CN116963689A - 用于脊柱的机器人操纵的系统和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于机器人脊柱操纵的系统包括：第一机器人臂，该第一机器人臂包括端部执行器；第二机器人臂，该第二机器人臂被配置成保持脊柱杆；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。这些指令在被执行时使该至少一个处理器：控制该第一机器人臂以将该端部执行器与植入在患者的脊柱的椎骨中的至少一个椎骨螺钉连接；控制该第二机器人臂以将该脊柱杆保持处于预定姿态；以及使该第一机器人臂将植入的至少一个椎骨螺钉移动成与该脊柱杆接合。

Description

用于脊柱的机器人操纵的系统和装置

技术领域

本技术总体上涉及机器人和机器人辅助手术，并且更具体地涉及机器人和机器人辅助脊柱手术。

背景技术

手术机器人可以辅助外科医生或其他医疗提供者执行手术程序，或者可以自主完成一个或多个手术程序。脊柱手术可能需要移动脊柱，不管是将脊柱的一部分固定到固定杆还是以其他方式固定。

发明内容

本公开的示例性方面包括：

一种用于机器人脊柱操纵的系统，该系统包括：第一机器人臂，该第一机器人臂包括端部执行器；第二机器人臂，该第二机器人臂被配置成保持脊柱杆；至少一个处理器；以及存储器，该存储器存储用于由该处理器执行的指令。这些指令在被执行时使该至少一个处理器：控制该第一机器人臂以将该端部执行器与植入在患者的脊柱的椎骨中的至少一个椎骨螺钉连接；控制该第二机器人臂以将该脊柱杆保持处于预定姿态；以及使该第一机器人臂将该至少一个植入的椎骨螺钉移动成与该脊柱杆接合。

本文中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，这些附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器：将机器人坐标空间与患者坐标空间配准。

本文中的方面中的任一方面，其中该第一机器人臂和该第二机器人臂中的每个机器人臂在该机器人坐标空间中是可控制的。

本文中的方面中的任一方面，其中该第一机器人臂包括用于检测由该第一机器人臂对该椎骨螺钉施加的力的力传感器。

本文中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，这些附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器：接收来自该力传感器的信息，该信息对应于检测到的由该第一机器人臂对该椎骨螺钉施加的力；以及控制该机器人臂以使检测到的力保持低于预定阈值。

本文中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，这些附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器：接收患者信息；基于该患者信息计算椎骨质量；以及基于所计算的椎骨质量生成该预定阈值。

本文的方面中的任一方面，其中该预定阈值是经由用户接口接收的。

本文的方面中的任一方面，其中植入在该患者的该椎骨中的该至少一个椎骨螺钉包括植入在该患者的多个椎骨中的多个椎骨螺钉。

本文的方面中的任一方面，其中植入在该患者的该椎骨中的该至少一个椎骨螺钉是植入在该患者的第一椎骨中的第一椎骨螺钉，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，这些附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器：在该第一椎骨螺钉与该杆接合之后使该第一机器人臂释放该第一椎骨螺钉；控制该第一机器人臂以将该端部执行器与植入在患者的第二椎骨中的第二椎骨螺钉连接，该第二椎骨不同于该第一椎骨；以及使该第一机器人臂将该第二椎骨螺钉移动成与该脊柱杆接合。

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，这些附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器：接收该脊柱的至少一部分的多个图像，该多个图像在该至少一个植入的椎骨螺钉移动成与该脊柱杆接合期间顺序地生成；确定该多个图像中的每个图像中的该脊柱的至少该部分的姿态；以及将该脊柱的至少该部分的所确定的姿态与该脊柱的至少该部分的目标姿态进行比较。

一种用于以机器人方式操纵脊柱的系统，该系统包括：机器人臂，该机器人臂包括端部执行器；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。这些指令在被执行时使该至少一个处理器：接收患者的脊柱的多个图像，该多个图像中的每个图像示出处于不同姿态的该脊柱；基于该多个图像确定该脊柱的至少一个椎体的运动范围；使该机器人臂经由定制手套附接到该至少一个椎体；以及使该机器人臂将该至少一个椎体移动到预定姿态而不超过所确定的运动范围。

本文中的方面中的任一方面，其中该定制手套是3D打印的。

本文中的方面中的任一方面，其中该定制手套被配置成将由该机器人臂对该至少一个椎体施加的力分布在该至少一个椎体的表面上。

本文中的方面中的任一方面，其中该预定姿态是使得植入在该至少一个椎体中的椎骨螺钉能够固定到脊柱杆的姿态。

本文中的方面中的任一方面，其中该机器人臂是第一机器人臂，并且该存储器存储用于由该处理器执行的附加指令，这些附加指令在被执行时进一步使该至少一个处理器：使不同于该第一机器人臂的第二机器人臂将该椎骨螺钉锁定到该脊柱杆上。

本文中的方面中的任一方面，其中使该第二机器人臂将该椎骨螺钉锁定到该脊柱杆上包括使该第二机器人臂拧紧固定螺钉。

本文的方面中的任一方面，其中该至少一个椎体包括至少三个椎体。

一种用于操纵脊柱的方法，该方法包括：使机器人臂经由端部执行器抓持植入在患者的脊柱的椎骨中的椎骨螺钉；使该机器人臂对该椎骨螺钉施加力，以使该椎骨螺钉或该脊柱的该椎骨中的至少一者朝预定姿态移动；用该机器人臂上的传感器检测所施加的力的量值；将检测到的量值与预定力阈值进行比较；当该检测到的量值等于或低于该预定力阈值时，使该机器人臂继续将该椎骨螺钉或该脊柱的该椎骨中的该至少一者朝该预定姿态移动；以及当该检测到的量值高于该预定力阈值时，使该机器人臂停止移动该椎骨螺钉或该脊柱的该椎骨中的该至少一者。

本文的方面中的任一方面，该方法还包括：使该机器人臂经由该端部执行器抓持植入在该患者的该脊柱的多个椎骨中的多个椎骨螺钉；以及使该机器人臂对该多个椎骨螺钉中的每个椎骨螺钉施加力，以使该多个椎骨螺钉中的每个椎骨螺钉或该脊柱的该多个椎骨中的每个椎骨朝对应的预定姿态移动。

本文的方面中的任一方面，其中该预定姿态是使得该椎骨螺钉能够固定到脊柱杆的姿态。

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。

本文大体上公开特征中的任一个或多个。

本文大体上公开的特征中的任一个或多个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。

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、目标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特征。

在考虑下文提供的实施方案描述之后，本发明的许多额外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流程图；

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；

图5是根据本公开的至少一个实施方案的流程图；

图6是根据本公开的至少一个实施方案的流程图；

图7是根据本公开的至少一个实施方案的流程图；并且

图8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，可将本文所公开的各个方面以与说明书和附图中具体给出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，并且/或者可添加、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。如果在软件中实现，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。因此，如本文所用的术语“处理器”可指前述结构或适于实现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现。

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，以及额外项目。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。

许多手术程序(特别是涉及脊柱的手术程序)的目的是将患者的解剖结构/脊柱从当前状态对准到(或更接近)目标对准。在脊柱程序中，大范围对准可能需要长切口(例如，开放情况)。可以将例如呈螺钉或钩的形式的两个锚定点插入到每个椎骨中，并且然后可以操纵这些锚定点以将锚定点固定到杆并且因此实现期望的对准。然而，这项工作是手工作业(其可能需要显著的施力)并且不涉及任何特定的力测量。因此，此类程序偶尔导致固定点(通常为椎弓根)断裂或脊柱操纵不足/过度(例如，未达到或超过目标对准)。此外，这部分程序非常漫长，需要非常高的熟练程度，并且在许多情况下导致矫正远小于期望和假定的程度。

根据本公开的实施方案，外科医生计划其期望的程序和脊柱矫正。这可以包括计算脊柱运动范围并估计可以施加而不会无意地破坏任何椎弓根或其他解剖特征的最大力。然后执行必要的切口、配准(例如，在机器人坐标空间与患者坐标空间之间)和螺钉/钩插入。一个(或多个)机器人臂将脊柱固定杆保持处于期望的姿态。在一些情况下，一个或多个机器人臂可以保持杆的某个部分，尤其是如果杆是长的(例如，旨在跨越多于三个椎骨节段)。另外，一个(或多个)其他机器人臂抓持患者脊柱，连接到其固定点(即，植入在椎骨中的螺钉或钩)并且将脊柱操纵到期望的杆(通常一次将是一点)。在通过一个或多个机器人臂操纵脊柱期间，测量力以决不超过预定力阈值，并且可以跟踪脊柱姿态(例如，使用分段跟踪)。跟踪脊柱姿态允许例如将当前脊柱姿态与目标脊柱姿态进行比较，这便于确定手术的进展、确定需要多少额外移动(无论是基于每个椎骨还是基于整个脊柱还是基于这两者)以及确定是否以及何时已经实现目标脊柱姿态。

当使椎骨螺钉或钩与杆接合时(由于对螺钉或钩和/或螺钉或钩所植入的椎骨的操纵)，机器人臂之一可以闭合固定螺钉以将每个螺钉或钩固定到杆，或者可以以其他方式将螺钉或钩固定到杆，以便维持获得的运动。

在脊柱(和/或其一个或多个椎骨)的每次增量移动之后，基于所做的事情(如从位置和力测量所确定的)来计算用于脊柱对准的下一步骤。计算下一步骤可以包括例如识别下一个要移动的一个或多个椎骨和/或确定移动的路径和/或距离(线性和/或角度)。该计算可以考虑实现任何给定移动所需的预期量的力、一个或多个椎骨的运动范围、超出其则给定椎骨或其他解剖元素可能会不期望地断裂的力阈值、和/或例如对应于患者的脊柱和/或其元件和/或对应于示出目标脊柱姿态或其他计划对准的手术计划的任何其他可用信息。

上述步骤中的任何一个或多个步骤可以根据需要重复，直到已经实现计划的脊柱对准，或者如果将脊柱移动到计划的脊柱对准所需要的力超过阈值(超过该阈值脊柱的一个或多个元素可能不期望地断裂)，则已经实现最大可能的脊柱对准。

本公开的实施方案有益地减少了患者和所有主治医疗人员和/或手术室工作人员必须在手术室中的时间量，从而相应地减少了程序的成本；提高了效率；降低了疲劳；并且降低了使用手动方法目前非常常见的椎弓根断裂和矫正不足结果的可能性。简而言之，本公开的实施方案积极地改善了患者结果。

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)确保脊柱或其他解剖元素在手术期间达到目标姿态或对准(或者尽可能靠近此类目标姿态或对准移动)，并且因此避免解剖元素的姿态或对准的无意矫正不足或矫正过度；(2)测量在其操纵期间对脊柱或其他解剖元素施加的力，以避免解剖元素的意外断裂；(3)减少完成手术程序所需的时间量，结果减少了程序的成本、程序期间所需的麻醉和其他药物或化学品的量，以及患者和手术室工作人员的辐射暴露量(对于涉及辐射的程序)；以及(4)使得能够自主完成旨在矫正解剖元素的姿态或对准的机器人手术。

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可以用于辅助或自主地完成涉及脊柱或其他解剖元素的姿态或对准的操纵的手术程序，以及/或者执行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、至少一个机器人114、导航系统118、数据库130和/或云或其他网络134。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100可以不包括成像装置112、导航系统118、计算装置102的一个或多个部件、数据库130和/或云134。

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可以被配置成执行存储在存储器106中的指令，这些指令可以使处理器104利用或基于从成像装置112、机器人114、导航系统118、数据库130和/或云134接收的数据来执行一个或多个计算步骤。

存储器106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。存储器106可以存储可用于完成例如本文所描述的方法200、300、400、500、600、700和/或800或任何其他方法的任何步骤的信息或数据。存储器106可以存储例如一个或多个路径规划算法120、一个或多个分割算法122、一个或多个阈值算法124、一个或多个骨质量算法126和/或一个或多个比较算法128。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、模块、包、层或引擎。算法和/或指令可以使处理器104操纵存储在存储器106中的和/或从或经由成像装置112、机器人114、数据库130和/或云134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(如成像装置112、机器人114、导航系统118、数据库130、云134和/或不是系统100的部分的任何其它系统或组件)接收图像数据或其它信息，以及/或者用于将指令、图像或其它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和/或不是系统100的部分的任何其它系统或组件)。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。用户界面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它装置。用户界面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它用户输入。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的另一组件)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，用户界面110可用于允许外科医生或其它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，以及/或者修改或调整显示在用户界面110上或与其相对应的其它信息的设置。

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可操作为对解剖特征(例如，骨骼、静脉、组织等)、手术植入物和/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，描绘或对应于骨骼、静脉、组织、植入的装置等的图像数据)。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它形式的数据。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手术前图像、手术期间图像、手术后图像、或独立于任何手术过程拍摄的图像。在一些实施例中，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、光学相干断层扫描(OCT)扫描仪、内窥镜、显微镜、热成像相机(例如，红外相机)、雷达系统(其可以包括例如传输器、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它方式物理分离的传输器/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。在又其它实施方案中，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它图像数据。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可以是任何手术机器人或手术机器人系统。机器人114可以是或包括例如Mazor X^TM隐形版机器人引导系统。机器人114包括一个或多个机器人臂116，该一个或多个机器人臂中的每个机器人臂可以被配置成将成像装置112、端部执行器138(其可以是使得机器人臂能够保持、支撑、控制和/或操纵工具、植入物、解剖元素或其他对象或以其他方式执行期望任务的任何界面)或任何其他装置或工具(包括由端部执行器138保持的装置或工具)定位在一个或多个精确位置和定向，并且/或者将对象在稍后的时间点返回到相同的位置和定向。机器人114可以另外地或可替代地被配置成操纵手术工具(无论是否基于来自导航系统118的引导)以完成或辅助手术任务。在一些实施方案中，机器人114的一个或多个机器人臂116可以被配置成在手术程序期间或结合手术程序保持和/或操纵解剖元素。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116。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/或操纵成像装置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。同样在一些实施方案中，第一机器人臂116可以用于保持第一工具、植入物或解剖元素，并且第二机器人臂116可以用于保持第二工具、植入物或解剖元素。然后可以控制第一机器人臂和第二机器人臂以操纵第一和/或第二工具、植入物或解剖元素中的一者或两者以调整一者相对于另一者的姿态。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械臂。

机器人114与机器人臂116一起可以具有例如一个、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。所述姿态包含位置和定向。因此，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以被精确定位在一个或多个所需且特定的位置和定向。

机器人臂116可以包括用于检测由机器人臂116对对象施加的力(或者在一些实施方案中，用于检测由对象对机器人臂116施加的力)的力传感器142。力传感器可以是或包括液压、气动、压电和/或电容测力传感器。力传感器还可以是或包括基于应变计的测力传感器。机器人臂116可以另外地或可替代地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116保持或固定到这些机器人臂的任何对象或元件)的空间中的精确姿态。

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。参考标记可以由导航系统118跟踪，并且跟踪的结果可以由机器人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可以包含一个或多个摄像机或其它传感器，用于跟踪操作室或系统100的部分或全部所在的其它房间内的一个或多个参考标记、导航跟踪器或其它对象。一个或多个摄像机可以是光学摄像机、红外摄像机或其它摄像机。在一些实施例中，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可以用于跟踪成像装置112、机器人114和/或机器人臂116和/或一个或多个手术工具的位置和定向(即，姿态)(或更具体地说，用于跟踪直接或间接以固定关系附接到前述中的一个或多个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的其它用户或其组件、向机器人114或系统100的任何其它元件提供关于例如一个或多个解剖元素的姿态、工具是否处于恰当轨迹中和/或如何根据手术前或其它手术规划将工具移动到恰当轨迹中以执行手术任务的引导。

系统100或类似系统可以用于例如执行本文所描述的方法200、300、400、500、600、700和/或800中的任一种方法的一个或多个方面。系统100或类似系统还可用于其它目的。

图2描绘了可以用于例如将患者的脊柱操纵到期望姿态的方法200。

方法200(和/或其一个或多个步骤)可以例如由至少一个处理器进行或以其他方式执行。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。除了本文中所描述的任何处理器之外的处理器还可用于执行方法200。至少一个处理器可以通过执行存储在诸如存储器106等存储器中的指令来执行方法200。这些指令可以与下文所描述的方法200的一个或多个步骤相对应。这些指令可以使处理器执行一个或多个算法，诸如路径规划算法120、分割算法122、阈值算法124、骨质量算法126和/或比较算法128。

方法200包括将机器人坐标空间与患者坐标空间配准(步骤204)。机器人坐标空间表示相对于其控制一个或多个机器人臂(例如，机器人114的机器人臂116)的坐标空间，并且患者坐标空间表示通过其可以定义患者解剖结构的任何特定位置的坐标空间。将机器人坐标空间与患者坐标空间配准使得能够使机器人臂移动到相对于患者的任何特定姿态、位置或定向。

配准可以以任何已知方式完成。在一些实施方案中，配准可以包括获得一个或多个图像(使用例如成像装置112)，该一个或多个图像描绘固定到患者上的已知(相对于患者坐标空间)位置的基准标记或其他对象，以及机器人臂中的一个或多个机器人臂(和/或在已知位置固定到一个或多个机器人臂的基准标记或其他对象)中的一些或全部。然后可以分析一个或多个图像以确定机器人臂相对于患者的姿态(位置和定向)。该信息与来自机器人的关于在拍摄一个或多个图像时机器人臂在机器人坐标空间中的姿态的信息相结合，然后可以用于将患者坐标空间映射到机器人坐标空间或以其他方式将患者坐标空间与机器人坐标空间相关联。在其他实施方案中，配准可以包括将机器人坐标空间和患者坐标空间中的每一者与导航坐标空间(例如，对应于导航系统118)配准，并且然后使用那些配准将患者坐标空间坐标转换为机器人坐标空间坐标(经由导航坐标空间坐标)或者反之亦然，或者建立机器人坐标空间与患者坐标空间之间的直接配准。

方法200还包括控制第一机器人臂以将第一机器人臂的端部执行器与椎骨螺钉或其他植入的固定点连接(步骤208)。第一机器人臂可以是例如机器人114的机器人臂116。端部执行器可以是例如端部执行器138。椎骨螺钉可以是已经植入在患者的椎骨中的任何种类的螺钉(例如，椎弓根螺钉)。在一些实施方案中，可以使用钩或不同于椎骨螺钉的其他椎骨植入物来代替椎骨螺钉。端部执行器可以被具体地选择和/或配置成抓持椎骨螺钉，或者端部执行器可以包括能够和/或被配置成抓持多种椎骨螺钉、钩和/或其他植入物的通用抓持部或其他接口。

在一些实施方案中，步骤208可以包括使第一机器人臂以特定方式操纵，使得端部执行器将椎骨螺钉(或者更具体地，椎骨螺钉的头部或附接到椎骨螺钉的郁金香形部)接收在狭槽、容座、孔口或其其他连接特征中。在这些和/或其他实施方案中，端部执行器可以是可控制的，并且步骤208可以包括使第一机器人臂以特定方式操纵，使得端部执行器可以被控制以抓持椎骨螺钉或以其他方式主动地将自身固定到椎骨螺钉。尽管有前述示例，但可以使第一机器人臂以使得能够执行方法200的步骤216的任何方式将其端部执行器与椎骨螺钉或其他植入的固定点连接。

在步骤208中第一机器人臂的端部执行器连接到的椎骨螺钉可以是这样的椎骨螺钉，在一些实施方案中，该椎骨螺钉将被附接成比任何其他椎骨螺钉更靠近脊柱杆的近侧端部，或者在其他实施方案中比任何其他椎骨螺钉更靠近脊柱杆的远侧端部。特定的椎骨螺钉可以由术前计划限定，该术前计划可以具体地限定多个椎骨螺钉附接到脊柱杆的顺序。例如，可以确定该顺序以最小化在将椎骨螺钉附接到脊柱杆期间将需要施加到每个椎体(经由植入其中的椎骨螺钉)的最大力中的一个或多个力；最小化在将多个椎骨螺钉附接到脊柱杆期间将施加到脊柱的力的总量；确保没有椎体移动超出其现有的运动范围；以及/或者确保没有一个椎体和/或椎骨螺钉变成机器人臂移动的障碍(或以其他方式)，以阻止另一个椎骨螺钉附接到脊柱杆。

如上所述的术前计划可以由诸如处理器104等处理器从和/或经由数据库130、诸如云134等网络、存储器106、用户接口110和/或通信接口108接收。在一些实施方案中，可以自动生成术前计划的一个或多个方面(包括例如将多个椎骨螺钉附接到脊柱杆的规定顺序)，无论是使用人工智能(例如，机器学习、神经网络等)还是其他方式。在此类实施方案中，自动生成的手术计划或其部分可以被呈现给外科医生或其他用户以用于对其进行修改和/或接受。

方法200还包括控制不同于第一机器人臂的第二机器人臂以将脊柱杆保持处于预定姿态(步骤212)。第二机器人臂可以是例如机器人臂116或任何其他机器人臂。第二机器人臂可以使用诸如端部执行器138等端部执行器来保持脊柱杆。第二机器人臂在与第一机器人臂相同的机器人坐标空间中被控制，但是在一些实施方案中，第二机器人臂可以在与第一机器人臂分开的坐标空间中被控制(但在此类实施方案中，第一机器人臂的坐标空间被配准到第二机器人臂的坐标空间，或者反之亦然)。脊柱杆可以是旨在附接到多个椎骨螺钉以帮助维持患者脊柱的特定对准的任何脊柱固定杆。脊柱杆可以由例如钛或具有足以承受在将杆固定到患者脊柱之后施加在其上的力的强度的任何其他生物相容性材料制成。脊柱杆可以是直的，或者可以弯曲成特定形状，该特定形状被配置成赋予患者的脊柱期望的对准。

第二机器人臂可以在其近侧端部、其远侧端部或其间的任何点处保持杆。在一些实施方案中，不管是为杆提供更大的稳定性、防止杆的无意弯曲还是出于任何其他原因，第二机器人臂可以在多个位置处保持杆。第二机器人臂可以被配置成在一个或多个位置处选择性地抓持杆，同时在一个或多个其他位置处释放杆，以便于将椎骨螺钉连接到杆。诸如端部执行器138等端部执行器可以设置在第二机器人臂上，以实现前述功能(和/或第二机器人臂的任何其他所需功能)的一个或多个方面。

控制第二机器人臂以将脊柱杆保持处于预定姿态。在一些实施方案中，预定姿态可以是杆的预期最终姿态。在其他实施方案中，预定姿态可以是计算或以其他方式确定的以便于将一个或多个椎骨螺钉连接到杆的姿态。在一些实施方案中，第二机器人臂可以将杆保持处于第一预定姿态，以便于将第一椎骨螺钉附接到其上，之后第二机器人臂可以将杆移动到第二预定姿态，以便于将第二椎骨螺钉附接到其上，等等，直到杆已经被固定到所有预期的椎骨螺钉。可以在手术计划中描述或以其他方式提供预定姿态，或者可以由处理器(其可以是例如本文公开和/或描述的任何处理器)计算预定姿态。

在将一个或多个椎骨螺钉附接到杆期间，可以控制第二机器人臂以将杆保持在沿着杆的长度的两个或更多个不同位置处，并且/或者保持在杆的两个或更多个不同旋转位置处。在一些实施方案中，例如，可以控制第二机器人臂(包括例如第二机器人臂的端部执行器)以在将一个或多个椎骨螺钉附接到杆期间将杆保持在第一旋转位置处，并且此后将杆旋转到第二旋转位置。同样在一些实施方案中，可以控制第二机器人臂(包括例如第二机器人臂的端部执行器)以沿着杆的长度从杆上的一个线性位置滑动到杆上的另一个线性位置，以更好地促进一个或多个椎骨螺钉附接到其上。

方法200还包括使第一机器人臂将椎骨螺钉移动成与脊柱杆接合(步骤216)。在第二机器人臂将杆保持处于预定姿态的情况下，可以使第一机器人臂(其具有与椎骨螺钉连接的端部执行器)将椎骨螺钉(并且因此椎骨螺钉所植入的椎骨)移动成与杆接合。该移动可以包括侧向移动；前/后移动；使多个椎骨螺钉中的每个椎骨螺钉的头部更靠近在一起的移动；以及/或者扩大多个椎骨螺钉的头部之间的距离的移动。步骤216可以包括计算移动椎骨螺钉以使椎骨螺钉与杆对准的路径。例如，可以使用路径规划算法120或任何其他算法来计算路径。在计算或以其他方式确定路径时，可以考虑诸如杆的姿态、第二机器人臂的姿态以及任何其他潜在障碍物(无论是手术工具、解剖元素还是其他对象)的姿态等信息。另外，路径确定可以考虑关于例如椎骨螺钉所植入的椎骨的运动限制的信息；第一机器人臂是否将需要对椎骨螺钉并且因此对椎骨螺钉所植入的椎骨施加将超过预定力阈值的力；以及任何其他相关信息。

可以使第一机器人臂在一个连续运动中或以增量方式将椎骨螺钉移动成与脊柱杆接合。在运动是连续的情况下，可以使第一机器人臂足够缓慢地将椎骨螺钉移动成与脊柱杆接合，以允许计算对椎骨螺钉施加(并且因此对椎骨施加)的力并且将这些力与预定力阈值进行比较。

步骤216可以包括使椎骨螺钉沿着线性路径或弯曲路径移动中的一者或多者。步骤216还可以包括使椎骨螺钉围绕一个或多个轴线进行一定程度的角旋转。在一些实施方案中，步骤216还可以包括使第二机器人臂以协调的方式移动杆，以便于使椎骨螺钉与杆接合。

在一些实施方案中，椎骨螺钉包括与杆接合的头部或郁金香形部。在其他实施方案中，椎骨螺钉可以使用除头部或郁金香形部之外的一个或多个特征来接合杆。一旦椎骨螺钉与杆接合，就可以使用固定螺钉或其他锁定装置将杆锁定到椎骨螺钉上，或反之亦然。

本公开涵盖方法200的实施方案，这些实施方案包括比上文所述的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3描绘了可以用于例如确保机器人臂(例如，机器人臂116)在操纵解剖元素时不超过力阈值的方法300。方法300可以例如与方法200组合使用，或与本文所公开的任何其他方法(或任何方法的任何方面)组合使用。

方法300(和/或其一个或多个步骤)可以例如由至少一个处理器进行或以其他方式执行。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以用于执行方法300。至少一个处理器可以通过执行存储在诸如存储器106等存储器中的指令来执行方法300。这些指令可以与下文所描述的方法300的一个或多个步骤相对应。这些指令可以使处理器执行一个或多个算法，诸如路径规划算法120、分割算法122、阈值算法124、骨质量算法126和/或比较算法128。

方法300包括接收力传感器信息(步骤304)。例如，可以从诸如力传感器142等力传感器接收力传感器信息。力传感器可以固定到第一机器人臂。力传感器被配置成检测由第一机器人臂或对第一机器人臂施加的力，并且更具体地使得能够至少确定由第一机器人臂对椎骨螺钉施加(并且因此对椎骨螺钉所植入的椎骨施加)的力的量值。

方法300还包括控制机器人臂以使检测到的力保持低于预定阈值(步骤308)。步骤308可以包括不断地将检测到的力(其可以是基于力传感器信息确定的力量值)与预定阈值进行比较，当检测到的力低于预定阈值至少预定量(例如，0％、5％、10％)时继续正常操作第一机器人臂，当检测到的力接近预定阈值时减慢第一机器人臂的运动，并且/或者当第一机器人臂达到预定阈值时停止第一机器人的运动。在一些实施方案中，步骤308可以包括如果力的量值超过预定阈值，则使第一机器人臂的运动逆转。

本公开涵盖方法300的实施方案，这些实施方案包括比上文所述的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描绘了可以用于例如确定在解剖元素(诸如脊柱)的操纵期间使用的力阈值的方法400。方法400可以例如与方法200、方法300组合使用，以及/或者与本文公开的任何其他方法(或任何方法的任何方面)组合使用。

方法400(和/或其一个或多个步骤)可例如由至少一个处理器进行或以其他方式执行。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以用于执行方法400。至少一个处理器可以通过执行存储在诸如存储器106等存储器中的指令来执行方法400。这些指令可以与下文所描述的方法400的一个或多个步骤相对应。这些指令可以使处理器执行一个或多个算法，诸如路径规划算法120、分割算法122、阈值算法124、骨质量算法126和/或比较算法128。

方法400包括接收患者信息(步骤404)。例如可以从或经由数据库130、云134、存储器106、用户接口110和/或通信接口108接收的患者信息可以是或包括例如关于患者的年龄、患者的任何疾病或其他医疗病状、患者的体重指数的信息和/或关于可能影响患者的骨质量的特性的其他信息。

方法400还包括基于所接收到的患者信息来计算椎骨质量(步骤408)。该计算可以使用例如诸如算法126等骨质量算法来计算骨质量。计算骨质量的任何现在已知的或将来开发的方法可以用于确定患者的椎骨质量。

方法400还包括基于所计算的椎骨质量生成力阈值(将被用作预定阈值)(步骤412)。力阈值可以仅基于从步骤408计算的患者的椎骨质量，或者力阈值可以另外地基于诸如所讨论的骨的尺寸、椎骨螺钉已经植入其中的深度、椎骨螺钉的长度和/或直径、靠近椎骨螺钉的椎骨壁的最小宽度和/或任何其他相关信息等因素。力阈值可以是这样的值，超过该值，椎骨断裂的风险变得不可接受地高。在一些实施方案中，5％的椎骨断裂机会可能是不可接受地高的，而在其他实施方案中，10％、15％、20％、25％、30％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％或95％的椎骨断裂机会可能是不可接受地高的。因此，可以部分地基于例如关于什么构成不可接受的高断裂风险的外科医生偏好、关于什么构成不可接受的高断裂风险的患者偏好、关于什么构成不可接受的高断裂风险的护理标准、或关于什么断裂风险是可接受或不可接受的任何其他输入来确定力阈值。

本公开涵盖方法400的实施方案，这些实施方案包括比上文所述的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5描绘了可以用于例如以机器人方式操纵解剖元素的多个节段(例如，脊柱的多个椎骨)的方法500。方法500可以例如与方法200、方法300、方法400组合使用，以及/或者与本文公开的任何其他方法(或任何方法的任何方面)组合使用。

方法500(和/或其一个或多个步骤)可以例如由至少一个处理器进行或以其他方式执行。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500。至少一个处理器可以通过执行存储在如存储器106的存储器中的指令来执行方法500。指令可对应于下文所述的方法500的一个或多个步骤。这些指令可以使处理器执行一个或多个算法，诸如路径规划算法120、分割算法122、阈值算法124、骨质量算法126和/或比较算法128。

方法500包括在第一椎骨螺钉与脊柱杆接合之后使第一机器人臂释放第一椎骨螺钉(步骤504)。例如，一旦方法200的步骤216已经完成，方法500的步骤504就可以发生。步骤504可以构成与步骤208中进行的运动或动作相反的运动或动作。因此，例如，如果步骤208包括抓持第一椎骨螺钉，则步骤504可以包括释放第一椎骨螺钉。如果步骤208包括移动第一机器人臂以便使第一椎骨螺钉被收纳在第一机器人臂的端部执行器的容座中，则步骤504可以包括移动第一机器人臂以便使第一椎骨螺钉离开端部执行器的容座。步骤504的结果是第一机器人臂可用于接合不同于第一椎骨螺钉的第二椎骨螺钉。

在本公开的一些实施方案中，固定到如本文所述的第一机器人臂的单个端部执行器能够同时抓持和控制(无论是共同地还是单独地)多个椎骨螺钉。在此类实施方案中，为了抓持第二椎骨螺钉，可能不需要释放第一椎骨螺钉，但是第一组椎骨螺钉一旦接合到杆上就可以被释放，使得第二组椎骨螺钉可以被抓持并且移动成与杆接合。

方法500还包括控制第一机器人臂以将附接到第一机器人臂的端部执行器与第二椎骨螺钉连接(步骤508)。除了端部执行器与第二椎骨螺钉而非第一椎骨螺钉连接之外，步骤508可以与方法200的步骤208相同或类似。

方法500还包括使第一机器人臂将第二椎骨螺钉移动成与脊柱杆接合(步骤512)。除了使第一机器人臂将第二椎骨螺钉而不是第一椎骨螺钉移动成与脊柱杆接合之外，步骤512可以与方法200的步骤216相同或类似。如以上关于步骤216所指出的，在一些实施方案中，第二机器人臂可以结合步骤512调整脊柱杆的姿态，以便于使第二椎骨螺钉与脊柱杆接合。

本公开涵盖方法500的实施方案，这些实施方案包括比上文所述的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6描绘了可以用于例如相对于解剖元素的目标姿态来监测解剖元素的姿态的方法600。方法600可以例如与方法200、方法300、方法400、方法500组合使用，以及/或者与本文公开的任何其他方法(或任何方法的任何方面)组合使用。

方法600(和/或其一个或多个步骤)可以例如由至少一个处理器进行或以其他方式执行。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以用于执行方法600。至少一个处理器可以通过执行存储在诸如存储器106等存储器中的指令来执行方法600。这些指令可以与下文所描述的方法600的一个或多个步骤相对应。这些指令可以使处理器执行一个或多个算法，诸如路径规划算法120、分割算法122、阈值算法124、骨质量算法126和/或比较算法128。

方法600包括接收患者的脊柱的至少一部分的至少一个图像(步骤604)。至少一个图像可以是X射线图像、超声图像或描绘患者脊柱的一部分的任何其他图像。至少一个图像可以是三维图像或二维图像。可以使用成像装置(诸如成像装置112)捕获和/或生成至少一个图像。成像装置可以是具有已知姿态的成像装置，不管是因为成像装置由准确的机器人臂(例如，相对于机器人坐标系的姿态始终已知的机器人臂)支撑，还是因为成像装置包括对导航系统(诸如导航系统118)可见的跟踪标记，还是因为成像装置安装在已知位置中或其他方式。

患者的脊柱的至少一部分可以是患者的脊柱的一个或多个椎骨，或患者的脊柱的椎骨的一部分，或整个脊柱。在一些实施方案中，图像描绘与正在进行的手术程序最相关的患者脊柱的一部分。因此，例如如果手术程序旨在调整腰椎，则图像可以描绘腰椎。在同一示例中，图像可以仅描绘胸椎的一部分(例如，紧邻腰椎的胸椎的一部分)，并且不描绘任何颈椎。

方法600还包括确定患者的脊柱的至少该部分的姿态(步骤608)。确定患者的脊柱的至少该部分的姿态可以包括分割至少一个图像以识别和/或限定在一个或多个图像中描绘的每个椎骨或其部分的边界。该分割可以使用分割算法122和/或任何其他已知的分割方法来完成。确定患者的脊柱的至少该部分的姿态还可以包括将至少一个图像与机器人坐标空间(或另一已知坐标空间)配准，使得可以确定在至少一个图像中描绘的每个椎骨的姿态，和/或作为整体的脊柱的至少该部分的姿态。

方法600还包括将所确定的姿态与患者的脊柱的至少该部分的目标姿态进行比较(步骤612)。目标姿态可以在手术或其他术前计划中被识别或描述，该手术或其他术前计划可以被存储在诸如存储器106等存储器或数据库130中和/或经由诸如云134等网络被接收。目标姿态可以是将(或预期)减轻患者所经历的一种或多种症状和/或以其他方式改善患者的健康的姿态。目标姿态可以是在脊柱可以被移动到最终姿态之前脊柱必须被移动到的中间姿态，或者目标姿态可以对应于脊柱的最终期望姿态。

所确定的姿态与目标姿态的比较可以是视觉比较、数值比较或任何其他类型的比较。例如，目标姿态可以覆盖在至少一个图像中的一个或多个图像上，以便向外科医生或其他用户提供对朝实现目标姿态的进展的视觉指示。作为另一示例，可以在每个椎骨的基础上进行比较，并且可以针对每个椎骨产生从椎骨的当前姿态到达目标姿态的所需移动量(例如，在X、Y和Z方向中的每个方向上并且围绕X、Y和Z轴中的每个轴)的数字表示。在一些实施方案中，比较的结果可以表达为百分比，该百分比基于椎骨和/或脊柱的该部分的起始姿态(其表示基线或0％进展)、椎骨和/或脊柱的该部分的当前姿态(其中低于100％的值表示补偿不足的当前状态，并且超过100％的值表示补偿过度的当前状态)以及脊柱的至少该部分的目标姿态(其对应于100％进展)来计算。比较算法(诸如比较算法128)或任何其他算法可以用于步骤612。

方法600有益地使得能够确定脊柱或其部分是否已成功地移动到目标姿态，或者补偿不足或补偿过度是否已发生。通过在术中而不是术后实现此类确定，任何补偿不足或补偿过度可以被立即校正，而不必安排后续手术、经历完全术前程序以及重新打开患者体内先前的(或制造新的)切口。因此减少了患者创伤，同时节约了所有涉及方(患者、外科医生、手术室工作人员、医院或其他手术室操作员等)的时间和资源。

此外，通过组合方法600的各方面与方法300的各方面(例如)，当脊柱向目标姿态的移动将导致对脊柱的一个或多个椎骨施加过度的力时，可以确定使脊柱处于补偿不足的姿态。类似地，在目标姿态是旨在实现其中脊柱将被移动到最终目标姿态的未来手术的中间姿态并且可以在不接近预定力阈值的情况下达到中间目标姿态的情况下，可以做出将脊柱(和/或其个别椎骨)移动到接近最终目标姿态的确定，以便减少在后续手术中将需要的移动量。简而言之，在术中确定脊柱重新对准的进程的能力，特别是当与监测移动脊柱的一个或多个元素所需的力的能力组合时，使得能够改善手术结果，包括在临床目标、患者安全、资源节约和效率方面。

本公开涵盖方法600的实施方案，这些实施方案包括比上文所述的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7描绘了可以用于例如将脊柱操纵到期望姿态的方法700。方法700可以例如与方法200、方法300、方法400、方法500、方法600组合使用，以及/或者与本文公开的任何其他方法(或任何方法的任何方面)组合使用。

方法700(和/或其一个或多个步骤)可以例如由至少一个处理器进行或以其他方式执行。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以用于执行方法700。至少一个处理器可以通过执行存储在诸如存储器106等存储器中的指令来执行方法700。这些指令可以与下文所描述的方法700的一个或多个步骤相对应。这些指令可以使处理器执行一个或多个算法，诸如路径规划算法120、分割算法122、阈值算法124、骨质量算法126和/或比较算法128。

方法700包括接收患者的脊柱的多个图像，每个图像示出处于不同姿态的脊柱(步骤704)。多个图像可以示出例如处于弯曲位置、伸展位置、向左的最大侧向弯曲位置以及向右的最大侧向弯曲位置的患者脊柱。多个图像可以是使用诸如成像装置112等成像装置或任何其他成像装置获得的图像。多个图像可以是三维图像或二维图像。多个图像中的一个或多个图像可以直接从用于捕获图像的成像装置接收，以及/或者从或经由数据库(诸如数据库130)、网络(诸如云134)、存储器(诸如存储器106)、用户接口(诸如用户接口110)或通信接口(诸如通信接口108)接收。

方法700还包括基于多个图像确定脊柱的至少一个椎体的运动范围(步骤708)。步骤708可以包括分割多个图像中的每个图像以识别和限定其中描绘的一个或多个椎骨的边界。步骤708还可以包括识别多个图像中的每个图像中的对应椎骨，并且比较多个图像中的每个图像中的给定椎骨的位置以确定该椎骨的运动范围。

在一些实施方案中，无论是作为一个或多个单独的椎体的运动范围的替代还是补充，作为整体的脊柱的运动范围可以在步骤708中确定。还可以通过比较多个图像中的每个图像中的脊柱的姿态来确定作为整体的脊柱的运动范围。

方法700还包括使机器人臂经由定制手套附接到至少一个椎体(步骤712)。机器人臂可以是例如机器人臂116。定制手套可以是专门制造以配合所讨论的椎体的装置。因此，例如，所讨论的椎体的轮廓可以从椎体的一个或多个图像确定，并且所确定的轮廓然后可以用于制造至少部分地围绕并且可以固定到椎体的定制手套。定制手套可以是例如3D打印的联接器。为了避免使用定制手套需要比已经计划的更多的切割和/或暴露，定制手套可以基于关于定制手套将附接到的椎骨的多少将在手术期间暴露的信息(例如，在术前计划中)在术前制造。

根据本公开的实施方案的定制手套包括至少一个固定点，机器人臂可以附接到该至少一个固定点(例如，经由诸如端部执行器138等端部执行器)。当机器人臂经由至少一个固定点对定制手套施加力时，定制手套围绕椎体的表面分布力，从而减小对椎体的任何一个部分施加的最大力。这继而有益地降低了椎体在其操纵期间意外断裂的可能性。定制手套的使用还可以有益地使得机器人臂能够对椎体施加比以其他方式可能施加的力更大的力，这继而可以使得椎体能够移动到以其他方式不可达到的目标姿态(或接近目标姿态的姿态)。

在一些实施方案中，机器人臂可以附接到至少部分地围绕椎骨的定制手套和植入在椎骨中的椎骨螺钉两者，以便进一步将所施加的力分布在椎骨周围和穿过椎骨。

定制手套可以包括刚性或半刚性结构。在一些实施方案中，定制手套可以扣合到椎骨上，而在其他实施方案中，定制手套可以包括可以围绕椎骨放置并固定在一起的两个或更多个零件。

在本公开的一些实施方案中，使用柔性带来代替定制手套。柔性带可以不是针对任何一个特定的椎体定制的，而是可以适于它围绕其放置的椎体的轮廓，并且因此使得力能够围绕椎体分布(例如，在带接触椎体的位置)，其中具有与使用定制手套类似的益处。

如本文所述的定制手套的使用可以尤其适用于具有低骨质量的骨或在给定程序期间以其他方式处于较高断裂风险的骨。例如，老年患者的骨可能不太能够承受由操纵植入其中的螺钉或钩以实现手术目标的机器人臂施加到其上的力，使得使用定制手套将有益地有助于改善手术结果。

方法700还包括使机器人臂将至少一个椎体移动到预定姿态而不超过所确定的运动范围(步骤716)。步骤716可以与步骤216和/或步骤512相同或类似，只要当确定椎体的移动路径时和/或当沿给定路径移动椎体时考虑椎体的所确定的运动范围，并且限制椎体的移动以便不导致椎体超过所确定的运动范围。

方法700还包括使另一个机器人臂将植入在至少一个椎体中的椎骨螺钉锁定到脊柱杆上(步骤720)。步骤720可以包括例如使机器人臂(不同于在步骤716中移动椎体的机器人臂)转动在椎骨螺钉的头部或郁金香形部中的固定螺钉，以便将椎骨螺钉锁定到脊柱杆。步骤720可以可替代地包括使单独的机器人臂接合将椎骨螺钉锁定到脊柱杆(或反之亦然)的任何其他锁定机构。

虽然方法700是相对于其中已经植入了椎骨螺钉的椎体的移动来描述的，但是在一些实施方案中，方法700可以用于移动其中没有植入椎骨螺钉的椎体。例如，在其中植入了椎骨螺钉的椎体需要移动特定距离但除非相邻椎体(其中没有植入椎骨螺钉)也移动否则不能移动该距离的情况下，方法700的各方面可以用于移动该相邻椎体，无论是否与其中植入了螺钉的椎体的移动同时进行。

本公开涵盖方法700的实施方案，这些实施方案包括比上文所述的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8描绘了可以用于例如在不超过预定力阈值的情况下将脊柱操纵到目标姿态的方法800。方法800可以例如与方法200、方法300、方法400、方法500、方法600、方法700组合使用，以及/或者与本文公开的任何其他方法(或任何方法的任何方面)组合使用。

方法800(和/或其一个或多个步骤)可以例如由至少一个处理器进行或以其他方式执行。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以用于执行方法800。至少一个处理器可以通过执行存储在诸如存储器106等存储器中的指令来执行方法800。指令可以对应于下文所述的方法800的一个或多个步骤。指令可以使处理器执行一个或多个算法，诸如路径规划算法120和/或阈值算法124。

方法800包括使机器人臂抓持植入在患者的脊柱的至少一个椎骨中的至少一个椎骨螺钉(步骤804)。步骤804可以与方法200的步骤208和/或方法500的步骤508相同或类似。然而，在方法800中，机器人臂(例如，机器人臂116)—或更具体地，其端部执行器，诸如端部执行器138—用于主动地抓持至少一个椎骨螺钉。在一些实施方案中，步骤804可以包括使机器人臂抓持植入在患者的脊柱的多个椎骨中的多个椎骨螺钉。在此类实施方案中，机器人臂可以配备有端部执行器，该端部执行器能够单独地移动椎骨螺钉中的每个椎骨螺钉，或者仅共同地移动所有椎骨螺钉。由于在手动脊柱固定手术中仅两个椎骨螺钉能够被同时有效地操纵，因此机器人臂抓持多于两个椎骨螺钉的本公开的实施方案有益地表现出相对于此类手动脊柱固定手术的显著改进。

方法800还包括使机器人臂对至少一个椎骨螺钉施加力以使至少一个椎骨移动(步骤808)。步骤808可以与方法200的步骤216和/或方法500的步骤512相同或类似。通过被命令或以其他方式控制以从一个姿态移动到不同的姿态，可以使机器人臂对至少一个椎骨螺钉施加力。在一些实施方案中，移动至少一个椎骨的目的可以是使得至少一个椎骨螺钉能够与脊柱杆接合。在其他实施方案中，移动至少一个椎骨的目的可以是实现至少一个椎骨的期望对准，之后脊柱杆可以被附接到至少一个椎骨螺钉。在其他实施方案中，移动至少一个椎骨的目的可以是将至少一个椎骨的姿态从至少一个椎骨螺钉接合杆的一个姿态调整到至少一个椎骨螺钉接合杆的不同姿态。

方法800还包括检测所施加的力的量值(步骤812)。步骤812可以与方法300的步骤304相同或类似。例如，诸如力传感器142等一个或多个力传感器可以用于检测所施加的力的量值。

方法800还包括将检测到的量值与预定力阈值进行比较(步骤816)。预定力阈值可以是例如使用方法400确定的阈值。可替代地，可以简单地提供预定力阈值，无论是在经由诸如用户接口110等用户接口获得的手术计划中提供还是以其他方式提供。该比较可以产生例如检测到的量值低于预定力阈值的确定，或者检测到的量值高于预定力阈值的确定。在一些实施方案中，等于预定力阈值的检测到的量值可以被视为低于预定力阈值，而在其他实施方案中，等于预定力阈值的检测到的量值可以被视为高于预定力阈值。

方法800还包括当检测到的量值低于预定力阈值时，使机器人臂继续移动至少一个椎骨(步骤820)。换句话说，只要检测到的量值不超过预定力阈值，至少一个椎骨的移动就可以沿着所计算的或以其他方式确定的路径继续。

方法800还包括当检测到的量值高于预定力阈值时，使机器人臂停止移动至少一个椎骨(步骤824)。通过在检测到的量值高于预定力阈值时停止至少一个椎骨的移动，可以避免至少一个椎骨的意外断裂，因此有益地提高了患者安全性。在一些实施方案中，可以使至少一个椎骨的移动逆转，以便使椎骨返回到检测到的量值低于预定力阈值的姿态。

本公开涵盖方法800的实施方案，这些实施方案包括比上文所述的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。

如以上所指出的，本公开涵盖具有比图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8中标识的所有步骤少的步骤的方法(以及方法200、300、400、500、600、700和800的对应描述)，以及包括除了图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8中标识的那些步骤之外的附加步骤的方法(以及方法200、300、400、500、600、700和800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它相关性。

本公开描述了使用一个或多个机器人臂对脊柱或其部分的机器人操纵。在本公开的一些实施方案中，脊柱操纵还可以通过支撑患者的床或台的机器人操纵来实现。例如，在一些实施方案中，可以在手术期间与一个或多个机器人臂的移动协调地操纵可在一个或多个方向上和/或围绕一个或多个轴线移动的床或台，以最有效地实现脊柱或其部分相对于患者的总体解剖结构的期望移动。例如，在2020年10月5日提交的并且题为“用于确定和保持旋转中心的系统和方法(Systems and Methods for Determining and Maintaining aCenter of Rotation)”的美国专利申请序列17/063,299号中描述了可以在此类实施方案中使用的台，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。

另外，虽然已经结合脊柱固定手术或涉及脊柱或其部分的操纵的其他手术描述了本公开的各方面，但是本公开涵盖本文的教导应用于其他类型的手术，包括除脊柱或其部分之外的解剖元素的操纵。

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，其它变化、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 (20)

1.一种用于机器人脊柱操纵的系统，所述系统包括：

第一机器人臂，所述第一机器人臂包括端部执行器；

第二机器人臂，所述第二机器人臂被配置成保持脊柱杆；

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：

控制所述第一机器人臂以将所述端部执行器与植入在患者的脊柱的椎骨中的至少一个椎骨螺钉连接；

控制所述第二机器人臂以将所述脊柱杆保持处于预定姿态；以及

使所述第一机器人臂将植入的至少一个椎骨螺钉移动成与所述脊柱杆接合。

2.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进一步使所述至少一个处理器：

将机器人坐标空间与患者坐标空间配准。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一机器人臂和所述第二机器人臂中的每一者在所述机器人坐标空间中是可控制的。

4.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一机器人臂包括用于检测由所述第一机器人臂对所述椎骨螺钉施加的力的力传感器。

5.根据权利要求4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进一步使所述至少一个处理器：

接收来自所述力传感器的信息，所述信息对应于检测到的由所述第一机器人臂对所述椎骨螺钉施加的力；以及

控制所述机器人臂以使检测到的力保持低于预定阈值。

6.根据权利要求5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进一步使所述至少一个处理器：

接收患者信息；

基于所述患者信息计算椎骨质量；以及

基于所计算的椎骨质量生成所述预定阈值。

7.根据权利要求5所述的系统，其中所述预定阈值是经由用户接口接收的。

8.根据权利要求1所述的系统，其中植入在所述患者的所述椎骨中的所述至少一个椎骨螺钉包括植入在所述患者的多个椎骨中的多个椎骨螺钉。

9.根据权利要求1所述的系统，其中植入在所述患者的所述椎骨中的所述至少一个椎骨螺钉是植入在所述患者的第一椎骨中的第一椎骨螺钉，并且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：

在所述第一椎骨螺钉与所述杆接合之后使所述第一机器人臂释放所述第一椎骨螺钉；

控制所述第一机器人臂以将所述端部执行器与植入在患者的第二椎骨中的第二椎骨螺钉连接，所述第二椎骨不同于所述第一椎骨；以及

使所述第一机器人臂将所述第二椎骨螺钉移动成与所述脊柱杆接合。

10.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进一步使所述至少一个处理器：

接收所述脊柱的至少一部分的多个图像，所述多个图像在植入的至少一个椎骨螺钉移动成与所述脊柱杆接合期间顺序地生成；

确定所述多个图像中的每个图像中的所述脊柱的至少所述部分的姿态；以及

将所述脊柱的至少所述部分的所确定的姿态与所述脊柱的至少所述部分的目标姿态进行比较。

11.一种用于以机器人方式操纵脊柱的系统，所述系统包括：

机器人臂，所述机器人臂包括端部执行器；

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：

接收患者的脊柱的多个图像，所述多个图像中的每个图像示出处于不同姿态的所述脊柱；

基于所述多个图像确定所述脊柱的至少一个椎体的运动范围；

使所述机器人臂经由定制手套附接到所述至少一个椎体；以及

使所述机器人臂将所述至少一个椎体移动到预定姿态而不超过所确定的运动范围。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述定制手套是3D打印的。

13.根据权利要求11所述的系统，其中所述定制手套被配置成将由所述机器人臂对所述至少一个椎体施加的力分布在所述至少一个椎体的表面上。

14.根据权利要求11所述的系统，其中所述预定姿态是使得植入在所述至少一个椎体中的椎骨螺钉能够固定到脊柱杆的姿态。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述机器人臂是第一机器人臂，并且所述存储器存储用于由所述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：

使不同于所述第一机器人臂的第二机器人臂将所述椎骨螺钉锁定到所述脊柱杆上。

16.根据权利要求15所述的系统，其中使所述第二机器人臂将所述椎骨螺钉锁定到所述脊柱杆上包括使所述第二机器人臂拧紧固定螺钉。

17.根据权利要求11的系统，其中所述至少一个椎体包括至少三个椎体。

18.一种用于操纵脊柱的方法，所述方法包括：

使机器人臂经由端部执行器抓持植入在患者的脊柱的椎骨中的椎骨螺钉；

使所述机器人臂对所述椎骨螺钉施加力，以使所述椎骨螺钉或所述脊柱的所述椎骨中的至少一者朝预定姿态移动；

用所述机器人臂上的传感器检测所施加的力的量值；

将检测到的量值与预定力阈值进行比较；

当检测到的量值等于或低于所述预定力阈值时，使所述机器人臂继续将所述椎骨螺钉或所述脊柱的所述椎骨中的所述至少一者朝所述预定姿态移动；以及

当检测到的量值高于所述预定力阈值时，使所述机器人臂停止移动所述椎骨螺钉或所述脊柱的所述椎骨中的所述至少一者。

19.根据权利要求18所述的方法，所述方法还包括：

使所述机器人臂经由所述端部执行器抓持植入在所述患者的所述脊柱的多个椎骨中的多个椎骨螺钉；以及

使所述机器人臂对所述多个椎骨螺钉中的每个椎骨螺钉施加力，以使所述多个椎骨螺钉中的每个椎骨螺钉或所述脊柱的所述多个椎骨中的每个椎骨朝对应的预定姿态移动。

20.根据权利要求18所述的方法，其中所述预定姿态是使得所述椎骨螺钉能够固定到脊柱杆的姿态。