CN100345666C

CN100345666C - 脑外科手术机器人

Info

Publication number: CN100345666C
Application number: CNB2005100178378A
Authority: CN
Inventors: 梁四成
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2025-07-28
Also published as: CN1727130A

Abstract

本发明涉及一种脑外科手术用的医疗设备。它包括液压支架、引导管、机器人手指、滚筒、滑箱、控制台。液压支架上的竖梁与横梁之间装有液压缸，横梁的倾斜角度，在横梁上设计有道轨，道轨上安装有滑箱，滚筒和引导管连接在滑箱上。本发明的优点是：结构简单，在引导管和机器人手指上都设计有光源和成像系统，手术视野开阔，能够适应复杂颅内手术的操作。

Description

脑外科手术机器人

一、技术领域

本发明涉及一种脑外科手术用的医疗设备。

二、背景技术

随着科学技术飞速发展，先进的医疗设备在脑外科手术中得到越来越广泛的应用。但现有技术一般仅能实现对脑病灶的定位和一些简单的操作，中国专利号CN1243690A公开了一种“机器人脑外科设备系统及其实现方法”，该技术可准确测定脑病灶的位置，帮助确定手术的治疗方案，并辅助进行活检，切除和放疗。但由于只有一个功能比较单一的直管道，所以仅能进行一些简单的操作，手术适应症少，不能进行颅内复杂手术，临床推广应用受到限制。

三、发明内容

本发明的目的是：统过在引导管及机器人手指上分别安装光导纤维和成像系统，扩大手术视野，安装一组多功能手指应用自动控制技术控制机器人手指动作等，使机器人能够实现颅内复杂的手术，达到广泛的应用。

本发明的具体内容如下：概括地讲脑外科手术机器人由液压支架、引导管、机器人手指(以下简称手指)、滚筒、滑箱、控制台等六部分组成。下面对上述五部分分别加以说明。

液压支架的竖梁实际是就是一个液压缸的活塞杆，可以调整整个液压支架的高度，液压支架的横梁与竖梁之间用铰链连接，横梁与竖梁之间装有另一个液压缸，可以调整横梁的倾斜角度。在横梁上设计有道轨，道轨上安装有滑箱，滑箱内装有电机，电机输出轴上的齿轮跟道轨上的齿条啮合，电机转动时可以带动滑箱沿道轨前后移动。引导管固定在滑箱的前端，引导管壁上装有光导纤维和成像纤维，光导纤维通过光源导入接口与冷光源连接，给术腔提供光源；成像纤维通过光纤成像信号传出接口与控制台上的成像监视系统连接，将术腔的图像光信号传出，为手术者提供一个术腔视野；引导管的前端壁上还装有一个脑压力传感器，可随时提供脑压信号。在滑箱的后部装有安装机器人手指的滚筒，外滚筒与内滚筒之间装有轴承，在内滚筒上装有微型电机，装在电机输出轴上的齿轮跟外滚筒上的内齿啮合，在微型电机的驱动下，外滚筒可以绕内滚筒转动，外滚筒上对称的装有六个安装座，用来安装手指及引导管管芯等。当安装座随外滚筒旋转到最上端位置时，进入内滚筒上的轴向滑轨内，此时安装座在微型步进电机和皮带的驱动下可沿轴向滑轨前后移动，带动机器人手指(或引导管管芯)穿过引导管进入病灶，在滚筒上安装有两个红外线计数器，分别测定安装座沿滑轨移动的距离和安装座随外滚筒旋转的角度，并将数据反馈给控制台。每个安装座上安装的手指也可以饶自身的中心线旋转，靠步进电机和齿轮副驱动，旋转的角度由安装座内的红外线计数器测定，控制台控制。在液压支架的竖梁上还装有一个激光发射器，所发射光束的中心线跟引导管的中心线重合。手指可做成多种形式，具有不同的功能，完成不同的操作，手术时根据需要随时更换，手指都设有光源和成像系统成为术腔的另一个视野，连同前面提到的引导管提供的视野，手术者可通过控制台监视系统清楚的了解术腔的情况和手指的动作，从而有效控制手术过程。手指都带有冲水和吸引系统，用来冲洗术腔和排出污水。手指的动作由微型电机带动卷筒上的拉线完成，当卷紧拉线时手指操作部分闭合，松开拉线时，在弹片作用下手指操作部分张开，手指的前端可弯曲，当手指弯曲控制电机转动拉紧卷筒上的拉线时，手指弯曲；松开拉线时，靠手指前部自身的弹性恢复原来的状态。手指的动作和弯曲由控制台对两个电机分别发出指令进行控制。各种手指的结构动作原理都是相同的，仅仅是手指最前端工作部分有区别，手指工作部分主要形式有以下几种：a、双极电凝；b、止血夹；c、组织活检夹；d、组织剪。此外，滚筒上的安装座也可夹持吸引导管手指和引导管管芯，吸引管手指跟前面所述手指的不同之处是：吸引管手指的工作部分是一个吸管，吸引排除污水的作用更强一些，其余结构跟其它手指是一样的；引导管管芯实际上就是一个探棒，在透明管内装有光导纤维光源和物镜。

本发明中反馈到控制台的信号和控制台发出的指令信号归纳如下：(a)引导管的光纤信号，通过图像处理器在控制台显示器上显示引导管前部的术腔情况；(b)各手指的光纤信号，通过图像处理器在控制台显示器上显示手指前部的术腔情况；(c)滚筒上两个红外线计数器传出的信号，其中一个反映每个手指在滚筒上的位置，另一个反映手指随安装座在滑轨上移动的位置，通过信号处理系统在控制台显示器上显示；(d)手指旋转红外线计数器传出的信号，通过信号处理系统在控制台显示器上显示手指旋转的角度；(e)手指弯曲角度红外线计数器传出的信号，通过信号处理系统在控制台显示器上显示手指弯曲的角度；(f)横梁倾斜角度计数器传出的信号，通过信号处理系统在控制台显示器上显示横梁倾斜的角度；(g)滑箱平移红外线计数器传出的信号，通过信号处理系统在控制台显示器上显示滑箱在横梁是滑动的位置；(h)脑压传感器传出的信号，通过信号处理系统在控制台显示器上显示患者的脑压。

控制台发出的指令信号：(a)控制液压支架竖梁升降的信号。通过控制液压油路，调整液压支架的高低；(b)控制液压支架横梁倾斜角度的信号。通过控制液压油路，调整横梁倾斜角度；(c)滚筒旋转控制信号。通过控制电机旋转，使需要的手指处于滚筒的最上端；(d)滑箱运动控制信号。通过控制电机实现滑箱的前进或后退，确定滑箱在横梁上的位置；(e)手指前进、后退控制信号。通过控制电机旋转，实现手指前进或后退；(f)手指旋转控制信号。通过控制电机旋转，控制手指转动的角度；(g)手指弯曲控制信号。通过控制电机旋转控制手指的弯曲程度和恢复原态；(h)手指操作控制信号。通过控制电机旋转，实现手指的手术动作；(i)吸引控制信号。通过控制吸引器的开启，吸引或停止吸引术腔的污水；(j)冲水控制信号。控制水泵开启，冲洗术腔或停止冲洗。

信号的接受和处理技术，在医疗器械及其它领域应用已十分广泛，这里不再细述。

本发明的优点是：结构简单，在引导管和机器人手指上都设计有光源和成像系统，手术视野开阔，能够适应复杂颅内手术的操作。

四、附图说明

图1是脑外科手术机器人整体结构示意图；

图2是图1的H-H剖视图；

图3是滚筒的示意图；

图4是图3的A-A剖视图；

图5是机器人手指的结构示意图；

图6是图5的C向视图；

图7是引导管的结构示意图；

图8是图7的E向视图；

图9是图7的D-D剖视图；

图10是引导管管芯的结构示意图。

五、具体实施方式

结合图1、图2、图3、图4……图10详细说明本发明的细节与工作情况，本发明主要由液压支架1、引导管2、手指3、滚筒4、滑箱11、控制台5等六个部分组成，液压支架1的竖梁6实质上就是液压缸7的活塞杆。通过控制液压缸7调整液压支架的高度，横梁8与竖梁6之间用铰链9连接，横梁8上设计有道轨，道轨上装有滑箱11，滑箱11上联接有滚筒4和引导管2，滑箱11内装有电机11-1，电机11-1输出轴上的齿轮11-2跟道轨上的齿条11-3啮合，电机11-1可以带动滑箱11沿横梁8上的道轨前后移动；引导管2是手指等手术器械进入脑病灶的通道，同时引导管2的管壁上装有光导纤维2-1和成像纤维2-2，光导纤维2-1通过光源导入接口2-3与冷光源连接，给术腔提供光源，成像纤维2-2通过光纤信号传出口2-4与控制台5上的成像监视系统连接，将术腔的图像光信号传出，为手术提供一个术腔观察视野。引导管2的前端壁上还装有一个脑压力传感器2-5可随时提供脑压信号。安装手指的滚筒4装在滑箱11的后下部，外滚筒4-1与内滚筒4-2之间装有轴承4-3，内滚筒4-2上装有微型电机4-4，其输出轴上的齿轮4-5跟外滚筒4-1上的内齿啮合，在微型电机4-4的驱动下，外滚筒4-1可绕内滚筒4-2转动，外滚筒4-1对称地装有六个安装座4-6，用来安装手指3，当安装座4-6随外滚筒4-1旋转到最上端位置时，进入内滚筒4-2上的轴向滑轨内，此时安装座4-6在微型步进电机4-7和传送带4-8的驱动下可沿轴向滑轨前后移动，带动手指3，穿过引导管2进入脑病灶或退出，在滚筒4上安装有两个红外线计数器4-9和4-10，分别用来测定安装座4-6沿滑轨移动的距离和安装座4-6随外滚筒4-1旋转的角度，并将数据反馈给控制台5；每个安装座4-6上安装的手指还可以绕自身的中心线旋转，靠步进电机4-11和齿轮副4-12来实现，旋转的角度由安装座4-6内的红外线计数器4-13测定，在竖梁6上还装有激光发射器13，其光束的中心线跟引导管2的中心线重合。手指3可以做成多种形式，具有不同的功能，完成不同的操作，手术时根据需要随时更换，每种手指都设有光源3-9和成像系统3-10，成为术腔的另一个观察视野，连同前面提到的引导管2提供的观察视野，手术者可通过控制台监视系统清楚的观察术腔的情况和机器人手指的动作，从而有效控制手术过程，每个手指都带有冲水系统3-11和吸引系统3-12，分别用来冲洗术腔，清洗成像光学仪器及排出污水，手指3工作部分3-1的动作有微型电机3-2带动卷筒3-7上的拉线3-3完成，当卷紧拉线3-3时，手指工作部分3-1闭合；松开拉线3-3时，在弹片3-4作用下手指工作部分3-1张开。机器人手指3的前端还可以根据手术需要弯曲，当手指弯曲控制电机3-5拉紧卷筒3-8上的拉线3-6时，手指前端弯曲；松开拉线3-6时靠手指前部自身的弹性恢复到原来的状态。手指的弯曲和工作部分的动作由控制台5分别对两个电机3-5、3-2发出指令控制。综上所述，每种机器人手指的结构、动作原理都是相同的，仅仅是手指最前端工作部分有区别，以适应不同的手术操作。手指工作部分3-1主要有双极电凝、止血夹、组织活检钳、组织剪等形式。

滚筒4上的安装座也可安装吸引管手指11和引导管管芯12，吸引管手指11跟前面所述机器人手指3的不同之处是：吸引管手指11的工作部分是一个吸管，吸引排除污水、污物的作用更强一些，前端弯曲的结构原理跟其它手指是一样的。引导管管芯12实际上就是一个探棒，在透明管12-1内装有光导纤维光源12-2和物镜12-3，较其它手指传出的图像信号更清晰一些。

本发明中反馈到控制台5的信号和控制台5发出指令信号在前面已做过归纳和叙说，在实施例中就不再多说了。关于上面提到的冲水系统、吸引系统、成像系统等都是现有手术器械中广泛应用的技术，这里也不再详细叙述，下面把本发明的手术操作方法叙述如下：a、将病人在手术床上定位，调整液压支架1的高度和横梁8的倾斜角度，使预钻孔中心线跟引导管中心线重合；b、在预钻孔位置切一个3-4cm直径切口至颅骨，然后在颅骨上钻一个1cm的孔，切开硬脑膜，在颅骨孔放入套环；c、激光发射器13发射光束，进一步调整液压支架1的高度，横梁8的倾斜角度，使激光光束中心跟引导管中心及颅骨孔的套环中心重合；d、控制台5发出指令信号，滚筒4旋转，使引导管管芯12处于最上端位置。电机4-7启动，使引导管管芯12进入引导管2；e、控制台5发出指令，电机11-1启动，滑箱11带到引导管2和引导管管芯12平移进入脑腔，引导管12管壁上的光导成像系统和引导管管芯内的物镜成像系统将颅腔内的图像信息反馈到控制台5，并在控制台5的显示器上显示，发现血管时，退出引导管管芯，更换双极电凝，将血管烧断凝血。重新让引导管管芯2进入到达预定深度，将病灶信息传到控制台5并显示；f、退出引导管管芯12，根据需要分别选择带有止血夹、组织活检钳、组织剪等形式的机器人的手指及吸引管手指，完成止血、切除、清理等手术过程；g、缝合切口。完成手术全过程。

Claims

1、一种脑外科手术机器人，包括液压支架(1)、引导管(2)、机器人手指(3)、滚筒(4)、滑箱(11)、控制台(5)等，其特征在于：液压支架(1)的竖梁(6)实际上就是液压缸(7)的活塞杆，通过液压缸(7)可调整液压架(1)的整体高度，横梁(8)与竖梁(6)之间用铰链(9)连接，竖梁(6)与横梁(8)之间装有液压缸(10)，液压缸(10)工作时，横梁(8)可以绕铰链(9)转动，根据手术需要调整横梁(8)的倾斜角度，在横梁(8)的道轨上安装有滑箱(11)，滑箱(11)内装有电机(11-1)，电机(11-1)输出轴上的齿轮(11-2)跟横梁(8)道轨上的齿条(11-3)啮合。根据手术需要，电机(11-1)可以带动滑箱(11)沿横梁(8)上的道轨前后移动，在滑箱(11)的前下方装有引导管(2)，后下方装有滚筒(4)，滚筒(4)的外滚筒(4-1)与内滚筒(4-2)之间装有轴承(4-3)，内滚筒(4-2)上装有微型电机(4-4)，其输出轴上的齿轮(4-5)跟外滚筒(4-1)的内齿啮合，在微型电机(4-4)的驱动下，外滚筒(4-1)可绕内滚筒(4-2)转动，外滚筒(4-1)上对称地装有六个安装座(4-6)，用来安装机器人手指(3)，当安装座(4-6)随外滚筒(4-1)旋转到最上端位置时，进入内滚筒(4-2)上的轴向滑轨内，此时安装座(4-6)在微型步进电机(4-7)和传送带(4-8)的驱动下可沿轴向滑轨前后移动，带动机器人手指(3)穿过引导管(2)进入脑病灶或退出，机器人手指(3)的工作部分(3-1)的动作由微型电机(3-2)带动卷筒(3-7)上的拉线(3-3)完成，当卷紧拉线(3-3)时，手指(3)的工作部分(3-1)闭合，松开拉线(3-3)时，在弹片(3-4)的作用下，手指工作部分(3-1)张开，完成手术动作，机器人手指(3)可根据手术需要弯曲，当手指弯曲电机(3-5)拉紧卷筒(3-8)上的拉线(3-6)时，手指(3)前端弯曲，松开拉线(3-6)时，靠手指(3)前部自身的弹性恢复成原来状态，弯曲的程度，根据手术需要由电机(3-5)控制。

2、根据权利要求1所述的一种脑外科手术机器人，其特征在于：引导管(2)的管壁上装有光导纤维(2-1)和成像纤维(2-2)，光导纤维(2-1)通过光源导入接口(2-3)与冷光源连接，给术腔提供光源，成像纤维(2-2)通过光纤信号传出口(2-4)与控制台(5)上的成像监视与系统连接，将术腔的图像光信号传出，为手术提供一个术腔观察视野。

3、根据权利要求1所述的一种脑外科手术机器人，其特征在于：机器人手指(3)可做成多种形式，完成不同的手术操作，每种手指都设有光源(3-9)和成像系统(3-10)，每种机器人手指都带有冲水系统(3-11)和吸引系统(3-12)。

4、根据权利要求1所述的一种脑外科手术机器人，其特征在于：滚筒(4)上的安装座(4-6)也可安装吸引管手指(11)，吸引管手指(11)的工作部分是一个吸管。

5、根据权利要求1所述的一种脑外科手术机器人，其特征在于：滚筒(4)上的安装座(4-6)也可安装引导管管芯(12)，引导管管芯(12)的透明管(12-1)内装有光导纤维(12-2)和物镜(12-3)。