专利名称：用于医疗处理的活节机械手的制作方法
技术领域：
本发明涉及用来进行医疗处理的活节机械手，本发明尤其(并非仅仅)涉及适宜于手术、治疗或诊断等医学应用的机器人系统。该活节机械手可用来为某一类治疗或诊断工具提供可靠的支承。
目前，计算机和机器人技术已非常成功地应用于许多工业领域，这一点在要求迅速完成多重复性(因而繁杂)、高精度或危险性任务的领域表现尤为显著。由于其在定位重复性、可靠性、准确性及精密性方面的优势，机器人在手术示范室中的医疗工具定位技术上具有良好的应用前景。而对于侵入性操作最小化的要求来讲，机器人技术更将显示出极大的潜力。
用来破碎肾结石的ESWL(体外冲击波碎石术)及高强度超声波是典型的非侵入性手术。目前，在这类手术及与其相反的侵入性手术中，计算机辅助定位系统已被用来找准手术目标。手术目标在患者体内，而用操作工具对手术目标的第一线操作却可以在患者体外进行。
然而，大多数侵入性最小化的手术操作(MIS)都需要使用具有如下特性的医疗工具(或若干个被称为内窥镜的低倍观察镜)它可以是刚性或柔性体，可以进入患者身体上小的自然口或切割口并经由这些开口对患者体内器官的病区进行处理。上述景像可以从目镜看到，也可以出于视觉效果及比例放大的考虑而显示在电视显示器上(所谓影像手术)。然而，这些由内窥镜直接获得的影像仅仅涉及了手术操作直接触及的环境。手术医生无法由此清楚地获得影像以外的情况。手术医生是在已切割组织显现出来之后才确认自己的操作进度的，这样做显然比较危险，为此，手术医生必须具备足够的技能和经验。
目前已出现一些现代化的医学成像方法，如计算机X线断层成像(CT)、核磁共振成像(MRI)及超声波成像。这些方法造就了计算机辅助三维成像的可能性，亦即，用平面监视器显示被处理或被观察器官的三维图像。上述图像被叠加到患者身体上(效果类似于用一副特制目镜观察)以便在MIS中引导手术医生。由于获得了手术部位的清晰图像，使用上述方法将缩短切除及缝合所花的时间。由计算机建立的三维图像数据文件可用于图像显示，除此之外，借助于运动控制系统的相应监视及控制软件，这些数据还可被用来控制手术刀/内窥镜(装在具有适当结构的机械手上)的运动。这样，手术医生和计算机系统便可以获得手术操作直接触及区域以外的信息。
在MIS操作中采用机械手主动介入的例子有很多，如TURP(经尿道前列腺切除术)，自动式结肠镜检查，镫骨切除术以及ENT(耳鼻喉)手术。无粘固粉髋骨植入/更换是采用机械手介入的一种切口手术操作，其方式是用一个载有铣刀的工业机械手在股骨中铣出一个尺寸及位置精度均比较高的精密空腔，由此来配合预定的植入。
EP0,416,863(WICKHAN)介绍了一种用于医疗工具定位及引导的框架结构，该医疗工具可以是用于非侵入性前列腺手术的前列腺切除器。该框架结构由框架构件(10，50)及环形件(15，57)构成，环形件的运动限于在平行于框架构件平面内围绕自身的轴旋转。穿过环形件的拱形件(18，65)载有医疗工具的安装座(20，66)，控制医疗工具运动的方法是使安装座沿着拱形件移动，同时使环形件作相对于框架构件的移动。通过合理设置环形件半径、拱形件曲率半径以及医疗工具端梢至拱形件的距离，医疗工具围绕环形件及穿过拱形件的运动便会在环形件上远离拱形件的一侧扫出两个大致为锥状的区域。如果所用的医疗工具是前列腺切除器，那么较小的锥状区域便是前列腺上被切除的部分(因而遗留下一个锥状孔)。框架结构可以由夹持装置安装在台架上，也可以被固紧在某一悬挂装置上。环形件的旋转、医疗工具在拱形件上的往返以及医疗工具的手术动作都可由电机来驱动。
如EP0,416,863所述的框架结构难以经过改装而适应除TURP或TURP中除电灼术之外的治疗任务。确切地讲，安装座(20，66)很不适于装载其它型式的医疗工具，而且，由于医疗工具的运动受到环形件之环形面面积的限制，框架结构上可安装医疗工具的种类也将受到限制。此外，EP0,416,863所述框架结构必须安装或连接在操作台上，而这又进一步限制了使用其它型式医疗工具的功能及改装可能性。在手术示范室中预置该框架结构的工作难度非常大。为使安装座(20，66)与前列腺切除器上的托架对接，需要有一名助手用人工方法移动受到安装支架之球关节约束的系统整体。该助手还需在对接完成之后用人工方法锁紧两个球关节。助手的存在可能带来消毒区受干扰的问题。另外，该框架结构不具备在应急条件下迅速改为手动操作的功能。由于框架结构设计方面的原因，电气驱动方案存在走线不合理的问题，这可能妨碍手术，同时也是安全隐患。
本发明的目的是使活节机械手能够配装型式繁多的各种医疗工具，从而使之胜任更多种类的手术操作任务。
如本发明所述，提出了一种用医疗工具完成医疗处理的活节机械手，它包括以滑动方式装在第一可动支承构件上的拱形构件；将医疗工具夹持在某工作位置的工具夹持器，该工具夹持器被装载在拱形构件上；以及设在上述第一支承构件上的第一驱动组件，其作用是使上述拱形构件及上述工具夹持器滑动，其特征在于，上述工具夹持器可沿弧线轨迹运动，从而使医疗工具的工作位置按预定方式改变。
作为优选方案，该活节机械手还包括与上述工具夹持器相接的第二驱动组件，其作用是使上述工具夹持器沿直线轨迹滑动，上述直线轨迹与通过上述弧线轨迹曲率中心的某一轴线相交。拱形构件以可拆形式装在上述第一支承构件上，其特征还在于如果需要，可将另一曲率半径不同的拱形构件以滑动形式装在第一支承构件上。
作为优选方案，该活节机械手还包括以机械方式接在上述第一支承构件上、并因此而使之绕第一驱动轴转动的第三驱动组件，这样，由拱形构件支承的上述工具夹持器也将可以绕上述第一驱动轴转动。
作为优选方案，上述第一支承构件上通过连接器与第三驱动组件相连，该连接器可使上述第一驱动轴与上述第一支承构件纵轴之间形成一定的偏移量，在工作时，夹持在工具夹持器中的医疗工具的中轴线将与上述第一驱动轴相交，由此确定了医疗工具的转动中心。
作为优选方案，上述连接器应具有可拆卸性，更换不同的连接器即可获得不同的偏移量，由此达到容纳不同医疗工具的目的。
作为优选方案，该活节机械手还包括用来支承上述第三驱动组件的第二支承构件，该第二支承构件上设有用来使上述第三驱动组件沿直线方向移动的第四驱动组件，这样，在其工作时，上述工具夹持器也将连同拱形构件一起沿上述直线方向移动。
下文的描述将主要着眼于活节机械手在TURP(经尿道前列腺切除术)中的应用，TURP是一种广为人知的手术方法，它在良性前列腺增生(BPH)治疗方法中的地位类似于经济领域中的金本位制。本说明书以电灼技术为假定的手术切割模式。TURP中的医疗工具有泌尿内窥镜和前列腺切除器，在此尤需提及的是前列腺切除器，它包括远焦透镜、电极、外壳及配有标准型弹簧加载手柄的工作单元。需要指出，该活节机械手的使用场合并不仅限于TURP，它在其它许多手术医疗中同样可以获得成功的运用。此外，该活节机械手可装载的医疗工具并不仅限于泌尿内窥镜，它完全可以装载其它许多种类的医疗器具。
方便起见，以下结合附图对本发明的介绍将仅以活节机械手的某一项实施例为范例，其中
图1是表示活节机械手各组件的投影视图；图2是活节机械手和在手术室中用于TURP手术的平衡支承系统的投影视图；图3表示优选的活节机械手枢轴纵向驱动组件，该图中也含有优选的工具夹持器；图4表示采用图3所示工具夹持器的C形托架组件；图5表示经尿道超声波探头在枢轴纵向驱动组件之工具夹持器上的安装方式；图6表示经尿道超声波探头在枢轴纵向驱动组件之工具夹持器上的安装方式；图7是活节机械手之弧线运动驱动组件的透视图；图8是活节机械手之弧线运动驱动组件的剖视图；图9表示活节机械手之环形运动驱动组件的一种形式；
图10表示可用于活节机械手的某一种连接器；图11表示活节机械手之头架行走驱动组件的一种形式；图12表示含台车系统及配重的主立柱组件；图13表示使用活节机械手的平衡支承结构；图14表示平衡支承系统中X、Y及Z臂所用的可锁紧连续缆绳；图15草绘了活节机械手夹持的前列腺切除器在焦点之外的桶形轮廓轨迹；图16表示手术医生界面软件的模块结构，其设计功能可保证活节机械手以事件自引导方式工作；图17是整个系统的功能框图，该图表示了系统组元及其内在关系和控制关系。
图1表示如本发明所述活节机械手的某一优选实施例。该机械手包括象拱形件124那样的拱形元件(见图7)，拱形件124装在拱形件支座300那样的第一活动支承元件上并可在其上滑动。拱形件124上装有象托架137那样的工具夹持器(见图3)，其作用是使医疗工具保持在工作位置。上述拱形件支座137上设有象拱形件驱动组件302(见图8)那样的第一驱动组件，它可以使拱形件124及上述托架137滑动并因此而使托架沿弧形轨迹运动，从而使医疗工具按预定的方式变换工作位置。托架137配有象枢轴纵向驱动组件304那样的第二驱动组件，它使托架沿直线轨迹运动。为操作方便，托架作直线运动的轨迹应与拱形件124柱面的曲率中心线相交。
活节机械手的拱形件支座300又通过连接器275而受到象垂直支柱84那样的第二活动支承元件的支承。支柱84与一个象环形驱动组件306那样的第三驱动组件相连，该驱动组件的驱动轴轴线180即为连接器275的回转枢轴。连接器275的存在使得拱形支承件300纵轴308与环形驱动组件306回转轴180之间形成了偏移量272。环形驱动组件306又连接在象头架行走驱动组件310(见图11)那样的第四驱动组件上，该第四驱动组件位于支柱84的底座处。头架行走驱动组件可以使拱形件支座300、拱形件124以及包括环形驱动组件306在内的上述所有驱动组件一同在大体水平的方向上作直线运动。
如优选实施例所述的活节机械手具有四个独立方向上的运动自由度。它们是头架运行方向1、枢轴纵向2、拱形轨迹方向3以及环形回转方向4。活节机械手一般以拱形驱动组件302上拱形件124的曲率中心为转动中心182(图1及15)。装夹在机械手上的医疗工具的中轴线应优先通过上述转动中心，而转动中心也最好能落在环形回转轴线180上。为此，拱形件与拱形件驱动组件之间应保持偏移量272。治疗或诊断工具可以经由托架137而接在活节机械手上(图3)。一般来说，应使上述医疗工具的中轴线(或理想中轴线)在任何时间及任何工作状态下都能通过上述转动中心。这样，医疗工具轴线便成为拱形件的径向轴线。尽管转动中心相对于拱形件124是固定的，但它相对于医疗工具本体的位置却是可变的。这一点对于下文所述手术方案的优化来说是必需的。
最接近患者的装置是枢轴纵向驱动组件304(图3)。该组件由以下部分构成托架137、电机罩144、伺服电机139、印刷电路板140、导轨145、球窝143、锁杆150、成对止动螺钉147及齿条135和齿轮136。托架的构形应留有可绕过阴茎头及前列腺切除器机体的间距/偏心距134。托架的中心线(也是前列腺切除器的中心轴线)应对准环形回转中心线180。
托架137是用罩在电机罩内的球窝143支承在导轨145上的。由图3可以清楚地看出，伺服电机139因驱动轴向下伸出而部分地被封在罩壳中。齿条135和齿轮136的配合可使电机139驱动托架前后运动。用三个螺钉298(见图7)使电机罩144的狭槽142固紧在拱形件124上铣削出的凸耳299上，由此使电机罩保持相对静止。拱形件的任何运动都会使整个枢轴纵向驱动组件304与之一同移动。
装在印刷电路板140上的差动式行激励器可以减弱噪声对编码器信号的影响。该电路板被装在电机罩144旁边，用适当的屏蔽方法可以排除对电路板的电磁干扰(需要指出，手术示范室中常用的电灼装置往往会产生电磁干扰)。这种电路板上设有电接头，因而可以方便地从电机上更换。
托架137上设有两对以上按图3所示形状开成的定位槽138。其中特定的一对定位槽可用来连接C形托架151。可以根据转动中心182相对于前列腺切除器机体179的设定位置来选择用哪一对定位槽连接C形托架。用螺钉将C形托架151(见图4)半永久地固定并封紧在前列腺切除器179上的某一适当部位。C形托架151与另一C形托架157分别是托架组件的一部分。当托架组件的两部分被装配在医疗工具(如内窥镜)的柱体部位时，两部分之间间隙的存在可以使装配获得足够可靠的箍紧。同样，用于固定在其它非圆柱体医疗工具上的其它形状托架也可以方便地制做出来。
如图4所示，托架157的凸部设有导槽159，导槽中可以穿入相应直径的心轴154。凸部厚度方向的两侧设有凹座160。一副由两个半边构成的锁键156可以在手动或弹簧的作用下被推向导槽159或从中退出(见图4)。已装在牵开器(如格林堡式牵开器)端梢部的心轴154可以滑入凸部的导槽159中。为便于装入，导槽的入口处开有小倒角。心轴154上设有键槽155。可以通过旋转心轴或C形托架而使键槽正好对准锁键156。对准之后，将锁键向下推(用手动方式)，使之嵌入心轴上铣削出的键槽155中，或者靠弹簧的作用将锁键156推入键槽155中。这样将限制两个自由度286及287，所以内窥镜与工具夹持器之间将不会有相对运动。因此，对内窥镜的操纵只能按照工具夹持器的工作方式进行。内窥镜的拆卸方法很简单，只要向上提起锁键156，使之脱离键槽即可。这样，从凸部和内窥镜上便可拆下工具夹持器及与之相接的心轴。
C形托架151上开有半圆形槽152，其作用是在C形托架嵌入托架137上的定位槽138时将托架组件锁紧。锁杆150本体的某一适当长度范围内具有铣削成的平面部分149。锁杆是插在一钻成的孔146中的，孔146的位置应按如下原则设置通过将锁杆150旋转至某一特定角度方向，可以使锁杆的平面部分与定位槽138齐平，从而实现C形托架的嵌接。锁杆配有防松用的定位螺钉147。在C形托架就位之后，将锁杆转动约90度，以使其圆柱部分充入开在C形托架上的半圆形槽152中，从而将托架137锁住。
图8表示拱形件驱动组件的某一实施例。如图8所示，该驱动组件由以下部分构成驱动轴130；轴承118及129；差动式光学编码器106(或其它型式的位置敏感元件)；电磁制动器131(推荐使用常闭式)；轴承座117及伸长部分113；以及伺服电机119。轴承座117和伸长部分113一同构成为拱形件支座300。轴承座117的圆形表面上开有用来使导线通过的轴向导槽(图8未加表示)。这些导线是从拱形件驱动电机119、编码器106、制动器131及拱形件124本身(限位开关及其它附件)引出的，它们在凹部288处集束，而来自枢轴纵向驱动组件的另一股导线也在此处通过电接头108而端接。引向枢轴纵向驱动组件的导线集束于一根高柔度的绝缘套管115中，为适应拱形件124的移动，导线束及相应套管应具有充裕的悬伸长度。
集束于凹部288中的导线均需穿过外壳伸长部分113的中心孔112，而伸长部分113的端部设有另一个电接头109。如上所述，使用电接头是为了针对不同径向偏移量272及医疗工具长度而方便地更换连接器275。从外壳伸长部分113(图7和8)端部伸出的另一套管具有柔性、绝缘性及屏蔽性，其悬伸长度应足以保证回转运动的行程，该套管将其内部的导线束松驰地引入立柱84(图4)中。
拱形件驱动组件302支承并驱动着拱形组件(见图7及8)中的拱形件。拱形组件由以下部分构成圆弧形(具有适当的半径及张角)，其周缘开有外齿形120；刚性构件121及125；横轴126；伞齿轮副128；挡块297；支承座紧定螺钉301；限位开关294(位于刚形构件125内部，不可见)；以及轴承座127。如前所述，拱形件124的凸耳299上可以安装枢轴纵向驱动组件。弧线运动驱动电机119可将其驱动轴130的回转运动经由伞齿轮副128及120传递给拱形件124。装在枢轴纵向驱动组件之托架137上的医疗工具会在相应驱动源的作用下沿弧形轨迹运动，而作为转动中心的拱形件曲率中心则落在医疗工具本体纵向的某一适当位置处。调整这一位置的方法是，用枢轴纵向驱动方法移动托架137，或者，以手动方式用C形托架将医疗工具装在托架137上已有的另一对定位槽138上。
托架137上设有限于其长度范围内的若干对定位槽138，在手动方式下，操作者可以选择其中合适的一对来安装C形托架。在另一种具有自动及程控特点的定位方式中，枢轴纵向驱动组件可以使装在其上的医疗工具作相对于拱形件及其中心的运动。此外，在活节机械手已被锁紧在平衡支承系统上之后，头架行走驱动组件310的移动也可以使转动中心的绝对空间位置得到调整。
刚性构件121、125的作用是提高拱形件124的支承强度并为其提供光滑的滑动支承面。拱形件本体上开有沿一定弧度间隔分布的孔组293及294。孔293中可拧入硬性挡块以确保拱形件124不发生越程。可推荐采用两个硬性挡块以使拱形件在两个运动方向上的行程均受到限制。其中某一挡块的位置是不变的，同时另一挡块之安装孔的位置则是在软件指导下根据手术对象的尺寸而选定的。这样就实现了拱形件总行程的可调节性。较长的行程要求将需要采用具有较大张角及(或)不同曲率半径的拱形元件。实用拱形元件的曲率半径可以是5mm至无穷大(后者指大体为直线型的拱形元件，此种场合下的工具夹持器运动轨迹亦为直线)之间的任意值。对于经尿道电切术的前列腺手术来说，拱形件的最适宜行程应该是250至300曲率半径下的0到40度。
除了采用多种曲率半径的拱形元件之外，另一种兼容不同半径的方法是采用具有加长部分、因而可设置更多定位槽138的工具夹持器或托架137。其中，不同的定位槽上可安装曲率半径要求不同的医疗工具。
以下结合图9介绍环形驱动组件的某一优选实施例。该组件包括以下部分电机96；轴承98及105；壳体94；传动轴97及100；位置敏感元件103；齿轮组95和102；以及制动器104。环形驱动组件通过连接器275(图10)支承着拱形件支座300、拱形件124乃至枢轴纵向驱动组件。环形驱动组件回转运动的范围限于±180度，它对拱形件驱动组件及枢轴纵向驱动组件的回转驱动作用可以实现医疗工具相对于患者的角位置181的变化(图15)。出自环形驱动组件的导线289被穿入一根具有绝缘及屏蔽性的套管290中并被端接在立柱84的下部。
出于节省空间的考虑，拱形件支座纵轴308与枢轴纵向驱动组件纵轴被安排在同一个平面285内(图1)。当环形驱动组件动作时，平面285会产生旋转并与包含头架驱动组件轴线及环形驱动组件轴线的平面夹成某一角度。这两个平面之间具有可变更的偏移量272。
偏移量272的变更借助于图10所示的连接器275。拱形件支座300的伸长部分113以非回转方式插在连接器275的内槽274中，同时环形驱动组件的传动轴100也以非回转方式插在连接器的内槽273中。这样，轴100的旋转便造就了使连接器275的铰支回转运动，而这一回转运动又形成了拱形件支座及其相关附件围绕环形驱动组件中轴180的圆周运动。可以通过更换不同长度的连接器275而方便地改变圆周运动的轨道半径(亦即偏移量272)。换句话说，所引入的偏移量因长度可变而具有可调节性。
拱形件支座300伸长臂113的长度可以根据医疗工具长度的不同而变化。可以使用伸缩式的伸长臂。连接器内腔274可以适应插入其中的伸长臂在一定范围内的长度变化。另外，模块化设计提供了具有不同长度的多种备选伸长臂113。不过，过长的伸长臂会使以球关节163为支点的挠曲位移过大，因此是不可取的。尽管可以对球关节163进行尺寸及(或)结构改进以满足上述需要，但这样将使活节机械手的加工成本达到难以接受的程度。
最后结合图11介绍设在立柱84底部的头架行走驱动组件。该头架行走驱动组件由以下部分构成电机89；位置编码器(图中未加表示)；齿条81与齿轮91；导轨79；端板87；外壳83；限位开关86及基板88(图11)。头架行走驱动组件使上文所述的所有组件作相对于患者的水平方向运动(如图1中箭头1所示)。这样将有助于处理不同的前列腺长度。端接在立柱84上的所有导线及套管与立柱顶端的四个或五个插座相接。装在平衡支承系统之Y臂上的相应插头可以接在上述插座上以备自动遥控。
立柱84顶端设有固紧在一起的螺栓和球头164。球头164可嵌入某一球关节组件312中，设置该组件是为了简化活节机械手在平衡支承系统上的装拆(图11)。头架行程中设有可动的限位挡块78，这样，既便头架行程电机的驱动软件出现误差，挡块78也可以通过锁紧螺栓85及限位开关而确保装在机械手上的医疗工具不走出安全限。
出于便捷的考虑，枢轴纵向驱动组件应该是具有独立作用的、自主性的可拆解台架。因此，可以采用包括Elmed式牵开器在内的机械化工具夹持器来夹持枢轴纵向驱动组件，这样就可以使之完成象尿动力学研究之类的实用任务，在这类任务中，诊断探头必须按精确的固定步长移动。这些直线运动可单独由枢轴纵向驱动组件来实现。上述模块化设计原则也见于活节机械手其它自由度的独立或组合运动。
在本发明的优选实施例中，活节机械手是通过一个由手柄人工锁紧的球关节164(图1)而被悬挂在平衡支承系统(图13)上的。平衡支承系统提供了三个直线自由度8(X)、7(Y)、6(Z)及一个转角自由度5(R)。后者可以在应急状态下需要人工干预时使整套机械手迅速摇开。
Z向运动6是由含在主体立柱28中的适量静重248来补偿的(见图12)。平衡支承系统包含悬挂活节机械手的Y向和X向水平悬臂17、18及垂直主体立柱28。通过适当的转动，Y向和X向水平悬臂17、18以及活节机械手(图2)的总重便可获得平衡。因此，架立仪器过程中为移动各组件所需的手工操作工作量是很少的。
平衡支承系统中X、Y、Z方向的运动在其相应座标轴上是连续的。其具体配置如下X悬臂由Y悬臂支承，Y悬臂则由立柱的回转组件支承，而立柱的回转组件又经由摆动托架组件19(见图13)被支承在主体立柱28上的Z悬臂上。负载是跨在支承导轨30a和30b(图12)以及240a和240b(图14)上的，从而使之承担了弯矩和扭矩。在摆动托架组件19中，Y悬臂17在一个以旋臂轴29为中心的滑动轴承上旋转(图13)。与直线座标轴上的运动方式不同，转角座标轴上的回转运动为步进方式。受弹簧加载的冲杆36可插入一系列的锥孔39中，从而实现非常可靠的锁紧。要想解除锁紧状态，可以通过启动螺线管35或按下冲杆按钮32而使冲杆从其插孔中升起，如此便可使水平的Y悬臂17自由摆动(图13)。
X、Y悬臂17、18及主体立柱28中的每一个组件都分别设有使活节机械手在X、Y及Z方向移动的装置。图14所示的X悬臂剖视图表示了具有上述移动作用的优选装置。其中所用的缆绳及滑轮系统包括设在悬臂两端、并绕在导辊237上的环形缆绳239。配有安装支座的滑动组件240b与直线导轨240a具有滑配合关系，其上的球关节附件241与球关节312相接。滑动组件240b与缆绳239固接，其在直线导轨240a上的滑动受到橡胶挡块243的限制。在缆绳轨迹上装有按照行程长度设置的一个或两个锁紧机构。作为一项故障弱化措施，缆绳及其负载以静止为常设状态。为此采用了夹杆268、轴销266及弹簧269，缆绳239便是在265所示枢距的弹性力作用下被夹杆夹紧的。缆绳的锁紧状态可由电动的螺线管236(图14)解除，该螺线管通过将缆绳上的夹杆拉开而将其放开。人工代用手柄34是为应付电源失效或其它意外情况而设置的手动操作代用装置。以上缆绳与滑轮传动方式仅需做很少的改动(实际上是指行程长度方面)便可适用于本系统其它所有直线方向的传动(见图12中的螺线管249及手动夹杆247)。
在本发明述实施例中，平衡支承系统以有轮滑车系统的形式被移动或存放。滑车上配有可将微型计算机、手术器械及运动控制系统框入其中的机箱25、26及27(图13)。滑车的可升降基座可以使包括整套机械手在内的全套系统经由四个底脚落在地面上。系统重量经过了校核，既使Y悬臂呈现出相当大的外伸量，系统在一次或多次手术过程中仍可以充分地保持相对于患者的刚度及稳定性。在手术完成或不需要手术时，整套机械手及其滑车(平衡支承)系统将以轮载形式移开。为此需要对脚架254加力以提升基座，从而使车轮257接触地面并支承全套系统的重量。
在经尿道切除术的手术预置过程中，作为整套机械手位置基准的手术目标是射精管与前列腺尿道的结合部—精阜。精阜是通过内窥镜直观确认的。一旦确认精阜，相应的工具夹持器(如Greenberg式及Elmed式牵开器)便可将内窥镜/膀胱镜/前列腺切除器的空间位置确定下来。需要指出，内窥镜在精阜被确认时的方向是任意的，它在定位之后即被接在活节机械手上。
平衡支承系统主要通过三个直线自由度的驱动及球关节而改变活节机械手相对于患者的方向及位置，在此之前，必须通过启动相应的螺线管(如螺线管236、249)来解除各自由度的锁紧状态，而且应利用患者体重或借助于适当的捆扎方法固定患者的位置。第一种定位方法是由手术医生操纵活节机械手上移、下移、斜移或使之绕球关节摆动，直至C形托架151嵌入活节机械手之托架137上的定位槽中为止(见图3)。另一种方法没有被动地使用夹持装置，在使活节机械手及工具夹持器靠近内窥镜之后，通过在基准位置附近的小位移而使内窥镜接在托架137上；在此之后，通过活节机械手和内窥镜合为一体(不改变整套机械手的运动自由度)的移动而重新确认精阜的位置。上述两种方法都是合用的，选择何者取决于手术医生的偏好和技能。
平衡框架上可以设置若干个与X悬臂处于同一水平位置的摄像头。摄像头将用来观察按一定规律设在机械手装置上的标记或条纹，通过对摄像头的适当标定即可由观察结果获得最优的精度。由于可以通过计算机图像直接观察机械手各关节的转动或平移，而且机械手的运动学及几何学特征也是已知的，所以能确保手术刀的端部自始至终在一个预定的安全工作范围内运动。任何超出这一范围的运动都将导致运动过程的暂停以及对用户发出警报。
C形托架151被预先固接在前列腺切除器/内窥镜上并一同作消毒处理。对C形托架151乃至内窥镜的固紧方法是通过旋拧两个手柄150而避免其从托架137的定位槽上松脱。此后，通过释放相应的螺线管236、249及35而锁紧平衡支承系统上的X、Y及R方向自由度。各自由度的运动在螺线管断电时是被锁紧的，这种以锁紧为常设状态的处理具有失效安全保障作用。其后，放松手柄156并使心轴154滑离C形托架，牵开器便会因此而被拆下。这样便结束了手术预置过程。以上关于经尿道切除术预置过程的叙述是以精阜为目标的，需要指出，对于由内窥镜确认并定位的其它目标以及其它种类的手术操作来说，上述预置方法同样可显示出其优越性。
象其它已有的机械手系统一样，本发明所述活节机械手也受控于运动控制器47，该控制器又通过RS232通迅总线76受控于便携式微型计算机48(见图17)。各自由度上的运动参数73(位置、速度、加速度及协调性)是由基于多自由度运动控制系统47的普通PID控制环来控制的，该控制环因采用微处理器技术而具备数字化功能。用诸如差动式光学编码器71之类的位置敏感元件为控制环提供位置及速度信息。该运动控制系统还具有输入输出一些信号的功能59。这些所谓的I/O功能一般起到如下作用为“归位”而捕获限位开关74、75的状态；使相关于机械手系统的设备处于运行或停机状态；针对危急或其它重要事件发出警报或提供发光指示。上述运动控制系统是一种常见并极易市购的产品，在此不对其加以详介。
桶形空腔构形是一种由活节机械手设计所能保证的典型手术方案形式，如图15所示。在该手术方案中，任一时刻都会涉及一个或多个自由度的运动。弧线运动与枢轴纵向运动的协同应跟踪所谓的理想矢线185。对超声波图像的计算机重构有助于确定时钟形式圆图181上的一系列矢线。环形运动轴线的存在使得前列腺切除器可以抵达上述每个矢线的位置。在电灼手术中，沿矢线方向的跟踪及切除动作以顺时针—反时针的方式重复进行并逐步向外侧移动，直至到达手术区的囊膜279(图15)。在经尿道前列腺激光切除术(如VLAP，即可视前列腺激光蚀切术)中，对激光纤维回缩速度及其空间能量模式可以进行在线(即动态)控制，从而可以获得手动操作无法实现的最优切除效果。上述工作原理同样适用于TUNA(经尿道前列腺针蚀术)中，在这类手术中，手术针必须在不同的极座标位置做不同深度的伸缩，而且用人工操作进行能量控制也非常麻烦。
图17所示电路框图表示了与机械手相连、并与之协同实现有效且安全操作的主要部件，这些部件是为系统持续供电的不间断电源45。在出现供电故障时，它可以维持系统的至少10分钟运行(取决于备用电池44的容量)。
可间断工作、并具有输入—输出功能59的4自由度运动控制器47。该控制器可单独使用，也可装在微型计算机48的扩展槽上。单独使用时可通过RS232线与微机接通，而插在微机中时则利用其本机总线。
微型计算机48。它具有以下配置显示器58；硬盘58；软盘驱动器；RAM及ROM管理内存；操作系统；打印机57；以及诸如小型软盘驱动器及光盘驱动器之类的备用外设存储设备。
超声波诊断扫描系统49。其中可同时或单独配备直肠探头或尿道探头。装在微机48上的抓图器62可以通过一副视频信号同轴电缆捕获来自超声波扫描器的超声波图像。超声波扫描器与计算机之间的通迅方式是任选的，但它应符合由IEEE488，77限定的GPIB标准。
盒式录像机50。其作用是在手术前后及手术期内对超声波及(或)内窥镜图像进行归档。
远程光源51。它通过光导纤维为手术部位及CCD式(充电联配式)摄像机69的捕获区域提供高效率的冷光照明。图像以电子信号的形式被处理及增强，最后出现在内窥镜的显示屏70上。
形成切除作用的能源52。电外科学将其称为透热单元。在激光外科中，它是可产生高强度激光源的发电机。
强制性安全监视器53。其中的可编程逻辑系统可以监视各关键参数的逻辑状态，还可发出暂停机械手动作的中断信号或在手术出现意外时对用户发出警报信号。
微型计算机上可运行名为APUI(前列腺切除术自动用户界面)的界面软件191，该软件的任务执行方式如图16所示。由于采用弹出式窗口及下拉式菜单进行通用性选项，该用户界面可使任务设计过程在一页屏幕上实现。
支持系统192通过由控制按钮及状态单元执行的屏显来综合或分项控制平衡支承系统的锁紧/释放动作。它也可以显示平衡支承系统中除B，200之外每个自由度(即X，201，Y，202，A，203，R，204，它们分别对应于图13所示平衡支承系统的8，7，6及5自由度)运动的锁紧状态。
手术预置过程前后的机械手归位批处理是由名为HOME，193的界面子程序执行的。该子程序使机械手在各个自由度方向上到达适当的基准位置，该基准与机械手作用对象的尺寸及方向有关。HOME占用一页显示屏，为增强选项的通用性，HOME也设有弹出式窗口及下拉式菜单。
抓图器插件板F.GRB62及双轴电缆可捕获并传输由超声波扫描器得到的相应图像。图像处理同时使用了通用的和定制的图像处理软件。最后的处理结果被用来引导由活节机械手执行的手术操作。
预定的单向或复合运动(指到达患者体内的指定工作区)以及电源的开合、调节等事项被编制成可由运动控制器识别的指令，微型计算机通过RS232(或串行)线76将指令发出。处理上述转换的程序被汇集在BARREL程序组中。
活节机械手也可由人工方法控制，经合理布局的控制杆及脚动、指动开关构成了针对机械手运动的人工方式柔性控制系统。由程序MAN199执行的切换可以使控制杆类的控制模式中断。
患者的生理数据由APUI的PAT196程序获得。这些数据可以是被切除组织的切除量、切除时间、患者年龄等等，它们可以为有关的研究者所用。PAT196中汇集了各种标准的或定制的统计工具软件。
机械手系统的供电状况是由APUI中的PWR.M197部分监控的。在出现供电故障时，该部分可以通过必要的动作来保证机械手系统在不发生功率衰变的状态下运行。系统在经过某一期限之后可进入故障弱化阶段。
故障处理程序195可以处理可预见故障(对内存溢出、通迅缺失等常规故障的处理)及意外故障(异常处理)。对于第一类故障模式，可以通过恢复程序的启动来还原系统的运行状态。对意外故障也将做出启动恢复程序的尝试，但一般都最终实行保护性停机。程序195也包括安全监控程序。例如，在工具夹持器不发生纵向运动时，用于导致切除作用的功率源是不可能被打开的。
为了找准医疗工具或其它辅助工具(装在机械手上)在患者手术部位中的工作区，同时也为了确定该工作区的范围，必须对活节机械手加以某种形式的图像引导。超声波图像(经直肠或经尿道均可)对于该任务来说是适宜且安全的。为处理患者体位变化，亦即手术前与手术期间(有时包括手术后)图像数据匹配的问题，最好使图像处理系统与机械手系统共享座标基准。这意味着，手术期间的图像处理应配有图像探头与医疗工具(或其它辅助工具)间的适配器。手术期间，目标的尺寸及位置测定应随时地快速完成，以便最大可能地降低图像处理在整个手术过程中所占的时间比例。
这一目的可以由计算机图像处理技术达到。
为增强上述方法的功能，本发明还包含如下的优选内容，亦即对目标的手术期内扫描应兼容经尿道及经直肠两种方式。经尿道扫描可按如下方法实现将附着在活节机械手托架(工具夹持器)上的内窥镜外壳留在患者体内，将有效工作单元更换为经尿道超声波探头186(见图5)。扫描时只移动头架行程组件，通过使探头出入患者体内而获得所需的横向扫描数据。扫描结束后用工作单元换下探头，从而实现座标基准的共享。在整个扫描过程中，拱形件持续地停留在其零位或水平位置。
经直肠扫描功能是由一个具有扩展段188的附件(见图6)实现的，该扩展段的两端可分别与内窥镜外壳及探头体190托架187相配合。扩展段是可调的，调节偏移量189即可使探头准确地进入直肠。可以根据预置状态及患者情况的不同来改变探头体在其长度方向上的受夹持位置。与经尿道扫描方法类似，在进行经直肠扫描时只移动头架行程组件，而且扫描结束后须用工作单元换下探头及扩展段。
在针对良性前列腺增生的前列腺切除手术中，由超声波扫描得到的信息是所谓手术被膜的边界坐标值。应避免发生超出手术被膜范围的切割，因为这可能导致患者失禁、阳萎或大出血。出现前两种并发症是由于紧靠被膜背后的大量神经末梢因切割而受到损坏。出现大出血的原因很明显—被膜外侧往往有大脉管。
在进行横向超声波扫描时，被膜边界往往不能迅速地被确认。可以用经过训练的目测方式来探测被膜边界，但结果往往不够完整、精确。如本发明所述的活节机械手可以半自动或自动地进行手术期内的超声波扫描。程序194适宜于实现该目的。在进行半自动扫描时，手术医生须用鼠标一类的数字器框出被膜边界。在进行自动扫描时，上述工作由图像分析算法来完成(当然应被手术医生确认)。选择扫描模式时应权衡方便性和安全性，但二者都不应该附加过长的手术时间。
应推荐采用在手术前用消毒包将所有驱动组件包裹起来的措施。可以简单地将包裹扎紧在头架驱动组件的立柱结构84上。无菌袋的下垂空间足够保证活节机械手在仍保持消毒状态的手术期间内的运动。全套系统最好按图2所示方式布置，其中，活节机械手系统被悬挂在平衡支承系统上，而平衡支承系统又通过其滑车式工作台框住计算设备和手术器械。内窥镜景像在显示器259上出现，显示器259的支承形式21应便于对显示器自如查看。
为最大可能地保证系统的安全性及操作简便性，轨道平台(见图2)上计算机控制台258的附近设有控制面板218。控制面板上的视觉指示器显示着位移控制器在每一个自由度上的操作状态。某一应急开关在启动时会切断电机的电源，但除了切断电源外，系统的所有其它部分仍处于可操作状态。即使如此，其强制性仍高于由用户界面程序提交的键盘中断模式。键盘中断模式在任一或若干电机运转之后仍会启动。敲击计算机键盘的任一个键会使所有电机停住或悬挂起来。
以上介绍将前列腺列为活节机械手的最适宜对象，但事实上可以看出，该机械手也适宜于其它对象，如囊、腹部等等。而且手术模式也不仅限于电灼术，还可包含其它诸如激光、高强度超声波TUNA(经尿道针蚀术)等手术模式。该活节机械手的设计目标在于可夹持很多种类的医疗器具，而且提高手术室内手术操作的精确性。借助于程控驱动，本系统可加载多个手术工具(每次一个)并实施有效的手术操作。这样，它将辅助手术操作者在手术的时间、技巧、准确性乃至安全性方面均圆满地完成任务。此外，本系统的优点还表现在死亡率及发病率的降低，助手及护士人数的减少以及因手术时间缩短而带来的低成本及低风险上。
设计上述机械手时一般使驱动组件具备模块化特征。这样，只要更换现有的驱动组件及支承构件便可以全面变更机械手的运动机构。驱动组件自含其相应的导线，控制及驱动指令是通过接头而到达或离开驱动组件的。
以上详细介绍了关于活节机械手的一个优选实施例，然而除以上已提及的之外，在不脱离本发明基本概念的前提下，本领域专业人士还可能提出其它一些变化型及改进型。所有这些变化及改进型都应被认为属于本发明的范围，而本发明的特征则由以上说明书及所附权利要求来限定。
权利要求
1.一种用医疗工具进行医疗处理的活节机械手，它包括以滑动方式装在第一可动支承构件上的拱形构件；将医疗工具夹持在某工作位置的工具夹持器，该工具夹持器被装载在拱形构件上；以及设在上述第一支承构件上的第一驱动组件，其作用是使上述拱形构件及上述工具夹持器滑动，其特征在于，上述工具夹持器可沿弧线轨迹运动，从而使医疗工具的工作位置按预定方式改变。
2.如权利要求1所述的活节机械手，其特征在于还包括与上述工具夹持器相接的第二驱动组件，其作用是使上述工具夹持器沿直线轨迹滑动，上述直线轨迹与通过上述弧线轨迹曲率中心的某一轴线相交。
3.如权利要求1或权利要求2所述的活节机械手，其特征在于上述拱形构件以可拆形式装在上述第一支承构件上，如果需要，可将另一曲率半径不同的拱形构件以滑动形式装在第一支承构件上。
4.如权利要求1所述的活节机械手，其特征在于上述工具夹持器包括设有一对定位槽的可滑动托架，定位槽中可装入可拆卸的医疗工具安装托架，各定位槽配有用来将医疗工具安装托架锁紧在可滑动托架上的锁杆，上述锁杆上设有沿其纵向分布的平面部分，这样，只要转动锁杆，使其平面部分与相应定位槽齐平，医疗工具安装托架便可被方便地装上或拆下。
5.如权利要求4所述的活节机械手，其特征在于上述一对定位槽是可滑动托架上若干对定位槽中的一对，由此可以变更医疗工具安装托架的位置，从而改变医疗工具的工作位置。
6.如权利要求4所述的活节机械手，其特征在于上述医疗工具安装托架是构成某一托架组件半部的C形托架，托架组件的另一半为夹持托架，它可将C形托架夹紧在医疗工具本体上。
7.如权利要求4所述的活节机械手，其特征在于以滑动方式装在一对导轨上的上述可滑动托架配有使其沿上述导轨滑动的齿条—齿轮组，为驱动该齿条—齿轮组以实现可滑动托架的滑动，工具夹持器还应包括电机。
8.如权利要求1所述的活节机械手，其特征在于上述第一支承构件上设有第一和第二刚性构件，上述拱形构件便在二者之间受到滑动支承。
9.如权利要求8所述的活节机械手，其特征在于上述拱形构件上设有外齿形，而且，上述第一驱动组件含有与上述外齿形相接的电机，由此可实现上述拱形构件沿上述弧线轨迹的滑动。
10.如权利要求2所述的活节机械手还包括以机械方式接在上述第一支承构件上、并因此而使之绕第一驱动轴转动的第三驱动组件，这样，由拱形构件支承的上述工具夹持器也将可以绕上述第一驱动轴转动。
11.如权利要求10所述的活节机械手，其特征在于上述第一支承构件上通过连接器与第三驱动组件相连，该连接器可使上述第一驱动轴与上述第一支承构件纵轴之间形成一定的偏移量，在工作时，夹持在工具夹持器中的医疗工具的中轴线将与上述第一驱动轴相交，由此确定了医疗工具的转动中心。
12.如权利要求11所述的活节机械手，其特征在于上述连接器具有可拆卸性，更换不同的连接器即可获得不同的偏移量，由此达到容纳不同医疗工具的目的。
13.如权利要求10所述的活节机械手还包括用来支承上述第三驱动组件的第二支承构件，该第二支承构件上设有用来使上述第三驱动组件沿直线方向移动的第四驱动组件，这样，在其工作时，上述工具夹持器也将连同拱形构件一起沿上述直线方向移动。
14.如权利要求13所述的活节机械手，其特征在于上述第一、第二、第三及第四驱动组件均含有驱动电机，上述每个驱动组件都由基于多自由度运动控制系统的微处理器控制。
15.如权利要求13所述的活节机械手，其特征在于上述第二支承构件被悬挂在一个至少可提供X，Y，Z及R四个运动自由度的平衡支承系统上。运动自由度R可以保证在应急条件下迅速由人工操作替换活节机械手。
16.如权利要求15所述的活节机械手，其特征在于上述平衡支承系统上设有彼此相互垂直的第一、第二支承臂及垂直支柱。三者可分别保证活节机械手在X、Y及Z自由度的运动。
17.如权利要求16所述的活节机械手，其特征在于上述活节机械手通过上述第二支承构件以滑动方式安装在上述第一支承臂上，上述第一支承臂以滑动方式安装在上述第二支承臂上，而上述第二支承臂又以滑动方式安装在上述支柱上，其特征还在于上述第一、第二支承臂及上述第二支承构件分别被相应的第一、第二、第三锁定装置锁紧、定位。
18.如权利要求17所述的活节机械手，其特征在于上述平衡支承系统上各支承臂的滑动是通过缆绳—滑轮系统实现的，上述锁定装置包括缆绳夹具。
19.如权利要求16所述的活节机械手，其特征在于上述第二支承臂的滑座设有摆动托架组件，由此可使第二支承臂围绕其在支柱上的滑座而水平转动。
20.如权利要求19所述的活节机械手，其特征在于上述平衡支承系统还包括作为垂直支柱安装基座的台车及台车上用来支承其它设备的若干个搁板。
全文摘要
如本发明所述的活节机械手可用来对许多种医疗工具加以可靠的夹持及定位，其中包括具有一定空间柔度的治疗或诊断工具。尽管其某些组件因受控于计算机而可以按照预编程的指令序列自主工作，但人工控制模式却没有受到排斥。当其组件受到计算机软件的合理控制时，配有适当手术切割器具的活节机械手可以做出一个桶形或任何预定形状的空腔(或操作容腔)，该空腔被含在机械手的工作区内部。在介入过程中，焦点相对于医疗器具或绝对坐标系的理想位置可以根据需要随时改变。侵入性极小化手术(MIS)是比较适宜的介入方式。就其自动化特征来讲，除做切割(或切除)手术外，该活节机械手也可做其它一些精度及重复性要求较高的工作，如活体解剖及放射籽源植入。该活节机械手是一种通用的计算机辅助工具夹持器，它可以装载许多种医疗工具，尤其适用于治疗泌尿系统紊乱症的内窥镜。
文档编号A61B19/00GK1155833SQ9519466
公开日1997年7月30日 申请日期1995年6月20日 优先权日1995年6月20日
发明者伍云升 申请人:伍云升