[发明专利]具有摆线表面的器械腕部

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用于微创手术程序的医疗器械通常采用远距离启动的机械腕部或关节。在一些配置中，腕部机构可以是位于该器械的主要导管的远端处的工具（如钳、解剖刀、剪刀或烧灼工具）的一部分或可以操纵该工具。腱通常附连到该腕部机构中的机械构件或圆盘上并且延伸穿过该主要导管而到达该主要导管近端处的驱动系统。授予Cooper等人标题为“具有可主动定位的腱致动的多圆盘式腕部关节的手术工具（Surgical tool having Positively Positionable Tendon-Actuated Multi-Disk Wrist Joint）”的美国专利US.6,817,974描述了一些已知的腕部机构，其包含多个圆盘以及腱控制的腕部关节。

当机构中的两个构件具有根据一种固定关系或齿轮比而改变的相对角度取向时，在一个关节处发生该腕部机构中的齿轮式移动。例如，图1A示出腕部关节100的侧视图，该腕部关节具有构件110和120，这些构件具有圆形的并且曲率半径相同的载荷表面112和122。当圆形表面112和122在彼此上滚动而不滑动时，产生了1:1齿轮比的齿轮式运动。为了防止滑动，构件110上的销或齿114可以啮合构件120中开口124的壁，并且防止构件110和120在驱动系统（未示出）拉动腱130并且松开相反的腱132时相对于彼此滑动（如图1B中所示）。齿114被优选地设计形状、定位和设计尺寸，从而使得齿114在构件110和120的全转动范围上保持与开口124耦合。齿轮式运动是希望的，因为构件110和120的移动可以在计算机或确定如何操纵腱130和132来实现关节100的期望运动的其他处理系统中进行建模和预测。圆形载荷表面112和122保持了限定表面112和122的圆的中心之间的间隔，这是希望的，因为产生的移动被容易地建模并且因为腱130和132的对称附连导致腱130或132被拉动的长度与另一个腱132或130被松开的长度相等。因此可以简化操纵腱130和132的驱动系统的机械学。

一般已知齿轮使用多种表面形状来允许齿轮的齿相啮合而不受约束。例如，摆线齿轮是具有遵循摆线曲线的接触面的齿的齿轮。图2示出了一对摆线齿轮210和220，它们被设置在相应的轴212和222上，这些轴具有为了使齿轮210和220的齿正确啮合所需要的间隔。具体而言，当驱动齿轮210顺时针转动时，齿轮210的表面214接触齿轮220的表面224。表面214和224的形状被设计为当齿轮221和220转动时抵靠彼此滚动，例如表面214可以是平的而表面224遵循摆线曲线。然后表面216和226相接触，并且齿轮210和220转动，直到齿轮210的下一个齿218与齿轮220的下一个齿228相接触。摆线齿轮如齿轮210和220的恰当啮合对于轴212与222之间的间距是敏感的，这可能是现今在齿轮中更常使用渐开线曲面（involute surface）的主要原因。

如图2中图示的齿轮与诸如图1A和1B中图示的齿轮式腕部关节的不同之处在于轴212和222固定齿轮210和220的间距，从而使得这些齿轮的接触面不承载显著的压缩力。相比之下，图1A和1B的腕部关节100在位于医疗器械中时通常需要承载压缩力（例如，由于腱130和132的张紧），这些压缩力趋向于使构件110和120的凸形载荷表面112和122变平。由于含腕部关节（诸如腕部关节100）的医疗器械通常具有较小的直径，例如构件110或120的总直径典型地约为3至10mm，并且可能遇到约一百磅的压缩力，因此载荷表面112和122的变形是重要问题。此外，对于腱引导件或诸如摄像机缆线或可以延伸穿过器械的其他系统的装置的一个或更多个中心内腔而言，可能需要腕部关节的大部分截面积。这些机械结构的小的可用空间可能使得制造具有适当强度和精确度的腕部关节100有挑战性。具体而言，齿114的相对小的尺寸可能导致在腕部的极限运动下齿114与开口124脱离接合，特别是当腕部100支撑一个使表面112和122变形的负荷时。

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