一图像数据(例如，第一图像)，并且第二成像装置112可用于在第一时间之后的第二时间获得第二图像数据(例如，第二图像)。成像装置112可能够拍摄2D图像或3D图像以产生图像数据。成像装置112可以是或包括例如超音波扫描仪(其可以包括例如物理上分离的换能器和接收器，或单个超音波收发器)、O形臂、C形臂、G形臂或使用基于X射线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、光学相干层析成像(OCT)扫描仪、内窥镜、显微镜、光学相机、热成像相机(例如，红外相机)、雷达系统(其可包括例如传输器、接收器、处理器和一个或多个天线)，或任何其他适于获得患者解剖特征的图像的成像装置112。成像装置112可以完全包含在单个外壳内，或可以包括在单独外壳中或以其他方式物理上分离的传输器/发射器和接收器/检测器。

在一些实施方案中，成像装置112可包括多于一个的成像装置112。例如，第一成像装置可以提供第一图像数据和/或第一图像，并且第二成像装置可以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/或本文所描述的任何其他图像数据。成像装置112可用于生成图像数据流。例如，成像装置112可以被配置成使用打开的快门操作，或者使用在打开与关闭之间连续交替的快门操作，以便捕获连续的图像。出于本公开的目的，除非另外规定，否则如果图像数据表示每秒两个或更多个帧，则可以将图像数据视为连续的和/或提供为图像数据流。

机器人114可以是任何外科手术机器人或外科手术机器人系统。机器人114可以是或包括例如Mazor X^TMStealth Edition机器人引导系统。机器人114可被配置成以一个或多个精确位置和取向来定位、定向和/或操作成像装置112、制备工具138、生物打印机142、聚合工具146、浸渍工具150和/或任何其他对象中的一者或多者，并且/或者在稍后的时间点将一个或多个对象返回到同一位置和取向。附加地或另选地，机器人114可被配置成操纵和/或操作本文所述的任何外科手术工具和/或任何其他外科手术工具(无论是否基于来自导航系统118的引导)以完成或辅助外科手术任务。在一些实施方案中，机器人114(更具体地，机器人臂116)可被配置成在外科手术规程期间或结合外科手术规程保持和/或操纵解剖元件。机器人114可包括一个或多个机器人臂116。在一些实施方案中，机器人臂116可以包括第一机器人臂和第二机器人臂，但机器人114可以包括多于两个机器人臂。在一些实施方案中，机器人臂116中的一个或多个机器人臂可以用于保持和/或操控成像装置112。在成像装置112包括两个或更多个物理上分离的部件(例如，传输器和接收器)的实施方案中，一个机器人臂116可以保持一个此类部件，并且另一机器人臂116可以保持另一此类部件。每个机器人臂116可以独立于其他机器人臂定位。可以在单个共享坐标空间中或在单独坐标空间中控制机器人臂。

机器人114连同机器人臂116可以具有例如一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个或更多个自由度。进一步地，机器人臂116可以以任何姿态、平面和/或焦点定位或可定位。该姿态包含位置和取向。结果，由机器人114保持的(或更具体地说，由机器人臂116保持的)成像装置112、手术工具或其他对象可被精确定位在一个或多个所需且特定的位置和取向。

机器人臂116可包括一个或多个传感器，该一个或多个传感器使得处理器104(或机器人114的处理器)能够确定机器人臂116(以及由机器人臂保持或固定到机器人臂的任何对象或元件)在空间中的精确姿态，并且/或者便于由机器人臂116保持的外科手术工具的操作。

在一些实施方案中，参考标记(即，导航标记)可以放置在机器人114(包括例如在机器人臂116上)、成像装置112或手术空间中的任何其他对象上。参考标记可由导航系统118跟踪，并且跟踪的结果可由机器人114和/或由系统100或其任何部件的操作者使用。在一些实施方案中，导航系统118可以用于跟踪系统的其他部件(例如，成像装置112)，并且系统可以在不使用机器人114的情况下操作(例如，外科医生例如基于由导航系统118生成的信息和/或指令手动操控成像装置112和/或一个或多个手术工具)。

在操作期间，导航系统118可以为外科医生和/或手术机器人提供导航。导航系统118可以是任何已知的或未来开发的导航系统，包括例如美敦力公司(Medtronic)StealthStation^TMS8手术导航系统或其任何后续产品。导航系统118可以包括一个或多个相机或其他传感器，用于跟踪手术室或系统100的部分或全部所在的其他房间内的一个或多个参考标记、导航跟踪器或其他对象。一个或多个相机可以是光学相机、红外相机或其他相机。在一些实施方案中，导航系统可以包括一个或多个电磁传感器。在各种实施方案中，导航系统118可用于跟踪成像装置112、机器人114和/或机器人臂116、制备工具138、生物打印机142、聚合工具146、浸渍工具150和/或一个或多个其他对象的位置和取向(即，姿态)(或更具体地，以跟踪直接或间接以固定关系附接到前述各项中的一者或多者的导航跟踪器的姿态)。导航系统118可以包括用于显示来自外部源(例如，计算装置102、成像装置112或其他源)的一个或多个图像或用于显示来自导航系统118的一个或多个相机或其他传感器的图像和/或视频流的显示器。在一些实施方案中，系统100可以在不使用导航系统118的情况下操作。导航系统118可被配置成向外科医生或系统100的其他用户或其部件、向机器人114或系统100的任何其他元件提供关于例如一个或多个解剖元件的姿态、工具是否处于恰当轨迹中和/或如何根据术前或其他外科手术规划将工具移动到恰当轨迹中以执行外科手术任务的引导。

根据本公开的实施方案，制备工具138可以是或包括可用于制备用于融合的椎骨终板或其他解剖表面的任何一个或多个工具。在一些实施方案中，此类制备可包括：清洁终板或软骨、软组织或其他物质的其他表面(例如，以移除可能阻止血管的生长和/或营养物进入生长的骨中的材料)；可使得终板或其他表面能够粘附到打印的支架结构(或反之亦然)；可实现、刺激和/或促进细胞生长(例如，骨组织细胞或其他细胞的生长)；并且/或者可增强或以其他方式制备根据本公开的实施方案的待融合的终板或其他表面。因此，制备工具138可以是或包括刮刀、刀、刷子、镊子、夹具、夹持器、真空(用于吸出碎屑)、喷涂器(例如，用于喷涂洗涤流体，或用于将化学品或其他涂层喷涂到终板或其他表面上)、钉齿辊(例如，用于刺激终板或其他骨表面的出血，以及/或者促进打印的或以其他方式沉积的材料或组织内的血管生长)；施加器(例如，用于在表面上施加受控厚度的化学品或其他材料层)；和/或任何其他表面制备工具。

制备工具138可以是或包括一个或多个主动工具(例如，机动或以其他方式致动的动力工具)和/或一个或多个被动工具(例如，缺少任何内部致动器的无动力工具)。制备工具138可以是或包括一个或多个智能工具(例如，包括控制工具的一个或多个操作特性或功能的处理器或其他装置的一个或多个工具)和/或缺少此类处理能力的一个或多个工具。制备工具138可被配置成将一种形式的能量转换成另一种形式的能量(例如，经由一个或多个致动器将电能转换成机械能)，和/或在机器人臂116(或者，在一些实施方案中，人类用户)与待融合的椎骨终板或其他表面之间提供界面。制备工具138可被配置用于手动使用和/或用于连接到机器人臂116和/或由该机器人臂操纵。

在一些实施方案中，制备工具138可被配置成利用流体来促进椎间盘制备过程。例如，制备工具138可被配置成将水或盐水喷涂到表面上以从该表面移去一个或多个微粒。在此类实施方案中，制备工具138可包括内部流体贮存器，并且/或者可包括用于接纳来自外部贮存器的流体的入口。附加地或另选地，制备工具138可包括真空源(或可连接到真空源)，该真空源可使得制备工具138能够向解剖表面(或其他地方)施加吸力以辅助从解剖表面或体积移除解剖组织、流体和/或其他材料。附加地或另选地，制备工具138可以是或包括动力切削、刮擦、刷洗、和/或抛光工具。

生物打印机142是被配置成使用生物墨水进行打印的3D打印机(无论是独立的还是由机器人臂116保持和/或控制)。如本文所用，″生物墨水″是可由3D打印机使用的利用天然材料、合成材料和/或它们的组合并且是生物相容的任何墨水。本文所用的生物墨水可包含胶原和/或在天然椎间盘中发现的其他材料。此类材料可以溶解形式打印在椎间体腔内，然后如本文别处所述地原位聚合。生物打印机可由机器人臂116保持(或以其他方式支撑)和操纵，并且可与机器人臂116结合使用以原位(例如，在需要融合的人体中的两个骨之间)打印支架或其他结构(从生物墨水)。在一些实施方案中，生物墨水可以是可聚合的。换句话讲，使生物墨水经受一种或多种酶、化学品和/或各种类型的能量可导致生物墨水聚合。在一些实施方案中，生物墨水的聚合可导致生物墨水变硬和/或以其他方式赋予生物墨水有利于将两个骨或其他解剖元件融合在一起的材料性质。生物打印机142可包括内部生物墨水贮存器，并且/或者可包括用于接纳来自外部贮存器的生物墨水的入口。

聚合工具146是被配置成诱导生物墨水的聚合的工具。聚合工具146可被配置成将酶和/或化学品喷涂或以其他方式施加到打印生物墨水(例如，支架或其他结构，或其一部分)上以诱导其聚合。在此类实施方案中，聚合工具可包括酶和/或化学品的贮存器，并且/或者可简单地包括用于接纳来自外部贮存器的酶和/或化学品的入口。

附加地或另选地，聚合工具146可以是或包括被配置成递送将诱导打印生物墨水的聚合的光能、超声能量和/或任何其他能量形式的能量递送装置。聚合工具146可被配置成递送聚焦能量射线，使得立即诱导仅非常少量或体积(或非常精确的量或体积，而不管数量或尺寸)的生物墨水聚合。在一些实施方案中，聚合工具146可包括可更换透镜、孔口或使得能量能够以各种形状和/或图案从聚合工具146发射的其他装置。例如，在一些实施方案中，聚合工具146可被配置成向单个点，或者沿着线，或者在一个区域上方，或者通过特定体积递送能量。在一些实施方案中，可利用机器人对聚合工具146的操纵来实现递送的能量的高度空间准确度，以便确保打印生物墨水的聚合仅发生在期望聚合的精确位置中。

在本公开的实施方案中使用的特定聚合工具146可例如基于所选择的生物墨水的类型来选择，并且/或者反之亦然。在一些实施方案中，较之用被配置成递送酶或化学品以诱导生物墨水的聚合的聚合工具146可能做到的，被配置成出于诱导聚合的目的而递送能量的聚合工具146可实现对在何处发生聚合以及在何处不发生聚合的更精确控制。

浸渍工具150可以是被配置成递送细胞成分(例如骨细胞、骨生长组织、同种异体移植物、自体移植物)的任何工具，用于浸渍使用生物墨水打印的聚合支架结构或其一部分。在一些实施方案中，浸渍工具150包括：用于储存的贮存器和/或用于接纳细胞成分的入口；可从其注射或以其他方式排出细胞成分的出口；和被配置成将细胞成分从贮存器和/或入口移动到出口的泵送或输送系统。浸渍工具150可被配置成在大于或等于大气压的任何压力下将细胞成分递送到支架结构或其一部分中。

浸渍工具150也可以是打印机或打印机类装置，并且可包括类似于更传统喷墨打印机的打印头。在此类实施方案中，浸渍工具150可被配置成以与生物墨水支架结构的单个层的打印和聚合的迭代方式一次一层地″打印″细胞成分(如下文进一步描述的)。

与制备工具138、生物打印机142和聚合工具146类似，浸渍工具150被配置成固定到机器人臂116，或以其他方式由该机器人臂保持、操纵和/或操作。在一些实施方案中，制备工具138、生物打印机142、聚合工具146和/或浸渍工具150可被配置用于在由机器人臂支撑或保持的同时用于手动操作；在手动支撑或保持的同时用于自动操作；和/或用于纯手动支撑和操作。

系统100或类似系统可用于例如实施结合图2A至2I描述的过程和/或本文所述的方法300和/或400中的一种或两种方法的一个或多个方面。系统100或类似系统还可用于其他目的。

图2A至图2I示出了根据本公开的至少一个实施方案的融合过程的各个步骤。在图2A至图2I中的一个或多个图中标识的元件可以不在图2A至图2I中的一个或多个其他图中标识出来，以避免图的不必要拥挤。

图2A示出了具有椎间盘208的一对相邻椎骨204，该椎间盘占据该对相邻椎骨之间的椎间隙。无论是由于椎间盘208和/或椎骨204中的一个或两个椎骨的现有损伤，该对相邻椎骨204都需要融合。

图2B示出了一对椎骨204，其中椎间盘208从其间的椎间隙移除。一个或多个可扩张融合器或其他间隔工具216已被插入椎间隙206中。一个或多个椎间盘残留物、软骨碎片或其他软组织碎屑212仍附接到椎骨终板214。

图2C示出了两个椎骨204，由于可扩张融合器或其他间隔工具216的扩张，该两个椎骨之间具有扩张的椎间隙206。

在图2D中，正使用机器人臂116将第一制备工具138A引入椎间隙206中，机器人臂116然后可在该椎间隙中操纵第一制备工具138A以移除椎间盘残留物、软骨碎片或其他软组织碎屑212。制备工具138可包括例如硬毛刷、一个或多个切割元件、刮刀和/或用于从终板214移除椎间盘残留物、软骨碎片或其他软组织碎屑212的任何其他装置。

在图2E中，已从终板214移除椎间盘残留物、软骨碎片或其他软组织碎屑212，并且现在配备有第二制备工具138B的机器人臂116已经/正向终板214中的每个终板施加涂层220。在本公开的一些实施方案中，制备用于其融合的表面可能需要向该表面施加化学品或其他材料涂层220。此类涂层220可例如促进生物墨水粘附到该表面(例如，以在该表面上打印支架或连接到该表面)；促进骨组织在该表面上的生长；或者以其他方式提高融合规程成功的可能性。

制备工具138B可以是或包括喷涂器、辊或适合于向终板214施加涂层220的任何其他施加器。在一些实施方案中，制备工具138B可被配置成施加具有精确厚度(例如，50微米至100微米，或100微米至200微米，或200微米至300微米，或300微米至500微米，或500微米至1000微米，或1000；并且具有例如小于500微米，或小于250微米，或小于100微米，或小于50微米，或小于20微米，或小于10微米的公差)的涂层220。而且在一些实施方案中，制备工具138B可被配置成施加具有100微米至200微米、或200微米至300微米、或300微米至400微米的线宽以及具有5微米至10微米、或10微米至20微米、或20微米至30微米、或30微米至40微米的对准误差的涂层220。涂层220可能需要无法手动实现的公差，并且因此只能使用机器人臂116和制备工具138B来实现。

在图2F中，机器人臂116正使用生物打印机142从生物墨水在涂层220上打印支架结构224。在不施加涂层220的实施方案中，支架结构的一部分可直接打印在终板214或其他解剖表面上。而且，在一些实施方案中，支架结构可打印在前韧带或限定椎间隙的边缘的其他表面上，并且可在附接到两个终板214之前在该两个终板的方向上延伸。

图2G示出了从一个终板214延伸穿过椎间隙206到达另一终板214的完成的支架结构224。虽然图2G仅示出了支架结构224的二维视图，但该结构224在三个维度上延伸整个椎间隙206。机器人臂116操纵聚合工具146以诱导形成支架结构224的生物墨水的聚合。出于诱导生物墨水支架结构的聚合，聚合工具146可发射聚焦光束(例如，激光)和/或超声。在其他实施方案中，聚合工具146可发射另一种类别的能量。在一些实施方案中，聚焦超声束(由定位在患者外部的超声发射器产生)可用于将支架结构224浸浴在超声能量中并诱导其聚合。在此类实施方案中，机器人臂116可用于或者可不用于操纵聚合工具146。

能量(或酶、化学品或任何其他聚合诱导剂)可由聚合工具146小心地发射(该聚合工具又可由机器人臂116小心地控制)，以便诱导仅椎间隙206的边界或其他预先确定的边界内的支架结构224的聚合。换句话讲，如果任何生物墨水经打印或以其他方式引入到支架结构224并不打算占据的体积中，则可不诱导任何此类生物墨水聚合。一旦期望的支架结构224已经聚合，就可从患者体内洗掉、吸出或以其他方式移除任何剩余的未聚合的生物墨水。

尽管图2F至图2G示出了通过增材制造(例如，3D打印)产生的支架结构224，但在一些实施方案中，支架结构可通过用生物墨水填充整个椎间隙206，然后使用聚合工具146来诱导生物墨水的体积内的支架结构的聚合来产生。然后可从椎间隙洗掉、吸出或以其他方式移除未聚合的生物墨水，从而仅留下聚合的支架结构224。

另外，尽管图2F和图2G示出了支架结构在使用聚合工具146聚合支架结构224的任何部分之前完成，但本公开的实施方案涵盖这两个步骤的迭代和/或同时完成。换句话讲，在一些实施方案中，可使用生物打印机142打印第一层生物墨水，此后，可使用聚合工具146诱导该第一层生物墨水聚合。然后可打印第二层生物墨水并诱导其聚合等等，直到完成整个支架结构。

在本公开的其他实施方案中，第一机器人臂116可支撑生物打印机142并且经控制以打印支架结构224，并且第二机器人臂116可支撑聚合工具146并且经控制以诱导刚刚打印的生物墨水的聚合。在这些实施方案中，支架结构的打印和聚合可同时发生或几乎同时发生。

尽管图2F和图2G中的支架结构224被示出为具有网格图案，但在本公开的其他实施方案中的支架结构224可以任何三维图案打印。支架结构224可包括线性元件、弯曲元件、缠绕元件、平坦表面、弯曲表面和/或任何其他元件中的一者或多者。一旦完成，支架结构就可占据小于50％、或小于40％、或小于30％、或小于20％、或小于10％、或小于5％的椎间隙206。

图2H示出了机器人臂116使用浸渍工具150来用细胞成分228浸渍支架结构224。细胞成分228可以是或包括例如骨组织细胞、同种异体移植物、自体移植物和/或用于生长骨的任何其他材料。正如图2F和图2G中示出的步骤，用细胞成分228浸渍支架结构224可以迭代方式发生(例如，其中浸渍工具15O用于在支架的下一层被打印之前一次浸渍聚合的支架的一层)，或与支架结构224的打印及其聚合同时发生。在后一种情况下，生物打印机142可用于连续打印支架结构224的各种元件，聚合工具146可用于在其打印之后不久诱导生物墨水的聚合，并且浸渍工具150可用于浸渍聚合的支架结构224的部分。

在一些实施方案中，支架结构224可限定由细胞成分228填充的体积的外界限。在其他实施方案中，细胞成分228可延伸超出支持架结构224的外周边。

现在参考图2I，一旦完成用细胞成分228浸渍支架结构224，就可从椎间隙206移除可扩张融合器或其他间隔工具216。椎间结构250可以足够坚固以立即承受预期施予在其上的力(例如，由于正常患者活动)。在其他实施方案中，椎间结构250可以足够坚固以承受在完成椎间结构224之后少于十五分钟、或少于三十分钟、或少于一个小时、或少于两个小时、或少于三个小时、或少于四个小时、或少于五个小时内预期施加在其上的力。因此，经历根据本公开的实施方案的融合规程的患者可以能够在几个小时内恢复正常活动，而非经历例如可能与涉及植入一个或多个椎间体、多个椎弓根螺钉和/或一个或多个杆的融合方法相关联的多天的恢复。

在一些实施方案中，可扩张融合器或其他间隔工具216可以是单次使用的一次性工具，在这种情况下，它们可以(但不需要)从椎间隙206切掉，或以其他方式从该椎间隙破坏性地移除。在其他实施方案中，可扩张融合器或其他间隔工具216是可重复使用的。任何可扩张融合器或其他间隔工具可与根据本公开的实施方案的融合方法结合使用。

随着时间推移，椎间结构250的细胞成分228将导致骨在椎间隙206中生长，使得椎骨204将最终被骨融合。当发生骨生长时，椎间结构250提供脊柱的显著固定，在一些实施方案中，这足以实现正常的(例如，非剧烈的)患者活动。在不需要植入一个或多个椎间体、椎弓根螺钉和/或杆的情况下提供此类固定的能力表示与包括以下各项的有益效果相关联的脊柱融合外科手术的显著进步：减少的融合时间(例如，从数月减少为大约数天或数周)、减少的患者创伤、减少的患者恢复时间、减少的对后续修复外科手术的需要(例如，由于非融合)、减少的对术后患者移动性的限制以及改善的结果。

在本公开的每个实施方案中，外科手术计划可用于引导融合过程的每个步骤，包括：例如，使用制备工具(诸如制备工具138)制备解剖表面；使用生物打印机(诸如生物打印机142)打印支架；使用聚合工具146聚合打印的支架，和/或使用浸渍工具(诸如浸渍工具150)浸渍聚合的支架。外科手术计划可限定例如支架的设计、支架将如何定位在给定的原位体积内、支架的打印将在何处开始、支架的哪些部分将以何种顺序打印，和/或如果有的话，打印、聚合和/或浸渍过程将如何组合(例如，打印、聚合和浸渍将相继发生，或将对支架的连续层进行迭代，或将同时进行)。在本公开的一些实施方案中，可全部或部分地基于此类外科手术计划来控制本文所述的任何机器人臂，该外科手术计划可被存储在存储器(诸如存储器106)、数据库(诸如数据库130)、网络(诸如云134)和/或系统(诸如系统100)的任何其他部件中，和/或从或经由该存储器、该数据库、该网络和/或该任何其他部件检索。在其他实施方案中，可全部或部分地手动和/或基于导航或其他引导来控制任何此类机器人臂。

图3描绘了可用于例如实现诸如椎骨终板或其他骨解剖结构的两个解剖表面的融合的方法300。方法300的一个或多个方面可独立地使用和/或与本文根据本公开的实施方案所述的任何其他方法的一个或多个方面一起使用。

方法300(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。至少一个处理器可以为机器人(诸如机器人114)的一部分或导航系统(诸如导航系统118)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诸如存储器106的存储器中的指令(例如，指令126)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。指令可使处理器执行一种或多种算法，诸如图像处理算法120、分割算法122和/或路径规划算法124。

方法300包括在待融合的解剖表面之间插入可扩张融合器(步骤304)。可扩张融合器可以是被配置成增加两个解剖表面之间的空间例如以促进一个或多个工具在该空间内的使用的任何装置。可扩张融合器可利用机械、液压、气动、电、电磁和/或任何其他类型的系统来生成使可扩张融合器扩张所需的力。在一些实施方案中，可扩张融合器可以是独立装置，而在其他实施方案中，可扩张融合器可连接到外部装备(例如，外部电源、外部加压空气源、外部流体贮存器等)。在一些实施方案中，可扩张融合器可包括多个可单独控制的致动器，使得除了扩张待融合的相邻解剖表面之间的空间之外，该融合器还可促进将包括那些解剖表面的解剖元件移动到期望的姿态。可扩张融合器的一个或多个方面可与2020年7月13日提交的并且标题为″椎间体工具、系统和方法(Interbody Tool，Systems，andMethods)″的美国专利申请16/927，548号中描述的椎间体工具的对应方面相同或类似，该专利申请的全部内容以引用方式并入本文。

本公开的其他实施方案可以不使用可扩张融合器。例如，可使用一个或多个工具来增加待融合的两个解剖表面之间的距离，并且可将一个或多个刚性(例如，不可扩张)对象楔入或以其他方式放置在扩张的空间内，以在移除一个或多个工具时维持两个解剖表面之间的增加的距离。例如，可使用机器人持的扩展器来增加待融合的两片骨盆骨之间的距离，并且可将多个金属杆、块或其他间隔件插入扩张的空间中以在移除扩展器时维持这两片之间的增加的距离。又如，可使用刚性杆或其他杠杆来手动增加待融合的两个椎骨之间的距离，此后，可在放松杠杆上的力之前将一个或多个间隔件插入扩张的空间中。

方法300还包括：控制机器人臂以使用制备工具来在患者体内制备待融合的解剖表面中的一个或多个解剖表面(步骤308)。机器人臂可以是例如机器人臂116，并且制备工具可以是例如制备工具138。在一些实施方案中，可使用多个制备工具来充分制备用于融合的解剖表面。例如，一个或多个制备工具可用于从解剖表面中的一个或多个解剖表面切割、刮擦或以其他方式分离软组织。另一个或多个制备工具可用于从一个或多个解剖表面扫除、拂拭、吸出、洗掉或以其他方式清除分离的软组织和/或其他解剖材料(例如，体液、骨颗粒)。又一个或多个制备工具可用于穿孔、粗糙化或以其他方式修改一个或多个解剖表面，以实现或促进融合过程的一个或多个后续方面的成功完成(例如，以促进沉积在其上的细胞成分发育到骨中，以改善待在步骤316中打印的支架和一个或多个解剖表面之间的附接，和/或其他)。又一个或多个制备工具可用于向一个或多个解剖表面施加化学品、表面涂层或其他表面处理，以再次实现或促进融合过程的一个或多个后续方面的成功完成，以增强一个或多个解剖表面，和/或保护一个或多个解剖表面在融合过程期间免受潜在伤害或创伤。

方法300还包括：使成像装置捕获待融合的解剖表面的图像(步骤312)。成像可在待融合的解剖表面中的一个或多个解剖表面的制备之前、此类制备期间、此类制备之后，以前述内容的任何组合和/或在方法300期间的任何其他一个或多个时间发生。成像可使用包括成像装置112的任何成像装置来完成。在一些实施方案中，成像装置可被固定到机器人臂并且在体外操控以捕获一个或多个解剖表面的光学、红外或其他直接图像。图像可经分析(使用图像处理算法120和/或分割算法122中的一种或多种算法)以识别待在步骤308期间制备的解剖表面的区域，确定在步骤308期间如何制备解剖表面(例如，以识别和确定附接到解剖表面的软组织的位置，确定解剖表面的平滑度或粗糙度水平)，评估是否已经适当地制备表面，确认完成表面的制备，以及/或者出于规划方法300的一个或多个其他步骤的一个或多个方面的目的而识别制备的表面的边界。在步骤312发生在方法300的步骤316、320和/或324中的一个或多个步骤期间或之后的情况下，可使用图像处理算法120和/或分割算法122中的一种或多种算法来类似地分析所得图像，以评估关于完成所讨论的步骤的进展，辅助规划所讨论的步骤的一个或多个方面，确认迄今所采取的行动已实现了规划和/或以其他方式预期的结果，以及/或者确认所讨论的步骤的成功完成。在步骤312期间捕获的图像可用于确认成功固定的程度和/或出于任何其他目的可用于促进方法300的成功完成。

方法300还包括：使用机器人臂定位生物打印机，使生物打印机从支架材料打印支架(步骤316)。机器人臂可以是机器人臂116，并且可与在步骤304、308和/或312中的一个或多个步骤中使用的机器人臂相同或不同。例如，在一些实施方案中，一个机器人臂可被配置成支撑制备工具，并且不同机器人臂可被配置成支撑生物打印机。在其他实施方案中，单个机器人臂可在步骤308期间或为了准备该步骤而可操作地固定到制备工具，并且然后可在步骤316期间或为了准备该步骤而可操作地固定到生物打印机。生物打印机可以是例如生物打印机142。生物打印机可包括一个或多个内部马达或被配置成相对于生物打印机的基座移动其打印头的其他致动器。另选地，生物打印机可包括固定打印头，并且可根据需要移动固定到生物打印机和/或以其他方式支撑生物打印机的机器人臂，以确保生物墨水的每个液滴或成分(element)都沉积在适当的位置。

生物打印机从支架材料打印支架，该支架材料可以是任何可聚合的生物墨水。用于打印支架的特定生物墨水可例如基于其聚合后的一种或多种性质来选择，诸如疲劳强度、剪切强度、拉伸强度、屈服强度、韧度、耐磨性、硬度、断裂韧度、刚性和/或任何其他材料性质。可生成、选择或以其他方式配置打印的支架的设计，以产生将承受在正常患者活动期间预期施予在其上的力的支架。例如，打印的支架可包括一个或多个正方形元件、三角形元件、圆形元件、缠绕元件和/或将有助于支架具有期望的强度(和/或任何其他性质)的任何其他元件形状或布置。

支架可以层或其他分段来打印。打印支架可开始于支架将延伸通过的椎间隙的最深部分(例如，最远离将通过其进入椎间隙的患者体内的表面切口的部分)，并且朝向椎间隙的最浅部分继续。打印支架可从待融合的解剖表面中的一个解剖表面开始，并且朝向待融合的解剖表面中的另一解剖表面延伸。在一些实施方案中，支架可被至少最初打印在后纵韧带或前纵韧带上，该后纵韧带或前纵韧带邻近支架将延伸贯穿的椎间隙而延伸。例如，当患者分别以仰卧或俯卧位休息时，这可能更常见。不管支架最初在何处打印，支架最终都附接到待融合的解剖表面，并且延伸定位在待融合的解剖表面之间或当中的整个体积。

方法300还包括：使用机器人臂来定位聚合工具，使聚合工具诱导支架材料的聚合(步骤320)。聚合工具可被配置成向支架材料喷涂、喷射、分配或以其他方式施加酶或其他化学品以诱导其聚合。另选地，聚合工具可被配置成将光、超声或任何其他形式的能量发射到支架材料上以诱导其聚合。可基于用于打印支架的特定生物墨水来选择聚合工具，或反之亦然。换句话讲，用于步骤320的特定聚合工具必须利用将诱导用于打印支架的特定支架材料的聚合的酶或其他化学品或类型的能量。

在一些实施方案中，可小心地控制聚合工具以仅诱导落入椎间隙内的特定体积内的支架材料的聚合。使用准确机器人臂来控制聚合工具可促进对聚合过程的精确控制，这也可通过成像和/或导航来引导和/或以其他方式进行辅助。在一些实施方案中，可小心地控制聚合工具以仅诱导预期的支架体积内的支架材料的聚合。换句话讲，如果支架设计包括具有精确边界的线性元件，并且在该支架元件的打印期间，一些生物墨水沉积或滑入或以其他方式位于该精确边界之外，则聚合工具可被配置成仅诱导该精确边界内的生物墨水的聚合(例如，通过控制能量的发射或施加酶或其他化学品)。未聚合的任何支架材料可在手术期间的某个点从椎间隙洗掉、吸出或以其他方式移除，或可通过正常生物过程来清洁。以此方式，可获得与其预期设计紧密匹配的最终聚合支架。

在方法300的一些实施方案中，步骤316和320(和/或324)可迭代地或同时发生。例如，可使生物打印机打印单层支架，此后，可使用聚合工具来仅诱导该层中的支架材料的聚合(并且，在一些实施方案中，可使用浸渍工具来将细胞成分注射到聚合的支架材料中，如下文更详细描述的)。然后可使生物打印机打印另一层支架，然后可在打印下一层之前聚合该层，等等。此类迭代打印和聚合可在逐层的基础上、逐成分的基础上、逐分段的基础上或任何其他基础上发生。此外，此类迭代打印、聚合和浸渍可使得能够产生包括多个封闭或基本上封闭凹坑的结构，每个凹坑都填充有细胞成分。与具有填充有细胞成分的较大开放空间的支架设计相比，此类设计可有助于更快的骨生长和/或更高的强度。

在一些实施方案中，同一机器人臂可用于操纵生物打印机和聚合工具两者(例如，可首先固定到生物打印机，并且然后固定到聚合工具，并且然后再次固定到生物打印机，等等)。在其他实施方案中，第一机器人臂可用于操纵生物打印机，并且第二机器人臂可用于操纵聚合工具，使得两个机器人臂都不需要切换工具。

在两个机器人臂分别保持生物打印机和聚合工具的情况下，打印和聚合步骤可同时发生。换句话讲，当生物打印机打印支架的一部分时，聚合工具可用于立即诱导支架的该部分(或支架的另一最近打印的部分)的聚合。以此方式，支架可在其被打印时被聚合，而不是在开始聚合之前等待整个支架被打印。支架的迭代或同时打印和聚合可进一步确保支架保持其打印的形状(由于聚合导致支架材料硬化)，如果首先打印整个支架，并且然后诱导其聚合，这可能不会发生。

而且在一些实施方案中，聚合工具可不由机器人臂控制或操纵。例如，聚合工具可以是定位在患者外部并且固定到框架或其他支撑件的超声。此类聚合工具可配置有可调整孔口或其他机构，该可调整孔口或其他机构使得工具能够调整发射能量的方向、任何所发射的能量的束宽和/或一个或多个其他特性以确保支架材料的聚合仅在期望之处发生。

方法300还包括：使用机器人臂来定位浸渍工具，使浸渍工具用细胞成分浸渍支架(步骤324)。浸渍工具可以是浸渍工具150或任何其他浸渍工具。机器人臂可以是例如机器人臂116，并且可以是在步骤308、312、316和/或320中的一个或多个步骤中使用的相同机器人臂或不同机器人臂。浸渍工具被设计成以任何有用的方式将细胞成分递送到椎间隙以浸渍支架。例如，浸渍工具可被设计成从浸渍工具的贮存器或通道排出、喷涂、施加、注射、泵送、挤压或以其他方式转移细胞成分并进入椎间隙中和/或到支架上。用细胞成分浸渍支架可包括迫使细胞成分进入支架材料的成分之间或当中的间质空间中，以及/或者用细胞成分填充部分地由支架占据的体积的剩余部分。在由支架和细胞成分占据的给定体积中，支架占据该体积的小部分，并且细胞成分占据该体积的大部分。

细胞成分可以是或包含骨移植材料，该骨移植材料可以是或包括成骨细胞、骨细胞和/或破骨细胞。在一些实施方案中，细胞成分可包括碎骨或其他骨材料，无论是来自患者(例如，自体移植物)还是来自骨供体(例如，同种异体移植物)。细胞成分可以是或包含天然成分和/或合成成分。细胞成分可以是可用于促使和/或促进骨生长的任何细胞成分。细胞成分可以是或包括Ashammakhi等人在″Advancing Frontiers in Bone Bioprinting″，(Advanced Health Care Materials，at 8(Wiley-VCH Verlag GmbH&Co.2019))中识别或公开的任何材料，该文献的全部内容以引用方式并入本文。

正如打印和聚合步骤，浸渍步骤可与方法300的一个或多个其他步骤迭代地和/或同时发生。例如，当打印和聚合支架时，可在逐层或其他迭代的基础上将细胞成分浸渍在支架结构中。又如，当正打印和聚合支架时，可将细胞成分连续地浸渍在支架中。

方法300还包括：移除可扩张融合器(步骤328)。一旦完成包括用细胞成分浸渍的聚合的支架的融合结构，则可从待融合的解剖表面之间或当中移除可扩张融合器(或其他间隔件或间隔元件)。随着可扩张融合器或其他间隔元件被移去，融合结构保持与所讨论的解剖表面的力传递连通，并在其间传递力。尽管融合结构内的骨生长将花费一些时间，但融合结构的支架足够坚固(至少在一些实施方案中)以承受患者正常活动(例如，坐、站、走和其他非剧烈活动)期间施予在其上的力。

本公开涵盖方法300的实施方案，该实施方案包括比上文所述的那些步骤更多或更少的步骤，和/或与上文所述的步骤不同的一个或多个步骤。

图4描绘了可用于例如实现脊柱融合的方法400。方法400的一个或多个方面可独立地使用和/或与本文根据本公开的实施方案描述的任何其他方法的一个或多个方面一起使用。

方法400(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。至少一个处理器可以为机器人(诸如机器人114)的一部分或导航系统(诸如导航系统118)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400。至少一个处理器可通过执行存储在诸如存储器106的存储器中的指令(例如，指令126)来执行方法400。该指令可对应于下文所述的方法300的一个或多个步骤。该指令可使处理器执行一种或多种算法，诸如图像处理算法120、分割算法122和/或路径规划算法124。

方法400包括：控制可操作地连接到终板制备工具的机器人臂以制备用于融合的椎骨终板(步骤404)。机器人臂可以是机器人臂116或任何其他机器人臂，并且可保持(例如，经由端部执行器)终板制备工具，附接到终板制备工具或以其他方式支撑终板制备工具。终板制备工具可以是任何一个或多个制备工具138或其他表面制备工具。步骤404可包括：控制机器人臂以使用终板制备工具来从椎骨终板刮擦软组织、从终板之间的椎间隙移除软组织、清洁椎骨终板、修改椎骨终板，以便促进其上的骨生长(例如，通过其穿孔或以其他方式)，以及/或者将向椎骨终板施加一种或多种化学品或其他物质以促进支架结构与其的附接，以促进其上的骨生长，增强椎骨终板，或实现任何其他临床目的。

在一些实施方案中，向椎骨终板施加的涂层的厚度或其他特性可具有严格公差。在此类实施方案中，用于向椎骨终板施加涂层的终板制备工具可被配置成在指定公差内施加涂层，并且可进一步包括用于测量所讨论的特性或以其他方式确认与指定公差的一致性的传感器或其他装置或工具。

方法400还包括：控制可操作地连接到机器人臂的3D打印机，以在椎骨终板之间打印支架结构(步骤408)。步骤408的一个或多个方面可与方法300的步骤316的一个或多个方面相同或类似。机器人臂可以是与步骤404中相同的机器人臂，或者是不同的机器人臂。机器人臂可以是例如机器人臂116。3D打印机可以是生物打印机142或可用于使用生物墨水进行打印的任何其他打印机。打印机可由机器人臂保持或以其他方式固定到机器人臂，并且可包括能够在机器人臂不移动的情况下打印支架结构的可移动打印头，或可依赖于机器人臂来适当地定位打印头。支架结构可以是在两个椎骨终板之间延伸的任何支架结构。支架结构的设计可基于支架结构的一个或多个特性来预先确定和/或选择，包括例如支架结构(一旦完成)承受可由与椎骨终板(支架结构附接到该椎骨终板)相关联的椎骨强加在其上的力的能力。支架结构可延伸椎骨终板之间的整个椎间隙，并且可以或可以不延伸到椎间隙的周边。

方法400还包括：控制可操作地连接到机器人臂的聚合工具以诱导支架材料的聚合(步骤412)。步骤412可与方法300的步骤320相同或类似。此外，步骤408和412可以与上文结合方法300的步骤316和320描述的方式相同的方式或类似的方式迭代地或同时发生。

方法400还包括：控制可操作地连接到机器人臂的浸渍工具以用骨生长组织浸渍支架结构(步骤416)。步骤416也可以与方法300的步骤324相同的方式或类似的方式发生，并且可在步骤408和412中的一个或多个步骤之后与其迭代地或同时发生，正如步骤324可在方法300的一个或多个其他步骤之后与其迭代地或同时发生一样。

在整个方法400中，相同机器人臂可用于每个步骤，或者不同机器人臂可用于一个或多个步骤。上文描述为利用机器人臂的方法300和400的任何步骤可涉及使用路径规划算法124或可用于确定如何操纵机器人臂来以期望或预先确定的姿态放置制备工具138、生物打印机142、聚合工具146、浸渍工具150、成像装置112和/或任何其他工具或装置的其他算法。

本公开涵盖方法400的实施方案，该实施方案包括比上文所述的那些步骤更多或更少的步骤，和/或与上文所述的步骤不同的一个或多个步骤。

如上所述，本公开涵盖具有比图3和图4中标识的所有步骤更少的步骤的方法(和方法300和400的对应描述)，以及包括超出图3和图4中标识的那些步骤的附加步骤的方法(和方法300和400的对应描述)。本公开还涵盖包括来自本文所描述的一种方法的一个或多个步骤和来自本文所描述的另一种方法的一个或多个步骤的方法。本文所描述的任何相关性可以是或包括配准或任何其他相关性。

方法300和/或400的任何方面可与以上图2A至图2I的描述的任何对应方面相同或相似，并且反之亦然。使用图2A至图2I来提供本公开的实施方案的一个图示并且使用图3和图4来提供本公开的实施方案的附加图示不应被理解为意味着任何所描述的实施方案的任何方面仅适用于该特定实施方案。

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，尽管前述已经包含对一个或多个方面、实施方案和/或配置以及某些变化和修改的描述，但在理解了本公开之后，其他变化、组合和修改在本公开的范围内，例如，可在本领域技术人员的技能和知识范围内。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 (26)

1.一种原位融合系统，所述原位融合系统包括：

至少一个机器人臂；

生物打印机；

聚合工具；

至少一个处理器；和

存储器，所述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：

控制所述至少一个机器人臂以制备至少两个骨表面以支持细胞生长；

使所述生物打印机在所述至少两个骨表面之间从支架材料打印支架；以及

使所述聚合工具诱导所述支架材料聚合。

2.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括：

细胞浸渍工具；

其中所述存储器存储用于由所述至少一个处理器执行的附加指令，所述附加指令在被执行时使所述至少一个处理器：

使用所述至少一个机器人臂中的一个机器人臂定位所述细胞浸渍工具，使所述细胞浸渗工具用细胞成分浸渍所述支架。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述细胞浸渍工具可选择性地附接到所述机器人臂。

4.根据权利要求1所述的系统，其中控制所述至少一个机器人臂以制备所述至少两个骨表面以支持细胞生长包括控制所述至少一个机器人臂以：

清洁所述至少两个骨表面；以及

向所述至少两个骨表面中的每个骨表面施加表面处理。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述表面处理是被配置成促进所述支架材料的粘附的涂层。

6.根据权利要求4所述的系统，其中施加所述表面处理包括：施加表面处理至预先确定的厚度。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述存储器存储用于由所述至少一个处理器执行的附加指令，所述附加指令在被执行时使所述至少一个处理器：

重复所述使所述生物打印机打印所述支架以及所述使所述聚合工具诱导所述支架材料聚合，直到所述支架从所述至少两个骨表面中的一个骨表面延伸到所述至少两个骨表面中的另一骨表面。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述聚合工具被配置成向所述支架材料施加能量以诱导所述支架材料聚合。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述聚合工具被配置成向所述聚合工具施加酶以诱导所述支架材料聚合。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少两个骨表面是椎骨终板。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述存储器存储用于由所述至少一个处理器执行的附加指令，所述附加指令在被执行时使所述至少一个处理器：

在所述至少两个骨表面之间插入可扩张融合器以将所述至少两个骨表面保持在期望的位置中。

12.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个机器人臂包括第一机器人臂和与所述第一机器人臂分开的第二机器人臂，并且进一步地，其中所述第一机器人臂用于定位所述生物打印机以打印所述支架，并且所述第二机器人臂用于定位所述聚合工具以诱导所述支架材料聚合。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述使所述生物打印机在所述至少两个骨表面之间打印支架以及所述使所述聚合工具诱导所述支架材料聚合同时发生。

14.根据权利要求1所述的系统，其中所述生物打印机和所述聚合工具中的每一者可选择性地附接到所述至少一个机器人臂。

15.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个机器人臂包括单个机器人臂，并且进一步地，其中所述单个机器人臂用于定位所述生物打印机以打印所述支架并且定位所述聚合工具以诱导所述支架材料聚合。

16.一种机器人外科手术系统，所述机器人外科手术系统包括：

机器人臂，所述机器人臂可选择性地连接到制备工具、打印工具和细胞浸渍工具中的每一者；

至少一个处理器；和

存储器，所述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：

使所述机器人臂使用所述制备工具来在患者体内制备解剖表面以用于其上的骨生长；

使所述机器人臂使用所述打印工具来在所述患者体内打印连接到所述解剖表面的支架；以及

使所述机器人臂使用所述细胞浸渍工具来用骨组织细胞浸渍所述支架。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述支架从支架材料打印，并且进一步地，其中所述存储器存储用于由所述至少一个处理器执行的附加指令，所述附加指令在被执行时进一步使所述至少一个处理器：

使所述机器人臂使用聚合工具来诱导所述支架材料的聚合。

18.根据权利要求16所述的系统，其中制备所述解剖表面包括：使所述机器人臂使用所述制备工具来在所述解剖表面中产生多个孔。

19.根据权利要求16所述的系统，其中所述支架一次一层地打印并用骨组织细胞浸渍。

20.根据权利要求19所述的系统，其中所述解剖表面是椎骨终板；所述支架在完成时将所述椎骨终板与相对的椎骨终板连接；并且将所述支架的第一层打印在前韧带上。

21.根据权利要求16所述的系统，其中用骨组织细胞浸渍所述支架包括用骨组织细胞填充由所述支架限定的体积。

22.根据权利要求16所述的系统，所述系统还包括成像装置，并且其中所述存储器存储用于由所述至少一个处理器执行的附加指令，所述附加指令在被执行时进一步使所述至少一个处理器：

在已制备所述解剖表面以用于其上的骨生长之后，使所述成像装置捕获所述解剖表面的图像。

23.一种原位椎骨融合方法，所述原位椎骨融合方法包括：

控制可操作地连接到机器人臂的3D打印机以在两个椎骨终板之间并且使用可聚合的支架材料来打印支架结构；以及

控制可操作地连接到所述机器人臂的聚合工具以诱导所述支架材料的聚合。

24.根据权利要求23所述的方法，所述方法还包括：

控制可操作地连接到所述机器人臂的浸渍工具以用骨生长组织浸渍所述支架结构。

25.根据权利要求23所述的方法，所述方法还包括：

控制可操作地连接到终板制备工具的所述机器人臂以制备所述两个椎骨终板中的每个椎骨终板以用于其上的骨生长。

26.根据权利要求25所述的方法，其中控制所述机器人臂以制备所述两个椎骨终板中的每个椎骨终板以用于其上的骨生长包括控制所述机器人臂以清洁所述两个椎骨终板中的每个椎骨终板并且向所述两个椎骨终板中的每个椎骨终板施加表面处理。