具体实施方式

下面描述本发明的例示性实施方式。为了清楚起见，在本说明书中没有描述实际实现方式的所有特征。当然将理解，在任何这样的实际实施方式的开发中，必须做出许多实现方式特定的决定以激活将随着实现方式而变化的开发者特定目标(诸如符合系统相关和商业相关的约束)。此外，将理解，这样的开发努力可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的本领域普通技术人员而言不过是常规任务。此外，容易理解，尽管下面主要在脊柱手术的上下文内进行讨论，但是本发明的系统和方法可以用于任何数量的解剖设置，以进入身体各处的任何数量的不同手术目标部位。

本文描述的示例包括进行手术的系统和方法。在一个示例中，一种方法包括捕获手术工具在患者的手术部位处的姿势。在一种场景中，手术工具联接至机器人装置。在该场景中，用户(例如，手术医生)可以在机器人装置的帮助下将手术工具引导至手术部位。

所述方法还包括响应于所捕获的姿势，确定手术工具在手术部位的移动范围。在一个示例中，所确定的移动范围可以基于根据手术工具的所确定的轴线的锥形。在另一示例中，所确定的移动范围可以沿着诸如牵开器的手术工具的边缘确定。在该示例中，移动范围可以限于牵开器的一个或更多个臂。

所述方法还包括将所确定的移动范围的表示显示在与手术部位相关联的图像上。在一个示例中，图像可以是手术部位的二维图像或三维图像。在另一示例中，与手术部位相关联的图像可以是患者的术前图像或术中图像。

所述方法还包括提供根据所确定的移动范围来限制机器人装置的移动的一个或更多个指令。例如，机器人装置可以被配置为帮助涉及使用一个或更多个椎弓根钉的手术。在该示例中，手术医生可以将联接至机器人装置的手术工具引导至与一个或更多个椎骨相关联的一个或更多个椎弓根。基于手术工具的所捕获的姿势，所述一个或更多个指令还可以限制机器人装置的移动，以便避免在将一个或更多个椎弓根钉插入一个或更多个椎骨中时破坏椎弓根的周边。

现在参照附图，图1是进行手术的示例系统100的图。示例系统100包括支撑C型臂成像装置103的基座单元102。C型臂103包括辐射源104，该辐射源定位在患者P下方，并将辐射束向上指引至接收器105。C型臂103的接收器105将图像数据发送至处理装置122。处理装置122可以与跟踪装置130进行通信，以获得在手术期间使用的各种器械(例如，器械T)的位置和取向信息。跟踪装置130可以与机器人装置140进行通信，以提供各种跟踪元件(诸如标志物150)的位置信息。机器人装置140和处理装置122可以经由一个或更多个通信信道进行通信。

基座单元102包括控制面板110，通过该控制面板，用户可以对C型臂103的位置以及辐射曝光进行控制。控制面板110因此允许放射科医师在手术医生的指引下“拍摄手术部位的图片”、控制辐射剂量并发起辐射脉冲图像。

针对手术部位的不同视角，C型臂103可以在箭头108的方向上围绕患者P旋转。在一些情况下，植入物或器械T可以位于手术部位，需要改变视角以无阻碍地观察该部位。因此，接收器相对于患者P(更具体地相对于关注的手术部位)的位置可以在手术期间根据手术医生或放射科医师的需要而改变。因此，接收器105可以包括安装至该接收器的跟踪靶(tracking target)106，该跟踪靶允许使用跟踪装置130来跟踪C型臂103的位置。仅通过示例的方式，跟踪靶106可以包括围绕靶间隔开的多个红外(IR)反射器或发射器，而跟踪装置130被配置为根据由跟踪靶106反射或发射的IR信号来对接收器105的位置进行三角测量。

处理装置122可以包括与其相关联的数字存储器和用于执行数字和软件指令的处理器。处理装置122还可以包括帧抓取器，该帧抓取器使用帧抓取器技术来创建用于在显示装置126上投影为显示项123和124的数字图像。显示项123和124被定位成在手术期间由手术医生交互观看。可以使用两个显示项123和124来示出来自两个视图(诸如横向和A/P)的图像，或者可以示出手术部位的基准扫描和当前扫描或者当前扫描和基于先前基准扫描和低辐射当前扫描的“合并”扫描。诸如键盘或触摸屏的输入装置125可以允许手术医生选择和操纵屏幕上的图像。应理解，输入装置可以包括与由处理装置122实现的各种任务和特征相对应的按键阵列或触摸屏图标。处理装置122包括将从接收器105获得的图像数据转换成数字格式的处理器。在一些情况下，C型臂103可以在影片式曝光模式下工作并且每秒生成许多图像。在这些情况下，可以在短时间内将多个图像一起平均成单个图像，以减少运动伪影和噪声。

跟踪装置130包括用于确定与手术中使用的各种元件(例如，红外反射器或发射器)相关联的位置数据的传感器131和132。在一个示例中，传感器131和132可以是电荷耦合器件(CCD)图像传感器。在另一示例中，传感器131和132可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。还可以设想，可以使用不同数量的其它图像传感器来实现所述功能。

在一个方面，机器人装置140可以在手术期间帮助相对于患者P保持器械T。在一种场景中，机器人装置140可以被配置为在手术期间当患者P移动(例如，由于呼吸)或被移动(例如，由于患者身体的操纵)时将器械T维持在关于患者P的相对位置。

机器人装置140可以包括机器人臂141、踏板142和移动壳体143。机器人装置140还可以与诸如显示器126的显示器进行通信。机器人装置140还可以包括固定装置，以将机器人装置140固定至手术台。

取决于手术和关联关节的数量，机器人臂141可以被配置为容纳一个或更多个端执行器。在一个示例中，机器人臂141可以是六关节臂。在该示例中，各个关节包括测量其角度值的编码器。由一个或更多个编码器提供的移动数据结合六个关节的已知几何形状可以允许确定机器人臂141的位置和联接至机器人臂141的器械T的位置。还设想可以使用不同数量的关节来实现本文所述功能。

移动壳体143通过使用轮或手柄或两者来确保容易处理机器人装置140。在一个实施方式中，移动壳体143可以包括固定垫或等效装置。移动壳体143还可以包括控制单元，该控制单元向机器人臂141提供一个或更多个命令并允许手术医生通过使用接口(诸如触摸屏、鼠标、操纵杆、键盘或类似装置)来手动输入数据。

在一个示例中，处理装置122被配置为经由跟踪装置130捕获器械T的姿势。器械的所捕获的姿势包括位置信息和取向信息的组合。在该示例中，器械T的姿势基于患者P的手术部位的用户限定的放置。用户限定的放置基于手术医生或机器人装置140或两者对器械T的移动。在一种场景中，器械包括一个或更多个红外反射器或发射器。继续该示例，处理装置122被配置为确定器械T的与器械T的所捕获的姿势相对应的移动范围。移动范围与机器人装置140的一个或更多个部件(例如，一个或更多个连杆和关节)的致动相关联。处理装置122被配置为确定根据所确定的移动范围致动机器人装置140的一个或更多个部件的一个或更多个指令。此外，处理装置122被配置为向机器人装置140提供所述一个或更多个指令。

在另一示例中，响应于器械T的所捕获的姿势，处理装置122被配置为确定用于使器械T枢转的轴线和一个或更多个平面内的供器械T围绕所确定的轴线枢转的度数范围。在该示例中，处理装置122被配置为提供限制机器人装置140的移动以枢转联接至机器人装置140的器械T的一个或更多个指令。如本文所述，机器人装置140被配置为转换使器械T根据所确定的轴线和一个或更多个平面内的度数范围进行枢转的一个或更多个指令。

图2例示了可以在手术期间使用的示例机器人装置200。机器人装置200可以包括使机器人装置200能够在手术中使用的硬件(诸如处理器、存储器或存储部以及传感器)。机器人装置200可以由诸如电动机、气动马达、液压马达等各种装置提供动力。机器人装置200包括基座202；连杆206、210、214、218、222和226；关节204、208、212、216、220、224和230以及操纵器228。

基座202可以提供平台，以便为机器人装置200提供支撑。基座202可以是固定的或联接至轮，以便提供机器人装置200的移动。基座202可以包括任何数量的材料(诸如铝、钢、不锈钢等)，其可以适用于与机器人装置200相关联的给定环境。

连杆206、210、214、218、222和226可以被配置为根据可编程指令集来移动。例如，连杆可以被配置为遵循预定移动集(例如，基于器械的所捕获的姿势的有限范围的移动)，以便在用户的监督下完成任务。通过示例的方式，连杆206、210、214、218、222和226可以形成限定连杆206、210、214、218、222和226中的给定连杆在关节204、208、212、216、220、224和230中的给定关节的相对移动的运动学链。

关节204、208、212、216、220、224和230可以被配置为通过使用机械齿轮系统而旋转。在一个示例中，机械齿轮系统由应变波传动装置、摆线驱动器等驱动。所选择的机械齿轮系统将取决于与机器人装置200的操作相关的多个因素，诸如连杆206、210、214、218、222和226中的给定连杆的长度、旋转速度、期望的齿轮减速等。向关节204、208、212、216、220、224和230提供动力将允许连杆206、210、214、218、222和226以允许操纵器228与环境交互的方式移动。

在一个示例中，操纵器228被配置为允许机器人装置200根据一个或更多个约束与环境进行交互。在一个示例中，操纵器228通过各种操作(诸如抓握手术器械)来执行元件的适当放置。通过示例的方式，操纵器228可以更换为将向机器人装置200提供不同功能的另一端执行器。

在一个示例中，机器人装置200被配置为根据机器人操作系统(例如，针对机器人的特定功能而设计的操作系统)来工作。机器人操作系统可以提供库和工具(例如，硬件抽象、装置驱动器、可视化器、消息传递、包管理等)来启用机器人应用。

图3是根据示例实施方式的计算装置300的框图。在一些示例中，图3所示的一些部件可以跨多个计算装置(例如，台式计算机、服务器、手持装置等)分布。然而，出于示例的目的，部件被示出并描述为一个示例装置的一部分。计算装置300可以包括接口302、移动单元304、控制单元306、通信系统308、数据存储部310和处理器314。图3所示的部件可以通过通信链路316连接在一起。在一些示例中，计算装置300可以包括允许计算装置300和另一计算装置(未示出)内的通信的硬件。在一个实施方式中，机器人装置140或机器人装置200可以包括计算装置300。

接口302可以被配置为允许计算装置300与另一计算装置(未示出)进行通信。因此，接口302可以被配置为从一个或更多个装置接收输入数据。在一些示例中，接口302还可以维护和管理由计算装置300接收和发送的数据的记录。在其它示例中，数据的记录可以由计算装置300的其它部件来维护和管理。接口302还可以包括接收器和发送器，以接收和发送数据。在一些示例中，接口302还可以包括用户接口(诸如键盘、麦克风、触摸屏等)，以接收输入。此外，在一些示例中，接口302还可以与诸如显示器、扬声器等输出装置接口连接。

在一个示例中，接口302可以接收指示与机器人装置(例如，机器人装置140、机器人装置200)所在的环境的一个或更多个元件相对应的位置信息的输入。在该示例中，环境可以是医院中的手术室，其包括被配置为在手术期间起作用的机器人装置。接口302还可以被配置为接收与机器人装置相关联的信息。例如，与机器人装置相关联的信息可以包括机器人装置的操作特性以及机器人装置(例如，机器人装置140、机器人装置200)的一个或更多个部件(例如，关节204、208、212、216、220、224和230)的运动范围。

计算装置300的控制单元306可以被配置为运行控制软件，该控制软件与机器人装置(例如，机器人装置140、机器人装置200)的部件(例如，机器人臂141、机器人踏板142、关节204、208、212、216、220、224和230、操纵器228等)以及一个或更多个其它装置(例如，处理装置122、跟踪装置130等)交换数据。控制软件可以通过与机器人装置通信的用户接口和显示监测器(例如，显示器126)与用户进行通信。控制软件还可以通过有线通信接口(例如，并行端口、USB等)和/或无线通信接口(例如，天线、收发器等)与跟踪装置130和处理装置122进行通信。控制软件可以与一个或更多个传感器进行通信，以测量用户在安装至机器人臂(例如，机器人臂141、连杆226)的器械T施加的作用力。控制软件可以与机器人臂进行通信，以控制机器人臂相对于标志物150的位置。

如上所述，控制软件可以与跟踪装置130进行通信。在一种场景中，跟踪装置130可以被配置为跟踪附接至患者P的标志物150。通过示例的方式，标志物150可以附接至患者P的椎骨的棘突。在该示例中，标志物150可以包括一个或更多个红外反射器，所述一个或更多个红外反射器对于跟踪装置130是可见的，以确定标志物150的位置。在另一示例中，多个标志物可以附接至一个或更多个椎骨并用于确定器械T的位置。

在一个示例中，跟踪装置130可以向机器人装置140的控制软件提供标志物150的位置信息的近实时更新。机器人装置140可以被配置为经由有线和/或无线接口从跟踪装置130接收对标志物150的位置信息的更新。基于所接收的对标志物150的位置信息的更新，机器人装置140可以被配置为确定对器械T的第一位置的一个或更多个调整，以便维持器械T相对于患者P的期望位置。

在一个实施方式中，控制软件可以包括独立模块。在示例性实施方式中，这些独立模块在实时环境下同时运行，并使用共享存储器来确保控制软件的各种任务的管理。模块可以具有不同优先级，例如，诸如安全模块具有最高优先级。安全模块可以监测机器人装置140的状态。在一种场景中，例如，在检测到危急情况(诸如紧急停止、软件故障或与障碍物碰撞时)，安全模块可以向控制单元306发送停止机器人臂141的指令。

在一个示例中，接口302被配置为允许机器人装置140与其它装置(例如，处理装置122、跟踪装置130)进行通信。因此，接口302被配置为从一个或更多个装置接收输入数据。在一些示例中，接口302还可以维护和管理由其它装置接收和发送的数据的记录。在其它示例中，接口302可以使用接收器和发送器来接收和发送数据。

接口302可以被配置为管理用户与控制软件之间的通过用户接口和显示屏(例如，经由显示项123和124)进行的通信。显示屏可以显示通过与机器人装置140相关联的不同模式来引导用户的图形界面。例如，用户接口可以使用户能够控制机器人臂141的与手术的开始相关联的移动、激活将在手术期间使用的给定模式并且如果需要则停止机器人臂141。

移动单元304可以被配置为确定与机器人臂141的一个或更多个部件相关联的移动，以执行给定程序。在一个实施方式中，移动单元304可以被配置为使用正向运动学和逆向运动学来确定机器人臂141的轨迹。在一种场景中，移动单元304可以访问一个或更多个软件库，以确定机器人臂141的轨迹。在另一示例中，移动单元304被配置为根据手术工具在手术部位的所确定的移动范围，从处理装置122接收致动机器人装置140的一个或更多个部件的一个或更多个指令。

移动单元304可以包括力模块，以监测由联接至机器人臂141的一个或更多个传感器测量的力和扭矩。在一种场景中，力模块能够检测与障碍物的碰撞并提醒安全模块。

控制单元306可以被配置为管理与机器人装置140的各种部件(例如，机器人臂141、踏板142等)相关联的功能。例如，控制单元306可以发送一个或更多个命令，以维持机器人臂141相对于标志物150的期望位置。控制单元306可以被配置为从移动单元304接收移动数据。

在一种场景中，控制单元306可以指示机器人臂141根据协作模式起作用。在协作模式下，用户能够通过保持联接至机器人臂141的工具T并将器械T移动至期望位置来手动地移动机器人臂141。在一个示例中，机器人装置140可以包括联接至机器人臂141的端执行器的一个或更多个力传感器。通过示例的方式，当用户抓握器械T并开始在一方向上移动该器械时，控制单元306接收由力传感器测量的作用力并将该作用力与机器人臂141的位置组合，以生成用户期望的移动。

在一种场景中，控制单元306可以指示机器人臂141根据给定模式起作用，该给定模式将使机器人装置140维持器械T关于给定IR反射器或发射器(例如，标志物150)的相对位置。在一个示例中，机器人装置140可以从跟踪装置130接收标志物150的更新位置信息并且根据需要进行调整。在该示例中，移动单元304可以基于标志物150的所接收的更新位置信息来确定机器人臂141的哪个(些)关节需要移动以便维持器械T关于标志物150的相对位置。

在另一场景中，可以由用户限定限制性协作模式，以限制机器人装置140的移动。例如，控制单元306可以根据用户偏好将机器人臂141的移动限制到平面或轴线。在另一示例中，机器人装置140可以接收与手术部位内的基于机器人臂141的用户引导的移动不应与手术工具或植入物相交的一个或更多个预定边界有关的信息。

在一个实施方式中，机器人装置140可以与处理装置122进行通信。在一个示例中，机器人装置140可以向处理装置122提供器械T的位置和取向数据。在该示例中，处理装置122可以被配置为存储器械T的位置和取向数据，以供进一步处理。在一种场景中，图像处理装置122可以使用器械T的所接收的位置和取向数据来在显示器126上覆盖器械T的虚拟表示。

在一个实施方式中，被配置为检测压力或力的传感器可以联接至机器人臂(例如，连杆226)的最后关节。基于机器人臂的给定移动，传感器可以向计算装置(例如，机器人装置的控制单元)提供施加在机器人臂的最后关节的压力的读数。在一个示例中，机器人装置可以被配置为将力或压力数据传送至计算装置(例如，处理装置122)。在另一实施方式中，传感器可以联接至诸如牵开器的器械。在该实施方式中，施加在牵开器上并由传感器检测的力或压力可以提供给机器人装置(例如，机器人装置140、机器人装置200)或计算装置(例如，处理装置122)或两者，以供进一步分析。

在一种场景中，机器人装置可以访问存储在机器人装置的存储器中的移动数据，以沿着确定的运动路径回扫移动。在一个示例中，机器人装置可以被配置为沿着确定的运动路径移动手术工具，以到达或移动远离手术部位。

在另一场景中，一旦联接至机器人装置的机器人臂(例如，机器人臂141、连杆206、210、214、218、222和226)的器械到达期望的椎弓根钉轨迹，机器人装置就可以被配置为从手术医生接收输入，以沿着期望的椎弓根钉轨迹行进。在一个示例中，手术医生可以向机器人装置提供输入(例如，压下踏板142)，以确认手术医生决定使机器人装置沿着期望的椎弓根钉轨迹行进。在另一示例中，用户可以向机器人装置或计算装置提供另一形式的输入，以帮助器械沿着确定的运动路径移动。

在一种场景中，一旦机器人装置接收到沿着期望的椎弓根钉轨迹行进的确认，机器人装置就可以从移动单元304接收指令，以从当前轨迹枢转至期望的椎弓根钉轨迹。移动单元304可以向控制单元306提供所需的移动数据，以使机器人装置沿着期望的椎弓根钉轨迹移动。

在另一方面，机器人装置(例如，机器人装置140、机器人装置200)可以被配置为基于手术工具(例如，器械T)的所捕获的姿势来围绕显著区域(area of significance)枢转。例如，机器人装置可以被配置为围绕牵开器的末端枢转牵开器，使得无需重复与软组织牵开相关联的所有步骤。在一个示例中，移动单元304可以确定枢转牵开器所需的轨迹。

在一个示例中，机器人装置可以联接至保持软组织远离手术部位的牵开器。在该示例中，由于患者移动，所以手术医生可能需要稍微重新定位牵开器。为此，手术医生可以激活机器人装置上的模式，该模式通过根据由移动单元304确定的轨迹移动机器人臂(例如，机器人臂141、连杆206、210、214、218、222和226)来使牵开器枢转。在一个示例中，用户可以经由计算装置(例如，处理装置122、计算装置300)输入期望移动的方向和量。在输入移动的方向和量之后，用户(例如，手术医生)可以与机器人装置接口连接(例如，压下踏板142)，以开始移动联接至机器人臂的器械。在一个示例中，机器人装置可以在不脱离对接点的情况下允许用户观察解剖结构的不同方面。

在另一示例中，移动单元304可以向计算装置(例如，处理装置122)提供用于基于手术工具(例如，器械T)的所捕获的姿势移动该手术工具的一个或更多个轨迹，以在显示器126上显示。在该示例中，用户可以从与手术的给定步骤相关联的一个或更多个受限移动选择。例如，一个或更多个受限移动可以与通过使用联接至机器人装置140的一个或更多个按钮并且通过个体向机器人装置140的一部分施加力来执行的移动的特定方向和量相关联。

在一种场景中，机器人装置的机器人臂可以联接至诸如扩张器的器械。在该场景中，机器人装置可以接收围绕扩张器的远端枢转预定量度数的一个或更多个指令。移动单元304可以被配置为确定执行枢转所需的轨迹，并将所确定的轨迹信息提供给控制单元306，以移动机器人装置。

在另一方面，一个或更多个红外(IR)反射器或发射器可以联接至机器人装置(例如，机器人装置140、机器人装置200)的机器人臂(例如，机器人臂141、连杆206、210、214、218、222和226)。在一种场景中，跟踪装置130可以被配置为在机器人装置开始工作之前确定一个或更多个IR反射器或发射器的位置。在该场景中，跟踪装置130可以向计算装置(例如，处理装置122、计算装置300)提供一个或更多个IR反射器或发射器的位置信息，以供进一步处理。

在一个示例中，处理装置122或计算装置300可以被配置为将联接至机器人臂的一个或更多个IR反射器或发射器的位置信息与存储在本地或远程数据库(该本地或远程数据库包括与机器人装置有关的信息(例如，机器人装置的几何模型))中的数据进行比较，以帮助确定机器人臂的定位或位置。在一个示例中，处理装置122可以根据由跟踪装置130提供的信息来确定机器人臂的第一位置。在该示例中，处理装置122可以向机器人装置或计算装置(例如，计算装置300)提供机器人臂的所确定的第一位置。在一个示例中，机器人装置可以使用所接收的第一位置数据来执行与机器人臂的一个或更多个关节相关联的一个或更多个元件(例如，编码器、致动器)的校准。

在一种场景中，可以使用联接至机器人装置的机器人臂的器械来确定器械的预期末端位置与器械的实际末端位置之间的差异。在该场景中，机器人装置可以通过跟踪装置130继续将器械移动至已知位置，使得工具的末端与已知位置接触。跟踪装置130可以捕获与联接至机器人臂的一个或更多个IR反射器或发射器相对应的位置信息，并将该信息提供给机器人装置或计算装置(例如，处理装置122、计算装置300)。此外，机器人装置或计算装置可以被配置为基于工具的预期末端位置和工具的实际末端位置来调整机器人装置与跟踪装置130之间的坐标系偏移。

在另一方面，力或压力传感器可以联接至机器人装置(例如，机器人装置140、机器人装置200)的机器人臂(例如，机器人臂141、连杆206、210、214、218、222和226)。在一个示例中，力或压力传感器可以位于机器人臂的端执行器上。在另一示例中，力或压力传感器可以联接至机器人臂的给定关节。力或压力传感器可以被配置为确定力或压力读数何时高于静止阈值。静止阈值可以基于在没有任何附加力或压力施加至器械(例如，用户试图移动器械)的情况下端执行器保持器械时在传感器经历的力或压力。在一个示例中，如果力或压力读数处于或低于静止阈值，则机器人臂可以停止移动。

在一个示例中，机器人臂141的移动可以通过压下踏板142来控制。例如，当踏板142被压下时，控制单元306和移动单元304可以被配置为从一个或更多个力传感器接收力或压力的任何度量并且使用所接收的信息来确定机器人臂141的轨迹。

在另一示例中，机器人臂141的移动可以通过踏板142被压下多少来调节。例如，如果用户将踏板142压下至全部量，则机器人臂141可以以相比于踏板142被压下一半量时更高的速度移动。在另一示例中，机器人臂141的移动可以由位于机器人装置上的用户接口控制。

在一个示例中，机器人装置(例如，机器人装置140、机器人装置200)可以被配置为在本地或远程存储器中存储与手术工具所关联的所确定的移动范围相对应的移动数据。在该示例中，机器人装置可以被配置为仅在由所确定的移动范围限定的一个或更多个方向上行进。

在另一示例中，联接至机器人臂的器械可以包括与机器人装置进行通信的开关。开关可以是按钮的形式，该按钮向机器人装置提供信号，以根据由与端执行器或机器人臂的一个或更多个关节相关联的力或压力传感器检测到的力来移动机器人臂。在该示例中，当手术医生松开开关时，机器人装置将该动作解释为停止命令并维持器械的位置。

在一个示例中，手术医生可以结合脊柱的三维图像的使用并限定器械不应穿过的一个或更多个平面。在该示例中，尽管力或压力传感器检测到用于移动器械的力，但是机器人臂将不允许手术医生根据与预定义计划相关联的约束将器械移动通过所限定的一个或更多个平面。通过示例的方式，机器人装置可以被配置为在器械接近所述一个或更多个受限平面时向手术医生提供提醒。

在另一方面，可以使用机器人装置(例如，机器人装置140、机器人装置200)来导航一个或更多个手术器械并将导航信息提供给计算装置(例如，处理装置122、计算装置300)，以供进一步处理。在一个示例中，计算装置可以被配置为确定手术器械的虚拟表示。此外，计算装置可以被配置为将手术器械的虚拟表示覆盖在手术部位的二维或三维图像上。

在一个示例中，机器人装置可以在跟踪装置130之间执行校准程序，以便在机器人装置与跟踪装置130之间的视线被阻挡的情况下消除位置信息对跟踪装置130的依赖性。在一个示例中，使用如本文所述的已配准至导航系统的机器人装置和与手术部位相对应的患者三维图像可以允许机器人装置变得不依赖于关于与跟踪装置130相关联的距离的准确度降低。

通信系统308可以包括有线通信接口(例如，并行端口、USB等)和/或无线通信接口(例如，天线、收发器等)，以从外部装置接收信号和/或向外部装置提供信号。在一些示例中，通信系统308可以接收用于处理装置122的操作的指令。另外地或另选地，在一些示例中，通信系统308可以提供输出数据。

数据存储部310可以存储可以由处理器314访问和执行的程序逻辑312。程序逻辑312可以包括向处理装置122、机器人装置140、机器人装置200等的一个或更多个部件提供控制的指令。例如，程序逻辑312可以提供基于与便携式器械相关联的一个或更多个用户限定的轨迹来调整机器人装置200的操作的指令。数据存储部310可以包括一个或更多个易失性和/或一个或更多个非易失性存储部件(诸如光、磁和/或有机存储部)，并且数据存储部可以整体或部分地与处理器314集成。

处理器314可以包括一个或更多个通用处理器和/或一个或更多个专用处理器。就处理器314包括超过一个处理器而言，这样的处理器可以单独或组合工作。例如，第一处理器可以被配置为操作移动单元304，并且处理器314的第二处理器可以操作控制单元306。

更进一步地，虽然部件中的各个部件被示出为集成在处理装置122、机器人装置140或机器人装置200中，但是在一些实施方式中，可以使用有线或无线连接可去除地安装一个或更多个部件以通过其它方式(例如，机械地或电气地)连接至处理装置122、机器人装置140或机器人装置200。

在另一示例中，机器人装置可以在手术期间在一个或更多个位置帮助跟踪联接至机器人臂的器械。经由机器人装置的移动跟踪器械可以使器械放置在手术医生难以看到的位置。例如，器械可以放置在帷帘后面，但经由机器人装置和计算装置(例如，处理装置122、计算装置300)跟踪。在另一示例中，机器人装置可以帮助跟踪患者在无菌屏障下的移动。在该示例中，在手术期间，可以使用机器人装置来重新定位床以将患者保持在已知方位。

在另一方面，机器人装置(例如，机器人装置140、机器人装置200)可以被配置为接收与机器人臂(例如，机器人臂141、连杆206、210、214、218、222和226)所关联的移动相对应的一个或更多个约束。例如，手术医生可能想要限定在手术期间允许机器人装置来回移动的区域。在一种场景中，手术医生可以在显示器126上观察患者解剖结构的三维表示，并输入与机器人臂的移动相关联的一个或更多个边界。在另一场景中，手术医生可以在显示器上观察患者解剖结构的二维表示，并通过与显示器126相关联的触摸屏限定一个或更多个边界。

在一个示例中，手术医生可以在开始手术之前输入手术的路径。例如，手术医生可以使用患者解剖结构的二维或三维图像并确定到达手术部位的路径。在一个示例中，计算装置(例如，处理装置122、计算装置300)可以存储与预定路径相对应的信息，并且在开始手术之前将该信息提供给机器人装置。一旦机器人装置知道机器人装置相对于患者的位置，移动单元304就可以使用与预定路径相对应的信息来确定一个或更多个允许的轨迹。

在另一示例中，用于到达手术部位的路径可以包括与机器人臂的单次通过期间的特定穿透深度相对应的约束。例如，机器人臂的移动可以由手术医生选择的最大量来限制。在一种场景中，可以通过与检测肌电图(EMG)响应相关联的另一传感器来通知该限制。

在一种场景中，机器人臂可以联接至用于去除骨的器械。在该场景中，机器人装置可以接收与去除一定量的骨(例如去除一毫米的骨)相关联的一个或更多个命令。机器人装置可以被配置为在骨去除程序完成时经由可听或可视信号向手术医生提供通知。在另一场景中，机器人装置可以接收与继续去除骨直到剩余2毫米骨相关联的一个或更多个命令。

在另一示例中，限制机器人臂的移动的路径可以对应于与解剖分割相对应的一个或更多个输入。例如，手术医生可以选择特定椎骨来将机器人臂的移动限制到该特定椎骨。通过示例的方式，可以进一步指示机器人装置将机器人臂的移动限制到椎骨的特定部分(例如，棘突等)。

在另一方面，机器人装置(例如，机器人装置140、机器人装置200)可以联接至端执行器，该端执行器帮助缩回软组织和将紧固件插入患者的椎骨。通过示例的方式，脊柱手术中使用的板具有已知几何形状，紧固件将能够正确地接合该板并锁定到其最终位置。板通常需要钉/钻孔引导件来控制螺纹紧固件的放置。引导件经常伸出并阻碍不能支持长时间缩回的软组织。

在一个实施方式中，端执行器可以联接至机器人臂(例如，机器人臂141、连杆206、210、214、218、222和226)并帮助放置紧固件。在一种场景中，机器人装置可以从计算装置(例如，处理装置122、计算装置300)接收与在手术中使用的板有关的三维几何信息。

在一个示例中，给定板可能需要在手术期间安装四个紧固件。在该示例中，机器人装置可以使用端执行器来基于由移动单元304确定的轨迹缩回与给定板的第一紧固件位置相对应的软组织。此外，移动单元304还可以被配置为确定用于穿过给定板放置紧固件的最佳轨迹。在放置第一紧固件之后，机器人装置可以被配置为以允许软组织返回到其原始位置的方式移动端执行器并且移动以缩回与给定板的第二紧固件位置相对应的软组织。在该示例中，机器人装置可以使软组织缩回的时间最小化，从而降低在将紧固件中的各个紧固件安装至给定板时损伤软组织的风险。

在一个示例中，移动单元304可以被配置为确定与给定板相关联的成角(angulation)的量，以为紧固件的放置提供附加便利。通过示例的方式，手术医生可以引导机器人臂(例如，机器人臂141、连杆206、210、214、218、222和226)，直到机器人装置检测到如上所述的预定最佳路径的交叉。在该示例中，机器人装置可以被配置为在预定最佳路径交叉处枢转并沿着该路径继续将紧固件安装在给定板上。在一个示例中，用于安装紧固件的端执行器可以结合用于检测在手术期间当缩回软组织时可能发生的任何问题的附加传感器。

在另一方面，机器人装置(例如，机器人装置140、机器人装置200)可以使用由跟踪装置130捕获的位置信息来确定联接至机器人臂(例如，机器人臂141、连杆206、210、214、218、222和226)的器械相对于患者的位置。在一个实施方式中，在机器人装置与跟踪装置130之间的校准程序之后，机器人装置可以使用由与机器人装置的一个或更多个关节(例如，关节204、208、212、216、220和224)相关联的编码器确定的移动信息来确定手术工具的位置。在另一实施方式中，在手术期间，跟踪装置130可以向计算装置(例如，处理装置122、计算装置300)提供位置信息，以帮助跟踪机器人装置。

在一个示例中，跟踪装置130可以基于一个或更多个IR反射器或发射器来跟踪联接至机器人臂的器械的位置。例如，跟踪装置130可以检测联接至工具的IR反射器或发射器，并向处理装置122提供位置信息。处理装置122可以被配置为将联接至器械的IR反射器或发射器的最后已知位置信息与最近位置信息进行比较，并确定与器械相关联的位置变化。

在一个实施方式中，基于器械的所确定的位置变化，处理装置122可以被配置为确定与对应于器械位置的椎间盘或骨的一个或更多个体积变化相关联的图像数据。在一个示例中，基于所确定的图像数据，可以经由显示器126虚拟地表示所去除的椎间盘或骨的量。例如，可以通过基于联接至器械的IR反射器或发射器的位置信息删除对应于安装已到达的路径的数据来示出椎间盘或骨的量。在另一示例中，在包括在一次或更多次通过(pass)中在骨上使用钻孔的程序中，期望每次通过去除患者解剖结构的一部分。在该示例中，随着手术工具每次通过椎间盘，表示被去除的椎间盘的量的图像数据(例如，像素)可以被改变为不同颜色(例如，红色)，以表示已去除椎间盘的对应体积。

在另一示例中，与联接至机器人臂的器械相关联的路径的虚拟表示可以覆盖在患者解剖结构的对应位置上。路径的虚拟表示可以用各种视觉效果来显示，以表示器械多次通过脊柱的特定区域。此外，如上所述，机器人装置可以被配置为基于与手术工具的移动相对应的一个或更多个预定边界来防止用户继续去除椎间盘空间。

在另一方面，机器人装置(例如，机器人装置140、机器人装置200)可以包括超过一个的机器人臂(例如，机器人臂141、连杆206、210、214、218、222和226)。在一种场景中，如上所述，机器人装置和跟踪装置130可能已完成配准过程以校正它们的坐标系中的各个坐标系之间的任何偏移。在该场景中，除了完成配准过程之外，处理装置122可以被配置为接收患者脊柱的3D扫描。在一个实施方式中，机器人装置可以被配置为根据术前脊柱对准计划来维持患者的脊柱对准。

在一个示例中，机器人装置可以使用端执行器，该端执行器被配置为抓握手术的关键元件。例如，机器人装置可以使用联接至机器人臂的第一抓握器来抓握第一椎弓根钉，以及使用联接至第二机器人臂的第二抓握器来抓握第二椎弓根钉。机器人装置可以被配置为向计算装置(例如，处理装置122、计算装置300)提供与第一机器人臂和第二机器人臂中的每一者相关联的位置信息。基于所接收的位置信息，计算装置可以确定当前脊柱对准。此外，在手术期间，计算装置可以分析当前脊柱对准，以确定脊柱的所需矫正。

例如，当前脊柱对准的分析可以包括将当前脊柱对准与术前脊柱对准计划进行比较。在一种场景中，处理计算装置可以确定当前脊柱对准与术前脊柱对准计划之间的偏移。此外，计算装置可以被配置为确定使当前脊柱对准达到术前脊柱对准计划所需的移动量。

在一种场景中，计算装置可以确定第一机器人臂旋转两度将有助于将当前脊柱对准恢复到术前计划。在该场景中，计算装置可以提供机器人装置所需的旋转信息。通过示例的方式，移动单元304可以确定机器人臂实现两度旋转所需的轨迹。基于所确定的轨迹，控制单元306可以提供致动机器人臂的一个或更多个关节的一个或更多个命令。

在另一场景中，处理装置122可以确定第一机器人臂旋转两度并且第二机器人臂旋转一度将使当前脊柱对准恢复到术前计划。在该场景中，处理装置122可以提供机器人装置140所需的必要旋转。如上所述，机器人装置140的计算模块可以确定通过第一机器人臂和第二机器人臂实现所需移动所需的轨迹。

在另一场景中，机器人装置可以支撑患者所位于的手术台。在该场景中，除了执行脊柱的一个或更多个移动以实现脊柱对准之外，机器人装置还可以被配置为调整手术台。

在另一方面，机器人装置(例如，机器人装置140、机器人装置200)的机器人臂(例如，机器人臂141、连杆206、210、214、218、222和226)可以被配置为容纳超声探头。在一种场景中，超声探头由机器人臂以已知取向保持，使得其利用机器人臂或共同配准的导航系统(例如，机器人装置140或机器人装置200与跟踪装置130之间的配准)配准解剖结构在图像中的位置，以关于图像进行后续器械操作。

在一个示例中，一个或更多个IR发射器或反射器可以联接至超声探头。跟踪装置130可以捕获联接至超声探头的一个或更多个IR发射器或反射器的位置信息。在该示例中，可以经由使用一个或更多个IR发射器或反射器来跟踪机器人臂141的位置，并利用由超声探头捕获的图像将机器人臂和超声探头共同配准。

在另一方面，机器人装置(例如，机器人装置140、机器人装置200)的机器人臂(例如，机器人臂141、连杆206、210、214、218、222和226)可以联接至压力感测端板推动器。压力感测端板推动器可以包括可以单独致动的两个板。在一种场景中，压力感测端板推动器的第一板可以应用于上椎骨的下端板。在该场景中，压力感测端板推动器的第二板可以应用于下椎骨的上端板。在一个实施方式中，压力感测端板推动器可以包括用于检测第一板和第二板中的各个板上的力的一个或更多个传感器。

在一个实施方式中，压力感测端板推动器的板联接至致动器，该致动器使得各个板能够单独移动。在一种场景中，机器人装置可以向计算装置(例如，处理装置122)提供反馈力(压力，因为板的面积是已知的)，以供进一步分析。板中的各个板将具有相当大的尺寸，使得它们覆盖与完全插入两个椎骨之间时使用的植入物相同的区域。这将使得能够在解剖结构上施加逼真的生物机械力，并且可以提供反馈以确保患者不会承受引起两个椎骨之间的后续减压的水平。

板将作用在各个端板上，以提供适当的高度和角度，从而允许手术医生适当地确定植入物高度和角度的大小，以使间接减压最大化，并使端板上的可能引起下沉的应力最小化。在一种场景中，除了骨密度之外，机器人装置还可以设有患者人口统计信息，以确定通过使用压力感测端板推动器施加的力的水平。

在另一方面，机器人装置(例如，机器人装置140、机器人装置200)的机器人臂(例如，机器人臂141、连杆206、210、214、218、222和226)可以联接至牵开器。在一个实施方式中，牵开器可以包括用于检测施加在牵开器上的压力的一个或更多个传感器。由于牵开器由机器人装置控制，所以机器人装置可以被配置为向计算装置(例如，处理装置122、处理装置300)提供压力信息。

在一个示例中，计算装置可以分析压力数据，以确定一个或更多个软组织是否与超过安全阈值的压力相关联。在该示例中，计算装置可以经由显示器126将该信息传送给用户，并指示机器人装置减少与软组织相关联的缩回的量。

由于作用在机器人上的力是已知的，并且牵引器面积也是已知的，所以计算装置可以被配置为将这些已知量转换成压力。在一个示例中，显示器126可以被配置为显示图形用户接口(GUI)，该图形用户接口可以提供相对于允许的最大压力量施加多少压力的刻度指示。在一个实施方式中，机器人装置可以被配置为在沿着该相对规格的任何点保持负荷。在另一示例中，根据术前计划，机器人装置可以被配置为仅缩回到特定压力。

图4描绘了根据示例实施方式配置的示例计算机可读介质。在示例实施方式中，示例系统可以包括一个或更多个处理器、一种或更多种形式的存储器、一个或更多个输入装置/接口、一个或更多个输出装置/接口以及机器可读指令，当由一个或更多个处理器执行时，所述机器可读指令使系统执行上述各种功能任务、能力等。

如上所述，在一些实施方式中，所公开的技术(例如，机器人装置140、机器人装置200、处理装置122、计算装置300等的功能)可以通过以机器可读格式编码在计算机可读存储介质上或编码在其它介质或制品上的计算机程序指令来实现。图4是例示了根据本文公开的至少一些实施方式布置的包括用于在计算装置上执行计算机进程的计算机程序的示例计算机程序产品的概念性局部视图的示意图。

在一个实施方式中，使用信号承载介质402来提供示例计算机程序产品400。信号承载介质402可以包括一个或更多个编程指令404，当由一个或更多个处理器执行时，所述一个或更多个编程指令可以提供上文关于图1至图3描述的功能或功能的一部分。在一些示例中，信号承载介质402可以是计算机可读介质406，诸如但不限于硬盘驱动器、光盘(CD)、数字视频盘(DVD)、数字磁带、存储器等。在一些实现方式中，信号承载介质402可以是计算机可记录介质408，诸如但不限于存储器、读/写(R/W)CD、R/W DVD等。在一些实现方式中，信号承载介质402可以是通信介质410(例如，光缆、波导、有线通信链路等)。因此，例如，信号承载介质402可以通过无线形式的通信介质410来传达。

一个或更多个编程指令404可以例如是计算机可执行和/或逻辑实现的指令。在一些示例中，计算装置可以被配置为响应于通过计算机可读介质406、计算机可记录介质408和/或通信介质410中的一者或更多者传达给计算装置的编程指令404来提供各种操作、功能或动作。

计算机可读介质406还可以分布在多个数据存储元件之间，这些数据存储元件可以彼此远离地定位。执行所存储的指令中的一些或全部指令的计算装置可以是外部计算机或移动计算平台，诸如智能电话、平板装置、个人计算机、可佩戴装置等。另选地，执行所存储的指令中的一些或全部指令的计算装置可以是远程定位的计算机系统(诸如服务器)。

图5和图6是根据本文描述的至少一个或更多个实施方式的在手术期间的示例方法的流程图。尽管各图中的框顺序地例示，但在一些情况下，框可以并行地和/或以与其中描述的顺序不同的顺序来执行。而且，各种框可以被组合为更少的框、被划分为附加框、和/或基于期望的实现方式而被去除。

此外，图5和图6的流程图示出了本实施方式的可能实现方式的功能和操作。在这点上，各个框可以表示模块、段或程序代码的一部分，其包括可由处理器执行以实现过程中的特定逻辑功能或步骤的一个或更多个指令。程序代码可以存储在任何类型的计算机可读介质上，例如诸如包括盘或硬盘驱动器的存储装置。例如，计算机可读介质可以包括在短时间内存储数据的非暂时性计算机可读介质(诸如寄存器存储器、处理器高速缓存或随机存取存储器(RAM))和/或持久长期存储部(诸如只读存储器(ROM)、光盘或磁盘或光盘只读存储器(CD-ROM))。计算机可读介质可以是或包括任何其它易失性或非易失性存储系统。例如，计算机可读介质可以被认为是计算机可读存储介质、有形存储装置或其它制品。

另选地，图5和图6中的各个框可以表示被连线以在该过程中执行特定逻辑功能的电路。可以由图1的云和/或系统100中的部件整体地或部分地执行诸如图5和图6中所示的例示性方法。然而，应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，示例方法可以替代地由其它实体或实体的组合(即，由其它计算装置和/或计算机装置的组合)来执行。例如，图5和图6的方法的功能可以完全由计算装置(或计算装置的部件，诸如一个或更多个处理器)执行，或者可以跨计算装置的多个部件、跨多个计算装置(例如，图1的控制单元118和图像处理装置122)和/或跨服务器分布。

参照图5，手术期间的示例方法500可以包括如框502至框508所示的一个或更多个操作、功能或动作。在一个实施方式中，方法500全部或部分地由图1的系统100实现。

如框502所示，方法500包括捕获手术工具在患者的手术部位处的姿势。在一个示例中，跟踪装置130可以被配置为当器械T用于手术时捕获该器械T的一个或更多个图像。处理所捕获的一个或更多个图像，以便确定与联接至器械T的一个或更多个IR标志物相关联的取向和位置数据。然后使用与一个或更多个IR标志物相关联的所确定的取向和位置数据来确定在给定时间段内器械T的三维姿势数据。在一个示例中，器械T可以放置在手术室内的已知位置以指示触发捕获运动数据。继续该示例，处理装置122可以被配置为确定器械T在预定量的时间内没有移动的时间作为结束捕获运动数据的指示。在另一示例中，可以在诸如显示装置126或接口125等用户接口上按下按钮，以在开始与停止捕获与器械T相关联的运动数据之间切换。

如框504所示，方法500包括响应于所捕获的姿势，确定手术工具在手术部位的移动范围。在一个示例中，所确定的移动范围是基于手术工具在手术部位的显著区域内的枢转的。在一个示例中，显著区域是基于5毫米的直径的。

在一个示例中，方法500还包括确定与所捕获的姿势相对应的第二移动范围。在该示例中，该方法还可以将移动范围与第二移动范围进行比较。基于该比较，该方法还可以包括提供调整手术工具的位置的指令。例如，处理装置122可以被配置为基于手术工具的当前位置的偏移来确定第二移动范围。在该示例中，通过将手术工具的当前位置调整至偏移位置，第二移动范围可以允许手术工具的附加旋转度。

在另一示例中，手术部位包括椎骨。在该示例中，该方法可以包括基于检测与椎骨相对应的一个或更多个边缘来确定移动范围。例如，处理装置122可以包括被配置为执行分割步骤的计算机可执行指令。如本文所使用的，“分割”描述了在三维图像数据内识别个体椎骨使得椎骨可以被分离和处理、操纵和显示为彼此有区别的过程。分割步骤可以采用分割算法，该分割算法使用成像处理和图像识别软件来使脊椎水平的分割过程自动化。在一个实施方式中，计算机可执行指令自动识别和提取脊柱曲线、检测和识别各个个体椎骨，直到它们彼此分割。可以应用一个或更多个自适应网格来生成脊柱的分段三维模型。各个椎骨或其它解剖学特征可以被单独着色以在视觉上增强骨-软组织界面，或仅可以着色边缘。

如框506所示，方法500包括将所确定的移动范围的表示显示在与手术部位相关联的图像上。参照图7，图7例示了手术部位的包括椎骨702和手术工具704的示例二维图像700。在一个示例中，手术工具704的姿势被捕获并用于确定手术工具704的移动范围。在一个示例中，处理装置(例如，处理装置122)可以被配置为确定用于使手术工具704枢转的轴线706。处理装置还可以被配置为确定一个或更多个平面内的供手术工具704围绕轴线706枢转的度数范围708。在一个示例中，图像700可以显示在显示器(例如，显示器126)上。这将使得用户(例如，手术医生)能够观察轴线706和度数范围708中的至少一者的表示，以便在继续进行手术的下一步骤之前做出明智的决定。

返回参照图5，如框508所示，方法500包括提供根据所确定的移动范围来限制机器人装置的移动的一个或更多个指令。在一个示例中，一个或更多个指令包括基于所确定的移动范围将机器人装置的端执行器限制到空间中的特定位置的机器人移动。在一个示例中，该方法还包括提供停止与机器人装置相关联的任何移动的指令。在一个示例中，可以经由处理装置122与机器人装置140之间的无线或有线通信接口来提供一个或更多个指令。

参照图6，手术期间的示例方法600可以包括如框602至框608所示的一个或更多个操作、功能或动作。在一个实施方式中，方法600全部或部分地由图1的系统100实现。

如框602所示，方法600包括捕获手术工具在患者的手术部位处的姿势，其中，手术工具联接至机器人装置。框602在功能上可以类似于方法500的框502。

如框604所示，方法600包括响应于所捕获的姿势，确定(i)用于使手术工具枢转的轴线和(ii)一个或更多个平面内的供手术工具围绕轴线枢转的度数范围。框604在功能上可以类似于方法500的框504。

如框606所示，方法600包括在显示器上显示轴线和度数范围中的至少一者的表示。框606在功能上可以类似于方法500的框506。在一个示例中，为了借助于机器人装置140在椎弓根中形成用于放置椎弓根钉的导向孔，手术医生将器械T推进到将要形成导向孔的椎弓根目标部位。在该示例中，跟踪装置130被配置为捕获器械T的位置和取向，并将位置和取向信息提供给处理装置122。继续该示例，处理装置122被配置为在显示器上提供手术部位的用于显示的图像以及轴线和度数范围中的至少一者的表示。

如框608所示，方法600还包括提供根据轴线和一个或更多个平面内的度数范围来限制机器人装置的移动的一个或更多个指令。框608可以在功能上类似于方法500的框508。在一个示例中，可以确定机器人关节参数的序列(包括关节角度、速度和/或加速度)，以根据轴线和一个或更多个平面内的度数范围来限制机器人装置的移动。在一个实施方式中，可以修改机器人移动，以便使机器人和/或机器人工具的运动曲线平稳，从而在用户枢转手术工具时避免抽动或断开移动。

应理解，本文描述的布置仅用于示例的目的。因此，本领域技术人员将理解，可以替代地使用其它布置和其它要素(例如机器、接口、功能、顺序和功能组等)，并且根据期望的结果完全可以省略一些要素。此外，所描述的要素中的许多要素是功能实体，该功能实体可以以任何合适的组合和定位实现为离散或分布式部件或与其它部件结合，或者可以组合描述为独立结构的其它结构要素。