CN104519823B - 机器人远程运动中心的控制器限定 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机器人手术系统，所述系统采用手术器械(20)、机器人(40)和机器人控制器(43)；所述机器人(40)在机器人(40)的坐标系统(42)内相对于解剖区域(10)导引所述手术器械(20)；所述机器人控制器(43)基于通到所述解剖区域(10)中的孔口(12)的在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的物理位置限定所述手术器械(20)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的球形旋转的远程运动中心。限定所述远程运动中心由所述机器人控制器(43)使用来指挥所述机器人(40)将所述手术器械(20)的所述远程运动中心与通到所述解剖区域(10)中的所述孔口(12)对准，以用于使所述手术器械(20)相对于通到所述解剖区域(10)中的所述孔口(12)球形地旋转。

Description

机器人远程运动中心的控制器限定
发明领域
本发明整体上涉及手术器械在微创手术期间围绕支点相对于解剖孔口(port)的球形旋转的机器人控制。本发明特别地涉及通过机器人控制器限定在微创手术期间在解剖孔口处的手术器械的远程运动中心。
背景技术
微创手术使用通过小孔口插入患者身体中的一个或多个细长手术器械来执行。特别重要的是，微创手术的主要可视化方法为通过小孔口中的一个插入患者身体中的内窥镜。
在机器人引导的微创手术中，手术器械的一个或多个在这些手术器械插入通过小孔口时由机器人装置来保持和控制。更具体地，置于患者身体中的小孔口仅为切口点，手术器械可穿过这些切口点以进入患者的内部。因此，手术器械可围绕这些支点旋转，但是手术器械不能将平移力施加在这些孔口上，因为这将对患者引起伤害和损害。这点对机器人引导的手术是尤其重要的，因为机器人有可能在这些孔口上施加大的平移力。
一些机器人在手术器械的机械支点实施所谓的远程运动中心(“RCM”)，机器人据此可仅在小孔口处强制旋转并且在该小孔口处的所有平移力得以消除。如本领域已知，手术器械的RCM可通过实施机器人的机械设计来实现，该机器人在该机器人的坐标系统内的特定位置具有手术器械的固定RCM。例如，图1示出了具有保持内窥镜20的末端执行器31的机器人30。机器人30的机械设计，特别是末端执行器31，向内窥镜20提供了固定RCM32。在微创手术期间，RCM32在机器人30的坐标系33内与患者的解剖区域10的小孔口对准，如图1所示。这种对准有利于内窥镜20围绕RCM 32的球形旋转，而无被施加于小孔口上的任何显著平移力。
对于在机构设计中不具有固有的远程运动中心的机器人装置，机器人控制器必须具有限定在空间上位于该机器人装置的坐标系中的虚拟远程运动中心的能力，并且必须具有计算该机器人的所需运动的能力，从而以与解剖孔口重合同时避免在空间上的该点施加任何平移力的方式定位RCM。例如，如图2所示，机器人40具有保持内窥镜20的末端执行器41。机器人40不具有机械RCM。因此，内窥镜20的虚拟RCM 21必须针对内窥镜20被限定，内窥镜20由机器人40导引，虚拟RCM 21据此与通到解剖区域10中的孔口重合。
发明内容
为此，本发明提供了用于在机器人的坐标系中限定虚拟RCM和用于将虚拟RCM与解剖孔口以容易和非破坏性的方式对准的机器人手术系统、机器人控制器和机器人手术方法。
本发明的一个形式为一种机器人手术系统，所述系统采用：手术器械；机器人，该机器人用于在该机器人的坐标系统内相对于解剖区域导引手术器械；和机器人控制器，该机器人控制器用于基于通到解剖区域中的孔口的在机器人的坐标系统内的物理位置来限定手术器械在该机器人的坐标系统内的球形旋转的远程运动中心。远程旋转中心的限定由机器人控制器使用来指挥机器人将手术器械的远程运动中心与通到解剖区域中的孔口对准，以用于使手术器械相对于通到解剖区域中的孔口球形地旋转。
在机器人手术系统的各种实施例中，通过使用附接至机器人末端执行器的弦丝电位计(string potentiometer)，通过将末端执行器尖端定位于孔口位置，通过使用感测附接至机器人末端执行器的纤维的光学形状，或通过使用机器人的顺应性控制和远程运动中心的数学提取，机器人控制器可限定虚拟远程运动中心。
本发明的第二形式包括一种机器人手术方法，所述方法涉及基于通到解剖区域中的孔口的在机器人的坐标系统内的物理位置限定手术器械在该机器人的坐标系统内的球形旋转的远程运动中心。所述方法还涉及手术器械的远程运动中心与通到解剖区域中的孔口的对准，以用于使手术器械相对于通到解剖区域中的孔口球形地旋转。
附图说明
本发明的前述形式和其它形式以及本发明的各种特征和优点根据结合附图阅读的本发明的各种实施例的下述详细描述将变得更显而易见。详细描述和附图仅说明本发明而非限制本发明，本发明的范围由所附的权利要求书和其等同物来限定。
图1示出了本领域中已知的机械远程运动中心的一个示例性实施例。
图2示出了根据本发明的虚拟远程运动中心的一个示例性实施例。
图3示出了根据本发明的机器人手术系统的一个示例性实施例。
图4示出了代表根据本发明的机器人手术方法的一个示例性实施例的流程图。
图5示出了代表根据本发明的机器人手术方法的一个示例性实施例的流程图。
图6示出了代表根据本发明的机器人手术方法的一个示例性实施例的流程图。
图7示出了代表根据本发明的机器人手术方法的一个示例性实施例的流程图。
具体实施方式
如图3所示，本发明的机器人手术系统采用机器人40、内窥镜20的形式的手术器械和用于任何类型的医疗程序的机器人控制器43，该医疗程序包括但不限于微创心脏手术(例如，冠状动脉旁路移植术(coronary artery bypass grafting)或二尖瓣置换术(mitral valve replacement))、微创腹部手术(腹腔镜检查)(例如，前列腺切除术或胆囊切除术)和自然腔道内镜手术(natural orifice translumenal endoscopic surgery)。
机器人40在本文中被广泛地限定为任何机器人装置，该机器人装置在结构上被配置有根据特定医疗程序所需对用于操纵末端执行器41的一个或多个关节进行电动控制。在实践中，机器人40可具有最小五(5)个自由度，包括末端执行器平移、末端执行器轴线旋转，以及关节的三(3)个旋转自由度。
内窥镜20在本文中被广泛地限定为任何装置，该装置具有用于在解剖区域10内成像的视野。出于本文发明的目的，内窥镜20的实例包括但不限于柔性的或刚性的任何类型的窥镜(scope)(例如，内窥镜、关节镜、支气管镜、胆道镜、结肠镜、膀胱镜、十二指肠镜、胃镜、宫腔镜、腹腔镜、喉镜、神经内镜(neuroscope)、耳镜、推进式小肠镜(pushenteroscope)、鼻喉镜、乙状结肠镜、鼻窦镜(sinuscope)、胸腔镜，等等)，和类似于配备有成像系统(例如，具有成像功能的嵌套套管)的镜头的任何装置。成像是局部的，并且表面图像可利用光纤、透镜或小型化(例如，基于CCD)的成像系统以光学方式获得。
在实践中，内窥镜20被安装至机器人40的末端执行器41。机器人40的末端执行器41的姿势为末端执行器41在机器人40的坐标系统42内的位置和取向。在内窥镜20被插入解剖区域10内的情况下，解剖区域10内的内窥镜20的视野的任何给定姿势对应于末端执行器41在机器人坐标系统42内的不同姿势。因此，由解剖区域10内的内窥镜20所产生的每个单独内窥镜图像可被链接至解剖区域10内的内窥镜20的对应姿势。
机器人控制器43在本文中被广泛地限定为任何控制器，该控制器在结构上配置成根据下述需要向机器人40提供命令(未示出)用于控制机器人40的末端执行器41的姿势，所述需要是指用于导引内窥镜20通过解剖区域的孔口12和用于在以与孔口12部分或完全重合的方式定位虚拟支点21之后使内窥镜20围绕虚拟支点21球形地旋转。出于本发明的目的，内窥镜20围绕虚拟支点21的球形旋转被广泛地限定为内窥镜20在机器人坐标系统42的固定位置围绕虚拟支点21的任何旋转运动，而无内窥镜20相对于孔口12的任何显著摆动。
在操作中，机器人控制器43执行本发明的各种机器人手术方法，以便基于解剖孔口12的在机器人坐标系统42内的物理位置限定内窥镜20在机器人坐标系统42内的球形旋转的虚拟远程运动中心和以便将内窥镜20的远程运动中心与解剖孔口12对准以用于使内窥镜20相对于解剖孔口12球形地旋转。由图4至7中所示的流程图表示的各种方法的描述现将在本文中描述，以有利于机器人控制器43的操作的理解。
如图4所示的流程图50代表本发明的机器人手术方法，该机器人手术方法涉及使用电位计以限定内窥镜20的RCM。参考图4，流程图50的阶段S51涵盖弦丝电位计60的校准，该弦丝电位计60被安装至内窥镜40的末端执行器41上。电位计60采用如本领域中已知的卷轴61、旋转传感器62、扭转弹簧63、柔性电缆64和联接器65，以用于提供与电缆64在距离D上的延伸成比例的电压。在被安装至末端执行器41上之后，由于内窥镜20经由机器人20被在机器人坐标系统42内导引，电位计60如本领域中已知的那样被在机器人坐标系统42中配准，从而在机器人坐标系统42内具有校准位置。
流程图50的阶段S52涵盖机器人控制器43计算线缆64已被延伸的距离D，以有利于确定内窥镜20的虚拟支点21。在阶段S52的一个实施例中，线缆64被拉动并沿着内窥镜20经由联接器65附接至虚拟支点21的所需位置，据此距离D与机器人40的当前关节位置一起结合机器人运动学被机器人控制器43使用以限定虚拟支点21在机器人坐标系统42内的精确物理位置。此后，机器人控制器43指挥机器人40来导引内窥镜20，虚拟支点21在机器人坐标系统42内的物理位置据此与解剖孔口12(图3)在机器人坐标系统42内的物理位置部分或完全重合。
在阶段S52的替代实施例中，机器人控制器43指挥机器人40来导引内窥镜20，据此虚拟支点21在机器人坐标系统42内的所需位置与解剖孔口12部分或完全重合。此后，线缆64被拉动并沿着内窥镜20经由联接器65附接至虚拟支点21的所需位置，据此距离D与机器人40的当前关节位置一起结合机器人运动学被机器人控制器43使用以限定虚拟支点21在机器人坐标系统42内的精确物理位置。
如图5所示的流程图70代表本发明的机器人手术方法，该机器人手术方法涉及用于将内窥镜20的远侧尖端22(图3)定位在解剖孔口12的物理位置处。参考图5，流程图70的阶段S71涵盖机器人控制器43如本领域中已知的那样指挥机器人40来将内窥镜20的远侧尖端22导引至解剖孔口12，据此机器人40的当前关节位置结合机器人动力学被机器人控制器43使用以限定解剖孔口12在机器人坐标系统42内的精确物理位置。
流程图70的阶段S72涵盖机器人控制器43计算从解剖孔口12至在内窥镜20上的所需虚拟支点的距离。在实践中，距离D的范围为零至内窥镜20的远侧尖端和机器人40的末端执行器之间的最大距离；距离D为零时，所需虚拟支点据此与解剖孔口12的物理位置重合。基于从解剖孔口12至内窥镜20上的所需虚拟支点的距离D，机器人40的当前关节位置(其中内窥镜20的远侧尖端在解剖孔口12处)结合机器人动力学被机器人控制器43使用以限定虚拟支点21在机器人坐标系统42内的精确物理位置。因此，机器人控制器43指挥机器人40来相对于解剖孔口12导引内窥镜20，虚拟支点据此与解剖孔口12部分或完全重合。
如图6所示的流程图80代表本发明的机器人手术方法，该机器人手术方法涉及使用形状感测光纤来限定内窥镜20的RCM。参考图6，流程图80的阶段S81涵盖形状感测光纤90的校准，该形状感测光纤90被安装至机器人40的末端执行器41上。形状感测光纤90采用光纤布拉格光栅92或本领域中已知的光纤芯91内的其它光学形状感测能力，以提供指示光纤90在机器人坐标系统42内的形状的光学信号。在使近侧末端安装于末端执行器41上之后，在内窥镜20经由机器人40在机器人坐标系统42内导引时，形状感测光纤90如本领域中已知的被在机器人坐标系统42中配准，从而在机器人坐标系统42内具有校准位置。
流程图80的阶段S82涵盖机器人控制器43计算光纤90的被安装的近侧末端和光纤90的远侧末端之间的距离D，以有利于确定内窥镜20的虚拟支点21。在阶段S82的一个实施例中，光纤90的远侧末端沿着内窥镜20被联接至虚拟支点21的所需位置，据此如本领域中已知的那样光纤90的感测形状提供了距离D，距离D与机器人40的当前关节位置一起结合机器人动力学被机器人控制器43使用以限定虚拟支点21在机器人坐标系统42内的精确物理位置。此后，机器人控制器43指挥机器人40来导引内窥镜20，虚拟支点21在机器人坐标系统42内的物理位置据此与解剖孔口12(图3)在机器人坐标系统42内的物理位置部分或完全重合。
在阶段S82的替代实施例中，机器人控制器43指挥机器人40来导引内窥镜20，虚拟支点21在机器人坐标系统42内的所需位置据此与解剖孔口12(图5)部分或完全重合。此后，光纤90的远侧末端沿着内窥镜20被联接至虚拟支点21的所需位置，据此距离D(图4)与机器人4的当前关节位置一起结合机器人动力学被机器人控制器43使用以限定虚拟支点21在机器人坐标系统42内的精确物理位置。
如图7所示的流程图100代表本发明的机器人手术方法，该机器人手术方法涉及将内窥镜20的远侧尖端22定位至解剖区域10内的所需深度以利用机器人的顺应性控制和远程运动中心的数学提取。具体地，位于机器人40上的力和扭矩传感器(未示出)允许机器人40以小量或不需力气来手动地移动。顺应性控制通过使用感测用户施加于机器人40上的力的力或力矩传感器和通过使用机器人40的动态模型工作，以将这些力和力矩在关节处转换成加速度从而移动机器人40。
参考图7，流程图100的阶段S101涵盖机器人控制器43如本领域中已知的指挥机器人40将内窥镜20的远侧尖端22导引通过解剖孔口11至所需深度。在到达该深度之后，用户以使内窥镜20围绕解剖孔口枢转的方式缓慢地移动机器人，如图7中示例性示出的。通过获得关节运动和内窥镜20的远侧尖端22的校准位置22a-22c和在该运动期间使用前述动力学，机器人控制器43在流程图100的阶段S102期间以数学方式计算虚拟支点21。在阶段S102的一个实施例中，如通过机器人动力学所给出的内窥镜20的远侧尖端22从时间t0至t3的校准位置22a-22c被存储，并且它们的校准位置用于解决找到点21的误差最小化问题，点21与所有校准位置22a-22c是等距的。
在实践中，替代如图4和6所示的实施例的电位计和光纤的实施例可被用于实施本发明的机器人手术方法。
再次，在实践中，机器人控制器43可通过硬件、软件和/或固件的任何配置被实施，以用于执行本发明的机器人手术方法，特别地图4-7所示的方法。
另外，在实践中，所需虚拟支点的任何选择取决于许多因素，例如针对执行手术任务的目的，手术器械至解剖区域的所需深度，以及手术器械相对于患者的解剖结构的结构配置。
根据本文的图1-7的描述，本领域的技术人员将理解，本发明的众多益处包括但不限于能够限定手术器械(例如，内窥镜)的虚拟RCM的机器人控制器，所述手术器械安装于被设计带有或不带有机械RCM的机器人的末端执行器上。
虽然本发明已参考示例性方面、特征和实施方式来描述，但是所公开的系统和方法不限于此类示例性方面、特征和/或实施方式。相反地，如根据本文所提供的说明书对本领域的技术人员将显而易见的是，所公开的系统和方法可易于修改、变更和增强而不脱离本发明的精神或范围。因此，本发明明确地涵盖属于本发明的范围内的此类修改、变更和增强。

Claims (15)

1.一种机器人手术系统，包括：
手术器械(20)；
机器人(40)，所述机器人(40)被可操作地配置成在所述机器人(40)的坐标系统(42)内相对于解剖区域(10)导引所述手术器械(20)；和
机器人控制器(43)，
所述机器人控制器(43)被可操作地配置成基于通到所述解剖区域(10)中的孔口(12)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的物理位置来限定所述手术器械(20)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的球形旋转的远程运动中心，并且
所述机器人控制器(43)还被可操作地配置成指挥所述机器人(40)将所述手术器械(20)的所述远程运动中心与通到所述解剖区域(10)中的所述孔口(12)对准以用于使所述手术器械(20)相对于通到所述解剖区域(10)中的所述孔口(12)球形地旋转。
2.根据权利要求1所述的机器人手术系统，其特征在于，所述手术器械(20)为内窥镜。
3.根据权利要求1所述的机器人手术系统，其特征在于：
限定所述远程运动中心包括计算从所述机器人(40)的末端执行器(41)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的校准位置至所述手术器械(20)的虚拟支点(21)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的物理位置的距离；并且
将所述手术器械(20)的所述远程运动中心与通到所述解剖区域(10)中的所述孔口(12)对准包括使所述手术器械(20)的所述虚拟支点(21)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的所述物理位置与通到所述解剖区域(10)中的所述孔口(12)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的所述物理位置至少部分地重合。
4.根据权利要求1所述的机器人手术系统，其特征在于：
限定所述远程运动中心包括计算从电位计(60)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的校准位置至所述手术器械(20)的虚拟支点(21)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的物理位置的距离，所述距离通过将所述电位计(60)附接至所述机器人(40)的末端执行器(41)和附接至所述手术器械(20)而形成；并且
将所述手术器械(20)的所述远程运动中心与通到所述解剖区域(10)中的所述孔口(12)对准包括使所述手术器械(20)的所述虚拟支点(21)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的所述物理位置与通到所述解剖区域(10)中的所述孔口(12)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的所述物理位置至少部分地重合。
5.根据权利要求4所述的机器人手术系统，其特征在于，所述电位计(60)包括弦丝(64)，在使所述手术器械(20)的所述虚拟支点(21)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的所述物理位置与通到所述解剖区域(10)中的所述孔口(12)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的所述物理位置至少部分地重合之前，所述弦丝(64)邻近所述虚拟支点(21)地附接至所述手术器械(20)。
6.根据权利要求4所述的机器人手术系统，其特征在于，所述电位计(60)包括弦丝(64)，在使所述手术器械(20)的所述虚拟支点(21)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的所述物理位置与通到所述解剖区域(10)中的所述孔口(12)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的所述物理位置至少部分地重合之后，所述弦丝(64)邻近所述虚拟支点(21)地附接至所述手术器械(20)。
7.根据权利要求1所述的机器人手术系统，其特征在于：
限定所述远程运动中心包括计算从所述手术器械(20)的远侧尖端(22)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的校准位置至所述手术器械(20)的虚拟支点(21)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的物理位置的距离；和
将所述手术器械(20)的所述远程运动中心与通到所述解剖区域(10)中的孔口(12)对准包括使所述手术器械(20)的所述虚拟支点(21)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的所述物理位置与通到所述解剖区域(10)中的所述孔口在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的所述物理位置至少部分地重合。
8.根据权利要求7所述的机器人手术系统，其特征在于，限定所述远程运动中心还包括使所述手术器械(20)的所述远侧尖端(22)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的所述校准位置与通到所述解剖区域(10)中的所述孔口(12)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的所述物理位置至少部分地重合。
9.根据权利要求7所述的机器人手术系统，其特征在于，将所述手术器械(20)的所述远程运动中心与通到所述解剖区域(10)中的孔口(12)对准包括，基于所计算的从所述手术器械(20)的所述远侧尖端(22)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的所述校准位置至所述手术器械(20)的所述虚拟支点(21)的所述物理位置的距离，根据所述机器人控制器(43)的指挥，通过所述机器人(40)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内导引所述手术器械(20)。
10.根据权利要求1所述的机器人手术系统，其特征在于：
限定所述远程运动中心包括计算从光纤(90)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的校准位置至所述手术器械(20)的虚拟支点(21)的物理位置的距离，所述距离通过将所述光纤(90)附接至所述机器人(40)的末端执行器(41)和附接至所述手术器械(20)而形成；和
将所述手术器械(20)的所述远程运动中心与通到所述解剖区域(10)中的孔口(12)对准包括使所述手术器械(20)的所述虚拟支点(21)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的所述物理位置与通到所述解剖区域(10)中的所述孔口(12)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的所述物理位置至少部分地重合。
11.根据权利要求10所述的机器人手术系统，其特征在于，在所述手术器械(20)的所述虚拟支点(21)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的所述物理位置与通到所述解剖区域(10)中的所述孔口(12)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的所述物理位置至少部分地重合之前，所述光纤(90)邻近所述虚拟支点(21)地附接至所述手术器械(20)。
12.根据权利要求10所述的机器人手术系统，其特征在于，在所述手术器械(20)的所述虚拟支点(21)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的所述物理位置与通到所述解剖区域(10)中的所述孔口(12)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的所述物理位置至少部分地重合之后，所述光纤(90)邻近所述虚拟支点(21)地附接至所述手术器械(20)。
13.根据权利要求1所述的机器人手术系统，其特征在于：
限定所述远程运动中心包括计算所述手术器械(20)的虚拟支点(21)至所述手术器械(20)的远侧尖端(22)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的多个校准位置的等距离，以确定所述手术器械(20)的所述虚拟支点(21)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的物理位置；和
将所述手术器械(20)的所述远程运动中心与通到所述解剖区域(10)中的孔口(12)对准包括使所述手术器械(20)的所述虚拟支点(21)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的物理位置与通到所述解剖区域(10)中的所述孔口(12)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的所述物理位置至少部分地重合。
14.根据权利要求13所述的机器人手术系统，其特征在于，限定所述远程运动中心还包括：
将所述手术器械(20)相对于通到所述解剖区域(10)中的所述孔口(12)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的所述物理位置手动地旋转，以将所述手术器械(20)的所述远侧尖端(22)移动至所述手术器械(20)的所述远侧尖端(22)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的每一个所述校准位置。
15.根据权利要求13所述的机器人手术系统，其特征在于，限定所述远程运动中心还包括：
执行所述手术器械(20)的所述远侧尖端(22)在所述机器人(40)的所述坐标系统(42)内的所述校准位置的误差最小化，以将所述虚拟支点(21)确定为距所述手术器械(20)的所述远侧尖端(22)的所述校准位置的等距离。
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