CN119950040A - 手术机器人系统的控制方法、相应的计算机可读存储介质、程序产品、控制装置以及手术机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手术机器人系统的控制方法和相应的计算机可读存储介质、计算机程序产品以及控制装置和手术机器人系统。手术机器人系统包括追踪系统和机械臂(1)，机械臂上设置有第一示踪器(11)，其中控制方法包括如下步骤：对接指令接收步骤：接收将机械臂与可操作器件对接的指令；对接位置获取步骤：借助于所述追踪系统获取可操作器件的即将与机械臂对接的接合部位的对接位置；机械臂位置获取步骤；机械臂运动指示步骤：指示机械臂从所述当前位置运动到适于与所述接合部位对接的位置。该方案方便地对可操作器件在医生手持和机械臂把持操作之间切换，并能实现其精确对接、定位和导航。

Description

手术机器人系统的控制方法、相应的计算机可读存储介质、程 序产品、控制装置以及手术机器人系统

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及手术机器人系统，尤其涉及手术机器人系统中可操作器件与机械臂的对接、导航和定位的控制方法及相应的手术机器人系统。

背景技术

手术机器人作为医疗技术的重要突破，近年来发展迅速，其应用范围不断扩大，为微创手术带来了革命性变化。手术机器人根据控制方式可分为三种类型：“监督控制”类机器人是在外科医生完成术前规划后独立运行，外科医生不直接参与手术，全程负责监督；“远程外科”类机器人则由外科医生进行远程实时控制；“共享控制”类机器人由外科医生和机器人同时实时控制。

作为一种示例性的手术机器人，脊柱手术机器人目前主要用于辅助椎弓根螺钉植入，显著提高了植钉准确性，减少了患者和操作者辐射暴露。未来，触觉反馈、自动避碰等技术的发展将进一步扩展脊柱手术机器人使用范围，有望完成减压、矫形等精准操作，为复杂脊柱手术的实施提供安全保障。目前临床应用的脊柱手术机器人均属于“共享控制”类型。

在“远程外科”类机器人中，因为医生远程实时控制，各有源器械必须提前安装到机械臂执行机构上，才能保证远程遥控的操作效率(可参考“达芬奇”手术机器人系统的专用有源器械)。而“共享控制”类机器人与“远程外科”类机器人不同。“共享控制”类型的脊柱手术机器人对于可操作器件(例如内窥镜、环锯)的操作采用“共享控制”。顾名思义，该可操作器件的驱动力可能来自脊柱手术机器人或其他独立系统，该可操作器件的操作可能由医生和脊柱手术机器人共同完成(例如：医生控制切割开关，机器人系统负责把持和控制移动)。

事实上，机器人系统应该是专注在辅助医生完成即使“医生的手”也无法完成或是独立完成的工作上，而不应该是浪费任何系统资源替代医生进行那些没有临床技术难度的操作上(例如：把器械如内窥镜或环锯放入器械通道如套筒中)。像是“把有源器械(即由动力源驱动的可以机动地驱动其动作的器械)放入相应器械通道”这种往往是由“医生的手臂”和“眼”来完成的工作，对于人类而言是非常简单的手眼协调工作，但对于机器人系统却是复杂的机械臂控制与导航定位结合才能实现的功能，直接由医生自己来完成往往效率更高。也就是说，“共享控制”类的手术机器人的有源器械可以由医生放置到计划操作位置或其附近(例如将脊柱内镜放置在脊柱内镜手术的工作通道中)，甚至是操作该器械到需要机械臂接管之后，再与机械臂对接并由机械臂驱动往往是临床工作效率更高的现实解决方案。

进一步地，在以往的脊柱手术中通常采用的是光学硬镜，这种光学硬镜在其末端处设置有光学镜片，并通常在该硬镜的后端设置图像传感装置(例如CCD或CMOS传感器)，其将光学镜片捕捉的光学信号转换为电信号，图像传感装置再通过电缆连接到专门的图像处理装置，图像处理装置连接到手术机器人系统的主机以传输经处理后的图像或视频。在该过程中，信号的处理和传输用时较长，造成了图像传输延迟，限制了内窥镜实时成像以及实时导航的效率和精度，且使用的设备较为复杂、数据传输路径较长。并且，传统的脊柱手术中使用的光学硬镜由于其内具有光学镜片、设置有额外的图像传感装置而使得整个镜子的重量很大、不便于医生的操作，并且成本较高。

而且，在传统的脊柱内镜手术中，内窥镜的相机和工作通道集成在同一个内窥镜伸入筒内，医生需要频繁的轴向旋转内窥镜以便观察各个方向并在内窥镜镜头朝向滞压物时操作内镜减压工具通过工作通道对滞压物实施减压操作。该操作需要医生双手协调，共同操作。由于人体手臂共有7个自由度。医生为了完成该轴向旋转动作，其手臂的各个关节都发生了移动和/或转动，换言之，为了把持内窥镜完成轴向旋转180°的动作，需要7个自由度的手臂运动方可完成该动作。

所以，理论上，6轴串联机械臂替代医生的手臂把持并操作脊柱内镜来实现其所需的所有动作尤其是其转动，达到与脊柱内镜医生手持和操作一样的效果，是无法实现的。

从更直观的角度便于理解的角度，如图1所示，机械臂1连接并把持内窥镜，如果想通过机械臂的运动实现内窥镜绕轴线的转动，机械臂及其台车需要以内窥镜为轴转动180度，而这种大幅度的运动对于实际手术中几乎是不可能的，尤其是在机械臂台车不能随意在手术床旁实时移动且机械臂上具有示踪器、需要保证示踪器位于追踪系统的视野中的情况下。

发明内容

本发明的目的旨在解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个以及其它技术问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种手术机器人系统的控制方法，手术机器人系统包括追踪系统和机械臂，机械臂上设置有第一示踪器，其中方法包括如下步骤：

对接指令接收步骤：接收将机械臂与可操作器件对接的指令；

对接位置获取步骤：借助于所述追踪系统获取可操作器件的即将与机械臂对接的接合部位的对接位置；

机械臂位置获取步骤：获取机械臂的当前位置；

机械臂运动指示步骤：根据所述对接位置，指示机械臂从当前位置运动到适于与所述接合部位对接的位置。

该方案中的可操作器件是统称，代表手术中需要被操作的各种器件，例如硬镜、用于椎间孔成型的环锯等。而且，应说明的是，“适于与接合部位对接的位置”既包括精确地运动到所述对接位置以使得机械臂的接合部位与电子硬镜的接合部位可直接接合，也包括运动到所述对接位置附近(允许操作者手动带动电子硬镜以将其接合部位对接到机械臂的接合部位的位置)。这在具体实施方式种还将进一步阐明。

在上述方案中，借助于追踪系统引导机械臂朝向适于与可操作器件的接合部位对接的位置运动，以实现可操作器件与机械臂的精准对接，而且该过程由系统主机自动控制完成，医生只需要例如通过下文将描述的控制器件来发出对接指令即可，方便医生操作，使得在任何需要的时候都可以快速由机械臂来接管可操作器件，医生的手被释放而能够方便地进行更复杂的操作，例如在脊柱内镜手术中去完成更复杂的减压操作，实现内镜手术效率的本质提升。而且该方案可以在不影响医生手术操作连贯性的前提下，方便地在医生手持操作和机械臂把持操作之间切换，使得例如内窥镜可以由医生手持到计划操作位置附近(例如放到内窥镜手术的工作通道中)，甚至是操作到需要机械臂接管之后，再将内窥镜与机械臂对接并由机械臂驱动，从而实现工作效率更高的现实的解决方案。此外，该方案利用手术机器人系统已有的光学追踪系统即可实现可操作器件在任意随机位置与机械臂的精准对接。

根据一种示例，可操作器件为内窥镜，在对接位置获取步骤中，借助设置在内窥镜上的第二示踪器来获取内窥镜的对接位置。在该方案中，医生可以手动操作内窥镜并在需要的时候将其由机械臂快速接管，实现更高的手术效率，而且内窥镜上设有第二示踪器，能够借助追踪系统方便快速地获取对接位置。

根据一种示例，上述内窥镜为电子硬镜，手术机器人系统还包括控制器件和所述电子硬镜，电子硬镜包括第一壳体以及能够在第一动力源的驱动下相对于第一壳体绕自身轴线转动的筒，其中第一壳体上设置所述接合部位，其中，在电子硬镜与机械臂对接之后，方法还包括如下硬镜运动指示步骤中至少一项：

响应于来自控制器件的第一操作件的输入，控制机械臂运动以带动整个电子硬镜进行沿着筒的轴向运动；

响应于来自控制器件的摇杆的输入，控制机械臂运动以带动整个电子硬镜进行倾斜运动；以及

响应于来自控制器件的第二操作件的输入，控制第一动力源动作以控制电子硬镜的筒绕其自身轴线转动。

在该示例中，操作者可以通过控制器件方便地实现对镜子的操作。而且，由于镜子的伸入筒(或称镜杆)能够单独相对于镜的壳体被驱动而转动，则可以在镜的壳体被机械臂把持的情况下仍可实现镜筒的自动转动以实现其任意期望的朝向，使得能够解决现有机器人(例如6轴机械臂)自由度不足难以如医生一样随意地操作电子硬镜、尤其是实现电子硬镜绕其轴线转动的问题。通过该方案，一方面能够驱动电子硬镜的伸入筒的转动，另一方面，电子硬镜还能够在机械臂的带动下，完成沿着硬镜的筒的轴线的前后直线运动和/或大致以椎间孔为支点的倾斜运动。因此在机械臂整体位姿变化不大(每个关节转动幅度较小)的基础上即可完成电子硬镜的这些运动，实现与医生手持操作相同的末端可视范围和覆盖区域，这同时能够避免机械臂侵占空间、避免与操作人员或其他设备的干涉，且能够很大程度上避免机械臂上的示踪器移出追踪系统的视野而影响导航和定位过程。

需要说明的是，本文中的电子硬镜尤指这样一种内窥镜，其伸入筒(例如为金属材质或较高硬度材质的管筒)是不可弯曲的(是相对于可弯曲的软镜而言的)。通常，该电子硬镜的伸入筒的末端进入到患者的组织结构、骨性结构内部以对其进行观察和/或通过手术器械进行操作，电子硬镜的近端(接近操作者的一端、亦即与电子硬镜的伸入筒的末端相反的一端)位于患者体外以供手动或机动操控。

在本文中，“电子硬镜”中的“电子”是指位于镜筒(或称镜杆)末端的成像模块包括电子图像传感器(如CCD或CMOS)，其能够直接将捕捉到的光学图像转换为电子信号。而且，本领域技术人员可以理解，“成像模块”为广义的概念，可具有摄像、视频采集和图像采集等功能，“成像模块”获取的“图像”也为广义的概念，可包括视频、动态连续的图像以及静态的图像。

根据一种示例，在电子硬镜与机械臂对接之后，方法还包括如下步骤：

内镜方位获取步骤：获取位于电子硬镜的筒的末端的成像模块的视场的方位；

内镜方位显示步骤：在导航图像上或在所述控制器件的显示部上以所述方位显示内镜和/或其视场的虚拟模型。

通过该示例中对内镜定位并在导航图像上显示的方案，使得医生可以观察导航图像及其中的内镜及其视场的虚拟模型，知晓内镜末端及手术器械相对于周围结构的位置，从而快速判断内镜方位是否需要调整，并据此进行操作，因此能够显著提高手术效率。

根据一种示例，所述内窥镜上设置有适于连接所述第二示踪器的第一接合部位，第一接合部位与用于与机械臂对接的接合部位为同一接合部位，在与机械臂对接时，该接合部位处于第二示踪器已从其移除的状态。

根据一种示例，在内镜方位获取步骤中，根据与机械臂对接状态下的电子硬镜的第一壳体与第一示踪器之间的固定位置关系得到第一壳体的壳体方位，并且从控制器件获取所述筒相对于第一壳体的相对方位，并根据壳体方位和所述相对方位确定所述筒的方位进而确定其末端的成像模块的视场的方位。在该示例中，系统可以在只有机械臂安装有第一示踪器的前提下，实现对其把持的内镜的定位/导航。当机械臂示踪器为多面体示踪器时，即可实现对其把持的内镜的无死角的定位/导航。而且，该方案可以使得机械臂上的第一示踪器与其把持的内镜有一定距离，避免了医生在操作其他内镜手术工具(如射频电极、软组织钳、咬骨钳、磨钻等)时，遮挡作为光学示踪器的第一示踪器，保证了内镜的定位/导航信号的连续性，避免了导航信号因光学示踪器被遮挡而丢失。

根据一种示例，所述内窥镜上设置有适于连接第二示踪器的第一接合部位，用于与机械臂对接的接合部位独立于该第一接合部位。即两接合部位是分开的，内窥镜可以同时连接第二示踪器和机械臂。在内镜方位获取步骤中，根据第二示踪器或根据与机械臂对接状态下的电子硬镜的第一壳体与第一示踪器之间的固定位置关系而得到电子硬镜的第一壳体的壳体方位，并且从控制器件获取筒相对于第一壳体的相对方位，并根据壳体方位和相对方位确定筒的方位进而确定其末端的成像模块的视场的方位。

根据一种示例，所述方法还可包括如下步骤：

目标获取步骤：获取对于所述内窥镜的视场的目标方位的输入；

预显示步骤：根据所述输入显示在所述目标方位下所述内窥镜的虚拟影像；

自动移动执行步骤：在接收到目标方位的确认指令的情况下，控制内窥镜移动到所述目标方位。

根据一种示例，可操作器件为环锯，其中在对接位置获取步骤之前还包括：影像及规划获取步骤：获取患者的包括术前规划的术前三维影像，其中术前规划包括环锯的规划入路位置；以及影像及规划配准步骤：将术前三维影像和术前规划配准到追踪系统下；其中在对接位置获取步骤中，获取配准后的规划入路位置在追踪系统下(即在手术时的实际空间中)的入路位置，并根据入路位置来得到环锯的接合部位在追踪系统下的对接位置。

在该示例中，在配准之后，包括环锯的规划入路位置的术前规划也根据该配准映射关系而配准到当前的追踪系统下，规划入路位置配准后在追踪系统下具有相应的入路位置，获取该入路位置并根据该入路位置能够得到环锯的接合部位在追踪系统下的对接位置(因为该环锯具有确定的形状尺寸，该接合部位相对于环锯的末端具有固定的位置关系)。

根据一种示例，在环锯与机械臂对接之后，所述方法还包括如下步骤：

环锯方位获取步骤：获取环锯在追踪系统中的当前方位；

环锯方位显示步骤：在导航图像上以方位显示环锯的虚拟模型。

类似于内镜的方案，该方案通过追踪系统对环锯定位并在导航图像上显示环锯的模型，使得医生可以观察环锯相对于周围结构的位置，从而快速判断环锯方位是否需要调整，以引导其操作。

根据一种示例，手术机器人系统还包括用于控制环锯运动的控制器件，环锯包括其上设置接合部位的第二壳体以及杆，杆能够在第二动力源的驱动下相对于第二壳体绕杆的轴线转动并沿轴向移动；所述方法还包括环锯运动指示步骤，在该步骤中，响应于来自控制器件的第三操作件的输入，指示第二动力源动作以实现所述杆的转动以及轴向移动。

根据一种示例，在所述环锯方位获取步骤中，根据在与机械臂对接状态下的所述环锯与所述第一示踪器之间的固定位置关系得到第二壳体的壳体方位，并且根据所述第二动力源的所述动作获取所述杆相对于第二壳体的相对方位，并根据该壳体方位和相对方位确定所述杆的方位进而确定其末端的方位。类似于内镜的方案，在该示例的方案中，系统可以在只有机械臂安装有第一示踪器的前提下，实现对其把持的环锯的定位/导航。

根据一种示例，内窥镜为脊柱电子硬镜。本发明的构思对于脊柱手术尤其具有优势，使得能够在机械臂尚不具备人手的千分之一牛顿压力感知能力的情况下，得以不以任何效率和操作精细度损失为代价，利用本专利使得手术机器人系统可以替代脊柱内镜医生持镜手的操作，同时脊柱内镜医生可以使用解放的持镜手操作手术器械，完成更复杂的减压操作，实现脊柱内镜手术效率的本质提升。而且，在脊柱手术中会遇到末端可转弯的脊柱内镜工具，而通过本发明的机器人系统，由于电子硬镜由机械臂接管，并且只需要在控制镜子运动时才需要操作控制器件(即无需一直把持手柄)，因此医生的双手被解放了出来。从而医生可以操作这种在脊柱手术中需用到的复杂工具，可以用双手控制该脊柱内镜工具，一边改变工具末端方向，一边操作工具，从而达到更高效的、准确的操作。进一步地，如在背景技术中所述，现有的脊柱内窥镜一直采用光学硬镜，整个镜子的重量很大、笨重而不便于医生的操作，并且成本较高。而使用了本发明的电子硬镜的方案，在克服了这些缺点的同时还能够解决现有机器人难以如医生一样随意地操作脊柱内镜绕其轴线转动的问题，并且可以大幅降低图像传输延迟，提高了内镜与处理器(主机)连接时的图像信息传递的实时性。

根据一种示例，其中对接指令接收步骤中的指令来自于控制器件的第四操作件(如按键)。即操作者可以方便地通过控制器件触发对接动作。其中，环锯与机械臂对接的指令可以来自于控制器件的第四操作件，也可以例如来自设置于机械臂上的交互按键，或来自手术机器人系统的显示装置的触摸按键等。

根据本发明的另一方面，还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器运行时执行上述示例中的方法中的步骤。

根据本发明的再一方面，还提供一种控制装置，该控制装置包括存储器、处理器及存储在存储器上并能在处理器上运行的程序，其中在所述处理器运行所述程序时执行上述示例中的方法。

根据本发明的再一方面，还提供了一种计算机程序产品，其包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述示例中的方法的步骤。

根据本发明的再一方面，还提供了一种手术机器人系统，其包括追踪装置和处理器，所述追踪装置适于追踪设置在机械臂上的第一示踪器；所述处理器适于电连接到所述追踪装置和所述机械臂，并且所述处理器被配置成根据机械臂与可操作器件对接的指令，借助于所述追踪装置控制所述机器臂从其当前位置运动到适于与所述可操作器件的接合部位对接的位置。

根据一种示例，所述手术机器人系统包括电连接到所述处理器的控制器件以及作为所述可操作器件的电子硬镜，该电子硬镜包括第一壳体以及筒；第一壳体上设置有适于与机械臂对接的所述接合部位；所述筒能够相对于所述第一壳体绕所述筒的轴线转动，其中所述控制器件能够控制所述筒的所述转动。

根据一种示例，所述手术机器人系统包括所述机械臂，所述处理器被配置成：响应于来自所述控制器件的第一操作件的输入，控制机械臂运动以带动整个电子硬镜进行沿着所述筒的轴向运动；或

响应于来自所述控制器件的摇杆的输入，控制所述机械臂运动以带动整个电子硬镜进行倾斜运动。

根据一种示例，所述手术机器人系统还包括显示装置，所述处理器被配置成在所述显示装置的导航图像上显示所述电子硬镜和/或其视场的虚拟模型以显示其方位。

根据一种示例，所述处理器被配置成：根据对于所述电子硬镜的视场的目标方位的输入，在导航图像上显示在所述目标方位下的电子硬镜的虚拟模型，并在接收到目标方位的确认指令的情况下，控制所述电子硬镜运动到所述目标方位。

根据一种示例，所述第一壳体上设置有适于与所述控制器件连接的第二接合部位，所述控制器件经由所述第二接合部位与所述电子硬镜可分离地连接。换言之，控制器件和电子硬镜是分体的。这种设计例如带来如下好处：便于将电子硬镜做成一次性耗材，能够更好地满足无菌要求、使用更加方便快捷，使用结束后将电子硬镜拔掉抛弃即可，可以降低电子硬镜作为耗材的成本。

根据一种示例，所述控制器件包括第三壳体，其中用于驱动电子硬镜的所述筒转动的第一动力源设置在所述第三壳体中。该方案将第一动力源设置于控制器件中而不是电子硬镜中，同样便于电子硬镜做成一次性耗材，降低其作为耗材的成本。

根据一种示例，所述控制器件包括第三壳体，其中用于与所述电子硬镜的成像模块电连接的用于图像处理的电子单元设置在所述第三壳体中，所述用于图像处理的电子单元被配置成输出处理后的数字图像，并且所述用于图像处理的电子单元与所述处理器电连接以将所述数字图像传输到所述处理器。上一示例的方案的优点类似，该方案也能够便于电子硬镜做成一次性耗材并降低其成本。

根据一种示例，所述可操作器件为环锯，所述处理器被配置成能够接收患者的包括术前规划的术前三维影像，其中所述术前规划包括所述环锯的规划入路位置。

根据一种示例，所述环锯包括第二壳体和杆；第二壳体上设置有作为与机械臂对接的接合部位的第三接合部位；所述杆能够在第二动力源的驱动下相对于所述第二壳体绕所述杆的轴线转动并沿轴向移动。

在该方案中，由于环锯能够由机械臂把持医生把持环锯的手可以释放出来，在发现出血时及时操作射频电极止血，由此避免了操作环锯和射频电极止血的时间差导致的出现镜下“红视”，解决了难以发现出血点并立即止血的问题。

根据一种示例，所述手术机器人系统还包括适于连接到所述机械臂的机械臂适配器，其中所述第二动力源设置在所述机械臂适配器中。根据该方案，本发明的手术机器人系统也可以方便地适配到例如医院现有的机械臂以操作环锯，只需要将该机械臂适配器安装到该现有的机械臂上，该手术机器人系统即可通过例如控制器件来控制该机械臂适配器中的第二动力源从而控制环锯的杆的动作以进行环锯的工作。当然，在具有机械臂适配器的情况下，本发明的手术机器人系统也仍然可以包括所述机械臂。

根据一种示例，所述手术机器人系统还包括所述机械臂，其中所述第二动力源设置在所述机械臂中。

根据一种示例，所述控制器件的外壳上还设置有显示部，用于显示所述电子硬镜的筒的末端的成像模块的视场的当前朝向。

根据一种示例，所述电子硬镜的所述筒内形成有工具通道，所述工具通道被构造成适于容纳至少两个手术工具。这种结构的电子硬镜便于医生双手操作两个手术工具，这使得本发明的能够解放医生的持镜手的优势得到更好的应用。

根据一种示例，控制器件上设置有如下中的至少一者：用于控制电子硬镜沿筒的轴向移动的第一操作件、用于控制电子硬镜的筒绕其自身轴线转动的第二操作件、用于控制电子硬镜的倾斜运动的摇杆以及用于控制控制器件的操作动作执行的执行控制件。

根据一种示例，控制器件包括用于控制机械臂中的第二动力源动作以带动环锯的杆运动的第三操作件。

根据一种示例，控制器件还包括设置在其外壳内的电路板，电路板与用于驱动电子硬镜的筒转动的第一动力源电连接，并与处理器电连接，并且电路板还与如下中至少一者电连接：第一操作件、第二操作件、摇杆、执行控制件、第三操作件以及显示部。

根据一种示例，电子硬镜的筒的末端为倾斜端面，其中电子硬镜的成像模块布置在该倾斜端面内并以相对于筒的轴线偏移的方式布置。

附图说明

下面参照附图经由示例性实施例对本发明进行详细描述。

图1示例性地示出了根据本发明的第一实施例的用于脊柱电子硬镜手术的手术机器人系统的原理示意图，在该示例中的可操作器件为电子硬镜。

图2示例性地示出了图1中的电子硬镜、控制器件和机械臂在组装到一起的状态下的内部结构的原理示意图。

图3示例性地示出了本发明的电子硬镜的结构示意图。

图3A示例性地示出了图3中的电子硬镜的筒的末端(图3中圈A中的部分)的内部结构示意图。

图4示例性地示出了根据本发明的控制器件的结构示意图。

图5示例性地示出了电子硬镜、控制器件和第二示踪器组装到一起的状态的原理示意图。

图6示例性地示出了根据本发明的第二实施例的用于脊柱电子硬镜手术的机器人系统的原理示意图，在该示例中对接到机械臂的可操作器件为环锯。

图7示例性地示出了图6中的环锯、电子硬镜、控制器件和机械臂在组装到一起的状态下的内部结构的原理示意图。

图8示意性地示出根据本发明的电子硬镜的由机械臂带动实现的倾斜运动和直线运动的原理图。

图9示意性地示出操作根据本发明的第一实施例的手术机器人系统中的电子硬镜的方法的流程图。

图10示意性地示出操作根据本发明的第二实施例的手术机器人系统中的环锯的方法的流程图。

图11示例性地示出在其上显示内窥镜和其视场角相对于患者生理结构的空间位置关系的导航图像。

应说明的是，附图仅是示意性的。它们仅示出为了阐明本发明而需要的那些部件或步骤，而其它部件或步骤可能被省略或仅仅简单提及。除了附图中所示出的部件或步骤外，本发明还可以包括其它部件或步骤。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体构思进行解释，而不应当理解为对本发明的限制。

以下作为具体的实施例，描述了本发明的对手术机器人系统中的可操作器件(在本文中，提供了可操作器件为电子硬镜和环锯的两个具体的实施例，然而可以理解，可操作期间不限于这两种)的控制方法以及手术机器人系统的组成，同时也描述了手术机器人系统中的电子硬镜的结构、控制器件的结构、环锯的结构等。在下面的详细描述中，以极为具体和详细的方式阐述了许多具体的细节、步骤以提供对各实施例的全面理解。然而应当理解，一个或多个其他实施例在没有这些具体细节、步骤的情况下也可以被实施。需要说明的是，虽然在实施例中以脊柱电子硬镜为例进行了说明，并且本发明的内窥镜优选为电子硬镜(例如脊柱内窥镜、关节镜、鼻内镜、脑室镜、腹腔镜等)，但本发明的内窥镜不限于此。

下面结合图1-5和8-9来描述本发明的手术机器人系统和手术机器人系统中的可操作器件的控制方法的第一实施例，在该实施例中脊柱电子硬镜作为可操作器件对接到机械臂而被操作。其中图9示出了操作该电子硬镜的方法的流程图。为了更清楚地描述该方法，首先对其所在的手术机器人系统的组成和结构进行描述。

图1示出了根据本发明的第一实施例的手术机器人系统的原理示意图。如图1所示，该手术机器人系统包括追踪系统和连接到台车的机械臂1。追踪系统包括追踪装置200以实现手术过程中的定位和导航。手术机器人系统还包括显示装置5和处理器6(主机)。该处理器6电连接到追踪装置200和机械臂1。该追踪装置200可以为光学追踪装置(例如NDI导航仪)，在机械臂1上设置第一示踪器11(相应地可为光学示踪器)，通过该第一示踪器11能够获知机械臂1的方位信息。该机器人系统还包括电连接到处理器6的控制器件3，以及可操作器件(在该实施例中是为电子硬镜的内窥镜4)。如图3所示，该电子硬镜包括第一壳体43。第一壳体43上设置有用于与机械臂1可分离地连接的第一接合部位42(可在图3中更清楚地看到)以及适于与控制器件3可分离地连接的第二接合部位45。该电子硬镜还包括能够相对于第一壳体43转动的部件即筒44(参见图3和图3A)。该筒44用于在手术操作的过程中伸入到患者的组织结构、骨性结构内部。在该实施例中，控制器件3既能控制机械臂1运动，又能控制筒44相对于第一壳体43的转动。由于控制器件既能控制机械臂的运动以带动整个电子硬镜，例如实现电子硬镜沿伸入筒的轴向的移动、倾斜运动，也能实现由机械臂难以实现的电子硬镜的伸入筒自身的转动，从而能够实现电子硬镜作为可操作器件的所有操作，因此解放了医生的需要用来操作该电子硬镜的手，能够实现医生双手可进行的大量操作。

作为一个具体的示例，如图3和3A所示，电子硬镜的筒44内形成有工具通道441，手术器械插入到该工具通道441中并接近患者的待处理部位。该通道441在图3A中可见。本发明中的工具通道被构造成能够容纳两个手术器械，例如射频电极和软组织钳/咬骨钳。可以理解的是，虽然图中示出了一个工具通道，也可以在筒44内形成两个通道，两把手术器械分别插入到其中一个通道内。如图3A所示，该筒44的末端设置有成像模块46。该成像模块46可包括CCD或CMOS传感器，用于将光学信号转换为电信号。并且，如图3和图3A所示，筒44的末端具有倾斜端面，成像模块46布置在该倾斜端面内并以相对于该筒的中心轴线偏移的方式布置在该倾斜端面中。如上所述，筒44被构造成能够相对于第一壳体43绕该筒44的中心轴线转动。由于成像模块46在该倾斜端面上并且相对于该筒的中心轴线偏移的方式布置，从而通过筒44的转动能够获得镜子的更大的视野范围。在现有技术中，医生在手术过程中会根据所需观察的部位来转动硬镜(此时转动的是整个硬镜)以使其朝向期望观察的视野，而在机械臂把持硬镜的情况下难以实现该转动动作，如在背景技术中所描述的那样。而在本发明中，由于镜子的筒(或称镜杆)能够单独相对于镜的第一壳体43被驱动而转动，则可以在镜的第一壳体41被机械臂把持的情况下仍可机动地实现镜筒的自由转动以实现其任意期望的朝向，使得能够解决现有机器人无法如医生一样随意地操作硬镜的问题。同时，本发明的电子硬镜能够在机械臂的带动下，完成沿着硬镜的筒的轴线的前后直线运动和/或大致以椎间孔300为支点的倾斜运动(可参见图8中对于电子硬镜由机械臂带动实现的该倾斜运动和直线运动的示意图)，可以在机械臂整体位姿变化不大(每个关节转动幅度较小)的基础上即可完成硬镜的这些运动，这一来能够避免机械臂侵占的空间、避免与操作人员或其他设备的干涉，二来能够很大程度上避免机械臂上的第一示踪器移出追踪系统200(参见图1)的视野而影响导航。

如图3和图3A可见，在筒44的末端还可设置照明装置442例如LED，为操作区域提供所需的光源照明。第一壳体43上还可设置一个进水口431，以将具有合适压力的水引入筒44中并从其端部开口喷出到操作部位。还可设置一个出水口432，提供负压以吸出水。

如图3所示，电子硬镜还包括用于驱动筒44转动的传动机构40，图中示例性地示出了在第一壳体43内的两个锥齿轮形式的传动机构。本领域技术人员可以理解，也可根据需要设置其他组成的传动机构。而优选地，用于驱动该传动机构40进而带动筒44转动的第一动力源(例如马达)不设置在该电子硬镜中。例如，该动力源可以设置在下文将描述的控制器件3中。优选地，与电子硬镜的成像模块46电连接的用于图像处理的电子单元32也可不设置在电子硬镜中(这在下文中还将详细描述)。这两种优选方案中的任一种都使得具有如下优点：即，便于电子硬镜做成一次性耗材，能够更好地满足无菌要求、使用更加方便快捷。而由于用后即抛的电子硬镜中不包括动力源以及用于图像处理的电子单元，因此极大地降低了电子硬镜作为耗材的成本。

如图2、4所示，控制器件3包括第三壳体30。用于驱动电子硬镜的筒2转动的第一动力源31(例如直线马达)设置在第三壳体30中。控制器件3还包括设置在第三壳体30内的电路板37，电路板37与用于驱动电子硬镜的筒44转动的第一动力源31电连接，并与手术机器人系统的处理器6电连接，因此也可以由手术机器人系统的处理器6发送指令到电路板37来控制第一动力源31进而控制筒44的转动。第一动力源31设置在控制器件3中，使得电子硬镜既可以由医生手持操作(医生手持控制器件3以间接手持电子硬镜，在这种情况下仍可以通过操作控制器件3来驱动筒44的转动)；同时电子硬镜又可以连接到机械臂并由其把持，这为实际应用中医生的操作提供了更大的选择自由度。而且，优选地，控制器件3经由第二接合部位45与电子硬镜可分离地连接。换言之，控制器件3和电子硬镜是分体的。

接着描述控制器件3的结构，如上文所述第一动力源31(优选为直流马达)设置在控制器件的第三壳体30内，动力源31的输出轴可以伸出第三壳体30。第三壳体30中还设置有用于与电子硬镜的成像模块46电连接的用于图像处理的电子单元(IPU)32。该用于图像处理的电子单元(可为电路板)可包括曝光调整、图像增益降噪、模拟-数字转换和信号放大等功能模块。该用于图像处理的电子单元32将从成像模块46的电子图像传感器处接收到的电信号进行处理，直接生成处理后的高质量的数字图像或视频，并可通过信号线将数字图像或视频传送到处理器6。如图4所示，该用于图像处理的电子单元(IPU)32电连接到图像信号线接口38。同时，如图2和图3所示，在电子硬镜的第一壳体43上还设置有与控制器件3连接的第二接合部位45。该第二接合部位45既包括与第一动力源31的输出轴接合的驱动接口451，也包括与图像信号线接口38相对接的图像接口452。该图像接口452一方面通过图像信号线接口38电连接到所述用于图像处理的电子单元32，另一方面电连接到成像模块46的电子成像传感器例如CCD模块或CMOS模块，从而将从成像模块46的电子图像传感器处接收到的电信号传输到用于图像处理的电子单元32。虽然上文描述了将第一动力源31和用于图像处理的电子单元32设置在控制器件3的第三壳体30内，并描述了其各种优点，但作为其他方案也可以将两者或两者之一设置在电子硬镜内。

如图1、2所示，机械臂1处于电子硬镜对接的状态下。然而该对接是可分离的。因此电子硬镜既可以由医生通过控制器件3手持，又可以由机械臂1把持。在有些场景下由医生手持完成，在需要时才由机械臂接管电子硬镜，以便解放医生的持镜手完成复杂的工具操作。

控制器件3还被构造成能够控制机械臂1的运动以在机械臂1与电子硬镜对接的状态下带动电子硬镜整体运动。如图4所示，控制器件3上可设置操作件组35，该操作件组35可包括用于控制电子硬镜沿筒44的轴向前后移动的第一操作件(例如两个按键)、用于控制电子硬镜的筒44绕其自身轴线转动的第二操作件(例如控制筒44绕顺时针和逆时针方向分别转动的两个按键)，以及用于控制机械臂1中的第二动力源12动作以带动环锯2的杆23运动的第三操作件(参见下文将描述的第二实施例。虽然在该第一实施例中不需要使用该第三操作件，但本领域技术人员可以理解，可以将控制器件3上设置该第三操作件，以使该控制器件兼用于电子硬镜和环锯或者通过切换键，改变第二操作件的两个按键的功能定义，使用其操控环锯2的杆23的运动)、以及发出使机械臂1与可操作器件对接的指令的第四操作件(例如为两个按键，一个按键用于触发机械臂1与电子硬镜的对接，另一按键用于触发机械臂1与环锯的对接，或者设置一个切换键和一个触发键的组合)。控制器件3上还可设置用于控制电子硬镜的倾斜运动或摇动的摇杆34。该控制器件3上还可设置执行控制件33，其可以为执行键的形式，用于控制摇杆34和/或操作件组35中的各操作件的指令的执行。该执行控制件33可以在根据医生输入的目标方位来控制电子硬镜移动的模式下，通过医生操作该执行控制件33而开始执行对操作件组35和摇杆34的操作；也可以为“即时执行模式”，即，在已按下该执行控制件33即执行键的状态下，系统立即执行对操作件组35和摇杆34的操作。

控制器件4的第三壳体30上还可设置显示部36，用于显示包括但不限于电子硬镜的筒44的末端的成像模块的视场的当前朝向。由于该筒44的转动由第一动力源31例如直线马达驱动，因此其转动的量和方向可被记录，从而系统可以获知筒44相对于初始参考位置的转动，进而得到筒的成像模块的视场的朝向并通过显示部36显示出来。控制器件3中的电路板37一方面如上文所述与机器人系统的处理器6电连接，另一方面与控制器件3的摇杆34、操作件组35、执行控制件33以及显示部36等电连接。

包括上述各结构的部件的如图1所示的机器人系统至少具有如下优点：(1)在机械臂整体位姿变化不大(每个关节转动幅度较小)的基础上即可完成电子硬镜的所需运动，同时能够避免机械臂侵占空间、避免与操作人员或其他设备的干涉，且能够很大程度上避免机械臂上的示踪器移出追踪系统的视野而影响导航过程。(2)使得医生能够腾出持镜手去操作内镜工具，使得减压操作更高效，并且使得医生可以使用双手操作更复杂的工具或同时操作两把工具成为可能。(3)电子硬镜的筒的转动由控制器件中的动力源驱动，因此无论镜筒如何转动，控制器件的位置都不动，保证作为控制器的控制器件一直朝向医生，更方便医生操作并与系统交互，尤其是相对于传统光学硬镜中手柄部分跟随镜筒一起转动的方式而言优点更为明显。(4)机械臂代替人手把持电子硬镜，定位精准，并且没有人手的疲劳,可以长时间把持、无限次移动和精密移动。

下面参照图9描述该手术机器人系统中的可操作器件(在该实施例中为电子硬镜)的控制方法。该方法包括如下的步骤：

对接指令接收步骤：接收将所述机械臂1与可操作器件对接的指令。在该实施例中，该指令可以例如来自控制器件3的操作件组35中的第四操作件(例如按键)。在手术中，操作者例如医生首先将示踪器安装在患者脊柱的骨性结构上，并将第二示踪器41安装到电子硬镜的第一接合部位42上。之后将电子硬镜的第二接合部位45与控制器件3对接。操作者手持控制器件3或电子硬镜而将电子硬镜的筒44插入到工作套筒中并调整到理想位置。操作者也可以根据需要手动地操作电子硬镜或插入到镜的工作通道内的中的手术器械。当需要机械臂来接管该电子硬镜以便解放医生的持镜手完成复杂的工具操作时，操作者可以按动控制器件上的第四操作件中的用于将机械臂1与电子硬镜对接的按键，从而系统可以接收到该对接指令。在接收到该对接指令之后，即进行下面的对接位置获取步骤。

对接位置获取步骤：获取电子硬镜的将与所述机械臂1对接的接合部位(在该实施例中为第一接合部位42)在追踪系统下的对接位置。如图5所示，在电子硬镜上具有第二示踪器41，因此系统能够确定第二示踪器41在追踪系统下的位置(例如以患者骨性结构上所固定的示踪器作为参照点)。而由于第二示踪器41与第一接合部位42(也就是机械臂需要移动到的接合部位)的位置是固定的，即两者之间具有刚性的位置关系，因此能够确定对接接合部位的位置，也就是机械臂需要移动到该对接位置实现对接。

机械臂位置获取步骤：获取机械臂1的当前位置。这可以通过所述追踪系统和所述机械臂1上的第一示踪器11来获取。如图1、2所示，机械臂1上设有第一示踪器11，因此追踪系统能够确定第一示踪器11在空间中的位置，相应地，由于机械臂1上的用于与电子硬镜的接合部位对接的机械臂接合部位相对于该第一示踪器11的位置是固定的，即两者之间具有可预先标定的固定位置关系，从而通过第一示踪器11在空间中的位置即可获知机械臂1的机械臂接合部位的当前位置。替代性地，也可以用其他方式来获取机械臂的当前位置。例如，由于机械臂的运动是通过主机来控制的，因此主机能够获知其当前位置。

机械臂运动指示步骤：根据所述对接位置指示所述机械臂1从所述当前位置运动到适于与所述接合部位对接的位置，以使得能够实现机械臂1与可操作器件在所述接合部位处的对接。应说明的是，“适于与接合部位对接的位置”即包括例如根据第一种方式精确地运动到所述对接位置以使得机械臂1的接合部位与电子硬镜的接合部位可直接接合的位置，也包括根据第二种方式运动到所述对接位置附近(允许操作者手动带动电子硬镜以将其接合部位对接到机械臂1的接合部位的位置)。根据该第一种方式，在该步骤中，会根据对接位置获取步骤获取的需要移动到的对接位置与机械臂接合部位的当前位置，来计算机械臂需要移动的轨迹，并发出指令指示机械臂运动，使得机械臂停止在机械臂的接合部位刚好与电子硬镜的第一接合部位42相对接的位置。由于该实施例中，电子硬镜的第一接合部位42被构造成既用于连接第二示踪器41，也用于与机械臂对接，为了能够实现该机械臂的对接，操作者可以在机械臂运动之后移除第二示踪器41，空出第一接合部位42以便于与机械臂1对接。对于该第一种方式，对接之后，理论上电子硬镜的视场方位都没有变化，医生直接就可以立即解放持镜手开始操作。对于第二种方式，在对接之后，系统可以重新在追踪系统和导航图像引导下将电子硬镜运动到之前操作时的方位，再继续其操作。

在操作者将到位后的机械臂1与电子硬镜对接之后，机械臂1接管了电子硬镜，操作者只需在电子硬镜需要运动时操作控制器件3即可，因此医生可腾出双手进行复杂的操作。例如实现(1)医生使用双手各持一把脊柱内镜工具(例射频电极和软组织钳/咬骨钳)伸入电子硬镜的工具通道441操作。(2)医生使用双手同时操作一把脊柱内镜工具(例如可转弯的脊柱内镜工具)伸入工具通道441操作。

在上述对接之后，医生可以根据需要移动电子硬镜的位置。因此该控制方法还包括如下内镜运动指示步骤中的至少一项：响应于来自所述控制器件3的第一操作件的输入，控制所述机械臂1运动以带动整个电子硬镜进行沿着所述筒的轴向运动；响应于来自所述控制器件3的摇杆34的输入，控制所述机械臂1运动以带动整个电子硬镜进行倾斜运动；以及响应于来自所述控制器件3的第二操作件的输入，控制所述第一动力源31动作以控制电子硬镜的所述筒44绕其自身轴线转动效果。

而且，在上述对接之后，还可以实现在追踪系统下对内镜的定位和导航。即所述方法还可以包括如下步骤：

内镜方位获取步骤：获取位于所述电子硬镜的筒44的末端的成像模块的视场在追踪系统中的方位。在该实施例中，用于安装内镜示踪器即第二示踪器41的第一接合部位42与用于与所述机械臂对接的所述接合部位为同一接合部位，因此在对接时移除了第二示踪器41。然而，仍然可以利用机械臂1上的第一示踪器11来获取电子硬镜在追踪系统下的方位。这是由于处于对接状态下的机械臂1和电子硬镜的位置关系是刚性的固定的位置关系，而且两者的尺寸是确定的，换言之，对接到机械臂1的第一壳体43与第一示踪器11之间的位置关系是固定的、可预先标定的。因此，获知第一示踪器11在追踪系统下的方位即可获知第一壳体43在追踪系统下的壳体方位。而同时，由于筒44相对于第一壳体43是可转动的并且该转动是由控制器件内的第一动力源31单独驱动的，因此可以从控制器件3的电路板37处获知筒44相对于第一壳体33的转动量和转动方向，从而能够获知当前所述筒44相对于所述第一壳体43的相对方位，将所述壳体方位和所述相对方位相结合就可以确定所述筒44的方位，进而能够确定其末端的成像模块的视场在追踪系统中的方位(安装在筒44的末端的成像模块的视场与筒44的末端的倾斜端面的位置关系是固定的)。

本领域技术人员可以理解，对于替代性的连接第二示踪器41的第一接合部位与用于与所述机械臂对接的接合部位相独立(即两者是不同的接合部位)的方案而言，由于第二示踪器41不必从电子硬镜移除，在电子硬镜与机械臂对接后仍然可以通过该第二示踪器41进行电子硬镜的导航和定位。在这种情况下，根据第二示踪器41得到第一壳体43的壳体方位(或根据第一示踪器11以及与机械臂1对接状态下的所述电子硬镜的第一壳体与第一示踪器11之间的固定位置关系来得到该壳体方位)，并且同时如上文所述从控制器件3获取筒44相对于第一壳体43的相对方位，并根据该壳体方位和该相对方位确定所述筒44的方位进而能够确定其末端的成像模块的视场在追踪系统中的方位。

内镜方位显示步骤：在导航图像上以上一步骤获得的方位显示所述内镜及视场的虚拟模型。图11示例性地示出了这种导航图像(在该示例中包括三个导航视图)，各导航视图均随内镜末端的位置和方向的变化而实时更新。据此医生能够得到更全面的导航信息。医生通过观察导航图像及其中的内镜及其视场(图中的锥形)的虚拟模型，判断内镜方位是否需要调整，并据此进行操作，直到达到手术操作目标。本领域技术人员可以理解，导航图像不限于附图11中所示出的视图，可根据需要而显示其他切面、方位的视图或任何合适的视图。

进一步地，由于能够实现通过追踪系统对内窥镜的定位、导航和方位显示，因此能够实现根据医生的期望的目标方位来对内窥镜进行调整，该方法可包括如下步骤：目标获取步骤：获取对于所述内窥镜的视场的目标方位的输入；

预显示步骤：根据所述输入显示在所述目标方位下所述内窥镜的虚拟影像；

自动移动执行步骤：在接收到目标方位的确认指令的情况下，控制内窥镜移动到所述目标方位。

在该示例中，在上述目标获取步骤中所获取的对内窥镜如电子硬镜的视场的目标方位的输入由医生来进行。当医生期望电子硬镜朝向某个方向或处于某种方位以更清晰地观察或操作时，其可以做出这种输入以指示手术机器人系统来将电子硬镜运动到该方位。医生可以通过各种方式实现该输入，例如可在手术机器人系统的显示装置(例如可触摸屏)的导航视图上拖拽视锥模型(即在导航视图上显示的视场的虚拟模型)、或标出视锥模型的目标朝向，也可例如在控制器件上设置触摸屏实现这种输入。在接收到这种输入后，系统主机会根据输入在显示装置上预显示在目标方位下电子硬镜的虚拟影像，这结合患者术前或术中的三维影像来进行。在医生观看显示装置，确认该虚拟影像是希望看到的部位时，输入目标方位的确认指令，即“自动移动执行步骤”中所获得的指令。该指令可通过控制器件(例如其上的按钮)或显示装置、键盘、鼠标等各种输入构件进行。在系统接收到该确认指令之后，即可控制机械臂移动和/或控制第一动力源带动电子硬镜的筒转动，将电子硬镜自动运动到医生期望的目标方位。

应当理解的是，虽然在图9的流程图、权利要求书以及本文的描述中依次列出和描述了上述各步骤，但不代表这些步骤中的各个步骤之间具有特定的先后关系。例如对接位置获取步骤可以在机械臂位置获取步骤之前或之后或同时进行。内镜方位获取步骤可以在内镜运动指示步骤的之前或之后或同时进行。

接下来结合图6、图7和图10(图3、图3A、图4、图5和图8示出的结构也同样适用于第二实施例)描述本发明的第二实施例的手术机器人系统及操作其中的可操作器件的方法。该手术机器人系统与第一实施例的手术机器人系统的区别仅在于该系统中的与机械臂1连接的可操作器件为环锯2。第二实施例的机器人系统除了包括环锯2之外还可包括电子硬镜，该电子硬镜的结构与第一实施例中的完全相同。由此，应当说明的是，虽然由于在第一实施例中机械臂对接到作为可操作器件的电子硬镜、在第二实施例中机械臂对接到作为可操作器件的环锯2，而对两者的控制方法和所属的机器人系统分为第一实施例和第二实施例进行了描述，但实际上环锯2和电子硬镜是在脊柱手术操作中先后用到的手术器械，从整体上看其实际上同属于整个脊柱手术机器人系统。

环锯2的示意性的结构在图7中可更清楚地看出，其包括第二壳体22，第二壳体22上设置有用于与机械臂1对接的第三接合部位21；环锯2还包括杆23(中空的杆)，杆23能够相对于第二壳体22绕杆23的轴线转动同时沿轴向移动，以实现切孔即椎间孔成形(去除少量关节突骨质以便工具进入椎管进行减压的过程)。如图7所示，环锯包括设置在第二壳体22中以带动杆23实现所述转动和轴向移动的传动机构24。该传动机构24可由第二动力源12的输出轴驱动。优选地，第二动力源12可设置在机械臂1中。从而在环锯2与机械臂1对接时，通过对机械臂1的控制实现环锯2的切割动作的控制。这种构型保证了在椎间孔成形的过程中，机械臂1完全不需要任何移动，只需要锁定在当前位置，由第二动力源12驱动传动机构24带动杆23轴线转动同时沿轴向移动(杆23末端的锯齿结合这两个动作组合起来就是环锯的“切割”骨质的动作)。同时，由于第二动力源未设置在环锯2中，该方案便于环锯2做成一次性耗材，能够更好地满足无菌要求、使用更加方便快捷，用后即抛的环锯2中不包括动力源，因此可以降低环锯2作为耗材的成本。需要说明的是，虽然在本实施例中，以第二动力源12设置在机械臂1中为例进行了说明，这种方案需要机械臂1的相应适配性构造，该手术机器人系统需包括该适配性结构的机械臂。然而，如在发明内容部分所描述的，也可以为了适配于现有的医院已有的机械臂，使得医院不重新购买机械臂的情况下也能够使用本发明的手术机器人系统(这种情况下手术机器人系统不包括机械臂)进行环锯的操作，可使用适于连接到机械臂的机械臂适配器，其中第二动力源设置在所述机械臂适配器中。只需要将该机械臂适配器安装到现有的机械臂上，该手术机器人系统即可通过例如控制器件来控制该机械臂适配器中的第二动力源从而控制环锯的杆的动作以进行环锯的工作。

此外，机械臂的与环锯2对接的接合部位和与内镜对接的接合部位可以是同一接合部位，也可以是机械臂上的不同的接合部位。如果是同一接合部位，在该机械臂的接合部位与环锯2的第三接合部位21接合时，第二动力源12与杆23的传动机构24连接，而与电子硬镜接合时，第二动力源空置。

如图7所示，在该第二实施例中，电子硬镜的筒44插入到环锯的中空杆23中，筒44末端的成像模块46能够获取环锯末端的切割部位的图像(图7中可看到该电子硬镜的锥形视场范围461)，并且筒44中的工具通道441中可以插入如内镜工具如射频电极对操作部位进行操作如止血(在图7中未示出内镜工具)。在该实施例中，机械臂1把持的是环锯2，电子硬镜由操作者通过把持控制器件3而间接把持。

对于第二实施例中与第一实施例中的结构相同的部件即追踪系统、机械臂1、控制器件3和电子硬镜的具体结构请参见第一实施例的描述，在此不做赘述。下面将结合图10描述该手术机器人系统的控制方法。该方法包括如下的步骤：

对接指令接收步骤：接收将所述机械臂1与可操作器件对接的指令。在该实施例中，该指令可以例如来自控制器件3的操作件组35中的第四操作件(例如按键)。在手术中，操作者例如医生将光学示踪器安装在患者脊柱的骨性结构上，先将环锯放置在套筒中(此时环锯的位置并不精确，可能在术前规划的位置附近)。之后需要机械臂来对接环锯2，操作者可以按动该第四操作件中的用于将机械臂1与环锯2对接的按键，从而系统可以接收到该对接指令。在接收到该对接指令之后，即进行下面的对接位置获取步骤。

对接位置获取步骤：获取环锯2的将与所述机械臂1对接的接合部位21在追踪系统下的对接位置。该对接位置是根据术前规划的环锯的入路位置得到的。具体地，该方法在该对接位置获取步骤之前还包括影像及规划获取步骤以及影像及规划配准步骤。例如在手术开始前医生已经通过术前规划软件在术前获得的三维影像例如CT影像上做出了术前规划，该术前规划包括了环锯2的规划入路位置。在手术时，该包括术前规划的术前三维影像可通过主机的数据接口保存或传输到主机中。在该对接位置获取步骤中，先获取该包括术前规划的术前三维影像，然后进行影像及规划配准步骤，将术前三维影像和术前规划配准到当前的追踪系统下，即，将术前三维影像中各点与手术中患者的骨骼解剖结构上各点之间创建映射，这例如通过将术前三维影像与术中的三维或二维透视影像相匹配来实,相应地，包括环锯2的规划入路位置的术前规划也根据该配准映射关系而配准到当前的追踪系统下。规划入路位置配准后在追踪系统下具有相应的入路位置，获取该入路位置并根据该入路位置能够得到环锯2的接合部位21在追踪系统下的对接位置(因为该环锯具有确定的形状尺寸，该接合部位21相对于环锯的末端具有固定的位置关系)。

机械臂位置获取步骤：通过所述追踪系统和所述机械臂1上的第一示踪器11获取机械臂1的当前位置。如图6、7所示，机械臂1上设有第一示踪器11，因此追踪系统能够确定第一示踪器11在追踪系统下的位置，相应地，由于机械臂1上的用于与环锯2的接合部位对接的机械臂接合部位相对于该第一示踪器11的位置是固定的，即两者之间具有可标定的固定位置关系，从而通过第一示踪器11在追踪系统下的位置即可获知机械臂1的机械臂接合部位的当前位置。

机械臂运动指示步骤：指示所述机械臂1从所述当前位置运动到适于与环锯对接的位置，以使得能够实现机械臂1与环锯在所述接合部位处的对接。应说明的是，“适于与环锯对接的位置”即包括例如根据第一种方式精确地运动到所述对接位置以使得机械臂1的接合部位与环锯的接合部位可直接接合的位置，也包括根据第二种方式运动到所述对接位置附近(允许操作者手动带动环锯以将其接合部位对接到机械臂1的接合部位的位置)。作为示例根据第一种方式，在该步骤中，会根据对接位置获取步骤获取的需要移动到的对接位置与机械臂接合部位的当前位置，来计算机械臂需要移动的轨迹，并发出指令指示机械臂运动，使得机械臂停止在需要移动到的对接位置。操作者例如按下环锯2上的接合部位释放键，完成环锯与机械臂1的对接。

在上述对接之后，医生可以将电子硬镜的第二接合部位45与控制手柄3对接，手持控制器件3或电子硬镜而将电子硬镜的筒44插入到环锯2的杆23的通道25中，操作控制器件3进而操纵环锯2。系统接收来自控制器件3的第三操作件的输入，控制第二动力源12带动环锯2动作以实现环锯的“切割”。

而且，在上述对接之后，还可以实现在追踪系统下对环锯2的定位和导航。即所述方法还可以包括如下步骤：

环锯方位获取步骤：获取位于所述环锯2的当前方位。在该步骤中，根据在与机械臂1对接状态下的环锯2与机械臂1上的第一示踪器11之间的固定位置关系得到第二壳体22的壳体方位，并且由于系统控制第二动力源12的动作来控制杆23相对于第二壳体22的转动和轴向移动，因此系统能够获知杆23相对于第二壳体22的相对方位，并根据该壳体方位和相对方位确定所述杆的方位进而确定其末端的方位。

环锯方位显示步骤：在导航图像上以所述方位显示所述环锯的虚拟模型。该显示类似于第一实施例中在导航图像上显示内镜的虚拟模型，在此不做赘述。

应当理解的是，虽然在图10的流程图、权利要求书以及本文的描述中依次列出和描述了上述各步骤，但不代表这些步骤中的各个步骤之间具有特定的先后关系。例如对接位置获取步骤可以在机械臂位置获取步骤之前或之后或同时进行。环锯方位获取步骤可以在环锯运动指示步骤的之前或之后或同时进行。

上述方法结合该机器人系统中的其他部件来实现，而方法步骤本身由计算机程序来进行。相应地，本发明还提供了一种计算机程序产品，其包括计算器程序，在该计算机程序被处理器执行时实现该方法的上述步骤。本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有该计算机程序。本发明还可提供一种控制装置，例如计算机主机，其可以包括存储器、处理器及存储在存储器上并能在处理器上运行的该计算机程序。

本领域技术人员可以理解，本文中所描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现所述方法。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明所述的流程或功能。该处计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk)等。

本领域技术人员可以理解，本发明的控制装置的存储器可以包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个与处理器分开的存储装置。

控制装置的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central ProcessingUnit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

虽然本发明的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明总体构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (33)

1.一种手术机器人系统的控制方法，其特征在于，所述手术机器人系统包括追踪系统和机械臂(1)，所述机械臂(1)上设置有第一示踪器(11)，其中所述方法包括如下步骤：

对接指令接收步骤：接收将所述机械臂(1)与可操作器件对接的指令；

对接位置获取步骤：借助于所述追踪系统获取所述可操作器件的即将与所述机械臂(1)对接的接合部位对接位置；

机械臂位置获取步骤：获取机械臂(1)的当前位置；

机械臂运动指示步骤：根据所述对接位置，指示所述机械臂(1)从所述当前位置运动到适于与所述接合部位对接的位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可操作器件为内窥镜(4)，其中在所述对接位置获取步骤中，借助设置在所述内窥镜(4)上的第二示踪器(41)来获取所述内窥镜(4)的对接位置。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述手术机器人系统还包括控制器件(3)和所述内窥镜(4)，所述内窥镜为电子硬镜，所述电子硬镜包括第一壳体(43)以及能够在第一动力源(31)的驱动下相对于所述第一壳体(43)绕自身轴线转动的筒(44)，其中所述第一壳体(43)上设置所述接合部位，其中，在所述电子硬镜与所述机械臂(1)对接之后，所述方法还包括如下硬镜运动指示步骤中至少一项：

响应于来自所述控制器件(3)的第一操作件的输入，控制所述机械臂(1)运动以带动整个电子硬镜进行沿着所述筒的轴向运动；

响应于来自所述控制器件(3)的摇杆(34)的输入，控制所述机械臂(1)运动以带动整个电子硬镜进行倾斜运动；以及

响应于来自所述控制器件(3)的第二操作件的输入，控制所述第一动力源(31)动作以控制电子硬镜的所述筒(44)绕其自身轴线转动。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述电子硬镜与所述机械臂(1)对接之后，所述方法还包括如下步骤：

内镜方位获取步骤：获取位于所述电子硬镜的筒(44)的末端的成像模块的视场的方位；

内镜方位显示步骤：在导航图像上或在所述控制器件(3)的显示部上以所述方位显示所述内镜和/或其视场的虚拟模型。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述内窥镜(4)上设置有适于连接所述第二示踪器(41)的第一接合部位(42)，所述第一接合部位(42)与用于与所述机械臂对接的所述接合部位为同一接合部位，在与所述机械臂对接时，该接合部位处于所述第二示踪器(41)已从其移除的状态。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述内镜方位获取步骤中，根据与机械臂(1)对接状态下的所述电子硬镜的第一壳体与所述第一示踪器(11)之间的固定位置关系得到第一壳体(43)的壳体方位，并且从所述控制器件(3)获取所述筒(44)相对于所述第一壳体(43)的相对方位，并根据所述壳体方位和所述相对方位确定所述筒(44)的方位进而确定其末端的成像模块的视场的方位。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述内窥镜(4)上设置有适于连接第二示踪器(41)的第一接合部位(42)，用于与所述机械臂对接的所述接合部位独立于所述第一接合部位；其中在所述内镜方位获取步骤中，根据所述第二示踪器(41)或根据与机械臂(1)对接状态下的所述电子硬镜的第一壳体与所述第一示踪器(11)之间的固定位置关系得到所述第一壳体(43)的壳体方位，并且从所述控制器件(3)获取所述筒(44)相对于所述第一壳体(43)的相对方位，并根据所述壳体方位和所述相对方位确定所述筒(44)的方位进而确定其末端的成像模块的视场的方位。

8.根据权利要求2-7中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

目标获取步骤：获取对于所述内窥镜的视场的目标方位的输入；

预显示步骤：根据所述输入显示在所述目标方位下所述内窥镜的虚拟影像；

自动移动执行步骤：在接收到目标方位的确认指令的情况下，控制内窥镜移动到所述目标方位。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可操作器件为环锯(2)，其中在所述对接位置获取步骤之前还包括：

影像及规划获取步骤：获取患者的包括术前规划的术前三维影像，其中所述术前规划包括所述环锯(2)的规划入路位置；

影像及规划配准步骤：将术前三维影像和术前规划配准到追踪系统下；

其中在所述对接位置获取步骤中，获取配准后的规划入路位置在追踪系统下的入路位置，并根据所述入路位置来得到所述环锯(2)的接合部位在追踪系统下的对接位置。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述环锯(2)与所述机械臂(1)对接之后，所述方法还包括如下步骤：

环锯方位获取步骤：获取所述环锯(2)在追踪系统中的当前方位；

环锯方位显示步骤：在导航图像上以所述方位显示所述环锯的虚拟模型。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述手术机器人系统还包括用于控制所述环锯(2)运动的控制器件(3)，所述环锯(2)包括其上设置所述接合部位的第二壳体(22)以及杆(23)，所述杆(23)能够在第二动力源(12)的驱动下相对于第二壳体(22)绕所述杆(23)的轴线转动并沿轴向移动；

所述方法还包括环锯运动指示步骤，在该步骤中，响应于来自所述控制器件(3)的第三操作件的输入，指示所述第二动力源(12)动作以实现所述杆(23)的所述转动以及所述轴向移动。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述环锯方位获取步骤中，根据在与机械臂(1)对接状态下的所述环锯(2)与所述第一示踪器(11)之间的固定位置关系得到第二壳体(22)的壳体方位，并且根据所述第二动力源(12)的所述动作获取所述杆(23)相对于第二壳体的相对方位，并根据该壳体方位和相对方位确定所述杆(23)的方位进而确定其末端的方位。

13.根据权利要求2-7中任一项所述的方法，其特征在于，所述内窥镜为脊柱电子硬镜。

14.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，其中所述对接指令接收步骤中的指令来自于控制器件(3)的第四操作件。

15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，其中所述对接指令接收步骤中的指令来自于控制器件(3)的第四操作件，或来自设置于所述机械臂(1)上的交互按键，或来自手术机器人系统的显示装置的触摸元件。

16.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器运行时执行权利要求1-15中任一项所述的方法的步骤。

17.一种计算机程序产品，其包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求1-15中任一项所述的方法的步骤。

18.一种控制装置，其中所述控制装置包括存储器、处理器及存储在存储器上并能在处理器上运行的程序，其中在所述处理器运行所述程序时执行权利要求1-15中任一项所述的方法的步骤。

19.一种手术机器人系统，其特征在于，所述手术机器人系统包括：

追踪装置(200)，所述追踪装置(200)适于追踪设置在机械臂(1)上的第一示踪器(11)；以及

处理器(6)，所述处理器适于电连接到所述追踪装置(200)和所述机械臂(1)，其中所述处理器被配置成根据机械臂(1)与可操作器件对接的指令，借助于所述追踪装置(200)控制所述机器臂(1)从其当前位置运动到适于与所述可操作器件的接合部位对接的位置。

20.根据权利要求19所述的手术机器人系统，其特征在于，所述手术机器人系统包括:

控制器件(3)，其电连接到所述处理器(6)；以及

作为所述可操作器件的电子硬镜，其包括：

第一壳体(43)，其上设置有适于与机械臂(1)对接的所述接合部位；以及

筒(44)，所述筒(44)能够相对于所述第一壳体(43)绕所述筒的轴线转动，其中所述控制器件(3)能够控制所述筒(44)的所述转动。

21.根据权利要求20所述的手术机器人系统，其特征在于，所述手术机器人系统包括所述机械臂(1)，所述处理器被配置成：

响应于来自所述控制器件(3)的第一操作件的输入，控制所述机械臂(1)运动以带动整个电子硬镜进行沿着所述筒的轴向运动；和/或

响应于来自所述控制器件(3)的摇杆(34)的输入，控制所述机械臂(1)运动以带动整个电子硬镜进行倾斜运动。

22.根据权利要求20所述的手术机器人系统，其特征在于，所述手术机器人系统还包括显示装置(5)，所述处理器被配置成在所述显示装置的导航图像上显示所述电子硬镜和/或其视场的虚拟模型以显示其方位。

23.根据权利要求22所述的手术机器人系统，其特征在于，所述处理器被配置成，根据对于所述电子硬镜的视场的目标方位的输入，在导航图像上显示在所述目标方位下的电子硬镜的虚拟模型，并在接收到目标方位的确认指令的情况下，控制所述电子硬镜运动到所述目标方位。

24.根据权利要求20所述的手术机器人系统，其特征在于，所述第一壳体(43)上设置有适于与所述控制器件(3)连接的第二接合部位(45)，所述控制器件(3)经由所述第二接合部位(45)与所述电子硬镜可分离地连接。

25.根据权利要求24所述的手术机器人系统，其特征在于，所述控制器件(3)包括第三壳体(30)，其中用于驱动电子硬镜的所述筒(44)转动的第一动力源(31)设置在所述第三壳体(30)中。

26.根据权利要求24所述的手术机器人系统，其特征在于，所述控制器件(3)包括第三壳体(30)，其中用于与所述电子硬镜的成像模块(46)电连接的用于图像处理的电子单元(32)设置在所述第三壳体(30)中，所述用于图像处理的电子单元(32)被配置成输出处理后的数字图像，并且所述用于图像处理的电子单元(32)与所述处理器(6)电连接以将所述数字图像传输到所述处理器。

27.根据权利要求19所述的手术机器人系统，其特征在于，所述可操作器件为环锯(2)，所述处理器被配置成能够接收患者的包括术前规划的术前三维影像，其中所述术前规划包括所述环锯(2)的规划入路位置。

28.根据权利要求27所述的手术机器人系统，其特征在于，所述环锯(2)包括：

第二壳体(22)，其上设置有作为与机械臂(1)对接的接合部位的第三接合部位(21)；以及

杆(23)，所述杆(23)能够在第二动力源(12)的驱动下相对于所述第二壳体(22)绕所述杆(23)的轴线转动并沿轴向移动。

29.根据权利要求28所述的手术机器人系统，其特征在于，还包括适于连接到所述机械臂(1)的机械臂适配器，其中所述第二动力源(12)设置在所述机械臂适配器中。

30.根据权利要求29所述的手术机器人系统，其特征在于，所述手术机器人系统还包括所述机械臂(1)。

31.根据权利要求28所述的手术机器人系统，其特征在于，所述手术机器人系统还包括所述机械臂(1)，其中所述第二动力源(12)设置在所述机械臂(1)中。

32.根据权利要求20所述的手术机器人系统，其特征在于，所述控制器件(3)的外壳(30)上还设置有显示部(36)，用于显示所述电子硬镜的筒(44)的末端的成像模块的视场的当前朝向。

33.根据权利要求20所述的手术机器人系统，其特征在于，所述电子硬镜的所述筒(44)内形成有工具通道(441)，所述工具通道(441)被构造成适于容纳至少两个手术工具。