CN109939332A - 一种具有三维力感知能力的血管介入手术用捻旋装置 - Google Patents

Abstract

一种具有三维力感知能力的血管介入手术用捻旋装置，其特征在于：夹紧电机和搓动电机均安装在基座上，基座上方有导管固定台，搓动电机上固定有搓动原动齿轮，搓动原动杆上固连有与搓动原动齿轮啮合的齿轮，搓动原动杆与搓动连杆铰接，搓动连杆与搓杆铰接，搓动原动杆与基座上的左右伸出轴铰接，夹紧杆与基座上的左右伸出轴铰接，夹紧杆与搓杆中间轴铰接，夹紧电机的电机轴与夹紧原动杆固定，夹紧原动杆与夹紧连杆铰接，夹紧连杆与夹紧原动杆铰接，搓杆上有柔性铰链一、柔性铰链二、柔性铰链三、搓板，连杆机构在整个装置左右对称布置。本发明的导管安装快捷方便，利用柔性铰链进行力传感，装置紧凑，能够反馈给医生最真实的力触觉临场感。

Description

一种具有三维力感知能力的血管介入手术用捻旋装置

技术领域

本发明涉及一种医疗器械，尤其是一种微创介入器械，具体地说是一种具有三维力感知能力的血管介入手术用捻旋装置。

背景技术

近年来，随着经济和科技的发展，国家对医疗行业投入了大量的人力财力。在这个背景下，手术对创伤大小提出了很大的要求，即要求创口尽量小，这样患者术后恢复更快。而近二十年来，人们生活水平提高了，伴随而来的就是心脑血管疾病。据不完全统计，近年来因疾病死亡的大多都是因为心脑血管疾病，年纪稍大者就会出现血栓，血栓是人体内的定时炸弹，随时会让患者有生命危险。因此近十年来，许多科研工作者投身到血管介入微创手术器械的研制中来。由于传统的血管介入微创手术是通过医生用手搓导丝导管，再凭借CT观察导管导丝的位置，为防止辐射，医生需要穿很重的铅服，这无疑会加重医生的负担，使得医生每天可以进行的手术数量明显下降，所以主从式血管介入微创手术器械就可以解决这个难题，医生在手术室外即可进行手术室的手术。目前的血管介入手术器械大致分为两种，一种是两个滚轮夹着导管导丝，两个滚轮相对滚动带动导管导丝向前运动，两个滚轮轴向相对运动带动导丝旋转，即搓动导管导丝旋转，这是目前已经得到应用的。但是这种血管介入微创手术器械将力传感器放在导丝末端即进入血管那一端，这无疑是无法给医生带来准确的力临场感的，并且。另外一种是将导管导丝穿入中空电机或者旋转中空体，再用夹紧装置将其固定，然后通过直线电机或者其他装置使其产生直线运动，这是目前研究的较多的，但是这种器械不易添加力传感器，要其感知实际情况下三维力更是难上加难，此外这种器械需要穿入导丝导管，中空器件的杀毒较为麻烦，穿入导管导丝需要一定的时间，这也无疑拖慢了手术进程。

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于血管介入手术具有三维力感知能力的捻旋装置，其使用连杆机构夹紧导管导丝，无须穿入导丝导管，导管导丝的穿入快捷方便，利用柔性铰链进行力传感，装置紧凑，能够给医生带来最真实的力触觉临场感，具有很好的应用前景。

发明内容

本发明的目的是针对现有的血管个入手术中无法感知捻旋力且消毒困难的问题，提供一种具有三维力感知能力的血管介入手术用捻旋装置，模拟人手的捻旋动作，设计了夹紧机构和搓动机构的兼具夹紧和搓动的具有力感知的连杆系统。

本发明采用的技术方案是：

一种具有三维力感知能力的血管介入手术用捻旋装置，它包括夹紧电机7和搓动电机11和基座15，其特征是所述的夹紧电机7和搓动电机11均安装在基座15上，基座15的上方设有导管固定台10，导管固定台10上有夹装导管9的v型槽12；导管固定台10上安装有辅助电机14，辅助电机14的电机轴上固连有压杆13，压杆13将导管9定位在v型槽12上；搓动电机11上固定有搓动原动齿轮5，对称布置的左右两根搓动原动杆6分别固定在与搓动原动齿轮5啮合的两个齿轮16上并与齿轮16同步转动，齿轮16安装在固定轴17上，固定轴17固定在基座15上，搓动原动杆6与搓动连杆2的下端铰接相连，搓动连杆2的上端与搓杆1的一端铰接相连，搓杆1通过相互连接的柔性铰链一1-1、柔性铰链二1-2和柔性铰链三1-3与搓板1-4相连；柔性铰链一1同时与夹紧杆3的上端铰接相连，夹紧杆3的下端铰装在固定轴17上；夹紧杆3的中下部与夹紧连杆4的一端铰接相连，夹紧连杆4的另一端与夹紧原动杆8的一端铰接相连，夹紧原动杆8安装在夹紧电机7的输出轴上；柔性铰链一1-1、柔性铰链二1-2和柔性铰链三1-3上均安装有应变片用于测量柔性铰链的应变。

所述的搓板外表面是一段与搓杆1中间轴同心的圆弧，三个柔性铰链的缺口呈圆弧状，应变片贴装在所述的圆弧状缺口中。

所述的导管为空心管或实心导丝。

所述的搓动连杆2与夹紧杆3终始保持平行状态。

所述的搓动电机11上安装有编码器。

所述的基座可由直线电机带动，进而带动导管前进；通过多个所述的捻旋装置实现同时操控导丝导管，以完成复杂的血管介入手术。

本发明的有益效果是：

本发明利用多个本装置可以同时操控导管导丝完成更为复杂的手术，无须将导丝导管穿入中空的旋转体中，导管导丝的安装快捷方便，利用柔性铰链进行力传感，装置紧凑，能够反馈给医生最真实的力触觉临场感。

附图说明

图1为本发明的主要部件图。

图2为本发明的详细部件组成图。

图3为本发明的搓杆细节示意图。

图4为本发明中隐藏左搓动原动杆后的结构示意图。

图5为本发明的机械简图示意图。

图6为本发明的理论分析必要代号说明图。

图7为本发明的理论分析公式推导说明图。

图中：1-搓杆；2-搓动连杆；3-夹紧杆；4-夹紧连杆；5-搓动原动齿轮；6-搓动原动杆；7-夹紧电机；8-夹紧原动杆；9-导管；10-导管固定台；11-搓动电机；12-v型槽；13-压杆；14-辅助电机；1-1柔性铰链一；1-2-柔性铰链二；1-3-柔性铰链三；1-4-搓板。

具体实施方式

下面结构附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-4所示。

一种具有三维力感知能力的血管介入手术用捻旋装置，它包括夹紧电机7和搓动电机11和基座15，如图1所示，所述的基座15可由直线电机带动，进而带动导管前进；通过多个所述的捻旋装置实现同时操控导丝导管，以完成复杂的血管介入手术。所述的搓动电机11上安装有编码器。所述的夹紧电机7和搓动电机11均安装在基座15上，基座15的上方设有导管固定台10，导管固定台10上有夹装导管9的v型槽12；导管固定台10上安装有辅助电机14，辅助电机14的电机轴上固连有压杆13，压杆13将导管9定位在v型槽12上，如图2所示；导管可为空心管或实心导丝。搓动电机11上固定有搓动原动齿轮5，对称布置的左右两根搓动原动杆6分别固定在与搓动原动齿轮5啮合的两个齿轮16上并与齿轮16同步转动，齿轮16安装在固定轴17上，搓动原动杆6的一端也铰装在固定轴17上，固定轴17固定在基座15上，搓动原动杆6与搓动连杆2的下端铰接相连，搓动连杆2的上端与搓杆1的一端铰接相连，搓杆1通过相互连接的柔性铰链一1-1、柔性铰链二1-2和柔性铰链三1-3与搓板1-4相连，搓板1-4外表面是一段与搓杆1中间轴同心的圆弧，三个柔性铰链的缺口呈圆弧状，应变片贴装在所述的圆弧状缺口中，如图3所示；柔性铰链一1同时与夹紧杆3的上端铰接相连，夹紧杆3的下端铰装在固定轴17上（如图4）；夹紧杆3的中下部与夹紧连杆4的一端铰接相连，夹紧连杆4的另一端与夹紧原动杆8的一端铰接相连，夹紧原动杆8安装在夹紧电机7的输出轴上；柔性铰链一1-1、柔性铰链二1-2和柔性铰链三1-3上均安装有应变片用于测量柔性铰链的应变。工作过程中搓动连杆2与夹紧杆3终始保持平行状态。如图1所示，整个装置以夹紧电机7和搓动电机11为中心，左右对称布置，即齿轮16、搓杆1、搓动连杆2、夹紧杆3、夹紧连杆4、搓动原动杆6、柔性铰链一1-1、柔性铰链二1-2、柔性铰链三1-3、搓板1-4均对称布置，柔性铰链一1-1、柔性铰链二1-2、柔性铰链三1-3整体相连，呈凸字形布置，柔性铰链一1-1悬置在凸起中心以便于夹紧杆的安装。

下面结合图5对本发明的原理进行分析。同时结合图1、图2、图3、图4对本发明进行部件间位置关系的说明。

夹紧电机7安装在基座上，搓动电机11安装在基座15上，基座15上方有导管固定台10，导管固定台10上有v型槽12，导管固定台10上有辅助电机14，辅助电机14的电机轴上固连有压杆13，v型槽12上放置导管9，搓动电机11上固连有搓动原动齿轮5，搓动原动杆6上固连有与搓动原动齿轮5啮合的齿轮16，搓动原动杆6与搓动连杆2铰接，搓动连杆2与搓杆1铰接，搓动原动杆6与基座上的左右伸出的对应的固定轴17（图2）铰接，夹紧杆3与基座上的固定轴铰接，夹紧杆3与夹紧连杆4的中间铰接，夹紧电机7的电机轴与夹紧原动杆8固定，夹紧原动杆8与夹紧连杆4铰接，夹紧连杆4与夹紧原动杆8铰接，搓杆1上有柔性铰链一1-1、柔性铰链二1-2、柔性铰链三1-3、搓板1-4，连杆机构在整个装置左右对称布置。

如图5所示，先假设夹紧电机7逆时针旋转，进而带动夹紧原动杆8逆时针旋转，从而将夹紧连杆4向中间拉动，进而带动夹紧杆3向中间夹紧，由于搓动连杆2与夹紧杆3平行，所以搓杆1会向中间平移，这样就可以夹紧导管9。再假设搓动原动齿轮5逆时针旋转，则与其啮合的左右齿轮16均为顺时针旋转，从而左、右搓动原动杆6都为顺时针旋转，搓动原动杆6进而带动对应的左、右搓动连杆2分别向上和向下运动，进而带动左右搓杆1的搓板1-4分别向下和向上运动，从而导管9就是逆时针旋转，由于搓板的圆弧与搓杆的中间轴同心，所以导管固定位置固定，且所受压力波动极小，运行平稳。工程中根据需要可控制夹紧电机和搓动电机反转，如果搓板1-4转到辅助电机开即动作，压杆13压信导管，夹紧电机和搓动电机反转复位，根据编码器计算旋转角度，复位后再次反转进入新的捻搓状态，辅助电机松开。一般而言，导管很细，圆弧形搓板只要是导管直径的三四倍，搓板长度能保证一个行程就能完成整个捻搓工作。

下面再结合图6、图7对整个装置的理论可行性进行简单说明。

搓杆与水平方向的夹角是θ，搓杆左半段长R1，右半段长R2，柔性铰链一的中心其下方的铰链相距B，柔性铰链一、二、三的柔度分别为C₁、C₂、C₃，搓板受到导管对它的压力N,搓动力F以及推动力T垂直于所视平面，三个柔性铰链可以看做扭簧，但其转角属于小变形，可忽略其对整个连杆系统的尺寸影响。A组公式根据理论力学推导得出，其中 Φ _i是柔性铰链的转角。B组根据材料力学得出，其中t是柔性铰链正面最窄尺寸，r是柔性铰链缺口圆弧的半径，E是材料的弹性模量，b是柔性铰链厚度，ε_i是柔性铰链通过应变片测得的应变，有i下标的代号中，i只是代表第几个，不改变代号原有含义。

工作过程：先将导管9放置在导管固定台10的v型槽12中，假设夹紧电机7逆时针旋转，进而带动夹紧原动杆8逆时针旋转，从而将夹紧连杆4向中间拉动，进而带动夹紧杆3向中间夹紧，由于搓动连杆2与夹紧杆3平行，所以搓杆1会向中间平移，这样就可以夹紧导管9。再假设搓动电机11,逆时针旋转，这样搓动原动齿轮5也逆时针旋转，则与其啮合的左右齿轮均为顺时针旋转，从而左、右搓动原动杆6都为顺时针旋转，搓动原动杆6进而带动左、右搓动连杆2分别向上和向下运动，进而带动左右搓杆1的搓板1-4分别向下和向上运动，从而导管9就是逆时针旋转，由于搓板1-4的圆弧与搓杆1的中间轴同心，所以导管9固定位置固定，且所受压力波动极小，运行平稳。柔性铰链一1-1、柔性铰链二1-2、柔性铰链三1-3上的应变片实时测量出应变，根据公式实时测量出搓板受到导管对它的压力N,搓动力F以及推动力T。当运行过程中有时需要松开导管9时，为防止导管脱落，辅助电机工作带动压杆压紧导管。导管如果处于被搓杆夹紧状态，辅助电机不做上述动作。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种具有三维力感知能力的血管介入手术用捻旋装置，它包括夹紧电机（7）和搓动电机（11）和基座（15），其特征是所述的夹紧电机（7）和搓动电机（11）均安装在基座（15）上，基座（15）的上方设有导管固定台（10），导管固定台（10）上有夹装导管（9）的v型槽（12）；导管固定台（10）上安装有辅助电机（14），辅助电机（14）的电机轴上固连有压杆（13），压杆（13）将导管（9）定位在v型槽（12）上；搓动电机（11）上固定有搓动原动齿轮（5），对称布置的左右两根搓动原动杆（6）分别固定在与搓动原动齿轮（5）啮合的两个齿轮（16）上并与齿轮（16）同步转动，齿轮（16）安装在固定轴（17）上，固定轴（17）固定在基座（15）上，搓动原动杆（6）与搓动连杆（2）的下端铰接相连，搓动连杆（2）的上端与搓杆（1）的一端铰接相连，搓杆（1）通过相互连接的柔性铰链一（1-1）、柔性铰链二（1-2）和柔性铰链三（1-3）与搓板（1-4）相连；柔性铰链一（1）同时与夹紧杆（3）的上端铰接相连，夹紧杆（3）的下端铰装在固定轴（17）上；夹紧杆（3）的中下部与夹紧连杆（4）的一端铰接相连，夹紧连杆（4）的另一端与夹紧原动杆（8）的一端铰接相连，夹紧原动杆（8）安装在夹紧电机（7）的输出轴上；柔性铰链一（1-1）、柔性铰链二（1-2）和柔性铰链三（1-3）上均安装有应变片用于测量柔性铰链的应变。

2.根据权利要求1所述的具有三维力感知能力的血管介入手术用捻旋装置，其特征在于所述的搓板外表面是一段与搓杆（1）中间轴同心的圆弧，三个柔性铰链的缺口呈圆弧状，应变片贴装在所述的圆弧状缺口中。

3.根据权利要求1所述的具有三维力感知能力的血管介入手术用捻旋装置，其特征在于所述的导管为空心管或实心导丝。

4.根据权利要求1所述的具有三维力感知能力的血管介入手术用捻旋装置，其特征在于所述的搓动连杆（2）与夹紧杆（3）终始保持平行状态。

5.根据权利要求1所述的具有三维力感知能力的血管介入手术用捻旋装置，其特征在于所述的搓动电机（11）上安装有编码器。

6.根据权利要求1所述的具有三维力感知能力的血管介入手术用捻旋装置，其特征在于所述的基座由直线电机带动，进而带动导管前进；通过多个所述的捻旋装置实现同时操控导丝导管，以完成复杂的血管介入手术。