控制用于在外科手術(shù)期間操縱患者的解剖結(jié)構(gòu)的機器人系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法
【專利說明】控制用于在外科手術(shù)期間操縱患者的解剖結(jié)構(gòu)的機器人系統(tǒng) 的系統(tǒng)和方法
[0001] 對相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本主題專利申請要求于2013年9月30日提交的美國臨時專利申請No . 61/884，500 的優(yōu)先權(quán)和所有權(quán)益，該申請通過引用被結(jié)合于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明一般而言涉及控制在外科手術(shù)期間用來治療患者的解剖結(jié)構(gòu)的機器人系 統(tǒng)的系統(tǒng)和方法。更具體而言，本發(fā)明的一個方面涉及基于解剖結(jié)構(gòu)對施加在該解剖結(jié)構(gòu) 上的力的響應來控制機器人系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004] 醫(yī)務人員，諸如醫(yī)生，最近發(fā)現(xiàn)使用機器人系統(tǒng)執(zhí)行外科手術(shù)的好處。這種機器人 系統(tǒng)通常包括可移動的臂。可移動的臂具有自由的遠端，該遠端能夠以非常高的精度被定 位。手術(shù)器械被附連到臂的自由端。手術(shù)器械被設計為應用到手術(shù)部位。
[0005] 在早期的機器人系統(tǒng)中，醫(yī)務人員在手術(shù)支架中剛性地固定患者，由此在靜態(tài)患 者坐標系中固定手術(shù)部位。但是，最近的機器人系統(tǒng)采用允許患者的輕微運動的手術(shù)支架。 從而，現(xiàn)代手術(shù)支架不在靜態(tài)患者坐標系中剛性地固定手術(shù)部位。
[0006] 允許手術(shù)部位的運動的一個缺點是，在機器人系統(tǒng)的自主操作期間，手術(shù)部位過 于松散地被固定的可能性。在這種情況下，機器人系統(tǒng)的位置控制回路不斷嘗試到達手術(shù) 部位處的目標，而同時又不斷地推目標使其不可及。其結(jié)果是，手術(shù)器械在手術(shù)部位不準確 地定位，由此增加了外科手術(shù)不必要的延遲。
[0007] 從而，期望開發(fā)一種機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以補償這些狀況或完全預防這些狀況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 在一種實施例中，提供了用于在外科手術(shù)期間操縱患者的解剖結(jié)構(gòu)的機器人系 統(tǒng)。施力設備被配置為向解剖結(jié)構(gòu)施力，以便由解剖結(jié)構(gòu)生成響應。響應測量設備被配置為 測量解剖結(jié)構(gòu)的響應。解剖結(jié)構(gòu)具有特性并且控制器被配置為基于響應計算解剖結(jié)構(gòu)的特 性。器械被配置為操縱解剖結(jié)構(gòu)。控制器基于計算出的特性相對于解剖結(jié)構(gòu)自主地控制器 械。
[0009] 在一種實施例中，提供了控制用于在外科手術(shù)期間操縱患者的解剖結(jié)構(gòu)的機器人 系統(tǒng)的方法。解剖結(jié)構(gòu)具有特性。機器人系統(tǒng)包括器械并被配置為自主地控制器械。該方法 包括向解剖結(jié)構(gòu)施力，以便由解剖結(jié)構(gòu)生成響應。解剖結(jié)構(gòu)的響應被測量并且解剖結(jié)構(gòu)的 特性基于該響應被計算。該方法還包括基于計算出的特性相對于解剖結(jié)構(gòu)自主地控制器 械。
[0010] 在另一種實施例中，提供了控制用于在外科手術(shù)期間操縱患者的解剖結(jié)構(gòu)的機器 人系統(tǒng)的方法。解剖結(jié)構(gòu)用支撐物固定并且機器人系統(tǒng)包括器械并被配置為自主地控制器 械。導航系統(tǒng)被配置為跟蹤解剖結(jié)構(gòu)和器械。該方法包括利用導航系統(tǒng)確定代表解剖結(jié)構(gòu) 相對于支撐物移動的程度的數(shù)據(jù)。該方法還包括基于該數(shù)據(jù)相對于解剖結(jié)構(gòu)自主地控制器 械。
[0011] 本系統(tǒng)和方法解決其中，當器械自主地應用到解剖結(jié)構(gòu)時，解剖結(jié)構(gòu)移動的情況。 通過測量響應和計算解剖結(jié)構(gòu)的特性，本系統(tǒng)和方法解釋這種運動。有利的是，本系統(tǒng)和方 法能夠基于計算出的特性相對于解剖結(jié)構(gòu)自主地控制器械。通過基于計算出的解剖結(jié)構(gòu)的 特性自主地控制器械，本系統(tǒng)和方法以來自醫(yī)務人員的最小至無干預來解釋解剖結(jié)構(gòu)的運 動。此外，本系統(tǒng)和方法有利地解釋解剖結(jié)構(gòu)的特性，由此避免不斷嘗試到達在手術(shù)部位處 的目標，而同時又不斷地推目標使其不可及的問題。作為替代，本系統(tǒng)和方法通過將解剖結(jié) 構(gòu)的特性考慮在內(nèi)來允許高效地到達在手術(shù)部位處的目標。從而，本系統(tǒng)和方法提供了在 外科手術(shù)過程中手術(shù)器械在手術(shù)部位處的更準確定位和減少的延遲。
【附圖說明】
[0012] 本發(fā)明的優(yōu)點將容易理解，因為通過在結(jié)合附圖考慮時參考以下具體描述，這些 將變得更好理解，其中：
[0013] 圖1是機器人系統(tǒng)的透視圖。
[0014] 圖2是機器人系統(tǒng)的示意圖。
[0015] 圖3是用于控制機器人系統(tǒng)的方法的流程圖。
[0016] 圖4是示出根據(jù)一種實施例、建議解剖結(jié)構(gòu)的運動的通知的顯示器的視圖。
[0017] 圖5是示出根據(jù)另一實施例、建議解剖結(jié)構(gòu)的運動的通知的顯示器的視圖。
【具體實施方式】
[0018] 公開了用于控制機器人系統(tǒng)執(zhí)行外科手術(shù)的系統(tǒng)和方法。參照圖1，示出了用于對 患者執(zhí)行外科手術(shù)的機器人系統(tǒng)10。
[0019] 在外科手術(shù)之前，醫(yī)務人員可以收集患者的術(shù)前數(shù)據(jù)。術(shù)前數(shù)據(jù)可以來自X射線、 CT掃描、MRI或可以收集術(shù)前數(shù)據(jù)的任何其它方式。所收集的術(shù)前數(shù)據(jù)可以被保存并存儲， 供機器人系統(tǒng)10使用。
[0020] 在一種實施例中，患者在外科手術(shù)過程中被放在支撐臺12上。支持臺12具有固定 患者的解剖結(jié)構(gòu)的支撐物或手術(shù)支架14?；颊叩慕馄式Y(jié)構(gòu)在圖1中被識別為A。在一些實施 例中，解剖結(jié)構(gòu)可以是股骨F和/或脛骨T。應當認識到的是，手術(shù)支架14可以以任何方式被 耦合到支撐臺12。
[0021] 在圖1中，支撐臺12包括具有軌道18的手術(shù)臺16。手術(shù)支架14耦合到軌道18,使得 手術(shù)支架14可沿軌道18在臺子16上移動。在外科手術(shù)期間，醫(yī)務人員可以沿軌道18向前和 向后滑動手術(shù)支架14,以定位解剖結(jié)構(gòu)。手術(shù)支架14可以鎖定在軌道18中，使得手術(shù)支架14 處于固定的位置。例如，當解剖結(jié)構(gòu)處于最佳位置時，手術(shù)支架14可以鎖定在固定位置中。 合適的手術(shù)支架14的一種實施例在于2012年7月20日提交且標題為"Multi-Position Limb Holder"的美國專利申請No. 13/554,010中示出，該申請的全部內(nèi)容通過引用被結(jié)合于此。
[0022] 雖然手術(shù)支架14可以處于固定位置，但是解剖結(jié)構(gòu)被放在手術(shù)支架14中，使得解 剖結(jié)構(gòu)可以仍然相對于手術(shù)支架14移動。例如，解剖結(jié)構(gòu)可以以一個或多個自由度相對于 手術(shù)支架14移動，包括多達六個自由度。反過來，解剖結(jié)構(gòu)實際上是機器人系統(tǒng)10的動態(tài)構(gòu) 件。還有，手術(shù)支架14被配置為以在力施加到解剖結(jié)構(gòu)時限制解剖結(jié)構(gòu)的總體或主要運動 的方式牢固地保持解剖結(jié)構(gòu)，使得機器人系統(tǒng)1 〇能夠治療解剖結(jié)構(gòu)。
[0023] 機器人系統(tǒng)10包括可被用來操縱外科器械22以治療解剖結(jié)構(gòu)的操縱器20。操縱器 20的一種實施例在于2013年3月15日提交且標題為"Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in Multiple Modes"的美國臨時專利申請Νο·61/ 792，251中描述，其全部內(nèi)容通過引用被結(jié)合于此。
[0024] 操縱器20包括推車24和一對從推車24延伸到遠端的臂26。器械22被耦合到這對臂 26的遠端。應當認識到的是，器械22可以以任何方式與操縱器20集成。在一種實施例中，器 械22包括從器械22延伸的能量施加器34。能量施加器34可以是超聲波前端、牙鉆，或者用于 執(zhí)行外科手術(shù)的任何其它治療設備。手術(shù)支架14 一般相對于操縱器20被固定。
[0025] 操縱器20和器械22還可以具有一個或多個用于感測位置、力/扭矩等的傳感器和/ 或編碼器。傳感器和編碼器可以是本領(lǐng)域中已知的任何形式，以提供與操縱器20和器械22 關(guān)聯(lián)的物理數(shù)據(jù)或其它類型數(shù)據(jù)。傳感器的一種類型是力/扭矩傳感器28,它能夠檢測施加 到器械22的力和扭矩。合適的力/扭矩傳感器28的一種實施例在于2013年3月12日提交且標 題為"Force/Torque Transducer"的美國臨時專利申請No.61/777,596中示出，其全部內(nèi)容 通過引用被結(jié)合于此。
[0026] 操縱器20還包括操縱器控制器30。操縱器控制器30與傳感器和編碼器(包括力/扭 矩傳感器28)通信。操縱器控制器30能夠與力/扭矩傳感器28通信，使得由力/扭矩傳感器28 感測到的力和扭矩被傳送回操縱器控制器30。操縱器控制器30還與導航系統(tǒng)32通信。
[0027]機器人系統(tǒng)10,并且更具體而言，操縱器20,可被手動或自主操作。當手動操作時， 機器人系統(tǒng)10在手動模式下操作。在手動模式下，醫(yī)務人員可以通過向機器人系統(tǒng)10施加 命令來手動定位器械22。施加命令的一個例子包括醫(yī)務人員抓住器械22并向其施加力/扭 矩?；谟舍t(yī)務人員施加的命令，機器人系統(tǒng)10致動臂26,以引起器械22到期望位置的對應