[发明专利]用于纤弱组织的手术操纵的微力引导协调控制

说明书

相关申请的引用

本申请要求于2010年8月2日提交的美国临时专利申请第61/370,032号的权益，该美国临时专利申请据此为了所有目的而通过引用并入，如同在本文中充分地阐述。

政府利益的声明

本发明是通过美国政府的支持在由国立卫生研究院授予的第EB007969号拨款和由国家科学基金会授予的第EEC9731478号拨款下做出的。美国政府拥有本发明的某些权利。

发明领域

本发明涉及用于手术工具的协调控制的方法和系统。更具体地，本发明涉及用于纤弱组织的手术操纵的微力引导协调控制(micro-force guided cooperative control)的方法和系统。

发明背景

视网膜显微手术是手术任务中的最具挑战性组中的一个，这是由于人类感觉运动限制、对于精密和微型的检测仪表的需要以及在小且脆弱的环境中进行微米尺度的运动任务的固有困难。在视网膜手术中，外科医生需要进行微米尺度操纵，同时把力安全地施加于在感官知觉下的视网膜组织。手术表现还受到不精确仪器、生理性手震颤、差的可视化、对某些结构的可接近性的缺乏、患者运动以及来自于延长操作的疲劳的挑战。视网膜手术中的手术器械以被穿过巩膜(眼睛的可见白壁)插入的长细轴(在直径上典型地为0.5mm至0.7mm)为特征。被这些工具施加的力经常远低于人类感觉阈值。

外科医生因此必须依赖于视觉信号以避免把过度的力施加在视网膜上。这些视觉信号是被施加于组织的力的直接结果，并且训练有素的外科医生通过撤回工具并且再次握持组织对该视觉信号做出反应以搜索可选择的路径。这使剥离过程中断，并且要求外科医生小心地再次接近目标。传感不可觉察的微力信号以及使用机器人操纵器来抢先地反应具有允许连续剥离、增加任务完成时间以及使并发症的风险达到最小的潜在可能。所有的这些因素促成可能导致视力丧失的手术错误和并发症。

一个示例性程序是视网膜前膜的剥离，其中薄膜被使用精细的(20-25Ga)手术器械从视网膜的表面小心地分层。被施加在视网膜组织上的力经常远低于人类感觉阈值。在目前的实践中，外科医生仅具有待依赖的视觉信号来避免施加过度的力，这已经被观察到导致具有视力丧失的相关风险的视网膜损伤和出血。

虽然机器人助手例如DAVINCI^TM手术机器人系统，已经被广泛地用于腹腔镜手术，但是目标在于显微手术的系统仍然处于研究阶段。显微手术系统包括远程操作系统、徒手主动震颤消除系统(freehand active tremor-cancellation system)以及协调地控制的交叉手系统(hand-over-hand system)，例如Johns Hopkins“稳定手”机器人。在稳定手控制中，外科医生和机器人二者都把持手术工具；机器人感测被外科医生施加在工具把手上的力，并且运动成依从，过滤掉任何震颤。对于视网膜显微手术来说，工具典型地在巩膜插入点处枢轴转动，除非外科医生想要使眼球移动。该枢轴点可以被机械地约束的远程运动中心或软件来执行。工具轴和巩膜之间的相互作用使对机器人的控制和对工具至视网膜力的测量二者都复杂化。

为了测量工具至视网膜力，已经使用在巩膜插入点的远侧安装在工具轴上的极端敏感(0.25mN的分辨率)力传感器。该力传感器允许对工具组织力的测量，同时衰减了来自于工具-巩膜力的干扰。

此外，第一代稳定手机器人已经被特别地设计用于玻璃体视网膜手术。虽然该稳定手机器人成功地用在体外机器人辅助的血管套管插入实验中，但是其被发现是在经济上有局限的。例如，第一代稳定手机器人仅具有±30％工具旋转限制值。为了进一步扩展工具旋转范围，已经开发了第二代稳定手机器人，其已经把该范围增加至±60％。第二代稳定手机器人利用平行六杆机构，该平行六杆机构机械地提供等中心运动，而不引入随着第一代稳定手机器人发生的在直角坐标阶段(Cartesian stage)中的大的并行共同速度(concurrent joint velocity)。