CN101791233A - 基于力反馈的遥控手术装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于力反馈的重构的遥控制医疗操作装置，包括：遥控送丝机构、力反馈操作平台、控制系统、监视装置和电源管理系统，控制系统、电源管理系统以及力反馈操作平台位于操作端，遥控送丝机构和监视装置位于手术端，操作端和手术端之间设有防辐射装置，控制系统与监视装置相连以获取实时操作图像，控制系统与遥控送丝机构相连以接收位置运动参数并输出导丝换向和输送的遥控制指令，控制系统与力反馈操作平台相连以获取操作参数并输出精确重构操作指令，电源管理系统分别与遥控送丝机构、力反馈操作平台、控制系统和监视装置相连。本发明实现医疗中基于力反馈的遥操作，可确保医护人员在放射性介入治疗中的安全。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种医疗自动化技术领域的装置，具体是一种基于力反馈的遥控手术装置。
背景技术
在很多临床手术中，患者需要在自己医疗过程中接受射线反射。若无隔离操作平台，医生和患者都需要暴露在放射环境中。而医生通常平均每天要操作多个类似的手术。长期连续或者间断超大容量的射线照射会引起不同程度的反射性损伤，如出现严重的身体损伤，如造血功能障碍、生殖内分泌系统和物质代谢变化等。医护人员的安全性问题已经成为医学医疗中的不可忽略的问题之一。
特别是在血管介入放射医疗中，介入导丝或者导管需要医生用手动进行操作。传统保护医疗人员的措施是穿着或佩戴各种防护材料，如铅衣、隔离屏、铅手套等。在实际操作中，这些防护材料非常笨重，不仅给手术带来不便，而且也未能从根本上解决医疗中的反射带来的健康问题。
在某些手术操作中，如果将所有防护设备戴全，进行长时间的介入血管操作是不可能的。所以这时医护人员不能戴齐防护设备，健康收到极大损害。除此之外，要通过介入设备得到更清晰的图像，势必需要增加射线剂量；医生要获得最佳的医疗效果，操作必须耐心细致，操作时间必定要延长，这些都对医护人员的健康造成困扰。
随着机电一体化技术在医疗设备中的应用和发展，隔离医疗已经成为解决医生在介入放射医疗中的辐射问题的方法之一。隔离手术在切割手术应用已久，而且发展得较快，例如在鼻镜手术中的应用。本发明实现了将隔离手术应用于血管介入医疗中导丝或导管的输送和换向操作。但是，早期此类隔离手术未能实现较精确的力的反馈，而力反馈与力重构在医疗隔离操作中又很重要。因为力反馈与重构的触感可以使医生感受到手术室里存在的真实的反馈力，必要时可以将微小的力按照所设定的比例放大后使医生更好的感知实际状况，保证了手术的安全性。
现在介入手术中采用的带有力反馈和重构的相关设备，还处于实验阶段，没有在临床医学中投入使用。医疗系统清洁度要求较高，不宜采用工业中常用的液压法来实现力的精确传导和控制。所以通常采用的再现力的方法有弹性系统法和电磁力法。使用弹性系统法构建拉力时，在拉力的大小和实时性控制方面难以令人满意，在实际应用时有一定局限性。电磁力法如果控制方法不佳，也难以解决该难题。而本发明采用高性能的实时控制系统，建立在大量实验的基础上，开发出一套行之有效的设备，较完美的解决这方面的问题。
经对现有技术的文献检索发现，公开号为CN1559347A的专利文献记载了一种“用于临床血管内介入的导管隔室自动操作系统及操作方法”，搭建了临床医学中血管内介入的导管隔离自动操作系统并建立了一套操作方法，通过远程操控手柄的遥控，实现两个自由度的控制，当导管定位完成后，进行药物的定量注射。该系统没有力反馈与重构的设备，即医生无法通过前进时所受阻力来判断是否操作合理，一旦失手用力过度，导致刺破血管，将造成医疗事故。根据我们对主要医疗机构的调查，该专利并没有大规模投入应用，说明可靠性问题未得到良好解决。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于力反馈的遥控手术装置，可以实现介入医疗中的具有力反馈与重构的隔离操作，从而达到医疗过程中对医护人员的射线防护，比如基于股动脉血管、动脉血管投放放射性药物以治疗癌变部位的介入手术。该装置的控制算法可以实现两个自由度的精确遥控，并能够反馈和重构前进方向的阻力。本套装置通过右手的单手操作，可以远程操控腹腔镜等复杂的设备，具有良好的应用前景。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：遥控送丝机构、力反馈操作平台、控制系统、监视装置和电源管理系统，其中：控制系统、电源管理系统以及力反馈操作平台位于操作端，遥控送丝机构和监视装置位于手术端，操作端和手术端之间设有防辐射装置，控制系统与监视装置相连以获取实时操作图像，控制系统与遥控送丝机构相连以接收位置运动参数并输出导丝换向和输送的遥控制指令，控制系统与力反馈操作平台相连以获取操作参数并输出精确重构操作指令，电源管理系统分别与遥控送丝机构、力反馈操作平台、控制系统和监视装置相连。
所述的遥控送丝机构由导丝换向机构和与之相连接的输送机构组成，实现输送机构以导丝为中心轴的绕动，完成导丝在血管中转动的动作。
所述的输送机构包括：输送底座、输送架、输送电机减速器组、涡轮蜗杆组、齿轮组、导丝规整管和介入导丝卷，其中：输送电机减速器组和涡轮蜗杆组分别设置于输送底座内且输送电机减速器组的减速端与涡轮蜗杆组的输入端相连，涡轮蜗杆组的涡轮与齿轮组的底端啮合，齿轮组的顶端位于输送架上，导丝规整管设置于齿轮组的顶端和介入导丝卷之间，介入导丝卷设置于输送架上。
所述的力反馈操作平台包括：操作端底座、操作手柄、力重构组件和曲柄滑块组件，其中：操作手柄固定设置于操作端底座上并与曲柄滑块组件相连，力重构组件固定设置于操作端底座的中部。
所述的操作手柄包括：转动手柄、手柄支座、电位计、手柄支架、右端支撑座和稳固支座，其中：转动手柄与手柄支座的一端相连，电位计设置于在手柄支座的另一端，手柄支座与手柄支架的一端相连接，手柄支架的另一端与第一滑块固定连接，手柄支座与稳固支座的一端相铰接，稳固支座的另一端与操作端底座相铰接。
所述的力重构组件包括：永磁铁、直流电磁铁、滑轨、第一滑块、第二滑块、第一滑块测量座、第二滑块测量座和两个精密电阻测量器，其中：永磁铁和直流电磁铁分别设置于第一滑块和第二滑块上，第一滑块和第二滑块分别固定设置于第一滑块测量座和第二滑块测量座上并套接于滑轨上，两个精密电阻测量器分别位于滑轨的两侧。
所述的曲柄滑块组件包括：曲柄侧电机减速器组、曲柄连杆、曲柄和曲柄滑块底座，其中：曲柄电机减速器组、曲柄滑块底座和操作端底座依次固定连接，曲柄侧电机减速器组的输出端与曲柄连接，曲柄连杆与力重构组件铰接。
所述的电源管理系统内置直流电源和精密电阻测量器以提供遥控送丝机构、力反馈操作平台、控制系统和监视装置的电源。
所述的力重构的控制原理如下：力重构的大小等于永磁铁在电磁铁磁场中的所受的力和第一滑块在滑轨上滑动摩擦力之差。其中，所受的电磁力与电磁铁的电流大小、方向和永磁铁和电磁铁之间距离值有关。在控制操作前，利用电磁力实验装置记录下电流、距离和力的实验数并将他们存储以备查询。再通过精密测量装置测量并存储第一滑块位置和对应的摩擦力。在进行重构控制时，根据第一滑块的位置，查询记录实验数据，得到此时第一滑块的摩擦力，再由反馈力计算得到重构力大小，以同样的方法得到与重构力和此时电流值对应的距离的标准值，接着通过控制曲柄滑块组件的运动调节电磁铁和永磁铁间的距离，使之达到标准值，从而到达对重构力大小的精确控制。
本发明实现了通过基于力反馈和重构的遥操作医疗装置来实现病变部位的介入手术的远程操作，开创性的提出手术端的遥控送丝机构对血管阻力的等比放大反馈和重构。和传统的放射性介入血管治疗相比，本医疗装置提供了血管阻力的重构和力触感装置，同时方便医护人员通过遥操作准确控制介入导丝在血管中进退，从而有效的解决了治疗中对医护人员的放射性伤害。本发明另外可以用于其它类型的压力或拉力的重构和力触感装置。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为遥控送丝机构示意图。
图3为输送机构示意图。
图4为输送底座示意图。
图5为力反馈操作平台示意图。
图6为操作手柄示意图。
图7为力重构组件示意图。
图8为曲柄滑块组件示意图。
图9为实施例电磁力重构关系图。
图10为实施例滑块运动摩擦力示意图。
图11为实施例流程图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：遥控送丝机构1、力反馈操作平台2、控制系统3、监视装置4、显示器5和电源管理系统6，其中：控制系统3、显示器5、电源管理系统6以及力反馈操作平台2位于操作端，遥控送丝机构1和监视装置4位于手术端，设有防辐射隔离墙7，控制系统3与监视装置4相连，以获取实时操作图像；与遥控送丝机构1相连，以接收位置运动参数并输出导丝换向和输送的遥控制指令；与力反馈操作平台2相连，以完成手术端和操作端之间的信息交互，获取操作参数，并精确重构操作力。
如图2所示，所述的遥控送丝机构1由导丝换向机构a和与之相连接的输送机构b组成，实现输送机构b以导丝为中心轴的绕动，完成导丝在血管中转动的动作。
所述的导丝换向机构a采用齿轮转动的方式实现换向。
如图3和图4所示，所述的输送机构b包括：输送架8、输送底座9、输送电机减速器组10、涡轮蜗杆组11、输送齿轮组12、橡胶圈13、导丝规整管14和介入导丝卷15，其中输送电机减速器组10设置于输送底座内部，输送电机减速器组10为成套配置的伺服电机及减速器，其减速端与蜗杆动力输入端相连，涡轮蜗杆组通过轴承安装位于输送底座内部，涡轮通过转动轴带动输送齿轮组12转动，输送齿轮组12位于输送底座，两个橡皮圈13分别套在两个齿轮中间的凹槽上，介入导丝从橡胶圈13的挤压面穿过，导丝规整管14设置于所述齿轮组12和介入导丝卷15的之间，介入导丝卷15安装位于输送底座。
所述的输送齿轮组12的每个齿轮的中间加工出一道凹槽，所述的橡胶圈13套在凹槽上。
所述的输送齿轮组12通过齿轮啮合使得橡胶圈13相互挤压，安装时介入导丝从橡胶圈13的挤压面穿过，橡胶圈13之间的挤压力足够使得橡胶圈13的转动带动导丝向前或向后的运动并不出现打滑现象。
所述的导丝规整管14用于调节导丝位置，使介入导丝与输送机构的中心轴上。
所述的介入导丝卷15用于放置导丝，位于输送底座，由于这个输送机构由换向结构带动转动，所以介入导丝在送进和抽出的同时，导丝随着输送机构转动。
如图5所示，所述的力反馈操作平台2包括：操作手柄16、力重构组件17、曲柄滑块组件18和平台结构，其中：操作手柄16通过操作稳定支座19与操作端底座20相连，并与滑轨21上的第一滑块22相连，力重构组件17放置于第一滑块22和第二滑块23上，曲柄滑块组件18中的曲柄连杆24与第二滑块23相连，曲柄侧电机减速器组25通过曲柄滑块底座26安装位于操作端底座20上。
如图6所示，所述的操作手柄16包括：转动手柄27、手柄支座28、电位计29、手柄支架30、右端支撑座31和稳固支座19，其中：转动手柄27通过轴承固定位于手柄支座28的孔中，电位计29固定安装在手柄支座28的另一侧，手柄支座28与手柄支架30的右端固接，手柄支架30的左端与第一滑块22固接，手柄支座28与稳固支座19的右端相铰接，稳固支座19的左端与操作端底座20的右端支撑座31铰接。
所述的电位计29的转动杆插入所述的转动手柄27的转动杆的孔中，用于记录手柄的转动角度。
所述的稳固支座19用于保持所述的操作手柄16水平面上的直线运动。
如图7所示，所述的力重构组件17包括：永磁铁32、直流电磁铁33、滑轨21、第一、二滑块(23和22)、操作端底座20和三抽头精密电阻测量器，其中：永磁铁的固定座32放置位于第一滑块22上，直流电磁铁的固定座33放置位于第二滑块23上。两个滑块(23和22)套在滑轨21上，滑块的滑动量程大于65cm，两滑块分别通过固定于其上的滑块测量座的一侧与左右精密电阻测量器的测量端紧密连接，两套精密电阻测量器分别放置位于滑轨21的两侧，图中可以看到与第一滑块测量座35的一侧与右精密直线电阻装置36上的移动块34连接，和第一滑块的测量座37的另一侧。
所述的力的重构结构17通过调整永磁铁和电磁铁之间的距离、电磁铁的电流的大小，并根据电磁铁和永磁铁之间距离、电流大小和电磁力大小三者之间的实验数据关系算得重构的斥力或吸力的大小。
所述的精密电阻测量器的基本原理为：内置精密电阻，电阻的一端固定，另一端与外部移动块34接连，测量时，将移动块34与测量目标相连接，测量目标的位置变化引起电阻长度的变化，从而通过测量内置电阻量的大小，推出电阻的长度，即测量目标的位置。
如图8所示，所述的曲柄滑块组件18包括：曲柄侧电机减速组25、曲柄38、曲柄连杆24、曲柄滑块底座26，其中曲柄电机减速器组25通过曲柄滑块底座26固定放置在操作端底座20上，曲柄电机减速器组25的输出端与曲柄38的一端铰接以传递转动，曲柄连杆24的末端与第二滑块23铰接，将曲柄的转动转化为第二滑块23的在滑轨21上的滑动。
如图9所示，所述的电磁力重构实验数据图，此图可由操作前的电磁力测量的实验装置得到。横轴表示永磁铁32和直流电磁铁33之间的距离L，竖轴表示永磁铁32和直流电磁铁33之间的电磁力F1，+为吸引力，一为排斥力。本图表述了在正负三档电流下的电磁力的重构数据关系变化曲线。在重构力的控制时，只要通过查表的方式找出与所要重构力大小和电流档数相同时对应的距离L，再通过曲柄滑块的运动模型将L转化为曲柄侧电机的控制信号，即可做到力的重构控制。
如图10所示，第一滑块22在滑轨运动时受到的摩擦力。在重构力的控制过程中，需要考虑滑块与滑轨的摩擦力，利用精密的力测量装置，可以得到摩擦力与位置之间的对应关系。通过此数据图可以准确的找出对应位置的摩擦力的大小。
本实施例具体应用时还配有用于穿刺的医疗设备以确定介入导丝穿刺位置和穿刺孔，介入导丝的固定夹，用于固定介入导丝与穿刺部位的相对位置。右手转动手柄控制转动结构的转动，控制介入导丝的转动；同时可以推动手柄，控制介入导丝的送进运动。
结合图11所示，实施例工作过程如下所述(以肝脏部的介入血管手术作为示例)：
1)术前对病变部分进行X光拍摄，确定大致的介入导丝的目的部位和介入导丝大致路径，并将实验数据存储到控制器中；
2)对介入导丝和控制端的控制系统的机械结构进行消毒和杀菌后，连接外部的电源和控制传输线，转动和推动操作手柄对整套装置进行体外调试，保证遥控制的两自由度的精密随动控制，并将介入导丝穿出导管结构外4～5毫米。
3)对穿刺部位进行消毒，用穿刺医疗设备完成穿刺过程，并将露出的介入导丝通过穿刺孔介入血管，夹上穿刺固定夹，保证介入导丝不移动，调整控制系统的机械结构的平台，固定整个机械结构对于病人的位置；
4)打开监视系统，检查操作端的显示器和图像分析处理是否正常工作；
5)关上隔离室的门，进入操作室，初始化第二滑块在滑轨的位置即初始化反馈力操作平台的初始状态；
6)打开控制显示器，检查控制初始数据是否正确，并确保实验数据和数据关系的输入到处理器中；
7)转动和推动手柄结构，根据监视装置上的图像远程精确控制介入导丝的转动和进退两个自由度运动，确保数据传输正常，具体步骤和控制见流程图11；
8)同时根据控制流程图12，通过电磁力重构组件，使用查表法输出控制信号，控制电磁铁和永磁铁的距离、电流大小重构导丝在血管前进时的阻力或者后退时的阻力；
9)通过步骤7和步骤8实现了基于力反馈的遥控制，避免了医护人员在操作中的辐射伤害；
10)当介入导丝距离目标点10mm左右时，通过先推后退的操作方式使导丝逐步到达目标点；
11)到达目的点后，关闭手柄操作平台，进入手术室，离开控制系统的机械结构，固定介入导丝的位置；
12)拿出输药导管，以介入导丝为介入轨迹，插入导管，当显示器中导管的末端到达目标点，抽出介入导丝，导管体外末端接入药物注射针筒。
13)将针筒中的药物沿着导管输入目标位置。
输完后，抽出导管，对穿刺孔进行消毒处理。
Claims (8)
1.一种基于力反馈的遥控手术装置，包括：遥控送丝机构、力反馈操作平台、控制系统、监视装置和电源管理系统，其特征在于：控制系统、电源管理系统以及力反馈操作平台位于操作端，遥控送丝机构和监视装置位于手术端，操作端和手术端之间设有防辐射装置，控制系统与监视装置相连以获取实时操作图像，控制系统与遥控送丝机构相连以接收位置运动参数并输出导丝换向和输送的遥控制指令，控制系统与力反馈操作平台相连以获取操作参数并输出精确重构操作指令，电源管理系统分别与遥控送丝机构、力反馈操作平台、控制系统和监视装置相连。
2.根据权利要求1所述的基于力反馈的遥控手术装置，其特征是，所述的遥控送丝机构由导丝换向机构和与之相连接的输送机构组成，实现输送机构以导丝为中心轴的绕动，完成导丝在血管中转动的动作。
3.根据权利要求2所述的基于力反馈的遥控手术装置，其特征是，所述的输送机构包括：输送底座、输送架、输送电机减速器组、涡轮蜗杆组、齿轮组、导丝规整管和介入导丝卷，其中：输送电机减速器组和涡轮蜗杆组分别设置于输送底座内且输送电机减速器组的减速端与涡轮蜗杆组的输入端相连，涡轮蜗杆组的涡轮与齿轮组的底端啮合，齿轮组的顶端位于输送架上，导丝规整管设置于齿轮组的顶端和介入导丝卷之间，介入导丝卷设置于输送架上。
4.根据权利要求1所述的基于力反馈的遥控手术装置，其特征是，所述的力反馈操作平台包括：操作端底座、操作手柄、力重构组件和曲柄滑块组件，其中：操作手柄固定设置于操作端底座上并与曲柄滑块组件相连，力重构组件固定设置于操作端底座的中部。
5.根据权利要求4所述的基于力反馈的遥控手术装置，其特征是，所述的操作手柄包括：转动手柄、手柄支座、电位计、手柄支架、右端支撑座和稳固支座，其中：转动手柄与手柄支座的一端相连，电位计设置于在手柄支座的另一端，手柄支座与手柄支架的一端相连接，手柄支架的另一端与第一滑块固定连接，手柄支座与稳固支座的一端相铰接，稳固支座的另一端与操作端底座相铰接。
6.根据权利要求4所述的基于力反馈的遥控手术装置，其特征是，所述的力重构组件包括：永磁铁、直流电磁铁、滑轨、第一滑块、第二滑块、第一滑块测量座、第二滑块测量座和两个精密电阻测量器，其中：永磁铁和直流电磁铁分别设置于第二滑块和第一滑块上，第一滑块和第二滑块分别固定设置于第一滑块测量座和第二滑块测量座上并套接于滑轨上，两个精密电阻测量器分别位于滑轨的两侧。
7.根据权利要求4所述的基于力反馈的遥控手术装置，其特征是，所述的曲柄滑块组件包括：曲柄侧电机减速器组、曲柄连杆、曲柄和曲柄滑块底座，其中：曲柄电机减速器组、曲柄滑块底座和操作端底座依次固定连接，曲柄侧电机减速器组的输出端与曲柄连接，曲柄连杆与力重构组件铰接。
8.根据权利要求1所述的基于力反馈的遥控手术装置，其特征是，所述的电源管理系统内置直流电源和精密电阻测量器以提供遥控送丝机构、力反馈操作平台、控制系统和监视装置的电源。
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