專利名稱：用于醫(yī)療處理的活節(jié)機械手的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用來進行醫(yī)療處理的活節(jié)機械手，本發(fā)明尤其(并非僅僅)涉及適宜于手術(shù)、治療或診斷等醫(yī)學(xué)應(yīng)用的機器人系統(tǒng)。該活節(jié)機械手可用來為某一類治療或診斷工具提供可靠的支承。
目前，計算機和機器人技術(shù)已非常成功地應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域，這一點在要求迅速完成多重復(fù)性(因而繁雜)、高精度或危險性任務(wù)的領(lǐng)域表現(xiàn)尤為顯著。由于其在定位重復(fù)性、可靠性、準確性及精密性方面的優(yōu)勢，機器人在手術(shù)示范室中的醫(yī)療工具定位技術(shù)上具有良好的應(yīng)用前景。而對于侵入性操作最小化的要求來講，機器人技術(shù)更將顯示出極大的潛力。
用來破碎腎結(jié)石的ESWL(體外沖擊波碎石術(shù))及高強度超聲波是典型的非侵入性手術(shù)。目前，在這類手術(shù)及與其相反的侵入性手術(shù)中，計算機輔助定位系統(tǒng)已被用來找準手術(shù)目標。手術(shù)目標在患者體內(nèi)，而用操作工具對手術(shù)目標的第一線操作卻可以在患者體外進行。
然而，大多數(shù)侵入性最小化的手術(shù)操作(MIS)都需要使用具有如下特性的醫(yī)療工具(或若干個被稱為內(nèi)窺鏡的低倍觀察鏡)它可以是剛性或柔性體，可以進入患者身體上小的自然口或切割口并經(jīng)由這些開口對患者體內(nèi)器官的病區(qū)進行處理。上述景像可以從目鏡看到，也可以出于視覺效果及比例放大的考慮而顯示在電視顯示器上(所謂影像手術(shù))。然而，這些由內(nèi)窺鏡直接獲得的影像僅僅涉及了手術(shù)操作直接觸及的環(huán)境。手術(shù)醫(yī)生無法由此清楚地獲得影像以外的情況。手術(shù)醫(yī)生是在已切割組織顯現(xiàn)出來之后才確認自己的操作進度的，這樣做顯然比較危險，為此，手術(shù)醫(yī)生必須具備足夠的技能和經(jīng)驗。
目前已出現(xiàn)一些現(xiàn)代化的醫(yī)學(xué)成像方法，如計算機X線斷層成像(CT)、核磁共振成像(MRI)及超聲波成像。這些方法造就了計算機輔助三維成像的可能性，亦即，用平面監(jiān)視器顯示被處理或被觀察器官的三維圖像。上述圖像被疊加到患者身體上(效果類似于用一副特制目鏡觀察)以便在MIS中引導(dǎo)手術(shù)醫(yī)生。由于獲得了手術(shù)部位的清晰圖像，使用上述方法將縮短切除及縫合所花的時間。由計算機建立的三維圖像數(shù)據(jù)文件可用于圖像顯示，除此之外，借助于運動控制系統(tǒng)的相應(yīng)監(jiān)視及控制軟件，這些數(shù)據(jù)還可被用來控制手術(shù)刀/內(nèi)窺鏡(裝在具有適當結(jié)構(gòu)的機械手上)的運動。這樣，手術(shù)醫(yī)生和計算機系統(tǒng)便可以獲得手術(shù)操作直接觸及區(qū)域以外的信息。
在MIS操作中采用機械手主動介入的例子有很多，如TURP(經(jīng)尿道前列腺切除術(shù))，自動式結(jié)腸鏡檢查，鐙骨切除術(shù)以及ENT(耳鼻喉)手術(shù)。無粘固粉髖骨植入/更換是采用機械手介入的一種切口手術(shù)操作，其方式是用一個載有銑刀的工業(yè)機械手在股骨中銑出一個尺寸及位置精度均比較高的精密空腔，由此來配合預(yù)定的植入。
EP0,416,863(WICKHAN)介紹了一種用于醫(yī)療工具定位及引導(dǎo)的框架結(jié)構(gòu)，該醫(yī)療工具可以是用于非侵入性前列腺手術(shù)的前列腺切除器。該框架結(jié)構(gòu)由框架構(gòu)件(10，50)及環(huán)形件(15，57)構(gòu)成，環(huán)形件的運動限于在平行于框架構(gòu)件平面內(nèi)圍繞自身的軸旋轉(zhuǎn)。穿過環(huán)形件的拱形件(18，65)載有醫(yī)療工具的安裝座(20，66)，控制醫(yī)療工具運動的方法是使安裝座沿著拱形件移動，同時使環(huán)形件作相對于框架構(gòu)件的移動。通過合理設(shè)置環(huán)形件半徑、拱形件曲率半徑以及醫(yī)療工具端梢至拱形件的距離，醫(yī)療工具圍繞環(huán)形件及穿過拱形件的運動便會在環(huán)形件上遠離拱形件的一側(cè)掃出兩個大致為錐狀的區(qū)域。如果所用的醫(yī)療工具是前列腺切除器，那么較小的錐狀區(qū)域便是前列腺上被切除的部分(因而遺留下一個錐狀孔)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)可以由夾持裝置安裝在臺架上，也可以被固緊在某一懸掛裝置上。環(huán)形件的旋轉(zhuǎn)、醫(yī)療工具在拱形件上的往返以及醫(yī)療工具的手術(shù)動作都可由電機來驅(qū)動。
如EP0,416,863所述的框架結(jié)構(gòu)難以經(jīng)過改裝而適應(yīng)除TURP或TURP中除電灼術(shù)之外的治療任務(wù)。確切地講，安裝座(20，66)很不適于裝載其它型式的醫(yī)療工具，而且，由于醫(yī)療工具的運動受到環(huán)形件之環(huán)形面面積的限制，框架結(jié)構(gòu)上可安裝醫(yī)療工具的種類也將受到限制。此外，EP0,416,863所述框架結(jié)構(gòu)必須安裝或連接在操作臺上，而這又進一步限制了使用其它型式醫(yī)療工具的功能及改裝可能性。在手術(shù)示范室中預(yù)置該框架結(jié)構(gòu)的工作難度非常大。為使安裝座(20，66)與前列腺切除器上的托架對接，需要有一名助手用人工方法移動受到安裝支架之球關(guān)節(jié)約束的系統(tǒng)整體。該助手還需在對接完成之后用人工方法鎖緊兩個球關(guān)節(jié)。助手的存在可能帶來消毒區(qū)受干擾的問題。另外，該框架結(jié)構(gòu)不具備在應(yīng)急條件下迅速改為手動操作的功能。由于框架結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的原因，電氣驅(qū)動方案存在走線不合理的問題，這可能妨礙手術(shù)，同時也是安全隱患。
本發(fā)明的目的是使活節(jié)機械手能夠配裝型式繁多的各種醫(yī)療工具，從而使之勝任更多種類的手術(shù)操作任務(wù)。
如本發(fā)明所述，提出了一種用醫(yī)療工具完成醫(yī)療處理的活節(jié)機械手，它包括以滑動方式裝在第一可動支承構(gòu)件上的拱形構(gòu)件；將醫(yī)療工具夾持在某工作位置的工具夾持器，該工具夾持器被裝載在拱形構(gòu)件上；以及設(shè)在上述第一支承構(gòu)件上的第一驅(qū)動組件，其作用是使上述拱形構(gòu)件及上述工具夾持器滑動，其特征在于，上述工具夾持器可沿弧線軌跡運動，從而使醫(yī)療工具的工作位置按預(yù)定方式改變。
作為優(yōu)選方案，該活節(jié)機械手還包括與上述工具夾持器相接的第二驅(qū)動組件，其作用是使上述工具夾持器沿直線軌跡滑動，上述直線軌跡與通過上述弧線軌跡曲率中心的某一軸線相交。拱形構(gòu)件以可拆形式裝在上述第一支承構(gòu)件上，其特征還在于如果需要，可將另一曲率半徑不同的拱形構(gòu)件以滑動形式裝在第一支承構(gòu)件上。
作為優(yōu)選方案，該活節(jié)機械手還包括以機械方式接在上述第一支承構(gòu)件上、并因此而使之繞第一驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動的第三驅(qū)動組件，這樣，由拱形構(gòu)件支承的上述工具夾持器也將可以繞上述第一驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動。
作為優(yōu)選方案，上述第一支承構(gòu)件上通過連接器與第三驅(qū)動組件相連，該連接器可使上述第一驅(qū)動軸與上述第一支承構(gòu)件縱軸之間形成一定的偏移量，在工作時，夾持在工具夾持器中的醫(yī)療工具的中軸線將與上述第一驅(qū)動軸相交，由此確定了醫(yī)療工具的轉(zhuǎn)動中心。
作為優(yōu)選方案，上述連接器應(yīng)具有可拆卸性，更換不同的連接器即可獲得不同的偏移量，由此達到容納不同醫(yī)療工具的目的。
作為優(yōu)選方案，該活節(jié)機械手還包括用來支承上述第三驅(qū)動組件的第二支承構(gòu)件，該第二支承構(gòu)件上設(shè)有用來使上述第三驅(qū)動組件沿直線方向移動的第四驅(qū)動組件，這樣，在其工作時，上述工具夾持器也將連同拱形構(gòu)件一起沿上述直線方向移動。
下文的描述將主要著眼于活節(jié)機械手在TURP(經(jīng)尿道前列腺切除術(shù))中的應(yīng)用，TURP是一種廣為人知的手術(shù)方法，它在良性前列腺增生(BPH)治療方法中的地位類似于經(jīng)濟領(lǐng)域中的金本位制。本說明書以電灼技術(shù)為假定的手術(shù)切割模式。TURP中的醫(yī)療工具有泌尿內(nèi)窺鏡和前列腺切除器，在此尤需提及的是前列腺切除器，它包括遠焦透鏡、電極、外殼及配有標準型彈簧加載手柄的工作單元。需要指出，該活節(jié)機械手的使用場合并不僅限于TURP，它在其它許多手術(shù)醫(yī)療中同樣可以獲得成功的運用。此外，該活節(jié)機械手可裝載的醫(yī)療工具并不僅限于泌尿內(nèi)窺鏡，它完全可以裝載其它許多種類的醫(yī)療器具。
方便起見，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的介紹將僅以活節(jié)機械手的某一項實施例為范例，其中

圖1是表示活節(jié)機械手各組件的投影視圖；圖2是活節(jié)機械手和在手術(shù)室中用于TURP手術(shù)的平衡支承系統(tǒng)的投影視圖；圖3表示優(yōu)選的活節(jié)機械手樞軸縱向驅(qū)動組件，該圖中也含有優(yōu)選的工具夾持器；圖4表示采用圖3所示工具夾持器的C形托架組件；圖5表示經(jīng)尿道超聲波探頭在樞軸縱向驅(qū)動組件之工具夾持器上的安裝方式；圖6表示經(jīng)尿道超聲波探頭在樞軸縱向驅(qū)動組件之工具夾持器上的安裝方式；圖7是活節(jié)機械手之弧線運動驅(qū)動組件的透視圖；圖8是活節(jié)機械手之弧線運動驅(qū)動組件的剖視圖；圖9表示活節(jié)機械手之環(huán)形運動驅(qū)動組件的一種形式；
圖10表示可用于活節(jié)機械手的某一種連接器；圖11表示活節(jié)機械手之頭架行走驅(qū)動組件的一種形式；圖12表示含臺車系統(tǒng)及配重的主立柱組件；圖13表示使用活節(jié)機械手的平衡支承結(jié)構(gòu)；圖14表示平衡支承系統(tǒng)中X、Y及Z臂所用的可鎖緊連續(xù)纜繩；圖15草繪了活節(jié)機械手夾持的前列腺切除器在焦點之外的桶形輪廓軌跡；圖16表示手術(shù)醫(yī)生界面軟件的模塊結(jié)構(gòu)，其設(shè)計功能可保證活節(jié)機械手以事件自引導(dǎo)方式工作；圖17是整個系統(tǒng)的功能框圖，該圖表示了系統(tǒng)組元及其內(nèi)在關(guān)系和控制關(guān)系。
圖1表示如本發(fā)明所述活節(jié)機械手的某一優(yōu)選實施例。該機械手包括象拱形件124那樣的拱形元件(見圖7)，拱形件124裝在拱形件支座300那樣的第一活動支承元件上并可在其上滑動。拱形件124上裝有象托架137那樣的工具夾持器(見圖3)，其作用是使醫(yī)療工具保持在工作位置。上述拱形件支座137上設(shè)有象拱形件驅(qū)動組件302(見圖8)那樣的第一驅(qū)動組件，它可以使拱形件124及上述托架137滑動并因此而使托架沿弧形軌跡運動，從而使醫(yī)療工具按預(yù)定的方式變換工作位置。托架137配有象樞軸縱向驅(qū)動組件304那樣的第二驅(qū)動組件，它使托架沿直線軌跡運動。為操作方便，托架作直線運動的軌跡應(yīng)與拱形件124柱面的曲率中心線相交。
活節(jié)機械手的拱形件支座300又通過連接器275而受到象垂直支柱84那樣的第二活動支承元件的支承。支柱84與一個象環(huán)形驅(qū)動組件306那樣的第三驅(qū)動組件相連，該驅(qū)動組件的驅(qū)動軸軸線180即為連接器275的回轉(zhuǎn)樞軸。連接器275的存在使得拱形支承件300縱軸308與環(huán)形驅(qū)動組件306回轉(zhuǎn)軸180之間形成了偏移量272。環(huán)形驅(qū)動組件306又連接在象頭架行走驅(qū)動組件310(見圖11)那樣的第四驅(qū)動組件上，該第四驅(qū)動組件位于支柱84的底座處。頭架行走驅(qū)動組件可以使拱形件支座300、拱形件124以及包括環(huán)形驅(qū)動組件306在內(nèi)的上述所有驅(qū)動組件一同在大體水平的方向上作直線運動。
如優(yōu)選實施例所述的活節(jié)機械手具有四個獨立方向上的運動自由度。它們是頭架運行方向1、樞軸縱向2、拱形軌跡方向3以及環(huán)形回轉(zhuǎn)方向4?；罟?jié)機械手一般以拱形驅(qū)動組件302上拱形件124的曲率中心為轉(zhuǎn)動中心182(圖1及15)。裝夾在機械手上的醫(yī)療工具的中軸線應(yīng)優(yōu)先通過上述轉(zhuǎn)動中心，而轉(zhuǎn)動中心也最好能落在環(huán)形回轉(zhuǎn)軸線180上。為此，拱形件與拱形件驅(qū)動組件之間應(yīng)保持偏移量272。治療或診斷工具可以經(jīng)由托架137而接在活節(jié)機械手上(圖3)。一般來說，應(yīng)使上述醫(yī)療工具的中軸線(或理想中軸線)在任何時間及任何工作狀態(tài)下都能通過上述轉(zhuǎn)動中心。這樣，醫(yī)療工具軸線便成為拱形件的徑向軸線。盡管轉(zhuǎn)動中心相對于拱形件124是固定的，但它相對于醫(yī)療工具本體的位置卻是可變的。這一點對于下文所述手術(shù)方案的優(yōu)化來說是必需的。
最接近患者的裝置是樞軸縱向驅(qū)動組件304(圖3)。該組件由以下部分構(gòu)成托架137、電機罩144、伺服電機139、印刷電路板140、導(dǎo)軌145、球窩143、鎖桿150、成對止動螺釘147及齒條135和齒輪136。托架的構(gòu)形應(yīng)留有可繞過陰莖頭及前列腺切除器機體的間距/偏心距134。托架的中心線(也是前列腺切除器的中心軸線)應(yīng)對準環(huán)形回轉(zhuǎn)中心線180。
托架137是用罩在電機罩內(nèi)的球窩143支承在導(dǎo)軌145上的。由圖3可以清楚地看出，伺服電機139因驅(qū)動軸向下伸出而部分地被封在罩殼中。齒條135和齒輪136的配合可使電機139驅(qū)動托架前后運動。用三個螺釘298(見圖7)使電機罩144的狹槽142固緊在拱形件124上銑削出的凸耳299上，由此使電機罩保持相對靜止。拱形件的任何運動都會使整個樞軸縱向驅(qū)動組件304與之一同移動。
裝在印刷電路板140上的差動式行激勵器可以減弱噪聲對編碼器信號的影響。該電路板被裝在電機罩144旁邊，用適當?shù)钠帘畏椒梢耘懦龑﹄娐钒宓碾姶鸥蓴_(需要指出，手術(shù)示范室中常用的電灼裝置往往會產(chǎn)生電磁干擾)。這種電路板上設(shè)有電接頭，因而可以方便地從電機上更換。
托架137上設(shè)有兩對以上按圖3所示形狀開成的定位槽138。其中特定的一對定位槽可用來連接C形托架151?？梢愿鶕?jù)轉(zhuǎn)動中心182相對于前列腺切除器機體179的設(shè)定位置來選擇用哪一對定位槽連接C形托架。用螺釘將C形托架151(見圖4)半永久地固定并封緊在前列腺切除器179上的某一適當部位。C形托架151與另一C形托架157分別是托架組件的一部分。當托架組件的兩部分被裝配在醫(yī)療工具(如內(nèi)窺鏡)的柱體部位時，兩部分之間間隙的存在可以使裝配獲得足夠可靠的箍緊。同樣，用于固定在其它非圓柱體醫(yī)療工具上的其它形狀托架也可以方便地制做出來。
如圖4所示，托架157的凸部設(shè)有導(dǎo)槽159，導(dǎo)槽中可以穿入相應(yīng)直徑的心軸154。凸部厚度方向的兩側(cè)設(shè)有凹座160。一副由兩個半邊構(gòu)成的鎖鍵156可以在手動或彈簧的作用下被推向?qū)Р?59或從中退出(見圖4)。已裝在牽開器(如格林堡式牽開器)端梢部的心軸154可以滑入凸部的導(dǎo)槽159中。為便于裝入，導(dǎo)槽的入口處開有小倒角。心軸154上設(shè)有鍵槽155?？梢酝ㄟ^旋轉(zhuǎn)心軸或C形托架而使鍵槽正好對準鎖鍵156。對準之后，將鎖鍵向下推(用手動方式)，使之嵌入心軸上銑削出的鍵槽155中，或者靠彈簧的作用將鎖鍵156推入鍵槽155中。這樣將限制兩個自由度286及287，所以內(nèi)窺鏡與工具夾持器之間將不會有相對運動。因此，對內(nèi)窺鏡的操縱只能按照工具夾持器的工作方式進行。內(nèi)窺鏡的拆卸方法很簡單，只要向上提起鎖鍵156，使之脫離鍵槽即可。這樣，從凸部和內(nèi)窺鏡上便可拆下工具夾持器及與之相接的心軸。
C形托架151上開有半圓形槽152，其作用是在C形托架嵌入托架137上的定位槽138時將托架組件鎖緊。鎖桿150本體的某一適當長度范圍內(nèi)具有銑削成的平面部分149。鎖桿是插在一鉆成的孔146中的，孔146的位置應(yīng)按如下原則設(shè)置通過將鎖桿150旋轉(zhuǎn)至某一特定角度方向，可以使鎖桿的平面部分與定位槽138齊平，從而實現(xiàn)C形托架的嵌接。鎖桿配有防松用的定位螺釘147。在C形托架就位之后，將鎖桿轉(zhuǎn)動約90度，以使其圓柱部分充入開在C形托架上的半圓形槽152中，從而將托架137鎖住。
圖8表示拱形件驅(qū)動組件的某一實施例。如圖8所示，該驅(qū)動組件由以下部分構(gòu)成驅(qū)動軸130；軸承118及129；差動式光學(xué)編碼器106(或其它型式的位置敏感元件)；電磁制動器131(推薦使用常閉式)；軸承座117及伸長部分113；以及伺服電機119。軸承座117和伸長部分113一同構(gòu)成為拱形件支座300。軸承座117的圓形表面上開有用來使導(dǎo)線通過的軸向?qū)Р?圖8未加表示)。這些導(dǎo)線是從拱形件驅(qū)動電機119、編碼器106、制動器131及拱形件124本身(限位開關(guān)及其它附件)引出的，它們在凹部288處集束，而來自樞軸縱向驅(qū)動組件的另一股導(dǎo)線也在此處通過電接頭108而端接。引向樞軸縱向驅(qū)動組件的導(dǎo)線集束于一根高柔度的絕緣套管115中，為適應(yīng)拱形件124的移動，導(dǎo)線束及相應(yīng)套管應(yīng)具有充裕的懸伸長度。
集束于凹部288中的導(dǎo)線均需穿過外殼伸長部分113的中心孔112，而伸長部分113的端部設(shè)有另一個電接頭109。如上所述，使用電接頭是為了針對不同徑向偏移量272及醫(yī)療工具長度而方便地更換連接器275。從外殼伸長部分113(圖7和8)端部伸出的另一套管具有柔性、絕緣性及屏蔽性，其懸伸長度應(yīng)足以保證回轉(zhuǎn)運動的行程，該套管將其內(nèi)部的導(dǎo)線束松馳地引入立柱84(圖4)中。
拱形件驅(qū)動組件302支承并驅(qū)動著拱形組件(見圖7及8)中的拱形件。拱形組件由以下部分構(gòu)成圓弧形(具有適當?shù)陌霃郊皬埥?，其周緣開有外齒形120；剛性構(gòu)件121及125；橫軸126；傘齒輪副128；擋塊297；支承座緊定螺釘301；限位開關(guān)294(位于剛形構(gòu)件125內(nèi)部，不可見)；以及軸承座127。如前所述，拱形件124的凸耳299上可以安裝樞軸縱向驅(qū)動組件?；【€運動驅(qū)動電機119可將其驅(qū)動軸130的回轉(zhuǎn)運動經(jīng)由傘齒輪副128及120傳遞給拱形件124。裝在樞軸縱向驅(qū)動組件之托架137上的醫(yī)療工具會在相應(yīng)驅(qū)動源的作用下沿弧形軌跡運動，而作為轉(zhuǎn)動中心的拱形件曲率中心則落在醫(yī)療工具本體縱向的某一適當位置處。調(diào)整這一位置的方法是，用樞軸縱向驅(qū)動方法移動托架137，或者，以手動方式用C形托架將醫(yī)療工具裝在托架137上已有的另一對定位槽138上。
托架137上設(shè)有限于其長度范圍內(nèi)的若干對定位槽138，在手動方式下，操作者可以選擇其中合適的一對來安裝C形托架。在另一種具有自動及程控特點的定位方式中，樞軸縱向驅(qū)動組件可以使裝在其上的醫(yī)療工具作相對于拱形件及其中心的運動。此外，在活節(jié)機械手已被鎖緊在平衡支承系統(tǒng)上之后，頭架行走驅(qū)動組件310的移動也可以使轉(zhuǎn)動中心的絕對空間位置得到調(diào)整。
剛性構(gòu)件121、125的作用是提高拱形件124的支承強度并為其提供光滑的滑動支承面。拱形件本體上開有沿一定弧度間隔分布的孔組293及294?？?93中可擰入硬性擋塊以確保拱形件124不發(fā)生越程?？赏扑]采用兩個硬性擋塊以使拱形件在兩個運動方向上的行程均受到限制。其中某一擋塊的位置是不變的，同時另一擋塊之安裝孔的位置則是在軟件指導(dǎo)下根據(jù)手術(shù)對象的尺寸而選定的。這樣就實現(xiàn)了拱形件總行程的可調(diào)節(jié)性。較長的行程要求將需要采用具有較大張角及(或)不同曲率半徑的拱形元件。實用拱形元件的曲率半徑可以是5mm至無窮大(后者指大體為直線型的拱形元件，此種場合下的工具夾持器運動軌跡亦為直線)之間的任意值。對于經(jīng)尿道電切術(shù)的前列腺手術(shù)來說，拱形件的最適宜行程應(yīng)該是250至300曲率半徑下的0到40度。
除了采用多種曲率半徑的拱形元件之外，另一種兼容不同半徑的方法是采用具有加長部分、因而可設(shè)置更多定位槽138的工具夾持器或托架137。其中，不同的定位槽上可安裝曲率半徑要求不同的醫(yī)療工具。
以下結(jié)合圖9介紹環(huán)形驅(qū)動組件的某一優(yōu)選實施例。該組件包括以下部分電機96；軸承98及105；殼體94；傳動軸97及100；位置敏感元件103；齒輪組95和102；以及制動器104。環(huán)形驅(qū)動組件通過連接器275(圖10)支承著拱形件支座300、拱形件124乃至樞軸縱向驅(qū)動組件。環(huán)形驅(qū)動組件回轉(zhuǎn)運動的范圍限于±180度，它對拱形件驅(qū)動組件及樞軸縱向驅(qū)動組件的回轉(zhuǎn)驅(qū)動作用可以實現(xiàn)醫(yī)療工具相對于患者的角位置181的變化(圖15)。出自環(huán)形驅(qū)動組件的導(dǎo)線289被穿入一根具有絕緣及屏蔽性的套管290中并被端接在立柱84的下部。
出于節(jié)省空間的考慮，拱形件支座縱軸308與樞軸縱向驅(qū)動組件縱軸被安排在同一個平面285內(nèi)(圖1)。當環(huán)形驅(qū)動組件動作時，平面285會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)并與包含頭架驅(qū)動組件軸線及環(huán)形驅(qū)動組件軸線的平面夾成某一角度。這兩個平面之間具有可變更的偏移量272。
偏移量272的變更借助于圖10所示的連接器275。拱形件支座300的伸長部分113以非回轉(zhuǎn)方式插在連接器275的內(nèi)槽274中，同時環(huán)形驅(qū)動組件的傳動軸100也以非回轉(zhuǎn)方式插在連接器的內(nèi)槽273中。這樣，軸100的旋轉(zhuǎn)便造就了使連接器275的鉸支回轉(zhuǎn)運動，而這一回轉(zhuǎn)運動又形成了拱形件支座及其相關(guān)附件圍繞環(huán)形驅(qū)動組件中軸180的圓周運動。可以通過更換不同長度的連接器275而方便地改變圓周運動的軌道半徑(亦即偏移量272)。換句話說，所引入的偏移量因長度可變而具有可調(diào)節(jié)性。
拱形件支座300伸長臂113的長度可以根據(jù)醫(yī)療工具長度的不同而變化?？梢允褂蒙炜s式的伸長臂。連接器內(nèi)腔274可以適應(yīng)插入其中的伸長臂在一定范圍內(nèi)的長度變化。另外，模塊化設(shè)計提供了具有不同長度的多種備選伸長臂113。不過，過長的伸長臂會使以球關(guān)節(jié)163為支點的撓曲位移過大，因此是不可取的。盡管可以對球關(guān)節(jié)163進行尺寸及(或)結(jié)構(gòu)改進以滿足上述需要，但這樣將使活節(jié)機械手的加工成本達到難以接受的程度。
最后結(jié)合圖11介紹設(shè)在立柱84底部的頭架行走驅(qū)動組件。該頭架行走驅(qū)動組件由以下部分構(gòu)成電機89；位置編碼器(圖中未加表示)；齒條81與齒輪91；導(dǎo)軌79；端板87；外殼83；限位開關(guān)86及基板88(圖11)。頭架行走驅(qū)動組件使上文所述的所有組件作相對于患者的水平方向運動(如圖1中箭頭1所示)。這樣將有助于處理不同的前列腺長度。端接在立柱84上的所有導(dǎo)線及套管與立柱頂端的四個或五個插座相接。裝在平衡支承系統(tǒng)之Y臂上的相應(yīng)插頭可以接在上述插座上以備自動遙控。
立柱84頂端設(shè)有固緊在一起的螺栓和球頭164。球頭164可嵌入某一球關(guān)節(jié)組件312中，設(shè)置該組件是為了簡化活節(jié)機械手在平衡支承系統(tǒng)上的裝拆(圖11)。頭架行程中設(shè)有可動的限位擋塊78，這樣，既便頭架行程電機的驅(qū)動軟件出現(xiàn)誤差，擋塊78也可以通過鎖緊螺栓85及限位開關(guān)而確保裝在機械手上的醫(yī)療工具不走出安全限。
出于便捷的考慮，樞軸縱向驅(qū)動組件應(yīng)該是具有獨立作用的、自主性的可拆解臺架。因此，可以采用包括Elmed式牽開器在內(nèi)的機械化工具夾持器來夾持樞軸縱向驅(qū)動組件，這樣就可以使之完成象尿動力學(xué)研究之類的實用任務(wù)，在這類任務(wù)中，診斷探頭必須按精確的固定步長移動。這些直線運動可單獨由樞軸縱向驅(qū)動組件來實現(xiàn)。上述模塊化設(shè)計原則也見于活節(jié)機械手其它自由度的獨立或組合運動。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，活節(jié)機械手是通過一個由手柄人工鎖緊的球關(guān)節(jié)164(圖1)而被懸掛在平衡支承系統(tǒng)(圖13)上的。平衡支承系統(tǒng)提供了三個直線自由度8(X)、7(Y)、6(Z)及一個轉(zhuǎn)角自由度5(R)。后者可以在應(yīng)急狀態(tài)下需要人工干預(yù)時使整套機械手迅速搖開。
Z向運動6是由含在主體立柱28中的適量靜重248來補償?shù)?見圖12)。平衡支承系統(tǒng)包含懸掛活節(jié)機械手的Y向和X向水平懸臂17、18及垂直主體立柱28。通過適當?shù)霓D(zhuǎn)動，Y向和X向水平懸臂17、18以及活節(jié)機械手(圖2)的總重便可獲得平衡。因此，架立儀器過程中為移動各組件所需的手工操作工作量是很少的。
平衡支承系統(tǒng)中X、Y、Z方向的運動在其相應(yīng)座標軸上是連續(xù)的。其具體配置如下X懸臂由Y懸臂支承，Y懸臂則由立柱的回轉(zhuǎn)組件支承，而立柱的回轉(zhuǎn)組件又經(jīng)由擺動托架組件19(見圖13)被支承在主體立柱28上的Z懸臂上。負載是跨在支承導(dǎo)軌30a和30b(圖12)以及240a和240b(圖14)上的，從而使之承擔(dān)了彎矩和扭矩。在擺動托架組件19中，Y懸臂17在一個以旋臂軸29為中心的滑動軸承上旋轉(zhuǎn)(圖13)。與直線座標軸上的運動方式不同，轉(zhuǎn)角座標軸上的回轉(zhuǎn)運動為步進方式。受彈簧加載的沖桿36可插入一系列的錐孔39中，從而實現(xiàn)非常可靠的鎖緊。要想解除鎖緊狀態(tài)，可以通過啟動螺線管35或按下沖桿按鈕32而使沖桿從其插孔中升起，如此便可使水平的Y懸臂17自由擺動(圖13)。
X、Y懸臂17、18及主體立柱28中的每一個組件都分別設(shè)有使活節(jié)機械手在X、Y及Z方向移動的裝置。圖14所示的X懸臂剖視圖表示了具有上述移動作用的優(yōu)選裝置。其中所用的纜繩及滑輪系統(tǒng)包括設(shè)在懸臂兩端、并繞在導(dǎo)輥237上的環(huán)形纜繩239。配有安裝支座的滑動組件240b與直線導(dǎo)軌240a具有滑配合關(guān)系，其上的球關(guān)節(jié)附件241與球關(guān)節(jié)312相接?；瑒咏M件240b與纜繩239固接，其在直線導(dǎo)軌240a上的滑動受到橡膠擋塊243的限制。在纜繩軌跡上裝有按照行程長度設(shè)置的一個或兩個鎖緊機構(gòu)。作為一項故障弱化措施，纜繩及其負載以靜止為常設(shè)狀態(tài)。為此采用了夾桿268、軸銷266及彈簧269，纜繩239便是在265所示樞距的彈性力作用下被夾桿夾緊的。纜繩的鎖緊狀態(tài)可由電動的螺線管236(圖14)解除，該螺線管通過將纜繩上的夾桿拉開而將其放開。人工代用手柄34是為應(yīng)付電源失效或其它意外情況而設(shè)置的手動操作代用裝置。以上纜繩與滑輪傳動方式僅需做很少的改動(實際上是指行程長度方面)便可適用于本系統(tǒng)其它所有直線方向的傳動(見圖12中的螺線管249及手動夾桿247)。
在本發(fā)明述實施例中，平衡支承系統(tǒng)以有輪滑車系統(tǒng)的形式被移動或存放?；嚿吓溆锌蓪⑽⑿陀嬎銠C、手術(shù)器械及運動控制系統(tǒng)框入其中的機箱25、26及27(圖13)?；嚨目缮祷梢允拱ㄕ讬C械手在內(nèi)的全套系統(tǒng)經(jīng)由四個底腳落在地面上。系統(tǒng)重量經(jīng)過了校核，既使Y懸臂呈現(xiàn)出相當大的外伸量，系統(tǒng)在一次或多次手術(shù)過程中仍可以充分地保持相對于患者的剛度及穩(wěn)定性。在手術(shù)完成或不需要手術(shù)時，整套機械手及其滑車(平衡支承)系統(tǒng)將以輪載形式移開。為此需要對腳架254加力以提升基座，從而使車輪257接觸地面并支承全套系統(tǒng)的重量。
在經(jīng)尿道切除術(shù)的手術(shù)預(yù)置過程中，作為整套機械手位置基準的手術(shù)目標是射精管與前列腺尿道的結(jié)合部—精阜。精阜是通過內(nèi)窺鏡直觀確認的。一旦確認精阜，相應(yīng)的工具夾持器(如Greenberg式及Elmed式牽開器)便可將內(nèi)窺鏡/膀胱鏡/前列腺切除器的空間位置確定下來。需要指出，內(nèi)窺鏡在精阜被確認時的方向是任意的，它在定位之后即被接在活節(jié)機械手上。
平衡支承系統(tǒng)主要通過三個直線自由度的驅(qū)動及球關(guān)節(jié)而改變活節(jié)機械手相對于患者的方向及位置，在此之前，必須通過啟動相應(yīng)的螺線管(如螺線管236、249)來解除各自由度的鎖緊狀態(tài)，而且應(yīng)利用患者體重或借助于適當?shù)睦υ椒ü潭ɑ颊叩奈恢?。第一種定位方法是由手術(shù)醫(yī)生操縱活節(jié)機械手上移、下移、斜移或使之繞球關(guān)節(jié)擺動，直至C形托架151嵌入活節(jié)機械手之托架137上的定位槽中為止(見圖3)。另一種方法沒有被動地使用夾持裝置，在使活節(jié)機械手及工具夾持器靠近內(nèi)窺鏡之后，通過在基準位置附近的小位移而使內(nèi)窺鏡接在托架137上；在此之后，通過活節(jié)機械手和內(nèi)窺鏡合為一體(不改變整套機械手的運動自由度)的移動而重新確認精阜的位置。上述兩種方法都是合用的，選擇何者取決于手術(shù)醫(yī)生的偏好和技能。
平衡框架上可以設(shè)置若干個與X懸臂處于同一水平位置的攝像頭。攝像頭將用來觀察按一定規(guī)律設(shè)在機械手裝置上的標記或條紋，通過對攝像頭的適當標定即可由觀察結(jié)果獲得最優(yōu)的精度。由于可以通過計算機圖像直接觀察機械手各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動或平移，而且機械手的運動學(xué)及幾何學(xué)特征也是已知的，所以能確保手術(shù)刀的端部自始至終在一個預(yù)定的安全工作范圍內(nèi)運動。任何超出這一范圍的運動都將導(dǎo)致運動過程的暫停以及對用戶發(fā)出警報。
C形托架151被預(yù)先固接在前列腺切除器/內(nèi)窺鏡上并一同作消毒處理。對C形托架151乃至內(nèi)窺鏡的固緊方法是通過旋擰兩個手柄150而避免其從托架137的定位槽上松脫。此后，通過釋放相應(yīng)的螺線管236、249及35而鎖緊平衡支承系統(tǒng)上的X、Y及R方向自由度。各自由度的運動在螺線管斷電時是被鎖緊的，這種以鎖緊為常設(shè)狀態(tài)的處理具有失效安全保障作用。其后，放松手柄156并使心軸154滑離C形托架，牽開器便會因此而被拆下。這樣便結(jié)束了手術(shù)預(yù)置過程。以上關(guān)于經(jīng)尿道切除術(shù)預(yù)置過程的敘述是以精阜為目標的，需要指出，對于由內(nèi)窺鏡確認并定位的其它目標以及其它種類的手術(shù)操作來說，上述預(yù)置方法同樣可顯示出其優(yōu)越性。
象其它已有的機械手系統(tǒng)一樣，本發(fā)明所述活節(jié)機械手也受控于運動控制器47，該控制器又通過RS232通迅總線76受控于便攜式微型計算機48(見圖17)。各自由度上的運動參數(shù)73(位置、速度、加速度及協(xié)調(diào)性)是由基于多自由度運動控制系統(tǒng)47的普通PID控制環(huán)來控制的，該控制環(huán)因采用微處理器技術(shù)而具備數(shù)字化功能。用諸如差動式光學(xué)編碼器71之類的位置敏感元件為控制環(huán)提供位置及速度信息。該運動控制系統(tǒng)還具有輸入輸出一些信號的功能59。這些所謂的I/O功能一般起到如下作用為“歸位”而捕獲限位開關(guān)74、75的狀態(tài)；使相關(guān)于機械手系統(tǒng)的設(shè)備處于運行或停機狀態(tài)；針對危急或其它重要事件發(fā)出警報或提供發(fā)光指示。上述運動控制系統(tǒng)是一種常見并極易市購的產(chǎn)品，在此不對其加以詳介。
桶形空腔構(gòu)形是一種由活節(jié)機械手設(shè)計所能保證的典型手術(shù)方案形式，如圖15所示。在該手術(shù)方案中，任一時刻都會涉及一個或多個自由度的運動?；【€運動與樞軸縱向運動的協(xié)同應(yīng)跟蹤所謂的理想矢線185。對超聲波圖像的計算機重構(gòu)有助于確定時鐘形式圓圖181上的一系列矢線。環(huán)形運動軸線的存在使得前列腺切除器可以抵達上述每個矢線的位置。在電灼手術(shù)中，沿矢線方向的跟蹤及切除動作以順時針—反時針的方式重復(fù)進行并逐步向外側(cè)移動，直至到達手術(shù)區(qū)的囊膜279(圖15)。在經(jīng)尿道前列腺激光切除術(shù)(如VLAP，即可視前列腺激光蝕切術(shù))中，對激光纖維回縮速度及其空間能量模式可以進行在線(即動態(tài))控制，從而可以獲得手動操作無法實現(xiàn)的最優(yōu)切除效果。上述工作原理同樣適用于TUNA(經(jīng)尿道前列腺針蝕術(shù))中，在這類手術(shù)中，手術(shù)針必須在不同的極座標位置做不同深度的伸縮，而且用人工操作進行能量控制也非常麻煩。
圖17所示電路框圖表示了與機械手相連、并與之協(xié)同實現(xiàn)有效且安全操作的主要部件，這些部件是為系統(tǒng)持續(xù)供電的不間斷電源45。在出現(xiàn)供電故障時，它可以維持系統(tǒng)的至少10分鐘運行(取決于備用電池44的容量)。
可間斷工作、并具有輸入—輸出功能59的4自由度運動控制器47。該控制器可單獨使用，也可裝在微型計算機48的擴展槽上。單獨使用時可通過RS232線與微機接通，而插在微機中時則利用其本機總線。
微型計算機48。它具有以下配置顯示器58；硬盤58；軟盤驅(qū)動器；RAM及ROM管理內(nèi)存；操作系統(tǒng)；打印機57；以及諸如小型軟盤驅(qū)動器及光盤驅(qū)動器之類的備用外設(shè)存儲設(shè)備。
超聲波診斷掃描系統(tǒng)49。其中可同時或單獨配備直腸探頭或尿道探頭。裝在微機48上的抓圖器62可以通過一副視頻信號同軸電纜捕獲來自超聲波掃描器的超聲波圖像。超聲波掃描器與計算機之間的通迅方式是任選的，但它應(yīng)符合由IEEE488，77限定的GPIB標準。
盒式錄像機50。其作用是在手術(shù)前后及手術(shù)期內(nèi)對超聲波及(或)內(nèi)窺鏡圖像進行歸檔。
遠程光源51。它通過光導(dǎo)纖維為手術(shù)部位及CCD式(充電聯(lián)配式)攝像機69的捕獲區(qū)域提供高效率的冷光照明。圖像以電子信號的形式被處理及增強，最后出現(xiàn)在內(nèi)窺鏡的顯示屏70上。
形成切除作用的能源52。電外科學(xué)將其稱為透熱單元。在激光外科中，它是可產(chǎn)生高強度激光源的發(fā)電機。
強制性安全監(jiān)視器53。其中的可編程邏輯系統(tǒng)可以監(jiān)視各關(guān)鍵參數(shù)的邏輯狀態(tài)，還可發(fā)出暫停機械手動作的中斷信號或在手術(shù)出現(xiàn)意外時對用戶發(fā)出警報信號。
微型計算機上可運行名為APUI(前列腺切除術(shù)自動用戶界面)的界面軟件191，該軟件的任務(wù)執(zhí)行方式如圖16所示。由于采用彈出式窗口及下拉式菜單進行通用性選項，該用戶界面可使任務(wù)設(shè)計過程在一頁屏幕上實現(xiàn)。
支持系統(tǒng)192通過由控制按鈕及狀態(tài)單元執(zhí)行的屏顯來綜合或分項控制平衡支承系統(tǒng)的鎖緊/釋放動作。它也可以顯示平衡支承系統(tǒng)中除B，200之外每個自由度(即X，201，Y，202，A，203，R，204，它們分別對應(yīng)于圖13所示平衡支承系統(tǒng)的8，7，6及5自由度)運動的鎖緊狀態(tài)。
手術(shù)預(yù)置過程前后的機械手歸位批處理是由名為HOME，193的界面子程序執(zhí)行的。該子程序使機械手在各個自由度方向上到達適當?shù)幕鶞饰恢茫摶鶞逝c機械手作用對象的尺寸及方向有關(guān)。HOME占用一頁顯示屏，為增強選項的通用性，HOME也設(shè)有彈出式窗口及下拉式菜單。
抓圖器插件板F.GRB62及雙軸電纜可捕獲并傳輸由超聲波掃描器得到的相應(yīng)圖像。圖像處理同時使用了通用的和定制的圖像處理軟件。最后的處理結(jié)果被用來引導(dǎo)由活節(jié)機械手執(zhí)行的手術(shù)操作。
預(yù)定的單向或復(fù)合運動(指到達患者體內(nèi)的指定工作區(qū))以及電源的開合、調(diào)節(jié)等事項被編制成可由運動控制器識別的指令，微型計算機通過RS232(或串行)線76將指令發(fā)出。處理上述轉(zhuǎn)換的程序被匯集在BARREL程序組中。
活節(jié)機械手也可由人工方法控制，經(jīng)合理布局的控制桿及腳動、指動開關(guān)構(gòu)成了針對機械手運動的人工方式柔性控制系統(tǒng)。由程序MAN199執(zhí)行的切換可以使控制桿類的控制模式中斷。
患者的生理數(shù)據(jù)由APUI的PAT196程序獲得。這些數(shù)據(jù)可以是被切除組織的切除量、切除時間、患者年齡等等，它們可以為有關(guān)的研究者所用。PAT196中匯集了各種標準的或定制的統(tǒng)計工具軟件。
機械手系統(tǒng)的供電狀況是由APUI中的PWR.M197部分監(jiān)控的。在出現(xiàn)供電故障時，該部分可以通過必要的動作來保證機械手系統(tǒng)在不發(fā)生功率衰變的狀態(tài)下運行。系統(tǒng)在經(jīng)過某一期限之后可進入故障弱化階段。
故障處理程序195可以處理可預(yù)見故障(對內(nèi)存溢出、通迅缺失等常規(guī)故障的處理)及意外故障(異常處理)。對于第一類故障模式，可以通過恢復(fù)程序的啟動來還原系統(tǒng)的運行狀態(tài)。對意外故障也將做出啟動恢復(fù)程序的嘗試，但一般都最終實行保護性停機。程序195也包括安全監(jiān)控程序。例如，在工具夾持器不發(fā)生縱向運動時，用于導(dǎo)致切除作用的功率源是不可能被打開的。
為了找準醫(yī)療工具或其它輔助工具(裝在機械手上)在患者手術(shù)部位中的工作區(qū)，同時也為了確定該工作區(qū)的范圍，必須對活節(jié)機械手加以某種形式的圖像引導(dǎo)。超聲波圖像(經(jīng)直腸或經(jīng)尿道均可)對于該任務(wù)來說是適宜且安全的。為處理患者體位變化，亦即手術(shù)前與手術(shù)期間(有時包括手術(shù)后)圖像數(shù)據(jù)匹配的問題，最好使圖像處理系統(tǒng)與機械手系統(tǒng)共享座標基準。這意味著，手術(shù)期間的圖像處理應(yīng)配有圖像探頭與醫(yī)療工具(或其它輔助工具)間的適配器。手術(shù)期間，目標的尺寸及位置測定應(yīng)隨時地快速完成，以便最大可能地降低圖像處理在整個手術(shù)過程中所占的時間比例。
這一目的可以由計算機圖像處理技術(shù)達到。
為增強上述方法的功能，本發(fā)明還包含如下的優(yōu)選內(nèi)容，亦即對目標的手術(shù)期內(nèi)掃描應(yīng)兼容經(jīng)尿道及經(jīng)直腸兩種方式。經(jīng)尿道掃描可按如下方法實現(xiàn)將附著在活節(jié)機械手托架(工具夾持器)上的內(nèi)窺鏡外殼留在患者體內(nèi)，將有效工作單元更換為經(jīng)尿道超聲波探頭186(見圖5)。掃描時只移動頭架行程組件，通過使探頭出入患者體內(nèi)而獲得所需的橫向掃描數(shù)據(jù)。掃描結(jié)束后用工作單元換下探頭，從而實現(xiàn)座標基準的共享。在整個掃描過程中，拱形件持續(xù)地停留在其零位或水平位置。
經(jīng)直腸掃描功能是由一個具有擴展段188的附件(見圖6)實現(xiàn)的，該擴展段的兩端可分別與內(nèi)窺鏡外殼及探頭體190托架187相配合。擴展段是可調(diào)的，調(diào)節(jié)偏移量189即可使探頭準確地進入直腸。可以根據(jù)預(yù)置狀態(tài)及患者情況的不同來改變探頭體在其長度方向上的受夾持位置。與經(jīng)尿道掃描方法類似，在進行經(jīng)直腸掃描時只移動頭架行程組件，而且掃描結(jié)束后須用工作單元換下探頭及擴展段。
在針對良性前列腺增生的前列腺切除手術(shù)中，由超聲波掃描得到的信息是所謂手術(shù)被膜的邊界坐標值。應(yīng)避免發(fā)生超出手術(shù)被膜范圍的切割，因為這可能導(dǎo)致患者失禁、陽萎或大出血。出現(xiàn)前兩種并發(fā)癥是由于緊靠被膜背后的大量神經(jīng)末梢因切割而受到損壞。出現(xiàn)大出血的原因很明顯—被膜外側(cè)往往有大脈管。
在進行橫向超聲波掃描時，被膜邊界往往不能迅速地被確認?？梢杂媒?jīng)過訓(xùn)練的目測方式來探測被膜邊界，但結(jié)果往往不夠完整、精確。如本發(fā)明所述的活節(jié)機械手可以半自動或自動地進行手術(shù)期內(nèi)的超聲波掃描。程序194適宜于實現(xiàn)該目的。在進行半自動掃描時，手術(shù)醫(yī)生須用鼠標一類的數(shù)字器框出被膜邊界。在進行自動掃描時，上述工作由圖像分析算法來完成(當然應(yīng)被手術(shù)醫(yī)生確認)。選擇掃描模式時應(yīng)權(quán)衡方便性和安全性，但二者都不應(yīng)該附加過長的手術(shù)時間。
應(yīng)推薦采用在手術(shù)前用消毒包將所有驅(qū)動組件包裹起來的措施?？梢院唵蔚貙o在頭架驅(qū)動組件的立柱結(jié)構(gòu)84上。無菌袋的下垂空間足夠保證活節(jié)機械手在仍保持消毒狀態(tài)的手術(shù)期間內(nèi)的運動。全套系統(tǒng)最好按圖2所示方式布置，其中，活節(jié)機械手系統(tǒng)被懸掛在平衡支承系統(tǒng)上，而平衡支承系統(tǒng)又通過其滑車式工作臺框住計算設(shè)備和手術(shù)器械。內(nèi)窺鏡景像在顯示器259上出現(xiàn)，顯示器259的支承形式21應(yīng)便于對顯示器自如查看。
為最大可能地保證系統(tǒng)的安全性及操作簡便性，軌道平臺(見圖2)上計算機控制臺258的附近設(shè)有控制面板218?？刂泼姘迳系囊曈X指示器顯示著位移控制器在每一個自由度上的操作狀態(tài)。某一應(yīng)急開關(guān)在啟動時會切斷電機的電源，但除了切斷電源外，系統(tǒng)的所有其它部分仍處于可操作狀態(tài)。即使如此，其強制性仍高于由用戶界面程序提交的鍵盤中斷模式。鍵盤中斷模式在任一或若干電機運轉(zhuǎn)之后仍會啟動。敲擊計算機鍵盤的任一個鍵會使所有電機停住或懸掛起來。
以上介紹將前列腺列為活節(jié)機械手的最適宜對象，但事實上可以看出，該機械手也適宜于其它對象，如囊、腹部等等。而且手術(shù)模式也不僅限于電灼術(shù)，還可包含其它諸如激光、高強度超聲波TUNA(經(jīng)尿道針蝕術(shù))等手術(shù)模式。該活節(jié)機械手的設(shè)計目標在于可夾持很多種類的醫(yī)療器具，而且提高手術(shù)室內(nèi)手術(shù)操作的精確性。借助于程控驅(qū)動，本系統(tǒng)可加載多個手術(shù)工具(每次一個)并實施有效的手術(shù)操作。這樣，它將輔助手術(shù)操作者在手術(shù)的時間、技巧、準確性乃至安全性方面均圓滿地完成任務(wù)。此外，本系統(tǒng)的優(yōu)點還表現(xiàn)在死亡率及發(fā)病率的降低，助手及護士人數(shù)的減少以及因手術(shù)時間縮短而帶來的低成本及低風(fēng)險上。
設(shè)計上述機械手時一般使驅(qū)動組件具備模塊化特征。這樣，只要更換現(xiàn)有的驅(qū)動組件及支承構(gòu)件便可以全面變更機械手的運動機構(gòu)。驅(qū)動組件自含其相應(yīng)的導(dǎo)線，控制及驅(qū)動指令是通過接頭而到達或離開驅(qū)動組件的。
以上詳細介紹了關(guān)于活節(jié)機械手的一個優(yōu)選實施例，然而除以上已提及的之外，在不脫離本發(fā)明基本概念的前提下，本領(lǐng)域?qū)I(yè)人士還可能提出其它一些變化型及改進型。所有這些變化及改進型都應(yīng)被認為屬于本發(fā)明的范圍，而本發(fā)明的特征則由以上說明書及所附權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種用醫(yī)療工具進行醫(yī)療處理的活節(jié)機械手，它包括以滑動方式裝在第一可動支承構(gòu)件上的拱形構(gòu)件；將醫(yī)療工具夾持在某工作位置的工具夾持器，該工具夾持器被裝載在拱形構(gòu)件上；以及設(shè)在上述第一支承構(gòu)件上的第一驅(qū)動組件，其作用是使上述拱形構(gòu)件及上述工具夾持器滑動，其特征在于，上述工具夾持器可沿弧線軌跡運動，從而使醫(yī)療工具的工作位置按預(yù)定方式改變。
2.如權(quán)利要求1所述的活節(jié)機械手，其特征在于還包括與上述工具夾持器相接的第二驅(qū)動組件，其作用是使上述工具夾持器沿直線軌跡滑動，上述直線軌跡與通過上述弧線軌跡曲率中心的某一軸線相交。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的活節(jié)機械手，其特征在于上述拱形構(gòu)件以可拆形式裝在上述第一支承構(gòu)件上，如果需要，可將另一曲率半徑不同的拱形構(gòu)件以滑動形式裝在第一支承構(gòu)件上。
4.如權(quán)利要求1所述的活節(jié)機械手，其特征在于上述工具夾持器包括設(shè)有一對定位槽的可滑動托架，定位槽中可裝入可拆卸的醫(yī)療工具安裝托架，各定位槽配有用來將醫(yī)療工具安裝托架鎖緊在可滑動托架上的鎖桿，上述鎖桿上設(shè)有沿其縱向分布的平面部分，這樣，只要轉(zhuǎn)動鎖桿，使其平面部分與相應(yīng)定位槽齊平，醫(yī)療工具安裝托架便可被方便地裝上或拆下。
5.如權(quán)利要求4所述的活節(jié)機械手，其特征在于上述一對定位槽是可滑動托架上若干對定位槽中的一對，由此可以變更醫(yī)療工具安裝托架的位置，從而改變醫(yī)療工具的工作位置。
6.如權(quán)利要求4所述的活節(jié)機械手，其特征在于上述醫(yī)療工具安裝托架是構(gòu)成某一托架組件半部的C形托架，托架組件的另一半為夾持托架，它可將C形托架夾緊在醫(yī)療工具本體上。
7.如權(quán)利要求4所述的活節(jié)機械手，其特征在于以滑動方式裝在一對導(dǎo)軌上的上述可滑動托架配有使其沿上述導(dǎo)軌滑動的齒條—齒輪組，為驅(qū)動該齒條—齒輪組以實現(xiàn)可滑動托架的滑動，工具夾持器還應(yīng)包括電機。
8.如權(quán)利要求1所述的活節(jié)機械手，其特征在于上述第一支承構(gòu)件上設(shè)有第一和第二剛性構(gòu)件，上述拱形構(gòu)件便在二者之間受到滑動支承。
9.如權(quán)利要求8所述的活節(jié)機械手，其特征在于上述拱形構(gòu)件上設(shè)有外齒形，而且，上述第一驅(qū)動組件含有與上述外齒形相接的電機，由此可實現(xiàn)上述拱形構(gòu)件沿上述弧線軌跡的滑動。
10.如權(quán)利要求2所述的活節(jié)機械手還包括以機械方式接在上述第一支承構(gòu)件上、并因此而使之繞第一驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動的第三驅(qū)動組件，這樣，由拱形構(gòu)件支承的上述工具夾持器也將可以繞上述第一驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動。
11.如權(quán)利要求10所述的活節(jié)機械手，其特征在于上述第一支承構(gòu)件上通過連接器與第三驅(qū)動組件相連，該連接器可使上述第一驅(qū)動軸與上述第一支承構(gòu)件縱軸之間形成一定的偏移量，在工作時，夾持在工具夾持器中的醫(yī)療工具的中軸線將與上述第一驅(qū)動軸相交，由此確定了醫(yī)療工具的轉(zhuǎn)動中心。
12.如權(quán)利要求11所述的活節(jié)機械手，其特征在于上述連接器具有可拆卸性，更換不同的連接器即可獲得不同的偏移量，由此達到容納不同醫(yī)療工具的目的。
13.如權(quán)利要求10所述的活節(jié)機械手還包括用來支承上述第三驅(qū)動組件的第二支承構(gòu)件，該第二支承構(gòu)件上設(shè)有用來使上述第三驅(qū)動組件沿直線方向移動的第四驅(qū)動組件，這樣，在其工作時，上述工具夾持器也將連同拱形構(gòu)件一起沿上述直線方向移動。
14.如權(quán)利要求13所述的活節(jié)機械手，其特征在于上述第一、第二、第三及第四驅(qū)動組件均含有驅(qū)動電機，上述每個驅(qū)動組件都由基于多自由度運動控制系統(tǒng)的微處理器控制。
15.如權(quán)利要求13所述的活節(jié)機械手，其特征在于上述第二支承構(gòu)件被懸掛在一個至少可提供X，Y，Z及R四個運動自由度的平衡支承系統(tǒng)上。運動自由度R可以保證在應(yīng)急條件下迅速由人工操作替換活節(jié)機械手。
16.如權(quán)利要求15所述的活節(jié)機械手，其特征在于上述平衡支承系統(tǒng)上設(shè)有彼此相互垂直的第一、第二支承臂及垂直支柱。三者可分別保證活節(jié)機械手在X、Y及Z自由度的運動。
17.如權(quán)利要求16所述的活節(jié)機械手，其特征在于上述活節(jié)機械手通過上述第二支承構(gòu)件以滑動方式安裝在上述第一支承臂上，上述第一支承臂以滑動方式安裝在上述第二支承臂上，而上述第二支承臂又以滑動方式安裝在上述支柱上，其特征還在于上述第一、第二支承臂及上述第二支承構(gòu)件分別被相應(yīng)的第一、第二、第三鎖定裝置鎖緊、定位。
18.如權(quán)利要求17所述的活節(jié)機械手，其特征在于上述平衡支承系統(tǒng)上各支承臂的滑動是通過纜繩—滑輪系統(tǒng)實現(xiàn)的，上述鎖定裝置包括纜繩夾具。
19.如權(quán)利要求16所述的活節(jié)機械手，其特征在于上述第二支承臂的滑座設(shè)有擺動托架組件，由此可使第二支承臂圍繞其在支柱上的滑座而水平轉(zhuǎn)動。
20.如權(quán)利要求19所述的活節(jié)機械手，其特征在于上述平衡支承系統(tǒng)還包括作為垂直支柱安裝基座的臺車及臺車上用來支承其它設(shè)備的若干個擱板。
全文摘要
如本發(fā)明所述的活節(jié)機械手可用來對許多種醫(yī)療工具加以可靠的夾持及定位，其中包括具有一定空間柔度的治療或診斷工具。盡管其某些組件因受控于計算機而可以按照預(yù)編程的指令序列自主工作，但人工控制模式卻沒有受到排斥。當其組件受到計算機軟件的合理控制時，配有適當手術(shù)切割器具的活節(jié)機械手可以做出一個桶形或任何預(yù)定形狀的空腔(或操作容腔)，該空腔被含在機械手的工作區(qū)內(nèi)部。在介入過程中，焦點相對于醫(yī)療器具或絕對坐標系的理想位置可以根據(jù)需要隨時改變。侵入性極小化手術(shù)(MIS)是比較適宜的介入方式。就其自動化特征來講，除做切割(或切除)手術(shù)外，該活節(jié)機械手也可做其它一些精度及重復(fù)性要求較高的工作，如活體解剖及放射籽源植入。該活節(jié)機械手是一種通用的計算機輔助工具夾持器，它可以裝載許多種醫(yī)療工具，尤其適用于治療泌尿系統(tǒng)紊亂癥的內(nèi)窺鏡。
文檔編號A61B19/00GK1155833SQ9519466
公開日1997年7月30日 申請日期1995年6月20日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月20日
發(fā)明者伍云升 申請人:伍云升