[发明专利]用于安放假体组件和/或限制手术工具移动的手术系统

说明书

相关专利申请的交叉参考

本申请要求2009年10月1日提交的美国临时专利申请No.61/278,066；2010年3月4日提交的美国临时专利申请No.61/339,460；2010年3月9日提交的美国临时专利申请No.61/339,756；和2010年8月9日提交的美国临时专利申请No.61/401,209的优先权，各申请以引用的方式整体并入本文。

发明背景

发明领域

本发明大体涉及机器人系统，并且更具体地说涉及用于整形外科关节置换手术的手术系统。

相关技术的描述

在需要高准确度和/或精确度的应用中，如在手术程序或其它复杂任务中，常使用机器人系统。这类系统可包括各种类型的机器人，如自主、遥控操作和交互式机器人。

对于一些类型的手术如关节置换手术来说，交互式机器人系统是优选的，因为其使得外科医生能够保持对手术程序的直接亲自控制，同时仍能达成高准确度和/或精确度。例如，在膝关节置换手术中，外科医生可以被动方式使用触觉指导的交互式机器人臂来雕凿骨以接纳关节植入物，如膝关节植入物。为了雕凿骨，外科医生用手抓握并操纵机器人臂来移动耦合于机器人臂的切削工具（如磨锥），以在骨中切削出口袋（pocket）。只要外科医生将磨锥的尖端保持在由例如触觉物体限定的预定虚拟切削边界以内，那么机器人臂就将以低摩擦和低惯性自由移动，使得外科医生感觉机器人臂仿佛基本上没有重量一般并且可以根据需要移动机器人臂。然而，如果外科医生试图移动磨锥尖端以在虚拟切削边界以外切削，那么机器人臂就将提供触觉（或力）反馈以阻止或抑制外科医生将磨锥尖端移动超出虚拟切削边界。以此方式，机器人臂能够获得高度准确、可重复的骨切口。当外科医生在相应骨切口上手动植入膝关节植入物（如髌股组件）时，植入物通常将因切削骨与膝关节植入物的构造和其间的界面而准确地对准。

尽管上述交互式机器人系统适用于膝关节置换手术，但其并不最适于如髋关节置换手术等手术类型，所述手术需要使用具有不同功能（例如扩孔、冲击）、不同构造（例如笔直、偏心）和不同重量的多种手术工具。设计成适应多种工具的系统可能过于复杂并且需要多种末端执行器，而且在手术程序期间移除和附接不同类型的工具到机器人臂上可能增加执行程序的时间。另外，在髋关节置换手术中，除了保持适当的切削边界外，手术工具和植入物的角取向也是重要的。例如，在常规髋关节置换手术中，外科医生使用半球形扩孔器重整患者髋臼的表面，所述髋臼为骨盆中的杯状关节窝。接着，将相应杯状植入物（髋臼杯）附接于冲击器工具的远端。外科医生通过用木槌重复击打冲击器工具的近端将髋臼杯植入经过扩孔的关节窝中。经过扩孔的关节窝和所植入的髋臼杯两者的角取向是重要的，因为错误的个别和/或相对取向会导致髋臼杯不能与患者髋臼解剖结构的适当型式和倾斜角对准。未对准可能导致手术后问题，包括关节脱位、在股骨的最大运动范围时股骨撞击髋臼杯和髋臼杯因股骨头与髋臼杯界面的不当负荷而加速磨损。对准对于维持正确的腿长和内偏/外偏也是重要的。最终，髋臼杯冲击至经过扩孔的关节窝中产生高冲击力，其可能会损坏设计用来进行高准确度和/或精确度操作的机器人臂。

鉴于上述内容，对改良的机器人手术系统和其组件存在需要。

概述

根据本发明的一方面，用于在患者的解剖结构上安放假体组件的手术系统包括构造成啮合假体组件的手术工具、构造成向手术工具提供至少一些力的力系统和经过编程以比较假体组件的目标姿态与由手术工具啮合的假体组件的实际姿态并且产生使力系统允许手术工具在移动范围内移动并提供触觉反馈以限制使用者手动移动手术工具超出移动范围的能力的控制信号的控制器。触觉反馈阻止使用者移动手术工具，所述移动会引起在假体组件实际姿态的至少一个方面与假体组件目标姿态的相应方面之间出现实质性偏差。控制器经过编程以产生使力系统在使用者在解剖结构上植入假体组件时维持触觉反馈的控制信号。

根据另一方面，手术系统包括构造成耦合至切削元件的手术工具、构造成对手术工具提供至少一些力的力系统和经过编程以产生使力系统在切削元件为第一切削元件时对手术工具的使用者手动移动提供第一限制并在切削元件为第二切削元件时对手术工具的使用者手动移动提供不同于第一限制的第二限制的控制信号。

附图简述

并入并构成本说明书的一部分的随附图式说明本发明的实施方案并且结合描述用于说明的本发明的各方面。

图1A是股骨和骨盆的透视图。

图1B是由图1A的股骨和骨盆形成的髋关节的透视图。