用于机器人骨切削的安全机构制造技术

用于为机器人控制的手术工具提供安全机构的方法和系统。这些方法的实施方案使用传感器来检测随手术工具所横穿的组织而变化的参数。传感器检测由手术工具与组织的相互作用产生的信号并将该信息提供给机器人控制器。例如，在钻削期间，传感器可以根据对用于计划工具轨迹的三维图像集的术前测量来测量功率、振动、声音频率、机械载荷、电阻抗以及所横穿的距离。通过将所检测到的输出与针对基于计划轨迹的工具位置所预计的输出进行比较，所识别的输出差异将指示工具已经从计划轨迹转向。机器人控制器既而可改变工具轨迹，改变工具的速度或者中断对工具的供电，从而防止对下面的组织的损伤。损伤。损伤。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于机器人骨切削的安全机构


[0001]本公开描述了涉及机器人矫形外科手术领域的技术，尤其是涉及在对骨进行机器人切削或钻削时的安全机构。

技术介绍

[0002]在手动或机器人执行的矫形手术中，使用切削或钻削工具，无论是传统工具还是超声刀。超声动力工具已经成为许多矫形手术的首选工具，尤其是用于敏感区域中(诸如脊柱上)的精细工作。此类手术中的重要挑战之一是需要将多个安全层施加到系统以防止对下面的或周围的组织的损伤。该要求在机器人执行的手术中是重要的，因为如果组织在手术期间经历意外的位置变化，则基于术中机器人坐标系统与术前三维图像的初始配准的对解剖特征结构的预计位置的依赖可能受到损害。例如，当切削工具在邻近软组织的骨中使用较大的力进行操作时，软组织可能意外地移位或者被压缩超过预期程度，因此应当尽可能地避免在切削或锯削骨组织时使用的力。然而，此类护理不能在所有情况下得以维持，并且因此出现如何避免由于软组织运动而损害系统配准的问题。此外，当对骨组织进行切削或以其他方式在骨组织上进行手术时，应当使对骨组织周围区域造成损伤的危险最小化。
[0003]参考以下文献，这些文献描述了此类骨切削手术的特征：
[0004]“Use of an ultrasonic osteotome device in spine surgery:experience from the first 128patients(超声骨凿装置在脊柱手术中的使用：来自前128名患者的体验)”，Hu X、Ohnmeiss DD和Lieberman IH，Eur Spine J.2013年12月；22(12):2845
‑
2849。
[0005]“Sound analysis in drilling,frequency,and time domains(钻削、频域和时域中的声音分析)”；Parsian A、Magnevall M、Beno T和Eynian M.Procepia CIRP 58(2017)411
‑
415。
[0006]234786 1PWCN
[0007]授予Voic D的US 2014/0276849“Method for ultrasonic tissue excision with tissue selectivity(具有组织选择性的超声组织切除方法)”，公布于2014年9月18日并转让给Misonix公司。
[0008]本部分和本说明书的其他部分中提及的出版物中的每个出版物的公开内容均以引用方式全文并入本文。

技术实现思路

[0009]本公开描述了用于安全机构的新的示例性系统，以防止通过钻削、铣削工具或锯削穿骨对组织的附带损伤。所公开的系统的实施方式利用多个传感器中的至少一个传感器来向系统给出关于工具正在横穿的组织的特性的反馈。
[0010]在机器人控制的外科手术中，用于由手术机器人系统执行的术前计划通常基于手术区域的三维术前图像集。基于这些图像来计算手术工具的计划轨迹。在手术中，通常使用如下所描述的配准程序，通过根据术前图像对工具末端进行定位来实现工具的实际轨迹。
在脊柱手术中，椎体、椎弓根和其他感兴趣的解剖特征结构的已知测量结果可以用于向系统或向人类操作者提供关于工具末端在三维中的位置的信息。手术区域的术前图像与对象的术中解剖结构之间的这种配准允许确定工具的进展，包括例如直到锯子的边缘或手术工具的末端到达其将对患者造成危险的位置为止剩余的距离。
[0011]然而，即使根据基于与机器人定位的工具末端配准的术前图像的手术计划来执行手术，较深组织相对于表面的小移位也可能在解剖特征结构的位置相对于工具的实际位置引入小但显著的变化。换句话说，工具所穿过的组织可能不是系统根据原始手术计划计算的工具应当处于的组织，无论是由于横向移位还是由于遇到组织的深度的移位。即使在基于术中CT图像(术中CT图像可以反映骨和周围组织的更新的位置)计算手术计划和工具轨迹的那些程序中，由于各种外科手术，即使根据术中生成的手术计划，在术中仍可能发生骨和组织的运动，并且此类运动既而可能导致工具正在其上操作的实际组织与预计在该位置处的组织之间的差异。
[0012]因此，自动化机器人外科手术，尤其是诸如骨切削、铣削或钻削的手术中的挑战之一是需要可靠的安全机构来提供如下警告：手术工具的位置已经相对于手术工具被计算为在其中操作的组织已经改变，或者工具正在接近或侵入工具在其中操作将是危险的组织。特别地，应当提供以下警告：手术工具已经意外地或即将从骨组织传递到周围软组织或器官。另外，从皮质骨到松质骨或从松质骨到皮质骨的传递也可能需要向操作者提供警告或至少通知。此外，即使当导航跟踪用于直接跟踪工具正在其上执行手术程序的骨的姿势，使得可以考虑骨的运动时，光学跟踪光束的视线的无意阻挡的可能性也可能需要额外的非依赖性保护层以用于安全执行程序。
[0013]本公开描述了减少此类错误的可能性的新的示例性安全机制。此类方法和系统基于使用传感器来检测根据手术工具在其中操作的组织而改变的参数。不仅不同的组织具有不同的密度和特性，而且一些组织(特别是骨性组织)的外部区域可以具有与内部区域不同的特性。因此，由传感器收集的信息应当提供手术工具是否已经进入其计划路径中的以下组织的指示：该组织具有与针对计划路径所预计的特性不同的特性。此外，该信息还应当优选地给出关于手术工具是否正在接近以下组织的指示：根据手术计划，即使在工具到达边界之前，该工具也不意图横穿该组织。
[0014]由传感器收集的信息可以包括以下项中的至少一些：
[0015](i)由钻削或切削过程发出的声音。
[0016](ii)由手术工具或由机器人汲取的电功率。
[0017](iii)由工具马达在其进展期间发出的声音。
[0018](iv)当手术工具执行其任务时，手术工具通过手术工具与组织尤其是与骨的反作用而经历的机械力。
[0019](v)当工具行进穿过骨时工具所经受的机械振动。
[0020](vi)在手术工具末端与对象身体之间感测的电阻抗。
[0021]由传感器收集的上述信息可以用于帮助确定手术工具正在其中操作的组织特性。上述系统可以包括数据库，该数据库存储当手术工具穿过皮质骨、松质骨和各种软组织时针对每一个相关传感器装置预期的传感器响应的类型和/或水平。上述系统被配置为基于与术前图像的配准来识别工具相对于其所穿过的组织的位置。因此，系统可以将所产生的
实际传感器输出与存储在数据库中的用于计划工具路径的预计传感器输出的数据进行比较，从而提供识别手术工具实际正在其中操作的组织的信息，并且在工具已经显著地偏离其预计轨迹的情况下提供警告。这种偏离可以在实际测量的传感器输出与从手术工具与假定手术工具所位于的组织(如通过手术工具在其机器人轨迹中的已知位置所确定)的相互作用所预计的输出不一致的情况下确定。这种一致性的缺乏可以以多种方式来表现，最常见的是通过所测量的效果的水平或量值，但本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种机器人手术系统，所述机器人手术系统包括：控制器，所述控制器被配置为根据计划轨迹控制手术工具的位置，所述计划轨迹经过不同的组织；和至少一个传感器，所述至少一个传感器适于根据所述手术工具与所述手术工具正在其上操作的组织的相互作用而输出信号；其中所述控制器被进一步配置为：(i)确定与所述手术工具在所述计划轨迹中的已知位置相对应的预计组织；(ii)从包括组织特异性传感器输出信号的数据集识别来自至少一个传感器的预计信号输出，所述预计信号输出由所述手术工具与所述预计组织的相互作用产生；(iii)将来自所述至少一个传感器的所述预计信号输出与来自所述至少一个传感器的测量信号输出进行比较，所述测量信号输出由所述手术工具与所述手术工具正在其上操作的所述组织的相互作用产生；以及(iv)如果所述测量信号输出与来自所述手术工具正在其中操作的所述预计组织的所述预计信号输出不一致，则断定所述手术工具未遵循其计划轨迹。2.根据权利要求1所述的机器人手术系统，其中，所述至少一个传感器适于感测以下项中的任一项：(i)由手术过程发出的声音；(ii)由所述手术工具或由所述机器人汲取的电功率；(iii)由所述手术工具的马达在其进展期间发出的声音；(iv)由所述手术工具与所述组织的反作用而经历的机械力；(v)所述手术工具在其行进穿过所述组织时所经受的机械振动；以及(vi)所述工具正在其中操作的所述组织的电阻抗。234786 1PWCN3.根据前述权利要求中任一项所述的机器人手术系统，其中，如果所述控制器确定所述手术工具未遵循其计划轨迹，则所述控制器被配置为指示执行以下项中的至少一项：(i)停止所述工具沿着所述计划轨迹的运动；(ii)降低所述手术工具的前进速度；(iii)降低所述手术工具的加工能力；(iv)关闭对所述手术工具的供电；以及(v)向所述系统的操作者发出警告。4.根据前述权利要求中任一项所述的机器人手术系统，其中，所述手术工具适于执行对骨组织的切削、铣削、钻削和锯削中的至少一者。5.根据前述权利要求中任一项所述的机器人手术系统，其中，所述手术工具的所述已知位置包括沿着所述计划轨迹的工具路径的距离。6.根据前述权利要求中任一项所述的机器人手术系统，其中，所述计划轨迹包括骨组织中的手术，并且与所述计划轨迹偏离包括所述手术工具从所述骨组织离开。7.根据前述权利要求中任一项所述的机器人手术系统，其中，如果确定所述手术工具未遵循其计划轨迹，则所述控制器被进一步配置为防止所述手术工具进入不符合所述计划轨迹的组织。
8.根据权利要求6所述的机器人手术系统，其中，所述控制器进一步适于使用至少一个传感器的输出来确定所述手术在所述骨组织内的剩余深度。9.根据权利要求8所述的机器人手术系统，其中，所述控制器进一步适于：如果被确定为所述骨组织内的剩余深度大于从所述计划轨迹预计的深度，则指示在所述骨组织中继续进行所述手术至比所述计划轨迹所指示的深度更深的深度。10.根据前述权利要求中任一项所述的机器人手术系统，其中，调整从所述至少一个传感器中的任一个传感器预计的信号输出以反映以下项中的至少一项：对象的骨密度、年龄、性别、骨骼肌肉状况、通过z评分测量的骨质疏松症以及任何伴随疾病。11.根据前述权利要求中任一项所述的机器人手术系统，其中，由所述控制器执行的动作包括保持所述手术工具的机器人臂的受控移动。12.根据前述权利要求中任一项所述的机器人手术系统，其中，所述数据集包括由所述手术工具穿过皮质骨、松质骨和不同类型的软组织中的任一者产生的传感器输出信号的预期值。13.一种用于监测机器人引导的手术工具沿着预定路径穿过不同组织的进展的方法，所述方法包括：(a)从所述手术工具沿着所述预定路径的已知位置确定所述手术工具预计要横穿的组织；(b)检测由所述手术工具与被所述手术工具横穿的所述组织的相互作用产生的至少一个传感器输出；(c)将所述至少一个传感器输出与来自所述手术工具与所述手术工具预计要横穿的所述组织的相互作用的预计传感器输出进行比较；以及(d)如果所述比较显示所述至少一个传感器输出有意义地不同于所述预计传感器输出，则确定所述手术工具正在偏离所述预定路径。14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述至少一个传感器检测以下项中的至少一项：(i)由手术过程发出的声音；(ii)由所述手术工具或由所述机器人汲取的电功率；(iii)由所述手术工具的马达在其进展期间发出的声音；(iv)由所述手术工具通过所述手术工具与所述组织的反作用而经历的机械力；(v)所述手术工具在其行进穿过所述组织时所经受的机械振动；以及(vi)所述工具正在横穿的所述组织的电阻抗。15.根据权利要求13和14中任一项所述的方法，其中，如果发现所述手术工具偏离所述预定路径，则执行以下项中的至少一项：(i)停止所述工具沿着所述计划轨迹的运动；(ii)降低所述手术工具的前进速度；(iii)降低所述手术工具的加工能力；(iv)关闭对所述手术工具的供电；以及(v)向所述系统的操作者发出警告。16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中，穿过不同组织的预定路径包括骨
组织中的手术，并且与所述预定路径偏离包括所述手术工具从所述骨组织离开。17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，还包括使用人工智能来分析所述至少一个传感器输出是否落在所述预计传感器输出的预定正常范围之外。18.根据权利要求13至17中任一项所述的方法，其中，如果确定所述工具正在偏离所述预定路径，则执行以下项中的至少一项：禁用对所述工具的供电、降低所述工具的功率、或者改变所述工具的轨迹。19.一种机器人手术系统，所述机器人手术系统包括：控制器，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：D，
申请(专利权)人：马佐尔机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：