CN113038900A - 具有传感器对准电缆导向件的外科手术器械 - Google Patents
具有传感器对准电缆导向件的外科手术器械 Download PDFInfo
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Abstract
外科手术器械中的控制电缆持续平行于器械的纵向轴线，以防止器械中的横向力传感器感应到来自电缆的横向力。一种外科手术器械包括具有纵向中心轴线的细长的中空轴。多条电缆在轴内延伸。力传感器包括设置在轴内的梁以及设置在该梁上的一个或多个应变仪。近侧锚固件设置在轴内并与梁的近侧端接触。远侧锚固件处于轴的远侧端处并与梁的远侧端接触。电缆导向件设置在轴内，以约束沿着梁的边设置的多条电缆的部分平行于中心轴线移动，因此防止移动电缆在梁上引起横向力。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年11月15日提交的美国临时专利申请号62/767,880的优先权权益，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
背景技术
微创医疗技术旨在减少诊断或外科手术过程中损坏的组织数量，从而减少患者的恢复时间、不适和有害的副作用。使用机器人协助技术的远程操作外科手术系统可以用于克服手动腹腔镜和开放外科手术的局限性。远程呈现系统的进步为外科医生提供患者体内的视野，增加了外科手术器械的运动度的数目，以及远距离外科手术协调的能力。
在手动微创外科手术中，外科医生经由长轴感觉器械与患者的相互作用，这样消除了触感的提示并且掩盖了力提示。在远程操作外科手术系统中，因为外科医生不再直接操纵器械，所以消除了自然力反馈。而是，在长轴的远侧端处的末端执行器通过在轴内延伸的控制电缆致动。
由于末端执行器和患者组织、缝合材料等之间的相互作用，轴内的力传感器可以用于测量在医疗过程中的器械的远侧端处的临床力。但是，由于在轴内延伸的末端执行器控制电缆所施予的外来力，临床力测量可能会引入误差。例如，随着轴绕其纵向轴线滚动时，这种外来力可能由于电缆的扭曲。因此，需要将临床力与外来的机械控制电缆力隔离，以使得临床力可以被精确地测量。
发明内容
在一方面，提供了一种外科手术器械，其包括细长的中空轴，该细长的中空轴包含近侧端部分、远侧端部分以及在近侧端部分和远侧端部分之间延伸的纵向轴中心轴线。力传感器位于轴的远侧端部分内并且与轴中心轴线同轴。力传感器包含梁以及在梁上的一个或多个应变仪。该梁包含近侧端和远侧端。近侧锚固件位于轴内并且耦接到梁的近侧端。近侧锚固件包含第一多个电缆导向孔。远侧锚固件位于轴内并耦接至梁的远侧端。远侧锚固件包含与第一多个电缆导向孔纵向对准的第二多个电缆导向孔。多条电缆延伸穿过轴、穿过第一多个电缆导向孔以及穿过第二多个电缆导向孔。随着轴围绕轴中心轴线滚动时，第一多个电缆导向孔和第二多个电缆导向孔约束多条电缆以保持其平行于轴中心轴线。
在另一方面，提供了一种外科手术器械，其包括细长的中空轴，该细长的中空轴具有纵向中心轴线并且包括限定中心孔洞的内壁。多条电缆在中心孔洞内延伸。力传感器包括在在中心孔洞内的梁并且包括在梁上的一个或多个应变仪。近侧锚固件在中心孔洞内与轴的内壁接触且与梁的近侧端部分接触。远侧锚固件在中心孔洞内且与梁的远侧端部分接触。电缆导向件在中心孔洞内，以沿着梁的边约束多条电缆的部分以平行于中心轴线移动。
附图说明
当与附图一起阅读时，可以从以下详细描述中最好地理解本公开的各方面。要强调的是，根据行业中的标准实践，各种特征件未按比例绘制。实际上，为了讨论的清晰起见，可以任意增加或减小各种特征件的尺寸。另外，本公开可以在各种示例中重复附图标记和/或字母。该重复是出于简单和清晰的目的，并且其本身并不表达所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。
图1是用于对躺在手术台上的患者执行微创诊断或外科手术程序的微创远程操作外科手术系统的说明性平面视图。
图2是外科医生控制台的透视图。
图3是微创远程操作外科手术系统的操纵器单元的透视图。
图4是耦接到器械托架的外科手术器械的图解式侧向俯视图。
图5是细长的中空轴的说明性顶视图。
图6是沿着图5的线6-6的细长的中空轴的说明性侧向横截面视图,其示出设置在内部的力传感器。
图7是沿着图6的线7-7的细长的中空轴的说明性近侧轴向横截面视图，其示出近侧锚固件的近侧轴向视图。
图8是沿着图6的线8-8的细长的中空轴的说明性远侧轴向视图，其示出远侧锚固件的远侧轴向视图。
图9是图5的细长的中空轴的说明性侧向横截面视图，其中外轴的壁被切掉，以示出与轴纵向轴线纵向平行延伸的电缆。
图10A是导向槽插入件的透视图。
图10B是轴的实施例的远侧端部分的透视图，其中轴壁的部分被去除以示出设置在其中的电缆和传感器梁。
图11A是处于中立的静止的位置的外科手术器械轴的说明性简化纵向横截面侧视图示意绘图。
图11B是图11A的外科手术器械轴的说明性简化透视示意绘图，其示出穿过近侧锚固件和远侧锚固件的近侧导向孔和远侧导向孔的示例电缆。
图11C是示出电缆导向件表面轴线的外科手术器械轴的说明性简化透视图示意绘图。
图12A是部分地绕轴中心轴线的外科手术器械轴的说明性简化纵向横截面侧视图，其中在轴内延伸的示例控制电缆绕轴中心轴线以近似部分的螺旋旋转。
图12B是示出示例控制电缆穿过在外科手术器械轴内的近侧锚固件和远侧锚固件中形成的近侧导向孔和远端导向孔的说明性简化透视图示意绘图。
图12C是部分地旋转的外科手术器械轴的说明性简化透视图示意绘图，其示出平行于轴中心轴线延伸的电缆导向件表面轴线。
具体实施方式
远程操作外科手术系统
图1是用于对躺在手术台14上的患者12执行微创诊断或治疗性外科手术程序的微创远程操作外科手术系统10的说明性平面视图。该系统包括用户控制单元16，以在程序过程中供外科医生18使用。一个或多个助手20也可以参与该程序。微创远程操作外科手术系统10进一步包括一个或多个操纵器单元22和辅助单元24。操纵器单元22可以操纵至少一个外科手术器械26穿过在体中的微创切口或患者12的自然体孔口，同时外科医生18通过用户控制台16观察外科手术部位。可以通过诸如立体内窥镜的内窥镜28获得外科手术部位的图像，可以使用操纵器单元22将内窥镜定位。位于辅助单元24上的计算机处理器可以用于处理外科手术部位的图像，以随后通过用户控制台16显示给外科医生18。计算机处理器可以包括逻辑单元和存储由逻辑单元执行的指令的存储器。在一些实施例中，可以捕获立体图像，其允许在外科手术程序中感知深度。在一次中所使用的外科手术器械26的数目一般将取决于诊断或治疗程序和操作部位内的空间约束以及其他因素。如果有必要更换在程序过程中正使用的一个或多个外科手术器械26，则助手20可以从操纵器单元22去除外科手术器械26，并用手术室中的托盘30的另一个外科手术器械26将其替换。在辅助单元24处的示例计算机处理器可以被配置为处理表示在外科手术器械处所施予的力的信号。在外科医生的控制台16处的示例计算机处理器可以产生对应于这些所施予的力的触觉反馈。
图2是用户控制台16的透视图。外科医生的控制台16包括观察者显示器31，该观察者显示器31包括左眼显示器32和右眼显示器34，用于向外科医生18呈现外科手术部位的能够感知深度的协同立体视图。用户控制台16进一步包括一个或多个手动操作控制输入设备36、38，以接收较大规模的手动控制移动。用于在操纵器单元22的一个或多个对应的操纵器处使用的所配备的一个或多个从属外科手术器械26以相对较小规模的距离移动，该距离匹配外科医生18对一个或多个主控制输入36、38的较大规模的操纵。主控制输入设备36、38可以提供与其相关联的外科手术器械26相同的机械自由度，以为外科医生18提供远程呈现，或主控制输入设备36与从属外科手术器械26集成为一体的感知，从而使得外科医生具有直接控制器械26的敏锐感觉。为此，受通信延迟约束的影响，可以采用位置、力和触知反馈传感器(未示出)以通过控制输入设备36、38将位置、力和触觉从外科手术器械26传递至外科医生的手中。基于在器械26处的力传感器(未示出)处检测到的力调制的信号(可选地，光学的或电子的)可以由在辅助单元推车24处的处理器处理，以在控制输入设备36处产生触觉反馈，该触觉反馈表示检测到的力。
图3是根据一些实施例的示例微创远程操作外科手术系统10的操纵器单元22的透视图。操纵器单元22包括四个操纵器支撑结构72。每个操纵器支撑结构72包括端对端枢转安装的铰接支撑结构73和枢转安装的支撑翼梁74。相应的外科手术器械托架75(包括马达以控制器械运动)安装在每个支撑翼梁74处。另外，每个操纵器支撑结构72可以可选地在铰接支撑结构73的接合处以及在与翼梁74接合处包括一个或多个装备接头(如，无动力的和/或可锁定的)。托架75可以沿着翼梁74移动，以将托架75沿着翼梁74定位在不同的位置。因此，翼梁74可以用于相对于患者12定位用于外科手术的附接的外科手术器械托架75。每个外科手术器械26可拆卸地连接到托架75。虽然操纵器单元22被示出为包括四个操纵器支撑结构72，但是可以使用更多或更少的操纵器支撑结构72。一般而言，外科手术器械中的至少一个将包括视觉系统，该视觉系统典型地包括用于捕获视频图像的内窥镜相机器械和用于显示捕获视频图像的一个或多个视频显示器，该一个或多个视频显示器耦接至托架75中的一个。
在一方面，托架75容纳诸如电动机(未示出)的多个远程操作致动器，其将运动施予到诸如电缆驱动构件的张紧构件，该张紧构件包括驱动轴和绞盘(未示出)，张紧构件继而驱动电缆将外科手术器械26的运动转化为外科手术器械26的末端执行器部分的各种移动。在一些实施例中，托架75中的远程操作致动器将运动施予到外科手术器械26的各个部件，例如，诸如末端执行器腕部移动或钳口移动。
外科医生操纵主控制输入设备36、38以控制器械末端执行器。由外科医生或其他医疗人员提供给控制输入设备36或38的输入(“主”命令)由外科手术器械26通过一个或多个远程马达转化为相应的行动(对应的“从属”响应)。基于电缆的柔性线缆力传递机构或类似机构被用于将位于远程的远程操作马达中的每一个的运动转移到位于器械托架75处的对应的器械接口致动器输出。在一些实施例中，机械适配器接口76将器械26机械地耦接到器械托架内的致动器442(图4至图5中示出)以控制器械26内部的运动。外科手术器械26可以机械地耦接到第一致动器(未示出)，该第一致动器可以控制外科手术器械的第一运动，诸如纵向(z轴线)旋转。外科手术器械26可以机械地耦接到第二致动器(未示出)，该第二致动器可以控制外科手术器械的第二运动，诸如平面二维(x、y)运动。外科手术器械26可以机械地耦接到第三致动器，该第三致动器可以控制外科手术器械的第三运动，例如，诸如末端执行器的钳口的打开和闭合。
图4是耦接至器械托架75的外科手术器械26的图解式侧向俯视图。如本文所使用的，术语“近侧”表示更靠近操纵器臂的方向，并且术语“远侧”表示离操纵器壁较远的方向。
外科手术器械26包括具有远侧端部分450和近侧端部分456的细长的中空圆柱形的管状轴410。远侧端部分450包括用于插入到患者体腔中的末端执行器454。近侧端部分456固接到近侧器械控制器440。轴的内壁限定圆柱形的中空孔洞。轴的纵向中心轴线411(“轴中心轴线”)被限定穿过远侧端部分450和近侧端部分450。近侧器械控制器440包括装入多个驱动构件460的外壳441(显示为透明，用虚线表示)，该多个驱动构件460可以包括一个或多个致动器(诸如绞盘和驱动轴)，该多个驱动构件460被配置为将由器械托架75内的一个或多个致动器442施予的驱动力耦接到在轴410内与轴中心轴线411平行对准延伸的电缆470。2019年11月15日提交的共同在审的美国临时专利申请号62/767,895公开了根据一些实施例的驱动构件460，通过本参考将其全部内容明确合并于此。电缆470在轴内在驱动构件和末端执行器454之间延伸。电缆470可操作地耦接，使得电缆的移动可以将运动施予到末端执行器454，例如，诸如钳口的打开或关闭并引起钳口的摇摆和腕部运动的俯仰。末端执行器454可以包括功能上的机械自由度，诸如钳口打开或关闭，或者沿着路径平移的刀或腕部452可以沿X方向和Y方向移动。美国专利号6,394,998示出具有多个机械自由度的末端执行器的示例。外科手术器械26的远侧部分450可以提供各种不同种类的末端执行器454中的任一个，诸如钳子、针式驱动器、烧灼设备、切割工具、成像设备(如，内窥镜或超声探针)等。因此，位于托架75处的接近轴410的近侧端部分456的致动器442通过引起近侧器械控制器440的外壳441内的驱动构件460在电缆470之上施加控制力来控制在轴410的远侧端部分450处的末端执行器454的移动，其中电缆470在轴410内平行于轴轴线411且在驱动构件460和末端执行器454之间延伸。
具有传感器对准电缆导向件的器械轴
图5是细长的中空轴410的说明性顶视图。U形夹502从轴410的远侧端部分450向远侧悬垂(depend)，以在其上安装末端执行器(未示出)。末端执行器通常可以包括附加的U形夹(未示出)，常常被称为远侧U形夹，以准许多个运动度。U形夹502包括相对的第一臂504和第二臂506，其中在这些臂之间延伸的轮轴508用于在其上安装末端执行器。U形夹502说明能够耦接到轴410的远侧端的各种部件的示例之一，诸如腕部部件、治疗和诊断末端执行器部件、成像部件等。
图6是沿着图5的线6-6的细长的中空轴410的说明性侧向横截面视图，其示出设置在其中的力传感器602。轴410的内壁表面412限定圆柱形的中空孔洞413。未示出在轴410内延伸的电缆(未示出)，为使力传感器602可以被更清楚地示出。力传感器602充当换能器，其包括在其上设置有多个应变仪606的细长梁604。梁604与纵向轴中心轴线411同轴地对准，并且可以具有各种横截面形状(如，圆形、矩形、正方形等)。例如，梁604可以由诸如不锈钢、钛或锆合金的材料形成。应变仪606被配置为产生一个或多个信号，该信号具有表示沿大体上垂直于轴中心轴线411的方向上施予到梁604的力的量级的值。近侧锚固件610与轴410的内壁表面412接触，并且梁604的近侧端部分将梁604的近侧端部分机械地耦接到轴410的内壁412部分。近侧锚固件可以通过(例如过盈或紧配合、胶水或焊接)固接到轴410的内壁表面412。类似地，远侧锚固件612与轴410的内壁表面412接触，并且梁604的远侧端部分将梁604的远侧端部分机械地耦接到轴410的内壁412部分。远侧锚固件612可以通过(例如过盈或紧配合、胶水或焊接)固接到轴410的内壁表面412。U形夹502从远侧锚固件612悬垂。
图7是沿着图6的线7-7的细长的中空轴410的说明性近侧轴向视图，其示出近侧锚固件610的近侧轴向横截面视图。参考图6和图7，近侧锚固件610包括限定示例中心开口705的近侧环形部分702，将该示例中心开口705的尺寸设计成将梁604的近侧端部分牢固地接收在其中。更具体地，中心开口705由在近侧横向环形部分702中的唇部706限定。如图所示，示例唇部706具有叠加的十字和圆形的形状，使得中心开口705具有相对较小的圆形叠加在相对较大的十字上的横截面。近侧横向环形部分702的外周长的尺寸被设计成和配置成紧密地相互配合在轴410内，使得近侧环形部分702将在轴410的外壁表面415处接收的力施予到梁604的近侧端部分，反之亦然。近侧环形部分702包括由虚线表示的近侧电缆导向部分708。示例近侧电缆导向部分708在近侧环形部分702的表面中限定近侧第一多个电缆导向孔704。在示例轴410中，近侧第一多个电缆导向孔704以第一图案布置。将近侧第一多个电缆导向孔704的尺寸设计为控制电缆(未示出)从中穿过的滑动通道。第一电缆和第二电缆被配置为以三个自由度控制末端执行器。
图8是沿着图6的线8-8的细长的中空轴410的说明性远侧轴向视图，其示出远侧锚固件612的远侧轴向视图。参考图6和图8，远侧锚固件612包括限定由虚线805表示的中心部分的远侧横向环形部分802，该远侧横向环形部分802的相对侧固接到梁的远侧端部分(未示出)。远侧横向环形表面部分802的外周长的尺寸被设计成和配置成紧密地相互配合在轴410内。远侧环形部分802包括由虚线表示的远侧电缆导向部分808。示例远侧电缆导向部分808在远侧环形部分802的表面中限定远侧第二多个电缆导向孔804。在示例轴410中，远侧第二多个电缆导向孔804以第二图案布置。将远侧电缆导向孔的尺寸设计为控制电缆(未示出)从中穿过的滑动通道。
近侧电缆导向部分708和远侧电缆导向部分808一起操作以引导电缆平行于轴中心轴线411。如绘图中所示，近侧第一多个电缆导向孔704以第一图案布置，远侧第二多个电缆导向孔804以第二电缆导向孔图案布置，并且第一图案匹配第二图案。近侧导向部分708与远侧导向部分808对准，使得包括近侧第一多个电缆导向孔704的第一图案与包括远侧第二多个电缆导向孔804的第二图案纵向对准。每个近侧电缆导向孔704与对应的远侧电缆导向孔804对准，使得穿过对应对准的近侧孔704和远侧孔804的中心的电缆导向表面轴线1150(见图11C)平行于轴中心轴线411对准。近侧电缆导向部分708和远侧电缆导向部分808一起协作以维持电缆平行于轴中心轴线411的其中传感器梁604延伸的一部分对准。图9是图5的细长的中空轴410的说明性侧向横截面视图，其中外轴的壁被切掉以示出与轴轴线411平行地纵向延伸的电缆460。例如，电缆460可以在轴的远侧端部分处沿不同的方向分支，例如用于路由以由不同的致动器致动。并且，电缆可以在轴的远侧端部分处沿不同的方向分支，例如用于路由至末端执行器的不同部件。上述美国专利号6,394,998示出在末端执行器处以复杂曲折的路径分支的电缆的示例。近侧锚固件610的近侧电缆导向部分708的每个近侧电缆导向孔704与远侧锚固件612的远侧电缆导向部分808的对应的远侧电缆导向孔804纵向对准，以引导在一对对准的导向孔之间延伸的电缆470与轴410的纵向中心轴线411平行延伸，该纵向中心轴线411也是传感器梁604的纵向轴线。在一些示例轴中，电缆460由不锈钢、钨、聚乙烯纤维或超高分子量聚乙烯(UHMWPE)制成的柔性绳索构造形成。在一些示例轴中，在要求电缆不弯曲的轴的一部分中，可以插入由不锈钢合金或类似材料形成的细长实体管，并将该细长实体管耦接在具有柔性电缆区段的任一端，该柔性电缆区段沿着相关联的路由路径延伸穿过轴的近侧端部分和远侧端部分。
图10A是导向槽插入件1002的透视图。图10B是轴1040的实施例的远侧端部分的透视图，其中轴壁的部分被去除以示出设置在其中的电缆460和传感器梁604。参考图10A，导向槽插入件1002包括外接合表面1004，并且包括限定对应的第一导向槽1012、第二导向槽1014和第三导向槽1016的第一近侧导向槽表面1006、第二近侧导向槽表面1008和第三近侧导向槽表面1010，将第一导向槽1012、第二导向槽1014和第三导向槽1016中的每个的尺寸设计成允许电缆460中的单个电缆穿过其中的滑动通道。参考图10B，近侧锚固件1050限定第一开孔区域和第二开孔区域1052，每个开孔区域具有互补的接合表面(未示出)，将该互补的接合表面的轮廓设计成与导向槽插入件1002的第一实例和第二实例的外接合表面1004相互配合。如图所示，导向槽插入件1002每个插入对应的开孔区域1052中，使得每个导向槽插入件1002在近侧锚固件1050处的导向槽1012、1014、1016与在远侧锚固件1060处的对应的远侧导向孔1062纵向对准。以这种方式，在近侧导向槽和对应的远侧导向孔之间延伸的电缆460平行于轴1040的纵向中心轴线1041延伸。由近侧锚固件1050限定的近侧电缆导向槽1012、1014、1016的每个与远侧锚固件1060的远侧电缆导向部分808的对应的远侧电缆导向孔1062纵向对准，以引导在对准的近侧导向电缆槽远侧导向孔对之间延伸的电缆460与轴1040的纵向中心轴线1041平行地延伸，其中轴1040的纵向中心轴线1041也是传感器梁604的纵向轴线。每个相应的电缆460的部分与在相应的近侧槽表面和对应相应的远侧导向孔之间的中心轴线1041平行地延伸。更具体地，如图10B所示，在一些可选的实施例中，导向槽表面和开孔区域1052的表面协作以限定用于对应的单个电缆460的单个近侧导向孔1082。这些近侧导向孔1082与对应的远侧导向孔1062纵向对准。在其他可选实施例中，轴1040的轴壁部分1044可以覆盖外近侧导向槽表面1006、1010，为使导向槽表面和轴壁内表面的部分协作以限定与对应的远侧导向孔1062对准的近侧导向孔1082。这样的实施例的优点是消除在近侧锚固件1050中形成封闭的空隙的需要，因此减少了制造复杂性和成本。并且应当领会，在一些可选的实施例中，可以在远侧锚固件部件中使用类似于导向槽插入件1002的一个或多个导向槽插入件，而不是在远侧锚固件部件中形成多个离散的电缆导向孔。
使用示例
通过确保控制电缆在围绕轴中心轴线的所有轴滚动方位处保持平行于力传感器梁，当器械处于使用中时，在电缆上致动器械的远侧端部件的力不会影响力传感器梁上的横向力。以这种方式，由传感器梁上的力感应元件感应到的传感器梁上的横向力有效地限于与在手术部位处的组织和物体相互作用的器械的远侧端部件相关联的临床力。结果，力传感器梁上的力传感器可以精确地感应这些临床力，并继而将感应到的临床力传送给计算机处理器，该计算机处理器继而经由用户输入设备将感应到的力作为器械远侧端处的临床力的精确触觉表现输出到操作用户输入设备的外科医生的手中。
图11A是处于中立静止定位的外科手术器械轴410的说明性简化横截面侧视图示意绘图，其中示例控制电缆460平行于轴的中心轴线411在轴内延伸。中立静止定位是控制电缆460在轴410内不扭曲的一个位置，诸如在轴410的运动限制的两个旋转范围之间的中路。图11B是处于图11A的中立静止定位的外科手术器械轴410的说明性简化透视图示意绘图，其示出示例电缆460在中空轴410内穿过近侧锚固件610的近侧导向部分704中的近侧导向孔704并且穿过远侧横向表面部分503的远侧电缆导向部分804中的远侧导向孔804。图11C是处于中立定位时的外科手术器械轴410的说明性简化透视图示意绘图，其示出平行于轴中心轴线411在被限定在近侧导向表面1102中的近侧导向孔704的中心和被限定在远侧导向表面1202中的远侧导向孔804的中心之间延伸的电缆导向表面轴线1150。因此，孔704和孔804是一对纵向对准的孔，并且近侧导向表面1102和远侧导向表面1202是一对纵向对准的导向表面。例如，在图8的示例中，远侧横向环形部分802提供远侧横向表面部分503。然而，在可替代示例(未示出)中，传感器梁604的远侧端部分是呈锥形的，并且在U形夹的互补的呈锥形的开口内延伸，该传感器梁604的远侧端部分固接到轴410的远侧端部分。因此，U形夹502在轴410内固接梁604。因此，例如，在可替代示例中，U形夹502提供远侧横向表面部分503。
图12A是外科手术器械轴410绕轴中心轴线411部分地旋转(大约半圈)的说明性简化纵向横截面侧视图，其中在轴内延伸的示例控制电缆460以大约部分螺旋线绕轴410的中心轴线411旋转。图12B是示出示例电缆460在如对图11B所描述的中空轴410内穿过在近侧锚固件610中和远侧横向表面503中形成的近侧导向孔704和远侧导向孔804的说明性简化透视图示意绘图。图12C是部分旋转时的外科手术器械轴410的说明性简化透视图示意绘图，其示出电缆导向表面轴线1150平行于轴中心轴线411延伸。
由于随着电缆460在离开器械的近侧器械控制器440部分时电缆460的对准是固定的，因此随着轴410相对于近侧器械控制器440围绕中心轴轴线411旋转时，电缆将在轴410内扭曲。但是如图所示，纵向支护力传感器梁的近侧锚固件和远侧锚固件中的导向孔保持纵向对准，并将阻止电缆在器械轴的力传感器梁部分中扭曲。
为了简化解说和绘图，在图11A至图11B和在图12A至图12B中仅示出单一示例控制电缆460，尽管将应领会的是在实际实施例中，多条电缆在中空轴410内延伸。此外，为了更好地说明施加在示例电缆460上的外部力，在图12A至图12B中所示的轴的旋转和电缆的对应的螺旋线旋转被夸大了一些，其超出了通常在实践中可能发生的程度。
将示例电缆460的近侧端部分固接到设置在轴456的近侧端部分处的近侧器械控制器440内的示例驱动构件构件462。将电缆460的远侧端部分固接到在轴450的远侧端部分处的末端执行器454。注意，示例电缆460可以在末端执行器454内遵循曲折路径(诸如美国专利号6,394,998的图11A至图11B中所示的路径)，例如，其可以包括：与一个或多个滑轮或其他机械控制结构的接口，以有助于末端执行器的三个自由度移动。
力传感器602设置在与轴中心轴线411对准的轴410内。在一些实施例中，传感器602包括在其上具有应变仪606的梁604。梁604具有固接到相应的近侧锚固件610和远侧横向表面503的近侧端部分和远侧端部分。近侧锚固件610在轴的第一轴向位置处固接到轴410的内壁。在一些实施例中，近侧锚固件610包括垂直于轴中心轴线411对准的第一平面表面702并且该第一平面表面702包括限定近侧导向孔704的近侧导向表面1102。类似地，在一些实施例中，远侧横向表面503包括垂直于轴中心轴线411对准的第二平面表面，并且该第二平面表面包括限定远侧导向孔804的远侧导向表面1202。示例电缆460穿过近侧导向孔704和远侧导向孔804。近侧导向表面1102和远侧导向表面1202限定将尺寸设计成准许电缆460在其中滑动的近侧导向孔704和远侧导向孔804。
不管轴410是处于图11B的静止定位还是图12B的旋转定位，近侧导向表面1102和远侧导向表面1202纵向对准以引导沿着梁604的边的近侧导向表面1102和远侧导向表面1202之间延伸的电缆460的部分以平行于轴中心轴线411并平行于梁对准。更具体地，近侧导向表面702和远侧导向表面802限定近侧孔704和远侧孔804，该近侧孔704和远侧孔804足够宽以准许示例电缆460的滑动通道，并且该近侧孔704和远侧孔804足够窄，使得当轴设置在中立定位时并且当轴设置在旋转定位时，关于孔704和孔804的导向表面1102和导向表面1202促使电缆460平行于轴中心轴线411对准。在一些实施例中，近侧导向表面1102和远侧导向表面1202与轴410的壁或U形夹502协作以提供导向孔704和导向孔804。
在医疗程序中，外科医生可以操纵主控制输入设备36、38以提供输入命令来控制在轴410的远侧端450处的从动末端执行器454的移动。末端执行器454的移动可能引起其物理上地接触患者组织1250，例如用于诸如切割、缝合、探查或烧灼接触的组织的临床目的。将应领会的是，例如可以出于这些不同目的而提供不同种类的末端执行器。在末端执行器454与患者组织1250接触的过程中，末端执行器可以将末端执行器力FE施予到组织1250，并且在反作用中，组织可以在末端执行器454上施予对应的组织力FT。末端执行器力FE和对应的组织力FT每个都包括垂直于轴中心轴线411的力分量，并且每个都可以包括平行于轴中心轴线411的力分量。在图11A至图11B和图12A至图12B中提供了示例参考坐标系。示出与纵向轴线平行对准的z轴。示出垂直于纵向轴线对准的(x，y)平面。
明确地，例如，组织力FT包括垂直于轴中心轴线411的平面分量FT(x，y)和平行于轴中心轴线411的z方向分量FTz。
在末端执行器454处施予的垂直组织力分量FT(x，y)可以在设置有传感器602的轴410的部分处引起对应的垂直弯曲力FB(x，y)。垂直弯曲力可以引起沿着传感器602的边的轴410的部分偏斜或引起弯曲。近侧锚固件610和远侧导向横向件503将垂直弯曲力机械地耦接到传感器602，从而引起安装在传感器梁604上的应变仪606产生表示弯曲力的量级的一个或多个信号。应变仪可以被配置为将耦接的垂直机械弯曲力FB(x，y)转变成具有表示耦接中的垂直弯曲力的量级的信号值的电信号或光信号。注意，如于2019年11月15日提交的共同在审的美国临时专利申请号62/767,891所描述的，平行组织力分量FTz的量级可以由在器械控制器440处的设置在轴410的近侧端部分450处的一个或多个单独的传感器确定。
将应领会的是，尽管轴410可以绕轴中心轴线411旋转，例如由于腕部的滚动自由度(DOF)，但是在医疗过程中，位于近侧的器械控制器440通常相对于患者组织1250保持在固定定位。末端执行器454固定地固接在U形夹502处，该U形夹502固定地固接到远侧锚固件，使得末端执行器454经由近侧锚固件和梁的旋转与轴410一致地旋转。因此，末端执行器454和轴绕轴中心轴线411一起旋转，而器械控制器440不旋转。
更具体地，轴410绕轴中心轴线411的旋转引起设置在近侧锚固件610和轴456的近侧端部分之间的示例电缆的近侧第一部分460-1的对应的像螺旋线的旋转。然而，重要地，也如图11A至图11B的绘图与图12A至图12B的绘图的对比所示，尽管轴410旋转并且尽管示例460电缆对应地扭转，近侧导向表面1102和远侧导向表面1202协作以引导在其之间且沿着传感器梁604的边延伸的示例电缆460的远侧第二部分460-2与轴中心轴线411平行的对准。
在图11A至图11B和图12A至图12B中的示例位于近侧的驱动构件构件460可以将电缆力FC施予到示例电缆460，以实现远侧安装的末端执行器454的移动。电缆力可以包含静态张紧的电缆力FCS和动态临床电缆力FCD的总和。
FC＝FCS+FCD (2)
在一些实施例中，示例电缆460可以典型地用静态电缆力FCS预张紧。在外科手术程序过程中，响应于在主控输入设备36、38处的外科医生命令，可以向电缆施予附加的动态临床力FCD，以实现电缆的移动和末端执行器454的相应移动。典型地，静态预张紧电缆力FCS的量级明显小于动态临床电缆力FCD的量级。例如，在一些实施例中，静态电缆力FCS通常具有约2-5lbf范围内的量级，而动态电缆力FCD通常具有约20-30lbf范围内的量级。此外，电缆力的量级典型地也明显大于垂直组织力FT(x，y)和对应的弯曲力FB两者的量级。例如，在一些实施例中，垂直组织力FT(x，y)和对应的弯曲力通常具有在约0-5lbf的范围内的量级。
在图11A至图11B所示的中立静止定位中，整个电缆力FC沿着平行于轴中心轴线的z方向施予，并且作为结果，电缆力没有垂直的(x，y)平面分量以施予到传感器602。因此，在中立静止定位中，电缆力不会影响传感器602对垂直弯曲力FB的测量，因为电缆力整个平行于轴中心轴线411沿z方向指向。
在图12A至图12B所示的旋转定位中，电缆力FCz的轴向第一分量沿平行于轴中心轴线411的方向、沿z方向施予到示例电缆460的第一近侧部分460-1。此外，在旋转定位中，在垂直(x，y)平面内，电缆力FC(x，y)的平面第二分量沿直于轴中心轴线411的方向施予到近侧锚固件610。
FC＝FCz+FC(x，y) (3)
在导向件1102匹配1202的缺席下，电缆力FC(x，y)的平面第二分量施予到远侧锚固件612，该远侧锚固件612耦接到临床垂直弯曲力FB中。因此，在示例旋转定位中，电缆力FC(x，y)的平面第二分量具有将与电缆相关的力施予到传感器602的可能，其有可能将误差引入到由垂直组织力分量FT(x，y)引起的垂直弯曲力FB的测量。
然而，有利的是，第一导向表面1102和第二导向表面1202通过促使示例电缆460的第二远侧部分460-2与轴中心轴线411平行对准，将传感器602与电缆力FC(x，y)的引起误差的平面垂直分量隔离开，其中该示例电缆460的第二远侧部分460-2沿着传感器梁602的边跑动。促使电缆460的第二远侧部分460-2与轴中心轴线411平行对准，以确保在电缆460的第二远侧部分460-2处的所有电缆力是平行于轴中心轴线411对准的z方向力。换句话说，在电缆460的第二远侧部分460-2处的电缆力没有垂直于轴中心轴线411的(x，y)平面分量。因此，在电缆460的第二远侧部分460-2处施予的电缆力不会干扰传感器602对垂直组织力FB的测量。
已经在图示中描述了示例实施例，其中力感测特征件被并入外科手术器械轴的远侧端处。在其他可选实施例中，如果设计要求明确器械控制电缆应与器械的近侧控制单元和器械的远侧执行器之间的组件平行，则可以使用力感应功能以外的部件。类似地，在另外其他可选实施例中，本文所描述的方面被应用于器械轴的中部或近侧端部分，以使操作器械的远侧端特征件的控制电缆持续平行于设置在轴的中部或近侧端部分的部件。
呈现以上描述是为了使本领域的任何技术人员能够创建和使用具有电缆导向件的外科手术器械，以将在器械轴内延伸的控制电缆与设置在该轴内的传感器梁平行地对准，以防止垂直的电缆力赋予到传感器。对实施例的各种修改对于本领域技术人员将是容易显而易见的，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本文中定义的一般原理可以应用于其他实施例和应用。在前面的描述中，出于解说的目的阐述了大量细节。然而，一个本领域普通技术人员将意识到，可以在不使用这些特定细节的情况下实践本公开中的实施例。在其他实例中，以框图形式示出公知的工艺，以免不必要的细节模糊本发明的描述。相同的附图可用于代表不同绘图中相同或类似项目的不同视图。因此，根据本发明的实施方式的前述描述和绘图仅仅是对本发明原理的说明。因此，将理解，在不脱离在所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以对实施例做出各种修改。
Claims (16)
1.一种外科手术器械，其包含：
细长的中空轴，其包含近侧端部分、远侧端部分以及在所述近侧端部分和所述远侧端部分之间延伸的纵向轴中心轴线；
力传感器，其位于所述轴的所述远侧部分内并且与所述轴中心轴线同轴，所述力传感器包含梁以及所述梁上的一个或多个应变仪，所述梁包括近侧端和远侧端；
近侧锚固件，其位于所述轴内并耦接到所述梁的所述近侧端，所述近侧锚固件包含第一多个电缆导向孔；
远侧锚固件，其位于所述轴内并耦接到所述梁的所述远侧端，所述远侧锚固件包含与所述第一多个电缆导向孔纵向对准的第二多个电缆导向孔；以及
多条电缆，其延伸穿过所述轴、穿过所述第一多个电缆导向孔以及穿过所述第二多个电缆导向孔，所述多条电缆随着所述轴围绕所述轴中心轴线滚动时被所述第一多个电缆导向孔和所述第二多个电缆导向孔约束以保持平行于所述轴中心轴线。
2.一种外科手术器械，其包含：
细长的中空轴，其具有纵向中心轴线，并且包括限定中心孔洞的内壁；
在所述中心孔洞内延伸的多条电缆；
力传感器，其包括设置在所述中心孔洞内的梁，并且包括设置在所述梁上的一个或多个应变仪；
近侧锚固件，其设置在所述中心孔洞内与所述轴的内壁接触且与所述梁的近侧端部分接触；
远侧锚固件，其设置在所述中心孔洞内与所述梁的远侧端部分接触；以及
电缆导向件，其设置在所述中心孔洞内，以约束沿所述梁的边设置的所述多条电缆的部分平行于所述中心轴线移动。
3.根据权利要求2所述的外科手术器械，
其中，所述电缆导向件包括：
在所述近侧锚固件处的多个近侧导向表面，其中每个近侧导向表面限定对应的近侧导向孔的至少一部分，所述对应的近侧导向孔的尺寸被设计成接收所述多条电缆的单个电缆的一部分并且约束接收在其中的所述单个电缆的所述部分的运动以平行于所述中心轴线运动；
在所述远侧锚固件处的多个远侧导向表面，其中每个远侧导向表面限定对应的远侧导向孔的至少一部分，所述对应的远侧导向孔的尺寸被设计成接收所述多条电缆的单个电缆的一部分并且约束接收在其中的所述单个电缆的所述部分的运动以平行于所述中心轴线运动；
其中，所述近侧导向孔中的单个导向孔与所述远侧导向孔中的单个导向孔对准，使得穿过对准的成对的近侧孔和远侧孔的中心的轴线平行于所述中心轴线延伸；
其中，所述多条电缆中的单个电缆延伸穿过对准的成对的近侧孔和远侧孔。
4.根据权利要求2所述的外科手术器械，
其中，所述电缆导向件包括：
多个单个电缆导向表面对，其中每个电缆导向表面对包括：
在所述近侧锚固件处的单个近侧导向表面，其中所述单个近侧导向表面限定对应的单个近侧导向孔的至少一部分，所述对应的单个近侧导向孔的尺寸被设计成接收所述多条电缆的单个电缆的一部分并且约束所述单个电缆的所述接收部分的运动以平行于所述中心轴线运动；以及
在所述轴的远侧端部分处的表面，其限定对应的单个远侧导向孔的至少一部分，所述对应的单个远侧导向孔的尺寸被设计成接收所述多条电缆的单个电缆的一部分并且约束接收在其中的所述单个电缆的接收部分的运动以平行于所述中心轴线运动；
其中，穿过所述单个近侧导向孔的中心并且穿过所述单个远侧导向孔的中心的轴线平行于所述中心轴线延伸。
5.根据权利要求3所述的外科手术器械，
其中每个单个近侧导向表面包括单个近侧导向槽。
6.根据权利要求3所述的外科手术器械，
其中每个单个近侧导向表面包括单个近侧导向槽以及所述轴的所述内壁的一部分。
7.根据权利要求2所述的外科手术器械，
其中所述近侧锚固件包括至少部分地绕所述梁的一部分的近侧的一部分延伸的环形表面，其中所述环形表面限定将每个的尺寸设计成接收单个电缆的多个近侧导向孔；并且
其中所述远侧锚固件包括至少部分地绕所述梁的远侧部分延伸的环形表面，其中所述环形表面限定将每个的尺寸设计成接收单个电缆的多个近侧导向孔；
其中每个近侧导向孔与远侧导向孔对准，使得穿过成对的对准的近侧导向孔和远侧导向孔的中心的轴线平行于所述中心轴线；并且
其中所述多条电缆中的单个电缆延伸穿过成对的对准的近侧导向孔和远侧导向孔。
8.根据权利要求2所述的外科手术器械，
其中所述近侧锚固件包括在所述梁的近侧部分处垂直于所述中心轴线延伸的平面的近侧表面，其中所述平面的近侧表面限定将每个的尺寸设计成接收单个电缆的多个近侧导向孔；并且
其中所述远侧锚固件包括在所述梁的远侧部分处垂直于所述中心轴线延伸的平面的远侧表面，其中所述平面的远侧表面限定将每个的尺寸设计成接收单个电缆的多个近侧导向孔；并且
其中每个近侧导向孔与远侧导向孔对准，使得穿过成对的对准的近侧导向孔和远侧导向孔的中心的轴线平行于所述中心轴线；并且
其中所述多条电缆的单个电缆延伸穿过成对的对准的近侧导向孔和远侧导向孔。
9.根据权利要求2所述的外科手术器械，
其中所述电缆导向件包括多对导向表面，每个导向表面对包括：
单个近侧导向表面，其设置在所述近侧锚固件处并限定对应的单个近侧导向孔的至少一部分，所述对应的单个近侧导向孔的尺寸被设计成接收所述多条电缆的单个电缆的一部分；以及
单个远侧导向表面，其设置在所述远侧锚固件处并限定对应的单个远侧导向孔的至少一部分，所述对应的单个远侧导向孔的尺寸被设计成接收所述多条电缆的单个电缆的一部分，
其中穿过所述对的单个近侧导向孔的中心并且穿过所述对的单个远侧导向孔的中心的轴线平行于所述中心轴线延伸；并且
其中所述多条电缆的单个电缆延伸穿过由导向表面的单个对限定的所述单个近侧孔和所述单个远侧孔。
10.根据权利要求2所述的外科手术器械，进一步包括：
设置在所述轴的所述近侧端部分处的多个驱动构件构件，所述多个驱动构件构件分别固接到所述多条电缆的近侧端部分；以及
设置在所述轴的所述远侧端部分的末端执行器，其固接到所述多条电缆的所述远侧端部分。
11.根据权利要求2所述的外科手术器械，进一步包括：
设置在所述轴的所述近侧端部分处的多个驱动构件构件，所述多个驱动构件构件分别固接到所述多条电缆的所述近侧端部分；以及
设置在所述轴的所述远侧端部分的末端执行器，其固接到所述多条电缆的所述远侧端部分；
其中所述多条电缆预张紧。
12.一种外科手术器械，其包含：
细长的中空轴，其具有纵向中心轴线，并且包括限定中心孔洞的内壁；
在所述中心孔洞内延伸的多条电缆；
力传感器，其包括设置在所述中心孔洞内的梁，并且包括设置在所述梁上的一个或多个应变仪；
近侧锚固件，其设置在所述中心孔洞内与所述轴的内壁接触且与所述梁的近侧端部分接触，其中所述近侧锚固件包括限定多个相应的近侧孔的多个相应的近侧电缆导向表面，每个所述相应的近侧孔的尺寸被设计成约束插入其中的相应电缆的一部分以平行于所述中心轴线运动，其中所述多个近侧电缆导向表面和所述多个近侧孔以第一图案布置；
远侧锚固件，其设置在所述中心孔洞内与所述轴的内壁接触且与所述梁的远侧端部分接触，其中所述远侧锚固件包括限定多个相应的远侧孔的多个相应的远侧电缆导向表面，每个所述相应的远侧孔的尺寸被设计成约束插入其中的相应电缆的一部分以平行于所述中心轴线运动，其中所述多个远侧电缆导向表面和所述多个远侧孔以匹配所述第一图案的第二图案布置；
其中所述近侧锚固件和所述远侧锚固件被定位在所述孔洞内，使得所述第一图案和所述第二图案对准，使得穿过来自所述近侧锚固件和所述远侧锚固件的对应的近侧孔和远侧孔的相应对准的对的中心的轴线与所述中心轴线对准；并且
其中所述多条电缆的单个电缆延伸穿过来自所述近侧锚固件和所述远侧锚固件的对应的近侧孔和远侧孔的相应的对。
13.根据权利要求12所述的外科手术器械，
其中所述多条电缆预张紧。
14.根据权利要求12所述的外科手术器械，进一步包括：
设置在所述轴的所述近侧端部分处的多个驱动构件构件，其分别固接到所述多条电缆的近侧端部分；以及
设置在所述轴的所述远侧端部分处的末端执行器，其固接到所述多条电缆的远侧端部分；
其中所述多条电缆预张紧。
15.根据权利要求12所述的外科手术器械，
其中所述近侧锚固件布置成与所述轴一致地旋转；并且
其中所述远侧锚固件布置成与所述轴一致地旋转。
16.根据权利要求12所述的外科手术器械，
其中每个单个近侧导向表面包括单个近侧导向槽。
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