EP1553881A1 - Microcapteur d’effort en cisaillement et outil terminal d’instrument chirurgical - Google Patents

Microcapteur d’effort en cisaillement et outil terminal d’instrument chirurgical

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EP1553881A1
EP1553881A1 EP03780231A EP03780231A EP1553881A1 EP 1553881 A1 EP1553881 A1 EP 1553881A1 EP 03780231 A EP03780231 A EP 03780231A EP 03780231 A EP03780231 A EP 03780231A EP 1553881 A1 EP1553881 A1 EP 1553881A1
Authority
EP
European Patent Office
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tool
layer
fixed
shear
blocks
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03780231A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Daniel Esteve
Frédérich VAN MEER
Alain Giraud
Nadège VILLEROY
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sinters
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Sinters
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Filing date
Publication date
Application filed by Sinters, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS filed Critical Sinters
Publication of EP1553881A1 publication Critical patent/EP1553881A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • A61B90/06—Measuring instruments not otherwise provided for
    • A61B2090/064—Measuring instruments not otherwise provided for for measuring force, pressure or mechanical tension

Definitions

  • the invention relates to a shear force microsensor. It extends to a terminal tool of a surgical instrument comprising such a force microsensor.
  • microsensor is meant a sensor produced essentially by micromachining (deposition, etching, cutting %) according to the collective manufacturing technologies of microelectronics, in particular from silicon wafers.
  • a microsensor can thus itself have dimensions much greater than one micron, which correspond to those of an integrated circuit chip, typically between 1 mm and 1 cm.
  • Multidirectional force sensors are also known which make it possible to measure forces in several directions, in particular in three orthogonal directions of space.
  • the invention therefore aims to propose a force microsensor allowing the measurement of shear forces.
  • the invention also aims to propose such a microsensor which is simple to manufacture, can be compact (less than 50 mm 2 and with a thickness of the order or less than 1 mm), and makes it possible to measure forces up to to several Newtons, in particular up to 3N.
  • the invention aims more particularly to propose a microsensor intended for a terminal tool of a surgical instrument, for the measurement of shear forces.
  • terminal tools such as the cutting blade tool described in patent application WO 02/07617 have been designed, consisting of a tool of the conventional type, that is to say a mechanical tool produced by conventional machining or injection technologies, on a passive part of which is provided a reservation in which is inserted and secured an electronic substrate integrating several components including measurement sensors.
  • This solution therefore consists in using current passive tools, and in associating with them measurement and control electronics specifically dedicated to each tool.
  • the present invention therefore also aims to overcome this drawback and aims to provide a versatile surgical terminal tool, compatible with its use with a surgical robot.
  • the invention aims more particularly to propose a terminal tool provided with means for measuring forces in all the useful directions.
  • the invention also aims to propose an "intelligent" terminal tool which can be produced in large series with a low production cost.
  • the invention relates to a force microsensor intended to be incorporated between two mechanical members of a kinematic chain, and comprising two parallel planar faces, one of which, called the fixed face, is intended to be connected to a first mechanical member such as a support, and the other, said mobile face, is intended to be connected to a second mechanical member such as a tool, and, between these two faces, a force measurement assembly comprising at minus a micromachined layer, and adapted to deliver an electronic signal representative of a force applied between the movable face and the fixed face, characterized in that:
  • the fixed face is integral with a first block of micromachined silicon, called the fixed block,
  • the movable face is integral with a second block of micromachined silicon, called a movable block, a clearance is provided between the fixed and mobile blocks so as to allow a relative movement of these blocks in translation in at least one direction, called the direction of movement in shear, parallel to the fixed and mobile faces, the fixed and mobile blocks are connected to each other by means of an elastically deformable micro-machined silicon return device under the effect of a relative displacement of the blocks in said direction of displacement in shear,
  • It includes an arrangement for measuring the relative displacements of the blocks in said direction of displacement in shear, capable of delivering a signal representative of these displacements and therefore of the shear force applied between the movable face and the fixed face.
  • microsensor according to the invention adapted to measure the shear forces only in one direction of displacement in shear.
  • the advantage may indeed be to reduce the cost and the complexity of such a microsensor. This may be the case in particular for a clamp dedicated to one-way axial use.
  • a microsensor according to the invention is characterized in that: - a clearance is provided between the fixed and mobile blocks so as to allow relative movement of these blocks in translation in any direction of movement in shear,
  • the microsensor is characterized in that:
  • a clearance is provided between the fixed and mobile blocks so as to allow a relative movement of these blocks in translation in at least one direction, called the pressure direction, normal to the fixed and mobile faces,
  • the return device is elastically deformable under the effect of a relative displacement of the blocks in each direction of pressure
  • a microsensor according to the invention can be tridirectional in translation and can measure the forces in any direction of translation of the space.
  • the microsensor according to the invention makes it possible to measure all the tilt movements of the movable block relative to the fixed block , a total of five to six axes of mobility.
  • the measurement assembly of a microsensor according to the invention can be carried out in various known ways (electromagnetic, piezoelectric, etc.). Its function is to measure the relative displacements and to convert them into force values.
  • the measurement assembly is of the capacitive type and comprises at least one electrode, called the fixed electrode, secured to the fixed block and at least one electrode, called the mobile electrode, secured to the movable block, arranged facing each other and so forming between them a capacitance whose value varies during the relative displacements of the blocks in the shear directions.
  • each electrode of a pair of these electrodes (fixed and mobile) facing each other is formed by a comb of strips of conductive material extending parallel to each other and to the fixed and mobile faces and orthogonally to a shear direction according to which this pair of electrodes makes it possible to measure the relative displacements of the blocks.
  • at least a first pair of electrodes adapted to detect the relative displacements along a first shear axis (x) and at least a second pair of electrodes adapted to detect the relative displacements according to a second shear axis (y) perpendicular to the first shear axis (x).
  • the advantage of such a capacitive measurement assembly is to offer no resistance or friction and to be perfectly stable in temperature.
  • a microsensor according to the invention is also characterized in that the fixed block comprises at least one rectangular recess for receiving the rectangular movable block, and in that it comprises four silicon corner return brackets micro-machined, elastic in flexion, each return bracket having one end connected to a side wall of the recess, and another end connected to a side wall of the movable block orthogonal to said side wall of the recess, so that this return bracket is interposed between a corner of the recess and a corner of the movable block opposite and is liable to deform elastically in bending when the movable block is moved relative to the recess in a direction of shearing.
  • the invention also relates to a terminal tool of a surgical instrument comprising:
  • a tool holder support made of a rigid material comprising a flat face, called base layer, adapted to support a tool
  • a surgical tool consisting of a stack of elementary layers secured to one another so as to form a functional tool block fixed to the base layer of the tool holder support, and comprising at least a layer forming a force microsensor, and a functional terminal layer of shape adapted to ensure the function of the tool.
  • the terminal tool according to the invention is characterized in that the surgical tool comprises at least one force microsensor according to the invention.
  • the surgical tool can comprise a single microsensor, or several microsensors mounted in parallel to increase the values of effort that can be measured.
  • said surgical tool also comprises at least one micromachined layer, called electronic layer, integrating a connection connection to a source of electronic and / or light and / or fluidic energy, and at least one electronic signal processing and / or measurement and / or actuation and / or energy supply function.
  • electronic layer integrating a connection connection to a source of electronic and / or light and / or fluidic energy, and at least one electronic signal processing and / or measurement and / or actuation and / or energy supply function.
  • the idea underlying the invention was therefore to produce a terminal tool consisting, on the one hand, of a mechanical support intended to be functionally integrated in a robotic or manual surgical instrument, and on the other hand, of a tool having the traditional functions of a surgical tool (forceps, scissors, scalpel ...), a microsensor of shearing forces, and functions of signal processing, measurement, control ... making it possible to ensure the comfort of the surgeon and the performance of the system, said tool being produced by stacking of elementary layers using for example the collective manufacturing technologies of microelectronics (integration on silicon) and the assembly technology known as hybrid technology, so as to form a monolithic tool block.
  • the surgical tool comprises a support layer adapted to be secured to the base layer of the tool holder support, and comprising a connection connector on the one hand to the connector connection of each electronic layer , and on the other hand, to a source of electrical and / or light and / or fluid energy.
  • a support layer makes it possible to produce a connection "gateway” isolating the surgical tool from the stresses exerted on the energy connection members connecting the latter to the energy sources.
  • the surgical tool comprises an interface layer adapted to be secured under the functional layer and integrating energy transport components between the external medium and the electronic layer.
  • the surgical tool comprises pins extending through superimposed orifices formed in the different layers of said tool, and adapted to be secured in orifices formed in the base layer of the tool holder support.
  • the terminal tool according to the invention may consist of a terminal tool consisting of pliers composed of two tool holder / surgical tool support assemblies according to the invention, of which the tool holder supports are provided , in the extension of their base layer, each of an ear orthogonal to said base layer, of articulation of the clamp.
  • the functional layer of each surgical tool incorporates at least one electrode flush with the upper face of said functional layer, the interface layer comprising a conductive component supplying each electrode .
  • Another advantageous embodiment consists of a scalpel with a blade or a chisel blade comprising a functional layer in the form of a blade having a profiled longitudinal side face in the form of a bevel forming a longitudinal cutting edge.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view in principle illustrating a test body (mechanical part comprising a fixed block and a movable block) of a microsensor according to the invention
  • FIGS. 2 and 3 are schematic sectional views illustrating the principle of a microsensor according to the invention at rest and, respectively, after application of a shear force
  • FIG. 4a is a top view of an exemplary embodiment of a lower part comprising a test body of a microsensor according to the invention
  • FIG. 4b being a bottom view of an exemplary embodiment of the corresponding upper part of the microsensor according to the invention
  • FIGS. 5a to 5d are diagrammatic views in section illustrating different successive stages of a process for producing the lower part of a microsensor shown in FIG. 4a
  • FIGS. 6a to 6d are diagrammatic views in section illustrating different successive stages of a method for producing the upper part of a microsensor shown in FIG. 4b,
  • FIG. 7 is a block diagram of an example of an electronic circuit for processing the signal of a microsensor according to the invention.
  • FIG. 8 is a schematic perspective view with partial cutaway, of an alternative embodiment of a microsensor according to the invention
  • - Figure 9 is a plan view before folding of a tool holder support according to l 'invention
  • FIG. 10 is a perspective view showing in exploded mode the elements of one of the jaws of an electric scalpel according to the invention
  • Figure 11 is a top view with partial cutaway of this jaw
  • Figure 12 is a longitudinal section through a broken plane A of this jaw
  • - Figure 13 is a perspective view of an electric scalpel according to invention composed of two jaws as shown in FIGS. 10 to 12,
  • FIG. 14 is a perspective view of a scalpel with a bipolar blade according to the invention
  • - and Figure 15 is a cross section of this scalpel with a blade.
  • FIGs 2 and 3 show a microsensor 100 according to the invention comprising a test body 101 whose principle is shown in Figure 1.
  • the microsensor 100 comprises two parallel flat faces including a fixed face 102 intended to be connected to a first mechanical member such as a support, and a movable face 103 intended to be connected to a second mechanical member such as a tool or to a functional layer forming a tool.
  • the two fixed and mobile faces 102, 103 are parallel to each other and planar.
  • the fixed face 102 forms the base of the test body 101.
  • the test body 101 comprises a micro-machined silicon block 104, called the fixed block 104, all the elements of which are integral with the fixed face 102.
  • This fixed block 104 is in the general form of a frame and defines a central rectangular or square recess 105 receiving a movable block 106, of shapes combined with that of the recess 105, that is to say rectangular or square, the dimensions of which are more weak parallel to the plane of the fixed and movable faces 102, so that this movable block 106 can move parallel to the fixed and movable faces 102, inside the recess 105.
  • the movable block 106 is also a micromachined silicon block secured to an upper plate 107 forming the movable face 103.
  • the movable block 106 is connected to the fixed block 104 by four corner return brackets 108, formed of micromachined silicon, which extend between the opposite walls of the fixed block 104 and the mobile block 106, in the gap between them. separating.
  • Each bracket 108 includes one end 109 integral with the side wall 110 of the recess 105 of the fixed block 104 opposite.
  • the other end 111 of the bracket 108 is connected to the side wall 112 of the movable block 106 which extends orthogonally to the side wall 110 of the recess 105.
  • the bracket 108 is interposed between a corner of the recess 105 of the fixed block 104 and a corner of the movable block 106 opposite, and is liable to elastically deform in bending when the movable block 106 is moved relative to the recess 105 in any shear direction parallel to the fixed 102 and movable 103 faces. Between their two ends 109, 111, the brackets 108 are independent both of the movable block 106, and of the recess 105 of the fixed block 104.
  • a lateral clearance is provided for each side of each bracket 108, that is to say on one side with respect to the recess 105, and on the other side with respect to the movable block 106, so that the bending of the bracket 108 is authorized .
  • the dimension of these lateral clearances determines the amplitude of displacement in shearing of the movable block 106 relative to the fixed block 104.
  • the brackets 108 are symbolized by springs, and are not shown realistically, for clarity.
  • the fixed block 104 has four combs of electrodes 113a, 113b, 114a, 114b.
  • Each comb is formed of a plurality of electrically conductive strips, for example of gold, parallel to each other and distant from each other, one end of which is connected in common to a track 115a, 115b, 116a, 116b, respectively of connection connecting the electric current coming from the various bands of the comb.
  • Two combs 114a, 114b are arranged on either side of the recess 105 parallel to its opposite longitudinal sides for measuring the shear forces in a shear direction orthogonal to these combs 114a, 114b.
  • Two other combs 113a, 113b are arranged on either side of the recess parallel to the lateral sides of the recess 105 to measure a force in a direction of displacement in longitudinal shear, orthogonal to these combs 113a, 113b.
  • the movable upper plate 107 associated with the movable block 104 is also provided with four electrode combs 117a, 117b, 122a, 122b similar to those of the fixed block 104 and arranged on the underside of this plate 107 so as to come respectively opposite of the four combs 113a, 113b, 114a, 114b of the fixed block 104.
  • the plate 107 is associated with the movable block 106 so that the combs 117a, 117b, 122a, 122b which it carries are kept at a distance from the electrode combs 113a, 113b, 114a, 114b of the corresponding fixed block 104 opposite, so that a capacitive effect occurs between the different combs of facing electrodes.
  • the combs 117a, 117b, 122a, 122b are themselves also connected to electrical connection tracks (not shown), the different strips of each comb being connected to the same connection track.
  • FIGS. 2 and 3 which are only schematic diagrams
  • the value of the capacitance existing between the different electrode combs varies, since the surface facing the conductive electrodes is no longer the same.
  • This variation in capacity provides a precise measurement of the value of the displacement induced by the force F.
  • the corner brackets 108 are elastic return elements and have a predetermined stiffness, the value of the displacement also provides a value of effort F.
  • the bottom of the recess 105 is coated with a conductive metallic layer 118, for example in gold
  • the underside of the movable block 106 is also coated with a conductive metallic layer 119, for example in gold, so that a capacitive effect is also produced between the bottom layer 118 and the layer of the lower face 119.
  • the two metal layers 118, 119 facing forming capacity are also themselves connected to conductive connection tracks. The capacity thus formed can be used to measure the pressure forces, in a direction orthogonal to the fixed 102 and movable 103 faces.
  • the bottom layer 118 extends over an area greater than that of the layer 119 of the movable block 106, so that the value of the capacity formed between them does not change during shearing movements of the mobile block 106.
  • this capacity is modified if the mobile block 106 approaches the bottom of the fixed block 104 under the effect of a force pressure applied orthogonally on the movable face 103.
  • the brackets 108 act as elastic return of the movable block 106 in the direction of pressure. They are in fact also elastic in bending on this direction normal to the fixed 102 and mobile 103 faces.
  • the clearance between the different electrode combs and between the bottom 118 of the recess 105 and the lower face 119 of the movable block 106 must be sufficient to allow a sufficient amplitude of movement orthogonally to the faces 102, 103. If this is the case, when a pressure force is applied between the faces 102, 103, this pressure force induces a displacement of the movable block 106 relative to the fixed block 104 and therefore a modification of the distance separating the electrode combs on the one hand, and the layers 118, 119, which conduct the bottom of the fixed block 104 and the underside of the movable block 106, on the other hand.
  • the layer 118 of the bottom secured to the fixed block 104 can be split into at least three distinct parts isolated from each other, for example into four squares or rectangles each forming one of the corners of this layer 118. Each parts is connected to a connection track which is specific to it, so that four independent different capacities are formed measuring the forces in the four corners of the layers 118, 119 independently. It is thus possible to measure the forces on four different pressure directions, and to have a measurement of the tilting forces (in tilt) of the movable block 106 relative to the fixed block 104.
  • Side stops 120 of insulating silicon are provided at the periphery of the conductive layer 118 of the bottom of the fixed block 104, extending over a height greater than the thickness of the layer 118, above its free face, so at limit the movement path of the movable block 106 towards the bottom of the fixed block 104, and to prevent contact for pressure approximation between the conductive layers 118, 119 and between the facing electrode combs.
  • Lateral stops 121 are also provided integral with the movable upper plate 107, extending downward from the underside of this plate 107 over a height greater than that of the conductive strips forming the electrode combs 117a, 117b, 122a, 122b, so as also to prevent contact by pressure approximation of the facing electrode combs.
  • the different bands of the combs 117a, 117b, 122a, 122b, as well as these different combs are connected together by conductive wires or by conductive tracks, with the conductive layer 119 on the underside of the movable block. 106, to the same connection track that can be connected to ground.
  • all the electrodes carried by the movable block of the microsensor are connected to ground.
  • the qualifiers "fixed” and “mobile” used with reference to the faces 102, 103, blocks 104, 106 mean that the two elements are movable relative to each other, without necessarily that the element said "fixed” is really fixed in a terrestrial frame of reference.
  • FIGS. 5a to 5d illustrate different successive stages in the manufacture of an exemplary embodiment of the fixed block 104 of a microsensor according to the invention.
  • a silicon wafer 124 covered with a layer of silicon oxide 125
  • a photolithographic resin mask 126 in the format of the electrodes to be formed on the fixed block 104 (combs 113a, 113b, 114a, 114b), and an upper layer 123 connecting the movable block 106 to the movable upper plate 107.
  • a layer of titanium is first deposited, then a layer of gold (the titanium used for bonding the gold) and then the photolithographic resin is removed to obtain the result shown in FIG. 5b.
  • a gold conductive layer forming the lower conductive layer 119 of the movable block 106 has also been deposited on the opposite face of the silicon wafer 124, using a suitable photolithographic mask.
  • this test body is glued on a lower base layer 128 previously provided with the lateral stops 120 and with the conductive layer 118 forming the bottom of the recess 105.
  • FIGS. 6a to 6d represent different successive stages in the production of the movable upper plate 107 and of the electrodes which it carries.
  • a layer of photolithographic resin 131 is deposited, forming a mask in the format of recesses 129 to be dug into the thickness of this plate 130 for the reception of the electrode combs 117a, 117b, 122a , 122b.
  • FIG. 6b After RIE etching, the result shown in FIG. 6b is obtained.
  • a new layer of resin 132 is deposited as shown in FIG. 6c, in the format of the electrodes to be produced to form the electrode combs and a conductive bonding layer 133 with the movable block 106.
  • After depositing a layer of titanium and or the result shown in FIG. 6d is obtained formed of the movable plate 107 provided with combs 117a, 117b, 122a, 122b of electrodes.
  • the microsensor according to the invention is produced from a single initial wafer, formed of an SOI substrate (silicon, silicon oxide and conductive doped silicon).
  • SOI substrate silicon, silicon oxide and conductive doped silicon.
  • a deep etching RIE is made on the rear face in the silicon layer until the silicon oxide layer is reached, and this in the format of the brackets 108 separating the movable block 106 from the fixed block 104.
  • the intermediate SiO 2 oxide layer is then etched by anisotropic etching so as to free the electrode combs 153, 154, 157, 158 from the oxide layer.
  • the electrode combs 153, 154 secured to the fixed block 104 via the oxide layer which carries them, are electrically isolated from this fixed block 104 by virtue of a peripheral groove 155, 156 produced in the conductive layer at the same while the combs 153, 154.
  • the electrode combs 157, 158 integral with the movable block 106 have electrodes arranged adjacent (in the lateral direction) to those of the combs 153, 154 of the fixed floc 104, but nested in these electrodes.
  • the electrodes are not superimposed as in the variant shown in Figures 2 and 3, but juxtaposed.
  • the electrode combs 157, 158 integral with the movable block 106 are all connected together to a connection pad 159 engraved in the fixed block 104 and electrically isolated from the latter, by means of a flexible strip 160 in the form of a line. broken allowing the relative displacements of the movable block 106 relative to the pad 159.
  • the layers of Si0 2 and of conductive doped Si are partially torn off along a diagonal.
  • the electrode combs 153, 154 of the fixed block 104 and those 157, 158 of the movable block 106 are produced with the same mask.
  • test body 101 and the electrode combs were thus produced from a single substrate.
  • the assembly can then be applied to a base layer such as that 128 shown in FIG. 5d to form the capacity for measuring the pressure forces.
  • FIG. 4a represents a top view of the lower part carrying the fixed block 104 of the microsensor obtained in the step shown in FIG. 5d.
  • Figure 4b shows a top view of the upper part comprising the movable plate 107 of the microsensor as obtained in the step shown in Figure 6d.
  • FIG. 7 is a schematic electrical diagram for processing a signal from the microsensor according to the invention.
  • the microsensor 100 can be symbolized by a variable capacity 100, one of the armatures of which is connected to ground (electrode secured to the movable plate 107), while the other is connected to the input of a monostable circuit 140 making it possible to charge the variable capacity 100 via a resistor 141.
  • the RC circuit thus formed takes more or less time to charge.
  • the monostable circuit 140 sends an end of charge signal 142 to a microcontroller 143. This rapid microcontroller 143 is synchronized by a clock
  • the microcontroller 143 can thus calculate the total charging time, and convert it into the capacity value supplied on a digital output 146.
  • An external logic circuit the microsensor can calculate from each capacitance value supplied by the different electrodes of the microsensor, the corresponding force values.
  • a calibration phase makes it possible to record in a read-only memory a calibration matrix representative of the effort / value mapping of each capacity (in two or three dimensions depending on whether the the pressure forces are measured or not).
  • This matrix makes it possible, from a vector of capacitance values, to obtain the corresponding effort vector.
  • such a microsensor makes it possible to provide force measurements in any direction of shear, but also in pressure, that is to say in practice in any direction of space, or even in tilt, at less in a range of predetermined amplitudes corresponding to the play that may exist between the electrodes forming the measurement capacitors.
  • micromachined silicon could in fact make it possible to produce such a test body very efficiently, and for the measurement of relatively high value effort which may be several Newtons, in particular up to at 3N (300 grams / force).
  • Such a microsensor of extremely small dimensions can be integrated as an elementary layer in a tool such as a surgical tool formed from a plurality of layers produced according to microelectronics technologies.
  • the extremely compact microsensor is thus compatible with the production of a tool itself of very small dimensions, for example dimensions of the order of 8 mm in length, 3.5 mm in width, and 1 mm in total thickness.
  • the scales in thickness and in width are not respected, for purposes of illustration (the thicknesses are increased and the widths reduced compared to reality).
  • the different connection tracks connected to the different electrodes of the microsensor are electrically connected to an electronic circuit which can be produced by integration on silicon either next to microsensor 100, that is to say with at least one silicon substrate in common, either in an upper or lower layer.
  • the fixed face 102 of the microsensor can also carry pins or connection pads to allow simple mounting of the microsensor on a support in the manner of an integrated circuit.
  • Such a microsensor can in particular be used for producing a terminal tool for a surgical instrument as described below.
  • the two terminal tools for surgical instruments shown in Figures 13 and 14 consist of "intelligent" tools designed to be manufactured collectively. These terminal tools all consist of a tool holder support in the example shown produced by folding metal sheets previously machined, and a tool block produced by stacking elementary layers using the assembly technologies. and packaging known as hybrid technologies.
  • FIG. 9 represents the tool holder support 1 of one of the jaws of an electric pliers as shown in FIG. 13 or of an electric scalpel as shown in FIG. 14.
  • This tool holder support 1 consists of a micromachined metal sheet comprising a first rectangular portion 2, a lateral intermediate portion 3 in the form of a quarter of a circle arranged so that one of its bases extends collinearly in the extension side of one of the short sides of the rectangular portion 2, and a third portion 4 of semi-ovoid shape extending in the extension of the aforementioned base of the intermediate portion 3.
  • two transverse notches 5, 6 are provided respectively at the junction between the rounded edge of the intermediate portion 3 and the corresponding longitudinal edge of the rectangular portion 2, and at the junction of the second and third portions 3, 4, so as to define a folding axis ( P) allowing, as shown in Figure 7, to fold down said second and third portions so that they extend in a plane perpendicular to the faces of the first portion 2.
  • the rectangular portion 2 thus forms, once the folding has been carried out, a support face for the tool block described below, extending between the notch 5 and the opposite transverse edge of said rectangular portion.
  • the third portion 3 is pierced with a circular central lumen 10 for the articulation and actuation of the tool by external motors or manual systems.
  • the tool block 11 comprises a support layer 12 made of a biocompatible material or a two-component material suitable for forming a biocompatible contour, of dimensions combined with those of the rectangular portion 2 of the tool holder support 1.
  • This support layer 12 adapted to be secured to the rectangular portion 2 of the tool holder support 1 is pierced with orifices facing each of the orifices 7 of said rectangular portion.
  • the second layer 16 of this tool block 11 comprises a microsensor 100 according to the invention for measuring so-called shear stresses intended to make it possible to measure the forces exerted on said tool block in the plane of two axes (x), (y ) orthogonal shear, which are parallel to the axes of symmetry of the support face of the tool holder support 1.
  • the fixed face 102 of the microsensor 100 is rigidly fixed on the support layer 12, for example by gluing.
  • the movable face 103 of the microsensor 100 is rigidly fixed to a third layer 20, itself integral with the last layer 33 of the tool block 11 which performs the function of the tool, in the example a jaw of pliers.
  • the third layer 20 of the tool block 11 consists of an electronic layer produced according to technologies related to electronics and microelectronics, ensuring other measurement and control functions and integrating for this purpose microsensors for measuring temperature, displacement, of biochemical characteristics ... of micro-actuators in particular mechanical or fluidics, and proximity electronics for signal processing and control.
  • the electronic layer 20 integrates for example lighting sources such as 23 transferred to said electronic layer, and consisting for example of diodes either simply emitting for lighting purposes only, or emitting / receiving for purposes in particular of detection of proximity, tissue characterization and / or tissue presence.
  • lighting sources such as 23 transferred to said electronic layer, and consisting for example of diodes either simply emitting for lighting purposes only, or emitting / receiving for purposes in particular of detection of proximity, tissue characterization and / or tissue presence.
  • This electronic layer 20 also includes a sensor 24 for measuring biochemical characteristics, incorporated at the level of the front edge of this electronic layer 20.
  • the fourth layer 30 consists of an interface or energy transfer layer made of a biocompatible material, and integrating components for the energy transfer between the electronic layer 20 and the external medium.
  • this interface layer 30 includes skylights 31 made of a transparent material, arranged so as to be positioned each above a light source 23. This interface layer 30 also integrates conductive links 32 of electrical connection with the electronic layer 20.
  • the fifth and last layer 33 of the tool block 11 consists of the functional layer ensuring the function of the tool and made of a plastic or metallic material.
  • the functional layer 33 has a corrugated upper face.
  • the functional layer 33 is in one piece and is associated with a single microsensor 100 according to the invention.
  • the functional layer 33 could be split longitudinally into several sections capable of freely debating one with respect to the other.
  • the interface layer 30 is then also split longitudinally into several sections.
  • Each section is associated integral with the mobile face of a microsensor, the tool block 11 comprising as many microsensors according to the invention that there are independent sections. We can also measure different forces on different parts of the jaw formed by this tool block 11.
  • the functional layer 33 moreover has two longitudinal slots inside each of which is housed an electrode 34, 35 flush with the upper face of said functional layer, and supplied electrically via one of the conductive links 32 of the layer d interface 30, designed to form a brush capable of absorbing the vertical displacements of this functional layer 33.
  • the functional layer has lights capable of each housing a skylight 31 shaped, for this purpose, so as to be flush with the upper face of said functional layer.
  • these layers are pierced, facing each other, with orifices arranged so as to form bores in alignment with the orifices 7 of said tool holder support, each capable of accommodating a mounting pin 40, adapted nevertheless not to prevent the shear and pressure movements necessary for measuring the forces.
  • FIG. 13 represents an electric clamp composed of two jaws 1-11, l'-ll 'as described above arranged in reverse position, the ears 4, 4' of the tool-holder supports 1, l 'being connected by a hinge pin 41 authorizing the relative pivoting operations of said jaws, by an external motor or a manual system.
  • the second tool shown in Figures 14 and 15 consists of a scalpel with a blade or a chisel blade. Like the previous one, it comprises, first of all, a tool holder support 50 which is made of a metal sheet having, concerning this tool, a first rectangular portion 51 bordered longitudinally of a longitudinal return 52 perpendicular to this rectangular portion 51 , and extended by a semi-ovoid ear 53. As before, the rectangular portion 51 is pierced with a notch 54 for folding the return 52, and holes 55 for mounting the pins 40.
  • the tool block 60 comprises, for its part, a first support layer 61 and a second layer 62 for measuring shear stresses in accordance with those described above.
  • This tool block 60 further comprises two lighting diodes such as 65.
  • This tool block 60 also comprises an interface layer 66 comprising links 67 of electrical conduction as well as two light guides 68 of semi-ovoid section, each extending opposite a diode 65 and running longitudinally on said layer interface.
  • This tool block 60 finally comprises a functional layer 70 forming a bipolar blade, and consisting of three superimposed layers consisting of a conductive layer 72 supplied by the links 67 and sandwiched between two layers 71, 73 of a non-conductive material .
  • two longitudinal notches are provided on the underside of this functional layer 70 and shaped to accommodate the light guides 68 so as to deliver the light beams at the end face of the tool.
  • the functional layer has a longitudinal side face profiled in a bevel.

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Abstract

L’invention concerne un outil terminal d’un instrument chirurgical comprenant un support porte-outil (1) en un matériau rigide comportant une face plane (2), dite couche de base, adaptée pour supporter un outil, et un outil chirurgical (11) constitué d’un empilement de couches élémentaires adaptées pour être solidarisées les unes sur les autres de façon à former un bloc-outil fonctionnel apte à être reporté et solidarisé sur la couche de base (2) du support porte-outil, ledit outil-chirurgical comportant au moins une couche (20), dite couche électronique, réalisée selon une technologie associée à l’électronique et la microélectronique, intégrant une connectique de raccordement à une source d’énergie électronique et/ou lumineuse et/ou fluidique, et au moins un composant électronique (21, 22, 23) de mesure et/ou d’actionnement et/ou d’apport d’énergie, et une couche supérieure fonctionnelle (33) de forme adaptée pour assurer la fonction de l’outil.

Description

MICROCAPTEUR D'EFFORT EN CISAILLEMENT ET OUTIL TERMINAL
D'INSTRUMENT CHIRURGICAL
L'invention concerne un microcapteur d'effort en cisaillement. Elle s'étend à un outil terminal d'instrument chirurgical comprenant un tel microcapteur d'effort.
Par "microcapteur" on désigne un capteur réalisé essentiellement par micro-usinage (dépôt, gravure, coupure ...) selon les technologies de fabrication collective de la microélectronique, notamment à partir de plaques de silicium. Un microcapteur peut ainsi lui-même présenter des dimensions largement supérieures au micron, qui correspondent à celles d'une puce de circuit intégré, typiquement entre lmm et 1 cm .
On connaît déjà de nombreux microcapteurs d'effort de pression permettant de mesurer des valeurs d'efforts appliqués selon les directions normales aux faces principales du microcapteur.
On connaît par ailleurs, des capteurs d'effort multidirectionnels permettant de mesurer des efforts selon plusieurs directions, notamment selon trois directions orthogonales de l'espace.
Néanmoins, le besoin se fait sentir dans certaines applications de pouvoir disposer de microcapteurs d'efforts multidirectionnels. Or, les technologies et principes mis en oeuvre dans les microcapteurs d'effort de pression connus, ne sont pas compatibles avec la mesure d'efforts de cisaillement (parallèlement aux faces du microcapteur).
L'invention vise donc à proposer un microcapteur d'effort permettant la mesure d'efforts en cisaillement.
L'invention vise aussi à proposer un tel microcapteur qui soit simple à fabriquer, puisse être compact (moins de 50 mm2 et d'épaisseur de l'ordre ou inférieure à 1 mm), et permette de mesurer des efforts pouvant aller jusqu'à plusieurs Newtons, notamment jusqu'à 3N. L'invention vise plus particulièrement à proposer un microcapteur destiné à un outil terminal d'instrument chirurgical, pour la mesure d'efforts de cisaillement.
En effet, une tendance forte de la chirurgie moderne est de réduire au maximum les traumatismes occasionnés sur le patient par la pratique opératoire. Cette tendance est bien illustrée par la pratique laparoscopique qui consiste à n'intervenir qu'au travers d'incisions de petites dimensions et à travailler en vision indirecte sur une image vidéo obtenue par caméra et éclairage placés dans la zone de travail. L'outil terminal chirurgical est alors porté par un instrument qui traverse la peau par un trocart placé dans l'incision. La méthode la plus courante consiste, pour le chirurgien, à travailler avec deux instruments (main droite et main gauche) tandis qu'un assistant assure l'éclairage et la prise d'images. Les instruments se présentent comme des longs tubes de 40 cm dont la partie porteuse de l'outil pénètre dans le corps. La partie extérieure est manœuvrée par le chirurgien pour atteindre la zone de travail et réaliser les travaux de découpe, cautérisation, couture.... Dans le mode opératoire le plus classique, le chirurgien manipule deux instruments en basant ses actions sur des images qui lui son transmises par une caméra endoscopique.
Mais cette pratique laparoscopique qui s'est récemment développée, n'est qu'une étape vers l'automatisation progressive du geste opératoire. En effet, depuis quelques années de nombreux travaux de recherche se sont orientés vers une chirurgie téléopérée où le chirurgien et son assistant s'interfacent en s'appuyant sur des robots réalisant (sur leur ordre) la manipulation de l'instrument et de l'outil terminal ; le chirurgien téléopère donc à traumatisation minimale.
Afin de satisfaire à ces exigences nouvelles, il a été conçu des outils terminaux tel que l'outil à lame coupante décrit dans la demande de brevet WO 02/07617, constitués d'un outil de type classique, c'est-à-dire un outil mécanique réalisé par des technologies classiques d'usinage ou d'injection, sur une partie passive duquel est ménagée une réservation dans laquelle est inséré et solidarisé un substrat électronique intégrant plusieurs composants dont des capteurs de mesure. Cette solution consiste donc à utiliser les outillages passifs actuels, et à associer à ces derniers une électronique de mesure et de contrôle spécifiquement dédiée à chaque outil. Bien qu'une telle solution permette dans la théorie de satisfaire aux exigences nouvelles précitées, il s'avère dans la pratique qu'elle conduit à des coûts de réalisation prohibitifs des outillages chirurgicaux.
En outre, elle ne permet pas de mesurer les efforts de cisaillement, étape indispensable pour la conception d'outils terminaux pour robots. Les inventeurs ont en effet déterminé que la mesure des efforts de pression n'est pas suffisante dans un outil terminal tel qu'une pince, un bistouri, des ciseaux ... pour intégrer correctement de tels outils dans un robot fiable, précis et performant.
La présente invention vise donc aussi à pallier cet inconvénient et a pour objet de fournir un outil terminal chirurgical polyvalent, compatible avec son utilisation avec un robot chirurgical. L'invention vise plus particulièrement à proposer un outil terminal doté de moyens de mesure d'efforts dans toutes les directions utiles. L'mvention vise aussi à proposer un outil terminal "intelligent" pouvant être réalisé en grande série avec un faible coût de production.
Pour ce faire, l'invention concerne un microcapteur d'effort destiné à être incorporé entre deux organes mécaniques d'une chaîne cinématique, et comprenant deux faces planes parallèles, dont l'une, dite face fixe, est destinée à être reliée à un premier organe mécanique tel qu'un support, et l'autre, dite face mobile, est destinée à être reliée à un deuxième organe mécanique tel qu'un outil, et, entre ces deux faces, un montage de mesure d'effort comprenant au moins une couche micro-usinée, et adapté pour délivrer un signal électronique représentatif d'un effort appliqué entre la face mobile et la face fixe, caractérisé en ce que :
- la face fixe est solidaire d'un premier bloc de silicium micro- usiné, dit bloc fixe,
- la face mobile est solidaire d'un deuxième bloc de silicium micro-usiné, dit bloc mobile, - un jeu est ménagé entre les blocs fixe et mobile de façon à autoriser un déplacement relatif de ces blocs en translation selon au moins une direction, dite direction de déplacement en cisaillement, parallèle aux faces fixe et mobile, - les blocs fixe et mobile sont reliés l'un à l'autre par l'intermédiaire d'un dispositif de rappel en silicium micro-usiné élastiquement déformable sous l'effet d'un déplacement relatif des blocs selon ladite direction de déplacement en cisaillement,
- il comporte un montage de mesure des déplacements relatifs des blocs dans ladite direction de déplacement en cisaillement, apte à délivrer un signal représentatif de ces déplacements et donc de l'effort en cisaillement appliqué entre la face mobile et la face fixe.
Pour certaines applications, on peut utiliser un microcapteur selon l'invention adapté pour ne mesurer les efforts en cisaillement que dans une seule direction de déplacement en cisaillement. L'intérêt peut être en effet de réduire le coût et la complexité d'un tel microcapteur. Tel peut être le cas en particulier pour une pince dédiée à une utilisation axiale monodirectionnelle.
Néanmoins, préférentiellement, un microcapteur selon l'invention est caractérisé en ce que : - un jeu est ménagé entre les blocs fixe et mobile de façon à autoriser un déplacement relatif de ces blocs en translation selon toute direction de déplacement en cisaillement,
- le dispositif de rappel est élastiquement déformable sous l'effet d'un déplacement relatif des blocs selon toute direction de déplacement en cisaillement, - le montage de mesure est adapté pour mesurer les déplacements relatifs des blocs selon toute direction de déplacement en cisaillement et est apte à délivrer un signal représentatif de ces déplacements et donc de l'effort en cisaillement correspondant appliqué entre la face mobile et la face fixe. En outre, avantageusement et selon l'invention le microcapteur est caractérisé en ce que :
- un jeu est ménagé entre les blocs fixe et mobile de façon à autoriser un déplacement relatif de ces blocs en translation selon au moins une direction, dite direction de pression, normale aux faces fixe et mobile,
- le dispositif de rappel est élastiquement déformable sous l'effet d'un déplacement relatif des blocs selon chaque direction de pression,
- il comprend un montage de mesure adapté pour mesurer les déplacements relatifs des blocs selon chaque direction de pression et apte à délivrer un signal représentatif de ces déplacements et donc de l'effort en pression appliqué entre la face mobile et la face fixe. Ainsi, un microcapteur selon l'invention peut être tridirectionnel en translation et peut mesurer les efforts selon toute direction de translation de l'espace.
Il est à noter que si plusieurs montages de mesure sont prévus pour mesurer séparément les déplacements relatifs en pression de plusieurs zones distinctes du bloc mobile, des efforts de basculement en tilt peuvent aussi être mesurés. Ainsi, si on prévoit au moins trois directions de pression distinctes avec au moins trois montages de mesure des déplacements selon ces trois directions de pression, le microcapteur selon l'invention permet de mesurer tous les mouvements en tilt du bloc mobile par rapport au bloc fixe, soit au total cinq à six axes de mobilité.
Le montage de mesure d'un microcapteur selon l'invention peut être réalisé de diverses façons connues (électromagnétique, piézoélectrique ...). Il a pour fonction de mesurer les déplacements relatifs et de les convertir en valeurs d'efforts. Avantageusement et selon l'invention le montage de mesure est de type capacitif et comprend au moins une électrode, dite électrode fixe, solidaire du bloc fixe et au moins une électrode, dite électrode mobile, solidaire du bloc mobile, disposées en regard et de façon à former entre elles une capacité dont la valeur varie lors des déplacements relatifs des blocs dans les directions de cisaillement. Avantageusement et selon l'invention, chaque électrode d'une paire de ces électrodes (fixe et mobile) en regard est formée d'un peigne de bandes de matériau conducteur s'étendant parallèlement entre elles et aux faces fixe et mobile et orthogonalement à une direction de cisaillement selon laquelle cette paire d'électrodes permet de mesurer les déplacements relatifs des blocs. Avantageusement et selon l'invention, il est prévu au moins une première paire d'électrodes adaptée pour détecter les déplacements relatifs selon un premier axe (x) de cisaillement et au moins une deuxième paire d'électrodes adaptée pour détecter les déplacements relatifs selon un deuxième axe (y) de cisaillement perpendiculaire au premier axe (x) de cisaillement. L'avantage d'un tel montage de mesure capacitif est de n'offrir aucune résistance ni frottement et d'être parfaitement stable en température.
Dans un mode de réalisation avantageux, un microcapteur selon l'invention est aussi caractérisé en ce que le bloc fixe comprend au moins un évidement rectangulaire de réception du bloc mobile rectangulaire, et en ce qu'il comprend quatre equerres de rappel de coin en silicium micro-usiné, élastiques en flexion, chaque équerre de rappel ayant une extrémité reliée à une paroi latérale de l'evidement, et une autre extrémité reliée à une paroi latérale du bloc mobile orthogonale à ladite paroi latérale de l'evidement, de sorte que cette équerre de rappel est interposée entre un coin de l'evidement et un coin du bloc mobile en regard et est susceptible de se déformer élastiquement en flexion lorsque le bloc mobile est déplacé par rapport à l'evidement dans une direction de cisaillement.
L'invention concerne aussi un outil terminal d'un instrument chirurgical comprenant :
- un support porte-outil en un matériau rigide comportant une face plane, dite couche de base, adaptée pour supporter un outil,
- un outil chirurgical constitué d'un empilement de couches élémentaires solidarisées les unes aux autres de façon à former un bloc-outil fonctionnel fixé sur la couche de base du support porte-outil, et comportant au moins une couche formant un microcapteur d'effort, et une couche terminale fonctionnelle de forme adaptée pour assurer la fonction de l'outil.
L'outil terminal selon l'invention est caractérisé en ce que l'outil chirurgical comporte au moins un microcapteur d'effort selon l'invention. L'outil chirurgical peut comporter un seul microcapteur, ou plusieurs microcapteurs montés en parallèle pour augmenter les valeurs d'effort pouvant être mesurées.
Avantageusement et selon l'invention, ledit outil chirurgical comporte en outre au moins une couche micro-usinée, dite couche électronique, intégrant une connectique de raccordement à une source d'énergie électronique et/ou lumineuse et/ou fluidique, et au moins une fonction électronique de traitement de signal et/ou de mesure et/ou d'actionnement et/ou d'apport d'énergie.
L'idée à la base de l'invention a donc été de réaliser un outil terminal se composant, d'une part, d'un support mécanique destiné à être intégré fonctionnellement dans un instrument chirurgical robotisé ou manuel, et d'autre part, d'un outil possédant les fonctions traditionnelles d'un outil chirurgical (pince, ciseaux, bistouri...), un microcapteur d'efforts de cisaillement, et des fonctions de traitement du signal, mesure, contrôle... permettant d'assurer le confort du chirurgien et les performances du système, ledit outil étant réalisé par empilement de couches élémentaires en utilisant par exemple les technologies de fabrication collective de la microélectronique (intégration sur silicium) et la technologie d'assemblage dite technologie hybride, de façon à former un bloc-outil monolithique.
Une telle conception présente l'avantage essentiel d'autoriser la fabrication de façon collective d'outillages "intelligents" qui peuvent donc être produits en grande série et avec un faible coût de production. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, l'outil chirurgical comporte une couche support adaptée pour être solidarisée sur la couche de base du support porte-outil, et comportant une connectique de raccordement d'une part à la connectique de chaque couche électronique, et d'autre part, à une source d'énergie électrique et/ou lumineuse et/ou fluidique. Une telle couche support permet de réaliser une "passerelle" de connexion isolant l'outil chirurgical des sollicitations s'exerçant sur les organes de liaison énergétique reliant ce dernier aux sources d'énergie. De plus, elle constitue une plate- forme de base facilitant la réalisation du bloc-outil. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, l'outil chirurgical comporte une couche d'interface adaptée pour être solidarisée sous la couche fonctionnelle et intégrant des composants de transport d'énergie entre le milieu extérieur et la couche électronique.
De plus, de façon avantageuse, l'outil chirurgical comporte des broches s'étendant au travers d'orifices superposés ménagés dans les différentes couches dudit outil, et adaptées pour être solidarisées dans des orifices ménagés dans la couche de base du support porte-outil.
A titre d'exemple de réalisation avantageux, l'outil terminal selon l'invention peut consister en outil terminal consistant en une pince composée de deux ensembles support porte-outil/outil chirurgical selon l'invention, dont les supports porte-outil sont dotés, dans le prolongement de leur couche de base, chacun d'une oreille orthogonale à ladite couche de base, d'articulation de la pince.
De plus, en vue de constituer une pince consistant en un bistouri, la couche fonctionnelle de chaque outil chirurgical intègre au moins une électrode affleurant la face supérieure de ladite couche fonctionnelle, la couche d'interface comportant un composant conducteur d'alimentation de chaque électrode.
Un autre exemple de réalisation avantageux consiste en un bistouri à une lame ou une lame de ciseau comportant une couche fonctionnelle en forme de lame possédant une face latérale longitudinale profilée en forme de biseau formant une arête de coupe longitudinale.
De plus, en vue de constituer un bistouri bipolaire, la couche fonctionnelle forme une lame bipolaire dotée d'une portion d'épaisseur en matériau conducteur de l'électricité, la couche d'interface comportant un composant conducteur d'alimentation de ladite portion conductrice. D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui suit en référence aux dessins annexés qui en représentent, à titre d'exemples non limitatifs, deux modes de réalisation préférentiels. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue schématique en perspective de principe illustrant un corps d'épreuve (partie mécanique comprenant un bloc fixe et un bloc mobile) d'un microcapteur selon l'invention,
- les figures 2 et 3 sont des vues schématiques en section illustrant le principe d'un microcapteur selon l'invention au repos et, respectivement, après application d'un effort de cisaillement,
- la figure 4a est une vue de dessus d'un exemple de réalisation d'une partie inférieure comprenant un corps d'épreuve d'un microcapteur selon l'invention, la figure 4b étant une vue de dessous d'un exemple de réalisation de la partie supérieure correspondante du microcapteur selon l'invention, - les figures 5a à 5d sont des vues schématiques en section illustrant différentes étapes successives d'un procédé de réalisation de la partie inférieure d'un microcapteur représentée figure 4a,
- les figures 6a à 6d sont des vues schématiques en section illustrant différentes étapes successives d'un procédé de réalisation de la partie supérieure d'un microcapteur représentée figure 4b,
- la figure 7 est un schéma de principe d'un exemple de circuit électronique de traitement du signal d'un microcapteur selon l'invention,
- la figure 8 est une vue schématique en perspective avec arraché partiel, d'une variante de réalisation d'un microcapteur selon l'invention, - la figure 9 est une vue en plan avant pliage d'un support porte- outil conforme à l'invention,
- la figure 10 est une vue en perspective représentant en mode éclaté les éléments d'une des mâchoires d'un bistouri électrique conforme à l'invention, la figure 11 est une vue de dessus avec des arrachés partiels de cette mâchoire, la figure 12 est une coupe longitudinale par un plan brisé A de cette mâchoire, - la figure 13 est une vue en perspective d'un bistouri électrique conforme à l'invention composé de deux mâchoires telles que représentées aux figures 10 à 12,
- la figure 14 est une vue en perspective d'un bistouri à une lame bipolaire conforme à l'invention, - et la figure 15 est une coupe transversale de ce bistouri à une lame.
Les figures 2 et 3 représentent un microcapteur 100 selon l'invention comprenant un corps d'épreuve 101 dont le principe est représenté figure 1. Le microcapteur 100 comprend deux faces planes parallèles dont une face fixe 102 destinée à être reliée à un premier organe mécanique tel qu'un support, et une face mobile 103 destinée à être reliée à un deuxième organe mécanique tel qu'un outil ou à une couche fonctionnelle formant outil. Les deux faces fixe et mobile 102, 103 sont parallèles l'une à l'autre et planes. La face fixe 102 forme la base du corps d'épreuve 101. Le corps d'épreuve 101 comprend un bloc de silicium micro-usiné 104, dit bloc fixe 104, dont tous les éléments sont solidaires de la face fixe 102. Ce bloc fixe 104 est en forme générale d'encadrement et définit un évidement central 105 rectangulaire ou carré recevant un bloc mobile 106, de formes conjuguées de celle de l'evidement 105, c'est-à-dire rectangulaire ou carrée, dont les dimensions sont plus faibles parallèlement au plan des faces 102 fixe, et mobile 103, de sorte que ce bloc mobile 106 peut se déplacer parallèlement aux faces 102 fixe, et mobile 103, à l'intérieur de l'evidement 105. Le bloc mobile 106 est également un bloc de silicium micro-usiné solidaire d'une plaque supérieure 107 formant la face mobile 103.
Le bloc mobile 106 est relié au bloc fixe 104 par quatre equerres de rappel de coin 108, formées en silicium micro-usiné, qui s'étendent entre les parois en regard du bloc fixe 104 et du bloc mobile 106, dans l'interstice les séparant. Chaque équerre 108 comprend une extrémité 109 solidaire de la paroi latérale 110 de l'evidement 105 du bloc fixe 104 en regard. L'autre extrémité 111 de l'équerre 108 est reliée à la paroi latérale 112 du bloc mobile 106 qui s'étend orthogonalement à la paroi latérale 110 de l'evidement 105. De la sorte, l'équerre 108 est interposée entre un coin de l'evidement 105 du bloc fixe 104 et un coin du bloc mobile 106 en regard, et est susceptible de se déformer élastiquement en flexion lorsque le bloc mobile 106 est déplacé par rapport à l'evidement 105 dans une direction de cisaillement quelconque parallèlement aux faces fixe 102, et mobile 103. Entre leurs deux extrémités 109, 111, les equerres 108 sont indépendantes à la fois du bloc mobile 106, et de l'evidement 105 du bloc fixe 104. En outre, un jeu latéral est ménagé de chaque côté de chaque équerre 108, c'est-à-dire d'un côté par rapport à l'evidement 105, et de l'autre côté par rapport au bloc mobile 106, de sorte que les flexions de l'équerre 108 soient autorisées. La dimension de ces jeux latéraux détermine l'amplitude de déplacement en cisaillement du bloc mobile 106 par rapport au bloc fixe 104. Sur les figures 2, 3, 11, 14, les equerres 108 sont symbolisées par des ressorts, et ne sont pas représentées de façon réaliste, et ce à des fins de clarté.
Par ailleurs, autour de l'evidement 105, le bloc fixe 104 présente quatre peignes d'électrodes 113a, 113b, 114a, 114b. Chaque peigne est formé d'une pluralité de bandes électriquement conductrices, par exemple en or, parallèles les unes aux autres et distantes les unes des autres, et dont une extrémité est reliée en commun à une piste 115a, 115b, 116a, 116b, respectivement de connexion connectant le courant électrique en provenance des différentes bandes du peigne. Deux peignes 114a, 114b, sont disposés de part et d'autre de l'evidement 105 parallèlement à ses côtés opposés longitudinaux pour la mesure des forces de cisaillement selon une direction de cisaillement orthogonale à ces peignes 114a, 114b. Deux autres peignes 113a, 113b sont disposés de part et d'autre de l'evidement parallèlement aux côtés latéraux de l'evidement 105 pour mesurer un effort selon une direction de déplacement en cisaillement longitudinale, orthogonale à ces peignes 113a, 113b. La plaque supérieure mobile 107 associée au bloc mobile 104 est également dotée de quatre peignes d'électrodes 117a, 117b, 122a, 122b semblables à ceux du bloc fixe 104 et disposés sur la face inférieure de cette plaque 107 de façon à venir respectivement en regard des quatre peignes 113a, 113b, 114a, 114b du bloc fixe 104. Sur les figures 2 et 3 en section, seuls les peignes 117a, 117b destinés à venir au- dessus des peignes 113a, 113b sont représentés. La plaque 107 est associée au bloc mobile 106 de telle sorte que les peignes 117a, 117b, 122a, 122b qu'elle porte soient maintenus à distance des peignes d'électrodes 113a, 113b, 114a, 114b du bloc fixe 104 correspondants en regard, de sorte qu'un effet capacitif se produise entre les différents peignes d'électrodes en regard. Les peignes 117a, 117b, 122a, 122b sont eux-mêmes également reliés à des pistes de connexion (non représentées) électrique, les différentes bandes de chaque peigne étant reliées à la même piste de connexion.
Comme on le voit figures 2 et 3 (qui ne sont que des schémas de principe), lorsque le bloc mobile 106 se déplace selon une direction de cisaillement parallèle aux faces 102, 103, sous l'effet d'un effort de cisaillement F, la valeur de la capacité existant entre les différents peignes d'électrodes varie, puisque la surface en regard des électrodes conductrices n'est plus la même. Cette variation de capacité fournit une mesure précise de la valeur du déplacement induit par l'effort F. Or, compte tenu du fait que les equerres de coin 108 sont des éléments de rappel élastique et ont une raideur prédéterminée, la valeur du déplacement fournit également une valeur de l'effort F.
Egalement, le fond de l'evidement 105 est revêtu d'une couche métallique conductrice 118, par exemple en or, et la face inférieure du bloc mobile 106 est également revêtue d'une couche métallique conductrice 119, par exemple en or, de sorte qu'un effet capacitif est également produit entre la couche du fond 118 et la couche de la face inférieure 119. Les deux couches métalliques 118, 119 en regard formant capacité sont également elles-mêmes reliées à des pistes de connexion conductrices. La capacité ainsi formée peut servir pour mesurer les efforts de pression, selon une direction orthogonale aux faces fixe 102 et mobile 103. La couche 118 du fond s'étend sur une aire supérieure à celle de la couche 119 du bloc mobile 106, de sorte que la valeur de la capacité formée entre elles ne change pas lors des déplacements en cisaillement du bloc mobile 106. Par contre, cette capacité est modifiée si le bloc mobile 106 se rapproche du fond du bloc fixe 104 sous l'effet d'un effort de pression appliqué orthogonalement sur la face mobile 103. Ce faisant, les equerres 108 font office de rappel élastique du bloc mobile 106 selon la direction de pression. Elle sont en effet aussi élastiques en flexion sur cette direction normale aux faces fixe 102 et mobile 103.
Pour ce faire, le jeu entre les différents peignes d'électrodes et entre le fond 118 de l'evidement 105 et la face inférieure 119 du bloc mobile 106 doit être suffisant pour autoriser une amplitude de déplacement suffisante orthogonalement aux faces 102, 103. Si tel est le cas, lorsqu'un effort de pression est appliqué entre les faces 102, 103, cet effort de pression induit un déplacement du bloc mobile 106 par rapport au bloc fixe 104 et donc une modification de la distance séparant les peignes d'électrodes d'une part, et les couches 118, 119, conductrices du fond du bloc fixe 104 et de la face inférieure du bloc mobile 106, d'autre part.
En variante non représentée, la couche 118 du fond solidaire du bloc fixe 104 peut être scindée en au moins trois parties distinctes isolées les unes des autres, par exemple en quatre carrés ou rectangles formant chacun l'un des coins de cette couche 118. Chacune des parties est reliée à une piste de connexion qui lui est propre, de sorte que l'on forme quatre capacités différentes indépendantes mesurant les efforts dans les quatre coins des couches 118, 119 indépendamment. On peut ainsi mesurer les efforts sur quatre directions de pression différentes, et avoir une mesure des efforts de basculement (en tilt) du bloc mobile 106 par rapport au bloc fixe 104.
Des butées latérales 120 en silicium isolant sont prévues à la périphérie de la couche conductrice 118 du fond du bloc fixe 104, s'étendant sur une hauteur supérieure à l'épaisseur de la couche 118, au-dessus de sa face libre, de façon à limiter la course de déplacement du bloc mobile 106 vers le fond du bloc fixe 104, et à empêcher le contact pour rapprochement en pression entre les couches conductrices 118, 119 et entre les peignes d'électrodes en regard.
Des butées latérales 121 sont aussi prévues solidaires de la plaque supérieure mobile 107, s'étendant vers le bas à partir de la face inférieure de cette plaque 107 sur une hauteur supérieure à celle des bandes conductrices formant les peignes d'électrodes 117a, 117b, 122a, 122b, de façon aussi à empêcher le contact par rapprochement en pression des peignes d'électrodes en regard.
Comme on le voit figure 4b, les différentes bandes des peignes 117a, 117b, 122a, 122b, ainsi que ces différents peignes sont reliés ensemble par des fils conducteurs ou par des pistes conductrices, avec la couche conductrice 119 de la face inférieure du bloc mobile 106, à une même piste de connexion pouvant être reliée à la masse. Ainsi, toutes les électrodes portées par le bloc mobile du microcapteur sont reliées à la masse. II est à noter que les qualificatifs "fixe" et "mobile" utilisés en référence aux faces 102, 103, blocs 104, 106 signifient que les deux éléments sont mobiles l'un par rapport à l'autre, sans nécessairement que l'élément dit "fixe" soit réellement fixe dans un référentiel terrestre. Ainsi, rien n'empêche d'utiliser le microcapteur dans une chaîne cinématique où le bloc mobile et la face mobile resteraient en fait fixes par rapport à un référentiel terrestre, alors que le bloc fixe 104 et la face fixe 102 subiraient des mouvements par rapport à ce référentiel terrestre.
Les figures 5a à 5d illustrent différentes étapes successives de fabrication d'un exemple de réalisation du bloc fixe 104 d'un microcapteur selon l'invention. Dans la première étape de la figure 5a, on part d'une plaquette de silicicium 124 couverte d'une couche d'oxyde de silicium 125, puis d'un masque en résine photolithographique 126 au format des électrodes à former sur le bloc fixe 104 (peignes 113a, 113b, 114a, 114b), et d'une couche 123 supérieure de liaison du bloc mobile 106 à la plaque supérieure mobile 107. Grâce à ce masque, on dépose tout d'abord une couche de titane puis une couche d'or (le titane servant à l'accrochage de l'or) puis on élimine la résine photolithographique pour obtenir le résultat représenté figure 5b.
On recouvre l'ensemble d'une nouvelle couche 127 de résine photolithographique au format des évidements à creuser pour réaliser les equerres 108, comme représenté figure 5c. Après réalisation de la gravure profonde RIE formant les jeux entre les equerres 108 et le bloc mobile 106 et le bloc fixe 104, on obtient le résultat représenté figure 5d avec le corps d'épreuve 101 doté des électrodes.
Comme représenté figure 5b, on a également déposé sur la face opposée de la plaquette de silicium 124, à l'aide d'un masque photolithographique approprié, une couche conductrice d'or formant la couche conductrice inférieure 119 du bloc mobile 106.
Lors de l'étape représentée figure 5d, on colle ce corps d'épreuve sur une couche inférieure de base 128 préalablement dotée des butées latérales 120 et de la couche 118 conductrice formant le fond de l'evidement 105.
Les figures 6a à 6d représentent différentes étapes successives de la réalisation de la plaque supérieure mobile 107 et des électrodes qu'elle porte. A partir d'une plaquette de silicium 130, on dépose une couche de résine photolithographique 131 formant un masque au format d' évidements 129 à creuser dans l'épaisseur de cette plaque 130 pour la réception des peignes d'électrodes 117a, 117b, 122a, 122b. Après gravure RIE on obtient le résultat représenté figure 6b. On dépose une nouvelle couche de résine 132 comme représenté figure 6c, au format des électrodes à réaliser pour constituer les peignes d'électrodes et une couche de liaison conductrice 133 avec le bloc mobile 106. Après dépôt d'une couche de titane et d'or on obtient le résultat représenté figure 6d formé de la plaque mobile 107 dotée des peignes 117a, 117b, 122a, 122b d'électrodes.
Il suffit ensuite d'assembler cette plaque 107 sur le montage obtenu figure 5d en soudant ensemble les couches conductrices 133 du plot central de la plaque 107 avec la couche 123 conductrice supérieure du bloc mobile 106, de sorte que ce bloc mobile 106 est associé solidaire de la plaque mobile 107.
Dans la variante de la figure 8, le microcapteur selon l'invention est réalisé à partir d'une plaquette initiale unique, formée d'un substrat SOI (silicium, oxyde de silicium et silicium dopé conducteur). On réalise tout d'abord une gravure profonde RIE face arrière dans la couche de silicium jusqu'à atteindre la couche d'oxyde de silicium, et ce au format des equerres 108 séparant le bloc mobile 106 du bloc fixe 104. On réalise ensuite une gravure face avant dans la couche de silicium conducteur au format des peignes d'électrodes à réaliser. On grave ensuite par gravure anisotrope la couche d'oxyde SiO2 intermédiaire de façon à libérer les peignes d'électrodes 153, 154, 157, 158 de la couche d'oxyde. Dans cette variante, les peignes d'électrodes 153, 154 solidaires du bloc fixe 104 via la couche d'oxyde qui les porte, sont isolés électriquement de ce bloc fixe 104 grâce à une rainure périphérique 155, 156 réalisée dans la couche conductrice en même temps que les peignes 153, 154. En outre, les peignes d'électrodes 157, 158 solidaires du bloc mobile 106 présentent des électrodes disposées adjacentes (dans la direction latérale) à celles des peignes 153, 154 du floc fixe 104, mais imbriquées dans ces électrodes. Ainsi, les électrodes ne sont pas superposées comme dans la variante représentée figures 2 et 3, mais juxtaposées.
Les peignes d'électrodes 157, 158 solidaires du bloc mobile 106 sont tous reliés ensemble à un plot de connexion 159 gravé dans le bloc fixe 104 et isolé électriquement de ce dernier, par l' intermédiaire d'une bande souple 160 en forme de ligne brisée autorisant les déplacements relatifs du bloc mobile 106 par rapport au plot 159. Sur la figure 8, les couches de Si02 et de Si dopé conducteur sont partiellement arrachées selon une diagonale. Les peignes d'électrodes 153, 154 du bloc fixe 104 et ceux 157, 158 du bloc mobile 106 sont réalisés avec le même masque.
On a ainsi réalisé dans cette variante, à partir d'un seul substrat, à la fois le corps d'épreuve 101 et les peignes d'électrodes. L'ensemble peut être ensuite appliqué sur une couche de base telle que celle 128 représentée figure 5d pour former la capacité de mesure des efforts de pression.
La figure 4a représente une vue de dessus de la partie inférieure portant le bloc fixe 104 du microcapteur obtenu à l'étape représentée à la figure 5d. La figure 4b représente une vue de dessus de la partie supérieure comprenant la plaque mobile 107 du microcapteur tel qu'obtenu à l'étape représentée figure 6d.
La figure 7 est un schéma électrique de principe pour le traitement d'un signal issu du microcapteur selon l'invention. Le microcapteur 100 peut être symbolisé par une capacité variable 100, dont l'une des armatures est reliée à la masse (électrode solidaire de la plaque mobile 107), tandis que l'autre est reliée à l'entrée d'un circuit monostable 140 permettant de charger la capacité variable 100 via une résistance 141. Selon la valeur de la capacité du microcapteur 100, le circuit RC ainsi constitué met plus ou moins de temps à se charger. Lorsque la capacité est chargée, le circuit monostable 140 adresse un signal de fin de charge 142 à un microcontrôleur 143. Ce microcontrôleur 143 rapide est synchronisé par une horloge
144 et envoie un signal 145 au circuit monostable 140 pour déclencher la charge de la capacité variable 100. Le microcontrôleur 143 peut ainsi calculer la durée de charge totale, et la convertir en valeur de capacité fournie sur une sortie numérique 146. Un circuit logique externe au microcapteur peut calculer à partir de chaque valeur de capacité fournie par les différentes électrodes du microcapteur, les valeurs d'effort correspondantes.
Pour ce faire, après assemblage du microcapteur sur l'outil, une phase de calibration permet d'enregistrer dans une mémoire morte une matrice d'étalonnage représentative de la cartographie efforts/valeur de chaque capacité (en deux ou trois dimensions selon que l'on mesure ou non les efforts de pression). Cette matrice permet, à partir d'un vecteur de valeurs de capacité, d'obtenir le vecteur efforts correspondant. Comme on le voit, un tel microcapteur permet de fournir des mesures d'efforts selon toute direction de cisaillement, mais également en pression, c'est-à-dire en pratique selon toute direction de l'espace, voire même en tilt, au moins dans une gamme d'amplitudes prédéterminée correspondant au jeu pouvant exister entre les électrodes formant les capacités de mesure.
Les inventeurs ont ainsi constaté avec surprise que le silicium micro-usiné pouvait permettre en fait de réaliser un tel corps d'épreuve de façon très efficace, et pour la mesure d'effort de valeur relativement important pouvant être de plusieurs Newtons, notamment jusqu'à 3N (300 grammes/force). Un tel microcapteur de dimensions extrêmement réduites peut être intégré en tant que couche élémentaire dans un outil tel qu'un outil chirurgical formé d'une pluralité de couches réalisé selon les technologies de la microélectronique. Le microcapteur extrêmement compact est ainsi compatible avec la réalisation d'un outil lui-même de très faibles dimensions, par exemple des dimensions de l'ordre de 8 mm en longueur, 3,5 mm en largeur, et 1 mm en épaisseur totale.
Sur les figures 1 à 6d les échelles en épaisseur et en largeur ne sont pas respectées, à des fins d'illustration (les épaisseurs sont augmentées et les largeurs diminuées par rapport à la réalité).
Les différentes pistes de connexion reliées aux différentes électrodes du microcapteur sont électriquement connectées à un circuit électronique qui peut être réalisé par intégration sur silicium soit à côté du microcapteur 100, c'est-à- dire avec au moins un substrat de silicium en commun, soit dans une couche supérieure ou inférieure.
En variante non représentée, la face fixe 102 du microcapeur peut aussi porter des broches ou plots de connexion pour permettre un montage simple du microcapteur sur un support à la façon d'un circuit intégré.
Un tel microcapteur peut notamment servir à la réalisation d'un outil terminal d'instrument chirurgical comme décrit ci-après. Les deux outils terminaux pour instruments chirurgicaux représentés aux figures 13 et 14 consistent en des outils "intelligents" conçus pour être fabriqués de façon collective. Ces outils terminaux se composent tous d'eux d'un support porte-outil en l'exemple représenté réalisé par pliage de tôles métalliques préalablement usinées, et d'un bloc-outil réalisé par empilage de couches élémentaires en exploitant les technologies d'assemblage et de conditionnement connues sous l'appellation de technologies hybrides.
En premier lieu, la figure 9 représente le support porte-outil 1 d'une des mâchoires d'une pince électrique telle que représentée figure 13 ou d'un bistouri électrique tel que représenté à la figure 14.
Ce support porte-outil 1 est constitué d'une tôle métallique micro- usinée comportant une première portion rectangulaire 2, une portion intermédiaire latérale 3 en forme de quart de cercle ménagée de façon qu'une de ses bases s'étende colinéairement dans le prolongement latéral d'un des petits côtés de la portion rectangulaire 2, et une troisième portion 4 de forme semi-ovoïde s'étendant dans le prolongement de la base précitée de la portion intermédiaire 3. De plus, deux échancrures transversales 5, 6 sont ménagées respectivement au niveau de la jonction entre le bord arrondi de la portion intermédiaire 3 et le bord longitudinal correspondant de la portion rectangulaire 2, et au niveau de la jonction des deuxième et troisième portions 3, 4, de façon à définir un axe de pliage (P) permettant, tel que représenté à la figure 7, de rabattre lesdites deuxième et troisième portions de façon qu'elles s'étendent dans un plan perpendiculaire aux faces de la première portion 2.
La portion rectangulaire 2 forme ainsi, une fois le pliage réalisé, une face support pour le bloc-outil décrit ci-après, s'étendant entre l'échancrure 5 et le bord transversal opposé de ladite portion rectangulaire.
Sur cette face support sont percés, en premier lieu, quatre orifices 7 ménagés au niveau de chacun des quatre angles de cette dernière. La troisième portion 3 est quant à elle percée d'une lumière centrale circulaire 10 pour l'articulation et l'actionnement de l'outil par des motorisations externes ou des systèmes manuels.
Le bloc-outil 11 selon l'invention comporte une couche support 12 en un matériau biocompatible ou un matériau bi-composants adapté pour former un contour biocompatible, de dimensions conjuguées de celles de la portion rectangulaire 2 du support porte-outil 1.
Cette couche support 12 adaptée pour être solidarisée sur la portion rectangulaire 2 du support porte-outil 1 est percée d'orifices en regard de chacun des orifices 7 de ladite portion rectangulaire.
Sur cette couche support 12 destinée à former une plate-forme lors de la fabrication du bloc-outil 11, est, en outre, rapportée la connectique 14 de raccordement dudit bloc-outil.
La deuxième couche 16 de ce bloc-outil 11 comprend un microcapteur 100 selon l'invention de mesure de contraintes dites de cisaillement destinée à permettre de mesurer les efforts exercés sur ledit bloc-outil dans le plan de deux axes (x), (y) de cisaillement orthogonaux, qui sont parallèles aux axes de symétrie de la face support du support porte-outil 1.
La face fixe 102 du microcapteur 100 est fixée rigidement sur la couche support 12, par exemple par collage. La face mobile 103 du microcapteur 100 est fixée rigidement à une troisième couche 20, elle-même solidaire de la dernière couche 33 du bloc-outil 11 qui assure la fonction de l'outil, en l'exemple une mâchoire de pince.
La troisième couche 20 du bloc-outil 11 consiste en une couche électronique réalisée selon les technologies liées à l'électronique et la microélectronique, assurant d'autres fonctions de mesure et de contrôle et intégrant à cet effet des microcapteurs de mesure de température, de déplacement, de caractéristiques biochimiques... des micro-actionneurs notamment mécaniques ou fluidiques, et une électronique de proximité pour le traitement des signaux et la commande.
La couche électronique 20 intègre par exemple des sources d'éclairage telles que 23 reportées sur ladite couche électronique, et consistant par exemple en des diodes soit simplement emettrices à des fins seules d'éclairage, soit émettrices/réceptrices à des fins notamment de détection de proximité, de caractérisation tissulaire et/ou de présence tissulaire.
Cette couche électronique 20 intègre aussi un capteur 24 de mesure de caractéristiques biochimiques, incorporé au niveau de la tranche frontale de cette couche électronique 20.
La quatrième couche 30 consiste en une couche d'interface ou de transfert d'énergie réalisée en un matériau biocompatible, et intégrant des composants pour le transfert d'énergie entre la couche électronique 20 et le milieu extérieur.
En l'exemple, cette couche d'interface 30 comporte des puits de lumière 31 en un matériau transparent, disposés de façon à être positionnés chacun à l'aplomb d'une source d'éclairage 23. Cette couche d'interface 30 intègre également des liens conducteurs 32 de liaison électrique avec la couche électronique 20.
La cinquième et dernière couche 33 du bloc-outil 11 consiste en la couche fonctionnelle assurant la fonction de l'outil et réalisée en un matériau plastique ou métallique.
La couche fonctionnelle 33 présente une face supérieure ondulée. Dans l'exemple représenté, la couche fonctionnelle 33 est en une seule pièce et est associée à un seul microcapteur 100 selon l'invention.
En variante non représentée, la couche fonctionnelle 33 pourrait être scindée longitudinalement en plusieurs tronçons aptes à débattre librement l'un par rapport à l'autre. En vue de permettre ce débattement libre de chacun des tronçons de la couche supérieure 33, la couche d'interface 30 est alors aussi scindée longitudinalement en plusieurs tronçons. Chaque tronçon est associé solidaire de la face mobile d'un microcapteur, le bloc-outil 11 comprenant autant de microcapteurs selon l'invention qu'il y a de tronçons indépendants. On peut aussi mesurer des efforts différents sur dfférentes parties de la mâchoire formée par ce bloc-outil 11.
La couche fonctionnelle 33 présente par ailleurs deux fentes longitudinales à l'intérieur de chacune desquelles est logée une électrode 34, 35 affleurant la face supérieure de ladite couche fonctionnelle, et alimentée électriquement par le biais d'un des liens conducteurs 32 de la couche d'interface 30, conçu pour former un balai apte à absorber les déplacements verticaux de cette couche fonctionnelle 33.
En dernier lieu, la couche fonctionnelle présente des lumières aptes à loger chacune un puits de lumière 31 conformé, à cet effet, de façon à affleurer la face supérieure de ladite couche fonctionnelle.
En vue de faciliter le montage des diverses couches ci-dessus décrites formant le bloc-outil 11, et la fixation dudit bloc-outil sur le support porte-outil 1, ces couches sont percées, en regard, d'orifices ménagés de façon à former des alésages dans l'alignement des orifices 7 dudit support porte-outil, aptes à loger chacune une broche 40 de montage, adaptée néanmoins pour ne pas empêcher les mouvements en cisaillement et en pression nécessaires à la mesure des efforts.
La figure 13 représente une pince électrique composée de deux mâchoires 1-11, l'-l l' telles que décrites ci-dessus disposées en position inverse, dont les oreilles 4, 4' des supports porte-outil 1, l' sont reliées par un axe d'articulation 41 autorisant les manœuvres de pivotement relatif desdites mâchoires, par une motorisation externe ou un système manuel.
Le second outil représenté aux figures 14 et 15 consiste en un bistouri à une lame ou une lame de ciseau. Comme le précédent, il comporte, en premier lieu, un support porte-outil 50 qui est constitué d'une tôle métallique présentant, concernant cet outil, une première portion rectangulaire 51 bordée longitudinalement d'un retour longitudinal 52 perpendiculaire à cette portion rectangulaire 51, et prolongée d'une oreille semi-ovoïde 53. Comme précédemment, la portion rectangulaire 51 est percée d'une échancrure 54 en vue du pliage du retour 52, et d'orifices 55 pour le montage des broches 40.
Le bloc-outil 60 comporte, quant à lui, une première couche support 61 et une deuxième couche 62 de mesure de contraintes de cisaillement conformes à celles décrites ci-dessus.
Ce bloc-outil 60 comporte en outre deux diodes d'éclairage telles que 65.
Ce bloc-outil 60 comporte également une couche d'interface 66 comportant des liens 67 de conduction électrique ainsi que deux guides de lumière 68 de section semi-ovoïde, s'étendant chacun en regard d'une diode 65 et courant longitudinalement sur ladite couche d'interface.
Ce bloc-outil 60 comporte, enfin, une couche fonctionnelle 70 formant une lame bipolaire, et constituée de trois couches superposées consistant en une couche conductrice 72 alimentée par les liens 67 et prise en sandwich entre deux couches 71, 73 en un matériau non conducteur.
De plus, deux échancrures longitudinales sont ménagées en sous- face de cette couche fonctionnelle 70 et conformées pour loger les guides de lumière 68 de façon à délivrer les faisceaux d'éclairage au niveau de la face d'extrémité de l'outil.
En dernier lieu, en vue de former l'arête de coupe de la lame, la couche fonctionnelle possède une face latérale longitudinale profilée en biseau.

Claims

REVENDICATIONS 1/ Microcapteur d'effort destiné à être incorporé entre deux organes mécaniques d'une chaîne cinématique, et comprenant deux faces planes parallèles, dont l'une, dite face fixe (102), est destinée à être reliée à un premier organe mécanique tel qu'un support, et l'autre, dite face mobile (103), est destinée à être reliée à un deuxième organe mécanique tel qu'un outil, et, entre ces deux faces (102, 103), un montage de mesure d'effort comprenant au moins une couche micro-usinée, et adapté pour délivrer un signal électronique représentatif d'un effort appliqué entre la face mobile (103) et la face fixe (102), caractérisé en ce que :
- la face fixe (102) est solidaire d'un premier bloc de silicium micro-usiné, dit bloc fixe (104),
- la face mobile (103) est solidaire d'un deuxième bloc de silicium micro-usiné, dit bloc mobile (106), - un jeu est ménagé entre les blocs fixe (104) et mobile (106) de façon à autoriser un déplacement relatif de ces blocs (104, 106) en translation selon au moins une direction, dite direction de déplacement en cisaillement, parallèle aux faces fixe (102) et mobile (103),
- les blocs fixe (104) et mobile (106) sont reliés l'un à l'autre par l'intermédiaire d'un dispositif (108) de rappel en silicium micro-usiné élastiquement déformable sous l'effet d'un déplacement relatif des blocs (104, 106) selon ladite direction de déplacement en cisaillement,
- il comporte un montage (113a, 113b, 114a, 114b, 117a, 117b, 122a, 122b) de mesure des déplacements relatifs des blocs dans ladite direction de déplacement en cisaillement, apte à délivrer un signal représentatif de ces déplacements et donc de l'effort en cisaillement appliqué entre la face mobile (103) et la face fixe (102).
2/ Microcapteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que : - un jeu est ménagé entre les blocs fixe (104) et mobile (106) de façon à autoriser un déplacement relatif de ces blocs en translation selon toute direction de déplacement en cisaillement,
- le dispositif (108) de rappel est élastiquement déformable sous l'effet d'un déplacement relatif des blocs selon toute direction de déplacement en cisaillement,
- le montage (113a, 113b, 114a, 114b, 117a, 117b, 122a, 122b) de mesure est adapté pour mesurer les déplacements relatifs des blocs (104, 106) selon toute direction de déplacement en cisaillement et est apte à délivrer un signal représentatif de ces déplacements et donc de l'effort en cisaillement correspondant appliqué entre la face mobile (103) et la face fixe (102).
3/ Microcapteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que :
- un jeu est ménagé entre les blocs fixe (104) et mobile (106) de façon à autoriser un déplacement relatif de ces blocs (104, 106) en translation selon au moins une direction, dite direction de pression, normale aux faces fixe (102) et mobile (103),
- le dispositif (108) de rappel est élastiquement déformable sous l'effet d'un déplacement relatif des blocs (104, 106) selon chaque direction de pression, - il comprend un montage (118, 119) de mesure adapté pour mesurer les déplacements relatifs des blocs selon chaque direction de pression et apte à délivrer un signal représentatif de ces déplacements et donc de l'effort en pression appliqué entre la face mobile (103) et la face fixe (102).
4/ Microcapteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le montage (113a, 113b, 114a, 114b, 117a, 117b, 122a, 122b) de mesure est de type capacitif et comprend au moins une électrode, dite électrode fixe (113a, 113b, 114a, 114b), solidaire du bloc fixe (104) et au moins une électrode, dite électrode mobile (117a, 117b, 122a, 122b), solidaire du bloc mobile (106), disposées en regard et de façon à former entre elles une capacité dont la valeur varie lors des déplacements relatifs des blocs (104, 106) dans les directions de cisaillement.
5/ Microcapteur selon la revendication 4, caractérisé en ce chaque électrode d'une paire d'électrodes fixe (113a, 113b, 114a, 114b) et mobile (117a, 117b, 122a, 122b) en regard est formée d'un peigne de bandes de matériau conducteur s'étendant parallèlement entre elles et aux faces fixe (102) et mobile (103) et orthogonalement à une direction de cisaillement selon laquelle cette paire d'électrodes permet de mesurer les déplacements relatifs des blocs (104, 106).
61 Microcapteur selon la revendication 5, caracérisé en ce qu'il comprend au moins une première paire d'électrodes (113a, 113b, 117a, 117b) adaptée pour détecter les déplacements relatifs selon un premier axe (x) de cisaillement et au moins une deuxième paire d'électrodes (114a, 114b, 122a, 122b) adaptée pour détecter les déplacements relatifs selon un deuxième axe (y) de cisaillement perpendiculaire au premier axe (x) de cisaillement. 7/ Microcapteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le bloc fixe (104) comprend au moins un évidement (105) rectangulaire de réception du bloc mobile (106) rectangulaire, et en ce qu'il comprend quatre equerres (108) de rappel de coin en silicium micro-usiné, élastiques en flexion, chaque épreuve (108) présentant une extrémité reliée à une paroi latérale de l'evidement (105), et une autre extrémité reliée à une paroi latérale du bloc mobile (106) orthogonale à ladite paroi latérale de l'evidement (105), de sorte que cette équerre (108) de rappel est interposée entre un coin de l'evidement (105) et un coin du bloc mobile (106) en regard et est susceptible de se déformer élastiquement en flexion lorsque le bloc mobile (106) est déplacé par rapport à l'evidement (105) dans une direction de cisaillement.
8/ Outil terminal d'un instrument chirurgical comprenant : - au moins un support porte-outil (1, 50) en un matériau rigide comportant une face plane, dite couche de base (2, 51), adaptée pour supporter un outil, - au moins un outil chirurgical (11, 60) constitué d'un empilement de couches élémentaires solidarisées les unes aux autres de façon à former un bloc-outil fonctionnel fixé sur la couche de base (2, 51) du support porte-outil, et comportant au moins une couche formant un microcapteur d'effort, et une couche terminale fonctionnelle (33, 70) de forme adaptée pour assurer la fonction de l'outil, caractérisé en ce que l'outil chirurgical comporte au moins un microcapteur d'effort (100) selon l'une des revendications 1 à 7.
9/ Outil-terminal selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit outil chirurgical comporte en outre au moins une couche micro-usinée, dite couche électronique (20), intégrant une connectique de raccordement à une source d'énergie électronique et/ou lumineuse et/ou fluidique, et au moins une fonction électronique de traitement de signal et/ou de mesure et/ou d'actionnement et/ou d'apport d'énergie.
10/ Outil terminal selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que l'outil chirurgical (11 ; 60) comporte une couche support (12 ; 61) adaptée pour être solidarisée sur la couche de base (2 ; 51) du support porte-outil (1 ; 50) , et comportant une connectique de raccordement (14) d'une part à la connectique de chaque couche électronique, et d'autre part, à une source d'énergie électrique et/ou lumineuse et/ou fluidique. 11/ Outil terminal selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que l'outil chirurgical (11 ; 60) comporte une couche d'interface (30 ; 66) adaptée pour être solidarisée sous la couche fonctionnelle (33 ; 70) et intégrant des composants (31, 32 ; 67, 68) de transport d'énergie entre le milieu extérieur et la couche électronique. 12/ Outil terminal selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que l'outil chirurgical (11 ; 60) comporte des broches (40) s'étendant au travers d'orifices superposés ménagés dans les différentes couches dudit outil, et adaptées pour être solidarisées dans des orifices (7 ; 55) ménagés dans la couche de base (2 ; 51) du support porte-outil (1 ; 50). 13/ Outil terminal selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce qu'il consiste en une pince composée de deux ensembles (1, 11, l',
11') support porte-outil/outil chirurgical, dont les supports porte-outil (1, l') sont dotés, dans le prolongement de leur couche de base (2, 2'), chacun d'une oreille (4, 4') orthogonale à ladite couche de base, d'articulation de la pince.
14/ Outil terminal selon les revendications 11 et 13, caractérisé en ce que la couche fonctionnelle (33) de chaque outil chirurgical intègre au moins une électrode (34, 35) affleurant la face supérieure de ladite couche fonctionnelle, la couche d'interface (30) comportant un composant conducteur (32) d'alimentation de chaque électrode.
15/ Outil terminal selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce qu'il consiste en un bistouri à une lame ou une lame de ciseau comportant une couche fonctionnelle (70) en forme de lame possédant une face latérale longitudinale profilée en forme de biseau formant une arête de coupe longitudinale. 16/ Outil terminal selon les revendications 11 et 15, caractérisé en ce que la couche fonctionnelle (70) forme une lame bipolaire dotée d'une épaisseur (72) en matériau conducteur de l'électricité, la couche d'interface (66) comportant un composant conducteur (67) d'alimentation de ladite épaisseur conductrice.
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