CN107106247B - 用于在机器人手术系统中使用的无菌屏障组件 - Google Patents
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Abstract
一种无菌屏障组件，包括：凸块，其沿所述无菌屏障组件的腔室中的滑动路径滑动；以及屏障膜，其将所述腔室分隔成无菌侧和非无菌侧。在所述凸块沿所述滑动路径滑动时，所述屏障膜随所述凸块移动。所述凸块的第一部分与所述非无菌侧的手术工具驱动单元的输出端相接合。所述凸块的第二部分与所述无菌侧的手术工具的工具驱动器相接合。
Description
技术领域
本申请要求于2014年11月18日提交的美国临时专利申请第62/081,172号的权益和优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。
背景技术
机器人手术系统已经用于微创医疗手术中。一些机器人手术系统包括支撑机器人手臂的控制台和安装到机器人手臂的手术器械。机器人手臂为手术器械提供机械动力用于其操作和移动。每个机器人手臂可以包括可操作地连接到手术器械的器械驱动单元。
在使用机器人系统之前或期间，手术器械被选择并被连接到每个机器人手臂的器械驱动单元。为了完成妥善的安装，手术器械的某些连接特征必须配合地接合到器械驱动单元的相应的连接特征。一旦这些特征被配合地接合，器械驱动单元就能够驱动手术器械的致动。
其使用要经受严格的无菌要求。当前的灭菌技术(例如，蒸汽灭菌)不适合或仅仅有条件地适合于电气和电子设备。不过，为了实现无菌，无菌塑料或橡胶覆盖物(所谓的无菌屏障)通常被套到(本身是非经灭菌的)装置上，或者用于给予该装置无菌覆盖物。
因此，需要一种能够更容易地从手术器械移除和附接到手术器械的无菌屏障组件。
发明内容
根据本公开的实施例，提供了一种无菌屏障组件，所述无菌屏障组件包括：凸块，其沿所述无菌屏障组件的腔室中的滑动路径滑动；以及屏障膜，其将所述腔室分隔成无菌侧和非无菌侧。在所述凸块沿所述滑动路径滑动时，所述屏障膜至少部分地随所述凸块移动。所述凸块的第一部分与所述非无菌侧的手术工具驱动单元的输出端相接合。所述凸块的第二部分与所述无菌侧的手术工具的工具驱动器相接合。
在实施例中，所述屏障膜可以介于所述凸块的所述第一部分与所述第二部分之间。
在另一实施例中，所述屏障膜可以邻近所述凸块的所述第一部分，并且在所述凸块的所述第一部分与所述手术工具驱动单元的输出端接合时，所述屏障膜可以包围所述凸块的所述第一部分和手术工具驱动单元的输出端中的至少一个。可替代地，所述屏障膜可以邻近所述凸块的所述第二部分，并且在所述凸块的所述第二部分与所述工具驱动器接合时，所述屏障膜可以包围所述凸块的所述第二部分和所述工具驱动器中的至少一个。手术工具驱动单元的输出端可以旋转地移动，同时所述凸块和所述工具驱动器平移地移动并且所述凸块可以从所述驱动单元的旋转输出端向所述工具驱动器施加平移移动。
在又一实施例中，无菌屏障组件可以进一步包括细长元件，所述细长元件附接到所述凸块并延伸到所述无菌屏障组件中的纵向通道中。所述凸块和所述细长元件可以在所述通道的纵向上滑动。另外，所述凸块可以沿所述无菌屏障组件中的导轨纵向地滑动。
在又一实施例中，所述屏障膜可以由弹性材料形成。可替代地，所述屏障膜可以由非弹性材料形成。特别地，所述屏障膜可以包括所述非弹性材料中的松弛部，所述松弛部随着所述凸块在至少一个方向上滑动而拉紧。所述屏障膜可以被严密地密封到所述无菌屏障组件的至少一个部件。
根据本公开的另一实施例，提供了一种机器人手术系统，所述机器人手术系统包括无菌器械、操纵器组件、非无菌驱动单元和无菌屏障。所述无菌器械具有由多个工具驱动器在多个方向上操纵的手术工具。所述操纵器组件具有将基部联接到支撑所述无菌器械的器械保持器的连杆。所述连杆能够以多个自由度移动。所述非无菌驱动单元包括多个从动输出端。所述无菌屏障具有将所述无菌屏障分隔成联接到所述无菌器械的无菌侧和联接到所述非无菌驱动单元的非无菌侧的屏障膜。在所述无菌屏障中的多个凸块沿相应的凸块滑动路径滑动时，所述屏障膜至少部分地随所述凸块移动。所述凸块将所述驱动单元的所述从动输出端联接到所述无菌器械的所述工具驱动器。
在实施例中，所述凸块可以包括联接到所述驱动单元的所述从动输出端的第一部分和联接到所述器械的所述工具驱动器的第二部分。所述屏障膜可以介于所述第一部分与所述第二部分之间。每个凸块的至少一部分可以滑动地附接到至少一个导轨。所述至少一个导轨可以针对每个凸块限定所述相应的凸块滑动路径。每个凸块沿所述至少一个导轨的轴向平移可以将平移运动施加到所述器械的相应的工具驱动器。所述屏障膜可以由聚乙烯或聚碳酸酯形成。
根据本公开的另一方面，提供了一种方法，所述方法包括：致动器械驱动单元的从动输出端，所述从动输出端可拆卸地联接到无菌屏障的非无菌侧，所述无菌屏障具有将所述无菌屏障的所述非无菌侧从无菌侧分隔开的屏障膜；响应于所述致动，沿所述无菌屏障中的平移凸块滑动路径来滑动所述无菌屏障中的凸块，所述凸块可分离地联接到所述从动输出端；随着所述凸块沿所述平移凸块滑动路径滑动而至少部分地移动所述屏障膜；响应于所述凸块的所述滑动，平移地移动无菌器械的驱动器，所述驱动器可拆卸地联接到所述无菌屏障的所述无菌侧的滑动凸块；以及随着所述驱动器平移地移动而操纵连接到所述驱动器的手术工具。
附图说明
在下文中参照附图来描述本公开的各种实施例，其中：
图1是机器人手术系统的立体图；
图2是图1的机器人手术系统的驱动组件的立体图；
图3是图2的驱动组件的医疗装置匣的立体图；
图4是图3的医疗装置匣的立体图，其中移除了外壳；
图5是根据本公开的实施例的与图1的机器人手术系统一起使用的无菌屏障组件的俯视图；
图6是图5的无菌屏障组件的立体图，其中移除了屏障膜；
图7是图2的驱动组件的立体图，其中医疗装置匣和器械驱动单元的壳体的部分被移除以更详细地示出驱动组件；
图8至图13是图示各种凸块布置的器械驱动单元的立体图；以及
图14和图15是图示各种屏障膜布置的器械驱动单元的部分侧视图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本公开的实施例，其中在若干视图的每个中，相同的附图标记指示相同或相应的元件。如本文所使用的，如传统上那样，术语“远侧”是指器械、设备、装置或其部件的离用户较远的那部分，而术语“近侧”是指器械、设备、装置或其部件的离用户较近的那部分。在下面的描述中，不详细描述公知的功能或结构，以避免以不必要的细节使本公开变得模糊。
参照图1，提供了根据本公开的实施例的包括无菌屏障组件100(图5)的机器人手术系统10。机器人手术系统10通常包括显示器12、映射系统14、输入控制系统16、电子控制系统18、操纵器组件20和操纵器组件支撑结构22。特别地，映射系统14确定配备有传感器的手术器械44的位置和取向。输入控制系统16通过用户输入来控制手术器械44的致动。电子控制系统18将来自输入控制系统16的用户输入转换成致动控制信号。响应于致动控制信号，操纵器组件20致动手术器械44。操纵器组件20包括平移组件32和安装在平移组件32上的驱动组件34。驱动组件34被配置为响应于来自电子控制系统18的致动控制信号来致动手术器械44。操纵器组件支撑结构22用于将操纵器组件20定位在患者“P”附近。
现在参照图2至图4，驱动组件34包括器械驱动单元(“IDU”)38和可拆卸地附接到IDU 38的医疗装置匣36。医疗装置匣36包括外壳40(图3)、基部48(图3)和设置在外壳40内的可旋转组件42(图4)。可旋转组件42包括手术器械44，手术器械44可操作地联接到可旋转组件42。可旋转组件42包括与无菌屏障组件100(图5)的凸块1761，2(图5)可操作地相关联的机械驱动接口641，2。
现在参照图6，根据本公开的实施例的无菌屏障组件100被构造为使手术器械44的无菌部分与操纵器组件20的非无菌部分分离(图1)，同时使得运动能够从IDU 38(图2)传递到手术器械44。无菌屏障组件100包括基部构件102、固定构件104、屏障膜106(图5)、致动轨道112和凸块1761-4。基部构件102和固定构件104限定了腔室108，腔室108的尺寸设置成接收致动轨道112和可操作地安装在致动轨道112上的凸块1761-4。
现在参照图5，屏障膜106牢固地介于基部构件102与固定构件104之间，使得屏障膜106在手术器械44的无菌部分与操纵器组件20(图1)的非无菌部分之间建立了严密密封。例如，可以使用螺钉101、铆钉、焊接、胶水或其他紧固件将屏障膜106固定到无菌屏障组件100的周边。此外，屏障膜106还牢固地固定到每个凸块1761-4。例如，螺钉176c可以用于将屏障膜106牢固地固定到相应的凸块1761-4。屏障膜106可以由例如硅胶的薄的弹性材料形成。另外，屏障膜106可以由例如聚乙烯、乳胶、丁腈橡胶、塑料、乙烯基或氯丁橡胶的其它弹性或非弹性材料形成。在一些情况下，可以在腔室108内提供额外的屏障膜106，以提供在凸块1761-4之间以及基部构件102和固定构件104之间的屏障膜106中的松弛，以抑制对屏障膜106的损坏和由屏障膜106施加到凸块1761-4的不期望的拉力。
返回参照图6，每个凸块1761-4包括第一部分176a和第二部分176b。屏障膜106牢固地定位在第一凸块部分176a与第二凸块部分176b之间。在这种构造下，每个凸块1761-4的第一部分176a设置在无菌屏障组件100的非无菌侧150，并且每个凸块1761-4的第二部分176b设置在无菌屏障组件100的无菌侧152。凸块1761-4相对于屏障膜106自由移动。在这种构造下，凸块1761-4可以将来自IDU 38的力和扭矩传递到手术器械44。
继续参照图6，每个凸块1761，2的第二部分176b包括构造为接合医疗装置匣36的相应的机械驱动接口641，2(图4)的接合部分178。接合部分178包括限定例如凹槽或凹入部分的指状物178a，所述凹槽或凹入部分适于帮助凸块1761，2与医疗装置匣36的相应的机械驱动接口641，2(图4)的接合。
现在参照图7，第一凸块1761延伸穿过限定在医疗装置匣36的基部48中的狭槽1281，并且可操作地接合驱动接口641的凸缘1241。第二凸块1762延伸穿过基部48中的狭槽1282，并且可操作地接合驱动接口642的凸缘1242。IDU 38包括驱动系统138，驱动系统138可操作地联接到第一凸块1761和第二凸块1762以将平移移动施予医疗装置匣36的相应的驱动接口641，2(图4)。IDU 38进一步包括用于驱动系统138的专用电动机控制器(未示出)。凸块1761，2被配置为由电动机驱动。随着凸块1761，2由电动机驱动，凸块1761，2沿致动轨道112(图6)行进，并且将平移移动施予相应的驱动接口641，2(图4)。电动机控制器与电子控制系统18通信并控制驱动系统138的电动机的移动。虽然已经示出了仅使用第一凸块1761和第二凸块1762，但是还可以预期的是，所有四个凸块1761-4可以用于其它手术器械。
另外，IDU 38可以包括联接到凸块1761，2的力传感器(未示出)，诸如应变仪。应变仪被配置为测量由驱动系统138施加到驱动接口641，2的致动力。应变仪190电联接到电动机控制器和电子控制系统18，以传输测量到的施加到相应的驱动接口641，2的力。力传感器至少确保凸块1761-4和相应的驱动接口641，2之间保持最小接触力。如上所述，通过提供凸块1761-4之间以及基部构件102和固定构件104之间的屏障膜106中的松弛，可以减小由屏障膜106施加到凸块1761-4的不期望的拉力。以这种方式，可以实现借助力传感器的更精确的读数。
还可以想到，无菌屏障组件100的屏障膜构造可以用于各种凸块/导轨构造。参照图8，IDU 200包括四个凸块276a，b。第一对凸块276a与第二对凸块276b处于叠置关系。每个凸块276a，b包括第一部分和第二部分(未示出)。如上所述，屏障膜106可以介于第一对凸块276a的第一部分与第二部分之间，或者第二对凸块276b的第一部分与第二部分之间。参照图9，IDU 300包括在第一平面上可移动的第一对凸块376a和在第二平面上可移动的第二对凸块376b，其中凸块376b设置在凸块376a的径向外侧。第一对凸块376a和第二对凸块376b中的每对包括被构造为固定屏障膜106的第一部分和第二部分(未示出)。参照图10，无菌屏障组件400包括以共平面的关系可移动地布置的四个凸块476。每个凸块476包括第一部分和第二部分(未示出)，所述第一部分和第二部分被构造成将屏障膜106固定在两者之间。
现在参照图11，还可以想到，IDU 500可以包括以非平行取向布置的致动轨道512a，b以及可操作地安装在相应的致动轨道512a，b上的凸块576a，b。特别地，致动轨道512a，b可以彼此横向，使得凸块576a可以在箭头“V”的方向上移动，并且凸块576b可以在箭头“T”的方向上移动。每个凸块576a，b包括第一部分5761和第二部分5762。如上所述，屏障膜106可介于凸块576a，b的第一部分5761与第二部分5762之间，以建立手术器械的无菌部分与操纵器组件的非无菌部分之间的严密密封。
现在参照图12，还可以想到，IDU 600可以包括非直线的致动轨道612a，b以及可操作地安装在相应的致动轨道612a，b上的凸块676a，b。每个致动轨道612a，b可以限定为满足手术器械的需要而定制的曲率半径。每个凸块676a，b包括第一部分6761和第二部分6762。如上所述，屏障膜106可介于凸块676a，b的第一部分6761与第二部分6762之间，以建立手术器械的无菌部分与操纵器组件的非无菌部分之间的严密密封。
现在参照图13，还可以想到，IDU 700可以包括可在箭头“S”的方向上移动的致动轨道712、可操作地安装在致动轨道712上的凸块776、与凸块776可操作地联接的可旋转构件720、以及可操作地与可旋转构件720相关联的线缆构件722。凸块776包括第一部分和第二部分(未示出)。凸块776的第一部分与致动轨道712可操作地联接，并且凸块776的第二部分与可旋转构件720可操作地联接。在这种构造下，致动轨道712在箭头“S”的方向上的移动引起可旋转构件720在箭头“K”的方向上的旋转。线缆722与可旋转构件720可操作地联接，使得可旋转构件720的旋转引起缆线722的第一端722a和第二端722b在相反方向上的移动。屏障膜106可以介于凸块776的第一部分与第二部分之间，以建立手术器械的无菌部分与操纵器组件的非无菌部分之间的严密密封。
现在参照图14，还可以想到，屏障膜106可以包围凸块876，使得屏障膜106的至少一部分介于凸块876与手术器械的接合构件802之间，使得屏障膜106建立手术器械的无菌部分与操纵器组件和凸块876的非无菌部分之间的严密密封。可替代地，也可以想到，屏障膜106的至少一部分可以介于凸块876与操纵器组件的接合构件804之间，使得屏障膜106建立手术器械和凸块876的无菌部分与操纵器组件的非无菌部分之间的严密密封。在一些情况下，可以提供额外的屏障膜106以在屏障膜106中产生松弛，来抑制对屏障膜106的损害和由屏障膜106施加到凸块876的不期望的拉力。可代替地，屏障膜106可以固定在致动轨道912(图15)和凸块976(图15)内，使得屏障膜106建立手术器械的无菌的接合构件902与操纵器组件的非无菌的接合构件904之间的严密密封。
虽然本文已经示出和描述了本发明的优选实施例，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，这些实施例仅仅作为示例的方式来提供。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员现在将会想到许多变化、改变和替换。相应地，本发明旨在仅由所附权利要求的主旨和范围所限制。
尽管文中已经参考附图描述了本公开的说明性实施例，但是上述描述、公开和附图不应当被解释为限制，而仅仅是特定实施例的示例。尽管无菌屏障组件100已经示出用于与构造成用于直线移动的凸块1761-4一起使用，但是还可以设想，无菌屏障组件100可以专用于与构造成在一个或多个方向上以所有六个自由度来传递直线和旋转运动的凸块一起使用。因此，应当理解，本公开不限于那些精确的实施例，而是在不脱离本公开的范围或精神的情况下，本领域技术人员可以在其中实现各种其它改变和变型。
Claims (16)
1.一种无菌屏障组件，包括：
凸块，其沿所述无菌屏障组件的腔室中的滑动路径滑动；以及
屏障膜，其将所述腔室分隔成无菌侧和非无菌侧，在所述凸块沿所述滑动路径滑动时，所述屏障膜至少部分地随所述凸块移动，
所述凸块的第一部分与所述非无菌侧的手术工具驱动单元的输出端相接合，所述凸块的第二部分与所述无菌侧的手术工具的工具驱动器相接合，
所述屏障膜邻近所述凸块的所述第一部分，并且在所述凸块的所述第一部分与所述手术工具驱动单元的输出端接合时，所述屏障膜包围所述凸块的所述第一部分和手术工具驱动单元的输出端中的至少一个，或者，
所述屏障膜邻近所述凸块的所述第二部分，并且在所述凸块的所述第二部分与所述工具驱动器接合时，所述屏障膜包围所述凸块的所述第二部分和所述工具驱动器中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的无菌屏障组件，其中手术工具驱动单元的输出端旋转地移动，同时所述凸块和所述工具驱动器平移地移动并且所述凸块从所述驱动单元的旋转输出端向所述工具驱动器施加平移移动。
3.根据权利要求1所述的无菌屏障组件，进一步包括细长元件，所述细长元件附接到所述凸块并延伸到所述无菌屏障组件中的纵向通道中，所述凸块和所述细长元件在所述通道的纵向上滑动。
4.根据权利要求1所述的无菌屏障组件，其中所述凸块沿所述无菌屏障组件中的导轨纵向地滑动。
5.根据权利要求1所述的无菌屏障组件，其中所述屏障膜由弹性材料形成。
6.根据权利要求1所述的无菌屏障组件，其中所述屏障膜由非弹性材料形成。
7.根据权利要求6所述的无菌屏障组件，其中所述屏障膜包括所述非弹性材料中的松弛部，所述松弛部随着所述凸块在至少一个方向上滑动而拉紧。
8.根据权利要求1所述的无菌屏障组件，其中所述屏障膜被严密地密封到所述无菌屏障组件的至少一个部件。
9.一种机器人手术系统，包括：
无菌器械，其具有由多个工具驱动器在多个方向上操纵的手术工具；
操纵器组件，其具有将基部联接到支撑所述无菌器械的器械保持器的连杆，所述连杆能够以多个自由度移动；
非无菌驱动单元，其包括多个从动输出端；以及
无菌屏障，其具有将所述无菌屏障分隔成联接到所述无菌器械的无菌侧和联接到所述非无菌驱动单元的非无菌侧的屏障膜，在所述无菌屏障中的多个凸块沿相应的凸块滑动路径滑动时，所述屏障膜至少部分地随所述凸块移动，所述凸块将所述驱动单元的所述从动输出端联接到所述无菌器械的所述工具驱动器，所述凸块包括联接到所述驱动单元的所述从动输出端的第一部分和联接到所述器械的所述工具驱动器的第二部分，
其中，所述屏障膜邻近所述凸块的所述第一部分，并且在所述凸块的所述第一部分与所述驱动单元的所述从动输出端接合时，所述屏障膜包围所述凸块的所述第一部分和所述驱动单元的所述从动输出端中的至少一个，或者，
所述屏障膜邻近所述凸块的所述第二部分，并且在所述凸块的所述第二部分与所述工具驱动器接合时，所述屏障膜包围所述凸块的所述第二部分和所述工具驱动器中的至少一个。
10.根据权利要求9所述的手术系统，其中每个凸块的至少一部分滑动地附接到至少一个导轨，所述至少一个导轨针对每个凸块限定相应的凸块滑动路径。
11.根据权利要求10所述的手术系统，其中每个凸块沿所述至少一个导轨的轴向平移将平移运动施加到所述器械的相应的工具驱动器。
12.根据权利要求9所述的手术系统，其中所述屏障膜由弹性材料形成。
13.根据权利要求9所述的手术系统，其中所述屏障膜由聚乙烯或聚碳酸酯形成。
14.根据权利要求9所述的手术系统，其中所述屏障膜由非弹性材料形成。
15.根据权利要求9所述的手术系统，其中所述屏障膜建立所述无菌侧与所述非无菌侧之间的严密密封。
16.一种用于操纵机器人手术系统的方法，包括：
致动器械驱动单元的从动输出端，所述从动输出端可拆卸地联接到无菌屏障的非无菌侧，所述无菌屏障具有将所述无菌屏障的所述非无菌侧从无菌侧分隔开的屏障膜；
响应于所述致动，沿所述无菌屏障中的平移凸块滑动路径来滑动所述无菌屏障中的凸块，所述凸块可分离地联接到所述从动输出端；
随着所述凸块沿所述平移凸块滑动路径滑动而至少部分地移动所述屏障膜；
响应于所述凸块的所述滑动，平移地移动无菌器械的驱动器，所述驱动器可拆卸地联接到所述无菌屏障的所述无菌侧的滑动凸块；以及
随着所述驱动器平移地移动而操纵连接到所述驱动器的手术工具，
其中，所述凸块包括联接到所述器械驱动单元的所述从动输出端的第一部分和联接到所述无菌器械的所述驱动器的第二部分，
所述屏障膜邻近所述凸块的所述第一部分，并且在所述凸块的所述第一部分与所述器械驱动单元的所述从动输出端接合时，所述屏障膜包围所述凸块的所述第一部分和所述器械驱动单元的所述从动输出端中的至少一个，或者，
所述屏障膜邻近所述凸块的所述第二部分，并且在所述凸块的所述第二部分与所述驱动器接合时，所述屏障膜包围所述凸块的所述第二部分和所述驱动器中的至少一个。
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