CN110772293A - 用于电动手术装置的自适应防抽动算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于电动手术装置的自适应防抽动算法。一种手术装置包括具有控制器的手柄组件；第一电机；和第二电机。手术装置还包括接头组件，其具有：具有配置成联接到手柄组件的近侧末端部分及远侧末端部分的限定纵向轴线的管状壳体；安置在管状壳体内且联接到第一电机的第一致动组件；和安置在管状壳体内且联接到第二电机的第二致动组件。手术装置另外包括配置成联接到接头组件的远侧末端部分的末端执行器。末端执行器联接到围绕垂直于纵向轴线的铰接轴铰接末端执行器的第一致动组件。末端执行器还包括联接到第二致动组件且通过第二致动组件能够轴向移动的柔性驱动杆。控制器配置成响应于柔性驱动杆的轴向移动维持末端执行器的初始铰接位置。

Description

用于电动手术装置的自适应防抽动算法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年7月25日提交的美国临时专利申请第62/702,995号的利益和优先权，所述申请的全部公开内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本公开涉及手术装置。更具体地，本公开涉及具有铰接负载单元的电动手术装置。

背景技术

用于将紧固件或钉施用到组织的手术紧固件装置为众所周知的。这些紧固件装置包括预装有一个或多个钉并且在单次使用之后可抛弃的单次使用装置。多次使用装置也为可用的并且预装有多个钉。多次使用装置可包括机电，例如电动或手动致动的手柄组件。这些装置可与单次使用负载单元(SULU)或多次使用负载单元(MULU)一起使用。负载单元包括主体和末端执行器，并且直接或经由可联接到手柄组件的接头组件附接到手柄组件。负载单元还可包括铰接末端执行器。在利用电机致动和/或铰接末端执行器的电动手术装置中，电机可无意中导致末端执行器出现意外移动。因此，需要最小化和/或减轻无意移动的影响的电动手术装置。

发明内容

根据本公开的一个实施例，一种手术装置包括具有控制器的手柄组件；第一电机；和第二电机。手术装置还包括接头组件，所述接头组件具有：具有配置成联接到手柄组件的近侧末端部分及远侧末端部分的限定纵向轴线的管状壳体；安置在管状壳体内并且联接到第一电机的第一致动组件；和安置在管状壳体内并且联接到第二电机的第二致动组件。手术装置另外包括配置成联接到接头组件的远侧末端部分的末端执行器。末端执行器联接到第一致动组件，所述第一致动组件围绕垂直于纵向轴线的铰接轴铰接末端执行器。末端执行器还包括联接到第二致动组件并且通过第二致动组件可轴向移动的柔性驱动杆。控制器配置成响应于柔性驱动杆的轴向移动维持末端执行器的初始铰接位置。

根据上述实施例的一个方面，末端执行器包括砧座组件和仓组件。柔性驱动杆配置成轴向移动通过砧座组件和仓组件，以相对于仓组件枢转砧座组件。

根据上述实施例的另一个方面，控制器另外配置成调节第一电机，以补偿由于柔性驱动杆的移动造成的初始铰接位置的变化。

根据上述实施例的另一方面，控制器包括存储器并且将末端执行器的初始铰接位置存储在存储器中。控制器另外配置成补偿由于柔性驱动杆的移动造成的初始铰接位置的变化，以维持初始铰接位置。存储器存储具有多个铰接校正值的数据库，所述铰接校正值中的每一个对应于柔性驱动杆的多个纵向位置值中的一个。控制器另外配置成基于对应于纵向位置值的铰接校正值调节第一电机。控制器另外配置成基于第二电机的旋转确定纵向位置值。

根据上述实施例的又另一个方面，手术装置另外包括配置成获得测量的末端执行器的铰接位置的铰接传感器。控制器另外配置成基于测量的铰接位置调节第一电机。

根据本公开的另一个实施例，一种用于控制手术装置的方法包括：操作第一电机以致动配置成将末端执行器铰接到初始铰接位置的第一致动组件；操作第二电机以致动配置成通过末端执行器移动柔性驱动杆的第二致动组件；和响应于第二致动组件的致动和柔性驱动杆的移动，通过调节第一电机维持初始铰接位置。

根据上述实施例的一个方面，方法另外包括测量在柔性驱动杆移动期间末端执行器的铰接位置，以获得测量的铰接位置。方法另外包括基于测量的铰接位置调节第一电机以补偿初始铰接位置的变化。

根据上述实施例的另一个方面，方法另外包括：存储具有多个铰接校正值的数据库，所述铰接校正值中的每一个对应于柔性驱动杆的多个纵向位置值中的一个。方法另外包括基于对应于纵向位置值的铰接校正值调节第一电机并且基于第二电机的旋转确定纵向位置值。

附图说明

在本文中参考附图描述本公开的实施例，其中：

图1为根据本公开的实施例的手持型手术装置、接头组件，和手术负载单元的透视图；

图2为说明根据本公开的实施例的图1的接头组件和手柄组件的连接的透视图；

图3为根据本公开的实施例的手柄组件的内部部件的透视图；

图4为沿根据本公开的实施例的图1的剖面“4-4”截取的接头组件的截面视图；

图5为沿根据本公开的实施例的图1的剖面“5-5”截取的接头组件的截面视图；

图6为其中零件分离的根据本公开的实施例的图1的接头组件的透视图，

图7为其中零件分离的根据本公开的实施例的图1的手术负载单元的透视图；

图8为根据本公开的一个实施例的用于操作手术装置以补偿在起动或缩回期间出现的末端执行器的意外移动的方法的流程图；和

图9为根据本公开的另一实施例的用于操作手术装置以补偿在起动或缩回期间出现的末端执行器的意外移动的方法的流程图。

具体实施方式

现在参考附图详细描述本公开的实施例，其中在若干视图中的每一个中，类似的附图标号指定相同或对应元件。如本文中所使用，术语“临床医生”是指医生、护士或任何其它医护人员并且可包括辅助人员。贯穿本说明书，术语“近侧”将是指更接近临床医生的装置的部分或其部件，并且术语“远侧”将是指更远离临床医生的装置的部分或其部件。此外，在附图中和在以下描述中，为描述方便起见简单地使用术语，如前部、后部、上、下、顶部、底部和类似的方向术语并且不旨在限制本公开。在以下描述中，没有详细地描述众所周知的功能或构造以免以不必要的细节混淆本公开。

本公开提供一种电动手术装置，其包括手柄组件、负载单元，所述负载单元经由接头组件互连到手柄组件。负载单元包括末端执行器，所述末端执行器配置成围绕垂直于由接头组件限定的纵向轴线的铰接轴铰接。末端执行器包括一对夹爪构件-砧座组件和包括钉的仓组件。在实施例中，末端执行器可在任一方向相对于纵向轴线至多约45度铰接。手柄组件包括一个或多个电机，其配置成响应于临床医生的输入(如按压对应于期望的关节运动方向的开关)致动包括末端执行器(其铰接)。

最初，临床医生将末端执行器定向到理想位置，例如通过旋转接头组件和/或铰接末端执行器。在末端执行器围绕期望组织区域安置之后，临床医生致动末端执行器以围绕组织夹持，将钉弹射到组织中，并且通过使柔性驱动杆前进通过末端执行器切割组织。在完成钉合和切割之后，柔性驱动杆缩回以打开夹爪构件并且释放组织。

在缩回期间，柔性驱动杆可由于由柔性驱动杆施加在末端执行器上的橫向力而无意中改变末端执行器的铰接位置。因此，不是在柔性驱动杆的缩回期间保持静止，末端执行器无意地移动，即，“抽动”。根据原始铰接角度，此抽动平均可为大约13.5度。此外，当末端执行器向左铰接时，这可通过向近侧移动接头组件的铰接连杆(例如牵拉铰接连杆)完成，缩回抽动可结合铰接连杆已移动的距离的增加而增加。当末端执行器向右铰接时，这通过向远侧移动铰接连杆(例如推动铰接连杆)完成，缩回抽动引起推动铰接的快速增加，随后铰接逐渐减少回到起初设定的铰接位置。铰接变化的原因可由于在铰接期间由柔性驱动杆的弯曲引起的夹爪的净力矩。

本公开提供一种系统和方法，其通过在柔性驱动杆缩回期间控制铰接电机抵消末端执行器的净力矩。手柄组件包括控制铰接电机和起动电机的操作的控制器。控制器配置成实行包括计算机可读指令的集合软件，其实施防抽动算法。接头组件包括负载感测组合件，如应变计，其配置成测量在柔性驱动杆缩回期间施加在铰接致动组件上的应变，以为控制器提供反馈。然后控制器校正由于通过操作铰接电机缩回的检测到的抽动，以补偿在闭环控制方案中的抽动。

在另一个实施例中，控制器可操作铰接电机而不依赖于闭环控制方案，而是利用包括对应于末端执行器的铰接角度的修正系数的数据。可凭经验收集或推导出数据。对于每个铰接位置以及柔性驱动杆的纵向位置，数据包括预设修正系数，使控制器估计铰接电机将移动铰接连杆以补偿抽动的移动量。因此，开环控制方案可基于收集包括对应于在起动开始时初始铰接的铰接位置的变化的数据。

手柄组件还配置成在柔性驱动杆起动(例如在远侧方向上移动)期间以及在驱动杆缩回期间维持末端执行器的铰接位置。当基于拉动(例如左)铰接的传感器反馈使用闭环算法时，手柄组件在起动期间逐渐减少铰接的程度和在缩回期间将铰接的程度快速恢复到其初始起动位置。使用开环控制方案，可使用对应于收集的数据的预编程的防抽动模式在缩回或起动期间调节铰接位置。

参考图1，电动手术装置10包括手柄组件20，其配置成用于与接头组件30选择性连接，这继而配置成用于与具有末端执行器44的负载单元40选择性连接。尽管大体上被称为电动手术器械，但是预手术装置10可为手动致动的且可包括各种配置。

手柄组件20包括手柄壳体22，其具有下部壳体部分24、从下部壳体部分24的一部分延伸和/或支撑在其上的中间壳体部分26，和从中间壳体部分26的一部分延伸和/或支撑在其上的上部壳体部分28。手柄组件20还包括多个控件23，其可包括按钮、触摸屏，或任何其它用户输入装置，用于使临床医生控制手术装置10的操作。

如图2所示，上部壳体部分28的远侧部分限定配置成接纳接头组件30的近侧末端部分30b的鼻部或连接部分28a。上部壳体部分28的连接部分28a包括具有多个电触点31的电插座29，其与手柄组件20的电子(例如控制器38)和电部件(例如电源37)电通信(图3)。接头组件30包括配置成接合电插座29的对应电连接器32。电连接器32还包括多个电触点34，其接合并且电连接到其对应电触点31。

参考图3，手柄组件20包括联接到电源37的电机36a、36b、36c。手柄组件20还包括用于操作电机36a、36b、36c和手柄组件20的其它电子组件、接头组件30和负载单元40的控制器38。电机36a、36b、36c联接到对应的驱动轴39a、39b、39c(图2)，其配置成接合在近侧末端部分30b上的相应插槽33a、33b、33c，使得驱动轴39a、39b、39c的旋转施加在插槽33a、33b、33c上。

控制器38可包括任何合适的逻辑控制器(例如FPGA)和存储通过逻辑控制器可实行以操作电机36a、36b、36c以及手术装置10的其它部件的软件指令的存储器。控制器38的存储器还可存储除了软件指令之外的各种数据。控制器38也联接到控件23并且配置成响应于通过控件23的用户输入操作电机36a、36b、36c。

参考图4-6，接头组件30包括在配置成用于可操作连接到手柄组件20的连接部分28a的近侧末端部分30b和配置成用于可操作连接到负载单元40的相对远侧末端部分30c之间延伸的管状壳体30a。接头组件30包括致动组件35a、35b、35c，其中的每个联接到插槽33a、、33b、33c中的一个(图6)。致动组件35a、35b、35c配置成将插槽33a、33b、33c的旋转运动转换成线性运动和/或旋转运动，使得接头组件30配置成将通过手柄组件20提供的旋转运动转变成轴向平移，用于使接头组件30围绕纵向轴线X-X旋转，铰接负载单元40，夹持组织，弹射紧固件，和切割紧固的组织。

参考图6，致动组件35a包括具有安置在铰接连杆57的远侧末端部分处的钩57a的铰接连杆57。铰接连杆57的纵向移动用于围绕垂直于纵向轴线X-X的铰接轴Y-Y(图1和7)铰接末端执行器44。致动组件35b包括驱动构件56，其用于操作末端执行器44的砧座组件46和仓组件48。致动组件35c用于围绕纵向轴线X-X旋转接头组件30。

如图5所示，接头组件30还包括安置在管状壳体30a内的铰接传感器61。铰接传感器61可为配置成感测末端执行器44相对于纵向轴线X-X的铰接位置的任何装置在实施例中，铰接传感器61可为配置成测量致动组件35a或负责铰接的任何其它机械连杆机构的行进距离的编码器。在另外的实施例中，铰接传感器61可为配置成测量在末端执行器44上的点和接头组件30之间的距离的接近传感器。末端执行器44可包括磁体61a(图7)，并且铰接传感器61可包括霍耳效应(Hall Effect)传感器，其基于磁体61a的距离输出传感器信号。

铰接传感器61通过配置成接合电插座29的电连接器32联接到控制器38。这使铰接传感器61传输对应于铰接位置的传感器信号。在闭环控制方案中，控制器38可将传感器信号用作反馈参数。

参考图1和7，示出负载单元40的实施例。负载单元40包括近侧主体部分42和末端执行器44。近侧主体部分42可释放地附接到接头组件30的远侧末端部分30c，并且末端执行器44可枢转地附接到近侧主体部分42的远侧末端。末端执行器44包括砧座组件46和仓组件48。砧座组件46关于仓组件48可枢转并且在打开或未夹持位置和闭合或夹持位置之间可移动。近侧主体部分42包括驱动组件50和铰接连杆52。

驱动组件50包括具有远侧末端部分54a和近侧接合区段54b的柔性驱动杆54。远侧末端部分54a包括具有刀55a的I形杆55。I形杆55配置成行进通过砧座组件46和仓组件48，由此朝向仓组件48推动砧座组件46以夹持组织。近侧接合区段54b包括直径相对的向内延伸指54c，其接合驱动构件56(图5和6)以将驱动构件56固定地紧固到柔性驱动杆54的近侧末端。驱动构件56通过接头组件30的致动组件35b致动。

末端执行器44的仓组件48包括可移除地支撑在托架60中的钉仓58。钉仓58限定中心纵向狭槽58a，并且多个直排钉保持狭槽58b定位在中心纵向狭槽58a的每一侧上。钉保持狭槽58b中的每个接收单个钉62和钉推动器64的一部分。在手术装置10的操作期间，驱动组件50邻接致动滑块66并且推动致动滑块66通过钉仓58。在致动滑块66移动通过钉仓58时，致动滑块66的凸轮楔依次接合钉推动器64，以在钉保持狭槽58b内垂直移动钉推动器64并且依次从其弹射单个钉62，用于抵靠砧座组件46的砧座板46a形成。

负载单元40的近侧主体部分42包括具有从负载单元40的近侧末端延伸的钩状近侧末端部分52a的铰接连杆52，所述近侧末端接合联接到接头组件30的致动组件35a的相对铰接连杆57。铰接连杆52具有可枢转地紧固到末端执行器44的远侧末端部分52b。在铰接连杆57通过接头组件30的致动组件35a在轴向方向上向近侧或向远侧移动时，负载单元40的铰接连杆52也以相同方式移动。铰接连杆52的轴向移动继而围绕限定轴Y-Y的枢轴销59铰接(例如枢转)末端执行器44。

参考图8，示出用于操作手术装置10补偿在柔性驱动杆54起动或缩回期间出现的末端执行器44的意外移动的方法。方法可实施为软件或存储在控制器38的存储器中的任何其它计算机可读指令。最初，临床医生致动控件23以使末端执行器44定向在理想位置中，这可包括相对于轴线X-X旋转接头组件30和/或铰接末端执行器44。一旦末端执行器处于理想位置，临床医生致动控件23以打开或闭合砧座组件46。在实施例中，临床医生可致动控件23以起动或缩回柔性驱动杆54，这包括最初打开或闭合砧座组件46。在实施例中，方法也适合于补偿在柔性驱动杆54缩回期间出现的末端执行器44的意外移动。因为末端执行器44将围绕组织夹持，所以不需要定位末端执行器44。

在致动控件23之后，控制器38移动致动组件35b，以通过移动致动组件35b打开或闭合砧座组件46。更具体地，控制器38对电机36b发指令以旋转预定的转数，以打开或闭合砧座组件46。一旦砧座组件46打开或闭合，控制器38就获得初始铰接位置。控制器38可中断致动组件35b的移动以获得铰接位置。在实施例中，初始铰接位置可为最后存储的铰接位置，其存储在控制器38的存储器中。更具体地，控制器38连续记录对应于电机36a的转数的铰接位置，这操作致动组件35a用于铰接末端执行器44。这使控制器38连续追踪铰接位置，如此出于此方法的目的，最后记录的铰接位置可用作初始铰接位置。

一旦初始铰接位置保存在存储器中，控制器38前进到起动或缩回柔性驱动杆54。在致动组件35b移动时，控制器38基于柔性驱动杆54的当前位置补偿末端执行器44的铰接位置的变化。控制器38将用于调节电机36a的位置的铰接校正值的数据库存储在存储器中，这负责移动致动组件35a以铰接末端执行器44。数据库还包括电机36b的多个位置值，其负责移动在起动或缩回期间移动柔性驱动杆54的致动组件35b。柔性驱动杆54的位置值中的每个对应于在数据库中的铰接校正值。在数据库中，铰接校正值可通过测量在柔性驱动杆54起动和缩回期间铰接位置的变化获得。在附加实施例中，铰接校正值可使用使起动和/或缩回移动与铰接位置相关的传递函数推导。

在柔性驱动杆54移动时，控制器38基于对应的铰接校正值调节致动组件35a的位置。更具体地，控制器38通过移动致动组件35a(负责铰接末端执行器44)补偿由于致动组件35b(负责移动柔性驱动杆54)的移动造成的末端执行器44的铰接位置的变化。对于电机36b的每次旋转，控制器38a基于为电机36a提供转数的铰接校正值对电机36a发指令以致动致动组件35a。在柔性驱动杆54移动时，控制器38基于数据库继续调节铰接位置直到完成柔性驱动杆54的起动或缩回。

图9示出用于补偿由于在柔性驱动杆54的起动或缩回期间出现的末端执行器44的意外移动而操作手术装置10的另一种方法。图9的方法利用来自铰接传感器61的传感器信号移动电机36a，由此移动致动组件35a和补偿末端执行器44的意外移动。图9的方法类似于图8的方法，并且下文仅描述差异。

在致动控件23以闭合或打开砧座组件46之后，控制器38移动致动组件35b，以通过移动致动组件35b打开或闭合砧座组件46。一旦砧座组件46打开或闭合，控制器38就通过查询铰接传感器61以获得铰接位置来获得初始铰接位置。控制器38可中断致动组件35b的移动以获得初始铰接位置。

一旦初始铰接位置保存在存储器中，控制器38前进到起动或缩回柔性驱动杆54。在移动致动组件35b时，控制器38根据来自铰接传感器61的读数基于末端执行器44的铰接位置的变化补偿末端执行器44的铰接位置的变化。在柔性驱动杆54移动时，控制器38通过移动致动组件35a(负责铰接末端执行器44)补偿由于致动组件35b(负责移动柔性驱动杆54)的移动造成的末端执行器44的铰接位置的变化。在柔性驱动杆54移动时，控制器38基于数据库继续调节铰接位置直到完成柔性驱动杆54的起动或缩回。

在实施例中，图8和9的方法可以任何合适方式组合，使得手术装置10利用铰接校正值的数据库以及铰接传感器61提供混合补偿方法。可设想，铰接传感器61可用于获得末端执行器44的初始铰接位置，并且结合来自铰接传感器61的读数利用数据库以进行电机36a的调节。替代地，初始铰接读数可通过使用最后存储的铰接位置并且仅使用进行调节的铰接传感器61获取。

应理解，可对本发明所公开的接头组件的实施例进行各种修改。因此，上文的描述不应解释为限制性的，而仅仅是作为实施例的例证。所属领域的技术人员将设想在本公开的范围和精神内的其它修改。

Claims (16)

1.一种手术装置，其包含：

手柄组件，其包括：

控制器；

第一电机；和

第二电机；

接头组件，其包括：

限定纵向轴线的管状壳体，其具有配置成联接到所述手柄组件的近侧末端部分及远侧末端部分；

第一致动组件，其安置在所述管状壳体内并且联接到所述第一电机；和

第二致动组件，其安置在所述管状壳体内并且联接到所述第二电机；和

末端执行器，其配置成联接到所述接头组件的所述远侧末端部分，所述末端执行器联接到围绕垂直于所述纵向轴线的铰接轴铰接所述末端执行器的所述第一致动组件，所述末端执行器包括联接到所述第二致动组件并且通过所述第二致动组件能够轴向移动的柔性驱动杆；

其中所述控制器配置成响应于所述柔性驱动杆的轴向移动维持所述末端执行器的初始铰接位置。

2.根据权利要求1所述的手术装置，其中所述末端执行器包括砧座组件和仓组件。

3.根据权利要求2所述的手术装置，其中所述柔性驱动杆配置成轴向移动通过所述砧座组件和所述仓组件，以相对于所述仓组件枢转所述砧座组件。

4.根据权利要求3所述的手术装置，其中所述控制器另外配置成调节所述第一电机，以补偿由于所述柔性驱动杆的移动造成的所述初始铰接位置的变化。

5.根据权利要求4所述的手术装置，其中所述控制器包括存储器并且将所述末端执行器的所述初始铰接位置存储在所述存储器中，所述控制器另外配置成补偿由于所述柔性驱动杆的移动造成的所述初始铰接位置的所述变化，以维持所述初始铰接位置。

6.根据权利要求5所述的手术装置，其中所述存储器存储具有多个铰接校正值的数据库，所述铰接校正值中的每一个对应于所述柔性驱动杆的多个纵向位置值中的一个。

7.根据权利要求6所述的手术装置，其中所述控制器另外配置成基于对应于纵向位置值的铰接校正值调节所述第一电机。

8.根据权利要求6所述的手术装置，其中所述控制器另外配置成基于所述第二电机的旋转确定所述纵向位置值。

9.根据权利要求5所述的手术装置，其另外包含配置成获得测量的所述末端执行器的铰接位置的铰接传感器。

10.根据权利要求9所述的手术装置，其中所述控制器另外配置成基于所述测量的铰接位置调节所述第一电机。

11.一种用于控制手术装置的方法，所述方法包含：

操作第一电机以致动配置成将末端执行器铰接到初始铰接位置的第一致动组件；

操作第二电机以致动配置成通过所述末端执行器移动柔性驱动杆的第二致动组件；和

响应于所述第二致动组件的致动和所述柔性驱动杆的移动，通过调节所述第一电机维持所述初始铰接位置。

12.根据权利要求11所述的方法，其另外包含：

测量在所述柔性驱动杆的移动期间所述末端执行器的铰接位置以获得测量的铰接位置。

13.根据权利要求12所述的方法，其另外包含：

基于所述测量的铰接位置调节所述第一电机以补偿所述初始铰接位置的变化。

14.根据权利要求11所述的方法，其另外包含：

存储具有多个铰接校正值的数据库，所述铰接校正值中的每一个对应于所述柔性驱动杆的多个纵向位置值中的一个。

15.根据权利要求14所述的方法，其另外包含：

基于对应于纵向位置值的铰接校正值调节所述第一电机。

16.根据权利要求15所述的方法，其另外包含：

基于所述第二电机的旋转确定所述纵向位置值。

Images