CN117580529A - 用于眼睛外科手术的外科手术机器人系统及其控制 - Google Patents

用于眼睛外科手术的外科手术机器人系统及其控制 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于眼部外科手术的外科手术机器人系统。该系统包括手术臂(080)，该手术臂包括可移动臂部分(082)，该可移动臂部分包括用于安装具有纵向轴线的手术器械(119)的器械连接器。可移动臂部分(082)具有至少一个自由度，以使得手术器械(119)能够沿其纵向轴线朝向或远离眼部手术目标(123)进行纵向移动。该系统包括传感器(030)、用户界面(020)、致动器(060)和处理器子系统(040)。处理器子系统(040)被配置为：在手术器械(119)的初始位置处，从传感器(030)获得传感器数据(032)；确定手术器械(119)与手术目标(123)之间的初始距离；获得指示手术器械(119)的目标位置的数据；确定位移距离；输出位移距离的感官可感知表示；从用户接收确认信号；并且在接收到该确认信号时，控制致动器(060)来致动可移动臂部分(082)以实现手术器械(119)在该位移距离上的单次移动。

Description

用于眼睛外科手术的外科手术机器人系统及其控制
技术领域
本发明涉及一种用于眼部外科手术的外科手术机器人系统。本发明进一步涉及一种用于在眼部外科手术中使用期间控制外科手术机器人系统的方法，并且涉及一种包括用于使处理器系统执行该方法的指令的计算机程序产品。
背景技术
眼部外科手术越来越多地涉及外科手术机器人系统的使用。这种外科手术机器人系统不是完全自主地操作，而是通常至少部分地由人类操作员控制，例如，以控制安装到外科手术机器人系统的手术臂上的手术器械的移动。因此，外科手术机器人系统可以辅助人类操作员执行外科手术。
机器人辅助可以提高移动手术器械的操纵精度。鉴于眼睛内或周围的组织和结构的复杂性和大小，眼部外科手术需要特别高的精度。然而，机器人系统提供绝对坐标方面的精度，而不是相对于组织的精度。例如，组织中的波动或移动会降低机器人辅助提供的精度。此外，操作机器人的外科医生通过显微镜只能看到有限的手术视野。特别是，深度感知变得具有挑战性。
存在现有的外科手术机器人系统，其可设置有包括可移动臂部分的手术臂，其中可移动臂部分包括用于安装手术器械的器械连接器。因此，手术器械可以由手术臂定位。可以提供人机界面用于接收来自人类操作员的定位命令，以控制手术器械的移动。可以提供致动器用于致动可移动臂部分，以根据人类操作员提供的定位命令来实现手术器械的移动。这种方法的示例可以在远程操作领域中找到，其中，人类操作员可以操作主设备(例如，运动控制器)来为从设备(例如，前述手术臂)提供定位命令。
然而，这种系统不能可靠地提供眼部外科手术所需的精度水平，并且通常通过处理从用户接收到的位置命令来减轻该问题，比如以减少手颤抖的影响。
在US20190110682 A1中，在玻璃体视网膜手术应用中已经引入了光学相干断层扫描(OCT)传感器的使用，以便检测手术注入器何时穿透眼睛的期望组织层。OCT传感器用于扫描手术目标。从用户接收指示，比如以识别用于接收注入的组织层或确认自动注入。
发明内容
手术器械朝向手术目标完全自动移动的问题在于，这种移动可能基于有噪声的或其他不可靠的传感器数据。出于这个原因，用户(通常是外科医生)历来对采用全自动化手术感到担忧。例如，如果手术目标位于视网膜下位置，则眼睛或手术器械的移动可能使得指示手术目标的位置的传感器测量结果不太可靠，或者如果传感器被部分或完全遮挡(例如，被碎片遮挡)，则会引入手术器械刺穿非预期组织或器官的风险。
本发明的目的之一是获得一种外科手术机器人系统和/或用于控制外科手术机器人系统的方法，该外科手术机器人系统使得用户能够控制手术器械的位移，同时仍然保持自动移动的优点，这些优点包括减少手抖动或颤抖的影响。为用户提供对手术器械位移的控制还解决了用户对采用自动化手术的固有担忧。自动移动与用户对器械位移的控制的结合提高了外科手术机器人系统的可靠性。
本发明的第一方面提供了一种用于眼部外科手术的外科手术机器人系统，该外科手术机器人系统包括：
-手术臂，该手术臂包括可移动臂部分，该可移动臂部分包括用于安装具有纵向轴线的手术器械的器械连接器，该可移动臂部分至少具有一个自由度，以使得该手术器械能够沿该手术器械的纵向轴线朝向或远离眼部手术目标进行纵向移动；
-传感器，该传感器被配置为获得指示该手术器械与该手术目标之间的距离的传感器数据；
-用户界面，该用户界面被配置为从用户接收用户输入并向该用户输出感官可感知输出；
-致动器，该致动器被配置和布置成致动该可移动臂部分以实现该手术器械的纵向移动；
-处理器子系统，该处理器子系统被配置为：
-在该手术器械的初始位置处，从该传感器获得传感器数据并且基于该传感器数据确定该手术器械与该手术目标之间的初始距离；
-获得指示该手术器械相对于该手术目标的目标位置的数据；
-基于该传感器数据和该目标位置确定该手术器械的位移距离；
-经由该用户界面输出所确定的位移距离的感官可感知表示；
-经由该用户界面从该用户接收确认信号；并且
-当接收到该确认信号时，控制该致动器来致动该可移动臂部分以实现该手术器械沿该纵向轴线在所确定的位移距离上的单次移动。
在本发明的另一方面中，提供了一种用于在眼部外科手术中使用期间控制外科手术机器人系统的计算机实施的方法，该外科手术机器人系统包括手术臂，该手术臂包括可移动臂部分，该可移动臂部分包括用于安装具有纵向轴线的手术器械的器械连接器，该可移动臂部分具有至少一个自由度，以使得该手术器械能够沿该手术器械的纵向轴线朝向或远离眼部手术目标进行纵向移动，该外科手术机器人系统进一步包括致动器，该致动器被配置和布置成致动该可移动臂部分以实现该手术器械的纵向移动，该方法包括：
-在该手术器械的初始位置处，获得指示该手术器械与该手术目标之间的距离的传感器数据；
-基于该传感器数据确定处于该初始位置的该手术器械与该手术目标之间的初始距离；
-获得指示该手术器械相对于该手术目标的目标位置的数据；
-基于该传感器数据和该目标位置确定该手术器械的位移距离；
-向该用户输出该位移距离的感官可感知表示；
-从该用户接收确认信号；以及
-当接收到该确认信号时，控制该致动器来致动该可移动臂部分以实现该手术器械沿该纵向轴线在该位移距离上的单次移动。
在本发明的另一个方面中，提供了一种包括用于使处理器系统执行该方法的指令的计算机程序产品。
本发明的上述方面涉及一种包括手术臂的外科手术机器人系统。该手术臂包括可移动臂部分，其中，该可移动臂部分包括用于安装手术器械的器械连接器。该手术器械具有通常穿过该手术器械的端头的纵向轴线。可移动臂部分具有至少一个自由度(DoF)，以使得手术器械能够沿手术器械的纵向轴线朝向手术目标进行纵向移动。手术目标可以例如是组织层或这种层的表面，比如视网膜上层的表面。应注意的是，可移动臂部分可以具有与手术器械的纵向轴线对齐的恰好一个DoF，以实现所述纵向移动。然而，可移动臂部分也可以具有实现所述纵向移动的多个DoF，而无需任何DoF单独地与纵向轴线对齐。应注意的是，具有本段中描述的功能的手术臂本身是医疗机器人领域已知的，并且也被称为器械操纵器、机械臂、外科手术机器人从设备等。
提供用户界面用于从用户接收用户输入，比如定位命令，并向用户输出感官可感知输出。另外，提供致动器用于致动可移动臂部分以实现手术器械的纵向移动。致动器的另一个术语是驱动机构。另外，提供传感器用于获得指示手术器械(例如手术器械的端头)与手术目标之间的距离的传感器数据。
提供处理器子系统用于控制致动器来致动可移动臂部分以沿纵向轴线移动手术器械。在手术器械的初始位置处，处理器子系统可以从传感器获得传感器数据并且确定手术器械与手术目标之间的初始距离。处理器子系统可以获得指示手术器械相对于手术目标的目标位置的数据。例如，指示目标位置的数据可以以用户输入的形式从用户获得，或者可以基于特定解剖结构的检测来自动确定，等等。目标位置可以是手术目标的位置，或者是另一位置，例如介于手术目标与手术器械的初始位置之间的位置。处理器子系统可以基于传感器数据和目标位置确定手术器械的位移距离。例如，位移距离可以是手术器械将在单次第一移动中移动经过的距离。处理器子系统可以输出所确定的位移的感官可感知表示。感官可感知表示可以例如是指示所确定的位移距离的音频输出、例如指示接近度的声音输出、图形输出(比如标记有所确定的位移距离的眼睛内部图像上的覆盖图)、或文本输出(比如表示所确定的位移距离的数字的视觉输出)、触觉反馈等等。然后，用户可以确认所确定的位移距离，并且处理器子系统可以经由用户界面接收确认信号。确认信号可以是指示用户确认所确定的位移距离的任何种类的用户输入，包括语音命令、例如在图形用户界面上的按钮点击等等。一旦接收到确认信号，处理器子系统就可以控制致动器来致动可移动臂部分以实现手术器械沿纵向轴线在所确定的位移距离上的单次移动。也就是说，用户确认手术器械移动经过的距离。这里，术语“单次移动”也可以被认为是单次流畅移动，没有打断或暂停中断该移动。术语“朝向或远离手术目标进行纵向移动”是指手术器械的前进移动或手术器械的缩回移动。
通过确定手术器械的位移距离，用户(例如外科医生)能够在眼睛内或眼睛上执行外科手术时保持对手术器械的放置和行进的控制，同时以自动化方式执行移动。由于测量结果基于传感器数据，因此存在传感器数据噪声太大而无法提供可靠测量结果的风险。这可能会导致计算出不合理的距离。在执行手术器械的单次移动之前让用户批准确定的位移距离，从而为用户提供了当传感器数据不合理或不准确时防止手术器械移动的机会。也就是说，在执行所述移动之前，需要用户确认手术器械的移动的下一个步骤。所确定的位移距离被传送给用户，并且请求用户确认所确定的位移距离。这样做，如果所确定的位移距离不合理，则用户可以不批准所确定的位移距离。这允许用户保持对手术的控制，同时手术器械本身的移动以自动化方式执行，从而减少或消除与手动注入相关联的风险，比如手颤抖或抖动。此外，在获得指示距离测量结果的传感器数据之后确定手术器械在单次移动中要移动的位移距离，并且优选地在手术器械静止时获得传感器数据。这可以增加传感器测量结果的可靠性，特别是如果在手术器械处于静止位置时获得传感器数据的话。
可选地，处理器子系统可以在完成手术器械的单次移动时，从传感器获得更新的传感器数据，并基于更新的传感器数据确定手术器械与手术目标之间的剩余距离，基于所确定的剩余距离确定是否到达目标位置，并且如果未到达，则控制致动器来基于所确定的剩余距离校正手术器械的深度。因此可以考虑眼睛或眼睛内的结构的任何移动，例如由于眼内压的变化、呼吸、患者移动或对手术器械的移动的反应，这些可能已经移动了目标位置和/或手术目标。此外，更新的传感器数据可以提供更可靠的测量结果，比如在初始测量结果被部分或完全遮挡的情况下，例如，被眼睛内或周围的碎片或其他结构或组织等遮挡。可以在手术器械处于可能更靠近手术目标的不同位置时获得更新的传感器数据，这样可能噪声较小。
可选地，处理器子系统可以以基于位移的控制模式控制致动器，以通过以下方式来校正手术器械的深度：根据所确定的距手术目标的剩余距离来确定到达目标位置的校正位移距离；经由用户界面输出校正位移距离的感官可感知表示；经由用户界面从用户接收进一步的确认信号；并且当接收到该进一步的确认信号时，控制致动器来致动可移动臂部分以实现手术器械沿纵向轴线在校正位移距离上的进一步的单次移动。在该校正过程中，在移动手术器械之前获得更新的传感器数据以校正手术器械的位置。在获得更新的传感器数据之后，然后确定校正位移距离。由于再次要求用户确认所确定的校正位移距离，因此为他们提供了另一个机会来确保手术器械将移动经过的距离是合理的。因此，这提高了手术器械的进一步移动步骤的安全性和可靠性。
可选地，处理器子系统可以以有限闭环控制模式控制致动器，在该模式下，使用更新的传感器数据来校正手术器械的深度，其中，有限闭环控制模式受到以下中的至少一项的限制：使用有限闭环控制模式的预定义持续时间；预定义最大校正位移距离；在校正期间要求确定性得分保持高于确定性得分阈值，该确定性得分表示所确定的剩余距离的确定性；以及在校正期间要求持续的用户输入，并且在检测到该持续的用户输入已经结束时停止手术器械的移动。因此，在该模式下，该系统的自动化水平可以通过上述因素来控制，从而防止可能不容易被用户采用的完全自动化系统，同时仍然提供自动化过程的移动优点。例如，确定性得分高于阈值的要求确保了当传感器数据足够可靠时手术器械的移动可以是自动化的，并且防止在传感器数据不可靠时自动移动，因为这可能导致超过或未达到目标位置。在校正期间要求持续的用户输入可以确保用户参与并集中注意力。时间限制或位移限制可以类似地限制外科手术机器人系统自动化的程度。例如，手术器械的自动移动可以在一定量的时间之后或在一定的位移之后停止，并且然后例如可以利用更新的传感器数据来恢复。因此，系统的这种有限的自动化水平可以提高外科手术期间患者的安全性。
可选地，处理器子系统可以计算表示手术器械与手术目标之间的确定距离的确定性的确定性得分，并且根据所计算的确定性得分调整对致动器的控制。确定性得分可以基于以下中的至少一项：传感器的测量噪声的估计值、对手术目标的动态移动的存在的检测、对传感器数据与表示传感器数据的参考的模型的比较、以及估计手术目标位置与预测手术目标位置之间的比较，其中，该预测手术目标位置基于由至少一个位置传感器测量的器械移动。例如，如果确定性得分较高，则可以提高手术器械的速度，而如果确定性得分较低，则可以降低手术器械的速度。以这种方式，当传感器数据较为可靠(例如，高确定性得分)时，手术可以进行得更快，从而减少外科手术的持续时间(并因此减少患者的长时间不适)，并且当传感器数据不太可靠时，手术器械可以移动得更慢，从而防止手术器械延伸到手术目标之外。确定性得分的使用以及根据确定性得分对致动器的控制的调整可以使得用户(例如外科医生)能够确定何时需要更多手动控制来确保患者的安全性和手术精度，以及何时可以使用更加自动化的方法(这可以使手术更快，从而减少患者的不适)。
可选地，处理器子系统可以重复计算确定性得分，并且如果该计算的确定性得分低于确定性得分阈值，则可以执行中止过程。中止过程可以包括以下中的至少一项：缩回手术器械；暂停手术器械的移动；以及从以有限闭环控制模式控制致动器切换到以基于运动控制器的控制模式控制致动器，在基于运动控制器的控制模式下，处理器子系统可以根据经由运动控制器从用户接收到的位置控制命令来控制致动器。重复计算确定性得分可以在传感器数据噪声太大或不可靠的情况下防止手术器械的移动，从而降低手术器械无意移动以及眼睛内或眼睛上的结构损伤的风险。
可选地，处理器子系统可以基于该计算的确定性得分从一组控制模式中选择控制模式，该组控制模式包括以下中的至少两种：基于运动控制器的控制模式、基于位移的控制模式以及有限闭环控制模式。在基于运动控制器的控制模式下，处理器子系统可以根据经由用户界面的运动控制器从用户接收到的位置控制命令来控制致动器。在基于位移的控制模式下，处理器子系统被配置为：根据所确定的距手术目标的剩余距离来确定到达目标位置的校正位移距离；经由用户界面输出校正位移距离的感官可感知表示；经由用户界面从用户接收进一步的确认信号；并且当接收到该进一步的确认信号时，控制致动器来致动可移动臂部分以实现手术器械沿纵向轴线在校正位移距离上的进一步的单次移动。在有限闭环控制模式下，处理器子系统可以受到以下中的至少一项的限制：使用有限闭环控制模式的预定义持续时间；预定义最大校正位移距离；在校正期间要求确定性得分保持高于确定性得分阈值，该确定性得分表示所确定的剩余距离的确定性；以及在校正期间要求持续的用户输入，并且在检测到该持续的用户输入已经结束时停止手术器械的移动。使用确定性得分来选择控制模式可以确保涉及更多的用户输入(例如当确定性得分较低时)，而在某些情况下允许更大程度的自动化(例如当确定性得分较高时)。
可选地，在从用户接收到确认信号之前，处理器子系统可以经由用户界面输出该计算的确定性得分的感官可感知表示。向用户提供确定性得分的感官可感知表示指示与传感器测量结果相关联的确定性水平，从而允许用户确认或不允许手术的进行。例如，如果确定性得分指示低程度的确定性，则用户可以决定不进行手术器械的单次移动，和/或可以决定再次更新传感器数据，等等。
可选地，传感器包括以下中的至少一种：光学相干断层扫描(OCT)传感器，该OCT传感器被配置为光学耦合到光纤，该光纤附接到手术器械或集成在其中；通过显微镜实现的术中光学相干断层扫描(iOCT)；通过显微镜实现的立体相机；集成在手术器械中的光学干涉传感器；集成在手术器械中的飞行时间传感器；以及集成在手术器械中的超声波传感器。
可选地，处理器子系统进一步被配置为：获得指示眼睛的第一组织层与该眼睛的第二组织层之间的距离的传感器数据，其中，手术目标位于该第一层与该第二层之间；并且校正手术器械的位置，使得手术器械位于该第一层与该第二层之间。通过分别确定手术器械与第一层和第二层中的每一个的距离，该系统可以确定手术器械是否位于这两个层之间。这可以改善手术器械的定位。
可选地，处理器子系统可以获得指示眼睛的第一组织层与该眼睛的第二组织层之间的距离的传感器数据，其中，手术目标位于该第一层与该第二层之间，并且其中，指示手术器械相对于手术目标的目标位置的该数据包括指示该第一层与该第二层之间的距离的数据。确定组织层之间的距离可以提高手术器械的定位准确度。
本领域技术人员应当理解的是，可以以认为有用的任何方式来组合本发明的上述实施例、实施方式和/或方面中的两个或更多个。
本领域技术人员可以在本说明书的基础上进行与所描述的外科手术机器人系统的修改和变型相对应的方法和/或计算机程序产品的修改和变型。
在独立权利要求或条款中定义了本发明。在从属权利要求或条款中定义了有利但可选的实施例。
附图说明
本发明的这些和其他方面根据在下文中描述的实施例是显而易见的并且将参考所述实施例得以阐明。在附图中，
图1示出了外科手术机器人系统的示意性表示；
图2示出了在微创手术期间穿过套管针的手术器械，该手术器械具有四个自由度(DoF)；
图3示出了关节图，其展示了用于微创手术的手术臂的可移动臂部分的运动学；
图4示出了关节图，其展示了运动控制器的运动学；
图5示出了根据本发明的实施例的在眼睛内的手术器械；
图6A示出了根据本发明的实施例的在眼睛内的初始位置处的手术器械；
图6B示出了根据本发明的实施例的在实现手术器械的单次移动之后的手术器械；
图7A示意性地示出了根据本发明的实施例的选择控制模式的方法；
图7B示意性地示出了根据本发明的实施例的用于使用确定性得分来选择控制模式的方法；
图8A展示了根据本发明的实施例的用于选择控制模式的阈值；
图8B展示了根据本发明的实施例的用于选择控制模式和/或触发中止过程的阈值；
图9示意性地示出了根据本发明的实施例的用于触发中止过程的方法；
图10A示出了根据本发明的实施例的在注入之前位于两个组织层之间的手术目标；
图10B示出了根据本发明的实施例的在注入之前的凹入的视网膜；
图10C示出了根据本发明的实施例的在注入期间位于两个组织层之间的手术目标；
图11示意性地示出了用于在眼部外科手术中使用期间控制外科手术机器人系统的方法；以及
图12示出了包括用于使处理器系统执行该方法的指令的计算机程序产品。
应当注意的是，在不同附图中具有相同附图标记的项具有相同结构特征和相同功能或者是相同的信号。如果已经说明了这种项的功能和/或结构，则在具体实施方式中不需要对其进行重复说明。
附图标记清单
提供以下附图标记清单是为了帮助解释附图，并且不应该被解释为限制权利要求和条款。
020 用户界面
022 用户输入
030 传感器
032 传感器数据
040 处理器子系统
042 致动命令
060 致动器
062 手术臂的致动
080 手术臂
082 可移动臂部分
100 外科手术机器人系统
101笛卡尔坐标系的轴
102笛卡尔坐标系的轴
103笛卡尔坐标系的轴
104固定在器械端头的坐标系轴，与器械的纵向轴线正交
105固定在器械端头的坐标系轴，与器械的纵向轴线正交
106笛卡尔坐标系的轴，与器械的纵向轴线对齐
107手术器械的旋转，使其端头横向位移
108 ψ，手术器械的旋转，使其端头横向位移
109 z，手术器械的纵向(沿其纵向轴线)平移，或穿透方向，或前进方向
110 θ，手术器械绕其纵向轴线的旋转
111 Φ，可移动臂部分的旋转DoF
112 Ψ，可移动臂部分的旋转DoF
113 Z，可移动臂部分的平移DoF
114 Θ，可移动臂部分的旋转DoF
115 Φm，运动控制器的旋转DoF
116 Ψm，运动控制器的旋转DoF
117 Zm，运动控制器的平移DoF
118 Θm，运动控制器的旋转DoF
119 手术器械
121 距离传感器
122 手术器械端头
123 手术目标
124 套管针
125 远程运动中心(RCM)
126 运动控制器夹持器上的按钮
127 光束
200 眼睛
210 视网膜
220 第一组织层
230 第二组织层
240 水泡
700 用于选择控制模式的方法
710 计算确定性得分
720 将确定性得分与第一阈值进行比较
730 判定框
740 选择基于运动控制器的控制模式
744 将确定性得分与第二阈值进行比较
746 判定框
750 选择基于位移的控制模式
760 选择有限闭环控制模式
810 基于运动控制器的控制模式
820 基于位移的控制模式
830 有限闭环控制模式
840 中止过程
900 用于触发中止过程的方法
910 计算确定性得分
920 将确定性得分与阈值进行比较
940a 继续手术器械的移动
940b 继续眼部外科手术
950 执行中止过程
1100 用于控制外科手术机器人系统的方法
1110 获得传感器数据
1120 确定初始距离
1130 获得相对于手术目标的目标位置
1140 确定位移距离
1150 输出位移距离
1160 接收用户确认
1170 致动可移动臂以在单次移动中移动
1150 非暂态程序代码
1160 计算机可读介质
具体实施方式
图1示意性地示出了用于外科手术的外科手术机器人系统100。外科手术机器人系统100包括手术臂080。手术臂080包括可移动臂部分082，其中，该可移动臂部分包括用于安装手术器械119的器械连接器。图1示出了已经安装到器械连接器的手术器械119(为了简单起见，图1中没有单独示出器械连接器)。可移动臂部分082具有至少一个自由度(DoF)，以使得手术器械能够朝向手术目标进行纵向移动。这里，纵向移动是指手术器械119沿其纵向轴线的移动(为了简单起见，图1中没有单独示出纵向轴线)。
外科手术机器人系统100进一步包括用于从用户接收输入的用户界面020。用户输入022可以包括：来自人类操作员(例如，外科医生或医疗提供者)的定位命令，用于控制手术器械的纵向移动；确认输入，其指示继续手术或手术步骤的指令；和/或输入信息，比如指示操作参数和/或对手术目标位置的指示，等等。用户界面的示例包括但不限于键盘、鼠标、触敏表面、操纵杆、脚踏板、麦克风、手势识别系统等等。用户界面可以采用任何合适的输入方式，比如触摸、推动动作、语音命令、眼睛移动、手势识别等。
外科手术机器人系统100进一步包括致动器060，该致动器被配置和布置成致动可移动臂部分以实现手术器械的纵向移动。致动器060可以是任何合适的致动器，例如来自外科手术机器人领域的致动器，或者来自更一般的致动器领域的致动器。特别地，致动器可以是一起提供可移动臂部分060沿至少一个DoF的致动的多个致动器之一。即，外科手术机器人系统100可以包括多个致动器，例如，以提供沿多个DoF的致动。因此，应当理解的是，对致动器080的配置的任何提及可以被理解为是指这样的多个致动器的(联合)配置。图1示意性地示出了手术臂080的致动，即虚线062。应注意的是，虽然与手术臂080分开示出，但是致动器060可以集成到手术臂080中或安装到其上。
外科手术机器人系统100进一步包括传感器030，该传感器被配置和布置成获得指示手术器械119与手术目标之间的距离的传感器数据032。传感器030可以包括以下中的至少一种：光学相干断层扫描(OCT)传感器，该OCT传感器被配置为光学耦合到光纤，该光纤附接到手术器械119或集成在其中；通过显微镜实现的术中光学相干断层扫描(iOCT)；通过显微镜实现的立体相机；集成在手术器械119中或附接到其的光学干涉传感器；集成在手术器械119中或附接到其的飞行时间传感器；以及集成在手术器械119中或附接到其的超声波传感器。手术器械可以是用于在期望的目标位置处进行冲洗或抽吸流体的冲洗/抽吸器械、用于在距目标期望距离处施加光能的光凝器械、用于在距目标期望距离处切割和抽吸玻璃体液或其他流体的玻璃体切除器械、需要精确放置在组织的第一界面处的组织操纵器械等等。在一些实施例中，外科手术机器人系统100可以包括显微镜，该显微镜例如被配置为提供立体相机和/或iOCT。在一些实施例中，显微镜可以通信地耦合到外科手术机器人系统100。在一些实施例中，传感器数据032可以包括A扫描(包括线测量，并且被定义为作为距离的函数的强度)、形成2D图像的B扫描、C扫描(例如来自多次B扫描)等等。可以使用例如图像分析从这些扫描类型中的任何一种导出距离。在一些实施例中，传感器030可以包括光学传感器，并且传感器数据032可以包括漫反射率。在一些实施例中，传感器030可以包括立体相机，并且传感器数据032可以包括两个2-D图像以获得深度图。
外科手术机器人系统100进一步包括处理器子系统040，该处理器子系统被配置成控制致动器来致动可移动臂部分，以沿纵向轴线移动手术器械119。当手术器械119处于初始位置时，处理器子系统040可以从传感器030获得传感器数据032。传感器数据032可以指示手术器械119(例如手术器械119的端头122)(如图2所示)与手术目标123(如图2所示)之间的距离。换句话说，传感器数据032可以用于确定手术器械与手术目标之间的距离。在一些实施例中，在手术器械静止时获得传感器数据032，以便提高测量结果的可靠性。在一些实施例中，传感器030可以被配置为获得指示眼睛的多个组织层之间的距离的传感器数据032。也就是说，传感器030可以被配置为确定手术器械与第一组织层之间的距离、以及手术器械与第二组织层之间的距离。
处理器子系统040可以被配置为获得指示手术器械相对于手术目标的目标位置的数据。手术目标本身的位置可以根据传感器数据(例如，来自内部或外部传感器)来识别，但也可以替代性地或另外地通过用户输入来指定。指示目标位置的数据通常可以从用户输入获得，但也可以替代性地或另外地自动确定。一般而言，目标位置可以是相对于手术目标的相对位置。在一些实施例中，目标位置可以被定义为从手术器械到手术目标的线上的一维位置。也就是说，目标位置可以被定义为纵向位置。这种目标位置在别处也可以被称为“深度”，例如在目标位置在纵向上超过手术目标的情况下，或者被称为“接近度”，例如在目标位置在纵向上在手术目标之前的情况下。在一些实施例中，目标位置可以被定义为距手术目标的指定距离。目标位置是超过手术目标还是在手术目标之前可以通过该指定距离的符号来指示。目标位置还可以具有任何其他维度，例如在极坐标系或笛卡尔坐标系中的三维位置。在一些实施例中，可以要求用户以图形方式输入目标位置，例如，通过在图形用户界面上提供输入，然后处理器子系统040可以根据该图形输入以数字方式确定目标位置。在其他实施例中，可以要求用户直接以数字形式输入目标位置，例如，通过提供指示相对于手术目标的距离的数字输入。在一些实施例中，在手术目标是组织层的情况下，目标位置可以被提供为距该组织层的相对位置或深度。组织层可以例如是玻璃体组织层或视网膜组织层。
处理器子系统040可以被配置为基于传感器数据和目标位置确定手术器械的位移距离。例如，位移距离可以是初始位置与目标位置之间的差的函数。在一些实施例中，位移距离可以是手术器械的初始位置与目标位置之间的部分距离。在其他实施例中，位移距离可以是手术器械的初始位置与目标位置之间的总距离。
处理器子系统040可以被配置为经由用户界面020输出所确定的位移距离的感官可感知表示。所确定的位移距离的感官可感知表示可以包括：所确定的位移距离的图形表示，比如在视觉上覆盖在手术视野的图像上；音频输出，例如经由用户界面020的扬声器；和/或视觉数字输出，例如在用户界面020的显示器上。所确定的位移距离的感官可感知表示可以被四舍五入到指定的精度水平。
处理器子系统040可以被配置为经由用户界面从用户接收确认信号。确认信号可以作为以下各项被接收：音频输入，例如经由用户界面020的麦克风；触摸输入或点击输入，例如在用户界面020的图形用户界面上；运动控制器的输入；脚踏板输入；基于手势的输入，例如经由用户界面020的相机，等等。用户界面020可以被配置为接收确认信号的一种或多种类型的输入。
当接收到确认信号时，处理器子系统040可以被配置为控制致动器来致动可移动臂部分以实现手术器械沿纵向轴线在所确定的位移距离上的单次移动。也就是说，一旦用户确认了所确定的位移距离，手术器械就以单次不间断的移动在所确定的位移距离上移动。手术器械的单次移动可以被称为连续移动或不间断移动。在一些实施例中，只有在用户确认了所确定的位移距离的情况下才可以将手术器械朝向手术目标移动。
在一些实施例中，外科手术机器人系统100可以被配置为执行校正过程。当完成手术器械的单次移动时，处理器子系统040可以被配置为从传感器030获得更新的传感器数据032并基于更新的传感器数据030确定手术器械与手术目标之间的剩余距离。换句话说，在手术器械已经在所确定的位移距离上移动到第二位置之后，在手术器械处于该第二位置时获得更新的传感器数据。在一些实施例中，在手术器械静止时获得更新的传感器数据，以便提高测量结果的可靠性。处理器子系统040可以被配置为基于所确定的剩余距离确定是否到达目标位置。如果处理器子系统040确定手术器械尚未到达目标位置，则处理器子系统040可以控制致动器来基于所确定的剩余距离校正手术器械的深度。在一些情况下，手术器械和/或眼睛的移动(例如眼内压的变化或患者移动)可能会导致目标位置发生位移。在一些情况下，初始传感器测量结果可能稍微不准确，导致位移距离不准确，并最终导致手术器械的移动太短或太长，从而导致未达到或超过目标位置。在这种情况下，可以基于所确定的剩余距离来校正手术器械的深度(例如位置)。
处理器子系统040可以例如基于确定性得分以一种或多种控制模式控制致动器，这些控制模式将参考图7至图9详细描述。在一些实施例中，可以手动选择控制模式，比如参考图7至图9描述的那些控制模式。
图2示出了在微创手术期间穿过套管针124的手术器械119。例如，在玻璃体视网膜手术的情况下，套管针124可以放置在巩膜中。围绕套管针的旋转和通过套管针的平移可能有四个DoF，例如，旋转107、ψ108、θ110和平移z 109，以接近或穿透手术目标123。进一步示出了手术器械119的端头122和固定到器械端头122的坐标系的三个轴104至106，其中，/>106与手术器械119的纵向轴线对齐。旋转/>107和ψ108可能导致器械端头122分别在方向/>105和方向/>104上的横向位移。平移z 109可能导致手术器械端头122的纵向移动。
外科手术机器人系统100可以用于眼部外科手术，比如如上所述的微创外科手术。图3示出了关节图，其展示了用于眼部外科手术、特别是微创手术的手术臂的可移动臂部分的运动学。在图3的示例中，外科手术机器人系统包括手术臂，其中，该手术臂包括具有DoFΦ111、Ψ112、Z 113和Θ114的可移动臂部分，以允许相应的器械运动107至110，从而导致手术器械端头122的移动。DoF可以被布置为使得在手术器械上存在不在空间中移动的点，称为远程运动中心(RCM)125。通过移动手术臂的基部，可以定位可移动臂部分，使得其RCM125可以定位在套管针处。相应的致动单元可以被布置为实现所有四个DoF111至114中的移动。
外科手术机器人系统可以进一步包括用于从人类操作员(例如外科医生或医疗提供者)接收用户输入(比如定位命令)的用户界面。在一些实施例中，用户界面可以包括比如操纵杆等运动控制器或由其构成。在一些实施例中，运动控制器可以是外部设备，用户界面或处理器子系统040被配置为与该外部设备进行接口连接。在一些实施例中，运动控制器可以作为另外的部件被包括在外科手术机器人系统中，该部件例如被配置为与处理器子系统040和/或用户界面020进行接口连接。图4示出了关节图，其展示了这种运动控制器的运动学。这里，运动控制器被示为具有DoFΦm 115、Ψm 116、Zm 117和Θm 118。用户可以通过例如将运动控制器保持在夹持器部分、按下按钮126、以及在3D空间中移动运动控制器的夹持器部分来提供用户输入，比如定位命令。
图5示出了根据本发明的实施例的在眼睛200内的手术器械119。手术器械119的端头122也被放大示出。
如图5的左手侧所示，手术器械119被示出为插入眼睛200中。如该图所示，手术器械119可以接近视网膜210，但这仅仅是示例性的并且本发明不限于此。在一些实施例中，手术器械119可以接近眼睛的另一区域、结构或组织层。
手术器械119的端头122在图5的右手侧被放大展示。在该示例中，手术目标123位于视网膜中。手术器械可以是用于在期望的目标位置处进行冲洗或抽吸流体的冲洗/抽吸器械、用于在距目标期望距离处施加光能的光凝器械、用于在距目标期望距离处切割和抽吸玻璃体液或其他流体的玻璃体切除器械、需要精确放置在组织的第一界面处的组织操纵器械等等。手术器械119的端头122可以是注入内腔。比如光纤等传感器或传感器部件121可以集成在手术器械119中或附接到其。在一些实施例中，传感器030可以包括光纤(如图所示)，该光纤被配置为获得指示视网膜210的表面与手术器械119的端头122之间的距离D的传感器数据032。光纤121可以从手术器械119的端头122凹入。在一些实施例中，传感器030可以被配置为确定光纤121的端部与视网膜210的表面之间的距离，然后减去与光纤121从手术器械119的端头122凹入的距离相对应的偏移量，以获得距离D。在一些实施例中，距离D可以使用光束127来确定。由于光纤121从手术器械119的端头122凹入，因此在手术器械119的端头122刺穿或穿透组织层时获得传感器数据是可能的并且是有利的。
视网膜210的表面与手术器械119的端头122之间的距离D可以用于确定手术器械119的端头122与手术目标123之间的距离。例如，手术目标123可以是已知深度处的视网膜210的层或其表面，并且手术器械的端头与手术目标123之间的距离可以通过将手术目标123的已知深度加上手术器械119的端头122与视网膜210的表面之间的距离D来确定。
在一些实施例中，目标位置可以对应于视网膜210的表面。更一般地，目标位置可以基于结构或组织层(比如视网膜210的表面)的位置或检测来确定。
在前述示例中，主要参考了手术器械119的端头122与例如视网膜210的表面之间的距离。然而，应当理解的是，本发明不限于此。在一些实施例中，代替端头122或除了该端头之外，可以从手术器械119的另一部分测量距离。例如，可以相对于光纤的位置、手术器械119上的标记等等来确定距离。
图6A示出了根据本发明的实施例的在眼睛200内的初始位置处的手术器械119。与图5中一样，手术器械119被示出为接近沿视网膜210的表面的点。这里要重申的是，手术目标的这种选择仅仅是示例性的——无论手术目标的选择如何，本文中披露的方法和系统都类似地适用。在图6A中，手术器械119被示出为处于初始位置，距手术目标123的距离为D(初始)。当处于初始位置时，可以例如使用耦合到、附接到手术器械119或集成在其中的传感器030来确定距离D(初始)，如图5所示。优选地，在手术器械119静止时执行传感器测量。一旦手术器械119(例如，手术器械119的端头122)与手术目标123之间的距离已知，就可以确定位移距离。位移距离是手术器械119被配置为移动经过的距离，并且可以被定义为手术器械119与目标位置之间的距离。位移距离可以是距手术目标123的(例如，总)距离，或者位移距离可以比距手术目标123的距离短。例如，如果手术目标123位于眼睛200的特别复杂和/或脆弱的部分，或者如果手术目标123的位置难以使用传感器来读取，则首先将手术器械119移动第一距离到达可以在其处获得更可靠的传感器数据的下一个位置可能是有利的。如果在器械移动期间眼睛200或患者可能移动，例如如果眼睛200内的结构和/或手术目标123可能由于手术器械的移动而移动，则选择比手术器械119与手术目标123之间的初始距离更短的位移距离可能是进一步有利的。
位移距离可以通过例如在图形用户界面上获得指示手术器械的目标位置的用户输入来确定，这种输入指定目标深度或者甚至指示特定目标位置。在一些实施例中，目标位置可以对应于手术目标，并且用户可以简单地指示目标位置是手术目标的位置。在一些实施例中，位移距离可以使用预定设置来确定，比如与手术目标的限定偏移量。例如，这种偏移量可以是比手术目标短2mm。在一些实施例中，位移距离可以例如基于对一个或多个解剖结构、组织层等的检测、或者基于传感器数据中的噪声来自动确定。例如，如果传感器数据有噪声，则可以确定较短的位移距离。在一些实施例中，位移距离可以例如基于初始距离来自动确定，比如以便覆盖初始距离的预定部分。
一旦确定了位移距离，外科手术机器人系统100就可以被配置为输出所确定的位移距离的感官可感知表示。在可以移动手术器械119之前，要求用户确认所确定的位移距离。要求用户确认所确定的位移距离使得用户能够确保由系统100确定的值是合理的(因为不准确或有噪声的传感器数据或检测可能导致计算出不准确的位移距离)，与将手术器械移动经过不合适的(例如太远或不必要的短)距离相关联的风险可以得以减轻。该步骤还使得用户能够直接参与手术器械119的移动，从而消除通常与该领域的自动化相关联的一些不适，而不会引入与手颤抖、抖动等相关联的风险。
用户确认可以通过以下方式来提供：例如点击按钮(比如图形用户界面中的、鼠标或运动控制器上的)、踩下脚踏板、使用麦克风和语音识别进行的口头确认、对使用被配置用于手势捕获的相机捕获的手势进行手势识别或其任何组合等。这些用户交互手段中的任何一种或所有可以被并入用户界面中或者经由用户界面使用。
当获得用户确认信号时，手术器械119可以在单次移动中移动经过所确定的位移距离。也就是说，手术器械119移动经过所确定的位移距离可以没有暂停或中断。手术器械119的新位置如图6B所示。在一些实施例中，手术器械119移动经过所确定的位移距离可以以恒定速度或以恒定加速度执行，或者手术器械119的速度或加速度可以是非线性的。
在一些实施例中，手术器械119的移动的各方面(比如速度、加速度等)可以基于确定性得分进行调整。确定性得分可以表示手术器械与手术目标之间的确定距离的确定性和/或所获得的传感器数据032的确定性。确定性得分也可以被称为置信度得分，其表示所确定的距离和/或传感器数据032的置信度；或者可靠性得分，其指示例如所确定的距离或所获得的传感器数据的测量结果或计算结果的可靠性。换句话说，确定性得分是测量结果的正确性和可靠性的可量化度量。也就是说，确定性得分可以表示手术器械119与手术目标之间的初始距离(例如，在移动手术器械119之前)的确定性，或者手术器械119与目标位置之间的所确定的位移距离(例如，在移动手术器械119之前)的确定性。例如，由于测量噪声、测量伪影和/或传感器至少部分地被遮挡(例如，被眼睛内的碎片遮挡)，确定性得分可能较低。可以基于以下中的至少一项来计算确定性得分：与所获得的传感器数据相关联的噪声、手术目标的移动、传感器数据与参考模型之间的比较、以及估计手术目标位置与手术目标的预测位置之间的比较。
预测手术目标位置可以基于由至少一个机器人位置传感器测量的机器人坐标中的器械移动。在一些实施例中，机器人080可以包括合适的位置传感器，并且可以用于确定器械移动。
可以使用用于确定确定性的任何已知的统计方法基于上述考虑中的一个或多个来计算确定性得分。它也可以是模板匹配算法、卡尔曼滤波器、贝叶斯滤波器和/或机器学习算法的输出。
例如，当确定性得分较高时，可以控制手术器械119来以比确定性得分较低时更快的速度移动。此外，如果计算出初始确定性得分，则可以至少部分地基于该确定性得分来确定目标位置。例如，在初始确定性得分较低(例如低于阈值)时，则位移距离可能比初始确定性得分较高(例如高于阈值)时更短。确定性得分还可以用于选择控制模式，如参考图6B进一步阐明的。
在一些实施例中，可以在手术器械119的单次移动之前计算确定性得分。也就是说，在用户提供确认信号之前，可以将确定性得分的感官可感知表示以及所确定的位移距离的感官可感知表示输出给用户。以这种方式，用户可以确认或不确认所确定的位移距离，同时还考虑相关联的确定性得分。在一些实施例中，所确定的位移可能由于确定性得分而受到限制——例如，如果确定性得分较低(例如，低于阈值)，则可以减小所确定的位移距离，以防止手术器械119到达潜在危险或不确定的区域。
图6B示出了根据本发明的实施例的在实现手术器械119的单次移动之后的手术器械。
在一些实施例中，目标位置可能已经移动，例如由于在手术器械119的单次移动期间眼睛内的流体或结构的移动。在这种情况下，可以执行校正过程以校正手术器械119的位置。也就是说，传感器030可以被配置为获得指示处于当前位置(例如，在已经实现单次移动之后手术器械119的位置)的手术器械119与手术目标123之间的距离的更新的传感器数据030’。然后，外科手术机器人系统100的处理器子系统040可以被配置为确定手术器械119与手术目标123之间的剩余距离D(剩余)。
然后，处理器子系统040可以被配置为基于所确定的剩余距离确定是否到达目标位置。如果手术器械119与手术目标123之间的剩余距离被确定为跟目标位置与手术目标之间的距离相同或大致相同，则处理器子系统040可以确定确实已经到达目标位置。如果剩余距离跟目标位置与手术目标之间的距离不匹配，例如如果剩余距离未落在预定裕度内，则处理器子系统040可以确定尚未到达目标位置。未到达目标位置可以包括例如超过目标位置或未达到目标位置。
如果处理器子系统040确定未到达目标位置，则移动手术器械以校正手术器械的深度。也就是说，处理器子系统040可以基于所确定的距手术目标的剩余距离来确定距目标位置的校正距离。例如，如果目标位置对应于手术目标，则校正距离可以与所确定的剩余距离相同，但是不一定是这种情况。在一些实施例中，目标位置更靠近手术器械119而不是更靠近手术目标123，并且手术器械119与手术目标123之间的剩余距离可能不对应于校正距离。在这种情况下，可以基于剩余距离来确定校正距离。例如，目标位置可以是距手术目标123的距离Y，手术目标123与手术器械119之间的剩余距离D(剩余)可以是Y+Δz，例如D(剩余)＝Y+Δz，因此校正距离可以被确定为Δz。也就是说，剩余距离可以被认为是目标位置与手术目标之间的距离和校正距离之和。如果已经超过目标位置，则校正距离可以为负，表明手术器械119应该缩回距离Δz。如果需要，可以重复校正过程，直到到达目标位置。
然而，如果处理器子系统040确定已经到达目标位置，则可以确定手术器械119被正确地定位在目标位置处。
校正过程可以在选自以下各项的控制模式下执行：基于位移的控制模式、有限闭环控制模式以及基于运动控制器的控制模式。然而，在一些实施例中，外科手术机器人系统100可以被配置为仅具有这些控制模式中的一种或两种。例如，在一些实施例中，系统100可以被配置为从这三种模式中仅选择两种。
基于位移的控制模式
基于位移的控制模式类似于手术器械119的初始移动中提供的自动化和控制水平。也就是说，确定位移距离(例如，基于指示目标位置的数据)，将所确定的位移距离的感官可感知表示输出给用户，并且在可以发生手术器械的移动之前要求用户确认所确定的位移距离。也就是说，在基于位移的控制模式下，确定位移距离，向用户(通常是外科医生)提出并由其批准该距离，然后自动执行移动。
当选择基于位移的控制模式用于校正过程时，如上所述那样确定校正距离(也被称为校正位移距离)。将校正距离的感官可感知表示输出给用户，并且从用户接收进一步的确认信号，其指示对所确定的校正距离的确认。当从用户接收到进一步的确认信号时，手术器械119在单次(例如不间断的)移动中在校正距离上移动。也就是说，致动器060可以被控制来致动可移动臂部分082以实现手术器械119沿纵向轴线在校正位移距离上的进一步的单次移动。
有限闭环控制模式
在有限闭环控制模式下，致动器060的控制比在基于位移的控制模式下更加自动化并且用户参与得更少，并且可以受到以下中的至少一项的限制：
-使用有限闭环控制模式的预定义持续时间，
-预定义最大校正位移距离，
-在校正期间要求确定性得分保持高于确定性得分阈值，以及
-在校正期间要求持续的用户输入，并且在检测到持续的用户输入已经结束时停止手术器械的移动。
在有限闭环控制模式下，手术器械119的移动(例如致动器的致动)是例如基于更新传感器数据和更新例如手术器械119与手术目标123之间的确定距离来自动确定的。换句话说，在手术器械119的移动期间，传感器030可以被配置为重复获得指示手术器械119与手术目标123之间的距离的更新的传感器数据032”。
当有限闭环控制模式是有时间限制的时，可以在预设时间之后禁用手术器械119的自动移动控制。当有限闭环控制模式是有位移限制的时，一旦手术器械119已经位移了预设最大校正位移距离，就可以禁用手术器械119的自动移动控制。
当有限闭环控制模式取决于确定性得分时，处理器040可以被配置为如上所述重复确定确定性得分(例如，当获得更新的传感器数据032”时)，并将更新确定性得分与阈值确定性得分进行比较。如果确定性得分低于阈值确定性得分，例如当更新的传感器数据032”被确定为太不确定时，则在有限闭环控制模式期间提供的自动化控制被禁用。
当有限闭环控制模式需要连续激活时，手术器械119的移动可以是自动化的，同时连续检测一些用户输入，直到用户输入被发放。例如，用户可以踩下脚踏板以便启动有限闭环控制模式，并且手术器械119的移动可以是自动的，直到用户将他们的脚从脚踏板松开。在该示例中，描述了脚踏板的连续用户输入，但是应当理解的是，这仅仅是示例性的。在一些实施例中，连续激活可以通过凝视检测、手势捕获、语音检测、按下控制器上的触发器或类似按钮等等来提供。例如，如果将语音检测作为指示连续激活的用户输入，则可能需要外科医生以预定频率重复短语，比如每三秒或五秒一次。
基于运动控制器的控制模式
基于运动控制器的控制模式是本文描述的三种控制模式中自动化程度最低的控制模式，并且需要最多的用户参与。在基于运动控制器的控制模式下，手术器械119的移动(例如，控制致动器060来致动可移动臂082以实现手术器械119的移动)由用户控制。用户可以经由例如运动控制器或操纵杆来提供比如定位命令等输入，或者经由用户界面020来提供类似输入。在基于运动控制器的控制模式下，用户可以控制手术器械119的移动，但是使用本领域已知的解决方案可以减少或者甚至消除比如手颤抖和抖动等影响。
在一些实施例中，当校正手术器械119的位置时要使用的控制模式可以由用户选择，或者基于确定性得分计算结果来选择。将参考图7A和图7B更详细地描述后一种情况。
现在回到图6A和图6B，在一些实施例中，当确定已经到达目标位置时，可以重复该过程。也就是说，传感器030可以获得指示手术器械119与手术目标之间的距离的更新的传感器数据032b。系统100可以进一步获得指示与初始目标位置不同的下一个目标位置的数据。例如，用户可以经由图形用户界面来指示下一个目标位置。在手术器械119处于该当前位置时获得的传感器数据032b可以比原始传感器数据030更可靠，使得用户能够更安全地选择更靠近手术目标的目标位置，或者实际上选择手术目标作为下一个目标位置。然后，可以基于传感器数据032b和下一个目标位置来确定更新的位移距离。然后，可以例如经由用户界面将更新的位移距离的感官可感知表示输出给用户。已经参考图1和图5以及之前的内容提供了感官可感知输出的示例，并且为了简洁起见，这里不再重复。用户可以再次提供指示更新的位移距离的确认的进一步的确认信号。当接收到进一步的确认信号时，手术器械119可以在单次移动中在更新的位移距离上移动。
该过程可以根据需要重复多次以到达手术目标。
在整个以上描述中，已经参考了手术器械的移动。应当理解的是，手术器械119的移动是通过控制致动器060来致动可移动臂部分082(这实现了手术器械119的移动)来进行的。
图7A示意性地示出了根据本发明的实施例的选择控制模式的方法700。在名称为“计算确定性得分”的操作中，处理器子系统040可以计算710确定性得分，该确定性得分可以与由传感器获得的传感器数据和/或基于传感器数据确定的距离相关联。例如，当确定手术器械119是否已经到达目标位置时，一旦手术器械119已经移动经过了所确定的位移距离，就可以计算确定性得分。
然后，在方法700的名称为“将确定性得分与第一阈值进行比较”的操作中，处理器子系统040可以将所计算的确定性得分与第一确定性得分阈值进行比较720。在一些实施例中，第一确定性得分阈值可以是唯一的确定性得分阈值。这在目前描述的图7A中进行展示。然而，在其他实施例中，可以存在多个确定性得分阈值，如将参考图7B、图8A和图8B所阐明的。
如果在框730中确定所计算的确定性得分不高于第一确定性得分阈值，例如，如果与确定性得分相关联的测量结果或距离不够确定或不够可靠，则方法700进行到名称为“选择基于运动控制器的控制模式”的操作740。也就是说，如果所计算的确定性得分不高于第一确定性得分阈值，则可以使用上述基于运动控制器的控制模式来控制致动器。用户因此提供定位命令，从而减少与手术器械119的移动相关联的自动化量。这可能是由于有噪声的传感器数据，使得系统100无法以足够的确定性或置信度来检测手术目标。
如果在框730处，处理器子系统040确定所计算的确定性得分超过或满足第一确定性得分阈值，则该方法可以进行到名称为“选择基于位移的控制模式”的操作750或名称为“选择有限闭环控制模式”的操作760。在一些实施例中，系统100(并且特别是致动器)可以被配置为当校正手术器械119的位置时使用两种控制模式之一进行控制。在一些实施例中，可以以基于运动控制器的控制模式或以基于位移的控制模式来控制致动器060。换句话说，如果所计算的确定性得分低于第一确定性得分阈值，则可以以基于运动控制器的控制模式来控制致动器060，并且如果所计算的确定性得分等于或高于第一确定性得分阈值，则可以以基于位移的控制模式来控制致动器060。在一些实施例中，可以以基于运动控制器的控制模式或以有限闭环控制模式来控制致动器060。也就是说，如果所计算的确定性得分低于第一确定性得分阈值，则可以以基于运动控制器的控制模式来控制致动器060，并且如果所计算的确定性得分等于或高于第一确定性得分阈值，则可以以有限闭环控制模式来控制致动器060。
将参考图7B、图8A和图8B来描述其中可以以基于运动控制器的控制模式、基于位移的控制模式以及有限闭环控制模式中的任一种来控制致动器060的实施例。
图7B图示意性地示出了根据本发明的实施例的用于使用确定性得分来选择控制模式的方法700的变型700’。图7B与图7A的不同之处在于使用高于第一确定性得分阈值的第二确定性得分阈值。操作710、720、730和740与关于图7A描述的那些操作相同。为了简洁起见，这里不再对这些操作进行描述，而是将仅描述图7A的方法700与图7B的变型700’之间的差异。
如果在框730中，处理器子系统040确定所计算的确定性得分超过第一确定性得分阈值，则方法700’进行到名称为“将确定性得分与第二阈值进行比较”的操作744。在操作744中，将所计算的确定性得分与高于第一确定性得分阈值的第二确定性得分阈值进行比较。
如果在框746中，处理器子系统040确定所计算的确定性得分超过第二确定性得分阈值，则方法700’可以进行到名称为“选择有限闭环控制模式”的操作760，在该操作中，可以使用上述有限闭环控制模式来控制致动器060。
如果在框746中，处理器子系统040确定所计算的确定性得分未超过第二确定性得分阈值，则方法700’可以进行到名称为“选择基于位移的控制模式”的操作750，在该操作中，可以使用上述基于位移的控制模式来控制致动器060。
使用这些确定性得分阈值，可以基于与传感器测量结果和/或所确定的距离相关联的确定性来调整手术器械119的移动的自动化程度。这在图8A中进行了展示。
现在参考图8A，当所计算的确定性得分低于第一确定性得分阈值CSThr1时，可以选择基于运动控制器的控制模式810。如果所计算的确定性得分高于第一确定性得分阈值CSThr1但低于第二确定性得分阈值CSThr2，则选择基于位移的控制模式820。如果所计算的确定性得分超过第二确定性得分阈值CSThr2，则选择有限闭环控制模式830。如前所述，第二确定性得分阈值的使用是可选的。
尽管图中未描绘，但在一些实施例中，致动器060的控制模式可以选自基于位移的控制模式和有限闭环控制模式。换句话说，第一阈值CSThr1以及类似的操作720和730可以是可选的。
尽管在前述描述中，确定性得分已被用于选择控制模式，但在一些实施例中，将确定性得分与一个或多个阈值进行比较也可以或替代地用于在某一控制模式内以不同的方式控制致动器，比如通过控制手术器械119的最大位移或移动速度。例如，致动器可以在有限闭环控制模式下操作，但是基于所计算的确定性得分，可以使用手术器械119的最大位移，和/或可以将手术器械119的速度确定为确定性得分的函数。确定性得分的函数可以是例如分段函数(例如，如果确定性得分低于第一阈值，则为第一速度；如果确定性得分高于第一阈值，并且可选地，低于高于第一阈值的第二阈值，则为比第一速度更快的第二速度；并且可选地，如果确定性得分高于第二阈值，则为比第二速度更快的第三速度，等等)，或者是连续函数。
确定性得分可以在整个眼部外科手术过程中以多种方式使用。为此，图8B展示了根据本发明实施例的用于选择控制模式和/或触发中止过程的阈值。将参考图9更详细地描述中止过程本身。
除了参考图7A、图7B和图8A描述的一个或多个确定性得分阈值之外或者作为其替代，确定性得分阈值可以用于触发中止过程。这种确定性得分阈值可以被称为临界确定性得分阈值、中止阈值或简称为确定性得分阈值。在整个以下描述中，将采用术语“中止阈值”。
中止阈值AbThr可以在没有任何另外的确定性得分阈值(比如参考图8A描述的那些阈值)的情况下使用。也就是说，在一些实施例中，唯一使用的确定性得分阈值是中止阈值AbThr。然而，在一些实施例中，中止阈值AbThr可以与至少一个另外的确定性得分阈值CSThr1、CSThr2结合使用以用于选择控制模式。
当计算确定性得分时，比如在校正过程期间或者在其中在手术器械119的移动期间计算确定性得分的实施例中，可以将所计算的确定性得分与中止阈值AbThr进行比较。中止阈值AbThr可以低于用于选择控制模式的阈值CSThr1。如果所计算的确定性得分低于中止阈值AbThr，则可以触发中止过程840。在一些实施例中，如果所计算的确定性得分介于中止阈值AbThr与第一确定性得分阈值CSThr1之间，则可以选择基于运动控制器的控制模式810。
图9示意性地示出了根据本发明的实施例的用于触发中止过程的方法900。
方法900可以包括，在名称为“计算确定性得分”的操作中，计算910确定性得分。这可以在眼部外科手术期间的任何时刻完成，例如当确定手术器械119是否已经到达目标位置时、在手术器械119的移动期间或者在手术器械119的移动之前。在一些实施例中，每当获得传感器数据或更新的传感器数据时就可以计算确定性得分。
该方法可以进一步包括，在名称为“将确定性得分与阈值进行比较”的操作中，将所计算的确定性得分与确定性得分阈值(例如，中止阈值AbThr)进行比较920。如果在框930中确定确定性得分满足或超过确定性得分阈值，则该方法可以继续940a手术器械的移动，或者可以继续940b进行眼部外科手术。在一些实施例中，比如当在手术器械119的移动期间重复更新传感器数据时，可以从操作910开始重复方法900，例如，可以计算新的确定性得分，等等。方法900不需要立即重复。
如果确定性得分低于确定性得分阈值，则该方法可以进行到名称为“执行中止过程”的操作950。
中止过程
中止过程950可以包括以下操作中的一个或多个：
-缩回手术器械119，
-暂停手术器械119的移动，以及
-从以有限闭环控制模式控制致动器切换到以基于运动控制器的控制模式控制致动器。
特别地，暂停手术器械119的移动可以与其他列出的操作中的任一个结合来执行。在一些实施例中，可以在暂停手术器械119的移动之后获得更新的传感器数据。在一些情况下，当手术器械119静止时，可以获得更可靠的传感器数据。在这种情况下，如果由于更新的传感器数据而计算出改进的确定性得分，则可以恢复眼部外科手术。
在一些实施例中，中止过程可以包括首先暂停手术器械119的移动、获得新的传感器数据、计算新的确定性得分以及将新的确定性得分与确定性得分阈值进行比较。如果新的确定性得分仍然不满足确定性得分阈值，则可以缩回手术器械119。
在一些实施例中，可以在确定中止过程被触发后立即缩回手术器械119。
在一些实施例中，手术器械119可以部分缩回(例如，缩回较短距离)，比如以便返回到手术器械119的先前位置；或者完全缩回。
在一些实施例中，如果确定性得分低于中止阈值AbThr，则可以切换用于控制致动器060的控制模式。例如，如果正在以有限闭环控制模式控制致动器并且确定性得分低于中止阈值AbThr，则致动器060的控制模式可以切换到基于位移的控制模式或基于运动控制器的控制模式。如果正在以基于位移的控制模式控制致动器060并且确定性得分低于中止阈值AbThr，则致动器060的控制模式可以切换到基于运动控制器的控制模式。
图10A示出了根据本发明的实施例的在注入之前位于两个组织层之间的手术目标，图10B还示出了根据本发明的实施例的在注入之前的凹入的视网膜，以及图10C示出了在注入期间位于两个组织层之间的手术目标。
在一些实施例中，传感器030可以被配置为获得指示手术器械119与多个组织层之间的距离的传感器数据032。如图10A所示，比如光纤等距离传感器121可以附接到手术器械119、集成在其中或耦合到其，并且可以是传感器030的部件。也就是说，传感器030可以包括距离传感器121。传感器030(例如距离传感器121)可以被布置为确定手术器械119(例如手术器械119的端头122)与眼睛内的第一组织层220之间的第一距离D1，以及手术器械119(例如手术器械119的端头122)与眼睛内的第二组织层230之间的第二距离D2。尽管在图10A中以不同的角度示出了指示距离D1和D2的箭头，但这仅仅是为了便于说明，并且手术器械119与每个层220、230之间的距离可以沿相同的轴线确定。
在一些实施例中，可以已知手术目标123位于眼睛的两个组织层220、230之间，例如通过作为中间组织层。然而，当手术器械119移动以接触并且例如抵靠眼睛的第一组织层220时，视网膜210可能会凹入，导致手术目标123位移或变形，如图10B中所示。手术器械对第一层220的压力可能导致视网膜210的凹陷，如图10B中所示。在这种情况下，可以使用对手术器械119与第一组织层220之间的第一距离D1的确定以及对手术器械119与第二组织层230之间的第二距离D2的确定来改进对手术目标123的位置的确定。尽管在图7B中未展示，但是当手术器械119接触和/或压靠组织层220时，传感器030(例如距离传感器121)可以被配置为获得指示手术器械119与第一组织层220之间的距离D1以及指示手术器械119与第二组织层230之间的距离D2的传感器数据。
在一些实施例中，系统100可检测手术器械119何时到达第一层220。例如，目标位置可以被确定为对应于第一层220。一旦到达该位置，就可以控制致动器060来将手术器械119缩回距离x，然后优选地以较高的速度将手术器械119推进例如距离2x，以提高刺穿/位移比，从而减少视网膜的凹陷。因此，手术器械119的最终位移将是距起始位置的距离x。也就是说，可以通过以较高的速度(例如，以快速的刺穿运动)推进手术器械119来完成组织层的穿透。用于快速刺穿运动的速度可以是预设的，或者可以使用手术器械119的最大速度。
在一些实施例中，在将流体注入到视网膜210中时可以形成水泡240，如图10C中所示。在注入期间，可以校正手术器械119的位置。也就是说，当手术器械119正在这两个层220与230之间注入流体时，可以例如基于分别确定手术器械119与两个层220和230中的每一个之间的距离来确定水泡240的中心。手术器械119可以缩回或延伸到水泡中心。
图11示意性地展示了用于在眼部外科手术中使用期间控制外科手术机器人系统的方法1100，该外科手术机器人系统包括手术臂，该手术臂包括可移动臂部分，该可移动臂部分包括用于安装具有纵向轴线的手术器械的器械连接器，该可移动臂部分具有至少一个自由度，以使得该手术器械能够沿该手术器械的纵向轴线朝向或远离眼部手术目标进行纵向移动，该外科手术机器人系统进一步包括致动器，该致动器被配置和布置成致动该可移动臂部分以实现该手术器械的纵向移动。方法1100包括，在名称为“获得传感器数据”的操作中，当手术器械处于初始位置时，获得1110指示手术器械与手术目标之间的距离的传感器数据。方法1100进一步包括，在名称为“确定初始距离”的操作中，基于传感器数据确定1120处于初始位置的手术器械与手术目标之间的初始距离。方法1100进一步包括，在名称为“获得相对于手术目标的目标位置”的操作中，获得1130指示手术器械相对于手术目标的目标位置的数据。方法1100进一步包括，在名称为“确定位移距离”的操作中，基于传感器数据和目标位置确定1140手术器械的位移距离。方法1100进一步包括，在名称为“输出位移距离”的操作中，向用户输出1150位移距离的感官可感知表示。方法1100进一步包括，在名称为“接收用户确认”的操作中，从用户接收1160确认信号。方法1100进一步包括，在名称为“致动可移动臂”的操作中，当接收到确认信号时，控制1170致动器来致动可移动臂部分以实现手术器械沿纵向轴线在位移距离上的单次移动。应注意的是，方法1100的操作不需要严格按顺序执行。例如，操作1120和1130可以以不同的顺序执行或者基本上同时执行。类似地，操作1110和1120可以以不同的顺序执行或者基本上同时执行。
根据本发明的方法可以作为计算机实施的方法在处理器上实施，或者在专用硬件中实施，或者在这两者的组合中实施。根据本发明的方法的可执行代码可以存储在计算机程序产品上。计算机程序产品的示例包括存储器设备、光学存储设备、集成电路、服务器、在线软件等。图12示出了呈计算机可读介质1260形式的计算机程序产品，其包括非暂态程序代码1250，用于当所述程序代码由处理器执行时使该处理器执行根据本发明的方法。
在优选实施例中，计算机程序包括计算机程序代码装置，其适于当该计算机程序由处理器执行时执行根据本发明的方法的所有步骤。优选地，计算机程序体现在计算机可读介质上。
在整个以上描述中，参考了手术器械与目标位置、手术目标、组织层等之间的各种距离。这些距离可以分别对应于手术器械的端头与目标位置、手术目标、组织层等之间的距离。也就是说，根据一些实施例，整个本说明书中提到的距离可以从手术器械的端头开始计算。
应注意的是，上文提到的实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计许多替代性实施例。
在权利要求或条款中，放在括号中的任何附图标记都不应该被解释为限制权利要求或条款。使用动词“包括”及其词形变化不排除权利要求或条款中所述的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。在元件前的冠词“一个”或“一种”并不排除存在多个此类元件。本发明可以通过包括几个不同元件的硬件并且通过适当编程的计算机来实施。在列举了几个装置的设备权利要求或条款中，这些装置中的几个可以由同一硬件来实施。在互不相同的从属权利要求或条款中记载了某些措施的事实并不意味着不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (14)

1.一种用于眼部外科手术的外科手术机器人系统(100)，该外科手术机器人系统包括：
-手术臂(080)，该手术臂包括可移动臂部分(082)，该可移动臂部分(082)包括用于安装具有纵向轴线的手术器械(119)的器械连接器，该可移动臂部分(082)具有至少一个自由度，以使得该手术器械(119)能够沿该手术器械(119)的纵向轴线朝向或远离眼部手术目标(123)进行纵向移动；
-传感器(030)，该传感器被配置为获得指示该手术器械(119)与该手术目标(123)之间的距离的传感器数据(032)；
-用户界面(020)，该用户界面被配置为从用户接收用户输入并向该用户输出感官可感知输出；
-致动器(060)，该致动器被配置和布置成致动该可移动臂部分(082)以实现该手术器械(119)的纵向移动；
-处理器子系统(040)，该处理器子系统被配置为：
-在该手术器械(119)的初始位置处，从该传感器(030)获得传感器数据(032)并且基于该传感器数据(032)确定该手术器械(119)与该手术目标(123)之间的初始距离；
-获得指示该手术器械(119)相对于该手术目标(123)的目标位置的数据；
-基于该传感器数据(032)和该目标位置确定该手术器械(119)的位移距离；
-经由该用户界面(020)输出所确定的位移距离的感官可感知表示；
-经由该用户界面(020)从该用户接收确认信号；以及
-当接收到该确认信号时，控制该致动器(060)来致动该可移动臂部分(082)以实现该手术器械(119)沿该纵向轴线在所确定的位移距离上的单次移动。
2.如权利要求1所述的外科手术机器人系统(100)，其中，该处理器子系统(040)进一步被配置为：
-当完成该手术器械(119)的单次移动时，从该传感器(030)获得更新的传感器数据(032’)并基于该更新的传感器数据(032’)确定该手术器械(119)与该手术目标(123)之间的剩余距离；
-基于所确定的剩余距离确定是否到达该目标位置；以及
-如果未达到，则控制该致动器(060)来基于所确定的剩余距离校正该手术器械(119)的深度。
3.如权利要求2所述的外科手术机器人系统(100)，其中，该处理器子系统(040)被配置为以基于位移的控制模式控制该致动器(060)来通过以下方式校正该手术器械(119)的深度：
-根据所确定的距该手术目标(123)的剩余距离来确定到达该目标位置的校正位移距离；
-经由该用户界面(020)输出该校正位移距离的感官可感知表示；
-经由该用户界面(020)从该用户接收进一步的确认信号；以及
-当接收到该进一步的确认信号时，控制该致动器(060)来致动该可移动臂部分(082)以实现该手术器械(119)沿该纵向轴线在该校正位移距离上的进一步的单次移动。
4.如权利要求2或3所述的外科手术机器人系统(100)，其中，该处理器子系统(040)被配置为以有限闭环控制模式控制该致动器(060)，在该模式下，使用更新的传感器数据(032)来校正该手术器械(119)的深度，其中，该有限闭环控制模式受到以下中的至少一项的限制：
-使用该有限闭环控制模式的预定义持续时间；
-预定义最大校正位移距离；
-在该校正期间要求确定性得分保持高于确定性得分阈值，该确定性得分表示所确定的剩余距离的确定性；以及
-在该校正期间要求持续的用户输入，并且在检测到该持续的用户输入已经结束时停止该手术器械(119)的移动。
5.如任一前述权利要求所述的外科手术机器人系统(100)，其中，该处理器子系统(040)进一步被配置为：
-计算表示该手术器械(119)与该手术目标(123)之间的确定距离的确定性的确定性得分；并且
-根据所计算的确定性得分调整对该致动器(060)的控制。
6.如权利要求5所述的外科手术机器人系统(100)，其中，该处理器子系统(040)进一步被配置为基于以下中的至少一项来计算该确定性得分：该传感器(032)的测量噪声的估计值、对该手术目标(123)的动态移动的存在的检测、对该传感器数据(032)与表示该传感器数据(032)的参考的模型的比较、以及估计手术目标位置与预测手术目标位置之间的比较，其中，该预测手术目标位置基于由至少一个位置传感器测量的器械移动。
7.如权利要求5在从属于权利要求4时所述的外科手术机器人系统(100)，其中，该处理器子系统(040)被配置为重复计算该确定性得分，并且如果该计算的确定性得分低于确定性得分阈值则执行中止过程，
其中，该中止过程包括以下中的至少一项：
-缩回该手术器械(119)；
-暂停该手术器械(119)的移动；以及
-从以该有限闭环控制模式控制该致动器(060)切换到以基于运动控制器的控制模式控制该致动器(060)，在该基于运动控制器的控制模式下，该处理器子系统(040)被配置为根据经由运动控制器从该用户接收到的位置控制命令来控制该致动器(060)。
8.如权利要求5或6所述的外科手术机器人系统(100)，其中，该处理器子系统(040)进一步被配置为基于该计算的确定性得分从一组控制模式中选择控制模式，该组控制模式包括以下中的至少两种：基于运动控制器的控制模式、基于位移的控制模式和有限闭环控制模式，其中：
-在该基于运动控制器的控制模式下，该处理器子系统(040)被配置为根据经由该用户界面(020)的运动控制器从该用户接收到的位置控制命令来控制该致动器(060)；
-在该基于位移的控制模式下，该处理器子系统(040)被配置为：
-根据所确定的距该手术目标(123)的剩余距离来确定到达该目标位置的校正位移距离；
-经由该用户界面(020)输出该校正位移距离的感官可感知表示；
-经由该用户界面(020)从该用户接收进一步的确认信号；以及
-当接收到该进一步的确认信号时，控制该致动器(060)来致动该可移动臂部分(082)以实现该手术器械(119)沿该纵向轴线在该校正位移距离上的进一步的单次移动；并且
-在该有限闭环控制模式下，该处理器子系统(040)被配置为受到以下中的至少一项的限制：
-使用该有限闭环控制模式的预定义持续时间；
-预定义最大校正位移距离；
-在该校正期间要求确定性得分保持高于确定性得分阈值，该确定性得分表示所确定的剩余距离的确定性；以及
-在该校正期间要求持续的用户输入，并且在检测到该持续的用户输入已经结束时停止该手术器械(119)的移动。
9.如权利要求5至8中任一项所述的外科手术机器人系统(100)，其中，该处理器子系统(040)进一步被配置为在从该用户接收到该确认信号之前，经由该用户界面(020)输出该计算的确定性得分的感官可感知表示。
10.如任一前述权利要求所述的外科手术机器人系统(100)，其中，该传感器(030)包括以下中的至少一种：
-光学相干断层扫描(OCT)传感器，该OCT传感器被配置为光学耦合到光纤，该光纤附接到该手术器械(119)或集成在其中；
-通过显微镜实现的术中光学相干断层扫描(iOCT)；
-通过显微镜实现的立体相机；
-集成在该手术器械(119)中或附接到其的光学干涉传感器；
-集成在该手术器械(119)中或附接到其的飞行时间传感器；以及
-集成在该手术器械(119)中或附接到其的超声波传感器。
11.如任一前述权利要求所述的外科手术机器人系统(100)，其中，该处理器子系统(040)进一步被配置为：
-获得指示眼睛的第一组织层(220)与该眼睛的第二组织层(230)之间的距离的传感器数据(032)，其中，该手术目标(123)位于该第一层(220)与该第二层(230)之间；并且
-校正该手术器械(119)的位置，使得该手术器械(119)位于该第一层(220)与该第二层(230)之间。
12.如任一前述权利要求所述的外科手术机器人系统(100)，其中，该处理器子系统(040)进一步被配置为获得指示眼睛的第一组织层(220)与该眼睛的第二组织层(230)之间的距离的传感器数据(032)，其中，该手术目标(123)位于该第一层(220)与该第二层(230)之间；并且
其中，指示该手术器械(119)相对于该手术目标(123)的目标位置的该数据包括指示该第一层(220)与该第二层(230)之间的距离的数据。
13.一种用于在眼部外科手术中使用期间控制外科手术机器人系统(100)的计算机实施的方法(1100)，该外科手术机器人系统(100)包括手术臂(080)，该手术臂(080)包括可移动臂部分(082)，该可移动臂部分(082)包括用于安装具有纵向轴线的手术器械(119)的器械连接器，该可移动臂部分(082)具有至少一个自由度，以使得该手术器械(119)能够沿该手术器械(119)的纵向轴线朝向或远离眼部手术目标(123)进行纵向移动，该外科手术机器人系统(100)进一步包括致动器(060)，该致动器被配置和布置成致动该可移动臂部分(082)以实现该手术器械(119)的纵向移动，该方法包括：
-在该手术器械的初始位置处，获得(1110)指示该手术器械(119)与该手术目标(123)之间的距离的传感器数据(032)；
-基于该传感器数据(032)确定(1120)处于该初始位置的该手术器械(119)与该手术目标(123)之间的初始距离；
-获得(1130)指示该手术器械(119)相对于该手术目标(123)的目标位置的数据；
-基于该传感器数据(032)和该目标位置确定(1140)该手术器械(119)的位移距离；
-向该用户输出(1150)该位移距离的感官可感知表示；
-从该用户接收(1160)确认信号；以及
-当接收到该确认信号时，控制(1170)该致动器(060)来致动该可移动臂部分(082)以实现该手术器械(119)沿该纵向轴线在该位移距离上的单次移动。
14.一种计算机可读存储介质(1260)，包括表示计算机程序(1250)的暂态或非暂态数据，该计算机程序包括用于使处理器系统执行如权利要求13所述的方法的指令。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3831303A1 (en) * 2010-12-22 2021-06-09 Veebot, LLC Systems for autonomous intravenous needle insertion
US9549781B2 (en) * 2014-05-30 2017-01-24 The Johns Hopkins University Multi-force sensing surgical instrument and method of use for robotic surgical systems
NL2013369B1 (en) * 2014-08-26 2016-09-26 Univ Eindhoven Tech Surgical robotic system and control of surgical robotic system.
EP3658008B1 (en) 2017-10-16 2022-11-16 Alcon Inc. Oct-enabled injection for vitreoretinal surgery

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