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KR20110052626A - 양극 소작 기구 - Google Patents

양극 소작 기구 Download PDF

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KR20110052626A
KR20110052626A KR1020117003357A KR20117003357A KR20110052626A KR 20110052626 A KR20110052626 A KR 20110052626A KR 1020117003357 A KR1020117003357 A KR 1020117003357A KR 20117003357 A KR20117003357 A KR 20117003357A KR 20110052626 A KR20110052626 A KR 20110052626A
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윌리엄 에이. 버뱅크
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인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드
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Abstract

소작 기구는 기구의 집게부와의 활주식 전기적 연결을 제공하는 브러쉬-타입 접촉부를 포함한다. 분리를 제공하기 위해서 집게부는 절연 재료로 제조된 클레비스의 공동 내에 단부를 가질 수 있다. 비-전도성 구동 케이블은 집게부에 대한 케이블의 미끄러짐을 방지하거나 방해하는 고 마찰 경로를 사용하여 집게부에 부착될 수 있다.

Description

양극 소작 기구{BIPOLAR CAUTERY INSTRUMENT}
관련 출원 참조
본 특허 서류는 함께 제출된 미국 특허출원 발명의 명칭 "단단한 표면 케이블 채널을 가진 4-케이블 리스트", 대리인 사건번호 No. ISRG01630US 및 함께 제출된 미국 특허출원 발명의 명칭 "4-케이블 리스트용 백엔드 메커니즘", 대리인 사건번호 No. ISRG01650US와 관련되며, 이들을 참고로 포함한다.
최소 침습 의료 과정에서는 주로 로봇 제어식 수술 기구가 사용된다. 이러한 기구의 한 구조는 확장부의 원단부에서 리스트 메커니즘(wrist mechanism) 상에 장착된 겸자와 같은 도구 또는 작동체(effector), 절단 도구, 또는 소작 도구를 포함하며, 때로 확장부는 본원에서 기구의 메인 튜브라고도 언급된다. 의료 과정 동안 메인 튜브의 원단부와 작동체가 환자의 작은 절개부위나 원래 있는 구멍으로 삽입되고, 작동체가 환자 안의 작업 부위에 위치될 수 있다. 다음에, 작업 부위에서 원하는 과정을 수행할 때 리스트 메커니즘을 사용하여 작동체를 움직이고 작동시킬 수 있다. 기구의 메인 튜브를 통해 연장되는 케이블 또는 유사 구조가 리스트 메커니즘을 트랜스미션에 연결할 수 있으며, 때로 트랜스미션은 본원에서 백엔드 메커니즘(backend mechanism)이라고도 언급된다. 작동체와 리스트 메커니즘의 로봇 제어를 위해 백엔드 메커니즘은 모터에 의해 구동되고, 프로세싱 시스템을 사용하여 의사에게 사용자 인터페이스를 제공함으로써 기구를 제어할 수 있다.
리스트 메커니즘은 일반적으로 작동체의 움직임에 특정 자유도를 제공한다. 예를 들어, 겸자 또는 그 밖의 파지 도구에서, 리스트는 작동체의 피치(pitch), 편주(yaw), 및 그립(grip)을 변화시킬 수 있다. 리스트를 통해 더 높은 자유도도 실행될 수 있지만, 리스트에서 3의 자유도를 실행하고, 메인 튜브의 움직임을 통해서 횡전(roll) 또는 삽입/인출과 같은 다른 자유도를 실행함으로써 의료 과정을 수행하는데 필요한 동작을 제공하는 것이 일반적이다.
로봇 제어식 의료 기구에서 리스트 메커니즘의 종래 구조는 케이블을 사용하여 리스트 메커니즘의 캡스턴(capstan)을 터닝(turning)시키고, 이로써 리스트 메커니즘에서 캡스턴과 연결된 부분이 회전된다. 예를 들어, 리스트 메커니즘은 피치 축, 편주 축, 또는 그립 축 주위를 회전하는 용의 3개의 캡스턴을 포함할 수 있다. 각 캡스턴은, 한쪽에서는 케이블을 내보내고 다른 쪽에서는 같은 길이만큼 케이블을 끌어당기도록 캡스턴에 부착된 2개의 케이블을 사용하여 제어될 수 있다. 이 구조에서는 리스트 메커니즘에서부터 메인 튜브의 길이를 따라 뒤로 기구의 백엔드 메커니즘까지 연장된 총 6개의 케이블에 3의 자유도가 요구된다. 리스트 메커니즘의 전 동작 범위에서 케이블의 장력을 유지하고, 다른 회전 축에 대한 한 회전 축의 상호작용(또는 결합 효과)을 최소화하기 위해서는 케이블들의 경로가 리트스 메커니즘을 통해 주의 깊게 정해져야 하기 때문에 리스트 메커니즘의 효과적인 실행이 복잡해질 수 있다. 또한, 케이블 마찰을 줄이기 위해서 일반적으로 도르래가 필요한데, 도르래를 사용하면 기구 수명이 연장되고, 리스트 메커니즘의 케이블이나 다른 구조들에 과도한 힘을 가하지 않고 작동시키는 것이 가능하다. 소작 기구를 사용하려면 가동 작동체로 전기적인 힘을 보내야 하므로 소작 도구는 리스트를 가진 기구를 더욱 복잡하게 만든다. 예를 들어, 양극 소작 도구에는 반대 극성 전압의 전달, 컨덕터가 움직일 수 있는 공간, 및 효과적인 전기 전압 절연이 필요하다.
리스트 메커니즘은 소수의 케이블로 작동될 수 있는 것이 바람직하며, 그럼으로써 기구의 소형화가 용이해지고 비용이 감소된다. 제조 비용을 줄이기 위해서는 리스트 메커니즘의 부품 수를 줄이는 것이 바람직하다. 또한, 리스트 메커니즘은 소작 기구에 적합한 전기적 분리를 허용해야 하고, 효과적인 백엔드 메커니즘을 가져야 한다.
본 발명의 한 양태에 따라서, 최소 침습 의료 과정에 적합한 기구는 리스트 메커니즘에서부터 기구의 메인 튜브를 통해 백엔드 메커니즘까지 연장된 단지 4개의 케이블을 사용하여 작동체의 피치, 편주, 및 그립을 제어할 수 있는 리스트 메커니즘을 가진다. 본 발명의 다른 양태에 따라서, 백엔드 메커니즘이 4개의 케이블을 작동체의 피치, 편주, 및 그립을 집합적으로 제어하는 3개의 모터-구동 메커니즘에 연결한다. 한 구체예에서, 작동체는 작동체의 가동 부품과의 전기적 연결에 브러쉬 타입 또는 활주 방식 접촉부를 채용한 양극 소작 도구이다.
본 발명의 한 특정 구체예는 집게부(jaw), 컨덕터, 및 접촉부를 포함하는 소작 기구이다. 집게부는 회전 가능하게 장착되고, 전기 컨덕터 상의 접촉부가 집게부의 표면과 전기적으로 접촉되며, 집게부가 회전할 때 그 표면 위를 활주한다. 집게부의 회전은 집게부를 통과하는 고 마찰 경로를 따르는 비-전도성 케이블을 사용하여 제어될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구체예는 로봇 제어 시스템에 설치될 수 있는 백엔드 메커니즘을 포함하는 의료 기구이다. 메인 튜브가 백엔드 메커니즘에서부터 연장되고, 절연 재료로 제조된 클레비스(clevis)가 메인 튜브의 원단부에 회전 가능하게 장착된다. 집게부가 클레비스의 핀(pin) 주위를 회전하도록 연결된다. 집게부에 전기적인 힘을 제공하기 위해서 메인 튜브를 통해 연장된 컨덕터의 단부에 있는 제 1 접촉부가 집게부 중 하나의 표면과 전기적으로 접촉되고, 집게부가 회전할 때 그 표면 위를 활주한다.
본 발명의 또 다른 구체예는 의료 기구의 작동체에 전기적 에너지를 인가하기 위한 방법이다. 상기 방법은 작동체의 전도성 구성요소의 표면에 대해 접촉부를 누르는 단계, 및 의료 과정 동안 이 구성요소를 움직이는 단계를 포함한다. 구성요소를 움직임으로써 제 1 접촉부가 제 1 표면 위를 활주하게 된다. 그러나, 상기 방법은 접촉부를 통해 구성요소에 전기적 신호를 적용할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 의료 기구를 채용한 로봇 제어식 시스템을 도시한다.
도 2a, 2b 및 2c는 한 쌍의 클레비스와 클레비스에 일체화된 가이드 표면 위를 활주하는 4개의 구동 케이블을 사용하는 본 발명의 한 구체예에 따른 리스트 메커니즘을 도시한다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 다른 구체예에 따른 고 마찰 경로를 사용하여 부착된 케이블을 가진 집게부를 도시한다.
도 4a는 본 발명의 한 구체예에 따른 리스트 메커니즘의 피치, 편주, 및 그립에 변화를 일으키는 4개의 구동 케이블의 움직임을 도시한다.
도 4b는 도 4a의 케이블 움직임을 사용하여 작동시켰을 때 도 2a, 2b 및 2c의 리스트 메커니즘의 피벗 축들을 나타낸 투시도를 도시한다.
도 5a 및 5b는 기어 및 레버를 사용하여 구동 케이블을 움직이는 본 발명의 한 구체예에 따른 백엔드 메커니즘의 분해도 및 단면도를 각각 도시한다.
도 6은 도르래, 캡스턴, 및 기어를 사용하여 구동 케이블을 움직이는 본 발명의 한 구체예에 따른 백엔드 메커니즘을 도시한다.
도 7a는 본 발명의 한 구체예에 따른 브러쉬 타입 접촉부를 사용하여 전기적으로 연결되는 양극 소작 기구의 리스트 메커니즘의 단면도이다.
도 7b는 본 발명의 한 구체예에 따른 양극 소작 기구에서 구동 케이블 및 전기 컨덕터용 가이드들의 한 배열을 도시한다.
상이한 도면들에서 사용된 동일한 참조 기호들은 유사한 또는 동일한 항목들을 표시한다.
본 발명의 한 양태에 따라서, 의료 기구용 리스트 메커니즘은 도구 또는 작동체에 3의 자유도(피치, 편주 및 그립)를 제공하고, 단지 4개의 구동 케이블을 사용한다. 리스트 구조는 피치 제어를 위한 피벗 축을 한정하는 근위 클레비스, 및 편주와 그립 제어를 위한 피벗 축을 한정하는 원위 클레비스를 포함한다. 구동 케이블은 클레비스에 일체화된 가이드 채널의 표면 위를 활주하며, 이로써 도르래나 큰 케이블 랩 앵글이 필요치 않게 된다. 특히, 클레비스는 케이블의 반대되는 측면들을 감싸는 일체형 케이블-가이딩 표면을 포함할 수 있고, 케이블-가이딩 표면은 여러 방향으로 구부러질 수 있으며, 이로써 어떤 선행 기술의 리트스 구조에서 요구되었던 큰 케이블 랩 앵글에 대한 필요성이 없어진다. 케이블-가이딩 표면은, 케이블의 탈선을 피하고, 최소 침습 의료 과정 동안 리스트 메커니즘이 삽입되거나 제거될 수 있는 캐뉼라의 직경 속박 내에 케이블이 유지되도록 추가로 구부러지거나 구성될 수 있다. 이 리스트 메커니즘은 적은 수의 케이블이 필요하고 도르래의 공간 요구를 없앰으로써 리스트 메커니즘에 대해 임상적으로 유리한 더 적은 작업 체적이 허용된다는 점; 도르래와 같은 추가 부품에 대한 비용이 제거된다는 점; 그리고 더 큰 케이블 랩 앵글을 갖는 리스트 구조와 비교했을 때 마찰이 감소된다는 점에서 장점을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따라서, 파지를 위해 기구의 집게부들을 함께 끌어당기는 케이블 부분은 더 강성일 수 있는데, 예를 들어 기구의 나머지 케이블보다 더 큰 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 4-케이블 리스트 구조에서, 4개의 케이블 중 2개는 나머지 케이블의 대응하는 부분보다 더 큰 부분을 가질 수 있다. 선택된 케이블의 더 큰 직경은 전체 기구의 크기를 확장하지 않고도 더 큰 파지력의 사용을 허용한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따라서, 리스트 적용된 소작 기구는 브러쉬 또는 유사 활주 방식 접촉부를 사용하여 기구의 집게부와 전기적으로 연결될 수 있다. 양극 기구에서 전압의 전기적 분리를 제공하기 위해서 원위 클레비스가 전기적 절연 재료로 제조될 수 있고, 공통 피벗 축을 공유하는 반대 극성의 집게부들 사이에 격리판이 제공될 수 있다. 추가로, 비-전도성 부분을 가진 케이블이 고 마찰 경로를 사용하여 집게부에 부착될 수 있다. 고 마찰 경로를 사용함으로써 기구 조립체가 간단해질 수 있으며, 비-전도성 케이블 재료에 잘 부착되지 않는 크림프(crimp) 또는 유사 구조를 채용해야 할 필요성이 없어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따라서, 리스트 메커니즘의 4개 구동 케이블이 백엔드 메커니즘의 3개의 모터-구동 축에 연결된다. 백엔드 메커니즘과 리스트 메커니즘의 협력 작업에 의해 작동체의 피치, 편주, 및 그립의 로봇 제어가 달성된다. 백엔드 메커니즘의 한 구체예는 2개의 캡스턴을 사용하며, 각 캡스턴은 캡스턴 주위를 감싼 2개의 케이블을 가지고, 캡스턴의 회전에 의해서 한 케이블은 어떤 길이만큼 끌어 당겨지고 다른 케이블은 내보내 지며, 2의 로봇 모터-구동 자유도가 캡스턴을 구동시킨다. 한 세트의 도르래를 통해 케이블의 경로를 정함으로써 제 3의 자유도가 달성되고, 이 경우 도르래 세트는 제 3의 로봇 모터-구동 자유도에 비례하여 그룹으로서 움직이도록 구성된다. 도르래 그룹의 동작은 나머지 캡스턴으로부터 떨어져서 지배적으로 한 캡스턴을 향하며, 이것은 한 캡스턴 케이블 쌍은 연장하거나 내보내고, 나머지 케이블 쌍은 단축시키거나 끌어당기는 효과를 가진다.
백엔드 메커니즘의 다른 구체예는 각 레버의 단부에 부착된 둘 이상의 구동 케이블을 가진다. 기어 메커니즘이 케이블 부착점의 반대쪽 레버 단부를 움직이거나, 또는 레버의 각 피벗을 움직임으로써 케이블을 움직일 수 있다. 레버의 피벗들이 적절히 배열된 상태에서, 어떤 한 케이블의 동작은 나머지 케이블들 중 하나 이상의 반대쪽으로의 동일한 동작과 짝지어질 수 있으며, 케이블 연결은 기구가 로봇 제어 시스템으로부터 분리될 때 가능한 동작을 포함해서 모든 리스트 동작 동안 케이블 장력이 유지되도록 보장할 수 있다. 레버는 일반적으로 기구의 길이를 따라 케이블을 끌어당긴다. 이런 거의 선형 동작은 또한 케이블을 스트랜디드 케이블(stranded cable)보다 저렴한 단단한 막대 또는 튜브로 대체할 수 있게끔 한다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 의료 기구를 사용할 수 있는 로봇 제어식 시스템(100)의 한 예를 도시한다. 시스템(100)은 로봇 암(130) 상의 도킹 포트에 각각 장착된 다수의 의료 기구(150)를 포함하며, Intuitive Surgical, Inc로부터 입수가능한 da Vinci® Surgical System이 시스템의 예이다. 기구(150)는 교체될 수 있고, 이로써 특정 의료 과정에 맞춰 암(130)에 장착되는 기구(150)를 선택하거나, 또는 필요한 임상 기능을 제공하기 위해 의료 과정 동안 기구(150)를 교환할 수 있다. 본 분야에 잘 알려진 대로, 기구(150)는 많은 기능을 수행할 수 있으며, 제한은 아니지만, 겸자 또는 그래스퍼, 니들 드라이버, 및 여러 상이한 모양과 크기의 가위들을 포함한다. 본 발명의 한 양태에 따라서, 기구(150)는 양극 소작 기구일 수 있다.
도킹 포트는 일반적으로 구동 모터를 포함하고, 이것이 기구(150)의 작동을 위한 기계적인 힘을 제공한다. 도킹 포트는 추가로 기구(150)와의 통신을 위한 전기적 인터페이스를 포함할 수 있으며, 이로써 예를 들어 도킹 포트에 있는 기구의 종류를 확인하고 그 기구의 매개변수들을 액세스할 수 있다. 또한, 전기적 인터페이스는 조직 임피던스 측정값과 같은 측정값을 전달할 수 있으며, 이로써 예를 들어 봉합 작업의 매개변수를 결정할 수 있다. 소작 또는 봉합 기구에 알맞은 제너레이터와 같은 고 전압 전기 시스템(도시하지 않음)이 전형적으로 별도의 커넥터를 통해 기구(150)에 연결될 수 있거나, 또는 달리 제어 시스템(100)의 빌트인 회로를 통해 제공될 수도 있다.
각 기구(150)는 일반적으로 트랜스미션 또는 백엔드 메커니즘(120), 백엔드 메커니즘(120)에서부터 연장된 메인 튜브(110), 및 메인 튜브(110)의 원단부에 있는 리스트 메커니즘(200)을 포함한다. 기구(150)의 리스트 메커니즘(200)에 연결되는 구동 케이블과 전기 컨덕터는 메인 튜브(110)를 통해 연장되어 백엔드 메커니즘(120)에 연결될 수 있다. 백엔드 메커니즘(120)은 전형적으로 제어 시스템(100)의 구동 모터에 의해 제공되는 모터-구동 축과 구동 케이블의 기계적 결합을 제공한다. 따라서, 제어 시스템(100)은 필요에 따라 구동 케이블의 움직임과 장력을 제어하여 리스트 메커니즘(200)을 위치시키고, 배향시키고, 작동시킬 수 있다. 시스템(100)의 프로세싱 시스템(140)은 암(130)의 조종을 가능하게 하는 사용자 인터페이스를 의사나 그 밖의 수술실 요원들에게 제공할 수 있다. 예를 들어, 암(130)을 사용하여 의료 과정을 받고 있는 환자의 작은 절개부위로 캐뉼러를 통해서 의료 기구(150)의 끝을 삽입할 수 있고, 환자 안의 작업 부위에서 리스트 메커니즘(200)을 작동시킬 수 있다. 따라서, 리트스 메커니즘(200)과 메인 튜브(110)의 직경은 기구와 함께 사용되는 캐뉼러의 크기에 따라서 선택될 수 있다. 전형적인 구체예에서, 리스트 메커니즘(200)과 메인 튜브(110)는 어떤 기존 캐뉼러 시스템의 크기와 일치되는 약 5mm 또는 약 8mm의 직경이다.
메인 튜브(110)는 중공형이며, 백엔드 메커니즘(120)에서부터 리스트 메커니즘(200)까지 이어지는 구동 케이블과 전기 컨덕터를 둘 다 함유할 수 있다. 메인 튜브(110)는 강성이거나 유연할 수 있다. 유연한 메인 튜브(100)는, 예를 들어 원래 있는 내강이나 곡선 경로를 따라 내시경 또는 다른 가이드 또는 캐뉼러를 통해서 삽입할 때 사용된다. 그러나, 복강경 수술과 같은 흔한 종류의 많은 초기 침습적 의료 과정에서는 기구의 삽입과 제거에 직선 캐뉼러를 사용하므로 강성 메인 튜브(110)도 사용될 수 있다. 강성 메인 튜브(110)는 의료 과정 동안 리스트 메커니즘(200)의 사용에 더욱 단단한 기반을 제공할 수 있다. 또한, 강성 직선 메인 튜브(110)에서는 메인 튜브(110)를 통해 연장되는 구동 케이블 부분들을 잘 늘어나지 않는, 또는 더 저렴할 수 있는 막대 또는 튜브(예를 들어, 하이포튜브)와 같은 구조로 할 수 있다.
도 2a, 2b 및 2c는 본 발명의 한 구체예에 따른 리스트 메커니즘(200)의 3개의 도면을 나타낸다. 도 2a에 도시된 대로, 리스트 메커니즘(200)은 근위 클레비스(220), 원위 클레비스(230), 및 작동체(240)를 포함한다. 작동체(240)는 집게부(242 및 244)를 포함하며, 이들은 각각 원형 허브에 부착된 그립 부분을 가진다. 케이블(251, 252, 253 및 254)이 작동체(240)에 부착되고, 작동체(240), 원위 클레비스(230), 및 근위 클레비스(220)의 가이드 채널의 단단한 표면을 따라 연장되고, 거기서부터 메인 튜브(110)를 통해 백엔드 메커니즘(예를 들어, 도 1의 백엔드 메커니즘(120))까지 뒤로 연장된다. 적은 부품 수의 리스트 메커니즘(200)과 소수의 구동 케이블(251, 252, 253 및 254)이 채용되므로 리스트 메커니즘(200)과 메인 튜브(100)의 직경을 작게 할 수 있다. 추가로, 적은 부품 수는 일회용 도구, 즉 다음번 사용을 위해 멸균해야 하는 도구 대신에 한 번의 의료 과정 후 폐기되는 도구에서 리스트 메커니즘의 비용 효과적인 사용을 가능하게 한다.
도 2b의 리스트 메커니즘(200)의 부분 컷어웨이 도면은 근위 클레비스(220)가 메인 튜브(110) 쪽으로 연장되어 메인 튜브(110)에 부착되는 방식을 나타낸다. 근위 클레비스(220)의 핀(225)에 의해 원위 클레비스(230)가 근위 클레비스(220)에 부착되고, 원위 클레비스(230)는 핀(225)에 의해서 한정되는 피벗 축(본원에서 피치 축이라고도 언급된다) 주위를 회전할 수 있게 된다. 근위 클레비스(220)는 케이블(251, 252, 253 및 254)용 가이드 채널(222)을 포함하고, 가이드 채널(222)의 개구(224)가 케이블(251, 252, 253 및 254)의 동작 범위를 제공하여 근위 클레비스 (230)의 가이드 채널(232) 쪽으로 케이블(251, 252, 253 및 254)을 보낸다. 전형적인 구체예에서, 가이드 채널(222)의 개구(224)는 핀(225)과 평행한 방향으로는 좁아서 케이블(251, 252, 253 및 254)을 원위 클레비스(230)의 각 가이드 채널(232) 쪽으로 보내고, 핀(225)에 수직인 방향으로는 펼쳐져서 리스트 메커니즘(200)이 원위 클레비스(230)에 제공하는 피치 각 범위에 걸쳐 케이블 마찰이 낮게 유지된다. 유사하게, 근위 클레비스(220)에 가장 가까이 있는 가이드 채널(232)의 개구(234)는 피치 축과 핀(225)에 평행한 방향으로는 좁지만, 핀(225)에 수직인 방향으로는 펼쳐져서 피치 회전을 수용하고 케이블(251, 252, 253 및 254)이 끼는 것이 방지된다.
원위 클레비스(230)의 가이드 채널(232)이 핀(225) 주위의 반경을 한정하고, 핀(225) 주위를, 즉 피치 축 주위를 원위 클레비스(230)가 회전할 때 케이블(251, 252, 253 및 254)이 원위 클레비스(230) 상에서 작용한다. 케이블에 의해서 적용되는 토크의 모멘트 암이 리스트 메커니즘(200)의 피치 동작 전 범위에서 일정하도록 하기 위해서 가이드 채널(232)은 대략 원호 모양 표면을 가진다. 원위 클레비스(230)가 도 2c에 도시된 위치에 있을 때, 케이블(253)은 핀(225)의 피치 축 주위의 원호에 대(對)하는 하부 가이드 표면에 기대인 부분을 가지며, 피치 축과 가이드 채널(232)의 하부 표면상의 케이블(253)의 접촉 지점 간의 거리가 케이블(253)을 통해 적용되는 토크의 모멘트 암이다. 도 2c의 도면에서, 원위 클레비스(230)는 백엔드 메커니즘이 케이블(253)을 끌어당길 때 시계 방향으로 회전한다. 시계 방향 회전이 도시된 위치에서부터 계속될 경우, 케이블(253)은 표면에 남아서 원위 클레비스(230)가 그것의 동작 범위 한계에 도달할 때까지 일정한 모멘트 암에서 작용한다. 또한, 전체 동작을 통해서, 원위 클레비스(230)가 회전함에 따라 원호인 가이드 채널(232)의 표면은 끌어 당겨지고, 케이블은 동일한 길이만큼 내보내 져서 케이블 슬랙(slack)이 방지된다.
도 2c에서 원위 클레비스(230)의 단면은 가이드 채널(232)이 원위 클레비스 (230)를 통해 연장되어 케이블(251, 252, 253 및 254)을 작동체(240)의 집게부(242 및 244)에 일체화된 원형 가이드 채널(246) 쪽으로 보내는 방식을 더 도시한다. 특히, 4개의 가이드 채널(232)은 원위 클레비스(230)를 통해 4개의 케이블(251, 252, 253 및 254)을 위한 터널을 만든다. 작동체(240)에 가장 가까이 있는 가이드 채널 (232)의 개구(236)는 케이블(251, 252, 253 및 254)을 집게부(242 및 244)의 각 가이드 채널(246) 쪽으로 보낸다.
원위 클레비스(230)의 핀(235)은 핀(225)에 수직이고, 집게부 전체 또는 각 집게부(242 및 244)인 작동체(240)의 피벗 축을 한정하며, 피벗 축은 본원에서 편주 축 또는 그립 축이라고도 언급된다(편주 축과 그립 축은 리스트 메커니즘(200)에서 일치한다). 집게부(242 및 244)의 가이드 채널(246)은 원형이며, 핀(235)에 중심이 있어서, 집게부(242 및 244)를 회전시킬 때나 집게부(242 및 244)의 파지력을 유지할 때 케이블(251, 252, 253 및 254)이 집게부(242 및 244)에 적용하는 토크의 모멘트 암이 된다. 집게부(242 및 244)의 작용은 집게부(242 및 244)의 작업 첨단부에 좌우되므로 본원에서 용어 파지는 일반적인 의미로 사용된다. 도 2a, 2b 및 2c에 도시된 구체예에서, 집게부(242 및 244)의 작업 첨단부는 파지를 위한 표면을 가지며, 예를 들어 겸자 또는 소작기 용도에 사용될 수 있다. 또는 달리, 집게부(242 및 244)를 닫는 "파지"는 절단 작용일 수 있으며, 이 경우 집게부(243 및 244)의 첨단부는 칼날이고, 서로 협동하여 가위처럼 절단한다. 이와 같이 파지는 작동체(240)의 성질에 따라서 상이한 기능을 수행할 수 있다.
리스트 메커니즘(200)을 통한 케이블(251, 252, 253 및 254)의 경로는 도르래를 채용하지 않는다. 도르래 대신에, 리스트 메커니즘(200)이 클레비스(220 및 230)와 일체화된 단단한 표면(즉, 가이드 채널(222 및 232)의 표면)을 사용하여 상기 설명된 대로 케이블(251, 252, 253 및 254)을 가이드한다. 어떤 지점들에서 가이드 표면은 케이블의 반대되는 측면들을 감싼다. 예를 들어, 도 2c에 도시된 대로 케이블(253)의 윗면과 바닥면이 케이블(253)의 곡률이 변하는 변곡점에서 가이드 표면(232)과 접촉한다. 또한, 단단한 가이드 표면은 구부러지며, 이로써 큰 케이블 랩 앵글에 대한 필요성이 없어지고, 고정된 케이블 반경 또는 모멘트 암이 유지된다. 일부 선행 기술의 리스트 메커니즘에서는 전 동작 범위에서 피벗 축 주위에 일정한 케이블 반경을 유지하기 위해서 큰 랩 앵글이 요구되었다. 추가로, 가이드 채널(222 및 232)의 표면은 케이블(251, 252, 253 및 254)을 보유하고(또는 탈선을 방지하고), 최소 침습 의료 과정 동안 리스트 메커니즘(200)이 통과하는 캐뉼러의 직경 속박 내에 케이블(251, 252, 253 및 254)을 유지하기 위한 모양을 가질 수 있다.
가이딩 케이블(251, 252, 253 및 254)은 큰 케이블 랩 앵글을 갖는 리스트 메커니즘과 비교했을 때 더 적은 마찰을 경험한다. 또한, 원위 클레비스(230) 및 다른 곳에 대한 케이블(251, 252, 253 및 254)의 마찰도 사용된 재료의 선택을 통해 감소될 수 있다. 특히, 원위 클레비스(230)는 케이블(251, 252, 253 및 254)의 재료에 대해 적은 마찰을 제공하는 플라스틱으로 제조될 수 있다. 추가로, 어떤 구체예에서, 케이블(251, 252, 253 및 254)은 마찰을 저하시키는 더 매끄러운 케이블 표면을 제공하도록 스웨지(swage)될 수 있는 스트랜디드 금속 케이블 부분을 포함한다. 감소된 케이블 마찰로 인해 임상적으로 허용되는 힘, 토크, 및 리스트 메커니즘(200) 동작의 정밀성과 충실성을 유지하는 동안 도르래가 필요하지 않게 된다. 도르래를 사용하지 않음으로써 리스트 메커니즘(200)에 대한 공간 요구가 감소되고, 이로써 리스트 메커니즘(200)은 임상적으로 유리한 더 작은 작업 체적을 가질 수 있게 된다. 또한, 도르래의 제거는 비용을 감소시킨다.
케이블(251, 및 252)은 작동체(240)의 집게부(242)에 부착되고, 케이블(253, 및 254)은 작동체(240)의 집게부(244)에 부착된다. 집게부(242)에 케이블(251 및 252)이 부착됨으로써 한 케이블(251 또는 252)은 어떤 길이만큼 끌어 당겨지고 다른 케이블(252 또는 251)은 동일한 길이만큼 내보내 져서, 집게부(242)가 핀(235) 주위를 회전하게 된다. 유사하게, 집게부(244)에 케이블(253 및 254)이 부착됨으로써 한 케이블(253 또는 254)은 어떤 길이만큼 끌어 당겨지고 다른 케이블(254 또는 253)은 동일한 길이만큼 내보내 져서, 집게부(244)가 핀(235) 주위를 회전하게 된다. 케이블(251, 252, 253 및 254)의 부착을 위해 여러 기술이 채용될 수 있다. 예를 들어, 전형적인 부착에서, 케이블(251 및 252)(또는 케이블(253 및 254))은 집게부(242)(또는 244)에서 가이드 채널(246)이 한정하는 핀(235) 주위의 원호 주변으로 연장된 케이블 루프의 반대되는 단부 부분들이며, 부착은 루프 위에서 매듭지어 묶거나 크림프로 고정하여 이루어질 수 있고, 가이드 채널(246)의 메칭 노치(도시하지 않음)에 설치될 수 있다. 그러나, 일부 케이블 재료, 예를 들어 비-전도성 케이블 재료에 크림프를 신뢰성 있게 부착하는 것은 어려울 수 있다. 크림프 사용을 피하기 위해서 케이블 루프를 집게부(242 또는 244)에서 고 마찰 경로를 통해 종결할 수 있으며, 이 경우 마찰에 의해서 케이블(251, 252, 253 및 254)이 집게부(242 또는 244)에 대해 미끄러지는 것이 방지된다.
도 3a는 케이블(251 및 252)과 마찬가지로 메인 튜브(110) 쪽으로 뒤로 연장된 부분을 가진 케이블 루프(250)에 부착된 집게부(242A)를 도시한다. 루프(250)는 집게부(242A)의 가이드 채널(246)의 원호를 따라 고 마찰 경로(248A) 쪽으로 연장되고, 가이드 채널(246)의 다른 원호를 따라 다시 뒤로 연장된다. 경로(248A)는 실질적으로 가이드 채널(246)과 같은 평면에 있으며, 다수의 예리한 굴곡부를 포함한다. 경로(248A)의 굴곡부에서 집게부(242A)의 표면과 케이블 루프(250) 사이의 접촉에 의해 케이블(250)의 활주를 방지하거나 저지하는 마찰이 생기고, 각 굴곡부는 마찰력을 증가시켜 풀아웃(pull out)에 대항해 케이블 루프(250)가 보유되도록 작용한다. 케이블 루프(250)에는 크림프가 부착되지 않는다.
도 3b는 다른 방식의 고 마찰 경로(248B)를 이용하는 집게부(242B)를 도시하며, 여기서는 케이블 루프(250)가 집게부(242B)의 몇 개 구멍을 통해서 실처럼 빠져나간다. 케이블 루프(248B)의 굴곡부에서(케이블 루프(250)가 집게부(242B)를 통해 지나가는 위치를 포함해서) 케이블 루프(250)와 집게부(242B)의 접촉에 의해 케이블 루프(250)의 활주를 저지하거나 방지하는 마찰이 생긴다. 따라서, 케이블 루프(250)와 집게부(242B)의 부착에 크림프가 필요하지 않다. 고 마찰 경로(248B)를 사용한 리스트 메커니즘 조립체에서는 집게부(242B)의 구멍을 통해 케이블이 실처럼 빠져나가야 하며, 일단 빠져나간 후에는 케이블 루프(250)가 집게부(242B)에 단단히 보유되는데, 이것은 도 3b의 고 마찰 경로(248B)를 사용한 리스트 조립체를 도 3a의 고 마찰 경로(248A)를 이용한 리스트 조립체보다 더 간단하게 할 수 있다.
크림프를 사용하지 않는 집게부 부착은 크림프의 공간 요구 및 크림프 사용과 관련된 비용을 없앤다. 또, 크림프를 사용하지 않는 부착은 크림프 사용이 문제를 일으킬 수 있는 일부 케이블 재료(예를 들어, 비-금속성 케이블)에 유리하다. 하기 더 설명된 대로, 비-금속성 케이블은 소작 기구에서 전기 절연체로서 유용할 수 있다. 전기적 절연이 필요하지 않은 기구에서도 비-금속성 케이블은 리스트 메커니즘의 맞물리는 표면에 대해 감소된 마찰, 마모 및 미립자 발생을 제공할 수 있다.
상기 설명된 리스트 메커니즘(200)의 피치, 편주, 또는 그립의 변화에는 일반적으로 4개의 케이블(251, 252, 253 및 254)에 각각 적용되는 움직임 또는 작용이 필요하다. 도 4a는 리스트 메커니즘(200)의 단순화된 도면을 나타내며, 집게부 (242 및 244)의 피치, 편주, 및 그립을 변화시키는 과정을 도시한다. 도시된 과정은 일반적으로 어떤 바람직한 조합으로 한번에 또는 동시에 수행될 수 있으며, 이로써 메커니즘(200)의 피치, 편주, 및 그립이 변화될 수 있다. 도 4b는 리스트 메커니즘(200)을 더 상세히 나타낸 것으로서, 리스트 메커니즘(200)의 회전 축을 도시하며, 여기서는 도 4a와 동시에 설명된다.
피치 축 회전부, 즉 도 4b의 회전부(425)는 핀(225)에 의해 한정된 피치 축 주위에서 원위 클레비스(230)를 회전시킨다. 피치 축 주위를 시계 방향 회전할 경우, 백엔드 메커니즘(도시하지 않음)이 케이블(253 및 254)을 동일한 길이만큼 끌어당기고, 케이블(251 및 252)은 같은 길이만큼 내보낸다. 케이블(253 및 254)은 원위 클레비스(230)를 통해 케이블(253 및 254)의 가이드 채널에 의해 한정된 모멘트 암에서 원위 클레비스(230)에 힘을 적용한다. 유사하게, 피치 축 주위를 클레비스(230)가 반시계 방향으로 회전할 경우, 백엔드 메커니즘은 케이블(251 및 252)을 동일한 길이만큼 끌어당기고, 케이블(253 및 254)은 같은 길이만큼 내보낸다.
편주 회전부, 즉 도 4b의 회전부(435)는 동일한 각만큼 동일한 방향으로 회전하는 두 집게부(242 및 244)에 대응한다. 특히, 백엔드 메커니즘이 케이블(252)을 어떤 길이만큼 끌어당기고, 케이블(251)은 동일한 길이만큼 내보냄으로써 집게부(242)가 핀(235) 축 주위를 시계 방향으로 회전한다. 이 회전에서, 집게부(242)의 가이드 채널이 모멘트 암을 한정하고, 여기서 케이블(252)에 의해 집게부(242)에 힘이 적용되며, 결과의 토크가 집게부(242)을 시계 방향으로 회전시키는 한편, 케이블(251 및 252)은 원위 클레비스(230)의 가이드 채널의 단단한 표면 위를 활주하게 된다. 만일 동시에 백엔드 메커니즘이 케이블(254)을 어떤 길이만큼 끌어당기고 케이블(253)은 동일한 길이만큼 내보낸다면, 집게부(242)가 회전하는 각과 동일한 각만큼 집게부(244)가 시계 방향으로 회전할 것이다. 따라서, 집게부(242 및 244)는 서로에 대해 자신의 위치를 유지하며, 편주 각만큼 유닛으로서 회전한다. 백엔드 메커니즘이 케이블(251 및 253)을 동일한 길이만큼 끌어당기고, 케이블(252 및 254)은 같은 길이만큼 내보낼 때, 집게부(242 및 244)를 포함하는 작동체의 반시계 방향 회전도 유사하게 달성된다.
그립 회전부, 즉 도 4b의 회전부(445)는 동일한 양만큼 반대 방향으로 집게부(242 및 244)를 회전시킴으로써 달성된다. 집게부(242 및 244)의 그립을 열기 위해서 백엔드 메커니즘이 케이블(251 및 254)을 동일한 길이만큼 끌어당기고 케이블(252 및 253)은 같은 길이만큼 내보내서 집게부(242 및 244)를 서로로부터 멀리 반대 방향으로 회전시킨다. 집게부(242 및 244)의 그립을 닫기 위해서 백엔드 메커니즘은 케이블(252 및 253)을 동일한 길이만큼 끌어당기고 케이블(251 및 254)은 같은 길이만큼 내보내서 집게부(242 및 244)를 서로를 향해 반대 방향으로 회전시킨다. 집게부(242 및 244)의 정면이 접촉되면, 케이블(252 및 253)의 장력이 케이블(251 및 254)의 장력보다 더 크게 유지되어 파지력이 유지될 수 있다.
도 4a는 파지에 사용되는 더 높은 또는 유지된 장력을 수용하기 위해서 케이블(252 및 253)의 부분(452 및 453)이 각각 케이블(251 및 254)의 대응 부분보다 더 강성이거나 더 두껍게 제조될 수 있음을 도시한다. 이것은 케이블(252 또는 253)에 대응하는 케이블 루프의 단부를 더 무거운 금속과 융합시킴으로써 달성될 수 있다. 본 발명의 전형적인 구체예에서, 케이블(251, 252, 253 및 254)에서 케이블이 움직이는 동안 더 많이 구부러지는 부분은 스트랜디드 금속 케이블과 같은 유연한 재료로 제조될 수 있다. 어떤 구체예에서, 각 케이블의 상대적으로 직선인 부분(예를 들어, 메인 튜브를 통해 뒤로 연장되는 부분)은 비용 면과 잘 늘어나지 않는다는 점에서 이점을 갖는 하이포튜브 또는 유사 구조와 같은 덜 유연한 재료로 제조될 수 있고, 이러한 구체예에서 케이블(252 및 253)의 부분(452 및 453)에 더 큰 하이포튜브가 사용될 수 있다. 이와 같이, 4개의 구동 케이블(251, 252, 253 및 254)의 각각의 유효 강성이 임상 성능의 개선을 위해서 유리하게 제어될 수 있다. 특히, 집게부(242 및 244)를 닫는 구동 케이블(252 및 253)의 유효 강성은 집게부(242 및 244)를 여는 구동 케이블(251 및 252)의 강성보다 크다. 이런 배열은 케이블 슬랙을 최소화하여 리스트 메커니즘(200)의 동작 충실성을 개선한다. 재료, 직경 및 길이(예를 들어, 부분(452 및 453)의)를 제어하여 강성에 원하는 영향을 미칠 수 있다. 케이블(251 및 254)에 대형 구조가 사용되지 않으므로 비용과 공간이 절약된다.
도 5a는 리스트 메커니즘의 움직임을 제어하기 위해 기어와 레버를 지배적으로 채용한 본 발명의 구체예에 따른 백엔드 메커니즘의 일부분의 분해도를 도시한다. 백엔드 메커니즘(500)의 도시된 부분은 샤시(510), 3개의 구동 샤프트(512, 513 및 514), 3개의 톱니형 구성요소(520, 530 및 540) 및 2개의 레버(550 및 560)을 포함하고, 4개의 구동 케이블(571, 572, 573 및 574)과 결합된다. 구성요소들 (510, 520, 530, 540, 550 및 560)은 각 구성요소에서 요구되는 하중 및 허용력에 따라서 몰딩 또는 기계성형 플라스틱 또는 금속과 같은 어떤 적합한 내구성 재료로 제조될 수 있다. 하기 더 설명된 대로, 케이블(571, 572, 573 및 574)은 케이블(251, 252, 253 및 254)에 대응되고, 도 2a, 2b 및 2c를 참조하여 상기 설명된 종류의 리스트 메커니즘에 연결된다. 그러나, 백엔드 메커니즘(500)은 4개의 케이블과 3개의 모터-구동 축의 연결이 바람직한 어떤 기구에서 더 일반적으로 사용될 수 있다.
샤시(510)는 구동 샤프트(512, 513, 및 514)를 작동시키는 모터를 함유하는 로봇 제어 시스템과의 연결을 위해 선택되는 족문(footprint)을 가질 수 있다. 특히, 샤시(510)는 샤시(510)에 설치될 때 구동 샤프트(512, 513 및 514)가 da Vinci® Surgical System와 같은 로봇 제어 시스템과 맞물려 그에 의해 회전되도록 위치될 수 있는 모양을 가질 수 있다.
구동 샤프트(512)는 톱니형 구성요소(520)의 랙(rack) 부분과 맞물리는 피니언(pinion)으로서 작용한다. 톱니형 구성요소(520)는 케이블(572)에 부착되고, 직선으로 움직여 구동 샤프트(512)가 터닝함에 따라 케이블(572)을 어떤 길이만큼 끌어당기거나 내보낸다. 또한, 톱니형 구성요소(520)는 레버(550)와 접촉하는 조정 스크류(522)를 함유하는 암을 포함한다. 특히, 조정 스크류(522)는 케이블(571)이 레버(550)에 부착된 쪽과 반대되는 단부에서 레버(550)와 접촉된다. 레버(550)의 피벗 포인트 또는 지레 받침점은 하기 더 설명되는 락커 암(rocker arm)으로서 작용하는 톱니형 구성요소(540) 상에 있다. 작동시, 톱니형 구성요소(520)가 움직임에 따라, 조정 스크류(522)가 피벗 포인트 주위에서 레버(550)의 회전을 일으키거나 허용하며, 이로써 레버(550)는 케이블(571)을 끌어당기거나 내보내거나 할 수 있다. 케이블(571)과 레버(550)의 연결부와 레버(500) 상의 조정 스크류(522)의 접촉 지점은 레버(550)의 피벗 포인트로부터 등거리에 있을 수 있고, 이로써 톱니형 구성요소(520)가 케이블(572)을 어떤 길이만큼 끌어당길 때(또는 내보낼 때), 레버(550)는 케이블(571)을 동일한 길이만큼 내보내게 된다(또는 끌어당기게 된다). 조정 스크류(522)는 톱니형 구성요소(520)의 위치에 대한 레버(550)의 배향을 제어함으로써 케이블(571 및 572)의 장력을 조정할 수 있다.
유사하게, 구동 샤프트(513)는 톱니형 구성요소(530)의 랙 부분과 맞물리는 피니언으로서 작용한다. 톱니형 구성요소(530)는 구동 케이블(573)에 부착되고, 직선으로 움직여 구동 샤프트(513)가 터닝함에 따라 케이블(573)을 어떤 길이만큼 끌어당기거나 내보낸다. 또한, 톱니형 구성요소(520)는 케이블(574)이 레버(560)에 부착된 쪽과 반대되는 단부에서 레버(560)와 접촉하는 조정 스크류(532)를 함유하는 암을 포함한다. 레버(560)의 피벗 포인트 또는 지레 받침점은 톱니형 구성요소(540) 상에 있고, 레버(560)의 피벗 포인트로부터 케이블(574)의 연결부까지의 거리는 레버(560)의 피벗 포인트로부터 레버(560) 상의 조정 스크류(532)의 접촉 지점까지의 거리와 동일할 수 있다. 그 결과, 톱니형 구성요소(550)가 케이블 (573)을 어떤 길이만큼 끌어당길 때(또는 내보낼 때), 레버(560)는 케이블(574)을 동일한 길이만큼 내보내게 된다(또는 끌어당기게 된다). 조정 스크류(523)는 톱니형 구성요소(530)의 위치에 대한 레버(560)의 배향을 제어함으로써 케이블(573 및 574)의 장력을 조정할 수 있다.
상기 설명된 과정을 사용하여 리스트 메커니즘의 편주 각 또는 그립이 변화되도록 구동 샤프트(512 및 513)가 작동될 수 있다. 예를 들어, 케이블(571, 572, 573 및 574)이 각각 도 4a의 케이블(251, 252, 253 및 254)에 대응될 때, 동일한 방향 또는 반대 방향으로 동일한 속도로 구동 샤프트(512 및 513)를 터닝시키면 리스트 메커니즘(200)의 그립 또는 편주가 변화될 것이다.
구동 샤프트(514)는 톱니형 구성요소(540)의 내부 섹터 기어 부분과 맞물린다. 톱니형 구성요소(540)는 샤시(510)에 부착된 피벗을 가지며, 이로써 구동 샤프트(514)가 터닝함에 따라 톱니형 구성요소(540)가 피벗(542) 주위를 회전한다. 또한, 톱니형 구성요소(540)는 레버(550 및 560)의 피벗 포인트로서 작용하는 돌출부(도 5a에서는 보이지 않음)를 포함한다. 이들 돌출부는 피벗(542)으로부터 등거리에 위치될 수 있으며, 이로써 톱니형 구성요소(540)가 회전함에 따라 한 개의 피벗은 리스트 메커니즘에 더 가까워지고, 나머지 피벗은 동일한 거리만큼 리트스 메커니즘으로부터 멀어진다. 톱니형 구성요소(520 및 530)가 레버(550 및 560)의 배향을 유지하기 위해 적절한 속도와 방향으로 움직일 경우, 톱니형 구성요소(540)의 회전에 의해 케이블(571 및 572)이 동일한 길이만큼 끌어 당겨지고(또는 내보내 지고), 케이블(573 및 574)은 같은 길이만큼 내보내질 것이다(또는 끌어 당겨질 것이다). 이와 같이, 백엔드 메커니즘(500)을 사용하여 도 4a를 참조하여 상기 설명된 대로 피치 변화를 수행할 수 있으며, 이때 케이블(571, 572, 573 및 574)은 각각 케이블(251, 252, 253 및 254)에 대응되고, 피치 변화 과정은 3개 기어(512, 513 및 514) 전부의 조화된 회전을 필요로 한다. 이러한 조화된 회전은 로봇 제어 시스템의 소프트웨어에서 실행될 수 있다.
도 5b는 도 5a에 도시되지 않은 추가의 구성요소와 함께 조립된 백엔드 메커니즘(500)의 단면도를 도시한다. 도시된 대로, 백엔드 메커니즘(500)은 톱니형 구성요소(520, 530 및 540)와 각각 맞물리는 구동 샤프트(512, 513 및 514)를 포함하고, 백엔드 메커니즘(500)에 결합된 로봇 제어 시스템이 구동 샤프트(512, 513 및 514)를 회전시켜 리스트 메커니즘(도시하지 않음)의 피치, 편주, 및 그립을 제어할 수 있다. 케이블(571, 572, 573 및 574)은 메인 튜브(110)의 원단부에서 리스트 메커니즘(도시하지 않음)에서부터 메인 튜브(110)를 통해 백엔드 메커니즘(500) 쪽으로 연장된다.
메인 튜브(110)는 백엔드 메커니즘(500)에서 나선형 기어(580)에 부착되고, 이것은 개재된 나선형 기어(582)를 통해 구동 샤프트(511)에 결합된다. 제어 시스템에 의해 구동 샤프트(511)가 회전될 때, 나선형 기어(582 및 580)가 메인 튜브 (110)를 회전시키고, 이로써 메인 튜브(110)의 원단부에서 작동체의 롤 각이 변화된다.
또한, 도 5b는 회로판(590)을 도시하는데, 이것은 로봇 제어 시스템과의 전기적 연결을 위해서 백엔드 메커니즘(500)에 포함될 수 있다. 회로판(590)은 기구가 제어 시스템에 연결되었음을 나타내고 및/또는 기구의 적절한 작동을 위해 제어 시스템에 필요할 수 있는 중요한 매개변수들을 제공하는 인식 신호를 제어 시스템에 보내는 메모리 또는 다른 회로를 포함할 수 있다. 작동체의 전기적 구성요소와의 연결, 즉 소작 기구에 에너지를 인가하거나 센서 측정값을 중계하는 것은 회로판(590)에서 이루어질 수 있다. 그러나, 작동체에 에너지를 인가하기 위해서 별도의 전기적 연결이 바람직할 수도 있으며, 특히 고 전압이 필요할 때 그러하다.
또한, 도 5b에 도시된 대로 백엔드 메커니즘(500)은 백엔드 메커니즘(500)의 기계적 및 전기적 구성요소를 밀봉하는 커버(516)를 포함한다. 2개의 레버(518)를 사용하여 로봇 제어 시스템으로부터 백엔드 메커니즘(500)을 분리할 수 있다.
도 5a 및 5b의 어떤 톱니형 구성요소 대신에 도르래와 캡스턴이 백엔드 메커니즘에 사용될 수 있다. 도 6은 케이블, 도르래, 및 캡스턴을 채용한 본 발명의 한 구체예에 따른 백엔드 메커니즘(600)을 도시한다. 백엔드 메커니즘(600)은 샤시(610), 4개의 구동 샤프트(611, 612, 613 및 614), 한 쌍의 캡스턴(620 및 630), 제 1 쌍의 도르래(642)와 제 2 쌍의 도르래(643)가 장착되는 락커 암(640), 나선형 기어(580 및 582), 및 회로판(590)을 포함한다. 리스트 메커니즘(도시하지 않음)에 연결된 4개의 구동 케이블(671, 672, 673 및 674)은 메인 튜브(110)를 통해 백엔드 메커니즘(600) 쪽으로 연장된다. 케이블(671, 672, 673 및 674)은 각각 도 2a, 2b 및 2c의 리스트 메커니즘(200)에 연결된 케이블(251, 252, 253 및 254)에 대응된다. 그러나, 백엔드 메커니즘(600)은 4개의 케이블과 3개의 모터-구동 축의 연결이 바람직한 어떤 기구에서 더 일반적으로 사용될 수 있다.
샤시(610)의 모양은 일반적으로 로봇 제어 시스템 상의 장착에 대응하는 족문을 가지도록 선택된다. 따라서, 백엔드 메커니즘은 제어 시스템에 설치될 수 있고, 이로써 구동 샤프트(611, 612, 613 및 614)가 제어 시스템의 모터에 기계적으로 결합된다. 다음에, 제어 시스템이 소프트웨어에 의해서 선택될 수 있는 정확한 각만큼 구동 샤프트(611, 612, 613 및 614)를 회전시킬 수 있고, 이로써 원하는 기구 작동 또는 움직임이 달성된다.
케이블(671 및 672)이 메인 튜브(110)를 지나 하나 이상의 도르래(642) 둘레를 감고 캡스턴(620) 주변을 감싼다. 케이블(671 및 672)이 캡스턴(620) 주변을 감쌈으로써 캡스턴(620)이 터닝할 때 한 케이블(671 또는 672)은 어떤 길이만큼 끌어 당겨지고, 다른 케이블(672 또는 671)은 동일한 길이만큼 내보내 진다. 유사하게, 케이블(673 및 674)이 메인 튜브(110)를 지나 하나 이상의 도르래(643) 둘레를 감고 캡스턴(630) 주변을 감싸며, 이로써 캡스턴(630)이 터닝할 때 한 케이블(673 또는 674)은 어떤 길이만큼 끌어 당겨지고, 다른 케이블(674 또는 673)은 동일한 길이만큼 내보내 진다. 구동 샤프트(612 및 613)는 캡스턴(620 및 630)이 터닝될 수 있도록 각각 결합된다. 이와 같이, 제어 시스템은 상기 설명된 과정을 이용하여 구동 샤프트(612 및 613)를 터닝시켜 리스트 메커니즘의 편주 각 또는 그립을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 케이블(671, 672, 673 및 674)이 각각 도 4a의 케이블(251, 252, 253 및 254)에 대응될 때, 동일한 방향 또는 반대 방향으로 동일한 속도로 구동 샤프트(612 및 613)를 터닝시키면 리스트 메커니즘(200)의 그립 또는 편주가 변화될 것이다.
도르래(641 및 643)는 락커 암(640) 상에 장착된다. 락커 암(640)은 구동 샤프트(614)와 맞물리는 섹터 기어 부분을 가지며, 샤시(610)와 결합되어 구동 샤프트(614)가 터닝할 때 피벗 축 주위를 회전하거나 진동한다. 락커 암(640)의 섹터 기어 부분과 피벗은, 락커 암(640)의 회전에 의해 일차적으로 한 세트의 도르래 (642 또는 643)는 자신과 연계된 캡스턴(620 또는 630)을 향해 움직이고 다른 세트의 도르래(643 또는 642)는 자신과 연계된 캡스턴(630 또는 620)으로부터 멀리 움직이도록 설계된다. 이것은 한 쌍의 케이블(671과 672 또는 673과 674)을 어떤 길이만큼 끌어당기고, 다른 쌍의 케이블(673과 674 또는 671과 672)은 동일한 길이만큼 내보내는데 효과적이다. 이와 같이, 백엔드 메커니즘(600)은 간단히 구동 샤프트(614)의 회전을 통해 도 4a를 참조하여 상기 설명된 대로 리스트 메커니즘의 피치를 변화시킬 수 있으며, 이때 케이블(671, 672, 673 및 674)은 각각 케이블(251, 252, 253 및 254)에 대응된다.
백엔드 메커니즘(600)은 구동 샤프트(611)를 사용하여 메인 튜브(110)의 원단부에서 리스트 메커니즘의 롤 각을 제어함으로써 나선형 기어(582 및 580)를 터닝시킬 수 있다. 나선형 기어(580 및 581)는 상기 설명된 것과 동일한 방식으로 메인 튜브(110)와 결합되어 작동된다.
백엔드 메커니즘(600)의 케이블(671, 672, 673, 674)은 도르래(642 및 643)와 캡스턴(620 및 630) 주변을 감거나 감싸며, 캡스턴(620 및 630)이 회전할 때 구부러질 수 있어야 한다. 따라서, 백엔드 메커니즘(600)에서 케이블(671, 672, 673 및 674)의 부분들은 유연성을 필요로 하는데, 예를 들어 손상 없이 비교적 예리한 터닝부 주변에서 반복적으로 구부러질 수 있는 스트랜디드 금속 케이블일 수 있다. 따라서, 각 케이블(671, 672, 673 및 674)은 리스트 메커니즘의 스트랜디드 케이블 부분, 메인 튜브(110)의 직선 부분을 통해 연장되는 더 강성인 부분(예를 들어, 하이포튜브), 및 백엔드 메커니즘(600)의 제 2 스트랜디드 케이블 부분의 세 부분을 포함할 수 있다. 비교를 위해서, 도 5b의 백엔드 메커니즘(500)은 케이블(571, 572, 573 및 574)을 거의 선형 동작으로 움직이고, 도르래나 다른 예리한 굴곡부 주변에서 케이블(571, 572, 573 및 574)이 그다지 구부러질 필요가 없다. 따라서, 백엔드 메커니즘(500)의 케이블(571, 572, 573 및 574) 부분들은 하이포튜브와 같은 상대적으로 강성인 구조일 수 있다.
도 5b의 백엔드 메커니즘(500)과 마찬가지로 도 6의 백엔드 메커니즘(600)도 상기 설명된 대로 로봇 제어 시스템과의 인터페이스를 제공하는 회로를 가진 회로판(590)을 포함한다. 고 전압 연결부는 일반적으로 백엔드 메커니즘(500 또는 600)을 통해 이어질 수 있고, 메인 튜브(110)를 통해 작동체까지 이어질 수 있는 별도의 전기 연결부 및 와이어를 통해 만들어진다. 예를 들어, 본 발명의 한 구체예에서, 기구는 양극 소작 기구이고, 전기 와이어 또는 다른 전기 컨덕터(도시하지 않음)가 백엔드 메커니즘 상의 커넥터(도시하지 않음)를 통해 제너레이터에 연결되며, 거기서부터 구동 케이블을 사용하여 메인 튜브(110)를 통해 메인 튜브(110)의 원단부에 있는 리스트 메커니즘까지 이어진다. 리스트 메커니즘에서 소작을 위한 전기 에너지가 모터의 브러쉬와 매우 동일한 방식으로 작동체의 집게부와 맞물린 접촉부를 통해 전달될 수 있다.
도 7a는 소작 기구를 위한 리스트 메커니즘(700)의 단면도를 도시한다. 리스트 메커니즘(700)은 근위 클레비스(200), 근위 클레비스(220)를 통해 핀(225)에 회전 가능하게 부착된 원위 클레비스(230), 및 원위 클레비스(230)를 통해 핀(235)에 회전 가능하게 부착된 집게부(242 및 244)를 포함한다. 리스트 메커니즘(700)의 구동 케이블(도 7a에는 도시하지 않음)은 클레비스(220 및 230)의 가이드 채널을 따라 도 2a, 2b 및 2c를 참조하여 상기 설명된 대로 집게부(242 및 244)에 부착될 수 있고, 도 4a 및 4b를 참조하여 설명된 것과 동일한 방식으로 리스트 메커니즘(700)의 피치, 편주, 및 그립을 변화시킬 수 있다. 구동 케이블 또는 적어도 구동 케이블에서 집게부(242 또는 244)와 접촉하는 부분은 절연 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 도 3a 및 3b를 참조하여 상기 언급된 대로, 집게부(242, 244)에 구동 케이블의 부착은 비-전도성 케이블에서 크림프 사용으로 인해 발생할 수 있는 곤란성을 피하기 위해 고 마찰 경로를 사용하여 이루어질 수 있다. 또한, 절연된 전기 와이어 또는 다른 컨덕터(772 및 774)가 근위 클레비스(220)와 원위 클레비스 (230)를 통해 공급되며, 이로써 와이어(772 및 774)의 단부가 각각 집게부(242 및 244)에 인접하게 된다. 도 7b는 근위 클레비스(220)의 말단도로서, 구동 케이블의 가이드 채널(222)이 원위 클레비스(220)의 바깥 가장자리 근처에 위치되어 근위 클레비스(220)의 중심 축 근처에 도관(722)을 위한 공간을 제공할 수 있는 방식을 도시한다. 이와 같이, 와이어(772 및 774)가 구동 케이블의 방해 없이 클레비스(220 및 230)를 통해 이어질 수 있다.
도 7a에 도시된 접촉부(782 및 784)는 와이어(772 및 774)의 단부에서 각 집게부(242 및 244)와 전기적으로 접촉되어 있다. 접촉부(782 및 784)는 집게부(242 및 244)가 원위 클레비스(230)에 조립될 때 집게부(242 및 244)와 우수한 전기적 접촉이 이루어지도록 압축된 경사형 또는 스프링형 금속으로 만들어질 수 있다. 도시된 구체예에서, 접촉부(782 및 784)는 각 집게부(242 및 244)의 근단부에서 일정한 반경의 원주와 맞물리고, 이로써 편주 각 또는 그립이 변화되는 동안 집게부 (242 또는 244)가 회전함에 따라 접촉부(782 및 784)가 원형 표면과 접촉을 유지하게 된다. 또는 달리, 양쪽 또는 한쪽 접촉부(782 및 784)가 그립 축에 수직인 집게부(242 또는 244)의 평평한 면 및 핀(235)과 맞물리도록 위치될 수 있다. 접촉부(782 및 784)의 이점은 와이어(772 및 774)에 부여되는 동작이 감소된다는 점이다. 특히, 와이어(772 및 774)는 피치 변화 동안에만 움직이고, 편주 또는 그립이 변화할 때는 움직이지 않는다. 직접(예를 들어, 납땜 또는 크림프 사용) 전기 접촉에서는 부착된 와이어가 피치, 편주, 또는 그립 변화 어느 경우에든 움직인다. 와이어(772 및 774) 움직임의 감소는 피로, 외부 물체와의 접촉, 꼬임, 또는 마모로 인한 와이어(772 및 774)의 손상 가능성을 감소시킨다.
접촉부(782 및 784)를 사용하여 집게부(242 및 244)에 반대 극성 전압의 전기 에너지를 인가함으로써 리스트 메커니즘(700)의 소작 기능을 활성화할 수 있다. 예를 들어, 의료 과정 동안 혈관을 봉합하는 경우, 리스트 메커니즘(700)을 조종하여 집게부(282 및 284)로 혈관을 파지해서 혈관을 닫아 봉합할 수 있다. 다음에, 컨덕터(772 및 774) 및 접촉부(782 및 784)가 집게부(282 및 284)에 반대 극성을 가진 고 주파 AC 신호로서 에너지를 인가할 수 있다. 전기 에너지가 집게부(242 및 244)에 인가되는 동안, 집게부(242 및 244)에서 파지된 조직을 통해 전류가 흐르며, 전기 신호의 지속 기간은 전류에 의해 조직이 소작되어 파지된 혈관이 봉합되는 정도로 선택될 수 있다. 또한, 소작기는 본 분야에 알려진 다른 방식으로도 사용될 수 있으며, 예를 들어 의료 과정 동안 조직을 절단하거나 파괴하기 위해 사용될 수 있다.
본 분야에 알려진 대로, 전기소작기에 알맞은 전력은 일반적으로 약 100 kHz 이상의 주파수를 가진 고 전압(예를 들어, 약 250 볼트 이상) AC 신호로부터 나온다. 의도치 않은 조직 손상을 피하기 위해서 각 전기 신호는 환자와의 어떤 의도치 않은 접촉으로부터 분리되어야 하고, 그에 상응하여 집게부(242 및 244) 이외의 다른 노출된 기구 부분과의 접촉과도 분리되어야 한다. 와이어(772 및 774)를 코팅함으로써 메인 튜브 및 근위 클레비스(220)로부터 신호를 절연하여 이들에는 전기 에너지가 인가되지 않도록 할 수 있다. 와이어(772 및 774)는 유연성을 가진 스트랜디드 형으로서, FEP와 같은 재료의 절연 코팅을 가진 것이 바람직하며, 이것은 비교적 높은 유전상수와 와이어(772 또는 774)가 움직일 때 낮은 마찰을 제공한다. 접촉부(782 및 784)가 놓이는 원위 클레비스(230)는 절연 세라믹 또는 플라스틱(예를 들어, Ultem)과 같은 절연 재료로 제조될 수 있다. 유사하게, 양쪽 집게부(242 및 244)와 접촉되는 핀(235)도 전압 누출을 피하고 집게부(242 및 244) 사이의 단락을 방지하기 위해 세라믹과 같은 절연 재료로 제조된다.
도 7a에 도시된 양극 소작 기구의 예에서, 집게부(242 및 244)은 절연 원위 클레비스(230)의 공동 내에 위치된다. 특히, 격리판(732)이 원위 클레비스에 일체화되어 반대 극성의 집게부(242 및 244) 사이에 전기적 분리를 제공한다. 공동은 집게부(242 및 244) 사이에 충분한 분리 거리를 제공할 수 있으며, 이로써 각 집게부(242 또는 244)의 밀폐 밀봉 또는 별도의 캡슐화(어떤 선행 기술의 소작 시스템에서 행해진)가 필요하지 않게 된다. 또한, 접촉부(782 및 784)와 같은 접촉부는 단극 소작기에도 사용될 수 있으며, 이 경우 양쪽 집게부(242 및 244)은 동일한 전압을 가지고, 집게부(242 및 244) 사이의 격리판이 단극 소작기에는 필요하지 않다.
상기 설명된 구체예들 대부분은 기구 부품의 수, 기구 복잡성, 사용된 재료 비용, 부품 제조 곤란성, 및 기구 조립 곤란성을 감소시킴으로써 최소 침습 수술 기구의 비용을 감소시킬 수 있다. 비용 감소는 명백한 이점이고, 또한 기존의 재사용하는 기구에 비해 비용 경쟁력 있는 일회용 기구(사례별)를 만드는 것도 가능하다. 일회용 기구는 병원에서 재처리/멸균 과정을 없앤다는 추가의 이점을 가지며, 구성요소들이 재처리에 알맞도록 설계되어 검증될 필요가 없기 때문에 기구의 제조 동안 비용이 더욱 절약될 수 있다.
또한, 부품 수를 줄이는 본 발명의 구체예는 더 소형 기구의 제조를 가능하게 할 수 있다. 이것은 리스트의 직경과 길이가 모두 줄어듦으로써 임상적 이점을 가진다. 따라서, 의료 과정에서 더 작은 절개부위를 사용할 수 있고, 리스트 조종을 더 정밀하게 제어할 수 있다. 예를 들어, 양극 엔도리스트(endowrist) 소작 기구가 5mm 직경으로 제작될 수 있는데, 이전에는 이러한 기구는 8mm 이상의 직경으로만 제작되었었다.
본 발명은 특정 구체예를 참조하여 설명되었지만, 이 설명은 본 발명을 적용한 예일 뿐이며, 제한으로서 여겨져서는 안 된다. 개시된 구체예의 특징들에 대한 다양한 개조 및 조합이 다음 청구항에 의해 한정되는 본 발명의 범위 내에 들어간다.

Claims (22)

  1. 기구 상에 회전 가능하게 장착된 제 1 집게부;
    제 1 전기 컨덕터; 및
    제 1 집게부의 표면과 전기적으로 접촉되는 제 1 전기 컨덕터 상의 제 1 접촉부
    를 포함하며, 제 1 집게부가 회전할 때 접촉부가 그 표면 위를 활주하는, 소작 기구.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 집게부가 장착되는 제 1 클레비스; 및 제 1 집게부에 부착된 제 1 케이블을 더 포함하며, 제 1 케이블을 당기면 제 1 집게부가 제 1 클레비스의 제 1 핀 주위를 회전하고, 제 1 케이블은 절연 재료로 제조된 것을 특징으로 하는 기구.
  3. 제 2 항에 있어서, 제 1 케이블이 제 1 집게부의 고 마찰 경로를 따르고, 제 1 집게부에 부착되어 마찰력에 의해 제 1 집게부에 대한 제 1 케이블의 활주를 저지하는 것을 특징으로 하는 기구.
  4. 제 2 항에 있어서, 제 1 집게부에 부착된 제 2 케이블을 더 포함하며, 제 2 케이블을 당기면 제 1 집게부이 제 1 핀 주위를 회전하고, 이때 회전 방향은 제 1 케이블을 당김으로써 생기는 제 1 집게부의 회전 방향과 반대 방향인 것을 특징으로 하는 기구.
  5. 제 4 항에 있어서, 제 1 케이블과 제 2 케이블은 제 1 집게부의 고 마찰 경로를 통해 지나가는 케이블 루프의 반대되는 단부들인 것을 특징으로 하는 기구.
  6. 제 5 항에 있어서, 고 마찰 경로는 제 1 집게부의 회전 축에 수직이고, 복수의 굴곡부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기구.
  7. 제 5 항에 있어서, 케이블의 고 마찰 경로가 제 1 집게부를 관통하는 복수의 구멍을 통해 실처럼 빠져나가는 것을 특징으로 하는 기구.
  8. 제 2 항에 있어서,
    메인 튜브; 및
    메인 튜브의 근단부에 결합된 백엔드 메커니즘을 더 포함하며,
    이때 집게부와 클레비스는 메인 튜브의 원단부에 있고, 제 1 케이블이 메인 튜브를 통해 연장되며,
    백엔드 메커니즘이 제 1 케이블을 움직여 제 1 집게부가 구동되도록 작동될 수 있고, 백엔드 메커니즘은 제어 시스템의 도킹 포트에 설치되며, 백엔드 메커니즘은 제 1 케이블과 제어 시스템의 구동 모터의 기계적 결합을 제공하는 것을 특징으로 하는 기구.
  9. 제 1 항에 있어서, 전기적 절연 재료로 제조된 클레비스를 더 포함하며, 제 1 집게부가 클레비스의 핀 상에 장착된 것을 특징으로 하는 기구.
  10. 제 9 항에 있어서,
    클레비스의 핀 상에 장착된 제 2 집게부;
    클레비스를 통해 지나가는 제 2 전기 컨덕터; 및
    제 2 집게부의 표면과 전기적으로 접촉되는 제 2 전기 컨덕터의 단부에 있는 제 2 접촉부를 더 포함하며,
    제 2 집게부가 회전할 때 접촉부가 제 2 집게부의 표면 위를 활주하는 것을 특징으로 하는 기구.
  11. 제 10 항에 있어서, 제 1 전기 컨덕터는 제 1 전기 신호를 전도하도록 연결되고, 제 2 전기 컨덕터는 제 1 신호의 극성과 반대 극성을 갖는 제 2 신호를 전도하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 기구.
  12. 제 11 항에 있어서, 클레비스가 제 1 집게부와 제 2 집게부 사이에 제 1 집게부와 제 2 집게부를 전기적으로 분리하는 격리판을 포함하는 것을 특징으로 하는 기구.
  13. 제 11 항에 있어서, 클레비스가 제 1 집게부의 단부가 놓이는 제 1 공동 및 제 2 집게부의 단부가 놓이는 제 2 공동을 포함하는 것을 특징으로 하는 기구.
  14. 제 1 항에 있어서, 접촉부가 제 1 집게부가 회전함에 따라 제 1 집게부의 원형 표면을 따라 활주하는 것을 특징으로 하는 기구.
  15. 제 1 항에 있어서, 접촉부가 제 1 집게부의 회전 축에 수직인 평평한 표면을 따라 활주하는 것을 특징으로 하는 기구.
  16. 제 1 항에 있어서, 제 1 접촉부가 제 1 집게부의 표면에 대해 압축되는 스프링 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 기구.
  17. 백엔드 메커니즘;
    백엔드 메커니즘에서부터 연장된 메인 튜브;
    절연 재료로 제조되고 메인 튜브의 원단부에 회전 가능하게 장착된 클레비스;
    클레비스의 핀 주위를 회전하도록 연결된 제 1 및 제 2 집게부;
    메인 튜브를 통해 연장된 제 1 컨덕터; 및
    제 1 집게부의 표면과 전기적으로 접촉되는 제 1 컨덕터의 단부에 있는 제 1 접촉부
    를 포함하고, 제 1 집게부가 회전할 때 제 1 접촉부가 그 표면 위를 활주하는, 의료 기구.
  18. 제 17 항에 있어서, 메인 튜브를 통해 연장된 제 2 컨덕터; 및 제 2 집게부의 표면과 전기적으로 접촉되는 제 2 컨덕터의 단부에 있는 제 2 접촉부를 더 포함하며, 제 2 집게부가 회전할 때 제 2 접촉부가 표면 위를 활주하는 것을 특징으로 하는 기구.
  19. 제 17 항에 있어서, 백엔드 메커니즘이 기구의 작동을 제어하는 제어 시스템의 도킹 포트에 설치되는 것을 특징으로 하는 기구.
  20. 작동체의 제 1 구성요소의 제 1 표면에 대해 제 1 접촉부를 누르는 단계;
    의료 과정 동안 제 1 구성요소를 움직여서, 구성요소의 움직임에 의해 제 1 접촉부가 제 1 표면 위를 활주하게 되는 단계; 및
    제 1 접촉부를 통해 제 1 구성요소에 제 1 전기 신호를 적용하는 단계
    를 포함하는, 의료 기구의 작동체에 전기 에너지를 인가하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    작동체의 제 2 구성요소의 제 2 표면에 대해 제 2 접촉부를 누르는 단계;
    의료 과정 동안 제 2 구성요소를 움직여서, 제 2 구성요소의 움직임에 의해 제 2 접촉부가 제 1 표면 위를 활주하게 되는 단계; 및
    제 2 접촉부를 통해 제 2 구성요소에 제 2 전기 신호를 적용하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 20 항에 있어서, 제 1 및 제 2 구성요소를 움직이는 단계는 혈관에서 작동체의 집게부들을 닫는 단계, 및 제 1 및 제 2 신호를 적용하여 혈관을 가열하여 봉합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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