患者导引器对准的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年4月7日提交的美国临时申请第62/483,279号的权益，该临时申请的全部内容通过引用并入本文。

本公开内容总体上涉及对准装置，并且更具体地涉及患者导引器，该患者导引器包括用于将患者导引器与机器人系统的操纵器组件对准的对准构件。

背景技术：

医疗过程诸如内窥镜检查(例如，支气管镜检查)可以涉及为了诊断和/或治疗的目的而进入并可视化患者的腔网络(例如，气道)的内部。手术机器人系统可以用于控制手术工具的插入和/或操纵，诸如例如内窥镜检查过程期间的内窥镜的插入和/或操纵。手术机器人系统可以包括至少一个机器人臂，其中机器人臂包括用于在过程期间控制手术工具的定位的操纵器组件。手术工具可以经由患者导引器被引入至患者的腔网络中，该患者导引器可以接纳来自操纵器组件的手术工具并且将手术工具引导至患者的腔网络中。

技术实现要素：

本公开内容的系统、方法和装置均具有若干创新方面，其中没有一个方面单独地负责本文中公开的期望属性。

在一方面中，提供了一种患者导引器，该患者导引器包括：导引器管，其在(i)可连接至端口的远端与(ii)被配置成接纳手术工具的近端之间延伸，该导引器管被配置成将手术工具引导至端口中；以及对准构件，其连接至导引器管并且包括第一形状和第一对准标记，该对准构件被配置成与机器人系统的操纵器组件接口。操纵器组件可以包括第二形状和第二对准标记，第一形状与第二形状互补，其中，对准构件的第一对准标记便利对准构件和操纵器组件的旋转对准。

在另一方面中，提供了一种定位患者导引器和手术机器人系统的机器人臂的方法。该方法可以涉及将患者导引器对准至端口，该患者导引器包括：导引器管，其在(i)可连接至端口的远端与(ii)被配置成接纳来自机器人臂的手术工具的近端之间延伸，该导引器管被配置成将手术工具引导至端口中；以及对准构件，其连接至导引器管并且包括第一形状和第一对准标记。该方法还可以涉及将机器人臂放置于对准位置，其中机器人臂的远端部连接有操纵器组件，该操纵器组件包括第二形状和第二对准标记，第二形状与第一形状互补。该方法还可以涉及：基于将操纵器组件的第二对准标记与对准构件的第一对准标记对准来将操纵器组件和对准构件旋转地对准。

在又一方面中，提供了一种患者导引器，该患者导引器包括：导引器管，其被配置成接纳手术工具并且将该手术工具引导至患者体内；以及对准构件，其连接至导引器管，该对准构件被配置成与手术机器人系统的操纵器组件接口并且便利与操纵器组件的旋转对准。

在又一方面中，提供了一种手术机器人系统，该手术机器人系统包括：机器人臂；以及操纵器组件，其附接至机器人臂的远端部，该操纵器组件被配置成控制手术工具以将手术工具插入至患者导引器中。该操纵器组件可以被配置成与患者导引器的对准构件接口并且便利与患者导引器的旋转对准。

附图说明

在下文中将结合附图和附录来描述所公开的方面，提供这些附图和附录是为了说明而不是限制所公开的方面，其中，相似的标号表示相似的元素。

图1a示出了根据本公开内容的方面的包括示例手术机器人系统的示例操作环境。

图1b示出了可以在图1a的操作环境中导航的示例腔网络。

图1c示出了用于引导手术工具移动通过图1b的腔网络的机器人手术系统的示例机器人臂。

图2示出了可以在图1a的示例操作环境中使用的示例命令控制台。

图3a示出了根据本公开内容的一个或更多个方面的示例患者导引器。

图3b示出了根据本公开内容的方面的用于将手术机器人系统推车与患者导引器对准的系统和方法的实施方式。

图4a和图4b示出了根据本公开内容的方面的用于在对准过程期间使用的对准构件的实施方式。

图5a至图5h示出了根据本公开内容的方面的可以用于帮助操纵器组件与对准构件的旋转对准的对准标记的实施方式。

图6提供了示出根据本公开内容的方面的将手术机器人系统推车与患者导引器对准的示例方法的流程图。

图7至图10提供了示出图6的对准方法的其他方面的示例的流程图。

具体实施方式

本公开内容的实施方式涉及便利患者导引器与手术机器人系统的对准的系统和技术。患者导引器可以用作用于手术工具(例如，内窥镜工具)的引导件，并且可以将手术工具引导至端口(例如，气管内导管)中以将内窥镜工具引入至患者体内。如本文所使用的，“端口”可以指可部分地插入至患者的腔中的装置，该装置被配置成将手术工具引导至手术部位中。端口的附加示例包括但不限于气管内导管、胃肠管、套管、膀胱镜检查鞘等。患者导引器的某些实施方式可以沿弯曲路径引导手术工具，其中患者导引器的进入点和退出点沿弯曲路径形成，而不是沿着直线形成。患者导引器的这种曲度使得手术机器人的臂能够被定位在从端口延伸的直线的外部，从而提供了对附接有机器人臂的手术机器人系统推车的更实际和/或更方便的放置。也就是说，在没有由患者导引器提供的弯曲进入的情况下，手术机器人系统的臂可能需要与端口的轴线基本上对准以用于适当地控制手术工具，这在某些情况下可能是不实际的。

如本文所使用的，术语“大约”是指长度、厚度、数量、时间段或者其他可测量值的测量范围。这样的测量范围包含相对于指定值的+/-10％或更小、优选地+/-5％或更小、更优选地+/-1％或更小以及进一步更优选地+/-0.1％或更小的变化，只要这些变化是适当的，以便在所公开的装置、系统和技术中起作用。

出于说明的目的，下面将结合附图描述各种实施方式。应当理解的是，所公开的构思的许多其他实现方式是可能的，并且利用所公开的实现方式可以实现各种优点。本文中包括标题以供参考，并且标题有助于定位各个部分。这些标题不意在限制关于标题所描述的构思的范围。这些构思可以在整个说明书中具有适用性。

示例手术机器人系统的概述

尽管结合支气管镜检查实施方式进行了描述，但是本文所讨论的实施方式还可以覆盖可以由手术机器人系统执行的其他类型的医学过程或手术过程，诸如心脏病学、泌尿学、肠胃病学、腹腔镜检查以及/或者其他相关的或类似的手术过程，这些手术过程包括其中经由例如安装在患者身体上和/或部分地插入至患者体内的端口将手术工具引入至患者体内的手术过程。

图1a示出了实现所公开的手术机器人系统和技术的一个或更多个方面的示例操作环境。操作环境100包括患者101、支承患者101的平台102(也被称为桌或床)、引导手术工具115(例如，也被简称为内窥镜115的内窥镜工具)的移动的手术机器人系统110(也被简称为机器人系统)、以及用于控制手术机器人系统110的操作的命令中心105。图1a还示出了患者101内的腔网络140的区域的轮廓，该腔网络140在图1b中被更详细地示出。

手术机器人系统110可以包括用于定位内窥镜115并引导内窥镜115移动通过患者101的腔网络140的一个或更多个机器人臂。命令中心105可以通信地耦接至手术机器人系统110以用于接收位置数据和/或提供来自用户的控制信号。如本文中所使用的，“通信地耦接”是指任何有线数据传送介质和/或无线数据传送介质，包括但不限于无线广域网(wwan)(例如，一个或更多个蜂窝网络)、无线局域网(wlan)(例如，配置用于一个或更多个标准，诸如ieee802.11(wi-fi))、蓝牙、数据传送线缆等。关于图1c更详细地讨论手术机器人系统110，并且关于图2更详细地讨论命令中心105。

内窥镜115可以是例如管状且柔性的手术器械，在使用中将内窥镜115插入至患者的解剖结构中以捕获解剖结构(例如，身体组织)的图像，并且提供用于将其他医学器械插入至靶组织部位的工作通道。在一些实现方式中，内窥镜115可以为支气管镜。内窥镜115可以在内窥镜115的远端处包括一个或更多个成像装置(例如，摄像装置或其他类型的光学传感器)。成像装置可以包括一个或更多个光学部件，诸如光纤、光纤阵列、光敏基板和/或透镜。光学部件与内窥镜115的末端一起移动，使得内窥镜115的末端的移动引起由成像装置捕获的图像的视野的相应变化。

图1b示出了可以在图1a的操作环境中导航的示例腔网络。腔网络140包括患者101的气道150的分支结构以及可以如本文中所描述的那样被访问以用于诊断和/或治疗的损伤(lesion)155。如所示的，损伤155位于气道150的外周处。内窥镜115具有第一直径，并且因此内窥镜115的远端不能通过损伤155周围的较小直径气道而定位。因此，可操控导管145从内窥镜115的工作通道向损伤155延伸剩余距离。可操控导管145可以具有如下腔，例如活检针、细胞刷和/或组织取样钳的器械可以通过该腔到达损伤155的靶组织部位。在这样的实现方式中，内窥镜115的远端和可操控导管145的远端两者都可以设置有用于跟踪内窥镜115和可操控导管145在气道150内的位置的电磁(em)传感器。在其他实施方式中，内窥镜115的总直径可以足够小以在没有可操控导管155的情况下到达所述外周，或者可以足够小以接近所述外周(例如，在2.5cm至3cm内)以通过不可操控导管来部署医学器械。

在一些实施方式中，如本文中所描述的3d腔网络模型的2d显示或者3d模型的截面可以类似于图1b。

图1c示出了用于引导手术工具移动通过图1b的腔网络的手术机器人系统的示例机器人臂。手术机器人系统110可以包括例如耦接至一个或更多个机器人臂例如机器人臂175(也被简称为臂)的手术机器人系统推车180(也被简称为推车或基座)。尽管本文中所讨论的实施方式是关于推车方法的特定实施方式(例如，机器人臂175被定位在手术机器人系统推车180上)来描述的，但是本公开内容的其他实施方式也可以涉及其他方法，诸如例如其中患者101躺在桌(例如，平台102)上并且机器人臂175也被附接至桌的桌方法。机器人臂175包括在关节165处耦接的多个臂段170，关节165为机器人臂175提供多个自由度。作为示例，机器人臂175的一个实现方式可以具有与七个臂段相对应的七个自由度。在一些实施方式中，机器人臂175包括设置关节，该设置关节使用制动器和平衡件(counter-balance)的组合以维持机器人臂175的位置。平衡件可以包括气弹簧或者螺旋弹簧。制动器例如故障安全制动器可以包括机械部件和/或电气部件。此外，机器人臂175可以为重力辅助的被动支承型机器人臂。

机器人臂175可以使用机构转换接口(mci)160耦接至操纵器组件(例如，器械装置操纵器(idm)190)。如本文中所使用的，“操纵器组件”可以指idm190以及与idm190连接或集成的任何其他器械。例如，针对其中对于操纵器组件来说无菌是必需的某些手术过程，可以将无菌适配器连接至idm190。无菌适配器可以是例如覆盖手术机器人系统的一个或更多个无菌部件的无菌布单(drape)的一部分，并且可以便于维持idm190与机器人臂175或者手术工具115的一个或更多个部件之间的无菌接口，从而在机器人系统的非无菌部件与无菌手术区或区域之间提供屏障。无菌适配器可以覆盖idm190上的某些标记，并且因此，在一些实施方式中，无菌适配器可以包括在无菌适配器上形成的标记。无菌适配器上的标记可以被定位在对应于idm190上的标记的位置。idm190可以被移除，并且用不同类型的idm例如被配置成操纵内窥镜的第一类型的idm或者被配置成操纵腹腔镜的第二类型的idm来替换。mci160包括用于将气动压力、电力、电信号和/或光信号从机器人臂175传送至idm190的连接器。mci160可以为固定螺钉或者基础板连接器。idm190可以使用包括直接驱动、谐波驱动、齿轮传动、皮带和滑轮、磁驱动等的技术来操纵手术工具或者器械例如内窥镜115。在某些实现方式中，mci160基于idm190的类型是可互换的，并且可以针对特定类型的手术过程进行定制。机器人臂175可以包括关节级扭矩感测和处于远端处的腕部。

手术机器人系统110的机器人臂175可以使用伸长移动构件来操纵内窥镜115。伸长移动构件可以包括也被称为拉线或推线的拉线、线缆、光纤或柔性轴。例如，机器人臂175可以致动耦接至内窥镜115的多个拉线以使内窥镜115的末端偏转。拉线可以包括金属材料和非金属材料两者，例如，不锈钢、凯夫拉尔、钨、碳纤维等。内窥镜115可以响应于由伸长移动构件施加的力而呈现非线性行为。非线性行为可以基于内窥镜115的刚度和可压缩性，以及不同伸长移动构件之间的松弛或刚度的可变性。

基座180可以被定位成使得机器人臂175可以访问以执行或者辅助对患者的手术过程，同时用户诸如医师可以根据命令控制台105的舒适性来控制手术机器人系统110。在一些实施方式中，基座180可以被耦接至用于支承患者101的手术操作台或床。基座180可以通信地耦接至图1a中所示的命令控制台105。

基座180可以包括电力源182、气动压力186、以及控制和传感器电子器件184——包括诸如例如中央处理单元(也被简称为处理器)、数据总线、控制电路和/或存储器的部件——以及用于移动机器人臂175的相关致动器诸如马达。电子器件184可以实现导航控制技术、安全模式和/或数据过滤技术。基座180中的电子器件184还可以处理并传输从命令控制台105传送的控制信号。在一些实施方式中，基座180包括用于运输手术机器人系统110的轮188以及用于轮188的轮锁/制动器(未示出)。手术机器人系统110的移动性有助于适应手术操作室中的空间限制，并且有利于手术设备的适当定位和移动，以便使基座180和/或idm190与患者对准。此外，该移动性使得机器人臂175能够与患者101和/或平台102对准，使得机器人臂175在过程期间不会干扰患者、医师、麻醉师或者任何其他设备。用户可以使用控制装置例如命令控制台来控制机器人臂175以便执行各种过程。

图2示出了可以例如用作示例操作环境100中的命令控制台105的示例命令控制台200。命令控制台200包括控制台基座201、显示模块202例如监视器、以及控制模块或输入装置例如键盘203和/或操纵杆204。在一些实施方式中，命令控制台200功能中的一个或更多个可以被集成至手术机器人系统110的基座180中或者通信地耦接至手术机器人系统100的另一系统中。用户205例如医师可以使用命令控制台200从人体工程学位置远程控制手术机器人系统100。

控制台基座201可以包括中央处理单元、存储器单元、数据总线和相关联的数据通信端口，它们负责解释和处理诸如摄像装置图像的信号并且跟踪例如来自图1a至图1c中所示的内窥镜115的传感器数据。在一些实施方式中，控制台基座201和基座180两者都执行用于负载平衡的信号处理。控制台基座201还可以通过控制模块203和204处理由用户205提供的命令和指令。除了图2中所示的键盘203和操纵杆204之外，控制模块可以包括捕获手部姿势和手指姿势的其他装置，例如，计算机鼠标、触控板、轨迹球、控制板、视频游戏控制器和传感器(例如，运动传感器或摄像装置)。

在一些实施方式中，用户205可以在速度模式或者位置控制模式下使用命令控制台200来控制手术器械诸如内窥镜115。在速度模式下，用户205基于使用控制模块的直接手动控制来直接控制内窥镜115的远端的偏摆和俯仰运动。例如，操纵杆204上的移动可以被映射至内窥镜115的远端中的偏摆和俯仰移动。操纵杆204可以向用户205提供触觉反馈。例如，操纵杆204可以振动以指示内窥镜115不能沿某个方向进一步平移或旋转。命令控制台200还可以提供视觉反馈(例如，弹出消息)和/或音频反馈(例如，蜂鸣声或其他可听警报)，以指示内窥镜115已经达到最大平移或旋转。如下面更详细描述的，由于系统在患者呼气期间以安全模式操作，因此也可以提供触觉和/或视觉反馈。

在位置控制模式下，命令控制台200使用如本文中所描述的患者腔网络的三维(3d)图以及来自导航传感器的输入来控制手术工具或者器械例如内窥镜115。命令控制台200向手术机器人系统110的机器人臂175提供控制信号以将内窥镜115操纵至靶位置。由于依赖于3d图，因此位置控制模式可能需要患者101的解剖结构的准确映射。

在一些实施方式中，用户205可以在不使用命令控制台200的情况下手动操纵手术机器人系统110的机器人臂175。例如，手术机器人系统110的idm190、机器人臂和/或另一部分可以包括准许按钮410(在图4b的示例中示出)，用户可以按下准许按钮410以开始对机器人臂175中的一个或更多个的手动控制。在一个实施方式中，当用户连续按下准许按钮410时，相应的机器人臂175可以允许用户205通过向idm190和/或机器人臂175施加物理力来手动定位idm190。如上所述，机器人臂175可以包括用于维持机器人臂175的位置和/或定向的制动器和/或平衡件。在某些实施方式中，准许按钮410在被用户致动时(例如，当接收到来自用户的输入时)可以响应于向准许按钮410施加的外力而至少部分地松开(disengage)制动器以使得机器人臂175能够移动。在一些实施方式中，机器人臂175可以包括被配置成向机器人臂175施加扭矩以维持机器人臂175的空间定位和定向的致动器。机器人臂175可以被配置成响应于准许按钮410从用户接收到输入而减小通过致动器施加至机器人臂175的扭矩，以响应于向准许按钮410施加的外力而使得机器人臂175能够移动。

在手术操作室中的设置期间，用户205可以移动机器人臂102、内窥镜115和其他手术设备以接近患者。如下面详细讨论的，设置还可以涉及将手术机器人系统110的一个或更多个部分与患者101、平台102和/或患者导引器对准的步骤。手术机器人系统110可以依赖于来自用户205的力反馈和惯性控制来确定机器人臂175和设备的适当配置。

显示器202可以包括一个或更多个电子监视器(例如，lcd显示器、led显示器、触敏显示器)、虚拟现实观察装置例如护目镜或眼镜和/或其他显示装置。在一些实施方式中，显示模块202与控制模块集成，例如集成为具有触摸屏的平板装置。在一些实施方式中，显示器202中的一个可以显示患者的腔网络的3d模型和虚拟导航信息(例如，基于em传感器位置的内窥镜的端部在模型内的虚拟表示)，而显示器202中的另一个可以显示从内窥镜115的端部处的摄像装置或另一感测装置接收到的图像信息。在一些实施方式中，用户205既可以使用集成显示器202和控制模块查看数据，又可以向手术机器人系统110输入命令。显示器202可以使用例如护目罩或者护目镜的立体装置显示3d图像的2d渲染和/或3d图像。3d图像提供“内视图”(即，内窥镜视图)，“内视图”是示出患者的解剖结构的计算机3d模型。“内视图”提供患者内部的虚拟环境和内窥镜115在患者内部的期望位置。用户205将“内视图”模型与由摄像装置捕获的实际图像进行比较，以帮助在心理上定向并且确认内窥镜115处于患者体内的正确——或近似正确——的位置。“内视图”提供关于内窥镜115的远端周围的解剖结构的信息，例如患者的气道、循环血管或者肠或结肠的形状。显示模块202可以同时显示内窥镜115的远端周围的解剖结构的3d模型和ct扫描。此外，显示模块202可以将内窥镜115的已经确定的导航路径叠置在3d模型和/或ct扫描上。

在一些实施方式中，内窥镜115的模型与3d模型一起被显示以帮助指示手术过程的状态。例如，ct扫描标识解剖结构中的可能需要活检的损伤。在操作期间，显示模块202可以示出由内窥镜115捕获的与内窥镜115的当前位置相对应的参考图像。显示模块202可以取决于用户设置和特定手术过程来自动显示内窥镜115的模型的不同视图。例如，显示模块202在导航步骤期间随着内窥镜115接近患者的手术区域示出内窥镜115的俯视荧光视图。

患者导引器示例的概述

图3a示出了根据本公开内容的一个或更多个方面的示例患者导引器301。在图3a的示例中，患者导引器301经由端口320附接至患者101。在图3a示出的实施方式中，端口320可以为手术管。患者导引器301可以经由患者导引器保持器325被固定至平台102。患者导引器保持器325可以固定患者导引器301相对于平台102的位置，并且还可以通过支承患者导引器301的重量的至少一部分来减小通过患者导引器301施加至患者101的力。尽管患者导引器保持器325被示出为与患者导引器301在平台102的相同侧上，但是在一些实施方式中，患者导引器保持器325可以位于平台102的相对侧或者任何其他合适的位置，诸如平台102的头部或者来自悬挂在患者上方的另一平台。在某些过程期间，可能期望将患者导引器保持器325相对于患者导引器301放置在平台102的相对侧上，这是因为这种放置可以对机器人臂175的运动引入较少的限制。例如，在患者导引器保持器325如图3a所示被定位时，机器人臂175可以被限制移动至由患者导引器保持器325占据的空间。然而，患者导引器保持器325的所描述和示出的放置仅是示例性的，并且患者导引器保持器325可以被放置在其中患者导引器301至少部分地由患者导引器保持器325支承的任何位置处。

患者导引器301可以包括近端303和远端305以及在近端303与远端305之间的导引器管307。患者导引器301的近端303形成可以被配置成接纳手术工具115(例如，内窥镜工具)的第一开口(也被称为孔口)，并且患者导引器305的远端305形成可以被配置成将手术工具115引导至端口320中的第二开口。导引器管307连接患者导引器301的近端303和远端305，并且将手术工具115从患者导引器301的近端303引导至患者导引器301的远端305。

在形成于患者导引器301的近端303处的第一开口与形成于患者导引器301的远端305处的第二开口之间，导引器管307可以具有限定的曲度以在手术工具115从导引器管307的近端303向远端305前进时沿导引器管307引导手术工具115的远端。这可以使得手术机器人系统110能够从与端口320未直接轴向对准的位置来操纵手术工具115，从而实现将手术机器人系统110的推车180在室内放置的更大的灵活性。也就是说，在导引器管307没有曲度的情况下，机器人臂可能需要在患者的头部上方与手术工具的主轴基本上对准。此外，导引器管307的曲度可以使得手术机器人系统110的机器人臂175能够与患者导引器301基本上水平对准，这(如果需要)可以有利于机器人臂175的手动移动。

图3b示出了根据本公开内容的方面的用于将手术机器人系统推车180与患者导引器301对准的系统和方法的示例实施方式。在该实施方式中，患者导引器301还包括可以帮助机器人系统推车180与患者导引器301对准的对准构件309。手术机器人系统110的机器人臂175可以被配置成对准以形成虚拟轨道330，该虚拟轨道330在图3b中由虚线箭头概念性地示出。虚拟轨道300可以具有可以与患者导引器301的近端303(参见图3a)中的第一开口对准的主轴。另外，虚拟轨道可以限定其中操纵器组件(例如，idm190)被配置成在手术工具115的操纵期间(例如，在手术过程期间)布置于的空间的体积。因此，由idm190限定的虚拟轨道330与患者导引器301的对准可以如上限定地在手术过程期间改善对手术工具115的操作控制。

如将结合对准构件309的各种实施方式讨论的，对准构件309为患者导引器301提供优于不包括对准构件309的患者导引器的许多优点。例如，与其他对准技术相比，idm190与对准构件309的物理对准可以有利于提高准确性并且加快对准。经由对准构件309的使用的患者导引器301与idm190的正确对准可以防止在手术过程期间可能出现的问题，诸如例如升高的摩擦水平或者在手术过程期间需要手动辅助的情况。可以防止的未对准的另外可能的结果是，机器人臂175的行程长度可能被限制，这可能会限制手术机器人系统110在整个期望的运动范围内控制手术工具115的远端的能力。在没有完整运动范围的情况下，手术工具115可能被阻止访问腔网络140内的靶位置，这可能需要在再次执行手术过程之前将手术机器人系统推车180与患者导引器301重新对准。

此外，如上所述，患者导引器301的对准构件309可以被配置成帮助手术机器人系统110的部件与患者导引器301的对准。在至少一个实施方式中，对准构件309可以被配置成物理地接触idm190中的一个以及/或者可以包括标记(也被称为标志)，其中这些标记的互补标记可以形成在至少一个idm190上以用于便利对准。

经由对准构件309的使用的idm190与患者导引器301的对准可以由三维空间内的体的移动的六个自由度来几何地限定。也就是说，如果患者导引器301被认为是空间中的固定点，则可以通过提供idm190相对于患者导引器301的移动的六个自由度的值来指定idm190与患者导引器301的对准。这些自由度可以包括idm190的位置(例如，如图3b所示的向前/向后(x轴)、左/右(y轴)、上/下(z轴))以及/或者定向(例如，俯仰(围绕y轴旋转)、偏摆(围绕z轴旋转)和滚动(围绕x轴旋转))。尽管可以以各种不同的方式定义、定位和/或定向位置轴(x轴、y轴和z轴)，但是本公开内容将贯穿本公开内容参照如图3b所示的这些轴。本公开内容的方面涉及用于将idm190放置在相对于患者导引器301的对准位置/定向中以将idm190与患者导引器301对准的方法和技术。手术机器人系统110可以在对准期间记录idm190的空间位置和/或定向，使得手术机器人系统110在手术过程期间知道患者导引器301的空间位置和/或定向。

idm190与患者导引器301的对准还可以通过idm190的一个或更多个轴与患者导引器301的一个或更多个轴的对准来定义。例如，患者导引器301可以限定轴(该轴在本文中可以被称为接纳轴)，患者导引器301被配置成沿该轴接纳手术工具115。类似地，idm190可以具有由虚拟轨道330(上面讨论的)限定的轴。在某些实施方式中，可以在患者导引器301的接纳轴与idm190的虚拟轨道330基本上对准时限定idm190与患者导引器301的对准。

对准构件的示例实现方式

图4a至图4b以及图5a至图5h示出了根据本公开内容的方面的对准构件309和idm190的不同的实施方式。图4a和图4b分别示出了对准构件309自身的实施方式以及在对准过程期间与idm190接触的对准构件309。

参照图4a和图4b，患者导引器301包括附接至患者导引器301的本体或支承结构的对准构件309。对准构件309可以定位在导引器管307的近端303的近侧。对准构件309的这个位置可以经由对准构件309与idm190之间的物理接触来便利在近端303中限定的开口与idm190的对准。然而，在其他实施方式中，对准构件309可以在其他位置处附接至患者导引器301或者可以附接至患者导引器保持器325。例如，在已知对准构件309与在导引器管307的近端303中限定的开口之间的距离时，手术机器人系统110可以能够响应于idm190与对准构件309的对准来准确地计算idm190相对于由患者导引器301的近端303限定的开口的定位。

对准构件309可以包括物理特征件、标记和/或其他对准部件以帮助与idm190对准。在一个实现方式中，对准构件309可以包括第一弯曲表面311和伸长突起313。由第一弯曲表面311和伸长突起313限定的形状可以形成与idm190的外表面互补的形状。如此，通过如图4b所示使idm190与对准构件309紧密物理接触(例如，接口)，idm190可以至少部分地与对准构件309对准。例如，在idm190的外弯曲表面接触第一弯曲表面311并且idm190的上表面接触伸长突起313之后，可以通过限制idm190经过第一弯曲表面311和伸长突起313的进一步移动来限定idm190在空间中相对于对准构件309的定位。另外，如图4b所示，idm190的接触伸长突起313的上表面可以不是由idm190限定的最高表面，而是可以由凹部来限定。在其他实施方式中，idm190的接触伸长突起313的上表面可以由idm190的上表面中的突起来限定，或者可以与上表面的其余部分齐平。类似地，idm190的接触第一弯曲表面311的外弯曲表面可以与idm的外表面齐平，形成为凹部或者形成为突起。下面将详细讨论附加的示例性实施方式。

在对准构件309的第一弯曲表面311保持与idm190的外弯曲表面接触(例如，第一弯曲表面311的大部分与外弯曲表面接触或紧密接触)时，对准构件309与idm190的对准在四个自由度上(例如，在x轴和y轴以及在俯仰和滚动的定向上)受到限制。伸长突起313可以用于限制在z轴自由度上的对准构件309与idm190的定向。

idm190与对准构件309之间的物理接触可以足以限定idm190相对于对准构件309的空间定位；然而，在一些实施方式中，对于在旋转自由度中的每一个旋转自由度上(例如，在偏摆定向上)idm190与对准构件309之间的完全旋转对准来说，物理接触可能是不够的。例如，在图4b的实施方式中，idm190可以自由地围绕z轴旋转，同时保持与对准构件309的接触。因此，在一些实施方式中，对准构件309和/或idm190还可以包括用于限定idm190与对准构件309的旋转对准的对准标记。

图5a至图5h示出了用于帮助操纵器组件(例如，idm190)与对准构件309的旋转对准的对准标记的多个实施方式。在图5a和图5b的实施方式中，对准构件309包括第一对准标记组505，并且idm190包括与第一对准标记组505相对应的第二对准标记组510。在使对准构件309与idm190接触之后(如图5b所示)，通过将第一对准标记组505和第二对准标记组510进行对准，idm190和对准构件309可以相对于绕z轴的旋转(例如，idm190的偏摆)而旋转地对准。在图5a和图5b的实施方式中，第一对准标记组505和第二对准标记组510可以形成为带。对准带可以通过各种不同的形状、大小、尺寸、容差等来实现，以帮助idm190与对准构件309的偏摆定向对准。带的某些实施方式在图5a、图5b以及图5e至图5h中示出，然而，带的设计不限于此，并且带可以具有任何形状、大小、尺寸、容差等以用于偏摆定向上的对准。

在图5c和图5d的实施方式中，第一对准标记组505和第二对准标记组510可以形成为相对的三角形。在该实施方式中，可以对三角形的点进行匹配以确认idm190与对准构件309之间的旋转对准完成。如图5c和图5d所示，对准标记505可以形成在伸长突起313上。

如图5e和图5f示出的另一实施方式包括单个第一对准标记505和单个第二对准标记510。在该实施方式中，第一对准标记505和第二对准标记510形成比图5a和图5b的实施方式中的带更宽的带。此处，可以在带的端部基本上彼此对准时实现idm190与对准构件309之间的旋转对准。在又一实施方式中，如图5g和图5h所示，第一对准标记505可以比第二对准标记510宽。在该实施方式中，在第二对准标记510处于由第一对准标记的带的限定的宽度内时，idm190可以与对准构件309旋转地对准。此处，第一对准标记505与第二对准标记510之间的宽度差异可以对应于针对相对于围绕z轴旋转的旋转对准的容差范围。由对准标记505和对准标记510的宽度限定的容差范围可以确保手术机器人系统能够在容差范围内限定的任何位置处完全操纵手术工具。另外，在其他实施方式中，形成在idm190上的第二对准标记510可以比第一对准标记505宽。尽管已经结合其中容差范围由对准构件309上的对准标记505的宽度限定的实施方式讨论了容差范围，但是容差范围的指示可以跨不同实施方式和标记而变化和不同。例如，容差范围可以由对准构件309上的第一对准标记505、由idm190上的第二对准标记510和/或由第一对准标记505与第二对准标记510的组合等来限定。此外，容差范围的指示可以位于患者导引器301、idm190、无菌适配器等上。

第一对准标记505和第二对准标记510也可以被定位在对准构件309和idm190上、在使得机器人手术系统的用户能够从多个不同的有利点在视觉上确认旋转对准的位置处。例如，如图4b所示，idm190可以具有从idm190的上表面突出的多个部件。取决于用户站立的位置，这些突起和/或其他对象诸如患者导引器自身可能会阻挡对第一对准标记505和第二对准标记510中的一个或更多个的观察。因此，第一对准标记505和第二对准标记510可以被放置在对准构件309和idm190上的不同位置处，使得第一对准标记505和第二对准标记510的每一个中的至少一个在用户从多个有利点中的一个观察时是能够看到的。这可以使得用户能够在视觉上确认idm190和对准构件309的旋转对准，而不需要用户为了看到第一对准标记505和第二对准标记510而移动。

另外，在操纵器组件包括附接至idm190的附加部件诸如无菌适配器时，第三对准标记组(未示出)可以形成在附加部件上使得附加部件可以与对准构件对准。第三标记可以以类似于图5a至图5h中示出的第二标记510的方式形成在附加部件上。在这些实施方式中，无菌适配器可以包括具有与对准构件309的形状互补的表面的至少一部分。无菌适配器可以是被配置成针对需要idm190与机器人臂175之间的接口是无菌的手术过程而物理地附接至idm190的适配器。在某些实施方式中，无菌适配器可以具有与idm190与手术工具115之间的接口的外表面和/或手术工具接口基本上相同或类似的外表面和/或手术工具接口。

附加对准技术

在本公开内容的某些方面中，可以采用附加对准技术来代替结合图4和图5讨论的物理对准实施方式，或者除了结合图4和图5讨论的物理对准实施方式之外还可以采用附加对准技术。这些技术可以辅助idm190与患者导引器301的手动对准或自动对准。

在一个示例中，可以使用射频识别(rfid)读取器和rfid标签以帮助对准。患者导引器301可以包括定位在对准构件309上或者定位在患者导引器301上的另一位置上的rfid标签。idm190可以包括被配置成读取从rfid标签发送的无线信号的rfid读取器。在其他实施方式中，可以交换rfid标签和rfid读取器的位置。

rfid标签可以为无源装置，该无源装置收集从rfid读取器发射的能量并且可以使用从rfid读取器收集的电力来发送rfid信号。通过检测从rfid标签发送的信号，rfid读取器可以能够确定rfid读取器相对于rfid标签的位置。另外，随着rfid读取器移动至更接近rfid标签，由rfid读取器检测到的信号可能变得更强。因此，当rfid读取器发现从rfid标签接收到的信号的强度的最大值(或峰值)时，rfid读取器可以能够推断出rfid标签处于最接近rfid读取器的可能位置处。可以例如经由显示模块202向用户显示接收到的rfid信号的强度，以帮助idm190与患者导引器301的手动对准。可替选地，手术机器人系统的处理器可以将rfid信号用作为输入以用于idm190与患者导引器301的自动对准。

在另一示例中，手术机器人系统110可以包括用于帮助对准的激光跟踪系统。例如，idm190可以包括激光发射器(也被简称为激光器)和激光传感器，同时在患者导引器301上(例如，在对准构件309上)定位有激光反射器。激光器、激光反射器和激光传感器可以被定位成使得在idm190与患者导引器301正确地对准时激光被反射至传感器上。如此，激光器和激光传感器相对于激光反射器的定位使得手术机器人系统110能够确定idm190已经与患者导引器301对准。

在可替选实施方式中，idm190包括至少一个激光器，并且患者导引器301或者对准构件309包括与激光器相对应的至少一个对准标记。然后，手术机器人系统110的用户可以通过在视觉上确认激光落在至少一个对准标记上来确定idm190与患者导引器301对准。在这些实施方式中，可以在idm190与患者导引器301之间交换激光器、激光反射器、激光传感器以及至少一个标记的放置。在某些实施方式中，可以存在至少三个激光器和三个标记/传感器以确保idm190与患者导引器301之间的对准在所有自由度上被限定。在某些实施方式中，可以存在至少一个激光器和至少一个标记/传感器以确保idm190与患者导引器301之间的对准在所有自由度上被限定。

在另一示例中，对准构件301可以包括被配置成基于发光二极管led相对于放置在idm190上的光电二极管的定位来发射光的发光二极管(led)。例如，放置在idm190上的光电二极管可以能够感测从led发射的光以确定idm190相对于对准构件301的对准。另外，在某些实施方式中，对准构件301可以包括分别与定位在idm190上的多个光电二极管相对应的多个led。当光电二极管检测到从相应led接收到的光时，idm190可以能够确定idm190已经与对准构件对准。此外，led可以具有不同的颜色，同时光电二极管可以具有相应的滤色器。因此，仅来自led中的相应一个led的光可以被光电二极管检测到。

在另一个示例中，idm190与患者导引器301的对准可以包括声反射的使用。例如，idm190可以包括声发射器和声传感器，同时患者导引器301和/或对准构件309包括声反射器。然后，可以基于由声传感器检测到的信号来定位idm190，其中测量信号的最大值指示idm190与患者导引器301对准。

在另一示例中，磁场传感器可以被放置在idm190上，并且磁体被放置在患者导引器301和/或对准构件309上。由磁传感器测量的信号可以用于确定idm190与患者导引器的位置对准。在idm190与患者导引器301之间可以交换这些元件的放置。

在一个实现方式中，idm190与患者导引器310的对准还可以涉及em生成器以及一个或更多个em传感器的使用。例如，操纵器组件可以包括em传感器，并且em生成器可以布置在平台102上或者与平台102相邻地布置。手术机器人系统110可以使用由em传感器检测到的信号以确定idm190相对于em生成器的位置。

在另外的实施方式中，对准构件309和idm190的物理形状可以根据结合图4和图5讨论的实施方式来改变。例如，患者导引器301上的三个点与idm190上的三个对应点的对准可以足以限定患者导引器301与idm190之间的对准。因此，在一个示例中，患者导引器301可以包括三个伸长突起，同时idm190可以包括与患者导引器301的三个伸长突起相对应的三个标记。当伸长突起与idm190上的相应标记接触时，患者导引器301可以与idm190对准。可替选地，伸长突起可以形成在idm190上，并且标记形成在患者导引器301上，或者idm190和患者导引器中的每一个可以包括被配置成在空间中与相对元件上的相应突起相遇的三个突起。

尽管多个示例的不同传感器可以用于帮助用户将idm190与患者导引器301进行对准以及/或者用于由手术机器人系统110执行的idm190与患者导引器301的自动对准，但是除了本文描述的传感器之外或者代替本文描述的传感器，也可以使用其他类型的传感器。例如，可以使用——包括但不限于使用光学传感器(例如，摄像装置)、超声传感器、加速度计、电容耦合传感器等的视觉形状匹配的——任何其他传感器模态来执行对准。

用于患者导引器301与idm190之间的物理对准的另一方法可以是突起和中空腔的使用。因此，当突起被插入至中空腔中时，患者导引器301和idm190可以对准。由于简单的圆柱形突起和中空腔可能未限定沿突起的主轴的旋转对准，因此可以对突起/中空腔进行键连接(key)使得仅患者导引器301与idm190之间的一个旋转对准允许将突起插入至腔中。

用于对准的示例方法

现在将结合图6至图10描述用于将手术机器人系统推车与患者导引器对准的示例方法。图6提供了对系统推车与患者导引器的对准的概述。在下文中公开的方法例如方法600至1000中的每一个的方面可以通过以下方式实现：人类操作员手动操纵手术机器人系统的idm190或其他部件；手术机器人系统自身(诸如上述的系统110)按照人类操作员的指示或者自主地机械地操纵idm190；或者前述两种方式的组合。

方法600在块601处开始。在块605处，将患者导引器301附接至端口320。端口320可以被医务人员预先放置在患者101体内。在块610处，将机器人臂175放置呈对准姿势。这可以由手术机器人系统110响应于来自用户的输入命令而自动地执行，或者用户可以手动地将机器人臂175引导呈对准姿势。当机器人臂175由用户引导时，手术机器人系统可以向用户提供指示机器人臂175何时处于对准位置的阈值距离内的反馈。

在块615处，用户可以可选地移动系统推车180(在利用系统推车的实施方式中)，使得机器人臂175与患者导引器301相邻。该步骤可以被认为是系统推车180与患者导引器的粗对准。由于机器人臂175具有有限的运动范围，因此如果在对准之前系统推车180未被放置得足够靠近患者导引器，则机器人臂175可能不能到达患者导引器以进行对准。块620涉及将机器人臂175的操纵器组件(例如，idm190)与患者导引器301的对准构件309进行对准(空间地和/或旋转地)。该步骤可以由用户手动地完成、由手术机器人系统110自动地完成、或者由手动过程与自动过程的组合来完成。手术机器人系统110可以响应于idm190与患者导引器301对准来存储idm190的位置(例如，对准位置)。可以响应于手术机器人系统110从用户接收到关于idm190与患者导引器301对准的确认来执行对idm190的对准位置的存储。

在某些实施方式中，患者导引器301可以被移动成与idm190对准。例如，支承患者101的平台102在操作环境100内可以是可移动的(例如，具有可锁定/可解锁的轮)和/或可调节的以便利与idm190对准。因此，平台102可以被移动到位使得患者导引器301与idm190对准。在一些实施方式中，idm190与患者导引器301的对准可以涉及移动idm190和患者导引器301两者。一旦操纵器组件190已经与患者导引器301对准，则在块625处，用户可以可选地使手术机器人系统推车180固定。可替选地，如果手术机器人系统推车180包括用于移动推车180的自动制动器和/或致动器，则手术机器人系统110可以自动地使系统推车180固定。在诸如其中机器人臂175未被定位在系统推车180上(例如，当机器人臂175被定位在桌上时)的一些实施方式中，可以不执行块615和块625。方法600在块630处结束。

图7提供了示出提供与图6的块605有关的附加方面的方法700的流程图。方法700在块701处开始。在块705处，将端口320安装至患者体内。块705可以由医务人员在准备要由/使用手术机器人系统110执行的手术过程时执行。在块710处，医务人员可以将患者导引器保持器325附接和/或固定至平台102的床轨或者其他牢固部分。可以将患者导引器保持器325附接至的平台102的牢固部分的示例包括：床架、支承柱、放置在患者101下面的衬垫等。这可以固定患者导引器301，从而减少患者导引器301在对准或手术过程期间移位或者以其他方式移出位置的可能性。在块715处，医务人员将患者导引器301连接至患者导引器保持器325。在其他实施方式中，患者导引器301可以与端口325对准而不直接连接至端口325，例如，患者导引器301可以与端口325相邻地固定并且与端口325对准。

在块720处，医务人员将患者导引器301附接至端口320。该步骤可以与块715同时执行，例如，直到已经将患者导引器301连接至端口320之后，才可以设置所固定的患者导引器保持器325的最终位置。方法700在块725处结束。

图8是示出提供与图6的块610有关的附加方面的方法800的流程图。方法800在块801处开始。在块805处，用户将脐带线缆连接至手术机器人系统推车180。脐带线缆可以向手术机器人系统推车180提供通信和/或电力。在块810处，用户使机器人手术系统推车180通电。在块815处，用户可以选择要在与患者导引器301的对准中使用的机器人手术系统推车180的多个机器人臂175中的一个机器人臂。所选择的机器人臂175可以是最接近患者101和/或床102的臂175。在块820处，用户将所选择的机器人臂175放置呈对准姿势。在其他实施方式中，用户可以向手术机器人系统110输入命令以使手术机器人系统110自动地将机器人臂175定位呈对准姿势。方法800在块825处结束。

图9提供了针对提供与图6的块620有关的附加方面的方法900的流程图。方法900在块901处开始。在块905处，用户和/或手术机器人系统110调节手术机器人系统推车180的z升力。这可以涉及将系统推车180的高度调节至适合于平台102的高度的水平。在块910处，在手动实施方式中，用户将所选择的机器人臂175的操纵器组件(例如，idm190)放置成与患者导引器301的对准构件309接触。用户可能需要按下准许按钮以实现对机器人臂175的手动操纵。

根据实施方式，块910可以由手术机器人系统110在对准期间使用一个或更多个传感器作为用于反馈的输入来自动地执行。在一些实施方式中，操纵器组件与患者导引器301的对准可以不涉及操纵器组件与患者导引器301之间的物理接触。例如，在其中idm190包括激光器和激光传感器的实施方式中，手术机器人系统110可以使用对从激光器发射、从对准构件309反射并且在激光传感器处检测到的激光的检测来自动确定idm190是否与对准构件309对准。在包括led的使用的实施方式中，在放置在idm190上的光电二极管检测到从led接收的光时，机器人手术系统可以确定idm190与对准构件309对准。另外，上面讨论的对准特征件和/或传感器中的任意对准特征件和/或传感器也可以用于通过手术机器人系统110对idm190与患者导引器301的自动对准。

在块915处，用户/手术机器人系统将操纵器组件上的标记与对准构件上的标记进行对准。在图5a至图5h的实施方式中，这可以涉及使操纵器组件190相对于z轴旋转直到标记被对准。在一些实施方式中，操纵器组件上的标记与对准构件309上的标记的对准可以涉及：相对于对准构件309移动操纵器组件，直到操纵器组件的对准标记与对准构件309的对准标记对准。在块920处，用户/手术机器人系统将操纵器组件的顶部对准至对准构件309的伸长突起313。在某些实施方式中，块920可以在块915之前执行或者通常与块915一起执行。

在块925处，手术机器人系统110接收来自用户的关于对准过程已经完成的确认。在其他实施方式中，手术机器人系统110可以自动地确认对准已经完成，并且因此不需要来自用户的用户输入，或者手术机器人系统110可以自动地执行对准，从而不需要用于确认或者执行对准的任何用户输入。在块930处，手术机器人系统110将idm190的对准位置和定向(例如，限定在对准过程之后idm190的最终位置的六个自由度)存储在存储器中。手术机器人系统110可以使用所存储的对准位置以在后续的手术过程期间对idm190的控制和/或移动进行校准。方法900在块925处结束。

图10提供了针对提供与块625有关的附加方面的方法1000的流程图。方法1000在块1001处开始。在块1005处，用户调节患者导引器301以进一步固定患者导引器301的位置，从而防止患者导引器在对准过程之后移位。例如，可以通过拧紧患者导引器保持器325上的夹具(未示出)来固定患者导引器301。在块1010处，用户将机器人臂175移动至装载器械位置中。块1010也可以由手术机器人系统110自动地执行。在块1015处，用户将要在手术过程期间使用的器械装载至机器人臂175上。在块1020处，用户继续进行手术过程。方法1000在块1025处结束。

实现系统和术语

本文中公开的实现方式提供了用于手术机器人系统推车与患者导引器的对准的系统、方法和设备。

应该注意的是，术语“耦接”、“耦接”、“联接”或者词耦接的如本文中使用的其他变型可以指示间接连接或直接连接。例如，如果将第一部件“耦接”至第二部件，则第一部件可以经由另一部件间接连接至第二部件或者直接连接至第二部件。

本文中描述的机器人运动致动功能可以作为一个或更多个指令存储在处理器可读或计算机可读介质上。术语“计算机可读介质”是指可以由计算机或处理器访问的任何可用介质。作为示例而非限制，这种介质可以包括ram、rom、eeprom、闪存、cd-rom或其他光盘存储装置、磁盘存储装置或其他磁性存储装置、或者可以用于以指令或数据结构的形式存储期望的程序代码并且可以由计算机访问的任何介质。应当注意的是，计算机可读介质可以是有形的且非暂态的。如本文中所使用的，术语“代码”可以指能够由计算装置或者处理器执行的软件、指令、代码或数据。

本文中公开的方法包括用于实现所描述的方法的一个或更多个步骤或动作。在不脱离权利要求的范围的情况下，方法的步骤和/或动作可以彼此互换。换句话说，除非正在描述的方法的正确需要步骤或动作的特定顺序，否则可以在不脱离权利要求的范围的情况下修改特定步骤和/或动作的顺序和/或使用。

如本文中所使用的，术语“多个”表示两个或更多个。例如，多个部件表示两个或更多个部件。术语“确定”包含各种各样的动作，并且因此，“确定”可以包括计算、电脑运算、处理、推导、调查、查找(例如，在表、数据库或另一数据结构中查找)、查明等。“确定”还可以包括接收(例如，接收信息)、访问(例如，访问存储器中的数据)等。此外，“确定”可以包括解析、选择、挑选、建立等。

除非另有明确说明，否则短语“基于”并不意味着“仅基于”。换句话说，短语“基于”描述了“仅基于”及“至少基于”两者。

提供了所公开的实现方式的先前描述，以使得本领域技术人员能够实现或者使用本发明。对这些实现方式的各种修改对于本领域技术人员来说将是明显的，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本文中限定的一般原理可以应用于其他实现方式。例如，应当理解的是，本领域普通技术人员将能够采用多个相应的替代和等同的结构细节，诸如紧固、安装、耦接或者接合工具部件的等同方式、用于产生特定致动运动的等同机制，以及用于递送电能的等同机制。因此，本发明不意在限于本文中所示的实现方式，而是与符合本文中公开的原理和新颖特征的最宽范围一致。