用于成像制导和机器人辅助的手术的机器人装置和系统软件、硬件和方法
【专利说明】用于成像制导和机器人辅助的手术的机器人装置和系统软 件、硬件和方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本国际申请按照美国法典35 U. S. C. § 119(e)要求现在已经被放弃的美国临时申 请序列号61/693, 634的优先权的权益，该申请的全部内容通过引用纳入此文。
[0003] 联邦基金说明
[0004] 本发明是在得到政府支持的且由国家科学基金会授予的拨款号0932272的资助 下完成的。政府对此发明保留一定的权利。
技术领域
[0005] 本发明涉及机器人学、机器人辅助手术过程和用于实施该过程的软件的技术领 域。具体地，本发明提供一种机器人系统，包括机械臂和致动器以及可应用的软件和硬件， 包括用于原位、实时成像制导的诊断、手术和微创医疗介入的可兼容核磁共振成像（MRI) 的医疗机器人平台。
【背景技术】
[0006] 包括单孔入径手术（single port access surgery)和经皮介入的微创手术中的 机器人辅助形成为可替代传统的开放式手术或者徒手介入的对病人更友好的，实践性更强 的并且最终有成本效益的。新技术实现增加了安全性和功能性的水平并且新一代的医生比 他们的前辈更习惯于计算机可启用工具。该典范转移需要耐用、可扩展和高效的方法，用 于一体化多模式感测例如组织水平图像和分子水平图像、诸如机器人和触觉装置的控制系 统、以及例如手术的、放射学的、心脏病学等的介入。通过先驱团体在开发创造性的计算方 法、机械臂和触觉界面方面做出的巨大努力已经铺平了通向该巨大突破的道路。展望成像 制导和机器人辅助（IGRA)手术，多个因素可以有助于下一代系统，该系统包括将能够局部 地评估组织病理和功能的实时成像制导与高效的操作员界面的无缝地成一体。
[0007] 实时成像制导（RTIG)提供用于评估手术区域（AoP)的独特特征，这些特征包括： 1)评估实时组织变形和运动，其次评估例如呼吸或心脏跳动等的过程或自然运动；2)三维 地监控工具（多个工具）；以及3)更新靶组织的病理生理信息。在被赋予这些特征的情况 下，RTIG可以有助于典范转移，并且有助于将包括即内窥镜检查或腹腔镜检查等的"锁孔" 显示和操作前的成像制导的当前方法到可更全局性地和信息更丰富地对AoP的感知的方 法突破，这能使进行更广范围和更高水平的复杂手术。在该背景下，对徒手手术或机器人辅 助手术手术，已经利用包括超声波（US)和核磁共振成像（MRI)的不同成像设备进行了大量 开创性的工作。
[0008] IGRA手术是挑战性的、高度复杂性的并且具有大范围的临床典范，并且能使技术 已经或者正被很多团体实施。一些IGRA装置已经被开发或者正在被开发。可以彻底变革 MRI制导手术的可兼容MR的神经臂是复杂且昂贵的技术，但是不适用于实时的MR制导。在 国立卫生研宄院研发的另一个系统基于已经停止销售的Innomotion?机器人。
[0009] 因此，在该领域公认地存在对改进的成像制导和机器人辅助手术的需求，尤其是 对用于机器人控制和HIMI的实时多模式成像的需求，以用于机器人的人在回路自主或手 动控制。更具体地，现有技术在操作和制导机器人装置和系统的软件和执行系统方面是不 足的，该系统被设计为用于在成像扫描仪的空间约束内操作，用于致动机器人的装置不能 在核磁共振环境的极高磁场中执行并且不能实时跟踪组织。本发明实现了本领域中一直以 来的需求和期望。
【发明内容】
[0010] 本发明涉及一种在手术过程期间用于机器人的原位实时成像制导的计算机系统。 该计算机系统在具有存储器、处理器和至少一个网络连接器的至少一个计算机中包括：多 个模块，所述模块被构造为手术进行时使得成像设备、医疗机器人和所述成像设备以及医 疗机器人的操作员经由多个与上述成像设备、医疗机器人和所述操作员相联接的界面而联 接。本发明涉及一种相关的计算机系统，所述计算机系统包括如下的模块，所述模块被构造 为：1)在手术过程期间控制所述成像设备；2)跟踪机器人或与所述机器人共同配准的介入 工具；3)跟踪感兴趣的组织；4)处理从所述成像设备和所述机器人采集的数据；5)生成用 于机器人在患者的体外和体内安全和精确运动的动态路径或通道；6)显示所述机器人和 根据所采集的数据生成的手术区域；以及7)使用力反馈装置或触觉装置以实现人机界面。 本发明涉及另一种相关的计算机系统，所述计算机系统还包括一个模块，所述模块被构造 为共同配准多个多模式传感器与所述机器人和所述成像设备。
[0011] 本发明还涉及一种在手术过程期间用于机器人的原位实时成像制导的计算机执 行方法，该方法包括如下的步骤：在本文所述的计算机系统中，在手术进行时，处理数据以 获得组织和医疗机器人的当前状态；生成至少一个组织边界，该组织边界包括手术区域，或 者靠近机器人的访问路径的区域，或者上述两个区域；动态地监测整个手术区域的组织边 界的运动。相对于手术区域并且基于被设置为靠近所述机器人并且被耦合到所述成像设备 的多个标记的个体显示，跟踪机器人或者包括该机器人的介入工具的位置。本发明涉及一 种相关的方法，还包括如下的步骤：随着手术区域和机器人被监控和跟踪，生成手术区域和 用于系统的操作员的机器人的显示。本发明涉及另一种相关的方法，该方法还包括如下的 步骤：根据与机器人和成像设备的坐标系共同配准的多个多模式传感器中的一个或多个而 生成手术区域的视图。
[0012] 本发明还涉及一种核磁共振成像制导和机器人辅助手术系统。该系统包括：至少 一个计算机处理器；至少一个计算机存储器；一个或多个机器人结构，所述结构包括系统 可配准机器人或者包括该机器人的介入工具；与所述机器人配准的核磁共振扫描仪；和多 个模块，所述多个模块被构造为用于与计算机处理器和存储器一起动态地操作。多个模块 启动处理器可执行指令：1)描述与机器人以及患者的感兴趣组织相关的所有MR生成数据； 2)在手术区域中建立组织边界；3)经由MR扫描仪或者经由包括机器人并且被设置在患者 体内或体外的一个或多个多模式传感器而动态地监测组织边界的运动；4)跟踪机器人相 对于手术区域的位置；5)将生成的数据传送到系统的操作员；6)生成指令以用于机器人控 制并且根据所生成的数据进行跟踪；7)在操作员的手术过程期间生成手术区域和机器人 的视图；以及8)在机器人、扫描仪、模块和操作员之间建立多个界面。本发明涉及一种相关 的核磁共振成像制导和机器人辅助手术系统，其中，多个模块还被构造为启动处理器可执 行指令根据经由多模式传感器所采集的数据而生成且显示手术区域的4D视图。本发明涉 及另一相关的核磁共振成像制导和机器人辅助手术系统，其中，多个模块还被构造为启动 处理器可执行指令生成至少一个信号强度投影以监控组织到组织的边界或者组织到机器 人的边界。本发明还涉及另一种相关的核磁共振成像制导和机器人辅助手术系统，其中多 个模块还被构造为对包括患者身体的自然管状结构和包括机器人或者介入工具的人造管 状结构进行成像。
[0013] 本发明还涉及一种永久性计算机可读取数据存储介质和一种计算机程序产品，所 述产品可有形地在在永久性计算机可读取介质中实现，所述存储介质存储计算机可执行指 令，当该计算机可执行指令被执行时，执行计算机系统中的动作以实现本文描述的计算机 实施方法，或者存储包括本文描述的多个模块的计算机可执行指令。
[0014] 根据以下的对本发明的以公开的目的而给出的当前优选的实施例的说明，本发明 的其他和另外的特征、方面和优点将变得显而易见。
【附图说明】
[0015] 从而，其中本发明的上述特征、优点和目的以及将变得显而易见的其他的特征被 获得并且可以被更加详细地理解，更具体地，本发明的如上简述的说明和特定实施例在附 图中示出。这些附图形成了说明书的一部分。然而，应当注意附图示出了本发明的优选实 施例，并且因此不能认为是对本发明的范围的限定。
[0016] 图1是通用的医疗机器人平台的示意图。
[0017] 图2是单孔入径（SPA)手术的示意图