用于成像导向和机器人辅助外科手术的机器人装置和系统制造方法及图纸

本发明专利技术提供用于成像导向的机器人辅助的外科手术过程的机器人系统(例如，MRI导向的机器人)以及用于使用所述机器人系统对病人执行这种外科手术过程的方法。机器人系统包括机器人机械手或全局定位器、用于致动机械连接的机器人机械手或全局定位器的装置、以及具有存储器、处理器和与机器人系统电子通信的至少一个网络连接的计算机。所述致动装置包括至少一个传输管线，所述传输管线具有包括可移动介质的柔性部件、包括刚性活塞刚性部件或其组合，致动通过上述部件被传送到机器人机械手或全局定位器。计算机可触知地储存存储器软件模块，所述存储器软件模块包括处理器可执行指令以在机器人系统、成像系统和操作者之间提供接口并控制其操作。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于成像导向和机器人辅助外科手术的机器人装置和系统相关申请的交叉引用本国际申请要求于2012年8月24日申请的美国临时申请第61/692,943号在35U.S.C.§119(e)下的优先权利益，该申请现在已经放弃，该申请的整体在此并入本文作为参考。联邦资助本专利技术在由国家科学基金颁发的授权编号CNS-0932272下由政府支持而做出的。政府对本专利技术具有特定权利。
本专利技术涉及机器人、机器人辅助外科术和用于其操作的软件的领域。具体地，本专利技术提供一种机器人系统，所述机器人系统包括机器人机械手和致动器以及适用软件和硬件，包括用于现场使用的MRI兼容的医学机器人平台、实时成像导向诊断、外科手术和最少侵入的医学介入。
技术介绍
包括单端口访问SPA外科手术和经皮肤的介入的最小入侵过程中的机器人辅助设备正在出现，由于与传统的开口外科手术或者徒手介入相比，对病人更友好、增强操作性且节省最终成本。这种模式变化需要稳固的、可升级且有效的方法学，用于融合例如组织和分子水平成像的多模态感测、诸如机器人和触觉装置的控制系统、以及例如外科手术、放射、心脏病等的介入。研发创新的计算方法、机器人机械手和触觉接口的开拓团体的主要努力已经为朝向这个巨大的突破做好准备。展望图像引导和机器人辅助IGRA过程的未来，多个因素可以有助于下一代系统，包括可以使用有效的操作者界面来本地地估计组织病理和功能的实时成像引导的无缝集成。实时成像引导RTIG为估定AoP的过程区域提供独特的特征，包括：1.估定实时组织变形和运动，以辅助过程或自然运动，例如呼吸或者心脏搏动；2.以3D监测工具；和3.更新目标组织的病理生理学信息。通过赋予这种特征，实时成像引导可以有助于从“锁眼”可视化的当前方法(即，内窥镜检查或者腹腔镜检查和可预先操作的成像引导)到AoP的更全局且丰富信息的感知的模式变化和方法飞跃，从而能够获得复杂外科手术的更宽的范围和水平。在本上下文中，广义的开创性操作已经使用包括超声波US和磁共振成像MRI的不同的成像模态来执行，用于对徒手或者机器人辅助的过程。图像引导和机器人辅助过程具有挑战性、高度复杂且是大范围的临床范例，并且许多团体已经或者正在探求可行的技术。多个图像引导和机器人辅助装置已经被开发或者正在开发。可以使MRI引导外科手术发生革命性变化的MR相容的NeuroArm是一种复杂且高成本的技术，但是该技术不适合实时MR引导。美国国立卫生研究院研究的另外的系统是基于机器人，该机器人工业上不再提供。因此，本领域需要改进的图像引导及机器人辅助过程，具体地需要用于机器人控制的实时多模态成像和用于人员介入自主操纵或者机器人的手动控制的HIMI。更具体地，现有技术缺乏设计用于在成像扫描仪的空间限制内的机器人装置、系统和方法、用于致动可以在磁共振环境的超强磁场中运用及能够实时跟踪组织的机器人的装置。本专利技术实现本领域中的这个长期存在的需求和愿望。
技术实现思路
本专利技术涉及一种用于机器人辅助外科手术过程的机器人系统。所述机器人系统包括至少一个成像导向的机器人机械手、用于致动机械连接的机器人机械手的装置、以及具有存储器、处理器和与机器人机械手电子通信的至少一个网络连接的计算机。本专利技术涉及一种相关的机器人系统，所述机器人系统还包括至少一个可移动、可旋转且可机械连接的基部，机器人机械手固定在所述基部上，其中基部可移动地定向以配合病人的外科手术过程的区域。本专利技术涉及一种相关的机器人系统，所述机器人系统还包括被构造成从成像系统发送和接收信号以引导成像模态的至少一个传感器、和可选的多个对比标识，所述对比标识设置在机器人机械手装置上或者绕着机器人机械手装置设置以准确地配准机器人机械手。本系统还涉及一种用于在对病人实时成像导向下执行机器人辅助的外科手术过程的方法。所述方法包括以下步骤：如在此所述紧邻病人定位机器人系统；调节至少一个可移动、可旋转且可机械连接的基部的方向和位置，其中机器人机械手装置固定在所述基部上，然后病人通过成像模态被成像。包括机器人系统的机器人机械手通过成像期间以电子方式获得的信息被实时引导到病人的过程区域。通过成像导向的机器人机械手对病人执行外科手术过程。本专利技术涉及一种相关方法，所述相关方法进一步包括以下步骤：从与机器人机械手配准的一个或多个成像或非成像传感器获得信息，所述机器人机械手包括第一全局定位器单元、第二单元和第三单元，所述第三单元包括用于接收关于所述过程区域中的组织的附加信息。本专利技术进一步涉及一种用于执行外科手术过程的磁共振成像(MRI)导向的机器人，包括：全局定位器，所述全局定位器具有至少一个可移动平台和多个单元，所述至少一个可移动平台被构造成以至少一个自由度移动，所述多个单元与磁共振成像系统连接；至少一个可移动、可旋转且可机械连接的基部，全局定位器固定在所述基部上，其中基部可移动地定向以配合病人的外科手术过程区域；至少一个致动传输管线，所述传输管线包括机械或电子连接到全局定位器和致动电源且电子连接到包括计算机的机器人控制模块或者手控机器人控制器的柔性部件、刚性部件或交替组合，使得至少一个致动传输管线被构造成用于致动一个自由度的全局定位器，其中所述柔性部件具有包括可移动介质的多个线性设置的球体，所述刚性部件具有多个线性设置的活塞；和连接到计算机的至少一个有线或无线网络，所述计算机可触知地储存存储器软件模块，所述存储器软件模块具有处理器可执行指令以操作磁共振成像系统和机器人。本专利技术涉及一种相关的MRI导向的机器人，该机器人进一步包括紧邻全局定位器、或包括全局定位器的全局定位第一单元、或机器人上的任何其它位置设置的至少一个射频线圈，以对工作区成像，其中射频线圈被构造成从MR成像系统发送和接收信号，并且可选地包括设置在机器人上或者绕着机器人设置以准确地配准的多个对比标识。本专利技术涉及另一种相关的MRI导向的机器人，其中当两个或更多个可移动平台被设置成平行关系时，机器人进一步包括在所述可移动平台之间的至少一个机械连接件。本专利技术进一步涉及一种实时磁共振图像导向方法，用于对病人执行机器人辅助的外科手术。所述方法包括以下步骤：使全局定位器的基部旋转、移动或者旋转和移动以对应于用于成像的病人的位置，使得全局定位器的工作区包括过程区域；和将包括机器人机械手的基部固定在调节的位置。MR成像系统与全局定位器共配准，所述全局定位器接着通过包括MR成像系统的坐标系被以一个或多个自由度实时引导，以与病人的用于外科手术的区域对准。与全局定位器配准的一个或多个外科手术装置展开到病人中，从而实时执行磁共振图像导向外科手术。本专利技术涉及一种相关的MRI导向方法，进一步包括以下步骤：从与全局定位器配准的一个或多个成像或非成像传感器获得信息，所述全局定位器包括第一全局定位器单元、第二单元和第三单元，所述第三单元包括用于接收关于过程区域中的组织的附加信息。本专利技术的其它和进一步方面、特征和优点将从以下为了揭露而提供的本专利技术的当前优选实施例的说明清楚呈现。附图说明因此，本专利技术的上述的特征、优点和目的以及将更加清楚的其它方面能够获得且详细地了解，以上简要概括的本专利技术的更具体的说明和特定实施例显示在所附附图中。这些附图形成说明书的一部分。然而，要提及的是所附附图显示本专利技术的优选实施例，因此本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于机器人辅助外科手术过程的机器人系统，包括：至少一个图像导向的机器人机械手装置；用于致动的装置，用于致动机械地连接到该装置的所述机器人机械手；和计算机，所述计算机具有存储器、处理器、和与所述机器人机械手和所述用于致动的装置电通信的至少一个网络连接。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.08.24 US 61/692,9431.一种用于机器人辅助外科手术过程的机器人系统，包括：至少一个图像导向的机器人机械手装置；用于致动所述机器人机械手装置的装置，所述机器人机械手装置机械地连接到所述用于致动所述机器人机械手装置的装置；和计算机，所述计算机具有存储器、处理器、和与所述机器人机械手装置和所述用于致动的装置电通信的至少一个网络连接，其中：所述机器人机械手装置包括被构造成以一个或多个自由度移动的至少一个可移动平台，所述可移动平台中的两个或更多个以平行关系设置，所述机器人系统还包括在所述可移动平台之间的至少一个机械连接件。2.根据权利要求1所述的机器人系统，还包括：至少一个可移动、可旋转且可机械连接的基部，所述机器人机械手裝置固定在所述基部上，所述基部能够移动地定向以配合病人的进行所述外科手术过程的区域。3.根据权利要求1所述的机器人系统，还包括：至少一个传感器，所述至少一个传感器被构造成发送信号和从成像系统接收信号，以有效地引导成像模态；和，多个对比度标识，所述对比度标识设置在所述机器人机械手装置上或者附近，以准确地配准所述机器人机械手装置。4.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述机器人机械手装置包括：至少一个第一单元，所述至少一个第一单元被构造成用于全局定位；至少一个第二单元，所述第二单元中的一个能够移动地连接到所述第一单元；至少一个第三单元，所述至少一个第三单元包括一个或多个外科手术装置或模态，所述第三单元中的一个能够移动地连接到所述第二单元中的一个并通过所述第二单元能够展开到身体中；和多个接口，所述多个接口与所述第一单元、所述第二单元或所述第三单元或者其组合以及所述计算机电通信，所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元中的每一个单独地或者组合地被构造用于经过所述接口共配准。5.根据权利要求4所述的机器人系统，还包括：一个或多个成像或非成像传感器，所述传感器关于病人的身体内部地或外部地设置，所述传感器能够与所述第一单元、所述第二单元或所述第三单元或者其组合配准。6.根据权利要求5所述的机器人系统，其中，所述机器人机械手装置的所述第二单元、所述第三单元、或者所述第二单元和所述第三单元两者还包括能够旋转地连接到所述一个或多个传感器的旋转元件。7.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述机器人机械手装置在外科手术期间通过与成像系统坐标系的配准被图像导向。8.根据权利要求7所述的机器人系统，其中，所述成像系统包括磁共振成像或光谱成像或其组合、超声波成像、X光计算层析成像、X光乳房造影术、光学成像或者视频装置。9.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述用于致动所述机器人机械手装置的装置包括：至少一个致动传输管线，所述致动传输管线机械或电连接到所述机器人机械手装置；和致动电源，所述致动电源机械地连接到所述致动传输管线且电连接到包括所述计算机的机器人控制模块或者手控机器人控制器。10.根据权利要求9所述的机器人系统，其中，所述致动传输管线包括：多个球体，所述球体包括可移动介质；可移动柔性管道，所述可移动柔性管道容纳所述多个球体；和可线性移动的第一塞状部件，所述第一塞状部件设置在所述柔性管道的一端或两端处，所述第一塞状部件与所述柔性管道和所述致动电源机械连通，使得所述第一塞状部件的致动通过所述多个球体传送到所述机器人机械手装置或者固定所述机器人机械手装置的至少一个基部。11.根据权利要求10所述的机器人系统，其中，所述柔性管道还包括：一个或多个开口，所述一个或多个开口沿着所述柔性管道的长度设置；和第二塞状连接件，所述第二塞状连接件定位在两个相邻的球体之间且延伸通过所述开口；或者在所述柔性管道外的外部结构，所述在所述柔性管道外的外部结构通过所述开口与一个或多个球体能够移动地接合，所述第二塞状部件或所述外部结构直接或间接地与所述致动电源机械连通，从而通过所述第二塞状部件或所述外部结构传送致动。12.根据权利要求10所述的机器人系统，其中，所述柔性管道还包括：多个环，所述多个环设置在所述柔性管道内，所述环中的每一个设置在一对或多对相邻的球体之间；其中，所述多个环替换所述柔性管道内的一个或多个球体，所述环包括用于对中所述球体且减少所述管道内的摩擦的装置。13.根据权利要求10所述的机器人系统，其中，所述柔性管道还包括：内部润滑套管，所述内部润滑套管设置在所述柔性管道的内表面与所述多个球体之间；和外部横向加强套管，所述外部横向加强套管绕着所述柔性管道的外表面设置，并且部分或全部地沿着所述柔性管道的长度延伸。14.根据权利要求9所述的机器人系统，其中，所述致动传输管线包括：多个刚性活塞；刚性管道，所述刚性管道容纳线性地设置在该刚性管道中的一个或多个活塞，所述管道与所述致动电源机械连通，使得所述管道的致动通过所述多个活塞传送到所述机器人机械手装置或者传送到固定所述机器人机械手装置的至少一个基部；和用于在线性地设置在所述刚性管道内的活塞的线性移动过程中保持刚性和摩擦的装置。15.根据权利要求14所述的机器人系统，其中，所述刚性管道还包括：一个或多个球体，所述一个或多个球体包括线性设置在所述球体中的可移动介质；和内部润滑套管，所述内部润滑套管设置在所述刚性管道的内表面与所述一个或多个球体之间。16.根据权利要求9所述的机器人系统，其中，所述致动传输管线包括位于交替顺序的：一个或多个刚性管道区段，所述一个或多个刚性管道区段容纳多个刚性活塞和用于在所述活塞的线性移动过程中保持刚性和摩擦的装置，所述刚性活塞以及用于保持刚性和摩擦的装置两者都线性地设置在所述刚性管道区段内，所述活塞与所述致动电源、固定所述机器人机械手装置的基部的致动部件、或者器械的被致动部件机械连通；和一个或多个可移动柔性管道区段，所述可移动柔性管道区段容纳线性地设置的多个球体和多个环，所述多个球体包括可移动介质，所述多个环中的每一个定位在相邻的球体之间，所述柔性管道区段连接到所述刚性管道区段，使得所述刚性管道区段的致动通过所述刚性活塞传送到所述多个球体以及所述机器人机械手装置或者所述基部或所述器械。17.根据权利要求9所述的机器人系统，其中，至少一个致动传输管线被构造成用于所述机器人机械手装置的一个自由度的致动。18.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述计算机中可触知地储存存储器软件模块，存储器软件模块具有用于执行以下操作的处理器可执行指令：至少在所述机器人机械手装置、用于引导和操作所述机器人机械手装置的成像模态、用于收集关于进行所述过程的区域处的组织的状态的数据的多个成像或非成像传感器、用于收集关于所述机器人机械手装置的数据并测量一个或多个自由度的运动的多个传感器、以及所述系统的操作者之间建立多个接口；接收...

【专利技术属性】
技术研发人员：尼克拉斯·特泽科斯，
申请(专利权)人：休斯顿大学，
类型：发明
国别省市：美国;US