CN110368185A - 一种用于眼科手术机器人的视网膜血管注药器 - Google Patents

Abstract

一种用于眼科手术机器人的视网膜血管注药器，它涉及一种视网膜血管注药器。本发明为了解决现有的注射器装置的针尖动作有限，只能实现直线平移和圆周改动，致使需要多次摆位才能找到合适的位姿，存在手术和摆位效率低的问题。本发明包括执行器固定座(4)，它还包括针管组模块(1)、进给模块(2)和旋转模块(3)，针管组模块(1)安装在进给模块(2)上并在进给模块(2)的带动下实现进给，进给模块(2)安装在旋转模块(3)的前部，针管组模块(1)和进给模块(2)在旋转模块(3)的带动下实现旋转，旋转模块(3)安装在执行器固定座(4)上。本发明用于眼科手术机器人上。

Description

一种用于眼科手术机器人的视网膜血管注药器

技术领域

本发明涉及一种血管注药器，具体涉及一种用于眼科手术机器人的视网膜血管注药器。

背景技术

当位于眼底视网膜上的血管发生阻塞或病变现象时，最简单有效的方法是在病变血管处注射药物，起到对症下药和通塞的效果。由于眼球的体积较小、眼球组织构造精细且脆弱，一般情况下,待注射的视网膜静脉的直径小于400μm，而视网膜外科医生的生理性手部震颤幅度约180μm,人手的颤抖就决定了人几乎无法完成这项工作，而且手术过程中的微小力也是人难以感知的，所以医生仅靠自身是无法知道血管是否成功穿刺，患者很容易因术中的微小创伤产生术后并发症。而机器人具有运动精度高、稳定性好、感知能力强、不会疲劳等优点，因此使用手术机器人辅助人手进行操作便应运而生。

视网膜血管阻塞是一种常见的视网膜疾病，目前的治疗方法仅限于缓解病症。公告号为CN109771132A的发明专利，公开了一种注射器装置。其目的是为了解决眼部手术的加工精度，具体采用了水平移动和针尖转动两种方式来实现注射位置的摆位，但是由于患者眼部疾病情况不同，该注射器装置的针尖动作有限，只能实现直线平移和圆周改动，致使需要多次摆位才能找到合适的位姿，存在手术和摆位效率低的问题，如果一旦没有准确找到患位，还可能会对患者眼部带来二次伤害。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的注射器装置的针尖动作有限，只能实现直线平移和圆周改动，致使需要多次摆位才能找到合适的位姿，存在手术和摆位效率低的问题。进而提供一种用于眼科手术机器人的视网膜血管注药器。

本发明的技术方案是：一种用于眼科手术机器人的视网膜血管注药器包括执行器固定座，它还包括针管组模块、进给模块和旋转模块，针管组模块安装在进给模块上并在进给模块的带动下实现进给，进给模块安装在旋转模块的前部，针管组模块和进给模块在旋转模块的带动下实现旋转，旋转模块安装在执行器固定座上；针管组模块包括针尖、内管、外管、外管连接件、内管连接件、布拉格光纤光栅、丝杠、丝杠螺母、步进电机、注药胶管和安装架，安装架安装在进给模块的前端，内管连接件安装在安装架上，步进电机安装在安装架上，丝杠与步进电机的输出轴连接，外管连接件的一侧滑动套装在内管连接件上，外管连接件的另一侧安装在丝杠上，丝杠螺母安装在丝杠上并与外管连接件相抵；针尖胶粘在内管的尖端，外管上开设凹槽，外管套装在内管上，布拉格光纤光栅安装在凹槽内，内管连接件上的宝塔接头上开有小孔，注药胶管粘在宝塔接头上，注药胶管的另一端与针筒相连并由医生手推注药。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本发明的视网膜血管注药器是安装于眼科手术机器人末端的一种执行器，将治疗药剂输送到闭塞的血管，有助于从根本上治疗疾病。注药器具有以下功能和优点：

1、本发明能够将药物直接注射进视网膜血管内(人所不能完成的任务)，达到治疗目的；从手术经验角度出发，结合软组织交互力分析，设计了具备高精度、微力感知能力的视网膜血管注药器，整个手术系统直线进给具有12mm的行程和2μm的精度，旋转运动具有±120度的行程和0.3μm的末端摆动精度，使其能够准确的插入血管进行注药。

2、本发明是安装在眼科手术机器人末端的执行器，也就是说，本申请的针尖位置，除了在针管组模块1的作用下实现针尖在水平方向的释放与否，在进给模块2的作用下实现针尖的进给，在旋转模块3的作用下实现针尖的旋转。还能够在眼科手术机器人的机械臂带动下，实现针尖上下位置的移动，视网膜血管摆位的效率提高了30％以上，血管的定位更加精确。

3、本发明相比于现有的注射器装置，采用了压电电机直接进行摆位，简化了常规采用各种复杂的传动结构实现摆位，避免结构复杂带来的装配误差，从而摆位精度和注射位置精度。

4、本发明的针尖在不使用时，能够缩回到内管内，不但有利于保证针尖的卫生，还能够保证针尖不受外力触碰，防止针尖被触碰后，导致针尖弯曲度有变化而带来的后续手术隐患。由于刺破巩膜所需要的力远远大于针尖的受力极限，所以将针尖收进外管中，以外管刺破巩膜，可以有效的保护针尖。

附图说明

图1是本发明的轴测图。

图2是图1的主视图。

图3是图1的俯视图。

图4是图1的侧视图。

图5是图1沿A处的局部放大图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式的一种用于眼科手术机器人的视网膜血管注药器包括执行器固定座4，它还包括针管组模块1、进给模块2和旋转模块3，针管组模块1安装在进给模块2上并在进给模块2的带动下实现进给，进给模块2安装在旋转模块3的前部，针管组模块1和进给模块2在旋转模块3的带动下实现旋转，旋转模块3安装在执行器固定座4上；针管组模块1包括针尖1-1、内管1-2、外管1-3、外管连接件1-4、内管连接件1-5、布拉格光纤光栅1-6、丝杠1-7、丝杠螺母1-8、步进电机1-9、注药胶管1-10和安装架1-11，安装架1-11安装在进给模块2的前端，内管连接件1-5安装在安装架1-11上，步进电机1-9安装在安装架1-11上，丝杠1-7与步进电机1-9的输出轴连接，外管连接件1-4的一侧滑动套装在内管连接件1-5上，外管连接件1-4的另一侧安装在丝杠1-7上，丝杠螺母1-8安装在丝杠1-7上并与外管连接件1-4相抵；针尖1-1胶粘在内管1-2的尖端，外管1-3上开设凹槽1-3-1，外管1-3套装在内管1-2上，布拉格光纤光栅1-6安装在凹槽1-3-1内，内管连接件1-5上的宝塔接头上开有小孔，注药胶管1-10粘在宝塔接头上，注药胶管1-10的另一端与针筒相连并由医生手推注药。

本实施方式的针尖1-1通过医用胶水粘在内管1-2的尖端，结构牢固，便于生产加工。

本实施方式的外管连接件1-4套在内管连接件1-5上并相对滑动，起到了导轨-滑块的作用。便于针尖的释放。

本实施方式的内管连接件1-5上的宝塔接头1-5-1上开有小孔，注药胶管1-10粘在宝塔接头上，注药胶管1-10的另一端与针筒相连，医生通过手推的方式使药物流到针尖1-1并最终进入目标血管。步进电机1-9通过丝杠螺母1-8带动外管连接1-4件和外管1-3沿着内管1-2的轴线方面移动，从而达到将针尖1-1从外管中释放的作用。而外管1-3上加工有凹槽，将布拉格光纤光栅1-6放入其中用以对微小力的检测。

具体实施方式二：结合图1至图3和图5说明本实施方式，本实施方式的针尖1-1的端部带有向上45°的弯曲，针尖1-1的直径为0.4mm。如此设置，便于手术时，准确的倾斜插入到血管内。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

本实施方式的针头插入血管时一般需要倾斜一定角度插入，如果垂直插入血管极易将血管整个刺穿。实验证明最佳倾斜角度一般为25-35度，为此本课题设计的针尖自带45度角弯曲，配合内、外管与血管间存在的角度差，使插管时针尖与血管夹角处于30度附近。

具体实施方式三：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的进给模块2包括进给连接件2-1和直动惯性压电电机2-2，进给连接件2-1与安装架1-11连接，直动惯性压电电机2-2安装在进给连接件2-1上并带动针管组模块1完成直线进给动作。如此设置，直动惯性压电电机2-2通过螺栓与进给连接件2-1相连。进给连接件同时与针管组模块1相连接，以此达到通过惯性压电电机2-2推动整个针管组完成直线进给运动的目的。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

本实施方式的进给连接件2-1的上端面上加工了两段圆弧面，与薄壁深沟球轴承配合，系统从一端固定变为一端固定、一端铰接，整体的稳定性得到了提高。

具体实施方式四：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的旋转模块3包括旋转连接件3-2和旋转惯性压电电机3-3，旋转连接件3-2分别与执行器固定座4和进给模块2连接，旋转惯性压电电机3-3安装在旋转连接件3-2上。如此设置，旋转惯性压电电机3-3通过旋转连接件3-2与针管组模块1和进给模块2相连，带动整个执行器旋转，完成对针尖朝向的调整，使针尖与目标血管处于同一个平面内。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的旋转模块3还包括深沟球轴承3-1，深沟球轴承3-1套装在安装架1-11和进给连接件2-1上。如此设置，由于压电电机对非工作负载承受能力差，所以使用深沟球轴承3-1对整个执行器进行支撑，极大的减小了旋转惯性压电电机3-3所受的非工作负载。其它组成和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至图3说明本实施方式，本实施方式还包括直线导轨模块5，直线导轨模块5与眼科手术机器人的执行器连接。如此设置，便于整个注射器的移动。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的直线导轨模块5包括滑动平台5-1、调节螺栓5-2和直线导轨5-3，执行器固定座4安装在直线导轨模块5的滑动平台5-1上，滑动平台5-1通过调节螺栓5-2滑动安装在直线导轨5-3上。如此设置，除了视网膜血管注药器外，眼科手术机器人的末端执行器还包括手术镊、玻璃体切割头等，拧紧调节螺栓5-2后可以自动定心，在加工误差无法避免的情况下，消除了装配误差。其它组成和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至图3说明本实施方式，本实施方式的滑动平台5-1上开设楔形的机械接口5-1-1。如此设置，为了方便不同种类的手术执行器更换，手术机器人上设计有楔形的机械接口的滑动平台5-1。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

本发明的工作原理：

为了满足进给模块2和旋转模块3对于高精度的要求，它们分别各自搭载了一个PI公司生产的高精度惯性压电电机。而压电电机在低速运动状态下，相比于一般电机，压电电机直接驱动运动部件，不需要减速箱或其它影响可靠性的部件，因此具有更高的精度；静止状态下，不通以电流，压电电机依靠摩擦力自锁；配备高精度的光学编码器可以实现纳米级精度，同时编码器为手术机器人的速度控制、运动补偿等提供位置信息。最终系统的进给模块2具有12mm的行程和2μm的精度，旋转模块3具有±120度的行程和0.3μm的末端摆动精度作为高精度手术器械，零件自身刚度造成的形变亦不能忽略，同时为尽量减小整体重量，对进给连接件2-1和旋转连接件3-2进行ansys分析，根据仿真得到的结果不断优化尺寸形状，最终这两个连接件的最大变形不超过50nm，满足使用需要。

RCM的摆动运动精度主要受直线模组的精度、RCM机构的轴承间隙以及刚度影响，估算该精度约为0.01度，RCM的摆动运动精度虽然相对较低，但它对垂直血管方向运动分量的精度影响也较小，理论上此精度为2μm。转台的分辨率为1x10-4rad，根据针尖到转轴的距离，计算得到针尖末端的摆动位置误差为0.3μm。

由于针管与巩膜刺入点的接触力远大于插管过程中的操作力，所以研制的力感知模块必须集成在人眼内。本发明采用布拉格光纤光栅传感器1-6进行微力感知，它不受电噪声干扰、易于消毒、具有良好的生物相容性。设计了温度补偿算法来源于《A sub-millimetric,0.25mN resolution fully integrated fiber-opticforce-sensing toolfor retinal microsurgery》即《一种用于视网膜外科显微手术的亚毫米，0.25mN分辨率完全集成的光纤力传感工具》，消除了温度干扰。此微力感知系统分辨率可达0.2mN，完全满足视网膜血管注射手术的需求。

整体设计分布考虑到重心位置，不断优化使重心贴近于中轴线位置，使得末端旋转时，不会由于重心偏离产生额外的转矩，整体能够运行的更稳定。

眼科手术机器人视网膜血管注药器的工作原理：

通过它所固定的手术机器人操作臂的运动，将针管组插入病人的眼球中。再通过机器人操作臂的RCM运动将针头送到目标血管附近，完成粗定位。

此时步进电机1-9开始运动，释放出针尖，再通过直动惯性压电电机2-2和旋转惯性压电电机3-3的共同作用，使针尖1-1与血管在同一平面内并以30度左右的角度与目标血管接触。

执行上位机中的血管穿刺程序，控制直动惯性压电电机2-2和机器人操作臂动作。先控制直动惯性压电电机2-2直线进给，当布拉格光纤光栅传感器1-6所检测的力达到设定值时停止直动惯性压电电机2-2动作，再控制机器人操作臂使针尖1-1行于血管轴线运动。若针尖1-1所受力突然急剧减小，说明针尖1-1已刺穿血管，针尖1-1继续运动约1mm使针尖的斜口完全进去血管后停止动作，药物再通过注药胶管1-10，从内管连接器1-5的宝塔接头上的小孔进入内管连接器1-5、内管1-2和针尖1-1，最后被输入目标血管之中。

Claims (8)

1.一种用于眼科手术机器人的视网膜血管注药器，它包括执行器固定座(4)，其特征在于：它还包括针管组模块(1)、进给模块(2)和旋转模块(3)，

针管组模块(1)安装在进给模块(2)上并在进给模块(2)的带动下实现进给，进给模块(2)安装在旋转模块(3)的前部，针管组模块(1)和进给模块(2)在旋转模块(3)的带动下实现旋转，旋转模块(3)安装在执行器固定座(4)上；

针管组模块(1)包括针尖(1-1)、内管(1-2)、外管(1-3)、外管连接件(1-4)、内管连接件(1-5)、布拉格光纤光栅(1-6)、丝杠(1-7)、丝杠螺母(1-8)、步进电机(1-9)、注药胶管(1-10)和安装架(1-11)，安装架(1-11)安装在进给模块(2)的前端，内管连接件(1-5)安装在安装架(1-11)上，步进电机(1-9)安装在安装架(1-11)上，丝杠(1-7)与步进电机(1-9)的输出轴连接，外管连接件(1-4)的一侧滑动套装在内管连接件(1-5)上，外管连接件(1-4)的另一侧安装在丝杠(1-7)上，丝杠螺母(1-8)安装在丝杠(1-7)上并与外管连接件(1-4)相抵；针尖(1-1)胶粘在内管(1-2)的尖端，外管(1-3)上开设凹槽(1-3-1)，外管(1-3)套装在内管(1-2)上，布拉格光纤光栅(1-6)安装在凹槽(1-3-1)内，内管连接件(1-5)上的宝塔接头上开有孔，注药胶管(1-10)粘在宝塔接头上，注药胶管(1-10)的另一端与针筒相连并由医生手推注药。

2.根据权利要求1所述的一种用于眼科手术机器人的视网膜血管注药器，其特征在于：针尖(1-1)的端部带有向上45°的弯曲，针尖(1-1)的直径为0.4mm。

3.根据权利要求2所述的一种用于眼科手术机器人的视网膜血管注药器，其特征在于：进给模块(2)包括进给连接件(2-1)和直动惯性压电电机(2-2)，进给连接件(2-1)与安装架(1-11)连接，直动惯性压电电机(2-2)安装在进给连接件(2-1)上并带动针管组模块(1)完成直线进给动作，进给连接件(2-1)的上端面上加工了两段圆弧面。

4.根据权利要求3所述的一种用于眼科手术机器人的视网膜血管注药器，其特征在于：旋转模块(3)包括旋转连接件(3-2)和旋转惯性压电电机(3-3)，旋转连接件(3-2)分别与执行器固定座(4)和进给模块(2)连接，旋转惯性压电电机(3-3)安装在旋转连接件(3-2)上。

5.根据权利要求4所述的一种用于眼科手术机器人的视网膜血管注药器，其特征在于：旋转模块(3)还包括深沟球轴承(3-1)，深沟球轴承(3-1)套装在安装架(1-11)和进给连接件(2-1)上。

6.根据权利要求5所述的一种用于眼科手术机器人的视网膜血管注药器，其特征在于：它还包括直线导轨模块(5)，直线导轨模块(5)与眼科手术机器人的执行器连接。

7.根据权利要求6所述的一种用于眼科手术机器人的视网膜血管注药器，其特征在于：直线导轨模块(5)包括滑动平台(5-1)、调节螺栓(5-2)和直线导轨(5-3)，执行器固定座(4)安装在直线导轨模块(5)的滑动平台(5-1)上，滑动平台(5-1)通过调节螺栓(5-2)滑动安装在直线导轨(5-3)上。

8.根据权利要求7所述的一种用于眼科手术机器人的视网膜血管注药器，其特征在于：滑动平台(5-1)上开设楔形的机械接口(5-1-1)。