CN110236853B - 用于配准到手术台的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于配准到手术台的系统及方法。一种配准手术台和计算机辅助设备的系统及方法，该系统包括铰接臂以及联接到该铰接臂的控制单元。该铰接臂具有被构造成在身体开口处插入到患者体内的远端安装的器械。该控制单元被配置为检测经由通信连接联接到该控制单元的手术台的第一运动。该手术台的第一运动引起该铰接臂的控制点的相应的第二运动。该控制单元还被配置为确定该第一运动在手术台坐标系中的第一角方向，确定该第二运动在计算机辅助医疗设备坐标系中的第二角方向，并且基于该第一角方向和第二角方向来确定该手术台和该计算机辅助医疗设备之间的第三角度关系。

Description

用于配准到手术台的系统及方法
本申请是于2015年10月27日提交的名称为“用于配准到手术台的系统及方法”的中国专利申请201580057620.1的分案申请。
相关申请
本公开要求于2014年10月27日提交的标题为“用于集成手术床的系统及方法(System and Method for Integrated Operating Table)”的美国临时专利申请62/069,245以及于2015年3月17日提交的标题为“用于配准到手术台的系统及方法(System andMethod for Registering to a Surgical Table)”美国临时专利申请US62/134,296的优先权，这两个公开通过引用以其全文结合在此。
技术领域
本公开总体上涉及具有铰接臂的设备的操作，并且更具体地涉及确定具有铰接臂的设备与集成手术台之间的配准。
背景技术
越来越多的设备正在被自主和半自主电子设备取代。这在现今在手术室、介入套房、加强监护病房、急诊室等中找到大批自主的和半自主的电子设备的医院尤其如此。例如，玻璃和水银温度计由电子温度计取代，静脉滴注管线现在包括电子监测器和流量调节器，并且传统的手持式外科器械正由计算机辅助医疗设备所取代。随着越来越多的自主和半自主设备投入使用，其提供了两个或更多个设备协作以实现共同目标的机会。
例如，考虑在手术室或介入套件中的情景，其中具有一个或多个铰接臂的计算机辅助手术设备用于对位于具有铰接式结构的手术台上的患者执行手术，该铰接式结构允许该手术台的台面移动。当外科医生和/或其他手术室工作人员想要使用该手术台来重新调整和/或移动患者时，相对于该计算机辅助手术设备的铰接臂发生这种运动。为了避免造成对该患者的伤害、对该计算机辅助设备的损坏和/或对该手术台的损坏，理想的情况是该计算机辅助手术设备来检测该手术台的运动并相应地调整铰接臂。为了有效地实现这一点，了解该手术台和该计算机辅助手术设备之间的几何和/或运动学关系通常是有帮助的。该问题的一个解决方案是让手术室工作人员手动输入该位置和定向。在实践中，这可能是一种麻烦的、不切实际的和/或容易出错的过程。其他解决方案涉及例如通过将该计算机辅助手术设备栓接到该手术台而将该计算机辅助手术设备相对于该手术台放置在已知的位置和定向上，和/或使用该计算机辅助手术设备和该手术台之间的铰接式结构，该铰接式结构可以用于确定该计算机辅助手术设备和该手术台的位置和定向。这两种方法可能都不合理地限制了该计算机辅助手术设备的可能的位置和定向，这可能使得该计算机辅助手术设备难以有效地用于各种尺寸的患者和/或不同类型的手术。另外，这些方法可能引入当该计算机辅助手术设备和/手术台移动时可能必须执行的附加步骤。
因此，有利的是具有确定计算机辅助手术设备和手术台的位置和定向(即配准)的改进的系统及方法。
发明内容
与一些实施例一致，一种计算机辅助医疗设备包括铰接臂以及联接到该铰接臂的控制单元。该铰接臂具有被构造成在身体开口处插入到患者体内的远端安装的器械。该控制单元被配置为检测经由通信连接联接到该控制单元的手术台的第一运动。该手术台的第一运动引起该铰接臂的控制点的相应的第二运动。该控制单元还被配置为确定该第一运动在手术台坐标系中的第一角方向，确定该第二运动在计算机辅助医疗设备坐标系中的第二角方向，并且基于该第一角方向和第二角方向来确定该手术台和该计算机辅助医疗设备之间的第三角度关系。
根据一些实施例，该控制单元还被配置为检测该手术台的第三运动。该手术台的第三运动包括围绕第一轴线的第一旋转。该手术台的第三运动引起该控制点的相应的第四运动。该控制单元还被配置为检测该手术台的第五运动。该手术台的第五运动包括围绕第二轴线的第二旋转。该手术台的第五运动引起该控制点的相应的第六运动。该第二轴线与该第一轴线不同。该控制单元还被配置为基于第一旋转和该控制点的第四运动来确定该控制点和该第一轴线之间的第一垂直距离，基于第二旋转和该控制点的第六运动来确定该控制点和该第二轴线之间的第二垂直距离，并且基于该控制点的位置以及该第一垂直距离和第二垂直距离来确定该设备和该手术台之间的XY配准。
与一些实施例一致，一种配准手术台和计算机辅助医疗设备的方法包括检测手术台的第一运动。第一运动引起该计算机辅助医疗设备的铰接臂的控制点的相应的第二运动。该计算机辅助医疗设备经由通信连接联接到该手术台。该方法还包括：确定该第一运动在手术台坐标系中的第一角方向，确定该第二运动在计算机辅助医疗设备坐标系中的第二角方向，以及基于该第一角方向和第二角方向来确定该手术台和该计算机辅助医疗设备之间的第三角度关系。
根据一些实施例，该方法还包括检测该手术台的第三运动。该手术台的第三运动包括围绕第一轴线的第一旋转。该手术台的第三运动引起该控制点的相应的第四运动。该方法还包括检测该手术台的第五运动。该手术台的第五运动包括围绕第二轴线的第二旋转。该手术台的第五运动引起该控制点的相应的第六运动。该第二轴线与该第一轴线不同。该方法还包括：基于第一旋转和该控制点的第四运动来确定该控制点和该第一轴线之间的第一垂直距离，基于第二旋转和该控制点的第六运动来确定该控制点和该第二轴线之间的第二垂直距离，并且基于该控制点的位置以及该第一垂直距离和第二垂直距离来确定该设备和该手术台之间的XY配准。
与一些实施例一致，一种非暂时性机器可读介质包括多个机器可读指令，这些机器可读指令在由与计算机辅助医疗设备相关联的一个或多个处理器执行时适于使该一个或多个处理器来执行一种方法。该方法包括检测手术台的第一运动。第一运动引起该计算机辅助医疗设备的铰接臂的控制点的相应的第二运动。该计算机辅助医疗设备经由通信连接联接到该手术台。该方法还包括：确定该第一运动在手术台坐标系中的第一角方向，确定该第二运动在计算机辅助医疗设备坐标系中的第二角方向，并且基于该第一角方向和第二角方向来确定该手术台和该计算机辅助医疗设备之间的第三角度关系。
根据一些实施例，该方法还包括检测该手术台的第三运动。该手术台的第三运动包括围绕第一轴线的第一旋转。该手术台的第三运动引起该控制点的相应的第四运动。该方法还包括检测该手术台的第五运动。该手术台的第五运动包括围绕第二轴线的第二旋转。该手术台的第五运动引起该控制点的相应的第六运动。该第二轴线与该第一轴线不同。该方法还包括：基于第一旋转和该控制点的第四运动来确定该控制点和该第一轴线之间的第一垂直距离，基于第二旋转和该控制点的第六运动来确定该控制点和该第二轴线之间的第二垂直距离，并且基于该控制点的位置以及该第一垂直距离和第二垂直距离来确定该设备和该手术台之间的XY配准。
附图说明
图1是根据一些实施例的计算机辅助系统的简化图。
图2是示出根据一些实施例的计算机辅助系统的简化图。
图3是根据一些实施例的计算机辅助医疗系统的运动学模型的简化图。
图4A和图4B是根据一些实施例的手术台和计算机辅助设备之间的关系的简化图。
图5是根据一些实施例的θZ配准手术台与计算机辅助设备的方法的简化图。
图6是根据一些实施例的设备基座坐标系和台座坐标系之间的关系的简化图。
图7是根据一些实施例的XY配准手术台与计算机辅助设备的方法的简化图。
图8A-8G是示出结合了本文所述的集成计算机辅助设备和可移动手术台特征的各种计算机辅助设备系统架构的简化示意图。
在附图中，具有相同标号的元件具有相同或类似的功能。
具体实施方式
在以下描述中，阐明了具体细节以便描述与本公开一致的一些实施例。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以实践一些实施例而无需这些特定细节中的一些或所有细节。本文公开的具体实施例是示例性的，而不是限制性的。尽管没有特别说明，本领域的技术人员可以实现落入本公开的范围和精神内的其他要素。此外，为了避免不必要的重复，示出和描述的与一个实施例相关的一个或更多个特征可以合并到其他实施例中，除非另外具体说明或者一个或更多个特征会使实施例无功能。术语“包括”意味着包括但不限于所包括的一个或更多个单独的项目中的每个应当被认为是可选的，除非另有说明。类似地，术语“可以”表示项目是可选的。
图1是根据一些实施例的计算机辅助系统100的简化图。如图1所示，计算机辅助系统100包括具有一个或更多个可移动臂或铰接臂120的设备110。一个或更多个铰接臂120中的每个支撑一个或更多个末端执行器。在一些实例中，设备110可以与计算机辅助外科设备一致。一个或更多个铰接臂120各自为安装到铰接臂120中的至少一个的远端的一个或更多个器械、外科器械、成像设备和/或诸如此类提供支撑。设备110可以进一步耦连到操作者工作站(未示出)，操作者工作站可以包括用于操作该设备110、一个或更多个铰接臂120和/或末端执行器的一个或更多个主控制装置。在一些实施例中，设备110和操作者工作站可以对应于由加利福尼亚州的Sunnyvale的直观外科手术公司(Intuitive Surgical,Inc.)商售的da
Figure BDA0002096273200000051
外科系统。在一些实施例中，具有其他配置、更少或更多铰接臂和/或类似装置的计算机辅助外科设备可以可选地与计算机辅助系统100一起使用。
设备110经由接口耦连至控制单元130。接口可以包括一个或更多个无线链路、线缆、连接器和/或总线，并且可以进一步包括具有一个或更多个网络交换和/或路由设备的一个或更多个网络。控制单元130包括耦连至存储器150的处理器140。控制单元130的操作由处理器140来控制。并且，尽管控制单元130显示只有一个处理器140，可以理解的是处理器140可以代表在控制单元130中的一个或更多个中央处理单元、多核处理器、微处理器、微控制器、数字信号处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)和/或类似设备。控制单元130可以被实现为加入到计算设备中的单机子系统和/或板，或是实现为虚拟机。在一些实施例中，控制单元可以作为操作者工作站的一部分被包括，和/或与操作者工作站分开但是协同操作。
存储器150用于存储由控制单元130执行的软件和/或在控制单元130的操作期间使用的一个或更多个数据结构。存储器150可以包括一种或多种类型的机器可读介质。一些普通形式的机器可读介质可以包括软盘、软磁盘、硬盘、磁带、任何其他磁性介质、CD-ROM、任何其他光学介质、穿孔卡、纸带、具有孔洞图案的任何其他物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM、任何其他存储器芯片或盒、和/或处理器或计算机适于读取的任何其他介质。
如所示的，存储器150包括支持设备110的自主和/或半自主控制的运动控制应用程序160。运动控制应用程序160可以包括一个或更多个应用程序编程接口(API)，用于从设备110接收位置、运动和/或其他传感器信息，与和其他设备(诸如手术台和/或成像设备)相关的其他控制单元交换位置、运动和/或避免碰撞信息，和/或规划和/或辅助设备110、铰接臂120和/或设备110的末端执行器的运动。并且，尽管运动控制应用程序160被描述为软件应用程序，运动控制应用程序160可以使用硬件、软件和/或硬件和软件的组合来实现。
在一些实施例中，可以在手术室和/或介入套房中找到计算机辅助系统100。并且，尽管计算机辅助系统100仅包括具有两个铰接臂120的一个设备110，但是普通技术人员将理解，计算机辅助系统100可以包括具有与设备110类似和/或不同设计的铰接臂和/或末端执行器的任何数量的设备。在一些示例中，这些设备中的每个可以包括更少或更多的铰接臂和/或末端执行器。
计算机辅助系统100进一步包括手术台170。类似于一个或更多个铰接臂120，手术台170支持台面180相对于手术台170的基座的铰接移动。在一些示例中，台面180的铰接移动可以包括用于改变台面180的高度、倾斜度、滑动、特伦德伦伯卧位(Trendelenburg)取向和/或类似方面的支撑件。尽管未示出，但手术台170可以包括一个或更多个控制输入装置，诸如用于控制台面180的位置和/或取向的手术台命令单元。在一些实施例中，手术台170可以对应于由德国Trumpf Medical Systems GmbH商售的一种或多种手术台。
手术台170也经由对应的接口耦连到控制单元130。该接口可以包括一个或更多个无线链路、线缆、连接器和/或总线，并且可以进一步包括具有一个或更多个网络交换和/或路由设备的一个或更多个网络。在一些实施例中，手术台170可以耦连到与控制单元130不同的控制单元。在一些示例中，运动控制应用程序160可以包括用于接收与手术台170和/或台面180相关联的位置、运动和/或其它传感器信息的一个或更多个应用程序编程接口(API)。在一些示例中，运动控制应用程序160可以规划和/或辅助手术台170和/或台面180的运动规划。在一些示例中，运动控制应用程序160可以有助于与碰撞避免相关联的运动规划，适应和/或避免关节和连杆中的运动范围限度、铰接臂、器械、末端执行器、手术台部件和/或诸如此类的移动来补偿铰接臂、器械、末端执行器、手术台部件和/或诸如此类中的其它运动，调整观察设备(诸如内窥镜)以在该观察设备的视场内维持和/或放置感兴趣的区域和/或一个或更多个器械或末端执行器。在一些示例中，运动控制应用程序160可以阻止手术台170和/或台面180的运动，诸如通过使用手术台命令单元来阻止手术台170和/或台面180的移动。在一些示例中，运动控制应用程序160可以帮助将设备110与手术台170配准，使得设备110和手术台170之间的几何关系是已知的。在一些示例中，该几何关系可以包括为设备110和手术台170维持的坐标系之间的平移和/或一次或多次旋转。
图2是示出根据一些实施例的计算机辅助系统200的简化图。例如，计算机辅助系统200可以与计算机辅助系统100一致。如图2所示，计算机辅助系统200包括具有一个或更多个铰接臂和手术台280的计算机辅助设备210。虽然在图2中未示出，但是计算机辅助设备210和手术台280使用一个或更多个接口和一个或更多个控制单元而耦连在一起，使得至少关于手术台280的运动学信息对于用于执行计算机辅助设备210的铰接臂的运动的运动控制应用程序是已知的。
计算机辅助设备210包括各种连杆和关节。在图2的实施例中，计算机辅助设备通常分为三组不同的连杆和关节。从具有移动推车215或患者侧推车215的近端开始的是装配结构220。耦连到装配结构的远端的是形成铰接臂的一系列连杆和装配关节240。并且耦连到装配关节240的远端的是多关节操纵器260。在一些示例中，一系列装配关节240和操纵器260可以对应于铰接臂120中的一个。并且，尽管计算机辅助设备仅示出具有一个系列的装配关节240和对应的操纵器260，但是普通技术人员将理解，计算机辅助设备可以包括多于一个系列的装配关节240和对应的操纵器260，使得计算机辅助设备配备有多个铰接臂。
如所示的，计算机辅助设备210被安装在移动推车215上。移动推车215使得计算机辅助设备210能够诸如在手术室之间或在手术室内从一个地点被运送到另一地点，以更好地将计算机辅助设备安置在手术台280附近。装配结构220被安装在移动推车215上。如图2所示，装配结构220包括两部分式柱，该柱包括柱连杆221和222。耦连到柱连杆222的上端或远端的是肩关节223。耦连到肩关节223的是包括吊杆连杆224和225的两部分式吊杆。在吊杆连杆225的远端处是腕关节226，并且耦连到腕关节226的是臂安装平台227。
装配结构220的连杆和关节包括用于改变臂安装平台227的位置和取向(即姿态)的各种自由度。例如，两部分式柱被用于通过沿着轴线232上下移动肩关节223来调整臂安装平台227的高度。臂安装平台227额外通过使用肩关节223来围绕移动推车215、两部分式柱和轴线232旋转。臂安装平台227的水平位置通过使用两部分式吊杆沿轴线234来被调整。并且，臂安装平台227的取向也可以通过使用腕关节226围绕臂安装平台取向轴线236的旋转来被调整。因此，受制于装配结构220中的连杆和关节的运动限度，臂安装平台227的位置可以通过使用两部分式柱在移动推车215上方竖直地被调整。臂安装平台227的位置也可以分别使用两部分式吊杆和肩关节223围绕移动推车215径向地或成角度地被调整。并且，臂安装平台227的角取向也可以通过使用腕关节226来被改变。
臂安装平台227被用作一个或更多个铰接臂的安装点。调整臂安装平台227围绕移动推车215的高度、水平位置和取向的能力提供了用于将一个或更多个铰接臂围绕将要进行操作或程序的位于移动推车215附近的工作空间进行安置和取向的灵活装配结构。例如，臂安装平台227可以安置在患者上方，使得各种铰接臂及其对应的操纵器和器械具有足够的运动范围以对患者执行外科程序。图2示出了使用第一装配关节242耦连到臂安装平台227的单个铰接臂。虽然仅示出了一个铰接臂，但是普通技术人员将理解，多个铰接臂可以通过使用附加的第一装配关节而被耦连到臂安装平台227。
第一装配关节242形成铰接臂的装配关节240部段的最近侧部分。装配关节240可以进一步包括一系列关节和连杆。如图2所示，装配关节240至少包括经由一个或更多个关节(未明确示出)耦连的连杆244和246。装配关节240的关节和连杆包括使用第一装配关节242使装配关节240围绕轴线252相对于臂安装平台227旋转、调整第一装配关节242和连杆246之间的径向或水平距离、沿着轴线254调整连杆246的远端处的操纵器安装件262相对于臂安装平台227的高度以及使操纵器安装件262围绕轴线254旋转的能力。在一些示例中，装配关节240可以进一步包括附加的关节、连杆和轴线，允许附加的自由度以改变操纵器安装件262相对于臂安装平台227的姿态。
操纵器260经由操纵器安装件262耦连到装配关节240的远端。操纵器260包括附加的关节264和连杆266，其中器械托架268被安装在操纵器260的远端。器械270被安装到器械托架268。器械270包括轴272，轴272沿着插入轴线对准。轴272通常是对准的，使得其穿过与操纵器260相关联的远程运动中心274。远程运动中心274的位置通常相对于操纵器安装件262维持固定的平移关系，使得操纵器260中的关节264的操作导致轴272围绕远程运动中心274旋转。根据实施例，使用操纵器260的关节264和连杆266中的物理约束、使用放置在允许用于关节264的运动上的软件约束和/或两者的组合来维持远程运动中心274相对于操纵器安装件262的固定平移关系。使用通过使用关节和连杆中的物理约束来维持的远程运动中心的计算机辅助外科设备的代表性实施例被描述在2013年5月13日提交的标题为“用于硬件约束的远程中心机器人操纵器的冗余轴线和自由度(Redundant Axis and Degree ofFreedom for Hardware-Constrained Remote Center Robotic Manipulator)”的美国专利申请US13/906,888中，并且使用由软件约束维持的远程运动中心的计算机辅助外科设备的代表性实施例被描述在2005年5月19日提交的标题为“用于外科手术和其他应用的软件中心和可高度配置的机器人系统(Software Center and Highly Configurable RoboticSystems for Surgery and Other Uses)”的美国专利US8,004,229中，这些文献的说明书通过引用以其整体并入本文。在一些示例中，远程运动中心274可以对应于患者278中的身体开口(诸如切口部位或身体孔口)的位置，其中轴272被插入到患者278中。因为远程运动中心274对应于身体开口，所以当使用器械270时，远程运动中心274相对于患者278保持静止，以限制在远程运动中心274处的患者278的解剖结构上的应力。在一些示例中，轴272可以可选地穿过位于身体开口处的套管(未示出)。在一些示例中，具有相对较大的轴或引导管外直径(例如4-5mm或更大)的器械可以使用套管穿过身体开口，并且对于具有相对较小的轴或引导管外直径(例如2-3mm或更小)的器械可以可选地省略套管。
在轴272的远端处是末端执行器276。由于关节264和连杆266导致的操纵器260中的自由度可以允许至少控制轴272和/或末端执行器276相对于操纵器安装件262的滚转、俯仰和偏摆。在一些示例中，操纵器260中的自由度可以进一步包括使用器械托架268前进和/或撤回轴272的能力，使得末端执行器276可以相对于远程运动中心274沿着插入轴线前进和/或撤回。在一些示例中，操纵器260可以与用于与由加利福尼亚州Sunnyvale的直观外科手术公司(Intuitive Surgical,Inc.)商售的da
Figure BDA0002096273200000091
外科系统一起使用的操纵器一致。在一些示例中，器械270可以是诸如内窥镜的成像设备、夹具、诸如烧灼器或手术刀的外科器械和/或诸如此类。在一些示例中，末端执行器276可以包括附加的自由度，诸如滚转、俯仰、偏摆、抓握和/或诸如此类，其允许末端执行器276的各部分相对于轴272的远端的额外的定位操纵。
在外科手术或其他医疗程序期间，患者278通常位于手术台280上。手术台280包括台座282和台面284，其中台座282位于移动推车215附近，使得器械270和/或末端执行器276可以由计算机辅助设备210操纵，同时器械270的轴272在身体开口处插入到患者278体内。手术台280进一步包括铰接式结构290，该铰接式结构290包括台座282和台面284之间的一个或更多个关节或连杆，使得控制台面284相对于台座282的相对位置，并且因而控制患者278相对于台座282的相对位置。在一些示例中，铰接式结构290可以被配置成使得相对于可以位于台面284上方的点处的虚拟定义的台运动等中心点286来控制台面284。在一些示例中，等中心点286可以位于患者278的体内。在一些示例中，等中心点286可以在身体开口之一(诸如对应于远程运动中心274的身体开口部位)处或附近与患者的体壁并置。
如图2所示，铰接式结构290包括高度调整关节292，使得台面284可以相对于台座282升高和/或降低。铰接式结构290进一步包括关节和连杆，以改变台面284相对于等中心点286的倾斜度294和特伦德伦伯卧位296取向。倾斜度294允许台面284从一侧向另一侧倾斜，使得患者278的右侧或左侧相对于患者278的另一侧向上旋转(即围绕台面284的纵向轴线或头到脚(头-尾)轴线)。特伦德伦伯卧位296允许台面284旋转，使得患者278的足部抬高(特伦德伦伯卧位)或者患者278的头部抬高(反向特伦德伦伯卧位)。在一些示例中，可以调整倾斜度294和/或特伦德伦伯卧位296的旋转以产生围绕等中心点286的旋转。铰接式结构290进一步包括附加的连杆和关节298，以使台面284沿着纵向(头-尾)轴线相对于台座282滑动，通常具有如图2所示的左和/或右运动。
图8A-8G是示出结合了本文所述的集成计算机辅助设备和可移动手术台特征的各种计算机辅助设备系统架构的简化示意图。各种所示的系统部件依照本文所描述的原理。在这些图示中，为了清楚起见，这些部件被简化，并且没有示出各种细节，诸如各个连杆、关节、操纵器、器械、末端执行器等，但是它们应当被理解为结合在各种图示的部件中。
在这些架构中，没有示出与一个或更多个外科器械或器械组相关联的套管，并且应当理解，套管和其它器械引导设备可选地可以用于具有相对较大的轴或引导管外直径(例如4-5mm或更大)的器械或器械组，并且可选地对于具有相对较小的轴或引导管外直径(例如2-3mm或更小)的器械是可以省略的。
同样在这些架构中，远程操作的操纵器应当被理解为包括在外科手术期间通过使用硬件约束(例如固定的相交的器械俯仰轴线、偏摆轴线和滚转轴线)或软件约束(例如软件约束的相交的器械俯仰轴线、偏摆轴线和滚转轴线)来限定远程运动中心的操纵器。可以限定这种器械旋转轴线的混合(例如硬件约束的滚转轴线和软件约束的俯仰轴线和偏摆轴线)。此外，一些操纵器可以在程序期间不限定和约束任何外科器械旋转轴线，并且一些操纵器可以在程序期间限定和约束仅一个或两个器械旋转轴线。
图8A示出了可移动手术台1100和单器械计算机辅助设备1101a。手术台1100包括可移动的台面1102以及从机械接地的台座1104延伸以在远端处支撑台面1102的台支撑结构1103。在一些示例中，手术台1100可以与手术台170和/或280一致。计算机辅助设备1101a包括远程操作的操纵器和单器械组件1105a。计算机辅助设备1101a也包括支撑结构1106a，支撑结构1106a在近侧基座1107a处机械接地并且延伸以支撑远端处的操纵器和器械组件1105a。支撑结构1106a被配置成允许组件1105a关于手术台1100移动并保持在各种固定姿态中。基座1107a可选地关于手术台1100是永久固定的或是可移动的。手术台1100和计算机辅助设备1101a如本文所述一起操作。
图8A进一步示出了可选的第二计算机辅助设备1101b，其示出了可以包括两个、三个、四个、五个或更多个单独的计算机辅助设备，每个计算机辅助设备具有对应的单独的远程操作的操纵器以及由对应的支撑结构1106b支撑的(多个)单器械组件1105b。与计算机辅助设备1101a类似，计算机辅助设备1101b被机械接地，并且组件1105b被摆姿势。手术台1100和计算机辅助设备1101a和1101b一起形成多器械外科系统，并且如本文所述它们一起操作。在一些示例中，计算机辅助设备1101a和/或1101b可以与计算机辅助设备110和/或210一致。
如图8B所示，示出了另一个可移动手术台1100和计算机辅助设备1111。计算机辅助设备1111是多器械设备，其包括两个、三个、四个、五个或更多个单独远程操作的操纵器和单器械组件，如代表性的操纵器和器械组件1105a和1105b所示。计算机辅助设备1111的组件1105a和1105b由组合支撑结构1112支撑，组合支撑结构1112允许组件1105a和1105b关于手术台1100作为一组一起移动和摆姿势。计算机辅助设备1111的组件1105a和1105b也各自分别由对应的单独支撑结构1113a和1113b来支撑，这允许每个组件1105a和1105b关于手术台1100且关于一个或更多个其它组件1105a和1105b单独地移动和摆姿势。这种多器械外科系统架构的示例是由直观外科手术公司(Intuitive Surgical,Inc.)商售的da Vinci
Figure BDA0002096273200000121
外科系统和da
Figure BDA0002096273200000122
XiTM外科系统。如本文所述的，手术台1100和包含示例计算机辅助设备1111的外科操纵器系统一起操作。在一些示例中，计算机辅助设备1111与计算机辅助设备110和/或210一致。
图8A和8B的计算机辅助设备均示出为在地板处机械接地。但是，一个或更多个此类计算机辅助设备可以可选地在墙壁或天花板处机械地接地，并且关于这样的墙壁或天花板面是永久固定的或是可移动的。在一些示例中，计算机辅助设备可以通过使用轨道或网格系统而被安装到墙壁或天花板，该轨道或网格系统允许计算机辅助系统的支撑基座相对于手术台移动。在一些示例中，一个或更多个固定的或可释放的安装夹具可以用于将相应的支撑基座安装到轨道或网格系统。如图8C所示，计算机辅助设备1121a在墙壁处机械接地，并且计算机辅助设备1121b在天花板处机械接地。
此外，计算机辅助设备可以经由可移动手术台1100间接地机械接地。如图8D所示，计算机辅助设备1131a耦连到手术台1100的台面1102。计算机辅助设备1131a可以可选地耦连到手术台1100的其它部分，诸如台支撑结构1103或台座1104，如图8D所示的虚线结构所示。当台面1102关于台支撑结构1103或台座1104移动时，计算机辅助设备1131a同样关于台支撑结构1103或台座1104移动。然而，当计算机辅助设备1131a耦连到台支撑结构1103或台座1104时，计算机辅助设备1131a的基座在台面1102移动时关于地面保持固定。当台运动发生时，器械插入患者内的身体开口也可以移动，因为患者的身体可以相对于台面1102移动和改变身体开口位置。因此，对于计算机辅助设备1131a耦连到台面1102的实施例，台面1102用作局部机械接地，并且身体开口关于台面1102移动，并且因此关于计算机辅助设备1131a移动。图8D还示出第二计算机辅助设备1131b，第二计算机辅助设备1131b可以被可选地添加，类似于计算机辅助设备1131a来进行配置以创建多器械系统。包括耦连到手术台的一个或更多个计算机辅助设备的系统如本文所公开的那样操作。
在一些实施例中，具有相同的或混合的机械接地的计算机辅助设备的其他组合是可能的。例如，系统可以包括在地板处机械接地的一个计算机辅助设备以及经由手术台机械接地到地板的第二计算机辅助设备。这种混合式机械接地系统如本文所公开的那样操作。
本发明的方面还包括单个身体开口系统，其中两个或更多个外科器械经由单个身体开口进入身体。这样的系统的示例在2010年8月12日提交的标题为“外科系统器械安装(Surgical System Instrument Mounting)”的美国专利US8,852,208和2007年6月13日提交的标题为“微创外科手术系统(Minimally Invasive Surgical System)”的美国专利US9,060,678中示出，这两个文献都通过引用并入。图8E示出了远程操作的多器械计算机辅助设备1141和如上所述的手术台1100。两个或更多个器械1142各自耦连到对应的操纵器1143，并且器械组1142和器械操纵器1143由系统操纵器1144一起移动。系统操纵器1144由支撑组件1145支撑，支撑组件1145允许系统操纵器1144移动到并固定在各种姿态。支撑组件1145与上述描述一致地在基座1146处机械接地。两个或更多个器械1142在单个身体开口处插入患者内。可选地，器械1142一起延伸通过单个引导管，并且引导管可选地延伸穿过套管，如以上引用的参考文献中所述。计算机辅助设备1141和手术台1100如本文所述一起操作。
图8F示出了可选地通过耦连到台面1102、台支撑结构1103或台座1104，经由手术台1100机械接地的另一个多器械单个身体开口计算机辅助设备1151。以上参照图8D的描述也适用于图8F中所示的机械接地选项。计算机辅助设备1151和手术台1100如本文所述一起工作。
图8G示出了一个或更多个远程操作的多器械单个身体开口计算机辅助设备1161和一个或更多个远程操作的单器械计算机辅助设备1162可以被组合以如本文所述与手术台1100一起操作。计算机辅助设备1161和1162中的每一个可以直接地或经由其他结构以如上所述的各种方式机械接地。
图3是根据一些实施例的计算机辅助医疗系统的运动学模型300的简化图。如图3所示，运动学模型300可以包括与许多源和/或设备相关联的运动学信息。运动学信息基于用于计算机辅助医疗设备和手术台的连杆和关节的已知运动学模型。运动学信息进一步基于与计算机辅助医疗设备和手术台的关节的位置和/或取向相关联的信息。在一些示例中，与关节的位置和/或取向相关联的信息可以通过测量棱柱形关节的线性位置和转动关节的旋转位置从一个或更多个传感器(诸如编码器)得到。
运动学模型300包括几个坐标系或坐标系统和变换(诸如齐次变换(homogeneoustransform))，用于将位置和/或取向从坐标系中的一个变换到坐标系中的另一个。在一些示例中，运动学模型300可以用于通过组合由包括在图3中的变换联动装置指出的前向变换和/或反向变换/逆变换来允许在任何其他坐标系中的坐标系之一中的位置和/或取向的前向和/或反向映射。在一些示例中，当这些变换被建模为矩阵形式的齐次变换时，使用矩阵乘法来完成组合。在一些实施例中，运动学模型300可以用于对图2的计算机辅助设备210和手术台280的运动学关系进行建模。
运动学模型300包括用于对手术台(诸如手术台170和/或手术台280)的位置和/或取向进行建模的台座坐标系305。在一些示例中，台座坐标系305可以用于相对于与手术台相关联的参考点和/或取向来对手术台上的其它点进行建模。在一些示例中，参考点和/或取向可以与手术台的台座(诸如台座282)相关联。在一些示例中，台座坐标系305可以适于用作计算机辅助系统的世界坐标系。
运动学模型300进一步包括台面坐标系310，其可以用于对表示手术台的台面(诸如台面284)的坐标系中的位置和/或取向进行建模。在一些示例中，台面坐标系310可以围绕台面的旋转中心或等中心点(诸如等中心点286)居中。在一些示例中，台面坐标系310的Z轴可以相对于其上放置手术台的地板或表面竖直取向和/或与台面的表面正交。在一些示例中，台面坐标系310的X轴和Y轴可以被取向成捕获台面的纵向(从头到脚)主轴线和侧向(从一侧到另一侧)主轴线。在一些示例中，台座到台面坐标变换315被用于映射台面坐标系310和台座坐标系305之间的位置和/或取向。在一些示例中，手术台的铰接式结构(诸如铰接式结构290)的一个或更多个运动学模型以及过去的和/或当前的关节传感器读数被用于确定台座到台面坐标变换315。在与图2的实施例一致的一些示例中，台座到台面坐标变换315对与手术台相关联的高度、倾斜度、特伦德伦伯卧位和/或滑动设置的组合效应进行建模。
运动学模型300进一步包括用于对计算机辅助设备(诸如计算机辅助设备110和/或计算机辅助设备210)的位置和/或取向进行建模的设备基座坐标系。在一些示例中，设备基座坐标系320可以用于相对于与计算机辅助设备相关联的参考点和/或取向来对计算机辅助设备上的其他点进行建模。在一些示例中，参考点和/或取向可以与计算机辅助设备(诸如移动推车215)的设备基座相关联。在一些示例中，设备基座坐标系320可以适于用作计算机辅助系统的世界坐标系。
为了跟踪手术台和计算机辅助设备之间的位置和/或取向关系，通常期望在手术台和计算机辅助设备之间进行配准。如图3所示，配准可以用于确定台面坐标系310和设备基座坐标系320之间的配准变换325。在一些实施例中，配准变换325可以是台面坐标系310和设备基座坐标系320之间的部分或全部变换。配准变换325基于手术台和计算机辅助设备之间的架构布置而被确定。
在计算机辅助设备被安装到台面1102的图8D和图8F的示例中，配准变换325根据台座到台面坐标变换315来确定，并且得知计算机辅助设备在哪里被安装到台面112。
在计算机辅助设备被放置在地板上或安装到墙壁或天花板上的图8A-8C、图8E和图8F的示例中，通过对设备基座坐标系320和台座坐标系305放置一些限制来简化配准变换325的确定。在一些示例中，这些限制包括设备基座坐标系320和台座坐标系305两者在相同的竖直向上的轴线或Z轴上相符合。假设手术台位于水平地板上，房间的墙壁(例如垂直于地板)和天花板(例如平行于地板)的相对取向是已知的，为设备基座坐标系320和台座坐标系305两者或适当的取向变换维持共同的竖直向上的轴或Z轴(或适当的取向变换)是可能的。在一些示例中，因为共同的Z轴，配准变换325可以可选地仅对设备基座相对于台座围绕台座坐标系305的Z轴的旋转关系(例如θZ配准)进行建模。在一些示例中，配准变换325还可以可选地对台座坐标系305和设备基座坐标系320之间的水平偏移(例如XY配准)进行建模。这是可能的，因为计算机辅助设备和手术台之间的竖直(Z)关系是已知的。因此，台座到台面的变换315中的台面的高度的变化类似于设备基座坐标系320中的竖直调整，因为台座坐标系305和设备基座坐标系320中的竖直轴线是相同的或接近相同的，使得台座坐标系305和设备基座坐标系320之间的高度的变化处于彼此的合理公差内。在一些示例中，通过了解台面(或其等中心点)的高度和θZ和/或XY配准，可以将台座到台面的变换315中的倾斜度调整和特伦德伦伯卧位调整映射到设备基座坐标系320。在一些示例中，配准变换325和台座到台面的变换315可以用于对计算机辅助外科设备进行建模，就好像计算机辅助外科设备被附接到台面，即使在架构上其并没有附接到台面上。
运动学模型300进一步包括臂安装平台坐标系330，其被用作与计算机辅助设备的铰接臂上的最近侧的点相关联的共享坐标系的合适模型。在一些实施例中，臂安装平台坐标系330可以与臂安装平台(诸如臂安装平台227)上的便利点相关联并且相对于臂安装平台上的便利点取向。在一些示例中，臂安装平台坐标系330的中心点可以位于臂安装平台取向轴线236上，其中臂安装平台坐标系330的Z轴与臂安装平台取向轴线236对准。在一些示例中，设备基座到臂安装平台的坐标变换335用于映射设备基座坐标系320和臂安装平台坐标系330之间的位置和/或取向。在一些示例中，计算机辅助设备在设备基座和臂安装平台之间的连杆和关节(诸如装配结构220)的一个或更多个运动学模型，连同过去的和/或当前的关节传感器读数一起，用于确定设备基座到臂安装平台的坐标变换335。在与图2的实施例一致的一些示例中，设备基座到臂安装平台的坐标变换335可以对计算机辅助设备的装配结构部分的两部分式柱、肩关节、两部分式吊杆和腕关节的组合效应进行建模。
运动学模型300进一步包括与计算机辅助设备的每个铰接臂相关联的一系列坐标系和变换。如图3所示，运动学模型300包括用于三个铰接臂的坐标系和变换，但是普通技术人员将理解，不同的计算机辅助设备可以包括更少和/或更多(例如，一个、两个、四个、五个或更多)铰接臂。与图2的计算机辅助设备210的连杆和关节的配置一致，根据安装到铰接臂的远端的器械的类型，通过使用操纵器安装件坐标系、远程运动中心坐标系以及器械或摄像机坐标系，对每个铰接臂进行建模。
在运动学模型300中，通过使用操纵器安装件坐标系341、远程运动中心(RC)坐标系342、器械坐标系343、臂安装平台到操纵器安装件的变换344、操纵器安装件到远程运动中心的变换345以及远程运动中心到器械的变换346来捕获铰接臂中的第一铰接臂的运动学关系。操纵器安装件坐标系341表示用于表示与操纵器(诸如操纵器260)相关联的位置和/或取向的适当模型。操纵器安装件坐标系341与对应的铰接臂的操纵器安装件(诸如操纵器安装件262)相关联。臂安装平台到操纵器安装件的变换344则基于在臂安装平台和对应的操纵器安装件之间的计算机辅助设备的连杆和关节(诸如对应的装配关节240)的一个或更多个运动学模型以及对应的装配关节240的过去的和/或当前的关节传感器读数。
远程运动中心坐标系342与安装在操纵器上的器械的远程运动中心(诸如对应的操纵器260的对应的远程运动中心274)相关联。操纵器安装件到远程运动中心的变换345则基于在对应的操纵器安装件和对应的远程运动中心之间的计算机辅助设备的连杆和关节(诸如对应的操纵器260的对应的关节264、对应的连杆266和对应的托架268)的一个或更多个运动学模型以及对应的关节264的过去的和/或当前的关节传感器读数。当对应的远程运动中心相对于对应的操纵器安装件正维持在固定的位置关系时，如在图2的实施例中，操纵器安装件到远程运动中心的变换345包括在操作操纵器和器械时不变的基本静态的平移分量以及在操作操纵器和器械时改变的动态旋转分量。
器械坐标系343与位于器械的远端的末端执行器(诸如对应的末端执行器276)相关联。远程运动中心到器械的变换346则基于移动和/或定向对应的器械、末端执行器和远程运动中心的计算机辅助设备的连杆和关节的一个或更多个运动学模型以及过去的和/或当前的关节传感器读数。在一些示例中，远程运动中心到器械的变换346考虑了轴(诸如对应的轴272)穿过远程运动中心的取向以及轴相对于远程运动中心前进和/或撤回的距离。在一些示例中，远程运动中心到器械的变换346可以被约束以反映器械的轴的插入轴线穿过远程运动中心，并且考虑了轴和末端执行器围绕由轴限定的轴线的旋转。
在运动学模型300中，通过使用操纵器安装件坐标系351、远程运动中心坐标系352、器械坐标系353、臂安装平台到操纵器安装件的变换354、操纵器安装件到远程运动中心的变换355以及远程运动中心到器械的变换356来捕获铰接臂中的第二铰接臂的运动学关系。操纵器安装件坐标系351表示用于表示与操纵器(诸如操纵器260)相关联的位置和/或取向的适当模型。操纵器安装件坐标系351与对应的铰接臂的操纵器安装件(诸如操纵器安装件262)相关联。臂安装平台到操纵器安装件的变换354则基于计算机辅助设备在臂安装平台和对应的操纵器安装件之间的连杆和关节(诸如对应的装配关节240)的一个或更多个运动学模型以及对应的装配关节240的过去的和/或当前的关节传感器读数。
远程运动中心坐标系352与安装在铰接臂上的操纵器的远程运动中心(诸如对应的操纵器260的对应的远程运动中心274)相关联。操纵器安装件到远程运动中心的变换355则基于计算机辅助设备在对应的操纵器安装件和对应的远程运动中心之间的连杆和关节(诸如对应的操纵器260的对应的关节264、对应的连杆266以及对应的托架268)的一个或更多个运动学模型以及对应的关节264的过去的和/或当前的关节传感器读数。当对应的远程运动中心相对于对应的操纵器安装件正维持在固定的位置关系时，诸如在图2的实施例中，安装件到远程运动中心的变换355包括在操作操纵器和器械时不变的基本静态的平移分量以及在操作操纵器和器械时改变的动态旋转分量。
器械坐标系353与位于器械的远端的末端执行器(诸如对应的器械270和/或末端执行器276)相关联。远程运动中心到器械的变换356则基于移动和/或定向对应的器械、末端执行器和远程运动中心的计算机辅助设备的连杆和关节的一个或更多个运动学模型以及过去的和/或当前的关节传感器读数。在一些示例中，远程运动中心到器械的变换356考虑了轴(诸如对应的轴272)穿过远程运动中心的取向以及轴相对于远程运动中心前进和/或撤回的距离。在一些示例中，远程运动中心到器械的变换356可以被约束以反映器械的轴的插入轴线穿过远程运动中心，并且考虑了轴和末端执行器围绕由轴限定的轴线的旋转。
在运动学模型300中，通过使用操纵器安装件坐标系361、远程运动中心坐标系362、摄像机坐标系363、臂安装平台到操纵器安装件的变换364、操纵器安装件到远程运动中心的变换365以及远程运动中心到摄像机的变换366，来捕获铰接臂中的第三铰接臂的运动学关系。操纵器安装件坐标系361表示用于表示与操纵器(诸如操纵器260)相关联的位置和/或取向的适当模型。操纵器安装件坐标系361与对应的铰接臂的操纵器安装件(诸如操纵器安装件262)相关联。臂安装平台到操纵器安装件的变换364则基于计算机辅助设备在臂安装平台和对应的操纵器安装件之间的连杆和关节(诸如对应的装配关节240)的一个或更多个运动学模型以及对应的装配关节240的过去的和/或当前的关节传感器读数。
远程运动中心坐标系362与安装在铰接臂上的操纵器的远程运动中心(诸如对应的操纵器260的对应的远程运动中心274)相关联。操纵器安装件到远程运动中心的变换365则基于计算机辅助设备在对应的操纵器安装件和对应的远程运动中心之间的连杆和关节(诸如对应的操纵器260的对应的关节264、对应的连杆266以及对应的托架268)的一个或更多个运动学模型以及对应的关节264的过去的和/或当前的关节传感器读数。当对应的远程运动中心相对于对应的操纵器安装件正维持在固定的位置关系时，诸如在图2的实施例中，安装件到远程运动中心的变换365包括在操作操纵器和器械时不变的基本静态的平移分量以及在操作操纵器和器械时改变的动态旋转分量。
摄像机坐标系363与安装在铰接臂上的成像设备(诸如内窥镜)相关联。远程运动中心到摄像机的变换366则基于移动和/或定向成像设备及对应的远程运动中心的计算机辅助设备的连杆和关节的一个或更多个运动学模型以及的过去的和/或当前的关节传感器读数。在一些示例中，远程运动中心到摄像机的变换366考虑了轴(诸如对应的轴272)穿过远程运动中心的取向以及轴相对于远程运动中心前进和/或撤回的距离。在一些示例中，远程运动中心到摄像机的变换366可以被约束以反映成像设备的轴的插入轴线穿过远程运动中心，并且考虑了成像设备围绕由轴限定的轴线的旋转。
如以上讨论并进一步强调的，图3仅仅是不应过度地限制权利要求书的范围的一个示例。本领域的普通技术人员会认识到许多变化、替换和修改。根据一些实施例，手术台和计算机辅助设备之间的配准可以通过使用替代配准变换在台面坐标系310和设备基座坐标系320之间确定。当使用替代配准变换时，通过将替代配准变换与台座到台面的变换315的逆变换/反向变换组合来确定配准变换325。根据一些实施例，用于对计算机辅助设备进行建模的坐标系和/或变换可以根据计算机辅助设备的连杆和关节、其铰接臂、其末端执行器、其操纵器和/或其器械的特定配置而不同地布置。根据一些实施例，运动学模型300的坐标系和变换可以用于对与一个或更多个虚拟器械和/或虚拟摄像机相关联的坐标系和变换进行建模。在一些示例中，虚拟器械和/或摄像机可以与先前存储的和/或锁存的器械位置、由运动导致的器械和/或摄像机的投影、由外科医生和/或其他人员定义的参考点和/或诸如此类相关联。
如前所述，当正在操作计算机辅助系统(诸如计算机辅助系统100和/或200)时，理想的是允许对这些器械和/或端部执行器进行连续控制，同时在这些器械插入该患者的身体开口中的同时允许手术台(诸如手术台170和/或280)的运动。在2015年3月17日提交的标题为“用于集成手术台的系统及方法(System and Method for Integrated SurgicalTable)”的美国临时专利申请US62/134,207以及同时提交的标题为“用于集成手术台的系统及方法(System and Method for Integrated Surgical Table)”的代理人案卷号为ISRG006930PCT/70228.498WO01的PCT专利申请中显示了在手术台运动期间允许主动继续外科手术的系统的示例，这两个申请都是通过引用以其全文合并在此。在一些示例中，这可以允许耗时较少的手术，因为手术台可以在不必首先从该患者移除这些操纵器控制的手术器械并使这些操纵器与插入该患者体内的套管脱离对接的情况下运动。在一些示例中，这样允许外科医生和/或其他医务人员在手术台运动发生时对器官的运动进行监测，以获得更佳的手术台姿态。在一些示例中，这还可以允许在手术台运动期间主动继续外科手术。
根据一些实施例，了解手术台和计算机辅助设备之间的配准变换325是有帮助的，使得由该手术台的台面的移动引起的该患者的运动对该计算机辅助设备是已知的并由该计算机辅助设备来补偿。图4A和图4B是根据一些实施例的手术台410和计算机辅助设备420之间的关系的简化图。在一些示例中，手术台410可以与手术台170和/或280一致，并且计算机辅助设备可以与计算机辅助设备110、210和/或图8A-图8G的任何计算机辅助设备一致。如图4A所示，将患者430放置在手术台410上。假设患者430被牢固地绑到手术台410并且患者430的一个或多个解剖部分(诸如对应于远程运动中心274的身体开口)相对于手术台410的台面保持固定，则手术台410的任何移动都导致患者430的一个或多个解剖部分的相应移动。并且，尽管这种假设有些不准确，如以下进一步详细讨论的，通过监测手术台410的台面在手术台坐标系中的移动以及患者430的解剖结构在计算机辅助设备坐标系中的移动，有可能确定手术台410和计算机辅助设备420之间的几何关系的近似估计。
假设台座坐标系440(使用坐标轴XT和ΥT代表性地示出)和设备基座坐标系450(使用坐标轴XD和YD代表性地示出)具有共同的垂直向上的轴线或Z轴，并且该计算机辅助设备的基座的高度相对于该手术台的基座是已知的，手术台410和计算机辅助设备420之间的几何关系可以表征为确定在手术台410和计算机辅助设备420之间的水平偏移及围绕该垂直向上的轴线或Z轴的角旋转。这是可能的，因为当台座坐标系440和设备基座坐标系450在Z轴上一致时，台座坐标系440和设备基座坐标系450之间的Z坐标值之差是已知的。
在一些示例中，台座坐标系440可以对应于台座坐标系350，和/或设备基座坐标系450可以对应于设备基座坐标系330。另外，台座坐标系440的XY平面和设备基座坐标系450的XY平面是平行的。因此，手术台410和计算机辅助设备420之间的完全配准涉及确定台座坐标系440和设备基座坐标系450之间的水平偏移ΔXY，以及台座坐标系440和设备基座坐标系450之间的围绕Z轴的旋转θZ。然而，实际上，涉及手术台410和计算机辅助设备420之间的相对运动的操作可能不需要手术台410和计算机辅助设备420之间的完全配准，因为台座坐标系440的平移可以使用θZ映射成设备基座坐标系450的平移。另外，手术台410的台面相对于台座坐标系440的旋转可以使用θZ映射成设备基座坐标系450的旋转。因此，确定θZ的部分配准对于大多数用途通常是足够的。
图4B描绘了如何通过监测手术台410的台面在台座坐标系440中的移动ΔT以及计算机辅助设备420的控制点(诸如远程运动中心274)在设备基座坐标系450中的运动ΔD来确定θZ。如图4B所示，已经移除了手术台410和计算机辅助设备420的移动之间的平移差，因为它们不会影响两个移动之间的角度差θZ。在一些示例中，运动ΔT可以由于手术台410的倾斜、特伦德伦伯卧位和/或滑动调整而发生。如图4B所示，ΔT的大小和ΔD的大小不像知道分别在台座坐标系440和设备基座坐标系450的XY平面中的ΔT和ΔD的相对方向那么重要。如所示的，当手术台410的台面的移动ΔT发生时，使用台座到台面变换(诸如台座到台面变换315)来确定运动ΔT相对于XT轴的角方向θT。另外，计算机辅助设备420的一个或多个运动学模型(诸如图3所描绘的运动学模型)用于确定控制点(诸如远程运动中心)的移动ΔD相对于XD轴的角方向θD。θD和θT之间的差表示台座坐标系440和设备基座坐标系450之间的θZ，其成为配准变换的基础。
图5是根据一些实施例的θZ配准手术台与计算机辅助设备的方法500的简化图。可以以存储在非暂时性的、有形的机器可读介质上的可执行代码的形式来至少部分地实现方法500的过程510-580中的一个或多个，该可执行代码在由一个或多个处理器(例如控制单元130中的处理器140)运行时可以导致该一个或多个处理器来执行过程510-580中的一个或多个。在一些实施例中，方法500可以用于执行该手术台(诸如手术台170、280和/或410)和该计算机辅助设备(诸如计算机辅助设备110、210、420和/或图8A-图8G的任何计算机辅助设备)之间的部分配准。该部分配准可以确定台座坐标系(诸如台座坐标系305和/或440)和设备基座坐标系(诸如设备基座坐标系330和/或450)之间的θZ。在一些实施例中，过程510、570和/或580中的一个或多个是可选的并且可以省略。
在可选的过程510处，降低该手术台的等中心点。因为手术台的等中心点(诸如等中心点286)表示人为限定的点，围绕该点至少发生特伦德伦伯卧位旋转，所以可能的是可以将其高度设置为在方法500期间使用的计算机辅助设备的一个或多个控制点之上。当控制点位于该手术台的等中心点下方时，该控制点的移动与该台面的移动方向相反，从而在该手术台的台面的移动的角方向上产生180°相移，如在过程530期间确定的。为了避免这个问题，可以在方法500的配准的至少早期部分期间降低该手术台的等中心点。在一些示例中，该手术台的等中心点可以可选地降低到在该手术台的台面处或其下方的一点，以便与该手术台的倾斜轴线的旋转中心重合。在一些示例中，保存下降之前的该手术台的等中心点位置，以在过程580期间使用。在一些示例中，降低该手术台的等中心点也可以导致该台的台面的水平移动增强，这可以提高该配准过程收敛的速度。
在过程520处，检测该手术台的合格运动。并不是该计算机辅助设备的控制点(如远程运动中心)的所有运动都适合在方法500的配准期间使用。在一些示例中，不产生任何水平移动的手术台的垂直移动不提供在方法500期间使用的适当信息。在一些示例中，在控制点的水平运动中可能存在小振荡，这不是由于该手术台移动而发生的。在一些示例中，这些小振荡可能是由于患者的自主运动(例如呼吸、心跳等)、计算机辅助设备的铰接臂和/或操纵器的振荡和/或振动、吹入变化等引起的。为了减少这些振荡和其他误差(诸如传感器误差)可能引入到配准中的影响，配准可以限于合格运动。在一些示例中，合格运动是控制点的净水平运动，该水平运动超过基于可能发生的可能振荡所确定的阈值。在一些示例中，该阈值为大约8至10mm左右。在一些示例中，通过锁存和/或存储该控制点的初始水平位置并且然后周期性地监测该控制点的实际水平位置并等待直到该实际水平位置和该初始水平位置之间的距离超过阈值来检测该合格运动。一旦检测到该合格运动，则其被用作配准估计的基础。
在一些实施例中，相干检查也可以用于确定净水平运动是否是合格运动。在一些示例中，当过程520周期性地监测该控制点的实际水平位置时，其可以记录指示其中监测该控制点的实际水平位置的连续实例之间的控制点的实际水平位置的增量变化的一系列增量运动或向量。在一些示例中，每个增量运动都可以长于预定长度(诸如1mm)。在一些示例中，每个增量运动都可以是该控制点在预定时间长度(诸如10ms)内的净运动。在一些示例中，将净水平运动与由增量运动描述的运动路径进行比较，以确定该净水平运动是否是该增量运动的精确近似。在一些示例中，将这些增量运动的角分量与该净水平运动的角分量进行比较，以确定是否存在一致的运动方向。在一些示例中，将该路径的长度与该净水平运动的大小进行比较，以确定是否存在一致的运动模式。在一些示例中，将所记录的向量的向量和的大小(即，该净水平运动的大小)与每个所记录的向量的大小之和进行比较。在一些示例中，当所记录的向量的向量和的大小和每个向量的大小之和处于彼此的可配置百分比(例如90％)内时，该净水平运动是合格运动。在一些示例中，方程1用于执行相干测试，其中
Figure BDA0002096273200000231
表示所记录的向量的相应实例。
Figure BDA0002096273200000232
在一些示例中，关于该手术台运动的信息在该手术台和该计算机辅助设备之间交换。在一些示例中，该手术台运动使用台座到台面变换(诸如台座到台面变换315)来表征。在一些示例中，手术台向计算机辅助设备提供当前的台座到台面变换。在一些示例中，该手术台提供当前的台座到台面变换从提供最后一次台座到台面变换之后之间的差(或德尔塔(Δ))。在一些示例中，手术台提供该手术台的铰接式结构中的关节的当前的位置和/或速度，使得计算机辅助设备可以使用该手术台的铰接式结构的一个或多个运动学模型来确定当前的台座到台面变换。在一些示例中，手术台将一个或多个消息发送到计算机辅助设备，以交换台座到台面变换、德尔塔台座到台面的变换、当前关节位置和/或当前关节速度。
在过程530处，确定手术台运动在手术台坐标系中的角方向θT。在一些示例中，通过监测台座到台面变换来确定该手术台运动在手术台坐标系中的角方向θT。在一些示例中，使用台座到台面变换的两个版本，在过程520期间检测到的合格运动开始时获取的锁存和/或保存的版本，以及在过程520期检测到的合格运动结束时获取的锁存和/或保存的版本。在一些示例中，使用两个台座到台面变换之间的差来确定角方向θT。在一些示例中，这两个台座到台面变换用于确定任意点的开始和结束水平位置，其中开始和结束水平位置之间的差被用于使用三角法来确定角方向θT。
在过程540处，确定控制点运动在计算机辅助设备坐标系中的角方向θD。在一些示例中，通过监测该控制点在计算机辅助设备坐标系中的运动来确定该控制点运动在计算机辅助设备坐标系中的角方向θD。在一些示例中，可以使用在过程520期间检测到的合格运动的开始和结束时获得的控制点的两个水平位置来利用三角法确定角方向θD。
在过程550处，确定θZ配准。在一些示例中，通过获取在过程540期间确定的控制点的角方向θD和在过程530期间确定的手术台的角方向θT之间的角度差来确定θZ配准。
在过程560处，将θZ配准聚合。如以上关于过程520所讨论的，振荡和/或其他误差可能在过程550期间引入θZ配准的不精确性。为了帮助减少这些不精确性，将θZ配准与其他θZ配准值聚合以便确定复合θZ配准值。在一些示例中，这些其他θZ配准值可以可选地与计算机辅助设备的其他控制点(诸如其他远程运动中心)相关联。在一些示例中，这些其他θZ配准值可以可选地与相同控制点和/或其他控制点的一系列合格运动相关联。以这种方式，复合θZ配准随时间持续更新。在一些示例中，可以使用求平均函数来使θZ配准聚合。在一些示例中，可以使用指数平滑来使θZ配准聚合，以提供对稍后获得的θZ配准值的更加注重。在一些示例中，可以可选地使用随机性降低过程(如卡尔曼滤波和/或其他最小二乘估计量)来使这些θZ配准值聚合。
在可选过程570处，确定该复合θZ配准是否已收敛。当复合θZ配准在过程560期间聚合时，监测以确定该复合θZ配准是否收敛成相当稳定的值。在一些示例中，当随着新的θZ配准值被确定复合θZ配准的增量变化低于阈值诸如1至10度，(例如2度)时，认为该复合θZ配准收敛。当复合θZ配准没有收敛时，通过重复过程520至560来确定附加θZ配准值。当复合θZ配准收敛时，使用过程580来恢复等中心点。
在可选过程580处，恢复手术台的等中心点。手术台的等中心点的位置恢复到在过程510期间保存的等中心点的位置。在等中心点的位置恢复之后，重复过程520-560以进一步改善复合θZ配准。然而，在一些示例中，在恢复手术台的等中心点之后，可以改变过程520，使得与特伦德伦伯卧位调整相关联的运动不再是合格运动。以这种方式，可以避免与180°相移相关联的问题，同时仍然使用特伦德伦伯卧位调整来确定复合θZ配准的早期值。
图6是根据一些实施例的设备基座坐标系450和台座坐标系440之间的关系的简化图。如图6所示，设备基座坐标系450和基座坐标系440之间的关系相对于该设备基座坐标系450被重新定向并投影在XY平面中。图6进一步描绘了如何通过观察手术台中的倾斜和/或特伦德伦伯卧位运动以及控制点(诸如对接的铰接臂之一的远程运动中心)的所得到的运动来确定ΔXY。假设铰接臂上的适当选择的控制点(诸如远程运动中心)相对于该手术台的台面位于固定位置(当该远程运动中心在身体开口处固定到患者的解剖结构时的合理假设)，由于倾斜和/或特伦德伦伯卧位旋转而引起的控制点的运动可以被建模为围绕已知点的旋转。在一些示例中，该已知点可以对应于用于手术台的倾斜的枢转中心和/或手术台的等中心点。在一些示例中，该已知点位于台座坐标系450的XY中心处。如方程2所示，当倾斜和/或特伦德伦伯卧位旋转的角速度变化为
Figure BDA0002096273200000253
并且在XY平面中该已知点和控制点之间的几何关系为
Figure BDA0002096273200000257
时，该控制点的速度/位置变化可以经由向量叉积被建模为
Figure BDA0002096273200000258
Figure BDA0002096273200000251
在一些示例中，使用与控制点相关联的铰接臂和/或操纵器的运动学模型，控制点的位置和移动由该计算机辅助设备得知，并且从该手术台得知旋转的角速度。这使得
Figure BDA0002096273200000255
作为方程2中的未知值。遗憾的是，方程2的叉积是不可逆的，因此可以通过确定控制点和旋转轴线之间的最短距离或偏移来推断
Figure BDA0002096273200000254
的部分确定，如方程3所示。
Figure BDA0002096273200000252
基于图4中所示的该手术台定向，倾斜旋转围绕XT轴线发生，并且特伦德伦伯卧位旋转的水平投影围绕ΥT轴线发生。因此，导致控制点在ΥT方向上移动的倾斜旋转可以用于确定该控制点相对于固定点的ΥT偏移，并且导致控制点在XT方向上移动的特伦德伦伯卧位旋转可以用于确定该控制点相对于该固定点的XT偏移。这结合来自方法500的θZ的先前知识被用于相对于控制点的已知位置沿着XT轴线和ΥT轴线来投影XT偏移和ΥT偏移，以确定台座坐标系440的XY中心，并且因此确定ΔXY。在一些示例中，可以通过与XY平面中的各种向量的投影一起研究来简化方程3的计算。
图7是根据一些实施例的XY配准手术台与计算机辅助设备的方法700的简化图。可以以存储在非暂时性的、有形的机器可读介质上的可执行代码的形式来至少部分地实现方法700的过程710-790中的一个或多个，这些机器可读介质在由一个或多个处理器(例如控制单元130中的处理器140)运行时可以导致该一个或多个处理器执行过程710-790中的一个或多个。在一些实施例中，方法700可以用于执行在该手术台(诸如手术台170、280和/或410)和该计算机辅助设备(诸如计算机辅助设备110、210、420和/或图8A-8G的任何计算机辅助设备)之间的部分配准。该部分配准可以确定台座坐标系(诸如台座坐标系305和/或440)和设备基座坐标系(诸如设备基座坐标系330和/或450)之间的ΔXY。
在过程710，检测手术台的合格运动。并不是计算机辅助设备的控制点(诸如远程运动中心)的所有运动都适合在方法700的配准期间使用。在一些示例中，合格运动可以是由于倾斜旋转而导致的控制点的水平移动或者是由于特伦德伦伯卧位旋转而导致的控制点的水平运动。在一些示例中，合格运动可以被确定为该控制点的净水平运动
Figure BDA0002096273200000264
或速度。在一些实施例中，该净水平运动或速度可以被低通滤波以减少由于除了手术台运动之外的运动源引起的控制点的振动和/或其他类似物的影响。在一些示例中，类似于在过程520期间执行的，运动长度阈值和/或相干性检查也可以用于确定净水平运动是否是合格运动。
在过程720处，确定第一手术台运动的第一角速度和第一旋转轴线。在一些示例中，该第一角速度和该第一旋转轴线定义第一旋转向量
Figure BDA0002096273200000265
在一些示例中，从在手术台和计算机辅助手术设备之间交换的描述该第一手术台运动是倾斜旋转还是特伦德伦伯卧位旋转和倾斜和/或特伦德伦伯卧位旋转的量的一个或多个消息中确定第一角速度和第一旋转轴线。在一些示例中，当第一手术台运动是倾斜旋转时，第一旋转轴线是XT轴线，并且当第一手术台运动是特伦德伦伯卧位旋转时，第一旋转轴线是ΥT轴线，如图6的示例中所示。
在过程730处，确定由于第一手术台位置而导致的控制点的第一移动。通过监测控制点的速度和/或该控制点的位置的变化确定该控制点的第一移动
Figure BDA0002096273200000261
在一些示例中，相应的铰接臂和/或操纵器的运动学模型连同关节传感器读数一起用于确定该控制点的第一移动
Figure BDA0002096273200000262
在过程740处，确定第二手术台运动的第二角速度和第二旋转轴线。该第二旋转轴线不同于第一旋转轴线。在一些示例中，第二角速度和第二旋转轴线定义第二旋转向量
Figure BDA0002096273200000279
在一些示例中，从在手术台和该计算机辅助手术设备之间交换的描述该第二手术台运动是倾斜旋转还是特伦德伦伯卧位旋转和倾斜和/或特伦德伦伯卧位旋转的量的一个或多个消息中确定第二角速度和第二旋转轴线。在一些示例中，当第二手术台运动是倾斜旋转时，第二旋转轴线是XT轴线，并且当第二手术台运动是特伦德伦伯卧位旋转时，第二旋转轴线是ΥT轴线，如图6的示例中所示。
在过程750处，确定由于该第二手术台位置而导致的控制点的第二移动。通过监测控制点的速度和/或该控制点的位置变化确定该控制点的第二移动
Figure BDA0002096273200000271
在一些示例中，相应的铰接臂和/或操纵器的运动学模型连同关节传感器读数一起用于确定该控制点的第二移动
Figure BDA0002096273200000272
在过程760处，确定XY配准。在一些示例中，通过首先使用在过程720和730期间确定的第一旋转向量
Figure BDA0002096273200000278
和第一控制点移动
Figure BDA0002096273200000277
来应用方程3以确定第一偏移，然后使用在过程740和750期间确定的第二旋转向量
Figure BDA0002096273200000276
和第二控制点移动
Figure BDA0002096273200000275
应用方程3以确定第二偏移来确定XY配准。因为该第一旋转轴线和第二旋转轴线是不同的，所以该第一偏移和第二偏移可以垂直于各自的旋转轴线并相对于控制点的位置来投影，以确定ΔXY形式的XY配准。在一些示例中，基于方法500的θZ配准来确定相对于控制点的位置投影第一偏移和第二偏移的方向。在图6的示例中，当第一旋转轴线和第二旋转轴线分别对应于XT轴线和ΥT轴线时，第一偏移和第二偏移分别对应于YT和XT偏移。在一些示例中，YT偏移和XT偏移分别沿着ΥT和XT轴线投影。在一些示例中，由于θZ配准，ΥT轴线和XT轴线的定向相对于设备坐标系450是已知的。在一些示例中，可以可选地使用
Figure BDA0002096273200000274
和
Figure BDA0002096273200000273
在XY平面中的投影。
在过程770处，将XY配准聚合。为了帮助降低XY配准中的不精确性和/或为了改善XY配准，将XY配准与其他XY配准值进行聚合，以确定复合XY配准值。在一些示例中，其他XY配准值可以可选地与该计算机辅助设备的其他控制点(诸如其他远程运动中心)相关联。在一些示例中，其他XY配准值可以可选地与相同控制点和/或其他控制点的一系列第一移动和/或第二移动相关联。以这种方式，复合XY配准随时间持续更新。在一些示例中，可以使用求平均函数来聚合XY配准。在一些示例中，可以使用指数平滑来聚合XY配准，以提供对稍后获得的XY配准值更加注重。在一些示例中，可以可选地使用随机性降低过程(如卡尔曼滤波和/或其他最小二乘估计量)来聚合XY配准值。
在可选过程780处，确定该复合XY配准是否已收敛。当复合XY配准在过程770期间聚合时，监测以确定该复合XY配准是否收敛到相当稳定的值。在一些示例中，当随着新的XY配准值被确定复合XY配准的增量变化低于阈值诸如20至40mm，(例如30mm)时，认为该复合XY配准是收敛的。当复合XY配准没有收敛时，通过重复过程710至770来确定附加XY配准值。当复合XY配准收敛时，使用过程790完成XY配准，并且使XY配准可用于计算机辅助设备的其他控制算法。
如以讨论并且在这里进一步强调的，图5和图7仅仅是不应过度地限制权利要求书的范围的一个实例。本领域的普通技术人员会认识到许多变化、替换和修改。根据一些实施例，不同于分别在过程510和580期间降低和恢复手术台的等中心点，而是可以可选地使用关于控制点和等中心点的附加信息来在考虑在确定手术台运动的角方向θT中的任何可能的180°相移。在一些示例中，将等中心点在台座坐标系中的高度与控制点在设备基座坐标系中的高度进行比较，并且当控制点的高度低于等中心点的高度时，将θT的值校正180°。在一些示例中，每当手术台的运动的旋转中心位于控制点之上时，就应用180°校正。
根据一些实施例，不同铰接臂的控制点的净运动的聚合可以可选地用作在过程520、730和/或750期间确定的净运动。在一些示例中，当多个铰接臂对接到患者时，每个铰接臂的一个或多个控制点的净运动被聚合以确定在方法500和/或方法700的其他过程中使用的净运动。在一些示例中，因为不同铰接臂的控制点之间的几何关系由于患者的解剖结构而大部分相对于彼此是固定的，所以合格的手术台运动类似地影响每个控制点。在一些示例中，控制点的净运动的聚合用于确定在过程520和/或720期间何时发生合格的手术台运动。在一些示例中，来自控制点的净运动的聚合用于在过程540期间确定控制点的聚合角方向θD，其然后用于在过程550期间确定θZ。在一些示例中，来自控制点的净运动的聚合用于在过程730和/或750期间确定控制点的聚合第一移动和/或第二移动，其然后用于在过程770期间确定XY配准。
在一些示例中，可以可选地使用求平均函数、指数平滑、卡尔曼滤波、最小二乘估计量和/或类似物来确定聚合。在一些示例中，当基于多个控制点的聚合在方法500和/或700中较早发生时，这可以简化在过程560和/或570期间执行的聚合。在一些示例中，当多个控制点的净运动的聚合与各个控制点的每个净运动一致时，可以可选地消除过程570和/或780的收敛测试。在一些示例中，当在各个控制点的净运动中的每一个与净运动的聚合之间不超过阈值差时，各个控制点的净运动可以与净运动的聚合一致。在一些示例中，该阈值差为百分之十或更小。
根据一些实施例，可以用不同的方式生成在方法500和/或700期间用于执行配准的合格运动。在一些示例中，合格运动可以由于例如可以由计算机辅助设备请求的手术台的一系列一个或多个测试和/或配准运动而发生。在一些示例中，选择该一系列测试运动以在确定θZ和/或ΔXY中实现迅速收敛。在一些示例中，合格运动由于监测由医务人员选择用来在手术期间定位手术台和/或患者的手术台运动以而发生。
根据一些实施例，第一旋转轴线和第二旋转轴线的变化可以可选地用于方法700。在一些示例中，第一旋转轴线和第二旋转轴线可以与XT轴线和ΥT轴线不同。在一些示例中，只要第一旋转轴线和第二旋转轴线间隔至少合适的角距离(例如30度)并且第一轴线和第二轴线与设备基座坐标系之间的定向已知，则方法700就被用于确定XY配准。在一些示例中，第一手术台运动和第二手术台运动发生的顺序是灵活的。在一些示例中，可以在特伦德伦伯卧位旋转之前使用倾斜旋转，和/或在倾斜旋转之前使用特伦德伦伯卧位旋转。
根据一些实施例，方法700可以用于执行解决倾斜配准或特伦德伦伯卧位配准的部分XY配准。在一些示例中，方法700可以被修改以单独地确定和/或聚合从倾斜旋转导出的偏移和从特伦德伦伯卧位旋转导出的偏移。在一些示例中，从倾斜旋转和特伦德伦伯卧位旋转导出的单独的偏移被组合以确定整体XY配准。在一些示例中，状态变量可以可选地用于确定从倾斜旋转和特伦德伦伯卧位旋转导出的偏移中的一个或两个是否独立地收敛。
根据一些实施例，只要手术台的基座和计算机辅助设备的基座相对于彼此保持固定，则在方法500和/或700期间确定的配准就保持有效。在一些示例中，每当手术台的基座和/或计算机辅助设备的基座移动时(诸如当一个或多个足部、轮和/或安装夹具被解锁时可能发生的)就重复方法500和/或700以重新建立配准。在一些示例中，可以通过监测序列号和追踪与任意一个轮的旋转的与每个轮相关联的旋转编码器和/或旋转计数器来确定手术台的基座和/或计算机辅助设备的基座中任意一个的移动，该序列号追踪足部、轮和安装夹具锁中的每一个被接合和/或脱离的次数。任何序列号的改变提供手术台的基座和/或计算机辅助设备的基座的移动已经发生或正在发生的指示。
在一些实施例中，只要手术台和计算机辅助设备之间的通信不丢失、手术台和/或计算机辅助设备的电力不丧失、手术台和/或计算机辅助设备不复位等，则在方法500和/或700期间确定的配准保持有效。根据一些实施例，在过程580完成之后，方法500可以终止，并且配准被视为完成。
控制单元的一些示例(诸如控制单元130)可以包括非瞬时的、有形的机器可读介质，其包括当由一个或更多个处理器(例如处理器140)运行时可以导致一个或更多个处理器执行方法500和/或方法700的过程的可执行代码。可以包括方法500和/或方法700的步骤的一些普通形式的机器可读介质例如是软盘、软磁盘、硬盘、磁带、任何其他磁性介质、CD-ROM、任何其他光学介质、穿孔卡、纸带、具有孔洞图案的任何其他物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM、任何其他存储器芯片或盒、和/或处理器或计算机适于读取的任何其他介质。
尽管说明性实施例已被示出并描述，但在前面的公开中设想了许多的修改、变化和替换，并且在某些情况下，实施例的某些特征可以被采用而无需其他特征的对应使用。本领域的普通技术人员会认识到许多变化、替换和修改。因而，本发明的范围应仅受到以下权利要求书所限制，并且应领会到，应宽泛地并且是以一种与本文公开的实施例的范围相一致的方式来解释权利要求书。

Claims (19)

1.一种计算机辅助医疗系统，包括：
包含铰接臂的计算机辅助医疗设备，所述铰接臂被配置为具有远端安装的器械，其中所述远端安装的器械被配置为插入位于台上的患者体内；和
联接到所述铰接臂的控制单元；
其中所述控制单元被配置成：
检测所述台的第一运动，所述台的所述第一运动包括围绕第一轴线的第一旋转，所述台的所述第一运动引起所述计算机辅助医疗设备的控制点的相应的第二运动；
检测所述台的第三运动，所述台的所述第三运动包括围绕第二轴线的第二旋转，所述台的所述第三运动引起所述控制点的相应的第四运动，所述第二轴线不同于所述第一轴线；
基于所述第一旋转和所述控制点的所述第二运动确定所述控制点和所述第一轴线之间的第一偏移；
基于所述第二旋转和所述控制点的所述第四运动确定所述控制点和所述第二轴线之间的第二偏移；以及
基于所述控制点的位置以及所述第一偏移和所述第二偏移确定所述计算机辅助医疗设备和所述台之间的配准。
2.如权利要求1所述的计算机辅助医疗系统，其中所述第一偏移是所述控制点和所述第一轴线之间的垂直距离。
3.如权利要求1所述的计算机辅助医疗系统，其中所述第一偏移和所述第二偏移沿着由所述台和所述计算机辅助医疗设备之间的角度关系所确定的相应方向投影。
4.如权利要求1-3中任一项所述的计算机辅助医疗系统，其中所述第一轴线和所述第二轴线具有至少30度的角间距。
5.如权利要求1-3中任一项所述的计算机辅助医疗系统，其中所述第二运动是所述计算机辅助医疗设备的多个铰接臂中的每一个的一个或多个控制点的运动的聚合，并且所述第四运动是所述计算机辅助医疗设备的所述多个铰接臂中的每一个的所述一个或多个控制点的所述运动的聚合。
6.如权利要求1-3中任一项所述的计算机辅助医疗系统，其中：
所述控制单元进一步被配置为将所述配准与其他配准聚合以形成复合配准；并且
所述其他配准对应于：
由于附加的台运动而导致的在所述台和所述计算机辅助医疗设备之间的配准；或者
使用所述计算机辅助医疗设备的其他控制点所确定的所述台和所述计算机辅助医疗设备之间的配准。
7.如权利要求1-3中任一项所述的计算机辅助医疗系统，其中所述控制单元还被配置为基于所述配准生成台到计算机辅助医疗设备变换。
8.一种配准台和计算机辅助医疗设备的方法，所述方法包括：
检测所述台的第一运动，所述台的所述第一运动包括围绕第一轴线的第一旋转，所述台的所述第一运动引起所述计算机辅助医疗设备的控制点的相应的第二运动；
检测所述台的第三运动，所述台的所述第三运动包括围绕第二轴线的第二旋转，所述台的所述第三运动引起所述控制点的相应的第四运动，所述第二轴线不同于所述第一轴线；
基于所述第一旋转和所述控制点的所述第二运动确定所述控制点和所述第一轴线之间的第一偏移；
基于所述第二旋转和所述控制点的所述第四运动确定所述控制点和所述第二轴线之间的第二偏移；以及
基于所述控制点的位置以及所述第一偏移和所述第二偏移确定所述计算机辅助医疗设备和所述台之间的XY配准。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述第一偏移是所述控制点和所述第一轴线之间的垂直距离。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述第一偏移和所述第二偏移沿着由所述台和所述计算机辅助医疗设备之间的角度关系所确定的相应方向投影。
11.如权利要求8-10中任一项所述的方法，其中所述第一轴线和所述第二轴线具有至少30度的角间距。
12.一种计算机辅助医疗系统，包括：
包含铰接臂的计算机辅助医疗设备，所述铰接臂被配置为具有远端安装的器械，其中所述远端安装的器械被配置为插入位于台上的患者体内；和
联接到所述铰接臂的控制单元；
其中所述控制单元被配置成：
经由与所述台的通信连接检测所述台的第一运动，所述台的所述第一运动引起所述铰接臂的控制点的相应的第二运动；
基于所述第一运动和所述第二运动确定所述台和所述计算机辅助医疗设备之间的角度关系；
经由所述通信连接检测所述台的第三运动，所述台的所述第三运动包括围绕第一轴线的第一旋转，所述台的所述第三运动引起所述控制点的相应的第四运动；
检测所述台的第五运动，所述台的所述第五运动包括围绕第二轴线的第二旋转，所述台的所述第五运动引起所述控制点的相应的第六运动，所述第二轴线不同于所述第一轴线；以及
基于所述控制点的位置、所述第一旋转、所述控制点的所述第四运动、所述第二旋转、以及所述控制点的所述第六运动确定所述计算机辅助医疗设备和所述台之间的配准。
13.如权利要求12所述的计算机辅助医疗系统，其中为了确定所述台和所述计算机辅助医疗设备之间的所述角度关系，所述控制单元被配置成：
确定所述第一运动在台坐标系中的第一角方向；
确定所述第二运动在计算机辅助医疗设备坐标系中的第二角方向；以及
基于所述第一角方向和所述第二角方向确定所述台和所述计算机辅助医疗设备之间的所述角度关系。
14.如权利要求12所述的计算机辅助医疗系统，其中为了确定所述台和所述计算机辅助医疗设备之间的所述配准，所述控制单元被配置成：
基于所述第一旋转和所述控制点的所述第四运动来确定所述控制点和所述第一轴线之间的第一垂直距离；
基于所述第二旋转和所述控制点的所述第六运动来确定所述控制点和所述第二轴线之间的第二垂直距离；以及
基于所述控制点的位置以及所述第一垂直距离和所述第二垂直距离来确定所述计算机辅助医疗设备和所述台之间的配准。
15.如权利要求12-14中任一项所述的计算机辅助医疗系统，其中所述第一轴线和所述第二轴线具有至少30度的角间距。
16.一种配准台和计算机辅助医疗设备的方法，所述方法包括：
经由所述台和所述计算机辅助医疗设备之间的通信连接来检测所述台的第一运动，所述台的所述第一运动引起所述计算机辅助医疗设备的铰接臂的控制点的相应的第二运动；
基于所述第一运动和所述第二运动确定所述台和所述计算机辅助医疗设备之间的角度关系；
经由所述通信连接检测所述台的第三运动，所述台的所述第三运动包括围绕第一轴线的第一旋转，所述台的所述第三运动引起所述控制点的相应的第四运动；
检测所述台的第五运动，所述台的所述第五运动包括围绕第二轴线的第二旋转，所述台的所述第五运动引起所述控制点的相应的第六运动，所述第二轴线不同于所述第一轴线；以及
基于所述控制点的位置、所述第一旋转、所述控制点的所述第四运动、所述第二旋转、以及所述控制点的所述第六运动来确定所述计算机辅助医疗设备和所述台之间的配准。
17.如权利要求16所述的方法，其中确定所述台和所述计算机辅助医疗设备之间的所述角度关系包括：
确定所述第一运动在台坐标系中的第一角方向；
确定所述第二运动在计算机辅助医疗设备坐标系中的第二角方向；以及
基于所述第一角方向和所述第二角方向确定所述台和所述计算机辅助医疗设备之间的所述角度关系。
18.如权利要求16所述的方法，其中确定所述台和所述计算机辅助医疗设备之间的所述配准包括：
基于所述第一旋转和所述控制点的所述第四运动来确定所述控制点和所述第一轴线之间的第一垂直距离；
基于所述第二旋转和所述控制点的所述第六运动来确定所述控制点和所述第二轴线之间的第二垂直距离；以及
基于所述控制点的位置以及所述第一垂直距离和所述第二垂直距离来确定所述计算机辅助医疗设备和所述台之间的配准。
19.如权利要求16-18中任一项所述的方法，其中所述第一轴线和所述第二轴线具有至少30度的角间距。
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