專利名稱：提供位置測量的醫(yī)療器械中的驅(qū)動力控制的制作方法
提供位置測量的醫(yī)療器械中的驅(qū)動力控制
背景技術(shù)：
微創(chuàng)醫(yī)療手術(shù)經(jīng)常利用借助于計算機或通過計算機接口控制的器械。例如，圖I示出一種自動控制的器械100，該器械具有簡化的結(jié)構(gòu)以便舉例說明一些當(dāng)前自動控制的醫(yī)療器械的基本工作原理(正如這里所使用的，術(shù)語“自動”或“自動地”等包括遠(yuǎn)程操作或遠(yuǎn)程遙控方面)。器械100包括在細(xì)長軸或主管120遠(yuǎn)端的工具或末端執(zhí)行器110。在舉例說明的例子中，末端執(zhí)行器110是諸如鉗子或剪刀的有夾爪的工具，該夾爪工具具有分開的夾爪112和114，并且至少夾爪112是可動的以便相對于夾爪114打開或閉合。在醫(yī)療手術(shù)期間的使用中，主 管120遠(yuǎn)端上的末端執(zhí)行器110可以通過病人身上的小切口插入并且定位在病人身體里面的工作部位。例如，在進(jìn)行外科手術(shù)期間，之后夾爪112可以打開或閉合，因此必需被精確地控制以便僅僅進(jìn)行希望的運動。實際的醫(yī)療器械除了夾爪112和114的打開和閉合之外通常還需要許多運動自由度，以便進(jìn)行醫(yī)療手術(shù)。主管120的近端連接于有時候叫做后端機構(gòu)130的傳動或驅(qū)動機構(gòu)130?？梢允墙g合纜線、桿、管子或這些結(jié)構(gòu)的組合的筋(tendon) 122和124從后端機構(gòu)130延伸通過主管120并連接于末端執(zhí)行器110。常用的外科器械還包括將后端機構(gòu)130連接于其他被致動構(gòu)件或末端執(zhí)行器110的接頭的附加筋(未示出)、肘節(jié)機構(gòu)(未示出)或甚至主管120中的被致動脊骨(vertebrae)，以便后端機構(gòu)130能夠操縱該筋來操作器械的末端執(zhí)行器110和/或其他被致動元件。圖I示出具有銷接頭結(jié)構(gòu)116的夾爪112，該銷接頭結(jié)構(gòu)為夾爪112提供單個自由度運動。兩個筋122和124連接于夾爪112和后端機構(gòu)130內(nèi)的滑輪132，使得滑輪132的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致夾爪112的轉(zhuǎn)動。滑輪132連接于驅(qū)動馬達(dá)140，該驅(qū)動馬達(dá)可以在機構(gòu)臂(未示出)的端部，并且控制系統(tǒng)150電控制驅(qū)動馬達(dá)140。控制系統(tǒng)150 —般包括具有合適的軟件、硬件和外圍硬件的計算系統(tǒng)。除了其他功能之外，控制系統(tǒng)150還能夠?qū)崿F(xiàn)為外科 醫(yī)生或其他系統(tǒng)操作者提供工作部位和末端執(zhí)行器110的圖像的界面，并且界面還提供外科醫(yī)生能夠操縱來控制末端執(zhí)行器110的運動的控制裝置。在實時自動控制醫(yī)療器械中用于解釋控制裝置的使用者操縱和用于生成導(dǎo)致夾爪112的相應(yīng)運動的馬達(dá)信號所需要的軟件或硬件通常很復(fù)雜?？紤]到一部分控制任務(wù)，用于驅(qū)動馬達(dá)140的控制信號的生成通常利用夾爪112的角度或位置與后端機構(gòu)130內(nèi)的驅(qū)動馬達(dá)140或滑輪132的角度或位置之間的關(guān)系。如果筋I(lǐng) 22和124是極度剛性的(例如，如果筋的拉伸可以忽略)，則在確定如外科醫(yī)生所引導(dǎo)地移動夾爪112所需要的控制信號時，控制系統(tǒng)150可以利用驅(qū)動馬達(dá)140的角度位置和由器械100的幾何形狀限定的夾爪112的角度位置之間的直接關(guān)系。例如，在工作載荷下，筋122和124的微小拉伸，可以通過使驅(qū)動馬達(dá)位置與末端執(zhí)行器位置相關(guān)的一些數(shù)學(xué)模型來處理。但是，如果包括末端執(zhí)行器110、筋122和124以及后端機構(gòu)130的機械結(jié)構(gòu)具有高度的柔順性，則馬達(dá)140 (或滑輪132)的角度位置和夾爪112的角度位置之間的關(guān)系很難或不可能被精確地建模。因此，這種系統(tǒng)需要不依靠所施加的致動器控制信號和被致動元件的位置之間的固定的關(guān)系的控制處理。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，控制系統(tǒng)和方法利用遠(yuǎn)端位置反饋來確定并控制一個或更多個近端致動器經(jīng)由機械連接件(linkage)施加于接頭(joint)的力。力控制和遠(yuǎn)端反饋的利用能夠允許自動控制包括在接頭和近端致動器之間具有不可忽略的柔順性的機械連接件的醫(yī)療器械，并且具體地即便在遠(yuǎn)端接頭的位置不能從近端馬達(dá)位置直接推導(dǎo)出時，也能夠提供精確的器械操作。此外，利用力控制也能夠允許有源控制醫(yī)療器械中的遠(yuǎn)端接頭，以提供希望的接頭剛性。例如，接頭的剛性能夠保持在實現(xiàn)醫(yī)療功能(例如操縱組織)所需的范圍內(nèi)，或當(dāng)將器械插入小體腔中時能夠?qū)崿F(xiàn)更大的柔順性，以避免損傷周圍組織。而且，通過利用力控制和遠(yuǎn)端反饋，控制系統(tǒng)能夠與致動器的位置獨立地提供醫(yī)療器械接頭的位置控制和剛性控制兩者。本發(fā)明一個具體實施例是一種醫(yī)療系統(tǒng)，其包括致動器、接頭、連接件、傳感器和控制系統(tǒng)。該連接件具有連接于接頭的第一端和機械地連接于該致動器的第二端，以允許傳遞用于接頭的鉸接的力。該傳感器被連接以測量該接頭的位置；并且該控制系統(tǒng)被連接以接收位置測量?？刂葡到y(tǒng)利用位置測量以確定如何調(diào)節(jié)從致動器傳遞給連接件的致動器 力。本發(fā)明另一個具體實施例是用于控制醫(yī)療器械的接頭的方法。該方法大體包括測量接頭的位置；接收指示該接頭的希望位置的命令；確定致動器力，該致動器力決定于該接頭的測量位置和希望位置但是不決定于該致動器的位置；以及操作致動器以對連接于該接頭的連接件施加致動器力。確定致動器力可以包括計算決定于接頭位置和該接頭的希望位置的函數(shù)值。


圖I圖示說明已知的自動控制的醫(yī)療器械的特征。圖2是醫(yī)療器械的框圖，其中根據(jù)本發(fā)明實施例的力控制過程可以與柔順驅(qū)動一起使用。圖3A是醫(yī)療器械的框圖，其中根據(jù)本發(fā)明實施例的力控制過程可以與具有最小和最大力傳輸?shù)尿?qū)動連接件一起使用。圖3B示出本發(fā)明的實施例，其中所控制的接頭是連續(xù)可彎曲的結(jié)構(gòu)。圖4示意地示出自動醫(yī)療系統(tǒng)并且具體示出通過柔順機械連接件連接于致動器的遠(yuǎn)程接頭的控制中所用的量。圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的控制過程的流程圖。圖6是用于確定與致動器速度和接頭速度之間的差有關(guān)的張力分布的過程的流程圖。圖7是用于確定與操作同一個接頭的兩個致動器的速度之間的差有關(guān)的張力分布的過程的流程圖。圖8示出控制最大和最小施加張力的力函數(shù)。不同附圖中的相同的參考符號表示類似的或相同的物件。
具體實施方式
根據(jù)本發(fā)明的一方面，醫(yī)療器械中的遠(yuǎn)程接頭可以通過在致動器位置和接頭位置之間不具有固定關(guān)系的連接件來控制。具體說，系統(tǒng)操作者(例如外科醫(yī)生)的動作能夠表示該遠(yuǎn)程接頭的當(dāng)前希望位置和速度，而傳感器測量該遠(yuǎn)程接頭的實際位置。于是利用希望位置和測量位置可以計算力、張力或力矩并通過連接件將其施加成將遠(yuǎn)程接頭從其實際位置朝著希望位置移動。(一般而言，醫(yī)療器械中的力或張力與力矩成比例，且比例系數(shù)由固定的因素限定，即力臂，該力臂由該器械的機械的或幾何的性質(zhì)設(shè)定，以便力、張力或力矩中的任何一個的計算將表示該另外兩個的值)。如果前面計算的施加的力導(dǎo)致接頭過沖或不能到達(dá)希望位置，則可以修正或改變致動器施加的力的計算。圖2示出，例如，美國專利申請?zhí)?2/494，797公開的名稱為“柔順的外科裝置”的具有驅(qū)動連接件的柔順的醫(yī)療器械200的一部分，其整個內(nèi)容通過參考結(jié)合于此。器械200包括通過控制筋(tendon)222和224中的相應(yīng)張力而被操縱/操作的連接元件210。一般來說，器械200可以包含許多類似于連接元件210的機械接頭，并且每個接頭均可以利用類似于筋222和224的筋被控制。在示范性的實施例中，器械200是能夠被操作成沿著病人體內(nèi)的天然體腔而行進(jìn)的進(jìn)入導(dǎo)向器。進(jìn)入導(dǎo)向器通常包括圍繞脊骨(包括元件210)的柔性外部鞘(未示出)，并且提供一個或更多個中心腔，為了通達(dá)到工作部位，其他醫(yī)療器械能 夠通過所述中心腔插入。在進(jìn)入導(dǎo)向器中柔順性是特別希望的，以防止進(jìn)入導(dǎo)向器的動作或反作用傷害到會移動或壓抵于該進(jìn)入導(dǎo)向器的周圍組織。但是，其他類型的醫(yī)療器械也能夠得益于圖2所示類型的柔順驅(qū)動結(jié)構(gòu)。器械200包括后端機構(gòu)230，其中筋222和224提供將連接元件210連接于驅(qū)動馬達(dá)242和244的柔順連接件。具體說，后端機構(gòu)230包括連接于筋222和224以及驅(qū)動馬達(dá)242和244的彈簧系統(tǒng)235。圖2中的每個彈簧系統(tǒng)235包括機械驅(qū)動系統(tǒng)232和等拉力彈簧234。每個驅(qū)動系統(tǒng)232連接馬達(dá)242或244并將驅(qū)動馬達(dá)242或244的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成改變由相關(guān)的等拉力彈簧234施加于筋222或224的恒定力的直線運動。在所示的實施例中，每個等拉力彈簧234包括常規(guī)的虎克定律彈簧236和凸輪238。每個彈簧236連接于相關(guān)的驅(qū)動系統(tǒng)232，使得驅(qū)動系統(tǒng)232的直線運動移動彈簧236的近端。每個凸輪238具有在其上連接并安放被連接于有關(guān)彈簧236的遠(yuǎn)端的纜線237的第一導(dǎo)向表面以及在其上連接并安放筋222或224的一部分的第二導(dǎo)向表面。每個凸輪238的導(dǎo)向表面一般為該連接的纜線237和連接的筋222或224的作用提供不同的力臂并且形狀做成使得當(dāng)筋222或224的張力長度的拉出或拉進(jìn)改變由連接的彈簧236施加的力時筋222或224的張力保持恒定。每個凸輪238的每個表面可以是延伸一圈或更多圈的螺旋表面，以便在保持筋222和224中的恒定張力的同時提供筋222和224的希望的運動范圍。每個驅(qū)動系統(tǒng)232控制對應(yīng)的彈簧236的遠(yuǎn)端的位置并且因而影響對應(yīng)的彈簧236的基線拉伸的量和連接的筋222或224中的張力。在操作中，如果彈簧系統(tǒng)235中的驅(qū)動系統(tǒng)232拉動連接的彈簧236，則該彈簧236開始拉伸，并且如果連接于彈簧系統(tǒng)235的元件210以及筋222和224保持固定，則彈簧236施加于凸輪238的力增加，因而連接的纜繩222或224的張力增加。因此筋222和224中的張力線性地(根據(jù)虎克定律，凸輪238的力臂以及彈簧236的彈簧常數(shù))決定于相應(yīng)彈簧236的近端的運動，但是每個彈簧系統(tǒng)235非對稱地動作，即，在響應(yīng)移動筋222或224的外力或遠(yuǎn)端力的恒力的情況下動作。等拉力彈簧234和驅(qū)動系統(tǒng)232可以替代性地實施成各種方式，例如在上面參考的美國專利申請?zhí)?2/494，797中進(jìn)一步描述的方式。連接元件210具有單個運動自由度(例如，繞軸線旋轉(zhuǎn))并且通常當(dāng)驅(qū)動馬達(dá)242或244旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)232以改變由連接的等拉力彈簧238所施加的力時移動。但是，這個驅(qū)動機構(gòu)是柔順的，以便外力能夠在驅(qū)動系統(tǒng)232不具有相應(yīng)旋轉(zhuǎn)的情況下移動元件210。結(jié)果在連接元件210的位置或取向和驅(qū)動系統(tǒng)232或驅(qū)動馬達(dá)242的位置之間不存在固定的關(guān)系。根據(jù)本發(fā)明的一方面，控制系統(tǒng)250利用傳感器260測量元件210的取向。傳感器260可以是，例如，形狀傳感器，其能夠沿著包含元件210的器械200的長度檢測主管的形狀。形狀傳感器的一些例子公開在Larkin等人的名稱為“Robotic Surgery SystemIncluding Position Sensors Using Fiber Bragg Gratings (包括利用光纖布拉格光柵的位置傳感器的自動外科系統(tǒng))”的美國專利申請公開號US 2007/0156019 Al (2006年7月20提交)和Giuseppe Μ· Prisco的名稱為“Fiber Optic shape sensor (光纖光學(xué)形狀傳感器)”的美國專利申請?zhí)?2/164,829 (2008年6月30提交)中，兩者的整個內(nèi)容通過參考結(jié)合于此。不過，能夠測量連接元件210的角度位置的任何傳感器均可以替代性地被使用。如下面進(jìn)一步描述的控制過程利用這種測量用于計算操作連接元件210所需要施加的力。·當(dāng)后端機構(gòu)230從馬達(dá)單元拆下時器械200具有“后驅(qū)動”能力，等拉力彈簧235仍然保持筋222和224不松弛并且使器械的遠(yuǎn)端部分能夠被手動設(shè)置(或擺好姿態(tài))而不損壞后端機構(gòu)230或造成筋222或224的松弛。當(dāng)該器械不處于控制系統(tǒng)250的有源控制下時，這種“后驅(qū)動”能力通常是外科器械的期望性質(zhì)，特別是在器械插入期間具有能夠彎曲或操作的柔性主管的器械中。例如，器械200可以被手動擺好姿態(tài)，并且在主軸內(nèi)的筋不經(jīng)受不合適的張緊或松弛。用于醫(yī)療器械中的接頭的柔順驅(qū)動連接件的另一個例子在圖3A中舉例說明。圖3A 不出如名稱為“Passive Preload and Capstan Drive for Surgical Instruments (用于外科器械的無源預(yù)加載和絞盤驅(qū)動)”的美國專利申請?zhí)?2/286，644中所公開的醫(yī)療器械300的示范性實施例，該醫(yī)療器械利用在該器械工作期間允許驅(qū)動馬達(dá)空轉(zhuǎn)或驅(qū)動筋相對于驅(qū)動馬達(dá)打滑的致動過程，該申請的整個內(nèi)容通過參考結(jié)合于此。醫(yī)療器械300具有在主管320的端部處的末端執(zhí)行器310，并且后端機構(gòu)330操作延伸通過主管320的筋322和324，以控制末端執(zhí)行器310的運動自由度。在所示的實施例中，筋322和324連接于末端執(zhí)行器310中的機械構(gòu)件，使得筋322和324中的張力趨向于使末端執(zhí)行器310繞樞轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)沿著相反的方向旋轉(zhuǎn)。圖3A的接頭結(jié)構(gòu)只是一個例子，并且在本發(fā)明的可替代實施例中可以利用響應(yīng)施加于一對筋的張力提供單個運動自由度的其他接頭機構(gòu)。圖3B，例如，示出一個實施例，其中接頭310對應(yīng)于響應(yīng)通過筋322和324施加的力能夠撓曲或彎曲的導(dǎo)管的一部分。該導(dǎo)管接頭可以簡單地包括響應(yīng)筋322和324內(nèi)的張力的差而彎曲的塑性材料擠壓件。在這種結(jié)構(gòu)中，筋322和324延伸通過導(dǎo)管內(nèi)的腔并且連接于該導(dǎo)管的端部。因此，筋322和324中的力可以用來彎曲該導(dǎo)管，例如，以便在插入期間操縱該導(dǎo)管。在圖3B的實施例中，遠(yuǎn)端傳感器360能夠測量該導(dǎo)管的遠(yuǎn)端部分的彎曲角度，以測量或計算“接頭”角度和速度。除了能夠通過乘以致動器纜線腔和遠(yuǎn)端柔性部分的中心之間的距離將測量的接頭角度和速度轉(zhuǎn)換成筋的位置和速度之外，用于圖3B的導(dǎo)管接頭310的該后端和控制架構(gòu)可以與圖3A的實施例的結(jié)構(gòu)是相同的。連接于主管320的近端的后端機構(gòu)330，用作將驅(qū)動馬達(dá)342和344施加的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的筋322和324中的張力和施加于該末端執(zhí)行器310中致動的接頭的力或轉(zhuǎn)矩的傳動裝置。在所示的實施例中，驅(qū)動馬達(dá)342和344可以直接驅(qū)動直接連接于相應(yīng)的筋322和324繞其卷繞的絞盤332和334的電動馬達(dá)。具體說，筋322繞相應(yīng)的絞盤332卷繞設(shè)定卷繞角(其可以小于整圈或大至一圈或更多圈)，并且具有不固定于絞盤332但是從絞盤332延伸到無源預(yù)加載系統(tǒng)333的端部。類似地，筋324繞相應(yīng)的絞盤334卷繞設(shè)定卷繞角，并且具有從絞盤334延伸到無源預(yù)加載系統(tǒng)335的端部。由于筋322和324不需要永久地連接于絞盤332和334，因此筋322和324可以能夠相對于絞盤332和334并且相對于分別連接于絞盤332和334的驅(qū)動馬達(dá)342和344的軸打滑。筋322和324的近端連接于相應(yīng)的無源預(yù)加載系統(tǒng)333和335，每一個預(yù)加載系統(tǒng)在圖3A中均被實現(xiàn)為一起用作等拉力彈簧的凸輪和虎克定律彈簧。無源預(yù)加載系統(tǒng)333和335被偏置，以致在器械300的整個運動范圍內(nèi)系統(tǒng)332和334對筋322和324施加非 零的力或非零的張力。使用這種結(jié)構(gòu)，當(dāng)絞盤332和334自由旋轉(zhuǎn)時，無源預(yù)加載系統(tǒng)333和335通過拉緊或放出所需長度的筋322和324來控制筋322和324中的張力并且避免筋322和324的松弛。當(dāng)后端機構(gòu)330從馬達(dá)342和344拆下時，無源預(yù)加載系統(tǒng)333和335仍然保持筋322和324不松弛并且允許末端執(zhí)行器310和主管320 (當(dāng)可撓曲時)被手動設(shè)置(或擺好姿態(tài))而不損壞后端機構(gòu)330或造成筋322和324的松弛。因此，類似于上面對圖2的器械200的描述，器械300也具有“后驅(qū)動”能力。在控制系統(tǒng)350的有源控制和人的輸入(例如主-從伺服控制系統(tǒng)的主控制輸入)情況下，能夠利用驅(qū)動馬達(dá)342和344操作末端執(zhí)行器310。例如，當(dāng)馬達(dá)342拉動筋322時，馬達(dá)轉(zhuǎn)矩作為在筋322的遠(yuǎn)端部分內(nèi)施加的張力被傳輸。(絞盤332能夠施加于筋322近端部分的最大張力決定于筋322相對于絞盤332開始打滑的張力，但是一般而言，實際使用的最大張力可以被選擇成防止筋322和324在絞盤332和334上打滑)。同時，當(dāng)斷開給馬達(dá)344的動力從而使馬達(dá)344和絞盤334能夠空轉(zhuǎn)時，筋324能夠保持在最小張力，其為無源預(yù)加載系統(tǒng)335通過絞盤334施加于筋324的近端的恒定力。筋322中的較大的張力趨向于引起末端執(zhí)行器310在圖3A中逆時針轉(zhuǎn)動。類似地，斷開給馬達(dá)342的動力并且給馬達(dá)344提供動力以通過筋324對末端執(zhí)行器310施加力會趨向于使末端執(zhí)行器310在圖3A中順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)筋322和324在張力作用下馬達(dá)342和344的空轉(zhuǎn)能力以及筋322和324在絞盤332和334上打滑的接受性不允許控制系統(tǒng)350依賴于馬達(dá)340和末端執(zhí)行器310的角度位置之間的固定關(guān)系。但是，控制系統(tǒng)350能夠利用傳感器360測量末端執(zhí)行器310相對于通過筋322和324致動的接頭的角度位置。在圖2和圖3A的器械中，在致動器和被致動的接頭之間的連接件提供希望的柔順，特別是對于具有柔性主管的器械而言。但是，具有柔順性的連接件也出現(xiàn)在更多傳統(tǒng)的器械中。例如，圖I的已知的器械在該器械的彎曲的部分中可以利用有鞘的或波頓纜線而在直線部分中用桿元件。該桿元件能減少與致動器和接頭位置的直接關(guān)系相沖突的拉伸。但是，在一些應(yīng)用中希望利用更柔性材料的筋(例如，在希望電絕緣或最小摩擦的情況下，用聚合物筋)，但是對于依賴于致動器和接頭位置之間的直接關(guān)系的控制過程，這種筋可以引起不合格的拉伸量。根據(jù)本發(fā)明的一方面，用于圖2和圖3A的醫(yī)療器械，或具有柔順連接件的其他器械的控制過程可以利用機械接頭的位置的遠(yuǎn)距離測量來確定被施加以驅(qū)動機械接頭的張力。圖4示意地示出具有機械接頭410的醫(yī)療器械400的示意圖，該接頭具有對應(yīng)于角或位置Θ的運動自由度。一般來說，接頭410可以是在醫(yī)療器械的兩部分之間提供單個運動自由度的任何機械裝置。在一個實施例中，接頭410可以是使兩個剛性的連接構(gòu)件能夠繞接頭軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。在另一個實施例中，兩個剛性連接件之間的旋轉(zhuǎn)可以不繞固定軸線。在另一個實施例中，兩個剛性連接件之間的旋轉(zhuǎn)可以通過彎曲連接所述連接件的可彎曲部分來實現(xiàn)。在另一個實施例中，接頭410是由致動連接件420和422撓曲的彎曲部分，因此改變諸如導(dǎo)管的連續(xù)柔性構(gòu)件的兩個相鄰的部分之間的相對角度。術(shù)語“位置”在本文中廣義地用來包括笛卡爾位置、角度位置或機械系統(tǒng)自由度構(gòu)造的其他表示。傳感器(未示出)測量遠(yuǎn)距離接頭410處的位置Θ并且，例如，通過從器械400遠(yuǎn)端的傳感器通過器械400的主管(未示出)到器械400近端的控制系統(tǒng)450的信號線(未示出)為控制系統(tǒng)450提供測量的位置Θ。傳感器可以附加地測量接頭410運動的速 度^，或速度^可以從兩個或更多個測量的位置Θ推導(dǎo)出。 接頭410通過柔順連接件420連接于致動器440，因此接頭410遠(yuǎn)離致動器，例如，接頭410可以在器械的遠(yuǎn)端，而致動器440在該器械的近端。在所示的實施例中，柔順連接件420連接接頭410，使得由致動器440施加于連接件的420的張力T趨向于沿著順時針方向轉(zhuǎn)動接頭410。但是，連接件420可以是(但不要求是)如此柔順以至于接頭410的位置和致動器440的位置之間的直接關(guān)系對于控制接頭410不夠精確。例如，連接件420可以拉伸，因此在對連接件420施加的最小和最大的張力T之間，連接件420的有效長度之差可以對應(yīng)于接頭鉸接的45°。相反，常用的醫(yī)療裝置可以對應(yīng)于不大于接頭鉸接的少數(shù)幾度的拉伸，以便能夠根據(jù)致動器位置精確地建模接頭的位置。應(yīng)當(dāng)理解，在一般的情況下，柔順性不限于彈簧結(jié)構(gòu)的簡單的虎克定律拉伸。柔順的連接件420可以包括，例如，圖2的實施例中的筋222和后端機構(gòu)230的至少一部分，或圖3A的實施例中的筋322和后端機構(gòu)330的至少一部分。一般來說，連接件420與施加于連接件420的近端的張力T的響應(yīng)和沿著連接件420的長度施加于連接420的外力的響應(yīng)很難被建模?？梢园▓D2或圖3A的馬達(dá)242或342的致動器440對連接件420的近端施加張力T，并且通過連接件420對接頭410施加力或轉(zhuǎn)矩。但是，其他的力和轉(zhuǎn)矩也可以施加于接頭410。具體說，一個或更多個其他的連接件420可以連接于接頭410，并且共同施加趨向于使接頭410轉(zhuǎn)動的凈張力或力。在圖4的所示實施例中，單個連接件422連接于接頭410和驅(qū)動馬達(dá)442，因此連接件422中的張力趨向于對抗施加的張力T并且在圖4中逆時針轉(zhuǎn)動接頭410。在連接件422連接于接頭410的情況下，附加的連接件422或多個連接件可以是與連接件420相同而不是不同。控制系統(tǒng)450可以是執(zhí)行程序的通用的計算機或者是被布線成產(chǎn)生控制致動器440施加于柔順連接件420的張力T的驅(qū)動信號的電路。當(dāng)致動器440是電動馬達(dá)時，驅(qū)動信號可以是控制從致動器44輸出的轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動電壓或電流，并且張力T等于馬達(dá)轉(zhuǎn)矩除以張力T施加于連接件420的有效力臂。正如在下面進(jìn)一步描述的，控制系統(tǒng)450可以利用接頭410的希望位置Θ D、希望速度&以及在當(dāng)前或前面時間的接頭410的一個或更多個測量位置Θ計算張力T的幅值或馬達(dá)轉(zhuǎn)矩的幅值。使用者(例如控制系統(tǒng)400的外科醫(yī)生)可以通過操作控制器460提供希望的位置Θ D和速度^ ^除非控制器460能夠提供用來確定希望的位置Θ D和速度^的值的信號，否則控制器460的確切的結(jié)構(gòu)對本發(fā)明不是關(guān)鍵的。用于復(fù)雜的醫(yī)療器械的合適的手動控制器通常提供多種信號來表示用于醫(yī)療器械的運動的許多同步指令，并且這些運動可以涉及器械中的多個接頭。例如，在從IntuitiveSurgical, Inc.能夠得到的Vinci外科系統(tǒng)的主控制器中,提供用作控制器460的合適的操作器。在時間間隔At將接頭410從其當(dāng)前的測量位置Θ移動到希望的位置ΘΒ所需要的張力T通常決定于許多因素，包括對抗施加的張力T的接頭410的有效慣性；施加張力T的致動器440的慣性，連接于接頭410并且施加凈有效力的任何其他連接件的慣性；對接頭410施加的外力；抵抗接頭410的致動或連接件的運動的內(nèi)部或外部摩擦力；接頭410的當(dāng)前速度 ,以及內(nèi)部和外部阻尼力。許多這些因素可以根據(jù)器械400的工作環(huán)境而改變并且很難測量或建模。但是，根據(jù)醫(yī)療器械中用于具體接頭的系統(tǒng)力學(xué)或根據(jù)經(jīng)驗可以建
模。在一個具體實施例中，控制系統(tǒng)450從遠(yuǎn)端接頭誤差(Θ D- Θ )和(1 — 確定張力Τ，其相應(yīng)地是接頭410的測量的位置和希望的位置之間的差和接頭410的測量的速度和希望的速度之間的差。具體說，隨著(ΘΒ-Θ )和(& —S)增加的施加的張力T將趨向于使接頭410的位置在希望的位置匯合。圖5是用于控制具有圖4的系統(tǒng)400的基本結(jié)構(gòu)的醫(yī)療器械的過程500的流程圖。過程500開始于步驟510，即讀取接頭410的位置Θ的當(dāng)前值并且確定接頭速度^的當(dāng)前值。該速度可以被直接測量，或例如在假設(shè)恒速(例如，^=<0或假定給出在先確定的速度的恒加速度的情況下，用當(dāng)前位置Θ、在先的位置^、兩個測量值之間的時間間隔At，以已知的方式確定或近似。然后步驟515需要接頭410的希望的位置Θ D和希望的速度& ,并且步驟520計算測量的位置和希望的位置之間的差或誤差(Θ D- Θ )以及測量的速度和希望的速度之間的差或誤差(^D-。在步驟520計算的位置和速度誤差可以用來確定接頭410到達(dá)希望的位置Θ D所需要的張力T。在圖5的實施例中，施加的張力T可以包括多重分布，并且主要的分布是遠(yuǎn)端張力Tdist，該張力確定為位置誤差(ΘΒ-Θ )和速度誤差(h-S)的函數(shù)。遠(yuǎn)端張力Tdist與致動器的位置無關(guān)，例如與馬達(dá)軸的角度無關(guān)，即便在接頭410的位置和致動器400的位置之間不存在直接關(guān)系的情況下，這也能夠確定遠(yuǎn)端張力TDIST。在一個具體的實施例中，函數(shù)匕具有方程I的形式，其中g(shù)l和g2是增益因子，C是常數(shù)或與幾何形狀有關(guān)的參數(shù)，而Tsign是連接件符號，符號Tsign與由連接件420中的張力產(chǎn)生的接頭410的運動有關(guān)，并且例如,如果連接件420中的張力T趨向于增加位置坐標(biāo)Θ，則可以是正的(例如，+1)，并且，如果連接件420中的張力T趨向于減小位置坐標(biāo)Θ，則可以是負(fù)的(例如，-I)。在另一個實施例中，函數(shù)F1對力強加一個下限，例如，為了使力總是正的。參數(shù)C可以是根據(jù)由該系統(tǒng)的其他部分施加于接頭4 I O的已知或建模而得的力選擇的常數(shù)。例如，參數(shù)C可以是選擇成平衡由對接頭410施加力的其他連接件引起的轉(zhuǎn)矩的常數(shù)，或可以考慮到預(yù)期的摩擦或外力。但是參數(shù)C不嚴(yán)格要求是常數(shù)而是可以包括非常數(shù)項以便用于補償諸如重力或能夠被有效地建模的機械剛度的性質(zhì)，并且因此，C可以決定于測量的接頭的位置或速度。增益因子gl和g2可以根據(jù)接頭410的希望的剛度被選擇。具體說，當(dāng)接頭410用作靜態(tài)夾緊裝置時，施加于組織的凈夾緊力或轉(zhuǎn)矩取決于方程I的項gl (ΘΒ-Θ)。一般而言，增益因子gl和g2和常數(shù)C可以根據(jù)接頭410的希望的剛度或響應(yīng)性被選擇，或根據(jù)累計的誤差被選擇。例如，當(dāng)插入器械400以便沿著病人體內(nèi)的天然腔時，增益因子gl可以設(shè)置成小值，以使接頭410和緩地動作并且防止接頭410傷害周圍組織。在插入之后，增益因子gl可以設(shè)置成允許外科醫(yī)生用該器械精確地執(zhí)行外科任務(wù)的大值。方程I :F]=Tsiglt* (gl (Θ - Θ) + g2 ( k-i) + O方程I中的項(gl (θ0-θ) + g2 (k-h + C)可以用來近似地確定在給定的時間At利用連接件420轉(zhuǎn)動接頭410到達(dá)希望的位置、在接頭410當(dāng)前所需要的轉(zhuǎn)矩或力。該轉(zhuǎn)矩和力是相關(guān)的，因為轉(zhuǎn)矩是力和有效力臂R的乘積，該力臂R由連接件420與接頭410的連接和接頭410的旋轉(zhuǎn)軸線之間的垂直距離定義。該有效力臂R可以或者被結(jié)合到增益因子gl和g2和常數(shù)C內(nèi)，或者用來將計算的遠(yuǎn)端張力Tdist轉(zhuǎn)換成計算的轉(zhuǎn)矩。
在適當(dāng)?shù)剡x擇方程F1的情況下，例如在適當(dāng)?shù)剡x擇方程I中的參數(shù)gl和g2和C的情況下，遠(yuǎn)端張力Tdist能夠近似致動器400以響應(yīng)主控制器260的人操作者的操作的方式移動接頭410所需施加的力。但是，在一些情況下由步驟530、535、540和545提供可選的修正。具體說，可選步驟530和535分別計算位置誤差(Θ D- Θ )的飽和和或飽和積分I并且計算積分張力TINT?？梢允钦⒘慊蜇?fù)的積分張力Tint可以加到在步驟525中計算的遠(yuǎn)端張力Tdist中。積分張力Tint可以計算為飽和積分I的函數(shù)F2并且可以簡化成積分I和增益因子之積。在步驟530計算的飽和積分I可以簡化成過去N個間隔的位置誤差(Θ D- Θ )之和或在間隔末尾的測量位置和將到達(dá)的希望位置之間的差(Θ DJ- Θ H)。包含在該和中的間隔的數(shù)目N可以被限制或不被限制，而積分I可以是飽和的，其中積分的幅值不被允許超過最大飽和值。飽和值通常不被選擇成涵蓋(cap)該積分張力Tint的最大或最小值。但是，當(dāng)計算函數(shù)F2的值時，積分張力Tint的最大或最小值可以交替地被涵蓋?？蛇x的步驟540計算可以為正、零或負(fù)的本文叫做近端張力Tpkqx的另一個調(diào)節(jié)量。近端張力Tpkqx可以加到步驟525計算的遠(yuǎn)端張力TDIST。圖6是用于計算近端張力Tpkqx的過程600的流程圖。過程600開始于步驟610，即讀取致動器440的速度的當(dāng)前值。該速度可以通過連接于致動器440的底座上的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速計測量。為了提高計算效率，步驟610也可以安排成在圖5的步驟510和515之間運行。之后步驟620計算近端連接件速度差或誤差^R(,x ^該速度差或誤差；>R{)X定義為根據(jù)希望的接頭410的希望的速度^^計算的希望的連接件速度和根據(jù)當(dāng)前的致動器速度計算的當(dāng)前的連接件速度之間的差或誤差。在一個具體的實施例中，希望的連接件速度可以是有效的力臂R、連接件符號TsrcN和接頭410的希望的速度之積，而當(dāng)前的連接件速度可以是致動器440的有效力臂和致動器速度之積。在圖6所示的實施例中，近端張力Trara確定為近端連接件速度誤差:PR()X的函數(shù)F4。在一個具體的實施例中，函數(shù)F4可以簡化為近端連接件速度誤差；和增益因子之積。該增益因子可以選擇成對連接件420提供附加的阻尼效果。圖5的可選的步驟545計算可以是對在步驟525計算的遠(yuǎn)端張力Tdist的正、零或負(fù)調(diào)節(jié)的成對張力T_。圖7是用于計算成對張力Τ_的過程700的流程圖。過程700開始于步驟710，即讀取與接頭410有關(guān)的致動器440的當(dāng)前速度值<^和所有其他致動器的速度值。在圖4的系統(tǒng)中，有連接于接頭410的兩個致動器440和442和兩個致動器速度和^。步驟710可以安排成在圖5的步驟510和515之間運行以提高計算效率。然后步驟620計算成對連接件速度差或誤差；>AIR ,當(dāng)致動器440和442基本相同，例如，具有用于對相應(yīng)的連接件420和422操作的相同的有效力臂時，該速度差或誤差:MR定義為與接頭410有關(guān)的致動器440和442的當(dāng)前連接件速度^和^^,之間的差或誤差。在一個具體實施例中，當(dāng)前連接件速度誤差；^&可以是差(θ,- θκ )和致動器440和442的有效力臂之積。在圖7所示的實施例中，成對張力Tpaik確定為成對連接件速度差或誤差:PAIR的函數(shù)F5。在一個具體的實施例中，函數(shù)F5可以簡化成成對連接件速度差或誤差:PAm和增益因子之積。該增益因子可以選擇成為連接件420提供附加的阻尼效果。張力T在圖5的步驟550確定為遠(yuǎn)端張力Tdist、近端張力Tpkqx、成對張力Tpaik和積分張力Tint之和的函數(shù)F3。在圖8的實施例中，函數(shù)F3限制張力T的最大和最小值。最大張力Tmax和最小張力Tmin可以在控制系統(tǒng)450的編程(例如軟件)中被設(shè)定。不過，柔順連 接件本身可以具有最小或最大張力。例如，圖3A所示的連接件在馬達(dá)/致動器342或344空轉(zhuǎn)時具有通過預(yù)先加載系統(tǒng)333和335的設(shè)置控制的最小張力TMIN，并且當(dāng)連接馬達(dá)342或344的轉(zhuǎn)矩超過筋322或324在絞盤332或334上打滑的點時具有最大張力T臓。一般來說，理想地通過硬件和軟件二者來設(shè)定最大張力T祖。最大張力Tmax應(yīng)當(dāng)設(shè)置成避免由于大力而損壞器械，而最小張力Tmin應(yīng)當(dāng)設(shè)置成確保連接件中的筋不松弛并且不導(dǎo)致橫向移動或纏結(jié)。圖5的步驟555產(chǎn)生使致動器440施加在步驟550計算的張力T的控制信號。例如，當(dāng)致動器440是直接驅(qū)動電動馬達(dá)時，控制信號可以是控制成與計算的張力T成比例的驅(qū)動電流。在步驟560控制系統(tǒng)450使致動器440施加并保持計算的張力T 一段時間間隔At，在此期間接頭410朝著當(dāng)前希望的位置ΘΒ移動。當(dāng)改變張力T時，全部張力的施加根據(jù)致動器440的慣性將被延遲一定時間。優(yōu)選地，為了快速響應(yīng)，致動器440的慣性比較小。例如，用作致動器440的驅(qū)動馬達(dá)的慣性優(yōu)選將小于接頭410的慣性的五倍(lessthan five times)。在時間Δ t之后,過程500分支返回到步驟510以重復(fù)接頭位置的測量，獲得目標(biāo)位置和速度，并且計算在下一個時間間隔期間所施加的張力T。一般來說，時間Λ t應(yīng)當(dāng)足夠小，以提供對器械的操作者看起來很平滑并且不產(chǎn)生不希望的器械的振動的運動。例如，每秒鐘計算并設(shè)置張力T二百五十次或更多將對人眼提供看起來好像平滑的運動并且將提供響應(yīng)人的命令例如控制器460的人工操作的器械工作。利用張力T的計算誤差一般而言引起接頭410在希望的位置上匯合，而需要或不需要計算積分張力并且不需要具體建?；驕y量器械或外部環(huán)境。但是，正如上面所描述的，諸如在計算所施加張力T中所用的增益因子gl和g2的參數(shù)對于特定的器械能夠被調(diào)整，并且進(jìn)一步被調(diào)整成用于補償該器械的外部環(huán)境的變化。致動器442施加于連接件422的張力也可以用圖5的控制過程500來控制，并且根據(jù)與致動器440和連接件420相比較時致動器442和連接件422的類似性和差異性，在過程500中用于致動器442和連接件422的參數(shù)可以與用于致動器440和連接件420的參數(shù)相同或不相同。具體說，用于圖4的結(jié)構(gòu)中的致動器442的符號值Tsign與用于致動器440的符號值Tsign相反，因為連接件422和420連接成沿著相反的方向轉(zhuǎn)動接頭410。結(jié)果，在步驟520中計算的主要張力分布Tdist對于一個致動器440或442通常將是負(fù)的。計算所施加的張力T的步驟550可以將負(fù)張力之和Tdist+Tpkqx+Tpaik+Tint設(shè)置成最小張力，如圖8所示。因此，用于在步驟525中計算遠(yuǎn)端張力Tdist的參數(shù)，例如常數(shù)C，通?？梢愿鶕?jù)其他致動器將施加最小張力Tmin這一假定被選擇。雖然已經(jīng)參考具體實施例描述了本發(fā)明，但是描述僅僅是本發(fā)明應(yīng)用的例子并且 不應(yīng)當(dāng)當(dāng)作限制。所公開的實施例的特征的修改和組合在本發(fā)明的范圍內(nèi)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種醫(yī)療系統(tǒng)，包括 致動器； 接頭; 連接件，該連接件具有連接于該接頭的第一端和機械地連接于該致動器的第二端以便允許傳遞力來鉸接該接頭； 傳感器，其被連接成測量該接頭的位置；和 控制系統(tǒng)，其被連接成接收位置測量，其中利用所述位置測量，該控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)從該致動器傳遞給該連接件的致動器力。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該接頭是從由旋轉(zhuǎn)接頭、多連接部分和連續(xù)柔性部分構(gòu)成的一組中選擇的機構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該連接件是柔順的并且在該致動器力的調(diào)節(jié)值情況下拉伸對應(yīng)于大于接頭鉸接的允許不精確度的量。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該控制系統(tǒng)與該致動器的位置無關(guān)地調(diào)節(jié)傳遞給該連接件的該致動器力。
5.根據(jù)權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該控制系統(tǒng)利用該致動器力在最小值與最大值之間變化的函數(shù)確定該致動器力。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中該最小值將該連接件保持在張緊狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中在該函數(shù)的變化的范圍內(nèi)，該致動器力隨著該接頭的當(dāng)前位置測量和該接頭的當(dāng)前希望位置之間的差而變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中該力隨著當(dāng)前位置測量和當(dāng)前希望位置之間的差線性地變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中在變化范圍內(nèi)，該致動器力隨著該接頭的速度和該接頭的當(dāng)前希望速度之間的差而變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中該致動器力隨著該接頭的速度和該接頭的當(dāng)前希望速度之間的差線性地變化。
11.根據(jù)權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中在該變化范圍內(nèi)，該致動器力決定于該致動器的當(dāng)前速度。
12.根據(jù)權(quán)利要求I的系統(tǒng)，還包括 第二致動器；和 第二連接件，該第二連接件具有連接于該接頭的第一端和機械地連接于該第二致動器的第二端，以允許傳遞力來鉸接該接頭，并且其中 在變化范圍內(nèi)，該致動器力決定于該第二致動器的當(dāng)前速度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中該控制系統(tǒng)利用與該接頭有關(guān)的致動器的當(dāng)前速度之間的差的函數(shù)來確定該致動器力。
14.根據(jù)權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該控制系統(tǒng)利用該接頭的當(dāng)前位置測量和該接頭的當(dāng)前希望位置之間的差以及該接頭的速度和該接頭的當(dāng)前希望速度之間的差的函數(shù)來確定該致動器力。
15.根據(jù)權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該控制系統(tǒng)利用位置測量和希望位置之間的差的積分來確定該致動器力。
16.根據(jù)權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該控制系統(tǒng)利用該連接件的當(dāng)前希望速度和根據(jù)當(dāng)前致動器速度計算的該連接件的當(dāng)前速度之間的差的函數(shù)來確定該致動器力。
17.根據(jù)權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該控制系統(tǒng)每秒鐘多于250次地、作為檢測的遠(yuǎn)端位置的函數(shù)調(diào)節(jié)該致動器力。
18.根據(jù)權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該連接件和該致動器是可后驅(qū)動的。
19.根據(jù)權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該致動器包括直接驅(qū)動電動馬達(dá)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中該控制系統(tǒng)通過控制馬達(dá)電流來調(diào)節(jié)傳遞給該連接件的該致動器力。
21.根據(jù)權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該連接件包括筋，該筋包括聚合物筋、桿元件和波頓纜線至少其中之一。
22.根據(jù)權(quán)利要求I的系統(tǒng)，還包括 第二致動器；和 第二連接件，該第二連接件具有連接于該接頭的第一端和機械地連接于該第二致動器的第二端，以允許傳遞力來鉸接該接頭。
23.一種用于控制醫(yī)療器械的接頭的方法，該方法包括 測量接頭的位置； 接收表示該接頭的希望位置的命令； 確定與該致動器的位置無關(guān)的致動器力，其中確定該致動器力包括利用該接頭的位置和該接頭的該希望位置；以及 操作致動器以對連接于該接頭的連接件施加該致動器力。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中該連接件具有柔順性，以致該連接件提供的、在該接頭的位置和該致動器的位置之間的關(guān)系不足以利用該關(guān)系精確地控制該接頭。
25.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中利用該位置和該希望位置包括估算決定于該接頭的位置和該接頭的希望位置之間的差以及該接頭的速度和該接頭的希望速度之間的差的函數(shù)。
26.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，還包括 確定該接頭的速度；和 接收表示該接頭的希望速度的命令，其中 確定該致動器力包括利用該接頭器的速度和該接頭的希望速度。
27.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，還包括 確定該致動器的速度；和 接收表示該接頭的希望速度的命令，其中 確定該致動器力包括利用該致動器的速度和該接頭的希望速度。
28.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，還包括 確定該致動器的第一速度；和 確定通過該第二連接件連接于該接頭的第二致動器的第二速度，其中 確定該致動器力包括利用該第一速度和該第二速度。
29.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，還包括求和多個位置測量和多個希望位置之間的差以確定累積的差，其中確定該致動器力包括利用該累積的差。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于遠(yuǎn)距離接頭的控制系統(tǒng)和方法，該控制系統(tǒng)和方法利用位置測量確定并控制致動器通過連接件施加于該接頭的力。力和反饋的利用能夠控制具有在該接頭和近端致動器之間提供不能忽略的柔順性的連接件的醫(yī)療器械，特別是即便當(dāng)該遠(yuǎn)端接頭的位置不能與近端馬達(dá)位置直接相關(guān)也能夠允許精確的器械操作。
文檔編號A61B19/00GK102892373SQ201180023979
公開日2013年1月23日 申請日期2011年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者G·M·普里斯科, S·K·W·奧 申請人:直觀外科手術(shù)操作公司