DE112021004800T5

DE112021004800T5 - Vorrichtungen und Verfahren für einen kompakten, redundanten induktiven Kraftsensor

Info

Publication number: DE112021004800T5
Application number: DE112021004800.7T
Authority: DE
Inventors: Lizmarie COMENENCIA ORTIZ; David I. MOREIRA RIDSDALE; Alan W. Petersen; Harsukhdeep S. Ratia; Sharathchandra Somayaji; Ashwinram Suresh; Zhou Ye
Original assignee: Intuitive Surgical Operations Inc
Current assignee: Intuitive Surgical Operations Inc
Priority date: 2020-09-14
Filing date: 2021-09-10
Publication date: 2023-07-27
Also published as: CN116419731A; WO2022056213A1; US20230363849A1

Abstract

Eine medizinische Vorrichtung enthält eine mechanische Struktur und eine Kraftsensoreinheit. Die Kraftsensoreinheit umfasst eine Montagehalterung, einen ersten Stab, einen zweiten Stab, einen ersten Magneten, einen zweiten Magneten, eine erste Spule, die mit der Montagehalterung gekoppelt ist, und eine zweite Spule, die mit der Montagehalterung gekoppelt ist. Der erste Stab und der zweite Stab weisen jeweils eine Mittelachse auf, die zwischen einem proximalen und distalen Abschnitt des jeweiligen ersten und zweiten Stabs definiert ist. Die Mittelachse des zweiten Stabs ist nicht koaxial mit der Mittelachse des ersten Stabes. Der erste Magnet ist mit dem ersten Stab gekoppelt und bewegt sich innerhalb der ersten Spule entlang der Mittelachse des ersten Stabes. In ähnlicher Weise ist der zweite Magnet mit dem zweiten Stab gekoppelt und bewegt sich innerhalb der zweiten Spule entlang der Mittelachse des zweiten Stabes.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 63/077,833 mit dem Titel „Devices and Method for Compact, Redundant Inductive Force Sensor“ (eingereicht am 14. September 2020), deren Offenbarung hier durch Bezugnahme in vollem Umfang enthalten ist.
Diese Patentanmeldung ist verwandt mit der internationalen PCT-Patentanmeldung Nr. PCT/US2020/050696 mit dem Titel „COMPACT, DIFFERENTIAL, COAXIAL INDUCTIVE FORCE SENSOR“ (eingereicht am 14. September 2020) und der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/901,729 mit dem Titel „COMPACT, DIFFERENTIAL, COAXIAL INDUCTIVE FORCE SENSOR“ (eingereicht am 17. September 2019), deren Offenbarungen hier in vollem Umfang durch Bezugnahme aufgenommen sind.
HINTERGRUND
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf kraftmessende mechanische Strukturen, insbesondere auf medizinische Vorrichtungen und noch spezieller auf Instrumente, die für die minimal-invasive Chirurgie verwendet werden. Insbesondere beziehen sich die hierin beschriebenen Ausführungsformen auf medizinische Vorrichtungen, die eine Kraftsensoreinheit enthalten, die mit einer mechanischen Struktur der medizinischen Vorrichtung gekoppelt ist und zur Messung von Axialkräften verwendet wird, die während eines chirurgischen Eingriffs auf den Endeffektor der medizinischen Vorrichtung einwirken.
Bekannte Techniken für minimal-invasive medizinische Eingriffe verwenden Instrumente zur Manipulation von Gewebe, die entweder manuell oder über handgehaltene oder mechanisch geerdete teleoperierte medizinische Systeme gesteuert werden können, die zumindest teilweise computergestützt arbeiten („telechirurgische Systeme“). Viele bekannte medizinische Instrumente enthalten einen therapeutischen oder diagnostischen Endeffektor (z. B. eine Zange, ein Schneidewerkzeug oder ein Kauterisationswerkzeug), der an einem optionalen Handgelenkmechanismus am distalen Ende eines Schafts angebracht ist. Während eines medizinischen Verfahrens werden der Endeffektor, der Handgelenkmechanismus und das distale Ende des Schafts in einen kleinen Einschnitt oder eine natürliche Öffnung eines Patienten eingeführt, um den Endeffektor an einer Arbeitsstelle im Körper des Patienten zu positionieren. Der optionale Handgelenkmechanismus kann dazu verwendet werden, die Position und Ausrichtung des Endeffektors in Bezug auf den Schaft zu verändern, um einen gewünschten Eingriff an der Arbeitsstelle durchzuführen. Bei bekannten Instrumenten liefert die Bewegung des Instruments als Ganzes mechanische Freiheitsgrade (Degrees Of Freedom, DOFs) für die Bewegung des Endeffektors, und die Handgelenkmechanismen liefern im Allgemeinen die gewünschten DOFs für die Bewegung des Endeffektors in Bezug auf den Schaft des Instruments. Beispielsweise können bekannte Handgelenkmechanismen bei Zangen oder anderen Greifwerkzeugen die Neigung und das Gieren des Endeffektors in Bezug auf den Schaft verändern. Ein Handgelenk kann optional einen Roll-DOF für den Endeffektor bereitstellen, oder der Roll-DOF kann durch Rollen des Schafts realisiert werden. Ein Endeffektor kann optional zusätzliche mechanische DOFs aufweisen, wie z. B. eine Griff- oder Messerklingenbewegung. In einigen Fällen können die mechanischen DOFs des Handgelenks und des Endeffektors kombiniert werden. Zum Beispiel offenbart das US-Patent Nr. 5,792,135 (eingereicht am 16. Mai 1997) einen Mechanismus, bei dem Handgelenk- und Endeffektor-Griff-DOFs kombiniert sind.
Um die gewünschte Bewegung des Handgelenkmechanismus und des Endeffektors zu ermöglichen, enthalten bekannte Instrumente mechanische Verbindungsstücke (z. B. Kabel), die sich durch den Schaft des Instruments erstrecken und den distalen Handgelenkmechanismus mit einer proximalen mechanischen Struktur verbinden, die zur Bewegung der Verbindungsstücke verwendet wird, um den Handgelenkmechanismus zu betätigen. Bei telechirurgischen Systemen ist die mechanische Struktur in der Regel motorgetrieben und funktionell mit einem Verarbeitungssystem gekoppelt, um eine Benutzerschnittstelle für einen klinischen Benutzer (z. B. einen Chirurgen) bereitzustellen, mit der das Instrument als Ganzes und die Komponenten und Funktionen des Instruments gesteuert werden können.
Kraftmessende chirurgische Instrumente sind bekannt und erzeugen zusammen mit den zugehörigen telechirurgischen Systemen eine entsprechende haptische Rückmeldung an einen klinischen Benutzer während eines medizinischen Eingriffs, was dem den Eingriff durchführenden Kliniker ein besseres Eintauchen, mehr Realismus und mehr Intuitivität ermöglicht. Für eine effektive haptische Darstellung und Genauigkeit werden Kraftsensoren an einem medizinischen Instrument angebracht. Ein Ansatz besteht darin, eine Kraftsensoreinheit zu enthalten, die an der proximalen mechanischen Struktur des medizinischen Instruments angebracht und/oder in diese integriert ist und mit der axiale Kräfte gemessen werden können, die auf den Endeffektor des medizinischen Instruments einwirken. Diese Kraftmessungen werden am oder in der Nähe des Instrumentenschafts gemessen und zur Erzeugung von haptischen Rückkopplungskräften an einem Eingang zu einer Hauptsteuervorrichtung verwendet, um einem Benutzer einen Hinweis auf die Kräfte zu geben, die das medizinische Instrument beispielsweise auf das Gewebe des Patienten ausübt. Das heißt, eine Kraft, die von einem Instrument auf Obj ekte wie Gewebe oder Nahtmaterial ausgeübt wird, wird durch eine entsprechende Reaktionskraft von solchen Objekten auf das Instrument angezeigt, und die erfasste Reaktionskraft wird dem Benutzer als haptisches Gefühl vermittelt.
Verbesserungen an Kraftsensorsystemen führen zu genaueren Kraftmessungen, die wiederum zu einer genaueren haptischen Rückmeldung führen. Beispielsweise kann das Enthalten mehrerer Sensoren zur Messung eines einzelnen Kraftparameters (z. B. die auf den Endeffektor ausgeübte Axialkraft) die Messgenauigkeit verbessern (z. B. durch die Erstellung einer Durchschnittsmessung oder durch die Möglichkeit der Subtraktion von Gleichgewichtszuständen) und den Betrieb bei Ausfall eines Sensors ermöglichen. Die Einbeziehung zusätzlicher Sensoren konkurriert jedoch um den begrenzten Platz, der aufgrund der mechanischen Struktur und der Beschränkungen der Gesamtgröße des Instruments bei minimal-invasiven medizinischen Instrumenten vorhanden ist. Kraftsensorsysteme müssen nicht nur so effektiv wie möglich sein, sie müssen auch in die räumlichen Beschränkungen von Objekten, die der Kraft ausgesetzt sind, wie medizinische Instrumente, passen.
Es besteht also ein Bedarf an verbesserten Kraftsensorfähigkeiten, die wiederum die haptische Rückmeldung verbessern können, insbesondere innerhalb der räumlichen Beschränkungen von minimal-invasiven chirurgischen Instrumenten.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In dieser Kurzbeschreibung der Erfindung werden bestimmte Aspekte der hier beschriebenen Ausführungsformen vorgestellt, um ein grundlegendes Verständnis zu vermitteln. Diese Kurzbeschreibung der Erfindung ist kein umfassender Überblick über den Erfindungsgegenstand, und es ist nicht beabsichtigt, wichtige oder kritische Elemente zu identifizieren oder den Umfang des Erfindungsgegenstandes abzugrenzen.
In einigen Ausführungsformen enthält eine Vorrichtung eine mechanische Struktur und eine Kraftsensoreinheit, die mit der mechanischen Struktur gekoppelt ist. Die Kraftsensoreinheit umfasst eine Montagehalterung, einen ersten Stab, einen zweiten Stab, einen ersten Magneten, einen zweiten Magneten, eine erste Spule, die mit der Montagehalterung gekoppelt ist, und eine zweite Spule, die mit der Montagehalterung gekoppelt ist. Der erste Stab umfasst einen distalen Abschnitt und einen proximalen Abschnitt, und eine Mittelachse des ersten Stabs ist zwischen dem proximalen und dem distalen Abschnitt des ersten Stabs definiert. Der zweite Stab umfasst einen distalen Abschnitt und einen proximalen Abschnitt, und eine Mittelachse des zweiten Stabs ist zwischen dem proximalen und dem distalen Abschnitt des zweiten Stabs definiert. Die Mittelachse des zweiten Stabs ist nicht koaxial mit der Mittelachse des ersten Stabes. Der erste Magnet ist mit dem ersten Stab gekoppelt, und der zweite Magnet ist mit dem zweiten Stab gekoppelt. Der erste Magnet bewegt sich innerhalb der ersten Spule entlang der Mittelachse des ersten Stabes, und der zweite Magnet bewegt sich innerhalb der zweiten Spule entlang der Mittelachse des zweiten Stabes.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung ferner einen Schaft, der mit der mechanischen Struktur gekoppelt ist. Der Schaft ist mit dem ersten Stab und dem zweiten Stab betriebsfähig gekoppelt, so dass eine Verschiebungsbewegung des Schafts relativ zu der mechanischen Struktur den ersten Stab innerhalb der ersten Spule und den zweiten Stab innerhalb der zweiten Spule bewegt. In einigen Ausführungsformen umfasst der Schaft ein proximales Ende und ein distales Ende, und eine Mittelachse des Schafts ist zwischen dem proximalen und dem distalen Ende des Schafts definiert. Der Schaft ist funktionsfähig mit dem ersten Stab und dem zweiten Stab gekoppelt, so dass der Schaft um die Mittelachse des Schafts drehbar ist, ohne den ersten Stab oder den zweiten Stab zu bewegen.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung ferner ein mit dem Schaft gekoppeltes Verbindungsglied, wobei der erste Stab und der zweite Stab mit dem Verbindungsglied gekoppelt sind. Das Verbindungsglied umfasst eine Rollenantriebsaufnahme, in der der Schaft relativ zu dem Verbindungsglied drehbar ist, ohne den ersten Stab oder den zweiten Stab zu bewegen. In einigen Ausführungsformen umfasst der Schaft ein proximales Ende und ein distales Ende, und eine Mittelachse ist zwischen dem proximalen und dem distalen Ende des Schafts definiert. Ein erstes Signal wird von der ersten Spule erzeugt und ist mit einer Position des ersten Magneten innerhalb der ersten Spule verbunden, und ein zweites Signal wird von der zweiten Spule erzeugt und ist mit einer Position des zweiten Magneten innerhalb der zweiten Spule verbunden. Das erste Signal von der ersten Spule und das zweite Signal von der zweiten Spule sind mit einer linearen Verschiebung des Schafts entlang der Mittelachse des Schafts verbunden. In einigen Ausführungsformen ist die lineare Verschiebung proportional zu einer Kraft, die auf den Schaft in einer Richtung entlang der Mittelachse des Schafts ausgeübt wird.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Schaft ein proximales Ende und ein distales Ende, und eine Mittelachse des Schafts ist zwischen dem proximalen und dem distalen Ende des Schafts definiert. Die erste Spule und die zweite Spule sind jeweils so an der Montagehalterung befestigt, dass die Mittelachse des Schafts zwischen der Mittelachse des ersten Stabs und der Mittelachse des zweiten Stabs zentriert ist. In einigen Ausführungsformen sind die Mittelachse des ersten Stabs und die Mittelachse des zweiten Stabs parallel zur Mittelachse der Schaft. In einigen Ausführungsformen weist die erste Spule eine erste Höhe auf, die zweite Spule weist eine zweite Höhe auf, und die erste Höhe ist gleich der zweiten Höhe.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Schaft ein proximales Ende und ein distales Ende, und eine Mittelachse ist zwischen dem proximalen und dem distalen Ende des Schafts definiert. Die Vorrichtung umfasst ferner ein Gestänge, das mit dem Schaft und der mechanischen Struktur gekoppelt ist. Das Gestänge umfasst eine Feder, die dafür konfiguriert ist, sich im Verhältnis zu einer auf den Schaft ausgeübten Kraft in einer Richtung entlang der Mittelachse des Schafts zu verschieben.
In einigen Ausführungsformen ist ein von der ersten Spule erzeugtes erstes Signal mit einer Position des ersten Magneten innerhalb der ersten Spule verbunden, und ein von der zweiten Spule erzeugtes zweites Signal ist mit einer Position des zweiten Magneten innerhalb der zweiten Spule verbunden. Die Kraftsensoreinheit umfasst einen Mikroprozessor, der dafür konfiguriert ist, das erste und das zweite Signal zu empfangen. In einigen Ausführungsformen umfasst der Schaft ein proximales Ende und ein distales Ende, und eine Mittelachse ist zwischen dem proximalen und dem distalen Ende des Schafts definiert. In solchen Ausführungsformen weist das erste Signal eine erste Frequenz auf, das zweite Signal weist eine zweite Frequenz auf, und der Mikroprozessor ist dafür konfiguriert, Anweisungen auszuführen, um aus der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz ein Maß für eine Kraft auf den Schaft entlang der Mittelachse des Schafts zu bestimmen.
In einigen Ausführungsformen umfasst eine medizinische Vorrichtung einen Instrumentenschaft und einen medizinischen Endeffektor, der mit dem distalen Ende des Schafts gekoppelt ist. Eine mechanische Struktur ist mit dem proximalen Ende des Schafts gekoppelt, und eine Kraftsensoreinheit ist mit der mechanischen Struktur und mit dem Instrumentenschaft gekoppelt. Die Kraftsensoreinheit umfasst eine erste Spule, die um eine erste Spulenachse gewickelt ist, eine zweite Spule, die um eine zweite Spulenachse gewickelt ist, einen ersten Stab und einen zweiten Stab. Zwischen dem proximalen und dem distalen Ende des Instrumentenschafts ist eine Instrumentenschaftachse definiert, und die Instrumentenschaftachse erstreckt sich zwischen der ersten Spulenachse und der zweiten Spulenachse. Der erste Stab ist funktionsfähig mit dem Instrumentenschaft gekoppelt und umfasst einen ersten Magneten, der so positioniert ist, dass er sich innerhalb der ersten Spule entlang der ersten Spulenachse bewegt, wenn sich der Instrumentenschaft entlang der Instrumentenschaftachse bewegt, und der zweite Stab ist funktionsfähig mit dem Instrumentenschaft gekoppelt und umfasst einen zweiten Magneten, der so positioniert ist, dass er sich innerhalb der zweiten Spule entlang der zweiten Spulenachse bewegt, wenn sich der Instrumentenschaft entlang der Instrumentenschaftachse bewegt.
In einigen Ausführungsformen umfasst die medizinische Vorrichtung ferner ein Gestänge, das mit dem Schaft und der mechanischen Struktur gekoppelt ist. Das Gestänge umfasst eine Feder, die dafür konfiguriert ist, sich im Verhältnis zu einer auf den Schaft ausgeübten Kraft in einer Richtung entlang der Mittelachse des Schafts zu verschieben.
In einigen Ausführungsformen ist ein von der ersten Spule erzeugtes erstes Signal mit einer Position des ersten Magneten innerhalb der ersten Spule verbunden, und ein von der zweiten Spule erzeugtes zweites Signal ist mit einer Position des zweiten Magneten innerhalb der zweiten Spule verbunden. Die Kraftsensoreinheit umfasst einen Mikroprozessor, der dafür konfiguriert ist, das erste und das zweite Signal zu empfangen. In einigen Ausführungsformen weist das erste Signal eine erste Frequenz auf, das zweite Signal weist eine zweite Frequenz auf, und der Mikroprozessor ist dafür konfiguriert, Befehle auszuführen, um aus der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz eine Messung einer Kraft an dem Schaft entlang der Mittelachse des Schafts zu bestimmen. In einigen Ausführungsformen sind das erste Signal von der ersten Spule und das zweite Signal von der zweiten Spule mit einer linearen Verschiebung des Schafts entlang der Mittelachse des Schafts verbunden.
In einigen Ausführungsformen umfasst die medizinische Vorrichtung ferner ein Gestänge, das mit dem Schaft und der mechanischen Struktur gekoppelt ist, und das Gestänge umfasst eine Feder. Die Feder ist dafür konfiguriert, im Verhältnis zu einer auf den Schaft ausgeübten Kraft in einer Richtung entlang der Mittelachse des Schafts verschoben zu werden. In einigen Ausführungsformen sind die erste Mittelachse des ersten Stabs und die zweite Mittelachse des zweiten Stabs parallel zur Mittelachse des Schafts.
In einigen Ausführungsformen umfasst eine medizinische Vorrichtung eine Instrumententrägerstruktur, einen Instrumentenschaft und eine Kraftsensoreinheit. Der Instrumentenschaft umfasst ein proximales Ende und ein distales Ende, und eine Instrumentenschaftachse ist zwischen dem proximalen und dem distalen Ende des Instrumentenschafts definiert. Die Kraftsensoreinheit umfasst ein Gestänge, das zwischen der Instrumententrägerstruktur und dem proximalen Ende des Instrumentenschafts gekoppelt ist, eine erste Spule, die um eine erste Spulenachse gewickelt ist, eine zweite Spule, die um eine zweite Spulenachse gewickelt ist, die sich von der ersten Spulenachse unterscheidet, einen ersten Magneten, der zumindest teilweise in der ersten Spule liegt, und einen zweiten Magneten, der zumindest teilweise in der zweiten Spule liegt. Die erste Spule, die zweite Spule, der erste Magnet und der zweite Magnet sind zwischen der Instrumententrägerstruktur und dem Gestänge der Kraftsensoreinheit so angeordnet, dass eine Verschiebung des Instrumentenschafts entlang der Instrumentenschaftachse in Bezug auf die Instrumententrägerstruktur eine relative Bewegung zwischen dem ersten Magneten und der ersten Spule entlang der ersten Spulenachse und eine relative Bewegung zwischen dem zweiten Magneten und der zweiten Spule entlang der zweiten Spulenachse bewirkt.
In einigen Ausführungsformen sind die erste Spule und die zweite Spule in Bezug auf die Instrumententrägerstruktur fixiert. In einigen Ausführungsformen umfasst das Gestänge ein Drehgelenk mit einer zur Instrumentenschaftachseachse koaxialen Drehachse, und der Instrumentenschaft ist mit dem Gestänge der Kraftsensoreinheit gekoppelt, um sich an dem Verbindungsglied um die Drehachse in Bezug auf die Instrumententrägerstruktur zu drehen.
In einigen Ausführungsformen umfasst die medizinische Vorrichtung eine proximale mechanische Struktur, einen distalen Endmechanismus und einen Verbinder. Der distale Endmechanismus ist mit dem distalen Ende des Instrumentenschafts gekoppelt und umfasst eine bewegliche Komponente. Die proximale mechanische Struktur umfasst die Instrumententrägerstruktur und ein Aktuator-Eingangsstück, das so montiert ist, dass es sich in Bezug auf die Instrumententrägerstruktur bewegt. Der Verbinder ist zwischen dem Aktuator-Eingangsstück und der beweglichen Komponente des distalen Endmechanismus gekoppelt.
Figurenliste

1 ist eine Draufsicht auf ein minimal-invasives teleoperiertes Chirurgiesystem gemäß einer Ausführungsform, das zur Durchführung eines medizinischen Verfahrens, wie beispielsweise einer Operation, verwendet wird.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer optionalen Hilfseinheit des in 1 gezeigten minimal-invasiven teleoperierten Chirurgiesystems.
3 ist eine perspektivische Ansicht einer Benutzer-Steuerkonsole des in 1 gezeigten minimal-invasiven teleoperierten Chirurgiesystems.
4 ist eine Vorderansicht einer Manipulatoreinheit, die eine Vielzahl von Instrumenten enthält, des in 1 gezeigten minimal-invasiven teleoperierten Chirurgiesystems.
5 ist eine schematische Darstellung einer medizinischen Vorrichtung, die eine Kraftsensoreinheit enthält, gemäß einer Ausführungsform.
6A ist eine schematische Darstellung eines Teils einer medizinischen Vorrichtung, gemäß einer Ausführungsform.
6B ist ein Diagramm, das die Spuleninduktivität gegenüber dem linearen Bereich der Stäbe in einer Kraftsensoreinheit einer medizinischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform darstellt.
6C ist eine schematische Darstellung eines Teils einer medizinischen Vorrichtung, gemäß einer Ausführungsform.
7A ist eine perspektivische Ansicht einer medizinischen Vorrichtung, gemäß einer Ausführungsform.
7B ist eine perspektivische Ansicht eines proximalen Abschnitts der medizinischen Vorrichtung aus 7A, die einen mit dem äußeren Schaft gekoppelten Verriegelungsgriff enthält.
8 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines distalen Endabschnitts der medizinischen Vorrichtung aus 7A.
9 ist eine Ansicht von unten auf die mechanische Struktur der medizinischen Vorrichtung aus 7A.
10 ist eine Seitenansicht eines proximalen Abschnitts der medizinischen Vorrichtung aus 7B.
11 ist eine perspektivische Ansicht der mechanischen Struktur der medizinischen Vorrichtung aus 7A, wobei ausgewählte Komponenten zur Veranschaulichung entfernt wurden.
12 ist eine Seitenansicht der mechanischen Struktur und des Schafts der medizinischen Vorrichtung aus 7A, wobei ausgewählte Komponenten zur Veranschaulichung entfernt wurden.
13 ist eine Seitenansicht eines Gestänges und Schafts der medizinischen Vorrichtung aus 7A, wobei ausgewählte Komponenten zur Veranschaulichung entfernt wurden.
14 ist eine teilweise Explosionsdarstellung des Gestänges und Schafts aus 13.
15 und 16 sind jeweils unterschiedliche perspektivische Ansichten der mechanischen Struktur der medizinischen Vorrichtung aus 7A, wobei ausgewählte Komponenten zur Veranschaulichung entfernt wurden.
17 ist eine perspektivische Ansicht eines Verbindungsglieds einer Kraftsensoreinheit der medizinischen Vorrichtung aus 7A.
18 ist eine Seitenansicht der mechanischen Struktur der medizinischen Vorrichtung aus 7A, wobei ausgewählte Komponenten zur Veranschaulichung entfernt wurden und die Feder und der Schaft in einer ersten neutralen Position gezeigt werden.
19 und 20 sind jeweils eine Seitenansicht der mechanischen Struktur der medizinischen Vorrichtung aus 7A, wobei ausgewählte Komponenten zur Veranschaulichung entfernt wurden und der Schaft in einer zweiten oberen Position (19) und einer dritten unteren Position (20) dargestellt ist.
21 ist eine perspektivische Ansicht des Schafts, der mit der Rollenantriebsaufnahme und dem Rollenträger der medizinischen Vorrichtung aus 7A gekoppelt ist.
22 ist eine perspektivische Explosionsansicht des Schafts, der mit der Rollenantriebsaufnahme und dem Rollenträger der medizinischen Vorrichtung aus 21 gekoppelt ist.
23 ist eine Seitenansicht der mechanischen Struktur der medizinischen Vorrichtung aus 7A, wobei ausgewählte Komponenten zur Veranschaulichung entfernt wurden und der mit der Rollenantriebsaufnahme gekoppelte Schaft gezeigt wird.
24 ist eine perspektivische Endansicht der mechanischen Struktur der medizinischen Vorrichtung aus 7A, wobei ausgewählte Komponenten zu Illustrationszwecken entfernt wurden.
25 ist eine Explosionsdarstellung der Spulenanordnung und eines Verbindungsglieds der Kraftsensoreinheit der medizinischen Vorrichtung aus 7A.
26 und 27 sind eine Seitenansicht (26) und eine perspektivische Ansicht (27) der Spulenanordnung der Kraftsensoreinheit der medizinischen Vorrichtung aus 7A.
28 und 29 sind eine perspektivische Ansicht von unten (28) und eine perspektivische Ansicht von oben (29) der Spulenanordnung der Kraftsensoreinheit der medizinischen Vorrichtung aus 7A.
30 ist eine Ansicht von unten auf die Spulenanordnung der Kraftsensoreinheit der medizinischen Vorrichtung aus 7A.
31 ist eine Seitenansicht einer Spule der Spulenanordnung der Kraftsensoreinheit der medizinischen Vorrichtung aus 7A.
32 ist eine Seitenansicht eines Stabs der Spulenanordnung der Kraftsensoreinheit der medizinischen Vorrichtung aus 7A.
33 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer Kraftsensoreinheit, gemäß einer Ausführungsform.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen können vorteilhaft in einer Vielzahl von Kraftsensoranwendungen eingesetzt werden, wie z. B. für Greif-, Schneid- und Manipulationsvorgänge im Zusammenhang mit minimal-invasiver Chirurgie. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen können auch in einer Vielzahl von nicht-medizinischen Anwendungen eingesetzt werden, wie z. B. in teleoperierten Systemen für Such- und Rettungszwecke, ferngesteuerten tauchfähigen Vorrichtungen, luftgestützten Vorrichtungen und Automobilen usw. Die medizinischen Instrumente oder Vorrichtungen der vorliegenden Anwendung ermöglichen Bewegungen in drei oder mehr Freiheitsgraden (DOFs). Zum Beispiel kann sich in einigen Ausführungsformen ein Endeffektor des medizinischen Instruments in Bezug auf den Hauptkörper des Instruments in drei mechanischen DOFs bewegen, z. B. Nicken, Gieren und Rollen (Schaftrollen). Es kann auch einen oder mehrere mechanische DOFs im Endeffektor selbst geben, z. B. zwei Backen, die sich jeweils in Bezug auf einen Gabelkopf drehen (zwei DOFs) und einen distalen Gabelkopf, der sich in Bezug auf einen proximalen Gabelkopf dreht (ein DOF). In einigen Ausführungsformen ermöglichen die medizinischen Instrumente oder Vorrichtungen der vorliegenden Anmeldung also eine Bewegung in sechs DOFs. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen können ferner verwendet werden, um die Kräfte zu bestimmen, die auf (oder durch) einen distalen Endabschnitt des Instruments während der Verwendung ausgeübt werden.
Die hierin beschriebenen medizinischen Instrumente enthalten eine Kraftsensoreinheit, die einen kompakten induktiven Kraftsensor enthält, um Kräfte zu messen, die auf den Endeffektor des medizinischen Instruments axial in Richtung der z-Achse einwirken. Wie hierin beschrieben, sind zwei induktive Spulen jeweils um einen Polymerzylinder gewickelt und ein Magnet (z. B. eine Ferritperle, eine EMI- (elektromagnetische Interferenz) Unterdrückungsperle, eine Nickel-Zink-Perle usw.; der hier verwendete Begriff „Magnet“ wird weiter unten ausführlicher beschrieben), der von einem Stab gehalten wird, ist in jeder der Spulen beweglich angeordnet. Wenn die Magnete axial innerhalb ihrer jeweiligen Spule bewegt werden, ergibt sich eine Änderung der Induktivität an jeder Spule. Die Änderung der Induktivität an jeder der Spulen kann verwendet werden, um Änderungen der Position des Instrumentenschafts zu messen, die in Kraftmessungen in der z-Achse umgesetzt werden können. Die hier beschriebenen Ausführungsformen können eine verbesserte lineare Kraftausgabe (z. B. innerhalb eines Bereichs von ± 2,0 mm (0,080 Zoll)) und die Aufhebung von Temperatureffekten ermöglichen. Die hier beschriebenen kompakten induktiven Kraftsensoren bieten Redundanz bei der Kraftmessung durch Verwendung von zwei nebeneinander angeordneten Induktionsspulen. Diese Auslegung reduziert auch die Gesamthöhe des Kraftsensors und spart dadurch Platz innerhalb der mechanischen Struktur. Darüber hinaus kann in einigen Ausführungsformen das Design der Spule und des Magneten (z. B. die Spulenlänge, -breite und -dicke sowie die Abmessungen des Stabs und des Magneten) optimiert werden, um sicherzustellen, dass der Stab mit dem Magneten innerhalb der Spulen zentriert ist (z. B. in einigen Ausführungsformen mit einem Spalt zwischen der inneren Oberfläche der Spule und der äußeren Oberfläche des Stabs mit dem Magneten von etwa 1,33 mm (0,050 Zoll)). Die hier beschriebenen Ausführungsformen können auch einen größeren linearen Hub des Kraftsensors bewirken. Um zu vermeiden, dass falsche Kraftsignale vom Sensor erfasst werden, sind in einigen Ausführungsformen die beiden induktiven Spulen mechanisch an derselben starren Komponente des medizinischen Instruments als ein Federelement geerdet, das Teil eines Gestänges ist, das zur Umwandlung von Kraft in eine Wegmessung verwendet wird (weiter unten ausführlicher beschrieben).
Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „etwa“, wenn er in Verbindung mit einer referenzierten numerischen Angabe verwendet wird, die referenzierte numerische Angabe plus oder minus bis zu 10 Prozent dieser referenzierten numerischen Angabe. Beispielsweise deckt die Angabe „etwa 50“ den Bereich von 45 bis 55 ab. In ähnlicher Weise deckt die Formulierung „etwa 5“ den Bereich von 4,5 bis 5,5 ab.
Der Begriff „flexibel“ in Verbindung mit einem Teil, wie z. B. einer mechanischen Struktur, einer Komponente oder einer Anordnung, sollte weit ausgelegt werden. Im Wesentlichen bedeutet der Begriff, dass das Teil wiederholt gebogen und wieder in seine ursprüngliche Form gebracht werden kann, ohne dass das Teil Schaden nimmt. Bestimmte flexible Komponenten können auch elastisch sein. Eine Komponente (z. B. ein Biegeteil) wird beispielsweise als elastisch bezeichnet, wenn sie die Fähigkeit besitzt, bei elastischer Verformung Energie aufzunehmen und die gespeicherte Energie bei Entlastung wieder abzugeben (d. h. in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren). Viele „starre“ Gegenstände weisen aufgrund von Materialeigenschaften eine leichte inhärente elastische „Biegsamkeit“ auf, obwohl solche Gegenstände nicht als „flexibel“ im Sinne dieser Beschreibung gelten.
Wie in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet, bezieht sich das Wort „distal“ auf eine Richtung zu einer Arbeitsstelle hin und das Wort „proximal“ auf eine Richtung von der Arbeitsstelle weg. So wäre beispielsweise das Ende eines Werkzeugs, das dem Zielgewebe am nächsten ist, das distale Ende des Werkzeugs, und das dem distalen Ende gegenüberliegende Ende (d. h. das Ende, das vom Benutzer bedient wird oder mit dem Betätigungsschaft gekoppelt ist) wäre das proximale Ende des Werkzeugs.
Ferner sollen spezifische Wörter, die zur Beschreibung einer oder mehrerer Ausführungsformen und optionaler Elemente oder Merkmale gewählt wurden, die Erfindung nicht einschränken. Beispielsweise können räumlich relative Begriffe - wie „unterhalb“, „unter“, „untere“, „oberhalb“, „obere“, „proximal“, „distal“ und dergleichen - verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem anderen Element oder Merkmal zu beschreiben, wie in den Figuren dargestellt. Diese räumlich relativen Begriffe sollen verschiedene Positionen (d. h. Verschiebungsanordnungen) und Ausrichtungen (d. h. rotatorische Anordnungen) einer Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Position und Ausrichtung umfassen. Wenn eine Vorrichtung in den Figuren beispielsweise umgedreht wird, würden Elemente, die als „unter“ oder „unterhalb“ anderer Elemente oder Merkmale beschrieben werden, dann „oberhalb“ oder „über“ der anderen Elemente oder Merkmale liegen. Der Begriff „unter“ kann also sowohl Positionen und Ausrichtungen von oben als auch von unten umfassen. Eine Vorrichtung kann anders ausgerichtet sein (z. B. um 90 Grad gedreht oder in anderen Ausrichtungen) und die hier verwendeten räumlich relativen Deskriptoren entsprechend interpretiert werden. Ebenso enthalten die Beschreibungen der Bewegung entlang (Verschiebung) und um (Rotation) verschiedene Achsen verschiedene räumliche Positionen und Ausrichtungen der Vorrichtung. Die Kombination aus Position und Orientierung eines Körpers definiert die Körperhaltung.
In ähnlicher Weise sind geometrische Begriffe wie „parallel“, „senkrecht“, „rund“ oder „quadratisch“ nicht dazu gedacht, absolute mathematische Präzision zu verlangen, es sei denn, der Kontext weist auf etwas anderes hin. Stattdessen lassen solche geometrischen Begriffe Abweichungen zu, die durch die Herstellung oder entsprechende Funktionen bedingt sind. Wird ein Element beispielsweise als „rund“ oder „im Allgemeinen rund“ beschrieben, so wird eine nicht genau kreisförmige Komponente (z. B. ein leicht längliches oder ein vielseitiges Vieleck) dennoch von dieser Beschreibung erfasst.
Außerdem sollen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der“, „die“, „das“ auch die Pluralformen enthalten, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt. Die Begriffe „umfasst“, „enthält“, „weist auf‟ und dergleichen geben das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten usw. an. schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Bestandteilen oder Gruppen nicht aus.
Sofern nicht anders angegeben, können die Begriffe Vorrichtung, medizinische Vorrichtung, Instrument und Varianten davon austauschbar verwendet werden.
Aspekte der Erfindung werden in erster Linie im Hinblick auf eine Implementierung mit einem da Vinci^® Surgical System beschrieben, das von Intuitive Surgical, Inc. aus Sunnyvale, Kalifornien, vertrieben wird. Beispiele für solche chirurgischen Systeme sind das da Vinei Xi^® Surgical System (Modell IS4000) und das da Vinci X^® Surgical System (Modell IS4200). Fachleuten ist ersichtlich, dass die hierin offenbarten erfinderischen Aspekte auf verschiedene Weise verkörpert und implementiert werden können, einschließlich computergestützter, nicht computergestützter und hybrider Kombinationen von manuellen und computergestützten Verkörperungen und Implementierungen. Implementierungen von da Vinci^® Surgical Systems (z. B. das Modell IS4000, das Modell IS3000, das Modell IS2000, das Modell IS1200) werden lediglich als Beispiele dargestellt und sind nicht als Einschränkung des Umfangs der hier offengelegten erfinderischen Aspekte zu betrachten. Die erfindungsgemäßen Aspekte können sowohl in relativ kleineren, handgehaltenen, handbetriebenen Vorrichtungen als auch in relativ größeren Systemen, die eine zusätzliche mechanische Unterstützung aufweisen, d. h. in Vorrichtungen, die entweder mechanisch geerdet oder ungeerdet in Bezug auf einen Weltbezugsrahmen sind, verkörpert und umgesetzt werden.
1 ist eine Draufsicht auf ein computergestütztes Teleoperationssystem. Dargestellt ist eine medizinische Vorrichtung, bei der es sich um ein minimal-invasives robotergestütztes Chirurgiesystem (Minimally Invasive Robotic Surgical, MIRS) 1000 (hier auch als minimal-invasives teleoperiertes Chirurgiesystem bezeichnet) handelt, das zur Durchführung eines minimal-invasiven diagnostischen oder chirurgischen Eingriffs an einem Patienten P verwendet wird, der auf einem Operationstisch 1010 liegt. Das System kann eine beliebige Anzahl von Komponenten aufweisen, wie z. B. eine Benutzersteuereinheit 1100 zur Verwendung durch einen Chirurgen oder einen anderen erfahrenen Kliniker S während des Eingriffs. Das MIRS-System 1000 kann ferner eine Manipulatoreinheit 1200 (im Volksmund als chirurgischer Roboter bezeichnet) und eine optionale Hilfsausrüstungseinheit 1150 enthalten. Die Manipulatoreinheit 1200 kann eine Armanordnung 1300 und eine abnehmbar mit der Armanordnung gekoppelte Werkzeuganordnung enthalten. Die Manipulatoreinheit 1200 kann mindestens ein abnehmbar gekoppeltes Instrument 1400 durch einen minimal-invasiven Einschnitt in den Körper oder die natürliche Öffnung des Patienten P bewegen, während der Chirurg S die Operationsstelle betrachtet und die Bewegung des Instruments 1400 durch die Steuereinheit 1100 steuert. Ein Bild der Operationsstelle wird durch ein Endoskop (nicht dargestellt), wie z. B. ein stereoskopisches Endoskop, aufgenommen, das durch die Manipulatoreinheit 1200 manipuliert werden kann, um das Endoskop auszurichten. Mit der Hilfsausrüstungseinheit 1150 können die Bilder der Operationsstelle für die anschließende Anzeige an den Chirurgen S über die Benutzersteuereinheit 1100 verarbeitet werden. Die Anzahl der gleichzeitig verwendeten Instrumente 1400 hängt in der Regel u. a. vom diagnostischen oder chirurgischen Verfahren und den Platzverhältnissen im Operationssaal ab. Wenn es notwendig ist, eines oder mehrere der während eines Eingriffs verwendeten Instrumente 1400 zu wechseln, entfernt ein Assistent das Instrument 1400 aus der Manipulatoreinheit 1200 und ersetzt es durch ein anderes Instrument 1400 aus einem Tablett 1020 im Operationssaal. Obwohl die Verwendung mit den Instrumenten 1400 gezeigt wird, kann jedes der hier beschriebenen Instrumente mit dem MIRS 1000 verwendet werden.
2 ist eine perspektivische Ansicht der Steuereinheit 1100. Die Benutzersteuereinheit 1100 enthält eine Anzeige für das linke Auge 1112 und eine Anzeige für das rechte Auge 1114, um dem Chirurgen S eine koordinierte Stereosicht der Operationsstelle zu präsentieren, die eine Tiefenwahrnehmung ermöglicht. Die Benutzersteuereinheit 1100 enthält ferner eine oder mehrere Eingabesteuervorrichtungen 1116, die ihrerseits die Manipulatoreinheit 1200 (in 1 dargestellt) veranlassen, ein oder mehrere Werkzeuge zu manipulieren. Die Eingabesteuervorrichtungen 1116 bieten mindestens die gleichen Freiheitsgrade wie die Instrumente 1400, mit denen sie verbunden sind, um dem Chirurgen S die Telepräsenz oder den Eindruck zu vermitteln, dass die Eingabesteuervorrichtungen 1116 mit den Instrumenten 1400 integriert sind (oder direkt mit ihnen verbunden sind). Auf diese Weise vermittelt die Benutzersteuereinheit 1100 dem Chirurgen S ein starkes Gefühl, die Instrumente 1400 direkt zu steuern. Zu diesem Zweck können Positions-, Kraft-, Belastungs- und/oder taktile Rückkopplungssensoren (nicht dargestellt) verwendet werden, um Positions-, Kraft- und taktile Empfindungen von den Instrumenten 1400 über die Eingabesteuervorrichtungen 1116 zurück an die Hände des Chirurgen zu übertragen.
Die Benutzersteuereinheit 1100 ist in 1 so dargestellt, dass sie sich im selben Raum wie der Patient befindet, so dass der Chirurg S den Eingriff direkt überwachen kann, bei Bedarf physisch anwesend ist und mit einem Assistenten direkt, anstatt über ein Telefon oder ein anderes Kommunikationsmedium, sprechen kann. In anderen Ausführungsformen jedoch können sich die Benutzersteuereinheit 1100 und der Chirurg S in einem anderen Raum, einem völlig anderen Gebäude oder an einem anderen, vom Patienten entfernten Ort befinden, was chirurgische Eingriffe aus der Ferne ermöglicht.
3 ist eine perspektivische Ansicht der Hilfsausrüstungseinheit 1150. Die Hilfsausrüstungseinheit 1150 kann mit dem Endoskop (nicht dargestellt) gekoppelt werden und kann einen oder mehrere Prozessoren enthalten, um erfasste Bilder für die anschließende Anzeige zu verarbeiten, beispielsweise über die Benutzersteuereinheit 1100 oder auf einem anderen geeigneten Display, das sich lokal und/oder entfernt befindet. Wird beispielsweise ein stereoskopisches Endoskop verwendet, kann die Hilfsausrüstungseinheit 1150 die aufgenommenen Bilder verarbeiten, um dem Chirurgen S über die Anzeige für das linke Auge 1112 und die Anzeige für das rechte Auge 1114 koordinierte Stereobilder der Operationsstelle zu präsentieren. Eine solche Koordination kann eine Ausrichtung zwischen den gegenüberliegenden Bildern enthalten und kann eine Anpassung des Stereoarbeitsabstands des stereoskopischen Endoskops enthalten. Als weiteres Beispiel kann die Bildverarbeitung die Verwendung von zuvor bestimmten Kamerakalibrierungsparametern enthalten, um Abbildungsfehler der Bilderfassungsvorrichtung, wie etwa optische Aberrationen, zu kompensieren.
4 zeigt eine perspektivische Vorderansicht der Manipulatoreinheit 1200. Die Manipulatoreinheit 1200 enthält die Komponenten (z. B. Arme, Gestänge, Motoren, Sensoren und dergleichen), die für die Manipulation der Instrumente 1400 und eine bildgebende Vorrichtung (nicht dargestellt), wie z. B. ein stereoskopisches Endoskop, das für die Aufnahme von Bildern der Eingriffsstelle verwendet wird, sorgen. Insbesondere können die Instrumente 1400 und die bildgebende Vorrichtung durch teleoperierte Mechanismen manipuliert werden, die eine Anzahl von Gelenken aufweisen. Darüber hinaus werden die Instrumente 1400 und die bildgebende Vorrichtung durch Einschnitte oder natürliche Öffnungen im Patienten P so positioniert und manipuliert, dass ein Software- und/oder kinematischer Fernbewegungsschwerpunkt an dem Einschnitt oder der Öffnung beibehalten wird. Auf diese Weise kann die Größe der Inzision minimiert werden.
5 ist eine schematische Darstellung einer medizinischen Vorrichtung 2400 gemäß einer Ausführungsform. In einigen Ausführungsformen sind die medizinische Vorrichtung 2400 oder eine der darin enthaltenen Komponenten optional Teile eines chirurgischen Systems, das chirurgische Eingriffe durchführt und das eine Manipulatoreinheit, eine Reihe von kinematischen Gestängen, eine Reihe von Kanülen oder dergleichen enthalten kann. Die medizinische Vorrichtung 2400 (und jedes der hierin beschriebenen Instrumente) kann in jedem geeigneten chirurgischen System verwendet werden, wie z. B. dem oben dargestellten und beschriebenen MLRS-System 1000. Die medizinische Vorrichtung 2400 enthält eine mechanische Struktur 2700, eine Kraftsensoreinheit 2800, die mit der mechanischen Struktur 2700 gekoppelt oder darin enthalten ist, einen Schaft 2410, der mit der mechanischen Struktur 2700 gekoppelt ist, einen Träger 2810, der mit dem Schaft 2410 gekoppelt ist, und einen Endeffektor 2460, der an einem distalen Endabschnitt des Trägers 2810 gekoppelt ist. Der Endeffektor 2460 kann z. B. gelenkige Backen oder ein anderes geeignetes chirurgisches Werkzeug enthalten, das mit einem Verbindungsglied 2510 gekoppelt ist. In einigen Ausführungsformen kann das Verbindungsglied 2510 in einer Handgelenkanordnung enthalten sein, die mehrere gelenkige Verbindungsglieder aufweist. Der Schaft 2410 enthält einen distalen Endabschnitt, der mit einem proximalen Endabschnitt des Trägers 2810 gekoppelt ist. In einigen Ausführungsformen ist der distale Endabschnitt des Schafts 2410 mit dem proximalen Endabschnitt 2822 des Trägers 2810 über eine andere Kupplungskomponente (wie einen Anker oder eine Kupplung, nicht dargestellt) gekoppelt. Der Schaft 2410 ist auch an einem proximalen Endabschnitt mit der mechanischen Struktur 2700 beweglich gekoppelt. Die mechanische Struktur 2700 kann Komponenten enthalten, die so konfiguriert sind, dass sie eine oder mehrere Komponenten des chirurgischen Instruments bewegen, wie z. B. den Endeffektor 2460. Die mechanische Struktur 2700 kann der mechanischen Struktur 5700 ähnlich sein, die weiter unten mit Bezug auf die medizinische Vorrichtung 5400 näher beschrieben wird.
Im Allgemeinen berührt der Endeffektor 2460 während eines medizinischen Eingriffs anatomisches Gewebe, was dazu führen kann, dass Kräfte in x-, y- oder z-Richtung auf den Endeffektor 2460 ausgeübt werden, die zu Momentenkräften führen können, wie beispielsweise ein Moment M_Y um eine Achse in y-Richtung, wie in 5 gezeigt. In einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere Dehnungssensoren (nicht dargestellt), bei denen es sich um Dehnungsmessstreifen handeln kann, mit dem Träger 2810 gekoppelt werden, um die Dehnung in dem Träger 2810 zu messen. Die gemessene Trägerdehnung kann verwendet werden, um Kräfte zu bestimmen, die auf den Endeffektor 2460 in der x- und y-Achsenrichtung einwirken. Diese x- und y-Achsenkräfte stehen quer (z. B. senkrecht) zur z-Achse (die parallel oder kollinear zu einer Mittelachse A_B des Trägers ist).
Die Kraftsensoreinheit 2800 (und jede der hierin beschriebenen Kraftsensoreinheiten) kann verwendet werden, um die eine oder mehreren axialen Kräfte (d. h. in Richtung der z-Achse parallel zur Balkenmittelachse A_B) zu messen, die auf den Endeffektor 2460 ausgeübt werden. Beispielsweise kann eine auf den Endeffektor 2460 in einer Richtung der z-Achse ausgeübte Axialkraft F_z eine axiale Verschiebung des Schafts 2410 in einer Richtung entlang einer Mittelachse des Schafts (im Wesentlichen parallel zur Balkenmittelachse A_B) bewirken. Die axiale Kraft F_z kann in der proximalen Richtung (z. B. eine reaktive Kraft, die aus dem Drücken gegen Gewebe mit dem Endeffektor resultiert) oder in der distalen Richtung (z. B. eine reaktive Kraft, die aus dem Ziehen von Gewebe resultiert, das mit dem Endeffektor erfasst wird) sein. Wie hierin beschrieben, kann der Schaft 2410 mit der mechanischen Struktur 2700 über einen Vorspannmechanismus (z. B. ein Gestänge oder eine federbelastete Kupplung, nicht dargestellt) gekoppelt sein, so dass das Bewegungsausmaß des Schafts 2410 relativ zur mechanischen Struktur 2700 mit der Größe der axialen Kraft F_z, die auf den Endeffektor 2460 ausgeübt wird, korreliert werden kann. Auf diese Weise kann durch Messen des Weges, den der Schaft 2410 relativ zur mechanischen Struktur 2700 zurücklegt, die Axialkraft F_z bestimmt werden.
Die Kraftsensoreinheit 2800 kann alle geeigneten Komponenten enthalten, um die axiale Bewegung des Schafts 2410 zu isolieren (d. h. den Schaft so einzuschränken, dass die gemessene Bewegung nur durch die axiale Kraft F_z und nicht durch die Querkräfte entlang der x- und y-Achse verursacht wird), die Reibungskraft zu begrenzen, die der Bewegung des Schafts 2410 entgegensteht (die Fehler beim Bestimmen der axialen Kraft F_z verursachen kann), und Redundanz beim Messen der Bewegung der Schaft 2410 bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen kann die Kraftsensoreinheit 2800 beispielsweise eine Spulenanordnung, ein Gestänge und einen Mikroprozessor enthalten (jeweils nicht in 5 dargestellt). Das Gestänge kann ein beliebiger geeigneter Mechanismus sein, der den Schaft 2410 mit der mechanischen Struktur 2700 beweglich koppelt, so dass der Betrag der Schaftbewegung mit der aufgebrachten Axialkraft F_z korreliert werden kann. Beispielsweise kann das Gestänge (und jedes der hierin beschriebenen Gestänge) vier Verbindungsglieder enthalten, die innerhalb der mechanischen Struktur 2700 oder mit dieser gekoppelt sind. Das Gestänge enthält ein erstes Verbindungsglied, das mit dem Schaft 2410 gekoppelt ist, und ein zweites Verbindungsglied, das eine Feder enthält oder mit ihr gekoppelt ist, wie weiter unten unter Bezugnahme auf das unten beschriebene Gestänge 4850 oder 5850 näher beschrieben. Die vier Verbindungsglieder des Gestänges halten die Spannung der Verbinder (z. B. der Verbinder, die zum Bewegen des weiter unten näher beschriebenen Endeffektors und der Handgelenkanordnung verwendet werden) innerhalb der medizinischen Vorrichtung aufrecht und sorgen für eine lineare Bewegung des Schafts 2410, wenn Kräfte axial am distalen Ende der medizinischen Vorrichtung 2400 aufgebracht werden. Das Gestänge schränkt auch die Bewegung in der z-Achse ein und isoliert Kräfte in der z-Achse. Wie weiter unten beschrieben, misst die Kraftsensoreinheit 2800 die z-Achsen-Bewegung des Schafts, die von einer Positionsmessung in eine Kraftmessung umgewandelt wird. Das Bewegungsausmaß des Schafts 2410 für einen gegebenen Betrag der axialen Kraft F_z hängt teilweise von der Steifigkeit der im Gestänge enthaltenen Feder ab. Somit ist die Kraftsensoreinheit 2800, die das Gestänge und alle darin enthaltenen Federn enthält, so kalibriert, dass sie den gewünschten Bewegungsbereich des Schafts 2410 über den erwarteten Bereich der Axialkraft bereitstellt.
Wie hierin beschrieben, misst die Spulenanordnung (nicht dargestellt) der Kraftsensoreinheit 2800 die Verschiebung des Schafts entlang der z-Achse, die dann in die Kraftmessung umgewandelt wird. Die Spulenanordnung kann zwei induktive Spulen enthalten, die jeweils um einen Zylinder gewickelt sind, der aus einem nicht-leitenden Material, wie z. B. PEEK, besteht. Die beiden Spulen können nebeneinander angeordnet und mit der mechanischen Struktur 2700 gekoppelt sein oder sich darin befinden. Innerhalb jeder der Spulen befindet sich ein Stab, der in einem Innenraum der Spule beweglich ist und mit dem Schaft 2410 der medizinischen Vorrichtung 2400 gekoppelt ist. Die Stäbe können z. B. einen Kern mit einem an den Kern gekoppelten Magneten enthalten, der sich mit dem Stab innerhalb der jeweiligen Spule bewegt. Der Kern kann zum Beispiel ein Glaskern, ein Edelstahlkern oder ein Kern aus einem anderen geeigneten Material sein. Der Magnet und jeder der hier beschriebenen Magnete kann zum Beispiel eine Ferritperle, eine EMI-Unterdrückungsperle, eine Nickel-Zink-Perle oder ein anderes geeignetes Material sein. Es ist somit ersichtlich, dass der Begriff „Magnet“, wie er hier verwendet wird, sich auf jede Komponente oder jedes Material des Kerns oder auf ein mit dem Kern gekoppeltes Material beziehen kann, das verwendet werden kann, um ein Signal zu liefern, das die Position des Kerns innerhalb der Spule anzeigt, wenn sich der Stab und der Kern innerhalb der entsprechenden Spule bewegen. Die Stäbe sind funktionsfähig mit dem Schaft 2410 gekoppelt, so dass, wenn sich der Schaft 2410 aufgrund von Kräften, die auf ein distales Ende der medizinischen Vorrichtung 2400 ausgeübt werden, axial bewegt, sich die Stäbe mit dem Schaft 2410 und innerhalb der Spulen bewegen. Wenn sich die Stäbe innerhalb der Induktionsspulen bewegen, ändert sich die Induktivität an jeder der Spulen, was zur Messung von Positionsänderungen des Instrumentenschafts verwendet werden kann. Wie oben beschrieben, kann die Positionsänderung des Schafts 2410 in eine Kraftmessung in der z-Achse übersetzt werden.
Während der Verwendung der medizinischen Vorrichtung 2400 bewegt sich der Schaft 2410 entlang der z-Achse, wenn eine Kraft in z-Richtung auf den Schaft 2410 ausgeübt wird, was wiederum eine Bewegung der Stäbe entlang der z-Achse bewirkt. Während sich die Stäbe innerhalb der jeweiligen Spulen bewegen, erzeugt jede der Spulen ein Signal, das mit der Position der Magnete der Stäbe innerhalb der jeweiligen Spule verbunden ist. Der Mikroprozessor empfängt die Signale von den Spulen. In einigen Ausführungsformen erzeugt beispielsweise jede der Spulen ein Signal, das mit einer linearen Verschiebung des Schafts entlang der Mittelachse des Schafts (z. B. entlang der z-Achse) verbunden ist. In einigen Ausführungsformen können die Signale von den Spulen ein erstes Signal von der ersten Spule mit einer ersten Frequenz und ein zweites Signal von der zweiten Spule mit einer zweiten Frequenz enthalten. Der Mikroprozessor ist dafür konfiguriert, Anweisungen auszuführen, um aus der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz ein Maß für eine Kraft auf den Schaft entlang der Mittelachse den Schafts zu bestimmen. Weitere Einzelheiten bezüglich des Betriebs und der Interaktion des Mikroprozessors werden im Folgenden unter Bezugnahme auf 33 beschrieben.
6A ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer medizinischen Vorrichtung, die eine Kraftsensoreinheit aufweist, die eine Induktionsspule als Kraftsensor verwendet. In einigen Ausführungsformen sind die medizinische Vorrichtung 3400 oder eine der darin enthaltenen Komponenten optional Teile eines chirurgischen Systems, das chirurgische Eingriffe durchführt und das eine Manipulatoreinheit, eine Reihe von kinematischen Gestängen, eine Reihe von Kanülen oder dergleichen enthalten kann. Die medizinische Vorrichtung 3400 (und jedes der hierin beschriebenen Instrumente) kann in jedem geeigneten chirurgischen System verwendet werden, wie z. B. dem oben dargestellten und beschriebenen MLRS-System 1000. Die medizinische Vorrichtung 3400 enthält eine mechanische Struktur 3700, eine Kraftsensoreinheit 3800, einen Schaft 3410, der mit der mechanischen Struktur 3700 und der Kraftsensoreinheit 3800 gekoppelt ist, und einen Endeffektor 3460, der an einem distalen Endabschnitt der medizinischen Vorrichtung 3400 gekoppelt ist. Wie oben beschrieben, kann der Endeffektor 3460 z. B. gelenkige Backen oder ein anderes geeignetes chirurgisches Werkzeug enthalten und mit einem Verbindungsglied (nicht dargestellt) gekoppelt sein. In einigen Ausführungsformen kann das Verbindungsglied in einer Handgelenkanordnung enthalten sein, die mehrere gelenkige Verbindungsglieder aufweist.
Der Schaft 3410 definiert eine Mittelachse C₃ und enthält einen distalen Endabschnitt, der mit dem Endeffektor 3460 gekoppelt ist. In einigen Ausführungsformen ist der distale Endabschnitt des Schafts 3410 mit dem Endeffektor durch einen Balken gekoppelt, der verwendet werden kann, um die darauf ausgeübte Querkraft zu messen (z. B. ähnlich dem Balken 2810). In anderen Ausführungsformen kann der Schaft 3410 direkt mit einem Verbindungsglied, einem Handgelenk (nicht dargestellt) oder dem Endeffektor 3460 gekoppelt sein. Der Schaft 3410 ist an einem proximalen Endabschnitt beweglich mit der mechanischen Struktur 3700 gekoppelt. Somit erzeugen axiale Kräfte, die auf den Endeffektor 3460 ausgeübt werden, eine Bewegung des Schafts 3410 relativ zu der mechanischen Struktur 3700, die mit der Kraftsensoreinheit 3800 gemessen werden kann, wie hierin beschrieben. Die mechanische Struktur 3700 kann Komponenten enthalten, die so konfiguriert sind, dass sie eine oder mehrere Komponenten des chirurgischen Instruments bewegen, wie z. B. den Endeffektor 3460. Die mechanische Struktur 3700 kann der mechanischen Struktur 5700 ähnlich sein, die weiter unten mit Bezug auf das medizinische Instrument 5400 näher beschrieben wird.
Die Kraftsensoreinheit 3800 enthält eine Spulenanordnung 3815, die eine erste Spule 3812, eine zweite Spule 3814, einen ersten Stab 3816, einen zweiten Stab 3818, einen ersten Magneten 3831, einen zweiten Magneten 3833 und eine Montagehalterung 3837 umfasst. Die erste Spule 3812 und die zweite Spule 3814 sind jeweils induktive Spulen, die um einen Zylinder gewickelt sind, der aus einem nicht-leitenden Material, wie z. B. PEEK, besteht. Die erste Spule 3812 und die zweite Spule 3814 sind jeweils an der Montagehalterung 3837 befestigt (die mit der mechanischen Struktur 3700 gekoppelt oder in dieser enthalten ist) und sind nebeneinander angeordnet. In ähnlicher Weise sind die erste Spule 3812 und die zweite Spule 3814 innerhalb der mechanischen Struktur 3700 in einer nicht-koaxialen Anordnung ausgelegt. Die Spulen 3812 und 3814 erstrecken sich von der Montagehalterung über eine Entfernung oder Höhe H, wie in 6A gezeigt. Durch die nicht-koaxiale Anordnung der Spulen wird die Gesamthöhe der Kraftsensoreinheit 3800 reduziert, wodurch Platz innerhalb der mechanischen Struktur 3700 gespart wird. Obwohl die beiden Spulen so dargestellt sind, dass sie sich von der Montagehalterung 3837 um den gleichen Abstand erstrecken, kann in anderen Ausführungsformen die Höhe der ersten Spule 3812 von der Höhe der zweiten Spule 3814 abweichen.
Der erste Stab 3816 ist mit dem Schaft 3410 gekoppelt und ist beweglich innerhalb der ersten Spule 3812 angeordnet. Insbesondere definiert der erste Stab 3816 eine Mittelachse C₁, entlang der sich der erste Stab 3816 (und der erste Magnet 3831) innerhalb der ersten Spule 3812 bewegen. Der zweite Stab 3818 ist mit dem Schaft 3410 gekoppelt und ist beweglich innerhalb der zweiten Spule 3814 angeordnet. Der zweite Stab 3818 definiert eine Mittelachse C₂, entlang der sich der zweite Stab 3818 (und der zweite Magnet 3833) innerhalb der zweiten Spule 3814 bewegen. Wie dargestellt, ist die Mittelachse C₂ des zweiten Stabs 3818 nicht koaxial mit der Mittelachse C₁ des ersten Stabs 3816. Der erste Stab 3816 und der zweite Stab 3818 können jeweils einen Kern enthalten, der z. B. aus einem Glasmaterial oder rostfreiem Stahl gebildet ist und mit dem ein Magnet gekoppelt ist. Wie oben für frühere Ausführungsformen beschrieben, kann der Kern zum Beispiel ein Glaskern, ein Edelstahlkern oder ein Kern aus einem anderen geeigneten Material sein. Die Magnete 3831 und 3833 können beispielsweise eine Ferritperle, eine EMI-Unterdrückungsperle, eine Nickel-Zink-Perle oder ein anderes geeignetes Material oder eine Komponente oder ein Material des Kerns sein oder mit dem Kern gekoppelt sein, das verwendet werden kann, um ein Signal bereitzustellen, das die Position des Kerns innerhalb der jeweiligen Spulen 3812 und 3814 anzeigt, wenn sich die Stäbe 3816 und 3818 und die Kerne innerhalb der jeweiligen Spulen bewegen. Genauer gesagt ist der erste Magnet 3831 mit dem ersten Stab 3816 und der zweite Magnet mit dem zweiten Stab 3818 gekoppelt, so dass sich der erste Magnet 3831 mit dem ersten Stab 3816 und der zweite Magnet 3833 mit dem zweiten Stab 3818 bewegt. Wie oben beschrieben, sind der erste und der zweite Stab 3816 und 3818 mit dem Schaft 3410 gekoppelt, so dass, wenn sich der Schaft 3410 aufgrund von Kräften, die auf ein distales Ende der medizinischen Vorrichtung 3400 (z. B. am Endeffektor 3460) ausgeübt werden, axial bewegt, sich die Stäbe 3816 und 3818 mit dem Schaft 3410 und innerhalb der Spulen 3812 bzw. 3814 bewegen. Wenn sich die Stäbe 3816 und 3818 und die Magnete 3831 und 3833 innerhalb der induktiven Spulen 3812 und 3814 bewegen, ändert sich die Induktivität an jeder der Spulen, was zur Messung von Positionsänderungen des Schafts 3410 verwendet werden kann. Die Positionsänderung des Schafts 3410 kann in z-Achsen-Kraftmessungen übersetzt werden.
Wie dargestellt, ist der erste Stab 3816 (mit dem daran gekoppelten Magneten 3831) im Wesentlichen mittig in der ersten Spule 3812 positioniert. Somit ist die Mittelachse C₁ des ersten Stabs 3816 koaxial mit einer Mittelachse der ersten Spule 3812. Der Abstand zwischen einer Außenfläche des ersten Stabs 3816 und einer Innenfläche der ersten Spule 3812 kann einen beliebigen geeigneten Wert haben, um Toleranzfehler bei der Platzierung der Stäbe zu ermöglichen und die Wahrscheinlichkeit eines Kontakts zwischen dem ersten Stab 316 und der ersten Spule 3812 zu verringern. Dies ist wünschenswert, da die innere Reibung zwischen den Stäben und der Spule zu falschen Kraftmesswerten in der z-Achse führen kann. In ähnlicher Weise ist der zweite Stab 3818 (mit dem daran gekoppelten Magneten 3833) im Wesentlichen mittig innerhalb der zweiten Spule 3814 positioniert. Somit ist die Mittelachse C₂ des zweiten Stabs 3818 koaxial mit einer Mittelachse der zweiten Spule 3814. Wie für die erste Spule 3812 und den ersten Stab 3814 beschrieben, kann der Abstand zwischen einer Außenfläche des zweiten Stabs 3818 und einer Innenfläche der zweiten Spule 3814 einen beliebigen geeigneten Wert haben. In einigen Ausführungsformen kann der Abstand für jedes der Spulen-/Stabpaare etwa 1,3 mm (0,050 Zoll) betragen.
In einigen Ausführungsformen liegt die Mittelachse C₃ des Schafts 3410 zwischen der Mittelachse C₁ des ersten Stabs 3816 und der Mittelachse C₂ des zweiten Stabs 3818, wie in 6A gezeigt. In einigen Ausführungsformen ist die Mittelachse C₃ des Schafts 3410 parallel zu den Mittelachsen C₁ und C₂ des ersten Stabs 3816 bzw. des zweiten Stabs 3816. In einigen Ausführungsformen liegt die Mittelachse C₃ des Schafts 3410 mittig zwischen der Mittelachse C₂ des ersten Stabs 3816 und der Mittelachse C₂ des zweiten Stabs 3818.
In einigen Ausführungsformen kann die medizinische Vorrichtung 3400 auch ein Gestänge und einen Mikroprozessor enthalten (jeweils nicht in 6A dargestellt), wie oben für die medizinische Vorrichtung 2400 beschrieben. Das Gestänge kann ein beliebiger geeigneter Mechanismus sein, der den Schaft 3410 mit der mechanischen Struktur 3700 beweglich koppelt, so dass der Betrag der Schaftbewegung mit der aufgebrachten Axialkraft F_z korreliert werden kann. Beispielsweise kann das Gestänge (und jedes der hierin beschriebenen Gestänge) vier Verbindungsglieder enthalten, die innerhalb der mechanischen Struktur 3700 oder mit dieser gekoppelt sind. Das Gestänge kann ein erstes Verbindungsglied enthalten, das mit dem Schaft 3410 gekoppelt ist, und ein zweites Verbindungsglied enthalten, das eine Feder enthält oder mit ihr gekoppelt ist, wie nachstehend unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen ausführlicher beschrieben. Die vier Verbindungsglieder des Gestänges halten die Spannung des Verbinders innerhalb der medizinischen Vorrichtung 3400 aufrecht, und das Gestänge sorgt für eine lineare Bewegung des Schafts 3410, wenn Kräfte axial am distalen Ende der medizinischen Vorrichtung 3400 angelegt werden. Das Gestänge kann die Bewegung auch auf die z-Achse beschränken (die leichte seitliche Bewegung des Schafts bei kleinen z-Achsen-Verschiebungen, die mit der z-Achsen-Krafterfassung verbunden sind, ist vernachlässigbar) und isoliert Kräfte in der z-Achse. Wie oben beschrieben, misst die Kraftsensoreinheit 3800 die Änderung der Induktivität innerhalb der Spulen aufgrund der z-Achsenbewegung des Schafts (d. h. entlang der Mittelachse C₃ des Schafts 3410), die von der Position in eine Kraft umgewandelt wird.
Das Bewegungsausmaß des Schafts 3410 bei einer bestimmten Axialkraft F_z hängt zum Teil von der Steifigkeit der im Gestänge enthaltenen Feder ab. Somit wird, wie oben für frühere Ausführungsformen beschrieben, die Kraftsensoreinheit 3800, die das Gestänge und alle darin enthaltenen Federn enthält, kalibriert, um den gewünschten Bewegungsbereich der Schaft 3410 über den erwarteten Bereich der Axialkraft bereitzustellen. Die Feder kann die aufgebrachten Axialkräfte in ein Wegsignal übersetzen. Wie oben beschrieben, kann die Verbindung mit der Feder und der Spulenanordnung 3815 an der gleichen starren Komponente der mechanischen Struktur 3700 geerdet werden, so dass falsche Kraftsignale aufgrund einer unterschiedlichen Durchbiegung in verschiedenen Erdungskomponenten vermieden werden können.
Während der Verwendung der medizinischen Vorrichtung 3400 bewegt sich der Schaft 3410 entlang der z-Achse, wenn eine Kraft auf den Schaft 3410 in Richtung der z-Achse ausgeübt wird, was wiederum dazu führt, dass sich die Stäbe 3816 und 3816 entlang der z-Achse verschieben (entlang ihrer jeweiligen Mittelachsen; auch hier ist jede seitliche Bewegung bei den Schaftverschiebungen, die mit der z-Achsen-Krafterfassung verbunden sind, vernachlässigbar). Während sich die Stäbe 3816 und 3818 innerhalb der jeweiligen Spulen (3812 und 3814) bewegen, erzeugt jede der Spulen 3812 und 3816 ein Signal, das mit einer Position der Magnete 3831 und 3833 innerhalb der jeweiligen Spule 3812 und 3814 verbunden ist. Somit erzeugt jede der Spulen ein Signal, das mit einer linearen Verschiebung des Schafts entlang der Mittelachse C₃ des Schafts 3410 (d. h. entlang der z-Achse) verbunden ist. Der Mikroprozessor (nicht dargestellt) empfängt diese Signale von den Spulen 3812 und 3814. In einigen Ausführungsformen können die Signale von den Spulen ein erstes Signal von der ersten Spule mit einer ersten Frequenz und ein zweites Signal von der zweiten Spule mit einer zweiten Frequenz enthalten. Der Mikroprozessor ist dafür konfiguriert, Anweisungen auszuführen, um aus der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz eine Größe einer Kraft auf den Schaft 3410 entlang der Mittelachse C₃ des Schafts 3410 zu bestimmen.
In einigen Ausführungsformen weisen die erste Spule 3812 und die zweite Spule 3814 die gleiche Konfiguration auf (z. B. Spulendurchmesser, Anzahl der Windungen, Drahtart, Spulenhöhe usw.). Durch die Anordnung nebeneinander und die identische Konfiguration der Spulen 3812 und 3814 entsteht ein vollständig redundanter induktiver Kraftsensor, der auch in den begrenzten Raum der mechanischen Struktur 3700 passen kann. Parameter, die dazu beitragen, eine redundante Kraftsensorkonfiguration zu erreichen, sind die Spulenlänge (oder -höhe), die Breite und die Dicke des Spulendrahtes sowie die Abmessungen der Stäbe, so dass eine optimale Größe der Spulen erreicht und der lineare Bereich der Stäbe innerhalb der Spulen vergrößert werden kann. Die Spulen 3812 und 3814 weisen identische Abmessungen (z. B. Höhe, Drahtdurchmesser, Breite, Material) auf, werden separat gewickelt und sind mit der Spulenmontagehalterung 3837 so gekoppelt, dass sie auf der gleichen Höhe H innerhalb der medialen Vorrichtung 3400 angeordnet sind. Auf diese Weise liefert jede Spule 3812 und 3814 ein eigenes Signal, das gleichzeitig verfolgt und verglichen werden kann. Da die Spulen 3812 und 3814 identische Größen- und Materialparameter aufweisen, können die Spulen 3812 und 3814 eine ähnliche Temperaturreaktion auf ihre Umgebung aufweisen.
Zusätzlich zur Bereitstellung einer vollständigen Redundanz ermöglicht die koaxiale Auslegung der Spulen auch eine bessere Zentrierung der Stäbe innerhalb der Spulen. Dadurch kann die Kraftsensoreinheit 3800 die Kraft innerhalb eines gewünschten (größeren) Bewegungsbereichs der Stäbe 3816 und 3818 linear messen. Ein höherer linearer Messbereich kann die Aufnahme einer Gestängefeder (nicht dargestellt) mit geringerer Steifigkeit ermöglichen, wodurch sich der Schaft 3410 über eine größere Strecke bewegen kann, wenn eine axiale Kraft auf den Endeffektor 3460 ausgeübt wird. Auf diese Weise bietet die Kraftsensoreinheit 3800 einen hohen dynamischen Bereich (d. h. die Fähigkeit, die Verschiebung des Schafts 3410 und damit die Axialkraft über einen weiten Bereich von Werten genau zu messen). Neben der Bereitstellung eines größeren linearen Bewegungsbereichs der Stäbe ermöglicht die Positionierung der beiden Spulen 3812 und 3814 in einer benachbarten Konfiguration eine Verringerung der Höhe H der Spulen 3812 und 3814, während die gewünschte Induktivität (die beispielsweise im Bereich von 0-2 µH liegen kann) beibehalten wird.
In einigen Ausführungsformen kann die Kraftsensoreinheit 3800 die Verschiebung des Schafts 3410 über einen Bereich von beispielsweise ± 2 mm (0,080 Zoll) linear messen. Der Bereich der Verschiebung des Schafts 3410 kann basierend auf Faktoren variieren, wie z. B. der jeweiligen Konfiguration, der Steifigkeit des Schafts 3410, etc. Ähnlich ausgedrückt kann die Kraftsensoreinheit 3800 in einigen Ausführungsformen eine lineare Beziehung zwischen der Spuleninduktivität und der Bewegung der Stäbe 3816 und 3818 innerhalb der Spulen 3812 und 3814 über einen Bereich von ± 2 mm (0,080 Zoll) herstellen. Dies wird zum Teil dadurch erreicht, dass die Stäbe 3816 und 3818 innerhalb der Spulen 3812 bzw. 3814 so gekoppelt sind, dass ein Spalt zwischen einer Außenfläche der Stäbe 3816 und 3818 und einer Innenfläche der Spulen 3812 und 3814 etwa 1,3 mm (0,050 Zoll) beträgt, wie oben beschrieben. Diese lineare Leistung ist in 6B dargestellt, die ein Diagramm ist, das die Spuleninduktivität und die entsprechende Bewegung des Stabs (d. h. der Ferritperle) entlang der z-Achse zeigt. Die Konfiguration der Spulen und Stäbe sieht vor, dass die Induktivität der Spulen so optimiert wird, dass sie bei einem Stabhub von ± 2 mm (0,080 Zoll) linear ist, wie in der Grafik von 6B gezeigt. Die Linearität wurde mit einem Fehler von weniger als 1 Prozent dargestellt. Dieser größere Bewegungsbereich ermöglicht die Verwendung einer weniger steifen Feder im Vier-Stangen-Gelenkmechanismus, was die Systemstabilität und den Dynamikbereich verbessern kann (wie oben beschrieben). Diese Konfiguration ist auch toleranter gegenüber Verschiebungen der Stabposition aufgrund von Wärmeausdehnung, Vibration und Stößen.
6C ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform einer medizinischen Vorrichtung, die eine Kraftsensoreinheit 4800 aufweist, die zwei axial ausgelegte Induktionsspulen verwendet, um die Bewegung des Schafts 4410 zu messen, und dadurch als Kraftsensor wirkt. In einigen Ausführungsformen sind die medizinische Vorrichtung 4400 oder eine der darin enthaltenen Komponenten optional Teile eines chirurgischen Systems, das chirurgische Eingriffe durchführt und das eine Manipulatoreinheit, eine Reihe von kinematischen Gestängen, eine Reihe von Kanülen oder dergleichen enthalten kann. Die medizinische Vorrichtung 4400 (und jedes der hierin beschriebenen Instrumente) kann in jedem geeigneten chirurgischen System verwendet werden, wie z. B. dem oben dargestellten und beschriebenen MLRS-System 1000. Die medizinische Vorrichtung 4400 enthält eine mechanische Struktur 4700, eine Kraftsensoreinheit 4800, einen Schaft 4410, der mit der mechanischen Struktur 4700 und der Kraftsensoreinheit 4800 gekoppelt ist, und einen Endeffektor 4460, der an einem distalen Endabschnitt der medizinischen Vorrichtung 3400 gekoppelt ist. Wie oben beschrieben, kann der Endeffektor 4460 z. B. gelenkige Backen oder ein anderes geeignetes chirurgisches Werkzeug enthalten und mit einem Verbindungsglied (nicht dargestellt) gekoppelt sein. In einigen Ausführungsformen kann das Verbindungsglied in einer Handgelenkanordnung enthalten sein, die mehrere gelenkige Verbindungsglieder aufweist. Der Schaft 4410 kann an einem proximalen Endabschnitt mit der mechanischen Struktur gekoppelt sein, die dafür konfiguriert ist, eine oder mehrere Komponenten des chirurgischen Instruments zu bewegen, wie z. B. den Endeffektor 4460. Die mechanische Struktur kann der mechanischen Struktur 5700 ähnlich sein, die weiter unten mit Bezug auf das medizinische Instrument 5400 näher beschrieben wird.
Die Kraftsensoreinheit 4800 enthält eine Spulenanordnung 4815, ein Gestänge 4850 und einen Mikroprozessor 4852. Die Spulenanordnung 4815 enthält eine erste Spule 4812, eine zweite Spule 4814, einen ersten Stab 4816, einen zweiten Stab 4818, einen ersten Magneten 4831, einen zweiten Magneten 4833 und eine Montagehalterung 4837. Die erste Spule 4812 und die zweite Spule 4814 sind jeweils induktive Spulen, die um einen Zylinder gewickelt sind, der aus einem nicht-leitenden Material, wie beispielsweise PEEK, gebildet ist, die nebeneinander ausgelegt sind (wie in 6C gezeigt) und mit der mechanischen Struktur in einer nicht-koaxialen Anordnung oder innerhalb dieser gekoppelt sind. Durch die nicht-koaxiale Anordnung der Spulen wird die Gesamthöhe der Kraftsensoreinheit 4800 reduziert, wodurch Platz innerhalb der mechanischen Struktur 4700 gespart wird. Obwohl die beiden Spulen so dargestellt sind, dass sie sich von der Montagehalterung 4837 um den gleichen Abstand erstrecken, kann in anderen Ausführungsformen die Höhe der ersten Spule 4812 von der Höhe der zweiten Spule 4814 abweichen.
Der erste Stab 4816 ist mit dem Schaft 4410 gekoppelt und ist beweglich innerhalb der ersten Spule 4812 angeordnet. Insbesondere definiert der erste Stab 4816 eine Mittelachse C₁, entlang der sich der erste Stab 4816 (und der erste Magnet 4831) innerhalb der ersten Spule 4812 bewegen. Der zweite Stab 4818 ist mit dem Schaft 4410 gekoppelt und ist beweglich innerhalb der zweiten Spule 4814 angeordnet. Der zweite Stab 4818 definiert eine Mittelachse C₂, entlang der sich der zweite Stab 4818 (und der zweite Magnet 4833) innerhalb der zweiten Spule 4814 bewegen. Wie dargestellt, ist die Mittelachse C₂ des zweiten Stabs 4818 nicht koaxial mit der Mittelachse C₁ des ersten Stabs 4816. Der erste Stab 4816 enthält einen Trägerabschnitt 4817 und der zweite Stab 4818 enthält einen Trägerabschnitt 4819, die jeweils mit dem Schaft 4410 gekoppelt sind. Der erste Stab 4816 und der zweite Stab 4818 können jeweils einen Kern enthalten, an den ein Magnet gekoppelt ist. Wie oben für frühere Ausführungsformen beschrieben, können die Kerne zum Beispiel ein Glaskern, ein Edelstahlkern oder ein Kern aus einem anderen geeigneten Material sein. Die Magnete 4831 und 4833 können zum Beispiel eine Ferritperle, eine EMI-Unterdrückungsperle, eine Nickel-Zink-Perle oder ein anderes geeignetes Material oder eine Komponente oder ein Material sein, das mit dem Kern gekoppelt ist, der verwendet werden kann, um ein Signal zu liefern, das die Position des Kernes innerhalb der jeweiligen Spulen 4812 und 4814 anzeigt, wenn sich die Stäbe 4816 und 4818 und die Kerne innerhalb der jeweiligen Spulen 4812 und 4814 bewegen. Der erste Magnet 4831 ist mit dem ersten Stab 4816 und der zweite Magnet mit dem zweiten Stab 4818 gekoppelt, so dass sich der erste Magnet 4831 mit dem ersten Stab 4816 und der zweite Magnet 4833 mit dem zweiten Stab 4818 bewegt. Wie oben beschrieben, sind der erste und der zweite Stab 4816 und 4818 mit dem Schaft 4410 gekoppelt, so dass, wenn sich der Schaft 4410 aufgrund von Kräften, die auf ein distales Ende der medizinischen Vorrichtung 4400 (z. B. am Endeffektor 4460) ausgeübt werden, axial bewegt, sich die Stäbe 4816 und 4818 mit dem Schaft 4410 und innerhalb der Spulen 4812 bzw. 4814 bewegen. Wenn sich die Stäbe 4816 und 4818 und die Magnete 4831 und 4833 innerhalb der induktiven Spulen 4812 und 4814 bewegen, ändert sich die Induktivität an jeder der Spulen, was zur Messung von Positionsänderungen des Schafts 4410 verwendet werden kann. Die Positionsänderung des Schafts 4410 kann in z-Achsen-Kraftmessungen übersetzt werden.
Der erste Stab 4816 (mit dem daran gekoppelten Magneten 4831) ist im Wesentlichen mittig in der ersten Spule 4812 angeordnet. Somit ist die Mittelachse C₁ des ersten Stabs 4816 koaxial zu einer Mittelachse der ersten Spule 4812. Der Abstand zwischen einer Außenfläche des ersten Stabs 4816 und einer Innenfläche der ersten Spule 4812 kann beispielsweise etwa 1,3 mm (0,050 Zoll) betragen. In ähnlicher Weise ist der zweite Stab 4818 (mit dem daran gekoppelten Magneten 4833) im Wesentlichen mittig innerhalb der zweiten Spule 4814 positioniert. Somit ist die Mittelachse C₂ des zweiten Stabs 4818 koaxial mit einer Mittelachse der zweiten Spule 4814. Der Abstand zwischen einer Außenfläche des zweiten Stabs 4818 und einer Innenfläche der zweiten Spule 4814 kann beispielsweise etwa 1,3 mm (0,050 Zoll) betragen. Wie oben beschrieben, erlaubt dieser Spalt Toleranzfehler bei der Platzierung der Stäbe und reduziert das Auftreten von Reibung. Dies ist wünschenswert, da die innere Reibung zwischen den Stäben und der Spule zu falschen Kraftmesswerten in der z-Achse führen kann.
Die erste Spule 4812 und die zweite Spule 4814 sind jeweils an der Montagehalterung 4837 befestigt und liegen nebeneinander. Die Montagehalterung 4837 ist mit der mechanischen Struktur 4700 gekoppelt oder in dieser enthalten. In einigen Ausführungsformen liegt eine Mittelachse C₃ des Schafts 4410 zwischen der Mittelachse C₁ des ersten Stabs 4816 und der Mittelachse C₂ des zweiten Stabs 4818, wie in 6C gezeigt. In einigen Ausführungsformen ist die Mittelachse C₃ des Schafts 4410 parallel zu den Mittelachsen C₁ und C₂ des ersten Stabs 4816 bzw. des zweiten Stabs 4816. In einigen Ausführungsformen liegt die Mittelachse C₃ des Schafts 4410 mittig zwischen der Mittelachse C₂ des ersten Stabs 4816 und der Mittelachse C₂ des zweiten Stabs 818.
Der Schaft 4410 ist mit der mechanischen Struktur 4700 über das Gestänge 4850 gekoppelt, so dass das Bewegungsausmaß des Schafts 4410 relativ zur mechanischen Struktur 4700 mit der Größe der auf den Endeffektor 4460 ausgeübten Axialkraft korreliert werden kann. Auf diese Weise kann durch Messen des Weges, den der Schaft 4410 relativ zur mechanischen Struktur 4700 zurücklegt, die Axialkraft bestimmt werden. Wie hierin beschrieben, isoliert das Gestänge 4850 die axiale Bewegung des Schafts 4410 (d. h. es schränkt die Bewegung des Schafts so ein, dass die gemessene Bewegung nur durch die axiale Kraft und nicht durch die Querkräfte entlang der X- und Y-Achse verursacht wird), begrenzt die Reibungskraft, die der Bewegung des Schafts 4410 entgegensteht, und bietet eine geeignete Struktur für die koaxial ausgelegten Spulen, wie oben beschrieben. Wie dargestellt, enthält das Gestänge 4850 vier Verbindungsglieder, die innerhalb der mechanischen Struktur 4700 oder mit dieser gekoppelt sind. Genauer gesagt enthält das Gestänge 4850 ein erstes Verbindungsglied 4821, das mit dem Schaft 4410 und der Spulenanordnung 4815 gekoppelt ist, ein zweites Verbindungsglied 4827, das mit dem ersten Verbindungsglied 4821 gekoppelt ist und mit einer Trägerhalterung 4841 gekoppelt ist. Das zweite Verbindungsglied 4827 enthält (oder ist mit ihm gekoppelt) ein Federelement 4829, das mit der Trägerhalterung 4841 gekoppelt ist oder von ihr getragen wird, wie in 6B gezeigt. Das Gestänge 4850 enthält auch ein drittes Verbindungsglied 4825, das mit dem ersten Verbindungsglied 4821 gekoppelt ist, und ein viertes Verbindungsglied 4823, das mit dem zweiten Verbindungsglied 4827 und dem dritten Verbindungsglied 4827 gekoppelt ist. Das vierte Verbindungsglied 4823 ist stationär und wirkt als lokaler mechanischer Boden für die anderen drei Verbindungsglieder, die sich bewegen, wenn der Schaft 4410 entlang ihrer Achse C₃ bewegt wird. Die vier Verbindungsglieder des Gestänges 4850 können die Spannung des Verbinders innerhalb der medizinischen Vorrichtung 4400 aufrechterhalten und für eine lineare Bewegung des Schafts 4410 sorgen, wenn Kräfte axial am distalen Ende der medizinischen Vorrichtung 4400 aufgebracht werden. Das Gestänge 4850 kann auch die Bewegung in der z-Achse einschränken und isoliert Kräfte in der z-Achse. Wie oben beschrieben, misst die Kraftsensoreinheit 4800 die Änderung der Induktivität innerhalb der Spulen, die aus der Bewegung des Schafts in der z-Achse (d. h. entlang der Mittelachse C₃ des Schafts 3410) resultiert, die von einem Positionswert in eine Größe der Axialkraft umgewandelt wird.
Der Trägerabschnitt 4817 und der Trägerabschnitt 4819 der Stäbe 4816 und 4818 erstrecken sich jeweils durch eine Öffnung in der Montagehalterung 4837 und sind mit dem ersten Verbindungsglied 4821 gekoppelt und somit mit dem Schaft 4410 gekoppelt. In einigen Ausführungsformen können die Trägerabschnitte 4817 und 4819 beispielsweise durch Presspassung mit dem ersten Verbindungsglied 4821 verbunden sein. In einigen Ausführungsformen, wie in 6C gezeigt, sind die Trägerabschnitte 4817 und 4819 (z. B. durch Presspassung oder durch ein anderes geeignetes Verfahren) mit einer Halterung 4839 gekoppelt, die mit dem ersten Verbindungsglied 4821 gekoppelt ist.
Das Bewegungsausmaß des Schafts 4410 als Reaktion auf eine axiale Kraft hängt teilweise von der Steifigkeit der Feder 4829 des zweiten Verbindungsglieds 4827 ab. Ist die Feder 4829 beispielsweise sehr steif, so bewegt sich der Schaft 4410 nur eine kurze Strecke, wenn eine axiale Kraft auf den Endeffektor 4460 einwirkt. Ist die Feder 4829 hingegen weniger steif, so führt die gleiche axiale Kraft zu einer größeren Bewegung des Schafts 4410. Somit kann die Feder 4829 so gewählt werden, dass sie die gewünschte Steifigkeit aufweist, so dass der Gesamtweg des Schafts 4410 über den erwarteten Bereich der aufzubringenden Axialkräfte innerhalb des dynamischen Bereichs der Kraftsensoreinheit 4800 liegt.
Wie oben beschrieben, können in einigen Ausführungsformen das zweite Verbindungsglied 4827 (mit der Feder 4829) und die Spulenanordnung 4815 an der gleichen starren Komponente der mechanischen Struktur 4700 geerdet werden. Diese Auslegung verringert die Wahrscheinlichkeit von fehlerhaften Kraftsignalen aufgrund einer unterschiedlichen Auslenkung der Komponenten der Kraftsensoreinheit 4800, die durch unterschiedliche Erdung der Komponenten verursacht werden könnte.
Während der Verwendung der medizinischen Vorrichtung 4400 bewegt sich der Schaft 4410 entlang der z-Achse, wenn eine Kraft auf den Schaft 4410 in Richtung der z-Achse ausgeübt wird, was wiederum bewirkt, dass sich die Stäbe 4816 und 4816 entlang der z-Achse (entlang ihrer jeweiligen Mittelachsen) verschieben. Während sich die Stäbe 4816 und 4818 (und die Magnete 4831 und 4833) innerhalb der jeweiligen Spulen (4812 und 4814) bewegen, erzeugt jede der Spulen 4812 und 4816 ein Signal, das mit einer Position der Magnete 4831 und 4833 innerhalb der jeweiligen Spule 4812 und 4814 verbunden ist. Der Mikroprozessor 4852 empfängt diese Signale von den Spulen 4812 und 4814. Wie oben beschrieben, erzeugt in einigen Ausführungsformen jede der Spulen 4812 und 4814 ein Signal, das mit einer linearen Verschiebung des Schafts entlang der Mittelachse C₃ des Schafts 4410 (z. B. entlang der z-Achse) verbunden ist. In einigen Ausführungsformen können die Signale von den Spulen ein erstes Signal von der ersten Spule 4812, das eine erste Frequenz aufweist, und ein zweites Signal von der zweiten Spule 4814, das eine zweite Frequenz aufweist, enthalten. Der Mikroprozessor 4852 ist dafür konfiguriert, Anweisungen auszuführen, um aus der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz eine Größe einer Kraft auf den Schaft 4410 entlang der Mittelachse C₃ des Schafts 4410 zu bestimmen.
Wie oben beschrieben, bietet die nebeneinander liegende Positionierung und die gleiche Konfiguration der Spulen 4812 und 4814 (z. B. Spulendurchmesser, Anzahl der Windungen, Drahttyp, Spulenhöhe usw.) einen vollständig redundanten induktiven Kraftsensor, der auch in den begrenzten Raum der mechanischen Struktur 4700 passt und die Kraft linear innerhalb eines geeigneten Bewegungsbereichs der Stäbe 4816 und 4818 messen kann. In einigen Ausführungsformen liegt der lineare Bereich innerhalb von ± 2 mm (0,080 Zoll) innerhalb der Spulen 4812 und 4814. Dies wird zum Teil dadurch erreicht, dass die Stäbe 4816 und 4818 innerhalb der Spulen 4812 bzw. 4814 so gekoppelt werden, dass ein Spielraum zwischen einer Außenfläche der Stäbe 4816 und 4818 und einer Innenfläche der Spulen 4812 und 4814 eine geeignete Größe aufweist. In einigen Ausführungsformen kann der Abstand wie oben beschrieben etwa 1,33 mm (0,050 Zoll) betragen. Andere Parameter, die dazu beitragen, eine redundante Kraftsensorkonfiguration zu erreichen, sind die Spulenlänge (oder -höhe), die Breite und die Dicke des Spulendrahtes sowie die Abmessungen der Stäbe, so dass eine optimale Größe der Spulen erreicht und der lineare Bereich der Stäbe innerhalb der Spulen vergrößert werden kann. Neben der Bereitstellung eines größeren linearen Bewegungsbereichs der Stäbe ermöglicht die Anordnung der beiden Spulen 4812 und 4814 in einer benachbarten Konfiguration die Verringerung der Höhe H der Spulen 4812 und 4814 und die Beibehaltung einer Induktivität im Bereich von 0 bis 2 µH. Die Spulen 4812 und 4814 weisen identische Abmessungen (z. B. Höhe, Drahtdurchmesser, Breite, Material) auf, werden separat gewickelt und sind mit der Spulenmontagehalterung so gekoppelt, dass sie auf der gleichen Höhe H innerhalb der medialen Vorrichtung 4400 angeordnet sind. Auf diese Weise liefert jede Spule 4812 und 4814 ein eigenes Signal, das gleichzeitig verfolgt und verglichen werden kann. Da die Spulen 4812 und 4814 identische Größen- und Materialparameter aufweisen, können die Spulen 4812 und 4814 eine ähnliche Temperaturreaktion auf ihre Umgebung aufweisen. Dadurch, dass die Verschiebung basierend auf zwei Signalen bestimmt wird, kann der Einfluss der Temperatur heraussubtrahiert werden.
7A bis 32 sind verschiedene Ansichten einer medizinischen Vorrichtung 5400 und seiner Komponenten gemäß einer Ausführungsform. In einigen Ausführungsformen sind die medizinische Vorrichtung 5400 oder eine der darin enthaltenen Komponenten optional Teile eines chirurgischen Systems, das chirurgische Eingriffe durchführt und das eine Manipulatoreinheit, eine Reihe von kinematischen Gestängen, eine Reihe von Kanülen oder dergleichen enthalten kann. Die medizinische Vorrichtung 5400 (und jedes der hierin beschriebenen Instrumente) kann in jedem geeigneten chirurgischen System verwendet werden, wie z. B. dem oben dargestellten und beschriebenen MIRS-System 1000. Die medizinische Vorrichtung 5400 enthält eine mechanische Struktur 5700 an einem proximalen Endabschnitt der medizinischen Vorrichtung 5400, einen äußeren Schaft 5910, einen Schaft 5410 (der in dieser Ausführungsform als innerer Schaft fungiert), eine Kraftsensoreinheit 5800 und einen distalen Endmechanismus, der eine Handgelenkanordnung 5500 und einen Endeffektor 5460 enthält. Obwohl nicht dargestellt, kann das Instrument 5400 auch ein oder mehrere Verbindungsstücke enthalten, die die mechanische Struktur 5700 mit der Handgelenkanordnung 5500 und dem Endeffektor 5460 koppeln und als Zugglieder zur Betätigung des Endeffektors 5460 fungieren. In einigen Ausführungsformen können die Verbinder ein Kabel, ein Band oder dergleichen sein. Das Instrument 5400 ist so konfiguriert, dass ausgewählte Bewegungen der Verbinder Folgendes erzeugen: eine Drehung der Handgelenkanordnung 5500 (d. h. eine Neigungsdrehung) um eine erste Drehachse A₁ (siehe 8) (die als Neigungsachse fungiert; der Begriff Neigung ist willkürlich), eine Gierdrehung des Endeffektors 5460 um eine zweite Drehachse A₂ (siehe 8) (die als Gierachse fungiert; der Begriff Gieren ist willkürlich), eine Schneiddrehung der Werkzeugelemente des Endeffektors 5460 um die zweite Drehachse A₂ oder eine beliebige Kombination dieser Bewegungen. Das Ändern der Neigung oder des Gierens des Instruments 5400 kann durch Manipulieren der Verbindungselemente in ähnlicher Weise erfolgen, wie es beispielsweise in dem US-Patent Nr. US 8,821,480 B2 (eingereicht am 16. Juli 2008) mit dem Titel „Four-Cable Wrist with Solid Surface Cable Channels“ beschrieben ist, das hier durch Bezugnahme in vollem Umfang aufgenommen wird. Daher wird die spezifische Bewegung jedes der Verbinder, um die gewünschte Bewegung zu erreichen, im Folgenden nicht beschrieben.
Der Schaft 5410 enthält ein proximales Ende 5411, das mit der mechanischen Struktur 5700 gekoppelt ist, und ein distales Ende 5412 (siehe 8), das über einen Anker 5925 mit einem Träger 5810 gekoppelt ist. Der Träger 5810 kann einen oder mehrere Dehnungssensoren (nicht dargestellt) enthalten oder damit gekoppelt sein, um die während eines chirurgischen Eingriffs auf das chirurgische Instrument in x- und y-Richtung ausgeübten Kräfte zu messen. So kann der Träger 5810 ein Teil einer Kraftsensoreinheit sein, ähnlich derjenigen, die in der gemeinsam angemeldeten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 63/026,321 (eingereicht am 18. Mai 2020) mit dem Titel „Devices and Methods for Stress/Strain Isolation on a Force Sensor Unit“ gezeigt und beschrieben ist, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme in vollem Umfang enthalten ist. Obwohl in dieser Ausführungsform ein Träger 5810 mit x-y-Sensoren gezeigt und beschrieben ist, können in anderen Ausführungsformen ein Träger 5810 und x-y-Sensoren nicht enthalten sein. Das proximale Ende des Schafts 5410 ist mit der mechanischen Struktur 5700 in einer Weise gekoppelt, die eine Bewegung des Schafts 5410 entlang einer Mittelachse C₃ des Schafts 5410 (dargestellt in 8) relativ zu der mechanischen Struktur 5700 ermöglicht. Genauer gesagt erstreckt sich in dieser Ausführungsform der Schaft 5410 durch eine Öffnung 5764 (siehe 9) in einer Basis 5770 der mechanischen Struktur 5700 und ist mit einem ersten Verbindungsglied 5821 eines Gestänges 5850 gekoppelt, das es dem Schaft 5410 ermöglicht, sich in Richtung der z-Achse zu verschieben und auch zu drehen, wie weiter unten näher beschrieben. Die Möglichkeit, dass der Schaft 5410 in Bezug auf die mechanische Struktur 5700 in z-Richtung schwimmt (d. h. in einer energieneutralen, aber verschiebbaren Position bleibt), erleichtert die Messung von Kräften entlang der z-Achse, wie hierin beschrieben. Der Schaft 5410 definiert auch ein Lumen (nicht dargestellt) und/oder mehrere Durchgänge, durch die die Verbinder und andere Komponenten (z. B. elektrische Drähte, Erdungsdrähte oder ähnliches) von der mechanischen Struktur 5700 zur Handgelenkanordnung 5500 geführt werden können. Der Anker 5925 kann zumindest teilweise im Lumen des Schafts 5410 aufgenommen werden und kann fest mit dem Schaft 5410 über eine Klebeverbindung, eine Schweißung oder einen anderen permanenten Kopplungsmechanismus (d. h. einen Kopplungsmechanismus, der während des normalen Gebrauchs nicht entfernt werden soll) gekoppelt werden.
Der äußere Schaft 5910 kann ein beliebiger geeigneter länglicher Schaft sein, der über den Schaft 5410 angeordnet werden kann und ein proximales Ende 5911, das mit der mechanischen Struktur 5700 gekoppelt werden kann, und ein distales Ende 5912 enthält. Der äußere Schaft 5910 definiert ein Lumen zwischen dem proximalen Ende 5911 und dem distalen Ende 5912. Der Schaft 5410 erstreckt sich innerhalb des Lumens des äußeren Schafts 5910 und kann sich relativ zu dem äußeren Schaft 5910 bewegen. Beispielsweise kann der Schaft 5410 relativ zum äußeren Schaft 5910 rotieren und/oder sich in einer Richtung parallel zur Mittelachse C₃ des Schafts 5410 (d. h. in z-Richtung) in Längsrichtung verschieben. In dieser Ausführungsform ist das proximale Ende 5911 des äußeren Schafts 5910 mit einem Verriegelungsgriff 5919 gekoppelt, der fest mit der mechanischen Struktur 5700 gekoppelt ist, wie in 7B gezeigt. Der Verriegelungsgriff 5919 kann verwendet werden, um den äußeren Schaft 5410 relativ zu dem Schaft 5410 zu bewegen und den äußeren Schaft 5910 in einer Position entlang der z-Achsenrichtung relativ zu dem Schaft 5410 zu verriegeln. Auf diese Weise kann der äußere Schaft 5910 relativ zu dem Schaft 5410 zurückgezogen (d. h. in proximaler Richtung bewegt) werden, um den Träger 5810 freizulegen, um die Reinigung des Trägers 5810 oder damit gekoppelter Sensoren zu erleichtern. In einigen Ausführungsformen kann der Verriegelungsgriff 5919 gleich oder ähnlich aufgebaut sein und gleich oder ähnlich wie die äußere Schaftbefestigungsrohranordnung 970 funktionieren, die in der gemeinsam angemeldeten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/916,716 (eingereicht am 17. Oktober 2019) mit dem Titel „Surgical Tool with Nested Shafts“ dargestellt und beschrieben ist, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme in vollem Umfang aufgenommen wird. In anderen Ausführungsformen kann sich der äußere Schaft 5910 oder Teile davon relativ zu der mechanischen Struktur 5700 bewegen (z. B. kann der äußere Schaft 5910 ein Teleskopschaft sein).
Unter Bezugnahme auf 8 enthält die Handgelenkanordnung 5500 ein proximales erstes Verbindungsglied 5510 und ein distales zweites Verbindungsglied 5610. Das erste Verbindungsglied 5510 enthält einen distalen Abschnitt, der mit einem proximalen Abschnitt des zweiten Verbindungsglieds 5610 an einem Gelenk koppelt ist, so dass sich das zweite Verbindungsglied 5610 relativ zum ersten Verbindungsglied 5510 um eine erste Drehachse A₁ (die als Neigungsachse fungiert, der Begriff Neigung ist willkürlich) drehen kann. Das proximale erste Verbindungsglied 5510 enthält einen proximalen Abschnitt, der mit dem Träger 5810 gekoppelt ist, wie hierin ausführlicher beschrieben.
Ein distales Ende des distalen zweiten Verbindungsglieds 5610 ist mit dem Endeffektor 5460 gekoppelt, so dass der Endeffektor 5460 um eine zweite Drehachse A₂ (siehe 8) (die als Gierachse fungiert) rotieren kann. Der Endeffektor 5460 kann mindestens ein Werkzeugelement 5462 enthalten, das einen Kontaktabschnitt 5464 aufweist, der dafür konfiguriert ist, ein Zielgewebe während eines chirurgischen Eingriffs zu erfassen oder zu manipulieren. In einigen Ausführungsformen kann der Kontaktabschnitt 5464 beispielsweise eine Eingriffsfläche enthalten, die als Greifer, Schneide, Gewebemanipulator oder dergleichen fungiert. In anderen Ausführungsformen kann der Kontaktabschnitt 5464 ein unter Strom stehendes Werkzeugelement sein, das für Kauterisation oder elektrochirurgische Verfahren verwendet wird. Der Endeffektor 5460 ist operativ mit der mechanischen Struktur 5700 gekoppelt, so dass sich das Werkzeugelement 5462 relativ zum Schaft 5410 um die erste Drehachse A₁ dreht. Auf diese Weise kann der Kontaktabschnitt 5464 des Werkzeugelements 5462 betätigt werden, um ein Zielgewebe während eines chirurgischen Eingriffs zu erfassen oder zu manipulieren. Das Werkzeugelement 5462 (oder eines der hier beschriebenen Werkzeugelemente) kann jedes geeignete medizinische Werkzeugelement sein. Obwohl, wie dargestellt, nur ein Werkzeugelement 5462 identifiziert ist, kann das Instrument 5400 außerdem zwei Werkzeugelemente enthalten, die zusammenwirkend Greif- oder Scherfunktionen ausführen. In anderen Ausführungsformen kann ein Endeffektor mehr als zwei Werkzeugelemente enthalten.
Die mechanische Struktur 5700 enthält Komponenten zur Erzeugung der Bewegung der Verbinder (nicht dargestellt), um die gewünschte Bewegung (Neigung, Gieren oder Greifen) an der Handgelenkanordnung 5500 zu erzeugen. Insbesondere enthält die mechanische Struktur 5700 Komponenten und Steuerungen, um einige der Verbinder in eine proximale Richtung zu bewegen (d. h. bestimmte Verbinder einzuziehen) und gleichzeitig die distale Bewegung (d. h. Lösen; Ausgeben) anderer Verbinder in gleicher Länge zu ermöglichen. Auf diese Weise kann die mechanische Struktur 5700 die gewünschte Spannung innerhalb der Verbinder aufrechterhalten und in einigen Ausführungsformen sicherstellen, dass die Längen der Verbinder während des gesamten Bewegungsbereichs der Handgelenkanordnung 5500 erhalten bleiben (d. h. in gleichem Maße bewegt werden). In anderen Ausführungsformen ist die Erhaltung der Längen der Verbindungselemente jedoch nicht erforderlich.
In einigen Ausführungsformen kann die mechanische Struktur 5700 einen oder mehrere Mechanismen enthalten, die eine Verschiebung (lineare Bewegung) eines Teils der Verbindungsstücke erzeugen. Ein solcher Mechanismus kann z. B. eine kardanische Aufhängung, einen Hebel oder einen anderen geeigneten Mechanismus enthalten, um einen Endabschnitt eines der Verbinder direkt zu ziehen (oder zu lösen). In einigen Ausführungsformen kann die mechanische Struktur 5700 beispielsweise eine der mechanischen Strukturen (die als Backend-Anordnungen oder Aktuatoren bezeichnet werden) oder Komponenten enthalten, die in der US-Patentanmeldung Veröff. Nr. US 20157/0047454 A₁ (eingereicht am 15. Aug. 2014), mit dem Titel „Lever Actuated Gimbal Plate“, oder US Patent Nr. US 6,817,974 B2 (eingereicht am 28. Jun. 2001), mit dem Titel „Surgical Tool Having Positively Positionable Tendon-Actuated Multi-Disk Wrist Joint“ beschrieben sind, die hier jeweils in vollem Umfang durch Bezugnahme aufgenommen werden.
Wie in 9 bis 12 gezeigt, umfasst die mechanische Struktur 5700 drei Capstans 5720, 5730 und 5740 (die als Aktuator-Eingangsstücke fungieren) und einen Rollentreiber 5750, die jeweils als Betriebs-Eingangsstücke fungieren. Die Spulen 5720, 5730, 5740 sind motorgetriebene Rollen, die einen Teil der Verbinder (nicht dargestellt) drehen (wickeln), um die gewünschte Verbinderbewegung und somit die gewünschte Bewegung der Handgelenkanordnung 5500 und des Endeffektors 5460 zu erzeugen. Wie unten beschrieben, ist der Rollenantrieb 5750 ein motorgetriebenes Element, das eine Drehung (als „Rolle“ bezeichnet) des Schafts 5410 erzeugt. In einigen Ausführungsformen kann die mechanische Struktur 5700 gleich oder ähnlich aufgebaut sein wie die mechanischen Strukturen (als Backend-Anordnungen oder Aktuatoren bezeichnet) oder Komponenten darin, die in US-Patent Nr. US 9,204,923 B2 (eingereicht am 16. Jul. 2008) mit dem Titel „Medical Instrument Electronically Energized Using Drive Cables“ beschrieben wird, die hier durch Bezugnahme in vollem Umfang aufgenommen wird. Die mechanische Struktur 5700 enthält auch eine Instrumententrägerstruktur, die die Basis 5770 und eine obere Platte 5762, eine Leiterplatte 5765 und eine Gleichtaktdrossel 5763 enthält (die weiter unten unter Bezugnahme auf 33 näher erläutert wird). In anderen Ausführungsformen können optional verschiedene Trägerstrukturen verwendet werden, wie z. B. ein Chassis, ein Rahmen, ein Bett, ein einheitlicher umgebender Außenkörper der mechanischen Struktur und dergleichen.
Die mechanische Struktur 5700 umgibt (oder ist mit ihr gekoppelt) die Kraftsensoreinheit 5800, die eine Spulenanordnung 5815, ein Gestänge 5850 (das als bewegliches Viergelenksgestänge fungiert) und einen Mikroprozessor (siehe Beispielmikroprozessor in 33) enthält. Das Gestänge 5850 enthält vier Verbindungsglieder, die mit der mechanischen Struktur 5700 gekoppelt sind. Genauer gesagt, wie in 13 und 14 am besten gezeigt, enthält das Gestänge 5850 ein erstes Verbindungsglied 5821 (das die Funktion hat, den Schaft zu stützen und ihm das Rollen zu ermöglichen; ein „Rollenträger“), das mit dem Schaft 5410 gekoppelt ist, ein zweites Verbindungsglied 5827, das mit dem ersten Verbindungsglied 5821 gekoppelt ist und mit einer Trägerhalterung 5841 gekoppelt ist (siehe z. B. 15). Eine Halterung 5839 ist mit einem Ende des ersten Verbindungsglieds 5821 gekoppelt und dient dazu, die Stäbe der Spulenanordnung 5815 mit dem ersten Verbindungsglied 5821 zu koppeln, wie weiter unten näher beschrieben. Das zweite Verbindungsglied 5827 enthält ein Federelement 5829, das mit der Trägerhalterung 5841 gekoppelt ist oder von dieser getragen wird, wie in 15 gezeigt. Das Gestänge 5850 enthält außerdem ein drittes Verbindungsglied 5825, das mit dem ersten Verbindungsglied 5821 gekoppelt ist, und ein viertes Verbindungsglied 5823, das mit dem zweiten Verbindungsglied 5827 und dem dritten Verbindungsglied 5825 gekoppelt ist. Das vierte Verbindungsglied 5823 ist stationär und wirkt als lokaler mechanischer Boden für die anderen drei Verbindungsglieder, die sich bewegen, wenn der Schaft 5410 entlang ihrer Achse C-A bewegt wird. Die vier Verbindungsglieder des Gestänges 5850 können die Spannung des Verbinders innerhalb der medizinischen Vorrichtung 5400 aufrechterhalten und für eine lineare Bewegung des Schafts 5410 sorgen, wenn Kräfte axial am distalen Ende der medizinischen Vorrichtung 5400 aufgebracht werden. Das Gestänge 5850 kann auch die Bewegung in der z-Achse einschränken und isoliert Kräfte in der z-Achse.
Der Schaft 5410 ist mit der mechanischen Struktur 5700 über das Gestänge 5850 gekoppelt, so dass das Bewegungsausmaß des Schafts 5410 relativ zur mechanischen Struktur 5700 mit der Größe der auf den Endeffektor 5460 ausgeübten Axialkraft korreliert werden kann. Auf diese Weise kann die Messung des Weges, um den sich der Schaft 5410 relativ zu der mechanischen Struktur 5700 bewegt, verwendet werden, um die axiale Kraft (z. B. die Kraft in der z-Richtung) zu bestimmen, die auf das distale Ende des Schafts 5410 (z. B. am Endeffektor 5460) ausgeübt wird. Wie hierin beschrieben, isoliert das Gestänge 5850 die axiale Bewegung des Schafts 5410 (d. h. es schränkt die Bewegung des Schafts so ein, dass die gemessene Bewegung nur durch die axiale Kraft und nicht durch die Querkräfte entlang der x- und y-Achse verursacht wird), begrenzt die Reibungskraft, die der Bewegung des Schafts 5410 entgegensteht, und bietet eine geeignete Struktur für die koaxial ausgelegten Spulen, wie unten beschrieben.
Genauer gesagt ist der Schaft 5410 mit dem ersten Verbindungsglied 5821 des Gestänges 5850 über eine Rollenantriebsaufnahme 5738 gekoppelt (siehe z. B. 21 bis 22), so dass, wenn sich der Schaft 5410 entlang der z-Achsenrichtung bewegt, sich das erste Verbindungsglied 5821 entlang der z-Achsenrichtung mit dem Schaft 5410 bewegt. Bei der genannten anderen Weise ist der Schaft 5410 mit dem ersten Verbindungsglied 5821 in einer Weise gekoppelt, die die Bewegung des Schafts 5410 relativ zum ersten Verbindungsglied 5821 entlang der z-Achse einschränkt. Die Rollenantriebsaufnahme 5738 ermöglicht jedoch, dass sich der Schaft 5410 auch relativ zum ersten Verbindungsglied 5821 drehen kann (z. B. dreht sich das erste Verbindungsglied 5821 nicht, wenn sich der Schaft 5410 um die z-Achse dreht). Die Rollenantriebsaufnahme 5738 kann durch ein Kabel (Band, Schnur oder ein anderes geeignetes Verbindungsstück (nicht dargestellt)) betätigt werden, das mit einem Rollenantrieb 5750 gekoppelt und um einen Teil der Rollenantriebsaufnahme 5738 gewickelt ist. Diese Auslegung ermöglicht es dem Schaft 5410, sich um die z-Achse relativ zur mechanischen Struktur 5700 zu bewegen (was die Messung der Axialkraft ermöglicht), während der Schaft 5410 auch um die z-Achse gedreht werden kann.
Die Feder 5829 des zweiten Verbindungsglieds 5827 kann aus einem Material geformt sein, das flexibler ist als ein verbleibender Teil des zweiten Verbindungsglieds 5827, wodurch eine Feder mit einer gewünschten Steifigkeit erzeugt wird, wobei das Bewegungsausmaß des Schafts 5410 in Richtung der z-Achse zum Teil von der Steifigkeit der Feder 5829 des zweiten Verbindungsglieds 5827 abhängt. Ist die Feder 5829 beispielsweise sehr steif, so bewegt sich der Schaft 5410 nur eine kurze Strecke, wenn eine axiale Kraft auf den Endeffektor 5460 einwirkt. Ist die Feder 5829 hingegen weniger steif, so führt die gleiche axiale Kraft zu einer größeren Bewegung des Schafts 5410. Somit kann die Feder 5829 so gewählt werden, dass sie die gewünschte Steifigkeit aufweist, so dass der Gesamtweg des Schafts 5410 über den erwarteten Bereich der aufzubringenden Axialkräfte innerhalb des dynamischen Bereichs der Kraftsensoreinheit 5800 liegt. Obwohl die Feder 5829 als Blattfeder dargestellt ist, kann das Gestänge 5850 in anderen Ausführungsformen jeden geeigneten Federtyp enthalten (z. B. eine Schraubenfeder oder eine Torsionsfeder).
18 zeigt eine Position des zweiten Verbindungsglieds 5827, wenn sich das zweite Verbindungsglied 5827 und der Schaft 5410 in einer neutralen Position (z. B. unbetätigten) befinden. Während der Verwendung der medizinischen Vorrichtung 5400, wenn der Schaft entlang der z-Achsenrichtung bewegt wird, bewegt sich das erste Verbindungsglied 5821 mit dem Schaft 5410, und das zweite Verbindungsglied 5827, das mit dem ersten Verbindungsglied 5821 gekoppelt ist, schwenkt um ein Drehgelenk 5742. In 19 ist beispielsweise der Schaft 5410 in proximaler Richtung in Richtung der z-Achse verschoben, und in 20 ist der Schaft 5410 in distaler Richtung in Richtung der z-Achse verschoben (das erste Verbindungsglied 5821 ist zu Darstellungszwecken entfernt). Wie in 19 dargestellt, ist das zweite Verbindungsglied 5827 nach unten abgewinkelt, und das Drehgelenk 5742 befindet sich in einem Abstand D1 von einer Bezugslinie L. In dieser in 19 dargestellten Konfiguration (proximale Bewegung des Schafts 5410) ist der Schaft 5410 einer ersten Kraft F1 ausgesetzt. Wie in 20 gezeigt, ist das zweite Verbindungsglied 5827 nach oben abgewinkelt, und das Drehgelenk 5742 befindet sich in einem Abstand D2 von der Bezugslinie L, der kleiner als der Abstand D1 ist. In dieser Konfiguration aus 20 (distale Bewegung des Schafts 5410) ist der Schaft einer zweiten Kraft F2 ausgesetzt, die geringer ist als die erste Kraft F1. Durch Messen der Abstände D1 und D2 kann die Größe der ersten Kraft F1 und der zweiten Kraft F2 bestimmt werden.
Wie in 26 bis 29 gezeigt, enthält die Spulenanordnung 5815 eine erste Spule 5812, eine zweite Spule 5814, einen ersten Stab 5816, einen zweiten Stab 5818, einen ersten Magneten 5831, einen zweiten Magneten 5833 und eine Montagehalterung 5837. Die Montagehalterung 5837 ist innerhalb der mechanischen Struktur 5700 befestigt und über eine Verdrahtung 5835 elektrisch mit der Leiterplatte 5765 gekoppelt. Die erste Spule 5812 und die zweite Spule 5814 sind jeweils in der Montagehalterung 5837 befestigt und nebeneinander angeordnet. Die erste Spule 5812 und die zweite Spule 5814 sind jeweils induktive Spulen und sind jeweils um einen Zylinder aus einem elektrisch nicht leitenden Material, wie z. B. PEEK, gewickelt. Die erste Spule 5812 und die zweite Spule 5814 werden mit identischen Eigenschaften hergestellt, wie z. B. Spulenlänge, Spulenbreite und Dicke des Spulendrahtes.
Wie in 25 gezeigt, ist der erste Stab 5816 mit der Halterung 5839 gekoppelt und zumindest teilweise innerhalb der ersten Spule 5812 beweglich angeordnet, während der zweite Stab 5818 mit der Halterung 5839 gekoppelt ist und zumindest teilweise innerhalb der zweiten Spule 5814 beweglich angeordnet ist. Genauer gesagt, wie in 26 bis 32 gezeigt, enthält der erste Stab 5816 einen Trägerabschnitt 5817 und der zweite Stab 5818 enthält einen Trägerabschnitt 5819, die jeweils über die Halterung 5839 mit dem ersten Verbindungsglied 5821 gekoppelt sind. Beispielsweise erstrecken sich der Trägerabschnitt 5817 und der Trägerabschnitt 5819 der Stäbe 5816 und 5818 jeweils durch eine Öffnung in der Montagehalterung 5837 und sind mit der Halterung 5839 gekoppelt, wodurch die Stäbe 5816 und 5818 mit dem ersten Verbindungsglied 5821 und mit dem Schaft 5410 gekoppelt sind. In einigen Ausführungsformen können die Trägerabschnitte 5817 und 5819 beispielsweise durch Presspassung mit der Halterung 5839 verbunden sein. In alternativen Ausführungsformen können die Trägerabschnitte 5817 und 5819 durch ein anderes geeignetes Verbindungsverfahren, wie z. B. Kleben oder Schweißen, mit der Halterung 5839 gekoppelt werden.
Da das erste Verbindungsglied 5821 in der z-Achse fest mit dem Schaft 5410 gekoppelt ist, sind der erste Stab 5816 und der zweite Stab 5818 jeweils fest mit dem Schaft 5410 gekoppelt und können sich mit dem Schaft 5410 und dem ersten Verbindungsglied 5821 in der z-Achsenrichtung bewegen. In einigen Ausführungsformen ist die Spulenanordnung 5815 mit der mechanischen Struktur 5700 so gekoppelt, dass eine Mittelachse C₃ des Schafts 5410 zwischen einer Mittelachse C₁ des ersten Stabs 5816 und einer Mittelachse C₂ des zweiten Stabs 5818 liegt, wie in 12 gezeigt. In einigen Ausführungsformen ist die Mittelachse C₃ des Schafts 5410 parallel zu den Mittelachsen C₁ und C₂ des ersten Stabs 5816 bzw. des zweiten Stabs 5816. In einigen Ausführungsformen liegt die Mittelachse C₃ des Schafts 5410 mittig zwischen der Mittelachse C₂ des ersten Stabs 5816 und der Mittelachse C₂ des zweiten Stabs 5818.
Wie in 29 gezeigt, enthält der erste Stab 5816 einen Kern 5836, und der zweite Stab 5818 enthält einen Kern 5838. Der erste Magnet 5831 ist mit dem Kern 5836 des ersten Stabs 5816 gekoppelt, und der zweite Magnet 5833 ist mit dem Kern 5838 des zweiten Stabs 5818 gekoppelt, so dass der erste Magnet 5831 sich mit dem ersten Stab 5816 bewegt und der zweite Magnet 5833 sich mit dem zweiten Stab 5818 bewegt. Wie oben beschrieben, sind beispielsweise der erste und der zweite Stab 5816 und 5818 mit dem Schaft 5410 gekoppelt, so dass, wenn sich der Schaft 5410 aufgrund von Kräften, die auf ein distales Ende der medizinischen Vorrichtung 5400 (z. B. am Endeffektor 5460) ausgeübt werden, axial bewegt, sich die Stäbe 5816 und 5818 mit dem Schaft 5410 innerhalb der Spulen 5812 bzw. 5814 bewegen. Da sich die Stäbe 5816 und 5818 und die Magnete 5831 und 5833 innerhalb der induktiven Spulen 5812 und 5814 bewegen, verursacht diese Bewegung eine Änderung der Induktivität an den Spulen, die dazu verwendet werden kann, Änderungen der Position des Schafts 5410 zu messen, die in z-Achsen-Kraftmessungen umgewandelt werden können. Wie oben für frühere Ausführungsformen beschrieben, können die Kerne 5836 und 5838 jeweils z. B. ein Glaskern, ein Edelstahlkern oder ein Kern aus einem anderen geeigneten Material sein. Die Magnete 5831 und 5833 können jeweils zum Beispiel eine Ferritperle, eine EMI-Unterdrückungsperle, eine Nickel-Zink-Perle oder ein anderes geeignetes Material oder eine Komponente oder ein Material sein, das mit den jeweiligen Kernen gekoppelt ist, die verwendet werden können, um ein Signal zu liefern, das die Position der Kerne innerhalb der jeweiligen Spulen 5812 und 5814 anzeigt, wenn sich die Stäbe 5816 und 5818 und die Kerne innerhalb der jeweiligen Spulen 5812 und 5814 bewegen.
Der erste Stab 5816 (mit dem Magneten 5831) ist im Wesentlichen mittig in der ersten Spule 5812 positioniert, wobei zwischen einer Außenfläche des ersten Stabs 5816 und einer Innenfläche der ersten Spule 5812 ein Abstand G besteht (siehe die Unteransicht der Spulenanordnung in 30). In ähnlicher Weise ist der zweite Stab 5818 (mit dem Magneten 5833) im Wesentlichen mittig in der zweiten Spule 5814 mit einem Abstand G zwischen einer Außenfläche des zweiten Stabs 5818 und einer Innenfläche der zweiten Spule 5814 angeordnet. In einigen Ausführungsformen beträgt der Abstand G etwa 1,33 mm (0,050 Zoll). Wie oben beschrieben, erlaubt dieser Spalt Toleranzfehler bei der Platzierung der Stäbe und reduziert die Wahrscheinlichkeit von Reibungsverlusten zwischen den Stäben und den Spulen. Dies ist wünschenswert, da die innere Reibung zwischen den Stäben und der Spule zu falschen Kraftmesswerten in Richtung der z-Achse führen kann.
Während der Verwendung der medizinischen Vorrichtung 5400 bewegt sich der Schaft 5410 entlang der z-Achse, wenn eine Kraft auf den Schaft 5410 in der z-Richtung ausgeübt wird, was wiederum bewirkt, dass sich die Stäbe 5816 und 5816 entlang der z-Achse (entlang ihrer jeweiligen Mittelachsen) verschieben. Während sich die Stäbe 5816 und 5818 (und die Magnete 5831 und 5833) innerhalb der jeweiligen Spulen 5812 und 5814 bewegen, erzeugt jede der Spulen 5812 und 5816 ein Signal, das mit einer Position der Magnete 5831 und 5833 innerhalb der jeweiligen Spule 5812 und 5814 verbunden ist. Der Mikroprozessor (der dem in 33 dargestellten Mikroprozessor 6852 ähnlich sein kann) empfängt diese Signale von den Spulen 5812 und 5814. Wie oben beschrieben, erzeugt jede der Spulen 5812 und 5814 ein separates Signal, das mit einer linearen Verschiebung des Schafts 5410 entlang der Mittelachse C₃ des Schafts 5410 (z. B. entlang der z-Achse) verbunden ist. In einigen Ausführungsformen können die Signale von den Spulen ein erstes Signal von der ersten Spule 5812, das eine erste Frequenz aufweist, und ein zweites Signal von der zweiten Spule 5814, das eine zweite Frequenz aufweist, enthalten. Der Mikroprozessor ist dafür konfiguriert, Anweisungen auszuführen, um aus der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz ein Maß einer Kraft auf den Schaft 5410 entlang der Mittelachse C₃ des Schafts 5410 zu bestimmen.
Wie oben beschrieben, misst die Kraftsensoreinheit 5800 die Änderung der Induktivität innerhalb der Spulen aufgrund der Bewegung des Schafts in der z-Achse (d. h. entlang der Mittelachse C₃ des Schafts 4410), die von einer Positionsmessung in eine Kraftmessung umgewandelt wird. Wie oben beschrieben, sind das zweite Verbindungsglied 5827 mit der Feder 5829 und die Spulenanordnung 5815 mechanisch mit derselben starren Komponente der mechanischen Struktur 5700 (z. B. der Basis 5770) geerdet, so dass falsche Kraftsignale aufgrund einer unterschiedlichen Durchbiegung in verschiedenen Erdungskomponenten vermieden werden können.
Wie ebenfalls oben beschrieben, bietet die nebeneinander liegende (nicht-koaxiale) Positionierung und die identische Konfiguration der Spulen 5812 und 5814 einen vollständig redundanten induktiven Kraftsensor, der die Kraft linear innerhalb eines geeigneten Bewegungsbereichs der Stäbe 5816 und 5818 messen kann. In einigen Ausführungsformen kann der lineare Bereich dieser Anordnung zwischen ± 2 mm (0,080 Zoll) innerhalb der Spulen 5812 und 5814 liegen. In anderen Ausführungsformen kann dieser Bereich variieren, zum Beispiel in Abhängigkeit von der Geometrie der Spule und anderen Eigenschaften wie dem Material des Drahtes und des Magneten. Dies wird zum Teil dadurch erreicht, dass die Stäbe 5816 und 5818 innerhalb der Spulen 5812 bzw. 5814 so gekoppelt werden, dass der Spalt G zwischen einer Außenfläche der Stäbe 5816 und 5818 und einer Innenfläche der Spulen 5812 und 5814 eine geeignete Größe aufweist. In einigen Ausführungsformen beträgt der Spalt G etwa 1,33 mm (0,050 Zoll), wie oben beschrieben. Andere Parameter, die dazu beitragen, eine redundante Kraftsensorkonfiguration zu erreichen, sind die Spulenlänge (-höhe), die Spulenbreite und die Dicke des Spulendrahtes sowie die Abmessungen der Stäbe, so dass eine optimale Größe der Spulen erreicht und der lineare Bereich der Stäbe innerhalb der Spulen vergrößert werden kann. Zusätzlich zur Bereitstellung eines größeren linearen Bewegungsbereichs der Stäbe sorgt die Positionierung der beiden Spulen 5812 und 5814 in einer nebeneinander liegenden Konfiguration dafür, dass die Spulen in den begrenzten Raum der mechanischen Struktur 5700 passen. Die Spulen 5812 und 5814 können zum Beispiel eine reduzierte Höhe H aufweisen (siehe 26), wobei eine Induktivität im Bereich von 0 bis 2 µH beibehalten wird. Die Spulen 5812 und 5814 weisen identische Abmessungen (z. B. Höhe, Drahtdurchmesser, Breite, Material) auf und sind separat gewickelt, und sie sind mit der Montagehalterung 5837 so gekoppelt, dass sie in Bezug auf die Montagehalterung 5837 innerhalb der medialen Vorrichtung 4400 auf der gleichen Höhe H positioniert sind. Jede Spule 5812 und 5814 liefert ein separates Signal, das gleichzeitig verfolgt und verglichen werden kann. Da die Spulen 5812 und 5814 identische Abmessungs- und Materialparameter aufweisen, weisen die Spulen 5812 und 5814 ein ähnliches Temperaturverhalten gegenüber ihrer Umgebung auf. In einigen Fällen kann ein signifikanter Unterschied in der Induktivität der Spulen als Metrik für die Drift dienen.
33 ist ein Blockdiagramm eines Teils einer Ausführungsform einer Kraftsensoreinheit 6800, die zur Messung der auf einen Instrumentenschaft (z. B. den Schaft 5410) ausgeübten Axialkraft eingesetzt werden kann. Die Kraftsensoreinheit 6800 kann als eine induktive z-Achsen-Kraftsensoreinheit implementiert werden, wie sie oben für eine der vorherigen Ausführungsformen beschrieben wurde (einschließlich der Kraftsensoreinheit 5800). Wie oben beschrieben, führt eine axiale Kraft auf den Instrumentenschaft zu einer axialen Bewegung des Instrumentenschafts 6410, die von der Kraftsensoreinheit 6800 erfasst werden kann. Die Kraftsensoreinheit 6800 kann, wie hierin beschrieben, eine Spulenanordnung 6815 enthalten, die ein Paar von Spulen 6812 und 6814 mit einem Stab 6816 und einem Stab 6818 enthält, die beweglich innerhalb der Spulen 6812 bzw. 6814 angeordnet sind. Der Stab 6816 kann einen daran gekoppelten Magneten 6831 aufweisen und der Stab 6818 kann einen daran gekoppelten Magneten 6833 aufweisen.
Die Spule 6812 kann mit einem Mehrkanal-Frequenzerfassungsblock 6865 über einen Kondensator C gekoppelt sein, der mit der Spule 6812 eine Induktor/Kondensator- (LC) Schaltung mit einem Induktivitätsbeitrag basierend auf dem Abstand bilden kann, den der Stab 6816 und der Magnet 6831 innerhalb der Spule 6812 bewegen. Die Spule 6814 kann mit dem Mehrkanal-Frequenzerfassungsblock 6865 über einen Kondensator C gekoppelt sein, der mit der Spule 6814 eine LC-Schaltung mit einem Induktivitätsbeitrag basierend auf dem Abstand bilden kann, den der Stab 6818 und der Magnet 6833 innerhalb der Spule 6814 bewegen. Die den Spulen 6812 und 6814 zugeordneten LC-Schaltungen können in Implementierungen, in denen solche Unterschiede berücksichtigt werden, mit unterschiedlichen Kapazitäten implementiert werden.
Der mehrkanalige Frequenzerfassungsblock 6865 kann als präziser, dualer Induktivitätssensor implementiert werden, der die Induktivität misst. Da der Kondensator C mit der Spule 6812 eine LC-Schaltung bildet, die in den Mehrkanal-Frequenzerfassungsblock 6865 eingegeben wird, kann der Mehrkanal-Frequenzerfassungsblock 6865 ein erstes Signal ausgeben, das mit einer Frequenz dieser Schaltung verknüpft ist, zum Beispiel ein Verhältnis der Frequenz zu einer bekannten Referenzfrequenz. Da der Kondensator C mit der Spule 6814 eine LC-Schaltung bildet, die in die Mehrkanal-Frequenzerfassung 6865 eingegeben wird, kann der Mehrkanal-Frequenzerfassungsblock 6865 ein zweites Signal ausgeben, das mit einer Frequenz dieser Schaltung verknüpft ist, zum Beispiel ein Verhältnis der Frequenz zu einer bekannten Referenzfrequenz. Der Mehrkanal-Frequenzerfassungsblock 6865 kann N digitale Signale an einen Mikroprozessor 6852 ausgeben. Bei zwei LC-Schaltungen kann der Mehrkanal-Frequenzerfassungsblock 6865 zwei digitale Signale an den Mikroprozessor 6870 ausgeben.
Der Mikroprozessor 6852 kann ein EEPROM 6872 oder eine andere Vorrichtung aufweisen oder Zugriff darauf haben, die Kalibrierungswerte für die Implementierung des Magneten 6831 innerhalb der Spule 6812 und des Magneten 6833 innerhalb der Spule 6814 enthalten kann. Bei einer Messung der Axialkraft auf den Instrumentenschaft kann auf die Kalibrierungswerte zugegriffen werden, um basierend auf den vom Mehrkanal-Frequenzerfassungsblock 6865 empfangenen Frequenzen eine für jeden Magneten 6831 und 6833 zurückgelegte Strecke zu bestimmen. Die Differenz der Frequenzen kann im EEPROM 6872 als Differenz der Induktivität in Abhängigkeit von den Abständen gespeichert werden. Diese Abstandsdifferenz kann mit einer Referenzposition und der Differenz der Induktivitäten korreliert werden. Mit einem aus einer gemessenen Induktivitätsdifferenz ausgewählten Abstand kann der Abstand mit einer im EEPROM 6872 gespeicherten Federkonstante verwendet werden, wobei die Federkonstante eine Eigenschaft einer Feder (z. B. die oben beschriebene Feder 5829) ist, durch die der Instrumentenschaft 6410 mit einer Trägerstruktur gekoppelt ist, auf der die Kraftsensoreinheit 6800 eingesetzt werden kann.
Die Kraftsensoreinheit 6800 kann weitere optionale Komponenten enthalten. Der Mikroprozessor 6852 kann beispielsweise eine universelle asynchrone Empfänger-/Sender-(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, UART) Schnittstelle 6874 oder eine andere Kommunikationsschnittstelle enthalten, um einen digitalen Ausgang zu senden (TX) und ein digitales Signal zu empfangen (RX). Das empfangene Signal kann zur Aktualisierung der Kalibrierungswerte im EEPROM 6872 des Mikroprozessors 6852 verwendet werden. Eine Gleichtaktdrossel 6763 (z. B. Gleichtaktdrossel 5863) kann verwendet werden, um Interferenzen mit anderen elektronischen Leiterplatten der Trägerstruktur, auf der die Kraftsensoreinheit 6800 eingesetzt wird, zu reduzieren. Optional kann die Kraftsensoreinheit 6800 eine Magnetstruktur 6862 zwischen der Gleichtaktdrossel 6763 und dem Mikroprozessor 6852 enthalten. Die magnetische Struktur 6862 kann zur Reduzierung der elektromagnetischen Interferenz- (EMI) Abstrahlung eingesetzt werden. Die magnetische Struktur 6862 kann als Ferritperle realisiert werden. Andere magnetische Materialformate können für die magnetische Struktur 6862, wie oben beschrieben, realisiert werden.
Eine maschinenlesbare Speichervorrichtung kann jeden nicht-flüchtigen Mechanismus zur Speicherung von Informationen in einer von einer Maschine lesbaren Form enthalten, z. B. einen Computer oder einen Mikroprozessor, der mit der Ausführung bestimmter Funktionen beauftragt ist. Eine maschinenlesbare Speichervorrichtung kann beispielsweise Festwertspeicher (ROM), Direktzugriffsspeicher (RAM), Magnetplattenspeichermedien, optische Speichermedien, Flash-Speichervorrichtungen und andere Speichervorrichtungen und -medien enthalten. In verschiedenen Ausführungsformen einer hierin beschriebenen medizinischen Vorrichtung mit einer Kraftsensoreinheit kann ein flüchtiges maschinenlesbares Medium Anweisungen umfassen, die, wenn sie von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt werden, ein System veranlassen können, Operationen durchzuführen, die ohne Einschränkung Folgendes enthalten: (i) Empfangen eines ersten Signals, das von einer ersten Spule erzeugt wird, die mit einer Position eines ersten Magneten in Bezug auf die erste Spule verbunden ist, (ii) Empfangen eines zweiten Signals, das von einer zweiten Spule erzeugt wird, die mit einer Position eines zweiten Magneten in Bezug auf eine zweite Spule verbunden ist, und wobei das erste Signal von der ersten Spule und das zweite Signal von der zweiten Spule mit einer linearen Verschiebung des Schafts entlang der Mittelachse des Schafts verbunden sind. Die Kraftsensoreinheit kann einen Mikroprozessor umfassen, der so gekoppelt ist, dass er die ersten und zweiten Signale empfängt. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein flüchtiges maschinenlesbares Medium Befehle umfassen, die, wenn sie von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt werden, ein System veranlassen, Operationen durchzuführen, die Verfahren zur Durchführung von Funktionen umfassen, die mit den verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen verbunden sind.
Während verschiedene Ausführungsformen oben beschrieben wurden, sollte es verstanden werden, dass sie nur als Beispiel und nicht als Einschränkung dargestellt wurden. Wo oben beschriebene Verfahren und/oder Schemata angeben, dass bestimmte Ereignisse und/oder Flussmuster in einer bestimmten Reihenfolge auftreten, kann die Reihenfolge bestimmter Ereignisse und/oder Operationen geändert werden. Obwohl die Ausführungsformen besonders dargestellt und beschrieben wurden, können verschiedene Änderungen in Form und Details vorgenommen werden.
Beispielsweise sind alle hierin beschriebenen Instrumente (und die darin enthaltenen Komponenten) optional Teile eines telesurgischen Systems, das minimal-invasive chirurgische Eingriffe durchführt und das eine Manipulatoreinheit, eine Reihe von kinematischen Gestängen, eine Reihe von Kanülen oder Ähnliches enthalten kann. Somit kann jedes der hier beschriebenen Instrumente in jedem geeigneten chirurgischen System verwendet werden, wie z. B. in dem oben gezeigten und beschriebenen MIRS-System 1000. Darüber hinaus kann jedes der hier gezeigten und beschriebenen Instrumente zur Manipulation von Zielgewebe während eines chirurgischen Eingriffs verwendet werden. Solches Zielgewebe können Krebszellen, Tumorzellen, Läsionen, Gefäßverschlüsse, Thrombosen, Steine, Uterusmyome, Knochenmetastasen, Adenomyose oder jedes andere Körpergewebe sein. Die vorgestellten Beispiele für Zielgewebe sind keine erschöpfende Liste. Darüber hinaus kann eine Zielstruktur auch eine künstliche Substanz (oder Nicht-Gewebe) innerhalb eines Körpers oder in Verbindung mit einem Körper enthalten, wie z. B. ein Stent, ein Teil eines künstlichen Rohrs, ein Befestigungselement innerhalb des Körpers oder ähnliches.
Zum Beispiel können alle Komponenten eines chirurgischen Instruments, wie hier beschrieben, aus jedem beliebigen Material hergestellt werden, wie z. B. medizinischem Edelstahl, Nickellegierungen, Titanlegierungen oder ähnlichem. Ferner können alle der hierin beschriebenen Verbindungsglieder, Werkzeugelemente, Balken, Schäfte, Verbindungsstücke, Kabel oder anderen Komponenten aus mehreren Teilen hergestellt werden, die später zusammengefügt werden. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen ein Verbindungsglied durch Zusammenfügen separat konstruierter Komponenten hergestellt werden. In anderen Ausführungsformen können jedoch alle der hierin beschriebenen Verbindungsglieder, Werkzeugelemente, Balken, Schäfte, Verbindungsstücke, Kabel oder Komponenten monolithisch aufgebaut sein.
Obwohl die Instrumente im Allgemeinen so dargestellt sind, dass die Rotationsachse der Werkzeugelemente (z. B. Achse A₂) senkrecht zu einer Rotationsachse des Handgelenkselements (z. B. Achse A₁) verläuft, kann in anderen Ausführungsformen jedes der hierin beschriebenen Instrumente eine Rotationsachse des Werkzeugelements enthalten, die um einen beliebigen geeigneten Winkel von der Rotationsachse der Handgelenkanordnung versetzt ist. Obwohl verschiedene Ausführungsformen so beschrieben wurden, dass sie bestimmte Merkmale und/oder Kombinationen von Komponenten aufweisen, sind andere Ausführungsformen möglich, die eine Kombination beliebiger Merkmale und/oder Komponenten aus einer der oben beschriebenen Ausführungsformen aufweisen. Aspekte wurden im allgemeinen Zusammenhang mit medizinischen Vorrichtungen und insbesondere mit chirurgischen Instrumenten beschrieben, jedoch sind erfinderische Aspekte nicht notwendigerweise auf die Verwendung in medizinischen Vorrichtungen beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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US 2020/050696 PCT [0002]
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US 20157/0047454 [0073]
US 6817974 B2 [0073]
US 9204923 B2 [0074]

Claims

Vorrichtung, die Folgendes umfasst: eine mechanische Struktur und eine Kraftsensoreinheit, die mit der mechanischen Struktur gekoppelt ist; wobei die Kraftsensoreinheit eine Montagehalterung, einen ersten Stab, einen zweiten Stab, einen ersten Magneten, einen zweiten Magneten, eine erste Spule, die mit der Montagehalterung gekoppelt ist, und eine zweite Spule, die mit der Montagehalterung gekoppelt ist, umfasst; wobei der erste Stab einen distalen Abschnitt und einen proximalen Abschnitt umfasst, und eine Mittelachse des ersten Stabs zwischen dem proximalen und dem distalen Abschnitt des ersten Stabs definiert ist; wobei der zweite Stab umfasst einen distalen Abschnitt und einen proximalen Abschnitt, eine Mittelachse des zweiten Stabs zwischen dem proximalen und dem distalen Abschnitt des zweiten Stabs definiert ist und die Mittelachse des zweiten Stabs nicht koaxial mit der Mittelachse des ersten Stabs ist; wobei der erste Magnet mit dem ersten Stab gekoppelt ist und der zweite Magnet mit dem zweiten Stab gekoppelt ist; und wobei sich der erste Magnet innerhalb der ersten Spule entlang der Mittelachse des ersten Stabs bewegt, und sich der zweite Magnet innerhalb der zweiten Spule entlang der Mittelachse des zweiten Stabs bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: die Vorrichtung ferner einen Schaft umfasst, der mit der mechanischen Struktur gekoppelt ist; und der Schaft betriebsmäßig mit dem ersten Stab und des zweiten Stabs gekoppelt ist, so dass eine Verschiebungsbewegung des Schafts relativ zu der mechanischen Struktur den ersten Stab entlang der Mittelachse des ersten Stabs bewegt und den zweiten Stab entlang der Mittelachse des zweiten Stabs bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei: der Schaft ein proximales Ende und ein distales Ende umfasst; eine Mittelachse des Schafts zwischen dem proximalen und dem distalen Ende des Schafts definiert ist; und der Schaft funktionsfähig mit dem ersten Stab und dem zweiten Stab gekoppelt ist, so dass der Schaft um die Mittelachse des Schafts drehbar ist, ohne den ersten Stab oder den zweiten Stab zu bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei: die Vorrichtung ferner ein mit dem Schaft gekoppeltes Verbindungsglied umfasst; der erste Stab und der zweite Stab mit dem Verbindungsglied gekoppelt sind; und das Verbindungsglied eine Rollenantriebsaufnahme umfasst, in der der Schaft relativ zu dem Verbindungsglied drehbar ist, ohne den ersten Stab oder den zweiten Stab zu bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 4, wobei: der Schaft ein proximales Ende und ein distales Ende umfasst; eine Mittelachse des Schafts zwischen dem proximalen Ende und dem distalen Ende des Schafts definiert ist; ein erstes Signal, das von der ersten Spule erzeugt wird, mit einer Position des ersten Magneten in Bezug auf die erste Spule verbunden ist und ein zweites Signal, das von der zweiten Spule erzeugt wird, mit einer Position des zweiten Magneten in Bezug auf die zweite Spule verbunden ist; und das erste Signal von der ersten Spule und das zweite Signal von der zweiten Spule mit einer linearen Verschiebung des Schafts entlang der Mittelachse des Schafts verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei: die lineare Verschiebung des Schafts proportional zu einer Kraft ist, die auf den Schaft in einer Richtung entlang der Mittelachse des Schafts ausgeübt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, 4 oder 6, wobei: der Schaft ein proximales Ende und ein distales Ende umfasst; eine Mittelachse des Schafts zwischen dem proximalen und dem distalen Ende des Schafts definiert ist; und die erste Spule und die zweite Spule so an der Montagehalterung befestigt sind, dass die Mittelachse des Schafts zwischen der Mittelachse des ersten Stabs und der Mittelachse des zweiten Stabs zentriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei: die Mittelachse des ersten Stabs und die Mittelachse des zweiten Stabs parallel zur Mittelachse der Schaft sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei: die erste Spule eine erste Höhe aufweist, die zweite Spule eine zweite Höhe aufweist, und die erste Höhe gleich der zweiten Höhe ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei: der Schaft ein proximales Ende und ein distales Ende umfasst; eine Mittelachse des Schafts zwischen dem proximalen und dem distalen Ende des Schafts definiert ist; die Vorrichtung ferner ein Gestänge umfasst, das mit dem Schaft und der mechanischen Struktur gekoppelt ist; das Gestänge eine Feder umfasst; und die Feder dafür konfiguriert ist, im Verhältnis zu einer auf den Schaft ausgeübten Kraft in einer Richtung entlang der Mittelachse des Schafts verschoben zu werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei: ein erstes Signal, das von der ersten Spule erzeugt wird, mit einer Position des ersten Magneten in Bezug auf die erste Spule verbunden ist und ein zweites Signal, das von der zweiten Spule erzeugt wird, mit einer Position des zweiten Magneten in Bezug auf die zweite Spule verbunden ist; und die Kraftsensoreinheit einen Mikroprozessor umfasst, der dafür konfiguriert ist, das erste und das zweite Signal zu empfangen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6, 8, oder 10, wobei: der Schaft ein proximales Ende und ein distales Ende umfasst; eine Mittelachse des Schafts zwischen dem proximalen und dem distalen Ende des Schafts definiert ist; das erste Signal eine erste Frequenz aufweist, und das zweite Signal eine zweite Frequenz aufweist; und der Mikroprozessor dafür konfiguriert ist, Anweisungen auszuführen, um aus der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz ein Maß für eine Kraft auf den Schaft entlang der Mittelachse den Schafts zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei: die Vorrichtung in einer medizinischen Vorrichtung verkörpert ist.
Medizinische Vorrichtung, die Folgendes umfasst: einen Instrumentenschaft, der ein proximales Ende und ein distales Ende umfasst; einen medizinischen Endeffektor, der mit dem distalen Ende des Schafts gekoppelt ist; eine mechanische Struktur, die mit dem proximalen Ende des Schafts gekoppelt ist; und eine Kraftsensoreinheit, die mit der mechanischen Struktur und mit dem Instrumentenschaft gekoppelt ist; wobei die Kraftsensoreinheit eine erste Spule, die um eine erste Spulenachse gewickelt ist, eine zweite Spule, die um eine zweite Spulenachse gewickelt ist, einen ersten Magneten und einen zweiten Magneten umfasst; wobei eine Instrumentenschaftachse zwischen dem proximalen und dem distalen Ende des Instrumentenschaftes definiert ist; wobei die Instrumentenschaftachse zwischen der ersten Spulenachse und der zweiten Spulenachse liegt; wobei der erste Magnet betriebsfähig mit dem Instrumentenschaft gekoppelt ist und sich entlang der ersten Spulenachse bewegt, wenn sich der Instrumentenschaft entlang der Instrumentenschaftachse bewegt; und wobei der zweite Magnet betriebsfähig mit dem Instrumentenschaft gekoppelt ist und sich entlang der zweiten Spulenachse bewegt, wenn sich der Instrumentenschaft entlang der Instrumentenschaftachse bewegt.
Medizinische Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei: die medizinische Vorrichtung ferner ein Gestänge umfasst, das mit dem Schaft und der mechanischen Struktur gekoppelt ist; das Gestänge eine Feder umfasst; und die Feder dafür konfiguriert ist, im Verhältnis zu einer auf den Schaft ausgeübten Kraft in einer Richtung entlang der Instrumentenschaftachse verschoben zu werden.
Medizinische Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei: ein erstes Signal, das von der ersten Spule erzeugt wird, mit einer Position des ersten Magneten in Bezug auf die erste Spule verbunden ist und ein zweites Signal, das von der zweiten Spule erzeugt wird, mit einer Position des zweiten Magneten in Bezug auf die zweite Spule verbunden ist; und die Kraftsensoreinheit einen Mikroprozessor umfasst, der dafür konfiguriert ist, das erste und das zweite Signal zu empfangen.
Medizinische Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei: das erste Signal eine erste Frequenz aufweist, und das zweite Signal eine zweite Frequenz aufweist; der Mikroprozessor dafür konfiguriert ist, Anweisungen auszuführen, um aus der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz ein Maß für eine Kraft auf den Instrumentenschaft entlang der Instrumentenschaftachse zu bestimmen.
Medizinische Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei: ein von der ersten Spule erzeugtes erstes Signal mit einer Position des ersten Magneten innerhalb der ersten Spule verbunden ist, und ein von der zweiten Spule erzeugtes zweites Signal mit einer Position des zweiten Magneten innerhalb der zweiten Spule verbunden ist; und das erste Signal von der ersten Spule und das zweite Signal von der zweiten Spule mit einer linearen Verschiebung des Instrumentenschafts entlang der Achse des Instrumentenschafts verbunden sind.
Medizinische Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei: die medizinische Vorrichtung ferner ein Gestänge umfasst, das mit dem Instrumentenschaft und dem mechanischen Struktur gekoppelt ist; das Gestänge eine Feder umfasst; und die Feder dafür konfiguriert ist, im Verhältnis zu einer auf den Instrumentenschaft ausgeübten Kraft in einer Richtung entlang der Instrumentenschaftachse verschoben zu werden.
Medizinische Vorrichtung nach Anspruch 14, 18, oder 19, wobei: der erste Magnet mit einem ersten Stab gekoppelt ist und der zweite Magnet mit einem zweiten Stab gekoppelt ist; der erste Stab eine erste Mittelachse aufweist und der zweite Stab eine zweite Mittelachse aufweist, wobei die erste Mittelachse des ersten Stabs und die zweite Mittelachse des zweiten Stabs jeweils parallel zu der Instrumentenschaftachse verlaufen.
Medizinische Vorrichtung, die Folgendes umfasst: eine Instrumententrägerstruktur, einen Instrumentenschaft und eine Kraftsensoreinheit; wobei der Instrumentenschaft ein proximales Ende und ein distales Ende umfasst, und eine Instrumentenschaftachse zwischen dem proximalen und dem distalen Ende des Instrumentenschafts definiert ist; wobei die Kraftsensoreinheit Folgendes umfasst: ein Gestänge, das zwischen der Instrumententrägerstruktur und dem proximalen Ende des Instrumentenschafts gekoppelt ist, eine erste Spule, die um eine erste Spulenachse gewickelt ist, eine zweite Spule, die um eine zweite Spulenachse gewickelt ist, die sich von der ersten Spulenachse unterscheidet, einen ersten Magneten, der zumindest teilweise in der ersten Spule liegt, und einen zweiten Magneten, der zumindest teilweise in der zweiten Spule liegt; und wobei die erste Spule, die zweite Spule, der erste Magnet und der zweite Magnet zwischen der Instrumententrägerstruktur und dem Gestänge der Kraftsensoreinheit so angeordnet sind, dass eine Verschiebung des Instrumentenschafts entlang der Instrumentenschaftachse in Bezug auf die Instrumententrägerstruktur eine relative Bewegung zwischen dem ersten Magneten und der ersten Spule entlang der ersten Spulenachse und eine relative Bewegung zwischen dem zweiten Magneten und der zweiten Spule entlang der zweiten Spulenachse bewirkt.
Medizinische Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei: das Gestänge ein Drehgelenk mit einer zur Instrumentenschaftachse koaxialen Drehachse aufweist; und der Instrumentenschaft mit dem Gestänge der Kraftsensoreinheit gekoppelt ist, um sich an dem Drehgelenk um die Drehachse in Bezug auf die Instrumententrägerstruktur zu drehen.
Medizinische Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei: die medizinische Vorrichtung eine proximale mechanische Struktur, einen distalen Endmechanismus und einen Verbinder umfasst; der distale Endmechanismus mit dem distalen Ende des Instrumentenschafts gekoppelt ist und eine bewegliche Komponente umfasst; die proximale mechanische Struktur die Instrumententrägerstruktur und ein Aktuator-Eingangsstück umfasst, das so montiert ist, dass es sich in Bezug auf die Instrumententrägerstruktur bewegt; und das Verbindungsstück zwischen dem Aktuator-Eingangsstück und der beweglichen Komponente des distalen Endmechanismus gekoppelt ist und eine Zugkraft, eine Druckkraft oder sowohl Zug- als auch Druckkräfte von dem Aktuator-Eingangsstück auf die bewegliche Komponente des distalen Endmechanismus überträgt.
Medizinische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei: die erste Spule und die zweite Spule in Bezug auf die Instrumententrägerstruktur fixiert sind.