PL216964B1 - Narzędzie laparoskopowe z układem pomiaru sił - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest narzędzie laparoskopowe z układem pomiaru sił oddziaływania narzędzia na ciało pacjenta, wyposażone w kiść o co najmniej 2 stopniach swobody napędzaną za pomocą cięgien podatnych.

Klasyczne narzędzia laparoskopowe mają postać tulei o długości od 20 do 50 cm, na której jednym końcu jest osadzony układ napędowy narzędzia oraz uchwyt trzymany przez chirurga lub zamocowany do ramienia robota, zaś na drugim końcu narzędzia są umieszczone końcówki narzędziowe. Narzędzie wprowadza się do ciała pacjenta przez kaniulę trokaru osadzoną w otworze w powłokach skórnych. Koniec narzędzia z końcówką narzędziową umieszcza się wewnątrz ciała pacjenta. Napęd z układu napędowego do końcówki narzędziowej jest przekazywany wewnątrz tulei. Najprostsze narzędzia mają jeden stopień swobody (otwieranie/zamykanie szczęk narzędzia - końcówek roboczych) oraz układ przeniesienia napędu przez tuleję za pomocą popychacza i mechanizmu jarzmowego.

Znane są także narzędzia laparoskopowe posiadające więcej stopni swobody, na przykład trzy. Na końcu tulei jest w nich osadzony przegubowo człon kiści, a w nim również przegubowo dwie szczęki narzędzia i mechanizm je zamykający. Ilość stopni swobody wzrasta wraz ze wzrostem ilości członów.

W narzędziach laparoskopowych o trzech i więcej stopniach swobody przeniesienie napędu z układu napędowego na końcówki narzędziowe odbywa się za pomocą cięgien podatnych opasujących koła cięgnowe umieszczone w przegubach. Aby zapobiec oderwaniu się cięgien od kół cięgnowych w przegubie znajdującym się na końcu tulei narzędzia, bezpośrednio przed przegubem umieszcza się dodatkową oś z kołami cięgnowymi i cięgna prowadzi się tak, by w całym zakresie ruchu miały kontakt z kołami cięgnowymi. Narzędzia laparoskopowe o trzech lub więcej stopniach swobody mają zastosowanie głównie w telemanipulatorach medycznych.

Jednym z mankamentów występujących w istniejących narzędziach laparoskopowych jest niemożność odczuwania sił kontaktu narzędzia z pacjentem.

Znane są czujniki sił do zastosowań medycznych odwzorowujące siły oddziaływania na podstawie parametrów obciążenia silników. Pomiar sił przy użyciu takich czujników jest mało dokładny, gdyż siły tarcia w układzie przeniesienia napędu bardzo zakłócają pomiar dokonywany przy użyciu tych czujników.

Znany jest także sposób pomiaru sił działających na końcówkę narzędziową laparoskopu, polegający na rozmieszczeniu czujników sił na kaniuli trokaru prowadzącej narzędzie oraz na uchwycie trzymającym układ napędowy narzędzia. Czujniki mierzą oddziaływanie między narzędziem i trokarem oraz narzędziem i uchwytem i na podstawie równań równowagi sił określają siły działające na końcówkę narzędzia.

W narzędziach laparoskopowych z kiścią o 2 stopniach swobody stosuje się również zintegrowany czujnik sił i momentów, który umieszcza się pomiędzy kiścią i końcówkami narzędziowymi. Czujnik zawiera sześć belek umieszczonych skośnie podobnie jak w konstrukcji platformy Stewarda. Przez czujnik jest przeprowadzona para cięgien napędzających zamykanie i otwieranie końcówek narzędziowych. Takie umiejscowienie czujnika sprawia, że okablowanie należy przeprowadzić przez przeguby kiści, co powoduje, że okablowanie jest narażone na uszkodzenia w wyniku częstych przegięć, a ponadto znacząco wydłużona zostaje kiść narzędzia. Dodatkowo siły w cięgnach napędzających zamykanie szczęk znacznie zakłócają pomiar.

Znany jest także czujnik sił stosowany w narzędziach laparoskopowych, który umieszcza się na tulei narzędzia, w postaci z trzech belek łączących górną i dolną część narzędzia, o dużej podatności wzdłuż osi narzędzia i dużej sztywności w kierunku poprzecznym. Ugięcie belek, które jest miarą działających sił, mierzy się z zastosowaniem lustra odbijającego wiązki światła, zamocowanego do dolnej części narzędzia. Światło odbite od powierzchni lustra jest przesyłane przez włókna optyczne. Względne przemieszczenie pomiędzy dolną a górną częścią czujnika mierzone jest za pomocą natężenia sygnału odbitego od powierzchni lustra. Czujnik ten nie jest przystosowany do przeprowadzenia przezeń żadnego układu napędowego, a co za tym idzie nie może być wykorzystany w narzędziach z kiścią, gdyż siły napędowe w cięgnach napędzających kiść czy zamykających końcówki narzędziowe powodowałyby znaczne odkształcenia belek i zakłócały pomiar.

Narzędzie laparoskopowe, zawierające blok napędowy z uchwytem, połączony łącznikiem z kiścią narzędziową o co najmniej 2 stopniach swobody napędzaną przez cięgna podatne opasujące dwa układy kół cięgnowych umieszczone wewnątrz łącznika i zawierającą co najmniej jedną końcówPL 216 964 B1 kę roboczą, wyposażony w odkształcające się belki pomiarowe do pomiaru sił, według wynalazku charakteryzuje się tym, że koła układu kół cięgnowych usytuowanego od strony układu napędowego narzędzia są osadzone na dwóch osiach usytuowanych jedna nad drugą, równolegle względem siebie, zaś koła układu kół cięgnowych usytuowanego od strony kiści są osadzone na jednej osi stanowiącej jednocześnie pierwszą oś obrotu kiści i odcinki cięgien podatnych są usytuowane, między układami kół cięgnowych, w płaszczyźnie prostopadłej do osi łącznika narzędzia, stanowiącej płaszczyznę pomiaru sił, przy czym układy kół cięgnowych są umieszczone w dwóch częściach łącznika złączonych ze sobą za pomocą co najmniej trzech belek usytuowanych w płaszczyźnie pomiaru sił oraz za pomocą co najmniej trzech belek usytuowanych prostopadle do płaszczyzny pomiaru sił czyli równolegle do osi łącznika, stanowiących belki pomiarowe. Belki pomiarowe usytuowane prostopadle do płaszczyzny pomiaru sił, wykonane z materiału o większej podatności niż podatność materiału belek usytuowanych w płaszczyźnie pomiaru sił, wyposażone w tensometry lub zintegrowane mikroukłady elektro-mechaniczne (MEMS), są połączone ze ściankami łącznika połączeniem klejonym lub kształtowym, zaś belki usytuowane w płaszczyźnie pomiaru sił stanowią elementy ścianek łącznika powstałe w wyniku wykonania w jego ściankach nacięć równoległych do płaszczyzny pomiaru sił. Narzędzie zawiera korzystnie cztery belki pomiarowe i cztery belki usytuowane w płaszczyźnie pomiaru sił. Tensometry lub zintegrowane mikroukłady elektro-mechaniczne są złączone z układem sterowania narzędziem.

Sygnał z tensometrów lub z MEMS, wprowadzony do układu sterowania, zostaje przeliczony w nim na wartości trzech składowych sił działających na narzędzie, a następnie przedstawiony chirurgowi, na przykład w formie graficznej lub zostaje przetworzony na prądy płynące w silnikach napędu zadajnika położenia trzymanego przez chirurga.

Cięgna napędzające kiść narzędziową są w płaszczyźnie pomiaru usytuowane równolegle do tej płaszczyzny. Siły działające na część narzędzia laparoskopowego umieszczoną za płaszczyzną pomiaru sił, pochodzące od układu napędowego, są przenoszone tylko przez belki usytuowane w płaszczyźnie pomiaru sił, zaś siły zewnętrzne działające na narzędzie powodują zmiany naprężeń zarówno w belkach usytuowanych w płaszczyźnie pomiaru sił jak i w belkach pomiarowych usytuowanych prostopadle do płaszczyzny pomiaru. Tak więc zmiany naprężeń w belkach pomiarowych są miarą sił oddziaływania narzędzia laparoskopowego na ciało pacjenta.

Nowa konstrukcja narzędzia laparoskopowego według wynalazku nie zwiększa jego gabarytów ani też gabarytów kiści, nadto umożliwia przeprowadzenie cięgien napędzających kiść i końcówki robocze przez płaszczyznę pomiaru sił. Siły napędzające narzędzie nie wpływają na wskazania tensometrów lub MEMS. Przewody łączące tensometry lub MEMS z układem sterowania telemanipulatora nie przechodzą przez przeguby kiści, a co za tym idzie nie podlegają zginaniu i uszkodzeniom od niego pochodzącym.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia narzędzie laparoskopowe w widoku z góry, fig. 2 - część narzędzia od strony kiści, w widoku z góry, fig. 3 - część narzędzia od strony kiści, w widoku z boku, fig. 4 - część narzędzia w przekroju poprzecznym wzdłuż linii AA na fig. 3, zaś fig. 5 - część narzędzia w przekroju wzdłużnym wzdłuż linii BB na fig. 3.

Narzędzie laparoskopowe jest wyposażone w układ napędowy 1 z uchwytem, połączony łącznikiem 2 z kiścią narzędziową 3 o czterech stopniach swobody, napędzaną cięgnami podatnymi 16 opasującymi dwa układy kół cięgnowych 18 umieszczone wewnątrz łącznika 2, złożoną z członów osadzonych na osiach 5, 6 i 7 i zawierającą końcówki narzędziowe 8 i 9. Koła 18 układu kół cięgnowych usytuowanego od strony układu napędowego 1 narzędzia są osadzone na dwóch osiach 14, 15 usytuowanych jedna nad drugą, równolegle względem siebie, zaś koła 18 układu kół cięgnowych usytuowanego od strony kiści 3 są osadzone na jednej osi 5 stanowiącej jednocześnie pierwszą oś obrotu kiści 3. Odcinki cięgien podatnych 16 między układami kół cięgnowych 18 są usytuowane w płaszczyźnie 17 prostopadłej do osi łącznika 2 narzędzia, stanowiącej płaszczyznę pomiaru sił. Układy kół cięgnowych 18 są umieszczone w dwóch częściach 10, 11 łącznika 2 złączonych ze sobą za pomocą czterech belek 12 usytuowanych w płaszczyźnie 17 pomiaru sił oraz za pomocą czterech belek 13 usytuowanych prostopadle do płaszczyzny 17 pomiaru sił czyli równolegle do osi łącznika 2, stanowiących belki pomiarowe. Belki pomiarowe 13, wykonane z materiału o większej podatności niż podatność materiału belek 12, wyposażone w tensometry lub zintegrowane mikroukłady elektro-mechaniczne (MEMS), są połączone ze ściankami łącznika 2 połączeniem klejonym lub kształtowym. Belki 12 stanowią elementy ścianek łącznika 2 powstałe w wyniku wykonania w jego ściankach nacięć

PL 216 964 B1 równoległych do płaszczyzny 17 pomiaru sił. Tensometry lub zintegrowane mikroukłady elektro-mechaniczne są złączone z układem sterowania narzędziem.

Sygnał zmian naprężeń w belkach pomiarowych 13, który jest miarą siły oddziaływania narzędzia na ciało pacjenta, zostaje wprowadzony do układu sterowania narzędziem, w którym za pomocą programu komputera zostaje przeliczony na wartości trzech składowych sił działających na narzędzie i następnie przekazany przez komputer na zadajnik trzymany przez chirurga, w postaci prądów płynących w silnikach napędowych zadajnika. Sygnał z belek pomiarowych 13 może być wykorzystywany przez chirurga jako źródło dodatkowych informacji o stanie organu operowanego lub zabezpieczać przed zerwaniem nici podczas procesu szycia.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Narzędzie laparoskopowe, zawierające blok napędowy z uchwytem, połączony łącznikiem z kiścią narzędziową o co najmniej 2 stopniach swobody napędzaną przez cięgna podatne opasujące dwa układy kół cięgnowych umieszczone wewnątrz łącznika i zawierającą co najmniej jedną końcówkę roboczą, wyposażony w odkształcające się belki pomiarowe do pomiaru sił, znamienne tym, że koła (18) układu kół cięgnowych usytuowanego od strony układu napędowego (1) narzędzia są osadzone na dwóch osiach (14, 15) usytuowanych jedna nad drugą, równolegle względem siebie, zaś koła (18) układu kół cięgnowych usytuowanego od strony kiści (3) narzędzia są osadzone na jednej osi (5) stanowiącej jednocześnie pierwszą oś obrotu kiści (3) i odcinki cięgien podatnych (16) są usytuowane, między układami kół cięgnowych (18), w płaszczyźnie (17) prostopadłej do osi łącznika (2) narzędzia, stanowiącej płaszczyznę pomiaru sił, przy czym układy kół cięgnowych są umieszczone w dwóch częściach (10, 11) łącznika (2) złączonych ze sobą za pomocą co najmniej trzech belek (12) usytuowanych w płaszczyźnie (17) pomiaru sił oraz za pomocą co najmniej trzech belek (13) usytuowanych prostopadle do płaszczyzny (17) pomiaru sił czyli równolegle do osi łącznika (2), stanowiących belki pomiarowe, wyposażonych w tensometry lub zintegrowane mikroukłady elektro-mechaniczne złączone z układem sterowania narzędziem
2. 2. Narzędzie według zastrz. 1, znamienne tym, że belki pomiarowe (13), usytuowane prostopadle do płaszczyzny pomiarowej (17) czujnika, są wykonane z materiału o większej podatności niż podatność materiału belek (12) usytuowanych w tej płaszczyźnie.
3. 3. Narzędzie według zastrz. 1, znamienne tym, że belki pomiarowe (13) są połączone ze ściankami łącznika (2) połączeniem klejonym lub kształtowym.
4. 4. Narzędzie według zastrz. 1, znamienne tym, że belki (12) usytuowane w płaszczyźnie (17) pomiaru sił stanowią elementy ścianek łącznika (2) powstałe w wyniku wykonania w jego ściankach nacięć równoległych do płaszczyzny (17) pomiaru sił.
5. 5. Narzędzie według zastrz. 1, znamienne tym, że zawiera korzystnie cztery belki pomiarowe (13) i cztery belki (12) usytuowane w płaszczyźnie (17) pomiaru sił.