弯曲套管、机器人操纵器和手术端口的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2010年11月10日、名称为"弯曲套管、机器人操纵器和手术端 口"的中国专利申请201080051077. 1的分案申请。
[0002] 相关申请的交叉引用
[0003] 本申请是美国专利申请No. 12/618, 549 (于2009年11月13日提交）[律师卷 号ISRG 012390/US](公开了"弯曲套管"）的部分继续，该申请要求美国临时专利申请 No. 61/245, 171 (2009年9月23日提交）（公开了"弯曲套管"）的权益，这两个申请均通过 引用结合到本文。
[0004] 本申请可以涉及以下申请：美国专利申请No. 12/618, 583 (2009年11月13 日提交）[律师卷号ISRG 02391/US](公开了 "弯曲套管手术系统（Curved Cannula Surgical System)"）、美国专利申请No. 12/618, 598(2009年11月13日提交）[律师卷 号 ISRG02392/US](公开了"弯曲套管手术系统的控制（Curved Cannula Surgical System Control)"）、美国专利申请No. 12/618, 608(2009年11月13日提交）[律师卷号ISRG 02393/US](公开了"弯曲套管器械（Curved Cannula Instrument)"）以及美国专利申请 此.12/618,631(2009年11月13日提交）[律师卷号151?02395/^5](公开了"套管安装固 定件（Cannula Mounting Fixture)"），所有这些申请都通过引用结合到本文。
技术领域
[0005] 本发明各方面涉及微创手术，更具体地涉及微创机器人手术系统，并且还更具体 地涉及穿过单个进入点进入病人体内工作的微创机器人手术系统。
【背景技术】
[0006] 微创手术的益处是众所周知的，并且与传统的开放式切口手术相比它们包括病 人的更少创伤、更少失血和更快的恢复时间。此外，机器人手术系统（例如，提供远程呈 现的遥控机器人系统）诸如加利福尼亚州Sunnyvale的直观外科手术公司（Intuitive Surgical，Inc.)的da Vinci?手术系统的使用是已知的。与手动微创手术相比，此类机器 人手术系统可以允许外科医生以直观控制和提高的精确度来进行操作。
[0007] 为了进一步减少病人创伤并且保留机器人手术系统的益处，外科医生已经开始执 行通过经皮肤的单个切口来研宄或处理病人状况的手术程序。在一些情况下，这样的"单端 口入路（port access)"手术已经采用手动器械或采用现有机器人手术系统执行。因此，期 望的是改进的设备和方法，与使用现有的设备和方法相比，其能够使外科医生更有效地进 行单端口入路手术。还期望的是能够容易地修改一般用于执行这种单端口入路手术的多切 口（多端口）手术的现有机器人手术系统。
【发明内容】
[0008] 在一个方面，手术系统包括机器人操纵器、弯曲套管以及延伸穿过该弯曲套管的 具有被动柔性轴的器械。该机器人操纵器使该弯曲套管绕远程运动中心移动，该运动中心 被设置在病人体内的开口处（例如切口、天然孔口），从而使得该弯曲套管提供该手术器械 在手术部位处的三角测量角度。在一个实现方式中，使用内窥镜以及两个这样的弯曲套管， 其中弯曲套管的远端被定向为朝向手术部位呈不同的角度，从而使得实现有效的器械三角 测量，这允许外科医生在该手术部位处有效地工作并观看该手术部位。
[0009] 在另一方面，该弯曲套管包括直区段和相邻的弯曲区段。机器人操纵器安装支架 被耦连至该直区段上。第二直区段可以被耦连至该弯曲区段的相反末端上，以便有助于从 该套管的远端延伸出的被动柔性的手术器械朝手术部位的对齐。
[0010] 在另一方面，手术器械包括被动柔性轴和耦连至该轴的远端的手术末端执行器。 该柔性轴延伸穿过弯曲套管，并且该柔性轴的远端区段延伸至悬出该弯曲套管的远端。该 柔性轴的远端区段是足够刚性的，以便在手术部位提供有效的手术动作，而它是足够柔性 的，以便允许其穿过该弯曲套管插入和抽出。在一些方面，该器械轴的远端区段的硬度大于 在手术程序中该套管的弯曲区段中剩余的轴的区段的硬度。
[0011] 在另一方面，手术端口构件是单个主体，该单个主体在其顶表面与底表面之间包 括（多个）通道。这些通道在相反方向上成角度，以便以期望的角度来夹持这些弯曲套管 的直区段。该主体是足够柔性的，以便允许弯曲套管绕远程运动中心移动，远程运动中心大 体位于通道内。在一些方面，该端口构件包括用于内窥镜套管的通道和/或一个或多个辅 助通道。这些通道可以包括不同的密封件。
[0012] 在另一个方面，公开第二端口构件，该第二端口构件包括上部漏斗状部分和下部 舌状件。用于手术器械的通道（如弯曲套管）被限定在腰部区段中，该腰部区段将该漏斗 状部分与该舌状件连结起来。在一个方面，该第二端口构件被用于要求器械以相对小的角 度（锐角）进入病人体内的手术，因为该端口构件有助于防止器械与病人身体之间的不必 要的应力，反之亦然。
[0013] 在另一方面，公开套管安装固定件。这些固定件支撑套管以便插入并对接到它们 的相关联的机器人操纵器上。在一个方面，固定件包括（多个）臂，这些臂夹持内窥镜套管 和弯曲的器械套管。在另一方面，固定件被配置为帽，这个帽夹持内窥镜和弯曲套管的远 端。这个帽的指向有助于插入病人内的开口之中。
[0014] 在另一方面，公开了带有弯曲套管的机器人手术系统的控制系统。该控制系统使 用与该弯曲套管相关联的运动学数据。为了给外科医生提供直观控制体验，该控制系统命 令机器人操纵器响应于外科医生在主操纵器处的输入而使该弯曲套管及其器械移动，就好 像该器械被定位成沿着从该弯曲套管的远端延伸的一条直轴线与该套管的弯曲区段的远 端大致相切。
【附图说明】
[0015] 图IA是机器人手术系统中病人侧推车的前向正视图。
[0016] 图IB是机器人手术系统中外科医生控制台的前向正视图。
[0017] 图IC是机器人手术系统中视频推车的前向正视图。
[0018] 图2A是器械臂的侧面正视图。
[0019] 图2B是安装有器械的操纵器的透视图。
[0020]图2C是安装有摄像机的摄像机臂的一部分的侧面正视图。
[0021] 图3是穿过体壁插入而抵达手术部位的多个套管和相关联的器械的图解视图。
[0022] 图4A是病人侧机器人操纵器的一部分的示意图，该操纵器支撑并移动弯曲套管 和被动柔性手术器械的组合。
[0023] 图4B是示出加在图4A的视图上的第二病人侧机器人操纵器的示意图，该第二病 人侧机器人操纵器支撑并移动第二弯曲套管和被动柔性手术器械的组合。
[0024] 图4C是示出加在图4B视图上的内窥镜摄像机操纵器的示意图，该内窥镜摄像机 操纵器支撑内窥镜。
[0025] 图5是柔性器械的图解视图。
[0026] 图6A是拉动（pull/pull)式器械设计的图解视图。
[0027] 图6B是推拉（push/pull)式器械设计的图解视图。
[0028] 图7A是力传递机构的底视图。
[0029] 图7B是用于拉动式器械设计中的力传递机构的平面图。
[0030] 图7C是用于推拉式器械设计中的力传递机构的平面图。
[0031] 图7D是用于推拉式器械设计中的另一力传递机构的平面图。
[0032] 图8A是器械轴的一部分的剖视透视图。
[0033] 图8B是另一器械轴设计的图解透视截面视图。
[0034] 图8C是另一器械轴的一部分的剖视透视图。
[0035] 图8D是又一器械轴设计的图解透视图。
[0036] 图9A是柔性轴器械的远端的分解透视图。
[0037] 图9B是图9A中描绘的实现方式的截面视图。
[0038] 图9C是拉动型末端执行器的图解视图。
[0039] 图9D是另一柔性轴器械的远端的分解透视图。
[0040] 图9E是推拉型末端执行器的图解视图。
[0041] 图9F是器械轴端帽的图解透视图。
[0042] 图10是弯曲套管的图解视图。
[0043] 图IOA是对齐的键构件（key feature)的图解视图。
[0044] 图IOB套管末端间隙检测系统的示意图。
[0045] 图IlA和IlB图示说明套管取向。
[0046] 图IlC是带有多个操纵器的机器人手术系统的平面图，其中这些操纵器处于一个 示例性姿势以定位多个弯曲套管。
[0047] 图12A、12B和12C是示出延伸穿过各种套管构型并且从中延伸的器械轴的图解视 图。
[0048] 图13是图示说明另一弯曲套管和柔性器械组合的示意图。
[0049] 图14A是端口构件的图解平面视图。
[0050] 图14B是端口构件的图解透视图。
[0051] 图15A是在图14A中切割线处截取的图解截面视图。
[0052] 图15B示出图15A中所描绘的密封件的细节。
[0053] 图15C是在图14A中另一个切割线处截取的图解截面视图。
[0054] 图IOT是图示说明端口构件中的导电层的图解截面视图。
[0055] 图15E示出另一密封件的细节。
[0056] 图16A是各种皮肤和筋膜切口的图解视图。
[0057] 图16B是另一端口构件的图解透视截面视图。
[0058] 图17A和17B是又一端口构件的图解视图。
[0059] 图18A和18B是又一个端口构件的图解视图。
[0060] 图19A是套管插入/稳定固定件的透视图。
[0061] 图19B是套管插入/稳定固定件的另一个透视图。
[0062] 图19C是套管稳定固定件的图解透视图。
[0063] 图20A-20D是图示说明插入套管的另一种方法的图解视图。
[0064] 图21是弯曲套管和各种参考轴线的图解视图。
[0065] 图22是弯曲套管和带有相关光纤应变传感器的柔性器械远端的图解视图。
[0066] 图23是控制系统构造的图解视图。
【具体实施方式】
[0067] 示例说明多个发明性方面和实施例方案的说明和附图不应被认为限制性的，权利 要求书限定了受保护的发明。可以进行各种机械的、组成的、结构的、电气的和操作的改变， 而不偏离本说明书和权利要求书的精神和范围。在一些情况下，为了不使本发明模糊，熟知 的电路、结构和技术未详细地示出或说明。在两个或更多个附图中相同的数字表示相同或 类似的元件。
[0068] 另外，本说明书的术语不旨在限制本发明。例如，空间相关术语，例如"之下/下 方"、"以下/在......下面"、"下部"、"之上/上方"、"以上/在......上面"、"近侧/近 端"和"远侧/远端"等，可以用于描述如在这些附图中图示说明的一个元件或构件与另一 个元件或构件的关系。这些空间相关术语旨在包含除图中所示的位置和取向之外，设备在 使用或操作中的不同位置（即，定位）和取向（即，旋转位置）。例如，如果这些附图中一个 设备被翻转，描述为在其他元件或构件"以下"或"之下"的元件则应当在这些其他元件或 构件"以上"或"之上"。因此，示例性术语"以下"可以包含以上和以下的位置和取向两者。 另外，一个设备可以被定向（旋转90度或以其他取向）并且因此用在此使用的空间相关描 述语进行解释。同样，沿着并且环绕各个轴线移动的说明包括各种特定的设备位置和取向。 此外，单数形式"一"、"一个"和"所述/该"也旨在包含复数形式，除非在上下文中另外地 指出。并且，术语"包括"、"包括有"和"包含"等限定了所述构件、步骤、操作、元件和/或 部件的存在但不排除一种或多种其他构件、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或加入。 描述为耦连的部件可以是直接电耦合或机械耦连，或它们可以经由一个或多个中间部件间 接耦连。
[0069] 在实践时参考一个实施例详细说明的要素及其相关方面可以被包括在它们在其 中未被明确示出或说明的其他实施例中。例如，如果参考一个实施例来详细说明一个要素， 并且没有参考第二实施例来说明该要素，尽管如此，该要素可以被要求包括在该第二实施 例中。
[0070] 与机械结构或部件相关的术语"柔性的"应作广义解释。本质上，该术语是指该结 构或部件可以反复地弯曲并且恢复到初始形状而没有损害。由于材料特性，许多"刚性的" 物体具有少量固有的弹性"曲度（bendiness) "，但当在此使用该术语时，这类物体不能被认 为是"柔性的"。柔性的机械结构可以具有无限的自由度（DOF's)。这类结构的实例包括 封闭的、可弯曲的管（由例如NITIN0L、聚合物、软化橡胶等制成）、螺旋卷簧等，它们可以被 弯曲成各种简单的和复杂的曲线，通常无显著的截面变形。通过使用一系列紧密间隔的部 件（它们类似于蛇形布置中的"椎骨"），其他柔性机械结构可以近似这样一种无限DOF工 件。在这样的椎骨安排中，每个部件是运动链中的短连杆，并且各连杆之间可移动的机械限 制（例如，销栓铰链、外圈和球、活性铰链等）可以允许这些连杆之间相对运动一个（例如， 俯仰）或两个（例如，俯仰和偏转）D0F。短的柔性结构可以用作并且被模制成在运动链的 两个连杆之间提供一个或多个DOF的单个的机械限制（关节），即使该柔性结构本身可以是 由若干耦连的连杆形成的运动链。本领域技术人员本领域技术人员将会理解部件的柔性能 够以其硬度的形式来表示。
[0071] 在本说明书中，柔性的机械结构或部件可以是主动柔性亦或被动柔性的。通过 使用主动柔性工件本身内在相关的力，主动柔性工件可以被弯曲。例如，一个或多个腱 (tendon)可以沿着工件纵向行进并且从该工件的纵轴偏移，这样使得在该一个或多个腱上 的张力导致该工件弯曲。主动弯曲主动柔性工件的其他方式包括但不限于使用气动或液压 力，齿轮、电活性的聚合物等。通过使用被动柔性工件外部的力，被动柔性工件被弯曲。具有 内在硬度的被动柔性工件的实例是塑料杆或弹性橡胶管。当未被其内在相关的力致动时， 主动柔性工件可以是被动柔性的。单个部件可以由连续的一个或多个主动和被动柔性部分 制成。
[0072] 本发明的多个方面主要以使用da Vinci?手术系统（具体地说，Model IS3000,以 da Vinci? Si? HD?手术系统的形式进行销售）的实现方式的形式进行说明，其中该手术 系统由加利福尼亚州Sunnyvale直观外科手术公司（Intuitive Surgical，Inc.)制造。然 而本领域技术人员将理解的是在此公开的发明性方面能够以各种方式来体现和实现，包括 机器人的和非机器人的实施方案和实现方式。da Vinci?手术系统（例如，Model IS3000 ; Model IS2000,作为da Vinci? S? HD?手术系统销售）实现方式仅仅是示例性的，并且不 应被认为是限制在此公开的发明性方面的范围。
[0073] 图1A、IB和IC是用于微创手术的远程控制机器人手术系统的三个主要部件的前 向正视图。这三个部件彼此连接从而允许外科医生在手术团队的帮助下，在病人身上进行 诊断性和矫正性手术程序。
[0074] 图IA是da Vinci?手术系统的病人侧推车部件100的前向正视图。该病人侧推 车包括立在地面上的底座102,安装在底座102上的支撑塔104,以及支撑手术工具（包括 立体内窥镜）的若干个臂。如图IA中所示，臂106a和106b是支撑并且移动用于操纵组织 的手术器械的器械臂，并且臂108是支撑并且移动内窥镜的摄像机臂。图IA还示出支撑在 支撑塔104的背侧上的任选的第三器械臂106c，并且该第三器械臂106c可以根据需要定 位到该病人侧推车的左侧或右侧上用来进行手术程序。图IA进一步示出了安装在器械臂 106a、106b、106c上可互换的手术器械110a、110b、110c，并且其示出了安装在摄像机臂108 上的内窥镜112。下面对这些臂进行更详细的讨论。本领域技术人员将理解的是支撑这些 器械和摄像机的这些臂还可以被底座平台支撑，该底座平台（固定的或可移动的）安装在 天花板或墙壁上，或在一些情况下安装到手术室中另一件器械上（例如，手术台）。同样， 本领域技术人员将理解的是可以使用两个或更多个分开的底座（例如，一个底座支撑一个 臂）。
[0075] 图IB是da Vinci?手术系统的外科医生控制台120部件的前向正视图。该外科医 生控制台装备有左侧和右侧多DOF主工具操纵器（MTM) 122a和122b，它们是用于控制这些 手术工具（包括内窥镜和各种套管）的运动链系。外科医生抓握（典型地用拇指和食指） 每个MTM 122上的夹紧器（pincher)组件124a和124b，并且可以将该夹紧器组件移动到各 个位置和取向。当选择工具控制模式时，耦连每个MTM 122用来控制病人侧推车100的相 应的器械臂106。例如，可以耦连左侧MTM 122a用来控制器械臂106b和器械110a，并且可 以耦连右侧MTM 122b用来控制器械臂106b和器械110b。如果在手术程序期间第三器械 臂106c被使用并且被定位在左侧，则左侧MTM 122a可以在控制臂106a和器械IlOa至控 制臂106c和器械IlOc之间进行切换。同样，如果在手术程序期间第三器械臂106c被使用 并且被定位在右侧上，则右侧MTM 122a可以在控制臂106b和器械IlOb至控制臂106c和 器械IlOc之间切换。在一些情况下，MTM的122a与122b以及臂106a/器械IlOa组合与 臂106b/器械IlOb组合之间的控制指派也可以交换。这可以实现，例如，如果将内窥镜转 动180度，从而使得在内窥镜视场中移动的器械看起来位于与外科医生正在移动的MTM同 一侧上。一般使用该夹紧器组件来操作位于器械110的远侧处的钳式手术末端执行器（例 如，剪刀、抓握式牵引器、针驱动器等）。
[0076] 外科医生控制台120还包括立体图像显示系统126。由立体内窥镜112捕获的左 侧和右侧图像被输出在相应的左侧和右侧显示器上，在显示系统126上外科医生将这些图 像感知成三维图像。在有利的配置中，MTM的122被定位在显示系统126之下，从而使得显 示器中所示的手术工具的图像看起来与显示器下面外科医生的手共同定位。这个特征允许 外科医生在该三维显示器中直观地控制各种手术工具就像直接看到手一样。因此，相关联 的器械臂和器械的MTM伺服控制是基于内窥镜图像参考系。
[0077] 如果将MTM切换到摄像机控制模式，也使用内窥镜图像参考系。在da Vinci?手 术系统中，如果选择摄像机控制模式，外科医生可以通过一起移动MTM中的一个或两个来 移动内窥镜的远端（两个MTM的部分可以被伺服机械地耦连使得这两个MTM部分看起来作 为一个单元一起移动）。然后外科医生可以通过移动MTM来直观地移动（例如，摇动、倾斜、 变焦）所显示的立体图像，就像将图像握在手中一样。
[0078] 外科医生的控制台120-般设置在与病人侧推车100相同的手术室中，虽然它被 定位成使得操作该控制台的外科医生位于无菌区之外。一个或多个助手一般辅助外科医生 在无菌手术区内工作（例如，改变病人侧推车上的工具，执行手动抽出等）。因此，外科医生 远离无菌区进行操作，并且这样该控制台可以位于与手术室分开的房间或建筑物中。在一 些实现方式中，两个控制台120(共同定位