用于机器人图像引导的针插入的夹持器的制作方法

本发明涉及用于图像引导的针插入(尤其是利用机器人插入)的针固持装置领域。

背景技术：

现代临床实践中采用的诸多常规治疗涉及针和导管经由皮肤的插入，诸如用于活检或送药。针插入手术的目的是为了将适当的针的末端安全地且准确地放置到病灶、器官或血管中。需要针插入的治疗示例包含疫苗、血液/体液取样、局部麻醉、组织活检、导管插入、低温消融、电解质消融、近距离放射治疗、神经外科、脑部深层刺激术和各种微创手术。

借助离线或术中图像引导来执行针插入已呈逐渐增长的趋势。基于离线图像来引导针具有缺陷，因为患者不断呼吸且离线图像随之实际上成为历史。另外，由于重力，腹腔软组织随时间而变形。图像扫描因此仅在数秒内有效。

即使实时将针插入，但针插入手术的荧光透视检查视图并不简单且需要熟练的操作。此外，如名称为“柔性针的受控转向”的PCT公开申请WO 2007/141784(该专利申请与本申请具有共有的共同发明人)中所示，针可以通过许多方式插入，即使在需要针的末端沿循同一轨迹时亦如此。

为了克服这些困难并改善针放置的准确性，如上文引用的PCT申请中所述，使用适于柔性针在软组织中转向和控制的模型。如其中所示，针的基部上所需的操纵太过复杂而难以手动执行。因此，针的插入是利用机器人来执行的。

在典型的机器人图像引导的针插入手术中，针的插入将逐步完成。出于安全的原因，针并非在单次重复中插入。通常的手术流程如下：

1.拍摄包含针和目标的图像。

2.操作员分析图像并决定是否需要对移动进行校正。

3.机器人随之接受命令以通过下一步骤来移动针。

拍摄图像并决定如何进行可能花费数秒到数分钟的时间。在此期间，患者保持呼吸，同时针位于其体内，使得针的位置不断改变(尽管是准周期性地)。即使在并无操作人员反馈的情况下仅基于图像数据执行该手术，但除了准周期性呼吸运动外，患者也可能由于疼痛或咳嗽而移动其身体。如果针的基部由插入机器人刚性地固持，则被固定的针可能对患者造成损伤，或至少造成不适或疼痛。

因此，需要一种自动针插入系统，该系统减少或消除插入手术的危险，且减少受治者的不适。

本说明书的此节和其他节中提及的每个出版物的公开内容皆以全文引用的方式并入本文中。

技术实现要素：

本发明描述了一种用于根据预先计划的或持续监控的插入步骤序列确保将针安全地且可忍受地插入到受治者体内的新颖系统和方法。所述系统包括用于夹持针的装置，以便执行机器人插入步骤，但在这些插入步骤之间断开刚性的机械接触，直到下一插入步骤起始为止。通过该装置，机器人在每次插入步骤期间具有对针的完全控制，但在插入步骤之间完全不约束针，使得受治者的移动不应引起任何损伤或不适。所述夹持动作和插入步骤可有利地通过组合的机器人/夹持器控制系统来协调，以保持与受治者呼吸周期同步，使得所述插入步骤大体在受治者胸部以及随胸部一起运动的任何器官的每次运动周期的同一部分内执行。假设每个插入步骤的时间明显短于受治者呼吸周期的时间，则这种装置还具有以下优势：机器人可在与在前的一个或多个呼吸周期中释放夹持的位置大致相同的位置处拾取在针上的夹持。

所述方法包含完全断开连接，其中断开连接的针在插入步骤之间在空间内自由移动，或包含部分断开连接，其中断开连接的针与夹持器保留部分有限的链接，从而允许针以一或多个有限的自由度自由移动。所述连接机构可采用磁性、静电或其他吸引力，或者可包含机械连接件。它应当在仅占呼吸周期时间的一小部分的时间内操作，以便使呼吸运动对插入步骤的任何干涉最小。

所述夹持器必须能够牢固地夹持针，使得将针插入到受治者体内所需的力可被传递到针上。出于此原因，由于大部分针的细小直径，直接夹持针通常是不实际的，且针通常是被固持在相应设计的针固持器中。所述针固持器则适于由夹持器来夹持或释放，且也可包含感测元件以能够确定其相对于夹持器的位置。使用在执行夹持的位置具有加厚的杆区段的针也是可行的，且应当理解，本发明并非旨在限于针本身被夹持的方式的物理本质。在由与本申请相同的申请人提交的、主张享有美国临时专利申请61/887,634的优先权、名称为“通过杆操纵实现的针转向”的共同待决PCT专利申请中，描述了一种用于将针夹持并插入到患者体内的专用机器人系统和针夹持器，且这种针夹持器也可以用作本申请的功能性元件。在下文中提到针的夹持时，应当理解，其意指夹持针本身或(更通常地)夹持针固持器。同样地，根据上下文，针的位置可意指针的位置本身或针固持器的位置。

所述装置也可以包含光学、磁性、超声或其他追踪装置，其追踪针或针固持器在空间中相对于夹持器的位置，其中夹持器的位置已从机器人的控制系统获知。在需要连接时，机器人使用追踪信息将夹持器移动到靠近针的位置，然后使用其捕获机构抓取针或其固持器。

由于患者的呼吸或诸如咳嗽等的偶发性移动或由于疼痛，针的移动可以是准周期性的。由于在此类情况下针在空间中的确切位置不可预测，通常难以使机器人确切找到针以便抓取它。因此，抓取装置应具有即使夹持器并未完全与针一致也能够夹持所述针的能力。在这种情况下，对针的连接应优选地在前一次留下针的空间中的同一区域内完成，所述前一次至少由于呼吸同步过程而大致对应于呼吸周期的同一阶段。机器人将到达在前留下针的位置处并将在那里等待针。可以使用追踪针的运动的追踪装置来同样追踪患者的呼吸运动。另外，对于使用呼吸机的患者而言，可以使用来自呼吸机的信号以便确定在患者呼吸周期中的预定夹持点并与其同步。

因此，根据本发明公开描述的装置的示例性实施方案，提供了一种用于针插入到受治者体内的系统，所述系统包括：

(i)捕获单元，所述捕获单元包括用于交替地夹持和释放所述针或结合所述针的固持器的机构，及

(ii)可控的驱动机构，所述驱动机构适于在一系列单独的步骤中将所述针插入到所述受治者体内，

其中，所述可控的驱动机构与所述捕获单元的机构同步，使得所述捕获单元在插入步骤期间夹持所述固持器，并在插入步骤之间释放所述固持器。

这种系统可进一步包括用于确定所述针或所述固持器相对于所述捕获单元的位置的追踪系统。所述追踪系统可包括多套成套的发射器和传感器，其中所述成套的发射器和传感器中的任一个可设置于所述针或所述固持器上，且所述成套的发射器和传感器中的另一个可设置于所述捕获单元上。

在任何上述系统中，所述可控的驱动机构可适于使插入步骤与所述受治者的呼吸周期同步，使得所述捕获单元可接受命令以在所述受治者的呼吸周期的预定时间点夹持所述针或所述固持器。对于这种情况，所述系统可进一步包括至少一个追踪传感器以监控所述受治者的呼吸周期。随后，所述追踪传感器确定所述受治者的身体的靠近所述针的插入点的位置。此外，所述至少一个追踪传感器可以是外部追踪系统的一部分，或者是在所述可控的驱动机构和所述捕获单元中的至少一个与所述受治者的靠近所述针插入点的身体之间起作用的感测系统的一部分。

在这些实施方案中，所述受治者的呼吸周期中的预定时间点可从得自呼吸机的信号获得。此外，所述捕获单元可接受命令以在所述受治者的呼吸周期中的与所述固持器在所述呼吸周期中在前的释放时间点大体相同的时间点夹持所述针或所述固持器。如果是这样，则

以机器人方式引导的捕获单元可通过所述针或所述固持器在在前的插入步骤之后的释放位置来预见所述针或所述固持器在后续插入步骤之间的位置。

在任何上述系统中，所述可控的驱动机构可以是附接到所述捕获单元的机器人致动器，或者是适于使所述针或所述固持器相对于所述捕获单元移动的运动机构。

另外，任何上述系统的可选实施方案可进一步涉及一种用于针插入到受治者体内的系统，所述系统包括：

(i)针固持器，所述针固持器用于固持所述针，所述固持器具有突出部，

(ii)夹持器装置，所述夹持器装置具有机械夹持钳口，及

(iii)致动机构，所述致动机构适于将所述夹持钳口闭合在所述突出部上，使得所述针固持器被所述夹持器装置夹持住，

其中，所述夹持器装置适于由机器人固持，使得在所述致动机构操作时，所述机器人能将所述针插入到所述受治者体内。

在这一实施方案中，所述突出部可具有大体呈圆柱形的形状，且所述机械夹持钳口可对所述针固持器形成周边障碍，以在所述针固持器并未被所述夹持器装置夹持住时限制将所述针固持器的移动限制在其中。任一上述实施方案可进一步包括多套成套的发射器和传感器，其中所述成套的发射器和传感器中的任一个设置于所述针固持器上，且所述成套的发射器和传感器中的另一个设置于所述夹持器装置上，使得所述针固持器相对于所述夹持器装置的位置能被确定。所述系统还可包括用于确定所述针固持器和所述夹持器装置的位置的外部追踪系统，使得所述针固持器相对于所述夹持器装置的位置能被确定。

另一示例性实施方案提供了一种用于针插入到受治者体内的系统，所述系统包括：

(i)针固持器，所述针固持器用于固持所述针，所述固持器具有带有第一组定位特征的基部，和定位栓，

(ii)夹持器装置，所述夹持器装置具有第二组定位特征和夹持系统，所述第二组定位特征适于与所述针固持器上的所述第一组定位特征匹配，所述夹持系统适于在所述栓上闭合，及

(iii)致动机构，所述致动机构适于在所述第一定位特征和所述第二定位特征匹配之后使所述夹持系统在所述栓上闭合，使得所述针固持器被所述夹持器装置夹持住，

其中，所述夹持器装置适于由机器人固持，使得在所述致动机构操作时，所述机器人能将所述针插入到所述受治者体内。所述系统可进一步包括多套成套的发射器和传感器，其中所述成套的发射器和传感器中的任一个可设置于所述针固持器上，且所述成套的发射器和传感器中的另一个设置于所述夹持器装置上，使得所述针固持器相对于所述夹持器装置的位置能被确定。另外，所述系统可进一步包括用于确定所述针固持器和所述夹持器装置的位置的外部追踪系统，使得所述针固持器相对于所述夹持器装置的位置能被确定。

在本发明公开中描述的用于针插入到受治者体内的系统的另一示例性实施方案，可包括：

(i)针固持器，所述针固持器用于固持所述针，所述固持器具有带有第一组定位特征的基部，和铁磁性区段，

(ii)夹持器装置，所述夹持器装置具有第二组定位特征和可切换的磁场源，所述第二组定位特征适于与所述针固持器上的所述第一组定位特征匹配，及

(iii)致动机构，所述致动机构适于接通所述磁场以使得所述第一定位特征和所述第二定位特征匹配，且所述针固持器的所述铁磁性区段被所述夹持器装置的所述磁场夹持住，

其中，所述夹持器装置适于由机器人固持，使得在所述致动机构操作时，所述机器人可将所述针插入到所述受治者体内。

这一系统可进一步包括多套成套的发射器和传感器，其中所述成套的发射器和传感器中的任一个设置于所述针固持器上，且所述成套的发射器和传感器中的另一个设置于所述夹持器装置上，使得所述针固持器相对于所述夹持器装置的位置能被确定。所述系统还可有利地包括用于确定所述针固持器和所述夹持器装置的位置的外部追踪系统，使得所述针固持器相对于所述夹持器装置的位置能被确定。

其他示例性实施方案涉及一种用于针插入到受治者体内的系统，所述系统包括用于固持所述针的针固持器和夹持器装置，所述固持器具有附接的柔性绳索，所述夹持器装置包括：

(i)致动器，所述柔性绳索可远离所述针固持器附接至所述致动器，且所述致动器适于在被致动时拉动所述柔性绳索，

(ii)停靠端口，所述停靠端口被成形为使得在所述柔性绳索被拉动时所述针固持器牢固地装配在所述停靠端口内，及

(iii)一对臂，所述一对臂设置于所述停靠端口的任一侧上，以将所述针固持器的移动限制在两者之间，

其中，所述夹持器装置适于由机器人固持，使得在所述致动机构操作时，所述针固持器牢固地停靠在所述停靠端口中，且所述机器人能将所述针插入到所述受治者体内。

这一系统可进一步包括多套成套的发射器和传感器，其中所述成套的发射器和传感器中的任一个设置于所述针固持器上，且所述成套的发射器和传感器中的另一个设置于所述夹持器装置上，使得所述针固持器相对于所述夹持器装置的位置能被确定。另外，所述系统可进一步包括用于确定所述针固持器和所述夹持器装置的位置的外部追踪系统，使得所述针固持器相对于所述夹持器装置的位置能被确定。

另一示例性实施方案可涉及一种用于针插入到受治者体内的方法，所述方法包括：

(i)提供结合所述针的固持器，

(ii)提供用于可控地夹持和释放所述固持器的捕获单元，并且

(iii)以机器人方式引导所述捕获单元以在一系列单独的步骤中将所述针插入到所述受治者体内，所述步骤包括：

(a)在所述针的插入步骤期间在所述捕获单元中夹持所述固持器，并且

(b)在插入步骤之间从所述捕获单元释放所述固持器。

在此方法中，所述插入步骤可与所述受治者的呼吸周期同步，使得所述捕获单元可接受指令以在所述受治者的呼吸周期的预定时间点夹持所述固持器。此方法则可进一步包括使用追踪传感器监控所述受治者的呼吸周期的步骤，或者可进一步包括使用从呼吸机获得的信号来监控所述受治者的呼吸周期的步骤。所述追踪传感器可确定所述受治者的身体的靠近所述针的插入点的位置。另外，所述方法可进一步包括指示所述捕获单元以在所述受治者的呼吸周期中的与所述固持器在所述呼吸周期中的在前的释放时间点大体相同的时间点夹持所述固持器的步骤。最后，在这些方法中的任何方法中，以机器人方式引导的所述捕获单元可被配置成通过所述固持器在在前的插入步骤之后的释放位置来预见所述固持器在后续插入步骤之间的位置。

附图说明

根据以下结合附图的详细描述，将更全面地理解本发明，其中：

图1a、1b、1c示意性地示出了使用机械夹持实施方案的第一示例性夹持器；

图2示意性地示出了通过柔性链接而连接到机器人的针固持器；

图3a和3b示出了从不同角度的等轴视图所作的磁性夹持器的两个视图；

图4a到4d示出了与图3a到3b所示的磁性夹持器实施方案结构类似的针固持器的不同视图，但其中以机械方式完成所述夹持；

图5示出了第二种类型的针夹持器，其中所述针固持器没有与所述夹持器装置正接触，但被固持于受限空间的界限内，所述针固持器无法移动到所述界限之外；

图6a、6b示出了半约束型针夹持器组件的另一示例；

图6c和6d示出了与图6a和6b所示的类似的装置，但其中所述针被直接夹持住；图6d也示意地示出了附加的实施方案，其中也使用夹持器将针逐步插入到患者体内；并且

图7示出了在CT系统中正成像的受治者身体上活动的完整的机器人针插入系统。

具体实施方式

存在诸多可执行本发明描述的针夹持功能的方法，且此类方法的机构也有很多。在不希望限制本发明公开描述的装置和方法的普遍性的情况下，现在对大量的此类机构加以描述，仅作为如何实际地实施本发明的非限定性示例。所描述的针夹持器机构的类型可被分为两大主要群组：

(i)与针完全断开连接的夹持器，及

(ii)与针的连接被释放但针的基部被约束的夹持器。

现在在下文的单独章节中描述这些群组。

(I)完全断开连接的夹持器。

针被完全断开连接，且传感器始终追踪针的基部的位置，使得机器人可定位在恰当的位置以便在命令下达时抓取针。大量可能的替代实施方案可用于达成此目的，如下：

使用机械夹持器抓取。

参照图1a、1b、1c，这些图示意地示出了使用机械夹持实施方案的第一示例性夹持器。图1a是夹持器16的等轴视图，而图1b和1c是剖视图，分别示出了张开和在针上夹持住的夹持器。针10连接到轻量的针固持器11，所述针固持器具有以球13的形式附接到所述针固持器的夹持元件。此球可被针固持夹持器16夹持住。此球保持定位于夹具14的稍微张开的钳口内，但仅在通过致动器15的操作而闭合所述钳口时才被夹持，其中所述致动器可以是机械式、气动式或电磁式致动。定位于针固持器上的传感器12可实时追踪针固持器的位置和取向。追踪针固持器的位置和取向的一种方法可以通过远离针和机器人安装的外部追踪系统来实现。更有利的方法可以是将追踪系统发射器安装到由机器人致动器固持的夹持机构16上。这将在下文结合图3a-3b的示例性夹持器进行充分描述。用于所述追踪功能的发射器/传感器可以是超声接近传感器、红外线、激光、磁性、静电或测量物体之间的距离或相对位置的任何其他系统。在需要连接到针时，如图1b所示，机器人使用追踪器系统以探知所述球应当就位的位置，将针抓取夹具14移动到靠近针固持器的球，并启动夹具14以便如图1c所示夹持所述针固持器。

通过可按需变为刚性的柔性链接来断开连接。

现在参照图2。针固持器20始终通过柔性链接而连接到机器人，诸如由刚性管22和球形球接头21组成的柔性链接，如图2所示。所述柔性链接可通过拉动线材23而按需成为刚性。通过使用此连接，无论针所处的位置，都可瞬时夹持所述针。针固持器相对于机器人的取向从传感器12获知。

使用磁性夹持器抓取。

参照图3a和3b，这些图示出了从不同角度的等轴视图所作的磁性夹持器的两个视图。针10连接到具有三角形蜘蛛状底座的轻量的针固持器30，所述底座中设置有至少两个定位孔34或者一个定位孔34和一个定位槽35。在图3a、3b所示的示例中，示出了孔34和槽35的实施方案。针抓取器33具有自动定向销32，所述定向销被确定尺寸和分隔成与蜘蛛状底座的开口34、35相匹配。一个或多个传感器12实时追踪针固持器30。传感器12可以是超声接近传感器、红外线、激光、磁性、静电或测量物体的距离或相对位置的其他传感器。

比使用外部追踪系统更有利的方法可以是将追踪系统发射器36安装到由机器人致动器固持的夹持机构16上。发射器36和传感器12可确定近处的针固持器11的相互位置，随即可获知其相对于捕获机构16的位置，或者，甚至可获知在空间中的绝对位置，因为可获知机器人在空间中的绝对姿势。作为选择，发射器36可在针固持器11上，且传感器可在捕获机构16上，或者发射器和传感器可并入同一封装内，在所述系统的这两个部件部分中的一个上，且感测到的它们的相对位置可通过相对的部件上的反射器而获取。

针的基部通过致动器31的磁性吸引力而保持连接到针抓取器，所述致动器由电磁铁33供能，但也可使用螺线管驱动的移动磁体。针的基部通过对准销32而保持对准。在需要与针断开连接时，移除磁力，且所述针可断开连接并在空间中自由移动，同时传感器12保持追踪针的位置。在需要连接到针时，机器人将针抓取器移动到靠近针固持器的位置，使得定向销与蜘蛛状底座中的相应开口对准，且施加磁力以将蜘蛛状底座拉至与抓取器相接触。

使用机械夹持器抓取。

参照图4a至4d，示出了与图3a到3b所示的磁性夹持器实施方案结构类似的针固持器的不同视图，但是，代替图3a到3b的磁性夹持，夹持是以机械方式通过由螺线管或马达42致动的夹具43来完成的，所述夹具张紧到针固持器40中的柱元件上。图4a和4b是夹持器41和针固持器40的从两个不同方向所作的总体等轴视图，以显示夹持机构的所有方面，而图4c和4d是示出了机械夹持操作如何发生的剖视图。

(ii)释放针的连接但约束针。

现在参照图5，示出了第二类型的针夹持器的第一示例，其中针固持器被释放开与夹持器装置的任何正接触，但被固持在受限空间的界限内，所述针固持器不能移动到所述界限之外，使得可有效地且快速地完成将夹持器以机器人方式移动到针固持器的区域，且随后重新夹持所述针固持器。在图5的示例中，针固持器51通过张紧的线材52而夹持在夹持器装置的预定且可重复的位置。在针固持器被释放时，其被柔性线材52和静电钳口50约束，所述静电钳口将针的位置约束在其界限内。针的位置和取向可通过传感器12和所释放的线材52的长度来追踪。在需要重新连接时，通过致动器53将线材向后拉至针抓取器内。

现在参照图6a、6b，示出了半约束型针夹持器组件的另一示例。针固持器61完全断开连接，但被由夹持臂60形成的圆形结构约束。在需要抓取所述针时，抓取器62通过机器人而移动，使得针的基部将定位于由夹具60形成的圆的中心。然后闭合夹持臂，如图6b所示。

图6c和6d示出了类似的布置，但其中针是直接夹持住的，而非通过具有增大直径的柄部来夹持，如图6a和6b所示。

图6d还示出了本发明公开的针夹持器的另一实施方案，其中也使用了夹持器，以便将针逐步推进插入到患者体内。所述夹持器包含插入机构，所述插入机构使得夹持器本身能够逐步地推进针或针固持器。这可完全代替机器人插入来使用，或者除机器人插入之外来使用，诸如在机器人被用于初始定位或大插入步骤时，且图6d的插入机构实施方案被用于较小增量的插入步骤。在这一示例性实施方案中，运动机构与针夹持器相关联，且适于在夹持器已将针或针固持器牢固地抓取到其夹持件中时将针朝远侧移动预定的量。所述运动机构可以是任何可控的类型，且更便利地，可以是机电式的，诸如使用机械滑轨和丝杠，或者是电磁式的，使用线性螺线管，或者是液压式或气动式的，使用驱动式活塞。赋予针夹持器的运动范围是根据医疗人员选定的步长通过控制系统给予的信号来确定的。在图6d所示的实施方案中，插入机构由滑动基座81组成，所述滑动基座可附接到机器人放置臂的末端执行器，且具有一组导轨82，针夹持器62的基部可在运动机构的影响下沿着所述导轨运动，所述运动机构在图6d中示为活塞80。基座81可优选地由机器人执行臂的末端固持。图6d的运动插入机构可被用以递增地插入针10本身(如图6c和6d所示)或针夹持器(如本申请的前面的图所示)。

现在参照图7，该图示出了完整的机器人针插入系统，示出了通过使用本发明公开的装置而实现的总体特征中的一些。在图7中，示出了正在CT系统中成像的受治者74。在这一示例性系统中，用于插入针10的机器人72是安装在CT床侧的串接式机器人。然而，应当理解，用于插入针的任何适合的机器人可同样得到良好的使用，且尤其是在当前申请人的共同待决的PCT专利申请“通过针操纵实现的针转向”中所示的微型机器人。尽管仅在图7中示意地示出，但针10是由可释放的夹持器装置中的机器人臂固持的，诸如在本发明公开中所述的操作模型中的任一类型。运动或呼吸传感器73安装在受治者的身体上，以提供关于受治者的呼吸周期的数据。来自此传感器的数据被输入到系统控制器71，在系统控制器中数据被用于使针插入和针夹持及释放动作中的至少一个与呼吸周期的时间点同步。

本领域的技术人员将认识到，本发明并不限于上文具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包含上述各种特征的组合与子组合，以及本领域的技术人员在阅读上述说明时将设想到且并不在现有技术中的变化形式和修改。