專(zhuān)利名稱：柔順手術(shù)裝置的制作方法
柔順手術(shù)裝置
背景技術(shù)：
微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)通常試圖在最小化對(duì)健康組織的損害的同時(shí)執(zhí)行手術(shù)過(guò)程。用于實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的一種具體技術(shù)采用柔性手術(shù)器械，其通過(guò)至少部分地遵循自然管腔而能夠到達(dá)病患體內(nèi)的目標(biāo)工作部位，其中所述自然管腔例如是病患的消化道(digestive tract)。 遵循自然管腔允許外科醫(yī)生在工作部位上手術(shù)且較少地需要穿過(guò)健康組織造成切口，盡管在柔性器械進(jìn)入或離開(kāi)自然管腔的位置可能需要切口。在這樣的手術(shù)過(guò)程中能夠使用進(jìn)入導(dǎo)引器從而幫助該過(guò)程中手術(shù)器械或工具的插入和移除。通常，通過(guò)切口或自然孔口 (orifice)插入進(jìn)入導(dǎo)引器，且沿著通向所述進(jìn)入導(dǎo)引器遠(yuǎn)端接近或到達(dá)目標(biāo)工作部位的點(diǎn)的路徑來(lái)操縱進(jìn)入導(dǎo)引器。進(jìn)入導(dǎo)引器通常包含一個(gè)或多個(gè)器械管腔，通過(guò)其可插入或移除不同的手術(shù)器械。這允許改變器械，而不需要每次需要不同器械組時(shí)的微妙的操縱過(guò)程。能夠遵循自然管腔或其它回旋路徑的手術(shù)器械和進(jìn)入導(dǎo)引器通常必須是柔性的， 這要求這些裝置具有在大多數(shù)其它手術(shù)器械中不需要的屬性和能力。特別地，雖然進(jìn)入導(dǎo)引器必須足夠柔性來(lái)導(dǎo)航回旋路徑，但導(dǎo)引器理想上應(yīng)提供在工作部位的穩(wěn)定基礎(chǔ)以用于操縱通過(guò)導(dǎo)引器插入一個(gè)或多個(gè)器械。此外，導(dǎo)引器不應(yīng)以會(huì)意外損害鄰近組織的方式來(lái)改變形狀或?qū)ν饬ψ鞒龇醋饔?reaction)。纜繩或筋束可以延伸通過(guò)進(jìn)入導(dǎo)引器的全部或一部分，以用于致動(dòng)進(jìn)入導(dǎo)引器的機(jī)械特征或沿其路徑操縱進(jìn)入導(dǎo)引器。在一些先進(jìn)的手術(shù)系統(tǒng)中，使用馬達(dá)和計(jì)算機(jī)輔助控制來(lái)自動(dòng)控制地操作這些纜繩(如在此所用，術(shù)語(yǔ)“機(jī)器人”或“自動(dòng)控制地”等等包括遙控或遙控機(jī)器人方面。)。通過(guò)筋束施加的力能夠是重要的，既用于克服摩擦力，也是由于進(jìn)入導(dǎo)引器和器械的長(zhǎng)度能產(chǎn)生長(zhǎng)力矩臂。柔性手術(shù)裝置需要控制這些相對(duì)大的力以便沿著裝置的一段長(zhǎng)度的反作用或運(yùn)動(dòng)不損害病患的鄰近組織。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的方面，柔順手術(shù)裝置，例如鉸接的進(jìn)入導(dǎo)引器，采用筋束來(lái)操作或操縱該裝置且附接恒力彈簧系統(tǒng)以便控制筋束中的張力。因此，手術(shù)裝置能夠是柔順的且在手術(shù)過(guò)程期間響應(yīng)外力，而不快速回彈或以別的方式導(dǎo)致?lián)p害組織的反作用。在用于手術(shù)過(guò)程的插入期間或之前，柔順性也允許手動(dòng)定位或定形該裝置，而不損害筋束或在裝置內(nèi)筋束的連接或?qū)е聦?duì)后端機(jī)構(gòu)的損害。本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例為手術(shù)裝置，例如進(jìn)入導(dǎo)引器。裝置包括具有可動(dòng)構(gòu)件的軸、附接到該構(gòu)件的筋束、恒力彈簧系統(tǒng)以及控制機(jī)構(gòu)。恒力彈簧系統(tǒng)被附接到筋束，且控制機(jī)構(gòu)控制恒力彈簧系統(tǒng)施加于筋束的幅度/大小(magnitude)。筋束中的張力能夠因此獨(dú)立于移動(dòng)筋束的外力但被控制成鉸接(articulate)構(gòu)件。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例也為手術(shù)裝置。該實(shí)施例包括具有可動(dòng)構(gòu)件的軸、附接到該構(gòu)件的筋束以及附接到該筋束的不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)。不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)是這樣的，即由不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)施加到筋束的力更依賴于彈簧系統(tǒng)近端(proximal end)的位置，而不是筋束的
5位置。控制機(jī)構(gòu)能夠被連接到不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)的近端。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例為用于操作手術(shù)裝置的方法。該方法包括插入用于手術(shù)過(guò)程的手術(shù)裝置的鉸接軸，且使用不對(duì)稱或恒力彈簧系統(tǒng)來(lái)維持在鉸接軸的構(gòu)件上的平衡力。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的柔性或鉸接進(jìn)入導(dǎo)引器和后端機(jī)構(gòu)。圖2A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于控制在手術(shù)裝置內(nèi)的可動(dòng)鏈接的兩個(gè)筋束至不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)的連接。圖2B和圖2C示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)，其分別使用扭力彈簧和恒力彈簧來(lái)產(chǎn)生隨筋束的運(yùn)動(dòng)而保持恒定、但可通過(guò)控制機(jī)構(gòu)被調(diào)節(jié)的筋束張力。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于控制在手術(shù)裝置內(nèi)的可動(dòng)鏈接的三個(gè)筋束至不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)的連接。在不同附圖中使用相同附圖標(biāo)記表明類(lèi)似或相同的項(xiàng)。
具體實(shí)施例方式在鉸接手術(shù)裝置(例如柔性進(jìn)入導(dǎo)引器)中的柔順性通常是理想的以便允許對(duì)該裝置的手動(dòng)定形。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，將柔性裝置中的各部分(例如，機(jī)械鏈接或脊) 連接到后端機(jī)構(gòu)的筋束被連接到彈簧系統(tǒng)，所述彈簧系統(tǒng)能夠適應(yīng)對(duì)該裝置的柔性部分的手動(dòng)操縱，而不會(huì)損害后端機(jī)構(gòu)或筋束的連接。根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面，耦合到驅(qū)動(dòng)筋束的彈簧系統(tǒng)能夠是不對(duì)稱彈簧或甚至為恒力彈簧，以使得彈簧系統(tǒng)不引起大反作用力且裝置不會(huì)快速回彈來(lái)響應(yīng)外力。當(dāng)柔性裝置承受變化外力時(shí)，手術(shù)裝置的柔順性和回彈的缺乏會(huì)有助于避免在手術(shù)過(guò)程期間可能會(huì)導(dǎo)致的組織損害。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的柔性進(jìn)入導(dǎo)引器100。進(jìn)入導(dǎo)引器100包括柔性主管110和在主管110近端處的后端機(jī)構(gòu)120。主管110是柔性的，因?yàn)楫?dāng)需要遵循回旋路徑時(shí)主管110能夠彎曲，不過(guò)主管110可包括能夠用作鉸接脊來(lái)改變主管110的形狀的一系列剛性鏈接或機(jī)械構(gòu)件。在授予Amir Belson的、標(biāo)題為“Methods and Apparatus for Performing Transluminal and Other Procedures”、公開(kāi)號(hào)為No. 2007/0135803A1 的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)，和授予Ross等人的、標(biāo)題為“Endoscope having a Guide Tube”、公開(kāi)號(hào)為 No. 2004/0193009A1的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)中說(shuō)明了適合于主管110的一些示范性鉸接結(jié)構(gòu)，其全文包括在此以供參考。此外，進(jìn)入導(dǎo)引器中的鉸接結(jié)構(gòu)能夠采用在鉸接機(jī)器人腕部和類(lèi)似機(jī)器人機(jī)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)的一些相同架構(gòu)，例如下列專(zhuān)利中所描述的，授予Cooper等人的、標(biāo)題為"Surgical Tool Having Positively Positionable Tendon-Actuated Multi-Disk Wrist Joint” 的美國(guó)專(zhuān)利 No. 6，817，974，Cooper 等人的、標(biāo)題為"Flexible Wrist For Surgical !"ool”、公開(kāi)號(hào)為No. US2004/0138700A1的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)，授予Wallace等人的、 標(biāo)題為“Platform Link Wrist Mechanism”的美國(guó)專(zhuān)利No. 6，699，235，其全文已包括在此以供參考。由橡膠或塑料(例如氯丁橡膠、石榴皮堿、FEP、PTFE、尼龍或類(lèi)似材料)制造的柔順鞘能夠覆蓋主管110的鏈接和其它內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而提供用于進(jìn)入導(dǎo)引器內(nèi)部機(jī)構(gòu)的密封封罩且有助于在手術(shù)過(guò)程中主管110的插入和移除。主管110通常具有在大約8mm和大約25mm之間的直徑，這取決于預(yù)期使用的主管110和被同時(shí)引導(dǎo)的手術(shù)器械的數(shù)目。可根據(jù)被執(zhí)行的手術(shù)過(guò)程類(lèi)型來(lái)選擇主管110的總長(zhǎng)度，不過(guò)典型長(zhǎng)度可以是大約60cm或更長(zhǎng)。主管110也包括一個(gè)或更多個(gè)器械管腔112。每個(gè)器械管腔112均能夠是由橡膠、 氯丁橡膠、石榴皮堿、FEP、PTFE、尼龍或其它柔性材料制成的柔性管。每個(gè)器械管腔112均延伸/運(yùn)行(rim)主管110的大部分長(zhǎng)度且通常穿過(guò)在鏈接或構(gòu)件的表面中或位于所述表面上的開(kāi)口，其中所述鏈接或構(gòu)件是用于控制主管110形狀的機(jī)械系統(tǒng)的一部分。每個(gè)器械管腔112均能夠引導(dǎo)并裝納在手術(shù)過(guò)程中可使用的柔性手術(shù)器械。特別地，當(dāng)需要時(shí)，柔性手術(shù)器械(未示出)能夠被插入在器械管腔112的近端處的開(kāi)口 112A內(nèi)并且滑動(dòng)通過(guò)器械管腔112，以致柔性手術(shù)器械的遠(yuǎn)尖端處的工具從器械管腔112的遠(yuǎn)端處的開(kāi)口 112B 出現(xiàn)。器械管腔112所具有的直徑尺寸通常適于標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)器械，例如5mm或8mm，以便器械管腔112能夠處理許多不同類(lèi)型的器械，例如，各種形狀和類(lèi)型的鉗子、剪刀、手術(shù)刀和燒灼器械。當(dāng)器械管腔112中的器械當(dāng)前不需要時(shí)，該器械能夠從該器械管腔112中被移除且由另一個(gè)柔性器械取代，而不需要復(fù)雜且費(fèi)時(shí)的操縱過(guò)程。通過(guò)器械管腔112可以類(lèi)似地插入傳感器和攝像機(jī)或其它視覺(jué)系統(tǒng)。此種輕易更換的器械或其它手術(shù)系統(tǒng)會(huì)具有其自身的能夠獨(dú)立于后端機(jī)構(gòu)120被操作的后端機(jī)構(gòu)和/或接口?？商鎿Q地或額外地，主管110 可包括手術(shù)過(guò)程中不試圖被移除的手術(shù)器械、傳感器、視覺(jué)系統(tǒng)、流道或其它手術(shù)上實(shí)用的系統(tǒng)(未示出)，且此種系統(tǒng)可以通過(guò)后端機(jī)構(gòu)120提供的接口來(lái)機(jī)械地或電力地操作。筋束130將主管110的各部分(例如，機(jī)械鏈接或固定的手術(shù)系統(tǒng))連接到后端機(jī)構(gòu)120且在圖1中的剖示部分被示出。筋束130能夠是例如多股絞合的或編織的纜線、單絲線或者管，其由能夠?yàn)檫B接到筋束130的系統(tǒng)的操作提供足夠的強(qiáng)度和柔性的金屬或合成材料制成。后端機(jī)構(gòu)120通常用作當(dāng)馬達(dá)組(未示出)提供動(dòng)力時(shí)拉緊筋束130的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。后端機(jī)構(gòu)120包括能夠機(jī)械地耦合馬達(dá)組的接口。在示出的實(shí)施例中，多個(gè)齒輪122 嚙合相應(yīng)馬達(dá)，其中所述馬達(dá)旋轉(zhuǎn)所述齒輪從而控制相應(yīng)筋束130中的張力，如以下進(jìn)一步說(shuō)明。針對(duì)機(jī)器人操作，包括由外科醫(yī)生操作的用戶接口和執(zhí)行軟件的計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)(未示出)能夠控制馬達(dá)組。在后端機(jī)構(gòu)120和主管110之間可提供無(wú)菌屏障(sterile barrier)，以便在手術(shù)過(guò)程中不污染連接到后端機(jī)構(gòu)120的馬達(dá)組和其它系統(tǒng)。圖2A示意地示出進(jìn)入導(dǎo)引器的一部分200，其使用后端機(jī)構(gòu)220中的不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)210來(lái)控制被耦合到機(jī)械鏈接MO的筋束230A和230B中的相應(yīng)張力。為便于說(shuō)明， 在圖2A中僅示出兩個(gè)筋束230A和230B，在此被總稱為筋束230，且示出的筋束230被附接到同一鏈接對(duì)0。實(shí)際的進(jìn)入導(dǎo)引器可以包含大約十個(gè)鏈接240到超過(guò)一百個(gè)鏈接M0，并且每個(gè)鏈接240均可以具有終止于該鏈接MO的一個(gè)或更多個(gè)筋束230。通常，進(jìn)入導(dǎo)引器可以是未被約束的，即，一些鏈接240可以不直接附接到筋束230或被筋束230約束，而是可以由鏈接240周?chē)那驶蛲馄?未示出)的剛性部位或由延伸通過(guò)鏈接240的加勁桿 (stiffening rod)替代。在可替代實(shí)施例中，筋束230的遠(yuǎn)端可被附接到柔性鞘的不同部分，從而提供連續(xù)(continuum)機(jī)構(gòu)，其不需要鏈接240或鉸鏈機(jī)構(gòu)，而是通過(guò)筋束230施加于鞘上的力而被彎曲。當(dāng)進(jìn)入導(dǎo)引器的附接鏈接或機(jī)構(gòu)中柔順性理想時(shí)，筋束230可以具有被附接到后端機(jī)構(gòu)220中的相應(yīng)不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)210的近端。進(jìn)入導(dǎo)引器可以額外地包括柔順性不理想的系統(tǒng)，且在后端機(jī)構(gòu)220內(nèi)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(未示出)可以采用本領(lǐng)域中已知的、用于耦合柔順性不理想的系統(tǒng)的筋束的不柔順驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。圖2A中每個(gè)彈簧系統(tǒng)210均包括機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)212、彈簧216和凸輪218。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)212將驅(qū)動(dòng)器馬達(dá)250的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為線性運(yùn)動(dòng)，且彈簧216連接到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)212以便驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)212的線性運(yùn)動(dòng)移動(dòng)彈簧216的近端(注意到，向線性運(yùn)動(dòng)的這種轉(zhuǎn)換不是必需的要素，每個(gè)彈簧216的近端可以可替換地被附接到環(huán)繞滑輪或絞盤(pán)纏繞的纜繩，如必要?jiǎng)t可以具有制動(dòng)器以便當(dāng)滑輪和絞盤(pán)脫離與驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的聯(lián)接時(shí)防止不必要的運(yùn)動(dòng)。)凸輪218具有第一導(dǎo)引表面和第二導(dǎo)引表面，被附接到彈簧216遠(yuǎn)端的纜繩217被附接到且搭置于在該第一導(dǎo)引表面上，筋束230的一部分被附接到且搭置于該第二導(dǎo)引表面上。凸輪218的這些表面通常位于距凸輪218的旋轉(zhuǎn)軸線的不同距離處，以致筋束230中的張力與來(lái)自彈簧216的彈簧力的比等于距纜繩217離開(kāi)凸輪218的點(diǎn)的徑向距離與距筋束230 離開(kāi)凸輪218的點(diǎn)的徑向距離的比。凸輪218的每個(gè)表面均可以是延伸多個(gè)盤(pán)旋的螺旋表面以便提供筋束230的所需運(yùn)動(dòng)范圍。凸輪218的導(dǎo)引表面被進(jìn)一步定形成減少或消除附接筋束230中的張力對(duì)于鏈接 240附接到該筋束230的位置、以及凸輪218和該鏈接240之間筋束路徑形狀的依賴。特別地，若用僅具有圓形導(dǎo)引表面的滑輪來(lái)替換凸輪218，則拉動(dòng)筋束230會(huì)導(dǎo)致在彈簧216 的伸長(zhǎng)/拉伸(stretch)的等比增加，且假設(shè)彈簧212遵從Hooke法則，則導(dǎo)致筋束230的張力的線性增加。為了減少?gòu)埩?duì)于在筋束230或鏈接240上所施加的張力的依賴，凸輪 218的一個(gè)或兩個(gè)表面是非圓形的，但是一旦在筋束230中的張力或來(lái)自彈簧230的力充當(dāng)凸輪218旋轉(zhuǎn)，就提供可變力矩臂。例如，試圖拉伸彈簧216的凸輪218旋轉(zhuǎn)能夠減小彈簧216作用在凸輪218的力矩臂或者增加筋束230中的張力所作用的力矩臂。已經(jīng)知道， 對(duì)于恒力彈簧，凸輪218的形狀能夠被選擇成，使得當(dāng)筋束230的移動(dòng)導(dǎo)致凸輪218的旋轉(zhuǎn)時(shí)，筋束230中的張力保持恒定，且同時(shí)來(lái)自彈簧216的彈力根據(jù)Hooke法則增加。彈簧系統(tǒng)210因此可充當(dāng)恒力彈簧或可替換地只減小筋束230中的張力隨著筋束230從凸輪218 松開(kāi)而變化的比率。使用線性彈簧來(lái)產(chǎn)生恒力彈簧的凸輪和合適系統(tǒng)的實(shí)施例在Eugene F. Duvallt 的、豐示 H % "Mechanical Arm Including a Counter-Balance'\ Jf j^f No. US2008/0277552A1 的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)和 Eugene F. Duvallt 的、標(biāo)題為‘‘Counter Balance System and Method with One or More Mechanical Arms，，的美國(guó)專(zhuān)禾丨JNo. 7，428，855 中更加具體地被描述，其全文包含在此以供參考。每個(gè)機(jī)械系統(tǒng)212控制對(duì)應(yīng)的彈簧216的近端的位置且因此影響對(duì)應(yīng)彈簧216中的伸長(zhǎng)量以及附接筋束230中的張力。操作中，若彈簧系統(tǒng)210中的機(jī)械系統(tǒng)212拉動(dòng)附接彈簧216，則彈簧216開(kāi)始伸長(zhǎng)，且若附接到彈簧系統(tǒng)210的鏈接240和筋束230保持固定，則彈簧216施加在凸輪218上的力會(huì)增大且因此附接纜繩230中的張力會(huì)增加。因此， 筋束230中的張力線性地(按照Hooke法則，凸輪218的力矩臂，和彈簧216的彈簧常數(shù)) 依賴于彈簧216的近端的運(yùn)動(dòng)，不過(guò)每個(gè)彈簧系統(tǒng)210的行為均是不對(duì)稱的，即，對(duì)于移動(dòng)筋束230的外力具有弱很多的響應(yīng)，或者以其他方式，借助恒力、非線性依賴或較小有效彈簧常數(shù)來(lái)響應(yīng)移動(dòng)230筋束的外力。上述的每個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)212將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為彈簧216近端的線性運(yùn)動(dòng)，其中該旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可由機(jī)械耦合到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)212的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)250來(lái)提供。在示范實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 212是滾珠螺桿，其包括螺紋軸214，該螺紋軸214為滾珠螺母213的內(nèi)膛內(nèi)的滾珠軸承提供螺旋軌道。滾珠螺母213機(jī)械耦合到對(duì)應(yīng)的馬達(dá)250，以便隨著馬達(dá)250轉(zhuǎn)動(dòng)，軸214運(yùn)動(dòng)進(jìn)或出傳動(dòng)裝置213的內(nèi)膛。甚至當(dāng)滾珠螺桿向彈簧216施加顯著的力或承受來(lái)自彈簧 216的顯著的力時(shí)，滾珠螺桿仍可提供最小化的摩擦力。然而，可替換地采用其它機(jī)械系統(tǒng)來(lái)拉伸彈簧216。例如，簡(jiǎn)單的螺紋裝置可以按照與滾珠螺桿大體相同的方式但具有更大的摩擦力而操作?？商鎿Q地，彈簧216的近端可附接到繞絞盤(pán)纏繞的纜繩，以便驅(qū)動(dòng)絞盤(pán)的馬達(dá)可移動(dòng)彈簧216的近端。齒輪和杠桿系統(tǒng)也可用于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為線性運(yùn)動(dòng)，或者代替轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，線性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(例如螺線管)可以用于移動(dòng)彈簧216的近端。在此提供的示例簡(jiǎn)單說(shuō)明了適合于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)212的一些機(jī)械系統(tǒng)，但明顯的，可采用許多其它機(jī)械系統(tǒng)來(lái)移動(dòng)彈簧216的近端?？烧{(diào)節(jié)恒力彈簧或不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)不被限制于使用線性彈簧或卷簧，而是可以使用其它類(lèi)型的彈簧元件被構(gòu)造。圖2B示出彈簧系統(tǒng)210B的一種示例，其使用扭力彈簧216B 來(lái)產(chǎn)生筋束230中的張力，該張力幾乎不依賴于筋束230的運(yùn)動(dòng)而是可使用驅(qū)動(dòng)馬達(dá)250 來(lái)調(diào)節(jié)。在系統(tǒng)210B中，扭力彈簧216B具有附接到凸輪218的遠(yuǎn)端，以便凸輪218的旋轉(zhuǎn)改變扭力彈簧216B中的扭矩/扭力。由扭力彈簧216B導(dǎo)致的在凸輪218上的扭矩因此隨著凸輪218的旋轉(zhuǎn)角而變化(例如，線性地)。然而，筋束230被纏繞在凸輪218的表面上，該表面被定形成改變筋束230作用的力矩臂，以使得筋束230中的恒定張力導(dǎo)致與來(lái)自扭力彈簧216B的扭矩相同的方式改變的扭矩。因此，彈簧系統(tǒng)210B用作恒力彈簧。然而， 能夠使用馬達(dá)250來(lái)旋轉(zhuǎn)扭力彈簧216B的近端，從而控制筋束230中的彈力和張力。特別地，馬達(dá)250更緊地(或更松地)纏繞扭力彈簧216B，會(huì)增加(或減少)筋束230中的張力。因此，假如馬達(dá)250和彈簧系統(tǒng)216和216B之間在接口方向上的不同被適應(yīng)，則圖2A 中每個(gè)彈簧系統(tǒng)216均能夠由彈簧系統(tǒng)216B替換。圖2C示出另一個(gè)可替換不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)216C，其采用恒力彈簧216C。恒力彈簧 216C是當(dāng)發(fā)條完全卷起時(shí)松馳的彈簧材料卷繞發(fā)條。隨著發(fā)條展開(kāi)，發(fā)條靠近卷的一部分會(huì)產(chǎn)生彈力。隨著發(fā)條展開(kāi)該彈力基本保持恒定，這是因?yàn)榘l(fā)條產(chǎn)生彈力的一部分，即，靠近卷的一部分，隨彈簧展開(kāi)具基本相同的形狀。當(dāng)筋束230附接到恒力彈簧216C的外端時(shí)， 隨著筋束230移動(dòng)，將承受來(lái)自彈簧216C的恒力。然而，接口(例如，齒輪)252能夠附接到恒力彈簧216C的內(nèi)端，以便馬達(dá)(未示出)能夠嚙合接口 252且改變彈簧216C的恒力及筋束250中的張力。因此，圖2A中每個(gè)彈簧系統(tǒng)216均能夠由彈簧系統(tǒng)216C替換。圖2A示出兩條筋束230A和230B耦合到相同鏈接240的構(gòu)造。能夠機(jī)械約束鏈接 240以便鏈接240僅能夠繞單一軸線旋轉(zhuǎn)。筋束230A和230B能夠附接在旋轉(zhuǎn)軸線的相反側(cè)上，以便拉動(dòng)一條筋束230A或230B會(huì)導(dǎo)致一個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)，且拉動(dòng)另一條筋束230B或 230A會(huì)導(dǎo)致相反方向的旋轉(zhuǎn)。在該構(gòu)造中，當(dāng)在鏈接240上的力(包括外力、摩擦力以及筋束230A和230B中的張力)平衡時(shí)，鏈接240將處于靜止。施加到鏈接MO的外力的改變，例如，在圖2A的進(jìn)入導(dǎo)引器被插入期間或已經(jīng)插入進(jìn)入導(dǎo)引器之后，通過(guò)病患的運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的外力的改變，能夠?qū)е骆溄?40運(yùn)動(dòng)。此外，這種運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致筋束230A和230B中的張力的微小變化或無(wú)變化，這是由于彈簧系統(tǒng)210對(duì)筋束230A和230B的運(yùn)動(dòng)相對(duì)不敏感。進(jìn)入導(dǎo)引器在具有迅速增大阻力的情況下不對(duì)外力做出響應(yīng)并回彈，而這會(huì)發(fā)生于恒定長(zhǎng)度定位系統(tǒng)的情況下(相反地，大多數(shù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)和控制被建立成使用可變力來(lái)保持恒定位置，而不是如圖2A的進(jìn)入導(dǎo)引器中是在可變位置情況下的恒定力。)。在彈簧系統(tǒng) 210用作恒力彈簧的情況下，進(jìn)入導(dǎo)引器能夠是完全柔順的，甚至在摩擦力可忽視的限制下仍不回彈。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)由于進(jìn)入導(dǎo)引器的運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的筋束230中張力增加具有比摩擦所造成的更小的影響時(shí)，能夠避免回彈。能夠通過(guò)激活馬達(dá)250來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)212且改變筋束230A和230B中至少一個(gè)中的張力，從而移動(dòng)圖2A的進(jìn)入導(dǎo)引器中的鏈接M0。張力的改變打破了力的平衡，從而導(dǎo)致鏈接240移動(dòng)直至新平衡建立。通常，這涉及操作一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)212來(lái)拉伸相應(yīng)彈簧216 且增加一條筋束230A或230B中的張力?？蛇x擇地，另一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)210可以被操作成松弛另一條筋束230B或230A中的張力。當(dāng)鏈接240旋轉(zhuǎn)了所需量時(shí)，能夠根據(jù)需要來(lái)調(diào)節(jié)兩條筋束230A和230B中的張力以便重新建立平衡(例如，回到它們?cè)嫉膹埩υO(shè)定。)。 通常，鏈接240的位置與機(jī)械系統(tǒng)212的設(shè)定不具有固定關(guān)系。然而，能夠通過(guò)操作者視覺(jué)觀察或使用形狀傳感器來(lái)感測(cè)每個(gè)鏈接240的位置(或作為整體的進(jìn)入導(dǎo)引器的形狀)，該形狀傳感器例如在Larkin等人的、標(biāo)題為“Robotic Surgery System Including Position Sensors Using Fiber Bragg Gratings” 的、公開(kāi)號(hào)為 No. US 2007/0156019A1 的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)(2006年7月20日提交)以及Gius印pe M. Prisco的、標(biāo)題為"Fiber optic shape sensor”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 12/164，8 (2008年6月30日提交)中所描述的形狀傳感器， 其全文已包含在此以供參考。因此，采用圖2A中系統(tǒng)的進(jìn)入導(dǎo)引器的運(yùn)動(dòng)可以是使用執(zhí)行反饋回路的控制系統(tǒng)260和傳感器270的自動(dòng)控制的或計(jì)算機(jī)輔助的，該反饋回路監(jiān)視進(jìn)入導(dǎo)引器中的鏈接240并控制驅(qū)動(dòng)馬達(dá)250，例如從而在插入過(guò)程中操縱進(jìn)入導(dǎo)引器。操縱進(jìn)入導(dǎo)引器來(lái)遵循自然管腔通常不需要迅速或剛性的反應(yīng)，以便慢的移動(dòng)和使用剛剛超過(guò)外部阻力和內(nèi)部摩擦力的力可以理想地最小化越過(guò)(overshoot)目標(biāo)位置的移動(dòng)。圖2A示出相對(duì)于進(jìn)入導(dǎo)引器主管的后端機(jī)構(gòu)220和彈簧系統(tǒng)210的一種具體構(gòu)造。然而，可替換地采用許多其它構(gòu)造。特別地，圖2A中，傳動(dòng)裝置213的軸線或旋轉(zhuǎn)大體上平行于進(jìn)入導(dǎo)引器主管從后端機(jī)構(gòu)220伸出的方向。若使用圖2B或圖2C中的彈簧系統(tǒng) 210B或210C，則控制馬達(dá)250的旋轉(zhuǎn)軸線將垂直于進(jìn)入導(dǎo)引器的方向。圖3示出使用彈簧系統(tǒng)210但具有后端機(jī)構(gòu)320的可替換構(gòu)造，其中該后端機(jī)構(gòu)320使用帶有大體垂直于主管的旋轉(zhuǎn)軸線的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)250。同樣，圖2B或圖2C中的彈簧系統(tǒng)210B或210C可用于代替圖3系統(tǒng)中彈簧系統(tǒng)210。圖3還示出三條筋束330A、330B和330C的遠(yuǎn)端附接到同一鏈接340的構(gòu)造。在該構(gòu)造中，鏈接340可以具有允許鏈接340繞兩個(gè)獨(dú)立軸線旋轉(zhuǎn)的樞軸(pivot)系統(tǒng)。之后， 在一條或更多條筋束330A、330B和330C中的張力能夠增加從而使鏈接340傾斜，且當(dāng)鏈接340達(dá)到理想取向時(shí)張力能夠恢復(fù)平衡(與彼此、外力和摩擦力平衡)。三條筋束330A、 330B和330C因此能夠用于控制鏈接MO的兩個(gè)自由度。雖然參考特殊實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明，但是說(shuō)明僅為本發(fā)明應(yīng)用的示例且不應(yīng)被視為限制。例如，雖然以上實(shí)施例公開(kāi)了本發(fā)明特殊實(shí)施例，進(jìn)入導(dǎo)引器，但是本發(fā)明實(shí)施例可同樣適用于要求柔順性的其它手術(shù)器械。這里公開(kāi)的實(shí)施例特征的其他不同變化和組合在權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種手術(shù)裝置包括 軸，其包括可運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件；第一筋束，其附接到所述構(gòu)件且延伸通過(guò)所述軸； 第一恒力彈簧系統(tǒng)，其附接到所述第一筋束；以及第一機(jī)構(gòu)，其控制所述第一恒力彈簧系統(tǒng)施加于所述第一筋束的恒力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述軸包含管腔，該管腔的尺寸適于引導(dǎo)手術(shù)器械通過(guò)所述軸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述管腔的一部分穿過(guò)所述構(gòu)件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述軸包括多個(gè)構(gòu)件，每個(gè)所述構(gòu)件均被鉸接以控制所述軸的形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包含 第二筋束，其附接到所述構(gòu)件且延伸通過(guò)所述軸； 第二恒力彈簧系統(tǒng)，其附接到所述第二筋束；以及第二機(jī)構(gòu)，其控制所述第二恒力彈簧系統(tǒng)施加于所述第二筋束的恒力。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，進(jìn)一步包含 第三筋束，其附接到所述構(gòu)件且延伸通過(guò)所述軸； 第三恒力彈簧系統(tǒng)，其附接到所述第三筋束；以及第三機(jī)構(gòu)，其控制所述第三恒力彈簧系統(tǒng)施加于所述第三筋束的恒力。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述恒力彈簧系統(tǒng)包含耦合至凸輪的彈簧元件， 其被定形成在所述第一筋束的運(yùn)動(dòng)范圍上提供在所述第一筋束上的所述恒力。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述第一機(jī)構(gòu)包括附接到所述彈簧元件的一端的滾珠螺桿。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述彈簧元件包括線性彈簧，所述線性彈簧具有附接到繞所述凸輪的一部分纏繞的纜繩的一端。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述彈簧元件包括附接到所述凸輪的扭力彈簧。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述恒力彈簧元件包括彈簧材料卷，其具有附接到所述筋束的外端和附接到接口的內(nèi)端，所述接口使得能夠卷起和展開(kāi)所述卷從而調(diào)節(jié)所述彈簧元件施加于所述筋束的恒力。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包含 在所述軸中的傳感器；以及控制系統(tǒng)，其操作所述第一機(jī)構(gòu)來(lái)移動(dòng)所述軸直至所述傳感器表明所述軸已達(dá)到理想構(gòu)造。
13.—種手術(shù)裝置，其包括 軸，其包括可運(yùn)動(dòng)部分；第一筋束，其附接到所述可運(yùn)動(dòng)部分且延伸通過(guò)所述軸；第一不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)，其具有附接到所述第一筋束的第一端，其中所述不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)使得通過(guò)所述第一不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)施加到所述第一筋束的力更多地依賴于所述彈簧系統(tǒng)的第二端的位置，而不是所述第一筋束的位置；以及第一機(jī)構(gòu)，其被連接成控制所述第一不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)的所述第二端的位置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中至少當(dāng)所述第一不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)的所述第二端的位置具有一種設(shè)定時(shí)，通過(guò)所述第一不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)施加于所述第一筋束的力獨(dú)立于所述第一筋束的位置。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述軸包含管腔，該管腔的尺寸適于引導(dǎo)手術(shù)器械通過(guò)所述軸。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述軸包括多個(gè)構(gòu)件，每個(gè)所述構(gòu)件均被鉸接成控制所述軸的形狀。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，進(jìn)一步包含 第二筋束，其附接到所述構(gòu)件且延伸通過(guò)所述軸；第二不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)，其具有附接到所述第二筋束的第一端，其中所述第二不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)使得通過(guò)所述第二不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)施加到所述第二筋束的力更多地依賴于所述第二彈簧系統(tǒng)的第二端的位置，而不是所述第二筋束的位置；以及第二機(jī)構(gòu)，其被連接成控制所述第二不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)的所述第二端的位置。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，進(jìn)一步包含 第三筋束，其附接到所述構(gòu)件且延伸通過(guò)所述軸；第三不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)，其具有附接到所述第三筋束的第一端，其中所述第三不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)使得通過(guò)所述第三不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)施加到所述第三筋束的力更多地依賴于所述第三對(duì)稱彈簧系統(tǒng)的第二端的位置，而不是所述第三筋束的位置；以及第三控制機(jī)構(gòu)，其被連接成控制所述第三不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)的所述第二端的位置。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述第一不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)包括彈簧元件和附接到所述彈簧元件和所述第一筋束的凸輪。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述第一機(jī)構(gòu)包括附接到所述不對(duì)稱彈簧系統(tǒng)的所述第二端的滾珠螺桿。
21.一種用于操作手術(shù)裝置的方法，其包含插入用于手術(shù)過(guò)程的所述手術(shù)裝置的鉸接軸；以及使用恒力彈簧來(lái)維持在所述鉸接軸的構(gòu)件上的平衡力。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，進(jìn)一步包含在插入期間改變通過(guò)所述恒力彈簧施加的一個(gè)或更多個(gè)力，從而改變所述軸的形狀或操縱所述軸。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中改變所述一個(gè)或更多個(gè)力包括激活驅(qū)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)的馬達(dá)，其中所述控制機(jī)構(gòu)被連接到所述恒力彈簧。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中改變所述一個(gè)或更多個(gè)力包括操作者 觀察所述插入過(guò)程；以及操控對(duì)所述手術(shù)裝置的控制；
25.根據(jù)權(quán)利要求M所述的方法，其中操控所述控制導(dǎo)致處理系統(tǒng)計(jì)算所述一個(gè)或更多個(gè)力的改變且激活實(shí)現(xiàn)所述改變的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中改變所述一個(gè)或更多個(gè)力包含 感測(cè)所述手術(shù)裝置的形狀；以及 響應(yīng)判斷所感測(cè)的形狀和理想形狀之間的差異的反饋回路，來(lái)改變所述一個(gè)或更多個(gè)力。
27.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中在所述鉸接軸的所述構(gòu)件上的力的平衡允許所述病患的組織施加到所述軸上的力重新定形所述軸，且限制通過(guò)所述鉸接軸施加所述組織的力。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種柔順手術(shù)裝置，例如柔性進(jìn)入導(dǎo)引器，其采用筋束從而操作或操縱該裝置，且附接不對(duì)稱或恒力彈簧系統(tǒng)以便控制筋束中的張力。因此，手術(shù)裝置能夠是柔順的且在手術(shù)步驟中響應(yīng)外力，而不快速回彈或以別的方式導(dǎo)致?lián)p害組織的反作用。在用于手術(shù)步驟的插入期間或之前，柔順性也允許對(duì)裝置的手動(dòng)定位或定形，而不損害筋束或裝置內(nèi)筋束的連接或至后端機(jī)構(gòu)的連接。
文檔編號(hào)A61B1/005GK102469923SQ201080029641
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月30日
發(fā)明者E·F·杜瓦爾, G·M·普里斯科, T·W·羅杰斯 申請(qǐng)人:直觀外科手術(shù)操作公司