CN103648428B - 用于微创手术的医学主/从式装置 - Google Patents

Abstract

一种用于微创手术（MIS）的设备，包括主装置、从属装置、用于检测所述从属装置的参数或与所述从属装置关联的参数的检测器、以及用于响应所述检测器检测到的参数来锁定所述主装置的形状的形状锁定系统。

Description

用于微创手术的医学主/从式装置

技术领域

本发明涉及一种适合用于微创手术（MIS）的装置，并涉及用于这种装置的用户接口。

背景技术

由于最近能够实现较早介入、一致的手术结果和加速病人回复的手术上的科技进步，近年来MIS已变得更加普及。

MIS可得到机械人协助，以获得较高的质量、精度和一致性。

在机械手手术中，手术技巧一般通过由微处理器控制的机械手腕而增强，这样能够减少整个手部动作的动作比例并提高精细任务的性能。例如，已知的系统由外科医生的控制台、病人侧推车、高性能的3D视觉系统和专有的内腕器械组成。这个系统允许外科医生在就位于控制台以观看手术区域的放大立体图像的同时进行手术。因此外科医生的手-手腕的操作被无缝地转换成手术器械在病人体内的精确的实时动作。

技术的继续发展，包括力反馈和通过实时动作适应的虚拟固定，将允许进行更复杂的操作，例如在静止座标系统下执行的心脏不停跳手术。当前用于人与机械手交互的系统一般基于使用标准输入装置或定制设计的仿机械手的机械系统。

例如，机械输入“操纵杆式”的装置被普遍用作包括机械手手术的许多应用的控制输入装置。然而，在更广领域的人机接口中，也采用其它控制方法，例如医用机械手领域的眼睛追踪、语音控制以及其它方法（例如视觉技术、惯性传感器和IR传感器）。

由于当前机械手系统大多使用刚性的器械，所以控制接口只需要使用横滚-俯仰-偏置机构来控制末端执行器。也可增设其它控制接口以控制器械，例如打开/关闭外科抓取器。

当前微创手术追求的是开发关节式器械，以供从切口点灵活进入手术部位。在这些应用中，简单的控制接口不再适合为映射灵活的机械手所要求的较高自由度。在许多情况下，例如在内窥镜检查或单切口腹腔镜检查期间的情况下，外科仪器没有视线并必须跟随弯曲路径，以便能够到达手术环境内的目标部位。

在其它情况下，需要关节来提供手术器械的三角测量（triangulation），以提供用于组织操纵的机械优点或允许外科医生以多个取向来操纵组织，从而使外科医生更容易并更迅速地执行进入受限的手术。

尽管灵活进入病人体内提供了灵巧性，但外科医生命令从属机械手的方式却随着从属关节维度的增大而变得日益地非直觉化。这种情况出现在人的手臂/手/手腕和从属手臂/手/手腕的构造不一致时，和/或在从属手臂/手/手腕比由人的手臂/手/手腕能够控制的自由度更大时。

在超高冗余度的情况下，蛇式装置的主输入不能直接被映射到人的手臂/手/手腕。

众所周知，触觉（力反馈）能够帮助代替一些微创手术中由于外科医生与手术部位之间的限制进入而丢失的感觉反馈。这种触感在主-从机械手系统中完全丢失，除非工具与组织之间的接触力能够被测量或推断，并且被反馈到用户。

许多的商业触觉装置（位置输入、力输出）可得到并用于研究系统和商业系统两者的机械手主-从手术系统。然而这样的机械手通常是6DoF（自由度）的触针，或能够被用来智能地控制运动复杂的从属装置（例如端部执行器的路径）的平行机构式装置。

发明内容

根据本发明的第一方案，提供一种用于MIS的设备，其包括主装置、从属装置、用于检测从属装置的参数或与从属装置关联的参数的检测器、以及用于响应检测器检测到的参数来锁定主装置的形状的形状锁定系统。

因此从属装置可包括可由主装置控制的机械手装置，以使本领域技术人员（例如外科医生）能够使用微创手术来完成手术。

本发明人认识到通过整合形状锁定机构，该形状锁定机构适于响应从属装置或与从属装置关联的一个或多个参数来锁定主装置的形状，可在用户与从属装置之间产生触觉接口。

另外，因为触觉接口是通过锁定主装置的形状产生的，由此来防止主装置和从属装置的进一步移动，所以触觉接口是被动式的触觉接口，这是因为被施加在用户上的力仅是因用户例如通过推动被锁定的主装置而产生的那些反作用力。

因为从属装置的运动是由主装置的运动引起的，所以如果主装置被锁定在具体位置，则从属装置将被保持在相应的位置，而不必利用直接锁定从属装置的形状的手段。

尽管整合触觉接口的主/从式机械手手术工具是已知的，但是已知的触觉接口是主动式而不是被动式的。此外，任一已知的包括形状锁定系统的触觉接口均是从属装置而不是主装置，其形状被锁定。在这样的系统中，有必要进一步设有例如传感器和电机这样的装置，用以测量触觉装置（己知系统中的从属装置）的位置，然后就此响应以对用户施加力。

因此，本发明的优点是不需要这样的附加装置来提供触觉反馈，并且进一步触觉反馈是被动的。

当从属装置被用于手术应用中时，使用被动而不是主动式的触觉系统是有利的。这是因为主动式触觉系统会变得不稳定，特别地是在模拟强力冲击和突然扰乱的情况下。这样的不稳定在手术应用期间是无法接受的并可引起损害病人的身体。

主装置和从属装置可被操作式地彼此连接，使得主装置的运动直接地映射到从属装置上。换言之，例如外科医生这样的操作者可经由主装置的运动，以主装置的运动造成从属装置的相应运动的方式来控制从属装置的运动。

这可通过使从属装置成形为使得其具有与主装置相似的形状来实现。

在本发明的一些实施例中，主装置和从属装置中的每个具有相同的结构。

换言之，主装置和从属装置可具有彼此相同的形状和构造，而且因为主装置的运动可直接映射到从属装置上，所以设备的操作变得更有直觉性。另外，因为主装置具有与从属装置相同的形状，所以主装置可具有与从属装置相同数量的自由度。

主装置和从属装置可具有任何期望的构造，而且在一些实施例中，主装置和从属装置中的每个包括超高冗余度（或蛇式）机械手器械。

如上所述，若从属装置包括超高冗余度蛇式装置，则在迄今为止适合微创手术的系统中，主装置与从属装置之间就不能够进行直接映射的动作。这是因为在这样的蛇式装置中存在数量较大的自由度。

主装置和从属装置两者均可被视为管状装置。进一步，主装置可被视为形状可锁定的管状装置。

根据本发明的实施例的设备可结合“主动约束”或“虚拟固定”的概念来使用。在手术机械手的背景下，主动约束是一种机械手在其中自由移动的预定义空间。随着机械手朝向边界移动，机械手施加与边界正交的力，迫使用户将机械手保持在边界内。这例如在外科医生想在手术环境下操纵锐利的工具并想确保工具处在不接触病人的身体的不期望位置（例如接近血管）时可能有用。

在本发明的背景下，这意味着如果用户引起从属装置移动到边界外的位置，则形状锁定系统可被致动，以便锁定主装置的形状。这将提供防止从属装置进一步移动的触觉反馈。

本发明可还包括检测器，其用于检测从属装置相对于边界、例如几何学边界的位置。

边界可在操作前预先确定，或可在活体内例如使用各种技术或通过使用例如超声波传感器、激光系统等的测量结果来获得。

在本发明的这样的实施例中，检测器可靠近从属装置被附接或定位，而且可适于检测目标的存在，并且当任一目标在距从属装置的一定的预定距离内时向形状锁定系统发送信号。

从属装置的位置也可通过其它方式来确定。例如，当设备包括计算机屏幕（计算机屏幕包含在控制台中）时，例如，传感器可被用来确定从属装置的位置，然后这个信息被用来使从属装置的位置能够在计算机屏幕上以图型方式表示。因此，可利用软件来确定从属装置的图形表示何时接触或接近也在计算机屏幕上表示的边界。

这种检测器可用于本发明的多个实施例，其中，由于从属装置接近边界形状锁定机构而引起主装置变得逐渐较硬，由此向操作者指示，从属装置正在接近边界。

在其它实施例中，检测器可包括与从属装置关联的一个或多个传感器，这些传感器适于测量接触力。在这样的实施例中，当从属装置与其环境中的某物接触时，形状锁定系统可被致动，以便锁定主装置，由此防止从属装置进一步移动。

替代性地或额外地，一个或多个传感器可适于测量转矩。

在本发明的多个实施例中，形状锁定系统可用来简化从属装置的控制，其中，从属装置包括超高冗余度蛇式机械手。

在这样的实施例中，主装置可用来操纵从属装置进入大致位置，然后可被形状锁定系统局部地锁定在沿主装置的长度分布的一些预定点。这样使得在主装置的近端的一部分被锁定之后，从属装置能够被远距离操纵。这使操作者能够操纵具有较少可用自由度的从属装置，因此简化装置的控制。

这样的方案利用了从属装置的允许灵活进入并在活体内导航的超高冗余度的性质，而又同时在复杂的手术任务期间提供了简化和直觉的控制。

此外，一旦主装置的一部分已被锁定，则用户清楚了解从属装置所采取的构造/路径。这样会允许在手术期间增强取向性。

换言之，本发明的多个实施例可包括形状锁定系统，该形状锁定系统适于只锁定主装置的一部分。具体地，形状锁定系统可适于只锁定主装置的最近端的部分，由此允许对主装置和从属装置两者只进行远程操纵。

在本发明的多个实施例中，设备可包括触发器，以使操作者能够局部地或全部地启动形状锁定系统。

开关可采用任一便利的形式，并且可例如采用机械开关的形式，或者也可以是通过计算机算法或其它控制装置控制的触发器。

所述设备可还包括用于致动形状锁定系统的致动器。

所述致动器例如可采用电机的形式，例如DC电机，不过其它类型的致动器也当作适当的致动器来使用，例如线性伺服电机、气动/液动式致动装置、电磁线圈致动装置、形状记忆合金、压电体电机、电磁电机等。

致动器可被操作式地连接至检测器，以响应检测器所传送的有关从属装置的位置的信号来致动形状锁定系统。

主装置可包括沿主装置的长度被轴向定位的多个可形状锁定元件，这些元件的形状彼此接合。

所述装置还可包括沿主装置的长度延伸的肌腱部。在本发明这样的实施例中，致动器适于将张力引入肌腱部，以便使多个分段锁定在一起。

所述装置可包括沿主装置的长度延伸的多个肌腱部。

相邻分段的形状可使得通过一个或多个肌腱部的张力获得摩擦形状锁定。

在本发明的其它实施例中，每个元件可包括适于与相邻元件上的相应的锁定部接合的锁定部。

在这样的实施例中，一旦相应的锁定部所定位的多个相对取向彼此接合，则相邻的元件将仅在具体的相对取向上被锁定在一起。

每个元件可包括多个锁定部，多个锁定部中的每个适于接合相邻元件上的多个锁定部中的相应的一个锁定部。

在具体实施例中，每个元件的一端包括多个凹部而相对端包括多个凸块，凹部的形状和位置与相邻元件上的相应的凸块接合，反之亦然。

在这样的实施例中，当元件由于一个或多个肌腱部产生的张力而被拉在一起时，第一元件上形成的凹部将位于相邻元件上的相应的凸块上并与相邻元件上的相应的凸块接合，反之亦然。

当张力被施加于肌腱部而不是仅仅依赖相邻元件之间的摩擦时，这样的设置将提供相邻的分段之间的机械约束。

所述设备可还包括用于感测主装置的形状的传感器。

所述设备可包括多个这样的传感器。

所述传感器可包括惯性传感器，例如加速计和回旋装置，以及用来获得在正交于重力的平面上旋转的磁力计。

传感器可用来相对于主装置的初始的开始位置的位置和取向，确定主装置的所有部分的位置和取向。

通过确定主装置的所有部分的位置和取向，位置信息可被传送到从属装置，以便从属装置能够采用相应的位置和取向。

所述设备还可包括主控制台，主控制台被操作式地设置于主装置与从属装置之间。主控制台可包括手术控制台，其构成外科医生可操作从属装置、以便使自然小孔或单切口的手术能实施的平台。

所述设备可包括不止一个的主装置和相应数量的从属装置。

在具体实施例中，该设备包括两个主装置和两个从属装置。

在这样的实施例中，用户能每个手握持一个主装置。这种系统被称为双人工系统。

根据本发明的第二实施例，提供一种使用根据本发明的第一方案的设备来实施微创手术的方法。

附图说明

现在将仅参照附图，经由示例来进一步描述本发明，附图中：

图1是根据本发明的设备的示意图；

图2是示出被操纵的呈管状的主装置和符合主装置采用的形状的从属装置的示意图；

图3a、图3b和图3c各自示出部分的图2中所示的主装置，主装置包括多个连续对齐的分段与沿装置的长度延伸的肌腱部；

图4a、图4b和图4c是示出主装置的元件可如何借助肌腱部来锁定和解锁的示意图；

图5示出使用具有主动约束概念的设备；

图6a和图6b示出使主装置的局部形状锁定，以允许主装置和从属装置两者仅远程操纵；

图7和图8是示出用于本发明的实施例的主装置的肌腱部形成部分的产生张力的线性阶段和导螺杆的示意图；

图9是示出重建管构造的几何约束的示意图；

图10是借助本发明产生的形状感测重建的屏幕拍摄的图；

图11是适合用于根据本发明的设备的从属装置的具体实施例的示意图；

图12是根据本发明的实施例的主装置与适合控制图11中所示的从属装置的相关的控制台的示意图；

图13a、图13b和图13c示出主装置可如何集成到控制台中；以及

图14a和图14b示出具有具体取向的主装置的本发明的另一实施例。

具体实施方式

参照图1，根据本发明的实施例的设备由附图标记“2”大体表示。该设备包括主装置4，主装置4控制从属装置6。在本发明的多个实施例中，主装置4和从属装置6两者的形状使得主装置4的运动可直接映射到从属装置6，以形成一种直觉的系统。

从属装置6可呈机械手手术工具的形式，并且例如可包括超高冗余度蛇式装置。

主装置可具有与从属装置相同的形状，因此可具有与从属装置相同数量的自由度。然而，在其它实施例中，从属装置6可具有比主装置4更多的自由度。

设备还包括一个或多个传感器8，这些传感器适于在设备自始至终的操作中感测主装置的构造和/或取向。在本发明的实施例中设有三个传感器10、12和14。传感器10适于测量主装置4的加速度，传感器12适于测量围绕主装置的磁场，传感器14适于测量主装置的运动的角速率。

传感器10、12和14被操作式地连接至从属装置6，由此引起从属装置在设备2的自始至终的操作中假定与主装置的形状和取向相应。

该设备还包括检测器16，检测器16用于检测从属装置的预定或有关参数。这类参数例如可以是从属装置6的位置、任何接近从属装置的目标，以及从属装置与任何目标（真实的或虚拟的目标）之间是否已经接触。检测器被操作式地联接到致动器18，致动器18则被操作式地连接至形状锁定系统20。如果检测器16检测到预定参数，则引起致动器致动形状锁定系统20并锁定主单元4，使得主单元不能改变其形状或构造，直到形状锁定系统已经被释放为止。

这样使主装置4锁定，从而为用户提供了被动触觉接口，并在形状锁定系统被释放之前防止从属装置6进一步的运动。

现在将参照其它附图进一步描述这些部件。

参照图2，其示出了主装置4和从属装置6的部分。图2示出由操作者的手来操纵主装置4，引起从属装置6假设相同的构造。

在图2示出的示意图中，从属装置6通过切口点20被插入病人的身体并接近手术部位22。

现在转到图3a到图3c以及图4a到图4c，更详细地解释根据本发明的形状锁定系统。

在本发明的实施例中，主装置4包括多个连续对齐的分段30。这些分段中的每个的一端包括凸球面32，而相对端则包括凹球面34。这些分段被取向为，使得第一元件的凸球面32将邻近或接触相邻的分段的凹球面34。主装置可还包括沿主装置4的长度延伸的肌腱部36。在本发明的实施例中，肌腱部36通过每个分段30中形成的中心通道38延伸。肌腱部被用来在分段之间施加压缩载荷，压缩载荷将引起相邻的分段被挤压在一起。

这可在图4a到图4c中更清楚地看到。图4a示出主装置处在锁定位置，其中压缩张力已经借助肌腱部被施加于主装置4，而且相邻的分段30彼此抵靠。

在图4b中，压缩张力已通过使肌腱部退卷而被去除，因此使相邻的分段30能够彼此离开地移动。

当主装置处在如图4c中所示的锁定位置时，在相邻的分段之间产生的而且由压缩载荷引起的摩擦力意味着，主装置将抵抗用户所产生的横向载荷。

为了锁定主装置4，只需要单个致动器40。本文以下将更详细地描述这个致动器。在主动触觉装置中，致动器被要求每一自由度能够产生任意的力和/或转矩。

这意味着与利用主动触觉接口的装置相比，根据本发明的实施例的装置可被制造得更紧凑。而紧凑的装置能够有利地减小系统在手术室（operatingtheatre）的覆盖区（footprint）。

此外，与具有机械联动和可见的运动部分的其它触觉装置的情况相比，管状的主装置4和从属装置6的连续性也使清洁和消毒容易得多。此外，由于装置只需要一个致动器而且可使用惯性的传感器，所以该装置能够被廉价地制造并能够容易地被制成一次性使用的装置。

图5示出与“主动约束”概念结合使用的装置。在以这种方式使用的本发明的实施例中，所述设备将包括一个或多个传感器，传感器被附接到从属装置6、或被设置成接近从属装置6、或被设置成远离从属装置6。这些传感器将确定从属装置何时到达预定边界，并当从属装置到达这样的边界时将向形状锁定系统的致动器发信号。在这些条件下，形状锁定系统将被致动以锁定主装置，由此防止主装置和从属装置的进一步运动。

现在转到图6a和图6b，其示出了主装置4的局部锁定，这造成从属装置6的相似的局部锁定。

这能够被用来只允许对主装置和从属装置两者进行远程操纵。换言之，从属装置可用的运动自由度的数量可通过此方式来减少，以便确保从属装置更精确的运动。

在图7中更详细地示出用于形状锁定系统的致动器。

致动器40包括具有线性阶段74的导螺杆42并由电机78驱动。为向肌腱部36施加张力，肌腱部被固定到可平移的线性阶段，并且还被固定到主装置4的元件36的远侧分段。

张力通过肌腱部来传送，这允许多个分段如本文以上解释的被锁定在一起。

在所示实施例中，肌腱部被设置于三个轭76的中心处，这样将线性阶段约束成只具有一个线性自由度，并最小化由于导螺杆与肌腱部的不对齐而引起的力矩。

在所示实施例中采用导螺杆，这是由于需要大载荷来产生高摩擦力，所以需要使结构充分坚硬，以承受使用者所施加的横向载荷。

另外，导螺杆不能被向后驱动，这意味着电机78不必停转以维持肌腱部的张力。

如果采用摩擦形状锁定方式，如本实施例所示，致动器必须在多个分段中产生相当的反作用载荷，这必须大于形状锁定机构遭受的“弯曲”方式许多倍。

这是因为，首先，多个分段之间产生的摩擦力与反作用力成比例，并极大地取决于元件之间的摩擦系数。即使高摩擦系数（即0.5）意味着反作用力必须为在分段滑动之前能够产生的最大摩擦力的两倍。

其次，包含许多分段的长的且具有高长径比的“管”将意味着，存在围绕结构的基座的大转矩，而这造成要求致动器产生较大的力。

假设需要大轴向载荷，而且还期望确保导螺杆与电机轴向分离，使得载荷通过推力轴承而不是通过将引起损害的电机/变速箱来传送。

在所示实施例中，致动器40包括传统的DC电机78。然而，在其它实施例中，可以视情况而定使用其它致动器。

位置传感器77检测线性阶段的位置。位置传感器被用作导螺杆的软限制手段。

主装置可包括多个可形状锁定元件，多个可形状锁定元件沿主装置的长度而被轴向定位，这些元件的形状彼此接合。

从属装置还可包括肌腱部，肌腱部沿主装置的长度延伸并通过元件。所述装置可包括多个肌腱部。

形状锁定系统可包括用于将张力引入肌腱部而造成将多个分段锁定在一起的致动器。

相邻分段的形状可使得摩擦形状锁定能够通过肌腱部的张力来获得。

一旦适当的张力已被施加于肌腱部，则相邻元件将彼此锁定，主装置将能够抵抗被施加至主装置上的横向力。

在本发明的一些实施例中，相邻元件可包括相应的凹部和凸块，它们的位置使得当相邻元件被肌腱部内的张力拉在一起时，第一元件上形成的凹部将与相邻元件上相应的凸块接合，反之亦然。

当张力被施加于肌腱部而不是仅仅依赖相邻元件之间的摩擦时，这样的设置将在相邻的分段之间提供机械约束。

在这样的实施例中，主装置将具有有限数量的其将被锁定的构造，而在一实施例中，摩擦锁定无需依赖于凹部和凸块，从而有无限数量的主装置可被锁定的构造。

此外，在本发明的包括互锁的凹部和凸块的实施例中，将不会逐渐地应用形状锁定。这意味着主装置将不得不处于纯粹地被锁定或纯粹地松散的状态。

然而，本发明的这样的实施例受益于极大地减小了需由用来张紧肌腱部的致动器所产生的拉伸载荷。

致动器可包括任一便利装置，例如传统的DC电机、线性伺服电机、气动/液动的致动器、电磁线圈致动装置、形状记忆合金、压电体电机、电磁电机等。

在本发明的致动器包括气动/液动或超声的致动器的实施例中，主装置可与MRI系统兼容，以便可在病人进行例如MRI扫描时使用。

该设备可包括多个致动器，这些致动器若需要则施加适当的张力到肌腱部。

在本发明的只使用单个肌腱部的实施例中，肌腱部可基本上沿主装置的轴线延伸。在这样的实施例中，肌腱部将基本上延伸通过形成主装置的多个分段中的中间部分。在这样的实施例中，不管主装置所在的构造如何，肌腱部路程长度的改变均最小。然而，这样的实施例的缺陷是，在肌腱部抓住多个分段的一部分之前，形成主装置的这些分段限定出相对小的弯曲半径。这将产生肌腱部试图使形状锁定分段变直的效果。

在本发明的存在多个肌腱部的实施例中，每个肌腱部将与主装置的轴线分隔开，因此位于形成主装置的每个分段的外围部分中。在这样的实施例中，肌腱部可被选择性地张紧，以便减小最小弯曲半径。

在本发明这样的实施例中，将需要多个致动器，而且肌腱部将不得不采用补偿法。

现在将描述一种感测主装置的形状的方式。

在所示实施例中，主装置4的形状可被认为是管。这种管的构造与使用惯性测量单位（IMU）的惯性测量装置近似。在所示实施例中，多个传感器90沿管的长度被放置，如图9所示。这些传感器能够测量相对于全局坐标系的三个取向。

可使用加速计来测量主装置相对于重力场在沿装置的不同位置的取向。磁场传感器适于测量传感器在正交于重力的平面中的取向。

以下提出形状感测分析。

为有利于我们的分析，以下定义三个坐标系（大写字母X、Y、Z被用来代表坐标系）：

1.全局坐标框架G：参考坐标系。

2.管（触觉装置）坐标框架B：被附接在沿管的一些任意点。

3.传感器坐标框架S：对应于三个被正交地安装的惯性传感器和传感器单元中的磁力计的坐标轴，所有的传感器测量结果以本坐标系来表示。

为简化我们的分析，我们定义Rsb为局部“管”坐标系与相应的传感器坐标系之间的旋转。

过程模型

由于这个分析的基本目标是估算“管”的旋转运动，所以状态向量应明确地包括取向。在这个分析中，我们选择欧拉角来代表“管”在存在有传感器的每个点上的取向，其中φ、θ和ψ分别被称为横滚、俯仰、偏置，代表分别绕X、Y和Z的“管”坐标轴的正旋。从全局框架变换到“管”框架可通过三个连续的旋转来定义：

R(φ，θ，ψ·)＝R_Z(ψ)R_Y·(θ)R_X(φ)(1)

其中

$R_X\left(\mathrm{\φ}\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \left(\mathrm{\φ}\right)& -\sin \left(\mathrm{\φ}\right)\\ 0& \sin \left(\mathrm{\φ}\right)& \cos \left(\mathrm{\φ}\right)\end{array}\right]---\left(2\right)$

$R_Y\left(\mathrm{\θ}\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& 0& \sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ 0& 1& 0\\ -\sin \left(\mathrm{\θ}\right)& 0& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]---\left(3\right)$

和

$R_Z\left(\mathrm{\ψ}\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\ψ}\right)& -\sin \left(\mathrm{\ψ}\right)& 0\\ \sin \left(\mathrm{\ψ}\right)& \cos \left(\mathrm{\ψ}\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(4\right)$

假设角速率ω(t），则欧拉角积分运动公式可写为：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\Θ}}\left(t\right)=W\left(\mathrm{\Θ}\left(t\right)\right)\mathrm{\ω}\left(t\right)---\left(5\right)$

其中W(Θ(t)）是使绝对旋转角与角速率相关的函数矩阵，

$\begin{array}{cc}\mathrm{\Θ}\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\φ}\left(t\right)\\ \mathrm{\θ}\left(t\right)\\ \mathrm{\ψ}\left(t\right)\end{array}\right]& \mathrm{\ω}\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_X\left(t\right)\\ {\mathrm{\ω}}_Y\left(t\right)\\ {\mathrm{\ω}}_Z\left(t\right)\end{array}\right]\end{array}$

欧拉角与角速率之间的关系可表达为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_X\left(t\right)\\ {\mathrm{\ω}}_Y\left(t\right)\\ {\mathrm{\ω}}_Z\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}\left(t\right)\\ 0\\ 0\end{array}\right]+R_X\left(\mathrm{\φ}\left(t\right)\right)\left[\begin{array}{c}0\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\left(t\right)\\ 0\end{array}\right]+R_X\left(\mathrm{\φ}\left(t\right)\right)R_Y(\mathrm{\θ}\left(t\right)\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}\left(t\right)\end{array}\right]---\left(6\right)$

然后即可得到：

$W\left(\mathrm{\Θ}\left(t\right)\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& \sin \left(\mathrm{\φ}\left(t\right)\right)\tan \left(\mathrm{\θ}\left(t\right)\right)& \cos \left(\mathrm{\φ}\left(t\right)\right)\tan \left(\mathrm{\θ}\left(t\right)\right)\\ 0& \cos \left(\mathrm{\φ}\left(t\right)\right)& -\sin \left(\mathrm{\φ}\left(t\right)\right)\\ 0& \sin \left(\mathrm{\θ}\left(t\right)\right)/\cos \left(\mathrm{\θ}\left(t\right)\right)& \cos \left(\mathrm{\φ}\left(t\right)\right)/\cos \mathrm{\θ}\left(t\right)\end{array}\right]---\left(7\right)$

沿“管”的存在有传感器的每个点，我们定义以下6×1向量作为状态：

$x_t=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Θ}\left(t\right)\\ \mathrm{\ω}\left(t\right)\end{array}\right]---\left(8\right)$

在该状态下，过程模型可表达为如下的线性组合：

x_t+1＝Fx_t+Ge_t(9)

其中

$F=\left[\begin{array}{cc}{I}_{3\×3}& W\left(\mathrm{\Θ}\left(t\right)\right)\mathrm{\Δt}\\ 0& I_{3\×3}\end{array}\right]---\left(10\right)$

和

$G=\left[\begin{array}{c}W\left(\mathrm{\Θ}\left(t\right)\right){\mathrm{\Δt}}^2/2\\ \mathrm{\Δt}\end{array}\right]---\left(11\right)$

Δt是取样周期，I_3×3是3阶单位矩阵，而e_t是角加速度，角加速度被假定为零意味着高斯噪声具有变量Q。

测量模型

测量模型使测量值Z与状态向量x的值相关。传感器单元提供三种测量值：加速度、磁场和角速率。测量公式h的一般化形式是

$z_t=\left(\begin{array}{c}{z}_t^a\\ z_t^m\\ z_t^g\end{array}\right)=h\left(x_t\right)+{\mathrm{\υ}}_t=h\left(x_t\right)+\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\υ}}_t^a\\ {\mathrm{\υ}}_t^m\\ {\mathrm{\υ}}_t^g\end{array}\right)---\left(12\right)$

其中v_t被假定为零则意味着附加的高斯白噪声具有方差矩阵V，和分别是所有的加速度、磁场和角速率测量值。

由于“管”的运动相对稳定，3-轴线加速计主要地测量关于全局坐标系在传感器局部坐标系中的重力场向量的解析向量。被定义为全局坐标系中的重力场解析向量，则这些场的预期的测量值通过g变换到本地传感器坐标系来给出，可表示为：

$z_t^a=\left(\begin{array}{c}{z}_t^{a,X}\\ z_t^{a,X}\\ z_t^{a,Z}\end{array}\right)=R_s^{b}R(\mathrm{\φ}\left(t\right),\mathrm{\θ}\left(t\right),\mathrm{\ψ}\left(t\right))g+{\mathrm{\υ}}_t^a---\left(13\right)$

其中是加速度测量噪声。

借助建议的传感器构造，以磁力计来测量磁场。此场的预期的测量值通过全局磁场变换到本地传感器坐标系来给出。类似于加速计的测量值，将m=[m_x，m_y，m_z]^T定义为全局坐标系中磁场的解析向量，则传感器测量值可写为：

$z_t^m=\left(\begin{array}{c}{z}_t^{m,X}\\ z_t^{m,X}\\ z_t^{m,Z}\end{array}\right)=R_s^{b}R(\mathrm{\φ}\left(t\right),\mathrm{\θ}\left(t\right),\mathrm{\ψ}\left(t\right))m+{\mathrm{\υ}}_t^m---\left(14\right)$

其中是加速度测量噪声。

以回转仪测量每个传感器的本地框架的角速度。角速度ω_t已经是状态向量的一部分，使得测量到的角速率与状态相关的简单模型为：

$z_t^g=\left(\begin{array}{c}{z}_t^{g,X}\\ z_t^{g,Y}\\ z_t^{g,Y}\end{array}\right)=R_x^{b}H{x}_t+{\mathrm{\υ}}_t^g---\left(15\right)$

其中H＝[0I_3×3]和是角速率测量噪声值。

卡尔曼滤波

通常，卡尔曼滤波器在状态向量空间中基于概率分布操作，其特征在于第一和第二阶统计矩（statisticalmoment）：平均值和协方差。过程和测量模型预知并更新这个分布。很遗憾，卡尔曼滤波器只能够应付线性和高斯问题，而这里的测量值等式是非线性的。这个问题的解决方案是使用针对经典卡尔曼滤波器的扩展，即能够很好地应付非线性的无味卡尔曼滤波器（unscentedKalmanfilter，UKF）。

在时刻t-1，我们将通过高斯分布N(μ_t-1，Σ_t-1)来得到状态向量x的最大后验概率（MAP）估算值。我们可为UKF递归式构造另外的高斯分布，平均值是 $x_{t-1}^{\mathrm{\α}}={[{{\mathrm{\μ}}_{t-1}}^T,0,0]}^T$ ，而方差矩阵是

$P_{t-1}^{\mathrm{\α}}=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\Σ}}_{t-1}& 0& 0\\ 0& Q& 0\\ 0& 0& V\end{array}\right]$

构造出的高斯分布可通过一组2L+1样本点和权重来表示，被表示为sigma点其中，I=1,2,L,2L+1，L=n_x+n_v，而n_x、n_e和n_v分别是状态向量x、状态噪声e和测量噪声v的量纲。令λ=α²(L+κ)-L，并完成按比例无味变换，则sigma点将是

$\begin{array}{c}{x}_{t-1}^0=x_{t-1}^{\mathrm{\α}}\\ x_{t-1}^i=x_{t-1}^{\mathrm{\α}}-{\left(\sqrt{(L+\mathrm{\λ})P_{t-1}^a}\right)}_i,i=\mathrm{1,2},\·\·\·,L\\ x_{t-1}^i=x_{t-1}^a-{\left(\sqrt{(L+\mathrm{\λ})P_{t-1}^a}\right)}_{i-L},i=L+1,\·\·\·,2L\\ W_{t-1}^{0,m}=\mathrm{\λ}/(L+\mathrm{\λ})\\ W_{t-1}^{0,c}=\mathrm{\λ}/(L+\mathrm{\λ})+(1-a^2+\mathrm{\β})\\ W_{t-1}^{i,m}=W_{t-1}^{i,c}=\frac{1}{2(L+\mathrm{\λ})},j=1,\·\·\·,2L\end{array}---\left(16\right)$

其中，κ、α、β是正比例参数，是的矩阵方根的第i行或第i列，是与第i点关联的权重。则状态向量X_t的平均值μ_t和协方差Σ_t传播如下：首先，预测步骤被执行如下

$\begin{array}{c}{\mathrm{\χ}}_{i,t|t-1}^X=F{\mathrm{\χ}}_{i,t-1}^X+G{\mathrm{\χ}}_{i,t-1}^W\\ {\mathrm{\μ}}_{t|t-1}=\underset{i=0}{\overset{2L}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{t-1}^{i,m}{\mathrm{\χ}}_{i,t|t-1}^X\\ {\widetilde{\mathrm{\μ}}}_{i,t|t-1}={\mathrm{\χ}}_{i.t|t-1}^X-{\mathrm{\μ}}_{t|t-1}\\ {\mathrm{\Σ}}_{t|t-1}=\underset{j=0}{\overset{2L}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{t-1}^{i,c}{\left({\widetilde{\mathrm{\μ}}}_{t+t-1}^i\right)\left({\widetilde{\mathrm{\μ}}}_{t|t-1}^i\right)}^T\\ {\mathrm{\γ}}_{i,t|t-1}=h\left({\mathrm{\χ}}_{i,t|t-1}^X\right)+{\mathrm{\χ}}_{i,t-1}^v\\ {\stackrel{\‾}{z}}_{t|t-1}=\underset{i=0}{\overset{2L}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{t-1}^{i,m}{\mathrm{\γ}}_{i,t}|t-1\end{array}---\left(17\right)$

其中， $X_{t-1}^i={[{\left(X_{i,t|t-1}^x\right)}^T,{\left(X_{i,t|t-1}^W\right)}^T,{\left(X_{i,t|t-1}^V\right)}^T]}^T$ 则更新步骤如下：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\μ}}_t={\mathrm{\μ}}_{t|t-1}+{\mathrm{Gain}}_t\·(z_t-{\stackrel{\‾}{z}}_{t|t-1})\\ {\mathrm{\Σ}}_t={\mathrm{\Σ}}_{t|t-1}-{\mathrm{Gain}}_t\·K_t\·{\left({\mathrm{Gain}}_t\right)}^T\end{array}---\left(18\right)$

其中：

$\begin{array}{c}{\tilde{z}}_{i,t|t-1}={\mathrm{\γ}}_{i,t|t-1}-{\stackrel{\‾}{z}}_{t|t-1}\\ K_t=\underset{i=0}{\overset{2L}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{t-1}^{i,c}{\left({\tilde{z}}_{i,t|t-1}\right)\left({\tilde{z}}_{i,t|t-1}\right)}^T\\ {\mathrm{Co\υ}}_{t|t-1}=\underset{i=0}{\overset{2L}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{t-1}^{i,c}{\widetilde{\mathrm{\μ}}}_{i,t|t-1}{\tilde{z}}_{i,t|t-1}\\ {\mathrm{Gain}}_t={\mathrm{Go\υ}}_{t|t-1}\·{\left(K_t\right)}^{-1}\end{array}---\left(19\right)$

在数值计算过程中，一些符号被定义为：

假定管是连续的，则使管联接在一起的曲线在传感器位置彼此相切。

还假定传感器之间的弯曲区域具有恒定半径。

由于传感器90之间的距离（即弧长）是已知的，所以管的外形能够如图10所示按三个尺寸重建。

同时在本实施例中，假定传感器之间的曲率半径恒定，用来感测主装置的形状的算法能够被修改，以便包括例如通过应用梁理论来考虑机械作用。

根据本发明的设备的进一步实施例在图11、图12、图13a-图13c和图14a-图14b中示出。

首先参照图11，根据本发明的设备以附图标记“110”来大体表示。图11中只示出设备110的一部分，主单元是不可见的。图11示出两个从属装置6，每个从属装置呈蛇式管状装置的形式，有器械112从每个从属装置6伸出，这些器械可经由主单元来操纵。该装置还包括柔性部114，柔性部114包括多个模块，这些模块可例如借助肌腱部来驱动。柔性部114承载LED116以及相机（图中未示）。

这样的设置在我们的共同待决的专利申请GB1107939.9和GB1112228.0中被更详细地描述。

现在参照图12，其示出主装置的实施例。主单元包括上文描述类型的两个主装置4，主装置4被设置成使得外科医生能够舒服地每只手分别握持一个装置。例如，每个装置4的运动将引起图11中所示类型的从属装置的相应的运动。

外科医生能够在构成部分的主控制台122的屏幕120上观察从属装置的运动。

图13a、图13b和图13c示出本发明的进一步实施例。在这些图所示的实施例中，主控制台单元包括两个上文描述的类型的主装置4。这些装置中的每一个在其近端包括以附图标记“130”来大体表示的抓取夹具。外科医生能够夹紧或抓住这些抓取装置130，以便操纵从属装置。

在如图14a和图14b所示的本发明的进一步实施例中，主控制台单元以附图标记“140”来大体表示。主单元140包括两个上述类型的主装置4，每个主装置具有图13b和图13c所示类型的抓取装置。每个主装置4的构造为外科医生提供了特别符合人体工学使用的器械。

因此本发明的设备提供一种用于微创手术过程的直觉的外科装置。

Claims (18)

1.一种用于微创手术的设备，包括主装置、从属装置、用于检测所述从属装置的参数或与所述从属装置关联的参数的检测器、用于响应由所述检测器检测到的参数来锁定所述主装置的形状的形状锁定系统；

其中，所述检测器适于在所述从属装置接触或移动接近边界时进行检测、并用于在所述从属装置与所述边界处于预定距离内或接触所述边界时向所述形状锁定系统发送信号。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述主装置和所述从属装置被操作式地彼此连接，使得所述主装置的运动直接映射到所述从属装置上。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述主装置和所述从属装置中的每一个具有相同结构。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述主装置和所述从属装置中的每一个包括超高冗余度蛇式机械手。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述检测器适于测量被施加于所述从属装置的接触力和/或转矩。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中，所述形状锁定系统适于只锁定所述主装置的一部分。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，包括使所述设备的操作者能够部分地或完全地致动所述形状锁定系统的触发器。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，还包括用于致动所述形状锁定系统的致动器。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中，所述主装置包括沿所述主装置的长度被轴向定位的多个形状可锁定元件，所述多个形状可锁定元件的形状彼此接合。

10.根据权利要求9所述的设备，包括沿所述主装置的长度延伸的肌腱部。

11.根据权利要求10所述的设备，还包括用于致动所述形状锁定系统的致动器，其中，所述致动器被操作式地连接至所述肌腱部并适于将张力引入所述肌腱部，以便致动所述形状锁定系统。

12.根据权利要求9所述的设备，其中，每个形状可锁定元件包括适于与相邻的所述形状可锁定元件上的相应的锁定部接合的锁定部。

13.根据权利要求12所述的设备，其中，每个形状可锁定元件包括多个锁定部，所述多个锁定部中的每一个适于与相邻的所述形状可锁定元件上的相应的多个锁定部之一接合。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，每个形状可锁定元件的一端包括多个凹部而相对端包括多个凸块，所述凹部的形状和位置与相邻的所述形状可锁定元件上的相应的凸块接合，而且反之亦然。

15.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，还包括用于感测所述主装置的形状的传感器。

16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述传感器包括以下装置中的一个或多个：惯性传感器；加速计；回转仪；以及磁力计。

17.根据权利要求8所述的设备，其中，所述致动器包含电机。

18.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，还包括被操作式地设置于所述主装置与所述从属装置之间的主控制台。