用于指导用户定位机器人的方法和系统技术方案

提供一种系统和方法，基于工作空间和任务要求、操纵器要求或用户偏好在外科手术中动态地定位或重新定位机器人以执行手术计划。该系统和方法在外科手术之前或期间准确地确定并指示机器人相对于患者的解剖结构的最佳位置。直观地向用户指示机器人的最佳位置。手术治疗可以说明性地包括对膝关节、髋关节、脊柱、肩关节、肘关节、踝关节、颌、肿瘤部位、手或脚的关节以及其他适当的手术部位的手术。

Method and system for guiding user positioning robot

A system and method are provided for dynamically locating or repositioning robots in surgical operations based on workspace and task requirements, manipulator requirements or user preferences to perform surgical planning. The system and method accurately determine and indicate the optimal position of the robot relative to the patient's anatomical structure before or during surgery. Intuitively indicate the best location of the robot to the user. Surgical treatment can include osteosurgery of the knee, hip, spine, shoulder, elbow, ankle, jaw, tumour, hand or foot joints and other appropriate surgical sites.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于指导用户定位机器人的方法和系统相关申请的交叉引用本申请主张2016年2月26日提交的序列号为62/300,234的美国临时专利申请的优先权，其通过引用并入本文。
本专利技术通常涉及机器人和计算机辅助手术领域；特别是，基于工作空间和任务要求动态定位手术机器人的新的有用的方法和系统。
技术介绍
机器人外科手术已成为许多需要高精度的复杂手术的首选医疗技术。计算机辅助手术设备如机器人，越来越受欢迎，作为术前计划和精确执行计划的工具，以确保假体在患者骨骼内的准确最终位置和方向，从而改善长期临床结果并与手动手术相比提高假体的生存率。通常，计算机辅助手术系统包括两个部件，交互式术前计划软件程序和计算机辅助手术装置，其利用来自软件的术前数据来帮助外科医生精确地执行手术。传统的交互式术前规划软件从患者的计算机断层摄影(CT)或磁共振成像(MRI)图像数据集生成患者的骨骼解剖结构的三维(3-D)模型。制造商的假体的一组3-D计算机辅助设计(CAD)模型预先加载到软件中，允许用户将所需假体的组件放置到骨骼解剖结构的3-D模型中，以指定假体与骨骼的最佳配合、位置和方向。最终手术计划数据可以包括用于手术设备的指令，例如切割文件中的一组点或一组触觉虚拟边界，以精确地修改组织的体积或帮助外科医生修改组织以实现计划目标。通过机器人辅助执行的常规手术治疗是全部关节置换和部分关节置换。关节置换(也称为原生关节成形术)是一种手术治疗，其中关节的关节连接表面被假体部件替换。关节置换已经成为一种成功的手术方式，尤其适用于臀部、膝盖、肩部以及脚踝，并且可以让人们恢复功能，同时大大减少与骨关节炎相关的疼痛。用于执行全部关节置换和部分关节置换的商业机器人系统包括TSolutionOneTM手术系统(THINKSurgicalInc.，Fremont，CA)和InteractiveOrthopedicSystem(Stryker-Mako，Ft.Lauderdale，FL)。这些机器人系统的例子在美国专利No.5,086,401和7,206,626中有更详细的描述。为了利用机器人系统执行关节置换手术，机器人相对于患者的正确定位是关键的。例如，使用TSolutionOneTM手术系统，可移动基座当前手动操纵到目标解剖结构旁边并使用可移动基座上的制动机构固定到位置。然后，将固定器臂固定到骨骼上以将骨骼固定到系统。随后，使用跟踪机构(例如，光学跟踪系统，机械跟踪系统)将骨骼的位置和方向(POSE)配准到手术计划和系统。在配准之后，机器人系统确定机器人的末端执行器工具是否可以在解剖结构上执行手术任务(即，执行手术计划)。任务中的所有点或边界都应位于机器人的工作空间内，因此机器人应当到达所有点或边界。换句话说，末端执行器工具需要相对于目标解剖结构到达手术计划中指定的所有点或边界。当前方法的主要问题是在用机器人接近患者之前受限于用于机器人基座的最佳位置的先验信息。因此，如果机器人系统确定末端执行器工具不能执行相对于患者已经固定的基座的手术任务，则可能需要重新定位基座并重新配准到骨骼。此外，无法保证基座的新位置适合执行手术任务。还有可能的是，当基座相对于解剖结构的位置改变时，这导致指定的点或边界也在机器人的工作空间内改变。其中一些点或边界可能会被推出工作空间并变得无法访问。有时，机器人的高度在基座高度方面的变化是足够的(即，操纵臂的向上或向下平移)，而在其他情况下，基座的位置需要相对于解剖结构的位置完全重新定位。这在全膝关节置换术(TKA)的情况下变得更加重要，其中末端执行器工具经常被多次重新定向。所有这些问题都可以大大增加执行操作所需的时间，特别是如果目标解剖结构需要固定到机器人系统上(例如，参见美国专利No.5,086,401中所述的机器人骨骼固定)。在许多情况下，计算机辅助也被限制为具有基于有限输入的切割参数的手术计划的执行，例如，限于与特定假体相关的切割腔的尺寸的输入，以及假体在骨骼模型中的位置。因此，外科医生仍必须手动应对软组织问题。此外，在定位基座之前，还应当解决机器人系统的其他参数。这可以包括操纵臂如何铰接以执行任务以及这些关节中的任何一个是否可能导致诸如奇点故障之类的故障或错误。外科医生或外科手术团队可能偏好机器人系统可能以其他方式介入的操作现场的特定接入点或走廊。如果存在光学跟踪系统，则应当定位基座以在整个手术中保持任何跟踪标记和跟踪系统之间的视线。通过简单地猜测解剖结构旁边的基座的位置，这些参数将不是最佳的。最后，一旦确定了基座的最佳位置，就需要以直观和准确的方式将该位置传达给手术团队。基座位置的几毫米可能对手术治疗工作流程和整个手术时间产生影响。因此，需要一种系统和方法，根据任务要求、操纵器要求、或用户偏好，相对于患者的解剖结构最佳地定位或重新定位机器人系统以执行手术计划。还需要直观地向用户指示机器人系统的最佳位置。
技术实现思路
提供了一种用于将机器人定位手术室中的方法，所述的手术室包括手术台，该机器人具有可移动基座、操纵臂以及末端执行器工具。该方法包括：评估可移动基座在手术室中的初始位置，该机器人具有程序化的手术计划；使用防撞移动软件将可移动基座从初始位置移向手术台到第一确定位置；阻止可移动基座；并且操纵机械臂和末端执行器工具。提供了一种用于将机器人定位手术室中的方法，手术室中在包括其上置有骨骼的手术台，该机器人具有可移动基座、操纵臂、附接到操纵臂的末端执行器工具、以及包括手术计划程序和硬件的计算机，以将计划传达给操纵臂。该方法包括设定操纵臂的特定位置和方向(POSE)以形成末端执行器工具的轴线，该轴线表示骨骼的轴线的期望位置，并且移动可移动基座或配准骨骼以大致对准配准骨骼的轴线和末端执行器工具的轴线。提供了一种用于将机器人定位在包括手术台的手术室中的方法，该机器人具有可移动基座、操纵臂和末端执行器工具。该方法包括：确定可移动基座在手术室中的第一位置，该机器人具有程序化的手术计划；将可移动基座从初始位置朝向手术台移动到确定的第一位置；停止可移动基座；并且结合操纵臂和末端执行器工具。提供了一种在地板上操作的机器人手术系统。机器人手术系统包括计算机辅助手术机器人，其具有基座、从机器人伸出的末端执行器工具、基准标记阵列和用于相对于对象骨骼跟踪或导航末端执行器的光学跟踪系统。手术系统还包括将在对象骨骼上执行的手术计划、以及激光器、2-D图像或全息图像投影仪，以将机器人的基座的期望位置的图像投影到地板上。以符合手术计划的至少一个操作。附图说明参照以下附图进一步详细说明本专利技术。这些图不是要限制本专利技术的范围，而是说明其某些属性。图1描绘了根据本专利技术的实施例的具有手术系统的创造性手术室，该手术系统具有机器人计算机辅助设备、计算机系统和跟踪系统，其中机器人设备具有定位指示器以向用户提供机器人相对于患者的解剖结构的最佳位置的指示；图2示意性地描绘了根据本专利技术实施例的具有机器人计算机辅助设备的创造性手术室，该机器人计算机辅助设备具有指示基座的最佳位置的指示器，以及用于将设备的基座引导到最佳位置的其他传感器；图3示意性地描绘了根据本专利技术的实施例的增强现实设备(augmentedrealitydevice)用于显示机器人手术设备的基座的最佳位置；以及图4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于将机器人定位在手术室中的方法，所述的手术室包括手术台，所述的手术台上置有骨骼，所述的机器人具有可移动基座、操纵臂、附接到所述的操纵臂的末端执行器工具、以及包括手术计划和硬件的计算机，以将计划传达给所述的操纵臂，所述的方法包括：设定操纵臂的特定位置和方向(POSE)以形成所述的末端执行器工具的轴线，表示所述的骨骼的轴线的期望位置；以及移动所述的可移动基座或骨骼以大致对准所述的骨骼的轴线和所述的末端执行器工具的轴线。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.26 US 62/300,2341.一种用于将机器人定位在手术室中的方法，所述的手术室包括手术台，所述的手术台上置有骨骼，所述的机器人具有可移动基座、操纵臂、附接到所述的操纵臂的末端执行器工具、以及包括手术计划和硬件的计算机，以将计划传达给所述的操纵臂，所述的方法包括：设定操纵臂的特定位置和方向(POSE)以形成所述的末端执行器工具的轴线，表示所述的骨骼的轴线的期望位置；以及移动所述的可移动基座或骨骼以大致对准所述的骨骼的轴线和所述的末端执行器工具的轴线。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的机器人仅基于对所述的手术计划执行的分析而设定特定POSE。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的POSE基于以下中的至少一个：所述的操纵臂执行切割文件的要求、医生偏好和患者因素。4.根据权利要求1或2所述的方法，还包括在设定所述的操纵臂的POSE之前配准所述的骨骼，其中所述的操纵臂然后设定进一步具有对于所述的操纵臂的正确高度的POSE。5.根据权利要求1或2所述的方法，还包括使用象鼻方法来移动所述的机器人。6.根据权利要求1所述的方法，还包括图形用户界面(GUI)，用于显示所述的机器人的动态定位信息。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的GUI显示所述的骨骼的视图和所述的可移动基座的足迹。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括改变骨骼表示的颜色以指示所述的骨骼是否可由末端执行器到达。9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的GUI提示用户确认POSE。10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括操作三元组或旋转光标以虚拟地调整所述的GUI上的可移动基座的位置。11.一种用于将机器人定位在手术室中的方法，所述的手术室包括手术台，所述的机器人具有可移动基座、操纵臂以及末端执行器工具，所述的方法包括：确定所述的可移动基座在手术室中的第一位置，所述的机器人具有程序化的手术计划；将所述的可移动基座从初始位置朝向手术台移动到所确定的第一位置；停止所述的可移动基座；以及接合所述的操纵臂和末端执行器工具。12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述的第一位置对应于所述的手术台上的患者的解剖结构，其中所述的第一位置基于以下中的至少一个来确定：所述的末端执行器工具的范围和所述的解剖结构被修改的体积；当所述的末端执行器工具修改所述的解剖结构的体积时，避免奇点、关节限制或操纵臂的碰撞中的至少一个；安装在所述的机器人上的基准标记阵列相对于跟踪系统检测器的POSE的位置和方向(POSE)，所述的基准标记阵列，或者在对应于患者的手术类型或操作侧的手术计划中定义的位置。13.根据权利要求11或12所述的方法，还包括在确定所述的第一位置之前将患者的解剖结构配准到跟踪系统，其中使用所述的跟踪系统上的优化算法确定所...

【专利技术属性】
技术研发人员：萨利赫·塔班德，乔尔·祖哈斯，丹尼尔·帕特里克·邦尼，蒂莫西·帕克，兰德尔·汉森，迈克尔·霍普，内森·A·尼特拉瓦利，
申请(专利权)人：思想外科有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US