用于机器人手术系统的绑定性和非绑定性关节运动限制

摘要

一种将关节运动限制选择性地绑定到手术器械的机器人手术系统和方法包含：检测所述手术器械的近侧或远侧线性移动；在所述近侧或所述远侧线性移动之后，计算所述手术器械的工具中心点与远程运动中心之间的距离；当检测到的线性移动为远侧线性移动时，基于计算出的距离将关节运动限制分配并绑定到所述手术器械；且当检测到的线性移动为近侧线性移动时，基于计算出的距离将非绑定性关节运动限制分配到所述手术器械。

说明书

背景技术

机器人手术系统已用于微创医疗过程中，在微创医疗过程中，将手术器械通过固定进入点处的手术入口或进入端口插入患者体内。这些系统结合远程运动中心(RCM)以确保当在患者体内操控器械时，所述手术器械不会移动到这些固定进入点外。这些手术机器人中的许多手术机器人使用机械RCM，其中机器人臂的部分直接附接到手术入口。不同于使用机械RCM的手术机器人，基于软件的RCM通常不会机械地连接到手术入口，以提供更大的运动范围且减少手术机器人的机器人臂之间的碰撞。

当机器人手术系统的操作者操控手术部位内的手术器械时，由于外科手术部位的局限性、从进入端口伸入的手术器械的量以及手术器械的远侧部分到RCM的距离，关节约束条件可能会突然发生变化。

因此，需要具有基于软件和基于机械的RCM的机器人手术系统，其在机器人手术过程中实时地促进对器械关节运动控制的限制。

发明内容

本公开涉及一种用于将关节运动限制选择性地绑定到手术器械的系统和方法。

一方面，一种将关节运动限制选择性地绑定到手术器械的方法包含：检测所述手术器械的近侧或远侧线性移动；在所述近侧或所述远侧线性移动之后，计算所述手术器械的工具中心点与远程运动中心之间的距离；当检测到的线性移动为远侧线性移动时，基于计算出的距离将关节运动限制分配并绑定到所述手术器械；且当检测到的线性移动为近侧线性移动时，基于计算出的距离将非绑定性关节运动限制分配到所述手术器械。

所述方法可进一步包含在检测到的线性移动为近侧线性移动时确定手术器械的当前关节运动角度，且确定所述手术器械的所述当前关节运动角度何时大于所分配的非绑定性关节运动限制。一方面，当手术器械的当前关节运动角度大于所分配的非绑定性关节运动限制时，所述手术器械的所述当前关节运动角度不受影响，且所述手术器械保持不受非绑定性关节运动限制的约束。另外或替代地，当手术器械的当前关节运动角度不大于所分配的非绑定性关节运动限制时，方法进一步包含基于所接收的用户命令使所述手术器械通过关节运动至新关节运动角度，且确定所述手术器械的所述新关节运动角度何时小于所述所分配的非绑定性关节运动限制。另外或替代地，当确定新关节运动角度不小于所分配的非绑定性关节运动限制时，手术器械的新关节运动角度不受影响，且所述手术器械保持不受非绑定性关节运动限制的约束。另外或替代地，当确定新关节运动角度小于所分配的非绑定性关节运动限制时，手术器械的新关节运动角度不受影响，且方法进一步包含将非绑定性关节运动限制转换成绑定性关节运动限制。

绑定性关节运动限制和非绑定性关节运动限制可基于关节运动限制匀变，所述关节运动限制匀变包含线性、二次方、幂曲线或某一其它形状中的至少一个。

在本公开的另一方面中，提供了一种机器人手术系统。所述机器人手术系统包含：手术机器人臂，其包含安置于其远侧部分上的手术器械；以及控制器，其可操作地联接到所述手术机器人臂。所述控制器配置成：基于患者体内的从中插入手术器械的手术入口的位置，建立手术机器人臂的手术器械的基于软件的远程运动中心；检测所述手术器械的近侧或远侧线性移动；在所述近侧或所述远侧线性移动之后，计算所述手术器械的工具中心点与所述远程运动中心之间的距离；当检测到的线性移动为远侧线性移动时，基于计算出的距离将关节运动限制分配并绑定到所述手术器械；并且当检测到的线性移动为近侧线性移动时，基于计算出的距离将非绑定性关节运动限制分配到所述手术器械。

一方面，控制器进一步配置成在检测到的线性移动为近侧线性移动时确定手术器械的当前关节运动角度，且确定所述手术器械的所述当前关节运动角度何时大于所分配的非绑定性关节运动限制。一方面，当手术器械的当前关节运动角度大于所分配的非绑定性关节运动限制时，所述手术器械的所述当前关节运动角度不受影响，且所述手术器械保持不受非绑定性关节运动限制的约束。

另外或替代地，当手术器械的当前关节运动角度不大于所分配的非绑定性关节运动限制时，控制器可进一步配置成基于所接收的用户命令使所述手术器械通过关节运动至新关节运动角度，且确定所述手术器械的所述新关节运动角度何时小于所述所分配的非绑定性关节运动限制。另外或替代地，当确定新关节运动角度不小于所分配的非绑定性关节运动限制时，手术器械的新关节运动角度不受影响，且所述手术器械保持不受非绑定性关节运动限制的约束。另外或替代地，当确定新关节运动角度小于所分配的非绑定性关节运动限制时，所述手术器械的新关节运动角度不受影响，且控制器将非绑定性关节运动限制转换成绑定性关节运动限制。

绑定性关节运动限制和非绑定性关节运动限制可基于关节运动限制匀变，所述关节运动限制匀变包含线性、二次方、幂曲线或某一其它形状中的至少一个。

在本公开的又一方面中，提供了一种非暂时性计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质用程序编码，所述程序在由处理器执行时进行包含以下各项的方法：检测手术器械的近侧或远侧线性移动；在所述近侧或所述远侧线性移动之后，计算所述手术器械的工具中心点与远程运动中心之间的距离；当检测到的线性移动为远侧线性移动时，基于计算出的距离将关节运动限制分配并绑定到所述手术器械；且当检测到的线性移动为近侧线性移动时，基于计算出的距离将非绑定性关节运动限制分配到所述手术器械。

所述方法可进一步包含在检测到的线性移动为近侧线性移动时确定手术器械的当前关节运动角度，且确定所述手术器械的所述当前关节运动角度何时大于所分配的非绑定性关节运动限制。一方面，当手术器械的当前关节运动角度大于所分配的非绑定性关节运动限制时，所述手术器械的所述当前关节运动角度不受影响，且所述手术器械保持不受非绑定性关节运动限制的约束。另外或替代地，当手术器械的当前关节运动角度不大于所分配的非绑定性关节运动限制时，方法进一步包含基于所接收的用户命令使所述手术器械通过关节运动至新关节运动角度，且确定所述手术器械的所述新关节运动角度何时小于所述所分配的非绑定性关节运动限制。另外或替代地，当确定新关节运动角度不小于所分配的非绑定性关节运动限制时，手术器械的新关节运动角度不受影响，且所述手术器械保持不受非绑定性关节运动限制的约束。另外或替代地，当确定新关节运动角度小于所分配的非绑定性关节运动限制时，手术器械的新关节运动角度不受影响，且方法进一步包含将非绑定性关节运动限制转换成绑定性关节运动限制。

绑定性关节运动限制和非绑定性关节运动限制可基于关节运动限制匀变，所述关节运动限制匀变包含线性、二次方、幂曲线或某一其它形状中的至少一个。

下文参考附图更详细地描述本公开的示例性实施例的其它细节和方面。

附图说明

并入本说明书中且构成本说明书的部分的附图示出了本公开的实施例，并连同上文给出的本公开的总体描述与下文给出的详细描述一起用以解释本公开的原理，其中：

图1是根据本公开的机器人手术系统的示意性说明；

图2是示出根据本公开的一方面的将关节运动限制选择性地绑定到手术器械的方法的流程图；

图3A-3D是在根据图2的方法控制手术器械的同时，在手术器械的近侧线性缩回期间手术器械的远侧部分的视图；

图4是示出在手术器械的近侧线性缩回期间关节运动限制相比于手术器械的RCM的远侧距离的图；

图5A-5C是在根据图2的方法控制手术器械的同时，在手术器械的远侧线性前进期间手术器械的远侧部分的视图；

图6是示出在手术器械的远侧线性前进期间关节运动限制相比于手术器械的RCM的远侧距离的图；

图7是根据本公开的一方面的用于选择性地限制手术器械的选择性关节的关节运动的方法；以及

图8A-8C是在距进入点各种距离处且由图7的方法控制的手术器械的远侧部分的视图。

具体实施方式

参考附图详细描述了本公开的实施例，其中相同的附图标记在若干视图中的每一个中表示相同或对应的元件。如本文所使用，术语“远侧”是指装置较远离于用户或机器人组件的部分，而术语“近侧”是指装置较接近于用户或机器人组件的部分。

首先参看图1，例如机器人手术系统的手术系统被整体上展示为机器人手术系统1，且整体上包含：多个机器人臂2、3；控制器或控制装置4；以及与控制装置4联接的操作控制台5。操作控制台5包含：显示装置6，其可设置成显示三维图像；以及手动输入装置7、8，借助于所述手动输入装置，例如外科医生的人员(未示出)能够在第一操作模式下远程操控机器人臂2、3，如所属领域技术人员原则上所知。

机器人手术系统1还包含连接到机器人臂2、3中的每一个的远端的手术组合件100。手术组合件100可支撑例如手术器械200的一或多个手术器械，如下文将更详细地描述的。机器人臂2、3中的每一个由通过接头连接的多个部件组成。机器人臂2(和/或机器人臂3)包含用以支撑手术器械200的安装部分。

机器人臂2、3可由连接到控制装置4的电驱动器(未示出)驱动。特别借助于计算机程序以一方式将控制装置4(例如，计算机)设置成启动驱动器，所述方式使得机器人臂2、3、其手术组合件100和/或手术器械200根据借助于手动输入装置7、8限定的移动执行所要移动。还可以一方式设置控制装置4，所述方式使得其调节机器人臂2、3和/或驱动器的移动。如上文所描述，虽然机器人臂2、3电联接到控制器或控制装置4，但所述机器人臂配置成从控制装置4接收信号以在任何合适位置建立远程运动中心“RCM”，所述控制装置可以是基于软件的。

机器人手术系统1配置成用于位于患者检查台12上的患者“P”，所述患者将借助于手术器械200、300中的一或多个的末端执行器以微创方式进行治疗。手术系统1还可包含多于两个机器人臂2、3，额外机器人臂同样连接到控制装置4且可借助于操作控制台5进行远程操控。一或多个额外手术组合件100和/或手术器械200也可附接到额外的机器人臂。

控制装置4可控制多个马达，其中每一马达配置成驱动手术器械200、300的一或多个缆线的放松或拉动。在使用中，当放松或拉动这些缆线时，一或多个缆线实现手术器械200、300的末端执行器的操作和/或移动。预期控制装置4协调各种马达的启动，以协调这些缆线的放松或拉动运动，以便协调手术器械200、300的末端执行器的操作和/或移动(例如，线性移动、关节运动、旋转等)。对于机器人手术系统的末端执行器的构造和操作和其它方面的详细论述，可参考2014年10月20日提交的标题为“用于机器人手术系统的腕部和钳口组合件(Wrist and Jaw Assemblies for Robotic Surgical Systems)”的第PCT/US2014/61329号国际申请，所述国际申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

控制装置4可包含适用于进行计算和/或根据指令集进行操作的任何合适的逻辑控制电路。控制装置4可配置成经由无线(例如，Wi-Fi、蓝牙、长期演进技术(Long TermEvolution，LTE)等)和/或有线连接而与远程系统“RS”通信。远程系统“RS”可包含与机器人手术系统1的各种组件、算法和/或操作相关的数据、指令和/或信息。远程系统“RS”可包含任何合适的电子服务、数据库、平台、云端等。控制装置4可包含以可操作方式连接到存储器的中央处理单元。存储器可包含暂时型的存储器(例如，随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)和/或非暂时型存储器(例如，闪存介质、磁盘介质等)。在一些实施例中，存储器是远程系统“RS”的部分，和/或可操作地联接到远程系统“RS”。

控制装置4可包含与机器人手术系统1的组件例如通过驱动器电路介接的多个输入端和输出端。控制装置4可配置成接收输入信号和/或产生输出信号以控制机器人手术系统1的各种组件中的一或多个(例如一或多个马达)。输出信号可包含算法指令和/或可基于算法指令，所述算法指令可由用户预编程和/或输入。控制装置4可配置成从可联接到远程系统“RS”的用户界面(例如，操作控制台5的开关、按钮、触摸屏等)接受多个用户输入。

对于机器人手术系统1的组件的构造和操作的详细论述，可参考2011年11月3日提交的标题为“医疗工作站(Medical Workstation)”的第8,828,023号美国专利，所述美国专利的全部内容以引用的方式并入本文中。

现转而参看图2、3A-3D、4、5A-5C和6，将特别详细地描述将关节运动限制绑定到手术器械200的方法，且将被称为方法220。尽管以特定顺序描述了本文描述的方法的步骤，但所述方法可以任何顺序实施，且可包含所描述步骤的一些或全部。另外，尽管本文所描述的方法被描述为由机器人手术系统的控制装置(例如，远程系统“RS”、控制装置4等)执行，但也可由手术器械或手术机器人系统的任何组件执行。

方法220开始于步骤201，其中检测手术器械200的线性移动。可从接收到引起手术器械200的线性移动的命令(例如，在手术器械200进行实际移动之前)或者通过其它检测手段(例如，在手术器械200从一个位置移动到另一位置之后，检测手术器械200的线性移动的基于图像的分析)来进行步骤201中的检测。在步骤202中，控制装置4确定在步骤201中检测到的手术器械200的线性移动何时为手术器械200的近侧缩回或手术器械200的远侧前进。当控制装置4确定手术器械200的线性移动何时为近侧缩回(在步骤202中为是)时描述为正进行的方法220的步骤中的一些或全部可另外或替代地在控制装置4确定手术器械200的线性移动何时不为近侧缩回(在步骤202中为否)时进行。此外，当控制装置4确定手术器械200的线性移动何时不为近侧缩回(在步骤202中为否)时描述为正进行的方法220的步骤中的一些或全部可另外或替代地在控制装置4确定手术器械200的线性移动何时为近侧缩回(在步骤202中为是)时进行。

当控制装置4确定手术器械200的线性移动为与远侧前进相反的近侧缩回时(在步骤202中为是)，则方法220进行到步骤203，其中控制装置4计算在近侧缩回完成之后工具中心点“TCP”与远程运动中心“RCM”之间的距离。图3A示出手术器械200在近侧缩回前的位置且图3B示出手术器械200在近侧缩回后的位置，其中工具中心点“TCP”与远程运动中心“RCM”之间的距离展示为距离“D”。可通过图像分析来计算此距离，或在一方面中，可通过控制装置4得知并跟踪工具中心点“TCP”和远程运动中心“RCM”的位置，且可将距离计算为两个已知位置之间的差。

在步骤203中计算出工具中心点“TCP”与远程运动中心“RCM”之间的距离之后，方法220进行到步骤205，其中控制装置4基于计算出的工具中心点“TCP”与远程运动中心“RCM”之间的距离将非绑定性关节运动限制分配到手术器械200。

在步骤207中，控制装置4确定在手术器械200处于向近侧缩回的位置(图3B)的情况下手术器械200的当前关节运动角度。可经由图像分析做出此确定，或在一方面中，可通过控制装置4得知并跟踪手术器械200的关节运动角度。在步骤208中，控制装置4确定在步骤207中确定的关节运动角度何时大于所分配的限制。一方面，所分配的限制等于在步骤205中分配的非绑定性关节运动限制(或在步骤206中分配的绑定性关节运动限制)。

当控制装置4确定手术器械200的当前关节运动角度(在图3B所示的向近侧缩回的位置)大于所分配的限制时(在步骤208中为是)，则方法220进行到步骤210，其中控制装置4不对手术器械200的关节运动角度进行操作。确切地说，在步骤210中，当手术器械200的当前关节运动角度大于所分配的非绑定性关节运动限制时，手术器械200的当前关节运动角度不受影响，且手术器械200保持不受非绑定性关节运动限制的约束。

替代地，当控制装置4确定手术器械200的当前关节运动角度(在图3B所示的向近侧缩回的位置)不大于所分配的限制(在步骤208中为否)，则方法220进行到步骤209，其中控制装置4使手术器械200通过关节运动至新关节运动角度(基于所接收的使接手术器械200进行关节运动的命令)，且在步骤212中，确定手术器械200的新关节运动角度何时小于所分配的非绑定性关节运动限制。图3C和3D示出在从图3B中所示的其初始关节运动角度通过关节运动至相应的新关节运动角度之后的手术器械200。

当控制装置4确定手术器械200的新关节运动角度(图3C所示)不小于所分配的非绑定性关节运动限制时(在步骤212中为否)，则方法220进行到步骤214，其中控制装置4始终将手术器械200分配到非绑定性关节运动限制。确切地说，在步骤214中，手术器械200的关节运动角度不受影响，且手术器械200保持不受关节运动限制的约束。因此，在此情境下，因为所分配的限制是不受约束的，所以当操作者或控制装置4如此希望时，手术器械200的关节运动仍然可能超出所分配的限制(例如，可通过关节运动至较低角度值)。

替代地，当控制装置4确定手术器械200的新关节运动角度(图3D所示)小于所分配的非绑定性关节运动限制时(在步骤212中为是)，则方法220进行到步骤213，其中控制装置4将非绑定性关节运动限制转换成绑定性关节运动限制。确切地说，在步骤213中，手术器械200的关节运动角度不受影响，但手术器械200现在受到关节运动限制的约束，因为手术器械200的关节运动现在已超过非绑定性关节运动限制(例如，通过关节运动至小于非绑定性限制角度值的角度值)。

因此，利用根据方法220的此配置，手术器械200的关节运动能够超过关节运动限制(在距远程中心点一定距离处)，且仅在手术器械200的关节运动超过所分配的非绑定性关节运动限制(例如，通过关节运动至较低角度值)之后才变得受关节运动限制约束。图4是在整个图3A-3D中示出的手术器械200的移动(例如，近侧缩回和关节运动)期间分配到手术器械200的示例性绑定性(和非绑定性)关节运动限制的图表。

返回到方法220的步骤201，当控制装置4确定手术器械200的线性移动是远侧前进(与近侧缩回相反)时(在步骤202中为是)，则方法220进行到步骤204，其中控制装置4在远侧前进完成后计算工具中心点“TCP”与远程运动中心“RCM”之间的距离。图5A示出手术器械200在远侧前进前的位置且图5B示出手术器械200在远侧前进后的位置，其中工具中心点“TCP”与远程运动中心“RCM”之间的距离展示为距离“D”。可通过图像分析来计算此距离，或在一方面中，可通过控制装置4得知并跟踪工具中心点“TCP”和远程运动中心“RCM”的位置，且可将距离计算为两个已知位置之间的差。

在步骤204中计算出工具中心点“TCP”与远程运动中心“RCM”之间的距离之后，方法220进行到步骤206，其中控制装置4基于在其向远侧前进的位置(图5B)中计算出的工具中心点“TCP”与远程运动中心“RCM”之间的距离将关节运动限制绑定并分配到手术器械200。若控制装置4随后接收使手术器械200进行关节运动至新角度的命令，则关节运动角度将被限制于所分配的约束限制且关节运动无法超过所约束的限制角度。图5C示出通过关节运动至新关节运动角度且受限于所约束的关节运动限制的手术器械200。

图6是在整个图5A-5C中示出的手术器械200的移动(例如，远侧前进和关节运动)期间分配到手术器械200的示例性绑定性关节运动限制的图表。

在步骤206之后，方法220返回到步骤201。因此，在检测到手术器械200进一步的远侧前进后，控制装置4计算出工具中心点“TCP”与远程运动中心“RCM”之间的新距离(重复步骤204)，且因此基于新计算出的距离为手术器械200分配新的(更高的)绑定性关节运动限制。在步骤206之后，在某些情况下，方法220也返回到上述的步骤207。

现在转向参看图7和8A-8C，现在将特别详细地描述选择性地限制手术器械200的多个腕关节的关节运动的方法，并将其称为方法700。尽管以特定顺序描述了本文描述的方法的步骤，但所述方法可以任何顺序实施，且可包含所描述步骤的一些或全部。另外，尽管本文所描述的方法被描述为由机器人手术系统的控制装置4执行，但也可由手术器械或手术机器人系统的任何组件执行。

方法700开始于步骤701，其中控制装置4计算手术器械200的远侧部分801(图8A-8C)与从中穿过定位手术器械200的进入端口852的远侧部分850(图8A-8C)之间的距离。参看图8A-8C，手术器械200穿过进入端口852定位，并从进入端口852的远侧部分850露出。手术器械200包含远侧部分801、第一腕关节803和第二腕关节805。第一腕关节803和第二腕关节805的功能是使手术器械200能够绕相应的枢转轴线进行关节运动。在步骤701中，可以通过图像分析来计算此距离，或在一方面中，可通过控制装置4得知并跟踪手术器械200的远侧部分801以及进入端口852的远侧部分850的位置，且所述距离可被计算为这两个已知位置之间的差。

在步骤702中，控制装置4确定在步骤701中计算出的距离何时小于第一阈值距离。当距离小于第一阈值距离(在步骤702中为是)时，则方法700进行到步骤703，其中控制装置4限制第一腕关节和第二腕关节两者的关节运动。替代地，当距离不小于第一阈值距离(在步骤702中为否)时，方法700进行到步骤704，其中控制装置4确定在步骤701中计算出的距离何时小于第二阈值距离。第二阈值距离是大于第一阈值距离的距离值。

当距离小于第二阈值距离(在步骤704中为是)时，方法700进行到步骤705，其中控制装置4仅限制第二腕关节的关节运动但支持第一腕关节的关节运动。替代地，当距离不小于第二阈值距离(在步骤704中为否)时，则方法700进行到步骤707，其中控制装置4支持第一腕关节和第二腕关节两者的全关节运动。

图8A示出当手术器械200的远侧部分801与从中穿过定位手术器械200的进入端口852的远侧部分850之间的距离“d1”小于第一阈值距离时的手术器械200。在此情境下，第一腕关节(未示出)和第二腕关节(未示出)两者均分配有关节运动限制。例如，在此情境下，控制装置4阻止第一腕关节和第二腕关节(未示出)进行任何关节运动。

图8B示出当手术器械200的远侧部分801与从中穿过定位手术器械200的进入端口852的远侧部分850之间的距离“d2”大于第一阈值距离但小于第二阈值距离时的手术器械200。在此情境下，仅为第二腕关节(未示出)分配关节运动限制，而第一腕关节803可以通过控制装置4自由进行关节运动。

图8C示出当手术器械200的远侧部分801与从中穿过定位手术器械200的进入端口852的远侧部分850之间的距离“d3”大于第一阈值距离和第二阈值距离两者时的手术器械200。在此情境下，第一腕关节803和第二腕关节805两者均由控制装置4自由控制且未被分配关节运动限制。

所属领域的技术人员应理解，本文中具体描述且附图中所展示的结构和方法是非限制性的示例性实施例，且应将描述、公开及图式仅理解为示例性特定实施例。因此，应当理解，本公开内容不限于所描述的确切的实施例，并且在不脱离本公开内容的范围或精神的情况下，本领域技术人员可以实现各种其它改变和修改。另外，在不脱离本公开内容的范围的情况下，结合某些实施例所展示或所描述的元件和特征可以与某些其它实施例的元件和特征组合，并且此类修改和变化还包含在本公开内容的范围内。因此，本公开的主题不受已特定展示和描述的内容的限制。