使用在法拉第笼中的应变计的器械力传感器制造技术

一种手术器械包括力传感器装置，该力传感器装置不受来自电弧烧灼的噪声的影响且不依赖于光纤应变计，并且该力传感器装置是可高压灭菌的。手术器械包括壳体、轴、力传感器装置、关节和末端部件。力传感器装置包括封装在法拉第笼中的至少一个应变计。该法拉第笼包括传感器舱，该传感器舱包括一个或多个应变计、连接到传感器舱的电缆护套管以及连接到该电缆护套管的电子元件容器。传感器舱定位在关节和轴之间。电缆护套管穿过轴延伸到在壳体内的电子元件容器。

Instrument force transducer using strain gauge in Faraday cage

A surgical instrument includes a force sensor device, which is not affected by noise from arc burning and independent of an optical fiber strain gauge, and which can be sterilized under high pressure. Surgical instruments include shell, shaft, force sensor, joint and end member. The force sensor device includes at least one strain gauge enclosed in the Faraday cage. The Faraday cage comprises a sensor cabin comprising one or more strain gauges, a cable sleeve connected to the sensor cabin and an electronic component container connected to the cable sleeve. The sensor compartment is positioned between the joint and the shaft. The cable protective sleeve extends through the shaft to the electronic component container in the shell.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用在法拉第笼中的应变计的器械力传感器相关申请本专利申请要求2016年2月2日提交的题为“INSTRUMENTFORCESENSORUSINGSTRAINGAUGESINAFARADAYCAGE”的美国临时专利申请62/290,010的优先权和利益，该临时专利申请通过引用整体合并于此。
本专利技术总体涉及用于计算机辅助手术系统的手术器械，并且更具体地涉及在用于计算机辅助手术系统的手术器械中使用的应变计。
技术介绍
图1是在计算机辅助手术系统中使用的手术器械100的透视图。箭头195示出图1中的近侧方向和远侧方向。手术器械100包括壳体101、轴102、力传感器装置103、关节104和末端部件105。末端部件105(诸如手术末端执行器)经由关节304(例如，腕关节)耦接到力传感器装置303。力传感器装置103耦接到轴102的远端并耦接到关节104。壳体101耦接到轴102的近端，并且壳体101包括接口，该接口机械地、电子地以及光学地将器械100耦接到器械操纵组合件(assembly)。力传感器装置103通过作用于末端部件105上的力测量器械轴102的挠曲。力传感器装置103使用包括布拉格光纤光栅(FiberBraggGratings)的光纤。使用两个隔开的布拉格光纤光栅的环。每个环包括以90度分开的四个布拉格光纤光栅。来自布拉格光纤光栅的信号通过光纤被传送到远离手术器械100定位的光纤询问器。将来自光纤询问器的信号在算术上以各种和(sum)和差(difference)的形式进行组合以获得施加于末端部件105上的三个垂直力的测量值，并获得绕垂直于轴102的轴线的两个轴线的扭矩。参见美国专利US8,375808B2，其通过引用全文合并于此，以便更完整地描述布拉格光纤光栅传感器。布拉格光纤光栅传感器基于传感器的弯曲度来反射光。布拉格光纤光栅传感器不受烧灼噪声的影响。不利的是，用于将光纤粘附到轴102上的环氧胶在高压灭菌机器中清洗时会退化。如果环氧胶失效，可能导致需要重新校准传感器，也可能限制手术器械在力感测方面的使用寿命。
技术实现思路
一种手术器械包括力传感器装置。该力传感器装置包括传感器舱。该传感器舱是法拉第笼的一部分。应变计安装在传感器舱内。该手术器械还包括管和电子元件容器。该管具有第一端和第二端。该管的第一端连接到传感器舱。该管的第二端连接到电子元件容器。该管和电子元件容器完成法拉第笼。如本文所用，管不限于具有圆形截面。在一个方面，传感器舱被配置为悬臂梁。应变计安装在悬臂梁的内壁上。如本文所用，舱并不仅仅意味着封闭的主体或任何特定的形状，例如，公开了具有开口端的舱。在另一方面，传感器舱是柱形管。柱形管作为悬臂梁安装在力传感器装置中。在这一方面，力传感器装置还包括第一多个应变计和第二多个应变计。柱形管具有内壁、第一端、第二端和纵向轴线。纵向轴线被限定在柱形管的第一端和第二端之间。第一多个应变计附着到柱形管的内壁，其中第一组应变计中的每个计量器的中心在第一平面内，该第一平面垂直于在纵向轴线上的第一位置。第二多个应变计附着到柱形管的内壁，其中第二组应变计中的每个计量器的中心在第二平面内，该第二平面垂直于在纵向轴线上的第二位置。第二位置与第一位置不同。在第一多个应变计中的第一对应变计被配置成惠斯通电桥的一个分支(第一分支)。在第二多个应变计中的第一对应变计被配置成该惠斯通电桥的另一分支(第二分支)。该力传感器装置还包括安装在柱形管内的放大器。该放大器具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子。第一输入端子连接到惠斯通电桥的一个分支(第一分支)的输出端。第二输出端子连接到惠斯通电桥的另一分支(第二分支)的输出端。该放大器被配置为从第一输入端子上的第一信号减去第二输入端子上的第二信号，并且被配置为在输出端子上提供代表作用于柱形管上的力的信号。该力传感器装置包括悬臂梁、第一多个应变计、第二多个应变计和放大器电路。该悬臂梁包括内壁、第一端、第二端和纵向轴线。该内壁界定内部容积。该纵向轴线被限定在悬臂梁的第一端和第二端之间。该悬臂梁是法拉第笼的一部分。第一多个应变计安装在悬臂梁的内壁上。第一多个应变计中的每个计量器的中心在第一平面内，该第一平面垂直于在纵向轴线上的第一位置。第二多个应变计也安装在悬臂梁的内壁上。第二多个应变计中的每个计量器的中心在第二平面内，该第二平面垂直于在悬臂梁的纵向轴线上的第二位置。第二位置与第一位置不同。该放大器电路安装在悬臂梁的内部容积中。该放大器电路连接到第一多个应变计和第二多个应变计。该放大器电路被配置为输出代表沿第一方向作用于悬臂梁上的力的第一信号，并且输出代表沿第二方向作用于悬臂梁上的力的第二信号。第一方向垂直于第二方向。在一个方面，第一多个应变计中的第一对应变计被配置为惠斯通电桥的一个分支。第二多个应变计中的第一对应变计被配置为该惠斯通电桥的另一分支。该放大器电路包括第一放大器，该第一放大器具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子。第一输入端子连接到惠斯通电桥的一个分支的输出端。第二输入端子连接到惠斯通电桥的另一分支的输出端。该放大器被配置为从第一输入端子上的信号减去第二输入端子上的信号，并且被配置为在输出端子上提供代表沿第一方向作用于悬臂梁上的力的第一信号。在一个方面，一种方法包括将应变计安装在传感器舱内，以及将传感器舱耦接到手术器械内的法拉第笼。该方法还包括将传感器舱作为悬臂梁安装在手术器械中。在一个方面，安装应变计进一步包括将第一多个应变计安装在柱形管的内壁上，该柱形管是传感器舱的一部分，以及将第二多个应变计安装在柱形管的内壁上。第一多个应变计沿柱形管的纵向轴线与第二多个应变计隔开。在这一方面，该方法进一步包括将第一多个应变计中的一对应变计配置为全惠斯通电桥的第一分支，该全惠斯通电桥在柱形管内；以及将第二多个应变计中的一对应变计配置为该全惠斯通电桥的第二分支。全惠斯通电桥的第一分支的输出端连接到放大器的第一输入端子，并且全惠斯通电桥的第二分支的输出端连接到放大器的第二输入端子。该放大器在柱形管内。附图说明图1是用于计算机辅助手术系统的现有技术手术器械的透视图。图2是用于计算机辅助手术系统的手术器械200的透视图，该手术器械200包括力传感器装置，该力传感器装置不受来自电弧烧灼的噪声的影响并且是可高压灭菌的。图3A至图3C是法拉第笼的一个方面的示意图，该法拉第笼包括传感器舱、管和电子元件容器，该传感器舱、管和电子元件容器被包括在手术器械(诸如图2的手术器械)内。图4A是适合用于图2的手术器械的另一个力传感器装置的剖视图。图4B是多个应变计的示意图，其中所述应变计在印刷电路组合件上安装成一排以形成用于图4A的力传感器装置的条带。图4C是安装在图4A的悬臂梁中的图4B的条带的横截面图。图5A和图5B是用于产生代表作用于图4A的悬臂梁上的力的信号的惠斯通电桥和放大器的示意图。图5C和图5D示出图4A的力传感器装置中的应变计的取向。图5E是插入图4A的悬臂梁中的应变计和放大器配置的示意图。在附图中，三位数的附图标记的第一个数字是首次出现具有该附图标记的元件的图号。具体实施方式手术器械200包括力传感器装置203，力传感器装置203不受来自电弧烧灼的噪声的影响而且不依赖于光纤应变计，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种手术器械，其包括：力传感器装置，其包括：传感器舱，所述传感器舱是法拉第笼的一部分；以及应变计，所述应变计安装在所述传感器舱内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.02 US 62/290,0101.一种手术器械，其包括：力传感器装置，其包括：传感器舱，所述传感器舱是法拉第笼的一部分；以及应变计，所述应变计安装在所述传感器舱内。2.根据权利要求1所述的手术器械，其进一步包括：具有第一端和第二端的管，所述第一端连接到所述传感器舱，所述管是所述法拉第笼的一部分。3.根据权利要求2所述的手术器械，其进一步包括：电子元件容器，所述电子元件容器连接到所述管的所述第二端，所述电子元件容器是所述法拉第笼的一部分。4.根据权利要求1所述的手术器械，所述传感器舱包括悬臂梁。5.根据权利要求4所述的手术器械，所述应变计安装在所述悬臂梁的内壁上。6.根据权利要求1所述的装置，所述传感器舱包括柱形管，所述柱形管作为悬臂梁安装在所述力传感器装置内。7.根据权利要求6所述的手术器械，所述力传感器装置进一步包括第一多个应变计和第二多个应变计，其中所述应变计是在所述第一多个应变计和所述第二多个应变计中的一个内的计量器。8.根据权利要求7所述的手术器械：所述柱形管具有内壁、第一端、第二端和纵向轴线，所述纵向轴线被限定在所述第一端和所述第二端之间；所述第一多个应变计附着到所述柱形管的所述内壁，其中所述第一多个应变计中的每个计量器的中心在第一平面内，所述第一平面垂直于在所述纵向轴线上的第一位置；以及所述第二多个应变计附着到所述柱形管的所述内壁，其中所述第二多个应变计中的每个计量器的中心在第二平面内，所述第二平面垂直于在所述纵向轴线上的第二位置。9.根据权利要求8所述的手术器械：所述第一多个应变计中的第一对应变计被配置为惠斯通电桥的第一分支；以及所述第二多个应变计中的第一对应变计被配置为所述惠斯通电桥的第二分支。10.根据权利要求9所述的手术器械，所述力传感器装置进一步包括：安装在所述柱形管内的放大器，所述放大器具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子；所述第一输入端子连接到所述惠斯通电桥的所述第一分支的输出端；所述第二输入端子连接到所述惠斯通电桥的所述第二分支的输出端；以及所述放大器被配置为从所述第一输入端子上的第一信号减去所述第二输入端子上的第二信号，并且被配置为在所述输出端子上提供代表作用于所述柱形管上的力的输出信号。11.一种力传感器装置，其包括：悬臂梁，所述悬臂梁具有内壁、第一端、第二端和纵向轴线，所述内壁界定内部容积，所述纵向轴线被限定在所述第一端和所述第二端之间；安装在所述内壁上的第一多个应变计...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·W·彼得森，G·J·拉邦维尔，J·R·斯蒂格，
申请(专利权)人：直观外科手术操作公司，
类型：发明
国别省市：美国,US