CN109171976B - 一种可精确控制的血管手术机器人及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可精确控制的血管手术机器人及其操作方法，属于医疗器械技术领域，包括机器人本体和控制系统，所述机器人本体包括外壳和设置在所述外壳内的清理机构，所述清理机构包括驱动系统和成像系统，所述外壳由圆柱形的平直段和密封在所述平直段两端的锥度段构成，所述锥度段为伸缩结构，所述驱动系统包括双向泵、电机和方向控制装置，所述方向控制装置包括进水分管、出水分管和流量调节阀，所述伸缩结构包括弹性内围以及设置在所述弹性内围与平直段之间的波形外围，还包括伸缩驱动机构。本发明的机器人在血管内行进、返回、清理等操作可视、可控，安全性高、稳定性好，且结构简单，操作方便，使用成本低，为真正的转化提供可能。

Description

一种可精确控制的血管手术机器人及其操作方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种用于血管内可精确控制进行手术的微型机器人及其操作方法。

背景技术

随着年龄增长，人体血管堆积各种沉积物，如粘结在血管壁上的斑块、积聚在血管通道内的血栓，沉积物造成血管狭窄，可能降低血液的通过水平，甚至造成血管堵塞，引发各类疾病。针对血管疾病现有技术提出了各种诊断和治疗方法，如脑血管的诊断方法有：采用核磁共振机进行脑血管造影(MRA)；采用CT机进行脑血管造影(CTA)；在大腿根部股动脉插管进行的，在数字减影血管造影机下完成的脑血管造影(DSA)；如脑血管的治疗方法主要有药物治疗、外科治疗及介入治疗。对于严重的患者，进行外科和介入治疗。外科治疗虽然有效，但相对创伤较大，需要全麻，手术中有时要阻断脑血流，因此，具有一定的局限性。

采用神经介入疗法对血管狭窄进行血管内扩张和支架置入术，具有手术成功率高、创伤微小、适应症宽、再狭窄(或复发)率低(约5％)等优势，血管内扩张和支架置入术不仅能够通过对狭窄的直接治疗使脑血流增加，脑缺血改善，而且能够预防或降低卒中的再次发作。介入治疗作为一种新的治疗方法，通过在脑部动脉球囊扩张和置放支架，疗效可靠，相对于手术更安全，创伤最小。

介入法需在造影的指导下进行，两者缺一不可，增加了治疗的复杂性。现有技术为简化程序，也有人提出通过血管机器人对血管沉积物直接进行清理，可一次性达到疏通血管、增强通过能力的效果。

但现有的血管机器人，基本采用磁力驱动方式，但该方式不能进行准确方向的牵引驱动，无法适应精细操作，很难适应具有复杂通道的血管。同时，该方式需要外部磁场操纵器进行驱动操作，结构复杂，增加了治疗成本和操作程序。另外，该类机器人并没有对返回方案进行专门的设计，多数只停留在理论上或概念上，无法进行临床试验和真正实现产品的商业化。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可精确控制的血管手术机器人及其操作方法，在控制系统、方向控制装置、成像系统和驱动系统的综合参与下，可进行精确的前进、倒退、回收和清理操作。

本发明之一通过以下技术方案实现：

一种可精确控制的血管手术机器人，包括机器人本体和控制系统，所述机器人本体包括外壳和设置在所述外壳内的清理机构，所述清理机构包括驱动系统和成像系统，

所述外壳由圆柱形的平直段和密封在所述平直段两端的锥度段构成，两个所述锥度段与平直段之间形成一个密闭的容纳腔，

所述锥度段为伸缩结构，

所述驱动系统包括设置在所述容纳腔内的双向泵和电机，所述双向泵的进水管和出水管均与平直段同轴线设置，且分别延伸至两个锥度段的外部，所述电机的输出轴与双向泵的输入轴驱动连接；

所述驱动系统还包括方向控制装置，所述方向控制装置包括进水分管、出水分管和流量调节阀，所述进水分管一端与进水管连通，另一端延伸至锥度段的外部；所述出水分管一端与出水管连通，另一端延伸至锥度段的外部，所述进水管、出水管、进水分管、出水分管均设置有流量调节阀，

所述进水管、出水管、进水分管、出水分管均设置有过滤装置，

所述成像系统在两个锥度段各设置一套，

所述控制系统与成像系统和驱动系统电性连接，

所述伸缩结构包括弹性内围以及设置在所述弹性内围与平直段之间的波形外围，

还包括伸缩驱动机构，所述伸缩驱动机构为设置在进水管上或出水管上的双杆液压缸，所述双杆液压缸的两个活塞杆内贯通设置有一过水孔，所述过水孔与进水管或出水管连通，所述进水管、出水管、进水分管和出水分管均设置有波形伸缩段。

进一步，所述成像系统包括设置在锥度段端部的发光装置和CCD图像传感器。

进一步，所述发光装置为LED灯。

进一步，所述控制系统包括图片及信息处理器和显示器，所述图片及信息处理器与双向泵、电机、流量调节阀、CCD图像传感器及LED灯电性连接。

进一步，所述驱动连接包括设置在电机输出轴上的大皮带轮、设置在双向泵输入轴上的小皮带轮和连接在两者之间的驱动皮带。

进一步，所述锥度段的端部至少部分为透明区域，所述发光装置和CCD图像传感器均设置在所述透明区域内。

进一步，所述清理机构还包括设置在锥度段端部的激光发生装置。

进一步，所述过滤装置包括倾斜设置在进水管或出水管内的隔板，所述隔板将进水管或出水管分隔为第一通道和第二通道，所述第一通道内设置有电动阀门，第二通道内设置有过滤网，所述隔板上设置有过渡通道，且过渡通道的水位高于电动阀门。

本发明之二通过以下技术方案实现：

使用上述血管手术机器人的操作方法，其特征在于：

1)固定血管鞘；

2)通过血管鞘放入机器人；

3)开启双向泵，驱动机器人移动；

4)启动成像系统，血管三维图像实时呈现在显示屏上，操作人员根据图像信息进行处理；

I.若有血栓存在，开启过滤装置，将沉积物进行清理；

II.若有斑块存在，开启激光发生装置，通过激光进行消融，最终消除斑块；

III.若有多个通道时，通过方向控制装置进行转向操作。

5)当机器人到达脑血管指定位置后，血管清理手术结束，启动返回程序：

I.机器人前端的锥度段收回，后端伸出；

II.双向泵反向启动，机器人返回；

6)前端的成像系统关闭，后端的成像系统启动，重复步骤4)；

7)机器人到达血管鞘附近时，操作人员通过导线将机器人取出，清理完成。

进一步，过滤装置清理时，电动阀门关闭，第一通道关闭，血液经过渡通道进入第二通道，并通过过滤网进行过滤。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过平直段与锥度段组合的结构设计使机器人构成了可双向移动的特点，不需要掉头，即可实现倒退；

2、本发明通过双向泵一方面实现了机器人前进或倒退的双向驱动，另一方面也实现了对血管内堆积物的清理，且相对于现有技术这种结构更为简单，成本更低；

3、本发明通过方向控制装置解决了行进方向问题，在控制下可进行精确转向，易于实现智能控制；

4、本发明通过将锥度段设置为伸缩结构，可在不作为前进导向时，将其收缩，减少其阻力，提高其行进能力；

5、本发明通过成像系统可对行进前方进行实时成像，为机器人的前进提供导航；

6、本发明通过控制系统可对成像系统、驱动系统进行实时控制，从而实现操作智能化。

7、本发明通过控制系统与成像系统、驱动系统的电性连接，一方面可实现对机器人的能量供应、信息传输，另一方面也可实现对机器人直接的姿态或位置调整，甚至实现机器人的回收。

总之，本发明通过创造性设计，使机器人在血管内行进、返回、清理等操作可视、可控，安全性高、稳定性好，且结构简单，操作方便，使用成本低，为真正的转化提供可能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的前进姿态示意图；

图3为本发明的返回姿态示意图；

图4为本发明机器人的结构示意图；

图5为图4的左视图；

图6为图5沿A－A的剖视图；

图7为图6在P处的局部放大图；

图8为机器人去除外壳后的结构示意图；

图9为方向控制装置的示意图。

附图标记说明：

1－机器人本体；2－控制系统；3－外壳；4－平直段；5－锥度段；6－驱动系统；7－成像系统；8－双向泵；9－电机；10－进水管；11－出水管；12－过滤装置；13－大皮带轮；14－小皮带轮；15－驱动皮带；16－方向控制装置；17－进水分管；18－出水分管；19－流量调节阀；20－发光装置；21－CCD图像传感器；22－图片及信息处理器；23－显示器；24－弹性内围；25－波形外围；26－双杆液压缸；27－过水孔；28－波形伸缩段；29－隔板；30－第一通道；31－第二通道；32－电动阀门；33－过滤网；34－过渡通道；J1－流量调节阀I；J2－流量调节阀II；J3－流量调节阀III；J4－流量调节阀IV。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的上述描述中，需要说明的是，术语“一侧”、“另一侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“相同”等术语并不表示要求部件绝对相同，而是可以存在微小的差异。术语“垂直”仅仅是指部件之间的位置关系相对“平行”而言更加垂直，并不是表示该结构一定要完全垂直，而是可以稍微倾斜。

如图1至图9所示，本实施例的一种可精确控制的血管手术机器人，包括机器人本体1和控制系统2，所述机器人本体包括外壳3和设置在所述外壳内的清理机构，

本实施例的外壳由圆柱形的平直段4和密封在所述平直段两端的锥度段5构成，两个所述锥度段与平直段之间形成一个密闭的容纳腔，容纳腔用于放置清理机构，锥度段具有导向作用，两端设置，使外壳两端均具有导向作用，通过驱动力方向的改变，外壳两端都可作前端，也可作后端，这样，机器人不需要掉头，就可以实现倒退。

本实施例的清理机构包括驱动系统6和成像系统7，具体的，驱动系统包括设置在所述容纳腔内的双向泵8和电机9，本实施例的双向泵为没有安全阀的齿轮泵，不受压力的限制，可实现正转和反转双向驱动，进水管10和出水管11均与平直段同轴线设置，且分别延伸至两个锥度段的外部，实现与外部连通，使血液可以进入泵内，也可以被排出泵内，从而进行行走驱动，同时，在进水管和出水管设置过滤装置12，可对血液中沉积物进行过滤，从而达到清理的效果，减少血管堵塞疾病的发生；本实施例在电机的输出轴上设置大皮带轮13，在双向泵有输入轴上设置小皮带轮14，并通过连接在两者之间的驱动皮带15进行驱动，实现双向泵工作。

具体的，过滤装置12如图7所示，包括倾斜设置在进水管10或出水管11内的隔板29，隔板将进水管10或出水管11分隔为第一通道30和第二通道31，所述第一通道内设置有电动阀门32，所述第二通道内设置有过滤网33，所述隔板上设置有过渡通道34，过渡通道的水位高于电动阀门。电动阀门为常开状态，当双向泵作为行进驱动时，血液直接通过第一通道；当双向泵作为清理驱动时，电动阀门关闭，第一通道关闭，血液经过渡通道进入第二通道，并通过过滤网进行过滤，实现了两种状态的独立运行，互不影响，有利于提高机器人运行的平稳性和手术的可靠性。

机器人在血管中行走时，需要对其行进方向进行调整和控制。因此，本实施例还提供了方向控制装置16，如图9所示，该方向控制装置包括进水分管17、出水分管18和流量调节阀19，进水分管的一端与进水管连通，另一端延伸至锥度段的外部；出水分管一端与出水管连通，另一端延伸至锥度段的外部，进水管、出水管、进水分管、出水分管均设置有流量调节阀，通过进水分管、出水分管可分别对进水管和出水管进行分流作用，并通过流量调节阀调节各自流量，使机器人受力不均，发生偏转，从而实现转向。

进水分管和出水分管均可设置多根，本实施例为两根，对称设置在进水管或出水管的两侧，如图7所示，流量调节阀共设置四个，包括左上的流量调节阀IJ1，右上的流量调节阀IIJ2，左下的流量调节阀IIIJ3，右下的流量调节阀IVJ4，当需左转时，可关闭J1和J3，当右转时，可关闭J2和J4。当然，也可只是减少流量来控制。

为方便使用，如图5和6所示，成像系统在两个锥度段各设置一套，本实施例的成像系统包括设置在锥度段端部的发光装置20和CCD图像传感器21，具体的发光装置为LED灯。LED灯的光线类型不作限制，可以是白光，可以是红外光，也可以是白光与红外光均可，具体的选择，以实际需要为准。

本实施例的控制系统包括图片及信息处理器22和显示器23，图片及信息处理器与双向泵、电机、流量调节阀、CCD图像传感器及LED灯通过导线连接。LED灯提供可见光，照亮行进前方区域，图像传感器对该区域进行成像，并将成像信号转换为电信号，通过图片及信息处理器对电信号进行处理成像，并在显示器上显示，使行进区域可视，操作更准确。

本实施例的伸缩结构如图5和6所示，包括弹性内围24和波形外围25，弹性内围可以采用橡胶材料制成，波形外围设置在所述弹性内围与平直段之间，起连接作用，由于弹性内围具有弹性，可以从平面形变为锥面，波形外围由于有一定波形，即折皱，也具有一定的延展性，因此，可使锥度段整体收缩为平面，波形外围也可以是橡胶材料，也可以塑料材料。

为进行驱动，本实施例还设置有伸缩驱动机构，伸缩驱动机构与伸缩机构一一对应设置，本实施例的伸缩驱动机构为双杆液压缸26，双杆液压缸在进水管上和出水管上均有设置，所述双杆液压缸的两个活塞杆内贯通设置有一过水孔27，所述过水孔与进水管或出水管连通，所述进水管、出水管、进水分管和出水分管均设置有波形伸缩段28。波形伸缩段使管路具有伸缩特性，可以随双杆液压缸的活塞杆运动，并不影响液体流动，也即清理工作与壳体伸缩驱动可同时进行。

作为本实施例的改进，所述锥度段的端部至少部分为透明区域，所述LED灯和CCD图像传感器均设置在该透明区域内。这样，LED灯的光可以无摭挡的发出，CCD图像传感器无阻挡地进行接收，使血管壁反射光线更强，传感器敏感度更高，最终使成像更清晰。

作为本实施例的改进，还包括电源，电源的位置不作限制，可设置在机器人内，也可设置在机器人外部，由于血管内径极小，为减小机器人的直径，提高其通过能力，本实施例的电源优选设置在机器外部，该电源的类型不作限制，可以是固定电源，也可以是移动电源，可以是交变电源，也可以是直流电源，只需要能够为驱动系统和成像系统提供电能即可。

下面以脑血管清理手术为例对本发明的操作步骤作进一步说明：

1)股动脉上固定好血管鞘；

2)通过血管鞘放入机器人，最好将连线部位放在后端，并将后端锥度段收回；

3)开启双向泵，其前端吸入血液，后端排出血液，驱动机器人移动；

4)此时，位于前端的LED灯开启、CCD图像传感器启动，视频信号经图片及信息处理器处理后，实时呈现在显示屏上，操作人员根据视频信号进行处理；

I.若观察到有血栓存在，开启过滤装置，将沉积物进行清理；

II.若观察到有斑块存在，开启激光发生装置，通过激光进行消融，最终消除斑块；

III.若观察到多个通道时，需要操作人员选择正确路径，并通过方向控制装置进行转向操作。

5)当机器人到达脑血管指定位置后，血管清理手术结束，启动返回程序：

I.机器人前端的锥度段收回，后端伸出；

II.双向泵反向启动，机器人返回。

6)前端的成像系统关闭，后端的成像系统启动，重复步骤4)。

7)当机器人最终到达血管鞘附近时，操作人员通过导线将机器人取出，完成清理操作。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种可精确控制的血管手术机器人，其特征在于：包括机器人本体和控制系统，所述机器人本体包括外壳和设置在所述外壳内的清理机构，所述清理机构包括驱动系统和成像系统，

所述外壳由圆柱形的平直段和密封在所述平直段两端的锥度段构成，两个所述锥度段与平直段之间形成一个密闭的容纳腔，

所述锥度段为伸缩结构，

所述驱动系统包括设置在所述容纳腔内的双向泵和电机，所述双向泵的进水管和出水管均与平直段同轴线设置，且分别延伸至两个锥度段的外部，所述电机的输出轴与双向泵的输入轴驱动连接；

所述驱动系统还包括方向控制装置，所述方向控制装置包括进水分管、出水分管和流量调节阀，所述进水分管一端与进水管连通，另一端延伸至锥度段的外部；所述出水分管一端与出水管连通，另一端延伸至锥度段的外部，所述进水管、出水管、进水分管、出水分管均设置有流量调节阀，

所述进水管、出水管、进水分管、出水分管均设置有过滤装置，

所述成像系统在两个锥度段各设置一套，

所述控制系统与成像系统和驱动系统电性连接，

所述伸缩结构包括弹性内围以及设置在所述弹性内围与平直段之间的波形外围，

还包括伸缩驱动机构，所述伸缩驱动机构为设置在进水管上或出水管上的双杆液压缸，所述双杆液压缸的两个活塞杆内贯通设置有一过水孔，所述过水孔与进水管或出水管连通，所述进水管、出水管、进水分管和出水分管均设置有波形伸缩段，

所述成像系统包括设置在锥度段端部的发光装置和CCD图像传感器，

所述驱动连接包括设置在电机输出轴上的大皮带轮、设置在双向泵输入轴上的小皮带轮和连接在两者之间的驱动皮带。

2.根据权利要求1所述的一种可精确控制的血管手术机器人，其特征在于：所述发光装置为LED灯。

3.根据权利要求2所述的一种可精确控制的血管手术机器人，其特征在于：所述控制系统包括图片处理及信息处理器和显示器，所述图片及信息处理器与双向泵、电机、流量调节阀、CCD图像传感器及LED灯电性连接。

4.根据权利要求3所述的一种可精确控制的血管手术机器人，其特征在于：所述锥度段的端部至少部分为透明区域，所述发光装置和CCD图像传感器均设置在所述透明区域内。

5.根据权利要求1－4任一所述的一种可精确控制的血管手术机器人，其特征在于：还包括电源，所述电源与驱动系统和成像系统电性连接。

6.根据权利要求1－4任一所述的一种可精确控制的血管手术机器人，其特征在于：所述过滤装置包括倾斜设置在进水管或出水管内的隔板，所述隔板将进水管或出水管分隔为第一通道和第二通道，所述第一通道内设置有电动阀门，第二通道内设置有过滤网，所述隔板上设置有过渡通道，且过渡通道的水位高于电动阀门。

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