使用电感耦合的手动刀应急监测的制作方法

使用电感耦合的手动刀应急监测


背景技术：

1.由于术后恢复时间减少且瘢痕形成最小化，因此微创外科手术(mis)器械通常优于传统的开放式外科装置。最常见的mis手术可以是内窥镜式手术，并且内窥镜式手术的最常见形式是腹腔镜式外科手术，在该手术中，在患者的腹部中形成一个或多个小切口，并且通过切口插入套管针以形成进入腹腔的通路。套管针用于将各种器械和工具引入腹腔中，而且提供注气使腹壁升高到器官上方。器械可用于以多种方式接合和/或处理组织以达到诊断或治疗效果。
2.每个外科工具通常包括布置在其远侧端部处的端部执行器。示例性端部执行器包括夹钳、抓紧器、剪刀、缝合器和针保持器，并且类似于在常规(开放式)外科手术中使用的那些，不同的是每个工具的端部执行器通过约12英寸长的轴与其柄部分离。通常还将相机或图像捕获装置诸如内窥镜引入腹腔中，以使外科医生能够在操作期间观察外科手术视野和端部执行器的操作。外科医生能够通过与图像捕获装置通信的视觉显示器实时观察手术。
3.外科缝合器是一种能够切割并同时缝合(紧固)所横切的组织的端部执行器。外科缝合器另选地被称为“直线切割器”，其包括能够打开和闭合以抓持和释放组织的相对钳口。一旦组织被抓持或夹持在相对的钳口之间，端部执行器就可被“击发”以朝远侧推进切割元件或刀以横切所抓持的组织。随着切割元件推进，容纳在端部执行器内的钉被渐进地部署以密封所横切的组织的相对两侧。
4.一些外科缝合器包括刀应急机构或系统，该刀应急机构或系统允许用户在诸如失去动力的紧急情况下手动地回缩刀。可能期望将手动刀应急系统的状态传达给用户，但在端部执行器中包括各种传感器以感测刀是否正在被手动释放可能是不可行的。
附图说明
5.以下附图包括在内以示出本公开的某些方面，并且不应被视为排他性实施方案。在不脱离本公开的范围的情况下，本发明所公开的主题能够具有形式和功能上的大量修改、改变、组合和等同物。
6.图1是可结合本公开的一些或全部原理的示例性机器人外科系统的框图。
7.图2是图1的主控制台中的一个主控制台的示例性实施方案。
8.图3是根据一个或多个实施方案的图1的机器人操纵器的一个示例。
9.图4是可结合本公开的一些或全部原理的示例性外科工具的等轴侧视图。
10.图5示出了其中图4的腕部能够进行关节运动(枢转)的潜在自由度。
11.图6是图4的驱动外壳的放大等距视图。
12.图7是根据一个或多个实施方案的图4的驱动外壳的底视图。
13.图8a和图8b是根据一个或多个实施方案的电感耦合到图7的工具驱动器的图4和图7的驱动外壳的横截面侧视图。
14.图9示出了图7的计算机系统的示例性实施方案。
具体实施方式
15.本公开涉及机器人外科器械，并且更具体地涉及感测用于机器人外科工具的手动刀应急系统何时已被激活或即将被激活的系统和方法。
16.本文讨论的实施方案描述了一种机器人外科工具，该机器人外科工具具有与计算机系统通信的工具驱动器，以及驱动外壳，该驱动外壳能够安装到该工具驱动器并且包括由磁响应材料制成或包含磁响应材料的一个或多个组成部件。第一电感线圈可被包括在工具驱动器上并且被构造成能够生成磁场，并且第二电感线圈可被包括在驱动外壳上并且被构造成能够测量磁场强度和由一个或多个组成部件引起的场畸变。当测量到场畸变的变化时，其可以是一个或多个组成部件的运动的指示。在一些实施方案中，一个或多个组成部件形成手动刀应急系统的一部分，并且测量场畸变的变化可提供手动刀应急系统已被激活或将被激活的指示。当测量到场畸变的变化时，计算机系统可向用户(例如，外科医生、擦洗护士等)提供状态变化的通知。
17.图1至图3示出了示例性机器人外科系统及其相关联的部件的结构和操作。虽然适用于机器人外科系统，但应当注意，在不脱离本公开的范围的情况下，本公开的原理可另选地应用于非机器人外科系统。
18.图1是可结合本公开的一些或全部原理的示例性机器人外科系统100的框图。如图所示，系统100可包括至少一个主控制台102a和至少一个机器人操纵器104。机器人操纵器104可以机械方式和/或电方式耦合到一个或多个机器人臂106或以其他方式包括一个或多个机器人臂。在一些实施方案中，机器人操纵器104可安装到运输车(另选地被称为“臂车”)，该运输车使得机器人操纵器104和相关联的机器人臂106能够运动。每个机器人臂106可包括并以其他方式提供工具驱动器，其上可安装一个或多个外科器械或工具108，以对患者110执行各种手术任务。机器人臂106、对应的工具驱动器和相关联的工具108的操作可由临床医生112a(例如，外科医生)从主控制台102a进行指导。
19.在一些实施方案中，由第二临床医生112b操作的第二主控制台102b(以虚线示出)还可与第一临床医生112a一起帮助指导机器人臂106和工具108的操作。在此类实施方案中，例如，每个临床医生112a、112b可控制不同的机器人臂106，或者在一些情况下，机器人臂106的完全控制可在临床医生112a、112b之间传递。在一些实施方案中，可在外科手术期间对患者110使用具有附加机器人臂的附加机器人操纵器，并且这些附加机器人臂可由主控制台102a、102b中的一个或多个主控制台控制。
20.机器人操纵器104和主控制台102a、102b可经由通信链路114彼此通信，该通信链路可以是被配置成能够根据任何通信协议携带合适类型的信号(例如，电信号、光信号、红外信号等)的任何类型的有线或无线通信链路。通信链路114可以是实际物理链路，或者它可以是使用一个或多个实际物理链路的逻辑链路。当链路为逻辑链路时，物理链路的类型可以是数据链路、上行链路、下行链路、光纤链路、点对点链路，例如，如计算机网络领域中所熟知的用于指代连接网络节点的通信设施的那些。因此，临床医生112a、112b能够经由通信链路114远程控制机器人臂106的操作，从而使得临床医生112a、112b能够远程对患者110进行手术。
21.图2是可用于控制图1的机器人操纵器104的操作的主控制台102a的一个示例性实施方案。如图所示，主控制台102a可包括支撑件202，临床医生112a、112b(图1)可将他/她的
前臂搁置在该支撑件上，同时抓持一个或多个用户输入装置(未示出)。用户输入装置可包括例如物理控制器，诸如但不限于手持致动器模块、操纵杆、外骨骼手套、主操纵器等，并且能够在多个自由度上运动以控制外科工具108(图1)的位置和操作。主控制台102a还可包括一个或多个脚踏板204，这些脚踏板能够由临床医生112a、112b接合以改变外科系统的构型和/或生成附加控制信号以控制外科工具108的操作。
22.当临床医生112a、112b(图1)经由视觉显示器206观察手术时，可操纵用户输入装置和/或脚踏板204。在视觉显示器206上显示的图像可从内窥镜相机或“内窥镜”获得。在一些实施方案中，视觉显示器206可包括或以其他方式结合力反馈计或“力指示器”，该力反馈计或“力指示器”为临床医生112a、112b提供外科工具(即，切割器械或动态夹持构件)所采取的力的量值及所处方向的视觉指示。如将理解的那样，可采用其他传感器布置为主控制台102a提供其他外科工具度量的指示，诸如例如钉仓是否已加载到端部执行器中或砧座是否在击发之前已运动到闭合位置。
23.图3示出了根据一个或多个实施方案的可用于操作多个外科工具108的机器人操纵器104的一个示例。如图所示，机器人操纵器104可包括支撑竖直延伸的柱304的基座302。多个机器人臂106(示出了三个)可在滑架306处可操作地联接到柱304，可选择性地调节滑架以改变机器人臂106相对于基座302的高度，如箭头a所示。
24.机器人臂106可包括能够手动进行关节运动的连杆，另选地被称为“装置关节”。在例示的实施方案中，外科工具108安装到设置在每个机器人臂106上的对应工具驱动器308。每个工具驱动器308可包括用于与外科工具108的对应一个或多个驱动输入相互作用的一个或多个驱动器或马达，并且驱动输入的致动致使相关联的外科工具108操作。
25.外科工具108中的一个外科工具可包括图像捕获装置310，诸如内窥镜，其可包括例如腹腔镜、关节镜、子宫镜，或者可另选地包括一些其他成像模态，诸如超声、红外、荧光镜、磁共振成像等。图像捕获装置310具有位于细长轴的远侧端部处的观察端部，这允许观察端部通过入口插入患者的身体的内部手术部位中。图像捕获装置310能够通信地耦合到视觉显示器206(图2)并且能够实时传输图像以显示在视觉显示器206上。
26.剩余的外科工具能够通信地耦合到由临床医生112a、112b(图1)在主控制台102a(图2)处保持的用户输入装置。机器人臂106和相关联的外科工具108的运动可由临床医生112a、112b操纵用户输入装置来控制。如下文所详述，外科工具108可包括或以其他方式结合安装在对应的能够进行关节运动的腕部上的端部执行器，该腕部枢转地安装在相关联的细长轴的远侧端部上。细长轴允许端部执行器通过入口插入患者的身体的内部手术部位中，并且用户输入装置还控制端部执行器的运动(致动)。
27.在使用中，将机器人操纵器104定位成靠近需要外科手术的患者，然后通常使其保持静止，直到完成待执行的外科手术。机器人操纵器104通常具有轮子或脚轮以使其能够运动。机器人臂106的侧向定位和竖直定位可由临床医生112a、112b(图1)设定，以有利于通过入口将外科工具108的细长轴和图像捕获装置310传递到相对于手术部位的期望位置。当外科工具108和图像捕获装置310如此定位时，机器人臂106和滑架306可锁定就位。
28.图4是可结合本公开的一些或全部原理的示例性外科工具400的等轴侧视图。外科工具400可与图1和图3的外科工具108中的至少一者相同或类似，并且因此，可与机器人外科系统诸如图1的机器人外科系统100结合使用。如图所示，外科工具400包括细长轴402、端
部执行器404、将端部执行器404联接到轴402的远侧端部的能够进行关节运动的腕部406(另选地被称为“腕部关节”)以及联接到轴402的近侧端部的驱动外壳408。在外科工具400与机器人外科系统结合使用的应用中，驱动外壳408可包括将外科工具400可释放地联接到机器人外科系统的联接特征部。然而，本公开的原理同样适用于非机器人的并且以其他方式能够手动操纵的外科工具。
29.术语“近侧”和“远侧”在本文中相对于机器人外科系统定义，该机器人外科系统具有被构造成能够将外科工具400(例如，驱动外壳408)以机械方式和电方式联接到机器人操纵器的接口。术语“近侧”是指元件的更靠近机器人操纵器的位置，并且术语“远侧”是指元件的更靠近端部执行器404且因此更远离机器人操纵器的位置。此外，诸如上方、下方、上、下、向上、向下、左、右等的方向术语相对于示例性实施方案如它们在图中所示进行使用，向上或上方向朝向对应附图的顶部，向下或下方向朝向对应附图的底部。
30.外科工具400可具有能够执行一种或多种外科功能的多种构型中的任一种构型。在例示的实施方案中，端部执行器404包括被构造成能够切割并缝合(紧固)组织的外科缝合器，另选地被称为“直线切割器”。如图所示，端部执行器404包括被构造成能够在打开位置和闭合位置之间运动(关节运动)的相对的钳口410、412。然而，相对的钳口410、412可另选地形成其他类型的端部执行器的一部分，该端部执行器包括钳口，诸如但不限于组织抓紧器、外科剪刀、高级能量血管密封器、施夹器、针驱动器、包括一对相对的抓紧钳口的babcock钳、双极钳口(例如，双极maryland抓紧器、夹钳、有孔抓紧器等)等。钳口410、412中的一者或两者可被构造成能够枢转，以在打开位置和闭合位置之间致动端部执行器404。在例示的示例中，第二钳口412能够相对于第一钳口410旋转(能够枢转)以在打开、未夹持位置和闭合、夹持位置之间运动。然而，在其他实施方案中，在不脱离本公开的范围的情况下，第一钳口410可相对于第二钳口412运动(旋转)。
31.在例示的示例中，第一钳口410可被表征为或以其他方式被称为“仓”钳口，并且第二钳口412可被表征为或以其他方式被称为“砧座”钳口。第一钳口410可包括容纳或支撑钉仓的框架，并且第二钳口412相对于第一钳口410被枢转地支撑并且限定作为砧座操作的表面以在操作期间使从钉仓射出的钉变形。
32.腕部406使得端部执行器404能够相对于轴402进行关节运动(枢转)，并由此将端部执行器404定位在相对于手术部位的期望取向和位置处。图5示出了腕部406能够进行关节运动(枢转)的潜在自由度。腕部406可具有多种构型中的任一种构型。通常，腕部406包括被构造成能够允许端部执行器404相对于轴402的枢转运动的关节。腕部406的自由度由三个平移变量(即，进退、起伏和摇摆)以及三个旋转变量(即，欧拉角或滚转、俯仰和偏航)表示。平移变量和旋转变量描述了外科系统的部件(例如，端部执行器404)相对于给定参考笛卡尔坐标系的位置和取向。如图5所示，“进退”是指向前和向后的平移运动，“起伏”是指上下的平移运动，并且“摇摆”是指左右的平移运动。关于旋转术语，“滚转”是指左右倾斜，“俯仰”是指向前和向后倾斜，并且“偏航”是指左右转动。
33.枢转运动可包括围绕腕部406的第一轴线(例如，x轴线)的俯仰运动、围绕腕部406的第二轴线(例如，y轴线)的偏航运动以及它们的组合，以使得端部执行器404围绕腕部406进行360
°
旋转运动。在其他应用中，枢转运动可被限于在单个平面中的运动，例如，仅围绕腕部406的第一轴线的俯仰运动或仅围绕腕部406的第二轴线的偏航运动，使得端部执行器
404仅在单个平面上运动。
34.再次参见图4，外科工具400可结合或包括致动系统，该致动系统被设计成有利于腕部406的关节运动和端部执行器404的致动(操作)(例如，夹持、击发、旋转、关节运动、能量递送等)。致动系统可包括从驱动外壳408延伸到腕部406的多个驱动构件等(在图4中被遮挡)，并且这些驱动构件的选择性致动使得端部执行器404在腕部406处相对于轴402进行关节运动(枢转)。端部执行器404在图4中示出为处于非关节运动位置，在该位置处，端部执行器404的纵向轴线a2与轴402的纵向轴线a1基本上对准，使得端部执行器404相对于轴402成基本上为零的角度。在关节运动位置，纵向轴线a1、a2将彼此成角度地偏移，使得端部执行器404相对于轴402成非零角度。
35.其他驱动构件可延伸到端部执行器404，并且这些驱动构件的选择性致动可致使端部执行器404致动(操作)。致动端部执行器404可包括相对于第一钳口410闭合和/或打开第二钳口412(或反之亦然)，从而使得端部执行器404能够抓持(夹持)到组织上。一旦组织被抓持或夹持在相对的钳口410、412之间，致动端部执行器404还可包括“击发”端部执行器404，这可指致使切割元件或刀(不可见)在限定于第二钳口410中的狭槽414内朝远侧推进。随着其朝远侧运动，切割元件可横切抓持在相对的钳口410、412之间的任何组织。此外，随着切割元件朝远侧推进，包含在钉仓内(例如，容纳在第一钳口410内)的多个钉可被推压(做凸轮运动)成与设置在第二钳口412上的对应砧座表面(例如，凹坑)变形接触。所部署的钉可形成密封所横切的组织的相对侧的多行钉。
36.在一些应用中，外科工具400也可被构造成能够向组织施加能量，诸如射频(rf)能量。在此类情况下，致动端部执行器404还可包括向抓持或夹持在两个相对钳口之间的组织施加能量以烧灼或密封所捕获的组织，之后可横切组织。
37.外科工具400还可包括手动钳口应急系统，该手动钳口应急系统使得用户能够手动打开和闭合钳口410、412。在例示的实施方案中，手动钳口应急系统可包括用户能够在驱动外壳408的外部触及的应急工具416。应急工具416可以可操作地联接到位于驱动外壳408内的各种齿轮和/或驱动构件，以允许临床医生手动打开和闭合钳口410、412。通过在任一角度方向上旋转应急工具416，临床医生能够完全夹持和完全未夹持钳口410、412。当外科工具400与外科机器人分离时，应急工具416对于临床医生可能特别有用，因为具有打开和闭合钳口410、412的能力可消除对内部驱动构件或部件施加意外应力的需要。在临床医生想要在外科工具400仍附接到外科机器人时手动打开钳口410、412的情况下，临床医生可旋转应急工具416以尝试打开端部执行器404。
38.图6是驱动外壳408的放大等距视图。在一些实施方案中，外科工具400可包括手动刀应急系统，该手动刀应急系统允许用户在端部执行器404(图4)处手动回缩刀(切割元件)。该手动刀应急系统包括各种组成部件，诸如用户能够触及并且被构造成能够与应急盖604配合以引起刀回缩的应急工具602。应急盖604可包括或以其他方式提供一个或多个表面特征部606，这些表面特征部被构造成能够与设置在应急工具602的底部上的对应接合特征部(未示出)相互作用。每个表面特征部606可在一个角度方向上倾斜并且终止于凸起肩部。应急工具602的接合特征部可被构造成能够当应急工具602在第一方向(例如，逆时针方向)上旋转时接合表面特征部606的凸起肩部，从而将扭矩从应急工具602传输到应急盖604。相反，当应急工具602在第二方向(例如，顺时针方向)上旋转时，接合特征部可在表面
特征部606上横向(向上骑跨)并棘轮。因此，应急盖604可作为单向传递构件操作。
39.在手动刀应急系统的示例性使用中，在第一方向(例如，逆时针方向)上旋转应急工具602的用户将在相同方向上驱动应急盖604，并由此使得击发系统的齿轮旋转，这将旋转击发小齿轮并由此回缩击发齿条，使得互连的击发杆(未示出)可在端部执行器404处回缩刀(图4)。然而，当应急工具602在第二方向(例如，顺时针方向)上旋转时，应急工具602将在表面特征部606上棘轮，并且以其他方式相对于应急盖604旋转，因此不影响击发杆或刀的位置。
40.在例示的实施方案中，应急工具602包括存储在驱动外壳408内的单独的组成部件，并且通过首先从驱动外壳408的主体移除应急面板608而能够由用户触及。如图所示，应急工具602可安置在凹坑610内，并且用户可从凹坑610中取出应急工具602并将其与应急盖604配合以手动回缩刀。然而，在其他实施方案中，应急工具602可位于驱动外壳408的外部上并且延伸穿过驱动外壳408的应急面板608以便可操作地联接到应急盖604。在其他实施方案中，应急工具602可附接到应急面板608的底部(下侧)或形成其一部分。在此类实施方案中，临床医生可移除应急面板608并将互连的应急工具602与应急盖604对准，从而将可移除的应急面板608转换成一种扳手。
41.图7是根据一个或多个实施方案的驱动外壳408的底视图。如图所示，驱动外壳408可包括用于将驱动外壳408可操作地联接到工具驱动器704的工具安装部分702。工具驱动器704可与图3的工具驱动器308相同或类似，并且因此可与图1和图3的机器人操纵器104结合操作。将驱动外壳408安装到工具驱动器704使得驱动外壳408与计算机系统706通信，该计算机系统可与主控制器102a、102b(图1)通信或以其他方式形成其一部分。计算机系统706经由工具驱动器704的操作来监测和指导驱动外壳408的操作，从而使得用户(例如，图1的临床医生112a、112b)能够通过主控制器102a、120b工作来控制驱动外壳408的操作。
42.工具安装部分702包括并以其他方式提供将驱动外壳408以机械方式、磁方式和/或电方式联接到工具驱动器704的接口。在至少一个实施方案中，工具安装部分702经由无菌阻隔件(未示出)将驱动外壳408联接到工具驱动器704。如图所示，接口可包括并支撑多个输入装置，如驱动输入装置708a、708b、708c、708d、708e和708f所示。每个驱动输入装置708a-708f可包括可旋转盘，该可旋转盘被构造成能够与工具驱动器704的对应驱动器710a、710b、710c、710d、710e和710f对准(配合)并联接。每个驱动输入装置708a-708f和对应的驱动器710a-710f分别提供或限定一个或多个可配合的表面特征部712和714，这些表面特征部被构造成能够有利于相对的表面特征712、714之间的配合接合，使得给定驱动器710a-710f的运动(旋转)使相关联的驱动输入装置708a-708f对应地运动(旋转)。
43.每个驱动器710a-710f可包括或以其他方式包括马达716，该马达被构造成能够致动对应的驱动器710a-710f，并且给定驱动器710a-710f的致动对应地引起配合的驱动输入装置708a-708f的致动，这有利于驱动外壳408的机构的操作。更具体地，给定马达716的致动可引起对应驱动器710a-710f的旋转运动，这继而使可操作地联接到其上的相关联的驱动输入装置708a-f旋转。每个马达716可与计算机系统706通信，并且基于由用户(例如，外科医生)提供的输入信号，计算机系统706可选择性地使马达716中的任一者致动，并由此驱动对应的驱动器710a-710f来操作驱动外壳408的机械系统。
44.在一些实施方案中，经由第一驱动器710a对第一驱动输入装置708a的致动可控制
轴402围绕其纵向轴线a1的旋转。根据第一驱动输入装置708a的旋转方向，轴402可顺时针或逆时针旋转，因此使端部执行器404相应地在相同方向上旋转(图4)。分别经由第二驱动器710a和第三驱动器710b对第二驱动输入装置708b和第三驱动输入装置708c的致动可控制端部执行器404在腕部406处的关节运动(图4)。分别经由第四驱动器710d和第五驱动器710e对第四驱动输入装置708d和第五驱动输入装置708e的致动可致使轴402的外部部分(在本文中被称为“闭合管”)推进和回缩，从而闭合和打开钳口410、412(图4)。最后，经由第六驱动器710f对第六驱动输入装置708f的致动可致使端部执行器404击发，这可能需要远侧部署刀(切割元件)以横切由钳口410、412抓持的组织并且同时部署容纳在第一钳口410内的钉仓内的钉。
45.驱动外壳408可容纳或以其他方式包括内部计算机722，该内部计算机可包括存储器724和/或微处理器726。存储器724可包括一个或多个数据库或文库，这些数据库或文库存储与驱动外壳408并且更具体地与外科工具400(图4)相关的数据。在一些实施方案中，存储器724可包括非暂态计算机可读介质，诸如只读存储器(rom)，其可以是prom、eprom、eeprom等。
46.将工具安装部分702安装(联接)到工具驱动器704有利于工具驱动器704和驱动外壳408之间的通信和功率传递。更具体地，将驱动外壳408配合到工具驱动器704使得内部计算机722与计算机系统706通信，这允许计算机系统706识别和认证外科工具400(图4)或以其他方式将外科工具400与存储在机器人外科系统中其他地方的数据相关联。在一些实施方案中，为了有利于工具安装部分702和工具驱动器704之间的通信和功率传递，工具安装部分702可包括一个或多个电连接器718(示出两个)，这些电连接器被构造成能够与由工具驱动器704提供的对应电连接件720(示出两个)配合。
47.另选地，或者除此之外，驱动外壳408可电感(或“磁性地”)耦合到工具驱动器704，以有利于两个结构之间的无线通信和功率传递。在至少一个实施方案中，例如，驱动外壳408可使用近场通信(nfc)连接或协议电感耦合到工具驱动器704。然而，在其他实施方案中，驱动外壳408可经由其他无线通信协议电感耦合到工具驱动器704。
48.在例示的实施方案中，第一或“发射”电感线圈728a(以虚线示出)可被包括在工具驱动器704上，并且对应的第二或“接收”电感线圈728b(以虚线示出)可被包括在驱动外壳408上，诸如布置在工具安装部分702上。第一电感线圈728a可通信地耦合到计算机系统706，并且第二电感线圈728b可通信地耦合到驱动外壳408的内部计算机722。一旦第一电感线圈728a和第二电感线圈728b电感耦合，数据就可在计算机系统706和内部计算机722之间传输。
49.第一电感线圈728a可由计算机系统706操作和供电，并且被构造成能够生成(发射)磁场，该磁场在相邻的第二电感线圈728b中感应电动势(即，电压或电流)。基于磁场的变化强度，所生成的电动势可由内部计算机722解释以在两个结构之间传输数据。此外，所生成的电动势可以电功率的形式获得，该电功率可用于为内部计算机722的电路供电。
50.根据本公开的实施方案，驱动外壳408和工具驱动器704之间的电感耦合还可用于确定外科工具400(图4)的手动刀应急系统何时被激活或将被激活。更具体地，本公开的实施方案依赖于磁响应材料(例如，导电或含铁材料)对由电感耦合生成的磁场的影响。用于激活手动刀应急系统的驱动外壳408的一个或多个组成部件可包含磁响应材料或以其他方
式由磁响应材料制成。当这些组成部件物理地运动时，可检测到磁场中的扰动，并且这可提供手动刀应急系统正被激活的肯定指示。在一些实施方案中，一旦检测到扰动，用户(即，外科医生、擦洗护士等)可被告知状态变化，并随后被提供关于如何完成刀应急程序的指令或关于如何逆转刀应急程序的开始的其他指令。
51.图8a和图8b是根据一个或多个实施方案的电感耦合到工具驱动器704的驱动外壳408的横截面侧视图。图8a至图8b还示出了手动刀应急系统的各种组成部件，包括应急工具602和应急盖604。在例示的实施方案中，应急工具602存储在驱动外壳408内并且安置(接收)在凹坑610内。用户可通过首先移除应急面板608来触及应急工具602。然后可将应急工具602从凹坑610中取出并与应急盖604配合，以旋转应急盖604，从而手动回缩刀(未示出)。如上所述，在第一方向(例如，逆时针方向)上旋转(驱动)应急盖604将导致互连的击发杆802(以虚线示出)朝近侧回缩，如图8b中的箭头a所示。刀可在端部执行器404处可操作地联接到击发杆802的远侧端部(图4)，并且击发杆802的近侧运动对应地在近侧方向a上回缩刀。
52.将驱动外壳408安装到工具驱动器704将驱动外壳408的第二电感线圈728b放置在工具驱动器704的第一电感线圈728a附近。如由计算机系统706(图7)控制的，第一电感线圈728a可被构造成能够生成(发射)径向向外传播的磁场804。如以上简要描述的，磁场804可由第二电感线圈728b接收或以其他方式感测，以有利于到内部计算机722的电路的数据传输和电功率传递(即，电压或电流)(图7)。
53.在一些实施方案中，如图所示，手动刀应急系统的一个或多个组成部件可由磁响应材料806制成或以其他方式包含磁响应材料，该磁响应材料在磁场804中引起场畸变808。磁响应材料806可包括能够扭曲或干扰磁场804的任何磁响应材料。磁响应材料806可包括例如导电金属，诸如但不限于银、铜、金、铝、锌、镍、黄铜、青铜、含铁金属(例如铁、碳钢、不锈钢等)、铂，铅、它们的任何合金、或它们的任何组合。磁响应材料806可另选地包括导电聚合物、石墨、碳纤维或它们的任何组合。
54.在一些实施方案中，应急工具602、应急面板608和击发杆802中的一者或多者的全部或一部分可由磁响应材料806制成。在其他实施方案中，磁响应材料806可与应急工具602、应急面板608和击发杆802中的一者或多者被包括在一起或以其他方式附接到其上。磁响应材料806将扭曲磁场804并生成场畸变808，该场畸变可由第二电感线圈728b测量或以其他方式感测。
55.更具体地，第二电感线圈728b可被构造成能够测量在第二电感线圈728b内生成的电动势(即，电压或电流)；即由于磁场804在第二电感线圈728b中产生多少电势。因为电势由驱动通过第二电感线圈728b的磁通量的多少来驱动，所以所测量的电势也可用作第二电感线圈728b中磁通量的测量结果。根据磁响应材料806在磁场804内的位置，磁响应材料806将扭曲磁场804的磁通量。如果磁响应材料806的物理位置改变，则磁场804的磁通量将对应地改变，并且第二电感线圈728b将能够检测该改变和位置改变。
56.参见图8a，手动刀应急系统的组成部件被正确地装载，并且以其他方式处于用于外科工具400的正常使用的位置(图4)。当驱动外壳408首先安装在工具驱动器704上时，可测量和记录磁场804的强度和由包括在手动刀应急系统的组成部件中的磁响应材料806生成的所得场畸变808。该数据可由计算机系统706(图7)或内部计算机722(图7)存储(记录)，
以为外科工具400提供正常操作状态，并且与该正常操作状态的任何变化可提供手动刀应急系统已被激活或将被激活的指示。另选地，内部计算机722的存储器224可已在其中存储了当驱动外壳408联接到工具驱动器704并且处于正常操作状态时在磁场804中生成的已知场畸变808。在此类实施方案中，计算机系统706(图6)可解释所测量的磁场804和相关联的场畸变808，并基于所测量的磁场804和相关联的场畸变808识别外科工具400。
57.然后可由计算机系统706(图7)和内部计算机722(图7)中的一者或两者连续地监测和测量磁场804的强度。在一些实施方案中，然后可将磁场804的实时强度与对应于正常操作状态的强度和一个或多个预定强度阈值进行比较。预定强度阈值可对应于已知磁场804和由一个或多个组成部件的预定位置(状态)产生的相关联的场畸变808，其可指示外科工具400(图4)的手动刀应急系统何时已被激活或将被激活。预定强度阈值可存储在计算机系统706的存储器或内部计算机722的内部存储器724(图7)中。一个或多个组成部件的预定位置可包括但不限于：1)存在应急工具602和应急面板608，2)存在应急工具602但移除应急面板608，3)存在应急面板608但移除应急工具602，4)移除应急工具602和应急面板608两者，5)击发杆802位于伸出位置，以及6)击发杆802位于回缩位置。
58.在图8b中，应急工具602、应急面板608和击发杆802各自相对于驱动外壳408和磁场804物理地运动，并且由对应于每个组成部件的磁响应材料806引起的场畸变808对应地改变。在例示的场景中，应急工具602和应急面板608均已移出磁场804的范围，因此消除了可能归因于应急工具602和应急面板608的存在的任何场畸变808。在这种情况下，所测量的磁场804的强度将对应地改变，这可提供应急工具602和应急面板608均已从驱动外壳408移除的肯定指示。此外，在例示的场景中，击发杆802已朝近侧a运动，这也改变了所产生的场畸变808和所测量的磁场804的强度，这可提供击发杆802已运动到回缩位置(状态)的肯定指示。
59.如果计算机系统706(图7)确定手动刀应急系统已被激活，则计算机系统706(图7)可被编程并以其他方式被配置为向用户(即，外科医生、擦洗护士等)通知状态改变。在一些实施方案中，通知可包括在视觉显示器206(图2)上提供的视觉通知，但在其他实施方案中，通知可以是听觉或触觉的(即，通过外科医生持有的用户输入装置感觉到)。在至少一个实施方案中，通知可向用户提供关于如何成功地完成手动刀应急程序的指令或关于如何逆转应急程序的开始的其他指令(例如，关于如何更换应急工具604和/或应急面板608的指令)。
60.如果确定手动刀应急系统的一个或多个组成部件丢失并且以其他方式在磁场804的范围之外，则计算机系统706(图7)可进一步被编程并以其他方式被配置为发送警报或通知，以确保准确清点丢失的物体。这可证明有利于避免工具物体或部件在患者体内的潜在损失。
61.虽然前面的讨论提到应急工具602、应急面板608和击发杆802作为可影响磁场804的手动刀应急系统的组成部件，但手动刀应急系统可包括附加的组成部件，包括但不限于包括在驱动外壳408内的各种齿轮、齿条、杠杆等。因此，本公开设想齿轮、齿条、杠杆等中的任何一种可由磁响应材料806制成，或另选地，磁响应材料806可附接到其上并且同等地影响磁场804以指示手动刀应急系统的激活。此外，本公开的原理不限于监测手动刀应急系统，而是另选地应用于包括在驱动外壳408中的其他机构或装置。在此类实施方案中，每个机构或装置可具有其自己的预定强度阈值，当磁场804扭曲时，该预定强度阈值将触发依赖
于工具的响应。
62.代替测量第二电感线圈728b上的磁场804的强度以确定手动刀应急系统的组成部件何时存在或被移除，本文还设想测量在第二电感线圈728b中生成的电动势(即，电压或电流)。另选地，可测量磁场804的相位延迟，以确定手动刀应急系统的组成部件何时存在或被移除。
63.图9示出了图7的计算机系统706的示例性实施方案。如图所示，计算机系统706包括可以控制计算机系统706的操作的一个或多个处理器902。“处理器”在本文还称为“控制器”。处理器902可包括任何类型的微处理器或中央处理单元(cpu)，包括可编程通用或专用微处理器和/或多种专有或可商购获得的单处理器系统或多处理器系统中的任一种。计算机系统706还可包括一个或多个存储器904，该一个或多个存储器可为将由处理器902执行的代码或者为从一个或多个用户、存储装置和/或数据库获取的数据提供临时存储。存储器904可包括只读存储器(rom)、闪存存储器、一种或多种随机存取存储器(ram)(例如，静态ram(sram)、动态ram(dram)或同步dram(sdram))和/或存储器技术的组合。
64.计算机系统706的各种元件可联接到总线系统906。所说明的总线系统906是抽象概念，其表示通过适当的桥接器、适配器和/或控制器连接的任何一个或多个单独的物理总线、通信线路/接口和/或多点或点对点连接。计算机系统706还可包括一个或多个网络接口908、一个或多个输入/输出(io)接口910以及一个或多个存储装置912。
65.网络接口908可使得计算机系统706能够通过网络与远程装置(例如，其他计算机系统)通信，并且对于非限制性示例，可为远程桌面连接接口、以太网适配器、和/或其他局域网(lan)适配器。io接口910可包括一个或多个接口部件，以将计算机系统706与其他电子仪器连接。对于非限制性示例，io接口910可包括高速数据端口，诸如通用串行总线(usb)端口、1394端口、wi-fi、蓝牙等。另外，计算机系统706可为人类用户可访问的，并且因此io接口910可包括显示器、扬声器、键盘、指向装置和/或各种其他视频、音频或包括文字与数字的接口。存储装置912可包括用于以非易失性和/或非暂态性方式存储数据的任何常规介质。因此，存储装置912可将数据和/或指令保持在持久状态，即，尽管中断对计算机系统706的供电，仍保留一个或多个值。存储装置912可包括一个或多个硬盘驱动器、闪存驱动器、usb驱动器、光盘驱动器、各种介质卡、磁盘、光盘和/或它们的任何组合，并且可直接连接到计算机系统706或者远程(诸如通过网络)连接到该计算机系统。在示例性实施方案中，存储装置912可包括被配置为存储数据的有形或非暂态计算机可读介质，例如硬盘驱动器、闪存驱动器、usb驱动器、光盘驱动器、介质卡、磁盘、光盘等。
66.图9中所示的元件可为单个物理机器的元件中的一些或全部。另外，并非所绘示的所有元件都需要位于同一物理机器之上或之中。示例性计算机系统包括传统台式计算机、工作站、小型计算机、膝上型计算机、平板计算机、个人数字助理(pda)、移动电话等。
67.计算机系统706可包括web浏览器，该web浏览器用于：检索网页或其他标记语言流，(在视觉上、听觉上或以其他方式)呈现这些页面和/或流，在这些页面/流上执行脚本、控件和其他代码，接受关于这些页面/流的用户输入(例如，出于完成输入字段的目的)，发布关于这些页面/流或其他方面的超文本传输协议(http)请求(例如，用于从完成的输入字段中提交服务器信息)等等。网页或其他标记语言可以是超文本标记语言(html)或其他传统形式，包括嵌入式可扩展标记语言(xml)、脚本、控件等。计算机系统706也可包括用于生
成网页和/或将网页递送到客户端计算机系统的web服务器。
68.在示例性实施方案中，计算机系统706可作为单个单元提供，诸如，作为单个服务器、作为单个塔、容纳在单个外壳内等。单个单元可为模块化的，使得其各种方面可根据需要换入和换出，例如升级、替换、维护等，而不会中断系统的任何其他方面的功能。因此，单个单元也可以是可扩展的，具有作为附加模块添加的能力和/或期望和/或改善现有模块的附加功能。
69.计算机系统706还可包括多种其他软件和/或硬件组件中的任一种，包括(作为非限制性示例)操作系统和数据库管理系统。尽管本文描绘和描述了示例性计算机系统，但应当理解，这是出于普遍性和方便性的原因。在其他实施方案中，计算机系统的架构和操作可与这里示出和描述的不同。
70.本文所公开的实施方案包括：
71.a.一种机器人外科工具，包括：工具驱动器，所述工具驱动器与计算机系统通信；驱动外壳，所述驱动外壳能够安装到所述工具驱动器并且包括由磁响应材料制成或包含磁响应材料的一个或多个组成部件；第一电感线圈，所述第一电感线圈被包括在所述工具驱动器上并且被构造成能够生成磁场；第二电感线圈，所述第二电感线圈被包括在所述驱动外壳上并且被构造成能够测量所述磁场的强度和由所述一个或多个组成部件引起的场畸变，其中所述场畸变的变化提供所述一个或多个组成部件的运动的指示。
72.b.一种操作机器人外科工具的方法，包括：将驱动外壳安装到与计算机系统通信的工具驱动器，所述驱动外壳包括由磁响应材料制成或包含磁响应材料的一个或多个组成部件；通过利用被包括在所述工具驱动器上的第一电感线圈生成磁场并且利用被包括在所述驱动外壳上的第二电感线圈感测所述磁场来将所述驱动外壳电感耦合到所述工具驱动器；利用所述第二电感线圈测量所述磁场的强度和由所述一个或多个组成部件引起的场畸变；以及利用所述第二电感线圈检测所述场畸变的变化，并由此提供所述一个或多个组成部件的运动的指示。
73.c.一种机器人外科工具，包括：工具驱动器，所述工具驱动器与计算机系统通信；驱动外壳，所述驱动外壳能够安装到所述工具驱动器并且包括手动刀应急系统，所述手动刀应急系统包括选自由以下项组成的组的一个或多个组成部件：应急工具、应急面板和击发杆，其中所述一个或多个组成部件中的至少一者由磁响应材料制成或包含磁响应材料；第一电感线圈，所述第一电感线圈被包括在所述工具驱动器上并且被构造成能够生成磁场；第二电感线圈，所述第二电感线圈被包括在所述驱动外壳上并且被构造成能够测量所述磁场的强度和由所述一个或多个组成部件引起的场畸变，其中所述场畸变的变化提供所述应急工具、所述应急面板和所述击发杆中的至少一者的运动的指示。
74.实施方案a、b和c中的每一个可以任何组合具有以下附加要素中的一者或多者：要素1：其中所述磁响应材料包括选自由以下项组成的组的磁响应材料：导电金属、导电聚合物、石墨、碳纤维、以及它们的任何组合。要素2：其中所述驱动外壳还包括内部计算机，所述内部计算机与所述第二电感线圈通信并被编程以处理所述磁场的所述强度和所述场畸变的所述变化。要素3：其中所述计算机系统被编程以在检测到所述场畸变的所述变化时提供通知。要素4：其中所述通知包括在视觉显示器上提供的视觉通知。要素5：其中所述通知包括听觉或触觉通知。要素6：其中所述驱动外壳的所述一个或多个组成部件形成手动刀应急
系统的一部分，并且其中测量所述场畸变的所述变化提供所述手动刀应急系统已被激活的指示。
75.要素7：其中所述驱动外壳还包括与所述第二电感线圈通信的内部计算机，所述方法还包括利用所述内部计算机处理所述磁场的所述强度和所述场畸变的所述变化。要素8：所述方法还包括当检测到所述场畸变的所述变化时向所述计算机系统提供通知。要素9：所述方法还包括在与所述计算机系统通信的视觉显示器上提供视觉通知。要素10：其中提供所述通知包括提供听觉或触觉通知。要素11：其中测量所述磁场的所述强度和所述场畸变包括在将所述驱动外壳电感耦合到所述工具驱动器时测量所述强度和所述场畸变。要素12：其中测量所述磁场的所述强度和所述场畸变包括在将所述驱动外壳电感耦合到所述工具驱动器之前测量所述强度和所述场畸变，以及将所述强度和所述场畸变存储在包括在所述驱动外壳中的内部计算机的存储器内。要素13：其中检测所述场畸变的所述变化包括：将所述场畸变的所述变化与对应于已知磁场和由所述一个或多个组成部件的预定位置引起的已知场畸变的预定强度阈值进行比较，以及将所述场畸变的所述变化与所述预定强度阈值进行匹配。
76.要素14：其中所述磁响应材料包括选自由以下项组成的组的磁响应材料：导电金属、导电聚合物、石墨、碳纤维、以及它们的任何组合。要素15：其中所述应急工具存储在所述驱动外壳内并且能够通过移除所述应急面板来触及。要素16：其中所述驱动外壳还包括应急盖，并且所述应急工具能够与所述应急盖配合，并且其中旋转所述应急工具对应地旋转所述应急盖，这导致所述击发杆纵向平移。要素17：其中所述计算机系统被编程以在检测到所述场畸变的所述变化时提供通知。
77.作为非限制性示例，适用于a、b和c的示例性组合包括：要素3与要素4；要素3与要素5；要素8与要素9；以及要素8与要素10。
78.因此，本发明所公开的系统和方法非常适于获得所提到的结果和优点以及其中固有的结果和优点。上文所公开的具体实施方案仅是示例性的，因为本公开的教导内容可以受益于本文教导内容且对于本领域的技术人员而言显而易见的不同但等价的方式进行修改和实施。此外，除了在以下权利要求中描述的之外，对于本文所示的构造或设计的细节没有限制。因此显而易见的是，可改变、组合或修改上文所公开的具体示例性实施方案，并且所有这些改变都被视为在本公开的范围内。本文例示性地公开的系统和方法可适当地在缺少本文未具体公开的任何元件和/或本文公开的任何可选元件的情况下实施。虽然根据“包括”、“含有”或“包含”各种部件或步骤描述了组成和方法，但是该组成和方法也可“基本上由各种部件或步骤组成”或“由各种部件或步骤组成”。上文所公开的所有数值和范围可改变一些量。每当公开具有下限和上限的数值范围时，具体公开了落入该范围内的任何数值和任何包括的范围。具体地，本文所公开的每种值范围(形式为“约a至约b”或等效形式“大约a至b”或等效形式“从大约a-b”)应被理解为列出更广泛的值范围内涵盖的每个数值和范围。而且，权利要求中的术语具有其普通的一般含义，除非专利权人另有明确和清楚的定义。此外，权利要求中使用的不定冠词“一”或“一个”在本文中被定义为表示其引入的一个或多个元件而不是一个元件。如果本说明书中的词语或术语的使用与可以引用方式并入本文的一个或多个专利或其他文件存在任何冲突，则应采用与本说明书一致的定义。
79.如本文所用，在一系列项目(用术语“和”或“或”来隔开项目中的任一个)之前的短
语
“…
中的至少一个”将整体修饰列表，而不是列表的每个成员(即，每个项目)。短语
“…
中的至少一个”允许意指包括项目中的任何一个的至少一个，和/或项目的任何组合中的至少一个，和/或项目中的每一个的至少一个。作为示例，短语“a、b和c中的至少一个”或“a、b或c中的至少一者”各自是指以下中的至少一者：仅a、仅b或仅c；a、b和c的任何组合；以及/或者a、b和c中的每一者。