CN101273876A - 摄像头保持设备及其保持方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于腹腔镜手术的摄像头保持器，所述摄像头保持器设置有在四个自由度上操纵的装置，以及在腹腔镜手术的过程中将内窥镜管的空间位置控制到任何方位的装置，从而内窥镜到达被操作身体中的位于工作包络线内的任何期望区域。还公开一种用于在腹腔镜手术中将内窥镜管的空间位置控制到任何方位、从而使外科医生到达被操作身体中的位于工作包络线内的任何期望区域的方法，所述方法包括下列步骤：获得如上所述的摄像头保持器；将所述内窥镜装配到所述托架中；以及控制并操纵所述内窥镜；其中，所述控制并操纵所述内窥镜的步骤提供所述内窥镜在四个自由度上的运动。

Description

摄像头保持设备及其保持方法

本申请是国际申请日为2006年4月20日、国际申请号为PCT/IL2006/000478、国家申请号为200680018914.4、名称为“改进腹腔镜手术的装置和方法”的发明申请的分案申请。

技术领域

本发明公开一种用于腹腔镜手术的摄像头保持设备和机构。该摄像头保持设备易于安装和拆卸、使用舒适、不会限制外科医生的灵活操作、具有小的物理尺寸并且成本低廉。

背景技术

在腹腔镜手术中，外科医生采用长的器械穿过小孔进行手术并用内窥摄像头来观察内部组织。内窥镜通常由摄像头助手保持，因为外科医生必须用双手来进行手术。外科医生的表现在很大程度上取决于摄像头相对于器械的位置以及示于显示器上的稳定画面；并且所示画面必须处于正确的方位。主要问题是助手难于将内窥镜保持在正确的空间位置、稳定地握住内窥镜，保持景象位于正确的方位。为了克服这些问题，已经开发出了若干新技术，在外科医生进行操作的同时采用机器人保持住内窥镜，例如Lapman、Endoassist等。但是这些技术成本高、难于安装、使用起来不舒适，限制了外科医生的灵活操作并且物理尺寸比所有手术工具大很多。相对于所需的动作，因为若干臂的运动，它们的运动束缚很多。另一种机器人，LER(由TIMC-GMCAO实验室开发)美国专利申请第200/6100501号包括直接置于患者腹部上的紧凑型摄像头保持机器人及容纳有电源和机器人控制器的电子箱。LER具有相对小的尺寸，但是其具有必须附连到患者皮肤或者非常靠近患者皮肤的直径为110mm的底环。该环占据患者身体上的位置从而限制外科医生的动作：选定其他套管针的位置、使外科医生变换到进行程序的常规方式、有时迫使安装过程长达40分钟。而且，LER只有3个自由度并且不能控制示出给外科医生的画面的方向(LER不能绕其纵向轴线旋转内窥镜)。

现在参见图1a、1b、1c，其示出描述了这些技术的现有技术的示意图。

对于患者来说腹腔镜手术变得越来越受欢迎，因为伤疤较小且其恢复期较短。腹腔镜手术需要外科医生或妇科医生以及手术室医护人员进行专门训练。设备通常是昂贵的，并且不是所有医院都能提供。在腹腔镜手术的过程中，经常需要移动内窥镜的空间位置以便为外科医生提供最好的图像。常规的腹腔镜手术利用人工移动器械的人力助手或者可替代地利用自动化机器人助手(诸如日本专利第06063003号)。

然而，即便是经过改进的技术也还是限制了外科医生的灵活操作并且不能提供四个自由度。那些技术的另一缺点是缺乏在所述腹腔镜手术的过程中将内窥镜管的空间位置控制到任何方位从而使外科医生到达位于手术身体中的工作区内的任何期望区域的能力。

因此，长期以来还需要一种摄像头保持器，该摄像头保持器允许稳定地保持并控制内窥镜，而不会限制外科医生的灵活操作，并且该摄像头保持器将提供四个自由度。再者，长期以来还需要一种摄像头保持器，该摄像头保持器将提供在所述腹腔镜手术的过程中将内窥镜管的空间位置控制到任何方位从而使外科医生到达位于手术身体中的工作区内的任何期望区域的能力。

发明内容

本发明的目的是公开一种用于腹腔镜手术的摄像头保持器；其中，所述摄像头保持器设置有在四个自由度上操纵的装置；此外，所述摄像头保持器设置有在所述腹腔镜手术的过程中将内窥镜管的空间位置控制到任何方位的装置，从而所述内窥镜到达被操作身体中的位于工作包络线内的任何期望区域。

本发明的另一目的是公开如上所述的摄像头保持器，其中，所述摄像头保持器适于具有小的物理尺寸。

本发明的另一目的是公开如上所述的摄像头保持器，其中，所述摄像头保持器包括：

a.托架；所述托架适于连接到所述内窥镜以及与所述内窥镜分开；所述托架包括：

i.至少一个变焦机构；

ii.至少一个内窥镜旋转机构；

b.旋转DF；以及

c.滑动DF。

本发明的另一目的是公开如上所述的摄像头保持器，其中，所述摄像头保持器另外还包括：

a.马达箱；

b.适于将运动传递到所述变焦机构的装置；

c.适于将运动传递到所述内窥镜旋转机构的装置；

d.适于将运动传递到所述内窥镜旋转DF的装置；

e.适于将运动传递到所述滑动DF的装置。

本发明的另一目的是公开如上所述的摄像头保持器，其中，所述变焦机构适于提供变焦动作；并且所述内窥镜旋转机构适于使所述内窥镜绕其长轴旋转；另外，所述内窥镜旋转机构和/或所述变焦机构和/或所述旋转DF和/或所述滑动DF适于独立于所述摄像头保持机构的其他移动部件。

本发明的另一目的是公开如上所述的摄像头保持器，其中，所述摄像头保持器是一次性的。

本发明的另一目的是公开如上所述的摄像头保持器，其中，所述摄像头保持器另外还包括快速释放手柄，所述快速释放手柄适于在不改变任一所述自由度的情况下将所述内窥镜拆卸出所述托架。

本发明的另一目的是公开如上所述的摄像头保持器，其中，所述摄像头保持器另外还包括可伸缩导引件，所述可伸缩导引件适于提供所述内窥镜沿所述内窥镜的纵向轴线的运动。

本发明的另一目的是公开如上所述的摄像头保持器，所述摄像头保持器另外还包括：

a.变焦环；

b.定向环；

c.至少两根线缆，所述线缆的特征是具有长度L₁和L₂；

d.弹簧，所述弹簧的特征是具有抗性K；以及

e.底环；

其中，长度L₁和L₂能够随所述弹簧的抗性K变化，从而所述定向环相对于所述底环移动。

本发明的另一目的是公开如上所述的摄像头保持器，其中，所述旋转机构包括至少一根线缆、至少一个蜗轮，所述线缆适于旋转所述蜗轮，使得所述内窥镜旋转。

本发明的另一目的是公开如上所述的摄像头保持器，其中，所述旋转机构包括至少一个滑轮组，所述滑轮组适于控制所述内窥镜的空间角位置。

本发明的另一目的是公开如上所述的摄像头保持器，其中，所述摄像头保持器另外还包括使所述摄像头保持器适于移动的装置。

本发明的另一目的是公开如上所述的摄像头保持器，其中，所述装置包括：(a)至少一个可调节臂；以及(b)包括至少一个马达的底座，所述可调节臂将所述摄像头保持器与所述底座耦联起来。

本发明的另一目的是公开如上所述的摄像头保持器，其中，所述变焦机构选自包括调节线缆机构、平行四边形杆机构、弹簧机构、减力机构、旋转线缆机构以及双弹簧变焦机构的集合。

本发明的另一目的是公开如上所述的摄像头保持器，其中，所述摄像头保持器包括：操纵内窥镜机构；力承载系统；以及力源。

本发明的另一目的是公开如上所述的摄像头保持器，其中，所述操纵内窥镜机构包括：

a.至少一根线缆；

b.至少一个弹簧；以及

c.至少一根杆；

所述力承载系统包括：

a.至少一根线缆；

b.至少一个链条；以及

c.至少一根杆；

所述力源包括：

a.至少一个马达；和/或至少一个致动器；至少一个活塞。

本发明的另一目的是公开一种用于在腹腔镜手术中将内窥镜管的空间位置控制到任何方位、从而使外科医生到达被操作身体中的位于工作包络线内的任何期望区域的方法。该方法包括选自下列各项的步骤：(a)获得如上所述的摄像头保持器；(b)将所述内窥镜装配到所述托架中；以及(c)控制并操纵所述内窥镜从而获得最优视野；其中，所述控制并操纵所述内窥镜的步骤提供所述内窥镜在四个自由度上的运动。

本发明的另一目的是公开如上所述的方法，所述方法另外还包括向所述期望区域拉近和/或从所述期望区域拉远从而实现更高精确度的步骤。

本发明的另一目的是公开如上所述的方法，其中，所述拉近和/拉远的步骤另外还包括沿所述内窥镜纵向轴线移动所述内窥镜的步骤。

本发明的另一目的是公开如上所述的方法，所述方法另外还包括旋转所述内窥镜的步骤。

本发明的另一目的是公开如上所述的方法，所述方法另外还包括从所述托架拆卸出所述内窥镜的步骤。

本发明的另一目的是公开如上所述的方法，所述方法另外还包括控制所述内窥镜沿所述内窥镜长轴的旋转角的步骤。

本发明的另一目的是公开如上所述的方法，所述方法另外还包括从包括调节线缆机构、平行四边形杆机构、弹簧机构、减力机构、旋转线缆机构以及双弹簧变焦机构的集合中选择所述变焦机构的步骤。

本发明的另一目的是公开如上所述的方法，所述方法另外还包括将所述摄像头保持器调节成能够移动的步骤。

本发明的另一目的是公开如上所述的方法，所述方法另外还包括以下步骤：通过独立于所述机构的其他移动部件启动内窥镜而在不改变所述内窥镜空间定位的任何自由度的情况下从所述变焦机构中拆卸出所述内窥镜，从而整个系统无需重新定位。

附图说明

为了理解本发明并弄清楚本发明在实践中可以怎样实施，下面通过仅作为非限制性的示例并参照附图进行解释，附图中：

图1a、1b、1c示出现有技术的示意图；

图2是该摄像头保持器的示意图；

图3是该摄像头保持器的示意性剖视图；

图4示意性地示出只具有一个弧形导引件的机构；

图5示意性地示出该机构的四个自由度；

图6和7是可伸缩导引件的示意图；

图8a、8b、8c示意性地示出用于腹腔镜手术的摄像头保持机构的图例；

图9示出内窥镜穿过小切口插入腹部或胸部的方式；

图10示出根据本发明实施方式的整个系统的示意图，其包括三个主要部分：操纵内窥镜机构(1)；力承载系统(2)；以及操纵系统致动器(3)；

图11示出根据本发明另一实施方式的摄像头保持器的示意图；

图12是该摄像头保持器的示意图，其示出定向环相对于底环的运动；

图13是定向环不同位置的示意图；

图14是根据本发明实施方式的“调节线缆”变焦机构的示意图；

图15示出旋转机构的示意图；

图16示出该机构的可移动特征；

图17是该机构置于床边的示意图；

图18a、18b、19a、19b、20示出用于变焦机构的三种方案：图18a和18b是“平行四边形杆机构”；图19a和19b是“弹簧机构”；以及图20是“减力设备”；

图21是置于内窥镜运动机构上的滑轮组的示意性截面图；

图22是图21的三维示意图；

图23是通过旋转线缆实现的“旋转线缆”变焦机构的示意图，其中线缆沿不同方向转动具有接头的中央螺杆；

图24示出根据本发明实施方式的整个系统的示意图，该系统包括三个主要部分：操纵内窥镜机构(1)；力承载系统(2)；以及操纵系统致动器(3)；

图25示出操纵内窥镜机构(1)的示意图；

图26示出沿图25中的滑动连杆11a、11b、11c的示意性剖视图；

图27示出根据本发明另一实施方式的变焦机构(“双弹簧变焦机构”)；

图28a、28b和28c示意性地示出根据本发明另一实施方式的旋转机构；

图29示意性地示出内窥镜运动范围的包络线；

图30示意性地示出该机构操作而通过改变可伸缩臂的整体长度来控制内窥镜的一个角度的方式；

图31示意性地示出该机构操作而通过旋转可伸缩臂来控制内窥镜的另一角度(β)的方式；

图32a示意性地示出该机构的可移动特征；以及

图32b示意性地示出该系统的定位功能的俯视图：旋转角γ，以及X滑动件的水平定位。

具体实施方式

下面所提供的描述连同本发明的所有章节将使本领域的技术人员都能够应用本发明，并说明了发明人认为实施本发明的最佳方式。然而，对于本领域的技术人员来说，各种改型仍是显而易见的，因为已经特别地限定了本发明的通用原理以提供用于腹腔镜手术的摄像头保持机构。

本发明提供一种用于腹腔镜手术的摄像头保持器。该摄像头保持器设置有以四个自由度操纵的装置。

该摄像头保持器设置有在腹腔镜手术的过程中将内窥镜管的空间位置控制到任何方位从而使内窥镜到达位于手术身体中的工作区内的任何期望区域的装置。

本发明还提供一种在腹腔镜手术的过程中将内窥镜管的空间位置控制到任何方位从而使外科医生到达位于手术身体中的工作区内的任何期望区域的方法。该方法包括选自下列各项的步骤：(a)获得如上所述的摄像头保持机构；(b)将内窥镜组装到托架内；以及(c)控制和操纵内窥镜从而获得最优的图像；

操纵内窥镜的步骤具有四个自由度。

下文中术语“滑轮”意指具有介于环绕其周缘的两个凸缘之间的凹槽的轮，凹槽中通常定位有缆绳、线缆或皮带。滑轮用于改变所施加的力的方向、传递旋转运动、或者在线性或旋转运动系统中实现机械利益。

下文中术语“万向节”意指使物体能够绕单个轴线旋转的枢转支撑件。

下文中术语“小的物理尺寸”意指人手掌的物理尺寸。

下文中术语“四个自由度”意指图5中示出的四个独立的自由度。

下文中术语“调节线缆机构”意指图14中描绘的变焦机构。

下文中术语“平行四边形杆机构”意指图18a和18b中描绘的变焦机构；

下文中术语“弹簧机构”意指图19a和19b中描绘的变焦机构；

下文中术语“减力机构”意指图20中描绘的变焦机构；

下文中术语“旋转线缆机构”意指图23中描绘的变焦机构；

下文中术语“双弹簧变焦机构”意指图27中描绘的变焦机构；

下文中术语“变焦导引杆”意指图25中描绘的杆。

现在参阅图2和3，图2和3示出摄像头保持设备100。

如从图2所能看到的，摄像头保持器100包括具有沿旋转方向的自由度(DF)的机构(下文中标示为旋转DF)304、具有滑动自由度(DF)的机构(下文中标示为滑动DF)305以及托架309。托架309包括旋转和变焦机构。旋转DF 304、滑动DF 305以及托架309可以是一次性的。图2中还能够看到摄像头308、内窥镜307以及套管针306。图2示出摄像头保持器100的机构。该摄像头保持器包括两个主要部分：第一部分是弧形的，其中内窥镜能够被前后驱动同时能够左右移动(滑动DF和旋转DF)；第二部分309的特征是变焦和内窥镜旋转性能。该机构允许在0°至90°的角度内前后移动和定位内窥镜以及在0°至180°的角度内左右地移动和定位内窥镜。

如上所述，该摄像头保持器包括弧形托架，其沿弧形导引件移动万向节机构。该弧形件的基座包括一个托架，该托架容纳前后移动螺帽10的导引螺杆15。该移动螺帽通过连杆20连接到万向节，所述连杆将线性螺帽运动传递给万向节机构，从而导致万向节机构沿弧形导引件(滑动DF)前后移动。导引螺杆托架(前后螺杆托架30)连接到另一机构(旋转DF)，其使第一部分绕导引螺杆的纵向轴线从一侧旋转到另一侧。该机构同时还可以提供转动导引螺杆所需的运动。这种设计允许移动第一部分的马达优选地通过柔性轴或铰接轴隔开一段距离地连接。该隔开是非常有用的特征，因为机构的体积变得很小。

变焦和旋转机构：

变焦机构和内窥镜旋转机构定位在同一托架309中。该托架连接到在弧形件中滑动的万向节。弹簧的一个端部连接到万向节，另一端部连接到机构托架从而使托架不会向下移动。金属线的一个端部也连接到万向节并且另一端部连接到机构托架，从而使万向节和托架之间保持期望的距离。

这些机构可以通过耦联到置于马达箱中的马达的柔性轴来操作，或者通过直接附连到所述机构的轴的马达来操作。

内窥镜旋转机构

柔性轴将置于马达箱中的马达耦联到使齿轮旋转的齿轮轴。前述齿轮具有用于内窥镜的近部的中央通道。锁定子机构(未图示)适于固定及释放内窥镜307。

变焦机构

柔性轴连接到齿轮轴。在拉下的过程中，以机械方式连接到齿轮的滚筒向上卷绕金属线，从而使滚筒和衬套之间的距离变短。当马达停止运转时，弹簧保持金属线的张力。齿轮的结构防止弹簧185未经许可地移动传动箱体。在拉远运动的过程中，马达沿相反方向旋转。展开的金属线使弹簧延伸。因而变焦传动箱体上升。

弹簧可以是图3c、5、6中示出的可伸缩导引件的一部分。

现在参阅图3，图3示出第一部分的剖视图。旋转导引螺杆导致移动螺帽的线性运动。在螺帽10向前移动的情况下，其推动连接到万向节的一串连杆20。连杆的运动由置于弧形导引路径40中的微型轮导引。在图2中，连杆的运动经由另一连杆20借助连接件60等直接传递到外万向节50。除了机构的物理尺寸，连杆的数目没有原则性限制。

现在参阅图3a，图3a示意性地示出另外还包括覆盖摄像头308的消毒套筒131的摄像头保持器。

现在参阅图3b，图3b示出整个机构的不同视图。图3c另外还示出了处于伸展位置的可伸缩导引件55。

现在参阅图4，图4示出该机构的仅采用一个弧形导轨311和单条连杆312的另一种实现形式。该结构具有一些其他优点：整个机构比较薄并且比较小，并且例如在需要清洗内窥镜的镜头的情况下允许内窥镜和该机构更快地连接和脱开。

现在参阅图5，图5示出该机构的四个自由度：绕e1旋转(由旋转DF提供)；绕e2旋转(由滑动DF提供)；绕e3旋转(由内窥镜旋转机构提供)和沿e3变焦。

现在参阅图6和7，图6和7示出可伸缩导引件55的机构。该可伸缩导引机构使内窥镜能够以“变焦运动”的方式移动，在变焦运动中内窥镜沿其纵向轴线移动。现在参阅图6，图6示出托架309和弧形机构(例如图3所示)之间的连接。可伸缩导引件55将托架309连接到内万向节62。如前面所解释的，万向节沿弧形件滑动，并且在弧形件左右转动时，万向节与弧形件一起移动。在保持与内万向节62刚性连接的同时，可伸缩导引件使内窥镜307能够以变焦运动的方式移动，此时内窥镜沿其纵向轴线移动。

内窥镜307被锁定在托架309中并穿过内万向节62。快速释放手柄61适于将所述托架309卸出所述内窥镜，而不会改变所述自由度中的任意一个。

变焦机构的组件在图7中解释。

图7示出该变焦机构的组件。蜗杆1(标示为71)由柔性轴(该图中未示出——图8中为303)或者直接由微型马达顺时针或逆时针旋转。当蜗杆1旋转时，其使齿轮1(标示为72)也旋转。

齿轮1(标示为72)与滚筒1(标示为73)具有相同的轴，当齿轮1旋转时，滚筒1也旋转并卷绕或展开(根据旋转方向)卷绕滚筒的金属线75。

当旋转导致展开金属线时，容纳在可伸缩导引件55中的弹簧185张开并向上推动托架，增加万向节62和托架309之间的距离，导致“拉远”运动。

当旋转导致卷绕金属线时，万向节62和托架309之间的距离缩短，导致“拉近”运动。

图7还示出了该机构的使内窥镜绕其纵向轴线旋转的组件。此机构包括蜗杆2(标示为76)和齿轮2(标示为77)。

蜗杆2(标示为76)可以由柔性轴(该图中未示出——图8中为303)或者直接由微型马达顺时针或逆时针旋转。当蜗杆2(标示为76)旋转时，其使齿轮2(标示为77)也旋转。在本发明的实施方式中，齿轮可以通过摩擦力直接附连到内窥镜。当齿轮2(标示为77)旋转时，内窥镜也沿相同方向旋转。

在本发明的另一实施方式中，如图28b所示，齿轮2(标示为77)可以通过销转动，该销穿过环上的孔，环通过摩擦力直接附连到内窥镜。当齿轮2(77)旋转时，该环旋转并且内窥镜也沿相同方向旋转。

现在参阅图8a、8b、8c，图8a、8b、8c示出用于腹腔镜手术的摄像头保持机构的示例。该摄像头保持器包括马达箱301和变焦及旋转机构309、滑动DF、旋转DF、用于拉动滑动件的臂300以及具有柔性金属线的管303，所述柔性金属线将旋转力矩传递给变焦机构的组件。

本发明总体上涉及控制用于腹腔镜手术的内窥镜系统的装置和方法，其中，内窥镜(摄像头308耦联到其内)穿过小切口插入腹部或胸部，如图9所示。

本发明的另一目的是提供一种用于控制腹腔镜手术中的内窥镜管的空间位置的新型装置。本设备价格低廉、易于安装和拆卸、使用起来非常舒适，不会限制外科医生的灵活操作并具有小的物理尺寸。

本发明的小尺寸通过下列步骤实现：

1.将移动部件与马达分开并通过线缆和/或轴装置传递马达动力；

2.应用线性变焦机构，允许独立于机构中的其他移动部件进行全范围变焦动作，例如不像通过机械臂的组合运动实现线性变焦动作的其他机器人；

3.获得旋转机构，该旋转机构使内窥镜独立于该机构的其他移动部件绕其长轴旋转，例如不像其他的不能对非期望旋转运动进行补偿的机器人(例如LER)或者通过产生大运动的机械臂的组合运动以获得小旋转的机器人(AESOP Endoassist LapMan)。

现在参阅图10，图10示意性地示出根据本发明实施方式的整个系统。根据该实施方式，该系统包括三个主要部分：

操纵内窥镜机构(1)；力承载系统(2)；以及力源(3)。操纵内窥镜机构可包括线缆、弹簧和杆。力承载系统可包括线缆、链条、杆。力源可包括马达或者/并且可包括致动器和活塞。

现在参阅图11，图11示出根据本发明另一实施方式的摄像头保持器的示意图。该摄像头保持器包括：变焦环1；变焦机构2；定向环3；长度分别为L₁、L₂和L₂的三根线缆4a、4b和4c；弹簧5；以及底环6。7描绘的是手术身体上的小孔。当L₁和L₂的长度连同弹簧力改变时，定向环相对于底环移动并到达一个平衡点，如图12所示。虽然变焦动作能够通过协调地缩短线缆L₁、L₂、L₃来实现，但是该机构包括独立于线缆长度L₁、L₂、L₃进行动作的另外变焦选项。

当张紧时所述线缆的不同长度固定定向环的位置，如图13所示。控制线缆长度的机构允许定向线缆移动并允许内窥镜倾斜到期望的角度。尽管外科医生的操作无需改变方向，但是内窥镜须绕其长度轴线旋转。

图14示意性地示出根据本发明实施方式的“调节线缆”变焦机构1400(可替代变焦机构示出在图18a、18b、19a、19b、20、23和27中)。变焦动作是内窥镜沿前后方向的移动，其不改变朝向。如从图14中所能看到的，该变焦机构另外还包括调节线缆141、具有枢轴P_1，2、P_2，3、P_3，4、P_1，4的闭合四连杆R1、R2、R3、R4，线性弹簧容置调节线缆，该线性弹簧的第一端位于枢轴P_1，4处并且第二端位于枢轴P_2，3处。

耦联弹簧142和调节线缆决定枢轴P_1，2和P_1，4之间的距离，因此决定内窥镜的变焦位置。

现在参阅图15，图15示出旋转机构的示意图。如从图15中所能看到的，旋转线缆151耦联到连接至内窥镜环的蜗轮152。当线缆使蜗轮152旋转时，连接到内窥镜环153的齿轮也旋转，并且穿过其中的内窥镜旋转相同的量。

现在参阅图16所示摄像头保持器的可移动特征。如图16所示，摄像头保持器另外还包括可调节臂161和包括马达的底座162。该机构能够通过导轨171置于床边，如图17所示。

现在参阅示出不同变焦机构的图18a、18b、19a、19b和20：

(1)“平行四边形杆机构”(见图18a、18b)

(2)“弹簧机构”。该弹簧将环变焦机构和定向环机构连接起来(见图19a、19b)；以及

(3)“减力机构”(见图20)。

微型马达卷绕Z线缆。该支撑系统一方面可以减小压缩弹簧所需的力，另一方面可以增加变焦运动的敏感度。为了获得小的变焦运动，需要绕许多圈。

现在参阅图18a和18b，图18a和18b示意性地示出根据“平行四边形杆机构”的变焦机构。

如从图18a和18b所能看到的，该变焦机构包括平行四边形杆25、弹簧22、变焦环21、定向环23以及驱动Z线缆20。

在第一阶段(图18a)，弹簧22被压缩。当Z线缆20被拉动时，压缩弹簧22被释放(见图18b)，变焦环21和定向环23之间的距离减小。以这种方式产生变焦运动，并且内窥镜307从位置h₀移动到位置h₁。释放和拉动驱动Z线缆20允许连续地深度固定该变焦装置。

现在参阅图19a和19b，图19a和19b示意性地示出另一变焦机构——“弹簧机构”。如从图19a和19b所能看到的，该变焦机构包括环变焦机构21、定向环23以及连接环变焦机构21和定向环23的弹簧24。

当Z线缆20被拉动时，弹簧24被压缩(如从图19b中所能看到的)，并且环变焦机构21和定向环23之间的距离减小。

现在参阅图20，图20示意性地示出另一变焦机构——“减力机构”。如从图20所能看到的，该变焦机构包括马达27、环变焦机构21、定向环23以及连接环变焦机构21和定向环23的减力设备28。

现在参阅图21和22，图21和22示出改变线缆长度的另一可替代方案。根据图21和22，在该另一可替代方案中线缆长度变化是基于滑轮组70的运动来实现的。滑轮组定位在内窥镜运动机构上。图21示出示意性截面图。滑轮组70包含具有轴和金属线的滚筒。该滑轮组可以通过任何类型的刚性或柔性轴来操作。这种结构具有采用相同原理的另一实施方式：通过采用金属线长度的组合来控制内窥镜的空间角位置。如前所述，该滑轮组在卷绕穿过上述调节臂的金属线的机构中具有某些优点。

在图22中示出了其三维图，其还示出致动旋转机构的金属线80。

现在参阅图23，图23示出“旋转线缆”变焦机构。可通过转动中央螺杆的旋转线缆来实现该变焦机构，该中央螺杆包括两个方向相反的不同螺杆——螺杆R 231和螺杆L 232，当中央变焦机构向第一方向——即顺时针方向旋转时，螺帽靠近并且内窥镜做拉远运动。当中央变焦机构向第二方向——即逆时针方向旋转时，螺帽之间的距离增加并且内窥镜做拉近运动，如图23所示。

现在参阅图24和25，图24和25示出根据本发明另一实施方式的整个设备的示意图。如从图24所能看到的，该设备包括：操纵内窥镜机构(1)；力承载系统(2)；以及操纵系统致动器或力源(3)。图25示出操纵内窥镜机构(1)的示意图。该机构包括：旋转连杆12；线性连杆11a、11b、11c、11d；万向环机构14；变焦导引杆15；内窥镜变焦及旋转机构16；线缆管13。手术身体上的小孔以标号7示出，内窥镜4穿过小孔进入腹腔。

现在参阅图26，图26示出沿滑动连杆11a、11b、11c的示意性剖视图。线缆头17安装在连杆11a头部处的孔中。当连杆11a被线缆18拉动时，其克服弹簧19a、b的推力滑入连杆11b，因此万向节14的中心和旋转连杆12的中心之间的距离变短。当线缆18释放时，弹簧19a将连杆11a从连杆11b中推出并将连杆11b从连杆11c中推出，从而万向节14的中心和旋转连杆12的中心之间的距离变长，在两种情况下，万向节都相对于小孔移动并且改变内窥镜的朝向。当线缆不移动时，通过所述弹簧的意欲向外推动连杆的推力和线缆的张力而在每个位置处保持平衡。变焦动作在腹腔镜手术中是非常重要的。改变聚焦使外科医生能够看到手术器官的重要细节——例如“拉近”，并能够在将内窥镜从视野移远——例如“拉远”——时检查手术情形的总体状况。另一重要的特征是能够进行变焦运动、同时保持图像的中心不移动。如果变焦运动在不改变内窥镜方向的情况下进行，则可以实现上述操作。

现在参阅图27，图27示出满足上述需要的双弹簧变焦机构270。变焦动作是指在不改变内窥镜方向的情况下内窥镜运动入腹腔(拉近)以及从腹腔拉出(拉远)。“拉近”动作通过缩短线缆16a实现，而“拉远”动作通过伸长线缆16a的长度实现。弹簧19a和19b意图增加连杆对15a、15b和连杆对15c、15d之间的角度，从而产生“拉远”运动。线缆16a的长度决定“拉近”的量。当内窥镜不运动时，弹簧力和线缆张力之间存在一个平衡。箱体16包括两个独立的机构，所述两个独立的机构控制内窥镜沿长轴的线性运动——例如“拉近”、“拉远”，以及内窥镜沿长轴的旋转角。

现在参阅图28a、28b和28c，图28a、28b和28c示意性地示出控制内窥镜的例如“拉近”和“拉远”的线性运动的另一主要机构。

沿内窥镜的长轴旋转的能力在腹腔镜手术中是非常重要的。在使内窥镜通过插入点7旋转以便改变内窥镜方向——例如图29所示角α和角β的组合——时，角度变化的分量可能不是沿着内窥镜的长轴。该角度分量可能导致内窥镜的不期望的旋转，其结果是导致在外科医生显像屏上观察到的画面的讨厌的旋转运动。在传统的腹腔镜手术中，握持内窥镜的人员凭直觉进行所需的改变从而保持手术视野不会不期望地旋转，例如保持移动画面始终平行于自身。

图28a、图28b和图28c示出满足上述需要并且允许快速移除内窥镜以便清洗其镜头的旋转机构(80)。齿轮163允许内窥镜杆307穿过其中心以进行转动和滑动。销164从齿轮163的上表面竖起。盘状件165紧固到内窥镜杆4。在组装内窥镜时，箱体16的上壁打开且内窥镜穿过齿轮163的中心进入一个位于下壁上的孔内，并穿过例如万向节14的环，直到销164旋入盘状件165的孔166内。然后箱体16的上壁封闭，防止内窥镜从箱体16中移出，从而确保内窥镜和整个变焦机构之间的联接。单独的内窥镜旋转通过旋转螺杆162来实现，螺杆162移动齿轮163并借助耦联的盘状件165移动内窥镜307。螺杆162的动力源可以是传递来自置于箱体16中或附近的小马达或“远程”马达的旋转运动的旋转线缆。需要时，上述机构允许将内窥镜从变焦机构快速地拆卸出而不改变其空间定位的任何自由度。这种性能非常重要，因为外科医生无需对系统重新定位。获得这种性能的原因是因为内窥镜307在保持住整个变焦机构的定位方面不起任何作用。连杆15、弹簧19和线缆16a之间的平衡维持住变焦的深度，并且销164和孔166之间的约束关系保持住旋转的角度。当内窥镜再次组装时，内窥镜恢复到其最初的空间位置。

在进行手术时，外科医生必须能够将内窥镜移动到任何期望的方位。内窥镜运动范围的包络线示出在图29中。

现在参阅图30，图30示意性地示出该机构工作从而通过改变可伸缩臂的总长来控制内窥镜角度的方式。图30示出在起始位置P0——例如α＝0——处的内窥镜307的角运动。启动滑动机构导致万向环14从点A运动到点B、从而使内窥镜307绕插入点7旋转到期望位置P1。当与连杆11a、11b、11c的缩短结合在一起时，万向节14和插入点7之间的距离改变，导致非期望的变焦运动。可计算该运动距离并通过受控的变焦运动来进行补偿。

现在参阅图31，图31示意性地示出该机构工作从而通过旋转可伸缩臂来控制内窥镜的例如β的另一角度的方式。图31示出位于起始位置P₀处的内窥镜307的角运动。启动旋转机构导致万向环14从点A到点B做例如角度为

的径向运动，导致内窥镜307绕插入点7旋转角度β而到达期望位置P₁。当旋转臂11时，万向节14和插入点7之间的距离改变，导致非期望的变焦运动。可计算该运动距离并通过受控的变焦运动来进行补偿。该机构臂的两种独立运动的结合使外科医生能够将内窥镜移动到任何方位，并且抵达工作包络线内的任何期望位置。

现在参阅图32a所示机构的可移动特征。该机构被置于床边、位于轨道201上、并且能够通过移动滑动件202沿轨道201置于任何位置处；为了到达所需位置，外科医生还能够绕枢轴203旋转该系统并通过沿套体204滑动该系统来改变高度。图32b通过俯视图示意性地示出该系统的定位功能：旋转角γ以及X滑动件的水平位置。

Claims (24)

1. 一种用于腹腔镜手术的摄像头保持器，其中，所述摄像头保持器设置有在四个自由度上操纵的装置；此外，所述摄像头保持器设置有在所述腹腔镜手术的过程中将内窥镜管的空间位置控制到任何方位的装置，从而所述内窥镜到达被操作身体中的位于工作包络线内的任何期望区域。

2. 根据权利要求1所述的摄像头保持器，其中，所述摄像头保持器适于具有小的物理尺寸。

3. 根据权利要求2所述的摄像头保持器，其中，所述摄像头保持器包括：

a.托架(309)，所述托架适于连接到所述内窥镜以及与所述内窥镜分开，所述托架包括：

i.至少一个变焦机构；

ii.至少一个内窥镜旋转机构；

b.旋转DF(304)；以及

c.滑动DF(305)。

4. 根据权利要求3所述的摄像头保持器，其中，所述摄像头保持器另外还包括：

a.马达箱；

b.适于将运动传递到所述变焦机构的装置；

c.适于将运动传递到所述内窥镜旋转机构的装置；

d.适于将运动传递到所述内窥镜旋转DF的装置；

e.适于将运动传递到所述滑动DF的装置。

5. 根据权利要求4所述的摄像头保持器，其中，所述摄像头保持器是一次性的。

6. 根据权利要求4所述的摄像头保持器，其中，所述摄像头保持器另外还包括快速释放手柄，所述快速释放手柄适于在不改变任一所述自由度的情况下将所述内窥镜拆卸出所述托架。

7. 根据权利要求4所述的摄像头保持器，其中，所述摄像头保持器另外还包括可伸缩导引件，所述可伸缩导引件适于提供所述内窥镜沿所述内窥镜的纵向轴线的运动。

8. 根据权利要求4所述的摄像头保持器，另外还包括：

a.变焦环(1)；

b.定向环(3)；

c.至少两根线缆(4a和4b)，所述线缆(4a和4b)的特征是具有长度L₁和L₂；

d.弹簧(5)，所述弹簧的特征是具有抗性K；以及

e.底环(6)；

其中，所述长度L1和L2能够随所述弹簧的抗性K变化，从而所述定向环相对于所述底环移动。

9. 根据权利要求4所述的摄像头保持器，其中，所述旋转机构包括至少一根线缆、至少一个蜗轮，所述线缆适于旋转所述蜗轮，使得所述内窥镜旋转。

10. 根据权利要求4所述的摄像头保持器，其中，所述旋转机构包括至少一个滑轮组，所述滑轮组适于控制所述内窥镜的空间角位置。

11. 根据权利要求4所述的摄像头保持器，其中，所述摄像头保持器另外还包括使所述摄像头保持器适于移动的装置。

12. 根据权利要求11所述的摄像头保持器，其中，所述装置包括(a)至少一个可调节臂；以及(b)包括至少一个马达的底座，所述可调节臂将所述摄像头保持器与所述底座耦联起来。

13. 根据权利要求4所述的摄像头保持器，其中，所述变焦机构选自包括调节线缆机构、平行四边形杆机构、弹簧机构、减力机构、旋转线缆机构以及双弹簧变焦机构的集合。

14. 根据权利要求1所述的摄像头保持器，其中，所述摄像头保持器包括：操纵内窥镜机构(1)；力承载系统(2)；以及力源(3)。

15. 根据权利要求14所述的摄像头保持器，其中，所述操纵内窥镜机构包括：

a.至少一根线缆；

b.至少一个弹簧；以及

c.至少一根杆；

所述力承载系统包括：

a.至少一根线缆；

b.至少一个链条；以及

c.至少一根杆；

所述力源包括：

a.至少一个马达；和/或至少一个致动器；至少一个活塞。

16. 一种用于在腹腔镜手术中将内窥镜管的空间位置控制到任何方位、从而使外科医生到达被操作身体中的位于工作包络线内的任何期望区域的方法，所述方法包括下列步骤：

a.获得根据权利要求4所述的摄像头保持器；

b.将所述内窥镜装配到所述托架中；以及

c.控制并操纵所述内窥镜；

其中，所述控制并操纵所述内窥镜的步骤提供所述内窥镜在四个自由度上的运动。

17. 根据权利要求16所述的方法，另外还包括向所述期望区域拉近和/或从所述期望区域拉远从而实现更高精确度的步骤。

18. 根据权利要求17所述的方法，其中，所述拉近和/或拉远的步骤另外还包括沿所述内窥镜的纵向轴线移动所述内窥镜的步骤。

19. 根据权利要求16所述的方法，另外还包括旋转所述内窥镜的步骤。

20. 根据权利要求16所述的方法，另外还包括从所述托架拆卸出所述内窥镜的步骤。

21. 根据权利要求16所述的方法，另外还包括控制所述内窥镜沿所述内窥镜长轴的旋转角的步骤。

22. 根据权利要求16所述的方法，另外还包括从包括调节线缆机构、平行四边形杆机构、弹簧机构、减力机构、旋转线缆机构以及双弹簧变焦机构的集合中选择所述变焦机构的步骤。

23. 根据权利要求16所述的方法，另外还包括将所述摄像头保持器调节成能够移动的步骤。

24. 根据权利要求16所述的方法，另外还包括以下步骤：通过独立于所述机构的其他移动部件启动内窥镜而在不改变所述内窥镜空间定位的任何自由度的情况下从所述变焦机构中拆卸出所述内窥镜，从而整个系统无需重新定位。

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