专利名称：具有柔性地铰连的链节的铰接机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及铰接机构及其应用，包括器械和工具的远程操纵、引导和/或操作。
背景技术：
能够容易地远程操纵、引导和/或操作器械和工具的能力在许多工业和应用中是有意义的，尤其是在希望将器械或工具导引到不易于用手导引或者会存在风险或危险的工作空间内的情况下。这些可包括应用工具或器械难以到达目标位置的情况，例如手动到达目标位置受限的某些外科手术过程，或机器的制造或修理，乃至商业和家庭使用。其它情况例如可包括工作环境对于使用者而言是危险的工业应用，例如工作空间暴露在危险的化学物质下。其它情况还可例如包括使用者会有危险的法律执行或军事应用，例如将工具或器械部署在危险或敌对位置。以外科手术过程作为说明性示例，过程例如内窥镜检查和腹腔镜检查通常使用从身体外部的位置在目标器官或组织内操纵或朝该目标器官或组织操纵的器械。内窥镜检查过程的示例包括乙状结肠镜检查、结肠镜检查、食管胃十二指肠镜检查和支气管镜检查。传统上，内窥镜的插入管可通过向前推动而前进，通过向后拉动而收回。可通过扭曲以及一般的向上/向下和向左/向右运动来指引管的端部。该受限的运动范围往往使得难以通过锐角处(例如在直肠乙状结肠内)，会使病人不舒服并增加周围组织受到损伤的危险。腹腔镜检查包括根据解剖标志安置套针工作口(port)。工作口的数量通常根据预期过程以及要获得令人满意的组织松动(mobilization)以及手术区暴露所需的器械的数量而改变。尽管腹腔镜手术存在许多好处，例如术后疼痛较小，下床活动早以及黏连形成减少，但是其往往难以通过腹腔镜工作口实现最优的器官回缩(retraction)以及获得传统器械的最佳可操作性。在某些情况下，这些缺陷会导致手术时间增加或者不精确地放置组件例如缝合器和缝合线。可操纵的导管对于诊断和治疗应用也是公知的。类似于内窥镜，这种导管包括可在一般受限的运动范围内被指引的端部以导引病人的脉管系统。已经进行了许多尝试来设计具有改进的可操纵性的内窥镜和导管。例如，Sato的U. S. 3，557，780,Ailinger 等的 U. S. 5，271，381、Alotta 等的 U. S. 5，916，146 以及 Sakai 的U. S. 6，270，453说明了具有一个或多个柔性部分的内窥镜器械，可通过致动一组丝线而使所述柔性部分弯曲。通过旋转小齿轮(Sato)、操作旋钮(Ailinger等)、可操纵臂(Alotta等)或通过滑轮机构(Sato)从器械的近端来致动所述丝线。Boury等的U. S. 5，916，147公开了一种可操纵的导管，该导管具有四条在导管的壁内延伸的丝线。每条丝线终止于导管的不同部分。丝线的近端从导管松散地延伸出来从而医生可以拉动它们。医生能够通过选择性地拉紧丝线而使导管成一定形状并从而操纵导管。尽管上述每种装置都可被远程操纵，但是它们的运动范围一般受到限制。操纵机构的使用还比较麻烦，例如在Boury等的导管中，必须单独拉动每条丝线以使导管成一定形状。此外，在例如使用旋钮和滑轮机构的内窥镜和可操纵导管的情况下，需要进行大量训练以便能够熟练地操作这些装置通过病人的身体。因此，具有提高的远程可操纵性以便可控制地导引复杂几何形体的装置能使器械和工具更有效且精确地前进和布置。这种装置对于提供更直观和易用的用户接口(interface)以实现这种提高的可操纵性而言也是有利的。这种装置在许多工业领域中在引导、操纵和/或操作器械和工具方面会有广泛应用。这种装置本身还具有娱乐、消遣和教育价值
发明内容
本发明提供了用于各种用途包括但不限于器械和工具的远程操作的铰接机构及其部件。这种器械和工具可包括外科或诊断器械或工具，包括但不限于内窥镜、光源、导管、多普勒流量计、麦克风、探针、牵开器、解剖器、缝合器、夹具、抓紧器、剪刀或切割器、消融(ablation)或烧灼元件等。非外科应用中的其它器械或工具包括但不限于抓紧器、驱动器、动力工具、焊接器、磁体、光学透镜和观察器、光源、电动工具、音频/视频工具、激光器、监视器等。根据应用，可以想到本发明的铰接机构和部件可容易地调整以适应多个器械和工具的结合或适应它们的变型。铰接机构可用于将这些器械或工具操纵到所期望的目标位置，并且还可用于致动或有助于致动这类器械和工具。在本发明的一个变型中，提供一种铰接机构，其包括多对柔性部段，每对中的每个柔性部段相对于该对中的另一个柔性部段保持处于间隔开的关系。柔性部段包括由至少一个链节(link)和至少一个柔性铰链构成的单元，所述机构内的相邻的柔性部段通过柔性铰链连接。所述机构还包括使至少一对分离的柔性部段相连的至少一组缆线，从而该连接对中的一个柔性部段的运动引起该对中的另一个柔性部段的对应的相关运动(relativemovement)0在另外的变型中，提供附加的缆线组，所述缆线组连接另外的分离的成对的柔性部段。柔性部段可形成机构的近端和远端，其中铰接机构的近端的运动导致远端的对应的相关运动。对于二维运动，柔性铰链平行地排列对齐。对于三维运动，机构的至少一个柔性铰链定向成与机构的至少另一个柔性铰链成锐角。为了实现最大的三维运动范围，至少一个柔性铰链定向成垂直于至少另一个柔性铰链。在本发明的另一个变型中，提供用于铰接机构的柔性构件。柔性构件包括连接在一起的一个或多个柔性部段。柔性构件可形成有任意数量的柔性部段，并且还可具有用于纵向地将柔性构件沿轴向连接在一起的互补(reciprocal)装置。柔性构件可用于形成根据本发明的铰接机构，或者可选择地，可结合在其它机构和装置中。在一个变型中，柔性构件包括平行定向的柔性铰链。在另一个变型中，柔性构件包括至少一个定向成与机构的至少另一个柔性铰链成锐角的柔性铰链。在又一个变型中，至少一个柔性铰链定向成垂直于至少另一个柔性铰链。在本发明的其它变型中，提供可形成或结合成根据本发明的柔性构件或铰接机构的柔性部段。这些柔性部段包括由至少一个链节和至少一个柔性铰链构成的单元。在某些变型中，这些柔性部段设计有在特定的预定位置弯曲或折曲(flex)的柔性铰链，所述位置对于延伸通过部段的缆线具有特定影响。具体地，这些预定位置会对通过柔性部段的缆线的相对张紧度产生影响。该影响一还被称为缆线牵引偏置(pull bias)—可以是负的、中性的或正的。在一个方面中，预定的折曲位置提供负的缆线牵引偏置，此时当机构弯曲或被铰接时通过相邻柔性部段的一条或多条缆线将会松弛。在另一个方面中，预定的折曲位置提供中性的缆线牵引偏置，此时当机构弯曲或被铰接时缆线的松弛减小或消失。在又一个方面中，预定的折曲位置提供正的缆线牵引偏置，此时当机构弯曲或被铰接时与柔性部段相关联的一条或多条缆线的张紧将增加。根据特定应用，这些构造中的每一个都具有优点。在本发明的其它方面中，工具或器械可附装在铰接机构的远端并从该远端延伸出，或者铰接机构可结合在这些器械或工具中。在外科手术应用的情况下，外科或诊断工具的示例包括但不限于内窥镜、光源、导管、多普勒流量计、麦克风、探针、牵开器、解剖器、缝合器、夹具、抓紧器、剪刀或切割器以及消融或烧灼元件。对于其它应用，同样可想到许多工具或器械，包括但不限于例如抓紧器、驱动器、动力工具、焊接器、磁体、光学透镜和观察器、 电动工具、音频/视频工具、激光器、光源、监视器等。工具或器械的类型、附装方法和位置以及应用和使用包括但不限于在未决和共有的美国申请No. 10/444, 769和10/928，479中所述的相应内容，这些申请全文结合于此作为参考。
图1A-1D示出根据本发明一个实施例的铰接机构的透视图，该铰接机构具有通过相应的缆线组连接并且具有相互垂直定向的柔性铰链的成对的柔性部段。图IA示出处于自然的、未致动的构型的机构。图1B-1D示出处于不同操作状态的机构。图2A是根据本发明另一实施例的柔性构件的透视图，该柔性构件带有具有相互垂直定向的柔性铰链的柔性部段。图2B是图2A的柔性部段的侧视图。图2C是如图2B所示的柔性部段沿由线A-A表示的平面的截面图。图3A和3B分别是根据本发明又一实施例的柔性构件的透视图和侧视图。图3C是图3A的柔性构件沿由线B-B表示的平面的截面图。图4A和4B分别是根据本发明另一实施例的柔性部段的透视图和侧视图。图4C是图4A的柔性部段沿由线C-C表示的平面的截面图。图5A和5B分别是根据本发明又一实施例的柔性部段的透视图和侧视图。图5C是图5A的柔性部段沿由线D-D表示的平面的截面图。图6是根据本发明另一实施例的铰接机构的侧剖视图，示出近端和远端之间的运动的缩放比例(scaling)。图7是根据本发明又一实施例的铰接机构的侧剖视图，示出近端和远端之间的运动的一不同缩放比例。图8A是结合有抓紧工具和根据本发明一实施例的铰接机构的外科器械的透视图。图SB是图8A的器械的远端的放大视图，更详细地示出抓紧工具。图9A和9B分别示出处于闭合位置的图8B所示的抓紧工具的端视图和截面图，其中图9B是沿由图9A中的线9B-9B表示的平面的截面图。图IOA和IOB分别示出处于第一打开位置(夹爪保持平行)的图SB所示的抓紧工具的端视图和截面图，其中图IOB是沿由图IOA中的线10B-10B表示的平面的截面图。图IlA和IlB分别示出处于第二打开位置(夹爪移动到非平行位置)的图8B所示的抓紧工具的端视图和截面图，其中图IlB是沿由图IlA中的线11B-11B表示的平面的截面图。图12是本发明另一实施例的柔性部段的透视图。
图13是图12的柔性部段的分解视图，示出形成图12的柔性部段的内核和外套。图14A和14B分别示出根据本发明又一实施例的柔性部段处于直的、未弯曲的构型的侧视图和截面图。图14B是沿图14A中由14B-14B表示的线的截面图。图15A和15B分别示出图14A-14B的柔性部段处于弯曲构型的侧视图和截面图。图15B是沿图15A中由15B-15B表示的线的截面图。图16A是结合有根据本发明一个实施例的铰接机构的导管的透视图。图16B是图16A的导管的远端的放大视图。
具体实施例方式根据本发明的铰接机构一般包括多对柔性部段和至少一组连接至少一对分离的柔性部段的缆线。在一些实施例中，铰接机构可由柔性构件形成，该柔性构件由柔性部段制成并且可具有数量变化的链节。本文中使用的术语“链节”是指机构、柔性构件或柔性部段的分离部分，该分离部分能够相对于机构、柔性构件或柔性部段的另一个分离部分运动。链节通常是——但并非必须是——筒状的。链节通常沿机构、柔性构件或柔性部段的纵向轴线排列对齐。机构、柔性构件或柔性部段的相邻链节通过柔性铰链连接。铰接机构、柔性构件或柔性部段的终端链节也可固定或结合在机构的其它方面或与该机构相连的工具上。术语“柔性铰链”是指从链节延伸出并且能够弯曲的分离部分。柔性铰链通常定向为垂直于机构、柔性构件或柔性部段的纵向轴线，但是并非必须如此。链节和柔性铰链通常但非必须地一体形成在一起。“柔性部段”通常包括一个或多个通过柔性铰链相连的相邻链节。能够以单个自由度在二维空间内运动的柔性部段可具有连接两个链节的单个柔性铰链。能够以两个自由度在三维空间内运动的柔性部段可具有连接到三个链节的定向成相互成锐角的两个柔性铰链。对于最大的三维运动范围，该角度将为直角。柔性部段可形成柔性构件或铰接机构的部件。“柔性部段对”是指位于机构一端的柔性部段与位于机构的相对端的另一个柔性部段相对应。根据本发明的铰接机构包括多个柔性部段，这些柔性部段是成对的分离构件。柔性部段一般设置成形成近端和远端，每对中的一个柔性部段位于近端，而另一个柔性部段位于远端。为了获得最大的在三维空间内的运动自由度，机构的至少一个柔性铰链定向成垂直于机构的至少另一个铰链。但是，本发明还想到了柔性铰链平行定向或以任意锐角偏移定向的构型。缆线组可使分离的一对柔性部段相互连接，使得一对柔性部段中的一个柔性部段的运动引起该对中的另一个柔性部段的相应运动。如文中所用，术语“主动(active)柔性部段”或“主动柔性部段对”是指通过缆线组直接相连的柔性部段。术语“间隔(spacer)柔性部段”或“间隔柔性部段对”是指不通过缆线组直接相连的柔性部段。但是，间隔柔性部段可设置在主动柔性部段之间，并为连接主动柔性部段的缆线组提供通路。能够操作主动柔性部段对的能力使得机构可容易地形成复杂的三维构型和几何形状，下文中将对此作详细说明。对于依赖于以不同方式穿过未连接的链节的缆线组或丝线的传统铰接装置，难以实现这种复杂的几何形状，这是因为这种装置通常设计成使操纵缆线或丝线穿过每个链节并终止于最远端的链节处。因此，所有部段协同响应丝线或缆线组的通常为弯曲或弓形方式的运动而一起弯曲。除了形成复杂构型之外，本发明还允许通过限制被操作的主动柔性部段并允许这样的部段抵抗由横向施加的力导致的运动来增加机构的刚性。如果在操作给定的柔性部段对以获得期望形状并将该对的一个部段固定成该期望形状时，该对的另一个部段可抵抗负荷并同时保持其所期望的无负荷形状，则可认为该部段对被完全限制。至少需要两条缆线来完全限制具有两个链节和一个柔性铰链的单自由度柔性部段。对于具有三个链节和两个柔性铰链(定向成相互成锐角或垂直)的双自由度柔性部段，至少需要三条缆线来完全限制该部段。而传统的铰接装置并不总是如此。间隔柔性部段不会这样被限制，并且在希望被 致动机构具有刚性较弱部分的许多情况下包括这种未被限制的间隔柔性部段是有利的。术语“器械”和“工具”在此可互换使用，并且是指通常由使用者操作以实现特定目的的装置。仅为了说明的目的，将在用于在被远程访问的身体区域内的外科或诊断工具和器械的远程引导、操作和/或致动的范围内对本发明的铰接机构进行说明。如前所述，还可想到铰接机构的除了外科或诊断应用之外的其它应用，并且这对于本领域的技术人员而言是显而易见的。通常，任何这种应用包括希望将器械或工具导引到不易于用手导引或者会存在危险的工作空间中的任何情况。这包括而不限于工业应用，例如用于将工具、探针、传感器等导引到受限的空间内，或者用于工具的远程精确操纵，例如机器的组装或维修。这还可包括工具或器械的应用目标位置难以到达的商业或家用情况。其它情况可包括例如工作环境对于使用者而言是危险的工业应用，例如工作空间暴露在危险化学物质中。其它情况还可包括例如使用者会有危险的法律执行或军事应用，例如将工具或器械部署在危险的或敌对的位置。其它应用还包括仅希望对复杂几何形状进行远程操纵的应用。这些应用包括诸如玩具或游戏的消遣或娱乐中的使用，例如木偶、玩偶、小雕像等的远程操纵。转到图1A-1D所示的实施例，铰接机构100包括形成近端121和远端122的多个柔性部段。柔性部段111和112、113和114、115和116、117和118以及119和120分别是分离的成对部件，其中一对中的一个柔性部段(111、113、115、117或119)位于近端121而另一个(112、114、116、118或120)位于远端122。如图所示，位于近端121的柔性部段111由通过相互垂直定向的柔性铰链107和109相连的链节101、103和105形成。缆线通道123位于并穿过每个链节的周边以供缆线组通过和连接。柔性部段还包括中心通道124，该中心通道延伸通过柔性部段的纵向轴线以容纳与同该机构一起使用的期望工具或器械相关联的另外的缆线、丝线、光纤或其它类似元件。类似地，位于远端122的配对的柔性部段112由通过相互垂直定向的柔性铰链108和110相连的链节102、104和106形成，并同样包括类似的缆线通道和中心通道。近端(113、115、117和119)和远端(114、116、118和120)的剩余的柔性部段具有相同的构型，其中一个部段的最后一个链节还用作下一个部段的第一链节。并且如图所示，每个柔性铰链定向成垂直于相邻的铰链。如前所述，这种构型的柔性部段以两个自由度运动，并且可三维地运动。近端的柔性部段(111、113、115和119)分别通过缆线组131、133、135和139连接到远端的柔性部段(112、114、116和120)。因此，这些柔性部段对是主动柔性部段。柔性部段117和118没有通过缆线组直接连接，因此用作间隔部段。机构还包括设置在近端121和远端122之间的间隔部段125以便在近端柔性部段和远端柔性部段之间实现额外的分隔。该间隔件是可选的，并且可以具有任何适合于预期应用的长度。它构造成容纳连接柔性部段对的所有缆线，以及与同该机构一起使用的期望工具或器械相关联的另外的缆线、丝线、光纤或其它类似元件。在铰接机构近端的每个主动柔性部段通过两条或多条缆线连接到与其对应的位于远端的主动柔性部段。每个缆线组可由至少两条缆线构成。如所述,一个主动柔性部段对的运动由其相应的缆线组控制，并且独立于任何其它的柔性部段对。在一些变型中，例如，缆线组将包括间隔开120度的三条缆线。通过使用三条缆线的缆线组连接具有至少一个垂直于至少另一个柔性铰链定向的柔性铰链的主动柔性部段,每个主动柔性部段对都可以三个自由度被操纵或移动，而独立于任何其它的主动对。这三个自由度包括上/下运动、左/右运动和旋转或“滚动”运动。通过组合多个主动柔性部段，可实现多个自由度，使得铰接机构可形成多种复杂的构造。例如，图1A-1D内所示的变型共具有四个主动柔性部段对，每个主动柔性部段对都通过各有三条缆线的缆线组独立地连接，从而能够以12个自由度运动。 在仅使用单组缆线来操纵机构链节的典型的传统机构中，无法获得这种多个自由度。如所述及如图所示，柔性部段还包括多个供连接主动柔性部段对的缆线通过的通道。如果需要的话，缆线、丝线、光纤、柔性内窥镜等也可通过设在柔性部段内的中心通道。也可设置通道以允许流体输送管通过。柔性部段还可设计成具有与柔性部段的外部连通的附装通道以用于在铰接机构的远端安装其它元件，例如能量源(用于消融或凝结)或光纤、或柔性内窥镜。多于一个的柔性部段可包括附装通道，从而该附装通道可从机构的远端延伸到近端。参照图1A，固定在近端主动柔性部段上的缆线穿过间隔件125以便与该对中的相应的远端柔性部段连接。如图1B-1C中所示，近端主动柔性部段的运动导致远端主动柔性部段发生反向的、互反的(reciprocal)运动。在其它变型中，缆线可在通过间隔件125的同时扭转或旋转180度，从而在远端122的互反运动被镜像。本发明的铰接机构可构造成包括扭转O度到360度之间的任何量的缆线以便实现360度范围的互反运动。铰接机构内还可包含间隔柔性部段即没有通过分离的缆线组连接的柔性部段(例如图1A-1D内的117和118)。这些柔性部段可插入在位于近端或远端或这两端的主动柔性部段之间，并且用作不能独立地致动但是允许缆线组通过以到达邻近主动柔性部段的柔性部段。间隔柔性部段是为该机构的近端和/或远端提供额外长度所需要的。此外，在机构的一端包括间隔柔性部段(或相对数量较多的间隔柔性部段)使得在对应的另一端的移动或运动可成比例地缩放。例如，在近端包含间隔柔性部段(或相对数量较多的间隔柔性部段)需要使用者在近端实施更大的运动以在远端实现所期望的运动。这在需要精确、精细的受控运动的情况下是有利的，例如在如果远端的移动或运动不能进行这种成比例缩放则存在使用者不能必要地熟练执行所期望过程的危险的情况下。或者，可在远端设置间隔柔性部段(或相对数量较多的间隔柔性部段)，在这种情况下远端的运动程度可成比例地大于近端的运动程度，这是特定应用所需要的。除了上文所述之外，移动或运动的成比例缩放还可通过增加或减小在近端或远端的主动或间隔柔性部段的缆线通道图案(pattern)的半径来实现，下文将对此进行详细说明。如上所述，复杂运动一包括向上、向下、向左、向右、倾斜和旋转运动一可由于通过分离的缆线组相连的成对的主动柔性部段的形成而实现。例如，在图IB所示的变型中，可通过致动位于近端的最近端的柔性部段111来致动位于远端的最远端的主动柔性部段112，而所有其它柔性部段都保持静止。近端部段111还可被操作为使得最远端的柔性部段112围绕机构的纵向轴线Zl扫过直立圆锥区域，所述直立圆锥的底面的直径由于这些因素例如增加的柔性铰链长度、增强的缆线柔性以及在柔性部段112和紧邻的主动柔性部段之间加入间隔柔性部段而增加。同样重要的是，远端部段111可围绕其在图IB内用Z3 表示的轴线旋转或“滚动”，并且所产生的转矩通过机构传递给远端部段112，从而部段112围绕其在图IB内用Z2表示的轴线旋转。如图IC所示，通过仅致动位于近端的最远端的主动柔性部段即柔性部段119来致动位于远端的最近端的主动柔性部段120，而所有其它的柔性部段保持静止。通过这样操纵近端，远端可扫过直立圆锥区域，并且由于位于被致动部段远侧的部段的数量增加，所述直立圆锥的底面直径大于上面参照图IB所述的直径。同样，近端可围绕其轴线旋转或“滚动”，并且所产生的转矩通过机构传递给远端。尽管在图1B-1D内示出许多部段运动，但是还可实现结合有向上、向下、向左、向右、倾斜和旋转运动的其它复杂的三维运动。例如，图ID示出铰接机构100的远端122沿其长度具有多个弯曲，该多个弯曲各自的方向相互独立。如所述，图1A-1D的铰接机构100具有四对主动柔性部段，每对主动柔性部段通过具有三条缆线的缆线组连接，使得可进行12个自由度的运动，但是柔性部段对和缆线组的其他构型也可容易地实现类似的复杂运动和几何形状。机构的各部分能够同时沿不同方向弯曲并形成复杂构型的能力是通过对每个主动柔性部段对进行在其相应缆线组的控制下的独立致动而实现的。转到图2A-2C，柔性构件200包括由分别通过柔性铰链231、232、233、234、235和236连接的一连串链节202、204、206、208、210、212和214形成的柔性部段216,218和220。柔性构件在两端终止于链节202和214。终端链节202包括面向且远离终端链节214的柱形凹部223和六角形凸起部225。而终端链节214包括面向且远离终端链节202的六角形插口 224。如图所示，柔性铰链231、233和235定向成垂直于柔性铰链232、234和236。如图所示，链节还包括接纳控制链节的各个缆线组的通道。所述构件设计成使得缆线通过链节内的缆线通道并终止且固定在柔性部段216的终端链节202上。具体地，缆线可在出口位置229离开通道228并固定在链节202的凹部223上。于是，柔性部段216用作主动柔性部段，而剩余的柔性部段用作间隔柔性部段。或者，缆线组可终止于任意一个其它柔性部段，使得任意的其它柔性部段成为主动柔性部段。另外，尽管缆线通道228示出为以圆形图案设置，但这种图案并不是必须的，每个通道均可沿该构件位于任何径向位置。中心通道227沿轴向延伸通过柔性构件以容纳与该柔性构件或包括该柔性构件的任何铰接机构相关联的任何工具或器械的别的元件。或者，可沿该构件在任何径向位置包括其周界设置类似的通道。该柔性构件可并入或形成根据本发明的铰接机构的近端和远端的全部或一部分。该柔性铰链系统具有许多重要的优点。一个优点是易于制造和组装，这是因为柔性部段、柔性构件或铰接机构或其部分可制造成具有多个通过柔性铰链连接的链节的单个连续件。另外，多个具有相同或不同构造的柔性部段或构件可容易地连接在一起以形成多种铰接机构，这些铰接机构的特性将部分依赖于所使用的作为部件的柔性部段或构件。在图2A-2C所示的实施例中，互补的(reciprocating)凸起部225和插口 224允许多个柔性构件相互连接在一起，但是本领域的技术人员应当理解，存在多种可实现相同目的的互补结构。柔性铰链系统提供的另一个优点是沿机构传递转矩的能力增加。在具有仅通过缆线组连接的各个链节的机构内，转矩不太容易被传递，这是因为施加的力会使缆线发生一定程度的扭曲。另外，柔性铰链系统使得可沿机构施加轴向负荷而不会影响致动。即使在轴向负荷下机构的铰接仍然保持平滑和顺畅。而在一些其它机构中则不是这样，在这些其它机构中各个链节相互之间摩擦接触并且轴向负荷会增加链节之间的摩擦力，这会限制运动或者在某些情况下导致链节完全“锁定”。为了实现最大的运动自由程度，机构、柔性构件或柔性部段的至少一个柔性铰链定向为垂直于至少另一个柔性铰链。但是，在可接受更有限的运动自由程度的应用中，柔性铰链无需互相垂直。在图1-2所示的实施例中，连续的铰链相互垂直，但是本发明还包含其他构型，包括两个或更多个连续的铰链定向成相互平行或相互偏移0-90度中的任意角度的构型。 转到图3-5，示出其柔性铰链在预定位置相对于相邻的连接链节弯曲或折曲的柔性部段的实施例。另外，链节具有相同的总直径、相同的缆线通道之间的直径或距离，以及相同的链节之间的间隙。当并入铰接机构时，链节之间的预定折曲位置可对穿过链节的缆线的相对张紧度具有正的、中性的或负的影响或偏置。更具体地，当柔性部段由于由缆线沿部段的链节的一侧施加的致动力而弯曲时，穿过链节另一侧的缆线的相对张紧度能够以正的、负的或中性的方式被影响。此影响或偏置也被称为“缆线牵引偏置”。当部段链节被铰接时产生或增加缆线张紧的柔性部段被称为具有“正偏置”。或者，当部段链节被铰接时导致缆线张紧减小或松弛的柔性部段被称为具有“负偏置”。使缆线的张紧和缆线的松弛最小的柔性部段被称为“中性偏置”。根据应用，这种正的、中性的或负的影响可以是有利的。实现正的、中性的或负的缆线牵引偏置的特定的预定位置取决于给定的一对链节和连接铰链的特定尺寸，包括缆线通道图案的直径、缆线从中暴露出的链节之间的间隙，以及链节的最大折曲角。这些特定的预定折曲位置可被测量为相对于缆线从缆线通道露出或离开的链节表面的特定偏移量(正的或负的)。在操作时，当柔性部段的链节被操作到期望位置或构型时，两个给定的链节之间的柔性铰链折曲或弯曲，从而两个链节围绕该铰链相互接近或远离地折曲或弯曲。在中性偏置构型下，一个链节上的给定缆线通道出口点朝另一个链节上的与之对应的缆线通道出口点移动的距离，等于该链节的相对侧上的相对的缆线通道出口点移动远离另一个链节上的与之对应的缆线通道出口点的距离。但是，不管部段是否折曲，对应的两组缆线通道出口点之间的组合距离均保持恒定，这对于保持中性缆线偏置是重要的。当这种组合距离不相等时，缆线松弛或张紧会增加。具体地，在链节折曲时相对的成组缆线出口点之间的组合距离大于处于直的、未弯曲位置时的组合距离的情况下，缆线会张紧。或者，在当折曲或弯曲时相对的成组通道出口点之间的组合距离相对于直的、未弯曲位置时减小的情况下，缆线会松弛。在图3A-3C所示的实施例中，柔性部段240包括连接链节244和245的柔性铰链246。链节还包括缆线通道248。链节的缆线通道图案直径为D，并且链节之间由间隙G隔开，间隙G是缆线从中暴露出的链节之间的距离。链节围绕铰链246的最大折曲角为T。在D是G的五倍并且T为20度的情况下，中性缆线牵引偏置的期望预定折曲位置为等于1/100D的偏移量O1，这实际上处于或接近缆线从缆线通道露出或离开的链节245的表面247。换句话说，在此情况下，折曲位置与缆线从中露出或离开的链节245的表面部分对齐或几乎对齐。在这种特定构型下，缆线松弛在部段的运动范围内为最小。通过使缆线松弛最小，该机构可在一定的运动范围内保持其形状，并抵抗施加在该机构上的会损害形状精度的反作
用力。这在大多数应用中是有利的。使缆线松弛最小的柔性铰链构型被称为具有“中性偏置。在图4A-4C的实施例中，柔性部段260柔性铰链266，其预定折曲位置位于两个相邻的链节264和265之间。链节264和265包含缆线通道268。在此构型内，柔性铰链相对于链节265的表面267具有正偏移量02。在尺寸D、G和T与上文所述相同的情况下，该折曲位置会导致负的缆线牵引偏置。即，当部段由于由缆线沿链节的一侧施加的致动力而在这些链节处弯曲时，通常沿链节的相对侧会在缆线内产生松弛。在某些应用中，这种松弛的产生是所期望的，因为这会减小装置在该区域内的刚性，并限制对于沿该区域施加的反作用力的阻力。期望获得此效应的示例包括导引机构通过或围绕敏感或脆弱的解剖结构的情况。允许缆线内产生一定程度的松弛的柔性铰链被称作具有“负偏置”。在图5A-5C的实施例中，柔性部段280包括连接链节284和285的柔性铰链286。链节284和285同样包括缆线通道288。在此构型内，折曲位置相对于链节285的表面287具有负偏移量03。即，折曲位置位于缆线露出或离开的链节285的表面部分以下。在尺寸D、G和T与上文所述相同的情况下，该折曲位置会导致正的缆线牵引偏置。即，当部段由于由缆线沿链节的一侧施加的致动力而在这些链节处弯曲时，通常会沿链节的相对侧在缆线内产生张紧。在某些应用中，这种张紧的产生是所期望的，因为这会增加装置在该区域内的刚性并抵抗任何所施加的反作用力。这种张紧还可抵抗机构的进一步弯曲并向使用者提供反馈。期望获得此效应的示例包括预防机构的过大弯曲或“过度弯曲”比较重要的应用。具有这种在缆线内产生额外张紧的构型的柔性铰链被称为具有“正偏置”。图6示出本发明的另一个实施例，其中铰接机构300分别具有近端和远端321、322，以及设置在它们之间的间隔件325。远端322包括由分别通过柔性铰链317、319、321、323和325连接的一连串链节302、304、306、308、310和312形成的柔性部段316、318、320、322和324。近端321包括由通过柔性铰链315连接的链节301和303形成的柔性部段314。如图所示，柔性链节均定向成沿未被致动的机构的纵向轴线(用轴线Z表示)相互平行。这样，机构可提供二维运动而不是三维运动。链节还包括接纳形成控制机构的致动的缆线组的缆线331和332的通道。如上所述，机构设计成使得缆线通过链节内的缆线通道。缆线紧固在柔性部段316的远端的终端链节302以及柔性部段314的近端的终端链节301上。因此柔性部段316和314用作主动柔性部段对，而剩余的柔性部段用作间隔柔性部段。图6示出处于被致动或被操纵状态的铰接机构300。如图所示，位于近端321的近端柔性部段314已经折曲了角度W。由于在远端322添加了间隔部段，整个远端折曲了相等的角度W，但是各柔性部段之间的角度减小，从而累积后的角度等于角度W。但是，远端322相对于机构的初始轴线Z的行进距离Y成比例地大于近端321相对于轴线Z行进的距离X。这示出添加(或减少)间隔部段如何实现相同的总弯曲角度而通过较大(或较小)的横向距离。
图7示出本发明的另外的实施例，其中铰接机构350分别具有由被间隔件375分隔开的近端和远端371、372。远端372包括由通过柔性铰链356连接的链节352和354形成的柔性部段362。近端371包括由通过柔性铰链355连接的链节351和353形成的柔性部段361。同样，柔性铰链均定向成沿未被致动的机构的纵向轴线(未示出)相互平行，并同样提供二维运动而不是三维运动。链节还包括接纳形成控制机构的致动的缆线组的缆线381和382的通道。同样，该机构设计成使得缆线通过链节内的缆线通道。缆线紧固在柔性部段362的远端的终端链节352以及柔性部段361的近端的终端链节351上。因此柔性部段362和361用作主动柔性部段对。如图所示，位于近端的链节351和353的缆线通道之间的直径K大于位于远端的对应链节352和354之间的直径J。如图所示，铰接机构350处于被致动或被操纵状态。可以看到，位于近端371处的近端柔性部段361已经折曲了角度H。但是，远端柔性部段362折曲了更大的角度P。这是由于近端和远端链节之间的缆线通道之间的直径的变化而导致的。折曲角的变化大致与直径之差成比例，角度P与角度H乘以两个直径的比率成比例(即P ^ HX (Κ/J))。那么对于任何两个链节对，该差可表示为当链节相对于它们的未枢转状态被操纵时所产生的枢转·角。因此，对于任何给定的链节对L1和L2，它们分别具有不同的从链节的中心轴线算起的缆线通道位置半径R1和R2,并且R2M1,当L1枢转角度A1时，对应的铰链L2将产生枢转角A2= A1XsirT1 (R1ZR2)0这示出缆线通道图案的直径或半径的增加或减小如何成比例地增加或减小机构内的弯曲角或折曲角。这可具有重要的人体工程学应用，包括由使用者操作的近端的较小的折曲角会导致远端的较大的弯曲角或折曲角从而使得远端可进行放大或增加的运动以布置和/或致动外科工具或器械的外科手术应用。在其它应用中，可能期望由使用者操作的近端相对于远端具有更大的折曲角。与上文的考虑一致，如本发明的目的所述，链节还可以具有任何尺寸和形状。对于外科手术应用，链节的尺寸和形状通常取决于这些因素例如病人年纪、所关注的解剖区域、预期的应用以及医生的喜好。链节通常为筒状，但并非必须如此，并且如前所述包括供连接柔性部段对的缆线以及与同机构一起使用的期望工具或器械相关联的另外的缆线、丝线、光纤或其它类似元件通过的通道。通道直径通常稍大于缆线直径而形成滑动配合。此外，链节还包括一个或多个用于接纳可附装的外科器械或诊断工具的元件或供致动它们的缆线通过的通道。根据应用，链节的直径通常为大约O. 5_至大约15_或更大。对于内窥镜应用，对于小型内窥镜器械，典型直径可为大约2_至大约3_，对于中等尺寸的内窥镜器械，典型直径为大约5mm至大约7mm,而对于大型内窥镜器械,典型直径为大约IOmm至15_。对于导管应用，直径可为大约Imm至大约5_。链节的总长度通常根据链节之间的期望弯曲半径而改变。铰接机构、柔性构件和柔性部段可由本领域内已知的多种材料形成,并且材料可根据应用而改变。为了易于制造，可使用可注射模制的聚合体，例如包括聚乙烯或其共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯或其共聚物、尼龙、硅树脂、聚亚安酯、含氟聚合物、聚(氯乙烯)；以及它们的组合，或本领域内已知的其它合适的材料。对于外科手术应用，如果希望的话，可在链节或部段上设置光滑涂层以便有助于铰接机构的前进。光滑涂层可包括亲水聚合物例如聚乙烯吡咯烷酮，含氟聚合物例如四氟乙烯，或硅树脂。还可在一个或多个部段上包含不透射线的标记以便在射线成像时指示铰接机构的位置。通常，将通过荧光检查来检测标记。缆线直径根据应用而改变。对于一般的外科手术应用，缆线直径可为大约O. 15mm至大约3_。对于导管应用，典型直径可为大约O. 15_至大约O. 75_。对于内窥镜应用，典型直径可为大约O. 5mm至大约3mm。缆线柔性可例如因缆线材料的类型和编排方式而改变或因物理或化学处理而改变。通常，将根据铰接机构的预期应用的需要而改变缆线刚度或柔性。缆线可以是由这样的材料制成的单股或多股线，所述材料包括但不限于生物相容材料例如镍钛合金、不锈钢或其任何合金、超弹性合金、碳纤维，聚合物例如聚(氯乙烯)、聚氧乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和其它聚酯，聚烯烃、聚丙烯，以及它们的共聚物；尼龙；丝(silk);以及它们的组合，或本领域内已知的其它合适的材料。缆线可根据本领域内已知的方式固定在成对的主动柔性部段上，例如通过使用粘结剂或通过硬钎焊、软钎焊、焊接等，其包括在未决的且共有的美国申请No. 10/444，769和No. 10/928, 479中所述的方法，这些申请全文结合于此作为参考。 尽管附图内所示的许多铰接机构和柔性构件具有一定数量的柔性部段和柔性部段对，但是这仅是用于说明单个机构或柔性部段部件相互之间的关系。根据这些因素例如铰接机构的预期使用和期望长度，可采用任意数量的柔性部段和柔性部段对。铰接机构、柔性构件或柔性部段的自然构型通常是直线型的，但是如果希望的话，机构、柔性构件或柔性部段可以制造成具有预先形成的弯曲。如果希望在铰接机构的远端保持一定的弯曲或其它复杂构型，则可根据例如在未决的且共有的美国申请No. 10/444, 769和No. 10/928, 479中所述的方式将机构“锁定”在合适位置，这些申请全文结合于此作为参考。例如，可在近端部段上滑动的可锻的管可成形为将近端部段以及它们相应的远端部段保持为特定构型。这在例如使用者已将机构导引到期望目标位置并希望将机构“锁定”就位，同时例如致动与该机构相关联的工具或在单独的过程内完全接合的情况下是有利的。术语“可锻的”是指管具有的柔性足以使其成形，但是又足够刚硬以便能保持所形成的形状。在另一个变型中，锁定杆可插入一个或多个延伸通过柔性部段或部段的附装通道，以便将铰接机构的近端部段和远端部段“锁定”就位。锁定杆可以是可锻金属杆，其可成形并插入附装通道以将近端部段和远端部段设定为特定构型，或者锁定杆可设置成预成形的形式。在又一个变型中，柔性部段或构件本身可由可锻材料形成，这种材料一旦被操作成期望构型则可维持其形状。如所述，本发明的铰接机构可用于以其自然的、直的构型，或者在从病人之外的位置在其近端进行各种操作之后，在病人的身体区域内引导外科或诊断器械或工具，或将这些器械或工具引导到病人身体区域内的目标位置。在适当插入后，机构近端的运动导致远端的相应运动。此外，所引起的远端的定向运动可根据近端相对于远端的旋转程度而被反向、镜像或产生别的结果。另外，近端提供了用于控制对远端的操纵和操作的用户接口，这与其它传统的依赖于例如滑轮或旋钮来控制操纵丝线的操纵机构相比使用起来更加方便和容易。该用户接口使得例如使用者能够基于设置在外部的近端用户接口的被操作后的形状而容易地看到位于例如病人体内的机构远端的形状和定向运动。在另一个变型中，柔性部段或部件本身可由可锻材料形成，这种材料一旦被操作成期望构型则可维持其形状。铰接机构可用于将外科器械、诊断工具、各种导管等远程操纵到中空的或形成腔室的器官和/或组织中，包括但不限于血管(包括颅内血管、大血管、外围血管、冠状动脉、动脉瘤)、心脏、食道、胃、肠、膀胱、输尿管、输卵管、输送管例如胆管，以及大的和小的导气管。铰接机构还可用于将外科器械、诊断工具、各种导管等远程引导到实心器官或组织，包括但不限于皮肤、肌肉、脂肪、大脑、肝脏、肾脏、脾脏以及良性或恶性肿瘤。铰接机构可用于哺乳对象，包括人(哺乳动物包括但不限于灵长类动物、农畜、善运动的动物、猫、狗、兔子、田鼠和老鼠)。转到图8-12，示出本发明的一个实施例，其中将具有柔性部段的铰接机构结合在外科器械中。图8A示出外科抓紧器械400，该器械包括分别隔开近端和远端柔性构件406和407的细长轴405。柔性构件如上所述，具有多条与分离的柔性部段相关联的缆线以便近端的运动可引起远端的相应运动。致动手柄402位于近端柔性构件406的近端，并且具有带有可相互靠近和远离地枢转的枢转臂403和404的标准的棘轮手柄接口。臂403的远端固定地紧固在近端柔性构件406的近端上。抓紧工具410附装在远端柔性构件407的远端。如图8B中更清楚地示出，抓紧工具410包括连接到夹爪壳体416的上夹爪412和下夹爪414，壳体416的基部418固定地紧固在远端柔性构件407的远端上。 更具体地，夹爪壳体416包括相对的平行延伸壁420和422，并且夹爪412和414的近端位于所述壁之间。如图8B-11B中更清楚地示出，每个夹爪包括接纳横跨两个壁之间的空间的销的狭槽。具体地，上夹爪412包括分别接纳销423和424的狭槽452和456。下夹爪414包括接纳销425和426的狭槽454和458。每个夹爪的狭槽相对于夹爪的远端抓紧部分定向为成一角度，并且一般在每个狭槽的大部分长度上相互平行。但是，具体参照图IOB和IlB可见，两个狭槽452和454分别具有从平行于相应狭槽456和458变成分开的近端终端部分453和455。这会对夹爪运动产生重要影响，下文还将对此进行说明。夹爪412和414还包括凹口 457和459，凹口 457在夹爪412上位于狭槽452和456之间，而凹口 459在夹爪414上位于狭槽454和458之间。当夹爪处于闭合位置时，这些凹口 457和459分别容纳销424和426 (见图9B)。夹爪412和414还分别枢转地连接到链节臂436和438，这些链节臂又在它们的另一端连接到缆线终止器430，该终止器也位于壳体416内并位于壁420和422之间。致动缆线432连接到并终止于缆线终止器430，而缆线432本身朝近端延伸通过夹爪壳体416并穿过延伸通过柔性构件407、细长轴405的中心通道(未示出)，并且在其另一端终止于手柄402的臂404。偏置弹簧434沿轴向与缆线432对齐，并设置在缆线终止器430和夹爪壳体415的基部418之间。夹爪412和414本身分别包括相对的夹爪表面442和444。每个夹爪表面都分别具有通道446和448，这些通道可接纳例如适于消融组织的能量源。夹爪和夹爪壳体连接的构造提供了重要的优点，因为其允许夹爪在第一运动范围内平行运动，同时还允许在第二运动范围内以不平行的方式分开。通过参照图9-11可观察到总的运动范围，夹爪能够从闭合位置(图9A-9B)运动到第一打开位置(图10A-10B)，同时在此运动期间一直保持相互平行。然后，夹爪能够以不平行的方式从该第一打开位置运动到第二打开位置(图11A-11B)。在该第二打开位置，夹爪的远端端部相对于夹爪的近端进一步相互分开，从而在夹爪之间在端部处产生更大的开口，这与通过单个枢轴连接的夹爪的情况相类似。这个更大的开口是有利的，因为其有利于在目标组织或解剖结构周围导引夹爪。同时，夹爪在从第一打开位置(图10A-10B)闭合到闭合位置(图9A-9B)时保持相互平行的运动，这提供了许多优点，包括当夹爪在目标组织上闭合时在夹爪上形成力的均匀分布。另外，当能量源附装在夹爪上用于例如消融时，夹爪的平行运动使得能量可以沿夹爪的长度更均匀地传递给组织，实现更均匀和一致的消融。总的运动范围实现如下。可以看到，偏置弹簧434设置成在打开位置连续偏置夹爪使它们相互远离。弹簧的偏置可由致动手柄402克服以便使缆线432和与之连接的缆线终止器430朝器械的近端平移，从而使夹爪处于图9A-9B所示的闭合位置。随着缆线上张力的释放，夹爪被偏置以从闭合位置打开到第一打开位置(图10A-10B)，由于狭槽425、456和454、458分别相对于销423、424和425、426平移，所以上夹爪和下夹爪412和414分别沿平行于狭槽452、456和454、458的方向平移，由此夹爪保持平行。在此运动范围内，联接到缆线终止器430的链节臂436和438的终止端部也平移，但是由会导致不平行运动的链节臂施加的任何力都会被分别保持在平行狭槽452、456和454、458内的销423、424和425、426的限制力所克服。然而，随着夹爪被进一步偏置而打开，销423和425相对地分别平移到狭槽452和454的从平行于相应狭槽456和458变成分开的终端部分453和455内。销运动到这些不平行部分中的相对运动使得链节臂436和438可枢转以及平移，导致夹爪412和414在运动到第二打开位置(图11A-11B)时可相互分开地运动。 在又一个变型中，本发明的铰接机构和柔性部段可结合到导管中并用于引导导管。如图16A和16B所示，导管700结合有铰接机构，该机构702的远端与导管的远端成一体，并且由柔性构件704形成的近端从手柄706延伸出。类似于文中所述，近端柔性构件704由柔性部段711、713和715形成。远端部分712、714和716由导管的远端702的部分成一体地形成。缆线组(未示出)将远端部分712、714和716连接到近端部段711、713和715,使得可通过操纵近端柔性构件704来远程地操纵远端702，从而在导管700前进时引导该导管。如图16B中更清楚地示出，导管700的远端包括具有中央腔724和多个缆线通道728的导管管子，缆线通道728沿导管的长度延伸并且可接纳连接远端和近端部段的缆线组(未示出)。中央腔可提供用于供例如丝线、能量源或其它控制元件到达导管端部的通道，或用作供流体通过的通过腔，或者可提供导管腔的其它已知功能。缆线可以如未决的和共有的美国申请No. 10/444，769中所述在期望位置固定在导管中，该申请全文结合于此作为参考。导管的每个远端部段可由具有不同硬度的材料形成和/或可具有变化的长度，这在操纵导管时可提供额外程度的控制。例如，如果最远端的部分相对于最近端的部分具有较低的硬度，则可增强对远端端部的控制，因为与铰接最近端部分所需的力相比，铰接最远端部分所需的缆线力较小。在可选实施例中，远端部段可由导管管子材料的相互靠接的分离部分形成，这些分离部分由于缆线组通过和固定在这些部分内而彼此相对地保持就位。此夕卜，尽管如文中所述导管700包括由柔性部段形成的近端柔性构件704，但是还可想到近端也可以可选地由多种通过缆线组类似地连接到远端的铰接链节系统形成。这种铰接链节系统包括但不限于在未决和共有的美国申请No. 10/444, 769和10/928，479中所述的那些系统，这些申请全文结合于此作为参考。图12-13示出根据本发明另一个实施例的柔性部段。如图12所示，柔性部段500包括连接链节502和504的两个柔性铰链506和508，并且与前文所述的柔性部段共有许多特征。设有缆线通道512以便供用于控制该部段本身或其它部段的缆线通过以及接纳这些缆线。还设有中心通道510。如图13中更具体地示出，柔性部段500由两个部件一内核520和外套540 —形成。设置由内核和外套部件形成的柔性部段提供了制造优点，下文将对此作进一步说明。内核520构造成沿轴向接纳在外套540内。内核520包括均大致为筒状的链节部分522和524。柔性铰链部分526和528将每个链节部分连接到翼状部分534和536，这两个翼状部分共同形成与两个链节部分对齐并设置在这两个链节部分之间的另一个大致为筒状的部分，并且在与链节部分组合时可提供所形成的柔性部段500的中心通道510。内核还包括在该核的外表面上沿长度延伸的对齐凸缘530和532。外套540同样包括也大致为筒状的链节部分542和544。柔性铰链部分546和548将每个链节部分连接到杆部分554和556，这两个杆部分与两个链节部分对齐并设置在这两个链节部分之间。一连串缆线槽558在外套549的内表面上沿长度延伸。外套540还包括在其内表面上沿长度延伸的对齐槽550和552，并且槽550具体地沿杆部分554和556延伸。这些槽分别接纳内核520的对齐凸缘530和532，从而当内核和外套组装在一起时，内核和外套的相应的链节部分和柔性铰链部分相互对齐以形成所形成的柔性部段500的链节和柔性铰链，并形成缆线通道512。具体地，链节部分522和542形成链节502，柔性铰链部分526和546形成柔性铰链506，柔性铰链部分528和548形成柔性铰链508，而链接部分524和544形成链节504。内核520的外表面紧靠外套540的内表面，从而沿长度密封缆线槽558并由此形成缆 线通道512。对于通过模制过程形成的柔性部段和构件，内核和外套部件的制造过程可比将柔性部段或构件作为单个部件来制造的过程更简单和更经济。例如，作为模制过程的一部分，将具有缆线通道的柔性部段模制成单个部件需要使用许多小的芯杆(core-pin)，这些芯杆延伸通过部件的整个长度。模制具有缆线槽的外套部件是较简单的过程，其中模腔本身就可提供狭槽。此外，尽管图12-13所示的实施例是双折曲铰链链节部段，但是可容易地理解，大量的柔性铰链链节、部段和柔性构件可由内核和外套部件一包括但不限于文中所述的其它链节、部段和构件一形成。另外，其它链节和链节系统可类似地由内核和外套部件形成。柔性部段500的特定构型还实现了其它优点。具体地，柔性部段500的双铰链构型还提供了中性缆线偏置，这类似于在未决和共有的美国申请No. 10/928, 479中所述的中性缆线偏置双枢转链节系统提供的方式，该申请全文结合于此作为参考。参照图12，可以理解柔性铰链506和508在大致与各链节502和504的相对面一致并因此还与致动缆线离开各个相应链节的缆线通道出口点一致的位置处折曲或弯曲。当柔性部段被操纵到期望位置和构型时，每个柔性铰链折曲或弯曲，从而两个链节围绕双铰链相互靠近或远离地折曲或弯曲。此外，这种双折曲行为使得在一个链节上的给定缆线通道出口点朝另一个链节上的与之对应的缆线通道出口点移动的距离等于在该链节的相对侧上的相对缆线通道出口点移动远离另一个链节上的与之对应的缆线通道出口点的距离，这类似于上文所述的中性缆线偏置柔性部段。但是，不管部段是否折曲，两组相应的缆线通道出口点之间的组合距离均保持恒定，这对于保持中性缆线偏置是重要的。当这种组合距离不相等时，缆线的松弛或张紧会增加。具体地，当链节折曲时在成组的相对缆线出口点之间的组合距离大于处于直的、未弯曲位置的组合距离的情况下，缆线会张紧。或者，当折曲或弯曲时在成组的相对通道出口点之间的组合距离与直的、未弯曲位置时相比减小的情况下，缆线会松弛。由柔性部段500的构型提供的其它优点包括翼状部分536和534，它们可用作防止铰链区域过度弯曲的止动件。当柔性部段500弯曲或折曲时，链节502和504的相对侧将相互接近地运动，直到它们接触一个或另一个翼状部分，从而限制进一步的弯曲运动。因此，例如对于设计成最大总弯曲角为60度的柔性部段，翼状部分将构造成将每个柔性铰链(的弯曲角)限制成最大为30度。参照图14-15这被更清楚地示出，图中示出柔性部段600，这类似于柔性部段500但是具有单个单元的构造。类似于柔性部段500，柔性部段600包括通过柔性铰链606和608连接的两个链节602和604。设有缆线通道612以便供缆线通过并接纳缆线，并且还设有中心通道610。更具体地，柔性铰链606和608分别将链节602和604连接到设置在两个链节之间并与这两个链节对齐的翼状部分624和626。从翼状部分沿纵向延伸出的杆部分614和616还连接到链节602和604并与这两个链节对齐。如图15B中更清楚地示出，翼状部分624用作限制柔性部段600进一步弯曲的止动件。本发明还包括用于提供各种铰接机构以及相关联的附件的成套工具。例如，可提供包含具有不同长度、不同部段直径的铰接机构和/或不同类型的工具或器械的成套工具。成套工具可任选地包含不同类型的锁定杆或可锻覆盖件。成套工具还可针对特定应用而进行进一步定制。例如，用于外科手术应用的成套工具可构造成用于例如内窥镜检查、回 缩或导管安置和/或用于特定的病人群体例如儿童或成人。本文中引述的所有出版物、专利和专利申请都全文结合于此用作各种用途的参考，这与具体并单独地说明每个出版物、专利或专利申请以结合它们作为参考的效果相同。尽管为了理解清楚而通过例证和示例对前述发明进行了详细说明，但是本领域内的普通技术人员容易理解，根据本发明的教导可对本发明进行一些改变和修改而不会背离所附权利要求的精神和范围。
权利要求
1.一种包括通过至少一个柔性铰链连接的至少两个链节的柔性部段，所述至少一个柔性铰链在所述两个链节之间的预定位置折曲， 其中，在所述至少两个链节绕所述至少一个柔性铰链铰接时所述预定位置对通过所述至少两个链节的缆线提供负的缆线牵引偏置或正的缆线牵引偏置。
2.根据权利要求I所述的柔性部段，其特征在于，所述至少一个柔性铰链包括以下之 定向为与所述部段的轴线垂直的第一柔性铰链； 定向为与一第二柔性铰链成锐角的第一柔性铰链；和 定向为与一第二柔性铰链垂直的第一柔性铰链。
3.根据权利要求I所述的柔性部段，其特征在于，所述至少一个柔性铰链包括定向为相互平行的多个柔性铰链。
4.根据权利要求I所述的柔性部段，其特征在于，所述柔性部段的端部包括用于接合的互补装置。
5.根据权利要求4所述的柔性部段，其特征在于，所述柔性部段能够传递转矩。
6.根据权利要求I所述的柔性部段，其特征在于，所述至少两个链节包括三个链节，并且 所述至少一个柔性铰链包括连接所述三个链节并相对于所述链节在预定位置折曲的两个柔性铰链。
7.根据权利要求6所述的柔性部段，其特征在于，所述两个柔性铰链定向为相互成锐角和相互垂直之一。
8.根据权利要求6所述的柔性部段，其特征在于，还包括设置在所述两个柔性铰链之间并限制所述柔性铰链可折曲的范围的翼状部分。
9.一种外科装置,包括 包括通过至少一个柔性铰链连接的至少两个链节的柔性部段，所述至少一个柔性铰链在所述两个链节之间的预定位置折曲； 穿过所述至少两个链节的中央腔；和 通过所述至少两个链节的多条缆线，其中，在所述至少两个链节绕所述至少一个柔性铰链铰接时所述预定位置对通过所述至少两个链节的缆线提供负的缆线牵引偏置或正的缆线牵引偏置。
10.根据权利要求9所述的外科装置，其特征在于，所述至少一个柔性铰链包括以下之 定向为与所述部段的轴线垂直的第一柔性铰链； 定向为与一第二柔性铰链成锐角的第一柔性铰链; 定向为与一第二柔性铰链垂直的第一柔性铰链；和 多个平行的柔性铰链。
全文摘要
本发明涉及铰接机构以及可形成这种铰接机构的柔性构件和柔性部段。所述铰接机构例如可用于各种器械和工具在目标位置的远程操纵、引导和/或操作。所述机构、构件或部段包括通过柔性铰链连接的链节。所述机构的近端和远端通过至少一组缆线以这样的方式连接，即近端的主动柔性部段与远端的主动柔性部段形成分离的一对。位于机构近端的主动柔性部段的运动会引起位于机构远端的部段的对应的相关运动。这种构造使得每个柔性部段对可相互独立地运动，并且还允许所述铰接机构进行复杂的运动并采用复杂的构造。
文档编号B25J18/06GK102871636SQ20121035259
公开日2013年1月16日 申请日期2005年5月23日 优先权日2004年6月7日
发明者C·D·欣曼, D·J·达尼茨 申请人:诺瓦尔外科系统公司