CN109069206A - 用于医疗机器人系统的故障反应机制的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本文提供了用于响应机器人系统中的故障的系统和方法。在一些实施例中，该系统包含具有近端和远端的细长体、耦连到细长体的近端的后端壳体，以及控制系统。后端壳体包含一个或多个致动器，一个或多个致动器被配置为操纵细长体的远端。控制系统被配置为通过执行以下操作来控制机器人系统，包含：确定医疗机器人系统的操作状态、检测医疗机器人系统的一个或多个部件中的故障、根据一个或多个试探法对故障进行分类，以及基于一个或多个试探法在医疗机器人系统上施加故障反应状态以减轻故障。

Description

用于医疗机器人系统的故障反应机制的系统和方法
相关申请
本专利申请要求2016年6月30日提交的题为“SYSTEMS AND METHODS FOR FAULTREACTION MECHANISMS FOR MEDICAL ROBOTIC SYSTEMS”的美国临时专利申请62/357,121的申请日的优先权和权益，其通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及用于对医疗机器人系统中的故障作出反应的系统和方法，并且更具体地涉及用于在医疗程序中使用的医疗机器人系统中处理这种故障的系统和方法。
背景技术
使用计算机辅助医疗装置的微创手术技术通常试图进行手术和/或其他程序，同时使对健康组织的损害最小化。一些微创程序可以通过使用具有手术器械的计算机辅助医疗装置远程执行。对于许多计算机辅助医疗设备，医生和/或其他医疗人员通常可以使用操作员控制台上的一个或多个控制件来操纵输入装置。当医生和/或其他医疗人员在医生控制台处操作各种控制件时，命令从医生控制台转送到患者侧装置，其中一个或多个末端执行器和/或手术器械被安装到患者侧装置。以这种方式，医生和/或其他医疗人员能够使用末端执行器和/或手术器械对患者执行一个或多个程序。根据期望的手术和/或使用的手术器械，通过使用远程操作和/或在半自动控制件可以在医生和/或医疗人员的控制下部分或完全地执行期望的程序，其中手术器械可以基于医生和/或其他医务人员的一个或多个激活动作执行操作序列。
无论是手动、远程操作和/或半自动的微创手术系统均可以用于各种操作和/或程序中，并且可以具有各种配置。许多这样的系统具有包括安装在轴的远端的末端执行器的器械，该轴可以安装到关节臂的远端。在许多操作场景中，轴可以被配置为通过开口(例如，体壁切口、天然孔口和/或类似物)插入(例如，腹腔镜、胸腔镜和/或类似物)以到达远程手术部位。在一些器械中，关节式腕部机构可以安装到器械的轴的远端以支撑末端执行器，其中关节式腕部提供改变末端执行器相对于轴的纵向轴线的取向的能力。关节式腕部机构可以由柔性机器人臂或导管提供。
可以使用不同设计和/或配置的末端执行器来执行不同的任务、程序和功能，以便允许医生和/或其他医疗人员执行各种手术程序中的任何一种。示例包括但不限于烧灼、摘除、缝合、切割、吻合、熔合，密封等，和/或其组合。因此，末端执行器可以包括多种部件和/或部件的组合以执行这些手术程序。这些末端执行器可以固定到柔性机器人导管的远端，或者可以通过沿着柔性机器人导管的长度延伸的一个或多个管腔输送到手术部位。
在使用柔性机器人导管的手术期间，当一个或多个部件在试图执行期望的程序时遇到故障状况时，由于末端执行器的可见度有限、手术器械操作的有限空间、手术器械的有限入口、末端执行器相对于医生和/或其他医务人员的远程位置和/或类似情况，医生和/或其他医疗人员可能难以检测和/或校正故障状况。因此，期望用于对故障状况作出反应的改进方法和系统。
发明内容
通过与说明书随附的权利要求充分地概括了本发明的实施例。
然而，与一些实施例一致，医疗机器人系统包含操纵器组件，该操纵器组件具有被配置为操纵柔性细长体的一个或多个致动器以及被配置为执行操作的控制系统。该操作包含确定医疗机器人系统的操作状态、检测医疗机器人系统的一个或多个部件中的故障、根据一个或多个试探法对故障进行分类，以及基于一个或多个试探法在医疗机器人系统上实施故障反应状态以减轻故障。
与一些实施例一致，一种控制医疗机器人系统的方法包含以下操作：确定医疗机器人系统的操作状态，检测医疗机器人系统的一个或多个部件中的故障，并根据一个或多个试探法对故障进行分类，该医疗机器人系统包括细长体，细长体具有近端、远端和在其间的管腔。介质的一些实施例还包含用于通过控制系统基于医疗机器人系统的操作状态和故障的分类在医疗机器人系统上施加故障反应状态以减轻故障的指令。
与一些实施例一致，提供具有在其上存储指令的非暂时性计算机可读存储介质。当指令由一个或多个处理器执行时，例如机器人控制系统的一个或多个处理器执行以下操作，所述操作包含确定医疗机器人系统的操作状态的操作，该医疗机器人系统包括具有近端、远端和在其间的管腔的细长体，检测医疗机器人系统的一个或多个部件中的故障，并根据一个或多个试探法对故障进行分类。介质的一些实施例还包含用于通过控制系统基于医疗机器人系统的操作状态和故障的分类在医疗机器人系统上施加故障反应状态以减轻故障的指令。
实施例还包含，当操作状态指示医疗器械从管腔突出并使致动器变得顺应由患者的解剖通道的壁施加在细长体上的外力时，当操作状态指示医疗器械没有从管腔突出时，使得耦合到细长体的致动器保持细长体的形状。
应当理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和解释性的，并且旨在提供对本公开的理解而不限制本公开的范围。在这方面，从以下详细描述，本公开的另外的方面、特征和优点对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下详细描述中可以充分地理解本公开的各方面。强调的是，根据工业中的标准实践，各种特征未按比例绘制。事实上，为了清楚起见，可以任意增加或减少各种特征的尺寸。此外，本公开可以在各种示例中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简单和清楚的目的，并且本身并不规定所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。
图1是根据本公开的实施例的远程操作医疗系统。
图2示出了利用本公开的各方面的医疗机器人系统。
图3A和图3B是根据本公开的实施例的包含安装在插入组件上的柔性医疗器械的患者坐标空间的侧视图。
图4A、图4B、图4C和图4D示出了在人肺内插入期间，图2、图3A和图3B的医疗机器人系统的远端。
图5是示出根据本公开的一些实施例的用于减轻医疗机器人系统中的故障的方法的流程图。
图6A、图6B和图6C示出了根据本公开的方面的响应于位于人肺内的医疗机器人系统中检测到故障的阶段。
图7示出了可以在本公开的一些实施例中采用的图形用户界面。
通过参考以下详细描述可以更好地理解这些附图。
具体实施方式
在以下对本发明各方面的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对所公开实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开。在其他情况下，没有详细描述公知的方法、程序、部件和电路，以免不必要地模糊本发明的实施例的各方面。并且，为了避免不必要的描述性重复，根据一个说明性实施例描述的一个或多个部件或动作可以根据其他说明性实施例的可用性而被使用或省略。
以下实施例将根据它们在三维空间中的状态来描述各种器械和器械的部分。如本文所使用的，术语“位置”是指物体或物体的一部分在三维空间中的方位(例如，沿笛卡尔x坐标、y坐标和z坐标的三个平移自由度)。如本文所使用的，术语“取向”是指物体或物体的一部分的旋转放置(三个旋转自由度-例如，滚动、俯仰和偏转)。如本文所使用的，术语“姿势”是指物体或物体的一部分在至少一个平移自由度中的位置和该物体或物体的一部分在至少一个旋转自由度(最多六个总自由度)中的取向。如本文所用，术语“形状”是指沿物体测量的一组姿势、位置或取向。
参考附图的图1，用于例如手术、诊断、治疗或活组织检查程序的远程操作医疗系统100通常由附图标记100表示。如图1所示，远程操作医疗系统100通常包含远程操作操纵器组件102(也称为“从操纵器组件102”、“远程操作组件102”和“操纵器组件102”)，其具有一个或多个器械系统，例如对患者P进行各种程序的医疗器械系统104。操纵器组件102被安装在手术台T上或附近。称为主组件106的操作员输入系统允许操作员(例如，如图1所示的外科医生、临床医生或医生O)观察介入部位并控制操纵器组件102。
主组件106可以位于操作员的控制台处，该控制台通常位于与手术台T相同的房间中并且可以定位在手术台T附近。然而，应当理解，医生O可以位于与患者P不同的房间或完全不同的建筑物中。主组件106通常包含用于控制操纵器组件102的一个或多个控制装置。控制装置可以包含任何数量的各种输入装置，例如操纵杆、轨迹球、数据手套、触发枪、手动控制器、语音识别装置、身体运动或存在传感器等。在一些实施例中，控制装置将具有与一个或多个相关医疗器械系统104相同的自由度，以向医生提供远程呈现，或者控制装置与器械系统104集成在一起的感觉，使得医生具有直接控制器械系统104的强烈的感觉。在其他实施例中，控制装置可以具有比相关医疗器械系统104更多或更少的自由度，并且仍然为医生提供远程呈现。在一些实施例中，控制装置是手动输入装置，其以六个自由度移动，并且还可以包含用于致动器械的可致动手柄(例如，用于闭合抓钳、向电极施加电势、递送药物治疗等)。
操纵器组件102的一部分支撑医疗器械系统104并且可以包括一个或多个非伺服控制联动装置的运动学结构(例如，可手动定位并锁定在适当位置的一个或多个链节，通常被称为装配结构)和远程操作操纵器。操纵器组件102包括多个致动器或马达，其响应于来自控制系统(例如，控制系统112)的命令而驱动医疗器械系统104上的输入。马达包括驱动系统，当耦合到医疗器械系统104时，驱动系统可以将医疗器械推进到自然的或手术创建的解剖孔中。其他马达驱动系统可以以多个自由度移动医疗器械的远端，这可以包括三度线性运动(例如，沿X、Y、Z笛卡尔坐标轴的线性运动)和三度旋转运动(例如，围绕X、Y、Z笛卡尔坐标轴的旋转)。另外，马达可以用于致动器械的可铰接的末端执行器，用于抓住活组织检查装置等的钳中的组织。马达位置传感器，例如解析器、编码器、电位计和其他机构，可以向远程操作组件提供描述马达轴的旋转和取向的传感器数据。该位置传感器数据可以用于确定由马达操纵的物体的运动。
远程操作医疗系统100还包括具有一个或多个子系统的传感器系统108，用于接收关于操纵器组件102的器械和器械系统的信息。这样的子系统可以包括位置/方位传感器系统(例如，电磁(EM)传感器系统)；形状传感器系统，用于确定导管尖端和/或沿着器械系统104的柔性体的一个或多个区段的位置、取向、速度、速率、姿势和/或形状；和/或用于从导管系统的远端捕获图像的可视化系统。
可视化系统(例如，图2的可视化系统231)可以包括观察范围组件，其在医疗器械系统104的远端记录手术部位的即时或实时图像并在一个或多个视觉显示器中向医生O提供图像。例如，即时图像可以是由位于手术部位内的内窥镜捕获的二维或三维图像。在该实施例中，可视化系统包含可整体或可移除地耦合到医疗仪器系统104的内窥镜部件。然而，在可替代的实施例中，附接到单独的操纵器组件的单独的内窥镜可以与医疗器械一起使用以对手术部位成像。可视化系统231可以实施为硬件、固件、软件或其组合，其与一个或多个计算机处理器交互或另外地由一个或多个计算机处理器执行，一个或多个计算机处理器可以包含控制系统112(如下所述)的处理器。控制系统112的处理器可以执行包括与本文公开的过程(例如这些可视化过程和其他过程)相对应的指令的指令。
远程操作医疗系统100还包括显示器110，用于显示由传感器系统108的子系统生成的手术部位和医疗器械系统104的图像或表示。显示器110和主组件106可以被取向，使得医生可以用远程呈现的感知来控制医疗器械系统104和主组件106。在一些实施例中，显示器110可以呈现要向医生O显示的一个或多个物体的模型。例如，患者P的器官或解剖结构通道的模型(或者不是特定于患者P的模型)可以被显示。作为另一个示例，也可以显示医疗器械系统104或其部件的模型。
显示器110还可以显示由可视化系统231捕获的手术部位和医疗器械的图像。显示器110和控制装置可以被取向成使得范围组件内的成像装置和医疗器械的相对位置类似于医生的眼睛和手的相对位置，因此医生可以操纵医疗器械系统104和手部控制件，就好像在基本上真实呈现的情况下观察工作空间一样。通过真实呈现，意味着图像表示是模拟物理操纵器械系统104的操作员的视点的真实透视图像。
可替代地或另外地，显示器110可以使用来自成像技术的图像数据(例如，计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光透视、热像仪、超声、光学相干断层扫描(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像或纳米管X射线成像)呈现术前或术中记录的手术部位的图像。术前或术中图像数据可以呈现为二维、三维或四维(包括例如基于时间或基于速度的信息)图像或来自从术前或术中图像数据集创建的模型的图像。
在一些实施例中，通常出于图像引导的医疗程序的目的，显示器110可以显示虚拟导航图像，其中医疗器械系统104的实际方位与术前或即时图像/模型配准(即，动态地参考)以便从器械系统104的尖端的方位的视点向医生O呈现内部手术部位的虚拟图像。器械系统104的尖端或其他图形或字母数字指示器的图像可以叠加在虚拟图像上辅助医生控制医疗器械。可替代地，器械系统104可在虚拟图像中不可见。
在其他实施例中，显示器110可以显示虚拟导航图像，其中医疗器械的实际方位与术前或即时图像配准，以从外部视点向医生O呈现手术部位内的医疗器械的虚拟图像。可以将医疗器械的一部分或其他图形或字母数字指示器的图像叠加在虚拟图像上以辅助医生控制器械系统104。在一些实施例中，可以在显示器110中呈现虚拟导航图像，该虚拟导航图像从沿着或穿过相应的实际解剖通道插入的器械的视角描绘了解剖学通道的模型。
远程操作医疗系统100还包含控制系统112。控制系统112包含至少一个存储器和至少一个计算机处理器(未示出)，并且通常包含多个处理器，用于实现医疗器械系统104、主组件106、传感器系统108和显示器110之间的控制。控制系统112还包含用于实施根据所公开的各方面描述的一些或全部方法的编程指令(例如，计算机可读介质存储指令)，包含用于向显示器110提供病理和/或生理信息的指令。虽然在图1的简化示意图中，控制系统112被示为单个方块，但该系统可以包含两个或更多个数据处理电路，其中处理电路的一部分可选地在操纵器组件102上或附近执行，处理的另一部分在主组件106处执行，等等。可以采用任何的各种各样的集中式或分布式数据处理架构。类似地，编程指令可以实施为多个单独的程序或子程序，或者它们可以集成到本文所述的远程操作系统的许多其他方面中。在一个实施例中，控制系统112支持无线通信协议，例如蓝牙、IrDA、HomeRF、IEEE 802.11、DECT和无线遥测。
在一些实施例中，控制系统112可以包含一个或多个伺服控制器，一个或多个伺服控制器接收来自医疗器械系统104的力和/或扭矩反馈。响应于反馈，伺服控制器将信号传输到主组件106。一个或多个伺服控制器也可以发送指示操纵器组件102移动医疗器械系统104的信号，该医疗器械系统104经由体内的开口延伸到患者体内的内部手术部位。可以使用任何合适的传统或专用伺服控制器。伺服控制器可以与操纵器组件102分离或集成。在一些实施例中，伺服控制器和远程操作组件被提供作为邻近患者身体定位的远程操作臂推车的一部分。
控制系统112还可以包含虚拟可视化系统(如图2的可视化系统231)以在图像引导的手术程序中使用医疗器械系统104时向医疗器械系统104提供导航辅助。使用虚拟可视化系统的虚拟导航基于参考获得的术前或术中数据集和解剖通道模型。更具体地，虚拟可视化系统处理通过使用诸如计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、透视、热成像、超声、光学相干断层扫描(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像、纳米管X射线成像等的成像技术成像的手术部位的图像。单独的软件或结合手动输入的软件用于将记录的图像转换成部分或整个解剖器官或解剖区域的分段的二维或三维复合表示。图像数据集与复合表示相关联。复合表示和图像数据集描述了通道的各种方位和形状及其连通性。用于生成复合表示的图像可以在临床程序期间术前或术中记录。在可替代的实施例中，虚拟可视化系统可以使用标准表示(即，不是患者特定的)或标准表示和患者特定数据的混合。复合表示和由复合表示生成的任何虚拟图像可以表示在一个或多个运动阶段期间(例如，在肺的吸气/呼气循环期间)可变形解剖区域的静态姿势。
在虚拟导航程序期间，传感器系统108可用于计算器械的大致方位或器械的部分相对于患者解剖结构的方位。一个或多个方位可用于产生解剖结构的宏观层面(外部)跟踪图像和患者解剖结构的虚拟内部图像两者。使用电磁(EM)传感器、光纤传感器或其他传感器来配准医疗器械与术前记录的手术图像并将医疗器械与术前记录的手术图像一起显示的各种系统是已知的，例如来自虚拟可视化系统的那些系统。例如美国专利申请No.13/107，562(2011年5月13日提交)(公开了“Medical System Providing DynamicRegistration of a Model of an Anatomic Structure for Image-Guided Surgery”)公开了一种这样的系统，该申请通过引用以其整体并入本文。
控制系统112还可以被配置为检测并响应系统失效或故障或故障状况。例如，用于控制医疗器械系统104的马达或致动器可以包含扭矩传感器或位置传感器，以便于控制系统112的控制。医疗器械系统104可以包含具有冗余传感器的马达或致动器，以监测那些马达或致动器。当冗余传感器提供不同的读数(例如，读数相差超过阈值量)时，控制系统112可以检测到该差异是医疗系统100中的故障。在一些示例中，故障不一定表示失效或错误，而是可以通过系统条件的其他改变检测到的状态或状况改变。如下面进一步详细讨论的，控制系统112可以调整或改变医疗系统100或其各个部件的操作状态，以减轻潜在的不利后果。
远程操作医疗系统100还可以包含可选的操作和支持系统(未示出)，例如照明系统、转向控制系统、冲洗系统和/或抽吸系统。在可替代的实施例中，远程操作系统可以包含多于一个的远程操作组件和/或多于一个的操作员输入系统。操纵器组件的确切数量将取决于手术程序和手术室内的空间限制，以及其他因素。医生输入系统可以并置或者可以定位在不同的方位。多个操作员输入系统允许多个操作员以各种组合控制一个或多个操纵器组件。
图2示出了柔性机器人系统，在该上下文中称为医疗器械系统200，其可以在用远程操作医疗系统100执行的图像引导医疗程序中用作医疗器械系统104。可替代地，医疗器械系统200可以用于非远程操作探查程序或涉及传统手动医疗器械的程序，例如内窥镜检查。另外或可替代地，医疗器械系统200可以用于收集(即，测量)对应于患者解剖通道内的方位的一组数据点。
器械系统200包含耦合到壳体204的导管系统202，壳体204也称为后端壳体。在器械系统200被手动操作的实施例中，壳体204可包含夹持特征、手动致动器或用于手动控制器械系统的运动的其他部件。导管系统202可以是可操纵的，或可替代地，系统可以是不可操纵的，而没有用于操作员控制器械弯曲的集成机构。导管系统202包含细长柔性体216，其具有近端217和尖端部分或远端218。在一个实施例中，细长柔性体216具有大约3mm的外径。其他柔性体外径可以更大或更小。导管系统202可以可选地包含形状传感器222，用于确定在远端218处导管尖端和/或沿着柔性体216的一个或多个区段224的位置、取向、速度、速率、姿势和/或形状。在远端218和近端217之间的柔性体216的整个长度可以有效地分成段224。如果器械系统200是远程操作医疗系统100中的医疗器械系统104，形状传感器222可以是传感器系统108的部件。如果器械系统200被手动操作或以其他方式用于非远程操作程序，则形状传感器222可以耦合到跟踪系统230，跟踪系统230询问形状传感器并处理接收的形状数据。
形状传感器222可包含与柔性体216对准的光纤(例如，在内部通道(未示出)内提供或安装在外部)。在一个实施例中，光纤具有约200μm的直径。在其他实施例中，尺寸可以更大或更小。形状传感器222的光纤形成光纤弯曲传感器，用于确定导管系统202的形状。在一个可替代的方案中，包括光纤布拉格光栅(FBG)的光纤用于提供结构在一个或多个维度中的应变测量。形状传感器222的光纤可以使得能够同时收集一组测量点，这些测量点在单个时刻沿着柔性体216的长度描述形状传感器222的各个部分的位置。在一些实施例中，形状传感器222可包含具有多于一个光纤芯的光纤或具有多于一个芯的多个光纤。例如，形状传感器222可以包含具有七个光纤芯的光纤，其可以被单独询问以提供冗余并提供增加的精度。美国临时专利申请No.62/334,649(2016年5月11日提交)(题为“Redundant Core InShape Fiber for Safety”)、美国专利申请No.11/180,389(2005年7月13日提交)(题为“Fiber optic position and shape sending device and method relating thereto”)、美国专利申请No.12/047,056(2004年7月16日提交)(题为“Fiber-optic position and/orshape sensing based on Rayleigh scatter”)以及美国专利No.6,389,187(1998年6月17日提交)(题为“Optical Fiber Bend Sensor”)描述了用于三维监视光纤的形状和相对位置的各种系统和方法，这些专利申请的全部内容通过引用并入本文。
可替代的实施例中的传感器可以采用其他合适的应变传感技术，例如瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射和荧光散射。在其他可替代的实施例中，导管的形状可以使用其他技术来确定。例如，导管远端尖端姿势的历史可以用于在时间间隔内重建装置的形状。作为另一个例子，历史姿势、位置或取向数据可以被存储用于沿交替运动(例如呼吸)的循环的器械系统的已知点。这种存储的数据可以用于形成关于导管的形状信息。可替代地，沿着导管定位的一系列位置传感器，例如电磁(EM)传感器，可以用于形状感测。可替代地，在程序期间来自器械系统上的位置传感器(例如EM传感器)的历史数据可以用于表示器械的形状，特别是如果解剖通路通常是静态的。可替代地，具有由外部磁场控制的位置或取向的无线装置可以用于形状感测。无线装置的位置的历史可以用于确定导航通道的形状。
可选地，医疗器械系统可以包含位置传感器系统220。位置传感器系统220可以包括EM传感器系统或者是EM传感器系统的部件，其中一个或多个传感器包含可能受到外部产生的电磁场的一个或多个导电线圈。在美国专利No.6,380,732(1999年8月11日提交)中提供了对EM传感器系统的进一步描述(公开了“Six-Degree of Freedom Tracking SystemHaving a Passive Transponder on the Object Being Tracked”)，其通过引用整体并入本文。在一些实施例中，形状传感器222还可以用作位置传感器，因为形状传感器222的形状连同关于形状传感器222的基部的方位的信息(在患者的固定坐标系中，称为“患者空间”)，允许计算沿着形状传感器的各个点(包括远端尖端)的方位。
跟踪系统230可以包含位置传感器系统220和/或形状传感器222，用于确定远端218和沿着器械系统200的一个或多个段224的位置、取向、速度、姿势和/或形状。跟踪系统230可以实施为硬件、固件、软件或其组合，其与一个或多个计算机处理器交互或以其他方式由一个或多个计算机处理器执行，计算机处理器可以包含控制系统112的处理器。跟踪系统230可以包含一个或多个传感器，其监视器械(例如医疗器械226)插入通过沿柔性体216的长度延伸的管腔。因此，可以依赖跟踪系统230来提供医疗器械226的远端尖端是否包含在其相应的管腔内或者远端尖端是否从那里突出以用于外科手术的指示。例如，在一些实施例中，医疗器械226可以包含针。跟踪系统230可以向控制系统112提供信息以指示针的插入深度和沿着插入轴的移动，包含例如针是否定位在远端218之外以用于例如活组织检查程序。在一些实施例中，壳体204可以包含医疗器械检测器，以指示医疗器械或其他内部器械主体是否已通过柔性体216中的管腔插入并测量插入/缩回距离。
柔性体216包含尺寸和形状适于容纳医疗器械226的通道。医疗器械可以包含例如图像捕获探针、活组织检查器械、激光消融纤维或其他外科手术、诊断或治疗工具。医疗工具可以包含具有单个工作构件的末端执行器，单个工作构件例如手术刀、钝刀片、光纤，针或电极。其他末端执行器可以包含例如镊子、抓紧器、剪刀或夹子施加器。电激活的末端执行器的示例包括电外科电极、换能器、传感器等。在各种实施例中，医疗器械226可以是图像捕获探针，其包括在柔性体216的远端218处或附近具有立体或单视场相机的远端部分，以用于捕获由可视化系统231处理的图像(包括视频图像)以进行显示。图像捕获探针可以包含耦连到相机用于发送捕获的图像数据的电缆。可替代地，图像捕获器械可以是耦连到可视化系统的光纤束，例如纤维镜。图像捕获器械可以是单光谱或多光谱的，例如捕获可见光、红外线或紫外线光谱中的一个或多个中的图像数据。
医疗器械226可以容纳电缆、连杆或其他致动控制件(未示出)，电缆、连杆或其他致动控制件在器械的近端和远端之间延伸以可控制地弯曲、定位和/或以其他方式操纵器械的远端。可操纵的器械在美国专利No.7,316,681(2005年10月4日提交)(公开了“Articulated Surgical Instrument for Performing Minimally Invasive Surgerywith Enhanced Dexterity and Sensitivity”)和美国专利申请No.12/286，644(2008年9月30日提交)(公开了“Passive Preload and Capstan Drive for SurgicalInstruments”)中详细描述，其通过引用整体并入本文。
柔性体216还可以容纳在壳体204和远端218之间延伸的电缆、连杆或其他转向控制器(未示出)，以可控地弯曲远端218，如图所示，例如，通过断裂的虚线描绘远端219。在美国专利申请No.13/274,208(2011年10月14日提交)(公开了“Catheter with RemovableVision Probe”)中详细描述了可操纵导管，该申请通过引用整体并入本文。在器械系统200由远程操作组件致动的实施例中，壳体204可包含驱动输入，该驱动输入可拆卸地耦连到远程操作组件的电动驱动元件，例如致动器206，并从电动驱动元件接收电力。
在所示实施例中，致动器206是旋转致动器，其通过电线或电缆208耦连到远端218。当致动器206围绕其轴线旋转时，电缆208的长度改变，导致由断裂的虚线描绘219所示的运动。第一传感器210A可以耦连到致动器206，以检测致动器206的位置、旋转方向、旋转速率，致动器的状态等。第一传感器210A可以对该信息进行编码以供图1的控制系统112使用。另外，医疗器械系统200的实施例可以包含第二传感器210B，第二传感器210B也与致动器206通信以提供由第一传感器210A提供的相同种类的信息。在一些实施例中，第一和第二传感器210A-B可以提供通过不同的感测机制获得的相关信息。例如，传感器210A可以测量致动器206的旋转，而传感器210B测量与致动器206的旋转相对应的电线或电缆的平移运动。这些相关类型的信息可以用作冗余信息。因此，第一和第二传感器210A-B可以是向控制系统112提供冗余信息的冗余传感器。壳体204的实施例可以包含如致动器206的三个或更多个致动器，该致动器具有相应的传感器。另外，壳体204的一些实施例被配置为与外部设置的致动器配合。例如，如致动器206的一个或多个致动器可以设置在耦连到壳体204的单独马达壳体中，以驱动设置在壳体204内的相应的轴或绞盘。通过驱动轴或绞盘，电线或电缆208可以是缠绕或展开以使远端218以期望的运动移动或移动到期望的位置。在这样的实施例中，第一和第二传感器210A-B可以被包含在单独的马达壳体中。
在各种实施例中，医疗器械系统200可以包含柔性支气管器械，例如支气管镜或支气管导管，以用于肺的检查、诊断、活组织检查或治疗。系统200也可适用于通过自然或手术创建的连接通道，在各种解剖系统的任一种系统中导航和治疗其他组织，所述解剖系统包括结肠、肠、肾和肾小管、大脑、心脏、包括脉管系统在内的循环系统等。实施例还包含非医疗应用，例如用于装配线应用或其他工业应用的应用。
来自跟踪系统230的信息可以被发送到导航系统232，在那里它与来自可视化系统231的信息和/或术前获得的模型组合，在显示器110上为医生提供实时位置信息，以用于器械系统200的控制。控制系统112可以利用位置信息作为用于定位器械系统200的反馈。美国专利申请No.13/107,562(2011年5月13日提交)提供了用于使用光纤传感器来配准和显示手术器械与手术图像的各种系统，该申请标题为“Medical System Providing DynamicRegistration of a Model of an Anatomic Structure for Image-Guided Surgery”，其全部内容通过引用并入本文。
如图2所示，如医疗器械226的医疗器械可以用于例如手术、活组织检查、消融、照明、冲洗或抽吸的程序，并且可以通过延伸穿过柔性体216的一个或多个通道来展开，以用于解剖结构内的目标方位。例如，如果器械226是活组织检查器械，它可以用于从目标解剖方位移除样品组织或细胞取样。医疗器械226也可以与柔性体216内的图像捕获探针一起使用。可替代地，器械226本身可以是图像捕获探针。器械226可以从远端218处的对应管腔的开口前进以执行该程序，并且然后当程序完成时缩回到管腔中。医疗器械226可以从导管柔性体的近端217或从沿着柔性体的另一个可选的器械端口(未示出)移除。
图2还描绘了多个管腔开口236被包含在柔性体216的远端218中。这些开口236可以允许医生O在将远端218定位在手术部位之后在手术部位处使用一个或多个医疗器械，例如医疗器械226。开口236可以包含具有特定尺寸和形状以接收特定器械的开口。例如，一个管腔开口可以提供入口到成像器械以允许在远端218处的可视化。另一个管腔开口可以提供用于消融探针通过的开口以便获得到手术部位的入口。因此，每个管腔开口236可以对应于沿着细长柔性体216的长度延伸的通道。这可以以微创方式促进医疗程序(包括外科程序)的执行。
医疗器械系统200还包含故障监视器240，其可以由软件、硬件或其组合提供，以监视医疗系统100中的故障或失效。如本文进一步描述的，故障监视器240可以提供故障反应逻辑管理器，其对故障进行分类。例如，故障可以被分类为关键的或非关键的。故障监视器240可以根据故障的分类和/或其他识别特征以操作以引导医疗系统100和/或其部件(如医疗器械系统200)，对故障作出响应。例如，故障监视器240可以从第一和第二传感器210A-B接收信息并识别由每个传感器提供的信息之间的差异。故障监视器240可以确定该差异是否作为系统故障和/或这种故障的级别或类型。在一些实施例中，故障监视器240可以被包含作为图1的控制系统112的子系统或服务。
图3A和图3B示出了根据一些实施例的示例性手术环境300，其中患者P定位在手术台T上。在通过镇静，约束或其他手段限制患者的总体患者运动的意义上，患者P可以在手术环境内是静止的。在手术环境300中，医疗器械304耦连到器械托架306。在各种实施例中，医疗器械304可以使用EM传感器、形状传感器和/或其他传感器形式。器械托架306被安装到固定在手术环境300内的插入台308上。可替代地，插入台308可以是可移动的，但在手术或患者坐标系统内具有已知方位(例如，通过跟踪传感器或其他跟踪装置)。器械托架306可以是远程操作操纵器组件(例如，操纵器组件102)的部件，其耦连器械304以控制插入运动，并且可选地，控制器械的远端在多个方向上的运动，包含偏航、俯仰和滚动。器械托架306或插入台308可包含伺服马达(未示出)，其控制器械托架沿插入台的运动。器械托架306的一些实施例可以包括与器械后端壳体分开的驱动马达壳体，如上面结合图2所述。在一些实施例中，医疗器械304可以由图2的医疗器械系统200提供。这些伺服马达或致动器可以具有一个或多个传感器，以向控制系统(如图1的控制系统112)提供相关的测量。
医疗器械304可以包含在其近端处耦连到刚性器械壳体312的柔性导管310。刚性器械壳体312相对于器械托架306被耦连和固定。医疗器械304可基本上类似于医疗器械系统200，使得导管310对应于图2的柔性体216。
当刚性器械壳体312沿着插入轴线A在插入台308上移动时，位置测量装置320提供关于刚性器械壳体312的位置的信息。位置测量装置320可以包含确定马达轴的旋转和取向的解析器、编码器、电位计和其他机构，所述马达轴控制器械托架306的运动，并因此控制刚性连接的器械壳体312的运动。冗余信息收集装置可以提供关于器械托架306的位置、速率等的冗余信息。在该实施例中，插入台308是线性的，但是在可替代的实施例中，它可以是弯曲的或具有弯曲和线性部分的组合。图3A示出了器械壳体312和托架306沿着插入台308处于缩回位置。在图3B中，器械壳体312和托架306沿着插入台308的线性轨道前进，并且导管310的远端已前进进入患者P中。在该前进位置，近端点316处于轴A上的位置L1。
医疗器械304的实施例可以使用任何数量的形式来收集测量点，包括EM感测和光纤形状感测。该组测量点可用于将医疗器械304的形状配准到患者解剖结构的计算机模型。例如，可以收集患者P的术前或术中图像并用于产生解剖结构的一部分的三维计算机模型。为了使医生O能够更好地观察手术部位和周围组织，可以将模型配准到医疗器械304以将它们带入公共空间。
图4A、图4B、图4C和图4D示出了图3A和图3B的导管310前进通过图1和图3的患者P的肺400的解剖学通道402。这些通道402包含气管和支气管。在导管310随着托架306沿着插入台308移动而前进时，医生O可以操纵导管310的远端318以导航通过解剖学通道402。在导航通过解剖学通道402时，导管310呈现可以由在导管310内延伸的形状传感器314测量的形状。
图5是一个流程图，其示出用于控制例如图2的医疗器械系统200和图3A和图3B的器械304的柔性机器人系统以检测、分类和减轻可能在系统中发生的故障的方法500。方法500被描绘为若干列举的步骤或操作。这些操作的实施例可以提供用于在给定柔性机器人系统的特定状态和柔性机器人系统的部件相对于患者的位置的情况下适当地处理故障的系统。方法500的实施例可以包括在列举操作之前、之后、之间的或作为列举操作的一部分的附加操作。方法500的一些实施例可以由控制系统实施，例如图1的控制系统112。
方法500的实施例可以在操作502开始，其中控制系统112确定柔性机器人系统的操作状态。机器人系统的操作状态可以包含表征柔性机器人系统的部件的当前配置的信息，所述部件例如细长柔性体，如柔性体216或导管310。例如，操作状态可以包含将细长柔性体定位在器官(例如肺)的特定解剖通道内的信息。如图6A所示，细长柔性体602定位在肺604的通道内。细长柔性体602可以包含一个或多个光纤芯，以提供表征柔性体602的形状信息。肺604的模型与柔性体602的形状之间的配准可以提供与肺604和柔性体602相关的信息，作为柔性机器人系统的操作状态的一部分。此外，操作状态可以包含柔性体602的远端606的位置。操作状态还可以包含关于插入细长柔性体602中的工具类型的信息，例如活组织检查工具、视觉探针，或消融器械。如图所示，针608从远端606在肺604的通道内展开。例如，针608可以是用于活组织检查程序的活组织检查针。描述针的信息，例如其规格尺寸和构造信息可以包含在操作状态中。另外，工作流程内的步骤可以包含在操作状态内。例如，操作状态可以包含当前工作流程处于活组织检查工作流程中的插入穿刺步骤的指示。插入传感器可用于确定针608从柔性体602的远端606突出多远。柔性机器人系统的操作状态还可包含系统的驱动模式。例如，系统的操作状态可以指示系统处于“驱动”模式，其中医生的意图是驱动器械并且系统被设置为对其作出反应并产生方向运动。或者操作状态可以指示系统处于“锁定”模式，其中医生的意图是使系统保持器械的当前形状。医生O可以通过经由主组件106操纵虚拟或物理用户界面控制件来选择这些模式中的一个或另一模式。其他信息，例如远离胸膜610的距离或肺604的另一个特征可以包含在柔性机器人系统的操作状态。
在操作504中，控制系统112可以检测柔性机器人系统的一个或多个部件中的故障。例如，控制系统112可以确定马达或致动器上的冗余传感器(如图2的致动器206)的分歧或差异超过阈值量。肺604的模型与柔性体602之间的配准问题可能触发另一个故障，使得此时不应依赖于配准以用针608获得活组织检查。可以使用配准的质量指示器(例如误差值)来确定是否可以依赖配准。当在主组件106处输入命令时，控制系统112没有观察到柔性体602与针608的相应移动，则可能出现另一个故障。类似地，当在没有从主组件106接收到任何肯定命令的情况下由控制系统观察到柔性体602或针608的移动时，可能出现故障。当在命令的移动与医疗器械的形状或姿势之间检测到差异时，进而指示已经导致了医生O无意的移动，可能出现另一个故障。在一个示例中，用于测量提供电缆长度变化的旋转致动器的编码器(例如传感器210A或210B)，可以用于以与为柔性体216计算的方式类似的方式计算柔性体602的预期形状。当检测到计算的或预期的形状与测量的形状(使用例如形状传感器314的形状传感器测量)之间的差异时，可能出现故障。另外，在远程操作医疗系统100的任何部件执行代码期间可能出现故障，所述任何部件包含操纵器组件102、主组件106、传感器系统108和控制系统112本身。通常，故障可以是潜在不安全操作状态的任何指示。例如，图2的传感器210A-B可以提供致动器206的状态的不同指示，致动器206用于控制图6的柔性体602的远端606。该故障可指示来自传感器210的信息的不可靠性，并且操作状态可指示针608从远端606延伸约3mm。来自传感器222的信息由控制系统112确定为故障数据，则可能出现另一个故障。
在操作506中，控制系统对故障进行分类，以便提供将确保患者P的最高安全水平的适当响应。可以使用许多不同的试探法来对检测到的故障进行分类。这种试探法可以包含由故障牵连的系统或子系统，例如运动系统、生理感测系统、通信系统。故障可能涉及始发系统(即故障源自的系统)以及依赖于那些始发系统的系统。例如，运动致动系统中的次要故障可能涉及传感器系统中的主要故障，该传感器系统用于提供与要移动的部件相关联的姿势信息。例如，当故障指示关于柔性细长体的运动或位置的故障时，例如两个冗余传感器之间的不一致或者与当前配准相关联的误差值高于某一阈值，故障可以被分类为运动致动故障。运动致动故障可指示当前跟踪误差、失控控制回路或故障主要或次要反馈传感器。例如，诸如传感器210A-B之类的冗余传感器之间的不一致将被控制系统112分类为运动致动故障。
可以基于检测到故障的传感器的类型来进一步对运动致动故障进行分类。测量传感器(例如测量柔性细长体的远端的弯曲尖端角度的远端测量传感器)中的故障可以被归类为远端传感器故障。远端测量传感器可以包含从细长柔性体的远端到近端定位的光纤传感器，例如形状传感器222，定位在柔性细长体的远端附近的多个EM传感器，或测量柔性细长体的远端的弯曲尖端角度的远端编码器。远端测量还可以包含在柔性细长体的近端处的近端传感器。近端传感器可以包含在致动器上的马达编码器，致动器被配置为驱动柔性细长体内的电缆，例如驱动电缆208导致导管系统202弯曲的致动器206上的传感器210A。由马达编码器测量的致动器的旋转与诸如医疗器械系统200的医疗器械系统的信息相结合可用于计算预期的弯曲尖端角度。医疗器械系统信息可以包含输入马达和输出致动器之间的传动系中的摩擦的测量或估计、柔性体中的顺应性、电缆的预期形变等。
当远端测量传感器本身发生故障时，例如当光纤传感器内的冗余光纤芯给出超过阈值差异的读数时，检测到的故障可以被分类为远端传感器故障。可替代地，当远端测量传感器提供低质量读数(包含超过指定噪声阈值的读数或表现出高于阈值的过度变化的读数)时，故障可归类为远端传感器故障。在另一个示例中，超过阈值的冗余传感器(例如传感器210A-B)之间的不一致将指示近端传感器中的误差。在另一个示例中，多个远端测量传感器(例如远端编码器和马达编码器)之间或光纤传感器和马达编码器之间的不一致将被检测为远端传感器故障。
误差的发生可用于进一步分类检测到的故障。例如，远端测量传感器可能表现出阈值之外的差异，但可能仅在一段时间内偶尔表现出误差。在一个示例中，仅当在控制回路的特定数量的连续伺服循环中检测到误差时，才可以检测并分类故障。在一些示例中，已被分类为噪声的数据可与来自多个远端测量传感器的组合的信息组合以补充远端测量传感器读数。例如，噪声数据可以通过滤波器(例如卡尔曼滤波器)补充信息、组合近端传感器信息、远端传感器信息和传动系统的模型，以产生弯曲尖端角度的更精确和稳健的估计，该估计可更容忍高噪声水平读数。当故障指示与柔性细长体的运动或位置无关的故障时，故障可替代地被分类为非运动致动故障。非运动致动故障可以是与显示系统或通信系统相关的故障，或与算法和相应代码相关的故障，所述算法和相应代码与细长柔性构件和/或由其引入的器械的运动和姿势之外的方面相关联。
可以考虑的另一种试探法或因子可以包含一种类型的故障。例如，与物理部件相关联的故障可与在运行时间期间显示的软件中的错误相关联的故障不同。
在508处，控制系统112基于柔性机器人系统的操作状态和由控制系统112检测到的故障的分类在柔性机器人系统上施加故障反应状态。当柔性机器人系统被定位在患者P的解剖结构内时，对故障的适当响应可取决于可从故障的分类和操作状态获得的若干因素。例如，对运动致动故障的适当响应可以是将柔性体602锁定在适当位置上，使得作用在其上的力被主动抵抗，即致动器被激活以提供相反的力以努力维持细长体的姿势。对运动致动故障的另一个适当响应可以是控制被耦连到柔性体602的致动器(例如，施加减小的扭矩、停用致动器，或将控制信号的比例部分转换为零)，以减小柔性体602的有效刚度或者能够最大程度地顺应周围解剖结构施加于其上的任何力。对运动致动故障的另一个适当响应可以是激活足以对柔性体602上的力提供一些阻力的致动器，而不激活用足够的力以在检测到故障时保持姿势的致动器。
类似地，故障反应状态可以引导位于柔性体602的远端606内一个或多个器械的移动或引导从柔性体602的远端606突出的一个或多个器械的移动。例如，在检测到故障时，控制系统112确定操作状态指示针608从细长柔性体602的远端606突出。细长柔性体602和肺604模型之间的配准可指示细长柔性体602正在向肺604的部分施加力F1。不是放松细长柔性体602的姿势，故障反应状态可以引导针608的收回。在一些实施例中，控制系统112可以与壳体204通信，壳体204可以包括马达或致动器系统以插入和收回针608和细长柔性体602，引起针608的自动收回。这种收回可以沿着包含针608的医疗器械的插入轴线被限制，使得针608保持在远端606附近但是完全包含在细长柔性体602内。以这种方式，控制系统112可以防止针608接触肺604的解剖通道的壁。在一些实施例中，在针608缩回到柔性体602中之后，医生O或另一操作员可以手动地脱离柔性体602，使得其变得顺应由肺604或其他解剖结构施加的力。控制系统112可以检测脱离并将其反映为柔性机器人系统的操作状态的变化。
将针608或另一医疗器械收回到柔性体602中可导致柔性机器人系统的操作状态的改变。控制系统112可以检测操作状态中的这种变化，并确定当前故障反应状态是否应该被维持、移除或由不同的故障反应状态替换。例如，在针608安全地缩回之后，控制系统112可以使先前用于在检测到故障时将细长柔性主体602锁定在其姿势中的致动器断电。断电的致动器可以不对通过肺604的壁放置在细长柔性体602上的恢复力F2提供阻力或提供降低的阻力。如图6C所示，新的故障反应状态可以允许细长柔性体遵循力F2(其存在于图6A和图6B中但被力F1抵消)以响应地改变细长柔性体602的形状。
在一些实施例中，故障反应状态可包含关于细长柔性体602和针608的动作，该动作可同时执行或结合执行。例如，细长柔性体602可以在针608缩回的同时被锁定就位。在另一个示例中，细长柔性体602的有效刚度可以在针608同时缩回时以特定速率减小。在可替代的示例中，细长柔性体602的有效刚度可以随着时间以特定速率减小，同时细长柔性体602同时缩回，这又使针608缩回。因此，如果在故障期间针插入肺406的壁的组织内，则细长柔性体602可自动缩回针608，将其从组织中收回，同时细长柔性体602的刚度降低，防止针对组织的潜在损害。通过针608的自动缩回或柔性细长体602或两者的自动缩回，缩回可以超过指定的缩回距离并且一旦完成，插入台马达或插入致动器控制针608的插入或者细长柔性体602的插入，例如图3A和图3B的插入台308，控制系统可以沿着插入轴线停放或锁定针608或细长柔性体602的运动。插入致动器可以置于主动伺服控制模式中，或者可以禁用插入致动器并且可以接合制动器，锁定针608和/或细长柔性体602的插入位置。细长柔性体602的有效刚度可以根据曲线减小，该曲线在针608或细长柔性主体602已经完成缩回时，对通过肺604的壁设置在细长柔性体602上的恢复力F2提供减小的阻力或不提供阻力。
在其他实施例中，控制系统112可以首先松弛细长柔性体602。然后可以将细长柔性体602的松弛状态被包含在操作状态中。控制系统112可施加新的故障反应状态，其中针608自动缩回到松弛的细长柔性体602中。例如，如果操作状态指示细长柔性体602的远端606或针608的远端在距胸膜610的阈值距离内，初始故障反应状态可在松弛细长柔性体之前缩回针608。换句话说，初始故障反应状态可以包含缩回针608并锁定细长柔性体602。当在操作状态中检测到变化时，可以由控制系统112引导新的故障反应状态。在一些实施例中，故障反应状态可以包括一系列操作，这些操作是在不参考操作状态的改变的情况下执行的，或者除非检测到相反指示操作状态才执行这些操作。在其他实施例中，故障反应状态可以包含单个操作，其在执行时导致新的操作状态。并且如所指示的，如果在达到新的操作状态时故障仍然存在，则控制系统可以施加新的故障反应状态，并且该方法可以从操作508移动到操作502。
通常，控制系统112可以定期检查故障，例如每秒一定次数。例如，控制系统112可以每秒检查大约1000次的故障。由控制系统112执行的检查的频率有助于防止可能危及患者安全的系统故障，并且可以通过以尽可能小的延迟采取适当的动作来促进缓解这种失效或故障。在一些实施例中，可能需要针对多个连续检测循环或针对多个检测循环的特定百分比检测特定故障。例如，如果与定位传感器相关的故障被检测到并且持续超过20ms(或例如10ms或5ms的另一阈值时间值)，则控制系统112可以采取措施以在柔性机器人系统上施加适当的故障反应状态。可以针对特定故障并且在手术工作流程中的特定步骤单独设置这样的阈值时间段。例如，控制系统112可以使电缆松弛，允许柔性细长体进入被动状态，在该状态下，柔性细长体顺应由围绕柔性细长体的解剖结构施加的力。如果故障结束或在时间段结束时不再检测到故障，则控制系统112可以不采取任何动作。在一些实施例中，可以丢弃在故障的时间段期间从相关系统收集的数据。另外，控制系统112可以将柔性机器人系统“锁定”一段时间，在此期间可以解决故障，例如通过操作员输入或操作员动作。在其他实施例中，控制系统112可以指示可能需要重新启动柔性机器人系统。
在一些实施例中，误差或差异可能不会导致检测到的故障，但可能导致控制系统施加故障反应状态。例如，患者移动或患者台T的移动可导致配准不正确。在另一个示例中，医生O或医务人员可以抓紧操纵器组件，例如操纵器组件102，并且手动地改变患者P内的柔性细长体(例如柔性体602)的位置，可能对患者解剖结构造成损害。控制系统将施加故障反应状态，从而减小柔性体的有效刚度，以避免损坏患者解剖结构。在可替代的实施例中，患者移动、患者台T的移动或操纵器组件的手动移动可以被认为是故障，并且该故障被分类并且导致控制系统施加故障反应状态。
现在参考图7，在一些实施例中，由控制系统112施加的故障反应状态可以包含对例如医生O的操作员或在医生O旁边工作的另一操作员的通知或警报。图7描绘了图1的显示器110的实施例，示出了图形用户界面700。显示器110示出了上面结合图6A-C描述的肺部604以及细长柔性体602的图像。肺604的图像可以由从术前或术中图像导出的模型提供。类似地，细长柔性体602的图像可以从沿细长柔性体602分布的一个或多个传感器(例如延伸其长度的形状感测光纤)获得的姿势数据导出。在配准之后，可以共同呈现肺604的模型和细长柔性体602的模型，以便于在不能从外部观察的内部手术部位的范围内进行导航和操作。当发生故障状况时，控制系统112可以使故障消息702呈现给显示器110。故障消息702的方位可以取决于故障的分类和柔性机器人系统的操作状态。例如，控制系统112可以使得响应于运动致动故障的故障消息702被显示，以便阻挡细长柔性体602的远端606的视图。当细长柔性体602的操作端被阻碍观看时，医生O可以自然地停止通过主组件106发出命令。在其他实施例中，即使当检测到运动致动故障时，控制系统112也可以使故障消息702出现在显示器110的区域中，该区域不阻碍细长柔性体602的远端的查看。
在一些实施例中，故障消息702可以包含用于医生或柔性机器人系统的另一个操作员的指令。例如，故障消息702可以向医生O指示一个或多个医疗器械(例如针608)应该被手动移除或手动缩回到细长柔性体602中。作为另一个例子，故障消息702可以向医生O指示针608将自动缩回到细长柔性体602中，使得针608的任何部分都不从细长柔性体602的远端606突出。故障消息702可以进一步包含一个或多个故障选项704(故障选项704A和704B被描绘)，其可以是可选择的用户界面元件，由此医生O或另一个操作员可以将通过故障消息702传达给医生O的在给定一组条件下优于一个故障响应状态的另一个故障响应状态的期望传达到控制系统12。另外，医生O可以向控制系统112指示已经执行了在故障消息702中指示的手动动作。例如，故障消息702可以指示已经检测到运动致动故障，并且针608或任何其他手术器械应该从细长柔性体602移除或缩回到其内。当控制系统112不能自动执行收回或缩回时，可以指示医生O这样做并且医生O可以选择故障选项704以向控制系统112传达已经手动执行该动作，使得控制系统112可以恢复进一步的故障减轻操作或者可以适当地恢复正常操作。在一些实施例中，即使当控制系统112自动地采取作为故障反应状态的一部分的动作时，也可以在显示器110中呈现故障消息702，请求医生O确认该动作和向医生O提供超控该动作的能力，例如超控将细长柔性体602锁定就位。
在一些实施例中，可以基于检测到的故障的分类对柔性机器人系统施加各种类型的故障反应状态。在一个示例中，故障反应状态可以是不活动安全状态，其可以允许系统在将柔性体602置于安全状态的同时维持致动器的安全伺服控制。例如，当形状传感器发送故障数据时，系统可以检测到故障。在该示例中，形状传感器可产生间歇性故障，这可能不需要停用致动器，但可能需要验证故障指示系统问题。因此，当施加不活动安全状态时，响应可以是减小致动器206的扭矩以减小柔性体602的有效刚度。可以根据各种减小曲线减小扭矩，包含沿着线性曲线或非线性曲线随着时间的推移逐渐减小扭矩。另外，响应可以包含通过使用位置命令而不是扭矩命令来维持导管的当前位置。主组件106可以被禁用，这意味着系统可以忽略任何用户输入命令，包含控制插入运动和偏航、俯仰和滚动的运动。不活动安全状态可以包含类似于通知702的通知，其提供清除检测到的故障以恢复柔性机器人系统的正常操作的选项。
在另一些示例中，检测到的故障可以被分类为施加FRL安全状态的更严重的故障，其将柔性体602置于安全状态但是防止致动器的马达伺服控制。例如，系统可以检测马达故障、编码器故障或计算故障，这些故障可以指示潜在的不安全状况。因此，当施加FRL安全状态时，响应可以是减小致动器206的扭矩以减小柔性体602的有效刚度。因为FRL安全状态是响应于严重故障而施加的，所以可以将扭矩立即从当前的扭矩水平减小为零。另外，响应可以包含从例如操纵器组件102的操纵器组件内的致动器或马达移除动力。在一个示例中，马达或致动器引线可能短路到地面并且可以应用安全制动器以提供制动效果。在一个实施例中，可以从所有马达移除电力。在可替代的实施例中，严重故障可以进一步分类为几类严重故障，这些故障强加与特定马达相关联的更具体的FRL安全状态。主组件106可以被禁用，这意味着系统可以忽略任何用户输入命令，包含控制插入运动和偏航、俯仰和滚动的运动。在一个示例中，检测到的故障可以被分类为可恢复的或不可恢复的。对于可恢复的故障，FRL安全状态可以包含类似于通知702的通知，其提供清除检测到的故障以恢复柔性机器人系统的正常操作的选项。
本公开的原理和实施例可以通过改进柔性机器人系统的故障处理来改善图像引导外科手术，该柔性机器人系统的部件在手术程序期间被定位在患者体内。因为在检测到故障时采取的适当动作可取决于故障本身以及柔性机器人系统的操作状态，所以提供控制系统以利用关于故障和操作状态的信息来识别和制定或施加故障反应状态，以减轻由于故障发生导致的不利后果。
包括图5的方法500的本发明的实施例中的一个或多个元件可以用软件实施，以在例如控制系统112的计算机系统的处理器上执行。当在软件中实施时，本发明实施例的元件基本上是执行必要任务的代码段。程序或代码段可以存储在非暂时性计算机可读存储介质或装置中，包含可以存储信息的任何介质，包含光学介质、半导体介质和磁介质。计算机可读存储装置示例包含电子电路；半导体器件、半导体存储装置、只读存储器(ROM)、闪存、可擦除可编程只读存储器(EPROM)；软盘、CD-ROM、光盘、硬盘或其他存储装置。代码段可以通过例如因特网、内联网等计算机网络下载。如本文所述，访问、收集、分配、检测、启动、配准、显示、接收、生成、确定、移动数据点、分段、匹配等操作可以至少部分地由控制系统112或其处理器执行。所述的实施例可以在本公开的范围内以各种方式组合。
注意，所呈现的过程和显示可能不固有地与任何特定计算机或其他设备相关。各种这些系统的所需结构将作为权利要求中的元件出现。此外，本发明的实施例不是参考任何特定的编程语言进行描述。应当理解，可以使用各种编程语言和模态来实施如本文所述的本发明的教导。
虽然已经在附图中描述和示出了本发明的某些示例性实施例，但是应该理解，这些实施例仅仅是对本发明的说明而非限制，并且本发明的实施例不限于所示和所述的具体结构和布置，因为本领域普通技术人员可以想到各种其他修改。

Claims (41)

1.一种医疗机器人系统，其包括：
操纵器组件，其包括一个或多个致动器，所述一个或多个致动器被配置为操纵柔性细长体；和
控制系统，其被配置为执行操作，所述操作包括：
确定所述医疗机器人系统的操作状态；
检测所述医疗机器人系统的一个或多个部件中的故障；
根据一个或多个试探法对所述故障进行分类；以及
基于所述一个或多个试探法在所述医疗机器人系统上施加故障反应状态以减轻所述故障。
2.根据权利要求1所述的医疗机器人系统，其中在所述医疗机器人系统上施加所述故障反应状态包括在显示器中显示警告或请求操作员输入。
3.根据权利要求1所述的医疗机器人系统，其中所述医疗机器人系统的所述一个或多个部件包含测量传感器。
4.根据权利要求3所述的医疗机器人系统，其中所述测量传感器包含形状传感器。
5.根据权利要求4所述的医疗机器人系统，其中所述形状传感器包括光纤，所述光纤包括一个以上的芯。
6.根据权利要求3所述的医疗机器人系统，其中所述测量传感器进一步包含在所述一个或多个致动器中的状态传感器。
7.根据权利要求1所述的医疗机器人系统，其中:
所述一个或多个致动器包括第一状态传感器和第二状态传感器；并且
所述第一状态传感器和所述第二状态传感器被配置为冗余传感器。
8.根据权利要求1所述的医疗机器人系统，其进一步包括所述柔性细长体，其中所述柔性细长体包括近端、远端和配置为接收医疗器械的管腔。
9.根据权利要求8所述的医疗机器人系统，其进一步包括医疗器械检测器，所述医疗器械检测器被配置为检测以下中的至少一个：所述管腔中的所述医疗器械的存在、所述医疗器械相对于所述管腔的位置以及所述医疗器械的类型。
10.根据权利要求9所述的医疗机器人系统，其中基于来自所述医疗器械检测器的信息确定所述操作状态。
11.根据权利要求8所述的医疗机器人系统，其进一步包括后端壳体，其中：
所述柔性细长体被耦连到所述后端壳体；并且
所述后端壳体可释放地耦连到所述操纵器组件。
12.根据权利要求11所述的医疗机器人系统，其中所述医疗机器人系统的所述操作状态指示所述后端壳体已被手动地从所述操纵器组件脱离。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的医疗机器人系统，其中：
所述一个或多个致动器包括旋转致动器，所述旋转致动器被配置为弯曲所述柔性细长体的所述远端；和
在所述医疗机器人系统上施加所述故障反应状态包括控制所述旋转致动器以使所述柔性细长体变得顺应由患者的解剖通道的壁施加在所述柔性细长体上的外力。
14.根据权利要求1-12中任一项所述的医疗机器人系统，其中：
所述一个或多个致动器包括第一插入致动器，所述第一插入致动器被配置为沿着插入轴线移动所述柔性细长体；和
在所述医疗机器人系统上施加所述故障反应状态进一步包括激活所述第一插入致动器以防止所述柔性细长体沿着所述插入轴线移动。
15.根据权利要求8所述的医疗机器人系统，其中在所述医疗机器人系统上施加所述故障反应状态进一步包括在激活所述第一插入致动器以防止所述医疗器械沿着所述插入轴线运动之前沿着插入轴线缩回所述柔性细长体达缩回距离。
16.根据权利要求8所述的医疗机器人系统，其中：
所述一个或多个致动器进一步包括第二插入致动器，所述第二插入致动器被配置为沿着所述柔性细长体的管腔中的插入轴线移动所述医疗器械；和
在所述医疗机器人系统上施加所述故障反应状态进一步包括沿着所述插入轴线缩回所述医疗器械达缩回距离。
17.根据权利要求16所述的医疗机器人系统，其中施加所述故障反应状态进一步包括在缩回所述医疗器械之前保持所述柔性细长体的形状。
18.根据权利要求8-12或15-17中任一项所述的医疗机器人系统，其中当检测到所述医疗机器人系统的一个或多个部件中的故障时，所述控制系统自动缩回所述医疗器械。
19.一种医疗机器人系统中的控制方法，所述方法包括：
确定所述医疗机器人系统的操作状态，所述医疗机器人系统包括细长体，所述细长体包括近端、远端和在它们之间的管腔；
检测所述医疗机器人系统的一个或多个部件中的故障；
根据一个或多个试探法对所述故障进行分类；以及
基于所述医疗机器人系统的所述操作状态和所述故障的所述分类，通过控制系统，在所述医疗机器人系统上施加故障反应状态以减轻所述故障。
20.根据权利要求19所述的方法，其中施加所述故障反应状态包括控制致动器。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述致动器包括一个或多个旋转致动器，所述一个或多个旋转致动器被配置为弯曲所述细长体的所述远端。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述一个或多个旋转致动器的所述控制包括以下中的至少一个：停用所述一个或多个旋转致动器、将减小的扭矩施加到所述一个或多个致动器，以及将控制信号的一部分转变为零。
23.根据权利要求20所述的方法，其中所述致动器包含一个或多个插入致动器，所述一个或多个插入致动器被配置为沿着所述插入轴线移动所述细长体。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述一个或多个插入致动器的所述控制包含激活所述插入致动器以防止所述细长体沿着所述插入轴线移动。
25.根据权利要求19所述的方法，其中所述医疗机器人系统的所述操作状态指示所述细长体的当前配置。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述细长体的所述当前配置包含以下中的至少一个：在内部定位所述细长体的一类患者解剖结构和所述细长体相对于所述患者解剖结构的位置。
27.根据权利要求25所述的方法，其中所述细长体的所述当前配置包含所述细长体的所述远端的位置、所述细长体的所述远端的取向和所述细长体的形状中的至少一个。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述细长体的所述当前配置基于一个或多个测量传感器。
29.根据权利要求28所述的方法，其中：
所述一个或多个测量传感器包含至少两个冗余传感器；和
检测所述医疗机器人系统的一个或多个部件中的所述故障包括比较来自两个或更多个冗余传感器的信号以确定所述信号之间的差异；并将所述信号之间的所述差异与阈值进行比较。
30.根据权利要求28所述的方法，其中：所述一个或多个测量传感器包含光学形状传感器，所述光学形状传感器包括第一光芯和第二光芯，并且其中所述故障包括检测到从所述第一光芯接收的第一信号和从所述第二光芯接收的第二信号之间的差异。
31.根据权利要求28所述的方法，其中检测所述医疗机器人系统的一个或多个部件中的所述故障包括比较来自所述一个或多个测量传感器的测量值以确定所述测量值之间的差异，并将所述测量值之间的所述差异与阈值进行比较。
32.根据权利要求19所述的方法，其中所述医疗机器人系统的所述操作状态指示以下中的至少一个：从所述细长体的所述远端部署医疗器械的存在、所述医疗器械相对于所述管腔的位置以及通过所述细长体部署的所述医疗器械的类型。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述医疗器械是针。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述操作状态进一步指示所述细长体向患者解剖结构施加力。
35.根据权利要求34所述的方法，其中基于所述医疗机器人系统的所述操作状态，所述控制系统被配置为：
通过激活致动器主动保持所述细长体的形状；
开始所述针在所述细长体的所述管腔中的缩回；以及
控制所述致动器以使所述细长体变得顺应由患者的解剖通道的壁施加在所述细长体上的外力。
36.根据权利要求35所述的方法，其中开始所述针的所述缩回是自动的。
37.根据权利要求35所述的方法，其中开始所述针的所述缩回包含显示缩回所述针的通知。
38.根据权利要求19所述的方法，其中所述医疗机器人系统的所述操作状态指示由所述医疗机器人系统执行的程序工作流程中的步骤。
39.根据权利要求19所述的方法，其中所述医疗机器人系统的所述操作状态包括所述细长体与患者的一个或多个解剖通道的三维模型之间的配准的质量指示器。
40.根据权利要求39所述的方法，其中检测所述医疗机器人系统的一个或多个部件中的所述故障包括检测所述配准的质量指示器超过误差值。
41.一种非暂时性计算机可读存储介质，其上存储有指令，当由一个或多个处理器执行时，所述指令执行包括权利要求19-40中任一项所述的方法的操作。
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Application publication date: 20181221

Assignee: Intuitive medical Co.

Assignor: INTUITIVE SURGICAL OPERATIONS, Inc.

Contract record no.: X2022990000161

Denomination of invention: System and method for fault response mechanism of medical robot system

Granted publication date: 20210817

License type: Common License

Record date: 20220317