提供位置測量的醫療器械中的驅動力控制制造技術

本發明專利技術公開一種用于遠距離接頭的控制系統和方法，該控制系統和方法利用位置測量確定并控制致動器通過連接件施加于該接頭的力。力和反饋的利用能夠控制具有在該接頭和近端致動器之間提供不能忽略的柔順性的連接件的醫療器械，特別是即便當該遠端接頭的位置不能與近端馬達位置直接相關也能夠允許精確的器械操作。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】提供位置測量的醫療器械中的驅動力控制
技術介紹
微創醫療手術經常利用借助于計算機或通過計算機接口控制的器械。例如，圖I示出一種自動控制的器械100，該器械具有簡化的結構以便舉例說明一些當前自動控制的醫療器械的基本工作原理(正如這里所使用的，術語“自動”或“自動地”等包括遠程操作或遠程遙控方面)。器械100包括在細長軸或主管120遠端的工具或末端執行器110。在舉例說明的例子中，末端執行器110是諸如鉗子或剪刀的有夾爪的工具，該夾爪工具具有分開的夾爪112和114，并且至少夾爪112是可動的以便相對于夾爪114打開或閉合。在醫療手術期間的使用中，主 管120遠端上的末端執行器110可以通過病人身上的小切口插入并且定位在病人身體里面的工作部位。例如，在進行外科手術期間，之后夾爪112可以打開或閉合，因此必需被精確地控制以便僅僅進行希望的運動。實際的醫療器械除了夾爪112和114的打開和閉合之外通常還需要許多運動自由度，以便進行醫療手術。主管120的近端連接于有時候叫做后端機構130的傳動或驅動機構130。可以是絞合纜線、桿、管子或這些結構的組合的筋(tendon) 122和124從后端機構130延伸通過主管120并連接于末端執行器110。常用的外科器械還包括將后端機構130連接于其他被致動構件或末端執行器110的接頭的附加筋(未示出)、肘節機構(未示出)或甚至主管120中的被致動脊骨(vertebrae)，以便后端機構130能夠操縱該筋來操作器械的末端執行器110和/或其他被致動元件。圖I示出具有銷接頭結構116的夾爪112，該銷接頭結構為夾爪112提供單個自由度運動。兩個筋122和124連接于夾爪112和后端機構130內的滑輪132，使得滑輪132的旋轉導致夾爪112的轉動。滑輪132連接于驅動馬達140，該驅動馬達可以在機構臂(未示出)的端部，并且控制系統150電控制驅動馬達140。控制系統150 —般包括具有合適的軟件、硬件和外圍硬件的計算系統。除了其他功能之外，控制系統150還能夠實現為外科 醫生或其他系統操作者提供工作部位和末端執行器110的圖像的界面，并且界面還提供外科醫生能夠操縱來控制末端執行器110的運動的控制裝置。在實時自動控制醫療器械中用于解釋控制裝置的使用者操縱和用于生成導致夾爪112的相應運動的馬達信號所需要的軟件或硬件通常很復雜。考慮到一部分控制任務，用于驅動馬達140的控制信號的生成通常利用夾爪112的角度或位置與后端機構130內的驅動馬達140或滑輪132的角度或位置之間的關系。如果筋I 22和124是極度剛性的(例如，如果筋的拉伸可以忽略)，則在確定如外科醫生所引導地移動夾爪112所需要的控制信號時，控制系統150可以利用驅動馬達140的角度位置和由器械100的幾何形狀限定的夾爪112的角度位置之間的直接關系。例如，在工作載荷下，筋122和124的微小拉伸，可以通過使驅動馬達位置與末端執行器位置相關的一些數學模型來處理。但是，如果包括末端執行器110、筋122和124以及后端機構130的機械結構具有高度的柔順性，則馬達140 (或滑輪132)的角度位置和夾爪112的角度位置之間的關系很難或不可能被精確地建模。因此，這種系統需要不依靠所施加的致動器控制信號和被致動元件的位置之間的固定的關系的控制處理。
技術實現思路
根據本專利技術的一方面，控制系統和方法利用遠端位置反饋來確定并控制一個或更多個近端致動器經由機械連接件(linkage)施加于接頭(joint)的力。力控制和遠端反饋的利用能夠允許自動控制包括在接頭和近端致動器之間具有不可忽略的柔順性的機械連接件的醫療器械，并且具體地即便在遠端接頭的位置不能從近端馬達位置直接推導出時，也能夠提供精確的器械操作。此外，利用力控制也能夠允許有源控制醫療器械中的遠端接頭，以提供希望的接頭剛性。例如，接頭的剛性能夠保持在實現醫療功能(例如操縱組織)所需的范圍內，或當將器械插入小體腔中時能夠實現更大的柔順性，以避免損傷周圍組織。而且，通過利用力控制和遠端反饋，控制系統能夠與致動器的位置獨立地提供醫療器械接頭的位置控制和剛性控制兩者。本專利技術一個具體實施例是一種醫療系統，其包括致動器、接頭、連接件、傳感器和控制系統。該連接件具有連接于接頭的第一端和機械地連接于該致動器的第二端，以允許傳遞用于接頭的鉸接的力。該傳感器被連接以測量該接頭的位置；并且該控制系統被連接以接收位置測量。控制系統利用位置測量以確定如何調節從致動器傳遞給連接件的致動器 力。本專利技術另一個具體實施例是用于控制醫療器械的接頭的方法。該方法大體包括測量接頭的位置；接收指示該接頭的希望位置的命令；確定致動器力，該致動器力決定于該接頭的測量位置和希望位置但是不決定于該致動器的位置；以及操作致動器以對連接于該接頭的連接件施加致動器力。確定致動器力可以包括計算決定于接頭位置和該接頭的希望位置的函數值。附圖說明圖I圖示說明已知的自動控制的醫療器械的特征。圖2是醫療器械的框圖，其中根據本專利技術實施例的力控制過程可以與柔順驅動一起使用。圖3A是醫療器械的框圖，其中根據本專利技術實施例的力控制過程可以與具有最小和最大力傳輸的驅動連接件一起使用。圖3B示出本專利技術的實施例，其中所控制的接頭是連續可彎曲的結構。圖4示意地示出自動醫療系統并且具體示出通過柔順機械連接件連接于致動器的遠程接頭的控制中所用的量。圖5是根據本專利技術實施例的控制過程的流程圖。圖6是用于確定與致動器速度和接頭速度之間的差有關的張力分布的過程的流程圖。圖7是用于確定與操作同一個接頭的兩個致動器的速度之間的差有關的張力分布的過程的流程圖。圖8示出控制最大和最小施加張力的力函數。不同附圖中的相同的參考符號表示類似的或相同的物件。具體實施方式根據本專利技術的一方面，醫療器械中的遠程接頭可以通過在致動器位置和接頭位置之間不具有固定關系的連接件來控制。具體說，系統操作者(例如外科醫生)的動作能夠表示該遠程接頭的當前希望位置和速度，而傳感器測量該遠程接頭的實際位置。于是利用希望位置和測量位置可以計算力、張力或力矩并通過連接件將其施加成將遠程接頭從其實際位置朝著希望位置移動。(一般而言，醫療器械中的力或張力與力矩成比例，且比例系數由固定的因素限定，即力臂，該力臂由該器械的機械的或幾何的性質設定，以便力、張力或力矩中的任何一個的計算將表示該另外兩個的值)。如果前面計算的施加的力導致接頭過沖或不能到達希望位置，則可以修正或改變致動器施加的力的計算。圖2示出，例如，美國專利申請號12/494，797公開的名稱為“柔順的外科裝置”的具有驅動連接件的柔順的醫療器械200的一部分，其整個內容通過參考結合于此。器械200包括通過控制筋(tendon)222和224中的相應張力而被操縱/操作的連接元件210。一般來說，器械200可以包含許多類似于連接元件210的機械接頭，并且每個接頭均可以利用類似于筋222和224的筋被控制。在示范性的實施例中，器械200是能夠被操作成沿著病人體內的天然體腔而行進的進入導向器。進入導向器通常包括圍繞脊骨(包括元件210)的柔性外部鞘(未示出)，并且提供一個或更多個中心腔，為了通達到工作部位，其他醫療器械能 夠通過所述中心腔插入。在進入導向器中柔本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：G·M·普里斯科，S·K·W·奧，
申請(專利權)人：直觀外科手術操作公司，
類型：
國別省市：