CN102711635A - 用于带有触觉反馈的微创外科手术工具的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于带有触觉反馈的微创外科手术工具的系统和方法。系统的一个公开的实施例包括：被配置成部分插入病人的身体内的插入鞘，该插入鞘被配置成接纳外科手术工具；至少部分布置在插入鞘内的滚轴，该滚轴被配置成与插入在插入鞘内的外科手术工具接触；以及耦接到滚轴的致动器，该致动器被配置成接收致动器信号，并且基于该致动器信号来输出触觉效果。

Description

用于带有触觉反馈的微创外科手术工具的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年1月15日提交的、题为Minimally InvasiveSurgical Tools with Haptic Feedback（带有触觉反馈的微创外科手术工具）的美国临时专利申请No.61/295,438的优先权，通过引用方式将其整体合并于此。
技术领域
本发明总体上涉及外科手术工具，以及更具体地涉及医学模拟的系统和方法，并且更特别地涉及用于带有触觉反馈的微创外科手术工具的系统和方法。
背景技术
在没有作出主要切口或开口的情况下进行微创外科手术，导致病人的减少的创伤，并且带来显著的费用节省。这些产生于更短的住院时间和减少的治疗需求。微创外科手术的其他益处包括更少的疼痛、对外科手术后的止痛药的更少需求、更少疤痕、以及与切口有关的并发症的更少可能性。
微创外科手术被定义为基于手术过程（例如，小切口）或结果（例如，减少的外科手术并发症或费用）。然而，微创外科手术与小外科手术不相同。一些“微创”过程，例如冠状动脉搭桥外科手术，仍然是需要住院的大手术。
在微创外科手术中，典型地，通过小切口将微型照相机放入身体内。照相机将图像传送给视频监视器，使医生能够进行诊断，并且如果必要的话，对多种状况进行治疗。为了做到这一点，医生通过一个或多个另外的小切口，插入外科手术器械和辅助设备（被统称为“微创外科手术工具”），诸如灌排设备。这样的外科手术器械可以用于腹腔镜外科手术、导管插入术或内窥镜检查，以及用于使得能够进行远程外科手术和远程呈现。然而，与开放外科手术相比，微创外科手术在视觉和触觉感知方面存在局限性，并且引起这种类型的外科手术所特有的挑战。主要关心的问题中的一个是，可能由对力量的不恰当使用而造成的组织损伤的潜在性。
发明内容
本发明的实施例提供了用于带有触觉反馈的微创外科手术工具的系统和方法。例如，在一个实施例中，一种系统包括：被配置成被部分插入病人的身体内的插入鞘，该插入鞘被配置成接纳外科手术工具；至少部分布置在插入鞘内的滚轴，该滚轴被配置成与插入在插入鞘内的外科手术工具接触；以及耦接到滚轴的致动器，该致动器被配置成接收致动器信号并且基于该致动器信号来输出触觉效果。
在方法的一个实施例中，该方法包括计算机实现的方法，包括：从耦接到外科手术工具的传感器接收传感器信号，该外科手术工具被配置成被至少部分插入病人的身体内；至少部分基于该传感器信号来生成致动器信号，该致动器信号被配置成促使致动器输出触觉效果；以及将致动器信号传送给耦接到外科手术工具的致动器。在另一个实施例中，一种计算机可读介质包括用于促使处理器执行这样的方法的程序代码。
提及这些说明性实施例并不是为了限制或限定本发明，而是提供示例以帮助对本发明的理解。在提供了对本发明的进一步描述的具体实施方式中论述了说明性实施例。可以通过研究本说明书来进一步理解由本发明的各种实施例提供的优点。
附图说明
合并入本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图图示了实施例的一个或多个示例，并且与示例实施例的描述一起用来解释实施例的原理和实现。
图1示出根据本发明的一个实施例的用于带有触觉反馈的微创外科手术工具的说明性系统；
图2-3示出根据本发明的实施例的用于带有触觉反馈的微创外科手术工具的系统；
图4a-b示出根据本发明的实施例的用于带有触觉反馈的微创外科手术工具的系统；以及
图5示出根据本发明的一个实施例的用于带有触觉反馈的微创外科手术工具的方法。
具体实施方式
在本文中，在用于带有触觉反馈的微创外科手术工具的系统和方法的情景下，描述了示例实施例。本领域普通技术人员将认识到，下面的描述仅是说明性的，并且不意在是以任何方式限制的。其他实施例将容易地在从本公开获益的这样的技术人员脑中浮现。现将详细参考如在附图中图示的示例实施例的实现。相同的参考指示符将在整个附图和下面的描述中被用来指相同或相似的项。
为了清晰起见，并非示出并描述在本文中描述的实现的所有常规特征。当然，将理解的是，在对任何这样的实际实现的开发中，必须作出多个特定于实现的决定，以便实现开发者的具体目标，诸如符合应用和业务相关的约束，以及这些具体目标将随实现的不同以及随开发者的不同而变化。此外，在下面公开的实施例中，词语“或”可以被用来描述特定实施例的不同特征。对词语“或”的使用意在被解释为包容性和排他性两者，因此，组合可以包括如在本文中描述的，所识别的特征中的任何或所有特征。
用于带有触觉反馈的微创外科手术工具的说明性系统
在用于带有触觉反馈的微创外科手术工具的一个说明性系统中，该系统被配置成在对活体病人进行微创外科手术（MIS）期间帮助外科医生。例如，外科医生可以进行MIS来实施心脏电生理学，以诸如在心脏病发作之后，测量病人的心脏的内表面上的电势（即，电压）的改变、检测任何异常情况或切除心脏组织以解决心率失常。
现参考图1，图1示出根据本发明的一个实施例的用于带有触觉反馈的微创外科手术工具的系统10的说明性实施例。图1中的系统10包括插入鞘20、带有手柄32的外科手术工具30（在这种情况下，导丝）、带有处理器52、存储器54和显示器56的计算机50、以及心率监视器60。
为了执行说明性MIS过程，外科医生在病人的腿12上作出切口，并且将插入鞘20，在这种情况下是导管，插入病人的股动脉以为外科手术工具提供插入路径。外科医生然后通过病人的血管系统插入导管20，直到其到达病人的心脏。外科医生然后可以通过导管20将外科手术工具30，诸如在导丝30的远端上装备有电压传感器36或多个传感器的导丝，插到病人的心脏以测量在心脏的壁上或内的各个点处的电压。这样的导丝30典型地具有连接到手柄32以允许外科医生操纵导丝30来到达心脏的壁上的各个兴趣点的近端。为了操纵导丝30，外科医生操控导丝的手柄32上的一个或多个操控性特征（manipulanda）34，例如旋钮或操作杆，来在多个方向中的任何方向上移动导丝30的远端末。在这样的实施例中，外科医生然后可以操纵导丝的远端末与心脏的壁接触，来用传感器36量取电压测量。
在图1中所示的说明性实施例中，插入管30已装备有致动器40，以帮助外科医生进行MIS过程。以环形或圆柱形配置的感应致动器40已被耦接到插入管20的近端，使得导丝30通过致动器40进入插入管30。感应致动器40可以通过以下被致动：传送电流通过致动器40的线圈来生成对导丝30的电磁力以提供动觉触觉效果来帮助或抵抗导丝30在插入管内的平移运动。使用感应致动器的优点可以是，由于在致动器和导丝之间没有物理耦接，当使用滚轴时就可能存在耦接，所以操控导丝的外科医生可以接收更准确的触感，因为没有摩擦力和惯性需要克服，利用滚轴或其他摩擦接触就可能存在这种情况。然而，如将在下面更详细论述的，可以利用其他类型的致动器。
另外，导丝30的手柄32包括多个致动器42、44。致动器42中的一个是振动触觉致动器，并且用于基于在导丝的远端上的传感器36所感测到的电压来向导丝手柄32输出振动效果。例如，振动效果的频率可以与传感器36所感测到的电压的大小成比例，因此向外科医生提供关于该过程的状态的另外信息。在这种情况下振动信息是除了示出关于各种传感器读数的图形信息的显示之外的信息。
布置在手柄32内的第二致动器44被配置成向手柄上的操控性特征34提供触觉效果。例如，第二致动器44可以基于在导丝的远端末和心脏的壁之间的接触力、或基于导丝的远端末和心脏的壁的迎角，来输出触觉效果。在所示的实施例中，第二致动器44基于在导丝的远端的末端上的感测到的力（力传感器，未示出），输出动觉力以抵抗操控性特征34的移动。
包括处理器52和存储器54的计算机50从外科手术工具30以及在一些情况下，从插入鞘20，接收传感器信号，并且生成致动器信号以促使触觉效果由导丝30、导丝手柄32或操控性特征34上的各种致动器40、42、44输出。另外，计算机50从诸如心脏监视器60的其他外部设备接收信息，其也可以用来生成触觉效果。其他外部传感器的示例包括心率监视器、血压监视器、氧传感器、血液气体传感器等。
例如，在该说明性实施例中，心率监视器60被连接到病人，并且向计算机50提供心率信息。计算机50能够生成触觉效果来指示病人的心率是否落在可接受界限外。由于外科医生可能关注于特定电压读数并且正操控导丝，所以该另外信息可能不会立即对外科医生显而易见。例如，如果病人的心脏开始跳动过快，则计算机50能够生成致动器信号来引起用于指示潜在危险状况的触觉效果，并且使该异常心率引起外科医生的注意。
另外，计算机50能够输出用于促使显示器56向外科医生显示相关信息的显示信号，诸如感测到的电压的视觉指示、来自插入导管中的照相机的图像、心率等。因此，系统10可以提供以下沉浸式、综合体验：允许外科医生专注于MIS过程，同时接收提供对外科医生的即刻触觉响应以允许她更好进行该过程并且监视可能另外转移其注意力的状况的多种输入。
现参考图2a，图2a示出根据本发明的一个实施例的用于微创外科手术工具的系统100。系统100包括插入鞘110、第一外科手术工具120和第二外科手术工具130。插入鞘110包括多个滚轴112a、b和多个致动器140a、b，每一个致动器耦接到多个滚轴112a、b中的一个。插入鞘110被配置成被部分插入病人的身体102并且接纳外科手术工具，诸如外科手术工具120。在所示的实施例中，插入鞘100包括套管针。
在所示的实施例中，滚轴112a、b被配置成与外科手术工具120接触，并且被配置成分别输出由致动器140a、b的致动造成的触觉力。在一个实施例中，致动器140a、b中的每一个是主动致动器并且被配置成促使其相应滚轴112a、b旋转。通过使相应滚轴旋转，致动器140a、b能够输出被配置成帮助或抵抗外科手术工具120在插入鞘110内的平移运动的动觉力。例如，在所示的实施例中，致动器140a、b包括DC电机，但是还可以包括被动致动器（即，磁制动器）、凸轮或其他摩擦力产生或调节装置。然而，在一些实施例中，致动器140a、b包括被配置成使其相应滚轴112a、b制动以抵抗外科手术工具120在插入鞘110内的平移运动的被动致动器。在一些实施例中，一个或两个滚轴112a、b被耦接到诸如旋转编码器的传感器，所述传感器被配置成检测滚轴112a、b的旋转。在一个这样的实施例中，传感器被配置成将传感器信号传送给处理器以基于外科手术工具120的对应移动来指示滚轴的移动或位置。
在一些实施例中，套管针110被配置成在MIS过程之间被消毒，尽管在一些实施例中，套管针110被配置成被丢弃。由于滚轴112a、b被配置成与外科手术工具120接触，它们被配置成在MIS过程之间被丢弃或消毒。在一些实施例中，滚轴112a、b和致动器140a、b可以被布置在组件内，所述组件被配置成可释放地耦接到插入鞘110，使得插入鞘110和滚轴/致动器组件能够在MIS过程之后解耦，并且每一个能够被独立地消毒或丢弃。
除了致动器140a、b外，插入鞘110还包括振动触觉致动器140c，振动触觉致动器140c被配置成将振动触觉触觉效果应用到外科手术工具120或插入鞘110。在所示的实施例中，致动器140c包括压电式致动器，尽管在其他实施例中，可以利用其他类型的致动器，诸如偏心旋转质量、线性谐振致动器、音圈或其他适当的致动器。另外，可以将多个振动触觉致动器纳入鞘中，或在一些实施例中，可以不利用任何振动触觉致动器。
在所示的实施例中，外科手术工具120包括导管，并且因此可以是外科手术工具和插入鞘两者。外科手术工具120被配置成被插入插入鞘110中以及被插入病人的身体102。在所示的实施例中，外科手术工具120包括耦接到外科手术工具的远端的至少一个传感器152。传感器152包括力传感器并且被配置成感测在外科手术工具120的远端和诸如狭窄或内脏器官的障碍之间的接触力。传感器152被配置成生成指示所感测到的力的大小的传感器信号，并且将该传感器信号传送给处理器（未示出），该处理器可以使用该传感器信号来使耦接到插入鞘的一个或多个致动器140a、b致动。例如，致动器可以生成用于抵抗外科手术工具的进一步插入的力，诸如用于放大在外科手术工具120的远端末上的感测到的力。在一些实施例中，处理器可以生成用于促使致动器140a、b彻底抵抗或阻止外科手术工具120的进一步插入、或用于使外科手术工具的运动逆转来撤回外科手术工具120的信号。一个这样的实施例可以是有利的，因为其可以防止外科医生非故意地刺穿病人内部的内脏器官或血管。
在一些实施例中，可以将其他类型的传感器152附着到外科手术工具120的远端末，诸如电压传感器、温度传感器、流体流量传感器或粘度传感器。在一些实施例中，可以将一个或多个传感器附着到外科手术工具120的其他部分或插入外科手术工具120中。例如，可以将诸如光纤传感器、荧光镜或视频照相机的传感器（或多个传感器）插入外科手术工具120中，以向处理器提供传感器信号。在一些实施例中，可以将一个或多个传感器排列在外科手术工具120内，诸如以感测另外的外科手术工具130插入外科手术工具120内的位置或在外科手术工具内的弯曲量。例如，在一些MIS过程中，外科医生可以导航通过血管系统的曲折部分，诸如在病人的大脑中，并且可能在执行该过程期间需要外科手术工具正弯曲很多的指示。如果感测到弯曲太多，则处理器可以基于所感测到的弯曲量来生成触觉效果，并且将触觉效果输出到外科手术工具或手柄。在一些实施例中，系统100可以包括非共置的传感器，该非共置的传感器被配置成检测传感器间的距离、传感器间的电阻或电压的改变、或两个传感器间的状态的其他差异来生成传感器信号。在一个这样的实施例中，外科手术工具120、130的远端可以包括第一传感器，以及插入鞘110、120可以包括第二传感器。处理器可以检测两个传感器间的传感器读数的差异，并且基于该差异来生成致动器信号。在一些实施例中，传感器可以被配置成检测传感器间的距离，以及生成一个或多个传感器信号并且将传感器信号传送给处理器。
外科手术工具120还可以包括耦接到外科手术工具120的致动器142。在所示的实施例中，致动器142可释放地被耦接到外科手术工具120，尽管在一些实施例中，致动器142可以被永久耦接到外科手术工具、或固有布置在外科手术工具内。在该实施例中，致动器142包括感应致动器并且被配置成向已被插入在外科手术工具120内的诸如外科手术工具130的外科手术工具提供触觉效果。如上所述，外科手术工具120包括导管，并且因此被配置成允许一个或多个外科手术工具被插入在外科手术工具120内。例如，在图2a中所示的实施例中，外科手术工具130包括导丝并且被配置成被插入在导管120内。在这样的实施例中，致动器142被配置成生成电磁力来抵抗或帮助导丝130在导管内的平移运动。在其他实施例中，外科手术工具130可以包括其他适当的外科手术工具，诸如可偏转导管或电生理学探针。如上所述，感应致动器可以在这样的MIS过程中提供优势，因为它们不需要外科医生克服滚轴或其他物理耦接的摩擦力或惯性来移动外科手术工具120内的导丝130。然而，在一些实施例中，可以使用其他类型的致动器，诸如一个或多个滚轴。
例如，图2b示出用于带有触觉反馈的微创外科手术工具的系统，其中外科手术工具120被耦接到致动器143，其包括至少部分布置在致动器143内的多个滚轴145a、b。每一个滚轴145a、b与致动器146a、b进行通信，致动器146a、b被配置成通过使滚轴145a、b旋转或抵抗滚轴145a、b的旋转来对外科手术工具130授予力，从而帮助或抵抗外科手术工具130在外科手术工具120内的平移运动。如上关于插入鞘110所论述的，致动器145a、b可以包括主动或被动致动器，或在一些实施例中，可以包括每一个或多个不同类型的致动器中的一个。在外科手术工具130可能不利地受到对感应致动器142的使用影响或外科手术工具130对感应致动器142生成的力不敏感的实施例中，致动器143可能是期望的。此外，如上所述，可以使用致动器142、143来帮助将外科手术工具130插入外科手术工具120内，或如果外科手术工具130可能刺穿病人的器官或血管，则抵抗移动或阻止移动。
现参考图2c，图2c示出根据本发明的一个实施例的用于带有触觉反馈的微创外科手术工具的系统。图2c中所示的实施例类似于图2a和2b中所示的那些，然而插入鞘110包括致动器140a-c，但不包括滚轴112a、b。替代地，致动器140a-c被配置成向插入鞘110或外科手术工具120输出触觉效果。例如，在一个实施例中，致动器140a-c中的一个或多个包括振动触觉致动器，诸如偏心旋转质量。在一个实施例中，致动器140a-c中的一个或多个包括被配置成抵抗外科手术工具120的移动的抵抗致动器。例如，在一个实施例中，致动器140a、b每一个包括制动表面，该制动表面被配置成被移动成与外科手术工具120接触来对外科手术工具施加阻力。在一个实施例中，致动器140a-c中的一个或多个可以包括被配置成对外科手术工具施加力的感应致动器。在进一步实施例中，致动器140a-c中的一个或多个可以被配置成更改外科手术工具的表面摩擦力来产生对外科手术工具在其插入鞘或传递导管内的移动的阻力。因此，虽然在本文中示出并论述的一些实施例利用一个或多个滚轴来将力施加给外科手术工具120，但是其他实施例可以被配置成对插入鞘110的仅仅振动触觉力或使用其他机制将力施加给外科手术工具120。
再次参考图2a，在所示的实施例中，外科手术工具130被配置成被插入在外科手术工具120内，并且包括耦接到外科手术工具130的远端末的至少一个传感器150。外科手术工具130的近端被耦接到手柄132，手柄132被配置成允许外科医生或其他用户在外科手术工具120内插入或撤回外科手术工具130。另外，手柄132包括用来操控外科手术工具130的远端末的一个或多个操控性特征134。例如，可以使用操控性特征134来使外科手术工具130的远端末弯曲远离外科手术工具130的纵轴，从而在特定方向上“导引”外科手术工具。另外，手柄132包括被配置成向手柄132的用户输出触觉效果的多个致动器。
在所示的实施例中，手柄132可释放地被耦接到外科手术工具130。如前所述，MIS外科手术工具典型地在MIS过程中被使用之后必须被消毒或丢弃。因此，在一个实施例中，手柄132被配置成在MIS过程中使用之后从外科手术工具132解耦并被丢弃。在另一个实施例中，手柄132被配置成在MIS过程之后被消毒。此外，在一些实施例中，手柄132被永久耦接到外科手术工具130，并且因此可以与外科手术工具130一起被丢弃或与外科手术工具130一起被消毒。
致动器146包括被配置成向手柄132输出振动或振动触觉效果的振动触觉致动器。例如，在所示的实施例中，致动器146包括耦接到旋转电机的偏心旋转质量（ERM）。在一些实施例中，可以利用其他类型的致动器，诸如压电式致动器、音圈或线性谐振致动器（LRA）。在一些实施例中，可以将多个振动触觉致动器布置在手柄132内，而在其他实施例中，可以不使用任何振动触觉致动器。
可以利用振动触觉致动器146来向外科医生或手柄132的用户提供与MIS过程相关联的信息。例如，在前面论述的说明性实施例中，外科手术工具130的远端末可以被耦接到电压传感器150，电压传感器150向处理器提供指示病人的心脏上的感测到的电压的传感器信号。处理器然后可以至少部分基于所感测到的电压来生成致动器信号以促使振动触觉致动器146向手柄132输出振动。在一个实施例中，外科手术工具130的远端末还可以或替代地，装配有力传感器150，力传感器150向处理器提供包括力信息的传感器信号，处理器生成致动器信号来生成在大小上与传感器150所感测到的力成比例的振动触觉效果。除诸如致动器142或143的系统100中的其他致动器所提供的信息外，这样的实施例可以向外科医生提供另外的信息。
虽然致动器142、143可以抵抗外科手术工具的移动，但是致动器146所提供的振动效果可以提供工具对障碍施加的力的大小的指示，工具对障碍施加的力与其他致动器142、143生成的阻力相结合可以是有用的。致动器146可以输出更进一步信息。例如，外部传感器可以将传感器信号传送给处理器，处理器可以向致动器146生成致动器信号来促使其向手柄132输出振动效果，以告知外科医生与来自外科手术工具的力或传感器读数不相关的另一个状况。例如，外部传感器可以包括心脏监视器、血压监视器、血氧监视器或监视病人的状态的其他传感器。
除振动触觉致动器146外或替代振动触觉致动器146，手柄132可以包括致动器144，致动器144被配置成向操控性特征134输出动觉力。在所示的实施例中，致动器被配置成输出用于抵抗或帮助操控性特征134的移动的力。例如，与外科手术工具130通信的处理器可以检测到外科手术工具130的远端末的进一步移动将太多压力施加给病人的血管或内脏器官，并且生成致动器信号来促使致动器144抵抗操控性特征134的移动。在一个实施例中，外科手术工具130可以包括传感器150，当外科手术工具的远端末接近或接触病人内部的障碍物时，传感器150检测外科手术工具的远端末的迎角。例如，如果远端末的迎角太浅，则耦接到外科手术工具130的末端的第二传感器可能无法准确感测病人内部的状况，或在必须作出穿刺（例如，经间隔穿刺）的过程中，如果迎角太浅，则工具可能在错误位置刺穿器官并且离开器官。在这样的实施例中，致动器144可以输出用于阻止操控性特征134的进一步移动的力。另外，致动器142、143可以输出用于阻止外科手术工具130的进一步插入的力。在一些实施例中，致动器144可以被配置成输出振动效果，诸如以指示迎角太浅或外科手术工具130的远端末正施加有危险的压力量，而不是抵抗力。
现参考图3，图3示出根据本发明的一个实施例的用于带有触觉反馈的微创外科手术工具的系统200。图3中所示的系统200包括耦接到用于治疗性外科手术工具130a的电源210和触发器212的、图2a中所示的实施例。在图3中所示的实施例中，除了传感器150外，外科手术工具130a包括耦接到外科手术工具130a的远端末的切除工具150a。切除工具150a被配置成从电源210接收电力信号，并且切除由切除工具150接触的组织。
电源210包括触发器212和致动器240，并且被配置成向外科手术工具130a和切除工具150a供给电力信号，诸如电流或电压。触发器212由诸如外科医生的操作者使用来将电力施加给切除工具150a，以及可以包括压敏开关、滑动控件、旋钮、打开/关闭开关或其他触发机制。在一个实施例中，随着更多的压力被施加给触发器212，可以将更多的电力传送给切除工具150a。致动器240被配置成将力输出到触发器212来向操作者提供反馈，以指示是否施加太多电力或是否可能已切除了太多组织。例如，在一个实施例中，致动器240包括被配置成输出用于抵抗触发器212的推压的力的电磁致动器。当组织被切除时，处理器（未示出）可以基于传感器或使用病人的预定义的特征作出的计算来确定所切除的组织数量。处理器然后可以生成致动器信号并且传送致动器信号以促使电磁致动器抵抗触发器212的推压，以及可以促使触发器被断开以减少或停止到切除工具150a的电力流。此外，除了第一致动器240生成的阻力外，第二致动器（未示出）可以与触发器212通信来向触发器212输出振动触觉效果以指示对操作者的警告。这样的指示可以是有利的，因为其可以向外科医生提供错误状况的确认，而不是仅仅棘手的电力触发器。在进一步实施例中，当组织被切除时，致动器146可以被致动来输出振动效果。在又进一步实施例中，致动器144可以是用于抵抗外科手术工具130a的远端末朝向病人内部的另外组织的进一步移动的致动器，因此向操作者提供多个触觉输入通道：对触发器212的阻力、在触发器212上的振动效果、在手柄132上的振动效果以及对外科手术工具130a的远端末的移动的阻力。这样的各种各样的触觉效果可以向外科医生提供更有意义的反馈，并且帮助防止对病人的非故意伤害。
现参考图4a，图4a示出根据本发明的实施例的用于带有触觉反馈的微创外科手术工具的系统300。在图4a中所示的实施例中，系统300包括与包括处理器352和存储器354的计算机350通信的、图3中所示的系统200。系统300进一步包括与计算机350通信的外部传感器360。计算机350被配置成从位于系统200内的各种传感器150、152接收传感器信号，并且生成致动器信号来被传送给系统200中的致动器（例如，140a-c、142、144、146、240）中的一个或多个。另外，计算机350被配置成生成显示信号，并且将其传送给显示器356以向外科医生或系统300的其他操作者提供信息。
注意到，虽然图4a中所示的实施例包括图3中所示的系统200，但是根据本发明的一些实施例的其他系统可以被耦接到计算机350，诸如图1-3中的任何一个中所示的那些。图4b示出一个这样的替选实施例，其中系统400包括具有如图1所示安排的组件以及如图3所示带有操控性特征212和致动器240的电源210的系统。
处理器352被配置成执行存储在计算机可读介质中的程序代码来接收传感器信息并且生成与正被执行的MIS过程相关联的触觉效果。在下面公开了各种类型的处理器和计算机可读介质的实施例。现参考图5中所示的方法500，在一个实施例中方法500由存储在存储器354中的编程代码实现并且由图4a-b中所示的处理器352执行。
在图5中所示的实施例中，方法500在框510开始，其中处理器352从诸如传感器150的传感器接收传感器信号。在所示的实施例中，传感器150包括被配置成当外科手术工具130的远端末与障碍接触时检测外科手术工具130的远端末的迎角的传感器。传感器信号包括与所感测到的迎角相关联的信息。在一个实施例中，处理器352可以从一个或多个传感器接收多个传感器信号。例如，外科手术工具130a可以包括多个传感器，诸如迎角传感器和力传感器，使得处理器352从传感器中的每一个接收传感器信号、或从传感器中的一个或多个接收多个传感器信号。
系统200内的其他传感器还可以将传感器信号传送给处理器。例如，导管的远端上的传感器152可以传送由处理器接收到的传感器信号。另外，如前所述，滚轴112a、b可以被耦接到、或可以包括旋转编码器，该旋转编码器感测滚轴112a、b的旋转或位置并且将指示滚轴112a、b的位置或移动的传感器信号传送给处理器。处理器352然后接收这样的传感器信号。另外，如图4a中所示，计算机350被配置成从外部传感器360接收信号，外部传感器360包括在所示的实施例中的心率监视器。在接收传感器信号之后，方法500前进到框520。
在框520，处理器352确定与所接收到的传感器信号相关联的状态状况。例如，如果处理器352从力传感器接收传感器信号，则处理器352可以确定与传感器信号相关联的力，并且将该力与阈值进行比较。例如，处理器352可以确定力超过第一预定的阈值，并且因此在病人内部存在刺穿组织的较小危险。或处理器352可以确定力超过较高阈值，并且因此在病人内部存在刺穿组织的严重或危急危险。在用于执行切除过程的一个实施例中，可能期望的是，在切除工具150a和病人的组织之间维持相对恒定的压力。在这样的实施例中，如果所感测到的压力落在较低阈值之下，则处理器352可以施加辅助力来增加在切除工具150a和组织之间的力，或如果压力超过感测到的力的较高阈值，则施加阻力或撤回外科手术工具130a。
在另一个实施例中，处理器352可以接收指示内脏器官的表面上的电压的传感器信号。处理器然后可以将该电压与一个或多个电压阈值进行比较。替选地，处理器352可以仅仅存储该电压以供日后使用。其他类型的传感器仍然可以导致待由处理器352接收的不同类型的传感器信号，诸如与在病人内部呈现的状况相关联的流体流量、粘度、压力或温度。其他传感器，诸如位置传感器或位于插入鞘或外科手术工具（例如，导管）内的其他传感器，也可以传送由处理器352接收到的传感器信号。
例如，在一个实施例中，导管120可以包括传感器152，传感器152被配置成检测外科手术工具130a何时到达了导管120的远端。在这样的实施例中，处理器352可以在外科手术工具130a到达传感器152时从传感器152接收传感器信号，并且处理器352确定外科手术工具130a已完全插入导管。替选地，处理器352可以从传感器150接收指示外科手术工具130a尚未到达导管的远端的传感器信号。在这样的实施例中，处理器352可能正控制诸如致动器143的致动器，以将外科手术工具130a自动插入导管120。因此，处理器352确定外科手术工具尚未到达导管的远端。在确定与传感器信号相关联的状态状况之后，该方法前进到框530。
在框530，处理器352至少部分基于传感器信号或状态状况来生成致动器信号。例如，如上所述，处理器352确定与在外科手术工具130a和障碍之间的感测到的力相关联的状态状况。在这样的实施例中，处理器352生成以下的致动器信号，该致动器信号被配置成增加对外科手术工具的移动的阻力，使得滚轴112a、b的滚动阻力可以被改变以提供对外科手术工具130正施加的实际力的放大来允许增加的精度。例如，处理器352可以生成致动器信号来被传送给致动器142或143以生成反对外科手术工具130a进一步移动到外科手术工具120中的力。在相关实施例中，如果处理器352确定了正施加有危险的压力量，则处理器352可以生成以下的致动器信号，该致动器信号被配置成在所感测到的力落在阈值之下以前，阻止外科手术工具130a进一步移动到外科手术工具120中的或使外科手术工具130a的移动逆转以及使外科手术工具130a撤回。这样的实施例可以是有利的，因为其可以防止对病人的非故意伤害。
在相关实施例中，处理器352可以接收指示与操控性特征134或电源210相关联的状态的传感器信号。例如，在一个实施例中，外科手术工具可以包括被配置成控制外科手术工具的操控性特征。在这样的实施例中，外科手术工具130或系统200的其他部分可以包括提供与对外科手术工具的操控相关联的传感器信号的传感器，诸如力传感器、迎角传感器等。处理器352可以接收这样的传感器信号，并且生成以下的致动器信号，该致动器信号被配置成促使诸如致动器144的致动器将触觉效果应用到操控性特征，诸如以帮助或抵抗操控性特征的移动或向操控性特征134提供振动触觉效果。
例如，如上所述，在切除过程期间，一旦外科手术工具130a的远端末在适当的位置，致动的滚轴112a、b就能够被用来生成用于确保维持在组织上的所需要的力的致动器信号。该致动器信号可以被配置成诸如通过施加除了外科医生所施加的压力外的压力或通过抵抗进一步压力或撤回外科手术工具130a，来迫使外科手术工具130的远端末在预定的范围内与组织接触。在经间隔穿刺时也可以利用相似的控制方法。一旦外科手术工具130在适当的位置来进行穿刺时，致动的滚轴112a、b就能够被用来使用受控水平的压力来促使穿刺，来进行极其受控的穿刺。
在一个实施例中，处理器352可以基于非触觉感测到的状况来生成致动器信号。例如，传感器可以被配置成感测不是力的状况，诸如电压等。在这样的实施例中，处理器352可以基于这样的感测到的状况来生成触觉效果。在一个实施例中，外科医生进行MIS过程来测量在病人的心脏上产生的电压。在这样的实施例中，处理器352可以至少部分基于感测到的电压的大小、感测到的电压的波动或电压是高于还是低于阈值来生成致动器信号。在一个这样的实施例中，处理器可以生成用于促使致动器输出振动触觉效果的致动器信号。例如，处理器352可以至少部分基于感测到的电压来生成用于促使致动器146输出振动触觉效果的致动器信号，使得振动效果的频率或大小与电压的大小成比例。因此，对于相对较高的电压，处理器352可以生成具有相对较高的频率的致动器信号。相反，对于相对较低的电压，处理器352可以生成具有相对较低的频率的致动器信号。
在进一步实施例中，处理器352可以基于从外部传感器360确定的传感器信息或状态状况来生成致动器信号。例如，处理器352可以从外部传感器360接收测量到的心率或血压，并且确定该心率落在了阈值之下。在一个实施例中，处理器352生成被配置成促使致动器146向外科手术工具130的手柄132输出振动触觉效果的致动器信号，其中振动触觉效果被配置成指示与外部传感器相关联的警告状况。例如，致动器信号可以被配置成促使例如致动器146的致动器输出一连串脉冲振动来模拟心跳以指示与病人的心率或血压相关联的警告状况。在这样的实施例中，振动的大小可以与所感测到的状况超过阈值的量成比例。在生成致动器信号之后，方法500前进到框540。
在框540中，处理器352将所生成的致动器信号传送给致动器。例如，如果处理器352生成了用于产生到外科手术工具的手柄132的振动触觉效果的致动器信号，则处理器352将该致动器信号传送给致动器146。在一些实施例中，处理器352可以将致动器信号传送给多个致动器、或可以在传送致动器信号之前对致动器信号进行修改。例如，在一个实施例中，处理器352生成被配置成促使致动器140a、b使滚轴112a、b旋转来抵抗外科手术工具120进一步插入到插入鞘110中的致动器信号。然而，由于滚轴位于外科手术工具120的对侧，所以它们必须在相反方向上旋转来生成阻力。因此，处理器352可以生成适于抵抗外科手术工具120的移动的一个致动器信号，并且将该致动器信号传送给致动器140a，但是在将该致动器信号传送给致动器140b之前使该致动器信号反转。
在进一步实施例中，外科医生可能正进行切除过程。在该过程期间，处理器352可以确定太多组织正被切除，并且可以生成用于抵抗电源210上的触发器212的移动以及抵抗控制进行切除的外科手术工具130a的移动的操控性特征134的移动两者的致动器信号。这样的效果可以提供不应当施加进一步电力以及不应当朝向正被切除的组织进一步移动工具的远端末的指示。处理器352可以生成适于两个致动器的一个致动器信号，并且在将致动器信号传送给致动器144、240中的每一个之前执行预处理，诸如改变大小。在将致动器信号传送给致动器之后，方法500返回到用于接收另一个传感器信号的步骤510或返回到用于确定与MIS过程相关联的另一个状态状况的步骤520。
图5中所示的方法500图示了根据本发明的一些公开的实施例的一个方法，并且并不意在限制公开的范围。此外，虽然以特定顺序阐述了方法500的步骤，但是不存在以这样的顺序执行步骤或执行图5中所示的所有步骤的要求。例如，无论传感器信号是否被接收，诸如为指示时间推移或其他独立事件的致动器信号，可以执行框530。此外，在生成致动器信号之前乃至根本不需要确定状态状况。
虽然根据在各种机器上执行的软件，描述了在本文中的方法和系统，所述方法和系统还可以被实现为特定配置的硬件，特定地执行各种方法的这样的现场可编程门阵列（FPGA）。例如，再次参考图1和2，可以以数字电子电路或以计算机硬件、固件、软件、或它们的组合来实现实施例。在一个实施例中，计算机可以包括一个或多个处理器。处理器包括计算机可读介质，诸如被耦接到处理器的随机存取存储器（RAM）。处理器执行存储在存储器中的计算机可执行程序指令，诸如执行用于编辑图像的一个或多个计算机程序。这样的处理器可以包括微处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）以及状态机。这样的处理器可以进一步包括诸如PLC的可编程电子器件、可编程中断控制器（PIC）、可编程逻辑器件（PLD）、可编程只读存储器（PROM）、电可编程只读存储器（EPROM或EEPROM）、或其他类似器件。
这样的处理器可以包括例如计算机可读介质的介质或可以与所述介质通信，所述介质可以存储指令，所述指令在被处理器执行时能够促使处理器执行在本文中被描述为由处理器执行或辅助的步骤。计算机可读介质的实施例可以包括但不限于能够为诸如web服务器中的处理器的处理器提供计算机可读指令的电子、光学、磁性、或其他存储设备。介质的其他示例包括但不限于软盘、CD-ROM、磁盘、存储器芯片、ROM、RAM、ASIC、已配置的处理器、所有光学介质、所有磁带或其他磁性介质、或计算机处理器可以从中进行读取的任何其他介质。所述处理器和处理可以在一个或多个结构中，并且可以散布于一个或多个结构。处理器可以包括用于执行本文所述的方法（或方法的部分）中的一个或多个的代码。
仅仅出于说明和描述的目的，提供了本发明的一些实施例的前述描述，并且其并不意在是穷尽的或将本发明局限于所公开的精确形式。在不背离本发明的精神和范围的情况下，其许多修改和调整对本领域技术人员来说将是显而易见的。
在本文中对“一个实施例”或“实施例”的引用意为结合该实施例描述的特定特征、结构、操作或其他特性可以被包括在本发明的至少一个实现中。本发明并不限制于被描述为如此的特定实施例。短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在本说明书中各种地方的出现不一定是指相同的实施例。可以将在本说明书中关于“一个实施例”描述的任何特定特征、结构、操作或其他特性与关于任何其他实施例描述的其他特征、结构、操作或其他特性相组合。

Claims (24)

1.一种系统，包括：
被配置成部分插入病人的身体内的插入鞘，所述插入鞘被配置成接纳外科手术工具；以及
耦接到所述插入鞘的致动器，所述致动器被配置成向所述插入鞘输出触觉效果。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
至少部分布置在所述插入鞘内的滚轴，所述滚轴被配置成与插入所述插入鞘内的外科手术工具接触；以及
其中所述致动器被耦接到所述滚轴，所述致动器被配置成接收致动器信号并且基于所述致动器信号来输出触觉效果。
3.根据权利要求2所述的系统，进一步包括：耦接到所述插入鞘的第二致动器，所述第二致动器被配置成接收振动触觉致动器信号并且基于所述振动触觉致动器信号来输出振动触觉效果。
4.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
传感器，所述传感器被配置成生成指示所述外科手术工具的移动的传感器信号。
5.根据权利要求4所述的系统，进一步包括：与所述致动器和所述传感器通信的主处理器，所述主处理器被配置成：
接收所述传感器信号；
基于所述传感器信号来生成所述致动器信号；以及
将所述致动器信号传送给所述致动器。
6.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
其中所述外科手术工具具有远端并且包括：
布置在所述外科手术工具的所述远端的传感器，所述传感器被配置成生成传感器信号；
与所述致动器和所述传感器通信的主处理器，所述主处理器被配置成：
接收所述传感器信号；
基于所述传感器信号来生成所述致动器信号；以及
将所述致动器信号传送给所述致动器。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述传感器被配置成检测力。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述传感器信号包括与在所述外科手术工具和障碍之间的接触力相关联的感测到的力，以及其中所述致动器被配置成输出力，所述力被配置成维持在第一阈值和第二阈值之间的接触力。
9.根据权利要求6所述的系统，其中所述传感器被配置成检测电压、温度、流体流量或粘度中的一个。
10.根据权利要求9所述的系统，进一步包括：耦接到所述插入鞘的第二致动器，所述第二致动器被配置成接收振动触觉致动器信号并且基于所述振动触觉致动器信号来输出振动触觉效果，
其中所述处理器进一步被配置成：
基于所述传感器信号来生成所述振动触觉致动器信号，以及
将所述振动触觉致动器信号传送给所述振动触觉致动器。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述外科手术工具包括：
具有被配置成由外科医生操控的手柄的导丝；
耦接到所述手柄的第二致动器，所述第二致动器被配置成向所述手柄输出触觉效果。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述手柄包括触发器和第三致动器，所述第三致动器被配置成向所述触发器输出触觉效果。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述手柄和所述第二致动器被配置成在外科手术过程之后从所述导丝被移除并且丢弃。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述外科手术工具包括：
治疗性外科手术工具；以及
耦接到所述治疗性外科手术工具的电源，所述电源被配置成对所述治疗性外科手术工具提供的治疗效果的强度进行控制，所述电源包括：
触发器，以及
耦接到所述触发器的第二致动器，所述第二致动器被配置成接收第二致动器信号，并且基于所述第二致动器信号来向所述触发器输出触发器触觉效果。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述触发器触觉效果包括振动。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述触发器触觉效果包括被配置成抵抗所述触发器的移动的动觉力。
17.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
传感器，所述传感器被配置成耦接到病人以感测所述病人的状态；
振动触觉致动器，所述振动触觉致动器被配置成向所述外科手术工具输出振动触觉效果；以及
与所述振动触觉致动器和所述传感器通信的主处理器，所述主处理器被配置成：
接收所述传感器信号；
基于所述传感器信号来生成振动触觉致动器信号；以及
将所述振动触觉致动器信号传送给所述振动触觉致动器。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述传感器包括血压监视器或心率监视器。
19.一种系统，包括：
被配置成部分插入病人的身体内的插入鞘，所述插入鞘被配置成接纳外科手术工具；以及
耦接到所述插入鞘的非接触性感应致动器，所述感应致动器被配置成接收致动器信号，并且基于所述致动器信号来向所述外科手术工具输出触觉效果。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述触觉效果包括被配置成帮助或抵抗所述外科手术工具在所述插入鞘内的移动的动觉力。
21.一种计算机实现的方法，包括：
从耦接到外科手术工具的传感器接收传感器信号，所述外科手术工具被配置成至少部分插入在病人的身体内；
至少部分基于所述传感器信号来生成致动器信号，所述致动器信号被配置成促使所述致动器输出触觉效果；以及
将所述致动器信号传送给耦接到所述外科手术工具的致动器。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述传感器包括电压传感器，以及其中所述致动器包括振动触觉致动器并且被配置成至少部分基于所述致动器信号来输出振动触觉触觉效果。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述振动触觉效果的频率与所感测到的电压的大小成比例。
24.根据权利要求21所述的方法，其中所述传感器信号包括与在所述外科手术工具和障碍之间的接触力相关联的感测到的力，以及其中所述致动器被配置成输出力，所述力被配置成维持在第一阈值和第二阈值之间的接触力。
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