专利名称：用于对解剖学上悬浮的中空器官进行外科手术的系统、设备和方法
技术领域：
提供了用于对解剖学上悬浮的中空器官进行外科手术的系统、设备和方法。
背景技术：
对解剖学上悬浮的中空器官进行最低程度的切入的外壳手术(例如眼科显微外科术)给医生带来了独特的挑战。聚焦于眼科显微外科术，这些挑战源自于事实眼睛是中 空的且可移动的器官，需要在其内执行非常准确且精密的外科任务。在眼科的外科手术期 间，医生使用显微镜以通过透过扩大的虹膜观察来观察视网膜。目前由医生使用的工具缺 乏眼内灵活性并且被限制至最小程度的自由度。因此，非常难以执行复杂的眼科外科手术。 而且，还需要医生在以非常高的精度操纵多个工具的同时在显微镜下转动眼睛以允许通向 和观察眼睛的周边区域。显微外科术的挑战包括缺乏工具的眼内灵活性、有限的力反馈以及在利用显微镜 观察时缺乏深度感觉。显微外科术还要求不同于其它外科领域的准确水平和双手灵活性 (例如需要5-10微米的定位精度)。这些困难且精确的双手任务显示了机械手辅助的潜在 益处以及需求。
发明内容
在一些实施例中，一种用于进行眼睛外科手术的远程机械手显微外科手术系统具 有远程主机械手和从属混合机械手；其中远程主机械手具有由医生控制的至少两个主从 接口 ；其中从属混合机械手具有附接至框架的至少两个机械手臂，所述框架能释放地附接 至患者头部；其中所述至少两个机械手臂均具有平行机械手和串联机械手。在一些实施例中，一种用于进行眼睛外科手术的远程机械手显微外科手术系统具 有框架、第一机械手臂、第二机械手臂以及远程主机械手；其中框架能释放地附接至患者 头部；其中第一机械手臂和第二机械手臂均具有平行机械手和串联机械手；远程主机械手 具有由医生控制的主从接口；并且串联机械手包括管道和套管。在一些实施例中，一种用于在解剖学上悬浮的中空器官上进行外科手术的远程机 械手显微外科手术系统具有远程主机械手和从属混合机械手；其中远程主机械手具有由 医生控制的至少一个主从接口；其中从属混合机械手具有附接至框架的至少一个机械手 臂，所述框架能释放地附接至患者；并且其中所述至少一个机械手臂具有平行机械手和串 联机械手。在一些实施例中，一种用于在解剖学上悬浮的中空器官上进行外科手术的从属混合机械手具有能释放地附接至患者的框架以及能释放地附接至框架的至少一个机械手 臂；其中所述至少一个机械手臂具有平行机械手和串联机械手；其中串联机械手具有用于 输送预弯曲NiTi套管的管道；其中管道和预弯曲NiTi套管中的至少一个能绕着其纵向轴 线旋转；并且其中预弯曲MTi套管在从管道延伸时能弯曲。
在考虑下面结合附图的详细描述，所公开主题的以上和其它目标和优点将很明 显，在附图中相同的附图标记自始自终表示相同的部件，并且其中图IA示意性地示出了根据所公开主题的一些实施例的用于使用远程机械手的显 微外科手术系统的方法；图IB示意性地示出了根据所公开主题的一些实施例的用于在眼睛上进行远程机 械手的显微外科手术系统的总体外科装置；图2示意性地示出了根据所公开主题的一些实施例的定位于患者头部上方的从 属混合机械手；图3示意性地示出了根据所公开主题的一些实施例的用于进行眼睛外科手术的 远程机械手显微外科手术系统，其包括远程主机械手和从属混合机械手；图4A示意性地示出了根据所公开主题的一些实施例的从属混合机械手，示出了 串联机械手和平行机械手；图4B-4C示意性地示出了根据所公开主题的一些实施例的包括在串联机械手中 的串联连接器；图5示意性地示出了根据所公开主题的一些实施例的包括在串联机械手中的串 联铰接器；图6A-6B示意性地示出了根据所公开主题的一些实施例的用于输送套管的管道；图7示意性地示出了根据所公开主题的一些实施例的从属混合机械手，其中示出 了平行机械手的腿部；图8-9示意性地示出了眼睛和根据所公开主题的一些实施例的第i从属混合机械 手；并且图10A-10B示意性地示出了器官和根据所公开主题的一些实施例的第i从属混合 机械手。
具体实施例方式根据所公开主题，公开了用于在解剖学上悬浮的中空器官上进行外科手术的系 统、设备和方法。在一些实施例中，远程机械手显微外科术系统能具有从属混合机械手(其具有至 少两个机械手臂，每个机械手臂具有附接至平行机械手的串联机械手)以及远程主机械手 (其具有至少两个用户控制的主从接口，例如操纵杆)。而且，用于每个机械手臂的串联机 械手能具有容纳预弯曲MTi套管的管道，所述套管在处于管道内时基本上是直的。使用每 个用户控制的主从接口，用户能通过控制用于每个机械手臂的平行机械手和串联机械手来 控制所述至少两个机械手臂的运动。也就是，用户能通过主从接口控制用于每个臂的串联机械手和平行机械手的组合运动。参照图1B，显示了用于在眼睛上进行远程机械手显微外科手术的总体外科装置。 在一些实施例中，用于眼科手术的总体外科装置100包括外科床110、外科显微镜120、从属 混合机械手125以及远程主机械手(未示出)。患者躺在外科床110上，其头部115如图所 示那样放置。在眼科手术期间，位于外科床110上的患者具有可释放地附接至其头部的框 架130，以及可释放地附接至框架130的从属混合机械手。而且，医生能通过外科显微镜120 观察患者的眼睛并且能控制药物输送、吸气、光线输送、以及由与从属混合机械手125相通 讯的远程主机械手进行的微型钳、镊子和微型刀中的至少一个的输送。参照图1A，示意性地示出了用于使用远程机械手的微型外科手术系统的方法。对 于初始设置(图IA中的101)，从属混合机械手能定位在器官上(例如附接至与患者头部连 接的框架)。例如，具有第一机械手臂(其具有第一平行机械手和第一串联机械手)和第二 机械手臂(其具有第二平行机械手和第二串联机械手)的从属混合机械手能将两个臂都定 位于进入器官所需的移动量最小的位置中。对于器官进入(图IA中的102)，使用第一个用 户控制的主从接口来控制第一机械手臂，用户能通过移动第一平行机械手来将容纳第一预 弯曲NiTi套管的第一管道插入患者的器官中。类似地，使用第二个用户控制的主从接口来 控制第二机械手臂，用户能通过移动第二平行机械手来将第二管道插入患者的器官。在器官内，用户能执行外科手术任务(图IA中的103)，比如器官操纵(图IA中的 105)以及器官内操作(图IA中的104)。器官操纵(图IA中的105)以及器官内操作(图 IA中的104)能串联地(例如器官内操作然后是器官操纵、器官操纵然后是器官内操作等) 或并行地(例如器官内操作和器官操纵基本上同时进行)发生。例如，下面描述串联地执行器官内操作(图IA中的104)和器官操纵(图IA中的 105)。对于执行器官内操作(图IA中的104)，使用第一个用户控制的主从接口来控制第一 机械手臂，用户能控制第一串联机械手将第一预弯曲MTi套管从第一管道中延伸出来，第 一预弯曲NiTi套管在其离开第一管道时弯曲。这个弯曲表示如下所示串联机械手的一个 自由度。而且，使用第一个用户控制的主从接口来控制第一机械手臂，用户能使用第一串联 机械手来使第一预弯曲NiTi套管和第一管道中的至少一个绕着其纵向轴线旋转(因此将 MTi套管定位在器官内)。绕着纵向轴线的这个旋转表示串联机械手的第二个自由度。类 似地，使用第二个用户控制的主从接口来控制第二机械手臂，用户能使用第二串联机械手 来将第二预弯曲MTi套管从第二管道中移动出来。第二预弯曲MTi套管在离开第二管道 时弯曲。再次，类似地，用户能使第二预弯曲NiTi套管和第二管道中的至少一个绕着其纵 向轴线旋转。在一些情况下，无需将第二预弯曲NiTi套管从管道输送出来。例如，第二管 道能用来将光线输送入器官。而且，例如，预弯曲MTi套管能在管道外面被输送以提供光 线通过嵌入光纤的受控输送。此外，例如，预弯曲NiTi套管能在管道外面被输送以提供光 纤束的受控输送，用于一些应用中的可控的内外可视化，比如通过给外科医生提供侧视图 来观察工具和视网膜之间的距离。而且，为了执行器官内操作(图IA中的104)，用户能利用第一和第二 NiTi套管以 及第一和第二管道中的至少一个用于药物输送、吸气、光线输送以及微钳、镊子和微型刀中 的至少一个到器官的输送。用户能操纵和定位器官(图IA中的105)，同时两个管道都在患 者的器官内。例如，使用第一和第二这两个用户控制的主从接口，用户能一起移动两个平行的机械手(因而移动器官中的管道)并且操纵器官。而且，在操纵器官之后，用户能执行器 官内的其它操作(图IA中的104)。为了离开器官(图IA中的106)，也就是将外科手术器具从器官移除，用户使用第 一用户控制的主从接口来控制第一机械手臂。用户利用第一串联机械手将第一预弯曲MTi 套管缩回入第一管道中。例如在第二预弯曲MTi套管已经被输送时，用户能类似地利用串 联机械手将第二预弯曲MTi套管缩回入第二管道中。利用第一和第二用户控制的主从接 口来分别控制第一和第二机械手臂，用户能移动第一和第二平行机械手以将第一和第二管 道从器官缩回。在紧急情况下，串联机械手能通过释放将它们连接至平行机械手的快速夹 持机构并且随后移除具有这两个平行机械手的框架而从眼睛移除。很明显，所公开主题能用于在身体中任何解剖学上悬浮的中空器官上进行外科手 术。例如，所公开主题能用于眼睛、心脏、肝脏、肾脏、膀胱或任何其它适合的解剖学上悬浮 的基本上中空的器官。为了易于理解这里表现的主题，下面的描述集中于对眼睛进行远程 机械手显微外科手术。参照图2，显示了定位于患者头部上方的从属混合机械手125。在一些实施例中， 从属混合机械手125能附接至框架210，框架210又附接至患者头部215。而且，从属混合 机械手125包括能附接至框架210的第一机械手臂220和第二机械手臂225并且还能包括 显微镜/观察锥筒(VieWCOne)230。此外，在一些实施例中，第一机械手臂220和第二机械 手臂225能包括平行机械手235 (例如Stewart平台、Stewart/Gough平台、三爪机械手等) 和串联机械手240(例如由与接头连接的多个刚性联杆构成的机械手)。第一和第二机械手 臂的一些部件能永久地附接至框架而其它部件能可释放地附接至框架。例如，串联机械手 能可释放地附接至平行机械手。例如，对于包括平行机械手和串联机械手的机械手臂，平行 机械手能永久地附接至框架并且串联机械手能可释放地附接至平行机械手。在一些实施例 中，串联机械手能通过例如可闭锁的可调节爪可释放地附接至平行机械手。在一些实施例中，从属混合机械手包括至少两个可释放地附接至框架的机械手 臂。例如，机械手臂能由可调节的可闭锁联杆、摩擦配合、夹具配合、螺纹配合或任何其它适 合的机械方法和装置附接至框架。而且，机械手臂能永久地附接至框架。例如，机械手臂能 通过焊接、粘接或任何其它适合的机构附接。在一些实施例中，第一机械手臂220和第二机械手臂225能在系统初始设置时 (例如在外科手术开始时)调节就位。这能被进行以例如将机械手臂与眼睛对准。而且，第 一机械手臂220和第二机械手臂225能具有串联机械手和平行机械手，其中仅一个串联机 械手或平行机械手能在系统初始设置时调节就位。在一些实施例中，框架210能由咬合板245 (例如放置于患者口中让患者咬住的物 品)和外科条带250附接至患者头部。框架210能被设计成在附接时对患者产生最小程度 的外伤。例如，框架210能由冠状条带(例如置于患者头部周围的条带)和闭锁咬合板(例 如能闭锁到患者口上的咬合板，其中咬合板闭锁在上齿上)附接至患者头部。能使用任何 将框架附接至患者头部的机制。例如，框架能由咬合板、外科条带或张力螺钉附接至患者头 部。而且，框架210能直接拧入患者的头骨。而且，咬合板245能包括空气吸入通路(未示出)。例如，在紧急情况下，第一机 械手臂220和第二机械手臂225能从框架释放并且患者能通过咬合板通路中的管道(未示出)接收空气吸入。框架210能利用基本上单片材料制成，构造为中空的大致圆形形状。而且，框架 210的形状能被设计为符合患者脸部曲线。例如，框架210能为大致圆形、椭圆形或任何其 它适合的形状。框架材料能被选择为完全热压的。例如，框架材料可以包括金属、塑料、混合 物或任何其它适合于热压的材料。另外，框架210可以包括未选择为完全热压的材料。也 就是，框架可以是一次性的。在一些实施例中，第一机械手臂220和第二机械手臂225包括混合机械手。将理 解到，混合机械手指的是超过一个的机械手组合起来用于每个机械手臂上的任何组合。例 如，在一些实施例中，第一机械手臂220和第二机械手臂225包括附接至二自由度串联机械 手(例如眼内灵活型机械手)的六自由度平行机械手(例如Stewart平台、Stewart/Gough 平台、三爪机械手等)，它们在组合起来时在系统中产生16自由度。混合机械手能包括具有 任何数量自由度的平行机械手。而且，二自由度的串联机械手(例如眼内灵活型机械手)能 提供眼内灵活性，而平行机械手能提供眼睛和眼睛内任何外科工具的球形高精度定位。另 外，混合机械手能包括机械手的任何组合，包括串联机械手、平行机械手、蛇形机械手、机电 一体化(mechanatronic)机械手、或任何其它适合的机械手。第一机械手臂220和第二机械手臂225能是基本上相同的。例如，第一机械手臂 220和第二机械手臂225都可以包括平行机械手和串联机械手。而且，第一机械手臂220和 第二机械手臂225可以是基本上不同的。例如，第一机械手臂220能包括附接至第二串联 机械手的第一平行机械手，而第二机械手臂225能包括附接至第二平行机械手的第一串联 机械手。在一些实施例中，从属混合机械手125仅包括两个机械手臂。利用这两个机械手 臂增加用户的两手灵活性。例如，这两个机械手臂能由医生使用两个用户控制的主从接口 (例如一个与每只手都接触的控制器)来控制。而且，超过两个的机械手臂能用于从属混合 机械手125中。例如，四个机械手臂能用于从属混合机械手125中。任何适当数量的机械 手臂能用于从属混合机械手125中。机械手臂能构造为在将来的操作中再次使用。例如，第一机械手臂220和第二机 械手臂225能设计为置于高压灭菌器中。而且，第一机械手臂220和第二机械手臂225能 设计为一次性使用。例如，第一机械手臂220和第二机械手臂225能设计为一次抛弃型产 品。另外，机械手臂的部件能设计为一次性使用而其它部件能设计为在将来的操作中使用。 例如，第一机械手臂220和第二机械手臂225能包括只能使用一次的一次性套管、以及可再 使用的平行机械手。在一些实施例中，从属混合机械手能设计为每个电气部件使用小于24伏和0. 8安 培的电流。使用小于24伏和0.8安培的电流能最小化患者的安全问题。而且，在一些实施 例中，平行机械手和串联机械手允许消毒覆盖并且支撑平行和串联机械手的框架能设计为 热压的。参照图3，在一些实施例中，眼科300的远程机械手显微外科手术系统包括远程主 机械手305和从属混合机械手325。在一些实施例中，远程主机械手305包括控制器310和 用户控制的主从接口 315 (例如两个力反馈操纵杆)。在一些实施例中，控制器310包括灵 活性优化器、力反馈系统以及振动过滤系统中的至少一个。
力反馈系统能包括显示器320，用于向医生325显示由机械手臂施加的力(例如施 加于眼睛中的套管上的力)的大小。而且，力反馈系统能包括在医生增大机械手臂上的力 时在用户控制的主从接口 315上提供阻力。另外，至少一个机械手臂包括力传感器和扭矩 传感器，以在外科手术期间测量臂上的力或扭矩的大小。例如，至少一个机械手臂能包括用 于力反馈的6-轴线力传感器。这些传感器能用来给医生提供力反馈。机械手臂上的力能 被测量以防止伤害患者。减振系统可以被包括在主机械手305中。例如，减振能通过在输送运动指令之前 过滤远程主机械手一侧上的外科医生的振动来完成。例如，主从接口(例如操纵杆)的运 动能由控制器来过滤和输送，该控制器作为从属混合机械手的PID(比例、积分和微分)控 制器的设置点。在这个例子中，主操纵杆的两个倾角与χ和y方向上的轴向平移相关联。 主从接口(例如操纵杆)的方向能与从属机械手在χ-y平面中的运动方向相关联，而主从 接口(例如操纵杆)的倾斜幅度能与从属机械手在χ-y平面中的运动速度的幅度相关联。 在另一实施例中，用户能通过直接将力施加于包括在串联机械手中的管道(下面所述)来 控制从属混合机械手。而且，串联机械手能通过6-轴线的力和力矩传感器连接至平行机械 手，所述传感器能读取用户施加的力并且能将信号传递至控制器310，控制器310将这些指 令转换为运动指令同时过滤外科医生的手的振动。用于减振的任何适合方法能包括在远程 主机械手305中。例如，能使用任何适合的用于减振的协作操纵方法。在一些实施例中，灵活性优化器能包括用于增大用户灵活性的任何机构。例如，灵 活性优化器能利用用于进入眼睛的预定路径。在一些实施例中，灵活性优化器通过使用预 定的路径来将管道输送入眼睛。远程主机械手和从属混合机械手能经由高速的专用以太网连接进行通信。远程主 机械手和从属混合机械手之间能使用任何适合的通信机制。而且，医生和远程主机械手能 处于与从属混合机械手和患者显著不同的位置。参照图4A，在一些实施例中，从属混合机械手能包括串联机械手405和平行机械 手410。而且，在一些实施例中，串联机械手405能包括用于连接平台415(例如平行机械手 的平台)和串联铰接器407的串联连接器406。任何机械连接能用来连接平行机械手的平 台和串联铰接器407。平台415能与附接至基部425的腿部420连接。参照图4B，示意性地示出了包括串联连接器406的串联机械手405。串联连接器为 了更清楚地示出被放大。参照图4C，示出了串联连接器406的分解视图，以更清楚地示出串 联连接器406的可能构造。串联连接器406能使用任何适合的构造。例如，串联连接器406 能将串联铰接器407 (图4A)与平行机械手410 (图4A)相连接。参照图4C，平台415 (例如 平行机械手移动平台)能支撑中空臂430，中空臂430能支撑第一电动马达435和第二电动 马达437。第一电动马达435和第二电动马达437能经由致动防反冲伞齿轮445的第一线 驱动器和致动防反冲伞齿轮447的第二线驱动器来致动第一绞盘440和第二绞盘443，第一 电动马达435和第二电动马达437能差动地绕着其轴线致动第三伞齿轮465和使支撑托架 455倾斜。差动地驱动第一电动马达435和第二电动马达437，托架455的倾斜以及快速夹 具460绕着套管轴线的旋转能得到控制。进一步参照图4C，示出了快速夹具460的分解视图，以更清楚地显示快速夹具460 的可能构造。包括在串联连接器406中的快速夹具460能用来夹持插入穿过快速夹具460的器具。快速夹具460能使用任何适合的构造。例如，快速夹具460能包括夹头壳体450、 连接螺钉470以及柔性夹头475。连接螺钉470能将夹头壳体450连接至第三伞齿轮465。 夹头壳体450能具有锥形孔，以使得在柔性夹头475被拧入夹头壳体450中的配合螺纹时， 柔性末端(包括在柔性夹头475中)能沿着锥形孔的轴线被沿轴向驱动，从而减小柔性夹 头475的直径。这能被进行用来例如夹持插入穿过快速夹具460的器具。能使用任何其它 夹持器具的适合机构。参照图5，在一些实施例中，串联机械手包括串联铰接器407，用于将管道505和套 管520中的至少一个输送入眼睛。在一些实施例中，例如，串联机械手铰接器407包括伺服 马达510和高精度滚珠丝杠515，用于控制管道505和套管520中的至少一个的输送。与高 精度滚珠丝杠515联接的伺服马达510能增大可用于控制套管520相对于管道505的位置 的系统的自由度。例如，伺服马达510能与在旋转时沿轴向驱动螺母(未示出)的中空丝 杠(未示出)联接。而且，例如，套管520能连接至螺母并且在伺服马达510使丝杠(未示 出)旋转时上下移动。能使用任何适当的机构来控制管道505和套管520的输送。而且， 在一些实施例中，管道505容纳套管520。参照图6A-6B，在一些实施例中，套管520能通过管道505输送入眼睛。图6A示意 性地示出处于伸直位置且容纳在管道505中的套管520。图6B示意性地示出处于弯曲位 置的套管520，此时套管520已经离开管道505 (因此套管已经呈现其预弯曲的形状)。套 管520的预弯曲形状能通过使用任何形状记忆合金(例如NiTi)并将形状设置为使得套管 在给定温度(例如体温、室温等)下呈现弯曲位置来形成。而且，尽管套管520描述为具有 特定的预弯曲形状，但是能使用任何适合的形状(例如S形、弯曲的等)。管道505能包括 近端610和远端615。而且，套管520能离开管道505的远端615。在一些实施例中，套管 520能包括在离开管道505时弯曲的预弯曲NiTi套管。管道505和套管520能由不同的适 合材料比如塑料(例如特富龙、尼龙等)、金属(例如不锈钢、NiTi等)或任何其它适合的 材料构造。而且，在一些实施例中，管道505和套管520的至少一个能绕着纵向轴线620旋 转。在一些实施例中，套管520或管道505能用于药物输送、吸气、光线输送中的至少 一个，以及用于输送微钳、镊子和微型刀中的至少一个。例如，在对眼睛进行远程机械手显 微外科手术期间，医生能将套管520从管道505延伸出来进入眼眶。在处于眼眶中时，医生 能将微型刀输送穿过套管520以将视网膜上的组织移除。而且，在一些实施例中，套管520能包括无反冲的超塑NiTi套管以提供高精度的 灵活操纵。使用无反冲的超塑MTi套管通过消除套管不利的运动(例如反冲)而增强了 对进入眼眶的输送的控制。而且，套管520在离开管道505时的弯曲能提高眼科手术的定 位能力。在一些实施例中，从属混合机械手能被设计成对眼睛进行操纵。例如，在一些实施 例中，管道505和套管520中的至少一个将力施加至眼睛从而移动眼睛的位置。在一些实 施例中，力能通过眼睛内的套管520被施加，用以操纵眼睛。由管道505和套管520中的至 少一个施加于眼睛上的力能通过移动平行机械手而产生，从而控制管道和套管中的至少一 个的位置。参照图7，平行机械手能包括多个独立致动的腿部705。随着独立致动的腿部的长度改变，平台415的位置和朝向也改变。腿部705能包括万向接头710、高精度滚珠丝杠 715、防反冲齿轮对720以及球窝接头725。平行机械手能包括任何数目的腿部705。例如， 平行机械手能包括三至六个腿部。在一些实施例中，统一的动态模型说明了从属混合机械手的两个机械手臂的接合 速度(例如平行和串联机械手的运动部件平移和旋转的速度)与眼睛和眼睛内外科手术工 具的扭转之间的关系。将理解到，扭转指的是线速度和角速度在线速度领先于角速度时的 六维向量。扭转能要求用来表示下述端部执行器(图9中的920)的运动。而且，这个定义 能不同于其中角速度领先于线速度(在其向量表现中)的标准命名。参照图8，示出了眼睛和第i混合机械手。眼睛系统在图9中可以被放大，以更清 楚地显示端部执行器(例如在机械手臂的端部被设计成与眼睛的周围环境相互作用的部 件，比如预弯曲套管或输送穿过预弯曲套管的物品)以及眼睛坐标框架。坐标系统能被定 义用于辅助系统运动学的推导。例如，下述坐标系统被定义成用于辅助系统运动学的推导。 球坐标系统{w}(具有坐标^、jV、id能定中于当患者处于仰卧位置时患者前额中的 任一预定点处。^^轴线竖直地指向并且jV轴线向上指向(例如在患者头部的方向上指向， 在从身体中心沿着与由前囱和颅骨的枕骨大孔的中心点所形成的线平行的线看时)。第i 混合机械手的平行机械手基部坐标系统{bj (具有坐标、h,、、)能定中于点h (即 平台基部的中心)，以使得、轴线垂直于平行机械手基部的平台基部并且、轴线平行于4。 第i混合机械手的移动平台坐标系统{PJ (具有坐标、、yPl、)处于移动平台的中心 (在点Pi处)，以使得在平行平台处于初始配置时轴线平行于{bj。第i混合机械手的平 行延伸臂坐标系统{QJ (具有坐标知,、yQ,、%)能在点Qi附接至臂的远端，并且％沿着 机械手的插针的方向，在向量方向彳；；,上，并且;^在眼科手术(例如玻璃体切除术)的设置 期间被固定。第i混合机械手的串联机械手基部坐标系统{nj (具有坐标、λν,、Ki )处于点叫处，同时、轴线也沿着向量匸的插针长度方向指向，并且&轴线从知绕着、旋 转一个角度％1。端部执行器坐标系统叫}(具有坐标&、yGl ^G,)位于点gi处，同时、轴 线在端部执行器夹具920的方向上指向，并且能平行于轴线。眼睛坐标系统{E}(具有 坐标乓、yE, I)位于眼睛的中心点e处，同时在眼睛没有被机械手致动时轴线平行于 Iff}。所用符号定义如下。i = 1，2指的是涉及两个臂之一的标志。{A}指的是任意右手坐标框架，{、、yA、Sa }是相关单位向量，点a作为原点位置。vA|Bc, ωΑ|/指的是框架{Α}相对于框架{B}在框架{C}中表达的相对线速度和角 速度。除非特别声明，所有向量都在{W}中表达。νΑ, ωΑ指的是框架{Α}的绝对线速度和角速度。ARb指的是移动框架{B}相对于框架{Α}的旋转矩阵。R0t(、，《)指的是绕着单位向量之旋转角度α的旋转矩阵。[bX]指的是b的偏斜对称向量积矩阵(即方形矩阵A，以使得其等于其换位矩阵的负值，A = -At,其中上标t指的是换位操作)。qPi =[知,，知2，qPi3，^4，知5，知6的是第i平行机械手平台的接合速度。1=丨I1,^2It指的是串联机械手的接合速度。第一分量能是绕着串联机械手管 道轴线的旋转速度并且第二分量能是预弯曲套管的弯曲角速度。X, = [、，勾，指的是通用坐标系统{Α}的扭转。例如，参考图9Α， {QJ表示由其三个坐标轴{%、 ,、所定义的坐标系统。Xpi =[、，^ViViyP,iyMiyW指的是第i平行机械手的移动平台的扭转，其中i = 1，2。x指的是蛇形第i插针端部/基部的扭转(例如NiTi套管的长度)。夂仅表示眼睛的角速度(a3x1列向量)。这对其它符号是例外，因为假定眼睛运 动中心的平移是可忽略的，这是由于解剖学上的约束"^指的是在框架{A}中表达的从点a 至b的向量。r指的是预弯曲套管的弯曲半径。 "/3χ3 卜⑷ Χ]
权利要求
1.一种用于进行眼睛外科手术的远程机械手显微外科手术系统，包括 远程主机械手和从属混合机械手；所述远程主机械手具有至少两个由用户控制的主从接口；所述从属混合机械手具有附接至框架的至少两个机械手臂，所述框架能释放地附接至 患者头部；并且其中所述至少两个机械手臂均具有串联机械手和平行机械手，所述平行机械手与所述 串联机械手连接。
2.根据权利要求1的系统，其中所述平行机械手具有六自由度，并且所述串联机械手具有二自由度。
3.根据权利要求2的系统，其中所述串联机械手包括绕着其纵向轴线的一个旋转自由 度和使端部执行器弯曲的一个自由度。
4.根据权利要求3的系统，其中所述端部执行器包括套管和管道。
5.根据权利要求4的系统，其中所述套管是在该套管移动到所述管道外面时在一个自 由度中弯曲的NiTi套管。
6.根据权利要求4的系统，其中所述套管是用于提供眼睛内操纵的无反冲超塑MTi套管。
7.根据权利要求5的系统，其中所述NiTi套管具有用于药物输送、吸气、光线输送以及 微钳、镊子和微型刀中的至少一种的输送中的至少一种的结构设计。
8.根据权利要求1的系统，其中所述串联机械手在所述机械手臂中的每个基本上一起 移动时对眼睛进行操纵和使眼睛稳定。
9.根据权利要求1的系统，其中所述从属混合机械手具有一种结构构造，该结构构造 具有工具替换、眼睛内能控制的视觉化、能控制的光源、药物输送和吸气构造中的至少一 种。
10.根据权利要求1的系统，其中所述远程机械手显微外科手术系统包括一种用于眼 内灵活性、眼睛内的双臂式灵活操纵、力反馈、能控制的照明、吸气和药物输送中的至少一 种以及眼睛的稳定和操纵的结构。
11.根据权利要求1的系统，其中所述框架与闭锁咬合板和冠状条带中的至少一个能 释放地附接。
12.根据权利要求1的系统，其中所述串联机械手能释放地附接至所述平行机械手。
13.根据权利要求1的系统，其中所述至少两个机械手臂被布置成用于稳定眼睛和操 纵眼睛中的至少一种。
14.根据权利要求1的系统，其中所述至少两个机械手臂包括用于在系统初始设置时 调节就位的能调节结构。
15.一种用于进行眼睛外科手术的远程机械手显微外科手术系统，包括 框架、第一机械手臂、第二机械手臂以及远程主机械手；所述框架能够能释放地附接至要对其进行操作的对象； 所述第一机械手臂和所述第二机械手臂均包括平行机械手和串联机械手； 所述远程主机械手包括主从用户控制接口 ；以及 所述串联机械手包括管道和套管。
16.根据权利要求15的系统，其中所述管道和所述套管中的至少一个将力施加到眼睛 上，用于对眼睛进行稳定、定位和操纵中的至少一种。
17.根据权利要求16的系统，其中所述套管包括预弯曲的MTi套管，并且所述套管从 所述管道延伸。
18.根据权利要求17的系统，其中所述套管被设计用于药物输送、吸气、光线输送中的 至少一种，以及用于输送微钳、镊子和微型刀中的至少一种。
19.根据权利要求17的系统，其中所述管道和所述预弯曲MTi套管中的至少一个绕着 其纵向轴线旋转。
20.一种用于在解剖学上悬浮的中空器官上进行外科手术的远程机械手显微外科手术 系统，包括远程主机械手和从属混合机械手；所述远程主机械手包括至少一个由用户控制的主从接口；所述从属混合机械手包括附接至框架的至少一个机械手臂，所述框架能释放地附接至 患者；以及所述至少一个机械手臂包括平行机械手和串联机械手。
21.根据权利要求20的系统，其中所述平行机械手包括具有六自由度的机械手，并且 所述串联机械手包括具有二自由度的机械手。
22.根据权利要求21的系统，所述串联机械手还包括管道和NiTi套管，所述NiTi套管 在其移动到所述管道外面时在一个自由度中弯曲。
23.根据权利要求22的系统，其中所述管道和所述套管中的至少一个绕着其纵向轴线 旋转。
24. 一种用于在解剖学上悬浮的中空器官上进行外科手术的从属混合机械手，包括能够能释放地附接至患者的框架，并且至少一个机械手臂能释放地附接至所述框架；所述至少一个机械手臂包括平行机械手和串联机械手；所述串联机械手包括用于输送预弯曲NiTi套管的管道；所述管道和所述预弯曲NiTi套管中的至少一个能绕着其纵向轴线旋转；以及所述预弯曲MTi套管在从所述管道延伸时弯曲。
全文摘要
本发明描述了用于在解剖学上悬浮的中空器官上进行外科手术的系统、设备和方法。在一些实施例中，一种用于进行眼睛外科手术的远程机械手显微外科手术系统包括远程主机械手和从属混合机械手；其中远程主机械手具有至少两个由医生控制的主从接口；其中从属混合机械手具有附接至框架的至少两个机械手臂，所述框架能释放地附接至患者头部；其中所述至少两个机械手臂均具有平行机械手和串联机械手；并且其中串联机械手包括容纳套管的管道。
文档编号A61B5/07GK101998841SQ200780034670
公开日2011年3月30日 申请日期2007年9月19日 优先权日2006年9月19日
发明者H·法恩, N·西曼, R·戈德曼, S·张, W·韦 申请人:纽约市哥伦比亚大学理事会