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CN106102551A - 可转向的医疗装置 - Google Patents

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CN106102551A
CN106102551A CN201580015552.2A CN201580015552A CN106102551A CN 106102551 A CN106102551 A CN 106102551A CN 201580015552 A CN201580015552 A CN 201580015552A CN 106102551 A CN106102551 A CN 106102551A
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Human Xtensions Ltd
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Mankind Expand Co Ltd
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Abstract

提供一种医疗装置。所述医疗装置包括一长形装置主体，具有包括多个区段的一可转向部分。所述多个区段共轴地安装在至少一长形弹性元件上，所述长形弹性元件被配置用于限制所述多个区段相对于彼此的转动。所述医疗装置还包括一控制线材，沿着所述长形装置主体布线，并且在所述可转向部分未被限制，以使得所述控制线材的拉紧可用以调整所述可转向部分的角度偏离所述长形装置主体的一纵向轴线，并使所述控制线材偏离所述可转向部分。

Description

可转向的医疗装置
技术领域
本发明关于一可转向的医疗装置，更确切而言，关于一医疗装置，其包括多条未被限制的控制线材，当拉紧时能够偏离所述医疗装置的可转向部分。
背景技术
医疗装置(例如内视镜(endoscopes)和导管(catheter))广泛地用于微创手术，用于观察或治疗器官、腔体、通道、和组织。通常，这种装置包括一长形装置主体，设计用于在一体腔、血管或组织内递送和定位一安装于远侧的器械(例如手术刀，抓持器或相机/摄像机透镜)。
因为通过一递送口递送这种装置，所述递送端口定位于一开在组织壁(例如腹腔壁)上的小切口，并且这种装置在一解剖上有限的空间中被利用，所以期望使用位于体外(在医疗装置的近侧端)的控制器，而所述医疗装置或至少其一部分在体内是可转向的或可操作的。这样的转向使得一操作者可引导在体内的装置，准确地在一解剖标志定位一安装在远侧的器械。
为了控制所述装置的一可转向部分的偏转，以及将安装在其上的器械转向，可转向的医疗装置通常采用一或多个控制线材，其具有所述装置的长度，并在可转向部分的远侧端或在远侧尖端终止。
各个控制线材的近侧端被连接到使用者操作的手柄，线材的牵引将所述装置主体弯曲，并且相对于所述被牵引的线材，偏转所述可转向部分。
多个可转向的装置的实例在本领域中是已知的，例如参见美国专利号US2,498,692、US4,753,223、US6,126,649、US5,873,842、US7,481,793、US6,817,974、US7,682,307和美国专利申请案公开号US20090259141。
虽然现有技术的装置可以在体内被有效地转向，但是所述长形装置主体的相对小的直径(其由递送口的直径决定)严重限制了角度偏转能力并增加了偏转可控装置部分所需的拉力。
因此一可转向的医疗装置具有一够窄的装置主体以递送通过标准的递送口，但能够在身体内提供所述偏转部分宽广的转向角度，同时减少这种转向所需的拉力是高度有利的。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种医疗装置，所述医疗装置包括：(1)一长形装置主体，具有包括多个区段的一可转向部分；(2)至少一控制线材，沿着所述长形装置主体设置，并且在所述可转向部分未被限制，因而拉紧所述至少一控制线材得以调整所述可转向部分的角度偏离所述长形装置主体的一纵向轴线，并使所述至少一控制线材偏离所述可转向部分；并且可选择地包括：(3)至少一长形弹性元件，延伸通过所述多个节段，并且被配置用于限制所述多个区段相对于彼此的转动。
根据如下描述的本发明的优选实施例的进一步特征，所述多个区段的各者被配置成用以限制所述多个区段相对于多个侧翼区段的转动。
根据如下描述的本发明的优选实施例的更进一步特征，所述至少一长形弹性元件具有一矩形的横截面。
根据如下描述的本发明的优选实施例的更进一步特征，所述医疗装置还包括一弹性管状护套，覆盖所述可转向部分。
根据如下描述的本发明的优选实施例的更进一步特征，所述医疗装置包括多个控制线材，各个控制线材被用于调整所述细长装置主体的所述可转向部分在一特定方向上的角度。
根据如下描述的本发明的优选实施例的更进一步特征，所述多个区段是相连接的。
根据如下描述的本发明的优选实施例的更进一步特征，所述医疗装置还包括一组织操纵器，连附到所述长形装置主体的一远侧端。
根据如下描述的本发明的优选实施例的更进一步特征，所述组织操纵器是一抓持器、一组织切割器或一持针器。
根据如下描述的本发明的优选实施例的更进一步特征，所述医疗装置还包括一刚性护套，覆盖所述长形装置主体的一不可转向部分。
根据如下描述的本发明的优选实施例的更进一步特征，所述长形弹性元件是一弹簧线圈。
根据如下描述的本发明的优选实施例的更进一步特征，所述多个区段的多个相邻区段之间的转动被所述多个相邻区段之间的一突片与插槽的啮合关系所限制。
根据如下描述的本发明的优选实施例的更进一步特征，所述控制线材在所述不可转向部分处是被夹持在所述装置主体和所述刚性护套之间。
根据如下描述的本发明的优选实施例的更进一步特征，所述医疗装置还包括：至少一可缩回杠杆，定位在所述可转向部分的一远侧端，所述至少一可缩回杠杆连接到所述至少一控制线材的一远侧端。
根据本发明的一方面，提供一种医疗装置，一种医疗装置，其特征在于：所述医疗装置包括：(1)一长形装置主体，具有包括多个区段的一可转向部分；(2)至少一控制线材，沿着所述长形装置主体设置，并且在所述可转向部分未被限制，因而拉紧所述至少一控制线材得以调整所述可转向部分的角度偏离所述长形装置主体的一纵向轴线，并使所述至少一控制线材偏离所述可转向部分。
根据如下描述的本发明的优选实施例的更进一步特征，所述至少一控制线材布线通过在所述可转向部分侧面的一对引导夹具。
本发明通过提供具有可偏转区域的一转向的医疗装置，能够相对于所述装置的纵向轴线调整大于180度的角度，而成功解决了目前已知结构的缺陷。
除非另有定义，否则所有本文使用的技术和/或科学术语与本发明所属领域的通常技术人员所理解的具有相同含义。尽管与本文所描述的类似或相同的方法或材料可以用于实践或测试本发明的实施例，但是仍将示例性的方法和/或材料描述如下。在冲突的情况下，以专利说明书所包含的定义为主。此外材料、方法和实施例仅是用于说明，而非旨在必然性地限制各自实施例。
附图说明
本发明在本文中仅以示例性的方式描述，并参考附图。现在具体详细地参照附图，重要的是其所显示的细节是通过示例的方式，仅仅是用于说明及讨论本发明的优选实施例，并为了提供被认为是对本发明原理和概念方面最有用和容易理解的描述而呈现。在这点上，并未试图显示本发明的结构细节，并未比本发明的必要的基础了解更详细，当结合附图，如何可具体实践出本发明的几种形式对于领域技术人员是显而易见的。
在附图中：
图1A至图1H显示本装置和操控所述手柄控制所述(多个)可转向部分和执行器端的偏转。
图2显示所述长形主体(装设有抓持器)和图1的装置的驱动单元构件。
图3A至图3B显示本装置的一可转向部分的一实施例；
图4A至图4B显示本装置的一可转向部分的一实施例；
图5A至图5D显示可用于建构本装置(图5A至图5C)的一可转向部分的一连接件，以及由多个连接件建构的一可转向部分的一实施例；
图6显示一可转向部分，移除数个连接件而暴露安装在所述数个连接件的中央芯部之内的弹簧元件；
图7A至图7H显示本装置的一实施例，其包括由相互连接的多个盘形连接件制造的一可转向部分。图7A至图7C显示所述装置的等比例图和侧视图，而图7D至图7H显示盘形连接件；
图8A至图8Q显示本装置的一实施例，其包括两个偏移(offset)的可转向部分，可偏转以形成(例如)U形(图8K)和S形(图8L)关节配置；
图9A至图9B显示本装置的一实施例，其包括一单一柔性轴(unitary flexibleshaft)，装设有用于布线(routing)所述控制线材的多个引导件。图9B显示多个引导件之间所述轴的偏转；
图9C至图9I显示本装置的另一实施例，其包括一单一柔性轴(unitary flexibleshaft)，包括用于偏转的多个切口(cutouts)。图9I显示多个引导件之间所述轴的偏转；
图9J至图9K显示由多个盘形连接件(图9J)建构的一单一柔性轴(图9K)，所述多个盘形连接件围绕一单一可旋转的偏移(offset)枢轴点而被固定在一起；
图10A至图10C为一原型装置的多个图像，其通过所述可转向部分的各种关节状态以及偏转角度而测试；
图11A至图11B显示由多个透明连接件构成的一可转向部分；
图12为一流程图，使用本发明的教示，描述一设计「演算法」，以用于建构预定特性的关节区域。
具体实施方式
本发明是一种可以在微创外科手术中使用的医疗装置和系统。具体而言，本发明可以用来增强转向。
本发明的原理和操作可以参照附图和所附说明而可以更好地理解。
在说细实明本发明的至少一种详施例之前，应当理解的是，本发明不只限于应用到下面的说明中所阐述的细节或通过实施例举例说明的细节。本发明能够实施成为其他的实施例或以各种方式被实践。另外也应理解，本文使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应被视为限制。
在微创手术中使用的可转向的医疗装置在本领域中是公知的。这种装置通常利用一或多条控制线材，从定位在体内的所述装置的一近侧端可被操控，以偏转以及转向定位在体内的所述装置的一远侧端。为了使所述多条控制线材有效地偏转所述装置的远侧部分，所述控制线材的纵向轴线必须从偏转轴线而偏移。一般来说，偏移越大，以较少拉力施加于控制线材而实现的偏转则越大。
由于微创装置的直径是由用于到达体内组织的递送端口所决定(一般为5、8或10毫米)，所以在现有的工具中，控制线材和偏转轴之间的偏移实际上是被所述工具的轴的直径、所述端口的直径和所述装置的配置限制。
为了克服此限制，本发明人已设计了一种独特的控制线材引导配制，当所述可转向部分的角度被调整，其将所述装置主体的总直径最小化并且还提供所述控制线材的偏移。
因此，根据本发明的一方面，提供一种医疗装置，其包括一可转向的体内部分，能够通过一宽广范围的角度(180度)和形式而在沿着其长度的一或多个点进行转向，例如Z字形或各种直径的曲线。
如本文中所使用的短语「医疗装置」指的是可用于治疗一对象的任何装置。本发明的医疗装置优选地在微创外科手术使用，其中其可转向的远侧部分定位在一对象的体内，可从定位在体外(extra corporeally)的一近侧端通过一控制机构而被操控，所述控制机构优选地包括多条控制线材。所述医疗装置可用于在任何体腔内观察或操纵组织。可以从本发明中受益的医疗装置的实例包括内视镜(endoscope，例如腹腔镜laparoscope或胸腔镜thorascope)、导管(catheter)、持针器(needle holder)、抓持器(grasper)、剪刀(scissors)、钩件(hook)、订针机(stapler)、牵开器(retractor)等。
本发明的医疗装置包括一长形装置主体，具有一远侧部分，其在一对象身体内是可转向的(在本文中也称为可转向部分)，优选地通过至少一控制线材。如本文进一步描述，所述装置的可转向部分可以各种方向和配制偏转，例如整个可转向部分可以使用单一控制线材而朝一方向偏转(弧形)，或是使用两个或更多个控制线材，可转向部分的第一区段可朝一个方向偏转，而另一区段可朝相反方向偏转(Z字形和多平面关节)。下面实施例部分的图10A至图10C提供了本装置的偏转能力的几个例子。
所述长形装置主体包括一或多个沿其长度设置的控制线材。所述控制线材的近侧端连附至多个控制杠杆，所述多个控制杠杆可被所述医疗装置一手柄或通过电子和机械机构致动。所述控制线材的远侧端被连附至所述装置主体(在超过所述可转向部分的一点)。所述控制线材的长度可以在装置主体之内或沿着侧边布线，并且对应所述可转向部分的线材区段被布线在所述装置主体之外，使得当所述可转向部分的角度被调整，所述控制线材可以自由地移动离开所述装置的纵向轴线(偏移offset)。
在所述可转向部分使所述控制线材自由移动离开所述装置主体提供了几个优点：
(1)一旦所述可转向部分曲折时，逐渐地减小偏转所述可转向部分所需要的作用力；
(2)在所述可转向部分无需线材引导件(可选择地沿所述整个装置主体)从而简化结构和减少多条控制线材的摩擦；
(3)减少线材和线材引导件之间的摩擦；
(4)允许使用更小直径的线材，因为将关节转向所需的作用力是显著较小的；
(5)减少将所述线材连接至所述关节的远侧端的装置，因为将关节转向所需的作用力是显著较小的；
(6)(4)+(5)当成直线时，允许降低所述装置的直径，从而便于插入和移出身体(例如通过套管针端口trocar port)；
(7)当手动使用工具时，所有上述优势允许外科医生以更少的力操作工具；
(8)使得使用电子机械致动器成为可能。这将在之后描述，显著降低作用力将允许使用非常小型的致动器(例如电动机)，使得一重量轻的完全电动化的装置的设计成为可能；
(9)使用非常小的致动器(例如电动机)使得操作一重量轻的完全电动化的装置，而具有少量能量消耗的；和
(10)使得在所述可转向部分使用透明材料成为可能。
图1至图11B显示本装置的数个实施例，在本文中称为装置10。
图1A显示装置10的一腹腔镜配置。装置10包括一长形装置主体12(在本文中也称为长形主体12或主体12)，其一可转向部分14由一系列的多个区段16制造(在图5A至图5C显示)。
装置主体12可以是20-40厘米的长度和5-12毫米的直径。装置主体12可以是中空或实心取决于装置10的使用。例如在装置10用于将内视镜照相机转向的情况下，装置主体12可以是中空的，以将线材或光纤维或光缆从一使用者可操作端(手柄)布线至安装在长形装置主体的远侧端的一相机或透镜。一中空的装置主体12也可以用来将多条线材布线，以用于控制一组织操纵器头部的操作，例如抓持器(grasper)及/或用于容纳至少一长形弹性元件，以提供装置主体弹性的刚性(elastic rigidity，以下进一步描述)。
装置10还包括连接到装置主体12的近侧端以及一执行器端20(例如组织操纵器，如抓持器grasper)的一使用者可操作介面18，所述执行器端20连接至装置主体12的一远侧端。介面18的功能在于控制和设置长形主体12的方向和位置，调整可转向部分14的角度以及操纵执行器端20(例如，打开/关闭、旋转抓持器以及调整抓持器的角度)。
例如在图1A所示的配置中，使用者(例如外科医生)可以按下/释放手柄300以关闭和打开所述抓紧器的钳口，旋转介面18以旋转所述抓紧器的钳口及/或倾斜外壳400以偏转可转向部分14。这些动作可以分开进行或同时进行。
可以与装置10一起使用的介面18进一步如下描述。可替代地，装置10可以结合美国临时专利申请号61/694,865中所描述的介面，其内容在此完全引入。
图2显示控制线材22从驱动单元24布线至转向部分14远侧的一点。驱动单元24可以包括多个杠杆(levers)、滑轮(pulleys)和齿轮(gears)用于转译用户(控制移动)的手部动作以拉动多个控制线材22。这样的传输可以是机械的(手动的)或电动化(motorized)的。驱动单元16的一电动化(motorized)的实施例在美国临时专利申请号61/872,727中进一步描述。
在图2中显示的实施例中，多条控制线材22被布线在装置主体12内(例如在覆盖装置主体12的一护套下或在所述管体中)而达到可转向部分14。在可转向部分14，多条控制线材22(显示一条)与装置主体12游离，使得可转向部分的关节将控制线材22偏离装置主体的纵向轴线12。所述控制线材偏离所述装置的纵向轴线(径向向外)增加了控制线材和的长形装置主体之间的偏移(offset)，从而将达成偏转所需要的拉力最小化。
可转向部分14(由多个连接件构成)更详细地显示于图3A至图4B。在图3A至图3B，多条控制线材222、223在B点连附于装置主体12，通过点A2布线进入主体12。在此之间，控制线材222、223可以自由地离开装置主体12，因此当被拉动以调整可转向部分14时，偏离装置主体12。图3A显示拉动控制线材222、223时，控制线材221不被拉动因而仍然与装置主体12齐平。拉动控制线材222、223在控制线材222、223之间的平面偏转执行器端20(如图所示的抓持器)。图3B显示同时拉动控制线材222、223。多条控制线材(在可转向部分14)偏离装置主体12，并且在控制线材222、223之间的平面拉动执行器端20，导致调整执行器端20的角度。
在图3A至3B的实施例中，控制线材222、223和221在B1、B2、B3直接连附到装置主体12并且通过A1、A2、A3布线进入主体12。在图4A至图4B中，多条控制线材22在其远侧端附连至可缩回的杠杆26。当装置10被递送至体内时，杠杆26被设置在装置主体12中的插槽28内。杠杆26可以加载弹簧并在递送通过一端口期间藏在插槽28内。一旦包含多个杠杆26的装置主体12的区域离开端口(即没有端口内壁所施加的径向约束)，杠杆26弹出。可替代地，控制线材22被拉动时，杠杆26可以折出。在任何情况下，一旦展开，杠杆26将控制线材22的远侧端偏离装置主体，从而增加控制线材22的杠杆作用，并进一步降低偏转可转向部分14所需的拉力。当装置主体12通过一端口被拉出身体，杠杆26塌入插槽28，以协助通过端口而移除。
正如上文提到的，装置主体12的一实施例或是至少可转向部分14优选地由一系列连接件建构。图5A至图5C显示多个连接件30的一实施例，多个连接件秒30装配成可转向部分14，如图5D所示。
连接件第30优选地包括几个臂件32(显示为3个)安装在一中心毂(central hub)34周围。如在图5D中所示，臂间空间36容纳控制线材22，因此臂件32的数量(优选为2至12个)规定了在装置10中使用的控制线材22的数量。
连接件30优选地通过加工成型或类似方法以合金或聚合物制成。
毂34包括一中心圆形开口38(图5B)，而各个臂件32可选择地包括一开口39(图5A)。开口38可容纳一长形弹性元件(例如在图6所示的弹簧圈33或一弹性管)用于相互连接多个连接件30并且在可转向部分12提供装置主体12刚性与弹性。开口39可用于布线线材，用以将执行器端20致动或容纳多个弹性杆(做为通过开口38安装的一中央杆的一可替代方案)。开口39也可用于布线电线，以操纵在可转向部分14的远侧的一点的一电动机或一照相机或一抓持器的钳口或任何传感器或致动器。开口38也可做为一贯通的腔体，用于递送一灌水管、光纤等。
当控制线材22被拉动时，为了防止或限制多个连接件30的转动，各连接件包括突片40和插槽42在乡反面。优选地各臂件32包括一突片40和相对的插槽42，虽然单一连接件30的多个臂件之间的长度和宽度有所差异。一连接件30的多个突片40能够啮合一相邻连接件30的多个插槽42，从而限制多个连接件30的相对转动。
可选择突片40和插槽42的配置与定位，以便完全限制转动，或限制转动至一特定的角度范围(5-15度)或至一特定的方向等。在任何情况下，多个突片40和多个插槽42之间可以是可逆的，当可转向部分14被偏转以及多个连接件30调整相对于彼此的角度时，从而允许两者之间的脱离。
图7A至图7H显示多个连接件30的另一实施例，其可以如同图7A至图7C所示堆迭形成可转向部分14。
装置10的实施例30的多个连接件大致是盘形，并包括一个中央开口50，多个周边开口52(图7D至图7G)、内凹54(图7E、图7G、图7H)和凹陷56(图7D、图7F)。
中央开口50用于从装置手柄布线一或多条线材至执行器端20。这种线材由手柄致动以控制执行器端20(例如打开、关闭，旋转抓持器)。周边开口部52用于布线多条控制线材22，用以致动可转向部分14的偏转。相邻的多个连接件39的内缩54和凹陷56互相连接，使得这种多个连接件调整相对于彼此的角度。一弹性杆或管或弹簧可定位为通过中央开口50，提供多个连接件30弹性。
图8A显示装置10的一实施例，其包括两个独立的可转向部分：14和14'。装置10包括装置主体12，典型直径为5至12毫米(在本文中也称为轴12)。装置主体12的远侧端装设有一执行器端20，例如它可以是一个抓持器，如本图所示。可转向部分14'包括一近侧基座连接件29，其连接至轴12的远侧端、一系列的多个连接件30和一远侧端连接件31。多个控制线材22'1、22'2、22'3的远侧端连接到连接件31，而这些线材的近侧端连接到从手柄操作的一驱动单元24(图2)。
控制线材221、222、223连接到可转向部分14的远侧连接件32，并且被布线通过连接件31和多个连接件30'的主体，而到达被手柄操作的驱动单元24(图2)。
图8B更详细地显示可转向部分14和14'。各个可转向部分14和14'包括9个相同连接件(30和30')，然而不同几何形状的不同数目的连接件可以在各个可转向部分中使用。并且显示连接件30和30'的突片40和插槽42(相对于上文描述的图5)。
图8C是可转向部分14和14'的横截面图。柔性轴21(在其近端连接至驱动单元24)定位为通过多个连接件29、30'、30、31和32的通孔37、38，柔性轴的远侧端被连接至执行器20。
控制线材22'1通过连接件29的通孔28'1和连接件31的通孔36'1；控制线材22'1的远侧端于/在通孔36'1被连接到连接件31；控制线材22'1被布线而离开连接件30'。控制线材221通过连接件29的通孔271并通过连接件30'的通孔351(在图8d中详细显示)。在连接件31，控制线材221向外偏转通过连接件31的长形开口341并且离开多个连接件30而到达连接件32的一远侧连接点。控制线材22'2和22'3都与控制线材22'1的布线和连附相似，然而控制线材222和223都与控制线材221的布线和连附相似。
图8D显示连接件30'的细节。中心通孔37容纳柔性轴21，而多个通孔35容纳多条控制线材221、222、223(也显示突卡42和插槽40)。
图8E详细显示连接件31。中心通孔38容纳柔性轴21，而通孔361、362、363作为控制线材22'1、22'2、22'3的连接点。将多条控制线材221、222、223布线于长形开口341、342、343而离开连接件30。
部分14和14'的偏转以及轴12的转向和关节运动通过在控制线材22和22'上的拉力来实现。如果一控制线材接近一可转向部分的中心，如控制线材22在可转向部分14'通过通孔35设置的情况下，则在这些控制线材上的一拉力导致相对小的偏转，换句话说，一拉力对于偏转的作用与控制线材22和一可转向部分14的中心之间的距离有直接的关联。当一控制线材22被连接到一可转向部分14的一远侧端，并自由地移动通过近侧基座，例如布线通过在连接件31的通孔361、362、363，则拉力对可转向部分14的作用是足以将其偏离所述纵向轴线。因为控制线材22向外(径向)弯曲，而控制线材22和可转向部分14的中心之间的距离增加，所以拉力的作用随着可转向部分14的偏转而增加。
图8F显示在能够80度偏转的配置，即执行器端20相对于轴12纵向轴线可以假定为100度的角度。近侧可转向部分14'的偏转通过(以近侧方向)拉动多条控制线材22'2,22'3而实现。
图8G是图8F的装置的一横截面图，显示多条控制线材22的布线。按照图8F至图8G的配置所构成的一原型在图10B中显示。
图8H显示在能够80度偏转的配置，即执行器端20相对于轴12纵向轴线可以假定为100度的角度。远侧可转向部分14'的偏转通过(以近侧方向)拉动多条控制线材221而实现。
图8I是图8H的装置的一横截面图，显示控制线材221的布线。控制线材221设置通过在可转向部分14'的连接件30'的通孔351--，以将距可转向部分14'的中心的距离最小化。如此短的距离，可以确保所施加在控制线材221、222、223的拉力对对可转向部分14'的偏转具有很少影响或无影响。在近侧可转向部分14'的远侧端，控制线材221设置通过连接件31的长形开口341，并在点371连接连接件32。这种直接连接将控制线材221从可转向部分的中心14向外定位，因此增加拉力的力矩臂。这使得可转向部分14'在相对较小的拉力下偏转(弯曲)。
图8J显示控制线材221和22'1和中央柔性轴21的布线，以及线材布线对偏转力的作用。在此图中，「d」表示1单位的距离，在此种情况下为通孔351的中心与连接件30'的中心之间的距离。使用下面参数于计算：
「a」：控制线材221距连接件30'的中心点的最长力距臂的测量值。La＝1.00d；
「b」：控制线材22'1距连接件30'的中心点的最长力距臂的测量值。Lb＝2.75d；
「c」：控制线材221距连接件30的中心点的最长力距臂的测量值。Lb＝4.00d；
一作用力F221被施加至控制线材221，因而施加至部分14'的力矩F221是：
Ma＝F221x La
Ma＝F221x 1.00d
施加至部分14的力矩F221是：
Mc＝F221x Lc
Mc＝F221x 4.00d
在部分14被施加的力矩，相较于部分14”被相同作用力F221施加的力矩是：
Mc/Ma＝F221x 4.00d/F221x 1.00d＝4
上述计算当应用于商业上可购得的装置，当与这种商业上可购得的装置相比，显示本发明可以减少至少25％偏转所需的导线拉力(进一步详细请见示例部分)。
被控制线材221施加的作用力在可转向部分14所引起的的弯曲力矩(「目标可转向部分」)显著地大于在可转向部分14'的弯曲力矩(「第二可转向部分」)因此，这两个可转向部分之间的耦合作用(coupling effect)被最小化。
最小化这种耦合作用允许使用一种简单的机构，如手动机构，引导关节运动，而不需要添加一控制器到控制线材机构。
当使用电子机械机构拉动多条控制线材，随后在次级部分上的力矩可通过使用一控制器而降低为零，所述控制器被设置为施加作用力于控制线材22'1；这个作用力的大小可通过以下而计算：
Ma＝Mb(取消力矩)
Ma＝F221x La＝F221x 1.00d
Mb＝F22'1x L＝F22'1x 2.35d
F221x La＝F221x 1.00d＝F22'1x L＝F22'1x 2.35d
F22'1＝F221x 1.00d/2.35d
F22'1＝0.42F221
根据计算，所述控制器将操作所述致动器，以小于F221作用力(F22'1＝0.42F221)的一半的一作用力拉动控制线材22'1。
应该理解的是，在电子-机械驱动单元用于拉动所述多个控制线材的情形下，如上所述的多条控制线材布线可减少控制第一和第二可转向部分的多个电动机的能量消耗。
上文所述的布线原理可以使用在任何组合中，以偏转两个或多个可转向部分，并产生任何期望的关节运动。例如，图8K显示出「U」形关节运动，执行器端20定位在190度的角度。这种关节运动通过拉动多条控制线材22'1和222实现。
图8L显示一「S」关节运动，可以通过拉动控制线材22'1和221来实现。
图8M至图8P显示具有两个可转向部分的装置，具有多个可展开的臂件定位在各可转向部分的远侧端。臂件39p铰接地连接到连接件31，以及臂件39d铰接地连接到连接件33。臂件39p和39d可以向外摆动并增加与其连接的控制线材的端部和所述可偏转部分的中心之间的距离。图8M显示在一折迭位置中的臂件39p和39d，图8N显示在一打开位置中的臂件39p和39d。图8O显示「U」形的关节运动而臂件39d和39p在一打开位置。图8P显示「S」形的关节运动而臂件39d和39p在一打开位置。
图8Q是本装置在一「U」形配置的一横截面图，臂件39d和39p在一打开位置。在本实施例中臂件39p和39d具有相同的尺寸。连接到臂件39d的控制线材221的力矩臂是5.5d。
使用臂件39d和39p对偏转所述可转向部分所需的作用力的效果以可以由以下的计算来表示：
不具有臂件的装置:Mc＝F221x 4.00d
具有臂件的装置:Marmsc＝Farms221x 5.50d
Marmsc＝Mc
F221x 4.00d＝Farms221x 5.50d
Farms221＝F221x 4.00d/5.50d
Farms221＝F221x 4.00d/5.50d
Farms221＝0.73F221
前文描述的装置10的示例能够进行单一平面关节运动，但是可以理解的是装置10具有两个或更多个可转向部分，可被偏转形成多平面关节运动，例如图10D所示或是甚至是一完整的回圈。这种多平面关节运动可以通过致动多条控制线材来实现，所述多条控制线材位在不同的平面，或例如通过在多对控制线材上施加非对称的作用力。
如本文上面提到的，任何手柄和机构可以与本发明的装置10一起使用。可与本装置一起使用的一手柄的一实施例的结构和操作在图1B至图1H中显示。图1B至图1C显示抓持器头20和可转向部分14可通过装置手柄介面18和其内部机构致动。在本实施例中，所述可转向部分被4条控制线材22控制。显示所述可转向部分14以被拉动的控制线材222的一方向偏转。
图1D至图1E和图1G是装置10的横截面图，显示手柄的机构，其使得介面的运作传递到控制线材。
控制线材22(221、222、223、224)连附到可转向部分14的远侧端，通过一对滑轮而布线。所述抓持器钳口通过机构170而致动，在壳体500的弹簧110的基部到达通孔110a。卷曲器(crimp)220防止控制线材22通过弹簧110而滑动。卷曲器220(crimp)的形状是根据弹簧110的壳体形状而决定，当控制线材22被推离了主体130的中心，以确保被压缩的弹簧110的平稳和可预期的运动。
主体130是通过球关节轴承连接到外壳500。主体130位于所述机构的中心，并可以通过使用者施加在介面冠部400的作用力，相对于外壳500而倾斜。多条控制线材22环绕主体130，当主体130处于一中性位置时，各控制线材22被一珠体90的插槽90a压抵在主体130的周边边缘。
图1F详细地显示珠体90、控制线材22(显示为221)和主体130之间的关系。珠体90牢固地连接到控制线材221，并将控制线材22划分为2个连续的区域：上部区域221U和下部区域221D。珠体90包括一插槽90a，其配合到主体130的周边边缘130a中。
图1H详细地显示在一倾斜位置的所述控制机构，控制线材221通过珠体901被推离中心以偏转可转向部分14。介于主体130的周边边缘130a和珠体901之间的所述啮合点是在槽90a的内侧。当主体130将珠体90推远离中心，相反位置的珠体903从周边边缘130a释放。控制线材223在其远侧端连接到相反侧的控制线材221。如在图1B中看到的，当可转向部分被控制线材221偏转，部分14的内侧被缩短，可转向部分14in的相反侧的长度被增长。线材223的长度必须相应地增加。控制线材223的这种长度的容纳可以通过压缩弹簧1103达成。
抓持器钳口通过一机构被致动(图1G至图1H)，其可被外科医生手指控制。如果外科医生释放施加到手柄3的作用力，连接至机构150的多个臂件的多个弹簧将活塞24推回进入主体500并且钳口打开。活塞24连接到钳口通过柔性轴17和管体16推动/拉动机构。柔性轴17和管体16也可用于传输施加在壳体500上的转动和推拉运动。弹性轴17可以弯曲，而不改变其长度使部分17在定心元件(centering element)19中弯曲，而不会导致钳口的打开和关闭的不必要的耦合运动，即所述抓持器头和机构150不会移动而可转向部分14是弯曲的。主体130的内侧的尺寸被设计为当主体130倾斜至极限位置，也不会触碰管体160。
虽然由互联连接的多个连接件构成一可转向部分14是有利的，因为其使得模块化设计成为可行，在本文中也设想了由单一柔性轴构成的一可转向部分14。
由单一(unitary)柔性轴构成的一可转向部分14在简化结构和可制造性(manufacturabliliy)是有利的。此外，这样的轴在绝缘中央电线材是较好的，例如在透热(diathermia)(单极monopolar或偶极dipolar)。
可转向部分14的此一实施例中的一示例显于图9A至图9B中。
可转向部分14可包括一或多个可转向部分15(在图9A中显示三个)夹在沿柔性轴19的一长度附连的多个引导件17之间。轴19可以由一管体制成，所述管体可由任何弹性材料制成，包括不锈钢、镍钛诺(nitinol)、橡胶、硅、并且通常成形为具有直径5-12毫米直径以及0.1-0.5毫米壁厚的实心或中空的圆柱体。多个可转向的区段15可以是5-30毫米的长度，以及多个引导件17的尺寸适于将控制线材22从轴19位移2至4毫米。多个引导件优选地与一中央环23配置成用于夹持围绕轴19和几个(如2至8个)周向连接的环25，用于多个控制线材22的布线。
轴19的弹性确保当特定控制线材或线材22被拉动时，可转向部分14或区段15被偏转，当控制线材或线材22被释放时，被直线化。轴19被选择成使得一或多个可转向部分弹性偏转45至180度。
一单一(unitary)可转向部分14的另一实施例显示于图9C至图9I。
单一可转向部分14的本实施例可以是直径5毫米(OD)具有至少1.4毫米的中心内腔。单一可转向部分14是从一聚合物材料构成(例如聚酰胺polyamide、聚丙烯polypropylene)，能够在10N的拉力下，(反复地)提供90度的弹性关节运动(循环looping，空间关节运动spatial articulation)具有约7毫米的弯曲半径。当一拉力被释放时，弹性力将可转向部分14返回至正常的线性配置。
图9E显示单一可转向部分14的一单一单元67，其设计为当一或多个控制线材22被拉动时，允许偏转并也稳定可转向部分14。
可转向部分14的所述配置的各控制线材(三条控制线材22显示为221、222、223)控制120度的弧形的偏转。当所有三条控制线材(221、222、223)被拉动，此配置和多条控制线材22的定位稳定了可转向部分14。
图9F显示由数个连续的单元67构成的一单一可转向部分14，例如在图9E中所示。连接器68用作为一板簧状挠性杆(leaf spring-like flexure bar)(实际上的连结)。连接器68的弯曲程度是由所述单元(图9G)的几何形状所限制。因而一单元相对于另一者的偏转将等于：
ϵ = 2 3 · l 2 · σ H · E
其中H是连接器68的厚度，l是其高度。通过增加l和减小H来使每对相邻单位变得更具柔性及更少刚性。在这样的配置，可转向的部分14的长度(L)是通过所期望的弯曲半径决定，并且可以通过以下公式来表示：
图9H显示的结构，其中连接器68沿一系列的4个单元67而彼此偏移，以使在各个方向上存在缺口。图9I显示可转向部分14的一配置，其包括10个连续的单元67，具有多个偏移的连接器68和大约11毫米的总长度；作用力70施加到这样一个联合(unified)的可转向主体14(模拟线材22拉动)的远侧端来说明偏转。当这样的作用力被释放时，连接器68弹性地将可转向部分14返回一线性(正常)配置。
在图9E至图9I中所示的结构，连接器68具有0.5毫米的l、0.9毫米的H，并且一单元67具有5毫米的直径，将使11毫米长度的可转向部分14，在约10N的拉力之下偏转90度。
图9J至图9K显示由单元67构成的一弹性轴70的另一实施例。各单元67具有一顶面和一底面，各单元被设计为与相邻单元67(即从上到下，反之亦然)的相反面配合。如图9J所示，单元74的底面包括两个插销啮合元件77(pin engaging elements)。单元72的顶面包括一单一元件77装配到单元74的两元件77之间的空间。配合时，一销73连接单元72和74的多个元件77，并建利一铰链，以允许关节运动。任何数目的单元67可以以各种方向固定在一起(铰链区的转动偏移)，在多个方向中的一者来建立关节运动。
下表1举例说明根据本发明的教示所建构两个单一的关节区域。
Rh-区段的垂直高度
Rt-区段「主体」的垂直厚度
Pt-关节单位的垂直高度(被「铰链」隔开二区段)
NR-单元数目
图12描述一设计「演算法」，用于根据所述关节区域的大小与特性选择材料特性以及单元尺寸。
本发明的装置10可以以如下任何微创程序被使用。在组织壁产生一进入点，将装置10的轴插入穿过所述进入点，并利用介面18定位在其中。如果在进入点处使用套管针(trocar)，装置10以一直线配置被插入。当所述装置的执行器端的被定位在目标组织(如通过成像确定)，外科医生如上所述通过介面18操作装置。以下的步骤完成后，外科医生从体内撤回装置并关闭进入点。
装置10的整个轴的可转向部分14(从多个连接件或一单一(unitary)体构成)也可以由透明材料制成。使用透明材料，使得视觉观察被布线通过装置主体的控制线材、光纤等成为可行。
图11A中显示由多个透明连接件30(为清楚起见移去一些连接件)构成的一可转向部分14。光纤从手柄布线通过轴621、622、623并通过多个连接件30的多个通孔39到达可转向部分14。图11B是以透明连接件构成的一原型(prototype)的影像。所述透明可转向部分使操作者能看到多条控制线材222、223，并通过多个连接件30的透明体推拉览线21。
一照明源在手柄可被连接到多条光纤621、622、623的近侧端。当照明开启时，透明关节从可转向部分14照射光线。所述光线可以被操作者或助理可视化，或可以作为一用于显示至操作者数据的开关，例如靠近工具的尖端的病人组织的CT或MRI数据。所述光谢也可用于追踪工具或期可转向部分14的位置。
如本文所用的术语“约”是指10％。
本发明的额外目标、优点和新颖特征对于本领域普通技术人员根据检视下列实施例将变得显而易见，而所述实施例并非用于限制。
示例：
现在参考下面的示例，与上面的描述一起以非限制性方式说明本发明。原型装置的作用力测量：
为了决定以45度和90度偏转一原型装置的一可转向部分所需的作用力以及测量到达45度和90度所需的线材行进长度(travel length)而执行测试。建构两个原型装置。所用于测试的关节运动如在图5中详细描述。测试两种类型的可转向部分，一者由5毫米直径的多个连接件构成，而另一者来自8毫米和5毫米直径的多个连接件构成。各可转向部分包括9个连接件，由一快速原型打印机制造。
方法：
固定原型装置的轴被到一桌台并定位，使得多条控制线材的一者位于所述轴的顶侧。一作用力测量装置(Shimpo FGN-5b)被连附到此控制线材并固定到一线性导轨上。为了测量作用力，所述作用力测量装置从所述轴被驱离，直到关节运动到达所期望的角度。所述作用力被记录并且所述装置的进行被测量。
结果：
下面表2总结了两个原型和现有技术的剑桥关节单元(Cambridge articulationunit)的测试结果。
如所述表中呈现的结果显示，偏转本发明的所述可转向部分所需要的作用力分别为偏转一市售工具所需要的力的(剑桥Cambridge Endo)10％和(分别为5毫米或8毫米的本装置)15％。
因此，本装置设计显著需要较少的操作者(少6至10倍)的力来偏转所述可转向部分。这将使一外科医生使用手动手柄不必施用很大的力来执行手术，从而显著提高可操作性和降低与装置相关的疲劳。另外，当与电子机械手柄一起使用时，本装置将不需要笨重的电动机和电池，而是使用小型电动机和电池组即可完全操作，这将大大减轻装置和提高其可操作性。
本装置的另一个优点显示于图10A至图10C，其表明本装置可能的关节运动与偏转角度的范围。由于所述多个连接件的配置，特别是在其中和/或其上的缆线的独特布线，本装置能够进行二维和三维关节运动和偏转大于180度。
可以理解，本发明中的特定特征，为清楚起见，在分开的实施例的内文中描述，也可以在单一实施例的组合中提供。相反地，本发明中，为简洁起见，在单一实施例的内文中所描述的各种特征，也可以分开地、或者以任何合适的子组合提供。
虽然本发明结合其具体实施例而被描述，显而易见的是，许多替代、修改及变化对于那些本领域的技术人员将是显而易见的。因此，其意在包括落入所附权利要求书的范围内的所有替代、修改及变化。在本说明书中提及的所有出版物、专利及专利申请以其整体在此通过引用并入本说明书中。其程度如同各单独的出版物、专利或专利申请被具体及单独地指明而通过引用并入本文中。此外，所引用的或指出的任何参考文献不应被解释为承认这些参考文献可作为本发明的现有技术。

Claims (15)

1.一种医疗装置，其特征在于：所述医疗装置包括：
(1)一长形装置主体，具有包括多个区段的一可转向部分；
(2)至少一控制线材，沿着所述长形装置主体设置，并且在所述可转向部分未被限制，因而拉紧所述至少一控制线材得以调整所述可转向部分的角度偏离所述长形装置主体的一纵向轴线，并使所述至少一控制线材偏离所述可转向部分；并且可选择地包括：
(3)至少一长形弹性元件，延伸通过所述多个节段，并且被配置用于限制所述多个区段相对于彼此的转动。
2.如权利要求1所述的医疗装置，其特征在于：所述多个区段的各者被配置成用以限制所述多个区段相对于多个侧翼区段的转动。
3.如权利要求1所述的医疗装置，其特征在于：所述至少一长形弹性元件具有一矩形的横截面。
4.如权利要求1所述的医疗装置，其特征在于：所述医疗装置还包括一弹性管状护套，覆盖所述可转向部分。
5.如权利要求1所述的医疗装置，其特征在于：所述医疗装置包括多个控制线材，各个控制线材被用于调整所述细长装置主体的所述可转向部分在一特定方向上的角度。
6.如权利要求2所述的医疗装置，其特征在于：所述多个区段是相连接的。
7.如权利要求1所述的医疗装置，其特征在于：所述医疗装置还包括一组织操纵器，连附到所述长形装置主体的一远侧端。
8.如权利要求7所述的医疗装置，其特征在于：所述组织操纵器是一抓持器、一组织切割器或一持针器。
9.如权利要求1所述的医疗装置，其特征在于：所述医疗装置还包括一刚性护套，覆盖所述长形装置主体的一不可转向部分。
10.如权利要求1所述的医疗装置，其特征在于：所述长形弹性元件是一弹簧线圈。
11.如权利要求2所述的医疗装置，其特征在于：所述多个区段的多个相邻区段之间的转动被所述多个相邻区段段之间的一突片与插槽的啮合关系所限制。
12.如权利要求9所述的医疗装置，其特征在于：所述控制线材在所述不可转向部分处是被夹持在所述装置主体和所述刚性护套之间。
13.如权利要求1所述的医疗装置，其特征在于：所述医疗装置还包括：至少一可缩回杠杆，定位在所述可转向部分的一远侧端，所述至少一可缩回杠杆连接到所述至少一控制线材的一远侧端。
14.一种医疗装置，其特征在于：所述医疗装置包括：
(1)一长形装置主体，具有包括多个区段的一可转向部分；
(2)至少一控制线材，沿着所述长形装置主体设置，并且在所述可转向部分未被限制，因而拉紧所述至少一控制线材得以调整所述可转向部分的角度偏离所述长形装置主体的一纵向轴线，并使所述至少一控制线材偏离所述可转向部分。
15.如权利要求14所述的医疗装置，其特征在于：所述至少一控制线材布线通过在所述可转向部分侧面的一对引导夹具。
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