] 外科醫(yī)生的控制臺120-般設置在與病人側推車100相同的手術室中，雖然它被 定位成使得操作該控制臺的外科醫(yī)生位于無菌區(qū)之外。一個或多個助手一般輔助外科醫(yī)生 在無菌手術區(qū)內工作（例如，改變病人側推車上的工具，執(zhí)行手動抽出等）。因此，外科醫(yī)生 遠離無菌區(qū)進行操作，并且這樣該控制臺可以位于與手術室分開的房間或建筑物中。在一 些實現(xiàn)方式中，兩個控制臺120(共同定位亦或彼此遠離）可以通過網(wǎng)絡連接在一起從而使 得兩個外科醫(yī)生可以同時觀察和控制手術部位的工具。
[0079] 圖IC是daVinci?手術系統(tǒng)的視覺推車部件140的前向正視圖。圖像推車140 容納手術系統(tǒng)的中央電子數(shù)據(jù)處理單元142和視覺設備144。該中央電子數(shù)據(jù)處理單元包 括用于操作手術系統(tǒng)的許多數(shù)據(jù)處理。然而，在各種其他實現(xiàn)方式中，可以將電子數(shù)據(jù)處理 分配到外科醫(yī)生控制臺和病人側推車中。視覺設備包括用于立體內窺鏡112的左側和右側 圖像捕獲功能的攝像機控制單元。該視覺設備還包括提供照明用以成像手術部位的照明 設備（例如，氙氣燈）。如圖IC中所示，該視覺推車包括一個任選的24英寸觸摸屏監(jiān)視器 146,該監(jiān)視器可以安裝在其他地方，例如在病人側推車100上。圖像推車140進一步包括 用于任選的輔助手術設備（例如電子手術單元和吹入器）的空間148。該病人側推車和外 科醫(yī)生控制臺通過光纖通信鏈路耦合到該視覺推車上，從而使得三個部件一起充當單個的 遠程操作的微創(chuàng)手術系統(tǒng)，該手術系統(tǒng)為外科醫(yī)生提供直觀的遠程呈現(xiàn)。并且，如上所述， 可以包括第二外科醫(yī)生控制臺，從而使得第二外科醫(yī)生可以例如監(jiān)督該第一外科醫(yī)生的工 作。
[0080] 圖2A是示例性器械臂106的側面正視圖。為了清楚的目的省略掉在手術期間正 常使用的無菌簾和相關的機構。該臂是由一系列連桿和將這些連桿耦連在一起的關節(jié)構成 的。該臂被分成兩個部分。第一部分是"建立（set-up)"部分202,其中未通電的關節(jié)耦連 這些連桿。將第二部分通電，即支撐和移動該手術器械的機器人操縱器部分204 (病人側操 縱器；"PSM"）。在使用期間，移動建立部分202從而將操縱器部分204放置在適當位置用 來執(zhí)行希望的手術任務。然后建立部分關節(jié)被鎖定（例如，用制動機構）從而防止該臂的 這個部分運動。
[0081] 圖2B是安裝有示意性器械110的PSM204的透視圖。PSM204包括偏轉伺服致動 器206、俯仰伺服致動器208以及插入和抽出（"I/O"）致動器210。示出的示意性手術器 械110安裝在器械安裝托架212上。示出的示意性直套管214安裝到套管支座216。器械 110的軸218延伸穿過套管214。PSM204被機械地限制從而它圍繞沿著該器械軸定位的一 個固定的遠程運動中心220來移動器械110。偏轉致動器206提供繞遠程中心220的偏轉 運動222,俯仰致動器208提供繞遠程中心220的俯仰運動224,并且I/O致動器210提供 通過遠程中心220的插入和抽出運動226。建立部分202 -般被定位用來在手術期間將遠 程運動中心220放置在病人體壁中的切口處，并且用來允許可以得到足夠的偏轉和俯仰運 動來進行預期的手術任務。本領域技術人員將理解的是繞遠程運動中心的運動還可以僅通 過使用軟件而不是通過機械組件所限定的物理限制進行限制。
[0082] 安裝托架212中的匹配力傳遞圓盤和器械力傳遞組件230耦合來自PSM204中致 動器232的致動力，從而移動器械110的各個部分以便定位、定向和操作器械末端執(zhí)行器 234。這類致動力一般可以轉動器械軸218 (因此提供通過該遠程中心的另一個DOF)，操作 提供偏轉和俯仰DOF的腕部236,以及操作可移動的工件或各種末端執(zhí)行器的抓握夾爪（例 如，（能燒灼或不夠燒灼的）剪刀、解剖器、抓握器、針驅動器、電烙術鉤子、牽引器、施夾器 等）。
[0083]圖2C是安裝有示例性攝像機112的攝像機臂108的一部分的側面正視圖。類似 于器械臂106,攝像機臂108包括建立部分240和操縱器部分242 (內窺鏡攝像機操縱器； "ECM")。ECM242類似于PSM204配置并且包括偏轉運動致動器244,俯仰運動致動器246 和I/O運動致動器248。內窺鏡112安裝在托架組件250上并且內窺鏡套管252安裝在攝 像機套管支座254上。ECM242移動內窺鏡112使其環(huán)繞并且穿過遠程運動中心256。
[0084] 在使用參考圖1A-2C描述的機器人手術系統(tǒng)的典型手術程序期間，在病人身體中 形成至少兩個切口（通常使用套針用來放置相關聯(lián)套管）。一個切口用于內窺鏡攝像機器 械，并且其他切口用于必要的手術器械。有時這類切口被稱為"端口"，即還可以表示用于這 樣的切口中的一件設備的術語（如下詳細說明）。在一些手術程序中，為了提供所需要的進 入以及對手術部位成像，若干器械和/或攝像機端口是必要的。雖然與常規(guī)開放式手術所 使用的較大切口相比較，這些切口是較小的，但仍需要并期望進一步減少切口的數(shù)量從而 進一步減少病人創(chuàng)傷并且用于提高美觀性。
[0085] 單端口手術是一種技術，其中用于微創(chuàng)手術的所有器械通過該病人體壁中的一個 單個切口，或在一些情況下穿過一個單個自然開口。這類方法可以通過各種術語來提及， 例如單端口入路手術（SPA)、腹腔鏡內鏡單部位手術（LESS)、單切口腹腔鏡手術（SILS)、單 端口臍部手術（OPUS)、利用單端口無切口常規(guī)設備手術（SPICES)、單入路部位手術內窺鏡 (SASSE)或自然孔道經臍手術（NOTUS)。使用手動器械亦或機器人手術系統(tǒng)（例如上述之 一）可以完成單端口的使用。然而，使用這樣的技術產生困難，因為單端口限制了手術器械 可以進入手術部位的角度。例如，將兩個器械并排靠近地布置，并且因此難以在手術部位實 現(xiàn)有利的三角測量（三角測量是能夠沿著一個三角形的兩條邊來定位兩個手術器械的遠 端以便在手術部位以該三角形的頂點來有效地工作）。另外，因為這些器械和內窺鏡通過同 一個切口進入，直的器械軸易于模糊大部分內窺鏡視場。并且，另外地，如果使用機器人手 術系統(tǒng)，則由于它們的尺寸和它們的移動，多個操縱器可能彼此干擾，這也限制了可供外科 醫(yī)生使用的末端執(zhí)行器運動的量。
[0086] 圖3圖示說明針對單端口手術使用多臂機器人手術系統(tǒng)的困難。圖3是穿過體壁 插入從而抵達手術部位300的多套管和相關聯(lián)器械的圖解視圖。如圖3中所示，攝像機套 管302延伸穿過攝像機切口 304,第一器械套管306延伸穿過第一器械切口 308,并且第二 器械套管310延伸穿過第二器械切口 312?？梢钥闯鋈绻@些套管302、306、310中每一個 延伸穿過同一個（稍微擴張的）端口 304,由于要求每一個繞遠程運動中心運動并且還由于 將這些套管夾持在安裝固定件302a、306a、310a上的上述操縱器的體積和移動，那么末端 執(zhí)行器的非常小的移動是可能的，并且這些套管和器械軸可能模糊該內窺鏡視場中的手術 部位。為了保留這些器械在手術部位的一些三角測量，已經進行了嘗試來交叉這些器械軸 并使用這些器械腕部來提供某種有限的三角測量，但這種配置產生"向后（backwards) "控 制方案（在內窺鏡的視野中右側主控器控制左側從動器械，并且反之亦然），這是非直觀的 并且因此損失了直觀的遠程機器人控制的一些強大益處。腕部為直軸的手動器械同樣要求 外科醫(yī)生以雙手交叉或跨視線的"向后的"方式來移動器械。并且此外，對于腹腔鏡手術， 由于穿過單個切口放置的多個器械/套管，難以維持恰當?shù)臍飧埂?br>[0087] 對于使用手動器械的單端口手術而言，已經嘗試使用剛性的彎曲器械軸來改善三 角測量。這類彎曲軸典型地具有復雜的"S"彎曲，該"S"彎曲在體內允許它們彎曲離開該 切口然后返回該手術部位，并且在體外彎曲離開該切口從而為器械手柄和外科醫(yī)生的手提 供間隙。這些彎曲的器械看起來比直軸手動器械甚至更難以使用，因為這些彎曲軸進一步 限制了外科醫(yī)生通過移動該軸亦或通過使用手動操作的腕部機構精確地移動器械末端執(zhí) 行器的能力。例如，使用這類剛性彎曲軸器械進行縫線看起來是極其困難的。此外，因為它 們的形狀，外科醫(yī)生直接地在切口和手術部位之間插入并且抽出這類彎曲軸器械的能力受 到限制。并且，由于它們的形狀，轉動剛性的彎曲器械可能引起該器械軸的一部分接觸并且 有可能損害組織（在外科醫(yī)生不知道的情況下）。
[0088] 對于使用機器人手術系統(tǒng)的單端口手術而言，提出了多種方法用來為手術器械提 供增加的可控的自由度。例如，已經提出使用遠程機器人控制的"蛇狀"器械以及相關聯(lián)的 可控制的引導管作為通過單個切口進入手術部位的方法。類似地，提出使用具有小型機械 平行運動機構的器械。參見，例如，美國專利申請公開號US2008/0065105Al(2007年6月 13日提交）（描述一種微創(chuàng)手術系統(tǒng)）。當這類器械最終可能是有效的時，它們通常在機械 上是復雜的。并且，由于它們增加的DOF致動要求，這類器械不可能與現(xiàn)有機器人手術系統(tǒng) 兼容。
[0089] 彎曲的套管系統(tǒng)
[0090] 圖4A是病人側機器人操縱器的一部分的示意圖，該部分支撐并且移動彎曲的套 管和被動柔性手術器械的組合。如圖4A中所示，遠程機器人操作的手術器械402a包括力 傳遞機構404a、被動柔性軸406a和末端執(zhí)行器408a。器械402a安裝在PSM204a的器械 托架組件212a上（為了清楚的目的示意地繪制上述部件）。接口圓盤414a耦合來自PSM 204a中伺服致動器的致動力，從而移動器械402a部件。末端執(zhí)行器408a示例性地操作單 個DOF(例如，關閉夾爪）。用來提供一個或多個末端執(zhí)行器DOF的腕部（例如，俯仰、偏轉； 參見例如美國專利US6, 817, 974(2002年6月28日提交的）（公開了 "具有主動可定位式 腱致動的多圓盤式腕關節(jié)的手術工具（SurgicalToolHavingPositivelyPositionable Tendon-ActuatedMulti-DiskWristJoint)"，該專利通過引用被并入本文）是任選的并 且未示出。許多器械實現(xiàn)方式不包括這樣的腕部。省略腕部簡化了PSM204a和器械402a 之間致動力接口的數(shù)量，并且這種省略還減少了近端力傳遞機構404a與遠端致動件之間 必要的力傳遞元件的數(shù)量（并且因此降低器械復雜性并減小尺寸）。
[0091] 圖4A進一步示出彎曲套管416a，該套管具有近端418a、遠端420a以及在近端 418a與遠端420a之間延伸的中心通道422a。在一個實現(xiàn)方式中，彎曲套管416a是剛性的 單件套管。如圖4A中所繪制的，彎曲套管416a的近端418a被安裝在PSM204a的套管支座 216a上。在使用期間，器械402a的柔性軸406a延伸穿過柔性套管416a的中心通道422a， 從而使得柔性軸406a的遠端部分和末端執(zhí)行器408a延伸超過套管416a的遠端420a從而 到達手術部位424。如上所述，PSM204a的機械限制（或可替代地，PSM204a的控制系統(tǒng) 中預編程的軟件限制）導致器械402a和彎曲套管416a以俯仰和偏轉的形式圍繞沿著套管 416a定位的遠程運動中心426移動，該套管一般布置在病人體壁中的切口處。由托架212a 提供的PSM204a的1/0致動將器械402a穿過套管416a插入和抽出從而移入和移出末端 執(zhí)行器408a。下面討論器械402a、套管416a以及對這兩個部件進行控制的詳細情況。
[0092] 圖4B是示出第二病人側機器人操縱器的示意圖，該操縱器支撐和移動第二彎曲 套管和被動型柔性手術器械組合（加入圖4A視圖中）。第二PSM204b、器械402b和彎曲 套管416b的部件基本上類似于圖4A中所述的那些部件，并且與它們基本上功能相似。然 而，彎曲套管416b在與彎曲套管416a彎曲方向相反的方向上彎曲。因此圖4B圖示說明了 以相反方向彎曲的兩個彎曲套管和相關器械被定位成延伸通過病人體壁430中單個切口 428從而到達手術部位424。每個彎曲套管最初成角度地遠離該切口與手術部位之間的直 線，然后朝向該直線彎曲返回從而將該延伸的器械引導至手術部位。通過以俯仰偏轉方式 操作PSM的204a和204b，因此彎曲套管的遠端420a和420b移動，并且因此器械末端執(zhí)行 器404a和404b相對于手術部位移動（并且結果是，相對于內窺鏡視場移動）?？梢钥闯?雖然這兩個彎曲套管和柔性器械組合的遠程運動中心不相同，但是它們彼此足夠接近（緊 鄰），從而使得可以將它們兩者定位在單個切口 428處。
[0093] 圖4C是示出內窺鏡攝像機操縱器的示意圖，該操縱器支撐內窺鏡（該示意圖被加 在圖4B視圖上）。為了清楚的目的，一些前面使用的參考數(shù)字被省略掉。如圖4C中所示，ECM242夾持了內窺鏡112從而使得內窺鏡112連同兩個彎曲的套管和柔性器械組合一起 延伸穿過單個切口 428。內窺鏡112延伸穿過被套管支座254支撐的常規(guī)的套管252。在 一些實現(xiàn)方式中，套管252提供通往體腔的吹入法。ECM242被定位以便將內窺鏡112的遠 程運動中心安置在切口 428處。如上，可以看出這兩個彎曲套管和器械組合以及內窺鏡112 的這些遠程運動中心不完全相同，但是它們可以被定位為充分接近從而允許它們都能延伸 穿過該單個切口 428而無需形成過大的切口。在一個示例性實現(xiàn)方式中，這三個遠程中心 可以大致地定位在一條直線上（如圖4C中圖示說明）。在其他實現(xiàn)方式中，例如下述的那 些，這些遠程中心不是線性對齊的，而是足夠接近成組的。
[0094] 圖4C還示意性地圖示說明了PSM的204a和204b，并且ECM242可以被定位從而 使得每個PSM具有充分改善的體積，在該體積下以俯仰和偏轉方式移動而不彼此干擾。即， 如果使用直軸器械，則PSM必須總體上保持在彼此鄰近的位置中從而將這些軸保持在接近 平行的關系中以便通過單個切口有效工作。然而，在使用彎曲套管的情況下，PSM可以被彼 此更加遠離地安置，并且這樣與直軸器械相比較，每個PSM總體上可以在相對較大體積中 移動。此外，圖4C圖示說明了彎曲套管416如何為這些手術器械提供改進的三角測量，從 而使得在內窺鏡112的視場430中手術部位426是相對清楚的。
[0095] 圖4C進一步圖示說明了端口構件432可以安置在切口 428中。套管416a、416b 和252各自延伸穿過端口構件432。這類端口構件可以具有各種配置（如下面詳細說明）。
[0096] 圖5是與彎曲套管一起使用的示意性柔性器械500的圖解視圖。器械500包括近 端力傳遞機構502、遠端手術末端執(zhí)行器504以及親合力傳遞機構502和末端執(zhí)行器504的 軸506。在一個實現(xiàn)方式中，軸506約43cm長。在一些實現(xiàn)方式中，軸506是被動柔性的并 且包括三個區(qū)段：近端區(qū)段506a、遠端區(qū)段506c以及位于近端區(qū)段506a和遠端區(qū)段506c 之間的中間區(qū)段506b。
[0097] 在一些實現(xiàn)方式中，這些區(qū)段506a、506b、506c各自的特征可以體現(xiàn)在它們的不 同硬度。區(qū)段506a是軸506從力傳遞機構502朝向彎曲套管延伸的部分，其中軸506的其 他區(qū)段延伸穿過該彎曲套管。結果，與其他區(qū)段506b、506c相比較，區(qū)段506a是相對剛性 的。在一些實現(xiàn)方式中，區(qū)段506a可以是有效剛性的。與其他兩個區(qū)段506a、506c相比， 區(qū)段506b是相對更柔性的。在手術程序期間區(qū)段506b的大部分位于該彎曲套管內，并且 這樣區(qū)段506b被做成相對柔性的從而減少與彎曲套管內壁的摩擦力，但它的柔性沒有被 做成使得在手動或伺服控制操作下在插入期間使它翹曲。與區(qū)段506b相比，區(qū)段506c是 相對更硬的，因為區(qū)段506c從該彎曲套管的遠端延伸。因此，區(qū)段506c被做成足夠柔性使 得可以將它插入穿過該彎曲套管的彎頭，然而它的剛性足以向末端執(zhí)行器504提供足夠的 懸臂支撐。
[0098] 然而，在一些實現(xiàn)方式中，軸區(qū)段506a_506c各自具有相同的物理結構一每個區(qū) 段由相同的（一種或多種）材料構成，并且選擇該（一種或多種）材料以便具有各區(qū)段可 接受的彎曲硬度一因此這些區(qū)段具有相同的硬度。這樣的器械軸總體上具有更低的成本， 因為例如它們具有更少的零件并且更容易組裝。
[0099] 對于需要通過軸滾動的末端執(zhí)行器滾動DOF器械來說，所有三個區(qū)段506a_506c 的抗扭剛性（torsionallyrigid)足以將滾動運動從器械的近端傳遞至遠端手術末端執(zhí)行 器504。下面參考圖8A-8D對多個實例進行說明。
[0100] 在一些實現(xiàn)方式中，該器械軸（或至少該軸在套管內移動的部分）的硬度接近于 機器人可以插入和滾動的最大值，其中選擇一種外部材料來合理地最小化在套管內的軸摩 擦。這樣的插入和滾動力基本大于人可以合理控制的力，并且因此可以使得該器械從套管 遠端延伸的遠端區(qū)段的硬度高于手操作的器械軸的硬度（對于類似的但手動致動的彎曲 套管系統(tǒng)而言）。這個特征使得能夠在如下情況下使用彎曲套管機器人手術系統(tǒng)，其中穿 過彎曲套管而動作的手操作的器械可以最低限度地起作用的或不起作用（例如，手操作的 軸的硬度太低而不能使該器械在手術部位有效地工作）。并且在一些實現(xiàn)方式中，"調諧" 該器械（例如，通過選擇一種或多種特殊材料和/或通過使用選定的（多種）材料進行不 同的軸構造）以便（i)以適當硬度的軸來有效使用該機器人的插入和滾動驅動能力，同時 (ii)不允許這樣的適當硬度的軸與特殊的套管曲線尺寸之間的摩擦來抵消該機器人的驅 動能力的益處。因此某些器械可以具有一種硬度的柔性軸，用于與具有一個曲率半徑和/ 或內直徑的套管一起使用，并且其他器械可以具有另一種硬度的軸，用于與具有另一曲率 半徑和/或內直徑的套管一起使用。例如，對于特定的軸直徑而言并且假定套管的曲率半 徑和套管-軸的摩擦相反地變化，則被設計用于與具有較大曲率半徑的套管一起使用的器 械的軸硬度可以大于被設計用于與具有較小曲率半徑的套管一起使用的器械的軸硬度。在 不同的方面，該軸的橫向（彎曲）硬度是在從約1鎊每平方英寸（lb-in2) (PSIX英寸4) 至約41b-in2的范圍內，并且在一個實現(xiàn)方式中，該軸的橫向硬度是約2. 01b-in2。在不同 的方面，該軸的旋轉硬度是大于約lllb-in2,并且在一個實現(xiàn)方式中，該軸的旋轉硬度是約 22. 01b-in2。對于具有在約l-41b-in2范圍內的橫向硬度的軸的實現(xiàn)方式中，旋轉硬度的實 際范圍是在約lllb-in2至約661b-in2的范圍內。
[0101] 主要由于摩擦力，當彎曲套管的彎曲半徑減小時，器械軸的硬度必須也降低。如果 將各向同性的材料用于該器械軸，如結合圖8C和8D所圖示說明的，則從該套管遠端延伸的 軸部分的硬度也降低。在某一點處，軸的延伸的遠端的硬度亦或在傳遞機構與套管之間的 軸部分的硬度可能變成低得不可接受。因此，如以上描述的，可以針對具有固定尺寸的各向 同性的材料的軸來限定硬度范圍，這取決于套管的彎曲半徑和內直徑。
[0102] 被布置在柔性軸器械的遠端處的手術器械末端執(zhí)行器具有兩種通用類型。第一類 型的末端執(zhí)行器沒有移動部件。這樣的不移動的末端執(zhí)行器可以包括例如：抽吸/沖洗尖 端、電烙術鉤子或刀片、探針、鈍的解剖器、攝像機、牽引器等。第二種類型的末端執(zhí)行器具 有在機器人控制下被致動的至少一個移動部件。這樣的移動部件式末端執(zhí)行器包括例如： 抓握器、針驅動器、移動的燒灼術鉤子、施夾器、（非燒灼的和燒灼的）剪切機等等。
[0103]