CN109069209A - 手持式手术器械，手术工具系统，行程和操作相同的方法 - Google Patents

Abstract

各种表征可提供一种手持式手术器械，其包括：激光源，被配置为发射激光束以在表面上产生激光标记；惯性测量单元，被配置为检测手持式手术器械的运动并产生包括由惯性测量单元检测的该手持式手术器械运动信息的第一信号；以及用于夹持受控针尖的可移动平台。手持式手术器械可另外包括机械耦合地联接到可移动平台的驱动器，以及信号处理电路，其配置成基于惯性测量单元产生的第一信号和视觉单元根据激光标记器的运动产生的第二信号来控制驱动器以移动可移动平台。使得可移动平台的运动至少部分地补偿手持式手术器械的颤动运动。

Description

手持式手术器械，手术工具系统，行程和操作相同的方法

技术领域

本公开的各个方面涉及手持式手术器械和/或手术工具系统。本公开的各个方面涉及形成手持式手术器械和/或手术工具系统的方法。本公开的各个方面涉及操作手持式手术器械和/或手术工具系统的方法

背景技术

人的手部运动具有不自主的运动，例如生理性震颤，肌阵挛性颤动，漂移等，这限制了人进行准确和精确的手动显微操作任务的能力，特别是当预期运动和错误运动的幅度在类似的数量级时。诸如生物技术行业的显微外科手术或细胞操作等任务可能受其严重影响，而诸如操控枪支，军事手持跟踪设备或消费类摄像机等任务可能受到轻微或中等程度的影响。

在显微外科手术中，不自主运动可能使许多精细的外科手术复杂化，并且还可能使某些类型的介入是手术变得不可能(例如，通过注射抗凝血剂治疗视网膜静脉阻塞，在进行眼内插管的同时不撕开视网膜静脉)。显微手术所要求的高水平手动精确度和准确度缩小了可以被成为合格外科医生的人数。人类手部稳定性随着年龄而恶化的事实进一步加剧了这种情况并限制了这些外科医生的职业生涯。另外，诸如疲劳，酒精和咖啡因摄入等因素可能影响外科医生的手动稳定性。

概括来讲，目前有3种基于机器人的方法来增强显微手术中的人工手动定位精度和准确性。

一种方法是使用遥操机器人技术，其中使用机械臂来代替不稳定的人手。目前，市场上没有用于显微外科手术的专用机器人装置，最接近的商用系统是IntuitiveSurgical，Inc.(USA)的达芬奇机器人手术系统。该方法通过运动缩放来过滤主机和从机之间的错误运动。尽管有效，但对于可能习惯于用自己的双手治疗患者的外科医生来说，这种方法是昂贵和不直接的。需要较大工作空间的机器人手臂也引入了重大的安全和责任问题。遥操机器人解决方案可能会在发生故障时导致灾难性的后果。此外，达芬奇手术系统为普通外科手术而设计，并不是专门用于显微外科手术的机器人系统。

第二种方法采用外科医生和机器人协同操作，例如约翰霍普金斯大学的Steady-Hand Eye Robot。机器人具有高刚度。当外科医生向工具施加手动输入力时，工具沿着机器人认为合适的方向移动。虽然该系统无法缩放输入动作，但它在成本和用户接受可能性方面具有优势。此外，它为外科医生提供了“第三只手”，在外科医生用自己的双手执行其他任务的同时保持手术工具的位置。然而，“Steady-Hand Eye Robot”解决方案也会在发生故障时导致灾难性的损失。该机器人系统最近报告于2013年6月已经进入概念验证阶段。

第三种方法为辅助手持式仪器，例如卡内基梅隆大学的卡梅隆里维埃教授的“Micron”。“Micron”设备采用定制位移敏感探测器(PSD)的光学跟踪系统，该系统具有有限的感应体积(<8cm³：2x2x2cm)安装在设备上的红外发射器和PSD之间的视线不得中断，这样的设置对于实际的临床部署是不切实际的。

发明内容

各种具体化体现可以提供一种手持式手术器械。手持式手术器械可可以括激光源，其被配置为发射激光束以在表面上产生激光标记，例如，人或动物身体。手持式手术器械还可以包括惯性测量单元，该惯性测量单元被配置为检测手持式手术器械的运动并且生成包括关于由惯性测量单元检测到的手持式手术器械的运动的信息的第一信号。手持式手术器械还可以包括一个可以连接手术仪器前端的可移动平台。手持式手术器械可另外包括机械地联接到可移动平台的致动器。手持式手术器械还可以包括处理电路，该处理电路被配置为基于由惯性测量单元生成的第一信号和基于激光标记的移动由视觉单元生成的第二信号来控制致动器以移动可移动平台，因此保持工具前端的活动平台的运动至少部分地补偿手持式手术器械的震颤运动。

各种具体化体现可以提供一种手术工具系统。手术工具系统可以包括手持式手术器械。手持式手术器械可以包括激光源，该激光源构造成发射激光束以在表面上产生激光标记。手持式手术器械还可以包括惯性测量单元，该惯性测量单元被用于检测手持式手术器械的运动并且生成包括关于由惯性测量单元检测到的手持式手术器械的运动的信息的第一信号。手持式手术器械可另外包括用于保持手持工具尖端的可移动平台。手持式手术器械还可以包括机械地联接到可移动平台的致动器。手持式手术器械还可以包括处理电路，该处理电路被配置成基于由惯性测量单元生成的第一信号和第二信号来控制致动器以移动可移动平台。手术工具系统可以进一步包括视觉单元，其被配置为检测激光标记的移动，并且还被配置为生成第二信号，第二信号包括关于由视觉单元检测到的激光标记的移动的信息。处理电路可以被配置为控制致动器，使得保持手持工具尖端的可移动平台的移动至少部分地补偿手持式手术器械的震颤运动。

各种具体化体现可以提供一种操作手持式手术器械的方法。该方法可以包括使用激光源发射激光束以在表面上产生激光标记。该方法还可以包括使用惯性测量单元来检测手持式手术器械的运动。该方法可以包括使用惯性测量单元生成包括关于检测到的手持式手术器械的运动的信息的第一信号。该方法可以另外包括基于由惯性测量单元产生的第一信号和基于视觉单元识别到激光标记后产生的第二信号，使用处理电路来控制致动器以移动可移动平台，使得保持手持工具尖端的活动平台的运动至少部分地补偿手持式手术器械的震颤运动。

各种具体化体现可以提供一种操作手术工具系统的方法。该方法可以包括操作手持式手术器械，使得从激光源发射激光束以在表面上产生激光标记。该方法还可以包括操作手持式手术器械以使用惯性测量单元来检测手持式手术器械的运动，并且生成第一信号，第一信号包括关于由惯性测量单元检测到的手持式手术器械的运动的信息。该方法可以进一步包括操作视觉单元以检测激光标记的移动并且生成第二信号，第二信号包括关于由视觉单元检测到的激光标记的移动的信息。手持式手术器械可以包括处理电路，该处理电路被配置为基于惯性测量单元产生的第一信号和由视觉单元产生的第二信号来控制致动器移动可移动平台，可移动平台机械地连接到致动器，使得工具尖端的活动平台的运动至少部分地补偿手持式手术器械的震颤运动。

各种具体化体现可以提供一种形成手持式手术器械的方法。该方法可以包括提供配置成发射激光束以在表面上产生激光标记的激光源。该方法还可以包括提供惯性测量单元，该惯性测量单元被配置为检测手持式手术器械的运动并且生成第一信号，第一信号包括关于由惯性测量单元检测到的手持式手术器械的运动的信息。该方法可以进一步包括提供用于保持连接工具尖端的可移动平台。该方法可以另外包括将致动器机械地联接到可移动平台。该方法可以进一步包括将处理电路连接到致动器，处理电路被配置为基于由惯性测量单元生成的第一信号和由视觉单元根据激光标记器的运动生成的第二信号来控制致动器移动可移动平台，使得工具尖端的活动平台的运动至少部分地补偿手持式手术器械的震颤运动。

各种具体化体现可以提供形成手术工具系统的方法。该方法可以包括提供手持式手术器械。手持式手术器械可以包括：激光源，被配置为发射用于在表面上产生激光标记的激光束；惯性测量单元，被配置为检测手持式手术器械的运动并且产生第一信号，该第一信号包括关于由所述惯性测量单元检测到的手持式手术器械，用于控制工具尖端的可移动平台。基于由所述第一信号惯性测量单元和第二信号，处理电路被配置为控制所述致动器从而控制机械联接到致动器上的可移动平台。该方法还可以包括提供被配置为检测激光标记器的移动的视觉单元，并且能生成第二信号，第二信号包括由视觉单元检测到的激光标记器的移动的信息。处理电路可以用于控制致动器，使得保持工具尖端的可移动平台的移动至少部分地补偿手持式手术器械的震颤运动。

附图说明

结合非限制性实施例和附图考虑时的详细描述将更好地理解本发明，其中：

图1A示出了根据各种具体化体现的手持式手术器械的总体图示；

图1B示出根据各种具体化体现的手术工具系统的总体图示；

图2是示出根据各种具体化体现的操作手持式手术器械的方法的示意图；

图3是示出根据各种具体化体现的操作手术工具系统的方法的示意图；

图4示出了根据各种具体化体现的用于形成手持式手术器械的方法的示意图；

图5示出了根据各种具体化体现的用于形成手术工具系统的方法的示意图；

图6A示出了根据各种具体化体现的手持式手术器械的外部视图；

图6B示出根据各种具体化体现的手持式仪器的视图，其中电源可见；

图6C展示根据各种具体化体现的微操纵器模块的视图；

图6D展示根据各种具体化体现的具有一次性工具尖端的手持式手术器械的视图；

图7A示出根据各种具体化体现的手术工具系统的总体图示；

图7B示出根据各种具体化体现的操作中的感测系统的图像；

图8A示出未经训练的用户被要求握住器械并且以25倍放大率指向手术显微镜下的尖锐目标尖端的图像；

图8B示出根据各种具体化体现的设备的目标尖端，激光标记器和受控工具尖端；

图9A是根据各种具体化体现的时间(秒或s)和位移(微米或μm)的函数曲线图，示出了激光标记的未补偿的移动或位移和补偿的受控的工具尖端位移；

图9B是根据各种具体化体现的频率(赫兹)和位移(微米)的的函数曲线图，示出了激光标记的未补偿的移动或位移和补偿的受控的工具尖端位移；

图9C根据各种具体化体现的未补偿结果和补偿结果的数值表格；

图10A是各种具体化体现的手持式手术器械的示意图；

图10B根据各种具体化体现的加速度计在手持部分中的布置的示意图；

图10C展示根据各种具体化体现的MicronII与ITrem2的性比较表格；

图11A是根据各种具体化体现的来自惯性测量单元的加速队列的示意图；

图11B示出根据各种具体化体现的来自视觉单元的位置队列的示意图；

图11C示出根据各种具体化体现的来自惯性测量单元的更新的加速队列的示意图；

图11D是根据各种具体化体现的作为时间的函数的位移图，其示出了加速度信息和视觉信息的合并；

图12A是根据持有缝合线的各种具体化体现的微型针座的图像；

图12B是根据各种具体化体现的处于闭合状态的微针固定器的图像；

图12C是根据各种具体化体现的处于打开状态的微针固定器的图像；

图12D是根据各种具体化体现的在操作期间保持缝合线的微针固定器的图像。

图12E是根据各种具体化体现的闭合状态的微型剪刀的图像；

图12F是根据各种具体化体现的闭合状态的微型剪刀的图像；

图13A示出根据各种具体化体现以及相关联的旋转角度的仪器本体的参考框架和光参考框架的定义示意图；

图13B是示出在光参考系{L}的X轴上的第一激光标记的质心C0和第二激光标记的质心C1的示意图；

图13C是表示零坐标处的侧倾角γ的示意图；

图13D是示出第二激光标记的质心C1上的倾斜角和滚转角的效果的示意图；

图14A是比较根据各种具体化体现的仪器/系统和达芬奇系统(远程操作外科机器人系统)的各种参数的表格；

图14B是比较根据各种具体化体现的仪器/系统和Micron手持式仪器的各种参数的表格。

具体实施方式

以下详细描述参照附图，其以举例说明的方式示出了可以实施本发明的具体细节和实施例。详细地描述这些实施例以使本领域技术人员能够实践本发明。可以使用其他实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下进行结构和逻辑改变。各种具体化体现不一定是相互排斥的，因为一些实施例可以与一个或多个其他实施例组合以形成新的实施例。

在方法或仪器/系统之一的背景下描述的实施例对于其他方法或仪器/系统类似地有效。同样，在上下文中描述的方法的实施例对于仪器/系统类似地有效，反之亦然。

在实施例的上下文中描述的特征可以相应地适用于其他实施例中的相同或相似的特征。在实施例的上下文中描述的特征可以相应地适用于其他实施例，即使在这些其他实施例中没有明确描述。此外，如针对实施例的上下文中的特征所描述的添加和/或组合和/或替换可相应地适用于其他实施例中的相同或相似特征。

关于在面或表面“上”形成的沉积材料使用的词语“上”可以在本文中用于表示沉积材料可以“直接在......之上”形成，例如直接在表面“之上”形成的沉积材料。使用的词语“之上”在本文中也可以用于表示沉积材料可以“间接地”形成在面或表面上，具有一个或更多附加层布置在表面与沉积材料之间。换句话说，在第二层“之上”的第一层可以指直接在第二层上的第一层，或者第一层和第二层由一个或多个中间层分开。

文中提到的设备可能会用在各种不容的手术中，因此“在…上”,“在…底部”等词语用来方便理解设备的相对位置，并不是用来限定仪器的方向。

在文中使用的“一个”，“这个”等词语用来制定一个或多个相关功能或元素。

文中所用的“约”，“大约”等词语用户来对数字数值的变化区间进行合理的限定。

文中用的“和”和“或”包括了任何和所有一个或多个相关项的组合。

各种具体化体现可试图提供解决，减轻或克服上述问题的解决方案。

诸如外科医生之类的人的手部运动可以包括颤抖运动，诸如作为高频运动(例如大约5Hz至12Hz)的生理震颤以及非颤抖运动，诸如漂移运动和肌阵挛震动运动，这些是低频运动(例如小于8Hz，例如约0至约2Hz或约0至约1Hz)。

各种具体化体现可以提供手持式手术器械。手持式仪器可以被配置成至少部分地补偿握持手持式手术装置的外科医生的手的震颤运动。手持式仪器可以通过控制受控工具尖端以与运动相反的方向移动来补偿运动。通过补偿手部的震颤运动，各种具体化体现可以允许外科医生更准确和精确地执行手术操作。

如本文所述的外科医生可以是在受试者上执行外科手术的人，诸如在人或动物上。

图1A示出了根据各种具体化体现的手持式手术器械100的总体图示。手持式手术器械100可以包括激光源102，例如激光二极管，其被配置为发射用于在表面,一个人或一个动物身体,上产生激光标记的激光束，例如激光二极管。手持式手术器械100还可以包括惯性测量单元104，其被配置为检测手持式手术器械100的运动并且生成包括由惯性测量单元104检测到的手持式手术器械100的运动的信息的第一信号。手持式手持器械手术器械100还可以包括用于保持受控工具尖端的可移动平台106。手持式手术器械100可另外包括机械耦合到可移动平台106的致动器108，诸如压电致动器。手持式手术器械100还可包括处理电路110，诸如嵌入式微控制器，其被配置为控制致动器以基于由惯性测量单元104产生的第一信号和基于激光标记的移动由视觉单元产生的第二信号来移动可移动平台106，使得保持受控工具的可移动平台106的移动尖端至少部分地补偿手持式手术器械100的震颤运动。

换句话说，手持式手术器械100可以包括两种机构来补偿手持式手术器械100的颤抖运动。器械100可以包括惯性测量单元104，其被配置为检测手持式手术器械100的运动，以及产生激光标记的激光源102，激光标记可以由与器械100分离的视觉单元跟踪以检测手持式手术器械100的运动。器械100可以包括致动器108，致动器108被配置成将可移动平台106，它拥有受控的工具提示。平台106的移动可以基于由惯性测量单元104和视觉单元提供的输入，以通过连接到致动器108的处理电路来帮助补偿手持式手术器械100的震颤运动。

仪器100可以是具有板上电源的非系绳手持设备，或者可选地，系绳到外部电源。器械100可以被称为辅助手持式显微外科器械。仪器100可以能够利用包括在惯性测量单元104中的惯性传感器感测其自身的运动。

在各种具体化体现中，激光束可以包括可见光。在各种具体化体现中，激光束可以包括可由视觉单元检测到但可能不被外科医生直接看到的红外光，由此减少外科医生对外部光的不适。

在各种具体化体现中，器械100可以被配置成生成单个激光标记。

在各种其他实施例中，器械100可以被配置为产生两个激光标记。手持式手术器械100还可以包括分束器，该分束器构造成分离激光束以在表面上形成激光标记。第二信号可以由视觉单元基于激光标记的移动和另外的激光标记的移动而生成。使用两个激光标记可以帮助计算仪器100的摇摄角度。惯性测量单元104可以被配置为确定仪器的倾斜角度。仪器的摇摄角度可以基于两个激光标记的倾斜角度，滚动角度和/或方向来确定。

激光束可以在表面上产生任何合适形状的激光标记。例如，激光标记可以是从由圆形，矩形，T形和十字形组成的组中选择的任何形状。非圆形激光标记器也可以帮助跟踪器械100的摇摄角度

惯性测量单元104可以包括用于检测手持式手术器械100的运动的一个或多个加速度计或惯性传感器，诸如受控工具尖端的运动。一个或多个加速度计可以被设置为测量仪器100或受控工具尖端的加速度。例如，每个加速计在受到加速度时其质量中心会偏离中心位置。加速度可以通过检测电极之间的电容来确定。加速计可以是微机电系统(MEMs)装置。

在各种具体化体现中，第一信号(由惯性测量单元104生成)可以包括关于手持式手术器械100在一定频率范围内的运动的信息，例如，大约0Hz-大约400Hz，包括手术器械的预期运动的频率，例如，约0Hz至1Hz。在各种具体化体现中，第二信号(由视觉单元生成)可包括手术器械的预期运动频率信息在预定阈值以上的激光标记，例如，大约1Hz或大约2Hz。该预定阈值设定为约0Hz到1Hz。

基于第一信号和第二信号，处理电路110可以控制致动器108来移动可移动平台106，使得手术器械的自主运动(例如在大约0-大约1Hz)不会被可移动平台的移动所补偿。

惯性测量单元104可以具有高达400Hz的采集频率。视觉单元可具有高达每秒100帧(fps)的图像采集速度，并且可能能够检测到高达约100Hz的激光标记的移动。视觉单元的速度可以取决于快门速度和/或计算速度来处理激光标记的图像。因此惯性测量单元104和视觉单元都可以检测到至少高达约100Hz的运动。可以使用高通滤波器来将由视觉单元检测到的激光标记的运动通过预定的阈值或截止值与其他频率分离开，阈值大约1赫兹。从视觉单元发送到处理电路110的第二信号可以包括关于激光标记器在高于预定阈值的频率或截止值，约1Hz，即信号在约1Hz至100Hz的范围内。另一方面，惯性测量单元104可以能够检测从0Hz到至少400Hz的运动。通过将由视觉单元检测到的激光标记的移动的信息与由惯性测量单元104检测到的关于手持式手术器械100的运动的信息融合，处理电路110可以确定或识别外科医生手部的自主运动(例如，以约0Hz-约1Hz)，并不由致动器108补偿。处理电路110可以被设置为确定或识别在在第一信号中大约5Hz至约12Hz的频率范围内的信息和第二信号中在约5Hz至约12Hz范围内的震颤运动信息。虽然惯性测量单元104和视觉单元可能能够检测到至少约100Hz的运动，但是只有在约5Hz至约12Hz的范围内的颤动运动需要补偿。器械100在大约0Hz至大约1Hz的漂移运动可能不被补偿。在各种具体化体现中，本文列举的范围可以包括两个端值。

惯性测量单元104可能由于仪器的自主意愿运动和漂移运动而不能准确地确定低频运动(例如，大约0Hz-大约1Hz)，因为加速度计噪声可能大过手动运动漂移等低频运动的加速度幅度，从而使低频范围(例如约0Hz至约1Hz)的读数失真。通过使用一个或多个激光标记来跟踪运动并且随后使用高通滤波器来过滤掉低频范围内的运动(例如，大约0Hz到大约1Hz)，各种具体化体现可以提高补偿高于阈值的运动的精度例如约5Hz至约12Hz。惯性测量单元104可以实现实时感测，因为与视觉单元相比，惯性测量单元104具有更高的感测/采样率。使用激光束而不是物理标记可以使得器械100在使用中不突兀。

在各种实例中，手持式手术器械100可包括可控针尖。可控针尖可以是一次性的和/或可更换的针尖。可控针尖可以是微型镊子，微型针尖夹持器，微型剪刀，或微外科手术针/刀片。反过来，可控针尖也可以连接到可移动平台106。即可控针尖可以很容易地从可移动平台106上安装和拆卸。可移动平台106可以包括用于连接或夹持可控针尖的机构，例如适配器。可控针尖可以卡扣在适配器上。

在各种实例中，手持式手术器械100可以控制可控针尖来完全地补偿由手持式器械100带来的生理颤动。其通过控制可控针尖在与生理颤动相等且相反的方向上移动，以达到补偿目的。

手持式手术器械100可包括电源或者夹持电源装置。可配置电源为向激光源102，惯性测量单元104，压电陶瓷驱动器108以及/或着向处理电路110提供电力。

图1B显示了该手术器械100在各种实例下的总体图示。手术器械系统112可以包括如图1A所示的手持式手术器械100。手持式手术器械100可以包括激光源102，该激光源可发射激光束以在表面上产生激光标记点。手持式手术器械100还可以包括惯性测量单元104，该单元可检测所述手持式手术器械100的运动以及产生第一个由惯性测量单元104所测的含有手持式手术器械100运动信息的信号。手持式手术器械100还可额外地包括一个可动平台106，用于夹持可控针尖。手持式手术器械100还可以包括机械式连接到可移动平台106的压电陶瓷驱动器108。手持式手术器械100还可包括处理电路110，以控制压电陶瓷驱动器108基于第一个信号(由惯性测量单元104产生)和第二个信号来驱动可移动平台106。

该手术器械系统112还可以包括视觉测量单元114，该单元为检测激标记点的运动，并产生第二个信号。所述的第二个信号包含由视觉测量单元114所检测到的激光标记点的运动信息。处理电路110用于控制压电陶瓷驱动器108，使得夹持着可控针尖的可动平台106的运动至少能部分地补偿所述手持式手术器械100的颤抖。

视觉测量单元114可包括相机，该相机通过把激光标记点运动信息的光学信号转化为电信号，从而检测激光标记点的运动。

视觉测量单元114还可包括医用显微镜用以放大激光标记点。

视觉测量单元114另外还可包括计算机，该计算机接收相机传输来的电信号。计算机可以进一步检测激光标记点的质心。激光标记点的运动信息可视为激光标记点质心的运动信息。

计算机可以生成第二个信号并将其发送到手持式手术器械100的处理电路110。计算机可以经由无线通信(例如Wi-Fi，Zig-bee，蓝牙，红外等)或有线通信将第二个信号发送到处理电路110(例如嵌入式微控制器)中去。

计算机还可以对激光标记点的运动信息由预先设定的阈值进行滤波操作，以滤除低于预定阈值的信息(例如使用高通滤波器)，使得第二个信号只包括激光标记点超过阈值的运动信息。

预定的阈值可高于手术器械的预期运动频率。目前预定阈值大约为1Hz或者2Hz。

第一个信号(由惯性测量单元104生成)可包括手持式手术器械100的运动信息，其频率范围(例如，约0Hz到至少约400Hz)要包括手术器械100的预期运动的频率范围(约0Hz至约1Hz)。

处理电路110可以基于所述的第一个和第二个信号来控制压电陶瓷驱动器108以驱动可移动平台106，使得手术器械100的预期运动不会被可移动平台所补偿。

所述的处理电路110可以生成基于第一个和第二个信号的综合输出信号，输出信号不包括小于等于预定阈值的频率。处理电路110可以基于综合输出信号控制压电陶瓷驱动器108以移动可移动平台106。由惯性测量单元检测到的手持式手术器械的运动信息可包括可控针尖的加速度信息。由视觉测量单元检测到的激光标记点的运动信息可包括可控针尖的位置信息。

所述由视觉测量单元所检测的一个或多个激光标记点的位置可具有相应的时间标识。

在各种实例中，视觉单元114或处理电路110的计算机可在对应时间标识上的某一时间点决定所述的可控针尖的加速度。其通过对视觉单元114检测到的时间标识的领域内进行加速度插值实现。视觉单元114或处理电路110的计算机也可以基于某一时间可控针尖的加速度确定可控针尖的速度和/或位置。

视觉单元114或处理电路110的计算机还可以基于可控针尖当前时间的位置，速度和加速度来预测后续某个时间点可控针尖的位置。通过预测后续某个时间点可控针尖的位置，压电陶瓷驱动器108可以驱动可移动平台，使得可控针尖在后续特点时间点之前移动，从而抵消与压电陶瓷驱动器108相关的延迟。

图2是根据各种实例展示的一种手持式手术器械操作方法的示意图200。该方法可包括(202中)使用激光源发射激光束以在表面上产生激光标记点。该方法也可包括(204中)使用惯性测量单元检测手持式手术器械的运动。该方法还可包括(206中)使用惯性测量单元生成包含检测到的手持式手术器械的运动信息的第一个信号。此外，该方法还可包括(208中)使用处理电路控制压电陶瓷驱动器来驱动夹持着可控针尖的可移动平台，基于惯性测量单元产生的第一个信号和视觉单元基于激光标记点的运动产生的第二个信号，以使得夹持可控针尖的可移动平台的运动至少部分地补偿手持式手术器械的颤动。

换句话说，该方法可包括追踪激光标记点，采用惯性测量单元检测，并且使用来自激光标记点和惯性测量单元的数据控制夹持针尖的可移动平台，以便帮助补偿手持式手术器械的颤抖。

在各种实例中，激光束可包含可见光或红外光。

该方法可以进一步包括使用分光器将激光束分开，以在表面形成两个激光标记点。第二个信号可以由视觉单元基于两个激光标记点的移动来生成。

激光束可以在表面上产生任何合适形状的激光标记点。例如，激光标记点可以是从由圆形，矩形，T形和十字形中选择的任何形状。

惯性测量单元可包括一个或多个加速度计，用于检测所述手持式手术器械的运动。

所述第一个信号(由惯性测量单元生成的)可以包括手持式手术器械的运动，该运动频率范围包含手术器械预期运动的频率范围。

所述第个二信号(由视觉单元生成的)可以包括运动频率在预定阈值(例如约1Hz或约2Hz)之上的激光标记点的运动信息，该预定阈值比手术器械预期运动的频率(例如约0Hz-约1Hz)高。

处理电路可控制压电陶瓷驱动器，基于第一个和第二个信号驱动可移动平台，使得手术器械的预期运动不受可动平台的补偿。

图3是根据各种实例展示的一种手持式手术器械操作方法的示意图300。该方法可包括(302中)操作手持式手术器械，使得从激光源发射的激光束在表面上产生激光标记点。该方法也可以包括(304中)操作手持式手术器械以使用惯性测量单元检测手持式手术器械的运动，并且生成包含有惯性测量单元检测到的手持式手术器械运动信息的第一个信号。该方法还可以包括(306中)使用视觉单元以检测激光标记点的移动，并产生第二个信号，第二个信号包括由视觉单元检测到的激光标记点的移动信息。手持式手术器械可以包括处理电路，该电路用于控制压电陶瓷驱动器来驱动可移动平台。所述的可移动平台通过机械方式与压电陶瓷驱动器连接，并且夹持着可控针尖。基于惯性测量单元生成的第一个信号和视觉单元生成的第个二信号，夹持着受控针尖的可移动平台的运动，能部分地补偿手持式手术器械的震颤运动。

激光束可以包括可见光或红外光。

手持式手术器械还可以包括分光器，以将激光束分离并在表面形成一个激光标记点和额外的另一个激光标记点。视觉单元可用于检测所述的两个激光标记点的移动。

激光束可以在表面上产生任何合适形状的激光标记点。例如，激光标记点可以是从由圆形，矩形，T形和十字形中选择的任何形状。

在各种实例中，惯性测量单元可包括一个或多个加速度计，用于检测所述手持式手术器械的运动。

激光标记点的移动可由视觉单元中的相机检测到，该相机把激光标记点运动信息的光学信号转化为电信号。

激光标记点可以使用视觉单元中的医用显微镜进行放大。

视觉单元可包括一个计算机，该计算机接收相机传输来的电信号。计算机可以进一步检测激光标记点的质心。激光标记点的运动信息可视为激光标记点质心的运动信息。

计算机可以生成第二个信号并将其发送到手持式手术器械中去。计算机还可以对激光标记点的运动信息由预先设定的阈值进行滤波操作(如使用高通滤波器)，以滤除低于预定阈值的信息(如大约1Hz或者2Hz)，从而使第二个信号包含的激光点的运动信息均高于预定阈值。该预定阈值比手术器械预期运动的频率(例如约0Hz-约1Hz)高。

另一方面，第一个信号可包括手持式手术器械的运动信息，其频率范围要包括手术器械的预期运动的频率范围。

处理电路可基于所述的第一个和第二个信号来控制压电陶瓷驱动器以驱动可移动平台，使得手术器械的预期运动不会被可移动平台所补偿。

处理电路可以生成基于第一个和第二个信号的综合输出信号，输出信号不包括小于等于预定阈值的频率。处理电路可以基于综合输出信号控制压电陶瓷驱动器以移动可移动平台。

图4是根据各种实例展示的一种组成手持式手术器械的方法的示意图。该方法可包括(402中)提供激光源，该激光源可发射激光束以在表面上产生激光标记点。该方法也可包括(404中)提供惯性测量单元，该惯性测量单元可检测手持式手术器械的运动，并产生第一个信号，该信号包括由惯性测量单元检测到的手持式手术器械的运动的信息。该方法还可包括(406中)提供用于夹持可控针尖的可移动平台。该方法还可以进一步包括(408中)将压电陶瓷驱动器通过机械方式连接到可移动平台。此外，该方法还可包括(410中)将压电陶瓷通过电路方式连接到处理电路，该处理电路可基于惯性测量单元产生的第一个信号和视觉单元由激光标记点运动信息所产生的第二个信号，控制压电陶瓷驱动器以驱动可移动平台，以使得夹持受控针尖的可移动平台的运动至少部分地补偿手持式手术器械的颤动。

换句话说，该方法可以提供一种如本文所述的制造或装配手持式手术器械的方法。

图5是根据各种实例展示的一种组成手持式手术器械的方法的示意图。该方法可包括(502中)提供一种手持式手术器械。手持式手术器械可以包括：激光源，用于发射激光束并在表面上产生激光标记点；惯性测量单元，用于检测手持式手术器械的运动，并生成由惯性测量单元所检测的、包含手持式手术器械运动信息的第一个信号；夹持可控针尖的可移动平台；机械方式连接到可移动平台的压电陶瓷驱动器；处理电路，基于惯性测量单元产生的第一个信号和视觉单元产生的第二个信号，控制压电陶瓷驱动器驱动可移动平台。该方法还可包括(504中)提供视觉单元，以检测激光标记点的移动，并且产生第二信号，第二信号包括由视觉单元检测到的激光标记点的移动信息。处理电路用于控制压电陶瓷驱动器，使得夹持可控针尖的可动平台的运动至少部分地补偿手持式手术器械的颤抖运动。

换句话说，该方法可包括如本文所述的组成或设置手术工具系统的方法。该方法可包括提供如本文所述的手持式手术器械和视觉单元。

图6A是根据各种实例展示的一个手持式手术器械600的外部视图。图6B是根据各种实例展示的一个电源634b可见的手持式手术器械600的视图。手持式手术器械600可包括手持部分632，也可以视为手柄或握柄部分。手持部分632可以包括电源盖634a，用于覆盖诸如电池的电源634b。手持式手术器械600可以包括微操纵器模块616，也可视为消除、补偿生理颤动的平台。该微操纵模块616还可额外地包括适配器618用于夹持或连接可控尖端或工具620，比如手术用针。所述可控尖端或工具620也可视为外科工具附件。

图6C是根据各种实例展示的一个微操纵模块616的视图。微操纵器模块616可包括连接或固定到手柄部分632的固定基座平台622。微操纵模块616还可以包括压电陶瓷驱动器608，其第一表面通过机械方式连接到固定平台622。压电陶瓷驱动器608上与第一表面相对的第二表面可连接到一个可移动的平台606。可移动平台606可包括轴弯曲关节626，可扩展铰链连接628，以及可动的上部平台630。可控针尖620可被装配到适配器618上。微操纵模块616可提供一个3自由度的高精度机构装置。在各种实例中，微操纵模块616或可移动平台606可以包括3个几何隔开的可扩展铰链连接628，这些铰链连接均相似或相同。每个可扩展铰链连接628可具有通过2个轴关节机械连接到可移动上部平台630的第一端。每个可扩展铰链连接628也可以具有与第一端相对的第二端，其机械式连接到压电陶瓷驱动器608的一个棱形关节上。压电陶瓷驱动器608可以包括线性驱动器以驱动每个臂上的棱形关节，使得固定基座平台622和可移动上部平台630之间可相对运动。图6A-C展示了具有压电陶瓷驱动器的装置，可以使用任何合适的线性驱动器，包括电磁驱动器(如：普通电机，音圈电机，螺线管电机等)、气动驱动器、智能材料驱动器(SMA)、磁致伸缩驱动器、电致伸缩驱动器、介电弹性体驱动器或电活性聚合物驱动器。压电陶瓷驱动器可以以足够的速度、功率和精度(在低微米级范围内)执行预期的运动。通过改变可扩展铰链连接628的长度，可控制、运行可移动上部平台630。

在所示的配置中，Z方向上的取向和范围可能比X方向或Y方向上的平移更重要。取向可以调整到±0.49°，而Z方向上的行程可以达到300μm。换句话说，有2个旋转自由度是关于2垂直轴的，其相交于可移动上部平台的中心处，并形成水平面，还有1个自由度是关于垂直平移的。Z轴位移是由同时驱动3个驱动器所产生。对于绕X和/或Y轴的旋转运动，如果不是每次3个，则至少2个驱动器要运行。该机构可以在高运行速率(>5Hz)下为长行程提供精确定位。

在各种实例中，需要运动的功能件的质量可以被减小到最小。在各种实例中，装置/机构的部件的移动可以使得总质量与机构/装置的移动部件的惯性具有相同的顺序，进而导致高的运行速率。该机构/装置的3个移动部分可以并行作用以增加机构/装置的刚性，保证了即使高速情况下也能具有好的位置重复性。闭合运动学可能由于驱动器并联而不是串联的布置，所以具有更高的刚性、速度和精度，对于驱动器数量也有更高的力容量，以及/或着相对简单的反向运动学，这是计算机实时在线控制的优点。

可移动上部平台630可以通过包含3对串联双挠曲转动关节的挠性系统连接到可扩展链接上。这些对可以彼此等距地隔开，相邻对之间的角度为20°。所述对可位于距可移动上部平台630中心的预定半径处。每对可包括限定第一旋转轴线的第一挠曲构件和限定第二旋转轴线的第二挠曲构件。在该标准中，可移动上部平台630可连接到挠曲系统以围绕多个轴移动。3个可扩展铰链连接628的末端可以连接到固定基座平台630，并且可以在相邻链节之间以120°的角度等间距隔开。3个可扩展铰链连接628可以置于距离固基座平台630中心半径为预定值的地方。

使用基于挠曲的技术可以消除或减少间隙和摩擦，由此提供用于微操纵模块616的精确机械基础。基于挠曲的技术也可有助于克服由依赖滚动轴承或摩擦轴承的机构所面临的有限的精度和可重复性的问题，这些轴承具有相当大的间隙和摩擦。

适配器618可用于把可控针尖或装置620(如标准手术器械)连接到可移动上部平台630。适配器618可包括附接于可移动上部平台630的一部分和连接到装置620的另一部分。装置620的附接部分可以改善消除及补偿震颤的平台的操作和使用。例如，使用可拆卸装置620可以促进改善整体消毒。装置620可以容易、快速地插入适配器618上，并且一旦附接到可移动上部平台630上就可以牢固地夹住。

图6D是根据各种实例展示的一个拥有一次性可控针尖620的手持式手术器械视图。器械600具有可消毒的前端/装置620，以及一个未消毒的主动手柄，其包括手柄部分612和微操纵模块616。器械600可以是普通的手术工具，其包含耐久型或可重复使用型的主动手柄(包含电子器件、电源和驱动器)、一次性的消毒可控针尖或装置620。该一次性的消毒可控针尖或装置620可以是卡扣配合型的器具，用以卡到适配器618上。

所述(未驱动)微操纵模块616可包括一个三自由度压电陶瓷驱动的并行机构，该机构包括一个可移动的上部手术工具附件630，其通过3个相同或相似的具有运动学对称结构的机械臂连接到下部的固定支撑622。微操纵模块616可控制、移动和定位末端执行器620，如空间中的工具或元件，并且可以使用并联机械臂来控制3个自由度，压电陶瓷驱动器608连接到固定支撑件622，同时保持活动机械臂相对于固定支撑件622的平行性。每个机械臂可以通过旋转关节、棱柱关节(由压电陶瓷驱动器驱动)和球面关节把固定支撑622连接到工具附件620上。

图7A是根据各种实例展示的一个手术工具系统750的一般图解。手术工具系统750可包括手持式手术器械700。手持式手术器械700可以包括激光源702，如激光二极管，用于发射激光束以在表面上产生激光标记点。手持式手术器械700也可包括惯性测量单元704，用于检测手持式手术器械700的运动并生成由惯性测量单元704检测到的、包括手持式手术器械700的运动信息的第一个信号。手持式手术器械700还可包括驱动器708，如压电陶瓷驱动器708，其通过机械方式连接到夹持着可控针尖的可移动平台上。手持式手术器械700还可以另外包括处理电路710，如嵌入式微控制器，其根据第一个信号(惯性测量单元708生成)和第二个信号，来控制驱动器708驱动可移动平台。

手术工具系统750也可以包括视觉单元或子系统714，其也可称为一个视觉模块。视觉单元750可包括用于放大激光标记点的医用显微镜736和一个将由激光标记点生成的光信号转换成电信号并用于检测激光标记点移动的相机738。视觉单元750还可以包括计算机740，用于接收相机738的电信号。计算机740可用于处理包含在所接收电信号中的信息。计算机740可生成由视觉单元检测出的、激光标记点的高频运动信息(即等于或高于阈值频率)，并且该信息可以由计算机740或连接到计算机740的一个发送器由第二个信号发送到处理电路710。

如图7A所示，第二个信号可通过无线装置发送。处理电路710可以其根据第一个信号和第二个信号，来控制驱动器708，使得夹持可控针尖的可移动平台的运动至少部分地补偿手持式手术器械700的震颤运动。

手持式手术器械700还可以额外包括功率放大器742，其可放大由处理电路710所产生的输出控制信号，以控制驱动器708。

手术工具系统750可以被称为ITrem2传感系统，该系统可用于显微外科手术，而器械700可被称作ITrem2。图7B是根据各种实例展示的操作中的传感系统的图像770。ITrem2系统可具有微米级精度，也具备实时性。惯性测量单元704可以包括一个或多个传感器或加速度计，用于估计可控针尖的运动，并且由于传感器或加速度计重量较轻，可以内置在器械700中，以供内在参考，所以其测量不受阻碍。可以通过将视觉单元714与惯性测量单元704集成的方法来增强感测器械700运动的性能。外科医生的手部运动包括有如震颤、漂移等的非自主部分，其可由ITrem2集成板上的惯性传感器或加速度计来感测。实时计算机740可以接收可视化惯性信息，并可以实时地估计三个自由度的可控针尖的位置。嵌入式微控制器710中的传感器融合单元可以通过利用实时计算机740的准确时间标识来改善可控针尖的位置感测。即便视觉测量中存在明显的延迟和抖动，惯性测量的时间感知融合也可提供微米级精度。

显微外科手术通常在光学手术显微镜下进行。在显微镜上附接相机可以提供与医生看到的一致的、可控针尖的运动和目标位置信息。手术显微镜736可以配备分光器和立体附件，以便供第二个观察者使用。系统750可以允许相机、医生和助手同时观察工作区域。此外，由视觉系统714获得的位置信息不存与加速度计相关的漂移问题。视觉系统714可以包括高通滤波器以滤除低频漂移运动，例如约0～1Hz。

在显微外科手术中，避免有些移动对周边精细的组织造成灾难性损伤是非常重要的。所以，限制可控针尖、防止其损害性运动，是一项有用且重要的自动视觉伺服任务。此外，在有些自动视觉伺服任务中，如对准目标点，需要获得可控针尖的绝对位置。感测世界坐标系中可控针尖的绝对位置也为其他方面改进提供了途径，如可控针尖的自动运动缩放。由于惯性传感器存在非常棘手的漂移现象，仅使用加速度计检测绝对世界坐标存在问题。显微外科手术通常在光学手术显微镜下进行。在显微镜上附接相机可以提供与医生看到的一致的、可控针尖的运动和目标位置信息。手术显微镜可配备分光镜和立体附件，供第二位观察者使用。其可允许相机、医生和助手同时观察工作区域。此外，从视觉系统获得的位置信息没有漂移。

视觉模块714可以由一个配有单目高速工业相机738的桌面式光学手术显微镜组成。相机738可配备滤镜片，以减少环境光的干扰，该滤镜片的带通与光源或激光源702的波长匹配。为了获得高质量低噪声的、覆盖5mm×3.7mm视场范围的数字图像，曝光时间可以设置为5ms。视觉单元714的采样频率可以是100Hz。实时的图像处理在连接到相机738的实时嵌入式计算机740上执行。

视觉单元714可以通过追踪由器械主体700上的小功率(<1毫瓦)红外激光二极管702发出的参考光，来获取器械主体700的移动信息。没有经过驱动器驱动的器械针尖的移动可称为中性针尖移动。参考光斑的移动可被视为中性针尖的移动，因为光源和针尖位于同一刚体上。

激光标记点的位置可由其质心(C)计算出来，即：

C＝[C_XC_Y]^T (1)

其中C_X是质心的x坐标，C_Y是质心的y坐标。

所获取的图像先通过阈值法转换为二进制图像。然后把该二进制图像用于原始图像的掩模，再通过如下标准质心方程式计算能量中心：

其中x是x的像素坐标，y是y的像素坐标，i(x,y)每个像素的光强值。

视觉单元714可以不仅可以追踪器械主体的运动，也可以追踪ITrem2的可控针尖以进行自动视觉伺服任务。基于边缘几何特征的模板匹配法可用于追踪ITrem2的可控针尖，因为这种方法能够定位图像中旋转或部分遮挡处的模板。模板匹配法所得到的针尖位置精度为亚像素级。

激光标记点运动的高频成分可以用于和惯性测量系统获得的信息进行整合，以实时地估计震颤运动。

手持实验可以评价辅助器械的补偿能力。图8A是根据各种实例展示的图像800a，其展示了未经训练的用户被要求握住器械并且在25x放大率的手术显微镜下指向目标尖端。图8B是根据各种实例展示的目标尖端、激光标记点和可控针尖的图像800b。

图9A是根据各种实例展示的，以时间(s)为变量的位移(μm)的函数曲线图900a，其展示了未补偿的激光标记点的位移运动以及经补偿的可控针尖的位移。图9B是根据各种实例展示的，以频率(Hz)为变量的位移(μm)的函数曲线图900b，其展示了未补偿的激光标记点的位移运动以及经补偿的可控针尖的位移。生理性震颤的功率主要集中在6Hz的频率处，另外有一些较低频率的部分(漂移和肌阵挛)，这些可在补偿后明显减弱。如果补偿是完美的，那么实线部分就可以减少到在所有频率上均是等功率的白噪声。

图9C是根据各种实例展示的数字化未补偿结果表格900c。

图10A是根据各种实例展示的手持式手术器械1000的示意图。器械1000可以包括组成惯性测量单元的一个或多个加速度计1004。器械1000也可包括一个如图10A所示的微控制器1010。器械1000还可包括手持部分1032和微操纵模块1016，其包括一个适配器，用于夹持可控针尖1020。

在各种实例中，在器械1000(ITrem2)的内部可以有四个双轴数字微型机电系统(MEMS)加速计1004。加速度计1004可以感测可控针尖的3个运动自由度和器械的2个方向自由度。微控制器1010可以执行滑动平均滤波，还可以使用传感器融合算法实时评估针尖1020位置。实时计算机和微控制器1010可以经由无线进行通信，如Zigbee。可以以250kps的带宽使用Zigbee达到稳定、实时的无线通信。

惯性传感器1004的位置和方向在实现高的检测分辨率方面是非常重要的。加速度计1004可以放置在器械主体中的长圆柱形空间中，如图10A所示。但关注点是检测针尖1020的运动，此处无法放置加速度计1004。图10B是根据各种实例展示的加速度计在手持部分1032中放置的示意图。

与加速度计的Z分量读数值相比，X分量和Y分量以及噪声在转化为可控针尖的加速度的过程中可能被放大。因此，改善自身坐标系X轴和Y轴的加速度感测会更好。另一方面，数字式MEMS加速度计的成本可能会降低很多，价格可承受，而且尺寸变得非常小。

使用多余的传感器可以提供更好的惯性传感分辨率。然而，使用更多的传感器需要克服一些难题。更多的加速度计需要更多的线缆和连接器来连接到信号处理器上。这会导致最终设计的手持式器械非常臃肿，其设计不符合人体工程学。而且，可能需要更多模-数转换器与加速度计接口。

在各种实例中，器械1000可以通过内置或包括带有数字接口的嵌入式微控制器1010以达到拥有更多传感器的优势。因为微控制器1010可允许仅用一对线缆实现多重数据传输。内置带有数字接口的嵌入式微控制器1010的器械1000对噪声影响更加稳健，因为数据是通过数字信号在微控制器1010和实时计算机之间传输。另外，在传输数据到接收端之前，嵌入式微控制器1010可以进行预滤波操作。

在各种实例中，器械1000可包括多余的加速度计。器械1000还可以包括两个双轴传感器，而不是在可控针尖一侧的一个。标记为3A和3B的传感器可以形成差分对，并且位置{3}处的加速度读数拥有更高品质，因为其有效地去除了如温度漂移的噪声和其他共模噪声。

图10C是根据各种实例所列表1050，其展示了ITrem2和MicronII的性能对比。其模拟结果如图10C所示，可以看出ITrem2的性能比其前身MicronII好3倍。

传感器融合单元可通过利用实时计算机上精确的时间标识来改善可控针尖的位置感应精度。即使视觉测量中存在明显的延迟和抖动，惯性测量的时间敏感性经融合后也可提供微米级精度。传感器融合单元可采用或包括先入先出的序列，进行存储由惯性测量单元测得的最新的加速度和由视觉单元测得的最新的位置，两类数据各自有其对应的时间标识。在每个惯性测量周期内，可控针尖的加速度和对应的时间标识可存储在加速度序列中。

图11A是根据各种实例所展示的来自惯性测量单元的加速度序列的示意图1100a。图11A中所示的加速度序列有32个元素。在每个惯性测量周期内，最新的加速度值可在A_n处插入，并且位于A_n-31处最早的值可以丢弃。

每个图像获取期间，视觉单元可以存储获取图像的时间标识，其精度为±1μs。当图像处理和姿态估计完成后，中性针尖(即激光标记点)在显微镜参考系P中的估计位置以及相对应的时间标识便可以发送到融合单元中。由于没有假设周期性时，视觉单元采样频率比惯性测量的低很多，所以融合单元可以在每个惯性测量周期内检查视觉信息的可用性。如果视觉单元中有新的位置信息可用，融合单元则可以执行以下步骤估算当前位置。

1.更新位置序列

惯性测量单元的采样频率可以是333Hz，而视觉单元则仅仅100Hz。在每个惯性测量周期中，都会检测来自视觉单元的位置信息可用性，而如果有新的位置测量可用，先入先出的位置序列就会进行更新。图11B是根据各种实例展示的来自视觉单元的位置序列的示意图1100b。图11B展示了使用先入先出模式的，含有4个元素的位置序列。

2.视觉信息和惯性信息进行关联

从视觉单元得到的中性针尖的位置测量，可通过检查图像的时间标识，与加速度序列中对应的加速度测量进行关联。由于视觉单元在采样期间存在相当大的抖动，每幅图的时间延迟不是恒定的，并且在某一特定时间的更确切的加速度数值，可从与位置序列中的图像相关联的时间标识计算出来。

对于位置序列中的某个时间标识t_m来说，早于或等于t_m的最新时间标识之后，便可在加速度序列中插入对应的新条目。对应的新条目的时间标识记为t_n-K，其值大约与t_m相等并且满足如下关系：

t_n-K-1≤t_n-K＜t_n-K+1 (4)

对于条目的加速度值A_n-K，可以使用线性插值法来估计：

类似地，对于位置序列中的时间标识t_m-1来说，另一个对应的条目，其时间标识t_n-L，加速度A_n-L，可以用同样的方法插入到加速度序列中。

图11C是根据各种实例展示的惯性测量单元中更新过的加速度序列的示意图1100c。时间标识t_n-K可等于t_m。类似地t_n-L也可等于t_m-1。

3.计算针尖速度

器械针尖的速度可以通过用视觉测量和加速度测量所得的两个位置计算出来。图11D是根据各种实例所展示的时间和位移的曲线图1000d，其显示了加速度信息和视觉信息的融合。

在t_n-L(ΔVn-L)的速度变化可初始化为0，且其后每个连续采样点的速度变化ΔV_i可表达为：

此后，t_n-K时的针尖位置和速度估测值可由如下等式获取：

P_n-K＝P_m (7)

其中P_n-L＝P_m-1。

4.计算针尖位置

在t_n时针尖的位置可由计算出的速度V_n-K，视觉系统的位置信息P_n-K，以及加速度测量所计算得出，其等式如下：

时间t_n处计算的针尖位置记为P_n：

如果没有新的视觉信息，融合单元就通过上述两个等式仅使用当前加速度的采样值更新位置计算值。

计算当前采样的位置后，融合单元可提前预测针尖的位置，以抵消与驱动单元相关联的固有延迟。对于预测时间Δt_p，预测的针尖位置P_p计算如下：

在各种实例中，器械可设计成与当前的外科手术工具都兼容的通用适配器。各种可控针尖都可以与适配器配合。在各种实例中，主要有四类可控针尖用在目前显微手术最常用的手术工具中。

辅助手持式器械的针尖可设计成一次性、可更换的。目前有四类针尖正在开发，包括微型镊子，微型夹针器，微型剪刀和微型手术针、刀片。可替换特点(易拆装型)可让医生轻松根据不同应用场景更换不同手术针尖。一次性特点可简化灭菌过程。

图12A是根据各种实例所展示的带有缝合线的微型夹针器的图像1200a。图12B是根据各种实例所展示的处于闭合状态的微型夹针器的图像1200b。图12C是根据各种实例所展示的处于打开状态的微型夹针器的图像1200c。图12D是根据各种实例所展示的手术期间、带有缝合线的微型夹针器的图像1200d。

图12E是根据各种实例所展示的处于闭合状态的微型剪刀的图像1200e。图12F是根据各种实例所展示的处于打开状态的微型剪刀的图像1200f。

可控针尖可由电磁驱动。该器械可包括一个或多个电磁铁，其能够产生1.5N的抓取、切割力以夹持缝合针并切割血管或组织。针尖夹持器的最大开合宽度大约为1.5mm，这个宽度使得从6/0到12/0的各种尺寸的缝合针都容易拾取器。剪刀的最大开口宽度可设计为约1.2mm，这个宽度足以切割不同类型的组织。

可控针尖可包括射频识别(RFID)芯片用于认证。射频识别芯片可包含诸多信息，如详细认证信息、使用记录、区域信息、可控针尖类型等等。

为了提高手持式器械的简易性，可单独设计一个装置，用于认证和把可控针尖安装到手持器械上。该装置可以进一步用于校准系统。

上述装置能够读取嵌入可控针尖中的射频识别芯片。该装置可设置为根据可控针尖类型进行安装，仅当其确认可控针尖是真品、首次使用且确实在该区域出售之后，才对其进行安装。一旦可控针尖固定到手持式器械上，该装置就可以自动执行校准。整个过程可能需要不到30秒。

在需要手动显微操作的应用场景中，尤其是手术空间里，对科技辅助的解决方案的需求非常明显，因为其已经触及人类运动感知极限。这不仅是因为此类器械、系统承诺比现有的许多显微外科手术有更好的临床结果，也因为各类实例可以使得一些目前认为不可能执行的操作成为可能。

辅助性手持式显微外科手术器械旨在被视为普通手术工具，只是其包含耐用/可重复使用的主动手柄(含电路、电源和驱动器)和一次性的消毒手术工具附件。

各种实例可提供一种系统和/或一种方法，其具有低阻碍性、成本低、最大简易性、用户认可、以及/或者与目前的外科实践兼容，而且精度得到提升。各种实例可提供一种完全便携式的手持式工具，其器械尺寸和重量尽可能地接近现有被动器械的尺寸和重量。辅助性手持式显微外科手术器械可以是一种无约束器械，其具有可拆卸、可消毒、一次性的手术工具附件。该器械可通过使用内载的惯性传感器进行非接触测量来检测其自身运动，还可通过实时滤波和传感器融合算法区分手的错误运动和预期运动，也可通过一个微操纵模块实时地补偿错误分量，其通过施加与错误分量等大、反向的驱动于可控针尖来实现。

计算机视觉技术可以进一步提高器械的定位精度，以及延伸其通过利用显微镜上安装的相机所拍的图像进而进行外科手术干预的能力。

各种实例都可能与不受限的手持式器械的机构设计、一次性针尖的设计、激光标记点传感系统、惯性测量传感器配置、以及针尖紧固设计有关。

在各种实例中，器械可以包括一个激光源，如红外(IR)发光二极管(LED)以产生两个平行的红外激光束。可在表面形成两个激光标记点，并由红外相机获取信号。可从惯性测量单元(IMU)获取器械相对于X轴和Z轴的倾斜角度。可通过两个激光标记点的倾斜角度和姿态来确定或计算器械本身的的旋转角度。

由红外发光二极管产生的两道平行红外激光所打出的标记点，可由装卡在显微镜上的单目红外相机捕捉。两个激光标记点的质心可表示为C₀和C₁。光参考平面{L}可作为一个坐标系，其X轴和Y轴均位于焦平面上。{L}的原点为C₀。器械主体的坐标系可定义为主体参考坐标系{B}。

图13A是根据各种实例所展示的光参考坐标系的定义和器械主体参考坐标系的定义以及相关旋转角的示意图1300a。两个激光标记点的质心间距离可表示为d。光参考坐标系仪器{L}中器械主体相对Z轴的偏转角度表示为α。俯仰角β定义为光参考坐标系{L}的Z轴与主体参考系{B}的Z轴之间的角度。器械主体相对于主体参考系{B}的Z轴的自转角度定义为γ。

图13B是第一个激光标记点的质心C₀和第二个激光标记点的质心C₁位于光参考坐标系{L}中X轴上的示意图1300b。当C₀和C₁在光参考系{L}的X轴上时，偏转角α和自转角γ可定义为0。在这种情况下，俯仰角β的变化可能不会影响{L}中激光标记点的位置。

图13C是自转角γ为0处的示意图1300c。当自转角γ为0时，偏转角α与C₁的角运动相同。如果C₁的坐标是{x₁,y₁}，则可以通过如下方式求得偏转角α：

当γ＝0时，俯仰角不会影响偏转角的值。

图13D是展示了俯仰角和自转角对第二激光标记点质心C₁的作用的示意性图1300d。当偏转角α为0时，C₁的坐标便取决于自转角γ和俯仰角β。连接点(x₁,0)到C₁的线段长度记为d.sinγ，其遵循：

x₁＝d.cosγ (13)

以及

由俯仰和自转所确定的角度θ可表示为：

所以，

当α、β和γ都不为0时，激光标记点的姿态角度φ可表示为：

进一步，有：

φ＝α+θ (19)

因此，偏转角的大小可表示为：

对两个质心分别为(x₀,y₀)和(x₁,y₁)的激光标记点，偏转角α可通过俯仰角β和转动角γ求得，其计算如下：

当φ大于45°时，交换的分子和分母来计算90°-φ可使得第一项的计算更加准确。

对于第二项，当β接近90°时，分辨率则会降低。换句话说，器械基本是处于水平的，俯仰的细小变化都可导致激光标记点在表面上有较大的移动。

关于第二项中的自转角γ，其越接近90°，β对结果的影响越小。当自转角为90°时，俯仰角β对激光标记点的姿态方向便没有影响。可以在计算机模拟条件性测试，使自转角约为或接近90°，以避免溢出错误。

图14A是根据各种实例所比较的本系统和达芬奇系统(远程操作外科手术机器人系统)的各类仪器/系统的参数的表1400a。达芬奇系统来自Intuitive Surgical,Inc。尽管在其他外科手术中取得了成功，但达芬奇手术系统在显微外科手术中的使用率基本可以忽略不计。目前达芬奇手术机器人的这种形式，在定位精度和工具针尖的操作灵活性方面，并不适用于显微外科手术。达芬奇手术系统的近似基准定位误差(FLE)为1mm，而在显微镜外科手术中，可控针尖一般最大的误差仅为0.3mm。

外科医生已经拥有一个灵巧、且高带宽的操纵器，且具有无与伦比的天然用户界面，那就是人的手臂。与其开发一个必须复制人体手部特性，还带来一些天然感知方面缺陷的这样一个机器人系统，本文所描述的深层的哲学思想是保留外科医生本身所具备的优点，而只是增强那些需要改进的方面，如针尖定位精度。

相对于远程操作手术，本文所述方法通过分配主机接口和机械臂降低了硬件成本，仅需要一个控制器械针尖的微操纵器。

器械末端的微操纵器的控制范围可设计成刚好满足震颤和类似的错误运动的补偿范围。因此，责任和安全问题就可以最低化，因为即使系统失效情况下，该系统也仅仅是无法控制针尖移动几百微米的范围。如果整个系统关闭，它就只是变成了一个普通的被动式手持器械，跟医生多年使用的器械一样。

在成本和用户接受度方面，来自约翰霍普金斯大学(JHU)的稳态手型机器人位于达芬奇系统和本文描述的系统之间。根据各种实例来看，本文系统的硬件成本比JHU开发的系统的成本一半还少。稳态手型机器人也失去了人手的灵巧性，因为其器具的运动被限制在机器人有限度的自由度内。来自JHU的机器人系统，在2013年6月最新的报道中，还处于概念论证阶段。

图14B是根据各种实例所比较的本系统和Micron手持器械的各类仪器/系统的参数的表1400b。Micron手持式器械来自于卡耐基梅隆大学(CMU)。CMU的器械是依靠一个光学追踪系统，该系统使用定制的位置传感探测器(PSD)，且具有有限的感测范围(<8cm³:2x2x2cm)。位于CMU的器械上的红外发射器与PSD之间的视线严禁受到阻挡或干扰，因此这样的装置在真正的临床上不实用。

另一方面，各种实例可包括内置加速度计和配备相机的显微镜(标准医用显微镜配置)这样的一个组合，这样的组合对医生来说没什么阻碍性。该设备的主要功能是抑制外科医生在3D空间中手部的生理颤动，而不是用于解决复杂的显微手术本身。为了补偿针尖处细小的非自主运动，需要用到3个自由度。在显微外科手术期间，工具针尖本身可能不会有俯仰和偏转运动，而医生的手所产生的任何俯仰和偏转运动几乎都等同于工具针尖单纯的平移运动。在自转这个自由度中，几乎检测不到什么错误的颤动运动。因此，就工具针尖的震颤补偿而言，6个自由度的装置可能根本没有任何优势。

Micron手持式器械没有产品商业化的计划。

尽管本发明已经具体展示并描述了部分供参考的具体实例，但本领域技术人员应当知晓，在没有脱离本发明的核心和框架内，各种在形式和细节上的改变，都应受到本发明所附权利声明的限定。因此，本发明的范围如附录的权利声明所示，并且包括与权利要求等同的含义和范围内的所有变更。

Claims (40)

1.手持式手术器械包括：

激光源，配置为发射激光束以在表面上产生激光标记；

惯性测量单元，被配置为检测手持式手术器械的运动并产生第一信号，该第一信号包括由惯性测量单元检测到的关于手持式手术器械的运动的信息；

用于夹持受控针尖的可移动平台；

机械耦合连接到可移动平台的驱动器；和

信号处理电路，其被配置为基于由惯性测量单元产生的第一信号和由视觉单元基于激光标记的移动产生的第二信号来控制驱动器来移动可移动平台，从而夹持受控针尖的可移动平台的移动至少部分地补偿手持式手术器械的颤动。

2.根据权利要求1所述的手持式手术器械，

其中激光束包括可见光或红外光。

3.根据权利要求1或2所述的手持式手术器械，

其中，所述手持式手术器械还包括分光镜，所述分光镜构造成分离激光束以形成激光标记器并在所述表面上形成另一激光标记器；并

其中，第二信号由视觉单元基于激光标记器的移动和另一激光标记器的移动产生。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的手持式手术器械，

其中激光标记器具有选自圆形，矩形，T形和十字形的任何形状。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的手持式手术器械，

其中惯性测量单元包括一个或多个加速度计，用于检测手持式手术器械的运动。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的手持式手术器械，

其中，第一信号包括关于手持式手术器械在包括预期运动频率的一系列频率范围内的运动的信息；和

其中，第二信号包括关于激光标记的移动高于预定阈值的信息，该预定阈值设置在手术器械的预期运动的频率之上。

7.根据权利要求6所述的手持式手术器械，

其中，信号处理电路被配置为基于第一信号和第二信号控制驱动器以移动可移动平台，使得外科手术器械的预期运动不受可移动平台移动的补偿。

8.一种手术工具系统，包括：

手持式手术器械，包括：

激光源，配置为发射激光束以在表面上产生激光标记；

惯性测量单元，被配置为检测手持式手术器械的运动并产生第一信号，该第一信号包括由惯性测量单元检测到的关于手持式手术器械的运动的信息；

用于夹持受控针尖的可移动平台；

机械耦合连接到可移动平台的驱动器；

信号处理电路，被配置为基于惯性测量单元产生的第一信号，和第二信号控制驱动器移动可移动平台；和

视觉单元，被配置为检测激光标记的移动，并且还被配置为生成第二信号，第二信号包括关于由视觉单元检测到的激光标记的移动的信息；

其中，信号处理电路被配置为控制驱动器，使得保持受控针尖的可移动平台的运动至少部分地补偿手持式手术器械的震颤。

9.根据权利要求8所述的手术工具系统，

其中激光束包括可见光或红外光。

10.根据权利要求8或9所述的手术工具系统，

其中，所述手持式手术器械还包括分光镜，所述分光镜构造成分离激光束以形成激光标记器并在表面上形成另一激光标记器；并

其中视觉单元被配置为检测激光标记器的移动和另一激光标记器的移动。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的手术工具系统，

其中激光标记器具有选自圆形，矩形，T形和十字形的任何形状。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的手术工具系统，

其中惯性测量单元包括一个或多个加速度计，用于检测手持式手术器械的运动。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的手术工具系统，

视觉单元包括：

相机，被配置为通过将由激光标记器生成的光学信号转换为电信号来检测激光标记器的移动。

14.根据权利要求13所述的手术工具系统，

其中视觉单元还包括：

配置为放大激光标记的手术显微镜。

15.根据权利要求13或14所述的手术工具系统，

其中视觉单元还包括：

计算机，被配置为从相机接收电信号；

其中，计算机还被配置为确定激光标记的质心；和

其中关于激光标记的移动的信息是关于激光标记的质心的移动的信息。

16.根据权利要求15所述的手术工具系统，

其中，计算机被配置为生成第二信号并将其发送到手持式手术器械的处理电路；

其中，所述计算机还被配置为将所述激光标记的移动在预定阈值或低于预定阈值的信息过滤掉，使得所述第二信号仅包括关于所述激光标记的移动高于所述预定阈值的信息；和

其中，预定阈值设定在手术器械的预期运动频率之上。

17.根据权利要求16所述的手术工具系统，

其中，第一信号包括关于手持式手术器械在包括预期运动频率的一系列频率范围内的运动的信息。

18.根据权利要求17所述的手术工具系统，

其中，信号处理电路被配置为基于第一信号和第二信号控制驱动器以移动可移动平台，使得外科器械的预期运动不受可移动平台移动的补偿。

19.根据权利要求18所述的手术工具系统，

其中，处理电路被配置为基于第一信号和第二信号产生输出信号，输出信号不包括等于或低于预定阈值的频率；和

其中，处理电路被配置为基于输出信号控制驱动器以移动可移动平台。

20.操作手持式手术器械的方法，该方法包括：

使用激光源发射激光束以在表面上产生激光标记；

使用惯性测量单元检测手持式手术器械的运动；

使用惯性测量单元产生第一信号，该第一信号包括关于检测到的手持式手术器械的运动的信息；

控制，使用信号处理电路，驱动器移动可移动平台，可移动平台夹持受控针尖，基于惯性测量单元产生的第一信号和视觉单元基于激光标机器运动产生的第二信号。使得夹持受控针尖的可移动平台的运动至少部分地补偿手持式手术器械的颤动运动。

21.根据权利要求20所述的方法，

其中激光束包括可见光或红外光。

22.根据权利要求20或21所述的方法，所述方法还包括：

使用分光镜分离激光束以形成激光标记器和表面上的另一个激光标记器；并

其中，第二信号由视觉单元基于激光标记器的移动和另一个激光标记器的移动生成。

23.根据权利要求20至22中任一项所述的方法，

其中激光标记器具有选自圆形，矩形，T形和十字形的任何形状。

24.根据权利要求20-23中任一项的方法，

其中惯性测量单元包括一个或多个加速度计，用于检测手持式手术器械的运动。

25.根据权利要求20至24中任一项所述的方法，

其中，第一信号包括关于手持式手术器械在包括预期运动频率的一系列频率范围内的运动的信息；和

其中，第二信号包括关于激光标记器高于预定阈值的移动信息，该预定阈值设置在手术器械的预期运动频率之上。

26.根据权利要求25所述的方法，

其中，信号处理电路被配置为基于第一信号和第二信号控制驱动器以移动可移动平台，使得外科器械的预期运动不受可移动平台移动的补偿。

27.操作手术工具系统的方法，该方法包括：

操作手持式手术器械，以便从激光源发射的激光束在表面上产生激光标记物；

操作手持式手术器械以使用惯性测量单元检测手持式手术器械的运动，并且生成包括关于由惯性测量单元检测到的手持式手术器械的运动的信息的第一信号；和

操作视觉单元以检测激光标记的移动，并产生第二信号，第二信号包括由视觉单元检测到的激光标记的移动的信息；

其中所述手持式手术器械包括信号处理电路，所述信号处理电路被配置为控制驱动器以移动可移动平台，所述可移动平台机械耦合地联接到驱动器并夹持受控针尖，基于由惯性测量单元产生的第一信号和由视觉单元产生的第二信号，使得夹持受控针尖的可移动平台的运动至少部分地补偿手持式手术器械的颤动运动。

28.根据权利要求27的方法，

其中激光束包括可见光或红外光。

29.根据权利要求27或28的方法，

其中，所述手持式手术器械还包括分光镜，所述分光镜构造成分离激光束以形成激光标记器并在表面上形成另一激光标记器；并

其中操作视觉单元以检测激光标记器的移动和另一激光标记器的移动。

30.根据权利要求27至29中任一项所述的方法，

其中激光标记具有选自圆形，矩形，T形和十字形的任何形状。

31.根据权利要求27至30中任一项所述的方法，

其中，使用包括在惯性测量单元中的一个或多个加速度计来检测手持式手术器械的运动。

32.根据权利要求27至31中任一项所述的方法，

在通过使用包括在视觉单元中的相机来检测激光标记的移动的情况下，相机被配置为将由激光标记器生成的光信号转换为电信号。

33.根据权利要求32所述的方法，

其中激光标记物由包含在视觉单元中的手术显微镜放大。

34.根据权利要求32或33的方法，

其中视觉单元还包括：

计算机，被配置为从相机接收电信号；

其中，计算机还被配置为确定激光标记的质心；和

其中关于激光标记的移动的信息是关于激光标记的质心的移动的信息。

35.根据权利要求34的方法，

其中，计算机被配置为生成第二信号并将其发送到手持式手术器械的信号处理电路；

其中，所述计算机还被配置为将所述激光标记的移动在预定阈值或低于预定阈值的信息过滤掉，使得所述第二信号仅包括关于所述激光标记的移动高于所述预定阈值的信息；和

其中，预定阈值设定在手术器械的预期运动频率之上。

36.根据权利要求35的方法，

其中，第一信号包括关于手持式手术器械在包括预期运动频率的一系列频率范围内的运动的信息。

37.根据权利要求36的方法，

其中，信号处理电路被配置为基于第一信号和第二信号控制驱动器以移动可移动平台，使得外科器械的预期运动不受可移动平台的移动的补偿。

38.根据权利要求37的方法，

其中，信号处理电路被配置为基于第一信号和第二信号产生输出信号，输出信号不包括等于或低于预定阈值的频率；和

其中，信号处理电路被配置为基于输出信号控制驱动器以移动可移动平台。

39.形成手持式手术器械的方法，该方法包括：

提供激光源，配置为发射激光束以在表面上产生激光标记；

提供惯性测量单元，其被配置为检测手持式手术器械的运动并产生第一信号，该第一信号包括关于由惯性测量单元检测到的手持式手术器械的运动的信息；

提供用于夹持受控针尖的可移动平台；

将驱动器机械耦合地连接到可移动平台；和

将信号处理电路电力的连接到驱动器，信号处理电路被配置为基于惯性测量单元产生的第一信号和视觉单元根据激光标记的移动产生的第二信号控制驱动器移动可移动平台，夹持受控针尖的可移动平台的运动从而至少部分地补偿了手持式手术器械的颤动。

40.形成手术工具系统的方法，该方法包括：

提供一种手持式手术器械包括：

激光源，配置为发射激光束以在表面上产生激光标记；

惯性测量单元，被配置为检测手持式手术器械的运动并产生第一信号，该第一信号包括由惯性测量单元检测到的手持式手术器械的运动的信息；

用于夹持受控工具尖端的可移动平台；

机械耦合连接到可移动平台的驱动器；

信号处理电路，被配置为基于惯性测量单元产生的第一信号和第二信号控制驱动器移动可移动平台；和

提供视觉单元，配置为检测激光标记的移动，并且还配置为产生第二信号，第二信号包括由视觉单元检测到的激光标记的移动的信息；

其中，信号处理电路被配置为控制驱动器，使得夹持受控针尖的可移动平台的运动至少部分地补偿手持式手术器械的颤动运动。