用于手术器械和机器人手术系统的触觉反馈装置

摘要

一种用于与手术器械或机器人手术系统一起使用的反馈贴片包含衬底和安置在所述衬底上的刺激器。所述刺激器被配置成从所述手术器械或所述机器人手术系统的传感器接收反馈信号，且被配置成刺激与所述手术器械或所述机器人手术系统介接的临床医生的手。

说明书

本申请要求2018年11月27日提交的美国临时专利申请序列号62/771,830和2018年11月27日提交的美国临时专利申请序列号62/771,806的权益和优先权，所述申请中的每一个的全部内容以引用的方式并入本文中。

背景技术

手术器械和机器人手术系统已在包含微创外科手术的外科手术中进行使用。在此类外科手术期间，手术器械或机器人手术系统分别由与手术器械的手柄或机器人手术系统的用户界面介接的外科医生控制。手柄或用户界面允许外科医生操控作用于患者的末端执行器。用户界面包含手柄或万向架，所述手柄或万向架可由外科医生移动以控制包含末端执行器的手术机器人。

缺乏触觉反馈的手术器械和机器人手术系统对于外科医生而言可能是不舒适的和/或感觉不自然的，或通过不允许外科医生感觉末端执行器如何作用于组织而引起外科医生的担忧。

需要用于在外科手术期间向与手术器械的手柄或机器人手术系统的用户界面介接的外科医生提供触觉反馈的改进式反馈系统。

发明内容

在本公开的方面中，用于与手术器械或机器人手术系统一起使用的反馈贴片包含衬底和安置在衬底上的刺激器。刺激器被配置成从手术器械或机器人手术系统的传感器接收反馈信号，且被配置成刺激与手术器械或机器人手术系统介接的临床医生的臂部分；例如，临床医生的手、手腕、前臂、臂或邻近区域。

在各方面中，衬底为被配置成可释放地固定到临床医生的皮肤的柔性衬底。衬底可以被配置成固定到手术器械或机器人手术系统的手柄。

在一些方面中，刺激器被配置成刺激临床医生的臂部分。刺激器可机械地振动和/或电刺激臂部分和/或在临床医生的臂部分的皮肤上机械地施加压力或剪切力。刺激器可以包含电极阵列。

在特定方面中，刺激器被配置成响应于所接收的反馈信号而改变臂部分的刺激的特性。特性可以是刺激的频率、刺激的强度、刺激的幅度和/或刺激的模式。

在本公开的另一方面中，一种手术系统包含末端执行器和呈贴片或手环的形式的反馈装置。末端执行器包含传感器，所述传感器被配置成确定由末端执行器施加在组织上的力且被配置成传输指示施加在组织上的力的反馈信号。反馈装置包含衬底和安置在衬底上的刺激器。刺激器被配置成从传感器接收反馈信号，且被配置成刺激控制末端执行器的临床医生的手柄。

在各方面中，手术系统包含具有手柄组件的手持型手术器械。末端执行器可以可操作地联接到手术器械的手柄组件。反馈装置可以固定到手术器械的手柄组件。

在一些方面中，手术系统包含具有手术机器人的机器人手术系统。末端执行器可以固定到手术机器人的臂。机器人手术系统可以包含被配置成操控手术机器人的用户控制台。反馈装置可以固定到用户控制台的输入手柄。

在特定方面中，衬底为被配置成可释放地固定到临床医生的皮肤的柔性衬底。刺激器可以被配置成机械地振动和/或电刺激临床医生的臂部分。

在本公开的另一方面中，一种用于向手术系统提供反馈的方法包含：从与手术器械或机器人手术系统的末端执行器相关联的传感器传输指示末端执行器施加到组织的力的反馈信号，在与操纵末端执行器的临床医生的皮肤接触的反馈装置处从传感器接收反馈信号，以及响应于所接收的反馈信号而刺激临床医生的皮肤。

在各方面中，刺激临床医生的皮肤包含机械地振动和/或电刺激临床医生的皮肤。方法可以包含用机器人手术系统或手持型手术器械操纵末端执行器以作用于组织。

根据本公开的另一方面，提供一种用于与手术器械或机器人手术系统一起使用的反馈装置。反馈装置包含：主体；以及第一刺激器，其安置在主体内且被配置成从手术器械或机器人手术系统的传感器接收反馈信号，第一刺激器被配置成刺激与手术器械或机器人手术系统介接的临床医生的臂的部分。

衬底主体可以呈手环的形式，所述手环被配置成围绕临床医生的臂的部分装配。

第一刺激器可以被配置成向临床医生的臂的部分提供剪切力、沿着临床医生的臂纵向地提供剪切力、围绕临床医生的臂向中间提供剪切力、电刺激临床医生的臂的部分，和/或响应于所接收的反馈信号而改变臂的部分的刺激的特性。

特性可以是刺激的频率、刺激的强度、刺激的幅度和/或刺激的模式中的至少一个。

反馈装置可以进一步包含第二刺激器，所述第二刺激器安置在主体内且被配置成从手术器械或机器人手术系统的传感器接收反馈信号。第二刺激器可以被配置成以与第一刺激器分离且不同的方式刺激与手术器械或机器人手术系统介接的临床医生的臂的部分。

第二刺激器可以是压力袖带。第二刺激器可以被配置成使压力跳动以向临床医生的臂部分提供反馈。

根据本公开的另一方面，提供一种手术系统，并且所述手术系统包含：末端执行器，所述末端执行器包含传感器，所述传感器被配置成确定由末端执行器施加在组织上的力且被配置成传输指示施加在组织上的力的反馈信号；以及反馈装置，所述反馈装置包含和刺激器，所述刺激器被配置成从传感器接收反馈信号且刺激控制末端执行器的临床医生的臂的部分。

手术系统可以进一步包含具有手柄组件的手持型手术器械，其中末端执行器可以可操作地联接到手术器械的手柄组件。

反馈装置可以是手环，所述手环被配置成围绕临床医生的臂的部分安置。

手术系统可以进一步包含具有手术机器人的机器人手术系统，其中末端执行器可以固定到手术机器人的臂。

机器人手术系统可以包含被配置成操控手术机器人的用户控制台。

刺激器可以被配置成向临床医生的臂的部分提供剪切力、沿着临床医生的臂纵向地提供剪切力和/或围绕临床医生的臂向中间提供剪切力。

刺激器可以是压力袖带。

此外，在一致的程度上，本文中所描述的任何方面可与本文中所描述的任何或所有其它方面结合使用。

附图说明

下文参考图式描述本公开的各个方面，所述图式并入本说明书中且构成本说明书的一部分，其中：

图1是根据本公开提供的包含反馈系统的手术系统的透视图；

图2是图1的手术系统的透视图，其中临床医生抓握手术系统的手柄组件且反馈系统的反馈贴片固定到临床医生的皮肤；

图3是包含手环反馈装置的另一手术系统的透视图；

图4是图3的手环反馈装置的放大视图；以及

图5是根据本公开提供的包含反馈系统的机器人手术系统的示意图。

具体实施方式

现在参照图式对本公开的实施例进行详细的说明，在图式中，相似的附图标记指代若干视图中的每个视图中的完全相同或对应的元件。如本文中所使用，术语“临床医生”是指医生、护士或任何其他护理提供者，并且可以包含辅助人员。在整个说明书中，术语“近侧”是指装置或其组件的更靠近临床医生的部分，并且术语“远侧”是指装置或其组件的距临床医生更远的部分。

参考图1，根据本公开的实施例的手术系统整体上标示为100，并且呈具有手柄组件101的电动手持型机电系统的形式，所述手柄组件被配置成用于选择性地附接到多个不同末端执行器，所述末端执行器各自被配置成用于由动力手持型机电手术系统100致动和操控。手术系统100包含手柄组件100、适配器200和装载单元300。

手柄组件101被配置成用于与适配器200选择性地连接，并且继而，适配器200被配置成用于与末端执行器或装载单元300选择性地连接。如本文中所详述，末端执行器300是钉合末端执行器；然而，预期手柄组件101可以选择性地连接到多个末端执行器，所述多个末端执行器被配置成对组织执行多种外科手术(例如，钉合、密封、解剖和采样)。

手柄组件101包含手柄壳体102，所述手柄壳体具有下部壳体部分104、从下部壳体部分104延伸和/或支撑在所述下部壳体部分上的中间壳体部分106，以及从中间壳体部分106延伸和/或支撑在所述中间壳体部分上的上部壳体部分108。中间壳体部分106和上部壳体部分108被分成与下部部分104一体地形成且从所述下部部分延伸的远侧半区段110a，以及可通过多个紧固件连接到远侧半区段110a的近侧半区段110b。在接合时，远侧半区段110a和近侧半区段110b限定手柄壳体102，所述手柄壳体在其中具有其中定位电路板和驱动机构的空腔。

手柄壳体102的上部壳体部分108提供其中定位驱动机构160的壳体。驱动机构160被配置成驱动轴和/或齿轮部件，以便执行手术系统100的各种操作。特定而言，驱动机构160被配置成驱动轴和/或齿轮部件，以便相对于末端执行器300的近侧主体部分302选择性地移动末端执行器300的工具组件304、围绕纵向轴线“X-X”相对于手柄壳体102旋转末端执行器300、相对于末端执行器300的钉仓组件308在打开位置与夹持位置之间移动砧座组件306、或在末端执行器300的钉仓组件308内击发钉合和切割钉仓以从钉仓组件308弹出钉(未明确展示)和使刀309前进通过钉仓组件308。

示例性机电手持型电动手术系统和适配器公开于共同拥有的第8,968,276号和第9,055,943号美国专利以及共同拥有的第2015/0157321号和第2017/0296176号美国专利公开中，这些公开内容中的每一个的全部内容特此以引用的方式并入本文中。

继续参考图1，手术系统100包含根据本公开提供的反馈系统400。反馈系统400包含力传感器410a-c和反馈装置或贴片420。力传感器410a-c与驱动机构160相关联以确定由末端执行器300施加在组织上的力。举例而言，力传感器410a可测量由驱动组件160汲取的电流以确定由末端执行器300施加的力。另外或替代地，力传感器410b可确定驱动机构160的力矩。在一些实施例中，力传感器410c安置在工具组件304的夹爪中的一个中以直接测量施加到组织的力。力传感器410a-c可以是应变计、压电传感器、打印压力阻抗传感器(柔性力)等。力传感器的实例公开于2018年2月2日提交的美国专利申请序列号15/887,391和2018年4月13日提交的美国专利申请序列号15/768,342，以及第2016/0346049号美国专利公开案中，这些公开内容中的每一个的全部内容特此以引用的方式并入本文中。力传感器410a-c可以检测末端执行器300所经历的压力、力、弯曲力矩或任何其它力。

另外参考图2，反馈贴片420固定到临床医生的臂的部分，所述部分可以包含手腕、前臂、臂或邻近区域。如所展示，反馈贴片420固定到临床医生的邻近手的手腕的手。反馈贴片420可以固定到手的背部、手的手掌、邻近手的臂等。反馈贴片420被配置成将反馈信号传递给临床医生，使得临床医生可以感测末端执行器300施加在组织上的力。

反馈贴片420包含接收器422、电源424以及固定到柔性衬底421的刺激器426。柔性衬底421的一个侧面可以包含粘合剂，所述粘合剂被配置成可释放地将反馈贴片420直接固定到临床医生的皮肤或将由临床医生穿戴的手套或衣服。替代地，反馈贴片420可以被整合到将由临床医生穿戴的手套或衣服中。接收器422与力传感器410a-c中的一个或多个进行无线通信，以接收指示由末端执行器300传递给组织的力的信号。在一些实施例中，接收器422与一个或多个力传感器410a-c进行有线通信。接收器422可以与传感器410a-c中的一个或多个进行直接通信或可以经由安置在手柄组件101内的控制器130与力传感器410a-c中的一个或多个进行通信。控制器130可以与力传感器410a-c进行有线或无线通信。

电源424向接收器422和刺激器426提供电力。电源424可以是可再充电的或一次性使用的电池，其具有足够的容量以对接收器和刺激器426供电以进行一次或多次外科手术。

刺激器426基于由末端执行器300施加到组织的力而刺激临床医生，所述力由力传感器410a-c中的一个或多个检测，并且所述力被传输到反馈贴片420。刺激器426可以向临床医生的皮肤提供振动刺激或可以向临床医生的皮肤提供电刺激。举例而言，刺激器426可以包含电极阵列以向临床医生的皮肤提供电刺激。刺激器被配置成通过基于由末端执行器300施加到组织的力而改变刺激的特性(例如，刺激的频率、刺激的强度或幅度、刺激的图案等)来改变刺激(例如振动或电刺激)。刺激的特性可以基于手术器械、临床医生和/或外科手术而可编程、可定制和/或可配置。

在外科手术之后，从临床医生的皮肤去除反馈贴片420且丢弃。将了解，反馈贴片420可以固定到在例如无菌手套的无菌屏障下方的临床医生，使得反馈贴片420可以重复使用以进行多次外科手术。

返回参考图1，根据本公开提供另一反馈贴片420′。反馈贴片420′固定到手柄组件101，使得在临床医生抓握手柄组件101时，反馈贴片420′与临床医生的皮肤可操作地接触，使得刺激器426可以响应于由末端执行器300施加到组织的力而刺激临床医生。反馈贴片420′可以通过由临床医生穿戴的手套与临床医生的皮肤间接接触，使得刺激器426可以响应于由末端执行器300施加到组织的力而再次刺激临床医生。反馈贴片420′可以包含接收器422和电源424。反馈贴片420的刺激器426可以由手柄组件101的电源供电和/或可以与控制器130进行直接通信，使得控制器130响应于从力传感器410a-c中的一个或多个接收到的力信号而控制刺激器426。

参考图3，根据本公开提供另一反馈装置，并且所述反馈装置整体上被称为反馈手环520。围绕临床医生的臂的部分佩戴反馈手环520。如所展示，反馈手环520包含围绕临床医生的臂的部分形成基本上圆形的弧的主体521。围绕临床医生的前臂佩戴或安置反馈手环520；然而，可以围绕临床医生的臂的手腕或另一部分佩戴或安置反馈手环520。反馈手环520被配置成将反馈信号传递给临床医生，使得临床医生可以感测末端执行器300施加在组织上的力。

反馈手环520包含接收器522、电源524、第一刺激器530以及第二刺激器540。接收器522安置在主体521内且与力传感器410a-c中的一个或多个进行无线通信以接收指示由末端执行器300传递给组织的力的信号。接收器522可以与力传感器410a-c中的一个或多个进行直接通信，或可以经由安置在手柄组件101内的控制器130与力传感器410a-c中的一个或多个进行通信。

电源524安置在主体521内且向接收器522和刺激器530、540提供电力。电源524可以是可再充电的或一次性使用的电池，其具有足够的容量以对接收器和刺激器530、540供电以进行一次或多次外科手术。

另外参考图4，第一刺激器530包含剪切致动器532，所述剪切致动器安置在主体521内且被配置成向手环520内的临床医生的臂的部分提供剪切力和/或压力。剪切致动器532可沿着临床医生的臂的长度在中间位置NP、前向位置FP和后向位置RP之间“纵向地”移动，以向临床医生提供反馈。举例而言，在末端执行器300夹持到组织上时，剪切致动器532可以朝向前向位置FP移动以指示末端执行器300内的夹持力的增加，并且可以朝向后向位置RP移动以指示末端执行器300内的夹持力的减小。剪切致动器532还可以朝向逆时针位置CCWP和顺时针位置CWP“向中间”移动，在逆时针位置CCWP和顺时针位置CWP中剪切致动器532围绕由手环520限定的弧移动。举例而言，剪切致动器532可以朝向逆时针位置CCWP移动以指示末端执行器300内的夹持力的增加，并且剪切致动器532可以朝向顺时针位置CWP移动以指示末端执行器300内的夹持力的减小。将了解，手术器械160和/或末端执行器300的其它特性和/或力可以由剪切致动器532的移动指示。

第二刺激器540可以是安置在主体521内的压力袖带，且被配置成向手环520内的临床医生的臂的部分提供压力，所述压力与第一刺激器530的反馈分离且不同。第二刺激器540可以增加、减小或调节臂的部分周围的压力以向临床医生提供反馈。举例而言，第二刺激器540可以在致动或击发末端执行器300，例如从钉仓击发钉或由末端执行器300施加电手术能量时使压力跳动。第二刺激器540还可以用于通过随着末端执行器300内的夹持力增加而增加压力以及随着末端执行器300内的夹持力减小而减小压力来指示末端执行器300内的夹持力。

替代地，第一刺激器530和/或第二刺激器540可以类似于上文所详述的刺激器426且被配置成向临床医生的皮肤提供振动刺激或电刺激。另外或替代地，剪切致动器532可以在前向位置FP与后向位置RP之间移动以增加或减小临床医生的臂的部分的压力。

现在参考图5，根据本公开的机器人手术系统1整体上展示为手术机器人10、处理单元30和用户控制台40。手术机器人10通常包含连杆12和机器人底座18。连杆12可移动地支撑末端执行器或工具20，所述末端执行器或工具被配置成作用于组织。连杆12可以呈臂形式，所述臂各自具有末端14，所述末端支撑末端执行器或工具20，所述末端执行器或工具被配置成作用于组织。另外，连杆12的末端14可以包含用于对手术部位“S”进行成像的成像装置16。用户控制台40通过处理单元30与机器人底座18通信。

用户控制台40包含显示装置44，所述显示装置被配置成显示三维图像。显示装置44显示手术部位“S”的三维图像，所述三维图像可以包含由定位在连杆12的末端14上的成像装置16捕获的数据和/或包含由围绕手术室定位的成像装置(例如，定位在手术部位“S”内的成像装置、邻近患者“P”定位的成像装置、定位在成像臂52的远侧末端处的成像装置56)捕获的数据。成像装置(例如，成像装置16、56)可以捕获视觉图像、红外图像、超声图像、X射线图像、热图像和/或手术部位“S”的任何其它已知的实时图像。成像装置将捕获的成像数据传输到根据成像数据实时地创建手术部位“S”的三维图像的处理单元30并且将三维图像传输到显示装置44以供显示。

用户控制台40还包含在允许临床医生操控手术机器人10(例如，移动连杆12、连杆12的末端14和/或工具20)的控制臂43上支撑的输入手柄42。输入手柄42中的每一个与处理单元30通信以将控制信号传输到所述处理单元且从所述处理单元接收反馈信号。另外或替代地，输入手柄42中的每一个可以包含输入装置(未明确展示)，所述输入装置允许外科医生操控(例如，夹持、抓握、击发、打开、关闭、旋转、推进、切开等)支撑在连杆12的末端14处的工具20。

输入手柄42中的每一个可穿过预先限定的工作空间移动以在手术部位“S”内移动连杆12的末端14，例如工具20。显示装置44上的三维图像被定向成使得输入手柄42的移动使连杆12的末端14如在显示装置44上所观察到的进行移动。三维图像保持静止，同时输入手柄42的移动被缩放成三维图像内的连杆12的末端14的移动。为了维持三维图像的定向，输入手柄42的运动学映射基于相对于连杆12的末端14的定向的摄像机朝向。显示装置44上的三维图像的定向可以相对于由成像装置16、56捕获的视图成镜像或旋转。另外，显示装置44上的三维图像的大小可以被缩放成比手术部位的实际结构大或小，从而准许临床医生更好地看到手术部位“S”内的结构。如以下详细描述的，在输入手柄42移动时，工具20在手术部位“S”内移动。工具20的移动还可以包含支撑工具20的连杆12的末端14的移动。

关于机器人手术系统1的构造和操作的详细论述，可以参考第8,828,023号美国专利，所述专利的全部内容以引入的方式并入本文中。

如上文详述和图5中所展示，用户控制台40处于与机器人系统10可操作地通信，以对患者“P”执行外科手术；然而，设想用户控制台40可以与手术模拟器(未展示)可操作地通信，以在模拟环境下虚拟致动机器人系统和/或工具。举例而言，手术机器人系统1可以具有其中用户控制台40被联接以使机器人系统10致动的第一模式，以及其中用户控制台40被联接到手术模拟器以虚拟地致动机器人系统的第二模式。手术模拟器可以是独立单元或者可以被整合到处理单元30中。通过用户控制台40向临床医生提供视觉、听觉、力和/或触觉反馈，手术模拟器虚拟地响应与用户控制台40介接的临床医生。举例而言，在临床医生控制输入装置手柄42时，手术模拟器移动虚拟地作用于模拟手术部位处的组织的代表性工具。设想手术模拟器可以允许临床医生在对患者执行外科手术之前实践外科手术。另外，手术模拟器可以用于训练临床医生进行外科手术。此外，手术模拟器可以在建议的外科手术期间模拟“并发症”以准许临床医生计划外科手术。

继续参考图5，工具20中的一个或多个可以包含力传感器410，所述力传感器将指示由工具20施加的力的力信号传输到组织。力传感器410与处理单元30进行有线或无线通信以向处理单元30提供力信号。处理单元30将反馈信号传输到反馈贴片，例如，如上文所详述的固定到与输入手柄42中的一个介接的临床医生的皮肤以使得反馈贴片刺激临床医生的皮肤的反馈贴片420(图1)，或手环520。另外或替代地，反馈贴片420′可以固定到输入手柄42中的一个或两个以刺激临床医生的臂的部分，如上文所详述。

通过向临床医生的皮肤提供刺激，与手术器械和/或机器人手术系统的界面可以更直观。通过使手术器械和/或机器人手术系统更直观，临床医生可以更舒适、自信和/或高效地使用器械或系统，从而可以在更短的时间内更高效地完成外科手术，这改进了外科手术的结果和/或减少了外科手术的成本。

虽然展示且描述了手环520，但进一步考虑反馈贴片可以并入到环、臂带、头带、踝环等中或上。

虽然已在图式中展示本公开的若干实施例，但并不意图将本公开限于这些实施例，而期望使本公开与本领域所允许的范围一样广泛，并且应以同样的方式阅读本说明书。还设想以上实施例的任何组合，并且所述组合在所附权利要求书的范围内。因此，以上描述不应解释为限制性的，而仅仅是作为特定实施例的例证。所属领域的技术人员将能设想在所附权利要求书的范围内的其它修改。