JP2019512097A - ファラデーケージに歪みゲージを使用する器具力センサ - Google Patents

Abstract

手術用器具は、光ファイバ歪みゲージに依存することなくアーク焼灼によるノイズの影響を受けず、且つオートクレーブ可能な力センサ装置を含む。手術用器具は、ハウジング、シャフト、力センサ装置、関節、及び端部要素を含む。力センサ装置は、ファラデーケージに取り囲まれた少なくとも１つの歪みゲージを含む。ファラデーケージは、１つ又は複数の歪みゲージ、センサカプセルに接続されたケーブル遮蔽チューブ、及びケーブル遮蔽チューブに接続された電子機器エンクロージャを含む。センサカプセルは、関節とシャフトとの間に位置付けされる。ケーブル遮蔽チューブは、シャフトを通ってハウジング内の電子機器エンクロージャまで延びる。

Description

関連出願
本特許出願は、２０１６年２月２日に出願された、”INSTRUMENT
FORCE SENSOR USING STRAIN GAUGES IN A FARADAY CAGE”という表題の米国仮特許出願６２／２９０，０１０号についての優先権及び出願日の利益を主張するものであり、この文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、概して、コンピュータ支援手術システムの手術用器具に関し、より具体的には、コンピュータ支援手術システムの手術用器具で使用される歪みゲージに関する。

図１は、コンピュータ支援手術システムで使用される手術用器具１００の斜視図である。矢印１９５は、図１の基端方向及び先端方向を示す。

手術用器具１００は、ハウジング１０１、シャフト１０２、力センサ装置１０３、関節１０４、及び端部要素１０５を含む。手術用エンドエフェクタ等の端部要素１０５は、例えば手首関節等の関節３０４介して力センサ装置３０３に結合される。力センサ装置１０３は、シャフト１０２の先端部に結合され、且つ関節１０４に結合される。ハウジング１０１はシャフト１０２の基端部に結合され、ハウジング１０１は、器具１００を器具マニピュレータアセンブリに機械的、電気的、及び光学的に結合するインターフェイスを含む。

力センサ装置１０３は、端部要素１０５に作用する力による器具シャフト１０２の曲げを測定した。力センサ装置１０３は、ファイバブラッグ格子を含む光ファイバを使用した。離れて配置された、ファイバブラッグ格子の２つのリングを使用した。各リングは、９０度だけ離れた４つのファイバブラッグ格子を含んでいた。

ファイバブラッグ格子からの信号は、光ファイバを介して、手術用器具から遠隔に位置したファイバ・インテロゲータ（fiber
interrogator）に送られた。ファイバ・インテロゲータから１００の信号は、端部要素１０５に及ぼされる３つの垂直力の測定値を得る、及びシャフト１０２の軸線に直交する２つの軸線の周りのトルクを得るために、様々な和と差で算術的に組み合わされた。ファイバブラッグ格子センサのより完全な説明については、特許文献１を参照されたい。なお、この文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

ファイバブラッグ格子センサは、センサの曲げに基づいて光を反射する。ファイバブラッグ格子センサは、焼灼ノイズの影響を受けなかった。残念ながら、ファイバをシャフト１０２に取り付けるために使用されるエポキシ系接着剤は、オートクレーブ機で洗浄するときに劣化する。これは、センサを再較正することが必要になり得、また、エポキシ系接着剤が脱落した場合に力感知に関する手術用器具の有効寿命を制限する可能性がある。

米国特許第８，３７５，８０８号

手術用器具は、力センサ装置を含む。力センサ装置は、センサカプセルを含む。センサカプセルは、ファラデーケージの一部である。歪みゲージが、センサカプセル内に取り付けられる。

手術用器具は、チューブ及び電子機器エンクロージャも含む。チューブは、第１の端部及び第２の端部を含む。チューブの第１の端部は、センサカプセルに接続される。チューブの第２の端部は、電子機器エンクロージャに接続される。チューブ及び電子機器エンクロージャは、ファラデーケージを完成させる。本明細書で使用される場合に、チューブは、円形断面を有することに限定されるものではない。

一態様では、センサカプセルは、片持ち梁として構成される。歪みゲージは、片持ち梁の内壁に取り付けられる。本明細書で使用される場合に、カプセルは、閉じた本体又は特定の形状のみを意味するものではなく、例えば、開放端を有するカプセルが開示される。

別の態様では、センサカプセルは、円筒形状チューブである。円筒形状チューブは、片持ち梁として力センサ装置に取り付けられる。この態様では、力センサ装置は、第１の複数の歪みゲージ及び第２の複数の歪みゲージも含む。

円筒形状チューブは、内壁、第１の端部及び第２の端部、及び長手方向軸を含む。長手方向軸は、円筒形状チューブの第１の端部と第２の端部との間に規定される。第１の複数の歪みゲージは、第１組の歪みゲージの各ゲージの中心が長手方向軸上の第１の位置に垂直な第１の面内にある状態で、円筒形状チューブの内壁に固定される。第２の複数の歪みゲージは、第２組の歪みゲージの各ゲージの中心が長手方向軸上の第１の位置とは異なる第２の位置に垂直な第２の面内にある状態で、円筒形状チューブの内壁に固定される。

第１の複数の歪みゲージ内の第１の歪みゲージ対が、ホイートストンブリッジの１つの脚部（第１の脚部）に構成される。第２の複数の歪みゲージ内の第１の歪みゲージ対が、ホイートストンブリッジの別の脚部（第２の脚部）に構成される。

力センサ装置は、円筒形状チューブ内に取り付けられた増幅器も含む。増幅器は、第１の入力端子、第２の入力端子、及び出力端子を有する。第１の入力端子は、ホイートストンブリッジの１つの脚部（第１の脚部）の出力に接続される。第２の出力端子は、ホイートストンブリッジの別の脚部（第２の脚部）の出力に接続される。増幅器は、第１の入力端子上の信号から第２の入力端子上の信号を減算するように構成され、且つ円筒形状チューブに作用する力を表す信号を出力端子に供給するように構成される。

力センサ装置は、片持ち梁、第１の複数の歪みゲージ、第２の複数の歪みゲージ、及び増幅回路を含む。片持ち梁は、内壁、第１の端部、第２の端部、及び長手方向軸を含む。内壁は、内部容積の境界を区切る。長手方向軸は、片持ち梁の第１の端部と第２の端部との間に規定される。片持ち梁は、ファラデーケージの一部である。

第１の複数の歪みゲージは、片持ち梁の内壁に取り付けられる。第１の複数の歪みゲージの各ゲージの中心が、長手方向軸上の第１の位置に垂直な第１の面内にある。第２の複数の歪みゲージも、片持ち梁の内壁に取り付けられる。第２の複数の歪みゲージの各ゲージの中心が、片持ち梁の長手方向軸上の第１の位置とは異なる第２の位置に垂直な第２の面内にある。

増幅回路は、片持ち梁の内部容積に取り付けられる。増幅回路は、第１の複数の歪みゲージ及び第２の複数の歪みゲージに接続される。増幅回路は、片持ち梁上の第１の方向の力を表す第１の信号を出力し、片持ち梁上の第１の方向に直交する第２の方向の力を表す第２の信号を出力するように構成される。

一態様では、第１の複数の歪みゲージ内の第１の歪みゲージ対が、ホイートストンブリッジの１つの脚部として構成される。第２の複数の歪みゲージ内の第１の歪みゲージ対が、ホイートストンブリッジの別の脚部として構成される。

増幅回路は、第１の入力端子、第２の入力端子、及び出力端子を有する第１の増幅器を含む。第１の入力端子は、ホイートストンブリッジの１つの脚部の出力に接続される。第２の入力端子は、ホイートストンブリッジの別の脚部の出力に接続される。増幅器は、第１の入力端子上の信号から第２の入力端子上の信号を減算するように構成され、且つ片持ち梁上の第１の方向の力を表す第１の信号を出力端子に供給するように構成される。

一態様では、方法は、センサカプセル内に歪みゲージを取り付けるステップと、センサカプセルを手術用器具内のファラデーケージに結合するステップとを含む。方法は、手術用器具内のセンサカプセルを片持ち梁として取り付けるステップも含む。

一態様では、歪みゲージを取り付けるステップは、第１の複数の歪みゲージを円筒形状チューブの内壁に取り付けるステップであって、円筒形状チューブはセンサカプセルの一部である、取り付けるステップと、第２の複数の歪みゲージを円筒形状チューブの内壁に取り付けるステップとを含む。第１の複数の歪みゲージは、円筒形状チューブの長手方向軸に沿って第２の複数の歪みゲージから分離される。

この態様では、この方法は、第１の複数の歪みゲージ内の歪みゲージ対をフル・ホイートストンブリッジ（full
Wheatstone Bridge）の第１の脚部として構成するステップであって、フル・ホイートストンブリッジは円筒形状チューブ内にある、構成するステップと、第２の複数の歪みゲージ内の歪みゲージ対をフル・ホイートストンブリッジの第２の脚部として構成するステップとをさらに含む。フル・ホイートストンブリッジの第１の脚部の出力は、増幅器の第１の入力端子に接続され、フル・ホイートストンブリッジの第２の脚部の出力は、増幅器の第２の入力端子に接続される。増幅器は円筒形状チューブ内にある。

コンピュータ支援手術システムで使用される従来技術の手術用器具の斜視図である。 コンピュータ支援手術システムで使用され、アーク焼灼によるノイズの影響を受けず、且つオートクレーブ可能な力センサ装置を含む手術用器具２００の斜視図である。 図２の手術用器具等の手術用器具内に含められるセンサカプセル、チューブ、及び電子機器エンクロージャを含むファラデーケージの一態様の図である。 図２の手術用器具等の手術用器具内に含められるセンサカプセル、チューブ、及び電子機器エンクロージャを含むファラデーケージの一態様の図である。 図２の手術用器具等の手術用器具内に含められるセンサカプセル、チューブ、及び電子機器エンクロージャを含むファラデーケージの一態様の図である。 図２の手術用器具の使用に適した別の力センサ装置の断面図である。 図４Ａの力センサ装置で使用されるストリップを形成するために、歪みゲージがプリント回路アセンブリ上に列として取り付けられる複数の歪みゲージを示す図である。 図４Ａの片持ち梁に取り付けられた図４Ｂのストリップの断面図である。 図４Ａの片持ち梁上の力を表す信号を生成するために使用されるホイートストンブリッジ及び増幅器の概略図である。 図４Ａの片持ち梁上の力を表す信号を生成するために使用されるホイートストンブリッジ及び増幅器の概略図である。 図４Ａの力センサ装置内の歪みゲージの向きを示す図である。 図４Ａの力センサ装置内の歪みゲージの向きを示す図である。 図４Ａの片持ち梁内に挿入される歪みゲージ及び増幅器構成の図である。

図面において、３桁の参照符号の最初の１桁は、その参照符号を有する要素が最初に現れる図番である。

手術用器具２００は、光ファイバ歪みゲージに依存することなくアーク焼灼によるノイズの影響を受けず、且つオートクレーブ可能な力センサ装置２０３を含む。手術用器具２００は、ハウジング２０１、シャフト２０２、力センサ装置２０３、関節２０４、及び端部要素２０５を含む。手術用エンドエフェクタ等の端部要素２０５は、例えば手首関節等の関節２０４を介して力センサ装置２０３に結合される。力センサ装置２０３は、シャフト２０２の先端部に結合され、且つ関節２０４に結合される。ハウジング２０１は、シャフト２０２の基端部に結合され、ハウジング２０１は、器具２００を器具マニピュレータアセンブリに機械的及び電気的に結合するインターフェイスを含む。図２では、矢印２９５は、基端方向及び先端方向を規定する。

以下により完全に説明するように、力センサ装置２０３は、ファラデーケージ２５０に取り囲まれた少なくとも１つの歪みゲージを含む。ファラデーケージ２５０は、１つ又は複数の歪みゲージ、チューブ２２０、及びエンクロージャ２３０を有するセンサカプセル２１０を含む。一態様では、センサカプセル２１０、チューブ２２０、及びエンクロージャ２３０のそれぞれは、金属、例えばステンレス鋼で製造される。カプセルの例が本明細書で提示されているが、これらの例は、カプセルを閉じた本体及び特定の形状に限定するものではない。また、本明細書で使用される場合に、チューブは、円形断面を有するチューブに限定されるものではない。

チューブ２２０の第１の端部がセンサカプセル２１０に取り付けられ、チューブ２２０の第２の端部がエンクロージャ２３０に取り付けられ、それによってファラデーケージ２５０の外面上の電圧又は電流がファラデーケージ２５０の内部に侵入できないようにする。

力センサ装置２０３は、センサカプセル２１０の内壁に取り付けられた、例えば内部容積内に取り付けられた１つ又は複数の抵抗歪みゲージを含む。抵抗歪みゲージ又は複数の抵抗歪みゲージは、センサカプセル２１０の曲げを感知し、それによって抵抗歪みゲージは、センサカプセル２１０上のトルクを測定する。

センサカプセル２１０の内部容積内に取り付けられた増幅器が、抵抗歪みゲージに接続される。増幅器は、抵抗歪みゲージから信号を取得し、センサカプセル２１０に作用する力を表す信号を生成する。これらの信号は、チューブ２２０の内側チャネルを通って、ハウジング２０１内のエンクロージャ２３０に収容された回路に至るワイヤ上で駆動される。エンクロージャ２３０内に収容された電子機器は、増幅器からの信号線上の信号を処理する。

こうして、センサカプセル２１０内に含まれる抵抗歪みゲージ及び関連する増幅器は、アーク焼灼によって誘発される任意のコモンモード電圧又は電流による影響を受けない、例えば、報告される抵抗歪みゲージのデータは、アーク焼灼が存在する場合にも、変化しない。歪みゲージ信号が数百マイクロボルトのレベルである一方、焼灼放電が数千ボルトのレベルであるため、ファラデーケージ２５０は重要である。アーク焼灼干渉は、歪みゲージの信号レベルよりも大きいオーダーである。

歪みゲージ、信号線、及び電子回路の周りのエンクロージャは、ファラデーケージとして作用するだけでなく、オートクレーブ処理の水蒸気及び高圧によって歪みゲージ及び電子機器が損害を受けるのを防止する密閉チャンバとしても作用する。もっとも、歪みゲージ及び電子機器は、オートクレーブ洗浄中の高温（１４０℃）状態に耐えられるように選択され、製造される。

図３Ａ〜図３Ｃは、手術用器具２００等の手術用器具内に含められるセンサカプセル３１０、チューブ３２０、及び電子機器エンクロージャ３３０を含むファラデーゲージ３５０の一態様を示す。センサカプセル３１０は、上部３１０−１（蓋）、及び底部３１０−２（ベース）を含む。一態様では、上部３１０−１及び底部半体は、それぞれステンレス鋼で製造される。

底部３１０−２は、平らな底部及び丸みを帯びた側面を有する。歪みゲージ３４０及び関連回路３４８が、底部３１０−２の平坦な底部の内面に取り付けられる。

この態様では、歪みゲージ３４０は、底部３１０−２の内側の平坦な底面上にスパッタ処理された面である。第１組のワイヤ３４１は、歪みゲージ３４０をホイートストンブリッジ増幅器３４２（一態様では、ワイヤボンディングされた集積回路である）に接続する。ホイートストンブリッジ増幅器３４２は、第２組のワイヤによってアナログ／デジタル変換器３４３（一態様では、ワイヤボンディングされた集積回路でもある）に接続される。アナログ／デジタル変換器３４３は、第３組のワイヤによって分離（isolation）及び差動ドライバ集積回路３４４に接続される。第４組のワイヤ、例えばワイヤ対３４５が、差動ドライバ集積回路３４４の出力に接続され、且つ一態様では、チューブ３２０、ハイポチューブを介して経路指定される（routed）。チューブ３２０は、ケーブル遮蔽体として機能する。一態様では、ホイートストンブリッジ増幅器３４２、アナログ／デジタル変換器３４３、分離及び差動ドライバ集積回路３４４は、金線のワイヤボンディングによって互いに接続される。

一態様では、チューブ３２０は、センサカプセル３１０の底部３０１−２にレーザ溶接されたステンレス鋼ハイポチューブである。チューブ３２０の基端部は、手術用器具の本体内に収容されている金属製のエンクロージャ３３０に溶接される。図３Ｂに示されるように、上部３１０−１は底部３１０−２にレーザ溶接され、センサカプセル３１０である密閉カプセルを形成する。この構成では、力センサ装置３０３は、力センサ装置３０３の長手方向軸３９０から離れる方向にカプセル３１０を曲げる力を測定する。

図３Ｃは、シャフト３０２の先端部に取り付けられた力センサ装置３０３を示す断面図である。矢印３９５は、図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃの基端方向及び先端方向を示す。手首関節３０４及びエンドエフェクタ３０５が、力センサ装置３０３に結合される。回路３４８は、ホイートストンブリッジ増幅器３４２、アナログ／デジタル変換器３４３、及び分離及び差動ドライバ集積回路３４４を表す。カプセル３１０は、力センサ装置３０３に片持ち梁として取り付けられ、エンドエフェクタ３０５に作用するある方向の力を測定する。

図４Ａは、手術用器具２００の使用に適した別の力センサ装置４０３の断面図である。図４Ａでは、力センサ装置４０３が、シャフト４０２の先端部に取り付けられる。手首関節４０４が、力センサ装置４０３の先端部に取り付けられ、端部要素４０５が、手首関節４０４に結合される。

シャフト４０２の先端部は、外径が小さくなっており、力センサ装置４０３の外壁である第１の円筒形状チューブ４５０が、減少したその直径の上を摺動する。矢印４９５は、図４Ａの基端方向及び先端方向を規定する。

力センサ装置４０３内のセンサカプセル４１０は第２の円筒形状チューブ４１０である。第２の円筒形状チューブ４１０の外径は、時にはチューブ４５０と呼ばれることもある第１の円筒形状チューブ４５０の内径よりも小さく、それによって第２の円筒形状チューブは、第１の円筒形状チューブ４５０の内側にフィットする。一態様では、チューブ４５０及びチューブ４１０は、それぞれ、ステンレス鋼管等の金属管である。

第２の円筒形状チューブ４１０（時には、チューブ４１０又はセンサカプセル４１０と呼ばれる）は、第１の円筒形状チューブ４５０の内部に取り付けられ、それによって第２の円筒形状チューブ４１０は片持ち梁として機能する。具体的には、チューブ４１０の基端部が、剛性を有する細長いブッシュ４５１によって力センサ装置４０３の基端部に固く固定される。チューブ４１０の残りの部分は、ブッシュ４５１から先端方向に延びる片持ち梁であり、チューブ４１０の自由先端部が手首関節４０４のハウジング内にある。

金属プラグが、チューブ４１０の先端部の内部にレーザ溶接される。あるいはまた、チューブは、一般にシリコーンＲＴＶと呼ばれる室温加硫シリコーン等の防水接着剤でシールすることができる。シリコーンＲＴＶを使用してチューブ４１０の先端部をシールするときに、チューブ４１０の内径のサイズを有する小さい非金属孔が残される。しかしながら、焼灼テストは、手術用器具の力センサ装置内で使用されるチューブの内径について、シリコーンＲＴＶでシールされたときのチューブの開口は歪みゲージデータと焼灼干渉をしないことを示した。こうして、開放端チューブは、ファラデーケージの有効な部分である。ケーブル遮蔽チューブ４２０の先端部、第１の端部は、チューブ４１０の基端部を通って延び、且つ溶接される又は接着剤でシールされる。ケーブル遮蔽チューブ４２０の基端部、第２の端部は、手術用器具の本体内のエンクロージャ（エンクロージャ３３０と同等である）に溶接又はシールされる。こうして、センサカプセル４１０及びケーブル遮蔽チューブ４２０は、ファラデーケージの一部である。

便宜上、ＸＹＺ座標系が、図４Ａに規定される。Ｚ軸は、シャフト４０２及び力センサ装置４０３の長手方向軸の方向にある。Ｙ軸４９２は、図４Ａの上下方向であり、Ｘ軸４９１（図示せず）は、ページを貫く方向である。力覚センサ装置４０３のＺ方向は、半径方向、ｘ方向、及びｙ方向とは対照的に、長手方向と呼ばれることがある。基端方向及び先端方向は、Ｚ方向に沿っている。

第１組の歪みゲージが、第１の複数の歪みゲージ４４０−１を含む。第１の複数の歪みゲージ４４０−１は、第１の位置４８１でチューブ４１０の内面に取り付けられる。第２組の歪みゲージが、第２の複数の歪みゲージ４４０−２を含む。第２の複数の歪みゲージ４４０−２は、第１の複数の歪みゲージ４４０−１の第１の位置４８１からの力センサ装置４０３の長手方向に一定の距離である第２の位置４８２で、チューブ４１０の内面に取り付けられる。

第１の複数の歪みゲージ４４０−１のそれぞれの中心は、第１の複数の歪みゲージ４４０−１がチューブ４１０の内径の周りに均等間隔で配置されるような一定の角度によって、第１の複数の歪みゲージの別の中心から分離される。その結果、第１の複数の歪みゲージ４４０−１のそれぞれの中心は、長手方向軸上の第１の位置４８１に垂直な第１の面内にある。

同様に、第２の複数の歪みゲージ４４０−２のそれぞれの中心は、第２の複数の歪みゲージ４４０−２がチューブ４１０の内径の周りに均等間隔で配置されるような一定の角度によって、第２の複数の歪みゲージ４４０−２の別の中心から分離される。その結果、第２の複数の歪みゲージ４４０−２のそれぞれの中心は、長手方向軸上の第２の位置４８２に垂直な第２の面内にある。

一態様では、第２の複数の歪みゲージ４４０−２は、４つの歪みゲージを含み、例えば図４Ｃを参照されたい。ここで、第２の複数の歪みゲージ４４０−２は、チューブ４１０の内面の周りに均等間隔で配置される歪みゲージＲＡ、ＲＢ、ＲＣ、及びＲＤ含む。各歪みゲージの中心が、９０度の角度だけ別の歪みゲージの中心から離される。また、歪みゲージＲＡ、ＲＢ、ＲＣ、及びＲＤのそれぞれの中心は、力センサ装置４０３の長手方向軸に垂直なＸＹ面にある。（本明細書及び図面において、太字の符号及び非太字の参照番号は、同一の参照符号である。太字は、明細書中の通常のテキストから参照符号を区別し易くするためにのみ使用され、異なる要素を区別することを意図しない。）

図４Ｃに示されるように、第１の複数の歪みゲージ４４０−１内の歪みゲージは同様に離間されている。図５Ｃ及び図５Ｄも参照されたい。

第１の複数の歪みゲージ４４０−１は、第１組のリード線４４１−１によって歪みゲージ増幅器４４８に接続される。歪みゲージ増幅器４４８は、チューブ４１０の内部容積内に含まれる。内部容積は、チューブ４１０の内壁によって境界が区切られる。第２の複数の歪みゲージ４４０−２は、第２組のリード線４４１−２によって歪みゲージ増幅器４４８に接続される。

リード線４４５が、歪みゲージ増幅器４４８を、手術用器具の本体の電子機器エンクロージャ内の電子機器に接続する。リード線４４５は遮蔽チューブを通過する。一態様では、リード線４４５は、５つのリード線、電源リード線、接地リード線、Ｘ軸力リード線、Ｙ軸力リード線、及び温度リードを含む。

力が（長手方向軸に垂直に）センサカプセル４１０の先端部に沿ったどこか（今説明したように、片持ち梁の先端部である）に加えられたときに、センサカプセル４１０は曲がる。チューブ４１０内部の第１及び第２の複数の歪みゲージ４４０−１、４４０−２は、いくつかの位置でチューブ４１０上の歪みを感知し、チューブ４１０上の曲げ応力を測定する。応力は、チューブ４１０上のトルク（又は曲げモーメント：梁の長さ及び加えられる力によって生じる）の尺度である。力がチューブ４１０に沿ってその長さに沿った異なる位置で加えられる（又は、チューブ４１０の長さが変化する）場合に、トルク値が変化する。しかしながら、２つの複数の歪みゲージ４４０−１、４４０−２は、図４Ａに示されるように、チューブ４１０の長さに沿って互いに分離され、２つの位置のそれぞれのトルクを測定する。測定トルクの代数学的減算によって、力がチューブの長さ方向に沿って加えられる場合とは無関係に、チューブ４１０上の力の値が得られる。これは、シャフトに作用する力が、最も先端側の組の歪みゲージに対して先端の位置にあることを前提としている。

以前に参照により組み込まれた特許文献１は、チューブの外面に取り付けられた歪みゲージについて、有効レバーアーム長さの変動とは無関係に且つｚ軸力の変化とは無関係に、横方向の力を測定できることを実証する。特許文献１における力及びトルクの導出が、チューブの外側に位置する歪みゲージについてのものであるが、この導出は、チューブの内面上の歪みゲージにも適用可能であり、そのため本明細書でさらに詳細に検討しない。

第１の複数の歪みゲージ４４０−１は、シャフト４０２のＺ軸上の第１の位置４８１において、シャフト４０２のＸ及びＹ軸に沿った片持ち梁、すなわちチューブ４１０上の歪みを測定する。第２の複数の歪みゲージ４４０−２は、シャフト４０２のＺ軸上の第１の位置とは異なる第２の位置４８２において、シャフト４０２のＸ及びＹ軸に沿った片持ち梁、すなわちチューブ４１０上の歪みを測定する。

第１の位置４８１でＸ軸上に位置する、第１の複数の歪みゲージ４４０−１内の２つの歪みゲージ、及び第２の位置４８２でＸ軸上に位置する、第２の複数の歪みゲージ４４０−２内の２つの歪みゲージは、フル・ホイートストンブリッジ（full
Wheatstone bridge）構成を形成するように相互接続される。第１の位置４８１における第１の複数の歪みゲージ４４０−１内の２つのＸ軸歪みゲージからの出力、及び第２の位置４８２における第２の複数の歪みゲージ４４０−２内の２つのＸ軸歪みゲージからの出力が、歪みゲージ増幅器４４８内の増幅器に供給され、ここで２つの出力が減算及び増幅され、シャフト４０２上のＸ軸力が得られる。本明細書で、歪みゲージが軸上に位置していると言われるときに、それは、歪みゲージの中心がその軸上にほぼ位置している、すなわち、中心が製造公差内で軸上にあることを意味する。

同様に、第１の位置４８１でＹ軸上に位置する、第１の複数の歪みゲージ４４０−１内の２つの歪みゲージ、及び第２の位置４８２でＹ軸上に位置する、第２の複数の歪みゲージ４４０−２内の２つの歪みゲージは、フル・ホイートストンブリッジ構成を形成するように相互接続される。第１の位置４８１における第１の複数の歪みゲージ４４０−１内の２つのＹ軸歪みゲージからの出力、及び第２の位置４８２における第２の複数の歪みゲージ４４０−２内の２つのＹ軸歪みゲージからの出力が、歪みゲージ増幅器４４８内の第２の増幅器に供給され、ここで２つの出力が、減算及び増幅され、シャフト４０２上のＹ軸力を表す信号が得られる。

こうして、手術用器具のハウジング内の電子機器又は手術システム内の他の場所にトルクを出力してＸ軸力及びＹ軸力を得る従前の構成とは異なり、力センサ装置４０３は、Ｘ軸力及びＹ軸力を表す信号を直接的に生成し、これは、Ｘ軸力及びＹ軸力を直接的に生成すると言われる。

これはいくつかの利点を有する。それは、力センサ装置４０３に必要なフル・ホイートストンブリッジの数を減らす。それは、力センサ装置４０３から信号を伝えるのに必要なリード線の数を減らし、必要な増幅器の数を減らす。それは、測定トルクから力を発生させるために必要な処理時間も削減する。必要なホイートストンブリッジ、リード線、及び増幅器の数の減少は、力センサ装置４０３をより小さい体積で実装することを実現可能にし、手術用器具のシャフトの先端部等の制限された容積において有利となる。

１組の歪みゲージをチューブ４１０の内部に容易に取り付けるために、一態様では、歪みゲージは、４つの歪みゲージのストリップとして列（row）で形成される。図４Ｂは、第２の複数の歪みゲージ４４０−２の図であり、歪みゲージＲＡ、ＲＢ、ＲＣ、及びＲＤは、プリント回路アセンブリ上に列で取り付けられてストリップ４４３−２を形成し、この例では矩形ストリップである。第１の複数の歪みゲージ４４０−１も同様の構成を有する。図５Ｅを参照のこと。

歪みゲージＲＡ、ＲＢ、ＲＣ、及びＲＤは、プリント回路アセンブリに半田付けされ、その結果、ストリップ４４３−２と称される。ストリップ４４３−２は、円筒（シリンダ）内でカールしてチューブ４１０内部に配置される。Ｘ軸歪みゲージ及びＹ軸歪みゲージはストリップ４４３−２上に交互配置され、ストリップ４４３−２がチューブ４１０の内部に配置されたときに、Ｘ軸歪みゲージがチューブ４１０のＸ軸上に中心が置かれ、及びＹ軸歪みゲージがチューブ４１０のＹ軸上に中心が置かれる。この４極設計は、歪みゲージをチューブの内面上の正しい位置に位置付けするのを助ける。

ストリップ４４３−２の長さＬは、図４Ｃに示されるように、ストリップ４４３−２がチューブ４１０内に取り付けられたときに、ストリップ４４３−２の２つの端部の間にギャップ４３８を残しつつ可能な限り小さくされる。ギャップ４３８の目的は、挿入中にストリップ４４３−２をより緊密に（隙間なく）カールアップ（丸め）させ、チューブ内径よりも小さいカール状態のストリップ径を製造できるようにすることである。カール状態のストリップ４４３−２の外面が、接着剤によって粘着性を有し、且つチューブ内への挿入中に減少した径を必要とする。こうして、ストリップ４４３−２の長さＬは、チューブ４１０の内面の内周よりも小さい。

図５Ａ及び図５Ｂは、片持ち梁式の第２の円筒形状チューブ４１０上の力を表す信号を生成するために使用されるホイートストンブリッジ及び増幅器の概略図である。図５Ｃ及び図５Ｄは、力センサ装置内の歪みゲージの向きを示す。図５Ｅは、チューブ４１０内に挿入された歪みゲージ及び増幅器構成の図である。

第１の複数の歪みゲージ４４０−１内のＸ軸歪みゲージＲ１及びＲ３のそれぞれの中心（図５Ｄ参照）が、Ｘ軸４９１−１上で、第１の位置４８１を通ってシャフト４０２の長手方向軸に沿って延びる面内に位置する。第２の複数の歪みゲージ４４０−２内の歪みゲージＲＡ及びＲＣのそれぞれの中心（図５Ｃ）が、Ｘ軸４９１−２上で、第２の位置を通って延びる面内に位置する。

歪みゲージＲ１及びＲ３並びに歪みゲージＲＡ及びＲＣは、図５Ａに示されるように完全なＸ軸ホイートストンブリッジ（full
X-axis Wheatstone bridge）を形成するように接続される。抵抗ＲＬは、図５Ｅのリード線ＲＬの抵抗である。（図５Ａ及び図５Ｂでは、同一の参照符号は、その素子の抵抗に関する要素に使用される。）ブリッジ励起電圧源５４５−Ｘは、完全なＸ軸ホイートストンブリッジの２組の歪みゲージに電力供給する。

Ｘ軸歪みゲージＲ１及びＲ３は、完全なＸ軸ホイートストンブリッジの第１の脚部を形成する。Ｘ軸歪みゲージＲ１及びＲ３からの出力は、第１の増幅器５４６−Ｘへの第１の入力である。Ｘ軸歪みゲージＲＡ及びＲＣは、完全なＸ軸ホイートストンブリッジの第２の脚部を形成する。Ｘ軸歪みゲージＲＡ及びＲＣからの出力は、歪みゲージ増幅器４４８の増幅器５４６−Ｘへの第２の入力である。増幅器５４６−Ｘは、ホイートストンブリッジの２つの脚部からの出力を減算し、シャフト４０２上のＸ軸力を表す信号をＸ軸力出力ライン４４５―Ｘ上で駆動する。

同様に、第１の複数の歪みゲージ４４０−１内のＹ軸歪みゲージＲ２及びＲ４のそれぞれの中心（図５Ｄ）が、Ｙ軸４９１−１上で、第１の位置４８１を通ってシャフト４０２の長手方向軸に沿って延びる面内に位置する。第２の複数の歪みゲージ４４０−２内の歪みゲージＲＢ及びＲＤのそれぞれの中心（図５Ｃ）が、Ｘ軸４９１−２上で、第２の位置４８２を通って延びる面内に位置する。

歪みゲージＲ２及びＲ４並びに歪みゲージＲＢ及びＲＤは、図５Ｂに示されるように、完全なＹ軸ホイートストンブリッジを形成するように接続される。歪みゲージＲ２及びＲ４は、完全なＹ軸ホイートストンブリッジの第１の脚部を形成し、歪みゲージＲＢ及びＲＤは、完全なＹ軸ホイートストンブリッジの第２の脚部を形成する。抵抗ＲＬは、図５Ｅのリード線ＲＬの抵抗である。

ブリッジ励起電圧源５４５−Ｙは、完全なＹ軸ホイートストンブリッジ内の２組の歪みゲージに電力供給する。Ｙ軸歪みゲージＲ２及びＲ４からの出力は、第２の増幅器５４６−Ｙへの第１の入力であり、Ｙ軸歪みゲージＲＢ及びＲＤからの出力は、歪みゲージ増幅器４４８の増幅器５４６−Ｙへの第２の入力である。増幅器５４６−Ｙは、２つの出力を減算し、シャフト４０２上のＹ軸力を表す信号をＹ軸力出力ライン４４５−Ｙ上で駆動する。一態様では、ブリッジ励起電圧源５４５−Ｙ及びブリッジ励起電圧源５４５−Ｘは、共通の電源である。

上述したように、歪みゲージＲ１、Ｒ２、Ｒ３、及びＲ４は、第１のプリント回路アセンブリに半田付けされ、すなわち、プリント回路アセンブリに取り付けられた面に半田付けされ、第１の複数の歪みゲージ４４０−１を形成する（図５Ｅ参照）。歪みゲージＲＡ、ＲＢ、ＲＣ、及びＲＤは、第２のプリント回路アセンブリに半田付けされ、第２の複数の歪みゲージ４４０−２を形成する。一態様では、歪みゲージＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、ＲＡ、ＲＢ、ＲＣ、及びＲＤのそれぞれは、カルマ（Karma）材質の高温度定格の器具グレードの歪みゲージであり、ゼロ負荷出力がオートクレーブサイクルに対して最小限にドリフトする。

歪みゲージ増幅器４４８は、任意のアナログ／デジタル変換器、集積回路、又は任意の差動ドライバ集積回路を含まない。これらの集積回路は、手術用器具の本体のファラデーケージエンクロージャ内の電子機器に含められる。歪みゲージ増幅器４４８は、剛性プリント回路基板５４８上に取り付けられる。第１の可撓性集積回路５４１−１は、剛性プリント回路基板５４８を第１の複数の歪みゲージ４４０−１に接続する。第２の可撓性集積回路５４１−２は、剛性プリント回路基板５４８を第２の複数の歪みゲージ４４０−２に接続する。第１の複数の歪みゲージ４４０−１の中心は、長手方向距離Ｚｓｅｐ（一態様では、３４ｍｍである）だけ第２の複数の歪みゲージの中心から離される。

本明細書で使用される場合に、「第１」、「第２」「第３」等は、異なる構成要素又は要素を区別するために使用される形容詞である。従って、「第１」、「第２」「第３」は、構成要素又は要素の順序を意味する又は構成要素又は要素の総数を意味することを意図していない。

本発明の態様及び実施形態を示す上記の説明及び添付図面は、制限として解釈すべきではなく、特許請求の範囲が、保護される発明を規定する。この詳細な説明及び特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の機械的、組成的、構造的、電気的、及び操作上の変更を行うことができる。いくつかの例では、周知の回路、構造、及び技術は、本発明を不明瞭にすることを避けるために、詳細に図示又は記載していない。

さらに、本明細書の用語は、本発明を限定することを意図していない。例えば、「〜の下に(beneath)」、「〜より下の(below)」、「〜の下方の(lower)」、「〜より上の(above)」、「〜の上方の(upper)」、「基端の(proximal)」、「先端の(distal)」等の空間に関連する用語は、図に示される１つの要素又は機構に対して別の要素又は機構との関係を説明するために使用される。これらの空間に関連する用語は、図面に示される位置及び向きに加えて、使用又は操作中の装置の異なる位置（すなわち、配置）及び向き（すなわち、回転位置）を包含することを意図している。例えば図面内の装置をひっくり返した場合に、他の要素又は機構「より下の(below)」又は「の下に(beneath)」として説明された要素は、次に、その他の要素又は機構「より上の(above)」又は「の上に(over)」となる。従って、例示的な用語「〜より下の(below)」は、「〜より上の(above)」及び「〜より下の(below)」両方の位置及び向きを包含することができる。装置を他の方法で向き合わせ（９０度回転又は他の向きに）してもよく、本明細書で使用される空間に関連する説明は、それに応じて解釈される。同様に、様々な軸線に沿った及びこの軸線周りの運動の説明は、装置の様々な特別な位置及び向きを含む。

単数形「１つの(a, an)」及び「その(the)」は、文脈が他に指示しない限り、複数形も含むことを意図している。用語「備える、有する、含む(comprises, comprising)」、「含む、有する(includes)」等は、説明した特徴、ステップ、操作、要素、及び／又は構成要素の存在を特定するが、１つ又は複数の他の特徴、ステップ、操作、要素、構成要素、及び／又はグループの存在又は追加を排除するものではない。「結合した（coupled）」として説明した構成要素は、電気的に又は機械的に直接的に結合されるか、又は１つ又は複数の中間要素を介して間接的に結合されてもよい。

全ての例及び説明の参考文献は非限定的なものであって、特許請求の範囲を本明細書に記載の具体的な実装形態及び実施形態及びそれらの均等物に限定するために使用すべきではない。１つの見出しの下にあるテキストは、相互参照され得るか、又は１つ又は複数の見出しの下にあるテキストに適用され得るため、見出しは単に書式的なものであり、主題を制限するために使用すべきではない。最後に、本開示を考慮して、一態様又は実施形態に関連して説明した特定の特徴は、図面に具体的に示されていないか又は本文に記載されていなくても、本発明の他に開示された態様又は実施形態に適用し得る。

上記の実施形態は、本開示を例示するが、本開示を限定するものではない。また、本開示の原理に従って多くの修正及び変形が可能であることも理解すべきである。例えば、多くの態様において、本明細書に記載の装置は、単一ポート装置として使用される。すなわち、外科的処置を完了するために必要な全ての構成要素は、単一の入口ポートを介して身体に入る。しかしながら、いくつかの態様では、複数の装置及びポートを使用してもよい。

Claims (20)

1. 力センサ装置を有する手術用器具であって、
   前記力センサ装置は、
   ファラデーケージの一部であるセンサカプセルと、
   該センサカプセル内に取り付けられた歪みゲージと、を有する、
   手術用器具。
2. 第１の端部と第２の端部とを有するチューブをさらに有し、前記第１の端部は前記センサカプセルに接続され、前記チューブは前記ファラデーケージの一部である、請求項１に記載の手術用器具。
3. 前記チューブの前記第２の端部に接続された電子機器エンクロージャをさらに有し、該電子機器エンクロージャは前記ファラデーケージの一部である、請求項２に記載の手術用器具。
4. 前記センサカプセルは片持ち梁を含む、請求項１に記載の手術用器具。
5. 前記歪みゲージは、前記片持ち梁の内壁に取り付けられる、請求項４に記載の手術用器具。
6. 前記センサカプセルは円筒形状チューブを含み、該円筒形状チューブは、前記力センサ装置内に片持ち梁として取り付けられる、請求項１に記載の手術用器具。
7. 前記力センサ装置は、第１の複数の歪みゲージ及び第２の複数の歪みゲージをさらに含み、前記歪みゲージは、前記第１の複数の歪みゲージ及び前記第２の複数の歪みゲージのうちの一方内のゲージである、請求項６に記載の手術用器具。
8. 前記円筒形状チューブは、内壁、第１の端部、第２の端部、及び長手方向軸を含み、該長手方向軸は、前記第１の端部と前記第２の端部との間に規定され、
   前記第１の複数の歪みゲージは、該第１の複数の歪みゲージの各ゲージの中心が前記長手方向軸上の第１の位置に垂直な第１の面内にある状態で、前記円筒形状チューブの前記内壁に固定され、
   前記第２の複数の歪みゲージは、該第２の複数の歪みゲージの各ゲージの中心が前記長手方向軸上の第２の位置に垂直な第２の面内にある状態で、前記円筒形状チューブの前記内壁に固定される、請求項７に記載の手術用器具。
9. 前記第１の複数の歪みゲージ内の第１の歪みゲージ対が、ホイートストンブリッジの第１の脚部として構成され、
   前記第２の複数の歪みゲージ内の第１の歪みゲージ対が、前記ホイートストンブリッジの第２の脚部として構成される、請求項８に記載の手術用器具。
10. 前記力センサ装置は、前記円筒形状チューブ内に取り付けられた増幅器であって、第１の入力端子、第２の入力端子、及び出力端子を有する増幅器をさらに有しており、
    前記第１の入力端子は、前記ホイートストンブリッジの前記第１の脚部の出力に接続され、
    前記第２の入力端子は、前記ホイートストンブリッジの前記第２の脚部の出力に接続され、
    前記増幅器は、前記第１の入力端子上の第１の信号から前記第２の入力端子上の第２の信号を減算するように構成され、且つ前記円筒形状チューブに作用する力を表す出力信号を前記出力端子に供給するように構成される、請求項９に記載の手術用器具。
11. 力センサ装置であって、当該力センサ装置は、
    内壁、第１の端部、第２の端部、及び長手方向軸を含む片持ち梁であって、前記内壁は内部容積の境界を区切り、前記長手方向軸は第１の端部と第２の端部との間に規定される、片持ち梁と、
    前記内壁に取り付けられた第１の複数の歪みゲージであって、該第１の複数の歪みゲージのそれぞれの中心が、前記長手方向軸上の第１の位置に垂直な第１の面内にある、第１の複数の歪みゲージと、
    前記内壁に取り付けられた第２の複数の歪みゲージであって、該第２の複数の歪みゲージのそれぞれの中心が、前記長手方向軸上の前記第１の位置と異なる第２の位置に垂直な第２の面内にある、第２の複数の歪みゲージと、
    前記内部容積に取り付けられた増幅回路であって、該増幅回路は、第１の複数の歪みゲージ及び第２の複数の歪みゲージに接続され、且つ前記片持ち梁上の第１の方向の力を表す第１の信号を出力し、前記片持ち梁上の前記第１の方向に直交する第２の方向の力を表す第２の信号を出力するように構成される、増幅器と、を有する、
    力センサ装置。
12. 前記第１の複数の歪みゲージ内の第１の歪みゲージ対がホイートストンブリッジの１つの脚部として構成され、
    前記第２の複数の歪みゲージ内の第１の歪みゲージ対が前記ホイートストンブリッジの別の脚部として構成される、請求項１１に記載の力センサ装置。
13. 前記増幅回路は、
    第１の入力端子、第２の入力端子、及び出力端子を有する第１の増幅器をさらに有しており、
    前記第１の入力端子は、前記ホイートストンブリッジの１つの脚部の出力に接続され、
    前記第２の入力端子は、前記ホイートストンブリッジの前記別の脚部の出力に接続され、
    前記増幅器は、前記第１の入力端子上の信号から前記第２の入力端子上の信号を減算するように構成され、且つ前記片持ち梁上の前記第１の方向の前記力を表す前記第１の信号を前記出力端子上に供給するように構成される、請求項１２に記載の力センサ装置。
14. 前記片持ち梁はファラデーケージの一部である、請求項１１に記載の力センサ装置。
15. 方法であって、当該方法は、
    センサカプセル内に歪みゲージを取り付けるステップと、
    前記センサカプセルを手術用器具内のファラデーケージに結合するステップと、を含む、
    方法。
16. 前記手術用器具内の前記センサカプセルを片持ち梁として取り付けるステップを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記歪みゲージを取り付けるステップは、
    第１の複数の歪みゲージを円筒形状チューブの内壁に取り付けるステップであって、前記円筒形状チューブは前記センサカプセルの一部である、取り付けるステップを含む、請求項１５に記載の方法。
18. 前記歪みゲージを取り付けるステップは、
    第２の複数の歪みゲージを前記円筒形状チューブの前記内壁に取り付けるステップであって、前記第１の複数の歪みゲージは、前記円筒形状チューブの長手方向軸に沿って前記第２の複数の歪みゲージから離される、取り付けるステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記第１の複数の歪みゲージ内の歪みゲージ対をフル・ホイートストンブリッジの第１の脚部として構成するステップであって、前記フル・ホイートストンブリッジは前記円筒形状チューブ内にある、構成するステップと、
    前記第２の複数の歪みゲージ内の歪みゲージ対を前記フル・ホイートストンブリッジの第２の脚部として構成するステップと、をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記フル・ホイートストンブリッジの第１の脚部の出力を増幅器の第１の入力端子に接続するステップと、
    前記フル・ホイートストンブリッジの第２の脚部の出力を前記増幅器の第２の入力端子に接続するステップであって、前記増幅器は円筒形状チューブ内にある、接続するステップと、をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
    
    

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