针对经食道超声心动描记探头的无传感器的力控制制造技术

一种用于对具有线缆驱动的远侧端部的介入工具(14)(例如，探头、可操纵的导管、导丝以及结肠内窥镜)的无传感器的力控制的机器人致动系统。所述系统采用机器人致动器(30)，所述机器人致动器使一个或多个电动齿轮操作对所述介入工具(14)的所述线缆驱动。所述系统还采用机器人工作站(20)，以生成用于所述介入工具(14)的同时对致动位置和接触力的控制的电动机命令。所述电动机命令是针对所述介入工具(14)的期望的致动位置的至少一个电动齿轮的致动位置测量结果和电动机电流测量结果的函数。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及经食道超声心动描记(“TEE”)探头。本专利技术具体涉及在介入流程期间对TEE探头的无传感器的力控制。
技术介绍
经食道超声心动描记术常常被用于在针对结构性心脏疾病(“SHD”)的处置期间对心脏解剖结构和介入设备进行可视化。图1示出了在具有超声工作站11和X射线扫描器(示出了其C臂12)的实验室10内的手术室工作人员的典型分布。在SHD操作期间，超声心动描记操作员13握持TEE探头14，所述TEE探头14通过患者16的口进入到食道中，以对患者16的心脏进行可视化。心脏病专家15位于X射线C臂12和操作台17的相对侧。心脏病专家15在X射线引导和经由TEE探头14的超声引导下将介入设备(未示出)(例如，导管和导丝)从动脉切口导航到心脏中，以便执行不同的诊断或治疗流程。诸如二尖瓣夹合部署或者经导管主动脉瓣置换术(“TAVR”)的范例流程会是耗时且复杂的。此外，确保在流程期间对靶解剖结构的适当的可视化是超声心动描记操作员13的责任，他必须在流程的持续时间内对TEE探头14的顶端的位置持续做出小的调节。在实践中，图1的操作状况存在若干挑战。第一个挑战是失败和不良的可视化。具体而言，适当的可视化包括确保实现以下两者：相关解剖结构处于视场内，以及在换能器的头与食道壁之间的必要接触力以实现足够的声学耦合。对此，TEE探头14的头的位置和取向要求在流程的持续时间内持续的细微调节，以便维持对靶结构的适当的可视化。这会造成在长的流程期间超声心动描记操作员13的失败和不良的可视化。第二个挑战是X射线暴露。具体而言，TEE探头14的长度导致超声心动描记操作员13的定位紧密接近介入X射线系统的源，由此使超声心动描记操作员13在流程的过程中的X射线暴露最大化。第三个挑战是通信和可视化。在流程的特定阶段期间，心脏病专家15和超声心动描记操作员13必须在心脏病专家15指示超声心动描记操作员13关于要对哪个结构进行可视化时持续通信。考虑到难以解读3D超声体积以及由X射线和超声系统显示的不同的坐标系，对于超声心动描记操作员13理解心脏病专家15的意图会是具有挑战性的。
技术实现思路
本专利技术提供了机器人致动系统来解决这些挑战。总体上，如图2所示，在具有机器人致动器系统的实验室10b内的手术室工作人员的新的分布，所述机器人致动器系统采用机器人致动系统采用机器人工作站20和机器人致动器30，用于在TEE探头14的两(2)个自由度与(4)个自由度之间进行远程控制，其调节TEE探头14的超声成像体积。另外，正如将在本文中进一步描述的，机器人致动器30可以具有针对现有的以及各种类型的TEE探头14而被改造的能力，并且可以具有在超声心动描记操作员13出于任意原因决定返回到对TEE探头14的手动操作时被从TEE探头14快速移除的能力。然而，源自对TEE探头14的机器人控制的潜在问题是安全性。具体而言，由于TEE探头14的刻度盘是由转子致动器30来移动的而并非是由超声心动描记操作员13的手来移动的，那么，没有触觉反馈(即，超声心动描记操作员13不能够感觉到探头14是否正在对患者16的食道施加过度的力)。对机器人的力控制在诸如研磨或装配的应用的现有技术中是已知的。这些方法使用力传感器来检测在机器人端部效应器或者在机器人接合部中的力或扭矩。类似地，可以利用现有技术中已知的力传感器来测量探头-组织接触力。然而，利用力传感器测量探头-组织接触力存在若干问题。首先，TEE探头14必须被修改以包括力传感器。针对患者16的安全性和舒适性，TEE探头14的尺寸必须尽可能的小。相反地，出于引导和诊断的目的，TEE探头14的成像元件必须尽可能的大以增大视场。在这些约束条件下，向TEE探头14的头添加新的电子器件可能干扰TEE探头14的采集超声图像的主要功能。第二，传感器仅能够被放置在TEE探头14的离散位置处，而对患者16的损伤可能发生在沿整个TEE探头14的长度的任意点处。第三，如果使用直接力感测，那么任何基于力传感器的控制系统可能仅仅与新制造的探头一起使用。然而，与现场已经部署的TEE探头14一起来使用力控制系统将是有益的。无传感器的力控制在现有技术中也是已知的，其中，从系统的其他参数(通常最常见的是电动机中的电流)来推导力。在常规的机器人应用中，力和位置是去耦合的。在这些应用中，控制方案组合了路径控制与力控制。例如，路径控制回路能够以非顺应性模式来控制过程，而力控制回路能够以顺应性模式来控制系统。这些双回路也能够同时运行。此外，在常规的机器人应用中，在端部效应器的电动机中的电流不取决于整个机器人的位置，其简化了无传感器的力控制。对TEE探头14的力控制的问题对于线缆驱动的设备(例如，TEE超声探头和导管)的族是特有的，这是因为整个致动是在TEE探头14的近侧端部处完成的，这导致若干问题。首先，在机器人致动器30的电动机中感测或测得的力将取决于TEE探头14正在在组织上施加的力以及取决于TEE探头14的整个长度的形状。第二，在机器人致动器30的电动机中感测或测得的力包括拉动线缆所需的力。该力将根据TEE探头14的头的位置而变化。本专利技术通过机器人工作站20处理来自机器人致动器30的对TEE探头14的同时对顶端位置/力的估计而提供了对TEE探头14的无传感器的力控制。这允许对TEE探头14的安全远程操控，从而降低了对患者16的食道的损伤的风险，并且允许机器人工作站20和机器人致动器30与在现场已经部署的探头一起使用。本专利技术的一种形式是用于对具有线缆驱动的远侧端部的介入工具(例如，探头、可操纵的导管、导丝以及结肠内窥镜)的无传感器的力控制的机器人致动系统。所述系统采用机器人致动器，所述机器人致动器使一个或多个电动齿轮操作对介入工具的线缆驱动。所述系统还采用机器人工作站，以生成用于介入工具的同时对致动位置和接触力的控制而电动机命令。所述电动机命令是针对介入工具的期望致动位置的至少一个电动齿轮的致
动位置测量结果和电动机电流测量结果的函数。附图说明根据结合附图阅读本专利技术的各个实施例的如下详细描述，本专利技术的前述形式和其他形式以及本专利技术的各个特征和优点将变得进一步显而易见。详细的说明书和附图仅仅是对本专利技术的例示而非限制，本专利技术的范围是由权利要求书及其等价物来定义的。图1图示了在现有技术中已知的对TEE探头的示范性手动致动。图2图示了根据本专利技术的对TEE探头的远程控制的致动的示范性实施例。图3图示了在现有技术中已知的示范性TEE探头。图4A和图4B图示了根据本专利技术的在图3中示出的TEE探头的致动刻度盘与电动齿轮的示范性接合。图5图示了根据本专利技术的机器人致动器的示范性实施例。图6A和图6B分别图示了根据本专利技术的探头手柄基座和探头手柄封盖的示范性实施例。图7图示了根据本专利技术的在图6A和图6B中示出的探头手柄基座和探头手柄封盖的示意性实施例。图8A和图8B图示了根据本专利技术的致动器平台的示范性实施例。图9A-9D图示了在图8A和图8B中示出的致动器平台的操作。图10图示了根据本专利技术的机器人工作站的示范性实施例。图11图示了表示根据本专利技术的致动位置校准方法的示范性实施例的流程图。图12图示了表示根据本专利技术的接触力校准方法的示范性实施例的流程图。图13图示了根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于对具有线缆驱动的远侧端部的介入工具(14)的无传感器的力控制的机器人致动系统，所述机器人致动系统包括：机器人致动器(30)，其能用于在致动位置的范围上控制所述介入工具(14)，其中，所述机器人致动器(30)包括能用于操作所述介入工具(14)的所述线缆驱动的至少一个电动齿轮；以及机器人工作站(20)，其被能操作地连接到所述至少一个电动齿轮，以生成用于所述介入工具(14)的同时对致动位置和接触力的控制的电动机命令，其中，所述机器人工作站(20)能用于根据针对所述介入工具(14)的期望的致动位置的所述至少一个电动齿轮的致动位置测量结果和电动机电流测量结果来生成所述电动机命令。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.24 US 61/931,2031.一种用于对具有线缆驱动的远侧端部的介入工具(14)的无传感器的力控制的机器人致动系统，所述机器人致动系统包括：机器人致动器(30)，其能用于在致动位置的范围上控制所述介入工具(14)，其中，所述机器人致动器(30)包括能用于操作所述介入工具(14)的所述线缆驱动的至少一个电动齿轮；以及机器人工作站(20)，其被能操作地连接到所述至少一个电动齿轮，以生成用于所述介入工具(14)的同时对致动位置和接触力的控制的电动机命令，其中，所述机器人工作站(20)能用于根据针对所述介入工具(14)的期望的致动位置的所述至少一个电动齿轮的致动位置测量结果和电动机电流测量结果来生成所述电动机命令。2.根据权利要求1所述的机器人致动系统，其中，所述机器人工作站(20)根据至少一个电动齿轮中的每个的测得的电动机位置同与所述介入工具(14)的所述期望的致动位置相关联的至少一个电动齿轮中的每个的期望的电动机位置的比较来生成电动机位置误差。3.根据权利要求1所述的电动机致动系统，其中，所述机器人工作站(20)根据所述电动齿轮(14)的预期的电动机电流同所述电动齿轮(14)的期望的电动机电流的比较来生成接触力误差。4.根据权利要求1所述的机器人致动系统，其中，所述机器人工作站(20)根据至少一个电动齿轮中的每个的测得的电动机位置同与所述介入工具(14)的所述期望的致动位置相关联的至少一个电动齿轮中的每个的期望的电动机位置的比较来生成电动机位置误差；其中，所述机器人工作站(20)根据所述电动齿轮(14)的预期的电
\t动机电流同所述电动齿轮(14)的期望的电动机电流的比较来生成接触力误差；并且其中，所述电动机命令是由所述机器人工作站(20)生成的，以使所述电动机位置误差和所述力误差最小化。5.根据权利要求3所述的机器人致动系统，其中，所述机器人工作站(20)包括针对至少一个电动齿轮中的每个的测得的电动机位置的预期的电动机电流的校准查找表；其中，所述机器人工作站(20)包括校准曲线，所述校准曲线包括针对所述介入工具(14)的力对电动机电流的曲线；并且其中，所述机器人工作站(20)根据所述校准查找表和所述校准曲线导出所述介入工具(14)的预期的接触力。6.根据权利要求5所述的机器人致动系统，其中，所述机器人工作站(20)将至少一个电动齿轮中的每个的测得的电动机位置输入到所述校准查找表中，以输出至少一个预期的电动机电流。7.根据权利要求6所述的机器人致动系统，其中，所述机器人工作站(20)将至少一个电动齿轮中的每个的所述至少一个预期的电动机电流和测得的电流电动机应用到所述校准曲线，以输出所述介入工具(14)的所述预期的接触力。8.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·波波维奇，D·P·努南，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL