用于显微外科手术的机器人系统技术方案

描述了用于使用一个或更多个工具(21)对患者身体的一部分执行手术的装置和方法。一种机器人单元(20)包括被配置成将一个或更多个工具(21)牢固地保持在其上的工具支架(30)。多关节臂(32)被布置在工具支架(30)的一侧上并且被配置成可移动地支撑工具支架(30)。与至少一个多关节臂(32)相关联的多个臂马达(34)被配置成使工具支架(30)通过至少五个自由度移动。与工具支架(30)相关联的一个或更多个支架马达(36)被配置成使工具(21)相对于工具支架(30)通过第六自由度移动。还描述了其他应用。(30)通过第六自由度移动。还描述了其他应用。(30)通过第六自由度移动。还描述了其他应用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于显微外科手术的机器人系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求以下申请的优先权：
[0003]Glozman等人在2020年7月28日提交的标题为“Robotic system for microsurgical procedures”的第63/057,391号美国临时专利申请，以及
[0004]Glozman等人在2020年10月5日提交的标题为“Control component for microsurgical robotic system”的第63/087,408号美国临时专利申请。
[0005]上面引用的两个美国临时申请均通过引用并入本文。
[0006]本专利技术的实施例的领域
[0007]本专利技术的一些应用总体上涉及医疗装置和方法。具体地，本专利技术的一些应用涉及用于以机器人方式执行显微外科手术(microsurgical procedure)的装置和方法。
[0008]背景
[0009]白内障手术包括移除眼睛的已经发生混浊化(称为白内障)的天然晶状体，并用人工晶状体替换。这种手术通常包括许多标准步骤，这些步骤是按次序执行的。
[0010]在最初的步骤中，患者眼睛周围的面部被消毒(通常用碘溶液)，并且他们的面部被无菌盖布(sterile drape)覆盖，使得只露出眼睛。当消毒和铺盖布已经完成时，通常使用局部麻醉剂对眼睛进行麻醉，该麻醉剂以液体眼药水的形式给药。然后，使用保持上下眼睑张开的眼睑窥器将眼球露出。在眼睛的角膜中切开一个或更多个切口(且通常是两个或三个切口)。切口通常使用被称为角膜刀刀片的专用刀片切开。在这个阶段，通常将利多卡因注射到眼睛的前房中，以便进一步麻醉眼睛。在该步骤之后，通过角膜切口施加粘弹剂注射。执行粘弹剂注射是为了稳定前房，并在手术(procedure)的剩余部分期间帮助维持眼压，且也是为了扩张晶状体囊。
[0011]在随后的阶段(称为撕囊术)中，晶状体前囊的一部分被移除。已经开发了用于执行撕囊术的各种增强技术，例如激光辅助撕囊术、zepto
‑
撕囊(zepto
‑
rhexis)(利用精密纳米脉冲技术)、和标记辅助撕囊术(其中使用预定义标记来标记角膜，以便指示囊开口的期望尺寸)。
[0012]随后，通常通过角膜切口注射流体波，以便在称为水分离(hydrodissection)的步骤中解剖白内障的外皮质层。在称为水分层的随后步骤中，通过注射流体波将晶状体的外部较软的外核(epi
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nucleus)与内部较硬的内核(endo
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nucleus)分离。在下一步骤中，在称为超声乳化的过程中，执行晶状体的超声波乳化。首先使用劈核器(chopper)破碎晶状体的核，随后，通常使用超声波超声乳化探头破碎并移除晶状体的外部碎片。此外，通常，在超声乳化过程中使用单独的工具来执行吸引。当超声乳化完成时，剩余的晶状体皮质(即，晶状体的外层)物质从囊中被抽吸出。在超声乳化和抽吸过程中，被抽吸的流体通常用平衡盐冲洗溶液来代替，以便维持前房中的流体压力。在某些情况下，如果认为有必要，则对囊进行抛光。随后，将人工晶状体(IOL)插入囊内。IOL通常是可折叠的，并且在囊内部展开之前以折叠配置插入。在这个阶段，通常使用先前用于从囊中抽吸流体的吸引设备，将粘弹剂移除。如果有必要，则通过提高眼球(bulbus oculi)(即眼球(globe of the eye))内部的压
力来密封切口，使内部组织压靠在切口的外部组织上，以便迫使切口闭合。
[0013]概述
[0014]根据本专利技术的一些应用，机器人系统用于显微外科手术，例如眼内手术。值得注意的是，眼内手术且尤其是白内障手术的特征在于不同患者之间眼部解剖结构和/或几何结构的差异性相对较小的事实。此外，白内障手术具有相对标准化的程序流程，典型的步骤顺序如上文在背景部分中所述。鉴于与白内障手术相关联的相对标准的尺寸和步骤顺序，对于本专利技术的一些应用，机器人系统最初被训练成基于人眼的相应部分的标准尺寸范围以自动化方式执行白内障手术的一个或更多个步骤。
[0015]通常，除了成像系统、显示器、和控制部件之外，机器人系统还包括第一机器人单元和第二机器人单元(第一机器人单元和第二机器人单元被配置为保持工具)，通过控制部件，医疗保健专业人员能够控制机器人单元。通常，机器人系统包括一个或更多个计算机处理器，该系统的部件和用户(例如，医疗保健专业人员)通过该计算机处理器可操作地彼此交互。
[0016]对于一些应用，在训练阶段期间，机器人单元的移动(和/或机器人系统的其他方面的控制)至少部分地由用户(例如，医疗保健专业人员)控制。例如，用户可以通过显示器接收患者眼睛和机器人单元和/或布置在其中的工具的图像。通常，这样的图像由成像系统获取。对于一些应用，成像系统是立体成像设备，以及显示器是立体显示器。用户通常基于接收到的图像来执行手术的步骤。对于一些应用，用户通过控制部件(其在下文中将被进一步详细描述)向机器人单元提供命令。通常，这样的命令包括控制布置在机器人单元内的工具的位置和/或取向的命令、和/或控制由工具执行的动作的命令。例如，命令可以控制超声乳化工具(例如，超声乳化工具的操作模式和/或吸力)和/或注射器工具(例如，哪种流体(例如，粘弹剂流体、盐水等)应该被注射和/或流速是多少)。替代地或附加地，用户可以输入控制成像系统的命令(例如，成像系统的变焦(zoom)、聚焦、和/或x
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y定位)。对于一些应用，命令包括控制IOL操纵器工具，例如，使得该工具操纵在眼睛内部的IOL以便将IOL精确定位在眼睛内。
[0017]对于一些应用，在初始训练阶段之后，机器人系统被用于以至少部分自动化的方式对给定患者的眼睛执行白内障手术的一个或更多个步骤。对于一些这样的应用，使用成像系统获取患者眼睛的至少一个图像。例如，可以在对患者眼睛执行白内障手术的一个或更多个步骤之前或期间获取图像。通常，计算机处理器分析图像以确定患者眼睛的精确尺寸，并且基于训练和所确定的眼睛尺寸来计划白内障手术的步骤。通常，这些步骤包括经由机器人单元控制工具的位置和取向，以及控制手术的附加方面(例如控制工具的功能、和/或成像系统的功能和移动)，如上文所述。在这之后，计算机处理器通常驱动机器人单元和/或机器人系统的附加部件以执行计划的步骤。对于一些应用，在手术期间，医疗保健专业人员能够控制机器人单元的移动和/或机器人系统的其他方面。例如，计算机处理器可以计划手术的步骤，并向医疗保健专业人员指示计划的步骤。然后，医疗保健专业人员可以例如通过控制部件来重写(override)和/或细化手术的计划步骤。
[0018]对于一些应用，白内障手术的以下任何一个步骤(或其一部分、或其组合)是使用本文描述的技术以自动化或半自动化的方式执行的：角膜切开(例如，双平面或三平面切口，通常使用角膜刀刀片进行)、粘弹剂注射(包括通过切口之一插入针头和/或针头的同时
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于使用一个或更多个工具对患者身体的一部分执行手术的装置，所述装置包括：机器人单元，所述机器人单元包括：工具支架，所述工具支架被配置成将所述一个或更多个工具牢固地保持在所述工具支架上；至少一个多关节臂，所述至少一个多关节臂被布置在所述工具支架的一侧上，并被配置成能够移动地支撑所述工具支架；多个臂马达，所述多个臂马达与所述至少一个多关节臂相关联，所述多个臂马达被配置成使所述工具支架通过至少五个自由度移动；一个或更多个支架马达，所述一个或更多个支架马达与所述工具支架相关联，并且被配置成使所述工具相对于所述工具支架通过第六自由度移动。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个多关节臂包括两个或更多个多关节臂，所述两个或更多个多关节臂被布置在所述工具支架的单侧上并且被配置成能够移动地支撑所述工具支架。3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个臂马达被配置成沿着x轴、y轴和z轴以及通过俯仰角旋转和偏航角旋转来移动所述工具支架。4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个臂马达被配置成使所述工具支架通过多于五个自由度移动。5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个臂马达被配置成使所述工具通过另一个自由度移动。6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述机器人单元还包括围绕所述至少一个多关节臂的多个关节放置的一个或更多个张紧缆绳、以及张紧缆绳马达，所述张紧缆绳马达被配置成向所述张紧缆绳施加张力，以便在所述关节上产生张力，从而减少所述多关节臂中的反冲。7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个多关节臂包括被布置在每个关节处的垂直连杆、以及在每一对相邻的垂直连杆之间延伸的相应的平行梁对，使得即使在所述臂移动时所述多关节臂的每个连杆的端部也保持彼此平行。8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个多关节臂包括滑轮和缆绳系统，所述滑轮和缆绳系统包括被布置在所述臂的相应关节处的滑轮，所述滑轮和缆绳系统被布置成使得即使在所述臂移动时所述滑轮仍保持面向固定方向。9.根据权利要求1
‑
8中任一项所述的装置，其中，与所述工具支架相关联的所述一个或更多个支架马达被配置成使所述工具相对于所述工具支架通过另一个自由度移动。10.根据权利要求9所述的装置，其中，与所述工具支架相关联的所述一个或更多个支架马达被配置成使所述工具相对于所述工具支架移动，以便控制物质到患者眼睛中的注射。11.根据权利要求1
‑
8中任一项所述的装置，其中，所述一个或更多个工具包括两个或更多个工具，所述两个或更多个工具中的每一个都具有彼此不同的相应圆周，以及其中，所述工具支架被配置成将所述两个或更多个工具中的每一个牢固地保持在所述工具支架上。12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述工具支架被配置成将直径在3mm和20mm之
间的工具牢固地保持在所述工具支架上。13.根据权利要求11所述的装置，其中，所述两个或更多个工具包括角膜刀刀片和超声乳化探头，以及其中，所述工具支架被配置成将所述角膜刀刀片和所述超声乳化探头牢固地保持在所述工具支架上。14.根据权利要求11所述的装置，其中，所述两个或更多个工具中的第一工具具有5
‑
8mm的直径，以及所述两个或更多个工具中的第二工具具有10
‑
14mm的直径。15.根据权利要求1
‑
8中任一项所述的装置，其中，所述工具支架被配置成将所述一个或更多个工具牢固地保持在所述工具支架上，同时允许所述一个或更多个工具相对于所述工具支架滚动。16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述工具支架被配置成允许所述一个或更多个工具在相对于中心位置成正/负80度的范围内滚动。17.一种用于使用两个或更多个工具对患者身体的一部分执行手术的装置，所述两个或更多个工具具有彼此不同的相应圆周，所述装置包括：机器人单元，所述机器人单元包括：工具支架，所述工具支架被配置成能够在相应位置之间调节，使得在所述相应位置的每一个中，所述工具支架被配置成将所述工具中的相应一个工具牢固地保持在所述工具支架中；至少一个臂，所述至少一个臂被布置在所述工具支架的一侧上，并且被配置成能够移动地支撑所述工具支架；一个或更多个支架马达，所述一个或更多个支架马达与所述工具支架相关联，并被配置成使所述两个或更多个工具中的每一个工具相对于所述工具支架滚动，同时所述工具被牢固地保持在所述工具支架内。18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述工具支架被配置成将直径在3mm和20mm之间的工具牢固地保持在所述工具支架上。19.根据权利要求17所述的装置，其中，所述两个或更多个工具包括角膜刀刀片和超声乳化探头，以及其中，所述工具支架被配置成将所述角膜刀刀片和所述超声乳化探头牢固地保持在所述工具支架上。20.根据权利要求17所述的装置，其中，所述两个或更多个工具中的第一工具具有5
‑
8mm的直径，以及所述两个或更多个工具中的第二工具具有10
‑
14mm的直径。21.根据权利要求17所述的装置，其中，所述一个或更多个支架马达被配置成使所述两个或更多个工具中的每一个工具相对于所述工具支架在相对于中心位置成正/负80度的范围内滚动。22.根据权利要求17
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21中任一项所述的装置，其中，与所述工具支架相关联的所述一个或更多个支架马达被配置成使所述工具中的至少一个相对于所述工具支架通过另一个自由度移动。23.根据权利要求22所述的装置，其中，与所述工具支架相关联的所述一个或更多个支架马达被配置成使所述工具中的至少一个相对于所述工具支架移动，以便控制物质到患者眼睛中的注射。24.一种用于与机器人系统一起使用的方法，所述机器人系统被用于眼内手术，所述方
法包括：基于人眼的相应部分的标准尺寸范围，训练所述机器人系统以自动化方式执行白内障手术的一个或更多个步骤；以及对所述机器人系统进行编程，以通过以下操作对给定患者的眼睛执行所述白内障手术的一个或更多个步骤：接收所述眼睛的至少一个图像；根据所述至少一个图像确定所述眼睛的一个或更多个尺寸；以及基于所述训练和所述眼睛的确定的尺寸来执行所述白内障手术的一个或更多个步骤。25.根据权利要求24所述的方法，其中，训练所述机器人系统以自动化方式执行白内障手术的一个或更多个步骤包括编写算法，所述算法指示与所述机器人系统相关联的一个或更多个计算机处理器驱动所述机器人系统的部件来执行所述白内障手术的一个或更多个步骤。26.根据权利要求24所述的方法，其中，训练所述机器人系统以自动化方式执行白内障手术的一个或更多个步骤包括使用机器学习来训练所述机器人系统以自动化方式执行白内障手术的一个或更多个步骤。27.根据权利要求24
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26中任一项所述的方法，还包括根据所述至少一个图像确定所述眼睛的位置和取向，其中，执行所述白内障手术的一个或更多个步骤包括至少部分地基于所述眼睛的位置和取向来执行所述白内障手术的一个或更多个步骤。28.根据权利要求27所述的方法，其中，根据所述至少一个图像确定所述眼睛的位置和取向包括根据所述至少一个图像确定所述眼睛的当前位置和取向，以及其中，执行所述白内障手术的一个或更多个步骤包括至少部分地基于所述眼睛的当前位置和取向来执行所述白内障手术的一个或更多个步骤。29.根据权利要求24
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26中任一项所述的方法，其中，执行所述白内障手术的一个或更多个步骤包括：在执行所述白内障手术的一个或更多个步骤的整个过程中：接收患者眼睛和所述机器人系统的至少一部分的实时图像，以及响应于所述实时图像，在考虑所述患者眼睛的实时移动的同时自动执行动作。30.根据权利要求29所述的方法，其中，在考虑所述患者眼睛的实时移动的同时自动执行所述动作包括在考虑所述患者眼睛的实时移动的同时自动移动一个或更多个工具。31.根据权利要求29所述的方法，其中，在考虑所述患者眼睛的实时移动的同时自动执行所述动作包括在考虑所述患者眼睛的实时移动的同时自动控制所述机器人系统的成像系统的一个或更多个部件。32.根据权利要求29所述的方法，其中，在考虑所述患者眼睛的实时移动的同时自动执行所述动作包括在考虑所述患者眼睛的实时移动的同时自动控制超声乳化探头。33.根据权利要求29所述的方法，其中，在考虑所述患者眼睛的实时移动的同时自动执行所述动作包括在考虑所述患者眼睛的实时移动的同时自动控制注射器工具。34.根据权利要求29所述的方法，其中，在考虑所述患者眼睛的实时移动的同时自动执
行所述动作包括检测所述眼睛何时处于给定位置，以及将所述动作的执行定时为所述眼睛处于所述给定位置时。35.根据权利要求29所述的方法，其中，在考虑所述患者眼睛的实时移动的同时自动执行所述动作包括在考虑所述患者眼睛的实时移动的同时自动控制IOL操纵器工具。36.根据权利要求35所述的方法，其中，在考虑所述患者眼睛的实时移动的同时自动控制所述IOL操纵器工具包括控制所述IOL操纵器工具，使得所述工具操纵在所述患者眼睛内部的IOL，以便将所述IOL精确定位在所述患者眼睛内。37.根据权利要求29所述的方法，其中，在考虑所述患者眼睛的实时移动的同时自动执行所述动作包括相对于所述患者眼睛以期望的方式移动工具的尖端以便执行所述动作，同时保持所述工具进入所述患者眼睛的入口被固定在切口点处。38.根据权利要求37所述的方法，其中，在考虑所述患者眼睛的实时移动的同时保持所述工具进入所述患者眼睛的入口被固定在切口点处包括提供动态远程运动中心，所述远程运动中心位于所述切口点处，并且所述工具的运动以所述远程运动中心为中心，所述远程运动中心与所述眼睛的移动协调地移动。39.一种装置，包括：机器人系统，所述机器人系统被配置用于执行眼内手术；以及至少一个计算机处理器，所述至少一个计算机处理器被配置成：在训练阶段期间，接收用于基于人眼的相应部分的标准尺寸范围以自动化方式执行白内障手术的一个或更多个步骤的编程指令，以及在后续阶段期间，通过以下操作来驱动所述机器人系统对给定患者的眼睛执行所述白内障手术的一个或更多个步骤：接收所述眼睛的至少一个图像，根据所述至少一个图像，确定所述眼睛的一个或更多个尺寸，以及基于所述编程指令和所述眼睛的确定的尺寸来执行所述白内障手术的一个或更多个步骤。40.根据权利要求39所述的装置，其中，所述至少一个计算机处理器被配置成：根据所述至少一个图像确定所述眼睛的位置和取向，以及至少部分地基于所述眼睛的位置和取向来执行所述白内障手术的一个或更多个步骤。41.根据权利要求40所述的装置，其中，所述至少一个计算机处理器被配置成：根据所述至少一个图像确定所述眼睛的当前位置和取向，以及至少部分地基于所述眼睛的当前位置和取向来执行所述白内障手术的一个或更多个步骤。42.根据权利要求39所述的装置，其中，所述至少一个计算机处理器被配置成在执行所述白内障手术的一个或更多个步骤的整个过程中通过以下操作来驱动所述机器人系统对所述给定患者的眼睛执行所述白内障手术的一个或更多个步骤：接收患者眼睛和所述机器人系统的至少一部分的实时图像，以及响应于所述实时图像，在考虑所述患者眼睛的实时移动的同时自动驱动所述机器人系统执行动作。43.根据权利要求42所述的装置，其中，所述装置与一个或更多个工具一起使用，以及
其中，所述至少一个计算机处理器被配置成在考虑所述患者眼睛的实时移动的同时驱动所述机器人系统自动移动所述一个或更多个工具。44.根据权利要求42所述的装置，其中，所述装置与成像系统一起使用，以及其中，所述至少一个计算机处理器被配置成在考虑所述患者眼睛的实时移动的同时自动控制所述成像系统的一个或更多个部件。45.根据权利要求42所述的装置，其中，所述装置与超声乳化探头一起使用，以及其中，所述至少一个计算机处理器被配置成在考虑所述患者眼睛的实时移动的同时驱动所述机器人系统控制所述超声乳化探头。46.根据权利要求42所述的装置，其中，所述装置与注射器工具一起使用，以及其中，所述至少一个计算机处理器被配置成在考虑所述患者眼睛的实时移动的同时驱动所述机器人系统控制所述注射器工具。47.根据权利要求42所述的装置，其中，所述至少一个计算机处理器被配置成检测所述眼睛何时处于给定位置，并驱动所述机器人系统将动作的执行定时为所述眼睛处于所述给定位置时。48.根据权利要求42所述的装置，其中，所述装置与IOL操纵器工具一起使用，以及其中，所述至少一个计算机处理器被配置成在考虑所述患者眼睛的实时移动的同时驱动所述机器人系统控制所述IOL操纵器工具。49.根据权利要求48所述的装置，其中，所述至少一个计算机处理器被配置成驱动所述机器人系统控制所述IOL操纵器工具，使得所述工具操纵在所述患者眼睛内部的IOL，以便将所述IOL精确定位在所述患者眼睛内。50.根据权利要求42所述的装置，其中，所述装置与工具一起使用，以及其中，所述至少一个计算机处理器被配置成驱动所述机器人系统相对于所述患者眼睛以期望的方式移动所述工具的尖端以便执行所述动作，同时保持所述工具进入所述患者眼睛的入口被固定在切口点处。51.根据权利要求50所述的装置，其中，所述至少一个计算机处理器被配置成驱动所述机器人系统提供动态远程运动中心，所述远程运动中心位于切口点处，并且所述工具的运动以所述远程运动中心为中心，所述远程运动中心与所述眼睛的移动协调地移动。52.一种装置，包括：机器人系统，所述机器人系统被配置用于执行眼内手术；以及一个或更多个计算机处...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔，
申请(专利权)人：弗塞特机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：