TWI636766B - 鑽孔控制裝置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

一種鑽孔控制系統，包括一鑽孔設備及一用來控制該鑽孔設備的控制單元。鑽孔設備包括一手術工具、一可驅動該手術工具的鑽孔馬達、一偵測力學資訊的力學感測器、一用於接收一輸出控制信號且可偵測主軸資訊的機械臂組件及一安裝該機械臂組件的操作台。該控制單元連接一空間傳感系統。所述控制單元存儲有生物力學資訊，並根據從力學感測器產生的力學資訊、空間傳感系統產生的空間資訊及主軸資訊產生一鑽孔資訊。所述控制單元還根據生物力學資訊及鑽孔資訊計算得出偏差指標及根據所述偏差指標向鑽孔設備發送輸出控制信號。本發明還提供一種鑽孔控制方法。

Description

鑽孔控制裝置及控制方法
本發明涉及一種鑽孔控制裝置及控制方法，尤其涉及一種外科手術中的鑽孔控制裝置及控制方法。
組織穿刺是一項重要的外科手術，例如在軟組織生檢、腰椎穿刺、骨髓生檢、顱骨造孔或骨造孔術等處可見應用。骨造孔術則常被應用在骨科與神經外科等領域。骨科手術中，鑽孔機常由手術醫生使用在骨頭上鑽孔以安裝螺釘，用於內固定、外固定、人造關節的替換、脊柱融合及脊柱固定等。例如，椎弓根螺釘植入是風險很高的外科手術，原因在於脊椎（如頸椎，胸椎和腰椎）的椎弓根很小且神經組織距離脊椎的椎弓根很近。例如，後腰椎間融合（PLIF）手術。
常規的手術需要完整的手術前評估和規劃來確定鑽孔位置和軌跡。然而，在手術切口有限的情況下，手術醫生只能透過表面解剖學來識別鑽孔軌跡，例如需要重複螢光成像以確認鑽孔軌跡。不僅將手術醫生和患者暴露在不必要劑量的X射線的環境中，而且手術過程的不準確性仍未解決。許多具有圖像引導功能的醫療儀器透過可視鑽孔機的位置來幫助手術醫生。儘管如此，鑽孔過程在很大程度上取決於手術醫生對鑽孔機的操作經驗，並且失誤事件難以在發生前由手術醫生偵測得知。在某些關鍵的外科手術中，誤差往往會導致患者不可逆轉的損傷。
因此，為手術醫生提供精確控制鑽孔過程的系統或方法將是非常有必要的。
鑒於以上內容，有必要提供一種精確控制鑽孔過程的鑽孔控制系統及控制方法。
一種鑽孔控制系統，包括一鑽孔設備及一用來控制該鑽孔設備的控制單元。鑽孔設備包括一手術工具、一可驅動該手術工具的鑽孔馬達、一偵測力學資訊的力學感測器、一用於接收一輸出控制信號且可偵測主軸資訊的機械臂組件及一安裝該機械臂組件的操作台。該控制單元連接一空間傳感系統。所述控制單元存儲有生物力學資訊，並根據從力學感測器產生的力學資訊、空間傳感系統產生的空間資訊及主軸資訊產生一鑽孔資訊。所述控制單元還根據生物力學資訊及鑽孔資訊計算得出偏差指標及根據所述偏差指標向鑽孔設備發送輸出控制信號。
較佳的，所述控制單元根據鑽孔資訊與生物力學資訊的相互關係計算得出所述偏差指標。
較佳的，所述控制單元根據鑽孔資訊曲線的斜率與生物力學資訊曲線的斜率的相互關係計算得出所述偏差指標。
較佳的，所述輸出控制信號是一報警信號。
較佳的，所述輸出控制信號是一主軸轉速控制信號。
較佳的，所述輸出控制信號是一動作控制信號。
所述力學感測器是一耦合至鑽孔馬達的力/扭矩感測器。
較佳的，所述力學感測器是一耦合至機械臂組件的關節力感測器。
較佳的，所述力學感測器是一耦合至機械臂組件的電流感測器。
較佳的，所述機械臂組件是一並行機械臂。
較佳的，所述機械臂組件是一史都華式平台。
一種鑽孔控制方法，包括： 一力學感測器偵測一力學信號； 一控制單元接收並存儲生物力學資訊、力學資訊、空間資訊及主軸資訊； 該控制單元根據力學資訊、空間資訊及主軸資訊產生一鑽孔資訊； 該控制單元根據生物力學資訊及鑽孔資訊處產生偏差指標；及 該控制單元根據偏差指標向鑽孔設備發送一輸出控制信號。
較佳的，所述偏差指標是根據鑽孔資訊與生物力學資訊的相互關係計算得到。
較佳的，所述偏差指標是根據鑽孔資訊曲線與生物力學資訊曲線的斜率的相互關係計算得到。
本發明藉由控制單元根據生物力學資訊及鑽孔資訊計算得出偏差指標及根據所述偏差指標向鑽孔設備發送輸出控制信號，能夠精確地控制鑽孔過程，提高了鑽孔過程的安全性和精度，降低了鑽孔過程中事故發生的概率。
以下將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
圖1A是本發明一實施例的鑽孔控制系統100的方框圖。該控制系統100包括一控制單元600及一鑽孔設備200。鑽孔控制系統100可與一空間傳感系統400相耦合，以接收空間資訊。該空間傳感系統400，可以用來偵測鑽孔設備200的空間資訊及患者身上的參考標識，並將空間資訊傳送至控制單元600。該控制單元600，用來接收及存儲輸入控制信號、根據輸入控制信號產生輸出控制信號640以及將輸出控制信號640傳送到鑽孔設備200。輸入控制信號包括空間資訊、力學資訊、主軸資訊及生物力學資訊。控制單元600可以從控制單元600的外部接收輸入控制信號，例如空間傳感系統400、鑽孔設備200、CT設備、MRI設備、超聲波機或C型臂X光機中存儲的輸入控制信號，如基於醫療影像預處理而成的生物力學資訊的。該鑽孔設備200，用來將力學資訊及主軸資訊傳送至控制單元600，並接收來自控制單元600的輸出控制信號640並根據輸出控制信號640執行鑽孔操作。鑽孔設備200包括力學感測器220、鑽孔馬達250、機械臂組件230及手術工具210。力學感測器220，用以偵測力學資訊及將力學資訊作為部分的輸入控制信號傳送至控制單元600。輸出控制信號640，可被傳送至鑽孔馬達240用以控制手術工具210的主軸轉速，或者傳送至機械臂組件230用以控制手術工具210的方向和位置。
鑽孔設備200，可包括手術工具210、驅動手術工210的鑽孔馬達240、用來偵測力學資訊的力學感測器220、機械臂組件230、與機械臂組件230相耦合的操作台300。手術工具210，可在鑽孔馬達240驅動下用產生一孔。手術工具210，可以是一鑽頭。鑽孔馬達240提供轉動功率，用以驅動手術工具210，且由控制單元600進行控制。鑽孔馬達240可以根據流經鑽孔馬達的電流或者馬達轉速偵測晶片發送主軸資訊至控制單元。另外，鑽孔馬達250可以包括旋轉編碼器、同步器、旋轉變壓器、旋轉可變差分換能器（RVDT）或旋轉電位器，以獲得由鑽孔馬達驅動的手術工具210的主軸轉速，並將主軸轉速資訊傳送到控制單元600。鑽孔馬達240可以是步進馬達、伺服馬達或超聲波馬達。伺服馬達可以是交流電流（AC）伺服馬達，直流（DC）（如電刷或無刷）伺服馬達。力學感測器220，用以偵測力學資訊。力學資訊可以是作用於手術工具210的力或扭矩，這些力或扭矩可沿X軸、Y軸、Z軸被測量。力學感測器220可以是一力量感測器用來偵測軸向力、偏離力，或是一扭矩感測器用來偵測扭矩。機械臂組件230，用來調整手術工具210的方向和位置。機械臂組件230，包括至少一運動對，例如線性關節、萬向節對、螺紋接頭對或圓柱形接頭對。機械臂組件230可以包括多個運動對，例如史都華式(stewart)機械手臂或三角式（delta）機械手臂。每一機械手臂由控制單元600的控制項一驅動馬達250來驅動。操作台300（請參考圖7B），作為機械臂組件230的靜態的機械支撐結構，可以在手術區域附近定位鑽孔設備200。操作台300可以是一操作手柄320、或者是一基座310、或者是操作手柄320與基座310的組合。手術醫生握持操作手柄320在鑽孔過程中提供了移動性。基座310可以耦合至固定於地板或天花板的操作台300，使得手術醫生在操作鑽孔設備200時節省大部分力氣。
空間傳感系統400，用於在手術部位偵測對應參考標識420的鑽孔設備200的空間資訊。空間傳感系統400，可以是用來定位鑽孔設備200的光學跟蹤系統、磁跟蹤系統、超聲跟蹤系統、全球定位系統（GPS）、無線定位系統、慣性測量單元（IMU）裝置或可見光相機裝置。例如，空間傳感系統400可以是包括跟蹤感測器410、設備標識430和參考標識420的光學跟蹤系統。空間資訊，包括三維座標及與時間有關的記錄。
請參閱圖1B，該空間傳感系統400是一包括光跟蹤感測器410、設備標識430和參考標識420的光學跟蹤系統。設備標識430和參考標識420，可以是沿特定幾何形狀佈置的跟蹤點陣列，例如是三角形佈置或四邊形佈置，可以透過跟蹤感測器410被精確識別。參考標識420可以設置在患者的皮膚表面或某個手術部位上，例如棘突上。設備標識430可以設置在鑽孔設備200上。例如，空間傳感系統400可以包括兩個設備標識，其中，第一設備標識431是耦合至鑽孔設備200的固定端231，第二設備標識432是耦合至鑽孔設備200的可動端232。該跟蹤感測器410，可以基於參考標識420及設備標識430的相對位置偵測空間資訊，記錄鑽孔設備200的位移或/和方向。空間資訊可以包括偵測區域中的位置和方向，其中，偵測區域中的位置被標識為x，y，z，偵測區域中的沿x軸，y軸，z軸的方向被標識為α，β，γ。本發明的鑽孔控制系統100還包括一耦合至控制單元600的使用者介面700，使得生物力學資訊610及鑽孔資訊620可視。
請參閱圖2A，鑽孔控制系統100，用於根據輸入控制信號產生輸出控制信號640，以在鑽孔過程中控制鑽孔設備200。輸入控制信號，包括生物力學資訊610、鑽孔資訊620。控制單元600向鑽孔設備200發送輸出控制信號640。例如，輸出控制信號640可以是提醒手術醫生的報警信號641（如聲音報警信號或視覺報警信號）、鑽孔馬達240的主軸轉速控制信號642、或者是機械臂組件230的動作控制信號643。
請參閱圖2B，控制單元600根據生物力學資訊610及鑽孔資訊620計算偏差指標630。生物力學資訊610是控制單元600或其他處理單元根據圖像資訊614及規劃資訊612產生得到。可以利用手術部位的X光照片或CT圖像等圖像資訊對生物力學資訊610進行建模。例如，圖像資訊614，可以包括具有CT係數的三維體素。手術規劃資訊612包括每一體素的規劃主軸轉速及規劃進給速率。因此，每一體素的生物力學特徵根據規劃資訊612來產生的。所述生物力學資訊610，可包括具有相應生物力學特徵的一維座標、二維圖元或三維體素。生物力學特徵包括剛度、硬度、平滑度、鑽孔阻力或阻抗。鑽孔資訊620是控制單元600根據力學資訊622、空間資訊624以及主軸資訊626生成。鑽孔資訊620可以由作為空間資訊624的函數的力學資訊622生成。力學資訊622是力學感測器220偵測的特定方向的力或扭矩。空間資訊624包括鑽孔設備200相對手術部位的位置，可以用來計算鑽孔馬達240的進給速率。主軸資訊624，包括手術工具210或鑽孔馬達240的主軸轉速。主軸資訊624可以自鑽孔馬達240傳送至控制單元600，使得控制單元600可以確認及調整主軸轉速，以與手術規劃資訊612相一致。
請參閱圖2C，一種鑽孔控制系統的鑽孔控制方法，包括：
步驟910：偵測力學信息622。
步驟920：接收並存儲生物力學資訊610、力學資訊622、空間資訊624及主軸資訊626。
步驟930：根據力學資訊610、空間資訊622及主軸資訊626產生鑽孔資訊620。
步驟940：根據生物力學資訊610及鑽孔資訊620計算偏差指標630。
步驟950：根據偏差指標630發出輸出控制信號640。
在一實施例中，步驟910，由鑽孔控制系統的鑽孔設備200的力學感測器來執行。步驟902由鑽孔控制系統的控制單元600來執行，其中，生物力學資訊610可以從醫療影像設備（如CT設備或X光設備）或醫療影像處理伺服器獲取，力學資訊從力學感測器220獲取；空間資訊自空間傳感系統400獲取，主軸資訊從鑽孔馬達240獲取。步驟930、步驟940及步驟950，由控制單元600來執行。
請參閱圖3A，在椎骨的椎弓根鑽孔手術過程中，圖像資訊可由一系列的CT影像構建成一個三維模型。例如，生物力學資訊610，可以包括沿規劃鑽孔路徑的生物力學特徵。手術工具210接觸椎骨的進入點（如圖3A中的點a）。當手術工具210剛剛鑽破椎骨的密質骨時，生物力學特徵的值開始增加，在手術工具210穿過密質骨（或稱皮質骨）與鬆質骨（或稱海綿骨）內的邊界（圖3A中的點b）後下降到一個較低的值；隨後，一個不同的主軸轉速，即一個較低的主軸轉速，賦值給鑽孔馬達。生物力學特徵保持較低的值，直至手術工具210又接觸到密質骨和鬆質骨的另一邊界（圖3A中的點c）交界處的點c。在椎弓根的退出點(圖3A中的點d)，生物力學特徵的值急劇下降。
請參閱圖3B，手術規劃資訊，包括隨著鑽孔深度變化的主軸轉速。鑽孔過程的不同階段，手術工具的主軸轉速賦值不同。手術工具的主軸轉速曲線可以由手術規劃軟體類比得出。以高主軸轉速在密質骨鑽孔可以減少在鑽孔過程中的關鍵階段偏離規劃軌跡的可能性。例如，當手術工具210接觸密質骨的進入點時，賦值高主軸轉速進行鑽孔，可沿規劃鑽孔軌跡達成理想的進給速率。當鑽穿鬆質骨後，控制單元600降低主軸轉速，可以更好地偵測生物力學特徵。因此，如果鑽孔資訊620與生物力學資訊610不符，則偏差指標630則更加敏感。
請參閱圖3C，沿鑽孔深度的生物力學特徵在較低的主軸轉速下更易於區分的。低主軸轉速在密質骨和鬆質骨鑽孔的生物力學特徵比在高主軸轉速下更易區分。在類比過程中，控制單元600還能夠沿著其他軌跡產生生物力學資訊。在優化的主軸轉速下，手術工具210在規劃鑽孔軌跡下保持良好的穩定性，控制單元可區分規劃軌跡及其他錯誤軌跡的生物力學特徵。
生物力學資訊610，包括由圖像資訊614生成的每一體素的生物力學特徵。規劃資訊612，包括規劃的鑽孔軌跡和規劃的主軸轉速，規劃的鑽孔軌跡和規劃的主軸轉速可以由優化演算法或手術醫生來決定。例如，規劃的鑽孔軌跡定義為從腰椎椎弓根至椎體。為了便於描述，沿著規劃的鑽孔軌跡的方向定義為z軸，垂直於椎體的方向定義為y軸，與y軸和z軸定義的平面垂直的方向定義為X軸。相應地，沿著規劃鑽孔軌跡的每個體素的生物力學特徵是可以預測的。圖像資訊614可以構建生物力學資訊610，其中生物力學資訊包括具有三個參考軸（表示為rx，ry，rz）的空間位置的生物力學特徵（表示為u）和組織類型（表示為t）。例如，具有一定生物力學資訊的每個體素圖元點的生物力學資訊的可以被描述為V（rx，ry，rz，t，u）。在生物力學類比過程中，可以根據規劃資訊條件下各體素的切削速度、未切割厚度、前角、傾斜角和切邊寬度等來計算模擬力或扭矩。生物力學特徵可以作為向量存儲於各方向分量。例如，生物力學特徵的z方向的分量，可以用z軸的扭矩除以規劃主軸轉速計算得到。此外，生物力學特徵可以是力除以規劃進給速率、力除以規劃主軸轉速或扭矩除以規劃進給速率。組織類型可以根據CT係數（或Hounsfield單位）進行分類，並且可以重點標識出神經組織，使得控制鑽孔系統能夠避免對神經組織造成損傷。規劃鑽孔軌跡由手術醫生或電腦輔助程式在鑽孔之前進行確定。
生物力學資訊可以是鑽孔深度對應生物力學特徵610的函數。例如，一種典型的鑽孔阻抗圖形，例如，顯示了在入口點處具較高的值，然後由於椎弓根內的鬆質骨的低阻力下降到一個較低的值並在椎弓根隧道持續一定距離，原因在於椎骨內的鬆質骨內具有較小的阻力。此後，鑽頭到達椎弓根出口處的密質骨，鑽孔阻抗再次增加到較高的值，並在穿過密質骨後下降到較低的值。然而，如果由於某些原因，手術工具210偏離規劃軌跡，即使圖像顯示了該手術工具210在規劃軌跡上，阻抗的增加或減少的圖形會更早地顯示在規劃軌跡上的預期位置上。鑽孔軌跡中的阻抗圖形的變化可作為參考，以及發出警報以提醒手術醫生進行安全檢查及手術工具偏離的檢查。
生物力學特徵可以根據不同鑽孔深度的至少一個軸向力或軸向扭矩所模擬而得。
請參考圖4A，根據不同鑽孔深度的Z軸的力類比生物力學特徵。
請參考圖4B，根據不同鑽孔深度的Z軸的扭矩類比生物力學特徵。
請參考圖4C，根據不同鑽孔深度的Y軸的力類比生物力學特徵。
請參考圖4D，根據不同鑽孔深度的Y軸的扭矩類比生物力學特徵。
請參考圖4E，根據不同鑽孔深度的X軸的力類比生物力學特徵。
請參考圖4F，根據不同鑽孔深度的X軸的扭矩類比生物力學特徵。
請參考圖5A，顯示了鑽孔控制系統100應用於脊柱椎弓根鑽孔手術。力學感測器220偵測力學資訊，空間感測器410偵測空間資訊。在本實施例中，空間傳感系統400透過力學感測器410獲取空間資訊、參考標識420、設備標識430。鑽孔資訊620包括沿實際鑽孔軌跡655測量的生物力學特徵。實際測量的生物力學特徵將與規劃的鑽孔軌跡650的生物力學特徵進行比對。鑽孔資訊與生物力學資訊之間的差異，用來判斷手術刀具210是否沿規劃的鑽孔軌跡650來進行鑽孔的。
請參閱圖5B，生物力學信息610可以被表示成基於規劃資訊的生物力學特徵，實際測量的生物力學特徵可以作為空間資訊的函數。實際測量的生物力學特徵可以被記錄成空間資訊的函數。實際測量的生物力學特徵來源於力學資訊、空間資訊及主軸資訊。例如，實際測量的生物力學特徵可以定義為沿鑽孔方向的力/扭矩與刀具進給速率/主軸轉速的比值。控制單元600監控鑽孔資訊620與生物力學資訊610之間的偏差。
在一實施例中，偏差可以是由偏差指標630來確定。根據從生物力學資訊610提取的第一資料視窗與從鑽孔資訊620提取的第二資料視窗之間的相關性來計算偏差指標630。首先，定義一個寬度為N的視窗（如圖5B所示）。生物力學資訊610被表示成生物力學特徵；生物力學特徵Ip是鑽孔深度Z的函數。在寬度N的視窗中離散計算生物力學資訊與鑽孔資訊之間的互相關的公式如下：其中，zk是沿鑽孔深度的第k個取樣，n是沿鑽孔深度的第n個取樣，rpm（zk）是鑽孔深度zk處的Ip和Im的互相關的結果，Ip（zn）是手術規劃中的鑽孔軌跡沿鑽孔深度的第n個取樣的生物力學特徵，Im（zn）是鑽孔過程中沿鑽孔深度實際測量的第n個取樣的生物力學特徵。進一步的，歸一化的互相關函數為：，，. 其中，pm（zk）被定義為對互相關進行歸一化是透過自相關乘積開平方根而得。 偏差指標被定義為： y(zk )=1-r pm (zk ) 當兩條曲線完全重合，偏差指標為0；當兩條曲線不重合時，偏差指標大於0。
請參考圖5C，顯示了對應圖5B中的生物力學資訊610及鑽孔資訊620沿鑽孔深度的偏差指數。在鑽孔深度從za到zk的過程中，偏差指標在0附近；在鑽孔深度為zb時，鑽孔資訊曲線620逐漸偏離生物力學資訊610，因此，偏差指標630的增量被顯示在圖中。控制單元600偵測偏差指標630，若偏差指標630超過了預定閾值，控制單元600發出控制信號以使用鑽孔馬達250減速或停機。
在另一實施例中，偏差指標630是透過生物資訊曲線的斜率及鑽孔資訊曲線的斜率計算得出的。根據偏差指標630及預定閾值產生輸出控制信號640。例如，當偏差指標630大於預定閾值時，產生的輸出控制信號640是一觸發的報警信號或者是一降低主軸轉速的信號。當偏差指標小於預定閾值時，輸出控制信號是一保持主軸轉速的控制信號。
請參閱圖6A，力學感測器是一力/扭矩感測器，可以偵測X軸、Y軸及Z軸的力或扭矩。力學感測器可以耦合至機械臂組件230的可動端232或手術工具210的六軸力/扭矩感測器221，其中，力/扭矩感測器221偵測包括X軸、Y軸及Z軸的力或扭矩的力學資訊，並將力學資訊傳送至控制單元。
請參閱圖6B，力學感測器，可以是一關節力感測器225，可以偵測沿運動對的力或應力。關節力感測器225，可以是耦合至機械臂組件230的運動對235的應變儀，其中關節力感測器225偵測力學資訊並發送力學資訊至控制單元。關節力感測器225，用來偵測X軸、Y軸及Z軸的力或扭矩。
請參閱圖6C，力學感測器，可以是耦合至機械臂組件230的驅動馬達的馬達電流感測器，其中，力學感測器220偵測力學資訊並發送力學資訊至控制單元。鑽孔設備，可以包括對應運動對的多個驅動馬達，每一馬達電流感測器耦合至機械臂組件230的驅動馬達。力學感測器220，用來偵測驅動馬達的電流及並依此來計算X軸、Y軸及Z軸的力或扭矩。
請參閱6D，機械臂組件230，可以是包括6個UPS運動對的史都華式平台(stewart platform)。每一UPS運動對包括耦合至固定端231的萬向節對236、耦合至萬向節對236的線性關節237及耦合至可動端232的球形關節對238。
請參閱圖6E，機械臂組件230，可以是包括六個UPS (universal-prismatic-spherical)運動對的史都華式平台(stewart platform)。UPS運動對，包括耦合至固定端231的萬向節對236、耦合至萬向節對236的線性關節237及耦合至可動端232的球形關節對238。
請參閱圖7A，鑽孔控制系統100包括一空間傳感系統400、一鑽孔設備200及一控制單元600，其中，鑽孔設備200的操作台300是一基座310。基座310具有較好的機械穩定性，使得機械臂組件230在最少的意外動作的情況下被穩定的控制。基座310可以固定在地板上，掛在天花板上或夾在操作台300上。操作台300還可包括用以穩定鑽孔設備200的動作的多個可動關節330。
請參閱圖7B，操作台300包括基座310，操作台300還進一步包括一操作手柄320及可動關節330，使得手術醫生在一定程度上控制鑽孔設備200的操作。
請參閱圖7C，操作台300是一操作手柄320，使得手術醫生可以符合通常的使用習慣且最大程度地控制鑽孔設備200。
請參閱圖8A，空間傳感系統400是一包括位置感測器450的鑽孔套管460，其中位置感測器450偵測鑽孔設備的空間資訊並將空間資訊發送給控制單元。位置感測器450設置鑽孔套管460的管道中，使得沿鑽孔軌跡的至少一個自由度的空間資訊可以被偵測到。此外，空間傳感系統400是鑽孔套管460與可偵測六個自由度的空間資訊的光學跟蹤系統的組合。
請參閱圖8B，空間傳感系統400是一包括位置感測器450的鑽孔套管460，其中位置感測器450偵測鑽孔設備的空間資訊並將空間資訊發送給控制單元。位置感測器450設置鑽孔套管460的管道中，使得沿鑽孔軌跡的至少一個自由度的空間資訊可以被偵測到。位置感測器450可以是線性可變位移感測器（LVDT）或位移感測器。此外，空間傳感系統400是鑽孔套管460與可偵測六個自由度的空間資訊的慣性測量單元（IMU）440的組合。慣性測量單元(IMU)440可以設置在操作台300、可動端232和手術部位上。
請參閱8C，空間傳感系統400是一包括位置感測器450的鑽孔套管460，其中位置感測器450偵測鑽孔設備的空間資訊並將空間資訊發送給控制單元。位置感測器450設置鑽孔套管460的外部，使得沿鑽孔軌跡的至少一個自由度的空間資訊可以被偵測到。在本實施例中，位置感測器可以是測距器或近距離感測器455，以檢測鑽孔鑽孔套管460的外部與可動端232之間的距離。此外，空間傳感系統400是鑽孔套管460與可偵測六個自由度的空間資訊的光學跟蹤系統的組合。
請參考圖9，鑽孔控制系統100可以從C型臂X光機850接收圖像資訊以更新生物力學資訊。此外，來自C型臂X光機850的圖像資訊來確認空間資訊。鑽孔控制系統100包括鑽孔設備200和控制單元600，並且控制單元600耦合到C臂機850。另外，C型臂X光機850可以提供一部分空間資訊用於確認手術工具210的位置及方向。鑽孔控制系統100還可以包括耦合到控制單元600的使用者介面700，以使生物力學資訊和鑽孔資訊可視。
請參考圖10，機械臂組件230可以作為並行機械臂，來定位多自由度的可動端232。控制單元600可以根據鑽孔資訊240產生輸出控制信號640，以補償手術工具210在鑽孔過程的位置偏差。因此，掌上型機器人輔助外科手術系統可以減少手術醫生手動操作鑽孔工具中的位置偏差引起的錯誤。當手術醫生手持機器人在椎骨的目標方位附近時，掌上型機器人將自動將手術工具210調整到所需的方位，並且保持該方位，不受手術醫生的手或手術操作所引起的任何動作的影響。在圖10中，控制單元600可以根據鑽孔資訊620生成輸出控制信號640。輸出控制信號640可以是控制機械臂組件230的動作控制資訊號、或主軸速度控制信號以控制鑽孔馬達240的主軸速度。力學感測器220偵測在各方向施加在手術工具210上的力和/或扭矩，例如沿x軸，y軸和z軸。機械臂組件根據測量的力/扭矩的偏差來調整外科工具210的方位，從而可以減少刀具與規劃鑽孔軌跡的偏差。此外，沿規劃鑽孔軌跡的力和/或扭矩以及來自參考標識及設備標識的空間資訊，用來計算鑽孔阻抗。因此，機械臂組件230可以控制耦合到可動端232的外科工具210與規劃的方位一致。
此外，控制單元600根據手術規劃向鑽孔設備200發送動作控制信號。例如，手術規劃資訊是一鑽孔過程的進給速度。鑽孔設備200可以透過稍微伸展或縮回機械臂組件230來調節施加在z軸上的力。此外，鑽孔設備200還可以根據x軸和y軸上的力或扭矩進行調整，以減少與規劃鑽孔軌跡的偏差。
可以想到，控制單元600可以是耦合到鑽孔設備200的獨立工作站，或者可以是嵌入鑽孔設備200中的系統。
最後所應說明的係，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。
100‧‧‧鑽孔控制系統
600‧‧‧控制單元
200‧‧‧鑽孔設備
400‧‧‧空間傳感系統
210‧‧‧手術工具
220‧‧‧力學感測器
230‧‧‧機械臂組件
240‧‧‧鑽孔馬達
250‧‧‧驅動馬達
410‧‧‧空間感測器
420‧‧‧參考標識
430‧‧‧設備標識
431‧‧‧第一設備標識
432‧‧‧第二設備標識
231‧‧‧固定端
232‧‧‧可動端
610‧‧‧生物力學資訊
620‧‧‧鑽孔資訊
640‧‧‧輸出控制信號
641‧‧‧報警信號
642‧‧‧主軸轉速控制信號
643‧‧‧動作控制信號
612‧‧‧手術規劃資訊
614‧‧‧圖像資訊
622‧‧‧力學資訊
624‧‧‧空間資訊
626‧‧‧主軸資訊
620‧‧‧鑽孔資訊
630‧‧‧偏差指標
650‧‧‧規劃鑽孔軌跡
655‧‧‧實際鑽孔軌跡
221‧‧‧力/扭矩感測器
235‧‧‧運動對
236‧‧‧萬向節對
237‧‧‧線性關節
238‧‧‧球形關節對
225‧‧‧關節力感測器
227‧‧‧電流感測器
300‧‧‧操作台
310‧‧‧基座
320‧‧‧操作手柄
330‧‧‧可動關節
440‧‧‧慣性測量單元
460‧‧‧鑽孔套管
450‧‧‧位置感測器
455‧‧‧近距離感測器
圖1A是本發明一較佳實施例的鑽孔控制系統的方框圖。
圖1B是本發明一較佳實施例的鑽孔控制系統耦合一使用者介面及一空間傳感系統進行脊柱手術的結構示意圖。
圖2A是本發明一較佳實施例的鑽孔控制系統的控制單元接收生物力學資訊及鑽孔資訊產生一輸出控制信號的過程示意圖。
圖2B是本發明一較佳實施例的鑽孔控制系統的控制單元根據生物力學資訊及鑽孔資訊計算偏差指標的過程示意圖。
圖2C是本發明鑽孔控制方法的流程圖。
圖3A是脊柱椎弓根鑽孔手術的三維模型圖。
圖3B是脊柱椎弓根鑽孔手術規劃中的主軸轉速與鑽孔軌跡的對應關係曲線圖。
圖3C是脊柱椎弓根鑽孔實際手術中的生物力學特徵與鑽孔軌跡的對應關係曲線圖。
圖4A是脊柱椎弓根鑽孔實際手術中Z軸的力與鑽孔深度的對應關係曲線圖。
圖4B是脊柱椎弓根鑽孔實際手術中Z軸的扭矩與鑽孔深度的對應關係曲線圖。
圖4C是脊柱椎弓根鑽孔實際手術中Y軸的力與鑽孔深度的對應關係曲線圖。
圖4D是脊柱椎弓根鑽孔實際手術中Y軸的扭矩與鑽孔深度的對應關係曲線圖。
圖4E是脊柱椎弓根鑽孔實際手術中X軸的力與鑽孔深度的對應關係曲線圖。
圖4F是脊柱椎弓根鑽孔實際手術中X軸的力與鑽孔深度的對應關係曲線圖。
圖5A是本發明一較佳實施例的鑽孔控制系統用於脊柱手術的示意圖。
圖5B是脊柱手術中生物力學資訊與鑽孔深度的對應關係曲線圖及鑽孔資訊與鑽孔深度的對應關係曲線圖。
圖5C是脊柱手術中偏差指標與鑽孔深度的對應關係曲線圖及預設閾值與鑽孔深度的對應關係曲線圖。
圖6A是機械臂組件的結構示意圖，其中鑽孔馬達耦合了力/扭矩感測器。
圖6B是機械臂組件的結構示意圖，其中鑽孔馬達耦合了具有關節力感測器的運動對。
圖6C是是機械臂組件的結構示意圖，其中鑽孔馬達耦合了電流感測器。
圖6D是耦合了UPS的機械臂組件的結構示意圖，其中該機械臂組件包括萬向節對及球形關節對。
圖6E是耦合了UPS的機械臂組件的結構示意圖，其中該機械臂組件包括萬向節對。
圖7A是手術區域的結構示意圖，其中操作台包括一基座。
圖7B是手術區域的結構示意圖，其中操作台包括一基座及一操作手柄。
圖7C是手術區域的結構示意圖，其中操作台包括一操作手柄。
圖8A是耦合至光學跟蹤系統的鑽孔控制系統的結構示意圖。
圖8B是耦合至空間傳感系統的鑽孔控制系統的結構示意圖，所述空間傳感系統包括多個慣性測量單元及一有位置感測器的鑽孔套管。
圖8C是耦合至空間傳感系統的鑽孔控制系統的結構示意圖，所述空間傳感系統包括多個慣性測量單元及一鑽孔套管，該鑽孔套管包括一近距離感測器。
圖9是耦合了一C型臂X光機的鑽孔控制系統的結構示意圖。
圖10是具有調整位置偏差功能的鑽孔控制系統的結構示意圖。
無

Claims (14)

  1. 一種鑽孔控制系統，包括： 一鑽孔設備，包括一手術工具、一可驅動該手術工具的鑽孔馬達、一偵測力學資訊的力學感測器、一用於接收一輸出控制信號且可偵測主軸資訊的機械臂組件及一安裝該機械臂組件的操作台；及 一用來控制該鑽孔設備的控制單元，該控制單元連接一空間傳感系統，所述控制單元存儲有生物力學資訊，並根據從力學感測器產生的力學資訊、空間傳感系統產生的空間資訊及主軸資訊產生一鑽孔資訊，根據生物力學資訊及鑽孔資訊計算得出偏差指標，根據所述偏差指標向鑽孔設備發送輸出控制信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之鑽孔控制系統，其中：所述控制單元根據鑽孔資訊與生物力學資訊的相互關係計算得出所述偏差指標。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之鑽孔控制系統，其中：所述控制單元根據鑽孔資訊曲線的斜率與生物力學資訊曲線的斜率的相互關係計算得出所述偏差指標。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之鑽孔控制系統，其中：所述輸出控制信號是一報警信號。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之鑽孔控制系統，其中：所述輸出控制信號是一主軸轉速控制信號。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之鑽孔控制系統，其中：所述輸出控制信號是一動作控制信號。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之鑽孔控制系統，其中：所述力學感測器是一耦合至鑽孔馬達的力/扭矩感測器。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之鑽孔控制系統，其中：所述力學感測器是一耦合至機械臂組件的關節力感測器。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之鑽孔控制系統，其中：所述力學感測器是一耦合至機械臂組件的電流感測器。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之鑽孔控制系統，其中：所述機械臂組件是一並行機械臂。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之鑽孔控制系統，其中：所述機械臂組件是一史都華式平台。
  12. 一種鑽孔控制系統的控制方法，包括： 一力學感測器偵測一力學信號； 一控制單元接收並存儲生物力學資訊、力學資訊、空間資訊及主軸資訊； 該控制單元根據力學資訊、空間資訊及主軸資訊產生一鑽孔資訊； 該控制單元根據生物力學資訊及鑽孔資訊處產生偏差指標；及 該控制單元根據偏差指標向一鑽孔設備發送一輸出控制信號。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之鑽孔控制方法，其中：所述偏差指標是根據鑽孔資訊與生物力學資訊的相互關係計算得到。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之鑽孔控制方法，其中：所述偏差指標是根據鑽孔資訊曲線與生物力學資訊曲線的斜率的相互關係計算得到。
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