CN110662495B - 抵抗进行关节运动的外科工具中的扭矩 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于抵抗进行关节运动的外科工具中的扭矩的各种示例性***、装置和方法。通常，外科工具可以包括细长轴，该细长轴在其远侧端部处具有被构造成能够接合组织的端部执行器。端部执行器能够被构造成能够相对于细长轴进行关节运动。外科工具能够包括切割元件，该切割元件被构造成能够沿端部执行器纵向平移以切割接合的组织。当端部执行器进行关节运动时，切割元件沿端部执行器的纵向平移在端部执行器上施加推动端部执行器远离其当前成角度取向的扭矩。外科工具能够被构造成能够具有施加到其上的抵消扭矩力的校正张力或力。

Description

抵抗进行关节运动的外科工具中的扭矩
技术领域
本发明提供了用于机器人外科手术，具体地讲用于抵抗进行关节运动的外科工具中的扭矩的方法和装置。
背景技术
由于术后恢复时间减少且瘢痕形成最小化，因此微创外科手术(MIS)器械通常优于传统的开放式外科装置。腹腔镜式外科手术是一种类型的MIS手术，其中在腹部形成一个或多个小切口，并且通过切口***套管针以形成进入腹腔的通路。套管针用于将各种器械和工具引入腹腔中，而且提供注气使腹壁升高到器官上方。器械和工具可用于以多种方式接合和/或处理组织以达到诊断或治疗效果。内窥镜式外科手术是另一种类型的MIS手术，其中将细长的柔性轴通过自然孔口引入体内。
尽管传统的微创外科手术器械和技术已证明是高度有效的，但较新的***可提供甚至更多的优点。例如，传统的微创外科手术器械通常不能为外科医生提供存在于开放式外科手术中的工具布置的灵活性。用器械通过小切口接近手术部位时遇到困难。另外，典型的内窥镜式器械的长度的增加通常会降低外科医生感觉由组织和器官施加在端部执行器上的力的能力。此外，如电视监视器上的图像中所观察到的器械的端部执行器的运动与端部执行器的实际运动的协调是特别困难的，因为如图像中所感知的运动通常不与端部执行器的实际运动直觉地对应。因此，通常缺乏对外科器械运动输入的直觉响应。已经发现，直觉性、灵巧性和灵敏度的此类缺乏使得增加微创外科手术的使用受阻。
多年以来，已经开发出多种微创机器人***以增加外科手术的灵巧性，并允许外科医生以直觉方式对患者进行手术。远程手术是使用***进行的外科手术的一般术语，其中外科医生使用一些形式的远程控制(例如，伺服机构等)来操纵手术器械运动，而不是用手直接握持和移动工具。在此类远程外科手术***中，通常在远离患者的位置处在视觉显示器上为外科医生提供外科手术部位的图像。外科医生通常可在远离患者的位置处执行外科手术，同时在外科手术期间观察视觉显示器上的端部执行器运动。通常在视觉显示器上观察手术部位的三维图像时，外科医生通过操纵远程位置处的主控制装置来对患者执行外科手术，该主控制装置控制远程控制式器械的动作。
虽然在机器人外科手术领域已经取得了重大进展，但仍然需要用于机器人外科手术的改善的方法、***和装置。
发明内容
一般来讲，提供了用于抵抗进行关节运动的外科工具中的扭矩的***、装置和方法。
在一个方面，提供了一种外科手术***，其在一个实施方案中包括外科工具，该外科工具包括细长轴，该细长轴在其远侧端部处具有端部执行器。外科工具还包括杆，该杆被构造成能够移动以使端部执行器相对于细长轴以一角度选择性地成角度取向。杆的运动被构造成能够由马达驱动，从而向外科工具提供扭矩力。外科***还包括控制器，该控制器被配置成能够基于该角度和扭矩力来确定校正力的量，并且控制器被配置成能够将所确定的校正力施加到杆。
外科***可以任意种方式变化。例如，外科工具可包括切割元件，该切割元件被构造成能够沿端部执行器平移以切割由端部执行器接合的组织，并且控制器可以被配置成能够使所确定的校正力在切割元件的平移期间施加到杆。又如，外科***可以包括在其中存储查找表的存储器，查找表可以将多个关节运动角度和多个马达扭矩力中的每个与施加到杆的校正力相关联，并且控制器可以被配置成能够经由查找表确定校正力的量。又如，控制器可以被配置成能够确定端部执行器相对于细长轴成角度取向的角度。又如，端部执行器可以被构造成能够在接头处相对于细长轴枢转，以实现端部执行器相对于细长轴的角度取向，并且杆可以延伸穿过该接头。又如，控制器可以被包括在机器人外科***中，该机器人外科***被配置成能够可释放地联接到外科工具。
又如，外科***可以包括机器人外科***的工具驱动器，该工具驱动器包括马达，并且外科工具可以被构造成能够可释放地操作地联接到工具驱动器。在至少一些实施方案中，机器人外科***可以包括控制器，并且控制器可以与工具驱动器操作地通信。
在另一个实施方案中，提供了一种外科***，该外科***包括外科工具，该外科工具包括细长轴，联接到细长轴的远侧端部的端部执行器，被构造成能够沿端部执行器平移以切割由端部执行器接合的组织的切割元件，以及被构造成能够响应于由机器人外科***提供给外科工具的第一力而移动以使端部执行器相对于细长轴以一角度进行关节运动的杆，该机器人外科***被配置成能够可释放地联接到外科工具。外科***还包括控制器，该控制器被构造成能够在切割元件的平移期间引起由机器人外科***提供给外科工具的第一力的调节，从而抵消由切割元件沿端部执行器的平移引起的第二力。
外科***可以具有任何数量的变型。例如，切割元件可以被构造成能够响应于由机器人外科***提供给外科工具的第三力而沿端部执行器平移，并且控制器可以被配置成能够基于第三力和端部执行器相对于细长轴进行关节运动的角度来确定第一力的调节的量。在至少一些实施方案中，外科***可以包括在其中存储查找表的存储器，该查找表使第二力的量与端部执行器可以相对于细长轴进行关节运动的多个角度中的每个角度以及可以通过机器人外科***提供给外科工具以引起切割元件的平移的多个第三力中的每个第三力相关联，并且控制器确定第一力的调节的量可以包括在查找表中查找端部执行器相对于细长轴进行关节运动的角度，并在查找表中查找由机器人外科***提供给外科工具的第三力。
又如，外科***可以包括在其中存储查找表的存储器，并且该控制器可以被配置成能够访问查找表从而确定第一力的调节的量。又如，机器人外科***可以包括被配置成能够向外科工具提供第一力的马达。再如，控制器可以被包括在机器人外科***中。
在另一方面，提供了一种外科方法，其在一个实施方案中包括将一定量的力施加到外科工具，从而使外科工具的端部执行器相对于在其远侧端部处具有端部执行器的细长轴以一角度进行关节运动，并且随着端部执行器进行关节运动，从而使切割元件沿端部执行器平移。外科方法还包括在切割元件的平移期间，改变施加到外科工具的力的量，同时维持端部执行器相对于细长轴进行关节运动的角度。
外科方法可具有任何数量的变型。例如，切割元件沿端部执行器的平移可以在外科工具上施加第二量的力，并通过改变施加到外科工具的力的量可以抵消第二量的力，以允许外科工具维持端部执行器相对于细长轴进行关节运动的角度。
又如，切割元件的平移可以通过将第二量的力施加到外科工具而引起，并且可以基于端部执行器相对于细长轴进行关节运动的角度以及基于被施加到外科工具的第二量的力来改变施加到外科工具的力的量。在至少一些实施方案中，外科工具可以可释放地且可替换地联接到机器人外科***，并且机器人外科***可以将所述量的力施加到外科工具并且可以将第二量的力施加到外科工具。
再如，外科工具能够可释放地且可替换地联接到机器人外科***，并且机器人外科***可以将所述量的力施加到外科工具并改变施加到外科工具的力的量。
附图说明
结合附图阅读下述详细说明将更全面地理解本发明，其中：
图1为外科工具的一个实施方案的示意性侧视图；
图2为与六个自由度相关联的术语的图形表示；
图3为外科工具的另一个实施方案的腕部部分的透视图；
图4为具有刀致动组件的端部执行器的一个实施方案的局部示意侧视图；
图5为外科工具的另一个实施方案的远侧部分的分解图；
图6为图5的外科工具的击发杆的透视图，击发杆在其远侧端部处具有电子束；
图7为包括患者侧部分和用户侧部分的机器人外科***的一个实施方案的透视图；
图8为机器人外科***的机器人臂的一个实施方案的透视图，其中图1的外科工具可释放地且可替换地联接到机器人臂；
图9为图8的机器人臂的工具驱动器的透视图；
图10为将校正力施加到外科工具的方法的一个实施方案的流程图；
图11为外科工具的一个实施方案的透视图，该外科工具在切割元件平移期间施加有校正力；
图12为确定校正力的量的方法的一个实施方案的示意图；并且
图13为计算机***的一个实施方案的示意图。
具体实施方式
现在将描述某些示例性实施方案，以提供对本文所公开的装置和方法的结构、功能、制造和用途的原理全面理解。这些实施方案的一个或多个示例在附图中示出。本领域的技术人员将理解，本文具体描述并在附图中示出的设备和方法是非限制性示例性实施方案，并且本发明的范围仅由权利要求限定。结合一个示例性实施方案示出或描述的特征部可与其它实施方案的特征部进行组合。此类修改和变型旨在包括在本发明的范围内。
此外，在本公开中，各实施方案中名称相同的部件通常具有类似的特征部，因此在具体实施方案中，不一定完整地阐述每个名称相同的部件的每个特征部。另外，在所公开的***、装置和方法的描述中使用线性或圆形尺寸的程度上，此类尺寸并非旨在限制可结合此类***、装置和方法使用的形状的类型。本领域的技术人员将认识到，针对任何几何形状可容易地确定此类线性和圆形尺寸的等效尺寸。***和装置及其部件的大小和形状可至少取决于***和装置将用于其中的受试者的解剖结构、***和装置将与其一起使用的部件的大小和形状、以及***和装置将用于其中的方法和手术。
本发明提供了用于抵抗进行关节运动的外科工具中的扭矩的各种示例性***、装置和方法。通常，外科工具可以包括细长轴，该细长轴在其远侧端部处具有被构造成能够接合组织的端部执行器。端部执行器可以被构造成能够相对于细长轴进行关节运动，例如相对于细长轴的纵向轴线成角度取向，这可帮助端部执行器进入并牢固地接合组织。外科工具可以包括切割元件，该切割元件被构造成能够沿端部执行器纵向平移以切割接合的组织。当端部执行器进行关节运动时，例如，相对于轴的纵向轴线以非零角度成角度时，切割元件沿端部执行器的纵向平移在端部执行器上施加扭矩力，该扭矩推动端部执行器远离其当前成角度的取向，例如，推动端部执行器朝向基本上零角度位置，在该位置，其基本上与轴的纵向轴线对准。然而，在组织切割期间使端部执行器从其当前成角度取向关节运动可导致端部执行器不期望地相对于接合组织移位，使得组织不在适当位置处切割，和/或可导致端部执行器不期望地按压患者体内的可对物质和/或端部执行器造成伤害的物质(例如，相邻的主体结构、另一个外科工具等)。外科工具可以被构造成能够具有施加到其上的校正张力或力，其抵消扭矩力，从而防止端部执行器在切割元件的平移期间从其关节运动角度移动。可以在不使用机械锁定机构的情况下将校正力施加到外科工具，该机械锁定机构在切割元件平移期间将端部执行器锁定在其关节运动位置，这可简化外科工具的制造和/或可允许更多空间用于其他和/或更大的工具部件，因为不需要存在锁定机构。
外科工具可以被构造成能够可释放地联接到机器人外科***(本文也称为“外科机器人”)，该机器人外科***被配置成能够控制与外科工具相关联的多种运动和动作。机器人外科***可以被配置成能够向外科工具提供校正力。机器人外科***也可以被配置成能够通过切割元件的平移实时确定施加到外科工具的校正力的量，这可有助于确保由切割元件的运动所施加的力被抵消而不过度校正或校正不足。校正力的量可基于端部执行器的当前关节运动角度以及施加到外科工具的力(例如，由机器人外科***施加的力)来确定，以使切割元件沿端部执行器纵向平移。当前的关节运动角度和施加以引起切割元件平移的力可以与预定的校正力相关联，以确定要施加到外科工具的校正力。
图1示出了外科工具10的一个实施方案，该外科工具包括：细长轴12；端部执行器14；腕部16，该腕部将端部执行器14在轴12的远侧端部处联接到轴12；以及工具外壳18，该工具外壳联接到轴12的近侧端部。端部执行器14被构造成能够例如通过在腕部16处枢转来在腕部16处相对于轴12移动，以在使用工具10期间将端部执行器14相对于外科手术部位定位在期望位置处。外壳18包括各种部件(例如，齿轮和/或致动器)，这些部件被构造成能够控制与端部执行器14相关联的各种特征的操作(例如，夹持、击发、旋转、关节运动、能量递送等中的任何一者或多者)。在至少一些实施方案中，轴12以及因此联接到其上的端部执行器14被构造成能够围绕轴12的纵向轴线A1旋转。在此类实施方案中，外壳18的各种部件被构造成能够控制轴12的旋转运动。在至少一些实施方案中，如在例示的实施方案中那样，外科工具10被构造成能够可释放地联接到机器人外科***，并且工具外壳18可包括联接特征，这些联接特征被构造成能够允许工具10可释放地联接到机器人外科***。下面进一步讨论轴12、端部执行器14、腕部16和外壳18中的每一者。
外科工具10可具有多种构型中的任一种。一般来讲，外科工具可被构造成能够执行至少一个外科功能并且可包括例如夹钳、抓紧器、针驱动器、剪刀、施加能量的电烙器工具、缝合器、施夹器、抽吸工具、冲洗工具、成像装置(例如，内窥镜或超声探头)等中的任一种。在至少一些实施方案中，外科工具10被构造成能够向组织施加能量(诸如射频(RF)能量)，而在其他实施方案中，外科工具10未被构造成能够向组织施加能量。
轴12可具有多种构型中的任一种。一般来讲，轴12为细长构件，其从外壳18朝远侧延伸并且具有延伸穿过其的至少一个内腔。轴12固定到外壳18，但在其他实施方案中，轴12可以可释放地联接到外壳18，使得轴12可以与其他轴互换。这可允许单个外壳18适用于具有不同端部执行器的各种轴。
端部执行器14可具有多种尺寸、形状和构型。端部执行器14包括具有一对相对钳口20、22的组织抓紧器，这些钳口被构造成能够在打开位置和闭合位置之间移动，其中钳口20、22中的一个或两个被构造成能够在腕部16处枢转以使端部执行器14在打开位置和闭合位置之间移动。在其它实施方案中，端部执行器14可具有其它配置，例如剪刀、babcock、牵开器等。
腕部16可具有多种构型中的任一种。外科工具的腕部和在腕部处实现关节运动的示例性实施方案在以下专利公布中有所描述：2014年3月13日提交的名称为“CompactRobotic Wrist”的国际专利公布WO 2014/151952；2014年3月13日提交的名称为“Hyperdexterous Surgical System”的国际专利公布WO 2014/151621；2016年7月1日提交的名称为“Methods,Systems,And Devices For Initializing A Surgical Tool”的美国专利申请15/200,283；以及2016年8月16日提交的名称为“Methods,Systems,And DevicesFor Causing End Effector Motion With A Robotic Surgical System”的美国专利申请15/237,648，这些专利据此全文以引用方式并入。一般来讲，腕部16可包括被构造成能够允许端部执行器14相对于轴12运动的接头，诸如钳口20、22枢转地附接在的枢转接头。在一些实施方案中，枢转动作可包括围绕腕部16的第一轴线(例如，X轴线)的俯仰运动、围绕腕部16的第二轴线(例如，Y轴线)的偏航运动以及它们的组合，以允许端部执行器14围绕腕部16的360°旋转运动。在其他实施方案中，枢转动作可被限制于单个平面上的运动，例如，仅围绕腕部16的第一轴线的俯仰运动、或仅围绕腕部16的第二轴线的偏航运动，使得端部执行器14在单个平面上旋转。
图2示出了由三个平移或位置变量例如进退、升沉、摇摆以及由三个旋转或取向变量例如欧拉角或滚转、俯仰、偏航表示的***的自由度，这些变量描述了外科***的部件相对于给定笛卡尔参照系的位置和取向。如本文所用，并且如图2所示，术语“进退”是指向前和向后运动，术语“升沉”是指上下运动，并且术语“摇摆”是指左右运动。关于旋转术语，“滚转”是指左右倾斜，“俯仰”是指向前和向后倾斜，并且“偏航”是指左右转动。
在该例示的实施方案中，端部执行器14的运动包括端部执行器14在其中端部执行器14与轴12基本上纵向地对齐(例如，端部执行器14的纵向轴线A2与轴12的纵向轴线A1基本上对齐，使得端部执行器14相对于轴12成大致零角度)的非关节运动位置与其中端部执行器14相对于轴12成角度地取向(例如，端部执行器14的纵向轴线A2相对于轴12的纵向轴线A1成角度，使得端部执行器14相对于轴12成非零角度)的关节运动位置之间的关节运动。本领域的技术人员将会理解，端部执行器14可能不会与轴12精确地对齐(例如，可能不相对于轴成精确的零角度)，但由于诸如制造公差和测量装置的精度等任意数量的因素仍然被认为与轴12对齐(例如，基本上成零角度)。端部执行器14在图1中被示出处于非关节运动位置。在该例示的实施方案中，端部执行器14的运动还包括端部执行器14的旋转运动，其中端部执行器14围绕其纵向轴线A2旋转，同时发生或不发生轴12围绕其纵向轴线A1的对应旋转。
外科工具10可包括被构造成能够有利于端部执行器14的运动的一个或多个致动轴。一个或多个致动轴中的每一个可沿轴12延伸(例如，在其内腔中)并且可操作地联接到外壳18和端部执行器14。以这种方式，联接到外壳18的工具驱动器可被构造成能够经由工具外壳18向外科工具10提供输入，并由此致动一个或多个致动轴以导致端部执行器14的运动。
图3示出了包括一个或多个致动轴10的外科工具(诸如图1的工具24)的一个实施方案，该致动轴被构造成能够被致动以引起操作地联接到其上的端部执行器36(参见图4)的运动。图3示出了从刚好位于端部执行器36的近侧的腕部26延伸的致动轴24的远侧端部。腕部26可以允许端部执行器36相对于端部执行器36所联接到的细长轴28进行精细运动和成角度。在该例示的实施方案中，腕部26包括围绕腕部24的周边间隔开的三个致动轴24，每个致动轴均呈杆的形式。当被致动(例如，被推动、牵拉、旋转)时，致动轴24将引起端部执行器相对于轴28的关节运动(例如，向上、向下、向左、向右运动，以及它们的组合)。致动轴24被构造成能够经由如本文所讨论的外科工具的工具外壳操作地联接到工具驱动器，以引起选择的致动轴24中的一个或多个的选择性近侧和远侧运动，以引起端部执行器36的选择的关节运动。
腕部26还包括上部旋转驱动器30，该上部旋转驱动器在被致动时可以使端部执行器36的一对钳口闭合。上部旋转驱动器30被构造成能够经由工具外壳操作地联接到工具驱动器，以引起上部旋转驱动器30的旋转并因此引起端部执行器36的闭合。腕部26还包括下部旋转驱动器32，该下部旋转驱动器在被致动时可以引起滑动件相对于端部执行器36的运动，例如，可以使滑动件沿端部执行器36纵向平移。沿端部执行器36平移的滑动件可以使切割元件沿端部执行器36平移以切割由端部执行器36接合的组织，如下文进一步所讨论。下部旋转驱动器32被构造成能够经由工具外壳操作地联接到工具驱动器，以引起下部旋转驱动器32的旋转并因此引起滑动件沿端部执行器36的平移。腕部26还可以包括至少一个线性拉索34，其在被致动时在近侧方向上线性移动以引起端部执行器36的快速闭合，例如，钳口的快速闭合。至少一个线性拉索34被构造成能够经由工具外壳操作地联接到工具驱动器，以引起其近侧运动。在2016年8月16日提交的名称为“Methods,Systems,And Devices ForCausing End Effector Motion With A Robotic Surgical System”的美国专利申请15/237,648中进一步描述了工具驱动器以及将工具驱动器操作地联接到致动构件，诸如致动轴24、旋转驱动器30、32和线性拉索34的示例性实施方案，这些专利据此全文以引用方式并入。
图4示出了端部执行器36的一部分，其具有切割元件致动组件38，该切割元件致动组件包括驱动构件40、呈刀形式的切割元件42、滑动件44和下部旋转驱动器32。驱动构件40包括内螺纹，该内螺纹与下部旋转驱动器32通过螺纹联接，该下部旋转驱动器在该例示的实施方案中呈导螺杆的形式。当旋转下部旋转驱动器40时，此类联接可以允许驱动构件32沿下部旋转驱动器32移动。如上所述，下部旋转驱动器32可以例如经由联接到工具外壳的工具驱动器的输入被致动，从而导致下部旋转驱动器32的旋转以及滑动件44沿下部旋转驱动器32的线性运动。切割元件致动组件38被构造成能够当驱动构件40沿下部旋转驱动器32朝远侧推动滑动件44时使切割元件42取向在切割位置，朝近侧移动时并且当驱动构件40相对于滑动件44朝近侧移动时收存切割元件42。在操作中，下部旋转驱动器32可以旋转以沿下部旋转驱动器32朝远侧推进驱动构件40，从而在远侧方向上推动滑动件44并且使切割元件42在切割位置成角度地取向。在组件38的远侧运动结束时，下部旋转驱动器32的旋转方向被反转，以使驱动构件40相对于滑动件44朝近侧缩回，从而使得切割元件42诸如经由界面特征46和切割元件42之间的相互作用向下旋转到收存位置。
在至少一些实施方案中，图1的外科工具10可以是如上所述的缝合器。图5示出了外科缝合工具的一个实施方案的远侧部分。缝合器包括细长轴48和在轴48的远侧端部处的端部执行器。工具外壳(未示出)在轴48的近侧端部处，如本文所述。在该例示的实施方案中，端部执行器包括相对的下钳口50和上钳口52。下钳口50包括被构造成能够支撑钉仓54的钉通道，并且上钳口52具有面向下钳口50并被构造成能够作为砧座操作以帮助部署钉仓54的钉的砧座表面56(钉在图5中被遮挡)。下钳口50和上钳口52中的至少一者能够相对于下钳口50和上钳口52中的另一者运动以夹紧设置在其间的组织和/或其他对象。在至少一些实施方案中，下钳口50和上钳口52中的一者可以被固定或以其他方式不可移动的。在一些其他实施方案中，下钳口50和上钳口52中的两者均是可移动的。击发***的部件可被构造成能够穿过端部执行器的至少一部分以将钉射出到被夹紧的组织中。切割元件59(参见图6)在该示出的实施方案中是刀片，可以与击发***相关联，以在缝合规程期间切割组织。
在该示出的实施方案中，下钳口50用作仓组件或支架，并且上钳口52用作砧座。在其中具有多个钉的钉仓54支撑在钉托盘58中，该钉托盘继而支撑在下钳口50的仓通道60内。上钳口52具有多个钉成形凹坑(未示出)，该钉成形凹坑中的每一个钉成形凹坑定位在来自容纳在钉仓54内的多个钉的对应钉的上方。上钳口52可按照多种方式连接到下钳口50。在例示的实施方案中，上钳口52具有近侧枢转端部52p，该近侧枢转端部52p可枢转地容纳在钉通道60的近侧端部60p内，刚好在其与轴48的接合的远侧。当上钳口52向下枢转时，上钳口52使砧座表面56移动并且使形成在其上的钉成形凹坑朝向相对的钉仓54移动。
可使用各种夹紧部件来实现钳口50、52的打开和闭合以选择性地将组织夹紧在它们之间。如图所示，上钳口52的枢转端部52p在其与仓通道60的枢转附接部的远侧包括闭合特征52c。因此，响应于来自选择性地联接到其上的工具驱动器的输入，闭合管62选择性地在闭合管62朝近侧纵向运动期间赋予上钳口52打开动作并且在闭合管朝远侧纵向运动期间赋予上钳口52闭合动作，该闭合管的远侧端部包括接合闭合特征52c的马蹄形孔62a。如上所述，端部执行器的打开和闭合可通过下钳口50相对于上钳口52的相对动作、上钳口52相对于下钳口50的相对动作或通过钳口50,52两者相对于彼此的动作来实现。
例示的实施方案的击发部件包括击发杆64，如图5和图6所示，其在其远侧端部上具有电子束66。击发杆64至少在其远侧部分中是柔性的，以有利于击发杆64在端部执行器进行关节运动的关节处弯曲。击发杆64设置在轴48内，例如在轴48的纵向击发杆狭槽48s中，并且由缝合器从与其联接的工具驱动器接收的击发输入引导。击发输入可以引起电子束66穿过端部执行器的至少一部分的远侧动作，以借此引起容纳在钉仓54内的钉的击发。如该例示的实施方案中的那样，从电子束66的远侧端部突出的引导件68可以接合滑动件70，这继而可以将钉驱动器72向上推动穿过形成在钉仓54中的钉腔74。钉驱动器72的向上运动对仓54内的多个钉中的每一个钉施加向上的力，从而将钉向上推动抵靠上钳口52的砧座表面56并产生成形钉。
除了使得钉击发之外，电子束66还被构造成能够有利于钳口50、52的闭合，上钳口52相对于钉仓54的隔开，和/或捕获在钳口50、52之间的组织的切割。具体地，一对顶销76和一对底销78(图6中的一个底销78被遮挡)可以接合上钳口50和下钳口52中的一者或两者以在击发杆64朝远侧推进穿过端部执行器时将钳口50、52朝向彼此压缩。同时，切割元件59可以被构造成能够切割在钳口50、52之间捕获的组织。
本文所公开的***、装置和方法可使用机器人外科***来实现。如本领域技术人员将理解的，机器人外科***的各种部件之间的电子通信可以是有线的或无线的。本领域的技术人员也将会理解，机器人外科***中的所有电子通信都可以是有线的，机器人外科***中的所有电子通信都可以是无线的，或者机器人外科***的一些部分可以进行有线通信同时***的其他部分可以进行无线通信。
图7为机器人外科***100的一个实施方案的透视图，该机器人外科***包括与患者104相邻定位的患者侧部分102，以及位于距离患者一定距离处(在同一室内和/或在远程位置)的用户侧部分106。患者侧部分102通常包括一个或多个机器人臂108、以及被构造成能够可释放地联接到机器人臂108的一个或多个工具组件110。用户侧部分106通常包括用于观察患者104和/或外科部位的视觉***112，以及用于控制机器人臂108和每个工具组件110在外科手术期间的运动的控制***114。
控制***114可具有多种构型并且可邻近患者定位(例如，在手术室中)、远离患者(例如，在单独的控制室)或分布于两个或更多个位置(例如，手术室和/或单独的控制室)。作为分布式***的示例，专用***控制台可位于手术室中，并且单独的控制台可位于远程位置。控制***114可包括多个部件，这些部件使得用户能够观察患者104的正在患者侧部分102进行手术的外科手术部位，并且/或者控制患者侧部分102的一个或多个部件(例如，以在外科手术部位执行外科手术)。在一些实施方案中，控制***114还可包括一个或多个手动操作的输入装置，诸如操纵杆、外骨骼式手套、动力和重力补偿式操纵器等。一个或多个输入装置可控制遥控马达，这些遥控马达继而控制外科***，包括机器人臂108和工具组件110的运动。
患者侧部分102可具有多种构型。如图7所示，患者侧部分102可联接到手术台116。然而，在其他实施方案中，患者侧部分102可安装到墙壁，安装到天花板，安装到地板，或安装到其他手术室设备。另外，虽然患者侧部分102被示出为包括两个机器人臂108，但也可包括更多或更少的机器人臂108。此外，患者侧部分102可包括诸如相对于手术台116(如图7所示)安装在各种位置的单独的机器人臂108。另选地，患者侧部分102可包括单个组件，该单个组件包括从其延伸的一个或多个机器人臂108。
图8示出了图1的机器人臂118和外科工具10的另一个实施方案，该外科工具可释放地且可替换地联接到机器人臂118。而其他外科器械可联接到臂118，如本文讨论。机器人臂118被构造成能够使相关联的工具10沿一个或多个自由度(例如，所有六个笛卡尔自由度，五个或更少的笛卡尔自由度等)支撑和移动。
机器人臂118可在机器人臂118的远侧端部处包括工具驱动器122，该工具驱动器可协助控制与工具10相关联的特征。机器人臂118还可包括入口引导件123(例如，套管安装件、套管等)，该入口引导件可以是机器人臂118的一部分或者可以可释放地且可替换地联接到机器人臂118，如图8所示。工具组件的轴可通过入口引导件123***以***患者体内，如图8所示，其中图1的工具10的轴12被示出为通过入口引导件123***。
为了在使用外科***时提供无菌手术区域，可在外科***的致动部分(例如，机器人臂118)与联接到其上的外科器械(例如，工具10等)之间布置阻隔件126。无菌部件诸如器械无菌适配器(ISA)也可布置在工具10与机器人臂118之间的连接接口处。ISA的在工具10与机器人臂108之间的布置可确保工具10和机器人臂118具有无菌联接点。这允许从机器人臂118移除外科器械，以在外科手术过程中与其他外科器械交换而不破坏无菌的外科手术区域。
图9更详细地示出了工具驱动器122。如图所示，工具驱动器122包括一个或多个马达，例如，示出了五个马达124，这些马达控制与联接到臂118的工具10相关联的各种运动和动作。例如，每个马达124都可联接到与工具10相关联的启动特征(例如，齿轮)和/或与其相互作用，以用于控制可由工具10执行的一个或多个动作和运动，例如用于辅助执行外科手术。可在工具驱动器122的上表面上触及马达124，因此工具10(例如，其外壳18)被构造成能够安装在工具驱动器122的顶部上以联接到该工具驱动器。被构造成能够由工具驱动器马达控制的工具外壳(也称为“圆盘”)的马达操作和部件的示例性实施方案在先前提及的以下专利中进一步描述：2014年3月13日提交的名称为“Compact Robotic Wrist”的国际专利公布WO 2014/151952；和2014年3月13日提交的名称为“Hyperdexterous SurgicalSystem”的国际专利公布WO 2014/151621；2016年7月1日提交的名称为“Methods,Systems,And Devices For Initializing A Surgical Tool”的美国专利公布15/200,283；以及2016年8月16日提交的名称为“Methods,Systems,And Devices For Controlling A MotorOf A Robotic Surgical Systems”的美国专利公布15/237,653，这些专利据此全文以引用方式并入。
工具驱动器122还包括形成于其侧壁中的轴接纳通道126，以用于接纳工具10的轴12。在其他实施方案中，轴12可延伸穿过工具驱动器122中的开口，或两个部件的各种其他构型可配合。
如上所述，外科工具，诸如图1的工具10、图3的工具、图5的工具或其他外科工具，可以被构造成能够具有施加到其上的校正力，该校正力抵消端部执行器由于沿切割元件的平移而经受的扭矩力。还如上所述，联接到外科工具的机器人外科***(诸如，图7的机器人外科***100或其他机器人外科***)可以被配置成能够将校正力递送到外科工具，例如将力提供给外科工具的工具外壳的机器人外科***的工具驱动器。机器人外科***(例如，包括控制器的其控制***和/或包括控制器的计算机***)可以被配置成能够确定要施加的校正力的量。
图10示出了在切割元件平移期间将校正力施加到外科工具的方法200的一个实施方案。为了便于描述，参考图7的机器人外科***100和图11的外科工具描述了方法200，但是可以使用机器人外科***和外科工具的其他实施方案类似地实现方法200。出于描述方法200的目的，图11的外科工具可释放地联接到机器人外科***，例如，外科工具的工具外壳(未示出)可释放地联接到工具驱动器122。
外科工具的端部执行器201可以进行关节运动202以相对于细长轴205的纵向轴线203以非零角度α定位，该细长轴在其远侧端部处具有端部执行器201。所例示的角度α是示例性角度，其中端部执行器201被构造成能够以大于和小于所示角度α的其他角度进行关节运动。图11示出了以非零角度α进行关节运动的端部执行器201。如本文所讨论的，端部执行器的关节运动能够以多种方式实现，诸如通过机械外科***100驱动外科工具的一个或多个致动轴，该致动轴操作地联接到端部执行器201和工具驱动器122。端部执行器201在腕部或接头207处联接到轴205，在该处端部执行器201相对于轴205成角度。端部执行器201包括相对的上钳口209和下钳口211，其被构造成能够类似于本文所述的钳口的其他实施方案打开和闭合。
机器人外科***100能够以多种方式中的任一种来确定204关节运动角度α。例如，机器人外科***100(例如，其控制***114)可以包括具有存储器的计算机***，该存储器中存储有将关节运动力与关节运动角度相关联的数据。递送到外科工具以使端部执行器201进行关节运动的关节运动力的量是机器人外科***100已知的，并且机器人外科***100(例如，控制***114的控制器)可以使用所存储的数据来查找对应于递送的力的量的关节运动角度，即角度α。又如，外科工具可以包括至少一个位置传感器，其配置成感测指示角度α的端部执行器201的位置。至少一个位置传感器可以被配置成能够经由工具驱动器122将感测到的位置传送到机器人外科***100(例如，传送到控制***114)。
在端部执行器201以角度α关节运动的情况下，切割元件(在图11中被遮挡)可以沿端部执行器201在远侧方向上平移206，以切割由端部执行器201接合的组织(未示出)，例如，夹在钳口209、211之间的组织。在该例示的实施方案中，其上具有切割元件的击发杆213(类似于图6的击发杆64和切割元件59)沿端部执行器201朝远侧平移206以切割组织。在切割元件的平移期间，击发杆213在腕部207处弯曲，如图11所示，并且在远侧方向上施加扭矩力，其在图11中由箭头F1示出。如上所述，扭矩力将端部执行器201从其关节运动角α推动。
机器人外科***100(例如，控制***114的控制器)可以确定208一定量的校正力以递送到端部执行器201，例如，经由工具驱动器122递送至工具外壳，以校正扭矩力。能够以多种方式中的任一种来确定校正力208。
图12示出了确定过程215的一个实施方案，机器人外科***100(例如，控制***114的控制器)可以实现以确定208校正力的量。过程215可以存储在机器人外科***100处(例如，在控制***114的存储器中)以由此执行(例如，通过控制***的控制器)。
由机器人外科***100施加到外科工具以引起切割元件平移(例如，击发杆213平移)的扭矩力的量是过程215的第一输入217，并且确定的204关节运动角度α是过程215第二输入219。由机器人外科***100施加到外科工具以引起切割元件平移的扭矩力的量能够以多种方式中的任一种来确定。例如，扭矩力可以经由马达扭矩来测量，例如，工具驱动器122处的马达的扭矩，其向外科工具的工具外壳提供力。又如，机器人外科***100可以包括至少一个力传感器(例如，在邻近马达的工具驱动器122处)，该力传感器被构造成能够感测扭矩力。
第一输入217用于确定221切割元件(例如，击发杆213)施加在端部执行器201上的力。例如，可以通过机器人外科***100(例如，控制***114的控制器)使用查找表来进行确定221，该查找表将机器人外科***可以递送的每个扭矩力与扭矩力导致的施加在端部执行器201上的力相关联。查找表可以存储在机器人外科***100处(例如，在控制***114的存储器中)。确定的221力被输入到2-D查找表223中。第二输入219也被输入到2-D查找表223中。机器人外科***100(例如，控制***114的控制器)使用2-D查找表223以及其两个输入来确定腕部207处的扭矩力。换句话讲，2-D查找表223可以将腕部207处的扭矩力与不同的端部执行器关节运动角度和施加在端部执行器上的不同扭矩力相关联，其中将两个输入与2-D查找表223匹配的扭矩之一是指示腕部207处的扭矩力的查找表223功能的输出。可以例如通过实验和/或通过外科工具的历史使用来采集查找表223中的数据(例如，预定的力)。
机器人外科***100(例如，控制***114的控制器)还计算225第二输入219的反正切(inverse tangent)(arc tangent或atan)。
机器人外科***100(例如，控制***114的控制器)将腕部207处的扭矩力(例如，来自查找表223的输出)除以227计算的225反正切以获得结果229。结果229是机器人外科***100施加到端部执行器201以抵消扭矩力的校正力的量，例如图11中的箭头F1所示的力。
在确定208校正力的量之后，机器人外科***100例如通过将扭矩赋予外科工具的一个或多个致动轴的工具驱动器122将校正力递送210到外科工具。校正力与扭力在相反的方向上。换句话讲，扭矩力在远侧方向上，如箭头F1所示，并且校正力在近侧方向上，如图11中的箭头F2所示。因此，校正力可基本上抵消由切割元件沿端部执行器201的平移引起的端部执行器的运动的推动，以在切割元件的平移期间将端部执行器201维持在关节角度α。本领域技术人员将理解，校正力可能不会精确地抵消在切割元件平移期间施加的扭矩力，但仍然被构造成能够基本上抵消由于任何数量的因素，诸如测量设备的灵敏度所引起的扭矩力。
如在例示的实施方案中，在整个切割元件的平移中，机器人外科***100可以在迭代过程中重复确定208校正力的量并且递送210确定的208量。该迭代过程可帮助解决在切割元件的平移期间可能发生的所施加的马达扭矩的变化，诸如如果马达扭矩增大，以帮助切割元件移动穿过较厚和/或更坚韧的组织。在其他实施方案中，过程200可在校正力210被递送210一次之后结束，这可帮助节省处理资源。
本文所公开的***、装置和方法可使用一个或多个计算机***来实现，该计算机***也可在本文中被称为数字数据处理***和可编程***。
可在数字电子电路、集成电路、专门设计的专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、计算机硬件、固件、软件和/或其组合中实现本文描述的主题的一个或多个方面或特征。这些不同方面或特征可包括一个或多个计算机程序中的具体实施，该一个或多个计算机程序是在包括至少一个可编程处理器的可编程***上可执行的和/或可解释的，该至少一个可编程处理器可以是特殊的或通用的，耦合以从存储***、至少一个输入装置和至少一个输出装置接收数据和指令并向它们传输数据和指令。可编程***或计算机***可包括客户端和服务器。客户端和服务器一般来讲彼此远程，并且通常通过通信网络进行交互。客户端和服务器的关系是借助于在各自计算机上运行的、彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序得到的。
这些计算机程序(也可称为程序、软件、软件应用程序、组件或代码)包括用于可编程处理器的机器指令，并且能够以高级程序、面向对象的编程语言、函数编程语言、逻辑编程语言来实现和/或以汇编/机器语言来实现。如本文所用，术语“机器可读介质”是指用来向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何计算机程序产品、设备和/或装置(例如，磁盘、光盘、存储器、可编程逻辑装置(PLD))，包括接收作为机器可读信号的机器指令的机器可读介质。术语“机器可读信号”是指用来向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何信号。机器可读介质可非暂态地存储此类机器指令，例如非瞬时固态存储器或磁性硬盘驱动器或任何等同的存储介质。另选地或除此之外，机器可读介质可以瞬态方式存储此类机器指令，例如处理器高速缓存或与一个或多个物理处理器核相关联的其它随机存取存储器。
为提供与用户的交互，可在具有用于向用户显示信息的显示装置诸如阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)或发光二极管(LED)监视器、以及用户能向计算机提供输入的键盘和指示装置诸如鼠标、跟踪球等的计算机上实现本文所述主题的一个或多个方面或特征。也可使用其它类型的装置来提供与用户的交互。例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感官反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈)；并且可通过任何形式接收来自用户的输入，包括但不限于声音、语音或触觉输入。其它可能的输入装置包括但不限于触摸屏或其它触敏装置，诸如单点或多点电阻性或电容式触控板、语音识别硬件和软件、光学扫描仪、光学指针、数字图像捕获装置和相关联的解释软件等。
图13示出了计算机***300的一个示例性实施方案。如图所示，计算机***300包括一个或多个处理器302，该一个或多个处理器可以控制计算机***300的操作。“处理器”在本文中也被称为“控制器”。处理器302可包括任何类型的微处理器或中央处理单元(CPU)，包括可编程通用或专用微处理器、和/或各种专有或可商购获得的单处理器***或多处理器***中的任一种。计算机***300还可包括一个或多个存储器304，该存储器可以为待由处理器302执行的代码提供临时存储，或者为一个或多个用户、存储装置和/或数据库获取的数据提供临时存储。存储器304可包括只读存储器(ROM)、闪存、一种或多种随机存取存储器(RAM)(例如，静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)或同步DRAM(SDRAM))和/或存储器技术的组合。
计算机***300的各种元件可以联接到总线***312。图示的总线***312是抽象的，其表示通过适当的桥接器、适配器和/或控制器连接的任何一个或多个单独的物理总线、通信线路/接口、和/或多点分支或点对点连接。计算机***300还可包括一个或多个网络接口306、一个或多个输入/输出(IO)接口308以及一个或多个存储装置310。
网络接口306可以使计算机***300能够通过网络与远程装置(例如，其它计算机***)通信，并且对于非限制性示例，可以是远程桌面连接接口、以太网适配器、和/或其它局域网(LAN)适配器。IO接口308可包括一个或多个接口部件，以将计算机***300与其他电子设备连接。对于非限制性示例，IO接口308可包括高速数据端口，诸如通用串行总线(USB)端口、1394端口、Wi-Fi、蓝牙等。另外，计算机***300可以是人类用户可访问的，因此IO接口308可包括显示器、扬声器、键盘、点击装置、和/或各种其它视频、音频或字母数字接口。存储装置310可包括用于以非易失性和/或非瞬态方式存储数据的任何常规介质。因此，存储装置310可以将数据和/或指令保持在持久状态，即，尽管中断对计算机***300的供电，仍保留值。存储装置310可包括一个或多个硬盘驱动器、闪存驱动器、USB驱动器、光盘驱动器、各种介质卡、磁盘、光盘和/或它们的任何组合，并且可以直接连接到计算机***300，或例如通过网络而远程连接到该计算机***。在一个示例性实施方案中，存储装置可包括被构造成能够存储数据的有形或非暂态计算机可读介质，例如硬盘驱动器、闪存驱动器、USB驱动器、光盘驱动器、媒体卡、磁盘、光盘等。
图13所示的元件可以是单个物理机器的一些或所有元件。此外，并非所有例示的元件都需要位于同一物理机器上或同一物理机器中。示例性计算机***包括传统台式计算机、工作站、小型计算机、膝上型计算机、平板计算机、个人数字助理(PDA)、移动电话等。
计算机***300可包括web浏览器，用于：检索网页或其它标记语言流，呈现这些页面和/或流(在视觉上、听觉上或其它方面)，在这些页面/流上执行脚本、控件和其它代码，接受关于这些页面/流的用户输入(例如，出于完成输入字段的目的)，发布关于这些页面/流或其它方面的超文本传输协议(HTTP)请求(例如，用于从完成的输入字段中提交服务器信息)等等。网页或其它标记语言可以是超文本标记语言(HTML)或其它传统形式，包括嵌入式可扩展标记语言(XML)、脚本、控件等。计算机***300还可包括web服务器，用于生成网页，以及/或者将网页传送至客户端计算机***。
在一个示例性实施方案中，计算机***300可以作为单个单元提供，诸如，作为单个服务器、作为单个塔、包含在单个外壳内等。单个单元可以是模块化的，使得其各个方面可以根据需要换入和换出，例如升级、更换、维护等，而不会中断***的任何其他方面的功能。因此，单个单元也可以是可扩展的，具有作为附加模块添加的能力和/或期望和/或改善现有模块的附加功能。
计算机***还可包括各种其它软件和/或硬件组件中的任何一种，包括(作为非限制性示例)操作***和数据库管理***。尽管本文描绘和描述了示例性计算机***，但应当理解，这是出于普遍性和方便性的原因。在其它实施方案中，计算机***的架构和操作可与这里示出和描述的不同。
优选地，本文所述的本发明的部件将在使用之前处理。首先，获取新的或用过的器械，并根据需要进行清洁。然后，可对器械进行消毒。在一种灭菌技术中，将所述器械放置在密闭且密封的容器(诸如，塑料或TYVEK袋)中。然后将容器和器械置于可穿透所述容器的辐射场，诸如γ辐射、x射线或高能电子。辐射杀死器械上和容器中的细菌。经消毒的器械随后能被储存在无菌容器中。密封容器使器械保持无菌，直到其在医疗设施中被打开。
通常，对该装置进行消毒。这以通过本领域的技术人员已知的任何多种方式来完成，包括β辐射或γ辐射、环氧乙烷、蒸汽以及液浴(例如冷浸)。在2008年2月8日提交的名称为“System And Method Of Sterilizing An Implantable Medical Device”的美国专利8,114,345中更详细地描述了对包括内部电路的装置进行消毒的示例性实施方案。优选的是，如果植入的话，将装置气密密封。这可通过本领域技术人员已知的任何数量的方式而完成。
根据上述实施方案，本领域的技术人员将会认识到本发明的另外的特征和优点。因此，本发明不应受到已具体示出和描述内容的限制，除非所附权利要求有所指示。本文引用的所有出版物和参考文献全文明确地以引用方式并入本文中。

Claims (14)

1.一种外科***，包括：
外科工具，所述外科工具包括细长轴，所述细长轴在其远侧端部处具有端部执行器，所述外科工具包括杆，所述杆被构造成能够移动以使所述端部执行器相对于所述细长轴以一角度做关节运动，所述杆的运动被构造成能够由马达驱动，从而向所述外科工具提供扭矩力；和
控制器，所述控制器被配置成能够基于所述角度和所述扭矩力来确定校正力的量，并且所述控制器被配置成能够将确定的校正力施加到所述杆。
2.根据权利要求1所述的***，其中，所述外科工具包括切割元件，所述切割元件被构造成能够沿所述端部执行器平移以切割由所述端部执行器接合的组织，并且所述控制器被配置成能够使所述确定的校正力在所述切割元件的所述平移期间施加到所述杆。
3.根据权利要求1所述的***，还包括在其中存储查找表的存储器，所述查找表将多个关节运动角度和多个马达扭矩力中的每个与施加到所述杆的校正力相关联，并且所述控制器被配置成能够经由所述查找表确定校正力的量。
4.根据权利要求1所述的***，其中，所述控制器被配置成能够确定所述端部执行器相对于所述细长轴成角度的关节运动的角度。
5.根据权利要求1所述的***，其中，所述端部执行器被构造成能够在接头处相对于所述细长轴枢转，以实现所述端部执行器相对于所述细长轴做成角度的关节运动，所述杆延伸穿过所述接头。
6.根据权利要求1所述的***，其中，所述***包括被配置成能够可释放地联接到所述外科工具的机器人外科***，所述控制器被包括在所述机器人外科***中。
7.根据权利要求1所述的***，所述***包括机器人外科***，所述机器人外科***包括工具驱动器，所述工具驱动器包括所述马达，所述外科工具被构造成能够可释放地操作地联接到所述工具驱动器。
8.根据权利要求7所述的***，其中，所述机器人外科***包括所述控制器，所述控制器与所述工具驱动器操作地通信。
9.根据权利要求1所述的***，其中，所述***包括被配置成能够可释放地联接到所述外科工具的机器人外科***，
其中所述外科工具包括切割元件，所述切割元件被构造成能够沿所述端部执行器平移以切割由所述端部执行器接合的组织，并且其中所述扭矩力为由所述机器人外科***的马达提供给所述外科工具的第一力；
其中所述控制器被配置成能够在所述切割元件的所述平移期间引起由所述机器人外科***提供给所述外科工具的所述第一力的调节，从而抵消由所述切割元件沿所述端部执行器的平移引起的第二力。
10.根据权利要求9所述的***，其中，所述切割元件被构造成能够响应于由所述机器人外科***提供给所述外科工具的第三力而沿所述端部执行器平移，并且所述控制器被配置成能够基于所述第三力和所述端部执行器相对于所述细长轴进行关节运动的角度来确定所述第一力的所述调节的量。
11.根据权利要求10所述的***，还包括在其中存储查找表的存储器，所述查找表将所述第二力的量与所述端部执行器能够相对于所述细长轴进行关节运动的多个角度中的每个角度以及能够通过所述机器人外科***提供给所述外科工具以引起所述切割元件的所述平移的多个第三力中的每个第三力相关联，并且所述控制器确定所述第一力的所述调节的量包括在所述查找表中查找所述端部执行器相对于所述细长轴进行关节运动的角度，并在所述查找表中查找由所述机器人外科***提供给所述外科工具的所述第三力。
12.根据权利要求9所述的***，还包括在其中存储查找表的存储器，所述控制器被配置成能够访问所述查找表从而确定所述第一力的所述调节的量。
13.根据权利要求9所述的***，其中，所述机器人外科***包括被构造成能够向所述外科工具提供所述第一力的马达。
14.根据权利要求9所述的***，其中，所述控制器被包括在所述机器人外科***中。
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