專利名稱：用于微創(chuàng)外科手術(shù)的虛擬測(cè)量工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及改進(jìn)的機(jī)器人和/或測(cè)量裝置、系統(tǒng)和方法。示范性的實(shí)施例提供機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)，該機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)利用機(jī)器人工具的遠(yuǎn)程操縱與立體圖像處理一起的組合，以輸入并標(biāo)定沿著組織(或其他結(jié)構(gòu))的離散三維(3-D)點(diǎn)位置、連續(xù)3-D 輪廓以及其他3-D結(jié)構(gòu)信息，以便獲得長(zhǎng)度測(cè)量、面積測(cè)量、體積測(cè)量等。
背景技術(shù)：
微創(chuàng)外科手術(shù)技術(shù)的目的在于減少在診斷或外科手術(shù)期間被損傷的無(wú)關(guān)組織的量，因而減少病人的康復(fù)時(shí)間、不適感以及旁邊組織的損傷。因此，利用微創(chuàng)外科手術(shù)技術(shù)可以明顯縮短標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)的平均住院時(shí)間。而且，利用微創(chuàng)外科手術(shù)也可以減少病人的康復(fù)時(shí)間、病人的不適感、手術(shù)副作用以及停工時(shí)間。內(nèi)窺鏡檢查術(shù)是熟知的微創(chuàng)外科手術(shù)的形式，并且內(nèi)窺鏡檢查術(shù)的常見(jiàn)形式是腹腔鏡檢查術(shù)，這種腹腔鏡檢查術(shù)是腹腔內(nèi)的微創(chuàng)檢查和微創(chuàng)外科手術(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)的腹腔鏡 (laparoscopic)外科手術(shù)中，病人的腹部被吹入氣體，并且套管套筒穿過(guò)小(大約1/2英寸或更小)切口以提供用于腹腔鏡器械的進(jìn)入端口。腹腔鏡外科手術(shù)器械一般包括腹腔鏡或內(nèi)窺鏡(用于觀察外科手術(shù)部位)和工作工具。該工作工具類似于常規(guī)開放性外科手術(shù)中所用的工作工具，除了每個(gè)工具的工作端或端部執(zhí)行器用細(xì)長(zhǎng)桿與其柄部分開之外。外科手術(shù)器械的端部執(zhí)行器或工作部分能夠操縱或處理組織，并且可以(例如)包括夾子、抓緊器、剪刀、吻合器、圖像捕獲透鏡或針夾具。為了進(jìn)行外科手術(shù)過(guò)程，外科醫(yī)生使工作工具或器械穿過(guò)套管套筒到內(nèi)部外科手術(shù)部位并且從腹部外面操縱該工具或器械。外科醫(yī)生通過(guò)顯示從腹腔鏡拍攝的外科手術(shù)部位的圖像的監(jiān)視器來(lái)觀察手術(shù)過(guò)程。類似的內(nèi)窺鏡技術(shù)可用在下述的檢查中，例如關(guān)節(jié)鏡檢查、腹膜后鏡檢查、骨盆鏡檢查、腎盂鏡檢查、膀胱鏡檢查、腦池鏡檢查、竇鏡檢查、宮腔鏡檢查、尿道鏡檢查等。研發(fā)微創(chuàng)遠(yuǎn)程外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)增加當(dāng)在內(nèi)部外科手術(shù)部位內(nèi)工作時(shí)外科醫(yī)生的靈活性，并且可選地允許外科醫(yī)生能夠從遠(yuǎn)程位置對(duì)病人進(jìn)行手術(shù)。在遠(yuǎn)程外科手術(shù)系統(tǒng)中，通常在控制臺(tái)上為外科醫(yī)生提供外科手術(shù)部位的圖像。在合適的觀察器或顯示器上觀察外科手術(shù)部位的3-D圖像的同時(shí)，外科醫(yī)生通過(guò)操縱控制臺(tái)的主動(dòng)輸入或控制裝置對(duì)病人進(jìn)行外科手術(shù)過(guò)程。每個(gè)主動(dòng)輸入裝置均控制伺服機(jī)構(gòu)操作的外科手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)。在外科手術(shù)過(guò)程期間，遠(yuǎn)程外科手術(shù)系統(tǒng)能夠提供具有端部執(zhí)行器的各種外科手術(shù)器械或工具的機(jī)械致動(dòng)和控制，該外科手術(shù)器械或工具響應(yīng)主動(dòng)輸入裝置的操縱為外科醫(yī)生執(zhí)行各種功能，例如固定或驅(qū)動(dòng)針、抓取血管或切割組織等。雖然新的遠(yuǎn)程外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)于擴(kuò)大外科醫(yī)生在對(duì)病人造成更小創(chuàng)傷以及其他許多成功性的情況下進(jìn)行治療的能力具有極大的前景，但是仍然需要進(jìn)一步改進(jìn)。 例如，已知的機(jī)器人系統(tǒng)通常依賴于來(lái)自與機(jī)器人連桿的每個(gè)接頭有關(guān)的傳感器的接頭定位信息來(lái)計(jì)算端部執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)要求、位置等。雖然這種基于接頭的信息提供用于大多數(shù)遠(yuǎn)程外科手術(shù)目的的端部執(zhí)行器的足夠準(zhǔn)確度的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但是利用這種基于接頭的數(shù)據(jù)所確定的外科手術(shù)工具的絕對(duì)位置可能不是對(duì)于所有目的都足夠準(zhǔn)確。具體說(shuō)，當(dāng)利用機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)獲得組織測(cè)量信息通常有利的，并且由基于接頭的數(shù)據(jù)所提供的一些準(zhǔn)確度改進(jìn)對(duì)于這種測(cè)量可能是有利的。根據(jù)上面所述，希望提供用于外科手術(shù)和其他應(yīng)用的改進(jìn)的機(jī)器人和/或測(cè)量系統(tǒng)。如果這些改進(jìn)允許醫(yī)師能夠與組織交互作用并測(cè)量該組織，那將是特別有利的，理想地這種測(cè)量包括三維測(cè)量，且其準(zhǔn)確度超過(guò)僅利用基于接頭的數(shù)據(jù)所容易提供的準(zhǔn)確度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各方面大體提供改進(jìn)的機(jī)器人和/或測(cè)量裝置、系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的實(shí)施例可以用于通過(guò)諸如內(nèi)窺鏡套管套筒、自然孔口等的微創(chuàng)口的遠(yuǎn)程外科手術(shù)治療。這樣的實(shí)施例可以利用可操作地連接于外科手術(shù)工具的遠(yuǎn)程外科手術(shù)輸入裝置，以便允許系統(tǒng)使用者操縱被測(cè)量的組織或者以其他方式與被測(cè)量的組織交互作用。不同于僅依賴基于接頭的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)可以利用從立體圖像獲得的三維(3-D)定位信息，其中圖像也可以被呈現(xiàn)給系統(tǒng)使用者。除了組織上的兩個(gè)或兩個(gè)以上離散點(diǎn)之間的3-D位置偏移之外，該系統(tǒng)也可以允許使用者沿著感興趣的組織識(shí)別出位置的有效連續(xù)曲線。之后，該系統(tǒng)能夠確定3-D線段的長(zhǎng)度測(cè)量值、沿著直線或彎曲組織的累積長(zhǎng)度的多線測(cè)量值、組織結(jié)構(gòu)內(nèi)的面積測(cè)量值、組織體積測(cè)量值、縱橫比測(cè)量值等。離散點(diǎn)可以用單個(gè)外科手術(shù)工具識(shí)別，或通過(guò)兩個(gè)或兩個(gè)以上外科手術(shù)工具之間的間隔識(shí)別，其中使用者可選地在使組織結(jié)構(gòu)變直或拉伸的同時(shí)可選地通過(guò)使一對(duì)工具沿著該組織結(jié)構(gòu)雙手交替(hand over hand)移動(dòng)來(lái)測(cè)量組織結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度(甚至該結(jié)構(gòu)比立體圖像捕獲裝置的視場(chǎng)更長(zhǎng)或局部不清楚)。通過(guò)在識(shí)別將被測(cè)量的組織位置的同時(shí)允許系統(tǒng)使用者與組織交互作用，并且通過(guò)利用成像數(shù)據(jù)(可選地與基于接頭的數(shù)據(jù)相結(jié)合的成像數(shù)據(jù))確定測(cè)量值，能夠明顯增強(qiáng)測(cè)量準(zhǔn)確度和組織測(cè)量的簡(jiǎn)便性，特別是當(dāng)工作于至少局部不清楚的組織時(shí)。第一方面，本發(fā)明提供一種用于測(cè)量結(jié)構(gòu)的方法。該方法包括用第一機(jī)器人工具夾爪來(lái)抓取第一結(jié)構(gòu)位置。用第二機(jī)器人工具夾爪來(lái)抓取第二結(jié)構(gòu)位置。釋放第一工具的夾爪，并且從第一位置移開第一工具從而抓取第三結(jié)構(gòu)位置。將位置之間的三維偏移相加以便沿著該結(jié)構(gòu)測(cè)量雙手交替的長(zhǎng)度。被測(cè)量的結(jié)構(gòu)通常包括在微創(chuàng)外科手術(shù)部位內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)，其中該結(jié)構(gòu)可選地是細(xì)長(zhǎng)的和/或柔性的組織結(jié)構(gòu)，例如腸胃道的一部分或類似結(jié)構(gòu)。能夠通過(guò)交替地用第一和第二機(jī)器人工具夾爪來(lái)抓取該結(jié)構(gòu)，來(lái)表示多個(gè)額外的組織結(jié)構(gòu)位置。然后組織結(jié)構(gòu)能夠被測(cè)量為順序的一系列偏移，其中每個(gè)偏移均由一對(duì)位置限定一一個(gè)用第一夾爪確定且另一個(gè)由第二夾爪確定。沿著每個(gè)夾爪的測(cè)量位置可以被疊加在手術(shù)部位的顯示上，以便指示出該偏移是在夾爪末端、夾爪中間、夾爪的樞點(diǎn)處還是在類似處被測(cè)量。同樣，第一和第二夾爪之間的拉伸線、第一和第二夾爪之間遞增偏移測(cè)量和/或累積測(cè)量(包括先前相加的偏移)可以被疊加。雖然可以用可替代的輸入機(jī)構(gòu)，不過(guò)組織位置通常通過(guò)致動(dòng)夾爪來(lái)標(biāo)定。優(yōu)選地， 在第二工具繼續(xù)抓取該組織的同時(shí)釋放第一工具的夾爪會(huì)標(biāo)定正被第二工具的夾爪所抓取的組織位置(并且測(cè)量該偏移)，并且這還開啟了第一和第二位置之間的遞增偏移的測(cè)
7量。這種通過(guò)釋放第一工具來(lái)標(biāo)定第二位置允許第二工具抓取并釋放多個(gè)候選組織位置而不改變相加的偏移。這種或其他技術(shù)也能夠被用來(lái)有助于使用夾爪來(lái)操縱組織結(jié)構(gòu)，以便在第一和第二夾爪之間的相關(guān)位移被確定之前弄直或拉伸該組織結(jié)構(gòu)的測(cè)量長(zhǎng)度。換句話說(shuō)，對(duì)于任意給定測(cè)量，一個(gè)工具可以保持抓取，且另一個(gè)工具能夠被允許抓取并釋放多次，直到達(dá)到期望的組織位置。此時(shí)，可以釋放另一個(gè)工具來(lái)進(jìn)行測(cè)量。之后，工具之間的位置標(biāo)定職責(zé)可以交換。在許多實(shí)施例中，使用者將觀察圖像捕獲裝置視場(chǎng)內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)。在確定第一位置和第二位置之間的偏移時(shí)一些組織結(jié)構(gòu)在視場(chǎng)中可能不可見(jiàn)。該組織結(jié)構(gòu)可以由夾爪操縱，以便將先前被遮擋的部分成像到視場(chǎng)中?？商娲?，可以移動(dòng)視場(chǎng)以便對(duì)沿著該結(jié)構(gòu)先前看不見(jiàn)的位置成像并且允許測(cè)量包括有關(guān)抓取位置之間的偏移。優(yōu)選地，獲得組織結(jié)構(gòu)的左和右立體圖像是通過(guò)生成圖像數(shù)據(jù)的圖像捕獲裝置而獲得的。然后，能夠通過(guò)利用該圖像數(shù)據(jù)來(lái)確定位置之間的三維偏移，從而測(cè)量偏移。另一方面，本發(fā)明提供一種用于測(cè)量組織的方法。該方法包括用第一機(jī)器人工具指示第一組織位置。還自動(dòng)地指示多個(gè)額外的組織位置。確定由組織位置限定的測(cè)量。在許多實(shí)施例中，測(cè)量包括在成對(duì)的組織位置之間的累積長(zhǎng)度和/或面積測(cè)量。 再一種選擇包括由位置限定的縱橫比測(cè)量，等。在一些實(shí)施例中，能夠識(shí)別出該面積內(nèi)的中心位置以及在該中心和組織位置之間限定的三角形的面積，以便計(jì)算面積。位置之間的線段可以被疊加在組織的圖像上，其中線段通常表示該面積的邊界。系統(tǒng)使用者通常參考圖像來(lái)自動(dòng)地弓I導(dǎo)第一工具的移動(dòng)。圖像可以通過(guò)生成圖像數(shù)據(jù)的圖像捕獲裝置而獲得，并且可以響應(yīng)該圖像數(shù)據(jù)來(lái)確定組織位置。組織位置通常包括界定所述面積的離散標(biāo)定位置，其中按照來(lái)自系統(tǒng)使用者的相關(guān)輸入來(lái)標(biāo)定每個(gè)位置。在一些實(shí)施例中，響應(yīng)第一機(jī)器人工具和前一位置之間的臨時(shí)的或空間的間隔來(lái)標(biāo)定位置，其中位置可選地緊密地間隔以便作為對(duì)該工具的運(yùn)動(dòng)的連續(xù)曲線跟蹤而呈現(xiàn)給使用者。在每個(gè)位置處，圖形指示符可以被疊加在組織的圖像內(nèi)。在第一工具已經(jīng)從由該第一工具標(biāo)定的第一位置移開之后圖形指示符可以被保留。直線可以疊加在該圖像內(nèi)的順序的位置之間，圖形指示符可以在該圖像內(nèi)被疊加在第一機(jī)器人工具的工具測(cè)量位置上(例如在工具的末端，在沿著一對(duì)夾爪的中點(diǎn)，等)，并且/或者拉伸線可以在該圖像內(nèi)被疊加在前一位置和工具之間。在前一位置和工具之間的遞增偏移可以被疊加在該圖像內(nèi)，偏移的累積總和、面積、體積和/或類似測(cè)量值可以被疊加在該圖像上，其中這些測(cè)量值通常是從所述位置和/或連接它們的任何直線偏移開。在一些實(shí)施例中，位置可以由兩個(gè)或兩個(gè)以上的機(jī)器人工具指示。利用兩個(gè)以上工具的測(cè)量可以可選地按照多個(gè)系統(tǒng)使用者的輸入。例如，第二機(jī)器人工具可以指示至少第二組織位置，并且第三機(jī)器人工具可以指示至少第三組織位置。第一機(jī)器人工具可以與由第一外科醫(yī)生或其他系統(tǒng)使用者操作的第一主/從三維輸入裝置操作地相關(guān)聯(lián)，并且第二機(jī)器人工具可以與由第二外科醫(yī)生或其他系統(tǒng)使用者操作的第二主/從三維輸入裝置操作地相關(guān)聯(lián)。另一方面，本發(fā)明提供一種用于測(cè)量結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于抓取第一結(jié)構(gòu)位置的第一機(jī)器人工具夾爪。第二工具夾爪抓取第二結(jié)構(gòu)位置。處理器將所述機(jī)器人工具連接到輸出，以使得來(lái)自操作者的輸入命令導(dǎo)致該處理器將所述位置之間的3-D偏移相加，從而測(cè)量沿著該結(jié)構(gòu)的雙手交替長(zhǎng)度。另一方面，本發(fā)明提供一種用于測(cè)量組織的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于接合第一組織位置的第一機(jī)器人工具。處理器連接于該第一工具，以使得該處理器確定由第一組織位置和多個(gè)額外的自動(dòng)接合位置所限定的測(cè)量值。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例用于進(jìn)行外科手術(shù)的微創(chuàng)機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)的俯視圖。圖2是機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)的外科醫(yī)生控制臺(tái)的前視圖。圖3是機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)觀測(cè)推車的前視圖。圖4示意地示出圖1的機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)。圖5A是機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)的病人側(cè)推車(外科手術(shù)機(jī)器人)的正視圖。圖5B和圖5C分別是8mm桿機(jī)器人外科手術(shù)工具和5mm桿機(jī)器人外科手術(shù)工具的前視圖。圖6示意地示出利用圖1的系統(tǒng)測(cè)量組織的方法中所包括的步驟。圖7是用于輪廓測(cè)量且具體是用于標(biāo)定多個(gè)組織或其他結(jié)構(gòu)位置的流程圖。圖8是利用組織或其他結(jié)構(gòu)位置的輪廓測(cè)量工具的分類圖。圖9是按照本發(fā)明的可選實(shí)施例用于有效連續(xù)采樣模式以產(chǎn)生規(guī)則間隔的位置或樣品的流程圖。圖IOA和圖IOB是面積或容器計(jì)算和顯示的分類圖。圖11是示出為了測(cè)量用于雙手交替(hand over hand)組織或其他位置標(biāo)定的軟件的流程圖。圖12是疊加了標(biāo)定位置和拉伸線的機(jī)器人外科手術(shù)工具圖像的屏幕快照 (screenshot)0圖13是單個(gè)機(jī)器人外科手術(shù)工具的簡(jiǎn)化示意圖，其標(biāo)定輪廓或組織位置之間的連續(xù)的一系列線段以用于累積長(zhǎng)度測(cè)量。圖14是用于測(cè)量組織結(jié)構(gòu)的周長(zhǎng)和面積的工具的屏幕快照。圖15A是兩個(gè)機(jī)器人外科手術(shù)工具的簡(jiǎn)化示意圖，其被用于用雙手交替的(hand over hand)方法來(lái)測(cè)量柔性組織結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度。圖15B是獲得雙手交替的(hand over hand)測(cè)量的兩個(gè)機(jī)器人外科手術(shù)工具的
屏幕快照。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的各方面大體提供改進(jìn)的機(jī)器人和/或測(cè)量裝置、系統(tǒng)和方法，特別是用于遠(yuǎn)程外科手術(shù)和其他醫(yī)療機(jī)器人應(yīng)用的改進(jìn)的機(jī)器人和/或測(cè)量裝置、系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的實(shí)施例能夠找到其最直接的用途以用于測(cè)量位于通過(guò)一個(gè)或更多個(gè)微創(chuàng)口(例如套管或自然孔口)進(jìn)入的內(nèi)部外科手術(shù)部位的組織和其他結(jié)構(gòu)。與本發(fā)明有關(guān)的工作已經(jīng)表明在這種部位的測(cè)量可以通過(guò)利用機(jī)器人外科手術(shù)工具接合和/或操縱要被測(cè)量的組織而被改進(jìn)。雖然機(jī)器人操縱能夠利用來(lái)自機(jī)器人連桿的基于接頭的數(shù)據(jù)而被非常準(zhǔn)確地進(jìn)行，以計(jì)算運(yùn)動(dòng)命令，但是可以通過(guò)利用立體成像數(shù)據(jù)的圖像處理以幫助確定在內(nèi)部外科手術(shù)部位內(nèi)的組織和/或機(jī)器人外科手術(shù)工具的位置，從而提高在內(nèi)部外科手術(shù)部位的測(cè)量準(zhǔn)確度。通過(guò)將合適的標(biāo)識(shí)疊加在對(duì)系統(tǒng)使用者顯示的立體圖像上，使用者能夠準(zhǔn)確地標(biāo)定組織或其他結(jié)構(gòu)位置并測(cè)量三維(3-D)空間中的輪廓(包括平滑曲線輪廓和/或一系列線段)，以便確定長(zhǎng)度、面積、體積等。圖1是微創(chuàng)機(jī)器人外科手術(shù)(IORS)系統(tǒng)10的平面圖，通常用于對(duì)躺在手術(shù)臺(tái)14 上的病人12進(jìn)行微創(chuàng)診斷或外科手術(shù)過(guò)程。該系統(tǒng)能夠包括在手術(shù)過(guò)程期間由外科醫(yī)生 18使用的外科醫(yī)生控制臺(tái)16。一個(gè)或更多個(gè)助手20也可以參與該手術(shù)過(guò)程。該MIRS系統(tǒng)10還能夠包括病人側(cè)推車22 (外科手術(shù)機(jī)器人)和觀察推車M。病人側(cè)推車22包括操縱器23，該操縱器23能夠操縱通過(guò)病人12身體中的微創(chuàng)切口的至少一個(gè)可拆卸地連接的器械或工具組件26 (在下文中簡(jiǎn)稱為“工具”)，且同時(shí)外科醫(yī)生18通過(guò)控制臺(tái)16觀察手術(shù)部位。通過(guò)諸如立體內(nèi)窺鏡的內(nèi)窺鏡觀能夠獲得外科手術(shù)部位的圖像，該內(nèi)窺鏡觀能夠由病人側(cè)推車22的另一個(gè)操縱器23操縱，以便定位和定向內(nèi)窺鏡觀。觀察推車M能夠用來(lái)處理來(lái)自內(nèi)窺鏡觀的外科手術(shù)部位的圖像，以便通過(guò)外科醫(yī)生控制臺(tái)16隨后顯示給外科醫(yī)生18。一次使用的外科手術(shù)工具沈的數(shù)目除其他因素外一般還取決于診斷或外科手術(shù)過(guò)程以及手術(shù)室內(nèi)的空間限制?？蛇x地，可以提供一個(gè)以上的外科醫(yī)生控制臺(tái)，特別是當(dāng)使用三個(gè)或三個(gè)以上工具時(shí)，從而允許兩個(gè)外科醫(yī)生能夠合作、傳輸對(duì)器械的控制等， 更詳細(xì)的說(shuō)明公開在(1999年11月3日提交的)美國(guó)專利No. 6，659，939中，其內(nèi)容結(jié)合于此供參考。如果需要在手術(shù)過(guò)程期間可以更換一個(gè)或多個(gè)正被使用的工具26，則助手20 可以在從病人側(cè)推車22取下此時(shí)不再使用的工具沈并且用手術(shù)室里的手術(shù)盤30中的另一個(gè)工具沈替換它。圖2是外科醫(yī)生控制臺(tái)16的前視圖。該外科醫(yī)生控制臺(tái)16包括左眼顯示器32 和右眼顯示器34，以便向外科醫(yī)生18呈現(xiàn)能夠加深理解的外科手術(shù)部位的協(xié)同立體視圖。 控制臺(tái)16還包括一個(gè)或更多個(gè)控制裝置36 (主動(dòng)件)，其又導(dǎo)致病人側(cè)推車22 (示于圖1) 操縱一個(gè)或更多個(gè)工具(從動(dòng)件)。優(yōu)選地，控制裝置36將提供和其關(guān)聯(lián)的工具沈(示于圖1)同樣的自由度，以便為外科醫(yī)生提供遠(yuǎn)程顯示——控制裝置36與工具沈是一體的感覺(jué)，以便外科醫(yī)生強(qiáng)烈地感覺(jué)到直接控制工具26。為此，可選地使用位置、力和觸覺(jué)反饋傳感器(未示出)，以通過(guò)控制裝置36從工具沈往回向外科醫(yī)生的手傳輸位置、力和觸覺(jué)感覺(jué)。外科醫(yī)生控制臺(tái)16通常設(shè)置在和病人相同的房間內(nèi)以便外科醫(yī)生可以直接監(jiān)控手術(shù)過(guò)程，必要時(shí)親自出席，并且對(duì)助手直接說(shuō)話而不是通過(guò)電話或其他通信媒介。但是， 應(yīng)當(dāng)理解，外科醫(yī)生能夠置身于和病人不同的房間、不同的建筑物或其他遙遠(yuǎn)的位置，從而允許遠(yuǎn)程外科手術(shù)過(guò)程。圖3是觀察推車M的前視圖。該觀察推車M能夠連接于內(nèi)窺鏡28并且能夠包括處理器以便處理捕獲的圖像從而用于隨后顯示，例如在外科醫(yī)生控制臺(tái)上向外科醫(yī)生顯示，或在本地或遠(yuǎn)程設(shè)置的任何其他合適的顯示器上顯示。例如，在使用立體內(nèi)窺鏡的情況下，觀察推車M能夠處理捕獲的圖像以便向外科醫(yī)生呈現(xiàn)外科手術(shù)部位的協(xié)同立體圖像。這種協(xié)同能夠包括相對(duì)的圖像之間的對(duì)齊并且能夠包括調(diào)節(jié)立體內(nèi)窺鏡的立體工作距離。作為另一個(gè)例子，圖像處理能夠包括利用先前確定的攝像機(jī)校準(zhǔn)參數(shù)，以便補(bǔ)償圖像捕獲裝置的成像誤差，諸如光學(xué)偏差。能夠利用的一些可能的圖像處理的示范性細(xì)節(jié)被描述在轉(zhuǎn)讓給htuitive Surgical, Inc.的許多專利和專利申請(qǐng)中，例如，包括美國(guó)專利 No. 7，277，120 (2004年3月7日提交)，其整個(gè)內(nèi)容結(jié)合于此供參考。圖4示意地示出機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)50 (例如圖1的MIRS系統(tǒng)10)，示出部件之間的通信路徑。正如上面所討論的，外科醫(yī)生控制臺(tái)52(例如圖1的外科醫(yī)生控制臺(tái)16) 在微創(chuàng)外科手術(shù)過(guò)程期間能夠被外科醫(yī)生用來(lái)控制病人側(cè)推車(外科手術(shù)機(jī)器人)54 (例如圖1的病人側(cè)推車2 。病人側(cè)推車M能夠利用諸如立體內(nèi)窺鏡的成像裝置，來(lái)捕獲手術(shù)部位的圖像并且向觀察推車56 (例如圖1的觀察推車24)輸出捕獲的圖像。觀察推車56 在任意隨后顯示之前能夠以各種方式處理捕獲的圖像?？商娲?，病人側(cè)推車M能夠輸出捕獲的圖像以用于在觀察推車56外部處理。例如，病人側(cè)推車M能夠?qū)⒉东@的圖像輸出到處理器58，處理器58能夠用來(lái)處理捕獲的圖像。圖像也能夠通過(guò)觀察推車56和處理器 58的組合而被處理，觀察推車56和處理器58能夠連接在一起以便共同地、順序地和/或其組合地處理捕獲的圖像。一個(gè)或更多個(gè)單獨(dú)的顯示器60也能夠連接于處理器58和/或觀察推車56，以用于本地和/或遠(yuǎn)程顯示圖像，例如手術(shù)部位的圖像或任意其他有關(guān)的圖像。這里描述的每個(gè)處理器通常包括有形介質(zhì)(例如，一個(gè)或更多個(gè)位置和/或儲(chǔ)存類型介質(zhì))59，其包含用于執(zhí)行這里描述的一些或全部方法步驟的計(jì)算機(jī)可讀指令或軟件。 有形介質(zhì)59可以包括諸如壓縮光盤或數(shù)字視頻光盤的光學(xué)記錄介質(zhì)；諸如硬盤驅(qū)動(dòng)器、軟盤、備份磁帶等的磁記錄介質(zhì)；諸如只讀存儲(chǔ)器、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、非易失性存儲(chǔ)器、內(nèi)存條的存儲(chǔ)器，等。儲(chǔ)存在有形介質(zhì)59中的軟件或代碼可以經(jīng)由有形記錄介質(zhì)、互聯(lián)網(wǎng)或其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)缺粋鬏斀o處理器。雖然在圖4中示意地示為與處理器58相關(guān)聯(lián)的有形介質(zhì)，但是軟件還可以被保存在許多不同的處理器中，包括外科醫(yī)生控制臺(tái)52、病人推車M、觀察推車56的處理器和/或處理器58。因此，軟件可以在一個(gè)或更多個(gè)處理器電路或處理器電路板上運(yùn)行，這些處理器電路或處理器電路板以各種集中的或分布式的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的任何一種結(jié)構(gòu)被物理地安裝在機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)50的一個(gè)或更多個(gè)部件上。類似地，軟件可以被寫成單個(gè)的單片碼，但是它經(jīng)常被分成具有在不同處理器電路板上可選地運(yùn)行的不同代碼部分的一系列子例程。這里描述的模塊所實(shí)現(xiàn)的功能通常作為軟件(包括包含在有形介質(zhì)59中的軟件代碼)、硬件(包括處理器58的處理器電路或機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)50的其他處理器電路板中的一個(gè))和/或適合于規(guī)定的數(shù)據(jù)處理任務(wù)的軟件和硬件的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖5A、圖5B和圖5C分別示出病人側(cè)推車22、8mm桿外科手術(shù)工具62和5mm桿外科手術(shù)工具64。外科手術(shù)工具62和64是外科手術(shù)工具沈的例子。所示的病人側(cè)推車22 提供三個(gè)外科手術(shù)工具26和成像裝置觀的操縱，該成像裝置觀諸如用于捕獲外科手術(shù)部位的圖像的立體內(nèi)窺鏡。操縱由具有許多機(jī)器人接頭的機(jī)器人機(jī)構(gòu)提供。成像裝置觀和外科手術(shù)工具26 (例如，端部執(zhí)行器66)能夠通過(guò)病人身上的切口被定位并操縱，從而使得運(yùn)動(dòng)學(xué)樞轉(zhuǎn)中心25(見(jiàn)圖1)保持在切口處，以便使所需切口的尺寸最小。當(dāng)被定位在成像裝置觀的視場(chǎng)內(nèi)時(shí)，外科手術(shù)部位的圖像可以包括外科手術(shù)工具沈的遠(yuǎn)端的圖像。正如參考圖1和圖5A能夠理解的，每個(gè)工具沈通常由操縱器23支撐。在外科手術(shù)期間操縱器在外科醫(yī)生控制臺(tái)16的處理器的引導(dǎo)下運(yùn)動(dòng)，以便按照輸入的運(yùn)動(dòng)命令在內(nèi)部外科手術(shù)部位內(nèi)移動(dòng)工具的端部執(zhí)行器。操縱器23 —般由無(wú)源支撐連桿27支撐以便允許操縱器和工具在外科手術(shù)準(zhǔn)備期間能夠被手動(dòng)定位。支撐連桿27有時(shí)被稱為設(shè)定 (set up)臂(包括一個(gè)或更多個(gè)無(wú)動(dòng)力的、可鎖定的設(shè)定接頭)，而且在手術(shù)過(guò)程期間允許改變工具的位置和取向，其中助手20通常撤回工具、釋放設(shè)定接頭從而從固定構(gòu)形變化到手動(dòng)可動(dòng)構(gòu)形，移動(dòng)操縱器23到新的期望位置，并且再一次固定該設(shè)定接頭。從操縱器23 和支撐連桿27兩者向外科醫(yī)生推車16的處理器提供基于接頭的數(shù)據(jù)，以便用于響應(yīng)來(lái)自外科醫(yī)生18的輸入來(lái)計(jì)算運(yùn)動(dòng)命令。參考圖5B和圖5C，工具62、64通常包括由操縱器23可支撐的近端65和從該近端 65延伸到遠(yuǎn)端69的細(xì)長(zhǎng)桿67。端部執(zhí)行器71由連桿73連接于桿67的遠(yuǎn)端69，其中端部執(zhí)行器和連桿通常由連桿23的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在可替代實(shí)施例中，設(shè)定接頭的至少一些自由度可以是有動(dòng)力的，且/或操縱器的一些自由度可以是無(wú)源的。樞轉(zhuǎn)中心可以由操縱器23的平行連桿結(jié)構(gòu)(被涵蓋在所謂遠(yuǎn)程中心連桿內(nèi))限定，或操縱器的無(wú)源接頭可以允許圍繞進(jìn)入病人身體中的孔口自然地或環(huán)境驅(qū)使地樞轉(zhuǎn)工具。還有一些可替代方案是可能的，包括冗余接頭的從動(dòng)連桿，其允許提供樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算遠(yuǎn)程中心。參考圖6，能夠理解用于利用機(jī)器人系統(tǒng)50測(cè)量的方法110。測(cè)量開始于步驟112， 其中通過(guò)利用腳踏板、下拉菜單、輔助輸入裝置(例如鍵盤、鼠標(biāo)等)、對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)或助手的語(yǔ)音命令或者任意各種可替代方式來(lái)選擇測(cè)量模式(mode)。在步驟114，測(cè)量標(biāo)記或其他標(biāo)識(shí)可以被疊加在測(cè)量工具上。在只有一個(gè)工具用于進(jìn)行測(cè)量的情況下，系統(tǒng)使用者具有關(guān)于哪個(gè)工具是測(cè)量工具的可視標(biāo)識(shí)是有用的。同樣，可能有用的是，具有指示來(lái)指示出兩個(gè)工具將用于測(cè)量和/或用于被識(shí)別的工具上的測(cè)量位置(以便使用者不從夾爪的樞點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，例如，當(dāng)系統(tǒng)將計(jì)算距夾爪之間的接合表面的遠(yuǎn)末端的偏移時(shí))。使用者可以選擇或改變哪個(gè)工具被用作測(cè)量工具，以便標(biāo)定由支配手(例如，右撇子外科醫(yī)生的右手)控制的工具，正如在下面更詳細(xì)地說(shuō)明的。雖然通常關(guān)于來(lái)自控制一個(gè)或兩個(gè)器械的單個(gè)使用者的輸入來(lái)描述測(cè)量，但是將可選地使用兩個(gè)以上的器械的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，特別是，當(dāng)標(biāo)定三個(gè)或三個(gè)以上的位置時(shí)，當(dāng)在三個(gè)或三個(gè)以上位置同時(shí)構(gòu)造組織以測(cè)量時(shí)等。這里描述的利用三個(gè)或三個(gè)以上工具的系統(tǒng)和方法的實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)可以在于適應(yīng)同時(shí)來(lái)自多個(gè)系統(tǒng)使用者的三維輸入的輸入裝置。例如，在他們一次控制三個(gè)或三個(gè)以上的器械時(shí)復(fù)式外科醫(yī)生控制臺(tái)的設(shè)置能夠被用來(lái)有助于兩個(gè)外科醫(yī)生的合作。為了進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，系統(tǒng)使用者通常操縱主控制器116(例如，圖2中的控制裝置 36)，以便用測(cè)量工具指示組織位置。系統(tǒng)使用者可以可選地在該位置接合組織，例如使工具輕觸組織、觸診組織或者甚至抓取并重新構(gòu)造該組織。可替代地，使用者可以將工具放在離被準(zhǔn)確的點(diǎn)標(biāo)定的組織足夠近的位置而不實(shí)際接觸該組織。工具的使用能夠允許使用者確信即便沒(méi)有接觸該組織，該點(diǎn)標(biāo)定也是有效的，并且確認(rèn)被定位在該標(biāo)記上的位置標(biāo)記能夠進(jìn)一步增強(qiáng)標(biāo)記準(zhǔn)確度、可重復(fù)性和可信度。盡管如此，與組織接觸能夠提供有用的視覺(jué)記號(hào)，以證實(shí)器械的末端處在想要的深度。一旦工具的測(cè)量標(biāo)記處在期望位置，則使用者之后可以致動(dòng)輸入(例如，通過(guò)壓下腳踏板等打開和/或關(guān)閉主控制器的柄，可選地是與測(cè)量工具有關(guān)聯(lián)的一個(gè)主控制器或一個(gè)不同的主控制器)，以便向該系統(tǒng)標(biāo)定組織位置118。之后，系統(tǒng)能夠疊加被標(biāo)定的組織位置120的標(biāo)記。被錯(cuò)誤標(biāo)定的位置可選地可以通過(guò)替代性輸入被去除，例如通過(guò)致動(dòng)與非支配手相關(guān)聯(lián)的主控制器的柄。應(yīng)當(dāng)注意，將標(biāo)記疊加在立體顯示器的圖像上并且確定該工具位置數(shù)據(jù)可以利用如圖4所示的處理器58來(lái)實(shí)現(xiàn)，如通過(guò)觀察推車56的處理器、 通過(guò)外科手術(shù)機(jī)器人M的處理器或通過(guò)可替代處理器結(jié)構(gòu)。組織位置信息可以包括和/ 或利用來(lái)自從病人側(cè)推車M輸出的機(jī)器人數(shù)據(jù)所提供的信息，其中該機(jī)器人數(shù)據(jù)通常包括來(lái)自外科醫(yī)生控制臺(tái)52和來(lái)自病人側(cè)推車M的基于接頭的數(shù)據(jù)。對(duì)應(yīng)于被標(biāo)定的組織位置的三維位置數(shù)據(jù)通常至少部分地基于立體的或其他圖像捕獲裝置。在一些實(shí)施例中， 可以通過(guò)處理對(duì)系統(tǒng)使用者顯示的作為工具和外科手術(shù)部位的圖像的數(shù)據(jù)來(lái)提供關(guān)于在外科手術(shù)部位內(nèi)的工具位置的至少一些信息(更充分的描述公開在共同未決美國(guó)專利申請(qǐng)No. 12/428,691中(2009年4月23日提交)，先前結(jié)合于此供參考，且/或來(lái)自任何各種可替代的基于圖像的工具跟蹤系統(tǒng)。)正如上面所指出的，在用機(jī)器人工具指示組織位置期間在組織和工具之間的交互作用可以在從靠近(但不接觸)組織到主動(dòng)地抓取并重構(gòu)該組織的范圍內(nèi)。例如，工具可以重新定位將被測(cè)量的組織結(jié)構(gòu)，可選地抓取該組織、使該組織結(jié)構(gòu)變直，使該結(jié)構(gòu)從介入的組織或其他對(duì)象后面被取出并顯示在攝像機(jī)的視場(chǎng)中，等。在一些實(shí)施例中，工具將觸診該組織，以便可選地指示軟組織表面下方的位置，增強(qiáng)對(duì)(多個(gè))測(cè)量位置的標(biāo)定的準(zhǔn)確度和可重復(fù)性，以及/或者其他類似目的。在工具與組織表面稍微分開的實(shí)施例中，各種圖像匹配技術(shù)可以與來(lái)自校準(zhǔn)的立體攝像機(jī)的數(shù)據(jù)結(jié)合(例如，一個(gè)校準(zhǔn)的立體攝像機(jī)利用與美國(guó)專利申請(qǐng)No. 12/415，377 (2009年3月21日提交)中公開的結(jié)構(gòu)和技術(shù)，其整個(gè)內(nèi)容結(jié)合于此供參考)，以便確定該組織表面和/或結(jié)構(gòu)的3-D位置。一般而言，在左和右圖像中的表面、特征或結(jié)構(gòu)的位置與校準(zhǔn)信息一起，能夠被用來(lái)確定結(jié)構(gòu)相對(duì)于攝像機(jī)的水平位置(X-Y)以及在該攝像機(jī)和該表面、特征或結(jié)構(gòu)之間的距離(Z)。正如在美國(guó)專利申請(qǐng)No. 61/204，082 (2008年12月31日提交)中所公開的(其整個(gè)內(nèi)容結(jié)合于此供參考)，左和右立體圖像之間的選擇性的可靠圖像匹配可以有效地并且可靠地識(shí)別在外科手術(shù)范圍中的組織表面上的一個(gè)或更多個(gè)選定點(diǎn)的相應(yīng)左和右圖像。正如美國(guó)專利申請(qǐng) No. 61/203，975 (2008年12月31日提交，也結(jié)合于此供參考)中更詳細(xì)地公開的，相關(guān)技術(shù)可選地在適當(dāng)?shù)墓ぞ邩?biāo)記的幫助下能夠被用于確定工具的位置。在示范性的稀疏圖像匹配技術(shù)中，識(shí)別來(lái)自第一圖像的感興趣的點(diǎn)以用于匹配到第二圖像。這些感興趣的點(diǎn)可以通過(guò)將工具末端或類似件置于組織表面上的期望位置或點(diǎn)來(lái)被識(shí)別，可選地使得該末端被置于系統(tǒng)使用者的支配眼睛中所看見(jiàn)的點(diǎn)上，盡管工具與組織表面保持稍微分開(更具體說(shuō)，在組織表面和攝像機(jī)之間)。被選擇性識(shí)別的感興趣的點(diǎn)能夠用選擇性匹配來(lái)匹配第二圖像(可選地如非支配眼睛所見(jiàn))。選擇性匹配能夠用適合于該圖像的局部特性的匹配來(lái)匹配被選擇性識(shí)別的點(diǎn)，可以包括區(qū)域匹配、特征匹配、特征插值和/或先前匹配的點(diǎn)的插值。例如，能夠響應(yīng)選擇的感興趣的點(diǎn)而識(shí)別區(qū)域， 并且區(qū)域可以用于匹配被選擇性識(shí)別的感性趣的點(diǎn)。當(dāng)區(qū)域匹配時(shí)能夠確定區(qū)域匹配分值(score)，并且對(duì)于未充分匹配的區(qū)域，未充分匹配區(qū)域的特征能夠被確定并且被匹配到第二圖像，以使得這些特征被用于將感興趣的點(diǎn)匹配到第二圖像。響應(yīng)未充分區(qū)域匹配的這種特征匹配的利用提供了更可靠的匹配且同時(shí)仍然提供良好的匹配速度。軟核線約束 (epi-polar constraint)和/或焦點(diǎn)約束能夠被用于評(píng)價(jià)匹配的感興趣點(diǎn)，特別是當(dāng)外科手術(shù)范圍包括在距組織不同深度處的干擾對(duì)象時(shí)。當(dāng)用于特征匹配的置信度分值在門限值以下或約束排出了壞點(diǎn)時(shí)可以用插值法。
作為一個(gè)例子，感興趣的點(diǎn)應(yīng)當(dāng)參考組織的右圖像的像素位置而被識(shí)別。圖像匹配的輸出一般可以包括在左圖像中看見(jiàn)的該組織表面的對(duì)應(yīng)像素位置。每一個(gè)像素位置有效地提供用于該眼睛的關(guān)聯(lián)X-Y位置，其中坐標(biāo)系統(tǒng)之間的視差偏移通常允許按照攝像機(jī)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)而確定深度。當(dāng)工具在識(shí)別位置時(shí)(或如果工具從組織表面位置和攝像機(jī)之間移開后擋道的情況下)可以發(fā)生匹配，并且位置標(biāo)記可以從工具傳到(snap)組織表面。也可以利用可替代位置識(shí)別技術(shù)和系統(tǒng)，例如確定在圍繞該工具的區(qū)域或窗口中的匹配組織表面位置的陣列，確定該工具上的測(cè)量位置的位置，并且該標(biāo)記傳到最靠近該工具的組織表面。在第一組織位置被標(biāo)定之后，繼續(xù)如圖6所示的示范性測(cè)量方法100，之后在步驟 122系統(tǒng)使用者可以操縱主控制器以將工具移動(dòng)到下一個(gè)期望的組織位置。當(dāng)工具在呈現(xiàn)給系統(tǒng)使用者的立體圖像中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在步驟1 在該部位的圖像上從先前標(biāo)定的組織位置到該運(yùn)動(dòng)測(cè)量工具疊加了拉伸線，更具體地說(shuō)，是到仍然疊加在測(cè)量工具上的標(biāo)記。在步驟 126在主控制器移動(dòng)期間可以顯示遞增數(shù)據(jù)，包括拉伸線長(zhǎng)度等，可選地，總長(zhǎng)度(包括在成對(duì)的標(biāo)定組織位置之間的先前的偏移)也可以被疊加在圖像上。當(dāng)標(biāo)記等被疊加在組織上、在機(jī)器人結(jié)構(gòu)上(例如工具)或該圖像中所示的其他結(jié)構(gòu)上時(shí)，通常有利的是，在呈現(xiàn)給系統(tǒng)使用者的立體圖像中標(biāo)記出現(xiàn)在與下層結(jié)構(gòu)所在相同的相同深度處。雖然各種方法可以用來(lái)匹配左和右圖像中的位置，以使得標(biāo)記出現(xiàn)在與下層組織或其他結(jié)構(gòu)相同的深度處，但是公開在共同未決美國(guó)專利申請(qǐng)No. 61/204，082 中的特別有效且可靠的圖像匹配技術(shù)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，該申請(qǐng)先前結(jié)合于此供參考。一旦測(cè)量工具已經(jīng)被接合并且(根據(jù)希望)被操縱到下一個(gè)組織位置，則在步驟 1 使用者能夠致動(dòng)輸入，以便標(biāo)定該組織位置?；趶膱D像中提取的數(shù)據(jù)(可選地，也利用基于接頭的數(shù)據(jù)或運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器人數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證基于圖像的位置信息)，在步驟130偏移數(shù)據(jù)能夠被更新，并且在步驟132另一個(gè)標(biāo)記被疊加在標(biāo)定的組織位置上。在一些實(shí)施例中， 拉伸線可以僅僅出現(xiàn)在前一個(gè)標(biāo)定位置和運(yùn)動(dòng)工具之間，而可替代實(shí)施例可以固定拉伸線線段，以便使用者能夠看見(jiàn)已經(jīng)由多個(gè)標(biāo)定的組織位置所限定的整體輪廓。正如在上面所提到的，標(biāo)定的組織位置可以從通過(guò)對(duì)呈現(xiàn)給系統(tǒng)使用者的立體圖像的圖像處理而獲得的工具跟蹤數(shù)據(jù)中提取，并且該數(shù)據(jù)通常包括組織位置之間的3-D偏移。該數(shù)據(jù)可以限定包括連接標(biāo)定的組織位置以便形成輪廓的一系列直線段的3-D多線?？商娲鷮?shí)施例可以利用標(biāo)定的點(diǎn)之間的樣條(spline)或其他曲線，或者它們可以使直線伸出到如圖像匹配技術(shù)所識(shí)別的下層組織或最近的組織表面上。如果在步驟134系統(tǒng)使用者指出這是最后的位置 (和/或，例如通過(guò)有效地包圍一個(gè)面積、達(dá)到預(yù)先識(shí)別的感興趣的線段數(shù)目等，該系統(tǒng)確定它是最后的位置)，則在步驟136可以顯示最終測(cè)量，其中該顯示通常被再次疊加在該外科手術(shù)部位?？商娲鷮?shí)施例可以利用分離于組織圖像的顯示數(shù)據(jù)，或者是顯示在組織圖像窗口之外的顯示數(shù)據(jù)、或者是顯示在單獨(dú)的顯示器上的顯示數(shù)據(jù)、或者是顯示在組織圖像顯示器內(nèi)的單獨(dú)的窗口上的顯示數(shù)據(jù)或者是顯示在其他類似處的顯示數(shù)據(jù)。使用者可以通過(guò)雙擊主控制器柄、按壓腳踏板、致動(dòng)可替代手柄(或兩個(gè)柄)或其他類似動(dòng)作來(lái)指示這是最后的位置。如果該位置不被識(shí)別為最后的位置，則在步驟122系統(tǒng)可以允許使用者再次操縱主控制器并且標(biāo)定另外的組織位置，等等。系統(tǒng)50和方法110 (包括其變型)可以在微創(chuàng)外科手術(shù)過(guò)程期間獲得在體內(nèi)的準(zhǔn)
14確3-D測(cè)量。這些系統(tǒng)和方法能夠綜合利用已經(jīng)研發(fā)的機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)(包括從加利福尼亞州的htuitive Surgical, Inc.可商業(yè)獲得的da Vinci 外科手術(shù)系統(tǒng))?？商娲鷮?shí)施例可以基于或增加到現(xiàn)在正在研發(fā)或?qū)?lái)研發(fā)的機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)。這里描述的系統(tǒng)和技術(shù)可以包括利用圖像數(shù)據(jù)跟蹤工具和用圖形信息加強(qiáng)外科手術(shù)范圍(特別是，用示出在測(cè)量工具上的或者獨(dú)立于測(cè)量工具的測(cè)量指針或標(biāo)記的3-D疊層圖像來(lái)加強(qiáng))。測(cè)量位置和工具指示符、拉伸線和其他測(cè)量標(biāo)記以及輸出圖形(例如，交互的3-D數(shù)字化讀數(shù)) 可以出現(xiàn)在圖像視場(chǎng)內(nèi)、圖像視場(chǎng)之外但在外科醫(yī)生的顯示器上和/或其他輔助顯示系統(tǒng)上的組織或其他結(jié)構(gòu)上。在示范性的實(shí)施例中，可以利用與外科醫(yī)生的立體內(nèi)窺鏡解剖景象一致的被校準(zhǔn)立體攝像機(jī)模型來(lái)產(chǎn)生3-D疊層畫面，以使得3-D指示符畫面(包括點(diǎn)、線和/或數(shù)字化讀數(shù))被產(chǎn)生從而在三維中與視場(chǎng)中解剖或其他結(jié)構(gòu)一致地出現(xiàn)。通過(guò)以足夠的速率更新疊層畫面，外科醫(yī)生可以通過(guò)用外科醫(yī)生控制臺(tái)16上的主控制輸入裝置36有效地操作標(biāo)記來(lái)交互地定位3-D標(biāo)記(見(jiàn)圖幻。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，移動(dòng)具有標(biāo)記的工具使外科醫(yī)生能夠與組織交互作用，這可以避免將標(biāo)記放在與組織表面不一致的空間位置處，或者避免在該組織表面上方的空間中向著立體圖像捕獲裝置浮動(dòng)，或者避免在3D空間中在該組織位置之外的組織表面內(nèi)的有效位置處遠(yuǎn)離圖像捕獲裝置浮動(dòng)。優(yōu)選，足夠準(zhǔn)確地確定器械末端(或其他測(cè)量位置)的笛卡爾位置以便操縱3-D 標(biāo)記進(jìn)行期望測(cè)量。笛卡爾位置通常在攝像機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)中被確定，并且由機(jī)器人系統(tǒng)提供的對(duì)工具的控制將有助于以預(yù)定方式相對(duì)于器械末端、背景組織和其他結(jié)構(gòu)等移動(dòng)標(biāo)記。 為了提供標(biāo)記位置和運(yùn)動(dòng)的期望準(zhǔn)確度，可以利用在攝像機(jī)景象中跟蹤工具位置的基于圖像的工具跟蹤系統(tǒng)。在可替代實(shí)施例中，支撐器械的機(jī)器人操縱器(可選地支撐攝像機(jī)或其他圖像捕獲裝置的操縱器)可以被校準(zhǔn)(通常在外科手術(shù)開始之前)以便使得在攝像機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)中的器械末端位置的誤差最小化。通過(guò)使得3-D疊層畫面與關(guān)于器械的準(zhǔn)確信息相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)各種的測(cè)量交互。許多這樣的測(cè)量交互涉及利用按照由系統(tǒng)使用者輸入到機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)命令而進(jìn)行的器械的主-從跟蹤。除了影響工具的運(yùn)動(dòng)之外，被疊加在外科手術(shù)部位的顯示上的并且特別是在工具末端上的3-D標(biāo)記或指針的運(yùn)動(dòng)，使得標(biāo)記緊緊跟隨器械末端。當(dāng)器械末端或工具的遠(yuǎn)端接觸解剖組織時(shí)，3-D標(biāo)記將與解剖組織充分一致，以便允許準(zhǔn)確的位置標(biāo)定。利用按鈕或腳踏開關(guān)，系統(tǒng)使用者采樣標(biāo)記和器械末端的當(dāng)前位置。器械和按鈕的額外運(yùn)動(dòng)也可以被用來(lái)采樣順序的點(diǎn)。這些采樣點(diǎn)之間的累積的歐幾里德距離能夠被交互地計(jì)算并顯示給使用者。通常利用這種基本的器械測(cè)量交互，可以支持許多測(cè)量模式。 因此，外科醫(yī)生可以測(cè)量一系列點(diǎn)中的兩個(gè)或兩個(gè)以上點(diǎn)之間的距離。這些點(diǎn)形成開放的或封閉的輪廓。其他量可以從這些點(diǎn)推導(dǎo)出，諸如點(diǎn)的封閉輪廓的表面面積或凸?fàn)钔鈿さ捏w積。可以通過(guò)以規(guī)則的距離或時(shí)間間隔等來(lái)自動(dòng)采樣點(diǎn)，從而加快測(cè)量長(zhǎng)輪廓的交互。除了多邊形或多線表征之外，樣條或類似的模型由于其天然的平滑度趨勢(shì)而能夠擬合數(shù)據(jù)以較好地近似組織的結(jié)構(gòu)。當(dāng)規(guī)定點(diǎn)時(shí)，擬合過(guò)程能夠潛在地去掉手運(yùn)動(dòng)的一些抖動(dòng)。3-D點(diǎn)的協(xié)方差矩陣能夠從觀察幾何形狀而得出，以用于計(jì)算出點(diǎn)的誤差的非齊次性 (通常導(dǎo)致沿著觀察方向的較大誤差)，并且可以有助于擬合過(guò)程。在一些模式中，點(diǎn)也可以被用來(lái)有效地限定二維或三維參數(shù)化幾何形狀，例如橢圓形、橢球形、軟對(duì)象(如在計(jì)算機(jī)圖形所用的)等等，這僅僅可選地利用很少幾個(gè)點(diǎn)位置。 例如通過(guò)計(jì)算二維形狀的周長(zhǎng)和面積、三維形狀的體積等，可以推導(dǎo)出或確定幾何形狀的性質(zhì)。通常可以通過(guò)增加額外的軟件模塊到適當(dāng)裝備的機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)中，特別是已經(jīng)具有基于圖像的工具跟蹤能力的那些系統(tǒng)中，來(lái)實(shí)現(xiàn)這里描述的方法和系統(tǒng)。這里描述的虛擬測(cè)量軟件工具可以支持系統(tǒng)和使用者之間的各種交互模式，以及用于測(cè)量計(jì)算的不同模式。系統(tǒng)使用者和計(jì)算模塊之間的一類這樣的交互可以包括單手測(cè)量，其中(例如) 單個(gè)工具被用來(lái)測(cè)量3-D輪廓的長(zhǎng)度、封閉輪廓的表面面積和/或其它類似特征。系統(tǒng)使用者和測(cè)量計(jì)算模塊之間的另一類交互可以包括使用兩只手和兩個(gè)關(guān)聯(lián)的工具，其中測(cè)量期間工具可選地進(jìn)行抓取和操縱。這些測(cè)量工具通?？梢砸蕾囉谶h(yuǎn)程外科手術(shù)系統(tǒng)的能力， 以準(zhǔn)確地確定工具末端執(zhí)行器或器械末端的位置，以及在系統(tǒng)的顯示器上的疊層畫面上準(zhǔn)確地強(qiáng)化或畫出該位置，以使得它與3-D立體視圖中的器械末端一致地出現(xiàn)。現(xiàn)在參考圖7，示范性數(shù)據(jù)采樣或標(biāo)定方法150可以被用來(lái)采樣輪廓或標(biāo)定位置。 系統(tǒng)使用者通常利用其支配手來(lái)控制測(cè)量器械末端位置，并且他們可以用他們非支配手抓取或致動(dòng)手柄以便添加或去掉樣本。例如右撇子系統(tǒng)使用者通常利用其右手操作工具，用其左手標(biāo)定和/或去標(biāo)定位置。對(duì)于方法150，假定右手是支配手并且假定左手是非支配手。這可以通過(guò)利用設(shè)定菜單、下拉菜單等而被改變。在采樣或標(biāo)定方法150整個(gè)過(guò)程期間，右手可以保持緊緊抓取，以使得器械抓緊器或夾爪保持閉合。這可以在有利結(jié)構(gòu)構(gòu)造中構(gòu)造具有夾爪的工具以用于接觸組織并標(biāo)定感興趣的點(diǎn)，并且也可以可選地向系統(tǒng)識(shí)別出測(cè)量工具。工具夾爪通常通過(guò)閉合主控制器的柄的間板而被閉合。當(dāng)右手在步驟152抓取柄時(shí)，在步驟IM工具能夠添加點(diǎn)，這是通過(guò)在步驟156用左手簡(jiǎn)單地抓取以便這個(gè)柄同樣處于閉合。利用非支配手來(lái)添加和去掉點(diǎn)會(huì)防止支配手的意外運(yùn)動(dòng)，否則這將不利地影響工具定位的準(zhǔn)確度。在可替代實(shí)施例中，在外科醫(yī)生控制臺(tái)上可以設(shè)置腳踏板或額外的按鈕，優(yōu)選使得輸入致動(dòng)與工具的可控移位不會(huì)相互干擾。當(dāng)右手在步驟158張開時(shí)，通過(guò)在步驟162用左手抓取而在步驟160工具能夠去掉點(diǎn)。系統(tǒng)與使用者的交互使得在測(cè)量模式中總是存在交互地跟蹤器械末端的點(diǎn)。系統(tǒng)使用者控制器械以將這個(gè)點(diǎn)定位成與被測(cè)量的解剖組織一致。當(dāng)固定在位置上時(shí)，可以通過(guò)用左手抓取來(lái)放置該點(diǎn)，這有效地將點(diǎn)或點(diǎn)標(biāo)記放在當(dāng)前位置上，并且增加了將被交互移動(dòng)的新點(diǎn)。為了進(jìn)一步改進(jìn)用戶界面的感受，多線形式的視覺(jué)化會(huì)顯示順序的每對(duì)點(diǎn)之間的連線直到并包括器械末端的最后一個(gè)點(diǎn)。對(duì)于相對(duì)于要被測(cè)量的解剖組織來(lái)對(duì)齊輪廓的方向而言，這提供了額外的視覺(jué)證實(shí)。注意到，采樣方法150的流程圖假定測(cè)量的多線的 3-D視覺(jué)化在該多線已經(jīng)改變的任何時(shí)刻均針對(duì)該操作者被重繪?，F(xiàn)在參考圖8，圖8示出與輪廓相關(guān)的測(cè)量工具以及這些工具之間的行為的繼承關(guān)系的分類示意圖。這些工具響應(yīng)按鈕按壓事件和運(yùn)動(dòng)事件，從而處理測(cè)量點(diǎn)的位移。這些工具支持圖7所示的相同點(diǎn)位移交互模式，但是它們?cè)谔幚硪幌盗悬c(diǎn)以產(chǎn)生用于顯示的測(cè)量文本時(shí)在方式上可以是不同的。支持的交互模式包括用于測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的距離的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)位移，用于測(cè)量任意輪廓的多線點(diǎn)位移，以及用于產(chǎn)生空間上規(guī)律化采樣的測(cè)量的連續(xù)點(diǎn)位移。
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輪廓測(cè)量工具也支持連續(xù)采樣模式或位置標(biāo)定方法180，如圖9所示。方法180產(chǎn)生規(guī)律化間隔的樣本。操作者可以可選地規(guī)定期望的采樣容限。該采樣容限確定兩個(gè)樣本點(diǎn)之間的最小間隔。可以用在0. 1毫米和20毫米之間的容限，其中1毫米容限通常是可行的，以使得1毫米容限可以用作缺省值。以大致類似上面所述的方式來(lái)使用左和右抓取從而添加或去掉點(diǎn)，其中距離測(cè)量步驟182被用來(lái)確定什么時(shí)候工具已經(jīng)被移動(dòng)到足夠遠(yuǎn)從而使得添加新樣本是正確的?？商娲牟蓸臃椒梢匀Q于基于時(shí)間的周期采樣，微分空間量的改變(例如，用響應(yīng)于工具路徑的連續(xù)性和/或曲率而得到的樣本)，或基于空間的和臨時(shí)的量的一些組合矩陣(例如，用響應(yīng)工具的速度和/或加速度而獲得的樣本)等?，F(xiàn)在參考圖IOA和圖10B，輪廓工具一般可以依賴于多線3-D對(duì)象。這可以被用來(lái)儲(chǔ)存用來(lái)計(jì)算長(zhǎng)度和面積測(cè)量的一系列3-D采樣點(diǎn)。利用下面的公式，用多線3-D對(duì)象的計(jì)算長(zhǎng)度方法，能夠產(chǎn)生開放輪廓工具的測(cè)量值 ^ ξ U ρ,+ 一 pnl^Sl利用等式1產(chǎn)生封閉輪廓工具的測(cè)量，并且然后增加連接于該系列的最后一點(diǎn)到該系列的第一點(diǎn)的線段的長(zhǎng)度。封閉輪廓面積通過(guò)近似封閉表面面積來(lái)計(jì)算，可選地利用三角形的棋盤形布置(tessellation)。然后該面積可以通過(guò)積分每個(gè)三角形的面積而得至IJ。用于棋盤形布置該表面的一種手段是利用在3-D輪廓的質(zhì)心處具有固定點(diǎn)的三角形扇面。這對(duì)于凸?fàn)罨蚪咏範(fàn)畹妮斎胧翘貏e奏效的，這種輸入代表要被測(cè)量的大多數(shù)輪廓。本發(fā)明的實(shí)施例也可以允許叫做雙手交替測(cè)量的雙手器械交互。這能夠被實(shí)現(xiàn)以便使得系統(tǒng)使用者能夠在用兩個(gè)抓緊器械操縱組織的同時(shí)測(cè)量組織長(zhǎng)度，其中一些或全部操縱發(fā)生在圖像捕獲裝置的景象中。對(duì)于這種測(cè)量，可以用被用來(lái)測(cè)量當(dāng)前被抓取的組織的長(zhǎng)度的那些點(diǎn)之間的歐幾里德距離來(lái)跟蹤沿著每個(gè)工具的抓緊器的點(diǎn)。交互也允許系統(tǒng)使用者能夠順序地累積被抓取在工具之間的組織的長(zhǎng)度。工具之間的距離基于工具抓緊器的鉸接處被自動(dòng)采樣且累積。由于使用機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)雙手交替的交互作用的性質(zhì)， 一只手能夠被假定為抓取(且因此標(biāo)定)新的位置。一旦新的位置被抓取并且另一只手釋放組織，則系統(tǒng)自動(dòng)采樣并累積器械之間的距離。這種采樣條件是方便的，因而允許使用者在進(jìn)行累積測(cè)量之前抓取和再抓取，以便當(dāng)組織被從右手工具釋放并且外科醫(yī)生到達(dá)左手工具之外時(shí)，在通過(guò)釋放左手工具標(biāo)定新的抓取位置之前，外科醫(yī)生可以在周圍移動(dòng)整個(gè)組織或移動(dòng)其他的組織來(lái)讓道。此外，系統(tǒng)使用者可以有機(jī)會(huì)弄直或甚至稍微拉伸被測(cè)量的組織以便最佳地近似期望被采樣的線性線段的長(zhǎng)度。現(xiàn)在參考圖11，雙手交替數(shù)據(jù)采樣方法200在累積總的測(cè)量長(zhǎng)度的同時(shí)，允許使用者在圖像捕獲裝置的視場(chǎng)內(nèi)和/或通過(guò)圖像捕獲裝置的視場(chǎng)來(lái)抓取、操縱和移動(dòng)組織。 交互提供了直覺(jué)的雙手測(cè)量范例，近似于交替使用每只手來(lái)沿著長(zhǎng)繩拉。交互不限制測(cè)量方向和長(zhǎng)度。操作者通過(guò)進(jìn)行一系列分段式線性測(cè)量，可以測(cè)量任意長(zhǎng)的或彎曲的樣品。 利用這種測(cè)量交互的一個(gè)例子是在胃腸手術(shù)過(guò)程中測(cè)量出腸的長(zhǎng)度。在雙手交替采樣方法 200中，系統(tǒng)使用者和該系統(tǒng)之間的交互已經(jīng)被設(shè)計(jì)成使得允許系統(tǒng)使用者利用用一手抓緊且用另一只手測(cè)量的交替方式。該測(cè)量開始于，操作者用一只手或另一只手抓取被測(cè)量的樣品。未抓取的手成為測(cè)量手。系統(tǒng)連續(xù)地計(jì)算并顯示與左和右手及主控制輸入裝置相關(guān)聯(lián)的工具之間的計(jì)算距離以及先前測(cè)量的運(yùn)算合計(jì)。在步驟202釋放抓取手之前，不抓取的手是空著的且在決定期望的抓取以提交測(cè)量的長(zhǎng)度之前多次釋放。在步驟202釋放抓取手時(shí)，測(cè)量被進(jìn)行并且兩只手之間的關(guān)系被轉(zhuǎn)換。進(jìn)行測(cè)量包括在步驟204將兩個(gè)工具之間的計(jì)算距離增加到運(yùn)算合計(jì)。在步驟206，由于角色轉(zhuǎn)換，前一次的測(cè)量手之后是抓取樣本，并且前一次的抓取手現(xiàn)在是空閑以標(biāo)定新的位置的測(cè)量工具。圖12是圖形地示出利用圖像數(shù)據(jù)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單線線段測(cè)量的屏幕快照。顯示的圖像220示出已經(jīng)在其上疊加了標(biāo)記224的工具222。標(biāo)記2 被示出在一個(gè)先前的標(biāo)定位置上，并且拉伸線2 在該先前的標(biāo)定位置和工具上的標(biāo)記之間延伸。示出拉伸線的長(zhǎng)度的數(shù)字圖形230被提供成從該拉伸線偏移開且在成像裝置的視場(chǎng)內(nèi)。各種顏色可以用于顯示的拉伸線228，以使得它在背景組織上能夠被看見(jiàn)。在圖12所示的實(shí)施例中，拉伸線 2 是亮綠色。同樣，各種顏色可以用于顯示的標(biāo)記?，F(xiàn)在參考圖13，圖13示意地示出多線測(cè)量。工具M(jìn)O已經(jīng)被預(yù)先用于標(biāo)定兩個(gè)組織位置M2J44，并且顯示的標(biāo)記在工具已經(jīng)繼續(xù)移動(dòng)之后被留在這兩個(gè)位置。線段M6 仍然被固定在先前的標(biāo)定位置之間。拉伸線248隨工具240運(yùn)動(dòng)，并且具體在前一標(biāo)定位置244和工具上的測(cè)量位置250之間延伸。標(biāo)記252在工具的測(cè)量位置250被疊加在工具上，以便在測(cè)量期間表現(xiàn)為隨工具運(yùn)動(dòng)。注意到，被標(biāo)記的位置不需要(并且通常不)位于一條直線上、在一個(gè)平面內(nèi)等。一旦組織位置被標(biāo)定之后，當(dāng)攝像機(jī)移動(dòng)以便觀察被測(cè)量組織的另一個(gè)部分時(shí)顯示的標(biāo)記可以隨組織被保留。參考圖14，圖14是能夠看見(jiàn)的封閉的多線測(cè)量的一個(gè)示范性的實(shí)施例。注意到， 感興趣的組織結(jié)構(gòu)的周長(zhǎng)和/或面積可以被顯示，其中在這里的組織結(jié)構(gòu)包括二尖瓣環(huán)。 不同的顏色可以用于不同的顯示標(biāo)記或線。例如，面積邊界線2M可以用黃色示出，從該面積的中心258延伸到每個(gè)顯示標(biāo)記226的棋盤形布置線256可以用白色示出。棋盤形布置線可以用來(lái)計(jì)算邊界線254內(nèi)的面積。示范性的雙手交替測(cè)量方法可以參考圖15A和圖15B來(lái)理解。測(cè)量工具260沿著柔性組織或其他結(jié)構(gòu)FT (在這里是測(cè)量皮尺)運(yùn)動(dòng)，生成示出測(cè)量工具260和抓取工具沈2 之間的測(cè)量距離的輸出。一旦沿著柔性組織FT的期望位置已經(jīng)被識(shí)別并且組織已經(jīng)被適當(dāng)?shù)刈冎焙?或拉伸，則測(cè)量工具260可以保持為閉合抓取模式，而抓取工具262被釋放， 該動(dòng)作更新累積的距離測(cè)量以便包括工具之間的最后一個(gè)間隔。間隔距離可以再次通過(guò)兩個(gè)工具的角色轉(zhuǎn)換被示出，其中先前的測(cè)量工具260現(xiàn)在是抓取工具，如此等等。圖15B的圖示出利用皮尺測(cè)量的雙手交替測(cè)量交互的驗(yàn)證。線段以三維方式被疊加在器械抓緊器之間，以便呈現(xiàn)被測(cè)量的長(zhǎng)度。文本信息被交互地顯示在線段的中點(diǎn)，以便指示中間和累積的測(cè)量長(zhǎng)度。其他的實(shí)施例可以使得上面描述的許多技術(shù)和系統(tǒng)與靜止的立體圖像結(jié)合，以便有助于測(cè)量偏移、面積、體積、縱橫比等。例如，希望獲得運(yùn)動(dòng)組織的測(cè)量，特別是用于在封閉胸腔心跳過(guò)程期間測(cè)量心臟的組織結(jié)構(gòu)。為了有助于在這種生理運(yùn)動(dòng)期間的準(zhǔn)確測(cè)量， 處理器能夠凍結(jié)呈現(xiàn)給系統(tǒng)使用者的立體視頻圖像(例如在外科醫(yī)生控制臺(tái)中呈現(xiàn)給一個(gè)或更多個(gè)外科醫(yī)生的立體圖像，或在關(guān)聯(lián)顯示器中呈現(xiàn)給助手或代理人的二維圖像)。在標(biāo)定組織位置的準(zhǔn)備期間根據(jù)來(lái)自系統(tǒng)使用者的輸入可以凍結(jié)圖像，或者響應(yīng)指示出機(jī)器人工具被置于第一組織位置處或其附近的輸入可以凍結(jié)圖像。無(wú)論如何，之后，相同的(或不同的)系統(tǒng)使用者可以識(shí)別在凍結(jié)圖像中的一個(gè)或更多個(gè)組織位置。可選地，能夠通過(guò)利用外科醫(yī)生控制臺(tái)的主動(dòng)輸入裝置來(lái)操縱3D指針到組織圖像的期望位置，從而識(shí)別組
18織位置?？商娲兀到y(tǒng)使用者可以簡(jiǎn)單地標(biāo)定在兩個(gè)凍結(jié)立體圖像之一中的位置。在任何一種情況下，當(dāng)組織標(biāo)定命令被處理器接收時(shí)，指針可以基于立體圖像之一中的指針位置被傳到組織表面。當(dāng)該期望組織位置已經(jīng)被輸入到該凍結(jié)圖像中時(shí)，可以如上面描述的通過(guò)三維圖像數(shù)據(jù)來(lái)確定三維偏移和測(cè)量。雖然所有的組織位置均可以用指針等被可選地指示出，但是使用機(jī)器人工具對(duì)至少第一位置的指示可以幫助穩(wěn)定局部組織。為了測(cè)量跳動(dòng)的心臟和/或其他循環(huán)地運(yùn)動(dòng)的組織，可以捕獲時(shí)間序列圖像并將其用于生成組織運(yùn)動(dòng)循環(huán)的不同階段的一系列測(cè)量。因此，這樣的系統(tǒng)和方法能夠(例如)捕獲心臟的一系列循環(huán)泵送狀態(tài)并且進(jìn)行對(duì)這些狀態(tài)的測(cè)量，以加強(qiáng)對(duì)各種心臟狀況的診斷和治療。
雖然為了清楚理解并且以舉例的方式在一些細(xì)節(jié)中已經(jīng)描述了示范性的實(shí)施例， 但是對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言各種修改、修正和變化將是很顯然的。因此，本發(fā)明的范圍僅僅由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括用第一機(jī)器人工具夾爪抓取第一結(jié)構(gòu)位置；用第二機(jī)器人工具夾爪抓取第二結(jié)構(gòu)位置；釋放該第一工具的夾爪并且從所述第一位置移開該第一工具以便抓取第三結(jié)構(gòu)位置；將這些位置之間的三維偏移相加以便測(cè)量沿著該結(jié)構(gòu)的雙手交替長(zhǎng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該結(jié)構(gòu)包括在微創(chuàng)外科手術(shù)部位內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)，并且該方法還包括通過(guò)用所述第一和第二機(jī)器人工具夾爪交替地抓取該結(jié)構(gòu)來(lái)標(biāo)定多個(gè)額外的組織結(jié)構(gòu)位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中每個(gè)偏移均由一對(duì)所述位置限定，并且該方法還包括將所述第一和第二夾爪之間的拉伸線、所述第一和第二夾爪之間的遞增的偏移測(cè)量以及包括成對(duì)位置的相加的偏移的累積測(cè)量顯示成疊加在沿著每個(gè)夾爪的測(cè)量位置的圖形指示符的圖像上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，還包括通過(guò)致動(dòng)所述夾爪來(lái)標(biāo)定所述組織位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，還包括在所述第二工具抓取該第二組織位置的同時(shí)從所述第一位置釋放該第一工具的夾爪，來(lái)標(biāo)定所述第二組織位置并且開啟該第一位置和該第二位置之間的遞增的偏移測(cè)量，使得該第二工具可以抓取并釋放多個(gè)候選的第二組織位置而不改變相加的偏移。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中，在所述第一工具抓取所述第三組織位置的同時(shí)，從所述第二位置釋放所述第二工具的夾爪，來(lái)標(biāo)定所述第三組織位置并開啟該第二位置和該第三位置之間的遞增的偏移測(cè)量，使得該第一工具可以抓取并釋放多個(gè)候選的第三組織位置而不改變相加的偏移。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中在所述工具中的一個(gè)工具保持抓取的同時(shí)，另一個(gè)工具被允許抓取并釋放多次直到達(dá)到期望的組織位置，其中所述額外的位置之間的偏移通過(guò)當(dāng)達(dá)到所述期望的組織位置時(shí)釋放所述一個(gè)工具而被測(cè)量，并且其中當(dāng)所述一個(gè)工具被釋放時(shí)所述一個(gè)工具和所述另一個(gè)工具之間的位置標(biāo)定職責(zé)被轉(zhuǎn)換。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，還包括當(dāng)該第一和第二夾爪之間的相關(guān)偏移被確定時(shí)，用所述夾爪操縱所述組織結(jié)構(gòu)以便弄直或拉伸該組織結(jié)構(gòu)的測(cè)量長(zhǎng)度。
9.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，還包括觀察圖像捕獲裝置的視場(chǎng)內(nèi)的所述組織結(jié)構(gòu)，其中在確定該第一位置和該第二位置之間的偏移時(shí)該第三位置在該視場(chǎng)中不可見(jiàn)，并且該方法還包括用所述夾爪操縱該組織結(jié)構(gòu)和/或移動(dòng)該視場(chǎng)，以便在確定所述第二位置和所述第三位置之間的偏移時(shí)使所述第三位置成像。
10.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，還包括用生成圖像數(shù)據(jù)的圖像捕獲裝置來(lái)獲取所述組織結(jié)構(gòu)的左和右立體圖像，其中通過(guò)利用該圖像數(shù)據(jù)確定所述位置之間的三維偏移來(lái)測(cè)量所述偏移。
11.一種用于測(cè)量組織的方法，該方法包括用第一機(jī)器人工具指示第一組織位置；自動(dòng)地指示多個(gè)額外的組織位置；和確定由所述組織位置限定的測(cè)量。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中，該測(cè)量包括成對(duì)組織位置之間的累積長(zhǎng)度。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中，該測(cè)量包括面積測(cè)量。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中，該測(cè)量包括由所述位置限定的縱橫比。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，還包括識(shí)別所述面積的中心并且將在該中心和所述組織位置之間限定的三角形的面積相加以便計(jì)算所述面積。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，還包括在由系統(tǒng)使用者參考該組織的圖像引導(dǎo)所述第一工具的運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，將所述面積的邊界疊加在所述組織的圖像上。
17.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，還包括用生成圖像數(shù)據(jù)的圖像捕獲裝置獲得該圖像，并且從該圖像數(shù)據(jù)來(lái)確定所述組織位置。
18.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述組織位置包括界定所述面積的被離散標(biāo)定的位置，其中每個(gè)位置均按照來(lái)自系統(tǒng)使用者的相關(guān)輸入而被標(biāo)定。
19.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中響應(yīng)所述第一機(jī)器人工具和一個(gè)先前位置之間臨時(shí)的或空間的間隔來(lái)標(biāo)定所述多個(gè)位置。
20.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，還包括在每個(gè)所述位置處在該組織的圖像內(nèi)疊加圖形指示符，在所述第一工具已經(jīng)從由該第一工具標(biāo)定的位置移開之后該圖形指示符仍被保留， 在所述圖像中的順序的位置之間疊加直線，在所述圖像內(nèi)在所述第一機(jī)器人工具的工具測(cè)量位置上疊加圖形指示符，并且在所述圖像內(nèi)在前一個(gè)位置和該測(cè)量位置之間疊加拉伸線。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，還包括在所述圖像內(nèi)在所述前一個(gè)位置和該工具測(cè)量位置之間疊加遞增的偏移，并且在所述圖像內(nèi)在所述順序的位置之間疊加偏移的累積和。
22.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中自動(dòng)地指示所述多個(gè)額外的組織位置是通過(guò)利用第二機(jī)器人工具來(lái)指示至少第二組織位置且利用第三機(jī)器人工具來(lái)指示至少第三組織位置從而實(shí)現(xiàn)的。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中該第一機(jī)器人工具與由第一使用者操作的第一主/ 從三維輸入裝置操作地相關(guān)聯(lián)，并且該第二機(jī)器人工具與由第二使用者操作的第二主/從三維輸入裝置操作地相關(guān)聯(lián)。
24.一種用于測(cè)量結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于抓取第一結(jié)構(gòu)位置的第一機(jī)器人工具夾爪；用于抓取第二結(jié)構(gòu)位置的第二機(jī)器人工具夾爪；處理器，該處理器將所述機(jī)器人工具連接于輸出，以使得來(lái)自使用者的輸入命令導(dǎo)致該處理器將所述位置之間的三維偏移相加，以便測(cè)量沿著該結(jié)構(gòu)的雙手交替長(zhǎng)度。
25.根據(jù)權(quán)利要求M的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包括機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)，并且該結(jié)構(gòu)包括微創(chuàng)外科手術(shù)部位內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)，其中該處理器響應(yīng)用于所述第一和第二機(jī)器人工具夾爪的多個(gè)交替的夾爪致動(dòng)命令，識(shí)別沿著該長(zhǎng)度的相關(guān)聯(lián)的多個(gè)額外的組織結(jié)構(gòu)位置。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的系統(tǒng)，其中該處理器將由相關(guān)聯(lián)的多個(gè)成對(duì)位置所限定的多個(gè)偏移相加，并且該系統(tǒng)還包括顯示器，該顯示器在使用中顯示所述組織結(jié)構(gòu)的圖像，且還將沿著每個(gè)夾爪的測(cè)量位置的圖形指示符、所述第一和第二夾爪之間的拉伸線、所述第一和第二夾爪之間的遞增偏移測(cè)量以及包括所述成對(duì)位置的相加偏移的累積測(cè)量顯示成疊加在所述組織結(jié)構(gòu)的圖像上。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的系統(tǒng)，其中從所述第一位置釋放該第一工具的夾爪標(biāo)定所述第二組織位置并且將該第一位置和該第二位置之間的遞增三維偏移測(cè)量添加到所述雙手交替長(zhǎng)度，以使得該第二工具可以抓取并釋放多個(gè)候選的第二組織位置而不改變?cè)撾p手交替長(zhǎng)度。
28.根據(jù)權(quán)利要求25的系統(tǒng)，其中該處理器延遲三維偏移的相加直到按照來(lái)自所述系統(tǒng)使用者的命令來(lái)指示位置，以便有助于在所述雙手交替長(zhǎng)度測(cè)量期間用所述夾爪操縱所述組織結(jié)構(gòu)，以及當(dāng)所述第一和第二夾爪之間的相關(guān)偏移被確定時(shí)允許所述夾爪弄直或拉伸該組織結(jié)構(gòu)的測(cè)量的遞增長(zhǎng)度。
29.根據(jù)權(quán)利要求M的系統(tǒng)，還包括具有視場(chǎng)的圖像捕獲裝置，其中該處理器被構(gòu)造成用于所述夾爪的鉸接，以便操縱該組織，從而在確定該第二位置和該第三位置之間的偏移之前將所述第三位置帶到該圖像中。
30.根據(jù)權(quán)利要求M的系統(tǒng)，還包括具有視場(chǎng)的圖像捕獲裝置，其中該處理器被構(gòu)造成用于該視場(chǎng)的重新定位，以便在確定該第二位置和該第三位置之間的偏移之前將該第三位置帶到該圖像中。
31.根據(jù)權(quán)利要求M的系統(tǒng)，還包括立體圖像捕獲裝置，其用于捕獲該結(jié)構(gòu)的左和右立體圖像并生成與其對(duì)應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)，其中該處理器通過(guò)利用所述圖像數(shù)據(jù)確定所述位置之間的三維偏移來(lái)測(cè)量偏移。
32.根據(jù)權(quán)利要求M的系統(tǒng)，其中該處理器被構(gòu)造成使得在所述工具中的一個(gè)工具保持抓取的同時(shí)允許另一個(gè)工具抓取并釋放多次直到達(dá)到期望的組織位置，其中所述額外的位置之間的偏移通過(guò)當(dāng)達(dá)到所述期望的組織位置時(shí)釋放所述一個(gè)工具而被測(cè)量，并且其中當(dāng)所述一個(gè)工具被釋放時(shí)所述一個(gè)工具和所述另一個(gè)工具之間的位置標(biāo)定職責(zé)被轉(zhuǎn)換。
33.一種用于測(cè)量結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于接合第一位置的第一機(jī)器人工具；處理器，其被連接于該第一工具，以使得該處理器確定由所述第一位置和多個(gè)額外的自動(dòng)接合位置所限定的測(cè)量。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的系統(tǒng)，其中該測(cè)量包括面積測(cè)量。
35.根據(jù)權(quán)利要求33的系統(tǒng)，其中該測(cè)量包括由所述位置限定的縱橫比。
36.根據(jù)權(quán)利要求33的系統(tǒng)，其中該處理器被構(gòu)造成識(shí)別所述面積的中心并且將在該中心和所述組織位置之間限定的三角形的面積相加以便計(jì)算面積。
37.根據(jù)權(quán)利要求34的系統(tǒng)，其中該處理器被構(gòu)造成在由系統(tǒng)使用者參考該圖像引導(dǎo)所述第一工具的運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，將該面積的邊界疊加在該結(jié)構(gòu)的圖像上。
38.根據(jù)權(quán)利要求33的系統(tǒng)，還包括用于獲得所述圖像并且生成與其對(duì)應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)的圖像捕獲裝置，并且該處理器從該圖像數(shù)據(jù)確定所述位置。
39.根據(jù)權(quán)利要求33的系統(tǒng)，其中所述組織位置包括界定所述面積的被離散標(biāo)定的位置，該處理器按照來(lái)自系統(tǒng)使用者的有關(guān)輸入來(lái)確定每個(gè)位置。
40.根據(jù)權(quán)利要求33的系統(tǒng)，其中該處理器被構(gòu)造成響應(yīng)在所述第一機(jī)器人工具和一個(gè)先前位置之間的臨時(shí)的或空間的間隔來(lái)確定所述多個(gè)位置。
41.根據(jù)權(quán)利要求33的系統(tǒng)，其中該處理器被構(gòu)造成在每個(gè)所述位置在所述組織的圖像中疊加圖形指示符，在所述第一工具已經(jīng)從由所述第一工具標(biāo)定的位置移開之后該圖形指示符仍被保留，在所述圖像內(nèi)將順序的位置之間疊加直線，在所述圖像內(nèi)在該第一機(jī)器人工具的測(cè)量位置上疊加圖形指示符，并且在所述圖像內(nèi)在前一位置和該測(cè)量位置之間疊加拉伸線。
42.根據(jù)權(quán)利要求33的系統(tǒng)，其中該處理器被構(gòu)造成在所述圖像內(nèi)在該前一位置和該工具測(cè)量位置之間疊加遞增的偏移，以及在所述圖像內(nèi)在所述順序的位置之間疊加偏移的累積和。
43.根據(jù)權(quán)利要求33的系統(tǒng)，還包括第二機(jī)器人工具和第三機(jī)器人工具，其中所述機(jī)器人工具連接于所述處理器，以便通過(guò)利用所述第二機(jī)器人工具指示至少第二組織位置并且利用所述第三機(jī)器人工具指示至少第三組織位置從而自動(dòng)指示所述多個(gè)額外的組織位置。
44.根據(jù)權(quán)利要求43的系統(tǒng)，還包括被定位成用于由第一使用者使用的且與所述第一機(jī)器人工具操作地相關(guān)聯(lián)的第一主/從三維輸入裝置，以及被定位成用于由第二使用者使用的且與所述第二機(jī)器人工具操作地相關(guān)聯(lián)的第二主/從三維輸入裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于遠(yuǎn)程外科手術(shù)和其他應(yīng)用的機(jī)器人和/或測(cè)量裝置(10)、系統(tǒng)和方法。該裝置、系統(tǒng)和方法利用操作地連接于工具(26)的輸入裝置(16)從而允許系統(tǒng)使用者(18)操縱被測(cè)量的組織和其他結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)(10)可以利用來(lái)自立體圖像的三維位置信息。兩個(gè)或兩個(gè)以上的離散點(diǎn)(242，244)能夠用三維方式被標(biāo)定，以便提供沿著直的或彎曲的組織的累積長(zhǎng)度、面積測(cè)量、體積測(cè)量等。離散點(diǎn)可以通過(guò)單個(gè)外科手術(shù)工具(240)或通過(guò)分開兩個(gè)或兩個(gè)以上的外科手術(shù)工具的距離來(lái)被識(shí)別，其中使用者可選地通過(guò)沿著該結(jié)構(gòu)雙手交替地移動(dòng)一對(duì)工具來(lái)測(cè)量比立體圖像捕獲裝置的視場(chǎng)更長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)。通過(guò)在標(biāo)定組織位置的同時(shí)允許系統(tǒng)使用者與組織交互，并且通過(guò)利用成像數(shù)據(jù)來(lái)確定所述測(cè)量，能夠增強(qiáng)測(cè)量的準(zhǔn)確度和測(cè)量的簡(jiǎn)便性。
文檔編號(hào)A61B19/00GK102458293SQ201080027164
公開日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月16日
發(fā)明者B·D·伊特科維茲, C·J·哈瑟, C·J·莫爾, H·斯坦因, M·J·科瑞特, S·蒂邁歐, 趙文毅, 趙濤 申請(qǐng)人:直觀外科手術(shù)操作公司