能够以多种模式控制外科器械的外科操纵器制造技术

本发明专利技术提供一种外科系统以利用外科器械从工件去除预定体积材料，该外科器械具有从所述外科器械延伸的能量施加器。外科系统包括工具路径生成器模块、操纵器控制器和材料登记模块，其中工具路径生成器模块基于更新的实体模型修改工具路径，使得在半自动模式中，工具路径仅仅横穿残余有预定体积材料的区域。

Surgical manipulators that can control surgical instruments in many ways.

The present invention provides a surgical system for removing predetermined volume material from a workpiece using surgical instruments with an energy applicator extending from the surgical instrument. The surgical system includes a tool path generator module, a manipulator controller, and a material registration module, in which the tool path generator module modifies the tool path based on the updated entity model so that in the semi-automatic mode, the tool path only traverses the region where the remaining predetermined volume of material is present.

【技术实现步骤摘要】
能够以多种模式控制外科器械的外科操纵器本申请是国际申请号为PCT/US2014/025975、国家申请号为201480027319.1、申请日为2014年3月13日、名称为“能够以多种模式控制外科器械的外科操纵器”的中国专利申请的分案申请。相关申请的交叉参考本申请要求2013年3月15日提交的美国临时专利申请No.61/792,251和2013年8月2日提交的美国非临时申请No.13/958,070的优先权，这两件申请的权益和公开内容全文以引用方式并入。
本专利技术整体涉及外科操纵器。更具体地，本专利技术涉及能够以手动或半自动模式操作的外科操纵器。
技术介绍
近来，执业医师已经发现，使用机器人装置来辅助进行外科手术是有用的。机器人装置通常包括活动臂，该活动臂包括一个或多个联结机构。该臂具有自由的远侧端部，该远侧端部能够以非常高的精确度放置。设计成应用于外科手术部位的外科器械附接到该臂的自由端部。执业医师能够精确地定位该臂，以便通过外推法将外科器械精确地定位在患者身上该器械将要进行医疗或外科手术的部位处。使用机器人系统以保持器械的一个优点在于，与外科医生的手和臂不同，系统的臂不会经受肌肉张紧或诸如抽搐的神经性动作。从而，与器械是手持式的并且因此用手定位的情况相比，使用医疗机器人系统能够稳定地保持器械，或者以较高的精确度沿着预定的路径移动器械。另外的某些机器人外科系统被设计成与外科导航系统一起使用。外科导航系统是这样一种系统，其能够生成数据，这些数据提供外科器械相对于器械所施加的患者的位置的较为精确的指示。当向外科机器人系统提供表明器械相对于患者的位置的数据时，机器人系统能够定位该器械，以确保其施加到患者的该器械预期将要施加到的组织上。这基本上消除了器械将施加到该器械不应当施加到的组织上的可能性。某些医疗机器人系统被设计成以被称为“半自动”模式的模式进行工作。在这种操作模式中，机器人系统致动臂，以使得器械沿着预先编程的路径相对于患者的组织进行运动。这在例如器械是某些类型的切割装置并且具体手术的目的是去除患者组织的预定部分的情况下是有用的。借助于参考，如果机器人系统以“自动”操作模式进行操作，那么一旦被致动，机器人就在基本上没有来自外科医生的输入的情况下进行手术。在“半自动”操作模式中，执业医师能够发出命令，以控制机器人的操作。例如，一些半自动机器人被构造成使得，为了机器人能够移动该器械，执业医师必须通过连续地压下与机器人相关的控制按钮或开关来启动命令。在执业医师拒绝启动命令的情况下，机器人至少暂时停止器械的前进。某些机器人系统不是传统的机器人，原因在于一旦被启动，它们不会使得附接的器械沿着预先编程的行进路径自动地运动。这些系统包括控制系统，执业医师通过该控制系统输入表明附接的器械将要定位在何处的命令。根据这些执业医师输入的命令，这种类型的系统致动系统的臂/多个臂，以引起器械的基本上同时的、实时的运动。这些机器人系统被认为是以手动模式进行操作的。迄今为止，难以提供一种这样的机器人系统，其能够在单次手术期间在半自动操作模式和手动操作模式之间切换。例如，据信外科医生可能多次期望初始手动地操作器械，以去除大质量的组织。手术的这个部分有时候称为减瘤。然后，为了去除组织以限定剩余组织的表面，外科医生可能期望机器人系统半自动地进行器械的精细定位。手术的这个部分有时候被称为精切割。此外，有时候可能期望从器械的半自动定位切换回到手动定位。例如，在整形外科关节置换术中，执业医师可能期望器械(切割工具)眼编程的路径运动，以便精确地成形该器械所要应用的骨骼。这种精确骨骼成形方便了植入物精确配合到通过切割工具暴露的骨骼的表面。然而，可能存在这样的状况，其中在手术开始之后，明显该器械可能与外科部位处的目标碰撞，这样的接触是不期望的。该目标可能是已经运动到外科部位中的组织或者定位在该部位处的第二器械。在这种状况中，执业医师应当能够即刻中断工具的编程的运动，手动地控制该工具以重新定位该器械，然后使工具返回到编程的运动。
技术实现思路
本专利技术提供一种外科系统以利用外科器械从工件去除预定体积材料，该外科器械具有从所述外科器械延伸的能量施加器。外科系统包括工具路径生成器模块、操纵器控制器和材料登记模块，其中工具路径生成器模块基于更新的实体模型修改工具路径，使得在半自动模式中，工具路径仅仅横穿残余有预定体积材料的区域。附图说明本专利技术具体在权利要求中指明。从以下结合附图的详细描述中，可以理解本专利技术的上述和其它特征和优点，其中：图1为本专利技术的操纵器如何用来使外科器械在患者身上定位和前进的概略视图；图2为本专利技术的操纵器的透视图，外科器械和导航跟踪器附接到该操纵器；图2A和2B分别为下垂物的俯视图和侧视图，该下垂物用来调节操纵器的操作；图3为操纵器的前视图；图4为操纵器的臂的透视图；图5为操纵器的臂的可供选择的透视图；图6为操纵器的臂的侧视图，其中在近景中看到下部臂；图7为操纵器的臂的俯视图；图8为端部执行器和外科器械的侧视图，这里动力钻头附接到端部执行器；图9为端部执行器和附接的外科器械的前视图；图10为端部执行器和附接的外科器械的透视图；图11为多个处理器的方框图，这些处理器共同配合以控制操纵器和附接的外科器械的致动；图12为与患者以及调节操纵器的致动的各元件相关的不同坐标系的示意图；图13A至13E形成软件模块的方框图，这些软件模块运行以调节操纵器的致动；图14为形成接头致动器之一的部件的方框图；图15A为骨骼的侧视图，示出了如何形成工具路径以限定外科器械施加到的骨骼区段；图15B为骨骼的俯视图，示出了工具绘图的布置；图15C示出了单个工具路径如何能够包括一组不同长度和取向的路径节段；图16A-16D示出了处于工具路径力计算器内的子模块；图17示意性地示出了工具路径节段如何被滚动平均过滤器平均；图18A至18D是一组示意图，示出了如何生成取向调节器所用的点和边界；图19为曲线图，示出了器械相对于目标取向的偏移与取向调节器确定的应当施加到虚拟刚性本体以补偿该偏移的力之间的关系；图20A、20B和20C示意性地示出了通过切割引导器执行的能量施加器的重新定位；图21A、21B和21C形成由切割引导器执行的处理步骤的流程图；图22示出了限定了最靠近能量施加器的贴片的边界如何可能不是施加器最有可能相交的贴片，图23A和23B为示意图，示出了由于切割引导器防止能量施加器运动超过限定的边界而导致器械和能量施加器承受的速度变化；图23C为示意图，示出了由于切割引导器防止能量施加器运动超过限定的边界而导致器械和能量施加器承受的位置变化；图24为可能产生接头限制约束力的过程的流程图；图25为可能产生干涉角度约束力的过程的流程图；图26为可能产生工作空间约束力的过程的流程图；图27为器械管理器的输入和输出的方框图；图28A-28G共同形成当器械进行半自动前进时由操纵器执行的过程步骤的流程图；图29A和29B分别为俯视图和侧视图，示意性地示出了当处于半自动模式时器械的初始取向；图30A和30B分别为俯视图和侧视图，示意性地示出了基于总取向力调节器输出的力和转矩命令，操纵器如何将器械和能量施加器取向成使得公共轴线延伸穿过中心点；图31示意性地示出了当能量施加器沿着工具路本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于当外科器械的能量施加器横穿切割路径时检测干扰的方法，所述方法在至少一个计算装置上实施，所述计算装置具有非暂时性计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有可执行程序，所述方法包括以下步骤：执行存储在所述计算机可读存储介质上的程序，其中所述程序指令所述至少一个计算装置：确定致动臂机构的每个主动接头的实际转矩；计算所述致动臂机构的每个主动接头的期望转矩，其中基于每个主动接头的角度位置和每个主动接头的受控接头角度来计算所述期望转矩；基于所述期望转矩和所述实际转矩确定估计的反向驱动转矩，其中所述估计的反向驱动转矩表明沿着所述切割路径的干扰。

【技术特征摘要】
2013.03.15 US 61/792,251;2013.08.02 US 13/958,0701.一种用于当外科器械的能量施加器横穿切割路径时检测干扰的方法，所述方法在至少一个计算装置上实施，所述计算装置具有非暂时性计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有可执行程序，所述方法包括以下步骤：执行存储在所述计算机可读存储介质上的程序，其中所述程序指令所述至少一个计算装置：确定致动臂机构的每个主动接头的实际转矩；计算所述致动臂机构的每个主动接头的期望转矩，其中基于每个主动接头的角度位置和每个主动接头的受控接头角度来计算所述期望转矩；基于所述期望转矩和所述实际转矩确定估计的反向驱动转矩，其中所述估计的反向驱动转矩表明沿着所述切割路径的干扰。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述干扰是沿着所述切割路径与物体的碰撞。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述干扰是与所述外科器械的工作空间内的物体的碰撞。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述程序指令所述至少一个计算装置通过测量施加到与每个主动接头相关联的接头马达的电流来确定所述实际转矩。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述程序指令所述至少一个计算装置通过利用转矩传感器测量每个主动接头的转矩来确定所述实际转矩。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述程序指令所述至少一个计算装置通过将施加到每个主动接头马达的电流与由用于每个主动接头的转矩传感器测量的转矩结合起来而确定所述实际转矩。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述估计的反向驱动转矩是所述期望转矩和所述实际转矩之间的差。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述受控接头角度将外科器械的能量施加器沿着所述切割路径定位到目标位置。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述程序指令所述至少一个计算装置基于所述能量施加器沿着所述切割路径前进的受控姿态来计算所述受控接头角度。10.根据权利要求9所述的方法，其中所述程序指令所述至少一个计算装置基于多个力和转矩信号的和来确定所述受控姿态。11.根据权利要求1所述的方法，其中所述程序指令所述至少一个计算装置将所述估计的反向驱动转矩转换为具有力分量和转矩分量的反向驱动力。12.根据权利要求11所述的方法，其中所述干扰产生抵抗所述能量施加器沿着所述切割路径的运动的力。13.根据权利要求12所述的方法，其中所述反向驱动力与所述干扰生成的力沿相同的方向。14.根据权利要求11所述的方法，其中所述程序指令所述至少一个计算装置通过以下步骤过滤所述反向驱动力：将所述反向驱动力的每个分量的大小的绝对值与阈值进行比较；将所述反向驱动力的、绝对值小于所述阈值的每个分量设定为零；以及基于所述阈值与所述反向驱动力的、绝对值大于所述阈值的分量之间的差来计算过滤的反向驱动力。15.根据权利要求14所述的方法，其中力分量的阈值与转矩分量的阈值不同。16.根据权利要求14所述的方法，其中所述程序指令所述至少一个计算装置基于所述过滤的反向驱动力以及从安装到与所述外科器械联接的端部执行器上的力/转矩传感器得到的传感器力来生成外部力。17.根据权利要求16所述的方法，其中所述外部力是所述过滤的反向驱动力和所述传感器力的加权和。18.根据权利要求16所述的方法，其中所述外部力具有力矢量分量和转矩矢量分量。19.根据权利要求18所述的方法，其中所述力矢量分量根据以下公式计算：其中，是所述过滤的反向驱动力FBDR的力矢量分量，矢量是所述传感器力FFTS的力矢量分量，ABDR和AFTS是加权因素系数。20.根据权利要求19所...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·G·鲍林，J·M·斯图尔特，J·A·卡尔普，D·W·马拉克沃斯基，P·勒斯勒尔，J·N·比尔，J·凯奇尔，J·L·莫克特苏马·德拉巴雷拉，
申请(专利权)人：史赛克公司，
类型：发明
国别省市：美国,US