用于导航销引导驱动器的系统和方法与流程

用于导航销引导驱动器的系统和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术是2020年1月8日提交的第16/737,054号美国申请的部分接续申请，该美国申请是2019年9月30日提交的第16/587,203号美国申请的部分接续申请。第16/737,054号美国申请还要求2019年9月27日提交的第62/906,831号美国临时申请的权益。这些申请中的每个申请的内容出于所有目的以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
3.本公开涉及医疗装置和系统，并且更具体地，涉及用于控制患者的解剖结构的切割的机器人系统和相关的末端执行器，以及相关的方法和装置。


背景技术：

4.全膝关节置换术(total knee arthroplasty，tka)涉及将植入物放置在股骨远端和胫骨近端上的切除表面上。切除规划的位置和定向限定植入物的位置和定向，植入物的位置和定向继而影响患者的预后。外科医生们需要使用导航技术来放置植入物，这使他们能够根据患者的现有解剖结构更精确地规划和放置植入物。导航销引导(navigated pin guide)解决了使用导航系统来定位全膝关节手术中使用的切割规划的挑战。
5.在手动过程中，使用以下常规工作流程执行切割：(1)将切割块放置器械应用于骨骼； (2)使用触摸点、视觉和触觉反馈来调整放置器械；(3)将切割块销驱动到骨骼中并移除放置器械；(4)在切割块销之上将切割块附接到骨骼；(5)经由切割块执行切割。
6.当前，使用导航组件可向上述工作流程添加以下步骤：(6)使患者与导航系统配准；(7) 使用销将导航切割块放置器械应用并固定到骨骼；(8)使用导航反馈调整放置器械；(9)将切割块销驱动到骨骼中并移除放置器械；(10)在切割块销之上将切割块附接到骨骼；以及(11) 经由切割块执行切割。
7.当前导航技术可能具有使用笨重的导航放置器械的缺点，这需要骨骼中的额外孔并遵循不合需要的工作流程。需要一种绕过对放置器械的需求而直接导航销的插入的设计。


技术实现要素：

8.本公开的一些实施例是针对一种导航销引导驱动器系统。导航销引导驱动器系统可包含手柄、第一销引导管和附接到第一销引导管的参考元件。参考元件可被配置成与导航系统成电子通信。导航销引导驱动器系统可包含被配置成对接到皮质骨中的远侧尖端。
9.本公开的一些实施例是针对一种用于使用导航销引导驱动器系统执行全膝关节置换手术的方法。所述方法可包含：使患者与导航系统配准；使用导航系统将导航销引导驱动器系统对准到患者的膝部的目标区域；使用导航销引导驱动器系统将至少一个切割块销驱动到目标区域中；在所述至少一个切割块销之上附接至少一个切割块；以及对目标区域执行对应于所述至少一个切割块的切割。上述方法的导航销引导驱动器系统可包含手柄、
第一销引导管和附接到第一销引导管的参考元件。参考元件可被配置成与导航系统成电子通信。导航销引导驱动器系统可包含被配置成对接到皮质骨中的远侧尖端。
附图说明
10.附图展示了发明概念的某些非限制性实施例，所述附图被包含在内以提供对本公开的进一步理解，并且结合在本技术内并构成本技术的一部分。在附图中：
11.图1展示了根据本公开的一些实施例的外科手术系统的实施例；
12.图2展示了根据本公开的一些实施例的图1的外科手术系统的外科手术机器人组件；
13.图3展示了根据本公开的一些实施例的图1的外科手术系统的相机跟踪系统组件；
14.图4展示了可连接到机器人臂并且根据本公开的一些实施例配置的被动末端执行器的实施例；
15.图5展示了医疗操作，其中外科手术机器人和相机系统被安置在患者周围；
16.图6展示了根据本公开的一些实施例的被配置成连接到被动末端执行器的机器人臂的末端执行器联接器的实施例；
17.图7展示了图6的末端执行器联接器的剖视图的实施例；
18.图8展示了根据本公开的一些实施例的外科手术系统的组件的框图；
19.图9展示了根据本公开的一些实施例的外科手术系统计算机平台的框图，所述外科手术系统计算机平台包含外科手术计划计算机，所述外科手术计划计算机在本文中可以与外科手术机器人分离并且与其操作性地连接，或至少部分地结合；
20.图10展示了根据本公开的一些实施例的c形臂成像装置的实施例，所述c形臂成像装置可以与外科手术机器人和被动末端执行器结合使用；
21.图11展示了根据本公开的一些实施例的o形臂成像装置的实施例，所述o形臂成像装置可以与外科手术机器人和被动末端执行器结合使用；并且
22.图12
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19展示了根据本公开的一些实施例配置的被动末端执行器的替代性实施例。
23.图20是示出了外科手术期间骨骼切割进展的屏幕截图。
24.图21展示了与本公开的原理一致的直接刀片引导系统的示例性实施例。
25.图22展示了与本公开的原理一致的直接刀片引导系统的示例性实施例。
26.图23
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24展示了与本公开的原理一致的直接刀片引导系统的一部分的示例性实施例。
27.图25展示了与本公开的原理一致的直接刀片引导系统的示例性实施例。
28.图26展示了与本公开的原理一致的直接刀片引导系统的示例性实施例。
29.图27展示了与本公开的原理一致的直接刀片引导系统的示例性实施例。
30.图28展示了与本公开的原理一致的直接刀片引导系统的一部分的示例性实施例。
31.图29
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30展示了与本公开的原理一致的直接刀片引导系统的示例性实施例。
32.图31展示了与本公开的原理一致的刀片适配器的示例性实施例。
33.图32展示了与本公开的原理一致的直接刀片引导系统的示例性实施例。
34.图33展示了与本公开的原理一致的用于执行膝部手术的方法的流程图。
35.图34
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37展示了与本公开的原理一致的导航销引导驱动器系统。
36.图38展示了与本公开的原理一致的使用导航销引导驱动器系统插入的切割块销。
37.图39
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40展示了与本公开的原理一致的使用导航销引导驱动器系统插入的切割块。
38.图41展示了与本公开的原理一致的导航销引导驱动器系统。
39.图42展示了与本公开的原理一致的使用导航销引导驱动器系统插入的切割块。
40.图43展示了与本公开的原理一致的使用导航销引导驱动器系统切除的膝关节。
41.图44展示了与本公开的原理一致的导航销引导驱动器系统。
42.图45展示了与本公开的原理一致的使用导航销引导驱动器系统插入的切割块。
具体实施方式
43.现将参考附图在下文中更全面地描述发明概念，在附图中示出了发明概念的实施例的示例。发明概念可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为限于本文列出的实施例。而是这些实施例被提供为使得本公开更完全和完整，并且将各个本发明概念的范围完全地转达给所属领域技术人员。还应当注意，这些实施例并不相互排斥。一个实施例中的组件可以被默认为存在于或用于另一个实施例。
44.本文中公开的各个实施例涉及在执行需要切骨术的外科手术介入时外科手术系统的操作的改善。公开了可连接到由外科手术机器人定位的机器人臂的被动末端执行器。被动末端执行器具有成对的机构，所述机构将工具附接机构的移动限制在一定的移动范围内。工具附接可连接到用于切割的外科手术锯，如具有摆动型锯片的矢状锯。所述机构可以被配置成将锯片的切割平面限制成平行于工作平面。所述外科手术机器人可以基于限定解剖结构将被切割的位置的外科手术计划并且基于所述解剖结构的姿态来确定所述目标平面的姿态，并且可以基于对所述目标平面的所述姿态与所述外科手术锯的所述姿态的比较来生成操纵信息。所述操纵信息指示所述被动末端执行器需要移动到哪里，使得所述锯片的所述切割平面变得与所述目标平面对齐，并且所述锯片被定位在距待切割的所述解剖结构一定距离处，所述距离在所述被动末端执行器的所述工具附接机构的移动范围内。
45.与用于外科手术的其它机器人和手动(例如，夹具)解决方案相比，这些和其它相关的实施例可以操作以改善锯片引导的精度。被动末端执行器的机构可以允许外科医生在使用由被动末端执行器引导的外科手术锯切割骨骼时集中精力解释直接力反馈。机构可以是平面机构，例如具有1到3个适当选择的自由度(例如，一个平移或旋转，两个旋转，三个旋转或其它组合等)的末端接头，所述末端接头被配置成将切割平面限制成与目标平面对齐。外科医生还可以基于通过外科手术机器人提供的音频和/或视觉通知反馈来更精确地检测并控制骨骼移除的速度。
46.这些实施例可以在具有高精度、高刚性、足够的工作空间和直接力反馈的关节外科手术，并且特别是在膝关节外科手术期间提供指导。如以下将详细解释的，跟踪系统可以用于将切割平面与目标平面精确对齐，以切割骨骼。当外科医生沿切割平面移动锯片并且直接感测锯片切割骨骼的力反馈时，通过限制切割平面保持与目标平面对齐的平面机构，可以实现高精度切割。此外，可以通过现有公认的外科手术工作流程中的限定的改变来将这些实施例快速采用到外科手术实践中。
47.图1展示了根据本公开的一些实施例的外科手术系统2的实施例。在执行矫形外科手术之前，可以使用例如图10的c形臂成像装置104或图11的o形臂成像装置106，或从如计算机断层扫描(ct)图像或mri的另一医学成像装置，对患者的计划外科手术区域进行三维(“3d”)图像扫描。可以在术前(例如外科手术前几周，最常见)或术中进行该扫描。然而，可以根据外科手术系统2的各个实施例来使用任何已知的3d或2d图像扫描。将图像扫描发送到与外科手术系统2通信的计算机平台，如图9的外科手术系统计算机平台900，其包含外科手术机器人800(例如，图1中的机器人2)和外科手术计划计算机910。外科医生查看外科手术计划计算机910(图9)的显示装置上的一个或多个图像扫描，生成限定目标平面的外科手术计划，在所述目标平面中切割患者的解剖结构。该平面是患者解剖结构限制、所选植入物及其大小的函数。在一些实施例中，将限定目标平面的外科手术计划计划在显示在显示装置上的3d图像扫描上。
48.图1的外科手术系统2可以在医疗程序期间通过例如保持工具、对齐工具、使用工具、引导工具和/或定位工具用于使用来帮助外科医生。在一些实施例中，外科手术系统2包含外科手术机器人4和相机跟踪系统6。两个系统可以通过任何不同的机制机械地联接在一起。合适的机构可以包含但不限于机械闩锁、系绳、夹具或支撑件，或磁性表面或磁化的表面。将外科手术机器人4和相机跟踪系统6机械联接的能力可以允许外科手术系统2作为单个单元来操纵并移动，并且允许外科手术系统2在区域中具有小的占用空间，允许更容易的通过狭窄的通道和绕过转弯的移动，并且允许存储在更小的区域之内。
49.矫形外科手术可以开始于从医疗储存室移动到医疗程序室的外科手术系统2。可以通过门道、大厅和电梯操纵外科手术系统2以到达医疗程序室。在所述医疗程序室内，外科手术系统2可以在物理上分成两个单独且不同的系统(外科手术机器人4和相机跟踪系统6)。可以将外科手术机器人4定位成在任何合适的位置邻近患者，以适当地帮助医务人员。相机跟踪系统6可以定位在患者的底部、在患者肩部或任何其它适合于跟踪外科手术机器人4和患者的轨迹部分的当前姿态和姿态移动的位置。外科手术机器人4和相机跟踪系统6可以由机载电源供电和/或插入到外墙插座中。
50.外科手术机器人4可以用于通过在医疗程序期间保持和/或使用工具来帮助外科医生。为了适当地利用并保持工具，外科手术机器人4可以依靠多个马达、计算机和/或致动器来适当地起作用。如图1所展示的，机器人主体8可以充当其中多个马达、计算机和/或致动器可以固定在外科手术机器人4内的结构。机器人主体8还可以为机器人伸缩式支撑臂16提供支撑。在一些实施例中，机器人主体8可以由任何合适的材料制成。合适的材料可以是但不限于如钛、铝或不锈钢等金属、碳纤维、纤维玻璃或重型塑料。机器人主体8的大小可以提供支撑附接组件的稳固平台，并且可以容纳、隐藏并保护可以操作附接组件的多个马达、计算机和/ 或致动器。
51.机器人底座10可以充当外科手术机器人4的下部支撑。在一些实施例中，机器人底座 10可以支撑机器人主体8，并且可以将机器人主体8附接到多个动力轮12。这种与轮的附接可以允许机器人主体8在空间中有效地移动。机器人底座10可以沿机器人主体8的长度和宽度运行。机器人底座10可以是约两英寸到约10英寸高。机器人底座10可以由任何合适的材料制成。合适的材料可以是但不限于如钛、铝或不锈钢等金属、碳纤维、纤维玻璃或重型塑料或树脂。机器人底座10可以覆盖、保护并支撑驱动的轮12。
52.在一些实施例中，如图1所展示的，至少一个动力轮12可以附接到机器人底座10。动力轮12可以在任何位置附接到机器人底座10。每个单独的动力轮12可以在任何方向上绕竖直轴线旋转。马达可以安置在动力轮12的上方、之内或邻近其安置。这种马达可以允许外科手术系统2操纵到任何位置，并且稳定和/或调平外科手术系统2。可以通过马达将位于动力轮12之内或邻近其的杆压入表面中。未示出的杆可以由任何合适的金属制成，以提升外科手术系统2。合适的金属可以是但不限于不锈钢、铝或钛。另外地，杆可以在接触表面侧端包括缓冲物(未示出)，所述缓冲物可以防止杆滑动和/或产生合适的接触表面。材料可以是充当缓冲物的任何合适的材料。合适的材料可以是但不限于塑料、氯丁橡胶、橡胶或纹理化的金属。所述杆可以提升驱动的轮10，这可以将外科手术系统2提升到调平或以其它方式固定外科手术系统2相对于患者的朝向所需的任何高度。外科手术系统2的重量通过每个轮上的杆的小接触区域支撑，防止外科手术系统2在医疗程序期间移动。此刚性定位可以防止对象和/或人意外地移动外科手术系统2。
53.可以使用机器人轨道14促进移动外科手术系统2。机器人轨道14给人提供了在未抓住机器人主体8的情况下移动外科手术系统2的能力。如图1所展示的，机器人轨道14的长度可以和机器人主体8一样长、比机器人主体8短，和/或可以比机器人主体8更长。机器人轨道14可以由任何合适的材料制成。合适的材料可以是但不限于如钛、铝或不锈钢等金属、碳纤维、纤维玻璃或重型塑料。机器人轨道14可以进一步向机器人主体8提供保护，从而防止物体和/或医务人员接触、撞击或撞到机器人主体8。
54.机器人主体8可以为选择顺应性铰接式机器人臂提供支撑，在下文中被称为“scara”。由于机械臂的可重复性和紧凑性，在外科手术系统2内使用scara24可能是有利的。scara 的紧凑性可以在医疗程序内提供另外的空间，这可以允许医疗专业人员在没有过多杂乱和限制区域的情况下执行医疗程序。scara 24可以包括机器人伸缩式支撑件16、机器人支撑臂 18和/或机器人臂20。机器人伸缩式支撑件16可以沿机器人主体8安置。如图1所展示的，机器人伸缩式支撑件16可以为scara 24和显示器34提供支撑。在一些实施例中，机器人伸缩式支撑件16可以在垂直方向上延伸并收缩。机器人伸缩式支撑件16可以由任何合适的材料制成。合适的材料可以是但不限于如钛或不锈钢等金属、碳纤维、纤维玻璃或重型塑料。机器人伸缩式支撑件16的主体可以是任何宽度和/或高度，以支撑放在其上的应力和重量。
55.在一些实施例中，医务人员可以通过由医务人员提交的命令来移动scara 24。所述命令可以源自在显示器34和/或平板电脑上接收的输入。命令可以来自对开关的按压和/或对多个开关的按压。如图4和5所最佳展示的，激活组合件60可以包含开关和/或多个开关。激活组合件60可以是可操作的以向scara 24传输移动命令，从而允许操作者手动操纵scara24。当按压开关或多个开关时，医务人员具有容易地移动scara 24的能力。另外地，当 scara 24未接收到移动的命令时，scara 24可以锁定在适当的位置以防止由医务人员和/ 或其它物体意外移动。通过锁定在适当的位置，scara 24提供了稳固平台，在所述稳固平台上，如图4和5所示的被动末端执行器1100和连接的外科手术锯1140准备好用于医疗操作。
56.可以通过各种机构将机器人支撑臂18安置在机器人伸缩式支撑件16上。在一些实施例中，最佳参见图1和2，机器人支撑臂18相对于机器人伸缩式支撑件16在任何方向上旋
转。机器人支撑臂18可以围绕机器人伸缩式支撑件16旋转三百六十度。机器人臂20可以在任何合适的位置连接到机器人支撑臂18。机器人臂20可以通过各种机构附接到机器人支撑臂16。合适的机构可以是但不限于螺母和螺栓、球窝接头、压力配合、焊接件、粘合剂、螺钉、铆钉、夹具、闩锁和/或其任何组合。机器人臂20可以相对于机器人支撑臂18在任何方向上旋转，在实施例中，机器人臂20可以相对于机器人支撑臂18旋转三百六十度。该自由旋转可以允许操作者按计划对机器人臂20进行定位。
57.图4和5中的被动末端执行器1100可以在任何合适的位置附接到机器人臂20。如以下将进一步详细解释的，所述被动末端执行器1100包含底座、第一机构和第二机构。所述底座被配置成附接到由外科手术机器人4定位的机器人臂20的末端执行器联接器22。各种机构可以包含但不限于闩锁、夹具、螺母和螺栓、球窝配合、压力配合、焊接件、粘合剂、螺钉、铆钉和/或其任何组合，底座可以通过所述各种机构附接到末端执行器联接器22。所述第一机构在到所述底座的可旋转连接件与到工具附接机构的可旋转连接件之间延伸。所述第二机构在到所述底座的可旋转连接件与到所述工具附接机构的可旋转连接件之间延伸。所述第一机构和所述第二机构绕所述可旋转连接件枢转，并且可以被配置成将所述工具附接机构的移动限制在工作平面内的移动范围内。可旋转连接件可以是允许1个自由度(dof)运动的枢转接头，允许2个dof运动的万向接头，或允许3个dof运动的球形接头。所述工具附接机构被配置成连接到具有锯片的外科手术锯1140或直接连接到锯片。外科手术锯1140可以被配置成摆动锯片用于切割。所述第一机构和所述第二机构可以被配置成将所述锯片的切割平面限制成平行于所述工作平面。当被动末端执行器要被配置成将锯片的运动限制到切割平面时，枢转接头可以优选地用于连接平面机构。
58.工具附接机构可以通过各种机构连接到外科手术锯1140或锯片，所述机构可以包含但不限于螺钉、螺母和螺栓、夹具、闩锁、系绳、压力配合或磁体。在一些实施例中，动态参考阵列52附接到被动末端执行器1100，例如附接到工具附接机构，和/或附接到外科手术锯 1140。动态参考阵列(在本文中也称为“dra”)是在导航外科手术程序期间可以安置在患者、外科手术机器人、被动末端执行器和/或外科手术锯上的刚性体。相机跟踪系统6或其它3d 定位系统被配置成实时跟踪dra的跟踪标记的姿态(例如，位置和旋转朝向)。跟踪标记可以包含所展示的球或其它光学标记的布置。对跟踪标记的3d坐标的这种跟踪可以允许外科手术系统2确定dra 52在相对于图5中患者50的目标解剖结构的任何空间中的姿态。
59.如图1所展示的，灯光指示器28可以定位于scara 24的顶部。灯光指示器28可以作为任何类型的灯光点亮，以指示其中外科手术系统2当前操作的“状况”。例如，绿色照明可以指示所有系统都正常。亮起红色可以指示外科手术系统2未正常操作。脉动灯光可以意指外科手术系统2正在执行功能。灯光与脉动的组合可以产生几乎无限数量的组合，在所述组合中传达当前的操作条件、状态或其它操作指示。在一些实施例中，灯光可以由led灯泡产生，所述灯泡可以围绕灯光指示器28形成环。灯光指示器28可以包括完全可渗透材料，所述完全可渗透材料可以让灯光透过灯光指示器28的整体。
60.灯光指示器28可以附接到下部显示器支撑件30。如图2所展示的，下部显示器支撑件 30可以允许操作者操纵显示器34到任何合适的位置。下部显示器支撑件30可以通过任何合适的机构附接到灯光指示器28。在实施例中，下部显示器支撑件30可以围绕灯光指示器28 旋转。在实施例中，下部显示器支撑件30可以刚性附接到灯光指示器28。然后，灯光指
示器28可以围绕机器人支撑臂18旋转三百六十度。下部显示器支撑件30可以是任何合适的长度，合适的长度可以是约八英寸到约三十四英寸。下部显示器支撑件30可以充当上部显示器支撑件32的底座。
61.上部显示器支撑件32可以通过任何合适的机构附接到下部显示器支撑件30。上部显示器支撑件32可以是任何合适的长度，合适的长度可以是约八英寸到约三十四英寸。在实施例中，如图1所展示的，上部显示器支撑件32可以允许显示器34相对于上部显示器支撑件32 旋转三百六十度。同样，上部显示器支撑件32可以相对于下部显示器支撑件30旋转三百六十度。
62.显示器34可以是由上部显示器支撑件32支撑的任何装置。在实施例中，如图2所展示的，显示器34可以产生彩色和/或黑白图像。显示器34的宽度可以是约八英寸到约三十英寸宽。显示器34的高度可以是约六英寸到约二十二英寸高。显示器34的深度可以是约半英寸到约四英寸。
63.在实施例中，平板电脑可以与显示器34结合和/或不与显示器34结合使用。在实施例中，桌子可以安置在上部显示器支撑件32上，代替显示器34，并且可以在医疗操作期间从上部显示器支撑件32移除。另外地，平板电脑可以与显示器34通信。平板计算机能够通过任何合适的无线和/或有线连接连接到外科手术机器人4。在一些实施例中，平板计算机能够在医疗操作期间对外科手术系统2进行编程和/或控制。当用平板计算机控制外科手术系统2时，所有输入和输出命令都可以在显示器34上复制。使用平板电脑可以允许操作者操纵外科手术机器人4，而不必围绕患者50和/或外科手术机器人4移动。
64.如图5所展示的，相机跟踪系统6通过有线或无线通信网络与外科手术机器人4协同工作。参考图1和5，相机跟踪系统6可以包含一些与外科手术机器人4类似的组件。例如，相机主体36可以提供在机器人主体8中发现的功能。机器人主体8可以提供相机46安装在其上的结构。机器人主体8内的结构还可以为用于操作相机跟踪系统6的电子设备、通信装置和电源提供支撑。相机主体36可以由与机器人主体8相同的材料制成。相机跟踪系统6可以通过无线和/或有线网络与平板电脑和/或显示器34直接通信，以使得平板电脑和/或显示器 34能够控制相机跟踪系统6的功能。
65.相机主体36由相机底座38支撑。相机底座38可以用作机器人底座10。在图1的实施例中，相机底座38可以比机器人底座10宽。相机底座38的宽度可以允许相机跟踪系统6与外科手术机器人4连接。如图1所展示的，相机底座38的宽度可以足够大以适合机器人底座 10的外部。当相机跟踪系统6与外科手术机器人4连接时，相机底座38的另外的宽度可以允许外科手术系统2为外科手术系统2提供另外的可操作性和支撑。
66.如同机器人底座10，多个驱动轮12可以附接到相机底座38。类似于机器人底座10和驱动的轮12的操作，驱动的轮12可以允许相机跟踪系统6相对于患者50稳定和调平或设置固定朝向。这种稳定可以防止相机跟踪系统6在医疗程序期间移动，并且可以防止相机46失去对如图5所示的指定区域56内连接到解剖结构54和/或工具58的一个或多个dra 52的跟踪。跟踪的这种稳定性和维护增强了外科手术机器人4与相机跟踪系统6一起有效操作的能力。另外地，宽相机底座38可以为相机跟踪系统6提供另外的支撑。具体地，如图5所展示的，当相机46安置在患者身上时，宽相机底座38可以防止相机跟踪系统6倾翻。在没有宽的相机底座38的情况下，伸出的相机46可能会使相机跟踪系统6失衡，这可能导致相机跟踪系
统6翻倒。
67.相机伸缩式支撑件40可以支撑相机46。在实施例中，伸缩式支撑件40可以在垂直方向上将相机46向更高或更低处移动。伸缩式支撑件40可以由其中支撑相机46的任何合适的材料制成。合适的材料可以是但不限于如钛、铝或不锈钢等金属、碳纤维、纤维玻璃或重型塑料。相机手柄48可以在任何合适的位置附接到相机伸缩式支撑件40。相机手柄48可以是任何合适的手柄配置。合适的配置可以是但不限于条形、圆形、三角形、正方形和/或其任何组合。如图1所展示的，相机手柄48可以是三角形的，从而允许操作者在医疗操作之前将相机跟踪系统6移动到计划的位置。在实施例中，相机手柄48可以用于降低和升高相机伸缩式支撑件40。相机手柄48可以通过按压按钮、开关、杠杆和/或其任何组合来执行相机伸缩式支撑件40的升高和降低。
68.下部相机支撑臂42可以在任何合适的位置附接到相机伸缩式支撑件40，在实施例中，如图1所展示的，下部相机支撑臂42可以围绕伸缩式支撑件40旋转三百六十度。这种自由旋转可以允许操作者将相机46定位在任何合适的位置。下部相机支撑臂42可以由其中支撑相机46的任何合适的材料制成。合适的材料可以是但不限于如钛、铝或不锈钢等金属、碳纤维、纤维玻璃或重型塑料。下部相机支撑臂42的横截面可以是任何合适的形状。合适的横截面形状可以是但不限于圆形、正方形、矩形、六边形、八边形或工字梁。横截面的长度和宽度可以是约一到十英寸。下部相机支撑臂的长度可以是约四英寸到约三十六英寸。下部相机支撑臂42可以通过任何合适的机构连接到伸缩式支撑件40。合适的机构可以是但不限于螺母和螺栓、球窝接头、压力配合、焊接件、粘合剂、螺钉、铆钉、夹具、闩锁和/或其任何组合。下部相机支撑臂42可以用于为相机46提供支撑。相机46可以通过任何合适的机构附接到下部相机支撑臂42。合适的机构可以是但不限于螺母和螺栓、球窝接头、压力配合、焊接件、粘合剂、螺钉、铆钉和/或其任何组合。相机46可以在相机46与下部相机支撑臂42之间的附接区域在任何方向上枢转。在实施例中，弯曲轨道44可以安置在下部相机支撑臂42 上。
69.弯曲轨道44可以安置在下部相机支撑臂42上的任何合适的位置。如图3所展示的，弯曲轨道44可以通过任何合适的机构附接到下部相机支撑臂42。合适的机构可以是但不限于螺母和螺栓、球窝接头、压力配合、焊接件、粘合剂、螺钉、铆钉、夹具、闩锁和/或其任何组合。弯曲轨道44可以是任何合适的形状，合适的形状可以是新月形、圆形、扁形、椭圆形和/或其任何组合。在实施例中，弯曲轨道44可以是任何适当的长度。适当的长度可以是约一英尺到约六英尺。相机46可以沿弯曲轨道44可移动地安置。相机46可以通过任何合适的机构附接到弯曲轨道44。合适的机构可以是但不限于辊、支架、支具、马达和/或其任何组合。未展示的马达和辊可以用于沿弯曲轨道44移动相机46。如图3所展示的，在医疗程序期间，如果物体阻止相机46观察一个或多个dra 52，马达可以使用辊沿弯曲轨道44移动相机46。这种机动的移动可以允许相机46移动到不再被物体阻碍的新位置，而无需移动相机跟踪系统 6。当阻碍到相机46观察dra 52时，相机跟踪系统6可以向外科手术机器人4、显示器34 和/或平板电脑发送停止信号。停止信号可以阻止scara24移动，直到相机46重新获取dra 52。这种停止可以防止scara 24和/或末端执行器联接器22在未被外科手术系统2跟踪的情况下移动和/或使用医疗工具。
70.如图6所展示的，末端执行器联接器22被配置成将各种类型的被动末端执行器连接到外科手术机器人4。末端执行器联接器22可以包含鞍形接头62、激活组合件60、测力传
感器 64(图7)和连接器66。鞍形接头62可以将末端执行器联接器22附接到scara 24上。鞍形接头62可以由任何合适的材料制成。合适的材料可以是但不限于如钛、铝或不锈钢等金属、碳纤维、纤维玻璃或重型塑料。鞍形接头62可以由单件金属制成，这可以为末端执行器提供另外的强度和耐用性。鞍形接头62可以通过附接点68附接到scara 24。可以存在多个围绕鞍形接头62安置的附接点68。附接点68可以下沉、嵌平和/或安置在鞍形接头62上。在一些实例中，螺钉、螺母和螺栓和/或其任何组合可以穿过附接点68并且将鞍形接头62固定到scara 24。螺母和螺栓可以将鞍形接头62连接到scara 24内的马达(未示出)。马达可以在任何方向上移动鞍形接头62。马达可以通过在当前位置主动伺服或被动地通过应用弹簧致动的制动器进一步防止鞍形接头62由于意外碰撞和/或意外接触而移动。
71.末端执行器联接器22可以包含插置于鞍形接头62与连接的被动末端执行器之间的测力传感器64。如图7所展示的，测力传感器64可以通过任何合适的机构附接到鞍形接头62。合适的机构可以是但不限于螺钉、螺母和螺栓、螺纹、压力配合和/或其任何组合。
72.图8展示了根据本公开的一些实施例的外科手术系统800的组件的框图。参考图7和8，测力传感器64可以是用于检测和测量力的任何合适的仪器。在一些实例中，测力传感器64 可以是六轴测力传感器、三轴测力传感器或单轴测力传感器。测力传感器64可以用于跟踪施加到末端执行器联接器22的力。在一些实施例中，测力传感器64可以与多个马达850、851、 852、853和/或854通信。当测力传感器64感测到力时，关于施加的力的量的信息可以从开关阵列和/或多个开关阵列分布到控制器846。控制器846可以从测力传感器64获取力信息，并且用开关算法对其进行处理。控制器846使用开关算法来控制马达驱动器842。马达驱动器842控制一个或多个马达的操作。马达驱动器842可以引导特定马达产生例如由测力传感器64通过马达测量的等量的力。在一些实施例中，如控制器846所指示的，产生的力可以来自多个马达，例如850
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854。另外地，马达驱动器842可以接收来自控制器846的输入。控制器846可以从测力传感器64接收关于由测力传感器64感测到的力的方向的信息。控制器846 可以使用运动控制器算法来处理该信息。所述算法可以用于向特定马达驱动器842提供信息。为了复制力的方向，控制器846可以激活和/或停用某些马达驱动器842。控制器846可以控制一个或多个马达，例如850
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854中的一个或多个，以诱导被动末端执行器1100在由测力传感器64感测的力的方向上的运动。这种力控制的运动可以允许操作者毫不费力地和/或以非常小的阻力移动scara 24和被动末端执行器1100。可以执行被动末端执行器1100的移动，以将被动末端执行器1100以任何合适的姿态定位(即，相对于限定的三维(3d)正交参考轴的位置和角度朝向)，以供医务人员使用。
73.连接器66被配置成可连接到被动末端执行器1100的底座，并且连接到测力传感器64。连接器66可以包含附接点68、传感按钮70、工具导向件72和/或工具连接件74。如图6和 8所最佳展示的，可以存在多个附接点68。附接点68可以将连接器66连接到测力传感器64。附接点68可以下沉、嵌平和/或安置在连接器66上。附接点68和76可以用于将连接器66 附接到测力传感器64和/或被动末端执行器1100。在一些实例中，附接点68和76可以包含螺钉、螺母和螺栓、压力配合、磁性附接件和/或其任何组合。
74.如图6所展示的，传感按钮70可以围绕连接器66的中心安置。当被动末端执行器1100 连接到scara 24时，可以按压传感按钮70。按压传感按钮70可以警告外科手术机器人4，并且进而警告医务人员被动末端执行器1100已经附接到scara24。如图6所展示的，导向
件72可以用于促进被动末端执行器1100与scara24的适当附接。导向件72可以下沉、嵌平和/或安置在连接器66上。在一些实例中，可以存在多个引导件72，并且可以具有任何合适的模式，并且可以在任何合适的方向上朝向。导向件72可以是任何合适的形状，以促进将被动末端执行器1100附接到scara24。合适的形状可以是但不限于圆形、扁形、正方形、多面体和/或其任何组合。另外地，可以用斜面、直线和/或其任何组合来切割导向件72。
75.连接器66可以具有附接点74。如图6所展示的，附接点74可以形成突出部和/或多个突出部。附接点74可以为连接器66提供被动末端执行器1100可以夹紧在其上的表面。在一些实施例中，附接点74围绕连接器66的任何表面安置，并且相对于连接器66以任何合适的方式朝向。
76.如图6和7所最佳展示的，激活组合件60可以环绕连接器66。在一些实施例中，激活组合件60可以采取缠绕连接器66的手镯的形式。在一些实施例中，激活组合件60可以位于外科手术系统2内的任何合适的区域。在一些实例中，激活组合件60可以位于scara24的任何部分、末端执行器联接器22的任何部分上，可以由医务人员佩戴(并且无线通信)，和/ 或其任何组合。激活组合件60可以由任何合适的材料制成。合适的材料可以是但不限于氯丁橡胶、塑料、橡胶、凝胶、碳纤维、织物和/或其任何组合。激活组合件60可以包括主按钮 78和次按钮80。主按钮78和次按钮80可以环绕连接器66的整体。
77.主按钮78可以是单个脊，如图6所展示的，其可以环绕连接器66。在一些实例中，主按钮78可以沿远离鞍形接头62最远的末端安置在激活组合件60上。主按钮78可以安置在主激活开关82上，如图7所最佳展示的。主激活开关82可以安置在连接器66和激活组合件 60之间。在一些实例中，可以存在多个主激活开关82，所述多个主激活开关可以沿主按钮 78的整个长度邻近主按钮78安置和安置在其下方。在主激活开关82上按压主按钮78可以允许操作者移动scara 24和末端执行器联接器22。如上所述，一旦安置在适当位置，scara24和末端执行器联接器22可以不移动，直到操作者对外科手术机器人4进行编程以移动 scara 24和末端执行器联接器22，或使用主按钮78和主激活开关82来移动。在一些实例中，在scara 24和末端执行器联接器22将响应于操作者命令之前，可能需要按压至少两个不相邻的主激活开关82。按压至少两个主激活开关82可以防止scara 24和末端执行器联接器22在医疗程序期间的意外移动。
78.由主按钮78和主激活开关82激活，测力传感器64可以测量由操作者，即医务人员施加在末端执行器联接器22上的力的量值和/或方向。可以将该信息转移到scara 24内的马达，所述马达可以用于移动scara 24和末端执行器联接器22。关于由测力传感器64测量的力的量值和方向的信息可以使马达在与测力传感器64感测到的同一方向上移动scara24和末端执行器联接器22。这种力控制的移动可以允许操作者容易地移动scara 24和末端执行器联接器22，并且由于在操作者移动scara 24和末端执行器联接器22的同时马达移动scara24和末端执行器联接器22，所以不需要大量的努力。
79.如图6所展示的，次按钮80可以安置在最靠近鞍形接头62的激活组合件60的末端。在一些实例中，次按钮80可以包括多个脊。多个脊可以彼此相邻安置，并且可以环绕连接器 66。另外地，次按钮80可以安置在次激活开关84上。如图7所展示的，次激活开关84可以安置在次按钮80和连接器66之间。在一些实例中，操作者可以将次按钮80用作“选择”装置。在医疗操作期间，外科手术机器人4可以通过显示器34和/或灯光指示器28通知医务人员某些情
况。外科手术机器人4可以提示医务人员选择功能、模式和/或评估外科手术系统2 的情况。在次激活开关84上按压次按钮80单次可以激活某些功能、模式和/或确认通过显示器34和/或灯光指示器28传送给医务人员的信息。另外地，在次激活开关84上快速连续地多次按压次按钮80可以启动另外的功能、模式和/或选择通过显示器34和/或灯光指示器28 传送给医务人员的信息。在一些实例中，在次按钮80可以正常工作之前，可以按压至少两个不相邻的次激活开关84。该要求可以防止医务人员在激活组合件60时意外碰撞导致非预期使用次按钮80。主按钮78和次按钮80可以使用软件架构86来将医务人员的命令传送给外科手术系统2。
80.图8展示了根据本公开的一些实施例配置的外科手术系统800的组件的框图，并且其可以对应于以上外科手术系统2。外科手术系统800包含平台子系统802、计算机子系统820、运动控制子系统840和跟踪子系统830。平台子系统802包含电池806、配电模块804、连接器面板808和充电站810。计算机子系统820包含计算机822、显示器824和扬声器826。运动控制子系统840包含驱动电路842、马达850、851、852、853、854、稳定器855、856、 857、858、末端执行器连接器844和控制器846。跟踪子系统830包含位置传感器832和相机转换器834。外科手术系统800还可以包含可移除的脚踏板880和可移除的平板电脑890。
81.输入功率通过电源供应给外科手术系统800，所述电源可以提供给配电模块804。配电模块804接收输入功率，并且被配置成产生不同的电源电压，向外科手术系统800的其它模块、组件和子系统提供所述电源电压。配电模块804可以被配置成向连接器面板808提供不同的电压供应，可以将所述电压供应提供给其它组件，如计算机822、显示器824、扬声器826、驱动器842，以例如给马达850
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854和末端执行器联接器844供电，并且提供给相机转换器 834和用于外科手术系统800的其它组件。配电模块804还可以连接到电池806，所述电池在配电模块804未从输入电源接收电力的情况下充当临时电源。在其它时间，配电模块804可以用于给电池806充电。
82.连接器面板808可以用于将不同的装置和组件连接到外科手术系统800和/或相关的组件和模块。连接器面板808可以含有一个或多个接收来自不同组件的线路或连接件的端口。例如，连接器面板808可以具有将外科手术系统800接地到其它设备的接地端端口、用于连接脚踏板880的端口、用于连接跟踪子系统830的端口，所述跟踪子系统可以包含位置传感器 832、相机转换器834和标记跟踪相机870。连接器面板808还可以包含其它端口，以允许与其它组件(如计算机822)的usb、以太网、hdmi通信。
83.控制面板816可以提供控制外科手术系统800的操作和/或提供来自外科手术系统800的信息以供操作者观察的各种按钮或指示器。例如，控制面板816可以包含用于打开或关闭外科手术系统800、提升或降低竖直柱16以及提升或降低稳定器855
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858的按钮，所述稳定器可以被设计成接合脚轮12以锁定外科手术系统800而不物理上移动。其它按钮可以在紧急的事件中停止外科手术系统800，这可以移除所有马达功率并应用机械制动器来停止所有运动的发生。控制面板816还可以具有用于通知操作员某些系统情况(如线路功率指示器或电池 806的充电状态)的指示器。
84.计算机子系统820的计算机822包含用于操作外科手术系统800的指定功能的操作系统和软件。计算机822可以接收并处理来自其它组件(例如，跟踪子系统830、平台子系统802 和/或运动控制子系统840)的信息，以便向操作员显示信息。进一步地，计算机子系统
820 可以通过扬声器826为操作者提供输出。扬声器可以是外科手术机器人的一部分，头戴式显示组件的一部分，或在外科手术系统2的另一个组件内。显示器824可以对应于图1和2中所示的显示器34，或可以是将图像投影到透视显示屏上的头戴式显示器，所述透视显示屏形成覆盖在通过透视显示屏可见的真实世界物体上的增强现实(ar)图像。
85.跟踪子系统830可以包含位置传感器832和相机转换器834。跟踪子系统830可以对应于图3的相机跟踪系统6。标记跟踪相机870与位置传感器832一起操作，以确定dra 52 的姿态。可以以与本公开一致的方式进行这种跟踪，所述跟踪包含使用分别跟踪dra 52的有源元件或无源元件的位置的红外光或可见光技术，如led或反射标记。向计算机822提供具有这些类型标记的如dra 52等结构的位置、朝向和定位，并且可以在显示器824上将其向操作者示出。例如，如图4和5所示，具有dra52或连接到末端执行器联接器22的外科手术锯1240可以相对于患者的解剖结构的三维图像向操作者示出，所述末端执行器联接器具有以这种方式跟踪的dra 52(其可以被称为导航空间)。
86.运动控制子系统840可以被配置成物理地移动竖直柱16、上部臂18、下部臂20，或旋转末端执行器联接器22。可以通过使用一个或多个马达850
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854来进行物理移动。例如，马达850可以被配置成竖直提升或降低竖直柱16。如图2所示出的，马达851可以被配置成围绕与竖直柱16的接合点侧向移动上部臂18。如图2所示出的，马达852可以被配置成围绕与上部臂18的接合点侧向移动下部臂20。马达853和854可以被配置成移动末端执行器联接器22，以提供沿三维轴线的平移移动和围绕其的旋转。图9所示的外科手术计划计算机910 可以向控制器846提供控制输入，所述控制器引导末端执行器联接器22的移动，以相对于外科手术程序期间要切割的解剖结构以计划的姿态(即，相对于限定的3d正交参考轴的位置和角度朝向)定位与其连接的被动末端执行器。运动控制子系统840可以被配置成使用集成的位置传感器(例如编码器)来测量被动末端执行器结构的位置。在所述实施例的一个实施例中，位置传感器直接连接到被动末端执行器结构的至少一个接头，但是还可以在结构中的另一个位置被定位，并且通过正时皮带、电线或任何其它同步传输互连的互连来远程测量接头位置。
87.图9展示了根据本公开的一些实施例的外科手术系统计算机平台900的框图，所述外科手术系统计算机平台包含外科手术计划计算机910，所述外科手术计划计算机在本文中可以与外科手术机器人800分离并且与其操作性地连接，或至少部分地结合。可替代地，本文所公开的用于外科手术计划计算机910的操作的至少一部分可以由外科手术机器人800的组件 (如由计算机子系统820)来执行。
88.参考图9，外科手术计划计算机910包含显示器912、至少一个处理器电路914(为简洁起见也称为处理器)、至少一个含有计算机可读程序代码918的存储器电路916(为简洁起见也称为存储器)和至少一个网络接口920(为简洁起见也称为网络接口)。网络接口920可以被配置成连接到图10中的c形臂成像装置104、图11中的o形臂成像装置106、另一个医学成像装置、医学图像的图像数据库950、外科手术机器人800的组件和/或其它电子设备。
89.当外科手术计划计算机910至少部分地集成在外科手术机器人800内时，显示器912可以对应于图2的显示器34和/或图8的平板电脑890和/或头戴式显示器，网络接口920可以对应于图8的平台网络接口812，并且处理器914可以对应于图8的计算机822。
90.处理器914可以包含一个或多个数据处理电路，如通用和/或专用处理器，例如微
处理器和/或数字信号处理器。处理器914被配置成执行存储器916中的计算机可读程序代码918以执行操作，所述操作可以包含本文中描述为由外科手术计划计算机执行的操作中的一些或所有操作。
91.处理器914可操作以在显示装置912上显示骨骼的图像，通过网络接口920从成像装置 104和106中的一个和/或从图像数据库950接收所述图像。处理器914接收操作者对在一个或多个图像中示出的解剖结构(即一个或多个骨骼)将被切割的位置的限定，如通过操作者触摸选择显示器912上用于计划的外科手术切割的位置，或使用基于鼠标的光标来限定用于计划的外科手术切割的位置。
92.外科手术计划计算机910能够进行对膝关节外科手术有用的解剖学测量，类似于对确定臀部中心、角度中心、自然标志(例如股骨通髁线(transepicondylar line)、白侧线(whitesidesline)、股骨后髁线(posterior condylar line)等)等的各个角度的测量。一些测量可以是自动的，而一些其它的涉及人为输入或协助。该外科手术计划计算机910允许操作者为患者选择正确的植入物，包含对大小和对齐的选择。外科手术计划计算机910能够对ct图像或其它医学图像进行自动或半自动(涉及人为输入)分割(图像处理)。患者的外科手术计划可以存储在基于云的服务器中，以供外科手术机器人800检索。在外科手术程序期间，外科医生将通过例如头戴式显示器使用计算机屏幕(例如触摸屏)或增强现实交互来选择要进行哪种切割(例如后端股骨，近端胫骨等)。外科手术机器人4可以自动将外科手术锯片移动到计划位置，使得计划切割的目标平面最优地放置在使外科手术锯片和机器人臂20互连的被动末端执行器的工作空间内。用户可以使用各种方式(例如，脚踏板)来给出实现移动的命令。
93.在一些实施例中，外科手术系统计算机平台900可以使用两个dra来跟踪患者解剖位置：一个在患者胫骨上，并且一个在患者股骨上。平台900可以使用标准导航仪器以进行注册和检查(例如，类似于globus excelsiusgps系统中用于脊柱外科手术的指针的指针)。还可以使用允许参考被跟踪的解剖结构检测dra移动的跟踪标记。
94.膝关节外科手术的重要困难是如何计划植入物在膝盖中的位置，并且许多外科医生努力在计算机屏幕上完成此计划，其在计算机屏幕上为3d解剖的2d表示。平台900可以通过使用增强现实(ar)头戴式显示器以围绕实际患者膝盖产生植入物覆盖来解决此问题。例如，外科医生可以操作性地显示虚拟手柄，以抓取植入物并将其移动到期望的姿态，并且调整计划的植入物放置。之后，在外科手术期间，平台900可以通过ar头戴式显示器来提供导航，以向外科医生显示什么是不直接可见的。此外，可以实时显示骨骼移除的进展，例如深度或切割。可以通过ar显示的其它特征可以包含但不限于沿关节运动范围的间隙或韧带平衡、沿关节运动范围的植入物上的接触线、通过颜色或其它图形覆盖的韧带张力和/或松弛度等。
95.在一些实施例中，外科计划计算机910可以允许计划标准植入物的使用，例如后稳定型植入物和十字韧带保留型植入物、骨水泥型和非骨水泥型植入物、用于与例如全膝关节或部分膝关节和/或髋关节置换和/或创伤相关的外科手术的修正系统。
96.处理器912可以在显示器912上以图形方式展示一个或多个切割平面，所述切割平面在由操作者选择的用于切割解剖结构的位置处与显示的解剖结构相交。处理器912还确定末端执行器联接器22必须定位于的一组或多组角度朝向和位置，使得外科手术锯片的切
割平面将与目标平面对齐，以执行操作者限定的切割，并且将所述角度朝向和位置的组作为数据存储在外科手术计划数据结构中。处理器912使用被动末端执行器的工具附接机构的已知移动范围来确定附接到机器人臂20的末端执行器联接器22需要定位在哪里。
97.外科手术机器人800的计算机子系统820接收来自外科手术计划数据结构的数据，并且接收来自相机跟踪系统6的信息，所述信息指示要被切割的解剖结构的当前姿态，并指示通过dra跟踪的被动末端执行器和/或外科手术锯的当前姿态。计算机子系统820基于限定所述解剖结构将被切割的位置的外科手术计划并且基于所述解剖结构的所述姿态来确定目标平面的姿态。计算机子系统820基于对目标平面的姿态和外科手术锯的姿态的比较来生成操纵信息。所述操纵信息指示所述被动末端执行器需要移动到哪里，使得所述锯片的所述切割平面变得与所述目标平面对齐，并且所述锯片被定位在距待切割的所述解剖结构一定距离处，所述距离在所述被动末端执行器的所述工具附接机构的移动范围内。
98.如以上所解释的，外科手术机器人包含机器人底座、连接到所述机器人底座的机器人臂以及至少一个操作性地连接以相对于所述机器人底座移动所述机器人臂的马达。外科手术机器人还包含至少一个控制器，例如计算机子系统820和运动控制子系统840，所述控制器连接到至少一个马达并且被配置成执行操作。
99.如以下将关于图12
‑
19进一步详细解释的，被动末端执行器包含被配置成附接到机器人臂的激活组合件的底座、第一机构和第二机构。所述第一机构在到所述底座的可旋转连接件与到工具附接机构的可旋转连接件之间延伸。所述第二机构在到所述底座的可旋转连接件与到所述工具附接机构的可旋转连接件之间延伸。所述第一机构和所述第二机构绕所述可旋转连接件枢转，这可以被配置成将所述工具附接机构的移动限制在工作平面内的移动范围内。可旋转连接件可以是允许1个自由度(dof)运动的枢转接头，允许2个dof运动的万向接头，或允许3个dof运动的球形接头。所述工具附接机构被配置成连接到包括用于切割的锯片的所述外科手术锯。所述第一机构和所述第二机构可以被配置成将所述锯片的切割平面限制成平行于所述工作平面。
100.在一些实施例中，由外科手术机器人的至少一个控制器执行的操作还包含基于所述操纵信息控制所述至少一个马达的移动，以重新定位所述被动末端执行器，使得所述锯片的所述切割平面变得与所述目标平面对齐，并且所述锯片被定位在距待切割的所述解剖结构的所述距离处，所述距离在所述被动末端执行器的所述工具附接机构的移动范围内。可以显示操纵信息以引导操作者移动外科手术锯和/或至少一个控制器可以使用其来自动移动外科手术锯。
101.在一个实施例中，由所述外科手术机器人的所述至少一个控制器执行的操作还包含将所述操纵信息提供给显示装置用于显示，以引导操作者移动所述被动末端执行器，使得所述锯片的所述切割平面变得与所述目标平面对齐，并且所述锯片被定位在距待切割的所述解剖结构所述距离处，所述距离在所述被动末端执行器的所述工具附接机构的移动范围内。显示装置可以对应于显示器824(图8)、图1的显示器34和/或头戴式显示器。
102.例如，操纵信息可以显示在头戴式显示器上，所述头戴式显示器将图像投影到透视显示屏上，所述透视显示屏形成覆盖在通过透视显示屏可见的真实世界物体上的增强现实图像。操作可以显示目标平面的图形表示，所述图形表示具有覆盖在骨骼上的姿态，并且其间的相对朝向对应于如何计划切割骨骼的外科手术计划。操作可以可替代地或另外地显
示锯片切割平面的图形表示，使得操作者可以更容易地将切割平面与用于切割骨骼的计划目标平面对齐。因此，操作者可以视觉上观察并执行移动，以将锯片的切割平面与目标平面对齐，使得锯片相对于骨骼定位于计划的姿态，并且在被动末端执行器的工具附接机构的移动范围内。
103.自动成像系统可以与外科手术计划计算机910和/或外科手术系统2结合使用，以获取患者的术前、术中、术后和/或实时图像数据。图10和11展示了示例自动成像系统。在一些实施例中，自动成像系统是c形臂104(图10)成像装置或106(图11)。(在美国科罗拉多州路易斯维尔(louisville，colo.，usa)设有营业地点的美敦力导览公司(medtronicnavigation，inc.)拥有的版权)可能期望从许多不同的方位对患者进行x射线检查，而不需要频繁地对患者进行手动重新定位，这在x射线系统中是可能需要的。c形臂104x射线诊断设备可以解决频繁手动重新定位的问题，并且在外科手术和其它介入手术的医学领域中是众所周知的。如图10所展示的，c形臂包含终止于“c”形的相对远端112的细长c形构件。c形构件附接到x射线源114和图像接收器116。臂的c形臂104内的空间为医生照顾患者提供了基本上不受x射线支撑结构的干扰空间。
104.将c形臂安装成使得臂能够在两个自由度上旋转移动(即，在球形运动中围绕两个垂直轴线)。c形臂可滑动地安装到x射线支撑结构上，这允许c形臂围绕其曲率中心进行轨道旋转移动，这可以允许x射线源114和图像接收器116选择性的竖直和/或水平朝向。c形臂还可以是侧向上可旋转的(即，在相对于轨道运行方向的垂直方向上，以使得能够相对于患者的宽度和长度选择性地调整x射线源114和图像接收器116的定位)。c形臂设备的球形旋转方面允许医生以相对于被成像的特定解剖条件确定的最佳角度对患者进行x射线检查。
105.图11中展示的106包含台架壳体124，其可以包围未展示的图像捕获部分。图像捕获部分包含x射线源部分和/或x射线发射部分以及x射线接收部分和/或图像接收部分，所述部分可以彼此相距约一百八十度安置，并且相对于图像捕获部分的轨道安装在转子(未示出)上。图像捕获部分可以在图像采集期间操作性地旋转三百六十度。图像捕获部分可以绕中心点或轴线旋转，从而允许从多个方向或在多个平面中获取患者的图像数据。
106.带有台架壳体124的106具有用于围绕要成像的对象定位的中心开口、可围绕台架壳体124的内部旋转的辐射源，所述辐射源可以适于从多个不同的投射角度投射辐射。检测器系统适于检测每个投射角度下的辐射，从而以准同时的方式从多个投射平面获取对象图像。台架可以以悬臂方式附接到支撑结构支撑结构，如带有轮子的轮式移动推车。定位单元优选地在计算机化运动控制系统的控制下将台架平移和/或倾斜到计划的定位和朝向。台架可以包含在台架上彼此相对安置的源和检测器。可以将源和检测器固定到机动转子上，所述机动转子可以使源和检测器围绕台架的内部彼此组合旋转。可以在部分和/或完整的三百六十度旋转中在多个定位和朝向上对源进行脉冲化，以对定位于台架内部的目标对象进行多平面成像。台架可以进一步包括用于在转子旋转时引导转子的轨道和轴承系统，所述轨道和轴承系统可以承载源和检测器。106和c形臂104两者和/或其中之一可以用作自动成像系统，以扫描患者并将信息发送到外科手术系统2。
107.可以将由自动成像系统捕获的图像显示在外科手术计划计算机910、外科手术机器人800 和/或外科手术系统2的另一个组件的显示装置上。
108.现在在图12
‑
19的上下文中描述被配置用于外科手术系统的被动末端执行器的各个实施例。
109.如以下将进一步详细解释的，图12
‑
19所展示的各种被动末端执行器各自包含底座、第一平面机构和第二平面机构。底座被配置成附接到由外科手术机器人定位的机器人臂(例如，图1和2中的机器人臂18)的末端执行器联接器(例如，图4和5中的末端执行器联接器22)。可以使用各种夹紧机构以将底座牢固地附接到末端执行器联接器，从而去除间隙并确保合适的刚度。可用于将底座附接到末端执行器联接器的不可逆夹紧机构可以包含但不限于肘接机构或一个或多个不可逆锁定螺钉。用户可以使用另外的工具如但不限于螺丝起子、扭矩扳手或起子以激活或拧紧夹紧机构。第一机构在到两个底座的可旋转连接件与到工具附接机构的可旋转连接件之间延伸。所述第二机构在到所述底座的可旋转连接件与到所述工具附接机构的可旋转连接件之间延伸。第一机构和第二机构围绕可旋转连接件枢转。可旋转连接件可以是允许1个自由度(dof)运动的枢转接头，允许2个dof运动的万向接头，或允许3个dof运动的球形接头。当使用枢转接头时，第一机构和第二机构可以被配置成将工具附接机构的移动限制在工作平面内的移动范围内。所述工具附接机构被配置成连接到外科手术锯，所述外科手术锯具有被配置成摆动以用于切割的锯片。所述第一机构和所述第二机构可以被配置成例如通过具有1个dof运动的枢转接头来将所述锯片的切割平面限制成平行于所述工作平面。工具附接机构可以通过各种机构连接到外科手术锯或锯片，所述机构可以包含但不限于螺钉、螺母和螺栓、夹具、闩锁、系绳、压力配合或磁体。dra可以连接到工具附接机构或外科手术锯，以使得能够通过相机跟踪系统6(图3)跟踪锯片的姿态。
110.如以上所解释的，外科手术系统(例如，图1和图2中的外科手术系统2)包含外科手术机器人(例如，图1和图2中的外科手术机器人4)和跟踪系统(例如，图1和图3中的相机跟踪系统6)，所述跟踪系统被配置成确定待由锯片切割的解剖结构的姿态并且确定锯片的姿态。外科手术机器人包含机器人底座、可旋转地连接到机器人底座并被配置成定位被动末端执行器的机器人臂。至少一个马达操作性地连接以相对于所述机器人底座移动所述机器人臂。至少一个控制器连接到所述至少一个马达，并且被配置成执行操作，所述操作包含基于限定所述解剖结构将被切割的位置的外科手术计划并且基于所述解剖结构的所述姿态来确定目标平面的姿态，其中外科手术计划可以由图9的外科手术计划计算机910基于来自操作者(例如外科医生或其它外科手术人员)的输入来生成。操作进一步包含基于对目标平面的姿态和外科手术锯的姿态的比较来生成操纵信息。所述操纵信息指示需要将所述被动末端执行器移动到哪里来定位所述被动末端执行器的所述工作平面，使得所述锯片的所述切割平面与所述目标平面对齐。
111.在一些另外的实施例中，由至少一个控制器执行的操作进一步包含基于所述操纵信息控制所述至少一个马达的移动，以重新定位所述被动末端执行器，使得所述锯片的所述切割平面变得与所述目标平面对齐，并且所述锯片被定位在距待切割的所述解剖结构的一定距离处，所述距离在所述被动末端执行器的所述工具附接机构的移动范围内。
112.操作可以包含将所述操纵信息提供给显示装置以用于显示，从而引导操作者移动所述被动末端执行器，使得所述锯片的所述切割平面变得与所述目标平面对齐，并且使得所述锯片被定位在距待切割的所述解剖结构一定距离处，所述距离在所述被动末端执行器
的所述工具附接机构的移动范围内。
113.如以上所解释的，一些外科手术系统可以包含可以由外科医生、执业护士和/或协助外科手术的其它人佩戴的头戴式显示装置。外科手术系统可以显示信息，所述信息允许佩戴者更精确地定位被动末端执行器和/或确认其已经被精确定位，其中锯片与目标平面对齐以用于切割解剖结构上的计划位置。向显示装置提供操纵信息的操作可以包含配置所述操纵信息以用于在头戴式显示装置上显示，所述头戴式显示装置具有透视显示屏，所述显示屏将所述操纵信息显示为待切割的所述解剖结构上的覆盖层，以引导操作者移动所述被动末端执行器，使得锯片的切割平面变得与目标平面对齐，并且锯片被定位在被动末端执行器的工具附接机构的移动范围内距解剖结构所述距离处。
114.配置用于在头戴式显示装置上显示的操纵信息的操作可以包含生成目标平面的图形表示，所述图形表示被显示为锚定到要被切割的解剖结构并与其对齐的覆盖层，以及生成锯片的切割平面的另一图形表示，所述图形表示被显示为锚定到锯片并与其对齐的覆盖层。佩戴者可以由此移动外科手术锯，以提供图形呈现的目标平面与图形呈现的切割平面之间的视觉上观察到的对齐。
115.为了配置用于在所述头戴式显示装置上显示的所述操纵信息的操作可以包含将由所述锯片产生的切割深度的图形表示生成为被切割的所述解剖结构的图形表示。因此，佩戴者可以使用切割深度的图形表示以更好地监测锯片如何切穿骨骼，尽管直接观察切割被组织或其它结构阻碍。
116.所述跟踪系统可以被配置成基于确定附接到所述解剖结构的跟踪标记例如dra的姿态来确定待由所述锯片切割的所述解剖结构的所述姿态，并且可以被配置成基于确定连接到所述外科手术锯与所述被动末端执行器中的至少一个的跟踪标记的姿态来确定所述外科手术锯的姿态。所述跟踪系统可以被配置成基于旋转位置传感器来确定所述外科手术锯的所述姿态，所述旋转位置传感器被配置成在所述工具附接机构在所述工作平面内移动期间测量所述第一机构和所述第二机构的旋转位置。如以上所解释的，位置传感器可以直接连接到被动末端执行器结构的至少一个接头，但是还可以在结构中的另一个位置被定位，并且通过正时皮带、电线或任何其它同步传输互连的互连来远程测量接头位置。另外地，可以基于附接到结构底座的跟踪标记、被动结构中的位置传感器和结构的运动学模型来确定锯片的姿态。
117.本文公开的各种被动末端执行器可以是可灭菌的或非灭菌的(由无菌盖布覆盖)被动3 个dof(自由度)机械结构，所述机械结构允许沿平行于锯片(限定切割平面)的平面中的两个平移和垂直于此切割平面的一个旋转(仪器朝向)对如矢状锯等外科手术锯或锯片进行机械引导。在外科手术期间，外科手术机器人4自动将末端执行器联接器22以及附接在那里的被动末端执行器和外科手术锯移动到靠近膝盖或其它解剖结构的位置，使得所有待切割的骨骼都在被动末端执行器的工作空间内。该位置取决于要进行的切割和外科手术计划以及植入物结构。被动末端执行器可以具有3个dof来引导切割平面上的矢状锯或锯片，所述切割平面提供如图12所示的两个平移(x和y方向)和一个旋转(围绕z轴)。
118.当外科手术机器人4达到计划的位置时，其保持所述位置(通过制动器或主动马达控制)，并且在特定的骨骼切割期间不移动。被动末端执行器允许外科手术锯的锯片沿计划的目标平面移动。这种平面切割对于其中所有骨骼切割都是平面的传统全膝关节成形术特
别有用。在部分膝关节成形术中，存在特殊类型的植入物，所述植入物称为“覆盖物(on
‑
lay)”，其可以与锯制的骨骼表面结合使用。各种被动末端执行器具有机械结构，所述机械结构可以确保切割期间的引导精度，具有比传统夹具更高的精度，并且提供足够的工作空间范围以切割所有计划的骨骼，并且同时提供足够的横向刚度(对应于锁定的dof)，尽管除了由外科医生施加的力和骨骼反作用力之外，可能还有源自外科手术锯的大量振动。
119.同时，优选的是测量被动末端执行器位置，因为其使得外科手术机器人4能够通知外科医生已经去除了多少骨骼(程序推进)。一种提供关于骨骼移除的实时信息的方法是使外科手术机器人4测量锯片关于骨骼通过的位置，因为锯片仅可以通过骨骼已经被切割的位置。为了测量锯片位置，可以将dra安装到外科手术锯和/或被动末端执行器。这使得能够在3d空间中直接或间接测量锯位置。测量锯片位置的替代性方法是将位置(旋转或平移)传感器(例如编码器、分解器)集成到被动末端执行器的位置信息中，以便使用被动末端执行器几何形状的位置与锯片的尖端之间的限定关系的数学模型来计算锯片的位置。
120.在一个实施例中，传统的矢状锯机构可以与外科手术系统计算机平台900一起使用，而几乎没有或没有改变。潜在的变化将涉及调整外部防护罩以使外科手术锯能够容易地附接到被动末端执行器，但不一定会涉及内部结构的变化。被动末端执行器可以被配置成连接到由例如马头公司(desoutter company)提供的传统矢状锯。另外，锯片可以直接附接到被动末端执行器，而无需锯机头。
121.当外科手术机器人4定位被动末端执行器时，为了防止锯受意外的被动末端执行器移动影响，例如，为了防止外科手术锯由于重力而落到患者身上，被动末端执行器可以包含在接合操作与脱离操作之间移动的锁定机构。当接合时，锁定机构防止锯片相对于机器人末端执行器联接器的移动，直接通过锁定外科手术锯的自由度(dof)，或间接通过制动或锁定被动末端执行器的特定接头。当脱离时，被动末端执行器的第一机构和第二机构可以相对于底座移动，而不受锁定机构的干扰。当外科医生握持外科手术锯并且通过向外科手术锯施加力和扭矩来控制外科手术机器人4移动时，也可以使用锁定机构。外科手术机器人4使用集成在机器人臂22的远端中的图6和7的测力传感器64来测量施加的力和扭矩，并且在机器人臂 22上产生响应力和扭矩，使得外科医生可以更容易地前后、左右移动被动末端执行器，施加围绕各个轴线的旋转。
122.图12示出了被动末端执行器的第一实施例。参考图12，被动末端执行器1200包含底座 1202，所述底座被配置成附接到由外科手术机器人定位的机器人臂(例如，图1和2中的机器人臂18)的末端执行器联接器(例如，图4和5中的末端执行器联接器22)。被动末端执行器1200进一步包含第一机构和第二机构，所述第一机构和所述第二机构在到底座1202的可旋转连接件与到工具附接机构的可旋转连接件之间延伸。可旋转连接件可以是允许1个自由度(dof)运动的枢转接头，允许2个dof运动的万向接头，或允许3个dof运动的球形接头。第一机构和第二机构形成将外科手术锯旋转轴定位在切割平面中的平行架构。
123.第一连杆区段和第二连杆区段1210a和1220a形成第一平面机构，并且第三连杆区段和第四连杆区段1210b和1220b形成第二平面机构。第一连杆区段1210a在到底座1202上的第一位置的可旋转连接件与到第二连杆区段1220a的末端的可旋转连接件之间延伸。第三连杆区段1210b在到底座1202上的第二位置的可旋转连接件与到第四连杆区段1220b的末端的可旋转连接件之间延伸。当由机器人臂旋转时，底座1202上的第一位置和第二位置
在底座的旋转轴的相对侧上间隔开。工具附接机构由第五连杆区段形成，所述第五连杆区段相对于底座 1202在与第二连杆区段1220a和第四连杆区段1220b的远端的可旋转连接件之间延伸。第一机构和第二机构(第一连杆区段和第二连杆区段1210a
‑
1220a以及第三连杆区段和第四连杆区段1210b
‑
1220b)围绕其可旋转连接件枢转，以将工具附接机构1230的移动限制在工作平面内的移动范围内。工具附接机构1230被配置成连接到外科手术锯1240，所述外科手术锯具有被配置成摆动以用于切割的锯片1242。第一机构和第二机构(第一连杆区段和第二连杆区段1210a
‑
1220a以及第三连杆区段和第四连杆区段1210b
‑
1220b)可以被配置成例如通过具有1个dof运动的枢转接头来将锯片1242的切割平面限制成平行于工作平面。工具附接机构1230可以通过各种机构连接到外科手术锯1240，所述机构可以包含但不限于螺钉、螺母和螺栓、夹具、闩锁、系绳、压力配合或磁体。dra 52可以连接到工具附接机构1230或外科手术锯1240，以使得能够通过相机跟踪系统6(图3)跟踪锯片1242的姿态。
124.被动末端执行器1200为外科手术锯1240提供被动引导，以将锯片1242限制在限定的切割平面上，并且将其移动性降低到三个自由度(dof)：在平行于锯片1242的切割平面的平面中的两个平移tx和ty；以及围绕垂直于切割平面的轴线的一个旋转rz。
125.在一些实施例中，跟踪系统被配置成基于连接到被动末端执行器1200的至少一些连杆区段的旋转接头的旋转位置传感器来确定锯片1242的姿态。旋转位置传感器被配置成在工具附接机构在工作平面内移动期间测量接合的连杆区段的旋转位置。例如，旋转位置传感器可以被配置成测量第一连杆区段1210a相对于底座1202的旋转，另一个旋转位置传感器可以被配置成测量第二连杆区段1220a相对于第一连杆区段1210a的旋转，并且另一个旋转位置传感器可以被配置成测量工具附接机构1230相对于第二连杆区段1220a的旋转。外科手术锯1240 可以连接成相对于工具附接机构1230具有固定的朝向。连接锯片1242和机器人臂22的被动末端执行器1200的串联运动链具有串联的连杆区段和枢转接头，其为外科手术锯1240提供了所需的机动性。可以由通过旋转位置传感器感测的接头角度和互连的连杆区段的结构几何形状来完全确定锯片1242的尖端在由被动运动链限定的平面中的位置。因此，通过测量每个连接的连杆区段之间的相对角度，例如沿底座1202与外科手术锯1240之间的一个或多个互连路径，可以使用所提出的正向运动学模型来计算切割空间中锯片1242尖端的位置。当机器人臂22远端位置和朝向相对于骨骼的位置和朝向已知时，可以计算锯片1242相对于骨骼的位置和朝向并且将其作为反馈显示给外科医生。对于其中锯片直接附接到被动末端执行器的示例性实施方案，由旋转位置传感器提供的测量的频率可以比锯片摆动频率高至少两倍，以便即使在摆动期间也可以测量锯片位置。
126.本文中可以与被动末端执行器一起使用的旋转位置传感器的示例类型可以包含但不限于：电位计；光学的；电容性的；旋转可变差动变压器(rvdt)；线性可变差动变压器(lvdt)；霍尔效应；以及编码器。
127.基于电位计的传感器是无源电子组件。电位计通过改变滑动触点在均匀电阻上的位置来工作。在电位计中，整个输入电压施加在电阻器的整个长度上，并且输出电压是固定触点与滑动触点之间的电压降。为了接收绝对位置，需要校准位置。电位计的测量范围可能小于360
°
。
128.光学编码器可以包含旋转盘、光源和光检测器(光传感器)。安装在旋转轴上的磁
盘具有编码在磁盘上的不透明和透明扇区的图案。当磁盘旋转时，这些图案会中断发射到光探测器上的光，从而产生数字信号或脉冲信号输出。通过对磁盘进行编码的信号，绝对测量和相对测量以及多圈测量都是可能的。
129.电容编码器使用高频参考信号检测电容变化。这是用以下三个主要部分实现的：固定发射器、转子和固定接收器。还可以以两部分配置提供电容编码器，所述两部分配置带有一个转子和一个组合发射器/接收器。可以用正弦图案对转子进行蚀刻，并且当其旋转时，该图案以可预测的方式调制发射器的高频信号。编码器可以是多圈的，但是很难实现绝对测量。启动时需要校准。
130.rvdt和lvdt传感器在变压器的芯处于零位的情况下操作，两个初级和次级绕组的输出电压量值相等，然而方向相反。零位的总输出总为零。相对于零位的角位移诱导总的差分输出电压。因此，总的角位移与线性差分输出电压成正比。差分输出电压沿顺时针方向增加，并且沿逆时针方向减少。该编码器在绝对测量中起作用，并且可能不兼容多圈测量。在组装期间需要校准。
131.在霍尔效应传感器中，沿薄金属带向其施加电流。在存在磁场的情况下，金属带中的电子朝着一个边缘偏转，从而在金属带的短侧上(即垂直于馈电电流)产生电压梯度。传感器以最简单的形式作为模拟换能器来操作，从而直接返回电压。在已知磁场的情况下，可以确定其与霍尔板的距离。使用传感器组，可以推导出磁体的相对位置。通过将多个传感器元件与图案化的磁体板结合，可以类似于光学编码器来检测绝对和相对位置。
132.编码器传感器以与旋转可变变压器传感器、无刷分解器或同步机类似的方式工作。定子接收dc功率，并且在定子与转子之间产生低功率ac电磁场。由转子根据其角度对该电磁场进行修改。定子感应产生的电磁场，并且将旋转角度作为模拟信号或数字信号输出。与分解器不同，编码器使用的是层合电路，而不是卷绕焊丝卷轴。该技术使编码器形状紧凑，质量低，惯性低，精度高，而无需高精度安装。发射用于计数一个完整旋转的信号(z)。多圈感测和绝对感测是可能的。
133.图13示出了被动末端执行器的第二实施例。参考图13，被动末端执行器1300包含底座 1302，所述底座被配置成附接到由外科手术机器人定位的机器人臂(例如，图1和2中的机器人臂18)的末端执行器联接器(例如，图4和5中的末端执行器联接器22)。被动末端执行器1300进一步包含第一机构和第二机构，所述第一机构和所述第二机构在到底座1302的可旋转连接件与到工具附接机构的可旋转连接件之间延伸。可旋转连接件可以是允许1个 dof运动的枢转接头，允许2个dof运动的万向接头，或允许3个dof运动的球形接头。第一连杆区段和第二连杆区段1310a和1320a形成第一平面机构，并且第三连杆区段和第四连杆区段1310b和1320b形成第二平面机构。第一连杆区段1310a在到底座1302上的第一位置的可旋转连接件与到第二连杆区段1320a的末端的可旋转连接件之间延伸。第三连杆区段 1310b在到底座1302上的第二位置的可旋转连接件与到第四连杆区段1320b的末端的可旋转连接件之间延伸。当由机器人臂旋转时，底座1302上的第一位置和第二位置在所述底座的旋转轴的相对侧上间隔开。第二连杆区段1320a和第四连杆区段1320b的远离底座1302的远端彼此可旋转地连接并且连接到工具附接机构1330。第一机构和第二机构(第一连杆区段和第二连杆区段1310a
‑
1320a以及第三连杆区段和第四连杆区段1310b
‑
1320b)可以例如通过具有 1个dof运动的枢转接头被配置成围绕其可旋转连接件旋转，以将工具附接机构
1330的移动限制在工作平面内的移动范围内。工具附接机构1330被配置成连接到外科手术锯1240，所述外科手术锯具有被配置成摆动以用于切割的锯片1242。第一机构和第二机构(第一连杆区段和第二连杆区段1310a
‑
1320a以及第三连杆区段和第四连杆区段1310b
‑
1320b)将锯片 1242的切割平面限制成平行于工作平面。工具附接机构1330可以通过各种机构连接到外科手术锯1240，所述机构可以包含但不限于螺钉、螺母和螺栓、夹具、闩锁、系绳、压力配合或磁体。dra可以连接到工具附接机构1330或外科手术锯1240，以使得能够通过相机跟踪系统6(图3)跟踪锯片1242的姿态。
134.图14示出了被动末端执行器的第三实施例。参考图14，被动末端执行器1400包含底座 1402，所述底座被配置成附接到由外科手术机器人定位的机器人臂(例如，图1和2中的机器人臂18)的末端执行器联接器(例如，图4和5中的末端执行器联接器22)。底座1402包含第一细长底座区段和第二细长底座区段1404a和1404b，当由机器人臂旋转时，所述底座区段从底座1402的旋转轴的相对侧上的间隔开的位置延伸。第一细长底座区段和第二细长底座区段1404a和1404b在附接到被动末端执行器1400时在远离机器人臂的末端执行器联接器的方向上延伸。被动末端执行器1400进一步包含第一机构和第二机构，所述第一机构和所述第二机构在到细长底座区段1404a和1404b的可旋转连接件与到工具附接机构的可旋转连接件之间延伸。为该实施例公开的一个或多个可旋转连接件可以是允许1个dof运动的枢转接头，允许2个dof运动的万向接头，或允许3个dof运动的球形接头。
135.第一机构包含第一连杆区段1411a、第二连杆区段1410a、第三连杆区段1420a和第四连杆区段1430a。第一连杆区段和第二连杆区段1411a和1410a在到第一细长底座区段1404a上的间隔开的位置与第三连杆区段1420a上的间隔开的位置的可旋转连接件之间彼此平行延伸。第三连杆区段1420a的末端可旋转地连接到第四连杆区段的末端1430a。
136.第二机构包含第五连杆区段1411b、第六连杆区段1410b和第七连杆区段1420b。第五连杆区段和第六连杆区段1411b和1410b在到第二细长底座区段1404b上的间隔开的位置与第七连杆区段上的间隔开的位置的可旋转连接件之间彼此平行延伸1420b。工具附接机构包含第八连杆区段1440，第八连杆区段在第四连杆区段与第七连杆区段1430a和1420b的远离底座的远端的可旋转连接件之间延伸1402。在另外的实施例中，工具附接机构的第八连杆区段 1440包含附接构件1442，所述附接构件在远离底座1402的方向上延伸到可旋转连接器，所述可旋转连接器被配置成连接到外科手术锯1240。附接构件1442从第八连杆区段1440上相比于第七连杆区段1420b更靠近第四连杆区段1430a的位置延伸。
137.第一机构和第二机构(连杆区段1411a、1410a、1420a、1430a的组和连杆区段1411b、 1410b、1420b的组)可以被配置成围绕其可旋转连接件枢转，以将工具附接机构1440的移动限制在工作平面内的移动范围内。工具附接机构1440被配置成连接到外科手术锯1240，所述外科手术锯具有被配置成摆动以用于切割的锯片1242。第一机构和第二机构可以被配置成例如通过具有1个dof运动的枢转接头来将锯片1242的切割平面限制成平行于工作平面。工具附接机构1440可以通过各种机构连接到外科手术锯1240，所述机构可以包含但不限于螺钉、螺母和螺栓、夹具、闩锁、系绳、压力配合或磁体。dra可以连接到工具附接机构1440，如连接到附接构件1442或外科手术锯1240以使得能够通过相机跟踪系统6(图3)跟踪锯片 1242的姿态。
138.图14的被动末端执行器1400具有平行架构，所述平行架构使得外科手术锯能够围
绕切割平面中的旋转轴定位。侧向平行四边形的同步运动和/或不同运动允许外科手术锯旋转轴在切割平面中定位。
139.图15示出了被动末端执行器的第四实施例。被动末端执行器1500包含底座1502，所述底座被配置成附接到由外科手术机器人定位的机器人臂(例如，图1和2中的机器人臂18) 的末端执行器联接器(例如，图4和5中的末端执行器联接器22)。底座1502可以包含第一细长底座区段和第二细长底座区段，当由机器人臂旋转时，所述第一细长底座区段和所述第二细长底座区段从底座1502的旋转轴的相对侧上的间隔开的位置延伸。第一细长底座区段和第二细长底座区段远离彼此延伸。被动末端执行器1500进一步包含第一机构和第二机构，所述第一机构和所述第二机构在到底座1502的可旋转连接件与到工具附接机构的可旋转连接件之间延伸。为该实施例公开的一个或多个可旋转连接件可以是允许1个dof运动的枢转接头，允许2个dof运动的万向接头，或允许3个dof运动的球形接头。
140.所述第一机构包含第一连杆区段1510a。所述第二机构包含第二区段1510b。工具附接机构包含第三连杆区段1520、第四连杆区段1530、第五连杆区段1540a、第六连杆区段1540b 和第七连杆区段1550。第一连杆区段和第二连杆区段1510a和1510b在分别与底座1502上的第一与第二位置的可旋转连接件之间延伸，例如与远离底座1502延伸的第一细长底座区段和第二细长底座区段的可旋转连接件，与第三连杆区段1520的相对端的可旋转连接件。当由机器人臂旋转时，底座1502上的第一位置和第二位置在所述底座的旋转轴的相对侧上间隔开。第四连杆区段1530从第三连杆区段1520在朝着所述底座的方向上延伸1502。第五连杆区段和第六连杆区段1540a和1540b在到第四连杆区段1530上的间隔开的位置与第七连杆区段上的间隔开的位置的可旋转连接件之间彼此平行延伸1550。第七连杆区段1550被配置成具有可旋转连接器，所述连接器被配置成连接到外科手术锯1240。
141.第一到第六连杆区段1510a
‑
b、1520、1530和1540a
‑
b可以被配置成围绕其可旋转连接件枢转，以将第七连杆区段1550的移动限制在工作平面内的移动范围内。第七连杆区段1550 被配置成连接到外科手术锯1240，所述外科手术锯具有被配置成摆动以用于切割的锯片 1242。第一到第六连杆区段1510a
‑
b、1520、1530和1540a
‑
b可以被配置成例如通过具有1 个dof运动的枢转接头来将锯片1242的切割平面限制成平行于工作平面。第七连杆区段1550 可以通过各种机构连接到外科手术锯1240，所述机构可以包含但不限于螺钉、螺母和螺栓、夹具、闩锁、系绳、压力配合或磁体。dra可以连接到第七连杆区段1550或外科手术锯1240，以使得能够通过相机跟踪系统6(图3)跟踪锯片1242的姿态。
142.图16示出了被动末端执行器的第五实施例。被动末端执行器1600包含底座1602，所述底座被配置成附接到由外科手术机器人定位的机器人臂(例如，图1和2中的机器人臂18) 的末端执行器联接器(例如，图4和5中的末端执行器联接器22)。被动末端执行器1600进一步包含第一机构和第二机构，所述第一机构和所述第二机构在到底座1502的可旋转连接件与到工具附接机构的可旋转连接件之间延伸。所述第一机构包含第一连杆区段1610a。所述第二机构包含第二区段1610b。工具附接机构包含第三连杆区段1620、第四连杆区段1630、第五连杆区段1640a、第六连杆区段1640b和第七连杆区段1650。为该实施例公开的一个或多个可旋转连接件可以是允许1个dof运动的枢转接头，允许2个dof运动的万向接头，或允许3个dof运动的球形接头。
143.第一连杆区段和第二连杆区段1610a和1610b分别在到底座1602上的第一位置和
第二位置的可旋转连接件之间延伸到在第三连杆区段1620的相对端处的可旋转连接件。当由机器人臂旋转时，底座1602上的第一位置和第二位置在底座1602的旋转轴的相对侧上间隔开。第四连杆区段1630从第三连杆区段1620在远离所述底座的方向上延伸1602。第五连杆区段和第六连杆区段1640a和1640b在到第四连杆区段1630上的间隔开的位置与所述第七连杆区段上的间隔开的位置的可旋转连接件之间彼此平行延伸1650。第七连杆区段1650被配置成具有可旋转连接器，所述连接器被配置成连接到外科手术锯1240。
144.第一到第六连杆区段1610a
‑
b、1620、1630和1640a
‑
b可以被配置成围绕其可旋转连接件枢转，以将第七连杆区段1650的移动限制在工作平面内的移动范围内。第七连杆区段1650 被配置成连接到外科手术锯1240，所述外科手术锯具有被配置成摆动以用于切割的锯片 1242。第一到第六连杆区段1610a
‑
b、1620、1630和1640a
‑
b可以被配置成枢转，同时将锯片 1242的切割平面限制成平行于工作平面。第七连杆区段1650可以通过各种机构连接到外科手术锯1240，所述机构可以包含但不限于螺钉、螺母和螺栓、夹具、闩锁、系绳、压力配合或磁体。dra可以连接到第七连杆区段1650或外科手术锯1240，以使得能够通过相机跟踪系统6(图3)跟踪锯片1242的姿态。
145.被动末端执行器1600提供两个垂直平移移动，用于将外科手术锯旋转轴定位在切割平面中，并且由平行四边形实施其中两个平移。
146.图17示出了被动末端执行器的第六实施例。被动末端执行器1700包含底座1702，所述底座被配置成附接到由外科手术机器人定位的机器人臂(例如，图1和2中的机器人臂18) 的末端执行器联接器(例如，图4和5中的末端执行器联接器22)。被动末端执行器1700进一步包含第一机构和第二机构，所述第一机构和所述第二机构在到底座1702的可旋转连接件与到工具附接机构的可旋转连接件之间延伸。为该实施例公开的一个或多个可旋转连接件可以是允许1个dof运动的枢转接头，允许2个dof运动的万向接头，或允许3个dof运动的球形接头。连接第一机构和第二机构以提供沿着平行四边形半径的平移。第一机构包含第一连杆区段和第二连杆区段1710和1720b。第一连杆区段1710在到底座1702的可旋转连接件与到第二连杆区段1720b的末端的可旋转连接件之间延伸。所述第二机构包含第三连杆区段1720a。所述工具附接机构包含第四连杆区段1730。第二和第三连杆区段1720b和1720a 远离底座1702延伸，并且在到第一连杆区段1710上的间隔开的位置与所述第四连杆区段上的间隔开的位置的可旋转连接件之间彼此平行延伸1730。第四连杆区段1730包括附接构件 1732，所述附接构件在远离所述底座的方向上延伸到可旋转连接器，所述可旋转连接器被配置成连接到外科手术锯1240。附接构件1732从第四连杆区段1730上相比于第二连杆区段 1720b靠近第三连杆区段1720a的位置延伸。
147.第一到第三连杆区段1710、1720b、1720a可以被配置成围绕其可旋转连接件枢转，以将第四连杆区段1730的移动限制在工作平面内的移动范围内。第四连杆区段1730被配置成连接到外科手术锯1240，所述外科手术锯具有被配置成摆动以用于切割的锯片1242。第一到第三连杆区段1710、1720b、1720a可以被配置成将锯片1242的切割平面限制成平行于工作平面。第四连杆区段1730例如其附接构件1732可以通过各种机构连接到外科手术锯1240，所述机构可以包含但不限于螺钉、螺母和螺栓、夹具、闩锁、系绳、压力配合或磁体。dra可以连接到第四连杆区段1730，例如连接到附接构件1732或外科手术锯1240以使得能够通过相机跟踪系统6(图3)跟踪锯片1242的姿态。
148.图18示出了被动末端执行器的第七实施例。被动末端执行器1800包含底座1802，所述底座被配置成附接到由外科手术机器人定位的机器人臂(例如，图1和2中的机器人臂18) 的末端执行器联接器(例如，图4和5中的末端执行器联接器22)。被动末端执行器1800进一步包含第一机构和第二机构，所述第一机构和所述第二机构在到底座1802的可旋转连接件与到工具附接机构的可旋转连接件之间延伸。为该实施例公开的一个或多个可旋转连接件可以是允许1个dof运动的枢转接头，允许2个dof运动的万向接头，或允许3个dof运动的球形接头。所述第一机构包含第一连杆区段1810a。所述第二机构包含第二连杆区段1810b。所述工具附接机构包含第三连杆区段1820。第一连杆区段和第二连杆区段1810a和1810b分别在与底座1802上的第一位置和第二位置的可旋转连接件之间延伸到所述第三连杆区段的相对端处的可旋转连接件1820。当由机器人臂旋转时，底座1802上的第一位置和第二位置在底座1802的旋转轴的相对侧上间隔开。第三连杆区段1820包括附接构件1822，所述附接构件在远离底座1802的方向上延伸到可旋转连接器，所述可旋转连接器被配置成连接到外科手术锯1240。所述附接构件1822从所述第三连杆区段1820上更靠近第一连杆区段1810a而不是第二连杆区段1810b的位置延伸。为该实施例公开的一个或多个可旋转连接件可以是允许1个dof运动的枢转接头，允许2个dof运动的万向接头，或允许3个dof运动的球形接头。
149.第一连杆区段和第二连杆区段1810a和1810b可以被配置成围绕其在底座1802与第三连杆区段1820之间的可旋转连接件枢转，以将附接构件1822的移动限制在工作平面内的移动范围内。在一些其它实施例中，一个或多个可旋转连接件可以是允许2个dof运动的万向接头或允许3个dof运动的球形接头，使得移动不被限制到工作平面。工具附接机构1822被配置成连接到外科手术锯1240，所述外科手术锯具有被配置成摆动以用于切割的锯片1242。第一连杆区段和第二连杆区段1810a和1810b枢转，同时将锯片1242的切割平面限制成平行于工作平面。附接构件1 822可以通过各种机构连接到外科手术锯1240，所述机构可以包含但不限于螺钉、螺母和螺栓、夹具、闩锁、系绳、压力配合或磁体。dra可以连接到第三连杆区段1820，例如连接到附接构件1822或外科手术锯1240以使得能够通过相机跟踪系统6 (图3)跟踪锯片1242的姿态。
150.图19示出了被动末端执行器的第八实施例。被动末端执行器1900包含底座1902，所述底座被配置成附接到由外科手术机器人定位的机器人臂(例如，图1和2中的机器人臂18) 的末端执行器联接器(例如，图4和5中的末端执行器联接器22)。被动末端执行器1900进一步包含第一连杆区段1910和第二连杆区段1920。第一连杆区段1910在到底座1902的可旋转连接件与到第二连杆区段1920的一个末端的可旋转连接件之间延伸。第二连杆区段1920 的另一个末端可旋转地连接到工具附接机构。旋转轴q1、q2和q3彼此平行，以便为刀片1242 提供平面切割平面。因此，锯1240的3个dof运动包含x方向tx、y方向ty和围绕z轴 rz的旋转方向。为该实施例公开的一个或多个可旋转连接件可以是允许1个dof运动的枢转接头，允许2个dof运动的万向接头，或允许3个dof运动的球形接头。
151.附接到末端执行器底座1902和锯1240的跟踪标记52以及骨骼(例如，胫骨和股骨)上的跟踪标记可以用于精确地且连续地监测刀片1242和刀片尖端相对于被切割的患者骨骼的实时位置。尽管在其它附图中未明确示出，但是在所有实施例中，跟踪标记可以附接到锯1240 和所有末端执行器1902，以跟踪刀片相对于被切割的患者骨骼的位置。尽管未示
出，但是可替代地或除了跟踪标记之外，编码器可以定位于连杆区段1910和1920中的每一个，以始终精确地确定锯片尖端在哪里。
152.示例外科手术程序
153.在手术室(or)中使用外科手术机器人4的示例外科手术程序可以包含：
154.任选步骤：基于医学图像在术前计划外科手术。
155.1.外科手术机器人4系统在手术室(or)外面。护士
156.当病人准备进行外科手术时，将系统带到or。
157.2.护士给机器人通电，并且展开机器人臂。护士验证机器人系统和跟踪系统的精度。
158.3.在灭菌的被动末端执行器的情况下，擦洗护士将无菌盖布放在机器人臂上，并且将带有矢状锯的被动末端执行器安装在机器人臂上。擦洗护士用锁定机构锁定被动末端执行器。擦洗护士通过盖布将dra附接到被动结构上(如有必要)。对于未灭菌的被动末端执行器，在将被动末端执行器附接到机器人臂之后放置盖布，将dra附接到被动末端执行器，其中盖布介于其间，并且将灭菌锯或锯片附接到被动末端执行器，其中盖布介于其间。为了固定锯片相对于末端执行器联接器的位置，将锁定机构接合。
159.4.外科医生将导航标记附接在患者的一个或多个骨骼上，例如胫骨和股骨上。使用例如 horn点对点算法(horn point
‑
to
‑
point algorithm)、表面匹配或其它算法，将骨骼配准到相机跟踪系统6。可以进行软组织平衡评估，由此系统允许外科医生评估手术室中软组织的平衡，例如，当外科医生在不同方向上施加力(例如内翻/外翻应力)时，通过跟踪股骨和胫骨的相对移动。软组织平衡信息可以用于改变外科手术计划(例如，移动植入物部件、改变植入物类型等)。
160.5.当外科医生准备切割骨骼时，擦洗护士将外科手术机器人4带到靠近待进行手术膝关节的手术台，并且将外科手术机器人4稳定在地板上。系统可以操作以引导护士找到机器人 4的位置，使得所有切割平面都处于机器人和被动结构工作空间中。
161.6.外科医生根据外科手术的计划在外科手术机器人4的屏幕上选择不同的参数来做第一次切割(要被切割的骨骼，期望的切割计划等)。
162.7.外科手术机器人4自动移动机器人臂22以重新定位被动末端执行器，使得所述锯片的所述切割平面变得与所述目标平面对齐，并且所述锯片被定位在距待切割的所述解剖结构一定距离处，所述距离在所述被动末端执行器的所述工具附接机构的移动范围内。
163.8.外科医生解锁被动末端执行器。
164.9.外科医生执行限制于被动末端执行器提供的切割平面的切割。外科手术机器人4可以提供锯片相对于骨骼的跟踪位置的实时显示，使得外科医生可以监测骨骼去除的进展。以一种方式，跟踪子系统基于相机图像和附接到锯、机器人臂、末端执行器、股骨和胫骨的各种跟踪标记实时处理锯相对于骨骼的位置。然后，外科医生可以在完成切割时使用锁定机构锁定被动末端执行器。
165.10.外科医生在屏幕上选择要执行的下一个切割，并且如之前一样进行。
166.11.外科医生可以执行试验植入物放置和中间软组织平衡评估，并且基于此改变植入物计划和相关切割。
167.12.在完成所有切割后，护士将外科手术机器人4从手术台上移除，并且将被动末
端执行器从机器人臂上拆卸下来。
168.13.外科医生放置植入物并完成手术。
169.在以上步骤9中，由于骨骼周围的组织和韧带和切割产生的碎片以及骨骼附近的其它外科手术仪器，医生可能难以视觉上确认切割的进展。即使视觉确认是可以接受的，但是存在医生看不到骨骼的某些区域，如被切割的骨骼的后部。
170.有利的是，本发明的一个机器人系统实施例为医生提供了一种在多个维度上确认正在切割的骨骼的进展的方法。相机跟踪系统6以及附接到末端执行器底座(1100、1202、1302、 1402、1502、1602、1702、1802、1902)、机械臂20和锯(1140、1240)的跟踪标记允许跟踪子系统830和计算机子系统820实时计算锯片相对于骨骼的精确位置，使得外科医生可以监测骨骼移除的进展。
171.图20是示出了外科手术期间骨骼切割进展的屏幕截图。图20示出了显示三个图像的子系统830和820：侧视图、a
‑
p视图和俯视图。在每个图像中，锯片1242相对于骨骼(例如，胫骨2000)的实时位置显示在显示器34上。侧视图和俯视图对医生来说特别有用，因为其显示了锯片的位置，这不容易被看到。在显示器的顶部，计算机子系统830、820显示切割程序的数量及其当前运行的程序。例如，如屏幕截图所示，医生可能已经对6个平面切割进行了编程，并且当前的切割程序是第一个。此外，因为子系统830和820可以用跟踪标记跟踪刀片可能已经行进的位置，所以其可以确定特定切割程序的骨骼切割(被切割的区域)已经完成了多少，并且进展的百分比显示在显示器34中。骨骼图像本身优选地从患者的身体的实际图像中导出，以获得精确的表示。骨骼图像由子系统820用示出皮质骨2004和松质骨骼 2002的轮廓线来增强。这对于医生来说是很重要的，因为两种类型的骨骼之间对切割的抵抗力差异很大。
172.如果使用增强现实(ar)头戴式显示器，计算机子系统820可以生成示出皮质骨和松质骨骼的相同轮廓线，并且在医生移动他/她的头部时将其连续叠加在实际的腿上。可以用暗影将已经切割的区域覆盖在实际骨骼上。此外，也可以将要插入到切割区域上的植入物覆盖在骨骼上，以向医生显示切割是沿着植入物的平面正确进行的。这都是可能的，因为子系统830 和820可以用跟踪标记和相机子系统来跟踪刀片的位置及其相对于骨骼的移动历史。
173.现在参考图21
‑
32，描述了在矫形外科手术的背景中的直接刀片引导系统的示例性实施例。如图21、22、29和30所示，直接刀片引导系统2100可以包含保持末端执行器臂(eea) 2102的机器人系统。eea 2102可以包含被配置成附接到机器人臂的末端执行器联接器的底座。关于图12
‑
19描述了与本公开的原理一致的末端执行器臂的其它示例性实施例。为了实现平面切割，应当在锯片2104振动的平面中对所述锯片进行引导。锯片的高振动频率(例如， 200
‑
300hz)使其难以实现机械引导。eea2102可以包含若干个接头和联动件2106、2108，所述接头和联动件可以用于实现eea 2102的尖端2110的平面上的移动。类似于图12
‑
18的实施例，eea2102的尖端2110可以具有三(3)个自由度：在平面上的两个方向上的移动以及围绕垂直于所述平面的轴线的旋转。eea2102可以允许平面切割并从所有角度接近目标骨骼。系统2100还可以包含各自连接到eea2102和刀片2104的机头2112和刀片适配器2114。
174.直接引导锯片2104的概念包含将联动件2110的远端(eea2102的远侧旋转接头
2116) 的旋转轴a
‑
a与锯片振动轴b
‑
b对齐。矢状锯是大多数实施方案机构，其使锯片绕靠近锯片附接的轴线产生小的旋转运动(振动/摆动)。通过使旋转轴a
‑
a与eea 2102的远侧旋转接头2116(在联动件2108的远端处)对齐，接头2116可以被被配置成实现一般的锯机头旋转并实现锯片振动。
175.锯片2104可以被配置成通过刀片适配器2114连接到eea 2102的远侧接头旋转轴。刀片适配器2114可以被配置成拧紧锯片2104。通过调整刀片适配器2114，可以将不同的矢状锯整合到系统2100中。下面讨论与本公开一致的刀片适配器2114的示例性配置。在图31中展示了示例性刀片适配器。
176.永久性固定
177.在永久性固定配置中，刀片2104可以被永久性地夹紧到刀片适配器2114。当外科医生准备好外科手术区域时，用户(例如，手术室护士)可以将刀片2104组装到刀片适配器2114。示例性永久性固定配置可以包含以下内容。
178.·
可以使用如螺钉或弹簧加载的闩锁等组件将刀片2104牢固地夹紧到刀片适配器 2114，所述组件被配置成提供对刀片2104的夹紧力。
179.·
刀片2104可以包含被配置成将刀片2104固定到刀片适配器2114的接口，如通孔。
180.·
刀片2104和刀片适配器2114可以被制造为稍后设置在eea 2102上的单个可重复使用的装置。示例实施方案涉及附接到peek或不锈钢刀片适配器的金属刀片。刀片到刀片适配器的组装由手术室护士执行。
181.·
刀片2104和刀片适配器也可以被制造为无菌递送的一次性(单次使用)装置。示例实施方案涉及使用塑料注射模制技术包覆模制的金属刀片。
182.图22展示了系统2200，所述系统是与本公开的原理一致的示例性实施例。在该实施例中，刀片适配器永久性地固定到可以绕锯片旋转轴c
‑
c旋转的底座中的锯片和通过螺钉将刀片夹紧到刀片适配器底座2220的夹紧组件。图23展示了与该配置一致的刀片2204、刀片适配器2214、远侧旋转接头2216和夹具2218。这些组件可以与先前关于图21描述的组件相同或相似。
183.可拆卸固定
184.在可拆卸固定配置中，刀片可以在现场快速附接到刀片适配器或从中拆卸。刀片适配器整合了夹紧机构，所述夹紧机构可以是主动的(通过电信号打开的常闭夹紧机构)或被动的 (快速联接和/或快速释放机构)。
185.惯性矩
186.刀片适配器2114可以显著增加绕刀片旋转轴c
‑
c旋转的联接的“刀片/刀片适配器”的惯性矩。一旦刀片适配器2114与锯片2104一起振动，不平衡的惯性就生成被输出到机械结构以及外科医生的手的动力和扭矩。为了优化实施方案，可以使振动元件围绕振动轴的惯性最小化。这意味着振动元件的质量越轻且越接近振动轴就越好。用于机头引导概念的锯片元件绕振动轴的惯性矩为：
187.·
i
h
＝i
d
md2188.其中d是刀片振动轴与远侧接头旋转轴之间的距离，m是刀片的重量(锯片元件的重量)，并且i
d
是锯片元件绕刀片振动轴的惯性矩。然后利用直接刀片引导概念将惯性矩减
小md2，当振动轴与刀片振动轴之间的距离为0(轴线组合)时，所述值最小。
189.图24展示了使用标准夹具2402的系统。根据本文讨论的原理，与标准夹具(如图24中所展示的夹具2402)所提供的刀片有效切割长度相比，直接刀片引导可以提供更多的刀片有效切割长度。l
g
表示引导长度(引导锯片的长度)，并且l
e
表示刀片有效长度。由于利用直接刀片引导概念可以使引导长度更短，因此刀片有效长度更长。对于外科医生来说这可能更舒适，并且外科医生可以切开更多的骨骼。
190.切割的精度由构成机器人系统的从地板到锯片尖端的不同元件的刚度给出，所述元件包含机器人系统、eea 2102、机头矢状锯、锯片摆动机构(如刀片适配器2114或2214)和锯片2104、2204。利用直接刀片引导，机头的间隙和不精确性可以显著降低或完全避免，因为锯片是通过刀片适配器直接拧紧的。
191.此外，直接刀片引导概念可以更容易与各种现有的矢状锯整合。由于刀片适配器是仅需拧紧形状简单的锯片的元件，因此可能不需要构建特定于矢状锯形状(特定于制造商)的组件。另外，刀片适配器易于进行灭菌。其是一种小巧、轻便且相对简单的机械元件，所述机械元件可以以使得其不具有任何狭窄空间并且可以易于拆卸的方式制造。如前所述，包含刀片适配器的刀片可以作为单个可重复使用的装置递送。
192.跟踪
193.图25展示了直接刀片引导系统2100，所述直接刀片引导系统可以包含附接到矢状锯的机头2112的导航标记或标记阵列2500。标记2500允许矢状锯被相机(如相机跟踪系统6) 跟踪。光学跟踪使得能够测量锯位置，但是在切割(刀片的高频振动)期间可能难以测量直接锯片位置。此外，由于刀片/锯机头连接的刚度差，因此跟踪将直接测量锯机头2112相对于刀片2104的偏转。
194.为了测量直接锯片位置，图26展示了系统2100，其中编码器2600、2602和2604整合到eea2102的接头。与使用光学跟踪相比，通常可以以更高的频率和旋转精度进行编码器测量。例如，测量频率可以比锯片摆动高至少两倍。利用刀片位置信号，可以提取另外的有用信息，如锯振动频率、开/关状态、锯片在骨骼中的阻塞(例如，通过解释信号及其衍生信息)。
195.在与本公开的原理一致的示例性实施例中，可以减少由外科医生保持的矢状锯机头的振动。通过减少机头的振动，可以改善触觉反馈并且可以提高切割效率。如前所述，输出到外科医生手上的振动是由输出的动力和扭矩引起的，所述动力和扭矩是由联接的刀片/刀片适配器围绕刀片旋转轴的不平衡惯性生成的。
196.用于减少振动的一种方法可以通过过滤振动来实现。在图27中，阻尼元件2700可以连接在机头2112与eea2102之间。这可以使用橡胶片、气压缸或液压缸来实施。
197.用于减小振动的另一种方法可以通过动态地平衡联接的锯/锯适配器围绕锯旋转轴的惯性来实现。这可以通过使用补偿惯性动态补偿振动锯片产生的所输出力和扭矩来实施，所述补偿惯性以相同的动力学执行精确的相反移动。图28和32展示了示例性实施例，其中补偿惯性可以联接到主惯性以使用机械反向器2800进行平衡。
198.现参看图33
‑
45，与本公开的原理一致，可使用具有手柄和附接的参考元件的导航销引导驱动器来避免需要使用放置器械和导航放置器械。举例来说，外科医生可握持手柄，且导航系统可跟踪参考元件。导航系统提供关于销的放置的实时反馈和切割的视觉表示，
或切割块相对于患者解剖结构的视觉表示。外科医生可徒手或结合如本文中先前所描述的无源末端执行器来使用导航销手柄。
199.与当前实施例的原理一致的所提议的工作流程在图33中展示为方法3300。在步骤3302 处，可使患者与导航系统配准。在步骤3304处，使用导航系统反馈将导航销引导驱动器系统对准到骨骼的目标区域。在步骤3306处，将切割块销驱动到骨骼中。在步骤3308处，在切割块销之上将切割块附接到骨骼，且在步骤3310处，经由切割块执行切割。
200.参看图34，展示导航销驱动器系统3400的示例性示意图。导航销引导驱动器系统3400 可包含供用户握持的手柄3402、参考元件3404、用于对接到皮质骨上的远侧尖端3406，以及通过桥3410分隔的2个平行销引导件(或引导管)3408。桥3410维持间隔以确保销间隔与相应切割块的间隔匹配。虽然图34展示为具有拥有两个平行销引导件3408的单个器械，但系统3400可构造为具有仅一个销引导件3408。为了优化用户的视角和人体工程学，桥3410 和参考元件3404可围绕轴线3500旋转，如图35中所示。参考元件可包含被配置成由导航系统跟踪的标记，例如可由红外相机检测的光学标记。
201.当使用系统3400时，用户可使患者与导航系统配准且进行初始切割以暴露膝关节。一旦暴露，用户就可定位导航销驱动器系统，如由导航系统所指示。用户可接着将切割块销(其可为常规样式的销)插入穿过销引导管3408，如图36中所示。
202.临床上可如何使用导航销引导驱动器系统3400的实例如下：(1)规划植入物放置；(2) 使患者与导航系统配准；(3)暴露膝部；以及(4)使用导航销驱动器系统3500针对股骨远端切割块插入销3800，如图37
‑
38中所示。
203.在上文提到的步骤(1)
‑
(4)之后，在步骤(5)处，可在销3800之上附接远侧切割块 3900，如图39中所示。如图40中所示，在步骤(6)处，可执行远侧切除。图41中示出，在步骤(7)处，使用系统3400插入销，或形成孔用于定位4合1切割块4200，所述切割块在步骤(8)处且如图42中示出附接到切除区段。
204.在附接4合1切割块42之后，在步骤(9)处，使用4合1切割块4200进行股骨前侧、股骨斜面、股骨背侧、斜面背侧切除。在步骤(10)处，使用导航销引导驱动器系统3400，针对胫骨近侧切割块4500放置销。在步骤(11)处，将胫骨近侧切割块4500放置在适当位置且执行切除。在步骤(12)处，可通过插入适当的植入物完成全膝关节置换术。作为替代且不脱离本公开的原理，可在切除股骨之前在胫骨上执行切除。
205.与本公开的原理一致，导航销驱动器系统3500可包含顺应式夹钳而非锯齿状远侧尖端。夹钳可使用颗粒堵塞且由已经存在于手术室中的真空激活。
206.在替代方案中，为了让用户直接定位销引导件且简化导航销引导件放置，软件可辅助用户，如以下工作流程中所解释。
207.(1)经由软件向用户显示一个销引导件(例如，远侧尖端)在骨骼上的目标位置，例如计算机屏幕、扩增现实(ar)头戴式耳机和激光指示器。
208.(a)仅显示位置或进入点，即，此阶段不需要正确的器械旋转。
209.(b)远侧尖端齿/尖锐边缘有助于用户找到和维持正确的进入点。
210.(c)一旦器械远侧尖端的位置在距目标位置预定义安全限制(例如1mm)内，则经由软件向用户指示(例如，显示绿色)且移动到下一步骤。
211.(2)经由软件显示销引导件的目标旋转，从而允许用户找到第一销的正确轨迹。
212.(3)用户放置第一销。
213.(4)经由软件显示围绕第一销的目标旋转以限定第二销的正确轨迹。
214.(5)用户放置第二销且沿着销缩回引导件
215.另外的定义和实施例：
216.在本发明概念的各个实施例的以上描述中，应当理解，本文使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，而不旨在是限制本发明概念的。除非另外限定，否则本文中所使用的所有术语(包含技术术语和科技术语)具有本发明概念所属领域的技术人员通常所理解的相同含义。应进一步理解的是，如常用词典中所定义的术语应被解释为具有与其在本说明书的背景下和相关领域中的含义一致的含义，并且本文中明确地如此定义，将不会在理想化的或过度正式的意义上进行解释。
217.当元件被称为“连接到”或“联接到”“响应于”另一个元件或其变体时，其可以直接连接到、联接到或响应于另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为与另一个元件“直接地连接”、“直接地联接”、“直接响应于”另一个元件或其变体时，不存在中间元件。贯穿全文以相似的数字指代相似的要素。此外，如本文中使用的“联接”、“连接”、“响应”或其变体可以包含无线联接、连接或响应。除非上下文另外清楚地说明，否则如本文所使用的，单数形式“一个/一种(a、an)”和“所述(the)”旨在包含复数形式。为了简洁和/ 或清楚，可能不会详细描述众所周知的功能或构造。术语“和/或”包含相关联的所列项中的一个或多个项的任何和所有组合。
218.应当理解，尽管本文中可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件/操作，但是这些元件/操作不应受这些术语的限制。这些术语仅是用来将一个元件/操作与另一个元件/操作进行区分。因此，在不脱离本发明概念的教导的情况下，一些实施例中的第一元件/操作可以在其它实施例中被称为第二元件/操作。在整个本说明书中，相同的附图标记或相同的附图指示符表示相同或类似的元件。
219.如本文所使用的，术语“包括(comprise/comprising/comprises)”、“包含 (include/including/includes)”、“具有(have/has/having)”或其变体是开放式的，并且包含一个或多个陈述的特征、整数、元件、步骤、组件或功能，但是不排除一个或多个其它特征、整数、元件、步骤、组件、功能或其组合的存在或添加。此外，如本文所使用的，源自拉丁短语“exempli gratia”的通用缩写“例如”可以用于介绍或指定先前提及的项目的一个或多个一般示例，并且不旨在限制这种项目。源自拉丁短语“id est”的通用缩写“即”可以用于从更一般的陈述中指定特定项目。
220.本文中参考计算机实施的方法、设备(系统和/或装置)和/或计算机程序产品的框图和/ 或流程展示描述了示例实施例。应当理解的是，可以通过由一个或多个计算机电路执行的计算机程序指令来实现框图和/或流程展示的框以及框图和/或流程展示中框的组合。这些计算机程序指令可以被提供给通用计算机电路、专用计算机电路和/或其它可编程数据处理电路的处理器电路，以产生机器，使得经由计算机和/或其它可编程数据处理设备的处理器执行的指令转换并控制晶体管、存储在存储器位置中的值以及这种电路系统内的其它硬件组件，以实现框图和/或一个或多个流程图框中指定的功能/动作，并且由此创建用于实现框图和/或一个或多个流程图框中指定的功能/动作的装置(功能)和/或结构。
221.这些有形计算机程序指令也可以存储在可以指导计算机或其它可编程数据处理
设备以特定方式运行的计算机可读介质中，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包含实施在框图或一个或多个流程图框中指定的功能/动作的指令的制品。因此，本发明概念的实施例可以体现在硬件和/或软件(包含固件、常驻软件、微代码等)中，其在如数字信号处理器等处理器上运行，所述数字信号处理器可以被统称为“电路系统”、“模块”或其变体。
222.还应该注意的是，在一些替代性实现方案中，框中标注的功能/动作可以不按流程图中标注的顺序发生。例如，根据所涉及的功能/动作，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者所述框有时可以按相反顺序执行。此外，可以将流程图和/或框图的给定框的功能分成多个框，和/或流程图和/或框图的两个或更多个框的功能可以至少部分地集成。最后，在不脱离本发明概念的范围的情况下，可以在所展示的框之间添加/插入其它框，和/或可以省略框 /操作。此外，尽管所述图中的一些图包含通信路径上的箭头以示出通信的主要方向，但是应当理解的是，通信可以在与所描绘的箭头相反的方向上发生。
223.在不实质脱离本发明概念的原理的情况下，可以对实施例进行许多变化和修改。所有的此种变体以及改变都旨在被包含在本文中本发明概念的范围内。因此，上文所公开的主题应视为说明性而非限制性的，并且所附实施例的示例旨在覆盖落入本发明概念的精神和范围内的所有这种修改、增强以及其它实施例。因此，为了被法律最大程度地允许，本发明概念的范围将由本公开的最广泛允许的解读来确定，所述解读包含以下实施例及其等效物的示例，并且不应受限于或局限于前述具体详细描述。