用于控制外科器械的系统和方法与流程
本专利申请要求2016年7月14日提交的标题为“systemsandmethodsforcontrollingasurgicalinstrument”的美国临时专利申请62/362,406的优先权和申请日权益，该专利申请其整体通过引用并入本文。
本公开涉及机器人系统和使用方法，包括用于微创远程操作手术的外科系统和方法，并且包括控制用于子宫操纵的器械的系统和方法。
背景技术
微创医疗技术旨在减少在诊断或外科程序期间损伤的外部组织量，从而减少患者恢复时间、不适、和有害副作用。微创远程外科系统已被开发以增加外科医生的灵活性和避免传统微创技术的一些限制。在远程手术中，外科医生利用某种形式的远程控制(例如，伺服机制等)操纵外科器械移动，而非用手直接握持和移动器械。在远程手术系统中，可在外科工作站为外科医生提供手术位点的图像。在在显示器上观察手术位点的二维或三维图像的同时，外科医生通过操纵主控控制装置(其进而控制伺服机械操作的器械的运动)对患者执行外科程序。
在机器人辅助的远程手术中，外科医生一般操作主控控制器以从可远离患者的位置(例如，横跨手术室，在不同的房间、或与患者完全不同的建筑中)控制外科器械在手术位点处的运动。主控控制器通常包括一个或多个手动输入装置，如手持式腕型万向接头、操纵杆、外骨骼手套等，其可操作地耦接到外科器械，该外科器械可释放地耦接到患者侧“从控”外科操纵器。主控(master)的配置和运动通过患者侧“从控”外科操纵器控制器械在手术位点处的位置、方向、和铰接(articulation)。从控(slave)是机电式组件，其包括连接在一起的多个臂、接头、连接器、伺服马达等以支撑和控制外科器械。在外科程序中，外科器械(包括内窥镜)可被直接引入开放的手术位点，或更一般通过插管被引入体腔。
对于微创外科程序，由外科操纵器控制的外科器械可通过患者身体上的单个外科切口位点或通过多个紧密间隔的切口位点引入体腔。对于一些微创外科程序，外科器械(特别是外科辅助工具，如探针、组织操纵器、和牵开器)还可通过更远位置的手术切口或天然孔口被引入外科工作空间。需要改进的系统和方法来安装和控制这些外科器械。
本文描述的器械、系统、和方法可被用于非医疗目的，包括工业应用、一般机器人用途、非组织工件的操纵、和/或美容业改进。其他非手术用途包括用于从人或动物解剖结构移除的组织(不返回人或动物解剖结构)或人或动物尸体。
技术实现要素：
本发明的实施方式通过所附权利要求概述。
在一个实施方式中，远程操作式医疗系统包括输入装置和操纵器，该操纵器被配置以耦接和移动器械。该系统还包括控制系统，该控制系统包括一个或多个处理器。响应于器械以与工作空间的视野对应的方向插入器械工作空间的确定，控制系统被配置以根据第一映射将输入装置的移动映射成器械的移动。响应于器械以与视野非对应的方向插入器械工作空间中的确定，控制系统被配置以根据第二映射将输入装置的移动映射成器械的移动。第二映射包括关于器械的至少一个运动方向的第一映射的倒置。
在另一个实施方式中，方法包括基于主控工作空间中的主控控制器的移动产生主控控制信号，以及确定器械工作空间中的成像装置的视野方向。该方法还包括确定器械工作空间中的从控器械的从控器械方向对应于视野方向还是非对应于视野方向。响应于从控器械方向对应于视野方向的确定，方法包括根据第一映射将主控控制器的移动映射成从控器械的移动，以及产生用于器械工作空间中的从控器械基于第一映射移动的从控器械控制信号。响应于从控器械方向非对应于视野方向的确定，方法包括根据第二映射将主控控制器的移动映射成从控器械的移动，以及产生用于器械工作空间中的从控器械基于第二映射移动的从控器械控制信号。第二映射包括关于从控器械的至少一个运动方向的第一映射的倒置。
在另一个实施方式中，远程操作式器械系统包括主控工作空间中的主控输入装置、器械工作空间中被致动的器械末端执行器、和器械工作空间中被致动的组织探针。操作远程操作式器械系统的方法包括响应于主控输入装置的移动产生一组主控控制信号，和响应于该组主控控制信号产生第一映射。第一映射将主控输入装置的移动映射成器械工作空间中的器械末端执行器的移动。响应于该组主控控制信号，方法还包括产生第二映射。第二映射将主控输入装置的移动映射成器械工作空间中被致动的组织探针的移动。响应于主控输入装置具有对被致动的器械末端执行器的控制的确定，方法还包括产生利用第一映射的一组器械控制信号。响应于主控输入装置具有对被致动的组织探针的控制的确定，方法包括产生利用第二映射的一组器械控制信号。第二映射包括关于被致动的组织探针的至少一个运动方向的第一映射的倒置。
附图说明
本公开的方面通过以下详细描述在结合附图阅读时被最充分地理解。需要强调的是，根据工业的标准实践，各种特征未按比例绘制。事实上，为论述清楚，可任意地增加或减少各种特征的尺寸。另外，本公开在各种实例中可重复使用参考编号和/或字母。这种重复是出于简便和清楚的目的，而其本身不指示所讨论的各种实施方式和/或配置之间的关系。
图1是根据本公开的实施方式的远程操作系统的示意性描述。
图2是根据本公开的一个实施方式的包括三个患者侧操纵器和一个内窥镜操纵器的患者侧手推车的前立视图。
图3是根据本公开的一个实施方式的远程操作式外科系统中的外科医生控制台的前立视图。
图4是根据本公开的一个实施方式的具有安装的外科器械的患者侧操纵器臂的透视图。
图5是根据本公开的一个实施方式的子宫剥离器、插管、和外科操纵器的分解示意图。
图6是根据本公开的第二实施方式的子宫剥离器、插管、和外科操纵器的分解示意图。
图7是根据本公开的第三实施方式的子宫剥离器、插管、和外科操纵器的分解示意图。
图8是与曲线形插管一起使用的工具紧固件的侧视图。
图9是与图8的工具紧固件和曲线形插管一起使用的子宫剥离器的侧视图。
图10是相对于控制器工作空间中的控制器三维cartesian坐标参考系统的外科医生控制台的示意图。图中显示的cartesian坐标参考框架具有垂直于页面平面并从页面平面延伸出去的y轴，并且在参考框架符号的中心处以实心点指示。这种标记习惯用于所有后续图。
图11是相对于器械工作空间中的外科三维cartesian坐标参考系统的外科器械(包括内窥镜)的示意图。
图12是置于体腔内的剥离器器械的视图。
图13是利用倒置映射技术控制外科器械如剥离器器械的过程。
图14是器械工作空间的内窥镜用户视图，其中子宫剥离器器械(以虚线显示，以指示其从视图被遮挡起来)相对于组织区段处于第一位置。在该视图中，子宫剥离器器械在组织后方，并且不能通过内窥镜直视。
图15是观自探针框架(probeframe)侧的图14的器械工作空间的视图，其中子宫剥离器器械处于第一位置。
图16是器械工作空间的内窥镜用户视图，其中子宫剥离器器械(以虚线显示)相对于组织区段处于第二位置。
图17是观自探针框架(probeframe)侧的图16的器械工作空间的视图，其中子宫剥离器器械处于第二位置。
图18是器械工作空间的内窥镜用户视图，其中子宫剥离器器械(以虚线显示)相对于组织区段处于第三位置。
图19是观自探针框架(probeframe)侧的图18的器械工作空间的视图，其中子宫剥离器器械处于第三位置。
图20是器械工作空间的内窥镜用户视图，其中子宫剥离器器械(以虚线显示)相对于组织区段处于第四位置。
图21是观自探针框架(probeframe)侧的图20的器械工作空间的视图，其中子宫剥离器器械处于第四位置。
图22是具有安装的子宫剥离器器械的独立式从控操纵器的示意图。
图23是具有安装的子宫剥离器器械的床装式(bed-mounted)从控操纵器的示意图。
图24是根据本公开的实施方式的辅助医疗器械的侧视图。
图25是图24的辅助医疗器械的后视图。
图26是图24的辅助医疗器械的前视图。
图27是根据本公开的另一个实施方式的辅助医疗器械的侧视图。
图28是图27的辅助医疗器械的前视图。
图29是根据本公开的一个实施方式的具有接头组件和力传递组件的辅助医疗器械的示意图。
图30是根据本公开的另一个实施方式的具有接头组件和力传递组件的辅助医疗器械的示意图。
图31是根据本公开的再另一个实施方式的具有接头组件和力传递组件的辅助医疗器械的示意图。
图32示例包括无源(passive)照明源的辅助医疗器械。
图33示例包括无源照明源的阴道切开器(colpotomizer)杯。
图34示例用于医疗程序中的图33的阴道切开器杯。
具体实施方式
在下文对本发明的实施方式的详细描述中，提出了大量具体细节以提供对所公开的实施方式的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可在没有这些具体细节的情况下实践本公开的实施方式。在其他情况下，公知的方法、程序、构件、和回路没有被详细描述以免不必要地遮蔽本发明的实施方式的方面。
参考附图的图1，远程操作系统总体上由参考编号100表示。远程操作式外科系统100包括主控制台102，也称主控制台或外科医生控制台，用于输入外科程序；和从控操纵器104，也称患者侧操纵器(psm)，用于在患者体内手术位点处外科器械的远程操作移动。远程操作式外科系统100用于执行微创远程操作手术。可用于实施本公开中描述的系统和技术的远程操作式外科系统的一个实例是由intuitivesurgical,inc.ofsunnyvale，california制造的da
远程操作式外科系统100还包括图像捕捉系统106，其包括图像捕捉装置(如内窥镜)和相关的图像处理硬件和软件。远程操作式外科系统100还包括控制系统108，控制系统108可操作地连接到传感器、马达、致动器、主控制台102的构件、从控操纵器104的构件和图像捕捉系统106。
系统100由对患者执行微创外科程序的系统操作人员(总体上，外科医生)使用。系统操作人员观看由图像捕捉系统106捕捉的、在主控制台102呈现以用于观察的图像。响应于外科医生的输入命令，控制系统108实施耦接到远程操作式从控操纵器104的外科器械的伺服机械(servomechanical)移动。
控制系统108包括至少一个处理器，一般多个处理器，用于实施主控操纵器102、从控操纵器104、和图像捕捉系统106之间的控制。控制系统108还包括软件，该软件编程实施本文描述的一些或所有方法的指令。虽然控制系统108在图1的简化示意图中显示为单个区块，但该系统可包括多个数据处理回路(例如，外科医生控制台102上和/或从控操纵器系统104上)，其中至少部分处理任选地邻近输入装置执行，部分邻近操纵器执行，等。可采用各种集中式或分布式数据处理架构的中任一种。类似地，编程代码可作为多个单独程序或子程序执行，或者可整合到本文描述的远程操作系统的多个其他方面中。在一个实施方式中，控制系统108可支持无线通信协议，如蓝牙、irda、homerf、ieee802.11、dect、和无线遥测(wirelesstelemetry)。
图2是根据远程操作式外科系统100的一个实施方式的患者侧操纵器104的前立视图。患者侧操纵器104包括居于地板上的基座120、安装在基座120上的支撑柱122、和支撑外科工具(包括图像捕捉系统106的部分)的数个臂。如图2所示，臂124a、124b是支撑和移动用于操纵组织的外科器械的器械臂，并且臂126是支撑和移动内窥镜的摄像机臂。图2还显示了任选的第三器械臂124c，该第三器械臂124c被支撑在支撑塔122的背侧上，并且可按需被定位于患者侧操纵器的左侧或右侧以执行外科程序。图2进一步显示了可互换的外科器械128a、128b、128c——分别被安装在器械臂124a、124b、124c上，并且其显示了安装在摄像机臂126上的内窥镜130。有识人士将理解，支撑器械和摄像机的臂也可由安装到天花板或墙壁或在一些情况下安装到在手术室中的另一件设备(例如，手术台)的基座平台(固定的或可移动的)支撑。同样地，其将理解可使用两个或更多个单独的基座(例如，一个基座支撑一个臂)。外科器械128a、128b分别包括末端执行器129a、129b。(参见图11)
图3是根据远程操作式外科系统100的一个实施方式的主控制台102构件的前立视图。主控制台102配备有左侧和右侧多个dof主工具操纵器(mtm)132a、132b，其是用于控制外科工具(包括内窥镜和各种插管)的运动链。mtm132可简称为“主控”，并且其相关的臂124和外科器械128可简称为“从控”。外科医生抓住各mtm132上的夹组件134a、134b——一般用拇指和食指，并且可移动夹组件到各种位置和方向。各mtm132a、132b将总体上允许在主控工作空间内以多个自由度移动，一般六个自由度，三个旋转自由度和三个平移自由度。
当选择工具控制模式时，各mtm132被耦接以控制患者侧操纵器104的对应器械臂124。例如，左侧mtm132a可被耦接以控制器械臂124a和器械128a，并且右侧mtm132b可被耦接以控制器械臂124b和器械128b。如果第三器械臂124c在外科程序期间被使用并且定位于左侧，则左侧mtm132a可在控制臂124a和器械128a与控制臂124c和器械128c之间切换。同样地，如果第三器械臂124c在外科程序期间被使用并且定位于右侧，则右侧mtm132a可在控制臂124b和器械128b与控制臂124c和器械128c之间切换。在可选的实施方式中，第三器械臂可通过左侧或右侧mtm来控制，以便手术方便。在一些情况下，在mtm132a、132b和臂124a/器械128a组合与臂124b/器械128b组合之间的控制分配也可交换。可以例如在内窥镜转动180度的情况下实现，使得在内窥镜视野中移动的器械看起来处于与外科医生移动的mtm同一侧。
外科医生控制台102还包括立体图像显示系统136。由立体内窥镜130捕捉的左侧和右侧图像在对应的左和右显示器上输出，外科医生感觉其为显示系统136上的三维图像。在一种配置中，mtm132位于显示系统136下方，使得显示器中显示的外科工具的图像看起来与显示器下方的外科医生的手共同定位。此特征允许外科医生直观地控制三维显示器中的各种外科工具，如同直接看手一样。因此，相关器械臂和器械的mtm伺服控制基于内窥镜图像参考框架。
如果mtm切换到摄像机控制模式，则还使用内窥镜图像参考框架(即，“图像框架”或“第一器械框架”)。例如，如果选择了摄像机控制模式，外科医生可通过移动一个或两个mtm来移动内窥镜的远端(这两个mtm的部分可被伺服机械地耦接，使得这两个mtm部分看起来是作为一个单元一起移动)。外科医生可然后通过移动mtm直观地移动(例如，平移、倾斜、缩放)显示的立体图像(如同手中握有该图像)。
外科医生控制台102一般与患者侧操纵器104位于同一手术室，虽然其被定位使得操作控制台的外科医生在无菌区域之外。一个或多个助手一般通过在无菌手术区域内工作(例如，更换患者侧手推车上的工具、执行手动收回等)来辅助外科医生。因此，外科医生距无菌区域远程操作，因此控制台可位于与手术室分开的房间或建筑中。在一些实施(implementation)中，两个控制台102(共同定位或彼此远距)可联网在一起，使得两个外科医生可同时观察和控制手术位点处的工具。
图22示例了从控操纵器104和被定位进行手术的患者p。在此实施方式中，从控操纵器104是独立式的，并且外科器械和子宫剥离器都安装到独立式基座120和支撑柱122。为清楚起见，省略了一些器械臂和器械。
图4是具有安装的外科器械128c的控制臂124c的一部分的透视图。为清楚起见，省略了在手术期间常用的无菌帷帘和相关机构。操纵器140包括偏航(yaw)伺服致动器142、俯仰(pitch)伺服致动器144、和插入-撤回(withdrawal)("i/o")致动器146。显示外科器械128c安装在包括安装滑架149的器械翼梁148处。显示示例性直插管150安装到插管安装件152。器械128c的轴154延伸通过插管150。操纵器140被机械地约束，从而其使器械128c围绕沿器械轴定位的固定远程运动中心156(也称“远程中心156”)移动。偏航致动器142提供围绕远程中心156的偏航运动158，俯仰致动器144提供围绕远程中心156的俯仰运动160，并且i/o致动器146提供通过远程中心156的插入和撤回运动162。一般，远程运动中心156在手术期间被锁定在患者体壁中的切口处，并且允许充分的偏航和俯仰运动可用于实施预期外科任务。可选地，远程运动中心可位于身体外部，以在不接触患者的情况下允许更大范围的运动。有识人士将理解，围绕远程运动中心的运动可通过软件的使用或通过机械组件限定的物理约束而受到约束。
安装滑架149和器械力传递组件164中的匹配的力传递盘使来自操纵器140中的致动器的致动力耦合，以移动器械128c的各种部件，以定位和定向安装在曲线轴154的远端的组织探针166。这种致动力可一般使器械轴154转动(从而提供通过远程中心156的另一dof)。力传递组件的实施方式被提供于美国专利号6,331,191(于1999年10月15日提交；公开“surgicalrobotictools,dataarchitecture,anduse”)和美国专利号6,491,701(于2001年1月12日提交；公开“mechanicalactuatorinterfacesystemforroboticsurgicaltools”)，其整体通过引用并入本文。在可选的实施方式中，器械128c可包括位于轴的远端的腕型件，其提供另外的偏航和俯仰dof。例如，组织探针166可以是例如一般组织操纵器、组织剥离器、或组织牵开器。在可选的实施方式中，器械128c可包括成像构件。
图5描绘了可安装到图4的操纵器140的两件式外科器械170的分解示意图。在此实施方式中，直插管150被安装到器械翼梁148。器械170包括力传递组件172、轴174、和组织探针176。在此实施方式中，轴174是具有曲线部分178的刚性杆。在可选的实施方式中，轴可以是空心的和/或柔性的。轴174可以是可灭菌的，并且可包括背部可负载的(back-loadable)组织探针或阴道穹窿描绘器，如coopersurgical,inc.oftrumbull,ct生产的koh杯。组织探针176可与轴整合，或者可以是可移除的和一次性的。器械170通过如下组装：将轴174通过插管150的远端180负载并形成与力传递组件172的啮合。通过所述配置，任何器械插入或移除动作均可沿着与翼梁148相关的器械轴线。轴的曲线性质使器械具有多功能性以操纵用直器械难以到达的组织。在一个实施方式中，组织探针176可以是用于子宫内操纵的子宫剥离器末梢，但其他器械如阴道穹窿描绘器、牵开器、被致动器械、非被致动器械、或成像装置也可用于子宫程序或在其他解剖学位置的外科程序。
图6描绘了可安装到图4的操纵器140的两件式外科器械190的分解示意图。在此实施方式中，曲线形插管192被安装到器械翼梁148。器械190包括力传递组件194、轴196、和组织探针176。在此实施方式中，轴196是柔性杆。在一个实施方式中，组织探针176可以是用于子宫内操纵的子宫剥离器末梢，但其他器械如阴道穹窿描绘器、牵开器、被致动器械、非被致动器械、或成像装置也可用于子宫程序或在其他解剖学位置的外科程序。组织探针176可与轴整合，或者可以是可移除的和一次性的。器械190通过如下组装：将轴196通过曲线形插管192的远端200负载并形成与力传递组件194的啮合。轴的柔性属性允许其弯曲以通过曲线形插管插入。
图7描绘了可安装到图4的操纵器140的一件式外科器械202的示意图。在此实施方式中，器械202包括组织探针176、曲线形轴段204、和可代替插管直接安装到翼梁148的直轴段203。在此实施方式中，轴203是具有刚性曲线段204的刚性杆。在一个实施方式中，组织探针176可以是用于子宫内操纵的子宫剥离器末梢，但其他器械如阴道穹窿描绘器、牵开器、被致动器械、非被致动器械、或成像装置也可用于子宫程序或在其他解剖学位置的外科程序。为了适应被致动器械，轴可以是空心的和/或非刚性的。组织探针176可与轴整合，或可以可移除的和一次性的。代替图4的力传递组件194，显示”仿制”力传递组件205附接到翼梁148。器械202通过将轴203代替插管直接附接到翼梁148而组装。“仿制”力传递组件可在手术期间安装，以允许系统通过内置于力传递205外壳的电子识别机构识别被附接器械的类型。“仿制”力传递组件可因此传送组织探针准备就绪用于后续模式的信号。“仿制”或“模仿”器械的进一步描述被提供于美国临时申请61/594,130(于2012年2月2日提交；公开了“systemsandmethodsforcontrollingaroboticsurgicalsystem”)，其整体通过引用并入本文。在另一个替代方式中，轴203可包括止动特征，以防止相对于翼梁148的无规旋转。可选地，轴203可具有在轴的轴线上旋转地转位的能力。可选地，力传递组件可包括标记，用于确定轴203的旋转位置，以协助计算组织探针176的位置。
图8和9中公开了外科器械的另一个实施方式。在此实施方式中，组织探针可附接到空心轴的远端，该空心轴如前所述可安装到i/o插入翼梁。具体地，图8描绘了曲线形空心轴210和末梢紧固件212，末梢紧固件212被设定尺寸以插入曲线形空心轴的远端214。末梢紧固件212可通过例如螺纹耦接(threadedcoupling)、卡扣耦接(snapcoupling)、摩擦耦接(frictioncoupling)、或其他已知的机械耦接而机械地耦接到曲线形插管210。合适的空心轴可包括，例如，5或8mm空心轴。在患者的解剖学约束内更大或更小的空心轴也可以是适合的。如图9所示，组织探针216机械地耦接到末梢紧固件212。组织探针216包括连接到管路220的远侧开口218。管路220用于通过组织探针216冲洗和抽吸手术位点。在不需要i/o运动的可选实施方式中，组织探针可被直接安装到插管，该插管被安装到插入翼梁(如图5和6a中所示的插管)。
在上述实施方式中，插管和器械轴可由刚性材料(如不锈钢或玻璃-环氧树脂(glass-epoxy)复合材料)形成。可选地，其可由柔性材料形成，如高弹性模量塑料，如聚醚醚酮(peek)、玻璃或碳填充型聚醚醚酮(peek)、或玻璃纤维-环氧树脂或碳纤维-环氧树脂复合材料结构。轴或插管的内径和外径以及物理结构针对每种材料选择而特别选择，以限制在使用期间可施加于身体的力的量级，或者允许结构在使用期间充分弯曲以遵循器械或插管内的曲线导向路径。关于插管和器械轴的其他信息(包括关于材料组成和柔性的信息)被详细地提供于美国专利申请号12/618,608(于2009年11月13日提交；公开了“curvedcannulainstrument”)，其整体通过引用并入本文。
图10示意性示例了主控制台102。图11示意性示例了从控操纵器104的构件(包括器械130、128a、128b、128c)。如图10所示，外科医生通过显示系统136的观看器观察器械工作空间226。使器械翼梁148上携载的组织探针166响应于于主控工作空间228(也称为“主空间228”)中基于相关主控控制器的移动和动作输入而在器械工作空间226内执行位置和方向移动。如前所述，器械臂124c可由mtm132a或mtm132b控制。在此示例性实施方式中，带有包括组织探针166在内的外科器械128c的器械臂124c将由左侧mtm132a控制。不同的主参考框架(x1、y1、z1)与每一个mtm相关。可理解，其他参考框架可被限定在主控工作空间内。例如，观看器参考框架(x4、y4、z4)可与显示系统136的观看器相关。主控工作空间中的参考框架之间的关系可通过固定的运动关系、通过传感器、或其他已知的关系建立。
如图11所示，在外科设置程序期间，外科器械128c被定位在体腔230内，并且组织探针166被定位抵靠体腔230的组织壁232。体腔可以是任何外科创造的或天然形成的体腔。在一个实施方式中，例如，体腔是患者的子宫，并且器械通过子宫颈插入子宫，并与子宫壁接触。在妇科程序间，组织探针(其可以是子宫剥离器)用以提升和移动子宫组织壁，使得其被适当地定位，以便外科器械相关的末端执行器进入。图12是观自体腔230内侧的、被定位抵靠组织壁232的组织探针166的视图。视自组织探针166的近端位置的此视图还将被描述为器械工作空间226内的“探针框架”或“第二器械框架”(x3、y3、z3)。器械框架也可被限定在体腔内的其他位置或在沿着器械128c的轴的其他位置。
在外科程序期间，末端执行器129a、129b和周围器械工作空间的图像被具有视野131的内窥镜130捕捉。来自内窥镜的视角或视野131的这些图像显示在显示系统136上，使得外科医生看到末端执行器129a、129b的响应性移动和动作——在他或她分别通过mtm132a、132b控制这种移动和动作时。
被内窥镜130捕捉的视野131具有在器械工作空间226内的内窥镜参考框架(x2、y2、z2)。在此视野中，组织探针166的可视化被组织壁232遮挡。然而，组织壁232的突出和组织壁相反侧上组织166的移动导致的突出的移动可在内窥镜130的视野131中被可视化。控制系统108被布置以使得通过主操纵器102的mtm132a的方向和位置移动映射在显示系统136的观看器的图像中观察到的组织探针166的方向和位置移动，如下文更详细描述。
探针框架、内窥镜框架、每个末端执行器129a、129b的参考框架、和在器械工作空间226内限定的任何其他参考框架可具有通过固定的运动连接或通过传感器建立的已知的关系。
在下文描述中，将参考mtm132a和具有外科器械128c的器械臂124c描述控制系统。主控和从控移动之间的控制通过以下实现：比较具有主cartesian坐标参考系统的主控工作空间228中的主控位置和方向与具有外科cartesian坐标参考系统的器械工作空间226中的从控位置和方向。为了便于理解和文字简练，术语"cartesian坐标参考系统"将在本说明书的其余部分中简称为"框架"。因此，控制系统108用以比较内窥镜框架内的从控位置和方向与主框架(和/或观看器框架)中的主控位置和方向，并且将致动从控到达内窥镜框架中与主框架(和/或观看器框架)的主控的位置和/或方向相对应的位置和/或方向。随着mtm在三维空间中平移和旋转，主参考框架对应地平移和旋转。这些主框架平移和旋转可被感测，并且其可被转换(也称为“映射”)到器械工作空间中的参考框架(包括探针框架)，以通过利用公知的运动学计算提供工作空间中的mtm和耦接的器械和/或探针之间的控制关系。当改变主框架位置和方向时，耦接的器械的框架对应地被改变，使得耦接的器械移动从控于mtm移动。
如前所述，控制系统108包括至少一个(一般多个)处理器，该处理器在通过控制系统的处理周期率确定的连续基础上，响应于主控移动输入命令，计算从控的新对应位置和方向。
如图10所示，通过主控工作空间的主控框架的z1轴随mtm132a移动。自然，x1轴和y1轴垂直于z1轴延伸。还如图10所示，当通过显示系统136的观看器观察手术位点时，通过主控工作空间的观看器框架的z4轴沿着(或平行于)轴线242指示的外科医生的视线延伸。自然，x4轴和y4轴垂直于z4轴延伸。便利地，y4轴被选择以相对于显示系统136的观看器总体上竖直地延伸，并且x4轴被选择以相对于观看器总体上水平地延伸。
如图11所示，内窥镜框架的z2轴沿着(或平行于)内窥镜130的观察轴线244轴向地延伸。虽然在图11中观察轴线244显示为与内窥镜130的轴轴线(shaftaxis)同轴地对齐，但将理解，观察轴线可相对其成角。因此，内窥镜可以是直线或成角末梢镜的形式。x2轴和y2轴位于垂直于z2轴的平面中。还如图11所示，探针框架的z3轴沿着(或平行于)器械128c的纵轴线轴向地延伸。x3轴和y3轴位于垂直于z3轴的平面中。
关于所述控制系统的其他信息——包括关于用器械工作空间中的器械映射主控工作空间中主控的位置和方向的信息被详细地提供于美国专利号us6,424,885b1(于1999年8月13日提交；公开了“camerareferencedcontrolinaminimallyinvasivesurgicalapparatus”)中，其整体通过引用并入本文。总体上，外科远程操作式映射方法包括通过铰接多个主控接头，移动主控工作空间中的mtm。对应于mtm的位置、方向、和速度的主控控制信号被传输到控制系统。总体上，控制系统将产生对应的从控马达信号，以按照转换(transformation)，用器械工作空间中的末端执行器或组织探针的cartesian位置映射主控工作空间中的主控的cartesian位置。控制系统可响应于由图像捕捉系统提供的状态变量信号得到该转换，使得显示系统中末端执行器或组织探针的图像呈现基本上关联于mtm。此外，利用缩放和偏移转换器，主控工作空间中的位置和速度被转换成器械工作空间中的位置和速度。转换的进一步细节被提供于美国专利号6,424,885，其此前通过引用并入本文。外科组织探针或末端执行器通过响应于从控马达信号铰接多个从控接头而在器械工作空间中被移动。响应于移动主控，控制系统产生从控马达信号，使得显示器中的末端执行器或组织探针的图像呈现基本上与主控工作空间中的mtm关联。
由于外科医生通过显示系统136具有组织探针166的远端侧视图(distalend-onview)，主控到从控的常规映射将需要mtm132a被扭转以人体工程学不便的位置和方向反向指向外科医生。因此，沿着至少一个坐标倒置主控到从控的映射的方法将允许外科医生控制组织探针166，如同器械128c从组织探针反向朝着外科医生延伸。换句话说，如下文将详细描述，mtm132的移动沿着探针框架的至少一个坐标以相反的方向映射到组织探针166。
在常规映射技术中，mtm132a在+x4方向上的移动导致器械128a在内窥镜框架的器械工作空间中沿+x2方向的对应移动(包括缩放与偏移因子)。如果使用者希望放弃控制器械128a，并且开始利用mtm132a控制器械128c，则使用者用控制系统108登记该指示，并且将mtm132a的控制转移到器械128c。
图13提供过程250的一个实例，用于利用倒置映射技术控制外科器械128c(如子宫剥离器器械)。在实施倒置映射技术之前，控制系统108将被给予如下信息：需要倒置映射技术，而非常规映射技术。例如，该信息可基于用户输入、传感器输入、或识别配置中安排的从控器械或从控臂的其他反馈，如末端侧视图，其中倒置映射技术为使用者提供更舒适的操纵。如前所述，主控工作空间228内的mtm132一般具有六个自由度，三个旋转自由度和三个平移自由度。过程250可在全部六个自由度启用的情况下进行。在可选的实施方式中，组织探针的末梢位置可被映射，而不类似地映射探针的方向。换句话说，使旋转/方向映射不可操作。更具体地，旋转自由度(偏航、俯仰、和滚动)可被释放以创造允许外科医生感觉mtm132a正在拖动组织探针的界面。因此，组织探针将看起来平移通过三维坐标系统，但旋转能力将被禁用，其中mtm的旋转被锁定。可选地，可允许主控旋转浮现(float)，其中旋转在组织探针操纵的转换中被忽略。在再另一个替代方式中，平移以少于全部的旋转自由度被映射。例如，mtm的平移可连同围绕(about)z轴的旋转被映射，而不映射围绕x轴和y轴的移动。主控和探针之间关于禁用轴线的任何误差可从显示器省略，以避免重新映射mtm的需要。
在过程252，检测主控工作空间228中主控输入装置(即mtm132a)沿第一方向的移动。在过程254，mtm132a的移动导致主控控制信号的产生。在过程256，主控工作空间228中mtm132a的移动被映射到器械工作空间中的组织探针166。在过程258，产生从控控制信号，以沿倒置的第一方向在器械工作空间中移动组织探针166。倒置的方向是沿着cartesian坐标系统的至少一个轴在量级上相反或反向的。可基于所用组织探针来控制工作空间的移动、速度、和尺寸比例。对组织(例如子宫)运动的限制可通过系统或通过外科医生的视觉提示(visualcues)被预先确定和设定。
如在图14-21提供的详细实例中进一步说明，可基于从控器械插入方向的确定，将主控工作空间中的主控输入装置的移动映射到器械工作空间中的器械。例如，如果从控器械以与视野方向对应的方向插入器械工作空间，则可使用与视野方向相关的映射。可选地，如果从控器械以与视野方向非对应的方向插入器械工作空间，则可使用不同的映射，如包括从控器械运动的至少一个方向的倒置的映射。
基于通过已知的运动关系或传感器反馈确定的成像器械的观察轴线和从控器械之间的几何关系，从控器械插入方向可被认为是“对应的”。对应的从控器械方向可以是相对于观察轴线(例如轴线244)小于或等于90度(或，在其他实施方式中，小于90度)的任何方向。在图11中，器械128a和128b基于其相对于观察轴线244的方向可被认为是以对应的方向插入。基于成像器械的观察轴线和从控器械之间的几何关系，从控器械方向还可被认为是“非对应的”。非对应的从控器械方向可以是相对于观察轴线大于90度(或，在其他实施方式中，不小于90度)的任何方向。在图11中，器械128c可被认为是以非对应的方向插入，因为其具有相对于观察角度244大约180°的插入方向并且不在观察角度244与成像器械130的远端的垂直平面之间延伸。因此，在图11中，器械128a、128b可具有沿观察轴线244与视野对应的对应映射，并且器械128c可具有包括器械128c的至少一个运动方向(例如，x3方向)的对应映射的倒置的映射。倒置可以例如是对应映射的反向或180°方向改变。
现在参考图14，通过内窥镜130的器械工作空间226的视图(即，内窥镜框架)允许使用者在主控制台102将组织壁232的区段、具有末端执行器129a的器械128a、和具有末端执行器129b的器械128b可视化。虽然工作空间中的组织探针166因介入的组织232而不可被直接可视化，但末梢的大体位置可通过突出、膨胀、或与已被末梢提升的组织232区域相关的其他性质(quality)来识别。在一个实施方式中，可显示叠加(overlay)图像以指示末梢的位置。当将控制切换到组织探针时，可触发叠加。如果使用成像探针，组织可被直接可视化，提供患者解剖结构的内部视图。在此实例框架中，+x2方向是朝向页面右侧，–x2方向是朝向页面左侧，+y2方向是朝向页面上侧，–y2方向是朝向页面下侧，+z2方向是离开页面，并且–z2方向是进入页面。在可选的实施方式中，外科医生可主要关注通过探针实现的组织拉伸量，并且将移动探针直到内窥镜框架中的图像指示目标组织被拉伸到外科医生的具体要求。
现参考图15，观自组织壁232的相反侧(例如，观自器械128c的近端，如从子宫颈看向子宫)的器械工作空间226的探针框架将x轴和z轴相对于内窥镜框架(x2、y2、z2)倒置。具体地，在此实例框架中，–x3方向是朝向页面左侧，+x3方向是朝向页面右侧，+y3方向是朝向页面上侧，–y3方向是朝向页面下侧，–z3方向是进入页面，并且+z3方向是离开页面。
如果mtm132a被耦接以移动组织探针166，并且外科医生希望如图16所示朝向末端执行器129b的位置移动组织探针166，则他或她会沿+x4方向移动mtm132a(朝向主控空间228中的mtm132b)。由于器械128c的倒置位置(非对应方向)，在常规非倒置映射方案下，主控空间228中mtm132a朝向mtm132b向右移动将导致图17的视图中的组织探针166也向右移动——沿+x3方向，朝向末端执行器129a。为了避免这种反向结果并且使组织探针166朝向目的末端执行器129b移动，mtm132a的映射被倒置。因此，如图16所示，主控工作空间228中mtm132a沿+x4方向的移动在探针框架中被倒置，导致内窥镜框架中组织探针166沿-x3方向(即，与+x3方向相反)朝向末端执行器129b移动。
更具体地，控制系统108可以被配置以确定mtm132a是否以对应方向与从控器械如器械128a、128b、130(即除组织探针166之外的器械)通信地耦接，并且如果是这样，则观看器框架中mtm132a的移动根据第一映射被映射成内窥镜框架中从控器械的移动。第一映射使观看器框架中第一方向(例如，朝向观看器右侧，+x4)的移动平移(翻译，translate)成内窥镜框架中第一方向(例如，朝向内窥镜右侧，+x2)的移动。如果mtm132a以非对应方向与从控器械(如包括组织探针166的倒置器械128c)通信地耦接，则观看器框架中mtm132a的移动根据第二映射被映射成探针框架中倒置器械的移动。第二映射使观看器框架中第一方向(例如，朝向观看器右侧，+x4)的移动平移成探针框架中倒置第一方向(例如朝向组织探针左侧，-x3，如从沿器械128c的轴的近端位置观察)的移动。探针框架中的倒置第一方向(例如–x3)与观看器框架和内窥镜框架中的第一方向(例如，+x4)相反。在此实施方式中，器械128c沿探针框架的倒置第一方向的移动与内窥镜框架中的器械128a的第一方向在器械工作空间同向。换句话说，在器械工作空间226中，内窥镜框架中的第一方向+x2与探针框架中的倒置第一方向–x3相同。
现参考图18和19，在另一个实例中，呈现如图14和15中的组织探针166的起始位置。如果外科医生希望向上移动组织探针166，则他或她沿+y4方向(在图10的主控空间228中，离开页面)移动mtm132a。在此实例中，可以采用常规映射方案，因为主控空间228中mtm132a的向上移动将导致图19的视图中的组织探针166也向上移动——沿+y3方向。换句话说，图18的内窥镜视图和图19的器械视图中，“向上”移动是相同的。因此，当mtm132a沿+y4方向移动时，常规映射将导致组织探针166沿+y2方向和+y3方向移动。
更具体地，控制系统108可被配置以确定mtm132a是否以对应方向与从控器械如器械128a、128b、130(即除组织探针166之外的器械)通信地耦接，并且如果是这样，则观看器框架中的mtm132a的移动根据第一映射被映射成内窥镜框架中的第一从控器械的移动。第一映射使观看器框架中第一方向(例如，朝向观看器上方，+y4)的移动平移成内窥镜框架中第一方向(例如，朝向内窥镜上方，+y2)的移动。如果mtm132a以非对应方向与从控器械如包括组织探针166的器械128c通信地耦接，则观看器框架中mtm132a的移动根据第二映射被映射成探针框架中从控器械的移动。第二转换还将观看器框架中第一方向(例如，朝向观看器上方，+y4)的移动转换成探针框架中第一方向(例如，朝向组织探针上方，+y3，如从沿着器械128c的轴的近端位置观察)的移动。探针框架中的第一方向(例如，+y3)与观看器框架中的第一方向(例如，+y4)相同。在此实施方式中，器械128c沿探针框架第一方向的移动与内窥镜框架中器械128a的第一方向在器械工作空间中同向。换句话说，在器械工作空间226中，内窥镜框架中的第一方向+y2与探针框架中的倒置第一方向+y3相同。
现参考图20和21，在另一个实例中，呈现如图14和15中的组织探针166的起始位置。如果mtm132a被耦接以移动组织探针166并且外科医生希望使组织探针166远离组织壁232移动，则他或她会使mtm132a沿–z4方向并且远离图10中的显示系统136的观看器移动。由于器械128c的倒置位置(非对应方向)，在常规映射方案下，主控空间228中mtm132a沿–z4方向远离外科医生的移动将导致图21的视图中的组织探针166移动进入页面——沿–z3方向，进一步进入组织壁232。为了避免这样的反向结果并且使组织探针166按需远离组织壁232移动，mtm132a的映射被倒置。因此，如图20所示，主控工作空间228中mtm132a沿–z4方向的移动被倒置，导致组织探针166沿+z3方向(即，与–z4方向相反)移动，离开页面并且远离组织壁232(朝向探针框架中的子宫颈)。
更具体地，控制系统108可被配置以确定mtm132a是否以对应方向与从控器械如器械128a、128b、130(即，除组织探针166以外的器械)通信地耦接，并且如果是这样，则观看器框架中mtm132a的移动根据第一映射被映射成内窥镜框架中第一从控器械的移动。第一映射使观看器框架中第一方向(例如，远离观看器，-z4)的移动转换成内窥镜框架中第一方向(例如，远离内窥镜，-z2)的移动。如果mtm132a与从控器械(如，包括组织探针166的器械128c)以非对应方向通信地耦接，则观看器框架中mtm132a的移动根据第二映射被映射成探针框架中第二从控器械的移动。第二映射使在观看器框架中第一方向(例如，远离观看器，-z4)的移动转换成探针框架中的倒置第一方向(例如，远离组织壁232，+z3，如从沿着器械128c的轴的近端位置观察)的移动。探针框架中的倒置第一方向(例如，+z3)与观看器框架和内窥镜框架中的第一方向(例如，-z4)相反。在此实施方式中，器械128c沿探针框架的倒置第一方向的移动与内窥镜框架中的器械128a的第一方向在器械工作空间中同向。换句话说，在器械工作空间226中，内窥镜框架中的第一方向-z2与探针框架中的倒置第一方向+z3相同。
虽然提供的实例描述了沿x轴、y轴、或z轴的线性移动，但将理解，mtm132a在三维工作空间228中的角度移动也可映射到三维器械工作空间，使得映射关于坐标轴中的一个或多个是倒置的并且关于坐标轴中的一个或多个是常规的。例如，观看器和内窥镜框架中的移动+x4、+y4可被映射以对应于探针框架中的移动–x3、+y3。
图23的实施方式示例了可选的从控操纵器系统300。系统300包括单独的远程操作的操纵器构件302和操纵器构件304。两构件302、304可通过共同的主控操纵器和控制系统操作。可选地，其可通过不同的主控操纵器、直接操纵器、和/或控制系统操作。操纵器构件302基本上类似于对于图2描述的患者侧操纵器，包括在主控控制下操作的外科器械。操纵器构件304是单独的伺服操作式操纵器，并且包括带有组织探针308的安装式器械306，类似于上述任何实施方式。在此实施方式中，操纵器构件304安装到患者床312的床栏(bedrail)310。操纵器构件304的初始定位可手动进行。例如，可使操纵器构件304沿床栏310移动，并且通过摩擦锁定机构锁定就位。在锁定就位之后，操纵器构件304可被置于主控操纵器和中央控制系统的控制之下。在构件304锁定就位的情况下，带有组织探针308的安装式器械306可如关于前述实施方式所述操作。在其他可选实施方式中，操纵器构件可被安装在患者床的任一侧上或安装在手术台的另一可移动的或固定的构件上。
图24-26示例了根据另一个实施方式的辅助医疗器械400，如子宫剥离器。关于与远程操作控制联用，器械400可被附接到图4的器械翼梁148。器械400具有近端402和远端404。近端包括手柄406，其可用于在从器械翼梁148断开时手动操纵器械。手柄406具有符合人体工程学的握持部以允许使用者握持和在器械不在远程操作控制下时操纵器械。器械400进一步包括安装部分408，其被设定尺寸和形状以适配插管安装件152。安装部分408包括凹陷表面410，其提供指示器械特征(如尺寸和形状)的识别信息。在可选的实施方式中，识别信息可位于器械不同部分上。在再其他可选实施方式中，识别信息可在器械翼梁148处读取或以其他方式感测，并且从器械电子地通信至控制系统108。
器械400进一步包括固定的曲线轴部分412，其具有近似90°弧线和固定的曲率半径。在此实施方式中，曲线部分具有弧长。曲线部分412和器械400的其他部分可由刚性材料形成，刚性材料包括金属(如，不锈钢或钛)、聚合物(如聚醚醚酮(peek))、或陶瓷。适合的材料可以是轻量的，但具有足够的强度以在力施加于器械以操纵患者解剖结构中的组织时抵抗显著弯曲或断裂。曲线部分412具有实心轴，但在可选的实施方式中可以是空心的，以减轻重量或为流体流或其他医疗工具提供通道。
器械400的远端404包括末梢紧固件414，并且曲线轴部分412包括通道(channels)、凹槽、紧固件和其他适配特征416。紧固件414和适配特征416被设定尺寸和形状以适配医疗配件418。医疗配件418包括组织探针419。组织探针419可以是圆润的，柔性的，可膨胀的，和/或具有允许探针在不撕裂、刮擦、或以其他方式损伤组织的情况下啮合和施力到组织的其他无创性末梢特征。适用于器械400的各种医疗配件可从coopersurgical,inc.oftrumbull,ct获得，并且可包括来自
当附接到器械翼梁148时，器械400可被控制以围绕沿着不与器械400相交的轴线a1(垂直于图24的页面)布置的旋转中心c1枢转。器械400可被约束至单个旋转自由度(例如，俯仰)。一般，旋转中心c1在手术期间锁定在患者孔口处，并且允许足可用于实施预期外科操纵的俯仰运动。可选地，旋转中心可位于身体外，以在不接触的患者的情况下允许更大范围的运动。有识人士将理解，围绕旋转中心的运动可受到软件应用或受到通过机械组件限定的物理约束的约束。
定位特征420设置在安装部分408上，以在器械的曲线部分位于患者解剖结构内并且因此对于使用者不可视时向使用者指示器械曲度方向。定位特征420也可用以防止器械400围绕延伸通过安装部分408的轴线a2旋转，从而使旋转中心c1保持在相对于器械翼梁148固定的位置处。在此实施方式中，定位特征420是突起，但在可选的实施方式中可以是标记、凹陷部分或其他指示特征。
在初始外科设置程序期间，器械400被附接到插管安装件152。如前所述，代替力传递组件，可安装“仿制”力传递组件(图7)以允许系统识别附接到器械翼梁的医疗器械的类型。医疗配件418与曲线轴部分412适配，并且耦接至远端404。组装的器械400被定位在体腔内，其中组织探针419被定位抵靠体腔的组织壁。组织探针可例如通过利用流体膨胀而扩张。在可选的实施方式中，器械可先被定位通过患者孔口，然后可在器械就位后被耦接到操纵器。如前所述，在各种实施方式中，操纵器140可被附接到患者床、可移动的支撑结构、或手术区域中另一固定的或可移动的构件。
在此实施方式中，器械400沿x3轴(垂直于图24的页面)的移动被限制，并且由于器械400围绕旋转中心c1的旋转移动受到约束，器械在y3和z3方向上的移动被耦联。例如，在器械400的远端404围绕旋转中心c1向前(图24中的顺时针方向)枢转(即，围绕轴线a1的俯仰运动)时，远端404沿+y3、-z3方向移动。在远端404围绕旋转中心c1反向(图24中的逆时针方向)枢转时，远端404沿–y3、+z3方向移动。控制组织探针运动的mtm132a移动的y1和z1方向可同样地被耦联。可选地，控制组织探针运动的mtm132a移动的y1和z1方向可以解耦。当mtm132a的移动被解耦时，解耦的mtm132a移动被映射成近似的mtm移动，同时容许器械的耦接移动。
作为实例，如果外科医生希望沿+y3方向移动组织探针419，则他或她会沿+y1方向(离开图10的主控空间228的页面)移动mtm132a。在此实例中，可采用常规映射方案，因为主控空间228中mtm132a的向上移动将导致组织探针419也向上移动——沿+y3方向。换句话说，“向上”移动在内窥镜视图和器械视图中是相同的。因此，常规映射将在mtm132a沿+y1方向移动时导致组织探针419沿+y3方向移动。如果外科医生希望移动组织探针419远离组织壁232(图11)，则他或她会使图10中mtm132a沿-z1方向并且远离外科医生移动。由于器械128c的位置倒置，在常规映射方案下，主控空间228中mtm132a沿-z1方向远离外科医生的移动将导致组织探针419沿-z3方向进一步移动到组织壁中。为了避免这样的反向结果并且使组织探针419如预期远离组织壁232移动，mtm132a的映射被倒置。因此，主控工作空间228中mtm132a沿+z1方向的移动被倒置，使得组织探针166沿+z3方向移动远离组织壁232(在探针框架中朝向子宫颈)。
图27和28示例了根据另一个实施方式的辅助医疗器械450，如子宫剥离器。医疗器械450可在配置和操作方面类似于器械400，其几个区别特征将被描述。医疗器械450包括近端452、远端454、和在近端和远端之间延伸的曲线轴部分456。在此实施方式中，直轴部分458在近端452和曲线轴部分456之间延伸。当附接到器械翼梁148时，器械450可围绕旋转中心c2枢转。与器械400相比，直轴部分使旋转中心c2远离翼梁148延伸。适用于特定程序的器械的选择可以基于患者尺寸和待操纵组织与器械所插入通过的自然孔口或外科创造孔口之间的距离。
图29是辅助医疗器械460的示意图，该辅助医疗器械460可以以提供给组织探针另外的运动自由度的配置被安装到图4的操纵器140。在此实施方式中，器械460具有近端462、远端464、曲线轴部分466、和直轴部分468。组织探针469被安装到远端464。轴线a3延伸通过直轴部分468。操纵器140的器械翼梁148包括器械锚定件470。器械锚定件470包括通道，该通道被设定尺寸以接收直轴部分468，以将器械460耦接到器械翼梁148。器械锚定件470可以是附属夹具，如在美国专利号8,182,469(于2005年9月30日提交；公开了“surgicalaccessoryclampandmethod”)中更详细描述，其整体通过引用并入本文。器械锚定件470可充当这样的轴承：允许器械460沿轴线a3的线性平移和器械围绕轴线a3的旋转运动，同时约束垂直于轴线a3的平移运动。
力传递组件472(基本上类似于上述力传递组件164)耦联来自操纵器140中的致动器的致动力，以使器械460的各部分移动，以定位和定向安装在曲线轴466的远端的组织探针469。接头474(如快速断开机构)在器械460的近端和远端之间延伸。在此实施方式中，接头474处于器械锚定件470和力传递组件472之间。可选地，接头可在器械的近端和力传递组件之间延伸。接头474允许组织探针469围绕接头处的轴线a3旋转。接头474可以另外或可选地允许组织探针沿轴线a3从接头平移。此外，接头474允许快速更换器械460的远端和组织探针469。例如，接头474允许从器械的无菌近端部分移除器械远端上的非无菌末端执行器或组织探针。此外，接头474允许器械460和组织探针469在患者解剖结构内的设置，而无附接操纵器的阻碍。例如，器械460和组织探针469可被定位和布置在患者体腔内。在此初始设置活动完成后，将具有力传递组件472的器械翼梁148引入器械460。将直轴部分468负载到器械锚定件470中——例如通过器械锚定件的远侧开口或通过枢转夹具臂之间的开口。力传递组件472可然后通过接头474可操作地耦接到直轴部分。在器械460连接到接头474后，力传递组件472可操作以控制组织探针469围绕轴线a3旋转移动和控制组织探针沿轴线a3平移。在一个实施方式中，为允许直轴部分468相对于接头474平移，接头和曲线轴部分之间的直轴部分可具有比接头和力传递组件之间的直轴部分更小的直径，以允许伸缩运动。器械锚定件470可作为支持轴的直部分(straightportion)的旋转和平移运动轴承进行操作。
图30是辅助医疗器械480的示意图，辅助医疗器械480可被安装到图4的操纵器140——以提供给组织探针另外的运动自由度的配置。在此实施方式中，器械480可基本上类似于器械460和图29的配置，其区别将被描述。在此实施方式中，器械480具有近端482、远端484、曲线轴部分486、直轴部分488、和组织探针490。在此实施方式中，接头492(如快速断开接头)啮合在远端484和器械锚定件470之间。接头492允许组织探针490和曲线部分486围绕接头处的轴线a4旋转。接头492还允许组织探针沿轴线a4从接头平移。此外，接头492允许快速更换器械的远端484和组织探针490。此外，接头492允许器械480和组织探针490在患者解剖结构内的设置，而无附接操纵器的阻碍。在此实施方式中，器械480的组件可比器械460的组件(图29)减少繁琐，因为直轴部分可被连接到接头，而无需将直轴部分递送通过器械锚定件。由于接头492在器械锚定件的远侧，接头应被选择以承受组织探测力而不变形。在接头充分稳固的情况下，接头任一侧的直轴部分可保持与轴线a4总体上共线和对齐。例如，接头可能够承受上至大约30lbs的负荷。
图31是辅助医疗器械500的示意图，辅助医疗器械500可以被安装到图4的操纵器140——以提供给组织探针另外的运动自由度的配置。在此实施方式中，器械500可基本上类似于器械480和图30的配置，其区别将被描述。在此实施方式中——而非快速断开接头474，器械500具有近端502、远端504、曲线轴部分506、直轴部分508、和组织探针510。在此实施方式中，接头512(如多维腕型接头)处于远端504和器械锚定件470之间。各种多维腕型接头的实例被更详细地描述于美国专利号6,817,974(于2002年6月28日提交；公开了“surgicaltoolhavingpositivelypositionabletendonactuatedmulti-diskwristjoint”)，其整体通过引用并入本文。接头512允许组织探针510和曲线部分506的多维移动。由于接头512在器械锚定件的远侧，接头应被选择以承受组织探测力而不变形。在接头充分稳固的情况下，接头任一侧的直轴部分保持与轴线a4总体上共线和对齐。例如，接头可能够承受上至大约30lbs的负荷。
图32示例了包括无源照明源的辅助医疗器械550。医疗器械550可以例如是类似于前述任何实施方式的子宫剥离器。关于与远程操作控制的联用，器械550可被附接到图4的器械翼梁148。器械550包括与轴部分554的远端耦接的探针部分552。探针部分552和或轴部分554可包括一个或多个照明基准标记556。照明基准标记556可以是无源照明基准标记，其在没有连接到输电干线(powermains)或能量存储装置(如电池)的情况下操作。无源照明基准标记接收来自光源的入射光并且作为响应而发光。在一个替代方式中，无源照明基准标记可包括无源发光二极管(led)系统。无源led系统可包括耦接到led的光传感器。光传感器接收激励光并且产生电流以照明led。在另一替代方式中，无源照明基准标记可包括孔、沟槽、凹陷处、或用于容纳荧光染料如吲哚菁绿(icg)染料的其他腔体或容器。当用激励波长(例如，约750至800nm)的光照射icg染料时，其可被直接观察或在更长的观察波长(例如，超过800nm)下成像。
从外部来源接收的光(如通过光纤递送到手术区域的光)可直接地或通过遮挡组织照射无源标记。例如，参考图11，如果无源标记位于体腔230(例如，子宫)内的探针166上，则由内窥镜130发射的光可穿过组织壁以激励探针上的无源标记。被激励的无源标记发光，该光可以是使用者通过内窥镜可视的。因此，探针的位置可通过由无源标记的光穿过遮挡组织被识别。在可选的实施方式中，激励光可由组织壁的探针侧或末端执行器侧上的光源供应。在可选的实施方式中，标记可以是有源照明基准标记，包括电池或给led或其他光源供电的其他电源。
图33-34示例了可装配有无源照明标记的医疗器械的另一个实例。在此实施方式中，阴道切开器杯560包括无源照明标记562。当用于医疗程序(如子宫切除术)时，阴道切开器杯560可被定位在子宫564的基底处。来自内窥镜566或其他光源的光可穿过子宫564的壁568以激励标记562中的一个或多个。从被激励标记562发出的光可然后通过内窥镜566穿过壁568可视。被激励标记562可因此充当医疗器械570的导向器(guide)以执行医疗程序，如烧蚀(ablation)或切开。例如，如果标记562被径向围绕杯560的边缘布置，则该圈标记可充当导向器，用于切割杯边缘相邻的组织。无源标记574也可位于子宫探针572上，包括在探针的可膨胀部分上。这种标记可协助限定子宫内膜和纤维瘤，以允许更安全的子宫肌瘤切除术程序。
无源标记(如所述那些)可用于多种医疗程序，以识别器械、植入物、目标位置，或留下(leave-behind)的导向器或观看器(indicator)——在否则遮挡组织将阻碍通过图像捕捉系统、可视化系统、或裸眼直接可视化的位置处。
虽然上述系统和方法可用于在多种外科程序中通过自然开口或手术创造的开口提升或收回组织，但其对于子宫操纵特别有用。子宫操纵可用于子宫切除术程序或子宫内膜异位的治疗以提供恒定的稳定张力以能够实现精确的剖解。子宫操纵的远程操作控制也可在大子宫的手动操纵将导致使用者疲劳的情况下特别有用。除了提供组织张拉之外，子宫操纵器还可用于移动处理位置(transactionplace)远离重要结构(如输尿管)。
远程操作式子宫操纵也可用于提高控制台外科医生的手术自主性。外科医生在不与患者侧助手互动或等待患者侧助手的情况下全然以其想法控制位置。而且，患者侧助手可提供手术辅助，而非操持操纵器。远程操作式子宫操纵还可避免患者侧助手由于设备臂之间的移动而被污染。
对外科器械和外科方法的任何提及都是非限制性的，因为本文描述的器械和方法可用于动物、人尸体、动物尸体、人或动物解剖结构的部分、非外科诊断、工业系统、和一般机器人或远程操作系统。
本发明的实施方式中的一个或多个要素可在软件中实施以在计算机系统(如控制系统108)的处理器上执行。当在软件中实施时，本发明的实施方式的要素实质上是执行必要任务的代码段。程序或代码段可被存储在处理器可读存储介质或装置中，其可已通过在传输介质或通信链接上的载波中包含的计算机数据信号被下载下来。处理器可读存储装置可包括可存储信息的任何介质(包括光学介质、半导体介质、和磁介质)。处理器可读存储装置实例包括电子回路；半导体装置、半导体存储装置、只读存储器(rom)、闪存、可擦除可编程只读存储器(eprom)；软盘、cd-rom、光盘、硬盘、或其他存储装置。代码段可通过计算机网络(如因特网、内联网等)下载。
注意，展示的过程和显示可不一定关联于任何具体计算机或其他设备。根据本文的教导，各种通用系统可与程序联用，或可显示构建更专业的设备以执行所述操作是方便的。各种这些系统所需的结构将作为权利要求中的要素呈现。另外，本发明的实施方式未参考任何具体编程语言来描述。将理解，各种编程语言可用于实施本文所述的本发明教导。
虽然本发明的某些示例性实施方式已被描述并被示出在附图中，但要理解，这种实施方式仅仅是示例而非限制宽泛的发明，并且本发明的实施方式不限制于所示和所述的具体构造和布置，因为本领域普通技术人员可以想到各种其他改动。
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