用于基于组织参数修改工具操作的机器人系统、方法和软件程序与流程

本公开总体涉及用于基于组织参数(诸如骨密度)修改工具操作的机器人系统、方法和软件程序。

背景技术：

1、在外科手术部位处执行外科手术规程的机器人系统常常包括：操纵器，所述操纵器具有基部、多个连杆和关节；以及末端执行器，所述末端执行器联接到所述操纵器。许多时候，末端执行器包括或支撑具有能量施加器的外科手术工具，所述能量施加器被设计成去除外科手术部位处的组织。

2、所述能量施加器通常沿着工具路径移动以去除外科手术部位处的组织。能量施加器沿着工具路径移动的速度通常被本领域技术人员称为工具或能量施加器的“进给速率”。

3、现有系统已经设想调节或确定所述进给速率以考虑条件或输入，诸如用户手动选择进给速率、组织的特性(诸如骨矿物质密度)、施加到能量施加器的感测力、路径的曲率等。

4、然而，现有的进给速率技术在以下方面存在不足：至少基于对患者成像数据和相对于计划工具路径的解剖结构的密度的详细分析来提供工具路径进给速率的深入预计划。例如，在确定进给速率时，现有技术尤其未能考虑到在沿着工具路径的点处评估的工具几何形状相对于解剖结构的相交比率，或者工具是否已经在沿着工具路径的另一点处去除了解剖结构的某些部分。反过来，诸如由于切除尺寸过小或工具刮削而导致的植入物贴合问题、在切除表面中形成凹坑、由工具施加的次最佳切割力等，现有的进给速率技术可能会导致达不到最佳的结果。仍然需要解决这些不足之处中的至少一些不足之处。

技术实现思路

1、本
技术实现要素：
以简化的形式介绍以下在下文具体实施方式中进一步描述的概念选择。本发明内容并非意图限制所要求保护的主题的范围，也非意图识别所要求保护的主题的范围的关键特征或本质特征。

2、在第一方面，提供了一种计算机实施的外科手术计划方法。所述方法包括：获得解剖数据，所述解剖数据包括解剖体积的几何形状和密度值；获得包括工具路径的路径数据，机器人操纵器将沿着所述工具路径移动工具以与解剖体积交互，所述工具路径由工具将在其间连续通过的点限定；获得工具数据，所述工具数据包括将与工具路径交互的工具的几何形状；合并路径数据和解剖数据；以及对于工具路径的至少一个点：识别所述点相对于解剖数据的位置，从工具数据加载工具在所识别的位置处的几何形状，在所识别的位置处，识别工具的几何形状与解剖体积之间的相交部，确定相交部内的解剖数据的密度值，计算与工具的几何形状与解剖体积之间的交互相关的工具接触因子，基于所确定的密度值和所计算的工具接触因子来设置工具的计划进给速率因子，以及将计划进给速率因子与至少一个点相关联；以及输出包括工具路径的切割计划数据，所述工具路径包括与工具路径的至少一个点相关联的计划进给速率因子。

3、在第二方面，提供了一种非暂时性计算机可读介质。在所述非暂时性计算机可读介质上存储有指令，所述指令在由一个或多个处理器执行时实施计算机实施的外科手术计划软件，所述外科手术计划软件被配置为：获得解剖数据，所述解剖数据包括解剖体积的几何形状和密度值；获得包括工具路径的路径数据，机器人操纵器将沿着所述工具路径移动工具以与解剖体积交互，所述工具路径由工具将在其间连续通过的点限定；获得工具数据，所述工具数据包括将与工具路径交互的工具的几何形状；合并路径数据和解剖数据；以及对于工具路径的至少一个点：识别所述点相对于解剖数据的位置，从工具数据加载工具在所识别的位置处的几何形状，在所识别的位置处，识别工具的几何形状与解剖体积之间的相交部，确定相交部内的解剖数据的密度值，计算与工具的几何形状与解剖体积之间的交互相关的工具接触因子，基于所确定的密度值和所计算的工具接触因子来设置工具的计划进给速率因子，以及将计划进给速率因子与至少一个点相关联；以及输出包括工具路径的切割计划数据，所述工具路径包括与工具路径的至少一个点相关联的计划进给速率因子。

4、在第三方面，提供了一种外科手术系统。所述外科手术系统包括：机器人操纵器，所述机器人操纵器被配置为支撑和移动工具；以及控制系统，所述控制系统耦合到机器人操纵器，并且包括：一个或多个处理器；以及非暂时性计算机可读介质，在所述非暂时性计算机可读介质上存储有指令，所述指令在由一个或多个处理器执行时实施计算机实施的外科手术计划软件，所述外科手术计划软件被配置为：获得解剖数据，所述解剖数据包括解剖体积的几何形状和密度值；获得包括工具路径的路径数据，机器人操纵器将沿着所述工具路径移动工具以与解剖体积交互，所述工具路径由工具将在其间连续通过的点限定；获得工具数据，所述工具数据包括将与工具路径交互的工具的几何形状；合并路径数据和解剖数据；以及对于工具路径的至少一个点：识别所述点相对于解剖数据的位置，从工具数据加载工具在所识别的位置处的几何形状，在所识别的位置处，识别工具的几何形状与解剖体积之间的相交部，确定相交部内的解剖数据的密度值，计算与工具的几何形状与解剖体积之间的交互相关的工具接触因子，基于所确定的密度值和所计算的工具接触因子来设置工具的计划进给速率因子，以及将计划进给速率因子与至少一个点相关联；以及输出包括工具路径的切割计划数据，所述工具路径包括与工具路径的至少一个点相关联的计划进给速率因子；并且其中所述控制系统利用所输出的切割计划数据来控制机器人操纵器根据与工具路径的至少一个点相关联的计划进给速率因子沿着工具路径移动工具，以使所述工具能够与解剖体积交互。还提供了一种操作第三方面的外科手术系统的方法。

5、在第四方面，提供了一种计算机实施的外科手术计划方法。计算机实施的外科手术计划方法包括：获得解剖数据，所述解剖数据包括解剖结构的几何形状；获得包括工具路径的路径数据，机器人操纵器将沿着所述工具路径移动工具以与解剖结构交互，所述工具路径由工具将在其间通过的点限定；获得工具数据，所述工具数据包括工具的几何形状；合并路径数据和解剖数据；对于工具路径的至少一个点：识别所述点相对于解剖数据的位置，从工具数据加载工具在所识别的位置处的几何形状，计算与工具的几何形状与解剖体积之间的交互相关的工具接触因子，基于计算出的工具接触因子来设置工具的计划进给速率因子，以及将计划进给速率因子与至少一个点相关联；以及输出包括工具路径的切割计划数据，所述工具路径包括与工具路径的至少一个点相关联的计划进给速率因子。还提供了一种非暂时性计算机可读介质或计算机程序产品，所述非暂时性计算机可读介质或计算机程序产品包括用于执行第四方面的计算机实施的方法的指令。

6、在第五方面，提供了一种计算机实施的方法。所述计算机实施的方法包括：获得解剖数据，所述解剖数据包括解剖体积的几何形状和密度值；获得虚拟对象数据，所述虚拟对象数据包括具有多边形元素的网格的虚拟对象的几何形状；合并解剖数据和虚拟对象数据；基于密度值确定网格的一个或多个多边形元素的参数；以及响应于工具与一个或多个多边形元素交互，根据所述参数修改工具的操作。还提供了一种非暂时性计算机可读介质或计算机程序产品，所述非暂时性计算机可读介质或计算机程序产品包括用于执行第五方面的计算机实施的方法的指令。

7、在第六方面，提供了一种计算机实施的方法。所述计算机实施的方法包括：获得解剖数据，所述解剖数据包括解剖体积的几何形状和密度值；获得虚拟对象数据，所述虚拟对象数据包括具有多边形元素的网格的虚拟对象的几何形状；以及合并解剖数据和虚拟对象数据以基于密度值确定网格的一个或多个多边形元素的参数。还提供了一种非暂时性计算机可读介质或计算机程序产品，所述非暂时性计算机可读介质或计算机程序产品包括用于执行第六方面的计算机实施的方法的指令。

8、在第七方面，提供了一种非暂时性计算机可读介质。在所述非暂时性计算机可读介质上存储有指令，所述指令在由一个或多个处理器执行时实施计算机实施的外科手术计划软件，所述外科手术计划软件被配置为：获得解剖数据，所述解剖数据包括解剖体积的几何形状和组织参数；获得包括工具路径的路径数据，机器人操纵器将沿着所述工具路径移动工具以与解剖体积交互，所述工具路径由工具将在其间连续通过的点限定；获得工具数据，所述工具数据包括将与工具路径交互的工具的几何形状；合并路径数据和解剖数据；以及对于工具路径的至少一个点：识别所述点相对于解剖数据的位置，从工具数据加载工具在所识别的位置处的几何形状，在所识别的位置处，识别工具的几何形状与解剖体积之间的相交部，确定相交部内的解剖数据的组织参数，计算与工具的几何形状与解剖体积之间的交互相关的工具接触因子，基于所确定的组织参数和所计算的工具接触因子来设置工具的计划进给速率因子，以及将计划进给速率因子与至少一个点相关联；以及输出包括工具路径的切割计划数据，所述工具路径包括与工具路径的至少一个点相关联的计划进给速率因子。还提供了一种执行第七方面的步骤的计算机实施的方法。

9、在第八方面，提供了一种非暂时性计算机可读介质。在所述非暂时性计算机可读介质上存储有指令，所述指令在由一个或多个处理器执行时实施计算机实施的外科手术计划软件，所述外科手术计划软件被配置为：获得解剖数据，所述解剖数据包括解剖体积的几何形状和组织参数；获得包括工具路径的路径数据，机器人操纵器将沿着所述工具路径移动工具以与解剖体积交互，所述工具路径由工具将在其间连续通过的点限定；获得工具数据，所述工具数据包括将与工具路径交互的工具的几何形状；合并路径数据和解剖数据；以及对于工具路径的至少一个点：识别所述点相对于解剖数据的位置，从工具数据加载工具在所识别的位置处的几何形状，在所识别的位置处，识别工具的几何形状与解剖体积之间的相交部，确定相交部内的解剖数据的组织参数，计算与工具的几何形状与解剖体积之间的交互相关的工具接触因子，基于所确定的组织参数和所计算的工具接触因子来设置工具的输出姿态，以及将输出姿态与至少一个点相关联；以及输出包括工具路径的切割计划数据，所述工具路径包括与工具路径的至少一个点相关联的输出姿态。还提供了一种执行第八方面的步骤的计算机实施的方法。

10、在第九方面，提供了一种非暂时性计算机可读介质。在所述非暂时性计算机可读介质上存储有指令，所述指令在由一个或多个处理器执行时实施计算机实施的外科手术计划软件，所述外科手术计划软件被配置为：获得解剖数据，所述解剖数据包括解剖体积的几何形状和组织参数；获得包括工具路径的路径数据，机器人操纵器将沿着所述工具路径移动工具以与解剖体积交互，所述工具路径由工具将在其间连续通过的点限定；获得工具数据，所述工具数据包括将与工具路径交互的工具的几何形状；合并路径数据和解剖数据；以及对于工具路径的至少一个点：识别所述点相对于解剖数据的位置，从工具数据加载工具在所识别的位置处的几何形状，在所识别的位置处，识别工具的几何形状与解剖体积之间的相交部，确定相交部内的解剖数据的组织参数，计算与工具的几何形状与解剖体积之间的交互相关的工具接触因子，基于所确定的组织参数和所计算的工具接触因子来设置工具的计划进给速率因子，并且在工具的马达上实现预定的马达电流，以及将计划进给速率因子与至少一个点相关联；以及输出包括工具路径的切割计划数据，所述工具路径包括与工具路径的至少一个点相关联的计划进给速率因子。还提供了一种执行第九方面的步骤的计算机实施的方法。

11、在第十方面，一种非暂时性计算机可读介质，在所述非暂时性计算机可读介质上存储有指令，所述指令在由一个或多个处理器执行时实施计算机实施的外科手术计划软件，所述外科手术计划软件被配置为：获得解剖数据，所述解剖数据包括解剖体积的几何形状和组织参数；获得包括工具路径的路径数据，机器人操纵器将沿着所述工具路径移动工具以与解剖体积交互，所述工具路径由工具将在其间连续通过的点限定；获得工具数据，所述工具数据包括将与工具路径交互的工具的几何形状；合并路径数据和解剖数据；以及对于工具路径的至少一个点：识别所述点相对于解剖数据的位置，从工具数据加载工具在所识别的位置处的几何形状，在所识别的位置处，识别工具的几何形状与解剖体积之间的相交部，确定相交部内的解剖数据的组织参数，计算与工具的几何形状与解剖体积之间的交互相关的工具接触因子，基于所确定的组织参数和所计算的工具接触因子来设置工具操作参数，以及将工具操作参数与至少一个点相关联；以及输出包括工具路径的计划数据，所述工具路径包括与工具路径的至少一个点相关联的工具操作参数。还提供了一种执行第十方面的步骤的计算机实施的方法。

12、在第十一方面，提供了一种计算机实施的方法，所述方法包括：识别工具的几何形状与解剖体积之间的相交部，确定相交部内的解剖数据的组织参数，计算与工具的几何形状与解剖体积之间的交互相关的工具接触因子，以及基于所确定的组织参数和所计算的工具接触因子来设置工具操作参数。还提供了一种实施第十一方面的步骤的计算机程序产品或机器人系统。

13、以上方面中的任何方面都可部分或全部组合。

14、可将以上方面中的任何方面实施为计算机实施的方法、机器人外科手术系统和/或其上存储有指令的非暂时性计算机可读介质，所述指令在由一个或多个处理器执行时实施计算机实施的外科手术计划软件或计算机程序产品。

15、以上方面中的任何方面可以与以下实现方式中的任一者一起利用，无论是部分地还是整体地使用。

16、在一种实现方式中，获得解剖数据包括获得与解剖体积相关联的骨模型。在一种实现方式中，获得路径数据还包括获得基于解剖体积的骨模型的计划切除体积而预先确定的工具路径。在一种实现方式中，获得路径数据还包括获得基于针对骨模型选择的植入物模型的几何形状而预先确定的工具路径。在一些实现方式中，骨模型可以是患者特有的或统计骨模型。在一些实现方式中，获得路径数据包括获得工具相对于工具路径的至少一个点的预定义姿态。骨模型可以是髋臼、关节盂或任何类型的关节窝。骨骼模型可以是股骨、胫骨、肱骨或脊柱(椎骨)的一部分。在一种实现方式中，在没有术前图像(例如，无图像)或没有形成骨模型的情况下获得解剖数据。骨模型可以是患者特有的，或者可以基于来自相似人群的统计数据集。

17、在一种实现方式中，获得解剖数据包括获得包括解剖体积的切片的成像数据。在一种实现方式中，获得成像数据包括获得dicom数据，所述dicom数据包括截距和斜率值、切片厚度以及成像时的患者位置。在一种实现方式中，获得解剖数据包括获得解剖体积的ct切片。在这样的实现方式中，工具的几何形状包括工具的3-d几何形状，并且对于工具路径的至少一个点，加载工具在所识别的位置处的3-d几何形状，并且在所识别的位置处，识别工具的3-d几何形状与解剖体积之间存在横截面相交部的ct切片；对于每个所识别的ct切片，确定横截面相交部内的每个像素的亨斯菲尔德单位；以及从每个所识别的ct切片的横截面相交部内的像素收集亨斯菲尔德单位。

18、在一种实现方式中，在所识别的位置处识别工具的几何形状与解剖体积之间的相交部包括识别展现工具的几何形状与解剖体积之间的相交部的成像数据的一个或多个切片。一种实现方式包括，对于工具路径的至少一个点，并且在识别展现工具的几何形状与解剖体积之间的相交部的成像数据的切片之后，对于每个所识别的切片，计算与相交部内的工具的几何形状相对于在相交部之外的工具的几何形状相关的相交比率。一种实现方式包括，对于每个所识别的切片，确定工具的几何形状内具有超过预定阈值的亨斯菲尔德单位的像素的数量。

19、在一种实现方式中，确定相交部内的解剖数据的密度值包括对于每个所识别的切片，确定位于相交部内的成像数据的放射密度值。在一种实现方式中，确定相交部内的解剖数据的密度值包括收集位于一个或多个所识别的切片中的每一者的相交部内的放射密度值。在一种实现方式中，收集位于一个或多个所识别的切片中的每一者的相交部内的放射密度值包括从所收集的放射密度值中识别以下一项或多项：平均放射密度值、中值放射密度值和最大放射密度值。

20、在一种实现方式中，基于所确定的密度值设置工具的计划进给速率因子包括基于所收集的放射密度值来计算相对于所识别的位置的解剖体积的骨矿物质密度(bmd)因子。在一种实现方式中，基于所确定的密度值来设置工具的计划进给速率因子包括基于计算出的bmd因子设置工具的计划进给速率因子。在一种实现方式中，计算bmd因子包括将平均放射密度值、中值放射密度值和/或最大放射密度值转换成bmd因子。在一种实现方式中，将平均放射密度值、中值放射密度值和最大放射密度值中的一者或多者转换成bmd因子包括将平均放射密度值、中值放射密度值和最大放射密度值中的一者或多者乘以相交比率。在一种实现方式中，基于所确定的密度值来设置工具的计划进给速率因子包括基于计算出的bmd因子设置计划进给速率因子。一种实现方式包括访问查找表，所述查找表限定预定义骨矿物质密度(bmd)因子与预定义进给速率因子之间的关联。在这样的实现方式中，对于工具路径的至少一个点，基于计算出的bmd因子设置计划进给速率因子包括在查找表中识别最接近计算出的bmd因子的预定义bmd因子；以及基于与查找表中最接近的所识别的预定义bmd因子相关联的预定义进给速率因子来设置计划进给速率因子。在一种实现方式中，对于工具路径的至少一个点，基于计算出的bmd因子设置计划进给速率因子包括响应于确定计算出的bmd因子低于最小阈值而将计划进给速率因子设置为最大进给速率因子；和/或响应于确定计算出的bmd因子高于最大阈值而将计划进给速率因子设置为最小进给速率因子。在一种实现方式中，设置计划进给速率因子包括基于在工具的马达上实现预定的马达电流来设置计划进给速率因子。

21、一种实现方式包括，对于工具路径的一个点，存储从工具的几何形状与解剖体积之间在所述一个点的位置处的相交部获得的交互坐标，所述交互坐标指示工具的几何形状与解剖体积之间在所述一个点的位置处的模拟交互的位置；以及对于工具路径中与所述一个点连续的第二点；识别所述第二点相对于解剖数据的位置，从工具数据加载工具在第二点的所识别的位置处的几何形状，在所述第二点的所识别的位置处，识别工具的几何形状与解剖体积之间的相交部，确定在所述第二点的位置处的所述相交部内的解剖数据的密度值，将所确定的密度值的坐标与交互坐标进行比较；以及忽视具有与所述交互坐标相同的坐标的任何密度值。

22、一种实现方式包括，对于工具路径的至少一个点，忽视位于工具的几何形状与解剖体积之间的相交部之外的任何密度值。

23、在一种实现方式中，合并路径数据和解剖数据包括将路径数据和解剖数据合并到共同坐标系中。

24、在一种实现方式中，切割计划数据包括工具路径，机器人操纵器将在自主模式下沿着所述工具路径移动工具以与解剖体积交互。

25、一种实现方式包括，对于工具路径的每个点：识别所述点相对于解剖数据的位置，从工具数据加载在所识别的位置处的工具的几何形状，在所识别的位置处识别工具的几何形状与解剖体积之间的相交部，确定相交部内的解剖数据的密度值，基于所确定的密度值设置工具的计划进给速率因子，以及将计划进给速率因子与所述点相关联；并且其中输出切割计划数据还包括工具路径，所述工具路径包括与工具路径的每个点相关联的计划进给速率因子。

26、在一种实现方式中，命令机器人操纵器根据第一进给速率移动工具；当工具根据第一进给速率移动时，检测虚拟模型与虚拟对象的一个或多个多边形元素之间的交互。基于与一个或多个多边形元素相关联的参数来计算第二进给速率。修改工具的操作，使得命令机器人操纵器以第二进给速率移动工具。

27、在一种实现方式中，命令机器人操纵器移动工具。工具的虚拟模型穿透虚拟对象的一个或多个多边形元素；基于与一个或多个多边形元素相关联的参数来计算反作用力；在虚拟模拟中向虚拟模型施加反作用力，以减少虚拟模型对一个或多个多边形元素的穿透；修改工具的操作，使得命令机器人操纵器根据在所述虚拟模拟中向虚拟模型施加反作用力来移动工具，以约束工具相对于虚拟对象的移动。