Привод для инструмента эндоскопического хирургического аппарата

Привод для инструмента эндоскопического хирургического аппарата

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к медицине, а именно к эндоскопическим хирургическим аппаратам и, в частности, к механизированным эндоскопическим хирургическим аппаратами, предназначено для применения во время проведения эндохирургических вмешательств.

Эндоскопическим хирургическим аппаратам часто отдают предпочтение перед традиционными открытыми хирургическими устройствами, поскольку при меньшем рассечении обычно меньше время послеоперационного восстановления и риск осложнений.

В области эндоскопических хирургических аппаратов выполняются разработки, которые пригодны для точного размещения дистального концевого эффектора, являющегося инструментом для проведения операции, в искомом операционном поле через канюлю или троакар.

Робот-манипулятор содержит основание, руку манипулятора, имеющую, по существу, вертикальную и горизонтальную части, запястный шарнир манипулятора и исполнительный блок для медицинского инструмента.

Концевой эффектор является участком аппарата (например, эндоскопического режущего инструмента (типа endocutter), захвата, режущего приспособления, сшивающих скобками аппаратов, приспособления для наложения зажимов, устройства доступа, устройства для доставки лекарства генной терапии к месту действия и энергетического устройства, использующего ультразвук, высокую частоту (RF), лазер и т.д.), выполненным с возможностью взаимодействия с тканью множеством способов для получения искомого диагностического или терапевтического результата.

Концевой эффектор выполняется с размером для введения через троакар в пациента.

Механизм концевого эффектора эндоскопического хирургического аппарата служит для регулирования положения инструмента, а именно положения раскрытия и закрытия инструмента.

Механизм управления привода инструмента для хирургического манипулятора-главный приводной узел, функционально связанный с концевым эффектором через ряд механизмов, для приведения подвижного инструмента в движение.

На сегодняшний день в мире известны такие роботизированные хирургические системы как «DaVinci», «Zeus», «ΑΕΖΟΡ».

В начале девяностых годов роботизированная лапароскопия получила значительное развитие. Две типичные серийно выпускаемые роботизированные хирургические системы - это хирургическая система, известная под торговой маркой "DA VINCI", разработанная компанией Intuitive Surgical Inc., Саннивейл, Калифорния, и хирургическая система, известная под торговой маркой "ZEUS", первоначально разработанная компанией Computer Motion Inc., Голета, Калифорния.

Хирургическая система, известная под именем "DA VINCI", описана помимо других Молом и др. (Molletal.) в патентах US 6659939; US 6837883 и других патентных документах того же самого патентообладателя.

Хирургическая система, известная под именем "ZEUS", описана помимо других Вонг и др. (Wangetal.) в патентах US 6102850; US 5855583; US 5762458; US 5515478 и другой патентной литературе, переуступленной компании Computer Motion Inc, Голета, Калифорния.

Данные телеуправляемые роботизированные установки позволяют управлять хирургическим вмешательством либо напрямую из операционного зала, либо из удаленного местоположения, используя обратный визуальный контроль на панели управления. В любом случае утомительная поза хирурга исключается.

Кроме высоких затрат на приобретение и эксплуатационные расходы данных роботизированных систем, их распространение и признание в медицинском сообществе ограничивается, среди прочего, ввиду дефицита разнообразия. Обе системы были разработаны специально для кардиологической хирургии, в которой топологическая анатомия постоянна, рабочее место мало и поэтому точность движения инструмента и манипуляционные возможности требуются только в ограниченном пространстве. Следовательно, механическая конструкция данных систем не совсем удобна для использования в других видах хирургии (включая гинекологию, урологию и общую хирургию), в которых рабочее пространство больше, чем в кардиологии, анатомическая топология варьируется (даже иногда непредсказуемо), а механические свойства ткани и органов различны.

Вне зависимости от этих двух конкретных систем, механическая разработка манипуляторов в роботизированных хирургических системах в настоящий момент допускает значительную возможность улучшения в различных аспектах, среди которых универсальность системы является одним из многих.

Известен приводной узел, описанный в патенте WO 2012068156 (PCT/US 2011/060849), опубл. 24 мая 2012 г., представляющий собой тросовую систему передач и используемый для разделения вращения вала инструмента и приведения в действие концевого эффектора хирургического инструмента.

Передача включает блок барабана, который вращательно соединен с вращением вала инструмента, относительно проксимального корпуса, и блок приведения в действие концевого эффектора, который вращательно соединен с источником приведения в действие, и шарико-винтовую паредачу (барабан), которая вращательно соединяется с механизмом приведения в движение челюстей концевого эффектора. Первый трос включает как блок барабана, так и шарико-винтовую передачу, вращение которой вызывает вращательное движение блок барабана. Второй трос включает блок приведения в действие концевого эффектора, прикрепленного к первому блоку и второму блоку. Первый многороликовый блок включает первый движущийся барабан. Второй многороликовый блок включает второй движущийся барабан. Первый и второй движущиеся барабаны затягивают первый трос.

Между блоком барабана и шарико-винтовой паредачей первый трос захватывает 4 зафиксированных ведущих ролика. Эти фиксированные ведущие ролики (барабаны) включают первый ведущий ролик и второй ведущий ролик, третий ролик, четвертый ведущий ролик.

Согласно изобретению может быть использована любая тросовая система передач. Например, в тросовой системе первый трос может приводиться в движение с помощью ролика (барабана), который приводит в движение концевой эффектор, второй трос приводится в движение цилиндром барабана.

Недостатком привода с тросовой системой передач является ненадежность и недолговечность конструкции.

Известен приводной узел, описанный в патенте WO 2013119545 (PCT/US 2013/024736) от 10 фев. 2012, опубл. 15 авг. 2013 г.

В одном изобретении хирургический инструмент содержит реечный передаточный механизм для обеспечения функциональных возможностей шарнирного вала.

Реечное зацепление механизма содержит первую шестерню, соединенную с вращающимся телом так, что вращение соответствующего ведомого элемента вызывает поворот первой шестерни. Подшипник соединен с вращающимся телом и расположен между ведомым элементом и второй шестерней.

Первая шестерня прикреплена к первой реечной передаче таким образом, что преобразование вращательного движения первой шестерни в линейное перемещение первой реечной передачи контролируется соединением сочленения узла валов в левом направлении.

Подшипник соединен с возможностью вращения тела и расположен между ведомым элементом и второй шестерней.

Вторая шестерня находится в зацеплении со второй реечной передачей таким образом, что преобразование вращательного движения второй шестерни в линейное перемещение второй реечной передачи контролируется соединением сочленения узла валов в правом направлении.

Вторая реечная передача прикреплена ко второй шарнирной зоне (фиг. 10, 14, 21, 22, 106, 107) так, чтобы линейное перемещение второй шестерни в дистальном направлении происходит вследствие сцепления сочленения узла валов в правом направлении.

Дополнительные подшипники могут быть предусмотрены между вращающимися телами и соответствующими зубчатыми колесами.

Любые подходящие подшипники могут быть предусмотрены для поддержки и стабилизации монтажа и уменьшения трения поворотного вала и шестерен.

В другом варианте осуществления изобретения установочная часть хирургического инструмента включает в себя узел вала механизма вращения.

В этом варианте хирургический инструмент содержит первое спиральное червячное колесо, соединенное с возможностью вращения тела и второе спиральное червячное колесо, соединенное с валом вращения. Подшипник соединен с вращающимся телом и расположен между ведомым элементом и первым спиральным червячным колесом. Первое спиральное червячное колесо входит в зацепление со вторым спиральным червячным колесом, которое соединено с валом сборки, чтобы контролировать вращение вала в сборев направлении по часовой стрелке (CW) или против часовой стрелки (CCW) в соответствии с направлением вращения первой и второй червячных передач. Соответственно, вращение первого спирального червячного колеса относительно первой оси преобразуется во вращение второго спирального червячного колеса относительно второй оси, которая перпендикулярна первой оси.

Недостатком известного технического решения является конструктивная сложность механизма привода

Известен медицинский инструмент (патент США 2010011900, опубл. 27.04.2011), выбранный в качестве ближайшего аналога, включающий в себя первый вал привода; первый зубчатый компонент, включающий в себя рейку, находящуюся в зацеплении с первым валом привода так, что вращение первого вала привода перемещает первый зубчатый компонент, причем первый трос соединяется с первым зубчатым компонентом; первый рычаг, имеющий второй трос, соединенный с первым концом первого рычага, при этом второй конец первого рычага находится в контакте с первым зубчатым компонентом; второй вал привода; второй зубчатый компонент, включающий в себя рейку, находящуюся в зацеплении со вторым валом привода так, что вращение второго вала привода перемещает второй зубчатый компонент, причем третий трос соединяется со вторым зубчатым компонентом; второй рычаг, имеющий четвертый трос, соединенный с первым концом второго рычага, при этом второй конец второго рычага находится в контакте со вторым зубчатым компонентом, третий вал привода; и третий зубчатый компонент, включающий в себя первую ось шарнира, вокруг которой поворачивается первый рычаг и вторую ось шарнира, вокруг которой поворачивается второй рычаг, при этом третий зубчатый компонент находится в зацеплении с третьим валом привода так, что вращение третьего вала приводит к качанию третьего зубчатого компонента вокруг оси поворота.

Концевой механизм согласно изобретению может регулировать угол крена запястного шарнира на дистальном конце основного вала с помощью приводного вала, соединенного с косозубой парой.

Недостатком известного технического решения с использованием тросовой системы передач является ненадежность и недолговечность конструкции.

Задачей заявляемого технического решения является создание упрощенного, по сравнению с аналогом, механизма управления приводом инструментов, сопрягаемого с управляющей частью ассистирующего роботизированного хирургического комплекса.

Поставленная задача решается тем, что привод для инструмента эндоскопического хирургического аппарата содержит корпус и систему приводных валов, связанных с шарнирными узлами, при этом управляющие механизмы концевого эффектора выполнены в виде четырех независимых косозубых редукторов, каждый из которых соединен с приводным валом, причем приводные валы расположены коаксиально, имеют разный диаметр и длину и передают крутящий момент к соответствующим шарнирным узлам, а один косозубый редуктор содержит ведомое колесо с запрессованной резьбовой втулкой для преобразования крутящего момента в движение приводного вала по направляющей, выполненной во вкладыше между ведущими колесами косозубых пар.

В заявляемом техническом решении в приводе для инструмента эндоскопического хирургического аппарата в качестве управляющих механизмов применены четыре независимых редуктора, состоящих из косозубых передач, которые обладают высокой плавностью зацепления и большой нагрузочной способностью.

ЧЕРТЕЖИ

Фигура 1 - детальная конструкция хирургического манипулятора (без крышки корпуса привода);

Фигура 2 - привод хирургического манипулятора, вид сверху и в сечении.

На фиг. 1 изображена детальная конструкция привода хирургического манипулятора. Привод для инструмента эндоскопического хирургического аппарата в качестве управляющих механизмов содержит четыре независимых редуктора, состоящих из косозубых цилиндрических пар 2, 3, 4, 5 (фиг. 1, фиг. 2), расположенных на основании 1 пластмассового корпуса на подшипниковых опорах 11 (Фиг. 2). Ведомые колеса косозубых цилиндрических пар закреплены на трубчатых телескопических приводных валах 6, 7, 8, 9.

Каждое косозубое колесо жестко закреплено с помощью шлицов и клея с собственным трубчатым приводным валом. Приводные валы расположены коаксиально с необходимым зазором, обеспечивающим их независимое свободное вращение.

Каждая независимая косозубая пара с закрепленным на ней приводным валом обеспечивает одну степень свободы хирургического инструмента. На фиг. 1 приводные валы (поз. 6, 7, 8, 9) расположены коаксиально, имеют разный диаметр и длину и передают крутящий момент к соответствующим шарнирным узлам.

Первая косозубая пара 5 передает крутящий момент приводному валу 6, обеспечивающему вращательное движение хирургического инструмента относительно оси приводного вала.

Вторая косозубая пара 4 передает крутящий момент приводному валу 7, связанному с шарнирным узлом, обеспечивающим поворот корпуса шарнирного узла относительно оси приводных валов в плоскости «ΥΖ».

Третья косозубая пара 3 передает крутящий момент приводному валу 8, связанному с шарнирным узлом, обеспечивающим поворот корпуса шарнирного узла относительно оси приводных валов в плоскости «ΧΥ».

Четвертая косозубая пара 2 преобразует крутящий момент ведомого колеса в возвратно-поступательное движение приводного вала 9, связанного с механизмом, обеспечивающим раскрытие/закрытие рабочей части концевого эффектора хирургического инструмента 16.

Косозубые пары разделены между собой подшипниками скольжения 11 приводных валов.

Осуществление изобретения

Каждая независимая косозубая пара приводится в движение своим шаговым реверсивным электродвигателем.

Каждая независимая косозубая пара с закрепленным за ней приводным валом обеспечивает одну степень свободы хирургического инструмента.

Первая косозубая пара 5 (фиг. 1, 2) передает крутящий момент на приводной вал 6, связанный с шарнирным узлом, обеспечивая вращение концевого эффектора на угол φ=0°±360°.

Вторая косозубая пара 4 (фиг. 1, 2) передает крутящий момент на приводной вал 7, который приводит в движение шестерни шарнирного узла, обеспечивая поворот корпуса шарнирного узла относительно оси приводных валов в плоскости "ΥΖ" на угол α≤0°±90°.

Третья косозубая пара 3 (фиг. 1, 2) передает крутящий момент на приводной вал 8, который приводит в движение шестерни шарнирного узла, обеспечивая поворот корпуса шарнирного узла относительно оси приводных валов в плоскости "XY" на угол α≤0°±90°.

Четвертая косозубая пара 2 (фиг. 1, 2) преобразует крутящий момент ведомого колеса с запрессованной резьбовой втулкой 12, в возвратно-поступательное движение приводного вала 9. Возвратно-поступательное движение приводного вала 9 осуществляется за счет движения внутренней резьбовой втулки 13, приваренной к валу 9 по отверстию прямоугольной формы, служащему направляющей, выполненной во вкладыше 15 между ведущими колесами косозубых пар 5 и 6.

Преимущества заявляемого привода для инструмента эндоскопического хирургического аппарата, основанного на работе четырех независимых косозубых пар, в сравнении с аналогами, основанными на тросовом приводе, и червячном редукторе, содержащем реечную передачу:

- наиболее полно отвечает требованиям компоновки;

- обеспечивает высокую плавность и бесшумность зацепления;

- повышенная кинематическая точность с возможностью точных делительных перемещений;

- большая нагрузочная способность - возможность обеспечения большей силы сжатия рабочих частей инструмента и надежности фиксации;

- простота изготовления косозубых передач.

Заявляемое изобретение соответствует критерию «новизна», т.к. из доступных источников информации не выявлены технические решения с такими же существенными признаками.

Заявляемое изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень», так как является неочевидным для специалиста.

Заявляемое изобретение соответствует критерию «промышленная применимость», так как может быть получено из известных средств и известными методами.

Привод для инструмента эндоскопического хирургического аппарата, содержащий корпус и систему приводных валов, связанных с шарнирными узлами, отличающийся тем, что содержит управляющие механизмы концевого эффектора, выполненные в виде четырех независимых косозубых редукторов, каждый из которых соединен с приводным валом, причем приводные валы расположены коаксиально, имеют разный диаметр и длину и передают крутящий момент к соответствующим шарнирным узлам, а один косозубый редуктор содержит ведомое колесо с запрессованной резьбовой втулкой для преобразования крутящего момента в движение приводного вала по направляющей, выполненной во вкладыше между ведущими колесами косозубых пар.