CN113194863A - 具有集成麦克风的外科工具 - Google Patents

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J·萨维尔
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Abstract

本发明题为“具有集成麦克风的外科工具”。本发明描述了用于外科机器人系统的通信设备和装置。该通信设备可包括与具有外科工具的通信装置通信的用户控制台。该通信装置可包括用以将声音输入转换为声学输入信号的麦克风。该通信装置可将该声学输入信号传输到该用户控制台，以作为声音输出再现给远程操作者。该外科工具可包括内窥镜，该内窥镜具有安装在外壳上的若干麦克风。该外科工具可以是具有麦克风和盖布的无菌屏障。该外科工具的该麦克风可面向周围环境，使得台边工作人员是引起该声音输出的该声音输入的源，并且外科医生和该台边工作人员可在嘈杂环境中进行通信。本文还描述并要求保护其他实施方案。

Description

具有集成麦克风的外科工具
背景技术
技术领域
本发明公开了与外科机器人系统有关的实施方案。更具体地，公开了与外科机器人系统和对应的通信装置相关的实施方案。
发明背景
内窥镜外科手术涉及检查患者身体并且使用内窥镜和其他外科手术工具在身体内执行外科手术。例如，腹腔镜外科手术可使用腹腔镜进入腹腔并查看腹腔。可使用手动工具和/或机器人辅助工具来执行内窥镜外科手术。
外科医生可使用外科机器人系统来远程命令位于手术台处的外科工具。更具体地，外科医生可使用从手术台在整个房间或甚至在整个世界定位的计算机控制台来命令机器人操纵安装在手术台上的外科工具。机器人控制的外科工具可以是安装在机器人臂上的内窥镜。因此，外科机器人系统可被远程外科医生命令来执行内窥镜外科手术。
由外科机器人系统执行的内窥镜外科手术通常由床边工作人员辅助。虽然外科医生可远程定位，但一个或多个床边助手可在手术台处或周围执行任务。例如，床边工作人员可照顾患者或附接/拆卸外科机器人系统的外科工具。床边工作人员和远程外科医生之间的通信对于成功的外科手术至关重要。为了与远程外科医生通信，床边工作人员可能会在手术场所中呼喊，该手术场所可能是嘈杂的环境。另选地，床边工作人员可佩戴并使用辅助技术，诸如头戴式耳机，以与远程外科医生通信。另外，床边工作人员可对附连到手术场所内的某物的麦克风(例如，悬挂在手术场所的天花板上的麦克风)说话，以与远程外科医生通信。
发明内容
当外科医生在机器人辅助的外科手术期间未物理地位于手术台处时，远程外科医生和床边工作人员之间的通信可能是困难的。手术场所内的噪声可干扰床边工作人员的呼喊，使得语音听不到。用于促进床边工作人员与远程外科医生之间通信的现有辅助技术具有若干缺点。头戴式耳机的使用可能会扰乱手术场所中的外科工作流程，并且因此，床边工作人员可能忘记佩戴头戴式耳机或者可能简单地选择不佩戴头戴式耳机。安装在手术场所内的各个位置处(例如，悬挂在天花板上)的麦克风可不延伸到手术台与床边工作人员之间的区域中，并且因此可不拾取床边工作人员的语音。类似地，床边工作人员可能不面向所安装的麦克风，并且因此，所监测声音的声音质量可能较差。
提供了具有通信装置的外科机器人系统。通信装置可包括外科工具，该外科工具集成麦克风以面向周围环境，例如用于放置在手术台和台边工作人员之间。在一个实施方案中，外科机器人系统包括具有通信装置和用户控制台的通信设备，并且外科工具通信地耦接到用户控制台。远程操作者(例如，外科医生)可使用用户控制台来命令外科工具。外科工具可包括音频系统，以将远程操作者的语音输出到台边工作人员，并且接收台边工作人员的语音。台边工作人员的语音可由用户控制台的音频系统再现给远程操作者。因此，台边工作人员和远程操作者可经由外科机器人系统的通信设备进行通信。
在一个实施方案中，外科工具包括内窥镜。内窥镜可附接到机器人臂，并且机器人臂可附接到手术台。内窥镜可具有用于放置在患者体内的细长轴，以及位于无菌屏障和台边工作人员之间的外壳。一个或多个麦克风和一个或多个扬声器可安装在外壳上，以提供音频系统，从而促进台边工作人员的通信。音频系统的若干麦克风可被布置成麦克风阵列以生成若干麦克风输出信号。任选地，处理器安装在外壳中并且可接收麦克风输出信号以执行语音数据的音频处理，诸如降噪或语音方向检测。因此，外科工具可用于正常外科工作流程中，以在台边工作人员和远程操作者之间提供清晰的通信。
在一个实施方案中，外科工具为无菌屏障。无菌屏障可包括待放置在手术台上的患者身上或待放置在用于执行机器人辅助的外科手术的机器人臂上方的盖布。更具体地，盖布可以是用以在另一个外科工具和/或机器人臂的一部分上方滑动以限定无菌区的管状套筒。另一个外科工具可附接到机器人臂，并且机器人臂可附接到手术台。外科工具可包括安装在管状套筒上的无菌适配器，并且无菌适配器可包括传动元件以将扭矩从管状套筒内部的机器人臂的马达驱动装置传输到管状套筒外部的外科工具。一个或多个麦克风和一个或多个扬声器可安装在无菌区内的无菌适配器上，以提供音频系统，从而促进台边工作人员的通信。音频系统可以电连接到机器人臂的数据信道，并且因此，远程操作者可以选择机器人臂以与手术场所的特定区域通信，例如，与患者右侧的台边工作人员通信。因此，外科工具可用于正常外科工作流程中，以在台边工作人员和远程操作者之间提供清晰的通信。
以上发明内容不包括本发明的所有方面的详尽列表。可以设想，本发明包括可利用以上总结的各个方面的所有合适组合来实施的所有系统和方法，以及以下具体实施方式中所公开及随本申请一同提交的权利要求书中特别指出的那些系统和方法。此类组合具有未在以上发明内容中明确叙述的特定优点。
附图说明
图1是根据一个实施方案的手术场地中的示例性外科机器人系统的绘画视图。
图2是根据一个实施方案的通信装置的透视图。
图3是根据一个实施方案的外科工具的外壳的沿图2的线A-A截取的剖视图。
图4是根据一个实施方案的通信装置的透视图。
图5是根据一个实施方案的外科工具的外壳的沿图4的线B-B截取的剖视图。
图6是根据一个实施方案的外科工具的传动外壳的沿图4的线C-C截取的剖视图。
图7是根据一个实施方案的通信装置的透视图。
图8是根据一个实施方案的盖布上的无菌适配器的沿图7的线D-D截取的剖视图。
图9是根据一个实施方案的盖布上的无菌适配器的沿图7的线E-E截取的剖视图。
图10是根据一个实施方案的外科机器人系统的计算机部分的框图。
具体实施方式
实施方案描述了用于外科机器人系统的通信设备和装置。通信设备可包括用户控制台和通信装置，该通信装置允许远程操作者(例如外科医生)与位于手术台处的床边工作人员通信。通信装置可促进通过集成在手术台处使用的外科工具中的音频系统进行通信。例如，外科工具可包括具有集成麦克风和/或扬声器的内窥镜或无菌屏障，如下所述。然而，通信装置可以包括结合到其他外科工具中的音频系统，诸如膀胱镜、腹腔镜或关节镜，仅举几个可能的应用。
在各种实施方案中，参照附图进行描述。然而，可在不使用一个或多个这些具体细节或与其他已知的方法和构造相结合的情况下实施某些实施方案。在以下的描述中，为了提供实施方案的透彻理解而阐述了许多具体细节，诸如具体构造、尺寸和工艺。在其他情况下，为了避免不必要地使本说明书变得不清楚，没有对熟知的工艺和制造技术进行特别详细的描述。在整篇说明书中对“一个实施方案”、“实施方案”等的提及意指所述特定特征、结构、配置或特性包括在至少一个实施方案中。因此，整篇说明书的各个不同地方出现的短语“一个实施方案”或“实施方案”等不一定都指同一实施方案。此外，特定特征、结构、构造或特性可以以任何合适的方式结合在一个或多个实施方案中。
整篇说明书中相关术语的使用可表示相对位置或方向。例如，“远侧”可指示远离参考点(例如，在外科手术期间正在手术的患者的方向上)的第一方向。类似地，“近侧”可指示在与该第一方向相反(例如，在远离患者的方向上)的第二方向上的位置。提供此类术语是为了确立相对参照系，然而此类术语并非旨在将通信装置或外科机器人系统的使用或取向限制为下文各种实施方案中所述的具体构型。
在一方面，提供了包括外科工具的通信装置，该外科工具结合了可位于手术场所的无菌区域内的音频系统。更具体地，通信装置可包括结合一个或多个麦克风或扬声器的外科工具。麦克风或扬声器可面向周围环境，例如，可在外科手术期间位于手术台上的无菌屏障与周围床边工作人员之间。麦克风或扬声器可以安装在装置的近侧部分上，诸如安装在内窥镜的与插入患者体内的内窥镜的远侧端部相对的外壳上，或者安装在无菌屏障的无菌适配器上，以在外科工具在使用中时拾取在手术台周围工作的床边工作人员的语音。在另一方面，外科工具用作外科手术的正常工作流程的一部分，并且因此，在通信装置中使用外科工具以促进床边工作人员和远程外科医生之间的通信在处理流程中是固有的。更具体地，麦克风或扬声器直接集成到用于对患者进行手术的外科工具中，并且因此，音频换能器可在外科手术期间自然地位于手术台和床边工作人员之间。
参见图1，这是手术场所中的示例性外科机器人系统的绘画视图。外科机器人系统100包括用户控制台120、控制塔130以及外科机器人平台111(例如，台、床等)处的一个或多个外科机器人臂112。外科机器人系统100可结合用于对患者102执行外科手术的任何数量的装置、工具或附件。例如，外科机器人系统100可包括通信装置或通信设备以促进外科医生和台边工作人员之间的声音通信。通信装置或通信设备可包括用于执行外科手术的一个或多个外科工具104。外科工具104可具有端部执行器，并且可附接到机器人臂112的远侧端部，以用于执行外科手术。外科工具104可以不附接到机器人臂112，例如，外科工具104可以是无菌屏障，如下所述。
可在外科手术期间手动地、通过机器人或通过以上两种方式操纵每个外科手术工具104。例如，外科工具104可以是用于进入、查看或操纵患者102的内部解剖结构的工具，或者外科工具104可以是可抓持患者102的组织的抓钳。外科工具104可由台边工作人员106手动操作；或者可通过机器人经由对该外科手术工具附接至的外科机器人臂112进行致动移动来控制该外科手术工具。机器人臂112被示出为工作台安装式系统，但在其他构造中，可将臂112安装在推车、天花板或侧壁中或安装在另一合适的结构支撑件中。
一般来讲，远程操作者107，诸如外科医生或其他操作者，可使用用户控制台120例如通过遥控操作来远程地操纵臂112和/或外科手术工具104。如图1中示出，用户控制台120可位于与系统100的其余部分相同的手术室中。然而，在其他环境中，用户控制台120可位于相邻或附近的房间中，或者该用户控制台可处于远程位置，例如位于不同的建筑物、城市或国家中。用户控制台120可包括座椅122、用脚操作的控件124、一个或多个手持式用户界面装置、UID 126和至少一个用户显示器128，该至少一个用户显示器被配置为显示例如患者102体内的外科手术部位的视图。在示例性用户控制台120中，远程操作者107在操纵用脚操作的控件124和手持式UID 126的同时坐在座椅122上并且观看用户显示器128，以便远程地命令臂112和外科工具104(它们安装在臂112的远侧端部上)。用脚操作的控件124可以是脚踏板，诸如七个踏板，该脚踏板当被致动时生成运动控制信号。用户控制台120可包括一个或多个附加界面装置(图10)，诸如麦克风、键盘或操纵杆，以接收输入，从而命令用户控制台120或外科机器人系统100的操作。
在一些变型中，台边工作人员106还可在“床上方”模式下操作系统100，其中台边工作人员106(用户)此时在患者102的一侧并同时地例如利用握持在一只手中的手持式UID126来操纵机器人驱动的工具(附接到臂112的端部执行器)并操纵手动式腹腔镜工具。例如，台边工作人员的左手可操纵手持式UID 126以命令机器人部件，而台边工作人员的右手可操纵手动式腹腔镜工具。因此，在这些变型中，台边工作人员106可对患者102执行机器人辅助式微创外科手术和手动式腹腔镜外科手术。
在示例规程(外科手术)期间，以无菌的方式为患者102进行术前预备并且覆上盖布以实现麻醉。可在外科机器人系统100的臂处于收起构型(例如，在平台111下方)或抽出构型时手动地执行向外科手术部位的初始进入(以便于进入外科手术部位)。一旦完成进入，便可执行外科机器人系统(包括其臂112)的初始定位或准备。接下来，外科手术继续进行到用户控制台120处的远程操作者107利用用脚操作的控件124和UID 126来操纵各种端部执行器和可能的成像系统以执行外科手术。穿着无菌手术衣的床边人员还可在手术床或手术台处提供手动辅助，例如，可执行诸如缩回组织的任务的台边工作人员106对机器人臂112中的一个或多个机器人臂执行手动重新定位以及工具交换。还可存在非无菌人员来辅助用户控制台120处的远程操作者107。当完成手术或外科手术时，系统100和/或用户控制台120可被配置或设置为处于促进手术后程序的状态，诸如清洁或灭菌以及医疗保健记录条目或经由用户控制台120的打印输出。
在一个实施方案中，远程操作者107持有UID 126并且移动该UID以提供输入命令来移动外科机器人系统100中的机器人臂致动器114。UID126可例如经由控制台计算机系统110通信地耦接到外科机器人系统100的其余部分。UID 126可生成与UID 126的移动相对应的空间状态信号，例如UID的手持式外壳的位置和取向，并且该空间状态信号可以是用以控制机器人臂致动器114的运动的输入信号。外科机器人系统100可使用源自空间状态信号的控制信号来控制致动器114的成比例的运动。在一个实施方案中，控制台计算机系统110的控制台处理器接收该空间状态信号并且生成对应的控制信号。基于这些控制信号(其控制致动器114如何被通电以移动臂112的区段或链节)，附接到臂的对应外科工具104的移动可模拟UID 126的移动。类似地，在远程操作者107与UID 126之间的交互可生成例如抓持控制信号，该抓持控制信号致使外科工具104的抓钳的钳口闭合并且抓取患者102的组织。
外科机器人系统100可包括若干UID 126，其中针对命令致动器和相应臂112的外科工具(端部执行器)的每个UID生成相应控制信号。例如，远程操作者107可移动第一UID126以命令左机器人臂中的致动器114的运动，其中致动器通过移动该臂112中的连杆、齿轮等来作出响应。类似地，远程操作者107对第二UID 126的移动命令另一个致动器114的运动，继而移动外科机器人系统100的其他连杆、齿轮等。外科机器人系统100可包括固定到在患者右侧的床或台的右臂112，以及处于该患者左侧的左臂112。致动器114可包括一个或多个马达，对该一个或多个马达进行控制，使得它们驱动臂112的关节的旋转或线性移动，以例如相对于患者改变内窥镜或附接到该臂的外科工具的抓钳的取向。可通过从特定UID126生成的空间状态信号来控制同一臂112中的若干致动器114的运动。UID126还可命令相应外科工具抓钳的运动。例如，每个UID 126可生成相应抓持信号以控制致动器(例如，线性致动器)的运动，该运动在外科工具的远侧端部处打开或闭合抓钳的钳口以抓持患者102体内的组织。
在一些方面，在平台111与用户控制台120之间的通信可通过控制塔130，该控制塔可将从用户控制台120(并且更具体地，从控制台计算机系统110)接收到的用户命令转译为机器人控制命令，将该机器人控制命令传输到机器人平台111上的臂112。控制塔130还可将来自平台111的状态和反馈传输回用户控制台120。机器人平台111、用户控制台120和控制塔130之间的通信连接可使用多种数据通信协议中的任何合适数据通信协议经由有线和/或无线链路来进行。任何有线连接可任选地内置到手术室的地板和/或墙壁或天花板中。机器人系统100可提供视频输出到一个或多个显示器，包括手术室内的显示器以及经由互联网或其他网络能够访问的远程显示器。视频输出或馈送还可以被加密以确保隐私，并且全部或部分视频输出可以被保存到服务器或电子保健记录系统。
将了解，图1中的手术室场景是说明性的，并且可能未准确地表示特定的医疗实践。
如上所述，外科工具104可以是用于促进外科手术的工具。外科工具104可以是用以主动进入、查看或操纵患者102的内部解剖结构的工具。在一个实施方案中，外科工具104为视频成像装置。例如，外科工具104可包括用于执行内窥镜外科手术的内窥镜(图2)。内窥镜可由台边工作人员106手动操作。例如，台边工作人员106可以将内窥镜安装到外科机器人系统100的机器人臂112上。台边工作人员106还可以将内窥镜与机器人臂112分离，以手动操作外科工具104的取向或位置。因此，在操作者106或机器人臂112旁边可移动和操纵内窥镜以对患者102执行手术。
在一个实施方案中，外科工具104是用于操纵组织的外科器械。外科工具104可包括抓钳或另一个部件以接合并操纵组织。例如，外科器械可由台边工作人员106手动操作或安装在机器人臂112上以抓持并操纵组织。
外科工具104可以是保持在患者102体外以促进外科手术的工具。在一个实施方案中，外科工具104是用以限定周围环境的无菌区的无菌屏障(图7)。台边工作人员106可将无菌屏障放置在患者102身上以在周围环境内形成无菌区。例如，无菌区可包括在无菌屏障和台边工作人员106之间的周围环境的区域。在一个实施方案中，外科工具104包括无菌适配器，如下所述，并且麦克风可安装在无菌适配器上。
用户控制台120可远程通信地耦接到具有外科工具104的通信装置以交换音频数据。即，音频数据可在用户控制台120和外科工具104之间交换，以允许远程操作者107与台边工作人员106交谈。在一个实施方案中，音频换能器(例如，麦克风或扬声器)安装在外科工具104的一部分上，以接收台边工作人员106的语音或向台边工作人员106发出声音输出。外科工具104的一部分可位于放置在患者102身上的外科盖布与周围环境之间。相比之下，外科工具104的远侧部分可位于盖布与手术台111之间，例如在患者102体内。在一个实施方案中，音频换能器安装在无菌屏障和台边工作人员106之间的部分上。因此，可由音频换能器拾取在无菌区内从台边工作人员106朝向患者102传播的声音。类似地，由音频换能器发出的声音可传播通过无菌区并且可由台边工作人员106听到。
在一个实施方案中，音频换能器是声电式换能器，例如麦克风，以将声音输入(例如，台边工作人员106的语音)转换为音频信号(例如，麦克风输出信号)。麦克风输出信号可以是由外科工具104处理和/或从其传输到用户控制台120的计算机系统110的电信号。如下所述，麦克风输出信号可编码待通过外科工具104和用户控制台120之间的有线或无线连接传送的音频数据。因此，用户控制台120可接收麦克风输出信号，并且安装在用户控制台120上的一个或多个控制台扬声器150可以从处理器302接收麦克风输出信号。控制台扬声器150可以将麦克风输出信号转换为声音输出。声音输出可再现来自台边工作人员106的语音以被远程操作者107听到。
用户控制台120和外科工具104之间的音频通信可以是双向的。例如，安装在用户控制台120上的控制台麦克风152可以在用户控制台120处从远程操作者107接收声音输入，例如语音。控制台麦克风152可以将来自用户的声音输入转换为编码语音数据的音频信号。用户控制台120可与机器人臂112和/或具有外科工具104的通信装置通信，并且因此，语音数据可经由电通信连接在计算机系统110和外科工具104之间交换。在一个实施方案中，外科工具104的音频换能器是电声换能器，例如扬声器，以将电语音信号转换为声音输出，该声音输出再现远程操作者107的语音以被台边工作人员106听到。因此，即使当台边工作人员106不面向远程操作者107时，远程操作者107和台边工作人员106也可清楚地通信。
远程外科工具104可以是集成待在外科场所内位于无菌屏障和台边工作人员106之间的麦克风或扬声器的另一外科工具或附件。例如，外科工具104可以是无菌屏障，该无菌屏障具有覆盖外科机器人系统100或患者102的一部分的盖布。无菌屏障可将麦克风集成在背向患者102并面向周围环境的外部表面上。在一个实施方案中，无菌屏障的盖布是待放置在外科机器人系统100的机器人臂112上方的套筒。如下所述，套筒可包括无菌适配器，以允许机器人臂112将机械力传输到安装在机器人臂上的另一个外科装置，例如内窥镜。麦克风或扬声器可安装在套筒(例如，无菌适配器)的一部分的外部表面上，以在无菌屏障和台边工作人员106之间的空间内接收或发出声音。
参见图2，根据一个实施方案示出了通信装置的透视图。外科机器人系统100中的通信装置200可用于促进外科医生107和台边工作人员106之间的声音通信。通信装置200可包括外科工具104。在一个实施方案中，外科工具104为视频成像装置。例如，视频成像装置可包括内窥镜，诸如腹腔镜。在一个实施方案中，内窥镜为手动外科工具。更具体地，内窥镜可旨在由操作者而不是外科机器人系统保持和操纵。内窥镜可以包括待由操作者保持的近侧部分，以及从近侧部分纵向延伸的远侧部分。远侧部分要被插入患者102体内。因此，远侧部分在外科手术期间可位于无菌屏障和手术台111之间的空间内(例如，在患者102体内)，并且近侧部分可位于无菌屏障外部，诸如在无菌屏障和台边工作人员106之间。
外科工具104可包括沿着中心轴线204纵向延伸的细长轴202。轴202可为刚性的或柔性的。例如，轴202可为延伸到远侧末端206的刚性金属管。远侧末端206可以是直的或成角度的，以允许操作者将远侧末端206朝向目标解剖结构引导。远侧末端206可被插入目标解剖结构中。此外，远侧末端206可以是能够致动的，以将远侧末端206的形状从直末端改变为成角度的末端。更具体地，内窥镜可包括控件，诸如张力缆线，其可以被致动以使远侧末端206从直构型转变为弯曲构型。
在一个实施方案中，光学子系统(未示出)安装在远侧末端206上。光学子系统可包括内窥镜相机。光学子系统可包括物镜、电荷耦接器件、照明透镜或发光二极管中的一者或多者。因此，光学子系统可对患者102的内部解剖结构进行照明并且获得内部解剖结构的视觉数据，即，查看内部解剖结构。视觉数据可由对应电路通过轴202从光学子系统传输。
外科工具可包括安装在远侧末端206近侧的轴202上的外壳208。例如，外壳208可耦接到轴202的近侧端部350(图3)。轴202可延伸到外壳208中。例如，轴202的近侧端部350可以是轴202的与远侧末端206相对的区域，并且可以被电子外壳壁围绕。外壳208可具有任何形状。在一个实施方案中，外壳208包括圆柱形部分，该圆柱形部分具有围绕中心轴线204的外表面209。更具体地，外表面209可关于中心轴线204对称地设置。例如，外表面209可具有居中在中心轴线204上的圆形轮廓。外壳208可沿着无菌屏障外部的中心轴线204定位，并且因此外表面209可面向围绕中心轴线204的周围环境。因此，具有外表面209的外壳208的壁可提供可用安装表面以保持内窥镜的音频换能器。
一个或多个麦克风210可安装在外科工具104的外表面上。例如，一个或多个麦克风可安装在外壳208上。在一个实施方案中，若干麦克风210安装在外壳208的外表面209上。麦克风210可位于外壳208的近侧端部处或沿着外壳208的侧壁。在外科手术期间，麦克风210可以操作地设置在无菌屏障上方，并且因此，麦克风210在外科手术期间可以在台边工作人员106前面。例如，无菌屏障可覆盖外科机器人系统100的部分，并且外科工具100可安装在无菌屏障的与覆盖部分相对的侧面上。类似地，无菌屏障可覆盖患者102，并且轴的远侧端部可通过无菌屏障中的孔插入患者102体内，而近侧端部350保持位于无菌屏障上方。因此，麦克风210可接收声音输入，例如台边工作人员106的语音，并且将声音输入转换为相应音频信号，例如麦克风输出信号。声音输入可用于各种目的，包括外科机器人系统的语音控制、转录和远程监测。
在一个实施方案中，内窥镜包括布置成麦克风阵列的若干麦克风210。更具体地，麦克风阵列可包括至少两个麦克风210。麦克风阵列可促进若干有利的音频功能。例如，麦克风阵列可允许内窥镜执行降噪和/或确定声源的方向，如下所述。当若干麦克风210集成在外科工具104中时，麦克风可生成若干麦克风输出信号，这些麦克风输出信号可被处理以提供这样的功能。
内窥镜可包括一个或多个扬声器212。扬声器212可安装在外壳208的外表面209上。单个扬声器212可在中心轴线204上安装在外壳208的近侧端部上。例如，外表面209可具有平行于中心轴线204延伸并且与横向于中心轴线204延伸的端壁相交的圆柱形侧壁，并且扬声器212可安装在端壁上，使得中心轴线204延伸穿过扬声器212。若干麦克风210可围绕单个扬声器212布置在外表面209上。麦克风210可位于外表面209的侧壁和/或端壁上，例如沿着侧壁和端壁的相交处的边缘布置。若干扬声器212可围绕中心轴线204沿着外壳208的侧壁安装，例如安装在扬声器阵列中。与内窥镜的麦克风210一样，扬声器212可在外科手术期间位于无菌屏障和台边工作人员106之间，并且因此，扬声器212可接收声学输出信号并将声学输出信号转换为声音输出以被台边工作人员106听到。声音输出可以是远程操作者107的语音、警报、警示等。
由麦克风210生成的麦克风输出信号和由扬声器212接收的声学输出信号可经由电路进行处理和传输，该电路可任选地位于外壳208内或另一位置处，诸如在用户控制台120或控制塔130内。表示音频数据的电信号可通过有线或无线连接在外壳208外部传送。在一个实施方案中，电缆214附接到外壳208以在外壳208和用户控制台120(和/或控制塔130)之间交换电信号。电信号可以是功率或数据信号，并且因此，电缆214可以包括电源线或数据线中的一者或多者。电缆214可在外科工具104(例如，来自内窥镜)和用户控制台120之间载送信息。
参见图3，根据一个实施方案示出了外科工具的外壳的沿图2的线A-A截取的剖视图。通过电缆214传输的电信号可源自处理器302或由该处理器接收，该处理器可任选地位于外壳208中。另选地，处理器302可远程定位在例如用户控制台120或控制塔130内，并且可与内窥镜的电子器件(例如，麦克风210或扬声器212)进行信号通信。例如，处理器302可以通信地耦接(例如，电连接)到内窥镜的麦克风210，以接收由麦克风210响应于来自源306(例如，台边工作人员106)的撞击声音输入304而生成的麦克风输出信号。类似地，处理器302可以通信地耦接(例如，电连接)到扬声器212，以向扬声器212输出声学输出信号。声学输出信号可以是由处理器302从另一个声音输入(诸如从用户控制台120处的用户)接收的音频信号。扬声器212可接收声学输出信号并将音频信号转换为声音输出308。处理器302可处理并传输音频信号，诸如麦克风210的麦克风输出信号和扬声器212的声学输出信号。例如，处理器302可以通信地耦接到外科工具104的麦克风210和用户控制台120的麦克风152，并且可以处理和传输由麦克风生成的相应音频信号，以促进台边工作人员106和用户控制台120处的用户之间的声音通信。处理器302可执行若干音频处理功能以增强远程操作者107和台边工作人员106之间的此类通信，如下所述。
在一个实施方案中，处理器302可结合模拟或数字信号处理部件以减少不需要的环境噪声。更具体地，处理器302可从一个或多个麦克风210接收麦克风输出信号以执行降噪。在一个实施方案中，麦克风210位于外壳208的外表面209上以从源306接收声音输入304。麦克风210可从源306接收声音输入304，并且将声音转换为提供给处理器302的信号处理电路的音频信号。处理器302可处理音频信号以测量信号中的背景噪声。例如，处理器302可检测并测量来自周围环境的环境声音、来自手术场所内的电子器件的哔哔声、风扇噪声等。处理器302可对音频信号执行降噪算法以降低信号中的背景噪声。修改的信号可由处理器302输出以将清晰的声学信号传输到用户控制台120以再现给远程操作者107。
处理器302可结合模拟或数字信号处理部件以确定声音输入304的源306的方向。在一个实施方案中，中心轴线204延伸穿过外壳208，并且若干麦克风210围绕中心轴线204安装在外表面209上。例如，若干麦克风210可关于中心轴线204对称地布置以形成麦克风阵列。阵列中的麦克风可在平面中彼此等距地布置。例如，该平面可垂直于中心轴线204和/或轴202延伸，使得该平面上的等距间隔的麦克风形成围绕中心轴线204的环。麦克风阵列可安装在外壳208的外表面上并且被取向成面向特定方向。例如，阵列可位于外壳208的近侧端壁上，使得每个麦克风210面向近侧方向。以举例的方式，每个麦克风210可具有振动膜，该振动膜具有与中心轴线204成45度-90度取向的平面，以接收从周围环境朝向外壳208传播的声音。
在一个实施方案中，处理器302处理来自阵列中的麦克风210中的每个麦克风的音频信号，以检测声源306的声学位置。例如，处理器302可以确定声源306相对于外科工具104的距离和/或方向。可主动或被动地执行对源位置的检测。在一个实施方案中，源位置的检测是被动的，并且包括基于到达若干麦克风210的时间差的检测。例如，麦克风阵列中的每个麦克风210的相应振动膜可被不同地定位和/或引导，使得撞击声音(例如，声音输入304)在每个麦克风210中激发不同的响应。例如，与副麦克风210B相比，主麦克风210A可更靠近和/或更加面向源306。因此，主麦克风210A可基于其相对于声源的位置来生成第一麦克风输出信号，并且副麦克风210B可基于其相对于声源的位置来生成第二麦克风输出信号。处理器302的信号处理电路可对麦克风输出信号执行到达方向处理，以检测声音输入304的到达方向。例如，处理器302可使用第一麦克风输出信号和第二麦克风输出信号之间的互相关函数来确定源306的方向。更具体地，麦克风阵列可生成若干麦克风输出信号，这些麦克风输出信号可被区分以检测手术场所内的语音方向性。例如，源方向信息可用于确定台边工作人员106所在的手术场所内的位置或方向。
应当理解，麦克风阵列中的多个麦克风210对应于可由处理器302处理的多个麦克风输出信号。处理器302可出于不同目的使用这些信号。例如，至少两个麦克风210可输出至少两个信号，这两个信号可用于检测来自声源的声音在二维平面中的到达方向。相比之下，至少三个麦克风210可输出至少三个信号，这三个信号可用于检测来自声源的声音在三维空间中的到达方向。在一个实施方案中，处理器302可基于由三个或更多个麦克风210输出的信号来确定声源的位置。例如，来自三个或更多个麦克风210的麦克风输出信号可用于执行三角测量处理以确定声源在手术场所中的位置。
声源和源方向的检测可在手术场所中改善用户控制台120处的用户与桌边工作人员106之间的通信。例如，当源位置已知时，处理器302可使用波束形成算法来强调在声音输入304的检测到的到达方向上的声音拾取。波束形成算法可例如朝向源极位置增加麦克风210的增益。处理器302还可在检测到源位置之后强调特定操作者的语音。例如，特定操作者的语音可以是声音输入304，并且处理器302可将语音识别为来自特定操作者。此后，处理器302可检测来自特定操作者的语音作为到达方向处理的一部分，并且随着操作者围绕手术场所移动，朝向特定操作者波束形成声音通信。处理器302可不再强调其他操作者的语音，或其他声音(诸如周围环境中的哔哔声或风扇噪声)的语音。类似地，可控制从扬声器212输出的声音以朝向源位置发送声音。因此，可在手术场所中改善用户控制台120处的用户与台边工作人员106之间的通信。
外壳208可包含对应于内窥镜的非音频功能的电子电路。例如，专用电路可包括任选地安装在外壳208内的一个或多个集成电路中的图像感测电路或取向感测电路。在一个实施方案中，处理器302安装在外壳208内的电路板上。电路板可在远侧末端206处与光学子系统交换电信号。
在一个实施方案中，远侧末端206处的光学子系统与控制塔130直接交换电信号和/或光信号。更具体地，光纤可从控制塔130穿过电缆214的护套，或穿过专用光缆，延伸到内窥镜的远侧末端206上的相机。例如，内窥镜可包括用以向光学子系统载送电信号或光信号的传出电和/或光学连接器314，以及用以从光学子系统载送电信号或光信号的传入电连接器316。传出电信号或光信号可包括控制信号以控制光学子系统的照明或聚焦参数，并且传入电信号可对由光学子系统捕获的解剖图像的图像数据进行编码。
在一个实施方案中，内窥镜可用于腹腔镜外科手术，并且一个或多个取向传感器或跟踪技术可结合在内窥镜中以确定外科手术期间的位置和取向信息。外科工具104可包括惯性测量单元(IMU)318，该IMU具有加速度计以生成附接到IMU 318的主体的取向信号。IMU 318可安装在外壳208内。IMU 318可附接到电路板并且可电连接到处理器302。因此，IMU 318可相对于外壳208固定，并且IMU 318可生成对应于外壳208在空间中的位置或取向的取向信号。IMU 318可将取向信号传输到处理器302，并且处理器302可基于取向信号确定外壳208的取向。
所确定的取向可用于若干目的。例如，当在手动模式下使用手术工具104时，例如当在用手握持外科工具104时执行外科手术时，取向信号可用于确定台边工作人员106是否已将外科工具104放在外科盖布上。来自IMU 318的取向信号可用于确定待激活麦克风阵列210的哪个部分以收听用户。例如，取向信号可用于确定阵列的面向床或靠近盖布的麦克风210，并且因此可禁用那些麦克风以将麦克风拾取朝向手术场所中的语音引导，例如，可激活最靠近用户的麦克风210以用于收听。类似地，来自IMU318的取向信号可用于确定集中从一个或多个扬声器212输出的声音的方向。例如，取向信号可用于确定阵列中的背向床或盖布并朝向手术场所的扬声器212。因此，那些扬声器可被激活以将声音输出到附近的台边工作人员106，而不是朝向床或盖布。
外科工具104的麦克风210和扬声器212可以是可灭菌的。更具体地，麦克风210和扬声器212的部件(例如，振动膜、环绕物、音圈等)可通过低温灭菌处理来灭菌。该过程可将外科工具104加热到135华氏度的温度而不损坏麦克风210和扬声器212的部件。因此，外科工具104可在不替换扬声器或麦克风部件的情况下进行灭菌和重复使用。
参见图4，根据一个实施方案示出了通信装置的透视图。在一个实施方案中，通信装置200的外科工具104可包括机器人控制的内窥镜。更具体地，内窥镜的位置或取向可以由外科机器人系统100的另一个部件操纵，诸如由机器人臂112操纵。在一个实施方案中，外科工具104包括安装在轴202上的传动外壳402。传动外壳402可与机器人臂112交接。即，传动外壳402可例如通过无菌适配器部件直接或间接地与机器人臂112连接，如下所述。传动外壳402可包含用于将来自外科机器人系统100的机械输入转换为内窥镜的机械输出的机械传动装置。例如，机械传动装置可驱动轴202的旋转或者可致动安装在轴202的远侧末端206处的端部执行器(未示出)。
在不同的实施方案中，传动外壳402和外壳208之间的相对取向可不同。例如，传动外壳402可沿着中心轴线204安装在外壳208远侧的轴202上。即，传动外壳402可比外壳208更靠近远侧末端206。另选地，外壳208可在传动外壳402的远侧，例如更靠近远侧末端206。在任一种情况下，外壳208可相对于传动外壳402移动。例如，中心轴线204可延伸穿过传动外壳402和外壳208，并且外壳208可相对于传动外壳402围绕中心轴线204旋转。外壳208的旋转可由通过包含在传动外壳402中的传动元件施加到轴202的扭矩引起。即，传动外壳402内的传动元件可在传动外壳402和外壳208之间产生相对旋转运动。因此，传动外壳402可相对于机器人臂112的端部在空间上保持固定，同时外壳208和轴202围绕中心轴线204旋转，以在外科手术期间改变患者102体内的远侧末端206的取向。
内窥镜可以包括手动输入控件404，以允许台边工作人员106控制内窥镜的功能。手动输入控件404可包括按钮、滚轮或开关中的一者或多者，桌边工作人员106可将其作为到处理器302的控制输入来致动。以举例的方式，台边工作人员106可以按下按钮以触发内窥镜的音频、视觉或机械子系统中的一者或多者。在一个实施方案中，台边工作人员106可致动手动输入控件404以实现内窥镜和用户控制台120之间的通信。例如，内窥镜的收发器可处于接收模式，并且当台边工作人员106想要与操作者107交谈时，可按下“一键通”按钮以将收发器切换到用于将麦克风210生成的信号传送到用户控制台120的传输模式。
在一个实施方案中，若干麦克风210围绕中心轴线204安装在外壳208上。例如，麦克风210可关于中心轴线204对称地布置在外壳208的外表面209上。类似地，一个或多个扬声器212可例如沿着传动外壳402的外壁安装在传动外壳402上。因此，当外壳208相对于传动外壳402旋转时，外壳208上的麦克风阵列可相对于传动外壳402上的扬声器212旋转。麦克风210的移动可通过内窥镜的结构或音频处理算法中的一者或多者来补偿。
参见图5，根据一个实施方案示出了外科工具的外壳的沿图4的线B-B截取的剖视图。内窥镜的结构可补偿麦克风移动。麦克风210可关于中心轴线204对称地设置。例如，当麦克风阵列包括八个麦克风210时，每个麦克风可相对于一对相邻麦克风210以45度角(在横向于中心轴线204的平面内测量)定位。因此，每个麦克风210的听觉场可以大致相同。麦克风210可围绕中心轴线204进行位置平衡或均匀分布。
内窥镜的音频处理算法可通过跟踪每个麦克风210在参照系内的位置来补偿麦克风移动。当第一麦克风210朝向声源306引导时，声源在固定参照系(例如，手术场所)内的位置可以是已知的。随着第一麦克风210远离声源306旋转并且第二麦克风210朝向声源306旋转，可跟踪麦克风210相对于固定参照系的旋转角度。例如，处理器302可监测轴编码器以确定外壳208围绕中心轴线204的旋转取向。旋转取向可用于改变麦克风输出信号的参数。例如，来自旋转成与声源对准的麦克风的麦克风输出信号可用作降噪算法中的主麦克风输出信号，并且来自旋转离开声源的麦克风的麦克风输出信号可用作降噪算法中的副麦克风输出信号。
如上所述，来自内窥镜的取向数据还可用于引导麦克风拾取和/或指定主麦克风210A和副麦克风210B。例如，可处理来自IMU 318的取向数据以确定麦克风210与周围环境之间的相对取向。类似地，由机器人系统生成的用于在手术场所内跟踪和定位臂112的臂跟踪数据可用于确定内窥镜在手术场所内的取向。当内窥镜的取向已知时，可确定麦克风210的位置和方向。因此，朝向感兴趣区域引导的麦克风210可被激活以收听该区域，并且/或者主麦克风210A和副麦克风210B可被指定用于降噪处理。
音频处理算法还可用于基于内窥镜整体的移动来优化音频质量。内窥镜位置和取向可由外科机器人系统在用户控制台120的命令下控制。例如，远程操作者107可通过在用户控制台120中输入的输入命令来命令机器人臂112的移动，并且因此，内窥镜的位置和取向可通过机器人运动学来确定。麦克风210和扬声器212在内窥镜上的放置是已知的，并且因此麦克风210和/或扬声器212的位置和取向也可通过运动学算法来确定。音频处理算法可通过基于位置优化音频换能器的音频参数来考虑麦克风210和/或扬声器212的放置。例如，可修改放大器增益或其他参数以考虑音频换能器的位置。即，与不面向台边工作人员106的音频换能器的增益相比，已知面向台边工作人员106的麦克风210和/或扬声器212的增益可增加。这样，音频处理算法可允许远程操作者107选择扬声器212或麦克风210以集中与手术场所中的若干个台边工作人员106中的一个台边工作人员的通信。
远程操作者107对预期的台边工作人员106的选择可以使得机器人臂112以将音频换能器放置在最佳位置处的方式对内窥镜进行取向。例如，当单个扬声器212安装在传动外壳402上时，机器人臂112可扭转内窥镜以将扬声器212朝向预期的台边工作人员106引导。
音频处理算法还可以进行调整以考虑由于内窥镜的移动而导致的音频性能的降低。例如，机器人臂112的移动可以产生不向远程操作者107提供可用信息的噪声。当机器人臂112移动内窥镜时，可以关闭内窥镜的麦克风210的音频拾取，或者可以降低麦克风210的音频增益。降噪可降低噪声分散远程操作者107注意力的可能性。
参见图6，根据一个实施方案示出了外科工具的传动外壳的沿图4的线C-C截取的剖视图。内窥镜可包括机械传动装置以驱动外壳208的旋转。传动装置可包括传动外壳402和一个或多个机械传动元件。以举例的方式，内窥镜可包括传动外壳402内的齿轮系602，以将功率从外部源(例如，机器人臂112的马达驱动装置)传输到输出(例如，外壳208)。在一个实施方案中，传动外壳402包括通过一个或多个中间齿轮耦接到外壳208的传动元件604。传动元件604可以是具有输入插脚606的盘，以与机器人臂112的马达驱动装置中的对应凹陷部接合。马达驱动装置可具有旋转输出轴，并且输出轴的旋转可作为扭矩通过输入插脚606传输到传动元件604。传动元件604可驱动齿轮系602。齿轮系602可包括安装在传动外壳402内的相应轴上的若干齿轮，例如正齿轮或锥齿轮。机械传动装置还可包括带和滑轮以传输扭矩。齿轮系602的齿轮可啮合以将扭矩从传动元件604传输到轴202和/或外壳208。更具体地，轴202可连接到外壳208，并且因此，当传动装置使轴202或外壳208中的一者旋转时，轴202和外壳208中的另一者也可旋转。
在一个实施方案中，外科工具104可结合马达以使工具部件旋转。例如，外科工具104可为外科器械，并且外科工具104的外壳(例如，外壳208或传动外壳402)可包含马达以使外科器械的部件旋转。马达可直接驱动轴202，例如，轴202可连接到马达的输出，或者马达可通过齿轮系602驱动轴202。因此，外科工具104的马达可驱动外科器械的相机、钳口等。
外科工具104的外壳任选地包含处理器302和/或其他电路。例如，外壳可包含电路以向工具部件提供电力。电路可将电力递送到处理器302或上述马达。相似地，电路可将电力递送到外科器械的部件，诸如发光元件、烧灼器等。然而，应当理解，处理器302和其他电路可位于外科机器人系统100的其他部件(例如，用户控制台120或控制塔130)中，并且被放置成经由有线或无线连接与系统部件通信。
参见图7，根据一个实施方案示出了通信装置的透视图。在一个实施方案中，通信装置200的外科工具104是用于将患者102和/或外科机器人系统100的部件与周围环境分开的无菌屏障。例如，外科工具104可以是无菌屏障，该无菌屏障具有在外科手术期间放置在患者102身上的盖布。盖布可以是满足与外科盖布相关的实践标准的织造织物。类似地，盖布可以是满足外科手术的无菌性要求的聚合物材料。以举例的方式，盖布可具有片状或毯状形状以覆盖手术台111上的患者102。
无菌屏障可包括待放置在外科机器人系统100的机器人臂112上方的盖布702。在一个实施方案中，盖布702是管状套筒，其可以安装在端部执行器或机器人臂112的长度的一些部分上。更具体地，管状套筒可具有由套筒壁705围绕的中空腔，以接收机器人臂112。中空腔可从开口端706纵向延伸穿过管状套筒，到达封闭端708。管状套筒的开口端706和封闭端708可以通过套筒的内部空间通过端部的连通来限定。更具体地，套筒壁705可位于无菌屏障的内部空间(隐藏)与外部空间710(例如，周围环境)之间。内部空间可在管状套筒的第一纵向端部处通过开口端706与外部空间710流体连通。相比之下，封闭端708可在管状套筒的第二纵向端部处将内部空间与外部空间710分开。因此，机器人臂112的端部执行器可以靠近封闭端708设置在管状套筒内，使得盖布702覆盖机器人臂112的一部分。
外科工具104可围绕外科机器人系统100的手术台111耦接到机器人臂112。例如，无菌适配器712可以操作地耦接到外科机器人系统100的机器人臂112。机器人臂112的马达驱动装置的输出轴可通过结合在无菌屏障中的无菌适配器712与外部空间710连通。在一个实施方案中，盖布702包括套筒壁705中的腔(图8)，并且无菌适配器712集成在腔中。例如，无菌适配器712可以安装在腔上方的盖布702上。无菌适配器712可包括一个或多个传动元件604，该一个或多个传动元件与机器人臂112的马达驱动装置和内窥镜的传动外壳402的对应传动元件604(图6)接合，以允许马达驱动装置驱动外壳208的旋转，如上所述。内窥镜可以例如通过将内窥镜的轴202保持在一对插脚之间安装在无菌适配器712的安装主体714上，该对插脚正交于安装主体714的安装表面718延伸。
无菌适配器712可包括音频换能器，以促进远程操作者107和台边工作人员106之间的通信。更具体地，一个或多个麦克风可安装在无菌适配器712的外表面上。例如，麦克风210可面向周围环境安装在无菌适配器712上，以接收来自台边工作人员106的声音输入304并且将声音输出转换为音频信号，例如麦克风输出信号，以用于传输到用户控制台120。类似地，扬声器212可面向周围环境安装在无菌适配器712上，以将来自处理器302的声学输出信号转换为将由台边工作人员106听到的声音输出。此外，无菌适配器712可将无菌屏障保持在外科场所内。例如，无菌适配器712可覆盖盖布702中的腔，以将外部空间710保持为无菌区并且将内部空间保持为潜在非无菌区。
无论盖布702具有片状还是管状套筒构型，无菌屏障的所有部分(包括盖布702和无菌适配器712)都可以是可灭菌且一次性的。例如，盖布702可通过环氧乙烷或γ灭菌处理进行灭菌。
参见图8，根据一个实施方案示出了盖布上的无菌适配器的沿图7的线D-D截取的剖视图。盖布702可连接到无菌适配器712的一部分。在一个实施方案中，盖布702围绕腔802附接到无菌适配器712的安装主体714。例如，腔802可以在套筒壁705中，从外部空间710延伸到内部空间804中，并且无菌适配器712可以在腔802上方安装在套筒壁705上。套筒壁705可以使用粘合剂或热焊接技术附接到无菌适配器712。例如，当盖布702是片状织物外科盖布时，无菌适配器712可通过粘合剂密封件(诸如由有机硅粘合剂密封剂形成的密封件)附接到盖布702。另选地，当盖布702为聚合物管状套筒时，无菌适配器712可通过粘合剂密封件(诸如由氰基丙烯酸酯粘结形成的密封件)或通过热焊接件(诸如超声形成的热接头)附接到盖布702。安装主体714可围绕腔802附接到套筒壁705，使得无菌适配器712的内表面806面向内部空间804。类似地，外表面诸如安装表面718可面向外部空间710。在一个实施方案中，外表面定位在盖布702上方，并且因此，麦克风210或扬声器212可面向外部空间710安装在盖布702上方。
在一个实施方案中，无菌适配器712包括从内部空间804延伸穿过安装主体714的传动元件604，到达外部空间710。传动元件604可从无菌屏障和手术台111之间的区域延伸穿过无菌适配器712，到达周围环境内的区域。传动元件604可包括驱动盘810，该驱动盘具有暴露于内部空间804的输入面812和暴露于外部空间710的输出面814。因此，输入面812可以在由无菌适配器712限定的非无菌内部空间804内，并且输出面814可以在由无菌适配器712限定的无菌外部空间710内。驱动盘810可通过围绕盘侧壁形成的卡扣棘爪保持在安装主体714内，该卡扣棘爪接合在延伸穿过安装主体714的孔的侧壁中形成的对应通道。
输入面812或输出面814可彼此平行。面可包括用于与对应的驱动机构或从动机构接合的特征结构。更具体地，驱动盘810可以包括从输入面812延伸到内部空间804中的凸台820。凸台820的尺寸和构型可被设计成与机器人臂112的端部执行器中的对应凹陷部接合。更具体地，端部执行器可以是马达驱动装置的输出轴，以经由凸台820将扭矩传输到驱动盘810。驱动盘810可包括从外部空间710延伸到输出面814中的凹陷部822。凹陷部822的尺寸和构型可被设计成当内窥镜附接到无菌适配器712的安装表面718时接收内窥镜的表面上的对应突起部(例如，输入插脚606)。因此，当内窥镜和无菌适配器712接合在外科机器人系统100中时，通过马达驱动装置输入到凸台820的扭矩可被传输到凹陷部822，并且传输到插入凹陷部822中的输入插脚606。凸台820和凹陷部822以举例而非限制的方式提供。即，输入面812和输出面814可包括凸台、凹陷部、或可接合配合表面(例如，作为键合附接件)的其他特征结构。
参见图9，根据一个实施方案示出了盖布上的无菌适配器的沿图7的线E-E截取的剖视图。电子器件可安装在无菌适配器712上。在一个实施方案中，音频换能器安装在无菌适配器712上。例如，麦克风210和/或扬声器212可位于安装主体714的面向周围环境的侧壁902上。在一个实施方案中，麦克风210和/或扬声器212集成在安装主体714的刚性塑料部分内。例如，安装主体714可模制在麦克风210周围。麦克风210可位于保持插脚716的向外表面上，使得麦克风210的前置音量面向周围环境。因此，麦克风210可从周围环境接收朝向无菌适配器712传播的声音输入304。安装在无菌适配器712上的其他电路可包括光源，诸如发光二极管，以向用户指示麦克风210或扬声器212的状态，例如麦克风或扬声器是否静音。
在一个实施方案中，若干麦克风210(以虚线示出)可安装在外表面209上。若干麦克风210可以预先确定的相对间距定位，以促进以类似于上述方法的方式相应麦克风输出信号的音频处理。例如，两个或更多个(例如，三个)麦克风210可在外表面209上彼此等距定位，以形成延伸穿过麦克风的线910。麦克风210沿线910的间距可允许处理器302执行麦克风输出信号的到达时间处理，以检测声音输入的源位置和/或测量和降低音频信号中的背景噪声，如上所述。需注意，麦克风210可位于外表面902的任何区域上，并且因此可形成沿除所示竖直方向之外的不同方向延伸的线210。
保持插脚716的向内表面可横跨保持通道902面向相邻保持插脚716的配对向内表面。保持通道902可以位于相邻的保持插脚716之间，以接收内窥镜的一部分，例如轴202。保持插脚716可以在轴202的相对侧向侧上向上延伸，以在内窥镜安装在无菌适配器712的安装表面718上时约束轴202的侧向移动。
外科工具104可包括安装在无菌适配器712上的接口，以将一个或多个麦克风210以电的方式以及通信地耦接到外科机器人系统100的另一个部件。例如，电连接器904可电连接到麦克风210，并且电连接器904可延伸到处理器302和/或机器人臂112。电连接器904可从外表面209(例如，侧壁902)穿过安装主体714，到达内表面806。例如，电连接器904可以是穿过安装主体714的塑料壁以连接到音频换能器(例如，麦克风210)的电端子的电引脚。电连接器904可包括附连到安装主体714并且例如通过电线连接到配合连接器的连接器。更具体地，电连接器904可以包括电线、电缆或电迹线，其从第一连接器延伸穿过内部空间804到达第二连接器和/或在安装主体714的内表面806上方延伸。第一连接器可电连接到麦克风210，并且第二连接器可电连接到处理器302。电连接器904可将麦克风210电连接到处理器302，使得处理器302通信地耦接到麦克风210以处理和传输由麦克风210生成的音频信号。类似地，音频换能器的外壳可延伸穿过无菌适配器712的壁，并且因此，电连接器904可连接到内部空间804内的麦克风210或扬声器212。电连接器904可从麦克风210或扬声器212延伸到处理器302，以通过内部空间804将声学电信号传输到处理器302或从该处理器传输声学电信号。更具体地，处理器302可安装在安装主体714的内表面806上，并且电连接器904可从麦克风210或扬声器212延伸到处理器302。这样，处理器302可通过电连接器电连接到麦克风210或扬声器212，并且处理器302可通过电连接器904与麦克风210或扬声器212交换声学电信号。处理器302、麦克风210和/或扬声器212还可从外部源接收功率输入信号。例如，麦克风210或扬声器212可以经由安装在无菌适配器712上的电路与集成在机器人臂112的端部执行器中的对应电路之间的引脚触点从机器人臂112接收电力。另选地，可使用安装在无菌适配器712上的电路与集成在机器人臂112的端部执行器中的对应电路之间的无线电力输送(例如，谐振感应耦接)将电力从机器人臂112输送到处理器302、麦克风210或扬声器212。
无菌屏障可包括无菌屏障套筒作为部件以覆盖在任何外科机器人规程期间使用的每个机器人臂。更具体地，外科机器人系统100可包括安装在手术台111上的相应位置处的若干机器人臂112，并且每个机器人臂112可以被管状套筒覆盖，使得机器人臂112的马达驱动装置接合相应无菌适配器712以驱动安装在相应无菌适配器712上的相应外科工具104(例如，具有内窥镜)。以举例的方式，外科机器人系统100可包括第一外科工具104，例如，覆盖第一机器人臂112并具有第一麦克风210的第一无菌屏障套筒，以及第二外科工具104，例如，覆盖第二机器人臂112并具有第二麦克风210的第二无菌屏障套筒。第一麦克风210可在手术台111的第一侧上从第一台边工作人员106拾取声音输入，并且第二麦克风210可在手术台111的第二侧上从第二台边工作人员106拾取声音输入。此外，第一麦克风210可将第一声音输入转换为第一麦克风输出信号，并且第二麦克风210可将第二声音输入转换为第二麦克风输出信号。
在一个实施方案中，远程操作者107可将由外科工具104促进的通信集中到手术台111周围的特定位置。用户控制台120可例如通过电缆214通信地耦接到第一麦克风210和第二麦克风210。麦克风210围绕手术台111的位置对于用户控制台120可以是已知的，因为用于传递每个麦克风210的相应麦克风输出信号的数据信道可以是可识别的。即，可以知道例如在患者左侧处或在患者右侧处将麦克风输出信号从外科工具104传输到用户控制台120的数据信道对应于手术台111上的特定机器人臂112。基于对应机器人臂112的已知位置，远程操作者107可使用用户控制台120的控制台选择待与其通信的特定位置。例如，远程操作者107可使用用户控制台120的输入装置来向控制台处理器(图10)提供命令，以选择第一麦克风210的第一麦克风输出信号或第二麦克风210的第二麦克风输出信号中的一者或多者，以用于由控制台扬声器150输出。
远程操作者107可选择使用安装在覆盖第一机器人臂112的无菌屏障上的扬声器212和安装在附接到无菌屏障的无菌适配器712的第一内窥镜上的麦克风210来与患者左侧的第一台边工作人员106通信。类似地，远程操作者107可选择使用安装在具有覆盖第二机器人臂112的套筒的无菌屏障上的扬声器212和安装在附接到无菌屏障的无菌适配器712的第二内窥镜上的麦克风210来与患者右侧的第二台边工作人员106通信。在其他实施方案中，麦克风210和扬声器212两者可附接到由远程操作者107选择的相同外科工具104。例如，麦克风210和扬声器212两者位于内窥镜上或无菌屏障上。因此，远程操作者107可选择手术场所的特定区域以将通信朝向其集中。
除了选择特定信道以将通信集中到手术场所的区域之外，外科机器人系统100的单独的麦克风210可以组合使用以引导收听该区域。更具体地，安装在外科机器人系统100的不同机器人臂112上的麦克风210可形成麦克风阵列，该麦克风阵列可用于声束形成以增强音频质量。如上文相对于图3所述，麦克风阵列可生成若干麦克风输出信号，这些麦克风输出信号可被处理以执行降噪或检测声音方向。处理可由计算机系统110的控制台处理器执行。例如，安装在具有覆盖第一机器人臂112的套筒的第一无菌屏障上的第一麦克风210可以充当主麦克风210A，并且安装在具有覆盖第二机器人臂112的套筒的第二无菌屏障上的第二麦克风210可以充当副麦克风210B。来自主麦克风210A和副麦克风210B的麦克风输出信号可由控制台处理器使用音频处理算法(例如，降噪算法、到达时间算法或波束形成算法)来处理，以更好地捕获台边工作人员106的语音，降低背景噪声，并且改善台边工作人员106和外科医生107之间的声音通信。
参见图10，根据一个实施方案示出了外科机器人系统的计算机部分的框图。外科机器人系统100可包括：具有计算机系统110的用户控制台120；具有机器人部件诸如臂112的外科机器人；外科工具104；以及任选地对应致动器114。用户控制台120可与通信装置200的外科工具104电通信。外科机器人系统具有适用于特定功能的电路，并且因此图示电路是以示例而非限制的方式提供的。
控制台处理器1002可以从外科工具104或从用户控制台120的其他部件接收电输入信号。例如，控制台处理器1002可以从控制台麦克风152接收麦克风输出信号。控制台处理器1002可以从触摸屏菜单按钮、键盘、指向装置或由远程操作者107操纵的另一用户输入装置(诸如脚踏板124)接收操作者命令信号。控制台处理器1002可以将信号输出到用户控制台120的其他部件。例如，控制台处理器1002可以将声学输出信号输出到控制台扬声器150。控制台处理器1002可以输出用于在显示装置128上向远程操作者107显示的视频数据。一个或多个座椅致动器可以从控制台处理器1002接收控制信号以控制座椅122的移动。控制台处理器1002可以处理输入信号以确定和提供输出信号。例如，可处理来自控制台麦克风152的麦克风输出信号以生成用于传输到外科工具104的声学输出信号。
用户控制台120的控制台处理器1002可以控制外科机器人的部分，例如机器人臂112和/或外科工具104。UID 126可通信地耦接到控制台处理器1002和/或外科机器人系统100的外科机器人系统处理器1012以提供输入命令来控制外科机器人系统100。例如，UID126可将电控制信号传送到计算机系统110，例如由UID处理器响应于来自跟踪系统1004的跟踪传感器的信号而生成的空间状态信号。电信号可为输入命令以引起外科机器人系统100的运动。
计算机系统110的控制台处理器1002、外科系统处理器1012或处理器302可执行指令以实施上述不同的功能和性能。由处理器执行的指令可以从本地存储器检索，该本地存储器可包括非暂态机器可读介质。这些指令可为具有装置驱动程序的操作系统程序的形式以控制外科机器人系统100的部件，例如操作地耦接到机器人臂112或外科工具104的臂或工具致动器114。存储在非暂态机器可读介质上的指令可由处理器执行，以使外科机器人系统100执行本文所述的方法或操作中的任一种。
控制台处理器1002可经由有线或无线链路将控制信号1010输出到外科系统处理器1012。可传输控制信号1010以控制外科机器人的移动。例如，至少一个处理器1012可位于控制塔130中，并且可通信地耦接到系统部件，诸如臂112、手术台111或一个或多个显示器1014。
外科机器人系统100的致动器114可从外科系统处理器1012接收控制命令，以引起对应于UID 126的移动的运动。例如，由UID 126接收的输入命令诸如倾斜手部运动可导致控制命令以使臂致动器114移动，并且由此使安装在臂112上的端部执行器移动。
外科工具104可包括一个或多个处理器302以执行指令，从而实施上述不同的功能和性能。由外科工具104的处理器302执行的指令可从本地存储器中检索。外科工具104的处理器302可包括现场可编程门阵列，该现场可编程门阵列被配置为执行特定功能，诸如用于音频处理功能的数字信号处理。处理器302可例如直接或经由外科系统处理器1012从控制台处理器1002接收输入信号。处理器302可从外科工具104的其他部件接收输入信号。例如，处理器302可从控制台处理器1002接收音频信号，该音频信号对应于操作者107的语音并且旨在回放给操作者106。处理器302可从麦克风210接收麦克风输出信号，该麦克风输出信号对应于操作者106的语音，该语音旨在被传送到控制台处理器1002并回放给操作者107。处理器302可从IMU 318接收取向信号，处理器302可从光学子系统接收图像数据信号，或者处理器302可从由台边工作人员106操纵的按钮404接收操作者命令信号。处理器302的输入信号和输出信号提供上述功能。例如，处理器302可将声学输出信号输出到扬声器212以与操作者106通信，或者处理器302可将照明信号输出到光学子系统以促进患者102体内的成像。外科机器人系统100的计算机部件可与外科工具104通信。例如，计算机部件和工具可经由有线或无线通信链路1020彼此传送数据和/或功率信号。通信链路1020可包括经由电缆214的有线连接。电缆214可包括音频插孔或其他有线连接器以在外科工具104和控制塔130或用户控制台120之间传输数据或功率电信号。此外，在一个实施方案中，外科工具104与用户控制台120或控制塔130无线地通信。更具体地，无线通信链路1020可由计算机部件和外科工具104的相应RF电路建立。系统处理器可处理相应音频信号以促进用户控制台120处的远程操作者107和外科工具104处的台边工作人员106之间的双向通信。
在前面的说明中，已经参照本发明的具体的示例性实施方案描述了本发明。显而易见的是，在不脱离如以下权利要求所述的本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可对其做出各种修改。因此，说明书和附图应当被认为是示例性意义而不是限制性意义。

Claims (20)

1.一种外科机器人系统中的通信装置，包括：
一个或多个麦克风，所述一个或多个麦克风被配置为接收声音输入并将所述声音输入转换为音频信号；外科工具，所述外科工具具有轴和耦接到所述轴的近侧端部的外壳，所述一个或多个麦克风安装在所述外壳的外表面上并且操作地设置在覆盖所述外科机器人系统的一部分的无菌屏障上方；和
处理器，所述处理器通信地耦接到所述麦克风以处理和传输所述音频信号。
2.根据权利要求1所述的通信装置，其中所述外科工具是用于操纵组织的外科器械。
3.根据权利要求1所述的通信装置，其中所述外科工具是包括内窥镜的视频成像装置。
4.根据权利要求1所述的通信装置，其中所述一个或多个麦克风包括在垂直于所述轴的平面中彼此等距定位的多个麦克风。
5.根据权利要求4所述的通信装置，其中处理所述音频信号包括基于到达所述多个麦克风的时间差来检测所述声音输入的源位置。
6.根据权利要求4所述的通信装置，还包括扬声器，所述扬声器安装在所述外壳的所述外表面上并且通信地耦接到所述处理器，其中所述扬声器被配置为将由所述处理器接收的另一个音频信号从另一个声音输入转换为声音输出。
7.根据权利要求6所述的通信装置，其中所述多个麦克风围绕所述扬声器布置在所述外壳的所述外表面上。
8.根据权利要求1所述的通信装置，其中处理所述音频信号包括测量背景噪声并降低所述背景噪声。
9.一种外科机器人系统中的通信装置，包括：
一个或多个麦克风，所述一个或多个麦克风安装在无菌适配器的外表面上，所述一个或多个麦克风被配置为接收声音输入并将所述声音输入转换为音频信号，所述无菌适配器操作地耦接到所述外科机器人系统的机器人臂的远侧端部，所述无菌适配器的所述外表面定位在覆盖所述机器人臂的盖布上方；和
处理器，所述处理器通信地耦接到所述麦克风以处理和传输所述音频信号。
10.根据权利要求9所述的通信装置，其中所述一个或多个麦克风包括在所述外表面上彼此等距定位的多个麦克风，从而形成线。
11.根据权利要求10所述的通信装置，其中处理所述音频信号包括基于到达所述多个麦克风的时间差来检测所述声音输入的源位置。
12.根据权利要求9所述的通信装置，其中处理所述音频信号包括测量背景噪声并降低所述背景噪声。
13.根据权利要求9所述的通信装置，还包括接口，所述接口安装在所述无菌适配器上以将所述一个或多个麦克风以电的方式以及通信地耦接到所述机器人臂或所述处理器中的一者或多者。
14.一种用于外科机器人系统的通信设备，包括：
第一麦克风，所述第一麦克风安装在外科工具的外表面上，所述外科工具耦接到围绕所述外科机器人系统的手术台的机器人臂，所述第一麦克风被配置为接收来自台边工作人员的第一声音输入并将所述第一声音输入转换为第一音频信号；
第二麦克风，所述第二麦克风安装在与所述机器人臂通信的用户控制台上，所述第二麦克风被配置为在所述用户控制台处接收来自用户的第二声音输入并将所述第二声音输入转换为第二音频信号；和
一个或多个处理器，所述一个或多个处理器通信地耦接到所述第一麦克风和所述第二麦克风以处理和传输所述第一音频信号和所述第二音频信号，以促进在所述用户控制台处在所述台边工作人员和所述用户之间的声音通信。
15.根据权利要求14所述的通信设备，其中所述外科工具包括用于操纵组织的外科器械、无菌适配器或视频成像装置中的一者或多者。
16.根据权利要求14所述的通信设备，其中所述第一麦克风是麦克风阵列，所述麦克风阵列包括在平面中彼此等距布置的多个麦克风。
17.根据权利要求16所述的通信设备，其中处理所述第一音频信号包括基于到达所述多个麦克风的时间差来检测所述第一声音输入的源位置。
18.根据权利要求14所述的通信设备，还包括安装在所述外科工具的所述外表面上的第一扬声器，所述第一扬声器被配置为接收来自所述一个或多个处理器的所述第二音频信号并且将所述第二信号转换为第一声音输出。
19.根据权利要求14所述的通信设备，还包括安装在所述用户控制台上的第二扬声器，所述第二扬声器被配置为接收来自所述一个或多个处理器的所述第一信号并且将所述第一音频信号转换为第二声音输出。
20.根据权利要求14所述的通信设备，其中处理所述第一音频信号和所述第二音频信号包括由所述一个或多个处理器测量背景噪声并降低所述背景噪声。
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