针对经食道超声心动描记探头的无传感器的力控制

摘要

一种用于对具有线缆驱动的远侧端部的介入工具(14)(例如，探头、可操纵的导管、导丝以及结肠内窥镜)的无传感器的力控制的机器人致动系统。所述系统采用机器人致动器(30)，所述机器人致动器使一个或多个电动齿轮操作对所述介入工具(14)的所述线缆驱动。所述系统还采用机器人工作站(20)，以生成用于所述介入工具(14)的同时对致动位置和接触力的控制的电动机命令。所述电动机命令是针对所述介入工具(14)的期望的致动位置的至少一个电动齿轮的致动位置测量结果和电动机电流测量结果的函数。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及经食道超声心动描记(“TEE”)探头。本发明具体涉及在介入流程期间对TEE探头的无传感器的力控制。

背景技术

经食道超声心动描记术常常被用于在针对结构性心脏疾病(“SHD”)的处置期间对心脏解剖结构和介入设备进行可视化。图1示出了在具有超声工作站11和X射线扫描器(示出了其C臂12)的实验室10内的手术室工作人员的典型分布。在SHD操作期间，超声心动描记操作员13握持TEE探头14，所述TEE探头14通过患者16的口进入到食道中，以对患者16的心脏进行可视化。心脏病专家15位于X射线C臂12和操作台17的相对侧。心脏病专家15在X射线引导和经由TEE探头14的超声引导下将介入设备(未示出)(例如，导管和导丝)从动脉切口导航到心脏中，以便执行不同的诊断或治疗流程。诸如二尖瓣夹合部署或者经导管主动脉瓣置换术(“TAVR”)的范例流程会是耗时且复杂的。此外，确保在流程期间对靶解剖结构的适当的可视化是超声心动描记操作员13的责任，他必须在流程的持续时间内对TEE探头14的顶端的位置持续做出小的调节。

在实践中，图1的操作状况存在若干挑战。第一个挑战是失败和不良的可视化。具体而言，适当的可视化包括确保实现以下两者：相关解剖结构处于视场内，以及在换能器的头与食道壁之间的必要接触力以实现足够的声学耦合。对此，TEE探头14的头的位置和取向要求在流程的持续时间内持续的细微调节，以便维持对靶结构的适当的可视化。这会造成在长的流程期间超声心动描记操作员13的失败和不良的可视化。

第二个挑战是X射线暴露。具体而言，TEE探头14的长度导致超声心动描记操作员13的定位紧密接近介入X射线系统的源，由此使超声心动描记操作员13在流程的过程中的X射线暴露最大化。

第三个挑战是通信和可视化。在流程的特定阶段期间，心脏病专家15和超声心动描记操作员13必须在心脏病专家15指示超声心动描记操作员13关于要对哪个结构进行可视化时持续通信。考虑到难以解读3D超声体积以及由X射线和超声系统显示的不同的坐标系，对于超声心动描记操作员13理解心脏病专家15的意图会是具有挑战性的。

发明内容

本发明提供了机器人致动系统来解决这些挑战。总体上，如图2所示，在具有机器人致动器系统的实验室10b内的手术室工作人员的新的分布，所述机器人致动器系统采用机器人致动系统采用机器人工作站20和机器人致动器30，用于在TEE探头14的两(2)个自由度与(4)个自由度之间进行远程控制，其调节TEE探头14的超声成像体积。另外，正如将在本文中进一步描述的，机器人致动器30可以具有针对现有的以及各种类型的TEE探头14而被改造的能力，并且可以具有在超声心动描记操作员13出于任意原因决定返回到对TEE探头14的手动操作时被从TEE探头14快速移除的能力。

然而，源自对TEE探头14的机器人控制的潜在问题是安全性。具体而言，由于TEE探头14的刻度盘是由转子致动器30来移动的而并非是由超声心动描记操作员13的手来移动的，那么，没有触觉反馈(即，超声心动描记操作员13不能够感觉到探头14是否正在对患者16的食道施加过度的力)。

对机器人的力控制在诸如研磨或装配的应用的现有技术中是已知的。这些方法使用力传感器来检测在机器人端部效应器或者在机器人接合部中的力或扭矩。类似地，可以利用现有技术中已知的力传感器来测量探头-组织接触力。然而，利用力传感器测量探头-组织接触力存在若干问题。

首先，TEE探头14必须被修改以包括力传感器。针对患者16的安全性和舒适性，TEE探头14的尺寸必须尽可能的小。相反地，出于引导和诊断的目的，TEE探头14的成像元件必须尽可能的大以增大视场。在这些约束条件下，向TEE探头14的头添加新的电子器件可能干扰TEE探头14的采集超声图像的主要功能。

第二，传感器仅能够被放置在TEE探头14的离散位置处，而对患者16的损伤可能发生在沿整个TEE探头14的长度的任意点处。

第三，如果使用直接力感测，那么任何基于力传感器的控制系统可能仅仅与新制造的探头一起使用。然而，与现场已经部署的TEE探头14一起来使用力控制系统将是有益的。

无传感器的力控制在现有技术中也是已知的，其中，从系统的其他参数(通常最常见的是电动机中的电流)来推导力。在常规的机器人应用中，力和位置是去耦合的。在这些应用中，控制方案组合了路径控制与力控制。例如，路径控制回路能够以非顺应性模式来控制过程，而力控制回路能够以顺应性模式来控制系统。这些双回路也能够同时运行。此外，在常规的机器人应用中，在端部效应器的电动机中的电流不取决于整个机器人的位置，其简化了无传感器的力控制。

对TEE探头14的力控制的问题对于线缆驱动的设备(例如，TEE超声探头和导管)的族是特有的，这是因为整个致动是在TEE探头14的近侧端部处完成的，这导致若干问题。首先，在机器人致动器30的电动机中感测或测得的力将取决于TEE探头14正在在组织上施加的力以及取决于TEE探头14的整个长度的形状。第二，在机器人致动器30的电动机中感测或测得的力包括拉动线缆所需的力。该力将根据TEE探头14的头的位置而变化。

本发明通过机器人工作站20处理来自机器人致动器30的对TEE探头14的同时对顶端位置/力的估计而提供了对TEE探头14的无传感器的力控制。这允许对TEE探头14的安全远程操控，从而降低了对患者16的食道的损伤的风险，并且允许机器人工作站20和机器人致动器30与在现场已经部署的探头一起使用。

本发明的一种形式是用于对具有线缆驱动的远侧端部的介入工具(例如，探头、可操纵的导管、导丝以及结肠内窥镜)的无传感器的力控制的机器人致动系统。所述系统采用机器人致动器，所述机器人致动器使一个或多个电动齿轮操作对介入工具的线缆驱动。所述系统还采用机器人工作站，以生成用于介入工具的同时对致动位置和接触力的控制而电动机命令。所述电动机命令是针对介入工具的期望致动位置的至少一个电动齿轮的致 动位置测量结果和电动机电流测量结果的函数。

附图说明

根据结合附图阅读本发明的各个实施例的如下详细描述，本发明的前述形式和其他形式以及本发明的各个特征和优点将变得进一步显而易见。详细的说明书和附图仅仅是对本发明的例示而非限制，本发明的范围是由权利要求书及其等价物来定义的。

图1图示了在现有技术中已知的对TEE探头的示范性手动致动。

图2图示了根据本发明的对TEE探头的远程控制的致动的示范性实施例。

图3图示了在现有技术中已知的示范性TEE探头。

图4A和图4B图示了根据本发明的在图3中示出的TEE探头的致动刻度盘与电动齿轮的示范性接合。

图5图示了根据本发明的机器人致动器的示范性实施例。

图6A和图6B分别图示了根据本发明的探头手柄基座和探头手柄封盖的示范性实施例。

图7图示了根据本发明的在图6A和图6B中示出的探头手柄基座和探头手柄封盖的示意性实施例。

图8A和图8B图示了根据本发明的致动器平台的示范性实施例。

图9A-9D图示了在图8A和图8B中示出的致动器平台的操作。

图10图示了根据本发明的机器人工作站的示范性实施例。

图11图示了表示根据本发明的致动位置校准方法的示范性实施例的流程图。

图12图示了表示根据本发明的接触力校准方法的示范性实施例的流程图。

图13图示了根据本发明的无传感器的力控制的示范性实施例。

具体实施方式

为了便于对本发明的理解，现在将在图3中示出的对TEE探头的远程控制致动的背景下来描述本发明的机器人致动系统以及其各个部件的示范 性实施例。根据这些描述，本领域普通技术人员将意识到如何向针对任意类型的流程的任意合适设计的超声探头以及其他筋腱(tendon)驱动的柔性设备(例如，结肠内窥镜、胃内窥镜等)应用本发明的机器人致动系统的原理。

参见图3，在现有技术中已知的TEE探头40采用手柄41和细长探头，所述细长探头具有被附接到手柄41的近侧端部42p和具有超声换能器43的远侧头端部42d。TEE探头40采用偏转致动刻度盘43和俯仰致动刻度盘44，所述偏转致动刻度盘43用于调节探头的头42d的偏转自由度，所述俯仰致动刻度盘44用于调节探头的头42的俯仰自由度。

本发明提供了齿轮，所述齿轮是电动的，以控制对偏转致动刻度盘43和俯仰致动刻度盘44的致动。例如，如图4A所示，本发明的摩擦齿轮31被设计为与偏转致动刻度盘43摩擦地接合，以传递足够的扭矩，从而控制偏转致动刻度盘43的旋转。通过另外的范例，如图4B所示，本发明的鼓形齿轮32被设计为与俯仰致动刻度盘44机械地接合，而不与偏转致动刻度盘43相接触，以控制俯仰致动刻度盘44的旋转。

尽管在实践中，机器人致动器30(图2)的齿轮的设计将取决于意图要被接合的探头的对应的致动刻度盘的设计，从而，机器人致动器30的实施例将在本文中在齿轮31和32的背景下进行描述。

参见图5，机器人致动器30的一个实施例采用具有凹形内表面33a的探头手柄封盖33和具有凹形内表面33b的探头手柄基座34，用于在经由一个或多个磁性耦合器37被机械地耦合后定义致动腔。在操作中，所述腔容纳探头的致动刻度盘并且所述磁性耦合提供了所期望的便于对探头的容易的移除的优点，尤其是在操作环境需要对探头的手动控制的情况下。

机器人致动器30还采用针对每个齿轮31和32的电动机35和电动机控制器36(“MCONTROLLER”)，经由机器人工作站20到电动机控制器36的电气耦合来产生能够由机器人工作站20(图2)控制的电动齿轮。在操作中，所述电动齿轮足以接合并旋转探头的致动刻度盘，其便于对探头手柄封盖33的轻质量的设计。

额外地，取决于机器人致动器30正在操作所处的环境(例如，操作室)，现有技术中已知的探头手柄基座34和/或致动器平台38可以被用于将机器 人致动器30紧固到环境内的参考系。例如，探头手柄基座34和/或致动器平台38可以被安装到固定物、操作台、操作仪器或者用于将机器人致动器30紧固到操作室内的参考系的任意目标。

参见图6A和图6B，机器人致动器30的示意性实施例采用探头手柄基座50和探头手柄封盖60，用于控制探头的致动刻度盘(例如，所示的探头手柄41)。具体而言，探头手柄封盖50具有凹形内表面51并且探头手柄基座60具有凹形内表面61，用于在经由探头手柄基座50的磁力52a和探头手柄封盖60的钢定位器引脚62b被机械地耦合后来定义致动腔。

探头手柄基座50采用被电连接到机器人工作站20(图2)的电动机控制板53，并且探头手柄封盖60采用被电连接到电动机64(例如，经由两个(2)正齿轮刷过的DC电动机)的电动机控制板63。电动机控制板53和63具有电接触(未示出)(例如，弹簧接触)，它们在探头手柄基座50与探头手柄封盖60的磁性耦合后被接合以形成电动机控制器。电动机控制器53a/63a实施电动机64a对鼓形齿轮65的电流控制，从而控制鼓形齿轮65的旋转。类似地，电动机控制器53b/63b实施电动机64b对与鼓形齿轮65同轴的摩擦齿轮66的电流控制，从而控制摩擦齿轮66的旋转。

图7图示了机器人致动器130的美学实践的视图，其具有探头手柄基座150与探头手柄封盖160的磁性耦合，用于容纳并控制探头手柄141的致动刻度盘(未示出)。

图8A和图8B图示了致动器平台38(图5)的一个实施例70，其采用轨道对71、滑块对72、旋转电动机对73以及曲轴75。通过现有技术中已知的技术，滑块72被能滑动地耦合到轨道71并且被附接到旋转电动机73，并且曲轴75被能旋转地耦合到旋转电动机73。在操作中，平台控制器76采用硬件、软件、固件和/或电路，用于经由在箭头方向中的一个方向上沿着轨道71对滑块72的滑动的常规控制来横向移动曲轴75，并且用于经由对旋转电动机73的控制(例如，在图8B中所示的180°转动)来绕旋转轴RA来转动曲轴75。在实践中，旋转电动机73可以具有封套(grove)74，用于支撑探头手柄的部分、探头自身和/或用于对探头进行布线。

曲轴75的重要性在于，在曲轴75如由图9A和图9B中的箭头示范性所示横向移动或者如在图9C和图9D中所示围绕旋转轴RA转动时，维持 所述探头手柄与旋转轴RA的旋转对齐。具体而言，曲轴75延伸通过探头手柄(“PH”)基座50并且坐落在探头手柄基座50与探头手柄封盖60之间的探头手柄41与旋转轴RA旋转地对齐。这样，经由对轨道71上的横向滑动滑块72的控制对曲轴75的横向移动将如在图9A和图9B中示范性所示的与旋转轴RA旋转地对齐的情况下横向移动探头手柄40。此外，经由对旋转电动机73的控制围绕旋转轴RA对曲轴的转动运动将使探头手柄40如在图9C和图9D中示范性所示绕旋转轴RA旋转。

在实践中，如图7中所示的致动器平台70提供针对能够被俯仰和/或偏转的探头40的远侧头42d的横向运动和旋转运动的额外的两个(2)自由度。

返回参考图1，机器人工作站20在结构上利用用于执行(一种或多种)技术的现有技术中已知的硬件、软件、固件和/或电路来进行配置，以经由用户输入来生成对机器人致动器30的电动齿轮的电动机命令。在实践中，机器人工作站20可以实施(一种或多种)任意已知的方法，用于生成针对对象探头的特定致动方案的电动机命令。更为具体到TEE探头14，机器人工作站20执行(一种或多种)已知的技术，用于生成电动机命令，以控制探头14的远侧头的俯仰自由度和偏转自由度。额外地，如果致动器平台70或任意其他的致动器平台便于对探头14的远侧头的横向运动和旋转运动，则致动器平台的控制器可以是单机控制器，其被耦合到机器人工作站20或者被并入机器人工作站20内。当致动器平台的控制器被耦合到或者被并入机器人工作站20内时，机器人工作站20在结构上利用用于执行(一种或多种)已知技术的现有技术中已知的硬件、软件、固件和/或电路来进行配置，以经由用户输入来生成对致动器平台的控制器的运动命令。

同样地，在实践中，机器人工作站20可以实施已知的(一个或多个)部件和(一种或多种)方案，用于与机器人致动系统的一个或多个用户进行接口连接。更具体到图1，在直接控制方案中，机器人工作站20采用适当的用户接口(未示出)(例如，操纵杆、鼠标、触摸屏等)，用于便于由超声心动描记操作员13对TEE探头14的头的直接控制。在协作控制方案中，机器人工作站20采用适当的用户接口(未示出)(例如，操纵杆、鼠标、触摸屏等)，用于便于由超声心动描记操作员13和心脏病专家15对TEE 探头14的头的共同控制。

参见图10，机器人工作站20根据本发明在结构上利用硬件、软件、固件和/或电路被配置用于生成对机器人致动器30(图2)的电动机命令，用于控制对TEE探头14(图2)的致动。在实践中，机器人工作站20可以执行适合于生成这样的电动机命令的(一种或多种)任意的技术。

在一个实施例中，机器人工作站30采用被安装在其中的模块22-24的网络21，用于并入本发明的无传感器的力控制方案，涉及(1)探头校准方法，以建立在TEE探头14的头的位置/形状与机器人致动器30的电动机电流之间的操作关系，以及(2)TEE探头14的同时的致动位置和力接触。重要的是齿轮31和32的角度位置与各自的致动刻度盘42和43的角度位置之间的一对一的对应关系，如在图4A和图4B中示范性所示的。

参见图11，流程图80表示由致动位置校准器22(图10)执行的本发明的致动位置校准方法。流程图80的阶段S82涵盖通过机器人致动器30启动对TEE探头14的探头致动循环的校准器22，并且流程图80的阶段S84涵盖由机器人致动器30对电动机电流的测量，其被传送到校准器22。

具体而言，针对阶段S82，TEE探头14可以被安置在多种配置中，示出了其中的两种(2)可能的形状配置90和91。具体而言，配置90使得需要TEE探头14被安装为平行于操作台(未示出)或者配置91使得需要TEE探头14被安装为垂直于操作台。对于任一种配置，TEE探头14被允许自由移动，从而不存在施加于TEE探头14的头上的、保持头为直的额外的力。

探头校准循环涉及，针对在指定程度的(一个或多个)采样率处的第二自由度若干程度，机器人致动器30在第一自由度的完整程度范围上移动TEE探头14的头。如与TEE探头14相关的，针对在指定的采样率处的俯仰致动刻度盘的若干角度位置，机器人致动器30在角度位置的完整范围上旋转偏转致动刻度盘。例如，在五(5)度的校准采样率以及-90度到90度的完整范围处，针对俯仰致动刻度盘的角度位置的每五度，在完整范围上每五(5)度地旋转偏转致动刻度盘。

每个采样涉及对机器人致动器30的每个电动机的电动机电流的测量和存储。为了便于无传感器的力控制，阶段S84可能使得需要生成测得的电动机电流的查找表。以下表是针对649个条目的示范性查找表，其是从(运 动的范围)^2/(采样率)^2+1元件的数目(请注意，仅示出了十(10)个选定的条目)来导出的：

校准器22依次通过阶段S82/S84，直到探头致动循环的结束。

参见图12，流程图100表示由接触力校准器23(图8)执行的本发明的接触力校准方法。流程图100的阶段S102涵盖如本文先前针对流程图80(图11)的阶段S82所描述的通过机器人致动器30启动对TEE探头14的探头致动循环，并且流程图100的阶段S104涵盖由力传感器对力的测量，其被传送到校准器23，所述校准器23继而生成力/电动机电流比率。

具体而言，针对阶段S102，TEE探头14的头通过已知机械属性的两个(2)弹簧被附接到两个(2)力传感器。一个力传感器被垂直地附接到探头的头，例如，如图10所示，力传感器102被垂直地附接到TEE探头 14的头。另一力传感器(未示出)在平面中与探头的头附接。弹簧被配置为使得力在探头的头具有直的配置110时为零并且在探头的头具有弯曲的配置(例如，弯曲的配置111)时为非零。

在阶段S104期间记录针对电动机电流和力的值。预期的是，电流力值将形成针对每个自由度的迟滞曲线，其允许线被拟合到这些值，以确保为便于如在本文中随后解释的接触力控制的准确的一个力/电动机电流比率。

校准器23依次通过阶段S102/S104，直到探头致动循环的结束。

参见图13，致动控制器24(图8)实施同时对致动位置和接触力的控制的控制方案120。基本上，TEE探头14的头的期望致动位置P_D被由机器人工作站20的用户经由操纵杆、键盘或针对位置控制的任意其他输入设备传送到控制器24，作为对其的响应，控制器24在位置控制阶段S122期间关于由齿轮/致动刻度盘的对应的角度位置实现的TEE探头14的头的特定俯仰和偏转来生成针对TEE探头14的致动位置P_A。额外地，TEE探头14的期望的力F_D(其通常是大于零以维持与组织接触并确保声学耦合的恒定值)在力控制阶段S124期间被传送到控制器24，从而控制器24生成针对TEE探头14的针对致动位置P_A的接触力校正F_C。

电动机命令MC的生成涉及考虑使在致动位置P_A与测得的电动机位置P_M之间的位置误差以及在接触力校正F_C与预期的接触力F_E之间的接触力误差最小化而向致动位置P_A应用接触力校正F_C。

具体而言，机器人致动器40的电动机控制器36(图3)在方案120的各自的阶段S126和S128期间将所感测的电动机位置P_S和所感测的电动机电流I_S连续传送到控制器24。作为对其的响应，控制器24周期性的测量感测到的电动机位置P_S，并将测得的电动机位置P_M同与TEE探头14的头的期望的致动位置P_D相关联的电动机位置进行比较，并且结果得到的位置误差是针对被设计为使位置误差最小化的位置控制阶段S122的输入。在实践中，控制器24可以执行用于使位置误差最小化的现有技术中已知的(一种或多种)任意的控制技术(例如，PID控制)。

控制器24也周期性地同步测量感测到的电动机电流I_S并将测得的感测到的电动机电流I_S组合为预期的电动机电流I_E，其是通过将测得的电动机位置P_M输入到由校准器22(图11)生成的阶段S130的查找表中来计算的。 所述查找表采取对两个刻度盘的位置的两个输入，并返回针对每个自由度的两个预期的电流值I_E。在阶段S132期间，预期的电流值I_E和测得的电动机电流值I_M是被馈送到由校准器23(图12)计算的力曲线(C→F)的电流，以估计在TEE探头14的头上的预期的接触力F_E。

力控制阶段S124接收根据期望的接触力F_D与预期的接触力F_E的比较的接触力校正F_C，并调节由位置控制阶段S122生成的路径，以限制由TEE探头14的头所施加的力。在一个实施例中，对这种运动进行建模的直接方法是假设接触表面充当理想弹簧，在这种情况中：

Δf＝K(x-x₀)

其中，Δf是力误差信号，x是接触点的位置，x₀在不存在障碍时将是TEE探头14的位置，并且K是患者的食道的弹性常量(能够使用在文献中已知的值)。由于x₀能够从TEE探头14的动力学模型获知，因此在电动机命令与力之间存在直接链接。类似于位置控制值：

$x=\frac{\Delta f}{K}+x_0$

控制器24将在所述流程期间连续依次通过方案120的各阶段。

参见图1-11，本领域普通技术人将将意识到本发明的若干益处，包括，但不限于，针对涉及线缆驱动的介入工具(例如，TEE探头、可操纵导管、导丝、结肠内窥镜等)的任意流程的无传感器的力控制。

尽管已经图示和描述了本发明的各种实施例，但是本领域技术人员应当理解，在本文中所描述的本发明的实施例是例示性的，并且可以做出各种改变和修改，并且等价物可以替代其要素，而不脱离本发明的真实范围。另外，可以做出许多修改以调整本发明的教导，而不脱离本发明的范围。因此，本发明并非旨在限于作为预期的最佳模式来执行本发明的所公开的特定实施例，而是包括落在权利要求的范围内的所有实施例。