用于配准到手术台的系统及方法技术方案

一种配准手术台和计算机辅助设备的系统及方法，该系统包括铰接臂以及联接到该铰接臂的控制单元。该铰接臂具有被构造成在身体开口处插入到患者体内的远端安装的器械。该控制单元被配置为检测经由通信连接联接到该控制单元的手术台的第一运动。该手术台的第一运动引起该铰接臂的控制点的相应的第二运动。该控制单元还被配置为确定该第一运动在手术台坐标系中的第一角方向，确定该第二运动在计算机辅助医疗设备坐标系中的第二角方向，并且基于该第一角方向和第二角方向来确定该手术台和该计算机辅助医疗设备之间的第三角度关系。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于配准到手术台的系统及方法相关申请本公开要求于2014年10月27日提交的标题为“用于集成手术床的系统及方法(SystemandMethodforIntegratedOperatingTable)”的美国临时专利申请62/069,245以及于2015年3月17日提交的标题为“用于配准到手术台的系统及方法(SystemandMethodforRegisteringtoaSurgicalTable)”美国临时专利申请US62/134,296的优先权，这两个公开通过引用以其全文结合在此。
本公开总体上涉及具有铰接臂的设备的操作，并且更具体地涉及确定具有铰接臂的设备与集成手术台之间的配准。
技术介绍
越来越多的设备正在被自主和半自主电子设备取代。这在现今在手术室、介入套房、加强监护病房、急诊室等中找到大批自主的和半自主的电子设备的医院尤其如此。例如，玻璃和水银温度计由电子温度计取代，静脉滴注管线现在包括电子监测器和流量调节器，并且传统的手持式外科器械正由计算机辅助医疗设备所取代。随着越来越多的自主和半自主设备投入使用，其提供了两个或更多个设备协作以实现共同目标的机会。例如，考虑在手术室或介入套件中的情景，其中具有一个或多个铰接臂的计算机辅助手术设备用于对位于具有铰接式结构的手术台上的患者执行手术，该铰接式结构允许该手术台的台面移动。当外科医生和/或其他手术室工作人员想要使用该手术台来重新调整和/或移动患者时，相对于该计算机辅助手术设备的铰接臂发生这种运动。为了避免造成对该患者的伤害、对该计算机辅助设备的损坏和/或对该手术台的损坏，理想的情况是该计算机辅助手术设备来检测该手术台的运动并相应地调整铰接臂。为了有效地实现这一点，了解该手术台和该计算机辅助手术设备之间的几何和/或运动学关系通常是有帮助的。该问题的一个解决方案是让手术室工作人员手动输入该位置和定向。在实践中，这可能是一种麻烦的、不切实际的和/或容易出错的过程。其他解决方案涉及例如通过将该计算机辅助手术设备栓接到该手术台而将该计算机辅助手术设备相对于该手术台放置在已知的位置和定向上，和/或使用该计算机辅助手术设备和该手术台之间的铰接式结构，该铰接式结构可以用于确定该计算机辅助手术设备和该手术台的位置和定向。这两种方法可能都不合理地限制了该计算机辅助手术设备的可能的位置和定向，这可能使得该计算机辅助手术设备难以有效地用于各种尺寸的患者和/或不同类型的手术。另外，这些方法可能引入当该计算机辅助手术设备和/手术台移动时可能必须执行的附加步骤。因此，有利的是具有确定计算机辅助手术设备和手术台的位置和定向(即配准)的改进的系统及方法。
技术实现思路
与一些实施例一致，一种计算机辅助医疗设备包括铰接臂以及联接到该铰接臂的控制单元。该铰接臂具有被构造成在身体开口处插入到患者体内的远端安装的器械。该控制单元被配置为检测经由通信连接联接到该控制单元的手术台的第一运动。该手术台的第一运动引起该铰接臂的控制点的相应的第二运动。该控制单元还被配置为确定该第一运动在手术台坐标系中的第一角方向，确定该第二运动在计算机辅助医疗设备坐标系中的第二角方向，并且基于该第一角方向和第二角方向来确定该手术台和该计算机辅助医疗设备之间的第三角度关系。根据一些实施例，该控制单元还被配置为检测该手术台的第三运动。该手术台的第三运动包括围绕第一轴线的第一旋转。该手术台的第三运动引起该控制点的相应的第四运动。该控制单元还被配置为检测该手术台的第五运动。该手术台的第五运动包括围绕第二轴线的第二旋转。该手术台的第五运动引起该控制点的相应的第六运动。该第二轴线与该第一轴线不同。该控制单元还被配置为基于第一旋转和该控制点的第四运动来确定该控制点和该第一轴线之间的第一垂直距离，基于第二旋转和该控制点的第六运动来确定该控制点和该第二轴线之间的第二垂直距离，并且基于该控制点的位置以及该第一垂直距离和第二垂直距离来确定该设备和该手术台之间的XY配准。与一些实施例一致，一种配准手术台和计算机辅助医疗设备的方法包括检测手术台的第一运动。第一运动引起该计算机辅助医疗设备的铰接臂的控制点的相应的第二运动。该计算机辅助医疗设备经由通信连接联接到该手术台。该方法还包括：确定该第一运动在手术台坐标系中的第一角方向，确定该第二运动在计算机辅助医疗设备坐标系中的第二角方向，以及基于该第一角方向和第二角方向来确定该手术台和该计算机辅助医疗设备之间的第三角度关系。根据一些实施例，该方法还包括检测该手术台的第三运动。该手术台的第三运动包括围绕第一轴线的第一旋转。该手术台的第三运动引起该控制点的相应的第四运动。该方法还包括检测该手术台的第五运动。该手术台的第五运动包括围绕第二轴线的第二旋转。该手术台的第五运动引起该控制点的相应的第六运动。该第二轴线与该第一轴线不同。该方法还包括：基于第一旋转和该控制点的第四运动来确定该控制点和该第一轴线之间的第一垂直距离，基于第二旋转和该控制点的第六运动来确定该控制点和该第二轴线之间的第二垂直距离，并且基于该控制点的位置以及该第一垂直距离和第二垂直距离来确定该设备和该手术台之间的XY配准。与一些实施例一致，一种非暂时性机器可读介质包括多个机器可读指令，这些机器可读指令在由与计算机辅助医疗设备相关联的一个或多个处理器执行时适于使该一个或多个处理器来执行一种方法。该方法包括检测手术台的第一运动。第一运动引起该计算机辅助医疗设备的铰接臂的控制点的相应的第二运动。该计算机辅助医疗设备经由通信连接联接到该手术台。该方法还包括：确定该第一运动在手术台坐标系中的第一角方向，确定该第二运动在计算机辅助医疗设备坐标系中的第二角方向，并且基于该第一角方向和第二角方向来确定该手术台和该计算机辅助医疗设备之间的第三角度关系。根据一些实施例，该方法还包括检测该手术台的第三运动。该手术台的第三运动包括围绕第一轴线的第一旋转。该手术台的第三运动引起该控制点的相应的第四运动。该方法还包括检测该手术台的第五运动。该手术台的第五运动包括围绕第二轴线的第二旋转。该手术台的第五运动引起该控制点的相应的第六运动。该第二轴线与该第一轴线不同。该方法还包括：基于第一旋转和该控制点的第四运动来确定该控制点和该第一轴线之间的第一垂直距离，基于第二旋转和该控制点的第六运动来确定该控制点和该第二轴线之间的第二垂直距离，并且基于该控制点的位置以及该第一垂直距离和第二垂直距离来确定该设备和该手术台之间的XY配准。附图说明图1是根据一些实施例的计算机辅助系统的简化图。图2是示出根据一些实施例的计算机辅助系统的简化图。图3是根据一些实施例的计算机辅助医疗系统的运动学模型的简化图。图4A和图4B是根据一些实施例的手术台和计算机辅助设备之间的关系的简化图。图5是根据一些实施例的θZ配准手术台与计算机辅助设备的方法的简化图。图6是根据一些实施例的设备基座坐标系和台座坐标系之间的关系的简化图。图7是根据一些实施例的XY配准手术台与计算机辅助设备的方法的简化图。图8A-8G是示出结合了本文所述的集成计算机辅助设备和可移动手术台特征的各种计算机辅助设备系统架构的简化示意图。在附图中，具有相同标号的元件具有相同或类似的功能。具体实施方式在以下描述中，阐明了具体细节以便描述与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种计算机辅助医疗设备，包括：铰接臂，所述铰接臂具有被配置为在身体开口处插入患者体内的远端安装的器械；联接到所述铰接臂的控制单元；其中所述控制单元被配置成：检测经由通信连接联接到所述控制单元的手术台的第一运动，所述手术台的所述第一运动引起所述铰接臂的控制点的相应的第二运动；确定所述第一运动在手术台坐标系中的第一角方向；确定所述第二运动在计算机辅助医疗设备坐标系中的第二角方向；以及基于所述第一角方向和第二角方向确定所述手术台和所述计算机辅助医疗设备之间的第三角度关系。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.27 US 62/069,245;2015.03.17 US 62/134,2961.一种计算机辅助医疗设备，包括：铰接臂，所述铰接臂具有被配置为在身体开口处插入患者体内的远端安装的器械；联接到所述铰接臂的控制单元；其中所述控制单元被配置成：检测经由通信连接联接到所述控制单元的手术台的第一运动，所述手术台的所述第一运动引起所述铰接臂的控制点的相应的第二运动；确定所述第一运动在手术台坐标系中的第一角方向；确定所述第二运动在计算机辅助医疗设备坐标系中的第二角方向；以及基于所述第一角方向和第二角方向确定所述手术台和所述计算机辅助医疗设备之间的第三角度关系。2.如权利要求1所述的设备，其中所述第一运动和所述第二运动是在水平面中的投影。3.如权利要求1所述的设备，其中所述控制点对应于与所述身体开口相关联的所述铰接臂的远程运动中心。4.如权利要求1所述的设备，其中所述控制单元还被配置为基于在所述第一运动开始时记录的第一手术台变换和在所述第一运动结束时的第二手术台变换确定所述第一角方向。5.如权利要求1所述的设备，其中所述控制单元还被配置为基于在所述第二运动开始时所述控制点的第一位置和所述控制点在所述第二运动结束时的第二位置来确定所述第二角方向。6.如权利要求1所述的设备，其中所述第二运动的长度大于预定阈值。7.如权利要求6所述的设备，其中所述预定阈值为8mm。8.如权利要求1所述的设备，其中所述第二运动包括一系列增量运动。9.如权利要求8所述的设备，其中每个所述增量运动都比预定距离长。10.如权利要求9所述的设备，其中所述预定距离为1mm。11.如权利要求8所述的设备，其中每个所述增量运动都是所述控制点在预定时间长度内的净运动。12.如权利要求11所述的设备，其中所述预定时间长度为10ms。13.如权利要求8所述的设备，其中所述控制单元还被配置为将所述第二运动与由所述增量运动描述的路径进行比较。14.如权利要求8所述的设备，其中所述控制单元还被配置为：确定所述第二运动的大小；确定每个所述增量运动的大小的总和；以及确定所述第二运动的大小与每个所述增量运动的大小的所述总和的比率大于预定阈值。15.如权利要求14所述的设备，其中所述预定阈值为0.9。16.如权利要求1所述的设备，其中所述手术台坐标系和所述计算机辅助医疗设备坐标系具有共同的垂直参考系和相对于彼此旋转所述第三角度关系的X轴和Y轴。17.如权利要求1所述的设备，其中所述第二运动基于与所述计算机辅助医疗设备的多个铰接臂相关联的控制点的聚合。18.如权利要求1所述的设备，其中所述控制单元还被配置为将所述第三角度关系与其他角度关系聚合以形成复合角度关系。19.如权利要求17所述的设备，其中所述其他角度关系对应于由于附加的手术台运动而导致的在所述手术台和所述计算机辅助医疗设备之间的角度关系。20.如权利要求17所述的设备，其中所述其他角度关系对应于使用所述计算机辅助医疗设备的其他控制点确定的所述手术台和所述计算机辅助医疗设备之间的角度关系。21.如权利要求17所述的设备，其中所述控制单元还被配置为使用从由求平均、指数平滑和最小二乘估计组成的群组中选择的一种或多种聚合来确定所述复合角度关系。22.如权利要求17所述的设备，其中所述控制单元还被配置为继续将所述第三角度关系与所述其他角度关系聚合，直到所述复合角度关系收敛。23.如权利要求22所述的设备，其中所述控制单元进一步经配置以当所述复合变换在所述第三角度关系与其他角度关系聚合时改变小于阈值时确定所述复合角度关系收敛。24.如权利要求23所述的设备，其中所述阈值为2度。25.如权利要求23所述的设备，其中所述控制单元还被配置为降低所述手术台的等中心点，直到所述复合角度关系收敛。26.如权利要求25所述的设备，其中所述控制单元还被配置为在所述复合角度关系收敛之后恢复所述等中心点。27.如权利要求26所述的设备，其中在所述等中心点恢复之后从所述第一运动中排除特伦德伦伯卧位调整。28.如权利要求1所述的设备，其中所述第一运动是从由滑动调整、倾斜调整和特伦德伦伯卧位调整组成的群组中选择的一个或多个运动。29.如权利要求1所述的设备，其中所述控制单元还被配置为基于所述第三角度关系生成手术台到计算机辅助医疗设备变换。30.如权利要求1所述的设备，其中所述控制单元在检测所述第一运动和所述第二运动之前降低所述手术台的等中心点。31.如权利要求1所述的设备，其中所述控制单元还被配置为基于所述第一角度关系和所述第二角度关系之间的差来确定所述第三角度关系。32.如权利要求1所述的设备，其中当所述第一运动的旋转中心所处的高度位于所述控制点上方时，所述控制单元将所述第一角度关系调整180度。33.如权利要求32所述的设备，其中所述第一运动的所述旋转中心对应于所述手术台的等中心点。34.如权利要求33所述的设备，其中所述第一运动对应于特伦德伦伯卧位调整。35.如权利要求1所述的设备，其中所述控制单元还被配置成引导所述手术台以执行所述第一运动。36.如权利要求1所述的设备，其中由于使用所述手术台的手术台命令单元来请求手术台运动而发生所述第一运动。37.如权利要求1所述的设备，其中所述控制单元还被配置为：检测所述手术台的第三运动，所述手术台的所述第三运动包括围绕第一轴线的第一旋转，所述手术台的所述第三运动引起所述控制点的相应的第四运动；检测所述手术台的第五运动，所述手术台的所述第五运动包括围绕第二轴线的第二旋转，所述手术台的所述第五运动引起所述控制点的相应的第六运动，所述第二轴线与所述第一轴线不同；基于所述第一旋转和所述控制点的第四运动来确定所述控制点和所述第一轴线之间的第一垂直距离；基于所述第二旋转和所述控制点的第六运动来确定所述控制点和所述第二轴之间的第二垂直距离；以及基于所述控制点的位置以及所述第一垂直距离和所述第二垂直距离来确定所述设备和所述手术台之间的XY配准。38.如权利要求37所述的设备，其中所述设备和所述手术台之间的XY配准对应于所述手术台在所述计算机辅助医疗设备坐标系中的旋转点的位置。39.如权利要求37所述的设备，其中为了确定所述设备和所述手术台之间的所述XY配准，所述控制单元还被配置为：确定所述控制点的位置；沿着垂直于所述第一轴线的第一方向投影所述第一垂直距离；以及沿着垂直于所述第二轴线的第二方向投影所述第二垂直距离。40.如权利要求37所述的设备，其中所述第一轴线和所述第二轴线具有至少30度的角间距。41.如权利要求40所述的设备，其中所述第一轴线和第二轴线是垂直的。42.如权利要求37所述的设备，其中所述第一轴线是倾斜旋转轴线，并且所述第二轴线是特伦德伦伯卧位旋转轴线。43.如权利要求37所述的设备，其中所述第一运动和所述第三运动是相同的运动。44.如权利要求37所述的设备，其中所述控制单元被进一步被配置为使用所述控制点的第四运动和第六运动在XY平面中的投影来确定所述XY配准。45.如权利要求37所述的设备，其中所述第四运动和所述第六运动基于与所述计算机辅助医疗设备的多个铰接臂相关联的控制点的聚合。46.如权利要求37所述的设备，其中所述控制单元进一步被配置为将XY配准与其他XY配准聚合以形成复合XY配准。47.如权利要求46所述的设备，其中所述其他XY配准对应于由于附加的手术台运动而导致的在所述手术台和所述计算机辅助医疗设备之间的XY配准。48.如权利要求46所述的设备，其中所述其他XY配准对应于使用所述计算机辅助医疗设备的其他控制点确定的所述手术台和所述计算机辅助医疗设备之间的XY配准。49.如权利要求46所述的设备，其中所述控制单元还被配置为使用从由求平均、指数平滑和最小二乘估计组成的群组中选择的...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·G·格里菲思，B·D·伊特科维兹，
申请(专利权)人：直观外科手术操作公司，
类型：发明
国别省市：美国,US