手术机器人臂支撑系统和使用方法与流程

相关专利的交叉引用

本申请要求于2014年9月23日提交的编号为62/054,025的美国临时专利申请的权益和优先权，其全部公开内容通过引用的方式并入本文。

背景技术：

机器人手术系统已经用于微创医疗操作中。一些机器人手术系统包括支撑手术机器人臂的控制台，手术机器人臂操纵附接到机器人臂的各个手术器械及其末端执行器(例如，手术钳或抓紧工具)。机器人臂通过联接到手术器械的器械驱动单元为手术器械的操作和移动提供机械动力。

在手术开始之前，手动定位手术机器人臂，使得进入患者身体的手术器械与患者体内的套管针大致对准，器械通过该套管针插入。手动定位和调整过程是耗时的，并且涉及不同程度的反复试验。需要一种用于定位手术机器人臂的更有效的方法以减少手术室中的整体准备时间。

技术实现要素：

通过将每个机器人臂可分离地配合到固定对象(诸如手术台)上的一系列唯一识别的固定配合点中的预先选择的一个固定配合点上，可以减少手术机器人臂准备时间。每个配合点可以以预定距离彼此固定地定位和/或与手术台上的参考点相距预定距离固定地定位。每个配合点可以用不同的数字、图像、颜色、符号或标识符唯一地标识。可以基于机器人臂安置优化标准来分析患者特定信息(例如正在执行的手术操作的类型或患者的尺寸、性别或安置)，以预先选择那些机器人臂应当附接至的配合点。可以输出预先选择的配合点的标识符，使得机器人臂可以快速地配合到相应的预先选择的配合点，而不必经历耗费时间来手动定位臂的反复试验过程。

手术机器人臂支撑系统可以包括轨道和至少一个安装构件。导轨构造成联接到手术台并且包括多个分立的机器人臂安装位置。安装构件可以附接到机器人臂或集成到机器人臂中，并且可以构造成仅在多个分立的机器人臂安装位置中的选定的一个机器人臂安装位置处可拆卸地将机器人臂配合到轨道。每个安装构件可以被配置为支撑手术机器人臂。

多个分立的机器人臂安装位置中的每一个机器人臂安装位置可以具有与其相关联的不同的标识符。手术机器人臂支撑系统还可以包括处理器。处理器可以被配置为识别每个手术机器人臂相对于手术台的目标安装位置。处理器可以被配置为通过显示与所识别的目标安装位置相对应的特定标识符来指示所识别的每个手术机器人臂的目标安装位置。

可以想到，每个安装构件可以包括构造成用于可滑动地接纳相应的手术机器人臂的通道。

在一些实施例中，安装构件可构造成滑动地联接到轨道。

在一些方面，手术机器人臂支撑系统还可包括被构造成联接到固定表面(例如，天花板)的卷轴。该卷轴可包括可伸缩系链，可伸缩系链具有构造成附接到手术机器人臂的端部。

可以设想，手术台可以具有长边和短边。轨道可以安装到长边。

在实施例中，手术机器人臂支撑系统还可以包括设置在手术机器人臂周围的盘管，盘管该盘管被配置为在冷却介质通过盘管时冷却手术机器人臂。

根据本公开的另一方面，提供了手术机器人臂支撑系统的另一实施例。手术机器人臂支撑系统包括手术台和至少一个安装构件。手术台用于在其上支撑患者。手术台包括具有多个分立的机器人臂安装位置的轨道。安装构件构造成在多个分立的机器人臂安装位置中的选定的一个机器人臂安装位置处联接到轨道。每个安装构件被配置为支撑手术机器人臂。

根据本公开的另一方面，提供了将手术机器人臂安装到手术台的方法。该方法包括提供具有用于手术机器人臂的多个分立安装位置的手术台。确定手术机器人臂相对于手术台的目标安装位置。安装构件联接到所确定的目标安装位置。手术机器人臂联接到安装构件。

在实施例中，该方法还可以包括显示与所确定的手术机器人臂的所确定的目标安装位置相对应的分立标记。可以基于使与相应的分立安装位置相关联的分立标记与所显示的目标安装位置的分立标记匹配来将安装构件联接到所确定的目标安装位置。

在一些方面，可以通过向虚拟手术操作模拟器提供手术参数来确定手术机器人臂相对于手术台的目标安装位置。手术参数可以包括患者的尺寸、患者的目标组织区域、手术机器人臂的尺寸和手术台的尺寸。虚拟手术操作模拟器可以提供手术机器人臂相对于手术台的建议的目标安装位置。手术参数可以经由用户接口输入到模拟器中。

可以想到，通过使安装构件沿着手术台的轨道滑动到目标安装位置，安装构件可以联接到目标安装位置。

可以想到，通过将手术机器人臂插入限定在安装构件中的通道中，手术机器人臂可以联接到安装构件。手术机器人臂可以固定在通道中。

在实施例中，该方法还可以包括将卷轴连接到手术室的天花板，并且将卷轴的可伸缩系链的端部附接到手术机器人臂。

在一些方面，该方法还可以包括使冷却介质通过设置在手术机器人臂周围的盘管，以冷却手术机器人臂。

以下参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例的进一步的细节和方面。

如本文所使用的，术语平行和垂直被理解为包括与正平行和正垂直相差至多约+10度或-10度的大致平行和大致垂直的相对配置。

附图说明

在此参照附图描述本公开的实施例，其中：

图1是本公开的包括手术机器人臂的机器人手术系统的示意图；

图2是图1的机器人手术系统的其上附接有手术器械的手术机器人臂的立体图；

图3是根据本公开的示出了安装构件被安装到手术台的手术机器人臂支撑系统的侧视示意图；

图4是图3的手术机器人臂支撑系统的虚拟手术操作模拟器的示意图；

图5是示出了图3的手术机器人臂支撑系统和图2的示出系至手术室天花板的手术机器人臂的手术机器人臂的俯视立体图；以及

图6示出了用于优化机器人臂安置的示例性方法。

具体实施方式

首先参考图1和图2，手术系统，例如机器人手术系统1，通常包括多个手术机器人臂2、3；控制装置4；与控制装置4联接的操作控制台5；以及手术机器人臂支撑系统100。操作控制台5包括显示装置6，其特别设置为显示三维图像；和手动输入设备7、8，如原则上本领域技术人员已知的，通过该手动输入设备7、8，例如外科医生等人(未示出)能够在第一操作模式中远程操作机器人臂2、3。

机器人臂2、3中的每一个机器人臂可以由通过接头彼此连接的多个构件组成。机器人手术系统1还包括连接到每个机器人臂2、3的远端的器械驱动单元20。支撑末端执行器42的手术器械40可以根据一种本领域技术人员已知的任何方法附接到器械驱动单元20。

机器人臂2、3可以由连接到控制装置4的电驱动器(未示出)驱动。控制装置4(例如，计算机)被设置成特别是通过计算机程序来启动驱动器，通过这种方式，机器人臂2、3、其器械驱动单元20以及因此手术器械40(包括末端执行器42)根据通过手动输入装置7、8定义的移动执行期望的移动。控制装置4也可以设置为调节机器人臂2、3的移动和/或驱动器(未示出)的移动。

机器人手术系统1被配置为用于躺在患者台(例如，手术台102)上的待通过末端执行器以微创方式治疗的患者“p”。机器人手术系统1还可以包括两个以上的机器人臂2、3，附加的机器人臂同样连接到控制装置4并且通过操作控制台5可远程操作。手术器械，例如手术器械40(包括末端执行器42)也可附接到附加机器人臂。

对于机器人手术系统1的构造和操作的详细讨论，可以参考2011年11月3日提交的名称为“医疗工作台”的编号为2012/0116416的美国专利公开，其全部内容通过引用的方式并入本文。

控制装置4可以控制多个电动机(电动机1...n)，每个电动机构造成驱动在手术器械40的末端执行器42和手术器械40的相应从动构件(未示出)之间延伸的线缆(未示出)的推动或牵拉。在使用中，当线缆相对于末端执行器42被推动或牵拉时，线缆影响手术器械40的每个末端执行器42的操作和/或移动。可以想到，控制装置4协调各个电动机(电动机1...n)的启动以协调相应线缆的推动或牵拉动作，以便协调相应末端执行器42的操作和/或移动。在实施例中，每个电动机可被配置为致动驱动杆或杠杆臂，以实现手术器械40的每个末端执行器的操作和/或移动。

具体参考图2，机器人手术系统1包括手术组件30，其包括机器人臂2；连接到机器人臂2的器械驱动单元20；以及联接有或联接至器械驱动单元20的手术器械40。器械驱动单元20构造为驱动手术器械40的末端执行器42的致动并且在其中可操作地支撑手术器械40。器械驱动单元20将动力和致动力从电动机传递到手术器械40，以最终驱动附接到末端执行器42的线缆的运动。器械驱动单元20包括附接到相应电动机的多个驱动构件(未示出)，从而使驱动构件可相对于彼此独立地旋转。

手术器械40通常具有构造成与器械驱动单元20接合的近端部分42a和具有从其延伸的具有末端执行器42的远端部分42b。手术器械40还包括细长体或细长管44。末端执行器42从细长体44的远端42b向远侧延伸，并且构造成用于执行多种手术功能。

转向图3，机器人手术系统1还包括手术机器人臂支撑系统100，用于相对于患者“p”选择性地定位手术组件30(包括机器人臂2、3)，并用于将手术机器人臂2、3支撑在选定位置。手术机器人臂支撑系统100可以包括支撑构件，例如联接到手术台102的轨道110，以及构造成联接到轨道110的安装构件120。

手术台102被配置为用于在其上支撑患者。手术台102限定纵向轴线“x”并且可以具有纵向延伸的横边104。一个或多个轨道110可以被安装到手术台102的一个或多个边。轨道110可以可移除地联接到手术台102的边104、固定地附接到台102或与其成一体地形成。在实施例中，手术台102可以包括安装到手术台102的一个或多个横边或其它表面的一个或多个轨道。在一些情况下，代替连接到台102的轨道110，可以将一系列其上各具有至少一个机器人臂安装位置112的分立的安装单元以彼此间和/或距固定点(例如，手术台102的预选角落)的预定距离可移除地或固定地附接到手术台102。

轨道110包括沿着手术台102的纵向轴线“x”彼此纵向间隔开的多个分立的机器人臂安装位置112a、112b、112c、112d。每个分立的安装位置112a、112b、112c、112d占据手术台102的沿着手术台102的边104的区域或地带，一个手术机器人臂2或3(图2)可以在对患者“p”(图1)执行的手术操作之前和/或期间选择性地定位在该区域或地带。在实施例中，每个分立的安装位置112a、112b、112c、112d直接位于手术床102的边104上。在一个实施例中，分立的安装位置112a、112b、112c、112d由在轨道110中形成的适当尺寸的凹槽或凹口限定，安装构件120上的相应配合凸块用于将安装构件120配合地附接到安装位置112。在一些情况下，凸块可设置在轨道110上，而凹槽或凹口可形成在安装构件中。在其它情况下可以使用将安装构件120配合地附接到分立的安装位置112的其它配合的布置。

手术机器人臂支撑系统100可以包括多于一个的安装构件120。每个安装构件120被构造成将相应的手术机器人臂2、3在选定的分立安装位置112a、112b、112c或112d处安装到手术台102。每个安装构件120可以是管的形式，其限定了通道122，构造为穿过该通道122可滑动地接纳手术机器人臂2、3的基部。在一些情况下，安装构件120可以集成到手术机器人臂2、3中或是手术机器人臂2、3的一部分。每个安装构件120可以包括一个或多个附接件124，其被配置为将安装构件120连接到手术台102的轨道110。附接件124可以位于形成在轨道110中的限定了相应的安装位置112a、112b、112c、112d的相应的凹槽、凹口、突起、凸块等中，并且配合至附接件124中的相应凸块、凹槽、突起、凹口等。附接件124可滑动地联接到轨道110，使得安装构件120可以沿着导轨110纵向移动、滑动或平移到沿着手术台102的边104的选定的分立的安装位置112a、112b、112c、112d中。在实施例中，安装构件120可以直接连接到手术台102的边104处的安装位置102，例如通过各种紧固接合(例如卡扣配合接合、摩擦接合、粘合剂和/或各种紧固件)而不使用轨道110。

在一些实施例中，附接件124可以是各种紧固件的形式，诸如，例如c形夹、支架、带子、搭扣、磁体、吸盘等。在一些实施例中，安装构件120在相应的分立安装位置112a、112b、112c、112d中与轨道110固定地连接。附接件124可以从安装构件120中拆卸。

继续参考图3，每个机器人臂安装位置112a、112b、112c、112d具有与其相关联的分立标记114a、114b、114c、114d，以帮助临床医生识别每个分立安装位置112a、112b、112c、112d，下面将详细地描述。在图3所示的实施例中，分立标记114a、114b、114c、114d是以沿着轨道110从左到右以升序排列的阿拉伯数字(即，1、2、3、4等)的形式。在实施例中，分立标记114a、114b、114c、114d可以具有各种形式，诸如，例如分立的颜色、字母、符号或每个分立安装位置112a、112b、112c、112d独有的其它区别性标记、标签或印记，其有助于视觉上区分和识别安装位置112a、112b、112c、112d。在实施例中，分立的标记114a、114b、114c、114d可直接显示在手术床102上或相应的安装构件120上。

参考图4，手术机器人臂支撑系统100还包括具有处理器132的优化模拟器130、与处理器132通信的显示器134和用户接口136。在图6中示出了使用优化模拟器130优化机器人臂安置的示例性方法。处理器132能够执行存储在存储器138(例如，存储设备和/或外部设备(未示出))中的一系列指令、算法或协议。用户接口136通信地联接到处理器132，使得例如临床医生的用户可以输入用于让处理器132进行处理的信息。

存储器138可以存储:用于手术机器人臂2、3的每个可能的目标安装位置的定位；与每个存储的可能的目标安装位置相关联的分立标记；以及用于在不同情况下优化机器人臂2、3的安置的优化标准。存储在处理器132的存储器138中的每个分立标记和每个定位可以对应于与相应的分立安装位置112a、112b、112c、112d的定位相关联的分立标记114a、114b、114c、114d中的一个分立标记。处理器132可以被配置为在特定情况下使用存储器138中的优化标准来识别每个手术机器人臂2、3相对于手术台102的最佳目标安装位置，并且通过在显示器134上显示对应于所识别的目标安装位置112a、112b、112c和/或112d的分立标记114a，114b，114c和/或112d，来输出所识别的目标安装位置(一个或多个安装位置112a、112b、112c、112d)。

在一些情况下，优化模拟器130可以使用附加的患者信息作为优化标准的一部分，以识别每个机器人臂2、3的最佳定位。该附加的患者信息可以包括关于手术操作的类型的信息、关于患者的身体特征(例如尺寸、体重、身体质量指数、身高、性别等)的信息和/或关于患者在手术台102上的安置的信息(例如患者在台102上的定向、最接近患者的特定部分的安装位置112的标识、患者相对于特定安装位置112或者台102的一部分的定位等)。

在框701中，可以在处理器132处从记录数据库722和/或从通信地联接到处理器132的一个或多个传感器721接收该患者信息。还可以手动输入或自动检索患者信息。可以通过对患者记录数据库722的推断和/或通过固定到手术台102、轨道110和/或安装位置112的传感器721来自动检索一些信息。传感器721可以包括压力传感器、位置敏感检测器、近距离传感器、成像传感器和其它传感器，其能够检测关于手术台102上的患者的安置信息(例如，患者在台102上的定向、最接近患者的特定部分的安装位置112的标识、患者相对于特定安装位置112或者台102的一部分的距离、患者的对象部位或身体部位的位置等)，或者检测患者的身体特征(例如体重、身高、性别等)。

在框703中，可以将所接收的患者信息输入到公式中或者与所选择的手术操作的基准数据进行比较，以根据所识别的物理特性和患者在手术台102上的安置来确定用于所选择的手术操作的机器人臂2、3的最佳数量。在某些情况下，例如，对于特定的操作，可以以相对靠近手术部位定位的三个机器人臂对矮、瘦的患者最有效地执行该操作。可以以伸展得更分开的三个机器人臂对高、瘦的患者最有效地执行相同的操作。也可以以位于不同位置并且宽度伸展得进一步分开的四个机器人臂对肥胖患者最有效地执行相同的操作。不同的目标安装位置112a、112b、112c和/或112d也可以根据患者在台102上的位置来选择。

在一些情况下，当识别机器人臂2、3到安装位置112a、112b、112c、112d的最佳安置时，也可以考虑机器人臂2、3的相对的动作范围和移动程度。例如，如果要对位于手术台102中间的患者“p”的腹部区域进行操作，则可以理解的是，在给定手术机器人臂2、3的有限可达范围的情况下，将手术机器人臂2、3安装为尽量靠近手术台102的中部，尽可能更靠近患者“p”的腹部区域是更合适的。

因此，为了为手术机器人臂2、3确定手术台102上的最有利的安装位置112a、112b、112c、112d，可以从上述患者信息701确定一个或多个手术参数。手术参数可包括：例如，患者“p”的尺寸、患者“p”的目标组织区域、机器人臂2、3的尺寸、手术台102的尺寸、从目标组织区域到固定于机器人臂2、3的手术器械的距离等等。这些手术参数中的一个或多个可以手动输入、从数据库或存储器检索、或者可以从额外的患者或手术操作信息中计算，例如患者的特征、手术程序信息、患者安置信息)和/或手术台信息。在一个实施例中，所确定的患者“p”的尺寸、所确定的患者“p”的目标组织区域的尺寸、手术台102的尺寸、机器人臂2、3的尺寸以及手术组件30的尺寸通过用户接口136输入优化模拟器130。

在框704中，可以确定手术参数，并且可以基于手术参数来计算从安装位置到手术部位进入点的距离。手术参数可以经由各种方法提供给模拟器130。例如，在实施例中，手术参数可以被预先编程到模拟器130中；从一个或多个传感器实时获得；或者，当特定手术机器人臂2、3被带到手术室中、安置在安装构件120中或以其它方式连接到通信网络使得能够上传数据时，从诸如机器人臂2、3的设备自动上传到模拟器130中(例如，无线地上传)。

在框705中，处理器132可以基于所存储的分立安装位置112的位置信息和在框704中基于基准数据使用优化算法计算的距离，来识别用于机器人臂2、3中的每一个机器人臂的使器械入口和可操纵性最大化的臂位置。算法和/或基准数据可以存储在存储器138中。然后可以向用户输出所识别的机器人臂2、3的最佳数量和所识别的每个手术机器人臂2、3的最佳安置位置。在一些情况下，可以仅输出一个建议的目标安装位置，但是在其它情况下，可以输出多于一个的安装位置，例如，替换的次佳安装位置的列表。

在一些情况下，执行手术操作的外科医生的偏好可以存储在诸如记录数据库722的数据库中。在框702中，可以从数据库722中检索并且在模拟器130和/或处理器132处接收执行该操作的该外科医生的偏好数据。所存储的外科医生偏好可以包括：外科医生使用的用于手术的机器人臂的优选数量、外科医生在手术操作期间使用的优选器械、用于为机器人臂2、3上的手术器械提供通路到手术部位的端口的优选安置、和/或外科医生的其它偏好。

如果外科医生偏好特定数量的机器人臂2、3，则模拟器130可以为特定手术操作选择外科医生偏好的数量的机器人臂2、3作为框703中计算出的最佳臂数。如果外科医生具有其它偏好，例如为手术部位提供手术器械入口的套管针或端口的优选位置，则这些优选位置可以替代地用作框704中的手术参数确定和距离计算的一部分。如果外科医生偏好用于特定手术操作的手术器械的特定附属设备，则在框706中，可以替代地计算并输出使外科医生偏好的器械的特定附属设备在手术部位处的入口和可操作性最大化的分立臂安装位置。在框706中，模拟器130还可以识别特定的机器人臂2、3，应该附接每个偏好的器械以单独地最大化每个器械在手术部位处的入口和可操作性。

在计算每个机器人臂2、3在特定安装位置112上的建议目标安装位置时，处理器132可以通过在显示器134上显示所存储的对应于所计算的建议目标安装位置的分立标记(例如，图4中所示的阿拉伯数字1)来输出每个手术机器人臂2、3的建议目标安装位置。因此，临床医生能够将所显示的分立标记(虚拟标记)与手术台102上的每个分立安装位置112a、112b、112c、112d相关联的分立标记114a、114b、114c、114d(实际标记)进行视觉上的匹配。然后，通过将安装构件120沿着导轨110的平移、滑动或其它运动联接到沿着手术台102的分立安装位置，其具有与所显示的分立标记匹配的分立标记(即，显示在显示器134上的“1”指示安装构件120将被定位在分立的安装位置112a，其具有与其相关联的分立标记“1”)。

在实施例中，在计算建议的目标安装位置时，处理器132可以在没有临床医生的帮助下，使安装构件120经由电动机或一些其它驱动装置(未示出)自动地移动到建议的安装位置。电动机或驱动装置中的编码器或者其它传感器可用于验证机器人臂和/或其安装构件120到所计算的目标位置的正确定位。

继续参考图3和图4，手术机器人臂2(图1)插入到安装构件120的通道122中并紧固在其中。这样，手术机器人臂2在由优化模拟器130确定的目标安装位置112a处联接到轨道110。在实施例中，手术机器人臂2可以在安装构件120联接到目标安装位置之前或之后联接到安装构件120。

在另一个实施例中，如图5所示，手术机器人臂支撑系统100包括构造成联接到固定表面(例如手术操作室的天花板“c”)的卷轴140。卷轴140包括可伸缩系链142，其具有配置成联接到手术机器人臂2的端部144。在实施例中，系链142的端部144具有可释放地固定到手术机器人臂2、3之一的固定装置146。在实施例中，卷轴140可以包括驱动系链142相对于天花板“c”运动的电动机(未示出)。在一些实施例中，卷轴140可以作为滑轮操作以相对于天花板“c”移动系链142。手术机器人臂支撑系统100还可包括被配置为支撑、移动和/或输送手术机器人臂2、3的便携式基座150。

在操作中，手术机器人臂2、3可以联接到便携式基座150并且被运送到邻近手术台102的位置，如图5中所示。系链142的端部144附接到手术机器人臂2，并且卷轴140被致动以将手术机器人臂2升高到手术台102上的选定安装位置112a、112b、112c或112d，然后下降到安装构件120的通道122。

应当理解，可以对本文公开的实施例进行各种修改。因此，上述描述不应被解释为限制，而仅仅是各种实施例的示例。本领域技术人员将想到在所附权利要求的范围和精神内的其它修改。