本发明涉及一种包括并入反馈系统的空间对准装置的系统。在某些实施例中，带有反馈系统的空间对准装置可以沿着多于一个且多达七个或八个自由度实现物理对准。特别地，每一运动轴线均可以包括自锁齿轮、输入关节、输出关节以及向用户提供触觉反馈的用于控制运动轴线的元件。在各种实施例中，本发明系统可以包括用户界面，该用户界面显示用于通过空间对准装置沿着多个自由度将待放置物体移动至所期望位置和取向的一系列步骤。在某些实施例中，本发明系统还可以包括软件，该软件包括具有空间对准装置的运动学模型的算法，该算法可为用户提供用于将物体移动至所期望位置和取向的一系列步骤。特别地，本发明涉及一种包括空间对准装置的系统，空间对准装置用于沿着多个自由度精确且可控地移动物体，使得物体到达并维持所期望位置和取向。在某些实施例中，物体可以是工具，诸如可以用于进行特定外科手术任务的外科手术工具，或充当医用植入物的连接器的主动外科手术工具，其中医用植入物必须可预测地且可控制地移动通过主动外科手术工具，并到达通过空间定位平台实现的精确布置的位置和取向。更特定地，本发明可以涉及通过在图形用户界面上向用户提供一组步骤的系统以及用于使用户通过沿着多个自由度进行运动来执行所提供步骤的控制器件将外科手术工具和/或医用植入物移动至特定位置和取向。最特定地，本发明系统包括空间对准装置、计算机和软件，其中该软件向用户提供指令集来操纵空间对准装置，以致使将外科手术工具和/或医用植入物放置到特定位置和取向。
背景技术：
1、在许多医疗和非医疗应用中，需要将装置或物体放置在特定位置和取向。这在医疗应用中、并且尤其是在外科手术应用中可以尤其如此，其中需要将外科手术工具或医用植入物放置在特定位置和取向，以促进医疗或外科手术治疗。
2、在本技术中众所周知用于在空间中定位末端执行器的主动串联运动学(serialkinematic)结构(即，机器人)。在授予wang等人的ep0653922b2(计算机运动)中找到一个这样的示例，其中机器人设备用于在空间中定位内窥镜手术系统。这应该与被动串联运动学结构(诸如当前申请人提出的被动串联运动学结构)区分开。
3、机器人系统(诸如上述机器人系统)代表相对于患者的解剖结构中的目标定位外科手术工具或末端执行器的非常常见的方式。当与追踪系统相结合时，这些变成有效立体定向控制的机器人手术系统。然而，机器人的实现必需包括电驱动装置、制动器、编码器系统、齿轮箱、马达、电子器件、计算机系统等等。这在体积、重量和成本方面与机器人的相对大占用面积相关联。然而，与机器人的工业应用相比，在外科手术环境中，通常不需要以很大力/力矩或很大速度/加速度移动物体。因此，不是通过马达、而是通过用户输入操作的串联运动学结构的构思令人感兴趣。申请人在本文中提出一种这样的解决方案，其避免植入机器人系统的开销。极大地减小或避免复杂性、成本、大小和重量，同时仍满足特定外科手术应用的需求。
4、在现有技术水平下，对准系统最常见的是为用户提供十字瞄准线，并且用户可以借助于机器人操纵器、铰接式手动操作臂或类似物沿着一个或多个自由度调整物体的位置。此调整过程可以被追踪系统控制/监督，或者可以不被追踪系统控制/监督。对准系统通常提供十字瞄准线查看器，其通常帮助用户。然而，在当前已知的系统中，对准系统可能无法告知用户为将物体放置在所期望位置和取向，在给定时间点需要调整哪些特定自由度，以及需要调整多少平移(例如，以毫米为单位)或取向(例如，以度为单位)。
5、例如，当前对准系统可能只是为用户提供十字瞄准线类型的瞄准设备，其中用户试图将十字瞄准线移动至所期望位置和取向。因此，任何十字瞄准线查看器(或类似物)仅提供关于当前位移状态的信息，但是并不针对解决空间对准问题的将来行动构造/计算任何类型的面向用户的建议。
6、这种类型的系统缺少任何特定指令集形式的指导，缺少任何类型的触觉反馈，并且因此缺乏准确性。因此，此类系统是否适于精确的医疗应用非常值得怀疑。
7、更特定地，现有技术系统还可以为用户提供用于控制物体通过各种自由度的移动的速度、精度和可预测性的器件。该系统可能无法将任何特定自由度上的移动分解成若干增量或特定步长(step)或特定距离。因此，借助当前空间对准系统移动物体可能是不可预测的或不精确的。
8、因此，当前可用的系统可能无法为用户提供用于将对准系统的输出侧移动至所期望目标(位置和取向)的特定面向用户的指令集(在图形用户界面上或其他方式)，并且可能无法告知用户跨越多个自由度移动对准系统的距离和速度。还不知道当前系统为用户提供用于控制包括触觉反馈的空间定位的器件，使得用户知道何时其已经以一个或多个自由度通过一个或多个所限定增量移动待放置物体。
9、在包括医疗应用在内的许多应用中，提供一种如下提供系统将是有用的：该系统将给予用户用于沿着多个自由度以所限定增量将物体移动至所期望位置和取向的指令集，同时允许向用户提供触觉反馈，使得用户知道何时其已经致使对准系统以所限定增量移动。特别地，用户可以将由外科手术臂保持的空间对准装置放置在特定位置和取向，以便相对于患者进一步放置外科手术工具和/或医用植入物。
10、考虑到已知空间对准系统的经认定缺点，当前发明人提供一种如下空间对准系统：该空间对准系统为其用户提供用于通过所限定增量和自由度操纵对准装置以便将物体放置在所期望位置和取向的一组步骤。本发明系统可以用于放置外科手术工具和医用植入物。特别地，仅通过示例的方式，在一实施例中，本发明系统可以用于帮助放置耳蜗植入物，在该实施例中，外科手术臂保持空间对准装置，空间对准装置又可以保持连接到耳蜗植入物的外科手术工具，并且其中可以以受控、可预测方式操纵空间对准装置以将耳蜗植入物的电极对准在所期望位置和取向，并且外科手术工具然后可以在空间对准装置上沿着先前获得的轨迹执行特定运动模式，目的是将耳蜗植入物电极缓慢且稳定地推进到耳蜗中。
11、当然，本领域技术人员将意识到，在需要对医用植入物的精确移动控制和/或精确放置医用植入物的任何外科手术领域中都存在同样需求。更广泛地，需要对部件的精确移动控制和精确放置部件的科学或制造领域也将受益。
技术实现思路
1、这些目的和其他优点通过一种新的空间对准系统来实现，该空间对准系统包括具有反馈系统的空间对准装置，用于沿着多个自由度精确且可控地移动物体。当前系统的空间对准装置被最佳地配置成控制物体沿着至少五个自由度的移动。在特定实施例中，该至少五个自由度包括至少三个平移自由度和至少两个旋转自由度。本领域技术人员将理解，该至少五个自由度可以是至少七个或八个自由度或者更多，然而这仍保持在本发明的精神内。技术人员将知道针对其特定应用(无论是医疗应用还是非医疗应用)需要多少个受控移动自由度。
2、本发明是被动串联运动学结构(非机器人)，如与上文论述的在授予wang的ep0653922b2中发现的主动运动学结构(机器人)区分开。本发明手动操作，使得用户以不同个别自由度水平操纵输入旋钮，然后导致末端执行器的对应几何位移。该几何位移以平移和旋转自由度发生。
3、在当前系统的各种实施例中，空间对准装置被配置成控制物体沿着至少五个自由度的移动，使得物体到达所期望位置和取向。仅通过示例的方式，在医疗应用中，空间对准装置可以被配置成相对于人类患者体内的介入部位将连接到医用植入物的外科手术工具移动至所期望位置和取向。
4、在各种实施例中，空间对准装置的反馈系统可以并入用于使用户理解其已经借助空间对准装置通过一个或多个所限定增量沿着一个或多个自由度进行物体移动的器件。仅通过示例的方式，空间对准装置可以配备有多个输入器件，诸如匹配自由度数量的旋钮或按钮，其中其可以提供物体的受控运动。因此，用户可能能够操纵旋钮或按钮，以通过一个或多个所限定增量沿着一个或多个所期望自由度进行物体移动。用户通过操纵相关旋钮或按钮通过每一增量进行移动可以例如产生可听见的咔嗒声或蜂鸣声或某一形式的触觉反馈，其告知用户其已经通过操作空间对准装置而沿着特定自由度通过所限定增量移动物体。
5、并入本发明空间对准装置的空间对准系统还可以包括计算机，该计算机包含用于操作空间对准装置的软件。在一些实施例中，该计算机和软件可以向用户提供如下指令集：该指令集用于操纵空间对准装置提供物体沿着多个自由度的受控移动，以便实现物体的所期望放置。物体的此所期望放置可以包括将物体放置在所期望位置和/或取向。更特定地，给用户的指令集可以包括如下指令：该指令用于操纵空间对准装置的输入器件以控制沿着多个自由度通过多个所限定增量的运动，以实现物体的所期望位置和取向。
6、在各种实施例中，并入空间对准装置、计算机和软件的本发明系统还可以包括图形用户界面，在该图形用户界面上显示用于使用户操纵空间对准装置的指令。例如，本发明系统可以向用户显示如下指令集：该指令集用于操纵空间对准装置的输入器件，以致使物体沿着多个自由度并且通过多个所限定增量移动，从而将物体放置在所期望位置和取向。任选地，指令可以以逐步或顺序方式呈现在图形用户界面上。仅通过示例的方式，可以指示用户操纵适当的输入器件，以沿着x轴线以五个所限定增量移动物体，后跟沿着y轴线的7个所限定增量，并且然后后跟沿着旋转轴线的6个所限定增量。
7、在各种实施例中，指令可以作为文本指令集在图形用户界面上呈现给用户。在其他实施例中，指令可以以绘图方式呈现给用户，例如以待操纵输入器件的图形表示，以及表示操纵方向的箭头和表示要移动的所限定增量的数量的数字。以此方式，借助包括反馈器件的本发明系统，用户能够遵循指令，并且通过触觉或其他反馈知道其已经执行指令。
8、在各种实施例中，并入空间对准装置、计算机、软件和图形用户界面的本发明系统还包括空间对准装置的运动学模型。因此，如果本发明系统被提供由空间对准装置保持的物体在笛卡尔空间中的起始位置和取向，以及该物体在笛卡尔空间中的所期望位置和取向，则其能够使用该运动学模型计算为了将物体放置在其所期望位置和取向而必须移动的每一自由度中的增量数量。
9、在本发明系统的各种实施例中，由空间对准装置保持的物体可以是用于特定应用的工具。在一些应用中，该工具可以是用于执行特定外科手术程序的外科手术工具。
10、在特定实施例中，由空间对准装置保持的工具可以是沿着特定轴线向前或向后移动医用植入物的插入装置。仅通过示例的方式，由空间对准装置保持的工具可以是借助镊钳保持耳蜗植入物的插入装置，由此该插入装置被配置成在患者的内耳中推进或缩回耳蜗植入物。在这些特定实施例中，本发明系统可以被配置成允许将插入装置放置在所期望位置和取向，以允许最佳地将耳蜗植入物推进到患者的耳蜗中。因此，将为本发明系统的用户提供如下指令集：该指令集用于操纵空间对准装置上的一个或多个输入器件，以实现插入装置至相邻于患者的耳朵的所期望位置和取向的受控移动，以便然后实现耳蜗植入物至患者的耳蜗中的最佳高质量插入。
11、在本发明的各种实施例中，提供用于将物体放置在所期望位置和取向的方法。本发明方法包括提供包括空间对准装置、计算机、软件和图形用户界面的空间对准系统，以及向用户提供指令集，该指令集用于操纵空间对准装置的输入器件，以致使由空间对准装置保持的物体沿着多个自由度并且通过多个所限定增量移动，以实现物体在所期望位置和取向的放置。
12、本发明方法可以采用本发明空间对准系统的各种实施例，并且可以实现在外科手术应用中使用的医用植入物或其他医疗装置的受控放置。本发明方法还可以实现在其中期望受控和所限定用户输入的其他工业应用(诸如制造应用)中放置物体。
13、本领域技术人员将意识到，虽然在本文中参考耳蜗植入程序描述一些具体实施例，但是本发明系统在任何医疗或外科手术应用中将同样适用和有益，在这些应用中，为成功完成外科手术程序，必须将装置或植入物放置在所期望位置和取向。想到用于放置装置或植入物的微创应用。技术人员还将看到，本发明系统也可以用于其中需要精确放置装置的其他工业应用中。例如，其中有利地为用户提供用于将物体精确、可控地放置在所期望位置和取向的指令的制造应用将受益于当前系统和方法。
14、本领域技术人员还将意识到，虽然已经结合向人类用户提供用于空间对准装置的受控移动的指令描述各种实施例，但是也可以设想向机器人提供指令的本发明系统。例如，自主机器人可以根据所提供的指令控制空间对准装置的输入器件。在另一示例中，可以设想本发明空间对准装置的变型是机器人系统中的末端执行器，其中沿着多个自由度并且通过所限定增量的移动处于机器人控制下。
15、下文参考附图更详细描述本发明系统和方法的这些和其他实施例。