CN100518626C - 引导末端执行器至人体内目标位置的系统、方法和产品 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于将末端执行器(26)引导至人体内目标位置(216)的系统、方法和产品。该方法包括当人体具有预定的呼吸状态时生成多幅人体内部解割结构的数字图像(210，214)。该方法还包括在至少一幅数字图像上指示皮肤入口位置(212)。该方法还包括在至少一幅数字图像上指示目标位置(216)。该方法还包括基于皮肤入口位置(212)和目标位置(216)确定轨道路径。最后，该方法包括当人体基本上具有预定的呼吸状态时沿该轨道路径向目标位置(216)移动末端执行器(26)。

Description

引导末端执行器至人体内目标位置的系统、方法和产品
技术领域
本发明涉及一种用于将末端执行器引导至人体内目标位置的系统和方法。
背景技术
已经研制出引导人体内的活组织检查和消融针的机器人系统。然而，由于人的呼吸运动，所以在人的腹腔内放置这类针可能是非常困难的。特别是，在人的呼吸运动期间，人的腹腔内的目标位置将会移动。因此，即使针在开始时沿预定的末端执行器轨道移动，但由于人的腹腔内目标位置的移动，针也可能不会到达目标位置。
因此，本发明人在此已经意识到需要一种改进的系统，该系统在将末端执行器引导至人体内目标位置时克服了上述缺陷。
发明内容
提供一种用于根据示范性实施例将末端执行器引导至人体内目标位置的方法。该方法包括当人体具有预定呼吸状态时生成多幅人体内部解剖结构的数字图像。该方法还包括在至少一幅数字图像上指示皮肤入口位置。该方法还包括在至少一幅数字图像上指示目标位置。该方法还包括基于皮肤入口位置和目标位置确定轨道路径。最后，该方法包括当人体基本上具有预定的呼吸状态时沿轨道路径向目标位置移动末端执行器。
提供一种用于根据另一示范性实施例将末端执行器引导至人体内目标位置的系统。该系统包括用于监视人体呼吸状态的呼吸监视装置。该系统还包括配置为当人体具有预定呼吸状态时扫描人体内部解剖结构以生成扫描数据的扫描装置。该系统还包括基于扫描数据生成多幅数字图像的第一计算机。该系统还包括配置为显示多幅数字图像的第二计算机，该第二计算机还被配置为允许操作者在至少一幅数字图像上指示皮肤入口位置。该第二计算机还被配置为允许操作者在至少一幅数字图像上指示目标位置。该第二计算机还被配置为基于皮肤入口位置和目标位置确定轨道路径。最后，该系统包括末端执行器插入装置，其使得末端执行器适于插入人体内，该第二计算机在人体基本上具有预定的呼吸状态时促使末端执行器插入装置沿轨道路径向目标位置移动末端执行器。
提供一种用于根据另一示范性实施例将末端执行器引导至人体内目标位置的系统。该系统包括用于监视人体呼吸状态的呼吸监视装置。该系统还包括配置为当人体具有预定呼吸状态时扫描人体内部解剖结构以生成扫描数据的扫描装置。该系统还包括基于扫描数据生成多幅数字图像的第一计算机。该第一计算机还被配置为显示多幅数字图像。该第一计算机还被配置为允许操作者在至少一幅数字图像上指示皮肤入口位置。该第一计算机还被配置为允许操作者在至少一幅数字图像上指示目标位置。该第一计算机还被配置为基于皮肤入口位置和目标位置确定轨道路径。最后，该系统包括末端执行器插入装置，其使得末端执行器适于插入人体内，该第一计算机在人体基本上具有预定的呼吸状态时促使末端执行器插入装置沿轨道路径向目标位置移动末端执行器。
提供一种根据另一示范性实施例的产品。该产品包括具有在其中编码的计算机程序的计算机存储介质，该计算机程序用于将末端执行器引导至人体内目标位置。该计算机存储介质包括用于当人体具有预定呼吸状态时生成多幅人体内部解剖结构的数字图像的代码。该计算机存储介质还包括用于在至少一幅数字图像上指示皮肤入口位置的代码。该计算机存储介质还包括用于在至少一幅数字图像上指示目标位置的代码。该计算机存储介质还包括用于基于皮肤入口位置和目标位置确定轨道路径的代码。最后，该计算机存储介质包括用于在人体基本上具有预定的呼吸状态时沿轨道路径向目标位置移动末端执行器的代码。
提供一种用于根据另一示范性实施例将末端执行器引导至人体内目标位置的方法。该方法包括在至少一个呼吸周期期间监视人体的呼吸状态。最后，该方法包括在人体基本上具有预定的呼吸状态时沿轨道路径向人体内目标位置移动末端执行器。
附图说明
图1是根据示范性实施例包含末端执行器定位系统的手术室的示意图。
图2是图1中末端执行器定位系统的示意图。
图3是图2中末端执行器定位系统的部分放大示意图。
图4是图2中末端执行器定位系统所采用的机器人末端执行器定位装置和从动臂的示意图。
图5-7是用于图4中机器人末端执行器定位装置的末端执行器驱动器的示意图。
图8是表示人体呼吸运动的信号示意图。
图9是表示人体预定呼吸状态的信号示意图。
图10是图1中末端执行器定位系统所采用的三个坐标系的图。
图11-15是图1中末端执行器定位系统所采用的计算机窗口的示意图。
图16-18是用于将末端执行器引导至人体内目标位置的方法的流程图。
具体实施方式
参见图1和2，其示出了具有末端执行器定位系统12和手术台14的手术室10。该末端执行器定位系统12被提供为将躺在台14上的人体内的末端执行器引导至一预定位置，如下面将更详细描述的。在所说明的实施例中的末端执行器包括消融针。然而，应当理解的是，该末端执行器可以是任何能够插入人体内部的工具或装置，包括例如皮下注射针、活检针、可操纵针(steerable needle)和无畸变(orthoscopic)工具。
末端执行器定位系统12包括机器人末端执行器定位装置24、末端执行器驱动器70、线性定位装置25、从动臂28、顶部支架30、轨道支架32、连接架34、红外呼吸测量装置36、位置反射器38、呼吸监视计算机40、CT扫描装置控制计算机42、计算机断层摄影(CT)扫描装置44、机器人控制计算机46、操纵杆47和显示监视器48。
参见图4，线性定位装置25可操作地连接到顶部支架30和从动臂28上。线性定位装置25被提供为使机器人末端执行器沿3个轴线性移动以将装置24定位到所需的线性位置。在所说明的实施例中，线性定位装置25包括由美国新罕布什尔州塞勒姆的DanaherPrecision systems制造的XYZ Stage。
机器人末端执行器定位装置24被提供用于定向末端执行器驱动器70，从而末端执行器26可按所需的轨道定位。机器人末端执行器定位装置24电连接到机器人控制计算机46，并响应于从计算机46接收的信号进行移动。如所示，机器人末端执行器定位装置24包括壳体部62和壳体部64。如所示，机器人末端执行器定位装置24可操作地连接到末端执行器驱动器70。
壳体部64被提供为在其中容纳电机(未示出)，该电机具有可操作地连接到从动臂28的接头116上的轴。该电机被配置为如由箭头69所示旋转机器人末端执行器定位装置24，用于将末端执行器26定位至所需位置。壳体部64可操作地连接到壳体部62，并被提供为容纳用于驱动末端执行器驱动器70中部件的电机，从而线性移动末端执行器26。
参见图4-7，末端执行器驱动器70被提供为将末端执行器26线性移动进入人体。末端执行器驱动器70包括可操作地连接到末端执行器26上的壳体部72。输入轴76由直流电机(未示出)驱动，其位于壳体部64内。壳体部72可由丙烯酸或其它可透射线材料制成。壳体部72限定第一带缘孔74，该第一带缘孔74横贯其中延伸并被配置为滑动地接纳输入轴76和其中的轴向加载衬套78。衬套78在输入轴76上滑动，且用螺母82通过O形环80进行装载。壳体部72还限定第二带缘孔84，该第二带缘孔84在壳体部72内与第一带缘孔74横切。输入轴76、衬套78和螺母82可由丙烯酸或其它可透射线材料制成。输入轴76还由驱动端69连接到直流电机，其另一端连接到螺母82。通过以与输入轴76相同的转速将输入轴76连接到螺母82上，衬套78通过用螺母82装载O形环80驱动。
参见图6和7，末端执行器26在壳体部72的第二带缘孔84内滑动，从而被挤压在输入轴76的接触面86和衬套78的接触面88之间。接触面88对应于衬套的两端之一。接触面86和88向末端执行器26施加相当于接触面与末端执行器26之间传动摩擦力的轴向力。此外，在输入轴76的接触面86的底部可以放置嵌条90。
参见图4和10，从末端执行器驱动器70伸出的基准部件68被提供为使机器人坐标系与数字图像坐标系相关，如将在下面更详细描述的。基准部件68通常为V形，其中部件68的第一和第二支柱从针驱动器70的壳体的相对侧伸出。
从动臂28被提供为支撑机器人末端执行器定位装置24。如所示，从动臂28包括臂部110、臂部112、夹紧部114和球窝接头116、118、120。机器人末端执行器定位装置24通过布置在其间的球窝接头116连接到臂部110上。臂部110通过球窝接头118可操作地连接到臂部112上。当夹紧部114松开时，臂部112和臂部110可通过球窝接头118彼此相对运动，且球窝接头116和120也是松开的。当夹紧部114夹紧时，臂部110相对于臂部112被固定，且球窝接头116和120被锁定到预定位置。从动臂28通过接头120可操作地连接到顶部支架30上。
参见图1，顶部支架30被提供为支撑悬挂在人体上方的从动臂28和机器人末端执行器定位装置24。顶部支架30包括支撑部122和支撑部124。支撑部124被可伸缩地容纳在支撑部122中。这样，支撑部124可相对于支撑部122上升或下降以初始地将末端执行器26定位到人体上所需的皮肤入口点上。如所示，顶部支架30可操作地连接到轨道支架32上，该轨道支架32进一步连接到手术室10的天花板上。
轨道支架32被提供为允许机器人末端执行器定位装置24相对于人体线性运动。参见图2，顶部支架30可通过连接架34连接到台14的可移动部。因此，当台14及躺在其上的人体相对于CT扫描装置44线性移动时，顶部支架30通过轨道支架32线性移动，以允许机器人末端执行器定位装置24在该移动期间保持在相对于人体固定的位置。
参见图1和8，红外呼吸测量装置36被提供为测量躺在台14上人体的呼吸状态。红外呼吸测量装置36包括红外发射器130和红外探测器132。如所示，红外呼吸测量装置36可安装在可操作连接到台14上的台架133上。红外发射器130把红外光束射向放置在人体胸部上的反射器38。该红外光束而后从红外反射器38被反射到红外探测器132。红外探测器132接收反射的红外光束，并响应于该反射红外光束生成指示人体胸部位置的信号135。人体胸部位置进而指示人体的呼吸状态。
呼吸监视计算机40被提供为接收指示人体呼吸状态的信号135。计算机40进而被配置为确定信号135的幅度何时处于具有上限(TU)和下限(TL)的预定范围ΔR内。当信号135处于指示预定呼吸状态的预定范围ΔR内时，计算机40生成传送到机器人控制计算机46的选通信号137。如下面将更详细描述的，当选通信号137处于高逻辑电平时，机器人控制计算机46将使末端执行器26线性移动进入人体内。此外，当选通信号137不为高逻辑电平时，机器人控制计算机将停止末端执行器26的线性移动。
参照图1和2，计算机断层扫描摄影(CT)扫描装置44被提供为在预定描述范围内拍摄多幅人体内部解剖结构的CT数字图像。如所示，CT扫描装置44包括开口140，台14的一部分和人体可伸入该开口140中。CT扫描器44的预定扫描范围在开口140内部。末端执行器定位系统12的操作者利用多幅CT数字图像来确定(i)用于末端执行器26的皮肤入口点，以及(ii)末端执行器26的尖部所要定位到的人体内目标位置。CT扫描装置44可操作地连接到CT扫描装置控制计算机42。应当注意到，末端执行器定位系统12可与替代上述CT扫描装置44的其它类型的医学成像装置一起使用，举例来说，所述其它类型的医学成像装置例如是磁共振成像(MRI)装置、超声成像装置或X射线装置。
CT扫描装置控制计算机42被提供为控制CT扫描装置44的操作。特别是，计算机42促使装置44扫描人体以生成扫描数据。此后，计算机42处理该扫描数据，并从扫描数据生成多幅人体内部解剖结构的数字图像。此后，机器人控制计算机46可询问计算机42以促使计算机42向机器人控制计算机46传送数字图像。
机器人控制计算机46被提供为通过控制机器人末端执行器定位装置24和线性定位装置25的移动来控制末端执行器26的移动。机器人控制计算机46电连接到呼吸监视计算机40以接收选通信号137。机器人控制计算机46进而电连接到计算机42以接收多幅人体的CT数字图像。此外，计算机46电连接到机器人末端执行器定位装置24。计算机46的操作者可在显示监视器48上的计算机窗口内显示多幅CT数字图像。操作者还可通过触摸屏计算机窗口来选择人体上的皮肤入口点和人体内的目标位置。
台14被提供为支撑人体并进而在CT扫描装置44的扫描范围内移动人体。台14包括底座160、垂直支撑件162、固定台面部164和可移动台面部166。如所示，固定台面部164由垂直支撑件162支撑。支撑件162进而固定连接到底座160上。可移动台面部166可相对于固定台面部164线性移动。如上所述，当人体移进CT扫描装置44的扫描范围内时，连接架34处于从动臂28和可移动台面部166之间以保持机器人末端执行器定位装置24和人体之间的相对位置。
在提供详细说明用于引导末端执行器26在人体内从皮肤入口点向目标点移动的方法之前，将先对机器人控制计算机46所采用的用于确定末端执行器轨道和用于控制机器人末端执行器定位装置24的控制窗口的简要概述进行解释。参见图11，其示出了由机器人控制计算机46在显示监视器48上生成的计算机窗口180。计算机窗口180包括几个命令图标，所述图标包括(i)“设置”图标，(ii)“观察图像”图标，(iii)“设计过程”图标，(iv)“配准(register)机器人”图标和(v)“执行过程”图标，其将在下面进行更为详细的解释。
当机器人控制计算机46的操作者选定“设置”图标时，允许操作者输入在引导末端执行器26进入人体时将要使用的末端执行器移动速度。
当机器人控制计算机46的操作者选定“观察图像”图标时，计算机46显示计算机窗口180。当操作者选定“获得图像”图标时，计算机46询问CT扫描装置控制计算机42以获得由CT扫描装置44获得的多幅数字图像。此后，机器人控制计算机在计算机窗口180内显示预定数目的数字图像。例如，数字图像190、192、194、196可显示在计算机窗口180内。数字图像190、192、194、196表示人体腹部的横截面图像。
参见图12，当机器人控制计算机46的操作者选定“设计过程”图标时，计算机46显示计算机窗口204。计算机窗口204被提供为允许操作者选择末端执行器26将要初始插入人体内时的皮肤入口点。此外，窗口204被提供为允许操作者选择末端执行器26的尖部所要移到的人体内的目标点。如所示，窗口204包括下列选择图标：(i)“选择皮肤入口点图像”图标，(ii)“选择皮肤入口点”图标，(iii)“选择目标图像”图标和(iv)“选择目标点”图标。
“选择皮肤入口点图像”图标允许操作者观察多幅数字图像以确定具有用于末端执行器26的所需要的皮肤入口区域的特定数字图像。如所示，操作者可选择具有所需要的皮肤入口区域的数字图像210。
“选择皮肤入口点”图标允许操作者在特定数字图像上选定一点，用来为末端执行器26指定皮肤入口点。如所示，操作者可在数字图像210上选定皮肤入口点212。
“选择目标图像”图标允许操作者观察多幅数字图像以选择具有用于末端执行器26的尖部所需要的目标区域的特定目标数字图像。如所示，操作者可选择具有所需目标区域的数字图像214。
“选择目标点”图标允许操作者在特定目标数字图像上选定一点，用来为末端执行器26指定目标点。如所示，操作者可在数字图像214上选定目标点216。
参照图10至13，当操作者选择“配准机器人”图标时，机器人控制计算机46在显示监视器48上生成计算机窗口224，并从CT扫描装置控制计算机42检索数字图像。“执行配准”图标使操作者能够命令机器人末端执行器定位装置24到达所需位置以将末端执行器26定位到在数字或CT图像坐标系中识别的点(例如皮肤入口点和目标点)上。特别是，允许操作者手动移动顶部支架30和机器人末端执行器定位装置24以将末端执行器26的尖部大致放置在所需皮肤入口点附近。在对人体进行手术前的扫描之前，使数字图像坐标系与固定机器人坐标系相关，从而机器人末端执行器定位装置24可被命令将末端执行器26移动到在数字图像坐标系中指定的点。该过程具有六个步骤：(i)生成附加在相对于末端执行器26已知的位置和方向处的基准部件68的数字图像，(ii)利用该数字图像确定末端执行器26相对于数字图像坐标系的位置和方向，(iii)从前一步骤确定的位置和方向建立定义末端执行器坐标系和数字图像坐标系之间空间关系的第一齐次坐标变换矩阵(例如齐次变换)，(iv)通过机器人运动学特性确定末端执行器26相对于机器人参考系的位置和方向，(v)从前一步骤确定的位置和方向建立定义末端执行器坐标系和机器人坐标系之间空间关系的第二齐次坐标变换矩阵，(vi)将第一和第二齐次坐标变换矩阵相乘以获得允许操作者在数字图像坐标系中指定机器人运动的第三坐标变换矩阵。
参见图14，当机器人控制计算机46的操作者选择“执行过程”图标时，计算机46在显示监视器48上显示计算机窗口230。窗口230包括下列命令图标：(i)“移动至皮肤入口点”图标，(ii)“定向末端执行器”图标和(iii)“驱动末端执行器”图标。
当操作者选择“移动至皮肤入口点”图标时，显示“自动移动至皮肤入口点”图标。此后，当操作者选择“自动移动至皮肤入口点”图标时，一启动操纵杆47，线性定位装置25就将末端执行器的尖部从配准位置移动到所需皮肤入口位置。
当操作者选择“定向末端执行器”图标且操作者启动操纵杆47时，机器人末端执行器定位装置24使末端执行器26的尖部沿基于选定的皮肤入口点和目标点计算的轨道路径定向。
当操作者选择“驱动末端执行器”图标并启动操纵杆47时，机器人末端执行器定位装置24在获得预定呼吸状态时开始从皮肤入口点向目标点线性移动末端执行器26的尖部。此外，机器人控制计算机46将显示包括“观察荧光(View Fluoro)”图标的计算机窗口232。当操作者选择“观察荧光”图标时，可显示实时数字图像234以允许操作者观察末端执行器26在人体内的行进路径。
参见图16，现在将解释一种用于将末端执行器26从人体皮肤入口点引导至目标位置的方法。
在步骤250，当人体保持一种呼吸状态时，CT扫描装置44进行人体手术前扫描并生成扫描数据。CT扫描装置控制计算机基于该扫描数据生成第一组人体内部解剖结构的数字图像。应当注意，在手术前扫描期间，人体基本上保持在预定呼吸状态，举例来说，例如完全吸入位置或完全呼出位置。
在步骤252，呼吸监视计算机40监视在手术前扫描期间人体的呼吸状态以确定人体预定的呼吸状态。特别是，呼吸监视计算机40接收指示人体呼吸状态的选通信号137。
在步骤254，CT扫描装置控制计算机42向机器人控制计算机46发送第一组数字图像。
在步骤256，机器人控制计算机46的操作者从第一组数字图像中选择第一数字图像。该第一数字图像示出用于目标位置的感兴趣区域。
在步骤258，机器人控制计算机46的操作者在第一数字图像上为末端执行器尖部选择目标位置。该目标位置对应于数字图像坐标系中的一个位置。
在步骤260，机器人控制计算机46的操作者从该组数字图像中选择第二数字图像。该第二数字图像示出用于皮肤入口位置的感兴趣区域。
在步骤262，机器人控制计算机46的操作者在第二数字图像上为末端执行器尖部选择皮肤入口位置。该皮肤入口位置对应于数字图像坐标系中的一个位置。
在步骤264，机器人控制计算机46计算末端执行器尖部在数字图像坐标系中的轨道路径，以便利用机器人末端执行器定位装置24和末端执行器驱动器将末端执行器尖部从皮肤入口位置移动到目标位置。
在步骤266，将机器人末端执行器定位装置24定位在CT扫描装置44的扫描范围内，从而CT扫描装置44可对布置在末端执行器驱动器70上的基准部件68进行扫描。
在步骤268，CT扫描装置44对基准部件68进行扫描以生成扫描数据。CT扫描装置控制计算机42基于扫描数据生成基准部件68的第二组数字图像。
在步骤270，CT扫描装置控制计算机42向机器人控制计算机46发送第二组数字图像。
在步骤272，机器人控制计算机46确定基准部件68在数字图像坐标系中的位置。
在步骤274，机器人控制计算机46确定用于将数字图像坐标系中坐标变换为末端执行器坐标系中坐标的第一坐标变换矩阵，该变换基于：(i)基准部件68在末端执行器坐标系中的位置和(ii)基准部件68在数字图像坐标系中的位置。第一个四分之一(first-quarter)变换矩阵允许机器人控制计算机46确定末端执行器26在数字图像坐标系中的位置。
在步骤276，机器人控制计算机46基于机器人运动学特性确定用于将末端执行器坐标系中坐标变换为机器人坐标系中坐标的第二坐标变换矩阵。
在步骤278，机器人控制计算机46基于第一和第二坐标变换矩阵确定用于将数字图像坐标系中坐标变换为机器人坐标系中坐标的第三坐标变换矩阵。应当理解，当机器人控制计算机46能够确定末端执行器26在数字图像坐标系和机器人坐标系中的位置时，计算机46就能在数字图像坐标系和机器人坐标系之间变换坐标。
在步骤280，机器人控制计算机46通过用第三坐标变换矩阵变换数字图像坐标系中指定的轨道路径来确定机器人坐标系中的轨道路径。
在步骤282，移动支撑末端执行器26的机器人末端执行器定位装置24，以使末端执行器26的尖部放置在皮肤入口位置处，并定向在与预定轨道路径一致的方向。
在步骤284，呼吸监视计算机40确定所监视的人体呼吸状态是否等于预定的呼吸状态。特别是，呼吸监视计算机40确定信号135何时处于预定的呼吸范围ΔR内。当计算机40确定信号135处于预定的呼吸范围内时，计算机40就生成发送到机器人控制计算机46的选通信号137。当步骤248的值等于“是”时，该方法前行至步骤286。否则，该方法返回到步骤284。
在步骤286，机器人控制计算机46计算机器人坐标系中的目标位置的坐标。
在步骤288，当操作者启动操纵杆47且所监视的呼吸状态等于预定的呼吸状态时，机器人控制计算机46促使末端执行器驱动器70将末端执行器26的尖部移向目标位置坐标。
在步骤290，操作者通过观察病人体内末端执行器26的“实时”数字图像来确定末端执行器26的尖部是否已到达目标位置。可替换地，机器人控制计算机46可自动确定末端执行器26的尖部是否已到达目标位置。当步骤290的值等于“是”时，该方法前行至步骤300。否则，该方法返回到步骤284。
在步骤300，机器人控制计算机46停止末端执行器26的线性移动。
所述用于将末端执行器引导至人体内目标位置的系统和方法体现出实际上优于其它系统。特别是，该系统提供了只在人体处于预定呼吸状态时才使末端执行器沿人体内确定的轨道路径移动以获得末端执行器向目标位置的更精确放置的技术效果。
虽然本发明的实施例是参照示范性实施例描述的，但是本领域技术人员将会理解，在不偏离本发明范围的情况下，可对其进行各种变化并可对其元件进行等效替换。此外，在不偏离其范围的情况下，可对本发明给出的教导做出许多变型以适应特定情况。因此，本发明不是由所公开的用于实现该发明的实施例所限定，而是本发明包括落入其打算的权利要求书范围内的所有实施例。此外，术语第一、第二等的使用并不表示任何重要次序，而是术语第一、第二等用于区分各元件。此外，术语一、一个等的使用并不表示数量的限定，而是表示存在至少一个所指项。
附图标记列表
手术室 10
末端执行器定位系统 12
手术台 14
机器人末端执行器定位装置 24
线性定位装置 25
末端执行器 26
从动臂 28
顶部支架 30
轨道支架 32
连接架 34
红外呼吸测量装置 36
位置反射器 38
呼吸监视计算机 40
CT扫描装置控制计算机 42
计算机断层摄影(CT)扫描装置 44
机器人控制计算机 46
操纵杆 47
显示监视器 48
壳体部 62
壳体部 64
基准部件 68
箭头 69
末端执行器驱动器 70
壳体部 72
第一带缘孔 74
输入轴 76
轴向加载衬套 78
O形环 80
螺母 82
带缘孔 84
接触面 86和88
嵌条 90
臂部 110
臂部 112
夹紧部 114
球窝接头 116、118、120
支撑部 122
支撑部 124
红外发射器 130
红外探测器 132
台架 133
信号 135
选通信号 137
开口 140
底座 160
垂直支撑件 162
固定台面部 164
可移动台面部 166
计算机窗口 180
数字图像 190，192，194，196
计算机窗口 204
数字图像 210
皮肤入口点 212
数字图像 214
目标点 216
计算机窗口 224
计算机窗口 230
计算机窗口 232

Claims (4)

1.一种用于将末端执行器(26)引导至人体内目标位置(216)的系统，该末端执行器与机器人坐标系空间相关，所述系统包括：
用于监视人体呼吸状态以获得受监视的呼吸状态的红外呼吸监视装置；
被配置为当人体具有预定呼吸状态时扫描人体内部解剖结构以生成扫描数据的扫描装置(44)；
基于该扫描数据生成多幅数字图像(210，214)的第一计算机(42)，所述多幅数字图像与数字图像坐标系空间相关；
被配置为显示多幅数字图像(210，214)的第二计算机(46)，该第二计算机(46)还被配置为允许操作者在至少一幅数字图像上指示皮肤入口位置(212)；
该第二计算机(46)还被配置为允许操作者在至少一幅数字图像上指示目标位置(216)，该第二计算机(46)还被配置为基于数字图像坐标系中的目标位置和皮肤入口位置(212)(216)确定第一轨道路径；
该第二计算机(46)还被配置为确定用于将数字图像坐标系中坐标变换为末端执行器坐标系中坐标的第一变换矩阵；
该第二计算机(46)还被配置为确定用于将末端执行器坐标系中坐标变换为机器人坐标系中坐标的第二变换矩阵；
该第二计算机(46)还被配置为基于第一和第二变换矩阵确定用于将数字图像坐标系中坐标变换为机器人坐标系中坐标的第三变换矩阵；
该第二计算机(46)还被配置为基于第一轨道路径和第三变换矩阵确定机器人坐标系中的第二轨道路径；
使末端执行器(26)适于插入人体内的末端执行器插入装置，该第二计算机(46)在所监视呼吸状态与预定呼吸状态之间的差值小于或等于阈值时促使该末端执行器插入装置沿该第二轨道路径向目标位置(216)移动末端执行器(26)，在所监视呼吸状态与预定呼吸状态之间的差值并不小于或等于阈值时停止移动该末端执行器。
2.根据权利要求1所述的系统，其中红外呼吸状态监视装置利用红外光探测人体胸部位置以监视人体呼吸状态。
3.根据权利要求1所述的系统，其中扫描装置(44)包括计算机断层摄影扫描器，并且多幅数字图像包括多幅计算机断层摄影图像。
4.根据权利要求1所述的系统，其中末端执行器插入装置包括被配置为线性移动末端执行器(26)的末端执行器驱动器(70)。
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Families Citing this family (63)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8944070B2 (en) 1999-04-07 2015-02-03 Intuitive Surgical Operations, Inc. Non-force reflecting method for providing tool force information to a user of a telesurgical system
US6905492B2 (en) * 2000-07-31 2005-06-14 Galil Medical Ltd. Planning and facilitation systems and methods for cryosurgery
DE102004036217B4 (de) * 2004-07-26 2009-08-06 Siemens Ag Interventionelles, biegbares medizinisches Gerät mit einer Empfangseinheit für ein Magnetresonanzsignal und einer Auswerteeinheit
US9789608B2 (en) 2006-06-29 2017-10-17 Intuitive Surgical Operations, Inc. Synthetic representation of a surgical robot
US8398541B2 (en) 2006-06-06 2013-03-19 Intuitive Surgical Operations, Inc. Interactive user interfaces for robotic minimally invasive surgical systems
US11259870B2 (en) 2005-06-06 2022-03-01 Intuitive Surgical Operations, Inc. Interactive user interfaces for minimally invasive telesurgical systems
EP2289453B1 (en) * 2005-06-06 2015-08-05 Intuitive Surgical Operations, Inc. Laparoscopic ultrasound robotic surgical system
US20090318935A1 (en) * 2005-11-10 2009-12-24 Satish Sundar Percutaneous medical devices and methods
DE602007010101D1 (de) * 2006-01-26 2010-12-09 Univ Nanyang Vorrichtung zur motorisierten nadelplatzierung
WO2007129310A2 (en) * 2006-05-02 2007-11-15 Galil Medical Ltd. Cryotherapy insertion system and method
US20090171203A1 (en) * 2006-05-02 2009-07-02 Ofer Avital Cryotherapy Insertion System and Method
US20080064921A1 (en) 2006-06-13 2008-03-13 Intuitive Surgical, Inc. Guide tube control of minimally invasive surgical instruments
US20090192523A1 (en) 2006-06-29 2009-07-30 Intuitive Surgical, Inc. Synthetic representation of a surgical instrument
US9718190B2 (en) 2006-06-29 2017-08-01 Intuitive Surgical Operations, Inc. Tool position and identification indicator displayed in a boundary area of a computer display screen
US10008017B2 (en) 2006-06-29 2018-06-26 Intuitive Surgical Operations, Inc. Rendering tool information as graphic overlays on displayed images of tools
US10258425B2 (en) 2008-06-27 2019-04-16 Intuitive Surgical Operations, Inc. Medical robotic system providing an auxiliary view of articulatable instruments extending out of a distal end of an entry guide
US8401620B2 (en) 2006-10-16 2013-03-19 Perfint Healthcare Private Limited Needle positioning apparatus and method
US8428689B2 (en) * 2007-06-12 2013-04-23 Koninklijke Philips Electronics N.V. Image guided therapy
US9084623B2 (en) 2009-08-15 2015-07-21 Intuitive Surgical Operations, Inc. Controller assisted reconfiguration of an articulated instrument during movement into and out of an entry guide
US9469034B2 (en) 2007-06-13 2016-10-18 Intuitive Surgical Operations, Inc. Method and system for switching modes of a robotic system
US9138129B2 (en) 2007-06-13 2015-09-22 Intuitive Surgical Operations, Inc. Method and system for moving a plurality of articulated instruments in tandem back towards an entry guide
US8620473B2 (en) 2007-06-13 2013-12-31 Intuitive Surgical Operations, Inc. Medical robotic system with coupled control modes
US9089256B2 (en) 2008-06-27 2015-07-28 Intuitive Surgical Operations, Inc. Medical robotic system providing an auxiliary view including range of motion limitations for articulatable instruments extending out of a distal end of an entry guide
US20090248200A1 (en) * 2007-10-22 2009-10-01 North End Technologies Method & apparatus for remotely operating a robotic device linked to a communications network
DE102008022924A1 (de) * 2008-05-09 2009-11-12 Siemens Aktiengesellschaft Vorrichtung und Verfahren für einen medizinischen Eingriff
US8864652B2 (en) 2008-06-27 2014-10-21 Intuitive Surgical Operations, Inc. Medical robotic system providing computer generated auxiliary views of a camera instrument for controlling the positioning and orienting of its tip
US8918211B2 (en) 2010-02-12 2014-12-23 Intuitive Surgical Operations, Inc. Medical robotic system providing sensory feedback indicating a difference between a commanded state and a preferred pose of an articulated instrument
US9492927B2 (en) 2009-08-15 2016-11-15 Intuitive Surgical Operations, Inc. Application of force feedback on an input device to urge its operator to command an articulated instrument to a preferred pose
US20120190970A1 (en) 2010-11-10 2012-07-26 Gnanasekar Velusamy Apparatus and method for stabilizing a needle
EP2468207A1 (en) * 2010-12-21 2012-06-27 Renishaw (Ireland) Limited Method and apparatus for analysing images
FR2985167A1 (fr) * 2011-12-30 2013-07-05 Medtech Procede medical robotise de surveillance de la respiration d'un patient et de correction de la trajectoire robotisee.
US11857149B2 (en) * 2012-06-21 2024-01-02 Globus Medical, Inc. Surgical robotic systems with target trajectory deviation monitoring and related methods
US11963755B2 (en) 2012-06-21 2024-04-23 Globus Medical Inc. Apparatus for recording probe movement
US10799298B2 (en) 2012-06-21 2020-10-13 Globus Medical Inc. Robotic fluoroscopic navigation
US11589771B2 (en) 2012-06-21 2023-02-28 Globus Medical Inc. Method for recording probe movement and determining an extent of matter removed
US11896446B2 (en) 2012-06-21 2024-02-13 Globus Medical, Inc Surgical robotic automation with tracking markers
US10624710B2 (en) 2012-06-21 2020-04-21 Globus Medical, Inc. System and method for measuring depth of instrumentation
US11857266B2 (en) 2012-06-21 2024-01-02 Globus Medical, Inc. System for a surveillance marker in robotic-assisted surgery
US11253327B2 (en) 2012-06-21 2022-02-22 Globus Medical, Inc. Systems and methods for automatically changing an end-effector on a surgical robot
US11317971B2 (en) 2012-06-21 2022-05-03 Globus Medical, Inc. Systems and methods related to robotic guidance in surgery
US10758315B2 (en) 2012-06-21 2020-09-01 Globus Medical Inc. Method and system for improving 2D-3D registration convergence
US11786324B2 (en) 2012-06-21 2023-10-17 Globus Medical, Inc. Surgical robotic automation with tracking markers
US11045267B2 (en) * 2012-06-21 2021-06-29 Globus Medical, Inc. Surgical robotic automation with tracking markers
US10874466B2 (en) 2012-06-21 2020-12-29 Globus Medical, Inc. System and method for surgical tool insertion using multiaxis force and moment feedback
US11864745B2 (en) 2012-06-21 2024-01-09 Globus Medical, Inc. Surgical robotic system with retractor
US11399900B2 (en) 2012-06-21 2022-08-02 Globus Medical, Inc. Robotic systems providing co-registration using natural fiducials and related methods
US11793570B2 (en) 2012-06-21 2023-10-24 Globus Medical Inc. Surgical robotic automation with tracking markers
US10398449B2 (en) 2012-12-21 2019-09-03 Mako Surgical Corp. Systems and methods for haptic control of a surgical tool
US10507066B2 (en) 2013-02-15 2019-12-17 Intuitive Surgical Operations, Inc. Providing information of tools by filtering image areas adjacent to or on displayed images of the tools
US9014851B2 (en) 2013-03-15 2015-04-21 Hansen Medical, Inc. Systems and methods for tracking robotically controlled medical instruments
WO2015052718A1 (en) * 2013-10-07 2015-04-16 Technion Research & Development Foundation Ltd. Gripper for robotic image guided needle insertion
CA2926621C (en) * 2013-10-07 2021-05-25 Technion Research & Development Foundation Ltd. Needle steering by shaft manipulation
CA2940450A1 (en) 2014-03-04 2015-09-11 Xact Robotics Ltd. Dynamic planning method for needle insertion
CA2980604C (en) * 2015-03-23 2023-04-25 Synaptive Medical (Barbados) Inc. Automated autopsy system
US11883217B2 (en) 2016-02-03 2024-01-30 Globus Medical, Inc. Portable medical imaging system and method
CN105905187A (zh) * 2016-06-22 2016-08-31 北京科技大学 仿生正六边形六足机器人
KR20240035632A (ko) 2017-05-12 2024-03-15 아우리스 헬스, 인코포레이티드 생검 장치 및 시스템
JP7046599B2 (ja) * 2017-12-28 2022-04-04 キヤノンメディカルシステムズ株式会社 医用画像診断装置、周辺機器及び撮影システム
EP3510927A1 (en) * 2018-01-10 2019-07-17 Globus Medical, Inc. Surgical robotic systems with target trajectory deviation monitoring
WO2019137507A1 (en) * 2018-01-11 2019-07-18 Shenzhen United Imaging Healthcare Co., Ltd. Systems and methods for surgical route planning
CN109009421A (zh) * 2018-07-30 2018-12-18 任庆峰 一种hpm高精度微创消融矫正装置及其消融矫正方法
WO2020037641A1 (zh) * 2018-08-24 2020-02-27 深圳配天智能技术研究院有限公司 涂胶机器人及涂胶方法
JP7355514B2 (ja) 2019-03-28 2023-10-03 ザイオソフト株式会社 医用画像処理装置、医用画像処理方法、及び医用画像処理プログラム

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4583538A (en) * 1984-05-04 1986-04-22 Onik Gary M Method and apparatus for stereotaxic placement of probes in the body utilizing CT scanner localization

Family Cites Families (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5078140A (en) * 1986-05-08 1992-01-07 Kwoh Yik S Imaging device - aided robotic stereotaxis system
US4838279A (en) * 1987-05-12 1989-06-13 Fore Don C Respiration monitor
ES2085885T3 (es) * 1989-11-08 1996-06-16 George S Allen Brazo mecanico para sistema interactivo de cirugia dirigido por imagenes.
US5657429A (en) * 1992-08-10 1997-08-12 Computer Motion, Inc. Automated endoscope system optimal positioning
AU7468494A (en) * 1993-07-07 1995-02-06 Cornelius Borst Robotic system for close inspection and remote treatment of moving parts
JPH07194614A (ja) * 1993-12-28 1995-08-01 Shimadzu Corp 手術器具の位置表示装置
US5628327A (en) * 1994-12-15 1997-05-13 Imarx Pharmaceutical Corp. Apparatus for performing biopsies and the like
US5799055A (en) * 1996-05-15 1998-08-25 Northwestern University Apparatus and method for planning a stereotactic surgical procedure using coordinated fluoroscopy
IL119545A (en) * 1996-11-01 2002-11-10 Philips Medical Systems Techno Method and device for precise invasive procedures
WO1998036688A1 (en) * 1997-02-20 1998-08-27 Johns Hopkins University Friction transmission with axial loading and a radiolucent surgical needle driver
EP0900048B1 (en) * 1997-02-25 2005-08-24 Biosense Webster, Inc. Image-guided thoracic therapy apparatus
US6580938B1 (en) * 1997-02-25 2003-06-17 Biosense, Inc. Image-guided thoracic therapy and apparatus therefor
US5957933A (en) * 1997-11-28 1999-09-28 Picker International, Inc. Interchangeable guidance devices for C.T. assisted surgery and method of using same
JPH11333007A (ja) * 1998-05-28 1999-12-07 Hitachi Medical Corp 治療システムにおける呼吸同期装置
EP1087699A4 (en) * 1998-06-15 2003-05-14 Minrad Inc METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING ACCESS TO A DESTINATION UNDER A SURFACE
US6144875A (en) * 1999-03-16 2000-11-07 Accuray Incorporated Apparatus and method for compensating for respiratory and patient motion during treatment
US6298257B1 (en) * 1999-09-22 2001-10-02 Sterotaxis, Inc. Cardiac methods and system
DE19946948A1 (de) * 1999-09-30 2001-04-05 Philips Corp Intellectual Pty Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der Position eines medizinischen Instruments
US6665555B2 (en) * 2000-04-05 2003-12-16 Georgetown University School Of Medicine Radiosurgery methods that utilize stereotactic methods to precisely deliver high dosages of radiation especially to the spine
US7366561B2 (en) * 2000-04-07 2008-04-29 Medtronic, Inc. Robotic trajectory guide
JP4733809B2 (ja) * 2000-05-23 2011-07-27 株式会社東芝 放射線治療計画装置
US7494494B2 (en) * 2000-08-30 2009-02-24 Johns Hopkins University Controllable motorized device for percutaneous needle placement in soft tissue target and methods and systems related thereto
EP1363548B1 (en) * 2000-11-24 2015-08-12 Koninklijke Philips N.V. Diagnostic imaging interventional apparatus
WO2003018133A1 (fr) * 2001-08-24 2003-03-06 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Appareil de radiotherapie
US6546279B1 (en) * 2001-10-12 2003-04-08 University Of Florida Computer controlled guidance of a biopsy needle
WO2003041057A2 (en) * 2001-11-08 2003-05-15 The Johns Hopkins University System and method for robot targeting under flouroscopy based on image servoing
DE10157965A1 (de) * 2001-11-26 2003-06-26 Siemens Ag Navigationssystem mit Atem- bzw. EKG-Triggerung zur Erhöhung der Navigationsgenauigkeiten
JP2005516786A (ja) * 2002-02-06 2005-06-09 ザ ジョンズ ホプキンズ ユニバーシティ 遠隔動心ロボットシステムおよび方法
US7533004B2 (en) * 2002-10-18 2009-05-12 Finisar Corporation Automatic detection of production and manufacturing data corruption

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4583538A (en) * 1984-05-04 1986-04-22 Onik Gary M Method and apparatus for stereotaxic placement of probes in the body utilizing CT scanner localization

Also Published As

Publication number Publication date
JP2005334650A (ja) 2005-12-08
CN1714742A (zh) 2006-01-04
NL1029127A1 (nl) 2005-11-30
NL1029127C2 (nl) 2007-08-13
JP5021908B2 (ja) 2012-09-12
US20050267359A1 (en) 2005-12-01

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