[發(fā)明專利]遙控微創(chuàng)手術(shù)器械的主導(dǎo)件對齊性的漸進(jìn)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510308830.5
• 申請日: 2010-06-11
• 公開（公告）號: CN105147390B
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）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(quán)）人: 直觀外科手術(shù)操作公司
• 主分類號: A61B34/37
• 分類號: A61B34/37
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11245
• 代理人: 趙蓉民,趙志剛

本申請是申請日為2010年6月11日、發(fā)明名稱為“遙控微創(chuàng)手術(shù)器械的主導(dǎo)件對齊性的漸進(jìn)”的中國專利申請201080029859.5(PCT/US2010/038256)的分案申請。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的方面涉及遙控微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)，并且尤其涉及控制遙控微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)中的主導(dǎo)和從屬手術(shù)器械尖端的取向。

背景技術(shù)

由位于加利福尼亞州Sunnyvale的Intuitive surgical.Inc.制造的da手術(shù)系統(tǒng)，是微創(chuàng)、遙控的機(jī)器人系統(tǒng)，其為病患提供很多益處，例如減小身體外傷、更快恢復(fù)及更短的住院時(shí)間。da手術(shù)系統(tǒng)的一個(gè)部件是外科醫(yī)生用于操縱手術(shù)器械(稱為從屬手術(shù)器械)的主導(dǎo)工具操縱器。

主導(dǎo)工具操縱器的主導(dǎo)把手經(jīng)特別設(shè)計(jì)用于人機(jī)(ergonomic)和直觀雙重控制從屬手術(shù)器械。外科醫(yī)生使用他/她的食指和大拇指以特殊方式握住主導(dǎo)把手，以便瞄準(zhǔn)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(shù)器械，在立體觀察儀的視見參考系(view reference frame)中主導(dǎo)把手必須在取向上與從屬手術(shù)器械尖端對齊。從屬手術(shù)器械尖端的動作通過遙控操作來跟隨主導(dǎo)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(shí)現(xiàn)取向?qū)R，則從屬手術(shù)器械尖端會仍然沿理想方向旋轉(zhuǎn)，但是從屬手術(shù)器械尖端既不指向外科醫(yī)生指出的相同的絕對方向，也不沿著外科醫(yī)生指出的相同軸線滾動。

主導(dǎo)工具操縱器使用在萬向節(jié)組件(gimbal assembly)中的馬達(dá)，來在觀察坐標(biāo)系中主動對齊主導(dǎo)把手的取向軸線和相關(guān)從屬手術(shù)器械尖端。在外科醫(yī)生進(jìn)行遙控手術(shù)之前自動進(jìn)行該對齊。此外，在攝像機(jī)或器械外部軸線(instrument outer axes)的操縱期間系統(tǒng)自動保留該對齊。

具體地，當(dāng)開始da手術(shù)系統(tǒng)的跟隨操作時(shí)，在da手術(shù)系統(tǒng)恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行跟隨操作之前，主導(dǎo)把手必須與從屬手術(shù)器械尖端的取向?qū)R。只要系統(tǒng)從已危及了取向?qū)R的模式轉(zhuǎn)變(在工具改變、攝像機(jī)嚙合(clutch)、從屬件嚙合、在第四臂系統(tǒng)中的臂交換等之后)，則本系統(tǒng)就執(zhí)行主導(dǎo)件對齊。

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

da手術(shù)系統(tǒng)在允許用戶進(jìn)行跟隨操作之前檢查主導(dǎo)件取向和從屬件取向的匹配。若取向不匹配(可能因?yàn)橛脩暨^驅(qū)了主導(dǎo)件且不允許主導(dǎo)件實(shí)現(xiàn)對齊)，則顯示警告消息且再次嘗試主導(dǎo)件對齊。這經(jīng)常減緩?fù)饪漆t(yī)生進(jìn)入跟隨操作并且需要在萬向節(jié)組件中帶有馬達(dá)的機(jī)動主導(dǎo)工具操作器來將主導(dǎo)腕部接頭移動至適當(dāng)取向。

發(fā)明內(nèi)容

微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)包括具有從屬手術(shù)器械尖端的從屬手術(shù)器械和主導(dǎo)把手。主導(dǎo)把手通過遙控伺服控制系統(tǒng)耦合至從屬手術(shù)器械尖端。在一方面，隨著移動主導(dǎo)把手，遙控伺服控制系統(tǒng)內(nèi)的漸進(jìn)系統(tǒng)無縫地且連續(xù)地改進(jìn)主導(dǎo)把手在公共參考坐標(biāo)系中相對于從屬手術(shù)器械尖端的對齊性/定位(alignment)。

漸進(jìn)系統(tǒng)導(dǎo)致在主導(dǎo)把手和從屬手術(shù)器械尖端之間的直觀對齊。同樣地，漸進(jìn)系統(tǒng)提供了在外科醫(yī)生正在進(jìn)行的事情即操作主導(dǎo)把手和外科醫(yī)生在外科醫(yī)生的控制臺上所看到的事物即顯示器中從屬手術(shù)器械尖端的移動之間的直接關(guān)聯(lián)。這可以在不存在與進(jìn)入跟隨操作之前的常規(guī)機(jī)動對齊有關(guān)的延遲的情況下被實(shí)現(xiàn)。同樣地，在一方面，漸進(jìn)系統(tǒng)消除了對機(jī)動主導(dǎo)把手的需求且允許使用低花費(fèi)并容易獲得的部件作為主導(dǎo)把手。

在一方面，在公共坐標(biāo)參考系中從屬手術(shù)器械尖端和主導(dǎo)把手具有Cartesian 位置分量和取向分量。漸進(jìn)系統(tǒng)能夠針對所有分量、分量子集(例如取向分量或Cartesian分量)或?qū)τ谔囟ǚ至考弦苑至啃问綄?shí)現(xiàn)對齊。

在遙控伺服控制系統(tǒng)內(nèi)的漸進(jìn)系統(tǒng)(i)耦合到主導(dǎo)把手從而接收在公共坐標(biāo)系內(nèi)主導(dǎo)把手的對齊性，以及(ii)耦合到從屬手術(shù)器械。隨著主導(dǎo)把手運(yùn)動，漸進(jìn)系統(tǒng)通過連續(xù)減小在公共坐標(biāo)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(shù)器械尖端的自主動作且不存在主導(dǎo)把手的自主動作的情況下被完成。

在一方面，在公共坐標(biāo)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(gè)角是角θ_e，被定義為：

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