用于利用患者模型和可定制的手术室模拟外科工作流的虚拟现实系统技术方案

利用外科机器人系统来计划外科机器人工作流可以包括生成虚拟外科环境，该虚拟外科环境包括虚拟外科机器人臂和虚拟患者。可以在该虚拟患者内确定工作空间。可以确定被附接到该虚拟外科机器人臂的虚拟工具的方位。可以确定该虚拟外科机器人臂的方位以维持该虚拟工具在该工作空间中的触及范围。在该工作空间中的触及范围。在该工作空间中的触及范围。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于利用患者模型和可定制的手术室模拟外科工作流的虚拟现实系统
[0001]相关申请
[0002]本PCT申请要求美国申请16/667,237(V0060
‑
US1)和美国申请16/667,241(V0060
‑
US2)的较早申请日的权益。


[0003]本专利技术整体涉及外科机器人系统，并且更具体地涉及用于计划外科机器人规程的系统和方法。

技术介绍

[0004]微创外科手术(MIS)诸如腹腔镜手术涉及旨在在外科规程期间减少组织损伤的技术。例如，腹腔镜规程通常涉及在患者体内(例如，在腹部)形成多个小切口，以及通过切口将一个或多个工具和至少一个相机引入患者体内。然后可通过使用所引入的外科工具执行外科规程，其中可视化辅助由相机提供。
[0005]一般来讲，MIS提供多重有益效果，诸如减少患者疤痕、减轻患者疼痛、缩短患者恢复期以及降低与患者恢复相关联的医疗费用。可利用外科机器人系统执行MIS，该外科机器人系统包括一个或多个机器人臂，该机器人臂用于基于来自远程操作者的命令操纵外科工具。机器人臂可以例如在其远侧端部处支承各种装置，诸如外科端部执行器、成像装置、用于提供进入患者体腔和器官的通路的插管等。因此，外科机器人臂可以帮助执行外科手术。
[0006]此类机器人系统的控制可能需要用户(例如，外科医生或其他操作者)经由一个或多个用户接口装置进行控制输入，该一个或多个用户接口装置将用户的操纵或命令转化为对机器人系统的控制。例如，响应于用户命令，当外科工具定位在患者的外科手术部位处时，具有一个或多个马达的工具驱动器可以致动外科工具的一个或多个自由度。

技术实现思路

[0007]可能期望在规程之前计划描述外科机器人臂的布置的外科机器人工作流。通过利用本文所讨论的过程在外科手术之前确定布置，可以提高操作成功的可重复性，并且有利地确定哪些物理环境(例如，健康设施中的手术室)将足够用于特定的外科机器人环境。可以基于本文所讨论的过程计划和优化外科机器人系统(例如，外科机器人臂、外科机器人平台、用户控制台、控制塔和其他外科机器人装备)的布置(例如，位置和取向)。
[0008]在一些实施方案中，描述了用于利用外科机器人系统来计划外科机器人工作流的系统和过程。生成具有一个或多个虚拟外科机器人臂和虚拟患者的虚拟外科环境。在虚拟患者内确定工作空间。基于工作空间确定一个或多个虚拟工具中的每个虚拟工具的方位。基于虚拟工具的方位确定一个或多个虚拟外科机器人臂中的每个虚拟外科机器人臂的方位，以维持虚拟工具在工作空间中的触及范围。
[0009]在一些实施方案中，可以递增地改进外科机器人工作流和外科机器人规程的布
局。确定工作流和虚拟外科装备的布局。布局用作布置物理布局的参考。然后可以将物理布局用作重新布置虚拟外科机器人装备的参考。因此，双向改进过程可以帮助在物理环境中设置外科机器人系统。例如，可以基于现有的手术室(OR)模型和现有的装备模型生成虚拟OR和虚拟外科装备。接收限定具有物理装备的物理OR的传感器反馈，该物理装备包括物理OR内的外科机器人系统。基于传感器反馈更新虚拟OR和虚拟外科装备。虚拟外科装备的布局在虚拟OR中优化。虚拟外科装备的优化布局可以呈现在显示器上，该显示器可以被用作参考以重新布置物理OR中的物理外科装备。可以重复该过程。
附图说明
[0010]图1示出了根据一个实施方案的外科机器人系统。
[0011]图2示出了根据一个实施方案的用于外科机器人系统的工作流。
[0012]图3示出了根据一个实施方案的用于生成和优化工作流设置的系统。
[0013]图4示出了根据一个实施方案的用于优化虚拟外科环境的过程。
[0014]图5示出了根据一个实施方案的优化的虚拟外科环境。
[0015]图6示出了根据一个实施方案的利用来自物理OR的反馈生成虚拟外科环境的流程图。
具体实施方式
[0016]本专利技术的各个方面和变型的示例在本文描述并在附图中示出。以下描述并非旨在将本专利技术限制于这些实施方案，而是旨在使本领域的技术人员能够制备和使用本专利技术。
[0017]下面的说明书和附图是对本公开的说明，不应理解为是限制本公开。描述了许多具体细节，以提供对本公开的各种实施方案的透彻理解。然而，在某些情况下，未对公知的或常规的细节进行描述，以使本公开的实施方案的讨论简洁。
[0018]在说明书中引用的“一个实施方案”或“实施方案”意指结合实施方案描述的特定特征、结构或特性可以包括在本公开的至少一个实施方案中。在说明书中各处出现的短语“在一个实施方案中”并不一定全部是指相同的实施方案。
[0019]参考图1，这是手术场所中的示例性外科机器人系统1的绘画视图。机器人系统1包括用户控制台2、控制塔3以及外科机器人平台5(例如台、床等)处的一个或多个外科机器人臂4。系统1可结合用于对患者6执行外科手术的任何数量的装置、工具或附件。例如，系统1可包括用于执行外科手术的一个或多个外科工具7。外科工具7可以是被附接到外科臂4的远侧端部的端部执行器，用于执行外科规程。
[0020]每个外科工具7可在外科手术期间手动操纵、机器人操纵或两者。例如，外科工具7可以是用于进入、查看或操纵患者6的内部解剖结构的工具。在一个实施方案中，外科工具7为可抓持患者的组织的抓持器。外科工具7可由床边操作者8手动控制；或者其可经由其所附接的外科机器人臂4的致动移动而由机器人控制。机器人臂4被示出为台上安装系统，但在其他配置中，臂4可安装在手推车、天花板或侧壁上，或者安装在另一个合适的结构支撑件中。
[0021]一般来讲，远程操作者9(诸如外科医生或其他操作者)可使用用户控制台2以远程操纵臂4和/或所附接的外科工具7，例如远程操作。用户控制台2可位于与系统1的其余部分
相同的手术室中，如图1所示。然而，在其他环境中，用户控制台2可位于相邻或附近的房间中，或者其可位于远程位置，例如，在不同的建筑物、城市或国家中。用户控制台2可包括座椅10、脚动控件13、一个或多个手持式用户输入装置(UID)14以及至少一个用户显示器15，该用户显示器被配置为显示例如患者6体内的外科手术部位的视图。在示例性用户控制台2中，远程操作者9坐在座椅10中并查看用户显示器15，同时操纵脚动控件13和手持式UID 14，以便远程控制臂4和外科工具7(其安装在臂4的远侧端部上)。
[0022]在一些变型中，床边操作者8还可以“床上”模式操作系统1，其中床边操作者8(用户)现在位于患者6的一侧并且同时操纵机器人驱动的工具(被附接到臂4的端部执行器)，例如，用一只手握持手持式UID 14和手动腹腔镜工具。例如，床边操作者的左手可操纵手持式UID以控制机器人部件，而床边操作者的右手可操纵手动腹腔镜工具。因此，在这些变型中，床边操作者8可对患者6执行机器人辅助微创外科手术和手动腹腔镜外科手术两者。
[0023]在示例性规程(外科手术)期间，以无菌方式对患者6本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于利用外科机器人系统来计划外科机器人工作流的方法，所述方法包括：生成虚拟外科环境，所述虚拟外科环境包括虚拟外科机器人臂和虚拟患者；确定所述虚拟患者内的工作空间；基于所述工作空间来确定虚拟工具的方位；以及基于所述虚拟工具的所述方位来确定所述虚拟工具被附接在其上的所述虚拟外科机器人臂的方位，以维持所述虚拟工具在所述工作空间中的触及范围。2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于规程类型和所述虚拟患者来确定所述工作空间。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述虚拟外科机器人臂或所述虚拟工具的所述方位还基于限定所述虚拟外科机器人臂的移动约束的运动学参数。4.根据权利要求3所述的方法，其中，从限定物理外科机器人臂的几何形状和移动约束的计算机模型中提取所述运动学参数。5.根据权利要求3所述的方法，其中，基于在物理外科规程或物理模拟期间捕获的物理外科机器人臂的马达控制数据来确定所述运动学参数。6.根据权利要求3所述的方法，所述方法还包括：基于所述虚拟工具的所述方位来确定所述虚拟患者上的进入点，其中，所述虚拟工具包括套管针。7.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括：基于为医务人员和其他医疗装备提供足够的间隙并最小化碰撞风险，来确定虚拟控制塔或虚拟用户控制台在所述虚拟手术环境中的位置或取向。8.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括：基于限定对所述虚拟患者或规程的改变的接收的输入，来重复所述方法以更新所述虚拟外科环境。9.根据权利要求1所述的方法，其中，按先后顺序执行操作，包括a)第一，基于所述虚拟患者和外科规程类型来确定所述工作空间；b)第二，基于所述工作空间来确定所述虚拟工具的所述方位；c)第三，基于所述虚拟工具的所述方位来确定所述虚拟外科机器人臂的所述方位；以及d)第四，确定其余虚拟外科机器人装备的位置和取向。10.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括将所述虚拟外科环境显示为体育馆视图或第一人称视图。11.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括通过头戴式显示器来显示所述虚拟外科环境。12.根据权利要求1所述的方法，其中，由物理患者的三维扫描生成或从数据库选择所述虚拟患者。13.根据权利要求1所述的方法，其中，基于从一个或多个物理外科规程捕获的传感器信息或外科机器人移动数据来生成或修改所述虚拟患者。14.根据权利要求13所述的方法，其中，生成或修改所述虚拟患者包括基于以下来估计所述虚拟患者的内部体积：a)物理患者体内的相机图像；或b)在所述一个或多个物理外科规程期间捕获的外科机器人工具运动。15.根据权利要求13所述的方法，其中，生成或修改所述虚拟患者包括基于在所述一个
或多个物理外科规程期间捕获的内窥镜数据来重建所述虚拟患者的内部体积。16.一种用于计划外科机器人系统中的外科工作流的系统，所述系统包括虚拟现实处理器，所述虚拟现实处理器被配置为执行包括以下的操作：生成虚拟外科环境，所述虚拟外科环境包括虚拟外科机器人臂和虚拟患者；确定所述虚拟患者内的工作空间；基于所述工作空间来确定虚拟工具的方位；以及基于所述虚拟工具的所述方位来确定所述虚拟工具被附接在其上的所述虚拟外科机器人臂的方位，以维持所述虚拟工具在所述工作空间中的触及范围。17.根据权利要求16所述的系统，其中，基于重要性按顺序来执行所述操作，所述顺序包括：a)基于所述虚拟患者和外科规程类型来确定所述工作空间；b)接下来，基于所述工作空间来确定所述虚拟工具的所述方位；c)接下来，基于所述虚拟工具的所述方位来确定所述虚拟外科机器人臂的所述方位；以及d)接下来，确定其余虚拟外科机器人装备的位置和取向。18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述工作空间基于所述虚拟患者的内部体积，所述虚拟患者的所述内部体积基于以下来确定：a)物理患者体内的相机图像；或b)在所述一个或多个物理外科规程期间捕获的物理外科机器人臂或工具的运动。19.根据权利要求16所述的系统，其中，由物理患者的三维扫描生成所述虚拟患者。20.根据权利要求16所述的系统，所述系统还包括显示器，其中，在所述显示器上输出所述虚拟外科环境。21.一种方法，所述方法由一个或多个处理器执行，所述方法包括：基于现有的手术室(OR)模型和现有的装备模型来生成包括虚拟外科装备的虚拟OR；接收限定具有物理装备的物理OR的传感器反馈，所述物理装备包括所...

【专利技术属性】
技术研发人员：B，
申请(专利权)人：威博外科公司，
类型：发明
国别省市：