自动的外科手术和介入过程的制作方法
【专利说明】自动的外科手术和介入过程
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请根据35U.S.C.§ 119(e)要求2012年6月29日提交的U.S.SerialN0.61/666，399的优先权的权益，其全部内容通过引用合并于此。
【背景技术】
技术领域
[0003]本发明涉及机器人手术的领域，S卩，手术任务的完全自动化或者部分自动化。
[0004]相关技术的描述
[0005]由于外科医生和机器人通过主/从范式进行交互，因此市场上可获得的所谓的“机器人手术”通常是机器人辅助手术。从机器人被约束来遵循来自外科医生主设备的直接命令，而几乎没有自主性。尽管该方法是可靠的，但是它将从机器人的速度和灵活度限制于外科医生的速度和灵活度。
[0006]如果过程是部分自动的，那么可以对机器人进行编程以使用从更有经验的外科医生收集的数据，以结合附加安全措施或者甚至优化过程以超越人类极限工作，从而提高效率、可靠性以及潜在地提高手术效果。
[0007]当前可获得的侵入性手术系统都没有在手术过程期间利用真正的自动化。Intuitive Surgical公司(Sunnyvale，CA)的da Vinci微创手术系统利用具有最小自动化的主-从控制系统。用于整形外科手术的Robodoc依靠外科医生输入和计划进行磨骨。然而，如由Moustris等人的文献综述中所详述的，存在对手术机器人进行闭环控制中所涉及的每个步骤的持续不断的研宄。
[0008]在对用于生成自动例程的临床数据的分析中，Johns Hopkins大学的手术语言项目解析和创建了手术运动的模型，并且显示了生成手术运动的能力，尽管该工作仍在继续以使任务适应手术场景。尽管Bauernschmitt等人开发了可以在机器人中复现打结的系统，但是这只是模拟预先录制的移动，并且不是真正的自动化。
[0009]在设计用于手术自动化的控制系统中，多个组已设法使用超声波产生手术场景的3D重建，并且正在开发用3D超声波的视觉伺服。Majdani等人在尸体上对微创机器人耳蜗造口术进行了测试，使用术前CT图像计算钻探轨迹并且使用具有图像反馈的视觉标记以引导机器人。然而没有一种方法将两个可见光图像与其它模态结合以控制机器人。
[0010]有若干专利申请描述了自动化。“Surgical Guidance Utilizing TissueFeedback”描述了进行预编程的任务(例如轨迹移动)，同时将预期的组织反馈与当前组织反馈进行比较以帮助该过程(例如对于误差的校正，作为参考点使用)的系统。“Ultrasonic Surgical System and Method”描述了利用超声波工具的手术系统，具有以在使用该工具中涉及的多个任务辅助外科医生，或者如由外科医生或者预加载程序所指引的自动地执行任务的能力。尽管这些专利包括作为用于它们的发明的可能控制方式的自动化，但是它们将自动化的使用限制为简单的任务或者辅助外科医生。尽管“RoboticSurgical System”给出了体腔内自动手术系统的一般说明，但是几乎没有提供关于开发的计划或者其实现的细节。
[0011]1.Moustrisj GPj SC Hiridisj KM Deliparaschos 和 KM Konstantinidis 的“Evolut1n of Autonomous and Sem1-autonomous Robotic Surgical Systems: a Reviewof the Literature.，，Int J Med Robot 7, n0.4 (2011): 375-920
[0012]2.Lin HCj Shafran I, Murphy TE 等人的 Automatic detect1n andsegmentat1n of robot-assisted surgical mot1ns.1n Medical Image Computing andComputer-Assisted Intervent1n(MICCAI 2005.Springer:Berlin, 2005 ；802810o
[0013]3.Reiley CE，Plaku E，Hager GD.Mot1n generat1n of robotic surgicaltasks:learning from expert demonstrat1ns.1n Annual Internat1nal Conference ofthe IEEE,Engineering in Medicine and B1logy Society (EMBC)，2010 ;967_970o
[0014]4.Bauernschmitt Rj Schirmbeck EU，Knoll A 等人的 Towards robotic heartsurgery:1ntroduct1n of autonomous procedures into an experimental surgicaltelemanipulator system.1nt J MedRobot 2005 ;1 (3):74-79。
[0015]5.Majdani 0，Rau TSj Baron S等人的 A robot-guided minimally invasiveapproach for cochlear implant surgery:preliminary results of a temporal bonestudy.1nt J Comput Assist Rad1lSurg2009 ;4(5):475-486。
[0016]6.美国专利申请 N0.12/842，462 “Surgical Guidance Utilizing TissueFeedback”，受让人:McMaster University0
[0017]7.美国专利申请 N0.11/392，040 “Ultrasonic Surgical System and Method”，受让人:Ethicon Endo-Surgery Inc0
[0018]8.美国专利申请 N0.12/045,230 “Robotic Surgical System”，受让人:FleitGibbons Gutman Bongini&Bianco PL0
【发明内容】
[0019]当前可用的主-从操作模式将机器人限制于操作的外科医生的灵活度和技能，在与自主控制相比较时这对需要高的精度、灵活度和重复的某些子任务(例如缝合)可能是无效率的。另外，监督性自动化用建立在主外科医生的能力和来自辅助成像源的表面下组织信息上的基于证据的决策支持算法对基于每个个体外科医生的经验的自适应和视觉处理能力的限制进行改进。
[0020]将识别和选择需要高的灵活度、精度和重复性的手术子例程以用于自动化。将对来自专家外科医生进行的这些例程的手动和机器人辅助操作的临床数据(视觉记录、机器人移动、患者结果等等)进行分析以识别用于自动化的自动化关键信息(例如，关键参考点、视觉参考、器官/血管位置/移动等等)和最优移动模式。将对自动化程序进行设计，使得在给出前述关键信息的情况下自动化程序可以使手术任务适应不同患者。自动例程将不仅模拟临床数据，而且从专家外科医生的操作学习并且对外科医生的操作加以改进以利用机器人的效率和有效性。
[0021]自动化程序可以利用具有来自一个或者多个相机的实时视觉反馈的视觉伺服，该一个或者多个相机为内窥镜式的或者外部安装的，其能够提供可见光谱图像和/或非可见光谱图像。非可见光谱图像的示例是近红外荧光(NIR)图像。可以连同通过专用传感器的视觉信息或视觉信息的提取一起提供3D信息。例如，如果使用两个相机，则可以通过立体三角测量算法提取3D深度信息。还可以通过结构光3D扫描仪或者通过光场相机获得3D深度信息。
[0022]由于手术环境的常常动态和非结构化的性质，仅光学数据可能还不足够对可移动和可变形目标进行稳健的实时高保真度跟踪；因此，在需要时，视觉数据可以增扩、融合或者伴随有其它传感器(例如红外线相机、触觉传感器等等)。视觉图像连同其它感觉数据和关键数据一起将馈送到自动化程序的控制系统中，该自动化程序的控制系统将移动机器人和工具以执行期望的手术任务。对于每个手术过程可以生成超过一个自动化程序，其中每个程序接受传感器和关键数据的不同组合以适应不同手术情况，但完成相同的手术目标。也可以使单个程序接受传感器和数据的多个组合。
[0023]在手术期间，机器人将能够在三个操作模式中的一个下进行操作:主-从、半自主和监督性自主。在主-从模式中，外科医生直接控制机器人的运动以执行用另外两个模式不能进行的任务，例如为自主程序准备手术场景(例如放置组织标记)。在半自主模式中，外科医生将为机器人提供动作命令(例如，在特定位置中放置缝合线、以直线切割组织、打结)，机器人将使用自主计算的轨迹和工具致动来执行动作命令。也就是说，在准备手术部位之后，外科医生仍然交互地参与决策制定和命令规范。该交互可以通过图形用户界面实现，其中外科医生标出缝合线位置的轮廓以使得程序可以在视觉上跟踪目标位置并且生成机器人轨迹以到达目标。外科医生与程序交互的部分限定半自主性。在监督性自主模式中，外科医生仅向机器人提供总体目标(例如执行吻合术)并且自主程序在没有来自外科医生的任何输入的情况下，确定完成目标必需的动作(例如，要放置的缝合线的位置、数量、张力和顺序)。也就是说，在准备手术部位之后，程序自动地选出目标位置并且继续进行。外科医生的角色主要是安全性监督。在整个手术期间，外科医生可以视情况采用这三个模式中的任何一个，并且在操作中的任何时候，外科医生可以中断机器人运动并且采取机器人的