CN112022279B - 清理血栓的仿生血管机器人 - Google Patents

Abstract

一种清理血栓的仿生血管机器人，属于机械技术领域。本发明的目的是将超磁致伸缩材料与血管机器人技术相结合的清理血栓的仿生血管机器人。本发明包括电控导航装置、头部、集体中部和尾部，头部和尾部分别安装在集体中部的前端和后端，在头部前端开有进液口，尾部后端开有喷液口。本发明通过体外三维磁场变化为血管机器人提供动力，可以有效的减小机器人的体积；血管机器人机体呈椭圆形结构，全身较为圆滑，可以更好的减少对血管的损伤；同时在机器人头部设置有药物释放装置，可以通过释放药物来达到更好的清除血栓的效果，并且该机器人可以携带药物直达病灶处；血管机器人全身内外均使用医用材料，可以更好地在人体血管中工作，以防止人体发生排斥现象。

Description

清理血栓的仿生血管机器人

技术领域

本发明属于机械技术领域。

背景技术

随着现代生活节奏的加快，心脑血管疾病，如动脉硬化、痛风、血栓等已逐渐升至为导致人类疾病的“第一杀手”，因其发病率高、致残率高和死亡率高已成为对我国中老年人危害最大的疾病之一。1959年率先提出纳米技术的设想是诺贝尔奖得主理论物理学家理查德-费曼，他率先提出了用微型机器人治病的想法。机器人的微型化实现了人体内的各种检测和无痕手术操作。开发体内微型医用机器人具有传统器械手术或者体外手术不具备的优点，主要优势有如下两点：一是相比较于体外手术应用体内的微型医用机器人可以减少对人体组织的损伤，具有一定的美容特性，伤口较小，以减少康复和住院的时间，从而降低医疗费用，减少病人的手术痛苦和医疗人员的手术心理压力；二是体内微型医用机器人是医用手术机器人的新领域，由于其微小化可进入人体内的特点，可应用于人体内药物注射、疾病诊断、肿瘤切除、疏通血管、治疗血栓、结石分切、腹腔手术成像导航等。

除了药物治疗外，有人研究出应用血管机器人清除血栓等，现有的研究中血管机器人可在血管中进行工作，主要包括治疗动脉粥样硬化、抗癌、去除血块、清洁伤口、帮助凝血、祛除寄生虫、治疗痛风、粉碎肾结石、人工授精以及激活细胞能量，使人不仅保持健康，而且延长寿命。

当前血管机器人的研究是微创外科机器人领域的一个热点，并且其发展将对人类身体健康及人类寿命作出重要的贡献。

磁致伸缩材料是一种在磁场中磁化后会伸长或缩短的一种新型材料，较少应用于血管机器人，而超磁致伸缩材料是一种在变化的磁场作用下，其长度变化特别大的一种稀土材料，故又称为稀土超磁致伸缩材料。

发明内容

本发明的目的是将超磁致伸缩材料与血管机器人技术相结合的清理血栓的仿生血管机器人。

本发明包括电控导航装置、头部、集体中部和尾部，头部和尾部分别安装在集体中部的前端和后端，在头部前端开有进液口，尾部后端开有喷液口；

头部：进液口通过血栓通道与血栓收集器相通，在血栓通道内安装有单项止回阀，血栓收集器与集体中部内部的上内腔和下内腔相通，在血栓收集器与集体中部之间安装有前滤网隔板；在头部上安装有电控导航装置和药液释放装置；

药液释放装置：在药物存储装置尾部安装有增压器，药物存储装置通过药物释放导管与血栓通道相通，在药物释放导管安装有药物控制阀门；

集体中部：血栓收集器内部通过弹性纤维板分为上内腔和下内腔，在血栓收集器外部包覆有浮沉机构外壳，浮沉机构外壳与血栓收集器的收集器外壳之间构成浮沉机构，在靠近头部一侧的收集器外壳上安装有第一级超磁致弹性纤维材料，收集器外壳中部安装有第二级超磁致弹性纤维材料，在弹性纤维板靠近尾部并对应上内腔和下内腔处分别安装有上内腔增压器和下内腔增压器；

尾部内部通过弹性纤维板延伸部分分为上喷液腔和下喷液腔，上喷液腔和下喷液腔分别与血栓收集器内部的上内腔和下内腔相通，在上喷液腔和下喷液腔与上内腔和下内腔之间均安装有后滤网隔板。

本发明通过体外三维磁场变化为血管机器人提供动力，可以有效的减小机器人的体积；血管机器人机体呈椭圆形结构，全身较为圆滑，可以更好的减少对血管的损伤；同时在机器人头部设置有药物释放装置，可以通过释放药物来达到更好的清除血栓的效果，并且该机器人可以携带药物直达病灶处；血管机器人全身内外均使用医用材料，可以更好地在人体血管中工作，以防止人体发生排斥现象。

附图说明

图1是本发明外部结构示意图；

图2是本发明总体结构剖视图；

图3是本发明头部内部结构示意图；

图中：1、头部 2、集体中部 3、尾部 4、喷液口5、进液口 6、单项止回阀7、药液释放装置8、血栓收集器9、前滤网隔板10、浮沉机构外壳11、收集器外壳12、浮沉机构13、下内腔14、第一级超磁致弹性纤维材料 15、上内腔 16、第二级超磁致弹性纤维材料 17、弹性纤维板 18、上内腔增压器 19、下内腔增压器 20、后滤网隔板21、上喷液腔22、下喷液腔23、电控导航装置24、药物控制阀门 25、药物存储装置 26、增压器 27、信息接收模块 28、信息反馈模块 29、浮沉控制模块 30、药物释放模块 31、定位模块。

具体实施方式

超磁致伸缩材料嵌入医用橡胶内构成血管机器人机体中部的内腔，使血管机器人能够更好的进行对血液进行喷射，为血管机器人的前进提供动力，使血管机器人可长时间安全的在血管内进行工作。而现有的机器人自身携带电源使其体积过大，无法正常在血管内行走，且容易划伤血管，达不到深入清理血栓的效果。因此研究一种新型的自带动力且对血管无任何损伤，并能达到清理血栓及携带药物的血管机器人是非常必要的。超磁致伸缩材料（GMM）是自上世纪70年代迅速发展起来的新型功能材料，GMM的尺寸伸缩可随外加磁场成比例变化，其磁致伸缩系数远大于传统的磁致伸缩材料。

针对用于控制磁场变化来改变GMM尺寸伸缩的技术一般常用较多，而本申请是在实验过程中主要采用了三维亥姆霍兹线圈磁场。三组中的一组为具有一对形状相同的同轴放置的线槽缠绕规则线圈，一组线圈的绕组匝数以及电阻都相等，三组线圈两两互相垂直放置，且从外到内三组线圈半径依次减小，最外侧的一组线圈由底座四个角上的支柱支撑固定于底座上，中围亥姆霍兹线圈固定于外围内侧，内围线圈固定于中围内侧，在最内侧一组线圈中同轴放置血管机器人管道，其中每组线圈的负载电流大小相同且方向一致，各组线圈电流的变化可改变中心管道的磁场。

本发明包括电控导航装置23、头部1、集体中部2和尾部3，头部1和尾部3分别安装在集体中部2的前端和后端，在头部1前端开有进液口5，尾部3后端开有喷液口4。头部1、集体中部2和尾部3组装后，外部构成类似于椭圆形结构，输送至血管内部后，在动力驱动下，保持在血管内部保持头部1一直向前的移动。

电控导航装置23是自动导航装置、GPS定位系统，就是显示自身所在方位，并自动指引你到达目的地或按照即定轨迹行走的一个装置。本发明采用的电控导航装置23包括信息接收模块27、信息反馈模块28、浮沉控制模块29、药物释放模块30、定位模块31等。其中信息接收模块27、信息反馈模块28和定位模块31用于控制本发明的行走路线、方向、目标信息等构成信息采集系统，信息接收模块27、信息反馈模块28与定位模块31通过信号线相互连接，进行信息的互换；药物释放模块30根据信息采集系统获得的信息控制药液释放装置7何时释放药液，药物释放模块30与阀门24、增压器26通过信号线连接；浮沉控制模块29根据信息采集系统获得的信息掌控本发明整体悬浮状态，，浮沉控制模块29与外腔通过信号线相连接，防止本发明整体的外壁碰触血管内壁。这几个控制技术目前在相关领域应用较多，只要能够完成本发明的控制上述功能的系统，均适用本发明的清理血栓的仿生血管机器人中。

头部1：进液口5通过血栓通道33与血栓收集器8相通，在血栓通道33内安装有单项止回阀6，血栓收集器8与集体中部2内部的上内腔15和下内腔13相通，在血栓收集器8与集体中部2之间安装有前滤网隔板9；在头部1上安装有电控导航装置23和药液释放装置7。头部1上安装着本申请的许多功能部件，在向前移动时即要躲避血管壁，又要能够侦测血栓，同时还要发出相应的指令。单项止回阀6是防止进入血栓收集器8的逆向流动。

药液释放装置7：在药物存储装置25尾部安装有增压器26，通过增压器26控制药物的准确释放，药物存储装置25通过药物释放导管32与血栓通道33相通，在药物释放导管32安装有药物控制阀门24。药物释放导管32下半部分装有药物控制阀门24，可控制其开启使药物释放进血液中，加速血栓溶解，药物释放导管32末端与药物存储装置25相连，在药物存储装置25底部装有增压器26，用以促使药物存储装置释放出药物。

集体中部2：血栓收集器8内部通过弹性纤维板17分成完全分隔的上内腔15和下内腔13，在血栓收集器8外部包覆有浮沉机构外壳10，浮沉机构外壳10与血栓收集器8的收集器外壳11之间构成浮沉机构12，在靠近头部1一侧的收集器外壳11上安装有第一级超磁致弹性纤维材料14，收集器外壳11中部安装有第二级超磁致弹性纤维材料16，在弹性纤维板17靠近尾部3并对应上内腔15和下内腔13处分别安装有上内腔增压器18和下内腔增压器19。第一级超磁致弹性纤维材料14的位置基本位于靠近头部1的前四分之一区域，第二级超磁致弹性纤维材料16的位置基本位于中间区域。上内腔增压器18和下内腔增压器19的位置分别对应上喷液腔21和下喷液腔22，保证对应上下两个腔的血液加压后，从上喷液腔21和下喷液腔22加压挤出血液。

尾部3内部通过弹性纤维板17延伸部分分为上喷液腔21和下喷液腔22，上喷液腔21和下喷液腔22分别与血栓收集器8内部的上内腔15和下内腔13相通，在上喷液腔21和下喷液腔22与上内腔15和下内腔13之间均安装有后滤网隔板20。

在本发明向前移动时，始终保持血液从进液口5进，流经血栓通道33、血栓收集器8、上内腔15和下内腔13、上喷液腔21和下喷液腔22，最后从喷液口4喷出。

本发明的具体运行、使用过程如下：

1）开启机器人并在血管上开设有血孔，将机器人输入到血管中；

2）通过外部三维变化磁场提供给血管机器人动力，通过上下增压器18、19对上下内腔15、13中的血液施加不同的压力后，通过上下喷液腔21、22在喷液口4喷出，用以血管机器人来控制血管机器人的方向；

3）血管机器人到达准确位置时，控制模块4中的药物释放模块30通过信号线控制药物释放导管上的阀门24开启，药物储存器25底部的小增压器26加压促使药物通过药物释放导管23输出进入血液中；

4）血栓溶解后，进入血栓收集器中的血液加血栓块通过滤网隔板将血栓块滞留于血栓收集器中，血液通过隔板进入到内腔中；

5）在清淤或治疗完成后，在血管下游开设血管孔，使血管机器人排出体外。

本发明开启机器人并在血管上开设有血孔，将机器人输入到血管中，通过外部三维变化磁场提供给血管机器人动力，通过上下增压器对上下内腔中的血液施加不同的压力后通过上下尾部喷液机构喷出血管机器人来控制血管机器人的方向，实现血管机器人在血管中灵活的运动，其中控制模块中有定位模块来对血管机器人的详细位置进行反馈，血管机器人到达准确位置时，控制模块中的药物释放模块通过信号线控制药物释放导管上的阀门开启，药物储存器底部的小增压器加压促使药物通过药物释放导管输出进入血液中，加速血块和血瘀的溶解及清理，在溶解后的血液夹杂有血栓通过进液口，进入到血栓收集器中，进液管上的单向止回阀可使血液单向进入血栓收集器中，防止血液回流，进入血栓收集器中的血液加血栓块通过滤网隔板将血栓块滞留于血栓收集器中，血液通过隔板进入到内腔中，外部变化的三维磁场，控制内腔壁上的超磁致伸缩材料板伸长与缩短，挤压血液进入上下内腔的下部，控制模块控制其上下增压器对血液进行增压后，血液通过上下喷液机构喷出机器人体外从而起到提供动力的作用，在清淤或治疗完成后，在血管下游开设血管孔，使血管机器人排出体外。

Claims (1)

1.一种清理血栓的仿生血管机器人，包括电控导航装置（23），其特征在于：包括头部（1）、集体中部（2）和尾部（3），头部（1）和尾部（3）分别安装在集体中部（2）的前端和后端，头部（1）、集体中部（2）和尾部（3）组装后，外部构成类似于椭圆形结构，在头部（1）前端开有进液口（5），尾部（3）后端开有喷液口（4）；

头部（1）：进液口（5）通过血栓通道（33）与血栓收集器（8）相通，在血栓通道（33）内安装有单项止回阀（6），血栓收集器（8）与集体中部（2）内部的上内腔（15）和下内腔（13）相通，在血栓收集器（8）与集体中部（2）之间安装有前滤网隔板（9）；在头部（1）上安装有电控导航装置（23）和药液释放装置（7）；

药液释放装置（7）：在药物存储装置（25）尾部安装有增压器（26），药物存储装置（25）通过药物释放导管（32）与血栓通道（33）相通，在药物释放导管（32）安装有药物控制阀门（24）；

集体中部（2）：血栓收集器（8）内部通过弹性纤维板（17）分为上内腔（15）和下内腔（13），在血栓收集器（8）外部包覆有浮沉机构外壳（10），浮沉机构外壳（10）与血栓收集器（8）的收集器外壳（11）之间构成浮沉机构（12），在靠近头部（1）一侧的收集器外壳（11）上安装有第一级超磁致弹性纤维材料（14），收集器外壳（11）中部安装有第二级超磁致弹性纤维材料（16），在弹性纤维板（17）靠近尾部（3）并对应上内腔（15）和下内腔（13）处分别安装有上内腔增压器（18）和下内腔增压器（19）；

尾部（3）内部通过弹性纤维板（17）延伸部分分为上喷液腔（21）和下喷液腔（22），上喷液腔（21）和下喷液腔（22）分别与血栓收集器（8）内部的上内腔（15）和下内腔（13）相通，在上喷液腔（21）和下喷液腔（22）与上内腔（15）和下内腔（13）之间均安装有后滤网隔板（20）。

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