CN109640863A - 基于所感测的参数进行外科工具定位 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于所感测的参数来控制工具的移动的装置、系统和方法。在一个实施方案中，提供了一种具有器械轴和形成在器械轴上的端部执行器的机电工具。所述机电工具被构造成安装在机电臂上，并且所述机电工具被构造成与所述机电臂一起移动或相对于所述机电臂移动并执行外科功能。控制器可操作地联接到所述机电臂和所述机电工具，并且被配置为基于所感测的组织表面的位移量、患者组织上的应变、所述机电工具的温度等来延迟所述机电工具朝向组织表面的推进。

Description

基于所感测的参数进行外科工具定位

技术领域

本发明提供了用于机器人手术的方法和装置，具体为用于基于所感测的参数对外科工具进行定位的方法和装置。

背景技术

由于术后恢复时间减少且瘢痕形成最小化，因此微创外科手术(MIS)器械通常优于传统的开放式外科装置。腹腔镜式外科手术是一种类型的MIS手术，其中在腹部形成一个或多个小切口，并且通过切口插入套管针以形成进入腹腔的通路。套管针用于将各种器械和工具引入腹腔中，而且提供注气使腹壁升高到器官上方。器械和工具可用于以多种方式接合和/或处理组织以达到诊断或治疗效果。内窥镜式外科手术是另一种类型的MIS手术，其中将细长的柔性轴通过自然孔口引入体内。

尽管传统的微创外科手术器械和技术已证明是高度有效的，但较新的系统可提供甚至更多的优点。例如，传统的微创外科手术器械通常不能为外科医生提供存在于开放式外科手术中的工具布置的灵活性。用器械通过小切口接近手术部位时遇到困难。另外，典型的内窥镜式器械的长度的增加通常会降低外科医生感觉由组织和器官施加在端部执行器上的力的能力。此外，如电视监视器上的图像中所观察到的器械的端部执行器的运动与端部执行器的实际运动的协调是特别困难的，因为如图像中所感知的运动通常不与端部执行器的实际运动直觉地对应。因此，通常缺乏对外科器械运动输入的直觉响应。已经发现，直觉性、灵巧性和灵敏度的此类缺乏使得增加微创外科手术的使用受阻。

多年以来，已经开发出多种微创机器人系统以增加外科手术的灵巧性，并允许外科医生以直觉方式对患者进行手术。远程手术是使用系统进行的外科手术的一般术语，其中外科医生使用一些形式的远程控制(例如，伺服机构等)来操纵手术器械运动，而不是用手直接握持和移动工具。在此类远程外科手术系统中，在远离患者的位置处在视觉显示器上为外科医生提供外科手术部位的图像。外科医生通常可在远离患者的位置处执行外科手术，同时在外科手术期间观察视觉显示器上的端部执行器运动。在视觉显示器上观察手术部位的图像时，外科医生通过操纵远程位置处的主控制装置来控制远程控制式器械的动作，从而对患者执行外科手术。

虽然在机器人外科手术领域已经取得了重大进展，但仍然需要用于机器人外科手术的改善的方法、系统和装置。

发明内容

本发明提供了用于基于所感测的参数对外科工具进行定位的外科装置、系统和方法。在一个实施方案中，一种外科系统可包括以下部件中的一个或多个。该外科系统可包括被构造用于沿多个轴线移动的机电臂，以及具有器械轴和形成在器械轴上的端部执行器的机电工具。机电工具可被构造成安装在机电臂上，并且机电工具可被构造成与机电臂一起移动或相对于机电臂移动并将能量施加到端部执行器所接合的组织。该外科系统还可包括可操作地联接到机电臂和机电工具的控制器。控制器可被配置为基于所感测的端部执行器的温度来延迟机电工具朝向组织表面推进。

在一些变型中，本文描述的一个或多个特征可包括在该系统中。可提供传感器并且其可被配置为感测端部执行器的温度。传感器可包括红外(IR)传感器、设置在端部执行器上的热电偶、相机等。在其他方面，该外科系统可包括被配置为感测端部执行器相对于组织表面的位置的传感器。

控制器可被配置为当温度在预定阈值温度、距组织表面的预定阈值距离等内时延迟机电工具推进。阈值距离可以是端部执行器的温度的函数。该系统还可包括被配置为感测端部执行器距组织表面的距离的传感器。

在另一方面，提供了一种用于操作系统的方法，该方法包括使用形成在机电工具的器械轴上的端部执行器将能量施加到组织。机电工具可安装在机电臂上。在将能量施加到组织期间，可接收所感测的端部执行器的温度。可基于所感测的温度来减小机电工具朝向组织表面的速度。

在一些变型中，以下一个或多个操作可包括在该方法中。所感测的温度可以是所感测的端部执行器的温度和所感测的组织表面的温度。当温度在第一预定温度范围内时，可将速度减小为第一阈值速度，当温度在第二预定温度范围内时，可将速度减小为第二阈值速度，等等。响应于确定机电工具在距组织表面的第一阈值距离，可将第一阈值速度调节第一量。响应于确定机电工具在距组织表面的第二阈值距离，可将第一阈值速度调节第二量。

可基于所感测的端部执行器相对于组织表面的位置来减小速度。温度可通过端部执行器上的传感器、相机上的传感器等来感测。

在另一方面，提供了一种具有机电臂的外科系统，该机电臂被构造用于沿多个轴线移动。该外科系统可包括具有器械轴和形成在器械轴上的端部执行器的机电工具。机电工具可被构造成安装在机电臂上，并且机电工具可被构造成与机电臂一起移动或相对于机电臂移动并将能量施加到机电工具所接合的组织。该外科系统可包括可操作地联接到机电臂和机电工具的控制器。控制器可被配置为基于所感测的组织表面的位移量来延迟机电工具朝向组织表面推进。

在一些变型中，以下一个或多个特征可包括在该外科系统中。例如，该外科系统可包括施加器，该施加器具有被构造成施加到组织表面上的材料，该材料被构造成指示组织表面的位移。在一个实施方案中，该材料可包括可生物吸收的雾化颗粒材料。在其他方面，所感测的位移量可包括组织表面的应变。控制器可被配置为当所感测的位移量在预定位移范围内时延迟机电工具的推进。

该系统可包括被配置为感测组织表面的位移量的传感器。传感器可包括相机。

在另一方面，提供了一种方法，该方法包括将形成在机电工具的器械轴上的端部执行器朝向组织表面推进。机电工具可安装在机电臂上。可接收所感测的组织表面的位移量，并且基于所感测的位移量，可减小机电工具朝向组织表面的速度。

在一些变型中，以下一个或多个操作和特征可包括在该方法中。可通过检测沉积到组织表面上的图案化材料的移动来获得所感测的位移量。图案化材料可提供至少两个对比点。该方法可包括基于检测到的图案化材料的移动来确定组织应变。

当所感测的位移量超过阈值位移量时，可减小机电工具的速度。当位移量在第一预定位移范围内时，可将机电工具的速度减小为第一阈值速度，当位移量在第二预定位移范围内时，可将机电工具的速度减小为第二阈值速度，等等。

附图说明

结合附图阅读下述详细说明将更全面地理解本发明，其中：

图1是具有患者侧部分和用户侧部分的外科机器人系统的一个实施方案的透视图；

图2是外科工具的一个实施方案的透视图，其中端部端执行器位于患者组织附近；

图3是位于组织附近的图2的外科工具的透视图；

图4是端部执行器的钳口温度随时间变化以及图2的端部执行器的钳口与患者组织的接近度随着时间变化的图形描绘；

图5是端部执行器的另一个实施方案的部分透明透视图；

图6是示出使用端部执行器的一个实施方案的一个示例性处理过程的示意图；

图7是外科工具的一个实施方案的透视图，其中端部端执行器位于患者组织附近；并且

图8是描绘用于促进机器人外科系统的控制的计算机系统的图。

具体实施方式

现在将描述某些示例性实施方案，以提供对本文所公开的装置和方法的结构、功能、制造和用途的原理全面理解。这些实施方案的一个或多个示例在附图中示出。本领域的技术人员将会理解，本文具体描述并在附图中示出的装置和方法是非限制性的示例性实施方案，本公开的范围仅由权利要求书限定。结合一个示例性实施方案示出或描述的特征部可与其它实施方案的特征部进行组合。此类修改和变型旨在包括在本发明的范围之内。

此外，在本公开中，各实施方案中名称相同的部件通常具有类似的特征部，因此在具体实施方案中，不一定完整地阐述每个名称相同的部件的每个特征部。另外，在所公开的系统、装置和方法的描述中使用线性或圆形尺寸的程度上，此类尺寸并非旨在限制可结合此类系统、装置和方法使用的形状的类型。本领域的技术人员将认识到，针对任何几何形状可容易地确定此类线性和圆形尺寸的等效尺寸。系统和装置及其部件的大小和形状可至少取决于系统和装置将用于其中的受治疗者的解剖结构、系统和装置将与其一起使用的部件的大小和形状、以及系统和装置将用于其中的方法和手术。

本发明提供了用于基于所感测的参数对外科工具进行定位的各种外科系统。机器人外科工具诸如机电工具通常具有器械轴和位于其远侧端部上的端部执行器。机电工具被构造成安装在机电臂上，并且机电工具被构造成与机电臂一起移动或相对于机电臂移动并执行外科功能。该工具具有多个致动器，用于引发端部执行器的各种功能，诸如旋转、关节运动、夹持、能量递送等。机电臂可机电地驱动致动器以控制端部执行器。

本文提供的机电臂和机电工具具有各种控制器和机构，用于基于所感测的组织表面的位移量、患者组织上的应变、机电工具的温度等来延迟机电工具朝向组织表面的推进。

如本领域技术人员将理解的，机器人外科系统的各种部件之间的电子通信可以是有线的或无线的。本领域的技术人员也将会理解，该系统中的所有电子通信都可以是有线的，该系统中的所有电子通信都可以是无线的，或者该系统的一些部分可进行有线通信，而该系统的其他部分可进行无线通信。

图1是外科机器人系统300的一个实施方案的透视图，该系统包括与患者312相邻定位的患者侧部分310，以及位于距离患者一定距离处(在同一房间内和/或在远程位置)的用户侧部分311。患者侧部分310通常包括一个或多个机器人臂320以及被构造成可释放地联接到机器人臂320的一个或多个工具组件330。用户侧部分311通常包括用于观察患者312和/或手术部位的视觉系统313，以及用于在外科手术期间控制机器人臂320和每个工具组件330的运动的控制系统315。

控制系统315可具有多种构型，其可邻近患者定位(例如，在手术室中)、远离患者(例如，在单独的控制室)或者分布在两个或更多个位置。例如，专用系统控制台可位于手术室中，并且单独的控制台可位于远程位置。控制系统315可包括使得用户能够观察患者的正在由患者侧部分310进行手术的手术部位312和/或控制患者侧部分310的一个或多个部件(例如，以在手术部位312执行外科手术)。在一些实施方案中，控制系统315还可包括一个或多个手动操作的输入装置，诸如操纵杆、外骨骼式手套、动力和重力补偿式操纵器等。这些输入装置可控制遥控马达，这些遥控马达继而控制外科系统包括机器人臂320和工具组件330的移动。

患者侧部分还可具有多种构型。如图1所示，患者侧部分310可联接到手术台314。然而，在一些实施方案中，患者侧部分310可安装到墙壁，安装到天花板，安装到地板或安装到其他手术室设备。另外，虽然患者侧部分310被示为包括两个机器人臂320，但是也可包括更多或更少的机器人臂320。此外，患者侧部分310可包括诸如相对于手术台314(如图1所示)安装在各种位置的单独的机器人臂320。另选地，患者侧部分310可包括单个组件，该单个组件包括从其延伸的一个或多个机器人臂320。

符合本说明书的机器人外科系统可结合视觉传感器和/或相机以及相关联的视场，以允许机器人外科系统提供任何反馈。例如，该机器人外科系统可包括该系统可控制的端部执行器。该系统可以所声明的动作(例如，夹持、能量递送等)的形式向端部执行器提供指令。在理想的手术条件下，端部执行器基于用户输入指令继续依照指示执行所声明的动作。然而，在许多手术条件下，由于各种原因，端部执行器可能无法依照指示执行所声明的动作，并且/或者由于各种原因，诸如组织和/或端部执行器温度、端部执行器与周围组织的接近度、意外的手术条件、人为错误等，端部执行器继续执行所声明的动作可能并不理想。可使用视觉传感器和/或相机来检测工具、端部执行器和/或周围组织的各种参数。例如，如果端部执行器在使用过程中被加热过度，在被加热的端部执行器接触组织或保持在周围组织附近太长时间的情况下，端部执行器所散发的热量可能对组织造成损伤。在这种情况下，可能希望具有预定距离阈值，其表示被加热的端部执行器可到达周围组织但不会造成损伤的最近距离。还可使用视觉传感器和/或相机来视觉检测工具上、相邻工具上和/或组织上的至少一个视觉指示器。例如，指示长度比例的视觉指示器可允许工具的动作由相机视觉测量并传输到相应的控制系统，诸如上述控制系统315。该机器人系统可基于视觉测量的动作来修改工具的动作。

图2示出了机电工具的一个实施方案，该机电工具具有带远侧端部1502的轴1503以及在患者组织1506附近安装到轴1503上的端部执行器1504。端部执行器1504包括钳口1507、1508，其中钳口1507为超声刀的形式。轴1503和端部执行器1506是机器人外科系统(诸如，图1中所示的机器人外科系统300)的一部分，并且可安装在机电臂上。机器人外科系统可包括内窥镜，诸如双目镜1512，其具有至少一个视觉传感器1510。所示的视觉传感器1510设置在双目镜1512的远侧端部。所示的视觉传感器1510是红外传感器，但是视觉传感器可以是CCD、CMOS等。视觉传感器1510可被配置为检测端部执行器1504的至少一部分(诸如，端部执行器1504的超声刀1507)的温度T_b和/或邻近端部执行器1504的患者组织1506的温度T_t。在一个方面，控制器可被配置为将超声刀的温度T_b与患者组织的温度T_t进行比较，并且针对端部执行器1504的不同温度确定距离阈值1514、1516和1518。距离阈值1514、1516和1518可表示组织1506和/或端部执行器1504的各种安全和/或无害距离，诸如被加热的端部执行器1504可被定位但不会对组织1506造成损伤的距患者组织1506的最近距离。例如，距离阈值1514可表示具有温度T₁的端部执行器1504可相对于患者组织1506被定位的最近位置；距离阈值1516可表示具有温度T₂的端部执行器1504可相对于患者组织1506被定位的最近位置；并且距离阈值1518可表示具有温度T₃的端部执行器1504可相对于患者组织1506被定位的最近位置。温度T₁低于温度T₂，温度T₂低于温度T₃。温度T₁、T₂、T₃可直接表示超声刀1507的温度T_b，或者可表示超声刀的温度T_b与组织的温度T_t之间的比较温度。红外传感器诸如Melexis MLX90621可集成到双目镜1512和/或端部执行器1504中，并且可用于将端部执行器温度与相邻组织温度进行比较以准确地指示温度。该过程可发生在使用端部执行器影响组织之前和/或期间和/或之后。除了距离阈值之外或代替距离阈值，还可使用基于力限制的力阈值。

控制器(诸如，图1中所示的控制器315)可被配置为促进端部执行器1504朝向患者组织1506移动。控制器可被配置为通过视觉传感器1510确定端部执行器1504相对于患者组织1506的位置。例如，视觉传感器1510可获得端部执行器1504和/或轴1503附近的区域的图像。视觉传感器1510通过使用轴1503上的视觉比例形式的一个或多个固定尺寸和固定空间指示器(诸如，标记1520)来帮助确定端部执行器1504相对于患者组织1506的位置。轴标记1520可具有标记之间的已知厚度和已知间隔。因为长度和宽度是固定且已知的，所以可使用标记1520来确定轴1503和/或端部执行器1504与组织1506和/或视觉传感器1512的长度比例和相对位置。例如，可对标记1520的图像进行三角测量并使用该图像来确定轴1503和/或端部执行器1504到组织1506和/或视觉传感器1512的位置。

因此，控制器可被配置为基于轴标记1520的视觉传感器1510进行的检测来确定轴1503的位置。在使用期间，控制器可用于基于所感测的端部执行器的温度来延迟端部执行器1504和/或轴1503朝向组织1506推进。例如，在监测温度的同时，可将端部执行器1504朝向组织1506推进。如果所感测的端部执行器1504的温度处于或超过预定阈值温度(例如，温度T₁)，则控制器可用于阻止端部执行器1504的推进，使得端部执行器1504不会比距组织1506的预定阈值距离(例如，距离阈值1514)更靠近组织1506移动。因为阈值距离1514表示具有温度T₁的端部执行器1504可到达组织1506但不会造成损伤的最近距离，所以控制器可通过减慢或阻止端部执行器1504的推进来防止对组织1506的伤害。阈值距离和/或阈值温度都可根据情况变化。例如，所感测的端部执行器1504的温度可处于或高于T₂或T₃，并且控制器可被配置为阻止端部执行器1504的推进，使得端部执行器1504不会分别比距离阈值1516或1518更靠近组织1506移动。虽然所示实施方案中的温度表示端部执行器和/或超声刀与周围组织的温度之间的比较，但是阈值距离可以是不进行比较下的端部执行器1504、超声刀和/或周围组织的温度的函数。在一些变型中，即使当温度超过安全阈值时，端部执行器也可移动超过设定距离阈值，例如可提供手动超控，使得操作者可在需要时迫使端部执行器移动超过阈值。

虽然本文讨论了端部执行器1504中的超声刀，但是可使用任何端部执行器和/或任何机电工具。机电工具可具有各种构型，诸如被构造成将能量施加到端部执行器所接合的组织、击发钉和/或切割组织。

在一些变型中，基于在视觉传感器1510处检测到的轴标记1520的尺寸，可确定轴1503相对于视觉传感器1510位置的位置。在一些变型中，基于患者组织和/或邻近患者组织的一个或多个其他物体和/或轴1503的远侧端部的相对尺寸，以及轴标记1520的尺寸，可确定轴1503的端部相对于各种周围物体、组织、工具等的位置。

虽然图2示出了测量距端部执行器1504的阈值距离，但是也可测量距周围组织的距离。例如，图3示出了组织1506附近的端部执行器1504。然而，阈值距离1550、1552和1554是相对于组织1506而不是如图2中所示的端部执行器1504来测量的。因此，端部执行器1504距组织1506的安全阈值距离可根据端部执行器1504的温度而变化。如图4所示，控制器可被配置为促进端部执行器1504基于温度在距组织不同的距离处朝向患者组织1506移动。当端部执行器1504的温度处于最高点时(在图4的曲线图1700的最左侧示出)，被加热的端部执行器1504设置在距患者组织1506最远的位置处(在图4的曲线图1702的最左侧示出)。因此，曲线图1702示出了T₂距离阈值1704。T₂距离阈值1704是具有温度T₂的被加热端部执行器1504可到达患者组织1506但不会造成损伤的最近距离。随着端部执行器1504的温度随时间降低，端部执行器1504可更靠近组织1506但不会损伤组织1506。在1706处，端部执行器1504处于足够低的温度，能够触及组织1506但不会对组织1506造成损伤(在曲线图1700、1702的最右侧示出)。参考曲线图1702，在时间1708，机器人外科系统可被配置为阻止端部执行器1504朝向组织1506推进，直到端部执行器1504的温度进一步降低。例如，曲线图1702所示的线1710表示当端部执行器1504的温度低于温度1712时端部执行器1504相对于患者组织1506的最近接近度。当端部执行器1504的温度具有温度T₁时，机器人外科系统可被配置为在距离1514处阻止端部执行器1504朝向患者组织1506移动。距离1514由图4的曲线图1702中的线1710表示。在1716，机器人外科系统可被配置为停止端部执行器1504朝向组织1506移动。曲线图1702的虚线1714是端部执行器1504的速度的示例性图示。当端部执行器1504接近组织1506时，端部执行器1504的速度可被配置为减小以确保控制器和整个机器人系统可将端部执行器1504停止在选定的距离阈值处。在一些变型中，可向机器人外科系统的操作者提供警报，警告被加热的端部执行器1504已经达到阈值距离。

如上所述，机器人外科系统可被配置为允许机器人外科系统的操作者手动超控。例如，如果端部执行器1504的刀超过期望温度，则机器人外科系统可将端部执行器1504停止在特定距离阈值处。该系统可向操作者发出信号或通知(诸如，控制振动、视觉和/或触觉和/或听觉反馈等)，指示该系统已经停止所有移动，因为已经达到距离阈值。如果操作者希望恢复运动并且有效地忽略阈值，则该系统可被配置为接收来自操作者的输入，使得机器人外科系统将端部执行器1504比原本正常允许的阈值距离更靠近患者组织1506移动。曲线图1702的线1718是在机器人外科系统的操作者手动超控之后端部执行器1504的速度的示例性图示。出于各种原因，诸如烧灼切割组织或紧急手术情况，这种情况可能是期望的。

图5示出了外科工具的另一个实施方案，该外科工具具有联接到工具轴1804的端部执行器1802。端部执行器1802包括第一钳口1806和第二钳口1808。钳口1808可为切割刀或钳口的形式，用于递送能量并切割抓持在钳口1806、1808之间的组织。具有控制器的机器人外科系统(诸如，图1中所示的机器人外科系统300)可被配置为控制端部执行器1802。端部执行器1802可在联接器1812处与工具轴1804联接。各种致动器可延伸穿过工具轴1804以便使钳口夹持。控制器可控制和/或驱动端部执行器1802中的各种功能。端部执行器1802可类似于端部执行器1504，但是端部执行器1802可在其中结合一个或多个传感器以协助测量温度。例如，温度传感器1816可设置在联接器1812处的工具轴1804中，温度传感器1818可设置在钳口1806、1808的近侧端部附近，并且温度传感器1822可设置在端部执行器1802的钳口1806内。传感器可采用多种形式，诸如热电偶和/或红外传感器。例如，温度传感器1818可以是红外传感器并且可测量钳口1808的部分1820处的温度。温度传感器1816、1818和/或1822可电连接到控制器。例如，设置在工具轴1804内的线材1814可被构造成联接到端部执行器中的一个或多个传感器。控制器可被配置为接收由温度传感器1816、1818和/或1822生成的信号，包括指示端部执行器1802的温度的温度信息。然后，控制器可使用该温度信息来控制端部执行器1802朝向组织的移动，如上文关于端部执行器1504所述。来自视觉传感器(诸如，红外相机)的反射和/或发光物体(诸如，切割刀)的温度读数有时可能不如在操作情况下所期望的那样可靠。在这种情况下，结合到端部执行器本身和/或轴中的温度传感器可帮助系统获得准确的测量结果。例如，端部执行器的刀附近的温度传感器(诸如，热电偶仪器)可允许系统获取精确的刀温度读数并相应地继续进行。

如图6所示，在使用中，可使用形成在机电工具的器械轴上的端部执行器(诸如，本文所述的任何端部执行器)将至少一种类型的能量施加到组织。在将至少一种类型的能量施加到组织期间，可感测端部执行器的温度并将其传送到控制器。控制器可使用所感测的温度来如本文所述控制工具轴和/或端部执行器的移动。所感测的温度可包括所感测的端部执行器的温度和所感测的组织表面的温度。在一些变型中，温度可由端部执行器本身上的传感器感测。在一些变型中，温度可由相机上的传感器感测。基于所感测的温度，可减小端部执行器朝向组织表面的速度。可将机电工具朝向患者组织的移动停止在距组织的距离阈值处。距离阈值可以是如上所述的端部执行器的温度的函数。在一些变型中，当温度在第一预定温度范围内时，可将端部执行器的速度减小为第一阈值速度。响应于确定机电工具在距组织表面的第一阈值距离，可调节第一阈值速度。当温度在第二预定温度范围内时，可将速度减小为第二阈值速度。响应于确定机电工具在距组织表面的第二阈值距离，可调节第一阈值速度。

代替检测温度或除了检测温度之外，可使用视觉传感器和/或相机来检测各种参数。例如，在一些实施方案中，可使用视觉传感器和/或相机来在操作期间检测所感测的组织表面的位移量、患者组织上的应变和/或其他插入的工具。图7示出了机电工具的轴1903，其中端部执行器1904在患者肺组织1906附近设置在轴1903的远侧端部1902上。图7的机器人系统类似于上述系统。该外科系统可包括控制器(诸如，图1中所示的控制器315)，其例如经由机电臂可操作地联接到轴1903和端部执行器1904。在该实施方案中，控制器可被配置为基于所感测的组织表面1930的应变量或位移量来延迟端部执行器1904朝向组织1906的组织表面1930推进。

可使用双目镜1912来观察轴1903和端部执行器1904。轴1903可包括标记形式的一个或多个固定尺寸和固定空间指示器。在所示实施方案中，标记在轴上呈间隔开的环形环1920的形式。在其他实施方案中，标记可存在于端部执行器上。在图7所示的示例中，端部执行器1904包括穿过端部执行器1904的切割元件(未示出)。可将标记置于切割元件本身上。双目镜1912可包括一个或多个相机1910。每个相机1910可获得轴1910及其标记1920的单独图像。标记1920可具有固定的间距。该组标记1920内的每个标记可具有固定的宽度a，并且整组标记1920可具有总的固定宽度X₁。因为长度和宽度是固定且已知的，所以可使用标记1920来确定由一个或多个相机1910拍摄的图像的长度比例。施加器1932可将材料1938(诸如，颗粒)施加到组织表面1930上。一个或多个相机1910可不止一次对手术部位成像，并且系统可比较这些图像并比较材料1938在连续图像中的相对位置。因为系统具有长度比例并且可确定材料1938在连续图像中的相对移动，所以系统可使用材料1938来计算组织表面1930的位移量。例如，位移可从第一位置1936到第二位置1934，如使用肺组织的图7所示。两个颗粒1940a、1940b可设置在组织1906的表面上。当处于收缩状态时，系统可测量两个颗粒1940a和1940b之间的第一距离X_2a。当处于膨胀状态时，系统可测量两个颗粒1940a、1940b之间的第二较大距离X_2b。通过比较两种状态的变化，系统可确定组织上的位移和/或应变。

所感测的位移量可允许系统确定与所测量的位移相关的最大阈值位置。例如，系统可将图7中的膨胀和收缩肺组织进行比较并在第一位置1936和第二位置1934之间确定第二位置1934表示组织的最大阈值位置。通过确定组织在位置1934处处于最大阈值位置，系统在与组织相互作用时可影响或改变工具移动以具有更大的控制性和精确度。对颗粒的移动进行分析还可有助于确定组织1906的周期移动。因此，可在操纵组织和抓持组织期间确定并考虑预期的器官位置。类似地，可与最大阈值一起使用应变或力估计，以避免组织1906的过度拉伸、过度应力或撕裂。例如，在肺粘连解剖期间，可设定组织变形的极限，使得如果外科系统的用户接近组织变形的极限，则外科系统可向用户发出警报和/或生成视觉/触觉/等通知以防止过度拉伸。在一些变型中，外科系统可被构造成如果超过阈值则阻止任何端部执行器的移动。

可使用各种不同的材料和/或颗粒。在一些变型中，施加到组织的材料可以是可生物吸收的雾化颗粒材料和/或高对比度材料。例如，对比颗粒的尺寸可为0.1至5mm，并且其可由所选择的生物相容且可吸收的材料制成，使得它们留在体内时不会造成伤害或造成有限的伤害。这类材料的示例包括降解持续时间较短的可吸收聚合物、糖或类似材料，它们将在相对短的时间段内降解和吸收。在一些变型中，可选择在施用后24小时内吸收的材料，以避免长期的炎症反应或者包封或粘附促进的风险。颗粒可以是带有染料的可吸收聚合物，可以是vicryl类，可包括密封剂以确保颗粒粘附到组织上，可以是PCA、PLA、PGA等。可使用各种尺寸的颗粒，包括太大而不能通过气溶胶应用施加的颗粒。虽然本文讨论了肺组织，但是可使用各种不同手术部位的任何组织。

系统可比较来自连续图像的颗粒之间的相对变化并且/或者可使用来自标记1920的长度比例确定位移的各种变化的精确测量结果。因为标记1920的长度和宽度是固定且已知的，所以系统可使用具有一个或多个相机1910的双目镜1912来将标记1920与颗粒定位和/或一个或多个颗粒在连续图像上的位移进行比较和对比，并且例如当存在至少两个相机1910时通过使用镜1912的双焦距来确定所估计的位移大小。与上述标记类似，控制器还可使用标记1920和/或材料1938来确定端部执行器1904相对于组织1906的位置。然后，当所感测的组织1906的位移量在预定位移范围内时，控制器可延迟端部执行器1904推进，从而防止端部执行器1904与任何周围组织之间发生意外碰撞或不太精确的相互作用。

因此，材料1938可在患者组织1906上提供对比点，并且由一个或多个相机1910获得的图像可有助于基于材料1938的颗粒相对于彼此的移动来确定组织1906的移动。如上所述，可基于颗粒相对于彼此的移动来确定组织1906的组织应变。在一些变型中，可基于位置信息来确定面积和体积估计值。与位置信息一样，可基于一个或多个相机1910随时间拍摄的多个图像来确定组织的面积和体积变化。

在各种实施方案中，在施加到组织的材料中提供的颗粒可具有已知的尺寸和几何形状。例如，颗粒的几何形状可包括几何形状、在端部具有圆球的杆等。与允许确定视觉比例的标记1920一样，如果颗粒的尺寸和/或几何形状是已知的，则可确定颗粒之间的距离和颗粒的移动。虽然可确定颗粒之间的相对距离，但是由于颗粒的尺寸和/或几何形状是已知的，也可确定颗粒之间和/或手术部位处各种位置之间的实际距离。这可允许对颗粒的相对位置和运动、因此对组织进行运动学分析和解释。代替工具上的标记或除了工具上的标记之外，可使用这些颗粒。在一些实施方案中，颗粒可允许系统创建组织和/或手术部位的地形表示。

在一些实施方案中，组织的移动可提供关于与机器人外科系统一起使用哪个外科器械和/或何种尺寸的器械的信息。例如，在端部执行器中使用切割元件和缝合器的实施方案中，可确定使用何种尺寸的缝合器仓。可使用与轴和/或端部执行器上的标记结合的颗粒来测量患者的一个或多个原子特征，放置具有相机视场的标尺，并且/或者作为外科系统的安全措施，在器械接近组织时确保端部执行器的安全停止。

除了使用工具上的标记来确定长度比例之外或代替使用工具上的标记来确定长度比例，可在手术部位处将一系列颗粒设置在组织表面上，以便重新创建三维空间。例如，校准网格生成器可结合到镜1912中，并使用已知尺寸和间隔的激光生成的散斑图案在组织上生成校准网格。与标记一样，已知的尺寸和间隔图案可允许系统做出关于距离和取向的确定。因为校准网格在组织上，所以系统也可进行三维确定。激光生成的散斑图案可以是成像系统的一部分。与组织1906的变形相结合的三维几何形状可有助于揭示原本在收缩状态下不可检测到的组织1906的解剖平面。

在一些变型中，可使用二次光源。二次光源的示例可包括紫外光源、红外光源等。可应用一个或多个过滤器来产生用于使组织可视化的必要对比度。可使用组织的自然表面特征作为可跟踪对象，以进一步校准外科系统并监测组织的移动。在一个示例中，可使用在白光下透明但在二次光下提供对比度的合成颗粒。这样，合成颗粒不会模糊外科系统的用户的视线。本文可使用各种端部执行器，诸如用于切割和密封组织的切割元件和缝合器、具有超声刀的夹持钳口或用于递送RF能量的钳口、缝合端部执行器等。随着使用各种端部执行器，取决于所使用的端部执行器，可能需要各种附加任务，诸如自动重新装载结合到端部执行器中的缝合器。2011年5月27日提交的标题为“Robotically-Controlled Shaft BasedRotary Drive Systems For Surgical Instruments”的美国专利No.8,931,682公开了外科器械，该专利全文以引用方式并入本文。本文讨论的工具和/或组织上的标记和/或材料和/或颗粒和/或网格可与如本文讨论的确定温度组合使用。

除了上述安全机制之外，其他安全机制也是可能的。例如，距离阈值不是可能限制端部执行器或工具的移动以增加周围组织的安全性的唯一机制。当端部执行器参与精细活动和/或微活动时，控制器可限制端部执行器的大运动和/或宏运动。例如，如果使用端部执行器来缝合切口使得缝合针接合在组织中，则可减小/或完全阻止不会增强驱动缝合针的当前活动的运动和/或活动和/或移动。在其他示例中，如果将端部执行器抓持、夹持和/或以其他方式系在组织上，则可限制或以其他方式减小任何高速和/或大运动直到组织被释放。该机制可防止意外和/或潜在有害的移动，以增加使用本文提供的机器人系统的操作安全性。可向操作者提供一个或多个警告，以便操作者意识到对移动设置的限制。与上文类似，警告可以是许多触觉、振动、听觉和/或视觉(诸如，在屏幕上提供)通知中的任何一种。然后，操作者可基于操作的具体情况在需要时选择超控这些机制。因为本文提供的这么多机器人系统依赖于视觉传感器和/或相机，所以也可将视觉传感器和/或相机的自动清洁过程结合到本文的任何系统中。2006年10月3日提交的标题为“Apparatus for cleaning adistal scope end of a medical viewing scope”的美国专利公布No.2008/0081948以及2008年7月14日提交的标题为“Methods and devices for maintaining visibility andproviding irrigation and/or suction during surgical procedures”的美国专利No.8,915,842公开了清洁过程，这些专利全文以引用方式并入本文。当在图像上检测到异物时，可发生视觉传感器和/或相机的自动清洁。

在整个申请中有几个一般方面适用。例如，在各个附图中示出并描述了至少一个外科端部执行器。端部执行器是执行特定外科功能的外科器械或组件的一部分，例如夹钳/抓紧器、针驱动器、剪刀、电烙器钩、缝合器、施夹器/移夹器、抽吸工具、冲洗工具等。任何端部执行器都可与本文所述的外科系统一起使用。此外，在示例性实施方案中，端部执行器可被构造成由用户输入工具操纵。输入工具可以是允许成功操纵端部执行器的任何工具，无论它是在形状和样式上与端部执行器类似的工具(诸如，与端部执行器剪刀类似的剪刀的输入工具)，还是在形状和样式上与端部执行器不同的工具(诸如，与端部执行器抓紧器不同的手套的输入工具，以及诸如，与端部执行器抓紧器不同的操纵杆的输入工具)。在一些实施方案中，输入工具可以是较大比例版本的端部执行器，以便于使用。这种较大比例的输入工具可具有适合用户握持的尺寸的指环或握把。然而，端部执行器和输入工具可具有任何相对尺寸。

可将外科系统的从属工具(例如，外科器械)通过组织表面中的进入点定位在患者体腔内，以便进行微创外科手术。通常，使用插管诸如套管针来提供穿过组织表面的路径和/或防止外科器械或引导管在患者组织上摩擦。插管可用于切口和自然孔口。一些外科手术需要吹气，并且插管可包括一个或多个密封件以防止过量吹入气体通过器械或引导管泄漏。在一些实施方案中，插管可具有与其联接的外壳，该外壳具有两个或更多个密封端口，用于接收除了从属组件之外的各种类型的器械。如本领域技术人员将理解的，本文公开的任何外科系统部件可具有设置在其上、其中和/或其周围的功能密封件，以防止和/或减少吹气泄漏，同时外科系统的任何部分都通过外科进入端口(诸如，插管)设置。该外科系统也可用于开放式外科手术。如本文所用，外科进入点是从属工具通过组织表面(无论是通过微创手术中的插管还是通过开放手术中的切口)进入体腔的点。

本文所公开的系统、装置和方法可使用一个或多个计算机系统来实现，所述计算机系统也可在本文中被称为数字数据处理系统和可编程系统。

可在数字电子电路、集成电路、专门设计的专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、计算机硬件、固件、软件和/或其组合中实现本文描述的主题的一个或多个方面或特征。这些不同方面或特征可包括一个或多个计算机程序中的具体实施，该一个或多个计算机程序是在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上可执行的和/或可解释的，该至少一个可编程处理器可以是特殊的或通用的，耦合以从存储系统、至少一个输入装置和至少一个输出装置接收数据和指令并向它们传输数据和指令。可编程系统或计算机系统可包括客户端和服务器。客户端和服务器一般来讲彼此远程，并且通常通过通信网络进行交互。客户端和服务器的关系是借助于在各自计算机上运行的、彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序得到的。

这些计算机程序(也可称为程序、软件、软件应用程序、组件或代码)包括用于可编程处理器的机器指令，并且能够以高级程序、面向对象的编程语言、函数编程语言、逻辑编程语言来实现和/或以汇编/机器语言来实现。如本文所用，术语“机器可读介质”是指用来向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何计算机程序产品、设备和/或装置(例如，磁盘、光盘、存储器、可编程逻辑装置(PLD))，包括接收作为机器可读信号的机器指令的机器可读介质。术语“机器可读信号”是指用来向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何信号。机器可读介质可非暂态地存储此类机器指令，例如非瞬时固态存储器或磁性硬盘驱动器或任何等同的存储介质。另选地或除此之外，机器可读介质可以瞬态方式存储此类机器指令，例如处理器高速缓存或与一个或多个物理处理器核相关联的其他随机存取存储器。

为提供与用户的交互，可在具有用于向用户显示信息的显示装置诸如阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)或发光二极管(LED)监视器、以及用户能向计算机提供输入的键盘和指示装置诸如鼠标、跟踪球等的计算机上实现本文所述主题的一个或多个方面或特征。也可使用其他类型的装置来提供与用户的交互。例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感官反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈)；并且可通过任何形式接收来自用户的输入，包括但不限于声音、语音或触觉输入。其他可能的输入装置包括但不限于触摸屏或其他触敏装置，诸如单点或多点电阻性或电容式触控板、语音识别硬件和软件、光学扫描仪、光学指针、数字图像捕获装置和相关联的解释软件等。

图8示出了计算机系统100的一个示例性实施方案。如图所示，计算机系统100包括一个或多个处理器102，该一个或多个处理器可控制计算机系统100的操作。“处理器”在本文中也被称为“控制器”。处理器102可包括任何类型的微处理器或中央处理单元(CPU)，包括可编程通用或专用微处理器和/或各种专有或可商购获得的单处理器系统或多处理器系统中的任一种。计算机系统100还可包括一个或多个存储器104，所述存储器可以为待由处理器102执行的代码提供临时存储，或者为一个或多个用户、存储装置和/或数据库获取的数据提供临时存储。存储器104可包括只读存储器(ROM)、闪存、一种或多种随机存取存储器(RAM)(例如，静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)或同步DRAM(SDRAM))和/或存储器技术的组合。

计算机系统100的各种元件可联接到总线系统112。图示的总线系统112是抽象的，其表示通过适当的桥接器、适配器和/或控制器连接的任何一个或多个单独的物理总线、通信线路/接口和/或多点或点对点连接。计算机系统100还可包括一个或多个网络接口106、一个或多个输入/输出(IO)接口108以及一个或多个存储装置110。

网络接口106可以使计算机系统100能够通过网络与远程装置(例如，其他计算机系统)通信，并且对于非限制性示例，可以是远程桌面连接接口、以太网适配器和/或其他局域网(LAN)适配器。IO接口108可包括一个或多个接口部件，以将计算机系统100与其他电子设备连接。对于非限制性示例，IO接口108可包括高速数据端口，例如通用串行总线(USB)端口、1394端口、Wi-Fi、蓝牙等。另外，计算机系统100可以是人类用户可访问的，因此IO接口108可包括显示器、扬声器、键盘、指向装置和/或各种其他视频、音频或字母数字接口。存储装置110可包括用于以非易失性和/或非瞬态方式存储数据的任何常规介质。因此，存储装置110可将数据和/或指令保持在持久状态，即，尽管中断对计算机系统100的供电，仍保留一个或多个值。存储装置110可包括一个或多个硬盘驱动器、闪存驱动器、USB驱动器、光盘驱动器、各种介质卡、磁盘、光盘和/或它们的任何组合，并且可以直接连接到计算机系统100或远程连接至其，例如通过网络连接。在示例性实施方案中，一个或多个存储装置可包括被配置为存储数据的有形或非暂态计算机可读介质，例如硬盘驱动器、闪存驱动器、USB驱动器、光盘驱动器、媒体卡、磁盘、光盘等。

图8中所示的元件可以是单个物理机器的一些或所有元件。此外，并非所有例示的元件都需要位于同一物理机器上或同一物理机器中。示例性计算机系统包括传统台式计算机、工作站、小型计算机、膝上型计算机、平板计算机、个人数字助理(PDA)、移动电话等。

计算机系统100可包括web浏览器，用以检索网页或其他标记语言流，呈现这些页面和/或流(在视觉上、听觉上或其他方面)，在这些页面/流上执行脚本、控件和其他代码，接受关于这些页面/流的用户输入(例如，出于完成输入字段的目的)，发布关于这些页面/流或其他的超文本传输协议(HTTP)请求(例如，用于从完成的输入字段提交服务器信息)等等。网页或其他标记语言可以是超文本标记语言(HTML)或其他传统形式，包括嵌入式可扩展标记语言(XML)、脚本、控件等。计算机系统100还可包括用于生成和/或将网页传送到客户端计算机系统的web服务器。

在一个示例性实施方案中，计算机系统100可以作为单个单元提供，例如作为单个服务器、作为单个塔、包含在单个外壳内等。单个单元可以是模块化的，使得其各个方面可以根据需要换入和换出，例如升级、更换、维护等，而不会中断系统的任何其他方面的功能。因此，单个单元也可以是可扩展的，具有作为附加模块添加的能力和/或期望和/或改善现有模块的附加功能。

计算机系统还可包括各种其他软件和/或硬件组件中的任何一种，包括(作为非限制性示例)操作系统和数据库管理系统。尽管本文描绘和描述了示例性计算机系统，但应当理解，这是出于普遍性和方便性的原因。在其他实施方案中，计算机系统的架构和操作可与这里示出和描述的不同。

优选地，本文所述的本发明的部件将在使用之前处理。首先，获取新的或用过的器械，并根据需要进行清洁。然后可对器械进行灭菌。在一种灭菌技术中，将所述器械放置在密闭且密封的容器(诸如，塑料或TYVEK袋)中。然后将容器和器械放置在可穿透该容器的辐射场诸如γ辐射、x射线或高能电子中。辐射杀死器械上和容器中的细菌。然后可将经灭菌的器械储存在无菌容器中。密封容器使器械保持无菌，直到其在医疗设施中被打开。

通常，对该装置进行灭菌。这以通过本领域的技术人员已知的任何多种方式来完成，包括β辐射或γ辐射、环氧乙烷、蒸汽以及液浴(例如冷浸)。在2008年2月8日提交的且名称为“System And Method Of Sterilizing An Implantable Medical Device”的美国专利公布No.2009/0202387中更详细地描述了对包括内部电路的装置进行灭菌的示例性实施方案。优选的是，如果植入的话，将装置气密密封。这可通过本领域技术人员已知的任何数量的方式而完成。

根据上述实施方案，本领域的技术人员将会认识到本发明的另外的特征和优点。因此，本发明不应受到已具体示出和描述内容的限制，除非所附权利要求有所指示。本文引用的所有出版物和参考文献全文明确地以引用方式并入本文中。

Claims (14)

1.一种外科系统，包括：

被构造用于沿多个轴线移动的机电臂；

具有器械轴和形成在所述器械轴上的端部执行器的机电工具，所述机电工具被构造成安装在所述机电臂上，并且所述机电工具被构造成与所述机电臂一起移动或相对于所述机电臂移动并将能量施加到所述机电工具所接合的组织；以及

可操作地联接到所述机电臂和所述机电工具的控制器，所述控制器被配置为基于所感测的组织表面的位移量来延迟所述机电工具朝向组织表面的推进。

2.根据权利要求1所述的外科系统，还包括施加器，所述施加器具有被构造成施加到组织表面上的材料，所述材料被构造成指示所述组织表面的位移。

3.根据权利要求2所述的外科系统，其中，所述材料包括可生物吸收的雾化颗粒材料。

4.根据权利要求1所述的外科系统，其中，所感测的位移量包括所述组织表面的应变。

5.根据权利要求1所述的外科系统，其中，所述控制器被配置为当所感测的位移量在预定位移范围内时延迟所述机电工具的推进。

6.根据权利要求1所述的外科系统，还包括被配置为感测组织表面的位移量的传感器。

7.根据权利要求6所述的外科系统，其中，所述传感器包括相机。

8.一种操作外科系统的方法，包括：

将形成在机电工具的器械轴上的端部执行器朝向组织表面推进，所述机电工具安装在机电臂上；

接收所感测的所述组织表面的位移量；以及

基于所感测的位移量来减小所述机电工具朝向组织表面的速度。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，通过检测沉积到所述组织表面上的图案化材料的移动来获得所感测的位移量。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述图案化材料提供至少两个对比点。

11.根据权利要求9所述的方法，还包括基于检测到的所述图案化材料的移动来确定组织应变。

12.根据权利要求8所述的方法，其中，当所感测的位移量超过阈值位移量时，减小所述机电工具的所述速度。

13.根据权利要求8所述的方法，其中，当所述位移量在第一预定位移范围内时，将所述速度减小为第一阈值速度。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，当所述位移量在第二预定位移范围内时，将所述速度减小为第二阈值速度。