[发明专利]外科器械的力和扭矩检测

说明书

技术领域

本发明一般地涉及外科机器人系统，并更具体地涉及用于检测施加于外科器械的力的系统和方法。 

背景技术

在机器人辅助外科手术中，外科医生典型地从可能远离病人的位置(例如，在手术室的对面，在与病人不同的房间或者在与病人所在建筑物完全不同的建筑物内)操作主控制器从而控制外科器械在外科手术部位的运动或移动。主控制器通常包括一个或者多于一个的手输入装置，例如手持式腕万向节、操纵杆、外骨骼手套、手钻或者类似的装置，这些装置通过带有伺服电机的控制器耦合到外科器械，用于关节连接器械在外科部位的位置和方向。伺服电机典型地是机电或电动机械装置或者外科操作装置臂(“从动装置”)的一部分，机电装置或者外科操作装置臂包括多个连接在一起的关节、连杆结构等等，以支撑和控制已直接地被引入显露的外科部位或者经由套管针套被插入体腔(例如病人的腹部)内的切口的外科器械。取决于外科程序，有可利用的多种外科器械，例如组织抓取器、针驱动器、电外科学的烧灼探测器等等，为外科医生执行各种功能：例说，收回组织、保持或者驱动针、缝合、抓取血管、或者解剖、烧灼或者凝结组织。外科医生在治疗期间可以利用许多不同的外科器械/工具。 

当然，经由遥控操纵执行遥控机器人外科手术的这种新的方法已产生了很多新挑战。其中一个挑战是提供给外科医生凭借机器人操作装置准确地“感觉”正在由外科器械操纵的组织的能力。外科医生必须依赖由器械或者缝合施加的力的可见指示。为了经由系统手控或者通过例如视觉显示或者可听声音的其它的装备将力和扭矩反馈到外科医生用 户，检测施加到器械的尖端的力和扭矩是所期望的，例如机器人内窥镜外科器械的末端受动器或末端执行器(例如，夹钳、抓紧器、刀片等等)。来自在DLR的G.Hirzinger的实验室的用于这一目的的一个装置由F.Cepolina和R.C.Michelini在“Review of Fixtures for Low-InvasivenessSurgery”文中进行了描述，该文章在Int’l Journal of Medical Robotics andComputer Assisted Surgery，Vol.1，Issue 1，page 58，其内容为所有目的以参考形式并入本文。然而，该设计不利地将力传感器放置于腕关节的末端(或者外侧)，因此需要使丝线或电线或者光纤经由可弯曲腕关节传送并且也需要使偏航轴和抓取轴位于不同的旋转轴线上。 

执行外科手术典型地所期望的另一个问题是像相对小的器械那样在尽可能小的空间装配和定位末端受动器或末端执行器的机械动作所必要的电线。 

因此，所需要的是在病人的外科部位上远程控制外科器械的改进的遥控机器人系统和方法。特别地，这些系统和方法应该配置成将力和扭矩的准确的反馈提供给外科医生从而改进用户对器械的认知和控制。 

发明内容

本发明提供用于改进并检测反馈回执行遥控机器人外科手术的外科医生的力和扭矩的设备、系统以及方法。轴向取向的应变测量器的组位于或者靠近接近(或者内侧)机器人外科器械的可移动的腕的器械轴的远端的位置从而检测在器械的远顶端的力和扭矩，没有由于顶端(例如用可移动的腕)结构的变化或者稳定状态的温度变化产生的误差。 

有利地，本发明改进了力和/或扭矩的检测和反馈回外科医生并且基本消除了使精密的丝线或电线经由器械的可弯曲腕关节的问题。 

发明的范围由并入本章供参考的权利要求限定。通过下面的一个或者多个实施例的详细的描述将使本领域的技术人员获得对本发明的实施例的更完整的理解和对其中附加的优点的认识。下文会参考附页的图，附页的图将首先被简要地说明。 

附图说明

图1A是根据本发明实施例的机器人外科系统和方法的透视图。 

图1B是根据本发明实施例的图1A中的机器人外科系统的机器人外科臂推车系统的透视图。 

图1C是根据本发明实施例的图1A中的机器人外科系统的主控制台的主透视图。 

图2是根据本发明实施例的显示了腕、抓取夹钳以及与遥控机器人外科系统一起使用的力传感器的外科器械的远端的透视图。 

图3是根据本发明实施例的显示了施加的力的图2的外科器械的第一俯视图。 

图4是根据本发明实施例的显示了施加的力的图2的外科器械的第一侧视图。 

图5是根据本发明实施例的显示了施加的扭矩的图2的外科器械的第二俯视图。 

图6是根据本发明实施例的显示了施加的扭矩的图2的外科器械的第二侧视图。