CN110236702A - 用于控制手术机器人系统中的照相机位置的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种机器人手术系统。机器人手术系统包括至少一个机器人臂、照相机和控制台。控制台包括第一手柄、第二手柄以及配置为在机器人控制模式和照相机控制模式之间进行选择的选择器开关。在系统中，第一手柄或第二手柄在机器人控制模式下控制至少一个机器人臂，并且第一手柄和第二手柄在照相机控制模式下控制照相机，在所述照相机控制模式下，所述照相机能利用基于速度的控制模式移动。

Description

用于控制手术机器人系统中的照相机位置的系统和方法

本申请是申请号为201580025333.2、申请日为2015年5月6日、发明名称为“用于控制手术机器人系统中的照相机位置的系统和方法”的专利申请(国际申请号为PCT/US2015/029427)的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年5月15日提交的、名称为“CONTROLLING CAMERA POSITION INA SURGICAL ROBOTIC SYSTEM(控制手术机器人系统中的照相机位置)的美国临时专利申请第61/993,379号的权益，上述专利的公开通过引用方式并入本文。

背景技术

手术机器人系统使外科医生更容易且更不费力地进行微创手术。在传统腹腔镜手术期间，外科医生在手术期间在患者中手动定向、移动和致动手术器械。外科医生必须长时间地在尴尬的位置中操纵、保持和激活手术器械，导致不适和疲劳。手术机器人系统具有单独的控制台和输入装置，外科医生可以操纵控制台和输入装置以指导手术器械的机动化移动和致动，以减少不适和疲劳。

在手术操作期间，外科医生可以通过通过手术口件插入患者体内的内窥镜或腹腔镜照相机接收手术部位的视觉反馈。已经使用诸如语音控制(“向左摇动”、“向下摇动”、“放大”等)、当外科医生观察显示屏上的内窥镜图像时追踪外科医生的眼睛的方法、或通过使用例如类似于三维鼠标的多轴力传感器的单独的输入控制器来实现对照相机运动的控制(向左推、向右推、向上推或向下推以摇动和推动或拉动以缩放)。

鉴于前述，需要一种允许用户在手术操作期间快速且简单地移动照相机和/或改变视角的照相机运动控制方案。

发明内容

在本公开的方案中提供了一种机器人手术系统。机器人手术系统包括至少一个机器人臂、照相机和控制台。控制台包括：第一手柄；第二手柄；以及选择器开关，其配置为在机器人控制模式和照相机控制模式之间选择。在系统中，第一手柄或第二手柄在机器人控制模式下控制至少一个机器人臂，并且第一手柄和第二手柄在照相机控制模式下控制照相机。

在实施例中，机器人手术系统还包括配置为基于来自控制台的信号控制至少一个机器人臂的控制单元。

在一些实施例中，控制台包括：第一电动机，其配置成控制第一手柄；以及第二电动机，其配置成控制第二手柄。在照相机控制模式激活时，第一手柄和第二手柄进入位置控制状态，在所述位置控制状态下，第一电动机保持第一手柄的设定位置，并且第二电动机保持第二手柄的设定位置。在第一手柄被用户移动之后，第一电动机将第一手柄返回到第一手柄的设定位置，并且在第二手柄被用户移动之后，第二电动机将第二手柄返回到第二手柄的设定位置。

在其它实施例中，控制台包括配置为控制机器人手术系统的操作的控制器。当照相机控制模式被选择时，控制器记录第一手柄的第一设定点和第二手柄的第二设定点。控制器还创建围绕第一设定点的第一死区和围绕第二设定点的第二死区。当第一手柄移动越过第一死区并且第二手柄移动越过第二死区时，由照相机执行照相机功能。照相机功能可以是照相机的移动，并且照相机移动的速度基于以下距离：(i)第一手柄位置和第一设定点之间的距离；和(ii)第二手柄位置和第二设定点之间的距离。照相机功能可以包括摇动、对焦、机械缩放、数字缩放或在观看模式之间切换中的一个。

在本公开的方案中还提供了一种用于控制具有控制台的机器人手术系统中的照相机的方法，其中所述控制台具有第一手柄、第二手柄和选择器开关。所述方法包括激活选择器开关以将机器人手术系统从机器人控制模式转变至照相机控制模式。所述方法还包括设定第一手柄的第一设定点和围绕第一设定点的第一死区以及设定第二手柄的第二设定点和围绕第二设定点的第二死区。当第一手柄移动越过第一死区并且第二手柄移动越过第二死区时，执行照相机功能。

在一些实施例中，照相机功能包括摇动、对焦、机械缩放、数字缩放或在观看模式之间切换中的一个。照相机功能可以是照相机的移动，并且照相机移动的速度基于第一手柄移动越过第一设定点多远，以及第二手柄移动越过第二设定点多远。

在其它实施例中，所述方法包括：当力未施加至第一手柄时，将第一手柄保持在第一设定点；以及当力未施加至第二手柄时，将第二手柄保持在第二设定点。

附图说明

根据结合附图的以下详细描述，本公开的上述和其它方案、特征和优势将变得更加明显，其中：

图1是根据本公开的实施例的机器人手术系统的系统框图；

图2是图1的控制台的系统框图；和

图3A至图3L描述了用于控制图1的内窥镜照相机的运动。

具体实施方式

本文公开的各种实施例还可以配置为与机器人手术系统一起工作并且通常称为“远程手术”。这种系统采用各种机器人元件来辅助外科医生并允许手术器械的远程操作(或部分远程操作)。各种机器人臂、齿轮、凸轮、滑轮、电的和机械的电动机等可以用于这个目的，并且可以设计为具有机器人手术系统设计以在手术操作或治疗过程中辅助外科医生。这样的机器人系统可以包括远程可操纵系统、自动柔性手术系统、远程柔性手术系统、远程关节式运动手术系统、无线手术系统、模块化或可选择性配置的远程操作手术系统等。

机器人手术系统可以与毗邻手术室或位于远程地点的一个或多个控制台一起使用。在这种情况下，一队外科医生或护士可以准备患者进行手术，并且使用本文公开的一个或更多个器械来配置机器人手术系统，而另一外科医生(或外科医生组)通过机器人手术系统来远程控制器械。如可以理解的，高度熟练的外科医生可以在不离开他/她的远程控制台的情况下执行在多个地点的多个操作，这对于患者或一系列患者都是有益的和有利的。

手术系统的机器人臂通常通过控制器联接到一对主手柄。该手柄可由外科医生移动以产生任何类型的手术器械(例如，末端执行器、抓握器、刀、剪刀等)的工作端的对应的运动，这可补充本文所描述的一个或多个实施例的使用。主手柄的移动可以缩放，使得工作端具有与由外科医生的操作手执行的移动相比不同的、更小的或更大的对应的移动。比例因子或传动比可以是可调节的，使得操作者能够控制手术器械的工作端的分辨率。

主手柄可以包括各种触觉传感器，以向外科医生提供反馈，所述反馈涉及各种组织参数或状况，例如由于操纵、切割或以其它治疗引起的组织阻力，通过器械施加至组织的压力，组织温度，组织阻抗等。可以理解，这样的传感器为外科医生提供模拟实际操作条件的增强的触反馈。主手柄还可以包括各种不同的致动器，用于精细的组织操纵或治疗，进一步增强外科医生模仿实际操作条件的能力。

手术系统还可以采用通过进入患者的手术入口插入患者的内窥镜或腹腔镜照相机，其中，所述手术入口在一些情况下可以是腹部的腔口或胸部的腔口。外科医生可以使用主手柄来控制照相机功能，诸如摇动和对焦。

首先参考图1，手术机器人系统总体示为系统10，并且总体可以包括：多个机器人臂12、14；控制装置16；以及操作控制台18，其与控制装置16联接。操作控制台18可以包括：显示装置20，其可以特别地设置为显示二维(2D)图像或三维(3D)图像；以及主手柄22、24，例如外科医生的人(未示出)能够通过主手柄22、24在第一操作模式下远程操纵机器人臂12、14。

根据本文公开的若干实施例中的任一个，机器人臂12、14中的每一个可以包括通过接头连接的多个构件以及可以附接例如支撑末端执行器30的手术工具“ST”的附接装置26、28，如将在下面更详细地描述的。。

机器人臂12、14可以由连接至控制装置16的电驱动器(未示出)驱动。控制装置16(例如，计算机)可以以如下方式设置成激活驱动器，特别是通过计算机程序激活驱动器：使得机器人臂12、14，它们的附接装置26、28以及因此的手术工具(包括末端执行器30)根据通过主手柄22、24限定的移动执行期望的移动。控制装置16还可以以这样的方式设置：使得其调节机器人臂12、14和/或驱动器的移动。

系统10可以构造为用在躺在患者台34上的将要通过末端执行器30以微创方式治疗的患者32上。系统10还可以包括多于两个的机器人臂12、14，额外的机器人臂同样连接至控制装置16并且能通过操作控制台18远程操纵。医疗器械或手术工具(包括末端执行器30)也可附接至额外的机器人臂。系统10可以包括数据库36，特别是与控制装置16耦合的数据库36，数据库36中存储有例如来自患者/生物32的术前数据和/或解剖图谱。

控制台18可以包括选择器开关38，以将控制台从机器人控制模式切换到照相机控制模式。在机器人控制模式中，主手柄22、24控制机器人臂12、14和/或末端执行器30的操作。在选择器开关38激活时，控制台切换到照相机控制模式，并且主手柄22、24可以用于控制照相机40。可以与本公开的实施例一起使用的示例性照相机包括但不限于在2012年4月9日提交的题目为“双照相机内窥镜(TWIN CAMERA ENDOSCOPE)”的美国专利申请第13/442,009号中提到的那些照相机。选择器开关38可以是主手柄22、24上的按钮或按钮组合、脚踏板、能够辨别识别的语音命令的语音识别系统、或能够识别用户的动作并且向控制台18提供信号以进入照相机控制模式的任何其它装置。

图2是图1的控制台18的系统框图。如上所述，控制台18包括显示器20，主手柄22、24和选择器开关38。控制台18还包括控制器42和存储器44。控制器42接收来自控制装置16，主手柄22、24，数据库36，选择器开关38和照相机40的各种输入信号。控制器42根据存储在存储器44中的算法来处理输入信号，并且将输出信号提供至控制装置16，显示器20，照相机40和电动机46、48。

将结合图1和图2同时参考图3A至图3L讨论照相机控制模式的操作。在进入照相机控制模式时，主手柄22、24中的一个或多个可以从非位置控制状态(例如转矩控制状态)进入位置控制状态。可以通过向电动机46、48中的一个或多个施加动力来进入位置控制状态，以将相应主手柄22、24的接头中的所有或一些接头的位置保持在当用户激活选择器开关38以进入照相机控制模式时所观察到的角度。进入位置控制状态可以引起主手柄22、24或主手柄22、24的特定运动轴“冻结”在适当位置。控制器42记录每个主手柄22、24的冻结设定点50a、50b。虽然当至少预定的最小力被施加时，主手柄22、24可以被推离“冻结”设定点50a、50b，但是当施加的力减小时，手柄22、24可以返回到“冻结”设定点位置。因此，主手柄22、24可以表现的好像其通过在XYZ方向(未示出)上的虚拟弹簧52(图3A)和沿滚动、俯仰和偏转(RPY)的虚拟扭弹栓系在设定点那样。

每个机器人臂12、14和末端执行器30可以保持连接至进入位置控制状态的每个主手柄22、24，但是可以将用于平移和/或定向的运动缩放因子设定为较大的值(例如，100：1至1000：1，而不是3：1至5：1)。切换到照相机控制模式的一个或多个主手柄22、24的运动仍然可能引起与相应的主手柄22、24相关联的手术器械如在机器人控制模式中一样移动，但是由于缩放因子改变，当主手柄22、24切换到照相机控制模式时，对于主手柄22、24，手术器械的运动可能小于主手柄22、24在机器人控制模式中的情况。在一些情况下，不同的轴线可以使它们的缩放因子保持不变或者调整不同的量。例如，如果手柄的定向轴线和抓握器轴线保持1:1比例，则外科医生仍然能够在处于照相机控制模式的同时控制器械的精细运动和钳夹的抓握力。

为了控制照相机位置，外科医生可以将切换到照相机控制模式的一个或多个主手柄22、24沿XYZ方向远离冻结设定点50a、50b移位，由于每个接头的位置控制而引起抵靠虚拟弹簧52挤压。然后，照相机可以沿外科医生推动一个或多个主手柄22、24的方向摇动。如果主手柄22、24中的两个切换到照相机控制模式，则外科医生可能需要沿相同方向推动两个主手柄22、24以摇动照相机。例如，如果外科医生向上推动两个主手柄22、24，则照相机向上摇动。如果超过两个主手柄切换到照相机控制模式，则外科医生可能需要沿相同方向推动预定数量的手柄以摇动照相机。

本文结合图3B至图3L所描述的示例涉及具有两个手柄的输入装置使两个手柄都切换到照相机控制模式的情况，但是在其它情况下，输入装置可以具有相同的或不同数量的输入装置手柄，并且可以使相同或不同数量的其输入装置手柄切换到照相机控制模式。在照相机控制模式期间，控制器42为每个主手柄22、24创建围绕冷冻设定点50a、50b的虚拟“死区”54a、54b。(参见图3B)。外科医生必须将手柄移位超出该死区，以引起照相机移动。例如，如图3C所示，左手和右手都将主手柄22、24在死区54a、54b内移位，导致照相机不移动。在图3D中，左手将主手柄中的一个在死区54a内移动，而右手将另一个主手柄移动超过死区54b。这样的动作仍然导致照相机40不移动，因为两个主手柄22、24没有移动越过死区54a、54b。这可以最小化由于噪声或小偏移引起的意外运动和缓慢漂移。

当两个主手柄22、24移动越过死区54a、54b时，照相机40沿主手柄22、24移动的方向摇动。例如，在图3E和图3F中，照相机40向上摇动。摇动运动的速度可以与外科医生推动主手柄22、24远离设定点50a、50b多远有关。如图3E所示，主手柄22、24被推离设定点50a、50b相对小的距离，导致照相机40的相对慢的摇动操作。如图3F所示，主手柄22、24被推离设定点50a、50b相对大的距离，导致照相机40的相对快的摇动操作。如果外科医生向下推动主手柄22、24，则照相机可以如图3G所示向下摇动。在一些情况下，运动可能需要外科医生向下移动主手柄22和24(外科医生的每个手移动一个手柄)，以使得控制更加稳健并且不易受到仅仅一个手柄时的意外移动的影响。类似地，将主手柄22和24向右移位可以向右摇动照相机40(参见图3H)，将主手柄22和24向左移动可以向左摇动照相机40(见图3I)，并且对角地移动主手柄22和24可以对角地摇动照相机40(参见图3J)。

外科医生能够通过将主手柄22和24推向或推入控制台18或者拉动主手柄22和24远离控制台18来缩放照相机40。可以通过将照相机40移动更靠近或远离诸如组织的物体来实现缩放照相机40，但是也可以使用照相机上的机动化镜头来完成。可以通过上下差动地移动主手柄22、24来控制照相机40的旋转。为了顺时针旋转图像，外科医生可以向下推动主手柄22并向上推动主手柄24。逆时针旋转可以通过向上移动主手柄22和向下移动主手柄24来实现。还可以使用主手柄22、24的旋转自由度中的一个来实现照相机40的旋转。例如，为了顺时针旋转照相机40图像，外科医生可以使主手柄22、24中的至少一个或两个围绕万向接头的最后一个接头顺时针地滚动。逆时针旋转可以通过逆时针滚动主手柄22、24中的至少一个或两个来完成。其它旋转方案也是可能的，例如旋转一个手柄而不是两个手柄，或以其它方式操纵一个或多个手柄以旋转照相机。主手柄22、24的滚动还可以或替代地控制照相机的对焦或使用镜头的机械缩放。

当外科医生例如在一些情况下通过释放照相机按钮或脚踏板来激活选择器开关38并切换出照相机控制模式时，运动缩放因子可以返回到预定值(例如3：1)或者返回到切换到照相机控制模式之前所设定的值。控制台18可以返回到非位置控制状态，例如转矩控制状态，用于重力补偿以及由外科医生容易地操纵机器人臂。

其它配置也是可能的。例如，在一些情况下，手柄定向改变可以摇动照相机视图。输入装置中的任何额外或未使用的自由度可用于控制照相机40的一个或多个方面。这些方面可以包括但不限于对焦、机械缩放、数字缩放或在过滤图像以突出隐藏结构的观看模式之间切换。

控制如本文所述的手术机器人系统10的照相机40可以提高手术操作的效率。例如可以通过减少进入照相机控制模式，移动照相机40，然后恢复在先前模式下的活动(诸如恢复在手术器械操纵模式下手术器械的操纵)所需的时间来提高效率。当前的手术机器人系统已经使用基于位置的方法来执行照相机控制模式。这意味着当外科医生移动接口手柄时，照相机跟随手柄的位置变化。因此，手柄必须进一步从其原始位置移位以移动照相机。然后当外科医生切换出照相机控制模式时，输入装置手柄保持在该移位后的位置。结果，经常需要外科医生抓住系统，使得触觉接口的手柄可以重新定位和/或重新集中在接口机构的工作空间中，这需要额外的耗时步骤。本文描述的照相机控制方案使用速度控制模式来移动照相机40。在该速度控制模式中，主手柄22、24保持在当外科医生进入照相机控制模式时它们所处的原始位置。主手柄22、24继续保持在原始位置，直到外科医生离开照相机控制模式，此时外科医生可以从与外科医生进入照相机控制模式时相同的位置恢复在先前模式中的相同的活动。这可以消除对在从照相机控制模式退出之后抓住或重新定位主手柄22、24的需要。

用于照相机移动的基于速度的控制模式还提供了与其它照相机系统的控制方案相比更容易学习的更直观的接口。结果，可以减少外科医生学习和对照相机控制模式感到舒适所需的时间。外科医生还能够仔细地控制照相机40的位置，因为照相机移动速度可以通过将主手柄22、24从设定点移位多远来控制。基于速度的控制还可以使外科医生在不需要外科医生重新定位或抓住主手柄22、24的情况下通过移动和保持主手柄22、24进一步远离设定点而更容易快速地将照相机40移动大的距离。这可以减少疲劳，因为外科医生的手在基于速度的控制模式中可能需要移动较少。

在本文所描述的照相机控制方案中，当切换到照相机控制模式时，触觉主手柄22、24不需要脱离控制手术器械。通过不从器械控制脱离，可以避免当主手柄22、24从器械控制脱离并且然后重新接合到器械控制中时可能发生的运动不连续性。此外，如果定向和/或抓握器轴线保持以1:1的比例起作用，则外科医生能够在照相机运动期间保持对器械的精细控制。根据手术操作，这可以允许外科医生更有效率并减少操作时间。外科医生还保持控制，并且如果组织开始从器械的钳夹滑移，则可以快速反应。

虽然上述实施例需要移动两个手柄以便以特定速率沿特定方向移动照相机，但在其它实施例中，主手柄中的一个可用于粗略移动，而另一个主控手柄可用于用于细微移动。

本文公开的实施例是本公开的示例，并且可以以各种形式实施。本文公开的具体结构和功能细节不应解释为限制性的，而是作为权利要求的基础并且作为用于教导本领域技术人员以实际上任何适当具体的结构多样地使用本公开的代表性基础。遍及附图的描述中，相同的附图标记可以指代相似或相同的元件。

短语“在一个实施例中”，“在实施例中”，“在一些实施例中”或“在其它实施例中”各自可以指代根据本公开的相同或不同实施例中的一个或多个。“A或B”的形式的短语表示“(A)、(B)或(A和B)”。形式“A、B或C中的至少一个”形式的短语表示“(A)、(B)、(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)、或(A，B和C)”。

本文所描述的系统还可以利用一个或多个控制器来接收各种信息并且变换所接收的信息以生成输出。控制器可以包括能够执行存储在存储器中的一系列指令的任何类型的计算装置、计算电路或任何类型的处理器或处理电路。控制器可以包括多个处理器和/或多核中央处理器(CPU)，并且可以包括任何类型的处理器，诸如微处理器、数字信号处理器、微控制器等。控制器还可以包括存储数据和/或算法的存储器以执行一系列指令。

本文描述的任何方法、程序、算法或代码可以转换为编程语言或计算机程序或以编程语言或计算机程序表示。“编程语言”和“计算机程序”包括用于向计算机指定指令的任何语言，并且包括(但不限于)这些语言及其派生：汇编、BASIC、批处理文件(Batch files)、BCPL、C、C+、Delphi、Fortran、Java、JavaScript、机器代码、操作系统命令语言、Pascal、Perl、PL1、脚本语言、Visual Basic/自身指定程序的元语言、以及所有第一代、第二代、第三代、第四代和第五代计算机语言。还包括数据库和其它数据结构，以及任何其它元语言。不对解释、编译或使用编译和解释方法的语言之间进行区分。在程序的编译版本和源版本之间也不进行区分。因此，对于编程语言可以以多于一个状态(诸如源、编译、对象或链接)存在的程序的引用是对任何和所有这样的状态的引用。提到程序可以包括这些指令的实际指令和/或意图。

这里描述的任何方法、程序、算法或代码可以包含在一个或多个机器可读介质或存储器上。术语“存储器”可以包括提供(例如，存储和/或传输)以能够通过机器(诸如处理器、计算机或数字处理装置)读取的形式的信息的机构。例如，存储器可以包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光存储介质、闪存装置或任何其它易失性或非易失性存储器存储装置。包含在其上的代码或指令可以由载波信号、红外信号、数字信号和其它类似信号表示。

应当理解，前面的描述仅仅是对本公开的说明。在不脱离本公开的情况下，本领域技术人员可以设计出各种替代和修改。例如，本文的任何增强图像可以组合成单个增强图像以显示给临床医生。因此，本公开旨在涵盖所有这样的替代、修改和变化。参考附图描述的实施例仅用于示出本公开的一些示例。与上面描述的和/或所附权利要求中的那些没有本质不同的其它元件、步骤、方法和技术也意图在本公开的范围内。

Claims (12)

1.一种机器人手术系统，包括：

至少一个机器人臂；

照相机；以及

控制台，其包括：

第一手柄；

第二手柄；以及

选择器开关，其配置为在机器人控制模式和照相机控制模式之间选择，

其中所述第一手柄或所述第二手柄在所述机器人控制模式下控制所述至少一个机器人臂，并且所述第一手柄和所述第二手柄在所述照相机控制模式下控制所述照相机，在所述照相机控制模式下，所述照相机能利用基于速度的控制模式移动。

2.根据权利要求1所述的机器人手术系统，还包括控制单元，所述控制单元配置为基于来自所述控制台的信号来控制所述至少一个机器人臂。

3.根据权利要求1所述的机器人手术系统，其中所述控制台包括：

第一电动机，其配置成控制所述第一手柄；以及

第二电动机，其配置成控制所述第二手柄。

4.根据权利要求3所述的机器人手术系统，其中在所述照相机控制模式激活时，所述第一手柄和所述第二手柄进入位置控制状态，在所述位置控制状态下，所述第一电动机保持所述第一手柄的设定位置，并且所述第二电动机保持所述第二手柄的设定位置。

5.根据权利要求4所述的机器人手术系统，其中，在所述第一手柄被用户移动之后，所述第一电动机将所述第一手柄返回到所述第一手柄的所述设定位置。

6.根据权利要求5所述的机器人手术系统，其中，在所述第二手柄被用户移动之后，所述第二电动机将所述第二手柄返回到所述第二手柄的所述设定位置。

7.根据权利要求1所述的机器人手术系统，其中所述控制台包括配置为控制所述机器人手术系统的操作的控制器。

8.根据权利要求7所述的机器人手术系统，其中，当所述照相机控制模式被选择时，所述控制器记录所述第一手柄的第一设定点和所述第二手柄的第二设定点。

9.根据权利要求8所述的机器人手术系统，其中所述控制器创建围绕所述第一设定点的第一死区和围绕所述第二设定点的第二死区。

10.根据权利要求9所述的机器人手术系统，其中当所述第一手柄移动越过所述第一死区并且所述第二手柄移动越过所述第二死区时，由所述照相机执行照相机功能。

11.根据权利要求10所述的机器人手术系统，其中所述照相机功能是照相机的移动，并且其中照相机移动的速度基于以下距离：(i)第一手柄位置和所述第一设定点之间的距离；和(ii)第二手柄位置和所述第二设定点之间的距离。

12.根据权利要求10所述的机器人手术系统，其中，所述照相机功能包括摇动、对焦、机械缩放、数字缩放或在观看模式之间切换。