用于远程手术工作台配准的方法和设备技术

本文提供了用于配准操纵器组件和可独立定位的手术工作台的方法和系统。在一方面，该方法包括将配准设备附接到手术工作台的具体位置，并且将操纵器组件的操纵器臂附接到配准设备，以及使用来自操纵器臂的接头状态传感器读数来确定手术工作台相对于操纵器组件的位置和/或取向。在另一方面，用于配准的方法包括使用与操纵器组件相关联的传感器追踪一个或多个光学标记或无线电标记，以确定手术工作台和操纵器组件之间的空间关系。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本申请要求于2014年3月17日提交的美国临时申请No.61/954,538的优先权，其全部内容以引用方式并入本文。本申请涉及于2014年3月17日提交的名称为“用于手术工作台姿态追踪的系统和方法(SystemsandMethodsforSurgicalTablePoseTracking)”的美国临时申请No.61/954,559(ISRG03720PROV/US)，其以整体以引用方式并入本文用于所有目的。
技术介绍
微创医学技术旨在减少在诊断或手术过程期间损坏的无关组织的量，从而减少患者的恢复时间、减轻患者的不适并且减少有害的副作用。微创手术的一个作用为例如减少手术后的住院恢复时间。由于标准手术的平均住院时间通常显著长于类似的微创手术的平均住院时间，因此微创技术使用的增加每年能够节省数百万美元的住院费用。虽然在美国每年执行的许多手术可以潜在地以微创方式来执行，但由于在微创手术器械方面和掌握这些器械所涉及的附加手术培训的限制，仅一部分当前手术使用这些有利的技术。微创远程手术系统已经得到开发以增加外科医生的敏捷度并且避免传统微创技术的局限性中的一些。在远程手术中，外科医生使用一些形式的远程控制(例如，伺服机构等)以操纵手术器械移动，而非用手直接握住和移动器械。在远程手术系统中，可在手术工作台为外科医生提供手术部位的图像。在观察显示器上的二维或三维图像的同时，外科医生通过操纵主控制设备来对患者执行手术过程，主控制设备进而控制伺服机械操作的器械的运动。用于远程手术的伺服机构通常将接受来自两个主控制器(每个主控制器针对外科医生的一只手)的输入，并且可以包括两个或更多个远程手术臂，在远程手术臂中的每一个上安装有一个手术器械。在主控制器和相关联的操纵器臂以及器械组件之间的有效通信通常通过控制系统实现。控制系统通常包括至少一个处理器，该处理器将来自主控制器的命令转发到相关联的操纵器臂和器械组件，并且在例如力反馈等的情况下从器械和臂组件返回相关联的主控制器。远程手术系统的一个示例是可从加利福尼亚州桑尼维尔的直觉外科公司(IntuitiveSurgical，lnc.ofSunnyvale，Calif)购买的DA系统。各种结构布置可以用于在远程手术期间在手术部位处支撑手术器械。从动联动件或“从装置”通常被称为远程手术的操纵器，并且在微创远程手术期间用作远程手术操纵器的示例性联动件布置在美国专利No.7,594,912、No.6,758,843、No.6,246,200和No.5,800,423中进行了描述；这些专利的全部公开内容以引用方式并入本文。这些联动件通常利用平行四边形布置以保持具有轴的器械。此操纵器结构可以约束器械的移动，使得器械围绕位于空间内的操纵的远程中心沿刚性轴的长度枢转。通过将操纵的远程中心与内部手术部位的切口点对齐(例如，在腹腔镜手术期间与腹壁处的插管针或插管对齐)，可以通过使用操纵器联动件移动轴的近端来安全地定位手术器械的末端执行器，而不对腹壁施加潜在危险的力。例如，在美国专利No.7,763,015、No.6,702,805、No.6,676,669、No.5,855,583、No.5,808,665、No.5,445,166以及No.5,184,601中描述了另选的操纵器结构，其全部内容以引用方式并入本文中。多种结构布置也可以用于在远程手术期间在手术部位处支撑并定位远程手术操纵器和手术器械。支撑联动件机构(有时被称为调定接头或调定接头臂)通常用于定位每个操纵器，并且将其与患者体内的相应切口点对齐。支撑联动件机构有助于手术操纵器与期望的手术切口点和目标解剖结构的对齐。在美国专利No.6,246,200和No.6,788,018中描述了示例性支撑联动件机构，其全部内容以引用方式并入本文。虽然已经证明此类新的远程手术系统和设备是高效且有利的，从而提供大范围的配置和高度可操纵性的操纵器之间的协调移动，但在手术环境下将此移动定位被证明是有挑战性的。因此，可期望进一步的改进。如果这些改进的技术增强远程手术系统的效率和易用性，将会是特别有益的。例如，增加可操纵性、改进手术室中的空间利用率、提供更快和更容易的调定、在使用期间组织操纵器碰撞和/或减少这些新手术系统的机械复杂性和尺寸将会是特别有益的。
技术实现思路
为提供对本专利技术的基本理解，下面呈现本专利技术的一些实施例的简要概述。此概述并非本专利技术的广泛综述。并非旨在确定本专利技术的关键/至关重要的元素或者描绘本专利技术的范围。其唯一目的在于以简化的形式呈现本专利技术的一些实施例，以作为后面呈现的更加详细描述的前序。本专利技术总体提供改进的远程手术设备、系统和方法。本文描述的运动联动件结构和相关联的控制系统在患者身上执行微创手术过程中是特别有益的。此类过程常常利用多个操纵器之间的互相联系的和协调的移动，多个操纵器中的每个均是高度可配置的，从而针对手术环境内的给定端部执行器位置具有一定范围的替代性配置。出于各种原因，可期望将患者定位在特定位置和/或取向中以用于特定过程。另外，在一些过程中，可进一步期望在过程期间改变患者的位置和/或取向。例如，在进入手术工作空间内的某些区域时，某些患者位置和/或取向可以是特别有用的，或者出于各种生理原因可期望在过程期间将患者设置成处于特定的对齐(例如，沿一个或多个轴线倾斜)。由于许多远程手术系统利用与操纵器系统分离且常常可以沿多个自由度独立地定位的手术工作台，所以手术工作台的各个位置在远程手术操纵器的操作期间可以提出某些挑战，特别是在具有多个操纵器的系统中。因此，可期望此类操纵器系统具有一种装置，通过该装置可以将手术工作台和操纵器组件“配准(register)”，使得手术工作台和操纵器组件之间的空间关系可以被确定并且用于计算手术操纵器的移动。在一方面，如果此配准可以通过使用操纵器组件的现有特征来实现可以是令人期望的。在另一方面，如果可以动态地执行此类配准使得手术工作台可以在过程期间移动而不丢失操纵器组件和工作台之间的配准则可以是有用的。在一方面，本文描述的配准设备和方法可以应用于各种应用，包括非手术应用，诸如可以用于测试、模拟和/或调定，或者用于各种工业应用中，以将支撑基底与邻近的操纵器或机器人组件配准。配准方法包括基于手术工作台的配准特征的感测，确定手术工作台相对于操纵器组件的位置和/或取向。配准特征可以包括各种接触或非接触装置，以确定手术工作台相对于操纵器组件或相对于公共参考系的位置和/或取向。在一种方法中，配准特征包括在特定位置处安装到工作台的配准设备，其中组件的操纵器通过该配准设备附接到工作台。配准设备经配置约束操纵器臂沿一个或多个自由度的移动，所述一个或多个自由度对应于手术工作台的一个或多个自由度，使得通过该设备附接到工作台的操纵器的经感测接头状态能够被用于确定设备的位置和/或取向。在另一方法中，配准特征可以包括能够通过手术工作台外部的传感器被感测到的一个或多个标记、附接到工作台的线性编码器、形状传感器或适于确定手术工作台和操纵器组件或外部参考系之间的空间关系的各种其他特征。为了更充分理解本专利技术的性质和优点，应参考以下详细描述和附图。本专利技术的其他方面、目的和优点将从下面的附图和详细描述中变得显而易见。附图说明图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种配准的方法，其包括：提供具有第一操纵器的操纵器组件，所述第一操纵器从近侧基座延伸到远侧端部执行器；提供可定位在一个或多个自由度内的手术工作台，所述手术工作台具有配准特征；以及通过基于所述手术工作台的配准特征的被感测状态确定所述手术工作台和所述操纵器组件之间的空间关系，将所述操纵器组件与所述手术工作台配准。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.17 US 61/954,5381.一种配准的方法，其包括：提供具有第一操纵器的操纵器组件，所述第一操纵器从近侧基座延伸到远侧端部执行器；提供可定位在一个或多个自由度内的手术工作台，所述手术工作台具有配准特征；以及通过基于所述手术工作台的配准特征的被感测状态确定所述手术工作台和所述操纵器组件之间的空间关系，将所述操纵器组件与所述手术工作台配准。2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述操纵器组件与所述手术工作台配准包括使所述手术工作台的所述配准特征与所述第一操纵器接触。3.根据权利要求1所述的方法，其中使所述配准特征与所述第一操纵器接触包括，将所述第一操纵器的远侧部分附接到所述配准特征，使得所述第一操纵器部分的所述远侧部分沿对应于所述手术工作台定位所沿的所述一个或多个自由度的一个或多个自由度的移动受到约束。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一操纵器包括用于与手术器械联接的手术器械接口，所述手术器械接口包括经配置与用于微创孔中的插管接合的插管安装件，并且其中所述配准特征被机械地附接到所述手术工作台并且包括对应于所述插管安装件的形状和尺寸的成形配准旋钮。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述配准旋钮进一步包括取向键，所述取向键从所述成形部分突出，所述成形部分约束所述操纵器的所述远侧部分的旋转运动，使得所述配准特征约束所述操纵器的所述远侧部分沿六个自由度的运动。6.根据权利要求1所述的方法，其中接触所述配准特征包括，当附接到所述手术工作台时，将所述第一操纵器的所述插管安装件附接到所述旋钮。7.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括：在所述第一操纵器被附接到所述配准设备的同时，使用从所述第一操纵器的接头传感器获得的数据配准所述操纵器组件。8.根据权利要求7所述的方法，其中进一步包括：使所述第一操纵器与所述配准特征脱离；以及利用在计算所述操纵器的运动时所述手术工作台和所述操纵器组件之间的配准，使用所述第一操纵器执行手术过程。9.根据权利要求7所述的方法，其中所述操纵器组件包括一个或多个附加的操纵器臂，每个操纵器臂均具有远侧端部执行器，所述方法进一步包括：在所述过程期间移动所述手术工作台；以及当移动所述手术工作台时，通过维持所述第一操纵器和所述手术设备之间的附接，来维持所述操纵器组件和所述手术工作台之间的配准。10.根据权利要求1所述的方法，其中所述配准特征包括一个或多个光学标记或无线电标记，使得将所述操纵器组件和所述手术工作台配准包括光学追踪或无线电追踪相应的一个或多个标记。11.根据权利要求9所述的方法，其中配准包括利用所述手术工作台的预先确定的几何结构来确定相对的所述手术工作台的位置和/或取向。12.根据权利要求9所述的方法，其中配准包括追踪光学传感器或无线电传感器和所述手术工作台的至少三个光学标记或无线电标记之间的距离。13.根据权利要求1所述的方法，其中所述配准特征包括附接到所述手术工作台的形状传感器，使得使用相应形状传感器来确定所述工作台的位置和/或取向。14.根据权利要求13所述的方法，其中配准进一步包括将与所述手术工作台相关联的形状传感器和与所述操纵器组件相关联的形状传感器进行比较。15.根据权利要求1所述的方法，其中配准包括通过外部参考系使所述手术工作台的参考系与所述操纵器组件的参考系相关。16.根据权利要求15所述的方法，其中所述外部参考系是相对于所述操纵器组件的所述近侧基座保持固定的外部特征。17.根据权利要求15所述的方法，其中所述外部参考系是设置有所述操纵器组件和所述手术工作台的空间。18.根据权利要求15所述的方法，其中所述配准特征的状态对应于所述特征相对于所述操纵器组件的被感测位置和/或取向。19.根据权利要求1所述的方法，其中配准包括由所述配准特征的所述状态和所述手术工作台的已知几何结构来确定位置和/或取向。20.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个配准特征包括多个线性编码器，每个线性编码器均在所述手术工作台的不同位置和所述操纵器组件或相关联部件之间延伸。21.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个配准特征包括多个线性编码器，每个线性编码器均在所述手术工作台的不同位置和关于所述操纵器组件具有已知空间关系的所述手术室的固定位置之间延伸。22.根据权利要求1所述的方法，其中配准包括确定所述多个线性编码器附接到的所述不同位置中的每个和所述操纵器组件之间的间隔距离。23.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个配准特征包括在所述手术工作台的不同位置处的多个光学标记或激...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·阿兹安，J·M·松格，
申请(专利权)人：直观外科手术操作公司，
类型：发明
国别省市：美国;US