本文描述的各實(shí)施例涉及外科手術(shù)系統(tǒng)，并且更具體地，涉及遠(yuǎn)程操作外科手術(shù)系統(tǒng)。更特別地，本文描述的各實(shí)施例涉及這樣的系統(tǒng)和方法：用于確定待施加到力傳感器輸出的力傳感器偏置值，以便控制包括可以提供給系統(tǒng)操作者的力反饋的外科手術(shù)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、已知的微創(chuàng)外科手術(shù)(mis)技術(shù)采用能夠手動(dòng)控制或經(jīng)由手持式或機(jī)械接地的遠(yuǎn)程操作醫(yī)療系統(tǒng)控制的器械來(lái)操縱組織，這種遠(yuǎn)程操作醫(yī)療系統(tǒng)至少在部分計(jì)算機(jī)輔助下工作(“遠(yuǎn)程外科手術(shù)系統(tǒng)”)。很多已知的mis器械包括安裝在軸遠(yuǎn)端處任選的腕機(jī)構(gòu)上的治療或診斷末端執(zhí)行器(例如，鉗子、切割工具或燒灼工具)。在mis程序中，末端執(zhí)行器、腕機(jī)構(gòu)和軸遠(yuǎn)端一般經(jīng)由套管插入患者的小切口或自然孔口，以將末端執(zhí)行器定位在患者體內(nèi)的工作部位。任選的腕機(jī)構(gòu)能夠用于改變末端執(zhí)行器關(guān)于軸的方位和取向，以在工作部位執(zhí)行所需的程序。在已知的器械中，器械整體運(yùn)動(dòng)為末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)提供了機(jī)械自由度(dof)，并且腕機(jī)構(gòu)總體上為末端執(zhí)行器關(guān)于器械軸的運(yùn)動(dòng)提供了所需的dof。例如，對(duì)于鉗子或其它抓緊工具，已知的腕機(jī)構(gòu)能夠改變末端執(zhí)行器參考軸的俯仰和偏航。腕可以任選地為末端執(zhí)行器提供滾轉(zhuǎn)dof，或者滾轉(zhuǎn)dof可以通過(guò)使軸滾轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。末端執(zhí)行器可以任選地具有附加的機(jī)械dof，如夾持或刀片運(yùn)動(dòng)。在某些情況下，可以將腕與末端執(zhí)行器機(jī)械dof組合。例如，美國(guó)專(zhuān)利號(hào)5,792,135(1997年5月16日提交)公開(kāi)了一種組合了腕與末端執(zhí)行器夾持dof的機(jī)構(gòu)。

2、力感測(cè)外科手術(shù)器械是已知的，并且與相關(guān)聯(lián)的遠(yuǎn)程外科手術(shù)系統(tǒng)一起可以在mis程序中向執(zhí)行該程序的外科醫(yī)生傳送觸覺(jué)反饋。觸覺(jué)反饋可以增加該程序的沉浸感、真實(shí)感和直觀性。為了有效的觸覺(jué)呈現(xiàn)(rendering)和準(zhǔn)確性，可將力傳感器置于醫(yī)療器械上并且盡可能貼近解剖組織相互作用。一種方法是在醫(yī)療器械軸的遠(yuǎn)端包括具有電傳感器元件(例如，應(yīng)變傳感器或應(yīng)變儀)的力傳感器單元，以測(cè)量施加到醫(yī)療器械的應(yīng)變。測(cè)量應(yīng)變能夠用于確定施加到醫(yī)療器械上的力并作為輸入，基于該輸入可產(chǎn)生所需的觸覺(jué)反饋。

3、一般地，力傳感器單元在器械制造時(shí)被校準(zhǔn)。這種校準(zhǔn)為醫(yī)療器械的力感測(cè)功能確立了零點(diǎn)偏移，即提供沒(méi)有力施加到器械上的指示的力傳感器單元輸出。然而，在醫(yī)療器械的生命周期中，零點(diǎn)偏移可以移位(shift)，使得在沒(méi)有力施加到器械上的情況下，力感測(cè)單元會(huì)錯(cuò)誤地指示施加了力。例如，醫(yī)療器械在使用后要進(jìn)行再處理程序，這種再處理程序能夠包括將醫(yī)療器械或其部分暴露于相對(duì)高的溫度下。這種暴露會(huì)影響力傳感器單元，導(dǎo)致醫(yī)療器械的零點(diǎn)偏移發(fā)生移位。零點(diǎn)偏移的移位進(jìn)而會(huì)影響測(cè)量應(yīng)變的準(zhǔn)確性，測(cè)量應(yīng)變用于確定施加到醫(yī)療器械上的力并作為輸入，基于該輸入能夠產(chǎn)生所需的觸覺(jué)反饋。因此，期望緊接在外科手術(shù)程序中使用醫(yī)療器械之前確定醫(yī)療器械的正確零點(diǎn)偏移，以便基于對(duì)施加到醫(yī)療器械的應(yīng)變的準(zhǔn)確測(cè)量來(lái)提供準(zhǔn)確的觸覺(jué)反饋。

4、鑒于上述情況，本領(lǐng)域一直不斷在尋找新的和改進(jìn)的系統(tǒng)和方法，基于對(duì)施加到醫(yī)療器械的應(yīng)變的準(zhǔn)確測(cè)量來(lái)控制外科手術(shù)系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本概述介紹了本文描述的各實(shí)施例的某些方面，以提供基本理解。本概述不是對(duì)本發(fā)明主題的廣泛概述，也不意圖標(biāo)識(shí)出關(guān)鍵或至關(guān)重要的元件或勾勒出本發(fā)明主題的范圍。

2、本文描述的系統(tǒng)和方法促進(jìn)對(duì)力傳感器單元自制造時(shí)確立的校準(zhǔn)點(diǎn)(例如，零點(diǎn)偏移)的偏差的調(diào)節(jié)(accommodation)。在調(diào)節(jié)到位的情況下，力傳感器單元的輸出能夠用于產(chǎn)生準(zhǔn)確的力反饋和/或能夠支持外科手術(shù)系統(tǒng)的其它功能。

3、一方面，本發(fā)明涉及一種外科手術(shù)系統(tǒng)，其包括具有遠(yuǎn)端部分的醫(yī)療器械。所述醫(yī)療器械由移動(dòng)所述器械及其遠(yuǎn)端部分的操縱器單元支撐。力傳感器單元被耦連到所述醫(yī)療器械，以提供對(duì)在所述遠(yuǎn)端部分施加到所述器械的力的指示。包括輸入裝置的用戶控制單元被可操作地耦連到所述醫(yī)療器械和所述操縱器單元，以允許操作者在醫(yī)療程序期間移動(dòng)所述醫(yī)療器械?？刂破鞅豢刹僮鞯伛钸B到所述操縱器單元、所述輸入裝置和所述力傳感器單元，以提供這些部件之間的控制關(guān)系。所述控制器包括至少一個(gè)處理器和觸覺(jué)反饋模塊，所述觸覺(jué)反饋模塊在醫(yī)療程序期間基于來(lái)自所述力傳感器單元的輸出向所述輸入裝置提供觸覺(jué)反饋。所述控制器被配置成執(zhí)行一組操作。所述一組操作包括，響應(yīng)于所述醫(yī)療器械的所述遠(yuǎn)端部分在套管內(nèi)的第一命令運(yùn)動(dòng)，從所述力傳感器單元接收第一輸出信號(hào)。基于所述力傳感器的所述第一輸出信號(hào)的一部分與基線輸出信號(hào)之間的差來(lái)確定力傳感器偏置值。啟動(dòng)第二命令運(yùn)動(dòng)并從所述力傳感器單元接收第二輸出信號(hào)。所述第二輸出信號(hào)由所述力傳感器偏置值修正。基于所述第二輸出信號(hào)與所述基線輸出信號(hào)之間的不同大小來(lái)確定所述力傳感器偏置值的有效性。所述力傳感器偏置值在偏差大小在預(yù)定義容差范圍內(nèi)的條件下是有效的。此外，在所述力傳感器偏置值被確定為有效的條件下，經(jīng)由所述控制器的所述觸覺(jué)反饋模塊向所述輸入裝置提供觸覺(jué)反饋。所述觸覺(jué)反饋基于由所述力傳感器偏置值修正的來(lái)自所述力傳感器單元的負(fù)載指示。

4、在一些實(shí)施例中，在所述力傳感器偏置值無(wú)效的條件下，產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)。

5、在一些實(shí)施例中，所述第一命令運(yùn)動(dòng)包括所述遠(yuǎn)端部分繞縱向器械軸軸線從第一滾轉(zhuǎn)極限，通過(guò)中性滾轉(zhuǎn)取向，到第二滾轉(zhuǎn)極限，并回到所述中性滾轉(zhuǎn)取向的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。所述醫(yī)療器械的所述遠(yuǎn)端部分在整個(gè)所述滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中被保持在所述套管內(nèi)。類(lèi)似地，在一些實(shí)施例中，所述第一命令運(yùn)動(dòng)包括沿所述縱向器械軸軸線的線性運(yùn)動(dòng)。在整個(gè)所述線性運(yùn)動(dòng)中，所述醫(yī)療器械的所述遠(yuǎn)端部分被保持在所述套管內(nèi)。

6、在一些實(shí)施例中，所述操縱器單元包括其上安裝所述醫(yī)療器械的器械托架，并且所述器械托架包括一組驅(qū)動(dòng)輸出(例如，盤(pán))。每個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輸出被耦連到一組馬達(dá)中對(duì)應(yīng)的獨(dú)立馬達(dá)。所述醫(yī)療器械包括一組器械驅(qū)動(dòng)輸入(例如，盤(pán))。每個(gè)獨(dú)立器械驅(qū)動(dòng)輸入被配置成接合所述對(duì)應(yīng)的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輸出。所述器械的驅(qū)動(dòng)輸入被配置成接收來(lái)自所述操縱器的驅(qū)動(dòng)輸出的運(yùn)動(dòng)，以移動(dòng)所述遠(yuǎn)端部分。相應(yīng)地，所述操作包括檢測(cè)所述醫(yī)療器械在所述操縱器單元的所述器械托架上的安裝。響應(yīng)于檢測(cè)到所述安裝，自動(dòng)啟動(dòng)所述醫(yī)療器械的接合過(guò)程。例如，至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)輸出(例如，驅(qū)動(dòng)輸出盤(pán))經(jīng)由其對(duì)應(yīng)的馬達(dá)移動(dòng)，直到所述驅(qū)動(dòng)輸出接合其對(duì)應(yīng)的器械驅(qū)動(dòng)輸入(例如，驅(qū)動(dòng)輸入盤(pán))。任選地，通過(guò)移動(dòng)所述器械驅(qū)動(dòng)輸入抵靠機(jī)械止擋件來(lái)確立正接合。應(yīng)當(dāng)理解，在一些實(shí)施例中，所述馬達(dá)能夠作為所述器械的部件被包括在內(nèi)。

7、在一些實(shí)施例中，所述一組驅(qū)動(dòng)輸出包括滾轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)輸出，所述滾轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)輸出被配置成產(chǎn)生所述醫(yī)療器械的遠(yuǎn)端繞所述器械軸的縱向軸線的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。相應(yīng)地，所述操作包括在將至少一個(gè)非滾轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)輸出旋轉(zhuǎn)到中性方位的同時(shí)將所述滾轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)輸出保持在第一滾轉(zhuǎn)極限，以及通過(guò)產(chǎn)生所述器械的遠(yuǎn)端部分經(jīng)過(guò)滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)范圍到達(dá)第二滾轉(zhuǎn)極限的所述滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)執(zhí)行所述第一命令運(yùn)動(dòng)。

8、在一些實(shí)施例中，所述醫(yī)療器械的所述遠(yuǎn)端部分在所述套管內(nèi)的所述縱向方位是第一縱向方位。所述器械托架被配置成使所述醫(yī)療器械的所述遠(yuǎn)端部分在所述套管內(nèi)沿近側(cè)方向和沿遠(yuǎn)側(cè)方向移動(dòng)。相應(yīng)地，所述操作包括平行于所述器械軸的縱向軸線將所述醫(yī)療器械的所述遠(yuǎn)端部分移動(dòng)到所述套管內(nèi)的第二縱向方位，然后將所述醫(yī)療器械的所述遠(yuǎn)端部分返回到所述套管內(nèi)的所述第一縱向方位。

9、在一些實(shí)施例中，所述操作包括確定力傳感器偏置值的確定的大小與定義的最大力傳感器偏置值之間的差。在所述確定的力傳感器偏置值的所述大小超過(guò)所述最大力傳感器偏置值的條件下，向所述外科手術(shù)系統(tǒng)的操作者提供錯(cuò)誤指示。在一些實(shí)施例中，所述錯(cuò)誤指示包括將所述醫(yī)療器械從所述操縱器單元拆卸以及任選地重新安裝所述醫(yī)療器械的指令。

10、在一些實(shí)施例中，命令運(yùn)動(dòng)包括確立所述醫(yī)療器械的所述遠(yuǎn)端部分處于第一姿態(tài)，轉(zhuǎn)變所述遠(yuǎn)端部分離開(kāi)第一姿態(tài)，以及將所述遠(yuǎn)端部分返回到第一姿態(tài)。相應(yīng)地，所述操作包括確定所述遠(yuǎn)端部分處于所述第一姿態(tài)時(shí)的每種情形間的來(lái)自所述力傳感器單元的輸出的可變度。在所述可變度超過(guò)最大可變度值的條件下，向所述外科手術(shù)系統(tǒng)的操作者提供錯(cuò)誤指示。

11、在一些實(shí)施例中，在所述可變度超過(guò)所述最大可變度值的條件下，重復(fù)所述醫(yī)療器械的所述遠(yuǎn)端部分在所述套管內(nèi)的命令運(yùn)動(dòng)，以產(chǎn)生來(lái)自所述力傳感器單元的替代輸出，并且至少部分地基于來(lái)自所述力傳感器單元的所述替代輸出來(lái)確定所述力傳感器偏置值。

12、在一些實(shí)施例中，確定所述力傳感器偏置值相對(duì)于與所述醫(yī)療器械相關(guān)聯(lián)的歷史力傳感器偏置值的大小的差。在這些偏置值的差超過(guò)偏差閾值的條件下，指示所述力傳感器單元故障的錯(cuò)誤指示被提供給所述外科手術(shù)系統(tǒng)的操作者。

13、在一些實(shí)施例中，所述醫(yī)療器械的所述力傳感器單元的坐標(biāo)系被定義為具有彼此正交的第一軸線、第二軸線和第三軸線。所述力傳感器偏置值是平行于所述第一軸線的第一力傳感器偏置值。相應(yīng)地，所述操作包括在所述坐標(biāo)系中解析所述力傳感器單元的所述輸出，以確定第一軸線分量、第二軸線分量和第三軸線分量。所述操作還包括基于所述第二軸線分量的一部分與基線第二軸線分量之間的差來(lái)確定平行于所述第二軸線的第二力傳感器偏置值，以及基于所述第三軸線分量的一部分與基線第三軸線分量之間的差來(lái)確定平行于所述第三軸線的第三力傳感器偏置值。

14、在一些實(shí)施例中，所述控制器被配置成在接收到人類(lèi)命令時(shí)執(zhí)行所述一組操作。

15、在一些實(shí)施例中，確定出所述力傳感器偏置值的所述第一輸出信號(hào)的所述一部分是與處于指定采樣姿態(tài)的所述醫(yī)療器械相關(guān)聯(lián)的輸出信號(hào)的部分。在一些實(shí)施例中，所述指定采樣姿態(tài)包括所述醫(yī)療器械的所述遠(yuǎn)端部分對(duì)應(yīng)于定義的零取向的滾轉(zhuǎn)取向。

16、在一些實(shí)施例中，確定所述力傳感器偏置值包括識(shí)別來(lái)自所述力傳感器的輸出的對(duì)應(yīng)于所述醫(yī)療器械的遠(yuǎn)側(cè)部分在套管內(nèi)的自由空間狀態(tài)的自由空間部分。所述力傳感器偏置值對(duì)應(yīng)于所述力傳感器的所述輸出的所述自由空間部分的平均大小與所述基線輸出之間的差。在一些實(shí)施例中，所述輸出的所述自由空間部分對(duì)應(yīng)于所述輸出的作為在指定最小時(shí)間間隔內(nèi)斜率小于定義的斜率閾值的擬合線的部分。

17、在一些實(shí)施例中，所述操作包括確定所述力傳感器輸出的所述自由空間部分的置信度得分。所述置信度得分指示所述自由空間部分與所述醫(yī)療器械的其中所述醫(yī)療器械的命令運(yùn)動(dòng)不受與另一個(gè)對(duì)象(例如，所述套管)接觸的影響的狀態(tài)之間的相關(guān)性。至少部分地基于所述置信度得分來(lái)執(zhí)行命令動(dòng)作。

18、在一些實(shí)施例中，在所述置信度得分小于置信度得分閾值的條件下，執(zhí)行所述命令動(dòng)作包括重復(fù)所述醫(yī)療器械的所述遠(yuǎn)端部分在所述套管內(nèi)的所述命令運(yùn)動(dòng)，以產(chǎn)生替代第一輸出信號(hào)。識(shí)別所述第一輸出信號(hào)的替代自由空間部分，并且至少部分地基于所述替代自由空間部分來(lái)確定所述力傳感器偏置值。

19、在一些實(shí)施例中，在所述置信度得分小于置信度得分閾值的條件下，執(zhí)行所述命令動(dòng)作包括向所述輸入裝置提供錯(cuò)誤指示。

20、在一些實(shí)施例中，執(zhí)行所述命令動(dòng)作包括將增益值施加到提供給所述輸入裝置的所述觸覺(jué)反饋。所述增益值至少部分地基于所述置信度得分來(lái)確定。更高的增益值與更高的置信度得分相關(guān)聯(lián)，而更低的增益值與更低的置信度得分相關(guān)聯(lián)。

21、在一些實(shí)施例中，在所述置信度分?jǐn)?shù)小于置信度分?jǐn)?shù)閾值的條件下，執(zhí)行所述命令動(dòng)作包括產(chǎn)生指示失效或故障的力傳感器單元的維護(hù)警報(bào)。

22、關(guān)于所述力傳感器偏置值的所述有效性，在一些實(shí)施例中，在所述第二輸出信號(hào)與所述基線輸出信號(hào)之間的差落在所述容差范圍之外的條件下，產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)，并且至少部分地基于所述錯(cuò)誤信號(hào)執(zhí)行命令動(dòng)作。在一些實(shí)施例中，執(zhí)行所述命令動(dòng)作包括傳送將所述醫(yī)療器械從所述操縱器單元拆卸并重新安裝所述醫(yī)療器械的指令。在一些實(shí)施例中，執(zhí)行所述命令動(dòng)作包括向所述外科手術(shù)系統(tǒng)的操作者傳送因所述力傳感器單元的故障狀況而將所述醫(yī)療器械拆卸停用的指令。

23、在一些實(shí)施例中，執(zhí)行所述命令動(dòng)作包括重復(fù)所述醫(yī)療器械的所述遠(yuǎn)端部分在所述套管內(nèi)的所述第一命令運(yùn)動(dòng)，以產(chǎn)生替代第一輸出信號(hào)?；谒隽鞲衅鞯乃鎏娲谝惠敵鲂盘?hào)的一部分與基線輸出信號(hào)之間的差來(lái)確定替代力傳感器偏置值，并且基于來(lái)自所述力傳感器單元的由所述替代力傳感器偏置值修正的所述負(fù)載指示來(lái)向所述輸入裝置提供觸覺(jué)反饋。

24、參考以下描述和附圖，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解。