CN114786610A

CN114786610A - 带有受控以跟随路径的关节臂的介入手术机器人设备

Info

Publication number: CN114786610A
Application number: CN202080078695.9A
Authority: CN
Inventors: S·玛泽莱格; A·蔡普林斯基
Original assignee: Pickering Interfaces
Current assignee: Pickering Interfaces
Priority date: 2019-10-04
Filing date: 2020-10-01
Publication date: 2022-07-22
Also published as: CA3153057A1; AU2020361050A1; EP4037596A1; FR3101532A1; WO2021064331A1; US20220331026A1; JP2022551274A; KR20220074960A

Abstract

介入手术机器人设备，包括：带有驱动电机(M1、M2、M3、M4、M5、M6)的关节臂(10)，其远端用于承载手术器械(12)；用于沿着路径移动手术器械(12)的功能端(24)的关节臂(10)控制外围设备(28)；以及用于处理由控制外围设备(28)提供的移动指令以将它们转换成用于控制关节臂(10)的驱动电机的指令的装置(32)。设备还包括用于关节臂(10)自动回返的触发器(34)，该触发器的致动使得发送针对关节臂(10)的每个驱动电机(M1、M2、M3、M4、M5、M6)的单独的反向控制指令，以使手术器械(12)的功能端沿着进行过的路径反向移动。

Description

带有受控以跟随路径的关节臂的介入手术机器人设备

技术领域

本发明涉及一种介入手术机器人设备，特别是但不仅限于耳鼻喉科领域中的介入手术机器人设备。

本发明更具体地应用于机器人设备，机器人设备包括：

-带有驱动电机的关节臂，关节臂的远端用于承载手术器械；

-控制外围设备，用于控制关节臂以沿着一路径移动手术器械的功能端；和

-处理装置，用于处理由控制外围设备提供的移动指令，以将移动指令转换成用于控制关节臂的每个驱动电机的单独控制指令。

背景技术

Miroir等人于2010年10月18日至22日在中国台湾省台北市举行的有关智能机器人和系统的国际会议IEEE/RSJ上发表的题为“RobOtol：from design to evaluation of arobot for middle ear surgery”(“RobOtol：从设计到评估中耳手术机器人”)的论文中描述了这种设备。该论文提出了一种结构和运动学，其特别适合于对患者的中耳或内耳进行耳科介入手术。这些介入手术对错误运动很敏感，使得机器人辅助是一种有价值的辅助。

然而，即使有了这种辅助，鉴于医师通常必须在受限的空间中操作，医师在操作控制外围设备时可能会做出错误的姿势。即便在大多数情况下，手术姿势的精度使得轻微的偏差不会有任何影响并且可以容易地被校正，但仍存在允差为零或几乎为零的特殊情况。例如，从患者耳朵内分离耳科手术器械时就是这种情况。考虑到引导手术器械的功能端变换行进的蜿蜒曲折，手术器械的功能端所遵循的用于其接合的路径可能是复杂的，使得如果必须考虑走过的路径，则手术器械的功能端的移除可能是棘手的。此外，在紧急情况下可能需要这种移除，因此这种移除必须是快速的。这种执行速度增加了对医师的压力，也增加了错误姿势的风险。

更普遍地，在由承载手术器械并在控制外围设备帮助下操纵的机器人设备所辅助的任何类型的介入手术中，在期望的手术器械快速移除的情况下最轻微的不准确性也可能产生严重后果的情况是多种多样的。

因此，可能期望提供一种机器人设备，其允许避免至少一些上述问题和限制。

发明内容

因此，提出了一种介入手术机器人设备，其包括：

-带有驱动电机的关节臂，关节臂的远端用于承载手术器械；

-处理装置，用于处理由控制外围设备提供的移动指令，以将移动指令转换成用于控制关节臂的每个驱动电机的单独控制指令；

介入手术机器人设备还包括用于关节臂自动回返的触发器，致动所述触发器导致独立于来自控制外围设备的任何移动指令，而发送反向控制关节臂的每个驱动电机的单独的反向控制指令，以使手术器械的功能端沿着进行过的路径反向移动。

以此方式，任何回返都能够通过触发器且无需控制外围设备的帮助而自动执行，并保证严格遵循反向路径。在上述棘手的情况下，即使在有限的空间或有蜿蜒曲折的情况下，以及当触发自动回返时无论控制外围设备发出任何指令，这都可以防止相对所需回撤的任何偏差。

可选地，机器人设备配置成使得致动自动回返触发器导致暂停处理由控制外围设备提供的新的移动指令。

还可选地：

-处理装置包括存储装置，存储装置用于在功能端沿着路径进行受控移动的期间在存储器中存储关节臂的一有序系列的相继定位；和

-处理装置配置成使得致动用于关节臂自动回返的触发器导致关节臂从所述有序系列的存储的最后定位逐步相继回返到所述有序系列的存储的第一定位。

还可选地，所述关节臂的所述有序系列的相继定位中的存储的每个定位包括所述关节臂的驱动电机的一组位置。

还可选地，所述存储装置配置成以规则的时间间隔将所述关节臂的相继定位存储在存储器中。

还可选地，存储所述关节臂的所述有序系列的相继定位的存储器配置成堆栈式结构。

还可选地，用于关节臂自动回返的触发器包括带有变速器的停止踏板或停止按钮，变速器用于根据操作者施加的压力来改变关节臂自动回返的速度。

还可选地，所述处理装置配置成一旦操作者不再向用于关节臂自动回返的触发器施加任何压力，就停止当前的自动回返并恢复处理由控制外围设备提供的新的移动指令。

还可选地，控制外围设备是6D操纵杆(6D joystick)。

还可选地，根据本发明的介入手术机器人设备可以配置成和定尺寸成进行患者中耳或内耳介入手术，所述手术器械本身是患者中耳或内耳介入手术器械。

附图说明

借助于仅作为示例给出并参考附图进行的以下描述，将会更好地理解本发明，附图中：

图1示意性地示出了根据本发明一实施例的介入手术机器人设备的总体结构，

图2示出了根据本发明一实施例的使用图1的机器人设备的介入手术方法的相继步骤，以及

图3示出了通过执行图2的方法实现的场景示例。

具体实施方式

参考图1，根据本发明一实施例的介入手术机器人设备包括关节臂10，该关节臂带有驱动电机并承载手术器械12。该图中示出的非限制性示例更具体地是用于在患者的中耳或内耳的耳科手术中应用的机器人设备例子，其结构和运动学根据Miroir等人的前述文献的教导进行优化。因此，关节臂10从其基部到承载手术器械12的其端部具有串联的三个机动棱柱形连接件，随后是串联的三个机动旋转形连接件。

由第一电机M1致动的第一棱柱形连接件L1允许关节臂10的第一构件14沿着关联于第一电机M1的第一局部正交笛卡尔坐标系(X1，Y1，Z1)的(例如竖直的)轴线Z1平移运动。第一电机M1附接到机器人设备，使得第一局部坐标系(X1，Y1，Z1)具有与关联于机器人设备的固定基部的全局正交笛卡尔坐标系(X0，Y0，Z0)相同的方向。因此，第一构件14的移动轴线平行于Z0。

由第一构件14的一端承载的第二电机M2所致动的第二棱柱形连接件L2允许关节臂10的第二构件16沿着关联于第二电机M2的第二局部正交笛卡尔坐标系(X2，Y2，Z2)的轴线Z2平移运动。第二局部坐标系(X2，Y2，Z2)相对于第一局部坐标系(X1，Y1，Z1)的轴线Y1转动一直角，使得其轴线Z2平行于轴线X1。因此，第二构件16的移动轴线平行于X0。

由第二构件16的一端承载的第三电机M3所致动的第三棱柱形连接件L3允许关节臂10的第三构件18沿着关联于第三电机M3的第三局部正交笛卡尔坐标系(X3，Y3，Z3)的轴线Z3平移运动。第三局部坐标系(X3，Y3，Z3)相对于第二局部坐标系(X2，Y2，Z2)的轴线X2转动一直角，使得其轴线Z3平行于轴线Y2，轴线Y2本身平行于轴线Y1。因此，第三构件18的移动轴线平行于Y0。

由第三构件18的一端承载的圆柱形第四电机M4所致动的第四旋转形连接件L4允许关节臂10的第四构件20围绕关联于第四电机M4的第四局部正交笛卡尔坐标系(X4，Y4，Z4)的轴线Z4旋转运动。

由第四构件20的一端承载的圆柱形第五电机M5所致动的第五旋转形连接件L5允许关节臂10的第五构件22围绕关联于第五电机M5的第五局部正交笛卡尔坐标系(X5，Y5，Z5)的轴线Z5旋转运动。

最后，由第五构件22的一端承载的圆柱形第六电机M6所致动的第六旋转形连接件L6允许手术器械12围绕关联于第六电机M6的第六局部正交笛卡尔坐标系(X6，Y6，Z6)的轴线Z6旋转运动。

根据图1中特别令人感兴趣的构型，三个旋转形连接件的三条相应的旋转轴线Z4、Z5、Z6会聚在手术器械12的功能远端24的同一中心点处，从而使该点成为枢转点。这意味着，在没有棱柱形连接件的电机M1、M2、M3起动的情况下，起动旋转形连接件的电机M4、M5、M6中的至少一个的任何指令都会导致手术器械12绕其枢转点旋转，但不会在全局坐标系(X0，Y0，Z0)中有任何运动。

手术器械12具有用于附接到关节臂10的近端26，近端26更具体地在臂10的与电机M6相关的相应附接端处附接到关节臂。该附接例如有利地根据专利FR 2998344B1中描述的锁定系统制成，但是这不是强制性的。适用于预期应用的任何其他紧固系统也是合适的。

手术器械12可以具有直线形状，使得其主轴线Zp是连接其附接近端26的中心点和其功能远端24的枢转点的轴线，与其相关的局部笛卡尔坐标系(Xp，Yp，Zp)围绕该主轴线Zp被限定。在图1中未显示的这种情况下，轴线Zp与轴线Z6重合。

或者，如图1所示，手术器械可以是诸如专利申请FR 3066378A1中所述的带有偏离部分的手术器械。在这种情况下，其主轴线Zp是该手术器械的直线形远侧部分的轴线，与其相关的局部笛卡尔坐标系(Xp，Yp，Zp)仍然围绕该主轴线被限定，但该主轴线相对于轴线Z6偏离，该轴线Z6始终将其固定近端26的中心点连接到其功能远端24的枢转点。

介入手术机器人设备还包括用于关节臂10的外围控制设备28例如6D操纵杆或任何其他等效设备，其适于通过起动六个电机M1至M6来允许手术器械12的功能远端24根据三个平移自由度和三个旋转自由度沿着期望的路径移动。介入手术机器人设备还可以包括屏幕30，特别是用于显示和监控手术器械12在操作阶段是沿其路径的任何移动。

介入手术机器人设备还包括处理装置，用于处理由控制外围设备28提供的移动指令，以将移动指令转换成用于控制关节臂10的电机M1至M6中的每一个的单独控制指令。处理装置采用电子电路32的形式。

介入手术机器人设备还包括用于关节臂10自动回返的触发器34。例如，该触发器可以是带有变速器的停止踏板或停止按钮式设备，变速器用于根据操作者施加的压力来改变关节臂10自动回返的速度。当被致动时(例如当触发器为踏板而被脚按压致动时)，该触发器的功能是导致独立于来自控制外围设备28的任何移动指令而发送反射控制六个电机M1至M6中的每一个电机的单独的反向控制指令，以使手术器械12的功能端24沿着进行过的路径反向移动。在手术实践中，触发器34有利地是踏板，因为踏板由脚致动因而解放了医师的手。

电子电路32连接到关节臂10，以便向关节臂传送用于控制电机M1至M6的单独控制指令，并根据需要随时接收回电机M1至M6的笛卡尔位置或角度位置。该电子电路连接到控制外围设备28，以便接收控制外围设备的移动指令。这些指令通常在全局坐标系(X0，Y0，Z0)中表示。电子电路连接到回返触发器34以检测对回返触发器的致动，并因此进行关节臂10的自动回返。

电子电路具有中央处理单元36，例如被设计成向关节臂10传送单独控制指令的微处理器，以从控制外围设备28接收移动指令并从关节臂10接收电机M1至M6的位置。电子电路还具有存储器38，在存储器中存储有待由中央处理单元36执行以实现上述转换和自动回返的至少一个计算机程序。图1中示出了能够根据软件切换器44来选择的两个计算机程序40和42。

根据本发明的一个可能的实施例，第一计算机程序40包括用于实现将由控制外围设备28提供的移动指令转换成用于控制电机M1到M6中的每一个的单独控制指令的指令、以及用于实现在期望的时间存储电机的相应位置的指令。第二计算机程序42则包括用于实现自动回返的指令。

应当注意，图1中示意性展示的电子电路32能够例如在计算机设备中实现，计算机设备例如是包括与一个或多个存储器相关联的处理器的传统计算机，所述存储器用于存储数据文件和计算机程序，计算机程序的指令(例如程序40、42的指令和本身也可以构成计算机程序的软件切换器44的指令)旨在由处理器执行。这些程序显示为区分开的，但这种区分纯粹是功能性的。这些程序也可以恰好很容易地根据任何组合被组合成一个或多个软件程序。这些程序的功能也可以至少部分地被微编程或微连线到专用集成电路中。因此，作为替代，实现电子电路32的计算机设备可以由仅由数字电路(没有计算机程序)构成的电子设备来代替，用于执行相同的行动。

更具体地，第一计算机程序40包括指令46，指令46用于执行雅可比变换(Jacobianconversion)，雅可比变换用于将控制外围设备28所提供的、在全局坐标系(X0，Y0，Z0)中表示的指令变换为用于控制使用存储在存储器中的雅可比参数来致动关节臂10的电机M1至M6中的每一个的单独控制指令。雅可比变换函数(Jacobian converter function)对于本领域技术人员来说是众所周知的，因此将不再详述。通过执行计算机程序40所提供的单独控制指令将由中央单元36传送到关节臂10。

第一计算机程序40还包括指令48，指令48例如在手术器械12运动时以规则的时间间隔执行电机M1至M6的位置的检索，以便将这些电机的位置存储在存储器38中，更准确的说是存储在存储器38的专用于数据存储的部分50中。该存储器部分50被有利地构造为堆栈式，即如LIFO(后进先出)型存储器。数据检索由中央单元36执行。因此，在功能端24沿着跟随路径进行受控移动的期间以规则的时间间隔获取的关节臂10的相继定位、即更准确的说是图1示例中的电机M1到M6的相应相继位置，根据一有序系列被存储在LIFO存储器50中。

同样更具体地，第二计算机程序42包括指令52，指令52用于执行读取存储在LIFO存储器50中的电机M1至M6的相应相继位置，以用于关节臂10从这些相继位置的最后一组到第一组的相继逐步回返。每当读取电机M1至M6的允许手术器械12的功能端24所跟随的路径沿相反方向折回的新一组位置时，指令52产生用于控制电机M1至M6的相应的单独控制指令。这些单独控制指令由中央单元36传送到关节臂10，然后从LIFO存储器50中删除已读取的该组位置。

软件切换器44允许根据踏板34是否被致动来选择执行计算机程序40、42中的一个还是另一个。默认情况下，选择第一计算机程序40。由控制外围设备28提供的任何移动指令都被中央单元36考虑，并通过执行该程序被转换成用于控制电机M1到M6中的每个电机的单独控制指令。此外，在规则的时间间隔，电机M1到M6的相继位置以堆栈式有序列表被存储在LIFO存储器50中。通过用脚按压踏板34，软件切换器44被设置为执行第二计算机程序42。然后不再考虑由控制外围设备28发出的任何新的移动指令。存储在LIFO存储器50中的电机M1至M6的相继位置数据以其存储的相反顺序一个接一个地被拆解，以重建手术器械12跟随的反向路径。如果电子设备32被编程成对施加在踏板34上的压力敏感，则由此导致的机器人臂10回返例如随着压力越大而越快。在一个优选实施例中，一旦踏板34被松开，自动回返就停止，不管LIFO存储器50是否被清空，并且软件切换器44切换回运行第一计算机程序40。

图2示出了使用图1的机器人设备的介入手术方法的相继步骤。

在第一步骤100中，踏板34未被致动，操作者使用控制外围设备28来进行由关节臂10承载的手术器械12的功能远端24的移动。

在随后的步骤102中，中央处理单元36执行第一计算机程序40的指令46和48，以将控制外围设备28提供的指令转换成用于控制电机M1至M6的单独控制指令并且定期存储这些电机的相继位置以便在LIFO存储器50中保存手术器械12所跟随的路径。应当注意的是，以规则的时间间隔记录电机M1至M6的相继位置的事实有利地使得能够保持关于手术器械12的移动速度的信息，因为在两次记录之间由手术器械12的功能远端24经过的距离与其移动速度成正比。

在下一步骤104中，医师希望启动手术器械12沿着已经进行过的路径的快速自动回返。为此，他或她按压踏板34。

在随后的步骤106中，中央处理单元36然后执行第二计算机程序42的指令52，以执行如前所述的自动回返，其中这种回返的速度可以取决于施加在踏板34上的压力。

最后，在最后一个步骤108中，医师松开踏板34，使得快速自动回返停止，而不管LIFO存储器50是否被清除。该方法然后可以在步骤100或104重新开始。

图3示出了通过执行图2的方法实现的场景示例。

最初(即在第一执行步骤100中)，LIFO存储器50是空的并且手术器械12的功能远端24处于初始点P1处。

当执行步骤102时，功能远端24：

-以高速从P1点移动到P2点，因此在LIFO存储器50中存储少量的相继移动信息；然后

-以中速从P2点移动到P3点，因此在LIFO存储器50中存储中等数量的相继移动信息；然后

-以中速从P3点移动到P4点，因此在LIFO存储器50中存储中等数量的相继移动信息；然后

-以低速从P4点移动到P5点，因此在LIFO存储器50中存储大量的相继移动信息；然后

-以高速从P5点移动到P6点，因此在LIFO存储器50中记录少量的相继移动信息。

在P6点处，操作者决定通过按压踏板34启动手术器械12的快速自动回返(步骤104)。

这导致执行步骤106，在步骤106期间，功能远端24：

-从P6点快速返回到P5点，因此之前存储的P5点和P6点之间的相继移动信息被拆解；然后

-从P5点快速返回到P4点，因此之前存储的P4点和P5点之间的相继移动信息被拆解；然后

-从P4点快速返回到P3点，因此之前存储的P3点和P4点之间的相继移动信息被拆解。

回到P3点处，操作者决定通过松开踏板34来中断手术器械12的快速自动回返(步骤108)。

他或她然后决定将手术器械12的功能远端24引导至另一路径，从而返回到新执行所述步骤100。

在标志着图3所示场景结束的新执行步骤102期间，功能远端24：

-以高速从P3点移动到P7点，由此在LIFO存储器50中存储少量的相继移动信息；然后

-以低速从P7点移动到P8点，由此在LIFO存储器50中存储大量的相继移动信息。

图2中的介入手术方法及其在图3中的示例场景可容易地推广到除了对患者的中耳或内耳的介入手术之外的其他介入手术的实施。

显然，在期望快速移除手术器械而不会相对先前遵循的路径错误运动或偏离的一些情况下，诸如上述的机器人设备允许安全的手术介入。

还应当注意，本发明不限于上述实施例。

本发明不仅被有利地应用于图1的关节臂10的结构和运动学，而且还通过调整相应的变换和定位信息，本发明能够被推广到其他结构和运动学。

关节臂10的相继定位以电机位置的形式记录，但是也能以其他形式、例如手术器械12的相继6D位姿记录。

更一般地对于本领域技术人员来说看来能够根据刚公开的教导对上述实施例进行各种修改。在本发明的以上详细描述中，所使用的术语不应被解释为将本发明限制于本说明书中阐述的实施例，而应被解释为其中包括本领域技术人员通过将他们的一般知识应用于实施刚对其公开的教导而能预料到的所有等同方案。

Claims

1.一种介入手术机器人设备，包括：

-关节臂(10)，带有驱动电机(M1、M2、M3、M4、M5、M6)，关节臂的远端用于承载手术器械(12)；

-控制外围设备(28)，用于控制关节臂(10)以沿着一路径移动手术器械(12)的功能端(24)；和

-处理装置(32)，用于处理由控制外围设备(28)提供的移动指令，以将移动指令转换成用于控制关节臂(10)的每个驱动电机(M1、M2、M3、M4、M5、M6)的单独控制指令；

其特征在于，介入手术机器人设备还包括用于关节臂(10)自动回返的触发器(34)，所述触发器能够由操作者机械地致动，致动所述触发器导致独立于来自控制外围设备(28)的任何移动指令，而发送反向控制关节臂(10)的每个驱动电机(M1、M2、M3、M4、M5、M6)的单独的反向控制指令，以使手术器械(12)的功能端(24)沿着进行过的路径反向移动。

2.根据权利要求1所述的介入手术机器人设备，其特征在于，介入手术机器人设备配置成使得致动用于关节臂自动回返的触发器(34)导致暂停处理由控制外围设备(28)提供的新的移动指令。

3.根据权利要求1或2所述的介入手术机器人设备，其特征在于，

-处理装置(32)包括存储装置(36，48)，存储装置用于在功能端(24)沿着路径进行受控移动的期间在存储器(50)中存储关节臂(10)的一有序系列的相继定位；和

-处理装置(32)配置成使得致动用于关节臂自动回返的触发器(34)导致关节臂(10)从所述有序系列的存储的最后定位逐步相继回返到所述有序系列的存储的第一定位。

4.根据权利要求3所述的介入手术机器人设备，其特征在于，所述关节臂(10)的所述有序系列的相继定位中的存储的每个定位包括所述关节臂的驱动电机(M1、M2、M3、M4、M5、M6)的一组位置。

5.根据权利要求3或4所述的介入手术机器人设备，其特征在于，所述存储装置(36，48)配置成以规则的时间间隔将所述关节臂(10)的相继定位存储在存储器(50)中。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的介入手术机器人设备，其特征在于，存储所述关节臂(10)的所述有序系列的相继定位的存储器(50)配置成堆栈式结构。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的介入手术机器人设备，其特征在于，用于关节臂自动回返的触发器(34)包括带有变速器的停止踏板或停止按钮，变速器用于根据操作者施加的压力来改变关节臂(10)自动回返的速度。

8.根据权利要求7所述的介入手术机器人设备，其特征在于，所述处理装置(32)配置成一旦操作者不再向用于关节臂自动回返的触发器(34)施加任何压力，就停止当前的自动回返并恢复处理由控制外围设备(28)提供的新的移动指令。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的介入手术机器人设备，其特征在于，所述控制外围设备(28)是6D操纵杆。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的介入手术机器人设备，其特征在于，介入手术机器人设备配置成和定尺寸成进行患者中耳或内耳介入手术，所述手术器械(12)本身是患者中耳或内耳介入手术器械。