CN114222541A - 在手术机器人系统中的模块化臂推车的基于无线电定位的系统和方法 - Google Patents

在手术机器人系统中的模块化臂推车的基于无线电定位的系统和方法 Download PDF

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迈尔·罗森贝格
罗伯特·皮尔斯
威廉·派纳
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Abstract

用于手术室中基于无线电定位的位置和跟踪系统包括接收器、移动推车、处理器和联接到所述处理器的存储器。所述移动推车包括机器人臂和与所述接收器可操作通信的发射器。所述存储器具有存储于其上的指令，所述指令在由所述处理器执行时使得所述系统从所述发射器接收信号，所述信号包括基于由所述发射器传送的所述信号的所述移动推车在3D空间中的位置，并且基于接收的信号确定所述移动推车的空间姿势。

Description

在手术机器人系统中的模块化臂推车的基于无线电定位的系 统和方法
技术领域
本公开大体上涉及具有一个或多个模块化臂推车的手术机器人系统，所述模块化臂推车中的每一个支撑机器人臂。更具体地说，本公开涉及用于在三维空间中的手术机器人系统中的模块化臂推车的基于无线电定位的系统和方法。
背景技术
手术机器人系统已被外科医生广泛用于手术程序中，因为与外科医生需要切开大面积身体组织的传统开放式手术程序相比，这些系统使得手术的侵入性能够更小。其直接结果是，机器人手术系统使患者的创伤降到最低并且减少患者康复时间和住院成本。医院或手术中心可操作具有多个机器人臂的手术机器人系统。可难以知道机器人臂的位置。因此，需要改进
发明内容
本公开的技术大体上涉及具有一个或多个模块化臂推车的手术机器人系统，所述模块化臂推车中的每一个在3D空间中的基于无线电定位是基于由发射器传送的信号并且基于接收的信号确定移动推车的空间姿势。
根据本公开的方面，用于手术室中基于无线电定位的位置和跟踪系统包括接收器、移动推车、处理器和联接到处理器的存储器。移动推车包括与接收器和机器人臂可操作通信的发射器。存储器具有存储于其上的指令，所述指令在由处理器执行时使得系统从发射器接收信号，所述信号包括基于由发射器传送的信号的移动推车在3D空间中的位置，并且基于接收的信号确定移动推车的空间姿势。
在一方面，指令在执行时可另外使得系统基于特定手术程序、特定类型患者、特定类型手术台或手术室的配置中的至少一种确定移动移动推车的位置，并且基于确定的位置和接收的信号将移动推车移动到新的空间姿势。
在另一方面，本公开规定发射器可为第一发射器。系统可另外包括位于患者附近的第二发射器。指令在执行时可另外使得系统基于由第二发射器传送的信号确定患者的第二空间姿势，并且基于患者的确定的第二空间姿势确定移动推车相对于患者的位置。
根据本公开的方面，发射器可包括RF发射器、微波发射器或毫米波发射器中的至少一种。
在本公开的一个方面，接收器可包括多根天线。
在本公开的另一方面，用于发射器的信号可包括扩频信号。
在本公开的又另一方面，处理器可被配置成通过由接收器从发射器接收信号的电平的指示来确定移动推车的空间姿势。
在本公开的另外的方面，机器人臂可包括与接收器可操作通信的第二发射器。
在本公开的又另外的方面，指令在执行时可另外使得：系统从第二发射器接收第二信号，所述第二信号包括基于由第二发射器传送的信号的机器人臂在3D空间中的位置；并且基于接收的第二信号确定机器人臂的空间姿势。
在本公开的又另一方面，机器人臂可包括多个单独连杆。多个连杆可包括与接收器可操作通信的多个发射器。
在本公开的另外的方面，指令在执行时可另外使得系统从多个发射器接收多个信号，所述多个信号包括基于由多个发射器传送的多个信号的多个单独连杆在3D空间中的空间姿势。
在本公开的又另外的方面，指令在执行时可另外使得系统接收来自机器人臂的运动学信息或来自机器人臂的相机定位信息，接收多个单独连杆的形状信息，和将多个单独连杆的空间姿势与运动学信息和/或相机定位信息相互参考。
在本公开的又另一方面，系统可另外包括显示器。指令在执行时可另外使得系统基于相互参考预测与第二机器人臂的可能碰撞，并且在显示器上显示指示碰撞的可能性的警报。
根据本公开的方面，在手术室中执行机器人手术的方法包括从支撑机器人臂的可移动推车的发射器接收信号，所述信号包括基于由发射器传送的信号的移动推车在3D空间中的位置，并且基于接收的信号确定移动推车的空间姿势。
在本公开的另外的方面，方法可另外包括基于特定手术程序、特定类型患者、特定类型手术台或手术室的配置中的至少一种确定在手术室内移动移动推车的位置，并且基于确定的位置和接收的信号将移动推车移动到新的空间姿势。
在本公开的又另外的方面，发射器可为第一发射器。方法可另外包括从可移动推车的机器人臂的第二发射器接收第二信号，所述第二信号包括基于由第二发射器传送的信号的机器人臂在3D空间中的位置，并且基于接收的第二信号确定机器人臂的空间姿势。
在本公开的又另一方面，方法可另外包括从机器人臂的单独连杆的多个发射器接收多个信号，所述多个信号包括基于由多个发射器传送的多个信号的多个单独连杆中的每一个在3D空间中的位置，并且基于接收的多个信号确定机器人臂的多个单独连杆中的每一个的空间姿势。
在本公开的另外的方面，方法可另外包括基于由位于患者附近的第二发射器传送的信号确定患者的第二空间姿势，并且基于患者的确定的第二空间姿势确定移动推车相对于患者的位置。
根据本公开的方面，非暂时性存储介质存储使得计算机执行手术室中基于无线电定位的方法的程序，方法包括从移动推车的发射器接收信号，所述信号包括基于由发射器传送的信号的移动推车在3D空间中的位置，并且基于接收的信号确定移动推车的空间姿势。
在下文的附图和描述中阐述本公开的一个或多个方面的细节。本公开中描述的技术的其它特征、目的和优点将从说明书和附图以及权利要求书中显而易见。
附图说明
在本文中参考附图描述本公开的各个方面，其中：
图1是根据本公开的包括控制塔、控制台和一个或多个手术机器人臂的手术机器人系统的示意性说明；
图2是根据本公开的图1的手术机器人系统的手术机器人臂的透视图；
图3是根据本公开的具有图1的手术机器人系统的手术机器人臂的设置臂的透视图；
图4是根据本公开的图1的手术机器人系统的计算机体系结构的示意图；
图5是根据本公开的图1的手术机器人系统的设置臂和机器人臂的透视图；
图6是根据本公开的图1的手术机器人系统的对准图案的示意图；
图7是机器人臂相对于手术台的偏航角的示意图；和
图8是根据本公开的手术机器人系统的组件的基于无线电定位的方法的流程图。
具体实施方式
参考各图详细描述当前公开的手术机器人系统的实施例，其中相同附图标号在若干视图中的每个视图中标示相同或对应元件。如本文所用，术语“远侧”是指手术机器人系统的更靠近患者的部分和/或与其联接的手术器械，而术语“近侧”是指远离患者的部分。
尽管以下描述特定针对于手术机器人系统，但下文所描述的基于无线电定位系统可与相对于代表坐标系或另一定向点需要对准的任何合适医疗装置一起使用。参考图1，手术机器人系统10包括控制塔20，所述控制塔连接到手术机器人系统10的所有组件，包括手术控制台30和一个或多个机器人臂40。机器人臂40中的每一个包括可拆卸地联接到其上的手术器械50。机器人臂40中的一个或多个可包括用于观察手术部位的内窥镜或相机。手术器械50被配置成用于在微创手术程序期间使用。在实施例中，手术器械50可被配置成用于开放式手术程序。机器人臂40中的每一个还联接到移动推车60。
手术控制台30包括第一显示器装置32和第二显示器装置34，所述第一显示器装置显示由安置在机器人臂40上的相机(未示出)提供的手术部位，所述第二显示器装置显示用于控制手术机器人系统10的用户界面。手术控制台30还包括多个用户接口装置，如由临床医生使用以远程控制机器人臂40的脚踏板36和一对手柄控制器38a和38b。
控制塔20充当手术控制台30与一个或多个机器人臂40之间的接口。确切地说，控制塔20配置成基于可编程指令集和/或来自手术控制台30的输入命令而控制机器人臂40，以便移动机器人臂40和对应手术器械50，其方式是使得机器人臂40和手术器械50响应于来自脚踏板36和手柄控制器38a和38b的输入而执行期望移动序列。控制塔20包括用于显示与手术机器人系统10有关的各种信息的显示器23。
控制塔20、手术控制台30和机器人臂40中的每一个包括相应计算机21、31、41。计算机21、31、41使用基于有线或无线通信协议的任何合适的通信网络来彼此互连。如本文所使用的术语“网络”，无论是复数还是单数，都表示数据网络，包括但不限于因特网、企业内部网、广域网或局域网，且不限于如由本公开涵盖的通信网络定义的完整范围。合适的协议包括但不限于发射控制协议/互联网协议(transmission control protocol/internetprotocol，TCP/IP)、数据报协议/因特网协议(datagram protocol/internet protocol，UDP/IP)和/或数据报拥塞控制协议(datagram congestion control protocol，DCCP)。可经由一个或多个无线配置实现无线通信，例如射频、光学、Wi-Fi、蓝牙(用于使用短长度无线电波来离固定装置和移动装置跨短距离交换数据的敞开无线协议，同时创建个人局域网(PAN)、
Figure BDA0003503372170000051
(用于基于用于无线个人局域网(WPAN)的IEEE 802.15.4-2003标准使用小型低功率数字无线电装置的一套高层通信协议的规范)。
计算机21、31、41可包括以可操作方式连接到存储器(未示出)的任何合适的处理器(未示出)，所述存储器可包括易失性、非易失性、磁性、光学或电子媒体中的一个或多个，例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、非易失性RAM(NVRAM)或快闪存储器。处理器可为适于执行本公开中所描述的操作、计算和/或指令集的任何合适处理器(例如控制电路)，包括但不限于硬件处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、中央处理单元(CPU)、微处理器和其组合。本领域的技术人员将了解，可通过使用适于执行本文中所描述的算法、计算和/或指令集的任何逻辑处理器(例如控制电路)来取代处理器。控制塔20、手术控制台30和机器人臂40中的每一个包括相应发射器200。预期可使用多个发射器200。
参考图2，机器人臂40中的每一个可包括多个连杆42a、42b、42c，所述多个连杆分别在旋转接头44a、44b、44c处互连。接头44a被配置成将机器人臂40紧固到移动推车60并且限定第一纵轴。参考图3，移动推车60包括升降机61和设置臂62，所述设置臂提供用于安装机器人臂40的基座。升降机61允许设置臂62竖直地移动。移动推车60包括具有多个轮子67的基座66，轮子中的每一个具有制动器68。移动推车60还包括用于显示与机器人臂40有关的信息的推车显示器69。
设置臂62包括第一连杆62a、第二连杆62b和第三连杆62c，这些连杆实现机器人臂40的侧向机动性。连杆62a、62b、62c在旋转接头63a和63b处互连，每个旋转接头可包括用于使连杆62b与62b相对于彼此和连杆62c旋转的致动器(未示出)。确切地说，连杆62a、62b、62c可在其彼此平行的对应侧向平面上移动，由此允许机器人臂40相对于患者(例如，手术台)延伸。在实施例中，机器人臂40可联接到手术台(未示出)。设置臂62包括用于调整连杆62a、62b、62c以及升降机61的移动的控制件65。
第三连杆62c包括具有两个自由度的可旋转基座64。确切地说，可旋转基座64包括第一致动器64a和第二致动器64b。第一致动器64a可围绕垂直于由第三连杆62c限定的平面的第一固定臂轴旋转，并且第二致动器64b可围绕横向于第一固定臂轴的第二固定臂轴旋转。第一致动器64a和第二致动器64b允许机器人臂40的全三维定向。
参考图2，机器人臂40还包括固持器46，所述固持器限定第二纵轴且被配置成接收手术器械50的器械驱动单元52(图1)，所述器械驱动单元被配置成联接到手术器械50的致动机构。器械驱动单元52将致动力从其致动器转移到手术器械50以致动手术器械50的组件(例如，末端执行器)。固持器46包括滑动机构46a，所述滑动机构被配置成沿着由固持器46限定的第二纵轴移动器械驱动单元52。固持器46还包括旋转接头46b，所述旋转接头使固持器46相对于连杆42c旋转。
接头44a和44b包括电致动器48a和48b，所述电致动器配置成通过一系列带45a和45b或其它机械连杆机构相对于彼此驱动接头44a、44b、44c，所述机械连杆机构例如驱动杆、线缆或杠杆等。确切地说，接头44b的致动器48b经由带45a联接到接头44c，并且接头44c又经由带45b联接到接头46c。接头44c可包括联接带45a与45b的分动箱，使得致动器48b被配置成使连杆42b、42c中的每一个与固持器46相对于彼此旋转。更确切地说，连杆42b、42c和固持器46被动地联接到致动器48b，所述致动器围绕枢轴点“P”实施旋转，所述枢轴点“P”位于由连杆42a限定的第一轴线与由固持器46限定的第二轴线的相交点处。因此，致动器48b控制第一轴线和第二轴线之间的俯仰角θ，从而允许对手术器械50进行定向。由于连杆42a、42b、42c与固持器46通过带45a和45b互连，还调整连杆42a、42b、42c与固持器46之间的角度以便实现期望的角度θ。在实施例中，接头44a、44b、44c中的一些或全部可包括电致动器以避免需要机械连杆机构。
参考图4，手术机器人系统10的计算机21、31、41中的每一个可包括多个控制器，所述控制器可以硬件和/或软件方式实施。控制塔20的计算机21包括控制器21a和安全观察器21b。控制器21a从手术控制台30的计算机31接收关于手柄控制器38a和38b的当前位置和/或定向以及脚踏板36和其它按钮的状态的数据。控制器21a处理这些输入位置以确定机器人臂40的每个接头和/或器械驱动单元52所需的驱动命令，并将这些命令传送到机器人臂40的计算机41。控制器21a还接收回实际接头角度并使用此信息，以确定被发射回到手术控制台30的计算机31的力反馈命令并通过手柄控制器38a和38b提供触觉反馈。安全观察器21b对进出控制器21a的数据进行有效性检查，并在检测到数据发射中存在错误的情况下通知系统故障处理器使计算机21和/或手术机器人系统10置于安全状态。
计算机41包括多个控制器，即主控制器41a、设置臂控制器41b、机器人臂控制器41c和器械驱动单元(IDU)控制器41d。主推车控制器41a接收并处理来自计算机21的控制器21a的接头命令，并且将其传送给设置臂控制器41b、机器人臂控制器41c和IDU控制器41d。主推车控制器41a还管理移动推车60、机器人臂40和器械驱动单元52的器械交换与整体状态。主推车控制器41a还将实际接头角度传送回到控制器21a。
设置臂控制器41b控制旋转接头63a和63b中的每一个以及设置臂62的可旋转基座64，并且针对俯仰轴计算期望电动机移动命令(例如，电动机扭矩)并且控制制动器。机器人臂控制器41c控制机器人臂40的每个接头44a和44b，并且计算重力补偿、摩擦补偿和闭环位置控制所需的期望电动机扭矩。机器人臂控制器41c基于计算出的扭矩而计算移动指令。接着将计算出的电动机命令传送到机器人臂40中的电致动器48a和48b中的一个或多个。接着通过电致动器48a和48b将实际接头位置发射回到机器人臂控制器41c。
IDU控制器41d接收手术器械50的期望接头角度，例如手腕和颚角度，并计算用于器械驱动单元52中的电动机的期望电流。IDU控制器41d基于电动机位置而计算实际角度并且将实际角度发射回到主控制器41a。
机器人臂控制器41c配置成估计由机器人臂40的刚性连杆结构，即连杆42a、42b、42c，施加于旋转接头44a和44b上的扭矩。旋转接头44a和44b中的每一个容纳电致动器48a和48b。由于机器人臂40的重量大，可以使用高扭矩来移动机器人臂40。但是，可能需要调整扭矩以防止损坏或损伤。这特别适用于限制在机器人臂40与如其它机器人臂、患者、工作人员、手术室(OR)设备等的外部物体碰撞期间的扭矩。
参考图5，机器人臂40可包括一个或多个发射器200。一个或多个发射器200与控制塔20可操作通信。在实施例中，发射器200可直接联接到联接组合件308。发射器200被配置成确定设置臂62和机器人臂40相对于代表坐标系11的定向，所述代表坐标系为由计算机21生成的构造并且用于例如通过相机和/或内窥镜将机器人臂40中的每一个放置和定向到临床医生视角。确切地说，发射器200可用于为机器人臂40创建共用参考对准并且确定机器人臂40相对于代表坐标系11的偏航定向。如本文所使用，术语“偏航”表示机器人臂40围绕垂直于地面的纵轴的移动。
机器人臂40的每个连杆和设置臂62的每个设置连杆的定向在计算中用于使机器人臂40的移动与手术控制台30处的输入装置，例如手动输入18，的移动对准。光单元412(参见图6)可被配置成将对准图案318投影到水平表面上。可将对准图案318投影到任何表面上，如手术台、地板、患者或任何其它表面。只要投影到表面上的对准图案318由临床医生或计算装置可见和可辨别，那么所述表面可以不是完全水平的。因此，可使用任何非竖直表面。
在实施例中，机器人臂40可包括指示器316a，如其表面上的印刷标记或图像以指示前向方向或相关于患者的方向。在其它实施例中，对准图案318可为具有方向指示的线。在实施例中，对准图案318可包括第一部分324和第二部分322。对准图案318的第二部分322可指示前向方向或手术器械50和机器人臂40的最接近患者的一部分，并且第二部分322可指示后向方向或手术器械50和机器人臂40的最远离患者的一部分。第二部分322与第一部分324可以在视觉上不同，如颜色和/或图案不同以允许更易于区分。在示例性实施例中，第二部分322可为绿色并且第一部分324可为红色。在实施例中，第二部分322可为蓝色并且第一部分324可为黄色，以允许由色盲人士更易于区分。在其它实施例中，第二部分322与第一部分324可具有不同的图案，如第一部分324或第二部分322中的一个可为实线的而另一个可为虚线的。
参考图6，手术台400示出为上面安置有患者“P”。图6还示出相对于手术台400定向的多个对准图案318a、318b、318c、318d。手术台400可用作用于通过使其相应发射器200中的每一个对准来对机器人臂40进行定向的参考点。参考点可为在对准周期期间保持静止的任何物体，如手术台400、患者“P”、墙壁、地板上的标记、或甚至其它对准图案318中的任一个。对准图案318a、318b、318c、318d由四个机器人臂40的对准单元316投影。对准图案318a由附接到固持相机和/或内窥镜的机器人臂40的对准单元316投影。当恰当地定向时，对准图案318b、318c、318d平行于且与对准图案318a面朝相同方向，所述对准图案从固持如图案402、404和406中所示出的相机和/或内窥镜的机器人臂40投影。图案408示出未对准的对准图案318a、318b、318c、318d，对准图案318c相对于对准图案318a和318b横向且对准图案318d在与对准图案318a和318b相对的方向上定向。
图7示出系统10并且特别是移动推车60和机器人臂40的示意图，如由用于存储机器人臂40中的每一个(例如，机器人臂40的第一连杆42a的纵轴)相对于手术台600的偏航角φ的控制器21a表示。尽管在图7中仅示出一组移动推车60和机器人臂40，但可使用多个移动推车60和对应的机器人臂40。图7示出具有从0°至360°的刻度的圆形标度602，其与手术台600的顶部一起定向。在图7中，机器人臂40被示出为具有约60°的偏航角φ。
圆形标度602和其上所示的对准角遵循右手定则(例如，逆时针)，并且基于从对准图案318到机器人臂40的第一连杆42a的角度来限定。当对准图案318的第二部分322在前向方向上与由第一连杆42a限定的纵轴对准时，角度为零。相反，对于系统设置和用户界面700，对准角为顺时针限定的。当第二部分322与机器人臂40的第一连杆42a的反向方向对准时，角度为零。
通过使用以下式(I)将对准图案318相对于手术台600的原始角转换为转换的对准角来确定偏航角：对准角＝mod(3*π-原始对准角，2*π)
在式(I)中，mod函数为取模运算，求3*π与原始对准角之间的差除以2*π后的余数。然后使用转换的对准角以使用式(II)计算偏航角：
偏航角＝转换的激光角-总和(当前向量-初始向量)
在式(II)中，初始向量为在对准前设置臂62的连杆62a、62b、62c之间的初始设置臂角度的3x1向量，并且当前向量为对应于处于后对准状态的设置臂62的3x1向量。当机器人臂40在其对准后移动时，更新当前向量，从而计算新的偏航角。在用户界面上显示机器人臂40中的每一个的偏航角。用户界面700可显示在控制塔20的第一显示器装置32和/或移动推车60的推车显示器69上。
当移动推车60连同机器人臂40最初过渡到对准状态时，偏航角等于对准角。当设置臂62在手动平面运动期间移动以相对于手术台600定位机器人臂40时，旋转接头63a和63b围绕其垂直于地板的单独旋转轴旋转，因此每个接头63a和63b额外地有助于机器人臂40的基座接头44a的旋转。
在手术机器人中有许多情况，其中了解一个或多个物体相对于另一个物体的空间姿势提供提高临床性能的见解。最近，扩频射频源和接收器使得毫米分辨率的位置感测成为可能，同时不需要视线以及对修改信号的材料不敏感。有了这项技术，就可以替代手术中现有的感测方法，如脊柱和神经外科中工具的光学跟踪，以实现预定计划的性能，但也使得在OR中能够实现空间位置和姿势感测的全新用途。
根据本公开，提出用于包括扩频射频源和接收器的手术机器人的绝对空间位置和姿势跟踪的位置和跟踪系统1000。位置和跟踪系统1000可包括发射器200和接收器205，并且被配置成用于与机器人手术系统10一起使用或并入其中，如图1所示。接收器205可包括RF接收器、微波接收器和/或毫米波接收器。接收器205可与图1的计算机21、31、41通信。简而言之，接收器205可包括处理器(未示出)和存储器(未示出)。接收器205可位于图1的控制塔20上。预期接收器205可集成到天花板中或集成到OR中。
发射器200可包括RF发射器、微波发射器和/或毫米波发射器。在各个方面，发射器200(例如，跟踪单元、信标或传感器)的位置期望相对于发射器200以毫米精度进行跟踪。在各个方面，位置和跟踪系统1000可包括一个或多个发射器200。在各个方面，位置和跟踪系统1000可包括这些发射器200中的三个或更多个，从而允许位置和跟踪系统1000确定和监视安装它们的刚性物体的空间姿势。举例来说，图1的控制塔20的位置可相对于患者或机器人臂40来监视，并且反之亦然。在各个方面，物体的位置和姿势可由位置和跟踪系统1000的接收器205远程监视，从而实现下面描述的示例性用例。在各个方面，位置和跟踪系统1000基于由发射器200传送的数据确定物品在3D中的位置。
在各个方面，发射器200可安装在手术机器人系统10上并且贯穿其中，例如，可随时监视手术机器人系统10的子组件的空间位置，包括机器人臂40的移动推车60以及臂的各个连杆42a、42b、42c，即使在它们在无菌盖布内时。(参见，例如图2和图3)利用这种能力，对于特定手术程序、对于特定类型患者、在特定类型手术台上、在OR的特定配置中，可通过使用主动引导反馈来确保将移动推车60放置到最佳位置。在各个方面，通过将发射器200放置在机器人臂40和/或移动推车60上的不同位置处，并且特别是沿机器人臂40的各个连杆42a、42b、42c，可持续监视机器人臂40的各个连杆42a、42b、42c，从而允许位置和跟踪系统1000始终知道所有机器人臂40相对于彼此的位置、定向和姿势。在各个方面，这可用作双重检查以确保没有任何东西修改机器人臂40上的发射器200的几何形状的状态。知道机器人臂40的所有组件相对于彼此的位置并且将这些组件的形状添加到已知姿势信息中，可检测机器人臂40的潜在碰撞并且可修改机器人臂40的移动，可提醒外科医生在碰撞之前应采取纠正措施，或机器人臂40移动可停止以防止这类碰撞。在各个方面，位置和跟踪系统1000可使用已知的空间姿势信息来确定患者、操作台和/或手术人员的姿势。在各个方面，位置和跟踪系统1000可基于每个机器人臂40上的至少一个发射器200和手术助手或患者身上的至少一个发射器200提供碰撞避免。
在各个方面，发射器200可放置在手术器械端口(未示出)上或并入其中。具体地，在各个方面，位置和跟踪系统1000可包括集成到插入患者腹腔中的接入端口或套管针(未示出)中的发射器200。在各个方面，位置和跟踪系统1000可确定套管针或接入端口的位置信息以用作设置引导。通过位置和跟踪系统1000知道手术器械端口的位置，可在引导下执行机器人系统10与手术器械端口的初始对接，这将特别有益，因为OR团队熟悉机器人手术系统10。此外，将可以进行针对特定患者和程序的手术端口的最佳放置的交互式引导和确认。由于环绕手术器械端口的患者组织的变形，位置和跟踪系统1000能够连续监视和评估手术器械端口移动，以及如果发现过度的组织移动，那么由机器人系统10提供的引导。
在各个方面，位置和跟踪系统1000可基于位于手术工具上/中的发射器200来跟踪在手术期间使用的手术工具(例如，手术器械50)。在各个方面，发射器200可位于手术器械的手术工具尖端处或手术器械的已知位置上，并且通过使用其间的距离和相对定位，可确定手术工具尖端的位置。举例来说，已知手术器械端口的姿势和机器人臂42的最后一个连杆42c的姿势并且组合手术工具的已知运动状态，可确定并且连续监视手术工具尖端的端点反馈，使得可监视所有手术器械相对于彼此以及相对于内窥镜的相对姿势。这提供工具-工具和工具-相机姿势监视的准确和直接手段。
在各个方面，位置和跟踪系统1000可使用多个发射器200来确定输入装置(例如，手动输入18)的定向/位置。在各个方面，位置和跟踪系统1000利用集成传感器微定位输入装置的定位。
在各个方面，手术人员可佩戴单个发射器200。在各个方面，位置和跟踪系统1000可在整个程序中确定和监视人员动作，以允许建立数据集，以提供对手术进度的预测性监视以及使用适当的资源通知对与规范性进度的偏离的检测，以确保采取适当的动作。在各个方面，人员可佩戴多个发射器200。在各个方面，位置和跟踪系统1000可确定对与机器人臂40的可能碰撞的细粒度检测并且建议矫正动作。
在各个方面，多个发射器200的佩戴还允许人员的移动/手势被用作输入以使用如增强现实的交互方法来控制人员之间的通信。在各个方面，发射器200可放置在外科医生的手和/或脚上，并且位置和跟踪系统1000可监视外科医生的手和/或脚的移动，作为控制/命令手术机器人系统10的输入形式，作为基于连杆的命令输入的替代或增强。在各个方面，位置和跟踪系统1000可包括由参与在复杂操作中提供控制输入的多个人员佩戴的多个发射器200。举例来说，外科医生可在他们的脚上佩戴发射器200以用作虚拟脚踏板。在各个方面，位置和跟踪系统1000可包括外科医生身上的一个或多个发射器200以确定外科医生的位置和/或定向。在各个方面，位置和跟踪系统1000可使用位置信息来确保外科医生在用户界面监视器的视野内并且面向屏幕。在各个方面，发射器200可集成在外科医生佩戴的眼镜上。
在各个方面，发射器200可放置在操作台上的患者身上的特定位置上。以此方式，可知道和确认患者在操作台上的位置，并且此信息可与手术端口跟踪、机器人组件跟踪和手术人员跟踪相结合。操作区域的这类完整和连续的空间信息肖像的益处包括安全监视机器人臂40移动相对于其附近人员和设备的所有方面的移动。此信息还允许适应机器人臂40的移动以允许在手术程序中调整操作台，从而节省时间并且实现新类型的手术部位访问。
在各个方面，位置和跟踪系统1000可为机器人系统10提供设置引导。举例来说，发射器200可位于患者、操作台和/或每个臂/推车上的一个或多个上。在各个方面，一个或多个发射器200可位于操作台的各个区段上。举例来说，位置和跟踪系统1000可利用基于从发射器200传送的数据的位置信息来进行操作台定向。
在各个方面，位置和跟踪系统1000可定位医院周围的机器人臂40和/或移动推车60。举例来说，位置和跟踪系统1000可确定OR中所需的机器人臂40或移动推车60当前位于储藏室中。
在各个方面，位置和跟踪系统1000可包括集成到外科医生可用来注册患者解剖结构的部分或位置的棒中的发射器200。然后这可用于虚拟墙并且还可将术前扫描与用户界面700和/或手术室团队界面(ORTI)内窥镜馈送对准。举例来说，外科医生可使棒触摸到患者的解剖特征并且按下棒上指示特征位置的按钮。
在各个方面，接收器可包括多根天线。在各个方面，接收器205发射由接收器接收的RF信号(或毫米信号或微波信号)。在各个方面，信号可为扩频信号。扩频呈无线通信形式，其中发射信号的频率被故意变化。举例来说，发射器200可位于机器人臂40上并且可在30GHz处发射信标。预期可使用其它频率。可位于控制塔20上的接收器205将经由接收器205的多根天线从一个或多个发射器200接收30GHz信标信号。位置和跟踪系统1000可利用在其天线中的每一根处接收的30GHz信号的电平来确定发射器200在OR中的位置数据。举例来说，位置和跟踪系统1000可基于三角测量确定发射器200的位置数据。位置和跟踪系统1000可获取此位置数据并且将其与运动学信息和/或相机定位信息相互参考。
根据本公开，位置和跟踪系统1000可用于跟踪手术器械50的末端执行器(或尖端)的位置以达到更好的精度。目前，器械尖端位置为基于机器人臂40的接头角度来估计的。此外，手术器械50的轴的弯曲或不准确的接头角度加起来并且降低精度。因此，跟踪手术器械50的尖端提供低于毫米尺寸的精度水平，并且允许通过估计手术器械50的弯曲来进行图像引导程序、手术自动化和力估计。
另外预期并且在本公开的范围内，如果发射器200足够小，并且如果发射器200为无线的(或仅由细线拴系)，那么发射器200可直接放置在患者的解剖结构内以用于跟踪器官和其它解剖结构位置。这可用于图像引导手术、更新可变形组织模型和手术自动化，因为患者的组织、器官或解剖结构的移动为已知的。
射频定位操作的某些方面在Meglan等人于2018年4月20日提交的美国临时专利申请序列号62/660,476中进行描述，其全部内容以引用的方式并入本文中。
虽然位置和跟踪系统1000的接收器205被描述为位于控制塔20上，但预期位置和跟踪系统1000的接收器205可位于手术控制台30中、操作台中或者包括天花板或墙壁的OR区域内/上的任何地方。
应理解，可对本文公开的实施例进行各种修改。在实施例中，位置和跟踪系统1000的发射器200可安置在机器人臂的任何合适的部分上。因此，以上描述不应被解释为限制性的，而是仅作为各个方面的范例。所属领域的技术人员将设想在本文所附的权利要求书的范围和精神内的其它修改。
在各个方面，位置和跟踪系统1000可用作医院的资本管理工具以改进效率和/或增加设备的利用率。举例来说，位置和跟踪系统1000可跟踪整个医院的所有系统组件的位置和/或使用情况。位置和跟踪系统1000可记录关于使用情况、停机时间、位置和/或管理器的信息以帮助利用系统的模块化。记录的信息可输入到机器学习模块中作为预测设置优化的输入。位置和跟踪系统1000可生成关于记录的信息的报告。举例来说，位置和跟踪系统1000可具有位于整个医院的多个接收器，其被配置成将机器人臂定位在医院中的任何地方。通过允许医院工作人员定位最近未使用的机器人臂，这可减少手术之间的停机时间。位置和跟踪系统1000可接收对未使用的机器人臂40的请求并且向用户装置或计算系统提供指示机器人臂在医院中的位置的消息。在各个方面，机器人臂可另外包括GPS接收器并且将GPS数据发射到接收器。在各方面，机器人臂40可包括信标或“找到我”模块。机器人臂40可确定电池何时低于阈值并且基于低电池向用户发射信标和/或消息。在各个方面，位置和跟踪系统1000可生成意大利面条图以可视化设备在一段时间内如何移动。可通过机器学习对数据进行分析以为更有效使用设备(例如，机器人臂)提供建议。在各个方面，位置和跟踪系统1000可比较手术团队以确定最佳实践并且分享关于更有效使用设备的见解。预期所公开的技术可用于跟踪除医疗装置之外的装置，例如用于如资本设备跟踪的用途的复印机。
手术室时间很宝贵。在本公开的各方面中，位置和跟踪系统1000可用于简化设置过程、减少OR周转时间并且减少绊倒危险。举例来说，手术台可包括发射器200。系统1000可使用患者的程序、体型和/或手术的类型来确定端口需要去哪里以及机器人臂40应该位于OR中的什么位置。举例来说，来自机器人臂40和移动推车60的位置和定时的数据可在多个程序中随着时间的推移记录。此数据可用作机器学习网络的训练数据。在各方面，机器学习可用于确定。在一方面，每个机器人臂40可基于它们在患者周围的位置被分配唯一的识别号。在一方面，系统1000可基于来自机器学习网络的预测，基于预定程序自动地将移动推车60运送到OR。机器学习网络可包括神经网络和/或分类器。机器学习网络可基于训练数据和程序类型来预测哪个OR将需要哪个机器人臂40。移动推车60和机器人臂40可基于机器学习网络自动地将它们自己定位在合适的OR内的手术台周围。
下面描述的图8的流程图包括以有序序列描述的各种框。然而，本领域技术人员将理解，可在不脱离本公开的范围的情况下以不同的次序执行、重复和/或省略流程图的一个或多个框。下面对流程图的描述是指由位置和跟踪系统1000执行的各种动作或任务，但本领域的技术人员将理解，位置和跟踪系统1000为示例性的。在各个方面，所公开的操作可由另一组件、装置或系统来执行。在各个方面，视频系统230或其它组件/装置经由在处理器252上实行的一个或多个软件应用来执行动作或任务。在各个方面，操作中的至少一些可由固件、可编程逻辑装置和/或硬件电路系统来实施。本公开的范围内还预期其它实现方式。
最初，在步骤802，系统1000从支撑机器人臂40的移动推车60的发射器200接收信号。在各方面，移动推车60在3D空间中的位置基于由发射器200传送的信号。举例来说，发射器200可包括RF发射器、微波发射器和/或毫米波发射器。发射器200的信号可包括扩频信号。在各个方面，系统1000可包括被配置成从发射器200接收信号的一个或多个接收器。接收器205可包括多根天线。
接下来，在步骤804，系统1000基于接收的信号确定移动推车60的空间姿势。举例来说，系统1000可通过由接收器205从发射器200接收信号的电平的指示来确定一个或多个移动推车60的空间姿势。
接下来，在步骤806，系统1000确定在OR内移动移动推车60的位置。在各方面，确定可基于特定手术程序、特定类型患者、特定类型手术台和/或OR的配置。举例来说，对于心血管程序或股骨腘窝程序，患者可处于仰卧位。举例来说，对于膀胱镜检查、泌尿科和/或妇科程序，截石位置的变化为常见的。手术台附件，如马镫、分腿定位器和井腿固持器，通常用于在程序期间支撑患者的腿。手术台可包括用于这些程序的额外附件。手术台和/或附件可包括一个或多个发射器200，系统1000在确定移动移动推车60的位置时使用所述发射器来定位手术台和/或附件。
接下来，在步骤808，系统1000将移动推车移动到新的空间姿势。在各方面，新的空间姿势可基于确定的位置和接收的信号。举例来说，系统可确定移动推车可
在各方面，机器人臂可包括与接收器205可操作通信的发射器200。系统1000可从机器人臂40的发射器200接收信号，所述信号包括基于由机器人臂40的发射器200传送的信号的机器人臂在3D空间中的位置并且基于接收的信号确定机器人臂40的空间姿势。
在各方面，机器人臂40可包括多个单独连杆，其包括与接收器205可操作通信的多个发射器200。系统1000可从多个发射器200接收多个信号，所述多个信号包括基于由单独连杆的多个发射器200传送的多个信号的多个单独连杆在3D空间中的空间姿势。系统1000可接收来自机器人臂的运动学信息和/或来自机器人臂40的相机定位信息。系统1000可接收多个单独连杆的形状信息，和将多个单独连杆的空间姿势与运动学信息和/或相机定位信息相互参考。系统1000可基于相互参考预测与第二机器人臂的可能碰撞，并且在显示器上显示指示碰撞的可能性的警报。举例来说，系统1000可基于多个信号的组合和对于程序最佳的期望配置来自动设置机器人臂40的空间姿势。
在本公开的各个方面，OR工作人员可佩戴发射器200，使得系统1000具有OR工作人员的空间意识。这将有助于系统避免机器人臂40和工作人员之间的碰撞。
在各方面，系统1000可确定移动推车60是否在正确的房间中。这可有助于减少OR周转时间和/或定位资本设备。举例来说，当系统1000在第二OR中需要移动推车60时，特定移动推车60可在第一OR中。系统1000可包括通信模块以允许移动推车60或机器人臂40之间的节点到节点通信。举例来说，通信模块可包括节点之间的27兆比特每秒通信。系统100将能够通过通信模块的三角测量来注册节点。
在各方面，系统可包括位于患者附近(例如，由患者佩戴)的另一个发射器200。在各方面，系统1000可基于由发射器200传送的信号确定患者的空间姿势，并且基于患者的确定的空间姿势确定移动推车相对于患者的位置。
应理解，本文所公开的各个方面可以不同的组合而非说明书和附图中具体呈现的组合进行组合。还应当理解，根据实例，本文描述的任何过程或方法的某些动作或事件可以以不同的序列执行，可以添加、合并或完全省略(例如，所有描述的动作或事件对于执行该技术可能不是必需的)。另外，尽管出于清楚的目的，将本公开的某些方面描述为由单个模块或单元来执行，但应理解，本公开的技术可以通过与，例如，医疗装置相关联的单元或模块的组合来执行。
在一个或多个示例中，所描述的技术可以在硬件、软件、固件或其任何组合中实施。如果以软件实施，则可以将功能以一个或多个指令或代码的形式存储在计算机可读介质上并且可以由基于硬件的处理单元执行。计算机可读介质可以包括非暂时性计算机可读介质，其对应于有形介质，诸如，数据存储介质(例如，RAM、ROM、EEPROM、闪存或可以用于存储呈指令或数据结构形式的期望程序代码并且可以由计算机访问的任何其它介质)。
指令可以由一个或多个处理器执行，诸如，一个或多个数字信号处理器(DSP)、通用微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)或其它等效的集成或离散逻辑电路系统。因此，如本文中所使用的术语“处理器”可以指任何前述结构或适合于实施所描述技术的任何其他物理结构。而且，技术可完全实施于一个或多个电路或逻辑元件中。

Claims (20)

1.一种用于手术室中基于无线电定位的位置和跟踪系统，所述系统包含：
接收器；
移动推车，其包括：
与所述接收器可操作通信的发射器；和
机器人臂；
处理器；和
联接到所述处理器的存储器，所述存储器具有存储于其上的指令，所述指令在由所述处理器执行时使得所述系统：
从所述发射器接收信号，所述信号包括基于由所述发射器传送的所述信号的所述移动推车在3D空间中的位置；和
基于接收的信号确定所述移动推车的空间姿势。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述指令在执行时另外使得所述系统：
基于特定手术程序、特定类型患者、特定类型手术台或手术室的配置中的至少一种确定移动所述移动推车的位置；和
基于确定的位置和所述接收的信号将所述移动推车移动到新的空间姿势。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述发射器为第一发射器，并且另外包括位于患者附近的第二发射器，
其中所述指令在执行时另外使得所述系统：
基于由所述第二发射器传送的信号确定所述患者的第二空间姿势；和
基于所述患者的确定的第二空间姿势确定所述移动推车相对于患者的位置。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述发射器能够包括RF发射器、微波发射器或毫米波发射器中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述接收器包括多根天线。
6.根据权利要求1所述的系统，其中用于所述发射器的所述信号包括扩频信号。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器被配置成通过由所述接收器从所述发射器接收所述信号的电平的指示来确定所述移动推车的所述空间姿势。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述机器人臂包括与所述接收器可操作通信的第二发射器。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述指令在执行时另外使得所述系统：
从所述第二发射器接收第二信号，所述第二信号包括基于由所述第二发射器传送的所述信号的所述机器人臂在3D空间中的位置；和
基于接收的第二信号确定所述机器人臂的所述空间姿势。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述机器人臂包括：
多个单独连杆，其包括与所述接收器可操作通信的多个发射器。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述指令在执行时另外使得所述系统：
从所述多个发射器接收多个信号，所述多个信号包括基于由所述多个发射器传送的所述多个信号的所述多个单独连杆在3D空间中的空间姿势。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述指令在执行时另外使得所述系统：
接收来自所述机器人臂的运动学信息或来自所述机器人臂的相机定位信息中的至少一种；
接收所述多个单独连杆的形状信息；和
将所述多个单独连杆的所述空间姿势与运动学信息或相机定位信息中的至少一种相互参考。
13.根据权利要求12所述的系统，其另外包含显示器，
其中所述指令在执行时另外使得所述系统：
基于所述相互参考预测与第二机器人臂的可能碰撞；和
在所述显示器上显示指示碰撞的可能性的警报。
14.一种在手术室中执行机器人手术的方法，所述方法包含：
从支撑机器人臂的可移动推车的发射器接收信号，所述信号包括基于由所述发射器传送的所述信号的所述移动推车在3D空间中的位置；和
基于接收的信号确定所述移动推车的空间姿势。
15.根据权利要求14所述的方法，其另外包含：
基于特定手术程序、特定类型患者、特定类型手术台或所述手术室的配置中的至少一种确定在手术室内移动所述移动推车的位置；和
基于确定的位置和所述接收的信号将所述移动推车移动到新的空间姿势。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述发射器为第一发射器，并且另外包含：
从所述可移动推车的机器人臂的第二发射器接收第二信号，所述第二信号包括基于由所述第二发射器传送的所述信号的所述机器人臂在3D空间中的位置；和
基于接收的第二信号确定所述机器人臂的空间姿势。
17.根据权利要求16所述的方法，其另外包含：
从所述机器人臂的单独连杆的多个发射器接收多个信号，所述多个信号包括基于由所述多个发射器传送的所述多个信号的所述多个单独连杆中的每一个在3D空间中的位置；和
基于接收的多个信号确定所述机器人臂的所述多个单独连杆中的每一个的空间姿势。
18.根据权利要求16所述的方法，其另外包含：
基于由位于患者附近的所述第二发射器传送的信号确定患者的第二空间姿势；和
基于所述患者的确定的第二空间姿势确定所述移动推车相对于患者的位置。
19.根据权利要求14所述的方法，其另外包含通过由所述接收器从所述发射器接收所述信号的电平的指示来确定所述移动推车的所述空间姿势。
20.一种非暂时性存储介质，其存储使得计算机执行手术室中基于无线电定位的方法的程序，所述方法包含：
从移动推车的发射器接收信号，所述信号包括基于由所述发射器传送的所述信号的所述移动推车在3D空间中的位置；和
基于接收的信号确定所述移动推车的空间姿势。
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