CN104736097B - 用于成像导向和机器人辅助外科手术的机器人装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于成像导向的机器人辅助的外科手术过程的机器人系统(例如，MRI导向的机器人)以及用于使用所述机器人系统对病人执行这种外科手术过程的方法。机器人系统包括机器人机械手或全局定位器、用于致动机械连接的机器人机械手或全局定位器的装置、以及具有存储器、处理器和与机器人系统电子通信的至少一个网络连接的计算机。所述致动装置包括至少一个传输管线，所述传输管线具有包括可移动介质的柔性部件、包括刚性活塞刚性部件或其组合，致动通过上述部件被传送到机器人机械手或全局定位器。计算机可触知地储存存储器软件模块，所述存储器软件模块包括处理器可执行指令以在机器人系统、成像系统和操作者之间提供接口并控制其操作。

Description

用于成像导向和机器人辅助外科手术的机器人装置和系统

相关申请的交叉引用

本国际申请要求于2012年8月24日申请的美国临时申请第61/692,943号在35U.S.C.§119(e)下的优先权利益，该申请现在已经放弃，该申请的整体在此并入本文作为参考。

联邦资助

本发明在由国家科学基金颁发的授权编号CNS-0932272下由政府支持而做出的。政府对本发明具有特定权利。

技术领域

本发明涉及机器人、机器人辅助外科术和用于其操作的软件的领域。具体地，本发明提供一种机器人系统，所述机器人系统包括机器人机械手和致动器以及适用软件和硬件，包括用于现场使用的MRI兼容的医学机器人平台、实时成像导向诊断、外科手术和最少侵入的医学介入。

背景技术

包括单端口访问SPA外科手术和经皮肤的介入的最小入侵过程中的机器人辅助设备正在出现，由于与传统的开口外科手术或者徒手介入相比，对病人更友好、增强操作性且节省最终成本。这种模式变化需要稳固的、可升级且有效的方法学，用于融合例如组织和分子水平成像的多模态感测、诸如机器人和触觉装置的控制系统、以及例如外科手术、放射、心脏病等的介入。研发创新的计算方法、机器人机械手和触觉接口的开拓团体的主要努力已经为朝向这个巨大的突破做好准备。展望图像引导和机器人辅助IGRA过程的未来，多个因素可以有助于下一代系统，包括可以使用有效的操作者界面来本地地估计组织病理和功能的实时成像引导的无缝集成。

实时成像引导RTIG为估定AoP的过程区域提供独特的特征，包括：1.估定实时组织变形和运动，以辅助过程或自然运动，例如呼吸或者心脏搏动；2.以3D监测工具；和3.更新目标组织的病理生理学信息。通过赋予这种特征，实时成像引导可以有助于从“锁眼”可视化的当前方法(即，内窥镜检查或者腹腔镜检查和可预先操作的成像引导)到AoP的更全局且丰富信息的感知的模式变化和方法飞跃，从而能够获得复杂外科手术的更宽的范围和水平。在本上下文中，广义的开创性操作已经使用包括超声波US和磁共振成像MRI的不同的成像模态来执行，用于对徒手或者机器人辅助的过程。

图像引导和机器人辅助过程具有挑战性、高度复杂且是大范围的临床范例，并且许多团体已经或者正在探求可行的技术。多个图像引导和机器人辅助装置已经被开发或者正在开发。可以使MRI引导外科手术发生革命性变化的MR相容的NeuroArm是一种复杂且高成本的技术，但是该技术不适合实时MR引导。美国国立卫生研究院研究的另外的系统是基于机器人，该机器人工业上不再提供。

因此，本领域需要改进的图像引导及机器人辅助过程，具体地需要用于机器人控制的实时多模态成像和用于人员介入自主操纵或者机器人的手动控制的HIMI。更具体地，现有技术缺乏设计用于在成像扫描仪的空间限制内的机器人装置、系统和方法、用于致动可以在磁共振环境的超强磁场中运用及能够实时跟踪组织的机器人的装置。本发明实现本领域中的这个长期存在的需求和愿望。

发明内容

本发明涉及一种用于机器人辅助外科手术过程的机器人系统。所述机器人系统包括至少一个成像导向的机器人机械手、用于致动机械连接的机器人机械手的装置、以及具有存储器、处理器和与机器人机械手电子通信的至少一个网络连接的计算机。本发明涉及一种相关的机器人系统，所述机器人系统还包括至少一个可移动、可旋转且可机械连接的基部，机器人机械手固定在所述基部上，其中基部可移动地定向以配合病人的外科手术过程的区域。本发明涉及一种相关的机器人系统，所述机器人系统还包括被构造成从成像系统发送和接收信号以引导成像模态的至少一个传感器、和可选的多个对比标识，所述对比标识设置在机器人机械手装置上或者绕着机器人机械手装置设置以准确地配准机器人机械手。

本系统还涉及一种用于在对病人实时成像导向下执行机器人辅助的外科手术过程的方法。所述方法包括以下步骤：如在此所述紧邻病人定位机器人系统；调节至少一个可移动、可旋转且可机械连接的基部的方向和位置，其中机器人机械手装置固定在所述基部上，然后病人通过成像模态被成像。包括机器人系统的机器人机械手通过成像期间以电子方式获得的信息被实时引导到病人的过程区域。通过成像导向的机器人机械手对病人执行外科手术过程。本发明涉及一种相关方法，所述相关方法进一步包括以下步骤：从与机器人机械手配准的一个或多个成像或非成像传感器获得信息，所述机器人机械手包括第一全局定位器单元、第二单元和第三单元，所述第三单元包括用于接收关于所述过程区域中的组织的附加信息。

本发明进一步涉及一种用于执行外科手术过程的磁共振成像(MRI)导向的机器人，包括：全局定位器，所述全局定位器具有至少一个可移动平台和多个单元，所述至少一个可移动平台被构造成以至少一个自由度移动，所述多个单元与磁共振成像系统连接；至少一个可移动、可旋转且可机械连接的基部，全局定位器固定在所述基部上，其中基部可移动地定向以配合病人的外科手术过程区域；至少一个致动传输管线，所述传输管线包括机械或电子连接到全局定位器和致动电源且电子连接到包括计算机的机器人控制模块或者手控机器人控制器的柔性部件、刚性部件或交替组合，使得至少一个致动传输管线被构造成用于致动一个自由度的全局定位器，其中所述柔性部件具有包括可移动介质的多个线性设置的球体，所述刚性部件具有多个线性设置的活塞；和连接到计算机的至少一个有线或无线网络，所述计算机可触知地储存存储器软件模块，所述存储器软件模块具有处理器可执行指令以操作磁共振成像系统和机器人。本发明涉及一种相关的MRI导向的机器人，该机器人进一步包括紧邻全局定位器、或包括全局定位器的全局定位第一单元、或机器人上的任何其它位置设置的至少一个射频线圈，以对工作区成像，其中射频线圈被构造成从MR成像系统发送和接收信号，并且可选地包括设置在机器人上或者绕着机器人设置以准确地配准的多个对比标识。本发明涉及另一种相关的MRI导向的机器人，其中当两个或更多个可移动平台被设置成平行关系时，机器人进一步包括在所述可移动平台之间的至少一个机械连接件。

本发明进一步涉及一种实时磁共振图像导向方法，用于对病人执行机器人辅助的外科手术。所述方法包括以下步骤：使全局定位器的基部旋转、移动或者旋转和移动以对应于用于成像的病人的位置，使得全局定位器的工作区包括过程区域；和将包括机器人机械手的基部固定在调节的位置。MR成像系统与全局定位器共配准，所述全局定位器接着通过包括MR成像系统的坐标系被以一个或多个自由度实时引导，以与病人的用于外科手术的区域对准。与全局定位器配准的一个或多个外科手术装置展开到病人中，从而实时执行磁共振图像导向外科手术。本发明涉及一种相关的MRI导向方法，进一步包括以下步骤：从与全局定位器配准的一个或多个成像或非成像传感器获得信息，所述全局定位器包括第一全局定位器单元、第二单元和第三单元，所述第三单元包括用于接收关于过程区域中的组织的附加信息。

本发明的其它和进一步方面、特征和优点将从以下为了揭露而提供的本发明的当前优选实施例的说明清楚呈现。

附图说明

因此，本发明的上述的特征、优点和目的以及将更加清楚的其它方面能够获得且详细地了解，以上简要概括的本发明的更具体的说明和特定实施例显示在所附附图中。这些附图形成说明书的一部分。然而，要提及的是所附附图显示本发明的优选实施例，因此不被视为限制本发明的保护范围。

图1A-1B：系统部件及其互连性的方框图，图1A：硬件部件，图1B：软件部件；

图2A-2B：机器人装置及其部件的示意图；

图3：机器人装置的两个致动点C_A和C_B的示意图；

图4A-4C：机器人装置的关于病人身体的进入口在机器人装置进入病人身体中的三种情况下的示意图；

图5A-5B：机器人装置的操作的示意图，图5A：操作平直工具并经由点限制端口进入病人身体的装置，图5B：机器人装置的操作流程图；

图6A-6B：机器人装置的操作的示意图，图6A：操作可弯曲工具并经由点限制端口进入病人身体中的装置，图6B：机器人装置的操作流程图；

图7A-7B：机器人装置的操作的示意图，图7A：操作平直工具并经由非限制端口进入病人身体中的装置，图7B：机器人装置的操作流程图；

图8A-8B：机器人装置的操作的示意图，图8A：操作可弯曲工具并经由非限制端口进入病人身体中的装置，图8B：机器人装置的操作流程图；

图9：机器人装置的两个致动点C_A和C_B的示意图；

图10A-10M：与进入用于通过改变采用的基部定位的不同组织和病人的机器人平台的灵活度有关的实施例的示例；

图11A-11H：机器人结构的再配置性和适应性的示意图；

图12A-12D：RF线圈与机器人的结合，图12A：将线圈连接到机器人上，图12B：将线圈连接到病人或者两侧，用于在执行操作的区域处局部提高SNR的一个或多个RF线圈，图12C：使用两个单独的线圈，一组在机器人上，而另一组在病人身上，接着两组可以被实现为两个单独的线圈组，即每一组连接到MR扫描仪上的单独的专用RF信道，或者实现为单个RF线圈组，图12D：当前商用RF线圈可以用于使用本公开的适当软件，所述软件经由商用线圈的开口绘制可获得的进入以用于该特定的机器人。因此，机器人将具有更加宽范围的应用性。

图13：显示机器人机械手的正交笛卡尔状态；

图14A-14D：示出了能够到达目标区的可弯曲第三单元的结构；

图15：类似于传统的液压或气动系统的刚性-液体致动传输系统；

图16A-16F：示出了具有或者没有环的球体的结构以及管道和传输管线的参数，图16A：球体的直径dl基本上小于软管的内径h1，图16B：环位于每一个球体之间以消除摩擦力，该摩擦力会沿相反方向驱动球体，图16C：球体的直径小于软管的内径，所述环位于每一个球体之间且保持中心的球体和远距离位置处的球体并消除摩擦力，该摩擦力会沿相反方向驱动球体，图16D：示出了通过球体的软线或管线以用于推-拉运动，图16E：示出了致动传输管线的部件的内径，图16F：示出了内部套管状部件的管道的横截面图；

图17A-17G：示出了致动系统，所述致动系统包括沿着容纳管道的长度的一个或多个开口或狭缝，所述开口或狭缝用于连接刚性流体以致动部件和位置编码器；

图18A-18B：示出了软管的结构，所述软管可以是刚性或柔性或者刚性管和柔性管的任意组合，图18A：软管在致动器的端部处的刚性部分，其中系统的连接件或活塞滑动以消除摩擦力或约束，图18B：刚性管的基本上更长的部分用于到达致动敷涂器的位置以消除增加的摩擦或者改变管子的内径；末端部分可以接着为柔性。多个刚性管可以移动致动以接入机器人机械手，然后使用柔性管与机器人的致动部件连接；

图19A-19E：具有球体、活塞、平直和可弯曲管道的组合的刚性液体传输管线的示例性实施例，图19A：具有刚性管道、球体和活塞结构的传输管线，图19B：包括具有球体和通过具有柔性管道与球体分离的活塞的平直刚性管道的传输管线，图19C-19E：与机器人基部和电动机相关的病人床上的传输管线的布置；

图20A-20H：将“刚性液体”致动管线连接到致动部件的示例；

图21A-21C：用于致动刚性液体管线的多个管线的方法；

图22A-22B：机器人装置和刚性液体致动组件对于沿着X轴线和Z轴线的运动的分段的示意图，图22A：示出了分段块的组件，图22B：示出了容纳管中的刚性部件和柔性部件的结合；

图23A-23L：平台和机器人机械手的透视组装和分解图，图23A-23B：沿着Z轴线的运动，图23C-23D：沿着X轴线和Z轴线的运动，图23E-23L：加工机器人机械手的视图；

图24A-24B：示出了用于致动机器人机械手的致动器的设置；

图25A-25B：示出了连结柔性管道到刚性管道，图25A：其中柔性管道和刚性管道具有相同的内径的连结，图25B：其中柔性管道和刚性管道具有不同内径的连结；

图26A-26B：示出了通过操作者提供的人工动力致动机器人机械手的示意图，图26A：仅示出人工致动，图26B：旁路由人工动力致动；

图27A-27C：人工致动单元(MAU)的多个结构，图27A：由具有DoF的手柄组成的MAU的结构，使得所述MAU以1对1关系复制实际机器人，图27B：MAU手柄的结构，操作者在手柄的两个固定点之间保持该手柄，人力致动通过所述手柄传送到致动管线，图27C：MAU手柄结构，操作者将手柄保持在手柄的两个定位点的上方或者同样保持在下方，人力致动通过手柄被传送到致动管线；

图28A-28D：成像扫描仪的结构，图28A：用于直接由人工致动单元(MAU)控制成像扫描仪的系统的结构，图28B：包括执行该任务需要的所有硬件部件的单电路板电子单元的示例，图28C：视频卡为单板埋入的一部分，图28D：视频卡通过适当的总线添加；

图29A-29B：MAU电子单元的硬件和软件的细节，图29A：MAU电子单元，选择位置编码器信号数字化和计算部件以及关联软件为与单板埋入分离，图29B：MAU电子单元，选择位置编码器信号数字化和计算部件以及关联软件为单板埋入；

图30：MAU电子单元的软件模块、数据和指令的流动及其互连性和交互性；

图31A-31E：示出了多个总设计图，电动机在MR扫描仪室内；

图32：示出了总设计图，电动机在MR扫描仪室外，该方法的简单性进一步示例了系统的商业价值和实际价值；

图33：具有MAU的总设计图；

图34A-34I：通过机器人安装的传感器感测，图34A：将主导向模态与通过机器人安装的传感器感测相结合的示意图，图34B：显示由机器人的末端执行器承载且由机器人安装的传感器引导的可伸出针，所述可伸出针用于组织穿透，图34C：显示末端执行器的用于组织-组织接触的表面上的传感器的示意图，图34D：示出了探针致动以产生锥体状或烟囱状3D成像，图34E-34I：示出了使传感器或工具展开的多个机构；

图35示出了数据处理和控制软件芯体结构；

图36A-36D是实时的机器人控制和数据收集的示例，图36A-36B：使用实时收集的MRI和超声波数据的机器人控制，图36C-36D：由实时收集的数据即时生成动态虚拟夹具；以及

图37A-37G：与MRI扫描仪坐标系的机器人配准，图37A：平直管道在机器人的可通过MR成像看到的平台上的已知位置的布置，图37B：由感应耦合RF线圈(例如但不限于螺旋(上部)或矩形(下部))缠绕的管道的优选变型，与低翻转角度(1-2度)成像一起使用，图37C-37D：沿着MR扫描仪的a＝es的基于三个容量的三个突出部的收集的配准，图37E-37G：基于成像平面的收集的配准。

具体实施方式

在此使用的术语“一”在连同权利要求和/或说明书中的术语“包括”使用时可以表示“一个”，但是也符合“一个或多个”、“至少一个”以及“一个或多于一个”的意思。本发明的一些实施例可以包括或者基本上由本发明的一个或多个元件、方法步骤和/或方法组成。能够预期的是在此说明的任何方法或组成都可以根据在此说明的任何其它方法或组成来实现。

虽然本公开支持仅表示可选形式以及“和/或”的限定，但是权利要求中在此使用的术语“或者”除非明确指出仅表示可选形式或者可选形式是互相排斥的，否则均表示“和/或”。

无论是否明确指出，在此使用的术语“大约”都表示数值，例如包括整数、分数和百分比。术语“大约”通常表示一定范围的数值(例如，列举数值的+/-5-10％)，本领域技术人员将会将该一定范围的数值视为相当于列举的数值(例如，具有相同的功能或结果)。在有些情况下，术语“大约”可以包括近似的有效数周围的数值。

在此使用的术语“计算机”表示一个或多个机器，如本领域的标准且当前已知，该机器至少包括存储器、处理器和至少一个有线和/或无线网络连接。计算机可以包括台式机、膝上型机器或者其它电子媒体，例如智能手机或写字板。在没有限制的情况下，实现包括机器人机械手、机器人传感器等的机器人系统所需的任何软件、模块、应用、添加、插入、程序和/或数据库等可以被编程到一个或多个计算机中，可以通过网络连接获取或者可以从确实存储其的媒体存储装置获取，可以确实地储存在计算机存储器或其它电子媒体存储器中并可由处理器执行，但不限于此。

在此使用的术语“机器人”或“机器人机械手”可互换地表示用于执行例如、但不限于机械手辅助的外科手术、最少入侵入的外科手术以及介入诊断或治疗或者诊断和治疗过程的组合的远程致动的机械手。

在此使用的术语“病人”表示任何哺乳动物，优选地为人，哺乳动物为使用在此说明的图像引导机器人装置和系统的外科手术过程、手术或者最少侵入的过程的对象。

在本发明的一个实施例中，提供一种用于机器人辅助的外科手术过程的机器人系统，包括：至少一个图像引导机器人机械手装置；用于致动链接的机器人机械手装置的装置；和计算机，所述计算机具有存储器、处理器和至少一个与机器人机械手和所述用于致动的装置电子通信的网络连接。正如该实施例，机器人系统可以包括至少一个可移动、可旋转且可机械链接的基部，机器人机械手装置固定到所述基部上，其中基部被可移动地定向成配合病人的外科手术过程的区域。在另外的进一步实施例中，机器人系统可以包括：至少一个传感器，所述至少一个传感器被构造成由成像系统发送和接收信号，所述成像系统有效地引导成像模态；和可选地多个设置在机器人机械手装置上或机器人机械手装置周围的对比标记，从而有效地准确记录。在所有实施例中，包括机器人系统的部件包括与构造成用于外科手术过程中的成像模态相容的材料。

在所有实施例中，机器人机械手装置包括至少一个可移动台，所述可移动台被构造成以一个或多个自由度移动。具体地，当可移动台中的两个或更多个被设置成平行关系时，机器人系统还可以包括在所述可移动台之间的至少一个机械链接。

在所有实施例中，机器人机械手都可以包括：至少一个第一单元，所述至少一个第一单元被构造成用于全局定位；至少一个第二单元，第二单元中的一个可移动地链接到第一单元；至少一个第三单元，所述至少一个第三单元包括一个或多个外科手术装置或模态，第三单元中的一个可移动地链接到第二单元中的一个并通过第二单元可在人体中展开；和多个接口，所述多个接口与第一单元、第二单元或第三单元或者其组合以及计算机电子通信，每一个单元单独地活着组合地被构造成通过接口共同配准。机器人机械手还可以包括设置在病人身体内部或外部的一个或多个成像或非成像传感器，其中传感器可与第一单元、第二单元或第三单元或者其组合配准。另外，机器人机械手的第二单元、第三单元或者这两个单元可以包括可旋转地链接到一个或多个传感器。另外，机器人机械手在手术期间可以通过与成像系统坐标系配准而受到图像引导。成像系统的代表性的非限制性示例是磁共振成像或者波谱成像或其组合、超声波成像、x光计算层析成像、x光乳腺造影术、光学成像或视频。

在所有实施例中，用于致动机器人机械手的装置可以包括机械或电子链接到机器人机械手的至少一个致动传输线路；和致动电源，所述致动电源机械连接到致动传输线路并电子连接到包括计算机的机器人控制模块或者手控机器人控制器。另外，在所有实施例中，至少一个致动传输线路可以被构造成用于致动机器人机械手的一个自由度。

在这些实施例的一个方面，致动传输线路可以包括：包括可更换介质的多个球体；容纳多个球体的可移动的挠性管道；和设置在挠性管道的一端或两端的可线性移动的第一塞状部件，其中第一塞状部件与挠性管道和致动电源机械连通，使得第一塞状部件的致动通过多个球体传送到机器人机械手或固定所述机器人机械手的至少一个基部。

对于该实施例，进一步地，挠性管道可以包括：沿着所述挠性管道的长度设置的一个或多个开口；和第二塞状连杆，所述第二塞状连杆定位在两个相邻的球体之间并延伸通过所述开口；或者在挠性管道外部通过开口可移动地与一个或多个球体接合的结构，其中第二塞状部件或所述外部结构直接或间接地与致动电源机械连通，从而通过所述机械连通传送致动。此外，对于该方面，挠性管道可以包括设置在挠性管道内的多个环，其中所述环中的每一个设置在相邻球体的一对或更多对之间，其中多个环替换挠性管道内的一个或多个球体，环包括用于将球体定位在中心并减少管道内的摩擦的装置。此外，挠性管道可以包括：内部润滑套管，所述内部润滑套管设置在挠性管道的内表面与多个球体之间；和外部横向加固套管，所述外部横向加固套管环绕挠性管道的外表面设置并部分或全部沿着所述挠性管道的长度延伸。

另一方面，致动传输线路可以包括：多个刚性活塞；刚性管道，所述刚性管道容纳线性设置在该刚性管道中的一个或多个活塞，其中管道与致动电源机械连通，使得所述管道的致动通过活塞被传送到机器人机械手或者固定所述机器人机械手的至少一个基部；和用于保持线性设置在刚性管道内的活塞的线性移动中的刚性和摩擦的装置。此外对于该方面，刚性管道可以包括：一个或多个球体，如上述的线性设置在所述刚性管道中；和内部润滑套管，所述内部润滑套管设置在刚性管道的内表面与一个或多个球体之间。

在又一个方面中，致动传输线路可以以交替顺序包括一个或多个刚性管道区段，所述一个或多个刚性管道区段容纳多个刚性活塞和用于保持活塞的线性移动中的刚性和摩擦的装置，所述刚性活塞和所述装置均设置在刚性管道内，其中活塞与致动电源机械连通，所述致动电源致动固定机器人机械手的基部的多个部分或者致动器械的部件；和一个或多个可移动的挠性管道区段，所述挠性管道区段以线性设置容纳包括可更换介质的多个球体和每一个定位在相邻球体之间的多个环，其中柔性管道连接到刚性管道，使得刚性管道的致动通过刚性活塞被传送到多个球体和机器人机械手或者基部或器械。

在两个实施例中，计算机可以可触知地储存在具有处理器可执行指令的存储器软件模块中，以在以下部件中建立多个接口：至少机器人机械手、用于引导和运行机器人机械手的成像模态、用于收集关于过程区域处的组织的状态的多个成像或非成像传感器、用于收集关于机器人机械手的数据并测量一个或多个自由度的运动的多个传感器、和系统的操作者；接收从成像模态和多个传感器收集的数据并实时地生成过程区域的模型，如果需要则处理数据；对数据收集成像或非成像传感器产生和调节数据收集和通信指令的类型和时序；以及产生用于机器人机械手的静态或动态路径和轨迹，从而有效地避免或解决碰撞并准确地到达组织；对机器人控制模块生成用于机器人机械手的控制和与机器人机械手的通信的指令；将力和视觉反馈发送给操作者；和从操作者接收指令。

在本发明的另一个实施例中，提供一种用于在对病人的实时图像引导下执行机器人辅助外科手术过程的方法，包括以下步骤：如前所述，紧邻病人定位机器人系统；调节至少一个可移动、可旋转且可机械链接的基部的方向和位置，机器人机械手固定在所述基部上；通过成像模态对病人成像；通过成像期间电子获得的信息实时地将包括机器人系统的机器人机械手引导到病人的手术区域；和通过图像引导的机器人机械手对病人执行外科手术过程。对于该实施例，所述方法可以包括从一个或多个与机器人机械手配准的成像或非成像传感器获得信息，所述机器人机械手包括第一全球定位单元、第二单元和包括用于接收关于过程区域中的组织的附加信息的传感器的第三单元。

在两个实施例中，调节步骤可以包括：旋转、移动或旋转并且移动机器人机械手的基部以对应于用于成像的病人位置，使得机器人机械手的工作区包括手术过程区域；和将包括机器人机械手的基部固定在调节后的位置。在这些实施例的一个方面中，成像模态可以为磁共振，其中机器人系统紧邻病人定位在MRI腔室内。具体地，机器人机械手的定位可以计算机控制或者由操作者手动控制。另外，在两个实施例中，成像步骤可以包括在引导步骤之前将成像模态与机器人机械手共配准。另外，引导步骤可以包括通过机械链接的致动传输线路根据成像模态的坐标系在一个或多个自由度内致动机器人机械手。此外，执行步骤可以包括将与机器人机械手配准的一个或多个外科手术装置展开到病人内。

在本发明的又一个实施例中，提供一种用于外科手术过程的执行的磁共振图像(MRI)引导机器人，包括：全球定位器，所述全球定位器具有被构造成以至少一个自由度移动的至少一个可移动台和与磁共振成像系统连接的多个单元；至少一个可移动、可旋转且可机械链接的基部，所述基部上用于固定全球定位器，其中基部可移动地被定向为配合病人身上的外科手术过程区域；至少一个致动传输线路，所述致动传输线路包括柔性部件和刚性部件，所述柔性部件具有包括可更换介质的多个线性设置的球体，所述刚性部件具有多个线性设置的活塞或者其机械链接或电子链接到全球定位器以及致动电源并电子连接到包括计算机的机器人控制模块或者手控机器人控制器的交替组合，使得至少一个致动传输线路被构造成用于致动一个自由度的全球定位器；和链接到计算机的至少一个有线或无线网络所述网络可触知地储存在具有处理器可执行指令的存储器软件模块中以运行磁共振成像系统和机器人。对于该实施例，MRI引导机器人可以包括至少一个射频线圈，所述至少一个射频线圈紧邻全球定位器或包括全球定位器的全球定位第一单元或者机器人上的任何其它位置设置的，从而有效地成像工作区，其中射频线圈被构造成从MR成像系统发送和接收信号；和可选地多个对比标记，所述对比标记设置在机器人上或者机器人周围，从而有效地准确记录。在两个实施例中，机器人和包括所述机器人的部件包括与磁共振成像模态相容的材料。

在两个实施例中，可移动台中的两个或更多个可以设置成平行关系，其中机器人还包括在所述可移动台之间的至少一个机械连杆。另外，所述多个单元可以包括：构造成用于全球定位的至少一个第一单元；至少一个第二单元，第二单元中的一个可移动地链接到第一单元；包括一个或多个外科手术装置或模态的至少一个第三单元，所述第三单元中的一个可移动地链接到第二单元中的一个并通过第二单元可展开到人体中；和多个接口，所述接口与第一单元、第二单元或第三单元或者其组合以及计算机电子通信，所述单元中的每一个被单独或组合地构造成用于通过接口共配准。在另外的进一步实施例中，MRI引导的机器人可以包括设置在病人身体内部或外部的一个或多个成像或非成像传感器，所述传感器可与第一单元、第二单元或第三单元或者其组合配准。进一步地，全球定位器的第二单元、第三单元或者第二单元和第三单元可以包括可旋转地链接到一个或多个传感器的旋转元件。

在两个实施例中，多个球体可以被容纳在可移动挠性管道内，挠性管道进一步包括：设置在一对或多对相邻球体之间的多个环，其中多个环替换挠性管道内的一个或多个球体，其中所述环包括用于将球体定位在中心并减少管道内的摩擦的装置；和设置在挠性管道的一端或两端的可线性移动的第一塞状部件，其中所述塞与挠性管道和致动电源机械连通，使得所述塞的致动通过多个球体被传送到机器人机械手或者固定所述机器人机械手的至少一个基部。进一步地，挠性管道可以包括：沿着所述挠性管道的长度设置的一个或多个开口；和第二塞状连杆，所述第二塞状连杆定位在两个相邻的球体之间并延伸通过所述开口；或者在挠性管道外部通过开口可移动地与一个或多个球体接合的结构，其中第二塞状部件或所述外部结构直接或间接地与致动电源机械连通，从而通过所述机械连通传送致动。此外，对于该实施例，挠性管道可以包括：设置在挠性管道的内表面与多个球体内之间的内部润滑套管；和外部横向加固套管，所述外部横向加固套管环绕挠性管道的外表面设置并部分或全部沿着所述挠性管道的长度延伸。

在两个实施例中，多个刚性活塞可以容纳在与致动电源机械连通的刚性管道内，使得所述刚性活塞的致动通过多个活塞传送到机器人机械手或固定所述机器人机械手的至少一个基部，其中刚性管道可以还包括轴承，所述轴承线性设置在刚性管道内，从而保持活塞的线性移动中的刚性和摩擦。对于该实施例，刚性管道可以包括：设置在相邻的刚性活塞之间的一个或多个球体；和内部润滑套管，所述内部润滑套管设置在刚性管道的内表面与一个或多个球体之间。对于这些实施例，在致动传输线路中的柔性部件和刚性部件的组合中，柔性部件可以连接到刚性部件，使得刚性部件的致动线性传送到柔性部件，从而传送到全球定位器或固定所述全球定位器的至少一个基部。

在两个实施例中，可触知地储存在计算机存储器中的软件模块可以包括处理器可执行指令，以至少在以下部件中建立多个接口：全球定位器、用于引导和运行全球定位器的成像系统、用于收集关于过程区域处的组织的状态的多个成像或非成像传感器、用于收集关于机器人机械手的数据并测量一个或多个自由度的运动的多个传感器、和系统的操作者；接收从成像模态和多个传感器收集的数据并实时地生成过程区域的模型，如果需要则处理数据；对数据收集成像或非成像传感器产生和调节数据收集和通信指令的类型和时序；以及产生用于机器人机械手的静态或动态路径和轨迹，从而有效地避免或解决碰撞并准确地到达组织；对机器人控制模块生成用于机器人机械手的控制和与机器人机械手的通信的指令；将力和视觉反馈发送给操作者；和从操作者接收指令。

在本发明的又一个实施例中，提供一种用于对病人执行机器人辅助手术的实时磁共振图像引导方法，包括以下步骤：旋转、移动或旋转以及移动全球定位器的基部以对应于病人用于成像的位置，使得全球定位器的工作区包括手术过程区域；将包括机器人机械手的基部固定在已调节的位置处；使MR成像系统与全球定位器共配准；在一个或多个自由度内通过坐标系实时引导全球定位器对准病人的用于手术的区域，所述坐标系包括MR成像系统；和将与全球定位器的配准的一个或多个外科手术装置展开到病人中，从而在病人身上实时执行磁共振图像引导手术。对于该实施例，所述方法包括从与全球定位器配准的一个或多个成像或非成像传感器获得信息，所述全球定位器包括第一全球定位器单元、第二单元和第三单元，所述第三单元包括用于接收关于手术过程区域中的组织的附加信息的传感器。在两个实施例中，全球定位器可以为计算机控制或者由操作者手动控制。

本发明提供一种可用于大范围的外科手术和其它介入过程的机器人装置和系统以及用于致动所述机器人装置和系统的方法。通常，在没有限制或者遵守理论的情况下，机器人装置、系统及其使用可用于放射医学、心脏学、泌尿学、神经外科和/或普通外科，以操作任何介入或外科手术装置并连同实时成像引导过程，例如MRI或CT。所述系统能够多模态感测、对过程区域建模、机器人控制和人工连接。机器人系统包括高度适用于增加适用性、制造的通用性以及低成本的通用机器人机械手。

通常，机器人系统包括MRI相容的机器人机械手和致动器，所述机器人机械手可以在成像扫描仪的空间限制内操作，所述致动器可以在MR环境的超强磁场中操作。致动器提供用于消除本领域所公知的系统的限制的装置，例如在气动或液压致动器、特定阀或机构的情况下，消除对可压缩性、泄漏流体、用于适应活塞组件的冲程的附加空间以及成本的限制。机器人系统用于通过实时磁共振成像MRI执行外科手术或介入。该技术有助于在MRI扫描仪内执行对病人的手术过程，从而在过程期间实时或在任何一点提供介入或外科医生信息丰富的MRI数据。

因此，还提供用于快速配准和监控机器人机械手的操作的成像方法和软件。更具体地，在此说明的机器人机械手被构造成用于通过实时成像引导且尤其是通过磁共振成像MRI且此外还通过实时MR执行手术过程。因此，机器人机械手设计成能在MRI扫描仪的孔口(bore)内操作，同时病人位于MRI扫描仪或者任何其它对象内，例如示例，模拟的介入在所述对象上执行，例如幻影、或者动物模型上的活体内或组织样本上的活体外。在该上下文中，手术中的实时MRI用于引导操作者操作机器人并执行特定的过程。因此，通过MRI或其它成像模态(例如但不限于计算层析成像CT或正电子发射层析成像PET或超声波US)收集的外科手术前的图像可以用于优先进一步增强可获得用于引导机器人辅助过程的信息。

此外，在手术中，机器人机械手在其末端执行器上携带附加传感器，以收集关于组织的病理、结构和功能的局部信息以补充实时MRI。这些成像或非成像传感器优先提供通过传统实时MRI不能获得和/或以更高特异性或信号灵敏度的关于组织的病理的信息，例如癌症的分子特征的估计。外科手术中的感测的这种示例为超声波(US)、分光法、光学成像(例如，光学相干层析成像)、具有微线圈的MRI、触知或触觉感测、或者视频，但不限于此。机器人机械手用作用于对所有不同的模态或传感器共配准的装置。这由于传感元件的定位并因此由于询问的组织的定位通过其特定设计和制造对于机器人是已知的而能够使机器人的位置对于MR扫描仪坐标系是已知的，这是因为机器人初始被配准到MR扫描仪，并且每一个随后的位置对于MR扫描仪坐标系也是已知的。

在此提供的机器人机械手具有多个优点。所述机器人机械手具有低姿态，即小尺寸，因此适于位于成像扫描仪的孔口中。例如，机器人机械手被固定到基部上，这不会呈现类似于长臂式的悬臂结构，因此不需要大尺寸且重的结构来获得刚性。因此，整个机器人为具有低重量和低制造成本的较小构造。

机器人可以通过具有不同尺寸和设计的可互换的基部或机械改变的基部相对于对象被定位在不同方位。这进一步允许“一个机器人”接近病人的不同组织或不同方向或位置，从而进一步增加机器人的适用性。所述机器人可以在单个临床场所处由不同的专业人员用于不站点同类型的手术过程。该灵活性和适应性进一步增加机器人的商业价值。两个平行台式机器人机械手由于可以制造成不同尺寸、形状、致动冲程等以更好地配合特定应用，因此进一步降低制造成本。

包括用于机器人的远程致动的“刚性液体(rigid liquid)”的致动器还进一步增加用于MRI引导过程的机器人的商业价值。刚性-液体致动器不需要使用昂贵的压电致动器、或者易于发生故障的复杂结构、或者昂贵的气动或可压缩液压致动器。

机器人机械手是通用的全球定位器，该定位器可以容易地用于运载和操纵第三方原始制造厂家OEM的介入或外科手术器械。由此，这不意味着与现有技术竞争，而是为例如通过操纵OEM生产的工具与现有技术协作的工具。机器人机械手包括末端执行器，该末端执行器具有适用于连接、运载和操纵任何实际上当前使用的装置或者可以在将来生产的任何装置或者任何平直或可弯曲或可导向的装置的可互换接口。机器人机械手可以使用用于手术过程(例如但不限于组织冷(cryo-ablation)、借助于激光或射频的热烧蚀、活组织切片检查，包括但不限于芯体、真空辅助或细针抽吸FNA、具有多样本保持器的组合的多点FNA，例如旋转或线性前进回转和/或治疗剂或诊断剂的局部输送)的装置。

此外，机器人机械手可以使用在构造成用于扫描的装置中，其中传感器从外部放置到病人的身体，例如机器人安装的超声波。在这种情况下，机器人为机器人安装的传感器的托架和机械扫描仪两者。机器人还是机械连杆，所述机械连杆用于通过机器人机械手与主要导向模态的固有坐标系的初始和/或中断的配准共配准主要导向模态(例如，MRI)和机器人安装模态(例如，US或光学)。存在这种情况和/或存在空间共配准的外部装置，例如本领域公知的光学追踪。机器人机械手还可以被使用在用于通过在病人身体内的传感器扫描的装置(例如，机器人安装的US、光学成像、光谱仪、局部MRI等)中。

此外，机器人机械手可以运载外科手术工具或其它器械以执行单个端口进入的外科手术过程。多个机器人操纵器可以相组合，且每一个都运载补充外科手术或介入工具，以执行多口进入的外科手术过程。

如下所述，本发明提供许多优点和用途，然而这种优点和用途不受到这种说明的限制。本发明的实施例通过参照(一个或多个)附图被更好地说明，然而，这种参照不意味着将本发明限制在任何方式。在此详细说明的实施例和变型由所附权利要求及其等效形式来解释。

在本发明的优选实施例中以及如图1和2A-2B所示，机器人系统包括多个硬件部件，所述硬件部件连接到中央计算机100，所述中央计算机包括软件103并具有处理数据、对不同部件产生指令、使所述不同部件的操作同步并连系人与系统的中央计算核150。所述系统包括多个用于机器人机械手的控制的硬件和软件部件，所述硬件和软件部件包括具有相关联的常驻软件103的电子单元102，所述电子单元从中央计算机100接收指令以用于机器人机械手110的控制。单元102可以例如为嵌入计算单元，所述嵌入计算单元进一步包括多个模拟-数字转换器、计数器、数字-模拟转换器和数字输入/输出接口。

在一个优选实施例中且具体地参照图1A，单元102通过诸如一个或一束配线的连接件104连接到中央计算机及其相关联的软件模块，并且专用于机器人的控制，以接收为适当调制的电子信号形式的控制指令。通过连接件104接收的电子控制信号经由机器人机械手的独立操作、经由操作者输入的指令的手工操作或者通过独立操作和手工操作的组合由中央计算核150产生。

单元102通过致动传输连接件106与机器人机械手110连接以用于所述机器人机械手的远程及控制致动。单元102通过连接件108(例如，一个或一束配线)与机器人机械手110连接，以用于从一个或多个位置编码器(优选地为光学编码器)接收信号，所述位置编码器被适当地放置在机器人110的致动自由度或DoF上，以线性或旋转测量致动程度。单元102的计算部件(即，软件)还通过比较位置编码器信号108与指令信号104得到的闭合回路方案来调节机器人110的致动，并且生成内部适当的指令以调节通过致动传输连接件106提供的致动程度以准确地操纵机器人机械手110。

另外，在该优选实施例中，系统包括用于需要电子单元112的力反馈单元的控制的多个硬件和软件机构，所述硬件和软件机构具有相关联的常驻软件113，所述硬件和软件机构联接中央计算机100和力反馈或触觉装置120以将操作者连系到机器人机械手110和/或该机械手的多个传感器的控制。单元112可以例如为嵌入计算单元，所述嵌入计算单元进一步包括多个模拟-数字转换器、计数器、数字-模拟转换器和数字输入/输出接口，并且还链接到力反馈单元120的电动机控制器。单元112的计算部件软件进一步调节力反馈单元120的致动以将力施加到操作者，以在由“中央计算核”产生信息时提供关于过程的信息并从操作者接收引导指令用于机器人机械手110的回路中人工或半独立操作。

单元112通过双路连接件114(例如，一个或一束配线)与中央计算机及其专用于力反馈单元的控制的相关联的软件模块连接，以接收并发送为适当调制的电子信号形式的指令。单元112还通过连接件116(例如，一个或一束配线)连接到力反馈单元120的电动机控制器以用于所述电动机的致动。单元112进一步通过连接件118(例如，一个或一束配线)与力反馈单元120连接，以用于从一个或多个位置编码器接收信号，所述位置编码器适当地放置在力反馈单元120的致动DoF上以测量由电动机产生且由操作者启动的致动程度。

另外，在该实施例中，系统包括多个硬件和软件机构，所述硬件和软件机构用于与初始引导模态的成像扫描仪(例如，优选地为MRI扫描仪)通信，以用于：i)通过中央计算核的专用模块对扫描仪实时控制；以及ii)用于从扫描仪接收实时成像数据，以用于通过中央计算核的专用模块处理，所述中央计算核可以带有具有相关联的常驻软件123的电子单元122，链接中央计算机100和扫描仪的计算机130，所述计算机130进一步连接到扫描仪131，病人或操作的对象以及机械手110位于扫描仪131中。单元122可以例如为用于连接到扫描仪的局域网(LAN)以执行双路通信的集线器、和/或优先用于实时成像数据的实时计算的有效处理的数字信号处理DSP板。

系统的该部分包括单向连接件123、124，所述单向连接件可以或不能通过单元122，例如一个或一束配线，所述配线连接中央计算机及其专用于初始成像扫描仪的控制的相关联的软件模块，以将指令以适当调制的电子信号形式发送到扫描仪以即时调节，即作为介入过程发展、图像获取参数、准备阶段，所述图像获取参数包括但不限于成像平面的数量、位置和方向、图像的对比度，所述准备阶段调节组织的磁化以进一步增强剖析或组织运动或跟踪机器人。所述系统还包括用于将实时成像数据从扫描仪的计算机130输送到中央计算核101的单向连接件125、126。该单向连接件可以被实现为不需要单元122的存在和使用的直接物理连接125、126。因此，成像数据在中央计算核处被处理。可选地，单向连接件可以通过诸如DSP的单元122来实现，所述单元122通过直接物理连接125接收成像数据并容纳用于处理成像数据的软件。处理后的数据接着通过直接物理连接126被发送到中央计算核。使用单元122是用于进一步加速成像数据处理的优选方法。

此外，在该实施例中，所述系统还包括多个不为初始导向模态的机器人安装的传感器140和用于所述(一个或多个)传感器与系统的中央计算核通信的多个硬件和软件机构。这些传感器为成像类型的传感器、光谱型传感器、可视类型的传感器和定位类型的传感器，但不限于此，所述成像类型的传感器例如为用于内窥镜光学成像的传感器，例如光学相干层析成像、局部超声波、光声成像和具有微线圈的局部MRI等，所述光谱型传感器例如为用于内窥镜光谱的传感器，例如光感应荧光、拉曼光谱、具有RF微线圈的MR光谱等，所述可视类型的传感器例如为摄像机、力/触知类型传感器，所述定位类型的传感器例如具有用于基于MR定位的RF微线圈。多个机器人安装的传感器140进一步通过适当的装置142(例如，电缆和光纤)连接到具有相关联的常驻软件144的多个电子单元143，所述电子单元进一步通过适当的电缆连接到中央计算机100。单元143可以例如为用于传感器产生的信号的生成和处理的特定电路板、用于连接到传感器电子设备以执行双路通信的局域网(LAN)的集线器、或者优先用于实时传感器数据的实时和有效的计算处理的数字信号处理(DSP)板。

在所有这些实施例中且基于制造、商业或财政选择，多个电子单元102、112、122、143可以为下述单元：i)可以为与适当的接口(如本领域所公知的电子硬件的接口)相连接的单独单元；ii)可以具有与单个单元集成并用作插入现有个人计算机的插头的单元中的所有部分或一部分；iii)可以结合到可扩充形式的执行器中，例如PC 104，其允许增加为稳定、紧凑且可扩展形式的专用电路板。结构ii)和iii)从制造观点考虑可以优选的用于生产商业上更需要的单元。

在另外的优选实施例中且具体地参照图1B，机器人系统的中央计算核150包括专用于特定任务的多个软件代码，所述软件代码在此公知的是为模块，在所述软件代码中交换数据并与系统的计划操作和功能同步运行。这些模块可以以认为适合于计算有效的运行的任何方式来实现，例如但不限于每一个作为在多核中央处理单元的核上运行的专用线程、或者对专用硬件运行的模块的一部分，例如，嵌入的计算单元。中央计算核具有三个主模块。这三个模块生成中央计算核150的其它模块使用的指令和信息。

AoP模型模块152从主要导向模态和多个机器人安装的传感器接收处理数据并实时产生过程区域(AoP)的仿真模型。AoP模型接收和使用的数据已经通过专用于处理来自(一个或多个)主导向扫描仪和机器人安装的传感器的外科手术前和外科手术进行时的成像数据的软件模块即时地处理。这些数据被共配准模块151进一步处理，所述共配准模块将所有这些数据优先于关于机器人配准的主导向成像扫描仪的坐标系配准到相同的坐标系。

数据管理器模块155即时选择需要由主导向模态和机器人安装的传感器收集的数据收集的类型并调节数据收集的时序，以便通过AoP模型模块150生成AoP的仿真模型。当传感器为可控制类型时，该模块有效地控制成像扫描仪和传感器。该模块可以为基于“如果”语句的类似于树枝状晶体的方案、用于将数据训练为外科手术前的数据和一个侦察组(scout set)的外科手术进行中的数据或其组合的基于机器知识的代码。

运动管理器模块160包括生成机器人的路径和轨迹、检测碰撞、解决碰撞以及生成用于数据管理器模块155的指令的程序。

在本发明的其它优选实施例中，机器人或机器人机械手包括多个单元，所述多个单元单独地或者组合地为进入病人身体内以执行不同过程的不同选择，如在此所述。通常，机器人包括基本上保持在病人身体外的至少一个第一单元1050、由第一单元1050承载和操纵且部分保持在病人身体外和部分保持在病人身体内的至少一个第二单元1051、以及通过第二单元1051展开且可以为平直部1052或可弯曲部1053的至少一个第三单元1052，1053。例如，在1055处，多个单元在病人身体外部展开和操作，而在1056处，多个单元在病人身体内部展开和操作，或者同时存在这两种情况。包括静态件上的点和移动件上的点的任何一个点的位置相对于坐标系是已知的，所述坐标系在此被称为全局坐标系。单元1050、1051、1052还包括导向管线1101(参见图3)。

在一个优选实施例中且具体地参照图2A-2B，机器人由第一单元1050组成，所述第一单元在此被称为在整个过程中基本上保持在病人身体外的机器人全球定位单元(rGPU)或者全球定位器。rGPU包括通过永久或优先可拆卸的机械装置承载第二单元1051的多个机械致动组件。rGPU还包括至通常远程定位以用于可控致动其机械组件的致动源1055的物理或机械连杆1054。连杆1054是用于将致动从远程致动源1055传送到第一单元1050的装置，其中所述远程致动源通过致动器供应的能量或者通过操作者的人力来操作，所述致动器例如为电磁电动机或压电电动机、液压装置、气动装置或者其它这种装置。

在该实施例中且继续参照图2A-2B，图3示出了第一单元1050的致动组件的机械设计和动态结构，所述第一单元可以执行联合运动和同步运动以在3-维(3D)空间中操作且可以沿着管线1101对准第二单元1051，所述管线在此称为导向管线。导向管线由两个点C_A和C_B限定，其中所述两个点的空间坐标C_A(X_A(t)，Y_A(t)，Z_A(t))和C_B(X_B(t)，Y_B(t)，Z_B(t))随着时间变化且随着时间对于全局坐标系是已知的。点C_A和C_B经历连续的动态3D运动，因此导向管线1101是动态的。可选地，在特定情况下，两个静态且暂时不变(即，静态)的点C_A和C_B及其静态空间坐标C_A(X_A，Y_A，Z_A)和C_B(X_B，Y_B，Z_B)对于全局坐标系是已知的。点C_A和C_B在空间上是固定，因此导向管线1101是静态的。

在另外可选的实施例中，第一单元1050和第二单元1051的任何部分的精确位置现在都相对于全局坐标系，并且该认知优先地基于计算机手动或优先执行的步骤而被提取，所述计算机控制机器人：1)使机器人初始配准全局坐标系；2)连续且实时地对机器人的位置编码器进行取样；和3)将位置编码器数据供给到描述机器人的多个向前动态方程。在另一个可选的实施例中，第二单元1051保持在病人身体外，第三单元1052的尺寸薄到用于针中，以用于经过完整皮肤的经皮过程，例如高频或热或冷切除、活组织检查等。

优选地，机器人通过在病人皮肤上切割且具体地使用第三方端口1100进入病人身体内，所述第三方端口如本领域已知且是标准的用于单端口进入外科手术或腹腔镜外科手术或者其它这种类型的最少侵入的外科手术，并且基本上允许如本领域专业人员已知在这些类型的端口中穿过操纵外科手术或介入工具，所述工具具有用于以3D体积提供外科手术或介入工具的自由成角度或枢转的机械装置，所述机械装置为锥形形状以用于根据特定端口的设计进入病人身体中的不同区域。此外，根据第三方端口的特定设计和制造，端口允许绕着特定点(E)枢转，所述特定点在此被称为“点约束”端口，并且允许枢转和侧向运动，在此被称为“自由悬浮”端口。

在另一个优选实施例中且参照图4A-4C，根据过程的特定需要、第三单元1052，1053的特定设计、第二单元1051和端口1100的特定组合的设计和操作方法、单元1051和第三单元1052，1053的特定组合的设计和操作方法、或者上述的任何组合，机器人通过这种端口以至少三种可选方式进入病人身体内，但所述方式不限于此。

首先，参照图4A，第二单元1051基本上保持在端口外，第三平直单元1052整个通过端口并延伸到病人身体中。其次，参照图4B，第二单元1051的远端部进入端口中，第三平直单元1052整体延伸到病人身体中。第三，参照图4C，第二单元1051的远端部进入端口中并进一步延伸超过端口的边缘，从而限定空间中的点R，以操作优先可弯曲/可转向的第三单元1053，所述第三单元整体延伸到病人身体中以绕着组织实体操作，所述组织实体例如为活性合金结构或者基于外科手术过程碰撞、刺破或贯穿的结构。

优选地，对于实时已知的是目标点(t)的坐标X_T(t)，Y_T(t)，Z_T(t)由成像或其它相同的方法相对于全局坐标系是已知的，端口点(E)中的所述约束点的坐标X_E(t)，Y_E(t)，Z_E(t)由追踪方法相对于机器人是已知的，或者如果相对于机器人是静态的并进而由机器人的向前运动或者基于追踪方法或相同方法的成像对于所述部分延伸到病人身体中的第二单元1051的远端点的全局坐标系和坐标X_R(t)，Y_R(t)，Z_R(t)是已知的。

在另一个优选实施例中且参照图5A，第二单元1051通过(E)点约束端口1100根据图5B中的流程图操作平直第三单元1052以到达目标组织(T)，所述流程图由实时且即时地手动或优先通过机器人的所述计算机或控制器执行的处理组成，以便第三单元1052沿着平直轨迹1101对准和前进。这通过首先计算关于全局坐标系的算术参数以用于限定(即，使得已知)连接点(E)和(T)的静态或动态直线来实现，所述直线被称为“管线{E-T}(t)”，以上操作使用：1)由成像或其它相同的方法基本上关于全局坐标系计算的目标点(T)的坐标X_T(t)，Y_T(t)，Z_T(t)；和2)由追踪方法基本上计算或已知所述约束点在端口点(E)中关于机器人的坐标X_E(t)，Y_E(t)，Z_E(t)，或者如果其关于机器人是静态的则进而对于全局坐标系是已知的。下一个步骤包括关于全局坐标系计算更新的点坐标C_A和C_B，即X_A(t)，Y_A(t)，Z_A(t)和X_B(t)，Y_B(t)，Z_B(t)，所述计算分别使用：1)机器人的特定运动学设计，并且如众所周知，通过该机器人的设计和构造具体地是但不限于第一单元1050的动态结构，包括稍后在本发明中提供的设计或者根据空间中的所述两个点C_A和C_B的操作来操作器械的任何其它第三方机器人；和2)机器人到全局坐标系的初始配准。接着，更新计算的C_A和C_B坐标被转换成用于进一步致动第一单元1050的致动部分的指令。最后，这些指令被提供给机器人控制器，所述机器人控制器进一步控制机器人的致动器。

在另一个优选实施例中且参照图6A，如示例，根据由实时且即时手动或优先执行的处理组成的图6B中的流程图，第二单元1051经由(E)点约束端口1100通过机器人的计算机或控制器操纵可弯曲/可转向第三单元1052沿着大致弯曲路径1112到达目标组织(T)以避开对象1112，使得第三单元1052沿大致弯曲路径1112而行。这包括：由成像或其它相同的方法根据基本上关于全局坐标系计算的目标点(T)的坐标X_T(t)，Y_T(t)，Z_T(t)来基本上计算在第二单元1051的末端处的关于全局坐标系的坐标X_R(t)，Y_R(t)，Z_R(t)；端口点(E)中的所述约束点的坐标X_E(t)，Y_E(t)，Z_E(t)由跟踪方法基本上关于机器人计算或已知，或者如果相对于机器人是静态的，则进而对于全局坐标系是已知的，机器人的特定动态设计，具体地但不限于第二单元1050的动态结构和可弯曲/可转向的第三单元1053，如众所周知的该机器人的设计和构造，包括本发明中稍后提供的设计或者具有类似于可弯曲/可转向的延伸部分的特性的任何其它第三方机器人。

下一个步骤包括：使用由成像或者其它相同的方法大致关于全局坐标系计算的目标点(T)的坐标X_T(t)，Y_T(t)，Z_T(t)、由追踪方法大致关于机器人计算或已知的端口点(E)中的所述约束点的坐标X_E(t)，Y_E(t)，Z_E(t)，大致计算关于全局坐标系的算术参数，以用于限定关于全局坐标系的静态或动态直线(即，使得所述直线已知)，所述直线连接点(E)和(R)且被称为“管线{E-R}(t)”。如果所述直线相对于机器人是静态的且进而对于全局坐标系是已知的，则所述步骤包括：使用机器人的特定动态设计，具体地为但不限于第一单元1050的动态结构，如众所周知通过该机器人的设计和构造，包括在此提供的设计或者根据空间中的两个点C_A和C_B的操作来操纵器械的任何其它第三方机器人、以及对全局坐标系的机器人的初始配准，来分别计算关于全局坐标系的点C_A和C_B的更新坐标，即X_A(t)，Y_A(t)，Z_A(t)和X_B(t)，Y_B(t)，Z_B(t)。下两个步骤包括：将更新计算的C_A和C_B坐标转换成用于第一单元1050的致动部分的进一步致动的指令并将这些指令提供给机器人控制器，所述机器人控制器进一步控制机器人的致动器。

在又一个优选实施例中且参照图7A，第二单元1051根据图7B中的流程图通过自由浮动(无约束)端口1100操纵平直的第三单元1052到达目标组织(T)。这些处理实时且即时地由计算机或者机器人的控制器手动或优先执行，以通过平直轨迹1101指令第三单元1052。第一步骤包括：使用：1)由成像或其它相同的方法大致关于全局坐标系计算的目标点(T)的坐标X_T(t)，Y_T(t)，Z_T(t)；2)机器人的特定动态设计，具体地为但不限于第一单元1050的动态结构，如众所周知通过该机器人的设计和构造，包括本发明中稍后提供的设计或者根据空间中的所述两个点C_A和C_B的操作来操纵器械的任何其它第三方机器人；和/或3)端口1100的特定设计和尺寸，具体地为但不限于所述第二单元1051和/或第三单元1052的端口的通道的尺寸，其中机械手经由所述端口进入病人或动物的身体或其它结构内，来计算关于全局坐标系的算术参数，以用于限定(即，使得已知)通过(T)和点C_A和C_B的静态或动态直线，所述直线被称为“管线{CA/CB-T}(t)”。

第二步骤包括：使用：1)机器人的特定动态设计，具体地为但不限于第一单元1050的动态结构，如众所周知通过该机器人的设计和构造，包括本发明中稍后提供的设计或者根据空间中的所述两个点C_A和C_B的操作操纵器械的任何其它第三方机器人；和2)将机器人初始配准给全局坐标系，来分别计算点C_A和C_B关于全局坐标系的更新坐标，即X_A(t)，Y_A(t)，Z_A(t)和X_B(t)，Y_B(t)，Z_B(t)。下两个步骤包括将更新计算的C_A和C_B坐标转换成用于第一单元1050的致动部分的进一步致动的指令并将这些指令提供给机器人控制器，所述机器人控制器进一步控制机器人的致动器。

在另一个优选实施例中且参照图8A，如示例，根据由实时且即时通过所述计算机或机器人的控制器手动或优先执行的处理组成的图8B中的流程图，第二单元1051经由自由浮动(无约束)端口1100操纵可弯曲/可转向的第三单元1052沿着大致弯曲路径1112到达目标组织(T)以避开对象1112，以指令第三单元1052沿大致弯曲路径1112而行。第一步骤包括：根据：1)由成像或其它相同的方法大致关于全局坐标系计算的目标点(T)的坐标X_T(t)，Y_T(t)，Z_T(t)；2)机器人的特定动态设计，具体地为但不限于第二单元1050和可弯曲/可转向的第三单元1053的动态结构，如众所周知通过该机器人的设计和构造，包括本发明中稍后提供的设计或者具有可弯曲/可转向的管状延伸部分的特性的任何其它第三方机器人；和3)端口1100的特定设计和尺寸，具体地为但不限于所述第二单元1051和/或第三单元1053的端口的通道的所述尺寸，其中机械手经由所述第二单元和/或第三单元进入病人或动物的身体或者其它结构内，来大致计算在第二单元1051的末端处关于全局坐标系的坐标X_R(t)，Y_R(t)，Z_R(t)。

第二步骤包括：使用：1)由成像或其它相同的方法大致计算关于全局坐标系的目标点(R)的坐标X_R(t)，Y_R(t)，Z_R(t)；2)机器人的特定动态设计，具体地为但不限于第一单元1050的动态结构，如众所周知通过该机器人的设计和构造，包括本发明中稍后提供的设计或者根据空间中的所述两个点C_A和C_B的操作来操纵器械的任何其它第三方机器人；和3)将机器人初始配准到全局坐标系，来大致计算算术参数以用于关于全局坐标系限定(即，使得已知)通过(T)以及点C_A和C_B的静态或动态的直线，所述直线被称为“管线{CA/CB-R}(t)”。下两个步骤包括将更新计算的C_A和C_B坐标转换成用于第一单元1050的致动部分的进一步致动的指令并将这些指令提供给机器人控制器，所述机器人控制器进一步控制机器人的致动器。

在另一个优选实施例中且参照图9，致动的第一单元1050被制造成为两个平行平面结构，包括包含用于点C_A的二维移动的机械装置的第一平行四边形1400、以及包含用于点C_B的二维平移的机械装置的第二平行四边形1410。优选地，双台机器人被固定到在此被称为“机器人基部”的结构或框架上，以提供机器人平面相对于病人的位置和方向。该位置和方向进一步通过介入过程的具体需要来确定，这是因为这通过但不限于以下因素来确定：1)病人的尺寸；2)机器人将操纵的介入工具(涂药器)的尺寸；3)目标组织的位置；4)进入通道、进入路径或进入轨迹的大致方向；和5)外科手术和介入医学领域的技术人员知道的其它原因。固定作为需要还为机器人提供稳定性和刚性以执行所述过程。

另外，在这些优选实施例中，机器人基部为框架，包括：1)连接装置，所述连接装置提供优选的机械手段来将机器人固定到“机器人基部”上，例如但不限于螺钉或紧固件方式；2)优选的机械手段，用于将机器人基部固定到在上面执行所述过程的病人躺椅、成像扫描仪或手术台上；3)代替的优选手段，用于将“机器人基部”固定到布置在房间地板上的另一个基部或框架上，并且不使用成像扫描仪或手术台的任何部分；和4)可选的优选手段，用于将“机器人基部”固定到从房间房顶悬下的另一个基部或框架上，并且不使用成像扫描仪或手术台的任何部分。另外，优选地，上面固定机器人的机器人基部连接装置在制造时设置在适当位置或者由操作者相对于病人固定在适当的位置，以调节机器人的进入工作区，该位置可以根据外科手术前的图像或者操作者的经验来确定。

另外，优选地，机器人基部具有移动式连接装置，机器人固定在移动式的连接装置上，并且所述移动式的连接装置在所述过程期间可以手动以及预先可操作地调节或者手动地重新调节。这会对于整个过程过部分过程通过操作者借助于游标尺或平面滑动或者成角度以及固定到该位置来预先可操作地提供机器人位置的“全局”调节。这种调节包括但不限于正交轨道和旋转轴线，其中连接装置滑动到所述正交轨道上以调节机器人在连接装置的平面上的相对位置，所述旋转轴线用于调节连接装置的角度，并因此相对地调节机器人的平面。可选地，机器人基部具有移动式连接装置，机器人固定到移动式的连接装置上，所述移动式的连接装置在所述过程期间可以通过远程致动器的致动被预先可操作地以及手术中手动重新调节地远程致动。这会提供机器人的位置的全局调节。这种调节在此说明手动调节。

在另一个优选实施例中且参照图10A-10D，描绘机器人平台适应病人的位置的灵活性。通常，病人1520可以以俯卧姿势或仰卧姿势位于手术台或成像扫描仪的床1511上，和/或机器人1100可以固定到基部1510上，所述基部基本上以使机器人的工作区1530基本上提供进入组织的目标区域1531的方式将机器人放置成在病人身体之上。该实施例的一个方面，如图10A-10B中所示，病人1520以俯卧或仰卧姿势位于手术台或成像扫描仪床1511上，机器人基部1510通过适当的接卸装置1512被固定到手术台或成像扫描仪床1511上，所述机械装置根据病人床的特定设计可以包括但不限于键、紧固件和螺钉/凸出件(bold)。另一方面，病人1520以俯卧或仰卧姿势位于手术台或成像扫描仪床1511上，机器人基部1510具有桥形状，如图10C中所示，所述桥形状越过病人身体的整个宽度且通过其结构的两个支腿或延伸部(每一个支腿或延伸部在病人的相应的一侧)而稳定。在另一个方面中，病人1520以俯卧或仰卧姿势位于手术台或成像扫描仪床1511上，机器人基部1510具有在病人身体的部分上悬伸的一个支腿形状，如图10D中所示，并且进一步地，该形状的机器人基部可以根据组织1531的目标位置被固定到病人侧部中的左侧或右侧。

在该实施例中且参照图10E-10M，描绘病人相对于机器人装置的进一步位置。一方面，如图10E中所示，病人1520以仰卧或俯卧姿势位于成像扫描仪床或手术台1521上，并且机器人装置1500通过机器人基部1510以使机器人的工作区1530进入骨盆腔区域的方式相对于病人床或手术台1521正交放置，以用于例如介入前列腺或宫颈中，其中所述机器人基部被制造成为例如连接装置，机器人被固定在所述连接装置中，以该方向放置机器人。另一方面，如图10F中所示，病人1520以相对于成像扫描仪床或手术台1521正交的方向以她的/他的侧面躺，并且机器人装置1500通过机器人基部1510并且以使机器人的工作区1130在该位置处进入病人的方式相对于病人床或手术台1521正交放置，其中所述机器人基部被制造成例如连接装置，机器人固定在该连接装置上，以该方向放置机器人。在另一个方面，如图10G中所示，病人1520相对于成像扫描仪床或手术台1521以成角度的仰卧或俯卧姿势躺卧，病人1520被支撑在楔形或其它适当形状的缓冲支撑件1533上，并且机器人装置1500通过机器人以使机器人的工作区1530进入病人的特定需要的区域的基部1510以由操作者根据外科手术或介入医学的技术选择的适当角度放置，从而允许将机器人固定件成角度地连接到机器人基部上，其中所述机器人基部由机械组件1513制造而成，所述特定需要的区域能够更好地进入或者更好地显露以在病人的该方向进入。

在另一个方面中，如图10H中所示，病人1520相对于成像扫描仪床或手术台1521以仰卧或俯卧姿势躺卧，并且机器人装置1500通过机器人基部1510以由操作者根据外科手术或介入医学技术选择的适当角度放置，所述机器人基部通过机械组件1513制造而成，从而允许以使机器人的工作区1530估计用于神经外科过程的病人头部的特定需要区域的方式成角度地将机器人固定件连接到所述机械组件上。在又一个方面中，如图10I中所示，病人1520相对于成像扫描仪床或手术台1521以仰卧或俯卧姿势躺卧，并且机器人装置1500被固定到机器人基部1515的连接装置上，所述连接装置被制造成提供用于机器人绕着病人头部整体定位的拱形轨道，以便为神经外科过程提供适当的工作区。在另一个方面中，如图10J中所示，病人1520相对于成像扫描仪床或手术台1521以仰卧姿势躺卧，并且机器人装置1500通过机器人基部1510以由操作者根据外科手术或介入医学的技术选择的适当角度放置，所述机器人基部通过机械组件1513以使机器人的工作区1530估计用于经鼻操作的病人的鼻腔的方式制造而成，从而允许上面固定机器人的连接装置形成角度。在另一方面中，如图10K和图10L所示，病人1520相对于成像扫描仪床或手术台1521以仰卧或俯卧姿势躺卧，并且机器人装置1500固定到机器人基部1515的连接装置上，所述连接装置被制造成提供用于机器人绕着病人身体的一部分全局定位的拱形轨道，所述部分具有使得需要环绕进入的形状和组织，并且身体的该部分例如为相当小尺寸的柔软部或肩膀以用于整形外科过程，例如具有成像导向的关节内窥过程。在又一个方面中，如图10M中所示，机器人装置1500被进一步用于胸部过程，例如活组织检查、关于胸部的治疗等。

通常，在这些实施例和方面中，根据本领域技术人员的公知常识，对于机器人、机器人基部和机器人系统的任何其它部件的构造，所有使用的材料有限地相容且安全地与特定的成像模态一起使用。另外，材料被选择成使相对于彼此移动的两个对象触碰的所有表面或点之间的摩擦最小化。在非限制性示例中，相对于彼此移动的任何部分的接触面(具有低摩擦层)可以持久或者重新应用。

在又一个优选实施例中且参照图11A-11H，双台机器人对于致动部分的特性可重构且具有多功能。这些结构可以以制造水平来实现，其中用户根据病人尺寸、过程等获得不同尺寸的机械手。另外，这些结构可以以机械手的设计来实现，并且以使操作者(用户)可以在现场进行选择(根据病人尺寸、过程等)的方式制造而成。这些不同的结构在控制软件中需要不同的静态或可变参数，而不必须改变动态方程。所述参数可以为制造商提供或者由操作者根据现场的选择来选择的加载先验结果。

一个可重构选择可以为两个台之间的距离，如图11A和图11B中所示。另一个可重构的选择可以为两个台的相对位置，所述相对位置可以沿着一个或两个轴线来调节，从而允许大范围的偏置角，如图11C和图11D中所示。然而，其它可重构的选择也可以为介入工具可以被分配成横向于两个台的平面，图11E所示，或者可以限制在两个台之间，如图11F中所示。然而，如图11G和图11H中所示，更多可重构的选择可以为台的长度可以被制造成不同尺寸，以便适应更宽或更窄的工作区和/或减小机械手的尺寸。这些重新构造以及用于重新构造现场的机械手的任何其它想得到的形状和/或尺寸改变作用可以进一步在外科手术前手动执行，并且在这种情况下，可以选择特定的选择，或者可以使用额外的远程致动管线在手术中执行。

在又一个优选实施例中且参照图12A-12D，并且具体参考成像模式为磁共振成像(MRI)，对于机械手用于射频(RF)线圈的适当布置可以进一步增强MR图像的质量。这些布置包括考虑RF线圈或任何其它装置的尺寸、位置或组合。所述RF线圈布置用于提高信号接收的灵敏度和MR图像的SNR的综合改进，并且具体地在过程的区域中辅助接近并局部传送为脉冲或RF脉冲的脉冲序列的形式的RF功率，以用于在所述区域处或者在过程区域的附近选择性地操纵组织的磁化，作为示例但不限于用于FOV减小的信号抑制、用于追踪运动的波带或其它这种应用。

在该优选实施例的一方面，如图12A中所示，RF线圈连接到机器人的基部上且位于相对于病人身体的坐放位置。可选地，RF线圈连接到机器人的移动部件上并优先至其第二单元上且能够相对于病人身体移动。另一方面，如图12B中所示，RF线圈连接到病人或者两侧，用于在执行操作的区域处局部提高SNR一个或多个RF线圈。在又一个方面中，如图12C中所示，具有多个RF线圈组，并且一组优先放置到病人身体上，而另一组优先放置到机械手上。在该方面中，两组可以实现为两个单独的线圈组，即每一组连接到MR扫描仪上的单独专用的RF信道。此外，两个RF线圈组用于以交替方式从每一组收集一个图像或互补图像。对于该情况，两个图像可以通过本领域已知的装置被叠加或更进一步地处理，以便将所述两个图像熔合在一起。可选地，所述两组可以被实现为单个RF线圈组。在又一个方面中，如图12D中所示，机械手可以使用本发明的适当软件进一步和当前商业的RF线圈一起使用，所述软件通过商业线圈的开口绘制可用的入口且用于该特定的机器人。因此，机器人将具有甚至更宽应用范围。

在本发明的又一个优选实施例中，机器人机械手的软件还包括软件模块，所述软件模块专用于对基部1510的类型的选择进行预先可操作的分析以及确定基部相对于病人身体的位置，使得机器人机械手的工作区1530基本上被放置成包括目标区1531。这要考虑介入区域的剖析、介入区域处的组织的动态运动以及辅助特定动态特性的机器人操作运动的约束。

所有这些优选实施例的示例以及参照图13，描绘适应磁共振成像的机器人机械手，并且举例说明机器人机械手作为具有多个自由度(DoF)的两个平行双轴线正交笛卡尔台操作，在图中按比例示出，机器人机械手可以相对于MR扫描仪的坐标系放置在任何方位以更好地配合具体过程。机器人机械手可以由非金属且导电的材料构成，例如钛石墨加强复合材料、玻璃纤维和塑料。所述装置被设计成用于图像导向的内窥镜外科手术或其它单端口进入外科手术。

在又一个优选实施例中且参照图14A-14D，机器人1053的第三单元可弯曲以到达目标区。产生所述弯曲的可选装置可以包括具有成角度的滑动件的管子、刚性弯曲调节器或者预先弯曲的元件。该实施例的一方面，如图14A中所示，第三单元1053由前后三个部分组成：1)第一平直部1602，所述第一平直部从机器人的第二单元1501的末端1608延伸并具有关于点1608测量的长度L1；2)第二可弯曲部1604，所述第二可弯曲部以角度Fl弯曲，所述角度被限定为第一部1602的长轴线1610与第三部1606的轴线1612的相交角度；和3)第三平直部1606，所述第三平直部具有长度L2。此外，第三单元1053具有多个部件，所述多个部件单独被致动以调节：1)第一平直部1602的长度L1；2)弯曲度Fl；3)第三平直部的长度L2；和4)整个第三单元绕着轴线1610的旋转F2。另一方面，如图14B中所示，这四个致动机构限定四个自由度DoF，因此允许第三单元的末端1614到达气缸上的任一点，从而运送并定位介入工具或治疗元件(例如，人工瓣膜或涂药器)至目标区或组织。

在又一个方面中且参照图14C，第三单元1053由部件1620组成，所述部件基本上比其其它部件更硬且其沿着轴线1610的轴向运动限定长度L1，所述长度基本上对应于沿着第三单元的长轴发生的弯曲量。在所述第三单元的末端处，部件1620还承载另一个部件1622，所述另一个部件将被称为“弯曲”元件，所述弯曲元件具有机械致动元件或用其它方式致动的元件，以用于引发相对于轴线1610的弯曲或形成角度。弯曲元件还直接或者通过首先使较短套管1626弯曲来使第三单元的外部外壳1624弯曲。外部套管进一步沿着所述第三单元的长轴移动且在所述外部套管伸出时限定长度L2。

在又一个方面中且参照图14D，弯曲元件由预先弯曲元件构成，所述预先弯曲元件可控制地延伸以限定弯曲度和弯曲伸长。在另一个方面中且参照图14E，弯曲元件由单管柱拉动装置构成，所述单管柱拉动装置在通过致动器被拉动时引起可控制地弯曲度和弯曲范围。在又一个方面中且参照图14F，弯曲元件由两个圆筒构成，所述圆筒以成角度方式被切断且相对于彼此旋转以引起可控制的弯曲度和弯曲范围。

在又一个优选实施例中，提供一种用于机器人操纵器的远程致动器和用于远程致动的装置。远程致动说明了用于致动机器人的动力通过所述装置由机器人远程产生并接着通过“致动管线”从该场所被传送到机器人。该动力可以被从计算机或电子控制的致动器提供到致动管线，所述致动器需要来自能量源的诸如电力的输入或者通过操作者的人工动力手动致动，所述致动器的示例包括但不限于电磁致动器、压电致动器、液压致动器、气动致动器或任何其它类型的致动器。

在此使用的“刚性液体”表示远程致动器。刚性液体是本发明的中心方面且基于主要为液压或气动致动的操作以及传输系统，其中液体或气体由刚性元件代替，例如但不限于球体和活塞及其任何组合。术语“管子/管道”说明提供使“刚性液体”在其中移动的管道的管子。术语“(一个或多个)致动管线”说明电源与机器人之间用于传送致动的连接件。优选地，机器人机械手通过致动器远程致动，所述致动器例如为但不限于电磁电动机(EMM)，所述电磁电动机距离机器人机械手一定距离且致动通过多个传输线路或者在此称为的致动管线或致动传输线路传送。至少一个传输线路被构造成用于致动一个自由度的机器人机械手或机器人。

在该优选实施例中且参照图15，致动管线的整体或其一部分类似传统的液压或气动系统之处在于所述致动管线包括受控致动器2301，所述受控致动器通过使占据连接致动器2301和敷涂器2302的管道2303(即，软管)内的空间的介质移动来大致致动远程定位的敷涂器2302。致动管线可以整体或部分地为柔性、刚性或者可以为刚性及柔性部分的组合。

在本发明的另一个优选实施例中且参照图16A，可移动介质包括一连串的球体2306，所述球体填充管道或容纳管道2305内的空间并通过两个活塞状插塞被容纳，一个插塞2307位于致动器2301的近端，而另一个插塞2308位于敷涂器2302的远端。致动器2301使活塞状插塞2307移动，所述插塞进而在容纳管道2305内推动多个球体2306并使球体前进，所述球体接着移动并进一步使活塞状塞2308线性移动，所述插塞2308进而在敷涂器2302的远端处提供远程的直线致动。另外，球体的半径R球体与容纳管道2305的内部直径或内径IDR_管相比为R_管/2＜＝R_球体＜R_管。可选地，R_球体≈(但小于)R_管，如图16B和图16C中所示。

在本发明的该优选实施例中且参照图16B和图16C，具有外径(OD)R环的环或垫圈2310和2312放置在两个相邻的球体或者一对或多对相邻球体之间。优选地，这被实现为消除例如但不限于保持球体中心的必要性，可以消除相邻球体之间的会沿相反方向驱动球体的摩擦力，以及可以消除球体与容纳管2305的内壁之间的摩擦，如图16C中所示。环或垫圈可以具有将球体保持以间隙2312位于一定距离处以防止球体彼此摩擦的横向内径(ID)。

一方面，如图16B中所示，环或垫圈2310的直径R环小于容纳管子的ID，R_环＜R_管。另一方面，如图16C中所示，环或垫圈2311的外径R_环略微小于容纳管的ID，即，R_环≈(但小于)R_管。在致动器的这些优选实施例中，致动管线根据本领域技术人员的常识来构造。具体地，所有使用的材料优先是适用特定的成像模态且与该成像模态安全地一起使用。另外，材料被选择成使两个对象相对于彼此移动触碰的所有表面或点之间的摩擦最小化。非限制性地，容纳管道的内表面可以对球体或环/垫圈或活塞具有低摩擦，这是因为：(i)构成容纳管道整体的材料；和/或(ii)可以持久或重新应用的低摩擦层的存在。

优选地，球体2306由刚性、不可压缩、无弹性的材料(例示但不限于玻璃、高强度聚合物、增强聚合物、复合材料、不锈钢等)制成。球体2306、环/垫圈2310，2311、容纳管道2305或其涂覆层的内表面的材料优先地从本领域所公知的使得相对摩擦力最小的材料中选出。

根据另一个实施例且参照图16D，串线或柔性配线2316可以通过球体内形成的通道且沿着其横向直径允许实施推-拉作用线。在该实施例的一个方面，串线或配线在其末端处被固定。

另外，在本发明的这些优选实施例中且参照图16E-16F，显示了制造传输线路2300所需的管道2305、球体2306和环、垫圈或衬套2310或2311部件的特征参数。在图16E中，包括管道、球体、衬套的传输线路具有长度LL。每一个典型的球体都具有直径SpD，并且管道具有内径TubD或ID R_管，参照图16A。典型的衬套在球体之间具有长度BhL并具有内径BhD。这些参数还影响线路关于摩擦度、运送力、操作带宽和线性的性能。间隙可能被要求使得SpD＜TuD且用于保持球体的对准。减少球体数量以减少摩擦，可以增加衬套长度BhL。更长的衬套进一步减小摩擦并增加传送效率。

优选地，管道由柔性的不可膨胀(即，在横向力下不会改变直径)且轴向无拉伸的材料制成。后两个特性对保持管线的线性和不可压缩性很重要。因此，参照图16F中的横截面图，管道2305可以还包括提供润滑的内套管状部件2317和沿着横平面提供刚性且不可膨胀的外套管2319。外套管可以包括标准或改变的材料并类似于气动或液压管线被制成。

在本发明的又一个优选实施例中且参照图17A-17G，容纳管可以包括开口和键/连接件。如图17A中所示，容纳管2305具有一个或多个具有弧形的开口2320，所述弧形被适当地选择成“小”到足以：(i)防止球体2306和环/垫圈2310脱落；以及(ii)无论如何都不会影响例如对准的变位、刚性液体的平移运动。在可选的方面中，可以具有在R_球体大于R_环时(如图17B中所示)以及在R_球体小于R_环时(如图17C中所示)通过开口2320穿过致动管线的切口。具体地与传统的气动和/或液压致动器相比，“刚性液体”方法提供通过本领域所公知的适当的机械制造工艺、沿着容纳管的长度传送致动的一个或多个开口2320产生的独特益处，该特性为实现致动提供独特的设计和制造能力。

在此称为键/连接件且具有插塞状结构的零件/部件2325延伸到开口2320的外部，并且另外为在容纳管2305内移动的块状件2326的一部分，如图17D中所示，或者是一个或多个环/垫圈2327的延伸部，如图17E中所示，所述零件/部件2325延伸的方式为随着“刚性液体”在容纳管2305内前进，使块状件2326和/或环/垫圈2327移动，从而使键/连接件2325沿着致动管线的轴线且与刚性液体同步地移动。优选地，键/连接件2325连接到器械2328，所述器械优选位于容纳管/致动管线的外部，并且平行于致动管线且与刚性液体在容纳管/致动管线内的运动同步地移动。

致动器械2328在轨道上滑动，所述轨道可以或者不可以与刚性液体的运动有关。如图17F中所示，致动器械2328为下述装置或者连接到下述装置：1)机器人机械手的敷涂器并沿着直线DoF平移该敷涂器；2)机器人机械手的敷涂器的DoF中的一个的机械结构并沿着该轴线移动；3)用于测量致动引起的准确移动的位置编码器的移动元件；4)任何形式的位置测量装置的移动元件，例如但不限于基于光的测量装置的反射元件，以用于测量致动引起的准确移动；5)基准标记器，所述基准标记器与应用成像模态相容，从而允许监控空间中该特定点的运动；和6)需要与“刚性液体”同步移动以用于任何目的的任何其它类型的敷涂器或装置。致动器械2328连接到机械组件，以用于将致动管线提供的平移致动转换成其它类型的运动，例如但不限于相对于致动管线的移动轴线旋转、垂直移动或者成角度移动。在容纳管2305内移动且承载“键/连接件”2325的块状件2326可以可选地被实现为小于容纳管2305的ID，并且滑动到沿着其行进长度延伸的多个轨道2330上，如图17G中所示。

在本发明的又一个优选实施例中且参照图18A-18B和图19A-19B，容纳管道具有刚性或者坚实(即，非柔性)且可以包括刚性液体的一个或多个作为球体的部分和/或可以包括活塞。例如，容纳管道可以为具有球体的柔性容纳管道、具有球体的刚性容纳管道或者具有活塞的刚性容纳管道。在该实施例中，如图18A中所示，刚性容纳管道与柔性管道2355一起优选地使用在致动管线的各个区域处。在非限制示例中，管道的组合可以被用于：1)管线的近端2350处，致动活塞组件2307位于该处；2)管线的远端2360处，运送活塞或者“键/连接件”组件2325位于该处；3)致动管线的不需要为柔性2351的任何部分处，并且优选横交于长的平直区段或预先限定的非平直区段；或者4)致动管线的如关于键/连接件2315的应用在先前实施例中论述的任何部分处。

另外，如图18B中所示，用于致动位于孔2359内的机器人机械手2370的多个DoF的多个致动管线的操作基于多个特征。该操作基于从致动器2371的位置延伸到机器人机械手2370附近的多个平直且刚性的容纳管，并且所述管优选地是紧凑的、被封装且固定到成像扫描仪的病人床2358上。另外，致动线路的多个上述的平直且刚性的部分的远端，即邻近机器人机械手的端部，连接到对应的多个柔性容纳管2355，所述容纳管的远端进一步固定到机器人机械手2370的DoF的移动部分上。另外，多个柔性容纳管2355的远端进一步连接到多个刚性容纳管2361、2362、2363，所述刚性容纳管容纳用于机器人机械手的对应DoF的致动单元。

在本发明的又一个优选实施例中且参照图19A，管道的任何平直部分中的球体可以被替换成活塞2321，所述活塞线性地沿着管道2305的轴线移动，包括：1)刚性管2322，所述刚性管的长度至少为活塞的长度加上致动对应DoF所需的距离；2)活塞由适当的材料构造而成，以最小化所述活塞的主体的弯曲或任何屈曲；3)多个轴承2323沿着所述长度并连接到管道上以用于活塞的低摩擦线性运动，并且连接到活塞主体的支撑件上以进一步消除活塞的任何弯曲。该实施例尤其有益于减少摩擦。根据该实施例，图18B中的多个平直的致动管线2350可以具有这种活塞来代替球体。

根据该实施例，图19B显示这种致动管线的示例，所述致动管线包括具有球体的柔性管道2305和具有活塞2321的刚性平直管道的组合。在这种情况下，所述致动从近端开始包括：1)计算机控制的电动或人工提供动力的致动机构；2)一端固定到致动机构上的活塞组件；3)活塞组件，所述活塞组件长且横向于从致动机构到成像扫描仪的中心的距离，其中病人的区域被定位成执行所述手术过程；4)进入到刚性容纳管道或该刚性容纳管道的一个区段中的活塞的另一个端部；5)连接到柔性容纳管道或者为相同ID的区段的刚性容纳管道；6)柔性容纳管道的远端连接到相同ID的另一个刚性管道；以及7)填充有致动球体的第一刚性容纳管道、柔性容纳管道和第二刚性容纳管道。另外，多个这种装置被组合且轴向布置，以致动多个自由度的致动机械手执行医学介入或者需求致动的其它过程，例如但不限于另外的模态探针的运动。

图19C-19E显示机器人装置及其具有刚性-液体传输管线2300的致动部分的优选实施例，所述刚性-液体传输管线包括：1)多个刚性管2322，所述刚性管具有从动力单元2324延伸到机器人基部1510上的机器人的致动部件附近的活塞2321；2)多个柔性管，所述柔性管填充有球体和衬套，所述衬套使传输路径继续从刚性管的末端到机器人。刚性管/活塞组合用于致动管线的不移动的部分，柔性管用于管线的需要移动或者折曲或弯曲的部分，以便将致动传送到机器人的被致动且因此移动的部件。图19C显示设置在病人床2358的端部上的电动机，图19D显示放置在MR扫描仪室2321的墙壁后面的电动机，其中配线经由适当的管道(例如，波导管2332)穿过扫描仪室墙壁，图19E显示设置在病人床的侧边缘上的人工操作的电动机。

在这些实施例中且参照图20A-20H，显示了将“刚性-液体”致动管线连接到致动部件的示例。键连接件2325通过刚性-液体致动管线中的一个或多个开口2320可以连接到致动器械2328。一方面，如图20A中所示，键连接件和致动部件被连接用于不能返回的线性致动。二另一方面，如图20B中所示，所述连接装置能够线性致动，且通过抵抗弹簧或载荷弹簧2380能返回。在又一个方面，如图20C中所示，所述连接装置能够通过齿条-小齿轮致动部件将线性致动转换成旋转致动，反之亦然。在另一个方面，如图20D中所示，所述连接装置能够通过杆致动部件将线性致动转换成旋转致动，反之亦然。在另外一个方面，如图20E中所示，所述连接装置能够通过定时带链条致动部件将线性致动转换成旋转致动，反之亦然。在这些方面，如箭头所示，旋转通过沿着相同的方向推动或者通过一起从相反的方向推动而获得。在又一个方面，如图20F和图20G中所示，器械的致动通过双方向线性致动。

根据该实施例，传输管线的路径可以嵌入到机器人的结构中，如图20H中所示。双头箭头显示了由嵌入机器人结构中、球体中的结构或部件表示的传输管线的路径移动、进入并存在于装置的相同位置。这具有引导传输管线从机器人的相同位置进入和退出以进一步有助于其布置的紧凑性和功能性的益处。此外，连接件或结构或部件可以进一步直接接合到具有适当的接口形状的球体上。例如，连接件本身可以分离球体。

在又一个优选实施例中且参照图21A-21C，显示了用于致动刚性-液体管线的多个管线的方法。用于双管线的线性致动的整个装置显示在图21A中。具有电动机螺杆2411的直线电动机2410线性地连接到致动活塞2304a，b。致动活塞可移动地设置在容纳管2305内，所述容纳管包括刚性-液体致动球体2306。直线电动机和容纳管由基部2420支撑。最小的管长度等于活塞冲程。容纳管可以为刚性管道或柔性管道的任意组合。活塞沿着所述管以往复运动线性移动，如方框箭头所示，以致动刚性-液体组件。

图21B示出了图21A的装置，只是两对双活塞2304a，b，c，d通过包括直线电动机2410的耦合器2412a，b线性耦合到电动机螺杆2411。每一对活塞在致动期间沿着相应的管以往复运动一致且线性地移动，如方框箭头所示。

图21C示出了耦合的多自由度致动。基部2420支撑第一直线电动机2410、电动机螺杆2411、活塞2304a和管子2305a的结构，如图21A。基部2420在其末端还支撑第二管2305e。第二基部2440支撑第二直线电动机2430、电动机螺杆2431和设置在第二管2305e内的活塞2304e。第二基部2440通过第一直线电动机2410移动，同时第二直线电动机2430使活塞2305e移动。因此，第一直线电动机致动第一活塞2305a，并且由于所述第一直线电动机使第二基部2440移动，第二活塞2305e也移动，从而提供耦合致动。

在又一个优选实施例中，动力致动可以实现，但不限于未改装或改装的多个电动机(1-2)。如果导向模态为MRI，则未改装电动机及其配线可能需要被封闭到适当的电磁屏蔽中以消除电磁干扰。此外，如果电动机由铁磁材料或顺磁材料制成，则由于MRI扫描仪的磁场必须固定以防止出现不希望有的运动。改装电动机可以具体地由非铁磁材料或顺磁材料制成，并且此外没有永久磁铁，而是利用MRI扫描仪的磁场。在这种情况下，(一个或多个)电动机的确切性能，例如转矩和旋转速度，将取决于(一个或多个)电动机的特定位置处的MR扫描仪的主磁场B₀的强度。

在特别制成的电动机情况下，电动机装备有：1)用于测量电动机的精确位置处的磁场的霍尔探针；和2)旋转速度的传感器，例如光耦合器。所述电动机的信号被取样、处理并发送给机器人的控制单元，从而用于调节提供给电动机的绕组的电压以调节转矩和旋转速度，如嵌入式处理机和闭合回路控制程序的示例。在外加电压与获得的旋转速度之间期望线性关系且所述线性关系被传送到特定范围电压值的转矩。所述单元可以进一步包括校准程序，该校准程序使电动机在机器人的设置位置处运行，以便校准其用于特定的MR扫描仪和装置的操作和/或判断机器人性能。所述校准可以包括但不限于逐步改变电压并测量传送的转矩和旋转速度、自动或者通过操作者给电动机设置适当的电压的输入来产生响应曲线。此外，电动机可以装入适当的齿轮以传送用于给传输管线提供动力的适当减速比的旋转速度。

在另一个优选实施例中，提供对用于刚性液体致动的机器人装置进行分段的示例。在该优选实施例中，刚性-液体致动组件致动机器人机械手沿着X轴线和Z轴线运动，如图22A中所示。平台3001包括用于机器人机械手的开口3002。平台沿着MRI z轴线3015在轨道3010a，b上的平台挡块3004a，b之间移动。轨道3010c，d能够沿着MRI x轴线3020在端块3005a，b之间致动。轨道包括用于刚性-液体致动组件的容纳管。另外，在该实施例中，如图22B中所示，平台的组装俯视图显示了包括轨道3010a，b，c，d的容纳管2305a，b，c，d被示出为在相同的管内包括刚性部件、柔性部件和可弯曲部件。

另外，在相关实施例中，如图23A-23B中所示，为沿着MRI z轴线3015的运动的平台的组装和分解图。平台3001在平台挡块3004a，b内在所示方向3015上沿着z轴线沿着轨道3010a，b移动。平台挡块通过端块3005a，b保持在适当的位置。仍然在该相关实施例中，图23C-23D进一步示出了具有轨道3010c，d的端块3005c，d，端块3005a，b沿着所述轨道沿着MRI x轴线3020移动。平台和端块包括平台挡块。平台和端块包括平台挡块3030(参见图24A)。部件可以例如通过螺钉和螺母紧固在一起。阴影区表示平台的容纳在轨道内的部分。

根据该实施例，图23E-23L显示使用刚性-液体传输致动机器人的4DOF的4DOF型机器人的设计。这是一个典型方式，这种机器人可以基于以上所述的实施例被实现和构造。图23E为机器人的侧视图，所述机器人包括：1)三个平台：承载正交于平台3008的DOF的轴线的一个DOF且平行于3009的轴线的3007、承载平行于每一个的两个DOF的3008和携带正交于平台3008的DOF的轴线的一个DOF的3009；2)承载装置3012c的两个通用无源接头3012a和3012b；3)多个实心的液体传输管线，在这种情况下，所述传输管线中的八个a-h成对以提供DOF的双向致动，如参照图20G的实施例的特定实施；4)用于物理上连接传输管线3010a-h至平台3007-3009上的通道的连接装置3011a，b，c。该装置的DOF在适当的方向上，以如在此说明通过两个平行的2D平台提供等效的可操纵性，以用于相对于由装置平面限定的轴线以及正交于该轴线的轴线设置介入装置3012c的3D空间中的位置和方向。

在该实施例中，图23F显示三个平台3007、3008和3009，进一步示出了用方框箭头表示的四个DOF的装置以及承载两个万向接头3012a，b的两个托架3023a，b。图23G显示中间平台3008，进一步示出了在实心液体传输管线之间的机械连接件3016a和3016b、以及在该情况下为两个平台3007和3008的致动部件。平台被制造成三层3013a，b和3014。该夹心式方法用于低成本且更容易CNC生成的通道和其它部件。层2013a和2013b为相对于平行于层3014的中心且通过该中心的平面彼此镜像。类似地，层3014的两个表面相对于平行于层3014的中心且通过该中心的平面彼此镜像。该对称性由于平台3008的每一个DOF致动平台3007和3009中相应的一个而实现，其中所述平台在每一侧连接到平台3008(参见图20E)。此外，在该实施例的一方面，平台3008上的两个DOF单独地且线性地使另外两个平台移动。另一方面，具有一个DOF的平台3007和3009单独地使托架3023ab沿着正交于平台3008上的两个DOF的轴线的方向移动。

另外，图23H和插图231显示移除层3013a的平台3008的细节。致动管线3010c和3010致动整个平台3009的运动，管线3010e和3010f致动整个平台3007的运动。具体地，一个方面且参照图20G中的双向传输，实心流体(球体)进入机器人的主体中，通过管子3010c供应并在切口到机器人主体中的通道3017中移动。所述通道进一步通过180度的转动引导实心流体，从而使所述实心流体返回到另一个管子3010d。另一方面且参照图20H，实心液体传输的球体直接接合具有齿状接口的机械连接件3016a。很少泄漏的实心液体传输致动相对于气动致动的一个主要益处是自由切出开口以将所述传输与致动部件连接，获得夹心状结构且不需要提供活塞冲程。这能够以低成本获得更简单的制造和维修。图23J显示中间平台3008，进一步示出了用于致动部件(即，托架3023a)的双向运动的两个管子3010a和3010b。平台被制造成具有两层3021和3022。

图23K和图23L显示平台2009的细节，所述平台为平台2007的镜像且移除层3021，示出了与本发明的另外参照图23H说明的实施例相似的方面。通道3024已经切入平台3009的双层3021和3022的主体以生成用于实心液体传输球体的路径。致动部件托架3023a具有齿状接口，因此将传输球体直接接合到所述托架。

根据该实施例的一个示例，利用与现成的尼龙管道(7mm ID)以及玻璃或HDPE的6.35mm球体具有0.65±0.5mm间隙来获得加工结构。衬套(6mm OD，4.5mm ID，3mm长度)与球体交错以保持对准。在框架嵌入式通道(参见图20H)内，通过～0.3mm的间隙以及以12mm半径弯曲的曲线路径获得没有衬套的成功致动。对于标准的NEMA 23步进电动机且7m长、平直或卷绕的具有～33cm弯曲直径的传输管线，获得1.3±0.6mm的精度、几乎检测不到的空隙以及对于±32mm为14Hz的带宽。MR扫描仪室外的电动机不会降低SNR。样机通过计算机数字控制(CNC)机械加工由树脂和制成，从而具有较高的强度和较低的摩擦系数。

另外，在该实施例中，图24A-24B示出了致动器关于机器人机械手的平台块的设置，以用于沿着z轴线和x轴线致动。图24A中所示的俯视横截面图示出了平台块3030和将平台块的部件保持在一起的螺钉/螺母3031a，b。示出了沿着z轴线3015和x轴线3020的运动方向。包含致动球体2306且包括容纳球体的容纳管2305的轨道3010a能够使平台3001或平台块3030沿着所述轨道的长度移动。容纳管具有2个狭缝或开口2320(参见图24B)，连接到平台3001的键连接件2325通过所述狭缝或开口。在图24B中，键连接件2325被显示出经由开口2320将致动球体2306连接到平台块3030。

此外，如图25A-25B中所示，柔性且刚性的管道的尺寸不需要为了他们的连结而相同。标准连结件很好地适用于将柔性容纳管道2305f的一个区段连结到刚性容纳管道2305r的具有相同内径ID的一个区段，如图25A中所示。当柔性管道2305f具有大于刚性柔性管道2305的刚性管道的内径ID2的内径ID1时，则烟囱状连结件3050被用于逐渐减小ID1，直到ID1等于连结点处的刚性区段的ID2为止。

在这些优选实施例中，机器人机械手由操作者手动致动，即利用人工动力致动不同自由度(DoF)的机器人装置。对于人工致动，不需要动力帮助装置来致动所述DoF的仿效机械手，例如但不限于电磁电动机、DC或步进式或其它类型的电动机。为了本发明，这些人工致动的装置在此将被称为人工致动单元或MAU。具体地，人工致动优选用于低成本系统的实现以及用于让操作者留在扫描仪床，且具体地为MRI扫描仪。人工启动可以包括：没有电子设备和软件的人工致动；具有用于控制成像扫描仪的电子设备和软件的人工致动；具有用于通过下述方式连接到操作者成像信息的电子设备和软件的人工致动：i)增加到成像扫描仪；或者ii)使用成像扫描仪的硬件/软件；旁通到动力辅助装置的人工致动；以及借助于液压组件增强操作者提供的动力的辅助人工致动。

另外，人工致动组件可以通过机械旁路平行于动力辅助装置(例如，电磁电动机)连接到刚性流体致动管线，使得操作者可以绕过动力辅助装置，以便提供根据各个过程的需要用于直接人工介入以及重新开始整个人工致动和控制的装置或者作为处理故障、功率损失其它相关的不利占位性，但是不受限于所述动力辅助装置。另外，MAU可以进一步被线性连接到液压动力放大器以放大操作者施加的力。此外，重量或其它类型的辅助方法可用于使得致动管线通过在最大静摩擦之间准确地设置辅助力而在接触操作者时具有较小电阻。

在本发明的另一个优选实施例中且参照图26A-26B，机械手4001的致动是人工的，即通过借助于MAU由操作者提供的动力，例如但不限于一个或多个手动致动手柄4002、或者一个或一个或多个脚激活踏板(即，人工致动组件(MAA))或者上述两种装置的任意组合或任何其它的人工致动装置的运动。该优选实施例的一个方面，如图26A中所示，来自MAU的人工致动经由多个致动管线4003被传送到机器人4001，所述致动管线的数量由致动的机器人机械手的准确动态来确定。另外，致动管线4003整体或者部分地基于刚性流体方法且为刚性或柔性容纳管线的任意组合。此外，MAU可以类似于但不限于机器人机械手的动态结构；该选择尤其对于提供在结构的直观以及容易性/直接性、操作者经验曲线和操作是理想的。

在该实施例的一个优选方面，如图26B中所示，人工致动组件进一步连接到刚性流体致动管线的适当组件，所述致动管线用于所述DoF的仿效机械手4001的远程致动。仿效机械手4001由操作者提供的人工动力手动致动，所述操作者操纵MAA 4002。MAA的运动促使致动例如刚性-液体管线4003，所述刚性-液体管线随后将该致动传送给仿效机械手。另一方面，人工致动组件与主机械手相距一定距离，根据具体的成像模态的需要，如示例，在与CT或荧光检查的X光导向使用时，或者根据过程本身需要，所述主机械手例如但不限于在扫描仪室外或者在防护墙或障碍物后面。另一方面，人工致动组件紧靠着病人台且其与仿效机械手和病人的距离被优化，优选地最小化，以减少靠近病人处的摩擦和/或使操作者靠近病人。这尤其适用于诸如超声波和MRI的成像模态。

在本发明的又一个优选实施例中且参照图27A-27C，示出了MAU的结构。在该优选实施例中，如图27A中所示，MAU为手柄4005，所述手柄在其主体上的两个点通过两个机械连接件4006适当地连接，使得手柄可以在3D空间中移动，以限定平行于机器人机械手使所述介入工具前进所沿着的路径的矢量R4010的方向，其中所述介入工具携带其末端执行器。两个机械连接件4006进一步通过适当的机械器械4007(例如但不限于活塞状机构)机械连接到多个致动管线4003，以便将人工致动从操作者的移动手传送到远程机器人4001。两个机械连接件4006为万向接头或3D接头，从而通过致动管线允许手柄形成角度且允许远程机器人4001相应运动。

在该实施例中，机械连接件4006中的至少一个允许或能够使手柄自由且无源滑动，以便调节以适应手柄形成角度需要机械连接件4006之间具有可变距离的情况。另外，MAU包括一个或多个脚踏板以选择性地制动一个或多个DoF。另外，操作者手柄4005可以在两个机械连接件4006之间，如图27B中所示，或者在机械连接件4006之间的空间外，如图27C中所示。

在本发明的又一个优选实施例中且参照图28A-28D，显示了手动致动机器人的优选布置或结构。在该结构中，操作者站立或坐在病人位于的扫描仪床旁边的高度可调节的椅子上。MAU优选地固定到例如但不限于移动式指挥台(但是具有小脚轮和制动器)上和/或具有横向和垂直调节的病人床上，因此MAU被调节以更好地配合操作者的需求。

另外，除了远程致动机器人之外，MAU还控制成像模态的具体采集参数。MAU控制例如MRI扫描仪的采集参数，所述采集参数包括但不限于关于MR扫描仪的坐标系的成像平面的数量和方位，以便更好地捕捉过程区域，例如优先即时调节方向以沿着所述介入工具的操作路径匹配和捕捉机器人的末端执行器的运动、目标组织和组织结构的平面，所述介入工具连接到末端执行器上。

在该实施例中，MAU控制例如具有机械化超声波探针的超声波扫描仪的采集参数，所述采集参数包括但不限于一个或多个成像平面相对于病人身体的方位，以更好地捕捉过程区域，所述平面如示例但不限于优先即时调节方位以沿着所述介入工具的操作路径匹配和捕捉机器人的末端执行器的运动、目标组织和组织结构的平面，所述介入工具连接到末端执行器上。另外，MAU控制例如具有机械化光学探针的光学扫描的采集参数，所述采集参数包括但不限于一个或多个成像平面相对于病人身体的方位，以更好地捕捉过程区域，所述平面如示例但不限于优先即时调节方向以沿着所述介入工具的操作路径匹配和捕捉机器人的末端执行器的运动、目标组织和组织结构的平面，所述介入工具连接到末端执行器上。

在该实施例中，如图28A中所示，人工致动单元4002对于该DoF进一步配备有多个位置编码器4021，以用于测量操作者通过移动手柄输入的准确移动。另外，位置编码器以其末端被放置到刚性-流体管线的致动管线的每一个上、或者任意其它位置，以测量仿效机械手上的刚性流体的点的移动或者特定的DoF。来自位置编码器4021的信号经由配线4022传送，所述配线借助于适当类型的接口4023连接到电子单元4020。通过所述专用的以太网TCP/IP连接4025(但不限于此)物理连接到成像扫描仪的适当的控制单元4024，所述成像扫描仪为但不限于MR扫描仪4027。

另外，在该实施例中，如图28B中所示，单元4020至少包括但不限于相互连接的电子部件。单元4020可以包括中央处理单元4030、或者具有相关类型的存储器4031和可移动存储器的微处理器。另外，所述单元可以包括具有多个输入的一个或多个电子部件4032，以用于对来自多个位置编码器的信号进行取样并使所述信号数字化为适于由电子单元软件使用的形式。这些部件可以为计算器或者其它适当的转换器，以量化操作者通过MAU指令的运动。可选地，但优选地，所述单元可以还包括多个附加输入输出信道4033，例如但不限于数字I/O、模拟-数字转换。另外，所述单元可以包括一个或多个接口，例如但不限于多个通用串行总线-USB 4034和至少一个但通常为多个的以太网接口4035。可选地，优选地，所述单元还可以包括用于通过附加卡扩展以用于另外任务的适当的总线4036。此外，所述单元可以包括用于操作者输入参数或选择的装置，所述选择例如但不限于通过适当接口4037连接的LCD显示器、键盘、鼠标、触摸感测屏幕，或者经由通过但不限于USB端口或以太网连接的外部PC。另外，所述单元可以包括用于设备4039的电源的直接输入的电力入口4038且可选地但优选地通过备用电池组4040。

另外，在该实施例中，如图28C中所示，MAU电子单元还包括可以为MAU电子单元的单板设备的视频卡4062。可选地，如图28D中所示，视频卡4062可以包括使用板上的适当总线4036至MAU电子单元的外接附件。

在这些优选实施例中，中央处理单元或微处理器以及相关的电子部件可以为具有连通性和扩充性的相同的电路板(参见图29B)或多个电路板，例如如示例但不限于PC 104标准的电路板。另外，软件可以根据场-程序控制门阵列(FPGA)在单个单元上实现为集成电路。另外，电子单元4020的操作基于可重构且可扩展的软件4041，所述软件部分地或全部位于CPU的RAM或者外部可移除存储单元中，例如但不限于SD卡或外部硬盘驱动器，或者如果使用FPGA的存储器则位于该存储器中。

在又一个优选实施例中且参照图29A-29B，在电子单元4020中运行的软件4041包括通过管线相互连接以用于交换原始数据和/或处理数据、执行处理的软件模块，并且显示了任务。在该优选实施例中，如图29A中所示，所述软件可以包括用于输入操作者的选择的模块，并且该模块经由一种类型的人-机界面接收该数据，该界面例如为但不限于触摸屏4050。这些数据可以为但不限于机器人4049的初始配准坐标，并且优选地，成像参数将改变4050。该模块可以具有适当的图形对象，以引导操作者选择选项。

另外，软件可以包括模块4032，所述模块用于对MAU 4002上的位置编码器4021产生的信号进行取样，将所述信号转换成适当的形式并测量操作者在MAU上做出的相应DoF的准确移动。该模块的输出被数字化并计算位置编码器4043的信号。另外，所述软件可以包括模块4042，所述模块用于将来自MA的编码器的数字化信号4043转化为关于成像扫描仪的坐标系的空间坐标。该模块使用机器人的初始配准关于成像扫描仪的坐标系的坐标4045。

此外，所述软件可以包括模块4047，所述模块用于计算为与至成像扫描仪的输入兼容的形式且按照扫描仪规定的OEM格式的更新的成像参数4048。该模块使用成像选择4046，所述成像选择是操作者通过例如但不限于触摸屏界面4050预先选择或者即时选择。进一步地，所述软件可以包括用于即时将已更新参数4048发送到成像扫描仪4024的模块。

可选地，为了分离位置编码器信号数字化4043和计算部件4032以及相关软件的设备，如图29B中所示，模块4032包括计算器，并且位置编码器4021的数字化且计算的信号的输出4043可以包括单个电路板设备。

在另一个优选实施例中且参照图30，MAU电子单元4020可以还包括另外的硬件部件和软件模块以执行对可视化界面的操作者的生成、更新和呈现，所述可视化界面融合图像和机器人引导信息。在非限制示例中，软件还可以包括模块4060，所述模块以图形在成像扫描仪的坐标系中再现机器人、机器人敷涂器或者机器人末端执行器或其部件的虚拟图像。该模块从将MAU移动转化成成像扫描仪坐标系的模块接收关于机器人位置的所有相关信息。该模块还从储存在单元上的数据库4062或者从外部储存器媒介接收关于机器人的几何特征和尺寸的信息。

另外，所述软件还可以包括模块4061，所述模块通过融合再现的机器人生成可视化场景，所述再现的机器人由供给实时手术中图像4063的模块4060产生，所述实时手术中的图像由所述单元直接从成像扫描仪4024接收。另外，所述软件还可以包括可以可选地接收和用于上述目的的预先可操作地收集的图像的模块4061。在该优选实施例中，MAU电子单元4020可以为用于成像扫描仪的外接附件、插件程序或者插头以及播放类型的单元。另外，MAU可以被用于远程致动机器人，以将MAU连接到机器人机械手以及控制例如显示的MR扫描仪。

在本发明的另一个优选实施例中且参照图31A-31E，站点装置被构造成用于机器人机械手利用电力致动单元PAU由电力辅助设备致动时。PAU5050位于屏蔽的MR扫描仪室5059内，如图31A中所示。在该实施例中，PAU5050被定位到适当靠近机器人装置5052的位置，所述机器人装置位于扫描仪5053内并通过适当的致动管线5051连接，或者可以定位到距离MR扫描仪的等角点适当距离的位置，以最小化MR扫描仪的持续效果或者开关磁场。另外，PAU 5050可以被固定到MR扫描仪5053b的病人床上。可选地，机器人和PAU的电子设备和电源5056位于屏蔽的MR扫描仪室外。

将PAU 5050连接到多个电子设备和电源5056的配线5054优选地通过本领域技术人员公知的适当导电材料来屏蔽。另外，多个电子设备5056进一步连接到用于控制机器人并规划和执行所述过程的计算机，所述过程可以包括连接到多个人-机连接装置，例如但不限于可以位于MR扫描仪室5062外侧且可由操作者进入或者位于MR室内的操纵杆或其它力反馈装置5062，5063。此外，屏蔽线5054经由适当的管道(例如但不限于波导管5057或过滤插孔或者MR安装中已知的其它装置)通过MR扫描仪室的屏蔽壁5059。

另外，在该实施例中，如图31B中所示，配线5054可以由多个配线组成，每一个配线单独地由围绕其芯导体5066的适当护罩5065屏蔽，以消除单独配线中的二干扰和串扰，并且所述多个配线嵌入到外护罩5057中以减少或消除对MR信号的干扰。可选地，如图31C中所示，配线5054可以包括多个配线，所述多个配线具有绕着芯导体5066环绕该多个配线的传统外壳，以消除单独配线中的干扰和串扰，并且所述多个配线嵌入到外护罩5067中以减少或消除对MR信号的干扰。

另外，在该实施例中，如图31D中所示，连续的屏蔽件5070封装通过MR扫描仪的屏蔽壁的PAU 5050和电子设备盒5055，并且还可以接地或者不接地到MR扫描仪的地线5061。可选地，如图31E中所示，采用两个分离的连续的屏蔽件5071和5072。屏蔽件5071封装和屏蔽MR扫描仪室内的部件，包括但不限于PAU 5050及其配线5054。第二屏蔽件5072封装并屏蔽MR扫描仪室外的部件，并且优选地为操作者所位于的位置，并且屏蔽例如但不限于电子设备盒5055。两个屏蔽件终止并连接到波导管5057，并且可以具有一个或多个地线，例如MR扫描仪室内的一个地线5061和至MR扫描仪室外的部分的另一个地线5073。地线的任意组合的使用对于本领域技术人员都是已知的。

在本发明的另一个优选实施例中且参照图32，站点装置还被构造成在机器人机械手使用电力致动单元PAU由电力辅助设备致动时，PAU位于屏蔽的MRI扫描仪室外。在该优选实施例中，PAU的电动机5083被放置在MR扫描仪室的屏蔽壁5059的后面且优选位于靠近或对准屏蔽壁5059的波导管5057的位置处。该结构可以优先用于对MR图像最小化噪音形式的PAU且对PAU操作最小化MR扫描仪的磁场效果。该结构进一步可以优选地用于较低成本系统。

另外，致动管线5082从MR扫描仪室的外部横向于波导管5057至MR扫描仪室的内部，并且优选地从波导管的内侧面附近到靠近病人床5053b的区域与延伸致动管线5081相连接，其中所述致动管线通过适当的连接件5051(例如但不限于活塞)连接到位于MR扫描仪5053内的机器人机械手5052。这是用于从位于MR扫描仪室外的PAU传送致动至位于MR扫描仪内的机器人的优选装置。该传输管线可以包括刚性或柔性容纳管道与活塞或刚性-流体传输或任何上述组合的任意组合。

另外，可以在RF屏蔽罩5055内的多个电子设备5056进一步连接到用于控制机器人并规划和执行过程的计算机5060，所述过程可以包括连接到多个人-机连接装置，可以包括例如但不限于可视化显示器5060b、操纵杆或其它力反馈装置或这种组合5062的任何连接装置的组合，所述连接装置可以位于MR扫描仪室5062外且可由操作者进入、或者位于MR室5063内且通过适当的屏蔽管线5086和5087、波导管5057或其它过滤屏蔽壁5059的横向的装置。当操作者位于MR扫描仪室内时，与操作有关的图像和其它信息显示在可视化屏幕上，所述可视化屏幕连接5091到MR扫描仪或者优选地连接到位于电子设备盒5058或计算机5060内的处理单元。

在本发明的又一个优选实施例中且参照图33，站点装置被构造成用于机器人通过人工致动单元(MAU)的人工致动。在该优选实施例中，机器人5052通过位于MR扫描仪室内的人工致动单元(MAU)5101致动。该装置尤其优选地用于使用人工致动且操作者在病人床旁边。在该实施例中，MAU 5101通过适当的传输装置连接到机器人5052，所述传输装置需要刚性-流体的刚性致动管线5051和/或柔性致动管线5102的任何适当组合。另外，位置编码器信号通过屏蔽或非屏蔽电缆5105经由屏蔽壁5059的波导管5057发送到处理单元5106，所述处理单元如本发明中所述执行不同的任务，包括但不限于通过操作者将处理的信号发送到MR扫描仪5122和/或接收MR图像/数据并将复制图发送到MR扫描仪室内的可视化显示器5115。

在本发明的其它优选实施例中且参照图34A-34I，机器人还包括安装到机器人机械手上且优选地安装到第二单元1051和第三单元1052，1053上的传感器。这种传感器的类型与机器人的导向和执行介入或外科手术过程有关。存在两个这种类型的传感器。

传感器的第一水平处于宏观水平且提供关于局部组织的信息。超声波(US)传感器尤其与该类型有关。US探针可以安装到机器人的末端上且用于两个任务。所述US探针被用作声呐，以用于3D或平面绘制围绕机器人且优选在机器人的前方的组织边界。这运用超高速收集超声波数据，因此尤其有利于本领域的机器人操作和控制，并且可以补充主导向模态。本发明尤其感兴趣的是但不限于MRI或CT或荧光检查的组合作为由机器人安装的US探针辅助的主导向模态，以用于超速感测探针前方的组织边界。本发明还公开对于US的声呐应用，US探针与周围组织的表面之间的空间应该填充有适当的介质，例如机器人在其内操作的空腔(例如但不限于心脏的心室或心房)的天然血液。超声波探针可以为线性阵列或单晶元件。

传感器的第二水平包括用于在组织内在机器人的末端前面或周围成像的形态传感器。在这种情况下，机器人基本上被探针的活动区挤压或触碰到关心的组织上，以便产生适当的接触用于将超声波传送到组织中并接收用于产生超声波图像的反射信号。

在该优选实施例中，如图34A中所示，在MR扫描中，主导向模态与通过机器人安装的传感器沿着站点线路A1到A2的感测以及过程区域(AoP)的FOV MRI结合。一方面，如图34B中所示，使用可以包括可伸出针的光学传感器或探针。另一方面，如图34C中所示，传感器位于末端执行器的表面上且通过与组织的引导表面至表面接触进行操作，例如借助于光学方法或高分辨率超声波。在又一个方面中，如图34D中所示，探针可以被致动以使探针前方的锥体状或烟囱状3D区域成像。这可以例如但不限于使用使传感器旋转+/-90度来执行。

另外，在该优选实施例中，如图34E中所示，末端执行器的末端可以进一步承载用于使传感器或工具5200张开的机构，其中所述传感器或工具的长度(L)通常比第三单元1052，1053的直径(D)长，并且所述传感器或工具的有效侧面5202沿着其长尺寸(L)。该机构可以通过自行车-线缆结构或者通过液压或其它装置致动。一方面，如图34F中所示，承载传感器或工具5200是在第三单元1052/1053的旁边承载。另一方面，如图34G-34I中所示，传感器或工具5200正交于第三单元1052/1053的轴线通过一连串运动旋转，例如如方框箭头所示，使得所述传感器或工具的有效侧面5202面向机器人的前方，因此所述传感器或工具的工作区或视场为看向前1054以收集第三机器人单元前方的信息。

在所有这些优选实施例中，机器人担负双重任务。所述机器人将本领域的工具放置在过程区域处。另外，其是机器连接件，用于空间地共配准由机器人安装的传感器收集的信息与主导向模态。在共配准期间，机器人基本上配准主导向模态或实验室坐标框架。另外，记录机器人安装的传感器收集数据的每一个位置。该位置接着通过动态结构被转化成实验室坐标框架，即，机器人机械手的向前运动。

在又一个优选实施例中，提供用于机器人的基于成像的控制以及组织的实时追踪的装置。控制逻辑被构造成精确地遵循即时更新的移动轨迹以及控制该操作期间施加的力的量。这通过利用阻抗控制策略及将其与视觉-触觉人-机连接装置相结合。

例如，末端执行器可以被控制到达并保持在主动脉环状空间的中心的位置处以布置人工瓣膜。这种操作需要三种类型的空间及时态限制。运动限制通过机器人的具体设计来采用，即，机器人表现为类似于限制下致动且超冗余的动态系统(3)，装置的运动包迹线的动态限制通过动态AoP来施行，其中所述动态AoP被参数化为动态访问走廊和导向轨迹形式。时间限制可能由来自MR和US数据处理程序的计算延迟而引起。这些必须被考虑到以避免过补偿和延迟不稳定。这些限制与要求的任务空间和运动范围一起并入控制算法中。

此外，对于控制逻辑，自适应控制方案实现为达到零稳定状态误差，从而使得以最小误差追踪移动目标，并且补偿由于来自以LV移动的血液的力造成的弯曲。这在线性参数变化(LPV)框架中被实现为系统性控制设计方法，用于处理具有通过高度非线性动态特性(4-5)的系统。从MR和US数据获得为动态轨迹和动态访问走廊形式的参数化的环境模型。对于多螺纹加工，反馈回路中的任何计算延迟都要考虑并定量。在该自适应控制方案中，使用增益调度LPV方法来适应增益。控制器为：1)基于模型；2)抗缠绕，即，对远端尖端位置具有空间限制；3)提供零稳定状态误差，即追踪轨迹时的最小误差；和4)补偿外力。

对于机器人，线性化模型由状态空间结构构造而成：其中q(t)是构造空间(接头位置和速度)，u(t-τ_u(t))是延迟转矩输入，w(t)是任意未知的扰动转矩，Q(t)是参数化轨迹，以及τ_u(t)是可变输入延迟。自适应控制接着提供转矩反馈u(t)＝F(Q(t))q(t)，以最小化追踪误差。对于该系统，尽管存在可变延迟，但通过使用基于参数的李雅普诺夫函数可以保证稳定性，所述李雅普诺夫函数的形式为变化的抽样率情况中的控制规则的取样数据实现如前所述(6-7)。为了获得安全性，动态走廊采用的限制通过作为一组不等式约束的适当限定结合到任务空间以及运动范围限制中。

用于数据处理和控制软件芯体的整体结构示出在图35中。所述芯体包括连接到均在操作者控制之下的控制器接口和可视化界面的多个线程。控制器接口与力反馈线程、运动过滤器线程以及机器人控制线程对接，所述线程直接或间接相互作用并控制机器人机械手且监控所述机器人机械手的位置。机器人机械手连接件将末端执行器定位在用于MRI和超声过程的过程区域处。MR和US单元将图像数据传送到成像线程和可视化线程，随后传送到可视化界面和操作者。成像线程还将接收数据作为动态模型传送到运动过滤器线程，所述运动过滤器线程将机器人机械手位置发送到可视化线程以与成像数据相结合。

例如，如图36A中所示，机器人的自动或半自动控制基于使用实时收集的磁共振成像和超声波数据的组合对外科手术区域的评估。此外，磁共振和超声波方法在过程期间可以交插。另外，如图36B中所示，MR突出部、MR 3D DPI、MR基准线圈、MR 2D成像和超声波可以交错，其中MR 3D DPI和MR 2D成像由操作者起动。另外，如图36C-36D中所示，机器人的处理和控制芯体包括由MR和超声波实时数据即时生成动态虚拟夹具(DVF)的专用线程。这些夹具通过机器人控制和人-界面线程来使用。DVF可以为禁区或导向中的一个或两个。

另外，用于机器人至MRI扫描仪坐标系的快速自动或半自动或者人工配准的两种方法显示在图37A-37G中。根据该实施例，直管嵌入或固定在平台上的已知位置处，并且如图37A中所示，优选地正交于彼此且沿着平台边缘。平台的特定边缘可通过管子沿着该平台的数量(例如，两个圆柱形管)来识别。另外，如图37B中所示，管子可以由调谐到用于MR扫描仪的特定工作频率的感应耦合RF线圈围绕，以与低翻转角度成像方法一起使用以更好地抑制配准期间基础组织的信号并消除标准成像期间的标识(管子)的信号。

接着，通过大容量A、B、C的三个突出部的收集以包括管子并沿着MR扫描仪的三个轴线(X，Y，Z)、以及通过算法(例如但不限于反突算法(back-projection algorithms))重构3D管子来执行配准，如图37C-37D中所示。可选地，如图37D-37G中所示，成像平面，尤其是图37D中所示的四个成像平面，用于对管子成像并将所述管子3D重构。对于任一种方法，机器人都被配准到MR扫描仪。另外，为了知道介入工具的初始位置，机器人可以沿着介入工具的方向具有另外的管子。在配准之前，平台被带向预先选择的静止位置，例如但不限于通过光阑开关和/或位置编码器验证的DoF的端部。

根据本发明，当特定条件需要致动器的远程接入时，刚性-流体致动机构可以用于超出以上所述(即，用于医学机器人致动)的任何应用。例如但不限于，这种致动可以用于危险情况下致动器的操作或者用于存在高电磁干扰时或者任何其它原因。

在此引用以下参考文献：

1.美国公开文献第2010/0264918号；

2.Bergeles等人的IEEE International Conference on Robotics andAutomation(ICRA)，第690-695页(2013)；

3.Veeramani等人的Smart Materials and Structures，17：15037(2008)；

4.Mohammadpour，J.和Grigoriadis，K.，Proc.AIAA Guidance，Navigation andControl Conference，Honolulu，HI(2008)；

5.Rugh，W.和Shamma，J.，(2000)，Automatica，36：1401-1425(2002)；

6.Tan，K.和Grigoriadis，K.，Mathematical Problems in Engineering，6：145-170(2000)；

7.Tan，K.和Grigoriadis，K.，Proc.IEEE Conference on Decision andControl，第4422-4427页(2000)。

本发明很好地适于获得其中固有的提及的结果和有点。以上公开的具体实施例仅是示例性，这是因为本发明可以以对本领域的技术人员显而易见的不同但等效的方式来修改和实施，从而具有在此教示的益处。此外，非限制性是指除了下方权利要求中所述之外的在此所示的构造或设计的细节。因此，显然以上公开的具体的示例性实施例可以改变或变更，并且所有这种变化都被认为是在本发明的保护范围和精神内。

Claims (32)

1.一种用于机器人辅助外科手术过程的机器人系统，包括：

至少一个图像导向的机器人机械手装置；

用于致动所述机器人机械手装置的装置，所述机器人机械手装置机械地连接到所述用于致动所述机器人机械手装置的装置；和

计算机，所述计算机具有存储器、处理器、和与所述机器人机械手装置和所述用于致动的装置电通信的至少一个网络连接，其中：

所述机器人机械手装置包括被构造成以一个或多个自由度移动的至少一个可移动平台，

所述可移动平台中的两个或更多个以平行关系设置，所述机器人系统还包括在所述可移动平台之间的至少一个机械连接件。

2.根据权利要求1所述的机器人系统，还包括：

至少一个可移动、可旋转且可机械连接的基部，所述机器人机械手裝置固定在所述基部上，所述基部能够移动地定向以配合病人的进行所述外科手术过程的区域。

3.根据权利要求1所述的机器人系统，还包括：至少一个传感器，所述至少一个传感器被构造成发送信号和从成像系统接收信号，以有效地引导成像模态；和，多个对比度标识，所述对比度标识设置在所述机器人机械手装置上或者附近，以准确地配准所述机器人机械手装置。

4.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述机器人机械手装置包括：

至少一个第一单元，所述至少一个第一单元被构造成用于全局定位；至少一个第二单元，所述第二单元中的一个能够移动地连接到所述第一单元；至少一个第三单元，所述至少一个第三单元包括一个或多个外科手术装置或模态，所述第三单元中的一个能够移动地连接到所述第二单元中的一个并通过所述第二单元能够展开到身体中；和多个接口，所述多个接口与所述第一单元、所述第二单元或所述第三单元或者其组合以及所述计算机电通信，所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元中的每一个单独地或者组合地被构造用于经过所述接口共配准。

5.根据权利要求4所述的机器人系统，还包括：

一个或多个成像或非成像传感器，所述传感器关于病人的身体内部地或外部地设置，所述传感器能够与所述第一单元、所述第二单元或所述第三单元或者其组合配准。

6.根据权利要求5所述的机器人系统，其中，所述机器人机械手装置的所述第二单元、所述第三单元、或者所述第二单元和所述第三单元两者还包括能够旋转地连接到所述一个或多个传感器的旋转元件。

7.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述机器人机械手装置在外科手术期间通过与成像系统坐标系的配准被图像导向。

8.根据权利要求7所述的机器人系统，其中，所述成像系统包括磁共振成像或光谱成像或其组合、超声波成像、X光计算层析成像、X光乳房造影术、光学成像或者视频装置。

9.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述用于致动所述机器人机械手装置的装置包括：至少一个致动传输管线，所述致动传输管线机械或电连接到所述机器人机械手装置；和致动电源，所述致动电源机械地连接到所述致动传输管线且电连接到包括所述计算机的机器人控制模块或者手控机器人控制器。

10.根据权利要求9所述的机器人系统，其中，所述致动传输管线包括：

多个球体，所述球体包括可移动介质；可移动柔性管道，所述可移动柔性管道容纳所述多个球体；和可线性移动的第一塞状部件，所述第一塞状部件设置在所述柔性管道的一端或两端处，所述第一塞状部件与所述柔性管道和所述致动电源机械连通，使得所述第一塞状部件的致动通过所述多个球体传送到所述机器人机械手装置或者固定所述机器人机械手装置的至少一个基部。

11.根据权利要求10所述的机器人系统，其中，所述柔性管道还包括：一个或多个开口，所述一个或多个开口沿着所述柔性管道的长度设置；和第二塞状连接件，所述第二塞状连接件定位在两个相邻的球体之间且延伸通过所述开口；或者

在所述柔性管道外的外部结构，所述在所述柔性管道外的外部结构通过所述开口与一个或多个球体能够移动地接合，所述第二塞状部件或所述外部结构直接或间接地与所述致动电源机械连通，从而通过所述第二塞状部件或所述外部结构传送致动。

12.根据权利要求10所述的机器人系统，其中，所述柔性管道还包括：多个环，所述多个环设置在所述柔性管道内，所述环中的每一个设置在一对或多对相邻的球体之间；其中，所述多个环替换所述柔性管道内的一个或多个球体，所述环包括用于对中所述球体且减少所述管道内的摩擦的装置。

13.根据权利要求10所述的机器人系统，其中，所述柔性管道还包括：内部润滑套管，所述内部润滑套管设置在所述柔性管道的内表面与所述多个球体之间；和外部横向加强套管，所述外部横向加强套管绕着所述柔性管道的外表面设置，并且部分或全部地沿着所述柔性管道的长度延伸。

14.根据权利要求9所述的机器人系统，其中，所述致动传输管线包括：

多个刚性活塞；刚性管道，所述刚性管道容纳线性地设置在该刚性管道中的一个或多个活塞，所述管道与所述致动电源机械连通，使得所述管道的致动通过所述多个活塞传送到所述机器人机械手装置或者传送到固定所述机器人机械手装置的至少一个基部；和用于在线性地设置在所述刚性管道内的活塞的线性移动过程中保持刚性和摩擦的装置。

15.根据权利要求14所述的机器人系统，其中，所述刚性管道还包括：一个或多个球体，所述一个或多个球体包括线性设置在所述球体中的可移动介质；和

内部润滑套管，所述内部润滑套管设置在所述刚性管道的内表面与所述一个或多个球体之间。

16.根据权利要求9所述的机器人系统，其中，所述致动传输管线包括位于交替顺序的：一个或多个刚性管道区段，所述一个或多个刚性管道区段容纳多个刚性活塞和用于在所述活塞的线性移动过程中保持刚性和摩擦的装置，所述刚性活塞以及用于保持刚性和摩擦的装置两者都线性地设置在所述刚性管道区段内，所述活塞与所述致动电源、固定所述机器人机械手装置的基部的致动部件、或者器械的被致动部件机械连通；和

一个或多个可移动柔性管道区段，所述可移动柔性管道区段容纳线性地设置的多个球体和多个环，所述多个球体包括可移动介质，所述多个环中的每一个定位在相邻的球体之间，所述柔性管道区段连接到所述刚性管道区段，使得所述刚性管道区段的致动通过所述刚性活塞传送到所述多个球体以及所述机器人机械手装置或者所述基部或所述器械。

17.根据权利要求9所述的机器人系统，其中，至少一个致动传输管线被构造成用于所述机器人机械手装置的一个自由度的致动。

18.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述计算机中可触知地储存存储器软件模块，存储器软件模块具有用于执行以下操作的处理器可执行指令：至少在所述机器人机械手装置、用于引导和操作所述机器人机械手装置的成像模态、用于收集关于进行所述过程的区域处的组织的状态的数据的多个成像或非成像传感器、用于收集关于所述机器人机械手装置的数据并测量一个或多个自由度的运动的多个传感器、以及所述系统的操作者之间建立多个接口；接收从所述成像模态和所述多个传感器收集的数据，并且实时生成进行所述过程的区域的模型，且如果需要，则处理所述数据；对所述数据收集成像或非成像传感器产生并调节数据收集和关于该数据收集的通信指令的类型和时序；产生用于所述机器人机械手装置的静态或动态路径和轨迹，以避免或解决冲撞并准确地到达所述组织；产生用于所述机器人机械手装置的控制的指令，并将所述指令通信到机器人控制模块；将力和视觉反馈发送到操作者；和

从操作者接收指令。

19.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述机器人系统的部件包括与构造成用于所述外科手术过程中的成像模态相容的材料。

20.一种用于外科手术过程的执行的磁共振图像(MRI)导向的机器人，包括：全局定位器，所述全局定位器具有被构造成以至少一个自由度移动的至少一个可移动平台和与磁共振成像系统连接的多个单元；

至少一个可移动、可旋转且可机械连接的基部，所述基部上固定所述全局定位器，所述基部能够移动地定向成配合病人的进行所述外科手术过程的区域；和至少一个致动传输管线，所述致动传输管线包括柔性部件、刚性部件、或柔性部件和刚性部件的交替组合，所述柔性部件具有包括可移动介质的多个线性设置的球体，所述刚性部件具有多个线性设置的活塞，所述至少一个致动传输管线机械或电连接到所述全局定位器和致动电源且电连接到包括计算机的机器人控制模块或者手控机器人控制器，使得至少一个致动传输管线被构造成用于所述全局定位器的一个自由度的致动；和至少一个有线或无线网络，所述有线或无线网络连接到所述计算机，所述计算机可触知地储存存储器软件模块，所述存储器软件模块具有处理器可执行指令以操作所述磁共振成像系统和所述机器人，

其中，所述可移动平台中的两个或更多个被设置成平行关系，所述机器人还包括在所述可移动平台之间的至少一个机械连接件。

21.根据权利要求20所述的MRI导向的机器人，还包括：至少一个射频线圈，所述射频线圈设置成紧邻所述全局定位器、或者紧邻包括所述全局定位器的全局定位第一单元、或者紧邻所述机器人上的对其工作区进行成像的任何其它位置，所述射频线圈被构造成发送信号和从所述MR成像系统接收信号；和，多个对比标识，所述对比标识设置在所述机器人上或者附近，以准确地配准所述机器人。

22.根据权利要求20所述的MRI导向的机器人，其中，所述多个单元包括：至少一个第一单元，所述至少一个第一单元被构造成用于全局定位；至少一个第二单元，所述第二单元中的一个能够移动地连接到所述第一单元；至少一个第三单元，所述至少一个第三单元包括一个或多个外科手术装置或模态，所述第三单元中的一个能够移动地连接到所述第二单元中的一个并通过所述第二单元能够展开到身体中；和多个接口，所述多个接口与所述第一单元、所述第二单元或所述第三单元或者其组合以及所述计算机电通信，所述第一单元、第二单元和第三单元中的每一个单独地或者组合地被构造用于经过所述接口共配准。

23.根据权利要求22所述的MRI导向的机器人，还包括：

一个或多个成像或非成像传感器，所述传感器关于病人的身体内部地或外部地设置，所述传感器能够与所述第一单元、所述第二单元或所述第三单元或者其组合配准。

24.根据权利要求23所述的MRI导向的机器人，其中，所述全局定位器的所述第二单元、所述第三单元、或者所述第二单元和所述第三单元两者还包括能够旋转地连接到所述一个或多个传感器的旋转元件。

25.根据权利要求20所述的MRI导向的机器人，其中，多个球体被容纳在可移动的柔性管道内，所述柔性管道还包括：多个环，所述多个环设置在一对或多对相邻球体之间，其中所述多个环替换所述柔性管道内的一个或多个球体，所述环包括用于对中所述球体且减少所述管道内的摩擦的装置；和可线性移动的第一塞状部件，所述第一塞状部件设置在所述柔性管道的一端或两端处，第一塞状部件与所述柔性管道和所述致动电源机械连通，使得第一塞状部件的致动通过所述多个球体传送到机器人机械手装置或者固定机器人机械手装置的至少一个基部。

26.根据权利要求25所述的MRI导向的机器人，其中，所述柔性管道还包括：

一个或多个开口，所述开口沿着所述柔性管道的长度设置；和第二塞状连接件，所述第二塞状连接件定位在两个相邻球体之间且延伸通过所述开口；或者在所述柔性管道的外部的、通过所述开口与一个或多个球体可移动地接合的外部结构，所述第二塞状部件或所述外部结构直接或间接地与所述致动电源机械连通，从而传送致动。

27.根据权利要求25所述的MRI导向的机器人，其中，所述柔性管道还包括：

内部润滑套管，所述内部润滑套管设置在所述柔性管道的内表面与所述多个球体之间；和外部横向加强套管，所述外部横向加强套管绕着所述柔性管道的外表面设置，并且部分或全部地沿着所述柔性管道的长度延伸。

28.根据权利要求20所述的MRI导向的机器人，其中，多个刚性活塞被容纳在与所述致动电源机械连通的刚性管道内，使得刚性管道的致动通过所述多个活塞传送到机器人机械手装置或者固定机器人机械手装置的至少一个基部，所述刚性管道还包括：轴承，所述轴承线性设置在所述刚性管道内，从而在所述活塞的线性移动过程保持刚性和摩擦。

29.根据权利要求28所述的MRI导向的机器人，其中，所述刚性管道还包括：

设置在相邻的刚性活塞之间的一个或多个球体；和

内部润滑套管，所述内部润滑套管设置在所述刚性管道的内表面与所述一个或多个球体之间。

30.根据权利要求20所述的MRI导向的机器人，其中，在所述致动传输管线中的柔性部件和刚性部件的组合中，所述柔性部件连接到所述刚性部件，使得所述刚性部件的致动通过所述刚性部件被线性传送到所述柔性部件，从而传送到所述全局定位器或固定所述全局定位器的至少一个基部。

31.根据权利要求20所述的MRI导向的机器人，其中，可触知地储存在计算机存储器中的所述软件模块包括用于执行以下操作的处理器可执行指令：至少在所述全局定位器、用于引导和操作所述全局定位器的所述MRI成像系统、用于收集关于进行所述过程的区域处的组织的状态的数据的多个成像或非成像传感器、用于收集关于机器人机械手装置的数据并测量一个或多个自由度的运动的多个传感器、以及所述系统的操作者之间建立多个接口；接收从所述成像模态和所述多个传感器收集的数据，并且实时生成进行所述过程的区域的模型，且如果需要，则处理所述数据；对所述数据收集成像或非成像传感器产生并调节数据收集和关于该数据收集的通信指令的类型和时序；和产生用于所述机器人机械手装置的静态或动态路径和轨迹，以避免或解决冲撞并准确地到达所述组织；产生用于所述机器人机械手装置的控制的指令，并将所述指令通信到机器人控制模块；将力和视觉反馈发送到操作者；和从操作者接收指令。

32.根据权利要求20所述的MRI导向的机器人，其中，所述机器人和包括所述机器人的部件包括与磁共振成像模态相容的材料。