專利名稱：引導(dǎo)末端執(zhí)行器至人體內(nèi)目標(biāo)位置的系統(tǒng)、方法和產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于將末端執(zhí)行器引導(dǎo)至人體內(nèi)目標(biāo)位置的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
已經(jīng)研制出引導(dǎo)人體內(nèi)的活組織檢查和消融針的機(jī)器人系統(tǒng)。然而，由于人的呼吸運(yùn)動(dòng)，所以在人的腹腔內(nèi)放置這類針可能是非常困難的。特別是，在人的呼吸運(yùn)動(dòng)期間，人的腹腔內(nèi)的目標(biāo)位置將會(huì)移動(dòng)。因此，即使針在開(kāi)始時(shí)沿預(yù)定的末端執(zhí)行器軌道移動(dòng)，但由于人的腹腔內(nèi)目標(biāo)位置的移動(dòng)，針也可能不會(huì)到達(dá)目標(biāo)位置。
因此，本發(fā)明人在此已經(jīng)意識(shí)到需要一種改進(jìn)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)在將末端執(zhí)行器引導(dǎo)至人體內(nèi)目標(biāo)位置時(shí)克服了上述缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
提供一種用于根據(jù)示范性實(shí)施例將末端執(zhí)行器引導(dǎo)至人體內(nèi)目標(biāo)位置的方法。該方法包括當(dāng)人體具有預(yù)定呼吸狀態(tài)時(shí)生成多幅人體內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)的數(shù)字圖像。該方法還包括在至少一幅數(shù)字圖像上指示皮膚入口位置。該方法還包括在至少一幅數(shù)字圖像上指示目標(biāo)位置。該方法還包括基于皮膚入口位置和目標(biāo)位置確定軌道路徑。最后，該方法包括當(dāng)人體基本上具有預(yù)定的呼吸狀態(tài)時(shí)沿軌道路徑向目標(biāo)位置移動(dòng)末端執(zhí)行器。
提供一種用于根據(jù)另一示范性實(shí)施例將末端執(zhí)行器引導(dǎo)至人體內(nèi)目標(biāo)位置的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于監(jiān)視人體呼吸狀態(tài)的呼吸監(jiān)視裝置。該系統(tǒng)還包括配置為當(dāng)人體具有預(yù)定呼吸狀態(tài)時(shí)掃描人體內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)以生成掃描數(shù)據(jù)的掃描裝置。該系統(tǒng)還包括基于掃描數(shù)據(jù)生成多幅數(shù)字圖像的第一計(jì)算機(jī)。該系統(tǒng)還包括配置為顯示多幅數(shù)字圖像的第二計(jì)算機(jī)，該第二計(jì)算機(jī)還被配置為允許操作者在至少一幅數(shù)字圖像上指示皮膚入口位置。該第二計(jì)算機(jī)還被配置為允許操作者在至少一幅數(shù)字圖像上指示目標(biāo)位置。該第二計(jì)算機(jī)還被配置為基于皮膚入口位置和目標(biāo)位置確定軌道路徑。最后，該系統(tǒng)包括末端執(zhí)行器插入裝置，其使得末端執(zhí)行器適于插入人體內(nèi)，該第二計(jì)算機(jī)在人體基本上具有預(yù)定的呼吸狀態(tài)時(shí)促使末端執(zhí)行器插入裝置沿軌道路徑向目標(biāo)位置移動(dòng)末端執(zhí)行器。
提供一種用于根據(jù)另一示范性實(shí)施例將末端執(zhí)行器引導(dǎo)至人體內(nèi)目標(biāo)位置的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于監(jiān)視人體呼吸狀態(tài)的呼吸監(jiān)視裝置。該系統(tǒng)還包括配置為當(dāng)人體具有預(yù)定呼吸狀態(tài)時(shí)掃描人體內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)以生成掃描數(shù)據(jù)的掃描裝置。該系統(tǒng)還包括基于掃描數(shù)據(jù)生成多幅數(shù)字圖像的第一計(jì)算機(jī)。該第一計(jì)算機(jī)還被配置為顯示多幅數(shù)字圖像。該第一計(jì)算機(jī)還被配置為允許操作者在至少一幅數(shù)字圖像上指示皮膚入口位置。該第一計(jì)算機(jī)還被配置為允許操作者在至少一幅數(shù)字圖像上指示目標(biāo)位置。該第一計(jì)算機(jī)還被配置為基于皮膚入口位置和目標(biāo)位置確定軌道路徑。最后，該系統(tǒng)包括末端執(zhí)行器插入裝置，其使得末端執(zhí)行器適于插入人體內(nèi)，該第一計(jì)算機(jī)在人體基本上具有預(yù)定的呼吸狀態(tài)時(shí)促使末端執(zhí)行器插入裝置沿軌道路徑向目標(biāo)位置移動(dòng)末端執(zhí)行器。
提供一種根據(jù)另一示范性實(shí)施例的產(chǎn)品。該產(chǎn)品包括具有在其中編碼的計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)，該計(jì)算機(jī)程序用于將末端執(zhí)行器引導(dǎo)至人體內(nèi)目標(biāo)位置。該計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)包括用于當(dāng)人體具有預(yù)定呼吸狀態(tài)時(shí)生成多幅人體內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)的數(shù)字圖像的代碼。該計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)還包括用于在至少一幅數(shù)字圖像上指示皮膚入口位置的代碼。該計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)還包括用于在至少一幅數(shù)字圖像上指示目標(biāo)位置的代碼。該計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)還包括用于基于皮膚入口位置和目標(biāo)位置確定軌道路徑的代碼。最后，該計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)包括用于在人體基本上具有預(yù)定的呼吸狀態(tài)時(shí)沿軌道路徑向目標(biāo)位置移動(dòng)末端執(zhí)行器的代碼。
提供一種用于根據(jù)另一示范性實(shí)施例將末端執(zhí)行器引導(dǎo)至人體內(nèi)目標(biāo)位置的方法。該方法包括在至少一個(gè)呼吸周期期間監(jiān)視人體的呼吸狀態(tài)。最后，該方法包括在人體基本上具有預(yù)定的呼吸狀態(tài)時(shí)沿軌道路徑向人體內(nèi)目標(biāo)位置移動(dòng)末端執(zhí)行器。


圖1是根據(jù)示范性實(shí)施例包含末端執(zhí)行器定位系統(tǒng)的手術(shù)室的示意圖。
圖2是圖1中末端執(zhí)行器定位系統(tǒng)的示意圖。
圖3是圖2中末端執(zhí)行器定位系統(tǒng)的部分放大示意圖。
圖4是圖2中末端執(zhí)行器定位系統(tǒng)所采用的機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置和從動(dòng)臂的示意圖。
圖5-7是用于圖4中機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置的末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)器的示意圖。
圖8是表示人體呼吸運(yùn)動(dòng)的信號(hào)示意圖。
圖9是表示人體預(yù)定呼吸狀態(tài)的信號(hào)示意圖。
圖10是圖1中末端執(zhí)行器定位系統(tǒng)所采用的三個(gè)坐標(biāo)系的圖。
圖11-15是圖1中末端執(zhí)行器定位系統(tǒng)所采用的計(jì)算機(jī)窗口的示意圖。
圖16-18是用于將末端執(zhí)行器引導(dǎo)至人體內(nèi)目標(biāo)位置的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1和2，其示出了具有末端執(zhí)行器定位系統(tǒng)12和手術(shù)臺(tái)14的手術(shù)室10。該末端執(zhí)行器定位系統(tǒng)12被提供為將躺在臺(tái)14上的人體內(nèi)的末端執(zhí)行器引導(dǎo)至一預(yù)定位置，如下面將更詳細(xì)描述的。在所說(shuō)明的實(shí)施例中的末端執(zhí)行器包括消融針。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，該末端執(zhí)行器可以是任何能夠插入人體內(nèi)部的工具或裝置，包括例如皮下注射針、活檢針、可操縱針(steerable needle)和無(wú)畸變(orthoscopic)工具。
末端執(zhí)行器定位系統(tǒng)12包括機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置24、末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)器70、線性定位裝置25、從動(dòng)臂28、頂部支架30、軌道支架32、連接架34、紅外呼吸測(cè)量裝置36、位置反射器38、呼吸監(jiān)視計(jì)算機(jī)40、CT掃描裝置控制計(jì)算機(jī)42、計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)掃描裝置44、機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46、操縱桿47和顯示監(jiān)視器48。
參見(jiàn)圖4，線性定位裝置25可操作地連接到頂部支架30和從動(dòng)臂28上。線性定位裝置25被提供為使機(jī)器人末端執(zhí)行器沿3個(gè)軸線性移動(dòng)以將裝置24定位到所需的線性位置。在所說(shuō)明的實(shí)施例中，線性定位裝置25包括由美國(guó)新罕布什爾州塞勒姆的DanaherPrecision systems制造的XYZ Stage。
機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置24被提供用于定向末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)器70，從而末端執(zhí)行器26可按所需的軌道定位。機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置24電連接到機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46，并響應(yīng)于從計(jì)算機(jī)46接收的信號(hào)進(jìn)行移動(dòng)。如所示，機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置24包括殼體部62和殼體部64。如所示，機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置24可操作地連接到末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)器70。
殼體部64被提供為在其中容納電機(jī)(未示出)，該電機(jī)具有可操作地連接到從動(dòng)臂28的接頭116上的軸。該電機(jī)被配置為如由箭頭69所示旋轉(zhuǎn)機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置24，用于將末端執(zhí)行器26定位至所需位置。殼體部64可操作地連接到殼體部62，并被提供為容納用于驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)器70中部件的電機(jī)，從而線性移動(dòng)末端執(zhí)行器26。
參見(jiàn)圖4-7，末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)器70被提供為將末端執(zhí)行器26線性移動(dòng)進(jìn)入人體。末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)器70包括可操作地連接到末端執(zhí)行器26上的殼體部72。輸入軸76由直流電機(jī)(未示出)驅(qū)動(dòng)，其位于殼體部64內(nèi)。殼體部72可由丙烯酸或其它可透射線材料制成。殼體部72限定第一帶緣孔74，該第一帶緣孔74橫貫其中延伸并被配置為滑動(dòng)地接納輸入軸76和其中的軸向加載襯套78。襯套78在輸入軸76上滑動(dòng)，且用螺母82通過(guò)O形環(huán)80進(jìn)行裝載。殼體部72還限定第二帶緣孔84，該第二帶緣孔84在殼體部72內(nèi)與第一帶緣孔74橫切。輸入軸76、襯套78和螺母82可由丙烯酸或其它可透射線材料制成。輸入軸76還由驅(qū)動(dòng)端69連接到直流電機(jī)，其另一端連接到螺母82。通過(guò)以與輸入軸76相同的轉(zhuǎn)速將輸入軸76連接到螺母82上，襯套78通過(guò)用螺母82裝載0形環(huán)80驅(qū)動(dòng)。
參見(jiàn)圖6和7，末端執(zhí)行器26在殼體部72的第二帶緣孔84內(nèi)滑動(dòng)，從而被擠壓在輸入軸76的接觸面86和襯套78的接觸面88之間。接觸面88對(duì)應(yīng)于襯套的兩端之一。接觸面86和88向末端執(zhí)行器26施加相當(dāng)于接觸面與末端執(zhí)行器26之間傳動(dòng)摩擦力的軸向力。此外，在輸入軸76的接觸面86的底部可以放置嵌條90。
參見(jiàn)圖4和10，從末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)器70伸出的基準(zhǔn)部件68被提供為使機(jī)器人坐標(biāo)系與數(shù)字圖像坐標(biāo)系相關(guān)，如將在下面更詳細(xì)描述的?；鶞?zhǔn)部件68通常為V形，其中部件68的第一和第二支柱從針驅(qū)動(dòng)器70的殼體的相對(duì)側(cè)伸出。
從動(dòng)臂28被提供為支撐機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置24。如所示，從動(dòng)臂28包括臂部110、臂部112、夾緊部114和球窩接頭116、118、120。機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置24通過(guò)布置在其間的球窩接頭116連接到臂部110上。臂部110通過(guò)球窩接頭118可操作地連接到臂部112上。當(dāng)夾緊部114松開(kāi)時(shí)，臂部112和臂部110可通過(guò)球窩接頭118彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且球窩接頭116和120也是松開(kāi)的。當(dāng)夾緊部114夾緊時(shí)，臂部110相對(duì)于臂部112被固定，且球窩接頭116和120被鎖定到預(yù)定位置。從動(dòng)臂28通過(guò)接頭120可操作地連接到頂部支架30上。
參見(jiàn)圖1，頂部支架30被提供為支撐懸掛在人體上方的從動(dòng)臂28和機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置24。頂部支架30包括支撐部122和支撐部124。支撐部124被可伸縮地容納在支撐部122中。這樣，支撐部124可相對(duì)于支撐部122上升或下降以初始地將末端執(zhí)行器26定位到人體上所需的皮膚入口點(diǎn)上。如所示，頂部支架30可操作地連接到軌道支架32上，該軌道支架32進(jìn)一步連接到手術(shù)室10的天花板上。
軌道支架32被提供為允許機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置24相對(duì)于人體線性運(yùn)動(dòng)。參見(jiàn)圖2，頂部支架30可通過(guò)連接架34連接到臺(tái)14的可移動(dòng)部。因此，當(dāng)臺(tái)14及躺在其上的人體相對(duì)于CT掃描裝置44線性移動(dòng)時(shí)，頂部支架30通過(guò)軌道支架32線性移動(dòng)，以允許機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置24在該移動(dòng)期間保持在相對(duì)于人體固定的位置。
參見(jiàn)圖1和8，紅外呼吸測(cè)量裝置36被提供為測(cè)量躺在臺(tái)14上人體的呼吸狀態(tài)。紅外呼吸測(cè)量裝置36包括紅外發(fā)射器130和紅外探測(cè)器132。如所示，紅外呼吸測(cè)量裝置36可安裝在可操作連接到臺(tái)14上的臺(tái)架133上。紅外發(fā)射器130把紅外光束射向放置在人體胸部上的反射器38。該紅外光束而后從紅外反射器38被反射到紅外探測(cè)器132。紅外探測(cè)器132接收反射的紅外光束，并響應(yīng)于該反射紅外光束生成指示人體胸部位置的信號(hào)135。人體胸部位置進(jìn)而指示人體的呼吸狀態(tài)。
呼吸監(jiān)視計(jì)算機(jī)40被提供為接收指示人體呼吸狀態(tài)的信號(hào)135。計(jì)算機(jī)40進(jìn)而被配置為確定信號(hào)135的幅度何時(shí)處于具有上限(TU)和下限(TL)的預(yù)定范圍ΔR內(nèi)。當(dāng)信號(hào)135處于指示預(yù)定呼吸狀態(tài)的預(yù)定范圍ΔR內(nèi)時(shí)，計(jì)算機(jī)40生成傳送到機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46的選通信號(hào)137。如下面將更詳細(xì)描述的，當(dāng)選通信號(hào)137處于高邏輯電平時(shí)，機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46將使末端執(zhí)行器26線性移動(dòng)進(jìn)入人體內(nèi)。此外，當(dāng)選通信號(hào)137不為高邏輯電平時(shí)，機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)將停止末端執(zhí)行器26的線性移動(dòng)。
參照?qǐng)D1和2，計(jì)算機(jī)斷層掃描攝影(CT)掃描裝置44被提供為在預(yù)定描述范圍內(nèi)拍攝多幅人體內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)的CT數(shù)字圖像。如所示，CT掃描裝置44包括開(kāi)口140，臺(tái)14的一部分和人體可伸入該開(kāi)口140中。CT掃描器44的預(yù)定掃描范圍在開(kāi)口140內(nèi)部。末端執(zhí)行器定位系統(tǒng)12的操作者利用多幅CT數(shù)字圖像來(lái)確定(i)用于末端執(zhí)行器26的皮膚入口點(diǎn)，以及(ii)末端執(zhí)行器26的尖部所要定位到的人體內(nèi)目標(biāo)位置。CT掃描裝置44可操作地連接到CT掃描裝置控制計(jì)算機(jī)42。應(yīng)當(dāng)注意到，末端執(zhí)行器定位系統(tǒng)12可與替代上述CT掃描裝置44的其它類型的醫(yī)學(xué)成像裝置一起使用，舉例來(lái)說(shuō)，所述其它類型的醫(yī)學(xué)成像裝置例如是磁共振成像(MRI)裝置、超聲成像裝置或X射線裝置。
CT掃描裝置控制計(jì)算機(jī)42被提供為控制CT掃描裝置44的操作。特別是，計(jì)算機(jī)42促使裝置44掃描人體以生成掃描數(shù)據(jù)。此后，計(jì)算機(jī)42處理該掃描數(shù)據(jù)，并從掃描數(shù)據(jù)生成多幅人體內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)的數(shù)字圖像。此后，機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46可詢問(wèn)計(jì)算機(jī)42以促使計(jì)算機(jī)42向機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46傳送數(shù)字圖像。
機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46被提供為通過(guò)控制機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置24和線性定位裝置25的移動(dòng)來(lái)控制末端執(zhí)行器26的移動(dòng)。機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46電連接到呼吸監(jiān)視計(jì)算機(jī)40以接收選通信號(hào)137。機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46進(jìn)而電連接到計(jì)算機(jī)42以接收多幅人體的CT數(shù)字圖像。此外，計(jì)算機(jī)46電連接到機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置24。計(jì)算機(jī)46的操作者可在顯示監(jiān)視器48上的計(jì)算機(jī)窗口內(nèi)顯示多幅CT數(shù)字圖像。操作者還可通過(guò)觸摸屏計(jì)算機(jī)窗口來(lái)選擇人體上的皮膚入口點(diǎn)和人體內(nèi)的目標(biāo)位置。
臺(tái)14被提供為支撐人體并進(jìn)而在CT掃描裝置44的掃描范圍內(nèi)移動(dòng)人體。臺(tái)14包括底座160、垂直支撐件162、固定臺(tái)面部164和可移動(dòng)臺(tái)面部166。如所示，固定臺(tái)面部164由垂直支撐件162支撐。支撐件162進(jìn)而固定連接到底座160上?？梢苿?dòng)臺(tái)面部166可相對(duì)于固定臺(tái)面部164線性移動(dòng)。如上所述，當(dāng)人體移進(jìn)CT掃描裝置44的掃描范圍內(nèi)時(shí)，連接架34處于從動(dòng)臂28和可移動(dòng)臺(tái)面部166之間以保持機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置24和人體之間的相對(duì)位置。
在提供詳細(xì)說(shuō)明用于引導(dǎo)末端執(zhí)行器26在人體內(nèi)從皮膚入口點(diǎn)向目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)的方法之前，將先對(duì)機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46所采用的用于確定末端執(zhí)行器軌道和用于控制機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置24的控制窗口的簡(jiǎn)要概述進(jìn)行解釋。參見(jiàn)圖11，其示出了由機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46在顯示監(jiān)視器48上生成的計(jì)算機(jī)窗口180。計(jì)算機(jī)窗口180包括幾個(gè)命令圖標(biāo)，所述圖標(biāo)包括(i)“設(shè)置”圖標(biāo)，(ii)“觀察圖像”圖標(biāo)，(iii)“設(shè)計(jì)過(guò)程”圖標(biāo)，(iv)“配準(zhǔn)(register)機(jī)器人”圖標(biāo)和(v)“執(zhí)行過(guò)程”圖標(biāo)，其將在下面進(jìn)行更為詳細(xì)的解釋。
當(dāng)機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46的操作者選定“設(shè)置”圖標(biāo)時(shí)，允許操作者輸入在引導(dǎo)末端執(zhí)行器26進(jìn)入人體時(shí)將要使用的末端執(zhí)行器移動(dòng)速度。
當(dāng)機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46的操作者選定“觀察圖像”圖標(biāo)時(shí)，計(jì)算機(jī)46顯示計(jì)算機(jī)窗口180。當(dāng)操作者選定“獲得圖像”圖標(biāo)時(shí)，計(jì)算機(jī)46詢問(wèn)CT掃描裝置控制計(jì)算機(jī)42以獲得由CT掃描裝置44獲得的多幅數(shù)字圖像。此后，機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)在計(jì)算機(jī)窗口180內(nèi)顯示預(yù)定數(shù)目的數(shù)字圖像。例如，數(shù)字圖像190、192、194、196可顯示在計(jì)算機(jī)窗口180內(nèi)。數(shù)字圖像190、192、194、196表示人體腹部的橫截面圖像。
參見(jiàn)圖12，當(dāng)機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46的操作者選定“設(shè)計(jì)過(guò)程”圖標(biāo)時(shí)，計(jì)算機(jī)46顯示計(jì)算機(jī)窗口204。計(jì)算機(jī)窗口204被提供為允許操作者選擇末端執(zhí)行器26將要初始插入人體內(nèi)時(shí)的皮膚入口點(diǎn)。此外，窗口204被提供為允許操作者選擇末端執(zhí)行器26的尖部所要移到的人體內(nèi)的目標(biāo)點(diǎn)。如所示，窗口204包括下列選擇圖標(biāo)(i)“選擇皮膚入口點(diǎn)圖像”圖標(biāo)，(ii)“選擇皮膚入口點(diǎn)”圖標(biāo)，(iii)“選擇目標(biāo)圖像”圖標(biāo)和(iv)“選擇目標(biāo)點(diǎn)”圖標(biāo)。
“選擇皮膚入口點(diǎn)圖像”圖標(biāo)允許操作者觀察多幅數(shù)字圖像以確定具有用于末端執(zhí)行器26的所需要的皮膚入口區(qū)域的特定數(shù)字圖像。如所示，操作者可選擇具有所需要的皮膚入口區(qū)域的數(shù)字圖像210。
“選擇皮膚入口點(diǎn)”圖標(biāo)允許操作者在特定數(shù)字圖像上選定一點(diǎn)，用來(lái)為末端執(zhí)行器26指定皮膚入口點(diǎn)。如所示，操作者可在數(shù)字圖像210上選定皮膚入口點(diǎn)212。
“選擇目標(biāo)圖像”圖標(biāo)允許操作者觀察多幅數(shù)字圖像以選擇具有用于末端執(zhí)行器26的尖部所需要的目標(biāo)區(qū)域的特定目標(biāo)數(shù)字圖像。如所示，操作者可選擇具有所需目標(biāo)區(qū)域的數(shù)字圖像214。
“選擇目標(biāo)點(diǎn)”圖標(biāo)允許操作者在特定目標(biāo)數(shù)字圖像上選定一點(diǎn)，用來(lái)為末端執(zhí)行器26指定目標(biāo)點(diǎn)。如所示，操作者可在數(shù)字圖像214上選定目標(biāo)點(diǎn)216。
參照?qǐng)D10至13，當(dāng)操作者選擇“配準(zhǔn)機(jī)器人”圖標(biāo)時(shí)，機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46在顯示監(jiān)視器48上生成計(jì)算機(jī)窗口224，并從CT掃描裝置控制計(jì)算機(jī)42檢索數(shù)字圖像?！皥?zhí)行配準(zhǔn)”圖標(biāo)使操作者能夠命令機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置24到達(dá)所需位置以將末端執(zhí)行器26定位到在數(shù)字或CT圖像坐標(biāo)系中識(shí)別的點(diǎn)(例如皮膚入口點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn))上。特別是，允許操作者手動(dòng)移動(dòng)頂部支架30和機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置24以將末端執(zhí)行器26的尖部大致放置在所需皮膚入口點(diǎn)附近。在對(duì)人體進(jìn)行手術(shù)前的掃描之前，使數(shù)字圖像坐標(biāo)系與固定機(jī)器人坐標(biāo)系相關(guān)，從而機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置24可被命令將末端執(zhí)行器26移動(dòng)到在數(shù)字圖像坐標(biāo)系中指定的點(diǎn)。該過(guò)程具有六個(gè)步驟(i)生成附加在相對(duì)于末端執(zhí)行器26已知的位置和方向處的基準(zhǔn)部件68的數(shù)字圖像，(ii)利用該數(shù)字圖像確定末端執(zhí)行器26相對(duì)于數(shù)字圖像坐標(biāo)系的位置和方向，(iii)從前一步驟確定的位置和方向建立定義末端執(zhí)行器坐標(biāo)系和數(shù)字圖像坐標(biāo)系之間空間關(guān)系的第一齊次坐標(biāo)變換矩陣(例如齊次變換)，(iv)通過(guò)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)特性確定末端執(zhí)行器26相對(duì)于機(jī)器人參考系的位置和方向，(v)從前一步驟確定的位置和方向建立定義末端執(zhí)行器坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系之間空間關(guān)系的第二齊次坐標(biāo)變換矩陣，(vi)將第一和第二齊次坐標(biāo)變換矩陣相乘以獲得允許操作者在數(shù)字圖像坐標(biāo)系中指定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的第三坐標(biāo)變換矩陣。
參見(jiàn)圖14，當(dāng)機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46的操作者選擇“執(zhí)行過(guò)程”圖標(biāo)時(shí)，計(jì)算機(jī)46在顯示監(jiān)視器48上顯示計(jì)算機(jī)窗口230。窗口230包括下列命令圖標(biāo)(i)“移動(dòng)至皮膚入口點(diǎn)”圖標(biāo)，(ii)“定向末端執(zhí)行器”圖標(biāo)和(iii)“驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器”圖標(biāo)。
當(dāng)操作者選擇“移動(dòng)至皮膚入口點(diǎn)”圖標(biāo)時(shí)，顯示“自動(dòng)移動(dòng)至皮膚入口點(diǎn)”圖標(biāo)。此后，當(dāng)操作者選擇“自動(dòng)移動(dòng)至皮膚入口點(diǎn)”圖標(biāo)時(shí)，一啟動(dòng)操縱桿47，線性定位裝置25就將末端執(zhí)行器的尖部從配準(zhǔn)位置移動(dòng)到所需皮膚入口位置。
當(dāng)操作者選擇“定向末端執(zhí)行器”圖標(biāo)且操作者啟動(dòng)操縱桿47時(shí)，機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置24使末端執(zhí)行器26的尖部沿基于選定的皮膚入口點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)計(jì)算的軌道路徑定向。
當(dāng)操作者選擇“驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器”圖標(biāo)并啟動(dòng)操縱桿47時(shí)，機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置24在獲得預(yù)定呼吸狀態(tài)時(shí)開(kāi)始從皮膚入口點(diǎn)向目標(biāo)點(diǎn)線性移動(dòng)末端執(zhí)行器26的尖部。此外，機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46將顯示包括“觀察熒光(View Fluoro)”圖標(biāo)的計(jì)算機(jī)窗口232。當(dāng)操作者選擇“觀察熒光”圖標(biāo)時(shí)，可顯示實(shí)時(shí)數(shù)字圖像234以允許操作者觀察末端執(zhí)行器26在人體內(nèi)的行進(jìn)路徑。
參見(jiàn)圖16，現(xiàn)在將解釋一種用于將末端執(zhí)行器26從人體皮膚入口點(diǎn)引導(dǎo)至目標(biāo)位置的方法。
在步驟250，當(dāng)人體保持一種呼吸狀態(tài)時(shí)，CT掃描裝置44進(jìn)行人體手術(shù)前掃描并生成掃描數(shù)據(jù)。CT掃描裝置控制計(jì)算機(jī)基于該掃描數(shù)據(jù)生成第一組人體內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)的數(shù)字圖像。應(yīng)當(dāng)注意，在手術(shù)前掃描期間，人體基本上保持在預(yù)定呼吸狀態(tài)，舉例來(lái)說(shuō)，例如完全吸入位置或完全呼出位置。
在步驟252，呼吸監(jiān)視計(jì)算機(jī)40監(jiān)視在手術(shù)前掃描期間人體的呼吸狀態(tài)以確定人體預(yù)定的呼吸狀態(tài)。特別是，呼吸監(jiān)視計(jì)算機(jī)40接收指示人體呼吸狀態(tài)的選通信號(hào)137。
在步驟254，CT掃描裝置控制計(jì)算機(jī)42向機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46發(fā)送第一組數(shù)字圖像。
在步驟256，機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46的操作者從第一組數(shù)字圖像中選擇第一數(shù)字圖像。該第一數(shù)字圖像示出用于目標(biāo)位置的感興趣區(qū)域。
在步驟258，機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46的操作者在第一數(shù)字圖像上為末端執(zhí)行器尖部選擇目標(biāo)位置。該目標(biāo)位置對(duì)應(yīng)于數(shù)字圖像坐標(biāo)系中的一個(gè)位置。
在步驟260，機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46的操作者從該組數(shù)字圖像中選擇第二數(shù)字圖像。該第二數(shù)字圖像示出用于皮膚入口位置的感興趣區(qū)域。
在步驟262，機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46的操作者在第二數(shù)字圖像上為末端執(zhí)行器尖部選擇皮膚入口位置。該皮膚入口位置對(duì)應(yīng)于數(shù)字圖像坐標(biāo)系中的一個(gè)位置。
在步驟264，機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46計(jì)算末端執(zhí)行器尖部在數(shù)字圖像坐標(biāo)系中的軌道路徑，以便利用機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置24和末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)器將末端執(zhí)行器尖部從皮膚入口位置移動(dòng)到目標(biāo)位置。
在步驟266，將機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置24定位在CT掃描裝置44的掃描范圍內(nèi)，從而CT掃描裝置44可對(duì)布置在末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)器70上的基準(zhǔn)部件68進(jìn)行掃描。
在步驟268，CT掃描裝置44對(duì)基準(zhǔn)部件68進(jìn)行掃描以生成掃描數(shù)據(jù)。CT掃描裝置控制計(jì)算機(jī)42基于掃描數(shù)據(jù)生成基準(zhǔn)部件68的第二組數(shù)字圖像。
在步驟270，CT掃描裝置控制計(jì)算機(jī)42向機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46發(fā)送第二組數(shù)字圖像。
在步驟272，機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46確定基準(zhǔn)部件68在數(shù)字圖像坐標(biāo)系中的位置。
在步驟274，機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46確定用于將數(shù)字圖像坐標(biāo)系中坐標(biāo)變換為末端執(zhí)行器坐標(biāo)系中坐標(biāo)的第一坐標(biāo)變換矩陣，該變換基于(i)基準(zhǔn)部件68在末端執(zhí)行器坐標(biāo)系中的位置和(ii)基準(zhǔn)部件68在數(shù)字圖像坐標(biāo)系中的位置。第一個(gè)四分之一(first-quarter)變換矩陣允許機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46確定末端執(zhí)行器26在數(shù)字圖像坐標(biāo)系中的位置。
在步驟276，機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)特性確定用于將末端執(zhí)行器坐標(biāo)系中坐標(biāo)變換為機(jī)器人坐標(biāo)系中坐標(biāo)的第二坐標(biāo)變換矩陣。
在步驟278，機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46基于第一和第二坐標(biāo)變換矩陣確定用于將數(shù)字圖像坐標(biāo)系中坐標(biāo)變換為機(jī)器人坐標(biāo)系中坐標(biāo)的第三坐標(biāo)變換矩陣。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46能夠確定末端執(zhí)行器26在數(shù)字圖像坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系中的位置時(shí)，計(jì)算機(jī)46就能在數(shù)字圖像坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系之間變換坐標(biāo)。
在步驟280，機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46通過(guò)用第三坐標(biāo)變換矩陣變換數(shù)字圖像坐標(biāo)系中指定的軌道路徑來(lái)確定機(jī)器人坐標(biāo)系中的軌道路徑。
在步驟282，移動(dòng)支撐末端執(zhí)行器26的機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置24，以使末端執(zhí)行器26的尖部放置在皮膚入口位置處，并定向在與預(yù)定軌道路徑一致的方向。
在步驟284，呼吸監(jiān)視計(jì)算機(jī)40確定所監(jiān)視的人體呼吸狀態(tài)是否等于預(yù)定的呼吸狀態(tài)。特別是，呼吸監(jiān)視計(jì)算機(jī)40確定信號(hào)135何時(shí)處于預(yù)定的呼吸范圍ΔR內(nèi)。當(dāng)計(jì)算機(jī)40確定信號(hào)135處于預(yù)定的呼吸范圍內(nèi)時(shí)，計(jì)算機(jī)40就生成發(fā)送到機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46的選通信號(hào)137。當(dāng)步驟248的值等于“是”時(shí)，該方法前行至步驟286。否則，該方法返回到步驟284。
在步驟286，機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46計(jì)算機(jī)器人坐標(biāo)系中的目標(biāo)位置的坐標(biāo)。
在步驟288，當(dāng)操作者啟動(dòng)操縱桿47且所監(jiān)視的呼吸狀態(tài)等于預(yù)定的呼吸狀態(tài)時(shí)，機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46促使末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)器70將末端執(zhí)行器26的尖部移向目標(biāo)位置坐標(biāo)。
在步驟290，操作者通過(guò)觀察病人體內(nèi)末端執(zhí)行器26的“實(shí)時(shí)”數(shù)字圖像來(lái)確定末端執(zhí)行器26的尖部是否已到達(dá)目標(biāo)位置?？商鎿Q地，機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46可自動(dòng)確定末端執(zhí)行器26的尖部是否已到達(dá)目標(biāo)位置。當(dāng)步驟290的值等于“是”時(shí)，該方法前行至步驟300。否則，該方法返回到步驟284。
在步驟300，機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)46停止末端執(zhí)行器26的線性移動(dòng)。
所述用于將末端執(zhí)行器引導(dǎo)至人體內(nèi)目標(biāo)位置的系統(tǒng)和方法體現(xiàn)出實(shí)際上優(yōu)于其它系統(tǒng)。特別是，該系統(tǒng)提供了只在人體處于預(yù)定呼吸狀態(tài)時(shí)才使末端執(zhí)行器沿人體內(nèi)確定的軌道路徑移動(dòng)以獲得末端執(zhí)行器向目標(biāo)位置的更精確放置的技術(shù)效果。
雖然本發(fā)明的實(shí)施例是參照示范性實(shí)施例描述的，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，在不偏離本發(fā)明范圍的情況下，可對(duì)其進(jìn)行各種變化并可對(duì)其元件進(jìn)行等效替換。此外，在不偏離其范圍的情況下，可對(duì)本發(fā)明給出的教導(dǎo)做出許多變型以適應(yīng)特定情況。因此，本發(fā)明不是由所公開(kāi)的用于實(shí)現(xiàn)該發(fā)明的實(shí)施例所限定，而是本發(fā)明包括落入其打算的權(quán)利要求書(shū)范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。此外，術(shù)語(yǔ)第一、第二等的使用并不表示任何重要次序，而是術(shù)語(yǔ)第一、第二等用于區(qū)分各元件。此外，術(shù)語(yǔ)一、一個(gè)等的使用并不表示數(shù)量的限定，而是表示存在至少一個(gè)所指項(xiàng)。
附圖標(biāo)記列表手術(shù)室 10末端執(zhí)行器定位系統(tǒng) 12手術(shù)臺(tái) 14機(jī)器人末端執(zhí)行器定位裝置 24線性定位裝置 25末端執(zhí)行器 26從動(dòng)臂 28頂部支架 30軌道支架 32連接架 34紅外呼吸測(cè)量裝置 36位置反射器 38呼吸監(jiān)視計(jì)算機(jī) 40CT掃描裝置控制計(jì)算機(jī) 42計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)掃描裝置 44機(jī)器人控制計(jì)算機(jī) 46操縱桿 47顯示監(jiān)視器 48殼體部 62殼體部 64基準(zhǔn)部件 68箭頭 69末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)器 70殼體部 72第一帶緣孔 74輸入軸 76軸向加載襯套 78O形環(huán) 80螺母 82帶緣孔 84
接觸面86和88嵌條 90臂部 110臂部 112夾緊部 114球窩接頭 116、118、120支撐部 122支撐部 124紅外發(fā)射器 130紅外探測(cè)器 132臺(tái)架 133信號(hào) 135選通信號(hào) 137開(kāi)口 140底座 160垂直支撐件 162固定臺(tái)面部 164可移動(dòng)臺(tái)面部 166計(jì)算機(jī)窗 180數(shù)字圖像 190，192，194，196計(jì)算機(jī)窗口 204數(shù)字圖像 210皮膚入口點(diǎn) 212數(shù)字圖像 214目標(biāo)點(diǎn) 216計(jì)算機(jī)窗口 224計(jì)算機(jī)窗口 230計(jì)算機(jī)窗口 23權(quán)利要求
1.一種用于將末端執(zhí)行器(26)引導(dǎo)至人體內(nèi)目標(biāo)位置(216)的方法，包括當(dāng)人體具有預(yù)定的呼吸狀態(tài)時(shí)，生成多幅人體內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)的數(shù)字圖像(210，214)；在至少一幅數(shù)字圖像上指示皮膚入口位置(212)；在至少一幅數(shù)字圖像上指示目標(biāo)位置(216)；基于皮膚入口位置(212)和目標(biāo)位置(216)確定軌道路徑；以及當(dāng)人體基本上具有預(yù)定的呼吸狀態(tài)時(shí)，沿該軌道路徑向目標(biāo)位置(216)移動(dòng)末端執(zhí)行器(26)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中生成多幅數(shù)字圖像(210，214)包括在掃描裝置(44)內(nèi)沿軸線移動(dòng)人體；以及在移動(dòng)期間生成多幅橫截面數(shù)字圖像(210，214)，其中每個(gè)橫截面圖像在不同的軸向位置生成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中移動(dòng)末端執(zhí)行器(26)包括隨時(shí)間監(jiān)視人體的呼吸狀態(tài)；以及當(dāng)所監(jiān)視呼吸狀態(tài)與預(yù)定呼吸狀態(tài)之間的差值小于或等于閾值時(shí)，沿該軌道路徑移動(dòng)末端執(zhí)行器(26)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中末端執(zhí)行器(26)以預(yù)定速度移動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中多幅數(shù)字圖像(210，214)包括多幅計(jì)算機(jī)斷層攝影圖像。
6.一種用于將末端執(zhí)行器(26)引導(dǎo)至人體內(nèi)目標(biāo)位置(216)的系統(tǒng)，包括用于監(jiān)視人體呼吸狀態(tài)的呼吸監(jiān)視裝置；被配置為當(dāng)人體具有預(yù)定呼吸狀態(tài)時(shí)掃描人體內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)以生成掃描數(shù)據(jù)的掃描裝置(44)；基于該掃描數(shù)據(jù)生成多幅數(shù)字圖像(210，214)的第一計(jì)算機(jī)(42)；被配置為顯示多幅數(shù)字圖像(210，214)的第二計(jì)算機(jī)(46)，該第二計(jì)算機(jī)(46)還被配置為允許操作者在至少一幅數(shù)字圖像上指示皮膚入口位置(212)，該第二計(jì)算機(jī)(46)還被配置為允許操作者在至少一幅數(shù)字圖像上指示目標(biāo)位置(216)，該第二計(jì)算機(jī)(46)還被配置為基于皮膚入口位置(212)和目標(biāo)位置(216)確定一軌道路徑；以及使末端執(zhí)行器(26)適于插入人體內(nèi)的末端執(zhí)行器插入裝置，該第二計(jì)算機(jī)(46)在人體基本上具有預(yù)定的呼吸狀態(tài)時(shí)促使該末端執(zhí)行器插入裝置沿該軌道路徑向目標(biāo)位置(216)移動(dòng)末端執(zhí)行器(26)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中呼吸狀態(tài)監(jiān)視裝置包括探測(cè)人體胸部位置的紅外呼吸測(cè)量裝置(36)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中掃描裝置(44)包括計(jì)算機(jī)斷層攝影掃描器，并且多幅數(shù)字圖像包括多幅計(jì)算機(jī)斷層攝影圖像。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中末端執(zhí)行器插入裝置包括被配置為線性移動(dòng)末端執(zhí)行器(26)的末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)器(70)。
10.一種用于將末端執(zhí)行器(26)引導(dǎo)至人體內(nèi)目標(biāo)位置(216)的方法，包括在至少一個(gè)呼吸周期期間監(jiān)視人體的呼吸狀態(tài)；以及當(dāng)人體基本上具有預(yù)定的呼吸狀態(tài)時(shí)，沿軌道路徑向人體內(nèi)目標(biāo)位置(216)移動(dòng)末端執(zhí)行器(26)。
全文摘要
提供一種用于將末端執(zhí)行器(26)引導(dǎo)至人體內(nèi)目標(biāo)位置(216)的系統(tǒng)、方法和產(chǎn)品。該方法包括當(dāng)人體具有預(yù)定的呼吸狀態(tài)時(shí)生成多幅人體內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)的數(shù)字圖像(210，214)。該方法還包括在至少一幅數(shù)字圖像上指示皮膚入口位置(212)。該方法還包括在至少一幅數(shù)字圖像上指示目標(biāo)位置(216)。該方法還包括基于皮膚入口位置(212)和目標(biāo)位置(216)確定軌道路徑。最后，該方法包括當(dāng)人體基本上具有預(yù)定的呼吸狀態(tài)時(shí)沿該軌道路徑向目標(biāo)位置(216)移動(dòng)末端執(zhí)行器(26)。
文檔編號(hào)A61B17/00GK1714742SQ200510073948
公開(kāi)日2006年1月4日 申請(qǐng)日期2005年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月27日
發(fā)明者M·M·侯賽尼, T·福 申請(qǐng)人:通用電氣公司