CN112244752A - 一种软体内窥镜结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软体内窥镜结构，涉及医用软体装置技术领域。本发明提供的软体内窥镜结构，通过对软体内窥镜结构末端的指状软体进行结构设计，通过三个气体驱动腔体的独立气室设计控制指状软体的弯曲程度和弯曲角度，并采用光纤布拉格光栅传感器实时监测指状软体的姿态，结合三个光纤位置传感器辅助监测指状软体与肠壁之间的间距，从而辅助操作人员及时了解指状软体在肠道中的位置和弯曲状态，避免软体内窥镜结构对肠壁造成损伤。

Description

一种软体内窥镜结构

技术领域

本发明涉及医用软体装置技术领域，特别涉及一种软体内窥镜结构。

背景技术

随着国民经济水平的提高，人们的饮食结构和生活习惯也发生了明显的变化，结、直肠癌的发病率也发生了显著的提高。但是这种疾病目前临床上并没有很好的治疗方法，因此进行结肠镜检查是及时发现和治愈早期结、直肠癌的关键。然而，现有的结、直肠镜末端大多是刚性结构，检查舒适性和可操作性大多都依靠经验，在检查过程中往往会给患者带来较强的不适感，且结、直肠镜末端易与肠壁产生过分的接触，导致结肠粘膜的损伤出血甚至肠穿孔。这些问题，会导致一些隐藏的早期患者不愿意接受检查，从而导致早期的结、直肠癌难以确诊，从而错过了最佳治愈时期。

在过去的三十年里，新的成像技术鼓励了内窥镜的发展和它的表现。然而，要注意的是，从机械的角度来看，内窥镜工具并没有进行真正的进化。事实上，这一工具的运动指导原则一直是不变的。虽然目前的结肠镜检查系统都是经过精心设计和制造的，使用的是最先进的仪器，它们代表了产品不断进化的结果，它们在概念上仍然是大约30年前引进的相同的设备，有着相同的运动原理：纤维镜的活动由两个旋钮驱动的钢丝绳驱动系统实现，使远端可以在两个正交方向上进行运动。这些运动的组合使仪器在三维空间中向各个方向(360°)弯曲，目前大多数的结肠镜都有弯曲160度的能力。

为了进行结肠镜检查，医生需要将一根长约1.6米的软管插入患者体内，以便观察、分析和诊断。结肠镜是通过医生手的各种“进出”操作来推进的。伴随着拉、扭、抖、摇、扭的动作，使结肠镜在结肠内弯曲。在这个过程中，还有另一个重要的运动——引导远端绕过结肠的许多弯道，这需要医生多年的练习和训练。在手术过程中，腔体可能会从外科医生的视线中消失，当尖端抵住结肠壁时，会导致“红晕”，或者更糟的是，当尖端延伸到结肠壁时，会导致“白晕”。当这种情况发生时，一个没有经验的内窥镜医生可能会迷失方向，难以寻找结肠，可能会发生结肠穿孔。此外，突然移动的范围过大可能导致结肠内壁撕裂，进而导致大出血。

在实现本发明的过程中，发明人发现相关技术至少存在以下问题：

现有软体内窥镜在穿过结肠内部弯道时，结肠手术操作人员很难正确获取结肠镜腔体的弯曲程度和弯曲角度，导致结肠手术操作人员无法正确控制软体内窥镜的弯曲角度和弯曲程度通过结肠内部弯道，导致软体内窥镜尖端触碰甚至伤害结肠内壁。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种软体内窥镜结构，可实时监控末端姿势的结、直肠镜末端弯曲，通过光纤位置传感器以及光纤布拉格光栅传感器在指状软体的配合结构设计，以简单的操作实现软体内窥镜末端在不碰触肠壁的情况下通过结肠弯曲处。

根据本发明实施例的一个方面，提供一种软体内窥镜结构，其特征在于，包括指状软体，所述指状软体内部中心处设有内孔，所述内孔设有摄像头及照明设备；以所述内孔为中心分别设有三个相隔120度的气体驱动腔体，所述指状软体的外部表面均匀设有三个相隔120度的半圆柱状凹陷部，各个半圆柱状凹陷部分别填充有混合硅橡胶半圆柱体，各个混合硅橡胶半圆柱体内加入有交联剂，各个混合硅橡胶半圆柱体内部还固定有光纤位置传感器。

在一个优选的实施例中，所述指状软体内部，以所述内孔为中心还分别设有三个相隔120度的光纤布拉格光栅传感器。

在一个优选的实施例中，所述气体驱动腔体的顶端横截面外径为16mm。

在一个优选的实施例中，所述内孔直径为4mm。

在一个优选的实施例中，所述指状软体的材质为医用硅橡胶，所述指状软体采用3D打印技术于真空环境中浇筑得到。

在一个优选的实施例中，所述摄像头为200w像素，4mm直径的无线内窥镜摄像头。

在一个优选的实施例中，各个气体驱动腔体的分别由独立气室驱动，从而通过各个气体驱动腔体的不同收缩状态所述指状软体的弯曲方向和弯曲程度。

在一个优选的实施例中，所述指状软体中所述摄像头、所述照明设备，各个气体驱动腔体，各个光纤位置传感器、各个光纤布拉格光栅传感器分别与微控制器电信号连接。

在一个优选的实施例中，所述微控制器为型号Arduino mega2560的单片机。

与现有技术相比，本发明提供的一种软体内窥镜结构具有以下优点：

本发明提供的一种软体内窥镜结构，包括指状软体，所述指状软体内部中心处设有内孔，所述内孔设有摄像头及照明设备；以所述内孔为中心分别设有三个相隔120度的气体驱动腔体，所述指状软体的外部表面均匀设有三个相隔120度的半圆柱状凹陷部，各个半圆柱状凹陷部分别填充有混合硅橡胶半圆柱体，各个混合硅橡胶半圆柱体内加入有交联剂，各个混合硅橡胶半圆柱体内部还固定有光纤位置传感器，其创新性地在指状软体末端采用了光纤布拉格光栅传感器实时监测末端的位置与姿态，当末端姿态进行弯曲变化，光纤布拉格光栅传感器产生相应应变，相邻光纤布拉格光栅之间的间隔长度改变，光纤就只会反射一种特定波长的光波，三个光纤布拉格光栅传感器各自反射的特定波长可分别确定三个光纤布拉格光栅传感器的应变，再比对已有的应变-姿态模型确定末端的实时姿态，操作人员可实时监测到末端的姿态变化，及时调整末端的姿态，以减少与肠壁的不必要接触，不仅防止了结肠粘膜损伤等风险的产生，也提高了患者进行结、直肠镜检查的舒适性；本发明的类指末端使用了特殊的非接触式位置传感器（光纤位置传感器）来测量末端和结肠壁之间的相对位置，由于光纤的柔韧性、光纤的小尺寸和非接触特性，三个光纤位置传感器被集成到指状软体中，每个传感器被放置在每个主动气动室的前面。在传感器的原理上，光纤位置传感器的光是由一个冷光源通过光纤传输发射出来的，被肠壁反射的光然后注入到放置在发射光纤周围的接收光纤中。在伴随蠕动的肠内环境中，人眼可能无法及时观察到肠通道的变化，光纤位置传感器能够补充人眼观察的局限性，以客观的数据信息辅助操作人员更好判断末端弯曲的时机；本发明选择了光纤布拉格光栅传感器，较于传统的电气传感器，具有抗电磁干扰、尺寸小（标准裸光纤为125um）、重量轻、耐温性好（工作温度上限可达400℃-600℃）、复用能力强、传输距离远（传感器到解调端可达几公里）、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件、易形变等优点，在人体内有更高的安全性和稳定性。另外，光纤布拉格传感器成本低，可作为一次性医疗用品，保证了使用的安全卫生性，利于普及到更多的大小医疗场所；本发明的指状软体周围三个120度均匀分布，半径为3mm，加有交联剂筑成的混合硅橡胶半圆柱体强度高于指状软体内部强度，起到支撑末端的作用，使末端运动趋于线性特征；本发明的类指末端在真空机环境中浇筑，可消除末端的气泡，使末端质地均匀，从而受力均匀，具有各向异性；本发明的类指末端采用了三腔结构进行驱动，末端运动时的精准度更高，在运动角度上的选择更高，更好适应于狭窄曲折的肠内环境；本发明的内窥镜摄像头可进行稳定无线传输，使用操作不受线材长度限制，实时同步所摄画面至电脑和手机等设备。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并于说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种软体内窥镜结构的结构示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的光纤位置传感器与肠壁之间距离对应输出电压的实验结果示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的一种光纤布拉格光栅传感器的截面示意图。

图4是根据一示例性实施例示出的一种指状软体的装配分解图。

具体实施方式

以下结合具体实施例（但不限于所举实施例)与附图详细描述本发明，本实施例的具体方法仅供说明本发明，本发明的范围不受实施例的限制，本发明在应用中可以作各种形态与结构的修改与变动，这些基于本发明基础上的等价形式同样处于本发明申请权利要求保护范围。

图1是根据一示例性实施例示出的一种软体内窥镜结构的结构示意图，如图1所示，该一种软体内窥镜结构，包括指状软体，所述指状软体内部中心处设有内孔2，所述内孔2设有摄像头及照明设备；以所述内孔2为中心分别设有三个相隔120度的气体驱动腔体1，所述指状软体的外部表面均匀设有三个相隔120度的半圆柱状凹陷部，各个半圆柱状凹陷部分别填充有混合硅橡胶半圆柱体4，各个混合硅橡胶半圆柱体4内加入有交联剂，各个混合硅橡胶半圆柱体4内部还固定有光纤位置传感器5。在一个优选的实施例中，所述指状软体内部，以所述内孔2为中心还分别设有三个相隔120度的光纤布拉格光栅传感器3。

在一个优选的实施例中，所述气体驱动腔体的顶端横截面外径为16mm。

在一个优选的实施例中，所述内孔直径为4mm。

在一个优选的实施例中，所述指状软体的材质为医用硅橡胶，所述指状软体采用3D打印技术于真空环境中浇筑得到。

在一个优选的实施例中，所述摄像头为200w像素，4mm直径的无线内窥镜摄像头。

在一个优选的实施例中，各个气体驱动腔体的分别由独立气室驱动，从而通过各个气体驱动腔体的不同收缩状态所述指状软体的弯曲方向和弯曲程度。

在一个优选的实施例中，所述指状软体中所述摄像头、所述照明设备，各个气体驱动腔体，各个光纤位置传感器、各个光纤布拉格光栅传感器分别与微控制器电信号连接。

在一个优选的实施例中，所述微控制器为型号Arduino mega2560的单片机。

本发明利用3个独立气室不同的压强来控制软体内窥镜结构的弯曲方向和弯曲程度，其中，指状软体应用于软体内窥镜末端结构，是一种三腔驱动结构，其主体由医用硅橡胶浇筑而成，为可独立运动的单元，由于传统机器人多由基于硬质材料的刚性结构链接构成，在使用时运动灵活程度有限、运动平滑性差等不利元素，因此，在选材上优选了柔软的医用硅橡胶为材料，硅橡胶材料有良好的延展性、抗压特性，以及良好的可塑性决定了该装置拥有无限自由度和分布式连续变形能力的可能性。需要说明的是，连续体机器人不像刚体机器人可以通过齐次变换矩阵准确地确定末端执行器的位资，其材料表现出非线性特性，如顺应性和滞后性，限制了高频的控制运动，因此本申请在指状软体内嵌入了光纤布拉格光栅传感器来实时监测软体内窥镜结构末端指状软体的姿态。并且将三个光纤位置传感器集成到指状软体内部，光纤位置传感器的光通过光纤传输由冷光源发射出来，被肠壁反射的光注入到放置在发射光纤周围的接受光纤中，检测到的反射光是传感器与物体表面之间距离的函数，图2显示了光纤位置传感器与肠壁之间距离对应输出电压的实验结果。

进一步的，示出如图3所示本发明提供的一种光纤布拉格光栅传感器的截面示意图，其中，6为纤芯，7为包层，8为保护层。

进一步的，示出如图4所示本发明提供的一种指状软体的装配分解图。

综上所述，本发明提供的一种软体内窥镜结构，包括指状软体，所述指状软体内部中心处设有内孔，所述内孔设有摄像头及照明设备；以所述内孔为中心分别设有三个相隔120度的气体驱动腔体，所述指状软体的外部表面均匀设有三个相隔120度的半圆柱状凹陷部，各个半圆柱状凹陷部分别填充有混合硅橡胶半圆柱体，各个混合硅橡胶半圆柱体内加入有交联剂，各个混合硅橡胶半圆柱体内部还固定有光纤位置传感器，其创新性地在指状软体末端采用了光纤布拉格光栅传感器实时监测末端的位置与姿态，当末端姿态进行弯曲变化，光纤布拉格光栅传感器产生相应应变，相邻光纤布拉格光栅之间的间隔长度改变，光纤就只会反射一种特定波长的光波，三个光纤布拉格光栅传感器各自反射的特定波长可分别确定三个光纤布拉格光栅传感器的应变，再比对已有的应变-姿态模型确定末端的实时姿态，操作人员可实时监测到末端的姿态变化，及时调整末端的姿态，以减少与肠壁的不必要接触，不仅防止了结肠粘膜损伤等风险的产生，也提高了患者进行结、直肠镜检查的舒适性；本发明的类指末端使用了特殊的非接触式位置传感器（光纤位置传感器）来测量末端和结肠壁之间的相对位置，由于光纤的柔韧性、光纤的小尺寸和非接触特性，三个光纤位置传感器被集成到指状软体中，每个传感器被放置在每个主动气动室的前面。在传感器的原理上，光纤位置传感器的光是由一个冷光源通过光纤传输发射出来的，被肠壁反射的光然后注入到放置在发射光纤周围的接收光纤中。在伴随蠕动的肠内环境中，人眼可能无法及时观察到肠通道的变化，光纤位置传感器能够补充人眼观察的局限性，以客观的数据信息辅助操作人员更好判断末端弯曲的时机；本发明选择了光纤布拉格光栅传感器，较于传统的电气传感器，具有抗电磁干扰、尺寸小（标准裸光纤为125um）、重量轻、耐温性好（工作温度上限可达400℃-600℃）、复用能力强、传输距离远（传感器到解调端可达几公里）、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件、易形变等优点，在人体内有更高的安全性和稳定性。另外，光纤布拉格传感器成本低，可作为一次性医疗用品，保证了使用的安全卫生性，利于普及到更多的大小医疗场所；本发明的指状软体周围三个120度均匀分布，半径为3mm，加有交联剂筑成的混合硅橡胶半圆柱体强度高于指状软体内部强度，起到支撑末端的作用，使末端运动趋于线性特征；本发明的类指末端在真空机环境中浇筑，可消除末端的气泡，使末端质地均匀，从而受力均匀，具有各向异性；本发明的类指末端采用了三腔结构进行驱动，末端运动时的精准度更高，在运动角度上的选择更高，更好适应于狭窄曲折的肠内环境；本发明的内窥镜摄像头可进行稳定无线传输，使用操作不受线材长度限制，实时同步所摄画面至电脑和手机等设备。

虽然，前文已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明做了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之进行修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。

Claims (9)

1.一种软体内窥镜结构，其特征在于，包括指状软体，所述指状软体内部中心处设有内孔，所述内孔设有摄像头及照明设备；以所述内孔为中心分别设有三个相隔120度的气体驱动腔体，所述指状软体的外部表面均匀设有三个相隔120度的半圆柱状凹陷部，各个半圆柱状凹陷部分别填充有混合硅橡胶半圆柱体，各个混合硅橡胶半圆柱体内加入有交联剂，各个混合硅橡胶半圆柱体内部还固定有光纤位置传感器。

2.根据权利要求1所述的软体内窥镜结构，其特征在于，所述指状软体内部，以所述内孔为中心还分别设有三个相隔120度的光纤布拉格光栅传感器。

3.根据权利要求1所述的软体内窥镜结构，其特征在于，所述气体驱动腔体的顶端横截面外径为16mm。

4.根据权利要求1所述的软体内窥镜结构，其特征在于，所述内孔直径为4mm。

5.根据权利要求1所述的软体内窥镜结构，其特征在于，所述指状软体的材质为医用硅橡胶，所述指状软体采用3D打印技术于真空环境中浇筑得到。

6.根据权利要求1所述的软体内窥镜结构，其特征在于，所述摄像头为200w像素，4mm直径的无线内窥镜摄像头。

7.根据权利要求1所述的软体内窥镜结构，其特征在于，各个气体驱动腔体的分别由独立气室驱动，从而通过各个气体驱动腔体的不同收缩状态所述指状软体的弯曲方向和弯曲程度。

8.根据权利要求2所述的软体内窥镜结构，其特征在于，所述指状软体中所述摄像头、所述照明设备，各个气体驱动腔体，各个光纤位置传感器、各个光纤布拉格光栅传感器分别与微控制器电信号连接。

9.根据权利要求8所述的软体内窥镜结构，其特征在于，所述微控制器为型号Arduinomega2560的单片机。

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