混合控制外科机器人系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及机器人辅助手术的领域。
【背景技术】
[0002]在微创手术中，机器人手术系统用于增强外科医生的视觉和灵巧性。IntuitiveSurgical出品的达?芬奇(Da Vinci)是当今市场上仅有的软组织手术商业机器人。达?芬奇系统已经通过使外科医生能够接近难以到达的解剖区域(比如骨盆或腹膜后腔深部)并在该区域中操作来提供对开放手术(即前列腺切除术或子宫切除术)的更小创伤替代方式，使手术领域向前发展。在当今，超过90%的达?芬奇病例都是在骨盆腔中进行的泌尿生殖器手术，比如前列腺切除术、子宫切除术、膀胱切除术、肾盂成形术、骶骨阴道固定术、子宫肌瘤切除术和子宫内膜异位症切除术。在2011年，达?芬奇系统进行了 36万例手术，其中前列腺切除术和子宫切除术占这些手术的75% [Intuitive Surgical公司2012年报]。
[0003]达.芬奇的关键价值定位在于，它使泌尿科医生/妇科医生能够接近难以到达深而紧凑的骨盆空间，以便以增强的3D可视化和改进的灵巧性进行腹腔镜手术，否则使用传统腹腔镜方式的这种手术在技术上会非常具有挑战性。它最适于相对小区域中的手术和受限体积中的精确切开，但是它不适于更大的干预，比如结肠松动术，因为这些类型的手术通常要求宽范围的动作。先前的研究表明，机器人系统的直觉控制与开放手术期间由外科医生进行的动作更相当，并且能够缩短过程学习曲线，即使在经验相对缺少的腹腔镜外科医生的手中。Ahlering等人论证了泌尿科手术中的类似发现，其中机器人界面允许对腹腔镜不太熟悉的外科医生进行微创根治性前列腺切除术，在完成了仅仅十二个病例后，其结果与有经验的腹腔镜外科医生相当[Ahlering等人，J Urol 2003]。
[0004]无论达?芬奇在骨盆手术中的用途如何，其当前形式中的技术不适于普通外科，特别是结肠直肠切除术，在该手术期间遍历腹部的多个象限并且外科医生往往必须调整或倾斜患者和手术台以实现更好地接近目标组织。为了在诸如这种的手术中有效地使用机器人，内科医生可能需要大幅度修改其技术或者在手术中间使机器人对接和取消对接，这可能显著延长手术时间并且有可能增加伤害患者的风险。例如，全机器人方式进行的乙状结肠肠切除术要求机器人从上腹部开口取消对接，使患者重新定位，移动机器人并且再次对接下腹部开口。在常规腹腔镜中通常花几秒钟的动作已经变为由专门助手进行的繁重的10分钟或更长的活动。
[0005]当前机器人系统的进一步缺点是它们在主、从两侧的占地面积都大，这可能阻碍接近躺在手术台上的患者，并且还对恰当的患者定位和开口布局造成显著挑战。开口布局中即使小偏差都可能造成机器人臂的碰撞或者未能到达预期的目标区域。它也缺乏触觉反馈(触觉和力反馈)，使之不适于手术吻合，因为它们要求水密而无张力的缝合以减轻手术后吻合断裂的可能性。根据我们对外科医生的调查，即使以其近来得到验证的内手腕缝合器(Endo Wrist Stapler)，在结肠直肠手术中达?芬奇的应用非常仍有限。或许它有非常小的商机，比如骨盆中深部的低位直肠前切除术和吻合能够通过使用经肛圆形吻合器完成。
[0006]传统的微创结肠直肠手术包括以下阶段:⑴仔细切开以提供适当的止血和获得对目标组织的接近；(2)损伤的修复(如在穿孔的治疗中)或旁路/去除(如在结肠直肠癌中)；(3)吻合剩余肠端；(4)在指明时冲洗腹腔和骨盆腔；以及(5)适当地闭合筋膜和皮肤。采用机器人系统时，这些基本阶段的每一个都具有非常不同的设计需求。在探查阶段，理想的系统会提供宽范围的运动来识别目标组织和最优化地使用手术工具。第二个和第三个阶段典型情况下要求长手术时间，并且投入了外科医生的大量体力。需要一种增强外科医生的灵巧性以及提供手臂支撑的系统。
[0007]总之，当前的机器人系统使经过某些训练的外科医生能够进行MIS (微创手术)过程，这在其他情况下难以做到。不过，需要更灵活的、模块化的、智能的机器人功能以帮助在普通外科领域中使用机器人协助的MIS。对于不仅降低了进行MIS过程的技术壁皇而且还改进手术成果和效率的系统有明确的临床需要。
[0008]几个先前专利介绍了意在通过约束运动和提供支撑而帮助外科医生的设备。标题为 “Remote center-of-mot1n robot for surgery” 的美国专利 5，397，323 和标题为 “System and methods for controlling surgical tool elements” 的美国公开2009/0240259都介绍了会以远程自由度来限制工具的运动并且允许机器人主-从控制的系统。
[0009]标题为“Surgical manipulator”的美国公开2007/0250078介绍了能够定位手术工具并且提供触觉反馈的设备。
[0010]标题为“Human-robotshared control for endoscopic assistant robot”的美国公开2012/0283747介绍了机器人手臂定位系统，它能够支持能够以预加载的若干过程操作或者以变化的刚性手工操作的内诊镜。
[0011]标题为“Exo-skeletal haptic computer human/computer interface device，，的美国专利6，239，784介绍了手上安装的外骨骼手套似的触觉接口，它能够用于与计算机互动。
[0012]标题为“Force-feedback interface device for the hand” 的美国专利6，413，229介绍了类似的触觉手套似的接口，它能够以不同的方式安装并且被用来操纵虚拟的和有形的物体二者。
[0013]标题为“Endoscopic robotic surgical tools and methods” 的美国专利5，954，692介绍了允许直接控制手术器械的可穿戴的编码器/机器人接口。
[0014]标题为“Haptic device gravity compensat1n” 的美国专利 8，188，843 介绍了带有重力补偿的触觉输入设备。
[0015]标题为“Robotic Hand Controller”的美国专利8，332，072介绍了带有力反馈的具有8个自由度的机器人手控制器。
[0016]标题为“Exosceleton”的美国公开2008/0009771介绍了带有与人体对应的连接(links)和关节的可穿戴的结构。结构上的换能器允许在结构与用户之间交换运动和信息，并且使得能够控制结构的运动。
[0017]标题为“Telerobotic laparoscopic manipulator” 的 EP 0774329A 介绍了在腹腔镜手术中使用的可操纵的手，具有远离操作员的受控手，并且具有至少一个受控手指。
[0018]标题为“Interactivecomputer-assisted surgery system and method”的美国专利7，813，784介绍了为进行医学过程提供计算机协助的方法和系统。
[0019]标题为 “System and method for interactive haptic posit1ning of amedical device”的美国专利7，747，311介绍了触觉设备与计算机协助的系统结合用于交互触觉定位。
[0020]不过，以上文献都不涉及利用本公开的特征来以机器人手臂和系到操作员的手臂的末端执行器进行机器人协助的手术。没有任何一个文献介绍过定位在机器人手臂上的控制台和使内诊镜工具机械化的通用适配器。不仅如此，以上文献都没有介绍允许在以下不同操作模式之间容易交换的系统:手动模式、主-从模式和自主模式。
【发明内容】
[0021]正如以上概述，需要灵活而模块化的系统以便把机器人协助系统集成到标准的外科实践中。本公开通过加入智能机器人作为外科医生的手臂/手的外骨骼扩展来解决现有机器人手术系统的工作流程和人机工程学挑战。通过在外科领域中使外科医生、机器人和控制台整合在一起，外科医生可以被提供操