BR112020004420A2 - sistema de robô cirúrgico - Google Patents
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Abstract
A presente invenção refere-se a um sistema de robô cirúrgico que inclui uma unidade escravo e uma unidade de computação (10). A unidade escravo inclui um braço robótico (2), um instrumento cirúrgico (3), uma cânula (9) e um elemento sensor (903). O braço robótico (2) é configurado para acionar o instrumento cirúrgico (3) para girar em torno de um centro remoto de movimento (RCM). A cânula (9) é acoplada de forma destacável a um terminal do braço robótico (2) e define uma linha de centro que passa através do RCM. O instrumento cirúrgico (3) é conectado de forma destacável ao terminal do braço robótico (2) e se estende de forma distal através da cânula (9), e o elemento sensor (903) é disposto sobre a cânula (9) e configurado para sensoriar uma deformação axial da cânula (9). A unidade de computação (10) é configurada para determinar uma força radial que atua sobre o terminal do instrumento cirúrgico (3), a partir de uma força sobre a cânula (9) sensoriada pelo elemento sensor (903) de acordo com o princípio de equilíbrio de torque. Este sistema de robô cirúrgico possui capacidade de realimentação de força e obtém a força radial que atua sobre o terminal do instrumento cirúrgico (3) diretamente de uma medição com maior precisão e sem exigir qualquer componente adicional, proporcionando complexidade estrutural reduzida do instrumento cirúrgico (3).
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DE ROBÔ CIRÚRGICO".
[001] A presente invenção refere-se ao campo técnico de instrumentos médicos e, mais especificamente, a um sistema de robô cirúrgico.
[002] Em cenários comuns de cirurgia assistida por robô cirúrgico, um cirurgião opera a extremidade mestre de robô localizada de forma remota de um paciente e controla, em um esquema de controle mestre- escravo, o movimento de instrumentos cirúrgicos na extremidade escravo do robô em torno de locais cirúrgicos. A extremidade mestre pode ser, mas não está limitada a, um braço robótico homogêneo em série, um braço robótico heterogêneo em série, um braço robótico paralelo, luvas de exoesqueleto e similares, que podem controlar a posição e a orientação dos instrumentos cirúrgicos em relação ao locais cirúrgicos.
[003] Em geral, na extremidade escravo, vários braços robóticos capazes de suportar instrumentos cirúrgicos e um endoscópio são implantados. Nesses casos, é muito importante permitir ao cirurgião perceber com precisão os resultados de interações dos instrumentos cirúrgicos com o tecido do paciente. Em outras palavras, é necessário que o cirurgião obtenha indicações perceptíveis de forças aplicadas pelos instrumentos cirúrgicos, que também são as forças exercidas pelo tecido corporal ao terminal desses instrumentos cirúrgicos.
[004] Entre sistemas de robôs cirúrgicos existentes, o sistema DaVinci foi reconhecido como um dos mais destacados no mundo. No entanto, instrumentos cirúrgicos nesses sistemas, tanto na China quanto no exterior, incluindo o sistema DaVinci, ainda sofrem de uma série de deficiências, cujas principais são as seguintes:
[005] 1. Alguns robôs cirúrgicos existentes não possuem mecanismos de realimentação de força, deixando instrumentos cirúrgicos neles incapazes de realimentar seu ambiente operacional e seu estado durante um procedimento cirúrgico. Consequentemente, o cirurgião não pode perceber nenhuma interferência a partir do exterior do campo de visão encontrado, ou um toque em uma determinada parte do corpo por qualquer um dos instrumentos cirúrgicos. Isso afetará de forma significativa a sensação de uso do cirurgião e o resultado do procedimento, ou mesmo conduzirá à falha do procedimento cirúrgico.
[006] 2. Embora existam algumas robôs cirúrgicos existentes com sistemas de realimentação de força , tais sistemas estão associados com alta complexidade computacional e estrutural, e geralmente operam de uma forma indireta, em que, adicionalmente, componentes são empregues ou medições sobre mecanismos de transmissão são introduzidos para cálculo das forças que atuam sobre instrumentos cirúrgicos. Isso levará a aumentos significativos na massa e na complexidade estrutural dos instrumentos cirúrgicos. Um exemplo de um tal sistema de realimentação de força indireta é um dispositivo trocarte para entrega de um instrumento cirúrgico divulgado no documento WO2005067804A. Este dispositivo inclui um transdutor de força anular disposto sobre uma parede interna do trocarte, uma cânula inserida em um orifício central do transdutor de força e um instrumento cirúrgico que pode passar através da cânula e se salientar para fora de uma extremidade distal do trocarte, entrando em interação com um local cirúrgico alvo. O transdutor de força disposto entre o trocarte e a cânula é projetado para medir indiretamente uma força exercida pelo instrumento cirúrgico sobre o local alvo. Em uma modalidade desse pedido, outro transdutor de força anular é disposto onde uma extremidade proximal do instrumento cirúrgico é acoplada a um braço robótico para facilitar a medição sobre a realimentação de força . Este dispositivo é no geral complicado em estrutura e requer um algoritmo complexo de realimentação de força.
[007] É um objetivo de algumas modalidades da presente invenção superar pelo menos um dos problemas de mecanismos convencionais para medir uma força de contacto sobre um terminal de um instrumento cirúrgico, tal como complexidade estrutural, complexidade computacional e baixa precisão, ao fornecer um sistema de robô cirúrgico.
[008] Para essa finalidade, algumas modalidades da presente invenção divulgam um sistema de robô cirúrgico, compreendendo uma unidade escravo e uma unidade de computação, em que a unidade escravo compreende um braço robótico, um instrumento cirúrgico, uma cânula e um elemento sensor, em que o braço robótico é configurado para acionar o instrumento cirúrgico para pivotar em torno de um centro de movimento remoto, a cânula está conectada de forma destacável a um terminal do braço robótico, e uma linha de centro da cânula se estende através do centro de movimento remoto, o instrumento cirúrgico é conectado de forma destacável ao terminal do braço robótico e se estendendo de forma distal através da cânula, o elemento sensor é disposto sobre a cânula e configurado para sensoriar uma deformação axial da cânula; a unidade de computação é configurada para determinar, de acordo com um princípio de equilíbrio de torque, uma força radial que atua sobre o terminal do instrumento cirúrgico com base em uma força que atua sobre a cânula sensoriada e determinada por meio do elemento sensor.
[009] Opcionalmente, uma saliência é fornecida sobre uma parede interior da cânula, e a saliência é configurada para ser capaz de gerar um contato pontual quando posta em contato com o instrumento cirúrgico, em que a cânula compreende um ponto de referência situado no centro de movimento remoto, com a saliência e o elemento sensor dispostos ambos sobre um lado do ponto de referência mais afastado do terminal do braço robótico, e em que a unidade de computação está configurada para determinar a força radial que atua sobre o terminal do instrumento cirúrgico com base em uma força que atua sobre a cânula em um local do contato pontual sensoriado e determinado pelo elemento sensor.
[0010] Opcionalmente, uma saliência é fornecida sobre a parede interior da cânula; ou uma pluralidade de saliências são fornecidas sobre e distribuídas simetricamente através da parede interior da cânula.
[0011] Opcionalmente, o elemento sensor é disposto para estar mais próximo do terminal do braço robótico do que a saliência está disposta.
[0012] Opcionalmente, uma pluralidade de elementos sensores estão distribuídos simetricamente sobre uma superfície interior e/ou uma superfície exterior da cânula.
[0013] Opcionalmente, a cânula compreende um suporte configurado para conectar de forma destacável com o terminal do braço robótico.
[0014] Opcionalmente, a cânula é configurada para ser coaxial ou em um ajuste com folga com o instrumento cirúrgico.
[0015] Opcionalmente, o instrumento cirúrgico compreende um módulo de energia, um eixo do instrumento, um primeiro ponto característico, um segundo ponto característico e um terceiro ponto característico; o módulo de energia está conectado a uma extremidade proximal do eixo do instrumento, o eixo do instrumento é configurado para ser capaz de gerar contato pontual quando posto em contato com a cânula, o primeiro ponto característico é definido em um local onde o eixo do instrumento é conectado ao módulo de energia, o segundo ponto característico é definido em um local do eixo do instrumento, em correspondência com um terminal da cânula, o terceiro ponto característico é definido no terminal do instrumento cirúrgico, e em que a força radial que atua sobre o terceiro ponto característico é determinável pela unidade de computação com base em um força que atua sobre o segundo ponto característico, uma distância entre o primeiro ponto característico e o segundo ponto característico e uma distância entre o primeiro ponto característico e o terceiro ponto característico.
[0016] Opcionalmente, o instrumento cirúrgico compreende um módulo de energia, um eixo do instrumento, um primeiro ponto característico, um segundo ponto característico e um terceiro ponto característico; o módulo de energia está conectado a uma extremidade proximal do eixo do instrumento, o eixo do instrumento está configurado para ser capaz de gerar um contato pontual quando posto em contato com a saliência, o primeiro ponto característico é definido em um local onde o eixo do instrumento é conectado ao módulo de energia, o segundo ponto característico é definido em um local onde a saliência é contatável com o eixo do instrumento, o terceiro ponto característico é definido no terminal do instrumento cirúrgico, e no qual a força radial que atua sobre o terceiro ponto característico é determinável pela unidade de computação com base em uma força que atua sobre o segundo ponto característico, uma distância entre o primeiro ponto característico e o segundo ponto característico e uma distância entre o primeiro ponto característico e o terceiro ponto característico.
[0017] Opcionalmente, a distância entre o primeiro ponto característico e o segundo ponto característico é obtida com base em um valor inicial da distância entre o primeiro ponto característico e o segundo ponto característico determinado durante a inicialização do sistema de robô cirúrgico e um deslocamento do instrumento cirúrgico ao longo de uma linha de centro da cânula a partir de uma posição inicial do instrumento cirúrgico determinada durante a inicialização do sistema de robô cirúrgico.
[0018] Opcionalmente, o instrumento cirúrgico compreende um módulo de energia e um mecanismo de transmissão configurado para transferir uma força de saída a partir do módulo de energia para o terminal do instrumento cirúrgico, o módulo de energia compreendendo um motor de acionamento axial configurado para acionar o instrumento cirúrgico para mover axialmente, e em que a unidade de computação está configurada para determinar uma força axial que atua sobre o terminal do instrumento cirúrgico com base em uma força de saída a partir do motor de acionamento axial e uma relação de redução do mecanismo de transmissão.
[0019] Opcionalmente, a força de saída do motor de acionamento axial é computável a partir de uma corrente elétrica que flui através do motor de acionamento axial ou mensurável por meio de um sensor disposto sobre um eixo de saída do motor de acionamento axial.
[0020] Opcionalmente, um revestimento é fornecido sobre uma superfície exterior do instrumento cirúrgico, para reduzir um atrito entre o instrumento cirúrgico e a cânula.
[0021] Opcionalmente, o sistema de robô cirúrgico ainda compreende uma unidade mestre que compreende um indicador de força configurado para permitir que a força radial que atua sobre o terminal do instrumento cirúrgico seja percebida.
[0022] Opcionalmente, o indicador de força é um manipulador mestre dotado de um motor conectado de forma comunicativa à unidade de computação, ou o indicador de força é uma sistema de formação de imagem.
[0023] Em resumo, algumas modalidades da presente invenção fornecem um sistema de robô cirúrgico que inclui uma unidade escravo e uma unidade de computação.
A unidade escravo inclui um braço robótico, um instrumento cirúrgico, uma cânula e um elemento sensor.
O elemento sensor é disposto na cânula e configurado para sensoriar uma deformação axial da cânula, e a unidade de computação é configurada para determinar uma força de contato exercida sobre a cânula a partir da deformação axial sensoriada, bem como uma força radial que atua sobre um terminal do instrumento cirúrgico de acordo com a força de contato.
Nas outras modalidades, uma saliência é disposta sobre uma parede interior da cânula, que é configurada para ser capaz de entrar em contato pontual com o instrumento cirúrgico, e a unidade de computação é configurada para determinar a força radial que atua sobre o terminal do instrumento cirúrgico com base em uma força de contato pontual exercida sobre a cânula de acordo com a deformação axial sensoriada pelo elemento sensor.
Quando uma força externa atua sobre o terminal do instrumento cirúrgico, o instrumento cirúrgico irá deformar e entrar em contato com a cânula.
Em resposta, a cânula exercerá uma força de suporte sobre a porção contatada do instrumento cirúrgico.
Um momento da força de suporte é equilibrado pelo de um componente radial (isto é, a força radial anteriormente mencionada) da força externa que atua sobre o terminal do instrumento cirúrgico.
Portanto, a força radial sobre o terminal do instrumento cirúrgico pode ser determinada de forma precisa e exclusiva medindo a força de contato entre a cânula e o instrumento cirúrgico, enquanto evitando erros de medição que podem surgir de variação na estrutura do terminal do instrumento cirúrgico . Em particular, como a cânula é dotada da saliência que pode ser posta em contato pontual com o instrumento cirúrgico, a força radial que atua sobre o terminal do instrumento cirúrgico pode ser determinada com uma precisão ainda mais elevada medindo uma força de contato entre a saliência e o instrumento cirúrgico.
[0024] Comparado com as soluções convencionais que usam uma saída de motor para calcular a força que atua sobre o terminal do instrumento cirúrgico, o sistema de robô cirúrgico da presente invenção é vantajoso tanto em um trajeto de transmissão de força mais simples, quanto em maior precisão na medição da força radial. Além disso, a força radial que atua sobre o terminal do instrumento cirúrgico pode ser obtida em uma maneira mais fácil, sem a necessidade de componentes adicionais, proporcionando complexidade estrutural mais baixa do instrumento cirúrgico e facilitando sua montagem. Além disso, uma vez que pequenas alterações são necessárias no instrumento cirúrgico, vários instrumentos cirúrgicos existentes podem ser adequadamente utilizados no sistema de robô cirúrgico proposto pela presente invenção.
[0025] A Fig. 1 é um esquema estrutural de um sistema de robô cirúrgico de acordo com uma modalidade da invenção.
[0026] A Fig. 2 é um esquema estrutural de um instrumento cirúrgico de acordo com uma modalidade da invenção.
[0027] A Fig. 3 ilustra esquematicamente forças exercidas por tecido humano sobre um terminal de um instrumento cirúrgico que é inserido através de uma cânula, de acordo com uma modalidade da invenção.
[0028] A Fig. 4a é uma vista em seção transversal transversa de uma cânula de acordo com uma modalidade da invenção.
[0029] A Fig. 4b é uma vista em seção transversal transversa de uma cânula de acordo com outra modalidade da invenção.
[0030] A Fig. 4c é uma vista em seção transversal transversa de uma cânula de acordo com ainda outra modalidade da invenção.
[0031] A Fig. 5 ilustra esquematicamente forças que atuam sobre um instrumento cirúrgico, de acordo com uma modalidade da invenção.
[0032] A Fig. 6 é um esquema estrutural de uma cânula de acordo com uma modalidade da invenção.
[0033] A Fig. 7 é um esquema estrutural de uma cânula de acordo com uma outra modalidade da invenção.
[0034] Nestas figuras,
[0035] 1 indica um carrinho de paciente; 2 indica um braço robótico; 3 indica um instrumento cirúrgico; 301 indica um módulo de energia; 302 indica um eixo de instrumento; 303 indica um efetor terminal; 4 indica um endoscópio; 5 indica um sistema de formação de imagem estéreo; 6 indica um manipulador mestre; 7 indica um apoio de braço; 8 indica um paciente; 10 indica uma unidade de computação;
[0036] 9 indica uma cânula; 901 indica um suporte; 902 indica uma saliência; e 903 indica um elemento sensor.
[0037] O acima e outros objetivos, características e vantagens da presente invenção tornar-se-ão mais evidentes a partir da descrição detalhada do sistema de robô cirúrgico proposto, a qual é para ser lida em conexão com as Figs 1 a 7. Observar que as figuras são muito simplificadas e podem não estar desenhadas em escala, e o único objetivo delas é facilitar uma explicação fácil e clara das modalidades divulgadas. Conforme usado neste documento, "extremidade posterior" , " terminal" ou "extremidade distal" referem-se a uma extremidade mais distante de um operador e mais próxima de um paciente, enquanto "extremidade inicial" , "extremidade dianteira" ou "proximal" referem-se a uma extremidade mais próxima do operador e mais distante do paciente.
[0038] A Fig. 1 é um esquema estrutural de um sistema de robô cirúrgico de acordo com uma modalidade da invenção. O sistema de robô cirúrgico inclui uma unidade escravo, que inclui um carrinho de paciente 1, um braço robótico 2, um instrumento cirúrgico 3, um endoscópio 4 e uma cânula 9. Como uma base de toda a unidade escravo, o carrinho de paciente 1 suporta todos os mecanismos mecânicos. Enquanto isso, o carrinho de paciente 1 é móvel sobre o terreno para permitir que a unidade escravo se aproxime ou deixe um paciente 8.
[0039] O braço robótico 2 com vários graus de liberdade é montado no carrinho de paciente 1 e configurado para acionar o instrumento cirúrgico 3 para pivotar em torno de um centro de movimento remoto (RCM). Quando o carrinho de paciente 1 se move para a vizinhança do paciente 8, o braço robótico 2 pode ser ajustado de modo que o instrumento cirúrgico 3 atinja um local cirúrgico alvo pré-determinado . Ou seja, o RCM está localizado ao redor do local cirúrgico ajustando ambos, o carrinho do paciente 1 e o braço robótico 2. O instrumento cirúrgico 3 é montado em um terminal do braço robótico 2, de forma fixa ou móvel. Como um efetor da unidade escravo, o instrumento cirúrgico 3 vai eventualmente entrar no corpo do paciente no local cirúrgico, de modo a tratar uma lesão alvo ao vivo. Durante todo um procedimento cirúrgico, o instrumento cirúrgico 3 se moverá com vários graus de liberdade ao redor do RCM e, para impedir que os movimentos do instrumento cirúrgico 3 causem danos ao tecido da superfície do corpo e para criar criar um ambiente vedado dentro do corpo, a cânula 9 é disposta entre o instrumento cirúrgico 3 e o dito tecido de superfície. A cânula 9 é conectada de forma destacável com um terminal do braço robótico 2, e define uma linha de centro que passa através do RCM. Uma extremidade do instrumento cirúrgico 3 é conectada de forma destacável ao terminal do braço robótico 2 e a outra extremidade é inserida através da cânula 9 e de forma distal no corpo do paciente, de modo a se aproximar da lesão. Dessa maneira, o instrumento cirúrgico 3 pode se mover em sincronia com a cânula 9 ao redor do RCM, além de ser capaz de obter movimento ao longo e/ou ou rotação em torno de sua linha de centro dentro da cânula 9.
[0040] O endoscópio 4 é montado em um terminal de um braço robótico 2 diferente daquele no qual o instrumento cirúrgico 3 está instalado, e está configurado para coletar informações de imagem sobre o ambiente cirúrgico. As informações de imagem podem incluir, mas não estão limitadas a, informações sobre o tecido ao redor da lesão e sobre uma postura e posição do instrumento cirúrgico 3. Quando montado no braço robótico 2, o endoscópio 4 pode ser conectado de forma comunicativa à unidade mestre conforme detalhado abaixo, de modo a permitir a exibição em tempo real das informações sobre o ambiente cirúrgico coletado. O endoscópio 4 pode ser tridimensional ou não, o que não é limitado pela presente invenção.
[0041] Como mostrado na Fig. 1, o sistema de robô cirúrgico pode incluir ainda uma unidade mestre, que inclui um sistema de formação de imagem 5, um manipulador mestre 6 e um apoio de braço 7. Durante um procedimento cirúrgico, com as informações do endoscópio 4 sendo exibidas pelo sistema de formação de imagem 5, um cirurgião pode monitorar o movimento do instrumento cirúrgico 3 em tempo real e, consequentemente, controlar o movimento subsequente do instrumento cirúrgico 3 manipulando o manipulador mestre 6. O cirurgião pode sentar-se em um console cirúrgico e, com a ajuda do sistema de formação de imagem 5, observar a posição e movimento do terminal do instrumento cirúrgico dentro do corpo do paciente. Com base nas observações, o cirurgião pode controlar um movimento subsequente do terminal manipulando o manipulador mestre 6, permitindo assim uma operação minimamente invasiva. Como resultado da manipulação do manipulador mestre 6 pelo cirurgião, o instrumento cirúrgico 3 pode fazer movimentos no espaço multidimensional, conforme exigido no procedimento cirúrgico, como arremesso, guinada, rotação, abertura e fechamento. O apoio de braço 7 pode apoiar o braço do cirurgião, para que o cirurgião possa manter um conforto maior quando o procedimento cirúrgico durar muito tempo. Além disso, o apoio de braço 7 pode ser elevado e abaixado para atender a várias necessidades de diferentes cirurgiões.
[0042] O sistema de robô cirúrgico inclui ainda uma unidade de computação 10 conectada de forma comunicativa a ambas as unidades mestre e escravo, por exemplo, por meio de conexões com ou sem fio. A unidade de computação 10 é responsável por, com base em uma estratégia de controle, processar dados dos sensores e calcular vários dados requeridos no controle. A unidade de computação 10 pode determinar uma força que atua na cânula 9 a partir de dados transmitidos por um elemento sensor 903 (por exemplo, dados de deformação e tensão) e, assim, determinar uma força que atua no terminal do instrumento cirúrgico 3 e depois transmitir informações sobre a força no terminal do instrumento cirúrgico 3 para um indicador de força da unidade mestre, de modo que a força no terminal do instrumento cirúrgico 3 possa ser conhecida. O indicador de força pode ser o sistema de formação de imagem 5, que pode exibir a magnitude e a direção da força no terminal do instrumento cirúrgico 3.
[0043] Alternativamente, o indicador de força pode ser o manipulador mestre 6 equipado com um motor. Enquanto o cirurgião está operando o sistema, a unidade de computação 10 pode controlar o motor do manipulador mestre 6 com base na informação sobre a força no terminal do instrumento cirúrgico 3 e pode exercer uma força que atua sobre o cirurgião. Aparentemente, o controle feito a partir do manipulador mestre 6 para o instrumento cirúrgico 3 é básico para o circuito de controle mestre/escravo no sistema de robô cirúrgico. Para simular melhor as circunstâncias reais de um procedimento cirúrgico, isto é, simular a força que atua no instrumento cirúrgico 3 durante o procedimento, é desejável que o instrumento cirúrgico 3 seja capaz de realimentar qualquer força que atue sobre ele para o manipulador mestre 6, isto é, fornecer ao instrumento cirúrgico 3 recursos de realimentação de força. Depois que uma força que atua sobre a cânula 9 é determinada a partir dos dados sensoriados pelo elemento sensor 903 (por exemplo, dados de deformação e tensão) e, consequentemente, uma força que atua sobre o terminal do instrumento cirúrgico 3 é determinada a partir da força sobre a cânula 9, a unidade de computação 10 pode emitir um comando de torque para o motor do manipulador mestre R 6, para permitir ao operador perceber a força que atua sobre o terminal do instrumento cirúrgico 3. Mais preferencialmente, o manipulador mestre 6 pode ser dotado de um vibrador. Nesse caso, quando a força no terminal do instrumento cirúrgico 3 , que é determinada a partir dos dados sensoriados pelo elemento sensor 903 (por exemplo, dados de deformação e tensão), excede um limiar pré-definido, a unidade de computação 10 pode emitir um comando de vibração ao vibrador do manipulador mestre 6, notificando o operador sobre a força excessiva no terminal do instrumento cirúrgico 3.
[0044] O sistema de robô cirúrgico de acordo com esta modalidade é capaz de medir uma força radial no terminal do instrumento cirúrgico 3, isto é, uma força exercida ao longo de uma direção perpendicular a um eixo do instrumento cirúrgico 3.
[0045] A Fig. 2 é um esquema estrutural de um instrumento cirúrgico de acordo com uma modalidade da presente invenção. Como mostrado, o instrumento cirúrgico 3 inclui um módulo de energia 301, um eixo de instrumento 302, um mecanismo de transmissão de força e um efetor terminal 303. O mecanismo de transmissão de força pode, por exemplo, empregar transmissão por fio e ser alojado no eixo de instrumento 302 e conectado a ambos, ao módulo de energia 301 e ao efetor terminal
303. O módulo de energia 301 é disposto em uma extremidade dianteira do eixo do instrumento 302 (isto é, a extremidade mais próxima do operador), enquanto o efetor terminal 303 é disposto em um terminal do eixo do instrumento 302 (ou seja, a extremidade mais afastada do operador). O módulo de energia 301 está configurado para proporcionar uma força de acionamento, que é transferida pelo mecanismo de transmissão de força para o terminal efetor 303, permitindo assim que o terminal efetor 303 execute um movimento multidimensional de rotação, uma ação de abertura/fechamento, etc. O terminal efetor 303 está configurado para executar ações , tais como cortar, sondar e beliscar, na lesão do paciente. A presente invenção não está limitada a qualquer tipo particular de efetor terminal 303, pois pode ser tesouras, alicates, uma sonda ou similar.
[0046] Além disso, para facilitar a detecção, um sistema de coordenadas pode ser definido para o instrumento cirúrgico 3. Este sistema de coordenadas não está limitado ao sistema de coordenadas retangulares como mostrado, mas pode ser, alternativamente, um sistema de coordenadas cilíndricas, um sistema de coordenadas polares, ou similar. Com o sistema de coordenadas retangulares ilustrado como um exemplo, como mostrado nas Figs. 2 e 3, o sistema de coordenadas é estabelecido com três eixos que são eixo X , eixo Y e eixo Z, em que o eixo Z se estende ao longo de uma linha de centro do eixo do instrumento 302, o eixo X é perpendicular a´ws linha de centro da haste do instrumento 302 e o eixo Y é determinado de acordo com a regra da mão direita. Em um procedimento cirúrgico real, o terminal do instrumento cirúrgico 3 (isto é, a extremidade equipada com o efetor terminal 303) irá interagir com o tecido do paciente geralmente aplicando a ele forças ao longo dos três eixos. Em resposta, de acordo com a terceira lei de Newton do movimento, o terminal do instrumento cirúrgico 3 será sujeito às forças de reação que são iguais em magnitude mas opostas em direção à força que atua ao longo dos três eixos, em que as forças de reação ao longo dos eixos X e Y podem ser obtidas pelo elemento sensor 903 e pela unidade de computação 10. Isso será descrito em mais detalhes abaixo.
[0047] Na presente modalidade, o módulo de energia 301 pode ser conectado a uma extremidade proximal do eixo do instrumento 302 e o eixo do instrumento 302 é recebido na cânula 9. Preferencialmente, o eixo do instrumento 302 pode ser configurado para ser capaz de entrar em contato pontual com a cânula 9. É possível obter precisão melhorada na medição da força radial no terminal do instrumento cirúrgico medindo uma força de contato pontual entre a cânula 9 e o instrumento cirúrgico 3.
[0048] A Fig. 6 é um esquema estrutural de uma cânula (com uma saliência 902 na mesma, como indicado por linhas pontilhadas) de acordo com uma modalidade da presente invenção. Como mostrado na Fig. 6, a cânula 9 pode incluir um suporte 901 configurado para ser conectado de forma destacável com o terminal do braço robótico 2. A cânula 9 pode também incluir uma saliência 902 que se salienta a partir de uma parede interior da cânula 9 . O elemento sensor 903 pode ser fixado à cânula 9. Além disso, a cânula 9 pode ainda incluir um ponto de referência (não mostrado, fixado em posição relativa ao suporte 901) localizado no RCM. Tanto a saliência 902 como o elemento sensor 903 podem ser dispostos no lado do ponto de referência mais distante do suporte 901 (isto é, o seu lado mais distante do terminal do braço robótico) e a saliência 902 pode estar localizada ainda mais longe do elemento sensor 903 do suporte 901, isto é, do terminal do braço robótico.
[0049] Durante a montagem, o eixo do instrumento 302 pode ser inserido através da cânula 9, com a saliência 902 sendo configurada para poder entrar em contato pontual com o eixo do instrumento 302. De preferência, o eixo do instrumento 302 é configurado para ser coaxial e em um ajuste de folga com a cânula 9. O elemento sensor 903 pode ser fixado a qualquer superfície interior ou exterior da cânula 9. Além disso, uma extremidade da cânula 9 longe da montagem 901 (isto é, a extremidade do mesmo lado que a saliência 902 em relação ao ponto de referência) pode ser afunilada e capaz de perfurar um objeto de modo a diversificar a funcionalidade do mesmo.
[0050] Em uma modalidade, apenas uma saliência 902 pode ser fornecida, como mostrado na Fig. 4a, na forma de um espaço anular. Em outras modalidades, uma pluralidade de tais saliências 902, por exemplo, quatro saliências 902, pode ser fornecida como mostrado nas Figs. 4b e 4c. De preferência, as saliências 902 podem ser distribuídas de forma simétrica. No entanto, a presente invenção não está limitada a qualquer número particular de saliências 902.
[0051] A invenção também não está limitada a nenhuma forma particular da(s) saliências(s) 902, desde que seja assegurado que o eixo do instrumento 302 possa entrar em contato pontual com a cânula 9. Apenas por esse motivo, uma largura de cada saliência 902 ao longo da direção circunferencial do eixo do instrumento 302 deveria ser feita tão pequena quanto possível. Como mostrado na Fig. 4b, em uma modalidade, contato pontual pode ocorrer entre a superfície curva das saliências 902 e uma superfície exterior do eixo do instrumento 302. Em alternativa, como mostrado na Fig. 4c, contato pontual pode ocorrer entre superfícies planas das saliências 902 e a superfície exterior do eixo do instrumento 302 que está na forma de uma haste circular.
[0052] Além disso, para garantir uma medição mais precisa de uma deformação axial na cânula 9, o elemento sensor 903 é preferencialmente disposto para estar mais próximo do suporte montagem 901 (isto é, mais próximo do terminal do braço robótico) do que a(s) saliência(s) 902 está(ão) disposta(s). Por exemplo, o elemento sensor 903 está disposto em uma porção da cânula entre o ponto de referência e a(s) saliência(s) 902 (como mostrado na Fig. 6). De preferência, uma pluralidade de (por exemplo, três ou quatro) elementos sensores 903 pode ser fornecida. Mais preferencialmente, esses elementos sensores 903 podem ser distribuídos de forma simétrica. Na presente modalidade, quatro elementos sensores 903 podem ser fornecidos, dos quais dois estão dispostos ao longo do eixo X e em simetria entre si em relação ao eixo Y, e os outros dois estão dispostos ao longo do eixo Y e em simetria um com o outro em relação ao eixo X. Exemplos de dispositivos que podem ser usados como elementos sensores 903 podem incluir, mas não se limitando a, medidores de tensão de folha, medidores de tensão resistivos semicondutores, sensores piezelétricos, sensores de pressão semicondutores, etc.
[0053] A Fig. 3 ilustra, esquematicamente, forças de reação aplicadas por tecido humano sobre o terminal do instrumento cirúrgico que é inserido através da cânula, de acordo com uma modalidade da invenção. Tal como ilustrado, ao definir a direção a partir do terminal do eixo do instrumento 302 para a extremidade dianteira do mesmo como uma direção Z positiva (+), o terminal do instrumento cirúrgico 3 pode receber uma força F x na direção X+, uma força F y na direção Y+ e uma força F Z na direção Z+, e a unidade de computação 10 está configurada para determinar as forças radiais F x e F y ou a resultante F xy das mesmas.
[0054] Sob o efeito das forças que atuam no terminal do instrumento cirúrgico 3 nas três direções, o eixo do instrumento 302 pode se deformar e entrar em contato com a saliência 902 na cânula 9, exercendo sobre ela uma força de contato, que pode ser sensoriada pelo elemento sensor 903 na cânula 9. Além disso, com base em uma relação entre uma força de reação exercida pela cânula 9 no eixo do instrumento 302 e a(s) força(s) radial(is) no terminal do instrumento cirúrgico, a(s) força(s) radial(is) ( F x e Fyy , ou F xy ) pode ser calculada pela unidade de computação 10. Especificamente, sob o efeito das forças sobre o terminal do instrumento cirúrgico 3, o eixo do instrumento 302 pode se deformar e parar ainda de deformar mediante a entrada em contato pontual com a saliência 902. Enquanto isso, o elemento sensor 903 será esticado ou comprimido devido à deformação axial da cânula 9 e, portanto, sensoriará a força de contato aplicada pelo eixo do instrumento 302 à cânula 9, a partir do que a força de reação F m a partir da cânula 9 (que é a resultante de um componente F mx ao longo do eixo X e um componente F my ao longo do eixo Y) pode ser determinada.
[0055] A relação acima mencionada pode ser modelada matematicamente usando comprimentos a partir de um primeiro ponto característico definido na extremidade proximal do eixo do instrumento 302 (isto é, onde está conectado ao módulo de energia 301), respectivamente, a um segundo ponto característico definido em um local do eixo do instrumento 302, onde é possível entrar em contato com a saliência 902 e um terceiro ponto característico definido no terminal do instrumento cirúrgico 3. Como mostrado na Fig. 5, o comprimento L1 do primeiro ponto característico ao segundo ponto característico e o comprimento L2 do primeiro ponto característico ao terceiro ponto característico podem ser ambos conhecidos antecipadamente. Por exemplo, o comprimento L2 pode ser medido antecipadamente. No entanto, como o comprimento L1 variará com o movimento do instrumento cirúrgico 3, ele não pode ser medido com antecedência. No entanto, um valor inicial L1 s do comprimento L1 pode ser obtido durante a inicialização do robô cirúrgico. Uma junta telescópica no braço robótico 2 aciona o instrumento cirúrgico 3 para mover em relação à cânula 9 ao longo de sua linha de centro, e o sensor de deslocamento sobre a junta telescópica pode medir em tempo real, um deslocamento ΔL do instrumento cirúrgico 3 a partir da posição inicial. Como tal, o comprimento L1 pode ser determinado em tempo real como L1 = L1 s +
[0056] A Fig. 5 ilustra esquematicamente as forças que atuam no instrumento cirúrgico, de acordo com uma modalidade da invenção. Como mostrado, um momento M sobre o primeiro ponto característico no eixo do instrumento 302 deveria ser zero como o resultado de: (1) um momento da força radial F XY que atua sobre o terceiro ponto característico em torno do primeiro ponto característico, em que a força radial F xy é a resultante de F x no eixo X e Fy no eixo Y; (2) um momento da força de reação (resultante) F m atuando sobre o segundo ponto característico sobre o primeiro ponto característico ; e (3) um momento de suporte em torno do primeiro ponto característico.
[0057] Na prática, devido à interação entre a cânula 9 e o eixo do instrumento 302, bem como a conexão entre o módulo de energia 301 e o eixo do instrumento 302, o momento de suporte aplicado pelo módulo de energia 301 ao eixo do instrumento 302 pode ser ignorado. Além disso, como F xy eF m são perpendiculares à linha de centro do eixo do instrumento 302, respectivamente, o momento da força radial F xy em torno do primeiro ponto característico, F xy L2 é igual e oposto ao momento da força de contato F m sobre o primeiro ponto característico, F m L1. Isto é, F xy L2 + M m L1 = 0, segundo o que a força radial F XY que atua sobre o terminal pode ser calculada a partir dos parâmetros conhecidos L1 e L2 e F m cuja magnitude e direção podem ser medidas pelo elemento sensor 903 Em outras palavras, dado o momento F xy L2, que é o produto da força radial F xy e L2, é igual em magnitude e oposto em direção ao momento F m L1, que é o produto da força de reação F me e L1, a força radial F xy pode ser dada como: Fxy = - FmL1/L2 onde, o sinal de menos indica que sua direção é oposta à da força de reação F m .
[0058] A força F Z que atua sobre o terminal do instrumento cirúrgico 3 no eixo Z (isto é, na direção axial ) pode ser determinada de outro modo. Em uma modalidade, o módulo de energia 301 pode incluir de preferência um motor de acionamento axial para acionar o instrumento cirúrgico 3 para mover axialmente, e a unidade de computação 10 pode ser configurada para determinar a força axial F z no terminal do instrumento cirúrgico 3 com base em uma força de saída do motor de acionamento axial e uma relação de redução do mecanismo de transmissão . Aqui, a força de saída do motor de acionamento axial pode ser calculada a partir de uma corrente seguida no motor ou medida diretamente por um sensor disposto em um eixo de saída do motor.
[0059] Para evitar a interferência de sinal que resulta do atrito de deslizamento provocado pelo eixo do instrumento 302 que desliza na cânula 9, um revestimento capaz de reduzir atrito entre o eixo do instrumento 302 e a saliência 902 pode, de preferência, ser fornecido sobre a superfície exterior do eixo do instrumento 302. Por exemplo, o revestimento pode ser um revestimento de Teflon, que pode eliminar a interferência indesejada do sinal resultante do atrito de deslizamento, garantindo boa precisão na medição da força axial.
[0060] Deve ser acrescentado que fornecer a(s) saliência(s) sobre a cânula 9 é meramente uma modalidade preferida da invenção, e os versados na técnica reconhecerão que mesmo quando a cânula 9 for uma estrutura lisa sem nenhuma saliência disposta nela, como mostrado na Fig. 7, o problema técnico também pode ser resolvido, e efeitos benéficos similares também podem ser obtidos. Nesse caso, o segundo ponto característico pode ser definido no terminal da cânula 9, e a força radial que atua no terminal do instrumento cirúrgico pode ser calculada com base em uma relação de comprimento derivada dos princípios e relação descritos acima em conjunto com as modalidades anteriores.
[0061] Embora tenha sido fornecida uma descrição detalhada acima de como as forças que atuam no terminal do instrumento cirúrgico são medidas e calculadas, é claro que a presente invenção inclui, mas não está limitada aos métodos de medição e cálculo descritos acima, e todas e quaisquer modificações feitas a eles também se enquadram no escopo da invenção. Os versados na técnica podem fazer outras modalidades à luz dos ensinamentos das modalidades anteriores.
[0062] Além disso, a unidade de computação 10 pode empregar um controlador PLC, microcomputador, microprocessador ou similar existentes, e um versado na técnica entenderá como implementar tal seleção com base na divulgação aqui, em combinação com o conhecimento geral comum na técnica.
[0063] Em resumo, algumas modalidades da presente invenção fornecem um sistema de robô cirúrgico que inclui uma unidade escravo e uma unidade de computação. A unidade escravo inclui um braço robótico, um instrumento cirúrgico, uma cânula e um elemento sensor. O elemento sensor é disposto na cânula e configurado para sensoriar uma deformação axial da cânula, e a unidade de computação é configurada para determinar uma força de contato exercida na cânula a partir da deformação axial sensoriada, bem como uma força radial que atua em um terminal do instrumento cirúrgico de acordo com a força de contato. Nas outras modalidades, uma saliência é disposta sobre uma parede interior da cânula, que é configurado para ser capaz de entrar em contato pontual com o instrumento cirúrgico, e a unidade de computação está configurada para determinar a força radial que atua sobre o terminal do instrumento cirúrgico com base em uma força de contato pontual exercida na cânula de acordo com a deformação axial sensoriada pelo elemento sensor. Quando uma força externa atua sobre o terminal do instrumento cirúrgico, o instrumento cirúrgico irá deformar e entrar em contato com a cânula. Em resposta, a cânula exercerá uma força de suporte (isto é, a força de reação mencionada acima) na porção contatada do instrumento cirúrgico. Um momento da força de suporte é equilibrado pelo de um componente radial (isto é, a força radial acima mencionada) da força externa que atua no terminal do instrumento cirúrgico. Portanto, a força radial no terminal do instrumento cirúrgico pode ser determinada de maneira precisa e exclusiva, medindo a força de contato exercida pela cânula no instrumento cirúrgico, evitando erros que possam surgir da variação na estrutura do terminal do instrumento cirúrgico. Em particular, uma vez que a cânula é fornecida com a saliência que pode ser colocada em contato pontual com o instrumento cirúrgico, a força radial que atua no terminal do instrumento cirúrgico pode ser determinada com precisão ainda mais alta medindo uma força de contato entre a saliência e o instrumento cirúrgico.
[0064] Comparado com as soluções convencionais que usam uma saída de motor para calcular a força que atua no terminal do instrumento cirúrgico, o sistema de robô cirúrgico da presente invenção é vantajoso tanto em um trajeto de transmissão de força mais simples quanto em maior precisão na medição da força radial. Além disso, a força radial que atua no terminal do instrumento cirúrgico pode ser obtida de maneira mais fácil, sem a necessidade de componentes adicionais, proporcionando menor complexidade estrutural do instrumento cirúrgico e facilitando sua montagem. Além disso, uma vez que pequenas alterações são necessárias no instrumento cirúrgico, vários instrumentos cirúrgicos existentes podem ser adequadamente utilizados no sistema de robô cirúrgico proposto.
[0065] A descrição apresentada acima é apenas a de algumas modalidades preferidas da presente invenção e não limita seu escopo em nenhum sentido. Toda e qualquer alteração e modificação feitas pelos versados na técnica, com base nos ensinamentos acima, se enquadram no escopo conforme definido nas reivindicações anexas.
Claims (15)
1. Sistema de robô cirúrgico, caracterizado pelo fato de compreender uma unidade escravo e uma unidade de computação, em que a unidade escravo compreende um braço robótico, um instrumento cirúrgico, uma cânula e um elemento sensor, em que o braço robótico está configurado para acionar o instrumento cirúrgico para pivotar em torno de um centro remoto de movimento, a cânula é conectada de forma destacável a um terminal do braço robótico, e uma linha de centro da cânula se estende através do centro remoto de movimento, o instrumento cirúrgico é conectado de forma destacável com o terminal do braço robótico e se estende de forma distal através da cânula, o elemento sensor é disposto sobre a cânula e configurado para sensoriar uma deformação axial da cânula; a unidade de computação está configurada para determinar, de acordo com um princípio de equilíbrio de torque, uma força radial que atua sobre o terminal do instrumento cirúrgico com base em uma força que atua sobre a cânula sensoriada e determinada pelo elemento sensor.
2. Sistema de robô cirúrgico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de uma saliência ser fornecida sobre uma parede interior da cânula, e a saliência ser configurada para ser capaz de gerar um contato pontual quando trazida em contato com o instrumento cirúrgico, em que a cânula compreende um ponto de referência localizado no centro remoto de movimento, com a saliência e o elemento sensor dispostos ambos em um lado do ponto de referência mais longe do terminal do braço robótico, e em que a unidade de computação está configurada para determinar a força radial que atua sobre o terminal do instrumento cirúrgico com base em uma força que atua sobre a cânula em um local do contato pontual sensoriado e determinado pelo elemento sensor.
3. Sistema de robô cirúrgico, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de uma saliência ser fornecida sobre a parede interior da cânula; ou uma pluralidade de saliências serem fornecidas sobre, e distribuídas simetricamente através da parede interior da cânula.
4. Sistema de robô cirúrgico, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de o elemento sensor estar disposto para estar mais próximo do terminal do braço robótico do que a saliência está disposta.
5. Sistema de robô cirúrgico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de uma pluralidade de elementos sensores serem simetricamente distribuídos sobre uma superfície interior e/ou uma superfície exterior da cânula.
6. Sistema de robô cirúrgico, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de a cânula compreender um suporte configurado para conectar de forma destacável com o terminal do braço robótico.
7. Sistema de robô cirúrgico, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de a cânula estar configurada para ser coaxial ou em um ajuste de folga com o instrumento cirúrgico.
8. Sistema de robô cirúrgico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o instrumento cirúrgico compreender um módulo de energia, um eixo de instrumento, um primeiro ponto característico, um segundo ponto característico e um terceiro ponto característico; o módulo de energia ser conectado a uma extremidade proximal do eixo do instrumento, o eixo do instrumento ser configurado para ser capaz de gerar um contato pontual quando posto em contato com a cânula, o primeiro ponto característico ser definido em um local onde o eixo do instrumento é conectado ao módulo de energia, o segundo ponto característico ser definido em um local do eixo do instrumento em correspondência com um terminal da cânula, o terceiro ponto característico ser definido no terminal do instrumento cirúrgico, e em que a força radial que atua no terceiro ponto característico ser determinável pela unidade de computação com base em uma força que atua sobre o segundo ponto característico, uma distância entre o primeiro ponto característico e o segundo ponto característico e uma distância entre o primeiro ponto característico e o terceiro ponto característico.
9. Sistema de robô cirúrgico, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de o instrumento cirúrgico compreender um módulo de potência, um eixo de instrumento, um primeiro ponto característico, um segundo ponto característico e um terceiro ponto característico; o módulo de energia ser conectado a uma extremidade proximal do eixo do instrumento, o eixo do instrumento ser configurado para ser capaz de gerar um contato pontual quando posto em contato com a saliência, o primeiro ponto característico ser definido em um local onde o eixo do instrumento é conectado ao módulo de energia, o segundo ponto característico ser definido em um local onde a saliência é contatável com o eixo do instrumento, o terceiro ponto característico ser definido no terminal do instrumento cirúrgico, e em que a força radial que atua no terceiro ponto característico ser determinável pela unidade de computação com base em uma força que atua sobre o segundo ponto característico, uma distância entre o primeiro ponto característico e o segundo ponto característico e uma distância entre o primeiro ponto característico e o terceiro ponto característico.
10. Sistema de robô cirúrgico de acordo com a reivindicação
8 ou 9, caracterizado pelo fato de a distância entre o primeiro ponto característico e o segundo ponto característico ser obtida com base em um valor inicial da distância entre o primeiro ponto característico e o segundo ponto característico determinado durante a inicialização do sistema de robô cirúrgico e um deslocamento do instrumento cirúrgico ao longo de uma linha de centro da cânula a partir de uma posição inicial do instrumento cirúrgico determinada durante a inicialização do sistema de robô cirúrgico.
11. Sistema de robô cirúrgico de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de o instrumento cirúrgico compreender um módulo de potência e um mecanismo de transmissão configurado para transferir uma força de saída a partir do módulo de energia para o terminal do instrumento cirúrgico, o módulo de energia compreendendo um motor de acionamento axial configurado para acionar o instrumento cirúrgico para mover axialmente, e em que a unidade de computação é configurada para determinar uma força axial que atua sobre o terminal do instrumento cirúrgico com base em uma força de saída a partir do motor de acionamento axial e uma relação de redução do mecanismo de transmissão.
12. Sistema de robô cirúrgico, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de a força de saída do motor de acionamento axial ser computável a partir de uma corrente elétrica que flui através do motor de acionamento axial ou mensurável por meio de um sensor disposto sobre um eixo de saída do motor de acionamento axial.
13. Sistema de robô cirúrgico, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de ser fornecido um revestimento sobre uma superfície exterior do instrumento cirúrgico, para reduzir um atrito entre o instrumento cirúrgico e a cânula.
14. Sistema de robô cirúrgico de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de compreender ainda uma unidade mestre que compreende um indicador de força configurado para permitir que a força radial que atua sobre o terminal do instrumento cirúrgico seja percebida.
15. Sistema de robô cirúrgico, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de o indicador de força ser um manipulador mestre fornecido com um motor conectado de forma comunicativa à unidade de computação, ou o indicador de força ser um sistema de formação de imagem.
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