虚拟现实外科手术摄像机系统的制作方法

本技术总体上涉及微创外科手术、微创外科手术摄像机和虚拟现实微创外科手术系统。相关技术描述自1900年代问世以来，微创手术领域经历巨大的发展和增长，上述发展和增长为患者带来更好的结果。微创手术领域的主要发展之一是手术机器人装置的实现。手术机器人装置在微创手术领域的实施和应用使得可以使用所述装置执行的手术的数量和类型有所增加。这一增长为病人带来了许多改善，包括更短的恢复时间、更好的结果和更快的手术时间。手术机器人装置的使用的增加已经引起能够执行大量功能和操作并且经由各种技术被控制和操作的装置数目的大量增加。在微创手术期间，通常使用内窥镜摄像机向外科医生提供手术部位和手术腔影像，以允许外科医生操纵机器人工具，并且也允许其他人在手术过程中查看手术过程。常规地，在微创手术期间，外科医生专注于操纵组织和收缩器官的任务。为了完成这些任务，外科医生手动操纵内窥镜摄像机到期望的位置和姿态，以获得足以进行手术过程的视野。通常，内窥镜摄像机给出有限的且狭窄的视野，这就导致外科医生不得不手动将内窥镜摄像机前后移动或移动到不同位置，以便外科医生查看他或她视野之外的工具或组织。使外科医生手动移动内窥镜摄像机，需要外科医生将他的或她的注意力从执行手术操作中转移，并专注于获取足够的视野，这导致更长的手术操作时间和更长的患者的恢复时间。通常，在整个微创手术中，外科医生需要多个手术操作视图和手术操作角度来执行手术操作。通常，内窥镜可以被手动稍微向左、向右、向后和/或向前移动，以在手术操作期间获得较大的视图或不同的视图，并且然后将所述内窥镜移回其初始姿态和方向，以便允许外科医生以所需的放大倍数查看组织和/或器官。物理操作内窥镜摄像机需要外科医生将他的或她的注意力从执行手术操作转移到手术操作的视图，这可能导致患者承受意外事件，以及更长的恢复时间和手术操作时间。为了减少手动移动内窥镜摄像机来获取手术操作部位的多个视图，以及更大的视野，一些人利用多个内窥镜摄像机，通过患者腔内的不同切口插入每个内窥镜摄像机。虽然这使外科医生获得多个不同的视图，但这对患者来说是有代价的，因为为了插入多个内窥镜摄像机必须造成多个切口，增加了疝形成风险、感染风险、疼痛和普遍发病率。此外，使用多个内窥镜摄像机减少了外科医生的工作空间，并因此使外科医生更难实施手术操作。虽然在传统的微创手术和现有的机器人外科手术中，使用和手动操控和操纵内镜摄像机是可行的选择，但在虚拟现实外科手术期间，操控和操纵摄像机是不实用也不直观的方法。在虚拟现实外科手术中，外科医生有被置身在病人体内的手术部位的感觉。结合虚拟现实眼镜提供的三维可视化，外科医生观察手术操作并与机械臂交互，就像机械臂采用了他或她自己的手臂和手的形式。通过虚拟现实外科手术，外科医生全神贯注于自然的和沉浸式的虚拟现实用户界面中。虽然外科医生沉浸在虚拟现实的用户界面中，但是对于外科医生来说，手动操作并将内窥镜摄像机移动到需要的姿态会是麻烦的，因为它要求外科医生将他/她自己从自然的和沉浸式的虚拟现实用户界面中断开并移除。或者，如果外科医生要手动操控内窥镜摄像机，这种操纵会使外科医生失去方向感，并从而可能导致手术操作时间的增加，也会打乱外科医生的工作流程。为了允许外科医生保持沉浸在自然的和沉浸式的虚拟现实用户界面中，虚拟现实外科手术需要不同的控制摄像机和获取手术场多视角的技术。对于类人机器人系统，成功的系统来自于保持自然的和直观的人机界面(hmi)。因此，在虚拟现实外科手术中，外科医生在保持类人机器人功能的同时能够交互和控制摄像机是有利的。

背景技术：

技术实现思路

1、在本发明的一个实施方式中，包括一种系统，所述系统包括控制台组装件，所述控制台组装件包括第一致动器和可操作地耦合至所述第一致动器的第一致动器滑轮；包括套管针组装件，所述套管针组装件可操作地耦合至所述控制台组装件，所述套管针组装件包括具有内径和外径的套管针，以及包括至少一个密封件的密封子组装件，所述密封子组装件可操作地耦合至所述套管针；包括摄像机组装件，所述摄像机组装件可操作地耦合至所述控制台组装件，所述摄像机组装件包括具有远端和近端的摄像机支撑管，可操作地耦合至所述摄像机支撑管的所述远端的立体摄像机组装件，所述立体摄像机组装件包括限定腔的主摄像机主体、俯仰致动组装件、偏航致动组装件，俯仰致动组装件和偏航致动组装件提供至少两个旋转自由度，具有第一光轴的第一摄像机模块和具有第二光轴的第二摄像机模块；以及包括至少一个旋转姿态传感器，所述至少一个旋转姿态传感器被配置为检测立体摄像机组装件绕所述俯仰轴或所述偏航轴中至少一个的旋转，其中所述偏航轴垂直于所述摄像机支撑管所在平面，且所述俯仰轴垂直于所述偏航轴。所述系统的所述密封子组装件也可以包括第二密封件。所述系统的所述套管针组装件也可以包括密封塞。所述系统的所述立体摄像机组装件也可以包括外围摄像机。所述系统，所述第一摄像机模块的所述第一光轴和所述第二摄像机模块的所述第二光轴具有被配置为提供立体视觉的轴间距离。所述系统的所述控制台组装件也可以包括多个致动器。所述系统的套管针组装件也可以包括限定具有贯通轴的贯通孔的套管针配合夹具，其中所述贯通轴被配置为允许通过所述摄像机控制台组装件和通过所述套管针组装件来接入。

2、所述系统也可以包括将所述俯仰致动组装件可操作地耦合至所述第一致动器滑轮的俯仰电缆，以使所述第一致动器的致动使所述立体摄像机组装件绕所述俯仰轴旋转。在包括所述俯仰电缆的系统中，所述控制台组装件也可以包括第二致动器和可操作地耦合至所述第二致动器的第二致动器滑轮。在包括具有第二致动器的控制台组装件的系统中，也可以包括将所述第二致动器可操作地耦合至所述第二致动器滑轮的偏航电缆，以使所述第二致动器的致动使所述立体摄像机组装件绕所述偏航轴旋转。在包括所述偏航电缆的系统中，所述控制台组装件也可以包括安设在沿所述第一致动器滑轮与所述俯仰致动组装件之间的俯仰电缆的路径的第一重定向滑轮，第一重定向滑轮被配置为将所述俯仰电缆的路径从所述第一致动器滑轮重定向到由所述摄像机支撑管限定第一电缆腔。在包括偏航电缆的所述系统中，所述控制台组装件也可以包括安设在沿所述第二致动器滑轮与所述偏航致动组装件之间的偏航电缆的路径的重定向滑轮，所述重定向滑轮被配置为将偏航电缆的路径从所述第一致动器滑轮重定向到由所述摄像机支撑管限定的第二电缆腔。

3、在包括具有所述第一重定向滑轮的所述控制台组装件的系统中，还可以包括沿所述第二致动器滑轮与所述偏航致动组装件之间的所述偏航电缆的路径安设的第二重定向滑轮，所述第二重定向滑轮被配置为将所述偏航电缆的路径从所述第二致动器滑轮重定向到由摄像机支撑管限定的第二电缆腔。

4、在其他实施方式中，所述系统的所述立体摄像机组装件具有插入配置和展开配置，并且其中，在所述插入配置中，所述第一摄像机模块的所述第一光轴和所述第二摄像机模块的所述第二光轴被定向为垂直于所述摄像机支撑管。在具有带有插入配置和展开配置的立体摄像机组装件的系统中，所述第一摄像机模块包括具有第一外缘的第一摄像机模块主体，所述第二摄像机模块包括具有第二外缘的第二摄像机模块主体，并且其中从所述第一摄像机模块主体的所述第一外缘到所述第二摄像机模块主体的所述第二外缘的最大距离大于垂直于所述摄像机支撑管的轴的所述立体摄像机组装件的横截面的最大宽度。

5、在另一方面，本发明包括一种摄像机组装件，所述摄像机组装件包括具有远端和近端的摄像机支撑管、可操作地耦合至所述摄像机支撑管的所述远端的立体摄像机组装件，所述立体摄像机组装件包括，可操作地耦合至所述摄像机支撑管的所述远端的主摄像机主体，其中主摄像机主体限定电子组件腔，具有第一光轴的第一摄像机模块，具有第二光轴的第二摄像机模块和包括俯仰致动组装件与偏航致动组装件的致动系统，所述致动系统提供至少两个旋转自由度；以及被配置为检测所述立体摄像机组装件绕所述俯仰轴或所述偏航轴中的至少一个的旋转的至少一个旋转姿态传感器，其中所述偏航轴垂直于所述摄像机支撑管所在的平面，并且所述俯仰轴垂直于所述偏航轴。在一个实施方式中，所述摄像机组装件的致动系统是电缆驱动的。在一个实施方式中，摄像机组件的致动系统是马达驱动的。在其他实施方式中，所述摄像机组装件的偏航致动组装件被配置为绕所述偏航轴来致动所述立体摄像机组装件。在其他实施方式中，所述摄像机组装件的俯仰致动组装件被配置为绕所述俯仰轴来致动所述立体摄像机组装件。在其他实施方式中，所述摄像机组装件的所述俯仰致动组装件被配置为绕独立于所述偏航致动组装件的所述俯仰轴来致动所述立体摄像机组装件。所述摄像机组装件的立体摄像机还可包括可操作地耦合至电源的照明光源。

6、在另一个实施方式中，所述摄像机组装件的所述立体摄像机组装件也可以包括第一外围摄像机。在包括第一外围摄像机的摄像机组件装中，所述立体摄像机组装件还可以包括第二外围摄像机。

7、在另一种实施方式中，所述摄像机组装件的所述立体摄像机组装件也包括电连通组件，其中所述电连通组件被配置为传输由所述第一摄像机模块、所述第二摄像机模块中的至少一个或所述至少一个旋转姿态传感器捕获的所述信息。在包括电连通组件的摄像机组装件中，所述电连通组件也可以包括柔性印刷电路板(fpcb)。在另一个实施方式中，所述摄像机组件包括电连通组件，所述电连通组件也可以包括印刷电路板(pcb)。

8、在另一个包括电连通组件的摄像机组装件的实施方式中，所述电连通组件被物理配置为允许所述立体摄像机组装件以至少两个旋转自由度被致动，并且其中所述电连通组件被配置为在以所述至少两个旋转自由度致动所述立体摄像机组装件期间来传输由所述第一摄像机模块、所述第二摄像机模块中至少一个或所述至少一个旋转姿态传感器捕获的所述信息。在包括被物理配置为允许所述立体摄像机组装件以至少两个自由度被致动的电连通组件的摄像机组装件的另一个实施方式中，所述电连通组件可以弯曲到最小允许弯曲半径，而不会被损坏或使其不可使用。在包括被物理配置为允许所述立体摄像机组装件以至少两个自由度被致动的所述电连通组件的所述摄像机组装件中，也可能包括电连通保持器，所述电连通组件保持器防止所述电连通组件在使用所述致动系统时损坏。

9、在包括被物理配置为允许所述立体摄像机组件以至少两个自由度被致动的所述电连通组件的所述摄像机组件的另一个实施方式中，也可能包括为电连通组件提供保护性外壳的柔性屏蔽物，所述柔性屏蔽物防止电连通组件在使用摄像机组装件时与其他物体和/或组件接触。在包含柔性屏蔽物的摄像机组装件中，所述柔性屏蔽物也可包含侧壁。

10、在包括被物理配置为允许所述立体摄像机组装件以至少两个自由度被致动的电连通组件的摄像机组装件的另一个实施方式中，所述电连通组件位于由所述主摄像机主体限定的电连通腔内。在带有位于电连通腔内的电连通组件的摄像机组装件中，还可以包括折曲弯绕导件和恒力弹簧，其中所述恒力弹簧对电连通组件施加径向力。在另一个实施方式中，摄像机组装件具有位于电连通腔内的电连通组件，主摄像机主体也可以限定机械加工的表面孔径。

11、在摄像机组装件的其他实施方式中，所述第一摄像机模块的所述第一光轴和所述第二摄像机模块的所述第二光轴具有被配置为提供立体视觉的轴间距离。在另一个实施方式中，所述摄像机组装件的立体摄像机组装件，有插入配置和展开配置，其中在插入配置中所述第一摄像机模块的第一光轴和所述第二摄像机模块的第二光轴定向垂直于所述摄像机支撑管。在具有插入配置和展开配置的摄像机组装件中，所述第一摄像机模块包括具有第一外缘的第一摄像机主体，所述第二摄像机模块包括具有第二外缘的第二摄像机模块主体，并且其中所述第一摄像机模块主体的第一外缘到所述第二摄像机模块主体的第二外缘的最大距离大于垂直于所述摄像机支撑管的轴的立体摄像机组装件的横截面的最大宽度。

12、本技术还涉及以下方面。

13、1).一种系统，包括：

14、a.控制台组装件，所述控制台组装件包括：

15、i.第一致动器，以及

16、ii.可操作地耦合至所述第一致动器的第一致动器滑轮；

17、b.套管针组装件，所述套管针组装件可操作地耦合至所述控制台组装件，所述套管针组装件包括：

18、i.具有内径和外径的套管针，以及

19、ii.可操作地耦合至所述套管针的密封子组装件，所述密封子组装件包括至少一个密封件；

20、c.摄像机组装件，所述摄像机组装件可操作地耦合至所述控制台组装件，所述摄像机组装件包括：

21、i.具有远端和近端的摄像机支撑管，

22、ii.可操作地耦合至所述摄像机支撑管的所述远端的立体摄像机组装件，所述立体摄像机组装件包括：

23、1.限定腔的主摄像机主体，

24、2.俯仰致动组装件，

25、3.偏航致动组装件，所述俯仰致动组装件和所述偏航致动组装件提供至少两个旋转自由度，

26、4.具有第一光轴的第一摄像机模块，和

27、5.具有第二光轴的第二摄像机模块；以及

28、d.至少一个旋转姿态传感器，所述至少一个旋转姿态传感器被配置为检测所述立体摄像机组装件绕俯仰轴或偏航轴中至少一个的旋转，其中所述偏航轴垂直于所述摄像机支撑管所在的平面，且所述俯仰轴垂直于所述偏航轴。

29、2).根据1)所述的系统，还包括将所述俯仰致动组装件可操作地耦合至所述第一致动器滑轮的俯仰电缆，以使所述第一致动器的致动使所述立体摄像机组装件绕所述俯仰轴旋转。

30、3).根据2)所述的系统，其中所述控制台组装件还包括：

31、a.第二致动器；和

32、b.可操作地耦合至所述第二致动器的第二致动器滑轮。

33、4).根据3)所述系统，还包括将所述第二致动器可操作地耦合至所述第二致动器滑轮的偏航电缆，以使所述第二致动器的致动使所述立体摄像机组装件绕所述偏航轴旋转。

34、5).根据4)所述的系统，所述控制台组装件还包括沿所述第一致动器滑轮与所述俯仰致动组装件之间的所述俯仰电缆的路径安设的第一重定向滑轮，所述第一重定向滑轮被配置为将所述俯仰电缆的所述路径从所述第一致动器滑轮重定向到由所述摄像机支撑管限定的第一电缆腔。

35、6).根据5)所述的系统，所述控制台组装件还包括沿所述第二致动器滑轮与所述偏航致动组装件之间的所述偏航电缆的路径安设的第二重定向滑轮，所述第二重定向滑轮被配置为将所述偏航电缆的所述路径从所述第二致动器滑轮重定向到由所述摄像机支撑管限定的第二电缆腔。

36、7).根据4)所述的系统，所述控制台组装件还包括沿所述第二致动器滑轮与所述偏航致动组装件之间的所述偏航电缆的路径安设的重定向滑轮，所述重定向滑轮被配置为将所述偏航电缆的所述路径从所述第二致动器滑轮重定向到由所述摄像机支撑管限定的第二电缆腔。

37、8).根据1)所述的系统，其中所述密封子组装件还包括第二密封件。

38、9).根据1)所述的系统，其中所述套管针组装件还包括密封塞。

39、10).根据1)所述的系统，其中所述立体摄像机组装件还包括外围摄像机。

40、11).根据1)所述的系统，其中所述第一摄像机模块的所述第一光轴和所述第二摄像机模块的所述第二光轴具有被配置为提供立体视觉的轴间距离。

41、12).根据1)所述的系统，其中所述立体摄像机组装件具有插入配置和展开配置，并且其中在插入配置中，所述第一摄像机模块的所述第一光轴和所述第二摄像机模块的所述第二光轴被定向为垂直于所述摄像机支撑管。

42、13).根据12)所述的系统，其中所述第一摄像机模块包括具有第一外缘的第一摄像机模块主体，

43、其中所述第二摄像机模块包括具有第二外缘的第二摄像机模块主体，

44、并且其中从所述第一摄像机模块主体的所述第一外缘到所述第二摄像机模块主体的所述第二外缘的最大距离大于垂直于所述摄像机支撑管的轴的所述立体摄像机组装件的横截面的最大宽度。

45、14).根据1)所述的系统，其中所述控制台组装件还包括多个致动器。

46、15).根据1)所述的系统，其中所述套管针组装件还包括套管针配合夹具，该套管针配合夹具限定具有贯通轴的贯通孔，其中所述贯通轴平行于所述摄像机支撑管的纵轴，并且其中所述贯通孔被配置为允许通过所述摄像机控制台组装件和通过所述套管针组装件的接入。

47、16).一种摄像机组装件包括：

48、a.具有远端和近端的摄像机支撑管；

49、b.可操作地耦合至所述摄像机支撑管的所述远端的立体摄像机组装件，所述立体摄像机组装件包括：

50、i.可操作地耦合至所述摄像机支撑管的所述远端的主摄像机主体，其中所述主摄像机主体限定电子组件腔，

51、ii.具有第一光轴的第一摄像机模块，

52、iii.具有第二光轴的第二摄像机模块，以及

53、iv.包括俯仰致动组装件和偏航致动组装件的致动系统，所述致动系统提供至少两个旋转自由度；以及

54、c.至少一个旋转姿态传感器，所述至少一个旋转姿态传感器被配置为检测所述立体摄像机组装件绕俯仰轴或偏航轴中至少一个的旋转，其中所述偏航轴垂直于所述摄像机支撑管所在的平面，且所述俯仰轴垂直于所述偏航轴。

55、17).根据16)所述的摄像机组装件，其中所述致动系统是电缆驱动的。

56、18).根据16)所述的摄像机组装件，其中所述致动系统是马达驱动的。

57、19).根据16)所述的摄像机组装件，其中所述偏航致动组装件被配置为绕所述偏航轴致动所述立体摄像机组装件。

58、20).根据16)所述的摄像机组装件，其中所述俯仰致动组装件被配置为绕所述俯仰轴致动所述立体摄像机组装件。

59、21).根据16)所述的摄像机组装件，其中所述俯仰致动组装件被配置为独立于所述偏航致动组装件来绕所述俯仰轴致动所述立体摄像机组装件。

60、22).根据16)的所述摄像机组装件，其中所述立体摄像机组装件还包括第一外围摄像机。

61、23).根据22)所述的摄像机组装件，其中所述立体摄像机组装件还包括第二外围摄像机。

62、24).根据16)所述的摄像机组装件，其中所述立体摄像机组装件还包括可操作地耦合至电源的照明光源。

63、25).根据16)所述的摄像机组装件，其中所述立体摄像机组装件还包括电连通组件，其中所述电连通组件被配置为传输由所述第一摄像机模块、所述第二摄像机模块中至少一个或所述至少一个旋转姿态传感器捕获的信息。

64、26).根据25)所述的摄像机组装件，其中所述电连通组件包括柔性印刷电路板(fpcb)。

65、27).根据25)所述的摄像机组装件，其中所述电连通组件包括印刷电路板(pcb)。

66、28).根据25)所述的摄像机组装件，其中所述电连通组件被物理地配置为允许所述立体摄像机组装件以所述至少两个旋转自由度被致动，并且其中所述电连通组件被配置为在以所述至少两个旋转自由度致动所述立体摄像机组装件期间传输由所述第一摄像机模块、所述第二摄像机模块的至少一个或所述至少一个旋转姿态传感器捕获的所述信息。

67、29).根据28)所述的摄像机组装件，其中所述电连通组件可以被弯曲到最小允许弯曲半径而不被损坏或使其无法使用。

68、30).根据28)所述的摄像机组装件，还包括为所述电连通组件提供保护性外壳的柔性屏蔽物。

69、31).根据30)所述的摄像机组装件，其中所述柔性屏蔽物包括侧壁。

70、32).根据28)所述的摄像机组装件，其中所述电连通组件位于由主摄像机主体限定的电连通组件腔中。

71、33).根据32)所述的摄像机组装件，还包括折曲弯绕导件和恒力弹簧。

72、34).根据32)所述的摄像机组装件，其中所述主摄像机主体进一步限定机械加工的表面孔径。

73、35).根据28)所述的摄像机组装件，还包括电连通组件保持器。

74、36).根据16)所述的摄像机组装件，其中所述第一摄像机模块的所述第一光轴和所述第二摄像机模块的所述第二光轴具有可被配置为提供立体视觉的轴间距离。

75、37).根据16)所述的摄像机组装件，其中所述立体摄像机组装件具有插入配置和展开配置，并且其中在所述插入配置中，所述第一摄像机模块的所述第一光轴和所述第二摄像机模块的所述第二光轴被定向为垂直于所述摄像机支撑管。

76、38).根据37)所述的摄像机组装件，其中所述第一摄像机模块包括具有第一外缘的第一摄像机模块主体，

77、其中所述第二摄像机模块包括具有第二外缘的第二摄像机模块主体，

78、并且其中从所述第一摄像机模块主体的所述第一外缘到所述第二摄像机模块主体的所述第二外缘的最大距离大于垂直于所述摄像机支撑管的轴的所述立体摄像机组装件的横截面的最大宽度。