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CN112022236A - 用于微创手术的手术器械 - Google Patents

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CN112022236A
CN112022236A CN202010494397.XA CN202010494397A CN112022236A CN 112022236 A CN112022236 A CN 112022236A CN 202010494397 A CN202010494397 A CN 202010494397A CN 112022236 A CN112022236 A CN 112022236A
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Avateramedical GmbH
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Abstract

一种用于微创手术的手术器械，包括具有远端和近端的器械轴(12)。近端能连接到信号发生器。手术器械具有：器械头(20)，上述器械头经由接头(22)能枢转地连接到器械轴(12)的远端；以及末端执行器(24)，上述末端执行器围绕其纵向轴线能旋转地安装在器械头(20)中。该器械还包括：机械联接元件(26、28、42)，上述机械联接元件至少部分地布置在器械轴(12)中，并且构造成发送和/或转换信号发生器的机械致动信号，以使器械头(20)枢转和旋转；以及螺旋弹簧(34)，上述螺旋弹簧绕过接头(22)，并且将末端执行器(24)连接到联接元件(26、28、42)，以使末端执行器(24)旋转。螺旋弹簧(34)包括具有不同弹簧常数(D)的若干部分。

Description

用于微创手术的手术器械
技术领域
本发明涉及一种用于微创手术的手术器械。
背景技术
手术器械通常包括具有远端和近端的器械轴。信号发生器能连接到近端。该手术器械具有经由铰链能枢转地连接到器械轴的远端的器械头。此外，手术器械具有末端执行器，该末端执行器围绕其纵向轴线能旋转地安装在器械头处。此外，手术器械包括至少一个机械联接元件，上述机械联接元件至少部分地布置在所述器械轴中，并且构造成发送和/或转换信号发生器的机械致动信号，以使上述器械头枢转和旋转。螺旋弹簧绕过铰链，并且将末端执行器连接到联接元件，以使末端执行器旋转。例如，这种用于微创手术的器械从文件EP2377477A1中是已知的。
根据文件EP3025667A1，已知用于机器人辅助手术的设备，其中手术器械借助于操纵器的操纵器臂被引导，并且经由操纵器臂的信号发生器被致动。为此，具有驱动元件和传输装置的联接单元被布置在操纵器臂的远端，并且布置在手术器械的器械轴的远端的器械单元经由无菌锁能联接到联接单元。
在从文件EP2377477A1中已知的手术器械中，螺旋弹簧用于绕过铰链并用于将末端执行器连接到用于使末端执行器旋转的联接元件，该螺旋弹簧构造和布置成，使得螺旋弹簧的螺距被调节，以便在螺旋弹簧根据器械头的最大枢转位置而最大程度弯曲的情况下，在弹簧相对于弯曲方向的内侧的弹簧线圈刚好彼此接触或仍然彼此间隔开。这尤其存在缺点，即当弹簧的线圈不相互接触或仅在最大程度弯曲状态下相互接触时，例如用于高频手术的内部导线、尤其是致动导线或电导体不能被安全地引导。
此外，现有技术中已知的器械的缺点是，弹簧大致在与器械轴的纵向轴线正交并且铰链的旋转轴线也在其中延伸的平面中的一个单个点处相对强烈地弯曲，并且该部分中的弹簧圈受到很大的应力，而相邻的其他部分并没有被弯曲或弯曲得少得多。发明内容
由此出发，本发明的目的是，提供一种构简单并且保证安全的功能的用于微创手术的手术器械。该问题通过具有权利要求1的特征的用于微创手术的手术器械来解决。在从属权利要求中载明了有利的改进。
具有权利要求1的特征的用于微创手术的手术器械使得在使器械头弯曲时，可以影响弹簧的弯曲行为。具体地，通过在螺旋弹簧的不同部分中选择适当的弹簧常数，当弹簧的远端横向地枢转离开器械轴的纵向轴线时，可以实现弹簧的弯曲特性的单独适应。具体地，螺旋弹簧的形状可以在螺旋弹簧的远端被枢转离开器械轴的纵向轴线之后进行适应，优选地，使得主要弯曲发生在中心、即接头的旋转轴线的区域中。在这样做时，与根据现有技术的螺旋弹簧相比，由于较低的弹簧常数，线圈在主要弯曲的区域中的应力较小。然而，借助于不同的弹簧常数，螺旋弹簧也可以构造成使得弹簧的主要弯曲发生的区域在近端方向或远端方向上与至少一个接头的旋转轴线具有距离。
特别有利的是，由于弹簧常数，在弯曲器械头时形成至少两个主要弯曲点、特别是三个或四个主要弯曲点。这种设计对于由多个铰链组成的接头特别有利。借助于不同的弹簧常数，也可以在螺旋弹簧的各部分中建立期望的弯曲半径、或弹簧的纵向轴线的曲线的期望路径。由此，可以可靠地、特别是连续地且没有冲击地传递用于使器械头旋转的力。然而，该接头也可以构造为实体接头，如从文件WO2006/113216A2中已知的，构造为单铰链，如从文件EP2377477A1中已知的，和/或构造为铰接链，如从文件EP2777561B1中已知的。
当至少一根致动线和/或导电线材被引导到螺旋弹簧的内部时，由于在使器械头枢转时，螺旋弹簧的容易适应的弯曲形状以及螺旋弹簧的相关侧向偏转或弯曲，因此，上述致动线和/或导电线材可以被安全地引导，从而可以避免对这些致动线和/或导电线材的损坏。
特别有利的是，弹簧常数从螺旋弹簧的远端和从螺旋弹簧的近端朝向螺旋弹簧的中心或具有恒定弹簧常数的中心区域优选连续地、尤其优选均匀地，或者朝该区域连续地、尤其优选均匀地增大。其结果是，可以在弹簧的中心实现主要弯曲。
此外，有利的是，螺旋弹簧的线圈具有矩形截面。其结果是，可以以小的安装空间实现高弹簧常数。此外，当旋转运动经由螺旋弹簧围绕螺旋弹簧的纵向轴线来传递时，仅发生弹簧的轻微弹性变形，从而使得末端执行器的易操作性成为可能。此外，这种螺旋弹簧可以很容易地通过诸如铣削和卷绕的机械加工处理来制造，或者也可以借助3D打印机来制造。
此外，有利的是，螺旋弹簧的线圈在具有不同弹簧常数的部分中具有不同的横截面积。通过改变横截面积的大小和/或形状，当整个螺旋弹簧由相同的材料制成时，弹簧常数的各部分的弹簧常数甚至可以不同。此外，通过改变横截面积的弹簧常数也可以与在螺旋弹簧的各部分中形成不同弹簧常数的其它措施相结合。
此外，有利的是，螺旋弹簧的线圈在具有不同弹簧常数的部分中具有不同的螺距。这使得能够容易地生产各部分具有不同弹簧常数的部分的螺旋弹簧。
此外，有利的是，螺旋弹簧的线圈包括具有不同弹性模量的材料的截面。其结果是，可以简单地通过螺旋弹簧的这些部分由不同材料制成的事实，在这些部分中提供不同的弹簧常数。当多个弹簧段被放在一起形成一个整体螺旋弹簧时，这是特别容易实现的，因为各部分的弹簧被焊接或胶合在一起或以其他方式连接。替代地，也可以在3D打印中连续使用不同的材料来生产弹簧。这里，不同材料或材料构造之间的连续过渡也是可以想到的。
特别有利的是，螺旋弹簧是线性弹簧。这样，螺旋弹簧优选地设计成使得，当沿螺旋弹簧的中心轴线的方向施加力时，随着力的增加，弹簧均匀地变形、即以与力成线性的方式变形。然而，这里，具有不同弹簧常数的每个部分发生不同的变形。
此外，有利的是，联接元件包括旋转管轴，螺旋弹簧的近端以旋转固定的方式连接到旋转管轴，以及旋转管轴能旋转地安装在器械轴中。这使得在器械轴内的联接元件的各部件的布置简单且紧凑，并且旋转管轴提供在旋转方向上具有低扭矩的安全驱动的可能性，以用于使器械头或末端执行器旋转。
在替代实施方式中，螺旋弹簧以偏压的方式布置在旋转管与器械头之间。其结果是，螺旋弹簧的扭转特性可以进一步适应。此外，有利的是，当螺旋弹簧配置和布置成使得，从当使器械头枢转时的器械头的预定枢转位置，螺旋弹簧的线圈在螺旋弹簧相对于弯曲方向的螺旋弹簧的内侧处接触；以及当将器械头枢转超过预定枢转位置，直至达到器械头的最大枢转位置时，在弹簧相对于弯曲方向的内侧处，螺旋弹簧的线圈在压紧力的作用下彼此压紧。在器械头的最大枢转位置处，与具有笔直的器械头的初始位置、即当器械头未围绕接头的旋转轴线枢转时相比，螺旋弹簧的线圈在弹簧的外侧处具有更大的距离，由于弹簧外侧处增加的距离，线圈至少在最大枢转位置处被拉开。因此，可以保证从预定枢转位置处的触点直至最大枢转位置，内侧处的线圈始终彼此接触，并且在螺旋弹簧内引导的导线或电缆在弹簧内侧上以低摩擦被安全地引导，从而避免损坏这些线材。
此外，有利的是，当借助于联接元件，器械头能以预定角度围绕旋转轴线枢转时，旋转轴线与器械轴的纵向轴线正交。其结果是，接头的简单设计和布置是可能的。接头可以形成为简单的铰链。这里，特别有利的是，通过内轴沿其纵向轴线的平移运动来执行器械头的枢转，其中，内轴布置在器械轴与旋转管轴之间。其结果是，联接元件与器械头的简单且可靠的联接可以使得，整个器械头的枢转和末端执行器和/或器械头的旋转运动两者能够以可靠的方式实现。
特别有利的是，接头的旋转轴线穿过和/或正交于螺旋弹簧的纵向轴线。其结果是，在器械头的区域中以及在器械轴与器械头之间的过渡区域中，器械的简单且紧凑的结构是可能的。
特别有利的是，当施加器械头的旋转所需的法向力时，螺旋弹簧在螺旋弹簧的旋转方向上不变形或仅轻微变形，以使器械头或末端执行器旋转。这使得手术器械的致动简单且安全。特别地，由于期望的起始旋转运动经由螺旋弹簧相对准确地被传递，因此，可以保证手术器械的安全操作。
此外，有利的是，连接到器械轴的近端的信号发生器是手动致动单元和/或用于将手术元件联接到操纵器的操纵器臂的至少一个驱动单元的联接元件。其结果是，手术器械可以容易且安全地被致动。
手术器械优选地包括至少一个末端执行器，上述末端执行器布置在器械头处并能插入到患者的身体开口中，诸如夹具、剪刀、夹持件、针保持件、微解剖器、夹持紧装置、钉装置、冲洗和/或抽吸装置、切割刀片、烧灼探针、导管和/或抽吸喷嘴或用于高频手术的末端执行器。其结果是，该手术器械选择性地具有不同的末端执行器，上述末端执行器可用于普通微创手术，特别是在腹腔镜手术中。然而，也可以附加地或替代地使用其他手术器械。
附图说明
在下文中，结合附图，基于实施方式描述进一步的特征和优点。
图1示出了与操纵器一起使用的用于微创手术的手术器械的立体图。图2示出了图1的器械的远端的剖视图。
图3示出了插入图1和图2的器械中的用于传递旋转运动的螺旋弹簧。
图4示出了在弯曲45°的状态下的图3的螺旋弹簧。
图5示出了示出根据现有技术的螺旋弹簧的弹簧常数D与长度的曲线图。
图6示出了示出根据第一实施方式的螺旋弹簧的弹簧常数D与长度L的曲线图。
图7示出了示出根据第二实施方式的螺旋弹簧的弹簧常数D与长度L的曲线图。
图8示出了示出根据第三实施方式的螺旋弹簧的弹簧常数D与长度L的曲线图。
图9示出了根据第四实施方式的螺旋弹簧的弹簧常数D与长度L的曲线图；以及
图10示出了示出根据第五实施方式的螺旋弹簧的弹簧常数D与长度L的曲线图。
具体实施方式
图1示出了用于微创手术的手术器械10。该器械10包括具有远端14和近端16的器械轴12。器械轴12的近端16连接到器械单元18。经由器械单元18，手术器械10能连接到操纵器的操纵器臂的联接单元。这种操纵器也被称为远程操作器系统，并且用于机器人辅助手术。文件EP3025667A1和文件WO2016/083189A1具体公开了这种操纵器。本发明的解决方案也可以用于腹腔镜手持器械而无需任何改变。
手术器械10具有器械头20，上述器械头20经由形成为铰链22的接头连接到器械轴12的远端14。器械头20包括末端执行器24，该末端执行器24围绕其纵向轴线能旋转地安装在器械头20处。
图2示出了根据图1的手术器械10的远端部的剖视图。在器械轴12内部布置有旋转管轴26和内轴28，上述旋转管轴26相对于器械轴12能旋转地安装，上述内轴28布置在旋转管轴26与器械轴12之间，其中，内轴28可以至少在器械轴12的纵向上移动，以使器械头20沿箭头P1的方向围绕旋转轴线30枢转，其中，旋转轴线30垂直于绘图平面延伸，并且另外进入图2。因此，箭头P1指示器械头20的枢转方向，可以将上述器械头20从图2中所示的静止位置移入该枢转方向。器械头20可以沿箭头P1的方向枢转的最大角度通常在60°到90°的范围内，优选在65°或70°的范围内。在其他实施方式中，也可以使用其他接头来代替铰链22。
在图2中所示的静止位置，器械头20可以经由滚珠轴承32围绕器械轴12的纵向轴线旋转。因此，也可以使器械头20在围绕旋转轴线30枢转的器械头20的情况下旋转，在旋转管轴26与器械头20之间设置螺旋弹簧34，以传递旋转运动，螺旋弹簧的近端以旋转固定的方式连接到旋转管轴26，并且螺旋弹簧地远端以旋转固定的方式连接到器械头20的近端。螺旋弹簧34布置在铰链22内部并绕过铰链22。末端执行器24具有第一钳部36和第二钳部38。第一爪部36刚性地连接到器械头20。第二爪部围绕由销40限定的枢转轴线可枢转地布置，使得由第一爪部36和第二爪部38形成的夹持件可以通过围绕销40使第二爪部38枢转来打开和关闭。爪部38围绕由销40形成的旋转轴线的枢转由致动线42和致动机构48控制，上述致动线42在远端方向上执行推动运动以打开夹持件，并且被拉到近端以关闭夹持件。致动线42在螺旋弹簧34内延伸通过该螺旋弹簧，使得当使器械头20枢转时，也可以致动末端执行器24或致动夹持件。在其它实施方式中，第二爪部38同样构造成可移动的。
在末端执行器24或其它末端执行器中，附加地，可以经由致动线42来建立与末端执行器24的电连接，以便将末端执行器24或手术器械10用于高频手术。
内轴28连接到拉杆44的近端。拉杆44铰接到器械头20，以便能围绕枢转轴线46枢转。通过拉杆44的近端沿器械轴12的近端方向的运动(其中，该运动由内轴28发起)，器械头能够围绕铰链22的旋转轴线30枢转，并且螺旋弹簧34被横向地弯曲。
图3示出了处于偏置状态的图2的弹簧24，螺旋弹簧24以该状态布置在手术器械10中。螺旋弹簧34由弹簧钢制成，线圈的横截表面从螺旋弹簧34的近端和从螺旋弹簧34的远端朝向螺旋弹簧34的中心减小，从而弹簧常数分别从螺旋弹簧34的近端和远端减小。处于非偏压状态和/或偏压状态的螺旋弹簧34的螺距优选为恒定的。在其他实施方式中，为了在螺旋弹簧34的长度上影响和改变弹簧常数，附加地或替代地，线圈的螺距可以不同、或者在线圈的部分中材料的弹簧特性可以不同。这尤其可以通过组装来自不同线圈段的螺旋弹簧34来实现。附加地或替代地，单个线圈段可以部分地硬化。
图4示出了处于相对于器械轴28使器械头20枢转约45°的角度后的状态的图3的弹簧，其中，器械头的纵向轴线和器械轴的纵向轴线跨越135°的角度。
图5示出了螺旋弹簧的弹簧常数D与长度L的曲线图，其中0是螺旋弹簧的近端，L0是螺旋弹簧的远端。图5的螺旋弹簧是具有恒定弹簧常数D的螺旋弹簧，如现有技术的手术器械中使用的那样。
图6示出了根据第一实施方式的螺旋弹簧34的弹簧常数D与长度的曲线图。这里，弹簧常数D从螺旋弹簧34的近端到螺旋弹簧34的远端连续地增加。这例如可以通过如下方式实现、即线圈的横截面同样从螺旋弹簧34的近端到远端连续地增加。
图7示出了根据第二实施方式的螺旋弹簧34的弹簧常数D与长度L的曲线图。图7中示出的弹簧常数D的曲线是当螺旋弹簧34在螺旋弹簧34的整个长度上具有恒定的螺距和恒定的材料特性时，由图2至图4的螺旋弹簧34的横截面变化引起的弹簧常数D的曲线。
图8示出了根据第三实施方式的螺旋弹簧34的弹簧常数D与长度的曲线图。这里，弹簧常数不会从近端到远端线性地减少。
图9示出了根据第四实施方式的螺旋弹簧34的弹簧常数D与长度L的曲线图。螺旋弹簧34包括：第一部分50，上述第一部分50具有恒定弹簧常数D1；以及第二部分52，上述第二部分52具有恒定弹簧常数D2。例如，这种弹簧常数D的曲线是通过螺旋弹簧34的线圈的阶梯式横截面变化和/或通过具有恒定弹簧常数D1、D2的两个部分50、52中的不同材料来实现的，其中，具有不同材料的部分50、52在螺旋弹簧34的中心、即在低弹簧常数D1与高弹簧常数D2之间的阶梯过渡处彼此连接。
图10示出了根据第五实施方式的螺旋弹簧34的弹簧常数D与长度的曲线图。在示出的曲线中，螺旋弹簧34的弹簧常数D在远端54和近端56以及中心58处较高，其中，在远端54与中心58之间以及中心58与近端56之间，每次获得弹簧常数D的最小值60、62。图10中所示的曲线具有这样的结果，即在具有最小弹簧常数D的部分60、62中，当使器械头部20枢转时发生高弯曲，而在具有高弹性常数D的部分54、56、58中，发生较小的变形。
如图6至图10所示，借助于具有不同弹簧常数的部分，当使器械头20枢转时，可以实现螺旋弹簧34的扭转和弯曲特性的单独适应。特别地，弹簧常数D可以在螺旋弹簧34的长度上发生变化，使得主要弯曲区域位于中心、即位于铰链22的旋转轴线30的区域内，或者不位于中心、即位于铰链22的旋转轴线30的前面或后面，其中，可以提供一个、两个、三个或四个弯曲点。当使器械头20枢转时，通过螺旋弹簧34的线圈的相互接触，可以实现内部线材42的稳定。
具有不同弹簧常数D的部分的螺旋弹簧34具体地可以通过卷绕、加工、激光切割、3D打印、焊接、胶合和其他合适的生产方法来生产。弹簧常数D在螺旋弹簧34的长度L上的变化具体是由线圈的横截面的变化、螺旋弹簧34的线圈的不同螺距、不同的材料和/或材料梯度、部分地硬化或弹簧构造的其他适当选择引起的。通过弹簧常数D在螺旋弹簧34的长度上的适当变化，当使器械头20弯曲时，螺旋弹簧34的扭转刚度和螺旋弹簧34的行为会受到影响。
附图标记列表
10 手术器械
12 器械轴
14 远端
16 近端18器械单元
20 器械头
22 铰链
24 末端执行器
26 旋转管轴
28 内轴
30 旋转轴线
32 滚珠轴承
34 螺旋弹簧
36 固定爪部
38 活动爪部
40 销、枢转轴线
42 致动线
44 拉杆
46 枢转轴线
48 致动机构
50 至62部分
P1 枢转方向。

Claims (15)

1.一种用于微创手术的手术器械，包括：
器械轴(12)，所述器械轴具有远端(14)和近端(16)，信号发生器(18)能连接到所述近端；
器械头(20)，所述器械头(20)经由至少一个接头(22)能枢转地连接到所述器械轴(12)的所述远端；
末端执行器(24)，所述末端执行器围绕其纵向轴线能旋转地安装在所述器械头(20)中；
至少一个机械联接元件(26、28、42)，所述机械联接元件至少部分地布置在所述器械轴(12)中，并且构造成发送和/或转换所述信号发生器(18)的机械致动信号，以使所述器械头(20)枢转和旋转；
螺旋弹簧(34)，所述螺旋弹簧绕过所述接头(22)，并且将所述末端执行器(24)连接到所述联接元件(26、28、42)，以使所述末端执行器(24)旋转，其特征在于，
所述螺旋弹簧(34)包括具有不同弹簧常数(D)的部分(50至62)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述弹簧常数从所述螺旋弹簧(34)的所述远端和所述螺旋弹簧(34)的所述近端朝向所述螺旋弹簧(34)的中心或具有恒定弹簧常数(D)的中心区域优选连续地、尤其优选均匀地减小。
3.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述螺旋弹簧(34)的所述线圈具有矩形截面。
4.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述螺旋弹簧(34)的所述线圈在具有不同弹簧常数(D)的部分处具有不同的横截面积。
5.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述螺旋弹簧(34)的所述线圈在具有不同弹簧常数(D)的部分处具有不同的螺距。
6.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述螺旋弹簧(34)的所述线圈在具有不同弹簧常数(D)的部分处具有不同弹性模量的材料。
7.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述螺旋弹簧(34)是线性弹簧。
8.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述联接元件(26、28、42)包括旋转管轴(26)，所述螺旋弹簧(34)的所述近端以旋转固定的方式连接到所述旋转管轴(26)，并且所述旋转管轴(26)可旋转地安装在所述器械轴(12)中。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述螺旋弹簧(34)以偏压的方式布置在所述旋转管轴(26)与所述器械头(20)之间。
10.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述螺旋弹簧(34)配置和布置成使得，从当使所述器械头(20)枢转时的所述器械头的预定枢转位置，所述螺旋弹簧(34)的所述线圈在所述螺旋弹簧(34)相对于弯曲方向的内侧处接触；并且使得当所述器械头(20)枢转到所述器械头(20)的最大枢转位置时，在所述弹簧相对于所述弯曲方向的所述内侧处，所述螺旋弹簧(34)的所述线圈在压紧力的作用下彼此压紧，其中，在所述弹簧的外侧处，与初始位置相比，所述线圈彼此之间的距离增加。
11.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，借助于联接元件(26、28、42)，所述器械头(20)能以预定角度围绕旋转轴线(30)枢转，其中，所述旋转轴线(30)与所述器械轴(12)的纵向轴线正交。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述器械头(20)的所述枢转是由内轴(28)沿其纵向轴线的平移运动引起的，其中，所述内轴布置在所述器械轴(12)与所述旋转管轴(26)之间。
13.如权利要求11或12所述的装置，其特征在于，所述接头(22)的旋转轴(30)穿过和/或正交于所述螺旋弹簧(34)的所述纵向轴线、和/或位于与所述纵向轴线正交的所述螺旋弹簧(34)的平面内。
14.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述螺旋弹簧(34)以扭转刚性的方式设计。
15.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，连接到所述器械轴(12)的所述近端(16)的所述信号发生器(18)是手动致动单元和/或用于将所述手术器械(10)联接到操纵器的操纵器臂的至少一个驱动单元的联接元件。
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