外科手術附件夾具及系統的製作方法

2023-09-21 19:43:55

專利名稱：外科手術附件夾具及系統的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及外科機器人系統，更特別地，涉及機器人臂部件的附件夾具。
背景技術：
在機器人輔助或遠程機器人外科手術中，外科醫生一般從遠離病人的位置(如手 術室對面，不同的房間或與病人所處位置完全不同的建築物內)操縱主控制器以遠程控制 外科手術部位外科手術器械的動作。主控制器通常包括一個或多個手輸入裝置，如操縱杆、 外骨骼手套等，使用鉸接外科手術部位器械的伺服電動機將其連接於外科手術器械。伺服 電動機一般是支撐並控制已被直接引入打開的外科手術部位或通過外套管引入病人腹部 等體腔內的外科手術器械的機電裝置或外科操縱器(「從動」)的一部分。在手術中，外科 操縱器提供機械鉸接並控制組織抓鉗、針狀打入器、電外科燒灼探針等多種外科手術器械， 各自執行外科醫生的各種功能，如固定並打入針、抓住血管或解剖、燒灼或凝結組織。這種通過遠程操縱執行遠程機器人外科手術的新方法當然已產生了許多新的挑 戰。挑戰之一來自於部分機電外科操縱器將直接接觸外科手術器械，也將臨近手術部位定 位的事實。因此，外科操縱器會在外科手術期間受汙染，且通常在手術後丟棄或在手術之 間消毒。從成本的角度考慮，對裝置進行消毒是優選的。但是伺服電動機、傳感器、編碼器 以及機器人控制電動機所必須的電連接一般不能使用蒸氣、熱壓或化學製品等常規方法消 毒，這是因為系統部件可能在消毒過程中受損或損壞。遠程機器人外科手術系統的另一挑戰是手術過程中外科醫生一般使用大量的不 同外科手術器械。由於器械夾持器的數量因空間限制和成本而有限，因此手術期間需多次 將許多外科手術器械連接到同一器械夾持器並從該器械夾持器拆除。例如在腹腔鏡手術過 程中，由於空間有限，而且希望避免病人體內不必要的切口，手術期間進入病人腹部的入口 端數量一般有限。因此，手術期間一般通過相同的外套管引入大量不同的手術器械。同樣， 在開放手術中，手術部位周圍通常沒有足夠的空間來放置多於一個或兩個外科操縱器，因 此，外科醫生的助手將不得不頻繁的將器械從夾持器上移除，並更換其它外科手術工具。但 是，在過去，器械夾持器難以使用或使用較笨重，要求使用雙手。另外，過去的器械夾持器需 要在每次手術程序後被拆除並消毒。因此，需要用於遠程控制病人手術部位的外科手術器械的改進的遠程機器人系統 及其方法。這些系統和方法應配置為將消毒的需要最小化以提高成本效率。另外，這些系 統和方法應設計為在外科手術過程中最小化器械的更換時間和難度。因此，非常需要具有 改進的功效和成本效率的機器人外科手術的附件夾具和系統。

發明內容
本發明提供了夾持用於遠程機器人外科手術的外科手術附件的有利系統、設備和方法。根據本發明的實施例，提供了機器人外科手術系統的外科手術附件夾具，該附件 夾具包括用於連接到操縱器臂部件遠端的底座以及用於接收外科手術附件的兩個夾鉗，所 述兩個夾鉗可操作地連接到底座。夾鉗還包括兩個夾鉗上的消毒簾部分，和能夠致動或驅 使兩個夾鉗至打開位置或閉合位置的控制杆部分。根據本發明的另一實施例，提供了機器人外科手術系統的外科手術夾具，所述附件 夾具包括用於連接到操縱器臂部件遠端的底座，該底座包括第一安裝部分、第一安裝部分上 的消毒簾部分以及用於夾持或鬆開第一和第二安裝部分間的外科手術的第二安裝部分。根據本發明的又一實施例，提供了用於在消毒區內執行手術過程的機器人外科手 術系統，該系統包括操縱器臂部件、用於連接外科手術至操縱器臂部件遠端部分的外科手 術附件夾具以及覆蓋附件夾具和操縱器臂部件以將附件夾具和操縱器臂部件從消毒區隔 離的消毒簾。根據本發明的另一實施例，提供了用於在消毒區內執行手術過程的機器人外科手 術系統，該系統包括外科手術工具、包括具有近端和遠端部分的操縱器臂部件的操縱器組 件、確定容納外科手術工具的內腔並提供穿透病人皮膚通路的套管、用於連接套管至操縱 器臂部件遠端部分的套管調節器以及覆蓋套管調節器和操縱器臂部件以將套管調節器和 操縱器臂部件從消毒區隔離的消毒簾。根據本發明的又一實施例，提供了機器人外科手術系統中夾持外科手術附件的方 法，該方法包括提供上述外科手術附件夾具、定位消毒簾於兩個夾鉗上、驅使該附件夾具至 打開位置、提供外科手術附件於兩個夾鉗之間以及驅使該附件夾鉗至閉合位置。根據本發明的另一實施例，提供了機器人外科手術系統中夾持外科手術附件的方 法，該方法包括連接外科手術附件夾具至操縱器臂部件的遠端部分、使用消毒簾覆蓋操縱 器臂部件和附件夾具以將操縱器臂部件和附件夾具從消毒區隔離以及連接附件至消毒區 內的附件夾具。有利地，本發明提供了不要求重新消毒並可輕鬆更換器械、工具或附件的機器人 外科手術系統的改進的夾持設備和方法，從而提高了成本效率和功效。本發明的範圍由結合於本部分以供參考的權利要求界定。對於本領域技術人員， 通過考慮以下一個或多個實施例的詳細說明，可更完整地理解本發明的實施例及其附加優 點的實現。首先將簡短說明將參照的附圖。


圖1是手術室的示意圖，其示出了根據本發明實施例的遠程機器人外科手術系統 和方法。圖2是圖1所示手術室的放大圖，其示出了根據本發明的連接到手術臺的一對安 裝接頭。圖3A是根據本發明實施例的局部由消毒簾覆蓋的機器人外科手術操縱器的透視 圖。
圖;3B是圖3A所示的沒有覆蓋消毒簾的機器人外科手術操縱器的透視圖，以示出 連接驅動組件和腕單元、外科工具的多自由度臂部件。圖4示出了結合有觀看外科手術部位的攝像機和內窺鏡的圖3A-;3B所示機器人外 科手術操縱器。圖5是圖3A-;3B所示機器人操縱器的局部視圖，其示出了臂部件和腕單元之間的 機電連接。圖6是圖3A和;3B所示操縱器的前臂和滑架的局部剖視圖。圖7是根據本發明實施例的腕單元的透視圖。圖8是部分機器人操縱器的側面橫向剖視圖，其示出了臂部件和驅動組件。圖9A是根據本發明另一實施例的局部由消毒簾覆蓋的機器人外科手術操縱器的 透視圖。圖9B-9C是圖9A所示的沒有消毒簾的機器人外科手術操縱器的視圖，以示出將驅 動組件與外科手術附件夾具、腕單元、外科工具連接的多自由度臂部件。圖10是根據本發明實施例的外科手術附件夾具、外科手術附件以及設置在其間 的消毒簾部分的橫向剖視圖。圖11A-11C示出了根據本發明實施例的作為外科手術附件的套管和該附件的傳 感機構的橫截面。圖12A-12C示出了根據本發明實施例的外科手術附件夾具的不同視圖。圖13A-i;3B示出了固定於根據本發明實施例的圖12A-12C所示外科手術附件夾具 中的外科手術附件的透視圖。圖14A-14C示出了將外科手術附件定位並夾持在根據本發明實施例的圖12A-12C 所示外科手術附件夾具中的透視圖和側視圖。圖15和16示出了裝配在附件夾具的夾鉗之上的兩個消毒簾部分。圖17A-17E示出了將消毒簾部分定位於附件夾具的夾鉗上且之後將附件夾持於 夾鉗之間的透視圖。圖18A-18C示出了根據本發明另一實施例的滑動附件夾具的視圖。圖19A和19B示出了根據本發明另一實施例的樞軸轉動附件夾具。圖20示出了根據本發明另一實施例的另一樞軸轉動附件夾具。圖21A-21B示出了根據本發明另一實施例的另一樞軸轉動附件夾具。圖22A-22C示出了將外科手術附件定位並夾持於根據本發明實施例的圖21A-21B 所示外科手術附件夾具內的透視圖。圖23A-23C示出了根據本發明另一實施例的另一樞軸轉動附件夾具。圖24A-24F示出了將外科手術附件定位並夾持於根據本發明另一實施例的外科 手術附件夾具內的透視圖。圖25A-25B示出了根據本發明實施例的第一安裝部分的透視圖。圖示出了根據本發明實施例的第二安裝部分的透視圖。參照以下詳細說明可最好地理解本發明的實施例及其優點。應理解，在一個或多 個附圖中，相同參照數字指相同元件。也應理解附圖不必按照比例繪製。
具體實施例方式本發明提供了用於對病人執行機器人輔助外科手術過程的多部件系統和方法，尤 其包括開放外科手術過程、立體定向等神經外科過程以及如腹腔鏡、關節鏡、胸腔鏡等內窺 鏡手術程序。本發明的系統和方法作為允許外科醫生從離病人較遠的位置通過伺服機構操 縱外科手術器械的遠程機器人外科手術系統的部分尤其有用。為此目的，本發明的操縱器 設備或從動設備通常由運動等效的主控驅動以形成帶有力反饋的遠程呈現系統。適當主從 系統的說明可參見1995年8月21日提交的美國專利申請第08/517，053號，其全部公開被 併入本文以供參考。詳細參照附圖，其中相同數字代表相同元件，根據本發明實施例示出了遠程機器 人外科手術系統2。如圖1所示，遠程機器人系統2 —般包括安裝於手術臺0或其附近的 一個或多個外科操縱器組件4，以及用於允許外科醫生S觀看外科手術部位並控制操縱器 組件4的控制組件6。系統2也包括一個或多個觀察儀組件19和適於可拆裝地連接於操 縱器組件4 (如下文詳細所述)的多個手術器械組件20。遠程機器人系統2通常包括至少 兩個操縱器組件4，且優選包括三個操縱器組件4。操縱器組件4的準確數量取決於手術過 程和手術室內的空間限制以及其他因素。如下詳細所述，操縱器組件4中之一一般運行用 於觀看手術部位的觀察儀組件19 (如內窺鏡手術)，而其他操縱器組件4運行用於對病人P 執行各種手術程序的手術器械20。控制組件6可位於通常與手術臺0處於相同房間內的外科醫生操縱臺C處，使得 外科醫生可以和他/她的(若干)助手A對話，並直接監控手術過程。但是，可以理解，外 科醫生S可處於與病人P不同的房間或完全不同的建築物內。控制組件6—般包括支架8、 用於向外科醫生S顯示外科手術部位圖像的監控器10以及用於控制操縱器組件4的一個 或多個控制器12。(若干)控制器12可包括多個輸入裝置，如操縱杆、手套、觸發槍、手動 控制器、語音識別裝置等。(若干)控制器12優選與相關外科手術器械組件20具有相同的 自由度，以為外科醫生提供遠程呈現或控制器12與器械20整合的感知度，使得外科醫生有 直接控制器械20的強烈感覺。位置、力度和觸覺反饋傳感器(未示出)也可用於器械組件 20上以在外科醫生操作遠程機器人系統時將位置、力度和觸覺感覺從外科手術器械傳回外 科醫生的手部。用於為手術人員提供遠程呈現的一個適當系統和方法在1995年8月21日 提交的美國專利申請第08/517，053號中描述，該申請在前文中已被併入本文以供參考。監控器10可適當連接到觀察儀組件19，使得外科手術部位的圖像提供於外科手 術控制臺C上外科醫生手部附近。監控器10優選在顯示器18上顯示被定向的反轉圖像， 使得外科醫生感覺他/她自己正實際向下直接看到手術部位。為此目的，外科手術器械20 的圖像好像基本被定位於手術人員的手部位置，即使觀察點(即內窺鏡或觀察攝像機)並 不來自於該圖像的觀察視角。另外，實時圖像優選地被轉換為透視圖像使得手術人員像觀 看基本真實呈現的工作空間那樣操縱末端執行器和手控制器。真實呈現指圖像的展現是模 擬實際操縱外科手術器械20的手術人員的視角的真實透視圖像。因此，控制器(未示出) 將外科手術器械20的坐標轉換為感知位置，使得透視圖像是攝像機或內窺鏡位於手術器 械20正後方人們的所見圖像。用於提供這個虛擬圖像的適當坐標系轉換系統參見1994年 5月5日提交的美國專利申請第08/239，086號即目前的美國專利第5，631，973號，其全文 結合於此以供參考。
如圖1所示，提供了伺服機構16用以將控制器12的機械動作傳遞至操縱器組件 4。伺服機構16可獨立於操縱器組件4或與其整合。伺服機構16通常提供來自外科手術 器械20的力和力矩反饋至手動控制器12。另外，伺服機構16包括安全監控控制器(未示 出)，該安全監控控制器響應識別的情況(如對病人用力過度、操縱器組件4 「失控」等)而 停止或至少抑制所有機器人動作。伺服機構優選具有至少IOhz的3dB截止頻率的伺服帶 寬，使得系統可快速準確地響應外科醫生使用的快速手部動作。為有效地使用該系統進行 手術，操縱器組件4的慣性相對較低，驅動電動機170 (見圖8)具有相對較低的傳動比的齒 輪或滑輪連接。任何適當的常規或專用伺服機構可用於本發明的實踐中，並且尤其優選結 合力和力矩反饋的那些結構用於本系統的遠程呈現。參照圖7，外科手術器械20各自包括腕單元22和可拆裝地連接於腕單元22的外 科手術工具24 (圖3A和3B)。如下詳細所述，各腕單元22 —般包括可樞軸轉動地連接於外 科工具M的近端具有蓋58且遠端具有腕60的細長軸件56。各腕單元22基本相同，且根 據手術程序的需要，可將不同或相同的外科工具M連接到腕單元22上。可替代地，腕單元 22可具有設計用於各個手術工具M的專用腕60，使得腕單元22可與常規工具M —起使 用。如圖1所示，器械組件20通常臨近手術臺0組裝到桌子T或其他適當支架上。根據本 發明的方法(如下所述)，腕單元22及其相關外科工具M可在外科手術過程中通過從操縱 器組件4連接、分離腕單元軸件56而迅速更換。參照圖2，各操縱器組件4優選通過安裝接頭30安裝於手術臺0。安裝接頭30為 組件4提供了多個(優選至少為5個)自由度，並且這些安裝接頭30包括制動器(未示 出)使得組件4可固定於相對病人的適當位置和方向。接頭30安裝於插座32，該插座32 用於將安裝接頭30安裝至手術臺0並連接各操作器組件4至伺服機構16。另外，插座32 可連接接頭30至其他系統，如射頻(RF)電源、抽吸衝水系統等。插座32包括安裝臂部件 34，該安裝臂部件34可沿手術臺0的外軌36滑動地安置。操縱器組件4也可使用其他機 構定位於手術臺0上方。例如，系統可結合在病人上方移動並固定一個或多個操縱器組件 4的支承系統(被連接於手術室的天花板或牆壁)。現參照圖3-8，將進一步詳細說明操縱器組件4。操縱器組件4是三部件設備，其 包括非消毒驅動與控制部件、可消毒的末端執行器或外科手術工具(如外科手術器械組件 20)以及中間連接器組件。中間連接器包括用於連接外科手術工具M和驅動與控制部件以 及用於從驅動部件傳遞動作至外科手術工具對的機械元件。如圖3B所示，驅動與控制部件 一般包括驅動組件40和連接於安裝託架44的多自由度機器人臂部件42，該驅動與控制部 件適於安裝在安裝接頭30 (圖2)上。驅動組件40和機器人臂部件42優選可繞X軸樞軸 轉動地連接於託架44，X軸延伸穿過球形旋轉45的遠程中心(見圖8，如下進一步詳述)。 操縱器組件4還包括固定於臂部件42遠端48的前臂組件46以及連接於前臂組件46用於 將腕單元22和外科手術工具M安裝至操縱器組件4的腕單元調節器52。對於內窺鏡手術過程，操縱器組件4還包括連接於前臂46下部用以安裝套管66 至操縱器組件4的套管調節器64。或者，套管66可為嵌入前臂組件46的整體套管(未示 出)(即不可拆裝)。套管66可包括安裝至套管66內的環形軸承的力傳感元件(未示出)， 如應變儀或力傳感電阻器。力傳感軸承在外科手術期間支承外科手術工具對，允許工具旋 轉並軸向移動穿過軸承的中心孔。另外，軸承將由外科手術工具M所施橫向力傳遞至連接於伺服機構16以將這些橫向力傳遞至控制器12的力傳感元件。這樣，可不受如外科手術 切口周圍的組織等作用於套管66上的力或作用於操縱器組件4上的重力和慣性力的幹擾 而探測到作用於外科手術工具M上的力。這有助於將操縱器組件4用於機器人系統中，因 為外科醫生可直接感應到反作用於外科手術工具M上的力。如圖3A所示，操縱器組件4還包括尺寸可基本覆蓋整個操縱器組件4的消毒簾 70。簾70具有一對孔72、74，孔72、74按尺寸製作並且被排列以使腕單元調節器52和套管 調節器64可穿過孔72、74以安裝腕單元22和套管66至操縱器組件4。消毒簾70包括布 料，該布料被配置為有效從手術部位隔離操縱器組件4，使得組件4的多數部件(即臂部件 42、驅動器組件40和前臂組件46)不必在外科手術程序之前或之後消毒。如圖3A所示，腕單元調節器52和套管調節器64穿過簾70的孔72、74，使得前臂 組件46和操縱器組件4的其他部分在手術過程期間保持與病人隔離。在一實施例中，腕單 元調節器52和套管調節器64被製造為需消毒的可重複使用部件，因為這些部件伸入手術 部位的消毒區。腕單元和套管調節器52、64可通過如蒸氣、熱壓、化學製品等普通方法消 毒。再次參照圖3B，腕單元調節器52包括接收腕單元22的軸件56的開口 80。如下詳細 所述，軸件56可橫向穿過開口 80並卡入或搭扣配合調節器52，使得腕單元的調節器52的 非暴露部分保持消毒(即保持在消毒區對面的消毒簾70的消毒側)。腕單元調節器52也 可包括用於固定腕單元22於其內的插銷(未示出)。同樣，套管調節器64包括用於卡合套 管66的開口 82，使得調節器64的非暴露部分在外科手術過程期間保持消毒。如圖4所示，腕單元調節器52也可配置為接收觀看外科手術部位的觀察儀100。 對於內窺鏡手術過程，觀察儀100可為常規內窺鏡，一般包括剛性長管102，該長管102包 括透鏡系統(未示出)和管102近端的攝像機座104。小型攝像機106優選附於攝像機 座104，並且連接到視頻監控器10以提供手術過程的視頻圖像。觀察儀100優選具有被配 置為允許相對於管102橫向或成角度觀察的遠端(未示出)。該觀察儀也可具有可引導尖 端，該可引導尖端可通過在操縱管102近端的啟動器轉向或旋轉。該類型的觀察儀可從伊 利諾斯州Deerfield的Baxter Healthcare公司或加利福尼亞州Menlo Park市的Origin Medsystems公司買至丨J。如圖4所示，觀察儀100還包括連接觀察儀100至腕單元調節器52的觀察儀調節 器110。觀察儀調節器110可消毒，能經受住環氧乙烷(ETO)消毒和高壓加熱消毒，且包括 用於從驅動組件40傳遞動作至觀察儀100的多個動作饋通(feed-through)(未示出)。在 優選配置中，動作包括俯仰和偏轉動作、繞Z軸的旋轉以及沿Z軸的移動。現參照圖5和6，將進一步詳述前臂組件46。如圖5所示，前臂組件46包括固定 至臂部件42的外殼120和可滑動連接於外殼120的可移動滑架122。滑架122可滑動安裝 腕單元調節器52至外殼120，以沿Z軸方向移動腕單元調節器52和腕單元20。另外，滑架 122確定了用於從前臂組件46傳遞動作和電信號至腕單元調節器52的多個開口 123。如 圖6所示，多個可旋轉軸件IM安裝於外殼120內以從臂部件42通過開口 123傳遞動作至 腕單元調節器52和腕單元22。旋轉軸件IM優選為腕單元22提供至少4個自由度，包括 外科手術工具M繞腕單元22的腕60的俯仰和偏轉動作、腕單元22繞Z軸的旋轉以及工 具對的致動。如果需要，系統也可配置為提供更多或更少自由度。工具M的致動可包括 多種動作，如打開和關閉夾鉗、抓鉗或剪刀、使用固定夾或釘子等。腕單元22和工具M沿Z軸方向的動作是由延伸於前臂外殼120各端上可旋轉滑輪1觀、1四之間的一對滑架纜線 驅動器1 提供。纜線驅動器1 用於相對前臂外殼120沿Z軸方向移動滑架122和腕單 元22。如圖6所示，臂部件42的遠端48包括連接組件130，該連接組件130具有從臂部 件42傳遞動作至前臂組件46的多個動作饋通132。另外，連接組件130包括從臂部件42 傳遞電信號至腕單元22的多個電連接(未示出)。同樣，腕單元調節器52包括多個動作饋 通(未示出)和電連接(未示出)，這些動作饋通和電連接用於傳遞動作並且發送電信號至 腕單元22和從腕單元22接收電信號(如，發送、接收從外科手術部位至控制器12的力和 力矩反饋信號)。連接組件130和腕單元調節器52各側部件的動作範圍有限。通常，這一 運動範圍至少在1周轉並且優選大於1周轉。當前臂組件46機械連接於連接組件130時 以及當腕單元調節器52機械連接於前臂46時，這些動作範圍相互對齊。參照圖7，將進一步詳細說明腕單元22。如圖所示，腕單元22包括空心軸件56， 該空心軸件56近端連接有蓋58，遠端連接有腕60。腕60包括用於可拆裝地連接多個外科 手術工具M至軸件56的連接頭(未示出)。軸件56可轉動地連接於蓋58以提供軸件56 和工具M繞軸件56縱軸(即Z軸)的旋轉。蓋58容納有用於從腕單元調節器52傳遞動 作至軸件56內的驅動纜線(未示出)的機構(未示出)。驅動纜線可適當連接以驅動軸件 56內的滑輪從而繞腕60旋轉工具M，並致動或啟動工具M上的末端執行器140。腕60也 可由其他機構操作，如差動齒輪、推桿等。工具M可拆裝地連接於腕單元22的腕60。工具M優選包括末端執行器65 (圖 3A和3B)，該末端執行器65具有用於為外科醫生提供觸覺反饋的觸覺傳感器陣列(未示 出)。工具M可包括具有由線鏈路、離心凸輪、推桿或其他機構驅動的末端執行器的多種鉸 接工具，如夾鉗、剪刀、抓鉗、持針器、顯微切割儀、釘合器、釘機、抽吸衝洗工具、施夾鉗等。 另外，工具M可包括非鉸接器械，如切割刀片、探頭、衝洗器、導液管或抽吸孔。或者，工具 24可包括用於消融、切除、切割、或凝結組織的電外科探針。在後一實施例中，腕單元22包 括導電元件，如連接於穿過軸件56至工具M的導線或杆的近端香蕉插頭。參照圖4和8，將進一步詳細說明本發明的驅動與控制部件(即機器人臂部件42 和驅動組件40)的具體結構。如上所述，臂部件42和驅動組件40繞從安裝託架44伸出的 一對銷150可旋轉連接。臂部件42優選包括細長的基本剛性的主體152，遠端48連接於前 臂組件48，近端IM可樞軸轉動地連接於驅動組件40和託架44，以進行俯仰、偏轉旋轉或 繞X、Y軸旋轉(注意Y軸垂直於紙面並延伸穿過點45，見圖8)。臂部件40可有其它配置， 如肘臂(類似人的手臂)、稜柱臂(直的，可延展)等。靜止偏轉電動機156安裝於安裝託 架44以繞X軸旋轉臂部件42和驅動組件40。驅動組件40也包括連接於臂部件42以繞Y 軸旋轉臂部件的俯仰電動機158。一對基本剛性聯動元件160、IM從託架44伸至機器人臂 部件42，可繞Y軸樞軸轉動地連接臂部件42至託架44。聯動元件160之一可樞軸轉動地 連接於臂部件42，另一聯動元件IM可樞軸轉動地連接於平行於臂部件42延伸的第三聯動 元件164。機器人臂部件42優選為槽形剛性元件，其至少部分容納第三聯動元件164。聯 動元件160、124、164和臂部件42形成平行四邊形聯動裝置，其中的各構件按平行四邊形連 接在一起，僅能在由構件形成的平面內相對移動。固定於臂部件42遠端48的腕單元22的Z軸與上述平行四邊形聯動裝置的χ軸相交。腕單元22具有繞圖8所示的數字45所指位置球形旋轉的遠程中心。因此，腕單元 22的遠端可繞自身的軸或X和Y軸旋轉，而旋轉的遠程中心45保持位置不變。遠程中心定 位裝置的更完整的說明可參見1995年7月20日提交的美國專利申請第08/504，301號即 目前的美國專利第5，931，832號，其完整公開為所有目的結合於此以供參考。應注意臂部 件42和驅動組件40可與以上所述以及圖8所示以外的範圍廣泛的定位裝置一起使用，如 立體定向定位器、固定平衡環/固定萬向常平架等。再次參照圖8，驅動組件40還包括連接於臂部件42以隨之旋轉的多個驅動電動機 170。俯仰和偏轉電動機156、158控制臂部件42 (和驅動電動機170)繞X和Y軸的動作， 驅動電動機170控制腕單元22和外科手術工具M的動作。優選至少五個驅動電動機170 連接於臂部件42，為腕單元22提供至少5個自由度。驅動電動機170優選包括用於響應伺 服機構16的編碼器(未示出)和用於傳遞力和力矩反饋至外科醫生S的力傳感器(未示 出)。如上所述，5個自由度優選包括滑架122和腕單元22沿Z軸方向的移動，腕單元22 繞Z軸的旋轉，外科手術工具M繞腕60的俯仰和偏轉旋轉以及工具M的致動。如圖所示，纜線172從各電動機170繞臂部件42內的電動機驅動滑輪174、空轉 滑輪176以及沿相對較大的罐式絞盤178延伸以最小化摩擦力矩對纜線172的影響。纜線 172各自繞臂部件42的遠端48的另一空轉滑輪180、繞連接驅動滑輪182延伸並回到電動 機170。纜線172優選在電動機驅動滑輪174和連接驅動滑輪182處張緊並固定。如圖8 所示，連接驅動滑輪182經多條纜線186連接於連接組件130內多個較小滑輪184以從電 動機170傳遞動作至腕單元調節器52。現將參照圖1-9說明根據本發明的對病人執行外科手術過程的方法。如圖2所示， 安裝接頭30連接於通過沿軌道36滑動安裝臂部件34連在手術臺0上的插座32上。之後 各操縱器組件4連接於各安裝接頭30並鉸接於相對於病人P的適當位置和方向。插座32 然後連接於伺服機構16和外科手術程序期間所需的其他系統，如RF電源、抽吸/衝洗系統 等。消毒簾70在病人麻醉之前、期間或之後置於操縱器組件4上(圖3A)。為準備外科手 術過程，操縱器組件4在用簾70覆蓋前可進行化學清潔或可不進行化學清潔。腕單元調節 器52、套管調節器64以及觀察儀調節器110卡在操縱器組件4的前臂組件46上(見圖;3B 和5)。觀察儀調節器110和腕單元調節器52的數量和相對位置當然取決於各個外科手術 過程(如開放式外科手術過程中無需套管調節器64)。在外科手術程序期間，外科手術器械組件20通過橫推各腕單元軸件56穿過腕單 元調節器52的開口 80而連接於各個操縱器組件4。各腕單元22可具有適當識別裝置(未 示出)以快速並輕鬆指示連接於腕單元22的工具M的類型。當外科醫生希望更換外科手 術工具M時，他/她可操縱控制器(若干控制器)12使得滑架122沿前臂組件46移至行 程的頂部或近端位置(見圖3B)。在這個位置，外科手術工具M處於套管66內或在開放式 手術過程中從手術部位移除。助手(若干助手)A之後上拉腕蓋58以鬆開插銷(未示出)， 從而允許腕單元22進一步向上滑動，滑出套管66。之後助手(若干助手)A可橫拉腕單元 22使其從腕單元調節器52分離。當腕單元22不再連接於調節器52時，控制機構認為系統 處於「工具更換模式」，並驅動滑架122至近端位置，如果外科醫生沒有將其移至該位置。要連接另一外科手術器械組件20至操縱器組件4，助手(若干助手)A從桌子T上 抓取另一組件20，將腕單元軸件56橫向推入腕單元調節器52的開口 80，之後下移腕單元22使得外科手術工具M處於套管66內(見圖1和;3B)。腕單元22的這種下移自動配合 腕蓋58和腕單元調節器52內的電連接和動作饋通(未示出)。系統可包括被配置為鎖定 頂部或近端位置處的滑架122行程的控制機構，如通過啟動制動器(未示出)，直至連接頭 配好並且腕單元22不再下移。此時，外科醫生S可繼續外科手術程序。本發明的系統和方法優選包括用於計數腕單元22與腕單元調節器52分離和連接 次數的機構。這樣，製造商可限制腕單元22可使用的次數。在具體配置中，集成電路晶片 (未示出)位於腕蓋58內。電路晶片計數腕單元22連接於腕單元調節器52的次數，如20 次，並在外科醫生的控制臺C上顯示預警。控制系統之後通過減少其可運送的負載或增加 明顯後衝而降低系統的工作性能。現參照圖9A，示出了根據本發明另一實施例的包括局部由消毒簾270覆蓋的機器 人外科手術操縱器204的機器人外科手術系統200。圖9B和9C是圖9A所示的而沒有覆蓋 消毒簾的機器人外科手術操縱器的視圖，以示出連接驅動組件和外科手術夾具、腕單元、外 科手術工具的多自由度臂部件。系統200與以上參照圖1-8所示和描述的系統相似，但外 科手術夾具264不穿過消毒簾270，並與外科手術附件266 (如套管)接口連接，手術程序期 間，部分簾270從外科手術的消毒區有效隔離附件夾具沈4。有利地，外科手術過程前，附件 夾具264不要求被消毒或更換，因此節省了成本，由於穿過消毒簾的開口減少了一個，系統 200更好地與消毒區隔離，從而可以更好地隔離了系統設備。上述包括(功能性相同或相似的)驅動組件40、臂部件42、前臂組件46、腕單元調 節器52、腕單元22以及工具M的相同或相似的操縱器組件4可用於系統200中，並且與 附件夾具264 —起使用，因而省去了對相同或相似部分的重複說明。但是，圖9A-9C示出了 不同的驅動組件對0、臂部件M2、前臂組件246和接口 252，它們使用軸256和末端執行器 265致動或啟動工具224。驅動組件M0、臂部件M2、前臂組件M6、接口 252以及其他適 用部件或工具的實施例參見例如美國專利第6，331，181號、第6，491，701號、第6，770，081 號，其全部公開為所有目的結合於此以供參考。現在將更詳細地說明夾具沈4、附件沈6以 及簾270部分的實施例。圖10是根據本發明實施例的外科手術夾具沈4、外科手術附件沈6以及其間消毒 簾270的消毒簾部分270a的橫向剖視圖。外科手術夾具264包括兩個夾鉗，這些夾鉗 264a被致動以在其間「捕獲或抓住」附件沈6。一個或兩個夾鉗可為有源的或可致動 的。在一實施例中，控制杆部分可通過滑動動作或樞軸轉動動作來致動夾鉗沈如。圖11A-11C示出了根據本發明實施例的外科手術附件266的示例，如套管300。套 管300可選包括環302，這些環302用於為外科系統200自動識別套管類型，提供例如核實 該附件與特定機器人系統兼容的信息、需要時系統重新配置參數以及附件具體信息，如工 具壽命數據、套管長度、整體外觀等。為從環302讀取信息，印刷電路板(PCB) 304、磁體306 以及傳感器308可為附件夾具264或前臂組件246的一部分(圖9B和9C)。注意本發明不 限於套管附件，各種附件266都屬於本發明的範圍內，包括但不限於在外科手術過程的任 何時間可與機器人臂部件連接或從其上移除的可重複使用的或一次性附件，如內窺鏡/攝 像機組件以及外科手術器械(如牽開器和穩定器)。圖12A-12C示出了根據本發明實施例的外科手術附件夾具400的不同視圖。附件 夾具400包括用於連接至機器人操縱器臂部件(如前臂組件M6)的遠端的底座402、兩個夾鉗404以及用於致動兩個夾鉗404至打開位置或閉合位置的控制杆部分406。圖12A和 12B突出示出了附件夾具400的不同部件，圖12C示出了組件的剖面透視圖。圖13A和1 ;3B 示出了夾有附件的整個組件。如圖12A所示，在夾具的這一特定實施例中，隨著控制杆部分406相對底座402上 下移動以弓I導控制杆平滑操作過程中，凸輪從動件408沿控制杆部分406中的槽410移動。 隨著控制杆上移，第二凸輪從動件408-1與控制杆410-1的坡道部分相互作用，該控制杆 410-1在打開位置和閉合位置間致動夾鉗404(如圖14A-14C)。坡道部分用作部分確定施 於附件負載以及閉合控制杆所需負載的凸輪和彈簧。另外，凸輪具有高點，該高點產生過中 心特徵以保持夾具閉合併將夾具被嚙合的正反饋傳給用戶。定位螺釘403允許導向凸輪從 動件的冗餘固定法。現參照圖12B，預組裝在塊414中的傳感器412通過定位銷417定位於 底座402內，使得傳感器末端41 具有感測套管300(圖11A-11C)等夾持附件識別信息的 理想固定位置。螺釘415使底座402連接於操縱器臂部件。應理解也可使用各種其它裝置 將底座402連接於操縱器臂部件，如通過粘合劑或焊接材料。圖12C示出了樞軸銷420 (如 8-32螺紋418)，該樞軸銷420用作夾鉗404在打開和閉合位置間移動時的旋轉軸。在這個 實施例中，夾鉗404由夾鉗間的彈簧416偏壓入打開位置，夾鉗沒有通過控制杆部分406被 驅使至閉合位置時，該彈簧416保持夾鉗處於打開位置。應理解，夾具也可設計以使夾鉗在 沒有致動至打開位置時自然處於閉合位置。圖13A和1 示出了根據本發明實施例的組裝的圖12A-12C所示外科手術夾具 400的透視圖。套管300鎖定在處於閉合位置的夾鉗404之間。圖14A-14C示出了將套管300定位並夾持在根據本發明實施例的圖12A-12C所示 外科手術夾具400內的透視圖和側視圖。圖14A示出了處於第一(打開)位置的附件夾 具400，夾鉗404由其間的彈簧偏壓打開。圖14B示出了定位在夾鉗404間的附件400。圖 14C示出了控制杆部分406相對底座部分沿箭頭A所指方向朝向夾鉗404上推從而驅使夾 鉗404至閉合位置時處於第二(閉合)位置的附件夾具400。因此，通過朝向夾鉗404滑動 控制杆部分406致動夾鉗404。下文將參照圖19-23示出並說明其他實施例中的旋轉控制 杆部分。圖15和16示出了裝配在圖12A-12C所示附件夾具400的夾鉗404之上的消毒簾 部分270a的兩個示例的不同視圖。消毒簾部分270a被製成與夾鉗404的形狀相配，沿夾鉗 的有源部件折曲。因此處於閉合位置時，簾部分270a的表面被塑型(此情形中為圓柱形) 以容納並夾持附件。消毒簾部分270a優選由剛性和強度足以允許正常置於非消毒附件夾具上且甚至 在沿各種方向施加循環負載的情況下耐撕裂的材料製成，但優選地由彈性足以允許夾鉗有 源部分移動的材料製成。消毒簾部分270a可被製成單個消毒簾的部分或可由粘合劑、熱、 RF焊接或其它方式連接於主消毒簾270的獨立的一塊。圖17A-17E示出了用於將消毒簾部分270a定位於附件夾具的夾鉗404上、之後將 套管300夾持於夾鉗之間且消毒簾部分270a位於夾鉗和附件之間的透視圖。圖17A示出了 安裝於機器人臂部件遠端的附件夾具400，如前臂組件246末端的套管安裝部分M6a。圖 17B示出了定位於夾鉗404上的消毒簾部分270a，圖17C示出了完全定位於附件夾具400上 的簾部分270a。在一實施例中，消毒簾部分270a可包括連接於簾部分270a頂面的強化物或增強部分270b，例如通過粘結或熱熔連接在一起。強化物270b可由各種耐用材料製成， 在一個示例中由高密度聚乙烯(HDPE)或聚氨酯製成。圖17D示出了定位於夾具400上的套管300。有利地，套管300可在夾持在處於閉 合位置的夾鉗間之前被定位於所需任何軸向方向。附件的特點可實物限制用戶不正確連接 套管。在一示例中，附件上確定有用於夾持的兩個具體直徑夾持部分300A和300B。直徑大 小不同以確保附件正確夾持。夾鉗404的較大直徑大到足以使較小直徑夾持部分300B置 於夾鉗內側區域時控制杆閉合後附件不能固定。夾鉗404的較小直徑和夾鉗有限的打開角 度使得較大直徑夾持部分300A不能實體地適合該區域。圖17E示出了夾鉗404隨控制杆部分406沿箭頭A所指方向上移而沿箭頭C所指 方向向內移動時套管300完全夾持於夾具400的夾鉗404之間，夾鉗404處於閉合位置。套 管300剛性並精確地連至機器人臂部件，消毒簾部分處於套管和夾具之間。有利地，外科手術可在外科手術程序期間與操縱器臂部件連接並從其上移除，而 不要求使用中間消毒附件夾具，從而消除了對需要清潔和消毒的可拆卸附件座或調節器的 需要，提高了功效和成本效率。本發明還可輕鬆移除和連接器械、工具或附件至機器人外科 手術系統，而不破壞消毒狀態，例如，一些示例中允許僅用單手更換附件。圖18A-18C示出了根據本發明另一實施例的固定套管300的滑動附件夾具500的 視圖。將夾具500與消毒區有效隔離的套管300和夾具500間的消毒簾部分未示出。夾 具500包括兩個夾鉗502和經滑動移動致動夾鉗502從打開位置至閉合位置的控制杆部分 504。圖18B示出了鎳基合金銷506和可過中心移動以鎖定附件於夾鉗502之間的控制杆 部分504的控制杆手柄512。圖18C示出了磁鐵508和具有用於從套管300的識別環感測 附件識別信息的傳感器510的PCB。圖19A和19B示出了根據本發明另一實施例的樞軸轉動附件夾具600。將夾具600 與消毒區有效隔離的套管300和夾具600之間的消毒簾部分未示出。夾具600包括兩個夾 鉗602和可過中心移動以鎖定附件於夾鉗之間的控制杆手柄604。夾鉗602也包括用於保 持控制杆打開的棘爪606。附件夾具600還包括具有傳感器和連接裝置的底座608，如以上 參照其他實施例所述。圖20示出了根據本發明另一實施例的樞軸轉動附件夾具700。將夾具700與消毒 區有效隔離的套管300和夾具700之間的消毒簾部分未示出。夾具700包括兩個夾鉗702 和也可過中心移動以鎖定附件於夾鉗之間的控制杆手柄704。在此實施例中，底座708包括 用於保持夾鉗處於打開位置的棘爪706，也可包括傳感器和連接裝置，如以上參照其他實施 例所述。夾具700還包括用於使兩個夾具在打開和閉合位置間移動的單個樞軸點710，從而 允許減小夾具的尺寸。可選僅一個夾具需要打開以鬆開附件。圖21A-21B示出了根據本發明另一實施例的捕獲有套管300的樞軸轉動附件夾具 800。將夾具800與消毒區有效隔離的套管300和夾具800之間的消毒簾部分未示出。夾 具800包括兩個夾鉗802和從打開位置移至閉合位置以鎖定附件於夾鉗之間的控制杆手柄 804。控制杆部分還包括使夾鉗從打開位置轉動至閉合位置的樞軸銷810。底座808可包 括用於連接夾具800至機器人操縱器臂部件的連接裝置，如以上參照其他實施例所述。圖 21B示出了用於樞軸轉動控制杆手柄804的樞軸銷812、沿夾具804的凸輪表面滾動的凸輪 從動件814、允許凸輪從動件稍變形但仍傳遞力至夾鉗的彈簧柱塞816、阻止彈簧柱塞退出組件的彈簧銷818以及保持旋轉夾鉗802處於正常打開位置並允許夾鉗在控制杆手柄804 移動時閉合的扭矩彈簧822。夾具800還包括用於從附件感測附件信息的傳感器820。圖22A-22C示出了定位並夾持外科手術套管300於根據本發明實施例的圖 21A-21B所示外科手術夾具800內的透視圖。圖22A中套管300定位於夾鉗之間。圖22B 中控制杆手柄804樞軸轉動直到凸輪從動件814合入棘爪。之後圖22C中的套管300鎖定 於夾鉗之間。有利地，閉合的組件可製造為不高於附件使得套管300的頂面與附件夾具800 的頂面(即夾鉗的頂面)齊平。圖23A-23C示出了根據本發明另一實施例的捕獲有套管300的樞軸轉動附件夾具 900。將夾具900與消毒區有效隔離的套管300和夾具900之間的消毒簾部分未示出。夾 具900包括兩個夾鉗902、控制杆手柄904和用於安裝夾具900至操縱器臂部件遠端的底 座908。圖2 和23C示出了包括用於定位控制杆手柄904於打開和閉合位置之間的棘爪 906的夾具900部分。圖23C示出了使夾鉗902在打開和閉合位置之間樞軸轉動的樞軸銷 910以及磁體912和具有用於從夾持附件感測附件信息的傳感器914的PCB。圖24A-24F示出了定位並夾持套管300於根據本發明另一實施例的外科手術夾具 1000內的透視圖。附件夾具1000包括捕獲或夾持套管300於其間的第一安裝部分1002和 第二安裝部分1004。消毒簾部分(未示出)可定位於第一安裝部分1002和套管300之間。 在另一實施例中，夾具部件(如第一安裝部分)可為消毒簾的部分，因而可被提供消毒並在 之後被丟棄或被重新消毒供以後使用。圖24A和24B示出了第一安裝部分1002在外科手 術過程之前或開始時連接於機器人臂部件(如前臂組件M6)的遠端。圖24C和24D示出 了定位於第一安裝部分1002上方以及其上的套管300。第一安裝部分1002包括形成「凹 處」以容納部分套管300的頂面1006。儘管在此特定實施例中，頂面1006被塑型為部分圓 柱形以符合圓柱形附件的表面，其他形狀和凹處也屬於本發明的範圍。圖24E和24F示出了 第二安裝部分1004置於第一安裝部分1002上方以及連接於第一安裝部分1002，套管300 固定其間。圖25A-25B示出了根據本發明實施例的第一安裝部分1002的透視圖。圖25A示 出了包括固定凸緣(retaining lips) 1008的第一安裝部分1002，該固定凸緣1008與第二 安裝部分1004的固定凸緣匹配。第一安裝部分1002還包括繩環(tether loop) 1010，為 使用方便該繩環1010經纜線(未示出)連接到第二安裝部分1004以保持部件於一體。圖 25B示出了第一安裝部分1002，其包括用於連接固定夾的槽1012和用於連接消毒簾的邊緣 1014。圖26A-26B示出了根據本發明實施例的第二安裝部分1004的透視圖。圖26A示出 了第二安裝部分1004，其包括用於經纜線(未示出)連接第一安裝部分1002的繩環1010 的繩環1016。第二安裝部分1004還包括與第一安裝部分1002上的固定凸緣1008匹配的 固定凸緣1018。上述實施例說明但不限制本發明。還應理解根據本發明的原理可以做出多種修改 和變動。例如，儘管上述實施例中說明的夾鉗和簾部分為圓柱形，用於接收非圓柱形附件的 其他形狀和凹處也屬於本發明的範圍內。因此，本發明的範圍僅由所附權利要求限定。
權利要求
1.機器人外科手術系統的外科手術附件夾具，所述附件夾具包括用於連接至操縱器臂部件遠端的底座，所述底座包括第一安裝部分，所述第一安裝部 分具有用於接收外科手術附件的至少一部分的第一凹處；定位於所述第一安裝部分上的消毒簾部分；和第二安裝部分，其具有用於夾持或鬆開位於所述第一和第二安裝部分之間的所述外科 手術附件的第二凹處。
2.根據權利要求1所述的外科手術附件夾具，其中所述第一安裝部分包括固定凸緣， 所述固定凸緣與所述第二安裝部分上的固定凸緣匹配。
3.根據權利要求1所述的外科手術附件夾具，其中所述第一和第二安裝部分均包括 環，所述環用於連接到與所述第一和第二安裝部分耦合的電纜。
4.根據權利要求1所述的外科手術附件夾具，其中所述外科手術附件是套管，所述套 管確定容納外科手術工具的內腔並且提供穿透皮膚的通路。
5.根據權利要求4所述的外科手術附件夾具，其中所述外科手術工具是從包括牽開 器、穩定器和內窺鏡攝像機的組中選擇的。
6.根據權利要求4所述的外科手術附件夾具，其中所述外科手術工具是從包括夾鉗、 剪刀、抓鉗、持針器、顯微切割儀、釘合器、釘機、抽吸衝洗工具、施夾鉗等具有末端執行器的 鉸接工具以及切割刀片、燒灼探頭、衝洗器、導液管和抽吸孔等非鉸接器械的組中選擇的。
7.根據權利要求1所述的外科手術附件夾具，其中所述消毒簾部分是由從包括高密度 聚乙烯、聚乙烯和聚氨酯的組中選擇的材料製成的。
8.根據權利要求1所述的外科手術附件夾具，其中所述消毒簾部分是較大的簾的真空 成型部分或獨立模製部分。
9.根據權利要求1所述的外科手術附件夾具，其中所述消毒簾部分包括強化物部分。
10.用於在消毒區內執行手術過程的機器人外科手術系統，包括外科手術工具；操縱器組件，其包括操縱器臂部件，所述操縱器臂部件包括近端部分和遠端部分；套管，其確定容納所述外科手術工具的內腔並且提供穿透患者皮膚的通路；用於連接所述套管至所述操縱器臂部件的所述遠端部分的套管調節器，所述套管調節 器包括第一安裝部分，其具有用於接收所述套管的至少一部分的第一凹處；第二安裝部分，其具有用於夾持或鬆開位於所述第一和第二安裝部分之間的所述套管 的第二凹處
11.根據權利要求10所述的機器人外科手術系統，其中所述第一安裝部分包括固定凸 緣，所述固定凸緣與所述第二安裝部分上的固定凸緣匹配。
12.根據權利要求10所述的機器人外科手術系統，其中所述第一和第二安裝部分均包 括環，所述環用於連接到與所述第一和第二安裝部分耦合的電纜。
13.根據權利要求10所述的機器人外科手術系統，其中所述外科手術工具是從包括牽 開器、穩定器和內窺鏡攝像機的組中選擇的。
14.根據權利要求10所述的機器人外科手術系統，其中所述外科手術工具是從包括夾 鉗、剪刀、抓鉗、持針器、顯微切割儀、釘合器、釘機、抽吸衝洗工具、施夾鉗等具有末端執行器的鉸接工具以及切割刀片、燒灼探頭、衝洗器、導液管和抽吸孔等非鉸接器械的組中選擇 的。
15.根據權利要求10所述的機器人外科手術系統，進一步包括消毒簾，所述消毒簾定 位於所述套管調節器和所述操縱器臂部件上，以將套管調節器和所述操縱器臂部件與所述 消毒區有效隔離。
16.根據權利要求15所述的機器人外科手術系統，其中所述消毒簾部分是由從包括高 密度聚乙烯、聚乙烯和聚氨酯的組中選擇的材料製成的。
17.根據權利要求15所述的機器人外科手術系統，其中所述消毒簾是較大的簾的真空 成型部分或獨立模製部分。
18.根據權利要求15所述的機器人外科手術系統，其中所述消毒簾包括強化物部分。
全文摘要
公開了外科手術附件夾具、使用方法以及包括該夾具的機器人外科手術系統。外科手術附件可在外科手術過程期間與操縱器臂部件連接或從其上移除，而不需要使用中間消毒附件夾具，從而消除了對要求清潔和消毒的可拆裝附件座或調節器的需要，提高了功效和成本效率。本發明還可輕鬆移除和連接器械、工具或附件至機器人外科手術系統，而不破壞消毒狀態。
文檔編號A61B19/00GK102058437SQ201110043709
公開日2011年5月18日 申請日期2006年9月26日 優先權日2005年9月30日
發明者A·洛, B·舍納, M·M·尼克森, S·C·安德森, T·G·庫珀, W·伯班克 申請人:直觀外科手術操作公司