用于外科手術(shù)工具的觸覺控制的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于外科手術(shù)工具的觸覺控制的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2012年12月21日提交的美國申請(qǐng)?zhí)?3/725，348的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容以引用的方式并入本文中。
[0003]背景
[0004]本發(fā)明總體上涉及觸覺領(lǐng)域，并且更具體地涉及外科手術(shù)工具的觸覺控制。
[0005]在計(jì)算機(jī)輔助外科手術(shù)中，外科醫(yī)生可利用觸覺裝置?！坝|覺”是指觸摸的感覺，且觸覺領(lǐng)域尤其涉及提供反饋給操作者的人交互式裝置。反饋可以包括觸覺，諸如例如，振動(dòng)。反饋還可以包括提供力給用戶，如運(yùn)動(dòng)的正向力或阻力。觸覺的一個(gè)常見用途是為裝置用戶提供操縱所述裝置的引導(dǎo)或限制。例如，觸覺裝置可以聯(lián)接到外科手術(shù)工具，它可以由外科醫(yī)生操縱以執(zhí)行外科手術(shù)。外科醫(yī)生的外科手術(shù)工具操縱可以通過使用在外科手術(shù)工具的操縱過程中提供反饋給外科醫(yī)生的觸覺被引導(dǎo)或限制。
[0006]手術(shù)方案通常在用觸覺裝置執(zhí)行外科手術(shù)之前制定。手術(shù)方案可以是針對(duì)具體患者的。基于手術(shù)方案，外科手術(shù)系統(tǒng)在手術(shù)過程的部分期間引導(dǎo)或限制外科手術(shù)工具的運(yùn)動(dòng)。外科手術(shù)工具的控制用來在實(shí)施手術(shù)方案的過程中保護(hù)患者和幫助外科醫(yī)生。
[0007]通常，在外科手術(shù)過程中使用的觸覺裝置可以具有至少兩個(gè)操作模式。在自由模式中，外科醫(yī)生可基本上自由地操縱聯(lián)接到裝置的外科手術(shù)工具。在觸覺控制模式中，外科手術(shù)系統(tǒng)的組件(例如，觸覺對(duì)象)被激活，以引導(dǎo)或限制外科手術(shù)工具的運(yùn)動(dòng)。使用現(xiàn)有技術(shù)的觸覺裝置可通過在手術(shù)過程中改進(jìn)自由模式和觸覺控制模式之間的轉(zhuǎn)換的機(jī)制來增強(qiáng)。
[0008]發(fā)明概述
[0009]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案涉及一種外科手術(shù)系統(tǒng)。所述外科手術(shù)系統(tǒng)包括與虛擬觸覺交互點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的外科手術(shù)工具，其中所述虛擬觸覺交互點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)于所述外科手術(shù)工具的運(yùn)動(dòng)。所述外科手術(shù)系統(tǒng)還包括處理電路，其被配置為建立虛擬入口邊界和激活觸覺對(duì)象，其中被激活的觸覺對(duì)象被配置為在所述觸覺交互點(diǎn)穿過所述虛擬入口邊界后約束所述外科手術(shù)工具。
[0010]本發(fā)明的另一實(shí)施方案涉及一種使用外科手術(shù)系統(tǒng)的方法。所述方法包括提供外科手術(shù)工具和提供虛擬觸覺交互點(diǎn)，其中所述虛擬觸覺交互點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)于所述外科手術(shù)工具的運(yùn)動(dòng)。所述方法還包括提供虛擬入口邊界和激活觸覺對(duì)象，其中被激活的觸覺對(duì)象被配置為在所述觸覺交互點(diǎn)穿過所述虛擬入口邊界后約束所述觸覺交互點(diǎn)。
[0011]本發(fā)明的又一實(shí)施方案涉及一種上面具有在由處理電路執(zhí)行時(shí)有助于計(jì)劃或執(zhí)行外科手術(shù)的指令的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)。所述介質(zhì)包括用于使外科手術(shù)工具與虛擬觸覺交互點(diǎn)相關(guān)聯(lián)使得所述虛擬觸覺交互點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)于所述外科手術(shù)工具的運(yùn)動(dòng)的指令；用于建立虛擬入口邊界和虛擬出口邊界的指令；用于激活觸覺對(duì)象的指令，其中被激活的觸覺對(duì)象被配置為在所述觸覺交互點(diǎn)穿過所述虛擬入口邊界后約束所述外科手術(shù)工具；以及用于在所述觸覺交互點(diǎn)穿過虛擬出口邊界后停用所述觸覺對(duì)象的指令。
[0012]可替代示例性實(shí)施方案涉及如一般可在權(quán)利要求中所引用的其它特征和特征的組合。
[0013]附圖簡(jiǎn)述
[0014]結(jié)合附圖，從以下詳細(xì)說明將更全面地了解本發(fā)明，其中相同的參考標(biāo)號(hào)是指相同的元件，其中：
[0015]圖I是根據(jù)示例性實(shí)施方案的外科手術(shù)系統(tǒng)。
[0016]圖2A和2B是矢狀鋸的實(shí)施方案。
[0017]圖3A和3B示出根據(jù)示例性實(shí)施方案的計(jì)劃股骨改造，以及圖3C和3D闡明根據(jù)示例性實(shí)施方案的計(jì)劃脛骨改造。
[0018]圖4示出根據(jù)示例性實(shí)施方案的使用外科手術(shù)系統(tǒng)的方法。
[0019]圖5A-5E示出根據(jù)示例性實(shí)施方案，當(dāng)工具法線垂直于觸覺對(duì)象時(shí)進(jìn)入和退出觸覺控制。
[0020]圖6A和6B顯示根據(jù)示例性實(shí)施方案的圖5A-5E的觸覺對(duì)象。
[0021]圖7A和7B示出根據(jù)示例性實(shí)施方案的偏置觸覺對(duì)象。
[0022]圖8A-8E示出根據(jù)示例性實(shí)施方案，當(dāng)工具軸線垂直于觸覺對(duì)象時(shí)進(jìn)入和退出觸覺控制。
[0023]圖9A和9B顯示根據(jù)示例性實(shí)施方案的圖8A-8E的觸覺對(duì)象。
[0024]圖10示出根據(jù)示例性實(shí)施方案的偏置觸覺對(duì)象的另一實(shí)施方案。
[0025]圖11A-11E示出根據(jù)示例性實(shí)施方案，當(dāng)觸覺對(duì)象為線時(shí)進(jìn)入和退出觸覺控制。
[0026]圖12示出圖11A-11E的實(shí)施方案的手術(shù)方案的各種特征。
[0027]圖13A-13D示出根據(jù)示例性實(shí)施方案，當(dāng)觸覺對(duì)象為三維體時(shí)進(jìn)入和退出觸覺控制。
[0028]圖14示出圖13A-13D的實(shí)施方案的手術(shù)方案的各種特征。
[0029]圖15示出當(dāng)脫開觸覺控制時(shí)所采用的觸覺恢復(fù)特征。
[0030]圖16示出根據(jù)示例性實(shí)施方案的入口邊界。
[0031]詳述
[0032]在轉(zhuǎn)向詳細(xì)闡明示例性實(shí)施方案的附圖前，應(yīng)了解，本申請(qǐng)不限于在描述中所陳述或在圖式中所闡明的細(xì)節(jié)或方法。還應(yīng)了解，術(shù)語是僅出于描述的目的且不應(yīng)被視為限制性。例如，若干圖解說明描繪當(dāng)對(duì)患者膝蓋進(jìn)行特定外科手術(shù)時(shí)與觸覺控制的進(jìn)入和退出有關(guān)的方法。然而，本文所述觸覺控制的實(shí)施方案可應(yīng)用于在任何類型的外科手術(shù)過程中對(duì)患者的任何部位（包括患者的肩膀、手臂、肘、手、臀、腿、足、頸部、面部等）的外科手術(shù)工具的觸覺控制。
[0033]示例件外科手術(shù)系統(tǒng)
[0034]參考圖I，外科手術(shù)系統(tǒng)100包括導(dǎo)航系統(tǒng)10、計(jì)算機(jī)20和觸覺裝置30。導(dǎo)航系統(tǒng)追蹤患者的骨骼，以及手術(shù)過程中所用的外科手術(shù)工具，以允許外科醫(yī)生在顯示器24上使骨骼和工具視覺化且使能夠聯(lián)接到觸覺裝置30的外科手術(shù)工具36的觸覺控制。
[0035]導(dǎo)航系統(tǒng)10可以是任何類型的導(dǎo)航系統(tǒng)，其被配置為在外科手術(shù)過程中追蹤患者的解剖結(jié)構(gòu)和外科手術(shù)工具。例如，導(dǎo)航系統(tǒng)10可包括非機(jī)械式追蹤系統(tǒng)、機(jī)械式追蹤系統(tǒng)、或非機(jī)械式與機(jī)械式系統(tǒng)的任何組合。導(dǎo)航系統(tǒng)10獲得對(duì)象關(guān)于參考坐標(biāo)框的位置和取向（即姿勢(shì)）。隨著對(duì)象在參考坐標(biāo)框中運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)航系統(tǒng)追蹤對(duì)象的姿勢(shì)以檢測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)。
[0036]在一個(gè)實(shí)施方案中，導(dǎo)航系統(tǒng)10包括如圖1所示的非機(jī)械式追蹤系統(tǒng)。所述非機(jī)械式追蹤系統(tǒng)是任選的追蹤系統(tǒng)，其具有檢測(cè)裝置12和布置在被追蹤對(duì)象上且可由檢測(cè)裝置12檢測(cè)到的可追蹤元件(例如，導(dǎo)航標(biāo)志14)。在一個(gè)實(shí)施方案中，檢測(cè)裝置12包括基于可見光的檢測(cè)器，諸如MicronTracker (加拿大多倫多的克萊倫技術(shù)公司(ClaronTechnology Inc.，Toronto, CN))，其檢測(cè)在可追蹤元件上的圖案(例如，棋盤圖案)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，檢測(cè)裝置12包括立體照相機(jī)對(duì)，其對(duì)紅外輻射敏感且可定位在將進(jìn)行外科手術(shù)的手術(shù)室中?？勺粉櫾且园踩头€(wěn)定的方式被固定到追蹤對(duì)象，并且包括具有已知與追蹤對(duì)象幾何關(guān)系的標(biāo)志陣列。如已知，所述可追蹤元件可以是有源的(例如，發(fā)光二極管或LED)或無源的(例如，反射球、棋盤圖案等)，并有獨(dú)特的幾何形狀(例如，標(biāo)志的獨(dú)特幾何結(jié)構(gòu))，或在有源線接標(biāo)志的情況下，為獨(dú)特的擊發(fā)圖案。
[0037]在操作中，檢測(cè)裝置12檢測(cè)可追蹤元件的位置，且外科手術(shù)系統(tǒng)100(例如，使用嵌入式電子器件的檢測(cè)裝置12)基于所述可追蹤元件的位置、獨(dú)特的幾何形狀和已知與追蹤對(duì)象的幾何關(guān)系，計(jì)算被追蹤對(duì)象的姿勢(shì)。導(dǎo)航系統(tǒng)10包括用于用戶期望追蹤的每個(gè)對(duì)象的可追蹤元件，諸如位于脛骨2上的導(dǎo)航標(biāo)志14、位于股骨4上的導(dǎo)航標(biāo)志16、觸覺裝置的標(biāo)志18 (以追蹤觸覺裝置30的全局或總位置)，以及端部效應(yīng)器標(biāo)志19 (以追蹤觸覺裝置30的遠(yuǎn)端)。
[0038]再次參考圖1中，外科手術(shù)系統(tǒng)100還包括處理電路，在圖中表示為計(jì)算機(jī)20。所述處理電路包括處理器和存儲(chǔ)器裝置。所述處理器可以被實(shí)現(xiàn)為通用處理器、專用集成電路(ASIC)、一個(gè)或多個(gè)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、一組處理組件、或其它合適的電子處理組件。所述存儲(chǔ)器裝置(例如，存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)裝置等)是用于存儲(chǔ)用于完成或便于在本申請(qǐng)中描述的各種進(jìn)程和功能的數(shù)據(jù)和/或計(jì)算機(jī)代碼的一個(gè)或多個(gè)裝置(例如，RAM、ROM、閃存、硬盤存儲(chǔ)等)。所述存儲(chǔ)器裝置可以是或包括易失性存儲(chǔ)器或非易失性存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器裝置可以包括數(shù)據(jù)庫組件、對(duì)象代碼組件、腳本組件、或任何其它類型的信息結(jié)構(gòu)，用于支撐在本申請(qǐng)中描述的各種活動(dòng)和信息結(jié)構(gòu)。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案，存儲(chǔ)器裝置可通信經(jīng)由處理電路連接到所述處理器，并且包括用于(例如，由處理電路和/或處理器)執(zhí)行本文所述的一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程的計(jì)算機(jī)代碼。
[0039]計(jì)算機(jī)20被配置為與導(dǎo)航系統(tǒng)10和觸覺裝置30通信。另外，計(jì)算機(jī)20可接收與外科手術(shù)有關(guān)的信息，并執(zhí)行與進(jìn)行外科手術(shù)有關(guān)的各種功能。例如，計(jì)算機(jī)20可具有根據(jù)需要執(zhí)行與圖像分析、手術(shù)計(jì)劃、配準(zhǔn)、導(dǎo)航、圖像引導(dǎo)和觸覺引導(dǎo)有關(guān)的功能的軟件。
[0040]觸覺裝置30包括基座32、機(jī)器人臂34、以及聯(lián)接到機(jī)器人臂34的外科手術(shù)工具36。所述外科手術(shù)工具可以是能夠被聯(lián)接到機(jī)器人臂34的任何外科手術(shù)工具。例如，在圖1的實(shí)施方案中，外科手術(shù)工具36是球形毛刺。外科手術(shù)工具36也可以是圖2A中所示的矢狀鋸38、或圖2B中所示的矢狀鋸40。矢狀鋸38的刀片39平行于工具軸線42對(duì)準(zhǔn)，而矢狀鋸40的刀片39垂直于工具軸線42對(duì)準(zhǔn)。外科醫(yī)生可以在球形毛刺、矢狀鋸38、矢狀鋸40、或任何其它類型的外科手術(shù)工具之間進(jìn)行選擇，這取決于外科醫(yī)生希望進(jìn)行的骨改造類型(例如，孔、平面切口、彎曲邊緣等)。
[0041 ] 外科醫(yī)生與觸覺裝置30交互以對(duì)患者進(jìn)行外科手術(shù)。一般情況下，觸覺裝置30具有兩種操作模式。在自由模式中，外科醫(yī)生可基本上自由地操縱外科手術(shù)工具36的姿勢(shì)。在觸覺控制模式下，一個(gè)或多個(gè)觸覺對(duì)象52被激活。如本文中各個(gè)實(shí)施方案中描述，觸覺對(duì)象52可以約束外科手術(shù)工具36。
_2] 制定手術(shù)計(jì)劃
[0043]手術(shù)計(jì)劃在外科醫(yī)生進(jìn)行外科手術(shù)前被創(chuàng)建。利用患者的解剖結(jié)構(gòu)的三維示圖，在此也稱為虛擬骨模型45 (參照?qǐng)D3A-3D)，制定手術(shù)計(jì)劃?！疤摂M骨模型”可包括軟骨或除骨以外的其它組織的虛擬表示。為了獲得虛擬骨模型45，計(jì)算機(jī)20接收在其上將執(zhí)行外科手術(shù)的患者的解剖結(jié)構(gòu)的圖像?；颊叩慕馄式Y(jié)構(gòu)可使用任何已知的成像技術(shù)，如CT、MRI或超聲波進(jìn)行掃描。然后將掃描數(shù)據(jù)分段以獲得虛擬骨模型45。例如，在對(duì)膝蓋進(jìn)行外科手術(shù)之前，創(chuàng)建股骨4和脛骨2的三維示圖?？商娲?，虛擬骨模型45可以通過從骨模型