CN112040879A - 用于一医疗器材的控制单元 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于一医疗器材的控制单元，所述控制单元具有一接合轴杆。所述控制单元包括一界面及一感测单元，所述界面不可移动地连结到一壳体，所述壳体可连接到所述医疗器材。所述感测单元用于将所述壳体的一旋转角度变换为所述轴杆的一接合区域的一不同的旋转角度。
Description
对相关申请的交叉引用
本申请自申请日为2018年3月29日的美国临时专利申请第62/649,634号请求优先权，上述申请的内容通过引用以其整体被并入本文中。
技术领域与背景技术
本发明涉及一种用于一医疗器材比如一微创(minimally invasive)手术工具的控制单元，并涉及使用所述控制单元的方法。本发明的实施例涉及一控制单元，所述控制单元包括一壳体及一感测单元，所述感测单元用于将所述壳体的一旋转角度变换为连结到所述壳体的一可操控器材轴杆的一接合区域的一不同的旋转角度。
微创程序(minimally invasive procedures)是经由在一组织壁上的一小直径接入位点(access site)或经由一自然孔穴(orifice)而被执行。这样的程序将对组织及器官的创伤最小化并大幅减短患者的恢复期间。
在经由一组织接入位点执行的内视镜程序(例如，腹腔镜程序)中，一小切口在一组织壁上被形成且一小套管(cannula)，称为一套管针(trocar)，经由所述切口被插入。所述套管针界定一通道，各种手术工具(腹腔镜)可以经由所述通道而被插入以执行组织的切割、缝合及移除。
在经由一自然开口执行的内视镜程序中，一内视镜经由口、尿道、肛门等被插入，并被引导至所述胃肠道(GI tract)、阴道腔(vaginal cavity)或膀胱中的一组织位置以执行一诊断或手术程序。内视镜程序也包括自然孔穴经腔内视镜手术(Natural OrificeTransluminal Endoscopic Surgery,NOTES)，在其中，一内视镜工具通过所述天然孔穴，接着通过在胃、阴道、膀胱或结肠中的一内部切口，因此避免了任何外部切口或疤痕。
微创手术工具使用一体外使用者控制单元而在身体中被引导，所述控制单元将所述使用者的手部/臂部动作转移至所述手术工具的移动及致动(合称为“操作”)上。因此，所述控制单元让所述使用者能够自所述身体外部控制位于所述身体内部的一手术工具的运作。从抓取钳(grasper)及剪刀般的工具与摄影机到复杂的机器人系统等许多类型的工具可以以此方式被控制。
许多类型的手术工具控制器在本领域中是已知的，举例而言，参见美国专利第7996110号、美国专利第7963913号、美国专利第8521331号、美国专利第8398541号、美国专利第8939891号、美国专利第9050120美国专利第8332072号、美国专利第20100170519号、美国专利第20090036901号、美国专利第20140222023号及美国专利第20140228631号。
市售的机器人工具控制器比如Da Vinci、TransEnterix与Titan systems庞大且笨重，并迫使外科医师坐在远离病人床的一操纵台内。这样的控制器是经由一手部/手指杠杆或数个手柄以及数个脚踏板而操作，且需要高度的协调以顺畅地操作所述机器人手术工具。
因此需要一控制单元，所述控制单元允许一外科医师直观地且容易地使用单手操纵在所述身体中的一手术工具，同时允许经由一广范围的器材及作用端动作进行的精确控制及比例化(scaling)。
发明内容
根据本发明的一个面向，提供了一种用于一医疗器材的控制单元，所述控制单元具有一接合轴杆，所述控制单元包含：(a)一界面，可被一使用者的一手部啮合，所述界面是不可移动地连结到所述控制单元的一壳体，所述壳体可以被连结到所述医疗器材；及(b)一感测单元，用于将所述壳体的一旋转角度变换为所述轴杆的一接合区域的一不同的旋转角度。
根据本发明的一实施例，所述壳体的所述旋转角度是被放大或缩小为所述轴杆的所述接合区域的所述不同的旋转角度。
根据本发明的一实施例，所述界面是一手掌界面，可经由所述手部的一手掌操作。
根据本发明的一实施例，所述控制单元进一步包含一手指界面，所述手指界面被枢转地连结到所述壳体且可以被所述手部的一根或多根手指啮合。
根据本发明的一实施例，所述控制单元进一步包含一束缚物，所述束缚物被枢转地连结到所述手掌界面且具有一元件，所述元件能够塑性变形以当所述手掌与所述手掌界面啮合时对一手部的一背面施加一束缚力。
根据本发明的一实施例，在所述壳体中进一步包含一驱动单元。
根据本发明的一实施例，所述手指界面包括可以经由拇指及食指同时操作的数个杠杆。
根据本发明的一实施例，所述手指界面是配置用以操作所述医疗器材的所述轴杆的接合及操作所述医疗器材的一作用端。
根据本发明的一实施例，所述驱动单元包括至少一马达，用于控制所述医疗器材的所述轴杆。
根据本发明的一实施例，所述感测单元包括一惯性测量单元。
根据本发明的一实施例，来自所述惯性测量单元的一信号操作所述至少一马达旋转所述轴杆。
根据本发明的一实施例，所述至少一马达仅当处于一偏转位置时旋转所述接合区域。
根据本发明的另一面向，提供了一种包含所述控制单元的系统，所述控制单元连结到具有一可接合轴杆的一最小侵入性医疗器材。
根据本发明的又一面向，提供了一种用于一医疗器材的控制单元，所述控制单元包含：(a)一界面，用于控制一作用端的一位置及功能，所述作用端经由一轴杆的可操控接合被连结到所述医疗器材的所述轴杆；及(b)一感测单元，用于测量所述控制单元及所述医疗器材的所述作用端的一位置，且用于当所述控制单元被相对于一组织操纵时，维持所述作用端相对于所述组织的一朝向。
根据本发明的一实施例，所述界面可以被一使用者的一手掌及数根手指啮合。
除非另外界定，在本文中使用的所有技术及科学术语与本发明所属领域的一般技术人员所通常理解的具有相同意义。虽然类似或相等于在本文中所描述的方法及材料的方法及材料可以被用于本发明的实施或测试，适宜的方法及材料在下文中被描述。在冲突的情况下，本说明书，包括定义，将具有主控地位。此外，所述的材料、方法及示例仅是例示性的且并非意在为限制性的。
附图说明
本发明在本文中仅示例性地，参照附随的附图而被描述。现在具体地详细参照附图，应被强调的是，被展示的特定细节仅是以示例的方式，且仅为了例示性地讨论本发明的优选实施例而被展示，且是为了提供本发明的原则及概念特征的据信是最有用的且易懂的描述而被提供。在此方面，并未尝试展示比获致对本发明的基础理解所需更详细的，本发明的结构细节。连同附图的描述使本发明的数种型态可以如何在实践中被应用对本领域的一般技术人员成为明显的。
在附图中：
图1A例示被连结到一腹腔镜的本发明的控制单元的一实施例。
图1B例示本发明的所述控制单元的俯仰、翻滚及偏摆轴。
图1C例示本发明的数个座标系统
图1D例示本发明的数个座标系统间的关系。
图1E至1F例示本发明的轴杆接合的座标系统。
图1G例示本发明的所述接合及所述控制单元的座标系统间的关系。
图2A至2B例示外科医师的手部相对控制单元界面的定位。
图3是一马达驱动的腹腔镜工具及连结的控制单元的一实施例的一全视图。
图4A例示本发明的所述控制单元的一实施例的手掌及手指界面的动作。
图4B例示于所述连结的手术器材的可接合区域及作用端的对应的动作。
图5A更加详细地例示本发明的所述界面。
图5B至5G例示本发明的所述控制单元的一实施例的所述界面的数个控制位置。
图6A至6D例示本发明的所述控制单元的一实施例的所述手指界面的一实施例。
图7A至7C例示本发明的所述控制单元的一实施例的所述手掌界面的一实施例。
图8A至8F例示本发明的所述控制单元的一实施例的所述手指及手掌界面感测器的机械结构及元件。
图9A至9D例示本发明的所述控制单元的一实施例的数个运作模式。
图10是例示来自所述使用者界面的信号如何被变换为连结到本发明的所述控制单元的一个实施例的一腹腔镜工具的动作的一流程图。
图11是例示来自惯性测量单元(IMU)感测器的信号如何使用姿态及朝向参考系统(AHRS)而被变换为俯仰、翻滚及偏摆角度并被转换为接合马达指令的一流程图。
图12例示根据本发明的教示而建构的一原型控制单元。
具体实施方式
本发明关于用于一医疗器材的一控制单元，且更特定地，关于一控制单元及整合使用者界面，所述界面允许自然手部动作变换至一连结的医疗工具，比如一腹腔镜工具，从而允许对所述医疗器材的位置及功能的精确且细致的控制。
本发明的原理及操作可参照附图及附随的描述而被更好地了解。
在详细解释本发明的至少一个实施例前，应被了解的是，本发明在其应用中并不限于在接下来的描述中被提出的或由示例所例示的细节。本发明能够有其它实施例或以各种方式被实施或实行。此外，应被了解的是，在本文中使用的用语及术语是为了描述的目的且不应被视为限制。
用于手术工具的控制单元在本领域中是周知的且是用于控制机械的、马达驱动的工具或机械人工具。这样的控制器可以被用于在身体中准确地定位并控制手术器械。然而，它们可能是笨重且难以操作的，且经常需要漫长的训练期间才能掌握。
在腹腔镜手术中，一外科医师必须将一医疗器材轴杆的远端(携带一作用端，例如，抓取钳、切割器、持针器(needle holder))定位得相邻于被处理组织。为了正确地定位所述腹腔镜，所述外科医师必须在空间上定向整个腹腔镜、控制所述轴杆的一可接合区域的偏转并启动组织操纵端。
一外科医师典型地使用一手术工具的一手动界面(手柄)以定位、操纵、握持及操作位于感兴趣的组织位点处的所述医疗器材及作用端。虽然当前使用的器材界面可以提供这样的功能性，它们可能受到整个器材及其作用端的可操纵性(maneuverability)与可操作性(operability)间的一取舍所限制，因此需要所述外科医师相当的时间与精力以完成一微创治疗程序。
在将本发明简化为实践时，本发明者着手设计一手术工具控制单元，所述控制单元可以被用于容易地且自然地控制一或更多手术工具，同时允许受解剖学限制的手部/臂部动作的比例化，从而大幅促进将作用端定位于感兴趣的一组织位点。
本发明者先前提出的申请揭示了一种具有一手掌界面的控制器，所述手掌界面能够相对于控制单元的壳体倾斜及旋转(手掌的偏摆(yaw))。当以这样的一个手掌界面进行实验时，本发明者发现由一外科医师在左右旋转一固定的手掌界面时达成的动作范围可以被用于比例化一连结的手术工具轴杆的一接合区域的旋转。
因此，为了更有效地控制所述接合区域，本发明者设计了一种控制单元，所述控制单元包括一手掌界面及一感测单元，所述手掌界面是被固定地连结到所述控制单元壳体(且因此并不相对于所述控制单元壳体而移动)，所述感测单元用于将所述壳体的左右转动比例化为一可操控手术工具轴杆(形成连结到所述壳体的一医疗器材的一部分)的所述接合的所述平面的一经比例化的(0≤比例)的翻滚量。
因此，根据本发明的一个面向，提供了用于一医疗器材的一控制单元。
所述控制单元包括一驱动单元及一连结的使用者界面。如在下文中所进一步描述的，所述界面是由一使用者的单一只手操作，且致动所述控制单元中的马达及机械元件，从而控制连结到所述控制单元的一医疗器材的定位、移动及运作。
所述使用者界面控制器材定位、移动及作用端定位偏转(经由轴杆接合及/或作用端倾斜)及运作。所述使用者界面包括一手掌界面(所述手掌界面可以被成形为一圆顶)，所述手掌界面被固定地(不可移动地)安装在一固定支撑上，所述固定支撑被连结到所述控制单元的一壳体。所述手掌界面可以(通过单纯地将一手部的一手掌放在所述圆顶形手掌界面上)被所述手部的所述手掌啮合，且使所述使用者能够相对于所述组织接入位点旋转所述壳体(亦即，左右旋转所述手掌：当所述控制单元及连结的器材被直立地定位时，这样的旋转在本文中也被称为翻滚旋转(roll rotation)或简称为旋转)以及倾斜所述整个壳体(及连结的医疗器材)。
为了在所述器材定位操纵(倾斜及旋转以及上下动作)当中保持一使用者的所述手掌抵住所述第一界面，所述控制单元进一步包括一束缚物，所述束缚物被枢转地连结到所述手掌界面，且包括一元件，所述元件能够塑性变形以当所述手掌与所述手掌界面啮合时，对所述手部的一背面(背部(dorsum))施加一束缚力。当此束缚物与所述手部的所述背面啮合时，所述元件塑性地变形并对所述手部的所述背面施加一向下的力，因此保持所述手部抵住所述手掌界面，并允许此界面的精确控制，以及，令所述使用者能够拉起所述医疗器材。
所述控制单元也包括一手指界面，所述手指界面被枢转地连结到所述手掌界面且可以被所述手部的一根或更多根手指啮合。
本发明的所述控制单元可以与任何配置用以观察或操纵组织的医疗器材一同被使用，所述组织是位于一哺乳动物(例如，人类患者)的身体中或身体上的一位点。
所述医疗器材可以是在微创手术中被使用的一手术器材。这样的一器材典型地包括被连结到一刚性或可操控轴杆的一器材主体。所述轴杆可以携带一作用端，所述作用端经由一接入位点被定位在一患者的一身体中。所述轴杆及作用端是被连结到所述器材主体的一控制单元自所述身体外(体外地(extra corporeally))控制。可以通过本发明的所述控制单元操作的医疗器材的数个示例包括一内视镜(例如，腹腔镜或胸腔镜)、一导管(catheter)、一手术夹持器(surgical holder)等。
本发明的所述使用者界面特别适宜于与一腹腔镜器材一并使用，所述腹腔镜器材具有一可操控轴杆与一安装于远端的器械，比如一抓取钳持针器或切割器。
腹腔镜在微创手术中被广泛地用于观察或治疗器官、空腔、通道及组织。一般地，这样的器材包括一细长轴杆，所述轴杆是设计用以在一体腔、脉管或组织中递送及定位一安装于远端的器械(作用端)比如一手术刀、一抓取钳或一摄影机/摄影机镜片)。
既然这样的器材是经由一组织壁(例如，腹壁)上的一小切口定位的一递送口而被递送，及是在解剖学上受限的一空间(例如，腹腔)中被运用，一可操控的轴杆是有利的，因为可操控的轴杆可以使用位于所述身体外(位于所述医疗器材的远端)的控制器而在所述身体中被操控或操纵。这样的操控允许一操作者在所述身体中引导所述器材并在一解剖学标志(anatomical landmark)处准确地定位所述安装于远端的器械。
可操控器材的许多示例在本领域中是已知的，举例而言参见美国专利第2,498,692号、第4,753,223号、第6,126,649号、第5,873,842号、第7,481,793号、第6,817,974号、第7,682,307及美国专利申请公布第20090259141号。
所述轴杆的一个或更多个结合区域的偏转可以由一条或更多条控制线路实现，所述控制线路沿着所述器材的所述轴杆延伸至所述可操控部分的所述远端。每条控制线路的所述近端被连接到所述控制单元的所述马达驱动机构；所述线路的拉动施加力量，所述力量相对于所述被拉动的线路偏转所述轴杆的一部分。
所述器材作用端是经由一条或更多条缆线控制，所述缆线类似地被连接到所述控制单元并由所述使用者界面致动。
因此，一可操控器材比如一可操控腹腔镜的所述使用者界面及控制单元提供三种独立的功能：相对于所述组织接入位点(上/下、倾斜、翻滚(roll))定位所述器材轴杆、偏转所述可操控部分及致动所述安装于远端的器械。
除了以上所述，本控制单元进一步包括一感测单元，用于将所述控制单元壳体(及连结的医疗器材)经由所述手掌界面实现的旋转变换为一连结的医疗器材的所述轴杆的一接合区域的一比例化的旋转。
本发明的所述使用者界面经由三个分离的肢关节及肌肉群组提供这些功能。
(i)所述器材的所述轴杆通过手部及臂部动作(主要关于手腕、手肘及/或肩关节)被相对于所述组织接入位点上下、侧向及左/右旋转移动。旋转(受手腕、手肘及/或肩部动作影响)被放置在本发明的所述控制单元的所述壳体中的所述感测单元比例化(例如，在旋转角度上增加)。
(ii)所述轴杆的接合是经由手部动作(主要经由与所述手腕关节的小幅动作结合的手指动作)控制。这是通过倾斜所述手指界面而达成。
(iii)所述安装于远端的器械是经由手指(主要是指间关节(inter-phalangealjoints)及掌指关节(metacarpal-phalangeal joints))动作而致动。
通过在所述外科医师使用所述控制单元时比例化所述壳体的所述旋转，本控制单元允许更大的及更自然的可操纵性：一腹腔镜可以更省力地且不需要极端地操纵身体及四肢地被操作。
现在参照图1A至12，图1A至12例示本控制单元的一实施例，本控制单元在本文中称为控制单元10。
图1A例示控制单元10具有连结到一腹腔镜器械12的一壳体15。腹腔镜器械12包括一近端壳体13(可以被可释放地连结到壳体15)、具有一接合区域19的轴杆17及具有颚22及23的一远端末端作用器21。腹腔镜12在本文中为例示性目的而被使用，控制单元10可以被连结到任何手术器械，或与任何手术器械整合。
控制单元10包括一手掌界面30，所述手掌界面30被固定至壳体15。一驱动单元32被定位在壳体15中且控制轴杆17的接合区域19的接合、作用端运作以及翻滚旋转比例化。壳体15可以被自一聚合物及/或合金，使用机械加工、3D列印及/或铸造/模造加工制造方式被加工制造。所述壳体15可以是直径40至60毫米且高约60至120毫米。
控制单元10也包括一手指界面40，所述手指界面40经由枢纽(hinge)被连接到控制单元10的手掌界面30(参照图8A至8F而被更详细地描述)。当手指界面40相对于手掌界面30被旋转时，一旋转感测器125测量旋转的量并产生一信号，所述信号是用以控制接合区域19的所述偏转，如在下文中参照图10而被进一步描述的。
控制单元10的手指界面40亦包括数个手指杠杆50，所述数个手指杠杆50可以被用于控制所述末端作用器的动作，如在下文中参照图6A至6D及8A至8G而被描述的。
图1B至1G例示用于描述所述控制单元及连结的器材的一座标系统。
图1B界定所述控制单元的俯仰(pitch)、翻滚及偏摆。(所述器材轴杆的)翻滚是通过在所述轴杆的长轴周围(左/右)旋转所述控制单元而实现。图1C将主要座标轴例示为固定在空间中。所述器材座标系统是固定于所述控制单元。当所述控制单元在所述外科医师操作时移动，所述器材座标相对于空间座标系统可以处于任何位置及任何朝向。所述器材座标系统的Y轴是所述控制单元轴杆的所述长轴，而接合的X轴与所述Y轴垂直。所述接合座标系统可以围绕X接合轴旋转。
图1D例示所述空间座标系统及所述器材座标系统间的关系。所述器材座标系统的原点可以位在外界座标系统中的任何位置，并相对于所述外界座标系统处于任何朝向。所述接合座标系统可以旋转至任何角度θ。
图1E至1F例示所述接合相对于所述接合座标系统的移动。如展示地，所述接合在所述接合座标系统的XY平面中弯折。图1E展示处于一挺直姿态的所述接合且图1F展示处于一弯折姿态的所述接合。所述接合的第二动作通过围绕所述接合座标系统的所述X轴旋转所述XY接合平面而被达成(图1G)。所述XY接合平面的所述旋转可以通过操纵所述接合缆线或通过围绕所述轴杆的长轴旋转所述轴杆而被达成。
在本发明中，所述接合在所述XY接合平面中的所述弯折是通过倾斜所述手指界面而被控制，且所述接合座标系统的所述XY的旋转是由固定到所述控制单元的旋转感测器控制。所述旋转感测器测量控制单元的旋转并将一旋转信号提供至所述驱动单元，以旋转所述接合座标系统的所述XY平面。测得的所述控制单元的旋转被乘以由所述外科医师决定的一比例系数。
图2A至2B例示手掌界面30及所述使用者的手掌100间的啮合。所述使用者的所述手掌放在手掌界面30的表面，而手部100的背部102定位在背部界面104的下方。背部界面104的元件106通过塑性变形向下压迫(也展示于图5A至5G中)。所述使用者的手指中的三根可以被用于抓住手掌界面30的圆周，而其它两根手指(拇指及食指)啮合(捏掐)手指界面40的数个杠杆50。当啮合手掌界面30时，所述使用者可以经由壳体13操纵(倾斜、偏摆、上/下)壳体15及连结的腹腔镜12。
图3是控制单元10的一剖视图，展示被包括在壳体15中的主要内部元件。控制单元10的所述界面形成壳体15的一近端部分的一部分。壳体15包括驱动单元32，所述驱动单元32具有至少一马达36及相关电路34。壳体15包括用于连接至腹腔镜12的近端壳体的连接器39。
位于壳体15中的数个感测器被电性地连结到电路34，允许来自所述数个感测器的信号在所述电路34中被测量并被计算。经计算的信号被电路34转换为动作信号，所述动作信号操作(数个)马达36。(数个)马达36的旋转经由连接器37被传送到所述连结的腹腔镜12并被转换为轴杆17的所述末端作用器及接合区域19的动作。
图4A至4B例示由所述外科医师的手部与手指启动的于界面30及40处的动作，与由(数个)马达36致动的末端作用器21及接合区域19的动作间的关系。手指界面40的倾斜被变换为位于接合区域19的接合左-右移动。手指界面40的数个杠杆50的开及关，亦即，改变所述拇指及所述食指间的距离，导致颚22及23的开-关，亦即，减少所述数个颚间的距离。通过旋转所述数个手指杠杆而旋转手指界面40的所述主体，导致所述数个颚的翻滚。通过旋转手掌界面30翻滚旋转控制单元10及连结的腹腔镜12(接合平面旋转)，导致所述接合的所述XY平面的旋转。旋转连结的腹腔镜12是通过比例化位于壳体15中的所述IMU感测器的信号，如在下文中所进一步描述的。
一末端作用器机构的控制，亦即所述数个颚22，23的开启及关闭与所述作用器的旋转，(展示在图4B中)，是通过手指界面40的数个杠杆50的开启/关闭及/或旋转而完成。当操纵所述数个杠杆时，位于壳体15的数个感测器115(开-关)及125(旋转)(图4A至6D及8A至8B)被采样并由一控制器34处理。经处理的信号被计算并转换为对(数个)马达36的动作信号，用以致动所述颚部机构。
为了控制轴杆17的接合区域19的翻滚位置及偏转，控制器34自IMU-AHRS感测器200及展示于图8F中的倾斜感测器135两者接收信号。IMU感测器200测量壳体15围绕所述轴杆轴的翻滚旋转。倾斜感测器(例如，电位计)135(图8F)测量手指界面40相对于手掌界面30的所述倾斜。
来自所述结合的IMU-AHRS感测器200及倾斜感测器135的经处理信号被计算并转换为对(数个)马达36的动作信号，所述(数个)马达36用以致动接合区域19的偏转。
IMU-AHRS感测器200的IMU部分是一惯性测量单元，所述惯性测量单元能够使用一个或更多个加速度计侦测线性加速并使用一个或更多个陀螺仪侦测旋转速率。所述IMU可以亦包括一磁力计，所述磁力计常被用作一朝向(heading)参考。一IMU的一典型配置可以对三轴中的每一轴：俯仰、翻滚及偏摆，各包括一加速度计、一陀螺仪及一磁力计。
IMU-AHRS感测器200的AHRS部分是一模组，所述模组能够提供所述控制单元框架的一姿态(attitude)。所述姿态可以基于供给原始速率陀螺仪、加速度计及磁力计读数的固态MEMS感测器区块。这些读数被输入一非线性统计滤波器(non-linear statisticalfilter)(比如一扩展卡尔曼滤波器(extended Kalman Filter))以提取所述姿态资料(翻滚、俯仰及偏摆)的一稳定估计。所述模组可以是紧密的并被整合进一印刷电路板中。为了将所述AHRS的所述翻滚测量与所述轴杆轴对齐，必须进行一校准(calibration)以计入所述模组在所述控制单元框架上的物理偏斜。校准是通过将所述控制单元放置在一对准的朝向中，例如在一平坦的桌子上，并通过对话框按钮131将一对准重设指令送至所述AHRS模组而被进行。在所述校准完成后，所述翻滚轴测量是与所述器材纵向轴对齐，校准设定被储存在快闪记忆体中且可以在新校准过程被执行时被刷新。所述IMU及所述AHRS模组可以被整合在一单一微型单元中，例如，由Xsens科技B.V.(Xsens Technologies B.V.)供给的MTiTM及MTxTM。
施加到所述IMU信号的所述统计滤波基于对所述移动本身的假设而产生一最佳解。而使用所述控制单元，所述滤波结果可能会有一定程度的漂移。若接合对所述控制单元及连结的器材的所述翻滚的反应在任何时刻改变，所述外科医师可以通过将所述器材放置在一平坦桌上并经由对按钮131的预先定义的点击来启动所述重设程序而重复所述校正。所述漂移现象可以通过提供额外的IMU感测器，举例而言，通过于在所述控制单元中的所述第一IMU外，在不同的朝向中安装至少一个额外IMU感测器，而被减少。
所述漂移可以通过向卡尔曼滤波器添加有关设备使用的假设而被进一步改善。举例而言，若演算法计入所述器材轴杆是经由作为一杠杆的一切口(接入点)而被插入，则演算法可以被改进。关于所述器材在手术程序中被使用时的一般动力学的初始资料，比如动作范围、系统空间频率(spatial frequencies)、最大加速度等，也可以被列入考虑，且对所述线性动作的一边界限制可以被施加到所述滤波器。
如在图11中所展示地，所述感测单元提供所述控制单元相对于一外界座标系统的完整朝向角度。一AHRS系统在该案例中驱动在速率陀螺仪测量值、加速度计测量值及磁力计测量值(IMU)上的一统计滤波器以计算所述朝向资料(翻滚、俯仰及偏摆)的一稳定估计。
如在上文中所提及的，在所述使用者界面及所述接合区域间的旋转比例可以由所述外科医师根据需求而选择。所述机械性接合旋转的总和导因自所述控制单元主体的实际旋转与一经比例化的旋转，所述经比例化的旋转导因自数条接合缆线的结合的拉扯动作。
比例化也可以被用于在所述弯曲尖端平面(所述接合平面)上创造一额外的经比例化倾斜量。在这样的一案例中，所述弯曲倾斜可以由自所述手指界面40接收的信号及如由所述器材控制器测量的所述控制单元旋转所构成。
由所述数条接合线路执行的，所述接合平面的旋转，是由所述控制器实现。所述控制器演算法接收关于相对于外界的所述器材翻滚的输入测量值及来自比例化电位计演算法的读数。
举例而言，对于来自所述比例化电位计的一0.0读数而言，所述弯折平面将精确地如所述控制界面自身一般地旋转。所述控制单元的一30度的旋转将导致所述弯折平面的同样角度的旋转。等于2.0的比例化值读数将于此翻滚测量值上增加200％，因此对于相同的30度的控制界面旋转，所述数个接合马达将把所述接合弯折平面额外驱动60度，驱动所述弯折平面相对于所述外界座标系统共90度的一旋转。设定-1.0的一比例值将导致参照于外界座标系统为固定的一弯折平面，意谓着所述控制界面的任何翻滚动作对所述弯折平面将不会有任何效果，亦即，所述弯折平面被稳定在空间中。
图5A例示控制单元10的所述使用者界面的主要元件。手掌界面30通过数个螺钉300被固定到壳体15。背部界面104被连结到手掌界面30的所述远端。手指界面40是可旋转地被连结到所述手掌界面30的所述颈部的下侧。
手指界面40是通过耦合41被连接到感测器壳体43(参考图8A至8E而被进一步描述)。弹性盖49在保护壳体43中的感测器机构同时允许耦合41倾斜及旋转。
所述外科医师的手指的捏掐动作经由数个手指杠杆50相对于手指界面40的所述主体52的所述角度而被测量。所述杠杆机构将所述数个杠杆的角旋转(angular rotation)转换为插销56的旋转，插槽57位于插销56的所述近端。在此示例中，所述数个杠杆此示例性的25度角旋转被变换为插销56及插槽57的90度的角旋转。
图8D展示具有内轴杆640的电位计115。电位计115测量内轴杆640的旋转。如在图8E中所展示的，内轴杆640具有一公凸起641，所述公凸起641与手指界面40的插槽57符合。当手指界面40被连结到壳体43，插槽57及凸起641被耦合并当数个杠杆50被移动时一同旋转，从而使一捏掐的测量能够进行。
图8F显示了测量手指界面40的旋转的机构的元件。基底170可以相对于主体180旋转，并作为电位计115的壳体。所述电位计115测量所述数根手指在手指界面40的捏掐动作。基底170包括齿轮623，所述齿轮623与齿轮627咬合，所述齿轮627则被连接到轴杆624。轴杆624的旋转动作由电位计125测量。当所述手指界面被旋转时，齿轮623旋转，造成齿轮627反方向旋转。齿轮627的所述旋转是由电位计125测量，使手指旋转的测量能够进行。所述控制器通过(由展示于图7C中的开关114的一选定的位置选择的)预先决定的系数将手指旋转的实际角度变换为颚翻滚。凸起621及限制开关感测器622ccw作为对齿轮623的旋转的一机械性限制。当齿轮623到达所述旋转限制器时，对数个杠杆50进一步施加力矩导致按钮622a的降低，且来自感测器622ccw的一信号指示马达，所述马达在一CCW(逆时针)方向中以一选定的角速度旋转所述数个颚。相同的机制允许所述外科医师通过按压限制开关622cw而保持所述数个颚于CW(顺时针)方向旋转。
图5B至5G例示手指界面40的动作范围。图5B至5C展示手指界面40向右(图5C)及向左(图5B)倾斜。图4D展示处于一开启位置的数个杠杆50，而图5E展示处于一关闭(受捏掐)位置的数个杠杆50。图5F展示被顺时针(CW)旋转的手指界面40，而5G展示被逆时针(CCW)旋转的手指界面40。
图6A至6D详细例示手指界面40的结构。数个杠杆50经由数个枢纽51被连接到圆柱形主体52。数个插销54被用于限制数个杠杆50的旋转。数个手指垫55被连接到每个手指杠杆50的所述远端。当所述数个杠杆如展示于图6B中一般地被按压时，插销53在插槽59中滑动。如将在下文中参照图8B至8C而被进一步描述地，插销53的滑动导致角度感测器115的旋转，所述角度感测器115经由插槽57被连接到插销56。插销53被定位于细长插槽59中，所述细长插槽59当数个杠杆50相对于主体52改变它们的角度时，强迫插销53线性地移动。插销53的所述线性移动如下文中所述地被转换为插销56的旋转。
基底70位于主体52的近端。手指界面40可以通过耦合41被连接到感测器壳体43。丛集(gloves)73作为数个柱塞(plunger)的壳体，所述数个柱塞被连接于壳体43的侧边。
图6D例示手指界面40的内部机构。数个杠杆50通过枢纽51，经由每个杠杆50的齿轮79及81而被连接到主体52。齿轮79及81是咬合的，确保两个杠杆50将行经相同的角度。这些齿轮的咬合也允许所述外科医师若需要时以单指操作数个杠杆50。数个插销54作为数个杠杆50的旋转的限制器。当数个杠杆50被捏掐时，数个表面85在(可旋转地被连结到插销56的一远端的)轮87上施加一力量，因此迫使轮87抵着加压弹簧228向手指界面40的近端基底线性地移动。插销89被连接到插销56。插销89被迫在螺旋插槽82中移动。当插销53被由数个杠杆50施加在轮83上的力量强迫而移动时，插销89跟随螺旋插槽82的路径并造成插销56顺时针旋转。插销56的所述旋转经由插槽57至旋转角感测器115的所述轴的一公连结被传递到感测器115，允许数个杠杆50角度的测量。当所述外科医师解除在数个杠杆50上的力，加压弹簧228推挤插销89，导致插销89逆时针旋转。当没有力量被施加到数个杠杆上时，所述数个杠杆达到它们相对于主体52的最大角度，显示末端作用器21的所述数个颚被完全开启。
图7A至7C例示感测器壳体44的结构。所述感测器壳体44是被固定到壳体15(未展示)，且是被手掌界面30覆盖。所述结合的IMU及AHRS感测器200是经由数个杆柱171被连接到平板116。电子电路310自位于感测器壳体44中的所有感测器接收信号，并将它们传递至壳体15中的电路34。封闭的感测器模组包括手指界面40的旋转及开-关感测器。
所述手指的所述左-右动作经由位于壳体313中的感测器125测量，所述壳体313位于平板117的所述远端。
模组145包括安装在平板117上的数个设定感测器。所述数个设定感测器可以在所述程序前及在所述程序中被所述外科医师使用。开关114可以被用于选择在所述末端作用器中的颚翻滚的范围。所述外科医师可以举例而言，选择比如±45度、±60度或±90度的范围。电位计可以被用于决定IMU感测器测得的壳体15(及连结的腹腔镜12)的旋转与接合平面旋转间的比例化，所述决定是通过将连结到电位计118的杠杆119移动至所欲的一位置。举例而言，放大(增加)所述接合平面的所述旋转可以通过顺时针移动杠杆119而实现，反之亦然。举例而言，值为3的一比例系数将导致壳体15每旋转1度，所述接合的一平面及连结的腹腔镜12旋转3度(如由IMU感测器所测量的)。
按钮131于接近手指界面40处被安装在平板117上，且可以被所述外科医师在所述程序中使用以选择所述连结的腹腔镜12的所欲的操作模式。
控制单元10的所述控制电路可以被程式化以在按钮131的不同的按压及点击间进行区辨，以提供不同的机能。
举例而言，约1秒的一短暂按压可以被用于指示所述作用端的所述数个颚，即便所述外科医师并未握住手指界面40的数个手指杠杆50，亦保持关闭。举例而言，3秒的一长按压可以被用于将接合设置至一预先界定的挺直状态(例如，180度)。
一单一短点击可以被用于将所述接合角度冻结在一所欲的角度。双点击被用于恢复通常操作模式。
除了提供用于比例化的旋转信号，所述结合的IMU及AHRS感测器200也可以被用于提供一外科医师一悬停模式。此模式可以举例而言，经由在按钮131上的三次短点击而被启动。
当所述悬停模式被启动，无论腹腔镜12的位置，控制单元10将末端作用器22保持在相同的空间朝向。
所述控制电路是被程式化以计算末端作用器21的所述空间朝向，所述计算是通过使用来自IMU的信号测量所述器材的空间位置，及通过使用在所述悬停模式启动的位点处由所述数条拉动缆线的已知长度测量所述接合角度而进行。
所述控制器计算所述器材的所述朝向(亦即所述轴杆17的所述朝向)的变化，并据此启动接合，以便将所述末端作用器相对于一组织保持在相同的空间位置。
此模式在所述外科医师在狭小受限的体腔中操作时可能是有助益的。当使用此模式时，所述末端作用器可以相对于一选定的器官，在一所欲的朝向上“悬停”，允许所述外科医师例如执行精确的缝合，而不需执行复杂的操纵。
图9A例示用于通过缝合切口930而修复体腔中的组织920的一手术程序。
为了开始由所述悬停模式协助的所述缝合程序，所述外科医师将末端作用器21置于与切口930相同的朝向中，接着所述外科医师通过在所述对话框按钮131上的一连串预先决定的点击启动所述悬停模式。自现在起，轴杆17的朝向的每个变化将发信号给(数个)马达36，以(通过拉扯线路)修正接合，以便使所述末端作用器维持在相同的空间位置(接合修正被展示在图9B至9D中)。
图10例示信号在所述装置模组间的流动及处理顺序。如在上文中所描述的，操作被连结到所述器材的一手术工具，是通过在手指界面40及含有所述结合的IMU及AHRS感测器200的壳体15的朝向，与所述末端作用器的动作及移动(例如，接合偏转、颚开-关及颚旋转)间建立一函数关系而被实现。
如在本文中所使用的，“约”一词意指±10％。
本发明的额外目标、优势及新颖特征在检视下列示例后，对本领域的一般技术人员将成为明显的。所述示例并非意在为限制性的。
示例
现在参考下列的示例，所述示例连同上文的描述，以一非限制性的方式例示了本发明。
根据当前的教示而建构的一原型控制单元被展示在图12中。所述原型包括一马达套件，控制单元被刚性地连结到所述驱动单元及腹腔镜器械。所述马达套件包括用于致动所述接合及位于所述轴杆的所述末端作用器的四个小型马达及相关的传动装置。所述马达套件的尺寸与重量小得足以被所述外科医师携带。所述界面以与所述轴杆轴相同的方向被固定到所述马达套件的所述上侧。所述马达套件包括可程式化控制电路，所述可程式化控制电路允许安装控制软件。
应被理解的是，为清楚起见而在分离的数个实施例的背景中被描述的本发明的特定特征，也可以在一单一实施例中被组合地提供。相反地，为简短起见而在一单一实施例的背景中被描述的本发明的各种特征，也可以被分离地，或以任何适宜的次组合被提供。
虽然本发明是连同本发明的特定实施例而被描述，显然许多替换、修改及变化对本领域的一般技术人员而言将是明显的。因此，本揭示是意在包括落在附随的权利要求的精神及广范围内的所有那样的替换、修改及变化。在本说明书中提到的所有出版物、专利及专利申请通过引用以其整体被并入本说明书中，其程度如同每个个别的出版物、专利或专利申请是被特定地且个别地指示通过引用被并入本文中。此外，任何参考资料在本申请中的引用或识别不应被视为承认那样的参考资料可以作为本发明的先前技术。
此外，本申请的任何(数件)优先权文件是通过引用以其/它们的整体被并入本文中。
Claims (15)
1.一种用于一医疗器材的控制单元，所述控制单元具有一接合轴杆，其特征在于：所述控制单元包含：
(a)一界面，可被一使用者的一手部啮合，所述界面是不可移动地连结到所述控制单元的一壳体，所述壳体可以被连结到所述医疗器材；
及
(b)一感测单元，用于将所述壳体的一旋转角度变换为所述轴杆的一接合区域的一不同的旋转角度。
2.如权利要求1所述的控制单元，其特征在于：所述壳体的所述旋转角度是被放大或缩小为所述轴杆的所述接合区域的所述不同的旋转角度。
3.如权利要求1所述的控制单元，其特征在于：所述界面是一手掌界面，可经由所述手部的一手掌操作。
4.如权利要求1所述的控制单元，其特征在于：所述控制单元进一步包含一手指界面，所述手指界面被枢转地连结到所述壳体且可以被所述手部的一根或多根手指啮合。
5.如权利要求2所述的控制单元，其特征在于：所述控制单元进一步包含一束缚物，所述束缚物被枢转地连结到所述手掌界面且具有一元件，所述元件能够塑性变形以当所述手掌与所述手掌界面啮合时对一手部的一背面施加一束缚力。
6.如权利要求1所述的控制单元，其特征在于：在所述壳体中进一步包含一驱动单元。
7.如权利要求4所述的控制单元，其特征在于：所述手指界面包括可以经由拇指及食指同时操作的数个杠杆。
8.如权利要求1所述的控制单元，其特征在于：所述手指界面是配置用以操作所述医疗器材的所述轴杆的接合及操作所述医疗器材的一作用端。
9.如权利要求6所述的控制单元，其特征在于：所述驱动单元包括至少一马达，用于控制所述医疗器材的所述轴杆。
10.如权利要求9所述的控制单元，其特征在于：所述感测单元包括一惯性测量单元。
11.如权利要求10所述的控制单元，其特征在于：来自所述惯性测量单元的一信号操作所述至少一马达旋转所述轴杆。
12.如权利要求11所述的控制单元，其特征在于：所述至少一马达仅当处于偏转位置时旋转所述接合区域。
13.一种系统，包含权利要求1的所述控制单元，其特征在于：所述控制单元连结到具有一可接合轴杆的一最小侵入性医疗器材。
14.一种用于一医疗器材的控制单元，其特征在于：所述控制单元包含：
(a)一界面，用于控制一作用端的一位置及功能，所述作用端经由一轴杆的可操控接合被连结到所述医疗器材的所述轴杆；及
(b)一感测单元，用于测量所述控制单元及所述医疗器材的所述作用端的一位置，且用于当所述控制单元被相对于一组织操纵时，维持所述作用端相对于所述组织的一朝向。
15.如权利要求14所述的控制单元，其特征在于：所述界面可以被一使用者的一手掌及数根手指啮合。
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