10的器械的一部分900,例如常见于医疗导管，用 于胃肠道、结肠和支气管的内窥镜，导引线和诸如用于组织取样的抓紧器和针的某些其他 内窥镜器械。关节910类似于上面参考图3B描述的晓性结构。然而，关节910通过使用= 个或更多腫920操纵，从而提供具有两个运动自由度的关节。例如，图9B示出实施例的底 部视图，其中在图9B中标记为cl、c2、c3和c4的四个腫920连接到晓性关节910的一端。 腫Cl和c2中的张力差可W使关节910W第一方向转动，例如，引起绕X轴线的旋转，而腫 c3和c4中的张力差可W使得关节910W与第一方向正交的第二方向转动，例如，引起绕Y 轴线的旋转。倾向于弯曲关节910的净扭矩的分量T、和TY可W按方程式3C的表示根据 腫cl、c2、c3和c4中相应的张力T1、T2、T3和T4确定。从方程式3C可W看出，扭矩分量 TX和TY的方程式不力偶（couple),因为分量TX只取决于张力Tl和T2,分量TY只取决 于张力T3和T4。
[0094] 图9C示出使用S个腫920致动关节910的实施例的底部视图，在图9C中S个腫 920被标记为cl、c2和c3。在该配置下，倾向于弯曲关节910的净扭矩的分量TX和TY可W按方程式3D的表示分别根据腫cl、c2和c3中的张力T1、T2和T3确定，其中ra是腫Cl 关于X轴线的力矩臂，-rb是腫c2和c3关于X轴线的力矩臂，W及rc和-rc是腫c2和c3 关于Y轴线的相应的力矩臂。按照惯例腫c2和c3关于X轴线的力矩臂被指定为负号，因 为牵引腫c2和c3将使关节910朝着与牵引腫Cl使关节910绕X轴线弯曲的方向相反的 方向弯曲。为此，按照惯例，腫c3关于Y轴线的力矩臂被指定为负号。
[0096] 图9D示出其中晓性器械950(例如晓性导管）含有两个关节的实施例。关节910 通过腫920致动，W提供两个运动自由度，关节940通过腫930致动，W提供另外两个运动 自由度。图9E示出在具体情况中使用用于关节910的=个腫920 (在图9E中标记为cl、c2 和c3)和用于关节940的=个腫930 (在图9E中标记为c4、c5和c6)的关节940的底部。 在最远端关节910的扭矩和力之间的关系可W利用上面的方程式3D建模。然而，关节940 中的扭矩取决于穿过晓性部段940的所有腫920和930中的张力。因此，在如方程式3E所 示的一个具体示例中，器械950中的扭矩和张力可W相关。在方程式3E中，T1、和T1Y是 关节910中的扭矩分量，T2、和T2Y是关节940中的扭矩分量，raJb和rc是力矩臂的大 小，Tl、T2和T3是腫920中的张力，W及T4、巧和T6是腫930中的张力。
[0098] 方程式3A到3E示出在许多医疗器械中获得在最远端关节中提供具体扭矩的张 力的问题可W独立于系统中的其他张力求解。更具体地，每个关节的关节扭矩取决于连接 到该关节的腫中的张力和施加到更多远端关节的张力。因此，图7A和图7B的过程700和 700B的步骤735可W利用按照器械远端朝着器械近端的顺序迭代地分析关节从而确定产 生一组给定关节扭矩的一组张力的过程执行。
[0099] 图10示出用于计算产生一组给定关节扭矩的张力的迭代过程735。图10的实施 例中的过程735从确定最后或最远端关节的张力开始，然后W朝着第一或最近端关节的次 序顺序地确定关节的张力。步骤1010初始化指数j，其表示分析的关节，并且被初始设置为 关节的数量L。然后，步骤1020获取第j个关节的扭矩X,。例如，关节扭矩T,可W如在 上述的过程700的步骤730中或过程700B的步骤732中确定，并且可W具有提供单个运动 自由度的关节的单个非零分量或提供两个运动自由度的关节的两个非零分量。
[0100] 然后，步骤1030计算通过附连至第j个关节的联动装置直接施加到第j个关节的 张力，从而产生净扭矩，例如，在图7A或图7B的步骤730或732中计算的。在图10的示例 中，步骤1030的计算处于直接施加的张力中的一个是目标或额定张力的约束下。额定张力 可W是但不需要是零，所W传动系统中的张力被释放或者可替换地是确保传动系统中的腫 不会变得松弛的最小张力。额定张力可W但不需要对应于致动器力被释放的情况，例如，图 6的驱动马达640是凭惯性转动的，在该情况中张力可W取决于所使用的传动系统的类型。 阳101]在医疗器械的第j个关节提供单个运动自由度并且直接禪连到两个键或传动系 统的具体情况中，关节扭矩具有通过方程式3中的单个方程式与张力相关的单个分量。然 后，对于第L个关节或最远端关节，步骤1030包含求解使关节扭矩与和该最远端关节有关 的两个张力相关的线性方程式。利用包含两个未知张力的单线性方程式，应用一个张力是 额定张力的约束确保对于其他张力的唯一解。特别地，其他张力可W根据在最远端关节上 的扭矩和禪合矩阵A的相关系数唯一地确定。可替换地，如果第L个关节提供两个运动自 由度并且禪连到=个腫或传动系统，那么关节扭矩具有两个分量并且符合来自方程式3的 两个方程式。两个方程式包含=个张力，因此利用等于额定张力的一个张力的约束，根据关 节扭矩的分量和禪合矩阵A的相关分量可W唯一地确定其他两个张力。应当注意，建议的 方法W相似方式在W下意义上来说是通用的，即，如果m个腫连接到提供两个自由度的相 同关节，其中m大于3,那么同时（m-2)个张力可W约束为等于额定张力，而剩下的两个张力 将根据关节扭矩的分量和禪合矩阵A的相关分量唯一地确定。 阳102] 最初对最远端关节（即，j=L)执行步骤1030。步骤1030的子步骤1032初始选 择附连至最远端关节的传动系统中的一个，子步骤1034将张力设置为额定张力，用于在子 步骤1036进行试计算。子步骤1036初始计算附连至关节的其他传动系统的张力（或多个 张力），计算的张力仅取决于所计算的关节扭矩和直接施加到最远端关节的其他张力。步骤 1038确定是否所有计算的张力都大于或等于最小允许张力。如果答案是否，那么步骤1040 选择直接禪连到关节的另一个传动系统作为重复执行步骤1034和1036时具有额定张力的 传动系统。一旦步骤1040确定所计算的一个张力或多个张力都大于或等于最小允许张力， 那么完成最远端关节的张力的确定，并且在过程735从步骤1060返回之前，步骤1050减少 关节指数j，W便重复步骤1020。
[0103] 在连接到两个传动系统和提供一个运动自由度的关节的情况中，对于第j个关节 步骤1030包括评价方程式3中的单个方程式。如上所述，禪合矩阵A的性质是使得第j个 关节的方程式仅设及直接与第j个关节有关的张力和与最远端关节有关的张力。因此，如 果更多远端关节的张力已经被确定，那么与第j个关节关联的方程式只包括两个未知量， 运两个未知量是直接连接到关节的传动系统中的张力。一个张力是额定张力的约束允许唯 一地确定大于或等于额定张力的另一个张力。第j个关节连接到=个传动系统并提供两个 运动自由度的情况包括：评价与关节扭矩的两个分量关联的两个方程式。如果更多远端关 节的张力已经被确定，那么与第j个关节关联的方程式只包括=个未知量，其是直接连接 到关节的腫中的张力。一个张力是额定张力的约束允许唯一地确定大于或等于额定张力的 其他两个张力。
[0104] 因此，图10的过程735可W使用按照从器械远端的关节开始的顺序张力确定，W 生成一组完整的远端张力，当步骤1060确定已经评价最近端关节时在步骤1070中输出该 组完整的远端张力。过程735可W利用计算机或其他计算系统有效地实现，该计算机或其 他计算系统操作W便实时确定W-定速率改变的张力，该速率为医疗程序提供足够平滑的 运动，例如，高达250化或更高的速率。进一步，每个关节具有在目标或额定值的至少一个 直接施加的张力的约束提供在相继时刻确定的张力之间的连续性。
[0105] 上述过程可W利用可存储在计算机可读介质上用于由通用计算机执行的软件来 实现或控制，该计算机可读介质例如电子存储器或磁盘或光盘。可替换地，上述过程中使用 的控制或计算可W利用专用硬件或电子器件植入。
[0106] 尽管已经参考具体的实施例描述了本发明，但是说明仅仅是本发明申请的示例， 不应当视为对本发明的限制。公开的实施例的特征的各种适用和组合都在权利要求限定的 本发明的范围内。
【主权项】
1. 一种医疗器械系统，其包括： 多个关节； 多个致动器； 多个传动系统，其具有分别耦连至所述致动器的近端，每个所述传动系统具有附连至 所述多个关节中相关联的一个关节的远端，以允许所述医疗器械系统的联接的力传动； 传感器，其被耦连以测量所述医疗器械的构形；和 控制系统，其被耦连以接收构形测量结果，其中所述控制系统使用所述构形测量结果 确定所述传动系统的张力并且操作所述致动器以在所述传动系统中产生张力。2. 根据权利要求1所述的系统，其中每个所述传动系统是柔性的，并且每个所述传动 系统在所述致动器力的调节值下的伸缩量相当于大于关节联接中的允许误差。3. 根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统独立于所述致动器位置调节施加到 所述传动系统的张力。4. 根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统独立于所述传动系统或所述关节的 柔度调节施加到所述传动系统的张力。5. 根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统独立于从所述传动系统近端到其远 端的所述传动系统的长度而调节施加到所述传动系统的张力。6. 根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统独立于从所述传动系统近端到其远 端的所述传动系统的形状而调节施加到所述传动系统的张力。7. 根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统利用包含以下步骤的过程确定所述 张力： 确定所述关节的期望构形和所述关节的当前构形之间的差； 根据所述差来确定致动所述关节以减少所述差的关节扭矩；和 确定产生所述关节扭矩的张力。8. 根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统在包含以下步骤的过程中使用所述 构形测量结果： 确定所述关节中的一个选择关节的当前构形和所述选择关节的期望构形之间的第一 差；和 利用所述第一差和第一增益因子的第一乘积确定致动所述选择关节的关节扭矩。9. 根据权利要求8所述的系统，其中所述控制系统使用所述构形测量结果的过程进一 步包含： 确定所述选择关节处的当前速度和所述关节处的期望速度之间的第二差；和 确定所述第二差和第二增益因子的第二乘积，其中致动所述选择关节的所述关节扭矩 进一步取决于所述第二乘积。10. 根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统利用包含以下步骤的过程确定所 述张力： 确定所述器械的尖端的期望构形和所述尖端的当前构形之间的差； 根据所述差，确定当施加到所述尖端时减少所述差的尖端力和尖端扭矩； 确定在所述器械的尖端处产生所述尖端力和所述尖端扭矩的关节扭矩；和 确定产生所述关节扭矩的所述张力。
【专利摘要】本发明公开医疗器械的控制系统和方法，其使用测量结果确定和控制致动器通过器械传动系统施加的张力。使用张力和反馈允许即使当关节位置不能与致动器位置直接相关时也可以控制具有传动系统的医疗器械，其中传动系统提供在关节和致动器之间的不可忽略的柔度。一个实施例根据期望关节位置和测量关节位置之间的差确定关节扭矩和张力。另一个实施例根据器械尖端的期望位置和测量位置之间的差确定关节扭矩和张力。根据关节扭矩确定张力可以利用按照从器械远端朝着器械近端的次序顺序评价关节执行。
【IPC分类】A61B34/30
【公开号】CN105342703
【申请号】CN201510731030
【发明人】S·K·W·奥, G·M·普里斯科
【申请人】直观外科手术操作公司
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2011年10月28日
【公告号】CN103200896A, CN103200896B, EP2637592A1, US9101379, US20120123441, US20150289942, WO2012064528A1