CN111714164B - 用于微创手术的触觉感知装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于微创手术的触觉感知装置，包括电气盒、声管、声音感知元件、信息反馈组件和测头，所述电气盒内设置有电路模块和声腔，所述声腔内设有吸声材料和声音发射元件，所述吸声材料位于所述声音发射元件的后方；所述声腔、所述声管和所述测头连通，构成声音的传播通道，所述测头与待测组织表面接触；所述声音检测组件和所述信息反馈组件均与所述电路模块电连接。本发明用于微创手术的触觉感知装置，采用动态测量的方式，在术中为医生实时反馈待测组织的刚度信息，同时其敏感元件与被测组织无需直接接触，不仅有效防止了敏感元器件的损坏，并且测量结果不受按压深度的影响。

Description

用于微创手术的触觉感知装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，具体地，涉及一种用于微创手术的触觉感知装置及其使用方法。

背景技术

微创手术是一种通过微小创口介入患者体内进行操作的外科手术，其具有疼痛轻、恢复快等优点。但由于微创手术切口微小，医生无法直接触摸组织，丧失了触觉感知的信息，不能感知人体组织的硬度。而在许多手术中，医生往往凭借组织硬度来判断组织的健康状况，例如在子宫肌瘤切除术中，医生通过感知子宫壁硬度判断肌壁间是否存在肌瘤。目前术中触觉传感器有以下两种：一是静态力测量传感器。这种传感器对手术器械和组织的静态接触力进行测量，例如基于压阻、压电、电容的力传感器等。此类传感器结合按压的深度，可以计算出组织的刚度。但由于难以准确测得被测物变形量的大小，这种刚度测量的方法往往不能在复杂的手术环境下提供准确的结果；二是基于动态测量的传感器。这种传感器通过测量组织的动态响应，从而解析出被测物的物理特性，如刚度、质量等。

基于动态测量的传感器通常在一个频段内观察被测物的属性，相比于准静态测量来说，从原理上可以减少低频干扰的影响，例如人体组织的蠕动、操作力大小的不均等。由于此类传感器的敏感元件需要与被测组织直接接触，感知部位一般位于探头前端，术中的冲击和切换器械时产生的磕碰也有可能损坏敏感元件。并且，探头与组织接触的深度会影响测量结果。

经过对现有技术的检索，申请公布号为CN 106264436A的发明专利公开了一种触诊探头，包括：探头主体，所述探头主体整体为细棒状，探头主体能通过肛门、阴道等腔道进入人体体内，探头主体一端为探头头端，另一端为探头末端，中间部分为探头侧面，所述探头头端为圆弧凸起状，至少一部分的探头头端和/或探头侧面上设有压力传感器矩阵；探头把手，所述探头把手连接探头末端，整体形状适于人手把持，该探头把手末端设有与压力传感器矩阵连接的输出线缆；所述压力传感器矩阵以单晶硅为基础材料，包括弹性压力传感器单元，所述弹性压力传感器单元紧密固定于硬性定型背衬之上，该弹性压力传感器单元纵列、横列连接，纵列的弹性压力传感器单元通过经导线连接，横列的弹性压力传感器单元通过纬导线连接，经导线和纬导线由线缆导出。该装置中，探头需要与被测组织直接接触，会影响测量效果。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于微创手术的触觉感知装置及其使用方法。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

本发明提供一种用于微创手术的触觉感知装置，包括电气盒、声管、声音感知元件、信息反馈组件和测头，所述电气盒内设置有电路模块和声腔，所述声腔内设有吸声材料和声音发射元件，所述吸声材料位于所述声音发射元件的后方；

所述声腔、所述声管和所述测头连通，构成声音的传播通道，所述测头与待测组织表面接触；所述声音感知元件的数量至少为两个；所述声音检测组件和所述信息反馈组件均与所述电路模块电连接。

进一步地，所述声音感知元件设置在所述电气盒内或所述声管内，两个所述声音感知元件之间相隔至少10cm，且均位于患者体外，所述声音感知元件为麦克风，也可以是声学压电器件，声学压电器件是由压电材料构成的声学结构。

进一步地，所述声管包括依次设置的中空接头部、中空声管主体和中空弯曲变形部，所述接头部与所述电气盒的连接孔连接，所述弯曲变形部与所述测头连接。声管的材质可以是硬质材料，如有机玻璃，钢材。也可以为可变形的柔性材料，如硅胶橡胶等。

进一步地，所述声管的形状为柱形圆管或者是锥形圆管，所述锥形圆管的小直径端与所述测头连接。声管管道的直径小于2cm，长度大于40cm。

进一步地，所述测头包括中空测头主体和中空测头约束部，所述测头主体与所述声管连通，所述测头约束部与待测组织表面接触，起约束作用。

进一步地，所述测头约束部为防滑和防漏声材质，优选橡胶材质。所述测头约束部的表面附有一层防止异物进入的结构，例如薄膜。

进一步地，所述信息反馈组件包括指示灯和蜂鸣器，所述指示灯设置在所述声管的侧面，所述蜂鸣器设置在所述电气盒的侧壁，所述指示灯和所述蜂鸣器均与所述电路模块电连接。

进一步地，所述声音发射元件为扬声器。

进一步地，所述电气盒上还设有开关，用于启动触觉感知装置。

本发明还提供一种用于微创手术的触觉感知装置的使用方法，包括以下步骤：

S1、将声管及测头通过微创手术的创口伸入患者体内，电气盒位于体外；

S2、操作者手拿电器盒，向待测组织按压施加一定的压力，从而将测头按压在待测组织表面，同时声管的可弯曲变形部分在压力的作用下产生自适应变形，使得测头调整到与组织完全贴附的姿态，此时测头3的约束结构32限制一部分组织的运动，并将空腔端口对准待测组织。

S3、按下开关后，扬声器在电路模块的控制下发出声音(声波频率范围在50-500Hz)，声波沿着中空的声管传播至测头末端，引起被测组织的振动；同时，声音在组织表面发生反射，并沿着声管内的空腔向反方向传播，反向传播至吸声材料的声波被吸声材料吸收，不会二次反射；

S4、声音感知元件测量管道内传播的声音，并将测得信号通过线缆传输到电路模块进行处理；

S5、电路模块解析出被测组织刚度信息后，控制蜂鸣器发出对应频率的声音，同时控制指示灯亮起；通过蜂鸣器的声音高低、响度，以及指示灯的颜色、灯的个数，可以获得被测组织的刚度信息。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明用于微创手术的触觉感知装置，采用动态测量的方式，在术中为医生实时反馈待测组织的刚度信息，同时其敏感元件与被测组织无需直接接触，不仅有效防止了敏感元器件的损坏，并且测量结果不受按压深度的影响。

2、本发明用于微创手术的触觉感知装置，基于动态的声学测量，无需精确控制接触力或按压深度，减少了低频干扰的影响。

3、本发明用于微创手术的触觉感知装置，通过空气传递声波信息，检测元件与被测组织通过空气进行耦合，有效避免了约束端冲击和磕碰对检测元件的影响。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明用于微创手术的触觉感知装置的结构示意图；

图2是本发明用于微创手术的触觉感知装置的电气盒的示意图；

图3是本发明中电气盒的剖视图；

图4是本发明中声管及测头结构示意图；

图5是本发明中声管剖视图；

图6是本发明用于微创手术的触觉感知装置的使用方法示意图

图7是本发明触觉感知装置在仿真实验中声音测量元件对于不同硬度样本的测试结果(图中E1和E2分别为样本的杨氏模量)；

图8是本发明的硬度检测系统原理框图。

图9为本发明触觉感知装置测量病变器官得到的声反射系数曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种用于微创手术的触觉感知装置，采用动态测量的方式，在术中为医生实时反馈待测组织的刚度信息，同时其敏感元件与被测组织无需直接接触，不仅有效防止了敏感元器件的损坏，并且测量结果不受按压深度的影响。

如图1至9所示，接下来结合具体实施例，对本发明做进一步详细的描述。

实施例1

一种用于微创手术的触觉感知装置，包括电气盒1、声管2、声音感知元件、信息反馈组件(包括指示灯23和蜂鸣器11)和测头3，电气盒1内设置有电路模块14和声腔17，声腔17内设有吸声材料15和声音发射元件，吸声材料15位于声音发射元件16的后方，用于吸收反射的声波，防止声音在密封的管道中多次反射；其中电路模块以及声音发射元件位于体外，声管和测头需介入患者体内。声音检测元件位置可设计在体内或体外。声音发射元件包括但不限于扬声器。用于电路模块的控制信号，并根据此信号发出特定的声音信号，声音发射元件所位于的声腔与声管相连。声管2用于引导声音传播，连接声音发射元件所在声腔和测头空腔。电路模块14，用于控制声音发射元件发声、处理来自声音检测元件的信号并控制信息反馈模块实现刚度信息的展示。

声音检测组件和信息反馈组件均与电路模块14电连接。在电气盒1的一侧装有蜂鸣器11，电气盒的另一侧表面留有连接孔12，用于连接声管2，电气盒1上还设有开关13，用于启动触觉感知装置。指示灯23和蜂鸣器11均与电路模块14电连接。

测头3与被测组织直接接触，带有约束结构，用于约束被测组织，并确定测量范围，其表面附有用于防止异物进入的薄膜。具体为，测头3包括中空测头主体31和中空测头约束部32，测头主体31与声管2连通，测头约束部32与待测组织表面接触，起约束作用。优选地，测头约束部32可以为橡胶等材质，在施加一定正压力的情况下，可以提供摩擦力并约束被测组织。为了防止杂物进入管道，末端32表面附有一层薄膜，此处未画出。

声管2包括依次设置的中空接头部21、中空声管主体22(为中空的管道)和中空弯曲变形部24，接头部21与电气盒1的连接孔12连接，管道侧面装有指示灯23，声管2与测头主体31的连接处为可以弯曲变形的弯曲变形部24。使得测头的角度可以调整，从而更加贴合被测表面。声管2的材质可以是硬质材料，如有机玻璃，钢材。也可以为可变形的柔性材料，如硅胶橡胶等。声管的形状为柱形圆管或者是锥形圆管，锥形圆管的小直径端与所述测头3连接。

中空声管主体22包含管壁221，其材质为硬质材料，管壁内可嵌有两个声音感知元件222，声音感知元件为麦克风222，用于测量声管内传播的声音信号，并通过线缆传输给电路模块。声音感知元件为麦克风222时，两个麦克风222之间相隔至少10cm。声音感知元件设置也可以设置在电气盒1内。声腔17、声管2和测头3连通，构成声音的传播通道，测头3与待测组织表面接触；

实施例2

实施例2是实施例1的应用例，

在实施例2中，提供实施例1描述的用于微创手术的触觉感知装置的使用方法如下：

图6所示为器械的使用方法，其中4为人体的器官。41为患者的腹部，42为待测的组织器官。使用时将声管2及测头3通过微创手术的创口伸入患者体内，电气盒1位于体外。操作者手拿电器盒，向待测组织按压施加一定的压力，从而将测头3按压在待测组织表面，同时声管2的可弯曲变形部分24在压力的作用下产生自适应变形，使得测头3调整到与组织42完全贴附的姿态。此时测头3的约束结构32限制一部分组织的运动，并将空腔端口对准待测组织。按下开关13后，扬声器16在电路模块14的控制下发出声音，声波沿着中空的声管2传播至测头末端32，引起被测组织的振动。同时，声音在组织表面发生反射，并沿着声管2内的空腔向反方向传播，反向传播至吸声材料的声波被吸声材料吸收，不会二次反射。此时，声音感知元件222测量管道内传播的声音，并将测得信号通过线缆传输到电路模块14进行处理。电路模块14解析出被测组织刚度信息后，控制蜂鸣器11发出对应频率的声音，同时控制指示灯23亮起。指示灯的颜色深浅和亮度高低随刚度大小变化，蜂鸣器发出声音的音调高低和响度大小随刚度大小变化。通过蜂鸣器11的声音高低、响度，以及指示灯23的颜色、灯的个数，可以获得被测组织的刚度信息。当蜂鸣器发出的声音响度越大，频率越高，表示被测组织的刚度越大。当指示灯亮起的个数越多，颜色越深，代表被测组织的刚度越大，反之亦然。

实施例3

将本发明触觉感知装置进行如下仿真实验：

在软件内构建本发明触觉感知装置的虚拟模型，控制其发出声波入射到不同硬度样本的表面，提取出声管内声场的反射声波的频域曲线，如图7所示，当被测组织样本的杨氏模量越大，即刚度越大时，反射声波频谱曲线的谷值向高频方向移动，同时，频谱曲线的谷值上移。

实施例4

将实施例1描述的用于微创手术的触觉感知装置，按照实施例2的使用方法，对局部病变的子宫的多个位置进行测量，病变位置的测量结果如图9所示。通过观察曲线的走势，可以判断局部组织是否产生病变，正常组织的声反射曲线谷值出现在低频端且较为明显，病变组织的声反射曲线谷值出现在高频段且不明显。图中的尖刺部分均为噪声，可忽略。

从图9中可得出医学实验结论：正常组织的声反射曲线在200Hz附近值最小，而病变组织的声反射曲线在400-500Hz略有下降。可见病变组织的特征频率较高，且反射系数整体偏大，由此可判断子宫的病变位置。

本发明的工作原理如下：测头的约束部将被测组织约束后，声腔、声管内空腔、测头空腔和待测组织表面形成密闭的声传播通道，引导声波直接入射到待测组织表面并发生反射，此时具有一定间隔的两个或多个声音感知元件对声管内的声波进行测量，并将测得的多路信号传送至信号处理电路进行计算，解析被测组织的刚度信息。硬度检测系统原理如图8所示，检测装置启动后，控制电路向发声元件发送声音信号，控制发声元件发出对应的声波(声波频率范围在50-500Hz)，发声元件产生的声波通过声管传递至测头。声波在受到约束的被测组织表面发生反射，并沿着声管向反方向传播。此时，声音感知元件采集声管内的声音信号，并反馈给信号处理电路。信号处理电路通过一定的算法，提取出待测的物理参数，并将其传送给信息反馈模块。信息反馈模块根据测得的参数大小，通过蜂鸣器和LED灯向使用者反馈测得的物理信息。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种用于微创手术的触觉感知装置，其特征在于，包括电气盒(1)、声管(2)、声音感知元件、信息反馈组件和测头(3)，所述电气盒(1)内设置有电路模块(14)和声腔(17)，所述声腔(17)内设有吸声材料(15)和声音发射元件，所述声音发射元件(16)的后方设置所述吸声材料(15)；

所述声腔(17)、所述声管(2)和所述测头(3)连通，形成声音的传播通道，所述测头(3)与待测组织表面接触；所述声音感知元件的数量至少为两个；所述声音感知元件和所述信息反馈组件均与所述电路模块(14)电连接；所述声音感知元件设置在所述电气盒(1)内或所述声管(2)内，两个所述声音感知元件之间相隔至少10cm，且均位于体外，所述声音感知元件为麦克风(222)。

2.根据权利要求1所述的用于微创手术的触觉感知装置，其特征在于，所述声管(2)包括依次设置的中空接头部(21)、中空声管主体(22)和中空弯曲变形部(24)，所述接头部(21)与所述电气盒(1)的连接孔(12)连接，所述弯曲变形部(24)与所述测头(3)连接。

3.根据权利要求2所述的用于微创手术的触觉感知装置，其特征在于，所述声管的形状为柱形圆管或者是锥形圆管，所述锥形圆管的小直径端与所述测头(3)连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的用于微创手术的触觉感知装置，其特征在于，所述测头(3)包括中空测头主体(31)和中空测头约束部(32)，所述测头主体(31)与所述声管(2)连通，所述测头约束部(32)与待测组织表面接触，起约束作用。

5.根据权利要求4所述的用于微创手术的触觉感知装置，其特征在于，所述测头约束部(32)为防滑和防漏声材质，所述测头约束部(32)的表面附有一层防止异物进入的结构。

6.根据权利要求1所述的用于微创手术的触觉感知装置，其特征在于，所述信息反馈组件包括指示灯(23)和蜂鸣器(11)，所述指示灯(23)设置在所述声管(2)的侧面，所述蜂鸣器(11)设置在所述电气盒(1)的侧壁，所述指示灯(23)和所述蜂鸣器(11)均与所述电路模块(14)电连接。

7.根据权利要求1所述的用于微创手术的触觉感知装置，其特征在于，所述声音发射元件为扬声器(16)。

8.根据权利要求1所述的用于微创手术的触觉感知装置，其特征在于，所述电气盒(1)上还设有开关(13)，用于启动触觉感知装置。

Images