用于外科手术系统的控制的系统的制作方法

本文描述的实施例涉及外科手术系统，并且更具体地涉及远程操作的外科手术系统。更具体地，本文所述的实施例涉及用于控制外科手术系统的系统和方法，所述外科手术系统包括可以提供给系统操作者的力反馈。

背景技术：

1、已知的微创外科手术(mis)技术采用可以手动控制或经由手持或机械接地的远程操作的医疗系统(“远程外科手术系统”)控制的器械来操纵组织，该医疗系统至少部分在计算机辅助下操作。许多已知的mis器械包括治疗或诊断性末端执行器(例如，镊子，切割工具或烧灼工具)，该末端执行器安装在轴的远端处的可选腕机构上。在mis程序中，通常将末端执行器、腕机构和轴的远端插入患者的小切口或自然孔口中，以将末端执行器放置在患者体内的工作部位处。可选的腕机构可以用于改变末端执行器相对于轴的方位和取向，以在工作部位处执行期望的程序。在已知的器械中，器械作为整体的运动为末端执行器的移动提供机械自由度(dof)，并且腕机构通常为末端执行器相对于器械的轴的移动提供期望的dof。例如，对于镊子或其他抓取(grasp)工具，已知的腕机构能够相对于轴改变末端执行器的俯仰和偏转。腕可以可选地为末端执行器提供滚转自由度，或者可以通过滚动轴来实现滚转自由度。末端执行器可以可选地具有额外的机械自由度，诸如夹持(grip)或刀片运动。在一些实例中，腕和末端执行器机械自由度可以结合。例如，美国专利号5,792,135(1997年5月16日提交)公开了一种机构，在该机构中腕和末端执行器夹持自由度结合在一起。

2、力感测外科手术器械是已知的，并且与相关联的远程外科手术系统一起可以在mis程序期间向执行该程序的外科医生传递触觉反馈。触觉反馈可以增加程序的沉浸感、真实感和直观性。为了有效的触觉呈现和准确性，力传感器可以被放置在医疗器械上，并尽可能靠近解剖组织的相互作用。一种方法是在医疗器械轴的远端包括具有电应变传感器(例如应变计)的力传感器单元，以测量给予医疗器械的应变。测量的应变可以用于确定给予医疗器械的力，并作为可产生期望触觉反馈的输入。

3、图1a示出了已知的力传感器单元的一个示例，该力传感器单元包括附接在器械远侧尖端部件510(例如，在一些用例中，u形夹或其他腕或末端执行器部件)与器械轴410之间的悬臂梁(cantilever beam)810，该器械轴410延伸回机械结构。如图所示，应变传感器830被耦连到所述梁以测量x方向和y方向(相互正交并与所述梁和器械轴的纵向轴线正交的任意笛卡尔方向)上的应变。例如，应变传感器可以包括全惠斯通电桥(全电桥)。在一些用例中，应变传感器分为两组，一组位于梁的远端，另一组位于梁的近端，以抑制共模。因为梁被固定到器械轴的远侧部分，所以应变传感器感测梁上与轴的纵向轴线正交的应变。正交于梁施加的力f(图1b)(即，x或y力)是通过减去由梁侧面的近端和远端部分处的全桥确定的应变测量值来确定的。

4、然而，在采用医疗器械期间，可能会遇到某些操作状况，在这些状况下，力传感器单元的输出可能不能准确地反映给予医疗器械的力。操作状况可以例如对应于医疗器械的定位、由医疗器械执行的操作和/或故障状况。可能遇到的不精确性可能限制远程外科手术系统向执行程序的外科医生传递精确触觉反馈的能力。

5、例如，在某些位置，由应变传感器指示的应变可以小于将响应于施加到远侧尖端部件510的力f而给予医疗器械的预期应变。更具体地，一些已知的力感测医疗器械可以包括至少部分地外接梁810的基本上刚性的结构901或与之一起使用。例如，一些已知的力感测医疗器械可以包括保护罩，该保护罩在使用期间覆盖应变传感器830及其相关联的导线。此外，一些已知的力感测器械可以包括用于促进将力感测器械传递到外科手术部位的套管。换句话说，结构901可以是不偏转到与梁810相同程度的结构。为了确保梁810保持悬臂式以用于准确的力感测，结构901(例如，保护罩和/或套管)可以不直接地耦连到远侧尖端部件510。相反，结构901可以与远侧尖端部件分离，以允许梁在施加力f时偏转(参见图1b)。然而，在某些情形中，结构901的远端可以接触梁(或外接梁的医疗器械的一部分)或远侧尖端部件，从而限制梁的弯曲。图1b示出了一个示例，在该示例中，梁810在x方向上移位，使得其接触结构901的远端(例如，护罩)的一侧，这限制或防止梁810在x方向上进一步弯曲一个量，该量取决于例如结构901的刚性程度以及结构901和梁810之间的相对刚度。

6、尽管限制梁的移位可以有利地防止梁810和/或应变传感器830的过载，但我们已经发现，在单个点处接合梁的这种已知系统可以引起应变分布在梁810的长度上的变化。换句话说，梁810不再起悬臂梁的作用。结果，应变传感器830产生的信号不能准确地表示施加到远侧尖端部件的力f。具体地，我们已经发现，在某些情形中，结构901的远端(例如，保护罩和/或套管)与梁810(或远侧尖端部件510)之间的接触可能引起应变传感器830产生的信号的失真。在某些情形中，变形会引起应变传感器830感测到的力与实际施加到远侧尖端部件510的力f的方向相反(这种现象可以称为“力反转”)。

7、图2a和图2b示出了图1a和图1b的示例已知力感测医疗器械的自由体图，以进一步示出力失真的该示例。如图2a所示，护罩和梁之间的接触可以被建模为单点接触(在gnd 2处)。在图2a中，距离l表示从梁810的基部(点gnd 1)到护罩901接触梁810的点(点gnd 2)的距离。距离d表示护罩901与梁810接触的点(点gnd 2)与力f被施加到远侧尖端部件510或由远侧尖端部件510施加力f的点之间的距离。图2b是梁的自由体图，示出了由于在点gnd 2处的接触而在这种情况下梁的放大偏转。如图所示，我们已经发现沿着梁的顶表面的应变分布从压缩区域转变为拉伸区域，这导致来自应变传感器830的信号不准确地表示所施加的力f。图2c示出了梁在点gnd 2处被“切割”时的建模力，以用于分析梁的力和弯区力矩。图2c示出了由单点接触产生的反作用力fr、有效力fe和由耦连到轴的悬臂所产生的有效力矩me。通过对接触点(gnd 2处)处的梁进行建模，可以将附加偏转(即，超过该接触点)视为零。使用静态和挠度方程表明，在整个梁长度上存在两种不同的应变分布。梁长度l在0和l之间时，梁顶侧的应变分布(ε)由方程(1)给出，其中e是梁的弹性模量，并且i是梁的x-y横截面的惯性矩：

8、方程(1)梁长度l在l和l+d之间时，梁顶侧的应变分布(ε)由方程(2)给出：

9、方程(2)

10、因此，在沿着梁810的某些位置处，应变传感器830产生与fe而不是实际力f相关联的信号。因为fe在与实际力f相反的方向上作用，这是由于fr大于f，所以结果是测得力的失真(甚至力方向的反转)。图3a是示出对于梁810在单个接触点(gnd 2)处接触结构901的情况，基于方程(1)和方程(2)的沿着梁810的长度沿着梁的顶部的应变的曲线图。为了进一步说明力失真，图3b是示出测得的力(基于应变信号)作为施加的实际力的函数的曲线图。如图所示，当梁810不与护罩和/或套管(例如，基本上刚性的结构901)接触时，例如，当施加的实际力没有引起梁810的足够弯曲以致使梁810的移位受到套管901的影响时，测得的力和实际力之间的关系是线性的，这允许精确的校准(即基于线的斜率)。然而，在梁810与护罩/套管接触的情况下(如图1b所示)，测得的力随着实际力的增加而减小。

11、当测得的力被用于为(例如，在主控制器处)操作包括梁的器械的人产生触觉反馈时，该测得的力失真/力反转问题可能导致不期望的正反馈回路，这可能导致主控制器处的不期望或不理想的移动。这一发现在题为“hard stop that produces a reactive momentupon engagement for cantilever-based force sensing(用于基于悬臂的力感测的接合时产生反作用力矩的硬止挡)”的美国专利申请第us 63/026,320号(2020年5月18日提交)中得到了更全面的描述，该专利申请出于所有目的通过引用整体并入本文。

12、鉴于上述情况，本领域不断寻求用于外科手术系统的控制的新的和改进的系统和方法。

技术实现思路

1、该技术实现要素：介绍了本文描述的实施例的某些方面以提供基本的理解。该发明内容不是本发明主题的广泛概述，并且不旨在标识关键或重要元素或描绘本发明主题的范围。

2、在一个方面中，本公开涉及一种用于外科手术系统的控制的方法。所述外科手术系统可以包括控制器、输入装置和医疗器械，该医疗器械经由控制器可操作地耦连以由输入装置控制。该方法可以包括，经由控制器，参考所限定的器械的受限操作状况来检测器械的当前操作状况。控制器还可以基于器械的当前操作状况来确定力反馈系数。此外，控制器可以基于标称触觉反馈和力反馈系数来确定受限触觉反馈。在器械的当前操作状况处于器械的受限操作状况之外的第一状况期间，控制器可以向输入装置提供标称触觉反馈。此外，在器械的当前操作状况从处于器械的受限操作状况之外变为处于器械的受限操作状况之内的第一事件中，控制器可以向外科手术系统的操作者提供受限触觉反馈被提供给或可用于被提供给输入装置的指示。

3、在一个实施例中，在器械的当前操作状况处于器械的受限操作状况之内的第二状况期间，该方法可以包括经由控制器向输入装置提供受限触觉反馈。

4、在一个附加的实施例中，在当前操作状况处于受限操作状况之内的第二状况期间，以及在控制器处接收到操作者认可受限反馈的指示的输入的第二事件中，该方法可以包括经由控制器向输入装置提供受限触觉反馈。

5、在进一步的实施例中，受限操作状况可以是器械的操作范围的一部分，其中控制器对作用在器械上的力的确定偏离了作用在器械上的实际力。同样地，在一个实施例中，检测器械的当前操作状况包括经由控制器确定器械的一部分与外科手术系统的套管上的限定的参考位置之间的距离。

6、在又一个实施例中，确定力反馈系数可以包括经由控制器基于增益函数来限定力反馈系数。此外，在一个实施例中，控制器可以基于器械的一部分的加速度、外科手术系统产生的功率或力的变化方向中的至少一个来确定增益函数。

7、在一个实施例中，提供受限触觉反馈被提供或可用的指示可以包括经由控制器生成受限触觉反馈与标称触觉反馈的偏差的图形指示。当器械处于受限操作状况之内时，图形指示可以被维持在操作者的视场内。

8、在一个附加的方面中，本公开涉及一种用于外科手术系统的控制的方法。外科手术系统可以包括控制器、输入装置和医疗器械，该医疗器械经由所述控制器可操作地耦连以由所述输入装置控制。该方法可以包括，经由所述控制器，参考器械的限定的受限操作状况来检测器械的当前操作状况。在器械的当前操作状况处于器械的受限操作状况之外的第一状况期间，控制器可以向输入装置提供标称触觉反馈。该方法还可以包括启动第一事件转变，在第一事件转变中，器械的当前操作状况从处于器械的受限操作状况之外改变为处于器械的受限操作状况之内。控制器可以确定：与第一事件转变相关联的标称触觉反馈的调整速率。在器械的当前操作状况处于器械的受限操作状况之内的第二状况期间，控制器可以基于调整速率和标称触觉反馈向输入装置提供受限触觉反馈。此外，控制器可以向外科手术系统的操作者受限触觉反馈被提供的指示。

9、在一个实施例中，受限操作状况可以与外科手术系统的通电的医疗器械的激活相关联。因此，第一事件转变可以在接收到来自外科手术系统的操作者的命令信号时启动，该命令信号启动利用通电的医疗器械的操作。

10、在一个附加实施例中，提供受限触觉反馈可以包括根据反馈受限间隔建立触觉反馈。反馈受限间隔可以基于通电的医疗器械的激活的标称持续时间。

11、在一个进一步的实施例中，确定标称触觉反馈的调整速率可以包括经由控制器基于增益函数来限定调整速率。在一个实施例中，控制器可以基于器械的一部分的加速度、外科手术系统产生的功率或力的变化方向中的至少一个来确定增益函数。

12、在又一个实施例中，该方法可以包括启动第二事件转变，在第二事件转变中，器械的当前操作状况从第二状况改变为第一状况。在这样的一个实施例中，控制器可以确定与第二事件转变相关联的受限触觉反馈的调整速率。此外，控制器可以根据调整速率将受限触觉反馈转变为标称触觉反馈。

13、在一个附加的方面，本公开涉及一种用于外科手术系统的控制的方法。外科手术系统可以包括控制器、输入装置和医疗器械，该医疗器械经由控制器可操作地耦连以由输入装置控制。该方法可以包括，经由控制器，参考器械的限定的受限操作状况来检测器械的当前操作状况。在器械的当前操作状况处于器械的受限操作状况之外的第一状况期间，控制器可以向输入装置提供标称触觉反馈。在器械的当前操作状况从处于器械的受限操作状况之外变为处于器械的受限操作状况之内的第一事件中，控制器可以暂停外科手术系统的至少一个操作。在第一事件中，控制器可以向外科手术系统的操作者提供受限触觉反馈可用于被提供给输入装置的指示。控制器可以接收操作者认可受限触觉反馈可用性的指示的第一确认输入。在当前操作状况处于受限操作状况之内的第二状况期间，并且在接收到确认输入时，控制器可以向输入装置提供受限触觉反馈。此外，在第二状况期间并且在接收到确认输入时，可以恢复外科手术系统的至少一个操作。

14、在一个实施例中，在器械的当前操作状况从处于所述器械的受限操作状况之内改变为处于器械的受限操作状况之外的第二事件中，控制器可以暂停外科手术系统的(一个或多个)操作。在第二事件中，控制器可以向外科手术系统的操作者提供标称触觉反馈可用于被提供给输入装置的指示。控制器可以接收操作者认可标称触觉反馈可用性的指示的第二确认输入。在第一状况期间并且在接收到第二确认输入时，控制器可以向输入装置提供标称触觉反馈。此外，在第一状况期间并且在接收到第二确认输入时，经由控制器恢复外科手术系统的至少一个操作。

15、在一个附加实施例中，受限操作状况可以对应于故障状况。在这样的一个实施例中，该方法可以包括经由控制器接收与故障状况相关联的通信信号，故障状况是传感器故障、通信故障或触觉系统故障中的至少一个。

16、在一个进一步的实施例中，确认输入可以包括操作者手势、操作者的头部与外科手术系统的用户界面之间的接合、触摸板输入、按钮激活、踏板激活、按钮和踏板激活组合、或触觉屏障的跨越中的至少一个。

17、在又一个实施例中，提供受限触觉反馈可以包括将受限触觉反馈限制为标称触觉反馈水平的百分比，该百分比小于100％。这样的一个实施例可以包括基于增益函数动态地减小标称触觉反馈水平的百分比。

18、在附加方面，本公开涉及外科手术系统的多个实施例。外科手术系统包括控制器。该控制器可操作地耦连到输入装置。外科手术系统还包括经由控制器可操作地耦连到输入装置的操纵器单元。医疗器械由操纵器单元支撑，并且还可操作地耦连到控制器。控制器包括至少一个处理器和触觉反馈模块，该触觉反馈模块被配置为执行多个操作。多个操作可以包括本文描述的任何方法、程序和/或操作。

19、参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。结合在本说明书中并构成本说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。