紧凑型激光操控末端执行器制造技术

一种紧凑型激光操控末端致动器，包括框架、至少两个有源镜和一对致动器。框架在与纵向轴线正交的平面上具有不超过13mm的最大尺寸，并且镜安装在框架的远端端部附近。致动器安装到框架，并被配置为分别改变有源镜相对于框架的倾斜。提供穿过框架的路径以将激光束传递到镜，并且其中，镜经由致动器定位且可配置成将激光束从每个镜反射出去通向外部目标。成将激光束从每个镜反射出去通向外部目标。成将激光束从每个镜反射出去通向外部目标。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】紧凑型激光操控末端执行器
[0001]背景
[0002]对下面讨论的
技术介绍
状态的讨论可能反映了从所公开的专利技术中获得的事后认知；并且这些特征不一定被承认为现有技术。
[0003]2018年，美国有3万多人被诊断患有咽癌或喉癌，这导致6000人死亡。这些癌症因其对生活质量的有害影响而引人注目；它们的症状，包括吞咽困难和声音障碍，常常导致抑郁和社会孤立，而治愈性治疗往往会加剧这些功能性疾病。历史上由吸烟引起的发病率越来越多地由人类乳头瘤病毒引起，导致历史上年轻的患者群体更加迫切地关注长期功能结果。
[0004]因此，非常需要能够治疗这些癌症的治愈性治疗方法，这些方法能够使治疗后的器官正常发挥功能。通过开放性手术切除部分或全部器官代表了一个极端，几乎可以保证获得良好的肿瘤学结果，但却以牺牲功能结果为代价。非手术方法(包括诱导化疗、调强放疗、以及化疗与放疗同时进行)提供了比开放性手术有更好的功能效果，同时取得了良好的肿瘤学效果。这种技术目前被推荐用于大多数喉癌。然而，在过去的二十年里，与放疗相关的长期发病率和功能损伤导致耳鼻喉科医生重新审视手术技术。与开放手术相比，微创方法对更大程度地保存健康组织及相关的改善术后器官功能具有特别的意义。
[0005]经口激光显微手术(TLM)是目前最成熟的微创手术方式。在TLM中，二氧化碳激光器耦合到手术显微镜，并通过喉镜进行瞄准，这提供了通往上呼吸道的可视通路(line
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of
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sight)。外科医生使用插入通过喉镜的手动工具来牵拉病变部位，并使用显微镜上的微型操纵器来操控激光束切除病变组织。在先进的系统中，微型操纵器是电动的，允许外科医生以精确控制的速度沿着预定的弧线和线引导激光，从而获得质量非常高质量的切口。TLM最大的限制是它的可视通路限制，这限制了可视化和曝光。此外，狭长的喉镜使得手动操纵用于牵拉和缝合所需的工具变得困难。
[0006]为了解决这些缺点，在2000年代中期发展了经口机器人手术(TORS)。在TORS中，柔性或腕式机器人操纵器与内窥镜视觉系统结合使用，在手术部位提供了卓越的可视化和组织可操作性。DA VINCI多端口和DA VINCI单端口系统(来自Intuitive Surgical Inc,Sunnyvale,CA)和FLEX机器人系统(来自Medrobotics,Raynham,MA,USA)目前都在临床使用。
[0007]然而，在一个关键方面，TORS与TLM相比仍有不足之处；在TORS中，主要采用电烙术进行切除，这导致术后疼痛加重，恢复时间比用TLM进行的类似手术长。随着最近能够通过柔性仪器传递二氧化碳激光的空芯纤维的发展，激光在TORS中的使用预计将增加，这应该在一定程度上缓解这一问题。然而，基于光纤的激光是由机器人工具保持和操纵的，因此缺乏自由光束扫描系统的空间重复性、精度和速度。这意味着相对于用于TLM的自由光束系统而言，切口质量受到影响。自由光束系统具有额外的益处，使手术部位清晰，以便暴露边沿和对边沿可视化。
[0008]许多原型内窥镜设备已经被开发出来用于微创激光扫描任务，每个都有不同的方法来解决挑战性的设计问题。在Photonic Therapeutics and Diagnostics VIII,
Vol.8207,International Society for Optics and Photonics82071S(2012)中的S.Patel等人的“Endoscopic laser scalpel for head and neck cancer surgery”中，使用直流电机驱动的Risley棱镜作为光束操控方法，这使得控制方案易于实施，但扫描速度非常有限(2Hz)。在Biomedical Optics Express,Vol.5,No.7,2023
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2036(2014)中的O.Ferhanoglu等人的“A 5
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mm piezo
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scanning fiber device for high speed ultrafast laser microsurgery”中，使用压电致动器来直接弯曲光纤，在细的设备轮廓(直径5mm)中实现大带宽(1kHz)；但视场(200
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200μm)受到影响。在IEEE/ASME Transactions on Mechatronics(2019)中的A.Acemoglu等人的“Design and control of a magnetic laser scanner for endoscopic microsurgeries”中，电磁铁被用来弯曲光纤，这将运动范围增加到3mm
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3mm，但在这样做时牺牲了带宽(15Hz)。最后，如在IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,Vol.22,No.1,99
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106(2017)中的R.Renevier等人的“Endoscopic laser surgery:design,modeling and control”所描述的，FEMTO
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ST研究所开发了一种系统，该系统使用现成的压电线性致动器来使安装在偏摆台(tip
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tilt stage)上的硅镜关节式活动，尽管扫描速度较低(17Hz)，但该系统仍实现了20mm
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20mm的视场。
[0009]概述
[0010]本文描述了一种紧凑型激光操控末端执行器和使用该末端执行器的方法，特别是用于手术的方法，其中装置和方法的各种实施例可包括以下描述的部分或全部元件、特征和步骤。
[0011]一种紧凑型激光操控末端致动器，包括框架、至少两个有源镜和一对致动器。框架在与纵向轴线正交的平面上具有不超过13mm的最大尺寸，并且镜安装在框架的远端端部附近(即，更靠近远端端部而不是靠近框架的近端端部)。致动器安装到框架，并被配置成分别改变有源镜相对于框架的倾斜。提供穿过框架的路径以将激光束传递到镜，并且其中，镜经由致动器定位且可经由致动器配置，以将激光束从每个镜反射出去通向外部目标。
[0012]在一种用于机器人激光操控的方法中，产生激光束并将激光束引导到末端执行器的近端端部至靠近末端执行器的远端端部的区域。激光束在靠近具有至少两个有源镜的末端致动器的远端端部的区域中被反射，并且致动器用于改变至少两个有源镜的倾斜定向以使激光束移位穿过目标。
[0013]本文讨论的装置和方法可以在机器人操作器的端部处操作的激光扫描系统中获取TLM和TORS两者的优点。所述装置和方法能够实现更精确的切口，并且相应地，与现有激光或电灼工具相比，组织损伤更小。此外，将激光光纤移入机器人操纵器内可以放松对光纤设计和使用的一些限制，考虑到目前可用的CO2‑
激光光纤价格昂贵(约1000美元)且是一次性使用，这是很有利的。下面，我们描述了一种实现这种TLM/TORS混合范例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种紧凑型激光操控末端执行器，包括：框架，其具有近端端部和远端端部，所述框架在与纵向轴线正交的平面上的最大尺寸不超过13mm；至少两个镜，其安装在所述框架的所述远端端部附近，所述镜包括第一有源镜和第二有源镜；第一致动器，其安装到所述框架，并被配置为改变所述第一有源镜相对于所述框架的倾斜；和第二致动器，其安装到所述框架，并被配置为改变所述第二有源镜相对于所述框架的倾斜，其中，提供穿过所述框架的路径以将激光束传递到所述镜，并且其中，所述镜经由所述致动器定位且能够经由所述致动器配置，以将激光束从每个镜反射出去通向外部目标。2.根据权利要求1所述的紧凑型激光操控末端执行器，还包括第三镜，所述第三镜被定位和配置成与所述第一有源镜和所述第二有源镜一起反射激光束。3.根据权利要求2所述的紧凑型激光操控末端执行器，其中，所述第三镜被固定地安装。4.根据权利要求1所述的紧凑型激光操控末端执行器，其中，所述第一致动器和第二致动器是悬臂。5.根据权利要求4所述的紧凑型激光操控末端执行器，其中，所述悬臂经由无源连杆机构与所述镜耦合。6.根据权利要求4所述的紧凑型激光操控末端执行器，其中，所述悬臂是双晶片压电悬臂。7.根据权利要求1所述的紧凑型激光操控末端执行器，还包括外科激光器，所述外科激光器被定位成将激光束通过所述紧凑型激光操控末端执行器引导到所述镜，用于经由所述镜的反射进行操控。8.根据权利要求7所述的紧凑型激光操控末端...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得，
申请(专利权)人：哈佛大学董事会，
类型：发明
国别省市：