机器人辅助的激光手术系统
阅读：932发布：2020-12-23
专利汇可以提供机器人辅助的激光手术系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于处理 生物 组织 的系统，所述系统包括：工具，其包括可操作以执行至少一个处理动作的 激光器 ； 定位 构件，其用于相对于所述生物组织定位所述工具以执行所述至少一个处理动作； 控制器 ；存储装置，其存储用于控制所述控制器的 电子 程序指令；以及输入构件；其中所述控制器可在所述电子程序指令的控制下操作以：经由所述输入构件接收输入；处理所述输入，且基于所述处理，控制所述定位构件和所述工具来处理所述生物组织。，下面是机器人辅助的激光手术系统专利的具体信息内容。
1.一种用于包含骨骼的生物组织的激光整形的机器人辅助的激光切骨术系统，所述系统包括：
工具，其包括可操作以执行包括激光剥蚀的至少一个处理动作的激光器；
定位构件，其用于相对于所述生物组织定位所述工具以执行所述至少一个处理动作；
控制器；
存储装置，其存储用于控制所述控制器的电子程序指令；以及
输入构件；
其中所述控制器可在所述电子程序指令的控制下操作以：
经由所述输入构件接收输入；
处理所述输入，且基于所述处理，控制所述定位构件和所述工具来处理所述生物组织。
2.根据权利要求1所述的系统，其中由所述控制器执行的输入的处理包括所述输入的分析和基于所述分析的决策，且一旦已作出决策，则所述控制器可在所述电子程序指令的控制下操作以基于所述决策起始控制所述定位构件和所述工具来处理材料的动作。
3.根据权利要求2所述的系统，其中作为所述分析的至少一部分，所述控制器可在所述电子程序指令的控制下操作以：
基于输入而产生或作为输入而接收与所述至少一个处理动作相关的一个或多个准则；
以及
使用所述准则来作出所述决策。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述准则包括以下中的至少一个：所述至少一个处理动作的速度；所述至少一个处理动作的准确性；所述至少一个处理动作的安全性；以及所述至少一个处理动作的清洁度。
5.根据权利要求2到4中任一权利要求所述的系统，其中作为所述分析的至少一部分，所述控制器可在所述电子程序指令的控制下操作以：
基于输入而产生或作为输入而接收所述生物组织的表示；
基于输入而产生或作为输入而接收所述生物组织的另一表示，所述生物组织的所述另一表示是所述生物组织的不同表示；以及
基于所述生物组织的所述表示和所述生物组织的所述另一表示作出评估，且使用所述评估来作出所述决策。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述生物组织的所述表示包括所述生物组织的状态的表示。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述生物组织的所述状态包括已对所述生物组织执行所述至少一个处理动作之后所述生物组织的规划状态。
8.根据权利要求7的任一权利要求所述的系统，其中所述生物组织的所述另一表示包括所述生物组织的另一状态的表示。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述生物组织的所述另一状态包括已对所述生物组织执行所述至少一个处理动作之后所述生物组织的实际状态。
10.根据权利要求9所述的系统，其中作出所述评估包括将已对所述生物组织执行所述至少一个处理动作之后所述生物组织的所述实际状态与所述生物组织的所述规划状态进行比较。
11.根据前述权利要求中任一权利要求所述的系统，其中所述输入构件包括至少一个传感器。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述至少一个传感器是包括一组传感器的传感器系统的一部分，所述组传感器内的个别传感器可操作以监视、感测和搜集或测量与所述系统、所述材料和周围环境或者与其相关联或联接到其上的组件、系统或装置中的一个或多个的一个或多个特性、性质和/或参数相关联或相关的传感器数据和/或信息。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述组传感器的传感器包含基于以下的传感器：
拉曼光谱法；超光谱成像；光学成像；热成像；荧光光谱法、显微法、声学、3D度量、光学相干断层扫描、激光功率和任何非侵入性感测。
14.根据前述权利要求中任一权利要求所述的系统，其中由所述系统执行的操作在外科医生的控制下半自动地发生，或自动发生，而不需要人为干预。
15.根据前述权利要求中任一权利要求所述的系统，其中所述至少一个处理动作是手术过程的一部分。
16.根据前述权利要求中任一权利要求所述的系统，其中所述工具包括激光器，所述激光器可操作以作为所述至少一个处理动作而执行消减剥蚀。
17.根据权利要求1所述的系统，其中所述输入的所述处理包括基于由所述激光器产生的辐射射束和所述生物组织之间的交互的动力学优化所述激光器的操作以增加剥蚀的速率。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述优化包括考虑到包含安全性和准确性中的至少一个的准则，试图增加或最大化待剥蚀的生物组织的体积。
19.根据权利要求17或18中任一权利要求所述的系统，其中辐射射束由所述激光器以脉冲的形式产生，且激光脉冲分批为包括跨越所述材料的不同位置处的一组预先计算的脉冲的剥蚀进程。
20.根据权利要求17到19中任一权利要求所述的系统，其中所述控制包括以低功率操作所述激光器以减少或缓解已对所述材料执行所述剥蚀之后对所述材料的最终表面的损坏。
21.根据前述权利要求中任一权利要求所述的系统，其包括用于冷却所述系统的一个或多个组件的冷却构件。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述冷却构件包括用于冷冻用于冷却所述激光器的冷却剂的冷却剂冷冻器。
23.根据权利要求17所述的系统，其中所述激光器的所述优化操作包括喷射器，所述喷射器用于在所述材料上喷射液体以辅助激光剥蚀并在至少某一程度上防止所述材料发生热损坏。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述喷射器液体包括水。
25.根据权利要求21到24中任一权利要求所述的系统，其中所述冷却构件包括一束至少两个分割的绝缘管道。
26.根据前述权利要求中任一权利要求所述的系统，其包括用于在所述生物组织的处理期间提供保护的屏蔽件。
27.根据权利要求26所述的系统，其中所述屏蔽件包括消耗性屏蔽件。
28.根据权利要求27所述的系统，其中所述消耗性屏蔽件包括粒子收集器和/或一系列过滤器和/或捕集器，用于过滤和存储颗粒物质。
29.根据前述权利要求中任一权利要求所述的系统，其中所述定位构件包括机器人臂。
30.根据权利要求29所述的系统，其中所述工具的处理部分提供在所述机器人臂的末端执行器上。
31.根据权利要求30所述的系统，其进一步包括精细运动控制器调适的构件，用于以增加的准确性引导所述工具的所述处理部分。
32.根据前述权利要求中任一权利要求所述的系统，其中，当所述输入包括来自3D度量传感器的输入时，所述处理包括使用所述输入来绘制所述生物组织和周围环境的几何形状。
33.根据权利要求32所述的系统，其中所述处理进一步包括基于平面、球面、圆柱形或用于3D和2D之间的转换的任何其它坐标系将三维(3D)几何形状的维度减小为一组或一系列二维(2D)地图。
34.根据权利要求33所述的系统，其中所述处理进一步包括将其它传感器信息叠加在相同2D地图上。
35.根据前述权利要求中任一权利要求所述的系统，其中，当所述输入包括来自超光谱传感器、拉曼光谱法传感器、显微法传感器、光学成像传感器或光学相干断层扫描的输入时，所述处理包括使用所述输入来区分生物组织，和可能材料的组成组份。
36.根据前述权利要求中任一权利要求所述的系统，其中，当所述输入包括来自热传感器的输入时，所述处理包括使用所述输入来确定对所述经处理生物组织的例如热损坏等任何温度效应，以及将很可能随进一步处理产生的任何进一步效应。
37.根据前述权利要求中任一权利要求所述的系统，其中，当所述输入包括来自声学传感器的输入时，所述处理包括使用所述声学传感器输入来检测所述工具是否已处理非既定或非预期生物组织或材料。
38.根据前述权利要求中任一权利要求所述的系统，其中，当所述输入包括来自激光功率传感器的输入时，所述处理包括使用所述输入来确定正由激光束产生的实际功率。
39.根据前述权利要求中任一权利要求所述的系统，其包括由所述激光器提供在所述生物组织上用于跟踪所述激光器的基准标记。
40.根据前述权利要求中任一权利要求所述的系统，其中，当所述输入包括来自至少一个传感器的输入时，所述处理包括使用所述传感器输入来改善对所述定位构件和所述工具处理所述生物组织的控制。
41.根据前述权利要求中任一权利要求所述的系统，其中所述控制器包括用于提供所述系统的智能控制的智能控制器。
42.根据权利要求41所述的系统，其中所述智能控制器包括用于控制所述系统的操作的主系统协调器，所述操作包含模拟、测试和数据录入操作中的一个或多个。
43.根据权利要求41或42中任一权利要求所述的系统，其中所述智能控制器包括包含(但不限于)机器感知或机器学习的人工智能(Al)软件。
44.根据前述权利要求中任一权利要求所述的系统，其进一步包括动态聚焦光学件和动态聚焦光学件控制器；所述动态聚焦光学件可操作以经由所述动态聚焦光学件控制器动态地改变焦距且将所述激光束的光束直径聚焦在依所述控制器所希望而确定的目标距离处。
45.一种用于处理生物组织的方法，所述方法包括：
存储用于控制控制器的电子程序指令；以及
经由所述电子程序指令控制所述控制器以：
经由输入构件接收输入；以及
处理所述输入，且基于所述处理，控制可操作以执行至少一个处理动作的工具和用于相对于所述材料定位所述工具以执行所述至少一个处理动作的定位构件，从而处理所述生物组织。
46.根据权利要求45所述的方法，其中由所述控制器执行的输入的处理包括所述输入的分析和基于所述分析的决策，且一旦已作出决策，则所述方法包括经由所述电子程序指令控制所述控制器以基于所述决策起始控制所述定位构件和所述工具来处理所述生物组织的动作。
47.根据权利要求45所述的方法，其中作为所述分析的至少一部分，所述控制器可在所述电子程序指令的控制下操作以：
基于输入而产生或作为输入而接收所述生物组织的表示；
基于输入而产生或作为输入而接收所述生物组织的另一表示，所述材料的所述另一表示是所述生物组织的不同表示；以及
基于所述生物组织的所述表示和所述生物组织的所述另一表示作出评估，且使用所述评估来作出所述决策。
48.根据权利要求47所述的方法，其中所述生物组织的所述表示包括所述生物组织的状态的表示。
49.根据权利要求48所述的方法，其中所述生物组织的所述状态包括已对所述生物组织执行所述至少一个处理动作之后所述生物组织的规划状态。
50.根据权利要求49所述的方法，其中所述另一表示包括所述生物组织的另一状态的表示。
51.根据权利要求50所述的方法，其中所述生物组织的所述另一状态包括已对所述生物组织执行所述至少一个处理动作之后所述生物组织的实际状态。
52.一种上面存储指令的计算机可读存储介质，所述指令当由计算构件执行时致使所述计算构件执行根据权利要求45到51中任一权利要求所述的方法。
53.一种计算构件，其经编程以实行根据权利要求45到51中任一权利要求所述的方法。
54.一种数据信号，其包含能够由计算系统接收和解译的至少一个指令，其中所述指令实施根据权利要求45到51中任一权利要求所述的方法。
55.一种具有计算机可读介质的计算机程序产品，所述计算机可读介质中记录有用于处理生物组织的计算机程序，所述计算机可读介质包括用于控制控制器的指令，所述计算机程序产品包括：
计算机程序代码构件，其用于经由所述电子程序指令控制所述控制器；
计算机程序代码构件，其用于经由输入构件接收输入；以及
计算机程序代码构件，其用于处理所述输入，且基于所述处理，控制可操作以执行至少一个处理动作的工具和用于相对于所述材料定位所述工具以执行所述至少一个处理动作的定位构件，从而处理所述生物组织。
56.一种用于处理生物组织的计算机程序，所述程序包括：
用于检索用于控制控制器的指令的代码，所述指令存储在计算机可读介质中；
用于经由所述电子程序指令控制所述控制器的代码；以及
用于经由输入构件接收输入的代码；以及
用于以下操作的代码：处理所述输入，且基于所述处理，控制可操作以执行至少一个处理动作的工具和用于相对于所述材料定位所述工具以执行所述至少一个处理动作的定位构件，从而处理所述生物组织。
57.一种电子装置，其包括：
输入组件，其被配置成从用户接收输入；
输出组件，其被配置成向所述用户提供输出；
处理器，其联接到所述输入组件和所述输出组件；以及
计算机可读存储介质，其含有程序指令，所述程序指令在由所述处理器执行时致使所述处理器：
检索用于控制控制器的指令，所述指令存储在计算机可读介质中
经由所述电子程序指令控制所述控制器以：
经由输入构件接收输入；以及
处理所述输入，且基于所述处理，控制可操作以执行至少一个处理动作的工具和用于相对于所述材料定位所述工具以执行所述至少一个处理动作的定位构件，从而处理所述生物组织。
机器人辅助的激光手术系统
技术领域
[0002] 尽管将特别参考包括对包括活人的生物组织的动态材料执行的矫形外科手术过程的一个或多个动作的处理描述本发明，但应了解，本发明的实施方案可相对于其它生物组织以及针对包括额外和/或替代动作的处理使用。
背景技术
[0004] 生物组织可能难以处理。
[0005] 一种类型的难以处理的生物组织是骨骼。从材料处理的观点来看，例如骨骼等硬的生物组织归因于其复杂的物理性质(基于多组分(磷酸钙(陶瓷)、胶原蛋白(有机)和水)和分层结构)，所以是不利的材料。
[0006] 切骨术是骨骼的外科手术切割。此技术常规地在矫形外科手术中使用，例如在关节造形术期间使用，其中患有关节炎或损坏的关节的部分被移除且用例如植入物/假体等一个或多个组件替换，所述植入物/假体等一个或多个组件既定复制正常、健康的关节的移动。
[0007] 切割过程形成矫形外科手术期间的重要骨骼整形操作中的一个。成功的关节造形术依赖于准确且精确的切骨术以确保组件的对准和到骨骼的固定的安全性。骨骼准备的准确性和质量是长期植入物存活率和良好临床结果的关键因素。
[0008] 举例来说，全膝置换(Total Knee Replacement，TKR)手术的受者的结果很大程度上取决于作为手术的一部分执行的一组切除与假体植入体的内部几何形状匹配的准确性。每一切除可能在位置、角度和所得表面的平度方面不同于理想切割平面。位置和角度的不准确性导致假体的较差功能以及植入物的潜在松散性。任何表面的平度的不准确性导致“点加载”，这可能损坏骨骼且影响植入物的定位-从而降低植入物的耐久性和患者所述生活品质。
[0009] 如将更详细地描述，当前关节外科手术技术缺乏定位切除的准确性。据报导，20％的全膝置换患者在手术后对手术的结果不满意，且无菌性松动继续存在，成为手术10年内修正的主导原因。
[0010] 矫形外科手术在例如传感器和基于计算机辅助设计(computer aided design，CAD)产生患者特定限定的关节设计及骨骼机械加工(整形/切割)参数等现代工具的调适/集成方面走过了漫长的道路。尽管如此，当前为了执行切骨术，外科医生使用例如锯子、钻机、锤子、超声波切割器、凿子和研磨机等传统机械工具。这些仪器具有若干缺点，包含：其缺乏准确性和亚次毫米精度，导致热损坏，向邻近骨骼传送振动和生物力学应力，以及可能导致骨骼分段。
[0011] 确切地说，传统锯割技术产生不均匀的骨骼表面，其空隙足够大以致于影响植入物的固定和定位。现代外科手术仪器并入有各种特征(例如，窄槽沟以导引锯条)，所述特征被设计成改进切除准确性。尽管如此，在临床环境中利用当前仪器作出精确的骨骼切割很困难，且据报导，内翻-外翻(varus-valgus)切割误差为4度且弯曲-扩展(fiexion-extension)误差为10度。临床研究已经展示，到多孔覆层中的成功的骨向内生长有必要实现到多孔表面的剂量骨骼并置和植入物的充分的初始固定。此外，由机械切骨术产生的由于摩擦以及沉重的机械加载而导致的热可能导致组织坏死(死亡)。组织坏死不利地影响到植入物中的骨集成，从而降低长期植入物存活率。
[0012] 当前矫形外科医生依赖于机械切割工具与切割夹具、计算机导航和患者匹配的切割块结合使用的组合。虽然这些工具当前作为黄金标准而被广泛地接受，但其各自具有固有程度的误差。当考虑例如外科医生经历和技术素质等额外因素时，此误差的累积影响按指数规律倍增。
[0013] 实际上，矫形外科手术的传统方式与人类和工具属性相关联，而这些属性通常会潜在地增加热损坏(坏死)的风险。此情形又为操作工具和技术的进一步发展留下了巨大空间。需要进一步发展来解决矫形外科手术的不利影响，包含(但不限于)：1)被修复/操作区内和周围组织的严重损坏，2)被修复/操作骨骼上最终尺寸公差的低精度，3)相对缓慢的外科手术过程，4)手术后组织创伤，5)严酷的疼痛，以及6)在某些情况下，手术后并发症需要进一步手术和相关的成本增加，及7)最终组件定位的低精度。
[0014] 切割锯和骨凿是矫形外科手术期间用于骨骼切割的传统工具。较新的技术包含毛刺。作为手动操作，其涉及人工误差且需要有经验的外科医生，因此使可再生性的达成变得困难。除这些可变性之外，还存在与其使用相关联的其它问题，例如由归因于切割/整形工具与骨骼之间长期物理接触(其导致切割工具和骨骼之间的摩擦/磨蚀)而造成温度升高以及传统机械整形/切割期间骨骼的沉重机械加载所引发的上述组织热驱动坏死。大体来说，切割锯条比切割毛刺粗糙得多，骨骼温度上升到高于100℃。此温度增加背后的原因是，骨骼与锯子齿的大接触区域。此外，需要执行许多次切割来对骨骼整形。尽管使用毛刺的切割操作产生适中的温度(50-80℃)，但毛刺切割限于浅切割，且因此不是切割锯的理想替代品。
[0015] 为了解决温度升高且避免相关联坏死，已经探索许多补救措施，其主要聚焦于(a)工具设计的改变、(b)改进操作方法，以及最主要(c)采用生理盐水冷却。在这些当中，(a)和(b)仍需要谨慎的操作程序来实现较低热量产生。在(c)的情况下，尽管温度升高可得以控制，但必须设计有效的冷却系统。对于切割工具，据报导，内部冷却工具在热控制方面比外部喷射/薄雾冷却更优良。需要精细设计的工具和谨慎的温度及流动速率控制来实现低热量产生。此外，归因于机械切割工具和骨骼之间的物理接触，需要对于工具的极谨慎的灭菌过程以避免任何感染的风险。除这些问题之外，传统骨骼整形/切割还涉及后组织创伤、严酷的疼痛和长愈合/恢复时间。
[0016] 骨关节炎(Osteoarthritis，OA)在发达国家是残疾的主导原因。在澳大利亚，它折磨了16.5％的成人群体(390万澳大利亚人)。全关节造形术被认为是骨关节炎末期的治疗选择。在澳大利亚，所进行的全关节造形术的数目在过去十年间已经加倍，在2014年期间执行了超过80,000场手术，对澳大利亚卫生系统造成的成本超过10亿澳元。
[0017] 根据世界卫生组织(World Health Organisation，WHO)，到2050年，全世界将有1.3亿人遭受OA，其中4千万人将由于该疾病而重度残疾。
[0018] 例如不断增长、老龄化且越来越多的职业人口以及肥胖率上升等引人注目的人口统计趋势预期是OA继续增长的关键驱动因素。根据联合国，到2050年，年龄在60岁以上的人将超过世界人口的20％。在这个20％中，保守估计有15％将患有有症状的OA，且这些人中的三分之一将重度残疾。根据WHO，据估计，在2014年，超过19亿成年人(18岁和18岁以上)超重。在这些人当中，超过60亿为肥胖。根据美国流行病学杂志，肥胖女性患有膝部OA的风险是非肥胖女性的近四倍，且肥胖男性患有膝部OA的风险是非肥胖男性的近五倍。
[0019] 对于患者遭受极端疼痛的最严重的OA病例，可能需要再造关节手术。再造关节手术涉及移除患病关节周围的骨骼区域，以及插入一个或多个人造植入体作为患病骨骼的替代品。根据Knowledge Enterprises公司，据估计，在2013年，全世界关节置换产品市场作为整体(包含膝部、臀部、肘部、腕部、手指/脚趾和肩部)已经接近$149亿。根据弗若斯特沙利文公司(Frost&Sullivan)，2014年全球关节植入物市场为$349亿，膝部和臀部植入物系统是两个最大部分。
[0020] 正是基于此背景产生了本发明。
发明内容
[0021] 本发明的一目标是克服或改善现有技术的缺点中的至少一个或多个，或提供有用的替代方案。
[0022] 在本说明书通篇中，除非上下文另外要求，否则“包括(comprise/comprises/comprising)”一词应理解为暗指包含所陈述步骤或要素或一组步骤或要素，但不排除任何其它步骤或要素或任何其它组步骤或要素。
[0023] 如本文所使用的术语“包含”或“其包含”或“这包含”中的任一个也是开放性术语，其还意味着至少包含该术语之后的要素/特征，但不排除其它要素/特征。因此，“包含”与“包括”同义且意味着“包括”。
[0024] 在权利要求书中以及以上发明内容和以下具体实施方式中，例如“包括”、“包含”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“持有”、“由……组成”等所有过渡性短语应理解为开放式的，即，意味着“包含但不限于”。只有过渡性短语“由……组成”和“基本上由……组成”应分别是封闭或半封闭的过渡性短语。
[0025] 术语“实时”，例如“显示实时数据”，指代在给定系统的处理局限性和准确地测量数据所需的时间的情况下显示数据，而无有意延迟。
[0026] 尽管与本文描述的方法和材料类似或等效的任何方法和材料可以用于实践或测试本发明，但是描述优选方法和材料。应了解，本文中所描述的方法、设备和系统可以多种方式且出于多种目的而实施。此处的具体实施方式仅借助于实例。
[0027] 本文中概述的各种方法或过程可译码为在采用多种操作系统或平台中的任一种的一个或多个处理器上可执行的软件。此外，这类软件可使用多种合适的编程语言和/或编程或脚本处理工具中的任一种编写，并且还可汇编为可执行机器语言代码或在框架或虚拟机上执行的中间代码。
[0028] 就此而言，各种发明概念可体现为以一个或多个程序编码的计算机可读存储介质(或多个计算机可读存储介质)(例如计算机存储器、一个或多个软盘、压缩光盘、光盘、磁带、快闪存储器、现场可编程门阵列或其它半导体装置中的电路配置，或者其它非暂时性介质或有形计算机存储介质)，所述一个或多个程序在一个或多个计算机或其它处理器上执行时执行实施上文所论述的本发明的各种实施例的方法。所述计算机可读介质或可以是可传送的，使得存储在上面的程序可以加载到一个或多个不同计算机或其它处理器上，以便实施如上文所论述的本发明的各个方面。
[0029] 本文中在通用意义上使用术语“程序”或“软件”，以便指代任何类型的计算机代码或计算机可执行指令集，其可以用于编程计算机或其它处理器以实施如上文所论述的实施例的各个方面。此外，应了解，根据一个方面，当被实行时执行本发明的方法的一个或多个计算机程序不必驻存在单个计算机或处理器上，而是可以模块形式在多种不同计算机或处理器之间分布以实施本发明的各个方面。
[0030] 计算机可执行指令可以采用许多形式，例如由一个或多个计算机或其它装置执行的程序模块。通常，程序模块包含执行特定任务或实施特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。通常在各种实施例中程序模块的功能性可以视需要组合或分布。
[0031] 另外，数据结构可以任何合适的形式存储在计算机可读介质中。为简单说明起见，数据结构可示出为具有通过在数据结构中的定位相关的字段。这类关系可同样地通过为具有传达字段之间的关系的计算机可读介质中的位置的字段指派存储装置来实现。然而，任何合适的机制可用于建立数据结构的字段中的信息之间的关系，包含通过使用指针、标签或建立数据元素之间的关系的其它机制。
[0032] 另外，各种发明概念可体现为一种或多种方法，已提供其实例。作为方法的一部分执行的动作可以用任何合适的方式排序。因此，可以构造按不同于所说明的次序执行动作的实施例，其可以包含同时执行一些动作，即使在说明性实施例中展示为依序的动作也是如此。
[0033] 如本文中在说明书中和在权利要求书中所使用，短语“和/或”应理解为意味着如此结合的要素中的“任一个或两者”，即，要素在一些情况中结合地存在并且在其它情况中分离地存在。用“和/或”列出的多个要素应以相同方式解释，即，要素中的“一个或多个”如此结合。除通过“和/或”从句特定识别的要素之外，可任选地存在其它要素，无论与特定识别的那些要素相关还是不相关。因此，作为非限制性实例，当与例如“包括”等开放性语言结合使用时，对“A和/或B”的提及在一个实施例中可指代仅A(任选地包含除B之外的要素)，在另一实施例中可指代仅B(任选地包含除A之外的要素)，在又一实施例中可指代A和B两者(任选地包含其它要素)，等等。
[0034] 如本文在说明书和权利要求书中所使用，“或”应理解为具有与如上文所定义的“和/或”相同的含义。举例来说，当分隔列表中的项目时，“或”或者“和/或”将解释为包含性的，即，包含若干要素或要素列表中的至少一个，并且包含若干要素或要素列表中的一个以上，且任选地包含额外未列出的要素。只有明确相反指示的术语，如“仅仅……中的一个”或“恰好……中的一个”或当在权利要求书时使用时“由……组成”将指代包含若干要素或要素列表中的恰好一个要素。一般来说，如本文中所用的术语“或”当前面是例如“任一”、“……中的一个”、“仅……中的一个”或“恰好……中的一个”的排它性术语时，应仅解释为指示排它性替代方案(即“一个或另一个但并非两者”)。“基本上由……组成”当在权利要求书中使用时应具有其如专利法领域中所用的普通含义。
[0035] 如本文中在说明书和权利要求书中所使用，关于一个或多个要素的列表的短语“至少一个”应理解为意指选自要素列表中的要素中的任何一个或多个的至少一个要素，但未必包含要素列表内特定列举的每一个要素中的至少一个，并且不排除要素列表中的要素的任何组合。此定义还允许可以任选地存在除了要素列表内特定识别的短语“至少一个”所指的要素之外的要素，无论其是否与特定识别的那些要素相关。因此，作为非限制性实例，“A和B中的至少一个”(或等效地，“A或B中的至少一个”，或等效地，“A和/或B中的至少一个”)在一个实施例中可以指代至少一个(任选地包含一个以上)A，不存在B(并且任选地包含除了B之外的要素)；在另一实施例中可以指代至少一个(任选地包含一个以上)B，不存在A(并且任选地包含除了A之外的要素)；在又一实施例中可以指代至少一个(任选地包含一个以上)A，以及至少一个(任选地包含一个以上)B(并且任选地包含其它要素)；等等。
[0036] 出于本说明书的目的，在依序描述方法步骤的情况下，所述序列不必意味着所述步骤将在所述序列中按时间顺序实行，除非不存在其它解释所述序列的逻辑方式。
[0040] 根据本发明的第一方面，提供一种用于包含骨骼的生物组织的激光整形的机器人辅助的激光切骨术系统。所述系统可包括工具，所述工具包括可操作以执行至少一个处理动作的激光器。所述系统可进一步包括定位构件，用于相对于所述生物组织定位所述工具以执行所述至少一个处理动作。所述系统可进一步包括控制器。所述系统可进一步包括存储装置，其存储用于控制所述控制器的电子程序指令。所述系统可进一步包括输入构件。所述控制器可在所述电子程序指令的控制下操作，以经由所述输入构件接收输入。所述控制器可以进一步可操作以处理所述输入。基于所述处理，所述控制器可以进一步可操作以控制所述定位构件和所述工具来处理所述生物组织。
[0041] 根据第一方面的特定布置，提供一种用于包含骨骼的生物组织的激光整形的机器人辅助的激光切骨术系统，所述系统包括：
[0042] 工具，其包括可操作以执行至少一个处理动作的激光器；
[0043] 定位构件，其用于相对于所述生物组织定位所述工具以执行所述至少一个处理动作；
[0044] 控制器；
[0045] 存储装置，其存储用于控制所述控制器的电子程序指令；以及
[0046] 输入构件；
[0047] 其中所述控制器可在所述电子程序指令的控制下操作以：
[0048] 经由所述输入构件接收输入；
[0049] 处理所述输入，且基于所述处理，控制所述定位构件和所述工具来处理所述生物组织。
[0050] 上文所描述方面和下文描述的那些方面的实施例及实施方案可并入有以下任选特征中的一个或多个。
[0051] 由所述控制器执行的输入的所述处理可包括所述输入的分析和基于所述分析作出决策。一旦已作出决策，所述控制器就可在所述电子程序指令的控制下操作，以基于所述决策起始动作来控制所述定位构件和所述工具来处理所述生物组织。
[0052] 在一个实施例中，作为所述分析的至少一部分，所述控制器可在所述电子程序指令的控制下操作以：基于输入产生与所述至少一个处理动作相关的一个或多个准则，或接收与所述至少一个处理动作相关的一个或多个准则作为输入；以及使用所述准则来作出所述决策。
[0053] 在另一实施例中，所述准则包括以下中的至少一个：所述至少一个处理动作的速度；所述至少一个处理动作的准确性；所述至少一个处理动作的安全性；以及所述至少一个处理动作的清洁度。
[0054] 作为所述分析的至少一部分，所述控制器可在所述电子程序指令的控制下操作以基于输入产生所述生物组织的表示或接收所述生物组织的表示作为输入。所述控制器可以进一步可操作以基于输入产生所述生物组织的另一表示或接收所述生物组织的另一表示作为输入，所述生物组织的所述另一表示是所述生物组织的不同表示。所述控制器可以进一步可操作以基于所述生物组织的所述表示和所述生物组织的所述另一表示作出评估，且使用所述评估来作出所述决策。
[0055] 所述生物组织的所述表示可包括所述生物组织的状态的表示。所述生物组织的所述状态可对应于在已对所述生物组织执行所述至少一个处理动作之后所述生物组织的规划状态。
[0056] 所述生物组织的所述另一表示可包括所述生物组织的另一状态的表示。所述生物组织的所述另一状态可对应于在已对所述生物组织执行所述至少一个处理动作之后所述生物组织的实际状态。
[0057] 作出所述评估可包括将在已对所述生物组织执行所述至少一个处理动作之后所述生物组织的所述实际状态与所述生物组织的所述规划状态进行比较。
[0058] 所述输入构件可包括至少一个传感器，其可以是传感器系统或一组传感器的部分。所述组传感器内的个别传感器可操作以监视、感测和搜集或测量与以下相关联或相关的传感器数据和/或信息：所述系统、所述生物组织和周围环境或者与其相关联或联接到其上的组件、系统或装置中的一个或多个的一个或多个特性、性质和/或参数。
[0060] 由所述系统执行的操作可在外科医生的控制下半自动地发生，或自动发生而不需要人为干预。
[0061] 所述至少一个处理动作可以是手术过程，并且优选地矫形外科手术过程的部分。
[0062] 所述工具可包括激光器，其可操作以执行消减剥蚀作为所述至少一个处理动作。
[0064] 在另一实施例中，优化包括考虑到包含安全性和准确性中的至少一个的准则试图增加或最大化被剥蚀的生物组织的体积。
[0066] 在一个实施例中，所述控制包括在已对所述生物组织执行所述剥蚀之后以较低功率操作所述激光器来减小或缓解对所述生物组织的最终表面的损坏。
[0067] 在另一实施例中，所述系统包括冷却构件，用于冷却所述系统的一个或多个组件。
[0068] 在另一实施例中，所述冷却构件包括冷却剂冷冻器，用于冷冻用于冷却所述激光器的冷却剂。
[0069] 在一个实施例中，所述激光器的所述优化操作包括喷射器，用于将液体喷射到所述生物组织来辅助激光剥蚀，并在至少某一程度上保护所述生物组织不受热损坏。
[0070] 在另一实施例中，所述喷射器液体包括水或水衍生溶液(例如，生理盐水)，并且优选地在使用前灭菌。在替代实施例中，所述喷射器液体包括生物相容性(即，无毒且惰性)溶液，其适于充当所述生物组织的冷却剂，并且能够吸收激光辐射以辅助剥蚀过程。
[0071] 在另一实施例中，所述冷却构件包括一束至少两个分割的绝缘管道。
[0072] 在一个实施例中，所述系统包括屏蔽件，用于在所述生物组织的处理期间提供保护。
[0073] 在另一实施例中，所述屏蔽件包括消耗性屏蔽件。
[0074] 在另一实施例中，所述消耗性屏蔽件包括粒子收集器和/或一系列过滤器和/或捕集器，用于过滤和存储颗粒物质。
[0075] 在一个实施例中，所述定位构件包括机器人臂。
[0076] 在另一实施例中，所述工具的处理部分提供在所述机器人臂的末端执行器上。
[0077] 在另一实施例中，所述系统包括精细运动构件，用于以增加的准确性引导所述工具的所述处理部分。
[0078] 在一个实施例中，当所述输入包括来自3D度量传感器的输入时，所述处理包括使用所述输入来映射所述生物组织和周围环境的几何形状。
[0079] 在另一实施例中，所述处理进一步包括基于平面、球面、圆柱形或用于3D和2D之间的转换的任何其它坐标系将三维(3D)几何形状的维度减小为一组或一系列二维(2D)地图。
[0080] 在另一实施例中，所述处理进一步包括将其它传感器信息叠加在相同2D地图上。
[0081] 在一个实施例中，当所述输入包括来自超光谱传感器、拉曼光谱法传感器、显微法传感器、光学成像传感器或光学相干断层扫描的输入时，所述处理包括使用所述输入来区分生物组织与潜在地材料的组成组份。
[0082] 在另一实施例中，当所述输入包括来自热传感器的输入时，所述处理包括使用所述输入来确定对经处理生物组织的任何温度效应(例如热损坏)，以及将很可能随进一步处理而产生的任何进一步效应。
[0083] 在另一实施例中，当输入包括来自声学传感器的输入时，所述处理包括使用所述声学传感器输入来检测工具是否已对非既定或非预期生物组织或材料进行处理。
[0084] 在另一实施例中，当所述输入包括来自激光功率传感器的输入时，所述处理包括使用所述输入来确定正由激光束产生的实际功率。
[0085] 在另一实施例中，所述系统包括由所述激光器提供在所述生物组织上用于跟踪所述生物组织的基准标记。
[0086] 在一个实施例中，当所述输入包括来自至少一个传感器的输入时，所述处理包括使用所述传感器输入来改善对所述定位构件和所述工具的控制以处理所述生物组织。
[0087] 在另一实施例中，所述控制器包括智能控制器，用于提供对所述系统的智能控制。
[0088] 在另一实施例中，所述智能控制器包括主系统协调器，用于控制所述系统的操作，包含模拟、测试和数据录入操作中的一个或多个。
[0090] 在另一实施例中，所述系统进一步包括动态聚焦光学件和动态聚焦光学件控制器；所述动态聚焦光学件可操作以经由动态聚焦光学件控制器动态地改变焦距且将激光束的光束直径聚焦在依控制器所希望而确定的目标距离处。
[0091] 根据本发明的第二方面，提供一种用于处理生物组织的方法。所述方法可包括存储用于控制控制器的电子程序指令的步骤。所述方法可包括经由所述电子程序指令控制所述控制器来经由输入构件接收输入的另一步骤。所述方法可包括另一步骤：经由所述电子程序指令控制所述控制器以处理所述输入，且基于所述处理，控制可操作以执行至少一个处理动作的工具和用于相对于所述生物组织定位所述工具以执行所述至少一个处理动作的定位构件，从而处理所述生物组织。
[0092] 根据第二方面的特定布置，提供一种用于处理生物组织的方法，所述方法包括：
[0093] 存储用于控制控制器的电子程序指令；以及
[0094] 经由所述电子程序指令控制所述控制器以：
[0095] 经由输入构件接收输入；以及
[0096] 处理所述输入，且基于所述处理，控制可操作以执行至少一个处理动作的工具和用于相对于所述生物组织定位所述工具以执行所述至少一个处理动作的定位构件，从而处理所述生物组织。
[0097] 根据本发明的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，在上面存储指令，所述指令当由计算构件执行时致使所述计算构件执行根据如上文描述的第二广义方面的方法。
[0098] 根据本发明的第四方面，提供一种计算构件，其经编程以实行根据如上文描述的第二广义方面的方法。
[0100] 根据本发明的第六方面，提供一种具有计算机可读介质的计算机程序产品，所述计算机可读介质中记录有用于处理生物组织的计算机程序，所述计算机可读介质包括用于控制控制器的指令，所述计算机程序产品包括：计算机程序代码构件，其用于经由电子程序指令控制所述控制器；计算机程序代码构件，其用于经由输入构件接收输入；以及计算机程序代码构件，其用于处理所述输入，且基于所述处理，控制可操作以执行至少一个处理动作的工具和用于相对于材料定位所述工具以执行所述至少一个处理动作的定位构件，从而处理所述生物组织。
[0101] 根据本发明的第七方面，提供一种用于处理生物组织的计算机程序，所述程序包括：用于检索用于控制控制器的指令的代码，所述指令存储在计算机可读介质中；用于经由电子程序指令控制所述控制器的代码；以及用于经由输入构件接收输入的代码；以及用于处理所述输入且基于所述处理控制可操作以执行至少一个处理动作的工具和用于相对于材料定位所述工具以执行所述至少一个处理动作的定位构件从而处理所述生物组织的代码。
[0102] 根据本发明的第八方面，提供一种电子装置，所述电子装置包括：输入组件，其被配置成接收来自用户的输入；输出组件，其被配置成将输出提供到用户；处理器，其联接到所述输入组件和所述输出组件；以及计算机可读存储介质，其含有程序指令，所述程序指令在由所述处理器执行时致使所述处理器：检索用于控制控制器的指令，所述指令存储在计算机可读介质中以经由电子程序指令来控制控制器以：经由输入构件接收输入；且处理所述输入，并基于所述处理，控制可操作以执行至少一个处理动作的工具和用于相对于材料定位所述工具以执行所述至少一个处理动作的定位构件，从而处理所述生物组织。
附图说明
[0103] 尽管任何其它形式可落在本发明的范围内，现将仅借助于实例参考附图描述本发明的一个或多个优选实施例，附图中：
[0104] 图1描绘根据本发明的各方面的系统的实施例的高层级物理系统架构；
[0105] 图2A描绘图1的系统的末端执行器的特定实施例；
[0106] 图2B描绘用于在手术过程期间对患者的骨骼组织整形的图1的系统的末端执行器的实例使用配置；
[0107] 图3、4和5描绘图1的系统的末端执行器的替代实施例；
[0108] 图6描绘到图1的系统的末端执行器的激光发射的替代实施例；
[0109] 图7描绘图1的系统的末端执行器的传感器和传感器控制器的实施例；
[0110] 图8描绘用于全膝置换外科手术操作的植入体的骨骼的切除；
[0111] 图9描绘图1的系统的消耗性屏蔽件/粒子收集器的定位和内部结构；
[0112] 图10描绘图1的系统的基本单元；
[0113] 图11描绘目标和非目标“附带”组织的剥蚀进程风险的图形表示；
[0114] 图12A和12B描绘图1的系统的激光束剥蚀尺寸和图案；
[0115] 图13描绘图1的系统的控制器的架构；
[0117] 图15描绘由图13的控制器的系统协调器执行的动作的流程图；
[0118] 图16描绘在图13的控制器的映射操作期间执行的动作的流程图；
[0119] 图17描绘在图13的控制器的规划操作期间执行的动作的流程图；
[0120] 图18描绘在图17的规划操作的地标对齐操作期间执行的动作的流程图；
[0121] 图19描绘在图17的规划操作的材料上定位操作期间执行的动作的流程图；
[0122] 图20描绘在图17的规划操作的待用定位操作期间执行的动作的流程图；
[0123] 图21描绘利用图17的规划操作的配合和对准分析针对一组假体组件切除所执行的动作的流程图；
[0124] 图22描绘在图21的规划操作的切除操作期间执行的动作的流程图；
[0125] 图23描绘在图22的切除操作的切除表面3D到2D投射期间执行的动作的流程图；
[0126] 图24描绘在图22的切除操作的切除表面2D到3D投射期间执行的动作的流程图；
[0127] 图25描绘在图1的控制器的切除表面分析操作和图22的操作期间执行的动作的流程图；
[0128] 图26描绘在图21的假体切除的假体组件的配合和对准分析操作期间执行的动作的流程图；
[0129] 图27描绘在图13的控制器的生物分析操作期间执行的动作的流程图；
[0130] 图28描绘在图13的控制器的声学分析操作期间执行的动作的流程图；
[0131] 图29描绘在图13的控制器的激光优化操作期间执行的动作的流程图；以及
[0132] 图30描绘可在上面根据本发明的一实施例实施本文所描述的各种实施例的计算装置。
具体实施方式
[0133] 本发明的范围不受以下特定实施例限制。此详细描述既定仅用于例证的目的。功能上等效的产品、组份和方法在如本文所描述的本发明的范围内。依据这一点，所属领域的技术人员将了解，本文描述的发明容许除特定描述以外的变化和修改，应理解，本发明包含所有此类变化和修改。本发明还包含本说明书中个别或共同地提及或指示的所有步骤、特征、组份和化合物以及所述步骤或特征中的任一个和所有组合或任何两个或两个以上。
[0134] 在本文的实例中更充分描述本发明的进一步特征。然而，应理解，此详细描述仅仅出于例示本发明的目的而包含，且不应以任何方式理解为对如上文陈述的本发明的广泛描述的限制。
[0135] 本文列举的所有出版物(包含专利、专利申请、杂志论文、实验室手册、书或其它文献)的完整公开内容特此以引用的方式并入本文中。并不承认所述参考中的任一个构成现有技术或是本发明所涉及领域的工作人员的公共常识的一部分。
[0136] 在整个本说明书中，除非本文另有规定，否则词语“包括(comprise)”或例如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”等变型应理解为暗示包含所陈述整体或整体的群组，但不排除任何其它整体或整体的群组。
[0137] 此外，在整个本说明书中，除非本文另有规定，否则词语“包含(include)”或例如“包含(includes)”或“包含(including)”等变型应理解为暗示包含所陈述整体或整体的群组，但不排除任何其它整体或整体的群组。
[0138] 本文所使用的选定术语的其它定义可认为在本发明的具体实施方式内，且贯穿本发明的具体实施方式适用。除非另外定义，否则本文使用的所有其它科学和技术术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。
[0139] 本文描述的发明可包含一个或多个值范围(例如大小、位移和场强度等)。值范围将理解为包含所述范围内的所有值，包含限定所述范围的值，以及邻近于所述范围的导致与紧邻限定范围的边界的所述值的值相同或基本上相同的结果的值。举例来说，所属领域的技术人员将理解，范围的上限或下限的10％变化可完全适当且由本发明涵盖。更确切地说，范围的上限或下限的变化将为5％，或如此项技术中通常了解，无论哪个更大。
[0141] 在图式中，已经用类似附图标记参考相似特征。
[0142] 从本文的背景技术的论述显而易见，传统切割/整形技术，尽管具有缺点，但仍在使用中。本发明的实施例试图通过以消除以下各项为目标来改进此情形：(a)复杂的系统布置、(b)由人为因素引入的可变性，和(c)切割/整形工具和骨骼之间的物理接触。
[0143] 为此目的，实施方案采取不同方法来尝试优良的整形/切割操作。其是基于采用极短持续时间、非物理接触、高强度激光束作为用于整形/切割的能量源。来自激光模块130的激光脉冲的脉冲宽度(或者，脉冲持续时间)可处于约0.1到1000μs之间的范围内。来自激光模块130的激光的平均输出功率可处于约0.1到2000W之间的范围内。此高强度聚焦激光束可有利地在极短持续时间内进行骨材料移除，而不会引起任何或至少减少对骨骼-激光交互区域63周围的材料的热坏死和机械损坏。激光束30聚焦到生物材料12上的点，光斑大小通常介于直径约300和1000μm之间以便将激光能量递送到生物材料12，用于以具有介于约2
0.1到1000J/cm 之间的范围内的能量密度(通量)的激光能量切除材料，且在正常操作下，所述能量密度通常介于约10到150J/cm2之间的范围内。此外，如将更详细地描述，所公开的基于激光的骨骼整形/切割技术极其适合于自动化以及人为干预和操作时间的减少，并且增加整形/切割的精度。此外，这些原生优点可产生例如快速患者恢复和成本降低等次生益处。
0.1到1000J/cm 之间的范围内的能量密度(通量)的激光能量切除材料，且在正常操作下，所述能量密度通常介于约10到150J/cm2之间的范围内。此外，如将更详细地描述，所公开的基于激光的骨骼整形/切割技术极其适合于自动化以及人为干预和操作时间的减少，并且增加整形/切割的精度。此外，这些原生优点可产生例如快速患者恢复和成本降低等次生益处。
[0144] 可使用适于骨骼整形/切割操作的任何激光器类型，例如：气体激光器，例如CO2激光器(具有介于约9μm到约12μm之间的发射波长)；或固态激光器，包含：ErYAG激光器(波长：2940nm)、Nd：YAG激光器(波长：1064nm)、Tm：YAG激光器(波长：2000nm)、Hg：YAG激光器(波长：2100nm)，或如有技能的读者将理解的其它合适的激光系统，其优选地具有与生物组织中大量存在的水的吸收相容的发射波长，且其还可施加到交互位点以经由激光辐射30和基于水的溶液之间的交互增加剥蚀过程的效率。水具有约3μm的显著吸收系数，因此能够进行此吸收峰值附近的激光发射的激光源(举例来说，Er：YAG激光器，其在2940nm处发射)尤其适合于生物材料12中的激光剥蚀过程。应了解，所提出的基于激光的整形较好地适合半自动化或全自动化。
[0145] 在图1中，描绘根据本发明的各方面用于处理生物组织12的系统10的实施例，其在高层级示出为物理组件的互连集合。
[0146] 在所描述实施例中，生物组织12是包括作为活人的患者14的一部分的动态材料。所述处理包括待对患者14执行的手术过程的一个或多个动作。生物组织12包括软组织(例如软骨)和硬组织(例如骨骼)，其子区段能够由系统10剥蚀掉以产生切除表面，对于关节造形术来说，所述切除表面对于假体植入是理想的。生物组织12的所谓的“动态”性质指示，其可在手术期间移位或移动，且这需要在剥蚀方法中予以考虑以确保表面被准确地瞄准(下文更详细地论述)。
[0147] 系统10可被称为智能机器人辅助消减激光剥蚀系统(IRASLASTM)，且如将描述，可操作以使用计算机控制的机器人定位、精确激光剥蚀和传感器来评估过程和报告所得几何形状来执行切骨术、关节造形术或任何其它矫形外科或再造手术所需的一个或多个切除。
[0148] 然而，应了解，本发明关于被处理的生物组织、其被处理的目的或所执行的处理的动作不受限制，且在替代实施例中，本发明可应用于经由包括除所描述以外的额外和/或替代动作的处理来处理额外和/或替代材料，包含动态和静态材料。取决于实施方案，材料可以是活物的身体或其一个或多个部分，或者无生命体的身体或其一个或多个部分。
[0149] 系统10包括多个组件、子系统和/或模块，其可操作地经由适当电路、计算机芯片(集成电路)、收发器/接收器天线、软件和连接而联接以使系统10能够在执行本文描述的功能和操作时有利地组合计算机控制的设备的精度与激光器的保真度。
[0150] 确切地说，且如图1所示，系统10包括：工具24，其可操作以执行至少一个处理动作；定位构件25，其用于相对于生物组织12和所引导激光束30定位工具24以执行作为手术过程的一部分所需的所述至少一个处理动作；计算构件，其在此实施例中包括控制器100和存储装置18，所述存储装置18存储用于控制控制器100的电子程序指令和信息和/或数据；显示器20，其用于为外科医生16与系统100交互显示用户界面21和输入构件22；以及硬件组件，其存储在经由管道26连接到工具的基本单元27中。
[0151] 定位构件25可包括任何组件或组件的组合件，其可操作以使工具24和/或生物组织12相对于彼此移动，使得工具24可对生物组织12执行所述至少一个处理动作。
[0152] 在优选实施例中，工具24包括末端执行器28，其可操作地附接在包括定位构件25的机器人臂105的工作端处。末端执行器28是硬件组合件，其包括若干组件和传感器(如在本文中进一步详细描述)，以形成和引导可操作以执行在手术过程期间需要在生物组织12上进行的动作的激光束30，并感测结果。这些动作包含外科剥蚀(物质的移除)。
[0153] 机器人臂105包括操纵器23和机器人臂控制器106，机器人臂控制器106经特别设计以操作和控制操纵器23。在实施例中，机器人臂105有利地允许通过系统10使末端执行器28相对于生物组织12最佳地定位且保持稳定，使得正确地执行所述至少一个处理动作。机器人臂105牢固地安装到基本单元27，从而提供对于系统10的操作期间所需的运动的范围来说足够的稳定平台。机器人臂105具有至少5个自由度且含有安全特征，所述安全特征允许其通过感测移动阻力而在极接近人的地方使用。机器人臂控制器106连接到控制器100，控制器100可操作以导引和监视其活动。
[0154] 控制器100可在来自存储装置18的电子程序指令的控制下操作，以经由输入构件22接收输入，实时组合和解释包括安全性、定位、外科手术规划和传感器数据的输入，且经由机器感知和其它构件利用和控制针对精度控制、安全性和定位、生物组织12的表示和待进行的处理的感测，处理所述输入，且基于所述处理控制定位构件25和工具24以在外科医生16的监督下处理生物组织12。通过工具24对生物组织12执行所述至少一个处理动作来处理生物组织12。在实施例中，控制器100包括计算机系统，其使系统的组件通信并控制系统的组件。
[0155] 在实施例中，工具24的运行所需的系统10的组件主要驻留在包括基本单元27的壳体中。将在下文更详细地论述前述组件，包括系统10的激光相关组件、粒子过滤相关组件、水喷射组件、控制器100、传感器控制器103、动态聚焦光学件控制器137、存储装置18、硬件故障保护看门狗175、控制系统和功率相关组件。
[0156] 系统10使用定位传感器170，其还可被称作计算机辅助手术(computer assisted surgery，CAS)导航传感器，用以在三维中跟踪被处理的生物组织12的位置和移动。定位传感器170操作性地向高处定位在升高位置处，附接到顶板、壁、臂或站立，具有对生物组织12和周围环境的清晰视场。若干现有系统为市售的且在当前外科手术技术中使用。针对计算机导航的TKR的典型过程是，将引脚插入到股骨和胫骨中，且附接基准标记70-可由定位传感器170辨识和定向的反射标记阵列。基准标记70位置数据由定位控制器171串流到控制器100以辅助正确地定位和对准切除。此输入数据是用于理解手术中被处理的生物组织12的位置和移动的系统10的初级方法。基准标记70还附接到手术中使用的外科手术工具，作为当前黄金标准方法来以正确的对准将切除定位在正确位置。
[0157] 系统10还可使用激光以不可消除方式标记生物组织上的一个或多个视觉上可追踪的图案，从而创建经激光处理的(即，由激光形成，例如激光雕刻的)基准标记71。充分高速(例如，在大于约60Hz下操作)的光学成像传感器可提供高分辨率成像，系统10可使用所述高分辨率成像来通过与先前图像的比较而检测标记的移动，特别是从工具的视角横向检测，此时最大风险在于瞄准用于剥蚀的生物组织12的过程中的误差。经激光处理的基准标记71可对前述基准标记70提供的跟踪进行补充。
[0158] 到系统10的输入适合于待处理的生物组织12和待执行的处理，在实施例中，所述输入包括生物组织12、患者14、矫形外科手术过程、系统10的一个或多个组件和周围环境中的一个或多个的细节和/或与之相关联。所述细节包括相干数据和/或信息。
[0159] 所述数据和/或信息可通过从一个或多个源进行检索、接收、提取、感测和识别中的一个或多个操作来获得。所述一个或多个数据和/或信息源可以是系统10的部分，驻留在例如存储装置18等系统10的组件上，和/或处于或驻留在远离系统10的其它地方。
[0160] 所述数据和/或信息包括：实验和历史数据；手术前数据，包含生物组织12和患者14的相干医学成像以及针对患者14的临床/外科手术规划；以及在手术期间经由手术中感测获得的数据(下文进一步论述)。所述数据和/或信息可包括使用至少一个惯性测量单元(IMU)经由步态分析产生的关节运动学数据。IMU是电子装置，其可操作以使用加速计和陀螺仪的组合(有时还使用磁力计)测量和报告身体的特定力、角速率和有时身体周围的磁场。在本发明的实施例中，还可由装置产生和/或从装置获得数据和/或信息，所述装置包含例如活动跟踪器(例如商标FITBITTM下提供的活动跟踪器)、智能支架和智能夹板。
[0161] 在本发明的实施例中，用于显示用户界面21的显示器20和用户输入构件22集成在触摸屏中。在替代实施例中，这些组件可提供为离散元件或项目。
[0162] 触摸屏显示器20可操作以感测或检测系统10的显示区域内触摸的存在和位置。呈触摸屏显示器20的感测到的“触摸“的形式的到系统10的输入命令被作为命令或指令输入到系统10，且传送到控制器100。应了解，用户输入构件22不限于包括触摸屏，且在本发明的替代实施例中可使用用于接收输入、命令或指令且实现受控交互的任何适当的装置、系统或机器，包含例如小键盘或键盘、指向装置或复合装置，以及包括话音激活、语音和/或思维控制和/或全息/投射成像的系统。
[0163] 通常，用户是具备适当知识技能且经验丰富以使用系统10执行对生物组织12的处理的人，例如在实施例中为矫形外科医生16。用户是经过训练的医疗专业人员，其经由用户界面21的触摸屏显示器20监督并引导系统10。
[0164] 显示器20和用户界面21定位于接近外科医生16的方便的位置中，以维持良好可见性和便利的交互。
[0165] 图式的图2A描绘作为末端执行器28的工具24的优选实施例，其包括各种组件以及经由管道26到基本单元27中的其它组件的连接。
[0166] 激光模块130可操作以在适于生物组织12的剥蚀的预定义波长下发射相干光束30。
[0167] 激光电流源131可操作以向激光模块130供应产生光束30所需的电流。控制器100可操作以选择激光电流源131中的不同参数来修改所产生的所得光束30。
[0168] 呈冷冻器140的形式的冷却构件可操作以经由循环冷却剂40冷却激光模块130，以防止激光模块130以及系统10的其它组件(包含扫描头117和水55)过热，如下文更详细地论述。
[0169] 激光遮板133可操作以使用阻挡光束30的可切换物理屏障防止光从激光模块130意外发射。
[0170] 激光遮板控制器134可操作以控制激光遮板133如控制器100所引导而运行。
[0171] 动态聚焦光学件136可操作以动态地改变焦距，且经由动态聚焦光学件控制器137将光束30的光束直径聚焦在控制器100确定为合乎需要的目标距离处。
[0172] 镜面33可操作以对准地反射光束30，以便动态聚焦光学件136正确地运行。镜面34的安装位置可调整以确保可取决于激光模块130的位置和到动态聚焦光学件136中的正确路径校准所述对准。
[0173] 在优选实施例中，镜面33部分反射使得其可操作以对到激光功率传感器128的极小预定比率的发射光束31进行射束分裂，所述激光功率传感器128可操作以感测激光模块130的功率输出。控制器100可通过补偿已知比率的感测到的发射能量来计算激光模块130的总功率输出。在不必动态地感测激光能量的另一实施例中，镜面33可完全反射。
[0174] 镜面34是双色滤光器，其可操作以将光束30的波长带中的光反射到扫描头117的射束入口中，且沿着光路径32发射所述波长带外部的光。镜面34的安装位置可调整以允许取决于穿过动态聚焦光学件136的光束30的路径和到扫描头117中的正确路径校准反射对准。
[0175] 当前技术水平机器人臂105的精度不足以成为将激光束30从末端执行器28引导到用于剥蚀的生物组织12的唯一方法。精细运动构件可操作以允许以微米级准确性定向瞄准激光束30的次级方法。
[0176] 在优选实施例中，通常包括两个电流计扫描仪对准镜面(未图示)的扫描头117用作精细运动构件，以如作为图1的精细运动控制器111操作的扫描头控制器160所引导而快速重新瞄准激光器。扫描头117通常具有f-θ透镜，其校正跨越平坦目标平面的焦距，然而因为我们的目标将是任意形状，所以实施例不需要f-θ透镜，而是实际上使用动态聚焦光学件136。下文将更详细地论述具有例如旋转多边形镜面、倾倒/倾斜镜面或斯图尔特平台等不同精细运动构件的其它实施例。
[0177] 镜面35可操作以与激光束30的路径成直接视线将光路径32反射到所述组传感器101。镜面35的安装位置可调整以允许以光束30的路径和所述组传感器101校准所述反射对准。
[0178] 所述组传感器101包括多个组件，其需要沿着与到生物组织上的剥蚀目标的激光束30相同的路径感测和/或发光。所述组传感器102包括多个组件，其定位于末端执行器28的表面上，可操作以从其自身的有利点感测生物组织或环境和/或与之交互。为了手术中安全性、定位和精度整形，要求在激光整形之前非侵入性地识别生物组织12。将在下文更详细地论述传感器。
[0179] 光源80可操作以提供照明，使得所述组传感器101/102可正确地且最佳地感测生物组织12和环境。对于下文将更详细地论述的例如超光谱成像传感器180等各种传感器，此照明将可跨越正感测的波长和模态的范围操作。
[0180] 适于外科手术剥蚀的激光在被水(生物组织12的共同且大量存在的成分)强吸收的波长下产生光束30。水在约3μm的波长下具有强吸收峰值。在此特定波长范围中操作且尤其适合于例如本文中所公开的激光剥蚀手术的实例激光源包含具有约2940nm的发射波长的Er：YAG固态激光系统。水的瞬时加热是借以从生物组织12表面剥蚀材料的过程。是否没有足够的水来有效地吸收激光束30的能量，则剥蚀效应减小，且生物组织12处于仅仅碳化的危险中。如果有过多水，仅仅闪击沸腾水浪费过多能量，且剥蚀效应再次减小，然而生物组织12碳化的危险极小。给定这两个极端情况，存在最佳水量，使得大部分生物组织12被剥蚀，而不会碳化，光束30中使用的能量的量最小。
[0181] 当生物组织12上存在过多水时，实施例的系统10没有直接的方式减少所述水，除了用光束30花费额外能量使其汽化。间接方式将是，依赖于外科手术团队在目标点附近使用吸力来移除一些水。
[0182] 与移除水相比，将额外水引入到生物组织12更容易。在优选实施例中，此包括经由消耗性容器或管道供应提供的合适的灭菌状态的水供应155，且所述水供应可操作以提供水55用于喷射到待剥蚀的生物组织12的表面上。
[0183] 在优选实施例中，喷射器液体包括例如水或水衍生溶液或类似物等溶液，如有技能的读者将理解。合适的溶液将优选地具有由激光模块130产生的激光束的波长下光的强吸收，以便实行喷射器液体的瞬时加热，这辅助剥蚀过程，使其更高效，同时充当生物组织12的冷却剂以防止生物组织12碳化。
[0184] 呈水喷射器157的形式的导引构件可操作以冲洗生物组织12。这有利地允许更高效的剥蚀，且辅助防止生物组织12碳化。在本发明的替代实施例中，可使用代替水或作为水的补充的液体。
[0185] 压缩空气供应156可操作以推进水55穿过水喷射器167。在优选实施例中，此包括压缩机，其从手术环境获得灭菌空气，随后对所述灭菌空气进行压缩，且压缩空气56被灌注到水喷射器157。在本发明的替代实施例中，容器或管道供应可用作压缩空气供应166。
[0186] 生物组织12的剥蚀导致从表面射出的汽化和碎裂材料的羽流50。所述羽流包括亚次毫米级和亚微米级的颗粒。一些细微颗粒对系统10和患者14附近的手术工作人员造成健康危险，因为吸入粒子可能对呼吸系统造成损害。此问题的优选解决方案是，系统10包括提取构件以捕获和过滤羽流50。
[0188] 粒子收集器150包括多个开口，其操作性地定位在射出剥蚀羽流50的位置附近，以确保其收集多数或所有颗粒。羽流50初始地通过粒子过滤器151，粒子过滤器渐进地过滤较小粒子-给定剥蚀材料的体积，重要的是不填满单一高效(精细)过滤器。颗粒的体积大大减小的经过滤空气51灌注到精细粒子过滤器152，所述精细粒子过滤器将滤波和保持未由粒子过滤器151捕获的剩余的更精细颗粒。真空153提供压力以将空气抽吸到过滤系统中，且从精细粒子过滤器驱逐的清洁空气53被灌注到环境。
[0189] 在优选实施例中，粒子过滤器151保持羽流50中的大部分颗粒，且是本文更详细论述的消耗性过滤器屏蔽件43，其可针对每一操作替换。精细粒子过滤器152包括高效颗粒空气(HERA)过滤器。
[0190] 图2B描绘在手术过程期间使用图1或图2A的系统10的末端执行器28的配置重构患者的骨骼组织的实例。来自激光模块130的激光束30以限定交互区63的光斑大小64撞击生物材料(例如骨骼)12。用于本文公开的系统和方法的操作的典型光斑大小范围介于约300和约1000μm之间，以给出系统10的有效操作所必需的交互区63中的必备激光束通量，用于例如骨骼等生物组织12的激光剥蚀过程。
[0191] 图式的图3描绘利用旋转多边形镜面阵列115的替代精细运动构件的作为系统10的末端执行器28的工具24的实施例，所述旋转多边形镜面阵列由作为图1的精细运动控制器111操作的多边形镜面阵列控制器161引导。
[0192] 多边形镜面阵列115是在以精确恒定速度旋转的多边形周围以递增角布置的一组镜面。
[0193] 镜面的角意味着，光路径32以若干线路扫掠，线路之间具有步幅距离(看上去在某种程度上类似于正方形条码，具有相等的宽度和其间距离的线)。最终，在阵列的一次完整回转后，光路径32返回到第一线路的开始，且模式重复。
[0194] 控制器100对光束30脉冲计时以在多边形镜面阵列115正瞄准需要剥蚀的表面位置时重合。
[0195] 此精细运动方法的优点是，旋转的多边形镜面阵列115简单且需要较少昂贵组件。
[0196] 此方法的缺点是，控制器100需要等待直至多边形镜面阵列115旋转到所需瞄准的位置且存在一组剥蚀图案，这对于最少所需时间内的理想剥蚀可能是不便的。
[0197] 图式的图4描绘利用倾倒/倾斜镜面119的替代的精细运动构件的作为系统10的末端执行器28的工具24的实施例，所述倾倒/倾斜镜面由作为图1的精细运动控制器111操作的倾倒/倾斜控制器162引导。
[0198] 倾倒/倾斜镜面119是在其端部处具有压电控制镜面的小型装置。倾倒/倾斜镜面119可在X/Y轴中成角度。
[0199] 这类似于扫描头117，但可能较快，缺点是具有较低瞄准角范围。
[0200] 在使用倾倒/倾斜镜面119的本发明的实施例中，倾倒/倾斜镜面119在与光束30成45°处对准，使得当倾倒/倾斜镜面119处于“中立”位置时，光束30直接向下反射(在与入射光路径成90°处)。以此方式，倾倒/倾斜镜面119在圆锥形瞄准范围内重新引导激光束30。
[0201] 此技术的主要优点是光束30接近瞬时且精确的瞄准。快速移动的倾倒/倾斜镜面119意味着，系统10可再定位激光束30且更快地发射激光脉冲，从而致使剥蚀更大体积的生物组织12。
[0202] 缺点可能是，瞄准圆锥的范围小于使用激光扫描头117的范围。将倾倒/倾斜镜面119放置成尽可能接近末端执行器28的顶部以使瞄准角最大化将是有利的，但这还可能导致朝外打开的屏蔽件，从而减弱避免目标妨碍激光束30的保护效应。
[0203] 由倾倒/倾斜镜面119的使用产生的优点包含：小惯性质量(加速度的影响几乎为零)、激光束30的快速移动；以及实施的便利性。
[0204] 图式的图5描绘利用呈斯图尔特平台113形式的致动器的替代的精细运动构件的作为系统10的末端执行器28的工具24的实施例，所述斯图尔特平台还可被称作“六角块体”且由作为图1的精细运动控制器111操作的斯图尔特平台控制器163引导。
[0205] 斯图尔特平台113是具有六个棱形致动器的一种类型的平行机器人，所述棱形致动器可以是(例如)液压插口或电致动器，成对附接到斯图尔特平台113的底板上的三个位置，跨越到斯图尔特平台113的顶板上的三个安装点。放置在顶板上的例如装置等项目可在六个自由度上移动，此时有可能使得自由悬浮的主体移动。这些是三个线性移动x、y和z(橫向、纵向和垂直)，以及三个旋转纵摇、横摇和侧转。
[0206] 使用斯图尔特平台113是允许极其精确的XY线性移动的解决方案，Z线性移动的益处是视需要维持距目标表面轮廓的设定距离。取决于所述解决方案，其还允许激光束30成角度以及线性移动。给定足够的承重能力，还可能允许还直接安装其它组件和覆盖物。
[0207] 通过使用斯图尔特平台113提供的优点包含：大移动范围；3D移动(维持聚焦)；以及所有工具(水喷射器157、羽流收集器150、激光模块130、所述组传感器101和102的传感器)维持相同移动。
[0208] 可存在由于使用斯图尔特平台113而产生的缺点，例如：惯性质量；加速度和减速度(复杂的激光器控制)；总体系统中复杂的实施方案(最小12DOF)；以及末端执行器28上其它传感器的混淆。
[0209] 惯性质量的主要缺点对在生物组织12上的下一目标位置处引导激光束30所花费的时间量具有显著影响。扫描头117或倾倒/倾斜镜面119可分别跨越任何几何形状瞄准至少400个激光脉冲/秒，斯图尔特平台113无法与此匹配。
[0210] 末端执行器的质量意味着，即使几千克的适中重量也很可能导致动量的问题。以微米级准确性移动平台可能致使其“过冲”，因为可能不能够及时准确地停止移动，或者可能导致相反的反冲问题。可通过在剥蚀之前使末端执行器28跟上速度以保持其以设定的速度前进且以计时的方式(例如，如同摆锤)射击激光束30，来缓解这些问题中的一些问题。
[0211] 应了解，末端执行器28的替代激光功率发射是可能的。在图式的图6中描绘的本发明的替代实施例中，代替于将激光模块130安装在末端执行器28中，有可能经由具有光纤耦合光学件138的光纤36使光束30从安装在基本单元27内的激光模块130发射到末端执行器28。光纤36的使用应仅视为发射激光能量的标准方法的优选实施例，所述标准方法包含(但不限于)波导或铰接臂。
[0212] 类似地，在图式的图6中描绘的本发明的替代实施例中，所述组传感器101可容纳于基本单元27中，且光路径32经由光纤36从末端执行器28发射。
[0213] 此替代方法的优点包含，在末端执行器28中需要较少空间，且重量减小。取决于需要并入到末端执行器28中的组件，可能物理空间不可用，或者所需的与动态聚焦光学件136的对准不可行。在此类实施例中，代替于用于携载来自基本单元27的电力和水的宽布线，唯一需要的就是单一薄光纤68。
[0214] 此优点在需要例如用于抽汲和灭菌空气/水的其它布线的实施例中可能最小。
[0215] 应注意，在末端执行器28处可能存在将激光束30灌注到光纤36中且使激光束30往回解耦离开光纤68所需的更复杂的耦合光学件。还可能由于经由光纤耦合而导致相当大的激光功率损失。一般来说，光纤68自身可具有25％功率损耗，且所需的耦合/解耦光学件可贡献另外23％损耗。这些因素意味着，需要更强大的激光电流源131，其继而具有较大成本和运行电力要求。此外，一般来说，光纤易碎，且如果弯曲得太远或用足够的震动力撞击则将会断裂。
[0216] 图式的图7描绘末端执行器28中的所述组传感器101和所述组传感器102的实施例，其具有经由管道26到基本单元27中的所述组传感器控制器103中的相关联控制器的连接。应注意，在一些实施例中，传感器可在所述组传感器101中，其操作性地定位成感测光路径32的视线中的光，和/或从作为所述组传感器102的一部分的另一有利点感测生物组织。
[0217] 在将输入提供到控制器100且由控制器100引导的过程中，个别传感器可操作以监视、感测和搜集或测量传感器数据和/或信息，所述传感器数据和/或信息与系统10、生物组织12、患者14、周围环境、与其相关联或联接到其上的组件、系统或装置的一个或多个特性、性质和/或参数相关联或相关。
[0218] 导引激光器122允许系统10向观察者(例如，外科医生16和外科手术团队的成员)提供生物组织12上的所提议剥蚀目标区域的视觉反馈。这通过清楚地提供关于生物组织12的视觉反馈，而不是仅经由显示器20提供，而有利地增加用户对系统10的置信度。在无导引激光器122的情况下，有时可能不清楚系统10规划要剥蚀或当前正在剥蚀的确切位置，因为在所述实施例中剥蚀激光束30是裸眼不可见的。导引激光器122由控制器100操作。导引激光器是可见光激光器，且在优选实施例中导引激光器为红色激光器。
[0219] 拉曼光谱法传感器182可操作以观察生物组织12中的振动、旋转和其它低频率模式，如由控制器100经由拉曼光谱法控制器183所引导。
[0220] 拉曼光谱法依赖于通常来自激光源的单色光的非弹性散射，且可操作以提供来自生物组织12上的单一点的额外信息。系统10可操作以使用拉曼光谱法用于手术程序中的材料识别。除充当导引之外，上文提及的导引激光器122射束可起到充当拉曼光谱法的红色激光源的次要目的。在拉曼散射过程中，红色激光束光子的小部分非弹性地散射，也就是说，其损失能量到组成目标样本的分子。每光子损失的能量的量与分子的振动能量相关。如此，举例来说，含有羟基磷灰石(Ca5(PO4)3(OH))和PO结合的骨骼具有959cm-1处的特性拉曼线。拉曼散射光中此线的存在指示导引激光器122在骨骼上。取决于待执行的处理动作以及所作出的分析和控制决策(在下文进一步详细论述)，如果骨骼是目标且满足其它条件，则控制器100可操作以激活激光束30并剥蚀生物组织12。并且，例如软骨和韧带等其它关节组织具有类似地允许其被识别的特性拉曼光谱。
[0221] 显微法传感器186可操作以提供生物组织12的详细放大视觉图像，如由控制器100经由显微法控制器187所引导。系统10可操作以使用由显微法传感器186搜集的信息来辅助经由与已知样本的视觉比较检测生物组织12组份。所产生的详细分辨率图像还可提供给外科手术团队，以在给定末端执行器28的定位的必要性的情况下提供从垂直定向可能不能看到的目标的较好视点。
[0222] 超光谱成像传感器180可操作以跨越广谱(超出视觉范围)检测被反射或吸收的光的强度和频率，如由控制器100经由超光谱成像控制器181所引导。通过用覆盖超光谱成像传感器180的谱范围的光源80照明目标，可获得反射光的样本，在优选实施例中，使用400nm到1000nm的谱范围。
[0223] 不同强度含有特征标志(signature)，其由系统10使用以预测生物组织12的类型和组份。此预测可利用机器学习实行，如将更详细地描述。
[0224] 超光谱数据可以与机器学习一起使用以识别生物组织12的类型、性质和组份。
[0225] 热传感器184可操作以检测电磁光谱的中到长红外范围内的辐射以制定生物组织12的温度，如由控制器100经由热传感器控制器185所引导。在激光整形期间和之后，系统10可操作以非侵入性地评估热冲击，且结果可用于优化后续剥蚀进程中的激光参数选择。
[0226] 光学成像传感器188可操作以提供生物组织12的视觉图像。所述图像可经分析以辅助生物组织12的类型和组份的预测。其还可在高速下使用以跟踪视场中的目标，如由控制器100经由光学成像控制器189所引导。前述经激光处理的基准标记71还可利用光学成像传感器来跟踪。
[0227] 3D度量传感器190可操作以检测生物组织12的表面的几何形状，如由控制器100经由3D度量控制器191所引导。由其搜集的信息由系统10使用以在不接触的情况下确定表面的几何形状。生物组织12的表面的几何形状对于系统10能够确定剥蚀之前和之后的形状极其重要。
[0228] 存在若干不同类型的技术来感测3D几何形状，包含飞行时间、激光三角测量、结构光投射和调制光。为了实现所需微米级分辨率，系统10使用结构光投射技术、线轮廓传感器或点轮廓传感器(例如，色度共焦传感器)。在一实施例中，结构光扫描仪在对象上投射光图案，且两个偏移相机检视跨越表面的变形-花费几分之一秒且可快速扫描相对大的区域的过程。在优选实施例中，色度共焦传感器是所述组传感器101的一部分，且随着精细运动构件跨越表面穿越光束30而获取读数，从而随着时间的过去建立完整的几何形状。
[0229] 光学相干断层扫描(optical coherence tomography，OCT)传感器192可操作以捕获生物组织12的微米级分辨率三维图像，如由控制器100经由光学相干断层扫描控制器193所引导。OCT使用光来基于低相干干扰测量法捕获微米级分辨率三维图像。这允许其穿透例如生物组织等散射介质到生物组织12的表面下方约1000到2000μm处，以获得待剥蚀组织的下伏结构的数据。系统使用从OCT传感器192获得的数据作为用以检测表面和下伏组织组份的机制，以用于规划剥蚀过程，实现最大剥蚀效率和对周围组织的最小热影响(能够导致对周围组织的热引发的损坏)。
[0230] 当剥蚀发生时，系统10将不能在同一微秒时间帧内感测环境，且存在所瞄准材料不同于预期或外来对象被引入到光束30中的风险。缓解此风险且在实施例中利用的一种可能的方式是，使用声学传感器178，所述声学传感器可操作以测量来自环境和生物组织12周围的压力波。参考图28的方法2800，可测量激光束30对剥蚀材料(例如生物组织12)施加的相异压力波，且经由测得的数据的分析，系统10可经由声学控制器179操作以实时确定是否已击中非预期材料。硬生物组织的声音不同于软生物组织和任何其它类型的材料。通过检查(优选地，恒定地)先前脉冲剥蚀的声音，如果遇到与作为剥蚀目标的材料类型的预期声音不一致的任何声音，则有可能停止系统10的操作。此安全特征不能防止第一激光脉冲击中非预期材料，但其可防止原本在任何总体重新感测之前将发生的后续激光脉冲。
[0231] 上文的感测技术在本发明的实施方案中使用以识别和监视生物组织12，且结合整形激光器操作以在智能控制下实现安全、极准确和精确的系统10。
[0232] 如将更详细地描述，系统10可操作以执行消减激光剥蚀，其考虑一个或多个相关因素，包含热冲击(也就是说，残余组织的生物质量-非局部)、正剥蚀的骨骼的生物组成、残余表面的平度、平面对准和与机械轴的关系(全局对准)。激光束30还可剥蚀到骨骼中的限定的通道或孔穴，或将容许/容纳植入物/假体或其一个或多个部分或组件13的适当的其它形状，如图式的图8中所描绘，图8示出胫骨和股骨的关节端部的匹配切除60。
[0234] 现将参考图式的图9描述消耗性过滤器屏蔽件43。
[0235] 在实施例中，末端执行器28距生物组织12的操作距离在150和300mm之间。此距离是传感器和光束精细运动构件的共同工作范围，其还允许物理空隙，剥蚀羽流可从所述物理空隙射出，而不立即包覆末端执行器28的外表面(这将会引起污染)。
[0236] 然而，虽然所述距离有助于防止污染，但它使得为目标(且更严格地说，人类(除患者14外)的部分)提供空间使其意外地定位于末端执行器28和生物组织12之间的风险增加。主要危险是，激光束30可能对激光束射击时恰好阻挡目标的(除患者14外的人类的)软生物组织造成损坏。尽管受伤的风险随着距激光束30的焦点的距离变远而按指数规律减小(因为以焦耳计的能量密度或通量(即，每cm2的辐射激光能量远离焦点而减小)，但其在手术期间对于外科手术团队的成员仍然是一个风险。另一风险是，反光或镜样的非人类对象导致激光能量的镜面反射。然而，这是极小的风险，因为任何被反射激光能量将很可能散射而非聚焦，在实施例中在使用期间为手术工作人员强制安全眼镜的额外保护来保护眼睛。
[0237] 为了形成对于由生物组织12和末端执行器28之间的垂直空间限定的危险区的物理屏障，系统10包括用于提供保护的屏蔽件，其在实施例中具有端部开放的圆锥形消耗性过滤器屏蔽件43的形式。消耗性过滤器屏蔽件43的较大开放端经由附接点45附接到末端执行器28，这样将消耗性过滤器屏蔽件43牢固地保持在适当位置。消耗性过滤器屏蔽件43的较小开放端提供自身和目标生物组织12之间的空间或空隙。此空隙有利地：允许在发生剥蚀动作时系统10的用户(例如外科医生16)容易地进行视觉检查；充当防止位置正移位的生物组织12和消耗性过滤器屏蔽件43之间的碰撞的预防措施；以及允许例如用于牵开器、吸引、冲洗或其它外科手术工具的工作空间。
[0238] 水55(或合适的替代物)经由多个水喷射器157施加到生物组织12，所述水喷射器可操作以增强剥蚀过程且充当生物组织12的冷却剂。
[0239] 如上文所提及，剥蚀羽流50的细微粒子对于系统10的工作人员和患者14造成健康危险，因为吸入粒子会对肺部造成损伤。此问题的优选解决方案是，消耗性过滤器屏蔽件43包括呈多个开口的形式的粒子收集器150，其相对接近射出剥蚀蒸汽的位置而操作性地定位，以确保其收集羽流50中的大部分颗粒材料。真空153将羽流50汲取到粒子收集器150中并进入环绕消耗性过滤器屏蔽件43的螺旋形管道46。
[0240] 消耗性过滤器屏蔽件43可操作以引导压缩空气56离开较小开放端，作为羽流控制构件149。压缩空气56流引导羽流远离光束36并朝向粒子收集器150。
[0241] 过滤和收集经剥蚀材料的初始方法是经由构建到螺旋形管道46中在消耗性过滤器屏蔽件43周围的一系列“捕集器”和过滤器151。如此，消耗性过滤器屏蔽件43并不是合适的单层材料(例如塑料)，其具有外层和内层。在此类实施例中，如图式的图9中所示出，倾斜分隔器可因而具有一系列成角度过滤器151，其将允许渐进地过滤(最大到最小粒子)剥蚀材料且将剥蚀材料收集在远离所引导抽汲气流的区域中。
[0242] 粒子收集器150的横截面优选地极窄。这将致使空气流动速率较高(即，强真空)。随着螺旋形管道46沿着消耗性过滤器屏蔽件43向上行进，螺旋形管道46的高度可增加。这继而随着横截面变大而减少气流，且较重的剥蚀材料将减速并降落到螺旋形管道46的底部。通过具有形成沿着螺旋形管道46定位的捕集器151的成角度过滤器，剥蚀材料将聚集，而不会向下滑动回去。通过控制螺旋形管道46横截面增加的速率，可依据研究剥蚀材料密度的相对百分比分布来控制每一点处收集的剥蚀材料的体积。优选地，当螺旋形管道46到达其中连接真空管的腔时，螺旋形管道46横截面显著增加，且甚至可收集精细剥蚀材料。
[0243] 在实施例中通过在消耗性过滤器屏蔽件43中收集剥蚀材料的一部分以在涉及系统10的每次手术之后弃置，需要由精细粒子过滤器152收集的总剥蚀材料减少。在给定TKR中剥蚀的生物组织12的近似60cm3的情况下，这有利地延长了较昂贵的精细粒子过滤器162的工作寿命，所述较昂贵的精细粒子过滤器原本将在极短时间内被剥蚀材料堵塞。
[0244] 图式的图10描绘基本单元27的实施例，所述基本单元含有构成系统10且不安装于末端执行器28中的所有设备和耗材。一些设备体积庞大且沉重，这使得定位在基本单元27内较低处是理想的，以降低重心且使系统10稳定便于操作。
[0245] 与末端执行器28的连通和管道是经由捆绑线缆，所述捆绑线缆固定到机器人臂105或在机器人臂105内。特别地，捆绑线缆含有电力41；冷却剂40(出/入)；部分过滤的空气
51；水55；压缩空气56；控制线材和/或光纤光学件36。通过将线束分割为绝缘管道，来自冷冻器140的冷却剂40可沿着捆绑线缆的长度与水55管件紧密压实。这有利地使得水55仅仅借助于布置在捆绑线缆内而冷却，从而减小系统10的复杂性且不需要单独的使水55冷却的过程。
51；水55；压缩空气56；控制线材和/或光纤光学件36。通过将线束分割为绝缘管道，来自冷冻器140的冷却剂40可沿着捆绑线缆的长度与水55管件紧密压实。这有利地使得水55仅仅借助于布置在捆绑线缆内而冷却，从而减小系统10的复杂性且不需要单独的使水55冷却的过程。
[0246] 图式的图11描绘生物组织12的横截面，其中规划的切除60标记为虚线。线上方的生物组织12指示需要剥蚀的材料量，且线下方的材料应保持未受损。
[0247] 每一激光脉冲剥蚀极小体积的材料。在每一完整切除60需要剥蚀非常大的体积的条件下，由此可见，将需要非常大量的激光脉冲。
[0248] 对于待在所需时间周期内完成的切除60，实施例的系统10优选地几乎与所产生的消减激光束30和精细运动构件将允许的一样快地执行这些激光脉冲。
[0249] 然而，相互抵触的要求是，安全且准确地执行剥蚀。系统10感测生物组织12和周围处理环境的主导方式是，利用所述组传感器101和102的成像或扫描传感器。这为系统10提供丰富的数据集来有把握地分析和确定激光脉冲被引导以剥蚀正确的材料的点，以及路线中不存在其它材料。然而，所述组传感器101和102的一些成像和扫描传感器花费数十到数百毫秒来感测其环境。如果系统10在每一激光脉冲之间使用这些感测，则将花费不可接受的时间量来完成切除60。因此在所述实施例中在激光器的每一单一脉冲之间重新感测生物组织12是不合需要的。
[0250] 实施例的解决方案是将激光脉冲分批为剥蚀进程62，所述剥蚀进程62包括跨越生物组织12的表面的不同位置处的一组预先计算的脉冲。系统10可操作以在感测环境之后执行每一剥蚀进程62。在多个剥蚀进程62中执行切除，所述多个剥蚀进程渐进地减小组织表面直至实现所要最终切除60表面。此操作可提供感测(保证)和速度的最佳平衡。
[0251] 如图11中所描绘，附带组织损伤的风险在正剥蚀的生物组织12的体积的边缘周围最大，表示光束30错失目标的危险。此外，表面组织损伤的风险在接近最终切除60位置处最大，表示继续剥蚀表面超出理想点的危险。
[0252] 现将描述系统10的激光参数。
[0253] 系统10经由若干致动器与手术环境交互，所述致动器包含激光模块130、精细运动构件(在优选实施例中，激光扫描头117)、机器人臂105、羽流控制149和水喷射器157。这些组件中的每一个具有若干控制参数。这些控制参数包含：
[0254]致动器 参数 合理范围 典型范围
激光 平均输出功率(W) 0.1-2000W 0.5-200W
激光 脉冲重复率(Hz) 1-2000Hz 200-1000Hz
激光 脉冲持续时间(μs) 0.1-1000μs 100-400μs
激光 光斑大小(μm) 100-10000pm 300-1000pm
激光 能量密度(J/cm2) 0.1-1000J/cm2 10-150J/cm2
激光扫瞄头 穿越速度(mm/s) 1-40000mm/s 400-900mm/s
激光 平均输出功率(W) 0.1-2000W 0.5-200W
激光 脉冲重复率(Hz) 1-2000Hz 200-1000Hz
激光 脉冲持续时间(μs) 0.1-1000μs 100-400μs
激光 光斑大小(μm) 100-10000pm 300-1000pm
激光 能量密度(J/cm2) 0.1-1000J/cm2 10-150J/cm2
激光扫瞄头 穿越速度(mm/s) 1-40000mm/s 400-900mm/s
[0255] 紧挨着上表中每一参数所列的范围是预期执行合理的切除的实施例中每一参数的上限、下限和典型范围的估计。
[0256] 激光参数包含：平均输出功率(以瓦计)-所产生光束30的激光功率；脉冲持续时间(以微秒计)-产生激光器的每一脉冲的时间量；光斑大小(以微米计)-聚焦光束36的直径；能量密度(以焦耳/平方厘米计)-每单位面积递送的激光能量；以及脉冲频率(循环/秒)-每秒产生的脉冲数目。
[0257] 对于具有圆形射束轮廓的平坦平面剥蚀，为了产生平滑表面，激光剥蚀必须在图案或栅格中重叠使得表面均匀地减小。
[0258] 发明人的指示性研究表明，200到600微米的光束直径和重叠图案足以产生平坦的剥蚀表面。
[0259] 这意味着，表面上的任何给定点将仅仅归因于重叠而被多次剥蚀，即使在所需剥蚀的深度的任何考虑之前。这更加需要一种在表面处射击激光束30的快速方法。
[0260] 图式的图12A描绘优选激光束剥蚀通道尺寸的实例。当产生通道时，光束直径或光斑大小64以后续脉冲与第一脉冲重叠(具有空隙65)来指示通道的宽度。通过以此方式继续，在材料中产生剥蚀通道。为了产生最终平坦表面，可产生多个通道，其间具有步幅66以允许移除通道的侧部。
[0261] 然而，以此方式跨越表面的多个激光脉冲累积热冲击，热冲击可能对生物组织12造成损坏，这在最终切除60表面中尤其不合需要。
[0262] 替代的剥蚀图案是跨越表面的激光脉冲的交错栅格，如图12B中所描绘。
[0263] 以“1”标记的第一系列的脉冲74经间隔以防止相同局部区域中的热冲击的积聚。以“2”标记的第二系列的脉冲75在第一系列之间间隔。分别以“3”和“4”标记的第三和第四系列的脉冲76和77重叠且使所述第一和第二系列之间的表面完整。以此方式，以最小热冲击实现最佳覆盖度。
[0264] 图式的图13描绘控制器的架构。
[0265] 控制器100包括在计算机上运行的系统管理软件。控制器100进一步包括管理系统10的软件。控制器100任选地进一步包括人工智能控制系统，其可操作以融合和解释实时接收的输入以操作系统10。
[0266] 控制器100的职责包含以下领域：与系统10的硬件组件通信；处理各种信息以决定在给定情形下应采取的动作；在用户界面21上传送系统10的当前操作状态；以及向和从存储装置18加载和存储数据。
[0267] 确切地说，控制器100可操作以利用和控制：所述组传感器101和102的传感器、关于生物组织12和待进行的处理的多个表示中的一个或多个、机器感知、机器人臂105和激光相关组件。以此方式，控制器100可操作以根据所作出的决策和所接收的命令实施动作。
[0268] 控制器100包括呈处理器的形式的处理构件。
[0270] 系统10能够接收指令，所述指令可保持在ROM或RAM中且可由处理器执行处理器可操作以在电子程序指令的控制下执行动作，如下文将进一步详细描述，包含处理/执行指令和管理通过系统10的数据流和信息。
[0271] 在实施例中，系统10的电子程序指令经由存储在存储装置18上的软件提供。
[0272] 如将更详细地描述，系统10可操作以经由软件执行功能，包含：提取、转换和组合数据，以及记录所有通过系统10的实时数据。
[0273] 所收集的所有数据和信息在系统10内分布以如本文中所描述而使用。
[0274] 系统10还包含操作系统，其能够发布命令且经布置以与软件交互，以致使系统根据本文中所描述的本发明的实施例实行相应步骤、功能和/或程序。所述操作系统适合于系统10。
[0275] 系统10可操作以经由一个或多个通信链路通信，所述通信链路可以不同方式连接到一个或多个远程装置，例如服务器、个人计算机、终端、无线或手持式计算装置、陆线通信装置，或例如移动(蜂窝式)电话等移动通信装置。多个通信链路中的至少一个可经由电信网络连接到外部计算网络。
[0276] 所述软件和用于系统10的计算组件的其它电子指令或程序可以任何合适的语言编写，如所属领域的技术人员众所周知。在本发明的实施例中，电子程序指令可提供为独立应用，提供为一组或多个应用，经由网络提供，或添加为中间件，这取决于实施方案或实施例的要求。
[0277] 在本发明的替代实施例中，所述软件可包括一个或多个模块，且可实施于硬件中。在此情况下，举例来说，所述模块可利用以下技术(每一种在此项技术中众所周知)中的任一个或其组合实施：具有用于对数据信号实施逻辑函数的逻辑门的离散逻辑电路、具有适当组合逻辑门的专用集成电路(ASIC)、可编程门阵列(PGA)、现场可编程门阵列(FPGA)等。
[0279] 所述处理器可以是以下中的任一个或其组合：一个或多个定制或市售处理器、中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、数据信号处理器(DSP)或辅助处理器，以及与计算构件相关联的若干处理器。在本发明的实施例中，处理构件可以是例如基于半导体的微处理器(呈微芯片的形式)或大型处理器。
[0280] 在本发明的实施例中，存储装置可包含以下中的任一个或组合：易失性存储器元件(例如，随机存取存储器(RAM)，例如动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM))和非易失性存储器元件(例如，只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、以电子方式可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、磁带、压缩光盘只读存储器(CD-ROM)等)。相应的存储装置可并入有电子、磁性、光学和/或其它类型的存储介质。此外，存储装置可具有分布式架构，其中各种组件彼此远程定位，但可由处理构件访问。举例来说，ROM可存储各种指令、程序、软件或应用，其由处理构件执行以控制系统10的操作，且RAM可临时存储所述操作的变量或结果。
[0281] 使用软件应用的计算机的使用和操作是所属领域的技术人员众所周知的，且不必在本文以任何进一步细节描述，除非与本发明相关。
[0282] 此外，任何合适的通信协议可用于促进系统10以及其它装置或系统的任何子系统或组件之间的连接和通信，包含有线和无线的连接和通信，如所属领域的技术人员众所周知，且不必在本文以任何进一步细节描述，除非与本发明相关。
[0283] 在词语“存储”、“保持”和“保存”或类似词语在本发明的上下文中使用的情况下，其应理解为包含指代数据或信息永久地和/或临时地保留或保持在存储构件、装置或介质中以供稍后检索，以及短暂地或瞬时地，例如作为正执行的处理操作的一部分。
[0284] 此外，在术语“系统”、“装置”和“机器”在本发明的上下文中使用的情况下，其应理解为包含指代可彼此接近、分离、集成或离散定位的功能上有关或交互、相关、相互依赖或相关联的组件或元件的任何群组。
[0285] 此外，在本发明的实施例中，词语“确定”应理解为包含接收或访问相关数据或信息。
[0287] 系统协调器200的职责包含，且其可操作以执行以下各项：配置系统10的组件；管理组件的寿命；向组件提供运行时服务；以及强制执行系统的总体安全。
[0288] 在系统协调器200的引导下促进操作的系统10的组件包含：精细运动组件204；机器人运动组件202；激光控制组件206；规划组件208；生物分析组件210；激光优化组件214；映射组件212；以及切除表面分析组件216。
[0289] 更详细地，系统协调器200可操作以促进以下功能。
[0290] 配置：由系统协调器200所包含和配置的一组特定组件确定系统10的操作。
[0291] 组件型式：系统10的每一组件具有指定界面，其由系统协调器200使用以访问其功能性。因为系统协调器200控制组件的配置和初始化，所以有可能任何组件被施行组件的界面但执行不同功能的专门精心制作的替代品代替。这对于包含开发、测试、验证、质量控制和模拟的活动有用。
[0292] 开发：在系统10的开发的早期阶段，可存在大多数组件将完全不执行真实功能而是纯粹存在为了满足界面要求(具有非功能“存根”)的型式。这些“存根”组件允许系统协调器200促进聚焦于特定单一现场组件的开发，而其余系统10功能上中立。
[0293] 模拟：可创建组件的模拟型式，其将“重放”预先记录或制造的功能性和数据。此型式的组件的主要目的是支持集成测试以及成功和故障情境下的功能性的验证。此型式的次要目的可以是先前记录的现场进程的再创建和分析。
[0294] 现场：存在在实施例的产生构造中使用的每一组件的单一现场型式。这提供所部署产品所需的现实世界功能性。
[0295] 管理：系统协调器200可操作以管理每一组件的操作和寿命。
[0296] 组件隔离：每一组件的运行时环境可由系统协调器200取决于具现化的目的和情形而设置和控制。对于开发，可能串行执行每一组件以针对确定性时序辅助调试和简化数据流。然而，对于测试、验证和现场环境，有可能针对每一组件设置单独处理线程以允许较精细地控制时间关键功能性。
[0297] 状态管理：系统协调器200可操作以随着其在任务之间转变而维持系统10的状态。这将根据手头任务的当前操作的需要调用每一组件中的各种功能性。
[0298] 组件协调/数据流：在实施例中，数据不在组件之间直接发送，而是经由系统协调器200发送。这允许组件之间的低耦合以便更容易的开发和测试。其还提供插入点，其中系统协调器200可在传输中对数据执行额外功能，例如全面检查、登录和数据记录。
[0299] 运行时服务：在实施例中，每一组件需要访问跨越系统10共同且同步的全局功能性。这还可包含基础服务的平台相依功能性。此功能性的集合由系统协调器200提供到每一组件。
[0300] 录入：集中录入允许每一组件提供可导向例如控制台、日志文件或数据库等若干不同目的地的运行状态信息。此录入可由系统协调器200配置到严密、详细和精细层级。
[0301] 数据记录：对于系统10的任何特定进程，组件之间的数据流可记录到数据库用于稍后分析、验证或重放。此数据记录可用于在稍后进程中配置模拟组件。
[0302] 时序(高分辨率时钟)：系统10的若干动作需要准确时序。提供高分辨率时钟，其可操作以允许至少微秒层级计时。在系统10处于模拟模式的情况下，此时钟可与例如所提供数据记录等外部源同步。
[0303] 安全：系统10的安全是首要的，且在所述实施例中系统协调器200最终负责强制执行故障保护程序。当检测到安全问题时，系统协调器200可操作以确保每一组件进入有序的故障保护，且系统10置于安全姿态以便于工作人员的进一步指令。存在系统协调器200可检测将致使系统10进入故障保护的问题的若干方式，如将更详细地描述。
[0304] 组件有源故障：在实施例中，每一组件可主动地向系统协调器200报告故障，这将起始系统故障保护。此可例如归因于检测到的硬件故障、安全参数外的操作或者非预期或未知操作情形中的一个或多个。
[0305] 组件无源故障：在实施例中，每一组件自身恒定地报告正确的运行和操作。如果组件未在所需规格内以适时方式报告，则系统协调器200可操作以认为其处于不合需要的不良或未知状态并起始故障保护。
[0306] 系统协调器200自身并不认为是无过失的，且在实施例中必须向独立硬件装置报告其自身的正确运行，所述独立硬件装置在本文被称作看门狗175，且将在接收到每一成功报告后复位硬件计时器。如果系统协调器200未在所需时间周期内报告，则看门狗175可操作以触发系统10的所有硬件的硬连线关断。对于机器人臂105，此可包括安全电路，且对于激光子系统，此可包括激活遮板和停用相关功率继电器。
[0308] 图式的图14描绘系统10的看门狗(硬件故障保护)程序期间采取的动作的方法1400的流程图。
[0309] 看门狗175由控制器100在系统10初始化时启动1401。其以安全阈值(以微秒计)配置1403，且计时器复位到零1405。
[0310] 对于来自高分辨率实时时钟的每一读数，已经过去的时间量递增地增加1407到计时器。计时器表示自从系统10上一次报告自身处于已知良好状态中已经过去的微秒数。
[0311] 计时器与安全阈值进行比较1409。
[0312] 如果其尚未超出阈值，则其将循环回去以查看其是否已从控制器100接收1411计时器复位信号。当接收到复位信号时，计时器往回设定为零。
[0313] 如果其超出阈值，则起始1413故障保护关断过程。对于所述实施例的系统10，此包括激活具有临界风险的两个组件上的紧急停止1415：激光电流源131和机器人臂105(机器人臂控制器106)。此动作将立即阻止激光束30射击，且阻止机器人臂105移动。
[0314] 图15描绘由系统协调器200执行的动作的方法1500的流程图。
[0315] 系统协调器200在暂停状态中开始。
[0316] 外科医生16将引导系统协调器200从存储装置18加载1501用于待执行的动作的规划1502。规划1502由患者特定数据1504和手术过程数据1506组成。
[0317] 如果外科医生16选择重新开始系统10，且已加载规划，则规划1502将由运行的规划过程执行1503。
[0318] 在运行的规划过程1503期间，硬件故障保护看门狗175持续发送1505“一切ok”信号，这防止激活故障保护。如果系统协调器200未能在阈值逾时内发送信号，则认为系统10处于未知状态，且硬件被设定成安全状态，如上文参考方法1400所描述。
[0319] 在实施例中，由系统协调器200执行的输入的处理包括输入的分析和基于所述分析作出决策。一旦已作出决策，系统协调器200就可操作以基于所述决策起始动作来控制机器人臂105和激光器处理生物组织12。
[0320] 作为分析的一部分，系统协调器200可操作以基于输入而产生和/或作为输入而接收生物组织12的至少一个第一表示。在实施例中，生物组织12的所述至少一个第一表示包括对应于在对生物组织执行所述至少一个处理动作之前生物组织12的实际状态的生物组织12的第一或动作前(初始)状态的表示。生物组织12的所述至少一个第一表示包含描述或提供生物组织12的一个或多个特性的指示的参数。
[0321] 在实施例中，生物组织12的所述至少一个第一表示包括生物组织12的动作前状态的地图或模型。
[0322] 图16描绘经执行以产生地图的系统10的映射操作期间执行的动作的方法1600的流程图。
[0323] 实施例的系统10需要理解生物组织12和周围环境的3D表面和组份。物理现实的此表示由系统10的若干子系统使用以推断和规划将执行的动作。重要的是，映射的准确性足以使系统10能够安全地且正确地执行硬生物组织的切除。
[0324] 存在系统10感测所需地图绘制信息的若干方式，如下。
[0325] 如本文所描述，系统10可操作以整理所有此信息且将其并入到粘聚模型中，使得系统10的部分可在给定其自身要求的情况下进行推断。
[0326] 所述至少一个第一表示可包括用于待执行的处理的规划，其可包括限定处理的一个或多个特征或特性的参数的设定。
[0327] 实施例的系统10可操作以使用规划组件来协调正确地执行必需的动作所需的动作，在实施例中包括手术过程的切除。
[0328] 图17描绘在系统10的规划操作期间执行的动作的方法1700的流程图。
[0329] 规划过程控制当遵循从存储装置18加载的规划1502时发生的循序动作。
[0330] 从规划检索1701下一步骤，且执行匹配步骤过程。
[0331] 重复此过程直至已经完成规划的所有步骤。在实施例中，规划的步骤可包含：等待操作步骤1703；地标对齐操作步骤1705；材料上定位操作步骤1707；待用定位操作步骤179；以及假体切除操作步骤1711。
[0332] 图18描绘在系统10的地标对齐操作期间执行的动作的方法1800的流程图。
[0333] 地标对齐过程涉及由外科医生16使用具有附接基准标记70的工具在三维空间中进行的点的逐步对齐。当用户界面21提示每一点时，位置传感器170确定工具的工作端的位置。在实施例中，在患者14的膝部的手术过程的上下文中，所述点依次包含地标对齐过程的开始和地标对齐过程的结束之间的以下部位1801：股骨机械轴点；内上髁；外上髁；侧前股骨皮质层；白边线；内股骨髁的表面；外股骨髁的表面；内踝；外踝；前胫骨点；内胫骨髁；外胫骨髁；以及胫骨倾斜。
[0334] 图19描绘在系统10的材料上定位操作期间执行的动作的方法1900的流程图。
[0335] 材料上定位过程1900确保机器人臂105安全地操纵到生物组织12上方的正确相对位置。
[0336] 首先，执行检查1901以确定机器人臂105是否在外科手术视野内，所述外科手术视野包括在生物组织12处起始且垂直延伸的所规定圆锥形空间体积，使得圆锥的侧部处于45°。如果机器人臂105不在外科手术视野内，则通过以下操作重新定位1903机器人臂105：
将末端执行器28向上升高到延伸限制，同时横向地朝向生物组织12移动末端执行器28，直至其处于定位于待处理的生物组织材料上方的外科手术视野内为止。
将末端执行器28向上升高到延伸限制，同时横向地朝向生物组织12移动末端执行器28，直至其处于定位于待处理的生物组织材料上方的外科手术视野内为止。
[0338] 如果机器人臂105在任何阶段遇到了障碍物(例如，由于凭借操纵器23的一个或多个接头上的扭力增加而检测到，或由于操纵器23的区段外侧上的一个或多个压敏衬垫的操作)，则其将停止1911以防止其碰到工作人员或环境内的其它目标。
[0339] 图20描绘在系统10的待用定位操作期间执行的动作的方法2000的流程图。
[0340] 这确保机器人臂105被安全地操纵远离生物组织12到待用位置。
[0341] 如果机器人臂105在外科手术视野2001内，则通过以下操作重新定位2005末端执行器28：向上朝向机器人臂105的延伸限制升高末端执行器，同时在待用位置的方向上横向移动末端执行器。在实施例中，待用位置是机器人臂105在基本单元27上方的位置，使得其无法成为干扰或成为外科手术工作区中执行的任何合理动作的障碍。
[0342] 一旦机器人臂105在外科手术视野之外在待用位置2005上方，则末端执行器28朝向待用位置降低2007，同时在所述相同方向上继续横向移动直至其到达。随后，其将停止2011。
[0343] 以与图19中描绘的方法1900的所执行动作的方法2100的流程图相同的方式，如果机器人臂105在任何阶段遇到了障碍物，则其将停止2011。
[0344] 图21描绘在系统10的假体切除操作期间执行的动作的方法2100的流程图。
[0345] 过程2100从规划1502检索2101下一假体组件切除。规划中切除的次序已由手术过程数据确定，如图17中所见。
[0346] 给予外科医生16在系统10行动之前更改或改变所规划切除的机会2103。此可例如调整切除的参数，或选择接下来待作出的不同切除。
[0347] 如果外科医生16并不想要更改切除步骤，则系统10可操作以如将参看图22更详细地描述而执行切除2105。
[0348] 如果尚未执行规划中的所有切除，过程将检索2101来自规划的下一切除直至已经执行所有切除。
[0349] 一旦已经执行规划中的所有切除，系统10就可操作以执行假体组件配合和对准分析2107。
[0350] 在此实施例中，通过系统10执行假体组件配合和对准分析来进行此评估，如将参看图26更详细地描述。
[0351] 如果所有组件切除不满足用于足够定位的配合和对准容差，则系统10可操作以改变2109规划以执行修正切除步骤来校正理想的配合和对准与当前几何配合和对准之间的偏差。
[0352] 如果假体组件配合和对准分析已足够，则向外科医生16提供独立地检视2111分析和任选地对切除规划作出修正以实现配合和对准的变化的机会。这在试验假体并确定例如关节的挠曲和延伸未提供正确的净空和调整切除或需要不同大小的假体组件之后可能很重要。
[0353] 图22描绘在系统10的切除操作期间执行的动作的方法2200的流程图。
[0354] 在实施例中，在已对生物组织12执行所述至少一个处理动作之后生物组织的规划状态包括需要经由消减剥蚀在生物组织12上暴露的3D空间中的理想平面或网格。给予切除过程理想的平面或网格用于处理。
[0355] 过程确认2201，机器人臂105定位于生物组织12上方正确的位置处。在生物组织12未完全保持静止的条件下，有必要不断地检查和重新调整2203如本文中描述的末端执行器28的绝对位置以维持相同的相对位置。从映射组件检索生物组织12的位置，映射组件又已经经由位置传感器控制器171检索基准标记70的位置。
[0356] “安全操作区域”是不允许机器人臂105离开的虚拟区。如果机器人臂105试图重新定位在此安全操作区域外部，则系统10可操作以置于暂停状态直至由用户释放。这是添加的安全机制，用以防止机器人臂105与例如外科手术工作人员发生物理接触。
[0357] 在正确的相对位置处，系统10可操作以使用3D度量传感器190扫描目标的几何形状。所述组传感器101和102的若干传感器随后扫描2205生物组织12以确定其组份。这些传感器包含用于超光谱成像、拉曼光谱法、热成像、显微法、声学和光学成像的传感器。扫描的总体结果由系统10分析、组合和存储，且使得可由映射组件使用。
[0358] 切除表面从3D信息转换2207为2D映射图，以提取对于处理切除表面分析中的表面构形和组份不必要的数据。几何形状简化为2D高度图，其中相关联的超光谱和热2D地图叠加在相同坐标空间中。
[0359] 过程分析2209具有高度图和映射的所要切除几何形状以确定表面与准确完成的切除所需的容差的当前一致性。如果表面在容差内完整，则此切除完成2211。
[0360] 否则，系统10可操作以计算剥蚀进程2230-将使表面减少一层材料的一系列激光剥蚀。
[0361] 系统10可操作以执行生物组织12的动作后状态与生物组织12的规划状态对准的程度的分析，以确定所需剥蚀进程的参数。
[0362] 确切地说，在实施例中，过程结合映射组份结果和3D表面数据、组份数据以及从先前剥蚀检索的任何热数据分析2209切除体积，以确定感测到的几何形状与激光束30的一组最佳参数的当前一致性，以执行剥蚀进程2230来安全且有效地缩小生物组织12的表面而不燃烧或引起坏死。
[0363] 作为分析的一部分，(图13的)系统协调器200可操作以基于输入而产生和/或作为输入而接收生物组织12的至少一个第三表示。在实施例中，生物组织12的所述至少一个第三表示包括对应于已对生物组织执行所述至少一个处理动作之后生物组织12的实际动作后或最终状态的生物组织12的状态的表示(评估2909)。生物组织12的所述至少一个第三表示包含描述或提供生物组织12的一个或多个特性的指示的参数，且在实施例中包括生物组织12的动作后状态的地图或模型。
[0364] 系统10可操作以初始化目标生物组织12上的开始坐标2215用于开始剥蚀进程。
[0365] 在剥蚀进程期间，系统10可操作以实时将例如电流和脉冲持续时间参数等激光参数调整2213到每一目标坐标的预先计算的值。
[0366] 所述过程计算3D空间中2D地图目标坐标的位置。
[0367] 精细运动构件(在优选实施例中，扫描头117)可操作以重新定位激光束30的方向以指向生物组织12的表面上的目标。在所述实施例中需要以微米级精度向生物组织12上的点进行激光束30的每一射击序列。
[0368] 系统10可操作以检查来确保在实施例中在激光束30的每次射击之前外科医生16尚未停止系统10。
[0369] 激光电流源131经引导以使用当前参数设定射击激光束30。
[0370] 如果剥蚀进程尚未完成，则选择2217地图中的下一坐标，调整2213激光参数，且系统10重复激光束30的重新定位2219和射击2221。
[0371] 一旦剥蚀进程已完成，则用热传感器184感测2223表面以检查热冲击。使由此类感测产生的热数据2225可由激光优化组件使用以用于将来的剥蚀进程。
[0372] 检查生物组织12的位置以定位末端执行器28，且重复映射、分析和剥蚀的过程。
[0373] 关于机器人运动，系统10可操作以将传感器、激光光学件和末端执行器28中的辅助工具定位在生物组织12上方且在距生物组织12设定的相对距离处。
[0374] 定位取决于机器人臂105的接头角。结束位置和其间的所有过渡位置的接头角的计算涉及逆向运动学。
[0375] 优选地，系统10将依赖于和使用机器人臂105中提供的逆向运动学基础架构来确定将末端执行器28从一个笛卡尔点转变到另一笛卡尔点所需的接头角和移动。这将使得机器人运动组件成为用于所述现有功能性的立面。
[0376] 如果机器人臂控制器106未提供所需功能性，则将必需使用支持逆向运动学计算的现有或定制库。
[0377] 图23描绘在切除表面3D到2D投射期间执行的动作的方法2300的流程图。
[0378] 当正执行切除时，系统10可操作以维持对感测到的几何形状的了解：其适用于将生物组织12缩减到所要几何形状的消减过程。
[0379] 映射组件保持网格以及描述生物组织12的几何形状和组份的其它辅助数据。投射过程使用所述信息产生导向切除参数的专门衍生的数据源。
[0380] 所述过程可操作以从映射组件检索2301几何形状和组份数据。
[0381] 在切除表面为平面的情况下，映射几何形状围绕股骨上踝轴的中心旋转2303，使得切除平面的坐标对准到X和Y坐标的零轴线(其中Z为向上/向下)。
[0382] 计算2205映射几何形状和X/Y平面上方的正Z区域之间的相交体积。所述体积的骨骼部分是需要以消减方式剥蚀的区段。剩余体积可能是阻挡材料，其需要保留且不应被剥蚀，也不应符合激光束原点和剥蚀的任何目标点之间的射线投射计算。
[0383] 因为骨骼体积X/Y平面已对准到切除平面，所以Z值可简单地视为所要平端结果上方的不同高度处的网格。可通过应用具有执行平坦平面剥蚀所需的最小尺度的分辨率的栅格而从网格内插高度图。
[0384] 在切除表面不是平面的情况下，在球面坐标中从髁的中心计算2307几何网格(如定义为股骨上踝轴上的％或％位置，取决于切除表面位于哪一髁上)。
[0385] 以充分小的度数对 和θ角取样，使得在距表面平均距离处，栅格间隔大约为50微米。本质上，这允许经取样的 变为2D地图上的x轴，且θ角变为y轴。理想的切除表面被视为处于零高度，且零高度之上的任何现有生物组织12视为正高度值。此新创建的高度图可随后经分析和处理，与切除在平面上发生的情况相同。
[0386] 所述过程随后可操作以通过移除不存在于映射几何形状与包含形状的相交部内的任何几何形状来确定2309遮挡几何形状。
[0387] 对于股骨头部，包含形状包括以下的相交：
[0388] (1)在股骨上踝轴的1/4和3/4位置上居中的两个椭圆形，具有(沿着)1/4股骨上踝轴(的轴线)的宽度半径和股骨上踝轴的高度半径；以及
[0389] (2)实心圆柱，具有股骨上踝轴的长轴和高度以及3/4股骨上踝轴的半径。
[0390] 对于胫骨平台，包含形状包括实心圆柱，其中长轴与具有平台的宽度的距离的半径的皮质层成一直线。
[0391] 所述过程随后可操作以在相同坐标空间中针对高度、超光谱值和热值创建一组2D地图2311。此减小维度数据由系统10的各种组件使用以分析切除进程且确定用于剥蚀的激光优化。
[0392] 作为分析的一部分，(图13的)系统协调器200可操作以将生物组织12的动作后状态的表示与生物组织12的规划状态的表示进行比较，以评估已对生物组织执行所述至少一个处理动作之后生物组织12的状态与生物组织12的规划状态对准的程度(即，图22的映射步骤2205和图23的方法2300)，且借此评估已成功地形成动作的程度。基于生物组织12的动作后状态的表示与生物组织12的规划状态的表示配合和对准的程度在规定的容差内提供成功的量度。此过程可概括为确定应如何以有用的方式在内部表示感测到的现实以用于处理和确定激光剥蚀对象。在图23中可见，存在由规划2313和激光优化2315过程进一步使用的四(4)个表示2311：“切除表面2D高度图”2311a、“切除表面2D超光谱图”2311b、“切除表面2D热图”2311c，以及“切除表面2D声学图”2311d。
[0393] 图24描绘经执行以使得用于减小数据的维度的3D到2D投射逆向的动作的方法2400的流程图。系统10需要2D地图上每一目标坐标的3D位置，用于定位激光束30来剥蚀正确的生物组织12。
[0394] 所述过程可操作以从剥蚀进程和2D地图中的高度图数据检索2401X/Y目标坐标。还从映射组件检索2403局部几何形状数据。
[0395] 如果切除表面为平面，则X/Y目标坐标从水平对准旋转2405回到与切除平面的对准。随后可在正交于现经旋转平面的高度距离处确定2407 3D目标坐标。
[0396] 如果切除表面不是平面，则过程可操作以将X/Y坐标转换2409为髁上居中的 和θ角球面坐标。可随后在角 和θ处在沿着来自髁中心的射线的高度距离处确定2411 3D目标坐标。
[0397] 使所得3D坐标可用2413，使得系统10可随后在世界坐标系中的正确位置处瞄准生物组织12。
[0398] 图25描绘在系统10的切除表面分析操作期间执行的动作的方法2500的流程图。
[0399] 系统10可操作以计算2501围封表面的所有几何形状的两个容差平面之间的距离。这提供几何形状的总体平度的一个量化。
[0400] 系统10还可操作以通过将平面适配到顶点来计算2503几何形状的斜率。此斜率信息对于假体组件的总体对准很重要。
[0401] 系统10可操作以随后量化2505表面几何形状已与表面规划的理想几何形状比较出的特定偏差和一致性。此包含可使用表面属性分析的标准方法确定的基本简档、粗糙度简档、波动度简档和形状简档。
[0402] 作为分析的一部分，系统协调器200可操作以基于输入而产生和/或作为输入而接收生物组织12的至少一个第二表示。在实施例中，生物组织12的所述至少一个第二表示包括对应于在对生物组织执行所述至少一个处理动作之后生物组织12的规划或既定状态的生物组织12的状态的表示。生物组织12的所述至少一个第二表示包含描述或提供生物组织12的一个或多个特性的指示的参数，且在实施例中包括生物组织12的规划状态的地图或模型。
[0403] 所得分析数据集被提供给规划系统以用于假体组件配合和对准分析。
[0404] 图26描绘在系统10的假体组件配合和对准分析操作期间执行的动作的方法2600的流程图。
[0405] 从所加载的规划检索2601假体组件几何形状用于对照检索到的映射几何形状进行处理。系统10可操作以借助于有限元方法将假体组件模拟2603到映射几何形状上，以检测/计算2605很可能对组件与患者14的机械轴的配合和后续对准造成的应力和变形。
[0406] 使经量化2607一致性、配合和对准数据可由系统10使用，以用于自动化和外科医生16作出关于正执行的切除的决策。结果还经由显示器20呈现给外科医生16。
[0407] 图27描绘系统10的生物分析操作期间执行的动作的方法2700的流程图，其中分析感测信息以获得生物组织12的组份特征。这有助于防止系统10瞄准软组织或以其它方式对患者14的不应切除的部分造成附带损坏。
[0408] 映射组件2701已经将所有传感器数据2703对准到几何形状表面以考虑传感器放置在生物组织12的不同视点。
[0409] 在本发明的实施例中，数据可经预处理2705以移除感测到的信息中将混淆特征检测的噪声和假象。
[0410] 系统10可操作以通过将数据信号与已经从先前测试确定的已知签名进行比较来对数据执行特征提取2707。这可跨越所述组传感器101和102的各种测量传感器针对相同目标位置进行以确定每一点的组份的预测。
[0411] 系统10可操作以随后将生物分析预测施加2709回到映射组件以提供额外元数据，供系统10的部分使用以导引决策和动作。
[0412] 图28描绘在系统10的声学声音分析操作期间执行的动作的方法2800的流程图。
[0413] 生物分析组件还使用声学传感器178来确定是否已对硬生物组织执行剥蚀的声音。
[0414] 由激光剥蚀骨骼产生的声音简档不同于由其它材料产生的声音。系统16可操作以利用此来增加剥蚀进程期间的总体安全性。方法2800包括以下步骤：接收2861由声学传感器178在处理位点处从环境和生物组织12周围拾取的声音数据177，以及分析2803所述声音数据以确定当激光撞击骨材料时所接收声音数据是否与预期匹配。当接收和分析非预期声音时，系统10可操作以停止2805剥蚀。归因于激光脉冲的速度，在先前声音简档的处理已完成之前此不能防止若干较快激光突发撞击非骨骼表面，但可防止进一步损坏。
[0415] 系统10可操作以检测激光束30是否刚刚射击，并访问包括声波的声学传感器178声音数据。分析声波以借助于相异频率和振幅检测其是否与正剥蚀的硬生物组织的简档匹配。
[0416] 如果声音不匹配，则向系统10传信以停止操作。
[0417] 图29描绘在系统10的激光优化操作期间执行的动作的方法2900的流程图。
[0418] 此组件的目的是执行风险敏感决策，用于自主控制最低限度可观察环境中的激光参数。
[0419] 经由影响其如何与不同材料交互的若干相依参数控制剥蚀激光器。基于激光的机械加工的任务是复杂的，因为其涉及调谐这些参数以适合正剥蚀的材料。此材料在不同患者之间不同，这取决于骨骼和其组份的类型(矿物、胶原蛋白和含水量)，以及例如性别、年龄和种族等因素。激光优化确定激光束30安全地剥蚀硬组织的最佳参数集。此外，系统10可操作以在决策过程的每一阶段量化其置信度水平，且能够输出人类可懂诊断信息。
[0420] 激光优化组件从切除表面分析组件检索2901数据。此数据已经预处理为一系列2D地图：高度、超光谱、生物分析、热和声学。2D地图是定向切除平面，或来自切除表面的球面坐标的地图。
[0421] 依据此数据基础，组件可将数据分类2903为已知材料类型。作为低级功能，产生2905经预测产生所要结果的一组候选激光参数。这些候选激光参数在模型中测试以确定
2907那些候选者的最可能结果。
2907那些候选者的最可能结果。
[0422] 随后评估2909那些后果的适用性。在一些例子中，可能预测了不合需要的结果，因此组件可以选择在产生2905用于测试的新参数集之前放松2911对参数选择的一些限制。
[0423] 在组件已经超出试验替代物的时间周期的情况下，对象可改变2913以促进可实现部分解决方案而非无解决方案的参数选择。
[0424] 如果组件耗尽用于替代参数的时间周期且尚未达成解决方案，则使系统10停止2915。
[0425] 系统10的安全、监视和验证操作包括：
[0426] ·正确的切割位置；
[0427] ·预期组织类型；以及
[0428] ·预期效应(热、应力、材料移除)。
[0429] 可源自系统10的操作的后果和结果包含：
[0430] ·效率，包含切割/整形速率方面；
[0431] ·几何效应，包含切割物理属性方面；以及
[0432] ·副作用，包含热冲击：
[0433] 方法1400到2900(和图14到29中描绘的相关联子方法)可使用例如图30中示出的计算装置/计算机系统3000实施，其中图14到29的过程可被实施为软件，例如计算装置3000内可执行的一个或多个应用程序。确切地说，本文中所公开的方法的步骤由计算机系统3000内实行的软件中的指令实现。所述指令可形成为一个或多个代码模块，每一代码模块用于执行一个或多个特定任务。软件还可划分成两个分离部分，其中第一部分和对应的代码模块执行所描述方法，且第二部分和对应的代码模块管理第一部分和用户之间的用户界面。软件可存储在计算机可读介质中，例如包含下文描述的存储装置。软件从计算机可读介质加载到计算机系统3000中，且接着由计算机系统3000执行。具有此类软件或记录在其上的计算机程序的计算机可读介质为计算机程序产品。计算机系统3000中计算机程序产品的使用优选地实现用于包含骨骼的生物组织的激光整形的有利设备。
[0434] 参考图30，示出示范性计算装置3000。实例计算装置3000可包含(但不限于)包括一个或多个处理器3002的一个或多个中央处理单元(CPU)3001、系统存储器3003和系统总线3004，所述系统总线将包含系统存储器3003的各个系统组件联接到处理单元3001。系统总线3004可以是若干类型的总线结构中的任一种，包含使用多种总线架构中的任一个的存储器总线或存储器控制器、外围总线和本地总线。
[0435] 计算装置3000还通常包含计算机可读介质，其可包含任何可用介质，所述介质可由计算装置3000访问且包含易失性和非易失性介质以及可移除和不可移除介质两者。借助于实例而非限制，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包含以任何方法或技术实施用于存储例如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息的介质。计算机存储介质包含(但不限于)RAM、ROM、EEPROM、快闪存储器或其它存储器技术、CD-ROM、数字通用光盘(DVD)或其它光盘存储装置、盒式磁带、磁带、磁盘存储装置或其它磁性存储装置，或者可用于存储所要信息且可由计算装置3000访问的任何其它介质。通信介质通常以例如载波等经调制数据信号或其它传送机制体现计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据，且包含任何信息递送介质。借助于实例而非限制，通信介质包含有线介质，例如有线网络或直接有线连接；以及无线介质，例如声学、RF、红外线和其它无线介质。上述各项的任一个的组合也应包含在计算机可读介质的范围内。
[0436] 系统存储器3003包含呈例如只读存储器(ROM)3005和随机存取存储器(RAM)3006等易失性和/或非易失性存储器形式的计算机存储介质。含有帮助在计算装置3000内的元件之间传送信息(例如，启动期间)的基本例程的基本输入/输出系统3007(BIOS)通常存储在ROM 3005中。RAM 3006通常含有可由处理单元3001立即访问和/或当前正由处理单元3001操作的数据和/或程序模块。借助于实例而非限制，图30示出操作系统3008、其它程序模块3009和程序数据3010。
[0437] 计算装置3000还可包含其它可移除/不可移除、易失性/非易失性计算机存储介质。仅借助于实例，图30示出从不可移除的非易失性磁性介质读取或向其写入的硬盘驱动器3011。可以与实例计算装置一起使用的其它可移除/不可移除、易失性/非易失性计算机存储介质包含(但不限于)盒式磁带、快闪存储卡、数字通用光盘、数字视频带、固态RAM、固态ROM等。硬盘驱动器3011通常经由例如接口3012等不可移除存储器接口连接到系统总线3004。
[0438] 上文所论述且图30中所示出的驱动器和其相关联计算机存储介质提供计算机可读指令、数据结构、程序模块和计算装置3000的其它数据的存储。在图30中，举例来说，硬盘驱动器3011被示出为存储操作系统3013、其它程序模块3014和程序数据3015。应注意，这些组件可与操作系统3008、其它程序模块3009和程序数据3010相同或不同。操作系统3013、其它程序模块3014和程序数据3015在此被给定不同数字以示出在最低限度，其是不同副本。
[0439] 计算装置还包含连接到系统总线3004的一个或多个输入/输出(I/O)接口3030，包含音频-视频接口，其耦合到包含视频显示器3034和扬声器3035中的一个或多个的输出装置。输入/输出接口3030还耦合到一个或多个输入装置，包含例如鼠标3031、键盘3032或触敏式装置3033(例如，智能电话或平板计算机装置)。
[0440] 与下文的描述相关，计算装置3000可使用到一个或多个远程计算机的逻辑连接在联网环境中操作。为说明的简单起见，计算装置3000在图30中示出为连接到网络3020，网络3020不限于任何特定网络或联网协议，但可包含例如以太网、蓝牙或IEEE 802.X无线协议。
图30中描绘的逻辑连接是一般网络连接3021，其可以是局域网(LAN)、广域网(WAN)或其它网络(例如，因特网)。计算装置3000经由网络接口或适配器3022连接到一般网络连接3021，所述网络接口或适配器继而连接到系统总线3004。在联网环境中，相对于计算装置3000或其部分或外围装置描绘的程序模块可存储于一个或多个其它计算装置的存储器中，所述一个或多个其它计算装置以通信方式经由一般网络连接3021耦合到计算装置3000。应了解，所示的网络连接仅为实例，且可使用建立计算装置之间的通信链路的其它手段。
图30中描绘的逻辑连接是一般网络连接3021，其可以是局域网(LAN)、广域网(WAN)或其它网络(例如，因特网)。计算装置3000经由网络接口或适配器3022连接到一般网络连接3021，所述网络接口或适配器继而连接到系统总线3004。在联网环境中，相对于计算装置3000或其部分或外围装置描绘的程序模块可存储于一个或多个其它计算装置的存储器中，所述一个或多个其它计算装置以通信方式经由一般网络连接3021耦合到计算装置3000。应了解，所示的网络连接仅为实例，且可使用建立计算装置之间的通信链路的其它手段。
[0441] 在本发明的实施例中，由系统10执行的所描述的额外和/或替代操作中的一个或多个半自动或自动地发生，而不需要人为干预。
[0442] 可了解，在所描述的实施方案中，激光器与机器人联接且这一对与光学和机械传感器集成以提供骨骼系统(机器)的闭合环路消减激光辅助的机械加工，从而考虑用于临床环境中的真实矫形外科手术期间操作参数的设计和选择(为了获得快速和准确结果)的计算上衍生的工艺参数。
[0443] 应了解，本发明的所描述的实施例提供若干优点。
[0444] 系统10的实施例能够以亚次毫米精度机械加工硬生物组织，且包含以下特征：非侵入性实时光学感测；激光参数的智能和动态控制；以及机械加工后生物验证。
[0445] 本发明的实施例：使用非侵入性光学感测来确保激光的精度控制、安全性和定位；涉及人工智能系统的开发和教示以实时控制激光整形的过程；涉及优化激光参数对照蜂窝式和分子评估的验证；以及优化集成系统的性能。
[0446] 本发明的实施例可以允许具有以下改进的手术：切割准确性的改进、切割的亚次毫米精度的改进、归因于监视能力的安全新的改进、避免附带损坏的需要、通过使用分析和机器学习技术优化激光的参数改进切割表面的生物质量。
[0447] 预期，单单在第一世界，每年超过2百万患者可得益于本发明的实施例的技术。
[0448] 本发明的实施例经由智能自适应整形、低热和生物机械效应、无振动整形以及多重冗余安全性提供高准确性和亚次毫米精度。
[0449] 本发明的实施例提供实时优化的患者定制激光剥蚀。实施例的系统获得来自传感器的连续反馈以及模型和剥蚀后评估(残余组织的生物状态)，且将激光参数调整到最佳。产生最大或改进的组织移除，以及绝对最小或减小的热冲击。
[0450] 经由系统的实施例，可提供这样的激光剥蚀：可针对每一患者定制；具有零/最小/减小的热冲击(生物质量)；几何学上精确；具有实时可调整参数；以及具有多个层级的安全性(包含导引激光器、传感器、切割后感测和外科医生控制)。
[0451] 由本发明的实施例提供的亚次毫米精度、低机械和热冲击可有利地实现植入物制造的革命，并且还实现患者结果和生活品质的显著改进。
[0452] 本发明的实施例可以实现具有以下特征的最低限度的矫形外科手术：最少人为干预、半自动或全自动、高精度、快速手术、最小侵入性组织损坏、减少输血或无输血、改进的植入物集成和减小的成本。
[0453] 本发明的实施例有利地使用激光来剥蚀生物组织，在手术的相同时间限制内快速地、安全地、准确地且干净地进行。
[0454] 为了在手术的相同时间限制内快速剥蚀硬生物组织，所描述的实施例考虑到安全性和准确性增加或最大化可移除的材料的体积。其能够在任何情况下在目标位置的周围硬生物材料将损坏且稍后将需要移除时较快地剥蚀材料。其使在剥蚀手术期间施加到组织用于冷却组织的液体与从基本单元到末端执行器的用以冷却所述液体的冷的冷却剂绑定在一起。激光优化是基于与硬生物组织的交互的动力学以增加或最大化机械加工速率。其在“进程”中执行剥蚀，所述“进程”包含呈感测之间的快速突发的形式的一系列激光剥蚀。此操作可提供感测(保证)和速度的最佳平衡。
[0455] 为了安全地剥蚀硬生物组织，所描述的实施例防止最终切除的组织表面损坏(坏死/热冲击/开裂)。这通过以下操作来实现：使用低激光功率以确保最终表面不受损，或减小对最终表面的损坏，以及通使用水喷射器将冷水引入到材料以辅助激光剥蚀并防止材料发生热损坏。其进一步通过以下操作来实现：用消耗性屏蔽件保护工作人员，所述消耗性屏蔽件有助于防止因对象接触激光束而导致的无意受伤或损害。
[0456] 为了准确地剥蚀硬生物组织，所描述的实施例使用机器人臂将末端执行器定位在目标上方，随后使用扫描头以较大准确性引导激光。此外，其使用3D度量传感器来绘制材料的几何形状。在此方面，其基于平面或球形坐标系将3D几何形状的维度减小为一系列2D地图，从而为外科医生16实现较快处理和更容易理解的显示。所有其它传感器信息可叠加在相同2D地图上。切除表面分析允许与患者的最佳配合和对准。其使用超光谱传感器来区分组织类型。其使用声学传感器来检测激光是否已冲击非预期对象。其使用材料上的经激光处理的基准标记来允许极准确的跟踪(远远超过具备位置传感器的跟踪)。其使用传感器数据的反馈来改善激光机械加工过程且具有允许模拟、测试和数据录入(大数据)的主系统协调器，从而提供对剥蚀过程的智能控制。
[0457] 为了干净地剥蚀硬生物组织，所描述的实施例将充当真空袋的粒子收集器并入到消耗性屏蔽件中。此外，其使用一系列捕集器和过滤器来存储颗粒物质，且借此防止最终HERA过滤器很快被大尺寸粒子填满。
[0458] 所属领域的技术人员应了解，对本文描述的本发明的变化和修改将显而易见，而不脱离本发明的精神和范围。认为所属领域的技术人员将显而易见的变化和修改处于如本文陈述的本发明的广泛范围和界限内。
[0459] 并且，可在澳大利亚或海外基于或要求本申请的优先权而提交将来的专利申请。应理解，所附临时权利要求书仅借助于实例提供，且并不希望限制任何此类将来应用中可能要求的内容的范围。可能在稍后日期将特征添加到临时权利要求书或从临时权利要求书省略特征，以便进一步限定或重新限定发明。
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