機器人輔助腔內外科手術系統及相關方法

機器人輔助腔內外科手術系統及相關方法
【專利摘要】一種腔內機器人系統，提供給外科醫生驅動機器人驅動內窺鏡設備到患者體內所期望的解剖位置的能力，而無需笨拙運動和位置，同時還從安裝在內窺鏡設備上的數碼相機享受到改善的圖像質量。
【專利說明】機器人輔助腔內外科手術系統及相關方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2013年10月24日提交的美國臨時專利申請號61/895,312(代理人案號41663-711.101);于2013年10月24日提交的美國臨時專利申請號61/895,315(代理人案卷號41663-712.101);于2013年10月25日提交的美國臨時專利申請號61/895,602(代理人案卷號41663-713.101)；于2014年2月14日提交的美國臨時專利申請號61/940，180(代理人案卷號41663-714.101);于2014年7月I日提交的美國臨時專利申請號62/019,816(代理人案卷號41663-713.102)和于2014年8月14日提交的美國臨時專利申請號62/037,520(代理人案卷號41663-715.101)的優先權，其全部內容通過引用并入本文。
【背景技術】
[0003]1.技術領域。本申請的領域涉及醫療設備。更具體地，本發明的領域涉及用于機器人輔助腔內外科手術的系統和工具。
[0004]2.相關技術的描述。內窺鏡檢查是用于成像和遞送治療劑到人體內的解剖位置的廣泛使用的微創技術。通常，柔性內窺鏡用來將工具遞送到身體內部的手術部位一一例如通過身體中的小切口或者自然孔口(鼻、肛門、陰道、尿道、咽喉等)一一在其中執行過程。內窺鏡可以在使得能夠導航非線性管腔或通路的柔性軸的遠端處具有成像、照明和操控能力。
[0005]為了輔助導航，內窺鏡通常具有關節連接(articulate)小型遠端彎曲段的器件。今天的內窺鏡設備通常是具有用于各種功能性的眾多桿(lever )、撥盤和按鈕的手持設備，但是在關節連接方面提供了有限性能。對于控制，醫師通過操縱交織器(leaver)或撥盤配合捻動內窺鏡的軸來控制內窺鏡的位置和進展。這些技術要求醫師當使用設備將內窺鏡遞送到所期望的位置時扭曲他們的手和手臂。由此產生的手臂運動和位置對于醫師而言是尷尬的;維持那些位置還可能費力。因此，彎曲段的手動致動通常受低致動力和差人體工程學限制。
[0006]今天的內窺鏡設備具有附加挑戰。今天的內窺鏡通常要求支持人員遞送、操作和從內窺鏡中去除手術、診斷或治療設備，同時醫師維持所期望的位置。今天的內窺鏡利用產生具有曲線對齊和肌肉發育(muscling)的組織的拉線。一些過程要求熒光鏡檢查或分段CT掃描以輔助導航到所期望的位置，特別是用于小管腔導航。
[0007]因此，可能有益的是具有用于提供改進的人機工程學、可用性和導航的腔內過程的系統和工具。

【發明內容】

[0008]在一個方面中，本發明提供了一種用于執行機器人輔助外科手術過程的系統，包括:具有近端段和遠端段的第一機器人手臂、聯接到第一機器人手臂的遠端段的第一機構變換器接口、聯接到第一機構變換器接口的第一儀器設備操縱器，第一儀器設備操縱器被配置成在患者體內的手術部位處執行外科手術過程的機器人驅動工具，并且其中第一儀器設備操縱器包括驅動單元。
[0009]在相關設備中，驅動單元包括電機。在一些實施例中，第一儀器設備操縱器被配置成與機構變換器接口和第一機器人手臂可釋放地脫離。
[0010]在相關設備中，第一機構變換器接口被配置成與多個儀器設備操縱器進行接口。在一些實施例中，第一機構變換器接口被配置成將從電信號第一機器人手臂傳送到第一儀器設備操縱器。
[0011]在相關設備中，本發明還包括聯接到第一儀器設備操縱器的內窺鏡工具，該內窺鏡工具包括主細長本體。在一些實施例中，電磁追蹤器聯接到主細長本體的遠端段。在一些實施例中，加速度計聯接到主細長本體的遠端段。
[0012]在相關設備中，主細長本體包括與主細長本體的中性軸線縱向對齊的工作通道、和在工作通道周圍的螺旋中成一角度對齊的牽拉管腔。在一些實施例中，螺旋的角度沿著主細長本體的長度變化。在一些實施例中，牽拉管腔包含細長筋(tendon)，所述細長筋固定聯接到主細長本體的遠端段并且響應于第一儀器設備操縱器。
[0013]在相關設備中，內窺鏡工具還包括在主細長本體周圍縱向對齊的副細長本體，其中，主細長本體包括近端段和遠端段，并且其中，數字相機聯接到遠端。在一些實施例中，該系統還包括通過第二機構變換器接口聯接到第二儀器設備操縱器的第二機器人手臂，其中，該第二儀器設備操縱器聯接到內窺鏡工具，并且第一儀器設備操縱器和第二儀器設備操作器被配置成對齊以形成用來操作內窺鏡工具的虛擬軌。在一些實施例中，第一儀器設備操縱器可操作地控制副細長本體，并且第二儀器設備操縱器可操作地控制主細長本體。在一些實施例中，第一機器人手臂和第二機器人手臂聯接到可移動系統推車(cart)。在一些實施例中，第一機器人手臂和第二機器人手臂聯接到被配置成保持患者的手術床。在一些實施例中，系統推車被配置成向命令控制臺發送傳感器數據、并且從命令控制臺接收命令信號。在一些實施例中，命令控制臺與系統推車分開。在一些實施例中，命令控制臺包括顯示模塊和用于控制內窺鏡工具的控制模塊。在一些實施例中，控制模塊是操縱桿控制器。
【附圖說明】
[0014]參照所附的示意性附圖，通過示例對本發明進行描述，其中:
[0015]圖1圖示了根據本發明的實施例的機器人內窺鏡系統；
[0016]圖2A圖示了根據本發明的實施例的機器人外科手術系統；
[0017]圖2B圖示了其中朝向患者頭部提供麻醉推車201的系統200的俯視圖；
[0018]圖2C示出了圖2A的系統200的視圖；
[0019]圖2D和圖2E圖示了示出了根據本發明的實施例的機器人外科手術系統的通用性的手臂202和204的備選布置；
[0020]圖3A圖示了根據本發明的實施例的具有多個虛擬軌的系統的俯視圖；
[0021]圖3B圖示了具有附加的機器人手臂、相關的工具底座和工具的圖3A的機器人外科手術系統的使用；
[0022]圖4圖示了根據本發明的實施例的IDM和工具可互換的機器人外科手術系統；
[0023]圖5A圖示了根據本發明的實施例的聯接到機器人系統中的機器人手臂的機構變換器接口的實現方式；
[0024]圖5B圖示了圖5A的凸(male)機構變換器接口502的備選視圖；
[0025]圖5C圖示了聯接到儀器設備操縱器用于與圖5A和圖5B的凸機構變換器接口502連接的互補的凹(female)機構變換器接口 ；
[0026]圖圖示了圖5C的凹機構變換器接口508的備選視圖；
[0027]圖6圖示了根據本發明的實施例的使用通過指向患者腹部的單個機器人手臂上的儀器接口連接的單端口腹腔鏡儀器的機器人外科手術系統；
[0028]圖7圖示了根據本發明的實施例的具有兩套機器人子系統的機器人外科手術系統，每套機器人子系統具有一對手臂；
[0029]圖8A圖示了根據本發明的實施例的具有帶有單個機器人手臂的子系統的機器人外科手術系統，其中，顯微鏡工具通過儀器接口連接到機器人手臂；
[0030]圖SB圖示了根據本發明的實施例的其中圖8A的子系統801可以結合另一系統用來執行顯微外科手術的機器人外科手術系統；
[0031]圖9A圖示了根據本發明的實施例的包括操縱器的機器人醫療系統的一部分；
[0032]圖9B圖示了圖9A中所公開的機器人醫療系統的備選視圖；
[0033]圖10圖示了根據本發明的實施例的具有張力傳感裝置的圖9A，圖9B的獨立的驅動機構的備選視圖；
[0034]圖1lA從另一角度圖示了圖9A，圖9B和圖10的獨立的驅動機構的剖視圖；
[0035]圖1lB圖示了根據本發明的實施例的結合內窺鏡工具先前所討論的獨立的驅動機構的剖視圖；
[0036]圖12圖示了根據本發明的實施例的具有來自內窺鏡工具的拉線的先前所討論的獨立的驅動機構的備選視圖。
[0037]圖13圖示了根據本發明的實施例的示出了如何通過垂直于力定向的應變計測量水平力的概念圖；
[0038]圖14是根據本發明的實施例的可以結合圖1的機器人系統100使用的內窺鏡工具的圖示；
[0039]圖15A，圖15B，圖15C，圖16A和圖16B通常圖示了根據本發明的實施例的機器人驅動的內窺鏡工具的各個方面；
[0040]圖17A至圖17D圖示了當筋被牽拉時，現有技術的柔性儀器如何展現不期望的“肌肉發育”現象；
[0041]圖17E至圖17H圖示了現有技術的柔性儀器如何在非線性通路中使用期間受到曲線對齊現象困擾；
[0042]圖171和圖17J圖示了根據本發明的實施例的如何通過提供螺旋狀段基本上解決肌肉發育和曲線對齊現象；
[0043]圖18圖示了根據本發明的實施例的在管腔內具有軸向剛硬管的柔性內窺鏡工具的結構；
[0044]圖19圖示了根據本發明的實施例的柔性內窺鏡工具的管腔內的螺旋圖案的結構；
[0045]圖20A圖示了根據本發明的實施例的來自機器人腔內系統的內窺鏡工具；
[0046]圖20B圖示了圖20A的內窺鏡工具2000的備選視圖；
[0047]圖21圖示了根據本發明的實施例的內窺鏡工具的遠端；
[0048]圖22圖示了根據本發明的實施例的構造具有螺旋管腔的內窺鏡設備的方法的流程圖；
[0049]圖23圖示了根據本發明的實施例的用于制造柔性內窺鏡的系統；
[0050]圖24圖示了根據本發明的實施例的用于制造具有螺旋牽拉管腔的內窺鏡設備的專用鼻維(nose cone)；
[0051]圖25A和圖25B圖示了中心線坐標、直徑測量值和解剖空間之間的關系；
[0052]圖26圖示了根據本發明的實施例的表示解剖空間的計算機生成三維模型；
[0053]圖27圖示了根據本發明的實施例的與電磁場發生器組合的利用電磁追蹤器的機器人腔內系統；
[0054]圖28圖示了根據本發明的實施例的用于配準的步驟的流程圖；
[0055]圖29A圖示了根據本發明的實施例的解剖管腔內的內窺鏡工具的遠端；
[0056]圖29B圖示了根據本發明的實施例的在解剖管腔內的手術部位處使用的圖29A的內窺鏡工具；
[0057]圖29C圖示了根據本發明的實施例的在解剖管腔內的手術部位處使用的圖29B的內窺鏡工具；
[0058]圖30A圖示了根據本發明的實施例的聯接到解剖管腔內的遠端柔性段的內窺鏡工具;
[0059]圖30B圖示了根據本發明的實施例的在解剖管腔內的手術部位處使用的具有鑷子工具的圖30A的內窺鏡工具；
[0060]圖30C圖示了根據本發明的實施例的在解剖管腔內的手術部位處使用的具有激光設備的圖30A的內窺鏡工具;和
[0061]圖31圖示了根據本發明的實施例的用于機器人腔內系統的命令控制臺。
【具體實施方式】
[0062]盡管下文公開了某些優選實施例和示例，但是發明主題超出具體公開的實施例，擴展至其它備選實施例和/或使用、及其修改和等同物。因此，此處所附的權利要求的范圍并不受下文所描述的特定實施例中的任一特定實施例限制。例如，在本文所公開的任何方法或過程中，方法或過程的動作或操作可以以任何合適順序執行，并且不必限于任何特定公開順序。各種操作可以以可以有助于理解某些實施例的方式依次被描述為多個分立操作;然而，描述順序不應該被解釋為暗示這些操作是順序相關的。附加地，本文中所描述的結構、系統和/或設備可以被體現為集成部件或分離部件。
[0063]出于比較各種實施例的目的，對這些實施例的某些方面和優點進行描述。不必通過任何特定實施例實現所有這些方面或優點。因此，例如，各種實施例可以以實現或優化如在本文中所教導的一個優點或一組優點的方式來實現，而不必實現如可以在本文中所教導的或建議的其它方面或優點。
[0064]1.概述
[0065]—種腔內外科手術機器人系統，提供給外科醫生坐在人體工程學位置、并且控制機器人內窺鏡工具到患者體內的所期望的解剖位置的能力，而無需笨拙的手臂運動和位置。
[0066]機器人內窺鏡工具具有通過沿著其長度在至少兩個點提供多個自由度輕易地導航人體內的管腔的能力。工具的控制點提供給外科醫生當它在人體內的曲軸路徑導航時，設備的顯著更本能的控制。對于所有360度的滾動角度，工具的尖端還能夠從O度關節連接到90度。
[0067]外科手術機器人系統可以結合基于外部傳感器和基于內部視覺兩者的導航技術，以輔助醫師引導到患者體內的所期望的解剖位置。導航信息可以在二維顯示器件或三維顯示器件中被傳送。
[0068]2.系統部件
[0069]圖1是根據本發明的實施例的機器人內窺鏡系統。如圖1所示，機器人系統100可以包括具有至少一個機器人手臂(諸如手臂102)的系統推車101。該系統推車101可以與位于遠端的命令控制臺(未示出)通信。在實踐中，該系統推車101可以被布置成提供對患者的進入，同時醫師可以從命令控制臺的舒適性出發控制該系統100 ο在一些實施例中，出于穩定性和對接近患者的考慮，該系統推車100可以被集成到手術臺或床中。
[0070]在系統100內，手臂102可以被固定聯接到包含多種支持系統(在一些實施例中，包括控制電子裝置、電源和光源)的系統推車101。手臂102可以由多個連桿110和接頭111形成，以使能夠接近患者的手術區。系統推車103可以包含電源112、氣動壓力113、以及控制和傳感器電子裝置114(包括部件，諸如中央處理單元、數據總線、控制電路和存儲器)及可以驅動手臂(諸如手臂102)的相關的致動器或電機。電源可以使用本領域技術人員已知的多種器件(諸如電線、齒輪頭、空氣室)從系統推車101傳送到手臂102。系統推車101中的電子裝置114還可以處理并且傳輸從命令控制臺傳達的控制信號。
[0071]系統推車101還可以是移動的，如由車輪115所示。在一些實施例中，系統推車能夠被推到患者附近的所期望的位置。系統推車101可以位于手術室中不同位置，以便適應空間需求并且有助于模塊和儀器相對于患者的適當放置和運動。該能力使得將手臂能夠定位在它們不干涉患者、醫生、麻醉師或所選過程所需的任何支持外科手術設備的位置。在過程期間，帶有儀器的手臂通過分離的控制設備經由用戶控制協同工作，其可以包括具有觸覺設備、操縱桿或定制垂飾(pendant)的命令控制臺。
[0072]3.機械手臂
[0073]手臂102的近端可以固定安裝或聯接到車101。機械手臂102包括每個手臂由至少一個接頭(諸如接頭111)連接的多個連桿110。如果機械手臂102是機器人的，則接頭111可以包括一個或多個致動器，以便以至少一個自由度影響運動。手臂102作為一個整體優選具有三個以上的自由度。通過電線和電路的組合，每個手臂還可以將功率信號和控制信號從系統推車101傳送到位于其末端的端部的儀器。
[0074]在一些實施例中，手臂可以固定聯接到帶有患者的手術臺。在一些實施例中，手臂可以聯接到手術臺的底座并且達到周圍以接近患者。
[0075]在一些實施例中，機械手臂可能不是機器人驅動的。在那些實施例中，機械手臂包括使用制動器和平衡件的組合來保持手臂的位置在適當位置的連桿和調定接頭。在一些實施例中，平衡件可以由氣體彈簧或螺旋彈簧構造。制動器(諸如故障保險制動器)可以是機械的或機電的。在一些實施例中，手臂可以是重力輔助被動支撐手臂。
[0076]在遠端處，每個手臂可以通過機構變換器接口(MCI)(諸如116)聯接到可移動的儀器設備操縱器(IDM)(諸如117)。在優選實施例中，MCI 116可以包含用來從手臂向IDM 117傳遞氣動壓力、電功率、電信號和光信號的連接器。在一些實施例中，MCI 116可以與緊定螺釘或底板連接一樣簡單。
[0077]IDM 117可以具有用于操縱外科手術儀器的多種器件(包括直接驅動、諧波驅動、齒輪驅動、皮帶和滑輪、或磁性驅動)。本領域技術人員應當理解，多種方法可以用來控制儀器設備上的致動器。
[0078]在機器人系統內，MCI(諸如116)可以與多種過程特定的IDM(諸如117)互換。在該實施例中，IDM的可互換性允許機器人系統100執行不同過程。
[0079]優選實施例可以使用在遠端具有手腕的傳感接頭水平扭矩的機器人手臂，諸如Kuka AG’s LBR5。這些實施例具有帶有七個接頭的機器人手臂，而提供多余的接頭以避免與接近手術視野的患者、其它機器人手臂、手術臺、醫療人員或設備的潛在手臂碰撞，同時以同一姿勢維持手腕，以便不中斷正在進行的過程。本領域技術人員應當理解，具有至少三個自由度(并且更優選地六個或更多個自由度)的機器人手臂將落入本文中所描述的發明概念內，并且還應當理解，一個以上的手臂可以提供有附加模塊，其中，每個手臂可以共同或單獨地安裝在一個或多個推車上。
[0080]4.虛擬軌配置
[0081]系統100中的手臂102可以以多種姿勢進行布置用于多種過程。例如，結合另一機器人系統，系統100的手臂102可以被布置成對齊其IDM以形成有助于插入和操縱內窺鏡工具118的“虛擬軌”。對于其它過程，手臂可以進行不同布置。因此，手臂在系統100中的使用提供了在其設計直接與特定醫療過程相關的機器人系統中未發現的靈活性。系統100的手臂提供了潛在的更大的沖程和裝載。
[0082]圖2A圖示了根據本發明的實施例的機器人外科手術系統200。系統200具有分別保持內窺鏡工具底座206和208的第一手臂202和第二手臂204。工具底座206具有與其可操作地連接的可控制的內窺鏡護套210。工具底座208具有與其可操作地連接的柔性內窺鏡導引件212(endoscope leader)。
[0083]手臂202和204與工具底座206和208對齊，使得護套210的近端216遠離導引件212的近端222，并且使得導引件212以在兩個手臂之間180度的近似角度保持與護套210軸向對齊，從而產生“虛擬軌”，其中，該軌大致是平直的，或成180度。如稍后將要描述的，虛擬軌可以具有90度至180度之間的角度。在一個實施例中，導引件212滑動穿設于其中的護套210通過機器人插入通過例如患者211的口腔中的氣管套管(未示出)并且進入患者211中，并且最終進入患者的支氣管系統中，同時在插入和導航期間繼續維持虛擬軌。手臂可以在控制臺203(圖2B)處根據醫生(未示出)的控制相對于彼此軸向移動護套210和內窺鏡212、并且進入或離開患者211。
[0084]實現了導航，例如，通過與導引件212—起前進護套210進入患者211，然后導引件212可以前進超出護套的遠端213，然后護套210可以甚至與導引件212—起被攜帶，直至到達所期望的目的地。可以使用其它模式的導航，諸如但不限于使用通過導引件212的工作通道的引導線。醫師可以使用任何數目的視覺引導模態或它們的組合，以幫助導航并且執行醫療過程，例如，焚光鏡檢查、視頻、CT、MR等。導引件212的遠端220然后被導航到手術部位并且工具通過導引件212內的縱向對齊的工作通道進行部署來執行所期望的過程。虛擬軌可以在導航過程和任何后續的手術過程期間被維持。如本領域技術人員應當了解的，可能需要工具或根本不需要工具的任意數目的備選過程可以使用通過護套滑動的柔性內窺鏡來執行。
[0085]圖2B圖示了其中朝向患者的頭部提供麻醉推車201的系統200的俯視圖。附加地，向控制護套210、內窺鏡導引件212和相關的手臂202和204和工具底座206和208(參見圖2A)提供具有用戶接口的控制臺203。
[0086]圖2C示出了圖2A的系統200的斜視圖。具有相關的護套210和導引件212的工具模塊206和208附接到手臂202和204并且布置在180度的虛擬軌中。手臂被示出在單個推車上，其提供了附加緊湊性和機動性。如稍后將要討論的，工具底座206和208具有用來張緊護套210和導引件212中的筋以操控它們各自遠端的滑輪系統或其它致動系統。工具底座206和208可以提供用于護套和內窺鏡的所期望的其它實用工具，諸如氣動壓力、電、數據通信(例如，用于視力)、機械致動(例如，電機驅動軸)等。這些實用工具可以從單獨源或兩者的組合通過手臂提供給工具底座。
[0087]圖2D和圖2E圖示了根據本發明的實施例的示出了機器人外科手術系統的通用性的手臂202和204的備選布置。在圖2D中，可以延伸手臂202和204以定位儀器(包括護套210和導引件212)以與水平面夾角為75度進入患者211的口腔，同時仍維持180度的虛擬軌。如果需要，這可能在該過程期間以適應房間內的空間要求來進行。出于示范性目的而非限制，選擇75度的角度。
[0088]圖2E示出了根據本發明的實施例的其中工具底座206和208對齊以創建角度為90度的虛擬軌的手臂202和204的備選布置。在該實施例中，儀器(包括護套210和導引件212)以與水平面夾角為75度進入患者213 口腔。對齊工具底座206和208，使得導引件212在進入患者213口腔之前在工具底座206處彎曲90度。為了便于導引件212的彎曲，剛性或半剛性結構(諸如管)可以用來確保護套210內的導引件212順利延伸和縮回。護套210內的導引件212的延伸和縮回可以通過沿著由導引件212追蹤的線性路徑移動工具底座208靠近或遠離工具底座206來控制。護套210的延伸和縮回可以通過沿著由護套210追蹤的線性路徑移動工具底座206靠近或遠離患者213來控制。為了避免導引件212的非預期延伸和縮回，同時延伸或縮回護套210，還可以沿著平行于護套210的線性路徑移動工具底座208。
[0089]虛擬軌用于驅動剛性儀器和柔性儀器兩者，并且特別地其中有伸縮要求的儀器。使用虛擬軌并不限于單個軌，而是可以由其中手臂協調動作以在執行一個或多個過程中維持各個虛擬軌的多個虛擬軌組成。
[0090]圖3A圖示了根據本發明的實施例的具有多個虛擬軌的系統的俯視圖。在圖3A中，機器人手臂302，304和306分別保持工具底座308，310和312。工具底座308和310可以可操作地聯接到柔性工具314和工具316。工具314和工具316可以是遙控機器人控制的柔性內窺鏡儀器。工具底座312可以可操作性地聯接到雙管腔護套318，其中，每個管腔接收工具314和316。手臂302和304各自可以維持具有機器人手臂306的虛擬軌，并且所有三個手臂的運動可以被協調，以維持虛擬軌并且相對于彼此和患者移動工具314，316和護套318。
[0091]圖3B圖示了具有附加的機器人手臂320和相關的工具底座322和工具324的圖3A的機器人外科手術系統的使用。在該實施例中，護套325可以具有三個管腔。可替代地，護套325可以包括用來提供進入工具314，316和324的一個以上的護套。如應當理解的，增加或減少具有相關的模塊和儀器的手臂的數目的能力允許外科配置的大數目和靈活性，其又允許重新考慮昂貴手臂和使用多個相對便宜的模塊來以降低的成本實現很大通用性。
[0092]因此，為了產生虛擬軌，可以利用多個手臂和/或平臺。每個平臺/手臂必須配準到其它平臺/手臂，其可以由多個模態(包括視覺、激光、機械、磁或剛性附接)來實現。在一個實施例中，配準可以使用機械配準通過具有單個底座的多手臂設備來實現。在機械配準中，實施例可以基于它們相對于單個底座的位置、取向和放置配準手臂/平臺放置、位置和取向。在另一實施例中，配準可以使用單獨的底座配準和多個機器人手臂之間的“握手”由具有多個底座的系統來實現。在具有多個底座的實施例中，配準可以通過從不同底座一起觸摸手臂并且基于(i)物理接觸和(? )那些底座的相對位置計算位置、取向和放置來實現。在一些實施例中，配準目標可以用來匹配手臂相對于彼此的位置和取向。通過這樣的配準，可以在相對于彼此的空間中計算手臂和儀器驅動機構。
[0093]5.機構變換器接口
[0094]返回到圖1，機器人外科手術系統100可以以一種方式被配置成提供多個外科手術系統配置，諸如通過改變IDM 117和工具118(還被稱為端部執行器)。該系統可以包括手術室中不同位置或方便的附近位置處的一個或多個移動機器人平臺。每個平臺可以提供一些或所有功率、氣動壓力、照射源、數據通信電纜和用于聯接到平臺的機器人手臂的控制電子裝置，并且模塊也可以從這些實用工具中獲取。可替代地，系統100可以具有安裝在一個或多個移動車101上的多個手臂102，或手臂可以安裝到地板以提供多個外科手術配置。
[0095]除了多個手臂和平臺之外，一些實施例被設計成在多個模塊或端部執行器機構之間輕易地進行交換。過程內的各種外科手術過程或步驟可能需要使用不同的模塊和相關的儀器設置，例如，不同尺寸的護套和內窺鏡組合之間的交換。互換性允許系統重新配置用于不同的臨床過程或調整外科手術途徑。
[0096]圖4圖不了根據本發明的實施例的IDM和工具可互換的機器人外科手術系統。夕卜科手術系統400具有IDM 402和工具403附接到其的機械手臂401。附接到系統推車404的IDM405和406和相關的工具407和408可以被交換到機器人手臂401上或由不同的機器人手臂(未示出)拾取以單獨與另一 IDM和工具結合使用。每個IDM可以是專門的機電系統，其可以用來驅動各種類型的儀器和工具用于指定過程。為了驅動儀器，每個IDM可以包括獨立的驅動系統，其可以包括電機。它們可以包含記錄它們的校準和應用相關信息的傳感器(例如，RFID)或存儲器芯片。在新機構連接到機器人手臂之后，可以需要系統校準檢查。在一些實施例中，IDM可以控制內窺鏡護套或柔性內窺鏡導引件。
[0097]在圖4中，系統400可以通過使用全局配準和傳感器本身來交換IDM 402與IDM 405和406。在一些實施例中，IDM 406和408在配置有標識和接近傳感器的預先確定的“擴展塢(docking stat1n)”處被存儲在系統推車404上。這些塢處的傳感器可以利用技術，諸如RFID、光學掃描儀(例如，條形碼)、EEPR0M和物理接近傳感器以配準并且標識哪些IDM“停靠”在擴展塢處。當機器人手臂401和IDM擴展塢駐留在系統推車404上，標識和接近傳感器允許擱在擴展塢的IDM相對于(多個)機器人手臂進行配置。類似地，在單個系統推車上具有多個手臂的實施例中，多個手臂可以使用上文所討論的配準系統和傳感器的組合來訪問擴展塢上的IDM。
[0098]圖5圖示了根據本發明的實施例的機器人系統中的機構變換器接口。圖5A特別圖示了根據本發明的實施例的聯接到機器人系統中的機器人手臂的機構變換器接口的實現方式。如圖5A所示，機器人手臂500的遠端部分包括聯接到“凸”機構變換器接口 502的關節連接接頭501。關節連接接頭501提供相對于操縱被配置成聯接到機器人手臂500的儀器設備機構(未示出)的附加的自由度。凸機構變換器接口 502提供了凸連接器接口 503，其提供了到IDM(未示出)上的互補的凹插座連接器接口的很強的物理連接。凸連接器接口 503上的球形壓痕物理地聯接到IDM上的凹插座接口上的互補的壓痕。當氣動壓力沿著機器人手臂500傳送到凸機構變換器接口 502時，可以延長球形壓痕。凸機構變換器接口 502還提供了用于將氣動壓力傳遞到IDM的連接504。附加地，機構變換器接口的這個實施例提供了對齊傳感器505，其確保了凸機構變換器接口 502及其互補的凹接口適當地對齊。
[0099]圖5B圖示了與機器人手臂500分離的凸機構變換器接口502的備選視圖。如關于圖5A所討論的，凸機構變換器接口 502提供凸緣狀凸連接器接口 503、氣動連接器504和對齊傳感器505。附加地，用于將電信號連接到IDM上的互補的接口的電性接口 506 (未示出)。
[0100]圖5C圖示了聯接到用于與圖5A和圖5B的凸機構變換器接口502連接的儀器設備操縱器的互補的凹機構變換器接口。如圖5C所示，儀器設備操縱器507聯接到被配置成連接到機器人手臂500上的凸機構變換器接口 502的凹機構變換器接口 508。凹機構變換器接口 508提供被設計成聯接到凸機構變換器接口 502的凸緣狀凸連接器接口 503的凹插座接口 509。凹插座接口 509還提供了凹槽以夾緊凸連接器接口 503上的球形凹痕。當施加氣動壓力時，延伸凸連接器503上的球形壓痕，并且凸連接器503和插座接口 509將IDM 507牢固地聯接到機器人手臂500。互補的凹機構變換器接口 508還提供有氣動連接器510以接受從連接器504傳送的氣動壓力。
[0101]圖5D圖示了圖5C的凹機構變換器接口508的備選視圖。如前面所討論的，互補的機構變換器接口 508包含插座接口 509、用于與機器人手臂500上的機構變換器接口 502進行接口的氣動連接器510。另外，機構變換器接口 508還提供了用于向機構變換器接口 502中的模塊506傳輸電信號(功率、控制、傳感器)的電性模塊511。
[0102]圖6，圖7，圖8A和圖8B圖示了可以使用圖4的系統400進行操作的可互換的模塊。圖6圖示了使用通過指向患者605的腹部604的單個機器人手臂603上的儀器接口 602所連接的單端口腹腔鏡儀器601的本發明的實施例。
[0103]圖7圖示了具有兩套機器人子系統701和704的本發明的實施例，每套機器人子系統分別具有一對手臂702，703和705，706。通過手臂702，703，705，706的遠端處的儀器接口所連接的分別是腹腔鏡儀器707，708，709，710，所有儀器一起工作以在單獨患者711中執行過程。
[0104]圖8A圖示了具有帶有單個機器人手臂802的子系統801的本發明的實施例，其中，顯微鏡工具804通過儀器接口 803連接到機器人手臂802。在一些實施例中，顯微鏡工具804可以結合醫師806所使用的第二顯微鏡工具805用來幫助可視化患者807的手術區域。
[0105]圖8B圖示了本發明的實施例，其中，圖8A的子系統801可以結合子系統808用來執行顯微外科手術。子系統808提供手臂809和810，每個手臂具有通過各相應手臂上的儀器接口所連接的顯微外科手術工具811和812。在一些實施例中，一個或多個手臂可以撿起和交換表內的工具或者機器人手臂到達范圍之內的其它合適保持機構，諸如擴展塢。
[0106]在一些實施例中，機構變換器接口可以是用來緊固相關的IDM的簡單螺釘。在其它實施例中，機構變換器接口可以是具有電連接器的螺栓板。
[0107]6.儀器設備操縱器(IDM)
[0108]圖9A圖示了根據本發明的實施例的包括操縱器的機器人醫療系統的一部分。系統900包括機器人手臂901、關節連接接口 902、儀器設備操縱器(“IDM”)903和內窺鏡工具904的局部視圖。在一些實施例中，機器人手臂901可能只是具有多個接頭和連桿的較大的機器人手臂中的連桿。關節連接接口 902將IDM 903聯接到機器人手臂901。除了聯接之外，關節連接接口 902還可以向手臂901和IDM903傳遞氣動壓力、功率信號、控制信號和反饋信號，并且從手臂901和IDM 903傳遞氣動壓力、功率信號、控制信號和反饋信號。
[0109]IDM 903驅動并且控制內窺鏡工具904。在一些實施例中，IDM 903使用經由輸出軸傳輸的角運動以便控制內窺鏡工具904。如稍后所討論的，IDM 903可以包括齒輪頭、電機、旋轉編碼器、功率電路、控制電路。
[0110]內窺鏡工具904可以包括具有遠端尖端和近端的軸909。用于接收控制信號并且從IDM 903驅動的工具底座910可以聯接到軸909的近端。通過由工具底座910所接收的信號，可以基于經由輸出軸905，906，907和908(參見圖98)向內窺鏡工具904的工具底座910傳輸的角運動來控制、操縱并且指引內窺鏡工具904的軸909。
[0111]圖9B圖示了圖9A所公開的機器人醫療系統的備選視圖。在圖9B中，內窺鏡工具904已經從IDM 903中去除，以顯露輸出軸905，906，907和908。附加地，去除IDM 903的外皮/殼顯露了IDM頂蓋911下面的部件。
[0112]圖10圖示了根據本發明的實施例的具有張力檢測裝置的圖9A，圖9B的獨立的驅動機構的備選視圖。在IDM 903的剖視圖1000中，平行驅動單元1001，1002，1003和1004是IDM903中在結構上是最大的部件。在一些實施例中，從近端到遠端，驅動單元1001可以包括旋轉編碼器1006、電機1005和齒輪頭1007。驅動單元1002，1003和1004可以被類似地構造，SP，包括頂蓋911下面的電機、編碼器和齒輪頭。在一些實施例中，在驅動單元中使用的電機是無刷電機。在其它實施例中，電機可以是直流伺服電機。
[0113]旋轉編碼器1006監測并且測量電機1005的驅動軸的角速度。在一些實施例，旋轉編碼器1006可以是冗余旋轉編碼器。在于2014年8月14日提交的美國臨時專利申請號62/037，520中公開了適當的冗余編碼器的結構、能力和使用，其全部內容通過引用并入本文。
[0114]由電機1005生成的扭矩可以通過聯接到電機1005的轉子的軸傳輸到齒輪頭1007。在一些實施例中，齒輪頭1007可以附接到電機1005，以便以轉動速度為代價增加電機輸出的扭矩。由齒輪頭1007生成的增加的扭矩可以被傳輸到齒輪頭軸1008中。類似地，驅動單元1002，1003和1004通過齒輪頭軸906，907和908將它們各自的轉矩傳輸出。
[0115]每個單獨的驅器單元可以聯接到其遠端的電機安裝件和朝向其近端的應變計安裝件。例如，驅動單元1001的遠端可以被夾持到電機安裝件1009和應變計安裝件1001。類似地，驅動單元1002可以被夾持到電機安裝件1011，同時兩者還均被夾持到應變計安裝件1010。在一些實施例時，電機安裝件由鋁構造以減輕重量。在一些實施例中，應變計安裝件可以粘附到驅動單元的一側。在一些實施例中，應變計安裝件可以由鋁構造以減輕重量。
[0116]電應變計1012和1013被封裝并且焊接到應變計安裝件1010并且分別使用螺釘附接到電機安裝件1009和1011。類似地，接近驅動單元1003和1004的一對應變計(未示出)被封裝并且焊接到應變計安裝件1014并且分別使用螺釘附接到電機安裝件1015和1016。在一些實施例中，電應變計可以使用側螺釘相對于它們各自的電機安裝件保持在適當位置。例如，側螺釘1019可以被插入到電機安裝件1009以保持應變計1012在適當位置。在一些實施例中，可以垂直布置電應變計中的應變計布線以便檢測驅動單元中的任何垂直應變或柔曲，其可以由相對于應變計安裝件(1010)的電機安裝件(1009，1011)測量為水平位移。
[0117]應變計布線可以被路由到應變計安裝件上的電路。例如，應變計1012可以被路由到可以被安裝在應變計安裝件11上的電路板1017。類似地，應變計1013可以被路由到還可以被安裝在應變計安裝件1010上的電路板1018。在一些實施例中，電路板1017和1018可以分別處理或放大來自應變計1012和1013的信號。電路板1017和1018到應變計1012和1013的緊密接近幫助降低信噪比以獲得更準確的讀數。
[0118]圖1lA從另一角度圖示了圖9A，圖9B和圖10的獨立的驅動機構的剖視圖。如圖1lA所示，外殼/皮1101的一部分已經被切除以顯露IDM 903的內部結構。如前面所討論的，驅動單元1001包括電機1005、旋轉編碼器1006和齒輪頭1007。驅動單元1001可以聯接到電機安裝件1009并且穿過頂蓋911，通過該頂蓋可以以所期望的角速度和扭矩驅動輸出軸905。電機安裝件1009可以使用側螺釘聯接到垂直對齊的應變計1012。除了聯接到電機安裝件1009之外，應變計1012可以被封裝到應變計安裝件1010中。在一些實施例中，輸出軸905包括齒輪頭軸上的迷宮式密封件。
[0119]圖1lB圖示了根據本發明的實施例的結合內窺鏡工具先前所討論的獨立的驅動機構的剖視圖。如圖1IB所示，安裝在IDM 903上的內窺鏡工具904包含沿縱向與IDM 903的輸出軸對齊的滑輪，諸如可以與輸出軸905同心的滑輪1102。滑輪1102可以被容納在工具底座910內的精密切割室1103內部，使得滑輪1102可能無法剛性固定在室1103內部，而是“浮動”在室1103中的空間內。
[0120]滑輪1102的花鍵(spline)被設計成使得它們與輸出軸905上的花鍵對齊并且使用輸出軸905上的花鍵鎖定。在一些實施例中，花鍵被設計成使得內窺鏡工具可能只有單個取向與IDM 903對齊。盡管花鍵確保了滑輪1102與輸出軸905同心對齊，但是滑輪1102還可以結合使用磁鐵1104定位并且軸向保持與輸出軸905對齊的浮動滑輪1102。鎖定到對齊中，輸出軸905和滑輪1102的轉動張緊內窺鏡器械904內的拉線，從而產生軸909的關節連接。
[0121]圖12圖示了從根據本發明的實施例的具有來自內窺鏡工具的拉線的先前所討論的獨立的驅動機構的備選視圖。在一些實施例中，內窺鏡工具可以使用拉線以便關節連接并且控制軸。在那些實施例中，這些拉線1201，1202，1203和1204可以分別由IDM 903的輸出軸905，906，907和908張緊或松動。因此，拉線可以經由IDM 903中的控制電路通過機器人進行控制。
[0122]正如輸出軸905，906，907和908通過角運動沿著拉線1201，1202，1203和1204傳遞力一樣，拉線1201，1202，1203和1204將力傳遞回到輸出軸并且因此到電機安裝件和驅動單元。例如，指引遠離輸出軸的拉線中的張力會產生牽拉電機安裝件1009和1011的力。因為應變計均聯接到電機安裝件1009和1011并且封裝在應變計安裝件1010中，所以該力可以由應變計(諸如1012和1013)測量。
[0123]圖13圖示了根據本發明的實施例的示出了如何可以由垂直于力定向的應變計測量水平力的概念圖。如圖1300所示，可以指引力1301遠離輸出軸1302。當輸出軸1302聯接到電機安裝件1303時，力1301產生電機安裝件1303的水平位移。當電機安裝件1303使應變計1304在力1301的方向上柔曲(導致應變)時，聯接到電機安裝件1303和地面1305兩者的應變計1304從而可能經歷應變。應變量可以被測量為應變計1304的尖端的水平位移與應變計1304的整體水平寬度的比值。因此，應變計1304可以最終測量施加在輸出軸1302上的力1301。
[0124]在一些實施例中，組件可以包括用來測量儀器設備操縱器903(諸如傾斜計或加速度計)的取向的設備。結合應變計，來自設備的測量值可以用來校準來自應變計的讀數，因為應變計可能對從它們相對于地面的取向產生的重力載荷效應敏感。例如，如果儀器設備操縱器903在其一側上被定向，則驅動單元的重量可以在電機安裝件上產生即使應變不能從輸出軸上的應變產生，也可以被傳輸到應變計的應變。
[0125]在一些實施例中，來自應變計電路板的輸出信號可以聯接到另一電路板用于處理控制信號。在一些實施例中，功率信號從處理控制信號的電路板被路由到另一電路板上的驅動單元。
[0126]如前面所討論的，驅動單元1001，1002，1003和1004中的電機最終驅動輸出軸，諸如輸出軸905，906，907和908。在一些實施例中，輸出軸可以使用無菌屏障進行增強以防止流體進入儀器設備操縱器903。在一些實施例中，屏障可以利用輸出軸周圍的迷宮式密封(圖1lA的1105)以防止流體進入。在一些實施例中，齒輪頭軸的遠端可以用輸出軸覆蓋以向工具傳輸扭矩。在一些實施例中，輸出軸可以包覆在鋼帽中以減少磁導。在一些實施例中，輸出軸可以被夾持到齒輪頭軸以輔助扭矩的傳遞。
[0127]儀器設備機構903還可以覆蓋有殼或皮，諸如外殼/皮1101。除了造型美觀之外，殼在手術期間(例如，在醫療過程期間)提供了流體進入保護。在一些實施例中，殼可以使用澆鑄聚氨酯構造用于電磁屏蔽、電磁兼容性和靜電放電保護。
[0128]在本發明的實施例中，單獨張緊的那些輸出軸的每個輸出軸可以在利用可操控導管技術的內窺鏡工具中牽拉線。拉線中的張力可以被傳輸到輸出軸905，906，907和908并且向下傳輸到電機安裝件，諸如電機安裝件1009和1011。
[0129]7.內鏡工具設計
[0130]在優選實施例中，圖1的機器人系統100可以驅動針對腔內過程而定制的工具，諸如內窺鏡工具118。圖14是根據本發明的實施例的可以結合圖1的機器人系統100使用的內窺鏡工具的圖示。內窺鏡工具1400可以布置在縱向對齊的嵌套管狀本體(被稱為“護套”和“導引件”)周圍。護套1401(具有較大外徑的管狀工具)可以包括近端護套段1402、遠端護套段1403和中央護套管腔(未示出)。通過在護套底座1404中接收的信號，遠端護套段1403可以在操作者所期望的方向上進行關節連接。嵌套在護套1401內的可以是具有較小外徑的導引件1405。導引件1405可以包括近端導引件段1406和遠端導引件段1407、和中央工作通道。類似于護套底座1404，導引件底座1408基于傳達到通常來自IDM(例如，圖9A的903)的導引件底座1408的控制信號來控制遠端導引件段1407的關節連接。
[0131]護套底座1404和導引件底座1408兩者均具有類似的驅動機構，護套1401和導引件1405內的控制筋錨固到該驅動機構。例如，護套底座1404的操縱可以對護套1401中的筋放置拉伸載荷，在其中以受控形式導致遠端護套段1403的偏轉。類似地，導引件底座1408的操縱可以對導引件1405中的筋放置拉伸載荷以導致遠端導引件段1407的偏轉。護套底座1404和導引件底座1408還可以包含用于從IDM向護套1401和導引件1404路由氣動壓力、電功率、電信號或光信號的聯軸器。
[0?32]護套1401和導引件1405內的控制筋可以通過關節連接段被路由到位于關節連接段遠端的錨具。在優選實施例中，護套1401和導引件1405內的筋可以由通過不銹鋼線圈(諸如盤管)路由的不銹鋼控制筋構成。本領域技術人員應當理解，其它材料還可以用于筋，諸如芳綸、鎢和碳纖維。對這些筋放置載荷導致護套1401和導引件1405的遠端段以可控方式偏轉。沿著護套1401和導引件1405內的筋的長度包括盤管可以將軸向壓縮傳遞回到載荷原點。
[0133]使用多個筋，內窺鏡工具1400具有通過沿著其長度在兩個點處(遠端護套段1403和遠端導引件段1407)提供多個控制自由度(每個與單獨筋相對應)輕易地導航人體內的管腔的能力。在一些實施例中，高達四個筋可以用于護套1401和/或導引件1405，從而提供高達所組合的八個自由度。在其它實施例中，可以使用高達三個筋，從而提供高達六個自由度。
[0134]在一些實施例中，護套1401和導引件1405可以被卷繞360度，從而提供了甚至更多的工具靈活性。因為在人體內導航曲折路徑，所以卷繞角、多個關節連接度和多個關節連接點的組合提供給醫師對設備的本能控制的顯著改善。
[0135]圖15A，圖15B，圖15C，圖16A和圖16B通常圖示了根據本發明的實施例的圖2的機器人驅動的內窺鏡工具(諸如護套210和導引件212)的各個方面。圖15A圖示了具有帶有遠端1501和近端1502和在這兩個端部之間運轉的管腔1503的護套1500的內窺鏡工具。管腔1503的尺寸可以被設置成滑動地接收柔性內窺鏡(諸如圖16的導引件1600)。護套1500具有帶有在護套1500的壁1504的長度內部運轉的筋1505和1506的壁1504。筋1505和1506可以滑動地穿過壁1504中的導管1507和1508，并且在遠端1501終止。在一些實施例中，筋可能可以由鋼形成。適當張緊筋1505可以將遠端1501朝向導管1507壓縮，同時最小化螺旋狀段1510的彎曲。類似地，適當張緊筋1506可以將遠端1501朝向導管1508壓縮。在一些實施例中，管腔1503可能與護套1500不同心。
[0136]圖15A的護套1500的筋1505和1506和相關的導管1507和1508優選地不沿著護套1500的整個長度平直運轉，但是沿著螺旋狀段1510在護套1500周圍螺旋，然后沿著遠端段1509縱向平直運轉(S卩，大致平行于中性軸線)。應當理解，螺旋狀段1510可以從沿著護套1510向近端延伸的遠端段1509的近端開始，并且可以在任何所期望的或可變俯仰的任何所期望的長度處終止。螺旋狀段1510的長度和俯仰可以基于護套1500的將軸的所期望的靈活性和螺旋狀段1510中的增加的摩擦考慮在內的所期望的特性進行確定。當不在螺旋狀段(諸如內窺鏡1500的近端段和遠端段)時，筋1505和1506可以大致平行于護套1500的中央軸線1511運轉。
[0137]在一些實施例中，筋導管彼此可以成九十度夾角(例如，3點鐘、6點鐘、9點鐘和12點鐘)。在一些實施例中，筋可以彼此間隔開120度，例如，總共三個筋。在一些實施例中，筋可以不等距隔開。在一些實施例中，它們可以朝向中央管腔的一側。在一些實施例中，筋計數可以不同于三個或四個。
[0138]圖15B示出了出于澄清非螺旋狀段1509和可變俯仰螺旋狀段1510之間的區別的目的只具有一個筋的護套1500的實施例的三維圖示。盡管可以使用一個筋，但是可以優選的是使用多個筋。圖15C示出了沿著遠端段1509和可變俯仰螺旋狀段1510延伸的四個筋的護套1500的實施例的三維圖示。
[0139]圖16A圖示了具有遠端1601和近端1602的內窺鏡導引件1600，其尺寸被設置成滑動地駐留在圖15的護套1500內。導引件1600可以包括穿過它的至少一個工作通道1603。護套1500的近端1502和導引件1600的近端1602分別可操作地連接到圖2的工具底座206和208。筋1604和1605分別滑動穿過壁1608中的導管1606和1607并且在遠端1601終止。
[0140]圖16B圖示了具有成像1609(例如，CXD或CMOS相機、成像纖維束的終端等)、光源1610(例如，LED、光纖等)并且可以包括至少一個工作通道開口 1603的導引件1600(示例性實施例)的遠端1601。其它通道或操作電子裝置1606可以沿著導引件1600提供以在遠端處提供各種已知能力，諸如到相機的布線、吹氣、吸入、電力、光纖、超聲換能器、EM傳感和OCT傳感。
[0141]在一些實施例中，導引件1600的遠端1601可以包括用于插入工具的“口袋”，諸如上文所公開的那些。在一些實施例中，該口袋可以包括用于對工具進行的控制的接口。在一些實施例中，可以存在纜線(諸如電纜或光纜)以便與接口通信。
[0142]在一些實施例中，圖15A的護套1500和圖16A的導引件1600兩者均可以具有機器人控制的可操控遠端。啟用該控制的護套1500和導引件1600的結構可以基本上相同。因此，對于護套1500的構造的討論將局限于護套1500的構造，并且應當理解，相同原則適用于導引件1600的結構。
[0143]因此，來自圖16A的導引件1600的筋1604和1605和相關的導管1606和1607不是沿著導引件1600的長度縱向平直(S卩，大致平行于中性軸線)運轉，而是沿著導引件1600的不同部分進行螺旋。如護套1500中的螺旋狀筋和導管一樣，導引件1600的螺旋狀筋可以基于導引件的把軸的所期望的靈活性和螺旋狀段的增加摩擦考慮在內的所期望的特性來確定。當不在螺旋狀段中時，筋1604和1605大致平行于導引件1600的中心軸線運轉。
[0144]如下文更充分描述的螺旋狀段可以幫助隔離對遠端段的彎曲，同時最大限度地減少沿著遠端段近端的軸出現的任何彎曲。在本發明的一些實施例中，護套1500和導引件1600中的導管的螺旋俯仰可以沿著螺旋狀段的長度變化，其如下面更充分描述的將更改軸的剛度/剛性。
[0145]護套1500和導引件1600中的螺旋狀導管和螺旋狀筋的使用呈現了比沒有螺旋狀導管的先前柔性儀器的顯著優點，特別地，當在解剖結構中導航非線性通路時。當導航彎曲通路時，可以優選的是，護套1500和導引件1600在其長度的大部分上保持柔性，并且具有可控制可操控的遠端段，同時還有遠端彎曲段近端的儀器的最小二次彎曲。在先前柔性儀器中，張緊筋以便關節連接遠端導致沿著柔性儀器的整個長度的不希望的彎曲和扭轉，其可以被分別被稱為“肌肉發育”和“曲線對齊”。
[0146]圖17A至圖17D圖示了當筋被牽拉時，現有技術的柔性儀器如何展示不受歡迎的“肌肉發育”現象。在圖17A中的，先前內窺鏡1700沿著內窺鏡1700的長度可以具有大致平行于中性軸線1701運轉的四個筋或控制線。僅在橫截面中示出了行進穿過軸壁中的導管1704和1705(還被稱為控制管腔)的筋1702和1703，其每個被固定連接到內窺鏡1700遠端上的控制環1706。內窺鏡1700可以被有意地設計成具有彎曲段1707和軸1708。在一些柔性儀器中，軸1708可以包括較硬材料，諸如加強筋。
[0147]圖17B圖示了彎曲段1707的理想化關節連接。通過牽拉或對筋1703施加張力，只有遠端彎曲段1707的關節連接產生由Φ表示的數量，其中，筋1702和1703的近端處的長度差可能為?.(Φ)。與此相反，軸1708沿著中性軸線1701可能保持平直。這可以通過具有剛度顯著比遠端區1707高的近端區1708來實現。
[0148]圖17C圖示了從張緊筋1703產生的真實世界。如圖17C所示，當張力非局部化時，牽拉筋1703沿著軸的整個長度產生壓縮力。在理想化情況下，沿著中性軸線1701的是筋1703，整體壓縮載荷可能同樣沿著中心軸線傳輸并且大多數或所有的彎曲可能發生在彎曲段1707。然而，在筋1703沿著軸1708的外周(諸如在內窺鏡1700中)運轉時，軸向載荷在沿著中性軸線產生累積力矩的中性軸線的相同徑向取向上傳遞出中性軸線1701。這導致軸1708彎曲(被描繪為Θ )，其中，軸1708的彎曲將在與彎曲段1707的彎曲相同的方向上。當內窺鏡1700和遠端彎曲段1707彎曲時，沿著導管1704和導管1705的長度必須改變。當筋1703需要縮短并且筋1702需要延長時，從近端延伸的筋1702和1703的數量為f( Φ，θ)。其中軸1707和遠端彎曲段1708從牽拉筋1703彎曲的這種現象被稱為“肌肉發育”。
[0149]圖17D圖示了有助于三維的肌肉發育的力。如圖17D所示，沿著內窺鏡1700張緊筋1703會導致筋1703朝向儀器的一側定向地施加力1712。力1712的方向反映了筋1703中的張力導致筋尋求遵循從遠端彎曲段1707的尖端到軸1708的底座的直線，S卩，如由虛線1713所表示的最低能態。如應當理解的，如果軸1708是剛性的(S卩，不易在力的作用下彎曲)，則只有遠端彎曲段1707會彎曲。然而，在許多應用中，不希望的是，使軸的剛性完全與遠端不同以充分最小化肌肉發育現象。
[0150]圖17Ε至圖17Η圖示了先前柔性儀器在用于非線性通路期間如何受到曲線對齊現象困擾。圖17Ε示出了由沿著內窺鏡1700的軸1708具有彎曲τ表示的非線性路徑內的靜止的先前柔性內窺鏡1700。例如，這可能由導航越過支氣管管腔的彎曲的儀器產生。由于非線性彎曲，內窺鏡1700中的筋1702和1703需要在近端延長或縮短一長度以適應非線性彎曲，其長度由F(T)表示。延伸和壓縮力存在于彎曲的頂部和底部處的管腔/導管上，如分別由箭頭1709(延伸力)和1710(壓縮力)描繪。因為沿著彎曲頂部的距離比中性軸線長，并且沿著彎曲內側的距離比中性軸線短，所以這些力存在。
[0151]圖17F圖示了在與彎曲τ相同的方向上關節連接內窺鏡1700的遠端彎曲段1707的力學，其中，一個可能牽拉筋1703。這沿著柔性儀器(如先前所描述的)的長度產生壓縮力，并且筋1703還對其所穿過的非線性導管施加向下力，其對先前由解剖曲折壓縮的軸1708施加附加壓縮。因為這些壓縮引線是附加的，所以軸1708將進一步在與遠端彎曲段1707相同的方向上彎曲。沿著非線性導管的附加壓縮力可能是不希望的，原因是:(i)其可能無意對解剖結構強加柔性儀器；(ii)當他/她應當能夠“假設”解剖結構正在管控儀器軸的輪廓時，因為他/她必須不斷地監控軸正在做什么，所以傷害的可能性使操作者分心；(m)彎曲儀器效率低；(iv)期望隔離遠端段處的彎曲以有助于可預測性和可控制性(B卩，理想儀器具有根據命令彎曲并且不是解剖非線性路徑的函數的彎曲段)；以及(V)它迫使用戶牽拉筋1103不可預知的附加長度(Φ+θ+τ)。
[0152]圖17G圖示了其中期望關節連接與彎曲τ相對的遠端的場景，同時需要牽拉筋1702。牽拉筋1702沿著曲線的頂部施加壓縮載荷1711，其與如圖17Ε所示的靜止狀態下的彎曲的延伸載荷相反。筋1702試圖回到其最低能態，S卩，其中，壓縮載荷1711擱置在彎曲τ的內部，并且使軸1708在箭頭1712的方向上轉動，以使筋1702擱置在彎曲τ內部。如圖17Η所示，來自筋1702上的張力的轉動1712移動壓縮載荷1711以返回到彎曲內部，并且使遠端彎曲段1707在彎曲τ的方向上回卷，從而產生與所預期的關節連接相對的關節連接。筋1702上的張力以及隨之而來的轉動1712在實踐中將內窺鏡1700返回至與圖17F相同的狀態。其中遠端關節連接朝向彎曲τ回卷被稱為現象“曲線對齊”。應當理解，曲線對齊由導致肌肉發育的相同的力產生，其中，這些力在肌肉發育的情況下產生不期望的側向運動和在曲線對齊的情況下產生不期望的轉動運動。應該注意，肌肉發育和曲線對齊的理論的討論不是通過限制的方式提供，并且本發明的實施例不以任何方式受限于該解釋。
[0153]圖171和圖17J圖示了肌肉發育和曲線對齊現象如何通過在本發明的實施例中提供螺旋狀段(諸如圖15的1510)基本上得以解決。如圖171所示，螺旋內窺鏡1700周圍(諸如在圖15的螺旋狀段1510中)的控制管腔徑向分布來自內窺鏡1700周圍的單個筋1715的壓縮載荷1714。因為張緊后的筋1715對稱地在中性軸線周圍的多個方向上傳輸壓縮載荷1714，所以對軸施加的彎曲力矩還在軸的縱向軸線周圍進行對稱地分布，其平衡并且抵消相反的壓縮力和拉伸力。彎曲力矩的分布產生最少的凈彎曲和轉動力，從而產生如由虛線1816表示的縱向平行于中性軸線的最低能態。這消除或基本上減少了肌肉發育和曲線對齊現象。
[0154]在一些實施例中，可以變化螺旋俯仰以影響螺旋狀段的磨擦和剛度。例如，螺旋狀段1510可以更短，以允許更大的非螺旋狀段1509，從而產生更大關節連接段和可能更少摩擦。
[0155]然而，螺旋控制管腔產生幾個權衡。螺旋控制管腔仍然不能防止來自筋中的張力的屈曲。附加地，盡管肌肉發育大大降低，但是“盤旋”(將軸彎曲成螺旋形，由于筋中的張力而導致的彈簧狀圖案)非常常見。而且，當筋行進穿過管腔更長距離時，螺旋控制管腔需要補償附加摩擦力。
[0156]圖18圖示了根據本發明的實施例的在管腔內具有軸向剛硬管的柔性內窺鏡工具的結構。在圖18中，內窺鏡工具的一段具有帶有在軸1800周圍以螺旋圖案纏繞的拉線1802的單個管腔1801。在管腔內部，軸向剛硬管1803在拉線1802周圍和管腔1801內“浮動”。在軸1800的螺旋部分的開始和末端錨固的浮動管1803延伸并且壓縮以響應于拉線1802中的張力和外部曲折，從而減輕管腔1801的壁的延伸和壓縮力。在一些實施例中，管1803可以通過管腔的開始和末端處的控制環錨固。可替代地，管1803可以使用焊料、焊接、膠粘、粘合或者熔合方法錨固到管腔的開始和末端。在一些實施例中，幾何接合(諸如擴口的幾何形狀)可以用來錨固管1803。在各種實施例中，管1803可以由皮下注射管、盤管、鮑登纜線(Bowdencables)、扭矩管、不銹鋼管或鎳鈦諾管形成。
[0157]圖18中的實施例可以通過將管固定附接到遠端件和近端件并且通過轉動任一或兩個端件共同旋扭管進行構造。在該實施例中，(多個)端件的轉動確保了管以相同間距、方式和取向螺旋。在轉動之后，端件可以固定附連到管腔以防止進一步轉動并且限制對螺旋俯仰的改變。
[0158]圖19圖示了根據本發明的實施例的柔性內窺鏡儀器的管腔內的螺旋形圖案的結構。在圖19中，管腔1900包含沿其壁形成螺旋或螺旋形圖案的結構1901和1902。在優選實施例中，結構由軸向剛硬和管狀料形成。在一些實施例中，結構可以由皮下注射管(“hypo管”)、盤管或扭矩管形成。如由結構1901和1902所示，結構可以沿著管腔1900的壁具有不同的起點。還可以選擇結構1901和1902的材料、組成和特點并且針對所期望的剛度和長度，進行配置。由結構1901和1902所形成的螺旋圖案的俯仰還可以被配置用于管腔1900的所期望的剛度和靈活性。在一些實施例中，管腔1900可以是柔性內窺鏡的主中央管腔，諸如圖16的導引件1600。
[0159]圖20A圖示了根據本發明的實施例的來自機器人腔內系統的內窺鏡工具。內窺鏡工具2000可以包括支撐底座(未示出)近端的柔性軸段2001和聯接到遠端尖端2003的柔性關節連接段2002。與導引件2005類似，內窺鏡工具2000可以通過對軸內的筋放置拉伸載荷來進行關節連接。
[0160]圖20B圖示了圖20A的內窺鏡器械2000的備選視圖。如圖20B所示，遠端尖端2003可以包括工作通道2004、四個發光二極管2005和數字相機2006。結合LED 2005，數字相機2006可以例如用來捕獲實時視頻以在解剖管腔內輔助導航。在一些實施例中，遠端尖端2003可以包括容納數字成像器件和照明器件的集成相機組件。
[0161]工作通道2004可以用于術中儀器(諸如手術部位處的精密關節連接的柔性件)的通路。在其它實施例中，可以合并工作通道以提供附加能力，諸如沖洗、吸氣、照明或激光能量。工作通道還可能有利于路由控制筋組件和上述附加能力所需的其它管腔。內窺鏡工具的工作通道還可以被配置成遞送多種其它治療性物質。這種物質可以對于消融、放射或干細胞是低溫的。這些物質可以使用本發明的內窺鏡工具的插入、關節連接和能力精確地被遞送到靶部位。在一些實施例中，工作通道的直徑可以小至1.2毫米。
[0162]在一些實施例中，電磁(EM)追蹤器可以合并到遠端尖端2003以便幫助定位。如稍后將討論的，在靜態EM場發生器中可以用來確定EM追蹤器的位置，并且因此實時確定遠端尖端2003。
[0163]來自相機2006的圖像可能對于在解剖空間中導航是理想的。因此，當導航時，內部體液(諸如粘液)模糊相機2006可以引起問題。因此，內窺鏡工具2000的遠端2003還可以包括用于清潔相機2006的器件，諸如用于沖洗和抽吸相機透鏡的器件。在一些實施例中，工作通道可以包含可以相機鏡頭周圍充填有流體并且一旦透鏡清晰就被抽吸的氣球。
[0164]內窺鏡工具2000使得能夠在腔內空間內遞送并且操縱小型儀器。在優選的實施例中，可以小型化遠端尖端以便執行腔內過程，從而維持外徑不超過三毫米(即，在法國，9毫米)。
[0165]圖21圖示了根據本發明的實施例的內窺鏡工具的遠端。如圖2IA所示，內窺鏡工具2100包括具有外殼2102的遠端2101。殼2102可以由包括不銹鋼和聚醚醚酮(PEEK)在內的若干種材料構造。遠端2101可以裝填有工作通道2103用于滑動地提供工具訪問和控制。遠端2101還提供了發光二極管2104的陣列用于使用相機2105照明。在一些實施例中，相機可以是較大傳感器組件中的一部分，其包括一個或多個計算機處理器、印刷電路板和存儲器。在一些實施例中，傳感器組件還可以包括其它電子傳感器，諸如陀螺儀和加速度計(用途稍后進行討論)。
[0166]8.內窺鏡工具制造
[0167]在【背景技術】中，可操控導管傳統上由編織機(S卩，編織器)中具有拉管腔的工藝芯軸周圍的編織線或纖維(即，編織線)和涂覆在編織線上的聚合物外套制造。可以使用可操控導管構造方法的各個方面構造內窺鏡工具的護套和導引件的實施例。
[0168]圖22圖示了根據本發明的實施例的構造具有螺旋狀管腔的內窺鏡設備的流程圖。開始，在步驟2201中，可以選擇主工藝芯軸以創建可以用作工作通道的中心管腔的內窺鏡中的腔。可以選擇輔助芯軸來在內窺鏡的壁中創建腔用作控制(牽拉)管腔。主工藝芯軸可以展示比輔助芯軸外徑(OD)大的外徑，以反映工作通道和牽拉管腔之間的相對尺寸差。輔助芯軸可以由可以涂有或沒有涂有潤滑涂層(諸如PTFE)的金屬或熱固性聚合物構造。
[0169]在步驟2202中，主工藝芯軸可以被插入到編織器的進料管，其相對于固定編織錐支撐管和編織錐保持器轉動。類似地，輔助芯軸還可以以與主工藝芯軸平行的方式被插入到進料管中。在傳統的內窺鏡構造中，較小輔助芯軸通過角齒輪的中心用于編織。
[0170]在步驟2203中，使用具有胎面的牽拉器，主工藝芯軸可以前進通過進料管。當主工藝芯軸前進時，其最終通過鼻錐中的中心孔出現。類似地，輔助芯軸前進通過也以通過鼻錐中的外孔出現。這與傳統內窺鏡構造形成對比，其中，輔助芯軸通常通過分離的進料管前進以從角齒輪的中心出現。
[0171]在步驟2204中，當主工藝芯軸和輔助芯軸通過鼻錐出現時，使用編織線把它們編織在一起。鼻錐提供了圓形平滑形狀，在其上，來自周圍的角齒輪的編織線可以在編織過程期間在主工藝芯軸周圍輕易地滑動。當主工藝芯軸和輔助芯軸從鼻錐中出現時，鼻錐轉動，從而確保外孔中的輔助芯軸在主工藝芯軸周圍以螺旋形方式編織。當主工藝芯軸和輔助芯軸被編織在一起時，角齒輪平移并且轉動來將編織線以預先確定的圖案和密度放置在主工藝芯軸和輔助芯軸周圍。
[0172]這種編織方法與傳統的內窺鏡構造方法顯著不同，其中，鼻錐通常保持在使用鍵控到編織錐保持器的緊定螺釘相對于編織錐保持器徑向固定的位置中。因此，編織過程需要專用軟件以便制造具有螺旋控制管腔的導管狀內窺鏡。
[0173]圖23圖示了根據本發明的實施例的用于制造具有螺旋牽拉管腔的內窺鏡的專用系統。在系統2300中，鼻錐2301可以使用將鼻錐2301相對于進料管2302保持在固定位置的緊定螺釘固定聯接到轉動進料管2302。因此，當進料管2302轉動時，鼻錐2301轉動。與此相反，傳統系統通常使用緊定螺釘以將鼻錐2301固定聯接到不轉動的編織錐支撐保持器2305ο
[0174]鼻錐2301的中心孔2303可以與轉動進料管2302對齊，以便通過兩個結構順利地牽拉主工藝芯軸2304。在一些實施例中，轉動進料管2302的外徑小于編織錐支撐管2306(還被稱為芯軸引導管)的內徑，并且內徑大于鼻錐2301的中心孔2303的周向空間。轉動進料管2302通常對于主工藝芯軸2304和輔助芯軸可以足夠大以通過到鼻錐2301而不纏結。在一些實施例中，轉動進料管2302可以足夠長以穿過編織器的角齒輪的中心。在一些實施例中，轉動進料管2302可以附接到可以保持通過進料管2302被傳遞到鼻錐2301周圍的輔助孔的輔助芯軸的材料線軸的機構。
[0175]在一些實施例中，進料管2302可以附接到控制進料管2302的轉動速度從而控制鼻錐2301的轉動的驅動機構。在一些實施例中，驅動機構可以是轉動齒輪2307。當編織器正在在主工藝芯軸2304周圍編織編織線2308時，驅動機構齒輪連接于編織器本身或獨立地被控制以變化或保持轉動進料管2302的轉動速度并且因此鼻錐2301的轉動速度恒定。轉動速度和編織速度將管控輔助芯軸在主工藝芯軸2304上的俯仰。如之前所討論的，這可能影響設備的柔性、剛度和“可推動性”。
[0176]圖24圖示了根據本發明的實施例的用于制造內窺鏡設備中的螺旋管腔的專用鼻錐。在主工藝芯軸被牽拉通過鼻錐的同時轉動鼻錐允許輔助芯軸2402，2403和2404通過分別包圍中心孔2408的輔助孔2405，2406和2407應用于芯軸2401周圍的螺旋圖案，類似于角齒輪如何在主工藝芯軸2401周圍編織編織線。
[0177]在另一實施例中，變化牽拉管腔的圓周取向可以改變內窺鏡的螺旋段的剛度。在制造中，這可以通過更改輔助螺旋形芯軸的俯仰來實現。當芯軸的俯仰(即，偏離縱向軸線的角度)增加時，所編織的復合材料的彎曲剛度減小。相反，當輔助芯軸的俯仰減少時，彎曲剛度增加。如圖15B所示，在一些實施例中，輔助芯軸的俯仰可以在螺旋狀部分(1510)內變化。在那些實施例中，所編織的復合材料的彎曲剛度可能甚至在螺旋狀部分內變化。
[0178]返回到圖22，在步驟2205中，在完成編織過程后，聚合物涂層或外套可以裝上護套、加熱并且粘合到編織復合材料。聚合物涂層還可以應用于過擠出或薄膜澆鑄過程。在步驟2206中，在粘合之后，芯軸可以從所編織的復合物中去除以創建中央管腔或用于相機和光工具的工作通道(主工藝芯軸)、以及用于操控控制的幾個控制管腔(輔助芯軸)。已經去除了芯軸的所編織的復合材料可以完成(2207)。
[0179]在編織過程期間，可能停止編織機以使對所編織的復合材料進行更改。在一些實施例中，一次更改可以是增加平直線或加強桿。加強桿可能顯著改變所編織的層壓復合材料的屈曲、軸向和彎曲剛度。加強桿可以對于可能需要專門的抗屈曲構造或手工輔助來降低設備的屈曲，以使其可以插入到患者體內的較長的內窺鏡特別有幫助。在一些實施例中，編織機可以被配置成選擇性地編織可能從鼻錐中的孔被牽拉到主工藝芯軸上的加強桿，其中，加強桿被捕獲并且被編織線保持在原位。所得內窺鏡的遠端區中沒有加強桿保有了遠端的設備靈活性，同時增加近端區的剛度。特性組合使得醫師更容易地導航所得內窺鏡、把設備插入并且推入患者的腔內空腔中。
[0180]使用轉動鼻錐中的孔把輔助芯軸施加到主工藝芯軸上提供了若干個制造優點。通過使用鼻錐中的孔，不從角齒輪推動芯軸。從還負責織造編織線的各個角齒輪的中心推動芯軸導致芯軸與編織線交織在一起，其沿縱向將所得編織矩陣鎖定在原位。這種構造形式(被稱為“零度構造”)限制了生產商調整編織矩陣用于理想靈活性或者環向強度的能力。在零度構造中，輔助芯軸必然以“上下方式”受限于編織，從而導致所有順時針編織的編織線織造在輔助芯軸“上”，同時所有逆時針編織的編織線被制造在輔助芯軸“下”。當零度構造將輔助芯軸徑向鎖定在原位時，需要沿著主工藝芯軸變化輔助芯軸的俯仰可能是不希望的。
[0181]附加地，角齒輪使用作為用于輔助芯軸的通道(passthrough)限制了可以施加到主工藝芯軸的輔助芯軸的數目。例如，十六錠編織器(carrier braider)最多可以施加高達八個芯軸，二十四錠編織器只能具有高達十二個芯軸。與此相反，使用鼻錐中的孔允許任何數目的芯軸通過到達主工藝芯軸。
[0182]在一些實施例中，輔助芯軸可以施加到主工藝芯軸，而沒有獲益于第二外層的編織線。相反，可以在沒有編織線的情況下施加輔助芯軸。在那些實施例中，粘合/融合的聚合物外套可以保持芯軸并且因此保持管腔在原位。可替代地，在一些實施例中，芯軸可以在所編織的復合物周圍使用鑄件保持在原位。因為在制造內窺鏡工具中不存在外編織層，所以設備的橫截面的直徑和周長減少。可替代地，輔助芯軸可以通過在主工藝芯軸上套上聚合物外套來保持在原位。在一些實施例中，鑄件可以是與用于內窺鏡工具的外部材料相同的材料。
[0183]在一些實施例中，輔助芯軸可以很像編織物線一樣被編織到主工藝芯軸上。例如，在一些實施例中，可以使用偶數個角齒輪編織輔助芯軸，同時通過使用奇數個角齒輪編織的編織線來保持在原位。這樣，輔助芯軸并且因此管腔可以被織造到中心管腔的壁中。作為附加益處，使用這種期間制造的實施例往往還具有較低的圓周區域。
[0184]可替代地，在一些實施例中，可以使用擠壓模具制造螺旋狀管腔結構。這些模具可以生成螺旋狀管腔結構以由PTFE、聚醚酰胺(pebax)、聚氨酯和尼龍創建外套。在一些實施例中，可以使用模具在編織的芯軸周圍形成擠壓結構。
[0185]在一些實施例中，螺旋管腔構造可以當通過編織器拖拉主工藝芯軸時通過轉動它來執行。通過轉動主工藝芯軸而非鼻錐，可以在編織過程期間通過固定鼻錐或通過角齒輪拖拉輔助芯軸。在該實施例中，鼻錐可以固定聯接到鼻錐保持器，并且當通過鼻錐拖拉主工藝芯軸時，轉動鼻錐拖拉主工藝芯軸。
[0186]圖15的護套1500和圖16的導引件1600的構造基本上相同。因此，本領域技術人員應當理解，相同的原理也適用于這兩種工具。
[0187]9.腔內導航
[0188]在本發明的實施例中，通過解剖管腔導航內窺鏡工具可能牽涉到使用基于由低劑量電腦斷層掃描(CT)掃描創建的二維圖像的集合使用計算機生成三維地圖。可以在手術前過程期間收集每個表示患者的內部解剖結構的剖視圖的二維CT掃描。可以對這些掃描進行分析以確定患者體內的腔體和解剖空間，諸如肺的分支或尿道的路徑。
[0189]已經進行了分析以確定患者體內的相關解剖空間，該空間可以被表達為在三維空間中具有中心線坐標(即，表示管腔中心的坐標)的管腔。那些腔體的體積可以表示為各中心線坐標處的直徑距離的特定測量值。通過追蹤中心線與對應的直徑距離測量值，可以生成三維管腔的計算機生成模型。網格坐標數據可以因此用來表達三維空間和表示患者的解剖結構的腔體。
[0190]圖25圖示了中心線坐標、直徑測量值和解剖空間之間的關系。在圖25A中，解剖管腔2500可以大致由中心線坐標2501，2502，2503，2504，2505和2506沿縱向進行追蹤，其中，每個中心線坐標大致接近管腔的中心。通過連接這些坐標，如“中心線” 2507所示，可以可視化管腔。管腔的體積可以進一步通過測量各中心線坐標處管腔的直徑進行可視化。因此，2508，2509，2510，2511，2512 和 2513 表示坐標 2501，2502，2503，2504，2505 和 2506 處管腔2500的測量值。
[0191]在圖25B中，可以通過基于中心線2507首先定位三維空間的中心線坐標2501，2502，2503，2504，2505和2506在三維空間中可視化管腔2500。在每個中心線坐標處，管腔直徑可以被可視化為具有直徑2508，2509，2510，2511，2512和2513的二維圓形空間。通過以三維連接那些二維圓形空間，管腔2500可以被近似為三維模型2514。更準確近似值可以通過針對給定管腔或子段增加中心線坐標的分辨率和測量值(即，增加中心線坐標的密度和測量值)來確定。中心線坐標還可以包括用來指示醫師包括病變在內的感興趣點的標記。
[0192]已經表達并且隨后生成了解剖空間的三維模型，手術前軟件包還可以用來基于所生成的模塊分析并且導出最佳導航路徑。例如，該軟件包可以導出到單個病變(由中心線坐標標記)或幾個病變的最短路徑。該路徑可以根據操作者的偏好在術中以二維或三維被呈現給操作者。
[0193]圖26圖示了根據本發明的實施例的表示解剖空間的計算機生成三維模型。如前面所討論的，可以使用通過審查術前執行的CT掃描獲得的中心線2601來生成模型2600。在一些實施例中，計算機軟件能夠映射腔內系統的最佳路徑2602以進入模型2600內的手術部位2603，并且因此進入相應的解剖空間。在一些實施例中，手術部位2603可以與單獨的中心線坐標2604相關，其允許計算機算法拓撲搜索腔內系統的最佳路徑2602的模型2600的中心線。
[0194]追蹤患者的解剖結構內的內窺鏡工具的遠端并且將該位置映射到計算機模型內的放置，增強腔內系統的導航能力。為了追蹤內窺鏡工具的遠端工作端，即，工作端的“定位”，可以單獨或組合采用若干種途徑。
[0195]在基于傳感器的定位途徑中，傳感器(諸如電磁(EM)追蹤器)可以聯接到內窺鏡工具的遠端工作端以提供內窺鏡工具的進展的實時指不。在基于EM的追蹤中，嵌入內窺鏡工具的EM追蹤器測量由一個或多個靜態EM發射機產生的電磁場的變化。發射機(或場發生器)可以被放置在靠近患者以產生低強度磁場。這在EM追蹤器中的傳感器線圈中感應電流，該傳感器線圈與傳感器和發生器之間的距離和角度相關。電信號然后可以通過接口單元(片上或PCB)被數字化，并且經由電纜/布線發送回系統推車，然后發送到命令模塊。然后，數據可以被處理以解釋當前數據，并且計算傳感器相對于發射機的精確位置和取向。多個傳感器可以用于內窺鏡設備中(比如在導引件和護套中)的不同位置，以便計算這些部件的單獨位置。因此，基于來自人工生成EM場的讀數，當EM追蹤器可以移動通過患者的解剖結構時，它可以檢測到場強度的改變。
[0196]圖27圖示了根據本發明的實施例的與電磁場發生器組合利用電磁追蹤器的機器人腔內系統。當機器人系統2700驅動機器人驅動的內窺鏡工具2701進入到患者2702中時，內窺鏡工具2701的遠端處的電磁(EM)追蹤器2703可以檢測到由EM場發生器生成的EM場2704 AM追蹤器2703的EM讀數可以沿著內窺鏡工具2701的軸傳輸到系統推車2705和命令模塊2706(其包含相關的軟件模塊、中央處理單元、數據總線和存儲器)用于解釋和分析。使用來自EM追蹤器2703的讀數，顯示模塊2707可以顯示預先生成的三維模型內的EM追蹤器的相對位置用于由操作者2708審查。實施例還提供了其它類型的傳感器(諸如纖維光纖形狀的傳感器)的使用。盡管可以使用多種傳感器用于追蹤，可以固有地基于(i)內窺鏡工具內的傳感器的尺寸和(ii)制造并且把傳感器集成到內窺鏡工具中的成本限制傳感器的選擇。
[0197]在通過患者的解剖結構追蹤傳感器之前，追蹤系統可能需要被稱為“配準”的過程，其中，系統發現對齊不同坐標系之間的單個對象的幾何變換。比如，患者身上的特定解剖部位在CT模型坐標中和在傳感器坐標中具有兩個不同表示。為了能夠在這些坐標系之間建立一致性和通用語言，該系統需要找到聯系這兩個表示(即，配準)的變換。換句話說，EM追蹤器相對于EM場發生器的位置的位置可以被映射到三維坐標系以隔離對應的三維模型中的位置。
[0198]在一些實施例中，可以在幾個步驟中執行配準。圖28圖示了根據本發明的實施例的用于配準過程的流程圖。開始，在步驟2801中，操作者必須首先將內窺鏡工具的工作端定位在已知的起始位置。這可能牽涉到使用來自內窺鏡相機的視頻圖像數據以確認起始位置。初始定位可以通過位于內窺鏡的工作端處的相機標識解剖學特征來完成。例如，在支氣管鏡檢查中，配準可以通過定位氣管的底部來執行，該氣管的底部通過定位用于左肺、右肺的兩個主支氣管來區分。該位置可以使用由內窺鏡的遠端中的相機接收的視頻圖像來確定。在一些實施例中，視頻數據可以與患者的解剖結構的預先生成的計算機模型的不同的橫截面視圖相比較。通過排序橫截面視圖，該系統可以標識與具有最小數量的差異或“誤差”的橫截面相關聯的位置以找到“匹配”。
[0199]在步驟2802中，操作者可以“驅動”或將內窺鏡工具“延伸”到已經被映射的獨特解剖空間中。例如，在支氣管鏡檢查中，操作者可以從氣管的底部沿著獨特支氣管路徑驅動內窺鏡。因為氣管的底部分成兩個支氣管，所以操作者可以將內窺鏡工具驅動到一個管中，并且使用EM追蹤器追蹤內窺鏡工具的工作端。
[0200]在步驟2803中，操作者監控內窺鏡工具的相對行進。內窺鏡工具的監控可以利用EM追蹤器或熒光鏡檢查以確定內窺鏡工具的相對運動。內窺鏡工具的工作端的相對位移的評價可以與由手術前CT掃描數據生成的計算機模型相比較。在一些實施例中，相對運動可以與計算機模型中的中心線匹配，其中，變換矩陣導致最小誤差是正確配準。在一些實施例中，系統和操作者可以追蹤來自加速度計和/或陀螺儀(下文所討論的)的插入數據(下文所討論的)和取向數據。
[0201]在步驟2804中，操作者可以決定驅動到更多個解剖空間(2802)中并且在比較和分析位置數據之前收集更多位置信息(2803)。例如，在支氣管鏡檢查中，操作者把內窺鏡從一個支氣管縮回到支氣管套管并且將內窺鏡驅動到另一支氣管套管以便收集更多的位置數據。一旦操作者被滿足時，操作者就可以停止驅動(2802)并且監控位置數據(2803)，并且繼續處理數據。
[0202]在步驟2805中，系統可以分析所收集的位置數據并且將該數據與預先生成的計算機模型進行比較以將患者的解剖結構內的內窺鏡的位移配準到模型。因此，通過比較患者的解剖結構中的運動和患者的解剖結構的三維模型，該系統能夠相對于兩個空間(三維計算機模型vs患者的解剖空間)配準追蹤器。在分析之后，配準過程可能完成(2806)。
[0203]在一些情況中，可能有必要執行“滾動配準”以便確認內窺鏡工具的取向。這可能在驅動到未配準的解剖空間之前，在步驟2801中尤為重要。在支氣管鏡檢查中，正確的垂直取向確保操作者可以在右和左支氣管之間進行區分。例如，在氣管的底部內，不管相機是否成零度或180度定向，左支氣管和右支氣管的圖像都可能顯得非常相似。因為內窺鏡工具的運動在患者體內曲折導航期間通常導致輕微轉動，所以滾動配準還可能是重要的。
[0204]當工作通道可以被傳感器占據時，滾動配準在手術部位可能是重要的。例如，在僅具有單個工作通道的實施例中，在到達手術部位時，醫師可能需要從內窺鏡工具去除eat蹤器，以便使用另一工具，諸如抓緊器或鑷子。然而，在去除之后，該系統可以在沒有EM追蹤器的情況下失去其定位能力。因此，當準備離開手術區時，EM追蹤器的插入可以要求滾動配準被再次執行以確保正確的取向。
[0205]在一些實施例中，內窺鏡工具的轉動可以使用安裝在設備的遠端工作端內的加速度計進行追蹤。使用加速度計來檢測內窺鏡上的重力提供關于內窺鏡工具相對于地面的位置信息。地面相對于內窺鏡的位置可以用來解決某些歧義。在支氣管鏡檢查中，例如，了解內窺鏡的遠端相機的取向(O度或180度)可能有助于在開始時確定適當的支氣管分支。在導航期間，用來追蹤重力方向并且因此追蹤取向的來自加速度計的數據還可以用來自動校正在控制臺上顯示的相機圖像，從而確保了所顯示的圖像總是垂直取向。
[0206]在優選實施例中，具有加速度計的基于3軸MEMS的傳感器芯片可以在內窺鏡設備的尖端附近聯接在與數碼相機相同的印刷電路板上。加速度計沿著三個不同軸線測量線性加速度來計算導管尖端的速度和方向。該加速度計還測量重力的方向，因此提供了關于內窺鏡設備取向的絕對信息。加速度計讀數通過像I2C的通信協議使用數字或模擬信號而被重新傳輸。該信號可以通過布線被傳輸到導管的近端，并且從那里傳輸到系統推車和命令模塊進行處理。
[0207]在三軸傳感器中，加速度計能夠確定地面相對于內窺鏡的位置。如果內窺鏡沒有滾動或彎曲高達九十度，則兩軸加速度計還可以有用。可替代地，如果加速度計的軸線保持垂直于重力方向(即，垂直于地面)，則一軸傳感器可以有用。可替代地，陀螺儀可以用來測量轉動速度，然后可以用來計算內窺鏡設備的關節連接。
[0208]—些實施例與加速度計組合使用EM追蹤器，以補充來自加速度計的任何取向讀數。在一些實施例中，使用熒光鏡檢查來追蹤內窺鏡工具還可以補充配準過程。如本領域中所公知的，熒光鏡檢查是使用X射線以通過使用熒光鏡來獲得患者的內部結構的實時移動圖像的成像技術。通過熒光鏡檢查生成的二維掃描可以在某些情況下幫助定位，例如，標識相關支氣管。
[0209]可以使用內窺鏡上的多個不透輻射的標記來執行使用熒光鏡檢查的追蹤。內窺鏡的許多特點自然地對X射線是不透射的，包括相機頭、控制環和拉線；因此，標記位置與內窺鏡的金屬部件一起可以用來獲得三維變換矩陣。一旦配準已經發生，檢測分支位置的視覺圖像就可以與三維模型精確地相關。另外，可以在地圖中測量并且增強3D中的全分支長度和分支位置。
[0210]與基于傳感器的途徑相反，基于視覺的追蹤牽涉到使用由在遠端安裝的相機生成的圖像來確定內窺鏡工具的位置。例如，在支氣管鏡檢查中，特征追蹤算法可以用來標識與支氣管路徑相對應的圓形幾何形狀，并且從圖像到圖像追蹤這些幾何形狀的改變。通過當這些特征從圖像到圖像移動時追蹤它們的方向，系統能夠確定選擇哪個分支、以及相機的相對轉動和平移運動。支氣管路徑的拓撲地圖的使用可以進一步增強基于視覺的算法。
[0211]除了基于特征的追蹤之外，圖像處理技術(諸如光流)還可以用來在支氣管鏡檢查中標識氣道拓撲的分支。光流是視頻序列中的圖像像素從一個圖像到下一個圖像的位移。相對于支氣管鏡檢查，光流可以用來基于在內窺鏡的尖端處接收的相機圖像的改變來估計內窺鏡的尖端的運動。具體地，在一系列視頻幀中，可以分析每幀以檢測像素從一個幀到下一個幀的平移。例如，如果給定幀中的像素看起來平移到下一幀中的左側，則算法將推斷相機并且依次內窺鏡的尖端向右移動。通過比較經過許多迭代的許多個幀，可以確定內窺鏡的運動(并且因此，位置)。
[0212]在立體圖像捕獲(相對于單眼圖像捕獲)可用的情況下，光流技術還可以用來補充解剖區的預先存在的三維模型。使用立體圖像捕獲，可以確定二維捕獲的圖像中的像素的深度以建立相機視圖中的對象的三維地圖。外推以在解剖管腔內行進，該技術使得系統能夠開發出內窺鏡周圍的局部環境的三維地圖，同時在患者的解剖結構內部進行導航。這些地圖可以用來延伸其中模型要么丟失數據要么質量低的預先確定的三維計算機模型。除了立體相機裝置之外，可能需要使用深度傳感器或特定照明配置和圖像捕獲技術(諸如RGB-D傳感器或結構照明)。
[0213]不管追蹤方法是基于傳感器的還是基于視覺的，追蹤還是可以通過使用來自內窺鏡工具本身的數據進行改進。例如，在圖2的內窺鏡工具200中，護套201和導引件205的相對插入長度可以從氣管內已知的起始位置(在支氣管鏡檢查的情況下)來測量。使用相對的插入長度和患者的支氣管樹的三維模型的中心線，該系統可以在確定內窺鏡工具是否位于分支中和沿著該分支行進的距離之后，給定工作端的位置的粗略估計。還可以使用來自內窺鏡工具的其它控制信息，諸如內窺鏡設備的關節連接、滾動、或俯仰和偏航。
[0214]基于不同的成像模態的實時成像可能進一步加強導航，特別是在手術部位。即使追蹤可以協助到手術部位的粗略導航，當更精確的處理是必要的時(諸如當試圖活檢病變時)，附加模態可能是有用的。成像工具(諸如熒光成像、近紅外成像、氧傳感器、分子生物標記圖像和對比染料成像)可以幫助在計算機模型中查明病變的準確坐標，并且因此輔助在手術部位操作活檢針。在不存在精確位置的情況下，內窺鏡工具可以用來以公知的深度活檢手術部位的整個區域，因此確保對來自病變的組織進行采樣。
[0215]在一些情況中，分段CT掃描并且因此所得計算機模型沒有示出肺部外周處的分支(在支氣管鏡檢查的情景中)。這可以在掃描期間是由于氣道的充氣不足，或者因為分支的尺寸低于CT掃描(通常數量級為I毫米)的分辨率。在實踐中，機器人系統可以通過指出未映射分支的地點和位置和取向在過程期間增強計算機模型。在一些實施例中，拓撲結構可以允許醫師標記他們的位置并且返回到同一位置以便檢查外周分支。在一些實施例中，內窺鏡相機可以基于所捕獲的圖像測量分支的直徑和形狀，從而允許基于位置和方向映射那些分支。
[0216]10.腔內過程
[0217]圖29A圖示了根據本發明的實施例的解剖管腔內的內窺鏡工具的遠端。在圖29A中，示出了通過解剖管腔2902朝向手術部位2903導航的包括軸2901的內窺鏡工具2900。在導航期間，軸2901可能未被關節連接。
[0218]圖29B圖示了在解剖管腔內的手術部位處使用的圖29A的內窺鏡工具。已經到達手術部位2903的與軸2901縱向對齊的遠端導引件段2904可以在由箭頭2905標記的方向上從軸2901延伸。遠端導引件段2904還可以關節連接以便朝向手術部位2903引導工具。
[0219]圖29C圖示了在解剖管腔內的手術部分處使用的圖29B的內窺鏡工具。在手術部位包含活檢病灶的情況下，遠端導引件段2904可以在由箭頭2906標記的方向上關節連接以傳送抽吸針2907以瞄準手術部位2903處的病變。在一些實施例中，遠端導引件段2904可以關節連接以引導活檢鑷子去除解剖組織樣本用于術中評估的目的。出于激活該端部執行器的目的，內窺鏡工具2900可以包括可操作地聯接到活檢鑷子的筋。
[0220]圖30A圖示了根據本發明的實施例的聯接到解剖管腔內的遠端彎曲段的內窺鏡工具。在圖30A中，示出了通過解剖管腔3004朝向手術部位導航的包括軸3001、彎曲段3002和鑷子3003的內窺鏡工具3000。在導航期間，如圖30A所示，軸3001和遠端彎曲段3002可以未被關節連接。在一些實施例中，彎曲段3002可以在軸3001內縮回。在于2014年3月7日提交的美國專利申請號14/201,610和于2014年9月5日提交的美國專利申請號14/479,095中公開了彎曲段3002的構造、組成、能力和使用，其全部內容通過引用并入本文。
[0221]在一些實施例中，彎曲段3002可以與軸3001縱向對齊。在一些實施例中，彎曲段3002可以通過偏離軸3001的軸線(中性軸線)的工作通道進行部署，從而允許在沒有模糊位于軸3001遠端的相機的情況下操作彎曲段3002。這種布置允許操作者使用相機來關節連接彎曲段3002，同時軸3001保持靜止。
[0222]類似于其它實施例，不同的工具(諸如鑷子3003)可以通過彎曲段3002中的工作通道進行部署以用于彎曲段3002的遠端。在其它場景中，外科手術工具(諸如抓緊器、解剖刀、針和探針可以位于彎曲段3002的遠端。在內窺鏡工具3000中，如在其它實施例中一樣，可以在術中代替彎曲段的遠端處的工具以便在單個過程中執行多次治療。
[0223]圖30B圖示了根據本發明的實施例的在解剖管腔內的手術部位處使用的具有鑷子工具的圖30A的內窺鏡工具。可以通過任何數目上文所討論的各種導航技術指引通過解剖管腔3004導航內窺鏡工具3000。一旦內窺鏡工具3000已經達到手術部位3006處的其所期望的位置，彎曲段3002就可以在箭頭3005的方向上關節連接，以便朝向手術部位3006定位鑷子3003。使用鑷子3003，內窺鏡工具3000可以在手術部位3006進行組織活檢。
[0224]圖30C圖示了根據本發明的實施例的在解剖管腔內的手術部位處使用的具有激光設備的圖30A的內窺鏡工具。可以關節連接已經到達手術部位3006的內窺鏡工具3000的彎曲段3002并且可以通過軸3001的工作通道和彎曲段3002部署激光工具3007。一旦被部署，激光工具3007可以被引導到手術部位3006以發射激光輻射3008用于組織消融、鉆孔、切割、穿孔、清創、切割或進入非淺表組織的目的。
[0225]11.命令控制臺
[0226]如參照圖1的系統100所討論的，命令控制臺的實施例允許操作者(S卩，醫師)從人體工程學位置遠程控制機器人腔內系統。在優選實施例中，命令控制臺利用用戶接口，其
(i)使得操作者能夠控制機器人內窺鏡工具，并且(ii)從人體工程學位置顯示導航環境。
[0227]圖31圖示了根據本發明的實施例的用于機器人腔內系統的命令控制臺。如圖31所示，命令控制臺3100可以包括底座3101、顯示模塊(例如，監控器3102)和控制模塊(諸如鍵盤3103和操縱桿3104)。在一些實施例中，命令模塊功能性可以被集成到具有機械手臂的系統推車中，諸如來自圖1的系統100的系統推車101。
[0228]底座3101可以包括中央處理單元、存儲器單元、數據總線和負責解釋和處理來自內窺鏡工具的信號(諸如相機圖像和追蹤傳感器數據)的相關的數據通信端口。在其它實施例中，解釋和處理信號的負擔可能分布于相關的系統推車和命令控制臺3100之間。底座3101還可以負責通過控制模塊(諸如3103和3104)解釋和處理來自操作者3105的命令和指令。
[0229]控制模塊負責捕獲操作者3105的命令。除了圖31中的鍵盤3103和操縱桿3104之夕卜，控制模塊可以包括本領域中已知的其它控制機構，包括但不限于計算機鼠標、觸控板、軌跡球、控制墊和視頻游戲控制器。在一些實施例中，還可以捕獲手姿勢和手指姿勢以將控制信號遞送到系統。
[0230]在一些實施例中，可能存在多種控制器件。例如，對內窺鏡工具的控制可以以“速度模式”或“位置控制模式”來執行。“速度模式”由基于直接手動控制(諸如通過操縱桿3104)直接控制內窺鏡工具的遠端的俯仰和偏航行為組成。例如，操縱桿3104上的右和左運動可以被映射到內窺鏡工具的遠端的偏航和俯仰運動。操縱桿的觸覺反饋還可以用來以“速度模式”增強控制。例如，振動可以被發送回到操縱桿3104以傳達內窺鏡工具不能在一定方向上進一步關節連接或滾動。可替代地，彈出消息和/或音頻反饋(例如，蜂鳴聲)還可以用來傳達內窺鏡工具已經到達最大關節連接或滾動。
[0231 ] “位置控制模式”由標識患者在三維地圖中的位置并且依靠機器人系統基于預先確定的計算機模型以通過機器人操控內窺鏡工具組成。由于其依賴患者的三維映射，所以位置控制模式需要患者的解剖結構的準確映射。
[0232]在不使用命令模塊3101的情況下，系統還可以直接由人工操作者操縱。例如，在系統設置期間，醫師和助手可以移動機械手臂和內窺鏡工具以在患者和手術室周圍布置設備。在直接操縱期間，系統可以依賴于來自人類操作者的力反饋和慣性控制以確定適當的設備取向。
[0233]顯示模塊3102可以包括監控器、虛擬現實觀看設備(諸如護目鏡或眼鏡)、或顯示關于系統的和來自內窺鏡工具中的相機(如有的話)的視覺信息的其它器件。在一些實施例中，控制模塊和顯示模塊可以被組合，諸如在平板電腦或計算機設備中的觸摸屏中。在組合后的模塊中，操作者3105能夠查看視覺數據并且將命令輸入到機器人系統。
[0234]在另一實施例中，顯示模塊可以使用立體設備(諸如帽舌或護目鏡布置)顯示三維圖像。使用三維圖像，操作者可以查看計算機模型的“endo視圖”、患者的解剖結構的三維計算機生成模型的內部的虛擬環境以近似于患者內的設備的預期位置。通過比較“endo視圖”與實際相機圖像，醫師能夠在精神上定向自己，并且確認內窺鏡工具處于患者體內的正確位置。這可以讓操作者更好地感知內窺鏡工具的遠端周圍的解剖結構。
[0235]在優選實施例中，顯示模塊3102可以同時顯示預先生成的三維模型、通過模型的預先確定的最佳導航路徑、和內窺鏡工具的遠端的當前位置處的解剖結構的CT掃描。在一些實施例中，內窺鏡工具的模型可以與患者的解剖結構的三維模型一起進行顯示，以進一步澄清過程的狀態。例如，可能已經在其中活檢可能是必要的CT掃描中標識病變。
[0236]在手術期間，內窺鏡工具遠端處的相機器件和照明器件可以為操作者在顯示模塊中生成參照圖像。因此，導致內窺鏡工具遠端的關節連接和滾動的操縱桿3104中的方向直接在遠端的前方產生解剖特征的圖像。操縱桿3104尖端朝上可能會引發具有相機的內窺鏡工具的遠端的俯仰，同時操縱桿3104尖端朝下可以降低俯仰。
[0237]顯示模塊3102可以根據操作者設置和特定過程來自動顯示內窺鏡工具的不同視圖。例如，如果需要的話，當腔內設備接近手術區域時，可以在最后的導航步驟期間顯示腔內設備的俯視熒光視圖。
[0238]使用本文中的任何實施例示出的元件或部件對于特定實施例而言是示例性的，并且可以用于本文中所公開的其它實施例上或者結合本文中所公開的其它實施例組合使用。盡管本發明容許各種修改和備選形式，但是其特定示例已經在附圖中得以示出并且在本文中進行了詳細描述。然而，本發明并不限于所公開的特定形式或方法，而是相反地，覆蓋其所有修改、等同物和替代物。
【主權項】
1.一種用于執行機器人輔助外科手術過程的系統，包括: 具有近端段和遠端段的第一機器人手臂； 聯接到所述第一機器人手臂的所述遠端段的第一機構變換器接口；和聯接到所述第一機構變換器接口的第一儀器設備操縱器，所述第一儀器設備操縱器被配置成操作機器人驅動工具，所述機器人驅動工具被配置成在患者體內的手術部位處執行外科手術過程； 其中，所述第一儀器設備操縱器包括驅動單元。2.根據權利要求1所述的系統，其中，所述驅動單元包括電機。3.根據權利要求1所述的系統，其中，所述第一儀器設備操縱器被配置成與所述機構變換器接口和所述第一機器人手臂可釋放地脫離。4.根據權利要求1所述的系統，其中，所述第一機構變換器接口被配置成與多個儀器設備操縱器進行接口。5.根據權利要求1所述的系統，其中，所述第一機構變換器接口被配置成將電信號從所述第一機器人手臂傳送到所述第一儀器設備操縱器。6.根據權利要求1所述的系統，還包括聯接到所述第一儀器設備操縱器的內窺鏡工具，所述內窺鏡工具包括主細長本體。7.根據權利要求6所述的系統，其中，電磁跟蹤器聯接到所述主細長本體的遠端段。8.根據權利要求6所述的系統，其中，加速度計聯接到所述主細長本體的遠端段。9.根據權利要求6所述的系統，其中，所述主細長本體包括: 與所述主細長本體的中性軸線縱向對齊的工作通道;和 在所述工作通道周圍的螺旋中成一角度對齊的牽拉管腔。10.根據權利要求9所述的系統，其中，所述螺旋的所述角度沿著所述主細長本體的長度變化。11.根據權利要求9所述的系統，其中，所述牽拉管腔包含細長筋，所述細長筋固定聯接到所述主細長本體的所述遠端段并且響應于所述第一儀器設備操縱器。12.根據權利要求6所述的系統，其中，所述內窺鏡工具還包括: 在所述主細長本體周圍縱向對齊的副細長本體； 其中，所述主細長本體包括近端段和遠端段，并且其中數字相機聯接到所述遠端。13.根據權利要求12所述的系統，還包括: 通過第二機構變換器接口聯接到第二儀器設備操縱器的第二機器人手臂； 其中，所述第二儀器設備操縱器聯接到所述內窺鏡工具;和 其中，所述第一儀器設備操縱器和所述第二儀器設備操作器被配置成對齊以形成用來操作所述內窺鏡工具的虛擬軌。14.根據權利要求13所述的系統，其中，所述第一儀器設備操縱器可操作地控制所述副細長本體，并且所述第二儀器設備操縱器可操作地控制所述主細長本體。15.根據權利要求13所述的系統，其中，所述第一機器人手臂和所述第二機器人手臂聯接到可移動的系統推車。16.根據權利要求13所述的系統，其中，所述第一機器人手臂和所述第二機器人手臂聯接到被配置成保持所述患者的手術床。17.根據權利要求15所述的系統，其中，所述系統推車被配置成向命令控制臺發送傳感器數據、并且從所述命令控制臺接收命令信號。18.根據權利要求17所述的系統，其中，所述命令控制臺與所述系統推車分開。19.根據權利要求17所述的系統，其中，所述命令控制臺包括顯示模塊和用于控制所述內窺鏡工具的控制模塊。20.根據權利要求19所述的系統，其中，所述控制模塊是操縱桿控制器。
【文檔編號】A61B1/005GK105939647SQ201480070794
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2014年10月24日
【發明人】J·B·亞爾瓦雷茨, G·J·金茨, D·S·敏茨, E·洛莫, 張健, S·布里恩, S·翁, J·博古斯基, K·本登, A·于
【申請人】奧瑞斯外科手術機器人公司