本公开涉及用于微创机器人辅助手术的外科手术系统和方法，且更特别地涉及用于围绕定位在解剖进入点的近端的枢轴移动手术器械的系统和方法。
背景技术：
微创医疗技术意在减小在诊断或手术程序期间损害的外部组织量，从而减少患者恢复时间、不适和有害的副作用。已经开发了微创机器人手术或远程手术系统以增加外科医生的敏捷度并避免传统微创技术的一些限制。在远程手术中，外科医生使用一些形式的远程控制(例如，伺服机构等)以操纵手术器械运动，而不是直接用手握住并移动器械。在远程手术系统中，外科医生能够在手术工作台处被提供手术部位的图像。当在显示器上看见手术部位的二维或三维图像时，外科医生通过操纵主控制设备进而控制伺服机构操作的器械的运动来对患者执行手术程序。
在机器人辅助的远程手术中，外科医生通常在可以远离患者的位置(例如，穿过手术室、在不同的房间中或与患者完全不同的建筑物)操作主控制器以控制手术部位处的手术器械的运动。主控制器通常包括可操作地耦合至手术器械的一个或更多个手动输入设备(诸如手持式腕部万向架、操纵杆、骨骼式手套等)，该手术器械可释放地耦合至患者侧手术操纵器(“从属装置”)。主控制器控制器械在手术部位处的位置、取向和接合。从属装置是包括连接在一起以支撑和控制手术器械的一个或更多个臂、接头、联动件、伺服马达等的机电组装件。在手术程序中，手术器械(包括内窥镜)可以通过自然腔道被直接引入打开的手术部位或通过插管被直接引入体腔中。
对于微创手术程序，由手术操纵器控制的手术器械可以通过单个手术切口部位、患者身体上多个空间密集的切口部位和/或患者解剖结构中的一个或更多个自然腔道被引入体腔中。对于通过特别小的切入端口执行的一些微创手术程序，多个手术器械可以以具有近乎平行的器械轴的紧密聚集的族被引入。先前的手术系统和技术维持了被称为“远程中心”的共同中心的运动，其在接近解剖进入点的区域处。试图通过特别窄的手术切口或特别窄的自然腔道(例如人类喉咙或子宫颈)维持旋转的中心处于解剖进入点处，这可以导致手术器械近端的碰撞。需要用于控制这些手术器械同时使手术器械碰撞的发生率最小化的改进的系统和方法。
技术实现要素：
本发明的实施例由所附权利要求概括。在一个实施例中，机器人手术系统包含具有近端安装部分和远端安装部分的器械底盘。该系统还包含可移动地耦合至远端安装部分的器械导向装置和耦合至近端安装部分的致动器。联动系统可操作地使致动器和器械导向装置互相连接以将运动从致动器传输到器械导向装置。
在另一个实施例中，机器人手术方法包含提供具有近端安装部分和远端安装部分的器械底盘。器械导向装置组装件可移动地耦合至远端安装部分。一对近端致动器耦合至近端安装部分，并且联动系统可操作地使致动器和器械导向装置组装件互相连接。该方法进一步包括向近端致动器中的一个提供第一控制信号以引起联动系统以第一旋转自由度移动器械导向装置组装件。该方法还包括向近端致动器中的另一个提供第二控制信号以引起联动系统以第二旋转自由度移动器械导向装置组装件。
在另一个实施例中，机器人手术系统包含具有近端安装部分和远端安装部分的器械底盘组装件。底盘包括耦合至近端安装部分的器械接口。手术系统进一步包含耦合至近端安装部分的致动系统。手术系统进一步包含可操作地耦合在致动系统和远端安装部分之间的联动系统。联动系统包括器械导向装置。手术系统进一步包括经配置以与器械接口和器械导向装置耦合的手术器械。
附图说明
当结合附图阅读时，本公开的各方面能从下面的具体实施方式被最好地理解。强调指出，根据工业中的标准惯例，各种特征未按比例绘制。实际上，各种特征的尺寸可以任意的增加或减小，以便于更清晰的讨论。此外，本公开可以在各个示例中重复参考数字和/或字母。重复是出于简化和清楚的目的，且其本身未指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。
图1是根据本公开的实施例的机器人手术系统的示意性描述。
图2a、图2b和图2c是根据本公开的实施例的微创手术系统的示意性描述。
图3是根据本公开的另一个实施例的微创手术系统的透视图。
图4是根据本公开的实施例的机器人手术系统的器械接口的示意图。
图5是根据本公开的实施例的机器人手术方法。
图6是根据本公开的实施例的手术器械的远端的侧视图。
具体实施方式
在本发明的实施例的以下具体实施方式中，阐明许多具体细节，以便提供所公开实施例的彻底理解。然而，在无这些具体细节的情况下，本公开的实施例可以没有这些具体细节而被实践，这对本领域技术人员将是显而易见的。在另一些情况下，公知的方法、程序、组件和电路未被详细描述，以免不必要地混淆本发明的实施例的各方面。
参考附图中的图1，机器人手术系统通常由参考数字100指示。机器人手术系统100包括主系统102，其也被称为主控制台或外科医生控制台，用于输入手术程序，和从属系统104，其也被称为患者侧操纵器(psm)，用于在患者体内的手术部位处以机器人移动手术器械。机器人手术系统100用于执行微创机器人手术。能够用于实施本公开中描述的系统和技术的机器人手术系统架构的一个实施例是由加利福尼亚州森威尔市的intuitivesurgical公司制造的da
系统100由系统操作者使用，系统操作者通常为对患者执行微创手术程序的外科医生。系统操作者看到图像，该图像由图像捕获系统106捕获，呈现用于在主系统102处观看。响应于外科医生的输入命令，控制系统108实施耦合至机器人从属系统104的手术器械的伺服机械运动。
控制系统108包括用于实施主系统102、从属系统104和图像捕获系统106之间的控制的至少一个处理器且通常为多个处理器。控制系统108还包括软件编程指令以实施本文公开的方法的部分或全部。虽然控制系统108在图1的简化示意图中被示为单个框，但该系统可以包含多个数据处理电路(例如，在主系统102上和/或在从属系统104上)，其中至少一部分处理电路可选地使邻近输入设备被执行，一部分使邻近操纵器被执行，等等。可以采用任何各种集中式或分布式数据处理架构。类似地，编程代码可以被实施为若干独立程序或子程序，或可以并入本文描述的机器人系统的若干其它方面。在一个实施例中，控制系统108可以支持无线通讯协议，诸如，蓝牙、红外线数据标准协议(irda)、家庭射频、ieee802.11、dect和无线遥测。
机器人手术系统100进一步包括耦合至从属系统104的器械底盘110。器械底盘110提供共用平台，该共用平台用于耦合手术器械112和内窥镜114以便引入到患者进入点116中。在该实施例中，患者进入点是提供到咽喉或喉部的通道的人嘴。应当认识到，本公开的实施例可以用于通过其它自然或手术产生的孔进入身体组织。
图2a是根据本公开的实施例的微创手术系统200的示意性描述。系统200包括具有近端部分204和远端部分206的器械底盘202。底盘202支撑内窥镜216。通常，底盘在其远端部分206的尺寸和形状相比于在其近端204的尺寸和形状被减小以最小化接近手术进入点的手术装备的体积。器械接口208、210可移动地安装至器械底盘202的近端部分204。手术器械212在其近端部分213处安装至器械接口208。手术器械214在其近端215处安装至器械接口210。接口208驱动手术器械212中的可移动组件，如在美国专利u.s.6,491,701中所描述的，该专利在此通过参考以其整体并入。接口210以类似方式驱动器械214。手术器械212、214还可移动地耦合至底盘202的远端部分206。如将在下面详细描述的，器械接口208、210安装至底盘202的近端部分204，以便允许旋转运动和线性运动。具体地，器械接口安装或柔性器械轴允许器械接口208、210相对于底盘202的俯仰运动、器械接口相对于底盘的偏转运动和器械接口相对于底盘的插入滑移运动。系统200以类似于筷子操作的方式运转，因为在工具的近端处接近枢轴位置的小运动能够对应于在工具的远端处用于操纵物体的较大的运动。
致动系统220操作器械212的组件，诸如，末端执行器和各个腕关节。致动系统222操作器械214的组件，诸如，末端执行器和各个腕关节。致动系统220、222可以包括马达、致动器、驱动系统、控制系统和用于实施器械的控制的其它组件。接口致动系统224控制器械212关于底盘202的运动，并且接口致动系统226控制器械214关于底盘202的运动。参考系统x1、y1、z1随器械212移动且参考系统x2、y2、z2随器械214移动。虽然手术系统200可以经配置以操纵如图所示的两个器械，但在可替代实施例中，该系统可以用于控制多于两个器械的运动。
图2b是根据本公开的另一个实施例的微创手术系统200的示意性描述。在该实施例中，接口致动系统224′包括马达m1，马达m1驱动取向系统g(例如，诸如图3所示的万向架系统，万向架组件334、336)以控制近端器械接口208以偏转运动(例如，围绕轴线y1)移动。接口致动系统224′还包括马达m2，马达m2驱动取向系统g以控制近端器械接口208，从而以俯仰运动(例如，围绕轴线x1)移动。接口致动系统224′还包括马达m3以控制近端器械接口208，从而沿轴线z1轴向移动(例如，用于器械插入和撤回)。虽然未详细示出，但接口致动系统226′可以包括类似组件，用于在近端器械接口210中实施类似运动。因此，在该实施例中，器械的运动可以在近端处被控制，而不需要远端处的支撑或控制。在该实施例中，接口致动系统224′和226′在近端器械接口208、210之间。虽然手术系统200可以经配置以操纵如图所示的两个器械，但在可替代实施例中，该系统可以用于控制多于两个器械的运动。
图2c是根据本公开的另一个实施例的微创手术系统200的示意性描述。在该实施例中，接口致动系统224〞和226〞基本分别类似于接口致动系统224′和226′，但在该实施例中，近端器械接口208、210在接口致动系统224〞和226〞之间。虽然手术系统200可以经配置以操纵如图所示的两个器械，但在可替代实施例中，该系统可以用于控制多于两个器械的运动。
早期的机器人手术方法和系统涉及耦合至机器人操纵器臂和耦合至插入联动系统的手术器械的使用，其约束手术器械围绕沿手术器械的轴线对齐且与患者进入点(诸如，切入口)重合的远程运动中心的运动。美国专利5,817,084和6,441,577描述了这些方法和系统的进一步细节，在此通过参考以其整体并入。本公开的实施例移除在患者进入点处对远程运动中心的约束并允许手术器械以至少一个旋转自由度围绕接近手术器械的近端或与其重合的空间位置枢转。例如，当使用大约40-50cm长的手术器械时，近端枢轴位置可以距离患者进入点大约30cm。
图3是根据本公开的另一个实施例的微创手术系统300的透视图。系统300可以有效地避免在小空间中工作时的器械碰撞。系统300包括器械底盘302和用于将手术器械308、310分别安装至底盘的器械接口304、306。手术器械308包括末端执行器308a和腕机构308b。手术器械310包括末端执行器310a和腕机构310b。手术器械308、310基于源自主系统102的控制输入信号和来自控制系统108的操纵器致动信号独立于彼此移动。系统300进一步包括安装在底盘的致动系统312和使致动器系统312和手术器械308、310互相连接的联动系统314。图像捕获系统316由底盘302支撑且通常通过底盘沿中心轴线318(在z轴方向上)对齐。
更详细地，器械底盘302包括近端部分320和远端部分322。系统300通常包括通常关于中心轴线318分开的左半侧324和右半侧326。在该实施例中，系统300的右半侧和左半侧的结构和功能大致相同。因而，系统300的结构和功能的完整描述将针对左半侧324，并且可以理解右半侧326的结构和功能是相同的。
器械底盘302包括位于底盘的近端329处的桥328并包括位于底盘的远端331处的桥330。支承管332通常沿轴线318延伸且支撑图像捕获系统316。支承管332刚性地连接桥328、330。器械底盘的组件可以由相对刚性的金属、塑料或陶瓷形成。器械底盘302进一步包括枢转地连接至万向架板336的万向架支撑件334。万向架系统334、336允许手术器械308的偏转运动(即，围绕y轴方向的旋转自由度)并且允许手术器械308的俯仰运动(即，围绕x轴方向的旋转自由度)。万向架系统334、336的运动是被动的，因为该运动响应于系统300中的其它致动力，如将更详细描述的。在可替代实施例中，包括多轴线万向架、球形接头/套接接头和铰链的其它接头或枢轴系统可以在底盘的近端部分处提供一个或更多个自由度。
器械底盘302还包括与器械接口304的轨道(未示出)可滑动接合的导向装置(未示出)。导向装置338和轨道340在系统300的右半侧326上更清晰可见。左半侧324的导向装置和轨道允许手术器械308大致沿z轴方向的插入运动。插入驱动系统341a、341b分别耦合至器械308、310，以提供相对于彼此移动导向装置和轨道的从动的插入运动。插入驱动系统341a、341b包括驱动马达和驱动机构，诸如，导螺杆、滚珠螺杆、缆线驱动器或齿条齿轮系统。可替代地，导向装置/轨道的运动可以是被动的，因为该运动响应于系统300中的其它致动力。
致动系统312的左半部包括耦合至底盘302的致动器340、342。致动器340、342每个均包括马达m1、m2，且分别具有提供可变且可控力以及位置控制的驱动机构和编码器e1、e2，其分别用于向控制系统108提供相应马达驱动轴的旋转位置。美国专利5,792,135提供了包括合适的替换物的致动系统的进一步细节，在此通过参考以其整体并入。致动器340、342耦合至传输致动的联动系统314。每个致动器提供预定类型的致动。例如，致动器340提供致动的俯仰运动(围绕x轴方向)，且致动器342提供致动的偏转运动(围绕y轴方向)。
联动系统314的左半部包括耦合在球窝和套接接头348，350之间的致动杆346。球窝和套接接头348耦合至致动器340。联动系统314还包括耦合至球窝和套接接头350的器械导向装置352。在该实施例中，器械导向装置352是大小被设置以容纳手术器械308的轴的管状套筒。在可替代实施例中，器械导向装置可以是环、托盘、开口管或使手术器械可移动地链接至底盘的其它结构。联接件346、348、350有助于将运动从致动器340传输至器械导向装置352。具体地，联接件可以在大致直线y方向或以旋转俯仰运动移动器械导向装置352。联动系统314还包括耦合在球窝和套接接头356(在视图上被底盘遮住)、358之间的致动杆354。球窝和套接接头350耦合至致动器342。器械导向装置352还耦合至球窝和套接接头358。联接件354、356、358用于将运动从致动器342传输至器械导向装置352。具体地，联接件可以沿大致x方向或以旋转偏转运动移动器械导向装置352。联动系统314进一步包括定位在远端桥330中形成的套接内的球窝接头360。球窝接头360耦合至器械导向装置352以将器械导向装置拴至底盘302。联动系统的组件可以由相对刚性的金属、塑料或陶瓷形成。联动系统的组件可以是可灭菌的或一次性的。联动系统的组件可以具有小横截面面积以最小化患者进入点附近的手术装备的体积。例如，杆联接件可以具有大约1-3mm的直径。在可替代实施例中，其它联接组件可以适于传输预定运动。这种可替代组件可以包括单向铰链接头、鞍形接头、滑动接头、柔性组件，诸如，弹簧和固定接头。
底盘302还支撑图像捕获系统316。更具体地，图像捕获系统316的内窥镜器械370延伸通过支承管332。内窥镜器械370具有可视端372并且可操作地连接至主系统102中的观察器以显示在外科医生或其它观察者的可视端处捕捉的图像。内窥镜器械370可以相对于器械底盘302被固定或可以被约束以沿大致与轴线318对齐的插入轴运动。可替代地，内窥镜器械可以相对于器械底盘是可操纵的、可枢转的或另外地可铰接的以改变可视端的视点。
图4更详细示出了器械接口304。底盘接口板380(其可以被认为是底盘的一部分或接口的一部分)旋转地连接至器械接口板382。旋转运动可以由回转接头、球窝/套接接头或其它已知机构提供以提供完整的或部分的旋转运动。板380、382之间的旋转运动是被动的，因为运动响应于系统300中的其它致动力，如将更详细描述的。
致动器384、386、388、390分别可操作地耦合至接口盘392、394、396、398。例如，2006年12月10日提交的题为“机器人手术系统的器械接口(instrumentinterfaceofroboticsurgicalsystem)”美国专利no.7,963,913充分公开了接口盘及其驱动附接手术器械中的预定运动的功能的更详细描述，在此通过参过以其整体并入。在该实施例中，每个致动器包括马达m和编码器e。每个致动器384-390影响手术器械308的末端执行器308a和/或腕机构308b中的具体运动。作为一个示例，致动器384可以控制腕机构308b的滚动运动。致动器386可以控制腕机构308b的致动的俯仰运动。致动器388和致动器390可以协同以控制腕机构的致动的偏转和抓握运动。各个致动器的分配的控制仅仅是示例。在可替代的实施例中，致动器可以经配置以控制手术末端执行器或腕中的不同运动。例如，单个致动器可以控制抓握，而两个致动器的协同组合可以控制腕机构的俯仰和偏转。
如图3所示，手术器械308包括耦合至接口304的近端壳体394。器械轴396在近端壳体394和腕机构308b之间延伸。美国专利no.5,792,135；6,331,181；和6,817,974详细解释了手术器械、末端执行器和腕机构的各个实施例，在此通过参考以其整体并入。
当装配时，近端壳体394耦合至器械接口304，并且轴396通过器械导向装置352插入。响应于系统300中的致动力，轴396被动地在器械导向装置352内滑动。例如，致动器340、342可以提供围绕轴线x的俯仰耦合运动和围绕轴线y的偏转耦合运动。当致动器340、342两者围绕轴线y在相同方向上移动时，轴396偏转地移动。当致动器340、342两者围绕轴线y在相反的方向上移动时，轴396俯仰地移动。致动器340、342的组合移动可以由2×2耦合矩阵控制以使轴396沿一系列方向移动。
如前所述的系统300允许手术器械通过自然或手术产生的小的患者进入点接入身体组织。该系统可以特别适于经由张开的患者的嘴手术接入喉部或咽喉组织或经由宫颈接入子宫组织以执行阴道子宫切除术。可替代地，系统300可以用于执行对于外科医生可能是疲惫的或可能需要不方便的定位的手术，例如乳腺手术。相比于需要多个大型专用操纵器臂以控制手术器械的旋转和插入运动的机器人手术系统，系统300使用支撑多个手术器械的最小尺寸的底盘。虽然系统300描述了耦合至共同底盘的两个手术器械的使用，但在可替代实施例中，三个或更多个手术器械可以从共同底盘安装和控制。将用于控制器械导向装置的移动的致动系统定位在底盘的近端部分使沿器械轴的中间或远端位置处所需要的结构的数量和尺寸最小化，以支撑和控制多个手术器械。联动系统允许致动系统远程地控制器械导向装置的运动。
在使用系统300之前，从属操纵器系统104的操纵器臂被定位和锁定到位。例如，操纵器臂可以是da
现参考图5，提供了使用系统300的机器人手术的通用方法400。在402处，在手术器械308的近端处的壳体394被容纳以与器械接口304接合。在404处，手术器械309的轴396在器械底盘302的远端处被容纳在器械导向装置352中。更具体地，轴396的远端或中间部分被容纳在器械导向装置352中。在406处，致动系统312致动联动系统314以相对于器械底盘302移动器械导向装置352。更具体地，致动器340接收来自控制系统108的控制信号以驱动联动系统314，包括移动球窝和套接接头348，其移动杆346。进一步地，致动器342接收来自控制系统108的控制信号以驱动联动系统314，包括移动球窝和套接接头356，其移动杆354。当杆346和杆354一起移动时，器械导向装置352沿x轴方向移动。当杆346和杆354反向移动时，器械导向装置352沿y轴方向移动。如果仅一个杆346或354移动，则器械导向装置352以与x轴方向和y轴方向均成某角度地移动。器械导向装置352通过球窝接头360被拴到底盘302的远端部分330。
在408处，响应于器械导向装置352的马达驱动的致动，手术器械308的近端被允许以多个旋转自由度被动地移动。更具体地，手术器械308的近端被允许与万向架板336围绕y轴方向被动地旋转(偏转)。附加地，手术器械308的近端被允许与器械接口板382相对于底盘接口板380围绕x轴方向被动地旋转(俯仰)。因为被动旋转接头的近端位置，所以器械轴396的远端或中间位置附近的器械导向装置352的移动实施在手术器械308的近端处的较小规模的运动。在手术器械的近端处的较小规模的运动减小或阻止了近端器械碰撞。为了避免机械臂碰撞，一些现有系统可能在大约8-9cm的器械解剖进入点之间需要间隔。本公开的系统可以允许更接近的器械间隔，同时避免机械臂碰撞。
在可替代实施例中，在底盘的近端处的万向架或其它旋转接头中的一个或更多个可以被替换为固定接头。在该实施例中，可以使用柔性器械轴，从而允许手术器械相对于底盘具有有限量的旋转移动。
为了向手术器械提供附加自由度和增加插入狭窄患者进入点中的相对平行的器械之间的工作空间，平行运动机构或“啮合接头”可以被添加至手术器械的远端。平行运动机构在手术器械的远端、末端执行器的近端处包括允许末端执行器的横向位移的一系列接头和联接件。美国专利no.7,942,868和美国专利申请no.12/489,566提供了啮合接头和平行运动机构的描述，在此通过参考以其整体并入。图6是具有轴501的远端手术器械部分500的侧视图。部分500包括接头502、接头504、接头506和联接件508、510。接头502、504允许+/-45°的旋转且接头510允许+/-90°的旋转。接头502、504、506和联接件508、510提供从轴510的轴线的横向位移d，从而允许在大致平行的手术器械之间的较大的手术工作空间。
本发明的实施例中的一个或更多个元件可以在软件中实施以在计算机系统(诸如，控制系统108)的处理器上执行。当在软件中实施时，本发明的实施例的元件本质上是执行必要任务的代码段。程序或代码段能够存储在处理器可读存储介质或设备中，且可以通过传输介质或通信链路以体现为载波的计算机数据信号的方式被下载。处理器可读存储设备可以包括能够存储信息的任何介质，包括光学介质、半导体介质和磁介质。处理器可读存储设备示例包括：电子电路；半导体设备、半导体存储设备、只读存储器(rom)、闪速存储器、可擦可编程只读存储器(eprom)；软盘、cd-rom、光盘、硬盘或其它存储设备。代码段可以经由计算机网络(诸如，因特网、局域网等)下载。
注意，所呈现的过程和显示可以不固有地与任何特定计算机或其它装置有关。各种通用系统可以与根据本文教义的程序一起使用，或可以证明便于构造更具体的装置以执行所描述的操作。各种这些系统需要的结构将在权利要求中作为元件出现。此外，本发明的实施例未参考任何特殊的编程语言来描述。应当认识到，各种编程语言可以用于实施如本文描述的发明的教义。
虽然本发明的特定示例性实施例已经被描述和示出在附图中，但应当理解，这种实施例仅是说明性的，并且不限制宽泛的本发明，且本发明的实施例不限于所示和所述的具体结构和布置，因为对本领域技术人员来说，可以想到各种其它修改。