多力感測(cè)儀器和機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)的使用方法與流程

本發(fā)明在由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(NIH)的健康和人類服務(wù)部授予的批準(zhǔn)號(hào)R01EB 000526和BRP Grant 1R01 EB 007969的政府支持下完成。美國(guó)政府對(duì)本發(fā)明享有某些權(quán)利。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的當(dāng)前要求保護(hù)的實(shí)施例的領(lǐng)域涉及多力感測(cè)儀器、結(jié)合有該儀器的機(jī)器人系統(tǒng)、以及使用方法。

背景技術(shù)：

視網(wǎng)膜顯微外科是指與眼睛的視網(wǎng)膜、玻璃體和黃斑相關(guān)的病癥的眼內(nèi)手術(shù)治療。典型的疾病包括視網(wǎng)膜脫離、黃斑變性和糖尿病性視網(wǎng)膜病變。視網(wǎng)膜顯微外科手術(shù)需要接近或超過(guò)自然人能力的先進(jìn)外科技術(shù)。在視網(wǎng)膜顯微外科手術(shù)期間，將手術(shù)顯微鏡放置在患者上方以提供眼睛內(nèi)部的放大可視化。外科醫(yī)生通過(guò)在鞏膜、眼睛的白色部分上的套管針插入小儀器(例如25Ga)，以在眼睛的后部執(zhí)行精細(xì)的組織操作。

常見的外科手術(shù)任務(wù)的示例是視網(wǎng)膜外膜(ERM)剝離以從ERM畸變恢復(fù)患者的視力。外科醫(yī)生使用微型鑷子小心地將薄的、半透明的瘢痕組織(ERM)從視網(wǎng)膜上剝離，如圖1A和1B所示。需要穩(wěn)定且精確的運(yùn)動(dòng)，因?yàn)镋RM 1的厚度可以比人手抖動(dòng)2小一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，施加在ERM上的力必須保持在視網(wǎng)膜組織的強(qiáng)度以下。然而，在儀器尖端和視網(wǎng)膜之間施加的力遠(yuǎn)低于人感覺閾值1。沒有力感測(cè)增加了在視網(wǎng)膜上施加過(guò)度力的風(fēng)險(xiǎn)，這可能引起視網(wǎng)膜出血和撕裂。在ERM剝離期間，眼睛必須是穩(wěn)定的以使靶膜的運(yùn)動(dòng)最小化。這需要工具運(yùn)動(dòng)以在鞏膜切開處遵從。僅允許關(guān)于鞏膜進(jìn)入點(diǎn)的三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度(DOF)和沿儀器軸線的一個(gè)平移DOF，而橫向平移被鞏膜約束禁止。這對(duì)應(yīng)于由Taylor等4人設(shè)計(jì)的機(jī)器人中的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心(RCM)的概念。固定的RCM通常被認(rèn)為是微創(chuàng)手術(shù)(MIS)的基本要求。

與MIS不同，視網(wǎng)膜顯微外科的成像組件(顯微鏡)位于患者體外，并且很少移動(dòng)，如圖1A所示。相反，視網(wǎng)膜外科醫(yī)生需要在插入工具的同時(shí)對(duì)患者的眼睛進(jìn)行重新定位，以便調(diào)整視角并獲得對(duì)感興趣區(qū)域的工具訪問(wèn)。結(jié)果，RCM點(diǎn)(鞏膜進(jìn)入點(diǎn))的位置不一定是固定的，并且在視網(wǎng)膜顯微外科手術(shù)5期間可以移動(dòng)達(dá)12mm。對(duì)眼睛的重新定位要求插入眼睛中的所有儀器(例如，微鑷子和光導(dǎo)管)協(xié)調(diào)移動(dòng)。不同步的儀器運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致角膜條紋，其使顯微鏡中的視網(wǎng)膜的視圖失真。次優(yōu)人體工程學(xué)和疲勞對(duì)手術(shù)性能施加了進(jìn)一步的限制。

已經(jīng)開發(fā)和研究了許多機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)通常探索增強(qiáng)和擴(kuò)展視網(wǎng)膜手術(shù)和顯微外科的能力的潛力。主從式遠(yuǎn)程操作機(jī)器人系統(tǒng)6-10具有運(yùn)動(dòng)縮放的優(yōu)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)高精度。構(gòu)建主機(jī)器人和從機(jī)器人導(dǎo)致復(fù)雜的系統(tǒng)和高成本。此外，外科醫(yī)生對(duì)從屬機(jī)器人和患者之間的相互作用的感知是不充分的。另一種方法是提供主動(dòng)抖動(dòng)消除1112的手持式機(jī)器人裝置。盡管由于附加致動(dòng)器而增加了尺寸和重量，但是這些裝置提供了直觀的界面。然而，工作空間受到跟蹤系統(tǒng)的約束，并且不能實(shí)現(xiàn)人感覺不到的力的縮放反饋。第三種方法是通過(guò)受控的不均勻磁場(chǎng)13來(lái)移動(dòng)的無(wú)約束微機(jī)器人。無(wú)約束控制使得能夠進(jìn)行大的工作空間和復(fù)雜的操作。缺點(diǎn)包括大的占地面積和有限的外科應(yīng)用。

本發(fā)明的一些實(shí)施例能夠使用具有實(shí)際動(dòng)手協(xié)作控制14-17的穩(wěn)定手眼機(jī)器人，其中用戶和機(jī)器人都握住手術(shù)儀器。施加在儀器手柄上的用戶輸入力控制機(jī)器人跟隨用戶運(yùn)動(dòng)的速度。這種控制方法也稱為導(dǎo)納速度控制。人類手抖動(dòng)被僵硬的機(jī)器人結(jié)構(gòu)抑制。協(xié)作控制的機(jī)器人不僅提供機(jī)器的精度和靈敏度，而且提供手持式儀器的操縱透明度和即時(shí)性。該機(jī)器人系統(tǒng)還可以用虛擬固定裝置18增強(qiáng)，并且與具有各種感測(cè)模態(tài)的智能儀器結(jié)合。

虛擬固定裝置是提供具有各向異性機(jī)器人行為的輔助運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)的算法。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)約束幫助用戶避開禁止區(qū)域1819，以及沿期望路徑2021引導(dǎo)?？梢砸?guī)定1819，從患者解剖結(jié)構(gòu)22或從實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)視覺20生成虛擬固定裝置。該實(shí)施方式包括阻抗19和導(dǎo)納方法2021，以及具有期望的幾何約束2223的優(yōu)化算法。借助于虛擬固定裝置，減少了用戶完成期望操縱的心理和身體需求，同時(shí)顯著地增加了任務(wù)性能。如果虛擬固定裝置可以通過(guò)提供直觀的，被引導(dǎo)的機(jī)器人行為來(lái)管理固有的手術(shù)運(yùn)動(dòng)約束，例如RCM和工具協(xié)調(diào)，則外科醫(yī)生可以集中精力于關(guān)鍵的外科手術(shù)任務(wù)(例如ERM剝離)。

具有力感測(cè)能力的智能儀器對(duì)于機(jī)器人和患者之間的安全交互是必不可少的。已經(jīng)開發(fā)了用于顯微外科，顯微操作和MIS 24-28的各種力傳感器。手柄安裝的力傳感器29不能將施加在工具尖端處的力與在套管針處的力區(qū)分開。因此，已經(jīng)開發(fā)了一系列力感測(cè)儀器30-33，其具有集成到通常位于眼睛內(nèi)部的儀器的遠(yuǎn)側(cè)部分中的光纖傳感器。聽覺34和觸覺35力反饋已經(jīng)證明了調(diào)節(jié)工具對(duì)組織相互作用力的功效。在徒手操作期間，外科醫(yī)生通常可以感測(cè)在鞏膜進(jìn)入點(diǎn)處的接觸力，并且將其用作引導(dǎo)所需運(yùn)動(dòng)(例如，RCM和工具協(xié)調(diào))的重要指示。然而，穩(wěn)定手眼機(jī)器人的剛度削弱了用戶對(duì)鞏膜力的可察覺水平，引起不期望的大的鞏膜力。我們?cè)O(shè)計(jì)了雙力感測(cè)儀器36，以從工具尖端力和鞏膜力兩者提供力反饋。缺點(diǎn)是力傳感器不能提供鞏膜力值和鞏膜力施加在工具軸上的位置。相反，它測(cè)量歸因于鞏膜力的力矩。因此，仍然需要多力感測(cè)儀器，結(jié)合儀器的機(jī)器人系統(tǒng)，以及使用方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的多力感測(cè)儀器包括：工具，其具有工具軸，該工具軸具有遠(yuǎn)端和近端；應(yīng)變傳感器，其沿著工具軸布置在第一位置處；第二應(yīng)變傳感器或扭矩力傳感器中的至少一個(gè)，其沿著工具軸布置在第二位置處，所述第二位置比所述第一位置更朝向工具軸的近端；以及信號(hào)處理器，其被配置為與應(yīng)變傳感器并且與第二應(yīng)變傳感器或扭矩傳感器中的至少一個(gè)通信，以從其接收檢測(cè)信號(hào)。該信號(hào)處理器被配置為處理信號(hào)，以確定當(dāng)施加到工具軸的力的位置在第一位置和第二位置之間時(shí)施加到工具軸的力的橫向分量的大小和位置。力的橫向分量是力的位于在施加力的位置處與工具軸正交的平面中的分量。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的機(jī)器人系統(tǒng)包括機(jī)器人，該機(jī)器人具有：工具連接器；多力感測(cè)儀器，其附接到機(jī)器人的工具連接器；以及反饋系統(tǒng)，其被配置為與多力感測(cè)儀器通信，以向機(jī)器人系統(tǒng)的用戶提供機(jī)器人的反饋控制或反饋信息中的至少一項(xiàng)。該多力感測(cè)儀器包括：工具，其具有工具軸，該工具軸具有遠(yuǎn)端和近端；應(yīng)變傳感器，其沿著工具軸布置在第一位置處；第二應(yīng)變傳感器或扭矩力傳感器中的至少一個(gè)，其沿著工具軸布置在第二位置處，所述第二位置比所述第一位置更朝向工具軸的近端；以及信號(hào)處理器，其被配置為與應(yīng)變傳感器并且與第二應(yīng)變傳感器或扭矩傳感器中的至少一個(gè)通信，以從其接收檢測(cè)信號(hào)。該信號(hào)處理器被配置為處理信號(hào)，以確定當(dāng)施加到工具軸的力的位置在第一位置和第二位置之間時(shí)施加到工具軸的力的橫向分量的大小和位置。力的橫向分量是力的位于在施加力的位置處與工具軸正交的平面中的分量。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的控制機(jī)器人系統(tǒng)的方法包括利用多力感測(cè)儀器來(lái)執(zhí)行動(dòng)作。該多力感測(cè)儀器包括工具，其具有工具軸，該工具軸具有遠(yuǎn)端和近端；應(yīng)變傳感器，其沿著工具軸布置在第一位置處；第二應(yīng)變傳感器或扭矩力傳感器中的至少一個(gè)，其沿著工具軸布置在第二位置處，所述第二位置比所述第一位置更朝向工具軸的近端；以及信號(hào)處理器，其被配置為與應(yīng)變傳感器并且與第二應(yīng)變傳感器或扭矩傳感器中的至少一個(gè)通信，以從其接收檢測(cè)信號(hào)。該信號(hào)處理器被配置為處理信號(hào)，以確定當(dāng)所施加到工具軸的力的位置在第一位置和第二位置之間時(shí)施加到工具軸的力的橫向分量的大小和位置。力的橫向分量是力的位于在施加力的位置處與工具軸正交的平面中的分量。該方法還包括基于從多力感測(cè)儀器確定的力的橫向分量的大小和位置向機(jī)器人提供控制信號(hào)，使得機(jī)器人響應(yīng)于此而執(zhí)行自動(dòng)動(dòng)作。

附圖說(shuō)明

通過(guò)考慮說(shuō)明書、附圖和示例，其它目的和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。

圖1A和1B示出了視網(wǎng)膜顯微外科的示例：(a)患者和主治外科醫(yī)生在手術(shù)室中的位置；和(b)在ERM剝離期間手術(shù)儀器在眼睛中的布局。

圖2A-2D示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的多力感測(cè)儀器的實(shí)施例。在(a)中示出多功能力感測(cè)儀器的示例的尺寸。帶FBG傳感器的工具軸的剖視圖(b)。與工具校準(zhǔn)相關(guān)的幾何結(jié)構(gòu)(c)。具有三個(gè)FBG傳感器的單根光纖的尺寸(d)。FBG-1，F(xiàn)BG-II和FBG-III的中心布拉格波長(zhǎng)分別為1529nm、1545nm和1553nm。

圖2E是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于結(jié)合視網(wǎng)膜手術(shù)的兩個(gè)多力感測(cè)儀器的示意圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的多力感測(cè)儀器的示意圖。

圖4、圖5A和圖5B是根據(jù)本發(fā)明的多力感測(cè)儀器的另外的實(shí)施例的示意圖。

圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的機(jī)器人系統(tǒng)的示意圖。它還示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的可變導(dǎo)納機(jī)器人控制方案的示例。實(shí)線示出了示例實(shí)施方式中的信號(hào)流，虛線示出了也可以并入控制法則中的信號(hào)。

圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的導(dǎo)納如何隨著插入深度而變化的示例。l_lb和l_ub之間的部分是鞏膜力的純力縮放和純RCM之間的過(guò)渡。

圖8A-8D提供了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的工具尖端力校準(zhǔn)的結(jié)果的示例。沿X軸計(jì)算的工具尖端力F_tx相對(duì)于實(shí)際值(a)，其殘余誤差(b)。沿Y軸計(jì)算的工具尖端力F_ty相對(duì)于實(shí)際值(c)及其殘余誤差(d)。

圖9A和9B示出了優(yōu)化問(wèn)題的結(jié)果。FBG-II相對(duì)于l_II(a)的優(yōu)化成本以及FBG-III相對(duì)于l_III(b)的優(yōu)化成本。紅點(diǎn)表示最小成本，其中l(wèi)*_II＝31.3mm和l*_III＝37.2mm。

圖10A-10D示出鞏膜力校準(zhǔn)的結(jié)果。沿X軸計(jì)算的鞏膜力F_sx相對(duì)于實(shí)際值(a)，其殘余誤差(b)。沿Y軸計(jì)算的鞏膜力F_sy相對(duì)于實(shí)際值(c)，及其殘余誤差(d)。

圖11A和圖11B示出了鞏膜切開位置校準(zhǔn)的結(jié)果。從工具尖端到鞏膜切開處的計(jì)算距離d_s相對(duì)于實(shí)際值(a)，每個(gè)校準(zhǔn)位置處的RMS誤差相對(duì)于實(shí)際距離(b)。另外，鞏膜切開位置離工具尖端越遠(yuǎn)，即，其相對(duì)于FBG-II和FBG-III越近，則RMS誤差越小。如第II-B節(jié)所述，不包括力的強(qiáng)度小于5mN的數(shù)據(jù)點(diǎn)以減少噪聲。

圖12A和圖12B示出了由于工具尖端力引起的鞏膜力估計(jì)誤差。沿著X軸計(jì)算的鞏膜力F_sx相對(duì)于沿著X軸施加的工具尖端力F_tx(a)，以及沿著Y軸計(jì)算的鞏膜力F_sy相對(duì)于沿著Y軸施加的工具尖端力F_ty(b)。

圖13A-13D示出了鞏膜接觸力的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。計(jì)算的鞏膜力相對(duì)于實(shí)際值(a)，力計(jì)算的殘余誤差(b)。從工具尖端到鞏膜切開位置的計(jì)算距離d_s相對(duì)于實(shí)際值(c)，及其殘余誤差(d)。

圖14A和圖14B示出了偽旋轉(zhuǎn)校準(zhǔn)的設(shè)置(a)以及利用坐標(biāo)系機(jī)器人手柄{h}，鞏膜{s}和工具尖端{(lán)t}的特寫(b)。工具尖端框{t}在CD下方，用虛線箭頭顯示。

圖15A和圖15B示出了用于沿著Z軸發(fā)現(xiàn)工具尖端從手柄偏移的優(yōu)化的結(jié)果(a)。最佳偏移為z*_rt＝-39.4mm，如點(diǎn)所示。RCM點(diǎn)(頂部)和工具尖端(底部)的相應(yīng)軌跡(b)。黑色直線表示工具軸的終端位置。

圖16示出了使用機(jī)器人輔助的視網(wǎng)膜靜脈追蹤實(shí)驗(yàn)的設(shè)置。

圖17A和圖17B顯示了一個(gè)視網(wǎng)膜靜脈追蹤試驗(yàn)的鞏膜力(a)。鞏膜手術(shù)刀點(diǎn)(頂部)和工具尖端(底部)的相應(yīng)軌跡(b)。黑色直線表示工具軸的終端位置。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)討論本發(fā)明的一些實(shí)施例。在描述實(shí)施例中，為了清楚起見采用特定術(shù)語(yǔ)。然而，本發(fā)明不旨在限于所選擇的特定術(shù)語(yǔ)。相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在不脫離本發(fā)明的寬泛概念的情況下，可以采用其他等效組件和開發(fā)其他方法。在本說(shuō)明書中任何地方引用的所有參考文獻(xiàn)，包括背景技術(shù)和具體實(shí)施方式部分，通過(guò)引用并入本文，如同每個(gè)已單獨(dú)地并入一樣。

當(dāng)前，存在用于手術(shù)的一些機(jī)器人系統(tǒng)，其涉及通過(guò)進(jìn)入端口插入手術(shù)儀器以在患者體內(nèi)執(zhí)行操作。相對(duì)于儀器的端口位置很重要，因?yàn)楣ぞ哌\(yùn)動(dòng)受限于端口。端口和工具軸之間的接觸力使外科醫(yī)生對(duì)施加在工具尖端處的工具對(duì)組織相互作用力的感知失真。仍然缺乏對(duì)這些挑戰(zhàn)的適當(dāng)解決方案。

本發(fā)明的一些實(shí)施例提供將多功能力感測(cè)集成到外科儀器中的系統(tǒng)和方法。它可以精確地測(cè)量工具軸和端口之間的接觸點(diǎn)的位置，接觸力以及施加在工具尖端處的力。力信息可以使用視覺或聽覺顯示器直接呈現(xiàn)給外科醫(yī)生，或者在機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)中使用，以為各種外科手術(shù)提供有用的反饋和直觀的運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)。

本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種新的雙重力感測(cè)儀器，其不僅可以感測(cè)橫向方向上的鞏膜力，還可以感測(cè)鞏膜接觸點(diǎn)在工具軸上的位置。這種新的雙力感測(cè)儀器可以使得可變導(dǎo)納機(jī)器人控制能夠提供直觀的機(jī)器人行為。通過(guò)改變機(jī)器人導(dǎo)納，機(jī)器人行為可以從執(zhí)行RCM并且適應(yīng)于鞏膜切開處的當(dāng)前位置的適應(yīng)虛擬固定模式連續(xù)地轉(zhuǎn)變到力縮放模式，該力縮放模式提供鞏膜力的縮放反饋以及重新定位眼睛的能力。已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)以校準(zhǔn)新的雙力感測(cè)儀器，以相對(duì)于機(jī)器人校準(zhǔn)工具尖端位置，以及評(píng)估力傳感器以及根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的控制算法。結(jié)果顯示了提高安全性的潛力，以及增強(qiáng)這種機(jī)器人輔助系統(tǒng)的可用性和能力。

圖2A提供了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的多力感測(cè)儀器100的圖示。多力感測(cè)儀器100包括具有工具軸104的工具102，工具軸104具有遠(yuǎn)端106和近端108。多力感測(cè)儀器100還包括：應(yīng)變傳感器110，其沿著工具軸104設(shè)置在第一位置；以及第二應(yīng)變傳感器112或扭矩力傳感器(圖2A中未示出)中的至少一個(gè)，其沿著工具軸104布置在第二位置處。對(duì)應(yīng)于第二應(yīng)變傳感器112的第二位置比對(duì)應(yīng)于應(yīng)變傳感器110的第一位置更朝向工具軸104的近端108。

多力感測(cè)儀器100還包括信號(hào)處理器114，該信號(hào)處理器114被配置為與應(yīng)變傳感器110以及第二應(yīng)變傳感器或扭矩力傳感器112中的至少一個(gè)通信，以從其接收檢測(cè)信號(hào)。信號(hào)處理器114被配置為處理信號(hào)以確定當(dāng)所施加的力F_s的位置d_s在第一位置和第二位置之間時(shí)施加到工具軸104的力的橫向分量的大小F_s和位置d_s，如圖2C所示。力的橫向分量是位于在施加力的位置處與工具軸104正交的平面中的力的分量。

信號(hào)處理器114可以結(jié)合在工具102的工具手柄115內(nèi)，如圖2A所示。然而，本發(fā)明不限于該示例。其可以結(jié)合到工具102的不同部分中和/或位于外部。信號(hào)處理器可以包括和/或訪問(wèn)存儲(chǔ)器和/或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。信號(hào)處理器可以是可編程裝置和/或?qū)Ｓ糜策B線裝置，例如但不限于ASIC或FPGA。

多力感測(cè)儀器100可以包括各種各樣的工具102，只要它們具有對(duì)應(yīng)于軸104的結(jié)構(gòu)即可。工具102可以是、但不限于手術(shù)工具。圖3是根據(jù)本發(fā)明的多力感測(cè)儀器的兩個(gè)不同實(shí)施例用于眼外科手術(shù)的圖示。其他應(yīng)用可以包括其他形式的微操作，其中工具延伸通過(guò)結(jié)構(gòu)中的窄開口。更一般地，一些實(shí)施例可以包括用于延伸穿過(guò)較大結(jié)構(gòu)中的較大開口的工具。微操作工具的示例可以包括、但不限于針、鑷子、鑿子、插管、套管針、導(dǎo)管、導(dǎo)絲、光導(dǎo)管、內(nèi)窺鏡等。

在一些實(shí)施例中，信號(hào)處理器114可進(jìn)一步配置成處理信號(hào)以確定當(dāng)遠(yuǎn)端力的位置朝向工具軸104的遠(yuǎn)端106超過(guò)第一位置時(shí)施加到工具軸104的遠(yuǎn)端力116的大小和位置。

在一些實(shí)施例中，第二應(yīng)變傳感器112可以是一對(duì)應(yīng)變傳感器，所述一對(duì)應(yīng)變傳感器沿著所述工具軸沿著遠(yuǎn)端到近端軸向方向相對(duì)于彼此移位。此外，首先提及的應(yīng)變傳感器110和一對(duì)應(yīng)變傳感器112可以包括至少一個(gè)光纖。在這種情況下，該光纖包括寫入其中的第一、第二和第三光纖布拉格光柵(FBG-I，F(xiàn)BG-II，F(xiàn)BG-III)，所述第一、第二和第三光纖布拉格光柵分別對(duì)應(yīng)于所述首先提及的應(yīng)變傳感器110和一對(duì)應(yīng)變傳感器112，其中光纖基本上平行于工具軸104延伸。術(shù)語(yǔ)“基本上平行”旨在傳達(dá)光纖不必完全平行的事實(shí)。在一些情況下，由于制造公差可能存在偏差。在某些情況下，應(yīng)用程序可能不需要高精度，因此可以接受一定程度的錯(cuò)誤。

盡管特定實(shí)施例將應(yīng)變傳感器描述為光纖中的FGB，但是本發(fā)明的一般概念不僅限于FBG。在不脫離本發(fā)明的寬范圍的情況下，可以使用其它類型的應(yīng)變傳感器。

在一些實(shí)施例中，首先提及的應(yīng)變傳感器110和一對(duì)應(yīng)變傳感器112包括多個(gè)光纖(例如，圖2B中的118、120、122)，每個(gè)光纖包括寫入其中的第一、第二和第三光纖布拉格光柵(FBG-I、FBG-II、FBG-III)，所述第一、第二和第三光纖布拉格光柵分別對(duì)應(yīng)于首先提及的應(yīng)變傳感器110和一對(duì)應(yīng)變傳感器112。多個(gè)光纖(例如，118、120、122)各自基本上平行于工具軸104并且基本上平行于彼此延伸。盡管圖2B示出了具有三個(gè)光纖的實(shí)施例，但是多個(gè)光纖不限于該特定數(shù)量。在一些實(shí)施例中，可以有兩條、三條或多于三條光纖。多個(gè)光纖(例如，118、120、122)可以圍繞工具軸104的圓周基本上等間距地布置。在三個(gè)光纖的情況下，F(xiàn)BG-I、FBG-II、FBG-III各自包括一組三個(gè)光纖布拉格光柵。在圖2B的實(shí)施例中，多個(gè)光纖(118、120、122)是圍繞工具軸104的圓周以大約120°間隔定向的三個(gè)光纖。圖2A-2D中所示的尺寸用于特定實(shí)施例并且在所有實(shí)施例中不是必需的。

圖2A-2D的實(shí)施例可以用于能夠確定在與工具軸104正交的平面內(nèi)的兩個(gè)力分量以及能夠補(bǔ)償溫度變化。

在一些實(shí)施例中，寫入一個(gè)或多個(gè)光纖中的第一、第二和第三光纖布拉格光柵(FBG-1、FBG-II、FBG-III)可以各自在松弛相等的溫度條件下具有唯一中心反射波長(zhǎng)以允許在光纖內(nèi)的波分復(fù)用。

多力感測(cè)儀器100還可以包括光學(xué)耦合到一個(gè)或多個(gè)光纖的至少一個(gè)光學(xué)發(fā)送器和至少一個(gè)光學(xué)接收器124。光學(xué)發(fā)送器和接收器124可以結(jié)合到工具手柄115中，如圖2A所示，或者可以位于外部。光學(xué)發(fā)送器可以包括、但不限于例如LED和半導(dǎo)體激光器。光學(xué)接收器可以包括、但不限于例如光電二極管。

圖4、圖5A和圖5B示出了可以包括多個(gè)應(yīng)變傳感器以設(shè)置多個(gè)感測(cè)區(qū)域的附加實(shí)施例。本發(fā)明的一般概念不限于感測(cè)區(qū)域的特定數(shù)量。例如，一些實(shí)施例可以具有大量緊密間隔的感測(cè)區(qū)域以粗略估計(jì)沿著工具軸的連續(xù)感測(cè)能力。

以下提供了一般數(shù)量的感測(cè)段和組的形式體系。注意，上面我們提到了關(guān)于FBG對(duì)(即，組)的傳感器。此外，如果存在三個(gè)光纖，則每個(gè)FBG對(duì)(或組)將具有6個(gè)感測(cè)元件。圖5A示出了三個(gè)組中的六個(gè)感測(cè)段的一個(gè)示例。多個(gè)感測(cè)段可以使傳感器能夠測(cè)量多個(gè)接觸力及其在工具軸上的位置。假設(shè)在每個(gè)感測(cè)區(qū)域內(nèi)施加至多一個(gè)接觸力。如果光纖應(yīng)變傳感器，光纖布拉格光柵(FBG)用作應(yīng)變傳感器，則該延伸不需要額外的空間用于并入額外的傳感器。多功能傳感儀器可以保持相同的形狀因子。

在圖5A和圖5B中示出了一般化模型的一個(gè)示例，其具有六個(gè)感測(cè)段，示為1-a和1-b至3-a和3-b。每個(gè)傳感段包括三個(gè)應(yīng)變傳感器，它們以120°的間隔均勻地放置在工具軸的圓周周圍。該實(shí)例中的應(yīng)變傳感器是基于光纖布拉格光柵(FBG)的光學(xué)應(yīng)變儀。一組兩個(gè)感測(cè)段將工具軸上的感測(cè)區(qū)域分開。感測(cè)段用指示感測(cè)區(qū)域的阿拉伯?dāng)?shù)字編號(hào)，針對(duì)組內(nèi)的遠(yuǎn)端和近端伴隨-a或-b。例如，1-b表示第一組中的近側(cè)感測(cè)段，如圖5A所示。工具軸的位于感測(cè)段之間的部分被稱為感測(cè)區(qū)域，用阿拉伯?dāng)?shù)字編號(hào)。我們假設(shè)在一個(gè)感測(cè)區(qū)域內(nèi)施加至多一個(gè)接觸力。接觸力也用阿拉伯?dāng)?shù)字編號(hào)。力F_i和感測(cè)段j-x之間的距離被表示為d_Fi，j-x，其中i＝1,2，...，j＝1,2...，并且x＝a或b。同一組中的兩個(gè)傳感器(感測(cè)段j-a和j-b)之間的恒定距離被表示為Δl_j，其中j＝1,2，...，并且對(duì)于遠(yuǎn)離感測(cè)段j的任何F_i，我們得到Δl_j＝l_j-b-l_j-a＝d_Fi,j-b-d_Fi,j-b，即i≤j。第一接觸力F₁的一個(gè)特殊情況是剛好在工具尖端處施加的工具對(duì)組織相互作用力，即d_F1,1-x＝l_1-x，x＝a或b。

首先，我們看每個(gè)傳感段內(nèi)的一個(gè)應(yīng)變傳感器。當(dāng)橫向力施加到工具軸上時(shí)，所產(chǎn)生的應(yīng)變與傳感器位置處的轉(zhuǎn)矩成比例，并且因此與所施加的力成比例：

其中，∈是傳感器位置處的局部應(yīng)變，M是傳感器位置處歸因于橫向力的力矩，F(xiàn)是施加到工具軸的橫向力，d是力和傳感器位置之間的距離，即力矩臂，E是楊氏模量，I是慣性矩，以及r是彎曲軸和應(yīng)變傳感器之間的徑向距離。

FBG傳感器的布拉格波長(zhǎng)的偏移與局部應(yīng)變和溫度變化成比例：

Δλ＝k_∈∈+k_ΔTΔT (2)

其中，Δλ表示FBG傳感器的布拉格波長(zhǎng)的偏移，∈表示在傳感器位置處的局部應(yīng)變，ΔT表示溫度變化，并且k_∈和k_ΔT是恒定系數(shù)。

第二，在每個(gè)感測(cè)段內(nèi)有三個(gè)應(yīng)變傳感器，均勻地圍繞工具軸的圓周以120°的間隔放置。同一傳感段內(nèi)的三個(gè)應(yīng)變傳感器的共模主要由軸向應(yīng)變和溫度變化引起。它是三個(gè)FBG傳感器的波長(zhǎng)偏移的平均值。剩余的差模反映了歸因于橫向力的應(yīng)變。我們將差模定義為傳感器讀數(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)從FBG波長(zhǎng)偏移中減去共模來(lái)計(jì)算差模：

其中，Δs_j-x，k和Δλ_j-x，k分別表示感測(cè)段j-x中的FBG k的傳感器讀數(shù)和波長(zhǎng)偏移，其中j＝1,2，...，x＝a,b并且k＝1,2,3。

存在兩個(gè)感測(cè)段縱向地布置在對(duì)應(yīng)的感測(cè)區(qū)域附近。假定F₁總是施加在感測(cè)區(qū)域#1內(nèi)，感測(cè)段1-a和1-b的感測(cè)器讀數(shù)線性地取決于F₁：

其中，ΔS_1-x＝[Δs_1-x，1，Δs_1-x，2，Δs_1-x，3]^T，x＝a和b，分別表示感測(cè)段1-a和2-b的傳感器讀數(shù)，是可以通過(guò)校準(zhǔn)獲得的恒定系數(shù)矩陣，并且表示感測(cè)段1-x處歸因于力F₁的力矩，即

其中，F(xiàn)₁＝[F_1x，F(xiàn)_1y]^T表示施加在第一感測(cè)區(qū)域內(nèi)的從工具尖端到第一感測(cè)段的橫向力，并且d_F1,1-x表示從F₁到感測(cè)段1-x的縱向距離。

從(4)，我們可以計(jì)算歸因于感測(cè)段1-a和1-b處的F₁的力矩：

其中表示矩陣偽逆，x＝a和b。

此外，我們可以寫出：

另外，根據(jù)(7)，我們可以寫出：

然后，我們可以根據(jù)(8)和(10)計(jì)算F₁

然后可以如下計(jì)算從F₁到感測(cè)段1-x的距離：

其中||·||表示向量的二范數(shù)。

感測(cè)段2-a和2-b的傳感器讀數(shù)反映歸因于感測(cè)段遠(yuǎn)端的所有力的應(yīng)變，即F₁和F₂兩者都有助于傳感器讀數(shù)ΔS_2-x：

其中，K_{2-x，F(xiàn)1}和K_{2-x，F(xiàn)2}是可以通過(guò)校準(zhǔn)獲得的恒定系數(shù)矩陣，M_Fi,2-x是歸因于在感測(cè)段2-x，i＝1和2處的力F_i的力矩。從(11)和(13)，我們可以計(jì)算F₁和d_F1,1-x。此外，我們得出：

如圖5A和5B所示。

因此，我們可以寫：

類似地，我們可以計(jì)算F₂：

和

現(xiàn)在我們可以基于上述步驟導(dǎo)出用于計(jì)算F_j和d_Fj,j-x的方程。傳感器讀數(shù)反映遠(yuǎn)離傳感段j-x的所有力，其中j≥2，x＝a和b：

然后，在感測(cè)區(qū)域#j內(nèi)施加的橫向接觸力F_j和從F_j到感測(cè)段j-x的距離d_Fj，j-x可以計(jì)算如下：

智能光導(dǎo)管

一個(gè)有用的應(yīng)用可以是用于眼外科手術(shù)的傳感光導(dǎo)管，如圖2E所示。傳感器-I可用于與其他工具、透鏡或視網(wǎng)膜等進(jìn)行碰撞檢測(cè)。傳感器-II和傳感器-III可用于測(cè)量鞏膜切開處的位置和光導(dǎo)管與套管針之間的接觸力。在眼外科手術(shù)的當(dāng)前實(shí)踐中，外科醫(yī)生使用一只手來(lái)握持功能性工具，例如，鑷子，而另一只手握住光導(dǎo)管以在眼睛內(nèi)部提供照明。傳感光導(dǎo)管可以由機(jī)器人握持，使得外科醫(yī)生可以使用兩個(gè)儀器(例如，兩個(gè)鑷子)進(jìn)行雙向操作。

這在玻璃體切除術(shù)期間以及在眼組織的復(fù)雜操作期間會(huì)是特別有用的。機(jī)器人握持傳感光導(dǎo)管，并且符合眼睛運(yùn)動(dòng)以滿足遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心(RCM)約束。此外，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)可以用于跟蹤眼睛內(nèi)部的其他工具和眼睛的照明歷史，以調(diào)節(jié)光導(dǎo)管的位置和取向，從而提供具有最小光毒性的最佳照明。

附加實(shí)施例

其他感測(cè)實(shí)施方式可以實(shí)現(xiàn)上述多功能力傳感器的相同功能。一種可能的方法是使用力矩傳感器來(lái)代替同一組內(nèi)的兩個(gè)應(yīng)變段。圖3示出了使用手柄安裝的力矩傳感器來(lái)替換靠近手柄位于工具軸近側(cè)上的兩個(gè)感測(cè)段的一個(gè)示例?？拷ぞ呒舛讼蜻h(yuǎn)側(cè)定位的應(yīng)變傳感器提供信息以補(bǔ)償靠近工具尖端施加的力。

我們假設(shè)在每個(gè)感測(cè)區(qū)域內(nèi)施加至多一個(gè)接觸力。令F₁表示從工具尖端到尖端應(yīng)變傳感器在工具部分中施加的力，并且令F₂表示從尖端應(yīng)變傳感器到手柄安裝的力矩傳感器在工具部分中施加的力。令1₁和1₂分別表示從工具尖端到尖端應(yīng)變傳感器和從工具尖端到手柄力矩傳感器的固定距離。d₁表示從F₁到尖端應(yīng)變傳感器的距離，而d₂表示從F₂到手柄力矩傳感器的距離。在該示例中，在工具軸的遠(yuǎn)端處靠近尖端僅有一個(gè)應(yīng)變傳感器。我們假定力F₁總是施加在工具尖端，即d₁＝1₁。對(duì)于d₁＝1₁的情況，我們?cè)诩舛颂幮枰粋€(gè)以上的應(yīng)變傳感器。令∈_t表示由尖端應(yīng)變傳感器測(cè)量的應(yīng)變，并且令F_h和τ_h表示由手柄力矩傳感器測(cè)量的力和扭矩。從力平衡，我們可以寫出：

F_h＝F₁+F₂ (27)

τ_h＝F₁(d₁+Δl)+F₂d₂ (28)

＝F₁l₂+F₂d₂ (29)

另外，我們得出：

∈_t＝K_t1F₁ (30)

其中，K_t1是可以通過(guò)校準(zhǔn)獲得的恒定系數(shù)矩陣。組合(28)，(29)和(30)，可以容易地求解未知數(shù)F₁，F(xiàn)₂和d₂：

F₂＝F_h-F₁ (32)

圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的機(jī)器人系統(tǒng)200的示意圖。機(jī)器人系統(tǒng)200包括具有工具連接器的機(jī)器人202。圖6是使用從發(fā)明人以前的工作改造的穩(wěn)定手眼機(jī)器人的眼部手術(shù)的示例。然而，本發(fā)明的廣泛概念不僅限于外科手術(shù)機(jī)器人，并且不僅限于這種穩(wěn)定的手眼機(jī)器人。機(jī)器人系統(tǒng)200還包括：多力感測(cè)儀器204，其附接到機(jī)器人202的工具連接器；以及反饋系統(tǒng)206，其被配置為與所述多力感測(cè)儀器204通信，以向所述機(jī)器人系統(tǒng)200的用戶208提供機(jī)器人202的反饋控制或反饋信息中的至少一個(gè)。多力感測(cè)儀器204可以是上述多力感測(cè)儀器100的任何實(shí)施例中的一個(gè)或多個(gè)。在一些實(shí)施例中，機(jī)器人系統(tǒng)200可以是外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)；然而，本發(fā)明的一般概念并不僅限于手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。

在一些實(shí)施例中，機(jī)器人202可以是遙控操作的機(jī)器人。在一些實(shí)施例中，機(jī)器人202可以是協(xié)作控制的機(jī)器人，其響應(yīng)于用戶的動(dòng)作執(zhí)行自動(dòng)化功能，同時(shí)使用所述工具來(lái)進(jìn)行修改、輔助或防止所述用戶動(dòng)作的手動(dòng)操作中的至少一項(xiàng)。在一些實(shí)施例中，機(jī)器人202可以是RCM機(jī)器人。

用于緊急工具回縮的患者運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)

在視網(wǎng)膜顯微外科手術(shù)期間，外科醫(yī)生需要監(jiān)測(cè)意外的患者運(yùn)動(dòng)，例如患者打噴嚏、咳嗽或坐起來(lái)。這些意外的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致眼科工具和視網(wǎng)膜之間的碰撞，并且可能潛在地導(dǎo)致對(duì)眼組織的嚴(yán)重?fù)p傷。當(dāng)外科醫(yī)生注意到這種運(yùn)動(dòng)的線索時(shí)，必須非?？焖俚貙⒀劭苾x器從患者的眼睛移除。先前的工作(在ASME 2012國(guó)際機(jī)械工程國(guó)會(huì)和博覽會(huì)，2012，第2卷，第145-153頁(yè)中，X.He，D.Roppenecker，D.Gierlach，M.Balicki，K.Olds，P.Gehlbach，J.Handa，R.Taylor和I.Iordachita的“Toward Clinically Applicable Steady-Hand Eye Robot for Vitreoretinal Surgery”；專利WO2012018816A2，2011，M.Balicki，J.Handa和R.Taylor的“Tool exchange interface and control algorithm for cooperative surgical robots”)研究了工具快速釋放機(jī)構(gòu)和用于工具縮回的機(jī)器人控制。

眼睛運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)線索是通過(guò)透鏡變化觀察顯微鏡或視場(chǎng)中的眼睛移動(dòng)，看到視野的“振動(dòng)”或振蕩，感覺到在鞏膜切開處來(lái)自儀器的橫向力的阻力，該橫向力的阻力傳遞到外科醫(yī)生感覺到的儀器手柄，因?yàn)樗兊酶哂谟|覺，細(xì)微的線索，例如視網(wǎng)膜其他結(jié)構(gòu)上的光反射的變化。在當(dāng)前實(shí)踐中由外科醫(yī)生使用的視覺和觸覺提示都與鞏膜到工具的相互作用力直接相關(guān)。使用多功能力感測(cè)儀器，儀器軸和鞏膜之間的接觸力用毫牛頓靈敏度和千赫茲速率來(lái)監(jiān)測(cè)。該感測(cè)能力能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)意外的患者運(yùn)動(dòng)的早期檢測(cè)。例如，可以將鞏膜與工具相互作用力的大小和第一時(shí)間導(dǎo)數(shù)(變化率)用作預(yù)測(cè)的度量。當(dāng)鞏膜力量值超過(guò)給定閾值和/或表現(xiàn)出高頻振蕩(即，大的第一時(shí)間導(dǎo)數(shù))時(shí)，意外的患者運(yùn)動(dòng)的可能性很高?？梢韵蛲饪漆t(yī)生提供警告，例如使用聽覺/觸覺反饋，以使外科醫(yī)生在外科醫(yī)生注意到標(biāo)準(zhǔn)視覺和觸覺線索之前意識(shí)到潛在風(fēng)險(xiǎn)。這可以用于手繪和機(jī)器人輔助視網(wǎng)膜顯微手術(shù)。在機(jī)器人輔助程序中，儀器運(yùn)動(dòng)可以與力信息一起使用以區(qū)分由于工具運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的力和由于意外的患者運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的力。與其中不能獲得工具運(yùn)動(dòng)的手術(shù)情況相比，這可以實(shí)現(xiàn)對(duì)意外運(yùn)動(dòng)的更快和更準(zhǔn)確的檢測(cè)。

使用機(jī)器人輔助的工具縮回

當(dāng)檢測(cè)到意外的患者運(yùn)動(dòng)時(shí)，期望的反應(yīng)時(shí)間基于運(yùn)動(dòng)的速度和大小而變化，使得反應(yīng)時(shí)間短于從其將潛在傷害的組織附處移除儀器。對(duì)于小的移動(dòng)，外科醫(yī)生簡(jiǎn)單地將儀器從視網(wǎng)膜移開。如果在手術(shù)期間患者坐起來(lái)，則外科醫(yī)生快速移除儀器。在機(jī)器人輔助程序中，類似的策略可以在外科醫(yī)生的監(jiān)督下使用自動(dòng)工具回縮方法來(lái)實(shí)施。

本發(fā)明的一些實(shí)施例可以提供以下特征：

1.一種外科儀器，其具有集成感測(cè)功能以測(cè)量在所述外科儀器上的這些接觸點(diǎn)的接觸力和位置。它可以提供：

·精確測(cè)量外科工具軸和進(jìn)入端口之間的接觸點(diǎn)相對(duì)于工具的位置；

·精確測(cè)量2-DOF中工具軸和進(jìn)入端口之間的接觸力，

·在2-DOF和3-DOF中精確測(cè)量工具尖端處的工具對(duì)組織力，

·和標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)功能，例如，鉤子、鑷子等。

多功能傳感器的感測(cè)原理基于應(yīng)變計(jì)。在一些實(shí)施例中，使用光纖光學(xué)傳感器，即，光纖布拉格光柵。因此，外科儀器也可以制成MRI兼容。此外，根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，其他應(yīng)變感測(cè)技術(shù)也可以用于多功能感測(cè)。利用相同的形狀因子，該傳感器可以進(jìn)一步利用附加的感測(cè)段擴(kuò)展到測(cè)量多個(gè)接觸力及其位置。

2.一種使用來(lái)自外科儀器的工具力和力位置來(lái)控制機(jī)器人操縱器的方法。它可以提供：

·有用的反饋，諸如使用在工具尖端處的力縮放或者工具軸和端口之間的接觸力的力縮放的觸覺力反饋。

·直觀的運(yùn)動(dòng)約束/引導(dǎo)，諸如引導(dǎo)用戶的運(yùn)動(dòng)以符合作為虛擬固定裝置的非靜態(tài)遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心(RCM)約束。這可以提供優(yōu)于機(jī)械RCM或其他機(jī)構(gòu)的許多優(yōu)點(diǎn)，例如靈活性和安全性。

·通過(guò)最小的工具偏轉(zhuǎn)改進(jìn)工具尖端運(yùn)動(dòng)的控制，因?yàn)橛捎诙丝谔幍慕佑|力而導(dǎo)致的工具軸上的側(cè)向載荷可以被最小化。這對(duì)于具有小致動(dòng)器的手持機(jī)器人裝置特別有利，因?yàn)槎丝诤凸ぞ咻S之間的接觸力相對(duì)于小致動(dòng)器的有效載荷可以相對(duì)大。

這種多功能力感測(cè)儀器可以與各種機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)結(jié)合，例如，協(xié)同控制機(jī)器人，主/從遠(yuǎn)程操作機(jī)器人，手持機(jī)器人等。我們開發(fā)了一種協(xié)同控制機(jī)器人的控制策略，以提供安全、穩(wěn)定的手術(shù)操作。類似的控制可以在其他機(jī)器人系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，并且可以用于各種外科手術(shù)，例如微創(chuàng)手術(shù)、心臟手術(shù)，眼外科手術(shù)等。一種潛在的應(yīng)用是為眼外科手術(shù)提供自動(dòng)照明輔助。

3.還存在向外科醫(yī)生呈現(xiàn)力和力位置信息的其它方法。視覺顯示、音頻感覺替代和振動(dòng)觸覺反饋等。

4.力和力位置信息可用于培訓(xùn)和評(píng)估住院醫(yī)生的外科手術(shù)技能。一些示例是：

·控制力低于安全閾值的能力。例如，在眼外科手術(shù)中，視網(wǎng)膜上的超過(guò)7.5mN的力可能潛在地?fù)p傷視網(wǎng)膜。在眼外科手術(shù)和微創(chuàng)手術(shù)中，端口處的接觸力應(yīng)當(dāng)最小化。

·能夠執(zhí)行特定的手術(shù)任務(wù)和外科手術(shù)策略，例如服從端口處的RCM約束。

本發(fā)明的其它實(shí)施例包括被配置為執(zhí)行本發(fā)明的方法的計(jì)算機(jī)程序。

下面描述根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)施例的一些示例。本發(fā)明的一般概念不限于這些特定示例。

示例

在該示例章節(jié)中的所有方程號(hào)涉及在該章節(jié)中引入的方程，而不是本說(shuō)明書的前面章節(jié)中的方程。

在以下實(shí)施例中，我們報(bào)告了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的雙力感測(cè)儀器的新設(shè)計(jì)，其不僅可以感測(cè)橫向方向上的鞏膜力，還可以感測(cè)工具軸上的鞏膜接觸點(diǎn)的位置。這種新的雙重力感測(cè)儀器使得可變導(dǎo)納機(jī)器人控制能夠提供直觀的機(jī)器人行為。通過(guò)改變機(jī)器人導(dǎo)納，機(jī)器人行為可以從執(zhí)行RCM并且適應(yīng)于鞏膜切開處的當(dāng)前位置的自適應(yīng)虛擬固定模式連續(xù)地轉(zhuǎn)換到力縮放模式，該力縮放模式提供鞏膜力的縮放反饋以及重新定位眼睛的能力。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以校準(zhǔn)新的雙力感測(cè)儀器，以相對(duì)于機(jī)器人校準(zhǔn)工具尖端位置，以及評(píng)估力傳感器以及控制算法。結(jié)果顯示了提高安全性的潛力，以及增強(qiáng)機(jī)器人輔助系統(tǒng)的可用性和能力。

雙力感測(cè)儀器

設(shè)計(jì)：本發(fā)明的一些實(shí)施例可以建立在先前的雙力感測(cè)儀器36上。該示例的主要假設(shè)是力僅僅在不多于兩個(gè)位置處施加：工具尖端和工具軸上的鞏膜接觸點(diǎn)。工具軸由與25Ga眼科儀器相同的直徑為0.5mm的不銹鋼絲制成。工具軸被加工以切割具有V形截面的三個(gè)縱向通道。具有三個(gè)光纖布拉格光柵(FBG)傳感器(Technica S.A.，北京，中國(guó))的一個(gè)光纖被嵌入到工具軸中的每個(gè)通道中。每個(gè)FBG傳感器為3mm長(zhǎng)。工具尺寸以及FBG傳感器的規(guī)格在圖2A-2D中示出。

新的雙力感測(cè)儀器包括總共九個(gè)FBG傳感器，布置成工具軸的三段。在同一工具軸段中的三個(gè)FBG傳感器相隔120°，并且在工具軸的該段處提供應(yīng)變測(cè)量。第一FBG感測(cè)段，F(xiàn)BG-1，通常保留在眼睛內(nèi)。其用于測(cè)量施加在工具尖端和眼組織之間的橫向力，因?yàn)殪柲そ佑|力不在工具尖端處產(chǎn)生應(yīng)變。FBG-II和FBG-III感測(cè)段在近端處距離工具尖端至少30mm，大于人眼的平均直徑(25mm)。它們專用于測(cè)量在鞏膜切開處施加的橫向力以及鞏膜切開處相對(duì)于工具的位置。在鞏膜切開處的軸向力分量主要由于摩擦，因此與橫向力(即，法向力)相關(guān)。在該原型中不包括在尖端處的軸向力感測(cè)，但是可能如在我們的其它工作33中所示。工具軸的總長(zhǎng)度為45mm。數(shù)據(jù)采集單元是來(lái)自Micron Optics(Atlanta，GA)的sm130-700光學(xué)傳感詢問(wèn)器，刷新率為2kHz，并且光譜范圍為1525nm至1565nm。

計(jì)算力和鞏膜切開位置的算法

計(jì)算鞏膜和尖端力的算法基于Iordachita等人30和He等人36提出的先前的方法。來(lái)自相同傳感段的FBG傳感器的波長(zhǎng)偏移共模表示歸因于軸向力和溫度變化的應(yīng)變。差模，稱為傳感器讀數(shù)，定義如下：

其中，Δs_jk和Δλ_jk分別表示感測(cè)段j中的傳感器讀數(shù)和FBG傳感器k的波長(zhǎng)偏移，其中j＝I,II和III，并且k＝1,2和3。

假設(shè)工具對(duì)組織的相互作用力總是施加在工具尖端，則FBG-1的傳感器讀數(shù)線性地取決于在工具尖端處的橫向力：

ΔS_I＝K_ItF_t (2)

其中,ΔS_I＝[Δs_I1，Δs_I2，Δs_I3]^T表示FBG-I的傳感器讀數(shù)，F(xiàn)_t＝[F_tx，F(xiàn)_ty]^T表示施加在工具尖端處的橫向力，并且K_It是具有恒定系數(shù)的3×2矩陣。

鞏膜接觸力施加在工具軸上的位置取決于眼睛內(nèi)部的工具插入深度。加上鞏膜接觸力，它有助于在FBG-II和FBG-III處產(chǎn)生的應(yīng)變。此外，F(xiàn)BG傳感器還響應(yīng)于尖端力，因此：

ΔS_j＝K_jtF_t+K_jsM_jΔS_j＝K_jtF_t+K_jsM_j (3)

＝K_jtF_t+K_jsF_sd_j (4)

其中，ΔS_j＝[Δs_j1，Δs_j2，Δs_j3]^T表示FBG-j的傳感器讀數(shù)，F(xiàn)_s＝[F_sx’F_sy]^T表示在鞏膜切開處施加的橫向力，d_j表示從鞏膜切開處到沿著工具軸的FBG-j的距離，M_j＝[M_jx，M_jy]^T表示歸因于在FBG-j處的的F_s的力矩，K_jt和K_js都是3×2常數(shù)系數(shù)矩陣，j＝II和III。如圖2所示，F(xiàn)BG-II和FBG-III之間的距離Δl是恒定的，并且始終是d_II和d_III之間的差，其等于l_II和l_III之間的差：

Δl＝l_III-l_II＝d_III-d_II (5)

通過(guò)以下更詳細(xì)描述的工具校準(zhǔn)獲得系數(shù)矩陣K_jt(j＝1，II和III)和K_js(j＝II和III)以及FBG-II和FBG-III之間的距離Δl。

尖端力可以使用系數(shù)矩陣的偽逆來(lái)計(jì)算：

其中表示偽逆運(yùn)算符。

歸因于FBG-j(j＝II和III)處的鞏膜接觸力的力矩可以使用(3)和(6)計(jì)算：

鞏膜接觸力可以從力矩M_II和M_III的差異解出，并且：

從鞏膜切開處到FBG-j的距離可以從力矩和力之間的大小比獲得：

其中||·||表示矢量2-范數(shù)。

該方法可以計(jì)算施加在工具尖端和鞏膜切開處的橫向力以及鞏膜切開處相對(duì)于工具的位置。然而，如果鞏膜接觸力的大小很小，則使用(9)計(jì)算的鞏膜切開的位置可能遭受大的誤差。因此，在鞏膜力大小的死區(qū)的幫助下更新鞏膜切開位置。僅當(dāng)鞏膜力量值超過(guò)給定閾值(例如，5mN)時(shí)，將使用(9)來(lái)更新鞏膜切開位置，否則將使用之前的值d_j。

可變導(dǎo)納機(jī)器人控制

從先前的力比例縮放和導(dǎo)納速度控制3537設(shè)計(jì)可變導(dǎo)納機(jī)器人控制方案。除了在工具手柄(機(jī)器人末端執(zhí)行器)處的外科醫(yī)生的力輸入之外，其利用由雙力感測(cè)儀器實(shí)現(xiàn)的新感測(cè)能力，以提供對(duì)外科醫(yī)生透明和直觀的機(jī)器人行為。這種機(jī)器人行為使得有用的反饋和虛擬固定裝置能夠增加與患者和環(huán)境交互的精度和安全性。圖6示出了可變導(dǎo)納控制方案。

具有力縮放的恒定導(dǎo)納控制

先前的導(dǎo)納速度控制是：

其中，和分別是機(jī)器人手柄框架中的期望的機(jī)器人手柄速度和世界笛卡爾坐標(biāo)系中的機(jī)器人手柄速度，F(xiàn)_hh表示在機(jī)器人手柄框架中測(cè)量的用戶的力輸入，并且α是作為導(dǎo)納增益的常量標(biāo)量，并且是與坐標(biāo)框架變換g_wh38相關(guān)的伴隨變換。如果我們寫入其中，R_wh和p_wh表示從局部機(jī)器人手柄框架到世界笛卡爾坐標(biāo)系框架的g_wh的旋轉(zhuǎn)和平移，則：

其中，表示與向量p_wh相關(guān)聯(lián)的斜對(duì)稱矩陣。

我們使用力縮放3537修改(10)以并入鞏膜力反饋：

其中，γ是力縮放因子，并且F_hs是在機(jī)器人手柄處解析的鞏膜力，伴隨以下伴隨變換：

其中，F(xiàn)_ss表示在鞏膜框架中測(cè)量的鞏膜力，所述鞏膜框架位于鞏膜切開處并且具有與手柄框架相同的取向。令表示從鞏膜框架到手柄框架的坐標(biāo)框架變換，則：

其中，(·)^T表示矩陣轉(zhuǎn)置。鞏膜切開處不是視網(wǎng)膜顯微外科手術(shù)期間的靜態(tài)點(diǎn)。因此，g_hs是隨時(shí)間變化的。我們假設(shè)由于鞏膜力導(dǎo)致的工具軸彎曲保持在小范圍內(nèi)，則R_hs≈I，p_hs≈[0，0，z_hs]^T，并且z_hs可以由雙力感測(cè)儀器更新。

可變導(dǎo)納控制

在先前的控制定律中的導(dǎo)納是各向同性的。虛擬固定裝置可以通過(guò)命令各向異性導(dǎo)納來(lái)渲染。我們?cè)?13)中引入對(duì)角導(dǎo)納矩陣并且在鞏膜框架中重寫它：

其中，是機(jī)器人/工具接觸鞏膜中的鞏膜切開處的期望速度，F(xiàn)_sh和F_ss分別為在鞏膜框架中分解的手柄輸入力和鞏膜接觸力，γ表示作為力縮放因子的常量標(biāo)量，α表示作為導(dǎo)納增益的恒定標(biāo)量，并且A_sh和A_ss分別是與鞏膜框架中的手柄輸入力和鞏膜接觸力相關(guān)聯(lián)的對(duì)角線導(dǎo)納矩陣。如果A_sh＝A_ss＝I，則(16)因?yàn)殪柲ちΦ牧s放而減小到(13)。

虛擬RCM可以通過(guò)設(shè)置A_sh＝diag([0，0，1，1，1，1]^T)和A_ss＝I來(lái)實(shí)現(xiàn)。在鞏膜框架中解析手柄輸入力F_sh。導(dǎo)納矩陣A_sh去除可能導(dǎo)致不期望的橫向運(yùn)動(dòng)的橫向力分量，并且保持RCM約束允許的4自由度運(yùn)動(dòng)。此外，鞏膜力反饋是將鞏膜接觸力朝零伺服。這加強(qiáng)了針對(duì)歸因于其他儀器和患者運(yùn)動(dòng)的眼睛運(yùn)動(dòng)的魯棒性的虛擬RCM。

當(dāng)外科醫(yī)生正在進(jìn)行ERM剝離時(shí)，工具尖端接近視網(wǎng)膜，并且需要RCM以使眼睛和目標(biāo)膜的運(yùn)動(dòng)最小化。當(dāng)外科醫(yī)生需要重新定位眼睛以調(diào)整視角時(shí)，將工具遠(yuǎn)離視網(wǎng)膜以避免碰撞。因此，所測(cè)量的工具插入深度可以用于調(diào)整機(jī)器人導(dǎo)納以提供適當(dāng)?shù)臋C(jī)器人行為。例如，我們可以定義：

A_sh＝diag([1-β，1-β，1，1，1，1]^T) (17)

A_ss＝diag([1+β，1+β，1，1，1，1]^T) (18)

其中，β∈[0，1]隨著工具插入深度而變化，如圖7所示。當(dāng)插入深度小于給定下限l_lb時(shí)，β＝0并且A_sh＝A_ss＝I。我們具有力縮放控制模式，該模式給重新定位眼睛的自由提供縮放鞏膜力反饋。當(dāng)插入深度大于給定上界l_ub時(shí)，β＝1，并且其切換到具有雙倍增益的虛擬RCM，以最小化在硬膜切開術(shù)部位處的橫向力。或者，β的值可以由人類操作者控制(例如使用腳踏板)以選擇優(yōu)選的操作模式。

實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

雙力感測(cè)儀器的校準(zhǔn)

使用自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)33來(lái)執(zhí)行校準(zhǔn)。橫向力施加在工具上的不同位置處。測(cè)量并且記錄FBG傳感器的波長(zhǎng)偏移，所施加的力以及在工具上施加力的位置。

尖端力的校準(zhǔn)

對(duì)于尖端力的校準(zhǔn)與對(duì)于我們之前的雙力感測(cè)工具36的校準(zhǔn)相同。沿著X軸和Y軸施加高達(dá)10mN的橫向力。系數(shù)矩陣K_jt，j＝1,2和3，在M_j＝0的情況下，被獲得作為(2)和(3)的最小二乘解。圖8A-8D示出了尖端力的校準(zhǔn)結(jié)果。圖8A和圖8C示出了使用(6)計(jì)算的力對(duì)實(shí)際力。通過(guò)原點(diǎn)的45°直線表示理想的結(jié)果。圖8B和圖8D示出了殘余誤差對(duì)實(shí)際力。對(duì)于F_tx和F_ty，均方根(RMS)誤差分別為0.35mN和0.53mN。

鞏膜接觸力和位置的校準(zhǔn)

橫向力在工具軸上的16個(gè)位置處，離工具尖端10mm至25mm以1mm間隔施加，如圖2C中的d_s所示。力的大小范圍為25mN(在離工具尖端10mm處)，至100mN(在離工具尖端25mm處)。因?yàn)楣饫w被手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)并且嵌入到工具軸中，所以不知道FBG-II和FBG-III(即，圖2C中的l_II和l_III)的精確“中心”位置。在工具尖端處沒有施加力，因此(4)減小到：

ΔS_j＝K_jsF_sd_j (19)

＝K_jsF_s(l_j-d_s) (20)

其中，d_j＝l_j-d_s，且j＝II和III。

校準(zhǔn)目標(biāo)是找到常數(shù)K_js和l_j。因?yàn)樗鼈儾皇蔷€性獨(dú)立的，所以構(gòu)造優(yōu)化問(wèn)題以找到最佳擬合：

25≤l_j≤50

最優(yōu)化最小化成本函數(shù)，即FBG-j的傳感器讀數(shù)的殘余誤差的2-范數(shù)。圖9A和9B示出了優(yōu)化結(jié)果。和分別為31.3mm和37.2mm。FBG-II和FBG-III之間的差與單根光纖的標(biāo)稱值6mm一致。

使用(22)連同來(lái)計(jì)算系數(shù)矩陣K_js。校準(zhǔn)結(jié)果證明了足夠的精度，如圖10A-10D所示。對(duì)于F_sx，RMS誤差為0.82mN，并且對(duì)于F_sx，RMS誤差為1.00mN。使用在大小上大于5mN的力來(lái)估計(jì)鞏膜切開的位置。圖11A和圖11B示出了相對(duì)于工具尖端的估計(jì)的鞏膜切開位置對(duì)比實(shí)際值以及每個(gè)校準(zhǔn)位置處的估計(jì)RMS誤差。鞏膜切開處離尖端越遠(yuǎn)，它越接近FBG-II和FBG-III，并且位置估計(jì)越準(zhǔn)確。如下一節(jié)所示，低通濾波可以進(jìn)一步減小感測(cè)噪聲并且平滑估計(jì)。

使用鞏膜校準(zhǔn)結(jié)果，我們檢查來(lái)自FBG-II和FBG-III的尖端力消除。將僅利用尖端力從校準(zhǔn)獲得的FBG-II和FBG-III的傳感器讀數(shù)插入到(7)和(8)中以計(jì)算由于尖端力引起的鞏膜力估計(jì)誤差。如圖12A和圖12B所示，鞏膜力誤差不依賴于尖端力大小，并且可能是由于系統(tǒng)噪聲。對(duì)F_sx，RMS誤差為0.62mN，對(duì)于F_sy，RMS誤差為0.74mN，且尖端力高達(dá)10mN。

鞏膜接觸力的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

使用自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，以測(cè)試從用于鞏膜力和位置的校準(zhǔn)獲得的結(jié)果。橫向力的方向和大小，以及施加力的工具軸上的位置在校準(zhǔn)范圍內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生。具有100個(gè)樣本的窗口大小的移動(dòng)平均濾波器應(yīng)用于鞏膜切開的位置估計(jì)。圖13A-13D示出了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。F_sx和F_sy估計(jì)的RMS誤差分別為0.56mN和1.08mN。鞏膜位置估計(jì)的RMS誤差為0.57mm，與在從工具尖端25mm處的校準(zhǔn)中獲得的最低誤差相當(dāng)。

工具到機(jī)器人校準(zhǔn)

將雙重力感測(cè)能力結(jié)合到機(jī)器人控制中需要從局部工具框架到機(jī)器人工具托架框架的精確坐標(biāo)變換。假定工具和工具托架同軸是合理的。工具和機(jī)器人工具托架的X軸和Y軸手動(dòng)對(duì)齊。用卡尺測(cè)量的從機(jī)器人工具托架到工具尖端的Z軸偏移量z_rt約為-40mm。傳統(tǒng)的樞軸校準(zhǔn)是不實(shí)用的，因?yàn)楣ぞ咻S不是剛性的。我們使用可變導(dǎo)納控制來(lái)實(shí)施RCM約束，并執(zhí)行偽樞軸校準(zhǔn)。圖14A和圖14B示出了實(shí)驗(yàn)設(shè)置。將一片0.25mm厚的硬紙貼在夾到穩(wěn)定平臺(tái)上的CD上。在通過(guò)CD的中心孔暴露的紙張的中心刺穿0.7mm的孔。雙重力感測(cè)工具插入孔中并通過(guò)可變導(dǎo)納控制利用RCM約束樞轉(zhuǎn)，如圖14A所示。

來(lái)自雙力感測(cè)工具的鞏膜位置估計(jì)d_s和從世界笛卡爾框架到機(jī)器人工具托架框架的框架變換g_wr被用于找到從工具托架偏移的工具尖端。令g_rs表示從位于RCM點(diǎn)的“鞏膜”框架到機(jī)器人工具托架框架的框架變換。因?yàn)槲覀兗俣ā办柲ぁ盧CM框架的方向與機(jī)器人工具托架框架的方向一致：

其中，R_rs＝I，p_rs＝[0，0，z_rt+d_s]^T，并且z_rt為工具尖端在機(jī)器人工具托架框架中的Z位置。RCM點(diǎn)p_ws可以被認(rèn)為是世界笛卡爾坐標(biāo)框架中的靜態(tài)點(diǎn)。理想地，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算的所有p_ws應(yīng)該收斂到一個(gè)點(diǎn)。因此，一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題是找到使所有的p_ws的標(biāo)準(zhǔn)差最小化：

s.t.P_ws＝[p_ws1 … p_wsn]^T (26)

-45≤z_rt≤-35 (28)

圖15A示出了優(yōu)化結(jié)果，RCM點(diǎn)和工具尖端的相應(yīng)軌跡如圖15B所示。計(jì)算的RCM位置的標(biāo)準(zhǔn)偏差在X、Y和Z方向上分別為0.38mm、0.34mm和0.74mm。這說(shuō)明了通過(guò)可變導(dǎo)納控制實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)RCM約束的能力。

跟蹤眼睛幻影中的視網(wǎng)膜靜脈

我們使用眼睛模型進(jìn)一步評(píng)估機(jī)器人控制的性能，如圖16所示。該工具通過(guò)23Ga套管針插入眼睛，并且用于跟蹤視網(wǎng)膜上的靜脈。具有3D顯示器的立體視頻顯微鏡用于可視化。

任務(wù)是在大約3mm長(zhǎng)的視網(wǎng)膜靜脈分支上方進(jìn)行往返行程。使用可變導(dǎo)納控制進(jìn)行五個(gè)試驗(yàn)。圖17A和圖17B示出了記錄的鞏膜力，以及其中一個(gè)試驗(yàn)的鞏膜切開點(diǎn)和工具尖端的軌跡。最大鞏膜力大小為3.44±0.21mN。使用上面獲得的工具到機(jī)器人變換計(jì)算鞏膜切開位置。對(duì)于X、Y和Z方向，鞏膜切開位置的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.13±0.03mm，0.17±0.06mm和0.38±0.06mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示利用可變導(dǎo)納控制的RCM行為是精確且可重復(fù)的，最小化鞏膜切開的力和運(yùn)動(dòng)。

對(duì)于沒有鞏膜力反饋的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)作控制也嘗試相同的任務(wù)。用戶不能感覺到鞏膜力，并且只能依靠由3D顯示器提供的視覺反饋。由于大的鞏膜力(超過(guò)50mN)的嚴(yán)重的工具偏轉(zhuǎn)和由于RCM的反向運(yùn)動(dòng)使得很難控制工具尖端運(yùn)動(dòng)。沒有完成成功的試驗(yàn)。相反，可變導(dǎo)納控制使得能夠在鞏膜切開處產(chǎn)生支點(diǎn)，用戶可以精確地控制工具尖端運(yùn)動(dòng)而圍繞其自然地樞轉(zhuǎn)。

討論和結(jié)論

Krupa等人39借助于安裝在機(jī)器人末端執(zhí)行器上的力傳感器使用力控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)RCM行為。然而，假定在儀器尖端沒有施加橫向力，因此在機(jī)器人末端執(zhí)行器處在患者外部測(cè)量的橫向力是在儀器軸和套管針之間施加的接觸力。這個(gè)假設(shè)在MIS中不一定有效。雙力感測(cè)儀器可以提供對(duì)工具尖端力和鞏膜接觸力以及鞏膜切開的位置的足夠精確、獨(dú)立的測(cè)量。其設(shè)計(jì)還可應(yīng)用于MIS的外科儀器，以提供額外的有用信息，以改進(jìn)手術(shù)機(jī)器人的控制。阻抗和導(dǎo)納型機(jī)器人都可以利用該傳感器來(lái)提供與環(huán)境的安全交互。這對(duì)于雙邊合作操縱和遠(yuǎn)程手術(shù)是特別重要的。

可變導(dǎo)納控制采用來(lái)自雙力感測(cè)儀器的感測(cè)優(yōu)點(diǎn)。它反映了工具和環(huán)境之間的自然物理相互作用。它可以適應(yīng)當(dāng)前的RCM點(diǎn)，而不假設(shè)RCM點(diǎn)是靜態(tài)的。機(jī)械RCM不提供改變RCM點(diǎn)的靈活性，而使用幾何約束的軟件虛擬RCM能夠并入雙力感測(cè)儀器以更新當(dāng)前RCM點(diǎn)。可變導(dǎo)納控制定律還可以與其他虛擬固定裝置方法(諸如約束優(yōu)化框架2223)結(jié)合。最終，其應(yīng)當(dāng)提供可以并入有用反饋和自然運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)的透明和直觀的界面。

我們已經(jīng)提出了設(shè)計(jì)用于玻璃體視網(wǎng)膜手術(shù)操作的新型多功能力感測(cè)儀器，該儀器不僅測(cè)量?jī)x器尖端處的力，而且測(cè)量鞏膜接觸位置和儀器軸上的相互作用力。開發(fā)了一種可變導(dǎo)納機(jī)器人控制方法，該方法包含該信息以提供透明和直觀的機(jī)器人行為，其可以使眼睛運(yùn)動(dòng)最小化，同時(shí)使得工具能夠在眼睛內(nèi)部操作，并且提供有用的鞏膜力反饋以幫助重新定位眼睛。這個(gè)系統(tǒng)可以潛在地提供安全、穩(wěn)定的微操作，該微操作可以改善視網(wǎng)膜顯微外科的結(jié)果。

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在本說(shuō)明書中示出和討論的實(shí)施例僅旨在向本領(lǐng)域技術(shù)人員教導(dǎo)本發(fā)明人已知的用于制造和使用本發(fā)明的最佳方式。在描述本發(fā)明的實(shí)施例時(shí)，為了清楚起見采用了特定的術(shù)語(yǔ)。然而，本發(fā)明不旨在限于所選擇的特定術(shù)語(yǔ)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)上述教導(dǎo)所理解的，在不脫離本發(fā)明的情況下，可以修改或改變本發(fā)明的上述實(shí)施例。因此，應(yīng)當(dāng)理解，在權(quán)利要求及其等同物的范圍內(nèi)，可以以不同于具體描述的方式來(lái)實(shí)施本發(fā)明。