CN109561866B - 智能手柄装置以及用于操作智能手柄装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有智能手柄装置的医学设备(100)，所述智能手柄装置允许如用户所期望的那样对医学设备进行操作。

Description

智能手柄装置以及用于操作智能手柄装置的方法

技术领域

本发明涉及医学设备技术领域。具体地，本发明涉及包括智能手柄装置的移动外科手术系统、智能手柄装置、用于控制智能手柄装置的方法、程序单元以及计算机可读介质。

背景技术

移动外科手术系统(特别是包括C臂的移动外科手术成像系统)是具有被安装在C形托架系统上的X射线源和X射线探测器的设备，并且通常用于整形外科手术、疼痛管理、泌尿外科、血管临床分段。C臂有助于将被安装在C臂上的X射线系统带入位置以产生相关感兴趣区域(ROI)的X射线图像。通常，操作者或技术人员在外科医生执行外科手术时操纵C臂。在操作期间，外科医生将C臂轴的期望位置传达给操作C臂的技术人员或操作者。由于无菌环境以及对C臂轴、关节或轴杆的手动锁定和/或解锁，外科医生自身有时可能不能在外科手术流程期间移动C臂轴。因此，可能会向患者和/或工作人员提供不想要的X射线辐射，直到外科医生得到期望的感兴趣区域(ROI)。

Norbert Binder、Christoph Bodensteiner、Lars

Rainer Burgkart和Achim Schweikard的“The Surgeon's Third Hand a an Interactive Robotic C-ArmFluoroscope”(Mobile Robotics Towards New Applications，ISBN3-86611-314-5，由Aleksander Lazinica编辑，第784页，ARS/PV，德国，2006年12月)一文涉及如下实验：其利用全自动C臂来进行在图像平面、长骨图像中移动，用于3D重建的数据采集以及基于界标的定位。

发明内容

可能需要提供对功能设备的有效控制。

通过独立权利要求的主题解决了本发明的目的，其中，在从属权利要求中包含了另外的实施例。

根据本发明的一方面，提供了一种移动外科手术成像系统，其具有用于控制所述移动外科手术系统的智能手柄装置。

根据本发明的一方面，提供了一种包括C臂和智能手柄装置的移动外科手术成像系统，其中，所述智能手柄装置被配置为控制所述成像系统的移动，例如控制C臂的移动或托架的移动。

在实施例中，所述智能手柄装置包括手柄杆、力确定设备和按钮设备，所述手柄杆用于操作所述智能手柄装置。所述力确定设备适于确定被施加到所述手柄杆的力在三维空间的各分量中的方向。所述按钮设备适于以移动组的形式设置或选择移动轨迹(profile)，其中，所述移动组的每个移动能链接到由所述力确定设备确定的所述三维空间的对应方向分量。所述智能手柄装置适于提供用于移动外科手术系统的控制信号。该控制信号可以包括关于所述移动轨迹和被施加到所述手柄杆的所述力在三维空间的各分量中的所述方向的信息。

在示例中，如果提供了移动外科手术系统的C臂并且所述C臂包括X射线扫描器，则所述智能手柄装置可以被安装在X射线源上或者被安装在X射线探测器上。设置移动轨迹可以包括激活可能的移动组和/或停用另一移动组。

因此，可以生成力方向分量与每个组内的特定移动之间的明确链接，而在不同组中的多个移动可以被链接到所施加的力的相同方向分量。换言之，移动组可以排除对特定移动的方向的不明确链接。

例如，在具有如在表1中展现的五种可能的系统移动的C臂系统中，可以定义两个移动轨迹：第一轨迹：其具有一组三个系统移动(摆动/水平/高度)，每个系统移动对应于x方向、y方向或z方向中的一个方向；以及第二轨迹，其具有两个另外的移动(轨道/螺旋桨)，每个移动也对应于x方向、y方向或z方向中的一个方向。

根据本发明的一方面，提供了一种用于移动外科手术系统或者用于医学设备的智能手柄装置，所述智能手柄装置包括手柄杆、力确定设备和按钮设备，所述手柄杆用于操作所述智能手柄装置。所述按钮设备适于以移动组的形式设置移动轨迹，其中，每个移动能链接到由所述力确定设备确定的三维空间的对应方向分量。所述智能手柄装置还适于提供用于所述移动外科手术系统的控制信号，所述控制信号包括关于所设置的移动轨迹和被施加到所述手柄杆的力在三维空间的各分量中的方向的信息。

在示例中，用于控制所述智能手柄装置的方法包括确定被施加到所述智能手柄装置的手柄杆的力在三维空间的各分量中的方向。换言之，所述智能手柄装置适于将施加的力分成或分离成三个分量，所述三个分量与笛卡尔坐标系的三个方向或轴相一致。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于控制智能手柄装置的方法。所述方法包括确定被施加到所述智能手柄装置的手柄杆的力在三维空间的各分量中的方向。此外，所述方法提供了由按钮设备以移动组的形式来设置移动轨迹，其中，每个移动能链接到由所述力确定设备确定的三维空间的对应方向分量。所述方法还包括提供控制信号，其中，所述控制信号包括关于所述移动轨迹以及被施加到所述智能手柄装置的所述力在三维空间的各分量中的所述方向的信息。

在示例中，所述控制信号可以用于控制医学外科手术系统。在另外的示例中，所述方法还包括确定所述三维空间的每个方向上的每个分量的强度。另外，通过使用所述方法，可以确定把所述手杆的取向。

换言之，所确定的被施加到手柄杆的力的方向、从按钮设备接收到的用于在由三维空间的相同分量操作的移动组之间切换的切换信号和/或所确定的手柄杆的取向是能够被映射到预定义移动轨迹的参数。作为执行所述方法的输出，生成了针对医学外科手术系统的控制信号，所述信号可以包括以下项中的至少一项：移动轨迹、在每个方向上的力的方向和强度。

以这种方式，可以检测操作智能手柄装置的用户的意图。在一个示例中，控制信号可以包括来自智能手柄装置的相关传感器的原始数据。智能手柄装置的传感器可以包括力确定设备、按钮设备、取向确定设备和/或安全开关。在另一示例中，控制信号可以包括来自对应传感器的经处理的信息。经处理的信息可以是能够用于直接控制移动外科手术系统的信息。在示例中，经处理的信息可以包括针对移动外科手术系统的特定关节、制动器和/或轮子的控制信息。经处理的信息可以由映射设备来输出。映射设备可以被集成到智能手柄装置中并且/或者映射设备可以被布置在智能手柄装置外部。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于控制智能手柄装置的程序单元，所述程序单元当由处理器运行时适于执行用于控制智能手柄装置的方法。

根据本发明的又一方面，提供了一种包括程序代码的计算机可读介质(例如，CD-ROM)，所述程序代码当由处理器运行时适于执行用于控制智能手柄的方法。

计算机程序可以被存储和/或被分布在合适的介质上，例如，与其他硬件一起或作为其他硬件的部分供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式被分布，例如，经由互联网或其他有线或无线的电信系统被分布。

然而，计算机程序也可以存在于网络(如万维网)上，并且能够从这样的网络被下载到数据处理器的工作存储器中。根据本发明的另外的示例性实施例，提供了用于使计算机程序单元可用于下载的介质，所述计算机程序单元被布置为执行根据本发明的先前描述的实施例中的一个实施例的方法。

智能手柄可以被提供在移动外科手术系统的C臂处。通过使用智能手柄，外科医生能够以直观的方式处理C臂定位。智能手柄被设计用于感测针对移动外科手术系统的每个轴的用户请求以进行解锁，从而能够自由移动。例如，释放针对对应关节的轴杆的制动器和/或轮子的制动器，以便允许关于对应轴的移动。为了触发关于轴的旋转移动，在示例中，用户可以在施加力之前按下安全开关。针对平移轴，可以额外地一起按下所提供的控制开关或按钮中的一个与安全开关。智能手柄包括力敏电阻(FSR)传感器，FSR传感器用于感测针对每个轴的用户请求。基于FSR信号，确定针对特定方向的力是否超过预定阈值；如果是，则对相应的移动轴进行解锁。

根据本发明的一方面，所述移动外科手术系统的所述智能手柄装置还包括取向确定设备。所述取向确定设备适于确定所述手柄杆的取向。所述智能手柄装置还适于在所述控制信号中提供关于所确定的所述手柄杆的取向的信息。

手柄装置能够在许多方向上操作，例如能够在纵向方向上操作。取决于智能手柄的纵轴的取向，在纵向方向上的移动可以被映射到垂直移动或水平移动。取向确定设备可以有助于将所安装的取向正确转换为用户的移动意图并最终转换为正确的控制信号。

在示例中，所述智能手柄装置可以被实施为操纵杆、鼠标设备、旋钮或控制杆。

根据本发明的另一方面，所述智能手柄装置的所述力确定设备还适于确定所述力在所述三维空间的每个方向上的每个分量的强度。所述智能手柄装置还适于在所述控制信号中提供关于所确定的所述力在所述三维空间的每个方向上的每个分量的强度的信息。

如果例如关节由电动机来驱动并且/或者强度可以允许控制针对对应轴的制动器的强度，则确定力的强度可以允许确定移动的速度。

根据本发明的另一方面，所述移动外科手术系统的所述智能手柄装置还包括映射设备。所述映射设备适于将所述控制信号的所述信息映射到设置的移动轨迹的预定义移动。

在示例中，进入映射设备的输入信号是原始传感器信号，例如在控制信号内的原始传感器信号。所述控制信号还可以包括关于相关的可能移动组的信息。在这种情况下，所述映射设备可以被集成在所述移动外科手术系统中。在另一示例中，所述映射设备可以被集成到所述智能手柄装置中。在这种情况下，智能手柄装置可以提供经预处理的控制信号。所述映射设备可以适于将原始信号映射到能够被直接提供给所述医学外科手术系统的执行器的控制信号。这样的执行器可以从包括以下项的执行器组中选择：操作关节的电动机、用于对关节进行锁定或解锁的制动器、轮子的电动机和/或轮子的制动器。

智能手柄装置结合按钮设备允许分析操作移动外科手术系统的C臂的用户的意图。该意图能够通过利用检测到的力方向和选定的移动轨迹生成的针对对应执行器的信号来表示。

根据本发明的一方面，所述移动轨迹包括对以下项的选择结果：高度定位移动、水平移动、螺旋桨移动、摆动移动和轨道移动。

可以通过在医学外科手术系统中实施的不同轴、轴杆、轴件和关节的自由度(DOF)来提供移动轨迹的不同移动。移动轨迹可以包括特定于该特定移动轨迹的移动组。可以选择针对与移动轨迹相关联的移动组的移动，作为所有可能的移动组的子组。所有可能的移动组可以包括高度定位移动、水平移动、螺旋桨移动、摆动移动和轨道移动。在示例中，通过包括关于由方向确定传感器提供的力方向信号不明确的至少一个移动来区分两个不同的移动轨迹。在示例中，可以将指向智能手柄装置的纵轴的力不明确地映射到摆动移动或螺旋桨移动。为了确定移动轨迹，考虑构建规则以确保这些不明确移动与不同的移动轨迹相关联。换言之，生成移动轨迹，使得移动轨迹的每一个移动都能够被明确地映射到由力确定设备确定的方向分量。

根据本发明的另一方面，所述智能手柄装置还包括用于在所述移动组之间切换的第二按钮设备。所述第二按钮设备适于以移动组的形式来设置移动轨迹，其中，所述第二按钮设备被布置在距所述按钮设备的预定义距离处。

第二按钮可以允许惯用左手的人以与惯用右手且为其定位第一按钮的人相同的方式来舒适地操作智能手柄。第一按钮设备和第二按钮设备的功能可以是相同的。按钮能够用于指示用户的意图并选择移动轨迹。取决于按钮设备的切换状态，选择可能的移动组。

根据本发明的另一方面，提供了所述智能手柄装置，其中，所述力确定设备包括以下项中的至少一项：光学传感器、应变计传感器、电容传感器和/或电位计。

使用光学传感器可以允许精确的力方向检测。这样的传感器也能够用于相关方向上的强度探测。与光学传感器相似，敏感电阻器、电位计或电容传感器以及应变计传感器也允许检测力的强度以及力的方向。通过确定力的强度，可以检测力的强度是否超过阈值或力极限。该信息可以用于对关节的制动器进行锁定或解锁。确定力的强度还可以允许通过控制与检测到的力的强度成比例的速度比例和/或电动机扭矩来控制电动机设备。

根据本发明的另一方面，所述力确定设备包括阈值，并且所述力确定设备适于防止递送低于所述阈值的信号。备选地，所述力确定设备适于仅在信号等于或超过预定义阈值时递送所述信号。

考虑阈值还可以支持用户仅在将低于特定阈值的轻的力施加到智能手柄的情况下操作以防止相关部件(例如，功能设备的C臂)的无意移动。

根据本发明的另一方面，所述智能手柄装置包括安全开关，其中，所述安全开关适于防止无意操作。

可以以如下方式将安全开关安装在智能手柄装置附近，使得如果旨在操作智能手柄，则触发安全开关。

根据本发明的另一方面，所示取向确定设备是加速度计传感器和/或重力传感器。这样的传感器可以检测地球重力场的取向。

通过使用取向确定设备，可以确定参考方向(例如，重力方向)上的力并且以这种方式确定手柄杆自身的取向。

在示例中，用于操作智能手柄装置的方法还包括使用控制信号对移动外科手术系统的子设备的预定制动器进行解锁，以便实现移动外科手术系统的至少部分的预定手动运动。可以提供针对制动设备的对应控制信号。

智能手柄装置可以适于在检测到手柄上的力之后确定将用该力操作哪个子设备。

智能手柄装置或智能手柄允许确定智能手柄装置的取向并且通过使用对取向的这种确定来理解手柄的操作者所期望的移动意图。由于移动外科手术系统或诸如具有C臂的X射线系统的功能设备适于能移动到多个不同的位置和取向中，因此通过使用手柄进行的意图性移动可以因子设备(例如，C臂或医学外科手术系统的对应关节或制动器)的起始位置和/或取向而不同。

例如，如果手柄处于水平位置，则手柄的纵向移动可以被解读为针对C臂所需的摆动移动。然而，如果智能手柄处于垂直位置，则手柄在纵向方向上的移动可以是针对所需的上下移动的指示。因此，取向确定设备可以允许根据智能手柄装置的取向和/或位置来区分特定移动组内和/或特定移动轨迹内的移动分配。

因此，在根据用户的意图性移动确定针对移动成像系统的控制信号时，能够考虑手柄杆的取向。例如，当手柄杆被安装在C臂自身上时，在C臂旋转期间，所确定的力在手柄杆上的方向可以随着旋转而改变。这种影响可以由取向确定设备来补偿，例如根据用户的意图使得C臂不受干扰且持续旋转。

在示例中，所述力确定设备可以包括力方向确定设备和/或力强度确定设备。在特定示例中，所述力方向确定设备和所述力强度确定设备是单独的设备。在另外的示例中，所述映射设备可以是外部设备，而不是所述智能手柄装置的部分。在又一示例中，所述映射设备可以经由串行通信接口被连接到所述智能手柄装置的传感器。所述映射设备可以被实现为运行计算机程序的处理器或者被实现为硬连线设备。所述映射设备可以是控制设备的部分。所述力方向传感器可以适于确定被施加到所述手柄杆的力在三维空间的各分量中的方向。所述力强度确定设备可以适于确定在三维(3D)空间的每个方向上的每个分量的强度。

每当用户抓住手柄时，安全开关就自动激活，由此实现旋转移动。当操作控制开关时，C臂旋转轴被锁定并且平移轴被解锁，从而例如实现托架移动。

在一个示例中，所述智能手柄被定位在所述C臂的图像探测器上，因此，所述智能手柄可以与所述C臂一起旋转。为此目的，提供了一个或多个加速度计以确定智能手柄的当前取向并且将不同的FSR信号与“正确的”移动轴关联。这使得能够进行直观控制，而与当前取向无关。在示例中，所述按钮设备适于在由三维空间的相同分量或相同力分量操作的移动组之间切换。按钮设备可以是允许在至少两个不同状态之间切换的任何设备。因此，指向相同方向的力可能引起移动外科手术系统或医学设备的不同移动，这取决于按钮设备或开关设备的状态。所述取向确定设备适于确定所述手柄杆的取向，并且所述映射设备适于将来自所述力方向确定设备、所述按钮设备和/或所述取向确定设备的信号映射到取决于适用的移动轨迹的控制信号。所述智能手柄装置适于提供针对所述移动外科手术系统、所述功能设备或所述医学设备的控制信号，其中，所述控制信号可以包括关于选定的移动轨迹、方向和/或强度的信息。换言之，来自智能手柄装置的输出信号可以是指示用户操作智能手柄装置的意图的信号，所述信号被表示为能用于诸如映射设备的其他实体的信号和/或由医学外科手术系统的执行器直接使用的信号。所述信号可以根据传输协议来构造，并且还可以具有编码的比特模式。所述信号可以用于对医学外科手术系统的相关的关节或制动器进行锁定和/或解锁。所述控制信号能够用于对特定轴的锁定进行解锁并且/或者用于控制对应轴的电动机，以便允许功能设备在特定方向上进行力受控的移动。

参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将变得明显并且得到阐明。

附图说明

下文将参考以下附图来描述本发明的示例性实施例：

图1示出了根据本发明的示例性实施例的具有C臂的移动外科手术系统的透视图。

图2示出了根据本发明的示例性实施例的C臂的高度定位。

图3示出了根据本发明的示例性实施例的C臂的螺旋桨移动。

图4示出了根据本发明的示例性实施例的C臂的摆动移动。

图5示出了根据本发明的示例性实施例的C臂的水平与轨道移动。

图6示出了根据本发明的示例性实施例的智能手柄装置。

图7示出了根据本发明的示例性实施例的智能手柄装置的分解视图。

图8示出了根据本发明的示例性实施例的智能手柄装置的仰视图。

图9示出了根据本发明的示例性实施例的备选智能手柄装置。

图10示出了根据本发明的示例性实施例的另外的备选智能手柄装置。

图11示出了根据本发明的示例性实施例的具有智能手柄的C臂的提取部分。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的示例性实施例的具有C臂的移动外科手术系统100的透视图。具体地，图1示出了根据本发明的示例性实施例的包括被提供有智能手柄装置的C臂的移动外科手术成像系统。移动外科手术系统100包括托架系统103，托架系统103具有：可移动零件103a、103b，探测器零件101、102，以及处理零件(在图1中未示出)。C臂103b是具有被安装在C形托架系统103上的X射线源101和X射线探测器102的设备。移动外科手术系统100通常用于整形外科手术、疼痛管理、泌尿外科、血管临床分段等。托架系统103具有承载体103a或托架103a以及C臂103b。移动外科手术系统100的移动零件103具有五个系列轴A1至A5，其被链接到对应的关节。在表1中提供了这些轴和对应的移动。

表1

轴	参数	移动	名称	功能
					A1	d1	平移	提升	高度调节
A2	Θ1	旋转	摆动	在x-y平面中的旋转
					A3	d2	平移	托送	臂长度调节
A4	Θ2	旋转	成角	侧向C旋转
					A5	Θ3	旋转	轨道	在C平面中的C旋转

为了允许围绕特定轴的移动，可能必须对多个制动器进行释放或解锁。轴A1和对应的提升设备用于提升移动并且允许高度调节。轴A2和对应的关节允许旋转移动(所述旋转移动用于摆动移动)并且允许在x-y平面中旋转。摆动移动也可以由托架103a的轮子来支持。轴A3和对应的臂设备允许平移移动(即所谓的托架移动)并且用作臂长调节。轴A4和对应的关节允许旋转移动(所述旋转移动也被称为成角移动或螺旋桨移动)并且用作侧向C旋转。轴A5和对应的轨道设备允许C臂在C平面中的另一旋转移动(所述另一旋转移动被称为轨道移动)。

该系统通过围绕患者旋转C臂来提供正在经历外科手术的患者的实时X射线图像。在外科医生正在执行外科手术时，操作者或技术人员操纵C臂。

结合C形的关节布置允许将X射线源101和X射线探测器102定位在患者(在图1中未示出)周围。患者躺在手术台(OR台)上。沿着Al轴的提升移动允许高度调节。为了支持这种类型的移动，对应的提升机构可以是电动机驱动的。电动机可以支持手动力。用手将所有其他关节一个接一个地移动。为了手动移动C臂103b，对相关关节的制动器进行释放或解锁，使得相关关节能够实现自由移动，并且执行手动定位直到到达目标位置。当到达目标位置时，再次对对应的关节(在图1中未示出该关节)进行锁定。轴A4和轴A5位于不同的平面中并且不相交。轴A5是C平面轴，并且轴A4是针对螺旋桨移动的螺旋桨轴。通过外科医生与C臂的操作者之间的通信来进行将C臂103b相对于患者定位在感兴趣解剖区处所涉及的步骤。外科医生指导技术人员以便将C臂移动到外科医生所需的位置中。移动外科手术系统100或功能设备100能够使用轴A1至轴A5以及对应的关节、执行器或设备以便定位C臂。

图2示出了根据本发明的示例性实施例的C臂的高度定位。针对高度定位，使用提升器201沿着轴A1进行平移。

图3示出了根据本发明的示例性实施例的螺旋桨移动，以便使C臂103b围绕轴A4转动。释放C臂的对应关节，并且智能手柄200能够用于将X射线源101移动到期望位置中。

图4示出了根据本发明的示例性实施例的C臂103b的摆动移动。通过使C臂103b围绕轴A2转动并释放托架103a中的对应关节来进行摆动移动。

图5示出了根据本发明的示例性实施例的C臂103b的水平移动和轨道移动。通过使C臂沿着轴A3相对于托架103a移动来进行水平移动。轮子501用于使移动外科手术系统或医学系统100在地板上移动，并且还可以支持摆动移动。在托架103a安装有全向轮的示例中，可以通过释放轮子501的制动器并使整个系统103平行于地板移动来执行平行移动。如果所有轮子都是全向轮501(即，轮子能够在任何方向上移动)且轮子的方向由制动器控制，则在与纵轴成直角的方向上释放前轮并且在与纵轴成直角的方向上对后轮进行转向的情况下的移动会引起该系统的平行移动。通过围绕轴A5在C平面中的旋转来进行轨道移动。

如在图2至图5中所示的，移动外科手术系统100具有轴A1至轴A5，这些轴能够用于移动C臂以便将感兴趣人体解剖结构定位在图像链的视场内。术语“图像链”可以是用于概括X射线源101、探测器102、帧抓取器、处理设备和图像的显示设备的术语。C臂103b的操作者需要释放相应移动的机械制动器，朝向手柄移动以释放制动器，抓住相应的手柄并且施加力以移动该系统。智能手柄可以控制与由智能手柄200检测到的期望移动相关联的制动器或关节并且/或者驱动电动机以驱动或辅助运动。可以根据确定的力方向并结合选定的移动轨迹来导出期望的移动。

使用智能手柄200可以允许在操作期间从相同的视角获得若干幅图像。通过使用手柄，即使在关节移动之后，也能够再次找到相同的取向。针对这种情况，一般可以调节超过一个的关节。为了返回到先前的位置，可以采用“存储召回”模式。“存储召回”模式是C臂的操作模式，其中，传感器和/或处理设备存储C臂的位置，例如通过存储C臂的关节的取向和/或方向来存储C臂的位置。当C臂在“存储召回”模式下操作时，先前保存的C臂或C形弧的取向被用作参考。当手柄用于将C臂移动到存储的位置时，移动外科手术系统中的传感器测量C臂的实际位置，并且如果实际位置等于参考位置，则系统制动器锁定以便停止运动。

通过使用智能手柄装置，外科医生能够自己将C臂移动到期望位置中，而无需将C臂轴的期望位置传达给操作者。防止了对相关关节的手动锁定和解锁，并且本发明的智能手柄装置也能够在无菌环境中使用。因此，外科医生能够在外科手术流程期间移动C臂轴。手柄可以具有可拆卸的盖子，其类似于在无菌操作灯手柄中使用的盖子。换言之，手柄装置具有安装设备，所述安装设备允许将手柄装置快速安装到相关的移动外科手术系统或者从相关的移动外科手术系统快速卸下。该事实允许在使用后移除手柄以便对手柄杆进行消毒。在消毒之后，手柄杆可以在塑料袋内部返回，在将手柄杆再次安装到移动外科手术系统之前必须将塑料袋移除。如果外科医生将C臂移动到期望的ROI(感兴趣区域)，则能够精确定位C臂并且能够防止针对患者和工作人员的不想要的X射线辐射，这在外科医生得到期望的ROI之前可能是必要的。利用智能手柄，外科医生能够控制C臂移动并且拍摄患者的解剖结构的X射线图像。

作为示例，利用所描述的智能手柄，可以自动对移动C臂的旋转和平移手动移动进行锁定和解锁，以便优化工作流程并防止在外科手术流程期间出错。通过使用智能手柄装置200，可以节省外科手术流程时间并使对患者和工作人员的X射线辐射最小化。

利用该智能手柄，可以自动对移动C臂的旋转和平移轴移动进行手动锁定和解锁。智能手柄装置能够被用作用户接口以在期望位置处直观地操纵C臂。这样的直观定位有助于减少出错并且可以防止在外科手术流程期间出错。这样的直观定位还能够有助于使压力、外科手术流程时间和针对患者和工作人员的辐射剂量最小化。

图6示出了根据本发明的示例性实施例的智能手柄装置。智能手柄装置200能够被用作用户接口200。该智能用户接口200被设计为利用每个轴的自动锁定和解锁来操纵针对旋转轴和平移轴的移动C臂。通过按下或释放按钮606a、606b，可以区分不同的移动，例如可以区分平移移动与旋转移动，即使可以向手柄施加指向相同方向的力以进行这两种移动时也能进行区分。智能用户接口200或智能手柄装置200提供了感测机构以分别检测针对每个轴的用户请求以自动对所需的操纵或移动轨迹进行解锁。智能手柄装置200能够被安装到移动外科手术系统100或者被安装到具有基部601a、601b的医学设备100。

智能手柄装置200可以包括取向确定设备602、802a。所述取向确定设备适于确定手柄200的位置和/或取向。在示例中，取向被确定为实际位置与重力方向的偏离。取向确定设备602、802a可以是重力传感器602、802a或加速度计测量设备602、802a。

智能手柄200包括用于操作智能手柄装置的手柄杆603。此外，智能手柄装置具有力确定设备604、605，在图6中，力确定设备604、605包括力强度确定设备604和力方向确定设备605。在图6中仅部分示出了力强度确定设备604和力方向确定设备605。力强度确定设备604、605可以被实现为单个力确定设备。此外，智能手柄装置200具有按钮设备606a、606b。这两个按钮设备606a、606b具有相同的功能，并且被实施为使得惯用左手的人和惯用右手的人都能舒适操作。此外，智能手柄装置具有安全开关设备607。当抓住手柄杆603时，如由箭头608所指示地操作安全开关设备607。

手柄杆603具有弱化部分609，弱化部分609允许手柄杆603在弱化部分609周围略微弯曲。手柄杆通过螺钉或其他固定器件通过孔611a、611b连接到第一安装设备610。在第一安装设备610的相对侧上还存在对应的孔61lc、611d。

智能手柄装置200还具有第二安装设备612，第二安装设备612具有孔611e、611f(在图6中不可见)，以用于将手柄杆603固定到第二安装设备612。此外，第二安装设备612具有台阶613a、613b，台阶613a、613b用于指示被施加到手柄杆的力的力强度和力方向。

智能手柄装置200被设计为感测由用户的手施加到手柄杆的用户请求，以便对对应轴进行解锁以进行自由移动。智能手柄装置可以适于单手对施加到手柄杆的力所驱动的多个相关关节进行锁定和/或解锁。因此，用户可能不需要考虑必须锁定和/或解锁哪个关节以执行期望的移动。在将力施加到操纵一个或多个平移轴之前，要求用户按下安全开关607。为了操纵一个或多个旋转轴，在施加力之前，还需要一起按下控制开关606a、606b中的一个控制开关与安全开关607。控制开关606a、606b可以在用户触摸控制开关606a、606b时被触发，或者在使用智能手柄装置期间必须被按下，以便在移动轨迹之间切换并选择可能的移动组。

为了感测针对每个轴的用户请求，图6中的智能手柄装置200使用光学设备或光学传感器。作为备选方案，也能够使用力敏电阻器(FSR)传感器。

在下文中，描述了使用光学设备的智能手柄的功能。然而，该描述也能够应用于使用光学传感器、力敏电阻器、应变计传感器、电容传感器和/或电位计的智能手柄装置。

为了结合安全开关607和控制开关606a、606b以及力方向来描述功能，参考表2进行描述。

表2

水平移动可以包括托架移动和/或臂的水平移动。如果未操作安全开关607，则向手柄杆603施加力将不会起作用。该功能可以防止对手柄的意外操作。

按下安全开关607会激活智能手柄装置200。如果没有按下、释放或者未操作控制开关606a、606b中的任一个控制开关，则选择第一移动轨迹并且激活第一移动组。在表2的示例中，第一移动组包括摆动旋转移动以及水平平移移动和高度平移移动。

在按下或接通控制开关606a、606b的情况下，能够控制第二移动组。在表2的示例中，第二组包括轨道旋转移动和螺旋桨旋转移动。

因此，如果接通控制开关606a、606b，则启用了基于在相应方向上输入的用于轨道移动或螺旋桨移动的力的个体轴移动或所有轴移动。轨道移动和螺旋桨移动并不彼此相交，因此能够区分经由手柄200提供的命令。换言之，在智能手柄杆被取向为水平位置的情况下，沿着纵轴614移动手柄会触发螺旋桨移动轨迹，其中，纵轴614基本上平行于地板。然而，如果手柄杆处于纵轴614平行于地板且手柄杆向z方向移动的位置(如由笛卡尔坐标系615所指示的)，则将使C臂进行轨道移动。

通过手柄杆603内部的取向传感器602、802a来感测手柄200与地板和/或重力方向相比是处于水平取向还是处于垂直取向。如果手柄在基本上平行于地板的垂直位置中开始，则用户启动螺旋桨移动的直观移动也使手柄杆在纵向方向614上移动，纵向方向614在x轴的方向上或者基本上平行于地板。在任何取向上，能够通过将手柄杆与手柄200一起移动到对应方向来启动轨道移动。力方向确定设备708a、708b、708c(在图6中未示出)适于确定相对于手柄坐标系的力方向。所述手柄坐标系可以是笛卡尔坐标系，其与手柄200的移动一起移动。力方向确定设备适于确定被施加到手柄杆603的力在三维空间的各分量中的方向，特别是关于手柄坐标系的方向。此外，取向确定设备602、802a适于确定手柄杆603的取向。该取向确定设备602、802a还可以适于确定手柄杆的坐标系的取向。

可以关于当手柄200正在移动时不移动的地球坐标系来确定手柄杆的取向(特别是手柄杆的坐标系的取向)。可以通过利用取向确定设备检测重力矢量来确定手柄杆的坐标系的取向。取向确定设备可以包括用于确定关于地球坐标的手柄坐标的加速度计。换言之，这两个设备都可以用于确定控制信号。力方向确定设备用于确定通过三个力传感器检测到的关于手柄坐标的力方向，并且加速度计用于通过确定重力矢量来找出关于地球坐标的手柄坐标的取向。

然而，如果C臂旨在在摆动方向上，在高度上移动或者旨在执行托架移动或水平移动，则除了接通安全开关607之外，还必须接通控制开关606a或606b。因此，如果按下或操作控制开关606a、606b中的任何控制开关，则选择第二移动轨迹并且激活第二移动组。

控制开关606a、606b被平行地布置在手柄杆603上或者被布置在手柄杆603的两侧。如果接通控制按钮606a、606b并移动手柄，则可以基于输入的力来进行沿着个体轴或所有轴的移动。被施加到相应方向上的力的量可以确定该方向上的移动速度，或者可以通过将力的量与阈值进行比较来确定是否发生移动。关闭轨道移动和螺旋桨移动并且在相应方向上发生移动，例如，托架移动、高度移动或摆动移动。另外，可以考虑手柄的取向以便确定用户关于移动的意图。例如，如果手柄关于地板处于水平位置并且沿着x轴且沿着手柄杆603的纵轴614移动，则启动摆动移动。如果手柄200关于地板处于水平位置并且在z方向上移动，则将进行高度调节，即，向上或向下移动。并且，如果手柄关于地板处于水平位置并且在y方向上来回推拉，则结果是C臂发生水平移动。如果手柄关于地板处于垂直位置并且沿着z轴且垂直于手柄杆603的纵轴614移动，则启动摆动移动。如果手柄200关于地板处于垂直位置并且在x方向上(即，在纵轴614的方向上)移动，则将进行高度调节，即，向上或向下移动。并且，如果手柄关于地板处于垂直位置并且在y方向上来回推拉，则结果是C臂发生水平移动。

如果可以在托架103a处使用全向轮，则除了摆动移动之外，手柄还能够控制到地板的平行移动。

图7示出了根据本发明的示例性实施例的智能手柄装置200的分解视图。第一安装设备610具有两个平行的凸缘701、702，其具有孔611a、611b、611c、611d。平行凸缘701、702被布置在第一安装设备610的相对侧上，平行于手柄杆603的纵轴，并且用于将在手柄杆603的纵向方向上的与弱化件609相比更小的零件安装到第一安装设备610上。第二安装设备612具有凸缘703，凸缘703被布置为垂直于手柄杆603的纵轴并且具有孔611e、611f，以用于将在纵向方向上的手柄杆603安装在小表面704上。如图7所示，按钮606a、606b包括硅开关盖705a、705b，以便保护被安装在底板707上的开关设备706b、706a。安全开关607也被安装在底板707上，使得安全开关607能够平行于第一安装设备610和第二安装设备612移动。

图7还示出了被布置在第一安装设备610的方向上的光学传感器708a。该光学传感器被安装在底板707上的位置中，使得由光学传感器708a生成的光束能够传播到第一安装设备610的孔709中。在第二安装设备612的相对侧上，光学传感器708b以这样的方式被安装在底板707上，使得由光学传感器708生成的光束被引导到第二安装设备的台阶613b。光学传感器708c被安装在底板707上的位置中，使得光束传播到第二安装设备612的平面613a，光束在平面613a处被反射。

图8示出了根据本发明的示例性实施例的智能手柄装置200的仰视图。图8示出了第一安装设备610中的孔709的仰视图。光学传感器708a发送光束801通过孔709。如果手柄杆603在z方向上移动，则由凸缘701、702和孔611a、611b、611c、611d形成的平行四边形移动或扭曲，使得根据在z方向上(即，在垂直于手柄杆603的纵轴614的方向上)施加的力来改变或调制被反射到光学传感器708a的光束的强度。因此，能够利用光学传感器708a来测量进入z方向的力。

由光学传感器708b生成的光束被引导到由第二安装设备612的边缘613b在平面613a处形成的第二安装设备612的台阶613b。如果手柄杆603在纵向方向上移动或者沿着x轴移动，则从该台阶613b到光学传感器708b的反射信号的强度改变，并且光学传感器708b提供沿着x轴的力的方向和强度。

光学传感器708c生成被引导到第二安装设备612的平面的表面613a的光束。该辐射被反射到光学传感器708c，并且该反射光束的强度是针对光学传感器708c与平面613a之间的距离的量度。在y方向上移动手柄会改变表面613a与光学传感器708c之间的距离，因此能够由光学传感器708c探测在y方向上的力以及在y方向上的力的强度。由于手柄杆603具有靠近第一安装设备610的弱化部分609，因此手柄杆形成板簧结构，其允许在平行于凸缘703的方向上移动手柄杆603。板簧结构提供了移动所需的顺应性。

在底板707上也安装了电子板707或PCB(印刷电路板)组件707以及其他功能元件。例如，在底部平面707或PCB 707上还安装了加速度计602、802a或重力传感器602、802a和通信设备802b以及映射设备802c。通信设备802b包括用于PCB 707与用于手柄装置的控制设备的主控制器进行串行通信的串行通信接口。经由该串行接口，可以交换PCB 707与控制设备之间的信号。映射设备802c可以被实现为运行算法以解读方向和力并提供指示意图性移动的信号的处理器。可以通过使用移动轨迹将从传感器接收到的信号映射到相关执行器的控制信号来生成信号。移动轨迹可以有助于识别取决于按钮设备606a、606b的切换状态的可能的移动组。

从图8中还能够看到，安全开关607与安全开关检测设备607'相接触，安全开关检测设备607'在手柄杆603被按下时操作。因此，安全开关607以自然抓握动作或自然抓取动作进行操作。在图8中未示出用于提供各种传感器708a、708b、708c、802a、802b、802c、607'的信号的连接器和线缆。

图9示出了根据本发明的示例性实施例的备选智能手柄装置200'。图9中的手柄杆603'被制成U形刚性手柄杆。为了使手柄杆具有刚性，以单件或单片方式制成手柄杆。手柄杆603'是相对较硬的均质体。在手柄杆200'上安装了各种FSR元件901和阻尼器903。在该设计中，力敏电阻器(FSR)用于计算从所有方向施加在手柄上的力的方向和量。如果被施加到电阻器的力增加，则力敏电阻器的电阻增加，而如果被施加到电阻器的力减小，则力敏感电阻器的电阻减小。所有FSR 901都被安装在具有阻尼器组件的手柄的腿部的壁上并且/或者被安装在腿部的外盒902的内壁上。在FSR被安装在覆盖盒902的内壁上的情况下，阻尼器将仅被安装在手柄的腿部上，并且手柄将在盒子内部行进或移动。这两个腿部用于安装手柄603'。手柄603'的两个腿部包括提供固定表面的壳体902。FSR 901和阻尼器903被布置在手柄603'表面与壳体902表面之间。以这种方式，如果手柄在壳体902内部移动，则FSR在壳体902内部被挤压。能够通过相应FSR的电阻的变化来测量被转换为挤压的这种移动。FSR与壳体之间的阻尼器确保力在传感器上均匀接触和分布。阻尼器将力均匀分布在FSR上，并且还将有助于在释放力时重新回到手柄的位置。外盒902将与C臂固定在一起，并且手柄603'将进入盒子内部。与所有这些相关联，在手柄的顶部将有安全开关和两个任选的开关，以根据C臂的各种移动来控制C臂的各种锁定机构。利用这种设计，在轴或关节受电动机驱动且受智能手柄控制的情况下，可以有效控制C臂在各个方向上的移动的速度。

图10示出了根据本发明的示例性实施例的备选智能手柄装置200”。根据图10的设计包括低轨迹轻触开关1001或低轨迹触觉开关1001的多种组合。轻触开关1001被安装在单片式手柄杆603”的所有侧面上的外盒902'的内壁中。每当迫使手柄200”在任何方向上移动时，就将按下对应的开关1001并且生成信号。弹簧1002用于对手柄603'在外盒902'内的移动进行阻尼。FSR 903”和阻尼器901”用于感测和计算被施加在手柄中的垂直力的量。该垂直力是平行于y轴或者平行于手柄200”的腿部的方向上的力。被安装在手柄的两侧上的FSR903”、901”也能够用作安全开关以启用智能手柄杆200”。还能够校准FSR 903”以感测被施加在手柄603”中的力的量，该力的量的范围从仅简单地触摸手柄直到被施加到手柄上的大的力。

图11示出了根据本发明的示例性实施例的具有智能手柄的C臂103b的提取部分。智能手柄200被附接到移动外科手术系统的C臂的X射线源101。具体地，智能手柄200被安装在图像探测器侧前方的C臂101上。通过在相应方向上向智能手柄施加力，用手使用智能手柄装置200的操作者能够同时操纵超过一个的轴。例如，如果用户在与轨道和旋转方向成45度角的方向上施加力并且该力超过针对这两个方向设置的阈值，则能够对这两个轴进行解锁以允许同时运动。当该力下降到低于阈值时，将再次对该轴进行锁定。即使在图11中示出了智能手柄被安装在X射线探测器侧上的实施例，本发明的智能手柄装置200、200”、200'也能够被安装在C臂上的任何位置以操纵不同的轴。手柄设备的对应取向传感器必须被校准到对应的安装位置，以便允许C臂的正确移动。如果手柄被安装在C臂的不同位置上，则必须校准手柄的取向以便设置默认取向或零取向。智能手柄设备200在系统上可见，作为用户接口200。智能手柄200能够代替物理锁定和解锁手柄，所述物理锁定和解锁手柄被安装在每一个关节处并且需要由技术人员来操作。如果使用智能手柄，则不需要手动锁定和/或解锁手柄。位于该系统内部的电磁制动器将对关节进行锁定和/或解锁，其中，电磁制动器由智能手柄来控制。智能手柄能够用于直观地操纵每个轴。智能手柄还允许个体地释放在期望的移动中所涉及的关节并且防止独立于手柄的力和力方向对所有关节进行锁定或解锁的情况。利用智能手柄200、200'、200”能够自动对移动C臂的旋转和平移移动进行锁定和解锁，并且能够以手动且直观的方式控制这种锁定和解锁。这可以有助于优化工作流程并且可以防止在外科手术流程期间出错。

必须指出，本发明的实施例是参考不同主题来描述的。尤其地，一些实施例是参考方法型权利要求来描述的，而其他实施例是参考装置型权利要求来描述的。然而，除非另有说明，本领域技术人员将从以上和以下的描述中推断出，除属于一种类型的主题的特征的任意组合之外，涉及不同主题的特征之间的任意组合也被认为在本申请中被公开。然而，所有的特征都能够被组合来提供多于特征的简单加合的协同效应。

尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示例性的，而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及从属权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。

在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (14)

1.一种移动外科手术成像系统(100)，包括C臂和被配置为控制所述成像系统的移动的智能手柄装置(200)，所述智能手柄装置(200)包括：

-手柄杆(603)，其用于操作所述智能手柄装置；

-力确定设备；

-按钮设备(606a、705a、606b、705b)；

-其中，所述力确定设备适于确定被施加到所述手柄杆(603)的力在三维空间的各分量中的方向；

其中，所述按钮设备(606a、705a、606b、705b)适于选择对应于各个移动组的第一移动轨迹或第二移动轨迹，其中，组内的每个移动能链接到由所述力确定设备确定的所述三维空间的对应方向分量；

其中，所述智能手柄装置适于提供用于移动所述移动外科手术成像系统(100)的控制信号，所述控制信号包括关于选择的移动轨迹和确定的被施加到所述手柄杆(603)的所述力的方向的信息。

2.根据权利要求1所述的移动外科手术成像系统(100)，所述智能手柄装置(200)还包括：

-取向确定设备(602、802a)；

其中，所述取向确定设备(602、802a)适于确定所述手柄杆(603)的取向；

其中，所述智能手柄装置还适于在所述控制信号中提供关于所确定的所述手柄杆(603)的取向的信息。

3.根据权利要求1或2所述的移动外科手术成像系统(100)，其中，所述智能手柄装置(200)的所述力确定设备还适于确定所述力在所述三维空间的每个方向上的每个分量的强度；

其中，所述智能手柄装置还适于在所述控制信号中提供关于所确定的所述力在所述三维空间的每个方向上的每个分量的强度的信息。

4.根据权利要求1至2中的一项所述的移动外科手术成像系统(100)，所述智能手柄装置(200)还包括：

映射设备(802c)；

其中，所述映射设备适于将所述控制信号的所述信息映射到设置的移动轨迹的预定义移动。

5.根据权利要求1至2中的一项所述的移动外科手术成像系统(100)，其中，所述移动轨迹包括移动组，每个移动组都包括对以下移动的选择结果：

高度定位移动；

水平移动；

螺旋桨移动；

摆动移动；以及

轨道移动。

6.根据权利要求1至2中的一项所述的移动外科手术成像系统(100)，所述智能手柄装置(200)还包括第二按钮设备(606a、705a、606b、705b)，所述第二按钮设备适于以移动组的形式来设置移动轨迹，

其中，所述第二按钮设备被布置在距所述按钮设备的预定义距离处。

7.根据权利要求1至2中的一项所述的移动外科手术成像系统(100)，其中，所述智能手柄装置(200)的所述力确定设备包括以下项中的至少一项：光学传感器、力敏电阻器、应变计传感器、电容传感器和/或电位计。

8.根据权利要求1至2中的一项所述的移动外科手术成像系统(100)，其中，所述智能手柄装置(200)的所述力确定设备包括阈值；

其中，所述力确定设备适于防止递送低于所述阈值的信号。

9.根据权利要求1至2中的一项所述的移动外科手术成像系统(100)，所述智能手柄装置(200)还包括安全开关(607)，其中，所述安全开关适于防止无意操作。

10.根据权利要求2所述的移动外科手术成像系统(100)，其中，所述智能手柄装置(200)的所述取向确定设备(602、802a)包括加速度计传感器和/或重力传感器。

11.根据权利要求1-2中的任一项所述的移动外科手术成像系统(100)，其中，所述智能手柄装置被安装在所述C臂的X射线源或X射线探测器上。

12.一种用于控制移动外科手术成像系统(100)的方法，包括：

确定被施加到智能手柄装置(200)的手柄杆(603)的力在三维空间的各分量中的方向；

由按钮设备选择对应于各个移动组的第一移动轨迹或第二移动轨迹；

其中，组内的每个移动能链接到由力确定设备确定的所述三维空间的对应方向分量；

提供控制信号，所述控制信号包括关于所选择的移动轨迹和被施加到所述智能手柄装置(200)的所述力的所述方向的信息。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

根据所述控制信号来控制移动外科手术成像系统(100)的移动。

14.一种计算机可读介质，包括用于依据根据权利要求12或13所述的方法来控制根据权利要求1至11中的一项所述的智能手柄装置的计算机程序。

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