CN109549774A - 一种适于眼底显微手术的微创执行机构 - Google Patents

Abstract

一种适于眼底显微手术的微创执行机构，它涉及一种微创执行机构。本发明为了解决现有的手术器械存在手术操作的精准度和稳定性差的问题。本发明的悬臂与旋转模块连接，悬臂直线导轨模块安装在悬臂内，悬臂滑块安装在悬臂直线导轨模块上，悬臂滑块连接件安装在悬臂滑块上；驱动杆的一端铰接在悬臂滑块连接件上，平行四边形连杆机构的底部铰接在悬臂的另一端上，驱动杆的另一端与平行四边形连杆机构的侧端面进行连接；末端基座与平行四边形连杆机构的侧端面进行铰接，末端执行器直线导轨模块安装在末端基座上，六维力传感器安装在末端基座上，手术注射器与滑块固接，基于FBG光纤光栅微力传感器安装在手术注射器上。本发明用于眼底显微手术。

Description

一种适于眼底显微手术的微创执行机构

技术领域

本发明涉及一种微创执行机构，具体涉及一种适于眼底显微手术的微创执行机构。

背景技术

由于眼球的体积较小、眼球组织构造精细且脆弱，所以，眼科显微手术要求医生有着极高的手眼协调能力和对精细操作的感知能力。较高的手术难度也使得患者容易因术中的微小创伤产生术后并发症。近年来，随着医疗机器人的快速发展，医疗机器人相对于人的高精确度、高稳定性等特点，为患者提供了更加安全高效的手术解决方案。而采用医疗机器人进行微创眼底显微手术时，难点在于手术器械需要从巩膜刺入点刺入患者的眼球内部，在不引起孔膜扩大的情况下围绕刺入点灵活转动，完成相应的手术操作。这一旋转点被称作RCM，RCM(英文为：Remote center of motion)指不动点。

针对微创眼科显微手术中如何构建RCM的问题，目前主要采用机械约束下的运动机构来实现，而很少采用主动式软件算法来实现RCM，这主要因为机械约束型的RCM点机械强度高，安全性能强，且较易实现的特性。

由于人眼视力有限，操纵手术刀精确移动范围有限，况且手持手术刀时，人手不可抑制的生理震颤造成眼科显微手术精准度稳定性变差。因此，现有的手术器械需要从巩膜刺入点刺入患者的眼球内部时，存在手术操作的精准度和稳定性差的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的手术器械需要从巩膜刺入点刺入患者的眼球内部时，存在手术操作的精准度和稳定性差的问题。进而提供一种适于眼底显微手术的微创执行机构。

本发明的技术方案是：一种适于眼底显微手术的微创执行机构，包括悬臂旋转模块；它还包括连杆组件和末端执行器组件，悬臂旋转模块包括旋转模块、悬臂基座、悬臂、悬臂直线导轨模块、悬臂滑块、悬臂滑块连接件和旋转模块外壳，悬臂基座的一端与外置移动装置连接，悬臂基座的另一端与旋转模块连接，悬臂与旋转模块连接，悬臂直线导轨模块安装在悬臂内，悬臂滑块滑动安装在悬臂直线导轨模块上，悬臂滑块连接件安装在悬臂滑块上，旋转模块外壳罩在旋转模块和悬臂基座上；连杆组件包括驱动杆和单自由度的平行四边形连杆机构，驱动杆的一端铰接在悬臂滑块连接件上，单自由度的平行四边形连杆机构的底部铰接在悬臂的另一端上，驱动杆的另一端与单自由度的平行四边形连杆机构的一侧侧端面进行连接；末端执行器组件包括末端基座、六维力传感器、末端执行器直线导轨模块、手术注射器和基于FBG光纤光栅微力传感器，末端基座与单自由度的平行四边形连杆机构的另一侧侧端面进行铰接，末端执行器直线导轨模块安装在末端基座上，六维力传感器安装在末端基座和末端执行器直线导轨模块之间，手术注射器与末端执行器直线导轨模块上的滑块固接，基于FBG光纤光栅微力传感器安装在手术注射器上，手术注射器尖端的延长线与悬臂中心轴的延长线的交点形成RCM点。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明采用平行四边形的四杆机构进行RCM点的确定。眼科显微手术的关键在于RCM点，如果是人手持六轴机械臂的话，需要末端手术执行器的一点位置不变，姿态却在不停的变化，这要求机械臂的各关节都要进行复杂的调整，使得在求取机械臂逆解时难度增加，有时还会出现奇异点情况。本发明通过借助四杆机构的机械设计，使得不动点的确定变得极其简单，手术注射器尖端的延长线与悬臂中心轴的延长线的交点形成RCM点；使得在保证微创执行机构高强度高稳定性的同时，构建RCM的难度大大降低。

2、本发明借助适于眼底显微手术的微创执行机构，能够高质量、高效率、高可靠性地完成眼底视网膜显微手术，极大地提高了眼科显微手术效果的一致性。

现有确定不动点的机构有球性机构和圆弧轨道机构，其中球形机构的球心、圆弧轨道的圆心即是RCM，但因为圆弧、球形轨道占据面积大，在其上安装驱动装置增加质量，导致装置刚度变差，最终导致手术执行器精度降低。

本发明通过采用四杆机构设计，RCM确定简单，一次校正后直接使用，驱动装置便于配置。这些都保证了手术能高效进行。结构的高刚度设计，配合控制系统，消除医生生理震颤，进而实现高质量眼科手术。

3、本发明采用了四杆机构，旋转悬臂，各个直线模组精确位移的构型；并通过基于现代数字滤波的震颤抑制实现消除抖动，提高了手术操作的精准度和稳定性，使得末端执行器分辨率控制在50um以内。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种适于眼底显微手术的微创执行机构，它包括悬臂旋转模块1；它还包括连杆组件2和末端执行器组件3，悬臂旋转模块1包括旋转模块1-1、悬臂基座1-2、悬臂1-3、悬臂直线导轨模块1-4、悬臂滑块1-5、悬臂滑块连接件1-6和旋转模块外壳1-7，悬臂基座1-2的一端与外置移动装置连接，悬臂基座1-2的另一端与旋转模块1-1连接，悬臂1-3与旋转模块1-1连接，悬臂直线导轨模块1-4安装在悬臂1-3内，悬臂滑块1-5滑动安装在悬臂直线导轨模块1-4上，悬臂滑块连接件1-6安装在悬臂滑块1-5上，旋转模块外壳1-7罩在旋转模块1-1和悬臂基座1-2上；连杆组件2包括驱动杆2-1和单自由度的平行四边形连杆机构，驱动杆2-1的一端铰接在悬臂滑块连接件1-6上，单自由度的平行四边形连杆机构的底部铰接在悬臂1-3的另一端上，驱动杆2-1的另一端与单自由度的平行四边形连杆机构的一侧侧端面进行连接；末端执行器组件3包括末端基座3-1、六维力传感器3-2、末端执行器直线导轨模块3-3、手术注射器3-4和基于FBG光纤光栅微力传感器3-5，末端基座3-1与单自由度的平行四边形连杆机构的另一侧侧端面进行铰接，末端执行器直线导轨模块3-3安装在末端基座3-1上，六维力传感器3-2安装在末端基座3-1和末端执行器直线导轨模块3-3之间，手术注射器3-4与末端执行器直线导轨模块3-3上的滑块固接，基于FBG光纤光栅微力传感器3-5安装在手术注射器3-4上，手术注射器3-4尖端的延长线与悬臂1-3中心轴的延长线的交点形成RCM点。

本实施方式的悬臂旋转模块1中，悬臂基座1-2被加工为两个呈30°的法兰盘的组合体，悬臂基座1-2的一端与外置移动装置相连，悬臂基座1-2的另一端与旋转模块1-1固连；能够便于悬臂基座1-2进行全方位的转动，保证末端执行器组件3的动作的位置灵活性。

本实施方式的旋转模块外壳1-7固定在悬臂基座1-2上，对旋转模块1-1起到保护作用。

本实施方式的悬臂直线导轨模块1-4上的悬臂滑块连接件1-6的底部与悬臂滑块1-5固连，同时在上部被加工出通孔，实现与连杆组件2的驱动杆1-1铰接。

本实施方式的末端执行器组件3的末端基座3-1与第一、第二末端支撑杆的末端孔铰接，实际起到了固连的作用。

本实施方式的基于FBG光纤光栅微力传感器3-5则布置在手术注射器3-4针头末端，能够感知手术注射器3-4的微量力变化，使得手术更加精准。

本发明的适于眼底显微手术的微创执行机构，通过在加工中调整悬臂基座1-2的夹角，使得悬臂1-3在初始位置便与水平面有一夹角；悬臂1-3能够绕悬臂轴线旋转，从而带动末端执行器的旋转；借助悬臂直线导轨模块1-4和连杆组件2，则能够对末端执行器的俯仰角进行±45°的调整；连杆组件2采用平行四边形的结构设计，能够使得连杆组件2末端搭载的手术注射器3-4尖端的延长线与悬臂中心轴的延长线的交点形成RCM(不动点)，使得在悬臂直线导轨模块1-4动作带动末端执行器的俯仰角变化时，RCM位置不发生改变，同时，由于RCM同时位于悬臂1-3的轴线上，使得RCM的位置在悬臂1-3旋转时也不产生变化；末端执行器直线导轨模块3-3，则能够使手术注射器完成插入眼球内部的操作。

本实施方式的悬臂直线导轨模块1-4采用的型号为KK40-01P-150A-F2ES2(PNP)，旋转模块1-1的厂家为Parker生产的R150M。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的旋转模块1-1包括电机、传动装置、蜗杆和蜗轮，电机的输出端与传动装置连接，传动装置的输出端与蜗轮连接，蜗杆安装在悬臂1-3的里侧，且蜗杆与蜗轮啮合。如此设置，带动整个悬臂1-3绕悬臂轴线的旋转；连接方式简单，可靠，其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的悬臂直线导轨模块1-4采用KK60-10P-300A-F2ES2(PNP)型号的XYZ直角坐标系。如此设置，行程大，便于生产制造，成本低。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的悬臂旋转模块1还包括增量式光栅尺C和多个光电开关G，增量式光栅尺C和多个光电开关G安装在旋转模块1-1上，其中增量式光栅尺C沿旋转模块1-1的长度方向安装在旋转模块1-1的一侧端面上，多个光电开关G对称安装旋转模块1-1的长度方向的两端侧端面上。如此设置，检测更加准确。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

本实施方式在开始零点校正时，直线导轨在电机驱动下先向一端运动，在到达初始端处时被光电开关检测到，停止电机运动，滑块停止；之后电机反转，手动调整，运动到零点位置时，电机停止旋转，这时记录光栅尺上的脉冲数，推导出滑块运动的直线距离，以后在每次工作前都可以先让电机旋转至初始端，在光电开关作用下停止，之后根据光栅尺记录数据直接驱动电机转动相应圈数，到达标定位置即可。同理，借助高精度的光栅尺，各个直线导轨都能够精确移动。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的驱动杆2-1为实心驱动杆，驱动杆2-1的两端均为拔叉状。如此设置，保证了驱动杆2-1的机械强度；驱动杆2-1拨叉状的两端被开通孔，分别与悬臂滑块连接件1-6与第一中间延长杆2-2铰接。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的单自由度的平行四边形连杆机构包括第一中间延长杆2-2、第二中间延长杆2-3、第一末端支撑杆2-4和第二末端支撑杆2-5，第一中间延长杆2-2的下端和第二中间延长杆2-3的下端铰接在悬臂1-3的另一端，其中第一中间延长杆2-2的侧端面与驱动杆2-1铰接，第一末端支撑杆2-4的一端和第二末端支撑杆2-5的一端与第一中间延长杆2-2的上端和第二中间延长杆2-3的上端铰接，第一末端支撑杆2-4的另一端和第二末端支撑杆2-5的另一端与末端基座3-1连接。RCM确定简单，一次校正后直接使用，驱动装置便于配置。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

本实施方式的单自由度的平行四边形连杆机构为双平行四边形的四杆机构。其中第一中间延长杆2-2、第二中间延长杆2-3、第一末端支撑杆2-4和第二末端支撑杆2-5均为双平行连杆，两根平行杆之间通过杆件连接。

本实施方式的第一中间延长杆2-2与第二中间延长杆2-3结构类似，长度相同，都存在三个相同对应位置处的铰接点，分别与悬臂1-3、第一末端支撑杆2-4、第二末端支撑杆2-5铰接，区别在于第一中间延长杆2-2增加了一个与驱动杆2-1连接的铰接孔；第一末端支撑杆2-4与第二末端支撑杆2-5结构类似，长度相同，除了与第一中间延长杆2-2和第二中间延长杆2-3的铰接点外增加了一个末端的铰接点；第一、第二中间延长杆与第一、第二末端支撑杆连同末端基座3-1，构成单自由度的平行四边形连杆机构，平行四边形机构随驱动杆2-1动作，实现对末端基座3-1上的手术注射器3-4的俯仰角控制；所述俯仰角的控制角度为±45°。

杆组件2采用平行四边形的结构设计，能够使得连杆组件2末端搭载的手术注射器3-7尖端的延长线与悬臂1-3中心轴的延长线的交点形成RCM(不动点)，对眼球的创伤最小，只有这一点的伤口，实现微创。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的单自由度的平行四边形连杆机构还包括多个自润滑轴套2-6，第一中间延长杆2-2、第二中间延长杆2-3、第一末端支撑杆2-4和第二末端支撑杆2-5的铰接处分别通过一个自润滑轴套2-6进行铰接。如此设置，连杆组件2的铰接点处通过自润滑轴套2-6连接，既保证了铰接点处的无缝装配，又保证了个杆件间的平滑转动。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式的末端执行器直线导轨模块3-3的型号为KC30-01P-100A-F2ES2(PNP)。成本低廉。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式的基于FBG光纤光栅微力传感器3-5安装在手术注射器3-4的针头末端。FBG光纤光栅的谐振波长对应力应变和温度的变化敏感，所以主要用于温度和应力应变的测量。这种传感器是通过外界参量(温度或应力应变)对Bragg光纤光栅的中心波长调制来获得传感信息的。因此，传感器灵敏度高，抗干扰能力强，对光源能量和稳定性要求低，适合作精密、精确测量。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。

具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式的末端执行器组件3还包括增量式光栅尺和多个光电开关，增量式光栅尺和多个光电开关安装在执行器直线导轨模块3-3上，其型号为KC30-01P-100A-F2ES2(PNP)。如此设置，记录手术注射器3-4尖端与悬臂1-3轴线延长线的RCM位置，完成对RCM点的校准。同时，还能够检测出手术注射器3-4是否已插入视网膜血管，并在插入血管后停止机器人操作臂的动作，保障患者安全的同时能够将药物精确注入血管。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。

本发明的适于眼底显微手术的微创执行机构的工作过程如下：

首先：在悬臂1-3的初始角度下，悬臂基座的本身两个组合体的30°通过调整悬臂直线导轨模块1-4使得手术注射器3-4与患者瞳孔的中轴线呈65°，(患者平躺，由医生操作确定与手术床平面65°即可)同时，利用末端执行器直线导轨模块3-3上的光电开关和增量式光栅尺，记录手术注射器3-4尖端与悬臂1-3轴线延长线的RCM位置，完成对RCM点的校准。

然后，主刀医生手持双臂机器人的末端执行器导轨模块3-3进行拖动，借助六维力传感器3-2感知力的方向、各个直线导轨模块上增量式光栅尺感知位置，通过对配套的机器人操作臂的XYZ轴方向移动，通过手持模式实现手术注射器的大范围快速移动以及粗略位姿调整，使得手术注射器尖端接近孔膜，位于孔膜的斜上方。之后借助配套的外置3D显微成像装置及机器人操作臂控制器，对手术注射器进行精确的位姿调整，使得手术注射器的针头RCM位于孔膜处。

以上工作完成后，借助末端执行器直线导轨模块3-3，将手术注射器3-4插入孔膜中，并对准病灶位置手术注射器直线运动，利用悬臂直线导轨模块1-4及连杆组件2，精确实现手术注射器3-4在眼球内部±45°的俯仰角控制，利用悬臂旋转模块1的旋转功能，实现绕RCM的旋转。通过借助手术注射器上的基于FBG光纤光栅的微力传感器3-5，能够检测出手术注射器3-4是否已插入视网膜血管，并在插入血管后停止机器人操作臂的动作，保障患者安全的同时能够将药物精确注入血管。

最后退出手术注射器3-4，完成相应的术后操作即可。

Claims (7)

1.一种适于眼底显微手术的微创执行机构，它包括悬臂旋转模块(1)；其特征在于：它还包括连杆组件(2)和末端执行器组件(3)，

悬臂旋转模块(1)包括旋转模块(1-1)、悬臂基座(1-2)、悬臂(1-3)、悬臂直线导轨模块(1-4)、悬臂滑块(1-5)、悬臂滑块连接件(1-6)和旋转模块外壳(1-7)，悬臂基座(1-2)的一端与外置移动装置连接，悬臂基座(1-2)的另一端与旋转模块(1-1)连接，悬臂(1-3)与旋转模块(1-1)连接，悬臂直线导轨模块(1-4)安装在悬臂(1-3)内，悬臂滑块(1-5)滑动安装在悬臂直线导轨模块(1-4)上，悬臂滑块连接件(1-6)安装在悬臂滑块(1-5)上，旋转模块外壳(1-7)罩在旋转模块(1-1)和悬臂基座(1-2)上；

连杆组件(2)包括驱动杆(2-1)和单自由度的平行四边形连杆机构，驱动杆(2-1)的一端铰接在悬臂滑块连接件(1-6)上，单自由度的平行四边形连杆机构的底部铰接在悬臂(1-3)的另一端上，驱动杆(2-1)的另一端与单自由度的平行四边形连杆机构的一侧侧端面进行连接；

末端执行器组件(3)包括末端基座(3-1)、六维力传感器(3-2)、末端执行器直线导轨模块(3-3)、手术注射器(3-4)和基于FBG光纤光栅微力传感器(3-5)，末端基座(3-1)与单自由度的平行四边形连杆机构的另一侧侧端面进行铰接，末端执行器直线导轨模块(3-3)安装在末端基座(3-1)上，六维力传感器(3-2)安装在末端基座(3-1)和末端执行器直线导轨模块(3-3)之间，手术注射器(3-4)与末端执行器直线导轨模块(3-3)上的滑块固接，基于FBG光纤光栅微力传感器(3-5)安装在手术注射器(3-4)上，手术注射器(3-4)尖端的延长线与悬臂(1-3)中心轴的延长线的交点形成RCM点。

2.根据权利要求1所述的一种适于眼底显微手术的微创执行机构，其特征在于：悬臂旋转模块(1)还包括增量式光栅尺和多个光电开关，增量式光栅尺和多个光电开关安装在旋转模块(1-1)上。

3.根据权利要求2所述的一种适于眼底显微手术的微创执行机构，其特征在于：驱动杆(2-1)为实心驱动杆，驱动杆(2-1)的两端均为拔叉状。

4.根据权利要求3所述的一种适于眼底显微手术的微创执行机构，其特征在于：单自由度的平行四边形连杆机构包括第一中间延长杆(2-2)、第二中间延长杆(2-3)、第一末端支撑杆(2-4)和第二末端支撑杆(2-5)，第一中间延长杆(2-2)的下端和第二中间延长杆(2-3)的下端铰接在悬臂(1-3)的另一端，其中第一中间延长杆(2-2)的侧端面与驱动杆(2-1)铰接，第一末端支撑杆(2-4)的一端和第二末端支撑杆(2-5)的一端与第一中间延长杆(2-2)的上端和第二中间延长杆(2-3)的上端铰接，第一末端支撑杆(2-4)的另一端和第二末端支撑杆(2-5)的另一端与末端基座(3-1)连接。

5.根据权利要求4所述的一种适于眼底显微手术的微创执行机构，其特征在于：单自由度的平行四边形连杆机构还包括多个自润滑轴套(2-6)，第一中间延长杆(2-2)、第二中间延长杆(2-3)、第一末端支撑杆(2-4)和第二末端支撑杆(2-5)的铰接处分别通过一个自润滑轴套(2-6)进行铰接。

6.根据权利要求5所述的一种适于眼底显微手术的微创执行机构，其特征在于：基于FBG光纤光栅微力传感器(3-5)安装在手术注射器(3-4)的针头末端。

7.根据权利要求6所述的一种适于眼底显微手术的微创执行机构，其特征在于：末端执行器组件(3)还包括增量式光栅尺和多个光电开关，增量式光栅尺和多个光电开关安装在执行器直线导轨模块(3-3)上。