CN106037935B - 用于单孔手术器械的刚度可控工具机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于单孔手术器械的刚度可控工具机构，它包括包覆层，在包覆层外套有弹性连续体结构，在弹性连续体结构上套有能量交换装置,能量交换装置与外部能量控制源相连以通过传导的方式实现能量交换装置自身温度的变化，在能量交换装置外部依次套有弹性支撑骨架和绝缘隔热膜，弹性支撑骨架由弹性材料制成，在弹性支撑骨架上开有镂空结构，弹性连续体结构由弹性材料制成并且在弹性连续体结构侧壁上开有多圈彼此前后间隔设置的镂空槽，液态金属涂层均匀的设置在弹性连续体结构和能量交换装置之间及弹性支撑骨架的镂空结构中，在弹性连续体结构上设置有丝孔道。本装置可有效的避免工具在手术操作时的碰撞问题。

Description

用于单孔手术器械的刚度可控工具机构
技术领域
本发明涉及一种微创手术器械关节机构，特别涉及一种用于单孔手术器械的刚度可控工具机构。
背景技术
随着科学技术的发展，现代医学领域已进入了微创外科时代。虽然，早年已有人提出了经人体自然腔道的内窥镜手术(natural orificetrans-luminal endoscopicsurgery,NOTES)的无创外科手术，但是由于该技术难度高，且需要在一个狭长的空间进行夹持缝合等手术操作，且操作精度无法满足医生的需求，因而该技术在临床上并未得到广泛的应用。而被称为过渡技术的单孔手术，因其美容效果较一般微创手术技术更好，且技术相对成熟，反而得到了广泛的应用。
单孔手术是指在一个15mm-40mm的小切口上置入多个穿刺器或多孔道穿刺器，再置入手术器械进行手术操作。在现有的单孔手术操作中，由于器械多为硬杆工具且都由一个通道进入，容易产生“筷子效应”而导致器械在体内碰撞，影响手术时间和手术质量。虽然以Da Vinci(专利号US 8771180 B2)和Titan(专利号US 20110230894 A1)为代表的单孔机器人手术系统利用蛇形结构解决了这一问题，但同时带来了器械刚性下降，提升力不足的问题。
发明内容
本发明目的在于克服已有技术的不足，提供一种既避免了器械因单孔手术空间而导致的碰撞问题并且器械刚性好的用于单孔手术器械的刚度可控工具机构。
本发明通过以下技术手段实现上述目的：
本发明的用于单孔手术器械的刚度可控工具机构，它包括包覆层，在所述的包覆层外套有弹性连续体结构，在所述的弹性连续体结构上套有能量交换装置,所述的能量交换装置与外部能量控制源相连以通过传导的方式实现能量交换装置自身温度的变化，在所述的能量交换装置外部依次套有弹性支撑骨架和绝缘隔热膜，所述的弹性支撑骨架由弹性材料制成，在所述的弹性支撑骨架上开有镂空结构，所述的弹性连续体结构由弹性材料制成并且在弹性连续体结构侧壁上开有多圈彼此前后间隔设置的镂空槽，每一圈镂空槽包括两个镂空槽并且彼此左右间隔设置，一圈上的两个镂空槽之间的间隔部分与相邻圈的两个镂空槽之间的间隔部分间隔90度设置，液态金属涂层均匀的设置在弹性连续体结构和能量交换装置之间及弹性支撑骨架的镂空结构中，在所述的弹性连续体结构上设置有丝孔道，所述的丝孔道用于穿过驱动前端工具和控制弹性连续体结构的运动的控制丝。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.本发明的用于单孔手术器械的刚度可控工具机构将刚度可控关节引入手术器械中，填补了单孔手术器械在该方面空白。
2.本发明的用于单孔手术器械的刚度可控工具机构可有效的避免工具在手术操作时的碰撞问题。
3.本发明的用于单孔手术器械的刚度可控工具机构通过液态金属的相变控制刚度，在保持灵活性的同时使其具有了更大的提升力。
附图说明
图1为本发明用于单孔手术器械的刚度可控工具机构整体结构示意图；
图2为本发明用于单孔手术器械的刚度可控工具机构整体结构爆炸示意图；
图3为本发明用于单孔手术器械的刚度可控工具机构电热交换工作状态示意图；
图4为本发明用于单孔手术器械的刚度可控工具机构水热交换工作状态示意图；
图5为本发明用于单孔手术器械的刚度可控工具机构工作状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
本发明的用于单孔手术器械的刚度可控工具机构，主要由弹性连续体结构和变刚度结构构成，包括两种刚度的控制方法。水热能量交换法和电热能量交换法。
本发明的用于单孔手术器械的刚度可控工具机构，如图1所示，其工作状态如图5所示。所述的用于单孔手术器械的刚度可控工具机构包括包覆层2-6，在所述的包覆层2-6外套有弹性连续体结构2-5，在所述的弹性连续体结构2-5上套有能量交换装置,能量交换装置与外部能量控制源相连，可以通过电热传导或者水热传导的方式实现能量交换装置自身温度的变化。在所述的能量交换装置2-3外部依次套有弹性支撑骨架2-2和绝缘隔热膜2-1。所述的弹性支撑骨架由弹性材料制成，在所述的弹性支撑骨架上开有镂空结构，所述的弹性连续体结构由弹性材料制成并且在弹性连续体结构侧壁上开有多圈彼此前后间隔设置的镂空槽，该结构制造方便，具有较好的锁紧能力。每一圈镂空槽包括两个镂空槽并且彼此左右间隔设置，一圈上的两个镂空槽之间的间隔部分与相邻圈的两个镂空槽之间的间隔部分间隔90度设置，所述的镂空槽可以采用螺旋槽也可以采用矩形槽。液态金属涂层2-4均匀的设置在弹性连续体结构2-5和能量交换装置之间及弹性支撑骨架2-2的镂空结构中。所述的弹性支撑骨架2-2一方面用于锁紧能量交换装置，一方面利用其上设有镂空结构给液态金属填充物留出空间。所述的液态金涂层可以采用镓铟铋铜的合金，也可以采用镓铟合金，两种材料均可在市场购得。这样该金属在室温下能够自然固化或者通过能量交换装置进行散热实现固化，通过能量交换装置加热时能够液化。
相邻两圈开槽采用90度相间开槽后，从两侧观察相当于镂空和不镂空相间，所以能绕两镂空处摆动因而其具有R1和R2两个90度的镂空方向的偏转自由度。同时在所述的弹性连续体结构上设置有丝孔道，丝孔道用于穿过驱动前端工具和控制弹性连续体结构的运动的控制丝。所述的控制丝的设置方式可以采用现有的结构，如中国专利201510665781.0和201510669801.1公开的结构。
所述的弹性支撑骨架2-2和弹性连续体结构采用的弹性材料可以为弹性橡胶或者其它具有弹性的有机聚合物。
作为本发明的实施方式,所述的能量交换器采用电阻片网套2-3或水热交换管4-1。
所述的单孔手术器械的刚度可控工具机构电热交换工作原理如图3所示。所述的能量交换器采用电阻片网套，所述的外部能量控制源采用电源，电阻片网套2-3通过正电极3-1和负电极3-2与电源3-4相连。电阻片网套2-3发热被液态金属涂层2-4充分吸收后，液态金属涂层2-4液相化，解开原先锁死的R1，R2偏转自由度，进入柔性状态。
所述的单孔手术器械的刚度可控工具机构水热交换工作原理如图4所示。将原有的电阻片网套2-3结构替换为水热交换管4-1结构。所述的能量交换器采用水热交换管，所述的外部能量控制源采用热源,所述的水热交换管4-1的进水口通过双路蠕动泵4-4与热源4-3相连，将热流引入水热交换管4-1中，对液态金属涂层2-4进行相变控制以实现刚度可控的功能，所述的水热交换管4-1的出水口与储存罐4-2相连。
图5为本发明的单孔手术器械的刚度可控工具机构在单孔手术机器人整机中的使用示意图。刚度可控机构5-3布局在单孔手术机器人大管头部，图5-1为内窥镜，图5-2为单孔手术工具。本发明的用于单孔手术器械的刚度可控机构利用上述的水热或电热法进行刚度控制，在刚度可控机构为柔态时，该结构为可控态，依靠内部穿行的钢丝进行操控。
通过对可控关节的控制，改变其刚柔状态，可以极大的提高单孔手术机器人性能。在本发明的刚度可控机构5-3为柔态时，单孔手术机器人大管头部可以进行上下左右两个自由度的偏转，可以在手术中快速实现病灶点的追踪及定位，提高了操作空间及机器人整体的灵活性。在刚度可控结构5-3为刚态时，为单孔手术机器人的工作态，内窥镜5-1、单孔手术工具5-2可以穿过本发明的刚度可控机构，单孔手术工具形成操作三角，并实现手术操作；刚度可控结构5-3作为大管头部，为手术操作提供了足够的刚性及操作支撑。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的只是本发明的实施方式之一，实际的结构也并不局限于此。如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的传动、驱动装置以及连接方式不经创造性的设计与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.用于单孔手术器械的刚度可控工具机构，其特征在于:它包括包覆层，在所述的包覆层外套有弹性连续体结构，在所述的弹性连续体结构上套有能量交换装置,所述的能量交换装置与外部能量控制源相连以通过传导的方式实现能量交换装置自身温度的变化，在所述的能量交换装置外部依次套有弹性支撑骨架和绝缘隔热膜，所述的弹性支撑骨架由弹性材料制成，在所述的弹性支撑骨架上开有镂空结构，所述的弹性连续体结构由弹性材料制成并且在弹性连续体结构侧壁上开有多圈彼此前后间隔设置的镂空槽，每一圈镂空槽包括两个镂空槽并且彼此左右间隔设置，一圈上的两个镂空槽之间的间隔部分与相邻圈的两个镂空槽之间的间隔部分间隔90度设置，液态金属涂层均匀的设置在弹性连续体结构和能量交换装置之间及弹性支撑骨架的镂空结构中，在所述的弹性连续体结构上设置有丝孔道，所述的丝孔道用于穿过驱动前端工具和控制弹性连续体结构运动的控制丝。
2.根据权利要求1所述的用于单孔手术器械的刚度可控工具机构，其特征在于:所述的能量交换装置采用电阻片网套，所述的外部能量控制源采用电源，所述的电阻片网套通过正电极和负电极与电源相连以发热对液态金属涂层进行相变控制。
3.根据权利要求1所述的用于单孔手术器械的刚度可控工具机构，其特征在于:所述的能量交换装置采用水热交换管，所述的外部能量控制源采用热源,所述的水热交换管的进水口通过双路蠕动泵与热源相连，将热流引入水热交换管中对液态金属涂层进行相变控制，所述的水热交换管的出水口与储存罐相连。
4.根据权利要求1-3之一所述的用于单孔手术器械的刚度可控工具机构，其特征在于:所述的镂空槽采用螺旋槽或者矩形槽。
5.根据权利要求1-3之一所述的用于单孔手术器械的刚度可控工具机构，其特征在于:所述的弹性支撑骨架和弹性连续体结构采用的弹性材料为弹性橡胶或者具有弹性的有机聚合物。
6.根据权利要求1-3之一所述的用于单孔手术器械的刚度可控工具机构，其特征在于:所述的液态金属采用镓铟铋铜的合金或者采用镓铟合金。
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