感测化的机器人手术系统进入端口的制作方法

相关专利的交叉引用

本申请要求于2014年10月24日提交的编号为62/068,040的美国临时专利申请的权益和优先权，其全部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机器人臂的控制台和至少一个手术器械，诸如包括钳夹的手术钳或抓紧工具，所述钳夹用于捕获其间的组织。所述至少一个手术器械安装到所述机器人臂。在医疗操作期间，手术器械被插入到患者的小切口(例如，通过插管)或自然孔道中，以将手术器械定位在患者体内的工作部位。

在使用机器人手术系统之前或期间，选择手术器械并将其连接到每个机器人臂的器械驱动单元。为了完成正确的安装，手术器械的某些连接部件必须配合地接合到器械驱动单元的相应的连接部件。一旦这些部件被配合地接合，器械驱动单元就会驱动手术器械的致动。当手术器械由驱动单元驱动时，手术器械的顶端受到力和扭矩。

传统的机器人手术系统通过将传感器置于由机器人臂(或机器人末端执行器)保持的手术器械的顶端处来测量手术器械的顶端上的力和扭矩。该方法需要通过穿过手术器械进行布线并穿出某种形式的连接器来修改手术器械以将传感器并入到手术器械中，尤其在手术器械的顶端附近。该方法增加了手术器械的复杂性和成本。

因此，需要不将传感器直接置于手术器械的顶端上而感测或确定手术器械的顶端处的状况。

技术实现要素：

根据本公开的一个方案，提供了一种机器人手术系统。所述机器人手术系统包括进入端口和手术器械，所述进入端口包括并入其中的多个第一传感器，所述进入端口固定在组织内，所述手术器械具有末端执行器，所述末端执行器用于与所述机器人手术系统的机器人臂一起使用并连接到所述机器人臂，所述手术器械包括至少一个轴。第一传感器被配置为：当所述轴被插入穿过进入端口时，测量组织与进入端口之间的至少一个荷载参数。

在一些实施例中，第一传感器将指示至少一个荷载参数的信号传输到机器人手术系统的处理单元。信号的传输可以无线地或通过电线进行，并且所述传输可以连续地和实时地进行。

在本公开的方案中，所述至少一个荷载参数与施加在手术器械的末端执行器的顶端处的力或扭矩中的至少一个相关。

在本公开的另一方案中，机器人手术系统包括多个第二传感器，所述第二传感器用于测量附接到机器人手术系统的机器人臂的手术器械上的力或扭矩中的至少一个。从多个第一传感器和第二传感器接收的测量结果经结合来估计手术器械的末端执行器的顶端处的荷载。

在一些情况下，手术器械的末端执行器的顶端处的估计荷载被实时地提供给用于向用户传送触觉反馈的触觉反馈接口。所述触觉反馈响应于与估计荷载相关的特定事件、偶发事件或操作特性而在强度上增大或减小。

在一些实施例中，由机器人手术系统的控制装置的至少一个电动机控制末端执行器和/或使末端执行器关节式运动，所述至少一个电动机被配置为接收来自多个第一传感器和第二传感器的信号，以连续地和实时地调节施加在手术器械的末端执行器的顶端处的荷载。

根据本公开的另一方案，提供了一种手术进入端口。手术进入端口包括：主体构件，其具有近端和远端，所述主体构件的一部分固定在组织内；以及多个传感器，所述多个传感器嵌入在主体构件内，所述多个传感器被配置成测量组织与手术进入端口之间的至少一个荷载参数。

在一些实施例中，多个传感器将指示至少一个荷载参数的信号传送到机械地连接到手术器械的机器人手术系统的处理单元。信号的传输可以无线地或通过电线进行，并且所述传输可以连续地实时进行。

还描述了一种用于估计安装在机器人手术系统的机器人臂上的手术器械的末端执行器的顶端处的荷载的方法。该方法可以包括：根据从传感器接收的传感器数据来量化手术器械进入端口的进入端口荷载，所述传感器位于手术患者的联接到所述手术器械进入端口的组织与所述手术器械的在所述进入端口中的轴之间。至少部分地基于所测量到的进入端口荷载来调整所述手术器械的末端执行器处的所确定的顶端荷载。

指示进入端口荷载的信号可以从第一传感器通过电线或无线地传输到机器人手术系统的处理单元。信号的传输可以连续地和实时地进行。进入端口荷载可以与施加在手术器械的末端执行器的顶端处的力或扭矩中的至少一个相关。可以根据机器人手术系统的机器人臂中的第二传感器的传感器数据来量化附接到机器人手术系统的机器人臂的手术器械上的力和/或扭矩。从第一传感器和第二传感器接收的量化结果可以经结合来计算手术器械的末端执行器的顶端处的估计荷载。手术器械的末端执行器的顶端处的估计荷载可以实时地提供给用于向用户传送触觉反馈的触觉反馈接口。

附图说明

当前公开的方法和装置的对象和特征在参照附图来理解其各种实施例的描述时对于本领域普通技术人员将变得显而易见，其中：

图1是根据本公开的实施例的机器人手术系统的示意图；

图2是根据本公开的实施例的插入穿过嵌入有一个或多个传感器的进入端口的手术器械的示意图；

图3a是根据本公开的实施例的进入端口的示意图，所述进入端口具有并入在进入端口的内表面上并且与机器人手术系统的处理单元通信的多个传感器；

图3b是根据本公开的实施例的进入端口的示意图，所述进入端口具有并入在进入端口的壁内并且与机器人手术系统的处理单元通信的多个传感器；和

图4是示出根据本公开的另一实施例的手术器械的示意图，所述手术器械接近具有嵌有一个或多个传感器的进入端口，所述手术器械附接到机器人手术系统的机器人臂。

具体实施方式

微创操作可以定义为比用于相同目的的开放手术侵入性更小的任何手术。如在本说明书中使用的，“内窥镜手术”是描述穿过若干小的经皮切口实现进入体腔形式的微创手术的通用术语。虽然内窥镜手术是一个通用术语，但“腹腔镜”和“胸腔镜”分别描述腹腔和胸腔内的内窥镜手术。在微创操作中使用的器械的一些实例包括抓紧器、切割器、手术钳、解剖器、密封器、分隔器或适用于所关注的解剖结构的区域的其它工具。

现在将参照附图详细描述当前公开的装置的实施例，其中在若干视图的每一个视图中相同的附图标记指示相同或相应的元件。如本文所使用的，术语“远侧”是指工具或其部件的较远离使用者的那部分，而术语“近侧”是指工具或其部件的较靠近使用者的那部分。

现在将详细参考本公开的实施例。虽然将要描述本公开的某些实施例，但是将理解的是，并不旨在将本公开的实施例限于那些所描述的实施例。相反，参考本公开的实施例旨在覆盖可以包括在本公开的实施例的由所附权利要求限定的精神和范围内的替代形式、变型形式和等同形式。

图1是根据本公开的实施例的机器人手术系统的示意图。

医疗工作站总体地示出为工作站1，并且通常包括多个机器人臂2、3、控制装置4和与该控制装置4联接的操作控制台5。操作控制台5包括：显示装置6，其尤其被设置为显示三维图像；以及手动输入装置7、8，如本领域技术人员原则上已知的，例如外科医生的人员(未示出)通过该手动输入装置能够在第一操作模式下遥控操作机器人臂2、3。显示装置6可以通过电线或以无线方式“b”从至少一个手术器械100接收数据或信息。

根据本文描述的若干实施例中的任意一个实施例，机器人臂2、3中的每一个机器人臂包括通过关节连接的多个构件和可以附接有具有末端执行器的手术器械100的附接装置9、11，这将在下面更详细地描述。

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)来驱动。控制装置4(例如，计算机)被设置为尤其借助计算机程序来起动驱动器，使得机器人臂2、3、其附接装置9、11进而手术器械100根据借助手动输入装置7、8限定的移动来执行期望的移动。控制装置4还可以被设置为使得其调节机器人臂2、3和/或驱动器的移动。

医疗工作站1被配置为用于躺在患者台12上的待借助手术器械100以微创方式治疗的患者13。手术器械100的至少一部分被构造成经由进入端口105插入到患者13的组织中。医疗工作站1还可以包括两个以上的机器人臂2、3，另外的机器人臂同样地连接到控制装置4并且可由操作控制台5遥控操作。医疗工作站1可以包括尤其与控制装置4联接的数据库14，其中存储有例如来自生命体13和/或解剖图集的术前数据。

操作控制台5进一步包括处理单元15。处理单元15可以是控制器。控制器可以是微控制器、系统芯片(soc)、现场可编程门阵列(fpga)等。控制器可以被提供为可以安装在单个印制电路板(pcb)上的单个集成电路(ic)芯片。可选地，控制器的各种电路组件可以被提供为一个或多个集成电路芯片。也就是说，各种电路组件位于一个或多个集成电路芯片上。

处理单元15可以包括能够执行存储在存储器(例如，存储装置和/或外部装置)中的一系列指令的任何类型的计算装置、计算电路或任何类型的处理器或处理电路。在一些实施例中，下面描述的触觉用户接口17可以通信地联接到处理单元15。在一些实施例中，处理单元15可以被配置为运行用于执行控制装置或控制器4的功能的一组编程指令。如本文所公开的，处理单元15可额外地或可替代地被配置成运行用于执行使用端口组件105控制内窥镜器械的方法的一组编程指令。

触觉反馈可以与听觉和视觉反馈结合使用或代替它们，以避免与依赖于听觉和视觉反馈的手术室设备混淆。触觉接口17可以是以脉冲方式振动的异步电动机。在一个实施例中，振动为大约30hz以上的频率，提供了具有1.5mm以下的振幅的位移，以限制振动效应使之不到达装载单元。还可以设想，触觉反馈接口17包括屏幕上和/或开关上的文本的不同颜色和/或强度，用于进一步区分所显示的项目。视觉、听觉或触觉反馈可以在强度上增大或减小。例如，反馈的强度可以用于指示器械上的力正变得过大。

例如，用户反馈可以包括以下形式：例如，脉冲模式的光、声反馈(例如，可以以选定的时间间隔发声的蜂鸣器、钟或响铃)、语言反馈和/或触觉振动反馈(诸如异步电动机或螺线管)。视觉、听觉或触觉反馈可以在强度上增大或减小。在实施例中，反馈的强度可以用于指示器械上的力正变得过大。

图2示出了根据本公开的插入穿过端口组件105的手术器械100。端口组件或进入端口105通常包括主体110。端口组件105的主体110包括外表面111、内表面113和由内表面113限定的内部空间119。主体110的外表面111示为设置成在进入患者体腔102的进入部位处与组织101可密封地接触。主体110适于允许对体腔102的进入，例如，允许器械穿过主体110而进入，并且可以包括密封元件或机构以将进入到体腔102内的开口密封，从而例如防止注入气体的逸出。端口组件105的主体110可以由任何合适的材料形成，该材料诸如金属、合金、复合材料或这些材料的任意结合。

在一些实施例中，端口组件105联接到保持构件150。保持构件150可适于可附接到台子或支架，以提供对端口组件105的支撑，从而例如提供额外的稳定性和/或减少工具在患者的身体上的重量。端口组件105可以与具有轴的各种各样的内窥镜器械或其它工具一起使用，所述轴被适当地构造成可接纳在端口组件105的内部空间119内。

多个传感器114a、114b、114c、118a、118b和118c联接到端口组件105的主体110，或者以其他方式与端口组件105的主体110相关联而设置。在一些实施例中，多个传感器114a、114b、114c和118a、118b、118c是压力传感器。然而，如下面将描述的，本领域技术人员可以设想使用多个不同的传感器。

在图2中，手术器械100的实施例被示出为用于各种手术操作，并且通常包括壳体210、和从壳体210向远侧延伸的轴220，以及末端执行器组件22。轴220具有远端16和近端14，该远端16被构造成机械地接合末端执行器组件22，该近端14被构造成机械地接合壳体组件210。手术器械100可以可移除地支撑在机器人引导组件160上。引导组件160以使手术器械100能够相对于引导组件160平移这样的方式支撑手术器械100。手术器械100的轴220还包括设置在其上的套管125。

末端执行器组件22通常包括一对相对的钳夹组件23和24，钳夹组件23和24可相对于彼此枢转地安装。钳夹组件23和24从打开位置移动到夹紧或闭合位置，在所述打开位置，钳夹组件23和24相对于彼此以间隔关系而布置，在所述夹紧或闭合位置，钳夹组件23和24协作以抓紧它们之间的组织。

传输线将手术器械100可操作地连接到附接装置9和附接装置11中的一个附接装置。手术器械100可选地被配置为无线装置或电池供电的装置。

在操作中，期望感测施加到手术器械100(例如机器人内窥镜式手术器械的末端执行器22(例如，钳夹、抓紧器、刀片等))的顶端的力和扭矩，以便通过系统手动控件或借助诸如视觉显示或听觉音调的其它手段将力和扭矩反馈给外科医生。本公开的示例性实施例提供了一种间接地测量或估计施加到手术器械100的顶端的力和扭矩的系统和方法。

例如，围绕手术器械100的轴220设置的套管125经由多个传感器114a、114b、114c、118a、118b和118c电性连接到进入端口105。多个传感器114a、114b、114c、118a、118b和118c测量由手术器械100在组织101处施加在其上的力和扭矩，并且生成荷载信号数据。所测量到的关于力和扭矩的荷载信号数据可以被采样，然后被无线地传输“b”到操作控制台5的处理单元15(参见图1)。根据本公开，基于由嵌入或并入在进入端口105内的多个传感器114a、114b、114c、118a、118b和118c收集的传感器数据/信息来估计或导出或计算手术器械100的顶端处的荷载。以这种方式，传感器不需要置于手术器械100的任何远侧部分处。

此外，由多个传感器114a、114b、114c、118a、118b和118c收集的荷载信号数据或其它信息可以与另外的传感器数据结合。例如，如图4所示，机器人臂2、3和附接装置9、11可以包括多个传感器200。图4提供了示出接近具有嵌入有一个或多个传感器的进入端口105的手术器械100的示意图。传感器200监测并测量机器人手术系统的机器人臂2、3的附接装置9、11上的力和扭矩。多个传感器200测量在其被安装到附接装置9、11的位置处的经过手术器械100的力和扭矩；测量任何电动机驱动机构上的从附接装置9、11传递到手术器械100的力和扭矩；并且当末端执行器22朝向体腔102穿过组织101时，测量手术器械100与进入端口105之间的力和扭矩。

从嵌入或并入在进入端口105内的多个传感器114a、114b、114c、118a、118b和118c收集的传感器信息与从安装在附接装置9、11和机器人臂2、3上的多个传感器200收集的传感器信息结合，以便估计手术器械100的顶端处的荷载(例如，力和扭矩)，而不需要将传感器直接地置于手术器械自身的任何远侧部分上。

因此，手术器械100的远端(或顶端)处的力和扭矩的测量结果是从嵌入或并入在进入端口105内或在进入端口105上的多个传感器114a、114b、114c、118a、118b和118c以及嵌入在机器人手术系统上的多个传感器200收集的数据或信息导出的。嵌入或并入在进入端口105内或在进入端口105上的多个传感器114a、114b、114c、118a、118b和118c将手术器械100的轴220的套管125之间的荷载的状态连续地实时地发送到机器人手术系统的处理单元15。然后这样的信息与由处理单元15接收的手术器械100在附接装置9、11处装载到机器人手术系统的状态相结合，以便(以恒定速率)估计手术器械荷载。然后可以将该结合信息提供给触觉用户接口17(参见图1)，以允许用户连续地调整手术器械100的驱动信息和/或动力信息。

图3a是根据本公开的实施例的进入端口105a的示意图，该进入端口105a具有并入在其内表面上并且与机器人手术系统400的处理单元15无线地通信的多个传感器，而图3b是根据本公开的另一个实施例的进入端口105b的示意图，该进入端口105b具有并入在其壁内并与机器人手术系统400的处理单元15无线地通信的多个传感器。

参照图3a和图3b，多个传感器114a、114b、114c、118a、118b和118c以等间隔的方式周向地置于进入端口105上。多个传感器114a、114b、114c、118a、118b和118c检测手术器械100或在进入端口105的主体110的工作通道或空间119内的其它物体的存在(参见图2)。

多个传感器114a、114b、114c、118a、118b和118c可以从广泛类型的传感器中选择。例如，多个传感器114a、114b、114c、118a、118b和118c可以是光学传感器、机械传感器、电磁传感器或热传感器。多个传感器114a、114b、114c、118a、118b和118c也可以是用于检测附近物体存在的接近度传感器(proximitysensor)。多个传感器114a、114b、114c、118a、118b和118c根据它们是否用于检测手术器械的存在而可以具有不同类型、尺寸和/或公差。

多个传感器114a、114b、114c、118a、118b和118c的输出可以电性联接到控制电路(例如，处理单元15)或者以其他方式与控制电路电性通信。多个传感器114a、114b、114c、118a、118b和118c的输出信号还可以通过电线或无线地传输到处理单元15(参见图3a和图3b)。

无线发射器121(参见图2)被配置为向无线接收器19(参见图1)无线地传输或广播经处理的信号。如上所述，在一些实施例中，信号是模拟的或者被转换为模拟的，并且由处理单元15以载波频率(2.4ghz)进行调制。相应地，无线发射器121可以被配置为将调制后的模拟信号广播到无线接收器19。在其它实施例中，在信号是数字的或数字化的并且由处理组件调制的情况下，可以根据标准协议(例如蓝牙)来配置无线发射器121。可选地，可使用标准或专有的硬连线或无线发射器的任何其它合适配置。此外，无线发射器121可以包括从其延伸的天线(未示出)，以便于将信号传输到无线接收器19。天线(未示出)可以被配置为从进入端口105的壳体110最小地突出的低轮廓天线，或者可以内部地设置在进入端口105的壳体110内。

无线发射器121被配置为无线地向无线接收器19传输信号。可以想到，无线接收器19还包括天线(未示出)，以便于从无线发射器121接收信号。还可以想到，无线发射器121和无线接收器19具有适于在手术室或其它手术环境中使用的工作范围。换句话说，可以想到，无线发射器121能够在整个手术操作自始至终与无线接收器19通信。无线接收器19被配置为去耦或解调信号并将该信号传送到视频监视器6(参见图1)。无线接收器19可以包括标准电性连接，使得无线接收器19可以联接到视频监视器6。视频监视器6可以将信号显示为视频图像。

根据本公开的系统和方法采用智能进入端口，智能进入端口具有嵌入或并入在其中的多个传感器。智能进入端口与附接到机器人手术系统的机器人臂的一个或多个手术器械通信。由智能进入端口的多个传感器感测到的荷载(例如，力和扭矩)以及由机器人手术系统的附接装置和机器人臂感测到的荷载(例如，力和扭矩)被结合，以便估计或计算或逼近附接到机器人手术系统的机器人臂的一个或多个手术器械的顶端或末端执行器处的荷载。因此，一个或多个手术器械的远端或末端执行器或轴部不具有并入在其上的任何传感器，因此减小了制造这种手术器械的成本和复杂性。

此外，在实施例中，多个传感器可以提供对手术器械与腹壁之间的荷载的独立测量。这用作独立的安全系统，所述独立的安全系统监测机器人手术系统不向腹壁提供过大的荷载。如果这些荷载超过预定阈值，则机器人安全系统能够例如使机器人手术系统断电。

在实施例中，机器人手术系统包括一个或多个反馈装置。一个或多个反馈装置可以提供任何合适形式的感觉反馈，诸如听觉反馈(声音)、触觉或触知反馈(触摸)、光学反馈(视觉)、嗅觉反馈(气味)和/或平衡感知(平衡反馈)。触觉反馈可以通过例如机械感知的各种形式来提供，所述机械感知包括但不限于振动感知(振动)和压力感知、热感知(热)和/或冷感知(冷)。本领域技术人员将理解，可以使用任何单个反馈类型或其任意组合来向用户提供来自机器人手术系统的反馈。在一些实施例中，反馈的特性可以提供对预定状态的定量指示。例如，对末端执行器的温度的定量指示可以由具有随温度变化的音高的音调、具有随温度变化的脉冲频率的一系列脉冲等提供。

本文公开的装置可以被设计为在单次使用之后丢弃，或者可以被设计为多次使用。然而，在该两者中的任一种情况下，该装置可以在使用至少一次之后被修复以便再次使用。该修复可以包括拆卸装置、然后清洁或更换特定零件以及后续的重新组装的步骤的任意组合。特别地，装置能够被拆卸，并且装置的任意数量的特定零件或部件可以以任意组合被选择性地更换或移除。在清洁和/或更换特定部件时，可以在修复设施处重新组装装置以供后续使用或者在手术操作之前立即由手术团队重新组装装置。本领域技术人员将理解，对装置的修复可以利用用于拆卸、清洁/更换和重新组装的各种技术。这种技术的使用以及所得到的修复后的装置都在本申请的范围内。

虽然已经在附图中示出了本公开的若干实施例，但是并不旨在将本公开限制于此，因为旨在使本公开在范围上与本领域将允许的范围一样宽，并且同样地理解本说明书。因此，上述描述不应被解释为限制，而仅仅是当前公开的实施例的示例。因此，本实施例的范围应由所附权利要求及其法律意义上的等同形式来确定，而不是由给出的实例来确定。

本领域技术人员将理解，本文具体描述和附图中所示的装置和方法是非限制性的示例性实施例。结合一个示例性实施例示出或描述的特征可以与其它实施例的特征组合。这样的变型和变化旨在包括在本公开的范围内。同样，本领域技术人员将基于上述实施例理解本公开的进一步的特征和优点。相应地，除了由所附权利要求表明的之外，本公开不限于已经具体示出和描述的内容。