專利名稱：用于控制施加至醫(yī)療器械的力及其操縱的系統(tǒng)和方法
用于控制施加至醫(yī)療器械的力及其操縱的系統(tǒng)和方法本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2006年10月27日、申請(qǐng)?zhí)枮?00680040305. 9 (國際申請(qǐng)?zhí)枮?PCT/US2006/042275)且發(fā)明名稱為“用于控制施加至醫(yī)療器械的力及其操縱的系統(tǒng)和方法”的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。相關(guān)申請(qǐng)聲明本申請(qǐng)是由Gregory L. Merril等人于2003年3月19日提交的且題為“System and Method for Controlling Force Applied to and Manipulation of Medical Instruments”的第10/390，715，號(hào)共同未決美國專利申請(qǐng)序列的部分繼續(xù)申請(qǐng)，而該第 10/390, 715號(hào)美國專利申請(qǐng)序列又是分案申請(qǐng)并要求基于由Gregory L. Merril等人于 2001 ^3 M 16 011 ^^.!! "Apparatus for Controlling Force For Manipulation of Medical Instruments”的第09/811，358，號(hào)美國專利申請(qǐng)系列(現(xiàn)第6，817，973，號(hào)美國專利)的優(yōu)先權(quán)，該第09/811，358，號(hào)美國專利申請(qǐng)系列要求由Gregory L. Merril等人于 2000 年 3 月 16 日提交的且題為"System and Method for Controlling Force Applied to and Manipulation of Medical Instruments” 的第 60/189，838，號(hào)臨時(shí)專利申請(qǐng)系列的優(yōu)先權(quán)，其所有內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。
背景技術(shù)：
用于提供醫(yī)療檢查和治療的最低限度的侵入(invasive)技術(shù)常常采用內(nèi)窺鏡， 諸如支氣管內(nèi)窺鏡、輸尿管內(nèi)窺鏡、或撓性乙狀結(jié)腸鏡。諸如這些的內(nèi)窺鏡通常采用光纖成像裝置或CCD成像裝置以使醫(yī)生能夠目測(cè)檢查其他不可到達(dá)的人體組織(anatomy)區(qū)域， 諸如肺、輸尿道和腎、結(jié)腸等。這些內(nèi)窺鏡通常還包括被稱為工作通道的管，通過該管可給予諸如麻醉劑的溶液并且通常可通過抽吸來抽出諸如粘液(mucus)的身體物質(zhì)。除了用于給予和取出液體或其他物質(zhì)之外，內(nèi)窺鏡的工作通道還被用于穿過細(xì)長的器械以在通過內(nèi)窺鏡的目測(cè)引導(dǎo)下于內(nèi)窺鏡的末端處執(zhí)行其他功能。以這種方式來使用的器械通常包括用于抓住物體或用于捏住并取出小的組織樣本的鑷子、用于取出針腔中的深處組織樣本的活組織檢查針、用于捕獲并取出物體(諸如從肺中取出吸入的花生或從腎的腎盂(calyx)中取出腎結(jié)石)的勒除器或籃形器具 (kisket)，以及各種其他器具。操縱這些器具要求隨工作通道器具自身的操縱一起同時(shí)操縱或穩(wěn)定內(nèi)窺鏡。通?？裳厝齻€(gè)、四個(gè)或更多個(gè)自由度來操縱內(nèi)窺鏡，包括插入和抽出、轉(zhuǎn)動(dòng)、以及沿一維或二維 (上/下和/或左/右)的頂端彎曲。沿額外的兩個(gè)或更多個(gè)自由度來操縱工作通道器具包括插入/抽出、轉(zhuǎn)動(dòng)、以及器具的致動(dòng)等。例如，器具的致動(dòng)可包括打開和關(guān)閉活體組織檢查鉗的鉗爪、控制活體組織檢查針的插入、起動(dòng)燒灼或燒蝕器具、產(chǎn)生脈沖激光、或打開和關(guān)閉勒除器或籃形器具。在操縱多自由度的工作通道器具的同時(shí)，操縱和穩(wěn)定內(nèi)窺鏡的三個(gè)或更多個(gè)自由度的任務(wù)是難以執(zhí)行的，并且醫(yī)生常常使用助手來操縱一個(gè)或多個(gè)自由度，諸如工作通道器具的致動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種擴(kuò)充內(nèi)窺鏡的工作通道的功能性的裝置或系統(tǒng)，本裝置或系統(tǒng)通過添加用于感應(yīng)工作通道器具的運(yùn)動(dòng)并用于施加原動(dòng)力(motive force)的裝置來輔助醫(yī)生在工作通道中操縱器械。在一種使用模式中，本系統(tǒng)利用由電動(dòng)機(jī)或其他裝置驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)輪以使醫(yī)生能夠通過以下方式快速地更換工作通道器具，即，通過將當(dāng)前的器具從工作通道中平穩(wěn)地移出， 且隨后快速地將新的器具移入到正好將要離開工作通道的一點(diǎn)。此時(shí)，醫(yī)生接管并執(zhí)行將器具從內(nèi)窺鏡中移出并移入到與人體組織相互作用的位置所需的精細(xì)運(yùn)動(dòng)技巧。在另一種操作模式中，內(nèi)科醫(yī)生手動(dòng)地操縱器具并通過一組驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪而提供有觸覺引導(dǎo)。 引導(dǎo)的一種形式是，提供器具正接近內(nèi)窺鏡的端部并即將從內(nèi)窺鏡中露出的通告。制動(dòng)力或其他觸覺力會(huì)作為信號(hào)告知正接近工作通道的端部，使得用戶能夠在工作通道內(nèi)快速地移動(dòng)器具，而沒有由于太快而將器具從工作通道中移出的風(fēng)險(xiǎn)，由此降低了損壞或損傷鄰近內(nèi)窺鏡的末端的組織的風(fēng)險(xiǎn)。在另一實(shí)施例中，傳感及驅(qū)動(dòng)組件連接至導(dǎo)管，器械和器具穿過該導(dǎo)管進(jìn)入到血管系統(tǒng)中。例如，在植入心臟起搏器(heart pacing lead)的過程中，心臟病專家必須對(duì)導(dǎo)向?qū)Ч艿奈恢眠M(jìn)行多次精細(xì)的調(diào)節(jié)，接著試圖穩(wěn)定該導(dǎo)管，與此同時(shí)穿過穩(wěn)定了的導(dǎo)管的腔插入額外的元件。在一種模式中，利用被動(dòng)或主動(dòng)制動(dòng)力將傳感/驅(qū)動(dòng)組件控制為保持在某一位置。在另一種模式中，配備了導(dǎo)管的頂端并且主動(dòng)機(jī)構(gòu)控制了插入/抽回及滾動(dòng)增量以穩(wěn)定末端的實(shí)際位置。在又一個(gè)實(shí)施例中，傳感及驅(qū)動(dòng)組件配備有應(yīng)變儀或其他裝置以檢測(cè)在導(dǎo)管或工作通道器具的末端處遇到的力。這些力隨后通過電動(dòng)機(jī)或其他動(dòng)力機(jī)構(gòu)放大并呈現(xiàn)給用戶。在另一個(gè)實(shí)施例中，傳感及驅(qū)動(dòng)組件檢測(cè)并改變運(yùn)動(dòng)，例如檢測(cè)并過濾掉由用戶引起的高頻抖動(dòng)。這種超穩(wěn)定模式在要求精細(xì)電動(dòng)機(jī)控制的情況下是有用的。在另一個(gè)實(shí)施例中，使用來自插入到工作通道中的裝置的信號(hào)來控制動(dòng)力裝置以維持與人體組織電接觸的特定特性。在這種情況下，通過接觸力改變電阻抗。所希望的接觸特性最初由內(nèi)科醫(yī)生實(shí)現(xiàn)，隨后本裝置被控制為自動(dòng)控制接觸力以維持該特定的接觸特性。當(dāng)考慮以下對(duì)具體實(shí)施例的詳細(xì)描述時(shí)，尤其是當(dāng)結(jié)合附圖時(shí)，本發(fā)明的上述及更進(jìn)一步的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，其中，不同附圖中的相似參考標(biāo)號(hào)用于指出相似構(gòu)件。


結(jié)合到本說明書中并構(gòu)成本說明書的一部分的附圖示出了本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，并且與詳細(xì)描述一起用于解釋本發(fā)明的原理和實(shí)施方式。附圖中圖Ia示出了具有工作通道和工作通道器具的未改良的內(nèi)窺鏡。圖Ib示出了被改良為設(shè)置有根據(jù)本發(fā)明的傳感及控制元件的內(nèi)窺鏡。圖2示出了插入到血管組織中的、結(jié)合有根據(jù)本發(fā)明的傳感及控制元件的內(nèi)血管
5器具。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的軸向運(yùn)動(dòng)傳感及控制元件。圖4示出了將轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)傳感及控制元件添加至圖3中的裝置。
具體實(shí)施例方式圖Ia示出了現(xiàn)有技術(shù)的未改良的內(nèi)窺鏡，示出了本體連接至內(nèi)窺鏡管組件3的內(nèi)窺鏡本體2。工作通道器具4被插入到內(nèi)窺鏡本體2內(nèi)的工作通道孔6中。工作通道器具 4滑動(dòng)通過工作通道管1并通過工作通道孔5離開內(nèi)窺鏡管組件3的末端。圖Ib示出了本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)傳感及控制元件10的一個(gè)實(shí)施例，該元件固定至內(nèi)窺鏡的工作通道孔6。工作通道器具4穿過運(yùn)動(dòng)傳感及控制元件10并穿過工作通道孔6。常規(guī)地操縱和操作工作通道就可以使其穿過運(yùn)動(dòng)傳感及控制元件10的本體。運(yùn)動(dòng)傳感及控制元件10可有助于控制工作通道器具4，如在下文所示的實(shí)施例中舉例說明的。工作器具4可以是在內(nèi)血管檢查過程、內(nèi)窺鏡檢查或其他醫(yī)療檢查過程中所使用的各種醫(yī)療器械的任何一種。例如，工作器具可以是導(dǎo)線、導(dǎo)管、心臟起搏器、或管心針。進(jìn)入人體并在人體上操作或與人體相互作用的器具端部可包括以下各種器具中的任何一種的一個(gè)或多個(gè)，諸如刀片、鋸齒狀邊緣、活組織檢查器具、套針頂端、超聲波器具、針、振動(dòng)頂端、縫合器具、牽引器、電外科刀具、電外科凝結(jié)器、鑷子、針托、剪刀、沖洗器、吸引器、敷藥器、激光器具、低溫器具、撓性操縱或引導(dǎo)頂端、和/或照相機(jī)。為了簡潔，如在此所使用的術(shù)語“工作通道”旨在指出可引導(dǎo)醫(yī)療器具的任何管道，包括導(dǎo)管、管子、內(nèi)窺鏡檢查工作通道、或其他通道。圖2示出了本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)傳感及控制元件10的內(nèi)血管應(yīng)用。運(yùn)動(dòng)傳感及控制元件10連接至引導(dǎo)器鞘7 (在此可認(rèn)為該引導(dǎo)器鞘是“工作通道”)，該引導(dǎo)器鞘7刺穿皮膚8 和血管9的壁。細(xì)長的內(nèi)血管器具4穿過運(yùn)動(dòng)傳感及控制單元10、穿過引導(dǎo)器鞘7、并進(jìn)而進(jìn)入血管9的腔中。圖3示出了傳感及控制元件10的一個(gè)實(shí)施例，該元件測(cè)量工作通道器具4的本體沿其平移自由度的運(yùn)動(dòng)并向該工作通道器具的本體施加力。運(yùn)動(dòng)傳感及控制元件10包括用于測(cè)量工作通道4的本體的平移運(yùn)動(dòng)的傳感器裝置。當(dāng)工作通道器具4的細(xì)長部分在運(yùn)動(dòng)傳感和控制輪18與惰輪13之間穿過時(shí)，這使得每個(gè)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)。輪子18固定于由支架20 支撐的致動(dòng)器12的軸15。而透明的光編碼器盤14又固定于電動(dòng)機(jī)軸15的相對(duì)端。編碼器讀取器16使光線穿過透明的編碼器盤14。當(dāng)透明的編碼器盤14轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，印在表面上的多個(gè)記號(hào)從光源的前方經(jīng)過，交替地遮蔽穿過盤的光線。編碼器讀取器16中的多個(gè)光線傳感器測(cè)量變化的光線和灰暗的圖案并確定編碼器盤14的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)量和轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)方向?？刂茊卧狹接收來自編碼器讀取器16的與工作通道器具4的平移運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)。致動(dòng)器12運(yùn)行為，當(dāng)該致動(dòng)器被控制輪18傳送至器具4時(shí)其沿工作通道器具4的平移自由度提供力于該工作通道器具上。致動(dòng)器12被來自控制單元M的控制信號(hào)控制。 在某些實(shí)施例中，控制單元M可通過檢查來自編碼器讀取器16的當(dāng)前信號(hào)(該信號(hào)表明器具4的當(dāng)前位置或運(yùn)動(dòng))來確定將從致動(dòng)器12輸出的力的總量，并且隨后控制致動(dòng)器12 輸出這個(gè)力。例如，如下文中所述的，器具4的當(dāng)前位置可表明何時(shí)將輸出力和/或?qū)⑤敵隽Φ目偭俊?br> 例如，控制單元24 可包括微處理器、ASIC(application specific integrated circuit，專用集成電路)、或者其他類型的處理器或控制器。除了上述光學(xué)類型的傳感器以外，還可使用其他類型的傳感器來感測(cè)工作通道器具4的位置和/或運(yùn)動(dòng)量以確定插入距離；例如，可使用模擬電位計(jì)、其他類型的光學(xué)傳感器、磁性傳感器等。某些實(shí)施例可使用絕對(duì)傳感器來替代上述的相對(duì)傳感器；例如，可在器具4上設(shè)置連續(xù)的記號(hào)，并且當(dāng)這些記號(hào)移動(dòng)經(jīng)過傳感器時(shí)可通過光學(xué)的或其他類型的檢測(cè)器來檢測(cè)這些記號(hào)以確定器具的位置。致動(dòng)器12是改變器具4上的力的電子控制裝置。例如，致動(dòng)器12可以是直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、動(dòng)磁體致動(dòng)器(moving magnet actuator)、音圈、液壓或氣動(dòng)致動(dòng)器、或能夠?qū)⒘敵龅焦ぷ髌骶?上的各種其他類型的致動(dòng)器。致動(dòng)器12還可以是被動(dòng)致動(dòng)器，諸如磁粉制動(dòng)器、液壓致動(dòng)器、或其他形式的制動(dòng)器，該致動(dòng)器使得產(chǎn)生了用于抵抗器具4的基于來自控制單元M的控制信號(hào)的運(yùn)動(dòng)的可控阻抗。還可使用相同或不同類型的多個(gè)致動(dòng)器12。在本發(fā)明的一種模式中，通過運(yùn)動(dòng)傳感及控制元件來測(cè)量及控制工作通道器具插入的總距離。例如，可將工作通道器具4的總插入距離提供給控制單元M，或者該控制單元可(使用傳感器)測(cè)量工作通道器具的總插入距離。該距離可用于輔助對(duì)器具4的控制。 例如，用戶或醫(yī)生可在工作通道內(nèi)手動(dòng)地移動(dòng)器具4。然而，當(dāng)器具的前端(末端)接近預(yù)置界限、點(diǎn)、或距離(諸如通道的出口點(diǎn))時(shí)，控制信號(hào)可被傳輸至致動(dòng)器12以產(chǎn)生對(duì)于減慢并隨后停止運(yùn)動(dòng)傳感和控制輪18的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)所需的扭矩，且由此減慢并隨后停止工作通道器具4的進(jìn)一步插入。在其他操作模式中，如果醫(yī)生將器具插入到工作通道中，則致動(dòng)器12可用于將器具4移動(dòng)到工作通道中并穿過通道至正好將要離開該工作通道的一點(diǎn)，進(jìn)而使該器具可供醫(yī)生隨時(shí)手動(dòng)地使用，即，進(jìn)而醫(yī)生將該器具從內(nèi)窺鏡種移出并將其移入到與人體組織相互作用的位置?？刂茊卧獙?duì)可使用來自元件10的傳感器的信號(hào)來確定器具的位置。在某些實(shí)施例中，由致動(dòng)器12驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)輪可使醫(yī)生能夠通過以下方式快速地更換工作通道器具，即，通過將當(dāng)前的器具從工作通道中平穩(wěn)地移出，并隨后快速地將新插入的器具移入到位于工作通道的另一端處的正好將要離開該工作通道的一點(diǎn)。在又一操作模式中，內(nèi)科醫(yī)生可手動(dòng)地操縱器具并通過致動(dòng)器12而提供有觸覺引導(dǎo)。引導(dǎo)的一種形式是提供器具正接近或已接近所希望的位置或已行進(jìn)預(yù)定的距離的觸覺通告。例如，該觸覺通告可表明器具已到達(dá)工作通道或?qū)Ч艿亩瞬坎⒓磳耐ǖ乐新冻?。制?dòng)力或阻力、或其他觸覺力可作為信號(hào)告知器具正靠近工作通道的端部，使得用戶能夠在工作通道內(nèi)快速地移動(dòng)器具，而沒有由于太快而將器具從工作通道中移出的風(fēng)險(xiǎn)，因而降低了損壞或損傷鄰近內(nèi)窺鏡的末端的組織的風(fēng)險(xiǎn)。通告可采用各種形式，從單一的阻抗脈沖、阻擋力(連續(xù)的阻力)、振動(dòng)、阻尼力(具有基于器具沿一個(gè)或多個(gè)方向的速度的數(shù)量級(jí))、彈簧力、到一系列特定的搖動(dòng)或致動(dòng)停止(actuated detent)等。在另一個(gè)實(shí)施例中，通告可表明已由用戶移動(dòng)的器具的每個(gè)增量或預(yù)定距離。例如，可通過致動(dòng)器12在器具被移入到工作通道中的每10厘米輸出一次停止、振動(dòng)、或搖動(dòng)，或者可在沿通道的一半位置或四分之一位置處發(fā)出通告。在另一個(gè)實(shí)施例中，傳感及控制元件10可提供力于導(dǎo)管上，裝置和器具穿過該導(dǎo)管進(jìn)入到血管系統(tǒng)中。例如，在植入心臟起搏器的過程中，心臟病專家必須對(duì)導(dǎo)向?qū)Ч艿奈恢眠M(jìn)行多次精細(xì)的調(diào)節(jié)，隨后試圖使該導(dǎo)向?qū)Ч芊€(wěn)定，與此同時(shí)通過穩(wěn)定了的導(dǎo)管的腔插入額外的元件(諸如引導(dǎo)器具)。在一種方式中，可利用來自致動(dòng)器12的被動(dòng)力或主動(dòng)力將傳感及控制元件10控制為將力輸出到導(dǎo)管上以使該導(dǎo)管保持在所希望的位置處。在另一個(gè)實(shí)施例中，可配備有導(dǎo)管的頂端并且主動(dòng)機(jī)構(gòu)可以控制導(dǎo)管的插入/抽回以及滾動(dòng)增量以穩(wěn)定末端的實(shí)際位置。在另一個(gè)實(shí)施例中，傳感及控制元件10可檢測(cè)并改變工作器具4的運(yùn)動(dòng)。例如， 元件10的傳感器可檢測(cè)由用戶引起的、基于可能由用戶傳遞至器具的短的、不希望的運(yùn)動(dòng)或擺動(dòng)的高頻抖動(dòng)。于是在檢測(cè)到這些運(yùn)動(dòng)之后，可通過致動(dòng)器12提供沿相反方向的力將它們過濾掉以抵消或減小抖動(dòng)的幅度。這種超穩(wěn)定模式在要求精細(xì)電動(dòng)機(jī)控制的情況下是有用的。在另一個(gè)實(shí)施例中，來自插入到工作通道中的裝置或器具的信號(hào)可用來控制動(dòng)力裝置/器具以維持與人體組織電接觸的特定特性，例如，在心臟起搏器的使用中。對(duì)于這類情況，如果器具與人體組織部分的接觸力的數(shù)量級(jí)改變，則通常電阻抗也改變。本發(fā)明可用于維持或?qū)崿F(xiàn)所希望的接觸特性(或接觸力)。例如，所希望的接觸特性最初可由內(nèi)科醫(yī)生手動(dòng)地使用器具實(shí)現(xiàn)。隨后，傳感及控制元件10可被控制為自動(dòng)控制接觸力，以通過檢測(cè)由所希望的接觸產(chǎn)生的電阻抗來維持特定的接觸特性；如果電阻抗超出或低于所希望的閥值，則將來自致動(dòng)器12的作用在器具上的力調(diào)節(jié)為提供所希望的電接觸。其他的實(shí)施例可使用位于器具的末端上的力傳感器來檢測(cè)當(dāng)前的接觸力并維持所希望的接觸力。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，測(cè)量由用戶施加在工作通道器具4上的力并利用這些力來確定力，其中運(yùn)動(dòng)傳感及控制元件10可有效地放大或縮小由用戶施加給器具4的力。在這個(gè)實(shí)施例中，手柄17被設(shè)置為鄰近力-扭矩傳感器19，而該力-扭矩傳感器又被設(shè)置為鄰近工作通道器具4，以使由用戶通過手柄17施加至工作通道器具4的平移力被力-扭矩傳感器19感應(yīng)到。下文所述的且存在于控制單元M中的控制算法接收由所施加的力(由力-扭矩傳感器19測(cè)量)產(chǎn)生的信號(hào)并做出響應(yīng)而產(chǎn)生控制信號(hào)，該控制信號(hào)被傳輸至致動(dòng)器12以控制輪子18的運(yùn)動(dòng)?？衫糜芍聞?dòng)器12施加的力或利用通過工作通道器具4施加的摩擦力來移動(dòng)輪子18。當(dāng)工作通道器具4被用戶保持為不動(dòng)時(shí)，通過致動(dòng)器12的軸15施加至輪子18的力被扭矩傳感器22抵抗，且由此被該扭矩傳感器感應(yīng)到，該扭矩傳感器22連接至支架20，而該支架又緊固于傳感及控制元件10的基座11。由控制輪18施加至工作通道器具4的力被扭矩傳感器22感應(yīng)到并被表示為Fw。 將這個(gè)力與由用戶施加的力(Fu)相加則得到該工作通道器具的末端處的有效力Fk，如在以下等式中所表式的Fffc = Fu+Fw (1)下文所述的且包含于控制器M中的控制算法動(dòng)態(tài)地改變了由輪子18施加的力 Fff,以響應(yīng)于由用戶施加的力Fu來控制工作通道器具力Fwc。具體地，如果用戶施加的力與工作器具力之間的所希望的關(guān)系由函數(shù)f()表式為Fwc = f (Fu) (2)聯(lián)合這些等式并求解Fw就提供了以下控制算法Fff = T(Fu)-Fu (3)控制單元M接收與用戶施加的力Fu和控制輪力Fw相對(duì)應(yīng)的信號(hào)并調(diào)節(jié)傳輸至致
8動(dòng)器12的控制信號(hào)以執(zhí)行等式3的控制算法。在一個(gè)不同實(shí)施例中，傳感及控制元件10可配備有應(yīng)變計(jì)或其他裝置，以檢測(cè)或測(cè)量在導(dǎo)管或工作通道器具的末端處遇到的力。這些力隨后可通過致動(dòng)器12或其他動(dòng)力機(jī)構(gòu)放大并呈現(xiàn)給用戶，以使醫(yī)生能夠更容易地控制或確定移動(dòng)后的導(dǎo)管或器具的末端的狀態(tài)。圖4示出了本發(fā)明的傳感及控制元件10的另一個(gè)實(shí)施例，其中，除了如圖3中所述的感應(yīng)平移及控制軸向力之外，還感應(yīng)及控制器具4的轉(zhuǎn)動(dòng)和扭矩。圖4中，當(dāng)工作通道器具4的細(xì)長部分在運(yùn)動(dòng)感應(yīng)及控制輪觀與惰輪沈之間轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，這使得每個(gè)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)。 輪子觀固定于致動(dòng)器30的軸四。而透明的光編碼器盤34固定于致動(dòng)器30的電動(dòng)機(jī)軸四的相對(duì)端。。編碼器讀取器38使光線穿過透明的編碼器盤34。當(dāng)透明的編碼器盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，印在表面上的記號(hào)從光源的前方經(jīng)過，交替地遮蔽穿過盤的光線。編碼器讀取器38中的多個(gè)光線傳感器測(cè)量變化的光線和灰暗的圖案并編碼器盤34的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)量和轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)方向?？刂茊卧狹接收來自編碼器讀取器38的與工作通道器具4的轉(zhuǎn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)。控制單元M利用這些信號(hào)來測(cè)量工作通道器具4的轉(zhuǎn)動(dòng)。致動(dòng)器30可類似于致動(dòng)器12，其中，控制單元M向致動(dòng)器30提供控制信號(hào)以輸出沿器具4的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的力。如上所述，傳感器34/38和致動(dòng)器30都可采用各種不同的形式。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)器具4接近預(yù)置的轉(zhuǎn)動(dòng)界限時(shí)，控制信號(hào)由控制單元M產(chǎn)生并被傳輸至致動(dòng)器30，以產(chǎn)生對(duì)于減慢并隨后停止運(yùn)動(dòng)感應(yīng)及控制輪觀的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)所需的扭矩，且由此減慢并隨后停止工作通道器具4的進(jìn)一步轉(zhuǎn)動(dòng)。其他的實(shí)施例可類似于以上所述的用于器具4的平移感應(yīng)和致動(dòng)的那些實(shí)施例；例如，當(dāng)器具4轉(zhuǎn)動(dòng)預(yù)定的轉(zhuǎn)動(dòng)距離(例如，角度數(shù))時(shí)，可向用戶輸出觸覺指示。在圖4的元件10的某些實(shí)施例中，可測(cè)量由用戶施加至工作通道器具4的扭矩， 并且可使用運(yùn)動(dòng)傳感及控制元件10來放大和縮小由用戶施加至器具4的扭矩。圖4中，手柄17被設(shè)置為鄰近力-扭矩傳感器19，而力-扭矩傳感器19又被設(shè)置為鄰近工作通道器具4，以使由用戶通過手柄17施加至工作通道器具4的轉(zhuǎn)動(dòng)力被力-扭矩傳感器19感應(yīng)到。下文所述的且存在于控制單元M中的控制算法接收由所施加的力(由力-扭矩傳感器19測(cè)量)產(chǎn)生的信號(hào)并做出響應(yīng)而產(chǎn)生控制信號(hào)，該控制信號(hào)被傳輸至致動(dòng)器30以控制輪子觀的運(yùn)動(dòng)。可利用由電動(dòng)機(jī)12施加的力或利用通過工作通道器具4施加的摩擦力來移動(dòng)輪子觀。當(dāng)工作通道器具4被用戶者保持為不動(dòng)時(shí)，通過致動(dòng)器30的軸四施加至輪子觀的力被扭矩傳感器32抵抗，且由此被該扭矩傳感器感應(yīng)到，該扭矩轉(zhuǎn)矩連接至支架 36，而該支架又緊固于傳感及控制元件10的基座11。由控制輪觀施加至工作通道器具4 的扭矩被扭矩傳感器32感應(yīng)到并被表示為Tw。這個(gè)扭矩加上由用戶施加的扭矩(Tu)則得到該工作通道器具的末端處的有效扭矩Tk，如在以下等式中所表式的Tffc = Tu+Tw (4)下文所述的且包含于控制器M中的控制算法動(dòng)態(tài)地改變了由輪子28施加的扭矩 Tff,以響應(yīng)于由用戶施加的扭矩Tu來控制工作通道器具扭矩τκ。具體地，如果用戶施加的扭矩與工作器具扭矩之間的所希望的關(guān)系由函數(shù)q()表式為Tffc = Q(Tu) (5)
聯(lián)合這些等式并求解Tw就提供了以下控制算法Tw = Q(Tu)-Tu (6)控制單元M接收與用戶施加的扭矩Tu和控制輪扭矩Tw相對(duì)應(yīng)的信號(hào)并調(diào)節(jié)傳輸至電動(dòng)機(jī)30的控制信號(hào)以執(zhí)行等式6的控制算法。在適當(dāng)?shù)膶?shí)施例中傳感器19可包括兩個(gè)傳感器一個(gè)傳感器測(cè)量由用戶施加至器具4的軸向力，而另一個(gè)傳感器測(cè)量由用戶施加至器具4的扭矩。因此，如圖4中所示的傳感及控制單元10可向工作通道器具提供轉(zhuǎn)動(dòng)位置或平移位置控制，以及平移力和轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩控制。如圖2中所示，傳感及控制單元10可用于控制任何細(xì)長的醫(yī)療器械，諸如用在干涉放射檢查中的導(dǎo)管。盡管已根據(jù)幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該預(yù)料到，在閱讀說明書并研究附圖之后，對(duì)本發(fā)明的替換、改變、以及其等同物將變得顯而易見。例如，可使用多種不同類型的傳感器和致動(dòng)器來感應(yīng)器具的位置或運(yùn)動(dòng)并向用戶輸出觸覺感覺。此外，一個(gè)實(shí)施例中所述的多個(gè)特征可與其他實(shí)施例互換使用。此外，已使用的特定術(shù)語是為了描述清楚的目的，而并不是用來限制本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)窺鏡，包括內(nèi)窺鏡本體，限定一通道，所述通道適于接收細(xì)長元件并可釋放地接合插入在所述通道中的所述細(xì)長元件，其中，所述細(xì)長元件具有被構(gòu)造為接合身體中的組織的遠(yuǎn)端并且具有能夠被操縱的近端；觸覺反饋系統(tǒng)，連接至所述內(nèi)窺鏡本體并適于可釋放地接合所述細(xì)長元件，所述觸覺反饋系統(tǒng)包括致動(dòng)器，適于可釋放地接合所述細(xì)長元件；以及傳感器，連接至所述致動(dòng)器并適于感應(yīng)施加至所述細(xì)長元件的第一力，其中，所述致動(dòng)器被構(gòu)造成基于感應(yīng)到的第一力向所述細(xì)長元件施加第二力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)窺鏡，進(jìn)一步包括可編程的控制器，所述可編程的控制器連接至所述致動(dòng)器和所述傳感器并適于控制所述第二力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)窺鏡，其中，所述致動(dòng)器適于向沿平移自由度運(yùn)動(dòng)的所述細(xì)長元件施加所述第二力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)窺鏡，其中，所述致動(dòng)器適于向沿轉(zhuǎn)動(dòng)自由度運(yùn)動(dòng)的所述細(xì)長元件施加所述第二力。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)窺鏡，其中，所述傳感器檢測(cè)施加至所述細(xì)長元件的縱向引導(dǎo)力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)窺鏡，其中，所述傳感器檢測(cè)施加至所述細(xì)長元件的轉(zhuǎn)動(dòng)引導(dǎo)力。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)窺鏡，其中，所述傳感器適于檢測(cè)所述細(xì)長元件在所述通道中沿一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)并基于感應(yīng)到的運(yùn)動(dòng)輸出運(yùn)動(dòng)信號(hào)，所述致動(dòng)器適于基于所述運(yùn)動(dòng)信號(hào)向所述細(xì)長元件施加相應(yīng)的力。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)窺鏡，其中，所述致動(dòng)器被構(gòu)造為沿與所述第一力相反的方向施加所述第二力。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)窺鏡，其中，將所施加的第二力與施加至所述細(xì)長元件的所述第一力相加。
10.一種外科手術(shù)器械，包括本體，限定一通道，所述通道適于接收細(xì)長元件并可釋放地接合插入在所述通道中的所述細(xì)長元件，其中，所述細(xì)長元件具有被構(gòu)造為接合身體中的組織的遠(yuǎn)端并具有能夠被操縱的近端；致動(dòng)器，適于可釋放地接合所述細(xì)長元件；以及傳感器，連接至所述致動(dòng)器并適于感應(yīng)所述細(xì)長元件在所述通道中的運(yùn)動(dòng)，所述致動(dòng)器適于基于感應(yīng)到的所述細(xì)長元件的運(yùn)動(dòng)向所述細(xì)長元件施加力。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的外科手術(shù)器械，進(jìn)一步包括可編程的控制器，所述可編程的控制器適于響應(yīng)于感應(yīng)到的所述細(xì)長元件的運(yùn)動(dòng)來控制施加至所述細(xì)長元件的力。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的外科手術(shù)器械，其中，所述致動(dòng)器適于向沿平移自由度運(yùn)動(dòng)的所述細(xì)長元件施加第二力。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的外科手術(shù)器械，其中，所述致動(dòng)器適于向沿轉(zhuǎn)動(dòng)自由度運(yùn)動(dòng)的所述細(xì)長元件施加第二力。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的外科手術(shù)器械，其中，所述傳感器適于檢測(cè)施加至所述細(xì)長元件的縱向引導(dǎo)力。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的外科手術(shù)器械，其中，所述傳感器適于檢測(cè)施加至所述細(xì)長元件的轉(zhuǎn)動(dòng)引導(dǎo)力。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的外科手術(shù)器械，其中，所述傳感器適于檢測(cè)沿一個(gè)自由度施加到所述細(xì)長元件的第一力并基于感應(yīng)到的第一力輸出力信號(hào)，所述致動(dòng)器適于響應(yīng)于所述力信號(hào)向所述細(xì)長元件施加第二力。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的外科手術(shù)器械，其中，所述致動(dòng)器適于沿與感應(yīng)到的所述細(xì)長元件的的運(yùn)動(dòng)相反的方向施加力。
18.一種外科手術(shù)器械，包括本體，限定一通道，所述通道適于接收細(xì)長元件并可釋放地接合插入在所述通道中的所述細(xì)長元件，其中，所述細(xì)長元件具有被構(gòu)造為接合身體中的組織的遠(yuǎn)端并具有能夠被操縱的近端；第一致動(dòng)器，適于可釋放地接合所述細(xì)長元件并沿一個(gè)自由度向所述細(xì)長元件施加第一力；以及用于感應(yīng)的裝置，用于感應(yīng)1)所述細(xì)長元件的運(yùn)動(dòng)以及2)在從外部向所述細(xì)長元件施加的力中的至少一個(gè)，其中，所述第一致動(dòng)器基于來自所述用于感應(yīng)的裝置的感應(yīng)信號(hào)來施加所述第一力。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的外科手術(shù)器械，進(jìn)一步包括第二致動(dòng)器，所述第二致動(dòng)器適于響應(yīng)于所述感應(yīng)信號(hào)沿第二自由度向所述細(xì)長元件施加第二力。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的外科手術(shù)器械，進(jìn)一步包括可編程的控制器，所述可編程的控制器連接至所述第一致動(dòng)器和所述用于感應(yīng)的裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于控制施加至外科手術(shù)器械的力并用于操縱該外科手術(shù)器械的設(shè)備。優(yōu)選地，在本設(shè)備中感應(yīng)施加至外科手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)和/或力。優(yōu)選地，使用致動(dòng)器向外科手術(shù)器械施加力以控制和操縱該器械。本設(shè)備反饋于沿一個(gè)或多個(gè)自由度向外科手術(shù)器械施加力而施加可變力，以便向用戶提供增強(qiáng)的觸覺體驗(yàn)。
文檔編號(hào)A61B17/28GK102204808SQ201110069660
公開日2011年10月5日 申請(qǐng)日期2006年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月27日
發(fā)明者J·邁克爾·布朗, 梅里爾·L·格雷戈里, 理查德·L·坎寧安, 羅伯特·F·柯亨, 菲利普·G·費(fèi)爾德曼 申請(qǐng)人:伊默生公司