CN103083781A - 模块化的主动弯曲介入导管及其运动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化的主动弯曲介入导管及其运动方法，涉及一种导管机器人。它由若干依次连接的主动弯曲导向模块以及连接和辅助部件组成，包括电机单元、近端接头、远端接头、绳驱动单元、SMA驱动单元组成。本发明可实现模块化的组装，可缩短医生的操作时间和难度，且可实现大曲率弯曲，可简单精确的控制。

Description

模块化的主动弯曲介入导管及其运动方法

   

技术领域

    本发明涉及一种导管机器人，尤其是一种模块化的主动弯曲介入导管及其运动方法。

背景技术

微创手术过程中，由于人体内复杂交错的管道环境，传统的介入导管机器人在介入过程中遇到障碍物或岔口时，不能主动控制介入导管进行弯曲运动，而是依靠管道环境的几何模型被动弯曲运动的，因此介入导管无法避免的与体内的管道发生摩擦、挤压、甚至刺穿管道，给病人带来了极大的痛苦，又增加了操作时间，无法保证手术的安全性；所以现在微创手术中急需一种方便可靠、能够在血管等环境中主动弯曲的介入导管机器人。

目前国内外在主动弯曲导管方面已经取得了很多成果，而现在的一些导管机器人仍然存在着一些缺陷。例如磁驱动的导管机器人，占地大，难移动，对周围环境磁屏蔽要求高，设备制造和维护的价格昂贵；而多节的绳驱动主动弯曲导管在介入手术时医生要进行绳索的连接和绳索的张紧等工作，增加了医生的操作难度和时间；且多节绳驱动的导管各关节连续运动，控制算法复杂，运算量大，存在难以解决的绳长耦合问题，难以实现对导管的精确控制。2009年哈尔滨工业大学的博士论文《用于微创介入手术的导管导向机器人研究》中提出了一种多节SMA驱动的介入手术机器人，该机器人由形状记忆合金（SMA）、偏置弹簧、固定组件、硅胶管、导线组成。该主动导管一定程度上实现了在血管中的避障，但由于SMA的收缩长度有限，所以导管弯曲的角度有限，只能实现小角度的主动弯曲，在大曲率的管道中难以主动弯曲。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模块化的主动弯曲介入导管及其运动方法，可实现模块化的组装，可缩短医生的操作时间和难度，且可实现大曲率弯曲，可简单精确的控制。

    一种模块化的主动弯曲介入导管，其特征在于：由前向后依次包括电机单元、近端接头、远端接头、绳驱动单元、K节彼此相连的SMA驱动单元；

其中近端接头由近端接头主体、位于近端接头主体圆柱空腔内的周向均布的N个近端滑动杆、用于将近端锁紧滑动杆和近端接头主体锁紧的锁紧环组成；

其中电机单元包括电机座、固定于电机座上的N个电机，还包括N条按周向均布的近端钢丝绳，所述近端钢丝绳一端与电机输出轴相连，另一端与近端滑动杆的前端相连；

其中远端接头由远端接头主体、位于远端接头主体圆柱空腔内的周向均布的N个远端滑动杆、用于将远端锁紧滑动杆和远端接头主体锁紧的锁紧环组成；

其中绳驱动单元包括绳驱动单元弹簧骨架，还包括分别固定于绳驱动单元弹簧骨架前后两端的绳驱动前连接件、绳驱动后连接件，还包括N条按周向均布的远端钢丝绳，所述远端钢丝绳一端与绳驱动后连接件相连，另一端穿过绳驱动前连接件与对应的远端滑动杆后端相连，还包括连接于绳驱动前连接件和绳驱动后连接件之间的绳驱动单元硅胶管皮层；

其中SMA驱动单元由SMA驱动单元弹簧骨架，分别固定于SMA驱动单元弹簧骨架前后两端的SMA驱动前连接件和SMA驱动后连接件，分别固定于SMA驱动前连接件和SMA驱动后连接件的SMA驱动前电路板和SMA驱动后电路板，连接在SMA驱动前电路板和SMA驱动后电路板之间的按周向均布的M个SMA弹簧，连接于SMA驱动前连接件和SMA驱动后连接件之间的SMA驱动单元硅胶管皮层组成；

   上述电机座和近端接头主体之间，近端接头主体和远端接头主体之间，近端滑动杆和远端滑动杆之间，绳驱动单元和SMA驱动单元之间，相邻的SMA驱动单元之间均具有可拆卸的连接件或连接结构；

   上述K为大于等于1的自然数，N为3-6的自然数，M为3-6的自然数。

    所述的模块化的主动弯曲介入导管的运动方法，其特征在于包括以下过程：

（一）、介入导管的组装：

过程1-1、根据介入环境的要求确定介入导管单元的节数、各节单元的长度以及外径。先选择合适长度的绳驱动单元并确定SMA驱动单元的节数K以及各节的长度，在选择节数时要保证导管有足够的自由度通过介入环境中的各个分叉口，再根据介入环境尺寸的要求确定各节导管单元的外径；

过程1-2、连接电机单元与近端接头，再依次将远端接头、绳驱动单元、K节SMA驱动单元相互连接；

过程1-3、将SMA单元中整理出的导线穿过绳驱动单元后连接件引出接到外围驱动电路中，分别张紧近端钢丝绳和远端钢丝绳，并用近端锁紧环和远端锁紧环分别将近端滑动杆和远端滑动杆固定；

过程1-4、将近端滑杆与远端滑杆相连接；

过程1-5、连接固定近端接头主体与远端接头主体；

过程1-6、松开近端锁紧环和远端锁紧环；

（二）、介入过程中导管的运动：

   直线推拉运动：该运动是导管依靠推送装置进行的直线前进和后退运动；

   绳驱动单元的周向弯曲运动：由于在组装过程中已经将绳长张紧，在介入过程中当要进行绳驱动导管单元的控制时，只要控制电机改变近端钢丝绳的长度，通过近端滑动杆和远端滑动杆的滑动将绳长的变化传递给远端钢丝绳，从而拉动绳驱动后连接件，实现绳驱动单元的周向弯曲；

SMA驱动单元的周向弯曲运动：SMA驱动单元的周向弯曲是通过改变SMA弹簧的长度实现的，由于SMA弹簧受热收缩，SMA弹簧两端固定在SMA驱动单元前后连接件中的电路板上，再从电路板上用导线接到外围控制电路上，通过控制外围电路实现SMA弹簧的加热便可控制SMA弹簧的长度，进而实现SMA驱动单元的周向弯曲。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种模块化的主动弯曲介入导管，各节导管实现模块化，医生可根据介入的长度和管道弯曲曲率的大小自行组装导管；操作方便简单，大大缩短了介入操作的时间。两段导管内的绳索固定在连接杆上，近端接头和远端接头对接上且撤去锁紧环后连接杆可在近端接头和远端接头的滑动腔内滑动，绳索在手术前张紧，医生在手术过程中只需将介入部分的远端接头和连接电机的近端接头简单对接即可，由于连接电机的导管和介入部分导管中的绳索已提前张紧，消除了医生在手术过程中对绳驱动单元进行的绳索张紧操作；可实现大曲率的主动弯曲，且导管末端运动灵活、自由度多。由于本导管使用了一节绳驱动单元和多节SMA驱动单元连接的结构，绳驱动单元可实现的大曲率弯曲弥补了SMA导管单元由于SMA弹簧收缩有限而导致的弯曲曲率小的问题，而多节可独立弯曲的SMA导管单元增加了导管的自由度；不存在绳长解耦的问题，简化了控制算法，可实现精确的控制。由于本介入导管只使用一节绳驱动单元就直接避免了多节绳驱动导管的绳长耦合问题，因而可实现对导管的精确控制。

所述的模块化的主动弯曲介入导管，其特征在于： 

绳驱动单元、SMA驱动单元均为模块化导管单元。将两种驱动形式的导管单元相结合在获得两者优点的同时又弥补了各自的缺点，并使得导管能够满足不同介入环境在深度和尺寸上的要求，增强了导管的通用性。

所述的模块化的主动弯曲介入导管，其特征在于：

绳驱动单元、SMA驱动单元直径是从前向后依次递减。由于导管尺寸的递减，使得直径最细的导管末端更容易进入介入环境狭小的工作空间，并可以最大限度的利用介入环境的空间。

附图说明

图1 是电机单元图；

图2 是导管整体结构图；

图3 是近端滑动杆和远端滑动杆图；

图4 是绳驱动单元结构图；

图5 是SMA驱动单元结构图

图6 是绳驱动前连接件图；

图7 是绳驱动后连接件图；

图8 是SMA驱动前或后连接件图；

图9 是驱动单元连接件结构图；

图中标号名称：0.电机单元1. 近端接头，2. 远端接头，3. 绳驱动单元，4. SMA驱动单元，01 电机座 02.电机，11. 近端接头主体，12. 近端滑动杆，13.近端锁紧环，21. 远端接头主体，22. 远端滑动杆，23. 远端锁紧环2，24. 套筒，31. 绳驱动前连接件，32. 绳驱动后连接件，33. 金属弹簧骨架，34. 钢丝绳，35. 硅胶管皮层，41. SMA驱动前连接件，42. SMA驱动后连接件，43. 金属弹簧骨架，44. 前电路板，45. 后电路板，46. SMA弹簧，47. 硅胶管皮层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：

    以下是模块化主动弯曲介入导管的结构，它由电机单元0、近端接头1、远端接头2、绳驱动单元3、SMA驱动单元4组成。近端接头包括近端接头主体11、4根可在接头主体周向均布的圆柱腔内滑动的近端滑动杆12、可将近端滑动杆固定在近端接头主体上的近端锁紧环13；远端接头包括远端接头主体21、4根可在接头主体周向均布的圆柱腔内滑动的远端滑动杆22、可将远端滑动杆固定在远端接头主体上的远端锁紧环23、可用于锁紧近端接头和远端接头的套筒24；绳驱动单元包括绳驱动前连接件31、绳驱动后连接件32、固定于前后绳驱动连接件上且位于导管中心的金属弹簧骨架33、N根周向均布式连接在绳驱动后连接件上的钢丝绳34、连接绳驱动前后连接件的硅胶管皮层35；SMA驱动单元包括SMA驱动前连接件41、SMA驱动后连接件42、固定于前后SMA驱动连接件上且位于于导管中心的金属弹簧骨架43、固定在SMA前连接件上的前电路板44、固定在SMA后连接件上的后电路板45、M根周向均布式连接在后电路板上的SMA弹簧46、连接SMA驱动前后连接件的硅胶管皮层47；

    介入导管的运动方法包括：直线推拉运动、绳驱动单元的周向弯曲运动、SMA驱动单元1的周向弯曲运动、SMA驱动单元2的周向弯曲运动，整个导管的介入过程如下：在介入手术前，整个导管分为两段，第一段是从电机端到近端接头的不进入人体的部分，第二段是从远端接头、绳驱动单元、到多节SMA驱动单元的进入人体的介入导管。在介入手术前先根据手术介入的长度组装第二段介入导管，第二段导管的导管单元通过单元间连接件连接组成，单元间连接件装有弹性舌头，因此介入导管在手术后可进行拆卸。然后将两段导管内的绳索都进行预张紧。然后第二段导管在送进装置的作用下进入人体，当要进行绳驱动导管单元的主动弯曲控制时，先连接近端导管接头和远端导管再进行绳长控制，由于两端导管内的绳索都已张紧，此时操作者无需再进行绳索的张紧工作。SMA导管单元的导线从绳驱动前连接件31引出连接到外部的控制电路，当要进行SMA单元的主动弯曲时，只需对控制电路进行控制即可。这样就可方便的实现导管的推送、后拉、以及绳驱动单元和多节SMA驱动单元的主动弯曲运动。

直线推拉运动：该运动是导管依靠推送装置进行的直线前进和后退运动。

绳驱动单元的周向弯曲运动：由于在组装过程中已经将绳长张紧，在介入过程中当要进行绳驱动导管单元的控制时，只要控制电机改变近端钢丝绳的长度，通过近端滑动杆和远端滑动杆的滑动将绳长的变化传递给远端钢丝绳，从而拉动绳驱动后连接件，实现绳驱动单元的周向弯曲。

SMA驱动单元的周向弯曲运动：SMA驱动单元的周向弯曲是通过改变SMA弹簧的长度实现的。由于SMA弹簧受热收缩，SMA弹簧两端固定在SMA驱动单元接头上的电路板上，导线一端连接电路板一端与外界电路相连，通过控制外围电路实现SMA弹簧的加热和冷却便可控制SMA弹簧的长度，从而控制SMA驱动单元的周向弯曲。

Claims (4)

1.  一种模块化的主动弯曲介入导管，其特征在于：由前向后依次包括电机单元（0）、近端接头（1）、远端接头（2）、绳驱动单元（3）、K节彼此相连的SMA驱动单元（4）；

其中近端接头（1）由近端接头主体（11）、位于近端接头主体（11）圆柱空腔内的周向均布的N个近端滑动杆（12）、用于将近端锁紧滑动杆（12）和近端接头主体（11）锁紧的锁紧环（13）组成；

其中电机单元包括电机座（01）、固定于电机座上的N个电机（02），还包括N条按周向均布的近端钢丝绳（03），所述近端钢丝绳（03）一端与电机输出轴相连，另一端与近端滑动杆（12）的前端相连；

其中远端接头（2）由远端接头主体（21）、位于远端接头主体（21）圆柱空腔内的周向均布的N个远端滑动杆（22）、用于将远端锁紧滑动杆（22）和远端接头主体（21）锁紧的锁紧环（23）组成；

其中绳驱动单元包括绳驱动单元弹簧骨架（33），还包括分别固定于绳驱动单元弹簧骨架（33）前后两端的绳驱动前连接件（31）、绳驱动后连接件（32），还包括N条按周向均布的远端钢丝绳（34），所述远端钢丝绳（34）一端与绳驱动后连接件（32）相连，另一端穿过绳驱动前连接件（31）与对应的远端滑动杆（22）后端相连，还包括连接于绳驱动前连接件（31）和绳驱动后连接件（32）之间的绳驱动单元硅胶管皮层（35）；

其中SMA驱动单元（4）由SMA驱动单元弹簧骨架（43），分别固定于SMA驱动单元弹簧骨架（43）前后两端的SMA驱动前连接件（41）和SMA驱动后连接件（42），分别固定于SMA驱动前连接件（41）和SMA驱动后连接件（42）的SMA驱动前电路板（44）和SMA驱动后电路板（45），连接在SMA驱动前电路板（44）和SMA驱动后电路板（45）之间的按周向均布的M个SMA弹簧（46），连接于SMA驱动前连接件（41）和SMA驱动后连接件（42）之间的SMA驱动单元硅胶管皮层（47）组成； 

   上述电机座（01）和近端接头主体（11）之间，近端接头主体（11）和远端接头主体（12）之间，近端滑动杆（12）和远端滑动杆（22）之间，绳驱动单元（3）和SMA驱动单元（4）之间，相邻的SMA驱动单元（4）之间均具有可拆卸的连接件或连接结构；

   上述K为大于等于1的自然数，N为3-6的自然数，M为3-6的自然数。

2.根据权利1所述的模块化的主动弯曲介入导管，其特征在于： 

绳驱动单元（3）、SMA驱动单元（4）均为模块化导管单元。

3.根据权利1所述的模块化的主动弯曲介入导管，其特征在于：绳驱动单元（3）、SMA驱动单元（4）直径是从前向后依次递减。

4.权利要求1所述的模块化的主动弯曲介入导管的运动方法，其特征在于包括以下过程：

（一）、介入导管的组装：

过程1-1、根据介入环境的要求确定介入导管单元的节数、各节单元的长度以及外径，先选择合适长度的绳驱动单元（3）并确定SMA驱动单元（4）的节数K以及各节的长度，在选择节数时要保证导管有足够的自由度通过介入环境中的各个分叉口，再根据介入环境尺寸的要求确定各节导管单元的外径；

过程1-2、连接电机单元（0）与近端接头（1），再依次将远端接头（2）、绳驱动单元（3）、K节SMA驱动单元（4）相互连接；

过程1-3、将SMA单元（4）中整理出的导线穿过绳驱动单元后连接件（32）引出接到外围驱动电路中，分别张紧近端钢丝绳（03）和远端钢丝绳（34），并用近端锁紧环（13）和远端锁紧环（23）分别将近端滑动杆（12）和远端滑动杆（22）固定；

过程1-4、将近端滑杆（12）与远端滑杆（22）相连接；

过程1-5、连接固定近端接头主体（11）与远端接头主体（21）；

过程1-6、松开近端锁紧环和远端锁紧环；

（二）、介入过程中导管的运动：

   直线推拉运动：该运动是导管依靠推送装置进行的直线前进和后退运动；

   绳驱动单元的周向弯曲运动：由于在组装过程中已经将绳长张紧，在介入过程中当要进行绳驱动导管单元的控制时，只要控制电机改变近端钢丝绳的长度，通过近端滑动杆和远端滑动杆的滑动将绳长的变化传递给远端钢丝绳，从而拉动绳驱动后连接件，实现绳驱动单元的周向弯曲；

SMA驱动单元的周向弯曲运动：SMA驱动单元的周向弯曲是通过改变SMA弹簧的长度实现的，由于SMA弹簧受热收缩，SMA弹簧两端固定在SMA驱动单元前后连接件中的电路板上，再从电路板上用导线接到外围控制电路上，通过控制外围电路实现SMA弹簧的加热便可控制SMA弹簧的长度，进而实现SMA驱动单元的周向弯曲。

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