[发明专利]用于成像导向和机器人辅助外科手术的机器人装置和系统

说明书

相关申请的交叉引用

本国际申请要求于2012年8月24日申请的美国临时申请第61/692,943号在35U.S.C.§119(e)下的优先权利益，该申请现在已经放弃，该申请的整体在此并入本文作为参考。

联邦资助

本发明在由国家科学基金颁发的授权编号CNS-0932272下由政府支持而做出的。政府对本发明具有特定权利。

技术领域

本发明涉及机器人、机器人辅助外科术和用于其操作的软件的领域。具体地，本发明提供一种机器人系统，所述机器人系统包括机器人机械手和致动器以及适用软件和硬件，包括用于现场使用的MRI兼容的医学机器人平台、实时成像导向诊断、外科手术和最少侵入的医学介入。

背景技术

包括单端口访问SPA外科手术和经皮肤的介入的最小入侵过程中的机器人辅助设备正在出现，由于与传统的开口外科手术或者徒手介入相比，对病人更友好、增强操作性且节省最终成本。这种模式变化需要稳固的、可升级且有效的方法学，用于融合例如组织和分子水平成像的多模态感测、诸如机器人和触觉装置的控制系统、以及例如外科手术、放射、心脏病等的介入。研发创新的计算方法、机器人机械手和触觉接口的开拓团体的主要努力已经为朝向这个巨大的突破做好准备。展望图像引导和机器人辅助IGRA过程的未来，多个因素可以有助于下一代系统，包括可以使用有效的操作者界面来本地地估计组织病理和功能的实时成像引导的无缝集成。

实时成像引导RTIG为估定AoP的过程区域提供独特的特征，包括：1.估定实时组织变形和运动，以辅助过程或自然运动，例如呼吸或者心脏搏动；2.以3D监测工具；和3.更新目标组织的病理生理学信息。通过赋予这种特征，实时成像引导可以有助于从“锁眼”可视化的当前方法(即，内窥镜检查或者腹腔镜检查和可预先操作的成像引导)到AoP的更全局且丰富信息的感知的模式变化和方法飞跃，从而能够获得复杂外科手术的更宽的范围和水平。在本上下文中，广义的开创性操作已经使用包括超声波US和磁共振成像MRI的不同的成像模态来执行，用于对徒手或者机器人辅助的过程。

图像引导和机器人辅助过程具有挑战性、高度复杂且是大范围的临床范例，并且许多团体已经或者正在探求可行的技术。多个图像引导和机器人辅助装置已经被开发或者正在开发。可以使MRI引导外科手术发生革命性变化的MR相容的NeuroArm是一种复杂且高成本的技术，但是该技术不适合实时MR引导。美国国立卫生研究院研究的另外的系统是基于机器人，该机器人工业上不再提供。

因此，本领域需要改进的图像引导及机器人辅助过程，具体地需要用于机器人控制的实时多模态成像和用于人员介入自主操纵或者机器人的手动控制的HIMI。更具体地，现有技术缺乏设计用于在成像扫描仪的空间限制内的机器人装置、系统和方法、用于致动可以在磁共振环境的超强磁场中运用及能够实时跟踪组织的机器人的装置。本发明实现本领域中的这个长期存在的需求和愿望。

发明内容

本发明涉及一种用于机器人辅助外科手术过程的机器人系统。所述机器人系统包括至少一个成像导向的机器人机械手、用于致动机械连接的机器人机械手的装置、以及具有存储器、处理器和与机器人机械手电子通信的至少一个网络连接的计算机。本发明涉及一种相关的机器人系统，所述机器人系统还包括至少一个可移动、可旋转且可机械连接的基部，机器人机械手固定在所述基部上，其中基部可移动地定向以配合病人的外科手术过程的区域。本发明涉及一种相关的机器人系统，所述机器人系统还包括被构造成从成像系统发送和接收信号以引导成像模态的至少一个传感器、和可选的多个对比标识，所述对比标识设置在机器人机械手装置上或者绕着机器人机械手装置设置以准确地配准机器人机械手。

本系统还涉及一种用于在对病人实时成像导向下执行机器人辅助的外科手术过程的方法。所述方法包括以下步骤：如在此所述紧邻病人定位机器人系统；调节至少一个可移动、可旋转且可机械连接的基部的方向和位置，其中机器人机械手装置固定在所述基部上，然后病人通过成像模态被成像。包括机器人系统的机器人机械手通过成像期间以电子方式获得的信息被实时引导到病人的过程区域。通过成像导向的机器人机械手对病人执行外科手术过程。本发明涉及一种相关方法，所述相关方法进一步包括以下步骤：从与机器人机械手配准的一个或多个成像或非成像传感器获得信息，所述机器人机械手包括第一全局定位器单元、第二单元和第三单元，所述第三单元包括用于接收关于所述过程区域中的组织的附加信息。