具有包括用于确定钻孔的孔深度的至少两个旋转传感器装置的换能器组件的动力手术钻机

摘要

一种用于在工件中钻孔的手术钻机，该手术钻机包括壳体、能够移动地安装到该壳体的探头以及换能器组件。该换能器组件包括被联接到该探头的齿轮以及被联接到该齿轮的至少两个旋转传感器装置，用以确定探头相对于壳体的移动量，从而确定孔的孔深度。齿轮具有参考点，该参考点具有绕着齿轮轴线旋转的旋转角度路径，该旋转角度路径被细分为分开的第一弧形区域和第二弧形区域。第一传感器装置被构造成检测该参考点在第一弧形区域中的旋转位置，第二传感器装置被构造成检测该参考点至少在第二弧形区域中的旋转位置，该第一传感器装置在该参考点在第二弧形区域中时无法进行检测。

说明书

交叉引用申请

本申请要求于2018年5月1日提交的美国临时专利申请62/665,024号的优先权以及其所有权益，该美国临时专利申请的公开内容特此通过引用并入本文。

背景技术

用于矫形手术的一种动力手术工具是手术钻机。这种工具包括容纳马达的壳体。也是钻机的一部分的联接组件将钻头能够释放地保持在马达上，使得当马达致动时钻头旋转。如其名称所暗示，手术钻机在抵靠其施加钻头的诸如组织的工件中钻孔。一种需要钻孔的外科手术是修复骨折的创伤手术。在这种手术中，有时被称为钉子的细长棒被用于将骨的断裂区段保持在一起。为了保持钉子就位，一个或多个孔被钻进骨中。这些孔被定位成与钉子中形成的互补孔对齐。螺钉被插入每个对齐的孔和钉子的孔中。螺钉将钉子保持在相对于骨的适当位置。

在另一种手术中，被称为板的植入物或工件被固定到骨的断裂区段的外表面，以将这些区段保持在一起。螺钉将板保持到骨的单独区段。为了安装将板保持到骨上的螺钉，需要首先钻接收螺钉的孔。

作为用于在骨中钻螺钉接收孔的过程的一部分，期望获知孔的端到端深度。该信息允许外科医生选择安装在钻孔中的螺钉的尺寸。如果螺钉太短，则螺钉可能无法稳固地将其中插有螺钉的钉子保持就位。如果螺钉太长，则螺钉会超过骨伸出过多的距离。如果螺钉超出骨延伸过多的距离，则螺钉的暴露端会摩擦周围的组织。如果发生这种情况，与螺钉摩擦的组织会被损伤。

因此，许多骨孔形成手术的一个不可缺少部分是测量骨孔的深度。

通常采用与钻机分离的深度计来进行这种测量。这需要外科医生在从孔中取出钻头之后将深度计插入孔中。随后，基于触觉反馈，外科医生设定深度计使深度计的远端仅延伸到孔的远侧开口。一旦这些过程完成，外科医生读取深度计以确定孔的深度。这种测量是不利的，因为它既耗费人力又耗费时间，依赖于人为因素来确认测量的深度，并且会增加患者感染的风险和增加患者受到的麻醉。

本公开解决了这些问题中的一些问题。

附图说明

图1是手术系统的透视图，该手术系统包括手术器械和末端执行器组件，该末端执行器组件被示出为具有根据一种构型的钻头和端头保护器。

图2是图1的手术系统的局部分解透视图，该手术器械被示出为具有测量模块、驱动组件以及与机头本体间隔开的释放机构，并且该末端执行器组件被从手术器械上拆下，并且被示出为具有钻头的远侧切割端头部分间隔开的端头保护器。

图3是图1至图2的手术器械的部分的局部分解透视图，该手术器械被示出为驱动组件和释放机构与机头本体的虚线轮廓间隔开以描绘致动器组件。

图4是沿着图1中线4-4截取的部分灯具横截面图。

图5是纵向穿过图1至图5的手术器械截取的横截面图，末端执行器组件被从手术器械中卸下。

图6是图1至图5的测量模块的局部分解透视图。

图7A-7C是测量模块齿轮和的一对电位器的局部分解前方透视图，电位器相对于彼此旋转180度，并且示出游标臂的与齿轮上的参考点相关联的各种定位。

图8是测量模块的齿轮和一对电位器的正视图，其中电位器相对于彼此旋转90度，并且示出电位器游标臂的与齿轮上的参考点相关联的一种定位。

图9是描述用于确定通过附接到图1至图8的手术钻机的钻头在工件中形成的孔深度的方法的逻辑流程图。

图10是图9的逻辑流程图的步骤706的逻辑流程图。

发明内容

提供了一种用于致动钻头的手术钻机。所述手术钻机包括：壳体；探头，所述探头被能够移动地安装到所述壳体并且适于抵靠工件放置；以及换能器组件。所述换能器组件包括齿轮，所述齿轮被联接到所述探头并且被构造成在所述探头相对于所述壳体移动时绕着齿轮轴线旋转超过360度。所述齿轮具有参考点，所述参考点具有绕着所述齿轮轴线的旋转角度路径，所述旋转角度路径被分成第一弧形区域和第二弧形区域。所述第一弧形区域与所述第二弧形区域分开。还包括换能器，所述换能器包括至少两个电位器，所述至少两个电位器中的每个被联接到所述齿轮。所述至少两个电位器中的第一电位器被构造成检测所述参考点在所述第一弧形区域中的旋转位置，并且所述至少两个电位器中的第二电位器被构造成检测所述参考点至少在所述第二弧形区域中的旋转位置，所述第一电位器在所述参考点在所述第二弧形区域中时不能进行检测。

还提供了一种用于确定通过附接到钻机的钻头在工件中形成的孔深度的方法，所述钻机包括壳体、联接到所述壳体的探头以及换能器组件，所述换能器组件包括齿轮以及换能器，所述齿轮被联接到所述探头，所述换能器包括被联接到所述齿轮的至少两个旋转传感器装置。所述方法包括以下步骤：确定所述齿轮的第一旋转位置；根据所确定的所述第一旋转位置确定所述齿轮绕着所述齿轮轴线沿单个旋转方向的整圈旋转的数量，每个所述整圈旋转对应于所述探头相对于所述壳体的预定移动量。所述方法还包括：确定所述齿轮的第二旋转位置，所确定的所述第二旋转位置与所所确定的所述第一旋转位置相同或不同，以及根据所确定的所述第一旋转位置和所述第二旋转位置以及所确定的所述齿轮的整圈旋转的数量来确定所述探头相对于所述壳体的移动量。

手术钻机可以包括：壳体；联接组件，所述联接组件被布置在所述壳体内并且适于能够释放地联接所述钻头；探头，所述探头被能够移动地安装到所述壳体并且适于抵靠组织放置。所述钻机还可以包括换能器组件，换能器组件所述包括：齿轮，所述齿轮被联接到所述探头并且被构造成在所述探头相对于所述壳体移动时绕着齿轮轴线旋转超过360度，所述齿轮具有参考点，所述参考点具有绕着所述齿轮轴线的旋转角度路径，所述旋转角度路径被分成第一弧形区域和第二弧形区域，所述第一弧形区域与所述第二弧形区域分开。所述换能器组件还可以包括换能器，所述换能器包括至少两个旋转传感器装置，所述至少两个旋转传感器装置中的每个相对于所述齿轮不可旋转地固定，所述第一旋转传感器装置被构造成检测所述参考点在所述第一弧形区域中的旋转位置，并且所述第二旋转传感器装置被构造成检测所述参考点在所述第二弧形区域中的旋转位置。所述第一旋转传感器装置在所述参考点在所述第二弧形区域中时不能进行检测，所述至少两个旋转传感器装置各自适于独立地生成对应于所检测到的所述参考点在所述第一弧形区域和所述第二弧形区域中的旋转位置的输出信号。所述钻机还包括控制器，所述控制器被配置成接收所独立生成的所述输出信号中的每个，并且基于所独立生成的所述输出信号中的每个来确定通过所述钻头在所述组织中形成的孔的深度。

具体实施方式

参考附图，其中在各个视图中使用类似的附图标记来标出类似的结构，在图1至图2中手术系统或手术钻机以60处示出，其用于执行通常与医疗和/或手术程序相关联的操作功能。在本文中说明的代表性构型中，手术系统60被用于便于穿透工件，例如患者的组织或骨骼。如本文所使用的，除非另有说明，否则术语“工件”被理解为可选地指代组织和/或骨。为此，手术系统60的图示构型包括手持式手术器械62和末端执行器组件，该末端执行器组件一般以64表示。末端执行器组件64又包括钻头66，并且还可以包括端头保护器68。如图2中最佳描绘的，钻头66在切割端头部分(一般以70表示)和插设部分(一般以72表示)之间沿着轴线AX大致纵向地延伸。切割端头部分70被构造成接合工件，而插设部分72被构造成便于将钻头66能够释放地附接到手术器械62。

为了帮助便于将钻头66附接到手术器械62，在一些构型中，端头保护器68被构造成能够释放地固定到钻头66的切割端头部分70，同时隐藏钻头66的切割端头部分70的至少一部分，从而允许手术系统60的使用者(例如，外科医生)在钻头66附接到手术器械62期间安全地操纵和定位钻头66。一旦末端执行器组件64被附接到手术器械62，随后将端头保护器68从钻头66的切割端头部分70卸下，随后可以利用手术系统60穿透工件。

现在参考图1至图6，在本文所示的代表性构型中，手术器械62被实现为具有手枪握把形状的机头本体74的手持式钻机，该机头本体74能够释放地附接到电池76(未详细示出电池的附接)。但是，可以设想到，机头本体可以具有任何合适的形状，带有或没有手枪握把。虽然图示的手术器械62采用能够释放地附接到机头本体74的电池76，以给被用于旋转钻头66的手术器械62提供电力，但应理解，手术器械62能够以其它方式构型，例如具有内部(例如，不可拆卸的)电池，或具有与外部控制台、电源等的有线连接。其它构型也是可能的。

在图示构型中，电池76或其它电源向控制器78(在图5中示意性地描绘)提供电力，控制器78又被布置成与输入控制器80和致动器组件82(也参见图3)通信。输入控制器80和致动器组件82各自由机头本体74支撑。控制器78大致被构造成便于致动器组件82响应于输入控制器80的致动的操作。在图示构型中输入控制器80具有触发式构型，输入控制器80响应于使用者(例如，外科医生)的致动，并且例如通过由磁体和霍尔效应传感器产生的电信号而与控制器78通信。因此，当外科医生致动输入控制器80以操作手术器械62时，控制器78将来自电池76的电力导向到致动器组件82，该致动器组件82又产生用于旋转钻头66的旋转扭矩，如下文更详细描述的。在不脱离本公开的范围的情况下，机头本体74、电池76、控制器78和输入控制器80可以相应以许多不同的方式构型，以便于产生旋转扭矩。

又如在图3所示出的，致动器组件82一般包括电动机84和齿轮组86，电动机84和齿轮组86各自被支撑在机头本体74内。电动机84被构造成响应于从控制器78接收的命令、信号等而选择性地产生旋转扭矩。如图5中最佳示出的，电动机84包括转子套管88，其由一对轴承90支撑以绕着轴线AX旋转。邻近齿轮组86布置的驱动齿轮92被联接到转子套管88并与其同时旋转，并且被用来将旋转扭矩传递到齿轮组86。为此，在图示构型中，齿轮组86被实现为两级复合行星布置，并且一般包括环形齿轮壳体94以及一个或多个保持夹具98、垫圈100和/或密封件102，其中，该环形齿轮壳体94通过轴承90以旋转的方式支撑输出轮毂96。但是，齿轮组86的其它构型也是可能的。

例如在于2018年2月2日提交的名称为“用于手持式手术器械的钻头”的美国专利申请15/887,507中描述了齿轮组86的进一步细节，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文，并且描述了其中驱动齿轮92通过电动机84的致动的旋转影响输出轮毂96的同时旋转，并且其中输出轮毂96与钻头66同时旋转。在不脱离本公开的范围的情况下，致动器组件82能够以其它方式构型。作为非限制性的示例，虽然图示的致动器组件82采用复合行星布置来调节电动机84的驱动齿轮92和输出轮毂96之间的旋转速度和扭矩，但在一些构型中可以利用其它类型的齿轮组86。此外，虽然图示的致动器组件82采用电力驱动的无刷直流电动机来产生旋转扭矩，但可以利用其它类型的原动器。其它构型也是可能的。

如上所述，由电动机84产生的旋转扭矩影响输出轮毂96的旋转，输出轮毂96又与钻头66同时旋转。为此，并且如图2至图5最佳示出的，手术器械62还包括驱动组件114，该驱动组件114一般延伸穿过致动器组件82的各种套管组件到与齿轮组86的输出轮毂96花键接合。驱动组件114被构造成便于能够释放地附接在钻头66和手术器械62之间。驱动组件114一般包括驱动套管116、驱动头118和驱动本体120，驱动本体120在驱动套管116和驱动头118之间延伸并且与驱动套管116和驱动头118同时旋转。驱动组件114经由邻近驱动套管116的与输出轮毂96的花键啮合并且经由邻近驱动头118的轴承90、卡环100和密封件102的布置(参见图6)被支撑在机头本体74内绕着轴线AX旋转。

例如在美国专利申请15/887,507中描述了驱动组件114的进一步细节，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。在图示配置中，驱动组件114的驱动头118包括联轴器，一般以126表示，该联轴器被提供以用于当手术器械62与除了使本公开的钻头66旋转之外与其它应用相关地使用时便于传递旋转扭矩。具体而言，图示的驱动组件114被构造成使手术器械62能够旋转、驱动或以其它方式致动许多不同类型的手术器械、工具、模块、末端执行器等，这些器械可以被构造成接合驱动套管116的孔122或驱动头118的联轴器126，并且与驱动套管116的孔122或驱动头118的联轴器126同时旋转。应理解，这种构型允许同一手术器械62在广泛的医疗和/或外科手术中被利用。但是，还可以设想到驱动组件114可以在一些构型中以不同的方式构造，例如在手术器械62被构造成专用于与本公开的钻头66一起使用的构型中省略带有联轴器126的驱动头118。

返回参考图1至图3，手术器械62的图示构型还包括释放机构或联接机构，其一般以150表示，被构造成便于拆卸钻头66。联接机构150一般包括释放子组件152、锁紧本体154以及壳体适配器156。锁紧本体154和壳体适配器156分别被构造成将释放子组件152固定到致动器组件82和机头本体74，并且能够以多种不同的构型实现，或者能够以一些构型被集成到手术器械62的其它部分中。

如上所述，本公开的钻头66一般在切割端头部分70和插设部分72之间沿着轴线AX延伸，并且被构造成通过钻头66的界面124与驱动组件114的驱动套管116的孔122之间的接合而如本文所述并在整个图中示出地能够释放地附接到手术器械62。驱动套管116又与致动器组件82的齿轮组86的输出轮毂96配合，以便于钻头66绕着轴线AX旋转。

现在参考图2，钻头66包括一般以176表示的柄部，其在近端178和远端180之间沿着轴线AX延伸。柄部176的远端180设有出屑槽182，其绕着轴线AX螺旋地设置并延伸到钻头66的端头，以促进对诸如组织的工件的穿透(参见图2)。在图示的构型中，钻头66还设有轴承区域184，其在近端178和远端180之间联接到柄部176。轴承区域184的尺寸被设计成被接收在测量模块128的测量探头134内并相对于该测量探头134旋转。在此，轴承区域184本质上限定柄部176的“阶梯状”外部区域，其沿着钻头66的长度提供旋转支撑，并且在图示配置中具有比相邻的柄部176的远端区域和近端区域更大的直径。但是，在不脱离本公开的范围的情况下，应理解，钻头66的柄部176的轴承区域184能够以其它方式构型。此外，虽然在本公开中描述为钻头66，但也可以设想到钻头66可以具有类似的特征，并且可以构造为其它合适的末端执行器或旋转末端执行器，例如圆头锉或铰刀。

手术系统60的图示构型还包括测量模块，一般以128表示，该测量模块可被构造成能够释放地附接到手术器械62，以在使用期间给外科医生提供测量功能。为此，并且如图4和图5所最佳示出的，测量模块128一般可以包括壳体130、引导衬套132、测量探头134(即，探头或测量套管)和换能器组件，在此为换能器组件136。壳体130可以能够释放地附接到手术器械62，并且一般支撑测量模块128的各个部件。图示的壳体130被形成为一对壳体部件138，其彼此锁定或以其它方式附接在一起，并且可以被构造成能够拆卸以便于清洁或维修测量模块128。应理解，测量模块也可以被形成为手术器械的一体部件。

在图示的构型中，壳体部件138和引导衬套132包括相应成形的特征，其被布置成防止壳体部件138和引导衬套132之间的相对轴向和旋转运动，例如通过形成在引导衬套132中的凹口，该凹口配合到被形成在壳体部件138中的腹板或肋(未详细示出)中。引导衬套132还包括用于与换能器组件136配合使用的窗口142，下文将详细描述。

测量探头134可以被布置在引导衬套132内，并被支撑以相对于机头沿着轴线AX平移运动。细长的狭槽143(在图2中部分描绘)横向形成到测量探头134中并且纵向地延伸。虽然在此没有特别说明，但该细长的狭槽143被成形且布置成接收行程止动元件，该行程止动元件又由壳体130支撑并且同样延伸通过横向穿过引导衬套132的侧部形成的孔口；这种布置既起到限制测量探头134能够相对于引导衬套132的轴向延伸或缩回的程度，也防止测量探头134绕着轴线AX旋转。但是，应理解，在不脱离本公开的范围的情况下，测量模块128可以被构造成以其它方式限制或防止测量探头134的移动。

如图所示，测量探头134还包括齿条齿144，齿条齿144被布置成与换能器组件136的齿轮146啮合。如图5所示，引导衬套132的窗口142被布置成邻近换能器组件136，以便于齿条齿144与齿轮146之间的啮合。齿轮146包括沿着公共齿轮轴线CAX延伸的轴部分147。当探头134相对于壳体130沿着轴线AX移动时，齿轮146本身能够绕着公共齿轮轴线CAX旋转360度或更多。

换能器组件136响应于测量探头134的轴向运动所导致的齿轮146的旋转而产生代表测量探头134相对于壳体130沿着轴线AX的位置变化的电信号。因此，应理解，换能器组件136能够给手术器械62提供增强的功能。例如，在一些构型中，换能器组件136可以与控制器78通信，控制器78可以被配置成根据测量探头134的移动来中断或调节电动机84的驱动，例如在特定的钻入工件的深度处减慢钻头66的旋转。换能器组件136还可以被布置成与例如显示屏、一个或多个发光二极管(LED)等的输出装置148通信，以给外科医生提供与测量探头134的运动有关的信息，例如显示实时钻进深度、记录的历史最大钻进深度等。其它配置也是可能的。

控制器78包括一个或多个微处理器，其用于处理指令或者处理存储在存储器中的算法，以执行本文所述的功能。另外地或可选地，控制器78可以包括一个或多个微控制器、子控制器、现场可编程门阵列、片上系统、分立电路和/或能够执行本文所述功能的其它合适硬件、软件或固件。如图5所示，控制器78可以被承载于机头本体74中，或者在手术系统60的其它位置，或者可以远程定位。存储器可以是适于存储数据和计算机可读指令的任何存储器。例如，存储器可以是本地存储器、外部存储器或基于云的存储器，其体现为随机存取存储器(RAM)、非易失性RAM(NVRAM)、闪存或任何其它合适的存储器形式。

在某些实施例中，控制器78包括用于跟踪时间的内部时钟。在一个实施例中，内部时钟是微控制器时钟。微控制器时钟可以包括晶体谐振器；陶瓷谐振器；电阻、电容(RC)振荡器；或硅振荡器。除本文所公开的内部时钟外，其它内部时钟的示例也是完全可以考虑的。内部时钟可以用硬件、软件或两者来实现。在一些实施例中，存储器、微处理器和微控制器时钟配合以向各种部件发送信号并操作各种部件以满足预定的定时参数。

在本文描述的实施例中，并且如图6至图8所最佳示出的，换能器组件136包括至少两个旋转传感器装置，在此被示出为一对电位器500、501，其在壳体部分138内彼此接近地定位。为了便于下面的描述，下面将描述一对电位器500、501。

如图7至图8所最佳示出的，电位器500、501中的每个可以是相同或不同的，其是能够旋转的(旋转式)电位器，并且包括本体部分502和定位在该本体部分502内的转子部分507。电位器500、501中的每个的转子部分507通过轴部分147联接到齿轮146，因此能够在齿轮146绕着公共齿轮轴线CAX旋转时旋转。本体部分502被固定地联接到壳体部分138，因此在转子部分507旋转时不旋转。在某些实施例中，本体部分502与壳体部分138是一体的。具体而言，当齿轮146旋转时，电位器500、501的转子部分507能够绕着公共齿轮轴线CAC旋转360度。换言之，电位器500、501是不包括将转子部分507相对于本体部分502的旋转限制在360度以下的止动件(即，止动构件)的类型。以另一种方式说明，转子部分507与齿轮146自由旋转。

本体部分502包括连接到电阻元件505的一对端子部分503、504。第一端子部分503连接(即，电连接)到电源，例如电池76，并且从电源提供第一参考信号(即，预定电压)。第二端子部分504连接到第二参考信号。在某些实施例中，第二参考信号是接地的。本体部分502的内部通道(未示出)被设置成用作容纳从相应端子部分503、504和506延伸的导体(例如，柔性电路)的空隙。本体部分502还包括连接(即，电连接)到控制器78的第三端子部分506。

电位器500、501中的每个的转子部分507还包括从公共齿轮轴线CAX径向向外延伸的游标臂(wiper arm)508，该游标臂508的径向向外端部512被构造成连接(即，接触或电连接)到电阻元件505，或者根据游标臂508相对于本体部分502绕着公共齿轮轴线CAX的相对旋转定位而沿着间隙511定位。游标臂508的另一部分在此示出为径向向内端部513，该径向向内端部513终止于对应于公共齿轮轴线CAX的点处，该径向向内端部513被连接(即，电连接)到第三端子部分506。齿轮146通过轴部分147连接到相应转子部分507中的每一个。因此，齿轮146绕着公共齿轮轴线CAX的旋转导致电位器500、501的游标臂508绕着公共齿轮轴线CAX且绕着对应的静态本体部分502的类似旋转。

电阻元件505可以是弧形形状的，在一对端子部分503、504之间限定弧形长度AL，并且沿着本体部分502在端子部分503、504之间的表面定位。间隙511沿着本体部分502在第二端子部分504和第一端子部分503之间的部分延伸，并且限定不包括电阻元件505的附加弧形长度AAL。

如上所述，游标臂508的长度对应于游标臂508从径向向内端部513到径向向外端部512的半径(r)，游标臂508的长度被构造成使游标臂508的径向向外端部512连接到电阻元件505，或者沿着间隙511定位并且因此沿着电阻元件502的弧形长度AL定位，间隙511的附加弧形长度AAL对应于当游标臂508绕着公共齿轮轴线CAX旋转360度时由游标臂508的径向向外端部512限定的弧线。该弧线的总弧长对应于弧形长度AL和附加弧线长度AAL的总和，该弧线的总弧长等于2πr，其中r被定义为游标臂508从径向向外端部512到旋转中心CAX的径向长度。

在某些实施例中，电阻元件505的弧形长度AL小于或等于11πr/6(对应于小于或等于游标臂508在齿轮146的单个(圈)旋转中的360度旋转中的330度旋转)，而对应于间隙511的相应弧度长度AAL大于或等于πr/6且小于2πr(对应于游标臂508在齿轮146的单个旋转中的360度旋转的其余部分，即，大于或等于齿轮146的单个旋转中的30度旋转而小于齿轮146的单个旋转中的360度旋转)，其总长度等于2πr，如上所述。

当电位器500、501中的一个或两者的游标臂508被定位成与电阻元件505接触时，从游标臂508生成输出信号，该输出信号被发送到控制器78，该输出信号对应于游标臂508沿着电阻元件505的弧形长度AL的相对定位，并且被与电阻元件从第一端子部分503接收到的第一参考信号相关地定标(确定大小、进制、位置)。如普通技术人员所理解到的，控制器78通过游标臂508和第三端子部分506接收到的第一参考信号的大小在游标臂508更靠近第一端子部分103定位时更强，并且在游标臂508旋转到更靠近第二端子部分504的位置时逐渐变弱。相反，当电位器500、501中的一个的游标臂508定位在间隙511内时，从游标臂508生成中断信号并发送到控制器78或者没有信号从游标臂508生成并被发送到控制器78(被称为浮动位置，对应于高欧姆阻抗)。控制器78接收到的所生成的一个或多个输出信号，或者中断信号，被控制器78通过其存储的算法解释，以确定探头100相对于壳体130的相对定位，从而利用该信息确定通过钻头在工件(例如组织或骨骼)中形成的孔的相对深度，这将在下文进一步解释。

又如图6至图8所示的，电位器500、501在z方向上以如此的方式彼此相邻地堆叠，以使得一对电位器500、501中的至少一个的游标臂508始终与其对应的电阻元件505保持接触，而不管该对电位器500、501的游标臂508的相对旋转定位。因此，控制器78始终接收到通过游标臂508与电阻元件505接触而生成的至少一个输出信号，该至少一个输出信号可用于确定通过钻头在工件中形成的孔的相对深度，下文将进一步进行解释。

为此，如图7和图8所示，其中一个电位器500的本体部分502相对于另一个电位器501的本体部分502绕着公共齿轮轴线CAX旋转偏移，使得当在z方向上观察时第二电位器501的电阻元件505至少沿着第一电位器500的间隙511的整体对齐。电阻元件505的这种旋转偏移对齐可以通过当齿轮146绕着公共齿轮轴线CAX旋转360度时比较电阻元件505在如图7和图8的z方向上与在齿轮146的圆周上分配的参考点146a的相对对齐来确认。

如图7和图8所示，第二电位器501的本体部分502相对于第一电位器500的本体部分502绕着公共齿轮轴线CAX的旋转可以用旋转度数来定义，因为其与笛卡尔坐标系有关。因此，在图7A-7C中，笛卡尔坐标系中的x轴被示意为右和左，笛卡尔坐标系中的y轴被示意为上和下，并且z轴可以被定义为进入页面和离开页面。上位置可以被指定为0度，下位置被指定为180度，左右位置分别被指定为90度和270度。例如，第一电位器500的本体部分502相对于第二电位器501绕着公共齿轮轴线CAX旋转一百八十度(或者反之)并且该本体部分502固定在该构型(例如图7A-7C所示)使得相应电位器500、501的端子部分503、504、506相对彼此旋转偏移180度定位(如图7A-7C所示，电位器500的端子部分503、504、506被定位在180度，而电位器501的端子部分503、504、506被定位在0度)。作为第二个示例，如图8所示，使第一电位器500相对于第二电位器501绕着公共齿轮轴线CAX逆时针旋转九十度并将本体部分502固定在该构型使得相应的电位器的端子部分503、504、506相对彼此旋转偏移90度定位(如图8所示，电位器500的端子部分503、504、506被定位在0度，而电位器501的端子部分503、504、506被定位在90度)。应理解，电位器500、501相对于彼此绕着公共齿轮轴线CAX的其它旋转偏移也是可能的，只要该偏移足以确保电位器500、501中的至少一个电位器的至少一个游标臂508与其电阻元件505接触。在某些实施例中，端子部分503、504之间的间隙511对应于大约30度的旋转偏移，相应地，该旋转偏移可以是相对彼此的从30度到330度的任何旋转偏移，例如45度、60度、75度、105度、120度、150度、210度、270度等。

为了将一对电位器500、501的电阻元件505的旋转偏移进行比较，参考点146a被分配到齿轮146上的相对位置。为了便于描述和说明，如图7A所提供的，参考点146a已被分配到齿轮146上的对应于当从z方向观察时第一电位器500上的电阻元件505与第一端子部分503的交点的位置。为了说明和描述的目的，齿轮146可以细分为第一弧形区域146b和第二弧形区域146c，第一弧形区域146b和第二弧形区域146c一起总和为360度的旋转(即，齿轮146的一整转(整圈旋转))。第一弧形区域146b对应于当在z方向上观察时第一电位器500的电阻元件505的弧形长度AL，而第二弧形区域146c对应于当在z方向上观察时与第一电位器的间隙511相关联的附加弧形长度AAL。第一弧形区域146b和第二弧形区域146c是静态参考区域，在齿轮146和参考点146a绕着公共轴线CAX旋转时不旋转，而是与第一电位器500的电阻元件505的静态弧形长度AL和间隙511的附加弧形长度AAL保持固定坐标。

当齿轮146绕着公共齿轮轴线CAX沿第一旋转方向旋转时，对于齿轮146的每个整转，参考点146a相应地绕着公共齿轮轴线CAX沿着旋转角度路径AR(即，旋转弧形路径)旋转通过第一弧形区域146b和第二弧形区域146c。因此，根据齿轮146沿第一旋转方向的相对旋转量，当齿轮146绕着公共齿轮轴线CAX沿第一旋转方向旋转360度时，参考点146a始终定位在第一弧形区域146b或第二弧形区域146c中。

首先参考图7A，齿轮146被定位成使得第一电位器500的游标臂508定位在电阻元件505和端子部分503的交点处。同时，第二电位器501的游标臂508被定位在电阻元件505上，位于第一端子部分503和第二端子部分504之间的点处。在该位置，参考点146a位于齿轮146的第一弧形区域146b中，并且两个游标臂508凭借其与对应电阻元件505的电连接而通过第三端子部分506生成输出信号到控制器78，但其中由于相应的游标臂508相对于其第一端子部分503和第二端子部分504的定位，相应的输出信号的定标(大小、进制、位置)是不同的(假设通过每个电位器500、501的第一端子部分503提供的第一参考信号是相同的)。

在图7B中，齿轮146已经旋转成使得第一电位器500的游标臂508的定位位于电阻元件505与第二端子部分504的交点处，并且使得第二电位器的游标臂508定位成比图7A中那样更靠近第一端子部分503。在该位置，参考点146a仍在齿轮146的第一弧形区域146b中(但处于与图7A中不同的相对位置)，并且两个游标臂508凭借其与相应的电阻元件的电连接而通过第三端子部分506生成输出信号到控制器78，但其中相应的输出信号的定标与图7A中的相应定标不同。

在图7C中，齿轮146已经旋转成使得第一电位器500的游标臂508的定位位于间隙511内，并且使得第二电位器501的游标臂508的定位沿着电阻元件505在更靠近第一端子部分503和第二端子部分504中间的位置。在此位置，参考点146a位于齿轮146的第二弧形区域146c中，并且只有第二电位器501的游标臂508通过第三端子部分506生成输出信号到控制器78，但其中相应的输出信号的定标与图7A和7B中的相应定标不同。此外，第一电位器500的输出信号被中断，因为在游标臂508和电阻元件505之间没有电接触，这导致开路的浮动状态，给出高(兆欧mega-ohm)阻抗。因此，控制器78仅接收来自第二电位器501的输出信号(或者接收来自第一电位器500的中断信号，或者没有接收到来自第一电位器500的信号)。

虽然没有示出，但当齿轮146旋转成使得第二电位器501的游标臂508在间隙511内(即，沿着图7A-7C的顶部在端子部分503、504之间，第一电位器500的游标臂508沿着电阻元件505近似位于第一端子部分503和第二端子部分504中间，并且参考点146a定位在第一弧形区域146b中。在此，第二电位器501的输出信号中断，因为在游标臂508和电阻元件505之间没有电接触。因此，控制器78仅从第一电位器500接收到通过第一端子部分503提供的第一参考信号的大约一半的输出信号(或者从第二电位器501接收到中断信号，或者没有接收到来自第二电位器501的信号)。

如图7A-7C所示，在齿轮146旋转360度时，在每一个潜在参考点146a位置，相应的电位器500、501的游标臂508中的至少一个游标臂与其相应的电阻元件505电连接。相应地，在每一个参考点位置，生成相应的输出信号并将其发送到控制器78，该输出信号可用于确定通过钻头在工件中形成的孔的相对深度，下文将进一步描述。

此外，从图7A-7C可得知，当参考点146a在第一弧形区域146b中时，无论其在第一弧形区域146b内的相对位置如何，第一电位器500的游标臂508都与相应的电阻元件505电接触。此外，从图7A-7C可得知，当参考点146a在第二弧形区域146c中时，无论其在第二弧形区域146c内的相对位置如何，第二电位器501的游标臂508都与相应的电阻元件505电接触。换言之，在图7A-7C的构型中，无论参考点146a在第一弧形区域146b或第二弧形区域146c内的定位如何，相应一对电位器500、501的至少一个游标臂508始终与相应的电阻元件505接触。

在图8中，第二电位器501的本体部分502相对于第一电位器500的本体部分502旋转90度(与图7A-7C中的180度相反)。类似于图7A-7C的布置，第二电位器501相对于第一电位器500的旋转量足以确保第二电位器501的间隙511与第一电位器500的间隙511不对齐。

因此，如本文的实施例所示，为了用旋转偏移的电阻元件505实现这种堆叠效果，电位器500、501被联接到齿轮轴147，使得其被联接到壳体部分138的本体部分502的旋转偏移量足以确保第二电位器501的间隙511与第一电位器500的间隙511不对齐。换言之，如果第一电位器500和第二电位器501中的每个的电阻元件505的弧形长度AL为11πr/6(因此间隙511为πr/6)，则第二电位器501的本体部分502绕着公共齿轮轴线CAX在30度和330度之间(其对应于πr/6和11πr/6之间)的旋转定位确保当在z方向上观察时第一电位器500和第二电位器501的间隙511不会彼此交叠。

换言之，虽然图7和图8示出了一对电位器500、501的本体部分502，其相对彼此旋转偏移180度和90度，但电位器500、501的其它旋转偏移也是可能的。具体而言，一对电位器500、501的本体部分502可以绕着公共齿轮轴线CAX偏移30到330度，并将本体部分502固定在该构型，以确保游标臂508(彼此配额和旋转)中的至少一个在齿轮146的参考点146a的所有相对位置上接触其对应的电阻元件505。换言之，通过使用如上所述的两个成对的电位器500、501(在图7和图8的两个实施例中表示)，无论电位器500、501的游标臂508的旋转定位如何，该对电位器500、501中的至少一个始终处于非浮动状态，因此能够提供有效的读数，该读数可由控制器78使用以确定孔深度，如可根据下面描述的方法确定的。当然，也可以用这种方式使用三个或更多个的电位器。

接下来参考图9和图10，还提供了一种用于确定通过钻机60中的钻头66在工件中形成的孔深度的方法。一般来说，如图9所示，用于确定孔的深度的逻辑700包括三个基本步骤。首先，在步骤702中，钻机60被抵靠工件定位。具体而言，钻机60被定位成使得在钻头66的远端180处的切割端头部分70抵靠工件定位。接着，在步骤704中，致动钻机60以使钻头66的切割端头部分70行进到工件中，以形成具有孔深度的孔或洞。作为步骤704的一部分，控制器78控制电源将第一参考信号(通常呈参考电压的形式)通过第一端子部分503发送到电位器500、501的相应电阻元件505。最后，在步骤706中，通过控制器78确定在步骤704期间探头相对于壳体的移动总量来确定孔深度。步骤706可以在完成钻孔之后通过钻机60确定，也可以在钻孔时的任何时间点确定，使即时孔深度被确定并持续更新。

在图10中，将进一步详细描述步骤706的逻辑细节。首先，在步骤708中，控制器78确定齿轮146的参考点146a的初始或第一旋转位置，在某些情况下控制器78在致动钻机60的步骤之前确定齿轮146的参考点146a的初始或第一旋转位置。具体而言，齿轮146的参考点146a的初始旋转位置可以根据至少两个游标臂508当在步骤702中钻机60抵靠工件定位时在步骤704中的致动钻机60之前的相应定位来确定。在该位置中，从至少两个游标臂508中的至少一个生成(一个或多个)相应的初始信号，每个信号作为相应提供的第一参考信号的函数而定标游标臂508在电阻元件505上的相应定位。控制器78接收(一个或多个)相应的初始信号，并根据接收到的(一个或多个)相应的初始信号确定齿轮146的参考点146a的相应初始位置。为了帮助确定参考点的相应初始位置，控制器78的存储器包括关于齿轮146的尺寸的存储信息，并且包括能够解释所接收的(一个或多个)初始输入信号的定标并确定对应于所接收的(一个或多个)初始输入信号的定标的齿轮146的参考点146a的相对定位的预存储算法。

在步骤710中，控制器78在致动钻头的步骤期间或之后确定齿轮146绕着公共齿轮轴线CAX沿单一旋转方向相对于至少两个电位器500、501的整圈旋转圈数。

具体而言，控制器78确定在步骤710期间从电位器500、501中的一个或两个的游标臂508生成的若干不同中断信号。当齿轮146沿单一旋转方向旋转使得齿轮146的参考点146a在第二弧形区域146c内以使得电位器500、501中的指定一个或两个(通常是第一电位器500)的游标臂508位于间隙511内时，出现每个中断信号。当齿轮146沿单一旋转方向进一步旋转使得游标臂508在对应于第一端子部分503或第二端子部分504(取决于游标臂508绕着公共齿轮轴线CAX旋转的方向)的位置处开始与电阻元件505接触时，出现一个中断信号结束。

在步骤712中，控制器78确定齿轮146的参考点146a在步骤704之后或在步骤704期间的任何时间点处的最终或第二旋转位置。具体而言，齿轮146的参考点146a的最终旋转位置可以在钻机的致动终止之后基于至少两个游标臂508的相应定位来确定。在该位置，从至少两个游标臂508中的至少一个生成的最终第二相应信号，每个信号作为相应提供的第一参考信号的相应而定标游标臂508在电阻元件505上的相应定位。控制器78接收(一个或多个)最终第二相应信号，并利用存储在控制器78的存储器中的算法基于接收到的(一个或多个)最终第二相应信号确定齿轮146的参考点146a的最终相应位置。

在步骤714中，控制器78确定齿轮146的参考点146a的旋转位置在步骤710的所述所确定的初始第一旋转位置和步骤712的所述所确定的第二最终旋转位置之间的变化。具体而言，控制器78将所接收的(一个或多个)初始第一相应信号与所接收的(一个或多个)最终第二相应信号进行比较，并且利用存储在控制器78的存储器中的算法基于所比较的信号计算定位的变化。

最后，在步骤716中，控制器78根据在步骤712中发生的齿轮146的所确定的整转圈数并且根据在步骤714中确定的齿轮146的参考点146a的旋转位置的变化来确定孔深度。具体而言，控制器78利用存储在其存储器中的算法，该算法基于所确定的中断信号的数量和所确定的齿轮146的参考点146a的旋转位置的变化来计算探头100相对于壳体130的相对运动量，并且基于所确定的相对运动量进一步计算孔深度。作为步骤716的一部分，控制器78可以给显示器148发送输出信号，该输出信号在显示器上提供对应于孔深度的读数，该读数可由钻机60的操作者看见。

在图10的逻辑700的每个步骤中，控制器78可以被配置成基于接收到的任何单个初始相应信号以及接收到的任何单个最终相应信号，或者基于接收到的两个初始相应信号或接收到的两个最终相应信号，来确定齿轮146的参考点146a的初始第一定位和最终第二定位(即，当两个游标臂508都对应于参考点146a的初始相应位置和最终相应位置与相应电阻元件505接触时，基于组合的接收到的初始相应信号或组合的接收到的最终相应信号)，以确定齿轮146的参考点146a的初始定位和最终定位。

在进一步的实施例中，控制器78被配置成在步骤710期间持续处理从电位器500、501中的每个接收到的生成信号，以持续确定齿轮146的参考点146a的相应定位。对此，控制器78可以利用从电位器500或501中的一个接收到的信号作为主信号，以持续确定齿轮146的参考点146a的相对定位，并且仅在主信号处于中断状态时(即，在电位器500或511中的指定一个的游标臂508定位在间隙511内的情况下)利用从电位器500或501中的第二个接收到的信号。

此外，控制器78还可以被配置成基于来自电位器500或501中的相应一个的中断信号的数量，或者基于来自电位器500、501中的两个的中断信号的数量来确定齿轮146的整转圈数。

在进一步的实施例中，与使一对电位器500、501如图7和图8所示地在z方向上堆叠相反，电位器500、501可以在x方向上并排定位。例如，附加齿轮(未示出)可以与齿轮146啮合。随后，来自附加齿轮的齿轮轴可以联接到第二电位器501的转子部分307。齿轮146的旋转将进而使附加齿轮旋转，并且第一电位器500和第二电位器501的两个游标臂508将如上所述地旋转。以类似于上述图7和图8的实施例的方式，通过将第二电位器501的本体部分502定位成使得游标臂508中的至少一个总是与其相应的电阻元件505接触。

本文所述的手术系统60提供了一种用于精确测量通过钻机的钻头66在工件中形成的孔深度的方法，同时解决了利用单个电位器的手术钻机的缺陷。具体而言，通过利用至少两个电位器，其中所述电位器被构造成使游标臂中的至少一个与该游标臂的相应电阻元件接触，而不管齿轮的参考点的定位如何，可以避免浮动状况。此外，由于包括了至少一个附加的电位器，使得没有必要增加齿轮尺寸的直径以确保齿轮以及相联接的单圈电位器不会转动成导致游标臂定位在间隙内。这进一步克服了具有单个电位器的手术钻机在钻机的体积不理想以及在钻孔操作期间可能阻碍外科医生的视场方面的不足。

应理解，本文描述的系统可用于非手术应用，例如通过钻穿除组织以外的工件，例如木材、金属或塑料。此外，应理解，除了钻头以外，该系统可以与末端执行器一起使用。

在前述描述中已经讨论了几种构型。但是，本文讨论的构型并不是为了穷尽本公开内容或者将本公开内容限制于任何特定形式。也可以具体考虑其它构型。例如，虽然本文描述了在换能器组件中使用至少两个电位器，其中如上描述，电位器中的第一电位器在参考点位于齿轮的第二弧形区域中时无法进行检测，而第二电位器在参考点位于第二弧形区域中时能够进行检测，但是也可以设想到可以利用额外的电位器，而不是单独一对电位器，使得至少一个电位器能够检测齿轮的参考点在第一弧形区域和第二弧形区域内的所有位置的旋转位置。此外，尽管上述电位器或旋转传感器装置典型地是相同的设计，但可以利用不同类型或尺寸的电位器或旋转传感器装置。此外，位于手术钻机上的其它类型的传感器装置，例如霍尔传感器或类似的装置，也可以与本文所述的旋转传感器结合利用，以便提供增强的测量精度。更进一步地，设想到可以将单独的齿轮独立地联接到探头，单独的齿轮中的每个被联接到一个或多个电位器，并且被构造成利用上述旋转传感器装置的构型确保精确测量孔深度和探头相对于壳体的每个可能位置。此外，尽管上述换能器组件的构型是针对能够拆卸的测量模块特别说明的，但可以设想到包括齿轮和传感器装置的换能器组件可以被包括在手术钻机的不可拆卸部分上。

已经使用的术语旨在是描述性词语而非限制性词语的性质。鉴于上述教导，许多修改和变化都是可能的，并且该装置可以以不同于具体描述的方式加以实施。

应理解，术语“包含(include、includes和including)”与术语“包括(comprise、comprises和comprising)”具有相同的含义。此外，应理解，在本文中出于非限制性的、说明性的明确性和一致性的目的使用诸如“第一”、“第二”和“第三”的术语来区分某些结构特征和组件。

本公开旨在被限定在独立权利要求中，而在从属权利要求中对具体特征进行规定，其中从属于一个独立权利要求的从属权利要求的主题也可以与另一个独立权利要求结合实施。

本公开还包括以下条款，在从属条款中对具体特征进行规定，该从属条款可以参照上述构型和所附附图进行的详细描述来具体实施。

I.一种被构造成能够释放地附接到手术器械的测量模块，所述测量模块包括：

壳体；

测量套管；

换能器组件，所述换能器组件包括齿轮，所述齿轮被联接到所述测量套管并且被构造成在所述探头相对于所述壳体运动时绕着齿轮轴线旋转超过360度，所述齿轮具有参考点，所述参考点具有绕着所述齿轮轴线的旋转角度路径，所述旋转角度路径被分为第一弧形区域和第二弧形区域，所述第一弧形区域与所述第二弧形区域分开；以及

换能器，所述换能器包括至少两个电位器，所述至少两个电位器中的每个电位器被联接到所述齿轮，

所述至少两个电位器中的第一电位器被构造成检测所述参考点在所述第一弧形区域中的旋转位置，并且所述至少两个电位器中的第二电位器被构造成检测所述参考点至少在所述第二弧形区域中的旋转位置，所述第一电位器在所述参考点在所述第二弧形区域中时不能进行检测。

II.一种被构造成能够释放地附接到手术器械的测量模块，所述测量模块包括：

壳体；

测量套管；

换能器组件，所述换能器组件包括：

齿轮，所述齿轮被联接到所述测量套管并且被构造成在所述测量套管相对于所述壳体移动时绕着齿轮轴线旋转超过360度，所述齿轮具有参考点，所述参考点具有绕着所述齿轮轴线的旋转角度路径，所述旋转角度路径被分为第一弧形区域和第二弧形区域，所述第一弧形区域与所述第二弧形区域分开；以及

换能器，所述换能器包括至少两个旋转传感器装置，所述至少两个旋转传感器装置中的每个相对于所述齿轮不可转动地固定，

第一旋转传感器装置被构造成检测所述参考点在所述第一弧形区域中的旋转位置，并且第二旋转传感器装置被构造成检测所述参考点在所述第二弧形区域中的旋转位置，所述第一旋转传感器装置在所述参考点在所述第二弧形区域中时不能进行检测，所述至少两个旋转传感器装置各自适于独立地生成对应于所检测到的所述参考点在相应的所述第一弧形区域和所述第二弧形区域中的旋转位置的输出信号；

控制器，所述控制器被配置成接收所独立生成的所述输出信号中的每个，并且基于所独立生成的所述输出信号中的每个来确定通过所述钻头在所述组织中形成的孔的深度。

III.一种用于与具有探头和壳体的手术工具一起使用的换能器组件，所述换能器组件包括：

齿轮，所述齿轮被联接到所述探头并且被构造成在所述探头相对于所述壳体移动时绕着齿轮轴线旋转超过360度，所述齿轮具有参考点，所述参考点具有绕着所述齿轮轴线的旋转角度路径，所述旋转角度路径被分成第一弧形区域和第二弧形区域，所述第一弧形区域与所述第二弧形区域分开；以及

换能器，所述换能器包括至少两个电位器，所述至少两个电位器中的每个被联接到所述齿轮，

所述至少两个电位器中的第一电位器被构造成检测所述参考点在所述第一弧形区域中的旋转位置，并且所述至少两个电位器中的第二电位器被构造成检测所述参考点至少在所述第二弧形区域中的旋转位置，所述第一电位器在所述参考点在所述第二弧形区域中时不能进行检测。