用于操纵外科手术器械的切割引导件的机器人系

背景技术：1、在外科手术期间普遍会使用电动外科手术器械，诸如锯子、钻机、扩孔器等。通常，这些外科手术器械可由诸如外科医生的用户操作。外科手术器械包括切割工具，所述切割工具被配置为切割患者的组织，诸如骨骼、韧带、皮肤等等。2、在进行必要的切割时经常采用一个或多个切割引导件来引导切割工具。然而，放置切割引导件(通常包括将切割引导件固定到患者的组织)会增加外科手术所需的时间。机器人外科手术的一些目标是提高切割精度并且减少切割时间。因此，为采用机器人系统来放置切割引导件已经做出了努力。然而，需要进一步改进此类机器人系统。技术实现思路1、在第一方面，提供了一种用于与外科手术用锯子一起使用的机器人外科手术系统，所述外科手术用锯子具有锯片。所述机器人外科手术系统包括机器人机械手和端部执行器，所述端部执行器包括将联接到所述机器人机械手的切割引导件。所述切割引导件被配置为引导所述锯片，使得所述锯片沿着期望的切割平面切割骨骼。控制系统联接到所述机器人机械手以通过以下方式来控制所述切割引导件相对于所述骨骼的位置：相对于所述骨骼自主地将所述切割引导件定位在目标取向，使得在所述锯片与所述切割引导件配合时，所述锯片与所述期望的切割平面对准；以及在用户手动地操纵所述端部执行器以使所述切割引导件朝向所述骨骼移动到与所述骨骼相邻的初始引导位置时，约束所述切割引导件的移动，使得所述切割引导件在所述初始引导位置处保持在所述目标取向上。所述控制系统被配置为在所述用户沿着所述期望的切割平面用所述锯片在所述骨骼中进行初始切割之后促进所述切割引导件从所述初始引导位置抽离到间隔开的引导位置。所述切割引导件在所述间隔开的引导位置处保持在所述目标取向上，并且所述间隔开的引导位置适合于所述锯片沿着所述期望的切割平面继续切割所述骨骼。2、在第二方面，提供了一种控制切割引导件的放置的方法，所述切割引导件被配置为引导外科手术用锯子的锯片，使得所述锯片沿着期望的切割平面切割骨骼。所述切割引导件形成联接到机器人机械手的端部执行器的一部分。所述方法包括：相对于所述骨骼自主地将所述切割引导件定位在目标取向，使得在所述锯片与所述切割引导件配合时，所述锯片与所述期望的切割平面对准。在用户手动地操纵所述端部执行器以使所述切割引导件朝向所述骨骼移动到与所述骨骼相邻的初始引导位置时，约束所述切割引导件的移动，使得所述切割引导件在所述初始引导位置处保持在所述目标取向上。所述方法还包括：在所述用户沿着所述期望的切割平面用所述锯片在所述骨骼中进行初始切割之后促进所述切割引导件从所述初始引导位置抽离到间隔开的引导位置，使得所述切割引导件在所述间隔开的引导位置处保持在所述目标取向上，所述间隔开的引导位置适合于所述锯片沿着所述期望的切割平面继续切割所述骨骼。3、在第三方面，提供了一种机器人外科手术系统，所述机器人外科手术系统包括机器人机械手和端部执行器，所述端部执行器包括将联接到所述机器人机械手的引导件。所述引导件被配置为引导外科手术工具，使得所述外科手术工具沿着期望的平面或轴线移动以从骨骼移除物质。控制系统联接到所述机器人机械手以通过以下方式来控制所述引导件相对于所述骨骼的位置：相对于所述骨骼自主地将所述引导件定位在目标取向，使得在所述外科手术工具放置在所述引导件中时，所述外科手术工具与所述期望的平面或轴线对准；以及在用户手动地操纵所述端部执行器以使所述引导件朝向所述骨骼移动到与所述骨骼相邻的初始引导位置时，约束所述引导件的移动，使得所述引导件在所述初始引导位置处保持在所述目标取向上。所述控制系统被配置为在所述用户沿着所述期望的平面或轴线用所述外科手术工具从所述骨骼移除初始量的物质之后促进所述引导件从所述初始引导位置抽离到间隔开的引导位置。所述引导件在所述间隔开的引导位置处保持在所述目标取向上，并且所述间隔开的引导位置适合于所述外科手术工具沿着所述期望的平面或轴线继续从所述骨骼移除物质。4、在第四方面，提供了一种用于与切割工具一起使用来对患者执行外科手术的机器人外科手术系统。所述机器人外科手术系统包括机器人机械手和端部执行器，所述端部执行器包括将联接到所述机器人机械手的切割引导件。所述切割引导件被配置为引导所述切割工具，使得所述切割工具切割所述患者的组织。控制系统联接到所述机器人机械手以控制所述切割引导件相对于所述组织的位置。导航系统包括工具跟踪器以跟踪所述切割工具相对于与所述组织相关联的定制的虚拟边界的位置和取向，其中基于与所述患者的所述组织相关联的虚拟模型而为所述患者定制所述定制的虚拟边界。所述控制系统被配置为在所述切割工具与所述切割引导件配合来切割所述组织时响应于所述切割工具与所述定制的虚拟边界之间的交互而生成反馈。反馈可包括对所述切割工具的控制，和/或生成触觉反馈、听觉反馈、视觉反馈和/或振动反馈。5、在第五方面，提供了一种用机器人机械手以及与切割工具一起使用的切割引导件治疗组织的方法。所述方法包括：以机器人方式控制所述切割引导件相对于所述组织的位置。跟踪所述切割工具相对于与所述组织相关联的定制的虚拟边界的位置和取向，其中基于与患者的所述组织相关联的虚拟模型而为所述患者定制所述定制的虚拟边界。所述方法还包括：在所述切割工具与所述切割引导件配合来切割所述组织时响应于所述切割工具与所述定制的虚拟边界之间的交互而生成反馈。反馈可包括对所述切割工具的控制，和/或生成触觉反馈、听觉反馈、视觉反馈和/或振动反馈。6、在第六方面，提供了一种用于与切割工具一起使用来对患者执行外科手术的机器人外科手术系统。所述机器人外科手术系统包括机器人机械手和端部执行器，所述端部执行器包括将联接到所述机器人机械手的切割引导件。所述切割引导件被配置为引导所述切割工具，使得所述切割工具切割所述患者的组织。控制系统联接到所述机器人机械手以控制所述切割引导件相对于所述组织的位置。导航系统跟踪所述切割引导件相对于与所述组织相关联的患者特定切割边界的位置和取向，其中基于所述患者的组织而为所述患者定制所述患者特定切割边界。所述控制系统被配置为响应于对所述端部执行器的手动操纵而自主地在一个或多个自由度上移动所述切割引导件，使得所述切割引导件以阻止所述切割工具切割超出所述患者特定切割边界的组织的方式定位。7、在第七方面，提供了一种外科手术系统，所述外科手术系统包括具有切割工具的外科手术器械、被配置为引导所述切割工具的切割引导件以及控制系统。所述控制系统被配置为确定所述切割工具与所述切割引导件的当前接合状态，并且基于所述接合状态而控制所述外科手术器械的操作。8、在第八方面，提供了一种控制外科手术器械的操作的方法，所述外科手术器械具有用于与切割引导件一起使用的切割工具。所述方法包括：确定所述切割工具与所述切割引导件的当前接合状态，并且基于所述接合状态而控制所述外科手术器械的操作。9、在第九方面，提供了一种外科手术系统，所述外科手术系统包括：机器人机械手；切割引导件，所述切割引导件被配置为联接到所述机器人机械手以引导切割工具；以及控制系统。所述控制系统被配置为确定所述切割工具与所述切割引导件的当前接合状态，并且基于所述接合状态而控制所述机器人机械手的操作。10、在第十方面，提供了一种控制机器人机械手以及联接到所述机器人机械手的切割引导件的操作的方法。所述切割引导件与切割工具一起使用。所述方法包括：确定所述切割工具与所述切割引导件的当前接合状态，并且基于所述接合状态而控制所述机器人机械手的操作。11、在第十一方面，提供了一种机器人外科手术系统，所述机器人外科手术系统包括机器人机械手，所述机器人机械手包括将联接到所述机器人机械手的切割引导件。所述切割引导件被配置为引导锯片沿着切割平面切割骨骼。控制系统联接到所述机器人机械手以通过以下方式来控制所述切割引导件相对于所述骨骼的位置：相对于所述骨骼定位所述切割引导件，使得所述锯片与所述切割平面对准；以及约束所述切割引导件的移动以使所述切割引导件朝向所述骨骼移动到与所述骨骼相邻的初始引导位置，使得所述切割引导件在所述初始引导位置处保持在目标取向上。在所述切割引导件引导所述锯片时，所述控制系统被配置为促进所述切割引导件从所述初始引导位置抽离到间隔开的引导位置。12、可设想的是，任何以上方面和/或其要素可进行组合。另外，可单独地或与任何以上方面相结合地设想任何以下实施方式：13、在一些实施方式中，所述控制系统被配置为操作所述机器人机械手以将所述切割引导件从所述骨骼抽离并且将所述切割引导件从所述初始引导位置移动到所述间隔开的引导位置。这种抽出可被自主地控制，半自主地控制或手动地控制。14、在一些实施方式中，所述控制系统被配置为对所述用户生成指令。在一些实施方式中，所述指令为在所述切割引导件处于所述初始引导位置时用所述锯片在所述骨骼中进行所述初始切割。在一些实施方式中，所述控制系统可例如在进行所述初始切割之后对所述用户生成将所述切割引导件从所述骨骼抽离的指令。15、在一些实施方式中，所述控制系统被配置为操作所述机器人机械手以约束所述切割引导件的移动以将所述切割引导件从所述骨骼抽离。在一些实施方式中，这在所述用户手动地操纵所述切割引导件时执行。16、在一些实施方式中，所述控制系统被配置为基于与所述锯片相关联的一个或多个参数而确定所述切割引导件的所述间隔开的引导位置。例如，所述一个或多个参数包括以下各项中的至少一者：所述锯片的长度；所述锯片的宽度；所述锯片能够通过所述切割引导件切入所述骨骼的最大深度；以及所述锯片的跟踪位置。17、在一些实施方式中，所述控制系统被配置为操作所述机器人机械手以锁定所述切割引导件。例如，所述切割引导件可相对于所述骨骼锁定在所述初始引导位置处。在一些情况下，这可使得所述用户能够在所述切割引导件位于所述骨骼相邻处时沿着所述期望的切割平面用所述锯片进行所述初始切割。18、在一些实施方式中，导航系统跟踪以下各项中的一者或多者：所述骨骼；所述锯片；以及所述切割引导件。在一些情况下，所述导航系统包括显示器以呈现以下各项中的一者或多者的视觉表示：所述骨骼；所述锯片；以及所述切割引导件。19、在一些实施方式中，所述导航系统被配置为跟踪所述切割引导件相对于所述骨骼的位置和取向。在一些情况下，所述导航系统生成所述骨骼中所述锯片能够到达的区域的视觉表示。这可例如在所述切割引导件处于所述间隔开的引导位置时执行。20、在一些实施方式中，所述导航系统被配置为跟踪对所述骨骼的切割并且生成对所述骨骼的所述切割的视觉表示。21、在一些实施方式中，所述导航系统被配置为跟踪所述切割引导件从相对于所述骨骼的第一引导角度到相对于所述骨骼的第二引导角度的重新定向。在一些情况下，所述锯片以两个所述引导角度与所述期望的切割平面保持对准。在一些实施方式中，所述控制系统被配置为在所述切割引导件从所述第一引导角度重新定向到所述第二引导角度时改变所述骨骼中所述锯片能够到达的所述区域的所述视觉表示，使得所述用户能够看到所述切割引导件的重新定向如何影响所述期望的切割平面中的潜在的骨骼切割。22、在一些实施方式中，所述控制系统被配置为操作所述机器人机械手以约束所述切割引导件的移动。在一些情况下，这可在切除所述骨骼的一部分之后，在所述用户手动地操纵所述端部执行器以将所述切割引导件从所述骨骼抽离时执行。23、在一些实施方式中，所述控制系统被配置为操作所述机器人机械手以通过向所述用户提供触觉反馈来约束所述切割引导件的移动。这种触觉反馈可为听觉反馈、视觉反馈、振动反馈或其任何组合。24、在一些实施方式中，所述控制系统被配置为操作所述机器人机械手以在与所述骨骼间隔开起始距离之处将所述切割引导件定位在所述目标取向。在一些情况下，自主地执行这种定位。在一些情况下，这使得所述锯片在切割引导件处于所述起始距离时无法通过所述切割引导件接触所述骨骼。25、在一些实施方式中，所述控制系统被配置为以自主模式、触觉模式和自由模式中的一者操作所述机器人机械手。26、在一些实施方式中，所述控制系统被配置为操作所述机器人机械手以定位所述切割引导件，使得所述锯片与第二期望的切割平面对准。在一些实施方式中，自主地执行这种定位。27、在一些实施方式中，所述期望的切割平面进一步被限定为第一期望的切割平面，并且所述控制系统被配置为操作所述机器人机械手以定位所述切割引导件，使得所述锯片响应于用户输入而与第二期望的切割平面对准。在一些实施方式中，自主地执行这种定位。28、在一些实施方式中，所述控制系统被配置为操作所述机器人机械手以定位所述切割引导件，使得所述锯片与多个期望的切割平面对准以进行多次平面切割。在一些实施方式中，自主地执行这种定位。在一些实施方式中，所述控制系统基于预定标准而确定所述切割引导件的定位序列以进行所述平面切割。在一些实施方式中，所述预定标准包括以下各项中的一者或多者：用户偏好；所述期望的切割平面之间的距离；所述切割引导件相对于所述期望的切割平面的当前对准；以及所述切割引导件到达所述期望的切割平面的所需移动。在一些实施方式中，所述期望的切割平面由虚拟对象限定。29、在一些实施方式中，导航系统跟踪以下各项中的一者或多者：所述骨骼；所述锯片；以及所述切割引导件。在一些实施方式中，所述导航系统包括：第一跟踪器，所述第一跟踪器用于跟踪所述切割引导件的位置和取向；第二跟踪器，所述第二跟踪器用于跟踪所述骨骼的位置和取向；以及第三跟踪器，所述第三跟踪器用于跟踪所述锯片的位置和取向。在一些实施方式中，所述切割引导件的所述初始引导位置和所述间隔开的引导位置基于来自所述导航系统的数据而确定。在一些实施方式中，所述导航系统被配置为确定所述骨骼的速度或加速度中的一者或多者，并且所述控制系统被配置为响应于所述骨骼的所述速度或加速度中的一者或多者超过预定限值而以自由模式操作所述机器人机械手。30、在一些实施方式中，所述控制系统被配置为定位所述切割引导件，使得所述锯片响应于所述导航系统确定所述速度或加速度中的所述一者或多者处于或低于所述预定限值而与所述期望的切割平面重新对准。在一些实施方式中，自主地执行这种定位。31、在一些实施方式中，所述导航系统包括用于从跟踪元件接收光的定位器，所述导航系统被配置为确定所述跟踪元件中的一者或多者是否被阻挡在所述定位器的视野之外。在一些实施方式中，所述控制系统被配置为响应于所述跟踪元件中的所述一者或多者被阻挡在视野之外而促进所述切割引导件从所述骨骼抽离。在一些实施方式中，所述控制系统被配置为操作所述机器人机械手，以在所述跟踪元件中的所述一者或多者被阻挡在视野之外之前沿着所述切割引导件的所存储的取向将所述切割引导件从所述骨骼抽离。在一些实施方式中，所述控制系统被配置为操作所述机器人机械手以自主地定位所述切割引导件，使得所述锯片响应于所述跟踪元件中的所述一者或多者不再被阻挡在所述定位器的视野之外而与所述期望的切割平面重新对准。32、在一些实施方式中，所述控制系统包括用于测量由所述用户施加到所述端部执行器和所述机器人机械手中的一者或多者的一个或多个力和扭矩的一个或多个传感器。在一些实施方式中，所述控制系统被配置为响应于所述一个或多个力和扭矩超过预定限值而以自由模式操作所述机器人机械手。33、在一些实施方式中，所述控制系统包括联接到所述切割引导件以感测由所述锯片施加在所述切割引导件上的载荷的一个或多个传感器。在一些实施方式中，所述控制系统包括响应于由所述锯片施加在所述切割引导件上的所述载荷超过预定限值而激活的指示器。在一些实施方式中，所述指示器包括以下各项中的至少一者：视觉指示器；触觉指示器；以及听觉指示器。在一些实施方式中，所述控制系统被配置为与所述外科手术用锯子的马达通信，所述控制系统被配置为响应于由所述锯片施加在所述切割引导件上的所述载荷超过预定限值而停用所述马达的操作以停止用所述锯片进行切割。34、在一些实施方式中，所述控制系统包括联接到所述切割引导件以确定所述锯片相对于所述切割引导件的相对位置的一个或多个传感器。35、在一些实施方式中，所述控制系统包括用户接口，所述用户接口被配置为从所述用户接收输入以调整所述切割引导件的位置和取向中的至少一者。36、在一些实施方式中，所述切割引导件包括一个或多个刀片接纳槽。37、在一些实施方式中，被动连杆机构将所述端部执行器的基座与所述切割引导件互连以相对于所述端部执行器的所述基座将所述切割引导件的移动约束于单一平面。38、在一些实施方式中，铰接臂联接到所述骨骼以限制所述骨骼的移动。39、在一些实施方式中，所述控制系统包括一个或多个控制器。