用于機(jī)器人外科手術(shù)的系統(tǒng)和方法技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種外科操縱器，其用于操縱外科器械和從外科器械延伸的能量施加器。外科操縱器包括至少一個(gè)控制器，所述至少一個(gè)控制器被構(gòu)造成用以確定受控姿態(tài)，能量施加器前進(jìn)到該受控姿態(tài)，其中基于多個(gè)力和轉(zhuǎn)矩信號(hào)的和來確定該受控姿態(tài)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】用于機(jī)器人外科手術(shù)的系統(tǒng)和方法相關(guān)申請的交叉參考本申請要求2012年8月3日提交的美國臨時(shí)專利申請No.61/679,258和2013年3月15日提交的美國臨時(shí)專利申請No.61/792,251的優(yōu)先權(quán)，這兩件申請的權(quán)益和公開內(nèi)容全文以引用方式并入。
本專利技術(shù)整體涉及外科操縱器。更具體地，本專利技術(shù)涉及能夠以手動(dòng)或半自動(dòng)模式操作的外科操縱器。
技術(shù)介紹
近來，執(zhí)業(yè)醫(yī)師已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用機(jī)器人裝置來輔助進(jìn)行外科手術(shù)是有用的。機(jī)器人裝置通常包括活動(dòng)臂，該活動(dòng)臂包括一個(gè)或多個(gè)聯(lián)結(jié)機(jī)構(gòu)。該臂具有自由的遠(yuǎn)側(cè)端部，該遠(yuǎn)側(cè)端部能夠以非常高的精確度放置。設(shè)計(jì)成應(yīng)用于外科手術(shù)部位的外科器械附接到該臂的自由端部。執(zhí)業(yè)醫(yī)師能夠精確地定位該臂，以便通過外推法將外科器械精確地定位在患者身上該器械將要進(jìn)行醫(yī)療或外科手術(shù)的部位處。使用機(jī)器人系統(tǒng)以保持器械的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，與外科醫(yī)生的手和臂不同，系統(tǒng)的臂不會(huì)經(jīng)受肌肉張緊或諸如抽搐的神經(jīng)性動(dòng)作。從而，與器械是手持式的并且因此用手定位的情況相比，使用醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地保持器械，或者以較高的精確度沿著預(yù)定的路徑移動(dòng)器械。另外的某些機(jī)器人外科系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成與外科導(dǎo)航系統(tǒng)一起使用。外科導(dǎo)航系統(tǒng)是這樣一種系統(tǒng)，其能夠生成數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)提供外科器械相對(duì)于器械所施加的患者的位置的較為精確的指示。當(dāng)向外科機(jī)器人系統(tǒng)提供表明器械相對(duì)于患者的位置的數(shù)據(jù)時(shí)，機(jī)器人系統(tǒng)能夠定位該器械，以確保其施加到患者的該器械預(yù)期將要施加到的組織上。這基本上消除了器械將施加到該器械不應(yīng)當(dāng)施加到的組織上的可能性。某些醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成以被稱為“半自動(dòng)”模式的模式進(jìn)行工作。在這種操作模式中，機(jī)器人系統(tǒng)致動(dòng)臂，以使得器械沿著預(yù)先編程的路徑相對(duì)于患者的組織進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。這在例如器械是某些類型的切割裝置并且具體手術(shù)的目的是去除患者組織的預(yù)定部分的情況下是有用的。借助于參考，如果機(jī)器人系統(tǒng)以“自動(dòng)”操作模式進(jìn)行操作，那么一旦被致動(dòng)，機(jī)器人就在基本上沒有來自外科醫(yī)生的輸入的情況下進(jìn)行手術(shù)。在“半自動(dòng)”操作模式中，執(zhí)業(yè)醫(yī)師能夠發(fā)出命令，以控制機(jī)器人的操作。例如，一些半自動(dòng)機(jī)器人被構(gòu)造成使得，為了機(jī)器人能夠移動(dòng)該器械，執(zhí)業(yè)醫(yī)師必須通過連續(xù)地壓下與機(jī)器人相關(guān)的控制按鈕或開關(guān)來啟動(dòng)命令。在執(zhí)業(yè)醫(yī)師拒絕啟動(dòng)命令的情況下，機(jī)器人至少暫時(shí)停止器械的前進(jìn)。某些機(jī)器人系統(tǒng)不是傳統(tǒng)的機(jī)器人，原因在于一旦被啟動(dòng)，它們不會(huì)使得附接的器械沿著預(yù)先編程的行進(jìn)路徑自動(dòng)地運(yùn)動(dòng)。這些系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)，執(zhí)業(yè)醫(yī)師通過該控制系統(tǒng)輸入表明附接的器械將要定位在何處的命令。根據(jù)這些執(zhí)業(yè)醫(yī)師輸入的命令，這種類型的系統(tǒng)致動(dòng)系統(tǒng)的臂/多個(gè)臂，以引起器械的基本上同時(shí)的、實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)。這些機(jī)器人系統(tǒng)被認(rèn)為是以手動(dòng)模式進(jìn)行操作的。迄今為止，難以提供一種這樣的機(jī)器人系統(tǒng)，其能夠在單次手術(shù)期間在半自動(dòng)操作模式和手動(dòng)操作模式之間切換。例如，據(jù)信外科醫(yī)生可能多次期望初始手動(dòng)地操作器械，以去除大質(zhì)量的組織。手術(shù)的這個(gè)部分有時(shí)候稱為減瘤。然后，為了去除組織以限定剩余組織的表面，外科醫(yī)生可能期望機(jī)器人系統(tǒng)半自動(dòng)地進(jìn)行器械的精細(xì)定位。手術(shù)的這個(gè)部分有時(shí)候被稱為精切割。此外，有時(shí)候可能期望從器械的半自動(dòng)定位切換回到手動(dòng)定位。例如，在整形外科關(guān)節(jié)置換術(shù)中，執(zhí)業(yè)醫(yī)師可能期望器械(切割工具)眼編程的路徑運(yùn)動(dòng)，以便精確地成形該器械所要應(yīng)用的骨骼。這種精確骨骼成形方便了植入物精確配合到通過切割工具暴露的骨骼的表面。然而，可能存在這樣的狀況，其中在手術(shù)開始之后，明顯該器械可能與外科部位處的目標(biāo)碰撞，這樣的接觸是不期望的。該目標(biāo)可能是已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到外科部位中的組織或者定位在該部位處的第二器械。在這種狀況中，執(zhí)業(yè)醫(yī)師應(yīng)當(dāng)能夠即刻中斷工具的編程的運(yùn)動(dòng)，手動(dòng)地控制該工具以重新定位該器械，然后使工具返回到編程的運(yùn)動(dòng)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)提供一種外科操縱器，其用于操縱外科器械和從外科器械延伸的能量施加器。外科操縱器還包括至少一個(gè)控制器，控制器被構(gòu)造成用以使能量施加器前進(jìn)。在一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)控制器被構(gòu)造成用以確定受控姿態(tài)，能量施加器前進(jìn)到該受控姿態(tài)，其中基于多個(gè)力和轉(zhuǎn)矩信號(hào)的和來確定該受控姿態(tài)。在另一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)控制器被構(gòu)造成用以將外科器械和能量施加器模擬為虛擬剛性本體。在另一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)控制器被構(gòu)造成用以以手動(dòng)模式或半自動(dòng)模式操作外科操縱器。在另一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)控制器包括進(jìn)給速率計(jì)算器，該進(jìn)給速率計(jì)算器被構(gòu)造成用以計(jì)算器械進(jìn)給速率。在另一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)控制器包括材料登記模塊，該材料登記模塊被構(gòu)造成用以收集與能量施加器已經(jīng)施加到材料體積所處的位置相關(guān)的數(shù)據(jù)。在這里還可以想到本專利技術(shù)的其它實(shí)施例。附圖說明本專利技術(shù)具體在權(quán)利要求中指明。從以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中，可以理解本專利技術(shù)的上述和其它特征和優(yōu)點(diǎn)，其中：圖1為本專利技術(shù)的操縱器如何用來使外科器械在患者身上定位和前進(jìn)的概略視圖；圖2為本專利技術(shù)的操縱器的透視圖，外科器械和導(dǎo)航跟蹤器附接到該操縱器；圖2A和2B分別為下垂物的俯視圖和側(cè)視圖，該下垂物用來調(diào)節(jié)操縱器的操作；圖3為操縱器的前視圖；圖4為操縱器的臂的透視圖；圖5為操縱器的臂的可供選擇的透視圖；圖6為操縱器的臂的側(cè)視圖，其中在近景中看到下部臂；圖7為操縱器的臂的俯視圖；圖8為端部執(zhí)行器和外科器械的側(cè)視圖，這里動(dòng)力鉆頭附接到端部執(zhí)行器；圖9為端部執(zhí)行器和附接的外科器械的前視圖；圖10為端部執(zhí)行器和附接的外科器械的透視圖；圖11為多個(gè)處理器的方框圖，這些處理器共同配合以控制操縱器和附接的外科器械的致動(dòng)；圖12為與患者以及調(diào)節(jié)操縱器的致動(dòng)的各元件相關(guān)的不同坐標(biāo)系的示意圖；圖13A至13E形成軟件模塊的方框圖，這些軟件模塊運(yùn)行以調(diào)節(jié)操縱器的致動(dòng)；圖14為形成接頭致動(dòng)器之一的部件的方框圖；圖15A為骨骼的側(cè)視圖，示出了如何形成工具路徑以限定外科器械施加到的骨骼區(qū)段；圖15B為骨骼的俯視圖，示出了工具繪圖的布置；圖15C示出了單個(gè)工具路徑如何能夠包括一組不同長度和取向的路徑節(jié)段；圖16A-16D示出了處于工具路徑力計(jì)算器內(nèi)的子模塊；圖17示意性地示出了工具路徑節(jié)段如何被滾動(dòng)平均過濾器平均；圖18A至18D是一組示意圖，示出了如何生成取向調(diào)節(jié)器所用的點(diǎn)和邊界；圖19為曲線圖，示出了器械相對(duì)于目標(biāo)取向的偏移與取向調(diào)節(jié)器確定的應(yīng)當(dāng)施加到虛擬剛性本體以補(bǔ)償該偏移的力之間的關(guān)系；圖20A、20B和20C示意性地示出了通過切割引導(dǎo)器執(zhí)行的能量施加器的重新定位；圖21A、21B和21C形成由切割引導(dǎo)器執(zhí)行的處理步驟的流程圖；圖22示出了限定了最靠近能量施加器的貼片的邊界如何可能不是施加器最有可能相交的貼片，圖23A和23B為示意圖，示出了由于切割引導(dǎo)器防止能量施加器運(yùn)動(dòng)超過限定的邊界而導(dǎo)致器械和能量施加器承受的速度變化；圖23C為示意圖，示出了由于切割引導(dǎo)器防止能量施加器運(yùn)動(dòng)超過限定的邊界而導(dǎo)致器械和能量施加器承受的位置變化；圖24為可能產(chǎn)生接頭限制約束力的過程的流程圖；圖25為可能產(chǎn)生干涉角度約束力的過程的流程圖；圖26為可能產(chǎn)生工作空間約束力的過程的流程圖；圖27為器械管理器的輸入和輸出的方框圖；圖28A-28G共同形成當(dāng)器械進(jìn)行半自動(dòng)前進(jìn)時(shí)由操縱器執(zhí)行的過程步驟的流程圖；圖29A和29B分別為俯視圖和側(cè)視圖，示意性地示出了當(dāng)處于半自動(dòng)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種外科操縱器，其用于操縱外科器械和從所述外科器械延伸的能量施加器，所述外科操縱器包括：至少一個(gè)控制器，所述至少一個(gè)控制器被構(gòu)造成用以確定受控姿態(tài)，所述能量施加器前進(jìn)到所述受控姿態(tài)，其中基于多個(gè)力和轉(zhuǎn)矩信號(hào)的和來確定所述受控姿態(tài)。

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2012.08.03 US 61/679,258;2013.03.15 US 61/792,2511.一種外科操縱器，其用于操縱外科器械和從所述外科器械延伸的能量施加器，所述外科操縱器包括：開關(guān)；至少一個(gè)控制器，所述至少一個(gè)控制器被構(gòu)造成用以：控制所述外科操縱器處于手動(dòng)模式或半自動(dòng)模式的操作，其中所述外科操縱器處于所述半自動(dòng)模式的操作使所述能量施加器沿著工具路徑前進(jìn)；基于多個(gè)力和轉(zhuǎn)矩的和確定受控姿態(tài)，所述能量施加器前進(jìn)到所述受控姿態(tài)，其中所述多個(gè)力和轉(zhuǎn)矩包括計(jì)算的力和轉(zhuǎn)矩，所述計(jì)算的力和轉(zhuǎn)矩被計(jì)算成用以使所述外科器械在所述半自動(dòng)模式中前進(jìn)和取向；以及通過響應(yīng)于所述開關(guān)的致動(dòng)而選擇性地調(diào)節(jié)所述多個(gè)力和轉(zhuǎn)矩來進(jìn)行所述手動(dòng)模式和半自動(dòng)模式之間的過渡。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外科操縱器，其中所述至少一個(gè)控制器進(jìn)一步被構(gòu)造成用以基于所述多個(gè)力和轉(zhuǎn)矩的和來確定受控速度，所述能量施加器以所述受控速度前進(jìn)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外科操縱器，其中所述至少一個(gè)控制器被構(gòu)造成用以響應(yīng)于在所述半自動(dòng)模式期間用戶施加到所述外科器械的力和轉(zhuǎn)矩超過極限而從所述半自動(dòng)模式過渡到所述手動(dòng)模式。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外科操縱器，其中選擇性地調(diào)節(jié)所述多個(gè)力和轉(zhuǎn)矩包括以下步驟中的一個(gè)或多個(gè)：將加權(quán)系數(shù)施加到一個(gè)或多個(gè)力或轉(zhuǎn)矩；將一個(gè)或多個(gè)力或轉(zhuǎn)矩的值設(shè)定為零；以及增大或減小一個(gè)或多個(gè)力或轉(zhuǎn)矩。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外科操縱器，其還包括至少一個(gè)臂，所述至少一個(gè)臂用于在一個(gè)端部處連接到外科器械，所述至少一個(gè)臂具有多個(gè)聯(lián)結(jié)件，其中兩個(gè)聯(lián)結(jié)件之間的連接形成接頭，并且其中兩個(gè)聯(lián)結(jié)件之間的角度形成接頭角度。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的外科操縱器，其中所述至少一個(gè)控制器包括多個(gè)模塊，并且其中所述多個(gè)模塊中的至少一個(gè)模塊是行為控制模塊，所述行為控制模塊被構(gòu)造成用以確定所述受控姿態(tài)，并且其中所述多個(gè)模塊中的至少另一個(gè)模塊是運(yùn)動(dòng)控制模塊，所述運(yùn)動(dòng)控制模塊被構(gòu)造成用以確定接頭角度，所述接頭角度根據(jù)所述受控姿態(tài)來定位所述能量施加器。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的外科操縱器，其中所述運(yùn)動(dòng)控制模塊進(jìn)一步被構(gòu)造成用以確定兩個(gè)或更多個(gè)可能碰撞的聯(lián)結(jié)件之間的最小距離。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的外科操縱器，其中所述運(yùn)動(dòng)控制模塊進(jìn)一步被構(gòu)造成用以生成干涉限制力，所述干涉限制力將沿著所述可能碰撞的聯(lián)結(jié)件之間的最小距離的線施加，以防止所述外科操縱器運(yùn)動(dòng)成導(dǎo)致所述最小距離減小。9...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：D·G·鮑林，J·M·斯圖爾特，J·A·卡爾普，D·W·馬拉克沃斯基，J·L·莫克特蘇馬·德拉巴雷拉，P·勒斯勒爾，J·N·比爾，J·凱琴爾，
申請(專利權(quán))人：史賽克公司，
類型：發(fā)明
國別省市：美國;US