混合控制外科機(jī)器人系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)涉及機(jī)器人輔助手術(shù)的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在微創(chuàng)手術(shù)中，機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)用于增強(qiáng)外科醫(yī)生的視覺(jué)和靈巧性。IntuitiveSurgical出品的達(dá)?芬奇(Da Vinci)是當(dāng)今市場(chǎng)上僅有的軟組織手術(shù)商業(yè)機(jī)器人。達(dá)?芬奇系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)使外科醫(yī)生能夠接近難以到達(dá)的解剖區(qū)域(比如骨盆或腹膜后腔深部)并在該區(qū)域中操作來(lái)提供對(duì)開(kāi)放手術(shù)(即前列腺切除術(shù)或子宮切除術(shù))的更小創(chuàng)傷替代方式，使手術(shù)領(lǐng)域向前發(fā)展。在當(dāng)今，超過(guò)90%的達(dá)?芬奇病例都是在骨盆腔中進(jìn)行的泌尿生殖器手術(shù)，比如前列腺切除術(shù)、子宮切除術(shù)、膀胱切除術(shù)、腎盂成形術(shù)、骶骨陰道固定術(shù)、子宮肌瘤切除術(shù)和子宮內(nèi)膜異位癥切除術(shù)。在2011年，達(dá)?芬奇系統(tǒng)進(jìn)行了 36萬(wàn)例手術(shù)，其中前列腺切除術(shù)和子宮切除術(shù)占這些手術(shù)的75% [Intuitive Surgical公司2012年報(bào)]。
[0003]達(dá).芬奇的關(guān)鍵價(jià)值定位在于，它使泌尿科醫(yī)生/婦科醫(yī)生能夠接近難以到達(dá)深而緊湊的骨盆空間，以便以增強(qiáng)的3D可視化和改進(jìn)的靈巧性進(jìn)行腹腔鏡手術(shù)，否則使用傳統(tǒng)腹腔鏡方式的這種手術(shù)在技術(shù)上會(huì)非常具有挑戰(zhàn)性。它最適于相對(duì)小區(qū)域中的手術(shù)和受限體積中的精確切開(kāi)，但是它不適于更大的干預(yù)，比如結(jié)腸松動(dòng)術(shù)，因?yàn)檫@些類型的手術(shù)通常要求寬范圍的動(dòng)作。先前的研究表明，機(jī)器人系統(tǒng)的直覺(jué)控制與開(kāi)放手術(shù)期間由外科醫(yī)生進(jìn)行的動(dòng)作更相當(dāng)，并且能夠縮短過(guò)程學(xué)習(xí)曲線，即使在經(jīng)驗(yàn)相對(duì)缺少的腹腔鏡外科醫(yī)生的手中。Ahlering等人論證了泌尿科手術(shù)中的類似發(fā)現(xiàn)，其中機(jī)器人界面允許對(duì)腹腔鏡不太熟悉的外科醫(yī)生進(jìn)行微創(chuàng)根治性前列腺切除術(shù)，在完成了僅僅十二個(gè)病例后，其結(jié)果與有經(jīng)驗(yàn)的腹腔鏡外科醫(yī)生相當(dāng)[Ahlering等人，J Urol 2003]。
[0004]無(wú)論達(dá)?芬奇在骨盆手術(shù)中的用途如何，其當(dāng)前形式中的技術(shù)不適于普通外科，特別是結(jié)腸直腸切除術(shù)，在該手術(shù)期間遍歷腹部的多個(gè)象限并且外科醫(yī)生往往必須調(diào)整或傾斜患者和手術(shù)臺(tái)以實(shí)現(xiàn)更好地接近目標(biāo)組織。為了在諸如這種的手術(shù)中有效地使用機(jī)器人，內(nèi)科醫(yī)生可能需要大幅度修改其技術(shù)或者在手術(shù)中間使機(jī)器人對(duì)接和取消對(duì)接，這可能顯著延長(zhǎng)手術(shù)時(shí)間并且有可能增加傷害患者的風(fēng)險(xiǎn)。例如，全機(jī)器人方式進(jìn)行的乙狀結(jié)腸腸切除術(shù)要求機(jī)器人從上腹部開(kāi)口取消對(duì)接，使患者重新定位，移動(dòng)機(jī)器人并且再次對(duì)接下腹部開(kāi)口。在常規(guī)腹腔鏡中通?；◣酌腌姷膭?dòng)作已經(jīng)變?yōu)橛蓪ｉT助手進(jìn)行的繁重的10分鐘或更長(zhǎng)的活動(dòng)。
[0005]當(dāng)前機(jī)器人系統(tǒng)的進(jìn)一步缺點(diǎn)是它們?cè)谥鳌膬蓚?cè)的占地面積都大，這可能阻礙接近躺在手術(shù)臺(tái)上的患者，并且還對(duì)恰當(dāng)?shù)幕颊叨ㄎ缓烷_(kāi)口布局造成顯著挑戰(zhàn)。開(kāi)口布局中即使小偏差都可能造成機(jī)器人臂的碰撞或者未能到達(dá)預(yù)期的目標(biāo)區(qū)域。它也缺乏觸覺(jué)反饋(觸覺(jué)和力反饋)，使之不適于手術(shù)吻合，因?yàn)樗鼈円笏芏鵁o(wú)張力的縫合以減輕手術(shù)后吻合斷裂的可能性。根據(jù)我們對(duì)外科醫(yī)生的調(diào)查，即使以其近來(lái)得到驗(yàn)證的內(nèi)手腕縫合器(Endo Wrist Stapler)，在結(jié)腸直腸手術(shù)中達(dá)?芬奇的應(yīng)用非常仍有限?；蛟S它有非常小的商機(jī)，比如骨盆中深部的低位直腸前切除術(shù)和吻合能夠通過(guò)使用經(jīng)肛圓形吻合器完成。
[0006]傳統(tǒng)的微創(chuàng)結(jié)腸直腸手術(shù)包括以下階段:⑴仔細(xì)切開(kāi)以提供適當(dāng)?shù)闹寡瞳@得對(duì)目標(biāo)組織的接近；(2)損傷的修復(fù)(如在穿孔的治療中)或旁路/去除(如在結(jié)腸直腸癌中)；(3)吻合剩余腸端；(4)在指明時(shí)沖洗腹腔和骨盆腔；以及(5)適當(dāng)?shù)亻]合筋膜和皮膚。采用機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)，這些基本階段的每一個(gè)都具有非常不同的設(shè)計(jì)需求。在探查階段，理想的系統(tǒng)會(huì)提供寬范圍的運(yùn)動(dòng)來(lái)識(shí)別目標(biāo)組織和最優(yōu)化地使用手術(shù)工具。第二個(gè)和第三個(gè)階段典型情況下要求長(zhǎng)手術(shù)時(shí)間，并且投入了外科醫(yī)生的大量體力。需要一種增強(qiáng)外科醫(yī)生的靈巧性以及提供手臂支撐的系統(tǒng)。
[0007]總之，當(dāng)前的機(jī)器人系統(tǒng)使經(jīng)過(guò)某些訓(xùn)練的外科醫(yī)生能夠進(jìn)行MIS (微創(chuàng)手術(shù))過(guò)程，這在其他情況下難以做到。不過(guò)，需要更靈活的、模塊化的、智能的機(jī)器人功能以幫助在普通外科領(lǐng)域中使用機(jī)器人協(xié)助的MIS。對(duì)于不僅降低了進(jìn)行MIS過(guò)程的技術(shù)壁皇而且還改進(jìn)手術(shù)成果和效率的系統(tǒng)有明確的臨床需要。
[0008]幾個(gè)先前專利介紹了意在通過(guò)約束運(yùn)動(dòng)和提供支撐而幫助外科醫(yī)生的設(shè)備。標(biāo)題為 “Remote center-of-mot1n robot for surgery” 的美國(guó)專利 5，397，323 和標(biāo)題為 “System and methods for controlling surgical tool elements” 的美國(guó)公開(kāi)2009/0240259都介紹了會(huì)以遠(yuǎn)程自由度來(lái)限制工具的運(yùn)動(dòng)并且允許機(jī)器人主-從控制的系統(tǒng)。
[0009]標(biāo)題為“Surgical manipulator”的美國(guó)公開(kāi)2007/0250078介紹了能夠定位手術(shù)工具并且提供觸覺(jué)反饋的設(shè)備。
[0010]標(biāo)題為“Human-robotshared control for endoscopic assistant robot”的美國(guó)公開(kāi)2012/0283747介紹了機(jī)器人手臂定位系統(tǒng)，它能夠支持能夠以預(yù)加載的若干過(guò)程操作或者以變化的剛性手工操作的內(nèi)診鏡。
[0011]標(biāo)題為“Exo-skeletal haptic computer human/computer interface device，，的美國(guó)專利6，239，784介紹了手上安裝的外骨骼手套似的觸覺(jué)接口，它能夠用于與計(jì)算機(jī)互動(dòng)。
[0012]標(biāo)題為“Force-feedback interface device for the hand” 的美國(guó)專利6，413，229介紹了類似的觸覺(jué)手套似的接口，它能夠以不同的方式安裝并且被用來(lái)操縱虛擬的和有形的物體二者。
[0013]標(biāo)題為“Endoscopic robotic surgical tools and methods” 的美國(guó)專利5，954，692介紹了允許直接控制手術(shù)器械的可穿戴的編碼器/機(jī)器人接口。
[0014]標(biāo)題為“Haptic device gravity compensat1n” 的美國(guó)專利 8，188，843 介紹了帶有重力補(bǔ)償?shù)挠|覺(jué)輸入設(shè)備。
[0015]標(biāo)題為“Robotic Hand Controller”的美國(guó)專利8，332，072介紹了帶有力反饋的具有8個(gè)自由度的機(jī)器人手控制器。
[0016]標(biāo)題為“Exosceleton”的美國(guó)公開(kāi)2008/0009771介紹了帶有與人體對(duì)應(yīng)的連接(links)和關(guān)節(jié)的可穿戴的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)上的換能器允許在結(jié)構(gòu)與用戶之間交換運(yùn)動(dòng)和信息，并且使得能夠控制結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。
[0017]標(biāo)題為“Telerobotic laparoscopic manipulator” 的 EP 0774329A 介紹了在腹腔鏡手術(shù)中使用的可操縱的手，具有遠(yuǎn)離操作員的受控手，并且具有至少一個(gè)受控手指。
[0018]標(biāo)題為“Interactivecomputer-assisted surgery system and method”的美國(guó)專利7，813，784介紹了為進(jìn)行醫(yī)學(xué)過(guò)程提供計(jì)算機(jī)協(xié)助的方法和系統(tǒng)。
[0019]標(biāo)題為 “System and method for interactive haptic posit1ning of amedical device”的美國(guó)專利7，747，311介紹了觸覺(jué)設(shè)備與計(jì)算機(jī)協(xié)助的系統(tǒng)結(jié)合用于交互觸覺(jué)定位。
[0020]不過(guò)，以上文獻(xiàn)都不涉及利用本公開(kāi)的特征來(lái)以機(jī)器人手臂和系到操作員的手臂的末端執(zhí)行器進(jìn)行機(jī)器人協(xié)助的手術(shù)。沒(méi)有任何一個(gè)文獻(xiàn)介紹過(guò)定位在機(jī)器人手臂上的控制臺(tái)和使內(nèi)診鏡工具機(jī)械化的通用適配器。不僅如此，以上文獻(xiàn)都沒(méi)有介紹允許在以下不同操作模式之間容易交換的系統(tǒng):手動(dòng)模式、主-從模式和自主模式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021]正如以上概述，需要靈活而模塊化的系統(tǒng)以便把機(jī)器人協(xié)助系統(tǒng)集成到標(biāo)準(zhǔn)的外科實(shí)踐中。本公開(kāi)通過(guò)加入智能機(jī)器人作為外科醫(yī)生的手臂/手的外骨骼擴(kuò)展來(lái)解決現(xiàn)有機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的工作流程和人機(jī)工程學(xué)挑戰(zhàn)。通過(guò)在外科領(lǐng)域中使外科醫(yī)生、機(jī)器人和控制臺(tái)整合在一起，外科醫(yī)生可以被提供操