CN110868937A - 与声学探头的机器人仪器引导件集成 - Google Patents

与声学探头的机器人仪器引导件集成 Download PDF

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Abstract

一种用于与介入设备(60)一起应用的机器人声学探头。所述机器人声学探头采用声学探头(20)，所述声学探头包括成像平台(21)并且还包括声学换能器阵列(25)，所述成像平台具有定义设备插入端口入口(23)和设备插入端口出口(24)的设备插入端口(22)，所述声学换能器阵列相对于所述设备插入端口出口(24)被设置。所述机器人声学探头还采用机器人仪器引导件(40)，所述机器人仪器引导件包括基座(41)和末端执行器(45)，所述基座相对于所述设备插入端口入口(23)被安装到所述成像平台(21)，所述末端执行器被耦合到所述基座(41)并且能相对于远程运动中心(49)在多个姿态之间转变。所述末端执行器(45)定义延伸通过所述设备插入端口(22)的介入设备轴线(48)，并且所述远程运动中心(49)邻近所述设备插入端口出口(24)定位在所述介入设备轴线(48)上。

Description

与声学探头的机器人仪器引导件集成
技术领域
本公开的发明总体上涉及机器人控制的介入设备的声学引导(例如，机器人控制的针、导入器、观察仪器等的超声引导)。
本公开的发明更具体地涉及机器人仪器引导件与声学探头的集成以便提高机器人控制的介入设备的声学引导。
背景技术
在超声引导的经皮针活检中，靶向有挑战性的病变会是耗时的。紧张的时间约束可能在多数情况下对深深地位于器官中或靠近关键解剖结构或两者的穿刺病变来说是关键的。这样的病变可能涉及平面外的倾斜的针轨迹，因此对实践者展示始终将针保持在视场中所需的良好的手眼协调以及成像技巧提出挑战。大视场超声体积图像可能会对平面外的针轨迹以及术中情况的更好理解实用。此外，与大视场超声集成在一起的针的机器人控制可能会对针围绕皮肤入口点的回转和/或针在皮肤入口点内的平移实用。
发明内容
本公开的发明提供了一种具有能定位在患者解剖结构的皮肤入口点处的远程运动中心(RCM)以便获得更直观且更安全的介入程序的机器人声学探头。
本公开的发明的一个实施例是一种采用声学探头和机器人仪器引导件的机器人声学探头。
所述声学探头包括成像平台，并且还包括声学换能器阵列，所述成像平台具有定义设备插入端口入口和设备插入端口出口的设备插入端口，所述声学换能器阵列相对于所述设备插入端口出口被设置(例如，所述声学换能器阵列环绕所述设备插入端口出口)。
所述机器人仪器引导件包括基座，并且还包括末端执行器，所述基座相对于所述设备插入端口入口被安装到所述成像平台，所述末端执行器被耦合到所述基座并且能相对于远程运动中心在多个仪器姿态之间转变。
所述末端执行器定义延伸通过所述设备插入端口的介入设备轴线，并且所述远程运动中心邻近所述设备插入端口出口被定位在所述介入设备轴线上。
本公开的发明的第二实施例是一种机器人声学系统，其采用前面提到的机器人声学探头的实施例并且还采用用于控制末端执行器相对于远程运动中心在多个仪器姿态之间的转变的机器人仪器引导件控制器。
所述末端执行器相对于所述远程运动中心在所述多个仪器姿态之间的所述转变可以包括所述末端执行器围绕所述远程运动中心的回转和/或所述末端执行器沿着所述介入设备轴线的平移。
所述机器人仪器引导件控制器可以根据通过所述声学换能器阵列对患者解剖结构的超声体积成像、通过成像模态对所述患者解剖结构的模态体积成像和/或所述机器人仪器引导件在跟踪坐标系内的位置跟踪来导出对所述末端执行器相对于所述远程运动中心在所述多个仪器姿态之间的所述转变的控制。
本公开的发明的第三实施例是一种利用前面提到的机器人声学探头的实施例的介入方法。
所述介入方法涉及对所述机器人声学探头相对于患者解剖结构的皮肤入口点的定位，其中，所述远程运动中心与所述皮肤入口端口一致。
在此之后，所述介入方法还涉及通过所述声学换能器阵列对所述患者解剖结构的超声体积成像，和/或所述末端执行器相对于所述远程运动中心在所述多个仪器姿态之间的转变。
出于描述并请求保护本公开的发明的目的：
(1)本公开的领域的包括但不限于“声学换能器”、“端口”、“姿态”、“臂”、“弧”、“回转接头”、“末端执行器”和“体积成像”的术语应如在本公开的领域中已知和在本公开中示范性地描述的那样进行理解；
(2)术语“声学探头”宽泛地涵盖如本公开的领域中已知和下文构想的在结构上被布置有相对于用于将介入设备插入患者解剖结构内的设备插入端口被定位的声学换能器阵列的所有声学探头；
(3)术语“成像平台”宽泛地涵盖支持用于通过声学换能器阵列对对象的超声体积成像的声学探头的定位的任何类型的结构。成像平台的范例包括基底、CMUT和探头手柄；
(4)术语“声学换能器阵列”宽泛地涵盖用于对声学换能器的视场内的对象的超声体积成像的多个声学换能器的任何类型的装置；
(5)术语“机器人仪器引导件”宽泛地涵盖如本公开的领域中已知和下文构想的在结构上被布置有具有在远程运动中心(RCM)处相交的旋转轴线的两个或更多个回转接头的所有仪器引导件；
(6)如与远程运动中心和设备插入端口出口相关的术语“邻近”宽泛地涵盖远程运动中心和设备插入端口出口的空间定位，其中远程运动中心可以与患者解剖结构的皮肤入口点一致，包括远程运动中心邻近设备插入端口在设备插入端口内部、远程运动中心位于设备插入端口出口的平面内、以及远程运动中心邻近设备插入端口在设备插入端口外部。
(7)术语“介入设备”要如本公开的领域中已知的被宽泛地解读，包括在本公开之前已知和在本公开之后构想的介入设备。介入设备的范例包括但不限于血管介入工具(例如，导丝、导管、支架鞘、球囊、粥样斑块切除导管、IVUS成像探头、部署系统等)、腔内介入工具(例如，内窥镜、支气管镜等)和矫形介入工具(例如，克氏针(K-wire)和螺丝刀)；
(8)术语“介入成像系统”宽泛地涵盖如本公开的领域中已知的和在下文中构想的用于在介入程序期间对患者解剖结构进行术前和/或术中成像的所有成像系统。介入成像系统的范例包括但不限于独立的x-射线成像系统、移动x-射线成像系统、超声体积成像系统(例如，TEE、TTE、IVUS、ICE)、计算机断层摄影(“CT”)成像系统(例如，锥束CT)、正电子发射断层摄影(“PET”)成像系统和磁共振成像(“MRI”)系统；
(9)术语“位置跟踪系统”宽泛地涵盖如本公开的领域中已知的和在下文中构想的用于跟踪对象在坐标空间内的位置(例如，定位和取向)的所有跟踪系统。位置测量系统的范例包括但不限于电磁(“EM”)测量系统(例如，
Figure BDA0002357845970000031
电磁测量系统)、基于光纤的测量系统(例如，光纤RealShapeTM(“FORS”)测量系统)、超声测量系统(例如，原位或基于图像的US测量系统)、光学测量系统(例如，北极星光学测量系统)、射频识别测量系统和磁性测量系统；
(10)术语“控制器”宽泛地涵盖如在本公开中示范性地描述的用于控制本公开的各种发明原理的应用的专用主板或专用集成电路的所有结构配置。所述控制器的结构配置可以包括但不限于(一个或多个)处理器、(一个或多个)计算机可用/计算机可读存储介质、操作系统、(一个或多个)应用模块、(一个或多个)外围设备控制器、(一个或多个)接口、(一个或多个)总线、(一个或多个)槽和(一个或多个)端口。如本文中用于本公开的具体控制器的描述性标签出于识别目的而将在本文中描述和要求保护的具体控制器与(一个或多个)其他控制器区分开，而不指定或暗示对术语“控制器”的任何附加限制；
(11)术语“应用模块”宽泛地涵盖包括用于执行特定应用的电路和/或可执行程序(例如，被存储在(一个或多个)非瞬态计算机可读介质上的可执行软件和/或固件)的控制器的部件。如本文中用于本公开的具体应用模块的描述性标签出于识别目的而将在本文中描述和要求保护的具体应用模块与(一个或多个)其他应用模块区分开，而不指定或暗示对术语“应用模块”的任何附加限制；并且
(12)术语“信号”、“数据”和“命令”宽泛地涵盖如在本公开的领域中理解和如在本公开中示范性描述的用于发送支持应用如随后在本公开中描述的本公开的各种发明原理的信息和/或指令的所有形式的可检测物理量或脉冲(例如，电压、电流或磁场强度)。本公开的各种部件之间的信号/数据/命令通信可以涉及如在本公开的领域中已知的任何通信方法，包括但不限于通过任何类型的有线或无线数据链路的信号/数据/命令发送/接收和被上传到计算机可用/计算机可读存储介质的信号/数据/命令的读取。如本文中用于本公开的具体信号/数据/命令的描述性标签出于识别目的而将在本文中描述和要求保护的具体信号/数据/命令与(一个或多个)其他信号/数据/(一个或多个)命令区分开，而不指定或暗示对术语“信号”、“数据”和“命令”的任何附加限制。
结合附图阅读本公开的发明的各种实施例的以下详细描述，本公开的发明的前述实施例和其他实施例以及本公开的各种特征和优点将变得更加显而易见。详细描述和附图仅仅是对本公开的发明的说明而非限制，本公开的发明的范围由随附权利要求及其等价方案限定。
附图说明
图1图示了根据本公开的发明原理的机器人声学系统的示范性实施例。
图2A-2C图示了根据本公开的发明原理的声学探头的第一示范性实施例。
图3A-3C图示了根据本公开的发明原理的声学探头的第一示范性实施例。
图4图示了根据本公开的发明原理的机器人仪器引导件的示范性实施例。
图5A-5E图示了根据本公开的发明原理的图4的机器人仪器引导件的各种姿态的顶视图。
图6图示了根据本公开的发明原理的图1的机器人声学系统的超声引导的示范性实施例。
图7图示了根据本公开的发明原理的图1的机器人声学系统的体积引导的示范性实施例。
图8图示了根据本公开的发明原理的图1的机器人声学系统的位置跟踪示范性实施例。
具体实施方式
为了便于本公开的各种发明的理解，图1-6的以下描述教导了根据本公开的发明原理的机器人声学探头和机器人声学系统的实施例。根据该描述，本领域普通技术人员将意识到如何实践根据本公开的发明原理的机器人声学探头和机器人声学系统的各种和许多实施例。
而且根据该描述，本领域普通技术人员将意识到在利用本公开的机器人声学引导件的许多和各种类型的机器人控制的图像引导的介入中包含本公开的机器人声学系统。
这种图像引导的介入的范例包括但不限于：
1.涉及细长介入仪器的图像引导的介入放射学程序(例如，涉及活检针、消融天线、脊柱针等的肝脏病变、射频/微波消融、表面接合注射、神经阻滞的靶向、经皮活检等的不可逆电穿孔)；
2.涉及用于经心尖进入的导入器设备和闭合设备的针对结构性心脏疾病的经心尖介入(例如，三尖瓣瓣环植入、经心尖主动脉瓣置换、经心尖经导管二尖瓣置换等)；以及
3.涉及特别地用于大约3.5mm的直径的皮肤入口点的微型腹腔镜的腹腔镜程序(例如，微型腹腔镜胆囊切除术，微型腹腔镜阑尾切除术、不同类型的微型腹腔镜儿科外科手术、微型视频辅助的胸外科手术等)。
参考图1，本公开的机器人声学系统10采用机器人声学探头，其包括声学探头20和被安装到声学探头20上的机器人仪器引导件40。
声学探头20具有成像平台21的结构布置，该成像平台具有设备插入端口22，该设备插入端口具有设备插入端口入口22和设备插入端口出口24，用于沿着延伸通过设备插入端口22的仪器设备轴线48插入如被机器人仪器引导件40保持的介入设备60。
如将在本公开中进一步示范性地描述的，在操作中，机器人仪器引导件40被安装到声学探头20上，例如，通过机器人仪器引导件40的基座41到声学探头20的成像平台21的附接或耦合。引导件40到探头20上的安装沿着仪器设备轴线48邻近设备插入端口出口23建立机器人仪器引导件40的远程运动中心49的位置，以由此便于远程运动中心49与进入患者解剖结构中的皮肤入口端口的一致对齐。
在实践中，成像平台21和设备插入端口22可以具有任何几何形状，并且成像平台21可以是适合于任何介入程序或(一个或多个)具体介入程序的任何材料成分。
而且在实践中，成像平台21可以具有适合于将机器人仪器引导件40的基座41安装到成像平台21上的任何配置，如将在本公开中进一步描述的。
声学探头20还具有由成像平台21支撑并且相对于插入端口出口23被设置以便执行对声学换能器阵列25的视场25内的任何对象的超声体积成像的声学换能器阵列25的结构布置。更具体地，如本公开的领域中已知的，系统10的声学探头控制器30将换能器激励信号32传递到声学换能器阵列25，以由此激励声学换能器阵列25发射和接收超声波，其中，声学探头20将回波数据33传递到声学探头控制器30以便生成视场25内的任何对象的超声体积图像31。
除了便于引导件40到探头20上的安装之外，在实践中，成像平台21在结构上被配置为手动地或以机器人方式定位声学探头20以便通过声学换能器阵列25对患者解剖结构进行超声体积成像。例如，成像平台可以在结构上是可定位在患者解剖结构上的基底/CMUT、或被手动地或以机器人方式保持在患者解剖结构上的探头手柄的形式。
在实践中，声学换能器阵列25可以包括声学收发器、或声学发射器的子阵列和声学接收器的子阵列。
图2A-2C图示了声学探头20(图1)的示范性实施例20a。参考图2A-2C，声学探头20a包括基底形式的成像平台21a，其被构建为具有在图2A中示出的顶部表面和在图2C中示出的底部表面的盘。设备插入端口22a穿过成像平台21a，并且从被形成在成像平台21a的顶部表面上的圆形设备插入点入口23a到被形成在成像平台21a的底部表面上的圆形设备插入端口出口24a渐缩。
声学换能器的阵列25a被支撑在成像平台21a的底部表面上，并且被设置在设备插入端口出口24a周围。声学换能器阵列25a可以如本公开的领域中已知的那样被激励，以在声学探头20a的视场26a内发射和接收超声波。
一对钩状物27被提供在成像平台21a的顶部表面上以便于将声学探头20a捆绑在患者周围。
成像平台21a可以经由被嵌入在成像平台21a中的独特的夹子或锁来支撑机器人仪器引导件50(图1)的安装。
图3A-3C图示了声学探头20(图1)的又一示范性实施例20b。参考图3A-3C，除了设备插入端口22b穿过成像平台21a并且从被形成在成像平台21a的顶部表面上的细长设备插入点入口23b到被形成在成像平台21a的底部表面上的细长设备插入端口出口24b渐缩，声学探头20b与声学探头2a(图2A-2C)相同。
回来参考图1，机器人仪器引导件40具有基座41、两(2)个或更多个臂/弧43、(1)个或多个回转接头44和末端执行器45的结构布置，以便如本公开的领域中已知的那样定义通过回转接头44的旋转轴线与末端执行器45的相交建立的RCM 49。
在实践中，基座41、臂/弧43和(一个或多个)回转接头44、以及末端执行器45的结构布置可以适合于任何介入程序或(一个或多个)具体介入程序。
而且在实践中，基座41具有适合于附接到声学探头20的成像平台21的结构配置，如将在本公开中示范性地描述的。在一个实施例中，基座41可以包括垂直平移接头42a和/或水平平移接头42b，以分别用于相对于声学探头20的设备插入端口23垂直地和/或水平地平移末端执行器45，同时维持仪器设备轴线48延伸通过设备插入端口22并且RCM 49邻近设备插入端口出口24被定位在轴线48上。
另外在实践中，(一个或多个)介入设备60包括适合于被末端执行器45保持的任何类型的介入设备。介入设备60的范例包括但不限于活检针、消融天线、脊柱针、导入器和闭合设备、以及微型腹腔镜。在一个实施例中，末端执行器45因此可以具有适合于保持具体介入程序的结构配置。在另一实施例中，机器人仪器引导件40可以包括许多可改变的仪器设备适配器46，其中每个适配器46在结构上被配置为适应不同类型的(一个或多个)介入设备60，其中，末端执行器45可重新配置为包括适配器46中的任何一个。
而且在实践中，末端执行器45可以包括轴线平移接头47，以由此沿着仪器设备轴线49平移末端执行器45，以便控制被末端执行器45保持的任何介入设备60在准备用于通过声学探头20进行成像的患者解剖结构内的深度。
仍然参考图1，如本公开的领域中已知的，系统10的机器人仪器引导件控制器50接收指示末端执行器45在环绕机器人仪器引导件40的工作空间51内的姿态的信息的回转接头数据52，其中，机器人仪器引导件控制器50可以使末端执行器45在工作空间51内在多个姿态之间转变。
在实践中，一个或所有回转接头43可以是机动化的，其中，机器人仪器引导件控制器50可以将机器人致动命令53传递到(一个或多个)机动化回转接头44，以便致动(一个或多个)机动化回转接头44以将末端执行器45转变到工作空间51内的期望姿态。
而且在实践中，一个或所有回转接头43可以是机械的，其中，机器人仪器引导件控制器50可以发送要被显示的机器人致动数据54，其中，操作者可以手动地致动(一个或多个)回转接头44以将末端执行器45转变到工作空间51内的期望姿态。
图4图示了采用基座41a、可围绕旋转轴线144a旋转的初级回转接头44a、可围绕旋转轴线144b旋转的二级回转接头44b、支撑弧43a以及与末端执行器45a集成在一起的仪器弧43b的示范性机器人仪器引导件40a，所述末端执行器具有用于沿着仪器设备轴线48a保持介入设备(未示出)的适配器46a。支撑弧43a被同心地连接到回转接头44a和回转接头44b，并且仪器弧43b被同心地连接到回转接头44b。更具体地，
1.旋转轴线144a、144b和48在机器人仪器引导件40a的远程运动中心49a处相交，
2.支撑弧43a的基弧长度θB在旋转轴线144a与144b之间延伸，
3.仪器弧43b的延伸弧长度θE1在旋转轴线144a与仪器设备轴线48a之间延伸，
4.初级回转接头44a的机动化或机械致动器可以被操作为使弧43a和43b围绕旋转轴线144a共同旋转期望的
Figure BDA0002357845970000091
度，以控制末端执行器45a在工作空间内在多个姿态(分别在图5A-5C中示出的姿态P1-P3)之间的宽泛移动，以及
5.二级回转接头44b的机动化或机械致动器可以被操作为使仪器弧43b围绕旋转轴线144b旋转期望的
Figure BDA0002357845970000092
度，以控制末端执行器45a在工作空间内在多个姿态(分别在图5A、5D和5C中示出的姿态P1、P4和P5)之间的靶向移动。
如在图4中示出的，基座41a可以包含垂直平移接头42a(图1)和/或水平平移接头42b(图1)，以将远程运动中心49a移动到相对于声学探头的设备插入端口出口的期望位置，如之前在本文中描述的。同时地或备选地，初级回转接头44a可以包含垂直平移接头和/或水平平移接头，以将远程运动中心49a移动到相对于声学探头的设备插入端口出口的期望位置。
回来参考图1，在系统10的一个超声引导的介入程序实施例中，声学探头控制器30和机器人仪器引导件控制器50鉴于通过声学探头20的体积超声体积成像协作地实施介入设备60的机器人控制。
一般地，在介入程序的执行中，声学探头控制器30基于经由线缆从声学探头20的声学换能器阵列接收的回波数据33生成指示患者解剖结构的体积超声体积成像的信息的超声体积图像数据34，并且将超声体积图像数据34传递到机器人仪器引导件控制器50，其中，控制器50根据需要生成到机器人仪器引导件40的回转接头的机器人致动命令以致动机器人仪器引导件40的末端执行器45a到工作空间内的期望姿态的机动化转变，或根据需要生成用于显示的机器人致动数据，以由此提供关于机器人仪器引导件40的末端执行器45到工作空间内的期望姿态的机械转变的致动的信息。
图6图示了系统10的示范性超声引导的介入程序实施例10a。
参考图6，工作站90包括如本公开的领域中已知的监视器91、键盘92和计算机93的布置。
声学探头控制器30a和机器人仪器引导件控制器50a被安装在计算机93中，并且每个控制器可以包括经由一个或多个系统总线互相连接的处理器、存储器、用户接口、网络接口和存储设备。
处理器可以是如在本公开的领域中已知或在下文中构想的能够执行被存储在存储器或存储设备中的指令或以其他方式处理数据的任何硬件设备。在非限制性范例中，处理器可以包括微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用电路(ASIC)或其他类似的设备。
存储器可以包括如在本公开的领域中已知或在下文中构想的各种存储器，包括但不限于L1、L2或L3高速缓冲存储器或系统存储器。在非限制性范例中，存储器可以包括静态随机存取存储器(SRAM)、动态RAM(DRAM)、闪速存储器、只读存储器(ROM)或其他类似的存储器设备。
用户接口可以包括如在本公开的领域中已知或在下文中构想的用于实现与诸如管理员的用户通信的一个或多个设备。在非限制性范例中，用户接口可以包括可以经由网络接口被呈现给远程终端的命令行接口或图形用户接口。
网络接口可以包括如在本公开的领域中已知或在下文中构想的用于实现与其他硬件设备通信的一个或多个设备。在非限制性范例中，网络接口可以包括被配置为根据以太网协议进行通信的网络接口卡(NIC)。此外，网络接口可以实施用于TCP/IP协议进行通信的TCP/IP栈。用于网络接口的各种备选的或额外的硬件或配置将是显而易见的。
存储设备可以包括如在本公开的领域中已知或在下文中构想的一个或多个机器可读存储介质，包括但不限于只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光学存储介质、闪速存储器设备或类似的存储介质。在各种非限制性实施例中，存储设备可以存储用于由处理器执行的指令或处理器可以对其进行操作的数据。例如，存储设备可以存储用于控制硬件的各种基本操作的基本操作系统。存储设备还可以存储以可执行软件/固件的形式的一个或多个应用模块。
备选地，声学探头控制器30a和机器人仪器引导件控制器50a可以被集成为被安装在计算机93上。
对于该实施例，如与本公开的机器人声学探头有关的介入程序的第一步骤是机器人仪器引导件40a在声学探头20a顶上的安装位置中到声学探头20a的附接。该附接通过被嵌入在声学探头20a的基底外壳中的独特的夹子或锁和自粘胶带来实现。对独特的夹子的使用提供了机器人仪器引导件40a相对于声学探头20a的位置，并且因此根据机器人声学探头的校准来获知超声体积图像空间与机器人工作空间之间的映射。
在实践中，机器人声学探头的校准可以如本公开的领域中已知的那样被执行。例如，在安装之后，以下校准步骤可以被执行。
第一，控制器50a将保持指针工具的末端执行器45a移动到n位置，并且获取使用正向运动学计算的末端执行器位置T(取向和平移)。
第二，声学探头20a被定位在超声体模(例如，明胶介质)(未示出)上，其中，工具被插入到超声体模内相对于先前获取的末端执行器位置T的特定深度。如果引导件40a提供控制插入深度的自由度，则控制器50a使用正向运动学来获得末端执行器的顶端。否则，从最终末端执行器位置(平移)到工具的顶端的偏移必须被测量。
第三，控制器30a获取在超声体积图像上分割的工具顶端(p)的位置，
第四，头三(3)个步骤被重复，为了更高的准确性，优选多于三(3)次迭代，
第五，控制器50a使用如本公开的领域中已知的基于点的配准方法来计算配准矩阵。在基于点的配准中利用的点包括(1)通过测量的偏移和工具取向轴线投影的获取的末端执行器位置和(2)在US图像工具顶端位置中分割的目标点。如果插入深度被致动，那么末端执行器位置可以直接用于基于点的配准中。
仍然参考图5，在校准后，具有被安装在其上的机器人仪器引导件的声学探头20a被定位在患者解剖结构100上，其中，声学耦合通过实践者朝向患者皮肤牢固地推动声学探头20a来确保。
控制器30a此后被操作为控制对包含感兴趣点(例如，病变)的器官或其他内部结构的超声体积成像。根据该图像，目标位置在体积超声体积图像上被手动地定义(例如，病变位置)，或目标位置使用本公开的领域中已知的方法(例如，基于区域的分割、阈值化分割、基于模型的分割或基于机器学习的分割)从体积超声体积图像被自动地分割。
目标位置一被定义，介入工具60a(例如，针)的入口点就通过与皮肤入口点一致的RCM 49a的设计来约束，其中，控制器50a使用机器人运动学自动地将末端执行器45a移动到用于实现介入工具60a进入患者解剖结构100中的期望轨迹的姿态。
在一个实施例中，控制器50a可以实施如本公开的领域中已知的视觉伺服技术。例如，目标位置在体积超声体积图像内被用户选择或被自动地选择，并且控制器50a通过使用视觉伺服来控制末端执行器45a到用于实现介入工具60a进入患者解剖结构100中的期望轨迹的姿态的转变，所述视觉伺服控制末端执行器45a相对于通过内窥镜观察的图像特征的姿态。末端执行器45a在超声体积图像空间中的位置由控制器50a根据之前在上面描述的校准过程来知晓。该方法也可以被应用于内窥镜程序，其中腹腔镜被仪器引导件保持，并且腹腔镜图像上的目标的移动更新内窥镜的位置。
对于这种视觉伺服，因为目标位置由于呼吸运动而移动，控制器50a能够通过跟随图像特征来调整末端执行器的姿态。
在另一实施例中，介入程序可以需要多个设备轨迹(例如，射频消融或不可逆电穿孔可以需要多个针轨迹)。这样的程序可以专门利用例如通过如本公开的领域中已知的那样拼接若干单个超声体积(例如，声学探头20a在患者解剖结构100的成像场景上的机动化扫描)创建的体积超声体积图像来完成。这可以通过由外部跟踪设备跟踪声学探头20a或通过使用如本公开的领域中已知的基于图像的配准来实现。
更具体地，声学探头20a在感兴趣区域上扫过，以由此获取感兴趣区域的若干体积超声体积图像。
接下来，控制器30a经由如本公开的领域中已知的体积超声体积图像的基于图像的图像拼接来创建复合图像。
第三，控制器30a经由如本公开的领域中已知的监视器94控制对复合图像上的多个轨迹的用户定义。用户也可以定义要经由轨迹避免的对象(例如，肋骨和血管)。
第四，具有被安装到其的引导件40a的声学探头20a在相同的感兴趣区域上被移动。该术中体积超声体积图像然后由控制器50c使用如本公开的领域中已知的配准技术(例如，基于互信息的配准)配准到复合图像。
声学探头20a一被定位在所定义的目标中的一个附近，控制器50c就经由引导件40a的致动移动自动地调整设备60a的取向(在线调整)。
回来参考图1，在系统10的第二介入程序实施例中，声学探头控制器30、机器人仪器引导件控制器50和介入成像系统70的成像模态控制器72鉴于由声学探头20a和成像模态71生成的体积图像协作地实施对介入设备60的机器人控制。
在实践中，成像模态71可以是独立的x-射线成像系统、移动x-射线成像系统、超声体积成像系统(例如，TEE、TTE、IVUS、ICE)、计算机断层摄影(“CT”)成像系统(例如，锥束CT)、正电子发射断层摄影(“PET”)成像系统和磁共振成像(“MRI”)系统中的任何成像设备。
一般地，在介入程序的执行中，声学探头控制器30基于经由线缆从声学探头20的声学换能器阵列接收的回波信号33生成指示对患者解剖结构的体积超声体积成像的信息的超声体积图像数据34，并且将超声体积图像数据34传递到机器人仪器引导件控制器50。同时，成像模态控制器82通过成像模态71(例如，X-射线、CT、PECT、MRI等)生成指示对患者解剖结构的模态体积成像的信息的模态体积图像数据73，并且将模态体积图像数据73传递到机器人仪器引导件控制器50。响应于数据34和73两者，控制器50a通过执行如本公开的领域中已知的基于图像的配准将超声体积图像(例如，复合拼接体积的单个体积)配准到模态体积图像。
从图像配准，控制器50根据需要生成到机器人仪器引导件40的回转接头的机器人致动命令53以致动机器人仪器引导件40的末端执行器45a到工作空间内的期望姿态的机动化转变，或根据需要生成用于显示的机器人致动数据54，以由此提关于机器人仪器引导件40的末端执行器45到工作空间51内的期望姿态的机械转变的致动的信息。
图7图示了系统10的示范性图像模态引导的介入程序实施例10b。
对于该实施例10b，成像模态是X-射线系统，并且机器人仪器引导件40a的回转接头是机械的，不是机动化的，由此电机由锁定机构(例如夹具)来替代。当锁定机构被松开时，引导件40a的弧可以根据需要被自由地旋转，并且末端执行器45a的取向因此可以被调整。当锁定机构被收紧时，引导件40a的弧被固定，并且被末端执行器45a保持的设备60a被锁定在期望的取向中。对实践者的反馈从机器人仪器引导件40a被提供给CT图像配准。
在一个实施例中，配准使用被嵌入在引导件40a的不可移动基座中的三(3)个或更多个不透射线的标记来执行，并且包括以下步骤。
第一，单独的或如被安装在声学探头20a上的引导件40a经由自粘胶带或任何其他附接机构被附接到患者解剖结构100。
第二，如附接的患者解剖结构100的引导件40a的体积CBCT图像由X-射线系统采集，并且控制器72将指示体积CBCT图像的信息的模态体积成像数据71传递到控制器50c。
第三，控制器50c在CBCT图像内检测被嵌入在引导件40a的不可移动基座中的至少三(3)个不透射线的标记，以由此使用如本公开的领域中已知的配准技术(例如，基于刚性点的配准)识别引导件40a在相对于患者解剖结构100的六(6)个自由度中的位置。
第四，控制器50c规划设备60a在患者解剖结构100内的轨迹(例如，针轨迹)。
第五，控制器50a经由指示每个接头上的所需旋转角度的信息的接口控制监视器90上显示的反馈94，以便到达期望的设备轨迹。锁定机构包含刻度，以由此帮助用户设置引导件40a的弧的正确旋转角度。
最后，相同的不透射线的标记的两(2)个2D荧光透视图像由X-射线系统采集，并且被传递到控制器50，其通过经由标记依据引导件40a的基座的参考位置确定用于将2D荧光透视图像与体积CBCT图像合并的投影矩阵将体积CBCT图像配准到2D荧光透视图像，以由此使用如本公开的领域中已知的所述投影矩阵将所述2D荧光透视图像与所述术前3D图像合并。
回来参考图1，在系统10的第三介入程序实施例中，声学探头控制器30、机器人仪器引导件控制器50和位置跟踪系统80的位置跟踪控制器80鉴于通过位置跟踪系统80的位置跟踪元件81对机器人仪器引导件40的跟踪协作地实施对介入设备60的机器人控制。
在实践中，位置跟踪元件81可以包括但不限于被定位在引导件40a的基座41上的三(3)个或更多个回射球体、点、电磁传感器或线、或光纤等，其中，目标特征的三维位置可以使用如本领域中已知的三角测量技术来计算。
图8图示了系统10的示范性位置跟踪引导的介入程序实施例10c。
对于该实施例10c，位置跟踪控制器82传递指示引导件40a的基底的任何跟踪位置的信息的位置跟踪数据83。在介入程序的支持下，对体积超声体积图像的校准必须被执行以便于对体积超声体积图像的随后跟踪。
在一个实施例中，特别地对于作为被附接到引导器40a的基底的引导件跟踪器的光学跟踪、电磁跟踪或光纤跟踪，校准可以基于从制造过程获知的每个仪器引导件跟踪器的位置(引导件T跟踪器)在术中被执行。校准矩阵根据引导件T图像＝引导件T跟踪器·(图像T跟踪器)-1来计算，其中图像T跟踪器如本公开的领域中已知的那样根据在体积超声体积图像中图示的特征来计算。
参考图5-7，获知设备60a上的插入深度可以是有益的。在一个实施例中，机器人仪器引导件40a具有被定位在如之前描述的在轴线平移接头48内的末端执行器处的第三自由度。该额外的DOF控制针的插入深度，并且可以使用被嵌入到末端执行器中的光学编码器来测量。这样的光学编码器能够以亚毫米分辨率报告插入深度。
此外，具有对插入深度的控制，使用基于实时图像的反馈的自动仪器插入可以被执行。例如，超声体积图像和/或X-射线荧光透视图像可以用来监测如之前在本文中描述的由于患者解剖结构100的呼吸运动的目标的位置的变化，其中，设备60a(例如，针)可以与期望的呼吸循环同步地被“射击”到患者解剖结构中。
参考图1-7，本领域普通技术人员将意识到本公开的许多益处，包括但不限于具有可定位在患者解剖结构的皮肤入口点处的远程运动中心(RCM)以用于更直观且更安全的介入程序的机器人声学探头。
此外，鉴于本文提供的教导，本领域普通技术人员将认识到，在本公开/说明书中描述的和/或在附图中描绘的特征、元件、部件等可以以电子部件/电路、硬件、可执行软件和可执行固件的各种组合来实施，并且提供可以组合在单个元件或多个元件中的功能。例如，在附图中示出/图示/描绘的各种特征、元件、部件等的功能可以通过使用专用硬件以及与适当的软件相关联的能够运行软件的硬件来提供。当由处理器提供时，功能可以由单个专用处理器、单个共享处理器或多个个体处理器提供，其中的一些可以被共享和/或复用。此外，术语“处理器”的明确使用不应被解释为排他性地指能够运行软件的硬件，并且可以隐含地包括但不限于数字信号处理器(“DSP”)硬件、存储器(例如，用于存储软件的只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)、非易失性存储器等)和实际上能够(和/或可配置为)执行和/或控制过程的任何模块和/或机器(包括硬件、软件、固件、电路及其组合等)。
此外，本文中叙述本发明的原理、方面和实施例的所有陈述以及其特定范例旨在涵盖其结构和功能等价物两者。此外，这样的等价物旨在包括当前已知的等价物以及将来开发的等价物(例如，开发的可以执行相同或基本类似的功能的任何元件，而不管结构如何)两者。因此，例如，鉴于本文提供的教导，本领域普通技术人员将认识到，本文中呈现的任何框图可以表示体现本发明的原理的说明性系统部件和/或电路的概念视图。类似地，鉴于本文提供的教导，本领域普通技术人员应当认识到，任何流程图、流图等可以表示各种过程，所述各种过程可以基本上在计算机可读存储介质中表示，并且因此由计算机、处理器或具有处理能力的其他设备来运行，而不管这样的计算机或处理器是否被明确地示出。
此外，本公开的示范性实施例可以采取可从计算机可用和/或计算机可读存储介质存取的计算机程序产品或应用模块的形式，所述存储介质提供程序代码和/或指令以由例如计算机或任何指令运行系统使用或与例如计算机或任何指令运行系统结合使用。根据本公开，计算机可用或计算机可读存储介质可以是能够例如包括、存储、传递、传播或运输由指令运行系统、装置或设备使用或与其结合使用的指令的任何装置。这样的示范性介质可以是例如电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统(或装置或设备)或传播介质。计算机可读介质的范例包括例如半导体或固态存储器、磁带、可移除计算机软盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存(驱动器)、刚性磁盘和光盘。光盘的当前范例包括光盘-只读存储器(CD-ROM)、光盘-读/写(CD-R/W)和DVD。此外，应该理解，可以在此后开发的任何新的计算机可读介质应被认为是如根据本公开和公开内容的示范性实施例可以使用或参考的计算机可读介质。
已经描述了新颖的和创造性的机器人声学探头和系统的优选和示范性实施例(所述实施例旨在是说明性的而不是限制性的)，应当注意，鉴于本文提供的包括附图的教导，本领域普通技术人员可以做出修改和变化。因此应理解，可以在本文所公开的实施例的范围内对本公开的优选和示范性实施例进行改变。
此外，预见到，包含和/或实施所述设备的对应的和/或相关的系统或诸如可以在根据本公开的设备中使用/实施的对应的和/或相关的系统也被预见到并且被认为是在本公开的范围内。此外，用于制造和/或使用根据本公开的设备和/或系统的对应的和/或相关的方法也被预见到并被认为是在本公开的范围内。

Claims (20)

1.一种用于与介入设备(60)一起应用的机器人声学探头，所述机器人声学探头包括：
声学探头(20)，其包括：
成像平台(21)，其具有定义设备插入端口入口(23)和设备插入端口出口(24)的设备插入端口(22)，以及
声学换能器阵列(25)，其由所述成像平台(21)支撑并且相对于所述设备插入端口出口(24)被设置；以及
机器人仪器引导件(40)，其包括：
基座(41)，其相对于所述设备插入端口入口(23)被安装到所述成像平台(21)，以及
末端执行器(45)，其被耦合到所述基座(41)并且能相对于远程运动中心(49)在多个姿态之间转变，
其中，所述末端执行器(45)定义延伸通过所述设备插入端口(22)的介入设备轴线(48)，并且
其中，所述远程运动中心(49)邻近所述设备插入端口出口(24)被定位在所述介入设备轴线(48)上。
2.根据权利要求1所述的机器人声学探头，其中，所述设备插入点被定位在所述成像平台(21)的中心中。
3.根据权利要求1所述的机器人声学探头，其中，所述成像平台(21)具有光盘的形状。
4.根据权利要求1所述的机器人声学探头，其中，所述设备插入端口(22)从所述设备插入端口入口(23)到所述设备插入端口出口(24)渐缩。
5.根据权利要求1所述的机器人声学探头，其中，所述机器人仪器引导件(40)包括：
基座(41)包括至少一个平移接头以在邻近所述设备插入端口出口(24)的有限空间内平移所述远程运动中心(49)。
6.根据权利要求1所述的机器人声学探头，其中，所述机器人仪器引导件(40)包括：
支撑弧；
初级回转接头，其将所述支撑弧耦合到所述基座(41)；
仪器弧，
其中，所述末端执行器(45)与所述仪器弧集成在一起；以及
二级回转接头，其将所述仪器弧耦合到所述支撑弧。
7.根据权利要求1所述的机器人声学探头，
其中，所述初级回转接头包括初级机动化致动器；并且
其中，所述第二回转接头包括二级机动化致动器。
8.根据权利要求1所述的机器人声学探头，
其中，所述初级回转接头包括初级机械致动器；并且
其中，所述第二回转接头包括二级机械致动器。
9.根据权利要求1所述的机器人声学探头，
其中，所述末端执行器(45)在介入设备(60)适配器中。
10.根据权利要求1所述的机器人声学探头，
其中，所述末端执行器(45)能相对于所述仪器弧平移。
11.一种用于与介入设备(60)一起应用的机器人声学系统，所述机器人声学系统包括：
声学探头(20)，其包括：
成像平台(21)，其具有定义设备插入端口入口(23)和设备插入端口出口(24)的设备插入端口(22)，以及
声学换能器阵列(25)，其由所述成像平台(21)支撑并且相对于所述设备插入端口出口(24)被设置；以及
机器人仪器引导件(40)，其包括：
基座(41)，其相对于所述设备插入端口入口(23)被安装到所述成像平台(21)，以及
末端执行器(45)，其被耦合到所述基座(41)并且能相对于远程运动中心(49)在多个姿态之间转变，
其中，所述末端执行器(45)定义延伸通过所述设备插入端口(22)的介入设备轴线(48)，并且
其中，所述远程运动中心(49)邻近所述设备插入端口出口(24)被定位在所述介入设备轴线(48)上；以及
机器人仪器引导件(40)控制器，其在结构上被配置为控制所述末端执行器(45)相对于所述远程运动中心(49)在所述多个姿态之间的转变。
12.根据权利要求11所述的机器人声学系统，
其中，所述机器人仪器引导件(40)控制器对所述末端执行器(45)相对于所述远程运动中心(49)在所述多个姿态之间的所述转变的控制包括以下中的至少一项：
所述机器人仪器引导件(40)控制器在结构上被配置为控制所述末端执行器(45)围绕所述远程运动中心(49)的回转；以及
所述机器人仪器引导件(40)控制器在结构上被配置为控制所述末端执行器(45)沿着所述介入设备轴线(48)的平移。
13.根据权利要求11所述的机器人声学系统，还包括：
声学成像控制器，其在结构上被配置为控制通过所述声学换能器阵列对患者解剖结构的超声体积成像；并且
其中，通过所述机器人仪器引导件(40)控制器对所述末端执行器(45)相对于所述远程运动中心(49)在机器人坐标内在所述多个姿态之间的所述转变的所述控制是根据通过所述声学换能器阵列对所述患者解剖结构的所述超声体积成像导出的。
14.根据权利要求11所述的机器人声学系统，还包括：
介入成像系统，其在结构上被配置为控制通过成像模态对患者解剖结构的模态体积成像；
声学成像控制器，其在结构上被配置为控制通过所述声学换能器阵列对所述患者解剖结构的超声体积成像；并且
其中，通过所述机器人仪器引导件(40)控制器对所述末端执行器(45)相对于所述远程运动中心(49)在机器人坐标内在所述多个姿态之间的所述转变的所述控制是根据通过所述成像模态对患者解剖结构的所述模态体积成像与通过所述声学换能器阵列对所述患者解剖结构的所述超声体积成像之间的配准导出的。
15.根据权利要求11所述的机器人声学系统，还包括：
位置跟踪系统，其在结构上被配置为控制所述末端执行器(45)相对于所述远程运动中心(49)在机器人坐标系内的机器人姿态的跟踪；
声学成像控制器，其在结构上被配置为控制通过所述声学换能器阵列对所述患者解剖结构的超声体积成像；并且
其中，通过所述机器人仪器引导件(40)控制器对所述末端执行器(45)相对于所述远程运动中心(49)在机器人坐标内在所述多个姿态之间的所述转变的所述控制是根据通过所述位置跟踪系统对所述末端执行器(45)相对于所述远程运动中心(49)在机器人坐标系内的所述机器人姿态的所述跟踪导出的。
16.一种利用用于与介入设备(60)一起应用的机器人声学探头的介入方法，所述机器人声学探头包括：
声学探头(20)，其包括：
成像平台(21)，其具有定义设备插入端口入口(23)和设备插入端口出口(24)的设备插入端口(22)，以及
声学换能器阵列(25)，其由所述成像平台(21)支撑并且相对于所述设备插入端口出口(24)被设置，以及
机器人仪器引导件(40)，其包括：
基座(41)，其相对于所述设备插入端口入口(23)被安装到所述成像平台(21)，以及
末端执行器(45)，其被耦合到所述基座(41)并且能相对于远程运动中心(49)在多个姿态之间转变，
其中，所述末端执行器(45)定义延伸通过设备插入端口(22)的介入设备轴线(48)，并且
其中，所述远程运动中心(49)邻近所述设备插入端口出口(24)被定位在所述介入设备轴线(48)上，
所述机器人声学方法包括：
相对于患者解剖结构的皮肤入口点定位所述机器人声学探头，其中，所述远程运动中心(49)与所述皮肤入口端口(22)一致；以及
在相对于所述患者解剖结构的所述皮肤入口点定位所述机器人声学探头之后，进行以下中的至少一项：
通过所述声学换能器阵列对所述患者解剖结构进行超声体积成像；以及
使所述末端执行器(45)相对于所述远程运动中心(49)在所述多个姿态之间转变。
17.根据权利要求16所述的机器人声学方法，
其中，所述末端执行器(45)相对于所述远程运动中心(49)在所述多个姿态之间的所述转变包括以下中的至少一项：
所述末端执行器(45)围绕所述远程运动中心(49)的回转；以及
所述末端执行器(45)沿着所述介入设备轴线(48)的平移。
18.根据权利要求16所述的机器人声学方法，
其中，所述末端执行器(45)相对于所述远程运动中心(49)在机器人坐标内在所述多个姿态之间的所述转变是根据通过所述声学换能器阵列对所述患者解剖结构的所述超声体积成像导出的。
19.根据权利要求16所述的机器人声学方法，还包括：
通过成像模态对所述患者解剖结构进行模态体积成像，
其中，所述末端执行器(45)相对于所述远程运动中心(49)在机器人坐标内在所述多个姿态之间的所述转变是根据通过所述成像模态对患者解剖结构的所述模态体积成像与通过所述声学换能器阵列对所述患者解剖结构的所述超声体积成像之间的配准导出的。
20.根据权利要求16所述的机器人声学方法，还包括：
跟踪所述末端执行器(45)相对于所述远程运动中心(49)在机器人坐标系内的机器人姿态，
其中，所述末端执行器(45)相对于所述远程运动中心(49)在所述机器人坐标内在所述多个姿态之间的所述转变是根据通过所述位置跟踪系统对所述末端执行器(45)相对于所述远程运动中心(49)在机器人坐标系内的所述机器人姿态的所述跟踪导出的。
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