控制用于在外科手术期间操纵患者的解剖结构的机器人系统的系统和方法

摘要

控制用于在外科手术期间操纵患者的解剖结构的机器人系统的系统和方法包括向解剖结构施力，以便由解剖结构生成响应。解剖结构的响应被测量并且解剖结构的特性基于该响应被计算。基于计算出的特性，器械相对于解剖结构被自主地控制。

说明书

对相关申请的交叉引用

本主题专利申请要求于2013年9月30日提交的美国临时专利申 请No.61/884,500的优先权和所有权益，该申请通过引用被结合于此。

技术领域

本发明一般而言涉及控制在外科手术期间用来治疗患者的解剖结 构的机器人系统的系统和方法。更具体而言，本发明的一个方面涉及 基于解剖结构对施加在该解剖结构上的力的响应来控制机器人系统。

背景技术

医务人员，诸如医生，最近发现使用机器人系统执行外科手术的 好处。这种机器人系统通常包括可移动的臂。可移动的臂具有自由的 远端，该远端能够以非常高的精度被定位。手术器械被附连到臂的自 由端。手术器械被设计为应用到手术部位。

在早期的机器人系统中，医务人员在手术支架中刚性地固定患者， 由此在静态患者坐标系中固定手术部位。但是，最近的机器人系统采 用允许患者的轻微运动的手术支架。从而，现代手术支架不在静态患 者坐标系中刚性地固定手术部位。

允许手术部位的运动的一个缺点是，在机器人系统的自主操作期 间，手术部位过于松散地被固定的可能性。在这种情况下，机器人系 统的位置控制回路不断尝试到达手术部位处的目标，而同时又不断地 推目标使其不可及。其结果是，手术器械在手术部位不准确地定位， 由此增加了外科手术不必要的延迟。

从而，期望开发一种机器人系统，该系统可以补偿这些状况或完 全预防这些状况。

发明内容

在一种实施例中，提供了用于在外科手术期间操纵患者的解剖结 构的机器人系统。施力设备被配置为向解剖结构施力，以便由解剖结 构生成响应。响应测量设备被配置为测量解剖结构的响应。解剖结构 具有特性并且控制器被配置为基于响应计算解剖结构的特性。器械被 配置为操纵解剖结构。控制器基于计算出的特性相对于解剖结构自主 地控制器械。

在一种实施例中，提供了控制用于在外科手术期间操纵患者的解 剖结构的机器人系统的方法。解剖结构具有特性。机器人系统包括器 械并被配置为自主地控制器械。该方法包括向解剖结构施力，以便由 解剖结构生成响应。解剖结构的响应被测量并且解剖结构的特性基于 该响应被计算。该方法还包括基于计算出的特性相对于解剖结构自主 地控制器械。

在另一种实施例中，提供了控制用于在外科手术期间操纵患者的 解剖结构的机器人系统的方法。解剖结构用支撑物固定并且机器人系 统包括器械并被配置为自主地控制器械。导航系统被配置为跟踪解剖 结构和器械。该方法包括利用导航系统确定代表解剖结构相对于支撑 物移动的程度的数据。该方法还包括基于该数据相对于解剖结构自主 地控制器械。

本系统和方法解决其中，当器械自主地应用到解剖结构时，解剖 结构移动的情况。通过测量响应和计算解剖结构的特性，本系统和方 法解释这种运动。有利的是，本系统和方法能够基于计算出的特性相 对于解剖结构自主地控制器械。通过基于计算出的解剖结构的特性自 主地控制器械，本系统和方法以来自医务人员的最小至无干预来解释 解剖结构的运动。此外，本系统和方法有利地解释解剖结构的特性， 由此避免不断尝试到达在手术部位处的目标，而同时又不断地推目标 使其不可及的问题。作为替代，本系统和方法通过将解剖结构的特性 考虑在内来允许高效地到达在手术部位处的目标。从而，本系统和方 法提供了在外科手术过程中手术器械在手术部位处的更准确定位和减 少的延迟。

附图说明

本发明的优点将容易理解，因为通过在结合附图考虑时参考以下 具体描述，这些将变得更好理解，其中：

图1是机器人系统的透视图。

图2是机器人系统的示意图。

图3是用于控制机器人系统的方法的流程图。

图4是示出根据一种实施例、建议解剖结构的运动的通知的显示 器的视图。

图5是示出根据另一实施例、建议解剖结构的运动的通知的显示 器的视图。

具体实施方式

公开了用于控制机器人系统执行外科手术的系统和方法。参照图 1，示出了用于对患者执行外科手术的机器人系统10。

在外科手术之前，医务人员可以收集患者的术前数据。术前数据 可以来自x射线、CT扫描、MRI或可以收集术前数据的任何其它方 式。所收集的术前数据可以被保存并存储，供机器人系统10使用。

在一种实施例中，患者在外科手术过程中被放在支撑台12上。 支持台12具有固定患者的解剖结构的支撑物或手术支架14。患者的 解剖结构在图1中被识别为A。在一些实施例中，解剖结构可以是股 骨F和/或胫骨T。应当认识到的是，手术支架14可以以任何方式被 耦合到支撑台12。

在图1中，支撑台12包括具有轨道18的手术台16。手术支架 14耦合到轨道18，使得手术支架14可沿轨道18在台子16上移动。 在外科手术期间，医务人员可以沿轨道18向前和向后滑动手术支架 14，以定位解剖结构。手术支架14可以锁定在轨道18中，使得手术 支架14处于固定的位置。例如，当解剖结构处于最佳位置时，手术 支架14可以锁定在固定位置中。合适的手术支架14的一种实施例在 于2012年7月20日提交且标题为“Multi-PositionLimbHolder”的 美国专利申请No.13/554,010中示出，该申请的全部内容通过引用被 结合于此。

虽然手术支架14可以处于固定位置，但是解剖结构被放在手术 支架14中，使得解剖结构可以仍然相对于手术支架14移动。例如， 解剖结构可以以一个或多个自由度相对于手术支架14移动，包括多 达六个自由度。反过来，解剖结构实际上是机器人系统10的动态构 件。还有，手术支架14被配置为以在力施加到解剖结构时限制解剖 结构的总体或主要运动的方式牢固地保持解剖结构，使得机器人系统 10能够治疗解剖结构。

机器人系统10包括可被用来操纵外科器械22以治疗解剖结构的 操纵器20。操纵器20的一种实施例在于2013年3月15日提交且标 题为“SurgicalManipulatorCapableofControllingaSurgical InstrumentinMultipleModes”的美国临时专利申请No.61/792,251 中描述，其全部内容通过引用被结合于此。

操纵器20包括推车24和一对从推车24延伸到远端的臂26。器 械22被耦合到这对臂26的远端。应当认识到的是，器械22可以以 任何方式与操纵器20集成。在一种实施例中，器械22包括从器械 22延伸的能量施加器34。能量施加器34可以是超声波前端、牙钻， 或者用于执行外科手术的任何其它治疗设备。手术支架14一般相对 于操纵器20被固定。

操纵器20和器械22还可以具有一个或多个用于感测位置、力/ 扭矩等的传感器和/或编码器。传感器和编码器可以是本领域中已知 的任何形式，以提供与操纵器20和器械22关联的物理数据或其它类 型数据。传感器的一种类型是力/扭矩传感器28，它能够检测施加到 器械22的力和扭矩。合适的力/扭矩传感器28的一种实施例在于 2013年3月12日提交且标题为“Force/TorqueTransducer”的美国 临时专利申请No.61/777,596中示出，其全部内容通过引用被结合于 此。

操纵器20还包括操纵器控制器30。操纵器控制器30与传感器 和编码器(包括力/扭矩传感器28)通信。操纵器控制器30能够与力 /扭矩传感器28通信，使得由力/扭矩传感器28感测到的力和扭矩被 传送回操纵器控制器30。操纵器控制器30还与导航系统32通信。

机器人系统10，并且更具体而言，操纵器20，可被手动或自主 操作。当手动操作时，机器人系统10在手动模式下操作。在手动模 式下，医务人员可以通过向机器人系统10施加命令来手动定位器械 22。施加命令的一个例子包括医务人员抓住器械22并向其施加力/扭 矩。基于由医务人员施加的命令，机器人系统10致动臂26，以引起 器械22到期望位置的对应且有效地同时、实时的运动。

机器人系统10被配置为自主地控制器械22。更具体而言，机器 人系统10以自主操作模式或半自主操作模式自主地控制器械22。在 自主或半自主模式下，操纵器控制器30处理预装数据、来自导航系 统32的数据和来自编码器的数据，以得出器械22将遵循的路径。路 径可以是预编程的或预定的。机器人系统10致动臂26，以引起器械 22沿该路径的自主运动，以治疗解剖结构。机器人系统10有效地无 需来自医务人员的输入就执行手术。

在半自主模式下，机器人系统10沿着路径自主地移动器械22。 但是，医务人员能够断言控制机器人系统10的操作的命令。例如， 机器人系统10可以要求医务人员持续地按压与机器人系统10关联的 控制按钮或开关，以允许器械的运动。在医务人员释放按钮或开关时， 器械22的前进暂时停止。在自主或半自主模式下被使用的一种合适 的导航系统在于2012年9月26日提交且标题为“NavigationSystem IncludingOpticalandNon-OpticalSensors”的美国临时专利申请No. 61/705,804中描述，其全部内容通过引用被结合于此。但是，应当认 识到的是，可以使用其它导航系统。

导航系统32可以包括容纳导航计算机38的计算机推车组件36。 导航接口与导航计算机38操作通信。导航接口允许医务人员与机器 人系统10通信。导航接口包括至少一个显示器40、42，以及输入设 备44、46，诸如键盘和鼠标，以允许医务人员与导航计算机38通信。

导航计算机38与操纵器控制器30合作，以控制操纵器20。导 航计算机38向操纵器控制器30提供器械22的姿势数据，使得操纵 器控制器30可以指引操纵器20，以及依次还有器械22，的运动。

定位器48与导航计算机38通信。在图1所示的实施例中，定位 器48是光学定位器48并且包括相机单元50。相机单元50具有容纳 一个或多个光学传感器52的外壳。在一些实施例中，至少两个光学 传感器52被采用。在其它实施例中，可以使用三个或更多个光学传 感器52。

导航系统32包括一个或多个跟踪器。跟踪器可以包括指针跟踪 器PT、器械跟踪器54、第一患者跟踪器58，以及第二患者跟踪器 60。跟踪器包括有源标记56。有源标记56可以是发光二极管或LED。 在其它实施例中，跟踪器54、58、60可以具有无源标记，诸如反射 从相机单元50发射的光的反射器。应当认识到的是，附加的跟踪器 可被结合到导航系统32中，以跟踪可以是机器人系统10的一部分的 附加部件。

在图1所示的实施例中，第一患者跟踪器58被牢固地固定到患 者P的股骨F，并且第二患者跟踪器60被牢固地固定到患者P的胫 骨T。患者跟踪器58、60被牢固地固定到骨头的部分。此外，器械 跟踪器54被牢固地附连到器械22。跟踪器54、58、60可以以可能 发现有用的任何方式被固定到其各自的部件。

参照图2，每个LED被连接到位于关联的跟踪器的外壳(未示 出)中的跟踪器控制器62，其中跟踪器向导航计算机38发送/从导航 计算机38接收数据。跟踪器54、58、60还包括测量跟踪器54、58、 60的角速度的3维陀螺仪传感器64。跟踪器54、58、60还包括加速 度计66，以测量在x、y和z坐标系中的加速度。

相机单元50包括与光传感器52通信的相机控制器68，以便传 送来自跟踪器54、58、60的有源标记56的姿势数据。然后，相机控 制器68将姿势数据传送到导航计算机38。然后，导航计算机38利 用附加的术前数据处理姿势数据，以传达器械22以及因此能量施加 器34的姿势与患者的解剖结构的关系。在一种实施例中，导航接口 将这种数据传送到医务人员。应当认识到的是，本领域普通技术人员 可以发现未在前面实施例中描述的用于让医务人员与机器人系统10 通信的其它方法。

在外科手术期间，期望机器人系统10从手动模式切换到半自主 或自主模式。在一些手术，诸如骨切割手术，当中，期望解剖结构牢 固地位于手术支架14中，使得当器械22接合骨头时解剖结构不以与 器械22同样的速度移动。否则，器械22将无法切割任何骨头。换句 话说，期望解剖结构在固定在手术支架14中时具有某个最低刚度或 其它特性。此外，期望基于某些特性(诸如刚度)的值控制机器人系 统10，以确保在外科手术期间当器械22施加到解剖结构时解剖结构 以比器械22更低的速率移动。

为了解释当器械22应用到解剖结构时解剖结构的运动，机器人 系统10基于解剖结构的一个或多个特性被校准。这一个或多个特性 可以是刚度特性(k)、阻尼特性(b)、质量(m)、阻尼比(ζ)、 频率响应(ωn)和/或其它特性。刚度特性(k)还可以被定义为弹 簧常数。在另一个例子中，特性包括代表解剖结构被手术支架14固 定的程度的数据。更具体而言，特性包括代表解剖结构相对于手术支 架14移动的程度的数据。

图3示出了控制用于在外科手术期间操纵患者P的解剖结构的 机器人系统10的基本步骤。在步骤72中，力被施加到解剖结构，以 便由解剖结构生成响应。在步骤74中，测量解剖结构的响应。在步 骤76中，基于该响应计算解剖结构的特性。在步骤78中，基于计算 出的特性，器械22被相对于解剖结构自主地控制。

在步骤72中为了向解剖结构施力，施力设备一般与解剖结构相 邻或靠着其定位。在一种实施例中，机器人系统10，并且更具体而 言，操纵器控制器30，主动朝解剖结构移动施力设备，以施力。作 为替代，机器人系统10可以是静止的，而施力设备从机器人系统10 向解剖结构延伸，以施力。施力设备的这种运动可以独立于操纵器控 制器30。施力设备可以具有任何合适的配置。例如，操纵解剖结构 的器械22是施力设备。在另一个例子中，除器械22之外的其它设备， 诸如传感器或压力计，充当施力设备并靠着解剖结构定位。除器械 22之外的任何其它合适的设备都可以充当施力设备。

医务人员可以在手动模式下提供输入，使得机器人系统10，并 且更具体而言，操纵器控制器30靠着解剖结构定位器械22，或其它 施力设备。在一些情况下，能量施加器34可以靠着解剖结构定位。 在其它情况下，手术器械22配备校准探针(未示出)，该校准探针 在其远端具有非侵入性和生物相容结构，以便靠着解剖结构定位。

在替代版本中，在步骤72中施力之前，机器人系统10可以在半 自主或自主模式下被用来自主地靠着解剖结构定位器械22。医务人 员可以与导航接口交互，以便在自主操作期间进行干预，以便靠着解 剖结构指引器械22的定位。应当认识到的是，医务人员可以以本领 域普通技术人员将发现对指引器械22的定位有用的任何方式与操纵 器20、导航系统32，或机器人系统10中的任何其它部件进行交互。 此外，当靠着解剖结构定位器械22时，医务人员可以在手动、自主 和/或半自主模式之间切换。

在步骤72中，力施加到解剖结构。在步骤72的一种实施例中， 器械22向解剖结构施力。在另一种实施例中，除器械22之外的其它 施力设备向解剖结构施力。在任一情况下，力都可以以手动模式、自 主模式和/或半自主模式被施加到解剖结构。在一种实施例中，力是 预定的。此外，力可以在一个自由度中被施加。作为替代，力和扭矩 可以在几个自由度中被施加，诸如六个自由度。

在一种实施例中，力是根据阶梯函数施加到解剖结构的。在这种 情况下，力在第一间隔期间以第一级并在与第一间隔连续的第二间隔 期间以第二级被施加。第一级可以比第二级高，或者反过来。从而， 机器人系统10可以向解剖结构施加各种级别的力。阶梯函数可以包 括任何适当数目的级和间隔。

在另一实施例中，力是根据脉冲函数F(t)施加到解剖结构的。在 这种实施例中，力被施加到解剖结构并且信号被记录，以作为时间的 函数测量解剖结构的反应。

在还有另一实施例中，步骤72包括激活校准过程。从而，向解 剖结构施力是响应于校准过程的激活而发生的。校准过程可以是操纵 器控制器30中存储的校准程序。所存储的校准程序可以存储在可以 存储计算机程序并且是机器人系统10的一部分的任何介质中。导航 接口可以提示用户起动校准过程。作为替代，校准过程可以自动起动。

在校准过程期间，所存储的校准程序可以与操纵器控制器30合 作，以指示器械22向解剖结构施力。在一种实施例中，力被施加到 解剖结构，使得器械22在整个校准过程期间都维持与解剖结构接触。 此外或作为替代，操纵器20可以继续增加施加到解剖结构的力，直 到达到预定的阈值力。

在力被施加之后，解剖结构生成响应。如将在下面详细描述的， 解剖结构所生成的响应可以采取各种形式的任意组合。在一种实施例 中，解剖结构所生成的响应是机械响应。例如，所生成的响应可以是 解剖结构的机械运动，或者更具体而言，解剖结构的位移或旋转运动。 本领域技术人员将认识到，解剖结构所生成的响应可以采取非机械形 式。例如，所生成的响应可以是电响应。

在响应被解剖结构生成之后，在步骤74测量该响应。响应可以 根据各种方法来测量。响应测量设备测量响应。在步骤74的一种实 施例中，响应是利用力/扭矩传感器28测量的。力/扭矩传感器28可 以与器械22关联。当器械22向解剖结构施加力和/或扭矩时，力/扭 矩传感器28可以测量力和/或扭矩。作为替代，力/扭矩传感器28可 以与除器械22之外的其它设备关联。力和/或扭矩可以作为时间的函 数来测量。此外，力和/或扭矩可以离散地或连续地测量。

在步骤74的另一实施例中，解剖结构的响应是通过测量接合点 扭矩进行测量的。接合点扭矩对应于与操纵器20的接合点之一相关 的扭矩。任何合适的传感器和/或编码器都可以感测接合点扭矩。此 外，多于一个接合点扭矩可以被测量。在一种实施例中，接合点扭矩 被计算并利用以下方程(1)转换成工具中心点(TCP)力/扭矩。在 方程(1)中，(J′)是从TCP到接合点的Jacobian转置并且(t)是接 合点扭矩的向量。接合点扭矩可以从由用来操纵器械22的马达控制 器吸取的电流计算，如以下方程(2)所示，其中(kt)是马达扭矩 常数并且(i)是电流。此外，接合点扭矩的估计值可以利用接合点 扭矩传感器来确定。接合点扭矩可以根据各种其它方法来测量。

(1)F＝J＇*t

(2)τ＝kt*i

在步骤74的还有另一实施例中，解剖结构的响应是通过测量解 剖结构的位移来测量的。位移可以是解剖结构由于有力施加到其而移 动的距离。位移可以作为时间的函数来测量。此外，位移可以离散或 连续地被测量。在一些实施例中，操纵器20可以持续向解剖结构应 用器械22，直到达到期望的位移。任何合适的设备或方法都可被用 来测量解剖结构的位移。在一个例子中，导航系统32通过测量跟踪 器58和60的位置变化来计算位移。例如，导航系统32可以在步骤 72施力之前确定解剖结构的初始位置。在施力之后，导航系统32可 以确定解剖结构的位移后位置。然后，导航系统32可以比较相对于 初始位置的位移后位置来确定位移。

当测量位移时，机器人系统10可以记录最终的力和位移测量。 在步骤74中，操纵器20可以等待既定的稳定时间，使得解剖结构和 器械22在机器人系统10记录最终的力和位移测量之前达到平衡点。 此外，操纵器控制器30可以利用编码器和运动学计算来计算解剖结 构的位移。应当认识到的是，本领域普通技术人员可以找到计算解剖 结构的位移的替代方法。

在测量解剖结构的响应时，解剖结构的质量(m)可以被考虑。 在一种实施例中，解剖结构的质量是从术前数据估计的。此外，解剖 结构的质量可以被添加到手术支架14的质量。从而，解剖结构和支 架14的质量可以在测量解剖结构的响应时加以考虑。此外，当测量 响应时，质量和位移二者都可以被考虑。

解剖结构的响应可以根据上面提到的实施例的任意组合来测量。 在一种实施例中，该方法的某些步骤在不同的时间发生。例如，步骤 72和74在不同的时间发生。更具体而言，在测量解剖结构的响应之 前，力被施加到解剖结构。在另一个例子中，步骤72和78在不同的 时间发生。具体而言，在器械22的自主控制之前，力被施加到解剖 结构。在这种情况下，向解剖结构施力的步骤72与自主地控制器械 22的步骤78分开并明确地发生。

作为替代，方法的某些步骤可在同一时间发生。例如，步骤72 和74可以同时发生，使得解剖结构的响应与力被施加同时地被测量。 在另一个例子中，步骤72与步骤78在相同的时间发生。具体而言， 当器械22被自主控制时，力被施加。在这种情况下，施力的步骤72 不需要在自主控制器械22之前被执行。即，器械22的自主控制可以 无需预先向解剖结构施加力就可以被启动。更确切地说，在器械22 的自主控制期间，力被持续地施加到解剖结构。此外，步骤74和76 可以与步骤78在相同的时间发生。即，当器械22被自主控制时，解 剖结构的响应可以被测量并且解剖结构的特性可以被计算。

此外，应当认识到的是，在不背离本方法的最广泛范围的情况下， 本领域普通技术人员可以找到测量解剖结构的响应的替代方法。

如上所述，解剖结构的特性是基于在步骤76测出的解剖结构的 响应来计算的。特性可以根据各种实施例来计算。在一种实施例中， 特性是利用静态方法测量的。在这种方法中，解剖结构的刚度特性 (k)被确定。施加到解剖结构的力是已知的并且由(F)表示。计 算出的解剖结构的位移也是已知的并且由(x)表示。通过将力(F) 和位移(x)输入下面的方程(3)，操纵器控制器30处理力(F) 和计算出的位移(x)，以求解步骤76中的刚度特性(k)。

(3)F＝k*x

在方程(3)中，解剖结构的静载挠度被测量。刚度特性(k)是 弹簧常数，其可在稳态条件下进行估计。应当认识到的是，本领域普 通技术人员可以找到用于计算解剖结构的特性的替代静态方法。

在另一实施例中，特性是利用动态方法测量的。在这种方法中， 解剖结构的阶梯或脉冲响应被测量。参数是利用以下用于质量/弹簧/ 阻尼器模型的特性方程(4)估计的：

(4)m*x”+b*x'+k*x＝0

在方程(4)中，(m)是支架和/或解剖结构的质量，(b)是 阻尼特性，诸如阻尼系数，(k)是弹簧常数，(x”)是位移关于时 间的二阶导数(例如，加速度)，(x’)是位移关于时间的一阶导数 (例如，速度)，并且(x)是位移。在方程(4)中，参数(m、b 或k)当中至少一个可被假设为或已知允许其余参数的容易估计。例 如，如果这三个参数当中两个是已知的，则这允许第三个参数的改进 的估计。在一个例子中，质量是已知的或者可以从可用的临床数据进 行估计。在另一个例子中，弹簧常数(k)是通过静态试验来计算和 估计的。在任一例子中，其余两个变量都可以从实验数据来计算。作 为替代，这两个例子的方法都可以组合，用于为(m)和(k)都提 供初始估计，使得阻尼特性(b)可以从实验数据来计算。

在步骤76的另一实施例中，计算特性包括从由操纵器控制器30 生成的随时间的位移图来估计解剖结构的响应的谐振频率(ωn)和 阻尼比(ζ)。利用所估计的质量，并求解下面的方程(5)和方程 (6)，刚度特性(k)和阻尼特性(b)可以被计算。在其它例子中， 估计质量、刚度特性(k)和阻尼特性(b)。

$\left(5\right)---\omega n=\sqrt{k/m}$

$\left(6\right)---(2*(\zeta )*\omega n)=\frac{b}{m}$

在还有另一实施例中，步骤76包括执行迭代优化例程，以搜索 最小化计算出的响应xc(t)与实验响应x(t)之间的均方误差的参数值， 如从位移对时间数据估算的。在这种实施例中，用于质量、弹簧、阻 尼器模型的完全传递函数，方程(7)中的H(s)，被用来计算质量 (m)、阻尼特性(b)和刚度特性(k)的值。

$\left(7\right)---H\left(s\right)=\frac{X\left(s\right)}{F\left(s\right)}=1/(m*s^2+b*s+k)$

在方程(8)中，力输入，f(t)，是已知的，并且f(t)的Laplace 变换被计算，以求解F(s)。从而，方程(7)中的F(s)是力输入的 Laplace变换。在方程(7)中，X(s)是平移输出(translationoutput) 的Laplace变换，并且s是Laplace频率变量。在方程(7)中，X(s) 是利用计算出的F(s)的值和(m)、(k)和(b)的猜想值来求解的。 一旦X(s)已知，逆Laplace变换，如由以下方程(9)示出的，就被 用来将X(s)从频域转换到时域，作为xc(t)。然后，计算xc(t)与x(t)之 间的均方误差。然后，该过程通过使用更新后的对(m)、(k)和 (b)的猜想来重复，直到均方误差收敛在可接受的裕度内。

应当认识到的是，本领域普通技术人员可以预期使用上面没有陈 述的替代数学方法来计算解剖结构的特性。

如所描述的，在步骤78，机器人系统10基于计算出的特性相对 于解剖结构自主地控制器械22。通过这样做，在自主地控制器械22 时，该方法将解剖结构的特性考虑在内。操纵器控制器30可以基于 计算出的特性控制器械22，以及进而，控制能量施加器34的尖端的 放置与解剖结构的关系。根据一种实施例，自主地控制器械22包括 在外科手术期间利用计算出的特性来解释解剖结构的运动。

在另一实施例中，计算出的特性在自主或半自主模式下被用作控 制操纵器的馈送速率的一个因素。操纵器的馈送速率在于2013年3 月15日提交且标题为“SurgicalManipulatorCapableofControlling aSurgicalInstrumentinMultipleModes”的美国临时专利申请No. 61/716,251中描述，其全部内容通过引用被结合于此。

在一个例子中，器械22的馈送速率是基于计算出的特性进行调 节的。例如，馈送速率被调节，使得当外科手术期间器械22施加到 解剖结构时馈送速率比解剖结构移动的速率快。以这种方式，计算出 的特性被考虑在内，以确保器械22的馈送速率足以允许器械22接触 易于在手术支架14中运动的解剖结构。

在另一个例子中，馈送速率是基于代表解剖结构被手术支架14 固定的程度的数据。更具体而言，馈送速率是基于代表解剖结构相对 于手术支架14移动的程度的数据来调节的。这种数据可以通过比较 器械22的实际位置与器械22相对于解剖结构的预期位置而得出。导 航系统32跟踪解剖结构和器械22，以确定实际位置。实际位置可以 包括器械22走过的切割路径。预期位置可以是代表预期走过的切割 路径的预定的和预加载的数据。器械22的切割路径可以在多个离散 的点处确定。可以确定实际路径与预期路径之间的廓形误差。然后， 该廓形误差可以与预定阈值进行比较。在一个例子中，如果具有超过 阈值的廓形误差的遍历切割路径点的百分比被认为是无法接受的，则 馈送速率降低和/或显示通知。在一些情况下，廓形误差目标以及可 接受的百分比可以被调节或者是可变的。这种调节可以，例如，依赖 于切割是粗略的还是精细的切割来进行。此外，这种调节可以基于解 剖结构被切割的危险程度来进行。底切(undercut)也可以与上切 (overcut)具有不同的阈值。在另一个例子中，采用上述方法来比 较由器械22进行的实际骨去除与由器械22进行的预期骨去除。

在另一实施例中，自主地控制器械包括基于计算出的解剖结构的 特性设置器械22的最大馈送速率。在一些情况下，机器人系统10可 以依赖于接受外科手术的特定解剖结构来指定器械22的缺省最大馈 送速率。换句话说，缺省最大馈送速率可以依赖于主体解剖结构而不 同。但是，依赖于计算出的特性，机器人系统10可以设置等于或低 于缺省最大馈送速率的最大馈送速率。例如，如果计算出的特性指示 相对刚硬的解剖结构，则机器人系统10可以将最大馈送速率设置在 缺省最大馈送速率。因为当解剖结构相对刚硬时对于器械22的应用 存在较少的不准确机会，所以机器人系统10可以维持最大馈送速率。 作为替代，例如，如果计算出的特性指示相对松散固定的解剖结构， 则机器人系统10可以将器械22的最大馈送速率设置为低于缺省最大 馈送速率或者在低于缺省最大馈送速率的馈送速率范围内。机器人系 统10可以限制最大馈送速率，以抵消可能由于解剖结构被松散固定 而导致的器械22应用的不准确。在其它实施例中，虽然有如上所述 的缺省最大馈送速率，但最大馈送速率被简单地设置为计算出的特性 的函数。

此外，基于计算出的特性自主地控制器械22可以包括在模拟程 序中应用计算出的特性。模拟程序可以建模在外科手术期间器械22， 以及更具体而言，能量施加器34的运动与解剖结构的关系。在一种 实施例中，模拟建模骨研磨过程。

应当认识到的是，在不背离本方法的范围的情况下，本领域普通 技术人员可以找到与上述实施例所描述的那些不同的、其它基于计算 出的特性自主地控制器械22的用途。

基于计算出的特性，机器人系统10可以提供消息或通知80，如 图4和5中所示。通知80在外科手术期间辅助医务人员。通知80可 以在任何合适的介质上，诸如用户界面，上提供。在图4和5中，通 知80在导航系统32的显示器42上提供。通知80可以由图像、文本， 或图像和文本的组合来提供。此外，通知80可以是动画。

通知80是基于计算出的特性提供的。在一种实施例中，通知80 是基于对计算出的特性的评估提供的。例如，通知80可以基于计算 出的特性与和最佳操作相关的阈值的比较来提供。阈值可以是最小阈 值或最大阈值。如果计算出的特性高于最大阈值或低于最小阈值，则 机器人系统10提供通知80。例如，对刚度k的最小阈值(或参数m、 b和k的组合)可以被确定。如果计算出的刚度低于刚度k的最小阈 值，则机器人系统10向医务人员提供手术不能继续的通知80，直到 解剖结构被更加牢固地固定。

作为替代或另外地，基于计算出的特性，自主或半自主模式下的 馈送速率可以被调节到维持加工(machining)精度所需的水平。在 一个例子中，馈送速率一直降低到或者除非解剖结构被更牢固地固定。 具体而言，馈送速率可以一直降低到或者除非解剖结构被更牢固地固 定在呈现低刚度的自由度中。馈送速率的调节可以是自动的和被动的， 使得医务人员不需要手动调节馈送速率。更确切地说，如果期望更快 的加工，则解剖结构的刚度被调节。其后，如果解剖结构被更牢固地 固定，则机器人系统10可以向医务人员显示馈送速率可以增加的通 知80。

在其它实施例中，计算出的特性对照用于最佳操作的特性的预定 范围进行比较。如果计算出的特性落在该范围之外，则机器人系统 10可以发送通知80。例如，如果机器人系统10确定计算出的特性， 诸如刚度特性(k)，落在用于最佳操作的范围之外，则机器人系统 10可以发送警告医务人员计算出的特性已落在该范围之外或者外科 手术应当停止的通知80。另一方面，如果刚度特性(k)落在最佳操 作特性的范围之内，则机器人系统10可以通知医务人员外科手术可 以继续。此外，上述实施例可以在校准过程期间实现。例如，当计算 出的特性落在最佳操作特性的范围之内时，校准过程可以终止。

在许多情况下，提供带指令的通知80是有利的，其中指令关于 如何基于计算出的特性调节患者的解剖结构。通知80可以提醒医务 人员在手术支架14中重新定位解剖结构，使得解剖结构被更加牢固 地固定。解剖结构的重新定位是通过操纵手术支架14来执行的。从 而，通知80可以建议关于如何操纵(例如，移动/调节)手术支架14 的指令。解剖结构的位置可以利用手术支架14沿多个自由度可调设 置。施加到解剖结构的力生成由解剖结构关于每个自由度的响应。对 于每个自由度，测量解剖结构的响应。对每个自由度确定计算出的特 性。基于计算出的特性，可以确定解剖结构是否应当相对于任何自由 度进行调节。确定可以根据各种方法作出，包括计算出的特性是否超 出预定的阈值或范围。调节的幅度或程度也可以被确定。

通知80提供基于解剖结构的自由度从计算得出的建议。通过确 定解剖结构的哪个自由度需要操纵以及这种操纵的程度，通知80提 供修改手术支架14的位置的建议。通过修改手术支架14的位置，解 剖结构的位置改变。当解剖结构的位置改变时，计算出的特性改变。 从而，通知80促进解剖结构的重新定位，以改变计算出的特性。

如图4和5中所示，通知80可以被显示为可视地示出如何调节 手术支架14的图像或动画。通知80指示如何将解剖结构从当前位置 90移动到建议的位置92。解剖结构的当前位置90是解剖结构的实时 位置。建议的位置92是从计算出的特性得出的，如上所述。在图4 和5中，当前位置90由虚线示出并且建议的位置92由实线示出。

由通知80提供的建议可以依赖于手术支架14的构造。在图4和 5中，例如，由手术支架14支撑的解剖结构是肢体，诸如腿。手术 支架14包括用于伸展或屈曲解剖结构的机制。手术支架14由沿支撑 杆102移动的滑板100支撑。通知80可以建议从支撑杆102解锁滑 板100并沿着支撑杆102将滑板100移动到建议的位置92。然后， 手术支架14被锁定在所建议的位置92。为了简化，图4中滑板100 的建议的运动方向是由箭头示出的。通知80可以建议从伸展到屈曲 的腿部运动，或者反过来。通知80建议解剖结构沿任何给定的(一 个或多个)自由度的移动。例如，在图5中，通知80建议向内侧 (朝患者的中心线)旋转手术支架14。作为替代，通知80可以建议 横向(远离患者的中心线)旋转手术支架14。在这种情况下，通知 80可以建议横向或向内侧移动手术支架14。此外，如图4中所示， 手术支架14可以包括至少一个用于固定解剖结构的固定带106。通 知80可以建议收紧带106。

当然，手术支架14可以具有各种其它构造并且可以以在此未列 举的各种其它方式来操纵。此外，通知80可以建议重新定位手术支 架14的多于一个特征。通知80还可以通过单个步骤或一系列步骤提 供指令。例如，通知80可以首先显示图4中所示的建议，作为第一 步，随后显示图5中所示的建议，作为第二步。

在一些情况下，通知80是被动的并且仅仅建议移动到建议的位 置92。在这种情况下，机器人系统10一般不确定手术支架14是否 移动到建议的位置92。在其它情况下，通知80被激活，使得机器人 系统10确定解剖结构和/或手术支架14是否已经到达建议的位置92。 机器人系统10可以间歇地或持续地监视解剖结构和手术支架14的运 动。机器人系统10可以采用任何合适的方法或系统用于确定解剖结 构和手术支架14是否已经到达建议的位置92。例如，机器人系统10 可以利用导航系统32和患者跟踪器58、60用于确定解剖结构和/或 手术支架14的当前和建议的位置92。

此外，机器人系统10可以采用任何合适的通知方法用于传达建 议的位置92已到达。例如，导航系统32可以显示解剖结构和/或手 术支架14相对于解剖结构和/或手术支架14的建议的位置92的当前 位置90。当解剖结构和/或手术支架14被移动时，所显示的解剖结构 和/或手术支架14的当前位置90接近所显示的建议的位置92。进行 调节，一直到所显示的当前位置90到达所显示的建议的位置92。当 然，其它传达方法，诸如触觉或听觉方法，可以被用来传达已到达建 议的位置92。

本发明的许多特征和优点从详细的说明书显而易见，并且因此， 所附权利要求意在覆盖落入本发明的真正精神和范围内的本发明的所 有此类特征和优点。另外，由于许多修改和变化将是本领域技术人员 容易想到的，因此不期望将本发明限制到所示出和描述的确切构造和 操作，并且相应地，所有合适的修改和等同物都可以被认为落入本发 明的范围内。