CN110236686B - 一种介入手术机器人主端操作装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种介入手术机器人主端操作装置，包括：壳体，以及安装在壳体上的操纵部、监测部、力反馈及复位部和测量部；操纵部用于控制导管导丝进行推进和旋转动作；监测部用于监测判断手指是否抓住操纵部的控制杆；力反馈及复位部用于控制控制杆复位或限制控制杆移动；测量部用于测量控制杆的移动距离和旋转角度。本发明用于介入手术中医生在手术室外对手术室内的导管和导丝的移动和旋转的控制，通过主端操作装置发出的控制指令，控制机器人的推进装置推动导管和导丝进入患者体内，从而实现介入手术治疗的目的；能够真实模拟手术环境，且具有主端力反馈功能，操作简单，使用精度高。

Description

一种介入手术机器人主端操作装置及控制方法

技术领域

本发明涉及微创血管介入手术技术领域，更具体的说是涉及一种介入手术机器人主端操作装置及控制方法。

背景技术

全球每年有近3000万人死于心脑血管疾病，占所有疾病死亡率的30％左右，其中，我国患有心脑血管疾病人数近3亿。心脑血管疾病已经成为人类疾病死亡的三大原因之一，严重影响着国民健康和人们的正常生活。

心脑血管微创介入疗法是针对心脑血管疾病的主要治疗手段。和传统外科手术相比，有着切口小、术后恢复时间短等明显优势。心脑血管介入手术是由医生手动将导管、导丝以及支架等器械送入病患体内来完成治疗的过程。

介入手术存在以下2点问题，第一，在手术过程中，由于DSA会发出X射线，医生体力下降较快，注意力及稳定性也会下降，将导致操作精度下降，易发生因推送力不当引起的血管内膜损伤、血管穿孔破裂等事故，导致病人生命危险。其次，长期电离辐射的积累伤害会大幅地增加医生患白血病、癌症以及急性白内障的几率。医生因为做介入手术而不断积累射线的现象，已经成为损害医生职业生命、制约介入手术发展不可忽视的问题。

通过借助机器人技术进行导管、导丝遥操作的手术方法能够有效应对这一问题，还可以大幅提高手术操作的精度与稳定性，同时能够有效降低放射线对介入医生的伤害，降低术中事故的发生几率。因此，心脑血管遥操作介入手术辅助机器人越来越多的被人们所关注，逐渐成为当今各科技强国在医疗机器人领域的重点研发对象。

很多主端操作装置采用摇杆的形式，大部分没有力反馈的设置，操作系统的触觉信息无法反馈给医生，很有可能会因操作不当或过猛损坏和穿刺血管。有一些有力反馈的手柄，但是力反馈的设置是在手腕的力，而医生在实际介入手术中，是靠指尖的力反馈，这两者是有很明显的差别，手腕上的力反馈摇杆无法真实反映出医生实际手术中的感觉，无法运用已有经验来操作。还有，摇杆或手柄的主端操作装置，和真实的介入手术操作方式有着明显的差异，即医生无法直观的感受到导管导丝的移动和旋转，这样会导致学习和适应时间的大大增加，不利于实际手术的需要。此外，也有一些设计是用真实导管来代替操作手柄来实现操作，但是真实的导管很长，在医生实际使用中很不方便。而且需要医生来回推拉导管来完成手术操作，增加了手术中的不稳定因素，不符合实际使用要求。

目前国内对于血管介入手术机器人主端操作装置的研究存在如下几个方面的问题：(1)多数采用摇杆或手柄，在主端无法真实还原医生对导管导丝的实际操作，非手指间的控制导致无法运用已有的经验；(2)多数主端装置没有力反馈，安全性不够，容易在手术中因误操作而发生意外；(3)采用力反馈的手柄或摇杆，其力反馈是在手腕上，不符合实际介入手术中医生在手指间感觉到的力；(4)采用真实导管来操作，涉及导管在工作台上占据空间大，不利于重复使用，造成实际使用中很不方便；(5)采用真实导管来操作，需要反复复位导管，在实际使用中很繁琐，而且容易产生误操作。

因此，如何提供一种能够符合实际手术要求，能真实模拟手术环境，且具有主端力反馈的介入手术机器人主端操作装置及控制方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种介入手术机器人主端操作装置，能够真实模拟手术环境，且具有主端力反馈功能，操作简单，使用精度高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种介入手术机器人主端操作装置，包括：壳体，以及安装在所述壳体上的操纵部、监测部、力反馈及复位部和测量部；

所述操纵部用于控制导管导丝进行推进和旋转动作；

所述监测部用于监测判断手指是否抓住所述操纵部的控制杆；

所述力反馈及复位部用于控制所述控制杆复位或限制所述控制杆移动；

所述测量部用于测量所述控制杆的移动距离和旋转角度。

通过上述技术方案，本发明用于介入手术中医生在手术室外对手术室内的导管和导丝的移动和旋转的控制，通过主端操作装置发出的控制指令，控制机器人的推进装置推动导管和导丝进入患者体内，从而实现介入手术治疗的目的。本发明的主端力反馈及复位部可以实现模拟医生实际手术的操作动作，即医生在手术室外的操作，可以同步到手术室内机器人上的动作，可以推进并旋转导丝到指定位置，可以推进导管到指定位置，也可以随时根据需要把导管和导丝撤出血管；通过力反馈及时给医生提醒，保护病人安全；本发明采用往复运动的结构，可以在很小的体积范围内，达到同医生实际介入手术操作一样的效果。

优选的，在上述一种介入手术机器人主端操作装置中，所述壳体全部包裹所述监测部、所述力反馈及复位部和所述测量部，且部分包裹所述操纵部，所述操纵部的所述控制杆露于所述壳体外部。既能够提高对各部件的保护效果，又能够便于对控制杆的操控。

优选的，在上述一种介入手术机器人主端操作装置中，所述操纵部的具体结构为：两个第一直线导轨固定在所述壳体的壳体底面上，且布置在同一直线上；第一滑块与所述第一直线导轨配合，连接板固定在两个所述第一滑块上，两个第一支架安装在所述连接板上；所述第一支架侧壁开设有圆锥形的凹槽；所述控制杆两端转动连接在所述凹槽内。控制杆可以在第一支架的凹槽内旋转，通过左右推动控制杆，相当于在直线导轨上滑动。

优选的，在上述一种介入手术机器人主端操作装置中，所述控制杆为直径为3mm的光轴，且两端为圆锥形的尖端结构。旋转精度高，且操作更方便。

优选的，在上述一种介入手术机器人主端操作装置中，所述监测部的具体结构为：光电传感器固定在第一连接片上，且分别固定在所述控制杆的两侧，一个所述光电传感器为发射端，另一个所述光电传感器为接收端。当手指抓住控制杆时，光束被遮挡住，则系统检测到是抓住控制杆；当手指松开控制杆，光束可以被光电传感器接受到，则系统得知医生松手。

优选的，在上述一种介入手术机器人主端操作装置中，所述力反馈及复位部的具体结构为：两块挡片分别固定在所述连接板的两端；两个第二直线导轨分别固定在所述壳体底面上，且布置在同一直线上，所述第二滑块与所述第二直线导轨滑动配合；第二连接片与所述第二滑块固定连接，且用于推动所述挡片，从而带动所述连接板移动，所述第二连接片的端面具有齿条；且与第一齿轮啮合，所述第一齿轮与步进电机的动力输出端连接，所述步进电机通过电机支架固定在所述壳体上；两个第二支架固定在所述壳体底面上，且位于两个所述步进电机内侧，所述第二支架与限位开关连接。力反馈及复位部具有复位功能和力反馈功能，复位功能是指：当接收到医生松手的信号后，步进电机自动旋转，带动第二连接片在第二直线导轨上运动，直到碰到限位开关上，然后步进电机反转，退回原位置；力反馈功能是指：在接收到预警信号后，主端操作装置能够切断主端控制端的信号发出，并且旋转步进电机，推动第二连接片快速移动到限位开关的位置上，并且保证不动；此时，控制杆相当于被两个第二连接片夹住，使其不能够左右移动；这时，医生能很明显的从触觉上得知有危险情况的发生，从而避免医疗事故的产生。

优选的，在上述一种介入手术机器人主端操作装置中，所述测量部的具体结构为：编码器固定在所述连接板上；码盘穿过并固定在所述控制杆上，且位于所述编码器中间；第二齿轮和所述连接板上的齿条啮合，所述第二齿轮固定在电位器上，所述电位器通过第三支架与所述壳体固定。连接板移动时，带动第二齿轮旋转，可以被电位器检测到，通过计算可以得到移动距离。

优选的，在上述一种介入手术机器人主端操作装置中，所述码盘选用塑料透光材料制成。测量精度更高。

本发明还提供了一种介入手术机器人主端操作装置的控制方法，能够真实模拟手术环境，且具有主端力反馈功能，操作简单，使用精度高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种介入手术机器人主端操作装置的控制方法：

手指捏住所述控制杆，通过判断手指是否遮挡住所述监测部发出的光束，即可判断手指是否抓住所述控制杆；

沿所述控制杆的轴向方向前后推进实现对导管导丝的推进和撤回：当向前推动所述控制杆一定距离后，松开手指，通过所述测量部对所述控制杆的位移测量，力反馈及复位部驱动所述控制杆退回至原位，进而实现导管导丝的前进；当向后推动所述控制杆一定距离后，松开手指，通过所述测量部对所述控制杆的位移测量，力反馈及复位部驱动所述控制杆退回至原位，进而实现导管导丝的撤回；

转动所述控制杆驱动导丝旋转，测量部对导丝旋转角度进行测量。

通过上述技术方案，本发明在推动和旋转控制杆时，主端装置通过内部的测量部可以精准测量出控制杆移动的位移和旋转的角度，并能把这些信息传递到机器人对应的电机上，使得控制杆的移动和旋转与机器人对导丝做的移动和旋转是同时同步，达到完全仿真手术过程。

优选的，在上述一种介入手术机器人主端操作装置的控制方法中，同时采用多个所述介入手术机器人主端操作装置，即可通过对多个所述控制杆的操控实现对多条导管导丝的同时操控。功能性更强。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种介入手术机器人主端操作装置及控制方法，具有以下有益效果：

1、本发明用于介入手术中医生在手术室外对手术室内的导管和导丝的移动和旋转的控制，通过主端操作装置发出的控制指令，控制机器人的推进装置推动导管和导丝进入患者体内，从而实现介入手术治疗的目的。本发明的主端力反馈及复位部可以实现模拟医生实际手术的操作动作，即医生在手术室外的操作，可以同步到手术室内机器人上的动作，可以推进并旋转导丝到指定位置，可以推进导管到指定位置，也可以随时根据需要把导管和导丝撤出血管；通过力反馈及时给医生提醒，保护病人安全；本发明采用往复运动的结构，可以在很小的体积范围内，达到同医生实际介入手术操作一样的效果。

2、本发明在推动和旋转控制杆时，主端装置通过内部的测量部可以精准测量出控制杆移动的位移和旋转的角度，并能把这些信息传递到机器人对应的电机上，使得控制杆的移动和旋转与机器人对导丝做的移动和旋转是同时同步，达到完全仿真手术过程。

3、本发明整体结构简单，和真实手术操作环境很相近，上手容易，学习时间短，容易理解。

4、本发明创新性的采用了自动复位的机械结构设计，避免了采用真实导丝导管过长带来的不便。

5、本发明可以做到操作装置和机器人同时同步运动，可以充分使用临床的操作经验。

6、本发明具有实时力反馈的结构，能够及时给予医生在危险情况时在手部有触觉提醒。

7、本发明采用封闭的结构形式，对内部电机等部件具有较好的保护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的介入手术机器人主端操作装置的整体结构示意图；

图2附图为本发明提供的介入手术机器人主端操作装置内部结构示意图；

图3附图为本发明提供的介入手术机器人主端操作装置的局部爆炸图；

图4附图为本发明提供的介入手术机器人主端操作装置的局部爆炸图。

其中：

1-壳体；

101-壳体底面；

2-操纵部；

201-控制杆；202-第一支架；203-连接板；204-第一滑块；205-第一直线导轨；

3-监测部；

301-光电传感器；302-光束；303-第一连接片；

4-力反馈及复位部；

401-挡片；402-第二直线导轨；403-第二滑块；404-第二连接片；405-第一齿轮；406-电机支架；407-步进电机；408-第二支架；409-限位开关；

5-测量部；

501-编码器；502-码盘；503-第三支架；504-第二齿轮；505-电位器。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

实施例1：

本发明实施例公开了一种介入手术机器人主端操作装置，包括：壳体1，以及安装在壳体1上的操纵部2、监测部3、力反馈及复位部4和测量部5；

操纵部2用于控制导管导丝进行推进和旋转动作；

监测部3用于监测判断手指是否抓住操纵部2的控制杆201；

力反馈及复位部4用于控制控制杆201复位或限制控制杆201移动；

测量部5用于测量控制杆201的移动距离和旋转角度。

为了进一步优化上述技术方案，壳体1全部包裹监测部3、力反馈及复位部4和测量部5，且部分包裹操纵部2，操纵部2的控制杆201露于壳体1外部。

为了进一步优化上述技术方案，操纵部2的具体结构为：两个第一直线导轨205固定在壳体1的壳体底面101上，且布置在同一直线上；第一滑块204与第一直线导轨205配合，连接板203固定在两个第一滑块204上，两个第一支架202安装在连接板203上；第一支架202侧壁开设有圆锥形的凹槽；控制杆201两端转动连接在凹槽内。

为了进一步优化上述技术方案，控制杆201为直径为3mm的光轴，且两端为圆锥形的尖端结构。

为了进一步优化上述技术方案，监测部3的具体结构为：光电传感器301固定在第一连接片303上，且分别固定在控制杆201的两侧，一个光电传感器301为发射端，另一个光电传感器301为接收端。光束302是光电传感器301发出的射线，是不可见光，这里为了方便观看与理解，将其画出来；两道光束302之间距离比控制杆201的直径略宽。当手指抓住控制杆201时，光束302被遮挡住，则系统检测到是抓住控制杆201；当手指松开控制杆201，光束302可以被光电传感器301接收到，则系统得知医生松手。

为了进一步优化上述技术方案，力反馈及复位部4的具体结构为：两块挡片401分别固定在连接板203的两端；两个第二直线导轨402分别固定在壳体底面101上，且布置在同一直线上，第二滑块403与第二直线导轨402滑动配合；第二连接片404与第二滑块403固定连接，且用于推动挡片401，从而带动连接板203移动，第二连接片404的端面具有齿条；且与第一齿轮405啮合，第一齿轮405与步进电机407的动力输出端连接，步进电机407通过电机支架406固定在壳体1上；两个第二支架408固定在壳体底面101上，且位于两个步进电机407内侧，第二支架408与限位开关409连接。

为了进一步优化上述技术方案，测量部5的具体结构为：编码器501固定在连接板203上；码盘502穿过并固定在控制杆201上，且位于编码器501中间；第二齿轮504和连接板203上的齿条啮合，第二齿轮504固定在电位器505上，电位器505通过第三支架503与壳体1固定。

为了进一步优化上述技术方案，码盘502选用塑料透光材料制成。

本实施例的使用方法为：

在使用机器人控制导丝运动时，医生首先用手指捏住控制杆201，向前推进则往左移动，向后运动则向后移动；旋转导丝则转动控制杆201，并且可以同时推动和旋转控制杆。

当向前推动控制杆201一定距离后，松开手指，退回到原位，这个过程和真实手术时的操作是一样的；在手指松开的过程中，控制杆201可以自动复位到初始位置，因此，可以一直向前推动控制杆201；向后推动控制杆201也是同样的道理。

在推动和旋转控制杆201时，主端装置通过内部的测量部5可以精准测量出控制杆201移动的位移和旋转的角度，并能把这些信息传递到机器人对应的电机上，使得控制杆201的移动和旋转与机器人对导丝做的移动和旋转是同时同步，达到完全仿真手术过程。

实施例2：

本发明实施例公开了一种介入手术机器人主端操作装置的控制方法：

手指捏住控制杆201，通过判断手指是否遮挡住监测部3发出的光束，即可判断手指是否抓住控制杆201；

沿控制杆201的轴向方向前后推进实现对导管导丝的推进和撤回：当向前推动控制杆201一定距离后，松开手指，通过测量部5对控制杆201的位移测量，力反馈及复位部4驱动控制杆201退回至原位，进而实现导管导丝的前进；当向后推动控制杆201一定距离后，松开手指，通过测量部5对控制杆201的位移测量，力反馈及复位部4驱动控制杆201退回至原位，进而实现导管导丝的撤回；

转动控制杆201驱动导丝旋转，测量部5对导丝旋转角度进行测量。

实施例3：

本实施例在实施例2的基础上，同时采用多个介入手术机器人主端操作装置，即可通过对多个控制杆201的操控实现对多条导管导丝的同时操控。可以平行摆放多个介入手术机器人主端操作装置，每个主端装置控制一根导管或一根导丝的运动。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种介入手术机器人主端操作装置，其特征在于，包括：壳体（1），以及安装在所述壳体（1）上的操纵部（2）、监测部（3）、力反馈及复位部（4）和测量部（5）；

所述操纵部（2）用于控制导管导丝进行推进和旋转动作；两个第一直线导轨（205）固定在所述壳体（1）的壳体底面（101）上，且布置在同一直线上；第一滑块（204）与所述第一直线导轨（205）配合，连接板（203）固定在两个所述第一滑块（204）上，两个第一支架（202）安装在所述连接板（203）上；所述第一支架（202）侧壁开设有圆锥形的凹槽；控制杆（201）两端转动连接在所述凹槽内；

所述监测部（3）用于监测判断手指是否抓住所述操纵部（2）的控制杆（201）；光电传感器（301）固定在第一连接片（303）上，且分别固定在所述控制杆（201）的两侧，一个所述光电传感器（301）为发射端，另一个所述光电传感器（301）为接收端；

所述力反馈及复位部（4）用于控制所述控制杆（201）复位或限制所述控制杆（201）移动；两块挡片（401）分别固定在所述连接板（203）的两端；两个第二直线导轨（402）分别固定在所述壳体底面（101）上，且布置在同一直线上，第二滑块（403）与所述第二直线导轨（402）滑动配合；第二连接片（404）与所述第二滑块（403）固定连接，且用于推动所述挡片（401），从而带动所述连接板（203）移动，所述第二连接片（404）的端面具有齿条，所述齿条与第一齿轮（405）啮合，所述第一齿轮（405）与步进电机（407）的动力输出端连接，所述步进电机（407）通过电机支架（406）固定在所述壳体（1）上；两个第二支架（408）固定在所述壳体底面（101）上，且位于两个所述步进电机（407）内侧，所述第二支架（408）与限位开关（409）连接；

所述测量部（5）用于测量所述控制杆（201）的移动距离和旋转角度；编码器（501）固定在所述连接板（203）上；码盘（502）穿过并固定在所述控制杆（201）上，且位于所述编码器（501）中间；第二齿轮（504）和所述连接板（203）上的齿条啮合，所述第二齿轮（504）固定在电位器（505）上，所述电位器（505）通过第三支架（503）与所述壳体（1）固定。

2.根据权利要求1所述的一种介入手术机器人主端操作装置，其特征在于，所述壳体（1）全部包裹所述监测部（3）、所述力反馈及复位部（4）和所述测量部（5），且部分包裹所述操纵部（2），所述操纵部（2）的所述控制杆（201）露于所述壳体（1）外部。

3.根据权利要求1所述的一种介入手术机器人主端操作装置，其特征在于，所述控制杆（201）为直径为3mm的光轴，且两端为圆锥形的尖端结构。

4.根据权利要求1所述的一种介入手术机器人主端操作装置，其特征在于，所述码盘（502）选用塑料透光材料制成。

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