[发明专利]遥控微创手术器械的主导件对齐性的渐进

说明书

技术领域

本发明的方面涉及遥控微创手术系统，并且尤其涉及控制遥控微创手术系统中的主导和从属手术器械尖端的取向。

背景技术

由位于加利福尼亚州Sunnyvale的Intuitive surgical.Inc.制造的da Vinci手术系统，是微创、遥控的机器人系统，其为病患提供很多益处，例如减小身体外伤、更快恢复及更短的住院时间。da Vinci手术系统的一个部件是外科医生用于操纵手术器械(称为从属手术器械)的主导工具操纵器。

主导工具操纵器的主导把手经特别设计用于人机(ergonomic)和直观双重控制从属手术器械。外科医生使用他/她的食指和大拇指以特殊方式握住主导把手，以便瞄准和抓取动作包含直观指向和捏取动作。

为了能够直观控制从属手术器械，在立体观察仪的视见参考系(view reference frame)中主导把手必须在取向上与从属手术器械尖端对齐。从属手术器械尖端的动作通过遥控操作来跟随主导件的动作并且两者在动作方向和绝对取向上均是一致的。若未实现取向对齐，则从属手术器械尖端会仍然沿理想方向旋转，但是从属手术器械尖端既不指向外科医生指出的相同的绝对方向，也不沿着外科医生指出的相同轴线滚动。

主导工具操纵器使用在万向节组件(gimbal assembly)中的马达，来在观察坐标系中主动对齐主导把手的取向轴线和相关从属手术器械尖端。在外科医生进行遥控手术之前自动进行该对齐。此外，在摄像机或器械外部轴线(instrument outer axes)的操纵期间系统自动保留该对齐。

具体地，当开始da Vinci手术系统的跟随操作时，在da Vinci手术系统恰当地进行跟随操作之前，主导把手必须与从属手术器械尖端的取向对齐。只要系统从已危及了取向对齐的模式转变(在工具改变、摄像机啮合(clutch)、从属件啮合、在第四臂系统中的臂交换等之后)，则本系统就执行主导件对齐。

主导件对齐计算在不改变主导把手位置的情况下导致主导把手的取向匹配从属手术器械尖端取向的一组主导腕部接头角。然后使用马达来命令主导腕部接头匹配计算的角。

da Vinci手术系统在允许用户进行跟随操作之前检查主导件取向和从属件取向的匹配。若取向不匹配(可能因为用户过驱了主导件且不允许主导件实现对齐)，则显示警告消息且再次尝试主导件对齐。这经常减缓外科医生进入跟随操作并且需要在万向节组件中带有马达的机动主导工具操作器来将主导腕部接头移动至适当取向。

发明内容

微创手术系统包括具有从属手术器械尖端的从属手术器械和主导把手。主导把手通过遥控伺服控制系统耦合至从属手术器械尖端。在一方面，随着移动主导把手，遥控伺服控制系统内的渐进系统无缝地且连续地改进主导把手在公共参考坐标系中相对于从属手术器械尖端的对齐性/定位(alignment)。

渐进系统导致在主导把手和从属手术器械尖端之间的直观对齐。同样地，渐进系统提供了在外科医生正在进行的事情即操作主导把手和外科医生在外科医生的控制台上所看到的事物即显示器中从属手术器械尖端的移动之间的直接关联。这可以在不存在与进入跟随操作之前的常规机动对齐有关的延迟的情况下被实现。同样地，在一方面，渐进系统消除了对机动主导把手的需求且允许使用低花费并容易获得的部件作为主导把手。

在一方面，在公共坐标参考系中从属手术器械尖端和主导把手具有Cartesian位置分量和取向分量。渐进系统能够针对所有分量、分量子集(例如取向分量或Cartesian分量)或对于特定分量集合以分量形式实现对齐。

在遥控伺服控制系统内的渐进系统(i)耦合到主导把手从而接收在公共坐标系内主导把手的对齐性，以及(ii)耦合到从属手术器械。随着主导把手运动，渐进系统通过连续减小在公共坐标系中的对齐误差来控制从属件的动作。这可以在不存在从属手术器械尖端的自主动作且不存在主导把手的自主动作的情况下被完成。

在一方面，在公共坐标系中的对齐误差是取向误差。取向误差包含角。在一方面，这个角是角θ_e，被定义为：

θ_e＝cos^-1[0.5*(R_Δ11+R_Δ22+R_Δ33-1)]，

其中，R_Δ11、R_Δ22、R_Δ33是相对旋转矩阵R_Δ的对角元素。在另一方面，该角度是在一组Euler角中的一个Euler角。