[发明专利]用于微创机器人外科处理系统的力评估

说明书

技术领域

本发明一般涉及微创医疗过程的领域，包括外科和诊断过程。更具体地， 本发明涉及一种用于力评估的方法和系统，能够确定施加给患者的力，特别 是通过微创器械的末端施加的力，而且在器械进入患者身体的进入口(access port)层面处。

引言

已知的是，微创介入术有利于具有减小在诊断或外科处理过程期间被损 坏的外部组织的量。这使得患者的恢复时间变短、痛苦变少、有害的副作用 变少和在住院的费用降低。现在，在一般的外科、泌尿学科、妇科和心脏病 学科专业中，通过微创技术实施的介入术的量在增加，如腹腔镜技术。

一般来说，手动微创技术——特别是腹腔镜术——对实施操作的外科医 生提出了严苛的要求，。外科医生以不舒服且令人疲惫的姿势操作，观察区 域有限，灵活性差且触觉感知差。除了这些问题还要加上外科医生每天要连 续实施多个介入术，每个介入术例如持续30分钟到几个小时。尽管固有的 困难，但是由于人口平均年龄的增加和医疗领域中的成本压力，使得微创处 理的区域都预计在未来进一步增加。

例如在腹腔镜术中，外科医生的动作显然需要如同是在剖腹术中一样精 确。在器械进入口(也叫套管针)处，即在患者身体的切口处，以减小到绕 支点(枢转点)有四个自由度的运动灵活度来操作长轴器械也不会减轻他们 的工作。由于所需的姿势通常令人疲惫且减小了对器械和组织之间的相互作 用力的本已受限的感知，因此通常还引起复杂情况等。因此，外科医生的运 动能力通常在20-30分钟后衰退，使得除此之外发生战抖、准确度丧失和触 觉敏感性丧失，并最终对患者造成危险。因此，产生了新的计算机和/或机器 人辅助技术，诸如微创机器人外科术(MIRS：Minimally Invasice Robotic Surgery)。这些技术意图改善介入术的效率、质量和安全。

背景技术

考虑到以上问题，MIRS在过去的十年间已经得到了显著的发展。两个 代表性的商用机器人系统是已知由加利福尼亚的桑尼维尔的Intuitive Surgical Inc.开发的商标为“DA VINCI”的系统和已知最初由加利福尼亚的 Goleta的Computer Motion Inc.开发的商标为“ZEUS”的系统。已知名为“DA VINCI”的系统在Moll等的US 6,659,939、US 6,837,883和相同受让人的其 它专利文献中可见。已知名为“ZEUS”的系统在Wang等的US 6,102,850、 US 5,855,583、US 5,762,458、US 5,515,478和转让给加利福尼亚的Goleta 的Computer Motion Inc.的其它专利文献中可见。

这些远程操纵(teleoperated)的机器人系统允许直接从操作室或从远程 地点控制外科介入术，一般仅利用二维或三维视觉反馈。在任一情况下，外 科医生的令人疲惫的姿势都可以被消除。此外，这些系统倾向于例如在剖腹 术中为外科医生提供在开放条件下工作的感觉并消除上述令人疲惫的姿势。

当前可获得远程操纵的MIS系统一般不在操纵台上提供真实的触觉力 反馈(以下称作力反馈)，其中，外科医生利用该操纵台来指挥机器人(一 个或多个)。由此，外科医生缺乏对施加到器官和组织上的力的真实触感。 通过这样的系统，外科医生必须依赖视觉反馈和他的经验来限制器械与患者 内在的环境的相互作用。在这方面，基于计算机可以将在手动MIS处理中熟 练外科医生所能够做到的事情进行再现的构思，对计算机辅助无传感器的力 反馈系统进行了研究工作。换句话说，计算机可以通过视觉观察到的变形来 估算力。这样的尝试的例子可以参见：“Force feedback using vision”；Kennedy， C.and Desai，J.P.；International Conference on Advanced Robotics；Coimbra， Portugal，2003。但是这样的系统还未到达商业可用的状态。

应意识到，准确的力反馈被视为关键特征，用来保证操作安全和改善利 用机器辅助的微创系统实施的处理质量。因此，力反馈被认为是对远程介入 术来说最重要的。