[發明專利]遙控微創手術器械的主導件對齊性的漸進

有效

• 申請號: 201080029859.5
• 申請日: 2010-06-11
• 公開（公告）號: CN102470015A
• 公開（公告）日: 2012-05-23
• 發明（設計）人: B·D·伊科威茲;S·迪邁爾;W·C·諾林;G·D·捏梅耶爾;D·S·敏茲
• 申請（專利權）人: 直觀外科手術操作公司
• 主分類號: A61B19/00
• 分類號: A61B19/00;B25J9/16
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民

技術領域

本發明的方面涉及遙控微創手術系統，并且尤其涉及控制遙控微創手術系統中的主導和從屬手術器械尖端的取向。

背景技術

由位于加利福尼亞州Sunnyvale的Intuitive?surgical.Inc.制造的da?Vinci手術系統，是微創、遙控的機器人系統，其為病患提供很多益處，例如減小身體外傷、更快恢復及更短的住院時間。da?Vinci手術系統的一個部件是外科醫生用于操縱手術器械(稱為從屬手術器械)的主導工具操縱器。

主導工具操縱器的主導把手經特別設計用于人機(ergonomic)和直觀雙重控制從屬手術器械。外科醫生使用他/她的食指和大拇指以特殊方式握住主導把手，以便瞄準和抓取動作包含直觀指向和捏取動作。

為了能夠直觀控制從屬手術器械，在立體觀察儀的視見參考系(view?reference?frame)中主導把手必須在取向上與從屬手術器械尖端對齊。從屬手術器械尖端的動作通過遙控操作來跟隨主導件的動作并且兩者在動作方向和絕對取向上均是一致的。若未實現取向對齊，則從屬手術器械尖端會仍然沿理想方向旋轉，但是從屬手術器械尖端既不指向外科醫生指出的相同的絕對方向，也不沿著外科醫生指出的相同軸線滾動。

主導工具操縱器使用在萬向節組件(gimbal?assembly)中的馬達，來在觀察坐標系中主動對齊主導把手的取向軸線和相關從屬手術器械尖端。在外科醫生進行遙控手術之前自動進行該對齊。此外，在攝像機或器械外部軸線(instrument?outer?axes)的操縱期間系統自動保留該對齊。

具體地，當開始da?Vinci手術系統的跟隨操作時，在da?Vinci手術系統恰當地進行跟隨操作之前，主導把手必須與從屬手術器械尖端的取向對齊。只要系統從已危及了取向對齊的模式轉變(在工具改變、攝像機嚙合(clutch)、從屬件嚙合、在第四臂系統中的臂交換等之后)，則本系統就執行主導件對齊。

主導件對齊計算在不改變主導把手位置的情況下導致主導把手的取向匹配從屬手術器械尖端取向的一組主導腕部接頭角。然后使用馬達來命令主導腕部接頭匹配計算的角。

da?Vinci手術系統在允許用戶進行跟隨操作之前檢查主導件取向和從屬件取向的匹配。若取向不匹配(可能因為用戶過驅了主導件且不允許主導件實現對齊)，則顯示警告消息且再次嘗試主導件對齊。這經常減緩外科醫生進入跟隨操作并且需要在萬向節組件中帶有馬達的機動主導工具操作器來將主導腕部接頭移動至適當取向。

發明內容

微創手術系統包括具有從屬手術器械尖端的從屬手術器械和主導把手。主導把手通過遙控伺服控制系統耦合至從屬手術器械尖端。在一方面，隨著移動主導把手，遙控伺服控制系統內的漸進系統無縫地且連續地改進主導把手在公共參考坐標系中相對于從屬手術器械尖端的對齊性/定位(alignment)。

漸進系統導致在主導把手和從屬手術器械尖端之間的直觀對齊。同樣地，漸進系統提供了在外科醫生正在進行的事情即操作主導把手和外科醫生在外科醫生的控制臺上所看到的事物即顯示器中從屬手術器械尖端的移動之間的直接關聯。這可以在不存在與進入跟隨操作之前的常規機動對齊有關的延遲的情況下被實現。同樣地，在一方面，漸進系統消除了對機動主導把手的需求且允許使用低花費并容易獲得的部件作為主導把手。

在一方面，在公共坐標參考系中從屬手術器械尖端和主導把手具有Cartesian位置分量和取向分量。漸進系統能夠針對所有分量、分量子集(例如取向分量或Cartesian分量)或對于特定分量集合以分量形式實現對齊。

在遙控伺服控制系統內的漸進系統(i)耦合到主導把手從而接收在公共坐標系內主導把手的對齊性，以及(ii)耦合到從屬手術器械。隨著主導把手運動，漸進系統通過連續減小在公共坐標系中的對齊誤差來控制從屬件的動作。這可以在不存在從屬手術器械尖端的自主動作且不存在主導把手的自主動作的情況下被完成。

在一方面，在公共坐標系中的對齊誤差是取向誤差。取向誤差包含角。在一方面，這個角是角θ_e，被定義為：

θ_e＝cos^-1[0.5*(R_Δ11+R_Δ22+R_Δ33-1)]，

其中，R_Δ11、R_Δ22、R_Δ33是相對旋轉矩陣R_Δ的對角元素。在另一方面，該角度是在一組Euler角中的一個Euler角。