提供位置测量的医疗器械中的驱动力控制制造技术

本发明专利技术公开一种用于远距离接头的控制系统和方法，该控制系统和方法利用位置测量确定并控制致动器通过连接件施加于该接头的力。力和反馈的利用能够控制具有在该接头和近端致动器之间提供不能忽略的柔顺性的连接件的医疗器械，特别是即便当该远端接头的位置不能与近端马达位置直接相关也能够允许精确的器械操作。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】提供位置测量的医疗器械中的驱动力控制
技术介绍
微创医疗手术经常利用借助于计算机或通过计算机接口控制的器械。例如，图I示出一种自动控制的器械100，该器械具有简化的结构以便举例说明一些当前自动控制的医疗器械的基本工作原理(正如这里所使用的，术语“自动”或“自动地”等包括远程操作或远程遥控方面)。器械100包括在细长轴或主管120远端的工具或末端执行器110。在举例说明的例子中，末端执行器110是诸如钳子或剪刀的有夹爪的工具，该夹爪工具具有分开的夹爪112和114，并且至少夹爪112是可动的以便相对于夹爪114打开或闭合。在医疗手术期间的使用中，主 管120远端上的末端执行器110可以通过病人身上的小切口插入并且定位在病人身体里面的工作部位。例如，在进行外科手术期间，之后夹爪112可以打开或闭合，因此必需被精确地控制以便仅仅进行希望的运动。实际的医疗器械除了夹爪112和114的打开和闭合之外通常还需要许多运动自由度，以便进行医疗手术。主管120的近端连接于有时候叫做后端机构130的传动或驱动机构130。可以是绞合缆线、杆、管子或这些结构的组合的筋(tendon) 122和124从后端机构130延伸通过主管120并连接于末端执行器110。常用的外科器械还包括将后端机构130连接于其他被致动构件或末端执行器110的接头的附加筋(未示出)、肘节机构(未示出)或甚至主管120中的被致动脊骨(vertebrae)，以便后端机构130能够操纵该筋来操作器械的末端执行器110和/或其他被致动元件。图I示出具有销接头结构116的夹爪112，该销接头结构为夹爪112提供单个自由度运动。两个筋122和124连接于夹爪112和后端机构130内的滑轮132，使得滑轮132的旋转导致夹爪112的转动。滑轮132连接于驱动马达140，该驱动马达可以在机构臂(未示出)的端部，并且控制系统150电控制驱动马达140。控制系统150 —般包括具有合适的软件、硬件和外围硬件的计算系统。除了其他功能之外，控制系统150还能够实现为外科 医生或其他系统操作者提供工作部位和末端执行器110的图像的界面，并且界面还提供外科医生能够操纵来控制末端执行器110的运动的控制装置。在实时自动控制医疗器械中用于解释控制装置的使用者操纵和用于生成导致夹爪112的相应运动的马达信号所需要的软件或硬件通常很复杂。考虑到一部分控制任务，用于驱动马达140的控制信号的生成通常利用夹爪112的角度或位置与后端机构130内的驱动马达140或滑轮132的角度或位置之间的关系。如果筋I 22和124是极度刚性的(例如，如果筋的拉伸可以忽略)，则在确定如外科医生所引导地移动夹爪112所需要的控制信号时，控制系统150可以利用驱动马达140的角度位置和由器械100的几何形状限定的夹爪112的角度位置之间的直接关系。例如，在工作载荷下，筋122和124的微小拉伸，可以通过使驱动马达位置与末端执行器位置相关的一些数学模型来处理。但是，如果包括末端执行器110、筋122和124以及后端机构130的机械结构具有高度的柔顺性，则马达140 (或滑轮132)的角度位置和夹爪112的角度位置之间的关系很难或不可能被精确地建模。因此，这种系统需要不依靠所施加的致动器控制信号和被致动元件的位置之间的固定的关系的控制处理。
技术实现思路
根据本专利技术的一方面，控制系统和方法利用远端位置反馈来确定并控制一个或更多个近端致动器经由机械连接件(linkage)施加于接头(joint)的力。力控制和远端反馈的利用能够允许自动控制包括在接头和近端致动器之间具有不可忽略的柔顺性的机械连接件的医疗器械，并且具体地即便在远端接头的位置不能从近端马达位置直接推导出时，也能够提供精确的器械操作。此外，利用力控制也能够允许有源控制医疗器械中的远端接头，以提供希望的接头刚性。例如，接头的刚性能够保持在实现医疗功能(例如操纵组织)所需的范围内，或当将器械插入小体腔中时能够实现更大的柔顺性，以避免损伤周围组织。而且，通过利用力控制和远端反馈，控制系统能够与致动器的位置独立地提供医疗器械接头的位置控制和刚性控制两者。本专利技术一个具体实施例是一种医疗系统，其包括致动器、接头、连接件、传感器和控制系统。该连接件具有连接于接头的第一端和机械地连接于该致动器的第二端，以允许传递用于接头的铰接的力。该传感器被连接以测量该接头的位置；并且该控制系统被连接以接收位置测量。控制系统利用位置测量以确定如何调节从致动器传递给连接件的致动器 力。本专利技术另一个具体实施例是用于控制医疗器械的接头的方法。该方法大体包括测量接头的位置；接收指示该接头的希望位置的命令；确定致动器力，该致动器力决定于该接头的测量位置和希望位置但是不决定于该致动器的位置；以及操作致动器以对连接于该接头的连接件施加致动器力。确定致动器力可以包括计算决定于接头位置和该接头的希望位置的函数值。附图说明图I图示说明已知的自动控制的医疗器械的特征。图2是医疗器械的框图，其中根据本专利技术实施例的力控制过程可以与柔顺驱动一起使用。图3A是医疗器械的框图，其中根据本专利技术实施例的力控制过程可以与具有最小和最大力传输的驱动连接件一起使用。图3B示出本专利技术的实施例，其中所控制的接头是连续可弯曲的结构。图4示意地示出自动医疗系统并且具体示出通过柔顺机械连接件连接于致动器的远程接头的控制中所用的量。图5是根据本专利技术实施例的控制过程的流程图。图6是用于确定与致动器速度和接头速度之间的差有关的张力分布的过程的流程图。图7是用于确定与操作同一个接头的两个致动器的速度之间的差有关的张力分布的过程的流程图。图8示出控制最大和最小施加张力的力函数。不同附图中的相同的参考符号表示类似的或相同的物件。具体实施方式根据本专利技术的一方面，医疗器械中的远程接头可以通过在致动器位置和接头位置之间不具有固定关系的连接件来控制。具体说，系统操作者(例如外科医生)的动作能够表示该远程接头的当前希望位置和速度，而传感器测量该远程接头的实际位置。于是利用希望位置和测量位置可以计算力、张力或力矩并通过连接件将其施加成将远程接头从其实际位置朝着希望位置移动。(一般而言，医疗器械中的力或张力与力矩成比例，且比例系数由固定的因素限定，即力臂，该力臂由该器械的机械的或几何的性质设定，以便力、张力或力矩中的任何一个的计算将表示该另外两个的值)。如果前面计算的施加的力导致接头过冲或不能到达希望位置，则可以修正或改变致动器施加的力的计算。图2示出，例如，美国专利申请号12/494，797公开的名称为“柔顺的外科装置”的具有驱动连接件的柔顺的医疗器械200的一部分，其整个内容通过参考结合于此。器械200包括通过控制筋(tendon)222和224中的相应张力而被操纵/操作的连接元件210。一般来说，器械200可以包含许多类似于连接元件210的机械接头，并且每个接头均可以利用类似于筋222和224的筋被控制。在示范性的实施例中，器械200是能够被操作成沿着病人体内的天然体腔而行进的进入导向器。进入导向器通常包括围绕脊骨(包括元件210)的柔性外部鞘(未示出)，并且提供一个或更多个中心腔，为了通达到工作部位，其他医疗器械能 够通过所述中心腔插入。在进入导向器中柔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·M·普里斯科，S·K·W·奥，
申请(专利权)人：直观外科手术操作公司，
类型：
国别省市：