CN107249498A - 机器人手术系统的输入装置的重定位方法 - Google Patents

机器人手术系统的输入装置的重定位方法 Download PDF

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Abstract

一种机器人手术系统包含连杆机构、输入手柄以及处理单元。所述连杆机构相对于底座可移动地支撑手术器械。所述输入手柄可在多个方向上移动。所述处理单元与所述输入手柄联通，并且与所述连杆机构可操作地相关联，从而基于所述输入手柄的按比例缩放的移动而移动所述手术器械。所述缩放比例取决于所述输入手柄朝向工作空间的中心还是远离所述工作空间的中心移动而改变。所述工作空间表示所述输入手柄的移动范围。

Description

机器人手术系统的输入装置的重定位方法
相关专利的交叉引用
本申请案主张2015年2月19日提交的第62/118,123号美国临时专利申请案的权益和优先权，所述美国临时专利申请案的内容以全文引用的方式并入本文中。
背景技术
微创医疗操作中已经使用机器人手术系统。在医疗操作期间，通过外科医生与用户接口配合来控制机器人手术系统。所述用户接口允许外科医生操控作用于患者的末端执行器。用户接口包含输入控制器或可通过外科医生移动来控制机器人手术系统的手柄。
机器人手术系统通常使用比例因子来按比例缩小外科医生手部的动作以确定末端执行器在患者体内的期望位置，因此外科医生可以在患者内部更精确地移动末端执行器。然而，比例因子越大，外科医生就不得不越远地移动输入装置手柄从而以相同距离移动末端执行器。由于输入装置手柄具有固定运动范围，因此这意味着对于更大比例因子外科医生可能已经更频繁地到达输入手柄的运动范围尽头。接着，外科医生不得不“离合”手柄将输入手柄的运动从末端执行器分离，使得外科医生可以将手柄移动到用户接口的工作空间内当仪器保持稳定时远离运动范围尽头的新位置。一旦将输入手柄充分远离运动范围尽头移动，外科医生“重新离合”输入手柄与末端执行器，将输入手柄的运动重新联接到末端执行器的运动，从而完成末端执行器的期望移动。此离合过程耗时且会分散外科医生注意力。
需要机器人手术系统，其能够按比例缩小外科医生的输入手柄移动，同时还减少或消除对外科医生在机器人外科手术期间远离其运动范围尽头离合或移动输入手柄的需要。
发明内容
在本公开的一个方面中，一种机器人手术系统包含连杆机构、输入手柄和处理单元。连杆机构相对于底座可移动地支撑手术器械。输入手柄可在多个方向上移动。处理单元与输入手柄连通，并且与连杆机构以操作方式相关联，从而基于输入手柄的按比例缩放的移动而移动手术器械。缩放比例取决于输入手柄朝向工作空间的中心还是远离工作空间的中心移动而改变。工作空间表示输入手柄的移动范围。
在各方面中，处理单元经配置以将输入手柄朝向工作空间的中心的第一移动按比例缩放第一比例因子，并且将输入手柄远离工作空间的中心的第二移动按比例缩放不同于第一比例因子的第二比例因子。
在一些方面中，处理单元经配置以通过将第一移动的距离除以第一比例因子以及将第二移动的距离除以第二比例因子来按比例缩放输入距离。第一比例因子和第二比例因子可以在约1.0到约10.0的范围内，且第二比例因子可以大于第一比例因子。第一比例因子可以是第二比例因子的0.70倍与1.40倍之间。
在某些方面中，处理单元经配置以基于输入手柄距工作空间的中心的距离而改变缩放比例。处理单元可经配置以基于输入手柄距工作空间的中心和输入手柄移动界限中的至少一项的距离而线性地或以指数方式按比例缩放输入距离。处理单元可经配置以随着输入手柄的位置更远离工作空间的中心而增大手术器械的移动。处理单元可经配置以在输入手柄的位置更远离工作空间的中心时减小手术器械的移动。
在特定方面中，工作空间包含位于距工作空间的中心预定距离的第一部分。当输入手柄处于第一部分中时第一比例因子和第二比例因子可以是恒定的，而当输入手柄在第一部分外侧时第一比例因子或第二比例因子中的至少一个改变。
在本公开的另一方面中，一种机器人手术系统包含连杆机构、输入手柄和处理单元。连杆机构相对于底座可移动地支撑手术器械。输入手柄可在第一输入方向上移动第一输入距离且在与第一输入方向相反的第二输入方向上移动第二输入距离。第二输入距离不同于第一输入距离。处理单元与输入手柄连通并与连杆机构以操作方式相关联从而移动手术器械。处理单元经配置以响应于第一输入距离而使手术器械在第一输出方向上移动一输出距离，并且响应于第二输入距离而使手术器械在与第一输入方向相反的第二向外方向上移动相同的输出距离。
在本公开的另一方面中，一种操作手术机器人的方法包含：检测可在多个方向上移动的输入手柄的多个移动；将输入手柄朝向工作空间的中心的所检测移动按比例缩放第一比例因子；将输入手柄远离工作空间的中心的所检测移动按比例缩放不同于第一比例因子的第二比例因子；以及基于按比例缩放的所检测移动而致动连杆机构来移动由连杆机构可移动地支撑的手术器械。
在各方面中，所述方法包含：将输入手柄朝向工作空间的中心的所检测移动的距离除以第一比例因子，以及将输入手柄远离工作空间的中心的所检测移动的距离除以第二比例因子。
在一些方面中，所述方法包含基于输入手柄距工作空间的中心的距离而改变所检测移动的缩放比例。所述方法可以包含：基于输入手柄距工作空间的中心和输入手柄移动界限中的至少一项的距离而线性地或以指数方式改变所检测移动的缩放比例。
在某些方面中，所述方法可以包含：随着输入手柄的位置更远离工作空间的中心而调节连杆机构的致动来增大或减小手术器械的移动。所述方法可以包含：当输入手柄处于工作空间的位于工作空间中心的预定距离内的一部分中时将第一比例因子和第二比例因子设定为恒定的，以及当输入手柄在所述部分外侧时改变第一比例因子和第二比例因子中的至少一个。
在本公开的另一方面中，一种机器人手术系统包含具有末端的臂、支撑在臂的末端上的器械、输入手柄以及处理单元。输入手柄可移动输入距离，并且包含具有激活和去激活状态的重定位控制件。处理单元与输入手柄连通并与臂以操作方式相关联从而移动器械。处理单元经配置以在重定位控制件处于激活状态时将输入手柄的输入距离按比例缩放第一比例因子，并且在重定位控制件处于去激活状态时将输入距离按比例缩放第二比例因子。第一比例因子大于第二比例因子。
在各方面中，第一比例因子可以在约100到约1000的范围内，并且第二比例因子可以在约1到约10的范围内。处理单元可经配置以通过在重定位控制件处于激活状态时将输入距离除以第一比例因子并通过在重定位控制件处于去激活状态时将输入距离除以第二比例因子来按比例缩放输入距离。
在本公开的另一方面中，一种重定位机器人手术系统的输入手柄的方法包含：在输入手柄的重定位控制件处于去激活状态的情况下检测所述机器人手术系统的输入手柄移动的输入距离；检测输入手柄的重定位控制件是处于激活状态还是去激活状态；取决于重定位控制件的状态将输入距离按比例缩放为第一输出距离或不同的第二输出距离；以及致动支撑在机器人手术系统的可移动臂的末端上的器械移动相应按比例缩放的第一输出距离或第二输出距离。
在各方面中，所述方法包含：作为将输入距离按比例缩放为第一输出距离的部分，将输入距离除以1到10范围内的第一比例因子；以及作为将输入距离按比例缩放为第二输出距离的部分，将输入距离除以100到1000范围内的第二比例因子。所述方法可以包含在输入手柄的所检测移动包含输入手柄的所检测定向改变时改变器械的定向作为致动移动的部分。
在本公开的另一方面中，一种机器人手术系统包含具有末端的臂、支撑在臂的末端上的器械、可移动输入距离的输入手柄、成像装置以及处理单元。成像装置经配置以捕捉在患者的手术部位内的器械的图像。处理单元与输入手柄连通。处理单元还与臂以操作方式相关联从而移动器械并且与成像臂连通。处理单元经配置以基于成像装置相对于患者的手术部位的位置将输入手柄的输入距离按比例缩放为输出距离。
在各方面中，所述系统包含成像臂，其中成像装置位于成像臂的末端。输入手柄可以在具有中心和移动界限的工作空间内可移动。输入距离可以由中心与移动界限之间的距离界定。成像装置可经配置以随着输入手柄接近移动界限而缩小所捕捉图像。处理单元可以与成像臂以操作方式相关联，并且可经配置以使成像装置远离手术部位移动从而缩小所捕捉图像。
在一些方面中，所述系统包含显示器，其经配置以显示来自成像装置的所捕捉图像。处理单元可经配置以将输入距离按比例缩放为输出距离，使得器械在显示器上的移动大体上等于输入距离。
在某些方面中，所述系统包含开关，其经配置以选择性地切换输入手柄在器械与成像臂之间的关联。所述开关可以是脚踏开关或安置在输入手柄上。
在本公开的另一方面中，一种基于成像装置相对于手术部位的位置而按比例缩放支撑在臂的末端上的器械移动的方法包含：利用处理单元确定成像装置相对于手术部位的位置，以及使机器人手术系统的输入手柄移动一输入距离从而使器械移动输出距离。器械通过处理单元与输入手柄以操作方式相关联。处理单元基于成像装置相对于手术部位的位置将输入距离按比例缩放为输出距离。
在各方面中，移动输入手柄包含朝向输入手柄的移动界限移动输入手柄。所述方法可以包含：处理单元随着输入手柄接近移动界限而使成像装置相对于手术部位移动。所述方法可以包含：处理单元随着成像装置相对于手术部位移动而改变比例因子。处理单元可以通过比例因子将输入距离按比例缩放为输出距离。
在本公开的另一方面中，一种机器人手术系统包含具有末端的臂、支撑在臂的末端上的器械、输入手柄以及处理单元。输入手柄可在第一输入方向和与第一输入方向相反的第二输入方向上移动输入距离。处理单元与输入手柄连通并与臂以操作方式相关联从而移动器械。处理单元经配置以响应于输入手柄在第一输入方向上的移动而将输入手柄的输入距离按比例缩放为器械的第一输出距离，并且响应于输入手柄在第二输入方向上的移动而将输入手柄的输入距离按比例缩放为器械的第二输出距离，第一输出距离不同于第二输出距离。
在各方面中，处理单元经配置以响应于输入手柄在第一方向上的移动而将输入手柄的输入距离按比例缩放第一比例因子，并且响应于输入手柄在第二方向上的移动而将输入手柄的输入距离按比例缩放第二比例因子。第二比例因子可以不同于第一比例因子。处理单元可经配置以通过将输入距离除以第一比例因子或第二比例因子中的一个而按比例缩放输入距离。第一比例因子可以在约1到约10的范围内，并且第二比例因子可以在约1到约10的范围内。
在一些方面中，输入手柄可在具有中心和移动界限的工作空间内移动。输入手柄在第一方向上的移动可以朝向移动界限，并且输入手柄在第二方向上的移动可以朝向中心。处理单元可经配置以响应于输入手柄在中心与移动界限之间的位置而进一步按比例缩放输入距离。处理单元可经配置以响应于输入手柄在中心与移动界限之间的位置而线性地或以指数方式按比例缩放输入距离。处理单元可经配置以在输入手柄的位置更远离中心时增大第一输出距离。处理单元可经配置以在输入手柄的位置更远离中心时减小第二输出距离。
在某些方面中，输入手柄经配置以响应于输入手柄在第一方向上的移动而将输入手柄的输入距离按比例缩放第一比例因子，并且响应于输入手柄在第二方向上的移动而将输入手柄的输入距离按比例缩放第二比例因子。第二比例因子可以不同于第一比例因子。工作空间可以包含在中心与移动界限之间的第一点，其中当输入手柄在中心与第一点之间时第一比例因子和第二比例因子为恒定的。当输入手柄在第一点与移动界限之间时，第一比例因子或第二比例因子中的一个可以基于手柄的位置而改变。
在本公开的另一方面中，一种机器人手术系统包含具有末端的臂、支撑在臂的末端上的器械、输入手柄以及处理单元。输入手柄可在第一输入方向上移动第一输入距离以及在与第一输入方向相反的第二输入方向上移动第二输入距离，第二输入距离不同于第一输入距离。处理单元与输入手柄连通并与臂以操作方式相关联从而移动器械。处理单元经配置以响应于第一输入距离而使器械在第一输出方向上移动一输出距离，并且响应于第二输入距离而使器械在与第一输入方向相反的第二输出方向上移动所述输出距离。
在本公开的又一方面中，一种操作手术机器人的方法包含：使机器人手术系统的输入手柄在第一输入方向上移动一输入距离，从而使支撑在机器人手术系统的臂的末端上的器械响应于输入手柄在第一输入方向上的移动而移动第一输出距离；以及使机器人手术系统的输入手柄在与第一输入方向相反的第二输入方向上移动所述输入距离，从而使所述器械响应于输入手柄在第二输入方向上的移动而移动第二向外距离，第二输出距离不同于第一输出距离。
在各方面中，使机器人手术系统的输入手柄在第一输入方向上移动包含使输入手柄朝向工作空间的移动界限移动。使机器人手术系统的输入手柄在第二输入方向上移动可以包含使输入手柄朝向工作空间的中心移动。
在一些方面中，使机器人手术系统的输入手柄在第一方向上移动包含：向机器人手术系统的处理单元传输包含输入手柄相对于工作空间的中心的位置的输入信号。所述方法可以包含：处理单元基于输入距离、第一输入方向以及输入手柄相对于工作空间的中心的位置控制第一输出距离。
在某些方面中，使机器人手术系统的输入手柄在第二方向上移动包含：向机器人手术系统的处理单元传输包含输入手柄相对于工作空间的中心的位置的输入信号。所述方法可以包含：处理单元基于输入距离、第二输入方向以及输入手柄相对于工作空间的中心的位置控制第二输出距离。
在本公开的再一方面中，一种操作手术机器人的方法包含：使机器人手术系统的输入手柄远离工作空间的中心移动第一输入距离，从而使支撑在手术机器人的臂的末端上的器械在第一输出方向上移动一输出距离；以及使机器人手术系统的输入手柄朝向工作空间的中心移动第二输入距离，从而使所述器械在与第一输出方向相反的第二输出方向上移动所述输出距离，第二输入距离不同于第一输入距离。
在本公开的其它方面中，机器人手术系统包含：具有末端的臂、支撑在臂的末端上的器械、输入手柄以及处理单元。输入手柄可移动输入距离，并且包含具有激活状态和去激活状态的重定位控制件。处理单元可以与输入手柄连通并与臂以操作方式相关联从而移动器械。处理单元经配置以在重定位控制件处于激活状态时将输入手柄的输入距离按比例缩放第一比例因子，并且在重定位控制件处于去激活状态时将输入距离按比例缩放第二比例因子。第一比例因子大于第二比例因子。
在各方面中，第一比例因子在约100到约1000的范围内，并且第二比例因子在约1到约10的范围内。处理单元可经配置以通过在重定位控制件处于激活状态时将输入距离除以第一比例因子并通过在重定位控制件处于去激活状态时将输入距离除以第二比例因子来按比例缩放输入距离。
在本公开的另一方面中，一种重定位机器人手术系统的输入手柄的方法包含：在输入手柄的重定位控制件处于去激活状态的情况下使机器人手术系统的输入手柄移动一输入距离，从而使支撑在机器人手术系统的末端上的器械移动第一输出距离；以及在输入手柄的重定位控制件处于激活状态的情况下使机器人手术系统的输入手柄移动所述输入距离，从而使所述器械移动第二输出距离。输入手柄与处理单元连通，从而使机器人手术系统的器械与输入手柄以操作方式相关联。处理单元在输入手柄处于去激活状态时将输入距离按比例缩放为第一输出距离，并且在输入手柄处于激活状态时将输入距离按比例缩放为第二输出距离。
在各方面中，将输入距离按比例缩放为第一输出距离包含将输入距离除以约1到约10范围内的第一比例因子，并且将输入距离按比例缩放为第二输出距离包含将输入距离除以约100到约1000范围内的第二比例因子。在重定位控制件处于激活状态的情况下使输入手柄移动输入距离可以包含输入手柄的定向与器械的定向以操作方式相关联。
下文参考附图更详细地描述本公开的示例性实施例的另外细节和方面。
附图说明
下文参考图式描述本公开的各种方面，所述图式并入本说明书中并且构成本说明书的一部分，其中：
图1是根据本公开的用户接口和机器人系统的示意性图解；
图2是在二维工作空间内图1的用户接口的臂的平面图；
图3是图1的用户接口的工作空间的平面图；以及
图4是根据本公开的用于按比例缩放用户接口的移动的方法的示意图。
具体实施方式
现在参考图式详细描述本公开的实施例，其中在若干视图中的每一个中，类似参考标号指定相同或对应元件。如本文中所使用，术语“临床医生”指医生、护士或任何其它医护人员并且可以包含辅助人员。贯穿本说明书，术语“近端”指设备或其组件最接近于临床医生的部分，术语“远端”指设备或其组件最远离临床医生的部分。
参考图1，根据本公开的机器人手术系统1大体上示出为机器人系统10、处理单元30以及用户接口40。机器人系统10大体上包含连杆机构12和机器人底座18。连杆机构12可移动地支撑经配置以作用于组织的末端执行器或器械20。连杆机构12可以呈臂的形式，每个臂具有末端14，所述末端支撑经配置以作用于组织的末端执行器或器械20。另外，臂12的末端14可以包含用于使手术部位“S”成像的成像装置16。用户接口40通过处理单元30与机器人底座18连通。
用户接口40包含显示装置44，其经配置以显示三维图像。显示装置44显示手术部位“S”的三维图像，所述三维图像可以包含通过位于臂12的末端14上的成像装置16捕捉的数据，和/或包含通过位于手术台周围的成像装置(例如，位于手术部位“S”内的成像装置、位于邻近患者“P”的成像装置、位于成像臂52的远端处的成像装置56)捕捉的数据。成像装置(例如，成像装置16、56)可以捕捉手术部位“S”的视觉图像、红外图像、超声图像、x射线图像、热像和/或任何其它已知的实时图像。成像装置将所捕捉的成像数据传输到处理单元30，所述处理单元实时地根据成像数据创建手术部位“S”的三维图像，并且将所述三维图像传输到显示装置44进行显示。
用户接口40还包含输入手柄42，所述输入手柄允许临床医生操控机器人系统10(例如，移动臂12、臂12的末端14和/或器械20)。输入手柄42中的每一个与处理单元30连通，从而向所述处理单元传输控制信号以及自其接收反馈信号。另外或替代地，输入手柄42中的每一个可以包含控制接口(未示出)，所述控制接口允许外科医生操控(例如，夹持、抓取、发射、打开、闭合、旋转、推进、切开等)支撑在臂12的末端14处的器械20。
另外参考图2，输入手柄42中的每一个可移动通过预定义工作空间“W”从而使臂12的末端14在手术部位“S”内移动。应了解，虽然在图2中呈二维示出工作空间“W”，但是工作空间“W”是三维工作空间。显示装置44上的三维图像经定向使得如在显示装置44上观看输入手柄42的移动使臂12的末端14移动。应了解，显示装置上的三维图像的定向可以相对于从患者“P”上方看成镜像或旋转。另外，应了解，显示装置44上的三维图像的大小可以按比例缩放为比手术部位的实际结构更大或更小，从而允许外科医生更好地观看手术部位“S”内的结构。在移动输入手柄42时，使器械20在手术部位“S”内移动，如下详述。如本文中详述，器械20的移动还可包含支撑器械20的臂12的末端14的移动。
对于机器人手术系统1的构造和操作的详细论述，可以参考发明名称为“医疗工作站(Medical Workstation)”的第2012/0116416号美国专利公开案，所述美国专利公开案的内容以全文引用的方式并入本文中。
相对于输入手柄42的移动按比例缩放器械20的移动。当输入手柄42在预定义工作空间“W”内移动时，输入手柄42发送控制信号到处理单元30。处理单元30分析控制信号以响应于控制信号移动器械20。处理单元30将比例缩放控制信号传输到机器人底座18从而使器械20响应于输入手柄42的移动而移动。处理单元30通过将输入距离(例如，通过输入手柄42中的一个移动的距离)除以比例因子SF来按比例缩放控制信号从而获得按比例缩放的输出距离(例如，使末端14中的一个移动的距离)。比例因子SF在约1与约10之间的范围内(例如，3)。此缩放比例由以下等式表示：
输出距离＝输入距离/SF。
应了解，比例因子SF越大，器械20相对于输入手柄42的移动而进行的移动就越小。
在外科手术期间，如果临床医生到达输入手柄42的预定义运动范围的边缘或界限，那么临床医生必须离合输入手柄42(即，将输入手柄42的运动从相应臂12的器械20的运动分离)，从而将输入手柄42重定位回预定义工作空间“W”内，之后再继续使输入手柄42在相同方向上移动。当比例因子SF增大时，临床医生可能需要更频繁地离合输入手柄42，这增加了外科手术的步骤以及因此外科手术的时间和/或成本。
另外，当输入手柄42从器械20离合时，器械20的定向(例如，滚动、倾斜和横摆)也从输入手柄42的定向分离。当输入手柄42被解离合或分离时，处理单元30可经编程以使器械20的定向与输入手柄42的定向对准，这可能在输入手柄42重新联接时导致器械20的非预期移动。替代地，当输入手柄42重新离合或重新联接时，处理单元30可以在输入手柄42重新联接到处理单元30的当前定向时再校准输入手柄42的定向，这可能导致输入手柄42的定向被器械20歪曲。
为了减少或消除对临床医生在外科手术期间离合输入手柄42的需要，输入手柄42中的每一个可以包含重定位控制件43，其发送信号到处理单元30以在程序化比例因子PSF与重定位比例因子RSF之间切换比例因子SF。程序化比例因子PSF在约1.0到约10.0的范围内(例如，3.0)，并且重定位比例因子RSF在约100.0到约1000.0的范围内明显更大(例如，500.0)。所述两个比例因子允许临床医生使用程序化比例因子PSF执行外科手术，并且当输入手柄42中的一个接近预定义工作空间“W”的移动边缘或界限时，临床医生激活重定位控制件43以改变为重定位比例因子RSF，从而将输入手柄42移动到预定义工作空间“W”内的期望位置而无需离合输入手柄42。一旦输入手柄42在预定义工作空间“W”内的期望位置处，临床医生就去激活重定位控制件43从而切换回至程序化比例因子PSF来继续外科手术。应了解，所述激活和去激活重定位控制件43将输入手柄42重定位在预定义工作空间“W”内，输入手柄42与臂12的末端14之间的定向关系得意保持。预期每个输入手柄42上的重定位控制件43可独立于另一输入手柄42上的重定位控制件43而激活。虽然重定位控制件43表示为按钮，但是预期可以通过但不限于开关、控制杆、触发器、光学传感器或语音命令来操作重定位控制件43。
另外或替代地，处理单元30可以基于输入手柄42在预定义工作空间“W”内的移动方向而改变比例因子SF，从而保持输入手柄42在预定义工作空间“W”内大体上居中。如下参考图2到4详述，相对于“X”轴详述基于输入手柄42的移动方向来改变比例因子SF的方法300；然而，应了解，此方法300也可应用于预定义工作空间“W”的“X”轴、“Y”轴和“Z”轴中的每一个。当输入手柄42远离预定义工作空间“W”的中心“C”朝向预定义工作空间“W”的移动界限移动(步骤330)时，处理单元30对输入手柄42的移动分配第一比例因子SF1、记录由箭头“A”表示的移动方向，并且标识由工作空间“W”的边界表示的移动界限。当输入手柄42朝向预定义工作空间“W”的中心“C”移动(步骤335)时，处理单元30对输入手柄42的移动分配大于第一比例因子SF1的第二比例因子SF2，并且记录由箭头“B”表示的移动方向。例如，第一比例因子SF1可以是约3.0，并且第二比例因子SF2可以是约4.5。预期第一比例因子SF1可以是第二比例因子SF2的大小的约0.70倍到约1.4倍。以此方式改变比例因子SF能保持输入手柄42大体上居中，方法是通过与临床医生为使器械20在每个方向上移动相同距离而使输入手柄42远离中心“C”移动的距离相比，当使输入手柄42朝向预定义工作空间“W”的中心“C”移动时要求临床医生使输入手柄42移动更大距离。
因此，在外科手术期间预定义工作空间“W”的中心“C”相对于手术部位“S”(图1)连续地移位。预期预定义工作空间“W”的中心“C”相对于手术部位“S”的移位可以是临床医生感觉不到的。具体参考图3，应了解，如上文所详述，箭头“A”的方向表示输入手柄42远离中心“C”朝向点“F”的移动方向；然而，当输入手柄42从中心“C”朝向点“H”移动时，箭头“B”表示远离中心“C”的移动。在实施例中，在每个轴(例如，“X”轴、“Y”轴和“Z”轴)上的第一比例因子SF1和第二比例因子SF2相同。在一些实施例中，在一个轴(例如，“X”轴)上的第一比例因子SF1和第二比例因子SF2不同于在其它轴(例如，“Y”轴和“Z”轴)上的第一比例因子SF1和第二比例因子SF2。
继续参考图2到4，所述方法可以包含处理单元30基于输入手柄42在预定义工作空间“W”内的位置而改变第一比例因子SF1和第二比例因子SF2。(步骤350、355)。如下详述，相对于“X”轴详述基于输入手柄42的位置改变比例因子SF的方法；然而，应了解，此方法也可应用于预定义工作空间“W”的“X”轴、“Y”轴和“Z”轴中的每一个。具体来说，通过区分输入手柄42的移动来计算手柄速度而实施比例因子SF1、SF2。将此手柄速度乘以比例因子(例如，比例因子SF1、SF2)。接着将按比例缩放的此速度与器械20的当前位置整合来确定器械20的新位置使得器械20的移动平滑。连续地整合按比例缩放的速度使得即使比例因子改变(例如，如下详述当比例因子平滑地或离散地改变)时器械20的移动也是平滑的。
根据此方法并且表示为步骤345和355，随着输入手柄42的位置远离预定义工作空间“W”的中心“C”移动，第二比例因子SF2可以增大(例如，第二比例因子SF2可以在输入手柄42处于点“D”时比在输入手柄42处于中心“C”时更大，第二比例因子SF2可以在输入手柄42处于点“E”时比在输入手柄42处于点“D”时更大，并且第二比例因子SF2可以在输入手柄42处于点“F”时比在输入手柄42处于点“E”时更大)。例如，第二比例因子SF2可以基于输入手柄42距离中心“C”的位置而以线性方式改变，使得在点“F”处，第二比例因子SF2约为4.5，在点“E”处，第二比例因子SF2约为4.0，在点“D”处，第二比例因子SF2约为3.5，并且在中心“C”处，第二比例因子SF2约为3.0。
替代地，第二比例因子SF2可以取决于输入手柄42距离中心“C”的位置而改变。例如，第二比例因子SF2可以基于输入手柄42距离中心“C”的位置而以指数方式改变，使得在点“F”处，第二比例因子SF2约为6.5，在点“E”处，第二比例因子SF2约为4.5，在点“D”处，第二比例因子SF2约为3.5，并且在中心“C”处，第二比例因子SF2约为3.0。
另外，预期当输入手柄42在接近中心“C”的第一部分S1内时第二比例因子SF2可以为恒定的，并且当输入手柄42的位置远离中心“C”移动超出第一部分S1时线性地或以指数方式增大。
在本公开的范围内，第二比例因子SF2可以随着输入手柄42的位置远离中心“C”而基于线性或指数公式以相对平稳的方式增大，或第二比例因子SF2可以在多个点(例如，点“D”、“E”和“F”)中的每个点处离散地改变从而形成第二比例因子SF2的不连续性。
如上文详述，当输入手柄42相距中心“C”的位置增大时，增大第二比例因子SF2要求临床医生在与使输入手柄42远离中心“C”移动相比时使输入手柄42朝向中心“C”移动更大距离从而使器械20在每个方向上移动相等距离，这使中心“C”相对于手术部位“S”移位以减少或消除对离合输入手柄42的需要。
除了如步骤340和350中所表示的之外，随着输入手柄42的位置远离预定义工作空间“W”的中心“C”移动，第一比例因子SF1可以减小(例如，第一比例因子SF1可以在输入手柄42处于点“D”时比在输入手柄42处于中心“C”时更小，第一比例因子SF1可以在输入手柄42处于点“E”时比在输入手柄42处于点“D”时更小，并且第一比例因子SF1可以在输入手柄42处于点“F”时比在输入手柄42处于点“E”时更小)。例如，第一比例因子SF1可以基于输入手柄42距离中心“C”的位置而以线性方式改变，使得在中心“C”处，第一比例因子SF1约为3.0，在点“D”处，第一比例因子SF1约为2.75，在点“E”处，第一比例因子SF1约为2.5，并且在点“F”处，第一比例因子SF1约为2.25。
替代地，第一比例因子SF1可以取决于输入手柄42距离中心“C”的位置而改变。例如，第一比例因子SF1可以基于输入手柄42距离中心“C”的位置而以指数方式改变，使得在中心“C”处，第一比例因子SF1约为3.0，在点“D”处，第一比例因子SF1约为2.75，在点“E”处，第一比例因子SF1约为2.25，并且在点“F”处，第一比例因子SF1约为1.25。
另外，预期当输入手柄42在中心“C”附近的位置处时第一比例因子SF1可以是恒定的，(例如，当输入手柄在点“D”与点“G”之间时，第一比例因子SF1是恒定的)，并且当输入手柄42的位置移动超出点“D”或点“G”时第一比例因子SF1线性地或以指数方式减小。在本公开的范围内，第一比例因子SF1可以随着输入手柄42的位置远离中心“C”移动而基于线性或指数公式以相对平稳的方式增大，或第一比例因子SF1可以在多个点(例如，点“D”、“E”和“F”)中的每个点处离散地改变从而形成第一比例因子SF1的不连续性。
如上文详述，增大第一比例因子SF1允许临床医生在输入手柄42相距中心“C”的位置增大时使输入手柄42远离中心“C”移动更小距离以促使器械20的相同移动，这反过来使中心“C”相对于手术部位“S”移位从而减少或消除对离合输入手柄42的需要。
预期每个输入手柄42可以类似方式改变相应比例因子SF1、SF2，或可以不同方式改变相应比例因子SF1、SF2(例如，一个输入手柄42可以基于所述输入手柄42的位置而改变其比例因子SF1、SF2，并且另一输入手柄42可以基于所述另一输入手柄相对于中心“C”的移动方向而改变其比例因子SF1、SF2，每个输入手柄42可以使用不同的线性或指数公式改变其比例因子SF1、SF2)。此外，预期输入手柄42可以改变比例因子SF1、SF2中的一个，并且比例因子SF1、SF2中的另一个可以是恒定的。虽然以均匀间隔开的方式示出点“F”到“J”，但是预期点“F”到“J”可以彼此不同的距离间隔开。例如，随着点更接近移动界限，所述点彼此间隔更近。
返回参考图1，机器人手术系统1包含成像臂52，所述成像臂通过处理单元30控制并且可以选择性地通过用户接口40控制。成像臂52包含安置在其远端上的成像装置56。成像装置56位于手术部位“S”上方或手术部位“S”内，并且经配置以捕捉作用于患者“P”的手术部位“S”内的器械20并将所捕捉图像传输到显示器44。成像装置56可以是三维(3D)摄像头，并且显示器44可以是3D显示器，从而使临床医生能够以三维形式观察手术部位“S”。成像装置56可相对于手术部位“S”或在手术部位“S”内以六个自由度移动，并且可以选择性地通过输入手柄42中的一个移动。手术系统1可以包含脚踏开关(未示出)，其在其中输入手柄42与臂12中的一个相关联在使器械20在手术部位“S”内移动的运行模式与其中输入手柄42与成像臂52相关联以使成像装置56围绕手术部位“S”移动的摄像头模式之间切换输入手柄42中的一个。此外，预期输入手柄42中的一个可以包含摄像头按钮(未示出)，从而使输入手柄42与成像臂52以操作方式相关联。
处理单元30可以确定成像装置56相对于手术部位“S”或在手术部位“S”内的位置，从而确定用于使输入手柄42的移动相关联到器械20在手术部位“S”内的移动的比例因子SF。如本文中详述，处理单元30确定成像装置56沿“Z”轴相对于手术部位“S”的位置以确定比例因子SF；然而，处理单元30也可以基于在“X”轴、“Y”轴和“Z”轴中的每一个上成像装置56相对于手术部位“S”或在手术部位“S”内的位置来确定比例因子SF。
继续参考图1，当成像装置56处于第一位置“L”时比例因子SF具有第一值，当成像装置56处于第二位置“M”时比例因子SF具有大于第一值的第二值。例如，当成像装置56处于第一位置“L”时第一值可以约为“1”，随着成像装置56更接近手术部位“S”移动到第二位置“M”，第二值可以约为“2”。成像装置持续移动到第三位置“N”可以使比例因子SF进一步增大到第三值(例如，约3)。应了解，通过随着成像装置56更接近手术部位“S”移动而增大比例因子SF，器械20在手术部位“S”内的移动相对于输入手柄42在预定义工作空间“W”内的移动减小，使得如在显示器44上显示的器械20的移动对于输入手柄42在预定义工作空间“W”内的移动相对恒定。
处理单元30可以与成像臂52以操作方式相关联，使得随着比例因子SF增大或减小，处理单元30使成像装置56从手术部位“S”放大或缩小，从而使临床医生在显示器44上观看时输入手柄42在预定义工作空间“W”内的移动与器械20在手术部位“S”内的移动匹配。可以通过操控成像装置56的透镜组件(未明确示出)或通过使成像装置56朝向和远离手术部位“S”移动来实现成像装置56的放大和缩小。处理单元30可以在输入手柄42中的一个接近预定义工作空间“W”的界限或边缘时缩小成像装置56从而将器械20保持在成像装置56的视场内。另外，处理单元30可以重定位成像装置56，使得输入手柄42的中心“C”(图2)在显示装置44上大体上居中。
预期可以在外科手术之前或在外科手术期间通过操作机器人手术系统1的临床医生选择性地激活或去激活改变比例因子SF或移动成像装置56的任何方法。
应了解，可以如上详述基于输入手柄42相对于预定义工作空间“W”的中心“C”的移动或位置改变通过处理单元30基于成像装置56相对于手术部位“S”的位置而确定的比例因子SF。
尽管已经在图式中示出了本公开的若干实施例，但是并不意图将本公开限于这些实施例，因为希望本公开具有如本领域将允许的广泛的范围并且对说明书的理解也是如此。还设想以上实施例的任何组合并且所述组合在所附权利要求书的范围内。因此，上文的描述不应解释为限制，而仅仅是作为具体实施例的例证。所属领域的技术人员将能设想在本文所附的权利要求书的范围内的其它修改。

Claims (39)

1.一种机器人手术系统，包括：
连杆机构，其相对于底座可移动地支撑手术器械；
输入手柄，其可在多个方向上移动；以及
处理单元，其与所述输入手柄联通，并且与所述连杆机构可操作地相关联，从而基于所述输入手柄的按比例缩放的移动而移动所述手术器械，所述缩放比例取决于所述输入手柄朝向工作空间的中心还是远离所述工作空间的所述中心移动而改变，所述工作空间表示所述输入手柄的移动范围。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理单元配置成按照第一比例因子缩放所述输入手柄朝向所述工作空间的中心的第一移动，并且按照不同于所述第一比例因子的第二比例因子缩放所述输入手柄远离所述工作空间的中心的第二移动。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述处理单元配置成通过将所述第一移动的距离除以所述第一比例因子以及将所述第二移动的距离除以所述第二比例因子来缩放输入距离。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一比例因子和所述第二比例因子在1.0到10.0的范围内，且所述第二比例因子大于所述第一比例因子。
5.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一比例因子是所述第二比例因子的0.70倍与1.40倍之间。
6.根据权利要求2所述的系统，其中所述处理单元配置成基于所述输入手柄距所述工作空间的中心的距离而进一步改变所述缩放比例。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述处理单元配置成基于所述输入手柄距所述工作空间的中心和所述输入手柄的移动界限中的至少一个的距离而线性地按比例缩放所述输入距离。
8.根据权利要求6所述的系统，其中所述处理单元配置成基于所述输入手柄距所述工作空间的中心和所述输入手柄的移动界限中的至少一个的距离而以指数方式按比例缩放所述输入距离。
9.根据权利要求6所述的系统，其中所述处理单元配置成随着所述输入手柄的位置更远离所述工作空间的中心而增大所述手术器械的移动。
10.根据权利要求6所述的系统，其中所述处理单元配置成随着所述输入手柄的位置更远离所述工作空间的中心而减小所述手术器械的移动。
11.根据权利要求6所述的系统，其中所述工作空间包含位于距所述工作空间的中心预定距离的第一部分，当所述输入手柄处于所述第一部分中时所述第一比例因子和所述第二比例因子是恒定的，而当所述输入手柄在所述第一部分之外时所述第一比例因子或所述第二比例因子中的至少一个改变。
12.一种机器人手术系统，包括：
连杆机构，其相对于底座可移动地支撑手术器械；
输入手柄，其可在第一输入方向上移动第一输入距离以及在与所述第一输入方向相反的第二输入方向上移动第二输入距离，所述第二输入距离不同于所述第一输入距离；以及
处理单元，其与所述输入手柄联通并与所述连杆机构可操作地相关联以移动所述手术器械，所述处理单元配置成响应于所述第一输入距离而使所述手术器械在第一输出方向上移动一输出距离，并且响应于所述第二输入距离而使所述手术器械在与所述第一输入方向相反的第二输出方向上移动相同的输出距离。
13.一种操作手术机器人的方法，所述方法包括：
检测可在多个方向上移动的输入手柄的多个移动；
将所述输入手柄朝向工作空间的中心的所检测移动按照第一比例因子进行缩放，所述工作空间表示所述输入手柄的移动范围；
将所述输入手柄远离所述工作空间的中心的所检测移动按照不同于所述第一比例因子的第二比例因子进行缩放；以及
基于所述按比例缩放的所检测移动而致动与所述输入手柄可操作地相关联的连杆机构，来移动由所述连杆机构可移动地支撑的手术器械。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：
将所述输入手柄朝向所述工作空间的中心的所检测移动的距离除以所述第一比例因子；以及
将所述输入手柄远离所述工作空间的中心的所检测移动的距离除以所述第二比例因子。
15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括基于所述输入手柄距所述工作空间的中心的距离而改变所检测移动的缩放比例。
16.根据权利要求13所述的方法，进一步包括基于所述输入手柄距所述工作空间的中心和所述输入手柄的移动界限中的至少一个的距离而线性地改变所检测移动的缩放比例。
17.根据权利要求13所述的方法，进一步包括基于所述输入手柄距所述工作空间的中心和所述输入手柄的移动界限中的至少一个的距离而以指数方式改变所检测移动的缩放比例。
18.根据权利要求13所述的方法，进一步包括随着所述输入手柄的位置更远离所述工作空间的中心而调节所述连杆机构的致动来增大所述手术器械的移动。
19.根据权利要求13所述的方法，进一步包括随着所述输入手柄的位置更远离所述工作空间的中心而调节所述连杆机构的致动来减小所述手术器械的移动。
20.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：
当所述输入手柄处于所述工作空间的位于所述工作空间的中心的预定距离内的一部分中时，将所述第一比例因子和所述第二比例因子设定为恒定的，以及
当所述输入手柄在所述部分之外时，改变所述第一比例因子和所述第二比例因子中的至少一个。
21.一种机器人手术系统，包括：
具有末端的臂；
支撑在所述臂的末端上的器械；
输入手柄，其可移动输入距离，并且包含具有激活状态和去激活状态的重定位控制件；以及
处理单元，其与所述输入手柄联通并与所述臂可操作地相关联以移动所述器械，所述处理单元配置成在所述重定位控制件处于所述激活状态时按照第一比例因子缩放所述输入手柄的所述输入距离，并且在所述重定位控制件处于所述去激活状态时按照第二比例因子缩放所述输入距离，所述第一比例因子大于所述第二比例因子。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述第一比例因子在100到1000的范围内，并且所述第二比例因子在1到10的范围内。
23.根据权利要求21所述的系统，其中所述处理单元配置成通过在所述重定位控制件处于所述激活状态时将所述输入距离除以所述第一比例因子，并通过在所述重定位控制件处于所述去激活状态时将所述输入距离除以所述第二比例因子，来按比例缩放所述输入距离。
24.一种重定位机器人手术系统的输入手柄的方法，所述方法包括：
在所述输入手柄的重定位控制件处于去激活状态的情况下，检测所述机器人手术系统的输入手柄移动的输入距离；
检测所述输入手柄的重定位控制件是处于激活状态还是去激活状态；
取决于所述重定位控制件的状态将所述输入距离按比例缩放为第一输出距离或不同的第二输出距离；
致动支撑在机器人手术系统的可移动臂的末端上的器械移动相应的按比例缩放的第一输出距离或第二输出距离。
25.根据权利要求24所述的方法，进一步包括：
作为将所述输入距离按比例缩放为所述第一输出距离的部分，将所述输入距离除以1.0到10.0范围内的第一比例因子；以及
作为将所述输入距离按比例缩放为所述第二输出距离的部分，将所述输入距离除以100到1000范围内的第二比例因子。
26.根据权利要求24所述的方法，进一步包括在所述输入手柄的所检测移动包含所述输入手柄的所检测定向改变时，改变所述器械的定向作为所述致动移动的部分。
27.一种机器人手术系统，包括：
具有末端的臂；
支撑在所述臂的末端上的器械；
输入手柄，所述输入手柄可移动输入距离；
成像装置，配置成捕捉在患者的手术部位内的所述器械的图像；以及
与所述输入手柄联通的处理单元，所述处理单元与所述臂可操作地相关联以移动所述器械，并且与成像臂联通，所述处理单元配置成基于所述成像装置相对于所述患者的手术部位的位置将所述输入手柄的所述输入距离按比例缩放为输出距离。
28.根据权利要求27所述的系统，进一步包括成像臂，所述成像装置位于所述成像臂的末端。
29.根据权利要求28所述的系统，其中所述输入手柄可在具有中心和移动界限的工作空间内移动，其中所述输入距离由所述中心与所述移动界限之间的距离界定。
30.根据权利要求29所述的系统，其中所述成像装置配置成随着所述输入手柄接近所述移动界限而缩小所捕捉的图像。
31.根据权利要求30所述的系统，其中所述处理单元与所述成像臂可操作地相关联，并且配置成使所述成像装置远离所述手术部位移动以缩小所捕捉的图像。
32.根据权利要求27所述的系统，进一步包括显示器，所述显示器配置成显示来自所述成像装置的所捕捉的图像。
33.根据权利要求32所述的系统，其中所述处理单元配置成将所述输入距离按比例缩放为所述输出距离，使得所述器械在所述显示器上的移动基本等于所述输入距离。
34.根据权利要求27所述的系统，进一步包括开关，所述开关配置成选择性地切换所述输入手柄在所述器械与所述成像臂之间的关联。
35.根据权利要求34所述的系统，其中所述开关安置在所述输入手柄上。
36.一种基于成像装置相对于手术部位的位置而按比例缩放支撑在臂的末端上的器械移动的方法，所述方法包括：
利用处理单元确定所述成像装置相对于所述手术部位的位置；以及
使机器人手术系统的输入手柄移动输入距离，以使通过所述机器人手术系统的处理单元与所述输入手柄可操作地相关联的手术机器人的器械移动输出距离，所述处理单元基于所述成像装置相对于所述手术部位的位置将所述输入距离按比例缩放为所述输出距离。
37.根据权利要求36所述的方法，其中移动所述输入手柄包含朝向所述输入手柄的移动界限移动所述输入手柄。
38.根据权利要求37所述的方法，进一步包括：所述处理单元随着所述输入手柄接近所述移动界限而使所述成像装置相对于所述手术部位移动。
39.根据权利要求38所述的方法，进一步包括：所述处理单元随着所述成像装置相对于所述手术部位移动而改变比例因子，所述处理单元通过所述比例因子将所述输入距离按比例缩放为所述输出距离。
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