本發(fā)明專利技術(shù)公開醫(yī)療器械的控制系統(tǒng)和方法，其使用測量結(jié)果確定和控制致動(dòng)器通過器械傳動(dòng)系統(tǒng)施加的張力。使用張力和反饋允許即使當(dāng)關(guān)節(jié)位置不能與致動(dòng)器位置直接相關(guān)時(shí)也可以控制具有傳動(dòng)系統(tǒng)的醫(yī)療器械，其中傳動(dòng)系統(tǒng)提供在關(guān)節(jié)和致動(dòng)器之間的不可忽略的柔度。一個(gè)實(shí)施例根據(jù)期望關(guān)節(jié)位置和測量關(guān)節(jié)位置之間的差確定關(guān)節(jié)扭矩和張力。另一個(gè)實(shí)施例根據(jù)器械尖端的期望位置和測量位置之間的差確定關(guān)節(jié)扭矩和張力。根據(jù)關(guān)節(jié)扭矩確定張力可以利用按照從器械遠(yuǎn)端朝著器械近端的次序順序評(píng)價(jià)關(guān)節(jié)執(zhí)行。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
技術(shù)介紹
微創(chuàng)醫(yī)療程序通常采用借助于計(jì)算機(jī)或通過計(jì)算機(jī)接口控制的器械。例如，圖1示出具有被簡化以用于圖示一些當(dāng)前自動(dòng)控制的醫(yī)療器械的基本工作原理的結(jié)構(gòu)的自動(dòng)控制器械100。(本文中使用的術(shù)語“機(jī)器人”或“自動(dòng)”等包括遙控操作裝置或遙控機(jī)器人方面。)器械100包括在細(xì)長軸或主管120遠(yuǎn)端處的工具或末端執(zhí)行器110。在圖示的示例中，末端執(zhí)行器110是顎式工具，諸如具有分離的夾片112和114的鉗子或剪刀，并且至少夾片112可移動(dòng)從而相對(duì)于夾片114打開或閉合。在醫(yī)療程序期間的使用中，主管120遠(yuǎn)端上的末端執(zhí)行器110可以通過病人身體中的小切口插入并且定位在病人身體內(nèi)的工作部位。然后，例如，在執(zhí)行手術(shù)任務(wù)期間，夾片112可以打開和閉合，因此必須進(jìn)行精確控制夾片以便僅執(zhí)行期望的移動(dòng)。除了打開和閉合夾片112和114之外，實(shí)際醫(yī)療器械一般將需要許多運(yùn)動(dòng)自由度，以便執(zhí)行醫(yī)療程序。主管120的近端附連至傳動(dòng)或驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)130，傳動(dòng)或驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有時(shí)被稱為后端機(jī)構(gòu)130。腱122和124，可以是多股絞線、桿、管或這種結(jié)構(gòu)的組合，其從后端機(jī)構(gòu)130延伸通過主管120并附連至末端執(zhí)行器110。典型的手術(shù)器械還將包括將后端機(jī)構(gòu)130連接到末端執(zhí)行器110的其他致動(dòng)構(gòu)件、腕機(jī)構(gòu)(未示出)或主管120中的致動(dòng)椎骨的額外的腱，以便后端機(jī)構(gòu)130可以操縱腱以操作器械100的末端執(zhí)行器110和/或其他致動(dòng)元件。圖1示出了具有提供夾片112的單運(yùn)動(dòng)自由度的樞接結(jié)構(gòu)116的夾片112。兩個(gè)鍵122和124附連至夾片112和后端機(jī)構(gòu)130中的滑輪132，以便滑輪132的轉(zhuǎn)動(dòng)引起夾片112轉(zhuǎn)動(dòng)。滑輪132附連至驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 140，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)可以位于機(jī)械臂(未示出)的末端，控制系統(tǒng)150電控制驅(qū)動(dòng)馬達(dá)140。控制系統(tǒng)150 —般包括計(jì)算系統(tǒng)以及適當(dāng)?shù)能浖⒐碳屯鈬布３似渌δ埽刂葡到y(tǒng)150 —般還為外科醫(yī)生或其他系統(tǒng)操作人員提供工作部位和末端執(zhí)行器110的圖像(例如，立體視圖)，并且提供控制裝置或操縱器，外科醫(yī)生可以操作控制裝置或操縱器來控制末端執(zhí)行器110的移動(dòng)。用于解釋控制裝置的用戶操縱和生成引起夾片112的對(duì)應(yīng)移動(dòng)的馬達(dá)信號(hào)所需的軟件或固件在實(shí)際機(jī)器人醫(yī)療器械中一般是復(fù)雜的。為了考慮控制任務(wù)的一部分，用于驅(qū)動(dòng)馬達(dá)140的控制信號(hào)的生成一般利用夾片112的角度或位置與驅(qū)動(dòng)馬達(dá)140或后端機(jī)構(gòu)130中的滑輪132的角度或位置之間的關(guān)系。如果腱122和124是剛性的(例如，如果腱的拉伸可以忽略不計(jì))，則控制系統(tǒng)150在確定按照外科醫(yī)生的指示移動(dòng)夾片112所需的控制信號(hào)時(shí)，可以利用驅(qū)動(dòng)馬達(dá)140的角位置與夾片112的角位置之間的直接關(guān)系，其由器械100的幾何結(jié)構(gòu)限定。腱122和124例如在工作負(fù)載下的微小拉伸可以通過馬達(dá)位置和執(zhí)行器位置相關(guān)的某些數(shù)學(xué)模型處理。然而，如果包括末端執(zhí)行器110、腱122和124以及后端機(jī)構(gòu)130的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有高度的柔度，那么馬達(dá)140 (或滑輪132)的角位置與夾片112的角位置之間的關(guān)系很難或不可能以足夠準(zhǔn)確度對(duì)醫(yī)療器械建模。因此，這些系統(tǒng)需要不依賴于應(yīng)用的致動(dòng)器控制信號(hào)和致動(dòng)元件的位置之間的固定關(guān)系的控制過程。應(yīng)當(dāng)注意，在下面，醫(yī)療器械的關(guān)節(jié)可以是樞接結(jié)構(gòu)或者是為器械尖端提供一個(gè)或多個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的結(jié)構(gòu)。例如，關(guān)節(jié)可以是連續(xù)撓性部段或者是近似連續(xù)撓性部段的樞轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或不完全旋轉(zhuǎn)但也提供滾動(dòng)接合的單個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的組合。例如參見Cooper等人的標(biāo)題為“Flexible Wrist for Surgical Tool”的美國專利US7, 320，700和Cooper等人的標(biāo)題為“Surgical Tool Having a Positively Positionable Tendon-Actuated Mult1-diskWrist Joint” 的美國專利 US6, 817，974。還應(yīng)當(dāng)注意，在醫(yī)療機(jī)器人器械控制的領(lǐng)域的狀態(tài)中，致動(dòng)器位置是伺服控制的，從而產(chǎn)生期望的器械尖端運(yùn)動(dòng)或定位。實(shí)際上只要致動(dòng)器和器械關(guān)節(jié)之間的傳動(dòng)系統(tǒng)是剛性的，這種方法就是有效的。例如參見標(biāo)題為“Camera Referenced Control in aMinimally Invasive Surgical Apparatus”的美國專利 US6, 424，885。如果可以準(zhǔn)確地建模傳動(dòng)系統(tǒng)的撓性，該方法也可以是有效的，模型包括在控制器中，這在Barbagli等人的標(biāo)題為“Robotic Instrument Control System”的美國專利申請 N0.2009/0012533A1 中進(jìn)行描述。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
根據(jù)本專利技術(shù)一方面，具有多個(gè)自由度的器械的控制系統(tǒng)和方法使用器械的當(dāng)前構(gòu)形/速度和器械的期望構(gòu)形/速度之間的差來確定和控制近端致動(dòng)器通過一組傳動(dòng)系統(tǒng)施加到器械的力。使用施加的力和指示醫(yī)療器械的結(jié)果構(gòu)形的反饋允許對(duì)醫(yī)療器械的自動(dòng)控制，即使器械的傳動(dòng)系統(tǒng)具有近端致動(dòng)器和遠(yuǎn)處致動(dòng)元件之間的不可忽略的柔度。反饋方法特別允許精確的器械操作，即使在器械的構(gòu)形不能直接從近端致動(dòng)器的位置推斷出時(shí)。在本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，測量或另外確定末端執(zhí)行器或尖端的構(gòu)形，并且在確定實(shí)現(xiàn)期望的尖端構(gòu)形所需的關(guān)節(jié)力矩和施加的力的過程中，采用尖端的當(dāng)前構(gòu)形和期望構(gòu)形之間的差。該控制方法的實(shí)施例可以允許選擇尖端的動(dòng)態(tài)行為，從而例如利于器械與組織的相互作用，同時(shí)允許器械其他部分中的靈活性。·在本專利技術(shù)的另一個(gè)實(shí)施例中，測量器械中每個(gè)關(guān)節(jié)的構(gòu)形，當(dāng)前關(guān)節(jié)構(gòu)形和期望關(guān)節(jié)構(gòu)形之間的差被用于確定將所有關(guān)節(jié)移動(dòng)到期望構(gòu)形所需的致動(dòng)器力。本專利技術(shù)的一個(gè)具體實(shí)施例是包括多個(gè)關(guān)節(jié)、致動(dòng)器和傳動(dòng)系統(tǒng)的醫(yī)療系統(tǒng)。該傳動(dòng)系統(tǒng)具有分別耦連到致動(dòng)器的近端，并且每個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)具有附連到多個(gè)關(guān)節(jié)中的相關(guān)聯(lián)的一個(gè)關(guān)節(jié)的遠(yuǎn)端，從而允許鉸接相關(guān)聯(lián)關(guān)節(jié)的力傳動(dòng)。醫(yī)療系統(tǒng)中的傳感器測量關(guān)節(jié)或器械尖端的構(gòu)形，操作致動(dòng)器將力施加到傳動(dòng)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)接收來自傳感器的構(gòu)形測量結(jié)果，并且使用該構(gòu)形測量結(jié)果確定施加到傳動(dòng)系統(tǒng)的致動(dòng)力。本專利技術(shù)的另一個(gè)具體實(shí)施例是用于控制醫(yī)療器械的方法。該方法包括:測量醫(yī)療器械的多個(gè)關(guān)節(jié)的構(gòu)形；接收指示該醫(yī)療器械的期望構(gòu)形的命令；確定將相應(yīng)致動(dòng)器連接到關(guān)節(jié)的傳動(dòng)系統(tǒng)中的各張力；和操作致動(dòng)器以將力分別施加到傳動(dòng)系統(tǒng)。確定施加的力不依賴于致動(dòng)器的位置。附圖說明圖1示出已知自動(dòng)控制的醫(yī)療器械的零件。圖2示出可以利用根據(jù)本專利技術(shù)實(shí)施例的控制過程操作的醫(yī)療器械，其控制通過柔性傳動(dòng)系統(tǒng)施加的力以便控制器械的鉸接椎骨。圖3A示出醫(yī)療器械，其中可以用傳動(dòng)系統(tǒng)操作根據(jù)本專利技術(shù)實(shí)施例的控制過程，該傳動(dòng)系統(tǒng)具有用于操作機(jī)械關(guān)節(jié)的最小和最大力傳遞。圖3B示出其中關(guān)節(jié)包括連續(xù)撓性結(jié)構(gòu)的本專利技術(shù)實(shí)施例。圖3C示出用于控制圖3B中關(guān)節(jié)的單運(yùn)動(dòng)自由度的一對(duì)腱的位置。圖4示意性示出機(jī)器人醫(yī)療系統(tǒng)并具體示出本專利技術(shù)實(shí)施例中使用的控制遠(yuǎn)處關(guān)節(jié)的量，該遠(yuǎn)處關(guān)節(jié)通過柔性傳動(dòng)系統(tǒng)連接到致動(dòng)器。圖5A是根據(jù)本專利技術(shù)實(shí)施例的控制過程的流程圖。圖5B是用于確定與致動(dòng)器速度和關(guān)節(jié)速度之差相關(guān)聯(lián)的張力校正的過程的流程圖。圖5C是用于確定與操縱相同關(guān)節(jié)的致動(dòng)器速度之差相關(guān)聯(lián)的張力校正的過程的流程圖。圖示出最大施加張力和最小施加張力的控制的函數(shù)。圖6本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：S·K·W·奧，G·M·普里斯科，
申請(專利權(quán))人：直觀外科手術(shù)操作公司，
類型：
國別省市：
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