[发明专利]使用虚拟边界避免碰撞的系统和方法

说明书

一种碰撞避免的系统和方法包含确定第一可重定位臂的第一接头的第一位置和第二可重定位臂的第二接头的第二位置。第一可重定位臂和第二可重定位臂的远侧端经配置为分别支撑第一器械和第二器械。系统和方法进一步包含确定围绕第一可重定位臂和第二可重定位臂的第一虚拟边界和第二虚拟边界，确定在第一虚拟边界和第二虚拟边界之间的重叠，确定由于重叠导致的在第一可重定位臂上的重叠力，将重叠力映射到在接近于重叠的第一接头上的虚拟扭矩，确定在第一器械的远侧端上的尖端力，并将尖端力作为反馈施加在第一器械上。

相关申请

此专利申请要求于2016年2月26日提交的名称为“SYSTEM AND METHOD FORCOLLISION AVOIDANCE USING VIRTUAL BOUNDARIES”的美国临时专利申请62/300,706的申请日的优先权和权益，所述美国临时专利申请通过引用以其整体被并入本文。

技术领域

本发明通常涉及远程操作具有可重定位臂的装置，且更具体地涉及使用虚拟边界避免碰撞。

背景技术

越来越多的器械正被自主装置和半自主装置替代。在现今的医院中尤为如此，其中大量的自主医疗装置和半自主医疗装置在手术室、介入室、重症监护病房、急诊室等等中被找到。例如，玻璃和水银温度计正被电子温度计替代，静脉滴注管线现今包含电子监视器和流量调节器，且传统的手持式手术器械正被计算机辅助的医疗装置替代。

这些医疗装置对操作所述医疗装置的人员提供优点和挑战两者。这些医疗装置中的许多医疗装置可以能够自主运动或半自主运动一个或多个可重定位臂和/或末端执行器。也通常通过使用操作人员工作站上的一个或多个输入控制经由远程操作来操作医疗装置以控制可重定位臂和/或末端执行器的运动和/或操作。此类装置的示例包含由加利福尼亚州森尼维耳市的直觉外科公司(Intuitive Surgical,Inc.)销售的da 外科手术系统。当从操作人员工作站远程地操作医疗装置和/或末端执行器正被用于操作人员不直接可见的区域中时，诸如在末端执行器被患者解剖结构、手术帘等等隐藏时的计算机辅助的外科手术期间，它可以使操作人员检测和/或避免在一个或多个可重定位臂之间的碰撞的能力复杂化，该碰撞可能导致对医疗装置的损害、对患者或其它人员的伤害，和/或无菌区中的故障。

在可重定位装置(诸如医疗装置的可重定位臂)之间的碰撞避免通常在运动规划背景中解决。在此背景中，确定可重定位臂中的每个的运动规划，并评估可重定位臂的未来运动以确定可重定位臂之间的碰撞是否将发生，其中发生对运动规划的适当校正以避免碰撞。此方法通常远离经由远程操作来控制可重定位臂的理想，这是因为可重定位臂的控制由操作人员实时指导(即，操作人员不能够察觉到在进行输入与所产生移动之间的延迟)，使得可重定位臂的运动规划为未知的且不能用作碰撞避免确定的基础。作为碰撞避免的替代方案，可以使用碰撞检测方法，该碰撞检测方法在可重定位臂之间发生碰撞时将反馈提供到操作人员。但是，碰撞检测方法具有缺点。实际碰撞通常导致操作人员的糟糕的用户体验。并且，最低限度地，在臂之间的碰撞检测通常太晚检测到碰撞以至于无法避免对无菌区的损害，这是因为覆盖臂的无菌帘通常在可重定位臂碰撞之前彼此接触，且陷入在两个碰撞臂之间的帘子可能被撕裂。一些混合碰撞避免-碰撞检测系统通过建模大体积来操作，该大体积通常具有平面表面且其形状通常为凸形的，且外接可重定位臂的连杆和接头。在一些情况下，可重定位臂的连杆和接头被划分成区段，其中每个区段具有其自身的三维外接图元，例如球体、圆柱体或箱体，其中总外接体积通过采用外接图元的联合来构造。当操作可重定位臂时，将碰撞检测应用到外接体积，使得在实际碰撞发生之前检测到在外接体积之间的“碰撞”并对碰撞做出反应。其它方法包含为可重定位臂中的每个提供分离的非相交工作空间，该非相交工作空间消除对附加的碰撞检测或避免的需要。然而，这些混合方法在预测碰撞时通常太过保守，这是因为外接体积对于外接的连杆和接头而言通常过大，且这些过大的外接体积以及分离的工作空间通常妨碍以比外接体积更小的分离距离来操作可重定位臂的能力。

因此，可期望避免在计算机辅助的医疗装置的可重定位臂之间的碰撞的改进的方法和系统。

发明内容