CN111973277A - 一种主从操作血管介入手术机器人的从手端导丝操作装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主从操作血管介入手术机器人的从手端导丝操作装置，该装置包括：递送动作功能结构：用以实现导丝在水平位置上的平移，从而带动导丝向前递送；旋捻动作功能结构：设置在递送动作功能结构上，用以实现对导管的旋捻动作，从而带动导丝旋转；夹持爪功能结构：设置在递送动作功能结构上，用以实现对导丝的夹持、递进和旋捻。与现有技术相比，本发明具有杜绝污染、结构简单、避免打滑、张紧可调、阻力感知等优点。

Description

一种主从操作血管介入手术机器人的从手端导丝操作装置

技术领域

本发明涉及医疗器械设备技术领域，尤其是涉及一种主从操作血管介入手术机器人的从手端导丝操作装置。

背景技术

目前，现有血管介入手术机器人递送装置导丝的递送原理可分为两种形式，一种方法是利用摩擦轮之间的摩擦力实现导管/导丝的递送运动，另一种方法是采用可移动的相对平行的夹持指夹持机构夹持介入导管/导丝实现其递送运动。采用摩擦轮的递送方式可能会存在导管/导丝的打滑问题。因为导丝的直径不到1mm，如果两摩擦轮间夹紧力过小，会导致导管/导丝的打滑；为了解决打滑的问题，通常需要加大夹紧力，但过大的夹紧力会使导管/导丝表面受损。采用第二种递送方式会会增加接触面积，从而能有效的避免损坏导丝表面。但这种夹持方式也会受到加工的制约，并不能完全可靠的夹持导丝。

血管介入手术机器人的从手端递送装置放置在手术室内，且与进入人体的导管/导丝等医疗器械直接接触，因此必须要经过严格的消毒，才能够应用。为了解决消毒问题目前主要有两种办法：一种形式是递送装置是采用一次性的，即手术前消毒清洗完，手术后直接抛掉，但这样会增加手术成本给患者带来沉重的经济负担；另一种形式是将递送装置的动力元器件封装并可以与直接接触导管/导丝的执行元件快速方便的分离，这种形式不仅会增加递送装置的复杂度还会影响递送装置的整体精度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种主从操作血管介入手术机器人的从手端导丝操作装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种主从操作血管介入手术机器人的从手端导丝操作装置，该装置包括：

递送动作功能结构：用以实现导丝在水平位置上的平移，从而带动导丝向前递送；

旋捻动作功能结构：设置在递送动作功能结构上，用以实现对导管的旋捻动作，从而带动导丝旋转；

夹持爪功能结构：设置在递送动作功能结构上，用以实现对导丝的夹持、递进和旋捻。

所述的递送动作功能结构包括滚珠丝杠底座以及设置在滚珠丝杠底座上依次传动的第一电机、联轴器、滚珠丝杠、丝母和移动指，所述的滚珠丝杠底座上还设有两根平行的直线导辊，所述的移动指通过滑块在直线导辊上平移进行平行限位，所述的。

所述的递送动作功能结构还包括设置在滚珠丝杠底座前端的固定指和Y型阀，所述的固定指用于固定最先递送进血管的导管，在空行程返回时防止导丝抖动，所述的Y型阀、固定指、夹持爪功能结构分别位于导丝所在的直线上。

所述的旋捻动作功能结构包括设置在移动指上的导丝阻力检测单元以及固定在导丝阻力检测单元内的旋转指，所述的旋转指包括外侧支板和设置在两个外侧支板之间的主动带轮、张紧轮、第一导轮、第二导轮、第三导轮、第四导轮、第五导轮以及传动带，所述的第一导轮、第二导轮、第三导轮、第四导轮和第五导轮呈U型结构布置，所述的导管穿过U型结构的中间，从而实现随传动带运动的旋转。

所述的主动带轮通过主动带轮轴实现传动，所述的张紧轮通过张紧轮轴实现传动，所述的张紧轮轴固定在张紧轮动座上，所述的张紧轮动座通过螺栓与外侧支板动的立板连接，所述的外侧支板动上开设用以实现张紧轮轴水平移动的腰型孔，通过旋转螺栓调节张紧轮轴与外侧支板动的立板间的距离，进而调节传动带的张紧程度。

所述的导丝阻力检测单元包括U型移动摆动底座和压力传感器，所述的移动摆动底座包括一体成型的左立板、底板和右立板，所述的左立板底部通过转轴与移动指的前端转动连接，所述的压力传感器固定在移动指的后端上表面上，且与右立板底面正对，当导丝在向前递送的阻力增加时，移动摆动底座绕转轴轻微转动，压力传感器检测到增大的压力并转换成电信号并发送主控制器。

所述的夹持爪功能结构设置在左立板的前面上，包括第二电机、第一绳轮、第二绳轮、夹持爪导套和夹持爪，所述的夹持爪包括夹持爪头、夹持爪柄、弹簧和滑套，所述的弹簧一端与滑套连接，另一端与夹持爪柄上的卡环卡接，所述的夹持爪头为三叉开口状，所述的滑套设置在夹持爪导套中，且能够随夹持爪导套前后移动，所述的第二电机通过绕设在第一绳轮和第二绳轮上的传动绳带动夹持爪导套前后移动。

所述的左立板和右立板顶部均设有用以固定导套的提动上底座，所述的提动上底座内侧还设有轴瓦。

所述的夹持爪头、夹持爪柄、弹簧和滑套均为一次性可抛耗材。

该从手端导丝操作装置的最大推进力大于5N，旋转力矩不低于10mN·m，该手端导丝操作装置的尺寸为：长540mm，宽100mm，高90mm，总重量2kg。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明采用了将与导管/导丝接触的夹持爪做成一次性可抛的耗材型元件，这些包括夹持爪、弹簧、滑套、连接轴、导丝等为一个整体，可以与递送装置整体方便快速装拆，且为一次性可抛的元器件，杜绝了污染隐患问题，彻底解决了消毒问题。

二、这些夹持爪功能结构的结构简单、价格便宜，大大降低了手术的成本，成本低廉具有推广价值。

三、本发明的夹持爪外径比较大，因此可以可解决导丝的打滑问题，避免电线缠绕的影响，同时配合固定指和提动上底座进行固定，有效的降低机械振动。

四、张紧轮动座通过螺栓与外侧支板动相连，可以随着动体和外侧支板动移动，同时张紧轮动座可以带动张紧轮一起运动，从而保证了旋转指张开闭合过程中带的周长不变，因此不用进行带的张紧操作，如果长时间多次应用造成带的伸长，松动，可以通过调节张紧轮动座与外侧支板动相连的螺栓来调节带的张紧程度。

五、导丝阻力检测单元包括的移动指测量导丝阻力，使医生感受到导丝阻力；导丝阻力的测量和力觉临场感的建立，可以提高手术的精度和安全性。

附图说明

图1为夹持爪功能结构的结构示意图。

图2为递送动作功能结构的结构示意图。

图3为旋转指结构示意图。

图4为旋转指中传动带缠绕原理示意图。

图5为导丝阻力检测单元的结构示意图。

图6为移动指可拆结构示意图。

图7为夹持爪功能结构动作示意图。

图中：0-导丝，1-夹持爪功能结构，101-夹持爪头，102-夹持爪柄，103-弹簧，104-滑套，203-固定指，204-Y型阀，205-移动指，206-滑块，207-丝母，208-滚珠丝杠，209-直线导辊，210-滚珠丝杠底座，211-联轴器，212-第一电机，301-主动带轮轴，302-外侧支板，303-张紧轮轴，304-张紧轮动座，305-限位开关，402-导轮，403-传动带，404-主动带轮，405-张紧轮，502-移动摆动底座，503滚珠丝杠，504-转轴，506压力传感器，603-轴瓦，604-旋转指，605-摆动上底座，606-夹持爪导向套，802-第二电机，803-第一绳轮，804-第二绳轮，805-传动绳，9-导管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本实施例提供的一种主从操作血管介入手术机器人的从手端导丝递送装置，包括夹持爪功能结构、递送动作功能结构、旋捻动作功能结构、导丝阻力检测单元，该从手端导丝递送装置可以精确完成导管/导丝递送动作，完成导管/导丝的推进速度优于0～100mm/s，精度小于1mm，并且可以精确完成导管/导丝旋捻动作，完成导管/导丝的旋转速度优于0～40rad/s，且精度优于3°。

在本实施例中，如图1所示，夹持爪功能结构1包括与导管/导丝接触的夹持爪，夹持爪为一次性可抛的耗材型元件，一次性可抛的夹持爪功能结构包括；导丝0、夹持爪头101、夹持爪柄102、滑套104、弹簧103；

如图7所示，滑套104在弹簧103的作用下，通常情况下处于夹持爪头101加紧导丝，第二电机802带动第一绳轮803和第二绳轮804旋转通过传动绳805带动夹持爪头导向套606沿夹持爪柄102方向移动，同时带动滑套104移动，使夹持爪头101张开，从而松开导丝，在移动指205完成向前移动动作后，第二电机802动作带动夹持爪头导向套606沿夹持爪头101方向移动，进而使得夹持爪头101夹紧，完成一个递送移动循环。

如图2所示，递送动作功能结构包括，固定指203，Y型阀204，移动指205，滑块206，丝母207，滚珠丝杠208，直线导辊209，滚珠丝杠底座210，联轴器211，电机212；固定指203用于固定最先递送进血管的导管，固定指203还用于移动指205空行程返回时固定导丝0，防止导丝0抖动；Y型阀204用以连接并固定创口与递送动作功能结构，导丝0通过Y型阀导入人体血管，移动指205为复合型结构，可以轴向移动，实现导丝0的轴向递进和撤回，第一电机212驱动滚珠丝杠208转动，进而带动与其啮合的丝母207沿轴线方向移动，丝母207带动与其相连的移动指205整体移动，移动指205上的夹持爪头101夹紧导丝0随移动指205一起前后移动，完成导丝0的递送和撤回；移动指205通过四个滑块206与直线导轨209相连；两根直线导轨209和滚珠丝杠208三者之间相互平行，滚珠丝杠208提供驱动力，直线导轨209承受移动指205的重力并约束移动指205沿直线运动，当移动指205到达最前端极限位置后，固定指203夹紧导丝0，夹持爪头101松开导丝0，第一电机212翻转带动移动指205回到末端极限位置，然后夹持爪头101夹紧导丝0，固定指203松开导丝0，重复递送动作，完成导丝0的递送。

如图3所示，旋捻动作功能结构包括旋转指，旋转指主要由主动带轮轴301、外侧支板动302、张紧轮轴303、导轮402、张紧轮动座304、张紧轮轴303、传动带403、限位开关305组成；

主动带轮404沿逆时针方向转动，带动传动带403转动，皮带与导管9接触的左右两边分别向上和向下运动，导管9的径向自由度被轴承约束，导管9沿顺时针方向转动；旋转部件的动体部分和外侧支板动302沿平行旋转部件平面移动，使旋转部件张开和闭合，方便更换导丝0和导管9；同时张紧轮动座304通过螺栓与外侧支板动302相连，随着动体和外侧支板动移动302，同时张紧轮动座304带动张紧轮405一起运动；通过调节张紧轮动座304与外侧支板动302相连的螺栓来调节传动带403的张紧程度；旋转指张开时，先搬下限位开关305，旋转指闭合后，限位开关305在回力反弹簧作用下自动回位夹紧动体部分；

如图4和5所示，导丝阻力检测单元利用杠杆原理检测导丝阻力包括移动摆动底座502、滚珠丝杠208、转轴504、移动指205、压力传感器506、丝母207；压力传感器506安装在移动指205上，移动摆动底座502及其内部的结构作为一个整体可以绕转轴504自由转动，压在压力传感器506上，在转轴504下边安装了有预紧力的压力弹簧，使移动摆动底座502稳定的压在压力传感器506上；导管9夹紧导丝0，在滚珠丝杠208的推动下，使移动指205实现导丝0的递送；在血管分叉处，或者导丝0碰触血管壁时，导丝0阻力增加，移动摆动底座502会绕转轴504轻微转动一个角度，使压力传感器506触头感触到的压力增大，压力传感器506将这一阻力信号转化为电信号，经主控制器传送到主手端，再控制磁粉制动器阻力矩产生变化，从而使医生感受到导丝0阻力。

导丝阻力检测单元原理：

心血管微创介入手术医生人工介入导管/导丝的过程是在影像导航系统辅助下下，沿着人体血管内腔，将导丝送入心脏内病变位置。经过长期的职业训练，经验丰富的介入医生可以敏感的感触到导丝碰触血管壁的力，依靠中指之间感触到导丝递进过程中的阻力，判断其前进的情况，并依据此感觉决定下一步是否继续递进导丝。尤其是高难度手术医生更多的依靠这一触觉力信息进行判断。因此导丝介入过程中的阻力感测是心血管介入手术不可缺少的力觉信息。依靠影响导航系统来判定导管/导丝所处的位置，会有人体视觉误差和延时的影响，医生很难准确判断清楚导丝的位置。同时由于导丝递进过程中环境是实时变化的，如果没有力反馈不仅降低了手术的精度和安全性，还会影响手术的速度，从而进一步增加医生的辐射伤害。实际手术过程中，如果遇到复杂的血管内部情况，医生为了看清楚血管内部情况，会大大增加造影剂的量，这就会大大增加医生受辐射的量，因此给医生带来了额外的伤害。如果能够依靠具有精准力反馈的机器人，医生就可以通过力觉和影响导航相结合，提高手术是精度和安全性，而且会避免额外增加造影剂，降低辐射伤害。

如果采用在导丝前段安置传感器，将其随同导管/导丝一同进入人体内部，这对传感器提出了很严格的要求。因为传感器的体积必须小于血管的直径，还要能抵抗血液的辐射，同时要具有非常高的灵敏度。此外因为人体血管形状不规则、且狭长多分支，再有人体血管内流体动力学的影响，传感器的受力非常复杂。因此这一方案难度过高，现在并没有找到符合上述要求的传感器。

为了提高阻力的测量精度，测力结构应尽量减少摩擦和其他信号的干扰，因此测力机构要结构简单、直接。本文利用简单的杠杆原理，在机器人递送端利用微型压力传感器采集导管/导丝阻力的方法。杠杆的一端是导丝递送过程中的阻力，通过1:1的杠杆将压力传感器布置在移动指的一端，这样可以将导丝前进过程中的阻力转化为传感器的压力，便于传感器的布置和压力的测量，且这种方法并不会受到机构内部复杂结构的影响。除了利用杠杆原理将传感器布置在移动指底部的方法，还可以采用直接将传感器布置在夹持爪上的方法，但这种方法会造成导丝更换不方便的问题。

如图6所示，该从手端导丝递送装置通过传动带403的U型缠绕方式实现了旋转指604与夹持爪接触部分张开和闭合，从而实现夹持爪功能结构1与旋转指604两者之间快速拆装；当需要安装夹持爪功能结构1时，依次打开夹持爪导向套606、摆动上底座605、旋转指604，将经过严格消毒的导丝0和可抛型功能结构1一同安放在递送装置内，然后再关闭夹持爪导向套606、摆动上底座605、旋转指604，进行手术。

本发明能够完成最大推进力优于5N、旋转力矩不低于10mN.m，总体尺寸为：长540mm，宽100mm，高90mm，总重量2kg，移动指205采用的伺服电机是直流电机。

对于本发明具体设计参数和使用原理的相关说明：

通过对医生手动完成心血管微创介入手术整个过程的学习，结合医生操作的具体要求，根据对心血管微创介入手术机器人系统的要求，提出从手端递送装置的具体功能要求：

(1)由于递送装置的夹持爪与进入人体内部的导管/导丝直接接触，所以夹持爪要便于消毒、清洗。

(2)递送装置必须能够精确的检测导管/导丝递送的阻力，并且预警这一阻力，防止刺破血管壁，保证手术的安全。

(3)能完成导管/导丝的递送、撤回、旋捻操作，并且递送和旋转动能同时完成作互相解耦。

(4)导管和导丝必须准确操作，不能够损伤其表面。从手端递送装置如果不能准确递送导管/导丝可能会导致医疗事故。导管/导丝表面损伤可能会导致血管中的血栓。

(5)由于最细导丝的直径不到1mm，而且手术精度要求很高，手术过程会对导管/导丝多次夹持、松开，所以机器人必须能够可靠、灵活的夹持和松开导丝。

(6)由于需要递送直径不同的导管/导丝，所以递送结构要便于导管/导丝的更换。

参数要求：

(1)递送装置要能够完成导管/导丝的推进速度要优于0～100mm/s，精度小于1mm。

(2)递送装置要能够完成导管/导丝的旋转速度优于0～40rad/s，且精度优于3°。

(3)递送装置要能够完成最大推进力优于5N、旋转力矩不低于10mN.m。

(4)由于递送装置是穿戴式，所以其体积和重量要有限制，具体为体积不超过50×100×90mm，重量不超过2kg。

本发明的保护范围并不局限于以上表述，熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种主从操作血管介入手术机器人的从手端导丝操作装置，其特征在于，该装置包括：

递送动作功能结构：用以实现导丝在水平位置上的平移，从而带动导丝向前递送；

旋捻动作功能结构：设置在递送动作功能结构上，用以实现对导管的旋捻动作，从而带动导丝旋转；

夹持爪功能结构(1)：设置在递送动作功能结构上，用以实现对导丝的夹持、递进和旋捻。

2.根据权利要求1所述的一种主从操作血管介入手术机器人的从手端导丝操作装置，其特征在于，所述的递送动作功能结构包括滚珠丝杠底座(210)以及设置在滚珠丝杠底座(210)上依次传动的第一电机(212)、联轴器(211)、滚珠丝杠(208)、丝母(207)和移动指(205)，所述的滚珠丝杠底座(210)上还设有两根平行的直线导辊(209)，所述的移动指(205)通过滑块(206)在直线导辊(209)上平移进行平行限位，所述的。

3.根据权利要求2所述的一种主从操作血管介入手术机器人的从手端导丝操作装置，其特征在于，所述的递送动作功能结构还包括设置在滚珠丝杠底座(210)前端的固定指(203)和Y型阀(204)，所述的固定指(203)用于固定最先递送进血管的导管，在空行程返回时防止导丝抖动，所述的Y型阀、固定指(203)、夹持爪功能结构分别位于导丝所在的直线上。

4.根据权利要求1所述的一种主从操作血管介入手术机器人的从手端导丝操作装置，其特征在于，所述的旋捻动作功能结构包括设置在移动指(205)上的导丝阻力检测单元以及固定在导丝阻力检测单元内的旋转指，所述的旋转指包括外侧支板(302)和设置在两个外侧支板(302)之间的主动带轮(404)、张紧轮(405)、第一导轮、第二导轮、第三导轮、第四导轮、第五导轮以及传动带(403)，所述的第一导轮、第二导轮、第三导轮、第四导轮和第五导轮呈U型结构布置，所述的导管穿过U型结构的中间，从而实现随传动带运动的旋转。

5.根据权利要求4所述的一种主从操作血管介入手术机器人的从手端导丝操作装置，其特征在于，所述的主动带轮(404)通过主动带轮轴(301)实现传动，所述的张紧轮(405)通过张紧轮轴(303)实现传动，所述的张紧轮轴(303)固定在张紧轮动座(304)上，所述的张紧轮动座(304)通过螺栓(306)与外侧支板动(302)的立板连接，所述的外侧支板动(302)上开设用以实现张紧轮轴(303)水平移动的腰型孔，通过旋转螺栓(306)调节张紧轮轴(303)与外侧支板动(302)的立板间的距离，进而调节传动带(403)的张紧程度。

6.根据权利要求4所述的一种主从操作血管介入手术机器人的从手端导丝操作装置，其特征在于，所述的导丝阻力检测单元包括U型移动摆动底座(502)和压力传感器(506)，所述的移动摆动底座(502)包括一体成型的左立板、底板和右立板，所述的左立板底部通过转轴(504)与移动指(205)的前端转动连接，所述的压力传感器(506)固定在移动指(205)的后端上表面上，且与右立板底面正对，当导丝在向前递送的阻力增加时，移动摆动底座(502)绕转轴(504)轻微转动，压力传感器(506)检测到增大的压力并转换成电信号并发送主控制器。

7.根据权利要求6所述的一种主从操作血管介入手术机器人的从手端导丝操作装置，其特征在于，所述的夹持爪功能结构设置在左立板的前面上，包括第二电机(802)、第一绳轮(803)、第二绳轮(804)、夹持爪导套(801)和夹持爪，所述的夹持爪包括夹持爪头(101)、夹持爪柄(102)、弹簧(103)和滑套(104)，所述的弹簧(103)一端与滑套(104)连接，另一端与夹持爪柄(102)上的卡环卡接，所述的夹持爪头(101)为三叉开口状，所述的滑套(104)设置在夹持爪导套(801)中，且能够随夹持爪导套(801)前后移动，所述的第二电机(802)通过绕设在第一绳轮(803)和第二绳轮(804)上的传动绳(805)带动夹持爪导套(801)前后移动。

8.根据权利要求6所述的一种主从操作血管介入手术机器人的从手端导丝操作装置，其特征在于，所述的左立板和右立板顶部均设有用以固定导套的提动上底座(605)，所述的提动上底座(605)内侧还设有轴瓦(603)。

9.根据权利要求7所述的一种主从操作血管介入手术机器人的从手端导丝操作装置，其特征在于，所述的夹持爪头(101)、夹持爪柄(102)、弹簧(103)和滑套(104)均为一次性可抛耗材。

10.根据权利要求1所述的一种主从操作血管介入手术机器人的从手端导丝操作装置，其特征在于，该从手端导丝操作装置的最大推进力大于5N，旋转力矩不低于10mN·m，该手端导丝操作装置的尺寸为：长540mm，宽100mm，高90mm，总重量2kg。

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