CN117529288A - 自动化钻孔装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于自动化钻孔的外科装置包括：钻机，该钻机包括被配置成钻穿骨头的钻头；以及检测器，该检测器包括组织检测传感器。该钻机和该检测器可独立地致动以将该钻头和该组织检测传感器插入由该钻头产生的钻孔中和从中移除。一种外科系统可以包括该外科装置和控制器，该控制器被配置成：致动该钻机以钻穿骨头，致动该钻机以将该钻头从该钻孔缩回，致动该检测器以将该组织检测传感器插入该钻孔中，以及基于来自该组织检测传感器的感测信号来确定在该钻孔的远侧位置处的组织特性。

Description

自动化钻孔装置和方法

相关申请

本申请要求于2021年4月20日提交的美国临时申请号63/177,268的权益。上述申请的全部教导内容通过援引并入本文。

背景技术

许多医疗程序涉及将药物递送到颅内或脑室内空间，通常是因为化疗药物或生物制剂不能有效穿过血脑屏障。当前用于进入颅内空间的程序具有高度侵入性。

例如，成年白血病患者通常需要经由植入的医疗装置(诸如Ommaya储液器)来递送颅内化疗药物。对于Ommaya储液器植入，神经外科医生在头皮上做出5至10cm的切口，穿过颅骨钻出1至1.5cm的钻孔，并且将3.5mm的导管穿过大脑进入脑室。将该导管留在适当位置、连接到位于颅骨表面上的储液器，并且在该部位分层闭合头皮。这种外科程序会引起明显的患者痛苦，并且与植入相关联的伤口破裂和感染很常见并且可能是毁灭性的。此外，这些装置植入通常会妨碍立即开始化疗，因为手术伤口必须愈合。从生活质量的角度来看，诸如鞘内递送的替代方案也受到限制。

需要改进的装置和方法来使得能够进入颅内和脑室内空间。

发明内容

提供了用于自动化显微外科学的装置和方法，其中，这种装置和方法能够减少与将药物插入和递送到位于骨头中或后面的解剖空间(诸如大脑和脊柱)相关联的并发症和痛苦。

一种用于自动化钻孔的外科装置包括：钻机，该钻机包括被配置成钻穿骨头的钻头；以及检测器，该检测器包括或被配置成可释放地接收组织检测传感器。该钻机和该检测器可独立地致动以分别将该钻头和该组织检测传感器插入由该钻头产生的钻孔中和从中移除。

该钻机和该检测器可以设置在载物台元件上并且被配置成用于选择性地附接到机动框架。该组织检测传感器可以是干涉测量装置或传感器，例如，用于光学相干断层扫描(OCT)的光学探针。在其他示例中，该组织传感器可以是反向散射探针、温度检测器、压力传感器或红外检测器。可选地，该检测器可以包括两种或更多种类型的组织检测传感器。该载物台元件可以通过马达进行转位，例如，手动操纵。

该装置可以进一步包括被配置成检测在钻孔期间施加在该钻头上的压力的背压传感器、被配置成检测由该钻机的致动器施加的扭矩的扭矩传感器，或者背压传感器和扭矩传感器两者。该背压传感器和该扭矩传感器可以各自独立或一起提供对该钻机从密度较高的组织移动到密度较低的组织(例如，从骨头穿透)的检测。

该钻头可以具有小于约2mm或小于约1mm的直径。该钻头的直径可以在约200μm至约2mm的范围内，或者在约200μm至约1mm的范围内。该钻头可以被配置成用于钻到至少约15mm或至少约7mm的深度。该钻头可以由钛、不锈钢或任何其他足够坚固和坚硬的材料制成以钻穿骨头，同时保持结构完整性、抵抗偏转和/或提供头部消散以便在钻孔期间灼烧组织。

该装置可以进一步包括底盘或其他接收器(例如，工具单元)，以可移除地或固定地接收用于与该装置一起使用的附加组织检测传感器、治疗装置和诊断装置。该附加底盘可以允许该治疗或诊断装置的至少一个部件的独立致动，以便插入由该钻头产生的钻孔中和从中移除。合适的诊断和治疗装置的示例包括插管(例如，针、导管)、电灼元件、电探针、压力传感器(例如，颅内压传感器)、活检装置、外科装置(例如，刀片、针、套管针、抽吸器等)和消融装置(例如，激光消融装置)。该检测器或其一部分(例如，检测器的底盘，替代地称为检测器单元)可以可选地被配置成接收其他诊断或治疗装置。例如，该组织检测传感器(诸如光学探针)可以从该检测器单元移除，并且附加工具(例如，诊断和/或治疗装置)可以被接收在该检测器单元中以便与该装置一起使用。替代地或另外，附加的工具单元可以被包括在载物台上。例如，除了检测器单元和钻机单元之外，工具单元可以被包括在该载物台元件处并且可独立地致动以用于递送治疗或诊断装置。

一种用于自动化钻孔的外科系统可以包括外科装置和被配置成操作该装置的控制器。该控制器可以被配置成：致动该钻机以钻穿骨头，致动该钻机以将该钻头从该钻孔缩回，致动该检测器以将该组织检测传感器插入该钻孔中，以及基于来自该组织检测传感器的感测信号来确定在该钻孔的远侧位置处的组织特性。可选地，该控制器可以被配置成将外科、诊断或治疗装置推进到目标部位。

该控制器可以是处理器和任何相关联的电子器件，其可以设置在该外科装置的外部。对该组织特性的确定可以包括以下项中的任一者或全部的任何组合：对在该远侧位置处或附近的解剖结构的变化的确定、对在该远侧位置处或附近的血管的存在的确定、对在该远侧位置处的组织层的厚度的确定，以及对在该远侧位置处的组织层的密度的确定。

该控制器可以进一步被配置成基于由该背压传感器检测到的压力、由该扭矩传感器检测到的扭矩或它们的组合来检测该钻头从刚性较大的组织穿透到刚性较小的组织。该控制器可以基于所检测到的穿透来停止钻孔。替代地或另外，该控制器可以被配置成在致动该组织检测传感器之前致动该钻机以钻到限定的深度。

该控制器可以被配置成致动该载物台元件以将该钻机(例如，钻机单元)和该检测器(例如，检测器单元)选择性地附接到该机动框架，并且可选地用于工具(例如，用于诊断或治疗装置的工具单元，包括例如外科工具)。该控制器可以进一步被配置成致动该机动框架的平移以将该钻机、该检测器和该治疗/诊断装置中的一者设置在该钻孔处。线性移动(例如，一维移动和/或多维移动，包括例如平面内和/或平面外的移动，诸如沿着波形路径的移动)、旋转移动或它们的组合可以由该控制器致动，以便将该检测器和/或治疗或诊断装置移动通过该钻孔。

一种自动化钻孔方法包括：利用包括钻头的钻机在骨头中钻出钻孔，以及将该钻头从该钻孔移除。该方法进一步包括利用包括组织检测传感器的检测器将该组织检测传感器插入该钻孔中，以及基于来自该组织检测传感器的感测信号来检测在该钻孔的远侧位置处的组织特性。该钻机和该检测器可独立地致动以将该钻头和该组织检测传感器插入由该钻头产生的钻孔中和从中移除。

该方法可以进一步包括平移其上设置有该钻机和该检测器的载物台元件，以将该钻头和该组织检测器传感器中的一者选择性地附接到机动框架，以将钻该头和该组织检测器中的一者设置在该钻孔处。

检测该组织特性可以包括确定以下各项中的至少一项：在该远侧位置处或附近的血管的存在、在该远侧位置处或附近的解剖结构的变化、在该远侧位置处的组织层的厚度以及在该远侧位置处的组织层的密度。该确定可以基于以下项中的任一者或全部的任何组合：干涉测量(例如，光学相干断层扫描(OCT))、反向散射、温度、压力和红外测量。

该方法可以进一步包括检测在钻孔期间施加在该钻头上的压力的变化以及由该钻机的致动器施加的扭矩的变化中的至少一者。可以基于所检测到的压力变化、所检测到的扭矩变化或它们的组合来检测该钻头从刚性较大的组织穿透到刚性较小的组织或从刚性较小的组织穿透到刚性较大的组织。基于所检测到的变化，可以停止钻孔。

该方法可以进一步包括致动该检测器以将该组织检测传感器从该钻孔移除，并且致动治疗或诊断装置以将该治疗或诊断装置的至少一个部件插入该钻孔中。该治疗装置可以是例如插管，并且药物可以经由该插管递送到在该钻孔中或远侧的位置。在另一示例中，该治疗装置可以是电灼系统或其部件，并且可以烧灼在该钻孔中或远侧的位置处的组织。该治疗装置可以是激光消融装置，并且该方法可以包括消融在该钻孔中或远侧的位置处的组织。电探针可以插入该钻孔中，该电探针可以用作治疗和/或诊断装置。例如，该方法可以包括在该钻孔中或远侧的位置处进行电记录和电刺激(例如，深部脑刺激)中的至少一者。该电记录可以是例如癫痫患者的大脑活动。

在另一示例中，该诊断装置可以是活检装置，并且该方法可以包括从在该钻孔中或远侧的位置获取组织样本。该诊断装置可以是插管，并且该方法可以包括从在该钻孔中或远侧的位置提取组织或流体。可以插入压力传感器，并且该方法可以包括从在该钻孔中或远侧的位置测量压力。

一种操作外科装置的方法包括：致动该钻机以钻穿骨头，致动该钻机以将该钻头从该钻孔缩回，以及致动该检测器以将该组织检测传感器插入该钻孔中。该方法进一步包括基于来自该组织检测传感器的感测信号来确定在该钻孔的远侧位置处的组织类型或组织特性。

该骨头可以是例如颅骨。替代地，该骨头可以是椎骨。本文提供的外科装置和系统大体上关于在颅骨处的应用进行描述。然而，所提供的外科装置和系统可以用于其他解剖结构处的操作。例如，可能需要钻穿椎骨以接近脊柱的一部分，或者钻穿其他骨头以接近例如骨髓(例如，用于骨髓活检的髂嵴)或潜在的肿瘤以便进行活检，或者钻穿骨头以有利于放置内部固定装置。

附图说明

根据以下对如在附图中展示的示例性实施例的更具体描述，上述内容将是显而易见的，在附图中，贯穿不同的视图，相同的附图标记指代相同的部分。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明实施例上。

图1A是示例性外科系统的示意图。

图1B是图1A的示例性外科系统的部件的示意图。

图2展示了包括钻机和检测器的示例性外科装置。

图3展示了图2的示例性外科装置的载物台元件。

图4是图2所示的外科装置的横截面视图，展示了示例性选择性附接机构。

图5展示了示例性钻机元件，替代地称为钻机单元。

图6展示了示例性检测器元件，替代地称为检测器单元。

图7A展示了图6的检测器元件的内部部件或者工具递送元件、替代地称为工具单元的示例。

图7B展示了图6的检测器元件的内部部件或者工具递送元件的另一示例。

图8是外科系统的软件范例的图。

图9是图8所示的范例的示例性控制软件架构的图。

图10是图8所示的范例的示例性马达软件架构的图。

图11是图8所示的范例的示例性组织检测软件架构的图。

图12展示了可以部署外科系统的示例性环境，包括示例性神经外科框架。

图13展示了包括钻机和检测器的外科装置的另一示例。

图14展示了图12的装置的内部部件。

图15A展示了示例性组织检测探针。

图15B展示了图15A的组织检测探针的内部部件。

图16是展示了外科装置的示例性操作的流程图。

图17是展示了具有背压传感器的外科装置的示例性操作的流程图。

图18展示了包括组织接口的示例性外科装置。

图19是展示了从装置传感器获得的示例性反馈和用于装置的操作的示例性阈值特征的一组曲线图。

图20是展示了由装置提供的示例性组织检测的一组图像。

具体实施方式

所描述的外科系统、装置和方法可以结合解剖组织(例如，骨头、血管、薄壁组织、肿瘤、脑室和小脑)的自动检测来提供精确、高效和自动化的骨钻孔，这可以用于为钻孔和随后将其他装置递送到颅内空间提供信息。所描述的外科装置和方法可以提供针对用于进入颅内空间的手动外科手术的缺点的解决方案，并且可以提供优于现有神经外科系统的多个优点。

虽然已经开发了多种装置来辅助立体定向神经外科靶向，诸如Rosa 大脑平台(捷迈邦美(Zimmer Biomet))和/>机器人系统(雷尼绍(Renishaw))，但由此类系统执行的钻孔规模的直径超过几毫米，并且此类系统未完全自动化。诸如/>(LABmaker)的系统提供微米级铣削操作来去除亚毫米厚的小鼠颅骨，但不足以用于例如人类颅骨上进行操作。已经开发了机器人系统以使用计算机视觉来指导外科程序，但此类系统依赖于摄像头在宏观外科视野中引导机器人外科系统，并且因此对于大脑应用来说可能不够精确。OCT已与活检针集成，然而此类装置不适用于涉及骨头的应用。

所提供的外科装置和方法可以自动检测血管和组织边界以指导在显微外科尺度上进行钻孔。如本文所使用，术语“显微外科学”和“显微外科”是指以小于约2mm的尺度进行外科手术。例如，所描述的系统和方法可以提供穿过骨头钻出直径在约200μm至约2000μm的范围内的孔。与手动钻孔程序和由现有机器人外科装置产生的钻孔相比，所描述的显微外科装置可以提供极大改善的愈合和骨再生，并且可以显著减少患者痛苦。

由于外科医生实际上不可能手动控制如此小直径的钻头，因此所描述的装置和方法涉及用集成安全系统进行自动化钻孔，诸如用于检测血管并防止底层脑组织受伤的集成光学和/或机械测量系统。所描述的自动化显微外科系统和方法可以能够产生比实际上可以用手钻出的孔更小的孔，这种更小的孔导致患者恢复时间缩短、术后感染风险更低以及患者组织愈合更完整。

所描述的系统和方法还可以提供对各种组织类型的检测，这可以降低出血的风险(例如，在钻孔和随后递送诊断或治疗装置期间)。该系统可以通知操作者在该装置的检测探针的远端处或附近是否存在血管。探针可以被设定尺寸以装配在钻孔内。例如，探针的远端的尺寸可以在约180μm与1.99mm之间。对组织的检测还可以增加关于对探针远端位置的确定的置信度，因为例如可以通知用户远端是否进入不同的组织类型(例如，肿瘤)。

示例性实施例的描述如下。

图1A中示出了示例性外科系统100，该外科系统包括外科装置110、电子器件118和用户输入/输出控制器108。关于图1使用的术语“控制器”是指用户输入/输出装置，而不仅仅是处理器。外科装置110、电子器件118和控制器108可以通过有线和/或无线连接通信地耦合。外科装置110可以与患者接触，并且可以执行与钻孔和组织特性检测相关的动作，以及可选地，与诊断或治疗装置(包括其他外科装置)的递送相关的动作。与装置110的操作相关联的电子器件118可以在装置110的内部或外部。系统的用户或操作者可以与控制器108接口连接以指导外科装置110的动作并解释由装置110获得或通过使用该装置获得的数据。

外科装置110可以包括端口112、114、116以提供各种部件的接入。例如，端口116可以提供装置的各种致动器与外部电子器件118的有线通信。端口114可以提供用于将工具或工具部件装载到装置中或穿过装置的接入(例如，OCT检测器的光缆、导管等)。端口112可以提供装置的机动部件的电力电缆的接入。可以包括附加的或更少的端口。

图2中示出了用于自动化钻孔的外科装置的部件的示意图。外科装置200包括具有被配置成钻穿骨头的钻头212的钻机210，以及具有组织检测传感器222的检测器220。例如，检测器可以是OCT检测器，并且传感器222可以是光学探针。

可选地，工具递送元件240可以被包括在装置中以提供与治疗或诊断装置的连接。例如，工具递送元件240可以被配置成可移除地接收治疗或诊断装置242，诸如插管或电探针。治疗或诊断装置可以是例如附加的外科装置(除了钻头之外)。一些装置(诸如插管)可以既是治疗装置又是诊断装置。例如，可以提供插管来分配治疗剂(例如，药物)、分配诊断剂(例如，用于成像的造影剂)，或者执行诊断程序(例如，抽吸生物材料以便进行取样或活检，诸如脑脊液(CSF)的取样)。

如图所示，钻机210、检测器220和可选的工具递送元件240被设置在载物台元件230上。载物台元件230本身可以是可移动的以将钻机210、检测器220和工具递送元件240中的任一者设置在受试者280处。例如，载物台元件可以联接到机动框架(例如，图13)。替代地或另外，载物台元件230可以被包括在装置的外壳内(例如，图2)，并且可以被配置成提供钻机210、检测器220和工具递送元件240与至少部分地设置在外壳内的机动框架的选择性联接。

装置200可以联接到外部立体定向装置280，诸如框架或机器人，如图12所示。合适的立体定向装置280的示例包括系统(医科达(Elekta))、/>器械(英特格拉(Integra))、STarFix^TM平台(FHC)、Rosa />平台(捷迈邦美(Zimmer Biomet))和机器人系统(雷尼绍(Renishaw))。

在由直接和/或间接附接到载物台元件230的机动元件提供的位置控制中，钻机210、检测器220和可选的工具递送元件240中的每一者都可以沿着三条线性轴线(X、Y、Z)平移和/或沿着三条角度轴线(θx、θy、θz)中的至少两者平移，以将装置部件定位在受试者280处。

检测器220可以是或包括例如干涉测量装置，诸如OCT系统或其部件，其中系统的探针222可操作地联接到OCT基站250，在该OCT基站处可以收集和处理光信号。合适的OCT系统的示例是OCT系统(ThorLabs)。该系统进一步包括处理器260，该处理器可操作地连接到钻机210、检测器220和可选的工具递送元件240中的每一者，并且可选地连接到OCT基站250。

钻机210可以可选地包括一个或多个传感器214。传感器214可以是被配置成检测在钻孔期间施加在钻头上的压力的背压传感器或者被配置成检测由该钻机的致动器施加的扭矩的扭矩传感器。可选地，背压传感器和扭矩传感器两者可以被包括在该装置中。

图2中示出了示例性外科装置300。该装置包括外壳302，钻机310和检测器320设置在该外壳内。钻机310包括钻头312。钻头312可以可移除地联接到钻机310，使得装置的操作者可以使用不同尺寸的钻头。检测器320可以被配置成接收或容纳组织检测传感器，诸如OCT探针。例如，光缆可以穿过检测器引导件324，如在图6和图7A至图7B中进一步示出和描述。替代地，光学检测器可以集成在检测器引导件342内，如图15A至图15B中进一步示出。钻机元件310和检测器元件320元件在本文中替代地称为钻机单元和检测器单元。

钻机单元和检测器单元可以独立地致动，以便分别将钻头和组织检测传感器插入由钻头产生的钻孔中和从中移除。例如，如图2所示，钻机单元310和检测器单元320被设置在载物台元件330上。这些单元可以经由旋转联接件334可释放地联接到载物台元件，以使得能够在靠近机动框架340的位置处在钻机310与检测器320之间进行切换，这些单元可以从该位置与框架的部件接合。

图3中示出了载物台元件330的示例性配置。载物台元件330包括端口334、338以提供对每个单元的直通接入，诸如可能需要连接到每个单元的线材、电缆等。虽然载物台元件在图2和图3中被示出为仅包括两个单元，但是附加单元可以被包括在装置中。例如，可以包括附加端口336以针对附加工具提供对单元的连接接入。如图所示，载物台被配置成围绕弧旋转以提供活动单元的切换；然而，其他配置也是可能的。例如，载物台可以被配置成作为凸轮围绕单个点旋转，或者线性移动。载物台的移动可以由致动器(诸如马达或气动装置)控制，或者可以手动控制。载物台可以包括用于与单元接合的连接元件337。

返回图2，机动框架340可以包括可以沿着导螺杆344平移的联接元件342和马达346。将钻机单元310和检测器单元320中的一者定位成最靠近机动框架可以使得所选择的单元能够朝向位于装置的基座处的外科端口304平移。每个单元可以包括用于与机动框架的联接元件342接合的互补联接元件(即，钻机联接元件314和检测器联接元件326)。

如图4进一步所示，示出钻机单元320作为示例，每个单元可以与载物台元件330和机动框架340两者可释放地联接。例如，钻机单元320可以包括钻机-载物台联接元件317和钻机-框架联接元件314。载物台330可以包括与钻机-载物台联接元件317互补的联接元件333。类似地，机动框架联接元件342可以与联接元件314、326互补，以用于接合钻机单元和检测器单元。联接元件可以包括例如磁体、夹具、机械联接件、干涉附件等。如图所示并且例如，联接元件317和333磁性地接合，并且联接元件342包括轨道343，该轨道被配置成与联接元件314的突起315接合。如图所示，联接元件342是被配置成沿着导螺杆344平移的螺母。致动器346可以驱动导螺杆以控制联接元件342的近侧和远侧平移。导螺杆344在装置的近端处可以由端部支撑件345保持并且在装置的远端处可以由端部支撑件346保持。致动器346可以是例如马达或气动装置。图4还示出了与钻机相关联的致动器316和传感器318。

图5中进一步示出了钻机单元320。如图所示，钻机部件(即，钻头312、致动器316和传感器318)可以通过保持元件319a、319b保持在联接元件314内。钻机部件可以可释放地保持在钻机单元内。钻头联接器313可以提供钻头312与致动器316的牢固联接。传感器318可以是例如被配置成检测在钻孔期间施加在钻头上的压力的背压传感器或者被配置成检测由该钻机的致动器施加的扭矩的扭矩传感器。可选地，背压传感器和扭矩传感器两者可以被包括在钻机单元中。如图所示，传感器318邻接致动器316；然而，传感器可以替代地偏离致动器。

图6中进一步示出了检测器单元320。如图所示，检测器引导件324可以包括孔口328，光缆可以穿过该孔口并被保持。检测器联接元件326包括用于与机动框架的联接元件342接合的突起325。检测器引导件324可以通过保持元件329a、329b保持在联接元件326内。检测器引导件可以可释放地保持在检测器单元内。检测器引导件还可以用作用于接受治疗或诊断装置的底盘。用于接受各种组织检测传感器、治疗装置和诊断装置的两个或更多个检测器引导件和/或底盘可以被包括在装置300中。

检测器引导件的内部构造的示例在图7A和图7B中示出。检测器引导件324A提供了输入端口328和输出端口378，并且包括定心元件372，每个定心元件可以限定孔口374以将例如光缆或导管定向到装置的中心。检测器引导件324A进一步包括推进/缩回元件376，诸如螺纹夹具。推进/缩回元件可以使得例如光缆或导管能够推进和/或旋转通过检测器单元。

检测器引导件324B包括作为推进元件的辊375，这些辊可以提供通过例如光缆或导管的检测器单元的线性移动和引导。推进/缩回元件375、376可以包括例如橡胶、弹性体或其他柔性、耐久材料，以与穿过检测器引导件324的工具接合。

检测器引导件324可以允许组织检测探针或其他器械(例如，导管、针等)在连续方向上(例如，以恒定或变化的速度)或者在改变的方向(例如，用于推进和缩回的近侧和远侧方向)上线性地移动通过系统和/或具有变化的旋转量。基于旋转和线性移动的组合，组织检测探针或其他器械可以穿过单元进行螺旋或来复(rifling)移动。螺旋或来复移动可以提供改进探针或其他器械在期望组织中的放置。

钻头312可以被配置成进入骨头(例如，人类骨头)并且可以具有约200μm至约2mm的直径。钻头312可以具有被配置成用于钻出至少约7mm(例如，约7mm至约15mm)或至少约15mm(例如，约15mm至约20mm)的深度的长度。钻头312可以具有被配置成钻出例如5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、11mm、12mm、13mm、14mm和15mm中的任一个的深度的长度。该钻头可以由钛、不锈钢或任何其他足够坚固和坚硬的材料制成以钻穿骨头，同时保持结构完整性、抵抗偏转和/或提供头部消散以便在钻孔期间灼烧组织。

检测器单元和/或可选的附加工具单元可以被配置成用于在已完成钻孔之后选择性地致动治疗或诊断装置。可以与装置200、300一起使用的治疗和诊断装置的示例包括插管(例如，针、导管、套管针等)、电灼元件、电探针、颅内压传感器、活检装置以及激光消融装置。这种治疗和诊断装置可以可移除地接收在检测器单元或附加工具单元内。例如，在完成钻孔并确定组织特性后，可以从检测器单元移除组织传感器并且可以插入治疗或诊断装置。因此，装置110、200、300可以提供治疗/诊断装置在由钻头产生的钻孔中的插入和移除。

外科装置500的另一示例性配置在图13和图14中示出。外科装置500包括具有钻头512的钻机510和具有组织检测传感器522的检测器520。钻机510和检测器520设置在与机动框架540接合的载物台元件530上。机动框架540可以包括可滑动元件542、544和546，这些可滑动元件可以由一个或多个致动器548(例如，马达、气动装置)致动，以在将钻头510和检测器520放置在受试者处的限定位置处时提供三个自由度(x、y、z)。钻机和检测器可以独立地致动，以将钻头512和组织检测传感器522插入由钻头产生的钻孔中和从中移除。如图所示，一个或多个致动器516可以被包括在钻机单元510中，以致动钻头512的线性和旋转移动。至少一个致动器525可以被包括在检测器单元520中以致动传感器电缆523(例如，光纤电缆，或者可选地，另一工具，诸如导管)的线性和旋转移动。

检测器620的示例在图15A和图15B中示出。检测器620可以包括外部屏蔽件624或引导件，电缆650可以穿过该外部屏蔽件或引导件进行设置。电缆650与探针622可操作地布置。可选地，可以包括附加屏蔽件652。检测器620可以是OCT装置或包括OCT装置的一部分，其中，探针622包括光学孔口并且电缆650包括光缆。检测器620可以替代地包括其他类型的传感器。例如，探针622可以是用于电记录和/或电刺激的电探针，其中电缆650提供到检测器的外部部件的电连接。在另一示例中，探针可以包括组织样本端口，并且穿过检测器设置的电缆可以包括插管，通过该插管可以施加真空以收集组织样本。

探针522、622的直径可以小于钻头512的直径，使得探针可以插入由钻头钻出的钻孔中。可选地，探针522、622可以包括插管，诸如针，以向探针的暴露部分的至少一部分提供刚性或支撑。

当检测器或检测器单元包括OCT探针时，探针可以是梯度折射率(GRIN)棒。探针可以可选地包括一个或多个电流计，该一个或多个电流计能够以受控角度将光引导到GRIN棒的后孔口中，从而允许控制光离开GRIN棒的角度。可以以能够在GRIN棒的远侧上形成图像的方式扫描光从GRIN棒的离开角度。

OCT探针可以包括光纤。在示例中，OCT探针可以包括具有GRIN透镜的光纤(例如，Miniprobes(南澳大利亚)的成像针、Agiltron有限公司(马萨诸塞州沃本市)的光纤尖端)。可以执行一组校准实验以确定对应于光纤或光纤-GRIN透镜组件的传递函数。OCT探针可以可选地包括数字微镜装置(DMD)、空间光调制器(SLM)，或者可以根据空间位置来控制进入光纤的后孔口的光的幅度和/或相位的其他光操纵装置。DMD和/或SLM可以用于改变从OCT探针的前孔口离开的光的角度，从而允许形成图像。

可选地，光可以以一定角度从OCT探针射出。例如，如果OCT探针是在其前孔口处具有GRIN透镜的光纤，并且如果GRIN透镜被配置成使得光能够相对于光纤的轴线以固定角度离开，则可能发生这种情况。OCT探针可以能够旋转。通过在轴向方向上平移OCT探针并旋转OCT探针，可以获得3D图像。

在示例中，检测器(例如，检测器220、320、520)包括单模光纤，该单模光纤包括GRIN透镜。在另一示例中，检测器包括多模光纤，并且在检测器单元的外部以及在光纤的近端处包括DMD或SLM，以改变在光纤的远端处发射的光的焦平面。检测器的探针可以包括一根或多根光纤的至少远侧部分。

如图13和图15所示，该装置包括钻机单元510和检测器单元520。可选地，该装置可以扩展成包括附加的可变工具单元。替代地或另外，检测器单元520可以提供电缆523的移除，并且可以允许利用致动器525插入和缩回治疗或诊断装置。治疗/诊断装置的直径可以小于钻头512的直径，使得装置可以插入由钻头形成的钻孔中。

可选地，附加工具单元或治疗/诊断装置可以包括被包封在插管(例如，针)中以便提供刚性的传感器。例如，附加工具可以是设置在26号针内的压力传感器。附加工具可以是以下任意工具：电灼系统、用于电记录或刺激的探针、活检穿孔器、导管、用于抽取CSF的工具(诸如针和抽吸器)、激光消融系统、化学传感器(诸如氧传感器)和微透析探针。

虽然图2至图4和图13至图14中所示的装置配置被示出为替代配置，但是应当理解，可以组合每一者的特征或部件。例如，检测器单元320可以包括类似于随检测器单元520一起所示的内部配置(例如，包括致动器525以提供推进/缩回)。在另一示例中，载物台元件330可以包括与随载物台530一起所示的特征类似的特征以提供附加的移动程度(例如，可滑动元件542、544、546)，和/或包括致动器548以实现载物台的移动。

外科装置(例如，装置300、500)可以进一步包括组织接口或联接元件，如图18所示，并且应用于例如装置300。组织接口380可以包括刚性插管382和切割表面384。组织接口380可以接触患者(例如，患者的头皮)并且可以切穿位于骨头外部的组织(例如，颅骨外部的组织)。钻机、组织检测传感器以及可选地治疗/诊断装置可以行进穿过组织接口380的插管部分382。组织接口可以消除对手术刀切口的需要，并且可以有利地提供穿过患者的外部组织层的一致且相对小尺寸的切口。组织接口380还可以将外部环境与手术部位隔离开，并且在钻头从外科装置行进至患者时提供对钻头的保护。插管可以是钻机可以行进穿过的针(例如，20号针)。组织接口可以在整个程序中保持连接到外科装置300，或者组织接口可以与装置300分离但保持附接在患者身上，例如以便为操作者提供置换外科装置的工具同时保持手术部位的完整性的能力。

控制器(即，一个或多个处理器)可以可操作地联接到装置110、200、300并且被配置成：致动钻机以钻穿骨头，致动钻机以将钻头从钻孔缩回，致动检测器以将组织检测传感器插入钻孔中，以及基于来自组织检测传感器的感测信号来确定在钻孔的远侧位置处的组织特性。

对组织特性的确定可以包括对在远侧位置处或附近的解剖结构的变化的确定、对在远侧位置处或附近的血管的存在的确定、对在远侧位置处的组织层的厚度的确定和/或对在远侧位置处的组织层的密度的确定。对组织特性的确定可以告知进一步钻孔，或者可以告知钻孔位置对于推进治疗或诊断装置的适合性。

组织检测感测可以通过干涉测量法来执行，包括例如光学相干断层扫描。作为组织检测器的一部分而包括的干涉测量装置可以在与生物组织相互作用时提供对基于光、无线电或基于声音的波的检测。当组织检测器是OCT探针时，可以通过计算散斑方差来检测血管。散斑方差成像在本领域中是公知的并且可以用于功能成像，诸如用于血流的检测。使用散斑方差方法来检测血流可以用于检测血管的存在或者测量组织中的血管化程度。OCT还可以用于其他组织表征，诸如组织的密度，如例如图20的图像所示。

在所提供的外科装置中，除OCT之外或与OCT结合的其他干涉测量装置和方法可以用于检测组织特性。例如，检测器(例如，检测器220、320、520)可以包括干涉测量装置，该干涉测量装置包括固定参考、固定波长激光器和固定焦距探针。探针的平移可以用于使用干涉测量方法来检测组织边界。

该装置可以用于钻入生物组织中，其中如果钻头遇到血管，则会对该组织造成风险。图16和图17中示出了操作装置110、200、300、500的示例性控制范例和方法。

如图16所示，控制器(例如，控制器260)可以被配置成致动钻头以固定的量下降到组织中，例如，对应于不存在遇到血管的风险或遇到血管的风险最小的距离的量(项702)。然后可以缩回钻头(项704)，并且可以将检测器(例如，OCT探针)插入由钻头产生的孔或钻孔中(项706)，例如，插入深度略小于钻头已插入的深度。OCT探针然后可以执行测量以确定组织特性(项708)，例如用于检测血管的存在的OCT图像，然后可以缩回。如果检测到血管(项712)，则可以终止在该位置处的钻孔(项714)，并且系统可以移动到替代位置并重新开始钻孔过程(项716)。如果未检测到血管，并且如果尚未达到期望的钻孔深度(项718)，则可以缩回检测器(项720)，重新插入钻头(项722)，并且可以进行附加距离的钻孔(项724)。可以选择附加距离，使得在所选择的距离内遇到血管的风险最小，这可以基于OCT探针测量来确定。该过程可以自身重复进行，直到OCT探针检测到血管的存在或者直到钻机达到期望深度为止。一旦达到期望深度，可选地，可以插入附加的工具(例如，诊断或治疗装置)(项726)。

对于某些解剖结构来说，期望深度可能是未知的。相反，可以操作该装置，使得钻机(或工具)继续行进，直到到达特定的组织类型。由OCT探针执行的测量可以用于确定钻机是否已到达期望的组织类型。例如，在使用钻机穿透颅骨的情况下，OCT既可以用于检测潜在的血管，也可以基于骨头和颅下组织的光学特性的差异来确定钻机何时已穿透颅骨。

替代地或另外，可以进行背压感测自动化钻孔。具体地，与钻机的致动器处于可操作布置的背压传感器和/或扭矩传感器可以用于测量在钻孔过程中施加在钻头上的反作用力(例如，在0至1N、0至3N或0至10N的范围内)。背压感测可以用于确定何时应停止钻头。具体地，背压的突然下降可以对应于“穿透”事件，其中，钻头正从刚性组织移动到刚性较小的组织，在这种情况下，可能存在碰到血管的更大风险。

如图17所示，控制器(例如，控制器260)可以被配置成致动钻机(项801)并连续地或周期性地监测来自背压和/或扭矩传感器的读数(项804)以确定何时缩回钻头(项806)并插入检测器(例如，OCT探针)(项808)。简而言之，只要钻机没有达到期望的深度或遇到期望的组织类型，控制器就可以继续监测来自背压传感器的读数，以便发现背压突然下降的迹象。当检测到这种下降时，可以缩回钻机，并且可以将OCT探针插入到比钻机已经插入的深度略小的深度。OCT探针然后可以执行测量(项810)。如果没有检测到血管，并且如果尚未达到期望的深度或组织类型(项812)，则可以重新插入钻头并且可以继续钻孔。如果检测到血管，则控制器可以被配置成终止钻孔并将装置移动到新的位置(项816)。如果没有检测到血管，并且如果已经达到期望的深度或组织类型，则可以插入诊断或治疗装置(项818)。

可选地，当检测到背压高于阈值(项804)时，钻机可以在不旋转的情况下推进通过预定距离(项820)，该预定距离可以基于正在钻孔的组织的解剖学特性来确定，并且可以进一步监测背压以便恢复到高于阈值的值(项822)。例如，当被钻孔的组织是颅骨时，预定距离可以被选择为等于或小于颅骨中常见的空隙的平均尺寸。如果在钻头被推进通过预定距离之前钻头上的背压没有恢复到可接受水平，则可以缩回钻头，并且可以将OCT探针插入到比钻头已经插入的深度略小的深度。OCT探针然后可以执行测量。如果没有检测到血管，并且如果尚未达到期望的深度或组织类型，则可以重新插入钻头并且可以继续钻孔。

图8中示出了用于系统100的示例性软件架构400。如图所示，主软件410与组织检测软件420、控制软件430和马达软件440接口连接。主软件410可以基于从用户输入接收到的信息和从组织检测软件420、控制软件430和马达软件440接收到的反馈来确定动作和流程。

图9中示出了用于控制软件430的示例性架构。控制软件可以包括各种状态和反馈回路，以控制钻机和附接到载物台的任何单元的移动。基于对压缩负荷传感器的输出和钻机马达的扭矩进行的计算，控制软件可以向马达软件发送适当的命令或者向主软件发送反馈。当确定骨头已被完全钻孔时，控制软件可以发送“停止钻孔”命令并实现将钻孔单元从受试者身上移除。控制软件可以可选地使用除了压缩和扭矩之外的其他数据，诸如电阻率、温度、光折射、光吸收或拉力，以确定骨头的穿透。

控制软件430的示例性模块C1至C9可以包括以下项中的任一者或全部的任何组合：(C1)待命，等待任何命令；(C2)传感器校准；(C3)到达要钻孔的受试者的表面；(C4)检测受试者的表面并开始钻孔；(C5)钻孔；(C6)验证/检查是否已发生穿透；(C7)移动至OCT模式；(C8)移动至针(或其他工具)模式，或者重置下一孔的参数；(C9)紧急停止。图中提供了星号(*)，其中如果未确认穿透，则返回钻孔。

图10中示出了用于马达软件440的示例性架构。马达软件可以包括与装置的三维运动相关的各种状态和循环，包括将每个单元定位在载物台上、将每个单元移动到活动位置以及单元的线性移动。可以可选地添加和移动附加单元。当用户想要控制装置时，马达软件可以运行由主软件发送的命令，或者当操作自动化时，可以运行由控制软件发送的命令。马达软件也可以由主软件和控制软件两者基于可用的数据在任何时间停止。

马达软件440的示例性模块M1至M8可以包括以下项中的任一者或全部的任何组合：(M1)待命，等待任何命令；(M2)向下移动钻机(即，沿近侧方向)；(M3)向上移动钻机(即，沿远侧方向)；(M4)返回原点；(M5)停止并等待控制软件命令；(M6)移动至OCT探针位置；(M7)移动至针位置；(M8)去往下一登记的坐标。

图10中示出了用于组织检测软件420的示例性架构。组织检测软件可以包括利用光学相干断层扫描来捕获一个或多个图像、基于捕获图像来执行图像处理和计算、为图像分配数值或值的范围以及基于值或值的范围来识别组织材料，然后保存，并且将该数据提供给主软件以便在控制器108上显示。捕获的图像也可以在控制器108上实时共享。图像和计算可以与从其他技术(包括视觉(例如，光折射)、电和热技术)获得的数据相结合。

组织检测软件420的示例性模块I1至I6可以包括以下项中的任一者或全部的任何组合：(I1)开始扫描并获取原始数据；(I2)将原始数据预处理为相位和强度数据；(I3)处理数据并提取特征；(I4)分类；(I5)保存数据；(I6)返回反馈。

所提供的自动化钻孔装置可以用于在材料中钻孔，其中可能重要的是避免与携带在OCT信号中产生散斑方差信号的颗粒的流体通道接触。这种用途的一个示例是钻穿骨头或其中血管可能位于骨头的远侧上的其他组织。刺破的血管可能会造成医疗并发症。所提供的装置可以可选地在没有颅骨成像的情况下使用，其中，血管检测提供对安全进入点的确定。例如，在无法获得患者的高分辨率计算机断层扫描或磁共振血管造影的情况下和/或在其中不可能或不希望将患者放置在允许将钻孔装置与预先存在的血管造影相配准的立体定向框架中的情况下，可以使用自动化钻孔装置来钻穿颅骨。

传统上，外科医生会在患者的颅骨中钻孔或以其他方式切除部分颅骨，这依靠他们自己的视力来避开主要血管。在使用这种技术时，孔可能必须足够大，以便人可以透过它进行查看。当钻较小的孔(诸如用于激光间质热疗或立体定向EEG电极放置的那些孔)时，通常会对照术前或术中CT或MR成像来仔细规划轨迹。在术前规划以避开大血管后，在没有能力将可能遇到的较小血管可视化(因为血管在成像上可视化不佳，或因为术前规划与实际轨迹之间存在微小偏差)的情况下，通常盲法进行程序。通过将OCT探针或其他组织检测传感器合并到钻孔装置中、特别是与背压感测相结合，可以避开血管并且可以钻出相对较小的孔。这种布置具有多个优点，其中较小的孔不易感染并且更容易愈合，并且其中当患者已钻出较大的孔时对患者造成的创伤较小。

一旦已经钻出孔或钻孔，就可以将附加工具插入孔中以用于诊断、治疗或其他医疗目的。

例如，在意识水平下降的创伤患者的情况下，可以将压力探针插入钻出的孔中以监测颅内压。在临床实践中，颅内压监测器通常由神经外科医生在床边手术期间使用直径几毫米的钻机插入，并且盲法进行钻孔和传感器插入。由于程序的盲法性质，需要进行培训才能安全地执行程序，并且外科医生很难检测到出血或传感器错位。所提供的显微外科装置可以允许直接可视化探针放置的位置，并且还可以允许更准确地放置探针，包括足够小以至于将难以实现手动放置、特别是难以精确放置的探针。

由于外科装置和系统可以以自动化或半自动化方式操作，因此神经外科医生或其他合格的临床医生可以远程监测装置的使用。

在另一示例中，在患者需要将药物递送到位于骨头(诸如颅骨)后的组织的情况下，可以使用所提供的装置来插入针，然后进行钻孔和组织检测程序，以将药物精确地注射到颅内空间中，诸如硬膜下腔、蛛网膜下腔、薄壁组织或脑室空间。可以通过这种方式注射的药物的示例包括病毒载体、反义寡核苷酸、抗体、蛋白质、小分子、化疗药物和通常不穿过血脑屏障的其他药剂。为了在大脑中达到治疗效果，一些抗生素或抗真菌剂需要具有全身毒性的剂量，并且因此在没有脑室内引流管或手术植入的储液器的情况下无法达到期望的全部治疗浓度。此外，已注意到腰椎与脑室CSF之间的药物浓度不同(例如，腰椎CSF中可能出现了治疗药物浓度，而在脑室空间中检测不到药物)。更进一步，人们想要递送到大脑的许多药物(例如，一些生物制品、病毒)无法大量获得或者制造成本昂贵，因此直接递送到大脑可以将所需的量减少几个数量级。例如，对于一些应用，病毒治疗通常经由开颅手术和颅内注射来递送，如神经胶质瘤的临床试验中的治疗。此外，许多药物在递送至整个大脑或全身时会产生严重的副作用，因此空间局部递送可以减少给定治疗剂量的副作用。例如，有毒的抗真菌药物可能只有在感染部位附近处于高浓度时才能效果好。在感染部位附近直接给药可以降低毒性，同时允许药物在需要时达到适当的治疗剂量。鞘内给药化疗药物(诸如甲氨蝶呤)也有类似的问题，其中经由腰椎穿刺给药导致浓度的变化明显大于直接颅内给药。

在进一步的示例中，针、导管或活检穿孔器可以通过所提供的外科装置来递送并且可以用于提取组织或CSF以用于诊断目的。以这种方式获得固体或液体活检提供了几个优点。首先，硬脑膜正在成为临床相关的免疫隔室。与疾病相关联的特定免疫单元以及参与疾病反应的细胞因子可能存在于脑CSF中，并且不存在于腰CSF中。此外，对于脑脊液的取样，已经确定脑CSF的某些方面与脊椎CSF不同。一些情况可以指示从腰大池取样，而其他情况将指示从颅CSF取样。此外，由于程序中的不适、术后头痛和其他并发症，患者普遍避免进行腰椎穿刺，并且儿科患者可能需要全身麻醉。一些疾病(诸如成神经管细胞瘤、儿童最常见的恶性脑肿瘤)可以使用CSF取样进行监测，但此类技术的使用受限于可以合理执行的CSF取样的频率。最后，对颅CSF进行取样的能力可以能够评估蛛网膜下腔中的药物浓度，这在临床上有利于确保治疗剂量，但由于难以进入该空间，目前尚未常规地进行。对于某些疾病的治疗，诸如真菌CNS感染，专家得出结论，CSF药物浓度取样对于改善该群体的治疗至关重要。

在又一示例中，对于需要深部脑刺激的患者，可以通过所提供的外科装置插入探针来进行电刺激或记录。非侵入式EEG的分辨率为厘米级并且信号不佳。另一方面，硬膜外和硬膜下ECoG具有毫米级或更好的分辨率，并且ECoG可以实现比EEG高20倍至100倍的信号。此外，对单个神经元的记录仅能够通过侵入式微电极来实现。然而，ECoG和颅内微电极在实践中很少应用，因为此类装置的外科放置具有高度侵入性。所提供的外科装置可以使电极能够插入硬膜外或硬膜下水平，从而实现与硬膜外或硬膜下电极类似的性能，但是以微创形式实现。因此，这些测量方式可以更快地执行并且用于更广泛的适应症。根据技术规范，电记录可以在颅骨内(类似于硬膜外ECoG)、硬脑膜下方(硬膜下ECoG)或脑组织中进行。

与电记录相结合，对大脑的微创刺激具有广泛的适用性。在难治性癫痫中，ECoG记录可以用于检测癫痫发作并触发刺激以破坏癫痫发作活动(反应性神经刺激)。也正在针对越来越广泛的适应症研究诸如tACS、tDCS和时间干扰等方式。示例包括增强中风或创伤性脑损伤后的运动恢复、ALS康复的认知调节以及神经发育障碍(例如，自闭症谱系)的治疗。所提供的装置和方法解决了与这些系统相关联的若干挑战。用于反应性神经刺激的系统目前是经由开颅手术植入，并且反而可以使用所提供的技术递送到大脑表面，从而使此类神经刺激系统更适用于患者。非侵入性刺激范例受到副作用的限制，诸如因刺激头皮中神经而引起的疼痛和不适，并且尚不清楚到达大脑深处区域的电流密度是否足以用于刺激。经颅刺激系统可以实现更高的场强，同时减少不适。该领域的研究人员乐观地认为，在大脑表面上使用电极进行刺激可以产生提高的精确度和功效，从而增加该技术的临床实用性。此外，这些范例可能需要长期使用，这有利于可植入系统。

范例

示例1.临床前测试结果

对活兔进行了一系列临床前实验，以开发和测试外科系统的硬件、电子器件和软件。当穿过兔子颅骨自动钻孔时，形成并验证了使用负荷传感器(用来测量施加到钻头上的力)和钻孔马达扭矩的方法。在测试期间获得的示例性数据输出在图19中示出。应用于力反馈的阈值被用于识别颅骨钻孔的开始并且用于检测钻孔的完成(以及钻头的自动停止和移除)。

示例性组织特性检测数据在图20中示出，其包括从原型装置的OCT探针捕获的图像。从该数据清楚地看出，成像的穿透深度取决于组织的密度，从而使得能够清楚地区分血管、大脑材料(皮质)和骨头(颅骨)。

Claims (41)

1.一种用于自动化钻孔的外科装置，包括：

钻机，该钻机包括被配置成钻穿骨头的钻头；

检测器，该检测器包括组织检测传感器，该钻机和该检测器可独立地致动以将该钻头和该组织检测传感器插入由该钻头产生的钻孔中和从中移除。

2.如权利要求1所述的外科装置，其中，该钻机和该检测器设置在载物台元件上并且被配置成用于选择性地附接到机动框架。

3.如权利要求1或权利要求2所述的外科装置，其中，该组织检测传感器是光学探针。

4.如任一前述权利要求所述的外科装置，进一步包括背压传感器，该背压传感器被配置成检测在钻孔期间施加在该钻头上的压力。

5.如任一前述权利要求所述的外科装置，进一步包括扭矩传感器，该扭矩传感器被配置成检测由该钻机的致动器施加的扭矩。

6.如任一前述权利要求所述的外科装置，其中，该钻头的直径小于约1mm。

7.如任一前述权利要求所述的外科装置，其中，该钻头的长度被配置成用于钻到至少约7mm的深度。

8.如任一前述权利要求所述的外科装置，进一步包括工具底盘，该工具底盘被配置成可移除地接收治疗或诊断装置并且允许该治疗或诊断装置的至少一个部件的独立致动，以便插入由该钻头产生的钻孔中和从中移除。

9.如权利要求8所述的外科装置，其中，该治疗或诊断装置选自以下各项：插管、电灼元件、电探针、压力传感器、活检装置以及激光消融装置。

10.如权利要求8所述的外科装置，其中，该工具底盘被配置成可移除地接收该检测器和该治疗或诊断装置。

11.一种用于自动化钻孔的外科系统，包括：

如权利要求1至10中任一项所述的外科装置；以及

控制器，该控制器被配置成：

致动该钻机以钻穿骨头；

致动该钻机以将该钻头从该钻孔缩回；

致动该检测器以将该组织检测传感器插入该钻孔中；以及

基于来自该组织检测传感器的感测信号来确定在该钻孔的远侧位置处的组织特性。

12.如权利要求11所述的外科系统，其中，对该组织特性的确定包括对在该远侧位置处或附近的解剖结构的变化的确定。

13.如权利要求11或权利要求12所述的外科系统，其中，对该组织特性的确定包括对在该远侧位置处或附近的血管的存在的确定。

14.如权利要求11至13中任一项所述的外科系统，其中，对该组织特性的确定包括对在该远侧位置处的组织层的厚度的确定、对在该远侧位置处的组织层的密度的确定或它们的组合。

15.如权利要求11至14中任一项所述的外科系统，其中，该控制器进一步被配置成基于由该背压传感器检测到的压力、由该扭矩传感器检测到的扭矩或它们的组合来检测该钻头从刚性较大的组织穿透到刚性较小的组织。

16.如权利要求15所述的外科系统，其中，该控制器被配置成基于所检测到的穿透来停止该钻头的钻孔。

17.如权利要求11至16中任一项所述的外科系统，其中，该控制器被配置成致动该载物台元件以便将该钻机和该检测器选择性地附接到该机动框架。

18.如权利要求17所述的外科系统，其中，该控制器进一步被配置成致动该机动框架的平移以将该钻机和该检测器中的一者设置在该钻孔处。

19.如权利要求11至18中任一项所述的外科系统，其中，该控制器进一步被配置成致动该检测器穿过该钻孔的线性移动、旋转移动或它们的组合。

20.如权利要求11至19中任一项所述的外科系统，其中，该控制器进一步被配置成致动治疗或诊断装置的部件穿过该钻孔的线性移动、旋转移动或它们的组合。

21.如权利要求20所述的外科系统，其中，该控制器进一步被配置成致动该框架的平移以将该治疗或诊断装置设置在该钻孔处。

22.一种自动化钻孔方法，包括：

利用包括钻头的钻机在骨头中钻出钻孔；

将该钻头从该钻孔移除；

利用包括组织检测传感器的检测器将该组织检测传感器插入该钻孔中；以及

基于来自该组织检测传感器的感测信号来检测在该钻孔的远侧位置处的组织特性，该钻机和该检测器可独立地致动以将该钻头和该组织检测传感器插入由该钻头产生的钻孔中和从中移除。

23.如权利要求22所述的方法，进一步包括平移其上设置有该钻机和该检测器的载物台元件，以将该钻头和该组织检测器传感器中的一者选择性地附接到机动框架，以将该钻头和该组织检测器中的一者设置在该钻孔处。

24.如权利要求22或权利要求23所述的方法，其中，检测该组织特性包括确定以下各项中的至少一项：在该远侧位置处或附近的血管的存在、在该远侧位置处或附近的解剖结构的变化、在该远侧位置处的组织层的厚度以及在该远侧位置处的组织层的密度。

25.如权利要求24所述的方法，其中，该确定是基于干涉测量法。

26.如权利要求22至25中任一项所述的方法，进一步包括检测在钻孔期间施加在该钻头上的压力的变化以及由该钻机的致动器施加的扭矩的变化中的至少一者。

27.如权利要求26所述的方法，进一步包括基于所检测到的压力变化、所检测到的扭矩变化或它们的组合来检测该钻头从刚性较大的组织穿透到刚性较小的组织或从刚性较小的组织穿透到刚性较大的组织。

28.如权利要求26或权利要求27所述的方法，进一步包括基于所检测到的压力变化、所检测到的扭矩变化或它们的组合来停止钻孔。

29.如权利要求22至28中任一项所述的方法，进一步包括致动该检测器以将该组织检测传感器从该钻孔移除，并且致动治疗或诊断装置以将该治疗或诊断装置的至少一个部件插入该钻孔中。

30.如权利要求29所述的方法，其中，该治疗装置是插管，并且该方法进一步包括经由该插管将药物递送到在该钻孔中或远侧的位置。

31.如权利要求29所述的方法，其中，该治疗装置是电灼系统，并且该方法进一步包括烧灼在该钻孔中或远侧的位置处的组织。

32.如权利要求29所述的方法，其中，该治疗装置是激光消融装置，并且该方法进一步包括消融在该钻孔中或远侧的位置处的组织。

33.如权利要求29所述的方法，其中，该诊断或治疗装置是电探针，并且该方法进一步包括在该钻孔中或远侧的位置处进行电记录和电刺激中的至少一者。

34.如权利要求33所述的方法，其中，该电刺激是深部脑刺激。

35.如权利要求33所述的方法，其中，该电记录是癫痫患者的大脑活动。

36.如权利要求29所述的方法，其中，该诊断装置是活检装置，并且该方法进一步包括从在该钻孔中或远侧的位置获得组织样本。

37.如权利要求29所述的方法，其中，该诊断装置是插管，并且该方法进一步包括从在该钻孔中或远侧的位置提取组织或流体。

38.如权利要求29所述的方法，其中，该诊断装置是颅内压传感器，并且该方法进一步包括从在该钻孔中或远侧的位置测量颅内压。

39.一种操作如权利要求1至10中任一项所述的外科装置的方法，包括：

致动该钻机以钻穿骨头；

致动该钻机以将该钻头从该钻孔缩回；

致动该检测器以将该组织检测传感器插入该钻孔中；以及

基于来自该组织检测传感器的感测信号来确定在该钻孔的远侧位置处的组织类型。

40.如权利要求39所述的方法，其中，该骨头是颅骨。

41.如权利要求39所述的方法，其中，该骨头是椎骨。