專利名稱：觸覺反饋醫(yī)學(xué)掃描方法和系統(tǒng)的制作方法
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觸覺反饋醫(yī)學(xué)掃描方法和系統(tǒng)
背景技術(shù)：
0001近代醫(yī)學(xué)中存在各種各樣的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，包括x射線攝影、
直線斷層攝影、多軌跡斷層攝影、計(jì)算機(jī)化軸向斷層攝影(CAT/CT)、核 磁共振(NMR)和超聲成像。在所有的這些技術(shù)中，只有超聲成像要求醫(yī) 學(xué)專業(yè)人員的直接的親手操作注意事項(xiàng)，其中，所述醫(yī)學(xué)專業(yè)人員經(jīng)常被 稱作"聲譜儀操作員"。例如，就常規(guī)而言，技術(shù)人員在完全不同的另個(gè) 房間內(nèi)取得患者的X射線圖像，利用這一優(yōu)勢可以避免受到輻射照射，而 聲譜儀操作員必須實(shí)際握持超聲換能器并使之緊貼患者的皮膚進(jìn)行精細(xì)地 操控，以獲得有意義的圖像。
0002盡管已知的人工超聲成像法通常是安全的，而且在大多數(shù)情 況下都能正常工作，但是在很多情況下，這些常規(guī)的方法仍然會使聲譜儀 操作員處于不舒服或者潛在的危險(xiǎn)的態(tài)勢下。例如，在手術(shù)期間，聲譜儀 操作員可能必須為外科醫(yī)生提供恒定的圖像反饋，但是這樣做要求聲譜儀 操作員長時(shí)間保持高度扭曲的不適姿勢，隨著時(shí)間的推移，這種做法可能 導(dǎo)致聲譜儀操作員的長期身體損傷。而且，當(dāng)患者處于對身體存在危害的 環(huán)境下時(shí)，例如，處于X射線實(shí)驗(yàn)室內(nèi)時(shí)，同時(shí)拍攝X射線圖像和超聲圖 像對聲譜儀操作員可能既存在困難，又存在危險(xiǎn)。相應(yīng)地，希望采用新的 與超聲成像相關(guān)的方法和系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
0003在圖示說明的實(shí)施例中， 一種供醫(yī)學(xué)成像使用的觸覺系統(tǒng)包 括具有多自由度移動(dòng)能力的機(jī)器人臂、耦合到所述機(jī)器人臂的末端附近
的掃描換能器以及具有一個(gè)或多個(gè)機(jī)械鏈桿并與所述機(jī)器人臂通信的觸覺 接口，其中，所述觸覺接口適于發(fā)出使所述機(jī)器人臂沿一個(gè)或多個(gè)方向或 角度移動(dòng)的命令信號，并且適于接收來自所述機(jī)器人臂的反饋信號。
0004在另一圖示說明的實(shí)施例中，被配置為使操作員能夠?qū)颊哌h(yuǎn)程執(zhí)行醫(yī)學(xué)掃描程序的觸覺系統(tǒng)包括具有一個(gè)或多個(gè)與之耦合的力傳 感器的掃描換能器以及觸覺控制機(jī)構(gòu)，所述觸覺控制機(jī)構(gòu)用于發(fā)出能夠控 制所述掃描換能器相對于所述患者的位置和角度的命令信號，并且用于接 收反饋信號，從而為操縱所述觸覺控制機(jī)構(gòu)的操作員提供觸覺反饋。
0005在又一圖示說明的實(shí)施例中， 一種用于使操作員從遠(yuǎn)程位置 對患者執(zhí)行超聲醫(yī)學(xué)成像掃描的方法包括由觸覺裝置響應(yīng)于操作員的機(jī) 械操縱生成命令信號；響應(yīng)于所生成的命令信號對具有與之耦合的超聲換 能器的機(jī)器人臂進(jìn)行定位，從而使所述超聲換能器與所述患者發(fā)生物理接 觸；感測來自所述機(jī)器人臂的位置和力反饋信號中的至少一種；以及使所 述觸覺裝置遵循所述反饋信號。


0006通過參考附圖閱讀下述詳細(xì)說明，圖示說明的實(shí)施例將得到 最佳的理解。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，各種特征未必是按比例繪制的。實(shí)際上，為 了討論的清晰起見，可以任意增大或縮小尺寸。在任何適用并且可行的地 方都采用類似的附圖標(biāo)記表示類似的元件。
0007圖1描繪出采用觸覺反饋技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的圖示 說明的方框0010圖2描繪出與機(jī)器人臂結(jié)合使用的示范性超聲成像裝置；0011圖3描繪出具有作用于其上的各種感興趣的力矢量的示范性 超聲換能器；
0012圖4描繪出示范性觸覺控制器；
0013圖5是可以和觸覺控制成像系統(tǒng)結(jié)合使用的示范性控制系統(tǒng) 的方框0014圖6是供觸覺控制超聲波成像系統(tǒng)使用的示范性控制模型；
以及
0015圖7是概述了與醫(yī)學(xué)成像裝置的觸覺控制相關(guān)的各種示范性 操作的方框圖。
具體實(shí)施方式
0016在下述詳細(xì)說明中，出于解釋而非限制的目的，闡述了公開 具體細(xì)節(jié)的圖示說明的實(shí)施例，以提供對根據(jù)當(dāng)前教導(dǎo)的實(shí)施例的透徹的 理解。但是，對于得益于本公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然，根據(jù)":j前 教導(dǎo)的脫離文中公開的具體細(xì)節(jié)的其他實(shí)施例仍然落在權(quán)利要求的范圍 內(nèi)。此外，為了避免混淆對圖示說明的實(shí)施例的描述，不在贅述公知的設(shè) 備和方法。這樣的方法和設(shè)備顯然落在當(dāng)前教導(dǎo)的范圍內(nèi)。
0017圖1描繪出采用觸覺反饋技術(shù)的醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)100的圖示說 明的實(shí)施例。如圖1所示，醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)100包括遠(yuǎn)程觸覺控制器130和 通過鏈路112連接至公共網(wǎng)絡(luò)110的醫(yī)學(xué)儀器120。
0018在操作當(dāng)中，位于觸覺控制器130處的操作員/聲譜儀操作員 能夠?qū)ｉT配置的控制機(jī)械裝置進(jìn)行操縱，以定義手持"參考棒"的空間 位置和角位置。在各種實(shí)施例中，可以采用觸覺控制器130定義6個(gè)自由 度(DOF)，包括參考棒(相對于某一參考點(diǎn))的X、 Y和Z位置以及參考 棒所處的X、 Y和Z角度。注意，可以采用參考棒的位置和角度定義位于 醫(yī)學(xué)儀器120處的超聲換能器(相對于患者)的空間位置和角度。.
0019盡管示范性的觸覺控制器130是6-DOF的系統(tǒng)，但是在其他 實(shí)施例中，可以采用7-DOF的觸覺控制器，其還包括有關(guān)參考棒的中心軸 的旋轉(zhuǎn)自由度，從而允許聲譜儀操作員使所述棒(以及默認(rèn)的超聲換能器) 圍繞其中心軸旋轉(zhuǎn)。但是，在其他實(shí)施例中，也可以采用不到六個(gè)的自由 度。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，可以采用4-DOF系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了單直線 方向控制和三維角控制，而在其他實(shí)施例中，可以采用l-DOF系統(tǒng)，可以 沿單個(gè)直線方向操縱該系統(tǒng)。注意，需要旋轉(zhuǎn)的情況相對較少。
0020 在操作過程中，隨著聲譜儀操作員操縱觸覺控制器的參考棒， 所述示范性觸覺控制器130能夠通過網(wǎng)絡(luò)110和鏈路112將某種形式的表 示參考棒的位置和角度的控制信號和/或表示聲譜儀操作員施加到參考棒上 的力的控制信號發(fā)送給醫(yī)學(xué)儀器120。
0021接著，處于醫(yī)學(xué)儀器120處的攜帶前述超聲換能器的機(jī)器人 臂能夠?qū)刂菩盘栕龀龇磻?yīng)，即，以這樣的一種方式改變超聲換能器的位 置和角度，使之與觸覺控制器的參考棒的位置和角度一致/相符，或者以其 他方式模擬聲譜儀操作員施加到參考棒上的那些力。
80022由于機(jī)器人臂的反應(yīng)與控制信號相符，因而位于機(jī)器人臂上
和/或耦合至超聲換能器的各種位置傳感器和力傳感器能夠?yàn)橛|覺控制器
130提供各種反饋信號。例如，通過將一個(gè)或多個(gè)力傳感器耦合至超聲換能 器，以檢測施加至換能器的力，醫(yī)學(xué)儀器120能夠?yàn)橛|覺控制器130提供 反饋信號，可以采用所述反饋信號建立作用于聲譜儀操作員的手上的模擬 力，從而有效地模擬聲譜儀操作員將感受到的觸感，就像該操作員」H在il: 接操作醫(yī)學(xué)儀器120處的換能器一樣。
0023除了觸覺接口之外，觸覺控制器130和醫(yī)學(xué)儀器120能夠任 選地包括某種形式的系統(tǒng)，從而對支持超聲換能器的超聲儀表 (instrumentation)的"后端"進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。例如，通過在觸覺控制器130 處提供含有專門設(shè)計(jì)的軟件包的個(gè)人計(jì)算機(jī)，聲譜儀操作員能夠改變?nèi)我?數(shù)量的超聲波儀器設(shè)置，例如，改變其頻率和功率設(shè)置，否則，聲譜儀操 作員必須直接接觸超聲儀器的面板。此外，可以任選將在超聲儀器的顯示 器上生成的任意圖像發(fā)送至所述個(gè)人計(jì)算機(jī)，從而將其更加方便地顯示給 聲譜儀操作員。
0024圖示說明的網(wǎng)絡(luò)IIO是能夠傳輸正EE 1588順應(yīng)信號的以太網(wǎng) 通信系統(tǒng)。但是，在其他實(shí)施例中，網(wǎng)絡(luò)110可以是能夠?qū)谟?jì)算機(jī)的 系統(tǒng)進(jìn)行鏈路鏈接的裝置和系統(tǒng)的任意可行的組合。網(wǎng)絡(luò)110可以包括但 不限于廣域網(wǎng)(WAN)、局域網(wǎng)(LAN)、經(jīng)由內(nèi)聯(lián)網(wǎng)或外聯(lián)網(wǎng)的連接、 經(jīng)由任意數(shù)量的分布式處理網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)的連接、虛擬專用網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)、 專用網(wǎng)、公共網(wǎng)、增值網(wǎng)、基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)、令牌網(wǎng)、光纖分布式數(shù)據(jù) 接口 (FDDI)、基于異步傳輸模式(ATM)的系統(tǒng)、包括T1和El裝置的 基于電話技術(shù)的系統(tǒng)、有線系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)或者無線系統(tǒng)。包括用于每種 所給出的網(wǎng)絡(luò)的已知協(xié)議，但是在這里將不闡述其細(xì)節(jié)。
0025本實(shí)施例的各種鏈路112是被配置為將基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)耦 合至基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)的裝置和軟件/固件的組合。但是，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，在 不同的實(shí)施例中，鏈路112可以采取以太網(wǎng)鏈路、調(diào)制調(diào)解器、網(wǎng)絡(luò)接口 板、串行總線、并行總線、WAN或LAN接口、無線或光接口等形式，如 根據(jù)設(shè)計(jì)選擇所期望或其他方式規(guī)定的那樣。
Q026圖2描繪出根據(jù)圖示說明的實(shí)施例的與CT掃描系統(tǒng)210結(jié)合使用的超聲波成像系統(tǒng)120。如圖2所示，CT掃描系統(tǒng)210設(shè)有在其上可 安置患者的床212。將6-D0F的機(jī)器人臂220附接至CT掃描系統(tǒng)210，并 將超聲換能器230耦合在機(jī)器人臂220的末端。還將遠(yuǎn)程接口 250耦合至 機(jī)器人臂220，將后端超聲模塊240耦合至超聲換能器230。值得注意的是， 床212可以是任何適于使患者平移通過CT掃描系統(tǒng)210的結(jié)構(gòu)。而且，將 床212的平移耦合至控制機(jī)器人臂也可能是有用的，這樣可以允許所述臂 在"鎖定步驟"中與所述床212—起移動(dòng)。
0027在操作當(dāng)中，可以由遠(yuǎn)程接口 250接收諸如觸覺控制器的外 部裝置發(fā)送的控制信號。遠(yuǎn)程接口 250可以調(diào)節(jié)所接收的控制信號，例如 對所接收的控制信號進(jìn)行縮放，并將經(jīng)調(diào)節(jié)的控制信號轉(zhuǎn)送至機(jī)器人臂 220。接著，機(jī)器人臂220可以改變換能器230的位置和角度，使之與經(jīng)調(diào)
節(jié)的控制信號相符。
0028由于機(jī)器人臂的反應(yīng)與控制信號相符，因此可以采用機(jī)器人 臂內(nèi)的各種位置傳感器(未示出)和耦合至換能器的力傳感器(同樣未示 出)通過遠(yuǎn)程接口 250向處于遠(yuǎn)程位置的使用觸覺控制器的聲譜儀操作員 提供觸覺反饋。例如，假設(shè)機(jī)器人臂220將換能器230的面抵靠患者的腹 部放置，那么力傳感器能夠檢測到換能器230和患者之間的力。接著，可 以采用所檢測到的力生成一組作用于使用觸覺控制器的聲譜儀操作員的手 上的模擬力。因此，聲譜儀操作員就能夠受益于極為準(zhǔn)確的觸感，而不必 暴露于CT裝置210所產(chǎn)生的任何輻射之下。
0029由于超聲換能器230有利地抵靠患者放置，因而超聲模塊240 能夠接收到超聲換能器230感測到的那些超聲反射信號，采用本地顯示器 生成適當(dāng)?shù)膱D像和/或任選地通過遠(yuǎn)程接口 250向聲譜儀操作員提供可用的 圖像。此外，聲譜儀操作員能夠通過遠(yuǎn)程接口 250改變超聲模塊240的各 種設(shè)置，就像直接存在這樣的超聲成像儀器時(shí)聲譜儀操作員所做的那樣。
0030圖3描繪出圖2的超聲換能器230，連同感興趣的可以用來為 聲譜儀操作員提供觸覺反饋的力矢量。如圖3所示，超聲換能器230具有 沿超聲換能器230的長度延伸的中心軸，在所述中心軸上示出了表示抵靠 超聲換能器230的前尖端/面(點(diǎn)A處)施加的力的第一力矢量Fz。
0031除了沿中心軸的力矢量Fz之外，測量沿橫向施加到換能器的前面上的力也是有利的，例如，可以通過力矢量Fx和FY表示這些力，所述 力矢量Fx和Fy可以存在于與力矢量Fz正交的平面內(nèi)并且其相互之同止交。
感測沿矢量Fx和FY的力能夠?yàn)槁曌V儀操作員提供增強(qiáng)的觸覺反饋，例如，
在沿患者的皮膚表面拖動(dòng)換能器的面時(shí)可能產(chǎn)生的摩擦和壓力的觸感。
0032此外，為了在聲譜儀操作員想要在換能器230與患者的皮膚 接觸時(shí)旋轉(zhuǎn)換能器230的情況下提供觸覺反饋，可以任選地檢測由力矢量FB 表示的圍繞換能器230的中心軸的旋轉(zhuǎn)力。
0033繼續(xù)參照圖4，其示出了圖示說明的實(shí)施例的觸覺控制器130。 觸覺控制器130包括具有機(jī)械骨架/鏈桿410的基座400，其中參考棒420 附加在所述機(jī)械支架/鏈接410上。示范性的參考棒420的形狀與圖2和3 中的換能器230類似，但是當(dāng)然，參考棒420的具體構(gòu)造可能隨著實(shí)施例 的不同而發(fā)生變化。
0034可以將圖示說明的觸覺控制器130配置為采用若干位置傳感 器(未示出)感測參考棒420的末端在三維空間中相對于基座400的位置 以及參考棒420在三維空間中相對于基座400的角度。在一些實(shí)施例中， 還可以將參考棒420配備為感測圍繞參考棒的中心軸的旋轉(zhuǎn)(或旋轉(zhuǎn)力)， 而在其他實(shí)施例中，觸覺控制器130整體上可以具有不足6個(gè)的自由度。 ' 0035此外，為了使觸覺裝置130能夠向聲譜儀操作員的手430提 供適當(dāng)?shù)挠|覺反饋，可以安裝若干力傳感器和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(未示出)。因而， 在將適當(dāng)?shù)目刂坪徒涌趹?yīng)用于觸覺裝置130以及相應(yīng)的機(jī)器人臂和換能器 時(shí)，能夠使相應(yīng)的機(jī)器人臂和換能器提供的觸覺反饋與聲譜儀操作員的手 430施加到參考棒420上的力相反(counter)。
0036可以用于一些實(shí)施例的各種觸覺控制器的例子包括由位于馬 薩諸塞州沃本Constitution路15號的SensAble Technologies公司制造的 PHAMTOM Omni裝置、PHAMTOM Desktop裝置、PHAMTOM Premium 裝置和PHAMTOM Premium 6DOF裝置。
0037圖5是適于與觸覺控制成像系統(tǒng)結(jié)合使用的圖示說明的實(shí)施 例的遠(yuǎn)程接口 250的方框圖。遠(yuǎn)程接口 250可以包括控制器510、存儲器 520、具有第一組驅(qū)動(dòng)器532和第一數(shù)據(jù)獲取裝置534的第一組儀表530、 具有第二組驅(qū)動(dòng)器542和第二數(shù)據(jù)獲取裝置544的第二組儀表540、控制回
ii路建模裝置550、操作員接口 560以及輸入/輸出裝置590?？刂破?10未必 模擬機(jī)器人臂的粗動(dòng)，而是模擬機(jī)器人臂在3D空間中施加的壓力。如果小 存在響應(yīng)于控制器施加的力而施加的阻力(即，沒有力)，那么將響應(yīng)于施 加到控制器上的力形成機(jī)器人臂的粗動(dòng)。
0038盡管圖5的遠(yuǎn)程接口 250采用了總線化架構(gòu)，但是本領(lǐng)域技 術(shù)人員將認(rèn)識到還可以設(shè)想采用很多其他架構(gòu)。例如，在各個(gè)實(shí)施例中， 各部件510-590可以采取通過一系列獨(dú)立的總線或者通過按照高度專業(yè)化 的架構(gòu)布置的專用邏輯的集合耦合到一起的獨(dú)立的電子部件的形式。
0039還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，上文列舉的部件530-590中的一些的部分或全 部都可以采取貯存于存儲器520中并且能夠由控制器510運(yùn)行的軟件/固件 例程的形式，或者采取貯存于獨(dú)立的服務(wù)器/計(jì)算機(jī)中的獨(dú)立的存儲器內(nèi)、 的由不同的控制器運(yùn)行的軟件/固件例程的形式。
0040在操作過程中，遠(yuǎn)程接口 250可以通過第二數(shù)據(jù)獲取裝置544 接收來自(例如，如圖4所示的)觸覺控制器的控制信號，之后采用控制 回路建模裝置550處理所述控制信號。針對所接收的控制信號的各種處理 可以包括改變控制信號的增益，以提高或降低靈敏度，添加針對所述控制 信號的調(diào)節(jié)器/限制器，以限制相應(yīng)的機(jī)器人臂應(yīng)當(dāng)能夠體現(xiàn)的最大位置或 力等。在實(shí)施例中，通過所述控制信號向機(jī)器人臂提供"無人保護(hù)"安全 性。這樣的特征是有用的，例如，如果網(wǎng)絡(luò)通信鏈路中斷，那么使所施加 的壓力為零。
0041
一旦對控制信號進(jìn)行了調(diào)節(jié)，就可以(通過驅(qū)動(dòng)器532)將所 述控制信號饋送至相應(yīng)的機(jī)器人臂，在此過程中將采用任選的前饋和反饋 補(bǔ)償根據(jù)控制回路建模裝置550中的復(fù)合控制回路對其進(jìn)行進(jìn)一步處理。
0042同時(shí)，第一數(shù)據(jù)獲取裝置534能夠接收來自相應(yīng)的機(jī)器人臂 的位置和/或力反饋信息，并任選按照與針對控制信息的方式相同的方式， 例如，通過改變增益或者利用更為復(fù)雜的傳遞函數(shù)來調(diào)節(jié)所述反饋信息。 之后，可以(通過驅(qū)動(dòng)器542)將經(jīng)調(diào)節(jié)的反饋信息提供給觸覺控制器，在 此過程中將根據(jù)在控制回路建模裝置550中建模的控制回路過程對所述信 息予以處理。
0043圖6描繪出根據(jù)圖示說明的實(shí)施例的與觸覺控制成像系統(tǒng)結(jié)合使用的控制模型600。如圖6所示，第一縮放模塊610能夠從觸覺控制器 130接收通常為位置或力數(shù)據(jù)的控制信號，之后，在所述第一縮放模塊610 中能夠根據(jù)涉及第一前饋補(bǔ)償模塊612、機(jī)器人臂220的機(jī)械部分和第反 饋補(bǔ)償模塊614的控制回路對所述控制信號進(jìn)行處理。
0044類似地，第二縮放模塊620能夠接收來自機(jī)器人臂220和換 能器230的位置和/或力反饋信號，之后，在所述第二縮放模塊620中，能 夠根據(jù)涉及第二前饋補(bǔ)償模塊622、觸覺控制器130的機(jī)械部分和第二反饋 補(bǔ)償模塊624的第二控制回路對所述反饋信號進(jìn)行處理。
0045注意，在觸覺控制器130提供的控制信號主要由位置信總構(gòu) 成時(shí)，后繼的(上方)控制回路將是位置控制回路，反饋信號將主要由力 信息構(gòu)成，而后繼的(下方)控制回路將為力控制回路。相反，當(dāng)觸覺控 制器130提供的控制信號主要由力信息構(gòu)成時(shí)，上方控制回路將是力控制 回路，及饋信號將主要由位置信息構(gòu)成，下方控制回路將是位置控制回路。
0046而且，注意，圖6中描繪的具體控制模型純粹是示范性的， 實(shí)際的控制模型不應(yīng)局限于圖6所示的單一實(shí)施例。
0047翻回到圖5，由于各儀表530和540以及控制回路建模裝置 550能夠使聲譜儀操作員借助觸覺反饋遠(yuǎn)程定位超聲換能器，因而可以任選 采用操作員接口 560和輸入/輸出裝置590來遠(yuǎn)程配置連接至超聲換能器的 超聲儀表的后端，其方式與能夠?qū)嵤┯H手操作的聲譜儀操作員所做的方式 幾乎相同。此外，可以采用操作員接口 560和輸入/輸出裝置590將超聲圖 像數(shù)據(jù)從超聲儀表傳送給聲譜儀操作員。
0048注意，在各實(shí)施例中，可以將遠(yuǎn)程接口 250劃分成兩個(gè)或更 多部分，在觸覺控制裝置和機(jī)器人臂間隔相當(dāng)大的距離時(shí)，這一點(diǎn)可能是 有利的。例如，可以采用兩個(gè)獨(dú)立的接口 250A和250B，其中，遠(yuǎn)程接口 250A位于觸覺控制器，遠(yuǎn)程接口 250B位于相應(yīng)的機(jī)器人臂。在這一例子 中，遠(yuǎn)程接口 250A能夠驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)械裝置，并收集觸覺控制器的換能器數(shù) 據(jù)，遠(yuǎn)程接口 250B能夠驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)械裝置，并收集機(jī)器人臂和超聲換能器 的換能器數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^相應(yīng)的輸入/輸出裝置交換控制數(shù)據(jù)和反饋數(shù)據(jù)， 可以將整個(gè)控制委托給(delegate)兩個(gè)遠(yuǎn)程接口 250A和250B之一。
0049圖7是概述了與醫(yī)學(xué)成像裝置的觸覺控制相關(guān)的各種示范性操作的方框圖。該過程開始于步驟702，在該步驟中，裝配超聲成像儀器(或
者具有類似設(shè)置的醫(yī)學(xué)裝置)連同耦合至所述超聲成像儀器的換能器加上
若干力傳感器的機(jī)器人臂。接下來，在步驟704中，類似地裝配觸覺控制 器，并使其在通信上連接至步驟702中的機(jī)器人臂和換能器。控制繼續(xù)辛: 步驟706。
0050在步驟706中，諸如受過培訓(xùn)的聲譜儀操作員的操作員可以 移動(dòng)觸覺控制器的控制表面(例如，參考棒)，以生成力或位置控制信號。 接下來，在步驟708中，可以任選對所述控制信號進(jìn)行縮放或進(jìn)行其他處 理，之后將其發(fā)送至步驟702中的機(jī)器人臂。控制繼續(xù)至步驟710。
0051在步驟710中，機(jī)器人臂能夠?qū)?jīng)縮放/處理的控制信號做出 反應(yīng)，并在所述反應(yīng)過程中生成位置和/或力反饋信號。接下來，在步驟712 中，可以任選對反饋信號進(jìn)行縮放/處理，之后將其發(fā)送至觸覺控制器。之 后，在步驟714中，觸覺控制器能夠?qū)Ψ答佇盘栕龀鲰憫?yīng)，從而為聲譜儀 操作員提供對超聲換能器的觸感?？刂评^續(xù)至步驟720。
0052在步驟720中，確定是否繼續(xù)運(yùn)行在步驟706-714中描述的受 控觸覺反饋過程。如果觸覺反饋過程繼續(xù)進(jìn)行，那么控制跳回到步驟706: 否則，控制繼續(xù)到步驟750，在該步驟中，所述過程停止。
0053在采用諸如基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)或可編程邏輯的可編程裝置實(shí) 現(xiàn)上述系統(tǒng)和/或方法的各實(shí)施例中，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，可以采用各種已知或者 今后開發(fā)出的編程語言，例如，采用"C"、 "C++"、 "FORTRAN", "Pascal"、 "VHDL"等實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)和方法。
0054相應(yīng)地，可以制備各種存儲介質(zhì)，例如，計(jì)算機(jī)磁盤、光盤、 電子存儲器等，其能夠含有指導(dǎo)諸如計(jì)算機(jī)的裝置實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)和/或方法 的信息。 一旦采用適當(dāng)?shù)难b置訪問所述存儲介質(zhì)上含有的信息和程序，那 么所述存儲介質(zhì)就能夠向所述裝置提供所述信息和程序，從而使所述裝置 執(zhí)行上述系統(tǒng)和/或方法。
0055例如，如果將含有諸如源文件、目標(biāo)文件、可執(zhí)行文件等的 適當(dāng)?shù)馁Y料的計(jì)算機(jī)磁盤提供給計(jì)算機(jī)，那么所述計(jì)算機(jī)將接收所述信息， 對自身進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲茫?zhí)行在上述示意圖和流程圖中概括的各種系統(tǒng) 和方法的功能，以實(shí)現(xiàn)所述的各種功能。也就是說，所述計(jì)算機(jī)能夠從所
14述磁盤接收與上述系統(tǒng)和/或方法的不同元件相關(guān)的各個(gè)信息部分，實(shí)現(xiàn)各 系統(tǒng)和/或方法，并協(xié)調(diào)上文所述的各系統(tǒng)和/或方法的功能。
0056從本公開來看，應(yīng)當(dāng)指出，可以通過硬件、軟件和固件實(shí)現(xiàn)
文中描述的各種方法和裝置。此外，僅通過舉例的方式而不是從限定的意 義上給出了各種方法和參數(shù)?？紤]到本公開，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠通過確 定其自身的技術(shù)以及實(shí)施這些技術(shù)所需的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)當(dāng)前教導(dǎo)，而這些仍 然處于權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種供醫(yī)學(xué)成像使用的觸覺系統(tǒng)(100)，所述系統(tǒng)包括具有多自由度移動(dòng)能力的機(jī)器人臂(220)；耦合到所述機(jī)器人臂的末端附近的掃描換能器(230)；以及具有一個(gè)或多個(gè)機(jī)械鏈桿并與所述機(jī)器人臂通信的觸覺接口(250)，其適于發(fā)出使所述機(jī)器人臂沿一個(gè)或多個(gè)方向或角度移動(dòng)的命令信號，并且適于接收來自所述機(jī)器人臂的反饋信號。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸覺系統(tǒng)，其中，所述掃描換能器是能夠向 超聲成像系統(tǒng)(120)提供超聲圖像數(shù)據(jù)的超聲換能器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸覺系統(tǒng)，還包括一個(gè)或多個(gè)耦合至所述掃 描換能器的力傳感器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的觸覺系統(tǒng)，其中，所述一個(gè)或多個(gè)力傳感器 包括能夠感測沿所述掃描換能器的中心軸的力的第一力傳感器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的觸覺系統(tǒng)，其中，所述一個(gè)或多個(gè)力傳感器 還包括一個(gè)或多個(gè)能夠感測作用于所述掃描換能器上的橫向力的第二力傳 感器，所述橫向力處于與所述掃描換能器的中心軸正交的平面內(nèi)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的觸覺系統(tǒng)，其中，所述一個(gè)或多個(gè)力傳感器 還包括一個(gè)或多個(gè)能夠感測圍繞所述掃描換能器的中心軸的旋轉(zhuǎn)力的第二 力傳感器。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的觸覺系統(tǒng)，其中，所述觸覺接口能夠接收源 自于所述一個(gè)或多個(gè)力傳感器的與力相關(guān)的反饋信號，并且其中，所述觸 覺接口能夠表現(xiàn)出作用于與所述觸覺接口接觸的操作員的手的與所述與力 相關(guān)的反饋信號一致的力。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸覺系統(tǒng)，其中，所述機(jī)器人臂為有至少3個(gè)自由度的裝置，所述自由度選自下述選項(xiàng)所述掃描換能器的X位宵、 所述掃描換能器的y位置、所述掃描換能器的Z位置、所述掃描換能器的X 角度、所述掃描換能器的y角度、所述掃描換能器的z角度以及所述掃描換能器的軸旋轉(zhuǎn)角度。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸覺系統(tǒng)，其中，所述機(jī)器人臂為有6個(gè)自由度的裝置，所述自由度選自下述選項(xiàng)所述掃描換能器的X位置、所述掃描換能器的y位置、所述掃描換能器的z位置、所述掃描換能器的x角 度、所述掃描換能器的y角度、所述掃描換能器的z角度以及所述掃描換 能器的軸旋轉(zhuǎn)角度。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的觸覺系統(tǒng)，其中，所述機(jī)器人臂為有7個(gè) 自由度的裝置，所述自由度包括所述掃描換能器的x位置、所述掃描換能 器的y位置、所述掃描換能器的z位置、所述掃描換能器的x角度、所述 掃描換能器的y角度、所述掃描換能器的z角度以及所述掃描換能器的軸 旋轉(zhuǎn)角度。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸覺系統(tǒng)，其中，將所述機(jī)器人臂配置為 從所述觸覺接口接收位置命令信號，還將其配置為與所接收到的位置命令 信號相符。
12、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的觸覺系統(tǒng)，其中，將所述觸覺接口配置為 接收來自所述機(jī)器人臂的力反饋信號，還將其配置為與所接收到的力反饋 信號相符。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸覺系統(tǒng)，其中，將所述機(jī)器人臂配置為 從所述觸覺接口接收力命令信號，還將其配置為與所接收到的力命令信號 相符，并且其中，將所述觸覺接口配置為接收來自所述機(jī)器人臂的位置反饋信號，并且還將其配置為與所接收到的位置反饋信號相符。
14、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的觸覺系統(tǒng)，其中，采用非均一的傳遞函數(shù)縮放力命令信號和所感測的力反饋信號中的至少一個(gè)，以提高或降低所述 觸覺接口的力靈敏度。
15、 一種被配置為使操作員能夠?qū)颊哌h(yuǎn)程執(zhí)行醫(yī)學(xué)掃描程序的觸覺系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括具有一個(gè)或多個(gè)與之耦合的力傳感器的掃描換能器(230);以及觸覺控制機(jī)構(gòu)(130)，其用于發(fā)出能夠控制所述掃描換能器相對于患者的位置和角度的命令信號，并且用于接收反饋信號，從而為操縱所述觸 覺控制機(jī)構(gòu)的操作員提供觸覺反饋。
16、根據(jù)權(quán)利要求15所述的觸覺系統(tǒng)，還包括移動(dòng)機(jī)構(gòu)，其接收所述 命令信號，并響應(yīng)于所接收到的命令信號改變所述掃描換能器的位置和角 度。
17、 一種使操作員能夠從遠(yuǎn)程位置對患者執(zhí)行超聲醫(yī)學(xué)圖像掃描的方法，所述方法包括由觸覺裝置響應(yīng)于操作員的機(jī)械操縱生成命令信號；響應(yīng)于所生成的命令信號對具有與之耦合的超聲換能器的機(jī)器人臂進(jìn) 行定位，從而使所述超聲換能器與所述患者發(fā)生物理接觸；感測來自所述機(jī)器人臂的位置和力反饋信號中的至少一種；以及使所述觸覺裝置遵循所述反饋信號。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述機(jī)器人臂包括若干個(gè)能 夠感測施加到所述掃描換能器上的一個(gè)或多個(gè)力矢量的力傳感器。
19、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，采用通過非均一傳遞函數(shù)縮 放的所感測到的力信號執(zhí)行對機(jī)器人臂進(jìn)行定位的所述步驟，其中，所述縮放的目的在于提高或降低所述觸覺接口的力靈敏度。
20、根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括采用遠(yuǎn)程操作員接口遠(yuǎn)程控制耦合至所述超聲換能器的超聲成像系統(tǒng)的工作配置。
全文摘要
供醫(yī)學(xué)成像使用的裝置可以包括具有多自由度移動(dòng)能力的機(jī)器人臂(220)、耦合到所述機(jī)器人臂的末端附近的掃描換能器(230)以及具有一個(gè)或多個(gè)機(jī)械鏈桿并與所述機(jī)器人臂通信的觸覺接口(250)，其中，所述觸覺接口適于發(fā)出使所述機(jī)器人臂沿一個(gè)或多個(gè)方向或角度移動(dòng)的命令信號，并且適于接收來自所述機(jī)器人臂的反饋信號。
文檔編號A61B19/00GK101610721SQ200780035353
公開日2009年12月23日 申請日期2007年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月25日
發(fā)明者D·N·朗德西爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司