用於手術工具的柔性肘節的製作方法

2023-06-13 13:52:16 2

專利名稱：用於手術工具的柔性肘節的製作方法
用於手術工具的柔性肘節
本申請是於2005年5月16日提交的名稱為"用於手術工具的柔 性肘節"的中國專利申請200380103344.5的分案申請。
背景技術：
本發明一般涉及外科手術工具，更具體地是涉及用以進行機器人 外科手術(robotic surgery)的手術工具中的柔性肘節機構。
微創手術技術方面的進步使得以微創方式進行的外科手術數目急 劇增加。微創醫療技術的目的是為了減少診斷或手術期間破壞的無關 組織的量，從而減少病人的康復時間、不適感和有害的副作用。利用 微創手術技術，還可顯著地縮短一個標準外科手術所需的平均住院時 間。因此，更多地採用微創技術可以節省大量的住院時間，而且僅就 住院費用而言每年就可節省數百萬美元。利用微創手術技術，也可以 減少病人的康復時間、病人的不適感和外科手術的副作用。
微創手術最常見的形式就是內窺境檢查。內窺境檢查最常見的形 式就是腹腔鏡檢査，腹腔鏡檢查是在腹腔內進行的微創檢查和手術。 在標準的腹腔手術中，病人的腹部被吹入氣體，插管套穿過小(大約 1/2英寸)切口，從而為腹腔鏡手術器械提供入口。腹腔鏡手術器械通 常包括一個腹腔鏡(用於觀察手術部位)和工作器械。這些工作工具 類似於那些在常規(開腔)手術中使用的工具，所不同的是每個工具 的操作末端或末端執行器都通過一根延長管與該工具的操作柄分離。 此處所用的術語"末端執行器"表示手術器械的實際操作部分，其可 包括例如鉗子、抓緊器、剪刀、吻合器以及持針器等。為了進行手術 過程，外科醫生將這些工作工具或器械穿過插管套，使其到達內部的 手術部位並在腹腔外操縱這些器械。外科醫生通過監視器監控手術的 過程，該監視器顯示出從腹腔鏡取得的手術部位的圖像。類似的內窺 境技術應用於下列檢查中，例如關節內窺境檢査、後腹腔鏡檢查、骨 盆鏡檢査、腎鏡檢查、膀胱鏡檢查、池囊鏡檢査(cistemoscopy)、竇
鏡檢査、子宮鏡檢查、尿道鏡檢査等等。
目前的微創手術(minimally invasive surgical, MIS)有很多缺點。 例如，現有的微創器械所進行的手術沒有開腔手術所具有的控制工具 的柔性。大多數的現有的腹腔鏡工具都有剛性軸，因此很難通過所述 的小切口到達工作部位。另外，很多內窺境器械的長度和結構都會降 低醫生的覺察能力，這種覺察能力可以感受到由組織或器官施加到相 關工具的末端執行器上的力。內窺境工具缺乏靈活性和靈敏性是微創 手術發展的一個主要障礙。
正在幵發的微創遠距離手術機器人系統能夠在體內手術部位中工 作時增加外科醫生的靈活性，也可以使外科醫生遠距離對病人進行手 術。在遠距離手術系統中，外科醫生經常配有計算機工作站提供的手 術部位的圖像。醫生一邊在合適的觀察器或顯示器上觀察手術部位的 三維圖像， 一邊通過操縱工作站的主輸入端或控制裝置對病人執行手 術過程。主輸入端控制以伺服系統方式運行的手術工具的動作。在手 術過程中，遠距離手術系統響應於主控制機構的操作從而驅動和控制 各種具有末端執行器(例如組織抓緊器、針驅動器等)的手術器械或 工具，能夠執行外科醫生的功能，例如，持拿或驅動手術針、抓緊血 管或解剖組織等。
一些手術工具利用滾動一傾斜一擺動(roll-pitch-yaw)機構來提供 末端執行器沿三個正交軸線旋轉運動的三個角度。通常傾斜和擺動旋 轉由一個連接在該工具的柄和末端執行器之間的肘節機構來提供，而 滾動旋轉運動通常由柄的轉動來提供。在大約90度的傾斜位置處，擺 動和滾動轉動會重疊，導致一個旋轉運動角度喪失，這種情況稱為奇 點。

發明內容
本發明涉及具有肘節機構的一種工具的替換實施例，該肘節機構 所提供的傾斜和擺動轉動方式使得工具的滾動、傾斜和擺動不會出現 奇點。所述肘節機構具有一個柔性管狀結構，該柔性管狀結構可以由 一個柔性管或一系列連接到彈簧或類似柔性組件上的盤狀物形成。驅 動纜線或柔性線(例如，由鎳鈦合金製成)延伸穿過肘節機構，並用
於使柔性肘節在傾斜和擺動旋轉方向彎曲。滾動方向的轉動可以通過 轉動一個與肘節機構相連的工具柄來實現。
根據本發明的一個方面， 一個肘節機構包括一個微創手術器械， 該微創手術器械包括一個延長柄，該延長柄具有一個工作端、 一個近 端和一個位於工作端和近端之間的柄軸；以及一個末端執行器。 一個 肘節部件具有一個柔性管和一個內部彈簧，所述柔性管和內部彈簧包 括與所述延長柄的工作端相連的近端部分和與所述末端執行器相連的 遠端部分。所述內部彈簧被布置在所述柔性管的內腔中，而且其軸線 平行於所述柔性管的軸線。多條驅動纜線(或線)具有與所述末端執 行器相連的遠端部分，並從所述遠端部分穿過所述肘節部件朝所述延 長柄方向延伸到近端部分，該近端部分是可驅動的，從而使所述肘節 部件在傾斜和擺動轉動的方向上彎曲。如果用驅動線，那麼這些驅動 線也可以幫助支撐所述末端執行器。
在某些實施例中，所述驅動纜線被置於所述內部彈簧的一個中空
內部。至少三條驅動纜線連接到所述末端執行器。所述驅動纜線的所
述近端部分連接到一個萬向板，該萬向板被設置為驅動所述纜線並鄰
近所述延長柄的所述近端。所述驅動纜線可被置於所述內部彈簧和所
述柔性管之間。所述柔性管可包括內部軸向槽，該軸向槽由所述內部
彈簧的外表面界定從而形成用以接收所述驅動纜線的腔管。所述柔性
管可以包括多個橫向缺口，這些橫向缺口相對於所述柔性管的軸線大 體上是橫向的。
根據本發明的另一個方面， 一個微創手術器械包括一個延長柄， 該延長柄具有一個工作端、 一個近端和一個位於工作端和近端之間的 柄軸；以及一個末端執行器。 一個肘節部件具有一個柔性管，該柔性 管包括一個軸線，該軸線延伸通過一個由一個管壁包圍的內部。所述 柔性管的所述管壁包括多個基本平行於所述柔性管的所述軸線定向的 腔管。所述肘節部件具有一個與所述延長柄的工作端相連的近端部分 和一個與所述末端執行器相連的遠端部分。多條驅動纜線具有與所述 末端執行器相連的遠端部分，並從所述遠端穿過所述肘節部件的管壁 的腔管朝所述延長柄的方向延伸到近端部分，該近端部分是可驅動的， 從而使所述肘節部件在傾斜和擺動轉動的方向上彎曲。
在某些實施例中，所述柔性管的管壁包括十二個腔管。每條驅動 纜線在所述柔性管的管壁的遠端部分迴環，從而延伸穿過兩個相鄰的 腔管。所述柔性管包括多個橫向缺口，這些橫向缺口相對於所述柔性 管的軸線大體上是橫向的。 一個外殼包裹在所述柔性管的外表面的周 圍。所述橫行缺口包括缺口的交替層，每個交替層都包括一對彼此相
對放置的缺口。每層中的缺口的方向與相鄰層的缺口相隔約90度。所 述橫向缺口形成了肋，所述肋連接在所述肋上方和下方的盤狀部分之 間。在所述肋的兩側設置有狹縫，所述狹縫基本沿所述柔性管的軸線 延伸入所述盤狀部分內。
在特定的實施例中，所述柔性管包括一個內管，該內管具有多個 大致平行於所述柔性管軸線定向的槽，以及一個包裹在所述內管周圍 以在所述槽處形成所述腔管的外殼。所述外殼包括一個外部彈簧。柔 性管可以包括多個彈簧，每個彈簧均被放置在所述多個槽中的一個槽 的周圍。內部彈簧可以被放置在所述柔性管的內部的周圍。編織外殼 可以形成在所述柔性管的外表面上。所述編織外殼具有在所述柔性管 的近端和遠端之間以順時針方向纏繞的第一組線，以及在所述柔性管 的近端和遠端之間以逆時針方向纏繞的並與所述第一組線編結在一起 的第二組線。
在某些實施例中，所述柔性管包括多個軸向滑動部件，該軸向滑 動部件通過大致平行於所述柔性管軸線的軸向連接彼此可滑行地相 連。所述軸向連接包括一個舌槽連接。在另一版本中，每個軸向滑動 部件包括一個用於接收一條驅動纜線的腔管。所述柔性管包括多個彼 此相連並被放置在所述柔性管的圓周的軸向彈簧。每個軸向彈簧的線 圈與相鄰軸向彈簧的線圈重疊從而使所述腔管中的一個用於接收一條 驅動纜線。所述柔性管可以包括波形彈簧(wave spring),該波形彈簧 具有多個沿著所述柔性管軸線串連起來的波形彈簧區段，該彈簧區段 包括高點和低點。 一個波形彈簧區段的高點連到相鄰波形彈簧區段的 低點。
根據本發明的另一個方面， 一個微創手術器械包括一個延長柄， 該延長柄具有一個工作端、 一個近端和一個位於所述工作端和所述近 端之間的柄軸；以及一個末端執行器。肘節部件具有一個內部彈簧，
其包括一個與所述延長柄工作端相連的近端部分和一個與所述末端執 行器相連的遠端部分。所述肘節部件具有多個沿著所述內部彈簧的軸 線分布的環狀盤。每個所述環狀盤的內邊與所述內部彈簧相連。多條 驅動纜線具有連到所述末端執行器的遠端部分，並從所述遠端穿過所 述肘節部件朝所述延長柄的方向延伸到近端部分，該近端部分是可驅 動的，從而使所述肘節部件以傾斜和擺動旋轉運動的方式彎曲。
在某些實施例中，所述盤包括多個孔，所述驅動纜線延伸穿過所 述孔。每個所述盤都包括一對彼此相對放置的內舌片，該內舌片從內 邊延伸到所述內部彈簧的線圈間的間隙內。相鄰的盤被定向為一個盤
的內舌片與相鄰盤的內舌片相隔約90度。每個所述盤都包括一個外配 合表面和一個內配合表面用於在相鄰盤間配合， 一個盤的所述外配合 表面和相鄰盤的所述內配合表面配合。所述外配合表面和所述內配合 表面大體上是球形的。多個彈性部件中的每個都被放置在相鄰盤之間 並與相鄰盤連接。肘節外殼被放置在所述內部彈簧和所述環狀盤外。 所述肘節外殼包括一個由不導電材料製成的平螺旋線(flat spiral)。所 述平螺旋線包括巻曲邊，這些巻曲邊在所述螺旋殼的相鄰層之間重疊。 所述平螺旋線包括大體上平行於所述內部彈簧的軸線定向的凹槽。


圖1是根據本發明一個實施例的一種手術工具的透視圖； 圖2是根據本發明一個實施例的一種肘節的剖視圖； 圖3是圖2的肘節沿著m-ni線的剖視圖； 圖4是根據本發明另一個實施例的一種肘節的透視圖； 圖4A和圖4B分別是類似於圖4的一種肘節實例的遠端部分的俯 視圖和正視圖，具體示出了纜線的布置情況；
圖5是根據本發明另一個實施例的一種肘節的透視圖； 圖6是根據本發明另一個實施例的一種肘節的俯視圖； 圖7是根據本發明另一個實施例的一種肘節的剖視圖； 圖8是根據本發明另一個實施例的一種肘節的俯視圖； 圖9是圖8的肘節的正視圖，該肘節具有一個工具柄和一個萬向
板；
圖IO是根據本發明另一個實施例的一種肘節的俯視圖； 圖11是圖IO的肘節的正視圖12是根據本發明另一個實施例的一種肘節的正視圖13是根據本發明另一個實施例的一種肘節的俯視圖14是根據本發明另一個實施例的一種肘節的一部分的剖視圖15是圖14的肘節在彎曲時的局部剖視圖16是根據本發明另一個實施例的一種肘節的透視圖17是圖16的肘節的俯視圖18是根據本發明另一個實施例的一種肘節部分的剖視圖； 圖19是根據本發明另一個實施例的一種肘節的透視圖 圖20是根據本發明另一個實施例的一種肘節的俯視圖 圖21是根據本發明另一個實施例的一種肘節的透視圖22是根據本發明另一個實施例的一種肘節的一部分的剖視圖23和圖24是圖22肘節中的盤狀物的俯視圖25是一種用於圖22的肘節的一種外殼部件的透視圖26是圖25的外殼部件的剖視圖27是根據本發明另一個實施例的一種肘節的透視圖28是根據本發明一個實施例的一種肘節外殼的剖視圖29是根據本發明另一個實施例的一種肘節外殼的剖視圖30是根據本發明另一個實施例的一種肘節外殼的一部分的透視圖。
具體實施例方式
在此所用的"末端執行器"指的是實際工作的遠端部分，該部分 能夠通過肘節部件操縱進行某項醫療功能，例如，對目標組織進行預 定的處理。例如，某些末端執行器具有單個操作部件，例如解剖刀、 刀片或電極。其他的末端執行器具有一對或多個操作部件，例如鑷子、 抓緊器、剪刀或施夾鉗。在某些實施例中，盤狀物或椎骨狀物具有孔 口，這些孔口共同界定了沿肘節的縱向腔管或空間，從而提供了一個 用於大量替換元件或工具中任一個的通道，這些替換元件或工具與末 端執行器相連。具體實例包括，用於電動末端執行器的導體(例如電
外科電極、轉換器、傳感器等)；用於液體、氣體或固體的管道(例 如，用於吸入、吹入、灌入、液體處理、附件導入、切片取出等)； 用來驅動末端執行器部件動作的機械元件(例如，用於操作夾子、鑷 子、剪子的纜線、柔軟元件或關節元件)；波導器；聲導元件；光纖 元件等等。這樣的縱向管道可以配有襯裡、絕緣體或導向元件，例如 彈性聚合物管、螺旋線繞管等。
本文中使用的"手術器械"、"器械"、"外科工具"、"工具" 指的是如下部件該部件具有一個工作末端，該工作末端將一個或多 個末端執行器導入病人腔體內的手術部位，而且是從腔體外可驅動的， 以操縱一個或多個末端執行器，從而對手術部位的目標組織進行處理 或執行醫療功能。所述器械或工具通常包括一個在遠端帶有末端執行 器的柄，所述器械或工具優選通過遠距離手術系統以伺服方式驅動， 從而執行諸如持拿或驅動手術針、抓緊血管和解剖組織之類的功能。
本文所描述的各種柔性肘節的實施例製造相對便宜，並能夠用於 燒灼術，雖然它們的並不局限於用於燒灼術。對於MIS應用，工具可 插入部分的直徑很小，典型地是大約12 mm或更小，優選地是5 mm 或更小，以便於允許很小的切口。應該理解的是，雖然詳細描述的實 施例標明了這個尺寸範圍，但這些實施例可以改變比例以包括更大或 更小的器械。
某些肘節實施例採用了一系列盤狀物或類似元件，當以傾斜和擺 動方式彎曲時，這些元件以類似蛇形的方式運動(例如圖14和22)。 這些盤狀物是環形盤，可並且可以有圓形的內徑和外徑。通常，這些 肘節機構的每個都包括一系列盤狀物，例如，大約十三個盤，這些盤 可以厚約0.005英寸到0.030英寸，是蝕刻不鏽鋼盤。較薄的盤可以用 在中間部分，而較厚的盤應該用在末端區域以提供額外的強度從而能 夠吸收纜線力，例如在末端盤周圍的纜線U形轉彎處施加的力。末端 盤可以包括一個沉孔(例如深度大約為0.015英寸)，中心彈簧可以裝 配到該沉孔中以將來自纜線的載荷轉換成中心彈簧的壓縮。這些盤可 以被串在一個內部彈簧上，該內部彈簧作為腔管用於拉扯某個末端執 行器(例如鉗子、燒灼連接機構、或帶有尖端的鏈繩)的纜線。內部 彈簧也提供了軸向剛度，因此鉗子或鏈繩上的力不會使肘節機構變形。
在某些實施例中，這些盤包括一對相對地布置的被內部彈簧抓獲的內 部突出物或舌片。除了彈簧中某些位置處需產生空隙以插入盤狀物的
突出物之外，內部彈簧處於一個最大壓縮高度(solidheight)(當彈簧 沒有變形時，連續螺距(successive helix pitch)的彈簧絲互相接觸)。 盤狀物在突出物方向上的交替改變可以使傾斜轉動和擺動轉動的交替 改變。典型的內部彈簧由直徑O.Ol英寸的線製成，相鄰盤狀物彼此之 間由四個彈簧線隔幵。如果該彈簧由沿著繞邊扁平線製成(如同一個 軟彈簧(slinky))，就可以由纜線施加較高的軸向力而不會使相鄰的 線跳跨過彼此。
在某些實施例中，每個盤狀物都有十二個均勻隔開的孔以接收驅 動纜線。三條纜線就足以將肘節以任何所需的方向彎曲，調節單條纜 線上的張力以產生所需的彎曲動作。因為很小的肘節直徑和由手術力 施加到肘節上的力矩，三條纜線內的應力會很大。通常使用不止三條 纜線來降低每條纜線內的應力(包括用於控制目的冗餘的額外纜線)。 在下述的某些實例中，使用十二條或更多的纜線(參考下面對圖4的 討論)。為了驅動纜線，可以使用萬向板或搖板。萬向板利用兩個標 準的輸入來操縱纜線從而能夠相對於傾斜軸和擺動軸以任意角度彎曲 肘節。
一些肘節由管狀部件製成，該管狀部件的柔性足以傾斜和擺動的 方式彎曲(例如，圖2和圖4)。可以包括內部彈簧。該管狀部件可以 包括缺口以降低結構剛度從而便於彎曲(例如，圖5和圖19)。 一種 製造肘節的方法是在中心孔和控制線孔內插入線和海波管(hypotube) 芯軸。可以製作一個鑄模，然後該機構可以利用在烘箱內(例如，在 約165°C)固化的二元鉑固化矽橡膠(two-part platinum cure silicone rubber)被過模成型(overmold)。成型後拉出芯軸從而產生通道以形 成用來拉扯纜線的中心腔管和周邊腔管。通過這種方式，肘節就沒有 外露的金屬部分。橡膠可以承受熱壓處理，並可以在肘節彎曲期間承 受拉伸，該拉伸通常是約30%的應變。
在特定的實施例中，管狀部件包括多個軸向滑動部件，每個軸向 滑動部件都有一個用於接收驅動纜線的腔管(例如，圖8)。管狀部件 可以由多個軸向彈簧形成，其中這些彈簧的線圈與相鄰彈簧的線圈重
疊從而形成用來接收驅動纜線的腔管(例如，圖10)。管狀部件可以 由一疊波形彈簧形成(例如，圖12)。管狀部件內的腔管可以由軸向 彈簧的內部形成(例如，圖16)。管狀部件的外部可以是編織形成的 從而提供抗扭剛度(例如，圖27)。
A. 由繞線支撐的具有線的肘節
圖1示出了一個肘節10，其被連接在手術工具的遠端末端執行器 12和近端工具柄或主管14之間的。所示的末端執行器12包括安裝到 遠端掛鈎(clevis) 18的夾子16，從圖2可以清晰地看出。遠端掛鈎 18包括側訪問槽20用以容納多條線或纜線24的遠端巻絲22，纜線24 的近端連著海波管26，該海波管26延伸穿過平臺或導向件30，並穿 過工具柄14的內部。導向件30對海波管26和線組件定向，並固定到 該器械的工具柄14上。當工具柄14以滾動方式運動時，導向件30也 可以驅動肘節10的滾動運動。側訪問槽20方便地將巻絲22壓住定位。 當然，可以在其他的實施例中用其他的方法將線24固定到遠端掛鈎18 上，例如雷射焊接。
圖2和圖3示出了四條線24，但在另一個實施例中可以使用不同 數目的線。線24可以由鎳鈦合金(nitinol)或其他合適的材料製成。 線24產生了肘節10的關節，並且被堅固地連接在遠端掛鈎18和海波 管26之間。繞線34以類似於巻簧的形式纏繞在線24上，並在遠端掛 鉤18和海波管26之間延伸。收縮管36覆蓋住繞線34和部分遠端掛 鉤18和導向件30。當推拉海波管26使肘節10傾斜和擺動時，繞線 34和收縮管36使線24彼此之間保持一個固定距離。它們也向肘節10 提供了抗扭剛度和總剛度，使得肘節可以和工具柄14一起滾動並可以 抵抗外力。繞線和收縮管可以在其他實施例中設計成不同的形式(一 個優選實施例示於圖27中，並在下面的J部分中描述)。例如，它們 可以變為一個五腔管擠壓件(extrusion)，而線24是內部元件。當肘 節10滾動、傾斜、和/或擺動時，繞線或等效結構的作用是使線24與 中心線保持一個恆定距離。
B. 由驅動纜線彎曲的具有柔性管的肘節
圖4所示的肘節40包括一個具有孔或腔管43的管42，這些孔分 布在圓周的周圍以接收驅動纜線或線44，這些纜線可以由鎳鈦合金制 成。管42是柔性的，從而允許通過拉扯纜線44使其以傾斜和擺動的 方式彎曲。肘節40優選包括一個剛性的遠端終止盤41 (如圖4B的替 換實施例所示)或其他的加強件，該加強件的剛性比柔性管42顯著強， 從而能夠將纜線力均勻地分配到柔性管42。管42的中空中心為末端執 行器的纜線(例如抓握纜線)提供了空間。通常具有至少四個腔管。 可以一個內部彈簧47。
圖4所示的特定實施例的十二個腔管用以容納六條纜線44，該纜 線44在管42遠端形成U形轉折45。對於使用相同的纜線拉力來獲取 相同的傾斜和擺動彎曲，使用較多的纜線數目可以使管42具有較大的 剛度。例如，用十二條纜線替代四條纜線意味著對於同樣的纜線拉力 管42的剛度是原來的三倍。可選地，如果保持相同的管42的剛度， 用十二條線替代四條線意味著所需的纜線拉力要以係數3來降低。注 意，雖然材料性質和纜線的應力級別可以允許U形轉折45直接支撐在 管42的遠端，但也可以包括一個加強的遠端終止板41以將纜線力更 均勻地分布在管42上。纜線44的近端可以連到一個致動機構，例如 一個包括萬向板46的機構，其在2002年6月27日提交的專利號為 10/187,248的美國專利申請中公開，該申請的全部公開內容在這裡以引 用方式引入。該機構便於以一種協調的方式來驅動所選擇的多條纜線， 以控制可彎曲或可操縱的部件，例如控制柔性肘節的彎曲角度和方向。 申請10/187,248的致動機構的實例適於以某種合適的方式驅動大量的 外圍纜線，從而能夠協調地操縱柔性部件，而不需要較多的線性控制 器。或者，可以使用獨立的線性控制致動機構來拉緊每條繞在滑輪上 並與旋轉致動器一起運動的纜線或纜線對，通過協調多個線性致動器 對操縱過程進行控制。
管42通常由彈性模量足夠低的塑性材料或彈性體製成，從而允許 在傾斜和擺動方向上充分彎曲，並且可以由多腔管擠壓件製成從而包 括多個腔管，例如，十二個腔管。通常希望該管具有較高的彎曲剛度 以限制不需要的變形，例如S形的彎曲，但是這增加了傾斜和擺動方 向上的彎曲所需的纜線力。如下面討論的那樣，可以利用比需要的數
目更多的纜線(即超過三條纜線)來操縱肘節傾斜和擺動，以提供足 夠大的纜線力來克服該管的高彎曲剛度。
圖4A和圖4B示意地示出一個類似於圖4所示的肘節實施例內的 兩種不同纜線布局的一個實例。注意，對於不變的總纜線橫截面積， 包括成對的纜線和包括較多數目的相應較小纜線都可以使纜線相對於 肘節中心線終止在更大的橫向偏移位置處。圖4A和圖4B分別示出了 肘節實施例的俯視圖和正視圖，它們由分界線分開，每個圖的右側所 示為肘節實例l，而每個圖的左側所示為肘節實例2。在每個實例中， 管42都有相同的外半徑R和界定中心腔管的內半徑r。
在實例1中，肘節40.1中纜線44的數目為4 (wl=4)，每條纜線 都各自終止於遠端錨44.5 ，該遠端錨設置在遠端終止板41的埋頭孔內， 每條纜線都延伸穿過各自的橫向纜線腔管43，該腔管位於遠端終止板 41和柔性管42內。遠端錨44.5可以是陷型球(swaged bead)或其他 常規的纜線錨。
在實例2中，肘節40.2中的纜線44'的數目等於16 ("2=16)，纜 線布置成八個對稱相隔部分對44'，每對都以遠端"U形轉折"末端環 45終止，該末端環45支撐在相鄰纜線腔管43，間的遠端終止板41，上。 可以對腔管43'開口處遠端終止板41'的稜邊進行倒圓以降低應力集 中，而且末端環45可以部分或全部埋入遠端終止板41內。這十六條 纜線44'的直徑是四條纜線44的直徑的1/2，因此在每個實例中纜線的 橫截面總面積是相同的。
比較實例1和實例2，採用末端環45可以省去纜線錨44.5所需的 遠端體積，而且能使纜線腔管43'比纜線腔管43離管42的半徑R更近。 另外，每條纜線44'較小的直徑使得纜線中心線更靠近纜線腔管43'的 外邊。上述兩個性質使得實例2中的纜線相對於管42的中心所產生的 力臂L2大於實例1的對應力臂L1。對於管42上相同的總彎曲力矩， 更大的力臂L2使得纜線應力較低(從而使纜線的使用壽命更長或者可 以有更大的纜線材料選擇範圍)，或者，對於相同的纜線應力可以產 生更大的彎曲力矩(從而允許更大的肘節定位剛度)。而且，直徑較 小的纜線比相對較粗的纜線更加柔性。因此，肘節40的優選實施例包 括不止三條纜線，優選地至少六條纜線(例如，三對環形纜線)，而
且更優選地包括十二條或更多條纜線。
注意，在遠端終止板41處所示的錨或終止點是示例性的，如果所 選材料的性質適於所施加的應力，那麼纜線可以被終止(通過錨或環)
以直接支撐在管42的材料上。或者，纜線可以向遠端延伸超過管42 和/或遠端終止板41，從而通過連接到更遠端的末端執行器部件(未示 出)而終止，纜線的張力被足夠地偏置，以在肘節動作的操作範圍內， 保持末端執行器可靠地連接到肘節40。
一種從結構上降低管的剛度的方法是提供缺口，如圖5所示。管 50在兩側包括多個缺口 52，而且缺口分別在兩個垂直方向上交替出現 以便於在傾斜和擺動方向上彎曲。多個腔管54被分布在圓周周圍以容 納驅動纜線。
在圖6所示的另一個實施例中，管60被製成包著內部彈簧62的 外部套管，形成內部彈簧62的材料的剛度大於管60的材料剛度。管 60包括內部槽64以接收驅動纜線。提供一個單獨形成的柔性管可以簡 化裝配。與具有纜線穿引孔的管比較，這樣的一個管更易擠壓，或成 形。這種管也可以使工具有執行終端結構或錨的驅動纜線，因為可以 從中心腔管內將纜線安放到位，然後在纜線內側插入內部彈簧以保持 纜線的間距和固定。在某些情況下，管60可以是經過消毒的單個使用 元件，但不必要能夠經受熱壓處理。
圖7所示的管70具有缺口 72，該缺口 72可以類似於圖5的管50 中的缺口 52。管70可以由塑料或金屬製成。外殼74位於管70的周圍。 外殼74可以是Kapton (聚醯亞胺)殼或類似物，其材料通常具有較高 的彈性模量，而且外殼具有可以套入缺口72內的皺褶。
C.具有使用軸向舌槽的滑動部件的肘節
圖8和圖9所示的肘節80具有多個柔性的軸向滑動部件82，這些 部件82通過軸向舌槽連接84彼此連接或互鎖形成管狀肘節80。每個 滑動部件82都構成管80的縱向區段。軸向連接84允許滑動部件82 彼此之間軸向滑動，而同時能夠保持每個部件相對於肘節縱向中心線 的橫向位置。每個滑動部件82都包括一個用於接收驅動纜線的孔或腔 管86，該驅動纜線的終端鄰近肘節80的遠端。圖9示出了在纜線90
的纜線拉力的作用下肘節80的彎曲，滑動部件82的滑動能夠助於彎 曲。纜線90延伸穿過工具柄92，並朝近端連接到致動機構，例如用於 致動的萬向板94。因為在肘節80彎曲期間滑動部件82的曲率半徑不 同，所以滑動部件82以不同的程度彎曲。或者，具有軸向滑動部件的 肘節的一個實施例可以具有整體式的纜線和滑動部件，例如，從而滑 動部件可以作為整體式滑動部件在纜線周圍整體地形成(例如，通過 擠壓)，或者致動機構連接到滑動部件的近端，滑動部件將力直接傳 遞到肘節的遠端。
圖13所示的肘節130具有多個軸向部件132，該軸向部件132通 常由柔性塑性材料製成。軸向部件132可以在纜線134上一同擠出， 因此纜線可以是金屬的，並仍然分離開。軸向部件132可以通過軸向 舌槽連接136彼此連接從而形成管狀肘節130。在肘節130在傾斜和擺 動方向上彎曲期間，軸向部件132彼此之間可以滑動。肘節130類似 於圖8的肘節80，但具有稍稍不同的結構，而且組件具有不同的形狀。
D.具有重疊的軸向彈簧部件的肘節
圖10和圖11所示的肘節100由多個軸向彈簧102形成，該軸向 彈簧被布置在圓周周圍，從而形成管狀肘節IOO。彈簧102為巻簧，這 些巻簧以相同方向纏繞，或者更可能地，以相反方向纏繞。纜線104 延伸穿過每對相鄰彈簧102的重疊區，在圖11中可以更清晰地看出。 因為重疊的緣故，如果肘節在纜線張力的作用下完全壓縮，則肘節IOO 的最大壓縮高度將是單個彈簧102最大壓縮高度的兩倍。通常彈簧102 都預加載到壓縮狀態，因此纜線不會鬆弛，從而增加了肘節穩定性。
在一個替換方案中，當肘節處於中立(neutral)或未彎曲狀態時， 通過纜線的預張力彈簧被壓到完全壓縮的最大壓縮高度狀態。在肘節 一側可控制地、協調地減小纜線張力或釋放纜線會使一側張開，因此 肘節100 —側的彈簧張開從而形成彎曲肘節100的外半徑。在外側重 新施加纜線拉力會使肘節恢復到直的結構。
在另一個替換方案中，當肘節處於中立(neutral)或未彎曲狀態時， 通過纜線的預張力使彈簧被壓到部分壓縮狀態。在肘節一側可控制地、 協調地增大纜線張力或拉扯纜線會使那一側收縮，因此肘節100 —側
的彈簧縮短從而形成彎曲肘節100的內半徑。可選地，這可以與在外
半徑處的張力釋放(如上述第一個替換方案所述)組合使用。當恢復 初始的纜線拉力時，肘節會返回到直的結構。
E. 具有波形彈簧部件的肘節
圖12所示的肘節是波形彈簧120的形式，波形彈簧120具有多個 波形彈簧區段或組件122，這些組件122堆疊起來或纏繞起來形成管狀 的波形彈簧肘節120。在一個實施例中，波形彈簧由一條連續的扁平線 以類似螺旋狀的方式纏繞形成，其中每圈的波形都不同，使得一圈的 高點和下一圈的低點接觸。這樣的彈簧可以購買到，例如，從Smalley Spring Company購得。在波形彈簧肘節120內形成的孔用來接收驅動 纜線。或者，多個分離的盤狀波形彈簧區段可被珠形焊(strung bead-fashion)到驅動纜線上(由纜線固定或者互相粘合)。
所示的波形彈簧區段122每個都有兩個相對的高點和兩個相對的 低點，這些點以90度隔開。這種結構便於傾斜和擺動方向的彎曲。當 然，波形彈簧區段122可以具有其他的結構，例如在肘節120圓周的 周圍具有額外的高點和低點的更密的波形。
F. 具有使用球形配合表面的盤狀物的肘節
圖14所示的是肘節140的幾個區段或盤狀物142。內部彈簧144 設置在盤狀物142的內部空間內，而多個纜線或線145被用於在傾斜 和擺動方向彎曲肘節140。盤狀物142可以串在或連接在內部彈簧144 上，內部彈簧144作為腔管用於拉扯帶有末端執行器的纜線。內部彈 簧144提供了軸向剛度，因此通過拉扯纜線向末端執行器所施加的力 不會使肘節140變形。在替換實施例中，可以用疊制的實心隔板來替 代彈簧144以達到這種作用。盤狀物142每個都包括外配合曲面146 以配合相鄰盤狀物的內配合曲面148。圖15所示的肘節14彎曲伴隨著 盤狀物142間的相對轉動。例如，盤狀物142可以由塑料或陶瓷製成。 優選地，球形配合表面146、 148間的摩擦力不應該大到妨礙肘節140 運動的程度。 一種緩和這種潛在問題的方法就是選擇合適的內部彈簧 144，在纜線145驅動肘節140彎曲期間，該彈簧144能夠承受一些壓
力載荷從而防止過多的壓力載荷加在盤狀物142上。內部彈簧144可 以由矽橡膠或類似材料製成。附加的矽元件150也可以包圍驅動纜線。 在替換實施例中，分離的盤狀物142可以被一個連續的螺旋帶替代。
在替換實施例中，肘節160中每條纜線都容納在圖16和圖17所 示的彈簧圈162內。也提供了內部彈簧164。盤狀物170沒有環形外緣 和接收纜線的孔(如圖14和圖15的盤142內的情形)。彈簧圈162 內的實心芯軸線172沿著盤狀物170的外圍放置定位。中心芯軸線174 放在中間用以纏繞內部彈簧164。該部件可以由矽樹脂或類似材料封裝 (pot)，然後可移走芯軸線172、 174。某種形式的殼或類似組件可以 用來防止矽樹脂粘到盤狀物170的球形配合表面。纏繞小芯軸彈簧172 時預留小的間隙(而不是最大壓縮高度)，從而當肘節160彎曲時提 供收縮空間。矽樹脂應充分結合到盤狀物170上以向所結合的組件(盤 狀物170和彈簧172、 174)提供抗扭剛度。絕緣的矽樹脂材料可以作 為燒灼工具的燒灼絕緣，該燒灼工具包括有肘節160。
G. 具有被彈性部件隔開的盤狀物的肘節
圖18所示的肘節180具有多個被彈性部件184隔開的盤狀物182。 彈性部件184可以是環狀部件，或者可以包括多個分布在盤狀物182 圓周周圍的塊。類似於圖14的肘節140，內部彈簧186設置在盤狀物 182和彈性部件184的內部空間內，而多個纜線或線188用於在傾斜和 擺動方向上彎曲肘節180。盤狀物182可以串在或連接到內部彈簧186 上，內部彈簧作為腔管用於拉扯帶有末端執行器的纜線。內部彈簧186 提供了軸向剛度，因此通過拉扯纜線向末端執行器所施加的力不會使 肘節180變形。與肘節140比較，肘節180的結構更類似於人體的脊 骨。彈性部件184可以彈性變形從而可以使肘節180在傾斜和擺動方 向彎曲。使用彈性部件184就不需要盤狀物182之間的配合表面，從 而避免了相關的摩擦力。
H. 具有用交替的肋來支撐盤狀物進行傾斜和擺動彎曲的肘節
圖19所示的肘節190包括多個盤狀物192，該盤狀物192由定位 在相互垂直的方向上的交替的梁或肋194、 196支撐從而便於肘節190
的傾斜和擺動彎曲。肘節190可以由管制成，即除去相鄰盤狀物192 間不要的部分以留下相鄰盤狀物192間基本互相垂直的肋194、 196的 交替層。盤狀物192具有孔198用於使驅動纜線通過其中。盤狀物192 和肋194、 196可以由各種材料製成，例如鋼、鋁、鎳鈦合金或塑料。 在如圖20所示的肘節200的一個替換實施例中，盤狀物202包括窄槽 204以替代孔來接收纜線。與具有纜線穿孔的管比較，這樣的管更容易 擠壓成形。在盤狀物202上纏繞彈簧206以支撐纜線。
在圖21中，肘節210的盤狀物212由交替的梁或肋214、 216支 撐，肋在其兩側都有深達盤狀物212內的缺口或切口 217從而使得肋 214、 216比盤狀物212間的間距要長。對於相同的肘節長度，與圖19 中的肘節190相比這種結構便於彎成更小的曲率半徑，或者便於用較 短的肘節獲得相同的曲率半徑。在這些實施例中，相鄰盤狀物212間 的角度通常是大約15度。盤狀物212具有孔218用於接收驅動纜線。
I.利用沿著巻簧分布的薄盤的肘節
圖22所示為一個肘節220的一部分，肘節220的巻簧222具有多 個沿著巻簧222長度方向上分布的薄盤224。圖22的肘節部分僅示出 了兩個薄盤224A和224B，薄盤224A和224B由彼此互相垂直的舌片 226來定位，如圖23和圖24所示。除了用於在其中插入薄盤224的間 隙之外，彈簧222以最大壓縮高度纏繞。在鄰近薄盤224的內邊和舌 片226處，彈簧222連到薄盤224。薄盤224可以通過蝕刻形成，包括 用以接收驅動纜線的孔228。在肘節220傾斜和擺動彎曲期間，舌片 226作為支點使得彈簧222可以在某些位置彎曲。在一些實施例中薄盤 224可以相對堅硬，但在另外的實施例中薄盤可以足夠柔軟以致在肘節 220彎曲期間，薄盤能夠彎曲並作為彈簧元件使用。可以在巻簧222 和薄盤224的周圍提供矽樹脂外殼作為介質絕緣體。另外，彈簧222 和薄盤224可以由外部結構保護，例如，由圖25和圖26的外殼部分 或外部套管部件250形成的。每個外部套管部件250包括外配合面252 和內配合面254。 一個外部套管部件250的外配合面252與相鄰外部套 管部件250的內配合面254配合。外部套管部件250沿著彈簧222的 長度方向疊制起來，並且在它們因肘節220彎曲而轉動時，外部套管
部件250仍保持接觸。
J.具有外部編織線的肘節
準確地說，柔性肘節取決於各種材料相對於所加載荷的剛度。艮P， 如果所用的材料的剛度越大、和/或肘節的長度越短、和/或肘節的直徑 越大，那麼在所施加的給定手術力作用下，肘節的側向變形越小。如 果拉伸纜線的柔量可以忽略，就可以精確計算出肘節末端的角度，但 在一個不能被纜線抵消的力的作用下仍會出現偏斜或橫向變形。如果 肘節是直的，並且施加這樣的力，例如，肘節會呈現S形的變形。抵 消這個力的一種方法就是為肘節使用剛度足夠的合適材料和合適的幾 何形狀。另一種方法就是使一半的拉伸纜線終止在肘節長度的一半處， 然後儘量拉伸剩下的一半纜線，如美國專利申請10/187,248所述的那 樣。更好地抵抗S形變形需要肘節承受力矩的能力。而另一種避免S 形變形的方法使在肘節的外部提供編織外殼。
圖27所示的肘節270具有管272，該管272被外部線274纏繞。 每個線274都纏繞成可以包括管272兩端間大約360度的旋轉區間。 為增加肘節270的抗扭剛度並避免肘節270的S形變形，外部線274 可以纏繞形成管272上的編織外殼。為了形成編織外殼，包括右手組 和左手組(即， 一個順時針， 一個逆時針)的兩組線編織在一起。編 結或編織能防止順時針線和逆時針線相對於彼此發生徑向移動。由此 產生了抗扭剛度，例如，因為在扭轉作用下， 一組線的直徑將增大而 另一組線將縮小。編織可以防止一組線不同於另一組線，因此抵抗了 扭轉變形。通常希望外部線274的鋪設長度等於肘節270的長度，因 此當肘節270以圓弧彎曲時，編織的每個線都不需要增加長度，雖然 此時需要外部線274軸向滑動。編織線可以抵抗肘節270的S形變形， 因為它需要外圍線274增加長度。另外，編織線還可以作為外部套管 保護肘節不受擦傷或刮傷。如果編織外殼是不導電的，它還可以位於 最外層作為肘節270的外部套管。增加肘節的抗扭剛度和避免肘節的S 形變形也可以通過層疊的彈簧來實現，層疊的彈簧起始是右手方向纏 繞的，然後蓋上左手方向纏繞的彈簧，然後再蓋上另一個右手方向纏 繞的彈簧。這些彈簧不需要編織在一起。K.肘節外殼
上述公開了某些用於肘節的外部套管和外殼。圖28和圖29示出 肘節外殼的另外的實例。在圖28中，肘節外殼280由不導電材料例如 塑料或陶瓷製成的平螺旋線。當肘節被彎曲時，螺旋外殼280的不同 線圈會在彼此上滑動。圖29所示的肘節外殼290包括彎曲或巻曲邊292 以確保相鄰螺旋層之間會重疊。為給肘節提供抗扭剛度，肘節外殼300 可以包括平行於肘節軸線的突稜或凹槽302。突稜302作為從一個螺旋 層到下一個螺旋層的鍵，構成用於肘節的扭轉穩定機構。還有結構類 似支架(stent)的鎳鈦合金雷射外殼。
上面所介紹的裝置結構和方法僅為了闡釋本發明原理的應用，在 不脫離本發明權利要求確定的精神和範圍的前提下，可以作出很多其 它實施例和變化。因此，本發明的範圍不應該參照上述說明來確定， 而應該參照所附權利要求即其所有等效物來確定。
權利要求
1.一種醫療器械，其包括一個柄，其具有一個遠端部分和一個近端部分；一個肘節，其具有一個近端部分和一個遠端部分，所述肘節的近端部分連接到所述肘節的遠端部分，所述肘節包括一個柔性管狀支撐部件，其從所述肘節的所述近端部分延伸到所述肘節的所述遠端部分；以及一個包裹在所述支撐部件周圍的外部層，所述外部層具有比所述支撐部件的硬度更低的硬度，所述外部層包括至少三個腔管，所述腔管從所述肘節的所述近端部分延伸到所述肘節的所述遠端部分；所述器械進一步包括至少三條驅動纜線，所述纜線中的每一條纜線從所述肘節的遠端部分穿過所述至少三個腔管中的一個對應腔管到所述肘節的遠端部分。
2. 根據權利要求1所述的器械，其中所述支撐部件是彈簧。
3. 根據權利要求1所述的器械，所述至少三條驅動纜線中的每一 條纜線進一步從所述肘節的近端部分穿過所述柄到所述柄的近端部 分，所述器械進一步包括連接到所述柄的近端部分的驅動機構，所述 機構包括至少三個旋轉驅動器，所述驅動器連接到所述至少三條驅動 纜線中的對應纜線。
4. 根據權利要求3所述的器械，其中所述管的操縱通過協調所述 旋轉驅動器的驅動進行控制。
5. 根據權利要求3所述的器械，所述肘節進一步包括末端執行器 腔管，所述器械進一步包括一個末端執行器，其被連接到所述肘節的遠端部分； 至少一個末端執行器控制元件，其被連接到所述末端執行器，所 述末端執行器控制元件從所述末端執行器穿過所述肘節的末端執行器腔管穿過所述柄到所述柄的近端部分；一個末端執行器控制機構，其被連接到所述末端執行器控制元件， 所述末端執行器控制機構被連接到所述柄的近端部分。
6. 根據權利要求5所述的器械，所述末端執行器控制元件包括驅 動纜線，並且所述末端執行器控制機構包括連接到所述驅動纜線的旋 轉驅動器。
7. 根據權利要求6所述的器械，所述末端執行器包括鉗子，所述 末端執行器控制元件包括抓握纜線，所述末端執行器控制機構包括所 述抓握纜線。
8. 根據權利要求5所述的器械，所述末端執行器包括電極，並且 所述末端執行器控制元件包括電導體。
9. 根據權利要求1所述的器械，所述驅動纜線被配置成使所述肘 節的遠端部分相對於所述肘節的近端部分關於擺動軸和傾斜軸彎曲， 所述擺動軸與所述傾斜軸交叉。
10. 根據權利要求1所述的器械，所述肘節的遠端部分被連接到終 止元件，所述至少三條驅動纜線中的每一條纜線被插入穿過所述終止 元件中的對應孔。
11. 根據權利要求IO所述的器械，所述終止元件包括一個剛性盤。
12. 根據權利要求10所述的器械，所述終止元件包括一個環。
13. 根據權利要求l所述的器械，所述肘節包括至少一個間隙。
14. 根據權利要求13所述的器械，所述至少一個間隙包括在至少 兩個垂直方向上交替的多個缺口 。
15. 根據權利要求14所述的器械，其中所述缺口位於所述柔性支 撐部件中。
16. 根據權利要求14所述的器械，其中所述缺口位於所述外部層中。
全文摘要
一種醫療器械，其包括一個柄，其具有一個遠端部分和一個近端部分；一個肘節，其具有一個近端部分和一個遠端部分，所述肘節的近端部分連接到所述肘節的遠端部分，所述肘節包括一個柔性管狀支撐部件，其從所述肘節的所述近端部分延伸到所述肘節的所述遠端部分；以及一個包裹在所述支撐部件周圍的外部層，所述外部層具有比所述支撐部件的硬度更低的硬度，所述外部層包括至少三個腔管，所述腔管從所述肘節的所述近端部分延伸到所述肘節的所述遠端部分；所述器械進一步包括至少三條驅動纜線，所述纜線中的每一條纜線從所述肘節的遠端部分穿過所述至少三個腔管中的一個對應腔管到所述肘節的遠端部分。
文檔編號A61B17/00GK101181167SQ20071016936
公開日2008年5月21日 申請日期2003年12月2日 優先權日2002年12月6日
發明者S·C·安德森, T·G·庫珀 申請人:直觀外科手術公司