用于外科手術(shù)及其它應(yīng)用的軟件中心和高度可配置的機(jī)器人系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】用于外科手術(shù)及其它應(yīng)用的軟件中心和高度可配置的機(jī)器 人系統(tǒng)
[0001] 本申請是申請日為2006年5月8的名稱為："用于外科手術(shù)及其它應(yīng)用的軟件中 心和高度可配置的機(jī)器人系統(tǒng)"的中國專利申請201210211381. 9的分案申請，其中該專利 申請201210211381. 9是申請日為2006年5月8的名稱為："用于外科手術(shù)及其它應(yīng)用的軟 件中心和高度可配置的機(jī)器人系統(tǒng)"的中國專利申請200680026441. 2的分案申請。
【背景技術(shù)】
[0002] 本發(fā)明一般地涉及到醫(yī)療、遠(yuǎn)程外科手術(shù)、遠(yuǎn)程呈現(xiàn)、遠(yuǎn)程機(jī)器人，和/或機(jī)器人 裝置、系統(tǒng)和方法。在示例性實(shí)施方式中，本發(fā)明提供了具有充足自由度的外科手術(shù)機(jī)器人 系統(tǒng)，其不但提供在內(nèi)部手術(shù)部位中期望的移動，而且提供繞微創(chuàng)外科手術(shù)切口的樞軸運(yùn) 動。在相關(guān)實(shí)施例中，本發(fā)明還提供了可以被用于裝配和/或控制機(jī)器人系統(tǒng)的系統(tǒng)、方法 和裝置。
[0003] 微創(chuàng)醫(yī)療技術(shù)是為了減少在診斷或外科手術(shù)過程中被損壞的組織數(shù)量。微創(chuàng)外 科手術(shù)可以減少病人的恢復(fù)時間、不舒適感和很多有害的外科手術(shù)副作用。盡管在美國每 年執(zhí)行的很多外科手術(shù)潛在地能夠以微創(chuàng)的方式進(jìn)行，但是當(dāng)前外科手術(shù)中僅有很少一部 分利用這些優(yōu)越的技術(shù)，至少部分是因?yàn)楝F(xiàn)有微創(chuàng)手術(shù)器械的局限性和控制其應(yīng)用的挑戰(zhàn) 性。
[0004] 微創(chuàng)機(jī)器人系統(tǒng)已得到發(fā)展以提高外科醫(yī)生的靈巧性并避免傳統(tǒng)微創(chuàng)外科手術(shù) 的局限性。在機(jī)器人外科手術(shù)中，外科醫(yī)生使用某種形式的機(jī)器人控制（如主從自動控制 裝置或類似結(jié)構(gòu)）來操縱手術(shù)器械，而不是直接手持或用手移動這些器械。外科醫(yī)生可以 觀察內(nèi)部手術(shù)部位的圖像以協(xié)助其引導(dǎo)對組織的處理。在觀察顯示器上的二維或三維圖像 的同時，外科醫(yī)生通過操縱主控制輸入裝置，其反過來控制機(jī)器人器械的運(yùn)動，來執(zhí)行對病 人的外科手術(shù)過程。機(jī)器人手術(shù)器械可以通過小的微創(chuàng)外科手術(shù)切口被插入以處理病人 體內(nèi)的手術(shù)部位的組織，一般損傷與開放式外科手術(shù)的進(jìn)刀相關(guān)。這些機(jī)器人系統(tǒng)可以以 充足的靈巧性來移動手術(shù)器械的工作端，以執(zhí)行相當(dāng)復(fù)雜的外科手術(shù)任務(wù)，一般通過在微 創(chuàng)切口處樞軸轉(zhuǎn)動器械的軸件、所述軸件沿軸向滑動穿過切口、在切口中旋轉(zhuǎn)所述軸件和/ 或其它類似動作來完成。
[0005] 用于遠(yuǎn)程外科手術(shù)的自動控制裝置一般可以接收來自兩個主控制器（每個對應(yīng) 于外科醫(yī)生的一只手）的輸入并且可以包含兩個或多個機(jī)器人旋臂或操縱器。將手的移動 映射到由圖像獲取裝置顯示的機(jī)器人器械的圖像上有助于向外科醫(yī)生提供對和每只手相 關(guān)聯(lián)的器械的精確控制。在很多外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中，包含有一個或多個額外的機(jī)器人 操縱器，其用于移動內(nèi)窺鏡或其它圖像獲取裝置，額外的手術(shù)器械或類似器械。
[0006] 盡管新型機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)和裝置已被證明高度有效且優(yōu)點(diǎn)眾多，但仍需要進(jìn) 一步的改進(jìn)。例如，當(dāng)在微創(chuàng)手術(shù)部位移動手術(shù)器械時，機(jī)器人外科手術(shù)操縱器在病人體外 可能會表現(xiàn)出大幅度的移動，特別是當(dāng)器械繞微創(chuàng)切口樞軸轉(zhuǎn)動時。由于器械可能同時獨(dú) 立地繞其相關(guān)切口樞軸轉(zhuǎn)動，放置在病人體外的機(jī)器人操縱器有時會相互碰撞（或碰撞其 它結(jié)構(gòu)或人員）。此外，在外科手術(shù)準(zhǔn)備中裝配外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)會具有挑戰(zhàn)性，且在一 個外科手術(shù)過程的不同階段重新配置系統(tǒng)以便接近病人不同的組織會不方便。
[0007] 由于這些及其它原因，提供用于外科手術(shù)、機(jī)器人外科手術(shù)和其它機(jī)器人應(yīng)用的 改進(jìn)的裝置、系統(tǒng)和方法是有好處的。如果這些改進(jìn)的技術(shù)在使用中提供更快且更簡便的 裝配和/或機(jī)器人裝置的受抑止碰撞，那就會非常有益。理想情況下，所提供的這些改進(jìn)不 會顯著增大這些系統(tǒng)的尺寸、機(jī)械復(fù)雜性或費(fèi)用，同時維持或改進(jìn)其靈巧性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明一般地提供了改進(jìn)的機(jī)器人和/或外科手術(shù)裝置、系統(tǒng)和方法。在很多實(shí) 施例中，本發(fā)明會使用高度可配置的外科手術(shù)機(jī)器人操縱器。例如，在手術(shù)工作區(qū)這些操縱 器可以具有比與其相關(guān)的手術(shù)末端執(zhí)行器更多的移動自由度。本發(fā)明一般會包括處理器， 其通過軟件指令配置為計(jì)算機(jī)器人聯(lián)動裝置的運(yùn)動，該運(yùn)動包括操縱器聯(lián)動裝置的軸件 繞切口部位樞軸轉(zhuǎn)動，由此有軟件中心的概念。對于給定的末端執(zhí)行器方位，支撐末端執(zhí) 行器的機(jī)器人操縱器關(guān)節(jié)可以允許操縱器在不同的構(gòu)形范圍內(nèi)移動，在一些情況下即使當(dāng) 約束軸件在切口部位的橫向移動以避免對鄰近組織的傷害時，前述移動仍可進(jìn)行。處理器 可以利用這些操縱器的優(yōu)點(diǎn)驅(qū)動操縱器至可抑止碰撞的構(gòu)形，該碰撞涉及到一個或多個移 動的機(jī)器人結(jié)構(gòu)。通過處理器可以使這種高度可配置機(jī)器人操縱器的裝配變得容易，這些 處理器驅(qū)動操縱器的一個或多個關(guān)節(jié)，同時由系統(tǒng)操作員（或由其它外部相互作用）人工 定位操縱器，其中這些關(guān)節(jié)可以根據(jù)沿操縱器的運(yùn)動鏈的其它關(guān)節(jié)的移動而被選擇性地驅(qū) 動。實(shí)施例可以根據(jù)病人的呼吸和/或移動來調(diào)整操縱器的樞軸運(yùn)動的中心，在一些情況 下通過感應(yīng)施加于沿切口部位的組織和操縱器之間的作用力來實(shí)現(xiàn)。還提供了用于微創(chuàng)外 科手術(shù)應(yīng)用和其它應(yīng)用的精密的機(jī)器人結(jié)構(gòu)及相關(guān)的機(jī)器人方法。
[0009] 在本發(fā)明的一個方面，提供了具有操縱輸入的冗余自由度（RDOF)外科手術(shù)機(jī)器 人系統(tǒng)。所述RDOF外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)包含操縱器組件、輸入裝置和處理器。響應(yīng)被輸入 裝置所接收且影響末端執(zhí)行器的期望的移動的命令，操縱器組件操縱相對于近端基座的遠(yuǎn) 端執(zhí)行器。操縱器具有多個關(guān)節(jié)，這些關(guān)節(jié)提供充足的自由度以允許用于末端執(zhí)行器定位 的一系列關(guān)節(jié)狀態(tài)。處理器將輸入裝置和操縱器組件連接在一起并且可以被配置為以不同 的模式進(jìn)行操作。在末端執(zhí)行器操縱模式中，處理器響應(yīng)命令確定關(guān)節(jié)的移動以便使末端 執(zhí)行器進(jìn)行期望的移動。在離合模式中，處理器響應(yīng)操縱器組件的另一個關(guān)節(jié)的外部關(guān)節(jié) 鉸接來驅(qū)動至少一個關(guān)節(jié)。離合模式可以是姿態(tài)離合模式、器械離合模式或端口（port)離 合模式。
[0010] 在本發(fā)明的另一方面，提供了RDOF軟件定心外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。RDOF軟件定心 外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)包括處理器、輸入裝置、操縱器和手術(shù)器械。所述手術(shù)器械具有近端、 適用于插入病人體內(nèi)的遠(yuǎn)端執(zhí)行器和二者之間的中間段。操縱器支撐器械的近端并因此能 夠從病人體外對器械進(jìn)行移動/控制。在操縱器器和器械之間，存在多個驅(qū)動關(guān)節(jié)，它們在 末端執(zhí)行器的中間段穿過進(jìn)刀部位時提供充足的自由度以允許用于末端執(zhí)行器定位的一 系列關(guān)節(jié)狀態(tài)。輸入裝置接收到命令以實(shí)現(xiàn)期望的末端執(zhí)行器移動。處理器將輸入裝置和 操縱器連接在一起。根據(jù)所述預(yù)定/指令移動，處理器決定關(guān)節(jié)的運(yùn)動以便在末端執(zhí)行器 的期望的移動過程中保證器械的中間段處于進(jìn)刀部位。
[0011] 在一個實(shí)施例中，由處理器決定的關(guān)節(jié)移動也可以被設(shè)計(jì)為抑止碰撞。在另一個 實(shí)施例中，由處理器確定的關(guān)節(jié)移動可以被設(shè)計(jì)為驅(qū)動操縱器至期望的關(guān)節(jié)狀態(tài)組合，其 實(shí)現(xiàn)欠約束的主要解和次要控制任務(wù)。在另一個實(shí)施例中，由處理器確定的關(guān)節(jié)移動可以 被設(shè)計(jì)為根據(jù)端口（port)剛勁因數(shù)來抑止器械中間段的樞軸中心的移動。在另一個實(shí)施 例中，由處理器確定的關(guān)節(jié)移動從事選擇于優(yōu)先級列表的優(yōu)先任務(wù)。在另一個實(shí)施例中， RDOF軟件定心外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)還包括傳感器系統(tǒng)，其向處理器指示進(jìn)刀部位的位置和 /或器械中間段與進(jìn)刀部位的切口之間的反作用力。
[0012] 在本發(fā)明的另一個方面，提供了具有避免碰撞能力的多操縱器RDOF外科手術(shù)機(jī) 器人。該多操縱器RDOF外科手術(shù)機(jī)器人包括第一操縱器組件、第二操縱器組件、輸入裝置 和處理器。第一操縱器組件具有第一末端執(zhí)行器和用于一個第一末端執(zhí)行器方位的多個關(guān) 節(jié)狀態(tài)。第二操縱器組件具有第二末端執(zhí)行器并且具有傳送狀態(tài)信號的能力，這些狀態(tài)信 號指示第二操縱器組件的移動。輸入裝置接收第一末端執(zhí)行器的第一個期望的移動的輸 入。處理器與輸入端、第一操縱器組件和第二操縱器組件連接在一起。處理器根據(jù)所述輸 入決定第一操縱器組件的移動，但也考慮了第二操縱器組件的狀態(tài)信號以便抑止操縱器組 件間的碰撞。利用所確定的移動，處理器控制第一末端執(zhí)行器來影響第一個期望的移動。
[0013] 在本發(fā)明的另一個方面，提供了具有上部旋臂乳棍（upperarmroll)的外科手術(shù) 機(jī)器人操縱器。該外科手術(shù)機(jī)器人操縱器包含可移動的手術(shù)器械夾持器、可在工作區(qū)附近 進(jìn)行定位的基座和旋臂組件，該旋臂組件樞軸地連接于基座和器械夾持器之間。該旋臂組 件包括具有第一軸線的第一連桿、具有第二軸線的第二連桿、連接于第一連桿和第二連桿 之間以變換二者的夾角的樞軸旋臂關(guān)節(jié)，以及基座和樞軸旋臂關(guān)節(jié)之間的第一軋輥關(guān)節(jié)。 第一軋輥關(guān)節(jié)具有沿第一軸線延展的旋臂軋輥軸線。
[0014] 通過參考說明書的余下部分和附圖，可以更明顯地進(jìn)一步理解本發(fā)明的特性和優(yōu) 點(diǎn)。
【附圖說明】
[0015] 圖IA是透視圖，其圖解說明了用于輸入外科手術(shù)過程命令的主控外科醫(yī)生控制 臺或工作臺，該控制臺包括處理器，其響應(yīng)輸入命令而生成操縱器命令信號。
[0016] 圖IB是側(cè)視圖，其示意性地圖解說明了具有多個機(jī)器人操縱器的外科手術(shù)臺，這 些機(jī)器人操縱器被用于在病人體內(nèi)的手術(shù)部位自動地移動具有手術(shù)末端執(zhí)行器的手術(shù)器 械，以及用于通過操縱器-器械組件來執(zhí)行外科手術(shù)過程的方法。
[0017] 圖IC是透視圖，其示意性地圖解說明了利用圖IA和圖IB中的操縱器組件和外科 醫(yī)生控制臺在病人的微創(chuàng)手術(shù)部位執(zhí)行的外科手術(shù)方法。
[0018] 圖2是側(cè)視圖，其圖解說明了具有手柄的主控制器輸入裝置，該手柄用于向圖1中 的工作臺輸入期望的移動。
[0019] 圖3是示例性機(jī)器人手術(shù)器械或工具的透視圖，該器械或工具可以組裝在圖IB中 的操縱器上。
[0020] 圖3A-3F是用于不同類型手術(shù)器械的多個不同末端執(zhí)行器的透視圖。
[0021] 圖4A-4C是示例性機(jī)器人操縱器組件的底視圖、側(cè)視圖和后視圖，針對給定末端 執(zhí)行器的方位該組件具有一系列關(guān)節(jié)狀態(tài)。
[0022] 圖5A和圖5B是圖4A-4C中的操縱器的側(cè)視圖，其圖解說明了操縱器的向下彎曲 的肘關(guān)節(jié)構(gòu)形和向上彎曲的肘關(guān)節(jié)構(gòu)形，其針對給定末端執(zhí)行器的方位。
[0023] 圖6示意性地圖解說明了由圖4A-4C中的操縱器和組裝于其上的圖3中的器械所 提供的自由度。
[0024] 圖7A示意性地圖解說明了被插入的穿過切口的操縱器組件。
[0025] 圖7B示意性地圖解說明了以手動方式將圖7A中高度可配置的操縱器組件重新定 位到新的切口位置所面臨的挑戰(zhàn)。
[0026] 圖7C示意性地圖解說明了對圖7A中的旋臂進(jìn)行重新配置以便在手動重新定位操 縱器到新的切口位置時增強(qiáng)運(yùn)動范圍或類似效果。
[0027] 圖8A-8E示意性地圖解說明了高度可配置的操縱器組件，其具有離合器輸入開關(guān) 以便使在鄰近微創(chuàng)切口處手動定位手術(shù)器械變得簡便，同時處理器響應(yīng)該手動移動而對操 縱器關(guān)節(jié)進(jìn)行配置。
[0028] 圖8A-8E還示意性地圖解說明了不同的離合模式，其用于手動重新定位至少一部 分的機(jī)器人操縱器組件，以便適應(yīng)新的切口位置，或使器械夾持器繞切口樞軸轉(zhuǎn)動，或在不 移動末端執(zhí)行器或器械夾持器的情況下改變操縱器的姿態(tài)，或類似動作。
[0029] 圖9A和圖9B示意性地圖解說明了在旋臂的手動移動過程中自動地重新配置一系 列可替代的關(guān)節(jié)構(gòu)形內(nèi)的操縱器組件的關(guān)節(jié)。
[0030] 圖IOA是簡化框圖，其示意性地圖解說