CN113081009A - 集成式医学成像与外科手术机器人系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于联合手术中成像来执行机器人辅助外科手术的方法及系统。一种方法包含基于由成像装置获得的患者的成像数据使机器人手臂相对于所述患者及所述成像装置移动以使所述机器人手臂的末端执行器相对于所述患者移动到预定位置及定向。当所述成像装置相对于所述患者移动时，所述机器人手臂使所述末端执行器相对于所述患者维持于所述预定位置及定向中且不与所述成像装置或所述患者碰撞。

Description

集成式医学成像与外科手术机器人系统
本申请是申请日为2016年4月15日、申请号为201680030253.0、发明名称为“集成式医学成像与外科手术机器人系统”的发明专利申请的分案申请。
相关申请案
本申请案主张于2015年4月15日提出申请的第62/147,924号美国临时申请案的优先权权益，所述临时申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。
背景技术
外科手术治疗(例如微创治疗)可需要外科医生将外科手术工具插入患者的身体内部达特定深度以到达患者的身体内部的目标区。这可为具挑战性且耗时的过程。外科医生可利用手术前诊断图像(例如，x射线CT、MRI)来帮助在不损坏患者的其它组织或器官的情况下将外科手术工具引导到身体内的正确位置及深度。然而，工具的插入及放置仍存在不准确的可能性，这可导致工具被引导到身体内的不正确位置及/或对患者的解剖部分的其它部分造成损伤或损坏。为了避免此类问题，外科医生可选择执行比原本可能必要的更具创伤性的治疗。然而，这可基本上增加治疗的时间及成本，且还可增加患者的失血、疼痛及恢复时间。
发明内容
各种实施例包含用于执行机器人辅助外科手术的方法及系统。在一个实施例中，一种执行机器人辅助外科手术的方法包含：基于由成像装置获得的患者的成像数据使机器人手臂相对于所述患者及所述成像装置移动以使所述机器人手臂的末端执行器相对于所述患者移动到预定位置及定向，其中当所述成像装置相对于所述患者移动时，所述机器人手臂使所述末端执行器相对于所述患者维持于所述预定位置及定向中且不与所述成像装置或所述患者碰撞。
实施例可进一步包含：确定所述成像装置正相对于所述患者移动；及当所述成像装置相对于所述患者移动时，使所述机器人手臂移动以使所述末端执行器相对于所述患者维持于所述预定位置及定向中，同时防止所述机器人手臂与所述成像装置或与所述患者碰撞。
其它实施例包含用于执行机器人辅助外科手术的系统，其包含：患者支撑件；成像装置，其可相对于所述患者支撑件移动以获得定位于所述患者支撑件上的患者的成像数据；机器人手臂，其经配置以基于由所述成像装置获得的成像数据使所述机器人手臂的末端执行器相对于定位于所述患者支撑件上的所述患者移动到预定位置及定向；及运动跟踪设备，其包含附接到所述成像装置或附接到所述患者支撑件的相机，其中所述相机经定位以跟踪一或多个物体在外科手术区中的位置。在实施例中，所述相机可独立于所述成像装置及所述患者支撑件而移动以使所述外科手术区维持于所述相机的视场内。
其它实施例包含一种用于执行机器人辅助外科手术的系统，其包含x射线成像装置，其包含x射线源及x射线检测器，所述x射线源及所述x射线检测器安装到支撑结构使得所述x射线源及所述x射线检测器中的至少一者经配置以相对于所述支撑结构旋转以相对于被成像的物体从不同投影角度获得x射线图像；及机器人手臂，其具有经配置以延伸到所述源与所述检测器之间的成像区中的第一端及附接到所述支撑结构的第二端。
其它实施例包含计算装置，其包含配置有处理器可执行指令的处理器，所述处理器可执行指令用以执行上文所描述的实施例方法的操作。其它实施例包含非暂时性处理器可读存储媒体，其上存储有处理器可执行软件指令，所述处理器可执行软件指令经配置以致使处理器执行上文所描述的实施例方法的操作。其它实施例包含计算装置，其包含用于执行上文所描述的实施例方法的操作的功能的构件。
附图说明
联合附图从对本发明的以下详细描述将明了本发明的其它特征及优点，附图中：
图1A到1C是展示根据一个实施例的用于执行机器人辅助外科手术的包含附接到成像装置的机架的一对机器人手臂的系统的前侧(图1A及1C)及后侧(图1B)的透视图。
图2A到2C是展示其中机架平移到患者的外科手术区的图1A到1C的系统的前侧(图2A及2C)及后侧(图2B)的透视图。
图3是示意性地图解说明根据一个实施例的用于执行机器人辅助外科手术的系统的各种组件的系统框图。
图4示意性地图解说明使用图像数据界定用于将外科手术工具插入到患者的身体中的轨迹的方法。
图5是图解说明根据一实施例的用于操作机器人手臂以执行机器人辅助外科手术的方法的过程流程图。
图6A到6C是用于执行机器人辅助外科手术的具有附接到成像机架的背对患者的一侧的机器人手臂的系统的透视图。
7A到7C展示其中机架部分地沿着患者的长度平移的图6A到6C的系统。
图8A到8D图解说明用于执行机器人辅助外科手术的包含附接到患者支撑件的一对机器人手臂的其中成像系统的机架平移到患者的外科手术区的系统。
图9A到9B图解说明其中机架经平移远离外科手术区的图8A到8B的系统。
图10A到10C图解说明用于执行机器人辅助外科手术的包含附接到用于在坐下位置中的患者的患者支撑件的机器人手臂及用于运动跟踪设备的相机的系统。
图11A到11C图解说明其中成像装置的机架平移到患者的外科手术区的图10A到10C的系统。
图12A到12B图解说明具有相对于成像装置旋转的患者支撑件的图10A到10C及11A到11C的系统。
图13A到13D图解说明用于执行机器人辅助外科手术的包含经由支撑部件附接到成像系统的平衡环架的机器人手臂的系统。
图14A到14C是图解说明用于执行机器人辅助外科手术的包含附接到具有悬置O形成像机架的成像系统的机器人手臂的系统的侧视图、透视图及俯视图。
图15A到15D是图解说明用于执行机器人辅助外科手术的包含附接到C形手臂成像系统的机器人手臂的系统的侧视图、前透视图、后透视图及俯视图。
图16示意性地图解说明可用于执行各种实施例的计算装置。
具体实施方式
将参考附图详细描述各种实施例。尽可能地，将贯穿图式使用相同参考编号来指代相同或相似部件。对特定实例及实施方案的提及是出于说明性目的，且并不打算限制本发明或权利要求书的范围。
各种实施例针对于用于联合手术中成像执行机器人辅助外科手术的集成系统。近年来，其中使用机器人系统来帮助外科手术治疗的机器人辅助外科手术领域受到增加的关注。然而，此类系统通常由高成本及复杂性表征且还可在其可执行的治疗类型方面受到限制。各种实施例包含用于执行机器人辅助外科手术的可由经改进可用性、工作流程及使用的容易性表征的系统及方法。各种实施例的系统及方法可用于在事实上患者的解剖部分的任一部分中执行各种各样的外科手术治疗。
图1A到1C中展示根据一个实施例的用于执行机器人辅助外科手术的系统100。图1A及1C是展示系统100的第一(即，前)侧的透视图，且图1B是展示系统100的第二(即，后)侧的透视图。系统100包含可相对于患者103移动的至少一个机器人手臂101。在此实施例中，系统100包含可彼此独立移动的两个机器人手臂101a、101b。将理解，在其它实施例中，系统100可包含单个机器人手臂或多于两个机器人手臂。机器人手臂101a、101b的移动可受控制器105(例如，包含存储器及用于执行软件指令的处理器的计算机)控制，控制器105可经由有线或无线链路107耦合到机器人手臂101a、101b。在此实施例中，用于机器人手臂101a、101b的控制器105位于工作站/移动推车109中，工作站/移动推车109可包含显示器111及用以使得用户能够控制系统100的操作的一或多个用户输入装置100(例如，触摸屏控制器、键盘、鼠标、按钮、开关等)。
在此实施例中，机器人手臂101a、101b中的每一者包括多关节手臂，所述多关节手臂包含通过关节115连接的多个连杆113，关节115具有致动器及任选编码器以使得所述连杆能够响应于来自控制系统105的控制信号而相对于彼此弯曲、旋转及/或平移。机器人手臂101a、101b的第一端117可固定到结构40，且所述手臂的第二端119可相对于第一端117自由地移动。末端执行器121附接到机器人手臂101a、101b的第二端119。在一些实施例中，末端执行器121可为可插入到患者的身体中的创伤性外科手术工具，例如针、插管、切割或抓握仪器、内窥镜等。在其它实施例中，如下文进一步详细地描述，机器人手臂101a、101b的末端执行器121可为可接纳创伤性外科手术工具122(参见图1C)的空心管或插管，创伤性外科手术工具122包含但不限于针、插管、用于抓握或切割的工具、电极、植入物、辐射源、药物及内窥镜。创伤性外科手术工具122可由外科医生通过空心管或插管插入到患者的身体中。包括空心管或插管的末端执行器121可由射线可透过材料(例如碳纤维或热塑性材料)制成。
可将可为人类或动物患者的患者103定位于可为如图1A到1C中所展示的外科手术台的适合患者支撑件60上。在此实施例中，患者支撑件60通过支撑柱50而升离地面。在外科手术治疗期间，机器人手臂101a、101b可部分地或完全地位于无菌外科手术场区內，且因此可覆盖有外科手术盖布或其它无菌阻隔物(为了清晰而未展示)。在实施例中，末端执行器121(例如，空心管或插管)可为可在盖布上方附接到机器人手臂101的端部119(例如，搭扣到其中)的经杀菌组件。末端执行器121可为可在使用之后移除且丢弃的无菌、单次使用(即，一次性)组件。
系统100还包含可用于获得患者103的诊断图像的成像装置125。成像装置125可位于接近于患者103及至少一个机器人手臂101a、101b两者处(例如，与患者103及手臂101a、101b相距在10米内，例如小于5米，包含0到3米)，且优选地位于同一房间(例如，手术室)内。在图1A到1C的实施例中，成像装置125包含底座20及位于底座20上面的机架40。在此实施例中，机架40包含界定孔16的基本上O形壳体(即，环圈)。机架40包含位于机架40的壳体内的一或多个成像组件(为了清晰而未展示)，其经配置以获得定位于孔16内的物体(例如，患者103)的至少一部分的图像数据。在此实施例中，机器人手臂101a、101b中的每一者的的第一端117附接到成像装置125。特定来说，机器人手臂101a、101b中的每一者附接到机架40的第一(即，前)侧127，但将理解，机器人手臂101a、101b可安装于成像装置125或系统100的其它部分处。在实施例中，成像装置125可包含经配置以在装置125上的一或多个位置处接纳机器人手臂101的一或多个适配器。所述适配器可经模制或固定(例如，使用紧固件或粘合剂)到装置125的外表面。机器人手臂101的第一端117可插入到所述适配器中且通过所述适配器紧固。在使用之后，可将机器人手臂101从所述适配器释放且从成像装置125移除以便运送及/或存放。举例来说，可将机器人手臂101a、101b存放于推车109上及/或通过推车109来运送。
在实施例中，成像装置125可为x射线计算断层摄影术(CT)成像装置。机架40内的成像组件可包含x射线源及x射线检测器。x射线源及任选地检测器可在机架40内围绕孔16旋转以获得位于孔16内的物体的x射线图像数据(例如，原始x射线投影数据)。所收集图像数据可使用适合处理器(例如，计算机)来处理以执行物体的三维重构，所述三维重构可例如在显示器111上再现。举例来说，可根据各种实施例使用的x射线CT成像装置的实例描述于第8,118,488号美国专利、第2014/0139215号美国专利申请公开案、第2014/0003572号美国专利申请公开案、第2014/0265182号美国专利申请公开案及第2014/0275953号美国专利申请公开案中，所有所述专利的全部内容以引用的方式并入本文中。将理解，这些实施例经提供作为适合于在本发明的系统及方法中使用的成像系统的说明性、非限制性实例，且本发明的系统及方法可利用各种类型的医学成像装置。举例来说，作为对x射线CT装置的替代方案或除x射线CT装置之外，成像装置125还可为x射线荧光成像装置、磁共振(MR)成像装置、正电子发射断层摄影术(PET)成像装置、单光子发射计算断层摄影术(SPECT)、超声成像装置等。
在实施例中，成像系统125可经配置以相对于患者103移动。举例来说，成像系统125的至少一部分(例如，机架40)可相对于患者103移动以获得患者的身体的特定区域的图像，且还可移动为远离所述区域以为正在所述区域内执行的外科手术治疗提供便利。在图1A到1C中所展示的实施例中，患者103可定位于其上的患者支撑件60通过柱50紧固到成像系统125的底座20，且机架40可相对于底座20、柱50及患者支撑件60平移。这图解说明于图2A到2C中，图2A到2C展示机架40在底座20上平移，使得患者103的一部分及患者支撑件60位于机架40的孔16內。
在图1A到2C的实施例中，柱50位于底座20的第一端上，且附接到柱50的患者支撑件60悬置于底座20上方，使得机架40可在患者支撑件60的基本上整个长度上方平移。机架40由平衡环架30支撑，平衡环架30包含从底座20向上延伸且连接到机架40的相对侧的一对手臂31、33。平衡环架30可包含在底座20上的轨道23上行进以提供平衡环架30及机架40的平移运动的支承表面。驱动机构(为了清晰而未展示)可驱动平衡环架30及机架40的平移。编码器或类似感测装置可确定机架40在底座20上的平移位置。在实施例中，机架40可相对于平衡环架30倾斜。
在一些实施例中，作为对使成像系统125的机架40平移的替代方案或除此之外，还可使患者支撑件60及/或柱50平移。举例来说，患者支撑件60可相对于柱50平移，或者整个柱50及患者支撑件60可相对于底座20平移。以此方式，患者103可移动到机架40的孔16中及从所述孔移出。在一些实施例中，柱50可经配置以使患者支撑件60相对于底座20的高度升高及降低。还可通过使患者支撑件60在柱50上旋转或通过使柱50及患者支撑件60相对于底座20旋转而使患者支撑件60为可相对于底座20旋转的。
系统100还可包含用于跟踪机器人手臂101a、101b及成像系统125中的至少一者在三维空间中的位置的运动跟踪设备129。跟踪设备129还可跟踪患者103以及外科手术区内的其它物体(例如患者支撑件60及/或外科手术工具122)的位置。存在用于在物体于三维空间内移动时跟踪物体的定位(包含位置及/或定向)的各种系统及技术。此类系统可包含固定到待跟踪的物体的多个有源或无源标记器及检测由所述标记器发射或从所述标记器反射的辐射的感测装置。可基于由所述感测装置检测的信号在软件中构造空间的3D模型。
在图1A到2C中所展示的实施例中，运动跟踪设备129是包含光学传感器(即，相机)131及一或多个标记器133的基于光学的运动跟踪设备。在此实施例中，相机131附接到成像装置125的机架40且经定向使得相机131可直接看到无菌外科手术场区中。在其它实施例中，相机131可安装到成像装置125的另一部分或安装到系统100的另一组件(例如患者支撑件60)，或者可安装到单独支撑结构。图1A到2C中所展示的配置的优点是相机131可无阻挡地直接向下看到外科手术场区中。在实施例中，相机131可安装到手臂135的端部，所述端部可包含用于使相机131移动使得外科手术场区被维持在所述相机的视场内的致动器。举例来说，当机架40相对于患者103移动(例如，平移)时，相机131可在手臂135上转动及/或手臂135自身可枢转、弯曲、延伸及/或收缩以使外科手术场区维持在相机131的视场内。
标记器133可包括可由相机131检测的任何有源或无源标记器。标记器133可固定到待跟踪的各种物体，例如机器人手臂101a、101b的末端执行器121，如图1C中所展示。一或多个标记器133还可附接到外科手术工具122以使得在外科手术治疗期间能够实时跟踪各种外科手术工具122在外科手术场区内的位置及定向。一或多个标记器133还可附接到其它物体，例如患者103、患者支撑件60及/或成像装置125。在实施例中，标记器133可为莫尔图案标记器，其可使用单个相机131利用莫尔相位跟踪(MPT)技术来提供位置及定向的测量数据。每一标记器133还可包含唯一识别符或代码，其可使得能够唯一地识别并跟踪相机的视场内的不同物体。基于MPT的跟踪系统的实例可从威斯康星州密尔沃基市的梅特里亚创新公司(Metria Innovation Inc.)购得。
图3是示意性地图解说明根据一个实施例的系统100的各种组件的系统框图。如上文所论述，第一控制器105可控制一或多个机器人手臂101a、101b的操作。第一控制器105可从机器人手臂101a、101b接收关于手臂101a、101b的状态及操作的反馈数据(由箭头201指示)。所述反馈数据可包含可用于确定机器人手臂101a、101b的关节115中的每一者的位置及定向的传感器(例如，编码器)数据。第一控制器105可将控制信号发送(由箭头203指示)到机器人手臂101a、101b以控制手臂101a、101b的移动。
系统100还可包含用于控制成像装置125的操作的第二控制器205。第二控制器205可接收关于成像装置125的状态及操作的反馈数据(由箭头207指示)。所述反馈数据可包含关于成像装置125的位置及定向(例如机架40的位置(平移或倾斜)及/或患者支撑件60的位置)的信息。第二控制器205还可将控制信号发送(由箭头209指示)到成像装置125的各种组件以控制成像装置125的操作，包含控制成像装置125以获得位于机架40的孔16内的物体的图像数据211(例如，三维CT重构)。图像数据211可显示于显示器111上。
系统100还可包含用于控制运动跟踪设备129的操作的第三控制器213。第三控制器213可接收由相机131感测的数据(由箭头215指示)且基于此数据可确定相机131的视场内的标记器133中的每一者的位置及/或定向数据。基于标记器133的所确定位置及/或定向，可产生外科手术空间内的各种物体(例如，患者103、外科手术工具122、机器人手臂101a、101b的末端执行器121、成像装置125等)的三维模型219。第三控制器213还可将控制信号发送(由箭头217指示)到相机131以例如通过调整相机的视场而控制相机131的操作。
第一控制器105、第二控制器205及第三控制器213可彼此通信且共享各种数据，如由箭头221、223及225指示。包含位置数据的数据的共享使得所述控制器能够在共同坐标系统中操作。举例来说，可将由成像装置125获得的患者103的图像数据211与由运动跟踪设备129获得的位置数据配准，如外科手术导航系统领域中已知。由运动跟踪设备129跟踪的一或多个物体的位置可展示于显示器111上，例如叠加于来自成像装置125的图像数据211的显示上。此外，第一控制器105可基于来自运动跟踪设备129及/或成像装置125的位置数据而确定机器人手臂101a、101b相对于系统100的其它部分的位置。
在实施例中，控制器105、205、213中的每一者可包括单独计算装置，其各自包含存储器及用于执行本文中所描述的各种功能的处理器。所述单独计算装置可经由适合数据链路(例如，以太网)彼此通信。在其它实施例中，控制器105、205、213中的两者或更多者可集成于单个计算装置中。
如上文所描述的系统100可用于对可为人类或动物患者的患者103执行外科手术治疗。举例来说，可将患者103放在患者支撑件60(例如，外科手术台)上，且可使用成像装置125来获得患者103的图像，例如患者的解剖部分的特定区域的CT扫描。这可包含使成像装置125的机架40移动(例如，使机架40在底座20上平移)使得患者103的所关注区域位于机架40的孔16内，且操作成像组件(例如，x射线源及检测器)以获得患者103的图像数据。或者，可例如通过使患者支撑件60平移到机架40的孔16中而使患者103移动到孔16中。
由成像装置125获得的图像数据可显示于显示器(例如图1A到2C中所展示的移动推车109上的显示器111)上。在实施例中，外科医生或其它临床医生可使用适合用户接口/输入装置110(例如，键盘、鼠标、触摸垫、轨迹球、触摸屏等)与展示于显示器111中的图像数据互动。临床医生可能够例如通过放大或缩小特定区域、选择或改变特定投影角度或者在三维断层摄影重构的情形中选择或改变切片而修改显示于显示器111的屏幕上的图像数据。
在实施例中，外科医生/临床医生还可使用输入装置在所显示图像上选择特定点。这示意性地图解说明于图4中，图4展示显示使用成像装置125获得的患者103的所关注区域的图像401(例如，横截面切片)的显示器111。外科医生/临床医生可在所显示图像401中识别并选择至少一个目标点403。目标点403可表示用于在外科手术治疗期间将特定外科手术工具122插入到患者的身体中的终点。外科医生/临床医生还可在所显示图像401上识别并选择至少一个入口点405。入口点405可表示患者的身体的体表(例如，皮肤)上外科医生将穿过其插入特定外科手术工具122的点。目标点403及对应入口点405因此界定穿过患者103的身体的唯一轨迹407，如图4中由虚线示意性地图解说明。在实施例中，外科医生可选择入口点405及患者的身体内的轨迹407以便促进将外科手术工具122插入到目标点403同时使对患者103的其它组织或器官的损坏最小化。并且，如图4中所展示，轨迹407还可延伸于患者的身体的外部以在三维空间中界定从所选择入口点405延伸的唯一向量409，如图4中由虚点线指示。
图5是图解说明根据一个实施例的用于操作机器人手臂101以执行机器人辅助外科手术的方法500的过程流程图。方法500可使用上文参考图1A到4所描述的系统100来执行。举例来说，系统100可包含具有末端执行器121的至少一个机器人手臂101a、101b。末端执行器121可包括空心管或插管，如上文所描述。机器人手臂101a、101b中的每一者可相对于患者103及成像装置125移动，其中成像装置125的至少一部分(例如机架40)可相对于患者103移动以获得患者103的成像数据。系统100还可包含用于控制至少一个机器人手臂101a、101b的移动的控制器105。
在方法500的框501中，控制器105可控制至少一个机器人手臂101以使机器人手臂101的末端执行器121相对于患者103移动到预定位置及定向。所述预定位置及定向可基于由成像系统125获得的成像数据。举例来说，所述成像数据可用于在三维空间中确定对应于外科手术工具的所要插入轨迹407的唯一向量409，如上文参考图4所描述。至少一个机器人手臂101a、101b的控制器105可将此向量409翻译到用于基于从成像装置125及/或从运动跟踪设备129接收的位置信息而控制机器人手臂101a、101b的位置及移动的坐标系统中，如上文参考图3所描述。控制器105可使至少一个第一机器人手臂101a、101b移动使得机器人手臂101a、101b的末端执行器121沿着预定义向量409定向。举例来说，如图1A中所展示，第一机器人手臂101a的末端执行器121是沿着第一向量409a定向。第二机器人手臂101b的末端执行器121是沿着第二向量409b定向。末端执行器121中的每一者可定位为邻近于外科手术工具的所要入口点405。外科医生可接着执行创伤性外科手术治疗，其可包含通过末端执行器121插入一或多个外科手术工具且将所述外科手术工具插入到患者103的身体中。末端执行器121的位置及定向可确保外科手术工具121沿循穿过患者的身体的所要轨迹407(参见图4)以到达目标区。
在实施例中，例如上文所描述的运动跟踪设备129可经配置以跟踪至少一个机器人手臂101a、101b以确保末端执行器121相对于患者103维持预定位置及定向。如果末端执行器121从预定位置及定向移动(例如，由于机器人手臂被意外碰撞)，那么运动跟踪设备129可检测此移动且警告外科医生或其它临床医生。替代地或另外，运动跟踪设备129可向至少一个机器人手臂101a、101b的控制器105发送指示末端执行器121从预定位置及定向的所检测偏离的消息。控制器105可接着使机器人手臂101a、101b移动以补偿所检测偏离。在一些实施例中，运动跟踪设备129还可跟踪患者103(例如，其中多个标记器133放置于患者103上)以确定患者103是否已相对于末端执行器121移动。运动跟踪设备129可在患者103移动超过预定量时通知外科医生。在一些实施例中，运动跟踪设备129可向机器人手臂101a、101b的控制器105发送关于患者103的所检测移动的消息。举例来说，此类移动可包含患者103的对应于患者的呼吸的运动。控制器105可使机器人手臂101a、101b移动以补偿任何此类移动(例如，以使末端执行器121相对于患者的身体上的所选择入口点405维持于相同位置及定向中)。
在外科手术治疗期间，运动跟踪设备129还可用于跟踪外科手术区内的包含外科手术工具122的各种物体。举例来说，如上文所论述，各种外科手术工具122可具备使得运动跟踪系统129能够识别工具且在三维空间中连续地跟踪工具的移动的标记器122。因此，当通过末端执行器121插入工具122且将工具122插入到患者的身体中时，运动跟踪系统129可使用标记器133的所检测位置及工具122的已知几何形状来确定工具122插入到身体中的深度。这可显示于系统100的显示器111上(例如，叠加于先前从成像装置125获得的图像数据上)，且可帮助外科医生确定外科手术工具122是否已被插入到患者的身体中的所要深度。
在方法500的框503中，控制器105可确定成像装置125的至少一部分正相对于患者103移动。举例来说，在获得患者103的成像数据之后，可使成像装置125的机架40平移远离外科手术区(如图1A到1C中所展示)以提供对外科手术区的较容易接达以便执行外科手术治疗。接着可使机器人手臂101a、101b移动到其中末端执行器121相对于患者103布置于预定位置及定向中的第一位置(如图1A到1C中所展示)。在稍后时间，外科医生可期望获得患者103的额外图像数据(例如，以确认外科手术工具122在患者103内的位置)，且可使机架40往回平移到外科手术区上方(例如图2A到2C中所展示)以执行经更新成像扫描。
或者，在初始成像扫描之后，可使机器人手臂101a及101b移动到患者103上的位置中(如图1A到1C中所展示)，同时机架40仍位于外科手术区上方。接着在执行外科手术治疗之前可使机架40从外科手术区移出(例如，平移)(如图2A到2C中所展示)。
在任一情形中，控制器105可基于可例如从成像装置125、运动跟踪系统129及/或经由用户输入机构从用户接收的信号而确定成像装置的至少一部分(例如，机架40)正相对于患者103移动。
在方法500的框505中，控制器105可控制至少一个机器人手臂101a、101b以在成像装置125相对于患者103移动时使至少一个机器人手臂101a、101b的第一部分移动，同时使所述手臂的末端执行器121相对于患者103维持于预定位置及定向(例如，向量409)。因此，在其中手臂101的第一端117附接到成像装置125的相对于患者103移动的部分(即，机架40)的实施例(例如图1A到2C中所展示)中，控制器105可控制手臂101的移动，使得当所述手臂的第一端117朝向或远离患者103移动时，末端执行器121相对于患者103维持其原始位置及定向。
在实施例中，控制器105可控制手臂101a、101b的第一部分的移动，使得手臂101a、101b在所述手臂的移动期间不与成像装置125或患者103碰撞。举例来说，当成像装置125及机器人手臂101a、101b从如图1A到1C中所展示的位置移动到如图2A到2C中所展示的位置时，手臂101a、101b的包含末端执行器121的至少一部分位于机架40的孔16内部。控制器105可控制手臂101a、101b中的每一者的移动，使得当机架40朝向患者前进时，手臂101a、101b的关节115中的任一者均不与环圈的侧壁或内径或者与患者103碰撞。控制器105可根据运动计划算法控制手臂101a、101b的移动，所述运动计划算法利用反向运动学来确定维持末端执行器121的位置及定向同时避免与成像装置125及患者103碰撞的机器人手臂的关节参数。
在实施例中，控制器105可基于从成像装置125接收的位置数据(例如，指示机架40相对于底座20的平移及/或倾斜位置)而确定机器人手臂101a、101b中的每一者相对于机架40的位置。替代地或另外，控制器105可利用从运动跟踪设备125接收的位置信息。如上文所论述，运动跟踪系统129可用于构造由运动跟踪设备129跟踪的各种物体的三维模型(例如，CAD模型)。机器人系统、成像装置与运动跟踪设备之间的数据共享可使得这些系统能够在共同坐标系统中操作。
在一些实施例中，可使用徒手技术界定患者103的位置。举例来说，在开始外科手术治疗之前，外科医生或其它临床医生可使用机器人手臂101的第二(即，远)端119来跨越患者103的体表表面(例如围绕外科手术区)手动地描画。此可用于在共同坐标系统中界定至少一个机器人手臂101a、101b的任一部分均不可进入其中的三维边界表面。此技术还可用于界定对应于其它物体及系统100的接近于外科手术区的组件(例如患者支撑件60或成像系统125的部分)的边界表面。在其它实施例中，例如在多个标记器133放置于患者103上接近于外科手术区的不同位置中且由相机131跟踪的情况下，运动跟踪设备129可用于界定对应于患者103的边界表面。由运动跟踪设备129跟踪的标记器133的位置可用于界定机器人手臂101a、101b不可进入其中的三维边界表面。
在一些情形中，至少一个机器人手臂101a、101b的控制器105可确定不可能在不改变末端执行器121相对于患者103的位置或定向或者在手臂的某一部分不与成像装置125或患者103碰撞的情况下使机器人手臂移动。举例来说，机架40的平移可导致手臂101延伸超出其最大长度。在其它情形中，控制器105可确定任一组关节移动均不可能避免碰撞同时使末端执行器维持于固定位置及定向中。在此情形中，控制器105可发出可由外科医生或其它临床医生感知的警告，且可优选地还向成像装置125发送停止机架40的运动的信号。
当机架40相对于患者103移动时，相机131也可移动以使外科手术区维持于相机131的视场内。举例来说，在图1A到2C的实施例中，在相机131通过手臂135附接到机架40的情况下，相机131可包含致动器(例如，基于DC电动机的致动器)，所述致动器致使相机131在手臂135上枢转以在相机131随机架40移动时使相机131保持向下指向外科手术区中。这可使得运动跟踪设备129能够在机架40及机器人手臂101a、101b移动时连续地跟踪外科手术区内的物体的位置。因此，运动跟踪设备129可提供冗余安全特征，因为如果运动跟踪设备129检测到末端执行器121相对于患者103从预定位置及定向的移动，那么可立即通知外科医生或其它临床医生。在实施例中，当运动跟踪设备129检测到末端执行器121相对于患者103的位置或定向的改变超过阈值量时，运动跟踪设备129可向成像系统125及机器人手臂的控制器105发送停止系统100的所有运动的消息。
当机架40经移动使得患者103位于机架40的孔16中时，可操作成像装置125以获得患者103的成像数据(例如，患者103的至少一部分的CT扫描)。系统100可因此如图2A到2C中所展示地配置，其中机架40在外科手术区上方移动，且机器人手臂101a、101b的包含末端执行器121的至少一部分位于孔16内。在实施例中，末端执行器121可包括射线可透过材料以便不阻挡x射线。经更新图像数据可展示于显示器111上，且可使得外科医生能够确认外科手术工具122插入到患者103中的位置。在由成像装置125获取图像之后，可例如通过使机架40平移到如图1A到1C中所展示的位置而使机架40从外科手术区移出。机器人手臂101a、101b的控制器105可再次控制机器人手臂以在机架40相对于患者平移时维持末端执行器121相对于患者103的预定位置及定向。
图6A到6C及7A到7C中展示用于机器人辅助外科手术的系统100的替代实施例。在此实施例中，系统100基本上等同于上文参考图1A到2C所描述的系统100。此实施例与上文所描述的实施例的不同之处在于存在单个机器人手臂101(而非图1A到2C中所展示的成对的手臂101a、101b)。类似于图1A到2C的实施例，机器人手臂101a及用于运动跟踪系统129的相机131附接到成像装置125的机架40。然而，在此实施例中，机器人手臂101及相机131附接到所述机架中背对患者103的一侧。
举例来说，可针对头颅外科手术治疗(例如，神经外科、深部脑刺激、脑室外引流的插入等)有利地使用如图6A到6C及7A到7C中所展示的配置。举例来说，如图6A到6C中所展示，可将患者103的头部601稳定于患者支撑件60的一端处。可将头部601定位于成像装置125的机架40的孔16内以获得手术前或手术中图像数据。可使机器人手臂101移动到使得末端执行器121相对于患者103处于预定位置及定向中的位置，如上文所描述。可使机架40沿着患者的身体的长度向下移动以提供对外科手术区的较容易接达，如图7A到7C中所展示。机器人手臂101的控制器105可控制机器人手臂101的移动，使得末端执行器121在机架40移动时相对于患者103维持于预定位置及定向中。如图7A到7C中所展示，此可包含使手臂拉伸或伸展。类似地，当机架40朝向患者103的头部601平移时，可使手臂101的关节折叠，如图6A到6C中所展示。在任一情形中，机器人手臂101的控制器105可使用反向运动学来确保在手臂101的任一部分均不与成像装置125或患者103碰撞的情况下维持末端执行器121相对于患者103的位置及定向。
如图6A到7C中所展示，运动跟踪设备129的相机131及/或相机131附接到的手臂135可响应于机架40的移动而移动以使外科手术区维持于相机131的视场内。
图8A到8D及9A到9B中展示用于机器人辅助外科手术的系统100的又一实施例。在此实施例中，系统100基本上等同于如先前所描述的系统100。此实施例与上文所描述的那些的不同之处在于一对机器人手臂101a、101b附接到患者支撑件60而非附接到成像装置125的机架40。用于运动跟踪系统129的相机131附接到成像装置125的机架40。机器人手臂101a、101b可附接于患者支撑件60的任何适合位置处，例如沿着患者支撑件60的侧面延伸的外科手术轨道801上。在实施例中，适配器803可紧固到外科手术轨道801，且机器人手臂可搭扣到所述适配器中或以其它方式紧固到所述适配器。
图8A到8D及9A到9B中所展示的实施例的操作可类似于先前实施例。图8A到8D展示机架40在外科手术区上方平移，且图9A到9B展示机架40经平移远离外科手术区以便允许外科医生接达外科手术区。在此实施例中，机器人手臂101a、101b附接于接近于患者支撑件60的远端(即，与支撑柱50相对)之处。因此，如图8A到8D及9A到9B中所展示，机器人手臂101a、101b延伸到机架40的孔16中或穿过所述孔以便使末端执行器121相对于患者103移动到预定位置及定向。
图8A到8D中所展示的实施例与先前实施例之间的差异是由于机器人手臂101a、101b附接到患者支撑件60而非机架40，因此机器人手臂101a、101b可不需要一旦末端执行器121移动到预定位置及定向便相对于患者103移动。机器人手臂101a、101b的控制器105可在不使手臂101a、101b与成像系统125或患者103碰撞的情况下使末端执行器121移动到预定位置及定向(例如图8A到8D及9A到9B中所展示)。手臂101a、101b可分别移动到使得其在机架40相对于患者103移动(例如，平移)(例如在图8A到8D及9A到9B中所展示的位置之间)时将不与机架40碰撞的配置。或者，手臂101a、101b可移动到其中末端执行器121相对于患者103处于预定位置及定向中的初始配置，且手臂101a、101b的一部分可经移动以在机架40相对于患者移动时避免与机架40及患者103碰撞同时维持末端执行器121的位置及定向。
在此实施例中，运动跟踪设备129的相机121通过手臂135附接到机架40。如图8A到8D及9A到9B中所展示，相机131及/或手臂135可响应于机架40的移动而移动以使外科手术区维持于相机131的视场内。
图10A到10C及11A到11C中展示用于机器人辅助外科手术的系统100的又一实施例。在此实施例中，患者支撑件60经配置以用于使患者103处于坐下位置中。机器人手臂101及用于运动跟踪设备129的相机131两者均安装到患者支撑件60。在此实施例中，机器人手臂101及相机131附接到沿着患者支撑件60的相对侧延伸的外科手术轨道801。图10A到10C展示成像装置125的机架40经平移远离患者103，且图11A到11C展示机架40平移到患者103使得外科手术区位于孔16内。在此实施例中，机架40相对于平衡环架30倾斜。
图10A到10C及11A到11B中所展示的实施例中的系统100的操作可基本上等同于上文所描述的实施例。机器人手臂101可移动到使得末端执行器121相对于患者103处于预定位置及定向中的位置，如上文所描述。相机131及手臂135可经定位使得相机131看到外科手术区中。如果期望成像扫描，那么可使在平衡环架30上倾斜的机架40朝向患者103平移，例如图11A到11C中所展示。机器人手臂101的控制器105可使用反向运动学来使机器人手臂101移动以在手臂101的任一部分均不与成像装置125或患者103碰撞的情况下维持末端执行器121相对于患者103的位置及定向。
在一些实施例中，患者支撑件60可相对于成像装置125旋转(例如图12A到12B中所展示)，这可为外科医生提供额外空间来执行外科手术治疗。图12A到12B展示患者支撑件60相对于成像装置125旋转90°。当期望额外成像扫描时，可使患者支撑件60旋转回到如图10A到10C中所展示的位置，且可使机架40在患者103上方平移以获得成像扫描，如图11A到11C中所展示。在此实施例中，机器人手臂101安装到患者支撑件60且因此在患者支撑件60旋转时随其移动。在其它实施例中，机器人手臂101可安装到另一结构(例如成像装置125)或安装到单独支撑结构，且机器人手臂101的控制器105可经配置以在患者支撑件60旋转时使机器人手臂101移动以使末端执行器121相对于患者103维持于预定位置及定向中。
如上文所论述，机器人手臂101可附接到系统100上的任何地方，例如机架40、患者支撑件60、支撑柱50、底座20或平衡环架30上。将机器人手臂安装于平衡环架30上可使得机器人手臂101能够保持紧密接近于机架40且容易地延伸到机架40的孔16中而机器人手臂101的重量不会分布到机架40本身上，这可保持重量平衡。另外，将机器人手臂101附接到平衡环架30可使得机架40能够相对于患者倾斜而且还不会使机器人手臂101的第一端117也相对于患者倾斜。一或多个机器人手臂101可直接安装到平衡环架30(例如，接近于附接到机架40的相对侧的手臂31、33中的一者或两者的端部)。或者，板或其它支撑部件可附接到平衡环架30的手臂31、33且从所述手臂延伸，且机器人手臂101可安装到所述板/支撑部件。
在图13A到13D中所展示的实施例中，支撑部件1300可从平衡环架30(例如，从平衡环架30的手臂31、33的端部)延伸且至少一个机器人手臂101可安装到支撑部件1300。在实施例中，支撑部件1300可至少部分地围绕机架40的外圆周延伸。在图13A到13D的实施例中，支撑部件1300包括围绕机架40的外圆周延伸的弯曲轨道。在此实施例中，支撑部件1300形成在平衡环架30的相应手臂31及33的端部之间延伸的半圆形弧。半圆形支撑部件1300可与机架40的外圆周同心。
支架机构1301可位于支撑部件1300上且可包含用于将机器人手臂101的第一端117安装到支架机构1301的安装表面1303。如图13A到13D中所展示，安装表面1303可从支撑部件的侧面突出且可向上成角度，如图13A到13D中所展示。这可为机架40相对于平衡环架30的“倾斜”运动提供额外空隙。
支架机构1301及附接到其的机器人手臂101可移动到沿着支撑部件1300的长度的不同位置(例如，平衡环架30的手臂31、33的端部之间的任何任意位置)，且可固定于沿着支撑部件1300的长度的特定所要位置处的适当位置中。这示意性地图解说明于图13C及13D中，图13C及13D是系统100的透视图及前视图，其图解说明位于支撑部件1300上的第一位置及第二位置(由幻影指示)中的支架机构1301及机器人手臂101。在一些实施例中，可手动地移动支架机构1301(例如，由操作者定位于沿着支撑部件1301的长度的特定位置处且接着夹持或以其它方式紧固于适当位置中)。或者，可使用适合驱动机构(例如，机动带式驱动器、摩擦轮、齿轮齿组合件、索轮系统等，图13A到13D中未展示)将支架机构1301自动地驱动到不同位置。举例来说，驱动机构可位于支架机构1301、支撑部件1300及/或平衡环架30上。可利用编码器机构来指示支架机构1301及机器人手臂101的第一端117在支撑部件1300上的位置。尽管图13A到13D的实施例图解说明安装到支撑部件1300的一个机器人手臂101，但将理解，多于一个机器人手臂可经由相应支架机构1301安装到支撑部件1300。
图13A到13D还图解说明类似于上文所描述的运动跟踪设备的运动跟踪设备1305。在此实施例中，运动跟踪设备1305包含立体光学传感器装置1304，立体光学传感器装置1304包含附接到成像装置的机架40的两个或更多个IR相机1306、1308。光学传感器装置1304可包含将IR辐射引导到外科手术场区中的一或多个IR源(例如，二极管环)，其中IR辐射可被标记器反射且被相机1306、1308接收。如图13A中所展示，多个标记器1307可附接到患者以形成使得相机1306、1308能够跟踪患者的“参考弧”。光学传感器装置1305可包含双轴机器人系统以使得相机1306、1308能够倾斜及平移(即，上下旋转及左右旋转)，使得患者上的参考弧可维持于相机的视场的中心中。第二组标记器1309可附接到机器人手臂101的第二端119或附接到末端执行器121以使得跟踪系统能够跟踪末端执行器121。第二组标记器1309优选地包括彼此且与末端执行器121成固定已知几何关系的四个或更多个非共面标记器，这使得能够完全地分辨末端执行器121的位置(x,y,z)及定向(横摆、纵倾、侧倾)两者。类似组的标记器可设置于被带到外科手术场区中的任何仪器或其它物体上以允许跟踪这些物体。
在图13A到13D的实施例中，光学传感器装置1304经由第二支撑部件1311安装到机架40的第一(即，前)侧127。第二支撑部件1311可为可附接到机架40的上部部分以使得相机1306、1308能够向下看到外科手术场区中的弯曲(例如，半圆形)轨道。光学传感器装置1304可手动地或使用驱动系统来移动到沿着第二支撑部件1311的不同位置。这可提供灵活性，使得机器人手臂101可平移到支撑部件1300上的任何位置，而光学传感器装置1304可平移到机器人手臂轴的一侧或另一侧，使得相机1306、1308可在不被机器人手臂101的端部遮挡的情况下保持向下指向外科手术场区中。例如上文参考图1A到12B所描述的设备129的其它运动跟踪设备可用于图13A到13D的系统中。
图14A到14C图解说明用于执行机器人辅助外科手术的包含安装到成像系统1400的至少一个机器人手臂101的系统100的替代实施例。在此实施例中，成像系统1400包含以悬置方式安装到支撑结构1403的O形成像机架1401。成像系统1400可为可用于获得位于机架的孔16内的物体的2D荧光图像及/或3D断层图像的x射线成像系统。x射线源及x射线检测器(图14A到14C中不可见)中的至少一者可围绕机架1401的内部旋转以从不同投影角度获得孔16内的物体的图像。支撑结构1403可包括经由附接机构1405附接到机架1401的一侧的移动推车1406。附接机构1405可包含使得机架1401能够相对于推车1406的至少一部分平移及/或旋转的一或多个机动系统。举例来说，在实施例中，机架1401可相对于推车1406被升高或降低及/或可相对于推车1406沿着z轴在有限运动范围上方平移(即，进入及移出图14A中的页面)。另外，在一些实施例中，机架1401可相对于推车1406沿着一或多个轴旋转。举例来说，机架1401可相对于推车1406围绕延伸穿过机架1401与推车1406之间的附接点的水平轴倾斜，及/或可具有相对于推车1406围绕垂直轴的“摇摆”旋转。
一或多个机器人手臂101可附接于图14A到14C的成像系统1400上的任何地方，例如机架1401、推车1406或附接机构1405上。在图14A到14C中所展示的实施例中，机器人手臂101附接到可类似于上文参考图13A到13D所描述的支撑部件1300的支撑部件1407。在此实施例中，支撑部件1407从附接机构1405延伸，但支撑部件1407可从推车1406的任一部分延伸。在此实施例中，支撑部件1407是在机架1401的上部部分上方同心地延伸的半圆形区段。支撑部件1407及紧固到其的机器人手臂101可随机架1401相对于推车1406沿着至少一个轴的平移(例如，上下平移)而平移。在实施例中，机架1401可能够相对于推车1406旋转(例如，倾斜)，而支撑部件1407及机器人手臂101不会也旋转。
机器人手臂101可使用如上文所描述的支架机构1301附接到支撑部件1407。支架机构1301及机器人手臂可移动到沿着支撑部件1407的长度的任何任意位置。另外，系统可包含包括经由第二支撑部件1313安装到机架1401的一侧的光学传感器装置1304的跟踪系统，如上文参考图13A到13D所描述。光学传感器装置1304可移动到沿着第二支撑部件1313的长度的不同位置，如上文所描述。例如上文参考图1A到12B所描述的设备129的其它运动跟踪设备可用于图14A到14C的系统中。
图15A到15D图解说明用于执行机器人辅助外科手术的包含安装到成像系统1500的至少一个机器人手臂101的系统100的另一替代实施例。在此实施例中，成像系统1500是包含通过C形连接部件1505彼此连接的x射线源1501及检测器1503的C形手臂装置。C形连接部件1505耦合到在此实施例中包括移动推车1509的支撑结构1507。附接机构1511将C形连接部件1505附接到推车1509，使得附接机构1511与源1501、检测器1503及C形连接部件1505一起可相对于推车1509在第一方向上旋转(即，进入及移出图15A中的页面)。在一些实施例中，源1501、检测器1503及C形连接部件1505还可相对于附接机构1511及推车1509在第二方向上旋转(即，在图15A中的页面的平面内)。如上文所论述，推车1509可为移动推车且可用于使整个成像系统1500移动到所要位置及定向。源1501及检测器1503可用于从各种不同投影角度获得定位于源1501与检测器1503之间的物体的x射线图像，例如2D荧光图像。
一或多个机器人手臂101可附接于图15A到15D的成像系统1500上的任何地方，例如推车1509、附接机构1511或C形连接部件1505上。在图15A到15D中所展示的实施例中，机器人手臂101附接到可类似于上文参考图13A到13D及14A到14C所描述的支撑部件1300及1407的支撑部件1513。在此实施例中，支撑部件1513从推车1509延伸。在此实施例中，支撑部件1513是至少部分地在源1501、检测器1503及C形连接部件1505上面从推车1509延伸的弯曲(例如，半圆形)区段。支撑部件1513可与C形连接部件1505同心。支撑部件1513可经定位使得源1501及检测器1503可围绕一或多个轴自由地旋转而不会接触支撑部件1513。
机器人手臂101可使用如上文所描述的支架机构1301附接到支撑部件1513。支架机构1301及机器人手臂101可移动到沿着支撑部件1513的长度的任何任意位置。另外，系统可包含包括经由第二支撑部件1515安装到机架1401的一侧的光学传感器装置1304的跟踪系统。第二支撑部件1515可为至少部分地在源1501、检测器1503及C形连接部件1505上面从推车1509延伸的第二弯曲(例如，半圆形)区段。第二支撑部件1515可与支撑部件1513平行地延伸，如图15A到15C中所展示。在此实施例中，第二支撑部件1515延伸达比支撑部件1513短的长度，但将理解，第二支撑部件1515可延伸达与支撑部件1513相同或比其大的长度。光学传感器装置1304可移动到沿着第二支撑部件1515的长度的不同位置，如上文所描述。或者，机器人手臂101及光学传感器装置1304两者可安装到相同支撑部件(例如，支撑部件1513)。并且，例如上文参考图1A到12B所描述的设备129的其它运动跟踪设备可用于图15A到15D的系统中。
图16是适用于执行处理控制单元(例如上文所描述的控制器105、205及213)的功能的计算装置的系统框图。虽然将计算装置1600图解说明为膝上型计算机，但提供计算机装置1600的功能能力的计算装置可实施为工作站计算机、嵌入式计算机、桌上型计算机或手持式计算机(例如，平板计算机、智能电话等)。典型计算装置1600可包含耦合到电子显示器1604、扬声器1606及存储器1602(其可为易失性存储器以及非易失性存储器(例如，磁盘驱动器))的处理器1601。当实施为膝上型计算机或桌上型计算机时，计算装置1600还可包含耦合到处理器1601的软盘驱动器、压缩光盘(CD)或DVD磁盘驱动器。计算装置1600可包含天线1610、多媒体接收器1612、收发器1618及/或耦合到处理器1601以用于发送及接收电磁辐射、连接到无线数据链路且接收数据的通信电路。另外，计算装置1600可包含耦合到处理器1601以与网络(例如，耦合到服务提供者网络的LAN等)建立数据连接的网络接入端口1624。膝上型计算机或桌上型计算机1600通常还包含用于接收用户输入的键盘1614及鼠标垫1616。
提供前述方法描述仅作为说明性实例且并不打算需要或暗指各种实施例的步骤必须以所呈现的次序执行。如所属领域的技术人员将了解，可以任何次序执行前述实施例中的步骤的次序。例如“此后”、“接着”、“接下来”等字词未必打算限制步骤的次序；这些字词可用于指导读者理解对方法的描述。此外，以单数形式对权利要求书元件的任何提及(举例来说，使用冠词“一(a或an)”或“所述(the)”)不应视为将元件限制于单数。
连同本文中所揭示的实施例一起描述的各种说明性逻辑块、模块、电路及算法步骤可实施为电子硬件、计算机软件或二者的组合。为清楚地图解说明硬件与软件的此可互换性，上文通常已就各种说明性组件、块、模块、电路及步骤的功能性对其进行了描述。此功能性是实施为硬件还是软件取决于特定应用及强加于总体系统上的设计约束。虽然所属领域的技术人员可针对每一特定应用以变化方式实施所描述功能性，但不应将此类实施方案决策解释为导致背离本发明的范围。
用于实施连同本文中所揭示的方面一起描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块及电路的硬件可利用以下装置实施或执行：通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或者其经设计以执行本文中所描述的功能的任一组合。通用处理器可为微处理器，但在替代方案中，所述处理器可为任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可实施为计算装置的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器的组合、联合DSP核心的一个或多个微处理器的组合或任一其它此类配置。或者，可由给定功能所特有的电路来执行一些步骤或方法。
在一或多个示范性方面中，所描述功能可在硬件、软件、固件或其任一组合中实施。如果在软件中实施，那么所述功能可作为一或多个指令或代码存储于非暂时性计算机可读媒体上。本文中所揭示的方法或算法的步骤可体现于可驻存于非暂时性计算机可读媒体上的处理器可执行软件模块中。非暂时性计算机可读媒体包含促进计算机程序从一个地方到另一地方的传送的计算机存储媒体。存储媒体可为可由计算机存取的任一可用媒体。以实例方式而非限制，此类非暂时性计算机可读存储媒体可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置，或可用于以指令或数据结构的形式载运或存储所要程序代码且可由计算机存取的任一其它媒体。如本文中所使用，磁盘及光盘包含压缩光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘及蓝光光盘，其中磁盘通常磁性地再现数据而光盘利用激光光学地再现数据。以上各项的组合也应包含于非暂时性计算机可读存储媒体的范围内。另外，方法或算法的操作可作为一个或任何代码及/或指令组合或集合驻存于可并入到计算机程序产品中的机器可读媒体及/或计算机可读媒体上。
对所揭示方面的前述描述经提供以使任一所属领域的技术人员能够制作或使用本发明。所属领域的技术人员将轻易明了对这些方面的各种修改，且本文中所定义的一般性原理可在不背离本发明的范围的情况下应用于其它方面。因此，本发明并不打算限于本文中所展示的所述方面，而应被赋予与本文中所揭示的原理及新颖特征相一致的最宽广范围。

Claims (30)

1.一种执行机器人辅助外科手术的方法，其包括：
基于由成像装置获得的患者的成像数据，使末端执行器和与成像装置操作地附接的机器人手臂相对于患者及成像装置移动到相对于患者的预定位置及定向；
使所述成像装置和机器人手臂通过进行沿成像装置的底座的直线平移而相对于所述患者移动，使所述成像装置和机器人手臂相对于所述患者直线移动；
检测所述成像装置相对于所述患者的移动；和
获得所述患者的术中图像，同时移动所述机器人手臂，响应于检测所述成像装置相对于所述患者的移动来避免与所述成像装置及与所述患者的碰撞。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述机器人手臂包括多关节手臂并且利用反向运动学移动。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述末端执行器经配置以接纳且引导创伤性外科手术工具。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，基于在由所述成像装置获得的所述患者的所述成像数据的显示中对入口点及目标点的用户选择而确定所述末端执行器相对于所述患者的所述预定位置及定向。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述成像装置包括含纳至少一个成像组件且界定孔的机架，所述成像组件包括x射线计算断层摄影术CT扫描装置。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，一支撑柱在所述底座上面延伸，并且一患者支撑件安装到所述支撑柱，其中，所述机架位于所述底座上面；并且
其中，所述机架相对于所述底座平移和倾斜。
7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
使用运动跟踪设备跟踪所述机器人手臂及所述成像装置中的至少一者的位置；
其中，所述运动跟踪设备包括固定到所述机器人手臂及所述成像装置的至少一个标记器及检测由所述至少一个标记器发射或反射的辐射的感测装置；
其中，所述感测装置附接到所述成像装置并且独立于所述成像装置的运动移动，以使所述患者的外科手术区维持在感测装置的视场内；并且
其中，所述运动跟踪设备经配置以检测所述末端执行器相对于所述患者从所述预定位置及定向的移动。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，基于从所述运动跟踪设备及所述成像装置中的至少一者接收的位置数据而确定所述机器人手臂相对于所述患者及所述成像装置的所述位置；并且
其中，所述机器人手臂、所述成像装置及所述运动跟踪设备在共同坐标系统中操作。
9.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括产生包围所述患者的至少一部分的边界表面，其中，控制所述机器人手臂的移动使得所述机器人手臂的任一部分均不可进入所述边界表面；并且
其中，通过使用所述运动跟踪设备跟踪所述患者上的多个标记器而产生所述边界表面。
10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括响应于检测到所述末端执行器相对于所述患者从所述预定位置及定向的移动而进行以下操作中的至少一者：通知用户及停止所述成像装置的运动。
11.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
确定不可能在不改变所述末端执行器相对于所述患者的所述位置或定向或者不与所述成像装置或所述患者碰撞的情况下使所述机器人手臂移动，且基于此确定，执行包括以下操作中的至少一者的操作：
向用户发出警告；及
停止所述成像装置相对于所述患者的运动。
12.一种用于执行机器人辅助外科手术的系统，其包括：
机器人手臂，其具有手臂底座和末端执行器；
成像装置，其包括底座和机架，所述机架与机器人手臂底座连接且沿着底座和患者的长度平移，以获得所述患者的成像数据；和
处理器，其耦合到所述机器人手臂且配置有处理器可执行指令，所述处理器可执行指令用以执行包括以下操作的操作：
基于由所述成像装置获得的所述患者的成像数据控制所述机器人手臂以使所述末端执行器相对于所述患者移动到预定位置及定向；
检测所述成像装置相对于所述患者的移动；和
在术中扫描过程中响应于检测所述成像装置相对于所述患者的移动来移动机器人手臂，同时避免与所述成像装置及与所述患者的碰撞。
13.根据权利要求12所述的系统，其进一步包括患者支撑件，并且所述成像装置沿着底座和所述患者支撑件的长度直线平移以获得位于所述患者支撑件上的患者的成像数据。
14.根据权利要求13所述的系统，其进一步包括运动跟踪设备，所述运动跟踪设备包括操作地附接到所述成像装置的相机，所述相机经配置以跟踪物体在外科手术区中的位置，至少所述患者和所述机器人手臂；并且
其中，所述相机相对于所述患者支撑件移动以使所述外科手术区维持于所述相机的视场中。
15.一种用于执行机器人辅助外科手术的系统，其包括：
x射线成像装置，所述x射线成像装置包括底座和支撑结构，所述支撑结构经配置以相对于所述底座直线平移，所述支撑结构包括x射线源与x射线检测器，所述x射线检测器被安装到所述支撑结构使得所述x射线源及所述x射线检测器中的至少一者经配置以相对于所述支撑结构旋转以相对于被成像的物体从不同投影角度获得x射线图像；和
机器人手臂，其具有经配置以延伸到所述x射线源与所述x射线检测器之间的成像区中的第一端及附接到所述支撑结构的第二端；
其中，所述x射线源及所述x射线检测器中的所述至少一者经配置以相对于所述支撑结构及所述机器人手臂的所述第二端围绕两个互相垂直的轴旋转；并且
其中，当所述支撑结构移动以获得x射线图像时所述机器人手臂随所述支撑结构一起相对于所述底座移动，同时所述x射线成像装置相对于被成像的物体从不同投影角度获得x射线图像。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述x射线源及所述x射线检测器中的所述至少一者经配置以相对于所述支撑结构的第一部分在至少一个方向上平移，且所述机器人手臂的所述第二端附接到所述支撑结构的第二部分，所述第二部分随所述x射线源及所述x射线检测器中的所述至少一者相对于所述支撑结构的所述第一部分平移。
17.根据权利要求16所述的系统，其进一步包括：
第一支撑部件，其在含纳所述x射线源及所述x射线检测器的成像机架的外圆周的至少一部分上方从所述支撑结构延伸，其中，所述机器人手臂的所述第二端安装到所述第一支撑部件且能够移动到所述第一支撑部件上的多个位置；及
第二支撑部件，其附接到所述成像机架，其中，用于运动跟踪系统的至少一个相机安装到所述第二支撑部件且能够移动到所述第二支撑部件上的多个位置。
18.根据权利要求15所述的系统，其中，所述成像装置包括含纳所述x射线源及所述x射线检测器的O形成像机架，且所述O形成像机架经配置以相对于所述支撑结构及所述机器人手臂的所述第二端倾斜。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述支撑结构包括具有一对手臂的平衡环架，所述一对手臂在所述机架的相对侧上连接到所述成像机架，且所述机器人手臂的所述第二端附接到所述平衡环架。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述机器人手臂的所述第二端附接到支撑部件，所述支撑部件从所述平衡环架的手臂的端部且在所述O形成像机架的外圆周的至少一部分上面延伸。
21.一种用于执行机器人辅助外科手术的系统，其包括：
机器人手臂，其具有手臂底座和末端执行器；
成像装置，其包括底座和机架；
患者支撑件，其与所述成像装置的底座和所述机器人手臂的底座连接，所述成像装置沿着底座和患者支撑件的长度直线平移，以获得位于所述患者支撑件上的患者的成像数据；和
处理器，其耦合到所述机器人手臂且配置有处理器可执行指令，所述处理器可执行指令用以执行包括以下操作的操作：
基于由所述成像装置获得的所述患者的成像数据控制所述机器人手臂以使所述末端执行器相对于所述患者移动到预定位置及定向；
检测所述成像装置相对于所述患者的移动；和
在术中扫描过程中响应于检测所述成像装置相对于所述患者的移动来移动机器人手臂，同时避免与成像装置及与患者的碰撞。
22.一种用于执行机器人辅助外科手术的系统，其包括：
机器人手臂，其具有手臂底座和末端执行器；
成像装置，其包括底座和机架，所述机架沿着底座和患者的长度平移，以获得患者的成像数据，其中，所述机器人手臂的底座与所述成像装置的底座可移动地连接；和
处理器，其耦合到所述机器人手臂且配置有处理器可执行指令，所述处理器可执行指令用以执行包括以下操作的操作：
基于由所述成像装置获得的所述患者的成像数据控制所述机器人手臂以使所述末端执行器相对于所述患者移动到预定位置及定向；
检测所述成像装置相对于所述患者的移动；和
在术中扫描过程中响应于检测所述成像装置相对于所述患者的移动来移动机器人手臂，同时避免与成像装置及与患者的碰撞。
23.一种用于执行机器人辅助外科手术的系统，其包括：
第一机器人手臂和第二机器人手臂，每个机器人手臂都具有手臂底座和末端执行器；
成像装置，其包括底座和机架，所述机架与第一手臂底座和第二手臂底座连接并且沿着底座和患者的长度平移，以获得患者的成像数据；和
处理器，其耦合到所述第一机器人手臂和第二机器人手臂，所述处理器配置有处理器可执行指令，所述处理器可执行指令用以执行包括以下操作的操作：
基于由所述成像装置获得的所述患者的成像数据控制所述机器人手臂以使所述末端执行器相对于所述患者移动到预定位置及定向；
检测所述成像装置相对于所述患者的移动；和
在术中扫描过程中响应于检测所述成像装置相对于所述患者的移动来移动机器人手臂，同时避免与成像装置及与患者的碰撞。
24.一种用于执行机器人辅助外科手术的系统，其包括：
x射线成像装置，其包括底座和支撑结构，所述支撑结构经配置以相对于所述底座和被成像的物体移动，所述支撑结构包括x射线源与x射线检测器，所述x射线检测器被悬置于所述支撑结构使得所述x射线源及所述x射线检测器中的至少一者经配置以相对于所述支撑结构旋转以相对于被成像的物体从不同投影角度获得x射线图像；和
机器人手臂，其具有经配置以延伸到所述x射线源与所述x射线检测器之间的成像区中的第一端及附接到所述支撑结构的第二端；
其中，所述x射线源及所述x射线检测器中的所述至少一者经配置以相对于所述支撑结构及所述机器人手臂的所述第二端围绕两个互相垂直的轴旋转；并且
其中，当所述支撑结构移动以获得x射线图像时所述机器人手臂随所述支撑结构一起相对于所述底座移动，同时所述x射线成像装置相对于被成像的物体从不同投影角度获得x射线图像。
25.一种用于执行机器人辅助外科手术的系统，其包括：
x射线成像装置，其包括底座和具有C形形状的机架，所述机架经配置以相对于所述底座移动，所述机架包括x射线源及x射线检测器，所述x射线检测器被悬置于所述支撑结构使得所述x射线源及所述x射线检测器中的至少一者经配置以相对于所述支撑结构旋转以相对于被成像的物体从不同投影角度获得x射线图像；和
机器人手臂，其具有经配置以延伸到所述x射线源与所述x射线检测器之间的成像区中的第一端及附接到所述x射线成像装置的第二端；
其中，所述x射线源及所述x射线检测器中的所述至少一者经配置以相对于所述底座及所述机器人手臂的所述第二端围绕两个互相垂直的轴旋转；并且
其中，当所述机架移动以获得x射线图像时所述机器人手臂随所述机架一起相对于所述底座移动，同时所述x射线成像装置相对于被成像的物体从不同投影角度获得x射线图像。
26.一种用于执行机器人辅助外科手术的系统，其包括：
机器人手臂，其具有手臂底座和末端执行器；
成像装置，其包括底座、支撑结构和被悬置到所述支撑结构的具有O形轮廓的机架，所述支撑结构相对于所述底座和患者的长度平移以获得患者的成像数据，其中，所述手臂底座与所述成像装置连接；和
处理器，其耦合到所述机器人手臂且配置有处理器可执行指令，所述处理器可执行指令用以执行包括以下操作的操作：
基于由所述成像装置获得的所述患者的成像数据控制所述机器人手臂以使所述末端执行器相对于所述患者移动到预定位置及定向；
检测所述成像装置相对于所述患者的移动；和
在术中扫描过程中响应于检测所述成像装置相对于所述患者的移动来移动机器人手臂，同时避免与成像装置及与患者的碰撞。
27.一种用于执行机器人辅助外科手术的系统，其包括：
成像装置，其包括底座和机架，所述机架沿着所述底座和患者的长度平移，以获得患者的成像数据；
机器人手臂，其具有手臂底座和末端执行器，所述手臂底座与所述成像装置可移动地连接；和
处理器，其耦合到所述机器人手臂且配置有处理器可执行指令，所述处理器可执行指令用以执行包括以下操作的操作：
基于由所述成像装置获得的所述患者的成像数据控制所述机器人手臂以使所述末端执行器相对于所述患者移动到预定位置及定向；
检测所述成像装置相对于所述患者的移动；和
在术中扫描过程中响应于检测所述成像装置相对于所述患者的移动来移动机器人手臂，同时避免与成像装置及与患者的碰撞。
28.一种用于执行机器人辅助外科手术的系统，其包括：
机器人手臂，其具有手臂底座和末端执行器；
光学传感器，其具有相机和相机底座；
成像装置，其包括底座和机架，所述机架与所述手臂底座和所述相机底座连接，所述机架沿着所述底座和患者的长度平移，以获得患者的成像数据；和
处理器，其耦合到所述机器人手臂且配置有处理器可执行指令，所述处理器可执行指令用以执行包括以下操作的操作：
基于由所述成像装置获得的所述患者的成像数据控制所述机器人手臂以使所述末端执行器相对于所述患者移动到预定位置及定向；
检测所述成像装置相对于所述患者的移动；和
在术中扫描过程中响应于检测所述成像装置相对于所述患者的移动来移动所述机器人手臂和所述光学传感器，同时避免与成像装置及与患者的碰撞。
29.一种用于执行机器人辅助外科手术的系统，其包括：
机器人手臂，其具有手臂底座和末端执行器；
成像装置，其包括底座和机架，所述机架与机器人手臂底座连接并沿着所述底座和患者的长度平移，以获得患者的成像数据；和
处理器，其耦合到所述机器人手臂且配置有处理器可执行指令，所述处理器可执行指令用以执行包括以下操作的操作：
基于由所述成像装置获得的所述患者的成像数据控制所述机器人手臂以使所述末端执行器相对于所述患者移动到预定位置及定向；
检测所述成像装置相对于所述患者的移动；和
在术中扫描过程中响应于检测所述成像装置相对于所述患者的移动来移动所述机器人手臂，同时避免与成像装置及与患者的碰撞；
其中，所述手臂底座沿着所述机架的一部分移动，将所述机器人手臂定位在相对于所述机架的不同位置处。
30.一种用于执行机器人辅助外科手术的系统，其包括：
机器人手臂，其具有手臂底座和末端执行器；
光学传感器，其具有相机和相机底座；
成像装置，其包括底座和机架，所述机架与所述手臂底座和所述相机底座连接，所述机架沿着所述底座和患者的长度平移，以获得患者的成像数据；和
处理器，其耦合到所述机器人手臂且配置有处理器可执行指令，所述处理器可执行指令用以执行包括以下操作的操作：
基于由所述成像装置获得的所述患者的成像数据控制所述机器人手臂以使所述末端执行器相对于所述患者移动到预定位置及定向；
检测所述成像装置相对于所述患者的移动；和
在术中扫描过程中响应于检测所述成像装置相对于所述患者的移动来移动所述机器人手臂和所述光学传感器，同时避免与成像装置及与患者的碰撞；
其中，所述相机底座沿着所述机架的一部分移动，将所述光学传感器定位在相对于所述机架的不同位置处。
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