專利名稱：外科手術(shù)機(jī)器人的鉸接和可調(diào)換內(nèi)窺鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及內(nèi)窺鏡，更具體地，涉及執(zhí)行機(jī)器人外科手術(shù) 的可操縱/鉸接并可調(diào)換的內(nèi)窺鏡。
背景技術(shù)：
微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)的發(fā)展可以大幅增加以微創(chuàng)的方式執(zhí)行的外科 手術(shù)數(shù)量。微創(chuàng)醫(yī)療技術(shù)的目的是減少診斷或手術(shù)過程期間無關(guān)組織受 損量，從而減少病人的恢復(fù)時(shí)間、不適以及有害副作用。使用微創(chuàng)手術(shù) 技術(shù)也可大幅縮短標(biāo)準(zhǔn)外科手術(shù)的平均住院時(shí)間。因此，增加采用微創(chuàng) 技術(shù)可節(jié)省大量的住院時(shí)間，且僅在醫(yī)院住宿成本上每年就能節(jié)省上百 萬美元。病人恢復(fù)時(shí)間、病人的不適、手術(shù)副作用以及不工作時(shí)間也可 因使用微創(chuàng)手術(shù)而減少。 微創(chuàng)手術(shù)的最普通形式是內(nèi)窺鏡檢査。內(nèi)窺鏡檢査的最普通形 式可能是腹腔鏡檢査，即在腹腔內(nèi)進(jìn)行微創(chuàng)檢查和手術(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)腹腔鏡 手術(shù)中，向病人的腹部吹入氣體，套管套筒通過小切口 (約l/2英寸)插 入以便為腹腔鏡手術(shù)器械提供入口端。腹腔鏡手術(shù)器械一般包括(用于 觀察手術(shù)區(qū)的)腹腔鏡和工作工具。工作工具與用于常規(guī)(開放式)外 科手術(shù)的工具相似，除了每個(gè)工具的工作端或末端執(zhí)行器均通過延伸管 與其手柄分離。本文使用的術(shù)語"末端執(zhí)行器"指手術(shù)器械的實(shí)際工作 部分，且可包括如夾鉗、抓鉗、剪刀、打釘器和針固定器等。為執(zhí)行外 科手術(shù)過程，外科醫(yī)生將這些工作工具或器械穿過套管套筒至內(nèi)部手術(shù) 部位并在腹部之外操縱他們。外科醫(yī)生通過監(jiān)控器監(jiān)控手術(shù)過程，該監(jiān) 控器顯示由內(nèi)窺鏡獲取的手術(shù)部位的圖像。類似內(nèi)窺鏡技術(shù)可用于如關(guān) 節(jié)鏡檢查、后腹膜鏡檢査、骨盆鏡檢查、腎鏡檢査、膀胱鏡檢查、腦槽 鏡檢查、鼻竇內(nèi)視鏡檢査、宮腔鏡檢查、尿道鏡檢查等。 目前微創(chuàng)手術(shù)(MIS)技術(shù)存在許多缺點(diǎn)。例如，現(xiàn)有的MIS器 械不能為外科醫(yī)生提供如開放式手術(shù)中的工具更換的靈活性。目前腹腔 鏡工具多數(shù)具有剛性軸，使其很難通過較小切口接近工作部位。另外， 許多內(nèi)窺鏡器械的長度和結(jié)構(gòu)降低了外科醫(yī)生感覺組織和器官施加于相 關(guān)工具末端執(zhí)行器上力的能力。內(nèi)窺鏡工具缺乏靈活性和敏感性是微創(chuàng) 手術(shù)發(fā)展的主要障礙。 正在開發(fā)微創(chuàng)遠(yuǎn)程外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)以提高外科醫(yī)生在內(nèi) 部手術(shù)部位工作時(shí)的靈活性，并允許外科醫(yī)生從遠(yuǎn)程位置對病人進(jìn)行手 術(shù)。在遠(yuǎn)程手術(shù)系統(tǒng)中，通常在計(jì)算機(jī)工作站向外科醫(yī)生提供手術(shù)部位 的圖像。當(dāng)在適當(dāng)觀察儀或顯示器上觀察手術(shù)部位的三維圖像時(shí)，外科 醫(yī)生通過操縱工作站的主動(dòng)輸入或控制裝置對病人執(zhí)行手術(shù)過程。主動(dòng)
裝置控制伺服機(jī)械操作的手術(shù)器械的動(dòng)作。在手術(shù)過程期間，遠(yuǎn)程手術(shù) 系統(tǒng)可機(jī)械啟動(dòng)并控制具有末端執(zhí)行器的各種手術(shù)器械或工具，這些末 端執(zhí)行器如組織抓鉗、針驅(qū)動(dòng)器等響應(yīng)主動(dòng)控制裝置的操縱從而為外科 醫(yī)生執(zhí)行如固定并驅(qū)動(dòng)針、抓取血管或切割組織等的各種功能。 盡管如加利福尼亞州桑尼維爾(Sunnyvale)市的Intuitive Surgical公司的da ￥化^ 等微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)可在外科手術(shù)期間為外 科醫(yī)生提供比常規(guī)腹腔鏡手術(shù)更多的關(guān)節(jié)和質(zhì)量更佳的二維和三維視頻 圖像，但是目前該手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)在特定功能上的靈活性可能受到更多 限制。特別是因?yàn)槠涑叽绾椭亓?，具?專用"機(jī)器人手臂的手術(shù)機(jī)器 人架構(gòu)要求固定內(nèi)窺鏡和其攝像頭(camera heard)，如美國專利第 6，451,027號所述。因此，外科醫(yī)生不能如常規(guī)腹腔鏡手術(shù)的通常情況那 樣在端口間更換內(nèi)窺鏡。另外，內(nèi)窺鏡的尺寸和重量使得很難拆卸并手 動(dòng)調(diào)整內(nèi)窺鏡特別是觀看難以到達(dá)或隱藏區(qū)域時(shí)。靈活性的損失意味著 盡管微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)在如心和骨盆等有限區(qū)域內(nèi)的復(fù)雜重建手術(shù)中 具有優(yōu)勢，但其不太適用于在接近較大解剖區(qū)域(如腹部的多個(gè)部分) 和/或從不同方向接近時(shí)的手術(shù)過程。 另外，目前機(jī)器人內(nèi)窺鏡是剛性的，指向正前(即零(0)度 角)或與內(nèi)窺鏡的長軸成三十(30)度角，這允許外科醫(yī)生更容易地向 下或向上觀看。因此，在許多手術(shù)過程中，外科醫(yī)生可要求在正前鏡和 三十度鏡間多次來回轉(zhuǎn)換以獲得手術(shù)部位內(nèi)的不同觀察角度。該觀察鏡 的轉(zhuǎn)換增加了外科手術(shù)過程的持續(xù)時(shí)間、操作和邏輯復(fù)雜性以及甚至安 全問題。但是，即使可轉(zhuǎn)換觀察鏡，但外科醫(yī)生仍限于僅僅幾個(gè)可視角 度，并且因而可視區(qū)域較少。另外，外科醫(yī)生不能獲得隱藏于障礙物周 圍(如婦產(chǎn)科手術(shù)過程期間)或要求隧穿的組織之間(如心房纖維性顫 動(dòng)或腔內(nèi)診斷和治療期間)的身體組織的所需視野。
因此，需要允許簡化未來外科手術(shù)機(jī)器人架構(gòu)、提供更加靈活 的端口布置、提供更多可視區(qū)域、提供多視角而不增加操作和邏輯復(fù)雜 性或安全問題，以及提供隱藏的身體組織的最佳視野的外科手術(shù)機(jī)器人 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供了允許簡化未來外科手術(shù)機(jī)器人架構(gòu)、提供 更靈活的端口布置、提供更多可視區(qū)域、提供多視角而不增加操作和邏 輯復(fù)雜性或安全問題并提供隱藏身體組織的最佳視野的鉸接的且可調(diào)換 外科手術(shù)機(jī)器人內(nèi)窺鏡系統(tǒng)和方法。 本發(fā)明用微創(chuàng)鉸接外科手術(shù)內(nèi)窺鏡滿足了上述需求，該微創(chuàng)鉸 接外科手術(shù)內(nèi)窺鏡包括長軸、撓性手腕、內(nèi)窺鏡攝像機(jī)鏡頭和多個(gè)傳動(dòng) 連桿(actuaction link)。長軸具有工作端、近端以及工作端與近端之 間的軸線。撓性手腕具有遠(yuǎn)端和近端。手腕的近端連于長軸的工作端。 內(nèi)窺鏡攝像機(jī)鏡頭安裝于手腕的遠(yuǎn)端。多個(gè)傳動(dòng)連桿連于手腕和長軸的 近端之間使得連桿是可啟動(dòng)的以向手腕提供至少一自由度(如手腕的俯 仰和偏轉(zhuǎn)動(dòng)作)，其中用于控制所述至少一自由度動(dòng)作的參照系與撓性 手腕附連以進(jìn)行與該至少一自由度相關(guān)的手腕動(dòng)作，從而在所述至少一 自由度動(dòng)作期間向用戶提供更多直觀。反過來，用于控制與內(nèi)窺鏡相關(guān) 的其它自由度(如笛卡爾空間插入/抽出動(dòng)作和軸旋轉(zhuǎn))的參照系被附連 于物體。微創(chuàng)鉸接手術(shù)內(nèi)窺鏡可釋放地連于多個(gè)手臂中的任一手臂，且 設(shè)計(jì)為可在多個(gè)手臂間交換使得外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)可使用一標(biāo)準(zhǔn)手臂 設(shè)計(jì)。 當(dāng)鉸接手術(shù)內(nèi)窺鏡用于獲取與所述至少一自由度相關(guān)的解剖 圖像(如軌道圖像)時(shí)，該圖像的參照系為繞靠近撓性手腕處的旋轉(zhuǎn)點(diǎn) 旋轉(zhuǎn)的參照系以最小化內(nèi)窺鏡近端處不需要的動(dòng)作。用于控制該至少一 自由度的參照系與撓性手腕附連時(shí)可進(jìn)一步減少這樣的不需要的動(dòng)作。
根據(jù)結(jié)合所附


的優(yōu)選實(shí)施例的以下詳細(xì)說明，本發(fā)明 的所有部件和優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的。

圖l是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的手術(shù)工具的透視圖。 圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的手腕的剖視圖。 圖3是沿III一III方向圖2所示手腕的剖視圖。 圖4是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的手腕的透視圖。
圖4A和4B分別是與圖4所示相似的手腕示例的遠(yuǎn)端部分的平面
圖和正視圖，示出了纜線排布的細(xì)節(jié)。 圖5是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的手腕的透視圖。 圖6是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的手腕的平面圖； 圖7是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的手腕的剖視圖。 圖8是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的手腕的平面圖。 圖9是具有工具軸和萬向節(jié)板的圖8所示手腕的正視圖。 圖10是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的手腕的平面圖。 圖11是圖10所示手腕的正視圖。 圖12是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的手腕的正視圖。 圖13是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的手腕的平面圖。 圖14是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的手腕的一部分的剖視圖。 圖15是圖14所示手腕彎曲時(shí)的局部剖視圖。 圖16是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的手腕的透視圖。 圖17是圖16所示手腕的平面圖。 圖18是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的手腕的一部分的剖視圖。 圖19是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例手腕的透視圖。 圖20是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的手腕的平面圖。 圖21是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的手腕的透視圖。 圖22是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的手腕的一部分的剖視圖。 圖23和24是圖22所示手腕中圓盤的平面圖。 圖25是圖22所示手腕外部零件的透視圖。 圖26是圖25所示外部零件的剖視圖。 圖27是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的手腕的透視圖。 圖28是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的手腕蓋的剖視圖。 圖29是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的手腕蓋的剖視圖。 圖30是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的手腕蓋的一部分的透視圖。 圖31示出了根據(jù)本發(fā)明用于機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)中的鉸接內(nèi)窺鏡
的實(shí)施例。 圖32示出了通過一系列可釋放夾環(huán)320可釋放地連于內(nèi)窺鏡310的導(dǎo)管321。 圖33示出了通過一系列可釋放夾環(huán)320可釋放地連于內(nèi)窺鏡 310的導(dǎo)管導(dǎo)向裝置331。 圖34是根據(jù)本發(fā)明的示出視頻連接實(shí)施例的視頻框圖。
圖35示出了根據(jù)本發(fā)明用于機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)中的鉸接內(nèi)窺鏡 的實(shí)施例。 圖36是相對于機(jī)器人微創(chuàng)內(nèi)窺鏡不同參照系的直觀與反直觀 的簡化示例性說明。 圖37示出了根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)窺鏡310"的不同潛在旋轉(zhuǎn)點(diǎn)。
圖38示出了實(shí)際組合成與自行車車把相同方式操作的兩個(gè)主 動(dòng)輸入裝置。
具體實(shí)施例方式
本文使用的"末端執(zhí)行器"指可實(shí)際工作遠(yuǎn)端部分，通過用于 如對目標(biāo)組織執(zhí)行預(yù)定處理等醫(yī)療功能的手腕構(gòu)件的手段可操縱該實(shí)際 工作遠(yuǎn)端部分。例如， 一些末端執(zhí)行器具有單個(gè)工作構(gòu)件，如解剖刀、 刀片或電極等。其它末端執(zhí)行器具有成對或多個(gè)工作構(gòu)件，如鑷子、抓 鉗、剪刀或施夾器等。在特定實(shí)施例中，圓盤或椎骨被配置成具有開口 來共同確定沿手腕的縱向內(nèi)腔或空間，為與末端執(zhí)行器操作相關(guān)的多種 可選元件或工具中的任一種提供管道。示例包括電動(dòng)末端執(zhí)行器(如電 外科電極、換能器、傳感器等)的導(dǎo)線，流體、氣體或固體的管道(如 用于抽吸、注氣、灌洗、治療流體、附件引入、活組織檢查抽取等)， 傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)末端執(zhí)行器構(gòu)件的機(jī)械元件(如纜線，操作夾鉗、鑷子、剪刀 的撓性元件或鉸接元件)，波導(dǎo)器，音速傳導(dǎo)元件，光纖元件等等。這 樣的縱向管道可具有襯管、絕緣體或?qū)蛟?，如彈性聚合物管、螺?繞絲管等。 本文使用的術(shù)語"手術(shù)器械"、"器械"、"手術(shù)工具"或"工 具"指具有工作端的構(gòu)件，該工作端承載需引入病人體腔內(nèi)手術(shù)部位的 一個(gè)或多個(gè)末端執(zhí)行器且可從體腔外部驅(qū)動(dòng)來操縱末端執(zhí)行器以對手術(shù) 部位內(nèi)的目標(biāo)組織執(zhí)行所需的處理或醫(yī)療功能。器械或工具一般包括在末端承載末端執(zhí)行器的軸，且優(yōu)選由遠(yuǎn)程外科手術(shù)系統(tǒng)伺服機(jī)械傳動(dòng)以 執(zhí)行如固定或驅(qū)動(dòng)針、抓取血管和切割組織等功能。 本文所述撓性手腕的各種實(shí)施例意圖是相對便宜地制造并可
用于燒灼，但其不限于用于燒灼。對于MIS應(yīng)用，工具的可插入部分的直 徑較小， 一般為等于或小于約12 mm，優(yōu)選為等于或小于5 mm，以允許切 口較小。應(yīng)理解，盡管詳細(xì)所述示例說明了這個(gè)尺寸范圍，但實(shí)施例可 按比例縮放以包括較大或較小器械。 —些手腕實(shí)施例使用一系列圓盤或類似元件，其在俯仰或偏轉(zhuǎn) 時(shí)以蛇形方式移動(dòng)(如圖14和22)。圓盤為環(huán)狀圓盤，可具有圓內(nèi)直徑 和外直徑。這些手腕一般各自包括一系列圓盤，例如，約13個(gè)圓盤，這 些圓盤可為約O. 005英寸至約0. 030英寸厚的蝕刻不銹鋼圓盤。中間可使 用較薄圓盤，但末端區(qū)域需要使用較厚圓盤來增加強(qiáng)度以吸收纜線力， 這些纜線力如施于繞末端圓盤的纜線U形轉(zhuǎn)彎處的力。末端圓盤可包括埋 頭孔(如約0.015英寸深)，中心彈簧可插入該埋頭孔以將來自纜線的負(fù) 載傳輸為中心彈簧的壓縮。圓盤可旋在內(nèi)彈簧上，其用作為夾鉗、燒灼 連接或固定尖端于其上的繩索等末端執(zhí)行器拉動(dòng)纜線的內(nèi)腔。內(nèi)彈簧也 提供軸向硬度，使得夾鉗力或繩索力不扭曲手腕。在一些實(shí)施例中，圓 盤包括由內(nèi)彈簧捕獲的一對相對放置的內(nèi)突舌或舌片。內(nèi)彈簧處于壓并 高度(solid height)(當(dāng)彈簧不偏斜時(shí)具有連續(xù)節(jié)距的螺旋線相繼接 觸)，除了在插入圓盤的突舌的位置處在彈簧中產(chǎn)生缺口。圓盤沿突舌 的方向改變以允許改變俯仰和偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)。 一般的內(nèi)彈簧由0.01英寸直徑 的金屬線制造而成，且相鄰圓盤由四個(gè)彈簧線圈相互隔開。如果彈簧是 由線邊繞制扁平金屬線(如軟彈簧)制造，則可通過纜線施加大的軸向 力而不會使相鄰線圈彈跳越過彼此。 在一些實(shí)施例中，每個(gè)圓盤均具有十二個(gè)均勻隔開的孔，以接 收傳動(dòng)纜線。三條纜線足以沿任何所需方向彎曲手腕，單個(gè)纜線上的張 力相互協(xié)同以產(chǎn)生所需的彎曲動(dòng)作。因金屬線直徑較小且因手術(shù)力施于 手腕的力矩，三條纜線中的應(yīng)力相當(dāng)大。 一般使用三條以上纜線來減少 各纜線(包括多余的用于控制的附加纜線)內(nèi)的應(yīng)力。在下文所示一些 示例中，使用了十二條或更多纜線(見以下圖4的討論)。為驅(qū)動(dòng)纜線，
可使用萬向節(jié)板或搖板。萬向節(jié)板使用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸入來操縱纜線相對俯 仰和偏轉(zhuǎn)軸以任意角度彎曲手腕。 —些手腕由撓性足以在俯仰和偏轉(zhuǎn)方向內(nèi)彎曲的管狀構(gòu)件制 造(如圖2和4)?？砂▋?nèi)彈簧。管狀構(gòu)件可包括鏤空圖案以減少結(jié)構(gòu)
硬度從而有助于彎曲(如圖5和19)。制造手腕的方法之一是將金屬線和 亞管心軸(hypotube mandrel)插入中心孔和傳動(dòng)線孔內(nèi)?？芍圃炷＞?， 且組裝可使用兩部分鉑硫化硅橡膠在烤箱中硫化(如約165° C)而包覆 成型。心軸在成型后拉出以產(chǎn)生通道，從而形成拉動(dòng)纜線的中心內(nèi)腔和 外圍內(nèi)腔。這樣，手腕沒有暴露的金屬部件。橡膠可經(jīng)受高壓滅菌，且 在手腕彎曲時(shí)可經(jīng)受拉長， 一般約30%的應(yīng)變。 在特定實(shí)施例中，管狀構(gòu)件包括多個(gè)軸向滑動(dòng)構(gòu)件，每個(gè)軸向 滑動(dòng)構(gòu)件均具有接收傳動(dòng)纜線的內(nèi)腔(如圖8)。管狀構(gòu)件可由具有線圈 的多個(gè)軸向彈簧形成，這些軸向彈簧的線圈與相鄰彈簧的線圈重疊以提 供接收傳動(dòng)纜線的內(nèi)腔(如圖IO)。管狀構(gòu)件可由成堆的波形彈簧形成
(如圖12)。管狀構(gòu)件內(nèi)的內(nèi)腔可由軸向彈簧的內(nèi)部形成(如圖16)。 管狀構(gòu)件的外部可以是編織的以提供抗扭硬度(如圖27)。
A.具有由金屬線圈支承的金屬線的手腕
圖1示出了連于遠(yuǎn)端末端執(zhí)行器12和手術(shù)工具的近端工具軸或 主管14之間的手腕10。所示末端執(zhí)行器12包括安裝于遠(yuǎn)端馬蹄鉤18上的 夾鉗16，如圖2最佳所示。遠(yuǎn)端馬蹄鉤18包括側(cè)面凹陷槽20來容納多條金 屬線或纜線24的遠(yuǎn)端巻邊22，這些金屬線或纜線24近端連于亞管26，這 些亞管26延伸穿過平臺或?qū)蜓b置30以及工具軸14的內(nèi)部。導(dǎo)向裝置30 定向亞管26和金屬線組件，并固定于器械的工具軸14上。導(dǎo)向裝置30也 在工具軸14滾動(dòng)移動(dòng)時(shí)使得手腕10開始滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。側(cè)面凹陷槽20便利地 允許巻邊22被按壓到位。當(dāng)然，在其它實(shí)施例中也可使用其它方式將金 屬線24固定至遠(yuǎn)端馬蹄鉤18上，如激光焊接。 圖2和3示出了四條金屬線24，但另一實(shí)施例中也可使用不同數(shù) 量的金屬線。金屬線24可由鎳鈦合金或其它適當(dāng)材料制成。金屬線24形 成手腕10的接頭，且被剛性固定在遠(yuǎn)端馬蹄鉤18和亞管26之間。金屬線 圈34與螺旋彈簧相似地纏繞金屬線24并在遠(yuǎn)端馬蹄鉤18和亞管26之間延
伸。收縮管36覆蓋金屬線圈34以及部分的遠(yuǎn)端馬蹄鉤18和導(dǎo)向裝置30。 當(dāng)推拉亞管26以使手腕10在俯仰和偏轉(zhuǎn)方向內(nèi)移動(dòng)時(shí)，金屬線圈34和收 縮管36將金屬線24保持在距彼此的固定距離處。他們也為手腕10提供抗 扭的且一般的硬度以允許其隨工具軸14滾動(dòng)移動(dòng)并抵抗外部的力。在其 它實(shí)施例中金屬線圈和收縮管可以設(shè)置成不同方式(一優(yōu)選實(shí)施例見圖 27所示并且在下文J部分被描述)。例如，可改變?yōu)槲鍍?nèi)腔擠壓成型，其 中金屬線24作為內(nèi)部部件。金屬線圈或等效結(jié)構(gòu)的功能是使金屬線24在 手腕10滾動(dòng)、俯仰和/或偏轉(zhuǎn)移動(dòng)時(shí)與中心線保持恒定距離。收縮管也可 提供電絕緣。 B.具有由傳動(dòng)纜線彎曲的撓性管的手腕
圖4示出了手腕40，其包括管42，該管42具有沿圓周分布的孔 或內(nèi)腔43以接收可由鎳鈦合金制成的傳動(dòng)纜線或金屬線44。管42具撓性 以允許通過拉動(dòng)纜線44而在俯仰和偏轉(zhuǎn)方向內(nèi)彎曲。手腕40優(yōu)選包括剛 性遠(yuǎn)端終止圓盤41 (如圖4B的可選實(shí)施例所示)或基本比撓性管42更硬 的其它強(qiáng)化物以在撓性管42上均勻分布纜線力。管42的空心中心提供了
如夾持纜線等末端執(zhí)行器纜線的空間。 一般具有至少四個(gè)內(nèi)腔?？商峁?內(nèi)彈簧47。 圖4示出了具體實(shí)施例的十二個(gè)內(nèi)腔，以容納在管42遠(yuǎn)端形成U 形轉(zhuǎn)彎45的六條纜線44。大量使用纜線使得管42在相同纜線拉力下實(shí)現(xiàn) 相同俯仰和偏轉(zhuǎn)彎曲時(shí)具有更高硬度。例如，使用十二條纜線代替四條 纜線意味著對于相同纜線拉力管42可為三倍硬?；蛘撸绻?2的硬度
保持不變，則使用十二條纜線代替四條纜線將使所需纜線拉力減少為三 分之一。注意盡管材料屬性和纜線應(yīng)力級別可允許U形轉(zhuǎn)彎45直接施壓于 管42的末端，但可包括強(qiáng)化遠(yuǎn)端終止板41來更平穩(wěn)地分布纜線力于管42 上。纜線44的近端可連于傳動(dòng)器機(jī)構(gòu)，如包括2002年6月27日提交的美國 專利申請第10/187，248號公開的萬向節(jié)板46的組件，其全部公開內(nèi)容被 結(jié)合于此以供參考。該機(jī)構(gòu)有助于所選多條纜線以協(xié)同方式(in coordinated manner)傳動(dòng)，來控制可彎曲或可操縱構(gòu)件，如控制撓性 手腕的彎曲角度和方向。申請第10/187，248號的傳動(dòng)器機(jī)構(gòu)的示例可被 改成以成比例的方式來傳動(dòng)大量的外周纜線，以提供撓性構(gòu)件的協(xié)同操
縱而不需要同等的大量線性傳動(dòng)器?；蛘撸?dú)立控制的線性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可 用于張緊環(huán)繞滑輪并隨旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)器移動(dòng)的各纜線或纜線對，其中通過調(diào) 整線性傳動(dòng)器來控制操縱。 管42—般可由彈性模數(shù)足夠低以允許充分俯仰和偏轉(zhuǎn)彎曲的
塑料材料或彈性體制成，且可由多內(nèi)腔擠壓成型制成以包括多個(gè)內(nèi)腔，
如十二個(gè)內(nèi)腔。管需要具有較高抗彎硬度以限制如S形彎曲等的不需要的 變形，但這增加了所需俯仰和偏轉(zhuǎn)彎曲要求的纜線力。如下所述，可使 用比多于所需數(shù)量的纜線來在俯仰和偏轉(zhuǎn)方向操縱手腕(即多于三條纜 線)以提供足夠大的纜線力來克服管的高抗彎硬度。
圖4A和4B示意性示出了與圖4所示相似的手腕實(shí)施例中兩個(gè)不 同纜線排布的示例。注意對于恒定的總纜線剖面區(qū)域，包括成對纜線并 包括數(shù)量較多的成比例縮小的纜線均允許纜線相對于手腕中心線終止于 較大橫向偏移處。圖4A和4B分別示出了手腕實(shí)施例的平面圖和正視圖， 由分割線劃分使得各圖右側(cè)示出手腕示例l，各圖的左側(cè)示出手腕示例2。 在各示例中，管42具有相同外半徑R和限定中心內(nèi)腔的相同內(nèi)半徑r
在示例1中，手腕40. l內(nèi)纜線44的數(shù)量等于四(T77二4)，各纜 線單獨(dú)終止于設(shè)置在遠(yuǎn)端終止板41的埋頭孔內(nèi)的遠(yuǎn)端錨點(diǎn)44. 5，各纜線 延伸穿過在遠(yuǎn)端終止板41和撓性管42內(nèi)的相應(yīng)橫向纜線內(nèi)腔43。錨點(diǎn) 44. 5可為型鍛珠或其它任何常規(guī)纜線錨點(diǎn)。 在示例2中，手腕40. 2內(nèi)纜線44'的數(shù)量等于十六("2=16)， 纜線被排布成八個(gè)對稱隔開的成對部分44'，各對由擠壓在相鄰纜線內(nèi) 腔43，之間的遠(yuǎn)端終止板41，上的遠(yuǎn)端"U形轉(zhuǎn)彎"末端環(huán)45終止。內(nèi)腔 43'開口處的遠(yuǎn)端終止板41'的邊緣可成圓形以減少應(yīng)力集中，并且環(huán) 45可以部分地或全部地被裝埋在遠(yuǎn)端終止板41內(nèi)。十六條纜線44'的直 徑可為四條纜線44的直徑的1/2，以便總剖面纜線面積在各示例中相等。
比較示例1和2，終端環(huán)45的使用消除了用于纜線錨點(diǎn)44.5的遠(yuǎn) 端容積，且允許纜線內(nèi)腔43，比纜線內(nèi)腔43更接近管42的半徑R。另外， 各纜線44'的直徑較小使得纜線的中心線更靠近纜線內(nèi)腔43'的外邊 緣。這些屬性均允許示例2中的纜線相對于管42的中心作用于比示例1中 的相應(yīng)力矩臂L1更大的力矩臂L2。對于管42上的相同總彎曲力矩而言，
這個(gè)較大的力矩臂L2允許更低的纜線應(yīng)力(允許更長的纜線壽命或更廣 的可選纜線材料的范圍)，或者，對于相同的纜線應(yīng)力而言，允許更大 的彎曲力矩(允許更大的手腕定位硬度)。另外，直徑較小的纜線比相
對較粗的纜線更具撓性。因此，手腕40的優(yōu)選實(shí)施例包括的纜線多于三 條，優(yōu)選為至少6條(如三對成環(huán)纜線)且更優(yōu)選地是十二條或更多。
注意，遠(yuǎn)端終止板41處所示的錨點(diǎn)或終端點(diǎn)是示例性的，且如
果所選材料屬性適合所施應(yīng)力，則纜線可(由錨點(diǎn)或環(huán))終止以直接擠 壓在管42的材料上?；蛘撸|線可遠(yuǎn)端延伸超過管42和/或遠(yuǎn)端終止板41 以通過連至更遠(yuǎn)的末端執(zhí)行器構(gòu)件(未示出)而終止，纜線張力足以被 偏壓以保持末端執(zhí)行器構(gòu)件在手腕動(dòng)作的操作范圍內(nèi)牢固連于手腕40。
結(jié)構(gòu)上減少管硬度的方式之一是提供鏤空圖案，如圖5所示。 管50包括位于兩側(cè)且沿兩個(gè)正交方向交錯(cuò)以分別有助于在俯仰和偏轉(zhuǎn)方 向內(nèi)彎曲的多個(gè)鏤空圖案。多個(gè)內(nèi)腔54沿圓周分布以容納傳動(dòng)纜線。
在圖6所示的另一實(shí)施例中，管60形成為繞由硬度高于管60的 材料制成的內(nèi)彈簧62的外護(hù)罩。管60包括接收傳動(dòng)纜線的內(nèi)槽64。提供 獨(dú)立成型的撓性管可簡化組裝。與具有穿過纜線的孔的管相比，該管更 易于擠壓成型或以其它方式成型。管也可用于使用具有形成的終端結(jié)構(gòu) 或錨點(diǎn)的傳動(dòng)纜線，因纜線可從中心內(nèi)腔被放置到位，之后向纜線內(nèi)插 入內(nèi)彈簧以保持纜線的間隔和固定。在一些情況下，管60可為消過毒的 但不必高壓滅菌的單個(gè)使用部件。 圖7示出了具有與圖5所示管50中鏤空圖案52相似的鏤空圖案 72的管70。管70可由塑料或金屬制成。外蓋74繞管50放置。外蓋74可為 Kapton (聚酰亞胺)蓋等，且一般為具有嵌入鏤空圖案72內(nèi)的褶皺的高 模數(shù)材料。 C.具有軸向舌槽滑動(dòng)構(gòu)件的手腕 圖8和9示出了具有多個(gè)撓性軸向滑動(dòng)構(gòu)件82的手腕80，這些滑 動(dòng)構(gòu)件82通過軸向舌槽連接84相互連接或互鎖從而形成管狀手腕80。各 滑動(dòng)構(gòu)件82形成管80的縱向部分。軸向連接84允許滑動(dòng)構(gòu)件82相對彼此
軸向滑動(dòng)，同時(shí)保持各構(gòu)件相對于手腕縱向中心線的橫向定位。每個(gè)滑 動(dòng)構(gòu)件82包括接收傳動(dòng)纜線的孔或內(nèi)腔86，該傳動(dòng)纜線終止于手腕80遠(yuǎn) 端附近。圖9示出了手腕80在纜線90的纜線拉力下彎曲，該纜線拉力是由 滑動(dòng)構(gòu)件82的滑動(dòng)動(dòng)作而產(chǎn)生的。纜線90延伸穿過工具軸92，且近端連 于如萬向節(jié)板94的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以進(jìn)行傳動(dòng)。手腕80彎曲期間，因滑動(dòng)構(gòu)件 82的曲率半徑不同，滑動(dòng)構(gòu)件82彎曲程度不同?；蛘?，具有軸向滑動(dòng)構(gòu) 件的手腕的一個(gè)實(shí)施例可具有整體纜線和滑動(dòng)構(gòu)件，例如滑動(dòng)構(gòu)件作為 整體滑動(dòng)元件整體形成在纜線周圍(如通過擠壓成型)，或傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連 于滑動(dòng)構(gòu)件的近端，滑動(dòng)構(gòu)件直接傳輸力至手腕的遠(yuǎn)端。
圖13示出了具有一般由撓性塑料材料制成的多個(gè)軸向構(gòu)件132 的手腕130。軸向構(gòu)件132可共擠壓成型于纜線134上，使得纜線可為金屬 的且仍為絕緣的。軸向構(gòu)件132通過軸向舌槽連接136而相互連接從而形 成管狀手腕130。手腕130在俯仰和偏轉(zhuǎn)彎曲期間，可允許軸向構(gòu)件132相 對彼此滑動(dòng)。手腕130和圖8所示手腕80相似，但結(jié)構(gòu)稍有不同且部件形 狀不同。
D.具有重疊軸向彈簧構(gòu)件的手腕
圖10和11示出了手腕100，該手腕100由繞圓周排布以形成管狀 手腕100的多個(gè)軸向彈簧102形成。彈簧102為沿相同方向或更可能沿相反 方向巻繞的螺旋彈簧。纜線104延伸穿過每對相鄰彈簧102的重疊區(qū)域， 如圖ll更清晰所示。如果手腕在纜線張力下充分壓縮，則因重疊，手腕 100的壓并高度為單個(gè)彈簧102的壓并高度的兩倍。彈簧102—般被壓縮預(yù) 載使得纜線不松弛并增加手腕的穩(wěn)定性。
在一可選方案中，手腕處于空檔或未彎曲狀態(tài)時(shí)，彈簧通過纜 線預(yù)張而被偏壓至充分壓縮的壓并高度狀態(tài)。手腕一側(cè)控制且協(xié)同減少 纜線張力或釋放纜線會允許一側(cè)擴(kuò)展使得手腕100—側(cè)的彈簧擴(kuò)展以形 成彎曲手腕100的外半徑。重新施加外側(cè)纜線拉力時(shí)手腕返回到筆直結(jié) 構(gòu)。
在另一可選方案中，手腕處于空檔或未彎曲狀態(tài)時(shí)，彈簧通過 纜線預(yù)張而被偏壓至部分壓縮狀態(tài)。手腕一側(cè)控制且協(xié)同增加纜線張力 或拉動(dòng)纜線會允許該側(cè)收縮使得手腕100—側(cè)的彈簧縮短以形成彎曲手 腕100的內(nèi)半徑。任選地，這可與外半徑上的張力釋放相結(jié)合，如上述第 一可選方案所述。恢復(fù)原始纜線拉力時(shí)手腕返回筆直結(jié)構(gòu)。 E.具有波形彈簧構(gòu)件的手腕 圖12示出了波形彈簧120形式的手腕，該波形彈簧120具有堆疊 或巻繞以形成管狀波形彈簧手腕120的多個(gè)波形彈簧部分或部件122。在 一實(shí)施例中，波形彈簧由扁平金屬線的連續(xù)件以類螺旋方式制成并巻繞， 其中每一圈的波形是變化的以便一個(gè)循環(huán)的高點(diǎn)接觸下一循環(huán)的低點(diǎn)。 這樣的彈簧可從例如Smalley Spring公司購得。波形彈簧手腕120內(nèi)形成
孔以接收傳動(dòng)纜線?；蛘撸鄠€(gè)獨(dú)立的圓盤狀波形彈簧部分可以以串珠
方式被串在傳動(dòng)纜線上(通過纜線定位或相互粘合)。 所示波形彈簧部分122各自具有90度隔開的兩個(gè)相對的高點(diǎn)和
兩個(gè)相對的低點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)有助于在俯仰和偏轉(zhuǎn)方向內(nèi)彎曲。當(dāng)然波形彈 簧部分122可具有其它結(jié)構(gòu)，如波型更密且具有繞手腕120圓周的附加高 點(diǎn)和低點(diǎn)。 F.具有帶球面配合表面的圓盤的手腕 圖14示出了手腕140的幾個(gè)部分或圓盤142。內(nèi)彈簧144被提供 在圓盤142的內(nèi)部空間內(nèi)，多個(gè)纜線或金屬線145用于在俯仰和偏轉(zhuǎn)方向 內(nèi)彎曲手腕140。圓盤142旋于或連于內(nèi)彈簧144上，該內(nèi)彈簧144作為內(nèi) 腔來為末端執(zhí)行器拉動(dòng)纜線。內(nèi)彈簧144提供軸向硬度，使得通過拉動(dòng)纜 線施于末端執(zhí)行器的力不會扭曲手腕140。在可選實(shí)施例中，可使用堆疊 的實(shí)心分隔器代替彈簧144以實(shí)現(xiàn)該功能。每個(gè)圓盤142均包括彎曲的外 配合表面146來配合相鄰圓盤的彎曲的內(nèi)配合表面148。圖15示出了手腕 140隨圓盤142間相關(guān)的相對旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的彎曲。圓盤142可由例如塑料或 陶瓷制成。球面配合表面146、 148之間的摩擦力優(yōu)選不會大到干涉手腕 140的運(yùn)動(dòng)。減輕該潛在問題的方法之一是選擇適當(dāng)?shù)膬?nèi)彈簧144，該內(nèi) 彈簧144要能在傳動(dòng)纜線145以彎曲手腕140期間在圓盤142上施加一些壓 縮負(fù)載并避免過度壓縮負(fù)載。內(nèi)彈簧144可由硅樹脂橡膠等制成。附加硅 樹脂構(gòu)件150也可環(huán)繞傳動(dòng)纜線。在可選實(shí)施例中，獨(dú)立圓盤142可由一 連續(xù)螺旋帶代替。 在可選實(shí)施例中，手腕160內(nèi)的每個(gè)纜線均可被容納于彈簧巻 162內(nèi)，如圖16和17所示。也提供了內(nèi)彈簧164。圓盤170可不具有環(huán)狀凸 緣和接收纜線的孔(如圖14和15所示圓盤142)。彈簧巻162內(nèi)的實(shí)心心
軸金屬線172可沿圓盤170周邊被放置到位。中心金屬線心軸174處于中間 以巻繞內(nèi)彈簧164。組件可封裝于硅樹脂等中，且之后可移除心軸金屬線 172、 174?？墒褂媚撤N形式的蓋子等來防止硅樹脂粘于圓盤170的球面配 合表面上。小的心軸彈簧172可巻繞成留下小缺口 (而不是壓并高度)以 提供手腕160彎曲時(shí)收縮的空間。理性地，硅樹脂可充分良好地粘合于圓 盤170上以向粘合的圓盤170和彈簧172、 174組件提供抗扭硬度。絕緣硅 樹脂材料可用于結(jié)合了手腕160的燒灼工具的燒灼絕緣。
G.具有由彈性體構(gòu)件分隔的圓盤的手腕
圖18示出了具有由彈性體構(gòu)件184分隔的多個(gè)圓盤182的手腕 180。彈性體構(gòu)件184可為環(huán)狀構(gòu)件，或可包括繞圓盤182圓周分布的多個(gè) 檔塊。與圖14所示手腕140相似，內(nèi)彈簧186位于圓盤182和彈性體構(gòu)件184 的內(nèi)部空間內(nèi)，多條纜線或金屬線188用于在俯仰和偏轉(zhuǎn)方向內(nèi)彎曲手腕 180。圓盤182被旋于或連于內(nèi)彈簧184上，該內(nèi)彈簧184作為內(nèi)腔用于為 末端執(zhí)行器拉動(dòng)纜線。內(nèi)彈簧184提供了軸向硬度，使得通過拉動(dòng)纜線施 加于末端執(zhí)行器的力不扭曲手腕180。與手腕140相比，這個(gè)手腕180的結(jié) 構(gòu)與人脊柱更加相似。彈性體構(gòu)件184彈性變形以允許手腕180在俯仰和 偏轉(zhuǎn)方向內(nèi)彎曲。使用彈性體構(gòu)件184消除了對于圓盤182之間配合表面 以及相關(guān)摩擦力的需要。 H.具有交錯(cuò)肋支承圓盤以俯仰和偏轉(zhuǎn)彎曲的手腕
圖19示出了包括多個(gè)圓盤192的手腕190，所述多個(gè)圓盤192由 以正交方向定位以有助于手腕190俯仰和偏轉(zhuǎn)彎曲的交錯(cuò)梁或肋194、 196 支承。手腕190可由移除相鄰圓盤192之間的鏤空圖案以留下相鄰圓盤192 之間的基本正交肋194、 196的交錯(cuò)層的管制成。圓盤192具有其中穿過傳 動(dòng)纜線的孔198。圓盤192和肋194、 196可由如鋼、鋁、鎳鈦合金或塑料 等各種材料制成。在圖20所示手腕200的可選實(shí)施例中，圓盤202包括代 替孔來接收纜線的槽204。這樣的管比具有其中穿過纜線的孔的管更易于 擠壓成型。彈簧206巻繞于圓盤202以支承纜線。圖21中，手腕210包括由交錯(cuò)梁或肋214、 216支承的圓盤212， 所述肋的兩側(cè)具有伸入圓盤212的切口或狹槽217以使肋214、 216長于圓 盤212之間的間隔。對于相同長度的手腕而言該結(jié)構(gòu)可有助于曲率半徑小
于圖19所示手腕190的彎曲，或者該結(jié)構(gòu)有助于使用較短手腕實(shí)現(xiàn)相同曲
率半徑。這些實(shí)施例中相鄰圓盤212之間的彎曲角一般約為15度。圓盤212 具有接收傳動(dòng)纜線的孔218。 I.使用沿螺旋彈簧分布的薄圓盤的手腕
圖22示出了手腕220的一部分，該手腕220包括帶多個(gè)薄圓盤 224的螺旋彈簧222，這些薄圓盤224沿彈簧222的長度分布。從圖22所示 手腕部分僅可見兩個(gè)圓盤224，其包括以突舌226相互正交來定位的224A、 224B,如圖23和24所示。彈簧222在壓并高度上盤巻，除了其中為插入圓 盤224提供了缺口。彈簧222連于圓盤224靠近內(nèi)邊緣處和圓盤224的突舌 226上。圓盤224可通過蝕刻成型，且包括接收傳動(dòng)纜線的孔228。手腕220 在俯仰和偏轉(zhuǎn)方向內(nèi)彎曲期間突舌226作為支點(diǎn)允許彈簧222在特定點(diǎn)彎 曲。在一些實(shí)施例中，圓盤224可相對較硬，但在其它實(shí)施例中可以是足 夠撓性的以便彎曲并在手腕220彎曲期間作為彈簧元件。可繞螺旋彈簧 222和圓盤224提供硅樹脂外蓋作為介電絕緣體。另外，彈簧222和圓盤224 組件可通過由圖25和26所示外部部件或鎧裝部件250形成的外部結(jié)構(gòu)保 護(hù)。各鎧裝部件250包括外配合表面252和內(nèi)配合表面254。 一鎧裝部件250 的外配合表面252配合相鄰鎧裝部件250的內(nèi)配合表面254。鎧裝部件250 沿彈簧222的長度堆疊，并在其因手腕220彎曲而旋轉(zhuǎn)時(shí)保持接觸。
J.具有外交織金屬線的手腕為了準(zhǔn)確相對于施加的負(fù)載而言撓性手腕決于各種材料的硬 度。即，使用的材料越硬和/或手腕的長度越短和/或手腕的直徑越大， 則施加給定手術(shù)力時(shí)手腕的側(cè)向變形越少。如果拉動(dòng)纜線的柔順性可以 被忽略，則可準(zhǔn)確確定手腕末端的角度；但在力作用下可能存在纜線不 能抵消的偏斜或側(cè)向變形。例如在手腕筆直且施加了一個(gè)力時(shí)，手腕可 成S形變形。抵消的方法之一是手腕使用具有足夠硬度和適當(dāng)幾何形狀的 適當(dāng)材料。另一方法是使這些拉動(dòng)纜線的一半沿手腕長度終止在中間， 且僅拉動(dòng)其余纜線一半的長度，如美國專利申請第10/187，248號所述。 更耐S形變形將會損失承受力矩的能力。但避免S形變形的另一方法是在 手腕外側(cè)提供交織蓋。圖27示出了具有巻于外金屬線274內(nèi)的管272的手腕270。金屬線274各巻繞以覆蓋管272末端之間大約360度旋轉(zhuǎn)。為增加手腕270的抗 扭硬度并避免手腕270的S形變形，則外金屬線274可巻繞成形成管272上 的交織蓋。為形成交織蓋，包括右手組和左手組(即一順時(shí)針， 一逆時(shí) 針)的兩組金屬線相互交錯(cuò)。交錯(cuò)或交織避免了順時(shí)針和逆時(shí)針的金屬 線相對彼此徑向移動(dòng)。例如，會產(chǎn)生抗扭硬度，因?yàn)榕まD(zhuǎn)時(shí)一組金屬線 在直徑上會增加，而另一組收縮。交織避免了一組與另一組產(chǎn)生不同， 并阻止了抗扭變形。需要的是，使外金屬線274的鋪設(shè)長度等于手腕270 的長度，以便交織的各獨(dú)立金屬線不必隨手腕270在圓弧上彎曲而在長度 上增加，盡管外金屬線274需軸向滑動(dòng)。交織阻止手腕270的S形變形，因 為其要求外金屬線274在長度上增加。另外，交織也可作為鎧裝保護(hù)手腕 不被擦鑿或切割。如果交織蓋不導(dǎo)電，則其可為最外層并作為手腕270的 鎧裝。增加了抗扭硬度并避免了S形變形的手腕也可通過分層彈簧而實(shí) 現(xiàn)，這些分層彈簧開始于右手纏巻，該右手纏巻被左手纏巻覆蓋，之后 又覆蓋另一右手纏巻。這些彈簧不交織。
K.手腕蓋 以上公開了手腕的一些鎧裝(armor)或蓋。圖28和29示出了 手腕蓋的附加示例。圖28中，手腕蓋280由如塑料或陶瓷等不導(dǎo)電材料制 成的扁平螺旋形成。手腕彎曲時(shí)，螺旋蓋280的不同線圈在彼此上方滑動(dòng)。 圖29示出了包括彎曲或巻曲邊緣292以確保相鄰螺旋層之間重疊的手腕 蓋290。為向手腕提供抗扭硬度，手腕蓋300可包括平行手腕軸定向的凸 脊或溝槽302。凸脊302作為從螺旋層至另一螺旋層的花鍵，并組成手腕的扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定器。增加了對類似支架配置的鎳鈦合金激光蓋的說明。
因此，圖1一30示出了具有撓性手腕的手術(shù)器械的不同實(shí)施例。 盡管參照特定示例性實(shí)施例進(jìn)行說明，但這些實(shí)施例僅是對本發(fā)明的說
明，而不應(yīng)被認(rèn)為是限制本發(fā)明的范圍。相反，本發(fā)明的原理可應(yīng)用于 多種具體系統(tǒng)和實(shí)施例中。圖31 — 34示出了手術(shù)器械(如內(nèi)窺鏡和其它)的不同實(shí)施例， 該手術(shù)器械具有撓性手腕以有助于在心臟組織消融(CTA)治療時(shí)安全放 置消融導(dǎo)管或其它裝置并對其提供視覺確認(rèn)。圖31 —34所示本發(fā)明的一 些部件與圖1 —30所示相應(yīng)的對應(yīng)部件相似，且相同元件通過加單引號的參考數(shù)字指示。當(dāng)相似性存在時(shí)，與圖1—30所示相似且以相似方式起作
用的圖31 —34所示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)/元件將不再詳細(xì)說明。應(yīng)理解，本發(fā)明 不限于CTA治療的應(yīng)用，而是也具有其它手術(shù)應(yīng)用。另外，盡管本發(fā)明最 適用于微創(chuàng)機(jī)器人手術(shù)范圍，應(yīng)理解本發(fā)明也可用于沒有手術(shù)機(jī)器人的 任何微創(chuàng)手術(shù)。
,15] L.鉸接/可操縱和內(nèi)窺鏡現(xiàn)參照圖31，其示出了根據(jù)本發(fā)明用于機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)的內(nèi)窺 鏡310的實(shí)施例。內(nèi)窺鏡310包括長軸14，。撓性手腕10'位于軸14'的 工作端。外殼53'允許手術(shù)器械310可釋放連于位于軸14'相對末端的機(jī) 器人手臂(未示出)。內(nèi)窺鏡攝像機(jī)鏡頭位于撓性手腕10'的遠(yuǎn)端。內(nèi) 腔(未示出)沿軸14'的長度延伸，該軸14，連接撓性手腕10'的遠(yuǎn)端 和外殼53'。在"光纖鏡"實(shí)施例中，內(nèi)窺鏡310的一個(gè)(或多個(gè))成像 傳感器如電荷耦合器件(CCD)可被安裝于外殼53'內(nèi)部，其中所連光纖 在內(nèi)腔內(nèi)沿軸14'長度延伸并基本終止于撓性手腕10'的遠(yuǎn)端。之后CCD 經(jīng)位于外殼53'末端的連接器314被連于攝像機(jī)控制單元。在另一可選 "芯片位于操縱桿上的(chip-on-a-stick)"實(shí)施例中，內(nèi)窺鏡310的 一個(gè)(或多個(gè))成像傳感器可被安裝于撓性手腕10'的遠(yuǎn)端，其中至攝 像機(jī)控制單元的硬連線或無線電連接在外殼53'末端處被連于連接器 314。所述一個(gè)(或多個(gè))成像傳感器可為二維或三維。
內(nèi)窺鏡310具有蓋罩312來覆蓋并保護(hù)在撓性手腕10'遠(yuǎn)端尖 端處的內(nèi)窺鏡鏡頭314?？蔀榘肭蛐巍A錐形等的蓋罩312允許器械在手 術(shù)部位內(nèi)/附近運(yùn)行時(shí)可偏離組織。可由玻璃、透明塑料等制成的蓋罩312 是透明的以便允許內(nèi)窺鏡310可清晰地觀察并捕獲圖像。在允許清晰觀察 并捕獲圖像的特定條件下，蓋罩312也可是半透明的。在可選實(shí)施例中， 蓋罩312可被充氣(如至其正常尺寸的三倍)以提高/增加內(nèi)窺鏡310的觀 察能力?？沙錃馍w罩312可由制造血管重建氣球的撓性透明聚乙烯或相似 材料制成。這樣，可最小化蓋罩312的尺寸并因此最小化插入內(nèi)窺鏡310 的微創(chuàng)手術(shù)端口的尺寸。將內(nèi)窺鏡310插入手術(shù)部位后，蓋罩312可被充 氣以增加/提高觀察能力。因此，蓋罩312可被連于流體源(如鹽水、空 氣或其它氣體源)以根據(jù)需要為充氣蓋罩312提供適當(dāng)壓力。撓性手腕10'具有至少一自由度以允許內(nèi)窺鏡310繞內(nèi)部身體
組織、器官等輕松地鉸接并操縱從而到達(dá)所需目的地(如心外膜或心肌
組織)。撓性手腕IO，可為以上相對圖1 —30所述任一實(shí)施例。外殼53' 也容納鉸接(容納內(nèi)窺鏡的)撓性手腕10'遠(yuǎn)端部分的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng) 機(jī)構(gòu)可為纜線驅(qū)動(dòng)、齒輪驅(qū)動(dòng)、履帶驅(qū)動(dòng)或其它類型機(jī)構(gòu)。示例性驅(qū)動(dòng) 機(jī)構(gòu)和外殼53'見美國專利第6，394，998號所述，其全文結(jié)合于此以供參 考。示例性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為撓性手腕10'提供了兩個(gè)自由度，并允許軸14' 繞沿軸長度的軸線旋轉(zhuǎn)。在CTA手術(shù)過程中，鉸接內(nèi)窺鏡310繞內(nèi)部器官、 組織等操縱并鉸接以獲得難以觀察和/或難以到達(dá)位置的視覺圖像。所獲 圖像被用于輔助消融導(dǎo)管在所需心臟組織上的定位。鉸接內(nèi)窺鏡可以是 使用的唯一觀察鏡或也它也可以被用作第二或第三觀察鏡以相對于主內(nèi) 窺鏡所獲主圖像提供手術(shù)部位的備用圖像。
M.具有可釋放固定的消融導(dǎo)管/裝置的鉸接內(nèi)窺鏡
作為上述鉸接內(nèi)窺鏡的延伸，導(dǎo)管可以被可釋放地連于鉸接內(nèi) 窺鏡上以進(jìn)一步有助于消融導(dǎo)管在所需心臟組織上的放置。圖32示出了 通過一系列可釋放夾環(huán)320可釋放連于內(nèi)窺鏡310上的導(dǎo)管321。其它類型 的可釋放接頭(機(jī)械或其它方式)也可以被使用，并且也屬于本發(fā)明的 范圍內(nèi)。如圖32所示，夾環(huán)320允許消融裝置/導(dǎo)管321可釋放地被固定在 內(nèi)窺鏡310上以便在CTA手術(shù)過程中當(dāng)繞結(jié)構(gòu)(如肺部血管等)驅(qū)動(dòng)、操 縱并鉸接以到達(dá)所需手術(shù)目的地時(shí)消融裝置/導(dǎo)管321跟隨內(nèi)窺鏡310。當(dāng) 鉸接內(nèi)窺鏡310和固定的消融裝置/導(dǎo)管321到達(dá)目的地時(shí)，導(dǎo)管321被支 承/保持到位，例如通過連于機(jī)器人手臂的另一器械，同時(shí)內(nèi)窺鏡310從 消融裝置/導(dǎo)管321釋放并被移除。這樣，操縱期間內(nèi)窺鏡310捕獲的難以
觀察和/或難以到達(dá)位置的圖像可用于導(dǎo)向目的。另外，內(nèi)窺鏡的鉸接還
有助于消融裝置/導(dǎo)管321在難以到達(dá)的心臟組織上的放置。在可選實(shí)施例中，不是裝置/導(dǎo)管自身，而是導(dǎo)管導(dǎo)向裝置331
被可釋放地固定于內(nèi)窺鏡310。如圖33所示，之后如上所述導(dǎo)管導(dǎo)向裝置
331通過鉸接內(nèi)窺鏡310以相似方式被引導(dǎo)至最終目的地。當(dāng)鉸接內(nèi)窺鏡
310和固定的導(dǎo)管導(dǎo)向裝置331到達(dá)目的地時(shí)，導(dǎo)管導(dǎo)向裝置331被支承/
保持到位，例如通過連于機(jī)器人手臂的另一器械，同時(shí)內(nèi)窺鏡310從導(dǎo)管
導(dǎo)向裝置331釋放并被移除。之后消融導(dǎo)管/裝置使用其近端332處的導(dǎo)管 導(dǎo)向裝置331滑動(dòng)到位。在一實(shí)施例中，導(dǎo)管導(dǎo)向裝置331使用可釋放接 頭如夾環(huán)320以允許導(dǎo)管滑動(dòng)到位。在另一實(shí)施例中，導(dǎo)管導(dǎo)向裝置331 使用嵌入內(nèi)窺鏡310的內(nèi)腔，在其中導(dǎo)管導(dǎo)向裝置331可滑入并被引導(dǎo)到 達(dá)目標(biāo)。
N.具有內(nèi)腔以引導(dǎo)內(nèi)窺鏡的鉸接器械在又一實(shí)施例中，不具有鉸接內(nèi)窺鏡，而是末端執(zhí)行器被固定 于撓性手腕以便為器械提供所需鉸接。這個(gè)鉸接器械例如上述關(guān)于圖1 — 2被描述。但是，鉸接器械還包括沿器械的軸延伸的內(nèi)腔(例如空腔、工 作通道等)，外部內(nèi)窺鏡可被插入其中并被導(dǎo)向至撓性手腕的尖端。該 實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了與上述具有可釋放固定的消融導(dǎo)管/裝置或具有可釋放固 定的導(dǎo)管導(dǎo)向裝置的鉸接內(nèi)窺鏡基本相同的功能。不同之處在于消融導(dǎo) 管/裝置被用于驅(qū)動(dòng)并操縱，此時(shí)內(nèi)窺鏡通過插入嵌入內(nèi)腔被可釋放地固 定于消融裝置。使用嵌入內(nèi)腔，省去了可釋放接頭(如夾環(huán))。
現(xiàn)參照圖34，示出了視頻框圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明的視頻連 接的實(shí)施例。如圖34所述，攝像機(jī)控制單元342控制鉸接內(nèi)窺鏡310的操 作，如放大、縮小、分辨率模式、圖像捕獲等。鉸接內(nèi)窺鏡310捕獲的圖 像在輸入主顯示監(jiān)視器343和/或輔助顯示監(jiān)視器344之前被提供至攝像 機(jī)控制單元342以供處理。系統(tǒng)中的其它可用內(nèi)窺鏡345如主內(nèi)窺鏡以及 其它內(nèi)窺鏡以相似方式被其自身的攝像機(jī)控制單元組346控制。所獲圖像 以相似方式被輸入主顯示監(jiān)視器343和/或輔助顯示監(jiān)視器344。 一般主監(jiān) 視器343顯示可為三維的從主內(nèi)窺鏡獲得的圖像。從鉸接內(nèi)窺鏡310 (或 插入鉸接器械內(nèi)腔內(nèi)的內(nèi)窺鏡)獲取的圖像可被顯示于輔助顯示監(jiān)視器 344上。或者從鉸接內(nèi)窺鏡310 (或插入鉸接器械內(nèi)腔內(nèi)的內(nèi)窺鏡)獲取 的圖像可作為輔助信息被顯示在主顯示監(jiān)視器343上(參見美國專利第 6,522，906號的詳細(xì)說明，其全文結(jié)合于此以供參考)。
上述鉸接器械/內(nèi)窺鏡可由像避孕套的可選擇的無菌護(hù)套覆蓋 以保持鉸接器械/內(nèi)窺鏡清潔、無菌，從而避免必須在隨后的手術(shù)過程使 用中消毒這些器械/內(nèi)窺鏡。這樣的無菌護(hù)套需為半透明的以允許內(nèi)窺鏡 清晰地觀察并捕獲圖像。因此，無菌護(hù)罩可由乳膠狀材料(如KratorVS)、
聚氨酯等)制成。在一實(shí)施例中，無菌護(hù)罩和蓋罩312可由相同材料制成
并結(jié)合在一起成為一個(gè)整體。之后蓋罩312可通過機(jī)械或其它類型緊固件 被緊固在軸14，上。因此，圖31 — 34示出了手術(shù)器械(如內(nèi)窺鏡和其它器械)的不 同實(shí)施例，其具有撓性手腕以有助于在心臟組織消融(CTA)治療中消融 導(dǎo)管或其它裝置的安全放置并為其提供視覺確認(rèn)。盡管參照特定示例性 實(shí)施例進(jìn)行說明，但這些實(shí)施例僅是本發(fā)明的說明，不應(yīng)被認(rèn)為是限制 本發(fā)明的范圍。相反，本發(fā)明的原理可應(yīng)用于多種具體系統(tǒng)和實(shí)施例。
圖35 —37示出了根據(jù)本發(fā)明的鉸接/可操縱和可調(diào)換內(nèi)窺鏡。 圖35 — 37所示本發(fā)明的一些部件與圖1一34以及結(jié)合以供參考所述的其 它附圖所示相應(yīng)的對應(yīng)部件相似，且相似元件通過加雙引號的參照數(shù)字 被指示。當(dāng)相似性存在時(shí)，與圖1一34所示相似且以相似方式起作用的圖 35 — 37所示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)/元件將不再被詳細(xì)說明。
0.鉸接/可操縱和可調(diào)換內(nèi)窺鏡現(xiàn)參照圖35，其示出了根據(jù)本發(fā)明的在機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)中使用 的鉸接和可調(diào)換內(nèi)窺鏡310"的實(shí)施例。內(nèi)窺鏡310"包括長軸14"。撓 性手腕10"位于軸14"的工作端。外殼53"允許手術(shù)器械310可釋放地連 于位于軸14"的相對末端的機(jī)器人手臂(未示出)，如美國專利第 6， 331， 181號和第6， 394， 998號所述。與美國專利第6， 451， 027號所述的被
設(shè)計(jì)成支承更重且更大的內(nèi)窺鏡攝像機(jī)的機(jī)器人手臂不同，美國專利第 6， 331， 181號和第6， 394， 998號所述的機(jī)器人手臂被設(shè)計(jì)用于較輕的手術(shù)
器械，其全文結(jié)合于此以供參考。為實(shí)現(xiàn)可互換性/可調(diào)換性，與美國專 利第6， 331， 181號和第6， 394， 998號所述相似的機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)被用于所 有手術(shù)機(jī)器人手臂。換言之，不使用主要被設(shè)計(jì)用于承載手術(shù)內(nèi)窺鏡的 機(jī)器人手臂，而是被設(shè)計(jì)用于較小負(fù)載的通用/標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人手臂被用于承 載包括手術(shù)內(nèi)窺鏡的所有類型手術(shù)器械。這樣，手術(shù)內(nèi)窺鏡可被安裝于 手術(shù)機(jī)器人的多個(gè)手術(shù)機(jī)器人手臂中的任一手臂上，從而在手術(shù)過程期 間根據(jù)需要允許手術(shù)內(nèi)窺鏡可在不同手術(shù)手臂之間調(diào)換。因此外科醫(yī)生 現(xiàn)在可在端口之間更換內(nèi)窺鏡，如一般發(fā)生在常規(guī)腹腔鏡手術(shù)中。更換 可通過如下方式被輕松地執(zhí)行從一手臂釋放并拆卸內(nèi)窺鏡，且之后固定并鎖定內(nèi)窺鏡至一個(gè)不同的手臂上，該不同的手臂允許內(nèi)窺鏡被插入 到病人體內(nèi)不同手術(shù)端口內(nèi)。另外，機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的機(jī)械和構(gòu)造設(shè)計(jì) 可被簡化，因?yàn)椴辉傩枰菁{不同類型的器械手臂。為實(shí)現(xiàn)此目的，內(nèi)窺鏡需要被制造地更小且更輕。根據(jù)本發(fā)明， 內(nèi)窺鏡攝像機(jī)鏡頭位于撓性手腕10"的遠(yuǎn)端。內(nèi)腔(未示出)沿連接撓 性手腕10"的遠(yuǎn)端和外殼53"的軸14"的長度延伸。在優(yōu)選"芯片位于 操縱桿上的"實(shí)施例中，內(nèi)窺鏡310"的一個(gè)(或多個(gè))成像傳感器可被 安裝于撓性手腕10'的遠(yuǎn)端，此時(shí)硬連線或無線電連接至被連于外殼53" 末端處連接器314"的攝像機(jī)控制單元上。 一個(gè)(或多個(gè))成像傳感器可 為二維(2D)或三維(3D)。 一些復(fù)雜信號處理技術(shù)可用于從一個(gè)(或 多個(gè))2D成像傳感器推導(dǎo)出3D圖像。 一些示例性商業(yè)可購得"芯片位于 操縱桿上的"內(nèi)窺鏡解決方法包括紐約州Melville市的01ympus America 公司、以色列Petach Tiqua的Visionsens及其它。這樣的"芯片位于操 縱桿上的"實(shí)施例可將內(nèi)窺鏡的尺寸減少成原有尺寸的一小部分，并將 重量減少一個(gè)數(shù)量級。因此，內(nèi)窺鏡的尺寸和重量在安裝/拆卸以及操縱 內(nèi)窺鏡時(shí)不再成為難題。在可選"光纖鏡"實(shí)施例中，內(nèi)窺鏡310"的一 個(gè)(或多個(gè))成像傳感器如電荷耦合器件(CCD)可被安裝于外殼53"內(nèi) 部，此時(shí)所連光纖在內(nèi)腔內(nèi)沿軸14"長度延伸并基本終止于撓性手腕 10"的遠(yuǎn)端。內(nèi)窺鏡310"可具有蓋罩312"以覆蓋并保護(hù)撓性手腕10"遠(yuǎn) 端尖端處的內(nèi)窺鏡鏡頭314"?？蔀榘肭蛐巍A錐形等的蓋罩312"允許
器械在手術(shù)部位內(nèi)/附近操縱時(shí)偏離組織。可由玻璃、透明塑料等制成的 蓋罩312"是透明的以允許內(nèi)窺鏡310"清晰地觀察并捕獲圖像。在允許 清晰地觀察并捕獲圖像的特定條件下，蓋罩312"也可是半透明的。在可 選實(shí)施例中，蓋罩312"可被充氣(如至其正常尺寸的三倍)以提高/增 加內(nèi)窺鏡310"的觀察能力。可充氣蓋罩312"可由制造血管重建氣球的 撓性透明聚乙烯或相似材料制成。這樣，可最小化蓋罩312"的尺寸并因 此最小化插入內(nèi)窺鏡310"的微創(chuàng)手術(shù)端口的尺寸。將內(nèi)窺鏡310"插入 手術(shù)部位后，蓋罩312"可被充氣以增加/提高觀察能力。因此，蓋罩312" 可被連于流體源(如鹽水、空氣或其它氣體源)以根據(jù)要求為充氣蓋罩書第23/26頁
312"提供適當(dāng)壓力。撓性手腕10"提供了附加自由度以允許內(nèi)窺鏡310繞內(nèi)部身體
組織、器官等輕松鉸接并操縱以到達(dá)所需目的地(如心外膜或心肌組織)。 撓性手腕10"可為以上相對圖1一30所述任一實(shí)施例，或美國專利第 6，817，974號所述，具有多個(gè)接頭的其它實(shí)施例等。外殼53"也容納鉸接
(容納內(nèi)窺鏡的)撓性手腕10"遠(yuǎn)端部分的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可為纜 線驅(qū)動(dòng)、齒輪驅(qū)動(dòng)、履帶驅(qū)動(dòng)或其它類型機(jī)構(gòu)。示例性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和外殼 53"見美國專利第6，394,998號所述，其全文結(jié)合于此以供參考。示例性 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為撓性手腕10"提供了二自由度(俯仰和偏轉(zhuǎn))，并允許軸14" 繞沿軸長度的軸線旋轉(zhuǎn)(滾動(dòng))。俯仰和偏轉(zhuǎn)自由度(即手腕10"靠近 內(nèi)窺鏡鏡頭尖端分別繞虛構(gòu)橫軸線和豎軸線的彎曲)是對插入/抽出動(dòng)作
(如x、 y和z笛卡爾動(dòng)作)以及器械軸旋轉(zhuǎn)(如滾動(dòng)動(dòng)作)的補(bǔ)充。這樣， 內(nèi)窺鏡310"的自由度與其它機(jī)器人手術(shù)器械(如抓鉗等)相同，這提出 了如下問題如何向外科醫(yī)生提供控制內(nèi)窺鏡附加自由度的直觀方法。
P.從動(dòng)器械的攝像機(jī)參照控制范例需要向外科醫(yī)生提供控制復(fù)雜手術(shù)機(jī)器人的直觀方法。因外科 醫(yī)生全神貫注于精細(xì)且復(fù)雜的手術(shù)過程，所以他不需要意識到手術(shù)機(jī)器 人如何執(zhí)行工作，且有時(shí)可能由于機(jī)器人根據(jù)外科醫(yī)生的指導(dǎo)操縱和執(zhí) 行其任務(wù)方式的直觀性而忘記正在使用機(jī)器人執(zhí)行手術(shù)過程。作為直觀 和反直觀的簡化示例性說明，圖36示出了內(nèi)窺鏡水平凝視指向正前時(shí)， 全局參照(也稱為圖像參照)控制和攝像機(jī)參照(如固定至內(nèi)窺鏡遠(yuǎn)端 尖端的參照系)控制之間沒有不同。但是，攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，例如順時(shí)針 旋轉(zhuǎn)90度時(shí)，則在攝像機(jī)參照系中基于從動(dòng)器械移動(dòng)使得在保持器械運(yùn) 動(dòng)對外科醫(yī)生的直觀性時(shí)有很大不同，因?yàn)槿绻餍祷谌謪⒄眨?么外科醫(yī)生手部的左右動(dòng)作將看似引起手術(shù)器械的上下運(yùn)動(dòng)。因此，美 國專利第6，364，888號(以下稱為'888專利)和美國專利第6， 424， 885號 (以下稱為'885專利)說明了控制在內(nèi)窺鏡攝像機(jī)參照系內(nèi)所有從動(dòng)器 械動(dòng)作和定位以提供該直觀性，其全文結(jié)合于此以供參考。但是，'888 專利和'885專利所述內(nèi)窺鏡不具有本發(fā)明中內(nèi)窺鏡所具有的俯仰和偏轉(zhuǎn) 自由度。因此，與這些自由度有關(guān)的挑戰(zhàn)以及因此產(chǎn)生的范例是意料之 外的。
接下來將說明第一范例。當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)窺鏡進(jìn)行俯仰或偏 轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)，如果從攝像機(jī)參照系觀察圖像，則對于外科醫(yī)生來說，觀察 是反直觀的。這是因?yàn)槿绻麅?nèi)窺鏡上仰，則從攝像機(jī)參照系的觀察看似 向下看而不是外科醫(yī)生直觀期望的向上觀察。如果內(nèi)窺鏡下俯，則從攝 像機(jī)參照系的觀察看似向上看而不是外科醫(yī)生直觀期望的向下觀察。同 樣，如果內(nèi)窺鏡向左偏轉(zhuǎn)，則從攝像機(jī)參照系的觀察看似向右看而不是 外科醫(yī)生直觀期望的向左觀察。如果內(nèi)窺鏡向右偏轉(zhuǎn)，則從攝像機(jī)參照 系的觀察看似向左看而不是外科醫(yī)生直觀期望的向右觀察。這樣的反直 觀性是不期望的，且要求為內(nèi)窺鏡的俯仰和偏轉(zhuǎn)動(dòng)作將從動(dòng)手術(shù)器械的 參照系從攝像機(jī)參照系改為全局/圖像參照，以保持本發(fā)明所需的直觀 性。從動(dòng)手術(shù)器械的參照系對本發(fā)明所有其它內(nèi)窺鏡自由度(如x、 y和z 笛卡爾插入/抽出動(dòng)作和器械軸滾動(dòng)動(dòng)作)而言，是攝像機(jī)參照系。換句 話說，附加自由度的參照系與手術(shù)機(jī)器人內(nèi)窺鏡相關(guān)的傳統(tǒng)自由度的參 照系分離。但是，應(yīng)理解，根據(jù)本發(fā)明，對于一些應(yīng)用可以有益地在攝 像機(jī)參照系和全局參照系之間提供選擇從而控制鉸接/可操縱和可調(diào)換 內(nèi)窺鏡的六自由度中一個(gè)或任意自由度。換句話說，鉸接/可操縱和可調(diào) 換內(nèi)窺鏡的六自由度中任意或所有自由度可在攝像機(jī)參照系或全局參照 系中被控制。
在主從手術(shù)機(jī)器系統(tǒng)中，如da ￥;[^1 系統(tǒng)，如果六自由度中 任意(或所有)自由度在攝像機(jī)參照系中被控制，那么參照系隨攝像機(jī) 的移動(dòng)改變位置和/或方向。換句話說，主動(dòng)(即外科醫(yī)生的眼睛)相對 從動(dòng)(內(nèi)窺鏡攝像機(jī))的關(guān)系因攝像機(jī)的移動(dòng)而變化，如果不補(bǔ)償這些 變化那么攝像機(jī)的移動(dòng)可反過來影響外科醫(yī)生相對其輸入的感覺的直觀 性。該補(bǔ)償是通過控制轉(zhuǎn)換來重新定位主動(dòng)輸入裝置而被執(zhí)行的。更具 體地，主動(dòng)/眼睛轉(zhuǎn)換被調(diào)整以符合改變的從動(dòng)/攝像機(jī)轉(zhuǎn)換。該主動(dòng)校 準(zhǔn)補(bǔ)償優(yōu)選在攝像機(jī)控制(即實(shí)時(shí)或接近實(shí)時(shí))期間被持續(xù)地并遞增地 (經(jīng)遞增轉(zhuǎn)換)執(zhí)行，而不是在攝像機(jī)控制(即順序)之后進(jìn)行較大補(bǔ) 償，因?yàn)橄嚓P(guān)延遲時(shí)間被最小化。應(yīng)理解在非撓性和不可操縱內(nèi)窺鏡系 統(tǒng)中或在所有六自由度在全局參照系中被控制時(shí)是不要求該主動(dòng)校準(zhǔn)補(bǔ)
償?shù)?，原因是參照系在這些情況下是不變的。主動(dòng)輸入裝置可使用至少六(6)自由度被操縱，如美國專利 第6，714,839號所述，其全文結(jié)合于此以供參考。如果如圖38所示用戶的 左右手使用獨(dú)立主動(dòng)輸入裝置，則因?qū)嶋H組合兩個(gè)主動(dòng)輸入裝置來控制 內(nèi)窺鏡攝像機(jī)的位置和方向以及聚焦、光圈等功能，總共至少十二 (12) 自由度可用。圖38示出了所述兩個(gè)主動(dòng)輸入裝置，其實(shí)際上被組合以與 自行車車把相似方式操作。由于攝像機(jī)可沿X、 Y和Z軸線移動(dòng)并繞其旋轉(zhuǎn)， 需要實(shí)際組合的主動(dòng)輸入裝置提供的六(6)自由度來使用速度(也稱為 速率)或位置控制從而支配這六個(gè)位置和方向。另外，需要實(shí)際組合的 主動(dòng)輸入裝置提供的三(3)自由度來執(zhí)行/處理組合主動(dòng)輸入裝置的幾 何約束。因此，至少三(3)備用自由度保持可用以支配其它攝像機(jī)功能 (如聚焦、光圈等)。在優(yōu)選實(shí)施例中，用于支配這些其它攝像機(jī)功能 的三自由度為扭曲手柄(即兩個(gè)主動(dòng)輸入裝置)、彎曲手柄以及在相 反方向滾動(dòng)各主動(dòng)輸入裝置。對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，應(yīng)明確與參照系改變相關(guān)的任 何數(shù)學(xué)改變(如參照系位置/方向轉(zhuǎn)換)以及控制系統(tǒng)改變(如控制算法) 可根據(jù)'888專利和'885專利的相關(guān)詳細(xì)說明獲得并執(zhí)行。因此，為簡 單和清晰的目的，本文不對此提供附加說明。
Q.俯仰和偏轉(zhuǎn)動(dòng)作的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)第二控制范例包括對于鉸接/可操縱和可調(diào)換內(nèi)窺鏡的旋轉(zhuǎn)點(diǎn) 的選擇。旋轉(zhuǎn)點(diǎn)是指內(nèi)窺鏡圖像觀察參照系旋轉(zhuǎn)所繞的點(diǎn)。選擇這個(gè)旋 轉(zhuǎn)點(diǎn)以便向外科醫(yī)生提供直觀感和手術(shù)部位最佳觀察圖像。對于根據(jù)本 發(fā)明的鉸接和可調(diào)換內(nèi)窺鏡，攝像機(jī)鏡頭的附加俯仰和偏轉(zhuǎn)動(dòng)作(無論 獨(dú)立或同時(shí))與適當(dāng)選擇的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)結(jié)合可被用于操縱內(nèi)窺鏡(可能結(jié)合 其它自由度)以提供手術(shù)部位內(nèi)相對攝像機(jī)參照系的解剖的軌道觀察圖 像(與繞行星軌道運(yùn)行的衛(wèi)星觀察的視角相似)。應(yīng)注意，傳統(tǒng)機(jī)器人 手術(shù)內(nèi)窺鏡(如不具俯仰和偏轉(zhuǎn)動(dòng)作的內(nèi)窺鏡)不要求像這樣選擇旋轉(zhuǎn) 點(diǎn)，因此不需預(yù)先考慮。候選的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)包括可為內(nèi)窺鏡最大工作范圍 內(nèi)一點(diǎn)的手術(shù)部位的假定中心(如距01ympus內(nèi)窺鏡遠(yuǎn)端尖端近似三十八 (38) mm)、撓性手腕10"最近區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)、內(nèi)窺鏡手術(shù)部位入口點(diǎn)等
現(xiàn)在參照圖37，其示出了根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)窺鏡310"的不同潛 在旋轉(zhuǎn)點(diǎn)。如圖37所示，內(nèi)窺鏡310"己被插入器官372周圍手術(shù)部位處 的端口371內(nèi)。點(diǎn)373是假定中心，點(diǎn)374是撓性手腕10"附近或其上的點(diǎn)， 并且點(diǎn)375是內(nèi)窺鏡310"從其進(jìn)入手術(shù)部位的點(diǎn)。假定中心旋轉(zhuǎn)點(diǎn)可為最合理的，因?yàn)槭中g(shù)部位的多數(shù)行為可能 在內(nèi)窺鏡尖端周圍最近區(qū)域發(fā)生，且給定本發(fā)明的鉸接/可操縱內(nèi)窺鏡的 六自由度以及縮放能力，可快速進(jìn)行較小調(diào)整以獲得所需最佳觀察圖像。 但該選擇的缺點(diǎn)在于，攝像機(jī)鏡頭進(jìn)行俯仰和/或偏轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)，與內(nèi)窺鏡 310"近端(后端)以及更重要地與可釋放地連接了內(nèi)窺鏡的機(jī)器人手臂 相關(guān)的過活躍動(dòng)作(over-active motion)。承載內(nèi)窺鏡310"的機(jī)器人 手臂的過活躍動(dòng)作可能是不需要的，因其妨礙了手術(shù)期間同時(shí)移動(dòng)的系 統(tǒng)的所有其它機(jī)器人手臂，導(dǎo)致手臂碰撞。移動(dòng)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)至內(nèi)窺鏡手術(shù)部位入口點(diǎn)看似減少了機(jī)器人手臂 動(dòng)作，因旋轉(zhuǎn)點(diǎn)和機(jī)器人手臂之間的距離被大幅減少(通過減少連接旋 轉(zhuǎn)和平移動(dòng)作量)，但因物理和幾何約束，同樣看似產(chǎn)生的手術(shù)部位觀 察圖像并非最佳。經(jīng)過比較，旋轉(zhuǎn)點(diǎn)位于撓性手腕10"的中心周圍時(shí)， 旋轉(zhuǎn)點(diǎn)和機(jī)器人手臂之間的距離被減少，從而也減少了手臂動(dòng)作，但因 物理和幾何約束較少所以觀察圖像較好。因此，繞撓性手腕10"中心的 點(diǎn)為本發(fā)明鉸接可調(diào)換內(nèi)窺鏡的優(yōu)選旋轉(zhuǎn)點(diǎn)。說明了主動(dòng)控制點(diǎn)對從動(dòng) 控制點(diǎn)的映射的S85專利中提供了旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的示例性實(shí)施方式。
設(shè)備和方法的上述安排僅為本發(fā)明原理應(yīng)用的說明，可做出許 多其它實(shí)施例和修改而不背離權(quán)利要求所界定的本發(fā)明的精神和范圍。 因此本發(fā)明的范圍不應(yīng)參照上述說明被限定，而應(yīng)參照所附權(quán)利要求及 其等效物的完整范圍被限定。
權(quán)利要求
1.連于具有多個(gè)手臂的外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的微創(chuàng)鉸接手術(shù)內(nèi)窺鏡，該內(nèi)窺鏡包括具有工作端、近端以及在所述工作端與所述近端之間的軸線的長軸；具有遠(yuǎn)端和近端的撓性手腕，所述手腕的所述近端連于所述長軸的所述工作端；安裝于所述手腕的所述遠(yuǎn)端的內(nèi)窺鏡攝像機(jī)鏡頭，所述攝像機(jī)鏡頭獲取物體的圖像；以及多個(gè)傳動(dòng)連桿，所述多個(gè)傳動(dòng)連桿將所述手腕連至所述長軸的所述近端使得所述連桿是可啟動(dòng)的以向所述手腕提供至少一自由度；其中被用于控制所述至少一自由度動(dòng)作的參照系與所述撓性手腕附連以進(jìn)行與所述至少一自由度相關(guān)的手腕動(dòng)作。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微創(chuàng)鉸接手術(shù)內(nèi)窺鏡，其中所述至少一自 由度包括所述手腕的俯仰動(dòng)作和偏轉(zhuǎn)動(dòng)作。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微創(chuàng)鉸接手術(shù)內(nèi)窺鏡，其中被用于控制與 所述內(nèi)窺鏡相關(guān)的其它自由度的參照系被附連于所述物體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微創(chuàng)鉸接手術(shù)內(nèi)窺鏡，其中與所述至少一 自由度相關(guān)的所述內(nèi)窺鏡獲取的所述物體的圖像是基于繞鄰近所述撓性 手腕的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的參照系。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的微創(chuàng)鉸接手術(shù)內(nèi)窺鏡，其中所述物體的所 述圖像為軌道觀察圖像。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微創(chuàng)鉸接手術(shù)內(nèi)窺鏡，其中所述內(nèi)窺鏡可 釋放連于所述多個(gè)手臂中的任意手臂，并被設(shè)計(jì)為可在所述多個(gè)手臂間 調(diào)換以便所述外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)使用一種標(biāo)準(zhǔn)手臂設(shè)計(jì)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微創(chuàng)鉸接手術(shù)內(nèi)窺鏡，其中所述至少一自 由度由位置或速度控制。
8. 連于具有多個(gè)手臂的外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的微創(chuàng)鉸接手術(shù)內(nèi)窺鏡，該內(nèi)窺鏡包括具有工作端、近端以及在所述工作端與所述近端之間的軸線的長軸；具有遠(yuǎn)端和近端的撓性手腕，所述手腕的所述近端連于所述長軸的所述工作端；安裝于所述手腕的所述遠(yuǎn)端的內(nèi)窺鏡攝像機(jī)鏡頭，所述攝像機(jī)鏡頭 獲取物體的圖像；以及多個(gè)傳動(dòng)連桿，所述多個(gè)傳動(dòng)連桿將所述手腕連至所述長軸的所述 近端使得所述連桿是可啟動(dòng)的以便向所述手腕提供至少一自由度；其中與所述至少一自由度相關(guān)的所述內(nèi)窺鏡獲取的所述物體的圖像 是基于繞鄰近所述撓性手腕的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的參照系。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的微創(chuàng)鉸接手術(shù)內(nèi)窺鏡，其中所述物體的所 述圖像為軌道觀察圖像。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的微創(chuàng)鉸接手術(shù)內(nèi)窺鏡，其中控制所述至 少一 自由度動(dòng)作的所述參照系與所述撓性手腕附連以進(jìn)行與所述至少一 自由度相關(guān)的手腕動(dòng)作。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的微創(chuàng)鉸接手術(shù)內(nèi)窺鏡，其中所述至少一 自由度包括所述手腕的俯仰動(dòng)作和偏轉(zhuǎn)動(dòng)作。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的微創(chuàng)鉸接手術(shù)內(nèi)窺鏡，其中被用于控制 與所述內(nèi)窺鏡相關(guān)的其它自由度的參照系與所述物體附連。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的微創(chuàng)鉸接手術(shù)內(nèi)窺鏡，其中所述內(nèi)窺鏡可釋放地連于所述多個(gè)手臂中的任意手臂，并被設(shè)計(jì)為可在所述多個(gè)手 臂間調(diào)換以便所述外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)使用一種標(biāo)準(zhǔn)手臂設(shè)計(jì)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的微創(chuàng)鉸接手術(shù)內(nèi)窺鏡，其中所述至少一自由度由位置或速度控制。
15. 為用戶提供具有至少一自由度的撓性手腕的微創(chuàng)鉸接手術(shù)內(nèi)窺 鏡的更具直觀性的方法，該方法包括將被用于控制所述至少一 自由度動(dòng) 作的參照系附連至所述撓性手腕以進(jìn)行與所述至少一 自由度相關(guān)的手腕 動(dòng)作。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述至少一自由度包括所述 手腕的俯仰動(dòng)作和偏轉(zhuǎn)動(dòng)作。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中被用于控制與所述內(nèi)窺鏡相 關(guān)的其它自由度的參照系被附連于所述物體。
18. 當(dāng)獲取與至少一自由度相關(guān)的物體圖像時(shí)減少鉸接手術(shù)內(nèi)窺鏡 近端動(dòng)作的方法，該鉸接手術(shù)內(nèi)窺鏡在遠(yuǎn)端具有帶至少一自由度動(dòng)作的 撓性手腕，該方法包括基于繞鄰近所述撓性手腕的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的參照系獲取與所述至少一 自由度相關(guān)的所述物體的所述圖像
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述物體的所述圖像為軌道 觀察圖像。
20. 主從機(jī)器人系統(tǒng)，其包括主動(dòng)控制器，其包括平臺；相對所述平臺可繞三條軸線旋轉(zhuǎn)并相對所述平臺可沿三條軸線平移的至少一主動(dòng)輸入裝置；相對所述平臺支承所述輸入裝置的連桿機(jī)構(gòu)；傳感器系統(tǒng)，該傳感器系統(tǒng)被連于所述連桿機(jī)構(gòu)上以測量繞所述 連桿機(jī)構(gòu)上多個(gè)位置的動(dòng)作；驅(qū)動(dòng)地嚙合被驅(qū)動(dòng)接頭的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；以及處理器，該處理器將所述傳感器系統(tǒng)連至所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以便當(dāng)重 新定位所述至少一主動(dòng)輸入裝置時(shí)所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)所述連桿機(jī)構(gòu)； 以及連于所述主動(dòng)裝置的至少一從動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，具有6自由度鉸接的所 述至少一從動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)響應(yīng)所述至少一主動(dòng)輸入裝置的重新定位，所述 從動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)包括微創(chuàng)鉸接手術(shù)內(nèi)窺鏡，該內(nèi)窺鏡包括具有工作端、近端以及在所述工作端與所述近端之間的軸線的長軸；具有遠(yuǎn)端和近端的撓性手腕，所述手腕的所述近端連于所述長軸 的所述工作端；安裝于所述手腕的所述遠(yuǎn)端的內(nèi)窺鏡攝像機(jī)鏡頭，所述攝像機(jī)鏡 頭獲取物體的圖像；以及多個(gè)傳動(dòng)連桿，所述多個(gè)傳動(dòng)連桿將所述手腕連至所述長軸的近 端使得所述連桿是可啟動(dòng)的以向所述手腕提供至少一 自由度；其中控制所述至少一自由度的參照系與所述撓性手腕附連以進(jìn) 行與所述至少一自由度相關(guān)的手腕動(dòng)作。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的主從機(jī)器人系統(tǒng)，其中所述至少一自由 度包括所述手腕的俯仰動(dòng)作和偏轉(zhuǎn)動(dòng)作。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的主從機(jī)器人系統(tǒng)，其中被用于控制與所 述內(nèi)窺鏡相關(guān)的其它自由度的參照系被附連于所述物體。
23. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的主從機(jī)器人系統(tǒng)，其中與所述至少一自 由度相關(guān)的所述內(nèi)窺鏡獲取的所述物體的圖像是基于繞鄰近所述撓性手 腕的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的參照系。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的主從機(jī)器人系統(tǒng)，其中所述物體的所述圖像為軌道觀察圖像。
25. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的主從機(jī)器人系統(tǒng)，其中所述內(nèi)窺鏡可釋 放地連于所述多個(gè)手臂中的任意手臂，并被設(shè)計(jì)為可在所述多個(gè)手臂間 調(diào)換以便所述外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)使用一種標(biāo)準(zhǔn)手臂設(shè)計(jì)。
26. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的主從機(jī)器人系統(tǒng)，其中所述至少一主動(dòng) 輸入裝置還被用于控制所述內(nèi)窺鏡攝像機(jī)鏡頭的包括聚焦或光圈的功
27. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的主從機(jī)器人系統(tǒng)，其中在所述內(nèi)窺鏡攝 像機(jī)鏡頭移動(dòng)期間通過調(diào)整主動(dòng)轉(zhuǎn)換以符合從動(dòng)轉(zhuǎn)換從而持續(xù)地并遞增 地執(zhí)行主動(dòng)校準(zhǔn)補(bǔ)償以保持主從直觀性。
28. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的主從機(jī)器人系統(tǒng)，其中所述至少一自由 度由位置或速度控制。
全文摘要
本發(fā)明旨在提供一種具有至少一自由度的撓性手腕的鉸接微創(chuàng)手術(shù)內(nèi)窺鏡。當(dāng)與具有多個(gè)機(jī)器人手臂的手術(shù)機(jī)器人一起使用時(shí)，內(nèi)窺鏡可被用于多個(gè)手臂中的任意手臂，從而允許使用通用手臂設(shè)計(jì)。通過將被用于控制至少一自由度動(dòng)作的參照系附連至撓性手腕以進(jìn)行與所述至少一自由度相關(guān)的手腕動(dòng)作，從而根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)窺鏡可對用戶而言更加直觀。通過基于繞鄰近撓性手腕的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的參照系獲取與所述至少一自由度相關(guān)的物體圖像，根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)窺鏡可減少其后/近端的不需要的動(dòng)作。
文檔編號A61B1/00GK101340853SQ200680047756
公開日2009年1月7日 申請日期2006年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月27日
發(fā)明者C·哈塞, N·斯瓦魯普, S·C·安德森, T·庫珀 申請人:直觀外科手術(shù)公司