專利名稱：在機器人內(nèi)窺鏡的遠側(cè)尖端自動維持操作者選擇的滾動取向的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及機器人內(nèi)窺鏡，并且特別地涉及在機器人內(nèi)窺鏡的遠側(cè)尖端自動維持操作者選擇的滾動取向同時控制該機器人內(nèi)窺鏡尖端的操作者命令移動的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
內(nèi)窺鏡是允許醫(yī)生通過將設備插入通過自然腔道亦或外科醫(yī)生創(chuàng)建的開口并且將該設備引導到病人體內(nèi)的靶部位來捕獲內(nèi)部身體器官的圖像并且對其問題進行診斷的一種醫(yī)療設備。在一些情況下，還可以使用所述設備在內(nèi)部身體器官上執(zhí)行多種醫(yī)療程序。所述設備可以是可操控的，使得其遠側(cè)尖端出于導航目的被可控地取向和定位?？梢詫D像捕獲設備(例如立體或單視場照相機)提供在其遠側(cè)尖端以使得來自該視角的由照相機捕獲的圖像可以在顯示屏上被外科醫(yī)生看到。為了在靶部位執(zhí)行各種醫(yī)療程序，手術(shù)工具(例如用于切割、抓握、燒灼等的那些手術(shù)工具)可以延伸出內(nèi)窺鏡的遠側(cè)尖端。內(nèi)窺鏡可以是剛性的(例如用于腹腔鏡檢查的那些內(nèi)窺鏡)，或者其可以是柔性的，使得其能夠遵循體腔的曲率。內(nèi)窺鏡還可以是可剛化的和/或機器人化的?？蓜偦膬?nèi)窺鏡是這樣一種內(nèi)窺鏡，其柔性主體的至少一部分可以通過機械鎖定機構(gòu)而基本剛性地制造。機器人內(nèi)窺鏡是一種柔性內(nèi)窺鏡，該內(nèi)窺鏡具有在計算機控制的伺服機構(gòu)下彎曲的至少一部分。經(jīng)自然腔道內(nèi)窺鏡手術(shù)(“NOTES”)可以使用一種可操控的內(nèi)窺鏡而在病人身上執(zhí)行手術(shù)程序。作為一個示例，可以引導柔性內(nèi)窺鏡通過身體腔道中的一個，并且從病人內(nèi)部而不是從外部通過微創(chuàng)切口進入腹部。例如，在“經(jīng)胃的”手術(shù)中，儀器經(jīng)過嘴部并且進入胃中。然后執(zhí)行胃切開術(shù)，使得所述儀器可以進入腹部并且被外科醫(yī)生用來在腹腔內(nèi)執(zhí)行醫(yī)療程序。一旦該程序完成，將所述儀器連同程序期間去除的任何組織一起取出，并且將進入點有支撐地閉合。因為在病人體內(nèi)未產(chǎn)生用來容納內(nèi)窺鏡的進入的外部切口，所以NOTES可能甚至比使用微創(chuàng)切口的手術(shù)的痛苦更少。而且，因為它使用自然身體腔道替代外部切口來進入身體，所以這可以引起全身麻醉的需要減少以及更快的恢復時間。在操作內(nèi)窺鏡過程中，當朝向靶部位移動時，或當在靶部位執(zhí)行醫(yī)療程序時，可以將內(nèi)窺鏡尖端多次和在不同方向上轉(zhuǎn)動。結(jié)果，在內(nèi)窺鏡的遠側(cè)尖端捕獲的圖像的取向可能改變，并且當觀察這些捕獲的圖像時，其操作者可能變得失去方向感。如果由于這種方向感缺失而使操作者意外地在錯誤方向上移動了內(nèi)窺鏡尖端，該尖端可能無意中刺穿或損害組織，造成對病人的傷害。即使通過小心地移動內(nèi)窺鏡尖端避免這類傷害，仍需要額外的時間來重復地確定內(nèi)窺鏡尖端相對于病人體內(nèi)靶部位的正確取向。因此，執(zhí)行該程序所需要的時間延長了，這增加了手術(shù)成本并且增加了健康安全顧慮。授權(quán)給Schara等人(2006)的美國專利No. 7，134，992 (通過引用將其結(jié)合在此)公開了用于通過感測內(nèi)窺鏡的旋轉(zhuǎn)并且在視頻顯示設備上顯示該旋轉(zhuǎn)圖像之前相應地旋轉(zhuǎn)內(nèi)窺鏡圖像以補償所感測的旋轉(zhuǎn)而在參考重力的垂直取向上提供內(nèi)窺鏡圖像的方法。這類圖像旋轉(zhuǎn)技術(shù)的一個問題是當工具延伸出內(nèi)窺鏡的遠端時，所述工具不能從為即將到來的任務捕獲的圖像的操作者的觀點被正確地取向。而且，雖然使用重力作為定向該圖像的參考可能是方便的，但消除專用于感測重力方向的額外硬件的成本和復雜度是期望的。另外，有時為操作者提供選擇不同取向參考的裝置可能是有用的
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個或多個方面的一個目的是用于在機器人內(nèi)窺鏡的遠側(cè)尖端自動地維持期望的滾動取向同時將機器人內(nèi)窺鏡尖端朝向病人體內(nèi)靶部位移動或在病人體內(nèi)靶部位處移動的方法、以及用于實施該方法的系統(tǒng)。本發(fā)明的一個或多個方面的另一個目的是用于在機器人內(nèi)窺鏡的遠側(cè)尖端自動地維持期望的滾動取向而不需要該遠側(cè)尖端處滾動角度傳感器的一種方法、以及用于實施該方法的系統(tǒng)。本發(fā)明的一個或多個方面中的又一個目的是為操作者提供選擇期望的滾動取向的裝置的方法，以及用于實施該方法的系統(tǒng)，所述滾動取向?qū)⒈蛔詣拥鼐S持在機器人內(nèi)窺鏡的遠側(cè)尖立而。這些和額外的目的是通過本發(fā)明不同方面來實現(xiàn)的，其中簡短地說，一個方面是一種計算機執(zhí)行的方法用于控制機器人內(nèi)窺鏡遠側(cè)尖端的操作者命令的移動，同時維持該尖端處的滾動取向，該方法包括從操作者可操縱的輸入控制設備接收控制輸入；從所述控制輸入確定機器人內(nèi)窺鏡尖端的當前命令的狀態(tài)，其中該當前命令的狀態(tài)包括當前命令的滾動位置和速度；根據(jù)由尖端的在前處理期間命令的狀態(tài)指示的滾動角度調(diào)節(jié)以及指示尖端處維持的滾動取向的設置點而通過將當前命令的滾動位置和速度限制為修改的當前命令的滾動位置和速度來修改當前命令的狀態(tài)；以及命令機器人內(nèi)窺鏡的尖端被驅(qū)動到所述修改的當前命令的狀態(tài)。 另一方面是一種醫(yī)療機器人系統(tǒng)，包括機器人內(nèi)窺鏡，其具有包括一個或更多個可彎曲區(qū)段和遠側(cè)尖端的細長主體；操縱器，該操縱器具有一個或更多個可驅(qū)動的關(guān)節(jié)以用于在相應的自由度移動中操縱所述機器人內(nèi)窺鏡；操作者可操縱的輸入控制設備；以及處理器，該處理器配置為從操作者可操縱的輸入控制設備接收控制輸入，從控制輸入確定該機器人內(nèi)窺鏡的尖端的當前命令的狀態(tài)，其中所述當前命令的狀態(tài)包括當前命令的滾動位置和速度，根據(jù)由所述尖端的在前處理期間命令的狀態(tài)指示的滾動角度調(diào)節(jié)和指示該尖端處維持的滾動取向的設置點而通過將當前命令的滾動位置和速度限制為修改的當前命令的滾動位置和速度來修改該當前命令的狀態(tài)，并且命令該機器人內(nèi)窺鏡的尖端被驅(qū)動到修改的當前命令的狀態(tài)。
從本發(fā)明優(yōu)選實施例的以下說明，本發(fā)明的不同方面的額外的目的、特征和優(yōu)點將變得顯然，這些說明應當與附圖相結(jié)合采用。


圖I說明了利用本發(fā)明多個方面的醫(yī)療機器人系統(tǒng)。
圖2說明了利用本發(fā)明多個方面的醫(yī)療機器人系統(tǒng)的機器人內(nèi)窺鏡的示意圖。圖3說明了在不同方向上定向而沒有滾動取向補償?shù)臋C器人內(nèi)窺鏡的尖端。圖4說明了根據(jù)本發(fā)明多個方面在不同方向上定向且具有滾動取向補償?shù)臋C器人內(nèi)規(guī)鏡的尖。圖5說明了如利用本發(fā)明多個方面的醫(yī)療機器人系統(tǒng)中包括的用于操作者選擇設置點以及控制機器人內(nèi)窺鏡的尖端的控制處理器的部件的框圖。圖6說明了一種顯示屏，該顯示屏顯示由照相機在機器人內(nèi)窺鏡的遠側(cè)尖端處捕獲的圖像，以及當前滾動角度和滾動設置點指示器的圖形表示(如利用本發(fā)明多個方面的醫(yī)療機器人系統(tǒng)的顯示器上所示)。圖7說明了利用本發(fā)明多個方面的計算機執(zhí)行的方法的流程圖，該方法用于控制機器人內(nèi)窺鏡的遠側(cè)尖端的操作者命令的移動，同時維持尖端處的滾動取向。圖8說明了固定參考系以及與機器人內(nèi)窺鏡的遠側(cè)尖端相關(guān)聯(lián)的參考系，當用于利用本發(fā)明多個方面的醫(yī)療機器人系統(tǒng)中時，所述機器人內(nèi)窺鏡的遠側(cè)尖端在固定參考系中移動。圖9說明了計算機執(zhí)行的方法的流程圖，該方法用于在利用本發(fā)明多個方面的醫(yī)療機器人系統(tǒng)中確定滾動角度調(diào)節(jié)。圖10說明了當在利用本發(fā)明多個方面的醫(yī)療機器人系統(tǒng)中使用時確定滾動角度調(diào)節(jié)的圖形描述。
具體實施例方式圖I作為一個示例說明了一種醫(yī)療機器人系統(tǒng)100，該系統(tǒng)包括機器人內(nèi)窺鏡110、插入該內(nèi)窺鏡110中的多個光纖電纜120、具有存儲器135的控制處理器130、致動系統(tǒng)140、圖像處理器150、顯示屏160以及輸入控制設備171、172?？刂铺幚砥?30和圖像處理器150 (以及在此所述的任何其他處理器或控制器)各自可以實現(xiàn)為硬件、固件、軟件或其組合，它們與一個或更多個計算機相互作用或?qū)崿F(xiàn)在一個或更多個計算機中。優(yōu)選地，顯示屏160包括結(jié)合在計算機顯示器中的左眼屏和右眼屏，從而能夠向系統(tǒng)100的操作者顯示三維圖像。然而，出于成本考慮，顯示屏可以是僅能夠顯示二維圖像的標準計算機顯示器。雖然僅顯示出一個顯示屏，但可以提供額外的顯示屏，使得例如當外科醫(yī)生觀看顯示屏160時，輔助人員可以觀看定位在該輔助人員附近的顯示屏。輸入控制設備171優(yōu)選地是能夠命令至少6個自由度(DOF)移動(例如，三個平移自由度和三個定向自由度)的六維(6-D)控制桿(速率或位置型)。另一方面，輸入控制設備172可以是常規(guī)計算機輸入設備，例如計算機鼠標或鍵盤。機器人內(nèi)窺鏡110具有柔性的細長主體114，該主體優(yōu)選地具有至少兩個可控制可彎曲的區(qū)段。該主體具有在其遠端111處產(chǎn)生可操控尖端112的至少一個可控制可彎曲的區(qū)段。該主體還具有耦接到其近端115的用于致動內(nèi)窺鏡110的移動及其可控制可彎曲的區(qū)段的致動系統(tǒng)140。控制電纜或其他常規(guī)控制裝置(未顯示)從致動系統(tǒng)140延伸到該可操控尖端112的至少一個可控制可彎曲的區(qū)段，使得該尖端112可以可控制地彎曲或轉(zhuǎn)動，如例如通過彎曲尖端112的虛線形式所示的。在這個示例中,其他電纜或其他常規(guī)控制裝置(未顯示)也可以延伸到其他可控制可彎曲的區(qū)段，使得它們可以被可控制地彎曲。被動可彎曲的區(qū)段也可以包括在機器人內(nèi)窺鏡以及可彎曲的區(qū)段中，所述可彎曲的區(qū)段以某種方式被限制為與其他可彎曲的區(qū)段一起移動。參考圖2，該致動系統(tǒng)140包括內(nèi)窺鏡操縱器231以及一個或更多個彎曲致動器232。該內(nèi)窺鏡操縱器231用來以兩個自由度致動機器人內(nèi)窺鏡110。用將機器人內(nèi)窺鏡110的近端115前后移動的柱狀關(guān)節(jié)(prismatic joint)執(zhí)行的一個自由度是插入/抽出移動(如通過虛線的雙頭箭頭標記的“I/O”說明的)。另一個自由度是用圍繞其插入/抽出方向旋轉(zhuǎn)機器人內(nèi)窺鏡110的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)執(zhí)行的近側(cè)滾動旋轉(zhuǎn)(如通過虛線的雙頭箭頭標記“小”說明的)。彎曲致動器232致動機器人內(nèi)窺鏡110的彎曲區(qū)段201-203，因此所述區(qū)段在各自的螺距(pitch)旋轉(zhuǎn)(如通過虛線的雙頭弧線a 1-a 3說明的)和俯仰(yaw)旋轉(zhuǎn)(如 通過虛線的雙頭弧線￠1-0 3說明的)中均是可彎曲的。除了這些可彎曲的區(qū)段，機器人內(nèi)窺鏡110的第一連桿211以其近端耦接到內(nèi)窺鏡操縱器231，并且以其遠端耦接到主體114的剩余部分，使得該內(nèi)窺鏡操縱器231使得連桿211在I/O方向或滾動方向(0 )上移動，然后主體114的剩余部分(并且具體地是，所有可彎曲的區(qū)段201-203和與這些可彎曲的區(qū)段201-203耦接的耦接連桿212-215)與第一連桿211 —致地移動。一個或更多個光纖電纜120 (圖I中所示)優(yōu)選地配置有彎曲或形狀傳感器，例如Fiber Bragg Grating (光纖布拉格光柵)(或其他應力傳感器，例如使用瑞利(Rayleigh)散射的那些應力傳感器)，使得通過光纖電纜的光被控制處理器130 (或分離的位置處理器)處理，從而確定內(nèi)窺鏡110的當前位置和形狀，包括其遠側(cè)尖端112的取向。除了延伸經(jīng)過內(nèi)窺鏡110的光纖電纜120，配置有應力傳感器的一個或更多個額外的光纖電纜(未顯示)可以附連到該內(nèi)窺鏡110，從而提供附連點處的內(nèi)窺鏡110的位置信息。使用Fiber Bragg Grating確定內(nèi)窺鏡的位置和彎曲的額外細節(jié)可以例如在名稱為“RoboticSurgery System Including Position Sensors Using Fiber Bragg Gratings，，的美國專利申請 2007/0156019 Al;名稱為“Fiber Optic Position and/or Shape Sensing Basedon Rayleigh Scatter” 的美國專利申請 2008/0212082A1 ;名稱為 “Robotic SurgicalInstrument and Methods using Bragg Fiber Sensors，，的美國專利申請 2008/0218770Al ;以及名稱為“Fiber Optic Shape Sensor”的美國申請序列號為12/164，829的專利申請中找到；它們中的每一個通過引用結(jié)合在此。常規(guī)可操控的內(nèi)窺鏡的額外細節(jié)可以例如在名稱為 “Steerable Endoscope and Improved Method of Insertion” 的美國專利6, 869, 396 B2中找到，通過引用將其結(jié)合在此。雖然光纖傳感器是用于彎曲或形狀感測的優(yōu)選裝置，但還可以將其他傳感器用于實踐本發(fā)明，例如電磁傳感器、電位計等。在內(nèi)窺鏡110的遠側(cè)尖端112處提供了立體或單視場照相機以用于捕獲圖像，這些圖像被傳送到圖像處理器150并且由該圖像處理器150進行處理，并且以用于內(nèi)窺鏡的常規(guī)形式顯示在顯示屏160上。光纖電纜120之一能夠以其近端耦接到光源(未顯示)以用于在遠側(cè)尖端112處的照明目的。當照相機遠離遠側(cè)尖端112觀察時，通過照相機視野的深度軸ZTIP、水平軸Xtip以及垂直軸Ytip在遠側(cè)尖端112處定義遠側(cè)尖端參考系200。如圖3中簡單顯示的，當遠側(cè)尖端112在一個方向301或另一個方向302上彎曲時，它的水平取向300 (如由Xtip-Ztip平面定義的)可以相對于其環(huán)境而改變。如前面說明的，當操作者從由遠側(cè)尖端照相機捕獲并且顯示在顯示屏160上的圖像觀察區(qū)域時，相對于環(huán)境在水平取向上的這種改變可能使操作者迷失方向。為了防止這種方向感的缺失，理想的是，如圖4中所示，當遠側(cè)尖端112在任何方向上彎曲時，它的水平取向300保持與其環(huán)境相同。例如，可以期望 的是水平取向300總是垂直于重力。作為一個示例，圖5說明了控制處理器130的部件的框圖，該控制處理器130允許操作者選擇或改變設置點，該設置點指示在機器人內(nèi)窺鏡110遠側(cè)尖端112處捕獲的照相機視圖的期望的滾動取向，并且允許操作者命令該遠側(cè)尖端112的移動，同時該系統(tǒng)自動地維持遠側(cè)尖端112處的期望的滾動取向。操作者使用適當?shù)妮斎朐O備，例如輸入控制設備172，來選擇或改變該設置點而與設置點處理器132相互作用，并且使用輸入控制設備171命令機器人內(nèi)規(guī)鏡110遠側(cè)尖纟而112的移動。在操作者干預或不干預下使用重力來產(chǎn)生參考可以建立初始或缺省的設置點。在這種情況下，可以定義指示該設置點的參考向量Ysp，使得它指向與重力向量相反的方向。隨后可以通過操作者與設置點處理器132相互作用來改變該設置點(或如果缺省的設置點未被定義，則建立初始的設置點)。例如，通過按下輸入控制設備171、172之一上的選擇按鈕，或使用通過聲音識別系統(tǒng)(未顯示)識別用于這種目的的聲音命令，或使用任何其他公知的交互裝置，操作者可以選擇設置點，使得其相應于尖端112的當前滾動取向。在這種情況下，設置點處理器132定義了指示設置點的參考向量YSP，使得在這種操作者選擇輸入時，該參考向量Ysp指向與尖端的照相機視圖的Ytip軸線相同的方向。以常規(guī)方式從當前尖端位置和取向確定尖端參考系(XTIP、YTIP、ZTIP)，所述當前尖端位置和取向通過前向運動處理器136從致動單元140的感測的關(guān)節(jié)位置138產(chǎn)生。作為另一個示例，操作者可以通過與圖形用戶界面(⑶I)相互作用來建立設置點。如圖6中說明的，設置點處理器132可以實現(xiàn)為包括該⑶I，該Gn包括顯示屏160，在該顯示屏160上與由遠側(cè)尖端照相機捕獲的圖像350相鄰地顯示圖形圖像600。圖形圖像600包括當前滾動角度指示器601以及圖形可旋轉(zhuǎn)的滾動設置點指示器602。⑶I允許例如輸入控制設備172等輸入控制設備與該圖形圖像600的可旋轉(zhuǎn)滾動設置點指示器602相互作用。例如，響應于輸入控制設備172通過其操作者的移動，滾動設置點指示器602可以從當前滾動角度指示器601旋轉(zhuǎn)到不同角度，如圖6中所示。同時，當操作者使?jié)L動設置點指示器602旋轉(zhuǎn)時，輸入管理器131使遠側(cè)尖端滾動角度(C^tip)和當前滾動角度指示器601跟蹤該移動，使得當遠側(cè)尖端滾動角度匹配該可旋轉(zhuǎn)的滾動設置點指示器602指示的角度時，可選擇的滾動設置點指示器602在顯示屏160上消失，并且保留當前滾動角度指示器601。再次參考圖5，通過移動輸入控制設備171，操作者命令機器人內(nèi)窺鏡110的遠側(cè)尖端112的移動。如果輸入控制設備171是位置類型設備，則它的移動定義了平移和定向位置的6個自由度(D0F)。在這種情況下，通過用連續(xù)處理周期之間位置中相應改變除以處理周期的持續(xù)時間能夠以常規(guī)方式來計算平移和定向速度的6個D0F。另一方面，如果該輸入控制設備171是速率類型設備，則它的移動定義了平移和定向速度的6個D0F。在后一種情況下，能夠以常規(guī)方式通過將相應速度和處理周期的持續(xù)時間的乘積添加到針對緊鄰的之前的處理循環(huán)計算的(或初始設置的)位置值，計算平移和定向位置的6個DOF中的每一個。在任何一種情況下，通過輸入處理器來執(zhí)行額外的速度或位置計算，為了簡化說明的目的，該輸入處理器被認為是輸入控制設備171的一部分。輸入管理器處理器131處理輸入控制設備171的輸出，用來產(chǎn)生相對于固定笛卡爾X、Y、Z參考系(例如，圖8的固定系800)的遠側(cè)尖端112的當前命令的狀態(tài)，并且使用由設置點處理器132提供的設置點信息來修改當前命令的狀態(tài)，從而產(chǎn)生遠側(cè)尖端112的修改的當前命令的狀態(tài)。在此參考圖7-10說明通過輸入管理器處理器131執(zhí)行的處理的詳細說明。修改的當前命令的狀態(tài)考慮了操作者命令的遠側(cè)尖端112的移動和在遠側(cè)尖端112處維持滾動取向的要求(即維持由相對于與設置點相關(guān)聯(lián)的參考向量Ysp由遠側(cè)尖端照相機視圖的Xtip-Ztip平面定義的水平角度)。逆向運動處理器134從輸入管理器處理器131接收遠側(cè)尖端112的命令的狀態(tài)并 且將它變換成相應的關(guān)節(jié)命令，以便驅(qū)動內(nèi)窺鏡操縱器231和彎曲致動器232。通過以常規(guī)方式將命令的狀態(tài)應用到包括內(nèi)窺鏡操縱器231和機器人內(nèi)窺鏡110的組合的串行運動鏈的逆向運動而實現(xiàn)該變換。關(guān)節(jié)控制處理器135包括用于通過內(nèi)窺鏡操縱器231和彎曲致動器232來致動和控制每個關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)。將逆向運動處理器134的輸出提供到關(guān)節(jié)控制處理器135，該處理器135通過致動命令137來控制致動單元140的操作，使得內(nèi)窺鏡操縱器231的可控關(guān)節(jié)和機器人內(nèi)窺鏡110的可控可彎曲的區(qū)段被驅(qū)動到適當位置，從而實現(xiàn)機器人內(nèi)窺鏡110遠側(cè)尖端112的命令的狀態(tài)。作為一個示例，圖7說明了在輸入管理器處理器131中實現(xiàn)的方法的流程圖，所述方法用來控制機器人內(nèi)窺鏡110遠側(cè)尖端112的操作者命令的移動，同時維持相應于設置點的尖端112處的滾動取向。在步驟701中，該方法從輸入控制設備171接收操作者輸入。在步驟702中，該方法以常規(guī)方式通過將例如從輸入控制設備171接收的平移和取向位置的6個DOF和速度應用到已知變換從而以相應的尖端112的平移和定向位置的6個DOF和速度產(chǎn)生當前命令的狀態(tài)，將操作者輸入變換成內(nèi)窺鏡110遠側(cè)尖端112的當前命令的狀態(tài)。如在此使用的術(shù)語“當前命令”是指針對當前處理循環(huán)或周期(例如，時間“t”)提出的命令，并且如在此使用的術(shù)語“之前的處理命令”是指在前面的處理循環(huán)或周期中已經(jīng)提出的命令(例如，時間“t-1”)。在步驟703中，該方法使用尖端112和設置點緊鄰的之前的處理命令的狀態(tài)的信息而確定滾動角度調(diào)節(jié)(A (tTIPA)。滾動角度調(diào)節(jié)表示滾動角度圍繞Ztip軸的改變，該Ztip軸需要用來維持在遠側(cè)尖端112處照相機捕獲的視圖的水平Xtip軸具有由設置點來指示的滾動取向。如前面參考圖5說明的，設置點可以是操作者選擇的，或設置點可以是使用例如重力感測機構(gòu)而自動建立的，所述重力感測機構(gòu)例如前面結(jié)合參考美國專利7，134，992所述，在這種情況下，滾動取向優(yōu)選地是垂直于向下指向的重力向量的水平線。用于執(zhí)行步驟703的方法的一個示例示于圖9中，其中在步驟901中，從設置點處理器132接收參考向量Ysp，該參考向量指示設置點并且該參考向量的生成在前面參考圖5進行了說明。當遠側(cè)尖端112在不同方向上移動并且取向時，它的遠側(cè)尖端參考系200由此(具有如參考圖2定義的正交軸XTIP、Ytip和Ztip)移動。例如，如圖8中所示，當尖端112之前處于在固定參考系800中指示為200’的尖端參考系位置和取向時,參考向量Ysp顯示為被t呆作者建立。尖端112隨后的移動導致尖端參考系位直和取向如在固定參考系800中通過尖端參考系200指示的移動。在步驟902中，將參考向量Ysp投影到包括尖端參考系的Ytip軸和Ztip軸的平面上，如圖10中所示。在這種情況下，可以從尖端112的前面的處理循環(huán)命令的狀態(tài)(例如圖5中所示的緊鄰的之前的處理周期)來提供尖端參考系200，或可以從由指示尖端112感測的狀態(tài)的前向運動處理器136接收的信息來提供所述尖端參考系200。在步驟903中，將滾動角度調(diào)節(jié)(A (^tipa)確定為參考向量Ysp與其在Ytip-Ztip平面上的投影Y’ SP之間的角度，同樣如圖10中所示。在步驟704中，判斷在步驟703中確定的滾動角度調(diào)節(jié)是否小于閾值。如果所述滾動角度調(diào)節(jié)小于閾值(即滾動角度調(diào)節(jié)相對小)，則該方法前進到步驟705，否則，該方法前進到步驟707。該閾值可以設置為一些固定值，例如5度或當在顯示屏160上觀察捕獲的圖像350時導致遠側(cè)照相機視圖的滾動取向中的改變的其他一些角度，所述改變使操作者難以發(fā)現(xiàn)或至少不使操作者迷失方向。為了滿足操作者偏好，還可以通過添加允許操作者指定和/或調(diào)節(jié)閾值的一些裝置來修改參考圖6中說明的GUI。 在步驟705中，由于滾動角度調(diào)節(jié)已經(jīng)被確定為小于閾值，所以該方法將當前命令的滾動速度C ^ipc )修改為零，并且在步驟706中，如果必要，該方法將當前命令的滾動位置，即0Tirc(t)修改為其緊鄰的之前的處理周期命令的滾動位置，即0Tirc(t-l)，使得遠側(cè)尖端112處的當前滾動取向可以維持。另一方面，在步驟707中，當滾動角度調(diào)節(jié)已經(jīng)被確定為等于或大于閾值時，該方法將當前命令的滾動角度速度()修改為某個值，該值是滾動角度調(diào)節(jié)的函數(shù)或是恒定值，這取決于本發(fā)明選擇的實施例，并且在步驟708中，使用例如下面的等式，所述方法修改了當前命令的滾動位置，即0 HPC (t)，從而與修改的當前命令的滾動速度(4fc )一致^TIPC W —本TlPC (0 AT + ^TIPC (1—1)( I )其中“i>TIPC{tY’是修改的當前命令的滾動速度，“AT”是處理循環(huán)或周期的持續(xù)時間，而“ ^tipc(t-1) ”是緊鄰的之前的處理周期命令的滾動位置(之前存儲在圖5中的存儲元件或存儲器133中并且當前從中讀取)。步驟707中使用的函數(shù)和常數(shù)中的任一者或兩者可能與總命令的尖端速度的幅值按比例縮放，從而避免可能使操作者驚訝的較大和/或突然的改變。在該函數(shù)的一個示例中，可以構(gòu)造該函數(shù)，使得當前命令的滾動速度(4 PC )隨著滾動角度調(diào)節(jié)的增大(具有某一最大值)而增大。當將當前命令的滾動速度(^tipc )設置為常數(shù)時，對當前命令的滾動速度的幅值的這種限制可以延長到達當前命令的滾動位置所需要的時間量，但是將防止較大的潛在危險的尖端速度命令的發(fā)生。在步驟709中，該方法以如在步驟702中的常規(guī)方式將操作者輸入變換成內(nèi)窺鏡尖端112的修改的當前命令的狀態(tài)，除了此時該修改的當前命令的滾動速度被認為是等于步驟705或步驟707中確定的數(shù)值并且該修改的當前命令的滾動位置被約束為等于步驟706或步驟708中確定的數(shù)值以外，這取決于步驟704的結(jié)果?？商鎿Q地，可以僅通過用修改的當前滾動位置替換當前命令的狀態(tài)中的當前命令的滾動位置并且用修改的當前命令的滾動位置替換當前命令的狀態(tài)中的當前命令的滾動速度，來簡單地形成內(nèi)窺鏡尖端112的修改的當前命令狀態(tài)。在步驟710中，將遠側(cè)尖端112的修改的命令的狀態(tài)提供給逆向運動處理器134，如前面參考圖5說明的。雖然已經(jīng)參考一個或多個優(yōu)選實施例對本發(fā)明的不同方面進行了說明，但應當理解的是本發(fā)明被完全保護在所附權(quán)利要求的全部范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于控制機器人內(nèi)窺鏡遠側(cè)尖端的操作者命令的移動同時維持該尖端處的滾動取向的方法，該方法包括 從操作者可操縱的輸入控制設備接收控制輸入； 確定來自所述控制輸入的所述機器人內(nèi)窺鏡的尖端的當前命令的狀態(tài)，其中所述命令的狀態(tài)包括當前命令的滾動位置和速度； 通過根據(jù)所述尖端的之前處理周期命令的狀態(tài)指示的滾動角度調(diào)節(jié)以及指示將在所述尖端處維持的滾動取向的設置點將所述當前命令的滾動位置和速度約束為修改的當前命令的滾動位置和速度，從而修改所述當前命令的狀態(tài)；并且 命令所述機器人內(nèi)窺鏡的尖端被驅(qū)動到所述修改的當前命令的狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中尖端參考系在所述內(nèi)窺鏡的尖端處定義，使得具有指示在所述尖端處捕獲的視圖的深度方向的Ztip軸，指示所述視圖的水平方向的Xtip軸，以及指示所述視圖的垂直方向的Ytip軸，該方法進一步包括 接收指示所述設置點的參考向量； 將所述參考向量投影到包含所述Ytip軸和Ztip軸的平面上；以及 將所述滾動角度調(diào)節(jié)確定為所述參考向量和被投影的參考向量之間的角度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中只要所述滾動角度調(diào)節(jié)小于閾值，則通過將所述當前命令的滾動速度設置為零而對其進行修改，并且通過將所述命令的滾動位置設置為之前處理周期命令的滾動位置而對其進行修改。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中每當所述滾動角度調(diào)節(jié)大于閾值時，通過將所述當前命令的滾動速度設定為固定值而對其進行修改，并且將所述命令的滾動位置調(diào)節(jié)到與所述修改的當前命令的滾動速度一致的值。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中每當所述滾動角度調(diào)節(jié)大于閾值時，就將所述當前命令的滾動速度修改為所述滾動角度調(diào)節(jié)的函數(shù)，并且將所述當前命令的滾動位置調(diào)節(jié)到與所述修改的當前命令的滾動速度一致的值。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中建立所述設置點使得其與重力正交。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，進一步包括 接收來自操作者操縱的輸入設備的所述設置點的指示。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中當從操作者接收到所述設置點的指示時，通過所述尖端處的滾動取向來建立所述設置點。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，進一步包括 將所述設置點的圖形表示顯示在操作者可見的顯示屏上； 從操作者操縱的輸入設備接收輸入； 根據(jù)接收到的輸入對所述顯示屏上的設置點的圖形表示的取向進行調(diào)節(jié)；以及 從所述設置點的所述圖形表示的調(diào)節(jié)的取向來確定所述設置點。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中命令所述機器人內(nèi)窺鏡的尖端被驅(qū)動到所述修改的當前命令的狀態(tài)包括 確定操縱器的一個或更多個關(guān)節(jié)的狀態(tài)和所述機器人內(nèi)窺鏡的一個或更多個彎曲區(qū)段的彎曲角度的組合，從而實現(xiàn)該機器人內(nèi)窺鏡的尖端的修改的當前命令的狀態(tài)，所述操縱器以相應的自由度移動來操縱所述機器人內(nèi)窺鏡，所述機器人內(nèi)窺鏡的一個或更多個彎曲區(qū)段彎曲所述機器人內(nèi)窺鏡的主體；以及 命令所述操縱器的一個或更多個關(guān)節(jié)被驅(qū)動到確定的關(guān)節(jié)狀態(tài)，并且所述機器人內(nèi)窺鏡的所述一個或更多個彎曲區(qū)段被驅(qū)動到確定的彎曲角度。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述操縱器的一個或更多個關(guān)節(jié)包括用于沿著線性路徑前后移動所述機器人內(nèi)窺鏡的近端的柱狀關(guān)節(jié)，以及用于圍繞所述線性路徑旋轉(zhuǎn)所述機器人內(nèi)窺鏡的近端的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中從控制輸入確定所述機器人內(nèi)窺鏡的尖端的當前命令的狀態(tài)包括 從所述控制輸入和針對一個或更多個之前的處理周期存儲的控制輸入的信息來確定平移和角度尖端狀態(tài)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中從所述控制輸入確定所述機器人內(nèi)窺鏡的尖端的當前命令的狀態(tài)包括 相對于固定的笛卡爾參考系，將所述控制輸入變換成所述機器人內(nèi)窺鏡的尖端的期望狀態(tài)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中確定所述操縱器一個或更多個關(guān)節(jié)的狀態(tài)以及該機器人內(nèi)窺鏡的一個或更多個彎曲區(qū)段的彎曲角度包括 將修改的當前命令的狀態(tài)應用到包括所述操縱器和所述機器人內(nèi)窺鏡的組合的串行運動鏈的逆向運動上。
15.—種醫(yī)療機器人系統(tǒng),包括 機器人內(nèi)窺鏡，該機器人內(nèi)窺鏡具有細長主體，該細長主體包括一個或更多個可彎曲區(qū)段和遠側(cè)尖端； 操縱器，該操縱器具有一個或更多個可驅(qū)動的關(guān)節(jié)，從而以相應的自由度移動來操縱所述機器人內(nèi)窺鏡； 操作者可操縱的輸入控制設備；以及 處理器，該處理器被配置為從所述操作者可操縱的輸入控制設備接收控制輸入；從所述控制輸入確定機器人內(nèi)窺鏡的尖端的當前命令的狀態(tài)，其中所述當前命令的狀態(tài)包括命令的滾動位置和速度；根據(jù)由該尖端的之前處理周期命令的狀態(tài)指示的滾動角度調(diào)節(jié)以及指示將被維持在所述尖端處的滾動取向的設置點通過將所述當前命令的滾動位置和速度約束為修改的當前命令的滾動位置和速度而修改所述當前命令的狀態(tài)；并且命令所述機器人內(nèi)窺鏡的尖端被驅(qū)動到修改的當前命令的狀態(tài)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的醫(yī)療機器人系統(tǒng)，其中尖端參考系被定義在所述內(nèi)窺鏡的尖端，從而具有指示在所述尖端捕獲的視圖的深度方向的Ztip軸，指示該視圖的水平方向的Xtip軸，以及指示該視圖的垂直方向的Ytip軸；并且其中所述處理器進一步配置為接收指示所述設置點的參考向量，將該參考向量投影到包含所述Ytip軸和Ztip軸的平面上，并且確定所述滾動角度調(diào)節(jié)為所述參考向量和被投影的參考向量之間的角度。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的醫(yī)療機器人系統(tǒng)，其中所述處理器被配置為只要所述滾動角度調(diào)節(jié)小于閾值，則通過將所述當前命令的滾動速度設置為零而對其進行修改，并且通過將所述當前命令的滾動位置設置為之前處理周期命令的滾動位置而對其進行修改。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的醫(yī)療機器人系統(tǒng)，其中所述處理器被配置為每當所述滾動角度調(diào)節(jié)大于閾值時，就通過將所述當前命令的滾動速度設置為固定值而對其進行修改，并且將所述當前命令的滾動位置調(diào)節(jié)到與所述修改的當前命令的滾動速度一致的值。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的醫(yī)療機器人系統(tǒng)，其中所述處理器被配置為每當所述滾動角度調(diào)節(jié)大于閾值時，就將所述當前命令的滾動速度修改為所述滾動角度調(diào)節(jié)的函數(shù)，并且將所述命令的滾動位置調(diào)節(jié)到與所述修改的當前命令的滾動速度一致的值。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的醫(yī)療機器人系統(tǒng)，其中建立所述設置點從而與重力正交。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的醫(yī)療機器人系統(tǒng)，其中所述處理器被配置為從操作者操縱的輸入設備接收所述設置點的指示。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的醫(yī)療機器人系統(tǒng)，其中所述處理器被配置為在從操作者接收到所述設置點的指示時，通過所述尖端處的滾動取向來建立所述設置點。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的醫(yī)療機器人系統(tǒng)，進一步包括 顯示屏；以及 操作者可操縱的輸入設備； 其中所述處理器被配置為將該滾動設置點的圖形表示顯示在所述顯示屏上，從所述操作者可操縱的輸入設備接收輸入，根據(jù)接收到的輸入在所述顯示屏上調(diào)節(jié)所述滾動設置點的圖形表示的取向，并且從所述滾動設置點的圖形表示的被調(diào)節(jié)的取向來確定所述滾動設置點。
24.根據(jù)權(quán)利要求15所述的醫(yī)療機器人系統(tǒng)，其中所述處理器被配置為通過確定操縱器的一個或更多個關(guān)節(jié)的狀態(tài)和所述細長主體的一個或更多個可彎曲區(qū)段的彎曲角度的組合來命令所述機器人內(nèi)窺鏡的尖端被驅(qū)動到所述修改的當前命令的狀態(tài)，從而實現(xiàn)該機器人內(nèi)窺鏡的尖端的所述修改的當前命令的狀態(tài)；并且命令所述操縱器的一個或更多個關(guān)節(jié)被驅(qū)動到確定的關(guān)節(jié)狀態(tài)，并且命令所述機器人內(nèi)窺鏡的一個或更多個可彎曲區(qū)段被驅(qū)動到確定的彎曲角度。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的醫(yī)療機器人系統(tǒng)，其中所述操縱器的一個或更多個關(guān)節(jié)包括用于沿著線性路徑前后移動所述機器人內(nèi)窺鏡的近端的柱狀關(guān)節(jié)，以及用于圍繞該線性路徑旋轉(zhuǎn)所述機器人內(nèi)窺鏡的所述近端的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。
26.根據(jù)權(quán)利要求20所述的醫(yī)療機器人系統(tǒng)，其中所述處理器被配置為通過從所述控制輸入和針對一個或更多個之前處理周期的控制輸入的存儲信息來確定平移和角度尖端狀態(tài)，從而從所述控制輸入確定該機器人內(nèi)窺鏡的尖端的當前命令的狀態(tài)。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的醫(yī)療機器人系統(tǒng)，其中所述處理器被配置為通過相對于固定的笛卡爾參考系將所述控制輸入變換為所述機器人內(nèi)窺鏡的尖端的期望狀態(tài)，從而從所述控制輸入確定所述機器人內(nèi)窺鏡的尖端的命令的狀態(tài)。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的醫(yī)療機器人系統(tǒng)，其中所述處理器被配置為通過將所述修改的當前命令的狀態(tài)應用到包括所述操縱器和所述機器人內(nèi)窺鏡的組合的串行運動鏈的逆向運動上來確定所述操縱器的一個或更多個關(guān)節(jié)的狀態(tài)以及所述機器人內(nèi)窺鏡的所述一個或更多個可彎曲區(qū)段的彎曲角度。
全文摘要
在機器人內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中，在機器人內(nèi)窺鏡遠側(cè)尖端捕獲并且顯示在可被內(nèi)窺鏡的操作者看到的屏幕上的照相機視圖的取向被自動維持在與設置點相關(guān)聯(lián)的滾動取向，從而當內(nèi)窺鏡移動、彎曲并且其尖端在不同取向上轉(zhuǎn)動時，不使操作者迷失方向。處理器從操作者輸入產(chǎn)生尖端的當前命令的狀態(tài)，并且對其進行修改以維持該設置點滾動取向。為了產(chǎn)生修改的當前命令的狀態(tài)，該當前命令的滾動位置和速度被約束為修改的當前命令的滾動位置和速度，其已根據(jù)由所述尖端和設置點的之前處理周期命令的狀態(tài)指示的滾動角度調(diào)節(jié)進行了修改。所述處理器之后命令機器人內(nèi)窺鏡被驅(qū)動到修改的命令的狀態(tài)。
文檔編號A61M25/01GK102711586SQ201180006939
公開日2012年10月3日 申請日期2011年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月11日
發(fā)明者C·Q·登霍歐, G·M·普里斯科 申請人:直觀外科手術(shù)操作公司