机器人式脊柱外科手术系统和方法

摘要

公开了一种用于执行脊柱外科手术的机器人系统和方法。所述系统包括机器人机械手，所述机器人机械手具有某一工具以保持螺钉并且使所述螺钉围绕旋转轴线旋转。所述螺钉是自攻的并且具有由控制器存储的已知的螺纹几何性质。导航系统跟踪目标部位的位置。控制所述机器人机械手的移动，以基于所述目标部位的所述跟踪的位置而相对于所述目标部位沿着计划轨迹维持所述外科手术工具的所述旋转轴线。在自主或手动操作模式中，将所述螺钉围绕所述旋转轴线的旋转速率和/或所述螺钉线性地沿着所述计划轨迹的推进速率控制为与存储在存储器中的所述已知的螺纹几何性质成比例。

说明书

相关申请的交叉引用

本国际申请要求2019年11月8日提交的美国非临时专利申请号16/184,376的优先权和权益，所述专利申请的全部内容和公开信息都以引用的方式并入本文。

背景技术

用于在患者的脊柱中执行外科手术的机器人系统是众所周知的。例如，当前利用机器人系统来将椎弓根螺钉放置在患者的脊柱中。

当患者需要涉及放置椎弓根螺钉的外科手术时，通常会采用术前成像和/或术中成像来可视化需要治疗的患者的解剖结构–在这种情况下为患者的脊柱。外科医生之后相对于图像和/或相对于根据图像创建的3D模型计划在何处放置椎弓根螺钉。计划包括例如通过在图像和/或3D模型中标识期望姿态来确定每个椎弓根螺钉相对于它们将放置于其中的特定脊椎的位置和取向(即，姿态)。一旦计划被制定好，所述计划就会被传送到机器人系统以供执行。

典型地，机器人系统包括机器人机械手，所述机器人机械手将工具引导件定位在患者上方，并且沿着与待放置的椎弓根螺钉的期望取向对准的期望轨迹定位所述工具引导件。机器人系统还包括导航系统，以确定工具引导件相对于患者的解剖结构的位置，使得机器人机械手可根据外科医生的计划沿着期望轨迹放置工具引导件。在一些情况下，导航系统包括附接到机械手和患者的跟踪装置，使得机器人系统可在外科手术期间通过根据需要移动工具引导件以维持期望轨迹来对患者的移动进行监测和响应。

一旦将工具引导件定位成与期望轨迹对准，就控制机器人机械手来维持对准。在此之后，外科医生通过工具引导件定位套管并且将所述套管定位在与脊椎相邻之处。外科医生将常规的钻孔工具插入到套管中，以为椎弓根螺钉钻出导向孔。然后，外科医生移除钻孔工具，并且用椎弓根螺钉驱动器将椎弓根螺钉推入导向孔中的适当的位置。在这种方法中，由于机器人机械手在钻出导向孔或插入椎弓根螺钉方面起到很小的作用乃至不起作用，因此机器人机械手在一定程度上未得到充分的利用。

发明内容

在一个实施方案中，提供了一种外科手术机器人系统，所述外科手术机器人系统包括：机器人机械手；以及外科手术工具，所述外科手术工具将联接到所述机器人机械手以围绕旋转轴线旋转以将植入物放置在患者的脊柱中。机器人控制器联接到所述机器人机械手以控制所述外科手术工具的移动以沿着期望轨迹设置所述旋转轴线，沿着所述期望轨迹维持所述旋转轴线，并且控制所述植入物在所述患者的所述脊柱中的安装，使得所述植入物被放置在期望位置处。所述机器人控制器被配置为引起所述外科手术工具的自主移动，以将所述植入物放置在所述患者的所述脊柱中，直到所述植入物处于所述期望位置的预定距离内为止，并且此后，所述机器人控制器被配置为控制对所述外科手术工具的手动操纵，直到所述植入物被放置在所述期望位置处为止。

在另一个实施方案中，提供了一种用于使用外科手术机器人系统将植入物放置在患者的脊柱中的方法，所述外科手术机器人系统包括：机器人机械手；以及外科手术工具，所述外科手术工具联接到所述机器人机械手以围绕旋转轴线旋转。所述方法包括控制所述外科手术工具的移动以沿着期望轨迹设置所述旋转轴线。所述方法还沿着所述期望轨迹维持所述旋转轴线，并且控制所述植入物在所述患者的所述脊柱中的安装，使得所述植入物被放置在期望位置处。控制所述植入物的安装包括引起所述外科手术工具的自主移动以将所述植入物放置在所述患者的所述脊柱中，直到所述植入物处于所述期望位置的预定距离内为止，并且此后，控制对所述外科手术工具的手动操纵，直到所述植入物被放置在所述期望位置处为止。

在另一个实施方案中，提供了一种外科手术机器人系统，所述外科手术机器人系统包括：机器人机械手；以及皮肤切开工具，所述皮肤切开工具将联接到所述机器人机械手以在患者的皮肤中产生切口。皮肤跟踪器将附接到所述患者的所述皮肤以跟踪所述患者的所述皮肤。机器人控制器联接到所述机器人机械手以控制所述皮肤切开工具相对于触觉对象的移动。所述触觉对象被定义为使得在所述患者的所述皮肤中的期望位置处形成所述切口。

在另一个实施方案中，提供了一种用于使用外科手术机器人系统在患者的皮肤中形成切口的方法，所述外科手术机器人系统包括：机器人机械手；皮肤切开工具，所述皮肤切开工具将联接到所述机器人机械手；以及皮肤跟踪器，所述皮肤跟踪器附接到所述患者的所述皮肤以跟踪所述患者的所述皮肤。所述方法包括用指针标识所述切口的期望位置，同时将所述皮肤跟踪器附接到所述患者。所述方法还包括用导航系统跟踪所述期望位置的移动并且控制所述皮肤切开工具相对于触觉对象的移动。所述触觉对象在目标坐标系中进行定义，使得在所述患者的所述皮肤中的所述期望位置处形成所述切口。

在另一个实施方案中，提供了一种外科手术机器人系统，所述外科手术机器人系统包括：机器人机械手；以及外科手术工具，所述外科手术工具将联接到所述机器人机械手以围绕旋转轴线旋转来在患者的脊柱中形成孔以接纳植入物。机器人控制器联接到所述机器人机械手以控制所述外科手术工具的移动以沿着期望轨迹设置所述旋转轴线，沿着所述期望轨迹维持所述旋转轴线，并且控制所述孔在所述患者的所述脊柱中的形成，使得所述植入物被放置在期望位置处。所述外科手术工具包括钻子，所述钻子用于为所述植入物产生导向孔；以及扩孔器，所述扩孔器被集成到所述钻子中并且被成形来为所述植入物的头部产生支座。

在另一个实施方案中，提供了一种用于产生孔以接纳植入物的外科手术工具。所述外科手术工具包括钻子以为所述植入物产生导向孔。所述钻子具有带有近端和远端的轴。扩孔器在所述轴上与所述远端在近侧隔开的位置处集成到所述钻子中。所述扩孔器被成形来为所述植入物的头部产生支座。

在另一个实施方案中，提供了一种用于用机器人机械手和外科手术工具在患者的脊柱中形成孔的方法，所述外科手术工具联接到所述机器人机械手以围绕旋转轴线旋转。所述方法包括控制所述外科手术工具的移动以沿着期望轨迹设置所述旋转轴线，沿着所述期望轨迹维持所述旋转轴线，并且控制孔在所述患者的所述脊柱中的形成，使得所述植入物被放置在期望位置处。形成于所述患者的所述脊柱中的所述孔包括用于所述植入物的导向孔以及用于所述植入物的头部的支座。所述导向孔和所述支座的至少一部分同时地形成。

在另一个实施方案中，提供了一种外科手术机器人系统，所述外科手术机器人系统包括：导航系统；机器人机械手；以及外科手术工具，所述外科手术工具将联接到所述机器人机械手以使螺钉围绕旋转轴线旋转，所述螺钉是自攻的并且具有已知的螺纹几何性质。所述导航系统被配置为跟踪目标部位的位置。机器人控制器联接到所述机器人机械手和所述导航系统，并且包括用于存储所述已知的螺纹几何性质的存储器。所述机器人控制器被配置为控制所述机器人机械手的移动，以基于所述目标部位的所述跟踪的位置而相对于所述目标部位沿着计划轨迹维持所述旋转轴线。所述机器人控制器还被配置为自主地控制所述外科手术工具以使所述螺钉以某一旋转速率围绕所述旋转轴线旋转并且以某一推进速率沿着所述计划轨迹线性地推进所述螺钉，其中所述旋转速率和所述推进速率与存储在所述存储器中的所述已知的螺纹几何性质成比例。

在另一个实施方案中，提供了一种用于使用外科手术机器人系统将螺钉放置在目标部位中的方法，所述外科手术机器人系统包括：导航系统；机器人机械手；以及外科手术工具，所述外科手术工具联接到所述机器人机械手以使所述螺钉围绕旋转轴线旋转。所述方法包括用所述外科手术工具保持所述螺钉，所述工具是自攻的并且具有已知的螺纹几何性质。所述方法包括将所述已知的螺纹几何性质存储在所述机器人控制器的存储器中。所述方法包括用所述导航系统跟踪所述目标部位的位置。所述方法包括控制所述外科手术工具的移动，以基于所述目标部位的所述跟踪的位置而相对于所述目标部位沿着计划轨迹维持所述旋转轴线。所述方法包括自主地控制所述外科手术工具的移动以使所述螺钉以某一旋转速率围绕所述旋转轴线旋转并且以某一推进速率沿着所述计划轨迹线性地推进所述螺钉，其中所述旋转速率和所述推进速率与存储在所述存储器中的所述已知的螺纹几何性质成比例。

在另一个实施方案中，提供了一种外科手术机器人系统，所述外科手术机器人系统包括机器人机械手，所述机器人机械手包括传感器。所述外科手术机器人系统包括外科手术工具，所述外科手术工具联接到所述机器人机械手并且被配置为保持螺钉并使所述螺钉围绕旋转轴线旋转，所述螺钉是自攻的并且具有已知的螺纹几何性质。所述外科手术机器人系统包括导航系统，所述导航系统被配置为跟踪目标部位的位置。所述外科手术机器人系统包括机器人控制器，所述机器人控制器联接到所述机器人机械手和所述导航系统，并且包括用于存储所述已知的螺纹几何性质的存储器。所述机器人控制器被配置为控制所述机器人机械手的移动，以基于所述目标部位的所述跟踪的位置而相对于所述目标部位将所述外科手术工具的所述旋转轴线维持在计划轨迹上。所述机器人控制器被配置为用所述传感器检测由用户施加的力。所述机器人控制器被配置为基于由所述用户施加的所述力而控制所述螺钉围绕所述旋转轴线的旋转速率或所述螺钉线性地沿着所述计划轨迹的推进速率中的一者，以将所述螺钉植入到所述目标部位中。所述机器人控制器被配置为自主地控制所述螺钉的所述推进速率或所述旋转速率中的另一者，使得所述推进速率和所述旋转速率与由所述用户施加的所述力以及存储在所述存储器中的所述已知的螺纹几何性质成比例。

在另一个实施方案中，提供了一种用于使用外科手术机器人系统将螺钉放置在目标部位中的方法。所述外科手术机器人系统包括：机器人机械手；导航系统；机器人控制器，所述机器人控制器与所述机器人机械手和所述导航系统通信。所述外科手术机器人系统包括外科手术工具，所述外科手术工具联接到所述机器人机械手以使所述螺钉围绕旋转轴线旋转。所述机器人机械手包括传感器。所述方法包括用所述外科手术工具保持所述螺钉，所述螺钉是自攻的并且具有已知的螺纹几何性质。所述方法包括将所述已知的螺纹几何性质存储在所述机器人控制器的存储器中。所述方法包括用所述导航系统跟踪所述目标部位的位置。所述方法包括控制所述外科手术工具的移动，以基于所述目标部位的所述跟踪的位置而相对于所述目标部位沿着计划轨迹维持所述旋转轴线。所述方法包括用所述传感器检测由用户施加的力。所述方法包括基于由所述用户施加的所述力而控制所述螺钉围绕所述旋转轴线的旋转速率或所述螺钉线性地沿着所述计划轨迹的推进速率中的一者，以将所述螺钉植入到所述目标部位中。所述方法包括自主地控制所述螺钉的所述推进速率或所述旋转速率中的另一者，使得所述推进速率和所述旋转速率与由所述用户施加的所述力以及存储在所述存储器中的所述已知的螺纹几何性质成比例。

附图说明

图1是机器人外科手术系统的透视图。

图2是与图1的系统一起使用的外科手术机器人臂的透视图。

图3是与成像装置结合地使用来执行脊柱手术的机器人外科手术系统的透视图。

图4是联接到外科手术工具的机器人臂的部分透视图，所述外科手术工具包括联接到钻子的壳体。

图5是联接到外科手术工具的机器人臂的部分透视图，所述外科手术工具联接到驱动器和螺钉。

图6是替代的外科手术工具的正视图。

图7是在椎弓根中钻出导向孔的图示。

图8是将椎弓根螺钉推入导向孔中的图示。

图9A和图9B是示出电流输出与深度关系的图示，这可用于验证钻孔和椎弓根螺钉插入是根据用户的计划。

图10A是附接到机器人臂的皮肤切开工具的图示。

图10B是附接到机器人臂的替代的皮肤切开工具的图示。

图11是附接到机器人臂的Jamshidi针的图示。

图12是在一个手术中实施来将植入物放置在期望位置处的样本步骤的流程图。

图13是在一个手术中实施来形成切口的样本步骤的流程图。

图14是将椎弓根螺钉推入导向孔中的图示。

图15是在一个手术中实施来将植入物放置在期望位置处的样本步骤的流程图。

具体实施方式

参考图1和图2，示出了外科手术机器人系统10，所述外科手术机器人系统10可用于各种外科手术，包括但不限于：脊柱手术，诸如将椎弓根螺钉、其他螺钉或其他类型的植入物放置在脊柱中的脊柱手术。机器人系统10包括导航系统12，所述导航系统12包括定位器14和跟踪装置16、一个或多个显示器18以及机器人机械手(例如，安装到基座22、工作台等等的机器人臂20)。机器人臂20包括可旋转地联接到基座22的基础连杆24，以及从基础连杆24连续地延伸到远端28的多个臂连杆26。臂连杆26围绕机器人臂20中的多个关节枢转/旋转。例如，大体以30示出了用于执行脊柱手术中的外科手术工具。外科手术工具30可枢转地连接到机器人臂20的远端28。

机器人控制器32被配置为在操纵外科手术工具30期间提供对机器人臂20的控制或对外科医生提供引导。在一个实施方案中，机器人控制器32被配置为控制机器人臂20(例如，通过控制其关节马达)以经由机器人臂20向用户提供触觉反馈。这种触觉反馈有助于约束或阻止外科医生手动地移动外科手术工具30超出与外科手术相关联的预定虚拟边界。这种触觉反馈系统和限定虚拟边界的相关联的触觉对象例如被描述于授予Quaid等人的2006年2月21日提交的名为“Haptic Guidance System And Method”的美国专利号8,010,180，和/或授予Otto等人的2012年12月21日提交的名为“Systems And Methods For HapticControl Of A Surgical Tool”的美国专利申请公布号2014/0180290中，所述专利中的每一者特此以引用的方式整体并入本文。在一个实施方案中，机器人系统10是由美国佛罗里达州的MAKO Surgical Corp.of Fort Lauderdale制造的RIO

在一些实施方案中，机器人臂20基于预定工具路径和/或其他预定移动而自主地行动来执行外科手术。此类移动可在外科手术期间和/或在手术之前定义。在另外的实施方案中，利用手动控制和自主控制的组合。例如，采用手动模式(其中用户将力施加到外科手术工具30以引起机器人臂20的移动)和半自主模式(其中用户保持悬吊台来控制机器人臂20以自主地遵循工具路径)两者的机器人系统被描述于授予Bowling等人的2015年6月4日提交且名为“Robotic System And Method For Transitioning Between OperatingModes”的美国专利号9,566,122中，所述专利特此以引用的方式整体并入本文。

导航系统12被设置为跟踪手术室中的各种对象相对于目标坐标系的移动。此类对象包括例如外科手术工具30、患者的目标解剖结构(例如，一个或多个脊椎)和/或其他对象。导航系统12跟踪这些对象以达到向外科医生显示所述对象在目标坐标系中的相对位置和取向的目的，并且在一些情况下达到相对于虚拟边界控制或约束外科手术工具30的移动的目的，所述虚拟边界与患者的解剖结构相关联并且相对于目标坐标系进行定义(例如，经由外科手术导航中众所周知的坐标系变换)。

外科手术导航系统12包括容纳导航控制器36的计算机推车组件34。导航控制器36和机器人控制器32共同形成机器人系统10的控制系统。导航接口与导航控制器36进行操作性通信。导航接口包括可调整地安装到计算机推车组件34的显示器18。诸如键盘和鼠标的输入装置可用于将信息输入到导航控制器36中或以其他方式选择/控制导航控制器36的某些方面。预期了其他输入装置，包括触摸屏(未示出)或语音激活。

定位器14与导航控制器36通信。在所示的实施方案中，定位器14是光学定位器并且包括相机单元(感测装置的一个实例)。相机单元具有容纳一个或多个光学位置传感器的外壳。在一些实施方案中，采用了至少两个光学传感器，有时是三个或更多个光学传感器。光学传感器可为单独的电荷耦合装置(CCD)。相机单元安装在可调整臂上以将光学传感器定位成具有对下文论述的跟踪装置16的在理想情况下没有障碍物的视野。在一些实施方案中，相机单元在至少一个自由度上可通过围绕旋转关节旋转来调整。在其他实施方案中，相机单元可围绕两个或更多个自由度调整。

定位器14包括与光学传感器通信的定位器控制器(未示出)以从光学传感器接收信号。定位器控制器通过有线或无线连接(未示出)与导航控制器36通信。一种这样的连接可为IEEE 1394接口，所述接口是用于高速通信和同步实时数据传送的串行总线接口标准。连接还可使用公司专用协议。在其他实施方案中，光学传感器直接与导航控制器36通信。

出于跟踪对象的目的，位置和取向信号和/或数据被传输到导航控制器36。计算机推车组件34、显示器18和定位器14可类似于授予Malackowski等人的2010年5月25日发布的名为“Surgery System”的美国专利号7,725,162(以引用的方式并入本文)中描述的那些。

机器人控制器32和导航控制器36可各自或共同包括：一个或多个个人计算机或膝上型计算机；适合于存储数据和计算机可读指令的存储器，诸如本地存储器、外部存储器、基于云的存储器、随机存取存储器(RAM)、非易失性RAM(NVRAM)、快闪存储器或任何其他合适形式的存储器。机器人控制器32和导航控制器36可各自或共同包括一个或多个处理器，诸如微处理器，所述一个或多个处理器用于处理指令，或用于处理存储在存储器中的算法以实施本文描述的功能。处理器可为任何类型的处理器、微处理器或多处理器系统。另外地或可选地，机器人控制器32和导航控制器36可各自或共同包括：一个或多个微控制器、现场可编程门阵列、片上系统、分立电路和/或能够实施本文描述的功能的其他合适的硬件、软件或固件。机器人控制器32和导航控制器36可由机器人机械手、计算机推车组件34支承，和/或可安装到任何其他合适的位置。机器人控制器32和/或导航控制器36加载有如下所述的软件。软件将从定位器14接收的信号转换为表示被跟踪的对象的位置和取向的数据。

参考图3，导航系统12包括多个跟踪装置16，在本文也被称为跟踪器。在所示的实施方案中，跟踪器16联接到患者的单独的脊椎。在一些情况下，跟踪器16经由骨骼螺钉、骨骼销等等牢固地附连到骨骼的区段。在其他情况下，可使用脊柱棘突或脊柱的其他部分上的夹具来附接跟踪器16。在另外的实施方案中，跟踪器16可安装到解剖结构的其他组织类型或部分。跟踪器16相对于它们所附接的解剖结构的位置可通过配准技术，诸如基于点的配准来确定，在所述基于点的配准中，使用数字化探针73(例如，其自身具有标记的导航指针)对骨骼上的骨骼标志进行勾勒，或触及骨骼上的若干个点以进行基于表面的配准。可采用常规的配准技术来使跟踪器16的姿态与患者的解剖结构，例如被治疗的脊椎V相关联。

其他类型的配准也是可能的，诸如使用具有机械夹具的跟踪器16，所述机械夹具附接到脊椎V的脊柱棘突并且具有触觉传感器(未示出)以确定夹具所附接的脊柱棘突的形状。然后可将脊柱棘突的形状匹配到脊柱棘突的3D模型以进行配准。触觉传感器与跟踪装置16上的三个或更多个标记之间的已知关系被预加载到导航控制器36中。基于这种已知的关系，可确定标记相对于患者的解剖结构的位置。

基础跟踪器16还联接到基座22以跟踪外科手术工具30的姿态。在其他实施方案中，单独的跟踪器16可固定到外科手术工具30，例如在制造期间集成到外科手术工具30中，或可在为外科手术做准备时单独地安装到外科手术工具30。在任何情况下，外科手术工具30的工作端借助于基础跟踪器16或其他跟踪器来跟踪。工作端可为外科手术工具30的附件的远端。此类附件可包括钻机、钻头、锯子、电消融装置、螺钉驱动器、丝锥、外科手术刀、Jamshidi针等等。

在所示的实施方案中，跟踪器16是无源跟踪器。在这个实施方案中，每个跟踪器16具有至少三个无源跟踪元件或标记M以将光从定位器14反射回到光学传感器。在其他实施方案中，跟踪器16是有源跟踪器，并且可具有将诸如红外光的光发射到光学传感器的发光二极管或LED。基于所接收的光学信号，导航控制器36使用常规的三角测量技术来产生指示跟踪器16相对于定位器14的相对位置和取向的数据。在一些情况下，可采用更多或更少的标记。例如，在被跟踪的对象可围绕某一条线旋转的情况下，可使用两个标记以通过测量标记围绕所述线在各个位置处的位置来确定线的取向。应了解，定位器14和跟踪器16尽管在上文被描述为利用光学跟踪技术，但是能够可选地或另外地利用其他跟踪模态来跟踪对象，诸如电磁跟踪、射频跟踪、惯性跟踪、其组合等等。

还可能期望跟踪患者的皮肤表面以确保外科手术工具30不会无意中接触或穿透在任何期望的切口边界之外的患者的皮肤。为此目的，可将皮肤附接型标记M，诸如具有粘附背衬的有源或无源标记附接到患者的皮肤以限定与患者的皮肤相关联的边界。此类标记M的阵列可设在外围环74(圆形、矩形等)中，使得外科手术在环74内部持续进行，而基本上不会干扰环74(即，环围绕切口和目标脊椎放置在患者的皮肤上)。一种合适的皮肤标记阵列是由德国的Stryker Leibinger GmbH&Co.KG,

在开始外科手术之前，附加数据被加载到导航控制器36中。基于跟踪器16的位置和取向以及先前加载的数据，导航控制器36确定外科手术工具30的工作端的位置以及外科手术工具30相对于施加工作端将抵靠的组织的取向。附加数据可包括校准数据，诸如使跟踪器16或其标记M的位置和/或取向与外科手术工具30的工作端相关的几何数据。这种校准数据也可在术前或术中确定，诸如通过对具有已知几何性质的跟踪器16使用校准探针或校准探叉(divot)以确定外科手术工具30的工作端例如相对于所述外科手术工具自身的跟踪器或基础跟踪器16的位置。附加数据可包括配准数据，诸如使跟踪器16与患者的解剖结构或其3D模型相关联的变换数据。在一些实施方案中，导航控制器36将这些数据转发到机器人控制器32。机器人控制器32之后可使用数据来控制机器人臂20，如美国专利号8,010,180或9,566,122中所描述，所述专利两者先前都以引用的方式并入了本文。

导航控制器36还产生指示外科手术工具30的工作端相对于目标组织的相对位置的图像信号。这些图像信号被应用于显示器18。基于这些信号，显示器18产生允许外科医生和工作人员查看外科手术工具30相对于外科手术部位的相对位置的图像。如上所述的显示器18可包括触摸屏或允许输入命令的其他输入/输出装置。

在所示的实施方案中，使用导航系统12，可通过以下方式来确定外科手术工具30的姿态：经由基础跟踪器16跟踪基座22的位置，并且基于来自机器人臂20的关节的关节编码器数据以及外科手术工具30与机器人臂20之间的已知的几何关系而计算外科手术工具30的姿态。最终，定位器14和跟踪装置16能够确定外科手术工具30和患者的解剖结构的姿态，因此导航系统12知晓外科手术工具30与患者的解剖结构之间的相对关系。一种这样的导航系统被示出于授予Wu的2013年9月24日提交的名为“Navigation System IncludingOptical And Non-Optical Sensors”的美国专利号9,008,757中，所述专利特此以引用的方式并入本文。

在操作中，对于某些外科手术任务，用户手动地操纵机器人臂20(例如，移动所述机器人臂或引起它的移动)以操纵外科手术工具30来对患者执行外科手术，诸如钻孔、切割、锯削、扩孔、植入物安装等等。在用户操纵外科手术工具30时，导航系统12跟踪外科手术工具30和/或机器人臂20的位置，并且向用户提供触觉反馈(例如，力反馈)以限制用户移动外科手术工具30(或引起所述外科手术工具的移动)超出配准(或映射)到患者的解剖结构的一个或多个预定虚拟边界的能力，这能带来高度准确且可重复的钻孔、切割、锯削、扩孔和/或植入物放置。

在一个实施方案中，机器人臂20以被动方式操作，并且在外科医生试图移动外科手术工具30超出虚拟边界时提供触觉反馈。触觉反馈由机器人臂20中的一个或多个致动器(例如，关节马达)产生并且经由诸如缆线驱动式传动的柔性传动而传递到用户。当机器人臂20不提供触觉反馈时，机器人臂20可由用户自由地移动。在其他实施方案中，类似于美国专利号9,566,122(先前以引用的方式并入了本文)中所示，机器人臂20由用户以类似的方式操纵，但是机器人臂20以主动方式操作。例如，用户将力施加到外科手术工具30，所述力由力/扭矩传感器测量，并且机器人臂30基于来自力/扭矩传感器的测量而模仿用户的期望的移动。对于其他外科手术任务，机器人臂20自主地操作。

转到图4和图5，外科手术工具30被示出为联接到机器人臂20的远端28。更具体地，联接件40设在外科手术工具30与机器人臂20的远端28之间以允许外科手术工具30相对于远端28围绕轴线A旋转。在图4中，外科手术工具30包括钻子42以为椎弓根螺钉、其他螺钉或其他类型的植入物钻出导向孔。钻子42被布置为围绕旋转轴线R旋转。在图5中，外科手术工具30包括驱动器44(例如，螺钉驱动器)，所述驱动器44沿着旋转轴线R布置以围绕旋转轴线R旋转来推入椎弓根螺钉PS或其他植入物。

外科手术工具30包括壳体45。驱动系统(例如，马达)位于壳体45中以驱动钻子42、驱动器44或其他附件。驱动系统可具有可变速度。手柄46从壳体45垂下，并且包括握持部以供用户抓握来在外科手术期间操纵外科手术工具30和/或机器人臂20。

壳体45还包括夹头47或其他类型的联接器以将钻子42、驱动器44或其他附件可释放地附接到驱动系统。在一些情况下，减速器48(参见图5)可以可释放地附接到夹头47以供某些附件使用。减速器48包括传动装置或齿轮布置，与直接连接到驱动系统相比较，所述传动装置或齿轮布置使附件的旋转速度减小。这可用于期望有较慢的旋转速度的情况中。还可存在触发器49以控制钻子42和/或驱动器44的速度，以发起机器人臂20的移动，以将旋转轴线R与期望轨迹对准等等。触发器49可向机器人控制器32(其可包括工具控制器)传达信号以控制机器人臂20和/或外科手术工具30。

在图6所示的另一个实施方案中，联接件40的一端支撑外科手术工具30以围绕轴线A旋转。联接件40的另一端支撑壳体45。壳体45可固定到联接件40，或可被支撑来在联接件40内围绕旋转轴线R旋转。换句话说，壳体45可能能够在联接件40内被动地旋转。然而，同时，联接件40限制壳体45沿着旋转轴线R相对于联接件40进行轴向移动，使得壳体45的定位可被精确地控制。跟踪器(未示出)可安装到壳体45以跟踪壳体45的位置和/或取向，并且由此跟踪旋转轴线R和/或附接到壳体45的附件的远端。旋转轴60可旋转地支撑在壳体45中。旋转轴60具有远侧接口/夹头62，所述远侧接口/夹头62联接到附件(例如，如所示的驱动器44)；以及近侧接口/夹头64，所述近侧接口/夹头64联接到电源，诸如扭矩源，例如马达、用于手动旋转的可旋转手柄等等。例如，驱动器44被示出为联接到远侧接口62/旋转轴60，并且具有内部马达的手持件66被示出为联接到近侧接口64，使得用户能够握持手持件66，触发马达的操作，并且使马达通过旋转轴60将扭矩传递到驱动器44并最终传递到椎弓根螺钉PS。借助于这种配置，用户能够在插入椎弓根螺钉PS时感受到直接扭矩反馈。

可采用术前成像和/或术中成像来使需要治疗的患者的解剖结构–诸如患者的脊柱可视化。外科医生相对于图像和/或相对于根据图像创建的3D模型计划在何处放置椎弓根螺钉PS。计划包括例如通过在图像和/或3D模型中标识期望姿态来确定每个椎弓根螺钉PS相对于它们将放置于其中的特定脊椎V的姿态。这可包括相对于患者的解剖结构的3D模型创建椎弓根螺钉PS的单独的3D模型，或定位所述椎弓根螺钉PS。一旦计划被制定好，所述计划就会被传送到机器人系统10以供执行。

机器人系统10可与成像装置50(例如，如图3所示的C形臂)配合地使用以对患者的解剖结构拍摄术中图像，作为对任何术前图像，例如在外科手术之前拍摄的X射线、CT扫描、或MRI图像的补充或替代。来自成像装置50的术中图像可帮助确定钻子42或驱动器44相对于被放置在患者的脊柱中的椎弓根螺钉PS的期望取向的实际位置。可在每个脊椎V上采用单独的跟踪装置16，以在将椎弓根螺钉PS或其他植入物放置到脊椎V中时单独地跟踪每个脊椎V，以及钻子42和/或驱动器44相对于单独的脊椎V的对应姿态。

机器人系统10评估椎弓根螺钉PS的期望姿态并且创建虚拟边界(例如，触觉对象)、预定工具路径和/或其他自主移动指令，它们对应于椎弓根螺钉PS的期望姿态以控制机器人臂20的移动，使得外科手术工具30的钻子42和驱动器44以最终根据用户的计划放置椎弓根螺钉PS的方式加以控制。这可包括例如在外科手术期间确保外科手术工具30的轨迹与椎弓根螺钉PS的期望姿态对准，例如将旋转轴线R与椎弓根螺钉PS的期望姿态对准。

在其他实施方案中，用户可在术中计划期望轨迹和/或螺钉放置。例如，用户可相对于目标解剖结构，例如脊椎V将钻子42定位在期望的进入点处，并且对钻子42进行定向，直到显示器18显示旋转轴线R的轨迹处于期望取向为止。一旦用户对轨迹感到满意，用户就可向控制系统提供输入(例如，触摸屏、按钮、脚踏板等)以将此轨迹设定为将在手术期间维持的期望轨迹。为了约束外科手术工具30的移动以维持旋转轴线R沿着期望轨迹停留而创建的触觉对象可为诸如图4所示的线触觉对象LH。线触觉对象LH可具有如下文进一步所描述的起始点SP，限定钻子42、椎弓根螺钉PS等的期望深度的目标点TP，以及出口点EP。也预期了其他触觉对象形状、尺寸等。

参考图7和图8，示出了脊椎V中的一者。在诸如脊柱融合外科手术的外科手术期间，外科医生可穿过椎弓根区域将一个或多个椎弓根螺钉PS插入到脊椎V的脊椎体100中。在插入椎弓根螺钉PS之前，外科医生可采用钻子42来在脊椎体100中切割导向孔102。在替代实施方案中，诸如在采用自钻自攻式骨骼螺钉的情况下，可排除导向孔。例如，参见授予Stefan Auth的2009年12月29日发布的名为“Self-drilling bone screw”的美国专利号7,637,929中的教导，所述专利特此以引用的方式整体并入本文。

在一个实施方案中，在开始钻孔之前，机器人系统10控制外科手术工具30的移动，以通过自主地将外科手术工具30的旋转轴线R与期望轨迹对准(这与导向孔102的期望取向相一致)来沿着期望轨迹设置旋转轴线R。在这种情况下，机器人臂20可沿着期望轨迹自主地定位钻子42，但是在脊椎体100上方留出间隔(如图4所示)，使得钻子42尚未接触脊椎体100。这种自主定位可通过由用户扣动外科手术工具30上的触发器，或另外向控制系统提供输入以启动移动来发起。在一些情况下，外科手术工具30的工具中心点(TCP)首先会被带入提供期望轨迹的线触觉对象LH的起始点SP的预定距离内(诸如在预定起始球体内)。一旦TCP(例如，钻头质心、钻尖中心等)处于起始点SP的预定距离内，则扣动触发器(或可选地踩压脚踏板，或致动某一其他输入端)就会使机器人臂20自主地将外科手术工具30对准并定位在期望轨迹上。例如，参见授予Otto等人的2012年12月21日提交的名为“Systems AndMethods For Haptic Control Of A Surgical Tool”的美国专利申请公布号2014/0180290中的教导，所述专利申请特此以引用的方式整体并入本文。机器人臂20可被编程为基于术前计划而将外科手术工具30移动到与患者相距某一距离处，或可将TCP移动到轨迹上的最近点。一旦外科手术工具30处于期望姿态，机器人系统10就可有效地通过以下方式来将外科手术工具30的旋转轴线R保持在期望轨迹上：跟踪患者的移动，并且根据需要自主地调整机器人臂20以将旋转轴线R保持在期望轨迹上，即与线触觉对象LH对准。

在机器人系统10将外科手术工具30保持在期望轨迹上时，用户之后可手动地操纵外科手术工具30来沿着线触觉对象LH朝向脊椎体100移动钻子42(或引起所述钻子的移动)以钻出导向孔102。在一些情况下，诸如在使用被动式机器人臂20时，机器人系统10通过以下方式来约束用户对外科手术工具30的移动以沿着期望轨迹停留：如果用户试图以偏离线触觉对象LH和期望轨迹的方式移动外科手术工具30就向用户提供触觉反馈。如果用户期望将机器人臂20返回到自由模式，则在外科手术工具30的不受约束的移动中，用户可沿着线触觉对象LH往回将外科手术工具30拉离患者，直到到达出口点EP为止。

用户之后将导向孔102钻到期望深度。钻孔速度可由用户经由触发器控制，或可自动地基于钻子42相对于患者的解剖结构的具体位置而控制。例如，钻子42的旋转速度可在最初钻入脊椎体V中期间被设定为高旋转速度，但是在进一步钻入脊椎体V中期间可能会减缓，并且在最终钻到最终深度期间被设定为甚至更慢的旋转速度。控制系统还可在线触觉引导期间经由与机器人控制器32通信的一个或多个传感器S(例如，一个或多个力传感器、力/扭矩传感器、扭矩传感器、压力传感器、光学传感器等等)而监测接触/接触力。如果没有检测到明显的接触/接触力，这表明外科手术工具30正穿过软组织，则控制系统避免激活外科手术工具30的马达或其他电源(例如，RF能量、超声马达等)。在检测到骨骼接触(例如，光学地，感测到的力高于预定阈值等)时，控制系统可激活马达或其他电源。用户也可能会被动地感受到接触/接触力，并且触发开关来激活电源。

用于约束用户沿着期望轨迹移动的虚拟边界(例如，触觉对象)同样可经由触觉反馈来指示用户何时达到导向孔102的期望深度，例如到达目标点TP。也可使用单独的虚拟边界来设定期望深度。在其他情况下，机器人系统10可自主地将导向孔102钻到期望深度。在其他情况下，机器人系统10最初可自主地钻孔，但是之后可手动地完成最终的钻孔，反之亦然。一旦产生了导向孔102，就可使用驱动器44来放置椎弓根螺钉PS。在一些实施方案中，导向孔102可能是不必要的，并且椎弓根螺钉PS可通过由机器人系统10放置的导丝放置或在没有任何引导的情况下进行放置。诸如在采用自钻自攻式骨骼螺钉的情况下，导向孔可能是不必要的。例如，参见授予Stefan Auth的2009年12月29日发布的名为“Self-drillingbone screw”的美国专利号7,637,929中的教导，所述专利特此以引用的方式整体并入本文。

使用导航系统12来连续地单独跟踪每个脊椎V并跟踪钻子42的移动的一个优点是椎弓根螺钉PS可插入非常接近于骨髓103之处，并且因此，椎弓根螺钉PS以及其对应的导向孔102的放置必须精确地对准，以便避免与骨髓103相互作用或损坏所述脊髓。如果外科医生以不当的角度钻出导向孔102和/或将所述导向孔钻得过深，则椎弓根螺钉PS或用于钻出导向孔102的钻子42可能会损坏骨髓103。因此，通过使用导航系统12来跟踪钻子42和/或驱动器44相对于患者的解剖结构，以及具体地如在术前图像和/或术中图像中所勾勒的解剖结构的姿态，可避开骨髓103。

一旦完成钻孔，具体地参考图7，就将钻子42从脊椎体100移除，经由夹头47将钻子42与驱动系统断开连接，并且将驱动器44联接到驱动系统(具有或不具有减速器48)。将椎弓根螺钉PS附接到驱动器44的远端以放置在导向孔102中的一者中。可使用原始的线触觉对象来推动椎弓根螺钉PS，或可在附接驱动器44和/或椎弓根螺钉PS之后创建具有新的起始点、目标点和出口点的新的线触觉对象。在这种情况下，钻子42和/或驱动器44可具有RFID标签或其他标识装置，使得机器人控制器32能够识别哪个附件连接到壳体45。壳体45可具有与机器人控制器32通信的对应的RFID读取器等，以读取标签并且确定附接了哪个附件。基于此信息，控制器之后可创建、访问或以其他方式确定新的线触觉对象。类似地，椎弓根螺钉PS也可配备有RFID标签，并且驱动器44可具有类似的读取器，使得机器人控制器32也可确定附接了哪种尺寸/类型的椎弓根螺钉PS。因此，线触觉对象可以是基于驱动器44和/或椎弓根螺钉PS，使得机器人臂20被精确地控制来将所述特定的椎弓根螺钉PS放置到期望位置，例如相对于患者的解剖结构的期望的取向和深度。

另外地，在经由RFID标签或诸如视觉相机的其他检测装置自动检测附件的情况下，控制系统能够将与机器人系统10一起利用的任何外科手术软件推进到与驱动器44相关联的下一个屏幕，所述屏幕可具有不同的提示、指令等以指示用户现已连接好驱动器44。可使用语音辨别、姿势感测或其他输入装置来推进软件和/或改变到待治疗的下一个脊椎100和/或改变脊椎体100的正实施操作的一侧。这也可以是基于外科手术工具30的位置。例如，如果所附接的附件的TCP由用户手动地放置成相较于特定脊椎V的一侧更靠近另一侧，则软件可自动地推进为对应于脊椎V的那一侧。可经由显示器18或通过音频输入/输出视觉地确认所选择的脊椎V和操作侧。

再次，以与控制钻子42几乎相同的方式，在机器人系统10将外科手术工具30保持在期望轨迹上时，用户之后可手动地操纵外科手术工具30来沿着线触觉对象LH朝向脊椎体100移动驱动器44和椎弓根螺钉PS(或引起它们的移动)以将椎弓根螺钉PS插入导向孔102中。在一些情况下，诸如在使用被动式机器人臂20时，机器人系统10通过约束用户对外科手术工具30的移动来控制外科手术工具30的移动，使得外科手术工具30与期望轨迹保持对准并且沿着所述期望轨迹停留。这可通过以下方式来完成：如果用户试图以偏离期望轨迹的方式移动外科手术工具30就向用户提供触觉反馈–因此，机器人臂20仍然能够控制植入物在患者的脊柱中的安装，使得植入物被放置在期望位置处。用户之后将椎弓根螺钉PS推入导向孔102中直至期望位置，例如直至期望取向上的期望深度。推动速度可由用户经由触发器控制，或可自动地基于驱动器44和/或椎弓根螺钉PS相对于患者的解剖结构的具体位置而控制。例如，驱动器44的旋转速度可在最初安装到脊椎体V中期间被设定为高旋转速度，但是在进一步安装到脊椎体V中期间可能会减缓，并且在最终植入到最终深度期间被设定为甚至更慢的旋转速度。

用于约束用户沿着期望轨迹移动的虚拟边界(例如，线触觉对象)同样可经由触觉反馈来指示用户何时达到椎弓根螺钉PS的期望深度。也可使用单独的虚拟边界来设定期望深度。在其他情况下，机器人系统10可自主地将椎弓根螺钉PS插入到期望深度。在其他情况下，机器人系统10最初可自主地将椎弓根螺钉PS推到初始深度，但是之后可手动地完成到达最终深度的最终植入，反之亦然。在一个实例中，自主地放置椎弓根螺钉PS，直到处于最终深度的预定距离内(如由导航系统12所确定)。此时，用户手动地用外科手术工具30完成植入椎弓根螺钉PS，使得用户能够感受到椎弓根螺钉30的上紧，或使用单独的工具(带动力或手动)来完成对椎弓根螺钉PS的放置。可由控制系统经由显示器18向用户指示在椎弓根螺钉PS达到全部深度之前还剩多少圈，和/或显示器18可图形地表示椎弓根螺钉PS、解剖结构和/或目标点，使得用户能够容易地看到需要将椎弓根螺钉PS进一步推动多远。

在一些手术中，可能会在钻出导向孔与推动植入物之间，诸如在首先钻出所有导向孔，然后将所有椎弓根螺钉PS推入其期望位置中时将旋转轴线R移离期望轨迹。在这种情况下，在放置椎弓根螺钉PS中的每一者之前，机器人系统10可首先控制外科手术工具30的移动，以通过自主地以先前描述的方式将外科手术工具30的旋转轴线R与椎弓根螺钉PS中的每一者的期望轨迹对准来沿着期望轨迹设置旋转轴线R。

在一个替代方案中，在机器人系统10的协助下插入椎弓根螺钉PS，其中机器人控制器32控制插入，使得围绕旋转轴线R的旋转速度和沿着计划轨迹的推进速率与椎弓根螺钉的螺纹几何性质成比例。例如，螺纹几何性质可包括以下项中的任一者或多者：椎弓根螺钉PS长度、螺纹直径、螺纹深度、头部尺寸以及螺距P。图14示出了椎弓根螺钉PS的与目标部位(在这种情况下被示出为脊椎V)相邻的起始位置，其中计划轨迹由线性触觉对象LH表示。如果没有正确地插入椎弓根螺钉，则椎弓根螺钉PS与脊椎体100之间的螺纹接口有损坏骨骼、螺钉PS、驱动器44或外科手术工具30的风险。骨骼可能是最脆弱的物质，并且因此如果没有正确地插入螺钉则最可能受到损坏。例如，当椎弓根螺钉PS在没有围绕旋转轴线R充分旋转的情况下沿着轨迹LH线性地推进时可能会发生不当的插入。这可能会导致骨骼物质在与螺纹相邻之处被剪切掉并且被迫向下进入骨骼中。在另一个实例中，例如，当椎弓根螺钉PS在没有沿着轨迹LH充分推进的情况下围绕旋转轴线R旋转时可能会发生不当的插入，从而导致骨骼物质实际上在钻出孔的过程中在与螺纹相邻之处被剪切掉并且被迫沿着螺纹返回。在任一个实例中，不当的插入的结果是减小了骨骼物质将椎弓根螺钉PS紧固在骨骼中的强度和程度。

图14示出了在与脊椎体100相邻的起始点Do处的椎弓根螺钉PS，以使用位置控制插入来解决这个潜在的风险。为了插入螺钉而进行的位置控制确保在整个操作中维持适当的深度位置和角度或旋转位置。如以上的实施方案所示，可对脊椎体100准备导向孔，或操作可采用自钻和自攻式螺钉，使得不需要导向孔。椎弓根螺钉PS的起始点Do与脊椎体100相邻，也就是说，在螺钉的任何部分穿入脊椎体100中之前的位置。在一个替代方案中，起始点Do可与脊椎体100隔开某一距离作为安全裕度以确保整个操作中的适当的位置控制。插入深度D沿着轨迹LH推进到作为计划深度的最终深度Df以完成椎弓根螺钉100在脊椎体100中的安装。

机器人控制器32被配置为控制椎弓根螺钉PS的插入，使得旋转速度和沿着轨迹LH的推进速率与椎弓根螺钉PS的螺距P成比例。椎弓根螺钉PS具有已知的几何性质并且虚拟地呈现在导航系统12内。螺距P被定义为每单位长度的螺纹数量。在具体实例中，图14所示的椎弓根螺钉可具有每英寸12个螺纹的螺距。其他示例性椎弓根螺钉PS可具有每英寸8个、10个、14个、16个或其他数量的螺纹。有了机器人臂20与椎弓根螺钉PS之间的定义的关系，以及存储在机器人系统10的存储器中的椎弓根螺钉PS的已知的几何性质，机器人控制器32被配置为确保适当的旋转速度和推进速度以插入具有特定螺距的椎弓根螺钉。

椎弓根螺钉PS的螺纹几何性质可在术前或术中存储在机器人系统10的存储器中。在一个实例中，作为外科手术计划的一部分选择椎弓根螺钉PS，并且将椎弓根螺钉PS的对应的螺纹几何性质与椎弓根螺钉PS相关联并输入到计划中。一旦为术中外科手术加载了计划，机器人系统10就将知晓存储在存储器中以供即时访问的螺纹几何性质。在另一个实例中，操作者可手动地选择不同的椎弓根螺钉PS，或可使用与机器人系统10的操作相关的GUI来手动地输入螺纹几何性质。所输入的螺纹几何性质可从存储在存储器中的数据库获得，或可来源于操作者，所述操作者从与所选择的椎弓根螺钉PS相关联的离线规范获得这种信息。在这些实例中的任一者中，螺纹几何性质可在操作者使用GUI输入之后存储在存储器中，使得机器人系统10随后可用所输入的螺纹几何性质实施本文描述的控制技术。在又一个实例中，可利用直接或无线地连接到机器人系统10的测量工具来扫描或测量任何预期的椎弓根螺钉PS，以提取螺纹几何性质并且将所测量的螺纹几何性质传输到机器人系统10存储器。

椎弓根螺钉螺距、角度或旋转位置与插入深度或沿着轨迹的推进之间的关系取决于等式θ＝D*(螺距/2π)，其中θ是角度位置，D是以单位长度计的插入深度，螺距是椎弓根螺钉PS的每单位长度的螺纹数。机器人控制器32使用此关系来控制椎弓根螺钉的安装。例如，相对于时间求一阶导数，角度位置的变化率或旋转速度δθ/δt等于插入深度的变化率或推进速率δD/δt乘以螺距除以2π。这可被表述为：

如上所述，机器人臂可以主动方式操作，其中用户将力施加到外科手术工具，所述力由力/扭矩传感器测量。机器人臂基于来自力/扭矩传感器的测量而模仿用户的期望的移动。机器人控制器32可被配置为命令机器人臂20的在所施加的力的方向上并与所施加的力的大小成比例的移位。机器人控制器32还被配置为相对于螺距维持椎弓根螺钉PS的旋转速度与推进速率之间的比例关系。

在一个替代方案中，如图15所示，提供了一种放置植入物的方法。图15示出了可在外科手术中实施来将植入物放置在期望位置，诸如将螺钉放置到骨骼中的样本步骤的流程图。在步骤400中，首先使解剖结构准备好接纳植入物。这种准备可包括若干步骤，诸如：(1)在患者体内形成切口(另外参见图13)；(2)用牵开器牵开组织；(3)在解剖结构中钻出导向孔；(4)将螺纹攻钻到解剖结构中等等。并非在所有操作中都需要执行所有准备步骤。例如，在采用自钻自攻式螺钉的情况下，钻出导向孔或攻钻螺纹的单独的准备步骤是不必要的。

如果根据外科手术计划，如图14所示，旋转轴线R尚未与计划轨迹LH对准，或如果旋转轴线R出于其他原因已移离期望轨迹，则在步骤402中对准旋转轴线R。具体地，在步骤402中，机器人系统10控制外科手术工具30的移动，以沿着期望轨迹设置旋转轴线R。这可包括由机器人系统10引起外科手术工具30的自主移动，以沿着期望轨迹设置旋转轴线R。可选地，机器人系统10可使得用户能够通过以手动模式施加力/扭矩来移动外科手术工具30，直到旋转轴线R沿着计划轨迹LH设置为止。机器人系统10可向用户产生反馈(视觉、听觉和/或触觉)以指示适当的对准。在一些实例中，在工具的位置接近计划轨迹LH，相隔由引入注意的触觉装置限定的阈值距离时，可利用引人注意的触觉装置来将工具30朝向计划轨迹LH拉动。

一旦旋转轴线R已被设置在期望轨迹上，机器人系统10就操作来在步骤404中沿着期望轨迹维持旋转轴线R。这可包括约束外科手术工具30的移动(无论是自主的还是手动的)，使得外科手术工具30在整个操作期间保持与期望轨迹对准，直到植入物已被放置在期望位置处为止。

在步骤406至410中进行植入物在患者的脊椎V中的安装，使得植入物被放置在期望位置处。在步骤406和408中，机器人系统10引起外科手术工具30的自主移动，以同时控制工具线性地沿着计划轨迹的自主推进，同时还控制外科手术工具围绕旋转轴线R的自主旋转。对推进和旋转的自主控制与由上文描述的等式Eq.1定义的螺距相关。取决于螺距的自主控制确保了椎弓根螺钉的适当安装以避免对周围骨骼组织造成损坏。

自主控制通过完成步骤410来继续进行，其中机器人系统10将植入物放置在期望位置处，也就是说，放置在根据外科手术计划的最终插入深度处。

在多个替代方案中可由用户命令步骤400至410。在第一实例中，机器人系统10可被配置为完全自主地执行。也就是说，一旦用户已命令机器人系统10来执行操作，机器人系统10就在没有进一步的用户输入的情况下执行操作，直到完成操作为止。在替代实施方案中，用户可发起对操作的自主执行，然后诸如通过按压并保持按钮，通过按压并保持脚踏开关，或其他连续输入控制来提供连续输入，使得如果输入停止，例如按钮或脚踏开关被释放，机器人系统10就暂停执行操作。与自主控制相配合，用户可调节操作执行的速度。除了按钮或脚踏开关之外，可提供附加控制件，使得用户可以步进方式用多个离散的速度来命令机器人速度的增大或减小。附加速度控制件可包括一组按钮、选择器、拨盘或其他合适的控制件。

在另外的实施方案中，所述方法包括以主动方式使用机器人系统10，其中用户将力施加到外科手术工具，所述力由力/扭矩传感器测量。机器人系统基于来自力/扭矩传感器的测量而模仿进行机器人臂的用户的期望的移动。在这个实施方案中，用户可将机器人系统切换到自主模式中，并且命令执行用于插入植入物的自主控制操作。机器人系统10从力/扭矩传感器接收指示由用户施加的输入的信号，并且以与输入的力的大小成比例的速度执行自主控制。机器人系统10还可被配置为在用户将其手从控制件移开或另外无法向力/扭矩传感器输入任何力的情况下暂停执行操作。

在另外的实施方案中，所述方法包括使用机器人系统10，所述机器人系统10包括图4至图6所示的外科手术工具30，并且具有触发器49，所述触发器49可向机器人控制器32传达指示用户的输入的信号。机器人系统10可被配置为以某一模式操作，使得用户在安装植入物期间根据压下触发器49的量来控制围绕旋转轴线R的旋转速度或沿着轨迹的推进中的任一者。在步骤406至410中，用户通过例如不定地压下触发器49来提供输入以控制旋转速度或推进速率。机器人系统通过控制推进速率或旋转速度中的另一者来对输入进行响应，以根据上文描述的等式Eq.1中定义的关系来维持植入物的安装的与螺距成比例的两个方面。

在步骤410之后，在植入物放置在期望位置处的情况下，在步骤412处，将所述工具从植入物抽回。与将植入物推进到骨骼中一样，用户可在远离脊椎V的方向上将力输入外科手术工具处，以命令抽回外科手术工具。可选地，一旦植入物被放置好，机器人系统10就可自主地抽回外科手术工具，而不用来自用户的进一步的输入。可重新执行如步骤400至412处所描述的过程以放置附加植入物，并且继续下去，直到所有植入物都根据外科手术计划放置好为止。

可用外科手术工具30实施部分椎骨关节面切除术以提供光滑的骨骼表面以最终接纳椎弓根螺钉PS的头部。切除体积可基于用户的计划，即通过确定3D模型中头部的位置来定义。对应于头部形状的钻头或预成形扩孔器70可用于移除物质。在一些情况下，钻子42可如图7中的隐藏线所示将扩孔器并入其中，以避免分开的工具，使得钻子42具有较小轮廓的钻杆以产生导向孔，并且更靠近侧定位的是扩孔器70以为椎弓根螺钉PS的头部产生支座72–因此，导向孔102和支座72的至少一部分可同时地形成。在所示的实施方案中，钻子42具有带有近端和远端的钻杆，以及在远端处的钻尖。扩孔器70与钻尖在近侧隔开，使得一旦钻子42已插入到目标脊椎体中的期望深度，扩孔器70就位于钻面附近。可采用任何合适的钻子和/或扩孔器切割特征来形成孔，例如在患者的脊柱中形成导向孔和支座来接纳植入物。

机器人控制器32可用于通过测量与驱动器44对椎弓根螺钉PS的驱动相关联的扭矩来控制椎弓根螺钉PS的插入。更具体地，椎弓根螺钉PS在脊椎体100中放置得越深，则将椎弓根螺钉PS插入到脊椎体100中所需的扭矩就越大，并且一旦到达导向孔102的端部就会进一步增加。因此，外科手术工具30中马达的扭矩输出可指示椎弓根螺钉PS是否已到达期望深度和/或导向孔102的端部。机器人控制器32监测该扭矩(例如，经由扭矩传感器，诸如通过监测马达的电流消耗等等)并且相应地控制驱动器44的旋转。例如，一旦达到阈值扭矩，就可停止驱动器44。

参考图9A和图9B，控制系统还可能能够使用扭矩输出，例如电流或其他测量的力参数来验证钻子42或椎弓根螺钉PS在插入期间的位置。这在以下情况下可能是特别有用的：跟踪装置16无意中相对于脊椎100移动，这原本可能无法被检测并且会导致钻孔或螺钉推动时发生错误。例如，对脊椎100拍摄的术前和/或术中图像可用于产生脊椎100的骨骼矿物质密度(BMD)的体积图。针对机器人外科手术产生并利用此类BMD图被示出和描述于授予Moctezuma de la Barrera等人的2016年6月28日提交的名为“Robotic Systems AndMethods For Controlling A Tool Removing Material From A Workpiece”的美国专利申请公布号2017/0000572中，所述专利申请特此以引用的方式并入本文。在钻孔或螺钉推动期间，控制系统可评估BMD图，以根据3D模型和用户的计划预测钻子42/椎弓根螺钉PS与骨骼的接触点(即，如果钻子/椎弓根螺钉PS遵循计划则为当前接触点)处的BMD。控制系统之后可预测外科手术工具30的电流或扭矩，或者相互作用力(例如，使用力/扭矩传感器)的对应的值，并且将其值与所测量的实际值进行比较以确定是否出现高于阈值的差异。如果出现了差异，则可使用所述差异来停止手术或更新计划。图9B示出了椎弓根螺钉PS的插入电流、扭矩和力的分布。实际上，在螺钉推动期间，机器人系统10可监测螺钉的插入电流、扭矩和力的分布以指示椎弓根螺钉遵循了计划轨迹。插入扭矩的分布还可用于指示骨骼的骨质疏松度。

也可将超声换能器(未示出)安装在患者的皮肤的背侧上以产生患者的解剖结构和外科手术的进展的实时图像。术中图像可用于确定椎弓根螺钉PS遵循了计划的期望轨迹，或者确定钻子42或椎弓根螺钉PS是否靠近包括神经和内侧或外侧皮质边界的任何关键结构。

参考图10A，外科手术工具30的附件中的一者可包括皮肤切开工具80，诸如手术刀、外科手术用电刀、具有锋利的尖端的其他工具等等。皮肤切开工具80可以非常类似于钻子42和/或驱动器44的方式安装，或可为单独的端部执行器的一部分并且连接到附接到联接件40的挂架81，并且可以与先前描述类似的方式在触觉引导下形成皮肤切口I，即，在产生切口I时可使用虚拟边界(例如，触觉对象)来约束用户相对于患者的皮肤中的期望切口的移动。在一个实例中，数字化探针73可用于触及期望切口位置并且创建相关联的边界/触觉对象。在另一个实例中，可基于环74的姿态，通过数字化，和/或通过术前方法来确定3D皮肤模型，并且椎弓根螺钉放置的期望计划可由控制系统使用来基于皮肤模型而确定切口I位置。

参考图10B，类似于数字化探针73的其他类型的指针也可用于标识切口的期望位置，诸如可安装到皮肤切开工具80、端部执行器或其他部件的激光指针LP以将可见光LT投射到患者的皮肤上以指示切口的位置。这种激光指针可通过以下方式来使用：首先将皮肤切开工具80的旋转轴线R与期望轨迹对准，并且此后激活激光指针LP以沿着期望轨迹投射光。图10B中示出了皮肤切开工具80的替代形式，所述替代形式通过由机器人臂保持在适当的位置的工具引导件TG来放置。由于经由皮肤跟踪器(例如，环74)完成了对患者的皮肤的跟踪，因此导航系统12也能够基于皮肤模型(例如，表面模型、点云等)以及期望轨迹与皮肤模型的交集而大致确定切口I的期望位置，使得用户能够借助于触觉反馈在患者的皮肤中在期望位置处切割期望切口。

可以各种方式定义触觉对象来建立触觉反馈，以引导切口的形成(参见例如，图10A所示的V形触觉对象VH)。可基于皮肤切开工具的宽度、皮肤切口的期望长度和/或切口的期望深度而定义触觉对象。期望切口深度也可由用户控制在最大切口深度内，所述最大切口深度可通过被编程为触觉对象的一部分的最大切口深度或机械止挡件来确定，所述机械止挡件可用于防止皮肤切开工具80通过端部执行器的工具引导件TG中的引导开口(未示出)滑动到预定点之外。

参考图11，外科手术工具30的附件中的一者可包括线插入工具90，诸如Jamshidi针、具有管心针的另一种进入套管等等。线插入工具90可以非常类似于皮肤切开工具80的方式安装，或可为单独的端部执行器的一部分并且固定地连接到附接到联接件40的挂架91。如果在线插入工具90与挂架91之间不允许相对运动，即它们彼此固定，则线插入工具90可用线触觉对象LH引导来进入皮肤切口I，并且到达骨骼(例如，脊椎)上的目标点TP。如果诸如在挂架91包括具有开口93的工具引导件TG时，允许线插入工具90与挂架91之间的相对轴向滑动运动，则工具引导件TG可定位在期望取向上并且线插入工具90可沿着开口93插入工具引导件TG中。取决于到目标点TP的相对距离、线插入工具90的长度以及工具引导件位置，线插入工具90可经由线触觉对象LH以与先前针对钻子42和/或驱动器44所描述相同的方式进行引导。

图12示出了可在外科手术中实施来将植入物放置在期望位置，诸如将螺钉放置到骨骼中的样本步骤的流程图。在步骤200中，首先使解剖结构准备好接纳植入物。这种准备可包括若干步骤，诸如：(1)在患者体内形成切口(另外参见图13)；(2)用组织牵开器牵开组织；(3)将套管放置在牵开的组织中；(4)在解剖结构中钻出导向孔；(5)将螺纹攻钻到解剖结构中等等。

如果旋转轴线R尚未与期望轨迹对准，或如果旋转轴线R出于其他原因已移离期望轨迹，则在步骤202中对准旋转轴线R。具体地，在步骤202中，机器人系统10控制外科手术工具30的移动，以沿着期望轨迹设置旋转轴线R。这可包括由机器人系统10引起外科手术工具30的自主移动，以沿着期望轨迹设置旋转轴线R。

一旦旋转轴线R已被设置在期望轨迹上，机器人系统10就操作来在步骤204中沿着期望轨迹维持旋转轴线R。这可包括通过约束外科手术工具30的移动来控制对外科手术工具30的手动操纵，使得外科手术工具30与期望轨迹保持对准，同时用户手动地将外科手术工具30朝向脊柱移动，或手动地引起所述外科手术工具朝向脊柱的移动。

在步骤206和208中进行植入物在患者的脊柱中的安装，使得植入物被放置在期望位置处。在步骤206中，机器人系统10引起外科手术工具30的自主移动以将植入物放置在患者的脊柱中，直到植入物处于期望位置的预定距离内。此后，在步骤208中，用户手动地操纵外科手术工具30并且机器人系统10控制对外科手术工具30的这种手动操纵，直到植入物被放置在期望位置处为止。机器人系统10可例如通过经由机器人控制器32向用户产生触觉反馈，以指示植入物已到达期望位置来控制这种手动操纵。一旦植入物被放置在期望位置处，就在步骤210中将外科手术工具30从解剖结构抽离，并且继续进行手术直到放置好所有植入物为止。

图13示出了实施来在患者的皮肤中形成切口I的样本步骤的流程图。在步骤300中，首先用指针标识切口的期望位置，同时将皮肤跟踪器(例如，环74)附接到患者。在一个实例中，指针包括数字化探针73，所述数字化探针73可用于触及期望切口位置以标识切口I的期望位置并且创建相关联的边界/触觉对象。在另一个实例中，激光指针LP可用于标识切口的期望位置。

在步骤302中，一旦标识出切口I的期望位置，就可用导航系统12以先前描述的方式跟踪皮肤(以及皮肤上关于切口I的期望位置)。

由于皮肤和切口I的期望位置被跟踪，因此机器人系统10可在步骤304中控制皮肤切开工具80相对于为切口创建的触觉对象的移动。触觉对象在目标坐标系中进行定义，使得在患者的皮肤中的期望位置处形成切口。在一个实例中，机器人系统10可通过控制对皮肤切开工具80的手动操纵来控制皮肤切开工具80相对于触觉对象的移动。这可通过以下方式来完成：约束皮肤切开工具80相对于由触觉对象限定的虚拟边界的移动，使得皮肤切开工具80在期望位置处形成切口I，同时用户手动地移动皮肤切开工具80或手动地引起所述皮肤切开工具的移动。机器人系统10可通过向用户产生触觉反馈，以指示皮肤切开工具80已达到切口I的期望深度或另外已达到切口I的期望极限来约束皮肤切开工具80相对于触觉对象的移动。一旦在期望位置处形成了切口I，就可在步骤306中将皮肤切开工具80从解剖结构抽离，并且继续进行手术直到形成所有切口为止。

应了解，可采用本文描述的系统和方法来将椎弓根螺钉PS、其他螺钉、紧固件或其他植入物放置到患者体内。因此，即使全文都将椎弓根螺钉PS作为一个实例进行参考，本文描述的相同的系统和方法也可用于治疗患者的任何解剖结构和/或将任何植入物放置到患者体内，例如放置于髋、膝、股骨、胫骨、面部、肩、脊柱等中。例如，机器人臂20同样可用于为脊柱植入物放置笼架，放置杆，或放置其他部件，并且可用于椎间盘切除术或其他手术。还可将不同的端部执行器附接到机器人臂30来进行其他手术。在一些情况下，端部执行器还可具有铰接臂以有助于植入物插入，即使植入物处于期望姿态。端部执行器的铰接臂可简单地为以相同方式控制来放置植入物的机器人臂20的微型型式，或可为被控制来定位植入物的另一种机构。导航系统12可包括具有基于光学性质的跟踪器的光学导航系统，但是可另外地或可选地采用其他模态，诸如经由超声跟踪对象的超声导航系统、经由RF能量跟踪对象的射频导航系统和/或经由电磁信号跟踪对象的电磁导航系统。其他类型的导航系统也是预期的。还应了解，本文描述的模型可包括三角化网格、使用体素的体积模型、或在一些情况下为其他类型的3D和/或2D模型。

在前文描述中已论述了若干实施方案。然而，本文论述的实施方案不意图是穷尽的，或将本发明限制于任何特定形式。已使用的术语意图在本质上是描述性而非限制性的字词。鉴于以上教导，许多修改和变化是可能的，并且本发明可以不同于具体描述的其他方式来实践。