提供延伸到进入引导器远端外的可铰接器具的辅助视图的医疗机器人系统技术方案

医疗机器人系统（１００）包括具有外科工具（２３１，２４１）和摄像机（２１１）的进入引导器（２００），所述外科工具（２３１，２４１）和摄像机（２１１）延伸到所述进入引导器（２００）远端外。为了补充由摄像机获取的图像所提供的视图，包括外科工具和／或摄像机的可铰接臂的辅助视图由感应或另外确定的关于它们位置和方向的信息生成并且其特定观察点的透视图显示在显示屏（１４０）上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体涉及医疗机器人系统，并具体涉及提供可铰接器具 (articulatableinstruments)的辅助视图的医疗机器人系统，所述可铰接器具延伸到进入 引导器(entry guide)远端外。
技术介绍
医疗机器人系统，如用于进行微创外科手术的遥操作系统 (teleoperativesystem)，相对于常规的开放式外科技术提供多种益处，包括较少的疼痛、 较短的住院期、较快地恢复正常活动、最小化的疤痕、缩减的恢复期以及对组织较少的伤 害。因此，对该医疗机器人系统的需求是强烈并且增长的。该医疗机器人系统的其中一个实例是来自加利福尼亚州森尼韦尔的 IntuitiveSurgical, Inc.的da Vinci 手术系统，其为微创机器人外科系统。da Vinci 外科 系统具有多个机器人臂，所述机器人臂响应于外科医生观察图像获取装置获取的手术位点 的图像而进行的输入装置的移动来移动所连接的医疗装置，如图像获取装置和Intuitive Surgical专有的Endo Wrist 铰接外科器具。每个医疗装置穿过其自身的微创切口插入患 者体内并定位，以在手术位点进行医疗手术。所述切口位于患者身体周围，以便所述外科器 具可用于协助进行医疗手术，并且图像获取装置可以观察它，而它们的机器人臂在手术过 程中不碰撞。对于进行某些医疗手术，应用单一进入孔如微创切口或自然的身体腔口进入患者 来进行医疗手术可能是有利的。例如，可首先将进入引导器插入、定位及保持在进入孔中适 当的位置。然后可以将用于进行医疗手术的器具，如可铰接摄像机和多种可铰接外科工具， 插入进入引导器的近端，以便延伸到其远端外。因此，进入引导器为多种器具提供单一进入 孔，同时在引导器将它们向工作位点引导时保持所述器具捆绑在一起。由于进入引导器一般具有相对小的直径以便适合穿过微创切口或自然的身体腔 口，当遥控操作外科器具进行医疗手术以及遥控操作摄像机观察医疗手术时，可能产生许 多问题。例如，因为将摄像机与外科工具捆绑，所以摄像机相对于外科工具的定位受限，从 而其对外科工具的观察受限。因此，虽然可铰接外科工具的顶端可保持在摄像机的视野中，但有助于外科工具 可铰接性的可控联动机构(controllable linkage)可能不在摄像机的视野中。所以，外科 工具的可控联动机构可能在医疗手术的进行过程中不经意地彼此(或与摄像机的连接)碰 撞，结果对患者造成伤害或以其它方式不利地影响医疗手术的进行。同样，由于可铰接摄像机一般不能观察到其自身的可控联动机构，操作者对摄像 机的移动尤其重要——其中与外科工具连接的碰撞将被避免。进一步，当提供直观控制以 协助操作者遥控操作移动外科工具和摄像机时，产生所述工具和摄像机顶端的这类直观移 动所需要的联动机构的移动可能对于操作者不明显或不直观，从而使操作者避免摄像机视 野外的联动机构之间的碰撞更加困难。专利技术概述因此，本专利技术一个或多个方面的目的是向操作者提供辅助视图以协助操作者使用 医疗机器人系统对患者进行医疗手术的方法，所述医疗机器人系统具有延伸到进入引导器 远端外的可铰接器具，所述进入引导器穿过单一进入孔插入患者体内。本专利技术一个或多个方面的另一目的是在这种医疗机器人系统中实施的、向操作者 提供视觉指示的方法，所述视觉指示指示何时可铰接器具的可控联动机构可能碰撞。本专利技术一个或多个方面的另一目的是在医疗机器人系统中实施的、向操作者提供 视觉指示的方法，所述视觉指示指示何时可铰接器具的接头(joints)和/或连杆(links) 和/或其部分正接近不期望的或期望的事件或情况。本专利技术一个或多个方面的另一目的是在这种医疗机器人系统中实施的、增加操作 者对摄像机视野之外的可铰接器具的联动机构相对位置(configuration) 了解的方法。通过本专利技术的各个方面实现这些以及另外的目的，其中简而言之，一方面是提供 计算机生成视图的方法，包括接收一个或多个延伸到进入引导器远端外的可铰接器具的 状态信息；利用接收的信息和一个或多个可铰接器具的正向运动学(forward kinematics) 生成视图；以及在显示屏上显示生成的视图。另一方面是医疗机器人系统，包括进入引导器；延伸穿过进入引导器远端并且 延伸到进入引导器远端外的多个器具；适于感应多个器具的铰接元件状态的多个传感器； 显示屏；以及控制器，其配置为接收包括从多个传感器感应的铰接元件状态的信息，利用所 接收的信息生成视图，并且在显示屏上显示生成的视图。本专利技术各个方面的另外的目的、特征和优势从其优选实施方式的下列描述来看将 变得明显，该描述应当结合附图。附图简述附图说明图1图解了手术室的俯视图，该手术室使用了应用本专利技术方面的医疗机器人系 统。图2图解了在应用本专利技术方面的医疗机器人系统中用于控制装置操控器并将装 置操控器与可左手和右手操控的输入装置选择性关联的部件的方框图。图3-4分别图解了在应用本专利技术方面的医疗机器人系统中所使用的、延伸到进入 引导器远端外的可铰接摄像机和一对可铰接外科工具的俯视图和侧视图。图5图解了在应用本专利技术方面的医疗机器人系统中所使用的进入引导器及其四 自由度运动的透视图。图6图解了在应用本专利技术方面的医疗机器人系统中所使用的进入引导器以及在 其近端和远端之间延伸的、限定在其中的通道的横截面视图。图7图解了在应用本专利技术方面的医疗机器人系统中所使用的进入引导器操控器 的互作用型部件的方框图。图8图解了在应用本专利技术方面的医疗机器人系统中所使用的可铰接器具操控器 和可铰接器具的互作用型部件的方框图。图9图解了应用本专利技术方面的、用于提供计算机生成辅助视图的方法的流程图。图10图解了在应用本专利技术方面的医疗机器人系统中所用的、利用器具接头位置 和正向运动学确定器具连杆位置和方向的数据和处理流程图。图11图解了在应用本专利技术方面的医疗机器人系统中所用的、利用感应的器具顶 端位置和反向动力学确定器具接头位置的数据和处理流程图。图12-13分别图解了通过在应用本专利技术方面的医疗机器人系统中实施的方法生 成并显示在显示屏上的俯视和侧视辅助视图。图14图解了通过在应用本专利技术方面的医疗机器人系统中实施的方法生成并在显 示屏上单独窗口中显示的俯视和侧视辅助视图。图15图解了在应用本专利技术方面的医疗机器人系统中在监视器上邻近可铰接摄像 机所获取的图像而显示的辅助视图。图16图解了通过在应用本专利技术方面的医疗机器人系统中实施的方法在显示屏上 生成和显示的、具有截锥体的可铰接摄像机的辅助侧视图。图17图解了来自摄像机观察点的一对可铰接外科工具的辅助视图与摄像机所获 取的图像的结合显示，所述辅助视图通过在应用本专利技术方面的医疗机器人系统中实施的方 法生成并显示在显示屏上。图18图解了应用本专利技术方面的、用于提供辅助观察模式的方法的流程图，所述辅 助观察模式相应于医疗机器人系统中的装置控制模式。优选实施方式的详述图1作为实例图解了手术室的俯视图，其中外科医生20正在利用医疗机器人系统 100对面朝上平躺在手术台50上的患者40进行医疗手术。当外科医生20通过操控外科医 生控制台10上的输入装置108、109遥控操作进行手术时，一个或多个助手30可位于患者 40附近协助手术。本实例中，将进入引导本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提供计算机生成视图的方法，包括：　　接收延伸到进入引导器远端外的一个或多个可铰接器具的状态信息；　　应用所述接收的信息和所述一个或多个可铰接器具的正向运动学生成视图；以及　　在显示屏上显示所述生成的视图。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US12/163,0872008年6月27日1.一种提供计算机生成视图的方法，包括接收延伸到进入引导器远端外的一个或多个可铰接器具的状态信息；应用所述接收的信息和所述一个或多个可铰接器具的正向运动学生成视图；以及在显示屏上显示所述生成的视图。2.权利要求1所述的方法，其中所述显示的视图用于补充由摄像机获取的图像，所述 摄像机观察所述一个或多个可铰接器具的至少一个远顶端。3.权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个可铰接器具包括可铰接摄像机，并且 所述显示的视图用于补充由所述可铰接摄像机获取的图像。4.权利要求1所述的方法，其中所述接收的信息由感应致动器活动的传感器提供，所 述致动器铰接所述可铰接器具。5.权利要求1所述的方法，其中所述接收的信息由感应所述一个或多个可铰接器具的 所述状态的传感器提供。6.权利要求5所述的方法，其中所述传感器包括转动传感器，所述转动传感器感应所 述一个或多个可铰接器具的接头的转动状态。7.权利要求5所述的方法，其中所述传感器包括位移传感器，所述位移传感器感应所 述一个或多个可铰接器具的棱柱接头的线性状态。8.权利要求5所述的方法，其中所述传感器被包括在所述一个或多个可铰接器具中。9.权利要求5所述的方法，其中所述传感器在所述一个或多个可铰接器具的外部，以 便感应位于所述一个或多个可铰接器具上的重要点的可追踪元件的位置。10.权利要求9所述的方法，其中所述可追踪元件是有源元件。11.权利要求10所述的方法，其中所述可追踪元件被置于所述一个或多个可铰接器具 的所述顶端，并且所述视图的所述生成包括通过将所述感应的可追踪元件的位置应用于所述一个或多个可铰接器具的反向动力 学来确定所述一个或多个可铰接器具的接头位置；以及通过将所述确定的接头位置应用于所述一个或多个可铰接器具的所述正向运动学来 确定所述一个或多个可铰接器具的连杆位置和方向。12.权利要求9所述的方法，其中所述可追踪元件是无源元件。13.权利要求1所述的方法，其中所述视图的所述生成包括应用所述接收的信息生成所述一个或多个可铰接器具的计算机模型；将所述计算机模型转换成可选择观察点的透视图；以及渲染所述转换的模型。14.权利要求13所述的方法，其中所述计算机模型的所述生成包括应用所述一个或多 个可铰接器具关于固定参考点的正向运动学。15.权利要求14所述的方法，其中所述固定参考点是远中心，所述进入引导器可绕所 述远中心转动。16.权利要求14所述的方法，其中所述计算机模型向所述可选择观察点的透视图的转 换包括计算所述固定参考点至所述可选择观察点的距离；以及应用所述计算的距离将计算机模型转换和定向成可选择观察点的所述透视图。17.权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个可铰接器具包括可铰接摄像机和一 个或多个可铰接外科工具，并且所述转换的计算机模型的所述渲染包括以不同于所述一个 或多个可铰接外科工具的颜色渲染所述可铰接摄像机，以便所述可铰接摄像机可以在所述 显示屏上显示的视图中容易地区分。18.权利要求13所述的方法，其中所述转换的计算机模型的所述渲染包括当所述可铰 接器具中至少一个达到事件的阈时改变所述一个或多个可铰接器具中所述至少一个的至 少部分的颜色。19.权利要求18所述的方法，其中所述阈是警告阈，并且所述事件是要避免的情况。20.权利要求19所述的方法，其中所述警告阈基于所述一个或多个可铰接器具中所述 至少一个的所述部分的活动范围。21.权利要求20所述的方法，其中所述要避免的情况是所述一个或多个可铰接器具中 所述至少一个的所述部分的所述活动范围的限制。22.权利要求19所述的方法，其中所述警告阈基于所述一个或多个可铰接器具中所述 至少一个的所述部分与所述一个或多个可铰接器具中另一个的部分之间的距离。23.权利要求22所述的方法，其中所述要避免的情况是所述一个或多个可铰接器具中 所述至少一个的所述部分与所述一个或多个可铰接器具中所述另一个的所述部分之间的 碰撞。24.权利要求23所述的方法，其中当所述一个或多个可铰接器具中所述至少一个的 所述部分达到所述警告阈时，所述一个或多个可铰接器具中所述另一个的所述部分改变颜 色。25.权利要求23所述的方法，其中当所述一个或多个可铰接器具中所述至少一个的所 述部分达到警告阈时，在所述一个或多个可铰接器具中所述至少一个的所述部分和所述一 个或多个可铰接器具中所述另一个的所述部分周围显示球体。26.权利要求19所述的方法，其中当所述一个或多个可铰接器具中所述至少一个的所 述部分越过所述警告阈向要避免的事件移动时，所述颜色的亮度改变。27.权利要求19所述的方法，其中所述颜色以随着所述一个或多个可铰接器具中所述 至少一个的所述部分越过所述警告阈向要避免的事件移动而增加的频率开启和关闭。28.权利要求19所述的方法，其中所述颜色在所述一个或多个可铰接器具中所述至少 一个的所述部分达到所述警告阈时从第一颜色变成第二颜色，在所述一个或多个可铰接器 具中所述至少一个的所述部分到达所述要避免的事件时从第二颜色变成第三颜色。29.权利要求18所述的方法，其中所述阈是提示阈，并且所述事件是所述一个或多个 可铰接器具中所述至少一个的期望位置。30.权利要求18所述的方法，其中所述阈是提示阈，并且所述事件是所述一个或多个 可铰接器具中所述至少一个的期望方位。31.权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个可铰接器具包括可铰接摄像机，并 且所述计算机模型的所述生成包括生成截锥体，以从所述可铰接摄像机的顶端延伸出来并 指示所述可铰接摄像机的所述观察范围。32.权利要求31所述的方法，其中所述转换的计算机模型的所述渲染包括在所述截锥 体的基础上渲染由所述可铰接摄像机获取的图像。33.权利要求13所述的方法，进一步包括计算所述一个或多个可铰接器具的矩心，和 所述视图在所述显示屏上的显示，所述显示包括在所述显示屏上显示所述矩心，以提供所 述进入引导器是否需要重新定位的指示。34.权利要求13所述的方法，进一步包括从操作者控制的输入机构接收所述可选择 观察点的指示。35.权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个可铰接器具包括可铰接摄像机和一 个或多个可铰接外科工具，所述可选择观察点与所述可铰接摄像机的观察点一致，并且所 述生成的视图在所述显示屏上的显示包括将由可铰接摄像机获取的图像显示在所述显示 屏上，以便所述图像中获取的所述一个或多个可铰接外科工具与所述视图中的所述一个或 多个可铰接外科工具一致并覆盖所述视图中的所述一个或多个可铰接外科工具。36.权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个可铰接器具包括可铰接摄像机，所 述可选择观察点与所述可铰接摄像机的观察点一致，并且所述生成的视图在所述显示屏上 的显示包括在所述显示屏上显示由所述可铰接摄像机获取的图像，和通过邻近所述图像镶 嵌所述图像中未显示的所述渲染和转换的模型的对齐部分来增加所述图像。37.权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个可铰接器具包括可铰接摄像机和一 个或多个可铰接外科工具，所述可铰接摄像机包括立体摄像机，并且邻近所述可铰接摄像 机和延伸到所述进入引导器所述远端外的所述一个或多个可铰接外科工具的所述显示视 图将由所述可铰接摄像机获取的图像作为三维图像显示在所述显示屏上。38.权利要求37所述的方法，其中所述可铰接摄像机和延伸到所述进入引导器所述远 端外的所述一个或多个可铰接外科工具的所述显示视图是三维视图。39.权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个可铰接器具包括可铰接摄像机和一 个或多个可铰接外科工具，当一个或多个输...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·莫斯塔发，
申请(专利权)人：直观外科手术操作公司，
类型：发明
国别省市：US