CN112509647A - 用于吸持生物组织的亲水界面选取系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于吸持生物组织的亲水界面选取系统及方法，通过获取已制备的各个亲水界面的液膜张力参数以及待吸持生物组织的液膜张力的安全范围；将所述液膜张力的安全范围与各个亲水界面的液膜张力参数进行比较，选取所述液膜张力参数在所述安全范围的亲水界面作为所述生物组织的优选界面，从而通过将选取的亲水界面的液膜张力精准的控制在安全范围内，使亲水界面产生的液膜张力实现界面与人体组织稳定、无损伤的夹持和牵拉，避免现有的手术器械在夹持生物组织时，易造成组织损伤与滑脱的技术问题。

Description

用于吸持生物组织的亲水界面选取系统及方法

技术领域

本发明涉及手术器械亲水界面的制造领域，尤其涉及用于吸持生物组织的亲水界面选取系统及方法。

背景技术

与开放手术和传统腔镜手术不同，手术机器人通过机械装置映射动作完成手术操作，手术医师无法直接接触组织，无法通过肢体感受器实时反馈手术中组织亲水界面承受的力载荷，仅通过视觉反馈及手术医师的操作经验判断组织受力情况，存在力反馈缺失，无法及时、准确调控力载荷输出，容易导致组织撕裂、出血等不可逆损伤发生。因此，如何消除力反馈缺失条件下器械-组织亲水界面异常力学接触，避免组织损伤与滑脱，充分体现机器人手术微创治疗优势，成为临床工作中亟待解决的现实问题。

发明内容

本发明提供了用于吸持生物组织的亲水界面选取系统及方法，用于解决现有的手术器械在夹持生物组织时，易造成组织损伤与滑脱的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于吸持生物组织的亲水界面选取系统，包括：获取组件、数据库组件以及控制组件，所述控制组件分别与所述获取组件以及控制组件连接；

所述获取组件，用于获取待吸持生物组织的液膜张力的安全范围；

所述数据库组件，用于存储已制备的各个亲水界面编号及对应的液膜张力参数；

所述控制组件，用于将所述液膜张力的安全范围与所述亲水界面的液膜张力参数进行比较，并将数值在所述安全范围内的液膜张力参数所对应编号的亲水界面作为最优界面。

优选的，所述获取组件包括操作界面，所述操作界面用于供用户录入所述安全范围。

优选的，通过使用大小不同的力度对所述生物组织进行夹持试验，选取力度最小，且能夹持住所述生物组织的力度值作为所述安全范围的下限值；选取力度最小，且对所述生物组织造成损伤的力度值作为所述安全范围的上限值。

优选的，所述数据库组件包括数据录入组件以及存储组件，所述数据录入组件用于录入所述亲水界面的编号及对应的结构参数，并根据所述结构参数与预存的液膜张力计算模型计算对应编号的亲水界面的液膜张力，并将所述亲水界面的编号及对应的液膜张力发送至所述存储组件中存储。

优选的，所述亲水界面均采用正六边形的纳米粒子制备而成，所述结构参数包括所述亲水界面的纳米粒子的形状、大小以及纳米粒子之间的间隙大小以及亲水界面的表面积大小，所述液膜张力计算模型为：

其中，R为所述纳米粒子的外接圆半径，h为液膜厚度，γ为液膜表面张力，w为相邻纳米粒子之间的间隙宽度，F_L为液膜张力，S为所述亲水界面的表面积，所述表面积用于产生所述液膜张力，以吸持所述生物组织。

优选的，所述数据录入组件还用于录入各个亲水界面的编号、对应的亲水界面的存储位置以及各个亲水界面的编号与对应的亲水界面的存储位置之间的第一映射表，还包括与所述控制组件连接的执行组件，所述执行组件用于从所述存储组件中调用所述第一映射表，并基于所述从所述第一映射表中查找所述编号对应的亲水界面的存储位置，并控制所述执行组件将所述存储位置的亲水界面取出以供用户使用。

一种用于吸持生物组织的亲水界面选取方法，包括以下步骤：

获取已制备的各个亲水界面的液膜张力参数以及待吸持生物组织的液膜张力的安全范围；

将所述液膜张力的安全范围与各个亲水界面的液膜张力参数进行比较，选取所述液膜张力参数在所述安全范围的亲水界面作为所述生物组织的优选界面。

优选的，获取已制备的各个亲水界面的液膜张力参数，具体包括以下步骤：

获取所述亲水界面的结构参数，所述结构参数包括所述亲水界面的纳米粒子的形状、大小以及纳米粒子之间的间隙大小以及亲水界面表面积的大小；

根据所述亲水界面的结构参数计算所述亲水界面的液膜张力参数。

优选的，当所述亲水界面的纳米粒子的形状为正六边形时，根据所述亲水界面的结构参数计算所述亲水界面的液膜张力参数通过以下公式计算得到：

其中，R为所述纳米粒子的外接圆半径，h为液膜厚度，γ为液膜表面张力，w为相邻纳米粒子之间的间隙宽度，F_L为液膜张力，S为所述亲水界面的表面积，所述表面积用于产生所述液膜张力，以吸持所述生物组织。

优选的，获取待吸持生物组织的液膜张力的安全范围，具体包括以下步骤：

使用大小不同的力度对所述生物组织进行夹持试验，选取力度最小，且能夹持住所述生物组织的力度值作为所述安全范围的下限值；选取力度最小，且对所述生物组织造成损伤的力度值作为所述安全范围的上限值。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明中的用于吸持生物组织的亲水界面选取系统及方法，通过获取已制备的各个亲水界面的液膜张力参数及待吸持生物组织的液膜张力的安全范围；将所述液膜张力的安全范围与各个亲水界面的液膜张力参数进行比较，选取所述液膜张力参数在所述安全范围的亲水界面作为所述生物组织的优选界面，从而通过将选取的亲水界面的液膜张力精准的控制在安全范围内，使亲水界面产生的液膜张力实现界面与人体组织稳定、无损伤的夹持和牵拉，避免现有的手术器械在夹持生物组织时，易造成组织损伤与滑脱的技术问题。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明中的用于吸持生物组织的亲水界面选取系统的结构简图；

图2是本发明中优选实施例中的亲水界面的局部结构图；

图3是本发明优化实施例中的亲水界面的第一种结构图；

图4是本发明优化实施例中的亲水界面的第二种结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例一：

如图1所示,本发明公开了一种用于吸持生物组织的亲水界面选取系统，包括：获取组件、数据库组件以及控制组件，所述控制组件分别与所述获取组件以及控制组件连接；

所述获取组件，用于获取待吸持生物组织的液膜张力的安全范围；

所述数据库组件，用于存储已制备的各个亲水界面编号及对应的液膜张力参数；

所述控制组件，用于将所述液膜张力的安全范围与所述亲水界面的液膜张力参数进行比较，并将数值在所述安全范围内的液膜张力参数所对应编号的亲水界面作为最优界面。

此外，在本实施例中，还公开了一种用于吸持生物组织的亲水界面选取方法，包括以下步骤：

获取已制备的各个亲水界面的液膜张力参数以及待吸持的生物组织的液膜张力的安全范围；

将所述液膜张力的安全范围与各个亲水界面的液膜张力参数进行比较，选取所述液膜张力参数在所述安全范围的亲水界面作为所述生物组织的优选界面。

本发明中的用于吸持生物组织的亲水界面选取系统及方法，通过获取已制备的各个亲水界面的液膜张力参数及待吸持的生物组织的液膜张力的安全范围；将所述液膜张力的安全范围与各个亲水界面的液膜张力参数进行比较，选取所述液膜张力参数在所述安全范围的亲水界面作为所述生物组织的优选界面，从而通过将选取的亲水界面的液膜张力精准的控制在安全范围内，使亲水界面产生的液膜张力实现界面与人体组织稳定、无损伤的夹持和牵拉，避免现有的手术器械在夹持生物组织时，易造成组织损伤与滑脱的技术问题。

实施例二：

实施例二是实施例的拓展实施例，其与实施例一的不同之处在于，对吸持生物组织的亲水界面选取系统的具体结构进行了拓展，对用于吸持生物组织的亲水界面选取方法的具体步骤进行了细化：

在本实施例中，公开了一种用于吸持生物组织的亲水界面选取系统，包括：获取组件、数据库组件以及控制组件，所述控制组件分别与所述获取组件以及控制组件连接；

所述获取组件，用于获取待吸持的生物组织的液膜张力的安全范围；

其中，在本实施例中获取组件为操作界面，所述操作界面用于供用户录入所述安全范围。

具体的，所述安全范围的下限值和上限值通过以下步骤获取得到

(1)获取吸持所述生物组织的下限值和上限值：

步骤1：使用钳头沿生物组织表面的垂直方向用初始力度的夹持力(如1N)夹持所述生物组织，观测该力度下的钳头是否能夹持住生物组织；

1A:若不能夹持住所述生物组织(即钳头与组织间发生肉眼可见的移动时)，则在初始力度的基础上逐步增加f_α(如0.5N)，并用每次增加f_α后的夹持力夹持所述生物组织，直至增加f_α后的夹持力夹持住所述生物组织，在当前夹持力的基础上逐步减少f_μ(如0.1N)，并用每次减少f_μ后的夹持力夹持所述生物组织，直至减少f_μ后的夹持力夹持不住所述生物组织，则当前夹持力+f_μ即为所述下限值；

1B:若能夹持住所述生物组织(即钳头与组织间发生肉眼可见的移动时)，则在初始力度的基础上逐步减少f_α，并用每次减少f_α后的夹持力夹持所述生物组织，直至减少f_α后的夹持力夹持不住所述生物组织，在当前力度的基础上逐步增加f_μ，并用每次增加f_μ后的夹持力夹持所述生物组织，直至增加后的f_μ的夹持力能夹持住所述生物组织，则该当前力度即为所述下限值；

步骤2：在下限值的基础上逐步增加f_α，并用每次增加f_α后的夹持力夹持所述生物组织，直至增加f_α后的夹持力夹持所述生物组织时，造成肉眼可见的损伤，在当前力度的基础上逐步减少f_μ，并用每次减少f_μ后的夹持力夹持所述生物组织，直至减少f_μ后的夹持力夹持住所述生物组织，且不会造成肉眼可见的损伤，则当前力度+f_μ即为所述上限值。

所述数据库组件，用于存储已制备的各个亲水界面编号及对应的液膜张力参数；

其中，所述数据库组件包括数据录入组件以及存储组件，所述数据录入组件用于录入所述亲水界面的编号及对应的结构参数，并根据所述结构参数与预存的液膜张力计算模型计算对应编号的亲水界面的液膜张力，并将所述亲水界面的编号及对应的液膜张力发送至所述存储组件中存储。

所述亲水界面均采用正六边形的纳米粒子制备而成，所述结构参数包括所述亲水界面的纳米粒子的形状、大小以及纳米粒子之间的间隙大小以及亲水界面的表面积大小，且所述亲水界面的为200nm；其中，由于界面实际应用于手术机器人的夹持装置上，根据夹持装置与生物组织的接触面的大小，在本实施例中，亲水界面的尺寸定义为长20mm,宽5mm，即亲水界面的表面积为100×10⁶um²。

如图2所示，纳米粒子可产生液膜张力，相邻纳米粒子之间的间隙部分无液膜张力。因此对于整个亲水界面而言，其平均液膜张力相当于上图三个蓝色区域产生的液膜张力平均分布于边长为L的三角形组成的区域内，即1/2个六边形产生的液膜张力均匀分布于三角形区域内，因此，采用液膜张力计算模型为：

其中，R为所述纳米粒子的外接圆半径，h为液膜厚度，γ为液膜的表面张力，w为相邻纳米粒子之间的间隙宽度，F_L为液膜张力，S为所述亲水界面的表面积，所述表面积用于产生所述液膜张力，以吸持所述生物组织，根据应用的器械的夹持装置大小设定。

其中，在本实施例中，液膜的表面张力γ可以用Harkins(哈根斯)的经验公式：γ＝75.796-0.145T-0.00024T²，T为摄氏温度，γ单位为mN/m,该经验公式的适用温度为10－60℃，且35度时，γ为70.427mN/m。

所述控制组件，用于将所述液膜张力的安全范围与所述亲水界面的液膜张力参数进行比较，并将数值在所述安全范围内的液膜张力参数所对应编号的亲水界面作为最优界面。

在优选方案中，所述数据录入组件还用于录入各个亲水界面的编号、对应的亲水界面的存储位置以及各个亲水界面的编号与对应的亲水界面的存储位置之间的第一映射表，还包括与所述控制组件连接的执行组件，所述执行组件用于从所述存储组件中调用所述第一映射表，并基于所述从所述第一映射表中查找所述编号对应的亲水界面的存储位置，并控制所述执行组件将所述存储位置的亲水界面取出以供用户使用。

其中，本实施例中的亲水界面有两种，第一种亲水界面如图3所示，图3的左图为本发明中的第一种清水界面的宏观俯视图，在图3中黑色部分表示微纳结构，白色部分为沟槽部；图3中的中图为左图部分界面的放大，图3中图的上部分为左图黑色部分的放大，左图的黑色部分(即微纳结构)是由沟槽相间的灰色六边形部分组成，灰色区域为与组织的接触部分，黑色部分为小沟槽，白色部分为大沟槽。图3右图为整个界面的宏观侧视图：灰色柱子代表中图的六边形，两灰色柱间的白色区域代表中图的小沟槽；两黑色柱间的白色区域代表中图的大沟槽

在图3中，该界面的宏观结构为白色的沟槽部分和黑色的接触区域，从宏观角度看是通过组织的咬合形变达到夹持的目的，进一步放大后可见黑色接触区域有大量的六边形仿生结构，该结构可通过产生的液膜张力对组织进行夹持，图3中的亲水界面即保留了传统组织钳的特征，又整合了新型仿生组织钳的优势。

第二种亲水界面如图4所示，图4的左图为第二种界面的宏观俯视图，其中，黑色部分表示微纳结构，白色部分为沟槽部；图4的中图为左图部分界面的放大图，其中，上部分为左图黑色部分的放大，可见图4的左图的黑色部分(即微纳结构)是由沟槽相间的六边形部分组成，其中，六边形是由更为微小的灰色点的圆柱组成。其中灰色区域为与组织的接触部分，黑色部分为小沟槽，白色部分为大沟槽。图4的右图为整个界面的宏观侧视图：灰色柱子代表中图的圆柱，两灰色圆柱间的白色区域代表中图的小沟槽；两黑色柱间的白色区域代表中图的大沟槽。图4中的第二种亲水界面的六边形结构较图3更为微小，可视为在图3结构上增加了二级结构，此界面有六边形结构，并且在六边形结构上具有更为精细的二级结构，更符合树蛙、蝾螈脚掌微纳结构。

在本实施例中，所述生物组织既可以是人体组织也可以是动物组织，其中生物组织可以为胃、小肠、结肠、直肠、肝、胆、血管、网膜等。

本实施例中亲水界面既可以用于手术机器人的夹持装置上，也可以用于其他医疗器械上，如腹腔镜、外科用钳、外科镊夹等，亦可用于其他生物医疗器械上。

本发明中的用于吸持生物组织的亲水界面选取系统及方法，通过获取已制备的各个亲水界面的液膜张力参数以及待吸持的生物组织的液膜张力的安全范围；将所述液膜张力的安全范围与各个亲水界面的液膜张力参数进行比较，选取所述液膜张力参数在所述安全范围的亲水界面作为所述生物组织的优选界面，从而通过将选取的亲水界面的液膜张力精准的控制在安全范围内，使亲水界面产生的液膜张力实现界面与人体组织稳定、无损伤的夹持和牵拉，避免现有的手术器械在夹持生物组织时，易造成组织损伤与滑脱的技术问题。

以上所述仅为本发明的优化实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各个更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于吸持生物组织的亲水界面选取系统，其特征在于，包括：获取组件、数据库组件以及控制组件，所述控制组件分别与所述获取组件以及控制组件连接；

所述获取组件，用于获取待吸持的生物组织的液膜张力的安全范围；

所述数据库组件，用于存储已制备的各个亲水界面编号及对应的液膜张力参数；

所述控制组件，用于将所述液膜张力的安全范围与所述亲水界面的液膜张力参数进行比较，并将数值在所述安全范围内的液膜张力参数所对应编号的亲水界面作为最优界面。

2.根据权利要求1所述的用于吸持生物组织的亲水界面选取系统，其特征在于，所述获取组件包括操作界面，所述操作界面用于供用户录入所述安全范围。

3.根据权利要求2所述的用于吸持生物组织的亲水界面选取系统，其特征在于，通过使用大小不同的力度对所述生物组织进行夹持试验，选取力度最小，且能夹持住所述生物组织的力度值作为所述安全范围的下限值；选取力度最小，且对所述生物组织造成损伤的力度值作为所述安全范围的上限值。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的用于吸持生物组织的亲水界面选取系统，其特征在于，所述数据库组件包括数据录入组件以及存储组件，所述数据录入组件用于录入所述亲水界面的编号及对应的结构参数，并根据所述结构参数与预存的液膜张力计算模型计算对应编号的亲水界面的液膜张力，并将所述亲水界面的编号及对应的液膜张力发送至所述存储组件中存储。

5.根据权利要求4所述的用于吸持生物组织的亲水界面选取系统，其特征在于，所述亲水界面均采用正六边形的纳米粒子制备而成，所述结构参数包括所述亲水界面的纳米粒子的形状、大小以及纳米粒子之间的间隙大小以及亲水界面的表面积大小，所述液膜张力计算模型为：

其中，R为所述纳米粒子的外接圆半径，h为液膜厚度，γ为液膜表面张力，w为相邻纳米粒子之间的间隙宽度，F_L为液膜张力，S为所述亲水界面的表面积，所述表面积用于产生所述液膜张力，以吸持所述生物组织。

6.根据权利要求5所述的用于吸持生物组织的亲水界面选取系统，其特征在于，所述数据录入组件还用于录入各个亲水界面的编号、对应的亲水界面的存储位置以及各个亲水界面的编号与对应的亲水界面的存储位置之间的第一映射表，还包括与所述控制组件连接的执行组件，所述执行组件用于从所述存储组件中调用所述第一映射表，并基于所述从所述第一映射表中查找所述编号对应的亲水界面的存储位置，并控制所述执行组件将所述存储位置的亲水界面取出以供用户使用。

7.一种用于吸持生物组织的亲水界面选取方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取已制备的各个亲水界面的液膜张力参数以及待吸持的生物组织的液膜张力的安全范围；

将所述液膜张力的安全范围与各个亲水界面的液膜张力参数进行比较，选取所述液膜张力参数在所述安全范围的亲水界面作为所述生物组织的优选界面。

8.根据权利要求7所述的用于吸持生物组织的亲水界面选取方法，其特征在于，获取已制备的各个亲水界面的液膜张力参数，具体包括以下步骤：

获取所述亲水界面的结构参数，所述结构参数包括所述亲水界面的纳米粒子的形状、大小以及纳米粒子之间的间隙大小以及亲水界面表面积的大小；

根据所述亲水界面的结构参数计算所述亲水界面的液膜张力参数。

9.根据权利要求8所述的用于吸持生物组织的亲水界面选取方法，其特征在于，当所述亲水界面的纳米粒子的形状为正六边形时，根据所述亲水界面的结构参数计算所述亲水界面的液膜张力参数通过以下公式计算得到：

其中，R为所述纳米粒子的外接圆半径，h为液膜厚度，γ为液膜表面张力，w为相邻纳米粒子之间的间隙宽度，F_L为液膜张力，S为所述亲水界面的表面积，所述表面积用于产生所述液膜张力，以吸持所述生物组织。

10.根据权利要求9所述的用于吸持生物组织的亲水界面选取方法，其特征在于，获取待吸持生物组织的液膜张力的安全范围，具体包括以下步骤：

使用大小不同的力度对所述生物组织进行夹持试验，选取力度最小，且能夹持住所述生物组织的力度值作为所述安全范围的下限值；选取力度最小，且对所述生物组织造成损伤的力度值作为所述安全范围的上限值。

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