同步机器人骨铣削的制作方法

本发明涉及机器人控制和协调的外科手术程序。特别地，本发明涉及包括双侧多个机器人元件(诸如机器人臂、末端执行器、外科手术器械、解剖结构保护工具、相机、成像设备、跟踪设备或用于机器人外科手术的其他设备)的机器人系统。本发明还涉及这样的机器人系统：其中机器人元件的放置和移动由单个控制单元控制和协调，并且其中所有机器人元件都基于单个可移动刚性底盘，并因此在单个原点被机器人协调。具体地，多个机器人元件可以附接到单个控制单元并由该单个控制单元控制，并且可以以协调的方式用于部署和/或关联到外科手术器械、跟踪器、相机和作为机器人外科手术程序的一部分的其他外科手术工具。更特别地，在机器人脊柱外科手术的背景下，多个末端执行器可以双侧部署在多个机器人臂上并由单个控制单元控制，并且可以以中央协调的方式用于执行机器人外科手术程序，其中每个机器人元件的相对移动由中央控制单元协调。最特别地，在机器人脊柱外科手术中的骨铣削(减压)的背景下，用于铣削骨和保护解剖结构元件(诸如神经)的工具可以被部署在以同步和协调的方式控制的多个机器人臂上，以执行安全有效的外科手术程序。背景技术：1、机器人外科手术在本领域是众所周知的，机器人技术在诸如脊柱减压(骨铣削)等脊柱外科手术程序中的应用也是众所周知的。许多机器人外科手术系统(诸如来自intuitive surgical的da vinci机器人外科手术系统)是远程操作的。多臂机器人外科手术系统(例如由cambridge medical robotics所提供的那些)在本领域中是可用的，但这些已知的系统通常也是远程操作的，并且都由单独部署在单独的推车或底盘上的单个臂组成，由远程定位的控制单元提供一定水平的协调。包括多个推车上的多个臂的系统在集成到外科手术工作流程中这一方面具有显著的缺点，并且在手术室中具有不期望地大的占用空间。此外，由远程定位的控制单元对远程操作单元的控制并不提供全系列外科手术程序所需的控制水平，特别是在脊柱外科手术的情况下。准确度将不可避免地低于所有机器人臂固定到包括控制单元的单个底盘并由其协调的系统。2、全系列的机器人脊柱外科手术程序(包括机器人脊柱减压)的执行需要机器人协调的导航/传感，而该机器人协调的导航/传感在如今是不可用的。典型的程序可能需要操纵由机器人臂部署的一个或多个末端执行器、部署其他器械、在骨和/或软组织上放置多个无源或有源标记，和可以放置在距术野不同距离和与其成不同角度处的一个或多个由机器人控制和操纵的相机/传感器，以及由机器人臂部署的一个或多个末端执行器。这种安装在一个推车上并由其控制的双侧多臂/多相机/传感器系统在当前最先进技术水平下是不可用的。长期以来都存在对这种系统的强烈需要，因为它将实现以目前不可能的准确度水平用机器人协调的控制和导航执行全系列的脊柱外科手术程序。3、在脊柱减压程序中，强烈感觉到需要一种中央协调的多面性方法。在脊柱减压中，需要以各种方式、形状、形式和方向铣削骨。在许多情况下，执行减压过程是为了减轻骨解剖结构对敏感神经的压力。在许多这样的情况下，如果神经和/或脊髓没有被脊柱的骨解剖结构(例如，“瘢痕组织”)完全压迫和/或没有完全粘附到脊柱的骨解剖结构，其基本上触及该脊柱的骨解剖结构。这表明了与骨铣削(无论是通过机器人还是其他技术执行的骨铣削)相关联的基本问题和危险。也就是说，无论传统的机器人或非机器人方法多么准确，当铣削工具进行骨铣削时，它直接邻近或确实触及脆弱的神经或脊髓结构。这带来了不可接受的灾难性损伤的风险。4、在传统的程序(无论是机器人还是非机器人执行的程序)中，保护性外科手术工具可以被放置在骨解剖结构和神经或脊髓结构之间，以试图保护那些神经系统结构免受铣削工具的影响和/或在它们之间进行分离。对外科医生来说，该方法耗时多、压力大且令人生畏。现有的机器人技术不支持这种对多臂分离但协调的机器人运动的需要。因此，尝试使用现有的机器人技术将不可避免地导致这两种外科手术器械之间缺乏精度。在存在随之引起的缺乏精度的风险的情况下，便存在保护性工具不能完全保卫神经或脊髓的风险，因此存在损伤这些结构的风险。此外，保护工具和铣削工具的机器人准确同步将实现自动机器人铣削，这将实现所需铣削的预先规划和机器人系统的准确执行，这将必然地改善临床结果。5、机器人同步骨铣削工具和解剖结构保护性工具的放置和移动的系统将在很大程度上改善这种担忧，因为这些工具将由彼此同步移动的机器人臂保持，从而降低伤害的风险。通过同步的机器人臂来保持和放置工具提供了更高的准确度，从而提供了更大的安全性。这种系统是在本发明的上下文中提供的。此外，当利用所述系统和自主机器人能力时，对铣削工具和保护性工具进行机器人协调而不仅仅是通过传统导航技术对其进行协调的需要明显更高且更重要。技术实现思路1、本公开提供了一种机器人控制的外科手术系统。具体地，本发明的系统是用于骨铣削应用(例如，脊柱减压、矫形应用、颅骨、ent等)的中央协调和同步的机器人系统。该系统包括多个机器人臂，每个机器人臂可以保持至少一个末端执行器、相机/传感器或导航元件以用于相关应用，例如脊柱减压程序。末端执行器可以包括铣削工具和解剖结构保护工具，诸如用于保护脊柱解剖结构的神经或脊髓元件的目的的工具(例如，抹刀)。相机/传感器和导航元件用于为机器人臂和/或解剖结构部分的移动以及末端执行器和工具的部署提供引导和/或跟踪。2、本发明包括多个机器人臂，这些机器人臂通过末端执行器和/或相机/传感器的保持和部署来铣削骨、保护解剖结构，并且可以以自动且安全的方式提供导航支持，因为它们是机器人同步的。在一个实施方式中，可以有三个机器人臂，一个保持铣削工具、一个保持保护性工具并且一个保持导航/跟踪传感器，例如导航相机。在这样的实施方式中，第一臂保持保护性器械，该保护性器械可用于从即将被铣削的骨解剖结构缩回、偏转、保护或操纵敏感器官(例如神经、脊髓等)。第二臂保持铣削骨的铣削工具(例如，高速锉具)。第三臂保持监控相机/传感器，该监控相机/传感器从最佳距离且以最佳角度提供过程的图像和/或其他重要数据。该相机能够从最佳距离且以最佳角度进行操作，因为它的大小适当，并且部署在大小和位置适当的机器人臂上。可选地，保持铣削工具或保护性工具的机器人臂也可以保持附加的成像或导航相机，以提供信息冗余度和多样性。3、通过导航相机与在程序开始时或程序期间放置在骨解剖结构上的有源或无源标记的相互作用，实现了机器人臂的同步移动。机器人臂的移动由来自单个可移动基座的中央控制单元同步，该可移动基座基于标记和相机提供的导航信息来知晓臂的位置。4、因此，在本发明系统的各种实施方式中，无源或有源标记可以被放置在骨解剖结构上或附加表面上，例如患者皮肤、手术台等，并且可以用于在脊柱减压程序或其他骨铣削应用期间辅助导航/跟踪。这些程序可能需要在一个或多个椎骨的骨解剖结构上放置单个或多个无源或有源标记。在特定实施方式中，可以优选微型标记。椎骨相对较小，因此为了在不同的椎骨上(实际上在椎骨的骨解剖结构的不同部件上)放置多个标记，使用相对非常小的标记(大小为1cm或更小)可能是有利的。当使用小的标记时，可以有利地使一个或多个相机/传感器部署在非常靠近术野的位置，例如在距术野30cm或更小的距离处并且还在相对于术野成有利的角度处，以便标记可以被可视化。例如，如果小标记以不方便的角度部署在患者体内，则将相机/传感器定位在近距离和适当的角度处将是有利的。这种安排然后可以向中央控制单元提供适当的导航/传感信息，并提供铣削工具和保护性工具的协调移动。此外，除了能够使相机/传感器靠近器官或目标并成最佳角度之外，中央协调系统还可以计算并确定将机器人臂相对于彼此、相对于患者和不断变化的临床工作人员位置等放置的最佳位置，以防止碰撞并允许方便的工作流程。5、本发明的方法允许多个机器人臂的同步操作，在许多实施方式中选择三个臂。保持铣削工具的铣削臂始终与保护性工具和保持传感器/导航相机的臂同步工作。6、可选地，除了存在的任何导航元件之外，三个机器人臂可以保持两个铣削工具和一个保护性工具。在该实施方式中，在3个臂之间存在同步的工作模式。两个铣削臂始终与铣削工具和保护工具同步工作，其中铣削的骨位于中心。这样，两个臂始终可以相对于该骨彼此对准，同时该骨始终受到保护。此外，保持相机的第三臂也同步，因此也定位在最佳位置，以观察骨标记和铣削的骨，同时外科手术臂自然也可以配备附加的导航相机，以另外提供附加的传感角度。此外，由于该系统实现了从患者的两侧(双侧)部署臂，机器人臂体块主要定位于患者的侧面，因此手术野对于外科手术以及对于通过第三臂的清晰成像/传感而言是清晰的。7、在本发明的备选实施方式中，两个末端执行器(例如，铣削和保护末端执行器)具有感测它们之间的接触或接近接触的能力。这可以通过各种技术(诸如导电性、磁感应性和电容传感)来实现。仅作为示例，当产生信号(这意味着铣削尖端正在临近接触或已经接触保护性工具)时，系统控制器可以执行若干动作，如停止铣削动作或在不同方向上继续铣削。本发明系统的机器人同步提供了铣削工具和保护性工具与骨解剖结构和神经结构的完美对准，以实现最佳的骨铣削。铣削工具和保护性工具通过闭合电路彼此感测的能力提供了关键的安全特征，防止过度铣削并允许脊柱减压程序的顺利继续而没有风险或延迟。8、在本发明的各种实施方式中，保护性末端执行器或保护性工具包括最常布置在工具的相对侧上的至少两个部分。一侧通常(尽管并非仅是如此)由金属制成，以便其在与骨铣削工具接触时可以闭合电路。保护性工具的另一侧被构建和配置为能够感测神经结构。该另一侧可以被配置为检测神经结构的存在和/或接近，并且可以附加地被配置为刺激神经结构。9、在一些备选实施方式中，触及神经的保护性末端执行器或工具的第二部分由不同的材料组成，该材料用作神经状况的传感器。它可以仅仅是感测神经状况或接近度(例如，阻抗测量值)并向主控制器报告的传感部分，或者它也可以是向神经提供测量的刺激(例如，10ma)并接收反馈信号的刺激器。这种能力可以用作第二反馈回路，用于在铣削骨时保护脆弱的神经结构。如果中央控制器接收到可以被解释为例如末端执行器在神经上施加过大压力的信号，主控制器可以修改两臂之间的相对铣削位置，并在两臂之间创建更好的铣削姿势，从而向神经施加更小的压力。10、此外，另一个益处来自这样一个事实，即保护工具和铣削工具连接到不同的机器人臂，而不仅仅是一起用作一个机器人臂上的一个设备(举例而言)。通过位于单独的臂上(当然这些臂仍然是机器人连接和同步的)，机器人控制器通过嵌入其中的算法可以具有用于最佳铣削和安全措施的若干选项。例如，在一些情况下，作为一种安全措施，最好就停止高速锉具的旋转，但该动作在外科手术中并不总是最佳的，因为有时在铣削期间仅仅停止高速锉具就将会导致其卡在骨中。有时，最佳的安全措施将会是将高速锉具从解剖结构退回几毫米远。有时，出于临床或便利性的考虑，铣削工具和/或保护工具应从特定角度/位置等接近该区域，也就是说，将铣削工具与保护工具分离但仍能使它们准确地彼此配合工作在机器人骨铣削程序中具有重要价值。通过不同的同步机器人臂将铣削工具与保护工具分离的益处的另一个示例将是该方法将使得例如臂能够移动到一边以更换铣削工具，而另一个臂仍保持不动并保护神经。此外，如果有多于2个臂忙于铣削，其中一个可以在另一个仍在工作时去更换工具。这具有显著提高外科手术过程的效率的潜力。11、所有这些需要和元件都极大地受益于本发明的单个推车的多臂双侧非远程操作机器人系统的中央协调和同步控制。基于适当大小的标记的放置以及导航相机在与目标解剖结构和标记的适当距离和方向处的放置，可以协调携带末端执行器和相机的机器人臂的移动，以提供安全且精确的机器人脊柱减压程序。