Способ и устройство для проведения минимально инвазивных операций на сердце

Способ и устройство для проведения минимально инвазивных операций на сердце

Реферат

 

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к роботизированным хирургическим системам. Система включает пару хирургических инструментов, которые присоединены к паре манипуляторов робота. Инструменты имеют концевые исполнительные механизмы, которыми можно манипулировать для поддержания и наложения швов на ткани. Хирург может двигать ручки для воспроизведения соответствующего движения концевых исполнительных механизмов. Движение ручек соизмеряется таким образом, что концевые исполнительные механизмы имеют соответствующее движение, которое обычно меньше, чем движение, осуществляемое руками хирурга. Масштабный коэффициент подбирается таким образом, что хирург может управлять разрешающей способностью движения концевого исполнительного механизма. Хирург может подобрать положение ручек без движения концевых исполнительных механизмов таким образом, что ручки можно передвинуть в более удобное положение. Изобретение позволяет повысить точность и скорость проведения операций, уменьшить продолжительность анестезии у пациента. 3 с. и 22 з. п. ф-лы, 30 ил.

Настоящее изобретение является частичным продолжением заявки на патент США под заголовком "Способ и устройство для проведения минимально инвазивных операций на сердце", которая получила серийный номер 08/603543, которая подана 20 февраля 1996 и которая в настоящее время находится на рассмотрении и включена здесь для ссылки.

1. Область изобретения

Настоящее изобретение относится к системе и способу проведения минимально инвазивных операций на сердце. Конкретнее, настоящее изобретение относится к системе - роботу и хирургическим инструментам, которые можно съемно присоединять к ней, где упомянутая система предназначена для проведения минимально инвазивных хирургических операций.

2. Описание предшествующего уровня техники

Закупорка коронарной артерии может лишить сердце крови и кислорода, необходимых для поддержания жизни. Закупорку можно устранить медикаментозным путем или ангиопластикой. В тяжелых случаях закупорки осуществляют шунтирование коронарной артерии (CABG) для обхода закупоренного участка артерии. Обычно операции по CABG осуществляют при рассечении грудины и вскрытии грудной полости для получения доступа к сердцу. В участке артерии, смежном с закупоренным участком, делают надрез. Затем отделяют внутреннюю грудную артерию (IMA) и присоединяют к артерии в точке надреза. IMA обходит закупоренный участок артерии для обеспечения полноценного потока крови к сердцу. Рассечение грудины и вскрытие грудной полости, обычно относящиеся к так называемой "открытой хирургии", могут вызвать у пациента значительную травму. Кроме того, сломанная грудина удлиняет период выздоровления пациента.

Осуществлялись попытки проводить операции по CABG без вскрытия грудной полости. Минимально инвазивные операции (МIS) проводятся при введении хирургических инструментов и эндоскопа через небольшой разрез в коже пациента. Манипулирование такими инструментами может быть неточным, особенно при сшивании пересаживаемого сосуда с артерией. Было установлено, что для тщательного управления инструментами необходим высокий уровень точности. Кроме того, обычно человеческие руки обладают, по меньшей мере, незначительным тремором. Тремор дополнительно увеличивает трудность осуществления минимально инвазивных операций на сердце.

Для проведения MIS хирург использует специальные инструменты. Эти инструменты позволяют хирургу маневрировать внутри пациента. Одним типом инструментов, который применяют в минимально инвазивной хирургии, является пинцет, инструмент, имеющий кончик, особая форма которого приспособлена для захвата объектов, таких как иглы. Поскольку пинцет и другие инструменты, предназначенные для минимально инвазивной хирургии, обычно являются длинными и жесткими, они не способствуют точности для эффективного выполнения многих операций минимально инвазивным способом. Например, обычные пинцеты для MIS непригодны для манипулирования иглой соответствующим образом во время минимально инвазивной операции, такой как эндоскопия. Следовательно, многие операции в MIS, которые могли бы выполняться, в настоящее время не осуществляют.

По существу, во время открытых операций кончики различных инструментов могут располагаться с шестью степенями свободы. Однако при введении инструмента через небольшое отверстие, подобное тому, какое делается у пациента для выполнения минимально инваэивной операции, две степени свободы теряются. Это та потеря свободы движения в месте операции, которая значительно ограничивает типы операций, выполняемых в MIS.

Ловкость при MIS теряется вследствие того, что используемые инструменты неспособны обеспечить дополнительные степени свободы, которые теряются при введении инструментов пациенту. Одной из проблем, связанных с этой потерей ловкости, является невозможность накладывать швы, когда инструменты находятся в определенных положениях. В результате почти невозможно проводить операции, которые требуют наложения большого количества швов в месте операции, поскольку отсутствуют хирургические инструменты, которые делают возможным осуществлять большую часть этой работы.

Другой проблемой, связанной с MIS, является отсутствие точности в операционном поле. При таких операциях, как MICABG (минимально инвазивное шунтирование коронарной артерии), необходимо накладывать чрезвычайно маленькие швы в различных положениях проксимальнее сердца. По существу, необходимо точное движение инструмента на конце хирургического инструмента. В настоящее время с помощью руки, держащей инструмент, точность, необходимая для подобного наложения швов, теряется.

По существу, необходимым в этой области является инструмент и группа хирургических инструментов, которые можно координировать внутри пациента таким образом, что хирург имеет дополнительные степени свободы, пригодные для более ловкого и точного расположения инструмента, расположенного на конце инструмента, как это необходимо.

Кроме того, необходимыми в этой области являются способ и механизм, которые обеспечили бы простой инструмент и возможность замены инструмента таким образом, что различные инструменты можно легко и просто заменять, что дает возможность проводить операции быстрее и таким образом сводит до минимума стоимость операции для пациента и уменьшает продолжительность анестезии у пациента.

Настоящее изобретение направлено на решение вышеупомянутых проблем.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение является системой для проведения минимально инвазивных операций на сердце. Система включает пару или более хирургических инструментов, соединенных с парой манипуляторов робота. Система может включать только один хирургический инструмент и также один манипулятор робота, как это раскрывается здесь ниже. Инструменты имеют концевые исполнительные механизмы, которыми можно манипулировать для отделения, поддержания, прижигания и сшивания тканей. Манипуляторы робота соединены с парой управляющих ручек с помощью контроллера. Хирург может двигать руками для выполнения соответствующего движения концевых исполнительных механизмов. Движение ручек соотнесено таким образом, что концевые исполнительные механизмы имеют соответствующее движение, которое отличается обычно меньше, чем движение, осуществляемое руками хирурга. Это помогает в устранении любого тремора, который может иметь место в руках хирурга. Масштабный коэффициент подобран таким образом, что хирург может регулировать разрешающую способность движения концевых исполнительный механизмов. Движение концевых исполнительных механизмов может контролироваться входной кнопкой таким образом, что концевой исполнительный механизм может двигаться только тогда, когда хирург нажимает или надавливает на кнопку. Входная кнопка позволяет хирургу регулировать положение ручек без движения концевых исполнительных механизмов таким образом, что ручки можно передвигать в более удобное положение.

Система может иметь также контролируемый роботом эндоскоп, который позволяет хирургу дистанционно обозревать место операции. Операция на сердце может осуществляться при выполнении небольших надрезов на коже пациента и введении инструментов и эндоскопа пациентам. Хирург манипулирует ручками и двигает концевыми исполнительными механизмами для проведения операций на сердце, таких как шунтирование коронарной артерии или вмешательство на сердечных клапанах.

Дополнительно настоящее изобретение направлено на хирургический инструмент и способ его управления, который позволяет хирургу соединять кончик инструмента, поддерживая функцию инструмента в кончике инструмента. По существу, кончик инструмента можно связать с двумя степенями свободы, все время можно использовать инструмент на кончике.

Система робота обычно включает:

манипулятор робота,

соединительное устройство, которое прикреплено к манипулятору,

хирургический инструмент, поддерживаемый соединительным устройством,

контроллер, причем движение контроллера производит пропорциональное движение манипулятора робота и хирургического инструмента.

Настоящее изобретение может включать хирургический инструмент, который имеет удлиненный стержень. Удлиненный стержень имеет продольную ось и обычно служит в качестве манипулятора эндоскопического инструмента. Шарнирная часть монтируется к и распространяется за пределы удлиненного стержня. Альтернативно шарнирную часть можно изготавливать как одно целое с удлиненным стержнем. Шарнирная часть имеет проксимальную часть, поворотное соединение и дистальную часть. Проксимальная часть может включать пару пальцев. Пальцы могут занимать ортогональное положение относительно друг друга и ориентированы радиально к продольной оси удлиненного стержня. При использовании в хирургических операциях обычно предпочтительно, если инструмент и большинство компонентов там выполняются из нержавеющей стали, пластика или других легко стерилизующихся материалов. Каждый из пальцев может иметь, по меньшей мере, одно отверстие, сделанное там для прохождения штифта, который предназначен для прикрепления поворотного соединения к проксимальной части шарнирной части и который позволяет шарнирно монтировать поворотное соединение к проксимальной части. Шарнирная часть обеспечивает сочленение на конце инструмента, который включает шарнирную часть. Конкретнее, это обеспечивает дополнительные степени свободы для устройства на кончике инструмента, который включает шарнирную часть.

Такой инструмент, как раскрыто здесь ниже, при использовании совместно с настоящей хирургической системой обеспечивает хирургу дополнительную ловкость, точность и гибкость, до настоящего времени не достигнутые при минимально инвазивных хирургических операциях. По существу, время операции может сократиться, и травма для пациента заметно уменьшится.

Для обеспечения повышенной точности при расположении сочлененного кончика, как раскрыто здесь ниже, предоставляются две дополнительные степени свободы для контроллера управления. Каждая из двух дополнительных степеней свободы спланирована к каждой из степеней свободы на кончике инструмента. Это осуществляется посредством дополнительного введения двух соединений на управляющем и автоматических средствах для соединения кончика инструмента в ответ на движения, выполненные управляющей частью системы.

Объекты и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными обычным специалистам в этой области после рассмотрения следующего подробного описания и чертежей.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой перспективный вид минимально инвазивной хирургической системы по настоящему изобретению,

фиг.2 представляет собой схему управляющей части системы,

фиг.3 представляет собой схему подчиненной части системы,

фиг.4 представляет собой схему системы управления,

фиг.5 представляет собой схему, показывающую инструмент в системе координат,

фиг.6 представляет собой схему инструмента, движущегося относительно точки опоры,

фиг.7 представляет собой изображение концевого исполнительного механизма в разобранном виде в соответствии с системой по настоящему изобретению,

фиг.8 представляет собой вид управляющей ручки системы по настоящему изобретению,

фиг.8А представляет собой боковой вид управляющей ручки системы по настоящему изобретению,

фиг.9-10A-J представляют собой иллюстрации, показывающие внутреннюю грудную артерию, подшитую к коронарной артерии,

фиг.11 представляет собой боковой вид заднего загрузочного привода инструмента в соответствии с системой по настоящему изобретению,

фиг.12 представляет собой план узла двигателя заднего загрузочного привода инструмента из фиг.11,

фиг.13 представляет собой боковой план шарнирного инструмента по настоящему изобретению,

фиг.14 представляет собой боковой план шарнирного инструмента, где присоединен кончик инструмента,

фиг.15 представляет собой изображение в разобранном виде шарнирной части шарнирного инструмента по настоящему изобретению,

фиг.16 представляет собой план поворотного соединения в соответствии с шарнирной частью шарнирного хирургического инструмента по настоящему изобретению,

фиг.17 представляет собой перспективный вид узла привода инструмента по настоящему изобретению,

фиг.18 представляет собой вид съемного кончика инструмента в соответствии с шарнирным инструментом по настоящему изобретению,

фиг.19 представляет собой гнездо кончика инструмента по настоящему изобретению,

фиг.20 представляет собой вид в разрезе шарнирного инструмента, прикрепленного к шарнирному преобразователю по настоящему изобретению,

фиг.21 представляет собой крупноплановый вид в разрезе шарнирного преобразователя по настоящему изобретению,

фиг.22 представляет собой концевой вид шарнирного преобразователя по настоящему изобретению,

фиг.23 представляет собой вид в разрезе стерильной части узла привода шарнирного инструмента в соответствии с системой по настоящему изобретению,

фиг.24 представляет собой вид в разрезе привода инструмента узла привода шарнирного инструмента в соответствии с системой по настоящему изобретению,

фиг.25 представляет собой схему управляющей части системы по настоящему изобретению, которая включает узел привода шарнирного инструмента,

фиг.26 представляет собой план чехла для использования с манипулятором робота по настоящему изобретению,

фиг.27 представляет собой план хирургического инструмента, имеющего сшивающий скобами инструмент, расположенный на его конце, и где хирургический инструмент прикреплен к манипулятору робота по настоящему изобретению,

фиг.28 представляет собой план хирургического инструмента, имеющего режущее лезвие, расположенное на его конце, где инструмент прикрепляется к манипулятору робота по настоящему изобретению,

фиг.29 представляет собой план хирургического инструмента, имеющего коагулирующее/режущее устройство, расположенное на его конце, где инструмент прикреплен к манипулятору робота по настоящему изобретению, и

фиг.30 представляет собой план хирургического инструмента, имеющего сшивающий скобами инструмент, расположенный на его конце, и где хирургический инструмент прикрепляется к манипулятору робота по настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения

При обращении к чертежам более конкретно в порядке их нумерации видно, что фиг.1 показывает систему 10, которую можно использовать для проведения минимально инвазивных операций. В предпочтительном воплощении систему 10 можно использовать для осуществления минимально инвазивного шунтирования коронарной артерии или эндоскопического шунтирования коронарной артерии (E-CABG) и других анастомозных операций. Несмотря на то что представлена и описана операция по MICABG, необходимо понимать, что систему можно использовать для других хирургических операций. Например, систему можно использовать для сшивания любой пары сосудов.

Система 10 используется для проведения операции у пациента 12, который обычно лежит на операционном столе 14. К операционному столу 14 смонтированы первый шарнирный манипулятор 16, второй шарнирный манипулятор 18 и третий шарнирный манипулятор 20. Шарнирные манипуляторы 16-20 предпочтительно смонтированы со столом таким образом, что манипуляторы находятся на одном контрольном уровне с пациентом. Будет также предпочтительным, если манипуляторы можно поместить на тележку или какое другое приспособление, в котором манипуляторы будут находиться проксимальнее уровня пациента. Несмотря на то что представлено и описано три шарнирных манипулятора, следует понимать, что система может иметь любое число манипуляторов, так, например, один или более манипуляторов.

Каждый из первого и второго шарнирных манипуляторов 16 и 18 имеет основной корпус 25 и узел манипулятора робота 26, выступающий из основного корпуса 25. Хирургические инструменты 22 и 24 предпочтительно съемно соединяются с концом каждого узла манипулятора робота 26 первого и второго шарнирных манипуляторов 16, 18. Каждый из инструментов 22, 24 может быть присоединен к соответствующему узлу манипулятора робота 26 различными способами, которые детально будут обсуждены ниже.

Третий шарнирный манипулятор 20 дополнительно включает основной корпус 25 и узел манипулятора робота 26 и предпочтительно имеет эндоскоп 28, который прикреплен к узлу манипулятора робота 26. Основной корпус 25 и узел манипулятора робота 26 каждого из шарнирных манипуляторов 16, 18 и 20 являются в основном одинаковыми. Однако необходимо понимать, что конфигурация третьего шарнирного манипулятора 20 может отличаться, поскольку предназначением третьего шарнирного манипулятора является удерживание и расположение эндоскопа 28, в отличие от удерживания и расположения хирургического инструмента.

Инструменты 22 и 24 и эндоскоп 28 вводят через разрезы, сделанные на коже пациента 12. Эндоскоп 28 имеет камеру 30, которая соединена с монитором 32, который показывает изображение внутренних органов пациента 12.

Каждый узел манипулятора робота 26 имеет основной двигатель 34, который линейно движет узел манипулятора 26 относительно основного корпуса 25, как показано стрелками Q. Каждый узел манипулятора робота 26 также включает первый вращательный двигатель 36 и второй вращательный двигатель 38. Каждый из узлов манипулятора робота 26 может иметь пару пассивных соединений 40 и 42. Пассивные соединения 40, 42 предпочтительно располагаются ортогонально по отношению друг к другу для обеспечения шарнирного движения инструмента 22, 24 или эндоскопа 28, который прикрепляется к соответствующему узлу манипулятора робота 26. Пассивные соединения могут быть пружинными со смещением в любом определенном направлении, однако они не ведутся двигателем. Узел манипулятора робота 26 также может иметь соединительный механизм 45 для присоединения к нему инструментов 22 и 24 или эндоскопа 28. Кроме того, каждый узел манипулятора робота 26 имеет двигатель, ведомый червячной шестерней 44, для вращения инструмента 22, 24 или эндоскопа 28, прикрепленных к нему относительно его продольной оси. Конкретнее, двигатель, ведомый червячной шестерней, вращает инструменты и эндоскоп.

Первый, второй и третий шарнирные манипуляторы 16, 18 и 20 соединены с контроллером 46, который может управлять движением манипуляторов. Манипуляторы подсоединены к контроллеру 46 посредством электропровода, кабеля или системы передатчик-приемник таким образом, что управляющие сигналы могут проходить от контроллера 46 к каждому из шарнирных манипуляторов 16, 18 и 20. Предпочтительно для обеспечения свободной от ошибок связи между каждым из шарнирных манипуляторов 16, 18 и 20 и контроллером 46 каждый манипулятор 16, 18 и 20 электрически соединяется с контроллером, и, например, каждый манипулятор 16, 18 и 20 электрически соединяется с контроллером 46 посредством электрокабеля 47. Однако возможно управлять каждым манипулятором 16, 18 и 20 дистанционно, используя хорошо известные дистанционные системы в противоположность прямым электрическим связям. По существу, такие дистанционные системы хорошо известны в этой области, и в дальнейшем они не будут здесь обсуждаться.

Контроллер 46 соединен с входным устройством 48, таким как ножная педаль, ручной контроллер, устройство, распознающее голос. Для примера здесь раскрывается ножной контроллер. Входное устройство 48 может управляться хирургом для изменения положения эндоскопа 28 и обзора различных органов пациента нажатием соответствующей кнопки (кнопок), расположенной на входном устройстве 48. Контроллер 46 получает входные сигналы от входного устройства 48 и передвигает эндоскоп 28 и узел манипулятора робота 26 третьего шарнирного манипулятора 20 в соответствии со входными командами хирурга. Каждый из узлов манипулятора робота 26 может представлять собой устройства, которые продаются представителем настоящего изобретения Computer Motion, Inc. of Goleta, California, с торговой маркой AESOP. Система также описана в патенте США № 5515478, который здесь приведен для ссылки. Несмотря на то что показана и описана ножная педаль 49, необходимо понимать, что система может иметь другие входные средства, такие как ручной контроллер или устройства, распознающие речь.

Движение и расположение инструментов 22, 24, прикрепленных к первому и второму шарнирным манипуляторам 16 и 18, управляются хирургом с помощью пары управляющих ручек 50 и 52. Каждая из управляющих ручек 50, 52, которыми может манипулировать хирург, имеет связь "управление - подчинение" с соответствующим одним из шарнирных манипуляторов 16, 18 таким образом, что движение ручки 50 или 52 производит соответствующее движение хирургического инструмента 22, 24, прикрепленного к шарнирным манипуляторам 16, 18.

Ручки 50 и 52 могут быть установлены на передвижном ящике 54. Второй телевизионный монитор 56 можно поместить в ящик 54, присоединить к эндоскопу посредством хорошо известных способов таким образом, что хирург смог бы легко обозревать внутренние органы пациента 12. Ручки 50 и 52 также соединены с контроллером 46. Контроллер 46 получает входные сигналы от ручек 50 и 52, рассчитывает соответствующее движение хирургических инструментов и обеспечивает выходные сигналы для движения узла манипулятора робота 26 и инструментов 22, 24. Поскольку хирург может управлять движением и ориентацией инструментов 22, 24, не держа фактически концы инструментов, хирург может использовать систему 10 по настоящему изобретению как в сидячем, так и стоячем положении. Одним из преимуществ настоящего изобретения является то, что хирург может осуществлять эндоскопические операции в сидячем положении. Это позволяет хирургу меньше уставать и может улучшить выполнение и результаты в операционной, особенно во время таких операций, которые имеют многочасовую продолжительность. В качестве приспособления для сидячего положения система может быть обеспечена креслом 57.

Каждая ручка имеет множественные степени свободы, обеспеченные различными соединениями Jm1-Jm5, изображенными на фиг.2. Соединения Jm1 и Jm2 позволяют ручке вращаться вокруг точки опоры в ящике 54. Соединение Jm3 позволяет хирургу передвигать ручку внутрь и из ящика 54 линейно. Соединение Jm4 позволяет хирургу вращать управляющими ручками относительно оси ручки. Соединение Jm5 позволяет хирургу открывать и закрывать захватное устройство.

Каждое соединение Jm1-Jm5 имеет один или более датчиков положения, которые обеспечивает сигналы обратной связи, соответствующие относительному положению ручки. Датчиками положения могут быть потенциометры или любые другие устройства, действующие по принципу обратной связи, такие как вращающийся оптический кодировщик, который обеспечивает электрические сигналы, соответствующие изменению положения. Кроме того, множество датчиков положения можно поместить в каждое соединение для обеспечения избытка в системе, которые можно использовать для предупреждения хирурга о нарушениях функций или неправильном положении соответствующего узла манипулятора робота 26.

В дополнение к датчикам положения каждое соединение может включать тахометры, измерители ускорения и нагрузочные элементы индикации силы, каждый из которых может обеспечивать электрические сигналы, относящиеся к скорости, ускорению и силе, прилагаемым к соответствующему соединению. Дополнительно в каждое соединение могут включаться приводы для отражения силовой обратной связи, полученной на узле манипулятора робота 26. Это может быть особенно полезным на соединении Jm5 для индикации силы, с которой неожиданно столкнулось внутри пациента захватное устройство, расположенное на конце инструментов 22 и 24. По существу, в захватное устройство инструмента 22, 24 должен быть включен элемент, отражающий силу, в целях приведения в действие подобной петли обратной связи, отражающей силу. Элементы, отражающие силу, такие как пьезоэлектрические элементы в комбинации с мостом Уитстона, являются хорошо известными в этой области. Однако ранее не было известно об использовании такого отражения силы с подобной системой 10.

Фиг.3 показывает различные степени свободы каждого шарнирного манипулятора 16 и 18. Соединения Js1, Js2 и Js3 соответствуют осям движения основного двигателя 34 и вращательных двигателей 36, 38 узла манипуляторов робота 26 соответственно. Соединения Js4 и Js5 соответствуют пассивным соединениям 40 и 42 манипуляторов 26. Соединение Js6 может быть двигателем, который вращает хирургические инструменты относительно продольной оси инструмента. Соединение Js7 может быть парой пальцев, которые могут открывать и закрывать. Инструменты 22 и 24 двигаются относительно точки опоры Р, расположенной на разрезе у пациента.

Фиг.4 показывает схему управляющей системы, которая передает движение управляющей ручки в соответствующее движение хирургического инструмента. В соответствии с управляющей системой, представленной на фиг.4, контроллер 46 рассчитывает выходные сигналы для шарнирных манипуляторов таким образом, что хирургические инструменты движутся вместе с движением ручки. Каждая ручка может иметь входную кнопку 58, которая дает возможность инструменту двигаться вместе с ручкой. Когда входная кнопка 58 утоплена, хирургический инструмент следует за движением ручки. Когда кнопка 58 высвобождается, инструмент не следует за движением ручки. Таким образом, хирург может регулировать или останавливать при помощи "храпового" механизма положение ручки, не производя соответствующего нежелательного движения инструмента. Особенность "храповика" позволяет хирургу постоянно двигать ручками до более желаемых положений, не изменяя положений манипуляторов. Кроме того, поскольку ручки сдерживаются точкой опоры, свойство "храповика" позволяет хирургу двигать инструментом за пределами пространственных ограничений ручек. Несмотря на то что показана и описана входная кнопка 58, необходимо понимать, что хирургический инструмент может активироваться другими средствами такими, как устройство, распознающее голос. Альтернативно входная кнопка может быть заперта таким образом, что движение соответствующего инструмента находится между активным и неактивным всякий раз, когда хирург нажимает на кнопку.

Когда хирург двигает ручкой, датчики положения обеспечивают сигналы обратной связи М1-М5, которые соответствуют движению соединений Jm1-Jm5 соответственно. Контроллер 46 рассчитывает разницу между новым положением ручки и исходным положением ручки в компьютерном блоке 60 для воспроизведения дифференциальных значений положения М1-М5.

Дифференциальные значения положения М1-М5 увеличиваются с помощью масштабных коэффициентов S1-S5 соответственно в блоке 62. Масштабные коэффициенты обычно устанавливаются на уровне менее единицы, и в результате движение инструмента меньше, чем движение ручки. Таким образом, хирург может производить очень тонкие движения инструментов при относительно грубых движениях ручек.

Масштабные коэффициенты S1-S5 являются переменными величинами, и хирург может менять разрешающую способность движения инструмента. Каждый масштабный коэффициент предпочтительно варьируется индивидуально и, таким образом, хирург может более точно управлять движением инструмента в определенных направлениях. В качестве примера при установлении одного из масштабных коэффициентов на нуле хирург может предотвратить движение инструмента в одном направлении. Это может иметь преимущество, если хирург не хочет, чтобы хирургический инструмент контактировал с органом или определенной тканью, расположенными в определенном направлении по отношению к пациенту. Несмотря на то что описаны масштабные коэффициенты меньше, чем единица, необходимо понимать, что масштабный коэффициент может быть выше единицы. Например, может быть желательно вращать инструмент с большей скоростью, чем соответствующее вращение ручки.

Контроллер 46 добавляет дифференциальные значения М1-М5 к первоначальным углам соединений Mj1-Mj5 в суммирующем элементе 64 для обеспечения значений Мr1-Мr5. Затем контроллер 46 проводит вычисления желаемых рабочих векторов в компьютерном блоке 66 по следующим уравнениям:

Rdx=Mr3·sin(Mr1)·cos(Mr2)+Px;

Rdy=Mr3·sin(Mr1)·sin(Mr2)+Py;

Rdz=Mr3·cos(Mr1)+Pz;

Sdr=Mr4;

Sdg=Mr5;

где Rdx, y, z = новому желаемому положению концевого исполнительного механизма инструмента;

Sdr = угловому вращению инструмента относительно продольной оси инструмента;

Sdg = количеству движения пальцев инструмента;

Рх, у, z = положению точки опоры Р.

Контроллер 46 затем рассчитывает движение манипулятора робота 26 в компьютерном блоке 68 по следующим уравнениям:

Jsd1=Rdz;

Jsd2=tan^-1(Rdy/Rdx)+ для Jsd30;

Jsd2=tan^-1(Rdy/Rdx)- для Jsd3>0;

Jsd6=Mr4,

Jsd7=Mr5,

где Jsd1 = движению линейного двигателя;

Jsd2 = движению первого вращательного двигателя;

Jsd3 = движению второго вращательного двигателя;

Jsd6 = движению вращающегося двигателя;

Jsd7 = движению захватного устройства;

L₁ = длине соединительного плеча между первым вращательным и вторым вращательным двигателями;

L₂ = длине соединительного плеча между вторым вращательным двигателем и пассивными соединениями.

Контроллер обеспечивает выходные сигналы к двигателям для движения манипулятора и инструмента в желаемом направлении в блоке 70. Этот процесс повторяется для каждого движения ручки.

Управляющая ручка будет иметь различное пространственное положение по отношению к хирургическому инструменту, если хирург освобождает или нажимает входную кнопку и двигает ручкой. Когда первоначально входная кнопка 58 утоплена, контроллер 46 рассчитывает первоначальные значения углов соединений Mj1-Mj5 в компьютерном блоке 72 по следующим уравнениям:

Мj1=tan^-1(ty/tx);

Mj2=tan^-1(d/tz);

Mj3=D;

Mj4=Js6;

Мj5=Js7;

В блоке 74 рассчитываются следующие отправные кинематические значения по следующим уравнениям.

Rsx=L₁·cos(Js2)+L₂·cos(Js2+Js3);

Rsy=L₁·cos(Js2)+L₂·sin(Js2+Js3):

Rsz=J1

Углы соединений Mj обеспечиваются для суммирующего блока 64. Точки опоры Px, Py и Pz рассчитываются в компьютерном блоке 76 следующим образом. Точка опоры вычисляется при первоначальном определении исходного положения пересечения концевого исполнительного механизма и инструмента РО и единичного вектора U₀, который имеет ту же ориентацию, что и инструмент. Значения положения Р(х, у, z) могут быть получены от различных датчиков положения манипулятора робота. Как видно из фиг.5, инструмент находится внутри первой системы координат (х, у, z), которая имеет углы 94 и 95. Единичный вектор U₀ вычисляется по преобразовательной матрице:

После каждого движения концевого исполнительного механизма вычисляется угловое движение инструмента взятием arcsin произведения первого и второго единичных векторов U₀ и U₁ инструмента по следующим линейным уравнениям L₀ и L₁.

=аrсsin(|)

T=U₀U₁,

где Т=вектор, который является произведением единичных векторов U₀ и U₁.

Единичный вектор нового положения инструмента U₁ вновь определяется с использованием датчиков положения и преобразовательной матрицы, описанных выше. Если угол больше, чем пороговое значение, тогда вычисляется новая точка опоры и U₀ устанавливается до U₁. Как показано на фиг.6, первую и вторую ориентации инструмента можно определить по линейным уравнениям L₀ и L₁:

L₀:

Х₀=Mx₀·Z₀+Сх₀

Y₀=My₀·Z₀+Су₀

L₁:

X₁=Mx₁·Z₁+Cx₁

Y₁=My₁·Z₁+Cy₁,

где Z₀ = координате Z по линии L₀ относительно оси Z в первой системе координат;

Z₁ = координате Z по линии L₁ относительно оси Z в первой системе координат;

Мх₀ = наклону линии L₀ как функции от Z₀;

Му₀ = наклону линии L₀ как функции от Z₀;

Мх₁ = наклону линии L₁ как функции от Z₁;

Му₁ = наклону линии L₁ как функции от Z₁;

Сх₀ = константе, которая представляет точку пересечения линии L₀ и оси х в первой системе координат;

Су₀ = константе, которая представляет точку пересечения линии L₀ и оси у в первой системе координат;

Cx₁ = константе, которая представляет точку пересечения линии L₁ и оси х в первой системе координат;

Cy₁ = константе, которая представляет точку пересечения линии L₁ и оси у в первой системе координат.

Наклоны вычисляются с использованием следующих алгоритмов:

Мх₀=Ux₀/Uz₀;

Му₀=Uy₀/Uz₀;

Mx₁=Ux₁/Uz₁;

My₁=Uy₁/Uz₁;

Сх₀=P₀x-Mx₁·P₀z;

Cy₀=P₀y-My₁P_0z;

Cx₁=P₁x-Mx₁·P₁z;

Cy₁=P₁y-My₁·P₁z;

где U₀ (x, y, z) = единичным векторам инструмента в первом положении внутри первой системы координат;

U1 (x, у, z) = единичным векторам инструмента во втором положении внутри первой системы координат;

Р₀ (x, у, z) = координатам точки пересечения концевого исполнительного механизма и инструмента в первом положении внутри первой системы координат;

Р₁ (x, у, z) = координатам точки пересечения концевого исполнительного механизма и инструмента во втором положении внутри первой системы координат.

Для установления примерного нахождения точки опоры определяют точки опоры инструмента в первой ориентации L₀ (точка опоры R₀) и во второй ориентации L₁ (точка опоры R₁) и вычисляют половину пути между двумя точками R₀ и R₁ и сохраняют в качестве точки опоры R_ave инструмента. Точку опоры R_ave определяют, используя произведение вектора Т.

Для установления точек R₀ и R₁ используют следующие равенства в целях определения линии с той же ориентацией, что и вектор Т, которая проходит как через L₀, так и L₁.

tx=Tx/Tz;

ty=Ty/Tz,

где tx = наклону линии, определяемой вектором Т по отношению к плоскости Z-X в первой системе координат;

ty = наклону линии, определяемой вектором Т по отношению к плоскости Z-Y в первой системе координат;

Тх = составляющей х вектора Т;

Ту = составляющей у вектора Т;

Tz = составляющей z вектора Т;

Выбор двух точек для определения наклонов Тх, Ту и Tz (например, Тх=х₁-х₀, Ту=у₁-у₀ и Tz=z₁-z₀) и подставление в линейные уравнения L₀ и L₁ обеспечивает установление координат точки R₀ (x₀, y₀, z₀) и R1 (x₁, y₁, z₁) следующим образом:

Z₀=((Мх₁-tx)z₁+Cх₁-Сх₀)/(Мх₀-tx);

Z₁=((Cy₁-Cy₀)(Mx₀-tx)-(Cx₁-C