远程运动中心机器人的光学配准制造技术

一种用于微创流程的机器人手术系统，所述微创流程涉及通过规划的切开点进入患者的规划的工具轨迹。所述机器人手术系统采用光学末端效应器(50)(例如，激光点或内窥镜)、RCM机器人(40)(例如，同心弧机器人)和机器人控制器(60)。在操作中，所述机器人控制器(60)通过所述RCM机器人(40)控制所述光学末端效应器(50)到被附接到所述患者的一个或多个标记物的光学指向，并且还由所述RCM机器人(40)基于根据所述光学指向导出的所述远程运动中心到所述患者的所述体积图像内所示的所述规划的切开点的配准来控制所述光学末端效应器(50)到所述患者的所述体积图像内所示的所述规划的工具轨迹的轴向对齐。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】远程运动中心机器人的光学配准
本公开总体涉及需要介入工具穿过特定切开点沿着定义的工具轨迹插入患者的微创流程，特别是微创神经外科流程(例如活检)。本公开更具体地涉及由远程运动中心机器人将远程运动中心(“RCM”)配准到规划的进入患者体内的切开点，用于沿着规划的工具轨迹对介入工具进行精确地定位和定向。
技术介绍
图像引导的脑活检允许外科医师以微创方式精确地靶向位于深处的脑部病变。具体地，使用跟踪和定位系统(例如，光学、电磁、机械或其组合)将患者的头部固定并且配准到术前成像扫描(例如，CT、MRI、US等)。通常，使用放置在患者颅骨上的标记物和/或跟踪的手动指示器来执行这种配准。基于术前成像扫描中所示的脑病变相对于跟踪系统的已知位置，由外科医师确定针对活检的进入患者的切开点的合适位置。然后外科医师基于来自图像引导的跟踪系统的反馈来手动对齐跟踪活检针的插入角度。当针由外科医师插入时，图像引导的跟踪系统确认针的轨迹并识别何时己经达到了正确的插入深度。为此目的，本领域已知的图像引导系统可以提供机械针引导件，外科医师在针插入之前将其对齐到规划的工具轨迹。即使在使用这样的图像引导时，并且假设已经实现术前成像扫描到跟踪系统的准确配准，外科医师必须在自由空间中执行五度(5°)自由对齐。因此，配准和/或针对齐中的用户错误可能导致不正确的切口位置，和/或介入工具错过患者头部内的目标脑病变。
技术实现思路
本公开提供了使用机器人安装的光学末端效应器(例如，激光指示器或内窥镜)的专利技术，其用于在微创流程(微创神经外科流程)期间将远程运动中心(“RCM”)机器人配准到患者的图像。通过将患者图像配准到RCM机器人，以准确的方式自动定义用于执行所述流程的规划的工具轨迹的准确定位和取向。这继而又允许外科医师以精确的、可控的方式部署介入工具，同时将人类错误的风险降至最低。本公开的专利技术的一种形式是用于微创流程的机器人手术系统，所述微创流程涉及通过规划的切开点进入患者的规划的工具轨迹。所述机器人手术系统采用光学末端效应器(例如，激光点或内窥镜)和RCM机器人以使光学末端效应器关于由RCM机器人的结构配置限定的远程运动中心旋转。所述机器人手术系统还采用机器人控制器，所述机器人控制器用于由RCM机器人控制光学末端效应器到附着到所述患者的一个或多个标记物将光学指向，并且用于基于所述远程运动中心到在患者的体积图像内所示的所述规划的切开点的配准来由所述RCM机器人控制所述光学末端效应器到到在患者的所述体积图像内所示出的所述规划的工具轨迹的轴向对齐，所述配准是根据由所述光学末端效应器到被附接到所述患者的(一个或多个)配准标记物的光学指向导出的。本公开的本专利技术的第二种形式是一种用于微创流程的机器人手术方法，所述微创流程涉及通过规划的切开点进入患者的规划的工具轨迹。所述机器人手术方法包括RCM机器人将光学末端效应器光学指向被附接到所述患者的一个或多个标记物；并且配准模块根据由所述RCM机器人将光学末端效应器光学指向到附着到所述患者的所述(一个或多个)标记物来导出远程运动中心到所述患者的所述体积图像内所示的所述规划的切开点的配准，所述远程运动中心由所述RCM机器人的结构配置来定义。所述机器人手术方法还包括RCM机器人基于由配准模块将远程运动中心配准到如在患者的体积图像中所示规划的切开点，来将光学末端效应器轴向对齐到如在患者的体积图像内所示的规划的工具轨迹。为了本专利技术的专利技术目的，本领域的术语包括但不限于“规划的工具轨迹”，“规划的切开点”，“末端效应器”，“远程运动中心”，“机器人”，“标记物”和“体积图像”应被解释为如在本公开的技术中以及如在本文中描述的示例中所理解的。更具体而言，为了本公开的专利技术的目的，术语“光学末端效应器”宽泛地涵盖用作机器人的末端效应器并且具有用于发射和/或接收任何形式的辐射的光学能力的任何设备，并且术语“RCM机器人”宽泛地涵盖具有限定远程运动中心的结构配置的任何机器人，其中，机器人或其一部分可关于远离机器人在空间上固定的点旋转。光学末端效应器的范例包括但不限于如本领域已知和本文中描述的示例性中的任何类型的激光指示器和内窥镜，并且RCM机器人的示例包括但不限于任何类型的如本领域已知并且在本文中描述的示例性的同心弧机器人(concentricarcrobot)。为了本公开的专利技术的目的，术语“控制器”宽泛地涵盖容纳在或连接到工作站的专用主板或专用集成电路的所有结构配置，其用于控制如随后在本文中所描述的本专利技术的各种专利技术原理的应用。控制器的结构配置可以包括但不限于，(一个或多个)处理器，(一个或多个)计算机可用/计算机可读存储介质，操作系统，(一个或多个)应用模块，(一个或多个)外围设备控制器，(一个或多个)槽和(一个或多个)端口。工作站的例子包括但不限于一个或多个计算设备(例如，客户端计算机，桌面和平板电脑)、显示器/监视器以及一个或多个输入设备(例如键盘，游戏杆和鼠标)的组装。为了本公开的专利技术的目的，术语“应用模块”宽泛地涵盖包括用于执行特定应用的电子电路和/或可执行程序(例如，可执行软件和/或固件)的控制器的部件。为了本公开的专利技术的目的，本文中作为“机器人”控制器和“成像”控制器的对控制器的说明性标签用于识别如本文所描述和要求保护的特定控制器，而没有指定或暗示对该术语“控制器”的任何额外限制。类似地，为了本公开的专利技术的目的，在本文中作为“伺服控制”模块和“配准控制”模块的的对应用模块说明性标签用于识别如本文所描述和要求保护的特定应用模块，而不指定或暗示对该术语“应用模块”的任何额外限制。在结合附图阅读本公开各实施例的下列详细描述之后，本公开的前述形式和其它形式以及本公开的各个特征和优点将变得更加清楚。详细描述和附图仅是本公开的例示而非限制，本公开的范围由所附权利要求及其等价方案限定。附图说明图1图示了根据本公开的专利技术原理的微创神经手术流程的第一示例性实施例。图2图示了表示根据本公开的专利技术原理的机器人图像引导方法的示例性实施例的流程图。图3A-3D图示了根据本公开的专利技术原理的配准标记物的示例性实施例。图4A-4G图示了根据本公开的专利技术原理的RCM机器人到患者的示例性配准。图5图示了根据本公开的专利技术原理的微创神经手术流程的第二示例性实施例。图6图示了根据本公开的专利技术原理的微创神经手术流程的第三示例性实施例。图7A和图7B示出了根据本公开的专利技术原理的工作站的示例性实施例。具体实施方式为了便于理解本公开内容，以下对图1的描述教导了使用机器人安装的激光指示器在微创神经外科流程过程中将远程运动中心(“RCM”)机器人配准到患者图像的基本专利技术原理。根据该描述，本领域普通技术人员将意识到如何将本公开的专利技术原理应用于各种光学末端效应器，以在任何类型的微创流程期间将RCM机器人配准到患者的图像。参考图1，微创活检的成像阶段利用成像控制器20、成像模态22(例如，CT、MRI或US成像模态)以及成像控制器20与成像模态22之间的通信路径23(例如，(一个或多个)有线/无线连接)。通常在操作中，微创活检的图像阶段包括成像控制器20如本领域已知地控制对由成像模态22生成体积图像21的显示，其图示附接到通过夹具11固定的患者10的头部的标记物(用黑点表示)。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于微创流程的机器人手术系统，所述微创流程涉及通过规划的切开点进入患者的规划的工具轨迹，所述机器人手术系统包括：光学末端效应器(50)；RCM机器人(40)，其能关于由所述RCM机器人(40)的结构配置所限定的远程运动中心旋转所述光学末端效应器(50)；以及机器人控制器(60)，其中，所述机器人控制器(60)能与所述RCM机器人(40)通信以由所述RCM机器人(40)控制所述光学末端效应器(50)到被附接到所述患者的至少一个标记物的光学指向，并且其中，所述机器人控制器(60)还能与所述RCM机器人(40)通信以由所述RCM机器人(40)基于所述远程运动中心到所述患者的体积图像内所示所述规划的切开点的配准来控制所述光学末端效应器(50)到所述患者的所述体积图像内所示的所述规划的工具轨迹的轴向对齐，所述配准是根据由所述RCM机器人(40)对所述光学末端效应器(50)到被附接到所述患者的所述至少一个标记物的光学指向来导出的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.28 US 62/233,6641.一种用于微创流程的机器人手术系统，所述微创流程涉及通过规划的切开点进入患者的规划的工具轨迹，所述机器人手术系统包括：光学末端效应器(50)；RCM机器人(40)，其能关于由所述RCM机器人(40)的结构配置所限定的远程运动中心旋转所述光学末端效应器(50)；以及机器人控制器(60)，其中，所述机器人控制器(60)能与所述RCM机器人(40)通信以由所述RCM机器人(40)控制所述光学末端效应器(50)到被附接到所述患者的至少一个标记物的光学指向，并且其中，所述机器人控制器(60)还能与所述RCM机器人(40)通信以由所述RCM机器人(40)基于所述远程运动中心到所述患者的体积图像内所示所述规划的切开点的配准来控制所述光学末端效应器(50)到所述患者的所述体积图像内所示的所述规划的工具轨迹的轴向对齐，所述配准是根据由所述RCM机器人(40)对所述光学末端效应器(50)到被附接到所述患者的所述至少一个标记物的光学指向来导出的。2.根据权利要求1所述的机器人手术系统，其中，所述RCM机器人(40)是用于使所述光学末端效应器(50)关于远程运动中心旋转的具有俯仰自由度和偏航自由度的同心弧机器人。3.根据权利要求1所述的机器人手术系统，还包括：机器人平台(30)，其能相对于所述患者定位所述RCM机器人(40)；其中，所述机器人控制器(60)能与所述RCM机器人(40)和所述机器人平台(30)通信以由所述RCM机器人(40)和所述机器人平台(30)来控制所述光学末端效应器(50)到被附接到所述患者的所述至少一个标记物的光学指向；并且其中，所述机器人控制器(60)还能与所述RCM机器人(40)和所述机器人平台(30)通信以由所述RCM机器人(40)和所述机器人平台(30)基于所述远程运动中心到所述患者的所述体积图像内所示的所述规划的切开点的所述配准来控制所述光学末端效应器(50)到所述患者的所述体积图像内所示的所述规划的工具轨迹的轴向对齐，所述配准是根据由所述RCM机器人(40)对所述光学末端效应器(50)到被附接到所述患者的所述至少一个标记物的所述光学指向导出的。4.根据权利要求1所述的机器人手术系统，其中，所述光学末端效应器(50)是能发射激光束的激光指示器；其中，所述机器人控制器(60)能与所述RCM机器人(40)通信以由所述RCM机器人(40)控制由所述激光指示器朝向被附接到所述患者的所述至少一个标记物发射所述激光束的光学指向；并且其中，所述机器人控制器(60)还能与所述RCM机器人(40)通信以由所述RCM机器人(40)基于所述远程运动中心到所述患者的所述体积图像内所示所述规划的切开点的所述配准来控制由所述激光指示器朝向所述患者的所述体积图像内所示的所述规划的工具轨迹发射所述激光束的轴向对齐，所述配准是根据由所述RCM机器人(40)对所述激光指示器朝向被附接到所述患者的所述至少一个标记物发射所述激光束的所述光学指向来导出的。5.根据权利要求1所述的机器人手术系统，其中，所述光学末端效应器(50)是具有一视场的内窥镜；其中，所述机器人控制器(60)能与所述RCM机器人(40)通信以由所述RCM机器人(40)控制所述内窥镜的所述视场到被附接到所述患者的所述至少一个标记物的光学指向；并且其中，所述机器人控制器(60)还能与所述RCM机器人(40)通信以由所述RCM机器人(40)基于所述远程运动中心到所述患者的所述体积图像内所示的所述规划的切开点的所述配准来控制所述内窥镜的所述视场到所述患者的所述体积图像内所示的所述规划的工具轨迹的轴向对齐，所述配准是根据由所述RCM机器人(40)对所述内窥镜的所述视场到被附接到所述患者的所述至少一个标记物的所述光学指向来导出的。6.根据权利要求1所述的机器人手术系统，还包括：相机，其能相对于被附接到所述患者的所述至少一个标记物对所述光学末端效应器(50)进行成像；并且其中，所述机器人控制器(60)能与所述RCM机器人(40)和所述相机通信以由所述RCM机器人(40)控制由所述光学末端效应器(50)到被附接到所述患者的所述至少一个标记物的光学指向。7.一种用于微创流程的机器人手术方法，所述微创流程涉及通过规划的切开点进入患者的规划的工具轨迹，所述机器人手术方法包括：RCM机器人(40)将光学末端效应器(50)光学指向被附接到所述患者的至少一个标记物；配准模块(62)根据由所述RCM机器人(40)对所述光学末端效应器(50)到被附接到所述患者的所述至少一个标记物的所述光学指向来导出远程中心到所述患者的体积图像内所示的所述规划的切开点的配准，其中，所述远程运动...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·P·努南，A·波波维奇，
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