用于机器人辅助修正程序的系统技术方案

一种使用机器人辅助手术系统执行修正手术的方法包括：确定与植入物部件和骨之间的界面区域相关的信息；以及至少部分地基于与界面区域相关的信息在植入物和骨的表示中生成与界面区域的待移除的部分相关联的计划的虚拟边界。该方法还包括：跟踪切割工具在物理空间中的移动，使得切割工具的移动与虚拟工具的移动相关；以及在切割工具移除界面区域的该部分的同时对切割工具提供约束。该约束基于虚拟工具和计划的虚拟边界之间的关系。移除所述界面区域的该部分以从骨移除植入物部件。

【技术实现步骤摘要】
用于机器人辅助修正程序的系统本申请是申请号为201780056264.0、申请日为2017年7月13日、专利技术名称为“用于机器人辅助修正程序的系统”的中国专利申请的分案申请。相关专利申请的交叉引用本申请要求提交于2016年7月15日的美国临时专利申请号62/363,037的优先权和权益，该专利申请的全部内容通过引用结合于此。
本专利技术涉及机器人辅助的整形外科手术，并且特别地涉及机器人辅助的修正手术。
技术介绍
目前，外科医生人工执行修正手术，例如修正膝盖和髋部的程序。这种人工手术不总是精确的，难以执行，并且可能导致比期望更大的骨损失，这降低了骨的强度和完整性。有限的接近和不精确切割、植入物的移除和植入物的粘固的发生可引起显著的骨损失。在程序期间，外科医生可以使用凿子和微型锯来手动切开植入物。外科医生必须非常缓慢地执行这种方法以便保护骨。然而，由于麻醉的持续时间，手术的定时对于患者可能是关键的。另外，执行这种程序需要大量训练。
技术实现思路
根据一个示例性实施方式，存在一种使用机器人辅助手术系统执行修正手术的方法。该方法包括通过与计算机相关联的处理电路确定与植入物部件和植入有该植入物部件的骨之间的界面区域有关的信息。该方法还包括由处理电路至少部分地基于与界面区域相关的信息在植入物部件和骨的表示中生成计划的虚拟边界，该计划的虚拟边界与界面区域的待移除的部分相关联。该方法还包括：通过与计算机相关联的导航系统跟踪切割工具在物理空间中的移动，使得切割工具的移动与虚拟工具的移动相关；以及在切割工具移除界面区域的该部分的同时，对切割工具提供约束，该约束基于虚拟工具与计划的虚拟边界之间的关系。移除界面区域的该部分以从骨移除植入物部件。在一些实施方式中，确定与界面区域相关的信息包括接收骨和植入在骨上的植入物部件的图像。在一些实施方式中，与首次程序有关地获得图像，在该首次程序期间将植入物部件植入在骨上。在一些实施方式中，图像由来自由以下各项构成的组的至少一个成像模式接收：CT、X射线、荧光检查、MRI、超声、摄像机和跟踪标记。在一些实施方式中，确定与界面区域相关的信息包括利用被跟踪探头将界面区域数字化。在一些实施方式中，该方法还包括接收用于相对于植入物和骨的表示来调整虚拟边界的输入。在一些实施方式中，虚拟边界是触觉边界，并且其中提供约束包括向切割工具提供触觉反馈。在一些实施方式中，虚拟边界是自主控制边界，并且其中提供约束包括自主地控制手术工具以保持在控制边界内。在一些实施方式中，切割工具是选自由以下但不限于以下构成的组中的一个或多个工具：平面锯、弯曲锯、激光、水刀(waterjet)、超声振动和磨钻(burr)。在一些实施方式中，该方法还包括由处理电路确定与界面附近的需要增强块的骨缺陷的尺寸、数量和位置中的至少一者相关的信息。在一些实施方式中，信息是术前确定的。在一些实施方式中，通过用跟踪探头将骨缺陷数字化来确定信息。在一些实施方式中，该方法还包括：在植入物部件已经被移除之后使用摄像机获得骨的图像；以及基于该图像生成该骨的骨模型，以用于计划该植入物部件的置换。在一些实施方式中，该方法还包括确定要植入到骨上的置换植入物部件的期望姿态。在一些实施方式中，该方法还包括由处理电路在所述骨的表示中确定代表骨中的一个或多个切割的第二计划的虚拟边界，以使所述骨做好准备接收置换植入物。在一些实施方式中，该方法还包括在切割工具执行一个或多个切割以使骨做好准备的同时对切割工具提供约束，该约束基于虚拟工具和第二计划的虚拟边界之间的关系。在另一个示例性实施方式中，存在一种用于执行修正手术的系统。该系统包括：机器人系统，该机器人系统包括关节臂和联接到关节臂的手术工具；导航系统，该导航系统被构造为表征关节臂、手术工具和用于修正的患者解剖特征的一部分中的至少一者的移动；以及处理器，该处理器操作地联接到机器人系统和导航系统。该处理器被构造为：确定与植入物部件和植入有植入物部件的骨之间的界面区域有关的信息；至少部分地基于与界面区域有关的信息生成以植入物部件和骨的表示为基础的计划的虚拟边界，该计划的虚拟边界与界面区域的待移除的部分相关联；使用导航系统跟踪切割工具在物理空间中的移动，使得切割工具的移动与虚拟工具的移动相关；以及在切割工具移除界面区域的该部分的同时，对切割工具提供约束，该约束基于虚拟工具与计划的虚拟边界之间的关系。在一些实施方式中，该系统还包括成像系统，该成像系统操作地联接到处理器，以确定与界面区域相关的信息，其中成像系统包括来自由以下各项构成的组的成像模式中的至少一种成像模式：CT、X射线、荧光检查、MRI、超声、摄像机和跟踪标记。在一些实施方式中，该系统还包括用于将界面区域数字化的跟踪探头。在一些实施方式中，联接到关节臂的手术工具包括末端执行器。所述末端执行器包括：至少一个能够在两个自由度上移动的柔性弯曲元件，所述弯曲元件包括远端、近端和内部通道；轴，该轴联接到柔性弯曲元件的近端并且被构造成将末端执行器固定到手术系统；和马达，该马达被容纳在轴中并且联接到切割工具以向切割工具提供动力。切割元件联接到柔性弯曲元件的远端。在一个实施方式中，机器人系统用于辅助膝盖或髋部修正程序。该机器人系统可包括导航系统，以将真实骨配准至预扫描CT图像并精确地引导机械臂航行通过患者解剖空间。机器人系统可以具有触觉能力，其中使用者可以基于患者解剖特征来成形触觉体积，以保护重要的骨结构和软组织(例如韧带、神经和静脉)。该系统还可包括柔性末端执行器，该柔性末端执行器具有多个自由度并且可在任何方向上弯曲90度以允许附接到柔性臂的切割工具进入小区域以切除骨植入物。该系统可以具有大的数据库，该数据库保存患者骨模型和植入物模型以及在他们的首次膝盖或髋部程序期间的计划历史，该信息可用于在修正病例下使用。在另一个实施方式中，使用患者的先前/首次膝盖和髋部信息的机器人系统能够通过如下方式来辅助修正病例：使用患者的先前/首次膝盖和髋部植入物模型来创建触觉修正边界以触觉地引导修正程序；使用患者的先前/首次膝盖和髋部骨模型将骨配准到机器人坐标，其中患者不需要为修正病例拍摄额外的CT图像；以及使用患者的先前/首次膝盖和髋部计划信息来识别在修正病例中骨和植入物之间的相对位置，其中在骨和植入物之间没有相对移动，植入物表面用于将骨配准到机器人坐标。在一些实施方式中，机器人系统创建定制的修正触觉边界以防止骨被过度切割并使修正程序期间的骨损失最小化。在一些实施方式中，基于首次膝盖和髋部植入物模型，机器人系统精确地在首次植入物周围创建修正触觉边界，以约束切割工具并将骨的过度切割最小化。在一些实施方式中，在修正期间使用以下方法之一将植入物和骨配准到首次膝盖和髋部CT图像：可跟踪探头，用于将植入物表面数字化，然后将骨配准到首次CT图像；拍摄若干幅荧光图像；和/或将照相机或光学传感器附接到机器人，以扫描植入物表面，然后将其配准到首次CT骨模型。在一些实施方式中，机器人系统包括灵巧的柔性末端执行器系统，该柔性末端执行器具有多本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于术中计划和方便修正关节成形手术的方法，该方法包括：/n在跟踪探头接触骨与植入在所述骨上的首次植入物部件之间的界面区域时捕获所述跟踪探头的位置；/n使用所述跟踪探头的所述位置而不使用术前医学成像来术中生成虚拟边界，该虚拟边界与所述界面区域的待被移除以将所述首次植入物部件从所述骨移除的部分对应；/n通过在切割工具移除所述界面区域的所述部分的同时，对所述切割工具的操作提供约束而便于从所述骨移除所述首次植入物部件，所述约束基于所述切割工具和所述虚拟边界之间的关系。/n

【技术特征摘要】
20160715 US 62/363,0371.一种用于术中计划和方便修正关节成形手术的方法，该方法包括：
在跟踪探头接触骨与植入在所述骨上的首次植入物部件之间的界面区域时捕获所述跟踪探头的位置；
使用所述跟踪探头的所述位置而不使用术前医学成像来术中生成虚拟边界，该虚拟边界与所述界面区域的待被移除以将所述首次植入物部件从所述骨移除的部分对应；
通过在切割工具移除所述界面区域的所述部分的同时，对所述切割工具的操作提供约束而便于从所述骨移除所述首次植入物部件，所述约束基于所述切割工具和所述虚拟边界之间的关系。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，捕获所述跟踪探头的所述位置包括收集所述首次植入物部件的多个侧上的点；并且
术中生成所述虚拟边界包括基于所述首次植入物部件的所述多个侧上的点来识别所述首次植入物部件的一个或多个平坦表面。


3.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括在所述切割工具用来执行一个或多个附加切割以使所述骨准备好接收修正植入物时对所述切割工具的操作提供第二约束。


4.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括在从所述骨移除所述首次植入物部件之后创建骨缺陷的模型。


5.根据权利要求4所述的方法，该方法包括使用摄像机创建所述骨缺陷的所述模型。


6.根据权利要求4所述的方法，该方法包括使用术中成像创建所述骨缺陷的所述模型。


7.根据权利要求4所述的方法，该方法还包括使用所述跟踪探头的附加位置来更新所述骨缺陷的所述模型。


8.根据权利要求4所述的方法，该方法还包括基于所述骨缺陷的所述模型确定是否需要增强块并且选择修正植入物。


9.根据权利要求4所述的方法，该方法还包括：
使用所述骨缺陷的所述模型术中生成一个或多个附加虚拟边界；以及
在所述切割工具执行一个或多个附加切割以准备所述骨的同时对所述切割工具提供第二约束，该约束基于所述切割工具和所述一个或多个附加虚拟边界之间的关系。


10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述虚拟边界是触觉边界，并且其中提供所述约束包括向所述切割工具提供触觉反馈。


11.一种手术系统，所述手术系统包括：
机器人装置；
联接至所述机器人装置的手术工具；
探头；
导航系统，所述导航系统被构造成跟踪所述探头的位置；以及
计算系统，所述计算系统被编程以：
从所述导航系统获得位置数据，所述位置数据表示在所述探头接触骨与植入在所述骨上的首次植入物部件之间的界面...

【专利技术属性】
技术研发人员：V·克雷布斯，H·康，S·卡索德卡尔，M·哈洛，丁杰男，张大诚，吴岷，J·冈萨雷斯，P·艾比蒂，
申请(专利权)人：马科外科公司，
类型：发明
国别省市：美国;US