用于玻璃体视网膜手术的直驱式机器人的制作方法

用于玻璃体视网膜手术的直驱式机器人
1.优先权声明
2.本技术要求于2021年2月5日提交的、发明人为steven t.charles、名称为“direct drive robot for vitreoretinal surgery[用于玻璃体视网膜手术的直驱式机器人]”的美国临时专利申请序列号63/146,137的优先权权益，特此将其全部内容通过援引并入本文，如同在本文中完全和完整地阐述一样。
技术领域
[0003]
本披露的实施例总体上涉及用于手术例程的机器人操纵系统，并且更具体地涉及用于眼科显微手术例程的直驱式机器人操纵系统。


背景技术：

[0004]
视网膜显微手术、尤其玻璃体视网膜手术是最具挑战性的眼科手术例程之一。顾名思义，玻璃体视网膜眼睛手术是在相对较小的眼空间内在凝胶状玻璃体中和光敏视网膜表面上进行的。除了比如用于基因疗法的显微注射例程和用于基于细胞的疗法的支架置入术等各种治疗之外，需要进行玻璃体视网膜手术的常见病症包括黄斑前膜、玻璃体黄斑劈裂、玻璃体黄斑牵拉综合征、糖尿病牵拉性视网膜脱离、增生性玻璃体视网膜病变(pvr)、视网膜脱离和黄斑裂孔。
[0005]
在玻璃体视网膜手术期间，外科医生必须进行精确的微米级操纵，同时对视网膜组织施加超出人类自然感知水平的微小力。因此，玻璃体视网膜手术的实施本质上受以下限制：人类感觉和运动限制、外科医生的疲劳和手震颤、器械不精确、特征大小细微、眼空间内有限的操纵空间、以及对眼睛内部的可视化偶尔较差。除了上述限制之外，患者眼睛和/或头部的不自觉运动也可能导致严重的并发症。上述因素可能导致各种各样的手术并发症，包括视网膜破裂、视网膜脱离、出血、视网膜血管损伤以及导致白内障的晶状体损伤，其中的许多都可能发展为潜在不可逆的损伤和视力障碍。
[0006]
最近，已经开发出机器人辅助手术装置来协助外科医生进行微创眼科手术，包括玻璃体视网膜手术。然而，这些机器人装置仍然存在一些缺点，包括手术期间患者眼球运动引起并发症的高风险。为了最大限度地降低这种风险，已经建议这些机器人装置使用数字眼动追踪。然而，当前的眼动追踪技术还不够先进，无法检测和纠正突然的头部和眼球运动，这可能是由睡眠呼吸暂停或从镇静中醒来时的惊吓反应引起的。
[0007]
此外，大多数当前的机器人眼科手术系统在保持高移动自由度的同时不提供力控制(例如缩放、限制、滤波)或力反馈(例如触觉反馈)，而是通常仅提供某种形式的缩放，从而无法有效解决外科医生的感觉限制和运动限制。与当前机器人辅助手术装置和系统相关的额外的限制包括有限的灵活性和串行运动学。当前机器人系统的特征为4个自由度(4-dof)，这不足以解决患者头部和/或眼球移动或让眼球旋转以将角膜或晶状体混浊周围的情况可视化，也不足以在眼科例程期间将周边视网膜可视化。另外，串行机器人(比如关节型机械臂)的缺点为累积的接头误差、运动学奇点、精度降低和速度降低。因此，当前的机器
人辅助手术装置和系统缺乏灵巧性来精确且有效地执行在玻璃体视网膜手术期间定期进行的微米级操纵以及对患者突然的头部和眼球运动做出反应。
[0008]
因此，本领域需要对眼科显微手术例程具有改进的灵巧性和准确性的机器人手术系统。


技术实现要素：

[0009]
本披露涉及用于手术例程的机器人操纵系统，并且更具体地涉及用于眼科显微手术例程的高灵巧性直驱式机器人系统。
[0010]
在某些实施例中，提供了一种手术系统，该手术系统包括主设备和从属设备，该从属设备可控地联接至主设备并且进一步被配置为安装至患者头部。该从属设备包括联接至第一组和第二组各三个线性致动连杆的支撑框架，其中一组中的每个连杆与相邻连杆间隔开小于或等于约120度的角度。该从属设备进一步包括由每个连杆枢转地支撑的手术工具，这些连杆被配置用于对手术工具提供平移和旋转移动。该手术系统还包括联接至第一组和第二组中的每个连杆的一个或多个直驱式致动器，以向连杆提供线性移动。
附图说明
[0011]
为了能够详细理解本披露内容的上述特征，可以参考实施例来对上文简要概括的本披露内容进行更具体描述，其中一些实施例在附图中展示。然而，要注意，附图仅展示了示例性实施例，因此不应被视为限制其范围，并且可以允许其他同等有效的实施例。
[0012]
图1展示了根据本披露的某些实施例的示例性机器人手术系统的示意图。
[0013]
图2a示出了根据本披露的某些实施例的图1的机器人手术系统的从属设备的示例性立体图。
[0014]
图2b示出了根据本披露的某些实施例的图2a的从属设备的示例性俯视示意图。
[0015]
图2c示出了根据本披露的某些实施例的图2a的从属设备的示例性俯视示意图。
[0016]
图3示出了根据本披露的某些实施例的被配置为与图1的机器人手术系统一起使用的另一示例性从属设备的立体图。
[0017]
图4示出了根据本披露的某些实施例的被配置为与图1的机器人手术系统一起使用的另一示例性从属设备的立体图。
[0018]
图5a示出了根据本披露的某些实施例的安装至患者头部的示例性从属设备的立体图。
[0019]
图5b示出了根据本披露的某些实施例的安装至患者头部的示例性从属设备的立体图。
[0020]
图6示出了根据本披露的某些实施例的图1的机器人手术系统的框图。
[0021]
为了便于理解，在可能的情况下已使用相同的附图标记来指代附图所共有的相同元件。可以设想到，一个实施例的元件和特征可以有益地结合在其他实施例中，而无需进一步叙述。
具体实施方式
[0022]
在以下描述中，通过举例的方式来阐述细节以便于理解所披露的主题。然而，对于
本领域普通技术人员而言清楚的是，所披露的实施方式是示例性的并且不是对所有可能的实施方式的穷举。因此，应理解的是，提及所描述的示例并不旨在限制本披露内容的范围。本披露内容所涉及的技术领域内的技术人员通常完全能够设想到对所描述的装置、器械、方法的任何改变和进一步修改、以及本披露内容的原理的任何进一步应用。具体而言，完全会设想到，针对一种实施方式描述的特征、部件和/或步骤可以与针对本披露内容的其他实施方式描述的特征、部件和/或步骤相组合。
[0023]
应注意，如本文中所述，部件的远端或远侧部分是指在其使用期间更靠近患者身体的那端或那个部分。另一方面，部件的近端或近侧部分是指距患者身体较远的那端或那个部分。
[0024]
如本文中所使用的，术语“约”可以指从标称值有+/-10％的变化。应理解的是，在本文提供的任何值中都可以包含这样的变化。
[0025]
本披露的实施例总体上涉及用于手术例程的机器人手术系统，并且更具体地涉及用于眼科显微手术例程的高灵巧性直驱式机器人系统。在某些实施例中，一种机器人手术系统包括可控地联接至从属设备的主设备。该从属设备安装至患者头部并且包括双三脚架结构，该双三脚架结构具有枢转地支撑手术工具的两组线性致动器连杆。这些致动器连杆的运动由直驱式致动器控制，以便为该手术工具提供至少6-dof。具有scara(选择性顺应式关节型机械臂)机构和四杆式平行四边形机构的被动铰接臂附接至该从属设备，并且在安装在患者身上时平衡该从属设备的重量。该手术系统还包括通信地联接至该从属设备和主设备的传感器，以使得能够实现力反馈和力控制。相应地，该机器人手术系统增强了操作者的灵巧性并且使得能够比用手更容易地进行医疗例程。
[0026]
图1展示了根据本文描述的某些实施例的示例性机器人手术系统100的示意图。机器人手术系统100采用包括主设备110和从属设备120的主从型机器人系统。主设备110可以是具有操作者接口的任何适合类型的主装置，其特征为六个自由度(6-dof)或七个自由度(7-dof)。在某些实施例中，主设备110包括具有低惯性和摩擦力的6-dof或7-dof触觉接口。具有触觉接口的适合的主装置的一个这样的示例是可从mpb技术公司获得的freedom6s触觉装置。
[0027]
在某些实施例中，主设备110包括被建模为匹配(例如，类似于)从属设备120的触觉接口。例如，主设备110可以具有与从属设备120的结构基本相似的结构，这将在下面更详细地描述。当操作者106操作主设备110时，主设备110生成多个信号(在此统称为“控制信号”)，这些信号在主设备110、编程计算机130和从属设备120之间传输。接收到控制信号后，从属设备120控制与之直接或间接地联接的手术工具140的操纵和/或操作以进行眼科手术例程。
[0028]
从属设备120并且因此手术工具140被放置在患者102的眼睛108上方，在图1中，患者被示为躺在手术台104上的手术位置。从属设备120由从属设备支撑系统180至少部分地支撑在患者眼睛108上方，该从属设备支撑系统包括被配置为安装至(例如，搁置在)患者头部的前额支撑件150。通过将从属设备120安装至患者头部，可以极大地减少或消除与手术例程期间不受控的患者头部移动相关的风险。前额支撑件150进一步联接至铰接臂160，该铰接臂采用由空气弹簧或恒力弹簧平衡的被动四杆式平行四边形机构，以减轻由从属设备120和前额支撑件150的重量造成的对患者头部的压力。铰接臂160可以由基部170(比如支
撑支柱)支撑，或者可以从另一手术装置或手术室的天花板延伸。下面参考图2a至图5b提供了关于从属设备120、前额支撑件150、以及铰接臂160的进一步细节。
[0029]
手术工具140包括适用于眼科手术例程、比如玻璃体视网膜手术例程的任何手术装置或设备。例如，手术工具140可以是镊子、剃刀、剪刀、切割器、或其他非致动装置。在某些实施例中，手术工具140被配置用于进行手术操纵，比如膜剥离、分割、视网膜前膜分层、视网膜切口、视网膜下注射等。在某些实施例中，手术工具140包括末端执行器，该末端执行器具有一个或多个致动器，用于能够直接操纵稳固至其的末端执行器。
[0030]
在某些实施例中，手术工具140包括末端执行器，该末端执行器具有并入其中的6-dof力/转矩传感器(即，换能器)以有助于机器人手术系统100的力反馈和力控制。在还又另外的实施例中，手术工具140是被配置用于将另一装置或工具稳至从属设备120的装置保持器或套筒、并且包括与之通信的射频识别(rfid)或快速响应(qr)条形码传感器，以向计算机130传达工具重量(有助于失重工具)、力臂(有助于随着手术工具140的取向在空间中改变而进行重心补偿)以及工具长度和偏离(有助于一致的主从姿势关系)。一般而言，可以将工具致动气动或液压连接、光纤连接、抽吸和/或注射连接以及不间断电源连接并入手术工具140中或经由服务回路绕过手术工具140。
[0031]
图2a展示了根据某些实施例的机器人手术系统100的从属设备120的立体图。从属设备120被配置为安装在患者眼睛108上方并且操纵和/或操作与之直接或间接附接的手术工具140。在图2a的实施例中，手术工具140联接到工具轴218的远端，在某些实施例中，工具轴是装置保持器或套筒。
[0032]
如所描绘的，工具轴218可移动地联接到两组202a、202b各三个径向延伸且线性致动的致动器连杆203，这些致动器连杆用作从属设备120的传动系。致动器连杆203的致动实现了对工具轴218并且因此对手术工具140的操纵、并且由从主设备接收到的控制信号来确定。这两组致动器连杆203包括具有并行运动学的第一近侧组202a和第二远侧组202b，因此使得这两个组202a、202b能够响应于来自主设备110的控制信号而共同地(即，同步地)线性移动以操纵工具轴218并且因此操纵手术工具140。与装备有串行运动学的单一铰接臂相比，对这两组202a、202b致动器连杆203利用并行且闭环运动链能够减少结构重量并提高精度、稳定性、连杆刚度和加速度。从属设备120的并行运动学设计进一步使得能够差动地驱动这两组202a、202b致动器连杆203，从而提供对工具轴218和手术工具140的更大可操纵性，同时有助于并行连杆结构中接头误差的平均化。
[0033]
每组202a、202b致动器连杆203可以通过联接环204在致动器连杆203的远端212处联接至工具轴218，使得每组202a、202b致动器连杆203在单一平面x1或x2内附接至工具轴218。平面x1和x2分别位于工具轴218的近端224和远端226处。相应地，图2a的实施例可以被描述为双并行三脚架从属设备120，其具有两组202a、202b各三个致动器连杆203(例如，“三加三”)，这些致动器连杆在两个不同的水平面内从工具轴218径向地向外延伸，从而形成两个致动器连杆203三脚架。致动器连杆203可以与同一组202的相邻致动器连杆203相对于工具轴218径向地间隔开约120
°
的角度。
[0034]
应注意，虽然在图2a中的每组202a、202b中描绘了三个致动器连杆203，但是进一步设想的是，一组可以包括其他数量的致动器连杆203。例如，这些组202a、202b中的一组或每一组可以包括四个或更多个致动器连杆203。在一组包括多于三个致动器连杆203的示例
中，每个致动器连杆203之间的径向间距可以小于约120
°
。此外，虽然致动器连杆203在上面被描述为联接至联接环204，但是致动器连杆203可以经由球形接头直接联接至工具轴218或手术工具140，而无需利用联接环。
[0035]
在某些实施例中，致动器连杆203的近端214附接至支撑框架206，该支撑框架设置在工具轴218和/或手术工具140的径向外侧。近端214在以下附接点处联接至支撑框架：所述附接点位于与远端212同联接环204或工具轴218和/或手术工具140的附接点不同的水平面内。相应地，致动器连杆203可以被描述为竖直地成角度(例如，不与水平面x1和x2或从属设备120的竖直轴线y平行)。支撑框架206可以包括任何适合的结构来支撑用于从属设备120的一定数量的致动器连杆203。在图2a的实施例中，支撑框架206包括两个环状基部208和在其间延伸的三个支撑柱209，这些支撑柱可以平行于从属设备120的竖直轴线y。应注意，虽然描述了两个基部208和三个支撑柱209，但是从属设备120可以包括更多或更少的具有任何期望形态的基部和柱。支撑柱209和/或基部208用作致动器连杆203的锚定点，致动器连杆可以通过能够实现至少3-dof旋转移动的任何适合类型的球形接头215联接至支撑柱209和/或基部208。例如，球形接头215可以具有类似于人类髋关节的球窝设计，从而允许致动器连杆203在两个平面内自由旋转，同时还防止朝任何方向平移。在另一示例中，球形接头215是万向节型球形接头。
[0036]
类似地，致动器连杆203的远端212也可以通过球形接头216联接至联接环204、工具轴218或手术工具140。在致动器连杆203的相反两端处利用两个球形接头215、216使得手术工具140能够在总共三个平面内移动。因此，致动器连杆203可以为手术工具140提供x、y和z过渡移动以及俯仰和偏摆旋转移动，使得手术工具140能够实现多达6-dof的活动性(并且在与联接至手术工具140的旋转致动器一起使用时实现多达7-dof的活动性，如下所述)。
[0037]
在一些实施例中，从属设备120进一步包括旋转致动器以提供工具轴218和/或手术工具140的360
°
旋转移动，从而实现手术工具140的冗余7-dof工具滚动。在某些实施例中，旋转致动器联接至一个或多个联接环204或工具轴218中的一者或设置在其内，并且因此可以直接旋转手术工具140。在其他实施例中，旋转致动器联接至环状基部208，使得支撑柱209并且最终使得手术工具140能够旋转。旋转致动器可以包括任何适合类型的旋转机构，包括零齿隙活塞驱动齿条和小齿轮、单或双旋转叶片致动器等。在一些实施例中，从属设备120还可选地包括联接至联接环204和/或工具轴218或设置在其内的转矩换能器或转矩传感器，以获得转矩反馈。
[0038]
从属设备120的致动器连杆203利用具有换向线性马达222的直驱式系统来操纵手术工具140，该换向线性马达具有电磁制动器。与更传统的马达相比，利用换向线性马达可以消除可能引入齿隙或顺应性并降低定位准确度和可重复性的机械部件，同时还减少负载惯性并实现更动态的移动以及更少的过冲和振荡。此外，换向无槽线性马达通过实现被动反向驱动来促进平滑的力控制和高保真力反馈。
[0039]
在某些实施例中，马达222包括具有数字正弦波换向和可选地空气轴承的3相无槽无刷动磁式线性马达。例如，在某些实施例中，马达222包括无槽无刷直流(dc)(bldc)线性马达。在这样的实施例中，马达222可以利用钕铁硼(ndfeb)磁体作为永磁体。每个马达222可以与用于换向和控制的相对线性编码器(例如，光学或全息线性编码器)和/或绝对线性编码器结合使用以消除对归位的需要。与其他类型的马达(例如，带槽马达)、比如极小的齿
槽转矩(例如，转矩脉动)相比，利用无槽无刷动磁式线性马达提供了多个优点。因此，无槽无刷动磁式线性马达能够实现更准确的驱动，并且在其使用期间减少振动和噪音。此外，利用空气轴承有助于无摩擦高精度定位，以及平滑、受控的速度和高引导准确度。马达222与致动器连杆203一起形成直驱式系统，以使得机器人手术系统100能够更好地进行力控制，因为齿轮和液压驱动系统可能遭受静态和动态摩擦和/或齿隙的影响。
[0040]
应注意，在某些实施例中，无槽无刷动磁式线性马达(与从属设备120的马达基本上相似)也可以用于主设备110。此外，从属设备120的旋转致动器可以包括无槽bldc型动磁式(ndfeb)马达以驱动手术工具140的工具滚动轴线。
[0041]
如上所述，从属设备120被配置为间接地安装至患者102头部。因此，为了减缓由从属设备120、尤其驱动马达222的重量对患者头部产生的压力，从属设备120的一个或多个部件可以由轻质高模量/密度比材料形成。例如，在某些实施例中，基部208、支撑柱209、联接环204和/或工具轴218由纤维增强工程塑料、铝、凯夫拉尔纤维、碳纤维等形成，以减轻机器人手术系统100对患者头部施加的重量。除了对从属设备120利用轻质材料之外，还可以利用平衡支撑臂(比如铰接臂160)来支撑从属设备120，这将在下面更详细地描述。
[0042]
图2b展示了图2a的双三脚架从属设备120的俯视示意图。从属设备120包括两组202a、202b各三个致动器连杆203，其中每个致动器连杆203与同一组的相邻致动器连杆203径向地间隔开约120
°
的角度。此外，每个致动器连杆203与相对于其设置在上方或下方的相邻组202的致动器连杆203水平或径向地对准(例如，当处于中立位置时，沿着轴线y直接设置在上方或下方)。因此，仅一组202a致动器连杆203在图2b的前景中可见，并且仅利用了三个支撑柱209来将致动器连杆203锚固至支撑框架206。相应地，在图2a和图2b中所描绘的致动器连杆203的布置可以被描述为“对准”。
[0043]
图2c示出了双三脚架从属设备120的俯视示意图，其中致动器连杆203在相邻组202之间水平或径向地偏离(例如，沿着轴线y不对准)。如图所示，从属设备120仍然维持双三脚架结构，其具有两组202a、202b各三个致动器连杆203，这些致动器连杆以约120
°
的角度径向地间隔开。然而，与图2a和图2b的实施例不同，每个致动器连杆203与相对于其设置在上方或下方的相邻组202致动器连杆203不对准。因此，这两组202a、202b致动器连杆203在图2c中可见(一组202b以虚线描绘)，并且利用了六个支撑柱209来支撑这两组202致动器连杆203。与上述对准的结构相比，利用致动器连杆203的这种水平或径向偏离的布置可以使手术工具140实现不同程度的活动性(例如，铰接范围)，并且因此，在一些情况下可以是优选的。
[0044]
图3展示了根据某些实施例的机器人手术系统100的替代性从属设备320的立体图。如图3所描绘的，每组202a、202b之间的致动器连杆203的远端212与近端214的竖直位置的关系(例如，致动器连杆203的竖直取向或角度)被颠倒。即，在一组202a中，致动器连杆203a的远端212a在联接环204a处联接至工具轴218或手术工具140，该联接环设置在沿着工具轴218或手术工具140的长度的位置处，该位置相对于竖直轴线y位于近端214a与支撑柱209的联接点上方。相反，组202b中的致动器连杆203b的远端212b在联接环204b处联接至工具轴218或手术工具140，该联接环设置在相对于竖直轴线y位于近端214b与支撑柱209的联接点下方的位置处。此替代性实施例与参考图2a至图2c所描述的不同，其中这两组致动器连杆202a、202b具有基本上相似的竖直取向和/或角度。
[0045]
图4展示了根据某些实施例的机器人手术系统100的又一替代性从属设备420的立体图。类似于从属设备120和320，从属设备420包括两组202a、202b各三个致动器连杆203，每个致动器连杆在其远端212附近间接地联接至工具轴218或手术工具140。然而，与上述实施例不同，这两组202a、202b致动器连杆203在其近端214处进一步直接或间接地联接至单一致动平台412，使得近端214沿着单一竖直平面y1对准。致动平台412以类似于支撑柱209的方式起作用并且为致动器连杆203提供安装支撑。在某些实施例中，致动平台412包括在其背面上的旋转接头414(例如，能够实现水平和/或竖直旋转的铰链)，用于与前额支撑件150的延伸部(参考图5a和5b更详细地描述)可旋转地联接。
[0046]
在某些实施例中，每组202a、202b中的致动器连杆203的远端212经由中间平台405连接至联接环204和/或工具轴218和/或手术工具140，每组302a、302b中的远端汇聚到该中间平台。中间平台405使得能够将致动器连杆203的线性运动转换成手术工具140的对应过渡性旋转操纵。相应地，这两组202a、202b致动器连杆203可以共同地起作用来提供x、y和z过渡移动，以及俯仰和偏摆旋转移动。结合利用可以联接至联接环204和/或工具轴218的旋转致动器，致动器连杆203能够实现工具轴218和/或工具140的多达7-dof。应注意，虽然中间平台405被描绘为具有锥形形状，但是中间平台405可以具有任何适合的形态以使得致动器连杆403的线性运动能够转换成手术工具140的多达6-dof移动。
[0047]
虽然在图2a至图2c、图3和图4中所描绘的结构是参考从属设备120进行描述的，但是也可以将相同或基本上相同的结构和布置用于主设备110。例如，当利用双三脚架从属设备120时，主设备110可以模仿从属设备120并共享相同的双三脚架结构，但是按比例放大以便操作者106更容易操纵。相应地，主设备110可以包括主手术工具手柄，其复制手术工具140并联接至两组各三个径向延伸的主致动器连杆，其中每组主致动器连杆沿着单一水平面联接至主手术工具手柄以形成双三脚架结构。此外，主设备110可以包括无槽bldc型主马达，该主马达在与转矩传感器结合使用时促进转矩反馈。
[0048]
主设备110通过模仿从属设备120的机械结构，能够实现从属设备120以及因此手术工具140的完整的一般空间运动。此外，主设备110模仿从属设备120的机械结构可以提高操作者106的使用便利性，因为可以使从属设备120和主设备110的位置相同但针对结构缩放。主设备110的双三脚架结构还使得操作者106能够仅利用一只手通过机器人手术系统100来进行手术例程，并且因此，操作者106可以同时使用他或她的另一只手进行其他动作，比如定位内照明器或第二工具。在一些实施例中，可以组合地利用一对机器人手术系统100以便操作者106进行双手手术，操作者106的每只手控制单独的机器人手术系统100并因此控制单独的从属设备120。
[0049]
图5a和图5b展示了根据某些实施例的从属设备120在安装至患者102头部时的立体图。因此，为了清楚起见，图5a和5b在此一起进行描述。如图所示，从属设备120联接至从属设备支撑系统180。在某些方面，从属设备支撑系统180有助于将从属设备120支撑在患者眼睛108上方的直立且稳固(例如，固定)位置以防止患者头部与从属设备120之间的相对移动，患者眼睛通过窥器109保持张开。例如，当从属设备120附接至从属设备支撑系统180并安装在患者头部上时，从属设备120将随着患者头部移动，从而消除或至少减少对全身麻醉和神经肌肉阻滞的需要。麻醉和神经肌肉阻滞典型地用于防止患者在手术例程期间移动，这可能扰乱手术工具140的使用和/或对患者眼睛造成手术器械引起的损伤。因此，通过利
用从属设备120和从属设备支撑系统180可以极大地减少或消除与患者的无意识移动相关的风险。在某些方面，从属设备支撑系统180通过采用平衡机构进一步减少或消除了由从属设备120的重量引起的对患者头部的任何压力。相应地，患者102将感觉不到从属设备120的重量，但仍可以感觉到惯性，这将减慢并阻碍患者的移动。
[0050]
从属设备支撑系统180总体上包括前额支撑件150、铰接臂160和基部170。前额支撑件150是可消毒的或一次性的u形支撑件，该支撑件被配置为接触并搁置在患者的前额和太阳穴上。为了提高患者102的舒适度，前额支撑件150的下侧或面向患者侧包括填充有例如粘弹性材料(例如致密记忆泡沫)的表面。在某些实施例中，前额支撑件150利用宽且可调节的头带552稳固至患者头部，头带可以经由任何适合的紧固机构紧固。在某些实施例中，头带552经由钩环紧固件(例如)可调节地紧固，以实现相对于患者的自定义贴合。通过将从属设备120经由前额支撑件150附接至患者头部，实际上消除了患者头部相对于从属设备120的旋转。
[0051]
从属设备120经由可调节附接件560附接至前额支撑件150，以适应不同的患者解剖特征(例如，头部几何形状)并且使得从属设备120能够侧向地定位在期望的患者眼睛108上方。在某些实施例中，附接件560包括铰接臂、比如单一串行铰接臂或两个并行铰接臂，该铰接臂附接至前额支撑件150的中间以便于将从属设备120定位在患者的任一只眼睛上方。在图5a和图5b的实施例中，附接件560被示为具有两个并行的铰接臂554(各自具有两个联动装置)以及五个转动接头556，联动装置绕转动接头侧向地旋转。在某些实施例中，附接件560进一步包括在其远端处的远侧转动接头558，以使得从属设备120能够绕水平轴线旋转。
[0052]
为了支撑从属设备120的重量，前额支撑件150进一步联接至由基部170支撑的平衡与被动铰接臂160。在某些实施例中，铰接臂160包括：scara机构562以允许前额支撑件150和附接至其上的从属设备120进行被动的、可锁定的水平移动；以及四杆式平行四边形机构570以实现其被动的、可锁定的竖直移动。例如，如图5a和图5b所示，scara机构562由至少两个连杆564和至少三个转动接头566形成以产生平行于手术室的地板平面的被动运动，这些转动接头具有竖直轴线。四杆式平行四边形机构570由四个杆572和四个转动接头574形成以产生垂直于地板平面的被动竖直运动，这些转动接头具有水平轴线。四杆式平行四边形机构570进一步由弹簧576(比如空气弹簧、恒力弹簧等)来平衡，这使得四杆式平行四边形机构570能够被锁定。scara机构562和四杆式平行四边形机构570一起提供了可调节平衡机构，以考虑从属设备120的重量，该从属设备在手术例程期间安装至患者的头部并与患者头部一起移动，以在患者头部移动的背景下提高患者的安全性。应注意，虽然被动铰接臂160被出为在其远端处具有scara机构562并且在其近端处具有四杆式平行四边形机构570，但是被动铰接臂160可以根据需要以任何顺序或布置包括这两个机构。
[0053]
图6示出了机器人手术系统100的信号流的框图。如上所述，机器人手术系统100采用主从型系统，该主从型系统包括主设备110和从属设备120，该主设备和从属设备可以具有彼此基本上相似的架构或布置。当操作者106操作主设备110时，主设备110生成控制信号，该控制信号在主设备110、计算机130和从属设备120之间传输。接收到控制信号后，从属设备120控制手术工具140的操作。
[0054]
主设备110包括多个主编码器626和主力传感器624，这些主编码器和主力传感器与主设备通信地联接并且被配置为在使用期间向操作者106提供6-dof力和触觉反馈。在某
些实施例中，主编码器626包括旋转编码器和/或转矩传感器，该旋转编码器通信地联接至主手术工具手柄以感测角位置，该转矩传感器感测施加到其上的静态和/或动态转矩。在主设备110类似于从属设备120包括双三脚架架构的实施例中，每个主致动器连杆可以与一个或多个主编码器626和/或一个或多个主力传感器624通信。例如，每个主致动器连杆可以与一个主编码器626和一个主力传感器624相对应。然而，取决于主设备110的结构，可以利用任何适合数量的主编码器626和主力传感器624。在某些实施例中，主致动器连杆、主编码器626和主力传感器624的数量取决于从属设备120的致动器连杆203的数量。例如，主设备110可以包括至少一个主致动器连杆、主编码器626和主力传感器624/从属设备120的致动器连杆203，比如当从属设备120包括六个致动器连杆203时，主设备包括六个主致动器连杆、六个主编码器626和六个主力传感器624。在另一示例中，主设备110包括与主手术工具手柄通信的额外的第七主编码器626和第七主力传感器624。
[0055]
在某些实施例中，主编码器626包括光纤联接的正弦-余弦(即，正弦)编码器，以将主编码器的位置和方向值提供为模拟正弦波。在某些实施例中，主编码器626包括线性光学编码器，比如线性光学绝对编码器和线性光学增量编码器。在某些实施例中，主力传感器624包括应变计。
[0056]
当操作者106操纵主设备110时，其移动驱动了多个主马达672(例如，无槽bldc型马达)，使一个或多个主编码器626读取一个或多个主致动器连杆的不同位置(k
p1
)。同时，一个或多个主力传感器624在主致动器连杆向主设备110的结构施加力(k
f1
)时感测主致动器连杆的移动。主力传感器624和主编码器626用于将与k
p1
相对应的多个值(例如，信号)622和与k
f1
相对应的多个值620发送至计算机130，然后计算机读取这些值620、622并对这些值应用各种滤波616和缩放618(例如，增益、减小、补偿、调整)。此后，计算机130将包括经滤波和缩放的值620'、622'的更新后控制信号经由从属传动系控制器650发送至从属设备120。该信号指示马达222线性地致动这些致动器连杆203和/或旋转直接或间接地联接至手术工具140和/或工具轴218的旋转致动器。相应地，从属设备120被操纵进行期望的移动或到达期望的位置，以用手术工具140对患者102进行手术操纵。
[0057]
从属设备120可选地具有一组从属编码器636和从属力传感器634。例如，从属设备120包括一组六个或七个从属编码器636和六个或七个从属力传感器634，每个从属编码器636和/或从属力传感器634与单一致动器连杆203和/或手术工具140相对应。在某些实施例中，从属编码器636基本上类似于主编码器626、并且可以包括光纤联接的正弦-余弦(即，正弦)编码器和/或线性光学编码器。类似地，从属力传感器634可以基本上类似于主力传感器624并且包括应变计。在某些示例中，从属设备120包括联接至手术工具140和/或致动器连杆203的应变仪634，应变仪被配置用于感测30-320hz(赫兹)域(也称为保真度通道)处的接触力。在某些实施例中，从属设备120可选地包括转矩换能器或转矩传感器，其被配置用于感测施加至手术工具140的静态和/或动态转矩。在另外的实施例中，从属设备120包括被配置为对整个从属设备120提供6-dof力反馈的单一力感测装置。
[0058]
当从属设备120被命令操纵手术工具140时，从属编码器636读取致动器连杆203的不同位置(k
p2
)，并且从属力传感器634同时感测手术工具140上的接触力和转矩力(k
f2
)。然后，将与k
p2
相对应的多个值632和与k
f2
相对应的多个值630发送回计算机130，计算机应用滤波616和缩放618并且将包括经滤波和缩放的值620’、622’的更新后控制信号经由主传动
系控制器640传递至主设备110。一般而言，值632、630被计算机130放大以传递至主设备110，而值622、620被缩小以传递至从属设备120。在某些实施例中，值622、620和632、630根据固定缩放因子来缩放。在其他实施例中，值622、620和632、630根据动态缩放因子来缩放。
[0059]
然后，主设备110的主马达由缩放后的信号驱动，并且操作者106可以在眼科手术(例如玻璃体视网膜手术)期间感测与不同类型的表面和/或组织的接触。除了在主设备110与从属设备120之间传递信号之外，计算机130还协调主设备110和从属设备120中的每一个的致动器连杆。在计算机130中加载运动学和动力学模型以稳定系统并向联接至手术工具140的从属设备120提供经协调的6-dof或7-dof运动。在某些实施例中，机器人手术系统100针对每个机器人轴线包括一个或多个电磁制动器。例如，机器人手术系统100的制动可以部分地通过以下来控制：看门狗定时器、电源故障传感器、和/或由计算机130确定的控制信号(即，在滤波616和缩放618时所命令的位置和姿态)与编码器感测到的实际位置和姿态之间的差异。
[0060]
在从属设备120与主设备110之间传输值期间由计算机130执行的对值的滤波616和缩放618在机器人手术系统100的操作期间提供了许多益处。相应地，也可以避免可能与手动手术以及常规机器人手术系统相关的许多缺点。例如，可以通过计算机130的震颤滤波器来对缺乏经验的或经验不足的外科医生以及一些年长的外科医生所常见的无意识操作者移动或操作者震颤(即，生理性震颤)进行滤波。生理性震颤导致需要约10μm(微米)及以下的定位准确度的手术例程的不精确难以忍受。通常，生理性手部震颤位于幅度为50μm的8-15hz频段，并且可以通过正弦移动来近似，而外科医生在显微手术(例如玻璃体视网膜手术)期间的受控手部移动通常小于1hz。为了有效地对震颤进行滤波，机器人手术系统100可以利用加载到计算机130中的一种或多种自适应算法来在滤波过程中创建零相位滞后，以实时地从主输出中滤除震颤。在某些实施例中，滤波616由截止频率为5hz的零相位延迟低通滤波器(lpf)执行。例如，滤波器可以是一阶巴特沃斯lpf。
[0061]
如上所述，计算机130进一步被配置为在缩放操作618期间在主设备110与手术工具140之间进行力缩小、力限制、位置缩放和速度缩放。可以将力缩小、力限制以及位置和速度缩放一起描述为嵌入机器人手术系统100内的用户界面控制法则。如图6所展示的，机器人手术系统100可以利用闭合控制回路来控制从属设备120的力和定位。闭合控制回路可以进一步用于在其使用期间向操作者106提供触觉反馈。例如，主力传感器624可以感测操作者作用在主设备110上的力，然后该力可以被转化成提供给从属设备120的按比例缩小的控制信号。可以通过利用软件和用户界面可控缩放比例或者加载到计算机130中的固定或预定缩放比例来缩放感测到的力值。在一些示例中，计算机130可以被配置用于执行协作控制算法，以基于工具组织与操作者力之间的缩放差异来产生从属设备120的移动。
[0062]
除了力控制之外，机器人手术系统100还在手术工具140与主设备110之间提供力或触觉(例如，触感)反馈。在某些实施例中，机器人手术系统100包括与上述闭合控制回路分开的触觉反馈系统(例如，反馈回路)。在其他实施例中，触觉反馈回路与力及定位控制回路集成。一般而言，触觉反馈回路在手术工具140与主设备110之间在约30hz至高达约320hz之间的域中收集并传输触觉信息，以使得操作者106能够在手术期间区分组织的生物力学特性。
[0063]
总之，本披露的实施例包括用于提高眼科手术操作的准确度和灵巧性同时最小化
对患者的创伤的装置和系统。在手术例程期间、尤其玻璃体视网膜手术等精细且精确例程期间，患者的自愿和非自愿移动通常可能导致手术工具与眼组织之间发生不希望的和意外的接触。这种接触可能导致患者眼睛出现严重并发症，从而可能发展为潜在的不可逆转的损伤和视力障碍。本文描述的装置和系统包括以下实施例：外科医生可以将手术从属设备安装并稳固至患者头部的实施例，使得从属设备在其使用期间与患者头部一起移动。通过利用本文描述的装置和系统，可以减少或消除与患者在眼科手术例程期间的移动相关的许多风险。相应地，所描述的实施例还消除或至少减少了对提供带有神经肌肉阻滞的全身麻醉的需要，这将部分地用于防止患者移动。
[0064]
更进一步，本文描述的装置和系统可以减轻与人类感觉和运动限制有关的玻璃体视网膜手术的一些固有限制。例如，外科医生疲劳、手震颤以及无法感知眼空间组织之间微小的触觉差异是玻璃体视网膜例程的准确性和有效性的常见限制。通过提供实现力控制(例如，缩放和滤波)和反馈(例如，触感反馈)同时维持7-dof移动的机构，本文描述的装置和系统为外科医生提供了增加的灵巧性和精确度，其中外科医生与手术部位的物理连接得到改进。因此，本文描述的装置和系统可以降低手术错误的风险并减少手术时间，从而提高玻璃体视网膜例程的总体有效性。
[0065]
虽然玻璃体手术被作为可以从所描述的实施例获益的手术例程的示例进行讨论，但是本文所描述的手术装置和系统的优点也可以有益于其他手术例程。
[0066]
虽然前面针对本披露内容的实施例，但是在不脱离其基本范围的情况下可以设计本披露内容的其他和进一步的实施例，并且其范围由随后的权利要求确定。

技术特征：
1.一种用于操纵手术工具的手术系统，包括：主设备；从属设备，所述从属设备可控地联接至所述主设备并且被配置为安装至患者头部，所述从属设备包括：支撑框架；以径向方式联接至所述支撑框架的第一组三个或更多个线性致动连杆，所述第一组中的每个连杆与所述第一组中的相邻连杆径向地间隔开小于或等于约120度的角度；以径向方式联接至所述支撑框架的第二组三个或更多个线性致动连杆，所述第二组中的每个连杆与所述第二组中的相邻连杆径向地间隔开小于或等于约120度的角度；联接至所述第一组连杆和所述第二组连杆的手术工具，所述第一组连杆和所述第二组连杆为所述手术工具提供平移和旋转移动；以及联接至所述第一组连杆和所述第二组连杆中的每个连杆的一个或多个直驱式致动器，所述直驱式致动器被配置用于向每个连杆提供线性移动。2.如权利要求1所述的手术系统，进一步包括：联接至至少所述第一组连杆和所述手术工具的直驱式旋转致动器，所述旋转致动器被配置用于为所述手术工具提供工具轴线滚动。3.如权利要求1所述的手术系统，其中，所述从属设备进一步联接至从属设备支撑系统，所述从属设备支撑系统包括：u形前额垫；附接至所述前额垫的可调节头带；以及至少一个可调节臂，所述至少一个可调节臂从所述前额垫延伸并且被配置用于将所述从属设备支撑在患者的眼睛上方。4.如权利要求3所述的手术系统，其中，所述从属设备支撑系统进一步包括附接至所述前额垫的平衡铰接臂，所述平衡铰接臂包括：被动选择性顺应式关节型机械臂(scara)机构；以及由弹簧来平衡的被动四杆式平行四边形机构。5.如权利要求4所述的手术系统，其中，所述弹簧为恒力弹簧或空气弹簧。6.如权利要求1所述的手术系统，其中，当所述手术系统处于中立位置时，所述第一组中的每个连杆沿着垂直于所述从属设备的主轴线的第一平面与所述第二组中的连杆对准。7.如权利要求1所述的手术系统，其中，当所述手术系统处于中立位置时，所述第一组的连杆沿着垂直于所述从属设备的主轴线的第一平面与所述第二组的连杆偏离。8.如权利要求1所述的手术系统，其中，所述手术工具是被配置用于稳固手术装置的工具接口。9.如权利要求1所述的手术系统，其中，所述一个或多个直驱式致动器包括无槽无刷动磁式线性马达。10.如权利要求9所述的手术系统，其中，所述一个或多个直驱式致动器包括无槽、无刷、线性直流(dc)马达。11.如权利要求1所述的手术系统，其中，所述从属设备和所述主设备各自包括至少六个力传感器。
12.如权利要求11所述的手术系统，其中，所述从属设备和所述主设备形成对于由所述力传感器检测到的并且在所述从属设备与所述主设备之间传递的力信号值的闭合控制回路。13.如权利要求12所述的手术系统，进一步包括计算机，所述计算机被配置用于限制和缩放在所述主设备与所述从属设备之间传递的力信号值。14.如权利要求1所述的手术系统，其中，所述从属设备或所述主设备包括六个正弦-余弦编码器。15.如权利要求14所述的手术系统，进一步包括计算机，所述计算机被配置用于缩放由所述编码器收集的并且在所述主设备与所述从属设备之间传递的位置信号值。

技术总结
本披露涉及用于眼科显微手术例程的高灵巧性机器人操纵系统。在某些实施例中，一种机器人手术系统包括可控地联接至从属设备的主设备。该从属设备安装至患者头部并且包括双三脚架结构，该双三脚架结构具有枢转地支撑手术工具的两组线性致动器连杆。这些致动器连杆的运动由直驱式致动器控制，以便为该手术工具提供至少6-DOF。具有SCARA机构和四杆式平行四边形机构的被动铰接臂附接至该从属设备，并且在安装在患者身上时平衡该从属设备的重量。该手术系统还包括通信地联接至该从属设备和主设备的传感器，以使得能够实现力反馈和力控制。相应地，该机器人手术系统增强了操作者的灵巧性并且使得能够比用手更容易地进行医疗例程。性并且使得能够比用手更容易地进行医疗例程。性并且使得能够比用手更容易地进行医疗例程。


技术研发人员：S
受保护的技术使用者：爱尔康公司
技术研发日：2022.02.01
技术公布日：2023/10/15