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CN118284375A - 用于器械稳定的外科密封系统 - Google Patents

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CN118284375A
CN118284375A CN202280077369.5A CN202280077369A CN118284375A CN 118284375 A CN118284375 A CN 118284375A CN 202280077369 A CN202280077369 A CN 202280077369A CN 118284375 A CN118284375 A CN 118284375A
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CN
China
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surgical
port
instrument
ports
tissue
Prior art date
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Pending
Application number
CN202280077369.5A
Other languages
English (en)
Inventor
F·E·谢尔顿四世
C·J·谢伊布
J·L·哈里斯
A·T·哈桑
T·M·舒赫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cilag GmbH International
Original Assignee
Cilag GmbH International
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Cilag GmbH International filed Critical Cilag GmbH International
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    • A61B90/39—Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers
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    • A61B90/39—Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • A61B2505/05—Surgical care
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2576/00—Medical imaging apparatus involving image processing or analysis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A61B34/37—Leader-follower robots
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    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A61B5/0062—Arrangements for scanning
    • A61B5/0064—Body surface scanning
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    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A61B5/0075—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence by spectroscopy, i.e. measuring spectra, e.g. Raman spectroscopy, infrared absorption spectroscopy
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/74—Details of notification to user or communication with user or patient; User input means
    • A61B5/742—Details of notification to user or communication with user or patient; User input means using visual displays
    • A61B5/7425—Displaying combinations of multiple images regardless of image source, e.g. displaying a reference anatomical image with a live image
    • A—HUMAN NECESSITIES
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Abstract

提供了外科密封系统。在一个示例性实施方案中，外科密封系统包括具有多个端口的密封壳体，其中每个端口具有标称尺寸和形状并且被构造成能够呈现不同于该标称尺寸和形状的选定尺寸和/或形状，并且受其他多个端口中的每个端口的尺寸和形状的约束。器械的位置和施加到其的力基于该器械的移动、方向和力有效地改变端口的尺寸和/或形状，并且变更任何一个端口的该标称形状的能力受其他端口的尺寸和形状的约束或限制，从而使得施加到定位在该多个端口中的一个端口内的一个器械的力能够稳定定位在该多个端口中的其他端口内的至少一个其他器械。

Description

用于器械稳定的外科密封系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2021年9月29日提交并且名称为“Cooperative Access”的美国临时专利申请号63/249,980的优先权，该美国临时专利申请的公开内容全文以引用方式并入本文。
技术领域
本发明整体涉及外科装置、系统以及使用它们进行密封、器械控制、器械稳定等的方法。
背景技术
外科系统通常结合有成像系统，该成像系统可允许执业医生在一个或多个显示器(例如，监测器、计算机平板屏幕等)上查看外科部位和/或其一个或多个部分。显示器可以是手术室本地的和/或远程的。成像系统可包括具有相机的窥镜，该相机查看外科部位并将视图传输到执业医师可查看的一个或多个显示器。
成像系统可能受到它们能够识别和/或传达给执业医生的信息的限制。例如，某些成像系统可能无法在术中识别三维空间内的某些隐蔽结构、物理轮廓和/或尺寸。又如，某些成像系统可能无法在术中将某些信息传送和/或传达给执业医生。
因此，仍需改善的外科成像。
发明内容
本发明提供了外科密封系统。在一个示例性实施方案中，该密封系统包括密封装置，该密封装置具有密封壳体，该密封壳体具有预定尺寸和形状。该密封壳体被构造成能够至少部分地设置在体腔内并且具有多个端口。该多个端口中的每个端口具有标称尺寸和形状，并且每个端口被构造成能够呈现不同于该标称尺寸和/或形状的选定尺寸和/或形状。每个端口的该选定尺寸和/或形状受其他多个端口中的每个端口的尺寸和形状的约束。该多个端口中的每个端口被构造成能够围绕穿过其插入的器械形成密封。定位在该多个端口中的一个端口内的器械的位置和施加到其的力基于该器械的移动、方向和力有效地改变该端口的该尺寸和/或形状，并且变更任何一个端口的该标称形状的能力受其他端口的该尺寸和/或形状的约束或限制，从而使得施加到定位在该多个端口中的一个端口内的一个器械的力能够稳定定位在该多个端口中的其他端口内的至少一个其他器械。
在一些实施方案中，该外科密封系统可包括至少一个机电臂，其中插入该多个端口中的相应端口中的至少一个器械可连接到该至少一个机电臂。
该外科密封装置可具有多种构型。在一些实施方案中，该密封装置可包括牵开器，该牵开器联接到该密封壳体并且可被构造成能够定位在自然身体孔口或形成于组织中的开口中。在其他实施方案中，该密封装置可包括至少一个保持元件，该至少一个保持元件可被构造成能够将该密封壳体附连到组织。
该多个端口可具有多种构型。在一些实施方案中，该多个端口中的第一端口可被构造成能够向穿过其插入的第一器械施加第一力，从而限制其在第一平面内的移动，并且该多个端口中的第二端口可被构造成能够向穿过其插入的第二器械施加第二力，从而限制其在第二平面内的移动，该第二平面不平行于该第一平面。在某些实施方案中，该多个端口中的一个或多个端口相对于该多个端口中的一个或多个其他端口可以是刚性的。
在一些实施方案中，该多个端口中的至少一个端口可包括被构造成能够固定穿过其插入的器械的螺纹约束件。在其他实施方案中，该多个端口中的至少一个端口可被构造成能够响应于施加到其的外部能量而改变形状和尺寸。
在一些实施方案中，该多个端口中的至少一个端口可由铁磁性材料形成，该铁磁材料可被构造成能够响应于暴露于电磁体而在结构上变更。在其他实施方案中，该多个端口中的至少一个端口可包括布置在该密封壳体的狭槽内的锁定臂，该锁定臂可被构造成能够锁定该至少一个端口相对于该密封壳体的位置。
在一些实施方案中，该多个端口中的至少一个端口可以包括锁定结构，该锁定结构可被构造成能够围绕穿过其的器械相互作用并且塌缩，以将所插入器械固定在该至少一个端口内。在一个实施方案中，该锁定结构可具有蜂窝构型。
在一些实施方案中，可被插入该多个端口中的相应端口内的第一器械和第二器械可同时被中心锚定工具稳定，该中心锚定工具可被构造成能够插入穿过该多个端口中的端口。
该外科壳体可具有多种构型。在一些实施方案中，该密封壳体可包括柔性内主体构件和刚性外主体构件，其中该多个端口中的每个端口可被布置在该内主体构件内。在一个实施方案中，该多个端口中的至少一个端口可包括由该柔性内部主体构件包封的刚性环。
附图说明
参考如下附图描述本发明：
图1为外科可视化系统的一个实施方案的示意图；
图2为图1的外科装置、成像装置和关键结构之间的三角测量的示意图；
图3为外科可视化系统的另一实施方案的示意图；
图4为外科可视化系统的控制系统的一个实施方案的示意图；
图5为外科可视化系统的控制系统的控制电路的一个实施方案的示意图；
图6为外科可视化系统的组合逻辑电路的一个实施方案的示意图；
图7为外科可视化系统的顺序逻辑电路的一个实施方案的示意图；
图8为外科可视化系统的又一实施方案的示意图；
图9为外科可视化系统的控制系统的另一实施方案的示意图；
图10为示出各种生物材料的波长对吸收系数的曲线图；
图11为使外科部位可视化的光谱发射器的一个实施方案的示意图；
图12为描绘用于区分输尿管与遮蔽物的说明性高光谱识别特征的曲线图；
图13为描绘用于区分动脉与遮蔽物的例示性高光谱识别特征的曲线图；
图14为描绘用于区分神经与遮蔽物的例示性高光谱识别特征的曲线图；
图15为在术中利用的近红外(NIR)飞行时间测量系统的一个实施方案的示意图；
图16示出了图15的系统的飞行时间时序图；
图17为在术中利用的近红外(NIR)飞行时间测量系统的另一实施方案的示意图；
图18为计算机实现的交互式外科系统的一个实施方案的示意图；
图19为用于在手术室中执行外科手术的外科系统的一个实施方案的示意图；
图20为包括智慧外科器械和外科集线器的外科系统的一个实施方案的示意图；
图21为示出控制图20的智慧外科器械的方法的流程图；
图22为外科密封装置的示例性实施方案的示意图；
图23为图22的外科密封装置的剖视图；
图24为外科密封装置的另一示例性实施方案的剖视图；
图25为外科密封装置的另一示例性实施方案的剖视图，示出了插入自然身体孔口中的装置；
图26为结肠的示例性图像；
图27为具有第一多端口装置和第二多端口装置的外科系统的示例性实施方案的示意图；
图28为图27的外科系统的示意图，示出了部分地插入腹腔内的第一多端口装置和第二多端口装置；
图29为具有密封装置的外科密封系统的示例性实施方案的示意图，该密封装置具有延伸穿过其的端口；
图30为图29的密封装置的顶视图；
图31为图29的外科密封端口中的端口的示意图；
图32为图31的外科密封端口中的改变的端口的示意图；
图33为图29的密封装置，示出了插入密封装置的一个端口中的器械；
图34为具有螺纹约束件的外科密封装置的示例性实施方案的示意图；
图35为包括机电臂的外科机器人系统的示例性实施方案的示意图，该机电臂各自具有安装到其上并且无线地联接到控制系统的外科器械；
图36为锁定臂的实施方案的示意图；并且
图37为暴露于外部能量之前的锁定结构的一个实施方案的示意图；并且
图38为暴露于外部能量之后的图37的锁定结构。
具体实施方式
现在将描述某些示例性实施方案以从整体上理解本文所公开的装置、系统和方法的结构、功能、制造和使用的原理。这些实施方案的一个或多个示例在附图中示出。本领域的技术人员将会理解，在本文中具体描述的和在附图中示出的装置、系统和方法是非限制性的示例性实施方案，并且本发明的范围仅由权利要求书限定。结合一个示例性实施方案示出或描述的特征部可与其他实施方案的特征部进行组合。此类修改和变型旨在包括在本发明的范围之内。
此外，在本公开中，各实施方案中名称相似的部件通常具有类似的特征部，因此在具体实施方案中，不一定完整地阐述每个名称相似的部件的每个特征部。另外，在所公开的系统、装置和方法的描述中使用线性或圆形尺寸的程度上，此类尺寸并非旨在限制可结合此类系统、装置和方法使用的形状的类型。本领域中技术人员将认识到，针对任何几何形状可容易地确定此类线性和圆形尺寸的等效尺寸。本领域的技术人员将会理解，尺寸可能不是精确的值，但是由于诸如制造公差和测量设备的灵敏度之类的任何数量的因素而被认为是大约处于该值。系统和装置及其部件的尺寸和形状可以至少取决于将与系统和装置一起使用的部件的尺寸和形状。
外科可视化
一般来讲，外科可视化系统被配置为能够利用“数字外科手术”来获得关于患者的解剖结构和/或外科手术的附加信息。该外科可视化系统被进一步配置为以有帮助的方式将数据传达给一个或多个执业医生。本公开的各个方面提供了对患者的解剖结构和/或外科手术的改善的可视化，和/或使用可视化来提供对外科工具(在本文也称为“外科装置”或“外科器械”)的改善的控制。
“数字外科手术”可涵盖机器人系统、高级成像、高级仪器、人工智能、机器学习、用于性能跟踪和基准测试的数据分析、手术室(OR)内部和外部两者的连接性以及更多。尽管本文所述的各种外科可视化系统可与机器人外科系统结合使用，但外科可视化系统不限于与机器人外科系统一起使用。在某些情况下，使用外科可视化系统实现的外科可视化可在没有机器人以及/或者具有有限的机器人辅助和/或任选的机器人辅助的情况下进行。类似地，数字外科可在没有机器人以及/或者具有有限的和/或任选的机器人辅助的情况下进行。
在某些情况下，结合有外科可视化系统的外科系统可实现智慧切开以便识别和避开关键结构。关键结构包括解剖结构诸如输尿管、动脉诸如肠系膜上动脉、静脉诸如门静脉、神经诸如膈神经和/或肿瘤等解剖结构。在其他情况下，关键结构可以是解剖场中的外来结构，诸如外科装置、外科紧固件、夹具、大头钉、探条、带、板和其他外来结构。关键结构可基于不同患者和/或不同手术来确定。例如，智慧切开技术可提供用于解剖的改善的术中指导，并且/或者可利用关键解剖结构检测和避开技术来实现更智能的决策。
结合有外科可视化系统的外科系统可实现智慧吻合技术，该智慧吻合技术利用改善的工作流程在最佳位置处提供更一致的吻合。可利用外科可视化平台来改善癌症定位技术。例如，癌症定位技术可识别和跟踪癌症位置、取向及其边界。在某些情况下，癌症定位技术可在外科手术期间补偿外科器械、患者和/或患者的解剖结构的运动，以便为执业医生提供回到感兴趣点的指导。
外科可视化系统可提供改善的组织表征和/或淋巴结诊断和标测。例如，组织表征技术可在不需要物理触觉的情况下表征组织类型和健康，特别是当在组织内解剖和/或放置缝合装置时。某些组织表征技术可在没有电离辐射和/或造影剂的情况下使用。相对于淋巴结诊断和标测，外科可视化平台可例如在术前定位、标测和理想地诊断涉及癌性诊断和分期的淋巴系统和/或淋巴结。
在外科手术期间，执业医生可经由“肉眼”和/或成像系统获得的信息可提供外科部位的不完整视图。例如，某些结构(诸如嵌入或掩埋在器官内的结构)可至少部分地被隐蔽或隐藏起来使其不被看见。另外，某些尺寸和/或相对距离可能难以利用现有的传感器系统探知和/或难以让“肉眼”感知。此外，某些结构可在术前(例如，在外科手术之前但在术前扫描之后)和/或术中移动。在此类情况下，执业医生可能无法在术中准确地确定关键结构的位置。
当关键结构的位置不确定时和/或当关键结构与外科工具之间的接近度未知时，执业医生的决策过程可能受到阻碍。例如，执业医生可避开某些区域，以便避免意外切开关键结构；然而，所避开的区域可能不必要地较大和/或至少部分地错位。由于不确定性和/或过于/过度谨慎操作，执业医生可能无法进入某些期望的区域。例如，过度谨慎可能引起执业医生留下肿瘤和/或其他不期望的组织的一部分，以企图避开关键结构，即使关键结构不在该特定区域中和/或不会受到在该特定区域中工作的临床医生的负面影响。在某些情况下，可通过增加知识和/或确定性来改善外科结果，这可使得外科医生在特定解剖区域方面更加准确，并且在某些情况下，使得外科医生不那么保守/更有进取性。
外科可视化系统可允许术中识别和避开关键结构。因此，外科可视化系统可实现增强的术中决策制定和改善的外科结果。外科可视化系统可提供高级可视化能力，超出执业医生用“肉眼”所见的内容以及/或者超出成像系统可识别和/或传达给执业医生的内容。外科可视化系统可增强和加强执业医生在组织治疗(例如，切开等)之前能够知道的内容，并且因此可在各种情况下改善结果。因此，执业医生知道外科可视化系统正在跟踪例如可在切开期间接近的关键结构，可在整个外科手术中确信地保持动力。外科可视化系统可在足够长的时间内向执业医生提供指示，以使执业医生暂停和/或减慢外科手术并评估与关键结构的接近度，以防止对其造成意外损坏。外科可视化系统可向执业医生提供理想的、优化的和/或可定制的信息量，以允许执业医生确信地和/或快速地移动穿过组织，同时避免对健康组织和/或关键结构造成意外损坏，并因此最小化由外科手术引起的伤害风险。
下文详细描述外科可视化系统。一般来讲，外科可视化系统可包括被配置为能够发射多个光谱波的第一光发射器、被配置为能够发射光图案的第二光发射器以及被配置为能够检测可见光、对光谱波的分子响应(光谱成像)和/或光图案的接收器或传感器。外科可视化系统还可包括成像系统以及与接收器和成像系统信号通信的控制电路。基于来自接收器的输出，控制电路可确定外科部位处可见表面的几何表面标测图(例如，三维表面形貌)以及相对于外科部位的距离(诸如到至少部分隐藏结构的距离)。成像系统可将几何表面标测图和距离传达给执业医生。在此类情况下，提供给执业医生的外科部位的增强视图可提供外科部位的相关环境内的隐蔽结构的表示。例如，成像系统可在隐蔽和/或阻挡组织的几何表面标测图上虚拟地增强隐蔽结构，类似于在地面上绘制的线以指示表面下方的实用线。附加地或另选地，成像系统可传达外科工具与可见的阻挡组织和/或与至少部分隐蔽的结构的接近度以及/或者隐蔽结构在阻挡组织的可见表面下方的深度。例如，可视化系统可确定相对于可见组织的表面上的增强线的距离，并且将该距离传达到成像系统。
贯穿本公开，除非特别提到可见光，否则任何提到的“光”可包括电磁辐射(EMR)或EMR波长光谱的可见和/或不可见部分中的光子。可见光谱(有时被称为光学光谱或发光光谱)是电磁光谱中对人眼可见(例如，可被其检测)的那部分，并且可被称为“可见光”或简称为“光”。典型的人眼将对空气中约380nm至约750nm的波长作出响应。不可见光谱(例如，非发光光谱)是电磁光谱的位于可见光谱之下和之上的部分。人眼不可检测到不可见光谱。大于约750nm的波长长于红色可见光谱，并且它们变为不可见的红外(IR)、微波和无线电电磁辐射。小于约380nm的波长比紫色光谱短，并且它们变为不可见的紫外、x射线和γ射线电磁辐射。
图1例示了外科可视化系统100的实施方案。外科可视化系统100被配置为能够在解剖场内创建关键结构101的视觉表示。关键结构101可包括单个关键结构或多个关键结构。如本文所讨论的，关键结构101可以是多种结构中的任一种，诸如解剖结构(例如，输尿管、动脉诸如肠系膜上动脉、静脉诸如门静脉、神经诸如膈神经、血管、肿瘤、或其他解剖结构)或外来结构(例如，外科装置、外科紧固件、外科夹具、外科大头钉、探条、外科带、外科板、或其他外来结构)。如本文所讨论的，关键结构101可基于不同患者和/或不同手术来识别。关键结构以及使用可视化系统识别关键结构的实施方案在2020年10月6日发布的名称为“Visualization Of Surgical Devices”的美国专利号10,792,034中进一步描述，该专利据此全文以引用方式并入。
在一些情况下，关键结构101可嵌入组织103中。组织103可以是多种组织中的任一种，诸如脂肪、结缔组织、粘连和/或器官。换句话说，关键结构101可定位在组织103的表面105下方。在此类情况下，组织103隐蔽关键结构101使其不被执业医生的“肉眼”看见。组织103还遮蔽关键结构101使其不被外科可视化系统100的成像装置120看见。关键结构101可被部分地遮蔽使其不被执业医生和/或成像装置120看见，而不是被完全遮蔽。
外科可视化系统100可用于临床分析和/或医疗干预。在某些情况下，外科可视化系统100可在术中使用，以在外科手术期间向执业医生提供实时信息，诸如关于接近度数据、尺寸和/或距离的实时信息。本领域技术人员将理解，信息可能不是精确实时的，但出于多种原因中的任一种原因，诸如由数据传输引起的时间延迟、由数据处理引起的时间延误和/或测量设备的灵敏度，信息可能被认为是实时的。外科可视化系统100被配置用于在术中识别关键结构和/或有利于外科装置避开关键结构101。例如，通过识别关键结构101，执业医生可避免在外科手术期间在关键结构101和/或关键结构101的预定义接近度中的区域周围操纵外科装置。又如，通过识别关键结构101，执业医生可避免对关键结构101的切开和/或在该关键结构附近的切开，从而有助于防止对关键结构101造成损伤和/或帮助防止执业医生使用的外科装置被关键结构101损坏。
外科可视化系统100被配置为能够结合外科可视化系统的距离传感器系统104结合有组织识别和几何表面标测。结合起来，外科可视化系统100的这些特征部可确定关键结构101在解剖场内的位置以及/或者外科装置102与可见组织103的表面105和/或与关键结构101的接近度。此外，外科可视化系统100包括成像系统，该成像系统包括被配置为能够提供外科部位的实时视图的成像装置120。例如，成像装置120可包括光谱相机(例如，高光谱相机、多光谱相机或选择性光谱相机)，该光谱相机被配置为能够检测反射的光谱波形并且基于对不同波长的分子响应来生成图像的光谱立方体。来自成像装置120的视图可诸如在显示器(例如，监测器、计算机平板屏幕等)上实时地提供给执业医生。所显示的视图可利用基于组织识别、横向标测和距离传感器系统104的附加信息来增强。在此类情况下，外科可视化系统100包括多个子系统，即成像子系统、表面标测子系统、组织识别子系统和/或距离确定子系统。这些子系统可协作以在术中向执业医生提供高级数据合成和集成信息。
成像装置120可被配置为能够检测可见光、光谱光波(可见或不可见)和结构化光图案(可见或不可见)。成像装置120的示例包括窥镜，例如内窥镜、关节镜、血管镜、支气管镜、胆道镜、结肠镜、细胞镜、十二指肠镜、肠镜、食管胃十二指肠镜(胃镜)、喉镜、鼻咽肾镜、乙状结肠镜、胸腔镜、输尿管镜或外窥镜。窥镜在微创外科手术中可能特别有用。在开放式外科手术应用中，成像装置120可能不包括窥镜。
组织识别子系统可利用光谱成像系统来实现。光谱成像系统可依赖于诸如高光谱成像、多光谱成像或选择性光谱成像的成像。组织的高光谱成像的实施方案在2016年3月1日发布的名称为“System And Method For Gross Anatomic Pathology UsingHyperspectral Imaging”的美国专利号9,274,047中进一步描述，该专利据此全文以引用方式并入。
表面标测子系统可利用光图案系统来实现。使用光图案(或结构化光)进行表面标测的各种表面标测技术可用于本文所述的外科可视化系统中。结构化光是将已知图案(通常为网格或水平条)投射到表面上的过程。在某些情况下，可利用不可见的(或察觉不到的)结构化光，其中在不干扰投射图案可能混淆的其他计算机视觉任务的情况下使用该结构化光。例如，可利用在两个完全相反的图案之间交替的红外光或极快的可见光帧速率来防止干扰。表面标测和包括光源和用于投射光图案的投射仪的外科系统的实施方案在以下专利中进一步描述：2017年3月2日公开的名称为“Set Comprising A Surgical Instrument”的美国专利公布号2017/0055819；2017年9月7日公开的名称为“Depiction System”的美国专利公布号2017/0251900；以及2019年12月30日提交的名称为“Surgical Systems ForGenerate Three Dimensional Constructs Of Anatomical Organs And CouplingIdentified Anatomical Structures There”的美国专利申请号16/729,751，这些专利的全文据此以引用方式并入本文。
距离确定系统可结合到表面标测系统中。例如，可利用结构化光来生成可见表面105的三维(3D)虚拟模型并确定相对于可见表面105的各种距离。另外或另选地，距离确定系统可依赖于飞行时间测量来确定到外科部位处所识别的组织(或其他结构)的一个或多个距离。
外科可视化系统100还包括外科装置102。外科装置102可以是任何合适的外科装置。外科装置102的示例包括外科解剖器、外科缝合器、外科抓紧器、施夹器、排烟器、外科能量装置(例如，单极探头、双极探头、消融探头、超声装置、超声端部执行器等)等。在一些实施方案中，外科装置102包括具有相对的钳口的端部执行器，这些钳口从外科装置102的轴的远侧端部延伸并且被配置为能够接合两者之间的组织。
外科可视化系统100可被配置为能够识别关键结构101以及外科装置102与关键结构101的接近度。外科可视化系统100的成像装置120被配置为能够检测各种波长的光，诸如可见光、光谱光波(可见或不可见)和结构化光图案(可见或不可见)。成像装置120可包括用于检测不同信号的多个透镜、传感器和/或接收器。例如，成像装置120可以是高光谱、多光谱或选择性光谱相机，如本文所述。成像装置120可包括波形传感器122(诸如光谱图像传感器、检测器和/或三维相机透镜)。例如，成像装置120可包括一起使用以同时记录两个二维图像的右侧透镜和左侧透镜，并且因此生成外科部位的三维图像，渲染外科部位的三维(3D)图像，并且/或者确定外科部位处的一个或多个距离。另外或另选地，成像装置120可被配置为能够接收指示可见组织的形貌以及隐藏关键结构的识别和方位的图像，如本文进一步所述。例如，成像装置120的视场可与组织103的表面105上的光(结构化光)的图案重叠，如图1所示。
如在该例示的实施方案中一样，外科可视化系统100可结合到机器人外科系统110中。机器人外科系统110可具有多种构型，如本文所讨论的。在该例示的实施方案中，机器人外科系统110包括第一机器人臂112和第二机器人臂114。机器人臂112、114各自包括刚性结构构件116和接头118，这些接头可包括伺服马达控件。第一机器人臂112被配置为能够操纵外科装置102，并且第二机器人臂114被配置为能够操纵成像装置120。机器人外科系统110的机器人控制单元被配置为能够向第一机器人臂112和第二机器人臂114发出控制运动，这些控制运动可能分别影响外科装置102和成像装置120。
在一些实施方案中，机器人臂112、114中的一者或多者可与外科手术中使用的主机器人系统110分开。例如，机器人臂112、114中的至少一者可在没有伺服马达控件的情况下定位并与特定坐标系配准。例如，用于机器人臂112、114的闭环控制系统和/或多个传感器可控制和/或配准机器人臂112、114相对于特定坐标系的位置。类似地，外科装置102和成像装置120的方位可相对于特定坐标系配准。
机器人外科系统的示例包括OttavaTM机器人辅助外科手术系统(新泽西州新不伦瑞克的强生公司(Johnson&Johnson of New Brunswick,NJ))、da外科系统(加利福尼亚州桑尼维尔的直觉外科有限公司(Intuitive Surgical,Inc.of Sunnyvale,CA))、HugoTM机器人辅助外科手术系统(明尼苏达州明尼阿波利斯的美敦力公司(Medtronic PLCof Minneapolis,MN))、外科机器人系统(英国剑桥的CMR外科有限公司(CMRSurgical Ltd of Cambridge,UK))和平台(加利福尼亚州雷德伍德城的AurisHealth有限公司(Auris Health,Inc.of Redwood City,CA))。各种机器人外科系统以及使用机器人外科系统的实施方案在以下专利中进一步描述：美国专利公布号2018/0177556，名称为“Flexible Instrument Insertion Using An Adaptive Force Threshold”，2016年12月28日提交；美国专利公布号2020/0000530，名称为“Systems And Techniques ForProviding Multiple Perspectives During Medical Procedures”，2019年4月16日提交；美国专利公布号2020/0170720，名称为“Image-Based Branch Detection And MappingFor Navigation”，2020年2月7日提交；美国专利公布号2020/0188043，名称为“SurgicalRobotics System”，2019年12月9日提交；美国专利公布号2020/0085516，名称为“SystemsAnd Methods For Concomitant Medical Procedures”，2019年9月3日提交；美国专利公布号8,831,782，名称为“Patient-Side Surgeon Interface For A Teleoperated SurgicalInstrument”，2013年7月15日提交；以及国际专利公布号WO 2014151621，名称为“Hyperdexterous Surgical System”，2014年3月13日提交，这些专利据此全文以引用方式并入。
外科可视化系统100还包括发射器106。发射器106被配置为能够发射光的图案，诸如条纹、网格线和/或点，以使得能够确定表面105的形貌或地形。例如，投射光阵列130可用于表面105上的三维扫描和配准。投射光阵列130可从位于外科装置102和/或机器人臂112、114中的一者和/或成像装置120上的发射器106发射。在一个方面，外科可视化系统100使用投射光阵列130来确定由组织103的表面105和/或表面105在术中的运动限定的形状。成像装置120被配置为能够检测从表面105反射的投射光阵列130，以确定表面105的形貌以及相对于表面105的各种距离。
如在该例示的实施方案中一样，成像装置120可包括光学波形发射器123，诸如通过将该光学波形发射器安装在成像装置120上或以其他方式附着在该成像装置上。光学波形发射器123被配置为能够发射可穿透组织103的表面105并到达关键结构101的电磁辐射124(近红外(NIR)光子)。成像装置120和光学波形发射器123可能够由机器人臂114定位。光学波形发射器123安装在成像装置122上或以其他方式位于该成像装置上，但在其他实施方案中可定位在与成像装置120分开的外科装置上。成像装置120的对应波形传感器122(例如，图像传感器、光谱仪或振动传感器)被配置为能够检测由波形传感器122接收的电磁辐射的影响。由光学波形发射器123发射的电磁辐射124的波长被配置为能够使得能够识别解剖结构和/或物理结构(诸如关键结构101)的类型。关键结构101的识别可通过例如光谱分析、光声学和/或超声来实现。在一个方面，电磁辐射124的波长可以是可变的。波形传感器122和光学波形发射器123可包括例如多光谱成像系统和/或选择性光谱成像系统。在其他情况下，波形传感器122和光学波形发射器123可包括例如光声学成像系统。
外科可视化系统100的距离传感器系统104被配置为能够确定外科部位处的一个或多个距离。距离传感器系统104可以是飞行时间距离传感器系统，该飞行时间距离传感器系统包括发射器(诸如本例示的实施方案中的发射器106)并且包括接收器108。在其他情况下，飞行时间发射器可与结构化光发射器分开。发射器106可包括非常小的激光源，并且接收器108可包括匹配的传感器。距离传感器系统104被配置为能够检测“飞行时间”或由发射器106发射的激光反弹回到接收器108的传感器部分所花费的时间。在发射器106中使用非常窄的光源使得距离传感器系统104能够确定到距离传感器系统104正前方的组织103的表面105的距离。
在该例示的实施方案中，距离传感器系统104的接收器108定位在外科装置102上，但在其他实施方案中，接收器108可安装在单独的外科装置上，而不是安装在外科装置102上。例如，接收器108可安装在插管或套管针上，外科装置102延伸穿过该插管或套管针以到达外科部位。在其他实施方案中，用于距离传感器系统104的接收器108可安装在机器人系统110的与外科装置102所联接到的第一机器人臂112分开的机器人控制臂上(例如，安装在第二机器人臂114上)，可安装在由另一机器人操作的动臂上，或者安装到手术室(OR)台或固定装置。在一些实施方案中，成像装置120包括接收器108以允许使用外科装置102上的发射器106与成像装置120之间的线来确定从发射器106到组织103的表面105的距离。例如，可基于距离传感器系统104的发射器106(在外科装置102上)和接收器108(在成像装置120上)的已知方位来对距离de进行三角测量。接收器108的三维方位可以是已知的和/或在术中与机器人坐标平面配准。
如在例示的实施方案中一样，距离传感器系统104的发射器106的位置可由第一机器人臂112控制，并且距离传感器系统104的接收器108的位置可由第二机器人臂114控制。在其他实施方案中，外科可视化系统100可与机器人系统分开使用。在此类情况下，距离传感器系统104可独立于机器人系统。
在图1中，de是从发射器106到组织103的表面105的发射器-组织距离，并且dt是从外科装置102的远侧端部到组织103的表面105的装置-组织距离。距离传感器系统104被配置为能够确定发射器到组织的距离de。装置-组织距离dt可根据发射器106在外科装置102上(例如，在其靠近外科装置的远侧端部的轴上)相对于外科装置102的远侧端部的已知位置获得。换句话讲，当发射器106与外科装置102的远侧端部之间的距离已知时，装置-组织距离dt可根据发射器-组织距离de确定。在一些实施方案中，外科装置102的轴可包括一个或多个关节运动接头，并且可相对于外科装置102的远侧端部处的发射器106和钳口进行关节运动。关节运动构型可包括例如多接头椎骨状结构。在一些实施方案中，三维相机可用于对到表面105的一个或多个距离进行三角测量。
在图1中，dw是从位于成像装置120上的光学波形发射器123到关键结构101的表面的相机-关键结构距离，并且dA是关键结构101在组织103的表面105下方的深度(例如，表面105的最靠近外科装置102的部分与关键结构101之间的距离)。从位于成像装置120上的光学波形发射器123发射的光学波形的飞行时间被配置为能够确定相机-关键结构距离dw。
如图2所示，关键结构101相对于组织103的表面105的深度dA可通过以下方法来确定：根据距离dw以及发射器106在外科装置102上和光学波形发射器123在成像装置120上的已知位置(以及因此它们之间的已知距离dx)进行三角测量，以确定距离dy(其为距离de和dA之和)。另外或另选地，来自光学波形发射器123的飞行时间可被配置为能够确定从光学波形发射器123到组织103的表面105的距离。例如，第一波形(或波形范围)可用于确定相机-关键结构距离dw，并且第二波形(或波形范围)可用于确定到组织103的表面105的距离。在此类情况下，不同波形可用于确定关键结构101在组织103的表面105下方的深度。
附加地或另选地，距离dA可由超声、配准磁共振成像(MRI)或计算机断层摄影(CT)扫描来确定。在其他情况下，可利用光谱成像来确定距离dA，因为成像装置120接收到的检测信号可基于材料的类型(例如，组织103的类型)而变化。例如，脂肪可以第一方式或第一量降低检测信号，并且胶原可以不同的第二方式或第二量降低检测信号。
在图3所示的外科可视化系统160的另一实施方案中，外科装置162(而不是成像装置120)包括光学波形发射器123和被配置为能够检测反射的波形的波形传感器122。光学波形发射器123被配置为能够发射波形，以用于确定与公共装置(诸如外科装置162)的距离dt和dw，如本文所述。在此类情况下，从组织103的表面105到关键结构101的表面的距离dA可如下确定：
dA＝dw-dt
外科可视化系统100包括控制系统，该控制系统被配置为能够控制外科可视化系统100的各个方面。图4例示了可用作外科可视化系统100(或本文所述的其他外科可视化系统)的控制系统的控制系统133的一个实施方案。控制系统133包括被配置为能够与存储器134信号通信的控制电路132。存储器134被配置为能够存储可由控制电路132执行的指令，诸如用于确定和/或识别关键结构(例如，图1的关键结构101)的指令、用于确定和/或计算一个或多个距离和/或三维数字表示的指令，以及用于将某些信息传送给执业医生的指令。因此，存储在存储器134内的指令构成计算机程序产品，该计算机程序产品包括当由处理器执行时使处理器如上所述执行的指令。此类指令还可存储在任何计算机可读介质(诸如光盘、SD卡、USB驱动器等、或单独装置的存储器)上，指令可从该计算机可读介质复制到存储器134中或直接执行。复制或直接执行的过程涉及携带计算机程序产品的数据载体信号的创建。如在该例示的实施方案中一样，存储器134可存储表面标测逻辑部件136、成像逻辑部件138、组织识别逻辑部件140和距离确定逻辑部件141，但存储器134可存储逻辑部件136、138、140、141的任何组合和/或可将各种逻辑部件组合在一起。控制系统133还包括成像系统142，该成像系统包括相机144(例如，成像系统包括图1的成像装置120)、显示器146(例如，监测器、计算机平板屏幕等)，以及相机144和显示器146的控制器148。相机144包括图像传感器135(例如，波形传感器122)，该图像传感器被配置为能够接收来自发射各种可见光谱和不可见光谱下的光的各种光源(例如，可见光、光谱成像器、三维透镜等)的信号。显示器146被配置为能够向执业医生描绘真实的、虚拟的和/或虚拟增强的图像和/或信息。
在示例性实施方案中，图像传感器135是包含高达数百万个离散光电探测器部位(称为像素)的固态电子装置。图像传感器135技术属于以下两类中的一类：电荷耦接器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)成像器，并且近来，短波红外(SWIR)是一种新兴的成像技术。另一种类型的图像传感器135采用混合CCD/CMOS架构(以名称“sCMOS”出售)，并且由凸块粘结到CCD成像基板的CMOS读出集成电路(ROIC)组成。CCD和CMOS图像传感器135对约350nm至约1050nm范围内的波长，诸如约400nm至约1000nm范围内的波长敏感。本领域的技术人员将理解，值可能不精确地为某个值，但出于多种原因中的任一种原因，诸如测量装备和制造公差的灵敏度，值被认为是约为该值。一般来讲，CMOS传感器比CCD传感器对IR波长更敏感。固态图像传感器135基于光电效应，并且因此不能区分颜色。因此，存在两种类型的彩色CCD相机：单芯片和三芯片。单芯片彩色CCD相机提供常见的低成本成像解决方案，并且使用马赛克(例如，拜耳)光学滤光器将入射光分成一系列颜色，并且采用内插算法来解析全色图像。然后，每种颜色指向不同的像素集。三芯片彩色CCD相机通过采用棱镜将入射光谱的每个部分引导到不同的芯片来提供更高的分辨率。更准确的颜色再现是可能的，因为物体的空间中的每个点具有单独的RGB强度值，而不是使用算法来确定颜色。三芯片相机提供极高的分辨率。
控制系统133还包括发射器(例如，发射器106)，该发射器包括光谱光源150和结构化光源152，该光谱光源和该结构化光源各自可操作地联接到控制电路133。单个源可以是脉冲式的，以发射光谱光源150范围内的光的波长和结构化光源152范围内的光的波长。另选地，单个光源可以是脉冲式的，以提供不可见光谱中的光(例如，红外光谱光)和可见光谱上的光的波长。光谱光源150可以是例如高光谱光源、多光谱光源和/或选择性光谱光源。组织识别逻辑部件140被配置为能够经由由相机144的图像传感器135接收的来自光谱光源150的数据来识别关键结构(例如，图1的关键结构101)。表面标测逻辑部件136被配置为能够基于反射的结构化光来确定可见组织(例如，组织103)的表面轮廓。利用飞行时间测量，距离确定逻辑部件141被配置为能够确定到可见组织和/或关键结构的一个或多个距离。来自表面标测逻辑部件136、组织识别逻辑部件140和距离确定逻辑部件141中的每一者的输出被配置为能够提供给成像逻辑138，并且由成像逻辑部件138组合、混合和/或覆盖以经由成像系统142的显示器146传送给医疗从业者。
控制电路132可具有多种构型。图5例示了控制电路170的一个实施方案，该控制电路可用作被配置为能够控制外科可视化系统100的各方面的控制电路132。控制电路170被配置为能够实现本文所述的各种过程。控制电路170包括微控制器，该微控制器包括处理器172(例如，微处理器或微控制器)，该处理器可操作地联接到存储器174。存储器174被配置为能够存储机器可执行指令，这些机器可执行指令在由处理器172执行时使处理器172执行机器指令以实现本文所述的各种过程。处理器172可以是本领域中已知的数种单核处理器或多核处理器中的任一种处理器。存储器174可包括易失性存储介质和非易失性存储介质。处理器172包括指令处理单元176和运算单元178。指令处理单元176被配置为能够从存储器174接收指令。
表面标测逻辑部件136、成像逻辑部件138、组织识别逻辑部件140和距离确定逻辑部件141可具有多种构型。图6例示了组合逻辑电路180的一个实施方案，该组合逻辑电路被配置为能够使用诸如表面标测逻辑部件136、成像逻辑部件138、组织识别逻辑部件140和距离确定逻辑部件141中的一者或多者的逻辑部件来控制外科可视化系统100的各方面。组合逻辑电路180包括有限状态机，该有限状态机包括组合逻辑部件182，该组合逻辑部件被配置为能够在输入184处接收与外科装置(例如，外科装置102和/或成像装置120)相关联的数据，由组合逻辑部件182处理该数据，并且向控制电路(例如，控制电路132)提供输出184。
图7例示了顺序逻辑电路190的一个实施方案，该顺序逻辑电路被配置为能够使用诸如表面标测逻辑部件136、成像逻辑部件138、组织识别逻辑部件140和距离确定逻辑部件141中的一者或多者的逻辑部件来控制外科可视化系统100的各方面。顺序逻辑电路190包括有限状态机，该有限状态机包括组合逻辑部件192、存储器194和时钟196。存储器194被配置为能够存储有限状态机的当前状态。顺序逻辑电路190可为同步的或异步的。组合逻辑部件192被配置为能够在输入426处接收与外科装置(例如，外科装置102和/或成像装置120)相关联的数据，由组合逻辑部件192处理该数据，并且向控制电路(例如，控制电路132)提供输出499。在一些实施方案中，顺序逻辑电路190可包括处理器(例如，图5的处理器172)和有限状态机的组合以实现本文的各种过程。在一些实施方案中，有限状态机可包括组合逻辑电路(例如，图7的组合逻辑电路192)和顺序逻辑电路190的组合。
图8例示了外科可视化系统200的另一实施方案。外科可视化系统200通常类似于图1的外科可视化系统100来构造和使用，例如包括外科装置202和成像装置220。成像装置220包括光谱光发射器223，该光谱光发射器被配置为能够发射多个波长的光谱光，以获得例如隐藏结构的光谱图像。成像装置220还可包括三维相机和相关联的电子处理电路。外科可视化系统200被示出为在术中用于识别和有利于避开在器官203的表面205上不可见的某些关键结构，诸如器官203(在该实施方案中为子宫)中的输尿管201a和血管201b。
外科可视化系统200被配置为能够经由结构化光确定从外科装置202上的发射器206到子宫203的表面205的发射器-组织距离de。外科可视化系统200被配置为能够基于发射器-组织距离de来外推从外科装置202到子宫203的表面205的装置-组织距离dt。外科可视化系统200还被配置为能够确定从输尿管201a到表面205的组织-输尿管距离dA以及从成像装置220到输尿管201a的相机-输尿管距离dw。如本文例如相对于图1的外科可视化系统100所述，外科可视化系统200被配置为能够利用例如光谱成像和飞行时间传感器来确定距离dw。在各种实施方案中，外科可视化系统200可基于本文所述的其他距离和/或表面标测逻辑部件来确定(例如，三角测量)组织-输尿管距离dA(或深度)。
如上所述，外科可视化系统包括控制系统，该控制系统被配置为能够控制外科可视化系统的各个方面。控制系统可具有多种构型。图9例示了用于外科可视化系统(诸如图1的外科可视化系统100、图8的外科可视化系统200或本文所述的其他外科可视化系统)的控制系统600的一个实施方案。控制系统600是转换系统，其整合光谱特征组织识别和结构化光组织定位以识别关键结构(尤其是当这些结构被组织(例如，脂肪、结缔组织、血液组织和/或器官和/或血液)遮蔽时)，和/或检测组织可变性，诸如区分器官内的肿瘤和/或非健康组织与健康组织。
控制系统600被配置用于实现高光谱成像和可视化系统，其中利用分子响应来检测和识别外科视场中的解剖结构。控制系统600包括转换逻辑电路648，该转换逻辑电路被配置为能够将组织数据转换为外科医生和/或其他执业医生可用的信息。例如，可利用基于相对于遮蔽材料的波长的可变反射率来识别解剖结构中的关键结构。此外，控制系统600被配置为能够将所识别的光谱特征和结构光数据组合在图像中。例如，控制系统600可用于创建三维数据集，以在具有增强图像叠加的系统中用于外科用途。可在术中和术前两者使用附加视觉信息来使用技术。在各种实施方案中，控制系统600被配置为能够在接近一个或多个关键结构时向执业医生提供警告。可采用各种算法来基于外科手术和与关键结构的接近度引导机器人自动化和半自动化方法。
由控制系统600采用投射光阵列在术中确定组织形状和运动。另选地，闪光激光雷达可用于组织的表面标测。
控制系统600被配置为能够检测关键结构(如上所述，该关键结构可包括一个或多个关键结构)并且提供关键结构的图像叠加，并且测量到可见组织的表面的距离和到嵌入/掩埋关键结构的距离。控制系统600可测量到可见组织的表面的距离或检测关键结构，并且提供关键结构的图像叠加。
控制系统600包括光谱控制电路602。光谱控制电路602可为现场可编程门阵列(FPGA)或另一合适的电路构型，诸如相对于图6、图7和图8所描述的构型。光谱控制电路602包括处理器604，该处理器被配置为能够从视频输入处理器606接收视频输入信号。例如，处理器604可被配置用于高光谱处理并且可利用C/C++代码。例如，视频输入处理器606被配置为能够接收控制(元数据)数据的视频输入，诸如快门时间、波长和传感器分析。处理器604被配置为能够处理来自视频输入处理器606的视频输入信号并且将视频输出信号提供给视频输出处理器608，该视频输出处理器包括例如接口控制(元数据)数据的高光谱视频输出。视频输出处理器608被配置为能够将视频输出信号提供给图像叠加控制器610。
视频输入处理器606经由患者隔离电路614操作地联接到患者侧处的相机612。相机612包括固态图像传感器634。患者隔离电路614可包括多个变压器，使得患者与系统中的其他电路隔离。相机612被配置为能够通过光学器件632和图像传感器634接收术中图像。图像传感器634可包括例如CMOS图像传感器，或者可包括另一图像传感器技术，诸如本文结合图4所讨论的图像传感器技术。相机612被配置为能够以14比特/像素信号输出613个图像。本领域技术人员将理解，可采用更高或更低的像素分辨率。隔离的相机输出信号613被提供给彩色RGB融合电路616，在该例示的实施方案中，该融合电路采用硬件寄存器618和Nios2协处理器620，该硬件寄存器和该Nios2协处理器被配置为能够处理相机输出信号613。彩色RGB融合输出信号被提供给视频输入处理器606和激光脉冲控制电路622。
激光脉冲控制电路622被配置为能够控制激光引擎624。激光引擎624被配置为能够输出包括近红外(NIR)的多个波长(λ1、λ2、λ3……λn)的光。激光引擎624可在多种模式下操作。例如，激光引擎624可在两种模式下操作。在第一模式(例如，正常操作模式)下，激光引擎624被配置为能够输出照明信号。在第二模式(例如，识别模式)下，激光引擎624被配置为能够输出RGBG和NIR光。在各种实施方案中，激光引擎624可在偏振模式下操作。
来自激光引擎624的光输出626被配置为能够照亮术中外科部位627中的靶向解剖结构。激光脉冲控制电路622还被配置为能够控制用于激光图案投射仪630的激光脉冲控制器628，该激光图案投射仪被配置为能够将预先确定的波长(λ2)的激光图案631(诸如线和/或点的网格或图案)投射在外科部位627处的手术组织或器官上。相机612被配置为能够接收图案化光以及通过相机光学器件632输出的反射光。图像传感器634被配置为能够将所接收的光转换成数字信号。
彩色RGB融合电路616还被配置为能够将信号输出到图像叠加控制器610和视频输入模块636，以用于读取由激光图案投射仪630投射到外科部位627处的靶向解剖结构上的激光图案631。处理模块638被配置为能够处理激光图案631并且输出表示到外科部位627处的可见组织的距离的第一视频输出信号640。数据被提供给图像叠加控制器610。处理模块638还被配置为能够输出表示外科部位处的靶向解剖结构的组织或器官的三维渲染形状的第二视频信号642。
第一视频输出信号640和第二视频输出信号642包括表示关键结构在三维表面模型上的方位的数据，该数据被提供给整合模块643。结合来自光谱控制电路602的视频输出处理器608的数据，整合模块643被配置为能够确定到掩埋关键结构的距离(例如，图1的距离dA)(例如，经由三角测量算法644)，并且到掩埋关键结构的距离可经由视频输出处理器646提供给图像叠加控制器610。上述转换逻辑部件可涵盖转换逻辑电路648、中间视频监测器652以及定位在外科部位627处的相机624/激光图案投射仪630。
在各种情况下，可采用诸如来自CT或MRI扫描的术前数据650来配准或匹配某些三维可变形组织。此类术前数据650可被提供给整合模块643并最终提供给图像叠加控制器610，使得此类信息可与来自相机612的视图叠加并被提供给视频监测器652。术前数据的配准的实施方案在2018年9月11日提交的名称为“Integration Of Imaging Data”的美国专利公布号2020/0015907中进一步描述，该专利据此全文以引用方式并入本文。
视频监测器652被配置为能够从图像叠加控制器610输出整合/增强视图。执业医生可在一个或多个显示器上在不同视图之间选择和/或切换。在第一显示器652a上(在该例示的实施方案中，该第一显示器为监测器)，执业医生可在(A)其中描绘可见组织的三维渲染的视图与(B)其中在可见组织的三维渲染上描绘一个或多个隐藏关键结构的增强视图之间切换。在第二显示器652b上(在该例示的实施方案中，该第二显示器为监测器)，执业医生可例如将距离测量切换到一个或多个隐藏关键结构和/或可见组织的表面。
本文所述的各种外科可视化系统可用于对各种不同类型的组织和/或解剖结构进行可视化，包括可被光谱的可见部分中的EMR遮蔽而无法可视化的组织和/或解剖结构。外科可视化系统可利用如上所述的光谱成像系统，该光谱成像系统可被配置为能够基于不同类型的组织的组成材料的变化组合来可视化不同类型的组织。特别地，光谱成像系统可被配置为能够基于组织在各种EMR波长上的吸收系数来检测被可视化的组织内各种组成材料的存在。光谱成像系统可被配置为能够基于组成材料的特定组合来表征被可视化的组织的组织类型。
图10示出了描绘各种生物材料的吸收系数如何在EMR波长光谱上变化的曲线图300。在曲线图300中，竖直轴线302表示生物材料的吸收系数(以cm-1为单位)，水平轴线304表示EMR波长(以μm为单位)。曲线图300中的第一条线306表示水在各种EMR波长下的吸收系数，第二条线308表示蛋白质在各种EMR波长下的吸收系数，第三条线310表示黑色素在各种EMR波长下的吸收系数，第四条线312表示脱氧血红蛋白在各种EMR波长下的吸收系数，第五条线314表示氧合血红蛋白在各种EMR波长下的吸收系数，以及第六条线316表示胶原蛋白在各种EMR波长下的吸收系数。不同的组织类型具有组成材料的不同组合，因此由外科可视化系统可视化的组织类型可以根据检测到的组成材料的特定组合来识别和区分。因此，外科可视化系统的光谱成像系统可被配置为能够发射多个不同波长的EMR，基于在不同波长处检测到的吸收EMR吸收响应来确定组织的组成材料，然后基于组成材料的特定检测组合来表征组织类型。
图11示出了利用光谱成像技术来对不同组织类型和/或解剖结构进行可视化的实施方案。在图11中，光谱发射器320(例如，图4的光谱光源150)被成像系统用来对外科部位322进行可视化。由光谱发射器320发射并从外科部位322处的组织和/或结构反射的EMR由图像传感器(例如，图4的图像传感器135)接收，以对组织和/或结构进行可视化，该组织和/或结构可以是可见的(例如，位于外科部位322的表面处)或被遮蔽的(例如，位于外科部位322处的其他组织和/或结构的下面)。在该实施方案中，成像系统(例如，图4的成像系统142)基于光谱特征来对肿瘤324、动脉326和各种异常328(例如，与已知或预期的光谱特征不相符的组织)进行可视化，这些光谱特征由不同组织/结构类型中的每一者的组成材料的不同吸收特性(例如，吸收系数)来表征。可视化的组织和结构可显示在与成像系统相关联或联接到该成像系统的显示屏上(例如，图4的成像系统142的显示器146)、主显示器上(例如，图19的主显示器819)、非无菌显示器上(例如，图19的非无菌显示器807、809)、外科集线器的显示器上(例如，图19的外科集线器806的显示器)、装置/器械显示器上、和/或另一显示器上。
成像系统可被配置为能够根据所识别的组织和/或结构类型来定制或更新所显示的外科部位可视化。例如，如图11所示，成像系统可在与成像系统相关联或联接到该成像系统的显示屏上、在主显示器上、在非无菌显示器上、在外科集线器的显示器上、在装置/器械显示器上和/或在另一显示器上显示与被可视化的肿瘤324相关联的边界330。边界330可指示应切除以确保肿瘤324完全切除的组织的面积或数量。外科可视化系统的控制系统(例如，图4的控制系统133)可被配置为能够基于由成像系统识别的组织和/或结构来控制或更新边缘330的尺寸。在该例示的实施方案中，成像系统已识别视场(FOV)内的多个异常328。因此，控制系统可将所显示的边界330调整到第一更新的边界332，该第一更新的边界具有足够的尺寸来涵盖异常328。此外，成像系统还识别出与最初显示的边界330部分重叠的动脉326(如动脉326的高亮区域334所指示)。因此，控制系统可将所显示的边界调整到第二更新的边界336，该第二更新的边界具有足够的尺寸来涵盖动脉326的相关部分。
作为上文关于图10和图11所描述的组织和/或结构的吸收特性的补充或代替，还可根据组织和/或结构的反射特性在EMR波长光谱上对其进行成像或表征。例如，图12、图13和图14例示了不同类型的组织或结构在不同EMR波长上的反射率的各种曲线图。图12为说明性输尿管特征对遮蔽物的图形表示340。图13为说明性动脉特征对遮蔽物的图形表示342。图14为说明性神经特征对遮蔽物的图形表示344。图12、图13和图14中的曲线表示特定结构(输尿管、动脉和神经)相对于脂肪、肺组织和血液在相应波长的相应反射率的反射率与波长(nm)的函数关系。这些曲线图仅仅是出于说明性目的，并且应当理解，其他组织和/或结构可以具有相应的可检测反射特征，该反射特征将允许对组织和/或结构进行识别和可视化。
可基于外科部位处的预期关键结构和/或遮蔽物来识别和利用用于光谱成像的选定波长(例如，“选择性光谱”成像)。通过利用选择性光谱成像，可使获得光谱图像所需的时间量最小化，使得可实时获得信息，并在手术中加以利用。这些波长可由执业医生或由控制电路基于用户(例如，执业医生)的输入来选择。在某些情况下，波长可基于机器学习和/或控制电路可经由例如云或外科集线器访问的大数据来选择。
图15例示了对组织进行光谱成像的一个实施方案，该组织在术中用于测量波形发射器和被组织遮蔽的关键结构之间的距离。图15示出了利用波形424、425的飞行时间传感器系统404的实施方案。飞行时间传感器系统404可被结合到外科可视化系统中，例如作为图1的外科可视化系统100的传感器系统104。飞行时间传感器系统404包括位于同一外科装置402上的波形发射器406和波形接收器408(例如，位于图1的同一外科装置102上的发射器106和接收器108)。所发射的波400从发射器406延伸到关键结构401(例如，图1的关键结构101)，并且所接收的波425被接收器408从关键结构401反射回去。在该例示的实施方案中，外科装置402穿过延伸到患者的腔407中的套管针410定位。尽管在该例示的实施方案中使用了套管针410，但也可使用其他套管针或其他进入装置，或者可不使用进入装置。
波形424、425被配置为能够诸如通过具有NIR或SWIR光谱波长中的波长来穿透遮蔽组织403。光谱信号(例如，高光谱、多光谱或选择性光谱)或光声信号从发射器406发射(如指向远侧的第一箭头407所示)，并且可穿透其中关键结构401隐蔽的组织403。所发射的波形424被关键结构401反射，如指向近侧的第二箭头409所示。所接收的波形425可由于外科装置402的远侧端部与关键结构401之间的距离d而被延迟。可基于关键结构401的光谱特征来选择波形424、425以靶向组织403内的关键结构401，如本文所述。发射器406被配置为能够提供二进制信号开和关，如图16所示，例如该二进制信号可由接收器408测量。
基于所发射的波424与所接收的波425之间的延迟，飞行时间传感器系统404被配置为能够确定距离d。图16中示出图15的发射器406和接收器408的飞行时间时序图430。延迟是距离d的函数，并且距离d由下式给出：
其中c＝光的速度；t＝脉冲的长度；q1＝发射光时累积的电荷；q2＝不发射光时累积的电荷。
波形424、425的飞行时间对应于图15中的距离d。在各种情况下，附加发射器/接收器和/或来自发射器406的脉冲信号可被配置为能够发射非穿透信号。非穿透信号可被配置为能够确定从发射器406到遮蔽组织403的表面405的距离。在各种情况下，关键结构401的深度可由下式确定：
dA＝dw-dt
其中dA＝关键结构401的深度；dw＝从发射器406到关键结构401的距离(图15中的d)；以及dt＝从发射器406(在外科装置402的远侧端部上)到遮蔽组织403的表面405的距离。
图17例示了利用波524a、524b、524c、525a、525b、525c的飞行时间传感器系统504的另一实施方案。飞行时间传感器系统504可被结合到外科可视化系统中，例如作为图1的外科可视化系统100的传感器系统104。飞行时间传感器系统504包括波形发射器506和波形接收器508(例如，图1的发射器106和接收器108)。波形发射器506定位在第一外科装置502a(例如，图1的外科装置102)上，并且波形接收器508定位在第二外科装置502b上。外科装置502a、502b分别穿过第一套管针510a和第二套管针510b定位，这两个套管针延伸到患者的腔507中。尽管在该例示的实施方案中使用了套管针510a、510b，但也可使用其他套管针或其他进入装置，或者可不使用进入装置。所发射的波524a、524b、524c从发射器506朝向外科部位延伸，并且所接收的波525a、525b、525c从外科部位处的各种结构和/或表面反射回接收器508。
不同的发射波524a、524b、524c被配置为能够靶向外科部位处的不同类型的材料。例如，波524a靶向遮蔽组织503，波524b靶向第一关键结构501a(例如，图1的关键结构101)，该第一关键结构在该例示的实施方案中为血管，并且波524c靶向第二关键结构501b(例如，图1的关键结构101)，该第二关键结构在该例示的实施方案中为癌肿瘤。波524a、524b、524c的波长可在可见光、NIR或SWIR波长光谱中。例如，可见光可从组织503的表面505反射，并且NIR和/或SWIR波形可穿透组织503的表面505。在各个方面，如本文所述，光谱信号(例如，高光谱、多光谱或选择性光谱)或光声学信号可从发射器506发射。可基于关键结构501a、501b的光谱特征来选择波524b、524c以靶向组织503内的关键结构501a、501b，如本文所述。光声学成像在各种美国专利申请中进一步描述，这些专利申请在本公开中以引用方式并入本文。
所发射的波524a、524b、524c从靶向材料(即，分别为表面505、第一关键结构501a和第二结构501b)反射。所接收的波形525a、525b、525c可由于距离d1a、d2a、d3a、d1b、d2b、d2c而被延迟。
在其中发射器506和接收器508可独立定位(例如，定位在单独的外科装置502a、502b上和/或由单独的机器人臂控制)的飞行时间传感器系统504中，可根据发射器506和接收器508的已知方位计算各种距离d1a、d2a、d3a、d1b、d2b、d2c。例如，当外科装置502a、502b由机器人控制时，这些方位可以是已知的。关于发射器506和接收器508的位置以及光子流靶向某一组织的时间的知识以及由接收器508接收的该特定响应的信息可允许确定距离d1a、d2a、d3a、d1b、d2b、d2c。在一个方面，可使用穿透波长对到被遮蔽的关键结构501a、501b的距离进行三角测量。由于光的速度对于任何波长的可见光或不可见光是恒定的，因此飞行时间传感器系统504可确定各种距离。
在诸如在显示器上提供给执业医师的视图中，可旋转接收器508，使得所得图像中的靶结构的质心保持恒定(例如，在垂直于选定靶结构503、501a或501b的轴线的平面中)。这种取向可快速传送相对于靶结构的一个或多个相关距离和/或视角。例如，如图17所示，从关键结构501a垂直于视平面(例如，血管在页面内/页面外取向)的视角显示外科部位。这种取向可以是默认设置；然而，该视图可由执业医生旋转或以其他方式调整。在某些情况下，执业医生可在限定由成像系统提供的外科部位的视角的不同表面和/或靶结构之间切换。
如在该例示的实施方案中一样，接收器508可安装在套管针510b(或其他进入装置)上，外科装置502b通过该套管针定位。在其他实施方案中，接收器508可安装在三维方位已知的单独机器人臂上。在各种情况下，接收器508可安装在与控制外科装置502a的机器人外科系统分开的动臂上，或者可安装到可在术中与机器人坐标平面配准的手术室(OR)工作台或固定装置。在此类情况下，发射器506和接收器508的位置可能够与同一坐标平面配准，使得可根据来自飞行时间传感器系统504的输出对距离进行三角测量。
飞行时间传感器系统和近红外光谱(NIRS)相结合，称为TOF-NIRS，能够以纳秒分辨率测量近红外光的时间分辨剖面，可见于“Time-Of-Flight Near-InfraredSpectroscopy For Nondestructive Measurement Of Internal Quality InGrapefruit”，《美国园艺学会杂志》(Journal of the American Society forHorticultural Science)，2013年5月，第138卷，第3 225-228期，其全部内容据此以引用方式并入本文。
可视化系统及其方面和用途的实施方案在以下专利中进一步描述：2018年9月11日提交的名称为“Surgical Visualization Platform”的美国专利公布号2020/0015923；2018年9月11日提交的名称为“Controlling An Emitter Assembly Pulse Sequence”的美国专利公布号2020/0015900；2018年9月11日提交的名称为“Singular EMR SourceEmitter Assembly”的美国专利公布号2020/0015668；2018年9月11日提交的名称为“Combination Emitter And Camera Assembly”的美国专利公布号2020/0015925；2018年9月11日提交的名称为“Surgical Visualization With Proximity Tracking Features”的美国专利公布号2020/00015899；2018年9月11日提交的名称为“Surgical VisualizationOf Multiple Targets”的美国专利公布号2020/00015903；2018年9月11日提交的名称为“Visualization Of Surgical Devices”的美国专利号10,792,034；2018年9月11日提交的名称为“Operative Communication Of Light”的美国专利公布号2020/0015897；2018年9月11日提交的名称为“Robotic Light Projection Tools”的美国专利公布号2020/0015924；2018年9月11日提交的名称为“Surgical Visualization Feedback System”的美国专利公布号2020/0015898；2018年9月11日提交的名称为“Surgical Visualization AndMonitoring”的美国专利公布号2020/0015906；2018年9月11日提交的名称为“IntegrationOf Imaging Data”的美国专利公布号2020/0015907；2018年9月11日提交的名称为“Robotically-Assisted Surgical Suturing Systems”的美国专利号10,925,598；2018年9月11日提交的名称为“Safety Logic For Surgical Suturing Systems”的美国专利公布号2020/0015901；2018年9月11日提交的名称为“Robotic Systems With SeparatePhotoacoustic Receivers”的美国专利公布号2020/0015914；2018年9月11日提交的名称为“Force Sensor Through Structured Light Deflection”的美国专利公布号2020/0015902；2018年12月4日提交的名称为“Method Of Hub Communication”的美国专利公布号2019/0201136；2019年12月30日提交的名称为“Analyzing Surgical Trends By ASurgical System”的美国专利申请号16/729,772；2019年12月30日提交的名称为“DynamicSurgical Visualization Systems”的美国专利申请号16/729,747；2019年12月30日提交的名称为“Visualization Systems Using Structured Light”的美国专利申请号16/729,744；2019年12月30日提交的名称为“System And Method For Determining,Adjusting,And Managing Resection Margin About A Subject Tissue”的美国专利申请号16/729,778；2019年12月30日提交的名称为“Surgical Systems For Proposing AndCorroborating Organ Portion Removals”的美国专利申请号16/729,729；2019年12月30日提交的名称为“Surgical System For Overlaying Surgical Instrument Data Onto AVirtual Three Dimensional Construct Of An Organ”的美国专利申请号16/729,778；2019年12月30日提交的名称为“Surgical Systems For Generating Three DimensionalConstructs Of Anatomical Organs And Coupling Identified Anatomical StructuresThereto”的美国专利申请号16/729,751；2019年12月30日提交的名称为“SurgicalSystems Correlating Visualization Data And Powered Surgical Instrument Data”的美国专利申请号16/729,740；2019年12月30日提交的名称为“Adaptive SurgicalSystem Control According To Surgical Smoke Cloud Characteristics”的美国专利申请号16/729,737；2019年12月30日提交的名称为“Adaptive Surgical System ControlAccording To Surgical Smoke Particulate Characteristics”的美国专利申请号16/729,796；2019年12月30日提交的名称为“Adaptive Visualization By A SurgicalSystem”的美国专利申请号16/729,803；2019年12月30日提交的名称为“Method Of UsingImaging Devices In Surgery”的美国专利申请号16/729,807；2021年9月29日提交的名称为“Surgical Devices,Systems,and Methods Using Fiducial Identification andTracking”的美国临时专利申请号63/249,652；2021年9月29日提交的名称为“SurgicalDevices,Systems,and Methods for Control of One Visualization with Another”的美国临时专利申请号63/249,658；2021年9月29日提交的名称为“Methods and Systemsfor Controlling Cooperative Surgical Instruments”的美国临时专利申请号63/249,870；2021年9月29日提交的名称为“Methods and Systems for Controlling CooperativeSurgical Instruments with Variable Surgical Site Access Trajectories”的美国临时专利申请号63/249,881；2021年9月29日提交的名称为“Methods and Systems forControlling Cooperative Surgical Instruments”的美国临时专利申请号63/249,877；和2021年9月29日提交的名称为“Cooperative Access”的美国临时专利申请号63/249,980，这些专利据此全文以引用方式并入。
外科集线器
本文所述的各种可视化或成像系统可结合到包括外科集线器的系统中。一般来讲，外科集线器可以是能够跨越多个医疗设施的综合数字医疗系统的部件，并且被配置为能够向大量患者提供综合全面的改善的医疗护理。该综合数字医疗系统包括基于云的医疗分析系统，其被配置为能够互连到跨许多不同医疗设施定位的多个外科集线器。外科集线器被配置为能够与一个或多个元件互连，诸如用于对患者实施医疗手术的一个或多个外科器械和/或在执行医疗手术期间使用的一个或多个可视化系统。外科集线器提供了各种各样的功能以改善医疗手术的结果。可将由各种外科装置、可视化系统和外科集线器生成的关于患者和医疗手术的数据传输到基于云的医疗分析系统。然后，可将该数据与从位于其他医疗设施处的许多其他外科集线器、可视化系统和外科器械收集的类似数据进行汇总。可通过基于云的分析系统分析所收集的数据发现各种模式和相关性。结果，可生成用于生成数据的技术的改善，并且这些改善然后可被传播到各种外科集线器、可视化系统和外科器械。由于所有前述部件的互连，可发现医疗手术和实践中的改进，否则如果许多部件没有如此互连，则可能不会发现该改进。
被配置为能够接收、分析和输出数据的外科集线器以及使用此类外科集线器的方法的示例在以下专利中进一步描述：2018年12月4日提交的名称为“Method Of HubCommunication,Processing,Storage And Display”的美国专利公布号2019/0200844；2018年12月4日提交的名称为“Method Of Compressing Tissue Within A StaplingDevice And Simultaneously Displaying The Location Of The Tissue Within TheJaws”的美国专利公布号2019/0200981；2018年12月4日提交的名称为“Method ForControlling Smart Energy Devices”的美国专利公布号2019/0201046；2018年3月29日提交的名称为“Adaptive Control Program Updates For Surgical Hubs”的美国专利公布号2019/0201114；2018年3月29日提交的名称为“Surgical Hub Situational Awareness”的美国专利公布号2019/0201140；2018年3月29日提交的名称为“Interactive SurgicalSystems With Condition Handling Of Devices And Data Capabilities”的美国专利公布号2019/0206004；2018年3月29日提交的名称为“Cloud-based Medical Analytics ForCustomization And Recommendations To A User”的美国专利公布号2019/0206555；以及2018年11月6日提交的名称为“Surgical Network Determination Of Prioritization OfCommunication,Interaction,Or Processing Based On System Or Device Needs”的美国专利公布号2019/0207857，这些专利据此全文以引用方式并入本文。
图18例示了计算机实现的交互式外科系统700的一个实施方案，其包括一个或多个外科系统702和基于云的系统(例如，可包括联接到存储装置705的远程服务器713的云704)。每个外科系统702包括与云704通信的至少一个外科集线器706。在一个示例中，如图18所示，外科系统702包括可视化系统708、机器人系统710和智能(或“智慧”)外科器械712，它们被配置为能够彼此通信并且/或者与集线器706通信。智能外科器械712可包括成像装置。外科系统702可包括M个集线器706、N个可视化系统708、O个机器人系统710和P个智能外科器械712，其中M、N、O和P为大于或等于一的整数，其可等于或不等于彼此中的任一者或多者。本文描述了各种示例性智能外科器械和机器人系统。
由外科集线器从外科可视化系统收集的数据可以多种方式中的任一种使用。在示例性实施方案中，外科集线器可接收来自在外科环境中与患者一起使用(例如，在外科手术的执行期间在手术室中使用)的外科可视化系统的数据。外科集线器可以一种或多种方式中的任一种方式使用所接收的数据，如本文所讨论的。
外科集线器可被配置为能够使用外科可视化系统实时地分析所接收的数据，并且基于对所接收的数据的分析来调整对与患者一起使用的外科可视化系统和/或一个或多个智能外科器械中的一者或多者的控制。这种调整可包括例如调整智能外科器械的一个或多个操作控制参数、使一个或多个智能外科器械的一个或多个传感器进行测量以帮助获得患者的当前生理状况和/或智能外科器械的当前操作状态的理解、以及其他调整。下文将进一步讨论智能外科器械的控制和调整操作。智能外科器械的操作控制参数的示例包括马达速度、切割元件速度、时间、持续时间、能量施加水平以及光发射。外科集线器以及控制和调整智能外科器械操作的示例在先前提及的以下专利中进一步描述：2019年12月30日提交的名称为“Analyzing Surgical Trends By A Surgical System”的美国专利申请号16/729,772；2019年12月30日提交的名称为“Dynamic Surgical Visualization Systems”的美国专利申请号16/729,747；2019年12月30日提交的名称为“Visualization Systems UsingStructured Light”的美国专利申请号16/729,744；2019年12月30日提交的名称为“SystemAnd Method For Determining,Adjusting,And Managing Resection Margin About ASubject Tissue”的美国专利申请号16/729,778；2019年12月30日提交的名称为“SurgicalSystems For Proposing And Corroborating Organ Portion Removals”的美国专利申请号16/729,729；2019年12月30日提交的名称为“Surgical System For OverlayingSurgical Instrument Data Onto A Virtual Three Dimensional Construct Of AnOrgan”的美国专利申请号16/729,778；2019年12月30日提交的名称为“Surgical SystemsFor Generating Three Dimensional Constructs Of Anatomical Organs And CouplingIdentified Anatomical Structures Thereto”的美国专利申请号16/729,751；2019年12月30日提交的名称为“Surgical Systems Correlating Visualization Data AndPowered Surgical Instrument Data”的美国专利申请号16/729,740；2019年12月30日提交的名称为“Adaptive Surgical System Control According To Surgical Smoke CloudCharacteristics”的美国专利申请号16/729,737；2019年12月30日提交的名称为“Adaptive Surgical System Control According To Surgical Smoke ParticulateCharacteristics”的美国专利申请号16/729,796；2019年12月30日提交的名称为“Adaptive Visualization By A Surgical System”的美国专利申请号16/729,803；以及2019年12月30日提交的名称为“Method Of Using Imaging Devices In Surgery”的美国专利申请号16/729,807；以及2020年10月13日提交的名称为“Adaptive Responses FromSmart Packaging Of Drug Delivery Absorbable Adjuncts”的美国专利申请号17/068,857；2020年10月13日提交的名称为“Drug Administration Devices That CommunicateWith Surgical Hubs”的美国专利申请号17/068,858；2020年10月13日提交的名称为“Controlling Operation Of Drug Administration Devices Using Surgical Hubs”的美国专利申请号17/068,859；2020年10月13日提交的名称为“Patient Monitoring UsingDrug Administration Devices”的美国专利申请号17/068,863；2020年10月13日提交的名称为“Monitoring And Communicating Information Using Drug AdministrationDevices”的美国专利申请号17/068,865；2020年10月13日提交的名称为“Aggregating AndAnalyzing Drug Administration Data”的美国专利申请号17/068,867，这些专利据此全文以引用方式并入。
外科集线器可被配置为能够使得在外科环境中在显示器上提供所接收的数据的可视化，使得外科环境中的执业医生可查看该数据并由此接收对在外科环境中使用的成像装置的操作的理解。经由可视化提供的此类信息可包括文本和/或图像。
图19例示了外科系统802的一个实施方案，其包括外科集线器806(例如，图18的外科集线器706或本文所述的其他外科集线器)、机器人外科系统810(例如，图1的机器人外科系统110或本文的其他机器人外科系统)和可视化系统808(例如，图1的可视化系统100或本文所述的其他可视化系统)。如本文所讨论的，外科集线器806可与云通信。图19示出了外科系统802用于对平躺在外科手术室816中的手术台814上的患者执行外科手术。机器人系统810包括外科医生的控制台818、患者侧推车820(外科机器人)和机器人系统外科集线器822。机器人系统外科集线器822通常被配置为能够类似于外科集线器822并且可与云通信。在一些实施方案中，机器人系统外科集线器822和外科集线器806可以组合。患者侧推车820可通过患者身体中的微创切口操纵智能外科工具812，同时执业医生(例如，外科医生、护士和/或其他执业医生)通过外科医生控制台818查看外科部位。外科部位的图像可由成像装置824(例如，图1的成像装置120或本文所述的其他成像装置)获得，该成像装置可由患者侧推车820操纵以对成像装置824进行取向。机器人系统外科集线器822可用于处理外科部位的图像，以随后通过外科医生的控制台818显示给外科医生。
主显示器819被定位在手术室816的无菌区中并且被配置为能够对于手术台814处的操作者可见。此外，如在该例示的实施方案中一样，可视化塔818可被定位在无菌区外部。可视化塔818包括彼此背离的第一非无菌显示器807和第二非无菌显示器809。由外科集线器806引导的可视化系统808被配置为能够利用显示器807、809、819来将信息流协调到无菌区内部和外部的执业医生。例如，外科集线器806可使可视化系统808在非无菌显示器807或809中的一者或两者上显示如由成像装置824获得的外科部位的快照和/或视频，同时保持外科部位在主显示器819上的实时馈送。例如，非无菌显示器807或809上的快照和/或视频可允许非无菌执业医生执行与外科手术相关的诊断步骤。
外科集线器806被配置为能够将由非无菌执业医生在可视化塔818处输入的诊断输入或反馈路由至无菌场内的主显示器819，其中可由手术台814处的无菌执业医生查看该诊断输入或反馈。例如，输入可呈对显示在非无菌显示器807和/或809上的快照和/或视频的修改形式，其可通过外科集线器806路由到主显示器819。
外科集线器806被配置为能够将信息流协调至智能外科器械812的显示器，如在各种美国专利申请中所描述的那样，这些专利申请在本公开中以引用方式并入本文。由非无菌操作者在可视化塔818处输入的诊断输入或反馈可由外科集线器806路由到无菌区内的显示器819，其中外科器械812的操作者和/或无菌区中的其他执业医生可查看该诊断输入或反馈。
智能外科器械812和成像装置824(该成像装置也是智能外科工具)作为外科系统802的一部分在外科手术中与患者一起使用。可在例如外科手术中使用(可移除地联接到患者侧推车820并与机器人外科系统810和外科集线器806通信)的其他智能外科器械812a也在图19中示出为可用的。不能与机器人外科系统810和外科集线器806通信的非智能(或“哑巴”)外科器械817(例如，剪刀、套管针、插管、手术刀等)也在图19中示出为可供使用。
操作智能外科器械
智能外科装置可具有存储在其上(例如，存储在其存储器中)的算法，该算法被配置为能够可例如通过其处理器在智能外科装置上执行，以控制智能外科装置的操作。在一些实施方案中，作为存储在智能外科装置上的替代或补充，算法可存储在被配置为能够与智能外科装置通信的外科集线器上，例如存储在其存储器中。
算法以定义和/或表示指令、通知、信号等的一组或多组多个数据点的形式存储，以控制智能外科装置的功能。在一些实施方案中，由智能外科装置收集的数据可由智能外科装置(例如，由智能外科装置的处理器)使用，以改变算法的至少一个可变参数。如上文所讨论的，外科集线器可与智能外科装置通信，因此由智能外科装置收集的数据可被传送到外科集线器和/或由与外科集线器通信的另一装置收集的信息可被传送到外科集线器，并且数据可从外科集线器被传送到智能外科装置。因此，作为智能外科装置被配置为能够改变所存储的可变参数的替代或补充，外科集线器可被配置为能够将改变的至少一个变量单独地或作为算法的一部分传送到智能外科装置和/或外科集线器可将指令传送到智能外科装置以改变如由外科集线器所确定的至少一个变量。
至少一个可变参数在算法的数据点当中，例如包括在用于操作智能外科装置的指令中，并且因此每个可变参数能够通过改变算法的所存储的多个数据点中的一个或多个数据点来改变。在至少一个可变参数已改变之后，算法的后续执行根据改变的算法进行。因此，通过考虑到患者的实际情况以及正在使用智能外科装置的外科手术的实际条件和/或结果，可为患者管理智能外科装置随时间的操作，以增加智能外科装置的有益结果使用。对至少一个可变参数的改变是自动的，以改善患者结果。因此，智能外科装置可被配置为能够基于患者和患者的周围条件提供个性化药物，以提供智慧系统。在执行外科手术期间使用智能外科装置的外科环境中，至少一个可变参数的自动改变可允许基于在执行外科手术期间收集的数据来控制智能外科装置，这可帮助确保智能外科装置被有效且正确地使用和/或可帮助减少因伤害关键解剖结构而伤害患者的机会。
至少一个可变参数可以是多种不同参数中的任一参数。可变参数的示例包括马达速度、马达扭矩、能量水平、能量施加持续时间、组织压缩速率、钳口闭合速率、切割元件速度、负荷阈值等。
图20例示了智能外科器械900的一个实施方案，其包括存储器902，该存储器具有存储在其中的算法904，该算法包括至少一个可变参数。算法904可以是单个算法或可包括多个算法，例如，用于外科器械操作的不同方面的单独算法，其中每个算法包括至少一个可变参数。智能外科器械900可以是图1的外科装置102、图1的成像装置120、图8的外科装置202、图8的成像装置220、图15的外科装置402、图17的外科装置502a、图17的外科装置502b、图18的外科装置712、图19的外科装置812、图19的成像装置824、或其他智能外科器械。外科器械900还包括处理器906，该处理器被配置为能够执行算法904以控制外科器械900的至少一个方面的操作。为了执行算法904，处理器906被配置为能够运行存储在存储器902中的程序以访问存储器902中的算法904的多个数据点。
外科器械900还包括通信接口908(例如，无线收发器或其他有线或无线通信接口)，该通信接口被配置为能够与另一装置(诸如外科集线器910)通信。通信接口908可被配置为能够允许单向通信，诸如向远程服务器(例如，云服务器或其他服务器)和/或向本地外科集线器服务器提供数据，以及/或者从远程服务器和/或本地外科集线器服务器接收指令或命令，或双向通信，诸如提供关于外科器械900的信息、消息、数据等和/或存储在其上的数据，并且接收指令，诸如来自医生的指令；关于对软件的更新的远程服务器、关于对软件的更新的本地外科集线器服务器、等的指令。
外科器械900在图20中被简化并且可包括附加部件，例如总线系统、柄部、在其远侧端部处具有端部执行器的细长轴、电源等。处理器906还可以被配置为能够执行存储在存储器902中的指令，以总体上控制装置900(包括其其他电子部件)，诸如通信接口908、音频扬声器、用户界面，等等。
处理器906被配置为能够改变算法904的至少一个可变参数，使得算法904的后续执行将根据所改变的至少一个可变参数进行。为了改变算法904的至少一个可变参数，处理器906被配置为能够修改或更新存储器902中的至少一个可变参数的数据点。处理器906可被配置为能够在执行外科手术期间使用外科装置900实时地改变算法904的至少一个可变参数，这可适应实时条件。
作为处理器906改变至少一个可变参数的补充或替代，处理器906可被配置为能够响应于从外科集线器910接收的指令来改变算法904和/或算法904的至少一个可变参数。在一些实施方案中，处理器906被配置为能够仅在与外科集线器910通信并接收到来自该外科集线器的指令之后才改变至少一个可变参数，这可帮助确保外科器械900与其中正在使用外科器械900的外科手术的其他方面的协调动作。
在示例性实施方案中，处理器906执行算法904以控制外科器械900的操作，基于实时数据改变算法904的至少一个可变参数，并且在改变至少一个可变参数之后执行算法904以控制外科器械900的操作。
图21例示了使用外科器械900的方法912的一个实施方案，该方法包括改变算法904的至少一个可变参数。处理器906通过执行存储在存储器902中的算法904来控制914外科器械900的操作。基于该随后已知的数据和/或随后收集的数据中的任一者，处理器904改变916算法904的至少一个可变参数，如上文所讨论的。在改变至少一个可变参数之后，处理器906通过执行算法904来控制918外科器械900的操作，此时至少一个可变参数已改变。处理器904可在执行外科手术期间多次改变916至少一个可变参数，例如零次、一次、两次、三次等。在方法912的任何部分期间，外科器械900可使用通信接口908与一个或多个计算机系统(例如，外科集线器910、远程服务器诸如云服务器等)通信，以向其提供数据和/或从其接收指令。
态势感知
智能外科器械的操作可基于患者的态势感知而改变。智能外科器械的操作可诸如通过智能外科器械的用户以不同方式操纵器械、向器械提供不同的输入、停止使用器械等来手动改变。附加地或另选地，智能外科器械的操作可通过改变该器械的算法(例如，通过改变该算法的至少一个可变参数)来自动改变。如上所述，算法可自动调整，无需用户输入请求改变。在执行外科手术期间使调整自动化可帮助节省时间，可允许执业医师专注于外科手术的其他方面，和/或可简化执业医师使用外科器械的过程，这各自可诸如通过避开关键结构、考虑器械在其上和/或附近使用的组织类型控制外科器械等来改善患者结果。
本文所述的可视化系统可用作态势感知系统的一部分，该态势感知系统可由外科集线器(例如，外科集线器706、外科集线器806或本文所述的其他外科集线器)体现或执行。具体地，对外科器械(包括其位置、取向和动作)、组织、结构、用户和/或位于外科场或手术室内的其他事物进行表征、识别和/或可视化可提供情境数据，态势感知系统可利用该情境数据来推断各种信息，诸如正在执行的外科手术或其步骤的类型、外科医生或其他执业医生正在操纵的组织和/或结构的类型、以及其他信息。然后，态势感知系统可利用情境数据来向用户提供警报，建议用户进行后续步骤或动作，准备外科装置以备使用(例如，激活电外科发生器以备在外科手术的后续步骤中使用电外科器械等)，控制智能外科器械(例如，定制算法的外科器械操作参数，如下文进一步讨论的)等。
尽管包括响应感测到的数据的算法(例如，通过改变算法的至少一个可变参数)的智能外科装置可以是对在不考虑感测到的数据的情况下操作的“哑巴”装置的改善，但当孤立地考虑时，例如在没有正在被执行的外科手术的类型或正在手术的组织的类型的背景下，一些感测数据可能是不完整的或不确定的。在不知道手术背景(例如，知道正在手术的组织的类型或正在被执行的手术的类型)的情况下，算法可能在给定的特定无背景感测数据的情况下错误地或次优地控制外科装置。例如，用于响应于特定的感测参数来控制外科器械的算法的最佳方式可根据正在手术的特定组织类型而变化。这是由于以下事实：不同的组织类型具有不同的特性(例如，抗撕裂性、易切割性)，并且因此以不同的方式响应由外科器械采取的动作。因此，可能期望外科器械即使在感测到针对特定参数的相同测量值时也采取不同的动作。作为一个示例，响应于外科缝合器感测到用于闭合其端部执行器的意外高的力来控制外科缝合器的最佳方式将根据组织类型是易于撕裂还是抗撕裂而变化。对于易于撕裂的组织(诸如肺组织)，外科器械的控制算法将响应于用于闭合的意外高的力而使马达最佳地减速，从而避免撕裂组织(例如，改变控制马达速度或扭矩的可变参数，使马达更慢)。对于抗撕裂的组织(诸如胃组织)，器械的算法将响应于用于闭合的意外高的力而使马达最佳地加速，从而确保端部执行器被正确地夹持在组织上(例如，改变控制马达速度或扭矩的可变参数，使马达更快)。在不知道肺组织或胃组织是否已被夹紧的情况下，算法可能会次优地改变或根本不改变。
外科集线器可被配置为能够基于从各种数据源所接收的数据来导出关于正在被执行的外科手术的信息，并且然后相应地控制模块化装置。换句话讲，外科集线器可被配置为能够从所接收的数据推断关于外科手术的信息，并且然后基于所推断的外科手术的背景来控制可操作地联接到外科集线器的模块化装置。模块化装置可包括可由态势感知系统控制的任何外科装置，诸如可视化系统装置(例如，相机、显示屏等)、智慧外科器械(例如，超声波外科器械、电外科器械、外科缝合器、排烟器、窥镜等)。模块化装置可包括被配置为能够检测与正在使用该装置的患者相关联的参数和/或与模块化装置本身相关联的参数的传感器。
根据所接收的数据导出或推断的背景信息可包括例如正在被执行的外科手术的类型、外科医生(或其他执业医生)正在执行的外科手术的特定步骤、正在手术的组织的类型或作为外科手术的受试者的体腔。外科集线器的态势感知系统可被配置为能够以多种不同的方式根据从数据源所接收的数据导出背景信息。在示例性实施方案中，由外科集线器的态势感知系统接收的背景信息与用于一个或多个模块化装置的特定控制调整或一组控制调整相关联。控制调整各自对应于可变参数。在一个示例中，态势感知系统包括已在训练数据上进行训练以将各种输入(例如，来自数据库、患者监测装置和/或模块化装置的数据)与关于外科手术的对应的背景信息相关联的模式识别系统或机器学习系统(例如，人工神经网络)。换句话讲，机器学习系统可被训练成从所提供的输入准确地导出关于外科手术的背景信息。在另一示例中，态势感知系统可包括查找表，该查找表存储与对应于背景信息的一个或多个输入(或输入范围)相关联的关于外科手术的预先表征的背景信息。响应于利用一个或多个输入的查询，查找表可返回态势感知系统用于控制至少一个模块化装置的对应背景信息。在另一示例中，态势感知系统包括当提供背景信息作为输入时，生成或检索针对一个或多个模块化装置的一项或多项控制调整的另外的机器学习系统、查找表或其他此类系统。
包括态势感知系统的外科集线器可为外科系统提供任何数量的益处。一个益处包括改进对感测和收集到的数据的解释，这将继而改进外科手术过程期间的处理精度和/或数据的使用。另一个益处是，外科集线器的态势感知系统可通过允许针对每个外科手术的特定背景调整外科器械(和其他模块化装置)(诸如针对不同的组织类型进行调整)并在外科手术期间验证动作来改善外科手术结果。又一个益处是，态势感知系统可通过根据手术的特定背景自动建议接下来的步骤、提供数据以及调整显示器和手术室中的其他模块化装置来改善外科医生和/或其他执业医生执行外科手术的效率。另一个益处包括根据正在被执行的外科手术的特定步骤主动地且自动地控制模块化装置，以诸如通过在确定RF电外科器械的后续步骤需要使用RF电外科器械的情况下，态势感知外科集线器主动地激活RF电外科器械所连接到的发生器来减少执业医生在外科手术的过程期间需要与外科系统交互或控制外科系统的次数。主动地激活能量源允许器械在手术的先前步骤一完成就准备好使用。
例如，态势感知外科集线器可被配置为能够确定正在手术的组织的类型。因此，当检测到用于闭合外科器械的端部执行器的意外高的力时，态势感知外科集线器可被配置为能够例如通过改变或引起外科器械的关于马达速度或扭矩的算法的至少一个可变参数的改变来针对组织类型使外科器械的马达正确地加速或减速。
又如，正在手术的组织的类型可能影响针对特定组织间隙测量值对外科缝合器的压缩率和负荷阈值进行的调整。态势感知外科集线器可被配置为能够推断正在被执行的外科手术是胸腔手术还是腹部手术，从而允许态势感知外科集线器确定被外科缝合器的端部执行器夹持的组织是肺组织(对于胸腔手术)还是胃组织(对于腹部手术)。然后，外科集线器可被配置为能够例如通过改变或引起外科缝合器的关于压缩速率和负荷阈值的算法的至少一个可变参数的改变来针对组织类型适当地引起外科缝合器的压缩速率和负荷阈值的调整。
作为又一示例，在吹气手术期间被操作的体腔的类型可能影响排烟器的功能。态势感知外科集线器可被配置为能够确定外科部位是否处于压力下(通过确定外科手术正在利用吹气)并确定手术类型。由于手术类型通常在特定体腔中执行，因此外科集线器可被配置为能够例如通过改变或引起排烟器的关于马达速率的算法的至少一个可变参数的改变来针对正在操作的体腔适当地控制排烟器的马达速率。因此，态势感知外科集线器可为胸部手术和腹部手术两者提供一致的排烟量。
作为又一示例，正在被执行的手术的类型可能影响超声外科器械或射频(RF)电外科器械操作的最佳能量水平。例如，关节镜式手术需要更高的能量水平，因为超声外科器械或RF电外科器械的端部执行器浸没
在流体中。态势感知外科集线器可被配置为能够确定外科手术是否是关节镜式手术。外科集线器可被配置为能够通过例如改变或引起器械和/或发生器的关于能量水平的算法的至少一个可变参数的改变来调整发生器的RF功率水平或超声振幅(例如，调整能量水平)以补偿流体填充环境。相关地，正在手术的组织的类型可能影响超声外科器械或RF电外科器械操作的最佳能量水平。态势感知外科集线器可被配置为能够例如通过改变或引起器械和/或发生器的关于能量水平的算法的至少一个可变参数的改变来确定正在执行的外科手术的类型，并且然后根据外科手术的预期组织曲线分别定制超声外科器械或RF电外科器械的能量水平。此外，态势感知外科集线器可被配置为能够在外科手术的整个过程中而不是仅在逐个手术的基础上调整超声外科器械或RF电外科器械的能量水平。态势感知外科集线器可被配置为能够确定正在执行或随后将要执行的外科手术的步骤，并且然后更新发生器和/或超声外科器械或RF电外科器械的控制算法，以根据该外科手术步骤将能量水平设定在适合于预期组织类型的值。
作为另一示例，态势感知外科集线器可被配置为能够根据在外科部位处外科医生和/或其他执业医生预期需要查看的特征部来确定外科手术的当前步骤或后续步骤是否需要在显示器上的不同视图或放大程度。外科集线器被配置为能够相应地主动改变所显示的视图(例如，由用于可视化系统的成像装置提供)，使得在整个外科手术中自动调整显示器。
作为又一示例，态势感知外科集线器被配置为能够确定正在被执行或随后将执行外科手术的哪个步骤以及针对外科手术的该步骤是否需要特定数据或数据之间的比较。外科集线器可被配置为能够基于正在被执行的外科手术的步骤自动地调用数据屏幕，而无需等待外科医生或其他执业医生请求该特定信息。
作为另一示例，态势感知外科集线器可被配置为能够确定外科医生和/或其他执业医生在外科手术过程期间是否犯了错误或以其他方式偏离了预期的动作过程，例如如在术前外科计划中所提供的。例如，外科集线器可被配置为能够确定正在被执行的外科手术的类型，(例如，从存储器中)检索对应的步骤列表或设备使用的顺序，并且然后将在外科手术过程期间正在被执行的步骤或正在使用的设备与外科集线器确定的针对该正在执行的外科手术类型的预期步骤或设备进行比较。外科集线器可被配置为能够提供指示在外科手术中的特定步骤正在执行意外动作或正在利用意外装置的警示(视觉、听觉和/或触觉)。
在某些情况下，机器人外科系统(诸如本文所述的各种机器人外科系统中的任一机器人外科系统)的操作可由外科集线器基于其态势感知和/或来自其部件的反馈和/或基于来自云(例如，图18的云713)的信息来控制。
态势感知系统以及在执行外科手术期间使用态势感知系统的实施方案在以下先前提及的US专利中进一步描述：2019年12月30日提交的名称为“Analyzing SurgicalTrends By A Surgical System”的美国专利申请号16/729,772；2019年12月30日提交的名称为“Dynamic Surgical Visualization Systems”的美国专利申请号16/729,747；2019年12月30日提交的名称为“Visualization Systems Using Structured Light”的美国专利申请号16/729,744；2019年12月30日提交的名称为“System And Method ForDetermining,Adjusting,And Managing Resection Margin About A Subject Tissue”的美国专利申请号16/729,778；2019年12月30日提交的名称为“Surgical Systems ForProposing And Corroborating Organ Portion Removals”的美国专利申请号16/729,729；2019年12月30日提交的名称为“Surgical System For Overlaying SurgicalInstrument Data Onto A Virtual Three Dimensional Construct Of An Organ”的美国专利申请号16/729,778；2019年12月30日提交的名称为“Surgical Systems ForGenerating Three Dimensional Constructs Of Anatomical Organs And CouplingIdentified Anatomical Structures Thereto”的美国专利申请号16/729,751；2019年12月30日提交的名称为“Surgical Systems Correlating Visualization Data AndPowered Surgical Instrument Data”的美国专利申请号16/729,740；2019年12月30日提交的名称为“Adaptive Surgical System Control According To Surgical Smoke CloudCharacteristics”的美国专利申请号16/729,737；2019年12月30日提交的名称为“Adaptive Surgical System Control According To Surgical Smoke ParticulateCharacteristics”的美国专利申请号16/729,796；2019年12月30日提交的名称为“Adaptive Visualization By A Surgical System”的美国专利申请号16/729,803；以及2019年12月30日提交的名称为“Method Of Using Imaging Devices In Surgery”的美国专利申请号16/729,807。
用于自然身体孔口的外科密封装置
在某些实施方案中，提供了外科密封装置，该外科密封装置被构造成能够允许通过自然身体孔口(例如，气管、直肠等)外科进入体腔。一般来讲，本外科密封装置包括密封壳体和至少一个保持元件，该密封壳体被构造成能够至少部分地设置在自然身体孔口内，该至少一个保持元件被构造成能够将密封壳体附连到自然身体孔口。与通常插入切口中的常规外科密封装置不同，本外科密封装置被设计成插入自然身体孔口中。因此，本外科密封装置提供了原本通过使用常规外科密封装置不能提供的更少创伤和通向自然体腔或器官的更直接进入点(例如，用于引入和取出外科器械、流体交换、呼吸设备、排烟设备等)。
在使用中，如下文更详细讨论的，本文所公开的外科密封装置可用于提供通过与其相关联的自然身体孔口通向自然体腔(诸如结肠)的进入。即，密封壳体可至少部分地定位在自然身体孔口内。然而，鉴于自然身体孔口的收缩性质，可能难以将密封壳体保持在自然身体孔口内。因此，外科密封装置包括至少一个保持元件(例如，布置在密封壳体的外表面上)，该至少一个保持元件在装置使用期间实现并且维持密封壳体到自然身体孔口的固定。该至少一个固位元件可被构造成能够部署在患者的身体的内部或外部。
密封壳体可以这样的方式定位并且附连到自然身体孔口，其中密封壳体的远侧部分延伸到自然身体孔口中，并且近侧部分延伸出自然身体孔口并进入周围环境中(例如，定位成邻近并与诸如患者皮肤的患者身体的外表面接触)。另选地，密封壳体可被设计成整个地定位在自然身体孔口内。
另外，密封壳体通常包括布置在密封壳体内的一个或多个端口，以允许器械从周围环境通过自然身体孔口进入自然体腔。穿过密封壳体布置的一个或多个端口可形成进入并穿过自然身体孔口的通道。这能够实现通过自然身体孔口的受控流体交换，并且因此实现进入和/或离开与其相关联的自然体腔的受控流体交换、通过自然身体孔口引入和取出外科器械，等等。因此，可进入自然体腔而不需要穿过病患的皮肤的切口。
图22和图23示出了外科密封装置7000的一个实施方案，该外科密封装置被构造成能够提供通过自然身体孔口(例如，食管、直肠等)通向自然体腔或器官(例如，肺、胃、结肠或小肠)的进入。因此，外科密封装置7000的至少一部分被构造成能够插入并且稳定在自然身体孔口内。
密封装置7000包括具有延伸穿过其的端口的密封壳体7100和在密封壳体7100的外表面7101上的至少一个保持元件。虽然该至少一个保持元件可具有多种构型，但在该示出的实施方案中，该至少一个保持元件包括第一保持元件7130和第二保持元件7132。第一保持元件7130和第二保持元件7132被构造成能够将密封壳体7100固定在自然身体孔口内。
在使用中，外科密封装置7000可定位在自然身体孔口内，诸如通过使密封壳体7100或其一部分(例如，外主体构件7104)变形并且将密封壳体7100插入自然身体孔口中。可通过手或通过使用插入工具来执行密封壳体的插入。该至少一个保持元件被可释放地定位以由此将密封壳体附连到自然身体孔口。在一些实施方案中，该至少一个保持元件可部署在自然体腔的内部，而在其他实施方案中，该至少一个保持元件可部署在自然体腔的外部。至少一个保持构件可在密封壳体至少部分地定位在自然体腔内的同时或随后被可释放地定位。为了从自然身体孔口中抽出外科密封装置7000，可用一只手或两只手(诸如在外主体构件7104的相对侧处)或通过移除器械或两者来抓持密封壳体7100的一部分(例如，外主体构件7104)，并且可向近侧拉动密封壳体7100以从自然身体孔口中抽出密封壳体7100。在抓持密封壳体之前，该至少一个保持元件可从限定自然身体孔口的组织或靠近自然身体孔口定位的组织移动或以其他方式脱离。
如图22和图23所示，第一保持元件7130和第二保持元件7132布置在密封壳体7100的外表面7101上并且从该外表面延伸。第一保持元件7130和第二保持元件7132可具有多种构型。在一些实施方案中，第一保持元件和第二保持元件可具有相同或相似的构型。在其他实施方案中，第一保持元件和第二保持元件可具有相对于彼此不同的结构构型。本文还设想了在某些实施方案中，可省略第一保持元件或第二保持元件。
在该示出的实施方案中，第一保持元件7130和第二保持元件7132各自呈倒钩的形式，其被构造成能够穿透到组织中以将密封壳体7100附连到自然身体孔口。另外，保持元件7130、7132可允许自然身体孔口的扭转和变形，这可自然地发生，同时还保持密封壳体7100牢固地卡在自然身体孔口内。
在其他实施方案中，该至少一个保持元件可具有被构造成能够接触并接合围绕或邻近自然身体孔口的组织而不穿透的结构构型。即，该至少一个保持元件可具有被构造成能够与组织摩擦接合以便防止密封壳体在使用期间在自然身体孔口内进一步移动的结构构型。以举例的方式，在一些实施方案中，该至少一个保持元件可以是可膨胀元件(例如，可充胀球囊)的形式，如图X所示。在使用中，一旦将密封壳体插入(例如，部分地或完全地)在自然身体孔口内，可膨胀元件就可被充气，并且当要从自然身体孔口中移除密封壳体时，可膨胀元件可被放气。
在一些实施方案中，当一个或多个保持元件是可膨胀元件时，这些保持元件可被构造成能够在自然身体孔口内膨胀(例如，在将密封壳体的至少一部分插入自然身体孔口中之后)。在其他实施方案中，一个或多个保持元件可被构造成能够部署在自然体腔的外部(例如，在将密封壳体的至少一部分插入自然身体孔口中之后)。另选地，在某些实施方案中，至少一个保持元件可被构造成能够部署在自然身体孔口内，并且至少另一个保持元件可被构造成能够部署在自然身体孔口的外部。本领域的技术人员将理解，保持元件的可部署位置至少取决于保持元件相对于密封壳体7100的位置以及当密封壳体7100插入其中时密封壳体7100相对于自然身体孔口的位置。
图24示出了外科密封装置7400的示例性实施方案，该外科密封装置包括密封壳体7402和呈可充胀球囊形式的两个保持元件7404、7406。两个保持元件7404、7406各自被构造成能够从未膨胀状态移动到膨胀状态(图24)。除了下文详细描述的差异之外，密封装置7400可类似于密封装置7000(图22和图23)，并且因此在此不详细描述共同的特征。如图所示，第一保持元件7404定位在密封壳体7402的第一端部7202a处，并且第二保持元件7406定位在密封壳体7402的第二端部7202b处。另外，当第一保持元件7404和第二保持元件7406两者处于它们的膨胀状态时，如图24所示，它们被构造成能够接触并且摩擦接合自然身体孔口的内表面。在其中外科密封装置7400的仅一部分定位在自然身体孔口内的实施方案中，密封壳体7402的第二端部7402b可定位在自然身体孔口的外部(例如，患者的身体的外部)。在此类实施方案中，第二保持元件7406可被构造成能够接触并且摩擦接合围绕或邻近自然身体孔口的外组织表面(例如，自然身体孔口的外表面)。
重新参见图22和图23，外科密封装置7000的密封壳体7100可具有多种构型。例如，在该示出的实施方案中，密封壳体7100具有内主体构件7102和围绕内主体构件7102定位的外主体构件7104。在其他实施方案中，外主体构件可被设计成从内主体构件的一个端部向远侧延伸。在某些实施方案中，可省略外主体构件。
内主体构件7102和外主体构件7104可各自具有多种构型。在该示出的实施方案中，内主体构件7102具有大致圆柱形构型。外主体构件7104包括环形凸缘7106，其中细长圆柱形基部7110从该环形凸缘延伸。另外，基部7110限定延伸穿过其的管腔7112。如图22和图23所示，管腔7112至少部分地容纳内主体构件7102。本领域的技术人员将理解，内主体构件和/或外主体构件、和/或它们的部分可具有其他合适的形状和尺寸(例如，卵形、椭圆形、卵圆形和它们的任何组合)，并且因此它们的构型不限于图中所示的构型。
内主体构件7102和外主体构件7104可形成为一体结构，永久地彼此联接，或可释放地彼此联接。例如，在一些实施方案中，内主体构件7102可被构造成能够插入管腔7112中和/或从该管腔中移除(例如，当外主体构件7104至少部分地定位在自然身体孔口内时)。在某些实施方案中，外主体构件7104可被构造成能够提供帮助以防止内主体构件7102被推动穿过密封壳体7100(例如，并且进入患者的身体)，并且能够帮助从密封壳体7100中移除内主体构件7102。例如，在外科手术期间，可能需要移除内主体构件7102以通过外主体构件7104的管腔7112移除受损或患病组织。另外，附加地或另选地，外主体构件7104可被构造成能够帮助防止内主体构件7102被穿过其插入的外科器械撕裂或以其他方式损坏(例如，在外科手术期间)。
如图22和图23进一步所示，内主体构件7102包括延伸穿过其并且因此穿过密封壳体7100的端口。虽然内主体7102可包括两个或更多个端口，但在该示出的实施方案中，内主体构件7102包括三个端口：第一端口7114、第二端口7116、第三端口7118。每个端口7114、7116、7118限定穿过密封壳体7100的相应通道7120、7122、7124。端口7114、7116、7118可被设计为提供不同功能(例如、进入和/或离开自然体腔的流体交换、穿过其插入的密封器械、防止流体从自然身体孔口流出并进入周围环境，等等)的多种不同端口。
在一些实施方案中，至少一个端口可被构造成能够形成密封(例如，围绕通过其插入的器械)，并且至少另一个端口可被构造成能够控制流体(例如，液体、气体或它们的组合)在自然身体孔口的内部体积与周围环境之间的进入和/或离开。在某些实施方案中，至少一个端口可被构造成能够密封并且控制流体的进入和/或离开。出于本讨论的目的，第一端口7114和第二端口7116各自被构造成能够在穿过其插入的器械周围形成相应密封，并且第三端口7118被构造成能够控制流体进入和离开。本领域的技术人员可将这些端口中的任一者构造成能够控制流体进入和/或离开(例如，空气进入和/或离开自然身体孔口，例如，用于呼吸或吹气)并且/或者形成密封(例如，围绕穿过其插入的器械和/或当器械不存在时，用于防止穿过其的流体损失)。
在一些实施方案中，密封元件可定位在第一端口和/或第二端口内以在其中形成密封。在一些实施方案中，密封元件可以是由柔性材料形成的薄膜的形式，其可由外科器械穿透或以其他方式刺穿。附加地或另选地，零封密封元件(诸如鸭嘴密封件或用于在没有器械的情况下进行密封的其他合适的密封件)可与端口相关联地使用。密封元件可定位在端口内的任何合适位置处。
如图22和图23所示，第一密封元件7126定位在第一端口7114的通道7120内，并且第二密封元件7128定位在第二端口7116的通道内。在一些实施方案中，第一密封元件7126和第二密封元件7128可以相同，而在其他实施方案中，第一密封元件7126和第二密封元件7128可以不同。第一密封元件7126和第二密封元件7128可定位在相应通道内的各种不同位置中。在该示出的实施方案中，第一密封元件7126靠近第一端口的近侧端部7114p(例如，在使用期间最靠近周围环境的端部)定位，并且第二密封元件7128靠近第二密封端口7116的近侧端部7116p(例如，在使用期间最靠近周围环境的端部)定位。在其他实施方案中，第一密封元件、第二密封元件或两者可分别定位在第二端口和第三端口的远侧端部处。
在一些实施方案中，第一密封元件7126、第二密封元件7128或两者可被进一步构造成能够限制气流的方向，同时还为外科器械提供穿过密封壳体7100的密封通路。这可防止在治疗期间由于外科器械通过第一端口7114和/或第二端口7116推进和取出而导致的来自气雾化病毒或传染物的污染。另外，第一密封元件、第二密封元件或两者可以是单向阀，以允许排气被排放到流体捕集器和微粒过滤器，从而控制传染物的排出。在另一示例性实施方案中，外科密封装置7000可具有小的高压入口和较大的排气口，用于控制从自然体腔排出的废气。
除了通过第一端口7114和第二端口7116插入和取出一个或多个外科器械之外，还可通过外科密封装置7000的第三端口7118进行流体交换。即，在该示出的实施方案中，第三端口7118被设计成允许流体在自然身体孔口的内部体积与周围环境之间的进入和离开。
在某些实施方案中，如图22所示，第三端口7118可操作地连接到阀7210。阀7210可被构造成能够监测可用于控制通过第三端口7118的流体输送速率的参数。监测参数可以是流体输送压力、流体输送体积和/或流体通过其输送的方向。例如，阀可包括传感器，该传感器被配置为能够在流体通过阀时感测流体的压力、体积或流动方向，并且将感测数据传输到控制器(未示出)。如果在使用期间的任何时间，控制器确定感测数据在预定范围之外，则控制器可改变阀位置(例如，相对于阀的当前位置部分地关闭或打开阀)以更改通过阀以及因此通过第三端口7118的流体的压力、体积或流动方向。合适的传感器的非限制性示例包括压力传感器、温度传感器和流量传感器。在其他实施方案中，可以省略控制器，并且阀可在结构上被构造成能够通过其自身来控制通过其的流体流，并且因此在需要时改变压力、体积或流动方向。
在电外科手术期间，能量装置可将机械能和/或电能递送到靶组织以便处理组织(例如，切割组织、烧灼血管和/或凝结靶组织内和/或附近的组织)。组织的切割、烧灼和/或凝结可导致流体和/或颗粒被释放到空气中。在外科手术期间排出的此类流体和/或颗粒可构成烟雾，例如，该烟雾可包括悬浮在空气中的碳颗粒和/或其他颗粒。因此，电外科系统通常采用外科排抽系统，该外科排抽系统捕获外科手术产生的烟雾，并且引导所捕获的烟雾通过过滤器和排烟端口以远离临床医生和/或远离患者。
例如，对肺的外科手术可能需要吸入和排出可呼吸空气并且排出在手术期间生成的烟雾。在此类情况下，烟雾评估和呼吸设备的协作控制可能有所有帮助。因此，本文所公开的外科密封装置可被构造成能够实现同时使用跨密封系统。即，本外科密封装置可被构造成能够提供对流体交换系统的排烟控制，该流体交换系统允许流体的协作流动，使得在外科手术期间，身体可继续接收预期的流体流(例如，可呼吸空气)，同时还允许通过不同路径抽取流体的一部分以引导来自患者的烟雾抽取。
在一些实施方案中，排烟端口可以是在密封壳体内的其自己的单独端口，或者其可与密封壳体的另一端口组合(例如，连接到用可呼吸空气对肺充气和放气的呼吸设备并且/或者被构造用于插入和取出外科器械的端口)，或者排烟器通道可以是通过密封壳体的端口插入的柔性内窥镜的工作通道，用于根据呼吸和排烟的需要控制肺气体的进入和离开。如果在身体呼吸时启动排烟，则附加的气流入口可被构造为密封壳体的端口以抵消排烟雾流，从而导致有足够的空气用于肺充气，同时协作地从自肺抽取烟雾和空气。在一些实施方案中，排烟系统可被构造成能够将烟雾传递到外部连接的排烟泵和过滤器，而在其他实施方案中，排烟系统可布置成使用与联接到密封壳体的呼吸通道端口的主呼吸排气系统相同的过滤器。适用于本公开的示例性排烟器系统例如在以下专利中有所描述：2021年7月6日公布的名称为“Surgical Evacuation Flow Paths”的美国专利号11,051,876；2019年7月4日公布的名称为“Surgical Evacuation System With ACommunication Circuit ForCommunication Between A Filter And A Smoke Evacuation Device”的美国专利公布号2019/0201088；和2019年7月4日公布的名称为“Adjustments Based On AirborneParticle Properties”的美国专利公布号2019/0204201，这些专利的公开内容全文以引用方式并入本文。
图25示出了外科密封装置7300的另一实施方案。除了下文详细描述的差异之外，外科密封装置7300可类似于外科密封装置7000(图22和图23)，并且因此在此不详细描述共同的特征。外科密封装置7300被示出为至少部分地插入由组织12形成的自然身体孔口10内。外科密封装置7300包括密封壳体7301，该密封壳体具有内主体构件7302和围绕内主体构件7302定位的外主体构件7304。内主体构件7302具有延伸穿过其的三个端口7306、7308、7310。虽然可使用不同数量和尺寸的端口，但所示三个端口7306、7308、7310包括一个相对较大的端口7306(例如，以接收内窥镜或其他相对较大直径的装置)，和两个相对较小的端口7308、7310(例如，以接收相对较小的装置，诸如抓紧器、施夹器等)。
另外，密封壳体7301包括第一保持元件7312和第二保持元件7314。如图所示，第一保持元件7312从外主体构件7304的细长圆柱形基部7316向外延伸，并且第二保持元件7314从外主体构件7304的环形凸缘7318的底表面7318a延伸。第一保持元件7312与自然身体孔口10的内表面7320接合并且穿透组织12的限定此内表面7320的部分。由于外科密封装置7300仅部分地插入自然身体孔口10中，因此密封壳体7300的环形凸缘7318定位在自然身体孔口10的外部。因此，第二保持元件7314接合围绕自然身体孔口10的外组织表面7322并且穿透组织12的限定此外表面7322(例如，自然体腔的外表面)的部分。第一保持元件7312和第二保持元件7314两者到组织12中的该穿透将密封壳体7301附连到自然身体孔口10，以便允许通过自然身体孔口10插入和取出一个或多个外科器械并且/或者通过自然身体孔口10进行流体输送。
在一些实施方案中，外科密封装置可包括用于与自然身体孔口一起使用的伤口保护器，该伤口保护器使得能够在限制器械与组织的相互作用的同时引入和取出器械。对组织与器械之间的相互作用的这种限制可提供体壁与器械的插入力之间的减小的摩擦。该布置可在器械穿过密封装置的操纵或推进或缩回期间最小化对周围组织的损伤。
在一些实施方案中，外科密封装置的密封壳体可被构造为用于穿过密封壳体的柔性窥镜和/或器械的机械固定点。密封壳体可被布置成使得固定点由固定在自然身体孔口内的密封壳体形成，这为穿过密封壳体的柔性窥镜和/或器械提供阻力固定点，从该阻力固定点抵抗来自操纵身体内的组织的器械的内部生成的力、运动和动作。器械的固定点将防止在器械于密封装置内移动期间对患者施加不适当的负荷。该固定点可在身体的外部，并且防止器械通过密封装置向身体施加过大的扭矩。
虽然图22和图23、图24和图25中的密封壳体7100、7402、7301被示出为单独的装置，其被插入自然身体孔口中并且允许器械穿过其插入并且进入自然体腔中，但在其他实施方案中，当器械被插入自然身体孔口中时，密封壳体可被布置在诸如胃镜探条的器械上。胃镜探条通常被理解为是由橡胶、塑料、金属或其他材料制成的薄圆柱体，执业医生将其插入或穿过身体通道(诸如食管)以诊断或治疗病症。探条可用于加宽通道、将另一器械引导到通道中、或者移去物体。胃镜探条可包括具有保持元件的密封壳体，该保持元件被构造成能够在胃之前部署在食管中。该布置将允许到胃的腹腔镜进入，同时腹腔被吹气以用于诸如胃内肿瘤切除的手术。通过将密封壳体布置在食管中，防止了腹腔镜吹气从腔内逸出，同时还允许探条通过四线控制来操纵胃和肿瘤。
具有用于器械控制的端口装置的外科系统
在某些实施方案中，提供了使得能够控制分开的端口装置之间的外科器械相互作用的外科系统。一般来讲，这些系统具有两个或更多个端口装置(例如，多端口装置)，该两个或更多个端口装置包括相应的壳体，该相应的壳体各自被构造成能够允许来自相应器械组的器械穿过其插入。该两个或更多个端口装置各自被设计成向相应的所插入器械提供个体化的阻力并且允许所插入器械一起协作地工作(例如，用于外科手术的至少一个外科步骤或在一个或多个外科部位处，等等)。该两个或更多个端口装置彼此互连(例如，电互连或机械互连)，以在所插入器械之间产生相互关系。这种相互关系使得这些器械能够组合地工作(例如，相对于彼此或成组地在相同或不同方向上同时或顺序地移动)，以提供力、回缩、进入角度等，从而执行至少一个外科步骤(例如，以提供预期的医学治疗)。因此，所插入器械的至少一部分之间的这些协作移动可在相同端口内或在不同端口之间提供协作性更强的外科环境，这可增加精度并帮助防止碰撞(例如，外科器械和/或机器人臂的碰撞)。
本领域的技术人员将理解，如本文所使用的短语“一起协作地工作”是指基于两个或更多个所插入器械中的至少一个所插入器械的位置、取向或运动，在相同端口中、在分开的端口中或它们的组合中的两个或更多个所插入器械之间的协调移动。类似地，本领域的技术人员将理解，两个或更多个所插入器械之间的协调移动可在相同时间在相同方向上发生、在不同时间在相同方向上发生、在相同时间在相反方向上发生、在不同时间在相反方向上发生、在相同时间在相同平面中发生、在不同时间在相同平面中发生、在相同时间在两个分开的平面中发生、在不同时间在两个不同的平面中发生、或它们的任何组合。
每个端口装置被构造成能够至少部分地与身体设置。例如，第一端口装置可部分地插入身体中(例如，通过自然孔口或由切口形成的开口)，并且第二端口装置可部分地插入身体中(例如，通过自然孔口或由切口形成的开口)。第一端口装置和第二端口装置可部分地插入相同的生理空间或不同的生理空间内。在一些实施方案中，第一端口装置可将周围环境与身体内部的第一生理空间(例如，胸腔或腹腔)桥接，并且第二端口装置可将周围环境与未直接连接到第一生理空间的第二生理空间桥接(例如，通过通向结肠、食管或其他生理通道内部的自然孔口)。在其他实施方案中，第一生理空间和第二生理空间彼此直接连接。例如，在一个实施方案中，第一端口装置可部分地插入第一腹部象限中，并且第二端口装置可部分地插入与第一腹部象限不同的第二腹部象限中。
每个端口装置的壳体可以这样的方式定位并且附连到身体，其中壳体的远侧部分延伸到身体中(例如，生理空间)，并且近侧部分延伸出身体并进入周围环境中(例如，定位成邻近并与诸如患者皮肤的患者身体的外表面接触)。另选地，壳体可被设计成整个地定位在身体内。
另外，每个端口装置的壳体通常包括布置在壳体内的端口，该端口允许器械从周围环境通过自然身体孔口或由切口形成的开口穿过它们插入身体中(例如，生理空间，诸如身体内的一个或多个腔)。穿过壳体布置的端口可形成进入并穿过身体的通道。
在一些实施方案中，至少一个端口装置的至少一个端口可被构造成能够围绕所插入器械形成密封。在一个实施方案中，第一端口装置的至少一个端口可被构造成能够围绕第一组器械中的相应所插入器械形成密封。另选地或附加地，第二端口装置的至少一个端口可被构造成能够围绕第二组器械中的相应所插入器械形成密封。
在某些实施方案中，密封元件可定位在至少一个端口内以在其中形成密封。密封元件可具有多种构型。在一些实施方案中，密封元件可以是由柔性材料形成的薄膜的形式，其可由外科器械穿透或以其他方式刺穿。另选地或附加地，零封密封元件(诸如鸭嘴密封件或用于在没有器械的情况下进行密封的其他合适的密封件)可与至少一个端口相关联地使用。密封元件可定位在至少一个端口内的任何合适位置处。
在一些实施方案中，在将第一器械和第二器械插入第一端口装置的相应端口中时，第一端口装置可被构造成能够允许第一器械在第一运动范围内相对于第一端口装置移动，并且允许第二器械在第二运动范围内相对于第一端口装置移动，该第二运动范围至少部分地与第一运动范围重叠。另选地或附加地，在将第一器械和第二器械插入第二端口装置的相应端口中时，第二端口装置可被构造成能够允许第一器械在第一运动范围内相对于第二端口装置移动，并且允许第二器械在第二运动范围内相对于第二端口装置移动，该第二运动范围至少部分地与第一运动范围重叠。
在使用中，如下文更详细讨论的，相应端口装置向相应所插入器械提供装置间阻力(例如，以防止所插入器械之间的意外接触)。即，在所插入器械的移动期间，端口装置可抑制所插入器械相对于相同端口装置中、至少一个其他端口装置中或它们的组合中的其他所插入器械的移动。外科系统的端口装置被构造成能够以限制一个或多个器械运动的方式与至少一个所插入器械相互作用。该限制可基于例如以下各项中的至少一项：同一组所插入器械中的至少一个其他器械、不同组所插入器械中的至少一个其他器械或两者的位置、取向和运动。
可例如通过使用一个或多个跟踪装置或跟踪系统来确定所插入器械的位置、取向、运动或它们的任何组合。在一些实施方案中，该系统可包括可与第一端口装置或第二端口装置中的一者相关联的跟踪装置。跟踪装置可以多种方式配置。在某些实施方案中，跟踪装置可被配置为能够传输指示第一端口装置相对于第二端口装置的位置的信号。另选地或附加地，跟踪装置可被配置为能够传输指示第一端口装置中的至少一个所插入器械相对于第二端口装置的位置、取向和运动中的至少一者的信号。另选地或附加地，跟踪装置可被配置为能够传输指示第二端口装置中的至少一个所插入器械相对于第一端口装置的位置、取向和运动中的至少一者的信号。
来自跟踪装置的传输信号可由控制器接收。一般来讲，根据接收信号的数据，控制器可基于相应的传输信号来确定以下各项中的至少一项或多项：第一端口装置和第二端口装置的相对位置；第一端口装置中的至少一个所插入器械相对于第二端口装置的位置、取向和运动中的至少一者；或第二端口装置中的至少一个所插入器械相对于第一端口装置的位置、取向和运动中的至少一者。该信息用作对所插入器械单独地、作为单个组或作为多个组的移动的引导。这种引导与由相应端口装置施加的阻力相结合可控制所插入器械之间的器械相互作用，使得所插入器械可在一个或多个外科部位处一起协作地工作并且/或者执行外科手术的至少一个外科步骤。
示例性外科系统可包括多种特征部，如本文所述和附图中所示。然而，本领域的技术人员将理解，外科系统可仅仅包括这些特征部中的一些和/或其可包括本领域已知的多种其他特征部。本文所述的外科系统仅仅旨在表示某些示例性实施方案。此外，虽然外科系统是结合结肠来示出和描述的，但本领域的技术人员将理解，这些外科系统可结合任何其他合适的自然体腔或器官来使用。
外科手术通常是早期结肠癌的主要治疗方法。所使用的外科手术类型取决于癌症的分期(程度)、其在结肠中的位置以及外科手术的目标。一些早期结肠癌(0期和一些早期I期肿瘤)和大多数息肉可在结肠镜检查期间去除。然而，如果癌症已经恶化，则可能需要局部切除术或结肠切除术，即切除全部或部分结肠的外科手术。在某些情况下，附近的淋巴结也被去除。如果仅去除结肠的一部分，则可执行半结肠切除术或部分结肠切除术。在结肠的分段切除术中，外科医生去除结肠的病变部分以及在任一侧上的一小段非病变的结肠。通常，根据癌症的大小和位置，切除约四分之一至三分之一的结肠。结肠的主要切除如图26所示，其中(i)A-B为右半结肠切除术、A-C为扩大右半结肠切除术、B-C为横结肠切除术、C-E为左半结肠切除术、D-E为乙状结肠切除术、D-F为前切除术、D-G为(超)低位前切除术、D-H为腹-会阴切除术、A-D为结肠次全切除术、A-E为结肠全切除术、并且A-H为直肠-结肠切除术。一旦切除完成，就将结肠的剩余完整部分重新附着。
在腹腔镜式辅助结肠切除术手术中，通常很难获得足够的手术区。通常，在骨盆深处切开，这使得难以获得该区域的充分可视化。因此，在动员期间，必须提起下直肠并旋转，以进入直肠两侧周围的静脉和动脉。在操纵下直肠期间，可能发生组织的聚束和/或组织的过度拉伸。附加地，直肠内的肿瘤可能引起周围骨盆粘连，因此在横切和去除肿瘤之前，可能需要释放直肠残端并动员肠系膜和血液供应。
在结肠切除术之后，必须将结肠的剩余健康部分彼此重新附着，为废物排出体外创造一条路径。然而，当使用腹腔镜式器械来执行结肠切除术时，单一入口端口装置可能不具有足够大的运动范围来将结肠的一个端部移动到连接部分。因此，由此需要第二入口端口装置来经腹腔镜插入器械，以帮助动员结肠并且/或者从第一入口端口装置的腹腔镜器械抓取结肠的一个端部并将该一个端部移动到连接部分。具有插入其以执行至少一个外科步骤或部位的多个器械的多端口装置可增加外科器械或机器人臂之间的外科错误和碰撞的机会。
本外科系统包括互连多组外科器械的多端口装置(例如，多端口装置)，该多组外科器械可一起移动，同时还向外科器械提供个体化的装置间阻力和运动。例如，第一端口装置可被构造成能够接收第一组器械(例如，两个或更多个器械)，并且第二端口装置可被构造成能够接收第二组器械(例如，两个或更多个器械)，并且当来自第一组和来自第二组的至少一个器械分别插入第一端口装置和第二端口装置中时，这些器械可作为单个组一起移动。另选地或附加地，第一组中的至少一个所插入器械可与第二组中的至少一个器械一起移动，反之亦然。
图27示出了外科系统8000的示例性实施方案，该外科系统被构造用于通过两个或更多个互连的多端口装置到身体中的腹腔镜进入和/或内窥镜进入。图28示意性地示出了在对结肠10的外科切除手术中使用的外科系统8000。为了简单起见，外科系统8000的某些部件未示出。
如图所示，外科系统8000包括第一多端口装置8100和第二多端口装置8200，其中每个多端口装置8100、8200被构造成能够至少部分地设置在身体内。在其他实施方案中，外科系统可包括两个以上的多端口装置。本文也设想了除了多端口装置之外，外科系统还可包括一个或多个单端口装置。
第一多端口装置8100可具有多种构型。例如，在一些实施方案中，如图27和图28所示，第一多端口装置8100包括其中限定有第一端口8102和第二端口8104的第一壳体8101。第一端口8102和第二端口8104各自被构造成能够允许相应的外科器械穿过其插入。例如，第一器械8106(在图28中更详细地示出)可插入第一端口8102中，并且第二器械8108(在图28中更详细地示出)可插入第二端口8104中。第一器械8106和第二器械8108在本文中统称为“第一组器械”。
在使用中，第一多端口装置8100与第一器械8106、第二器械8108或两者相互作用。第一多端口装置8100可被构造成能够与第一器械8106和第二器械8108同时地、分开地或两者兼具地相互作用。以举例的方式，第一多端口装置8100与第一器械8106相互作用，并且在相互作用期间，第一多端口装置8100向第一器械8106施加阻力。这些阻力基于第二器械8108的位置、取向和运动中的至少一者来限制第一器械8106的一个或多个运动。本领域的技术人员将理解，第一多端口装置8100被构造成能够具有与第二器械8108类似的相互作用。
第一壳体8101可由一种或多种合适的材料形成。在一些实施方案中，第一壳体的第一部分可由至少一种第一材料形成，并且第一壳体的第二部分可由至少一种第二材料形成。在此类实施方案中，第一部分可具有比第二部分高的柔性，反之亦然。在其他实施方案中，第一壳体由一种或多种合适的材料均匀地形成。本领域的技术人员将理解，第一多端口装置施加到任何所插入器械的阻力的量和类型将至少取决于第一壳体的材料和结构构型以及由所插入器械施加到相应端口的力的量和力的方向。
第一端口8102和第二端口8104可被构造成能够围绕穿过其插入的器械形成密封。例如，第一密封元件8103和第二密封元件8105可分别定位在第一端口8102和第二端口8104内。密封元件8103、8105可由任何合适的材料形成。本领域的技术人员将理解，第一多端口装置施加到任何所插入器械的阻力的量和类型将至少取决于设置在第一壳体的第一端口和第二端口内的任何密封元件的材料和结构构型。
在使用中，第一密封元件8103和第二密封元件8105分别围绕第一器械8106和第二器械8108形成密封。这可允许在将第一器械8106和第二器械8108和/或其他合适的器械插入第一多端口装置8100中和从该第一多端口装置中移除时，身体内部的生理空间保持被吹气。在某些实施方案中，第一多端口装置8100的一个或多个所插入器械可相对于第一壳体8101枢转地移动。
第二多端口装置8200可具有多种构型。例如，在一些实施方案中，如图27所示，第二多端口装置8200包括其中限定有第三端口8202和第四端口8204的第二壳体8201。第三端口8202和第四端口8204各自被构造成能够允许相应的器械穿过其插入。例如，第三器械8206(在图28中更详细地示出)可插入第三端口8202中，并且第四器械8208(在图28中更详细地示出)可插入第四端口8204中。第三器械8206和第四器械8208在本文中统称为“第二组器械”。
在使用中，第二多端口装置8200与第三器械8206、第四器械8208或两者相互作用。第二多端口装置8200可被构造成能够与第三器械8206和第四器械8208同时地、分开地或两者兼具地相互作用。以举例的方式，第二多端口装置8200可与第三器械8206相互作用，并且在该相互作用期间，第二多端口装置8200向第三器械8206施加阻力。这些阻力基于第四器械8208的位置、取向和运动中的至少一者来限制第三器械8206的一个或多个运动。本领域的技术人员将理解，第二多端口装置8200被构造成能够具有与第四器械8208类似的相互作用。
第二壳体8201可由一种或多种合适的材料形成。在一些实施方案中，第二壳体的第一部分可由至少一种第一材料形成，并且第二壳体的第二部分可由至少一种第二材料形成。在此类实施方案中，第一部分可具有比第二部分高的柔性，反之亦然。在其他实施方案中，第二壳体由一种或多种合适的材料均匀地形成。本领域的技术人员将理解，第二多端口装置施加到任何所插入器械的阻力的量和类型将至少取决于第二壳体的材料和结构构型以及由所插入器械施加到相应端口的力的量和力的方向。
第三端口8202和第四端口8204可被构造成能够围绕穿过其插入的器械形成密封。例如，第三密封元件8203和第四密封元件8205可分别定位在第三端口8202和第四端口8204内。第三密封元件8203和第四密封元件8205可由任何合适的材料形成。本领域的技术人员将理解，第二多端口装置施加到任何所插入器械的阻力的量和类型将至少取决于设置在第二壳体的第三端口和第四端口内的任何密封元件的材料和结构构型。
在使用中，第三密封元件8203和第四密封元件8205分别围绕第三器械8206和第四器械8208形成密封。这可允许在将第三器械8206和第四器械8208和/或其他合适的器械插入第二多端口装置8200中和从该第二多端口装置中移除时，身体内部的生理空间保持被吹气。在某些实施方案中，第二多端口装置8200的一个或多个所插入器械可相对于第二壳体8201枢转地移动。
另外，第一多端口装置8100和/或第二多端口装置8200可结合各种跟踪机构，诸如电磁(EM)跟踪尖端、光纤布拉格光栅、各种传感器等，以帮助跟踪器械的取向、定位和移动。例如，第一多端口装置8100和第二多端口装置可分别包括第一跟踪装置8110和第二跟踪装置8210。第一跟踪装置8110和第二跟踪装置8210中的每一者可被配置为能够传输多种信号，这些信号可用于确定：第一多端口装置8100和第二多端口装置8200的相对位置；插入第一多端口装置8100或第二多端口装置8200中的一者中的至少一个器械相对于第一多端口装置8100或第二多端口装置8200中的另一者或相对于插入第一多端口装置8100或第二多端口装置8200中的另一者中的至少一个器械的位置、取向和运动中的至少一者；或它们的组合。
在使用中，相对于第一跟踪装置8110，当第三器械8206和第四器械8208被插入第二多端口装置中并且在身体内移动时，第一跟踪装置8110被配置为能够向控制器8002传输第一信号8112，该第一信号包括与第三器械8206、第四器械8208或第二组器械相关联的感测数据。即，当此类器械被插入身体内并且与第二多端口装置8200一起或相对于该第二多端口装置移动时，第一跟踪装置8110被配置为能够感测或以其他方式跟踪第三器械8206、第四器械8208或两者(例如，第二组器械)。另选地或附加地，第一信号8112或附加信号可包括与第二多端口装置8200相关联的感测数据。第一跟踪装置8110还被配置为能够向控制器8002传输第二信号8114，该第二信号包括与第一组器械和/或第一多端口装置8100自身相关联的感测数据。
一旦第一传输信号8112和第二传输信号8114被传输到控制器8002并被其接收，控制器8002就可基于这些信号来计算第三器械8206、第四器械8208或两者相对于第一组器械和/或第一多端口装置8100自身的位置、定位或运动。这在第一组器械与第二组器械之间产生一种或多种相互关系，并且因此，第一组器械和第二组器械的至少一部分能够在一个或多个外科部位处一起协作地工作并且/或者执行外科手术的至少一个外科步骤。如图28所示，并且如下文更详细描述的，第一器械8106和第三器械8206一起协作地工作以切换结肠10的自由端15，并且第二器械8108和第四器械8208被示出为一起协作地工作以抓取结肠10的相同区域。
类似地，相对于第二跟踪装置8210，在使用中，当第一器械8106和第二器械8108被布置在身体内时，第二跟踪装置8210被配置为能够向控制器8002传输第三信号8212，该第三信号包括与第一器械8106、第二器械8108或第一组器械相关联的感测数据。即，当此类器械被插入身体内并且与第一多端口装置8100一起或相对于该第一多端口装置移动时，第二跟踪装置8210被配置为能够感测或以其他方式跟踪第一器械8106、第二器械8108或两者(例如，第一组器械)。另选地或附加地，第三信号8212或附加信号可包括与第一多端口装置8100相关联的感测数据。第二跟踪装置8210还被配置为能够向控制器8002传输第四信号8214，该第四信号包括与第二组器械和/或第二多端口装置8200自身相关联的感测数据。
一旦第三传输信号8212和第四传输信号8214被传输到控制器8002并被其接收，控制器8002就可基于这些信号来计算第一器械8106、第二器械8108或两者相对于第二组器械和/或第二多端口装置8200自身的位置、定位或运动。这也在第一组器械与第二组器械之间产生一种或多种附加相互关系，并且因此，第一组器械和第二组器械的至少一部分能够在一个或多个外科部位处一起协作地工作并且/或者执行外科手术的至少一个外科步骤。
第一跟踪装置8110和第二跟踪装置8210的跟踪机构可以是任何合适的机构。例如，第一跟踪装置8110可被配置为能够使用磁性感测来检测第三器械8206、第四器械8208或两者相对于第一多端口装置8100的位置、取向或运动，并且/或者确定第二多端口装置8200相对于第一多端口装置8100的位置。在此类情况下，第三器械8206、第四器械8208或两者和/或第二多端口装置8200包括相应的磁性基准标记(未示出)，该磁性基准标记被配置为能够发射可由第一跟踪装置8110检测到的相应磁场。另选地或附加地，第二跟踪装置8210可被配置为能够使用类似的磁性感测机构来检测第一器械8106和第二器械8108中的至少一者相对于第二多端口装置8200的位置、取向或运动，并且/或者确定第一多端口装置8100相对于第二多端口装置8200的位置。在一些实施方案中，磁跟踪系统被配置为能够输出相对于磁体、其取向和附近的金属系统的限定的定向场。当磁体是永磁体时，场具有预定的强度、尺寸和取向。由于场是矢量定向的，因此定向场内的磁性传感器被配置为能够根据磁体矢量的强度、方向和这些测量值随时间的变化(其中传感器在定向场内)以及传感器相对于磁体的取向来进行感测。当磁体是电磁体时，强度和场方向可按指示交替和改变，这减轻了金属对场和干扰的影响并且提高了精度。2007年11月11日至15日在美国华盛顿州西雅图举行的IMECE2007 2007ASME国际机械工程大会暨展览会论文集“DESIGN OF A MAGNETICFIELD-BASED MULTIDEGREE-OF-FREEDOM ORIENTATION SENSOR USING THE DISTRBUTED-MULTIPLE-POLE MODEL”示出和描述了多自由度磁场跟踪。
对于另一示例，第一跟踪装置8110可被配置为能够使用公共解剖标志来检测第三器械8206、第四器械8208或两者相对于第一多端口装置8100的位置、取向或运动和/或第二多端口装置8200相对于第一多端口装置8100的位置。另选地或附加地，第二跟踪装置8210可被配置为能够使用公共解剖标志来检测第一器械8106和第二器械8108中的至少一者相对于第二多端口装置的位置、取向或运动和/或第一多端口装置8100相对于第二多端口装置8200的位置。在一些实施方案中，生理标志以及这些标志相对于成像系统的距离和聚焦方面的使用使得成像系统能够使用相同的成像和距离测量值来确定器械相对于解剖位置的位置和取向。这些“参考”点将使得系统能够使用成像和术前成像来缩放测量，从而允许它们更准确地校正系统的聚焦或深度测量。在某些实施方案中，3D成像系统和/或激光雷达成像系统两者可用于增强或替换相对于外科部位的光学测量。
对于又一示例，结构化光扫描可用于创建3D地图。第一多端口装置8100、第二多端口装置8200和器械8106、8108、8206、8208的电磁跟踪(例如，使用一个或多个基准标记)提供地图的3D配准。然后可通过共焦激光显微术使用手动线或引导在关键结构周围创建周界，以提供实时组织学引导。如在空间中配准的线可被传送到第一多端口装置8100以及位于与第二多端口装置8200以及第三器械8206和第四器械8208不同的腹腔象限中的第一器械8106和第二器械8108，用于在象限之间动员结肠10。另选地或附加地，在空间中配准的线可被传送到第二多端口装置8200以及第三器械8206和第四器械8208，用于在象限之间动员结肠10。
另选地，对于又一示例，保持外科器械的机器人臂之间的物理机械连接角度及其预定长度可用于增强外科器械与外科部位之间的深度和焦距的视觉系统的计算。通过使用连接角度和预定长度，系统可实现患者体内的器械的三角测量，以便“校准”或补偿成像系统的光学损失。
对于再一个示例，第一跟踪装置8110可以是光学传感器，该光学传感器可被配置为能够检测第三器械、第四器械和/或第二多端口装置上的基准标记。另选地或附加地，第二跟踪装置可以是光学传感器，该光学传感器被配置为能够检测第一器械、第二器械和/或第一多端口装置上的基准标记。在外科手术的执行期间，可以这种方式跟踪任何数量的多端口和/或外科器械。
在一些实施方案中，控制协作外科器械交互包括与窥镜跟踪协作地使用智能装置位置。一般来讲，非磁性感测系统可用于3D跟踪以使用单个接收器和至少一个发射器来提供X、Y、Z坐标。因此可使用上文所讨论的飞行时间距离传感器系统。
例如，非磁性感测系统可包括超声传感器技术和射频(RF)传感器技术。飞行时间系统可包括发射器和接收器。为了促进控制协作外科成像交互，发射器包括被配置为能够发射超声脉冲的超声传感器(超声信标)，并且接收器包括被配置为能够发射RF信号的RF接收器，该RF信号命令发射器开始发射超声脉冲。超声脉冲被其范围内的对象反射回来。RF接收器被配置为能够记录超声脉冲并且基于所记录的超声脉冲来计算发射器的3D坐标(X，Y，Z)。超声脉冲的声音传播时间允许RF接收器计算3D坐标并且计算到对象的距离。
图28示出了在结肠切除手术期间使用的外科系统8000的示意图。如上所述，第一多端口装置8100的第一跟踪装置8110可跟踪第三器械8206、第四器械8208或两者，并且第二多端口装置8200的第二跟踪装置8210可跟踪第一器械8106、第二器械8108或两者的位置，同时这些器械被插入它们相应的端口装置中并且被布置在身体内。另外，第一器械8106和第二器械8108可分别包括第一抓紧器8107和第二抓紧器8109，并且第三器械8206和第四器械8208可分别包括第三抓紧器8207和第四抓紧器8209，以抓持结肠10及其动员部分12并且帮助将动员部分12重新附着到直肠14。
如图28所示，穿过第一多端口装置8100的第一器械8106和第二器械8108被布置在腹腔的左上象限中以动员横结肠和降结肠10。穿过第二多端口装置8200的第三器械8206和第四器械8208被布置在腹腔的左下象限中，以沿着线IL动员和产生切口，从而移除降结肠或乙状结肠中的肿瘤。每组器械通过相应的多端口装置8100、8200一起进入腹腔，这允许在其自身的象限内使每个多端口的器械运动相互关联。如图所示，第一器械8106和第二器械8108具有如虚线RA所示的第一运动范围，并且第三器械8206和第四器械8208具有如虚线RB所示的第二运动范围。
由于第一多端口装置8100和第二多端口装置8200相对于彼此的位置以及在使用期间施加到相应的第一组器械和第二组器械的阻力，因此存在被示出为OR的重叠运动范围，其中两组器械可在该重叠运动范围内移动。因此，基于相对于结肠的位置的重叠运动范围，器械8106、8108、8206、8208可在从左上象限过渡到右下象限的结肠10的动员部分12的动员和缩回的切换期间相互作用。在切换之前和/或期间，第一跟踪装置8110向控制器8002传输第一信号8112和第二信号8114，并且/或者第二跟踪装置8210向控制器8002传输第三信号8212和第四信号8214。第一多端口装置8100和第二多端口装置8200之间的所得相互关系(例如，借助第一跟踪装置和/或第二跟踪装置)使得器械8106、8108、8206、8208能够在它们的相应象限内进行三角测量和反向运动，以及能够在第一组器械和第二组器械的至少一部分之间进行协调移动。因此，第一组器械和第二组器械一起协作地工作以彼此交接，从而控制和/或稳定结肠或其一部分，并且/或者朝向直肠移动自由端15以进行附着。更具体地，如图28所示，第二器械8108和第四器械8208正在抓取结肠10的相同区域，并且第三器械8206准备从第一器械8106抓持结肠10的自由端15以将自由端15朝向直肠14移动。
本文所述的示例性外科系统、端口装置和相关方法以及其变型中的任何一者或多者可在由医疗专业人员执行的常规外科手术以及机器人辅助的外科手术中实施。本文的各种教导内容可易于结合到机器人外科系统，诸如Intuitive Surgical,Inc.(Sunnyvale,Calif.)的DAVINCITM系统中的一者或多者，包括其SPTM外科系统。可与本文所公开的示例性外科进入装置和方法中的任何一者或多者组合的示例性机器人外科系统和相关特征部在以下专利中有所公开：2011年11月29日公布的名称为“Method and Apparatus forTransforming Coordinate Systems in a Telemanipulation System”的美国专利号8,068,649；2013年8月27日公布的名称为“Retraction of Tissue for Single Port Entry,Robotically Assisted Medical Procedures”的美国专利号8,517,933；2013年10月1日公布的名称为“Curved Cannula Surgical System”的美国专利号8,545,515；2013年10月8日公布的名称为“Curved Cannula Instrument”的美国专利号8,551,115；2014年1月7日公布的名称为“Surgical Port Feature”的美国专利号8,623,028，其公开内容以引用方式并入本文；2014年7月8日公布的名称为“Retraction of Tissue for Single Port Entry,Robotically Assisted Medical Procedures”的美国专利号8,771,180，其公开内容以引用方式并入本文；2014年11月18日公布的名称为“Curved Cannula Surgical SystemControl”的美国专利号8,888,789；2016年2月9日公布的名称为“Curved CannulaSurgical System”的美国专利号9,254,178；2016年3月15日公布的名称为“CurvedCannula Surgical System”的美国专利号9,283,050；2016年4月26日公布的名称为“Surgical Instrument Control and Actuation”的美国专利号9,320,416，其公开内容以引用方式并入本文；2016年5月17日公布的名称为“Direct Pull Surgical Gripper”的美国专利号9,339,341；2016年6月7日公布的名称为“Multi-Port Surgical Robotic SystemArchitecture”的美国专利号9,358,074；2017年2月21日公布的名称为“Medical Systemwith Multiple Operating Modes for Steering a Medical Instrument ThroughLinked Body Passages”的美国专利号9,572,481；2017年5月2日公布的名称为“Multi-User Medical Robotic System for Collaboration or Training in MinimallyInvasive Surgical Procedures”的美国专利号9,636,186；2014年3月6日公布的名称为“Surgical Port Feature”的美国专利公布号2014/0066717；2019年4月2日公布的美国专利号10,245,069，其公开内容以引用方式并入本文；2017年5月11日公布的名称为“Laparoscopic Ultrasound Robotic Surgical System”的美国专利公布号2017/0128041和2017年5月11日公布的名称为“Laparoscopic Ultrasound Robotic Surgical System”的美国专利公布号2017/0128144，其公开内容以引用方式并入本文；以及2017年5月11日公布的名称为“Laparoscopic Ultrasound Robotic Surgical System”的美国专利公布号2017/0128145。这些参考文献中的每一篇的公开内容以引用方式并入本文。
用于器械稳定的外科密封系统
在各种外科手术中，外科医生可能需要将两个或更多个外科器械同时引导到体腔中，以便进入组织并提供对组织的有效处理。然而，通常期望使需要在患者体内(例如，在患者的腹壁中)形成的外科开口的数量最小化，由此减轻患者的组织创伤、美容损伤和术后恢复时间。因此，提供了外科密封系统，该外科密封系统通常包括具有密封壳体的密封装置，该密封壳体具有用于接收外科器械的端口。
一般来讲，密封壳体的端口被设计成控制或限制通过相应端口插入的至少一个器械的运动，使得该器械能够稳定通过相应另一端口插入的另一器械。每个端口可具有标称尺寸和形状，并且每个端口可被构造成能够呈现不同于标称尺寸和/或形状的选定尺寸和/或形状。本领域的技术人员将理解，标称尺寸和标称形状是指在没有在其上施加力的情况下端口的尺寸和形状。类似地，本领域的技术人员将理解，端口的选定尺寸和选定形状是指当诸如通过插入穿过端口的器械向端口施加力时端口的尺寸和形状。本领域技术人员还将理解，选定尺寸和选定形状将取决于诸如通过器械施加到端口的力的量和力的方向。
每个端口的选定尺寸和/或形状可受其他多个端口中的每个端口的尺寸和形状的约束。因此，向一个端口施加的力可影响其他端口的尺寸和形状。该力可由设置在多个端口中的一个端口内的器械施加。因此，施加到其上的力有效地基于器械的移动、方向和力来改变端口的尺寸和/或形状。由于改变任何一个端口的标称形状的能力因此受其他端口的尺寸和/或形状的约束或限制，所以施加到定位在多个端口中的一个端口内的一个器械的力被构造成能够稳定定位在多个端口中的其他端口内的至少一个其他器械。
图29和图30示出了外科密封装置9000，该外科密封装置包括具有预定尺寸和形状的密封壳体9002以及在任何外力施加到端口之前延伸穿过其的端口9008、9010、9012、9014。如图29和图30所示，密封壳体9002以其预定尺寸和形状示出。密封壳体9002可具有多种构型。例如，在该示出的实施方案中，密封壳体9002具有内主体构件9004和围绕内主体构件9004定位的外主体构件9005。在某些实施方案中，内主体构件9004相对于外主体构件9005可以是柔性的，反之亦然。换句话说，外主体构件9005相对于内主体构件9004可以是刚性的，反之亦然。在一个实施方案中，内主体构件和外主体构件由相同的材料形成。
虽然可在密封壳体9002中形成任何数量的端口，但在该示出的实施方案中，四个端口9008、9010、9012、9014延伸穿过密封壳体9002。端口可形成在密封壳体9002的任何合适的部分中。例如，如图29和图30所示，所有端口9008、9010、9012、9014延伸穿过密封壳体9002的内主体构件9004。另外，端口9008、9010、9012、9014相对于密封壳体9002以及彼此可以是可移动的，如在下文更详细讨论的。这种构型可有助于防止插入穿过各种端口9008、9010、9012、9014的外科器械之间的干扰，并且可有利于器械定位在体腔中，外科密封装置9000提供通向该体腔的进入。
在一些实施方案中，如图29和图30所示，密封装置9000可包括牵开器9006，该牵开器联接到密封壳体9002的远侧端部9002d并且从该远侧端部延伸。牵开器9006可被构造成能够放置在患者体内的任何开口中，无论是自然身体孔口还是由切口形成的开口。因此，牵开器9006可用作密封壳体9002的支撑结构并且形成通过患者体内的开口的通道，使得外科器械可插入穿过端口9008、9010、9012、9014并且进入患者的内部体腔或自然体腔。另外，牵开器可附加用作保持元件，其被构造成能够将密封壳体附连到组织。在某些实施方案中，为了将密封壳体固定在切口或自然身体孔口内，可使用布置在牵开器9006的外表面(如图29所示)和/或密封壳体9100的外表面上的单独的保持元件9007。
端口9008、9010、9012、9014可被构造成能够围绕穿过其插入的外科器械形成密封。例如，在一些实施方案中，端口中的至少一者或多者可包括密封元件，该密封元件可定位在相应端口的通道内。密封元件可包括至少一个器械密封件和/或至少一个通道密封件，并且通常可被构造成能够接触通过密封元件的相关联的密封端口插入的器械。例如，端口9012可包括布置在端口9012的通道9013内的密封元件9021，并且端口9014可包括布置在端口9014的通道9015内的密封元件9023。虽然并未示出，但本领域的技术人员将理解，其他端口中的一者或多者可包括密封元件(例如，在结构上类似于密封元件9021、9023的密封元件)。
在一些实施方案中，密封元件可以是由柔性材料形成的薄膜的形式，其可由外科器械穿透或以其他方式刺穿。附加地或另选地，零封密封元件(诸如鸭嘴密封件或用于在没有器械的情况下进行密封的其他合适的密封件)可与端口相关联地使用。密封元件可定位在端口内的任何合适位置处。
外科密封装置9000还可包括由密封壳体9002支撑的吹气端口9016，但本领域的技术人员将理解，吹气端口9016可位于其他位置。本领域的技术人员还将理解，吹气端口9016可具有多种构型。一般来讲，吹气端口9016可被构造成能够将吹气流体输送到体腔中和/或输送出体腔，外科密封装置9000提供通向体腔的进入。
图31和图32是移除了牵开器9006和密封元件9021、9023的外科密封装置9000的示意性底视图。如上所述，端口9008、9010、9012、9014可具有尺寸和形状的任何组合。端口9008可具有直径D1，端口9010可具有直径D2，并且端口9012、9014可具有直径D3。吹气端口开口9016可具有任何直径D4。端口9012、9014的直径D3可限定被布置在端口9012、9014内的器械的轨道路径的直径。
当器械被插入端口9008、9010、9012、9014中的一者中并且力被施加到器械时，端口可基于器械的移动、方向和力从标称尺寸和形状调节到选定尺寸和形状。如图31所示，端口9012、9014可分别包括标称形状9018、9020。端口9012、9014的标称形状9018、9020是当没有器械布置在端口中并且向端口施加力时端口的尺寸和形状。另外，当没有器械布置在其中时，端口9008具有标称尺寸和形状9009。在某些实施方案中，密封壳体9100可具有直径D5，其可为固定的或可调节的。
多个端口9012、9014中的每一者具有标称尺寸和形状9018、9020以及直径D3，并且每个端口被构造成能够呈现不同于标称尺寸和形状9018、9020的选定尺寸和/或形状9018'、9020'，其中每个端口的选定尺寸和/或形状9018'、9020'受其他多个端口中的每个端口的尺寸和形状的约束。另外，端口9012、9014的改变的直径D3'可进一步限制器械可在其中移动的平面。例如，如图32所示，端口9012、9014已经变得更窄且为椭圆形，从而将端口内的器械限制为仅能够在平行于每个端口9012、9014的直径D3'的平面内移动。由于端口9012、9014的限制平面是不平行的，因此端口9012、9014内的器械可用于稳定端口9010内的第三器械。
端口9008、9012、9014如何从它们的标称尺寸和形状9009、9018、9020改变为它们的选定尺寸和形状9009'、9018'、9020'的示例如下。器械(未示出)平行于Y轴插入每个相应的端口9008、9010、9012、9014中。当布置在端口9008内的器械沿着X轴枢转时，由于器械向端口9008施加力，致使端口9008作出反应并且沿着X轴变为细长形状，因此端口9008从标称尺寸和形状9009改变为选定尺寸和形状9009'。由于端口9008处于选定尺寸和形状9009'，因此端口9012中的器械可沿着Z轴移动。然而，由于端口9008已经沿着X轴伸长，因此端口9012将从标称尺寸和形状9018改变为选定尺寸和形状9018'。如图32所示，端口9012以与Z轴成大约45°的角度伸长，Z轴是器械的预期行进轴。如果端口9008未处于选定尺寸和形状9009'，则端口9012的选定尺寸和形状可平行于Z轴，因为端口9008将不阻挡端口9012的移动。
另外，端口9014的操作类似于端口9012，其中端口9014内的器械的预期方向平行于Z轴。然而，类似于端口9012，端口9014的选定尺寸和形状9020'受端口9008的选定尺寸和形状9009'的限制。当从标称尺寸和形状9020移动到选定尺寸和形状9020'时，这迫使端口9014相对于Z轴以大约135°的角度伸长。
在某些实施方案中，如果端口9012的选定尺寸和形状9018'改为平行于X轴，并且端口9008的选定尺寸和形状9009'保持平行于X轴，则端口9014的选定尺寸和形状将被限制为仅在+Z轴和+X轴上移动，因为-Z轴将被端口9008阻挡，并且-X轴将被端口9012阻挡。
在一些实施方案中，密封装置可包括约束元件，该约束元件可进一步控制插入密封装置中的器械的一些但并非所有移动和力。例如，如图30所示，端口9010可包括由内主体构件9004包封的刚性结构9011。在其他实施方案中，一个或多个端口可包括刚性约束元件，而一个或多个其他端口可包括柔性约束元件，该柔性约束元件允许端口相对于彼此在预定方向上的一些移动，同时防止其他移动。在某些实施方案中，密封壳体包括在与端口相切的至少一些方向上定位的约束特征部，以基本上防止一个端口相对于另一端口的拉伸或移动。这可在用于相同端口的多个平面中或在选择的方向上进行，以允许端口在其他方向上浮动，从而改善对围绕通过密封装置插入的器械的密封的维持。
在某些实施方案中，密封壳体的端口中的一个端口内的所插入器械中的一者可用作中心锚定工具。该中心锚定工具可以是密封壳体的端口中的一个端口内的指定器械，其支撑穿过密封壳体内的其他端口的其余器械。在一些实施方案中，中心锚定工具可以是不直接与组织相互作用的器械，诸如穿过端口的相机或窥镜装置。另选地，中心锚定工具可以是与组织相互作用使得可在不改变密封壳体的锚定点的情况下操纵并支撑附加器械的器械(例如，抓紧器、电外科工具等)。图33示出了插入密封装置9000的端口9014中的示例性中心锚定工具9017。
在某些实施方案中，端口中的至少一个端口可包括布置在相应端口内的螺纹约束件，例如，如图34所示。除了下文详细描述的差异之外，密封装置9200可类似于密封装置9000(图29)，并且因此在此不详细描述共同的特征。如图所示，第一螺纹约束件9202被构造成能够布置在第一端口9204中，并且第二螺纹约束件9206被构造成能够布置在第二端口9208中。每个螺纹约束件9202、9206被构造成能够将布置在每个相应的端口9204、9208内的器械固定到密封壳体9209，并且螺纹约束件9202、9206中的每一者被构造成能够接触器械的外表面。虽然螺纹约束件9202、9206可具有多种构型，但在该示出的实施方案中，第一螺纹约束件9202和第二螺纹约束件9206中的每一者包括在其外表面9218、9219上具有螺纹9214、9216的大致圆柱形主体9210、9212。螺纹9214、9216被构造成能够与每个相应的第一端口9204和第二端口9208上的对应螺纹9220、9222螺纹地接合。
在使用期间，当器械插入第一端口9204或第二端口9208中并在其中旋转时，相应的第一螺纹约束件9202或第二螺纹约束件9206也旋转，从而相对于密封壳体9209拧紧相应的第一螺纹约束件9202或第二螺纹约束件9206。当螺纹约束件9202、9206拧紧时，可用于所插入器械的运动范围减小。一旦螺纹约束件9202、9206被完全拧紧，器械就被固定到密封壳体9209。当被固定时，器械可用作密封壳体9209的其他端口9204、9208内的其他器械的锚定件。
在其他实施方案中，密封系统可包括集成机构或电子激活约束系统，以提供选择性支撑或浮动(例如，移动)操作。例如，可在密封壳体之上或之内采用具有可选择大小的阀的流体联接圆柱体来抑制运动。在某些实施方案中，电磁阀可用于抑制循环流体运动。
在一些实施方案中，端口可被构造成能够响应于施加到端口的外部能量而改变形状和尺寸。例如，多个端口9012、9014中的每个端口可由铁磁材料形成，该铁磁材料被构造成能够响应于暴露于电磁体而在结构上改变。在使用期间，电磁体可向端口9012、9014施加磁通量，以致使端口9012、9014至少改变它们的形状(与电磁体被关闭时它们的形状相比)。
本文所述的示例性外科密封系统、装置和相关方法以及其变型中的任何一者或多者可在由医疗专业人员执行的常规外科手术以及机器人辅助的外科手术中实施。本文的各种教导内容可易于结合到机器人外科系统，诸如Intuitive Surgical,Inc.(Sunnyvale,Calif.)的DAVINCITM系统中的一者或多者，包括其SPTM外科系统。可与本文所公开的示例性外科进入装置和方法中的任何一者或多者组合的示例性机器人外科系统和相关特征部在以下专利中有所公开：2011年11月29日公布的名称为“Method and Apparatus forTransforming Coordinate Systems in a Telemanipulation System”的美国专利号8,068,649；2013年8月27日公布的名称为“Retraction of Tissue for Single Port Entry,Robotically Assisted Medical Procedures”的美国专利号8,517,933；2013年10月1日公布的名称为“Curved Cannula Surgical System”的美国专利号8,545,515；2013年10月8日公布的名称为“Curved Cannula Instrument”的美国专利号8,551,115；2014年1月7日公布的名称为“Surgical Port Feature”的美国专利号8,623,028，其公开内容以引用方式并入本文；2014年7月8日公布的名称为“Retraction of Tissue for Single Port Entry,Robotically Assisted Medical Procedures”的美国专利号8,771,180，其公开内容以引用方式并入本文；2014年11月18日公布的名称为“Curved Cannula Surgical SystemControl”的美国专利号8,888,789；2016年2月9日公布的名称为“Curved CannulaSurgical System”的美国专利号9,254,178；2016年3月15日公布的名称为“CurvedCannula Surgical System”的美国专利号9,283,050；2016年4月26日公布的名称为“Surgical Instrument Control and Actuation”的美国专利号9,320,416，其公开内容以引用方式并入本文；2016年5月17日公布的名称为“Direct Pull Surgical Gripper”的美国专利号9,339,341；2016年6月7日公布的名称为“Multi-Port Surgical Robotic SystemArchitecture”的美国专利号9,358,074；2017年2月21日公布的名称为“Medical Systemwith Multiple Operating Modes for Steering a Medical Instrument ThroughLinked Body Passages”的美国专利号9,572,481；2017年5月2日公布的名称为“Multi-User Medical Robotic System for Collaboration or Training in MinimallyInvasive Surgical Procedures”的美国专利号9,636,186；2014年3月6日公布的名称为“Surgical Port Feature”的美国专利公布号2014/0066717；2019年4月2日公布的美国专利号10,245,069，其公开内容以引用方式并入本文；2017年5月11日公布的名称为“Laparoscopic Ultrasound Robotic Surgical System”的美国专利公布号2017/0128041和2017年5月11日公布的名称为“Laparoscopic Ultrasound Robotic Surgical System”的美国专利公布号2017/0128144，其公开内容以引用方式并入本文；以及2017年5月11日公布的名称为“Laparoscopic Ultrasound Robotic Surgical System”的美国专利公布号2017/0128145。这些参考文献中的每一篇的公开内容以引用方式并入本文。
图35示出了两个机器人臂9300、9302的示例性实施方案，每个机器人臂具有附接到其上的外科器械9304、9306。机器人臂9300、9302能够无线地联接到控制系统9308，该控制系统具有控制台，该控制台具有显示器9310、控制器9312和用户输入装置9314。如图所示，密封壳体9316被部分地插入患者的身体9318中，并且每个外科器械9304、9306被插入密封壳体9316的相应端口9320、9322中。在某些实施方案中，机器人臂9300、9302可被构造成能够在端口周围产生压缩负荷以防止外科器械9304、9306的运动。
在一些实施方案中，控制器9312被配置为能够基于器械的移动、方向和力来从多个端口9008、9010、9012、9014(参见图32)中的至少一个端口接收力读数。例如，力传感器(未示出)可布置在每个机器人臂9300、9302上，使得由每个臂施加的力可被测量并且被发送到控制器9312。基于测量的力读数，控制器9312可基于所插入器械9304、9306施加到此类端口9012、9014的力的量来确定端口9012、9014(参见图32)的选定尺寸和形状9018'、9020'。基于所确定的选定尺寸和形状9018'、9020'，机器人臂9300、9302可由用户以可改变端口9012、9014的尺寸和形状的方式移动，以稳定定位在其他端口9008、9010中的至少一者内的至少一个其他器械(未示出)。
在某些实施方案中，套管针进入端口的工具驱动器约束件可与外科密封装置9000结合地使用。套管针进入端口可用于限制施加到器械轴的力，从而允许机械臂控制该力。套管针进入端口的机器人臂约束件可用于允许工具驱动器约束件向外科密封装置9000提供稳定力，而不是向通过端口插入的器械提供稳定力。在该实施方案中，套管针进入端口的直径是关键的刚度系数，而不是外科密封装置9000的直径D5。在某些实施方案中，从中部署多个器械的插管不具有静止端部管腔。代替地，插管被分段成两个或更多个弯曲构件。该弯曲构件可被驱动到组织内的不同深度，以对抵靠相应的插管节段的器械提供局部力反作用。
在某些实施方案中，端口中的一个端口还可包括锁定臂，该锁定臂被构造成能够锁定该至少一个端口相对于密封壳体的位置。图36示出了密封壳体9402的示例性实施方案，该密封壳体具有布置在其中的狭槽9403，使得锁定臂9404可穿过狭槽9403并且进入密封壳体9402。如图所示，锁定臂9404包括锁定接片9406，该锁定接片被构造成能够被选择性地压下以允许锁定臂9405相对于密封壳体9402移动。布置在锁定臂9404的远侧端部处的是端口9412，其中器械9410布置在端口9412内。由于锁定臂9404的布置，因此端口9412可相对于密封壳体9402移动。本文也设想了锁定臂的其他合适的构型。例如，锁定臂的另一构型可包括具有多个可旋转环的基部构件。顶部可旋转环可包含柔性密封构件，并且一个或多个其他可旋转环可各自具有从其延伸的密封臂并且可在密封构件下方一个堆叠在另一个的顶部上。每个环可相对于其他环并且相对于密封构件单独地旋转。密封臂中的每个密封臂可包括密封元件，该密封元件定位在密封臂的一个端部处并且被构造成能够围绕穿过其插入的器械形成密封。
图37和图38示出了布置在密封壳体9504的至少一个端口9502内的锁定密封件9500的示例性实施方案。锁定密封件9500可以是蜂窝锁定结构的形式，其与穿过其中的器械9510相互作用。锁定密封件9500的形状可通过施加外部能量(诸如热、光或电流)来调节。如图38所示，在暴露于外部能量之后，锁定密封件9500可变形为第一部分9506和第二部分9508。当变形时，第二部分9508可接触器械9510，使得器械9510被锁定在密封壳体9504的适当位置。
在某些实施方案中，外科密封装置还可包括作为约束装置的可变端口，以控制通过外科密封装置的端口插入的器械的一些但并非所有移动和力。外科密封装置的端口可包括由4D打印材料形成并且然后包覆模制到具有端口的密封件的弹性体部分中的部分。4D打印是一种增材制造工艺，3D打印物体通过该增材制造工艺而包括可转换成分(例如，水凝胶、形状记忆聚合物)，使得3D打印物体在作为温度、光或其他环境刺激的外部能量输入的影响下将其自身转换成另一结构。4D打印在物体也是逐层构建的意义上类似于3D打印，但物体随后可在其初始制造之后随时间发生变化。物体将发生变化是因为它打印有这样的材料，该材料具有在暴露于以下特定因素时发生变化的能力：诸如热、磁、水、光或另一能量源。
在一些实施方案中，包括4D打印材料的端口最初可处于柔性状态，以允许通过端口引入和操纵器械。在限定条件下，外科密封装置可具有施加到其上的外部能量以改变4D打印材料的结构，从而改变密封界面相对于器械的几何形状和/或密封本身的锁定。另外，4D打印材料可互锁外科密封装置的所有端口和插入其中的器械以产生刚性约束，从而允许器械在预定方向上相对于彼此的一些移动，同时防止器械在其他方向上的一些移动。防止在一些方向上的移动允许器械与4D打印材料相互作用，以稳定外科密封装置内的其他器械。
4D打印材料将如何与端口内的器械相互作用的示例如下。蜂窝结构可由4D打印材料形成，并且与外科密封装置的每个端口内的枢转密封件一体化。蜂窝结构可以是允许器械轴自由地穿过密封件的三角形或六角形图案。当需要或通过热、压力、光或能量源激活时，蜂窝结构改变其形状以与器械轴接触。通过使三角形或六角形蜂窝结构朝向器械轴向内弯曲、抵靠轴压缩蜂窝结构和/或密封材料来进行接触。
在某些实施方案中，外科密封装置可包括具有弹性体结构构件的3D打印壳体支撑结构。该弹性体结构构件可在固定状态和非固定状态之间被气动致动，以便固定通过外科密封系统的端口插入的器械。
本文所公开的外科装置可设被计成在单次使用后丢弃，或者其可被设计成多次使用。然而无论是哪种情况，外科装置都可在至少使用一次之后经过修复再行使用。修复可包括拆卸外科装置、之后清洁或更换特定零件以及后续重新组装步骤的任何组合。具体地，可拆卸该外科装置，并且可任意组合选择性地更换或去除外科装置的任何数量的特定零件或配件。在清洁和/或更换特定配件后，可对外科装置进行重新组装，以便随后在修复设施处使用或就在外科手术之前由手术团队使用。本领域的技术人员将理解，对外科装置进行修复可利用各种技术来进行拆卸、清洁/更换和重新组装。此类技术的使用以及所得的修复器械均在本申请的范围内。
此外，在本公开中，各实施方案中名称相似的部件通常具有类似的特征部，因此在具体实施方案中，不一定完整地阐述每个名称相似的部件的每个特征部。另外，在所公开的系统、装置和方法的描述中使用线性或圆形尺寸的程度上，此类尺寸并非旨在限制可结合此类系统、装置和方法使用的形状的类型。本领域中技术人员将认识到，针对任何几何形状可容易地确定此类线性和圆形尺寸的等效尺寸。系统和装置及其部件的大小和形状可至少取决于系统和装置将用于其中的受治疗者的解剖结构、系统和装置将与其一起使用的部件的大小和形状、以及系统和装置将用于其中的方法和手术。
应当理解，本文相对于抓握器械柄部的用户诸如临床医生来使用术语“近侧”和“远侧”。应当理解，术语“近侧”和“远侧”在本文中分别相对于外科器械的顶端(例如，在使用期间离外科部位最远的端部)和底端(例如，在使用期间离外科部位最近的端部)使用，该外科器械被构造成能够安装到机器人上。诸如“前”和“后”的其他空间术语分别类似地对应于远侧和近侧。还应当理解，为便利和清楚起见，本文结图示使用空间用语诸如“竖直”和“水平”。然而，外科器械在许多取向和位置上使用，并且这些空间术语并非限制性和绝对的。
在本文中，值或范围可表示为“约”和/或从“约”一个特定值至另一个特定值。当表示此类值或范围时，所公开的其他实施方案包括所列举的特定值和/或从一个特定值到另一个特定值。类似地，当通过使用先行词“约”将值表示为近似值时，应当理解，本文公开了许多值，并且特定值形成另一个实施方案。还应当理解，其中公开了许多值，并且每个值在本文中也被公开为除了值本身之外的“约”该特定值。在实施方案中，“约”能够用于表示例如在所列举值的10％内，在所列举值的5％内或所列举值的2％内。
为了描述和限定本教导内容，注意除非另外指明，否则本文使用术语“基本上”来表示可表征任何定量的比较、值、测量、或其他表示的固有的不确定度。术语“基本上”在本文中也可用来表示定量表示可相对于所声明的参考发生变化而不会导致所关注的主题的基本功能发生变化的程度。
根据上述实施方案，本领域的技术人员将会认识到本发明的另外的特征和优点。因此，本发明不应受到已具体示出和描述内容的限制，除非所附权利要求有所指示。本文引用的所有出版物和参考文献全文明确地以引用方式并入本文。以引用方式全文或部分地并入本文的任何专利、公布或信息均仅在所并入的材料不与本文中阐述的现有定义、陈述或其他公开材料冲突的范围内。同样地，本申请明确阐述的公开内容取代了以引证方式并入本申请的任何冲突材料。

Claims (15)

1.一种外科密封系统，所述外科密封系统包括：
密封装置，所述密封装置具有密封壳体，所述密封壳体具有预定尺寸和形状，所述密封壳体被构造成能够至少部分地设置在体腔内并且具有多个端口；
其中，所述多个端口中的每个端口具有标称尺寸和形状，并且每个端口被构造成能够呈现不同于所述标称尺寸和/或形状的选定尺寸和/或形状，每个端口的所述选定尺寸和/或形状受其他多个端口中的每个端口的尺寸和形状的约束；
其中，所述多个端口中的每个端口被构造成能够围绕穿过所述多个端口中的每个端口插入的器械形成密封；并且
其中，定位在所述多个端口中的一个端口内的器械的位置和施加到所述器械的力基于所述器械的移动、方向和力有效地改变所述端口的所述尺寸和/或形状，并且变更任何一个端口的所述标称形状的能力受其他端口的所述尺寸和/或形状的约束或限制，从而使得施加到定位在所述多个端口中的一个端口内的一个器械的力能够稳定定位在所述多个端口中的其他端口内的至少一个其他器械。
2.根据权利要求1所述的外科密封系统，所述外科密封系统还包括至少一个机电臂，并且其中，插入所述多个端口中的相应端口内的至少一个器械连接到所述至少一个机电臂。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的外科密封系统，其中，所述多个端口中的第一端口被构造成能够向穿过所述第一端口插入的第一器械施加第一力从而限制所述第一器械在第一平面内的移动，并且所述多个端口中的第二端口被构造成能够向穿过所述第二端口插入的第二器械施加第二力从而限制所述第二器械在第二平面内的移动，所述第二平面不平行于所述第一平面。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的外科密封系统，其中，所述多个端口中的至少一个端口包括被构造成能够固定穿过所述至少一个端口插入的器械的螺纹约束件。
5.根据任一前述权利要求所述的外科密封系统，其中，插入所述多个端口中的相应端口中的第一器械和第二器械同时被中心锚定工具稳定，所述中心锚定工具被构造成能够插入穿过所述多个端口中的端口。
6.根据任一前述权利要求所述的外科系统，其中，所述多个端口中的一个或多个端口相对于所述多个端口中的一个或多个其他端口是刚性的。
7.根据任一前述权利要求所述的外科密封系统，其中，所述多个端口中的至少一个端口被构造成能够响应于施加到所述至少一个端口的外部能量而改变形状和尺寸。
8.根据任一前述权利要求所述的外科密封系统，其中，所述多个端口中的至少一个端口由铁磁材料形成，所述铁磁材料被构造成能够响应于暴露于电磁体而在结构上变更。
9.根据任一前述权利要求所述的外科密封系统，其中，所述多个端口中的至少一个端口包括布置在所述密封壳体的狭槽内的锁定臂，所述锁定臂被构造成能够锁定所述至少一个端口相对于所述密封壳体的位置。
10.根据任一前述权利要求所述的外科密封系统，其中，所述密封壳体还包括柔性内主体构件和刚性外主体构件，其中，所述多个端口中的每个端口被布置在所述内主体构件内。
11.根据权利要求10所述的外科密封系统，其中，所述多个端口中的至少一个端口包括由所述柔性内主体构件包封的刚性环。
12.根据任一前述权利要求所述的外科密封系统，其中，所述多个端口中的至少一个端口包括锁定结构，所述锁定结构被构造成能够围绕穿过所述至少一个端口的器械相互作用并且塌缩，以将所插入器械固定在所述至少一个端口内。
13.根据权利要求12所述的外科密封系统，其中，所述锁定结构具有蜂窝构型。
14.根据任一前述权利要求所述的外科密封系统，其中，所述密封装置包括牵开器，所述牵开器联接到所述密封壳体并且被构造成能够定位在自然身体孔口或形成于组织中的开口中。
15.根据任一前述权利要求所述的外科密封系统，其中，所述密封装置包括至少一个保持元件，所述至少一个保持元件被构造成能够将所述密封壳体附连到组织。
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