彎曲套管和機器人操縱器的制造方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請日為2010年11月10日、名稱為"彎曲套管和機器人操縱器"的中 國專利申請201080051192. 9的分案申請。
[0002] 相關申請的交叉引用
[0003] 本申請是美國專利申請No. 12/618, 549 (于2009年11月13日提交）[律師卷 號ISRG02390/US](公開了"彎曲套管（CurvedCannula)"）的部分繼續，該申請要求美 國臨時專利申請No. 61/245, 171 (2009年9月23日提交）（公開了"彎曲套管（Curved Cannula) "）的權益，這兩個申請均通過引用結合到本文。
[0004] 本申請可能涉及以下申請：美國專利申請No. 12/618, 583 (2009年11月13 日提交）[律師卷號ISRG02391/US](公開了 "彎曲套管手術系統（CurvedCannula SurgicalSystem)"）、美國專利申請No. 12/618, 608(2009年11月13日提交）[律師卷 號ISRG02393/US](公開了"彎曲套管器械（CurvedCannulaInstrument) "）、美國專利 申請No. 12/618,621(2009年11月13日提交）[律師卷號ISRG02394/US](公開了"手 術端口構件（SurgicalPortFeature)"）以及美國專利申請No. 12/618, 631(2009 年 11 月13日提交）[律師卷號ISRG02395/US](公開了"套管安裝固定件（CannulaMounting Fixture) "），所有這些申請都通過引用結合到本文。
技術領域
[0005] 本發明各方面涉及微創手術，更具體地涉及微創機器人手術系統，并且還更具體 地涉及穿過單個進入點進入病人體內工作的微創機器人手術系統。
【背景技術】
[0006] 微創手術的益處是眾所周知的，并且與傳統的開放式切口手術相比它們包括病 人的更少創傷、更少失血和更快的恢復時間。此外，機器人手術系統（例如，提供遠程呈 現的遙控機器人系統）諸如加利福尼亞州Sunnyvale的直觀外科手術公司（Intuitive Surgical,Inc.)的daVinci?手術系統的使用是已知的。與手動微創手術相比，此類機 器人手術系統可以允許外科醫生以直觀控制和提高的精確度來進行操作。
[0007] 為了進一步減少病人創傷并且保留機器人手術系統的益處，外科醫生已經開始執 行通過經皮膚的單個切口來研宄或處理病人狀況的手術程序。在一些情況下，這樣的"單端 口入路（portaccess)"手術已經采用手動器械或采用現有機器人手術系統執行。因此，期 望的是改進的設備和方法，與使用現有的設備和方法相比，其能夠使外科醫生更有效地進 行單端口入路手術。還期望的是能夠容易地修改一般用于執行這種單端口入路手術的多切 口（多端口）手術的現有機器人手術系統。
【發明內容】
[0008] 在一個方面，手術系統包括機器人操縱器、彎曲套管以及延伸穿過該彎曲套管的 具有被動柔性軸的器械。該機器人操縱器使該彎曲套管繞遠程運動中心移動，該運動中心 被設置在病人體內的開口處（例如切口、天然孔口），從而使得該彎曲套管提供該手術器械 在手術部位處的三角測量角度。在一個實現方式中，使用內窺鏡以及兩個這樣的彎曲套管， 其中彎曲套管的遠端被定向為朝向手術部位呈不同的角度，從而使得實現有效的器械三角 測量，這允許外科醫生在該手術部位處有效地工作并觀看該手術部位。
[0009] 在另一方面，該彎曲套管包括直區段和相鄰的彎曲區段。機器人操縱器安裝支架 被耦連至該直區段上。第二直區段可以被耦連至該彎曲區段的相反末端上，以便有助于從 該套管的遠端延伸出的被動柔性的手術器械朝手術部位的對齊。
[0010] 在另一方面，手術器械包括被動柔性軸和耦連至該軸的遠端的手術末端執行器。 該柔性軸延伸穿過彎曲套管，并且該柔性軸的遠端區段延伸至懸出該彎曲套管的遠端。該 柔性軸的遠端區段是足夠剛性的，以便在手術部位提供有效的手術動作，而它是足夠柔性 的，以便允許其穿過該彎曲套管插入和抽出。在一些方面，該器械軸的遠端區段的硬度大于 在手術程序中該套管的彎曲區段中剩余的軸的區段的硬度。
[0011] 在另一方面，手術端口構件是單個主體，該單個主體在其頂表面與底表面之間包 括（多個）通道。這些通道在相反方向上成角度，以便以期望的角度來夾持這些彎曲套管 的直區段。該主體是足夠柔性的，以便允許彎曲套管繞遠程運動中心移動，遠程運動中心大 體位于通道內。在一些方面，該端口構件包括用于內窺鏡套管的通道和/或一個或多個輔 助通道。這些通道可以包括不同的密封件。
[0012] 在另一個方面，公開第二端口構件，該第二端口構件包括上部漏斗狀部分和下部 舌狀件。用于手術器械的通道（如彎曲套管）被限定在腰部區段中，該腰部區段將該漏斗 狀部分與該舌狀件連結起來。在一個方面，該第二端口構件被用于要求器械以相對小的角 度（銳角）進入病人體內的手術，因為該端口構件有助于防止器械與病人身體之間的不必 要的應力，反之亦然。
[0013] 在另一方面，公開套管安裝固定件。這些固定件支撐套管以便插入并對接到它們 的相關聯的機器人操縱器上。在一個方面，固定件包括（多個）臂，這些臂夾持內窺鏡套管 和彎曲的器械套管。在另一方面，固定件被配置為帽，這個帽夾持內窺鏡和彎曲套管的遠 端。這個帽的指向有助于插入病人內的開口之中。
[0014] 在另一方面，公開了帶有彎曲套管的機器人手術系統的控制系統。該控制系統使 用與該彎曲套管相關聯的運動學數據。為了給外科醫生提供直觀控制體驗，該控制系統命 令機器人操縱器響應于外科醫生在主操縱器處的輸入而使該彎曲套管及其器械移動，就好 像該器械被定位成沿著從該彎曲套管的遠端延伸的一條直軸線與該套管的彎曲區段的遠 端大致相切。
【附圖說明】
[0015] 圖IA是機器人手術系統中病人側推車的前向正視圖。
[0016] 圖IB是機器人手術系統中外科醫生控制臺的前向正視圖。
[0017] 圖IC是機器人手術系統中視頻推車的前向正視圖。
[0018] 圖2A是器械臂的側面正視圖。
[0019] 圖2B是安裝有器械的操縱器的透視圖。
[0020]圖2C是安裝有攝像機的攝像機臂的一部分的側面正視圖。
[0021] 圖3是穿過體壁插入而抵達手術部位的多個套管和相關聯的器械的圖解視圖。
[0022] 圖4A是病人側機器人操縱器的一部分的示意圖，該操縱器支撐并移動彎曲套管 和被動柔性手術器械的組合。
[0023] 圖4B是示出加在圖4A的視圖上的第二病人側機器人操縱器的示意圖，該第二病 人側機器人操縱器支撐并移動第二彎曲套管和被動柔性手術器械的組合。
[0024] 圖4C是示出加在圖4B視圖上的內窺鏡攝像機操縱器的示意圖，該內窺鏡攝像機 操縱器支撐內窺鏡。
[0025] 圖5是柔性器械的圖解視圖。
[0026] 圖6A是拉動（pull/pull)式器械設計的圖解視圖。
[0027] 圖6B是推拉（push/pull)式器械設計的圖解視圖。
[0028] 圖7A是力傳遞機構的底視圖。
[0029] 圖7B是用于拉動式器械設計中的力傳遞機構的平面圖。
[0030] 圖7C是用于推拉式器械設計中的力傳遞機構的平面圖。
[0031] 圖7D是用于推拉式器械設計中的另一力傳遞機構的平面圖。
[0032] 圖8A是器械軸的一部分的剖視透視圖。
[0033] 圖8B是另一器械軸設計的圖解透視截面視圖。
[0034] 圖8C是另一器械軸的一部分的剖視透視圖。
[0035] 圖8D是又一器械軸設計的圖解透視圖。
[0036] 圖9A是柔性軸器械的遠端的分解透視圖。
[0037] 圖9B是圖9A中描繪的實現方式的截面視圖。
[0038] 圖9C是拉動型末端執行器的圖解視圖。
[0039] 圖9D是另一柔性軸器械的遠端的分解透視圖。
[0040] 圖9E是推拉型末端執行器的圖解視圖。
[0041] 圖9F是器械軸端帽的圖解透視圖。
[0042] 圖10是彎曲套管的圖解視圖。
[0043] 圖IOA是對齊的鍵構件（keyfeature)的圖解視圖。
[0044] 圖IOB套管末端間隙檢測系統的示意圖。
[0045] 圖IlA和IlB圖示說明套管取向。
[0046] 圖IlC是帶有多個操縱器的機器人手術系統的平面圖，其中這些操縱器處于一個 示例性姿勢以定位多個彎曲套管。
[0047] 圖12A、12B和12C是示出延伸穿過各種套管構型并且從中延伸的器械軸的圖解視 圖。
[0048] 圖13是圖示說明另一彎曲套管和柔性器械組合的示意圖。
[0049] 圖14A是端口構件的圖解平面視圖。
[0050] 圖14B是端口構件的圖解透視圖。
[0051] 圖15A是在圖14A中切割線處截取的圖解截面視圖。
[0052] 圖15B示出圖15A中所描繪的密封件的細節。
[0053] 圖15C是在圖14A中另一個切割線處截取的圖解截面視圖。
[0054] 圖IOT是圖示說明端口構件中的導電層的圖解截面視圖。
[0055] 圖15E示出另一密封件的細節。
[0056] 圖16A是各種皮膚和筋膜切口的圖解視圖。
[0057] 圖16B是另一端口構件的圖解透視截面視圖。
[0058] 圖17A和17B是又一端口構件的圖解視圖。
[0059] 圖18A和18B是又一個端口構件的圖解視圖。
[0060] 圖19A是套管插入/穩定固定件的透視圖。
[0061] 圖19B是套管插入/穩定固定件的另一個透視圖。
[0062] 圖19C是套管穩定固定件的圖解透視圖。
[0063] 圖20A-20D是圖示說明插入套管的另一種方法的圖解視圖。
[0064] 圖21是彎曲套管和各種參考軸線的圖解視圖。
[0065] 圖22是彎曲套管和帶有相關光纖應變傳感器的柔性器械遠端的圖解視圖。
[0066] 圖23是控制系統構造的圖解視圖。
【具體實施方式】
[0067] 示例說明多個發明性方面和實施例方案的說明和附圖不應被認為限制性的，權利 要求書限定了受保護的發明。可以進行各種機械的、組成的、結構的、電氣的和操作的改變， 而不偏離本說明書和權利要求書的精神和范圍。在一些情況下，為了不使本發明模糊，熟知 的電路、結構和技術未詳細地示出或說明。在兩個或更多個附圖中相同的數字表示相同或 類似的元件。
[0068] 另外，本說明書的術語不旨在限制本發明。例如，空間相關術語，例如"之下/下 方"、"以下/在……下面"、"下部"、"之上/上方"、"以上/在……上面"、"近側/近端"和 "遠側/遠端"等，可以用于描述如在這些附圖中圖示說明的一個元件或構件與另一個元件 或構件的關系。這些空間相關術語旨在包含除圖中所示的位置和取向之外，設備在使用或 操作中的不同位置（即，定位）和取向（即，旋轉位置）。例如，如果這些附圖中一個設備被 翻轉，描述為在其他元件或構件"以下"或"之下"的元件則應當在這些其他元件或構件"以 上"或"之上"。因此，示例性術語"以下"可以包含以上和以下的位置和取向兩者。另外，一 個設備可以被定向（旋轉90度或以其他取向）并且因此用在此使用的空間相關描述語進 行解釋。同樣，沿著并且環繞各個軸線移動的說明包括各種特定的設備位置和取向。此外， 單數形式"一"、"一個"和"所述/該"也旨在包含復數形式，除非在上下文中另外地指出。 并且，術語"包括"、"包括有"和"包含"等限定了所述構件、步驟、操作、元件和/或部件的存 在但不排除一種或多種其他構件、步驟、操作、元件、部件和/或組的存在或加入。描述為耦 連的部件可以是直接電耦合或機械耦連，或它們可以經由一個或多個中間部件間接耦連。
[0069] 在實踐時參考一個實施例詳細說明的要素及其相關方面可以被包括在它們在其 中未被明確示出或說明的其他實施例中。例如，如果參考一個實施例來詳細說明一個要素， 并且沒有參考第二實施例來說明該要素，盡管如此，該要素可以被要求包括在該第二實施 例中。
[0070] 與機械結構或部件相關的術語"柔性的"應作廣義解釋。本質上，該術語是指該結 構或部件可以反復地彎曲并且恢復到初始形狀而沒有損害。由于材料特性，許多"剛性的" 物體具有少量固有的彈性"曲度（bendiness) "，但當在此使用該術語時，這類物體不能被認 為是"柔性的"。柔性的機械結構可以具有無限的自由度（DOF's)。這類結構的實例包括 封閉的、可彎曲的管（由例如NITIN0L、聚合物、軟化橡膠等制成）、螺旋卷簧等，它們可以被 彎曲成各種簡單的和復雜的曲線，通常無顯著的截面變形。通過使用一系列緊密間隔的部 件（它們類似于蛇形布置中的"椎骨"），其他柔性機械結構可以近似這樣一種無限DOF工 件。在這樣的椎骨安排中，每個部件是運動鏈中的短連桿，并且各連桿之間可移動的機械限 制（例如，銷栓鉸鏈、外圈和球、活性鉸鏈等）可以允許這些連桿之間相對運動一個（例如， 俯仰）或兩個（例如，俯仰和偏轉）D0F。短的柔性結構可以用作并且被模制成在運動鏈的 兩個連桿之間提供一個或多個DOF的單個的機械限制（關節），即使該柔性結構本身可以是 由若干耦連的連桿形成的運動鏈。本領域技術人員本領域技術人員將會理解部件的柔性能 夠以其硬度的形式來表示。
[0071] 在本說明書中，柔性的機械結構或部件可以是主動柔性亦或被動柔性的。通過 使用主動柔性工件本身內在相關的力，主動柔性工件可以被彎曲。例如，一個或多個腱 (tendon)可以沿著工件縱向行進并且從該工件的縱軸偏移，這樣使得在該一個或多個腱上 的張力導致該工件彎曲。主動彎曲主動柔性工件的其他方式包括但不限于使用氣動或液壓 力，齒輪、電活性的聚合物等。通過使用被動柔性工件外部的力，被動柔性工件被彎曲。具有 內在硬度的被動柔性工件的實例是塑料桿或彈性橡膠管。當未被其內在相關的力致動時， 主動柔性工件可以是被動柔性的。單個部件可以由連續的一個或多個主動和被動柔性部分 制成。
[0072] 本發明的多個方面主要以使用daVinci?手術系統（具體地說，ModelIS3000， 以daVinci?Si?HD?手術系統的形式進行銷售）的實現方式的形式進行說明，其中該 手術系統由加利福尼亞州Sunnyvale直觀外科手術公司（IntuitiveSurgical,Inc.)制 造。然而本領域技術人員將理解的是在此公開的發明性方面能夠以各種方式來體現和實 現，包括機器人的和非機器人的實施方案和實現方式。daVinci?手術系統（例如，Model IS3000;ModelIS2000,作為daVinci?StmHDtm手術系統銷售）實現方式僅僅是示例性的， 并且不應被認為是限制在此公開的發明性方面的范圍。
[0073] 圖1A、IB和IC是用于微創手術的遠程控制機器人手術系統的三個主要部件的前 向正視圖。這三個部件彼此連接從而允許外科醫生在手術團隊的幫助下，在病人身上進行 診斷性和矯正性手術程序。
[0074] 圖IA是daVinci?手術系統的病人側推車部件100的前向正視圖。該病人側推 車包括立在地面上的底座102,安裝在底座102上的支撐塔104,以及支撐手術工具（包括 立體內窺鏡）的若干個臂。如圖IA中所示，臂106a和106b是支撐并且移動用于操縱組織 的手術器械的器械臂，并且臂108是支撐并且移動內窺鏡的攝像機臂。圖IA還示出支撐在 支撐塔104的背側上的任選的第三器械臂106c，并且該第三器械臂106c可以根據需要定 位到該病人側推車的左側或右側上用來進行手術程序。圖IA進一步示出了安裝在器械臂 106a、106b、106c上可互換的手術器械110a、110b、110c，并且其示出了安裝在攝像機臂108 上的內窺鏡112。下面對這些臂進行更詳細的討論。本領域技術人員將理解的是支撐這些 器械和攝像機的這些臂還可以被底座平臺支撐，該底座平臺（固定的或可移動的）安裝在 天花板或墻壁上，或在一些情況下安裝到手術室中另一件器械上（例如，手術臺）。同樣， 本領域技術人員將理解的是可以使用兩個或更多個分開的底座（例如，一個底座支撐一個 臂）。
[0075] 圖IB是daVinci'?手術系統的外科醫生控制臺120部件的前向正視圖。該外 科醫生控制臺裝備有左側和右側多DOF主工具操縱器（MTM) 122a和122b，它們是用于控制 這些手術工具（包括內窺鏡和各種套管）的運動鏈系。外科醫生抓握（典型地用拇指和食 指）每個MTM122上的夾緊器（pincher)組件124a和124b，并且可以將該夾緊器組件移動 到各個位置和取向。當選擇工具控制模式時，耦連每個MTM122用來控制病人側推車100的 相應的器械臂106。例如，可以耦連左側MTM122a用來控制器械臂106b和器械110a，并且 可以耦連右側MTM122b用來控制器械臂106b和器械110b。如果在手術程序期間第三器械 臂106c被使用并且被定位在左側，則左側MTM122a可以在控制臂106a和器械IlOa至控 制臂106c和器械IlOc之間進行切換。同樣，如果在手術程序期間第三器械臂106c被使用 并且被定位在右側上，則右側MTM122a可以在控制臂106b和器械IlOb至控制臂106c和 器械IlOc之間切換。在一些情況下，MTM的122a與122b以及臂106a/器械IlOa組合與 臂106b/器械IlOb組合之間的控制指派也可以交換。這可以實現，例如，如果將內窺鏡轉 動180度，從而使得在內窺鏡視場中移動的器械看起來位于與外科醫生正在移動的MTM同 一側上。一般使用該夾緊器組件來操作位于器械110的遠側處的鉗式手術末端執行器（例 如，剪刀、抓握式牽引器、針驅動器等）。
[0076] 外科醫生控制臺120還包括立體圖像顯示系統126。由立體內窺鏡112捕獲的左 側和右側圖像被輸出在相應的左側和右側顯示器上，在顯示系統126上外科醫生將這些圖 像感知成三維圖像。在有利的配置中，MTM的122被定位在顯示系統126之下，從而使得顯 示器中所示的手術工具的圖像看起來與顯示器下面外科醫生的手共同定位。這個特征允許 外科醫生在該三維顯示器中直觀地控制各種手術工具就像直接看到手一樣。因此，相關聯 的器械臂和器械的MTM伺服控制是基于內窺鏡圖像參考系。
[0077] 如果將MTM切換到攝像機控制模式，也使用內窺鏡圖像參考系。在daVinci1?手 術系統中，如果選擇攝像機控制模式，外科醫生可以通過一起移動MTM中的一個或兩個來 移動內窺鏡的遠端（兩個MTM的部分可以被伺服機械地耦連使得這兩個MTM部分看起來作 為一個單元一起移動）。然后外科醫生可以通過移動MTM來直觀地移動（例如，搖動、傾斜、 變焦）所顯示的立體圖像，就像將圖像握在手中一樣。
[0078