Оценка усилия для роботизированной хирургической системы минимального инвазивного вмешательства

Оценка усилия для роботизированной хирургической системы минимального инвазивного вмешательства

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

В общем данное изобретение относится к области оказывающих минимальное инвазивное вмешательство медицинских процедур, включая хирургическое вмешательство и диагностические процедуры. Более точно изобретение затрагивает способ и систему для оценки усилия, которые способны определять прилагаемые к пациенту усилия, прежде всего, кончиком предназначенного минимального инвазивного вмешательства инструмента, но также на уровне отверстия доступа для инструмента в тело пациента.

Введение

Хорошо известно, что минимальное инвазивное медицинское вмешательство имеет преимущество уменьшения количества окружающей ткани, которая поражается во время диагностического или хирургического вмешательства. Это приводит к сокращению времени выздоровления пациента, уменьшению дискомфортных и вредоносных побочных эффектов и снижению затрат на пребывание в больнице. В настоящее время в направлениях общей хирургии, урологии, гинекологии и кардиологии наблюдается увеличение количества хирургических операций, выполненных минимальным инвазивным методом, таким как лапароскопическим методом.

Минимальные инвазивные методы в целом и лапароскопии в частности устанавливают более жесткие требования для выполняющих операцию хирургов. Хирург проводит операцию в неудобных условиях и изнурительных позах, имея ограниченное поле зрения, стесненную свободу передвижения и плохое тактильное ощущение. К данным проблемам добавляется тот факт, что хирургам часто приходится выполнять несколько последовательных вмешательств в день, каждое из которых продолжается, например, от 30 минут до нескольких часов. Несмотря на данные трудности, тенденция минимальных инвазивных вмешательств, вероятно, резко возрастет в ближайшие годы ввиду старения населения и давления цен в медицинской отрасли.

Например, в лапароскопии от хирургов потребуется быть таким же точным в своих движениях, как в лапаротомии. Манипулирование инструментами с длинными ручками с ловкостью движений, ограниченных до степени подвижности, равной 4 вокруг центра вращения (точка вращения) в месте ввода инструмента (также называемого троакар), то есть в месте вмешательства в тело пациента, не облегчает их задания. Осложнения возникают, среди прочего, в тех случаях, когда необходимая поза является довольно утомительной и снижает уже ограниченное восприятие взаимодействующих сил между инструментом и тканью. В результате моторные способности хирурга, как правило, через 20-30 минут ослабевают так, что среди прочего возникает дрожь, потеря точности и потеря тактильной чувствительности, представляющие риск для пациента. Поэтому появляются новые компьютерные и/или роботизированные технологии, такие как роботизированная хирургия с минимальным инвазивным вмешательством (Minimally Invasive Robotic Surgery - MIRS). Эти технологии нацелены на повышение эффективности, качества и безопасности операционных вмешательств.

Уровень техники

Принимая во внимание вышесказанное, в течение прошлого десятилетия MIRS познала значительное развитие. Две типичные, серийно выпускаемые роботизированные хирургические системы - это хирургическая система, известная под торговой маркой "DA VINCI", разработанная компанией Intuitive Surgical Inc., Саннивейл, Калифорния, и хирургическая система, известная под торговой маркой "ZEUS", первоначально разработанная компанией Computer Motion Inc., Голета, Калифорния. Известная под именем "DA VINCI" система описана помимо других Молом и др. (Moll et al.) в патентах US 6,659,939, US 6,837,883 и других патентных документах того же самого патентообладателя. Хирургическая система, известная под именем "ZEUS", описана помимо других Вонгом и др. (Wang et al.) в патентах US 6,102,850, US 5,855,583, US 5,762,458, US 5,515,478 и другой патентной литературе, переуступленной компании Computer Motion Inc., Голета, Калифорния.

Данные телеуправляемые роботизированные системы позволяют управлять хирургическим вмешательством либо напрямую из операционного зала, либо из удаленного местоположения, используя только двухмерный или трехмерный обратный визуальный контроль. В любом случае утомительная поза хирурга устранена. Кроме того, эти системы имеют тенденцию давать хирургу ощущение работы в открытых условиях, например как в лапаротомии, и устраняет вышеупомянутую утомительную позу хирурга.

Доступные на данный момент телеуправляемые MIS системы обычно не предлагают настоящей тактильной силовой обратной связи (именуемая ниже «силовая обратная связь») на пульте управления, с помощью которого хирург управляет роботом(-ами). Поэтому хирургу не хватает настоящего осязательного ощущения усилий, прилагаемых к органам и тканям. При работе с такими системами хирургу приходится полагаться на визуальную обратную связь и на свой опыт, чтобы ограничить взаимодействие инструментов со средой внутри пациента. В этом отношении проведена исследовательская работа, касающаяся компьютеризованной бездатчиковой системы силовой обратной связи, основанной на концепции, что компьютер мог бы воспроизводить то, что способен выполнять обладающий опытом в ручных MIS процедурах хирург. Другими словами, компьютер мог бы оценивать усилия от наблюдаемых визуально деформаций. Пример таких попыток найден в «Force feedback using vision», Kennedy, С and Desai, J.P., International Conference on Advanced Robotics, Coimba, Portugal, 2003. Однако такие системы еще не достигли приемлемого коммерческого уровня.

Как легко понять, точная силовая обратная связь рассматривается в качестве важнейшего признака, который обеспечивает безопасность операции и улучшает качество процедур, выполняемых системами с минимальным инвазивным вмешательством при машинной поддержке. Поэтому силовая обратная связь считается наиважнейшим фактором для проведения телеуправляемых вмешательств.

На уровне кончика инструмента измерение силы позволяет, например, выполнять пальпацию органов и тканей, что является в наивысшей степени желательно в диагностических процедурах и для идентификации критических областей, например артерий. Другие возможные расширения функциональных возможностей состоит в ограничении растяжений на хирургических швах и ограничении усилий, прилагаемых к тканям согласно типу и специфической фазе вмешательства. На практике контактные усилия могут удерживаться ниже заданной пороговой величины путем увеличения шкал движения, остановки перемещения манипулятора или увеличения обратной связи на управляющем устройстве. Кроме того, измерение силы позволило бы осуществлять интуитивную работу с инструментом, который не находится в поле зрения камеры эндоскопа, например, когда ассистент хирурга держит орган вдали от области операции.

На уровне отверстия доступа измерение силы являлось бы полезным для того, чтобы наблюдать и последовательно уменьшать усилия, прилагаемые инструментом в месте разреза для отверстия доступа. Эти усилия являются главной причиной разрыва разреза, что может привести к потере внутрибрюшинного давления, разъединению троакара и увеличению времени вмешательства вследствие необходимости исправления ситуации. Эти вредные усилия в основном вызываются неточным местоположением центра вращения (точки вращения) инструмента, как определено системой и модифицировано вследствие изменений внутрибрюшного давления относительно места вмешательства на пациенте, но также за счет отклонений перемещения (робота) манипулятора вследствие неточности его позиционирования. При ручном вмешательстве эти утомительные усилия менее выражены вследствие человеческой способности интуитивно регулировать перемещение руки относительно оптимального центра вращения на месте разреза.

Для преодоления проблемы разъединения троакара вышеупомянутая система "DA VINCI" использует, например, троакар, прикрепленный к манжете манипулятора на конце ползуна ввода/извлечения. Это решение не уменьшает риска разрыва места вмешательства и не устраняет потерю внутрибрюшного давления.

Чтобы преодолеть последнюю проблему на уровне троакара, адаптивный контроллер силовой обратной связи, который способен автоматически регулировать точку вращения манипулятора на касательной к брюшной полости пациента плоскости, был разработан и описан в работе Achieving High Precision Laparascopic Manipulation Through Adaptive Force Control. Krupa, A.Morel, G.De Mathellin. Proceedings of the 2002 IEEE Intern. Conference on Robotics and Automation, Washington D.C., May 2002. В этом решении датчик на исполнительном органе робота в сочетании с контроллером усилия используются для четкой регулировки прилагаемых боковых усилий к троакару, который вместе с брюшной стенкой определяет центр вращения, вокруг нуля. Этот способ и система не способны определять усилия на кончике вставленного через троакар инструмента. Вместо этого взаимодействующая сила на кончике инструмента предполагается незначительной. Поэтому этот способ может использоваться с удовлетворительным результатом только с манипулятором эндоскопа, который не имеет другой точки контакта с пациентом.

Другой подход описан в работе Development of actuated and sensor integrated forceps for minimally invasive robotic surgery. B.Kübler, U.Seibold and G. Hirzinger, Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Computer- und Roboterassierte Chirurgie (CUPAC), October 2004. Эта работа описывает минидатчик усилия/крутящего момента с 6 степенями подвижности, установленный на кончике инструмента минимального инвазивного вмешательства. Этот датчик позволяет точное измерение усилий, прилагаемых кончиком инструмента и соответствующей силовой обратной связью. Однако эта концепция имеет несколько недостатков, среди которых производственные и монтажные затраты, нехватка стойкости при стерилизации в автоклавах и проблема защиты от электромагнитных помех при использовании с инструментами под напряжением. Считается, что при использовании этого подхода специализированный датчик должен быть предусмотрен на каждом инструменте. Похожий подход был описан в работе A miniature microsurgical instrument tip force sensor for enhanced force feedback during robot-assisted manipulation. Berkelman, P.J.Whitcomb, L.L Taylor, R.H. and Jensen P., IEEE Transactions on Robotics and Automation, October 2003.

Другой подход, который не требует датчика, устанавливаемого на кончике каждого инструмента, описан в работе A New Robot for Force Control in Minimally Invasive Surgery. Zemiti N., Ortmayer T. et Morel G., IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Japan, 2004. Эта работа описывает робота и схему расположения датчика усилия, который может измерять удаленное взаимодействие орган-инструмент с датчиком, расположенным на троакаре. Даже если в этом решении датчик не установлен на самом инструменте и поэтому подвергается более низким ограничениям по миниатюризации и стерилизации, это решение все еще требует модифицированные троакары с оборудованием датчика, способным выдерживать стерилизацию. Другое спроектированное для MIS решение, как раскрыто в патентной заявке WO 2005/039835, использует архитектуру «главный-подчиненный» (master/slave) с двумя сенсорными устройствами PHANTOM®, разработанные компанией SensAble Technologies, Вобурн, Массачусетс. Эта система содержит первое устройство PHANTOM, интегрированное в подчиненную подсистему, и служащую в качестве манипулятора для инструмента в комбинации с подсистемой исполнительного органа, которая сконфигурирована для удержания и закрепления имеющегося в наличии кончика инструмента минимального инвазивного вмешательства, такого как захваты, диссекторы, ножницы и т.д., к первому устройству PHANTOM. При операции инструмент минимального инвазивного вмешательства имеет первый конец, установленный к подсистеме исполнительного органа, и второй конец, расположенный за внешним центром вращения, который ограничивает инструмент в перемещении. Чтобы обеспечить измерение вектора силы (f_x, f_y, f_z) и вектора момента (т_z) на конце кончика инструмента, предусмотрено выполняемое по запросу расположение различных тензодатчиков. Кроме того, система содержит один или более персональных компьютеров с прикладными программами для управления и обслуживания первого устройства PHANTOM подчиненной подсистемы и второго устройства PHANTOM главной системы.

Техническая проблема

Задачей данного изобретения заключается в разработке метода и системы, которые позволяют оценивать усилие, прилагаемого к кончику инструмента, или же посредством кончика инструмента, с помощью экономичного и эффективного способа, позволяющего избежать необходимости в троакаре и/или датчиках, смонтированных на кончике инструмента

Общее описание изобретения

Для решения этой задачи изобретение предлагает способ оценки усилия и медицинскую систему минимального инвазивного вмешательства, прежде всего лапароскопическую систему, адаптированную для осуществления этого метода. Система содержит манипулятор, например робот-манипулятор, который имеет исполнительный орган с имеющим 6 степеней подвижности (6-DOF или 6-осей) датчиком усилия/крутящего момента. Исполнительный орган сконфигурирован для удержания закрепленного на нем инструмента минимального инвазивного вмешательства. При нормальном использовании первый конец инструмента закреплен на исполнительном органе, а противоположный второй конец инструмента расположен за внешним центром вращения (точка вращения кинематического ограничения), который ограничивает инструмент в перемещении. В общем, центр вращения расположен внутри отверстия доступа (например, троакара), выполненного на месте вмешательства в теле пациента, например на брюшной стенке. Согласно изобретению способ содержит следующие этапы:

- определение позиции инструмента относительно центра вращения (которое в данном контексте главным образом означает непрерывное обновление глубины ввода инструмента или расстояние между (системой отсчета) датчика и центром вращения),

- измерение посредством 6-DOF датчика усилия/крутящего момента и крутящего момента, прилагаемого к исполнительному органу первым концом инструмента, и

- вычисление посредством принципа наложения оценки прилагаемого ко второму концу инструмента усилия, основанного на определенной позиции, измеренного усилия и измеренного крутящего момента.

Система содержит программируемое вычислительное устройство, такое как стандартный компьютер, цифровой сигнальный процессор (DSP) или профаммируемая пользователем вентильная матрица (FPGA), запрограммированное для определения положения инструмента, обработки выполненных 6-DOF датчиком усилия/крутящего момента измерений и для вычисления оценки усилия, как указано выше.

Способ и система делают возможным оценку (что в данном контексте обозначает, прежде всего, определение значения(-ий), которые могут быть затронуты небольшой неточностью) усилия, прилагаемого к ткани или органу пациента вторым концом инструмента, например кончиком инструмента, который инвазивно вводится в пациента через отверстие доступа, такое как троакар. На самом деле последнее усилие эквивалентно действию противодействующей силы, оцененной методом (противодействие). Как легко понять, этот метод также делает возможным проектирование системы, которая требует только единственного блока датчиков, который включает в себя датчик усилия/крутящего момента со степенью подвижности 6 (6-DOF) и установленный на манипуляторе, то есть вне пациента. Блок датчиков удобно устанавливается в системе передачи усилия между соединительным интерфейсом для инструмента на исполнительном органе и внешней связью/звеном манипулятора, который поддерживает исполнительный орган. Другими словами 6-DOF датчик усилия/крутящего момента установлен для распознавания усилий и крутящих моментов, прилагаемых к исполнительному органу первым концом (=закрепленным концом) инструмента.

Поэтому данное изобретение преодолевает укоренившееся общее мнение, что сенсорное оборудование должно предоставляться на уровне кончика инструмента и/или троакара для достижения точного измерения усилия или усилий, прилагаемых к кончику инструмента. Таким образом, это устраняет дорогостоящее специализированное оборудование, предназначенное для размещения на кончике каждого инструмента, а также и на троакаре, которое подвергалось бы жестким ограничениям по миниатюризации и стерилизации. С помощью данного способа и системы преодолены последние ограничения, наряду с тем, что может быть достигнута удивительно точная оценка контактного усилия на кончике инструмента.

Как легко понять, данный способ/система могут быть использованы в сочетании с манипулятором с ручным управлением (штатив позиционирования инструмента) или более широко с роботом-манипулятором. Среди прочего способ/система позволяют проводить упрощенное осуществление силовой обратной связи и автоматизированных функций безопасности в телеуправляемых медицинских системах, таких как роботизированные хирургические и диагностические системы минимального инвазивного вмешательства. Например, тактильное восприятие на ведущей руке пульта управления для хирурга, а также автоматизированная процедура для ограничения максимального усилия, прилагаемого кончиком инструмента к органу(-ам) пациента и ткани(-ям), может осуществляться с помощью информации, полученной данным способом/системой.

В предпочтительном варианте осуществления способ содержит определение первоначального исходного положения инструмента относительно центра вращения. В этом варианте осуществления определение положения инструмента относительно центра вращения основано на определенном первоначальном исходном положении и на непрерывном обновлении с помощью информации о перемещении манипулятора. Эта эффективная процедура использует преимущество известной информации, такой как информация о координатах, посредством прямой кинетически робота-манипулятора.

Предпочтительно способ далее содержит этап вычисления посредством принципа наложения оценки усилия, прилагаемого инструментом к центру вращения, например к троакару, основанный на определенном положении, измеренном усилии и измеренном крутящем моменте. Знание усилия, прилагаемого к ткани пациента на уровне места вмешательства, сила которого, приложенная к центру вращения, является противодействием (с противоположным знаком), позволяет, среди прочего, автоматизированную (повторную) регулировку координат центра вращения, которые используются, например, контроллером робота для уменьшения напряжений и нагрузок, прилагаемых к ткани пациента на уровне места вмешательства. Кроме того, может быть осуществлена автоматизированная процедура для ограничения максимального усилия, оказываемого на уровне места ввода.

Предпочтительно исполнительный орган также оснащен имеющим 6 степеней подвижности (6-DOF) датчиком усилия/крутящего момента. В этом случае способ предпочтительно также содержит этапы:

- измерение посредством 6-DOF акселерометром силы тяжести и динамических нагрузок, прилагаемых к 6-DOF датчику усилия/крутящего момента, и

- компенсация гравитационных и/или динамических нагрузок в измеренном усилии и измеренном крутящем моменте.

Такая компенсация позволяет улучшить точность желаемой оценки(-ок) усилия на кончике инструмента и/или на уровне центра вращения.

Предпочтительно метод также содержит процедуру калибровки, включающую в себя дополнительные этапы:

- прохождение исполнительного органа через совокупность положений манипулятора, распределенных по рабочей области, прежде всего, в ориентации рабочей области,

- запись для каждого фиксированного положения измеренного усилия и измеренного крутящего момента и

- определение отклонений измерений усилия и крутящего момента, основанное на записанных измерениях усилия и крутящего момента.

В следующем предпочтительном варианте осуществления, в случае предусмотренного 6-DOF акселерометра, процедура калибровки также содержит следующие этапы:

- запись измеренного линейного ускорения и измеренного углового ускорения для каждого положения и

- определение отклонений измерений линейного и углового ускорения, основанное на записанных измерениях линейного и углового ускорений.

Процедура калибровки позволят определять (электрические) отклонения в предоставляемых датчиками измерительных сигналах, а также полезные параметры системы, знание которых дает возможность дальнейшего улучшения точности желаемой оценки(-ок) усилия.

Для уменьшения шума измеренного сигнала способ предпочтительно использует линейный фильтр Кальмана (согласно основной, в отличие от, например, нелинейной расширенной формулировки Кальмана) для измеренных 6-DOF датчиком усилия/крутящего момента данным усилия и крутящего момента до вычисления оцениваемого усилия или использование линейного фильтра Кальмана для вычисленной оценки усилия, например, после того, как оцененная сила(-ы) вычислена. Среди многих доступных типов фильтров основной линейный фильтр Кальмана признан простым и быстрым фильтром для удаления шума сигнала в измеренных компонентах.

В случае наличия акселерометра метод может предпочтительно содержать этапы:

- использование линейного фильтра Кальмана для измеренных 6-DOF датчиком усилия/крутящего момента данных усилия и крутящего момента и для измеренных 6-DOF акселерометром данных линейного и углового ускорения,

- компенсация помех вследствие гравитационных и динамических нагрузок после использования линейного фильтра Кальмана,

- использование вторичного линейного фильтра Кальмана для компенсированных данных усилия и крутящего момента,

Каждый фильтр Кальмана для каждого компонента усиления/крутящего момента должен вызывать собственную задержку реакции того же фильтра. В случае наличия чрезмерного шума в оценках составляющей силы после компенсации (вследствие того, что сигналы ускорения являются более шумными, чем измерения усилия/крутящего момента, вторичный фильтр после компенсации помех является предпочтительным. Первичный фильтр во время компенсации уменьшает наведенное шумом искажение, тогда как вторичный фильтр позволяет выравнивание (сглаживание) результатов компенсации.

Предпочтительно фильтр Кальмана, соответственно первичный и/или вторичный фильтр Кальмана, включен каскадно и имеет первую ступень линейного фильтра Кальмана с параметром ковариации помех в процессе, установленным на более высокое значение, предпочтительно в диапазоне между 0,1 и 1, и вторую ступень линейного фильтра Кальмана с параметром ковариации помех в процессе, установленным на более низкое значение, предпочтительно в диапазоне между 0,001 и 0,1. У заданного измерения ковариации помех каскадная конфигурация фильтра делает возможным более низкую суммарную задержку реакции по сравнению с одноступенчатым фильтром для данного объема снижения шума.

Как легко понять, система адаптирована для использования с бездатчиковым инструментом минимального инвазивного вмешательства. Также, она предпочтительно содержит бездатчиковый троакар предпочтительно с воздушным клапаном на магнитной основе и, прежде всего, без пластмассового колпачка. Кроме того, система предпочтительно содержит троакар без газового крана, который предпочтительно изготовлен на основной протяженности из пластмассы для уменьшения веса.

Система также может содержать компьютерную программу, заложенную в программируемое вычислительное устройство, которая включает в себя программный код для осуществления всех этапов любого из вышеуказанных вариантов осуществления способа при запуске компьютерной программы на программируемом вычислительном устройстве. Изобретение также затрагивает реализуемый программно программный продукт, содержащий сохраняемый в машинно-считываемом носителе программный код, который при запуске на программируемом вычислительном устройстве или загруженный на программируемое вычислительное устройство заставляет программируемое вычислительное устройство выполнять все этапы любого из вышеперечисленных вариантов осуществления способа.

В то время как данная патентная заявка, в принципе, относится к изобретению, как определено в прилагаемых пунктах формулы изобретения, специалист легко поймет, что данная патентная заявка содержит основу для определений других изобретений, которые могли бы быть заявлены в качестве предмета изобретения уточненных пунктов формулы изобретения в рамках данной патентной заявки или в качестве предмета изобретения пунктов формулы изобретения в выделенных заявках и/или продолжающих заявках. Такой предмет изобретения мог бы быть определен любым признаком или комбинацией признаков, раскрытых в этом документе.

Краткое описание чертежей

Следующие подробности и преимущества данного изобретения будут очевидны из последующего подробного описания, которое не предназначено быть ограничивающим, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

Фиг.1 - вид в перспективе робота-манипулятора для медицинской системы минимального инвазивного вмешательства согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения,

Фиг.2 - частичный вид в перспективе инструмента минимального инвазивного вмешательства, кончик которого вводится в пациента, а противоположный конец которого закреплен на исполнительном органе представленного на фиг.1 робота-манипулятора для иллюстрации усилия, оказываемого к центру вращения и к кончику,

Фиг.3 - увеличенный вид в перспективе показанного на фиг.2 исполнительного органа, иллюстрирующий исходную систему координат усилия/крутящего момента и предусмотренный на исполнительном органе датчик ускорения,

Фиг.4 - структурная схема включенного каскадно-линейного фильтра Кальмана,

Фиг.5 - структурная схема архитектуры программного обеспечения для осуществления метода согласно изобретению,

Фиг.6 - диаграмма переходов основной задачи (FSS-задача) представленной на фиг.5 архитектуры,

Фиг.7 - блок-схема последовательности подлежащих цикличному выполнению шагов программы во время состояния APPLICATION_LOADS_EVALUATION на фиг.6,

Фиг.8 - блок-схема альтернативной последовательности подлежащих цикличному выполнению шагов программы во время состояния APPLICATION_LOADS_EVALUATION на фиг.6.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

Компоненты системы и механическая конфигурация

На фиг.1 показаны механические компоненты медицинской системы минимального инвазивного вмешательства согласно изобретению. Система содержит робот-манипулятор, в целом обозначенный ссылочной позицией 10. Исполнительный орган 12 соединен с фланцем манипулятора 10. Инструмент 14 минимального инвазивного вмешательства закреплен первым концом 16 на исполнительном органе, как показано на фиг.1. Инструмент 14 содержит удлиненный стержень 18 с кончиком 20, образующим второй конец инструмента 14. На кончике 20 инструмент 14 обычно содержит специальный инструмент, например захват, крючок, ножницы и т.д. Сам робот-манипулятор 10 обеспечивает 6 степень подвижности (DOF) с помощью PRP-RRR компоновки сочленения для позиционирования и ориентации исполнительного органа 12, исполнительный орган 12 установлен на переднее вращательное (R) сочленение для вращения инструмента 14 минимального инвазивного вмешательства вокруг шестой степени подвижности манипулятора 10, которая совпадает с продольной осью стержня инструмента 14. Как легко понять, робот-манипулятор 10 представляет собой устройство позиционирования и ориентации по 6-ти осям, способное воспроизводить перемещение руки хирурга посредством перемещения исполнительного органа 12.

На фиг.2 показан инструмент 14, установленный на исполнительном органе 12 робота-манипулятора 10 в рабочем положении для осуществления медицинской процедуры минимального инвазивного вмешательства. Как обозначено пунктирной линией на фиг.2, стержень 18 инструмента 12 частично введен в тело пациента, например в брюшную полость пациента. Инструмент скользяще проникает через отверстие доступа, в дальнейшем именуемое троакаром 22. Первый конец инструмента 14, то есть кончик 20, расположен за центром вращения, обозначенным крестообразной прерывистой линией 23 (также называемый точкой вращения), определяемым троакаром 22, который вставлен в место вмешательства в брюшной стенке пациента и зафиксирован там.

При нормальном использовании центр вращения является кинематическим ограничением, которое делает возможным вращение вокруг трех осей (например, двух ортогональных направлений вращения и одного вращения вокруг оси инструмента, например, оси Z в SRF, определенной ниже), однако отклонение инструмента 14 - только вдоль оси проникновения (например, троакара 22 - Z в SRF, обозначенной ниже). Центр вращения определен отверстием доступа, например троакаром 22 и/или тканью пациента, в которой обеспечивается вмешательство, например, в брюшную стенку пациента.

На фиг.2 схематично показаны два усилия и . - это усилие, прилагаемое к кончику 20 инструмента, и поэтому представляет собой противодействие, соответствующее (противодействующему) усилию (действию), которое кончик 20 инструмента оказывает на внутренний орган или ткань пациента. - это усилие, прилагаемое к троакару 22, и поэтому представляет собой противодействие, соответствующее (противодействующему) усилию (действию), которое троакар 22, при условии прилагаемых к нему стержнем 18 инструмента нагрузок, оказывает на брюшную стенку пациента. Предлагаемый способ для определения обоих и будет описан далее.

Хотя это и не показано на фигурах, система содержит также контроллер манипулятора, то есть аппаратное обеспечение, например, в форме центрального компьютера, оснащенного программным обеспечением для функционирования одного или нескольких роботов-манипуляторов 10. Кроме того, пульт управления для телеуправления с воспринимающей усилия ведущей рукой, то есть с осязательным интерфейсом для силовой обратной связи, используемой оператором, например хирургом для управления роботом-манипулятором 10 посредством контроллера манипулятора. Как легко понять, оценка будет подаваться на осязательный интерфейс для обеспечения обратной силовой связи и на контроллер перемещения для функций безопасности. Контроллер перемещения также использует оценку для функций безопасности и для повторной регулировки координат центра 23 вращения.

На фиг.3 показан увеличенный вид исполнительного органа 12, который установлен для поддержки первого конца 16 инструмента 14 механически жестким образом и оснащенный также устройством приведения в действие для приведения в действие некоторых типов инструментов, а также сигнальных и силовых средств соединения для электрического соединения инструмента 14 с системой. Исполнительный орган 12 содержит жесткий основной корпус 24, включающий в себя средство приведения в действие и соединительное средство, а также гнездо 26, к которому может быть жестко подключен адаптер на первом конце 16 инструмента 14 (не показано). На его заднем конце основной корпус 24 содержит соединительный фланец 28, с помощью которого он жестко соединяется с чувствительной пластиной 12-DOF (то есть 12 осей) датчика 30 усилия/крутящего момента и датчика ускорения, именуемого далее F/TAS 30. F/TAS 30 может быть сконфигурирован в виде единого блока датчиков, содержащий 6-DOF датчик усилия/крутящего момента со степенью подвижности, именуемый далее F/TAS 30 для измерения усилий и крутящих моментов на трех ортогональных осях. Альтернативно может также быть использован 6-DOF датчик усилия/крутящего момента с надлежащим образом соединенным отдельным 6-DOF акселерометром. В свою очередь, F/TAS 30 жестко закреплен к манипулятору 10 робота, как видно на фиг.1. Вместо описанного F/TAS 30 может быть использован блок датчиков, содержащий только 6-DOF F/T датчик (то есть не акселерометр). В последнем случае компоненты ускорения могут быть определены с помощью второй производной координат положения исполнительного органа (то есть исполнительного органа 12), полученной прямым кинематическим вычислением, используя положения сочленения. Таким образом, компенсация динамических нагрузок, как описано далее, может быть достигнута без акселерометра. Можно заметить, что действие силы тяжести может также быть компенсировано без акселерометра, так как вектор силы тяжести известен, и могут быть определены ориентация и центр тяжести номинальной нагрузки, приложенный к F/T датчику.

На фиг.3 показана базовая прямоугольная система координат F/TAS 30 с тремя ортогональными осями X, Y и Z, далее именуемая как SRF (sensor reference frame - система координат датчика). Как легко понять, 6-DOF F/T датчика в F/TAS 30 соответствует 3 DOF для X, Y и Z, составляющих силы, соответственно, и 3 DOF для моментов (значений крутящих моментов) вокруг осей X, Y и Z, соответственно, в SRF. В случае если отдельный 6-DOF акселерометр прикреплен к 6-DOF F/T датчику для обеспечения F/TAS 30, базовая система координат акселерометра предпочтительно совпадает с базовой системой координат F/T датчика. В противном случае в описанных далее вычислениях должно быть добавлено дополнительное преобразование между двумя декартовыми координатами. В показанном на фиг.1-3 варианте осуществления 12 ось F/TAS 30 содержит встроенный 6-DOF акселерометр. 6-DOF акселерометра соответствуют компонентам линейного ускорения вдоль и компонентам углового ускорения вокруг осей X, Y и Z, соответственно, в показанной на фиг.3 SRF.

Как легко понять, исполнительный орган 12 жестко закреплен на чувствительной пластине F/TAS 30 и предпочтительно сконфигурирован таким образом, что продольная ось (стержень) установленного инструмента 14 (сравни фиг.2) является коллинеарным с одной осью SRF F/TAS 30, предпочтительно с осью Z, как видно на фиг.3. В противном случае в описанные далее вычисления должно быть добавлено дополнительное преобразование.

Основные источники возмущений и анализ этого

Данный раздел дает обзор основных источников возмущения, которые оказывают воздействие на желаемую оценку усилия к кончику 20 инструмента с представленной на фиг.1-3 системой.

Кроме присущих F/T датчику возмущений, таких как отклонения датчика, электрические помехи и температурные дрейфы, у данной системы существует в отличие от других известных силоизмерительных систем (например, систем, использующих F/T датчик, закрепленный на кончике инструмента) определенное количество дополнительных факторов возмущения и маскировки, которые должны быть приняты во внимание. В отношении измеренного усилия и информации о моменте они, в основном, являются следующими:

- прилагаемые к F/T датчику статические и динамические нагрузки статические нагрузки вследствие силы тяжести (вес приложенной массы к F/TAS 30, установленному на манипуляторе), динамические нагрузки вследствие скорости и ускорения номинальной нагрузки, прилагаемых к F/T датчику,

- источники возмущения, относящиеся к процедуре минимального инвазивного вмешательства: силы трения троакара в направлении проникновения и извлечения вследствие газового крана троакара и воздушного клапана, сопротивление точке поворота вследствие газового крана, модификация центра 23 вращения вследствие изменений инсуффляционного давления в брюшной полости, неточное определение центра 23 вращения, модификация центра 23 вращения вследствие неточности манипулятора 10 во время перемещения.

Возмущающие силы, создаваемые трением троакара: троакар 22 создает трение вдоль оси проникновения/извлечения. Величина трения зависит от типа воздушного клапана, используемого в троакаре 22 (например, магнитный, пружинный или с пластиковой мембранной), от износа пластикового колпачка, от материала стержня 18 инструмента и от его внутренней смазки оросительной водой и вязкими внутрибрюшными текучими средами. Согласно лабораторным опытам вызванное магнитными и пружинными воздушными клапанами трение может приближенно быть выражено сухим трением в диапазоне 0,5-0,9 Н и не зависит от условий смазки. На практике трение воздушного клапана на пружинной основе незначительно зависит от его износа и является большим, чем трение магнитного воздушного клапана примерн