CN101389285A - 用于测量工作仪器上的远端力的系统和装置 - Google Patents

用于测量工作仪器上的远端力的系统和装置 Download PDF

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Abstract

一种用于将工作仪器(30)的远端(34)定位在诸如内腔的体位中的装置，包括：导向仪器(4)和设置在导向仪器(4)的内腔(8)中的工作仪器(30)。往复运动的振动器(50)机械地接合至工作仪器(30)和导向仪器(4)的近端区域(35)，并被构造成用于相对于导向仪器(4)移动工作仪器(30)。该装置包括至少一个测力单元(200)，该测力单元包含被构造成用于测量工作仪器(30)的远端处(34)所受到的力的力传感器(204)。处理器(118)被构造成，至少部分地根据至少一个测力单元(200)的力传感器(204)在零或无载荷状态期间的输出与力传感器(204)在载荷状态期间的输出之间的比较来计算工作仪器(30)的远端(34)处的估计力。

Description

用于测量工作仪器上的远端力的系统和装置
技术领域
本发明总体上涉及最小程度侵入仪器和系统，诸如可人工或机械化操纵的导管系统，更具体地，本发明涉及用于执行最小程度侵入诊断和治疗过程的可操纵的导管系统。更具体地，本发明涉及能够测量或感测医疗仪器在接触周围物体(诸如组织结构)时所受到的力的系统和装置。
背景技术
当前已知的用于心脏病以及其他疾病情况的治疗的最小程度侵入过程使用人工或机械化驱动的仪器，所述仪器可通过天生的孔口和/或管腔(诸如嘴和/或上胃肠道等)经皮插入到身体空间(诸如胸腔或腹膜)中、经皮或经由皮肤地插入到管腔(诸如血管)中。例如，许多传统的最小程度侵入心脏病诊断和/或介入技术均涉及使用导管或导管系统通过下腔静脉经由皮肤进入心脏的右心房。在这些应用的任一种中，在控制细长仪器(诸如导管)时，医生可推动导管的近端并试图感知远端与有关的组织结构(诸如心脏壁)相接触。一些有经验的医生试图通过理解由他们的手指和/或手策略地感知到的所插入导管的近端处的载荷来确定或测量由于与组织结构或其他物体(诸如其他仪器、假肢等)相接触而施加于导管的远端的近似力。然而，由于许多最小程度侵入仪器的通常柔顺的特征、相关的摩擦载荷、仪器相对于邻近组织结构的动态定位、以及其他因素，因此对力的这种估算是相当复杂的并且有点不精确。
人工或机械化操纵的介入系统和装置(诸如可操纵的导管)也非常适合于执行多种最小程度侵入过程。人工操纵的导管通常具有从其近端延伸的一个或多个把手，操作者可通过所述把手操纵相关仪器。机械化操纵的导管可具有被构造成与导管驱动器接合的近端界面，所述导管驱动器例如包括一个或多个电动机，所述电动机被构造成响应于基于计算机的自动化指令、操作者在主输入装置处所输入的指令、以及它们的组合等来引导仪器的细长部分前行。不管用于诊断或介入仪器的驱动机构的人工或机电特性如何，执行过程的操作者都更愿意获得与工作仪器(working instrument)的远端部分处所受到的力有关的精确、及时的信息。因此需要一种改进的力感测以便于执行最小程度侵入介入过程。期望具有精确地监控由主题医疗仪器或装置所施加的载荷或从相邻组织和其他物体施加至主题医疗仪器或装置的载荷的能力。
发明内容
在本发明的一个实施例中，一种用于将工作仪器的远端定位在体腔或身体部位中的装置包括导向仪器，该导向仪器包括具有近端区域和远端的细长件以及穿过该细长件延伸的内腔。工作仪器被设置在导向仪器的内腔中。该装置包括往复运动的振动器(ditherer)，该振动器机械地接合至工作仪器和导向仪器的近端区域，并被构造成用于相对于导向仪器移动工作仪器。该装置包括至少一个测力单元，该测力单元包括被构造成用于测量工作仪器的远端处所受到的力的力传感器。该装置包括计算机或处理器，所述计算机或处理器被构造成至少部分地根据至少一个测力单元的力传感器在零载荷或无载荷状态(即，基线状态)下的输出与力传感器在载荷状态(即，力施加于工作仪器远端)下的输出之间的比较来计算工作仪器的远端处的估计力。
在另一个实施例中，机械化导管系统包括机械化地可操作的导向仪器，该导向仪器包括近端区域(或近端)和远端，内腔从中穿过延伸。该系统包括设置在内腔中的工作仪器。该系统还包括可操作地连接至工作仪器及导向仪器的近端区域的振动的振动器，以使得工作仪器和导向仪器之一或两者相对于彼此移动。该系统包括至少一个力传感器，该力传感器被构造成用于测量由振动的振动器施加于工作仪器的力。
附图说明
图1A示意性地示出了用于测量由机械化仪器系统操纵的工作仪器的远端上的力的系统。
图1B示出了接合至人工操作的可操纵导向导管和工作仪器的振动器。
图1C示出了接合至刚性件(诸如套管针)和工作仪器的振动器。
图1D示出了机械操纵的刚性或半刚性工具，所述工具包含用于使得工作仪器在其中往复运动的振动器，以确定工作仪器的远端处所受到的力。
图1E示出了用于在外部挠性显微镜或细长件内前后移动工作仪器的振动器。
图1F示出了用于移动工作仪器(诸如设置在如内窥镜的细长成像工具中的导线)的振动器。
图2示出了沿图1A的线A-A′截取的导向仪器、护套仪器以及工作仪器的横截面图。
图3示出了位于操作者控制台处的医生或其他使用者，所述操作者控制台可操作地连接至根据本发明的一个方面的机械化仪器系统。
图4示出了操作者控制台和相关手推车的透视图。
图5示出了根据本发明一个实施例的用于使工作仪器相对于导向仪器振动的方法和系统的示意图。
图6示出了根据本发明另一个实施例的用于使工作仪器相对于导向仪器振动的方法和系统的示意图。
图7示出了根据本发明一个实施例的用于使工作仪器相对于导向仪器振动的方法和系统的示意图。
图8示出了根据本发明一个实施例的用于使工作仪器相对于导向仪器振动的方法和系统的示意图。
图9示出了根据本发明一个实施例的用于使工作仪器相对于导向仪器振动的方法和系统的示意图。
图10示出了根据本发明一个实施例的用于使工作仪器相对于导向仪器振动的方法和系统的示意图。
图11示出了定位在机械化仪器系统上方的帷帘。
图12示出了根据本发明一个实施例的用于使工作仪器相对于导向仪器振动的方法和系统的示意图。在该实施例中，振动运动是转动的而不是纵向的。
图13示出了没有工作仪器的机械化仪器系统的透视图。
图14示出了未连接有工作仪器的机械化仪器系统的远端的透视图。还去除了导向仪器和外护套。
图15示出了工作仪器通过两个夹具固定于密封件。该密封件与挠性波纹管接合，该挠性波纹管与导向张开部(splayer)接合。还示出了用于冲洗导向仪器与工作仪器之间的区域的流体源(例如，加压盐水)。
图16示出了其上装载有工作仪器的机械化仪器系统的透视图。
图17示出了其上装载有工作仪器的机械化仪器系统的另一个透视图。
图18A示出了安装在振动器的承载件周围的防护环。
图18B示出了承载件被安装在相对的测力单元之间的支点上，每个测力单元均包含一用于测量压缩力的力传感器。
图18C示出了图18的结构，其中防护环安装在承载件周围。
图19示出了用于保持相对的测力单元的振动滑架的透视图。还示出了设置在测力单元上的相对的力传感器。
图20是可操作地连接于振动器的承载件的工作仪器的示意图。还示出了包含在相对的测力单元中的力传感器。
图21A-21B示出了在一个插入和抽出循环期间从力传感器获得的波形或力形(force profile)。
图22示出了与工作仪器的远端受到外力时所获得的波形或力形相叠加的基线波形或力形。虚线表示基线(远端处没有力)而实线表示响应于工作仪器的远端处所施加的力而获得的测量值。
图23示出了用于机械化仪器系统的底盘的透视图，该底盘支撑枢转杠杆臂，该枢转杠杆臂响应于缆线驱动的滑轮(缆线未示出)前后移动该振动滑架。
图24示出了根据本发明一个方面的振动滑架和杠杆臂部件的分解图，所述杠杆臂部件用于使该振动滑架前后振动。
图25示出了根据一个实施例的具有卷曲球(crimp ball)的缆线，该缆线用于驱动振动器。
图26示出了杠杆臂和安装在振动滑架上的机械振动器的俯视平面图。示出了杠杆臂位于“六点钟”位置处或其附近，在该位置机械振动器处于从导向仪器抽出的最后或插入到导向仪器中的开始。
图27示出了杠杆臂和安装在振动滑架上的机械振动器的俯视平面图。示出了杠杆臂位于“十二点钟”位置处或其附近，在该位置机械振动器处于插入到导向仪器中的最后或从导向仪器抽出的开始。
图28是以电动机为基础的驱动系统的透视图，该系统使用多个滑轮来使杠杆臂前后枢转，进而引起振动器中的往复运动。
图29是图28中所示的驱动系统的另一个透视图。
图30A示出了其中设置有工作仪器的涛黑(Touhy)密封件。
图30B示出了涛黑密封件的另一个视图。
图30C示出了根据一个实施例的用作机械振动器的一部分的枢转支架的透视图。
图30D示出了该涛黑插入到图30C的枢转支架中。
图30E示出了其中具有凹槽的凸轮的透视图。
图30F示出了与图30C的枢转支架相接合的图30E的凸轮。
图30G示出了支撑凸轮和枢转支架的振动支撑块。还示出了穿过涛黑密封件的工作仪器。
图31示出了导向张开部连同图30A-30G中所示的机械振动器实施例的俯视平面图。示出了驱动缆线连接于凸轮。还示出了连接至涛黑密封件的挠性波纹管。
图32A是图30A-30G和图31中所示的机械振动器的放大的俯视平面图。示出了枢转支架上的应力线规(strain guage)。
图32B是图30A-30G和图31中所示的机械振动器的放大的俯视平面图。在该实施例中，两个相对的力传感器固定于枢转件每一侧上的支撑件。
图33A和33B示出了根据另一实施例的机械振动器的透视图。
图33C示出了其中具有狭槽的凸轮。
图33D示出了在相对端上具有销的链接件。
图33E示出了图33D的链接件与图33C的凸轮处于相配合的布置。
图33F示出了连接至图33E的链接件的枢转支架。
图33G示出了用于支撑图33A和33B中所示的振动器的部件的基部。
图34A-34D示出了各种实施例，其中估计力和估计误差通过监控器、显示器等显示给医生。
图35示出了根据一个实施例的用于操作机械化仪器系统的过程流程图。
图36示出了根据另一个实施例的用于操作机械化仪器系统的过程流程图。
具体实施方式
图1A示出了根据一个实施例的机械化仪器系统2的示意性的顶部平面图。图1B-1F示出了可采用文中所述的机械振动器50或其他振动机构或装置的系统2的各种其他实施例。例如，图1B示出了人工操作的可操纵导向导管500，该导向导管通过容纳振动器50的基部24而安装。振动器50接合至工作仪器30，该工作仪器相对于导向导管500前后振动。工作仪器30可包括任意数量的通常为细长的部件，所述细长件通常用在医疗诊断或治疗过程中。例如，作为示例但并非限制性的，工作仪器30可包括导管、导线、成像元件、激光纤维或纤维束、工具、或其他仪器。
图1C示出了与较刚性的细长件(诸如，套管针600)结合使用的振动器50。振动器50接合至工作仪器30，该工作仪器以穿过容纳在套管针600中的管腔(未示出)的往复运动的方式振动。与先前的实施例一样，基部24用于相对于套管针600固定振动器50。
图1D示出了再一个实施例，其中振动器50接合至工作仪器30，该工作仪器穿过工具700，该工具可包括其中具有适合于容纳工作仪器30的一个或多个内腔的刚性或半刚性杆。工具700可接合于壳体702，该壳体机械地且电力地将工具700接合至机械化控制的操纵器。例如，工具700可接合至机械化控制的仪器驱动器(例如，加利福尼亚州、桑尼维尔市的Intuitive Surgical公司出售的DAVINCI外科手术系统)。
图1E示出了一个实施例，其中工作仪器30(诸如内窥镜)接合至振动器50。因此工作仪器30可相对于外部挠性件(诸如由NeoGuide Systems公司研发出的类型中的分段、挠性显微镜800)移动。图1F示出了再一个实施例，其中，例如，振动器50与显像工具(诸如内窥镜900)结合使用。在该实施例中，振动器50接合至工作仪器30(诸如，导线)，该工作仪器相对于内窥镜900前后振动。内窥镜900可为刚性的、挠性的、或半刚性的。
返回来参照图1A，所述机械化仪器系统2(例如在2006年12月14日提交的第11/640,099号美国实用新型专利申请、2006年12月11日提交的第11/637,951号美国实用新型专利申请、以及2006年7月3日提交的第11/481,433号美国实用新型专利申请中进一步详细描述了其变型)包括可机械化操纵的导向仪器4和外护套仪器6，该外护套仪器也可为可机械化操纵的。出于说明的目的，示出了包括挠性的机械化导向仪器4和挠性的机械化护套仪器6的系统，每种仪器都还可称之为可操纵的“导管”的变型，如前面的应用中所描述的，尽管仅包括挠性的机械化导向仪器4或仅包括挠性的机械化护套仪器6的变型(如下面所述的挠性工作仪器30所附带有的)也是期望的。此外，文中所述的以振动为基础的力感测技术也可与不可操纵和/或无挠性或半挠性的仪器组结构一起使用(例如，以感测穿过直或弯、刚性、挠性、或半挠性的可操纵或不可操纵内窥镜，或其他直或弯、刚性、挠性、或半挠性、可操纵或不可操纵的最小程度侵入仪器前进的工作仪器的远端处的力，所述内窥镜或最小程度侵入仪器限定出工作内腔，工作仪器可在该工作内腔中以振动的方式移动，所述工作仪器诸如为可从诸如NeoGuideSystems公司、Stereotaxis公司、及Intuitive Surgical公司的制造商那里购得的机械化仪器)。而且，文中所述的以振动为基础的力感测技术可用在关于非细长或非最小程度侵入仪器的其他应用中，只要这些仪器限定出内腔(工作仪器可穿过该内腔以振动的方式移动并可被检测到)即可，如下面所描述的。
在图1所示的实施例中，由机械化仪器驱动器400为所示实施例中的护套仪器和导向仪器提供机械化操纵启动(actuation)。导向仪器4和护套仪器6两者都限定出相应的内腔8、10，并且在所示结构中，护套仪器6同轴地环绕导向仪器4的一部分。可机械化操纵的导向仪器4和护套仪器6包括多个控制件12，如图2的横截面图中所示的，所述控制件可用于利用来自机械化仪器驱动器400的启动来操纵导向仪器4和/或护套仪器6。
控制件12可包括经由相应的近端仪器部分或“张开部(splayer)”14、16可选择性地被拉紧的导线等，该张开部被构造成与机械化仪器驱动器400接合以便为导向仪器4和护套仪器6提供操纵启动以及由仪器驱动器400中的电动机导致的沿导向仪器4或护套仪器6所限定出的近端内腔的纵向轴线的插入或收回，所述电动机被构造成相对于彼此和相对于仪器驱动器400的外部结构和/或相对于手术台独立地插入和收回张开部14、16。例如，导向张开部14和护套张开部16可包括多个电动机驱动的、转动的线轴(spool)或鼓(未示出)，该线轴或鼓可选择性地拉紧或放松相关仪器的控制件12，以便为导向仪器4和/或护套仪器6提供受控的操纵。如上所述的，张开部14、16也可相对于机械化仪器驱动器400主结构纵向地移动(“插入”或“收回”)，如图1A中以箭头“A”示出的。
如在图1A中所示的实施例中所看到的，导向仪器4穿过护套仪器6的内腔10并且因此相对于护套仪器是可移动的。如图1A的顶部细节图中所看到的，导向仪器4的远端18相对于护套仪器6的远端20向远侧伸出。当然，在其他方面中，可向近侧拉回导向仪器4以使得远端18基本与护套仪器6的远端20齐平，或向近侧拉回得甚至更远以使远端18藏在护套仪器的远端20中。可用光滑涂层(诸如PTFE)覆盖导向仪器4与外护套仪器6之间的接触表面以减小它们之间的摩擦力。
而且，如下面更详细地描述的，可将任选的冲洗液泵送到导向仪器4与外护套仪器6之间或迫使该冲洗液在导向仪器与外护套仪器之间移动。除防止血液或其他生物学材料倒流到导向仪器4与外护套仪器6之间的空间中之外，该冲洗液还可作为润滑剂。
仍参照图1A，其中示出了工作仪器30固定于机械化仪器驱动器400。工作仪器30可包括多种类型的仪器，包括但并不限于导线、探针、激光纤维、注射装置、外科工具、以及导管(诸如电生理学导管、切除(ablation)导管)等。图1A示出了作为工作仪器30的切除导管，其中切除导管的远端34处定位有电极32。工作仪器30(或者本实例中的“工作导管”)可定制设计成与机械化仪器系统2一起使用，或者，可替换地，工作仪器30或工作导管可包括不用定制的导管，诸如医生在传统的、人工操纵.的过程中所使用的那些。通过使得远端34穿过密封件40而将工作仪器30装载到机械化仪器系统2中。密封件40可包括“涛黑”，该涛黑具有工作仪器30从中穿过的小孔或开口。涛黑密封件40可具有带有近端端盖44(例如参见图13、14、16、和17)等的细长或刚性本体，该端盖用于在涛黑40与工作仪器30之间形成防滑的、不透流体的密封。
如在图1A中所看到的，涛黑密封件40通过夹具54固定于机械“振动器”50。机械振动器50是沿箭头B的方向以往复运动或振动运动的方式移动的机械子系统，并可接合至其他结构(诸如工作仪器)，以诱发这些其他结构的振动、往复运动、或“振动”运动。机械振动器50由电动机(图1A中未示出)驱动，该电动机可定位成随机械化仪器驱动器400携带的，或者，在其他实施例中，该电动机可作为单独的振动启动子系统定位在机械化仪器驱动器400外。在所示变型中，机械振动器50振动或引起工作仪器30相对于导向仪器4与护套仪器6的轴向往复运动。例如，图1A示出了工作仪器30的远端34沿箭头“C”的方向前后振动。可根据过程的性质来调节振动的长度或冲程，但通常小于几毫米。在一些实施例中，振动的冲程可小于约1.5mm。
机械振动器50包括至少一个力传感器(图1A中未示出)，该力传感器用于检测施加于工作仪器30的近端部分的力或载荷。该力传感器能够确定经由机械振动器50施加至工作仪器30的插入力和抽出力。在经过一个或多个振动循环之后，这些力形或波形可用来精确地估计出工作仪器30的远端34处的接触力。例如，图1A示出了接近解剖表面70(该解剖表面例如可包含心脏组织)的远端34。当然，接触力也可来自远端34附近的其他物体(例如，医疗仪器等)。
仍参照图1A，挠性波纹管60将涛黑密封件40的远端连接至导向仪器4的近端。这样，随着工作仪器30相对于导向仪器4与护套仪器6振动，挠性波纹管60压缩和膨胀。挠性波纹管60可连接至流体管线64，该流体管线连接至加压盐水源等。在机械化仪器系统2的使用过程中，加压盐水被泵送至工作仪器30的外部与导向仪器4的内部之间的空间中以防止血液或其他体液的回流，如果允许血液或其他体液倒流到导向仪器中，则可能破坏工作仪器30在导向仪器4内振动的能力。导向仪器张开部14和护套仪器张开部16可分别接合有另外的流体管线66、68以便在导向仪器4与护套仪器6之间提供润滑。
虽然图1A示出了机械振动器50接合至涛黑密封件40，但应该理解的是，机械振动器50也可直接接合至工作仪器30的近端区域。图1A还示出了用于将工作仪器30的把手36固定于机械化仪器驱动器400的第二夹具58。这样，把手36的意外移动不会影响机械振动器50的力感测能力。把手36与机械振动器50的载荷感测零件(下面将更详细地描述)隔离或者放在地上。
通过使工作仪器30相对于导向仪器4“振动”，可利用该重复的周期运动来克服摩擦难题，摩擦难题通常使得当工作仪器30的远端34与一表面相接触时从近端位置对该工作仪器的远端处的载荷的测量复杂化。在一个实施例中，振动运动可施加在工作仪器30的近端区域上(如图1A中所示的)且靠近测量到相对轴向载荷的位置。换句话说，例如，如果使用者打算将工作仪器30定位在导向仪器4的内腔8的下面以使得工作仪器30的远端34略微伸出得超过导向仪器4的远端18，并且使得导向仪器4和工作仪器30两者都从股动脉位置通过血管小心翼翼地进入(thread)心室，则由于与相关导向仪器4的复杂物理关系导致可能难以感测到施加于工作仪器30的远端34的接触或力。具体地，在其中工作仪器30与导向仪器4之间存在很少或没有相对轴向运动或转动运动的稳定状态下，静摩擦系数是可适用的，并且存在将工作仪器30保持在邻近导向仪器4的位置(这两者之间没有相对移动)的较大摩擦力。
为了解除该相对紧密的接合并便于从近侧测量施加于工作仪器30的远端34的力，振动运动可用于有效地解脱该摩擦接合。在一个实施例中(诸如图1A中所示的这一个)，振动运动可施加在工作仪器30的近端区域上。在再一个实施例中(未示出)，也可使导向仪器4相对于静止或基本静止的工作仪器30振动。在又一个实施例中，导向仪器4和工作仪器30两者可相对于彼此振动。
还应该理解的是，图1A示出了工作仪器30相对于导向仪器4的纵向振动。在可替换的实施例中还可以使得工作仪器30相对于导向仪器4径向地振动。可替换地，可使得导向仪器4相对于工作仪器30径向地振动。在又一个替换实施例中，导向仪器4和工作仪器30两者可同时沿径向方向振动。
图1A中所示的振动实施例消除了与使用具有嵌入的、位于远端的传感器的定制工作仪器相关的一些复杂性，且另外还促进了标准的不用定制的工作仪器30的使用。因此，在无需改变工作仪器30的情况下，通过使得工作仪器30的近端区域振动(直接地或通过密封件40)，并将力传感器设置在工作仪器30的近端区域处，可测量出施加在工作仪器30的远端34处的估计力。通过使工作仪器30振动，该工作仪器基本上全部时间都处于运动状态下，并且所施加的力作为增加的力显示在力读数中，从而在执行了数据处理之后基本上消除了静摩擦的作用，这将在下面更详细地描述。
仍参照图1A，机械化仪器系统2可包括全停止按钮74，该全停止按钮在被压下时用于终止机械化仪器驱动器400的运行。因此，万一装置的一个或多个零件不需要人工用户介入的话，则按钮74用作安全装置。
图1A还示出了可操作地连接于机械化仪器驱动器400和仪器组的用户界面80。医生或其他使用者与用户界面80相配合来操作机械化仪器驱动器400和相关的导向仪器4和/或护套仪器6，以及相关的工作仪器30。用户界面80可通过缆线等连接于机械化仪器驱动器400。可替换地，用户界面80可位于地理上较远的位置并至少部分地在广域网络(诸如因特网)上实现通信。当然，用户界面80也可通过不是位于地理上较远位置处的局域网络或甚至是无线网络连接至机械化仪器驱动器400。
图1A还示出了用于显示机械化仪器系统2的各种方面的显示器90。例如，导向仪器4、护套仪器6、及工作仪器30的图像可实时地显示在显示器90上以便在各个装置例如被设置在体腔或重要区域中时为医生提供它们的当前方位。还如图1A中所示的，显示器90可包括关于工作仪器30的远端34所受到的估计力的读出。例如，该读出可包括具有可移动的箭头94的分级标尺92，该可移动的箭头随着力的改变上升或下降。显示器90还可包括指示与估计力相关的误差量的视觉指示96。视觉指示96可包括如图1A中所示的误差棒。可替换地，视觉指示96可包括示出所测得的力的实时误差的单独的刻度或图表。视觉指示96还可包括相对箭头94的颜色改变。在再一种替换方案中，视觉指示或图示元件96可包括报警指示符或文本信息。
另外，显示器90可包括当误差超过预置阈值(例如，+/-20％或+/-20克)时显示的视觉指示或信号。工作仪器30的远端34处所估计的测得力也可与预置阈值相比较。例如，如果太多压力施加于远端34，则会发出声音警告信号。可替换地，视觉信号(诸如图示元件98)可显示在显示器90上。在再一个方面中，触觉信号也可返回给使用者，例如，使用者可感觉到振动信号。
图3示出了位于操作者控制台82处的用户界面80，该操作者控制台位于远离具有可移动的支撑臂组件86的操作台84。支撑组件86被构造成将机械化仪器驱动器400可移动地支撑在操作台84上方以便设置导向仪器4、护套仪器6、及工作仪器30(图3中未示出)。通信链路86在操作者控制台82与机械化仪器驱动器400之间传输信号。
现在参照图4，示出了具有三个显示器90、一触摸屏用户界面100、以及一控制钮控制台102的操作者控制台82的另一个变型的视图。控制钮控制台102可包括用于接通或切断力感测能力的按钮103a。另外，控制钮控制台102可包括用于机械化仪器驱动器400或相关仪器组的基线的专用按钮103b。当然，这些功能也可通过触摸屏用户界面100来实现。操作者控制台82包括主输入装置104，该主输入装置由医生操纵以便将移动传输至机械化仪器驱动器400和相关仪器。图4中还示出了被构造成用于暂时停止仪器的运行的装置停用开关106。图4中所示的手推车108被构造成用于在手术室或导管室中容易地移动，其一个优点在于，操作者控制台82的位置远离辐射源，从而减少了对于操作者的辐射剂量。
图5-11示意性地示出了通过使用振动技术来实现工作仪器30的远端34处的力估计的各种方法。图5示出了其中工作仪器30相对于基本静止的导向仪器4振动的一个实施例。为了使得工作仪器30前后(纵向地)振动，机械振动器50将通过力传感器110驱动工作仪器30，该力传感器将测量出用于将工作仪器30插入和抽出导向仪器4所需的直接力。振动器50(通过机械连接52)机械地搁置(ground)于导向仪器4的近端区域35并因此相对于导向仪器4静止，但是力传感器110和工作仪器30相对于导向仪器4一起移动。接下来，来自力传感器110的读数可通过调节电子器件114输送到用于数据处理的计算机118，并最后输送到显示器122。
图6示出了其中振动器50和力传感器110机械地连接至密封件40(诸如涛黑密封件)的可替换实施例。涛黑密封件40作为流体密封件，其可为工作仪器30的往复出入运动增加明显且不稳定的阻力，这会对来自力传感器110的读数的精确性产生不利影响。图6的实施例通过将涛黑密封件40机械地固定或锁定于工作仪器30以使这两者一起振动而消除了这种影响。另外，图6示出了于一端处连接至导向仪器4的近端且于另一端处固定至涛黑密封件40的挠性波纹管60。波纹管60包括用于输送如文中所述的加压盐水的冲洗管线64。波纹管60随着振动像手风琴那样膨胀和收缩。与如果工作仪器30振动时通过涛黑密封件40施加的高阻力相反，在振动运动期间，波纹管60有利地在工作仪器30上施加非常小的阻力。
图7示出了进一步固定或搁置工作仪器30的把手36的又一个实施例。通常，一次性的工作仪器30(诸如可从如Boston Scientific和Biosense Webster等供货商那里购得的注册商标为“BlazerTM”和“NaviStarTM”的切除导管)典型地形成有位于其近端上的把手36。如果未被固定，则该把手36可能会在涛黑密封件40和/或工作仪器30上施加力(该力可由力传感器110读出)并可能会被误认为是施加在工作仪器30的远端34处的力。因此，在图7中所示的实施例中，把手36与涛黑密封件40及力传感器110隔离或被防护。该“防护”可通过将仪器把手36固定到支架(诸如图1A中所示的夹具58)中来实现。
可以以多种方式中的任一种来搁置把手36。如图7中示出了将把手36物理地(physically)搁置于导向仪器4的一种变型。在这种情况下，把手36相对于导向仪器4将为静止的。作为另一种替换方案，把手36可搁置于公共滑架或安装板，所述公共滑架或安装板上安装有导向仪器张开部14和护套仪器张开部16。在这种结构中，把手36又相对于导向仪器4被搁置，虽然是通过公共滑架或安装板间接地搁置。
图8示出了另一个实施例，其中把手36通过固定件(诸如夹具)固定于机械振动器50。在该实施例中，把手36会随涛黑密封件40和工作仪器30一起振动。重要的是，应注意到用于使得把手36前后振动的力不会经过力传感器110，因此移动把手36所需的任何力(或施加于把手36的任何意外力)都不会由力传感器110检测到。因此，在这种情况下，把手36将完全被防护在系统内，且不会存在周期性的偏置力。
在一个实施例中，可使用帷帘130来隔离非消毒的装置与消毒的手术环境。在这点上，帷帘130可覆盖振动器50。如果帷帘130附着于力传感器110并碰巧贴附于人身上或装置上，则这可能会拉动力传感器110并增加不需要的力测量值(例如，人为结果)。因此，帷帘130的围绕力传感器110的部分最好被防护起来，在这种情况下，通过将该部分附着至环绕力传感器110和涛黑密封件40的、由诸如金属或聚合物的材料构成的刚性环132来进行防护。防护环132可通过多种方法附着至该系统。
如图9中所示的，环132附着至帷帘130随工作仪器30一起振动的那一点。因此，意外地拉紧帷帘130(在帷帘防护环132外)通常不会传输到力传感器110中(但会传输至振动器50)，并且优选地不会导致错误的力测量值。在图10中示出了另一个变型，其中帷帘防护环132固定于导向仪器4。因此，有利地，意外地拉紧帷帘130(在帷帘防护环132外)会传输至静止的导向仪器4中但不会传输到力传感器110中。在该实施例中，在涛黑密封件40和/或力传感器110(其为振动的)与静止的防护环132之间可能存在少量的移动，这可能会导致帷帘130在防护环内的聚拢(bunching)和伸展。优选地，帷帘130非常柔顺的并且这种有差异的运动仅导致小幅度的周期力，该周期力在插入和抽出期间基本上是相同的且因此可在随后的力感测数据处理中减去。
图11示出了帷帘130的一个实施例，其中示出了该帷帘被装在机械化仪器驱动器400上。帷帘130包括平台覆盖件134，其具有用于安装张开部14、16的一系列孔。另外，平台覆盖件134的用于导向仪器张开部14的近端是由非常软的橡胶或聚合材料制成的挠性靴形部(boot)136，该挠性靴形部被半刚性材料的环133环绕。环133固定于机械化仪器驱动器400，以使得任何拉力、拖曳力或其他力均通过帷帘130传输至机械化仪器驱动器400而不传输至挠性靴形部136。例如，半刚性环133可固定于搁置的帷帘环132。在这点上，挠性靴形部136和环133将帷帘130上的力隔开而不会影响使用力传感器110所获得的力测量值。工作仪器30穿过挠性靴形部136并可固定于振动器50。
如上所述的，振动的不同变型包括使工作仪器30转动地振动，而不是纵向或轴向地振动。如图12中所示的，力传感器110将不再与机械振动器50相连。相反地，在这种情况下，振动器50将转动并且由于它是垂直的运动(相对于由于可施加至工作仪器30的远端力而导致的出入运动)，可通过使用轴承48将垂直的力相互隔开，从而允许力传感器110测量到施加在远端34处的与由转动的振动运动所导致的力相隔开的力。
不管振动运动是转动的还是纵向的，挠性波纹管60的结构均有助于该振动力测量系统的操作。例如，在纵向的实施例中，波纹管60从纵向振动中提供小的力并且在体积上是柔顺的，以容许在振动过程中改变波纹管60内的冲洗容积。在转动振动的实施例中，波纹管60被构造成容许波纹管60的端部的转动，同时不会产生偏向力传感器110的明显纵向力。
图13示出了根据本发明一个实施例的机械化仪器系统2的透视图。机械化仪器系统2包括在图13中部分地露出的壳体150。机械化仪器系统2总体上包括被构造成与接合至或包含导向仪器张开部14的结构相接合的滑架，以及被构造成与接合至或包含护套仪器张开部16的结构相接合的滑架。机械化仪器驱动器400的外部壳体150所限定出的纵向狭槽154被构造成有助于滑架及相关张开部14、16相对于机械化仪器驱动器400的外部壳体150的纵向移动。
图14示出了机械化仪器系统2的远端部分的放大透视图。出于清楚的目的，未示出导向仪器4和护套仪器6。如图14中所示的，用于涛黑密封件40的夹具54可包括可转动的把手140，该把手用于通过摩擦力将涛黑密封件40保持在适当位置。例如，夹具54可包括被设置在振动器50的承载零件上的下部座156和上部夹持件158，当通过把手140将其上紧时，该上部夹持件通过摩擦力将涛黑密封件40固定在夹持布置中。把手140可包括凹槽或凹口142，该凹槽或凹口可用于暂时地固定冲洗管线等。
图14还示出了用于工作仪器30的把手56的夹具58，该夹具还包括用于通过摩擦力将工作仪器30的把手36固定在适当位置的可转动的把手144。夹具58可包括牢固地固定于滑架(或固定于该滑架的支撑件)的下部座160和上部夹持件162，当通过把手144将其上紧时，该上部夹持件通过摩擦力将近端把手36固定在夹持布置中。可转动的把手144包括凹槽或凹口146，该凹槽或凹口可用于暂时地固定冲洗管线等。
图15示出了导向仪器张开部14连同机械地连接的机械振动器50的组件图。示出了工作仪器30插入到涛黑密封件40的近端中。在图15中未示出工作仪器30的远端34。图15的涛黑密封件40示出了具有一系列螺纹42的近端，盖44安装在其上，例如在图13、14和15(示出了螺纹42)、16和17中示出了该盖。盖44可拧紧在螺纹42上以形成流体密封，该流体密封防止流体从密封件40与工作仪器30之间的界面溢出。图15还示出了连接至涛黑密封件40的内部的管道65。管道65连接至加压冲洗溶液76的源，该冲洗溶液例如可包括加压盐水。压力调节器78等可放置在加压冲洗溶液76与涛黑密封件40之间的管道65中，以确保施加恒定的流体压力。当然，在其他实施例中，管道65可流体地连接至挠性波纹管60。
图16和17示出了具有插入到涛黑密封件40中的工作仪器30的机械化仪器系统2。工作仪器30穿过导向仪器4的内腔8和护套仪器6的内腔10。工作仪器30的把手36通过夹具58固定于机械化仪器驱动器400。图16和17还示出了冲洗管线或管道65，该冲洗管线或管道通过把手144中的凹槽146被保持在适当位置。参照图16和17，工作仪器30(在某些实施例中工作仪器可包括不用定制的可操纵或不可操纵导管)可包括位于把手36上的操纵件31。在这种情况下，优选地，操纵件31被放置在中立位置以允许由机械化仪器驱动器400操纵。
图18A-C示出了根据一个实施例的机械振动器50的各种方面。图18A示出了安装于可移动的振动滑架180(如图18B和18C中所示的)的防护环或防护罩170。防护环170可通过安装垫172固定，该安装垫中具有供与振动滑架180中的相应孔182相匹配的螺钉、螺栓等(未示出)穿过的孔。防护环170在其上表面上可包括用于安装例如帷帘130的额外的孔176。在这点上，帷帘130随工作仪器30一起振动。对帷帘130的任何意外拉动都不会传输到测力单元并且不会导致错误的力测量值。
图18B示出了机械振动器50的承载件190。承载件190枢转地安装于振动滑架180。承载件190围绕支点192以倒摆(invertedpendulum)的方式枢转。支点192可包括轴194、销、轴承等，它们允许承载件190随振动滑架180一起振动。该振动运动导致振动滑架180以及所附着的承载件190沿图18B中的箭头A的方向移动。承载件190的每一侧上设置有两个测力单元200(图18B中示出了其中之一)，并且每个测力单元均包含力传感器204。图19示出了包括测力单元200的振动滑架180的透视图，在该测力单元中装有相应的力传感器204。如图18B和18C中最佳所示的，承载件190通过支点192牢固地固定于振动滑架180并且在振动移动期间随振动滑架一起振动。
这两个力传感器204测量出压缩力。具体地，这两个力传感器204输出与所施加的力成比例或与之相关的小的电压。承载件190包括座156，涛黑密封件40(或者在其他实施例中工作仪器30)安装在其上。当振动滑架180以往复运动的方式前后移动时，工作仪器30的近端(或涛黑密封件40)上所受到的力则通过这力传感器204上的输出信号测量出。以钟摆状的方式前后摆动的承载件190交替地与相对的力传感器204接触。当承载件190不与一力传感器204相接触时，该力传感器204输出基线信号或零信号(例如，没有电压)。
来自每个力传感器204的模拟电压信号通过放大器(未示出)被放大。该放大的信号随后可穿过机械化仪器驱动器400结构上的挠曲电路到达安装于滑架或底盘的一个或多个电路板(未示出)。之后，通过模数转换器(ADC)将模拟信号转换为数字信号。之后，数字信号被传送至位于例如操作者控制台82处的外部计算机。之后，操作者控制台82可使用例如单循环减法运算法则(如下面更详细地描述的)将数字数据转换成有效形式。测力单元200的间隔的尺寸形成为使得测力单元200与承载件190之间存在较小的间隙，这是因为当承载件190不与这两个相对的力传感器204中任一个相接触时产生了小的死区(dead band)。
参照图18B和18C，振动滑架180固定于两个c形槽184。槽184与相应尺寸的导轨(未示出)相接合，以使得整个振动滑架180能够沿图18B中的箭头A的方向前后移动。
图20示意性地示出了围绕位于保持力传感器204的相对的测力单元200之间的支点192移动的承载件190。支点192可包括相对于相对的测力单元200安装的静止轴194。例如，如图19中所示的，轴194可通过两个测力单元200的基部被驱动。承载件190被夹在这两个测力单元200之间并且通过轴承196等保持在轴194上，这允许承载件190围绕轴194枢转的转动运动。由于支点192归根结底保持工作仪器30，因此工作仪器30所感知到的力将使得承载件190围绕支点192枢转并压在一个力传感器204上。力传感器204测量该枢转力，从中可计算出仪器的力反馈。
机械振动器50将使得测力单元200前后振动(以峰间值约为1.5mm的线性位移的方式)。当然也可考虑其他冲程长度。当机械振动器50改变方向时，承载件190转动非常小的量以便将力从一个力传感器204交换至另一个力传感器204，之后，振动滑架180的线性移动继续以便将承载件190带入线性运动，这将推入或拉出工作仪器30。承载件190作为静态杠杆臂。通过使用两个力传感器204，每个力传感器可用于检验另一个力传感器204正在适当地工作。例如，每一个振动循环出现一次承载件190不与任一个力传感器204接触的死区，并且该死区用于确定力传感器204的“零载荷”位置并测试适当的力传感器204操作。
极大的力不会被力传感器204感测到但会直接传输到测力单元支架200以保护力传感器204免受损坏。测力单元支架200被设计成用于保护力传感器204免受来自承载件190的过大的力(施加于力传感器204的过大的力可永久地损坏力传感器，从而导致不正确的力读数)。为了实现该保护，测力单元支架200可具有精确搁置杯(precision ground cup)，力传感器204放置于其中。该杯的深度可仅仅略小于放置于其中的力传感器204的高度，以使得当承载件190转动至力传感器204和测力单元支架200时它将首先推动力传感器204。随着承载件190施加额外的力，力传感器204(其具有非常微小的柔顺量)的高度减小直至承载件190碰到测力单元支架200。因此，通过控制测力单元支架200中的精确搁置杯的深度并且通过获知力传感器204的压缩柔顺性，可设定施加于力传感器204的最大力，这会保护力传感器204免受过大的力。保护力传感器204的其他方法可通过使用薄垫片或小螺距螺钉来调节力传感器204无论如何都避开力的那一点而实现。力传感器204本身可为额定为5lbs的单向压缩力传感器(有时称之为测力单元)(例如，可从俄亥俄州的Honeywell Sensotec-Lebow购得)。
图21A和21B示出了经过一个振动循环使用力传感器204所测得或观察到的力的示例性波形。该一个振动循环包括一个插入冲程，紧接着是一个抽出冲程。正的力是插入期间所测得的那些力，而负的力是抽出期间所测得的那些力。在上述实施例中，一个力传感器204用于测量插入力，而另一个相对的力传感器204用于测量抽出力。如图21A中所示的，所施加的力以基本呈线性的方式增加直到力呈现平稳状态。在工作仪器30相对于导向仪器4开始轴向振动时的那一点处取得力开始呈平稳状态的那一点。在一段时期的恒定或基本恒定的力之后，力则以基本呈线性的方式开始减小。之后，当工作仪器30从导向仪器4中抽出时力变为“负”的。在回到起点之前力则在负值下呈现平稳状态。
图21A示出了没有力施加于工作仪器30的远端34的状态。图21A示出了两个这样的波形(实线210和虚线212)。这两个波形虽然具有不同的幅度但是基本对称。该特征是特别有利的，因为力本质上是对称的，因此所获得的波形在插入时和在抽出时显示出相等力。因此，在处理从力传感器204中所获得的力测定数据时，可采用波形的一个循环平均值，这可从测量值中去除基本对称的偏离力，仅留下力的微分变换。力的微分变换是施加于工作仪器30的远端34处的力。因此，在工作仪器30的近端区域处所测得或观察到的力可用于精确且始终如一地估计出施加于工作仪器30的远端34处的力。
图21B示出了当没有力施加于工作仪器30的远端34处时取得的第一或“基线”波形216(实线)。图21B还示出了当力施加于工作仪器30的远端34处时取得的波形218(虚线)。如图21B中所示的，整个曲线沿向上的方向移动。参照图21B，现在幅度d1大于幅度d2。基线测量值与施力情况下获得的测量值之间的该差异可用于量化施加于工作仪器30的远端34处的力。
图22示出了基线波形216(虚线)以及当力施加于工作仪器30的远端34处时所获得的叠加的波形218(实线)。根据一个实施例，以规则的增量对基线波形216和产生自接触力的波形218两者的平稳状态区域的一部分220进行取样。例如，可在其整个循环中以一毫秒的增量对来自传感器204的力读出进行取样。虽然可对整个波形进行取样，但是不同的实施例可选择忽略所取样的波形的一些部分。例如，在一个实施例中，仅保持或利用平稳状态的那些部分220来进行力计算，而忽略或删除剩余的读出图。如图22中所示的，波形平稳状态的部分220可包括波形的去除了端点的局部部分。
对于运算法则，在没有力施加于工作仪器30的远端34处时，在平稳状态区域220中的基线取样位置处获得插入冲程和抽出冲程两者的基线力测量值。之后获得用于插入冲程和抽出冲程两者的每个双态(binned)基线数据序列的平均力测量值。为了产生基线数据，可通过多个循环(例如三个循环)对平稳状态区域220中的平均力测量值进行平均。如图22中所示的，在工作仪器30在远端34上受到力的情况下，也是在平稳状态区域220上获得取样的力测量值。之后，经由双态插入周期获得的力测量值被平均并减去上述平均基线力以产生更新值A。更新值A对应于在施加力的插入冲程下与不施加力的插入冲程(即，基线)下从工作仪器30获得的平均力的差异。类似地，之后经由双态抽出周期获得的力测量值被平均并减去上述平均基线抽出力以产生更新值B。
之后，可通过以下公式计算出工作仪器30的远端34上的估计力：
力Est＝(更新值A+更新值B)/2             (1)
在该运算法则下，在冲程的插入部分完成时确定更新值A，而在冲程的抽出部分完成时确定更新值B。例如，对于2Hz的振动率，大约每1/4秒更新数值(更新值A或更新值B)。因此，随着时间前进，更新值A被更新，之后更新值B被更新，然后又是更新值A被更新，等等。在每一更新步骤之后，均重新计算力值。应该理解的是，振动率可根据需要改变。例如，在某些实施例中，振动率可在0Hz与10Hz之间变化。
虽然上述运算法则使用在接触状态和非接触状态期间所获得的波形选定部分的单循环微分平均值，但存在获得类似信息的其他方式。例如，可经由一个循环以上计算出平均值。另外，可通过将工作仪器处于接触状态时(例如，受到力)所测得的波形的轮廓或形状与基线状态下(例如，没有力)所获得的测得波形相比较而获得估计力。例如，其他实施例可考虑将代表系统的机械刚度的的波形斜度作为显示出哪一部分波形包含有用数据(即，信号)而哪一部分波形多余(即，噪音)的指示。
图23示出了其上安装有导向张开部14(未示出)的底盘230的透视图。图23还示出了机械地连接至振动滑架180的可枢转的杠杆臂232。如图23和24最佳所示的，杠杆臂232包括用于接收安装于滑轮238的表面(例如，顶部表面)的轴承236的孔234。在振动操作过程中，杠杆臂232围绕支点240枢转，该支点为轴承236的转动轴线。杠杆臂232还包括横穿杠杆臂232的一部分长度的狭槽242。狭槽242的尺寸形成为用于接收以偏心方式安装在滑轮246上的轴承244。如图24中最佳所示的，通过使用凸轮248以偏心或偏移的方式安装轴承244，该凸轮例如通过螺钉250固定于滑轮246的上表面。凸轮248可为“T形”的并且包括其上安装有轴承244的销或轴249。在滑轮246的转动中心到销249之间具有不同距离的不同凸轮248可用于改变偏心度。这又会改变机械振动器50的冲程距离。
仍参照图23和24，杠杆臂232在杠杆臂232的中心区域中包括另一个有槽部分252。有槽部分252通常沿杠杆臂232的长度纵向地定向。有槽部分252的尺寸形成为用于接收转动地安装于振动滑架180的轴承254。轴承254可定位在用于抬高振动滑架180的一部分的支架256上。
如图23中所示的，使用两个横向的(crossed)辊滑动件258将振动滑架180安装于底盘230。横向的辊滑动件258包括牢固地固定于底盘230的基部260和接合至振动滑架180的内部可滑动的滑架262。一系列轴承或圆柱形钢辊(未示出)能够使得滑架262能够几乎无摩擦地在基部260上滑移。例如，可从Del-Tron公司(5Trowbridge Drive、Bethel、CT 06801)获得横向的辊滑动件258(型号RD-1)。
用于驱动杠杆臂232的滑轮238、246包括用于保持驱动缆线270(如图25中所示的)的圆周槽266。驱动缆线270可由一束许多更小的导线构成，这些导线例如由钨制成。例如，驱动缆线270可具有由152个导线(其直径为0.008″)构成的8×19的结构，这导致驱动缆线270具有约为0.018″的总直径。滑轮238、246还包括形成在槽266中的多个凹槽268，这些凹槽用于与沿驱动缆线270的长度设置的规则间隔开的卷曲球(crimp ball)272相配合。卷曲球272以及配合的凹槽268的使用确保了在振动过程中驱动缆线270与滑轮238、246之间无滑动。
图26和27示出了当杠杆臂232在抽出冲程和插入冲程中前后枢转时杠杆臂232和振动器50的俯视平面图。图26示出了偏心设置的轴承244位于大约“六点钟”的位置处，其中杠杆臂232位于或接近沿近端方向的最大位移处。因此，图26中的杠杆臂232处于插入冲程的开始，或可替换地，处于抽出冲程的最后。相反地，图27示出了偏心设置的轴承244位于大约“十二点钟”的位置处，其中杠杆臂232位于或接近沿远端方向的最大位移处，因此，图27中的杠杆臂232处于抽出冲程的开始，或可替换地，处于插入冲程的最后。
现在参照图28和29，电机驱动的滑轮系统280用来使得杠杆臂232前后枢转，这又引起机械振动器50的往复运动。如图29中最佳所示的，驱动缆线270固定于电动机282，该电动机上布置有驱动滑轮284。使用夹具287将驱动滑轮284固定于电动机的轴283。电动机282例如固定于机械化仪器驱动器400的底盘285。电动机282可被安装成相对于用于支撑杠杆臂232的底盘230为静止的。如图29中所示的，编码器281固定于电动机282的后侧并用于在任何给定的时间点精确地确定轴238的位置。
如图28和29中所示的，驱动缆线270随后穿过一系列邻近布置的滑轮286。滑轮系统280还可包括张紧轮288，该张紧轮用于例如通过弹簧290提供偏压力，以确保驱动缆线270保持拉紧。例如，如果导向张开部14纵向地移动，则张紧轮288可用于为驱动缆线270提供张力。如图28和29中所示的，沿驱动缆线270的长度设置的卷曲球272确保了缆线270与各个滑轮之间的适当配准。
图30A-30G和图31-33示出了机械振动器300的另一实施例。在该实施例中，转动驱动的凸轮302(如图30E和30G中最佳所示的)用于驱动枢转支架304，该枢转支架固定于导向仪器30和/或涛黑密封件40。图30A和30B示出了包括两个突出部或定位件306的涛黑密封件40，所述突出部或定位件用于与枢转支架304配合。图30C示出了在其一端处包含孔307的枢转支架304，在机械振动器300的操作过程中，所述孔用作支点。该支架包括主体部分308，该主体部分包括用于涛黑密封件40的小孔309以及用于突出部或定位件306的凹槽310。凹槽310用于将涛黑密封件40适当地定位或配准在枢转支架304中。枢转支架304还包括用于与位于转动驱动的凸轮302中的相应凹槽314相配合的销312或其他突出部，如图30E和30F中所示的。凹槽314成螺旋形地切入凸轮302的圆柱形主体中。可使用具有不同节距度的凹槽314的不同凸轮302来调节振动器300的冲程。
图30G示出了容纳在振动支撑台316中的枢转支架304和凸轮302。枢转支架304可通过孔307钉在振动支撑台316上以允许其围绕支点枢转。凸轮302通过轴、轴杆等安装于振动支撑台316上的支撑部318。图30G还示出了工作仪器30的穿过涛黑密封件40的且设置在枢转支架304中的一部分。
图31示出了结合于导向仪器张开部14中的振动器300的俯视平面图。如图31中所示的，涛黑密封件40可在远端处固定于挠性波纹管60。波纹管60的另一端可接合至导向仪器4。在图31中还示出了驱动缆线320。驱动缆线320在近端处连接至电动机、伺服器等(未示出)以便为振动器300供电。电动机或伺服器可定位成由机械化仪器驱动器400携带的或位于机械化仪器驱动器外。驱动缆线320例如可包括被转动地前后驱动的自行车缆线。驱动缆线320的转动移动可被传递到凸轮302，这又使得枢转支架304前后枢转。在一个方面中，以如下方式(例如，正弦波)切割凹槽314，即，使得凸轮302沿单一方向转动，从而引起枢转支架304的前后移动。在这点上，驱动缆线320可沿不同方向被驱动，以使得凸轮302沿不同方向转动(例如，顺时针，之后逆时针)。
图32A和32B示出了振动器300进进出出振动时该振动器及其部件的放大图。枢转支架304枢转并通过机械连接销312(图中不清楚)紧随凸轮302中的凹槽314。在该实施例中，因此，涛黑密封件40随枢转支架304一起前后移动。由于工作仪器30也紧固于涛黑密封件40，因此工作仪器30也前后振动。为了测量插入力和抽出力，枢转支架304上可安装有应力线规322以测量其中的应力，从而可以例如以文中所述的方式计算出工作仪器30的远端34上的力。
图32B示出了用于测量力的另一个实施例。在该实施例中，力传感器204被设置在振动支撑台316的支撑件318的相对侧上。力传感器204可包括文中所述的单向力传感器。在图32B中所示的实施例中，当枢转支架304不与任一个力传感器204接触时可能存在死区。枢转支架304的位移以及力传感器204之间的距离可被设计成使得该死区最小化。
图33A-33G示出了机械振动器330的另一个实施例。在该实施例中，振动组件336包括用于直接驱动凸轮334的电动机或伺服器。直接驱动式电动机332安装于基部350。电动机332与凸轮334直接接合，所述凸轮具有心形机加工槽338，如图33C和33E所示的。驱动链接件340通过在凸轮槽338中行进的销342(如图33E中最佳所示的)与凸轮334相接合。驱动链接件340的相对端容纳有与固定于涛黑密封件40的枢转支架346相接合的销344。在该实施例中，当电动机332接通时，电动机驱动凸轮334，使得枢转支架346围绕它的销348(图33B)枢转，并前后平移以实现振动运动。图33G示出了用于支撑振动组件336的各个部件的基部350。可使用应力线规或如前面实施例中所述的一个或多个力传感器来获得力测量值。
图34A-34D示出了工作仪器30的远端34处的估计力是如何显示给医生或使用者的各种实施例。在一个方面中，力标度400例如显示在与操作者控制台82相连的显示器90(例如，图3和图4)上。力标度400可包括以规则间隔设置的多个等级。例如，图34A示出了范围从0克力到100克力的力标度，其中每25克一个等级。在一个方面中，使用者可在操作者控制台82处通过按钮、开关、菜单等控制力标度400的标度。如图34A所示的，任何具体时间点下的工作仪器30的远端34处的估计力的量级均通过条码(bar)402显示。条码402随力的动态变化而上升或下降。有利地，每当文中所示的运算法则被更新时，条码402就被实时或近乎实时地显示。仍参照图34A，表示测得力的估计误差的视觉指示404也显示在估计力的旁边。在图34A中，视觉指示404可包括显示在其自己的力标度406旁边的误差条码，其指示出与具体测量值相关的误差量。如图34A中所示的，误差条码404将总误差与基线误差组合在单一力标度406上。视觉指示404可随着运算法则的更新而实时或近乎实时地更新。可将该系统编程为，如果基线误差超过了预定阈值，则提示使用者重新设定装置的基线。
图34B示出了与图34A中所示实施例相似的实施例，差别之处在于，在邻近与误差视觉指示404相关的力标度406的误差条码404上仅显示总误差。图34C示出了另一实施例，其中基线误差和总误差显示为单独的误差条码404a、404b。图34D示出了再一实施例，其中例如箭头等形式的指示符408用于显示估计力。当力施加于工作仪器30的远端34时，指示符408动态地上下移动。在一个方面中，指示符408可随着力的增加而变大，并且相反地，可随着力的减小而变小。另外，指示符408可随着力的动态改变而改变颜色。例如，如果估计力较高则指示符408可显示为“暖”色(例如红色)。相反地，如果工作仪器30受到较小的力或没有受到力，则颜色可为“冷”色(例如蓝色)。可使用中间色(例如黄色)来显示中间程度的力。在这点上，可给予医生关于工作仪器30所受到的力的极好视觉指示。图34D还示出了用于显示力测量值的估计误差的指示符410。与力测量值指示符408相似，误差指示符410随着误差的改变而动态地移动。误差指示符410还可响应于误差度而改变颜色。可将估计误差显示为力(例如，克)或可将其显示为偏差百分比或偏差度。
显示给医生的估计误差是以凭经验确定的多个参数为基础的。例如，估计误差可以以护套6的角度、接合角、接合角的改变率、插入距离、峰值间力、以及施加于工作仪器30的远端34的力的量级为基础。估计误差还可为所使用的工作仪器30的类型或型号的函数。该信息可通过操作者控制台82而汇总并输入。与工作仪器30的类型有关的信息以及经验数据可存储在存储器或查阅表中，随后可将其与测得的力值相比较以输出估计误差。
用于显示力的其他方法包括使用声音，其中音调、间隔或音量随测得的力变化。另外，如果一个力读数(或一系列力读数)达到预定的不安全程度时可发出警告声。警告灯或图示元件96(例如，如图1中所示的)或其它类型的警报(诸如当力达到不安全程度时可显示出警告对话框)。触觉反馈也可显示出力的增加，因此当力读数增加时，在操作者控制台82处的主控制器104上感觉到成比例的力。可通过主控制器104传送振动的警告，从而当力的程度变为不安全时使医生感觉到振动。
参照图35，在装置的一般使用中，首先为机械化仪器驱动器400安装例如图11中所示的帷帘130(步骤1000)。如步骤1100中所示的，将导向仪器张开部14和护套仪器张开部16装载到机械化仪器驱动器400上并进行初始化。在该方法的一个方面中，如图35的步骤1200中所示的，在将导向仪器4和护套仪器6插入到患者身体区域(例如血管)或使得导向仪器和护套仪器在患者身体区域中前进(步骤1400)之前，将工作仪器30装载到机械化仪器系统2上并将其接合至振动器50。可替换地，如图35的步骤1300中所示的，可首先将导向仪器4和护套仪器6插入到所关注的身体区域中，以便将导向仪器4的远端布置得靠近或邻近所关注的区域或位置。如图35的步骤1500中所示的，之后，可往回去穿过密封件40将工作仪器30装载到导向仪器4中，直到远端34至少部分地从导向仪器4的远端突出。冲洗流体(例如加压盐水)可被泵送或强制到工作仪器30与导向仪器4之间，以减小摩擦并防止发生通过装置的回流。类似的冲洗流体可被输送到导向仪器4与护套仪器6之间。
为了使用机械化仪器系统2的力感测特征，医生或使用者能够例如通过按压按钮103a(图4)或通过使用位于操作者控制台82处的图形用户界面(GUI)来实现该功能。图形用户界面(GUI)可包括触摸屏100或另一种输入装置(诸如鼠标、键盘、电图铅笔、指示器等)。力感测特征的启动例如引起机械振动器50前后移动并且如文中所描述的。首先，执行初始化程序以建立基线。在图35和图36中的步骤1600代表该程序。该系统可提示医生或使用者查证(例如，图36中的步骤2000)工作仪器30的远端34没有接触任何物体(例如，组织、其他仪器等)。例如，信息可显示在与操作者控制台82相连的显示器90上。
在使用文中所述系统的一个方面中，导向仪器4/护套仪器6及工作仪器30在非常接近于诊断或治疗过程中所使用的接合处的接合位置处经历基线程序。例如，导向仪器4及工作仪器30可接合到其中工作仪器30的远端可接触到一表面的位置中。随后，可从近端抽出导向仪器4和/或护套仪器6，以确保工作仪器30的远端34处没有组织或其他物体。任选地，ECG或其他诊断形式可用于确认工作仪器30的远端34确实没有与组织有任何接触。一旦医生确信远端34没有与组织或物体有任何接触，医生就例如可通过按压按钮103b(图4)或通过使用位于操作者控制台82处的图形用户界面(GUI)来确定系统的基线。之后，如图36的步骤2100所示的那样取得并存储该基线，以便根据文中详细描述的运算法则在随后程序中使用该基线。
如果取得了不可接受的基线测量值，例如，如果系统检测到表示与一表面或物体相接触的力，可发出警告提示医生，要求其确认当前的基线。例如，在显示器90上可向医生显示出诸如“你正接触到组织。你确定打算继续吗？”的警告。之后，医生可重新确定系统的基线，或者接受当前的基线。一旦可接受的基线已由医生接受，则导向仪器4和/或护套仪器6以及工作仪器30可由医生操纵(图35中的步骤1700)并且优选地将工作仪器30的远端34处所受到的估计力显示给医生(图35中的步骤1800)。另外，也可显示估计误差的视觉指示404或指示符410，如参照图34A-34D所述的。
根据工作仪器30的远端34处所受到的估计力的实时或近乎实时的显示，医生继续进行操作。例如，程序可包括使用绘图导管作为工作仪器30来绘制心脏组织。可替换地，程序可包括使用组织导管作为工作仪器30进行组织切除。虽然文中已描述了这些程序的两个特定实例，但应该理解的是，系统并不限于由工作仪器30执行的具体的诊断或治疗程序。
在程序过程中，可操作地连接于机械化仪器系统2的计算机118或其他处理器可跟踪导向仪器4、护套仪器6、以及工作仪器30的位置和/或方位，以使得如果接合处达到或超过预定阈值(该阈值已针对导向仪器4和/或护套仪器6的移动而建立)时可提示医生重新确定基线。如参照图1A所述的，医生可在显示器90上看到导向仪器4、护套仪器6、以及工作仪器30的接合处。任选地，也可显示出基础的接合数据。同样地，如图36的步骤2200中所示的，如果与具体的力测量值相关的误差太大(例如，超过预定阈值)，则系统会提示或建议医生重新确定系统的基线(步骤2300)。例如，当误差变得太大时，可在显示器90上显示信息或者发出声音或警报。在一个方面中，当达到或超过误差上限时系统可自动地抽出导向仪器4、护套仪器6、以及工作仪器30。该程序将强行要求医生重新确定基线。当然，如图36中所示的，给医生的提示或建议也可为忠告性质的，医生可选择忽略或不理睬系统给出的建议而继续进行工作仪器30、导向仪器4和/或护套仪器6的操作。

Claims (39)

1.一 种用于将工作仪器(30)的远端(34)定位在体内腔中的装置，所述装置包括：
导向仪器(4)，所述导向仪器包括具有近端区域(35)和远端(34)的细长件以及穿过所述细长件延伸的内腔(8)；
设置在所述内腔(8)中的工作仪器(30)；
往复运动的振动器(50)，所述振动器机械地接合至所述工作仪器(30)和导向仪器(4)的近端区域(35)，并被构造成用于相对于所述导向仪器(4)移动所述工作仪器(30)；
至少一个测力单元(200)，所述测力单元包括被构造成用于测量所述工作仪器(30)的远端(34)处所受到的力的力传感器(204)；以及
处理器(118)，所述处理器被构造成，至少部分地根据所述至少一个测力单元(200)的力传感器(204)在零载荷状态期间的输出与所述力传感器(204)在载荷状态期间的输出之间的比较来计算所述工作仪器(30)的远端(34)处的估计力。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述往复运动通常是纵向的。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述往复运动通常是转动的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述工作仪器(30)包括细长的医疗仪器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述工作仪器(30)基本上是刚性的。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述工作仪器(30)是挠性的。
7.根据权利要求1至4或6中任一项所述的装置，其中，所述工作仪器(30)是可操纵的。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述工作仪器(30)是可机械化操纵的。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其中，所述导向仪器(4)接合至机械化仪器驱动器(400)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，还包括用于显示所述估计力的显示器(90)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置，其中，所述往复运动的振动器(50)通过密封件(40)机械地接合至所述工作仪器(30)。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述密封件(40)通过挠性波纹管(60)接合至所述导向仪器(4)。
13.根据权利要求11所述的装置，其中，所述密封件(40)包括涛黑密封件。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的装置，其中，所述装置包括两个测力单元(200)，每个测力单元(200)均包括一力传感器(204)。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的装置，还包括护套仪器(6)，所述护套仪器围绕所述导向仪器(4)的一部分同心地布置。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的装置，其中，所述往复运动的振动器(50)包括往复运动的滑架(180)，所述滑架包括可枢转的承载件(190)。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述滑架(180)接合至往复运动的杠杆臂(232)，所述杠杆臂在其一端处可操作地连接至偏心地安装于滑轮(246)的轴承(244)。
18.根据权利要求1所述的装置，所述导向仪器(4)包括导向张开部(14)。
19.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个力传感器(204)包括压缩力传感器。
20.一种机械化导管系统(2)，包括：
机械化操作的导向仪器(4)，所述导向仪器包括近端区域(35)和远端(34)以及从中穿过延伸的内腔(8)；
设置在所述内腔(8)中的工作仪器(30)；
振动的振动器(50)，所述振动的振动器可操作地连接至所述工作仪器(30)和所述导向仪器(4)的近端区域(35)，以使得所述工作仪器(30)和所述导向仪器(4)之一或两者相对于彼此移动；以及
至少一个力传感器(204)，所述力传感器被构造成用于测量由所述振动的振动器(50)施加于所述工作仪器(30)的力。
21.根据权利要求20所述的机械化导管系统(2)，还包括处理器(118)，所述处理器被构造成，至少部分地根据所述至少一个力传感器(204)在零载荷状态期间的输出与所述至少一个力传感器(204)在载荷状态期间的输出之间的比较来计算所述工作仪器(30)的远端(34)处所受到的估计力。
22.根据权利要求20或21所述的机械化导管系统(2)，其中，所述振动运动是纵向的。
23.根据权利要求20或21所述的机械化导管系统(2)，其中，所述振动运动是转动的。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的机械化导管系统(2)，其中，所述工作仪器(30)包括细长的医疗仪器。
25.根据权利要求20至24中任一项所述的机械化导管系统(2)，其中，所述工作仪器(30)基本上是刚性的。
26.根据权利要求20至24中任一项所述的机械化导管系统(2)，其中，所述工作仪器(30)是挠性的。
27.根据权利要求20至24和26中任一项所述的机械化导管系统(2)，其中，所述工作仪器(30)是可操纵的。
28.根据权利要求27所述的机械化导管系统(2)，其中，所述工作仪器(30)是可机械化操纵的。
29.根据权利要求20至28中任一项所述的机械化导管系统(2)，还包括用于显示所述估计力的显示器(90)。
30.根据权利要求20至29中任一项所述的机械化导管系统(2)，其中，所述振动的振动器(50)通过密封件(40)机械地接合至所述工作仪器(30)。
31.根据权利要求30所述的机械化导管系统(2)，其中，所述密封件(40)通过挠性波纹管(60)接合至所述导向仪器(4)。
32.根据权利要求30所述的机械化导管系统(2)，其中，所述密封件(40)包括涛黑密封件。
33.根据权利要求20至32中任一项所述的机械化导管系统(2)，其中，所述系统(2)包括两个力传感器(204)。
34.根据权利要求33所述的机械化导管系统(2)，每个力传感器(204)均安装在接合至所述工作仪器(30)的相应测力单元(200)中。
35.根据权利要求20至34中任一项所述的机械化导管系统(2)，还包括护套仪器(6)，所述护套仪器围绕所述导向仪器(4)的一部分同心地布置。
36.根据权利要求20至35中任一项所述的机械化导管系统(2)，其中，所述振动的振动器(50)包括往复运动的滑架(180)，所述滑架包括可枢转的承载件(190)。
37.根据权利要求36所述的机械化导管系统(2)，其中，所述滑架(180)接合至往复运动的杠杆臂(232)，所述杠杆臂在其一端处可操作地连接至偏心地安装于滑轮(246)的轴承(244)。
38.根据权利要求20至37中任一项所述的机械化导管系统(2)，所述导向仪器(4)包括导向张开部(14)。
39.根据权利要求20至38中任一项所述的机械化导管系统(2)，其中，所述至少一个力传感器(204)包括压缩力传感器。
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