用于手术工具的协作控制的系统和方法包括：工具保持器，其用于接纳适合于被机器人和外科医生把持的手术工具；传感器，其用于探测基于操作者输入的力和/或工具末端力；控制器，其用于基于探测到的力来限制机器人速度以便提供触觉反馈；选择器，其用于基于探测到的所施加的力来自动地选择多水平音频反馈中的一个水平，所述音频反馈代表所施加的力的相对强度；以及音频设备，其用于与所述触觉反馈共同地提供所述音频反馈。音频反馈向外科医生提供允许在操作期间施加更低的力的附加信息。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的引用本申请要求于2010年8月2日提交的美国临时专利申请第61/370，029号的权益， 该美国临时专利申请据此为了所有目的而通过引用并入，如同在本文中充分地阐述。政府利益的声明本专利技术是通过美国政府的支持在由国立卫生研究院授予的第EB007969号拨款和由国家科学基金会授予的第EEC9731478号拨款下做出的。美国政府拥有本专利技术的某些权利。专利
本专利技术涉及用于手术工具的协作控制的方法和系统。更具体地，本专利技术涉及用于和系统。专利技术背景视网膜显微手术是手术任务中的最具挑战性组中的一个，这是由于人类感觉运动限制、对于精密和微型的检测仪表的需要以及在小且脆弱的环境中执行微米尺度的运动任务的固有困难。在视网膜手术中，外科医生需要进行微米尺度操纵，同时把力安全地施加于在感官知觉下的视网膜组织。手术表现还受到不精确仪器、生理性手震颤、差的可视化、 对某些结构的可接近性的缺乏、患者运动以及由于延长操作而引起的疲劳的挑战。视网膜手术中的手术器械以被穿过巩膜(眼睛的可见白壁)插入的长细轴(在直径上典型地为 O. 5mm至O. 7mm)为特征。被这些工具施加的力经常远低于人类感觉阈值。外科医生因此必须依赖于视觉信号以避免把过度的力施加在视网膜上。这些视觉信号是被施加于组织的力的直接结果，并且训练有素的外科医生通过撤回工具并且再次握持组织来对该视觉信号做出反应以搜索可选择的路径。这使剥离过程中断，并且要求外科医生小心地再次接近目标。感测不可觉察的微力信号以及使用机器人操纵器来抢先地反应具有允许连续剥离、增加任务完成时间以及使并发症的风险减到最小的可能性。所有的这些因素促成可能导致视力丧失的手术错误和并发症。示例性程序是视网膜前膜的剥离，其中薄膜被使用精细的(20_25Ga)手术器械从视网膜的表面小心地分层。被施加在视网膜组织上的力经常远低于人类感觉阈值。在目前的实践中，外科医生仅具有待依赖的视觉信号来避免施加过度的力，这已经被观察到导致具有视力丧失的相关风险的视网膜损伤和出血。虽然机器人助手，例如DAVINCI 手术机器人系统，已经被广泛地用于腹腔镜手术，但是目标在于显微手术的系统仍然处于研究阶段。显微手术系统包括远程操作系统、徒手主动震颤消除系统(freehand active tremor-cancellation system)以及协作地控制的交叉手系统(hand-over-hand system),例如Johns Hopkins “稳定手”机器人。在稳定手控制中，外科医生和机器人二者都把持手术工具；机器人感测被外科医生施加在工具把手上的力，并且运动成依从，过滤掉任何震颤。对于视网膜显微手 术来说，工具典型地在巩膜插入点处枢轴转动，除非外科医生想要使眼球移动。该枢轴点可以被机械地约束的远程运动中心或软件来执行。工具轴和巩膜之间的相互作用使对机器人的控制和对工具至视网膜力的测量二者都复杂化。为了测量工具至视网膜力，已经使用在巩膜插入点的远侧安装在工具轴上的极端敏感的(0.25mN的分辨率)力传感器。该力传感器允许对工具至组织力的测量，同时衰减了来自于工具至巩膜力的干扰。此外，端点微力传感器已经用在手术应用中，其中力缩放协作控制方法产生基于工具至组织力和工具手力之间的缩放差异的机器人响应。此外，第一代稳定手机器人已经被特别地设计用于玻璃体视网膜手术。虽然该稳定手机器人成功地用在体外机器人辅助的血管套管插入实验中，但是其被发现具有人体工程学限制。例如，第一代稳定手机器人仅具有±30%工具旋转限制值。为了进一步扩展工具旋转范围，已经开发了第二代稳定手机器人，其已经把该范围增加至±60%。第二代稳定手机器人利用平行六杆机构，该平行六杆机构机械地提供等中心运动，而不引入随着第一代稳定手机器人发生的在直角坐标阶段(Cartesian stage)中的大的并行共同速度 (concurrent joint velocity)。第二代稳定手机器人并入显著地改进的操纵器以及集成微力感测工具，该第二代稳定手机器人提供用于改进的玻璃体视网膜手术。然而，因为玻璃体视网膜手术的灵敏度， 在本领域中仍然有对于对工具的改进控制的需要，以避免不必要的并发症。例如，玻璃体视网膜手术中的并发症可能起因于力到眼睛组织的过度和/或不正确的施加。目前的实践要求外科医生通过缓慢且稳定的操纵而把操作力保持为低且安全。外科医生还必须单独地依赖视觉反馈，视觉反馈使问题复杂化，因为其耗费时间来探测、评估并且然后对模糊信号做出反应；对于初学者外科医生来说，任务是特别困难的。据此，在本领域中有对于用于在玻璃体视网膜手术和类似手术中使用的手术工具的改进的控制方法的需要。概述根据本专利技术的第一方面，用于手术工具的协作控制的系统包括工具保持器，其用于接纳适合于被机器人和外科医生把持的手术工具；传感器，其用于探测基于操作者输入的力和/或工具末端力；控制器，其用于基于在所述手术工具和所述组织之间探测到的力来限制机器人速度以便提供触觉反馈；选择器，其用于基于所探测到的所施加的力来自动地选择多水平音频反馈中的一个水平，所述音频反馈代表所施加的力的相对强度；以及音频设备，其用于与所述触觉反馈共同地提供所述音频反馈。根据本专利技术的第二方面，用于手术工具的协作控制的系统包括工具保持器，其用于接纳适合于被机器人和外科医生把持的手术工具；传感器，其用于探测在手术工具和感兴趣的目标区域之间的距离；选择器，其用于基于所探测到的距离来自动地选择音频反馈， 所述音频反馈代表关于所述手术工具距所述感兴趣的目标区域多远的范围感测信息；以及音频设备，其用于提供所述音频反馈。根据本专利技术的第三方面，用于手术工具的协作控制的方法包括接纳适合于被机器人和外科医生把持的手术工具；探测所述手术工具和组 织之间的界面处的力；基于在所述手术工具和所述组织之间探测到的所述力来限制机器人速度以便提供触觉反馈；基于所探测到的力来自动地选择音频反馈，所述音频反馈代表所施加的力的相对强度；以及与所述触觉反馈共同地提供所选择的音频反馈。附图简述附图提供了视觉表示，该视觉表示将用来更充分地描述本文公开的代表性实施方案并且可以被本领域的技术人员使用以更好地理解代表性实施方案及其内在优势。在这些附图中，相似的参考数字指代相应的元件，并且附图说明图1图示了根据本专利技术的特征的示例性系统的示意图。图2图示了根据本专利技术的特征的示例性系统的示意图。图3图示了根据本专利技术的特征的示例性手术工具的分解视图。图4图示了根据本专利技术的特征的关于力的音频反馈的图形表示。图5图示了根据本专利技术的特征的剥离样品可重复性测试的图形表示。图6A-D是具有和不具有根据本专利技术的特征的音频反馈的示出了末端力的各种控制模式的代表性试验的标绘图(Plot)。优选实施方案的详细描述现在将在下文中参照附图更充分地描述现在公开的主题内容，在附图中，示出了本专利技术的某些而非全部的实施方案。相同的数字在全文中指代相同的元件。现在公开的主题内容可以被以许多不同的形式来体现并且不应当被理解为限于本文提出的实施方案；而是，提供这些实施方案，使得本公开内容将满足可适用的法定要求。实际上，本文提出的现在公开的主题内容的许多修改和其他实施方案将被现在公开的主题内容所属于的领域的技术人员想到，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】2010.08.02 US 61/370,0291.一种用于手术工具的协作控制的系统，包括工具保持器，其用于接纳适合于被机器人和外科医生把持的手术工具；传感器，其用于探测基于操作者输入的力和/或工具末端力；控制器，其用于基于探测到的力来限制机器人速度以便提供触觉反馈；选择器，其用于基于所探测到的所施加的力来自动地选择多水平音频反馈中的一个水平，所述音频反馈代表所施加的力的相对强度；以及音频设备，其用于与所述触觉反馈共同地提供所述音频反馈。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述音频反馈是一系列蜂鸣声。3.根据权利要求1所述的系统，其中所述音频反馈基于所施加的力是否落入预定范围内来选择。4.根据权利要求1所述的系统，其中所述手术工具用在玻璃体视网膜手术中。5.根据权利要求3所述的系统，其中所述音频反馈是无声的，直到所施加的力在多于 ImN的预定范围内。6.根据权利要求3所述的系统，其中当所施加的力处于在ImN和3.5mN之间的预定范围内时，所述音频反馈是持续的慢节奏蜂鸣声。7.根据权利要求3所述的系统，其中当所施加的力在3.5mN至约7mN之间的预定范围内时，所述音频反馈是持续的快节奏蜂鸣声。8.根据权利要求7所述的系统，其中所述快节奏蜂鸣声与所施加的力成比例地增加。9.根据权利要求1所述的系统，其中所述手术工具是手术机器人中的端部执行器。10.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器是内嵌在所述手术工具中以用于探测所述手术工具和所述组织之间的力的光纤布拉格光栅(FBG)传感器。11.一种用于手术工具的协作控制的系统，包括工具保持器，其用于接纳适合于被机器人和外科医生把持的手术工具；传感器，其用于探测手术工具和感兴趣的目标区域之间的距离；选择器，其用于基于所探测到的距离来自动地选择音频反馈，所述音频反馈代表关于所述手术工具距所述感兴趣的目标区域多远的范围感测信息；以及音频设备，其用于提供所述音频反馈。12.根据权利要求11所...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗素·H·泰勒，马尔辛·阿尔卡迪乌什·巴利茨基，詹姆斯·塔哈拉·汉达，彼得·路易斯·盖尔巴赫，尤利安·约尔达基塔，阿里·于内里，
申请(专利权)人：约翰霍普金斯大学，
类型：
国别省市：
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