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CN106659539A - 外科手术机器人系统以及外科手术机器人系统的控制 - Google Patents

外科手术机器人系统以及外科手术机器人系统的控制 Download PDF

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CN106659539A CN201580046060.XA CN201580046060A CN106659539A CN 106659539 A CN106659539 A CN 106659539A CN 201580046060 A CN201580046060 A CN 201580046060A CN 106659539 A CN106659539 A CN 106659539A
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Abstract

一种外科手术机器人系统包括一个外科手术臂(080)，该外科手术臂包括一个可移动臂部分(082)用于安装一个外科手术器械(119)，该可移动臂部分具有至少一个自由度以使能该外科手术器械朝向外科手术靶标(123)的纵向移动(109)。一个人机界面(020)被提供用于从人类操作者接收定位命令(022)用于控制该外科手术器械的该纵向移动，以及一个致动器(060)被配置并且被布置为用于致动该可移动臂部分以实现该外科手术器械的该纵向移动。一个处理器根据所述定位命令和一个虚拟边界(132‑135)控制该致动器。该虚拟边界在该外科手术器械在朝向该外科手术靶标的方向上的该纵向移动的控制中建立一个过渡。在该外科手术机器人系统的使用期间，基于所述定位命令确定该虚拟边界。

Description

外科手术机器人系统以及外科手术机器人系统的控制
技术领域
本发明涉及用于在外科手术过程中使用的外科手术机器人系统。本发明还涉及用于在外科手术过程中使用期间控制外科手术机器人系统的方法，以及涉及包括用于导致处理器系统执行该方法的指令的计算机程序产品。
背景技术
外科手术过程越来越多地涉及外科手术机器人系统的使用。这样的外科手术机器人系统不是完全自主地操作，而是通常至少部分地在人类操作者的控制下操作，例如，以控制安装到该外科手术机器人系统的外科手术臂的外科手术器械的移动。这样，外科手术机器人系统可以辅助人类操作者执行外科手术过程。
出于此目的，外科手术机器人系统可以被提供有一个外科手术臂，该外科手术臂包括一个可移动臂部分，其中该可移动臂部分包括一个用于安装外科手术器械的器械连接器。因此，该外科手术器械可以由该外科手术臂定位。一个人机界面可以被提供用于从人类操作者接收定位命令，以用于控制该外科手术器械的移动。一个致动器可以被提供用于致动该可移动臂部分，以根据由人类操作者提供的定位命令来实现该外科手术器械的移动。此方法的实施例可以在远程操作领域中找到，在远程操作领域，人类操作者可以操作一个主设备(master device)，例如，运动控制器，以向一个从设备(slave device)(例如，上述外科手术臂)提供定位命令。
以上类型的外科手术机器人系统本身是已知的。
例如，US2013338679A1描述了一种用于执行微创外科手术的外科手术机器人，包括一个外科手术臂，其中所述外科手术臂具有一个固定外科手术臂部分和一个可相对于所述固定外科手术臂部分移动的可移动外科手术臂部分。该外科手术臂还包括一个安装在所述可移动臂部分处的外科手术器械。一个操纵臂使用该操纵臂的一端与该固定外科手术臂部分的第二接合点枢转地接合。根据记载，可以使用一个操纵控制和驱动装置用于控制该操纵臂。
该外科手术器械的移动可以是在一个纵向方向上，例如，沿该外科手术器械的纵轴。此方向也被称为纵向轴向方向，或简称为轴向方向。这样的纵向移动允许使该外科手术器械朝向患者的内部内的外科手术靶标或患者的外部的表面上的外科手术靶标移动。因此，该外科手术器械可以被用来修改该外科手术靶标附近的(生物)组织，以将药剂递送到外科手术靶标等。这样的外科手术器械的实施例包括但不限制于镊子、机械切割器、凝固切割器、剪刀、注射针、密封设备等。
发明内容
外科手术器械朝向外科手术靶标的纵向移动的问题是，这样的移动在未被充分控制时可能造成风险。例如，如果外科手术靶标位于器官的表面上，则朝向该手术靶标的不受控的移动可能意外地刺穿该表面。
本发明的目的之一是获得一种外科机器人系统和/或用于控制外科手术机器人系统的方法，其使能更好地控制安装到该外科手术机器人系统的外科手术器械的纵向移动。
本发明的第一方面，提供了一种用于在外科手术过程中使用的外科手术机器人系统，包括：
-一个外科手术臂，该外科手术臂包括一个可移动臂部分，该可移动臂部分包括一个用于安装外科手术器械的器械连接器，该外科手术器械具有一个纵轴，该可移动臂部分具有至少一个自由度以使能该外科手术器械沿该外科手术器械的该纵轴朝向外科手术靶标的纵向移动；
-一个人机界面，用于从人类操作者接收定位命令，以用于控制该外科手术器械的该纵向移动；
-一个致动器，该致动器被配置并且被布置为用于致动该可移动臂部分，以实现该外科手术器械的该纵向移动；
-一个处理器，该处理器被配置为用于根据所述定位命令和一个虚拟边界来控制该致动器，该虚拟边界在该外科手术器械朝向该外科手术靶标的方向上的该纵向移动的控制中建立一个过渡，且其中该处理器还被配置为用于在使用期间基于所述定位命令确定该虚拟边界。
在本发明的另一方面，提供了一种用于在外科手术过程中使用期间控制外科手术机器人系统的方法，该外科手术机器人系统包括一个外科手术臂，该外科手术臂包括一个可移动臂部分，该可移动臂部分包括一个用于安装外科手术器械的器械连接器，该外科手术器械具有一个纵轴，该可移动臂部分具有至少一个自由度，以使能该外科手术器械沿该外科手术器械的该纵轴朝向外科手术靶标的纵向移动，该方法包括：
-从人类操作者接收定位命令以用于控制该外科手术器械的该纵向移动；
-致动该可移动臂部分以实现该外科手术器械的该纵向移动；
-根据所述定位命令和一个虚拟边界控制所述致动，该虚拟边界在该外科手术器械朝向该外科手术靶标的方向上的该纵向移动的控制中建立一个过渡；
该方法还包括：
-在该外科手术机器人系统在外科手术过程中的使用期间，基于所述定位命令确定该虚拟边界。
在本发明的另一方面，提供了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括用于导致处理器系统执行该方法的指令。
本发明的上述方面涉及一种包括一个外科手术臂的外科手术机器人系统。该外科手术臂包括一个可移动臂部分，其中该可移动臂部分包括一个用于安装外科手术器械的器械连接器。该外科手术器械具有一个纵轴，通常穿过该外科手术器械的一个尖端。该可移动臂部分具有至少一个自由度(DoF)，以使能该外科手术器械沿该外科手术器械的该纵轴朝向外科手术靶标的纵向移动。应注意，该可移动臂部分可以恰好具有与该外科手术器械的该纵轴对准的一个DoF，以使能所述纵向移动。然而，该可移动臂部分也可以具有使能所述纵向移动的多个DoF，但任何一个DoF不必单独地与该纵轴对准。应注意，具有在此段中所描述的功能的外科手术臂本身是从医学机器人领域已知的，并且也被称为器械操纵器、机器人臂、外科手术机器人从设备等。
一个人机界面被提供用于从人类操作者接收定位命令以用于控制该外科手术器械的该纵向移动。此外，一个致动器被提供用于致动该可移动臂部分以实现该外科手术器械的该纵向移动。用于致动器的另一术语是驱动机构。
一个处理器被提供用于根据定位命令来控制该致动器。这样，该处理器可以基于所述定位命令来控制该可移动臂部分的致动，例如，以实现由所述定位命令指示的该外科手术器械的期望的纵向移动。然而，该处理器可以基于一个虚拟边界来调整该致动器的控制。即，该虚拟边界可以在该外科手术器械在朝向该外科手术靶标的方向上的该纵向移动的控制中建立一个过渡。在此，术语“虚拟边界”可以指物理空间中的边界(例如，位置、线或轮廓)的数据表示。此外，术语“朝向该外科手术靶标的纵向移动”指该外科手术器械的前进移动，而不是指该外科手术器械的缩回移动，并且这样，指在该外科手术靶标的大致方向上的移动。该虚拟边界可以在横过该虚拟边界时导致该处理器在控制行为方面过渡，并且从而可以有效地用于将物理空间(例如，该外科手术机器人系统的工作空间)分成不同区域。例如，该虚拟边界可以将该物理空间分成第一区域和第二区域，其中该第二区域包括外科手术靶标，该第二区域可能与较高风险相关联。与表示在该第一区域中和/或在该第一区域的方向上的纵向移动的定位命令相比，对于表示该外科手术器械在该第二区域内和/或在该第二区域的方向上的纵向移动的定位命令，该处理器可以不同地控制该致动器。
在该外科手术机器人系统的使用期间，该处理器基于所述定位命令确定虚拟边界。这样，该虚拟边界可以至少部分地由人类操作者本身确定，即由人类操作者提供的用于控制该外科手术器械的纵向移动的定位命令确定。
通过以上文所描述的方式应用一个虚拟边界，可以为人类操作者提供对在该外科手术靶标附近的该外科手术器械的更安全的和/或更准确的控制。相反地，远离该外科手术靶标，更安全的和/或更准确的控制可以被故意地免除，以允许该外科手术器械的更快的移动。例如，该虚拟边界可以被用来不允许或抑制该外科手术器械朝向该外科手术靶标经过该虚拟边界的纵向移动。同时，发明人已经认识到，存在在不一定必须依靠指示朝向外科手术靶标的距离的传感器数据的情况下来确定虚拟边界的需要。即，该外科手术机器人系统可以缺少这样的传感器，或即使设置了一个传感器，传该感器数据可能不总是可靠的等。然而，发明人已经认识到，由人类操作者提供的定位命令指示一个虚拟边界将被适当地(重新)定位在何处。这样，由定位命令表示的人类操作者的控制行为可以在确定虚拟边界的位置中使用。有利地，不需要依靠传感器数据或单独依靠传感器数据来确定虚拟边界。而是，该处理器可以基于定位命令确定虚拟边界。
可选地，该处理器可以被配置为用于：i)在控制该致动器中，取决于所选类型的定位命令，该处理器允许该外科手术器械朝向该外科手术靶标经过该虚拟边界的纵向移动，以及ii)该处理器基于该外科手术器械的一个新的最远定位来更新该虚拟边界。例如，某些类型的定位命令可以被认为“安全的”，且从而可以导致该处理器除了纵向移动该外科手术器械之外，还重新定位该虚拟边界。例如，使用一个特定的输入形态或输入模式提供的定位命令可以被认为“安全的”或比使用其他输入形态或输入模式提供的定位命令“更安全的”。在此，该术语“最远定位”指处理器认为根据一个函数表示最远定位的一个定位。该函数可以限定一个虚拟体积，其中该外科手术器械的定位——如基于例如定位命令确定的——确定该虚拟体积的尺寸，且该最远定位是使该虚拟体积的尺寸最大化的定位。该虚拟体积可以具有一个预定的几何结构，例如，对应于包括该外科手术靶标的解剖结构的大致形状。
可选地，该处理器可以被配置为用于控制该致动器以总是允许该外科手术器械远离该外科手术靶标的纵向移动。这样的纵向移动可以被认为“安全的”，且因此通常被允许。
本领域技术人员应理解，本发明的上述实施方案、实施方式和/或方面中的两个或更多个可以以认为有用的任何方式组合。
本领域技术人员可以基于本描述实现所述方法和/或所述计算机程序产品的改型和变体，这些改型和变体对应于该外科手术机器人系统的所描述的改型和变体。
本发明被限定在独立权利要求或条款中。有利的又可选的实施方案被限定在从属权利要求或条款中。
附图说明
参考在下文中描述的实施方案，本发明的这些和其它方面将变得明了并且得以阐明。在附图中，
图1示出了外科手术机器人系统的示意性表示；
图2示出了在微创外科手术期间穿过套管针的外科手术器械，该外科手术器械具有四个DoF；
图3示出了一个例示用于在微创外科手术中使用的外科手术臂的可移动臂部分的运动学的节理图解(joint diagram)；
图4示出了一个例示运动控制器的运动学的节理图解；
图5示出了一个例示具有六个旋转DoF的外科手术臂的运动学的节理图解，从而使能一个远程运动中心和外科手术器械朝向外科手术靶标的纵向移动；
图6示出了一个例示外科手术臂相对于可以位于患者的外部上的外科手术靶标的运动学的节理图解；
图7示出了一个基于在患者的外部的表面上进行外科手术期间通过人类操作者建立的外科手术器械的最远定位确定的球形虚拟边界；
图8示出了一个基于在患者的内部的器官的腔内进行微创外科手术期间通过人类操作者建立的外科手术器械的最远定位确定的球形虚拟边界；
图9示出了一个平面虚拟边界；
图10例示了在眼外科手术期间球形虚拟边界的使用；
图11示出了通过被拟合到表示器械定位坐标的多个数据点的椭球体确定的虚拟边界；
图12例示了用于通过连接的多个数据点获得的虚拟边界的数值模型；
图13示出了以步进方式移动的虚拟边界；
图14示出了以定位模式操作的运动控制器；
图15示出了以速度模式操作的运动控制器；
图16例示了在速度模式中不允许的外科手术器械朝向外科手术靶标经过虚拟边界的纵向移动；
图17示出了在缩放函数中使用的虚拟边界；
图18示出了在运动控制器的速度模式中确定期望的器械速度的函数中使用的虚拟边界；
图19示出了在频率滤波器中使用的虚拟边界；
图20示出了当器械的非纵向移动导致器械到达虚拟边界处时缩回的外科手术器械；
图21示出了基于指示到外科手术靶标的距离的传感器数据更新或替换的虚拟边界；
图22示意性地示出了一种用于在外科手术过程中使用期间控制外科手术机器人系统的方法；以及
图23示出了一种包括用于导致处理器系统执行该方法的指令的计算机程序产品。
应注意，在不同的图中具有相同参考数字的项具有相同的结构特征和相同的功能，或是相同的信号。在已经解释了这样的项的功能和/或结构的情况下，在详细描述中不必对其进行重复解释。
参考数字列表
下面的参考数字列表被提供用于帮助解释附图，并且不应被解释为限制权利要求或条款。
020人机界面
022定位命令
040处理器
042致动命令
060致动器
062外科手术臂的致动
080外科手术臂
082可移动臂部分
100外科手术机器人系统
笛卡尔坐标系的轴
笛卡尔坐标系的轴
笛卡尔坐标系的轴
固定到器械尖端的坐标系的轴，与器械纵轴正交
固定到器械尖端的坐标系的轴，与器械纵轴正交
笛卡尔坐标系的轴，与器械纵轴对准
107φ，外科手术器械的旋转，使其尖端侧向移位
108ψ，外科手术器械的旋转，使其尖端侧向移位
109z，外科手术器械的纵向(沿其纵轴)平移，或伸入方向，或前进方向
110θ，外科手术器械围绕其纵轴的旋转
111Φ，一个可移动臂部分的旋转DoF
112Ψ，一个可移动臂部分的旋转DoF
113Z，一个可移动臂部分的平移DoF
114Θ，一个可移动臂部分的旋转DoF
115Φm，运动控制器的旋转DoF
116Ψm，运动控制器的旋转DoF
117Zm，运动控制器的平移DoF
118Θm，运动控制器的旋转DoF
119外科手术器械
120数据点
121用于虚拟边界的代数几何结构
122外科手术器械尖端
123外科手术靶标
124套管针
125远程运动中心(RCM)
126运动控制器抓器(gripper)上的按钮
127虚拟边界的重新定位、扩展或变形
128半径R
129长度L
130Φ＝0线
131用于通过瞳孔查看的显微镜
132虚拟边界
133在时间t1时的虚拟边界
134在时间t2时的虚拟边界
135在时间t3时的虚拟边界
136在时间t1时的器械尖端
137在时间t2时的器械尖端
138在时间t3时的器械尖端
139区域A
140区域B
143在时间t2时的区域B
146运动控制器
147在时间t1时的运动控制器
148在时间t2时的运动控制器
149运动控制抓器
151使用脚踏板使虚拟边界增加50μm
152运动控制器位移xm
153外科手术器械位移xs
154速度模式边界
156运动控制器工作空间
157运动控制器经过速度模式边界的推动
158无速度模式的区域
161外科手术器械的缩回；在负z方向上的纵向平移
162在时间t1时的半径R1
163在时间t2时的半径R2
164外科手术器械速度vs
166到虚拟边界的纵向距离
167用于α的缩放函数1
168缩放函数2
169截止频率(Hz)
170在z方向上的缩回器械
171器械尖端和外科手术靶标之间的纵向距离
172用于虚拟边界的数值模型
200用于控制外科手术机器人系统的方法
210接收定位指令
220确定虚拟边界
230控制致动
240致动可移动臂部分
250非临时性程序代码
260计算机可读介质
具体实施方式
图1示意性地示出了用于在外科手术过程中使用的外科手术机器人系统100。该外科手术机器人系统100包括外科手术臂080。该外科手术臂080包括可移动臂部分082，其中该可移动臂部分包括一个用于安装外科手术器械119的器械连接器。图1示出了已经安装到该器械连接器的外科手术器械119(为了简单起见，该器械连接器未被分开示出在图1中)。该可移动臂部分082具有至少一个DoF，以使能该外科手术器械朝向外科手术靶标的纵向移动。在此，纵向移动指外科手术器械119沿其纵轴的移动(为了简单起见，该纵轴未被分开示出在图1中)。
该外科手术机器人系统100还包括人机界面020，用于从人类操作者接收定位命令022，用于控制该外科手术器械的纵向移动。人机界面的实施例包括但不限制于：键盘、鼠标、触摸敏感表面、操纵杆、脚踏板。该人机界面可以采用任何合适的输入形态，诸如，触摸、推动动作、语音命令、眼移动等。该外科手术机器人系统100还包括致动器060，该致动器被配置且被布置为用于致动可移动臂部分以实现外科手术器械的纵向移动。该致动器060可以是任何合适的致动器，例如，来自外科手术机器人领域，或来自更一般的致动器领域。特别地，该致动器可以是共同提供可移动臂部分060沿至少一个自由度(DoF)的致动的多个致动器中的一个。即，该外科手术机器人系统100可以包括多个致动器，例如，以沿多个DoF提供致动。这样，应理解，对致动器080的配置的任何提及可以被理解为指的是这样的多个致动器的(联合)配置。图1示意性地示出了外科手术臂080的致动，即，为虚线062。应注意，虽然与外科手术臂080分开示出，但是致动器060可以被集成到外科手术臂080中或被安装到外科手术臂080。
该外科手术机器人系统100还包括处理器040，该处理器被配置为用于根据定位命令和虚拟边界来控制致动器。出于此目的，该处理器040被示出为从人机界面020接收定位命令022并且向致动器060提供致动命令042。在此，该虚拟边界在该外科手术器械在朝向外科手术靶标的方向上的纵向移动的控制中建立一个过渡。该处理器040可以在外科手术机器人系统100的使用期间基于定位命令确定虚拟边界。在确定了虚拟边界之后，该处理器可以控制该致动器以例如不允许或抑制该外科手术器械朝向外科手术靶标经过虚拟边界的纵向移动。然而，同样可想到虚拟边界的其它用途，如将参考图16-图20阐明的。
图2示出了在微创外科手术期间穿过套管针124的外科手术器械119。例如，在腹腔镜检查外科手术的情况下，此套管针124可以被放置在腹壁或胸壁中，然而在玻璃体视网膜外科手术的情况下，该套管针124可以被放置在巩膜中。围绕该套管针旋转和穿过该套管针平移可以在四个DoF(例如，旋转φ107、ψ108、θ110和平移z109)上是可能的，以接近或伸入外科手术靶标123。还示出了外科手术器械119的尖端122和固定到该器械尖端的坐标系的三个轴104-106，其中与外科手术器械119的纵轴对准。旋转φ107和ψ108可以导致器械尖端122分别在方向上和在方向上的侧向位移。平移z109可以导致外科手术器械尖端122的纵向移动。
可以在诸如上述类型之一的微创外科手术期间在微创外科手术过程中使用该外科手术机器人系统。图3示出了一个例示用于在这样的微创外科手术中使用的外科手术臂的可移动臂部分的运动学的节理图解。在图3的实施例中，该外科手术机器人系统包括一个外科手术臂，其中该外科手术臂包括一个具有DoFΦ111、Ψ112、Z113和Θ114的可移动臂部分，允许相应的器械运动107-110，导致外科手术器械尖端122的移动。所述DoF可以布置为使得在外科手术器械上存在一个不在空间中移动的点，该点被称为远程运动中心(RCM)125。通过移动外科手术臂的基部，该可移动臂部分可以被定位，使得其RCM125可以被定位在套管针处。相应的致动单元可以被布置以在所有四个DoF111-114上实现移动。
该外科手术机器人系统还可以包括一个用于从人类操作者接收定位命令的人机界面。该人机界面可以包括一个运动控制器(诸如，操纵杆)或由一个运动控制器(诸如，操纵杆)构成。图4示出了一个例示这样的运动控制器的运动学的节理图解。在此，该运动控制器被示出为具有DoFΦm115、Ψm116，Zm117和Θm118。人类操作者可以通过例如在抓器部分处握住该运动控制器、按压按钮126并且使该运动控制器的抓器部分在3维空间中移动来设置定位命令。
图5示出了一个例示具有六个旋转DoF的外科手术臂的运动学的节理图，从而在该外科手术器械朝向外科手术靶标123的z运动109中使能纵向平移。该外科手术机器人系统可以包括一个具有运动学的外科手术臂，使得与图4中示出的运动控制器的那些运动相同的四个运动是可能的。这些运动学不必包含一个平移DoF，但是可以在3维空间中由6个旋转DoF组成。3维空间可以由坐标系轴101-103指示。在此，所述DoF未被布置为使得一个RCM在运动学上被约束为如图3中所示，但是处理器可以被配置为用于控制这样的6个旋转DoF的致动器，以便反映运动控制器的相同的四个运动，即，建立软件约束的RCM125，以及该外科手术器械朝向外科手术靶标123的纵向平移z109。另外，该处理器可以被配置为用于根据虚拟边界来控制该手术器械的纵向移动109。应理解，用于外科手术臂的多种其它运动学布置是可能的，所述其他运动学布置允许外科手术器械的纵向平移，该外科手术器械例如具有其他数目的DoF，纳入平移接头、棱柱接头、球形接头或任何其它接头等。
如图6中示出的，该外科手术机器人系统还可以包括一个具有如下运动学的外科手术臂，所述运动学使能该外科手术器械的纵向移动109，但是DoF或处理器未被布置为使得一个RCM被约束。这样的外科手术机器人系统可以在开放外科手术中使用，在开放外科手术中，该器械从外部接近外科手术靶标123，例如，位于患者的外部的表面上的外科手术靶标。在此，外科手术臂在3维空间中的运动学由坐标系101-103指示。
图7示出了通过由人类操作者建立的外科手术器械的最远定位的函数确定的球形虚拟边界132。在此，术语最远定位指的是使具有由外科手术器械的定位确定的尺寸的虚拟体积最大化的定位。应注意，此函数可以是线性函数或非线性函数。线性函数的实施例是最远定位的缩放、添加偏移、或建立虚拟边界以对应于最远定位。非线性函数的实施例是将虚拟边界重置到其原始位置，例如，当器械充分地移动远离该外科手术靶标时。
在此，该可移动臂部分具有的运动学使得在与外科手术器械的纵轴对准的纵向方向109上以及在至少两个非纵向方向(例如，φ107)上致动可以是可能的。平移z109可以被用于从外部接近外科手术靶标123。该平移z109还可以被用于当器械与外科手术靶标123接触时伸入外科手术靶标123，并且因此与φ107相比可以在精度和稳定性方面要求更加苛刻。该处理器可以被配置为用于建立一个具有半径R128和在RCM125处的中心的球形虚拟边界132。该处理器可以被配置为用于由器械在纵向方向109上的最远定位(例如，由器械的所有经过位置)确定半径R128。在由人类操作者建立的外科手术器械的新的最远位置的情况下，该虚拟边界可以被扩展127。
附加地或替代地，该处理器可以被配置为用于在控制致动器中取决于所选类型的定位命令而允许外科手术器械朝向外科手术靶标123经过虚拟边界的纵向移动109，以及基于新的最远定位来更新127虚拟边界132。这样，人类操作者可以故意地移动外科手术器械经过虚拟边界，即，通过使用人机界面在正z方向上提供合适的纵向定位命令。在此，术语z方向是沿外科手术器械的纵轴的方向，也由术语纵向方向指示，正z方向指朝向外科手术靶标123的方向，且负z方向指远离所述靶标的方向。这样的定位命令可以与其它类型的定位命令分开提供，例如，使用人机界面的不同输入模式或输入形态。特别地，这样的定位命令可以是所选类型，因为它们通过使半径R128增加来导致该虚拟边界132被扩展。
图8类似于图7，但是例示了具有半径R128的球形虚拟边界132的使用，该球形虚拟边界在患者的内部内的器官的腔内进行微创手术期间基于定位命令被更新127。在此，该外科手术器械在z109方向和φ107方向上移动，穿过RCM125处的器官的壁，接近作为外科手术靶标123的(中空)器官中的腔的内部。
如图9中示出的，该虚拟边界还可以是平面虚拟边界132，位于距离L129处，并且具有一个预编程序的定向。该器械可以在非纵向方向107上和在纵向方向z109上移动以接近外科手术靶标123。该处理器可以被配置为更新127距离L129，使得所有经过的器械位置位于平面虚拟边界132的与RCM125相同的一侧。
应注意，除了具有平面形状或球形形状的虚拟边界之外，许多其它表面和形状也可以用作虚拟边界。此外，该虚拟边界可以与外科手术臂的任何合适的运动学布置结合使用。
图10例示了在眼外科手术期间球形虚拟边界的使用。外科手术器械可以在纵向方向z109上和在非纵向方向φ107上移动。使用一个球形虚拟边界，其中它的中心放置在φ＝0线130上并且穿过RCM125。该球形虚拟边界的半径可以通过处理器更新，使得该球形虚拟边界包括所有先前的器械尖端位置。这样的配置可以被用于在中空器官的内部处的外科手术，诸如，眼外科手术。图10考虑了器械在RCM125处伸入眼壁的情况。人类操作者负责，该外科手术器械可以被移动，即，通过向人机界面提供合适的定位命令。在时间t1时的器械尖端136的位置在虚拟边界133处，该虚拟边界在时间t1时具有半径R1162，并且在正纵向方向z109上被移动。通过提供所选类型的定位命令，该球形虚拟边界133可以被增大127，使得该器械尖端保持在球形虚拟边界内部。在时间t2时，人类操作者可以在视觉上确认，例如，使用显微镜131，该器械尖端137与眼的内侧上的组织(紧密)接触。人类操作者可能不希望损坏此组织123，并且因此可能不进行任何进一步前进或伸入。因此，在时间t2时具有半径R2163的球形虚拟边界134可以限定眼内的区域A和区域B143。在时间t3时的器械尖端138的位置可以是在区域A内，并且虚拟边界134、135因此可以不被更新。
一般来说，该虚拟边界可以在人类操作者的责任和视觉观察下建立。该处理器可以被配置为用于基于此边界(到此边界的距离)处理定位命令。例如，区域A可以被视为眼内的安全区域，或高性能区域，然而区域B可以被视为在精细组织附近的低速、高精确度区域。
图11示出了通过被拟合到表示器械定位坐标的多个数据点的椭圆体确定的虚拟边界。这样的器械定位坐标可以通过由人类操作者提供的定位命令直接地或间接地表示。这样，该处理器可以被配置为用于获得表示在分布在空间中的网格上的最远器械定位坐标的数据点。在先前的图中，低阶几何结构，诸如，平面或球体，被用于限定区域A和B的虚拟边界。然而，也可以使用更高阶形状，例如，当期望更准确地描述外科手术靶标的几何结构时。在外科手术期间，可以获得更多数据点，例如，当器械尖端被移动到不同区域时，在人类操作者的责任和视觉观察下。外科器械可以在RCM125处进入眼，因此坐标(0，0，0)可以用作一个数据点。使用这些数据点，可以构建一个虚拟边界，例如，基于代数几何结构或数值模型。在前一种情况下，数据点120可以被用来在3维空间101-103中拟合一个用于虚拟边界121的高阶代数几何结构。拟合所使用的算法可以使几何结构的体积最小化同时包围所有数据点。这样，在图11的实施例中，椭圆体几何结构可以被选择，因为它可以比球体更好地描述眼的内表面。
为了在一组数据点上拟合更高阶的代数几何结构，可能期望大量的数据点。然而，在数据点数量不足的情况下，几何结构假设可能不正确，并且拟合算法可能遇到数值困难。作为一个替代方案，用于虚拟边界的数值模型可以通过连接多个数据点来获得，如图12中示出的。即，数据点120可以被连接和被内插以在3D空间101-103中获得自由形式表面。在器官的内表面是非凸的情况下，当这些数据点与直线连接时，体积172(区域A)可以与数据点中间的外科手术靶标123的体积交叉。为了避免这样的交叉，可以在更精细的网格上使用更多数据点，可以省略某些数据点，或者可以使用弧(向内弯曲)来连接数据点。在这方面，应注意，在外科手术器械是直的情况下，允许用直线将表示RCM125的数据点与其他数据点连接。
图13例示了以步进方式移动或扩展的虚拟边界。在此，该可移动臂部分具有与图7中相同的运动学z109和φ107以及球形虚拟边界，但是虚拟边界133可以被递增地扩展，例如，扩展50μm151，以获得新的虚拟边界134。出于此目的，可以使用与用于提供定位命令不同的输入模式或输入形态，例如，使用脚踏板、按钮、触摸屏界面等。基于通过人机界面提供的输入，使虚拟边界相对于当前的边界位置、尺寸或形状递增地移位、扩展或变形的此方法可以被叠加到用于基于定位命令(例如，基于由人类操作者建立的最远定位)确定虚拟边界的方法。人机界面还可以使能人类操作者使虚拟边界相对于当前的器械尖端位置而不是相对于当前的虚拟边界位置移位。例如，通过使用“重置边界”按钮，该边界可以被设置为与当前的器械尖端位置重合，或者通过使用第二按钮，该虚拟边界可以被设置成在朝向或离开外科手术靶标123的z方向109上距该器械尖端一段预定距离，例如，1mm。
图14和图15涉及可选地包括一个运动控制器的人机界面，该运动控制器具有至少一个DoF，用于使能人类操作者通过在工作空间内操作该运动控制器来提供定位命令。该运动控制器可以是在定位模式中可操作的，在该定位模式中，定位命令通过该运动控制器在工作空间内的位移确定。该运动控制器还可以是在速度模式中可操作的，在速度模式中，该运动控制器在工作空间内的一个预定区域内的定位被认为指示期望的速度，其中定位命令是根据该期望的速度确定的。在此，该运动控制器可以具有与纵轴对准的平移DoFZm117和非纵向DoF，诸如，图4的Φm115。
图14例示定位模式且图15例示速度模式。
在图14的定位模式中，人类操作者可以在抓器部分149处抓住运动控制器147，并且使它在它的工作空间内移动一段距离，例如，从时间t1时的位置147移动到时间t2时的位置148。用于外科手术器械位移xs153的定位命令可以使用关系xs＝αxm、通过运动控制器位移xm152确定，其中α是(可变的)缩放因子。这可以导致相对于外科手术靶标123从位置136到位置137的器械移动。在外科手术过程中，可能期望高精度，例如，α＜＜1。
在图15的速度模式中，该运动控制器146可以被推动157经过它的工作空间156中的边界，该边界被称为速度模式边界154，以生成期望的外科手术器械速度vs164。该速度可以是一个常数，或是经过速度模式边界154的位移的量的函数。类似于该定位模式，该速度也可以用(可变的)缩放因子α被缩放。对于一个新样本，用于外科手术器械119的定位命令xs可以通过获得，其中是来自先前样本的定位命令，并且dT是样本之间的时间。
应注意，当人类操作者希望在定位模式中使器械尖端移动较大距离时，特别是在小缩放因子α的情况下，人类操作者可能需要使运动控制器146在工作空间156内移位相对较长的距离。由于运动控制器工作空间156的有限尺寸，这可能不是可能的。此外，当运动控制器146被移动到其工作空间156的外部位置时，该运动控制器146可能不在对于人类操作者而言舒适的位置中。人类操作者可以将保持器械的可移动臂部分和运动控制器之间的连杆解耦，例如，通过释放按钮126。在解耦模式中，器械可以保持在固定位置处，然而人类操作者可以使该运动控制器在其工作空间中自由地移动，例如，回到舒适位置。因此，为了在定位模式中覆盖大距离，人类操作者可以使用重复地耦合/解耦的技术：当在耦合模式(按钮被按压)中时，人类操作者使该运动控制器在一个方向上移动，且在解耦模式(按钮被释放)时，人类操作者使该运动控制器在另一个方向上移动。
该速度模式可以更适合于覆盖更大距离。该外科手术器械可以以恒定速度移动，同时该运动控制器在速度模式边界154处保持静止。因此，该速度模式的优点可以包括用户疲劳减少和任务完成更快。然而，该定位模式可以比该速度模式更安全，因为人类操作者必须有意地移动该运动控制器以移动该外科手术器械。因此，在该速度模式中提供的定位命令可以被处理器认为不是所选类型，以便当该运动控制器以速度模式操作时，不允许该外科手术器械朝向外科手术靶标123经过虚拟边界的纵向移动。该处理器可以根据虚拟边界允许或不允许在该定位模式中或在该速度模式中提供的命令。
图16例示了此功能，其中该外科手术器械在z109和φ107上围绕RCM125移动。在此，球形虚拟边界132可以被建立为在时间t1时的器械尖端的先前最远位置的线性函数或非线性函数。此函数可以是负z方向上的一个小偏移，例如，2mm。在时间t2时的器械137可以是距虚拟边界一段纵向距离166。当该器械尖端从区域A经过此虚拟边界132移动到区域B140内时，在正z方向上在速度模式中提供的定位命令可以不被允许，以便不允许外科手术器械朝向外科手术靶标123的纵向移动，然而在负z方向上，它们可以被允许。在区域B140中可以允许在该定位模式中提供的定位命令。这可能是有益的，因为区域B140可以被认为是在精细组织附近的低速的、危险区域；因此该定位模式可以是更合适的。然而，当距离166大于零时，人类操作者可以使用该速度模式以朝向虚拟边界132快速前进。根据上文，该外科手术器械然后可以自动停止在虚拟边界132处，因为该速度模式可能不被允许经过虚拟边界。
图17-图19涉及以下内容。该处理器可以被配置为用于基于虚拟边界处理定位命令以获得经处理的定位命令，并且在控制致动器中使用经处理的定位命令。例如，该处理可以包括以下组中的一个或多个：应用一个缩放函数以及应用一个频率滤波器到定位命令。图17示出了在缩放函数中使用的虚拟边界。在此，从器械尖端到虚拟边界132的距离可以被用于缩放函数的基础，以确定例如图17中显示的形状的位置缩放因子α。当位置z109在RCM125和虚拟边界132中间时，用于α167的此缩放函数可以是相对高的，导致快速的器械移动。当器械尖端经过虚拟边界132时，在缩放中可以发生一个阶跃，达到用于α的相对低的值，导致较慢的、更精确的器械移动。替代地，可以实施一个平滑过渡。然而，一个阶跃的优点可以是，人类操作者注意到虚拟边界132的经过，例如，通过观察突然较慢的器械移动。
图18示出了在运动控制器的速度模式中确定期望的器械速度的函数中使用的虚拟边界。在此，另一缩放函数被示出。此缩放函数168可以被用来在速度模式中确定期望的外科手术器械速度vs164。根据该缩放函数，当器械尖端未在眼内部深处时，期望的速度vs是大的，导致快速的外科手术器械移动。当在眼内部在z方向109上朝向虚拟边界132移动时，vs作为距离166的函数而减小。当器械尖端移动经过边界132时，vs减小了一个大阶跃。
图19示出了在频率滤波器中使用的虚拟边界。在此，另一缩放函数被示出，作为纵向位置z109的函数。此函数可以被用来确定如下频率滤波器中的截止频率169，所述频率滤波器使低频率通过并且在频率超过此截止频率169时减小信号的幅度。此频率滤波器可以被应用到由人类操作者通过运动控制器提供的运动输入信号xm152，以过滤人类操作者的手抖动。在图19的实施例中，当器械接近虚拟边界132时，截止频率169从4Hz减小到2Hz，导致较平滑和较慢的器械运动。当器械尖端经过虚拟边界132时，发生一个到0.5Hz的阶跃减小，是用于精细外科手术(例如，到视网膜)的方便设置。
图20示出了当外科手术器械的非纵向移动107导致该器械到达虚拟边界处时在纵向方向上缩回的外科手术器械。在此，该处理器可以被配置为使得区域B140被认为是一个阻挡区域。这样，到区域B140内的纵向器械伸入z109可能不被允许。人类操作者可以在区域A中自由移动器械，但是当人类操作者提供将导致器械移动经过虚拟边界132的定位命令时，所述定位命令可以被处理，使得该器械不经过虚拟边界。此方法可以被用来防止对精细组织123的意外损坏。然而，当例如通过显微镜观察器械尖端和精细组织时，人类操作者可以有意地递增地移动虚拟边界，例如，如参考图13所描述的通过按压脚踏板。这可以使能人类操作者以非常受控且限定的方式在z方向上小心地进一步前进或伸入。应注意，一般来说，人机界面可以提供忽视虚拟边界(例如，特定的输入模式或输入形态)并且继续器械的自由定位(包括在z方向上的伸入)的手段。
然而，如图20中示出的，器械也可通过非纵向移动107移动到区域B内。在虚拟边界是一个平面或3维轮廓的情况下，该处理器可以被配置为控制致动器以缩回外科手术器械，导致该外科手术器械到达该平面或该轮廓处。在图20的实施例中，在时间t1时的器械尖端136位置在区域A139内，但是因为人类操作者正提供在方向φ107上的定位命令，所以该器械尖端朝向区域B移动。因为到区域B内的移动可以不被允许，所以用于z的定位命令可以被处理，使得该器械可以沿虚拟边界132移动。有效地，通过适当地缩回外科手术器械，在时间t2时的器械尖端137位置是可以在z方向上在距离170上被校正，使得该外科手术器械到区域B内朝向或进一步进入外科手术靶标123的移动被避免。
图21示出了基于指示到外科手术靶标的距离的传感器数据重新定位、扩展或变形的虚拟边界。在此，虚拟边界133可以通过在时间t1时的器械尖端136的先前最远定位来建立。然而，虚拟边界不与外科手术靶标123重合，该外科手术靶标在此情况下是眼内侧上的视网膜。这样做的原因可能是外科手术靶标可能已被旋转、移动或变形，或虚拟边界的形状不能正确地表示器官的几何结构。然而，该外科手术机器人系统可以包括一个在眼内部或外部的传感器，该传感器测量器械尖端137和外科手术靶标之间的纵向距离171。该传感器可以获得测量数据点，类似于参考图11和图12所描述的那些。传感器数据可以被用来更新虚拟边界，使得在时间t2时的虚拟边界134与外科手术靶标123重合。此更新可以包括虚拟边界的重新定位、扩展或变形。
纵向距离171可以通过一个在眼外部的传感器(诸如，安装在显微镜131上的摄像机或光学相干断层摄影设备)而被间接地测量，通过瞳孔查看外科手术靶标和外科器械尖端137。间接测量也可以通过一个安装在另一个器械上或通过其他装置定位在眼内的眼内传感器实现。纵向距离171也可以通过一个添加到外科手术器械并且沿z方向109测量的传感器而被直接测量。该传感器可以是一个集成在外科手术轴或附接到外科手术轴的通过光学纤维提供光学相干断层摄影的非接触距离传感器。然而，这不是一个限制，因为也可以使用其它非接触距离传感器，例如，基于其他光学原理或基于声学或电学原理的传感器。一般来说，这样的类型的距离传感器可以在一个特定的位置范围上提供一个与距离成比例的输出，例如，传感器数据。
附加地或替代地，一个接近开关传感器可以被使用。在此，在一个范围上未测量距离171，但是检测外科手术靶标在一个位置阈值内的存在，例如，在0.1mm的距离处。如果该阈值为0mm，则该传感器充当一个接触传感器/非接触传感器。器械尖端的坐标现在可以是外科手术靶标位置的测量。在获得这些传感器数据之后，该处理器可以更新或替换虚拟边界132。
应注意，在基于传感器数据更新或替换虚拟边界中，除了仅使用传感器数据的当前样本外，可以使用更多样本。即，由于此数据中的可能的噪声和不确定性，还可以使用传感器数据的先前采样，和/或虚拟边界位置的先前位置。例如，可以使用卡尔曼(Kalman)滤波器来更新虚拟边界以解释传感器数据中的噪声和不确定性。
图22示意性地例示了一种用于在外科手术中使用期间控制外科手术机器人系统的方法200，该外科手术机器人系统包括一个外科手术臂，该外科手术臂包括一个可移动臂部分，该可移动臂部分包括一个用于安装外科手术器械的器械连接器，该外科手术器械具有一个纵轴，该可移动臂部分具有至少一个DoF，以使能该外科手术器械沿该外科手术器械的纵轴朝向外科手术靶标的纵向移动。该方法200在标题为“接收定位命令”的操作中包括从人类操作者接收210定位命令，以用于控制该外科手术器械的纵向移动。该方法200在标题为“致动可移动臂部分”的操作中还包括致动240该可移动臂部分以实现该外科手术器械的纵向移动。该方法200在标题为“控制致动”的操作中还包括根据定位命令和一个虚拟边界控制230所述致动，该虚拟边界在该外科手术器械在朝向该外科手术靶标的方向上的纵向移动的控制中建立一个过渡。该方法200在标题为“确定虚拟边界”的操作中还包括在该外科手术机器人系统在外科手术过程中的使用期间，基于定位命令确定220虚拟边界。应注意，可以以任何合适的顺序执行该方法200的操作。可以迭代地执行该方法200。
根据本发明的方法可以作为计算机实施的方法在处理器上实施，或在专用硬件中实施，或以二者的组合实施。用于根据本发明的方法的可执行代码可以被存储在计算机程序产品上。计算机程序产品的实施例包括存储器设备、光学存储设备、集成电路、服务器、在线软件等。图23示出了一种表现为计算机可读介质260形式的计算机程序产品，该计算机可读介质包括非暂时性程序代码250，用于当通过处理器执行所述程序代码时导致该处理器执行一种根据本发明的方法。
在一个优选的实施例中，该计算机程序包括计算机程序代码装置，该计算机程序代码装置被适配成，当通过处理器执行计算机程序时，该计算机程序代码装置执行根据本发明的方法的所有步骤。优选地，该计算机程序被嵌入在计算机可读介质上。
应注意，上述实施方案例示而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计许多替代实施方案。
在权利要求或条款中，置于括号之间的任何参考标记不应被解释为限制权利要求或条款。动词“包括”以及其词形变形的使用不排除存在除了权利要求或条款中陈述的元件或步骤之外的元件或步骤。在元件之前的冠词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以通过包括若干个不同元件的硬件装置以及通过适当编程的计算机装置来实施。在列举了若干个装置的设备权利要求或条款中，这些装置中的若干个可以由同一个硬件项体现。在相互不同的从属权利要求或条款中记载某些措施的不争事实不指示不可以有利地使用这些措施的组合。

Claims (15)

1.一种用于在外科手术过程中使用的外科手术机器人系统(100)，包括：
-一个外科手术臂(080)，该外科手术臂包括一个可移动臂部分(082)，该可移动臂部分包括一个用于安装外科手术器械(119)的器械连接器，该外科手术器械具有一个纵轴(106)，该可移动臂部分具有至少一个自由度以使能该外科手术器械沿该外科手术器械的该纵轴朝向外科手术靶标(123)的纵向移动(109)；
-一个人机界面(020)，用于从人类操作者接收定位命令(022)，用于控制该外科手术器械的该纵向移动；
-一个致动器(060)，该致动器被配置并且被布置为用于致动该可移动臂部分，以实现该外科手术器械的该纵向移动；
-一个处理器(040)，该处理器被配置为用于根据所述定位命令和一个虚拟边界(132-135)来控制该致动器，该虚拟边界在该外科手术器械在朝向该外科手术靶标的方向上的该纵向移动的控制中建立一个过渡，且其中该处理器还被配置为用于在使用期间基于所述定位命令确定该虚拟边界。
2.根据权利要求1所述的外科手术机器人系统(100)，其中该处理器(040)被配置为用于控制该致动器(060)以不允许该外科手术器械(119)朝向该外科手术靶标(123)经过该虚拟边界的纵向移动(109)。
3.根据权利要求1或2所述的外科手术机器人系统(100)，其中该处理器(040)被配置为用于基于通过该人类操作者建立的该外科手术器械(119)的最远定位来确定该虚拟边界(132-135)。
4.根据上述权利要求中的任一项所述的外科手术机器人系统(100)，其中该处理器(040)被配置为用于i)在控制该致动器(060)中取决于所选的类型的定位命令而允许该外科手术器械(119)朝向该外科手术靶标(123)经过该虚拟边界的纵向移动(109)，以及ii)基于一个新的最远定位来更新该虚拟边界(132-135)。
5.根据上述权利要求中的任一项所述的外科手术机器人系统(100)，其中该人机界面(020)被配置为用于使能该人类操作者与其他类型的定位命令分开提供所选类型的定位命令。
6.根据权利要求5所述的外科手术机器人系统(100)，其中该人机界面(020)包括不同的输入形态或不同的输入模式，以使能该人类操作者通过操作所述输入形态中的不同的输入形态或通过使用所述输入模式中的不同的输入模式来与其他类型的定位命令(022)分开提供所选类型的定位命令。
7.根据权利要求4至6中的任一项所述的外科手术机器人系统(100)，其中该人机界面(020)包括一个具有至少一个自由度的运动控制器(146)，用于使能该人类操作者通过在一个工作空间(156)内操作该运动控制器来提供所述定位命令，该运动控制器是在以下模式中可操作的：
-定位模式，在该定位模式中，所述定位命令由该运动控制器在该工作空间内的位移(152)确定；和/或
-速度模式，在该速度模式中，该运动控制器在该工作空间内的一个预定区域内的定位被认为指示一个期望的速度，其中所述定位命令是根据该期望的速度确定的；
且其中在该速度模式中提供的定位命令不是所选类型，以便当该运动控制器在该速度模式中操作时，不允许该外科手术器械(119)朝向该外科手术靶标(123)经过该虚拟边界的纵向移动(109)。
8.根据上述权利要求中的任一项所述的外科手术机器人系统(100)，其中该处理器(040)被配置为用于i)基于该虚拟边界(132-135)处理所述定位命令(022)以获得经处理的定位命令，以及ii)在控制该致动器(060)中使用经处理的定位命令。
9.根据权利要求8所述的外科手术机器人系统(100)，其中该处理包括以下组中的一个或多个：应用一个缩放函数(167,168)以及应用一个频率过滤器(169)到所述定位命令。
10.根据上述权利要求中的任一项所述的外科手术机器人系统(100)，其中该虚拟边界(132-135)是一个平面或三维物理空间轮廓，且其中该处理器(040)被配置为用于当该外科手术器械的非纵向移动导致该外科手术器械到达该平面或该轮廓时，控制该致动器(060)以缩回(170)该外科手术器械(119)。
11.根据上述权利要求中任一项所述的外科手术机器人系统(100)，其中该外科手术器械(119)包括一个用于提供传感器数据的传感器，所述传感器数据指示该外科手术器械(119)的一个尖端(122)与一个解剖结构(123)之间的距离(171)，且其中该处理器(040)被配置为用于进一步基于所述传感器数据确定该虚拟边界(132-135)。
12.根据权利要求11所述的外科手术机器人系统(100)，其中该处理器(040)被配置为用于基于通过所述传感器数据指示的到该解剖结构(123)的距离(171)更新或替换该虚拟边界(132-135)。
13.根据上述权利要求中的任一项所述的外科手术机器人系统(100)，其中该处理器(040)被配置为用于控制该致动器(060)以总是允许该外科手术器械(119)远离该外科手术靶标(123)的纵向移动(161)。
14.用于在外科手术过程中使用期间控制外科手术机器人系统的方法(200)，该外科手术机器人系统包括一个外科手术臂，该外科手术臂包括一个可移动臂部分，该可移动臂部分包括一个用于安装外科手术器械的器械连接器，该外科手术器械具有一个纵轴，该可移动臂部分具有至少一个自由度，以使能该外科手术器械沿该外科手术器械的该纵轴朝向外科手术靶标的纵向移动，该方法包括：
-从人类操作者接收(210)定位命令以用于控制该外科手术器械的该纵向移动；
-致动(240)该可移动臂部分以实现该外科手术器械的该纵向移动；
-根据所述定位命令和一个虚拟边界控制(230)所述致动，该虚拟边界在该外科手术器械朝向该外科手术靶标的方向上的该纵向移动的控制中建立一个过渡；
该方法还包括：
-在该外科手术机器人系统在外科手术过程中的使用期间，基于所述定位命令确定(220)该虚拟边界。
15.计算机程序产品(260)，包括用于导致处理器系统执行根据权利要求14所述的方法的指令。
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