CN108309370B - 一种渐进式的心脑血管介入手术机器人 - Google Patents

一种渐进式的心脑血管介入手术机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种渐进式的心脑血管介入手术机器人，包括：导丝推进模块，包括推送导丝机构和旋转导丝机构，所述推送导丝机构用于实现血管介入手术中导丝的推送，所述旋转导丝机构实现血管介入手术中导丝的旋转；球囊导管推进模块，用于实现血管介入手术中球囊导管的推送；造影剂注射模块，用于实现血管介入手术中造影剂的注射。本发明机器人能实现血管介入手术中导丝的推送、旋转，球囊导管的推送以及造影剂的注射，同时，旋转导丝机构中提供了实时力反馈的功能。

Description

一种渐进式的心脑血管介入手术机器人
技术领域
本发明涉及医疗器械领域的手术机器人，具体地，涉及一种渐进式的心脑血管介入手术机器人。
背景技术
血管介入手术是目前治疗血管类疾病常用有效的方法之一。但是，由于其手术过程中，医生需要暴露在X光下进行手术。长时间的X光照射会对人体造成不良的影响和伤害。同时，此手术需要丰富的临床经验和高超的手术手法，对医生的要求高，而且训练合格的手术医生耗时长、花费大。而且耗时较长的手术不仅对身体造成很大的伤害，而且会让医生容易疲劳。
血管介入手术机器人是机器人技术在血管介入治疗方面的成功应用，使介入手术的技术水平产生了质的飞跃。与传统血管介入手术相比，血管介入手术机器人准确度高，可靠性高，精度高，具有良好的操控性。最主要的是其远程操作的系统可以使得医生远离手术室进行手术操作，这样就可以免于X光的照射。而且其主从控制的手术操作相对于直接手术操作较为简单，而且可以避免由于手抖而造成的手术影响。
在传统血管介入手术过程中，医生手持介入手术器械(导丝和导管)沿着计划的手术血管路径进行操作时，主要对介入器械进行推拉和旋转的动作。而且把介入器械通过血管分叉，医生主要依靠X光图像和手感来进行手术操作。基于对血管介入手术过程的分析，研制具有力反馈功能的血管介入手术机器人已经成为主从式血管手术机器人系统的一个重点和难点，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。
经过对现有技术的检索发现，中国专利CN201110065312.7，名称为：“微创血管介入手术机器人推进机构”，其包括：轴向进给部件和周向旋转部件，分别用于导丝、导管的直线运动和旋转运动。但该机构缺少力反馈功能。
进一步检索中发现，中国专利CN201780000453.6，名称为：“血管介入手术机器人的导管推送控制方法及导管推送设备”，其包括：测力步骤和调控步骤。调控步骤用于调控导管推送过程中的运动参数以防止导管推送过程中戳破血管；测力步骤用于检测摩擦块组件对导管的压力大小和导管的扭矩大小。但是由于测量的力和力矩是摩擦阻力，不是直接测量导丝、导管在血管受到的力。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种渐进式的心脑血管介入手术机器人，可以实现血管介入手术中导丝的推送、旋转，球囊导管的推送以及造影剂的注射的功能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种渐进式的心脑血管介入手术机器人，包括：
导丝推进模块，包括推送导丝机构和旋转导丝机构，所述推送导丝机构用于实现血管介入手术中导丝的推送，所述旋转导丝机构实现血管介入手术中导丝的旋转；
球囊导管推进模块，用于实现血管介入手术中球囊导管的推送；
造影剂注射模块，用于实现血管介入手术中造影剂的注射。
优选地，所述推送导丝机构包括：第一驱动部件、传动组件、滑轨组件、移动基座，其中：第一驱动部件和传动组件相连，移动基座和传动组件、滑轨组件相连；所述第一驱动部件驱动所述传动组件，所述传动组件带动所述移动基座在滑轨组件上滑动。
优选地，所述推送导丝机构还包括：限位开关固定座，位于所述传动组件的两端，用于固定限定移动基座前后移动的限位开关。
优选地，所述旋转导丝机构包括：第二驱动部件、力传动机构、力反馈功能机构、导丝夹持机构、导丝支撑机构，其中：第二驱动部件连接所述力传动机构的输入端，所述力传动机构的输出端连接所述力反馈功能机构，所述力反馈功能机构的另一端连接所述导丝夹持机构；所述第二驱动部件通过所述力传动机构将驱动力传递到所述力反馈功能机构，所述力反馈功能机构带动夹持导丝的所述导丝夹持机构运动，从而带动所述导丝进行旋转，所述导丝支撑机构用于支撑所述导丝。
更优选地，所述力传动机构包括联轴器、齿轮组、齿轮轴、齿轮基座，所述第二驱动部件的输出端通过所述联轴器与所述齿轮组连接，所述齿轮组与所述齿轮轴固定，所述齿轮轴固定在所述齿轮基座上，所述第二驱动部件通过所述联轴器带动所述齿轮组转动，从而带动所述齿轮轴转动。
更优选地，所述力反馈功能机构包括六维力传感器、导丝通道，所述六维力传感器的固定端安装在所述力传动机构上，测量端和所述导丝通道相连，导丝在所述导丝通道中推送/旋转时，导丝受到的力和力矩会在所述导丝末端实时地传递给所述六维力传感器。
更优选地，所述导丝夹持机构包括套筒和夹头，装有导丝的所述套筒与所述力传动机构连接，所述导丝被所述夹头夹紧；所述导丝通道的一端部靠近所述六维力传感器，另一端部设置所述夹头；在所述力传动机构的带动下，使得装有所述导丝的所述套筒旋转，从而带动所述导丝一起旋转。
更优选地，所述导丝支撑机构包括伸缩支撑杆，导丝穿过所述导丝通道进入所述伸缩支撑杆中从而实现支撑，防止所述导丝推送过程中受力弯曲，且所述伸缩杆随着所述推送导丝机构的推送过程而伸缩。
优选地，所述旋转导丝机构设置在所述推送导丝机构上，可以跟随推送导丝机构一起前进后退，实现导丝的推送和旋转。
优选地，所述球囊导管推进模块包括：第一、第二摩擦轮、球囊导管、球囊导管/导丝支撑、Y型连接件、连接件支座、第三驱动部件、转台、摩擦轮支撑，其中：所述第三驱动部件旋转通过所述转台带动所述第二摩擦轮(即主动轮)旋转，所述主动轮通过摩擦力带动所述球囊导管前进后退，所述第一摩擦轮(即从动轮)被球囊导管前进后退的摩擦力带动从而一起转动；所述球囊导管/导丝支撑和所述Y型连接件相连，支撑所述导丝和所述球囊导管的运动；所述连接件支座用于所述支撑Y型连接件。
优选地，所述造影剂注射模块包括：第四驱动部件、推板、挡板、注射器、丝杆组件和导柱，其中：所述第四驱动部件与丝杆组件相连，所述推板通过所述丝杆组件和所述导柱支撑；所述推板、所述挡板上设有用于放置所述注射器的凹槽，从而支撑注射器；所述第四驱动部件旋转通过所述丝杆组件带动所述推板前进，从而推动所述注射器的柱塞，实现造影剂的注射。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明所述的机器人可以实现血管介入手术中导丝的推送、旋转，球囊导管的推送以及造影剂的注射。
2、本发明所述的机器人渐进式的推送方式缩短了机构的长度，减轻了机构的重量，有利于运输。本发明的渐进式推送方式扩大了手术医生单步操作的行程和时间，有助于完成更加复杂的操作和手术过程。
3、本发明所述的机器人球囊导管推送功能和远程造影功能的实现，可以让医生免于频繁进出手术室，对于远程手术的实现有了不可或缺的辅助作用。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明一个较佳实施例的血管介入手术机器人的总体结构示意图；
图2是本发明一个较佳实施例中的推送导丝机构的结构示意图；
图3是本发明一个较佳实施例中的旋转导丝机构的结构示意图；
图4是本发明一个较佳实施例的力反馈功能机构的结构示意图；
图5是本发明一个较佳实施例中的球囊导管推进模块的结构示意图；
图6是本发明一个较佳实施例中的造影剂注射模块的结构示意图；
图中：
导丝推进模块1、球囊导管推进模块2、造影剂注射模块3；
第一电机111、限位开关固定座112和114、丝杠组件113、滑轨组件115、移动基座116、电机基座117；
限位开关1201和1211、第二电机1202、电机基座1203、联轴器1204、齿轮组1205、齿轮轴1206、套筒1207、电动夹固定座1208、电动夹1209和1213、伸缩杆1210、伸缩杆支撑1212和1215、导丝1214、夹头1216、齿轮基座1217、六维力传感器1218、导丝通道1219；
摩擦轮21和23、球囊导管22、球囊导管/导丝支撑24、Y型连接件25、连接件支座26、第三电机27、转台28、摩擦轮支撑29；
电机31、电机基座32、推板33、挡板34、注射器35、丝杆组件36、底座37、导柱38。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，一种渐进式的心脑血管介入手术机器人的优选实施例，包括：导丝推进模块1、球囊导管推进模块2、造影剂注射模块3，其中：
导丝推进模块1，包括推送导丝机构11和旋转导丝机构12，所述推送导丝机构11用于实现血管介入手术中导丝的推送，所述旋转导丝机构12实现血管介入手术中导丝的旋转；
球囊导管推进模块2，用于实现血管介入手术中球囊导管的推送；
造影剂注射模块3，用于实现血管介入手术中造影剂的注射。
所述旋转导丝机构12设置在所述推送导丝机构11上，可以跟随推送导丝机构11一起前进后退，实现导丝的推送和旋转。
图2是本发明部分优选实施例中推送导丝机构11的结构示意图，其中：
所述推送导丝机构11包括：第一电机111、丝杠组件113、滑轨组件115、移动基座116和电机基座117。此结构的驱动力为第一电机111，第一电机111含编码器。第一电机111和丝杠组件113相连。移动基座116和丝杠组件113、两套滑轨组件115相连。通过第一电机111的驱动，移动基座116可以在丝杠组件113的带动下在滑轨组件115上前后滑动。
进一步的，在所述推送导丝机构11还设有限位开关固定座112和114，所述限位开关固定座112和114位于所述丝杠组件113的两端，用于移动基座116前后移动过程的限位，防止其撞击其他部件。
进一步的，所述推送导丝机构还包括：电机基座117，所述第一电机111固定在所述电机基座117上。
图3本发明部分优选实施例中旋转导丝机构12的结构示意图，其中：
所述旋转导丝机构12包括：第二电机1202、力传动机构、力反馈功能机构、导丝夹持机构、导丝支撑机构，其中：第二电机1202连接所述力传动机构的输入端，所述力传动机构的输出端连接所述力反馈功能机构，所述力反馈功能机构的另一端连接导丝夹持机构，所述导丝夹持机构中设有导丝调整机构。所述第二电机1202通过力传动机构将驱动力传递到力反馈功能机构，所述力反馈功能机构带动夹持导丝的导丝夹持机构运动，从而带动所述导丝进行旋转，所述导丝支撑机构用于支撑所述导丝。
在本发明部分优选实施例中，所述力传动机构包括联轴器1204、齿轮组1205、齿轮轴1206、齿轮基座1217，所述第二电机1202的输出端通过联轴器1204与齿轮组1205连接，所述齿轮组1205与所述齿轮轴1206固定，所述齿轮轴1206固定在齿轮基座1217。所述第二电机1202通过联轴器1204带动齿轮组1205转动，从而带动齿轮轴1206转动。
在本发明部分优选实施例中，所述力反馈功能机构，包括：六维力传感器1218、导丝通道1219，所述六维力传感器1218的固定端安装在所述力传动机构的齿轮轴1206上，测量端和所述导丝通道1219相连。导丝推送过程中，力和力矩会通过导丝通道1219实时地传递给六维力传感器1218。六维力传感器1218实时测量此力和力矩，并后续传递到外围的控制端，从而可以实时感知此力和力矩。
在本发明部分优选实施例中，所述导丝夹持机构包括套筒1207、电动夹固定座1208、电动夹1209、1213和夹头1216，装有导丝1214的套筒1207与所述齿轮轴1206连接，导丝1214被所述夹头1216夹紧，在齿轮轴1206的带动下，使得装有导丝1214的套筒1207旋转，从而带动导丝1214一起旋转。电动夹固定座1208安装在移动基座116上，电动夹1209插在电动夹固定座120的孔里。电动夹1213固定在底板上。电动夹1209用于拧紧和松开夹头1216，电动夹1213用于移动基座116后退过程中夹住导丝1214，从而实现导丝1214的渐进式推送。
在本发明部分优选实施例中，所述导丝支撑机构包括伸缩杆1210、伸缩杆支撑1212和1215，伸缩杆1210通过所述伸缩杆支撑1212、1215进行支撑，导丝1214穿过所述导丝通道1219进入所述伸缩杆1210中从而实现支撑，防止所述导丝1214推送过程中受力弯曲，且所述伸缩杆1210随着所述推送导丝机构的推送过程而伸缩。
所述伸缩杆1210可以有多节杆件构成，具体的，在一实施例中，伸缩杆1210分为5节，在移动基座116前后移动时，伸缩杆1210每节也跟随着前后移动。
作为上述力传动机构、力反馈功能机构、导丝夹持机构、导丝支撑机构优选结构组成的旋转导丝机构12，其驱动力为第二电机1202，第二电机1202含编码器。第二电机1202通过联轴器1204和齿轮组1205相连，在齿轮轴1206的带动下，使得装有导丝1214的套筒1207旋转，带动导丝1214一起旋转。导丝1214被夹头1216夹紧，可以跟随套筒1207旋转，可以跟随移动基座116一起前进后退，从而实现导丝的推送和旋转。
在本发明其他实施例中，所述力传动机构进一步包括：第二电机基座1203，所述第二电机1202设置在所述第二电机基座1203。
在本发明其他实施例中，还设有限位开关1201和1211，其中：限位开关1201固定在限位开关固定座112上，限位开关1211固定在限位开关固定座114上。限位开关1201和1211用于移动基座116前后移动过程的限位，防止其撞击其他部件。
图4是本发明部分优选实施例中的旋转导丝机构中的力反馈功能的结构示意图，其中：所述的力反馈功能的机构包括：齿轮1205、齿轮轴1206、齿轮基座1217、六维力传感器1218、导丝通道1219和夹头1216。六维力传感器1218的固定端安装在齿轮轴1206上，测量端和导丝通道1219相连。导丝推送过程中，力和力矩会通过导丝通道1219实时地传递给六维力传感器1218。六维力传感器1218实时测量此力和力矩，传递到主控端，使主控端可以实时感知此力和力矩。
图5是本发明部分优选实施例中球囊导管推进模块2的结构示意图，其中：
所述的球囊导管推进模块2包括：摩擦轮21和23、球囊导管22、球囊导管/导丝支撑24、Y型连接件25、连接件支座26、第三电机27、转台28、摩擦轮支撑29和导丝1214。此结构的驱动力为第三电机27，第三电机27含编码器。第三电机27旋转通过转台28带动摩擦轮23即主动轮旋转。摩擦轮23通过摩擦力带动球囊导管22前进后退，摩擦轮21即从动轮)被球囊导管22前进后退的摩擦力带动从而一起转动。球囊导管/导丝支撑24和Y型连接件25相连，支撑导丝1214和球囊导管22的运动。连接件支座26用于支撑Y型连接件25。
图6是本发明部分优选实施例中造影剂注射模块3的结构示意图，具体的，所述造影剂注射模块3包括：第四驱动部件31、第四驱动部件基座32、推板33、挡板34、注射器35、丝杆组件36、底座37和导柱38，其中：第四驱动部件31固定在第四驱动部件基座32上，并与丝杆组件36相连；所述推板33位于所述第四驱动部件基座32、挡板34之间，其中导柱38两端设在第四驱动部件基座32、挡板34上，并且中间穿过所述推板33。同样的，丝杆组件36也位于所述第四驱动部件基座32、挡板34之间，丝杆的两端设在第四驱动部件基座32、挡板34上，并且中间穿过所述推板33。丝杆组件36位于所述导柱38上方，两者可以是平行设置；所述推板33通过丝杆组件36和导柱38支撑；所述推板33、所述挡板34上设有用于放置注射器35的凹槽，从而支撑注射器35，所述注射器35的柱塞连接在所述推板33上，所述注射器35的注射管从所述挡板34的凹槽中伸出；所述第四驱动部件基座32和挡板34固定在底座37上，第四驱动部件31旋转通过丝杆组件36带动推板33前进，从而推动注射器35的柱塞，推出造影剂进入受体。
以上是本发明中的优选结构设计的一种，当然在其他实施例中，上述各模块也可以是其他的结构，只要能实现上述的功能即可。进一步的，上述各个优选结构可以单独使用，在互相不冲突的前提下，也可以任意组合使用，当在一个产品中组合使用时效果会更好。
具体的，以下为了更好理解本发明的技术方案，基于上述优选特征对本发明装置的工作过程进行详细说明：
1、在该装置安装完毕后，操作者需把导丝绕进套筒1207中，拧紧夹头1213，完成术前准备工作。
2、操作者实时控制此机器人进行工作，实现导丝的前进和旋转、球囊导管的推送以及造影剂的注射。操作者通过控制端可以切换机器人运送的介入用品，包括导丝、球囊导管和造影剂。
导丝的前进和旋转：在推送导丝过程中，可以实时控制此机器人中移动基座的速度，使得被夹持的导丝实时受控的前进、后退。并且，通过控制此机器人中齿轮组的旋转速度，使得被夹持的导丝实时受控的旋转。
球囊导管的推送：在推送球囊导管过程中，可以实时控制球囊导管模块中电机的速度，从而控制主动摩擦轮(摩擦轮23)的转速来实现对于球囊导管前进、后退速度的控制。
造影剂的注射：在推送造影剂过程中，操作者只需要输入造影剂的注射量(单位：ml)和注射速度(单位：ml/s)，造影剂注射模块会根据设定值进行造影剂的注射。
本发明所述的机器人渐进式的推送方式缩短了机构的长度，减轻了机构的重量，有利于运输。本发明的渐进式推送方式扩大了手术医生单步操作的行程和时间，有助于完成更加复杂的操作和手术过程。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种渐进式的心脑血管介入手术机器人，其特征在于，包括：
导丝推进模块，包括推送导丝机构和旋转导丝机构，所述推送导丝机构用于实现血管介入手术中导丝的推送，所述旋转导丝机构实现血管介入手术中导丝的旋转；
球囊导管推进模块，用于实现血管介入手术中球囊导管的推送；
造影剂注射模块，用于实现血管介入手术中造影剂的注射；
所述旋转导丝机构包括：第二驱动部件、力传动机构、力反馈功能机构、导丝夹持机构、导丝支撑机构，其中：第二驱动部件连接所述力传动机构的输入端，所述力传动机构的输出端连接所述力反馈功能机构，所述力反馈功能机构的另一端连接所述导丝夹持机构；所述第二驱动部件通过所述力传动机构将驱动力传递到所述力反馈功能机构，所述力反馈功能机构带动夹持导丝的所述导丝夹持机构运动，从而带动所述导丝进行旋转，所述导丝支撑机构用于支撑所述导丝。
2.根据权利要求1所述的渐进式的心脑血管介入手术机器人，其特征在于，所述推送导丝机构包括：第一驱动部件、传动组件、滑轨组件、移动基座，其中：第一驱动部件和传动组件相连，移动基座和传动组件、滑轨组件相连；所述第一驱动部件驱动所述传动组件，所述传动组件带动所述移动基座在滑轨组件上滑动。
3.根据权利要求2所述的渐进式的心脑血管介入手术机器人，其特征在于，所述推送导丝机构还包括：限位开关固定座，位于所述传动组件的两端，用于固定限定移动基座前后移动的限位开关。
4.根据权利要求1所述的渐进式的心脑血管介入手术机器人，其特征在于，所述力传动机构包括联轴器、齿轮组、齿轮轴、齿轮基座，所述第二驱动部件的输出端通过所述联轴器与所述齿轮组连接，所述齿轮组与所述齿轮轴固定，所述齿轮轴固定在所述齿轮基座上，所述第二驱动部件通过所述联轴器带动所述齿轮组转动，从而带动所述齿轮轴转动。
5.根据权利要求1所述的渐进式的心脑血管介入手术机器人，其特征在于，所述力反馈功能机构包括六维力传感器、导丝通道，所述六维力传感器的固定端安装在所述力传动机构上，测量端和所述导丝通道相连，导丝在所述导丝通道中推送/旋转时，导丝受到的力和力矩会在所述导丝末端实时地传递给所述六维力传感器。
6.根据权利要求5所述的渐进式的心脑血管介入手术机器人，其特征在于，所述导丝夹持机构包括套筒、电动夹固定座、电动夹和夹头，装有导丝的所述套筒与所述力传动机构连接，所述导丝被所述夹头夹紧；所述导丝通道的一端部靠近所述六维力传感器，另一端部设置所述夹头；在所述力传动机构的带动下，使得装有所述导丝的所述套筒旋转，从而带动所述导丝一起旋转；电动夹固定座安装在导丝推进模块上，电动夹插在电动夹固定座孔里，电动夹用于拧紧和松开夹头。
7.根据权利要求6所述的渐进式的心脑血管介入手术机器人，其特征在于，所述导丝支撑机构包括伸缩杆，导丝穿过所述导丝通道进入所述伸缩杆中从而实现支撑，防止所述导丝推送过程中受力弯曲，且所述伸缩杆随着所述推送导丝机构的推送过程而伸缩。
8.根据权利要求1-7任一项所述的渐进式的心脑血管介入手术机器人，其特征在于，所述球囊导管推进模块包括：第一、第二摩擦轮、球囊导管、球囊导管/导丝支撑、Y型连接件、连接件支座、第三驱动部件、转台、摩擦轮支撑，其中：所述第三驱动部件旋转，通过所述转台带动作为主动轮的所述第二摩擦轮旋转，所述主动轮通过摩擦力带动所述球囊导管前进后退，所述第一摩擦轮作为从动轮被球囊导管前进后退的摩擦力带动从而一起转动；所述球囊导管/导丝支撑和所述Y型连接件相连，支撑所述导丝和所述球囊导管的运动；所述连接件支座用于支撑所述支撑Y型连接件。
9.根据权利要求1-7任一项所述的渐进式的心脑血管介入手术机器人，其特征在于，所述造影剂注射模块包括：第四驱动部件、推板、挡板、注射器、丝杆组件和导柱，其中：所述第四驱动部件与丝杆组件相连，所述推板通过所述丝杆组件和所述导柱支撑；所述推板、所述挡板上设有用于放置所述注射器的凹槽，从而支撑注射器；所述第四驱动部件旋转，通过所述丝杆组件带动所述推板前进，从而推动所述注射器的柱塞，实现造影剂的注射。
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