操纵解剖体的系统和方法技术方案

用于利用工具操纵解剖体的手术系统和方法，包括限定与解剖体有关的第一虚拟边界和与解剖体有关的第二虚拟边界。在第一模式中激活第一虚拟边界。在第一模式中相对于第一虚拟边界约束工具的移动。在第二模式中使第一虚拟边界失效。在第二模式中相对于第二虚拟边界约束工具的移动。工具的移动。工具的移动。

【技术实现步骤摘要】
操纵解剖体的系统和方法
[0001]本申请是国际申请号为PCT/US2016/033062、中国申请号为201680028535.7、申请日为2016年5月18日、名称为“操纵解剖体的系统和方法”的中国专利申请的分案申请。
[0002]相关申请的交叉引用
[0003]本申请要求在2015年5月19日提交的申请号为62/163,672的美国临时专利申请的优先权和权益，其全部内容在此以援引的方式并入本申请。


[0004]本专利技术整体涉及用于利用手术系统的工具操纵解剖体的系统和方法，并且更加具体地，涉及使用虚拟边界约束工具的系统和方法。

技术介绍

[0005]如今，操作者发现使用机器人装置来辅助实施外科手术是有所帮助的。机器人装置通常包括可动臂，所述可动臂具有自由远端，可以以高准确度布置所述自由远端。应用于手术部位的工具附接到臂的自由端部。操作者能够使得臂移动并且因此将工具精确地定位在手术部位，以实施手术。
[0006]在机器人手术中，使用计算机辅助设计软件在手术之前产生虚拟边界，以界定出在其中可以调遣工具的区域与在其中限制工具的区域。例如，在矫形手术中，可以产生虚拟切割边界，以界定出手术期间由工具移除的骨段和在手术之后保留的骨段。
[0007]导航系统跟踪工具的移动，以确定工具相对于虚拟边界的位置和/或方向。机器人系统与导航系统配合以引导工具的移动，使得工具不会移动超过虚拟边界。通常在患者骨头的模型中产生虚拟边界并且相对于骨头固定虚拟边界，使得当将模型加载到导航系统中时，导航系统可以通过跟踪骨头的移动来跟踪虚拟边界的移动。
[0008]操作者通常需要在外科手术期间在不同切割模式中动态控制工具。例如，在一些情况中，操作者可能需要手动模式，以手动控制工具来粗略切割解剖体。在其它情况中，操作者可能需要以自动模式控制工具，以为了自动并且高度准确地切割解剖体。在传统系统中，与解剖体的目标表面相关的虚拟边界不受控制模式的影响而保持有效。换言之，相同的虚拟边界在于是例如以自动模式控制工具还是以手动模式控制工具。操纵器通常不允许工具在任何一种模式中前进超过边界。然而，在一些情况中，操纵器可能无意地允许工具移动越过边界。例如，在手动模式中，操作者可能将大量的力施加在工具上，该力超过了操纵器防止工具移动越过边界的能力。在这种情况中，可能会超过虚拟边界切割解剖体，从而偏离期望的目标表面。
[0009]本领域需要用于解决至少上述问题的系统和方法。

技术实现思路

[0010]提供了用于操纵解剖体的系统的一个实施例。所述系统包括具有基部和联动装置的操纵器。工具联接到操纵器并且能够相对于基部移动，以便与解剖体相互作用。控制器构
造成产生与解剖体相关的第一虚拟边界和与解剖体相关的第二虚拟边界。控制器构造成以第一模式和第二模式控制工具的移动。控制器在第一模式中激活第一虚拟边界，以便相对于第一虚拟边界约束工具。控制器在第二模式中使第一虚拟边界失效，以便相对于第二虚拟边界约束工具。
[0011]提供了一种操作手术系统的方法的一个实施例，所述手术系统用于利用工具操纵解剖体。该方法包括限定与解剖体相关的第一虚拟边界和与解剖体相关的第二虚拟边界。在第一模式中激活第一虚拟边界。在第一模式中相对于第一虚拟边界约束工具的移动。在第二模式中使第一虚拟边界失效。在第二模式中相对于第二虚拟边界约束工具的移动。
[0012]所述系统和方法有利地提供了在第一和第二模式中选择性地控制激活中间虚拟边界的可能性。通过这样做，该系统和方法提供了针对第一模式和第二模式中的每一个的不同的虚拟边界构造，从而增加了手术系统的通用性和性能。
附图说明
[0013]当结合附图考虑时，由于本专利技术通过参照下文详细描述而变得更容易理解，因此本专利技术的优势将显而易见，其中：
[0014]图1是根据本专利技术的一个实施例的、利用工具来操纵患者的解剖体的系统的透视图。
[0015]图2是根据本专利技术的一个实施例的、用于控制手术系统的控制器的示意图。
[0016]图3示出了根据本专利技术的一个实施例的工具，所述工具沿着工具路径与解剖体相互作用，以形成目标表面。
[0017]图4示出了第一模式中的系统的操作，在所述第一模式中，相对于中间虚拟边界来约束工具，所述中间虚拟边界相对于目标虚拟边界间隔开。
[0018]图5示出了第二模式中的系统的操作，在所述第二模式中，相对于目标虚拟边界约束工具，所述目标虚拟边界偏离解剖体的目标表面。
[0019]图6示出了第一模式中的系统的操作，在所述第一模式中，相对于中间虚拟边界约束工具，并且在所述第一模式中，目标虚拟边界保持激活。
[0020]图7示出了第二模式中的系统的操作，其中，相对于与解剖体的目标表面对准的目标虚拟边界约束工具。
[0021]图8示出了第一模式中的系统的操作，其中，相对于中间虚拟边界约束工具，并且其中，目标虚拟边界失效。
[0022]图9示出了第一模式中的系统的操作，其中，相对于中间虚拟边界约束工具，所述中间虚拟边界的轮廓与目标虚拟边界的轮廓不同。
[0023]图10示出了第二模式中的系统的操作，其中，相对于目标虚拟边界约束工具，所述目标虚拟边界的轮廓与目标表面的轮廓不同。
[0024]图11示出了第一模式中的系统的操作，其中，工具被约束在中间虚拟边界和目标虚拟边界之间。
[0025]图12示出了第一模式中的系统的操作，其中，工具被约束在中间虚拟边界和目标表面之间。
[0026]图13A至图13C示出了根据一个示例的、在第一模式中在粗略切割(bulk cutting)
之后形成的解剖体的特征。
[0027]图14A至图14C示出了根据一个示例的、在第二模式中精细切割之后形成的解剖体的特征。
[0028]图15示出了使用三个虚拟边界的系统的操作，所述三个虚拟边界中的每一个均在单个模式中被激活。
[0029]图16示出了使用多于一个的工具和同时激活的三个虚拟边界的系统的操作。
具体实施方式
[0030]1、概述
[0031]参照附图，其中，相同的附图标记表示附图中相同或者类似的元件，贯穿全文示出了用于操纵患者12的解剖体的系统10和方法。如图1所示，系统10是机器人式外科手术切割系统，其用于从患者12的解剖体切割掉物质(如骨头或者软组织)。在图1中，患者12正处于外科手术中。图1中的解剖体包括患者的股骨(F)和胫骨(T)。外科手术可以涉及组织移除。在其它实施例中，外科手术涉及部分或者全部膝盖或者髋关节置换手术。系统10设计成切割掉将通过外科植入体(诸如髋关节和膝盖植入体，包括单髁、双踝或者全膝盖植入体)置换的组织。在题目为“假体性植入体和植入方法”、申请号为13/530,927的美国专利申请中示出了这些植入体类型中的一些，其公开内容以援引的方式并入本申请。本领域技术人员应当理解的是：在此公开的系统和方法可以用于实施外科或者非外科的其它手术、或者本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种系统，包括：机器人操纵器；终端效应器，所述终端效应器联接至所述机器人操纵器并且能够由所述机器人操纵器移动，从而以手动模式和自动操作模式与目标部位相互作用；导航系统，所述导航系统构造成跟踪所述目标部位和所述终端效应器的位置；和一个或多个控制器，所述控制器构造成：相对于所述目标部位限定第一虚拟边界，防止所述终端效应器在所述手动模式下穿入所述第一虚拟边界；并且允许所述终端效应器在所述自动操作模式下穿入所述第一虚拟边界。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个控制器还被构造成：相对于所述目标部位限定第二虚拟边界，所述第一虚拟边界与所述目标部位间隔开的距离比所述第二虚拟边界与所述目标部位间隔开的距离远；在所述第一虚拟边界和第二虚拟边界之间限定区域；防止所述终端效应器在所述手动模式下穿入所述区域；并且允许所述终端效应器在所述自动操作模式下穿入所述区域。3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述一个或多个控制器还被构造成评估所述终端效应器相对于所述区域的被跟踪位置。4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述一个或多个控制器还被构造成响应于确定了所述终端效应器的位置处于所述区域内而防止所述终端效应器在所述手动模式下移动。5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述一个或多个控制器还被构造成响应于确定了所述终端效应器的位置处于所述区域之外而允许所述终端效应器在所述手动模式下移动。6.根据权利要求3所述的系统，其中，所述一个或多个控制器还被构造成：响应于确定了所述终端效应器的位置处于所述区域之外，根据第一速度控制所述机器人操纵器；和响应于确定了所述终端效应器的位置处于所述区域内，根据不同于所述第一速度的第二速度控制所述机器人操纵器。7.根据权利要求2所述的系统，其中，所述一个或多个控制器通过还被构造成控制所述机器人操纵器以防止或阻止所述终端效应器试图移动超过所述第一虚拟边界而防止所述终端效应器在所述手动模式下穿入所述区域。8.根据权利要求2所述的系统，其中，所述一个或多个控制器通过还被构造成使所述第一虚拟边界失效而允许所述终端效应器在所述自动操作模式下穿入所述区域。9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个控制器被构造成控制所述终端效应器的供给速率，使得所述终端效应器在所述自动操作模式下的供给速率比在所述手动模式下的供给速率慢。10.根据权利要求1所述的系统，还包括联接到所述终端效应器的传感器，用于监测施加到所述终端效应器的力和转矩。11.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品被构造成与如下系统一起使用，所述系统包括：机器人操纵器；终端效应器，所述终端效应器联接至所述机器人操纵器并且能够由所述机器人操纵器移动，从而以手动模式和自动操作模式与目标部位相互作用；以及导航
系统，所述导航系统构造成跟踪所述目标部位和所述终端效应器的位置，所述计算机程序产品由一个或多个控制器实施，所述控制器构造成：相对于所述目标部位限定第一虚拟边界，防止所述终端效应器在所述手动模式下穿入所述第一虚拟边界；并且允许所述终端效应器在所述自动操作模式下穿入所述第一虚拟边界。12.一种系统，包括：机器人操纵器；终端效应器，所述终端效应器联接至所述机器人操纵器并且能够由所述机器人操纵器移动，从而以手动模式和自动操作模式与目标部位相互作用；导航系统，所述导航系统构造成跟踪所述目标部位和所述终端效应器的位置；和一个或多个控制器，所述控制器构造成：相对于所述目标部位限定虚拟边界，防止所述终端效应器在所述自动操作模式下穿入所述虚拟边界；并且允许所述终端效应器在所述手动模式下穿入所述虚拟边界。13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述虚拟边界还被限定为第一虚拟边界，并且所述一个或多个控制器还被构造成：相对于所述目标部位限定第二虚拟边界，所述第一虚拟边界与所述目标部位间隔第一距离，所述第二虚拟边界与所述目标部位间隔第二距离，所述第二距离与所述第一距离不同。14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述一个或多个控制器被构造成：在所述第一虚拟边界和所述第二虚拟边界之间限定区域；防止所述终端效应器在所述自动操作模式下穿入所述区域；并且允许所述终端效应器在所述手动模式下穿入所述区域。15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述一个或多个控制器通过还被构造成使所述第一虚拟边界或所述第二虚拟边界中的一个失效而允许所述终端效应器在手动模式下穿入所述区域。16.根据权利要求14所述的系统，其中，所述一个或多个控制器被构造成：响应于确定了所述终端效应器的位置处于所述区域之外，根据第一速度控制所述机器人操纵器；和响应于确定了所述终端效应器的位置处于所述区域内，根据不同于所述第一速度的第二速度控制所述机器人操纵器。17.根据权利要求14所述的系统，其中，所述一个或多个控制器被构造成：相对于所述目标部位限定第三虚拟边界，所述第三虚拟边界与所述目标部位间隔第三距离，所述第三距离与所述第一距离和第二距离不同；以及在所述第三虚拟边界与所述第一虚拟边界或第二虚拟边界中的一个之间限定第二区域。18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述一个或多个控制器被构造成：防止所述终端效应器在所述自动操作模式下穿入所述第二区域；并且允许所述终端效应器在所述手动模式下穿入所述第二区域。
19.根据权利要求17所述的系统，其中，所述一个或多个控制器被构造成：防止所述终端效应器在所述手动模式下穿入所述第二区域；并且允许所述终端效应器在所述自动操作模式下穿入所述第二区域。20.根据权利要求18所述的系统，其中，所述一个或多个控制器被构造成：通过使所述第一虚拟边界、第二虚拟边界或第三虚拟边界中的一个失效，允许所述终端效应器在所述手动模式下穿入所述第二区域。21.根据权利要求12所述的系统，还包括联接到所述终端效应器的传感器，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：D，
申请(专利权)人：马科外科公司，
类型：发明
国别省市：