CN112826596A - 力感知装置、医疗器械、医疗操控系统及主从式医疗操控系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种力感知装置、医疗器械、医疗操控系统及主从式医疗操控系统，包括驱动部件、力感知模块和分析部件。所述驱动部件为柔性驱动部件。所述力感知模块与所述驱动部件连接，用于获取与所述驱动部件在进行医疗操作时受到的作用力相关的感知信息。所述分析部件与所述力感知模块连接，用于采集所述力感知模块的感知信息，分析获得所述驱动部件在进行所述医疗操作时受到的作用力。上述力感知模块可以将医疗器械的远位端的驱动部件所受的作用力转换成分析部件所能识别的物理变化量，力感知模块结构简单，成本低，易于生产制造，并且分析部件不需要设置在医疗器械本体内部，因此上述力感知装置可以产生稳定可靠的力反馈效果。

Description

力感知装置、医疗器械、医疗操控系统及主从式医疗操控系统

技术领域

本申请涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种力感知装置、医疗器械、医疗操控系统及主从式医疗操控系统。

背景技术

目前远程操控的医学设备中，一般采用主从控制方式进行操控，即医生通过操作机器人的主动端，以主从控制方式远程操控从动端的机器人的医疗器械，以对患者进行诊断或治疗。

流通于市场的手术机器人的大部分医疗器械中，都没有实现稳定可靠的力传感功能。究其原因，一方面为对于医疗器械的尺寸限制要求很高(直径通常在8mm以内)，在狭小密闭的空间范围内，可布置的传感器的种类有限。另一方面为医疗器械通常是多次重复使用的，所以每次使用过后需要进行灭菌处理，灭菌方法通常是将医疗器械沉浸于碱性液体环境中进行高温高压的处理。这样严酷的外界环境对于装载于医疗器械内部的传感器会造成不可逆转的破坏。所以，以上原因导致医疗器械的力传感功能始终未能在市场中普及使用，而处于研究阶段。

发明内容

基于此，针对上述技术问题，本申请提供一种力感知装置、医疗器械、医疗操控系统及主从式医疗操控系统。

本申请提供一种力感知装置，包括：

驱动部件，所述驱动部件为柔性驱动部件；

力感知模块，与所述驱动部件连接，用于获取与所述驱动部件在进行医疗操作时受到的作用力相关的感知信息；以及

分析部件，与所述力感知模块连接，用于采集所述力感知模块的感知信息，分析获得所述驱动部件在进行所述医疗操作时受到的作用力。

在其中一个实施例中，所述力感知模块包括：

导向部件，与所述驱动部件连接，所述导向部件用于引导所述驱动部件导入和导出所述力感知模块；以及

感知元件，与所述驱动部件连接，所述感知元件能够获取与所述驱动部件在进行医疗操作时受到的作用力相关的力信息或位移信息。

在其中一个实施例中，所述导向部件为两个，所述感知元件与所述驱动部件的连接位置处于两个所述导向部件之间，所述感知元件与所述驱动部件的连接位置与所述驱动部件与两个所述导向部件的连接位置不共线。

在其中一个实施例中，所述感知元件包括位移传感器或压力传感器。

在其中一个实施例中，所述感知元件还包括连接件，所述连接件与所述驱动部件连接。

在其中一个实施例中，所述分析部件接收所述力感知模块获取的力信息或位移信息，依据接收的力信息或位移信息通过几何关系运算获得所述驱动部件受到的作用力，其中几何关系包括共点力平衡的几何关系和位移的三角形几何关系。

基于相同的发明构思，本申请提供一种医疗器械，包括：

执行部件，用于进行医疗操作；以及

力感知装置，所述力感知装置为上述实施例中任意一项所述的力感知装置，用于检测所述执行部件的操作力。

基于相同的发明构思，本申请提供一种医疗操控系统，包括：

用于控制手术操作的机械臂；

如上述实施例所述的医疗器械，所述医疗器械连接于所述机械臂，用于执行手术操作。

基于相同的发明构思，本申请提供一种主从式医疗操控系统，包括：

用于控制手术操作的机械臂；

如上述实施例所述的医疗器械，所述医疗器械连接于所述机械臂，用于执行手术操作；以及

控制所述机械臂及所述医疗器械执行手术操作的主操作手。

在其中一个实施例中，所述主操作手具有力反馈装置，用于将所述医疗器械感知的操作力反馈给主操作手，使得执行端的操作力被控制端感知到；所述力反馈装置还能够将主操作手的操控信息传输给执行端的所述机械臂和所述医疗器械，控制所述机械臂和所述医疗器械进行手术操作。

上述力感知装置、医疗器械、医疗操控系统及主从式医疗操控系统，包括驱动部件、力感知模块和分析部件。所述驱动部件为柔性驱动部件。所述力感知模块与所述驱动部件连接，用于获取与所述驱动部件在进行医疗操作时受到的作用力相关的感知信息。所述分析部件与所述力感知模块连接，用于采集所述力感知模块的感知信息，分析获得所述驱动部件在进行所述医疗操作时受到的作用力。上述力感知模块可以将医疗器械的远位端的驱动部件所受的作用力转换成分析部件所能识别的物理变化量，力感知模块结构简单，成本低，易于生产制造，并且所述感知元件上用于感知与所述驱动部件在进行医疗操作时受到的作用力相关的力信息或位移信息的部分和分析部件不需要设置在医疗器械本体内部，因此，所述感知元件可以与医疗器械本体一样承受住消毒灭菌的处理而不影响使用性能，进而上述力感知装置可以产生稳定可靠的力反馈效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一个实施例提供的力感知装置结构示意图；

图2为本申请另一个实施例提供的力感知装置结构示意图；

图3为本申请一个实施例提供的医疗器械结构示意图；

图4为本申请一个实施例提供的医疗操控系统结构示意图；

图5为本申请一个实施例提供的主从式医疗操控系统结构示意图。

主要元件附图标号说明

10、驱动部件；20、力感知模块；21、导向部件；22、感知元件；221、连接件；30、分析部件；40、执行部件；50、机械臂；60、主操作手；61、操作部件；62、控制部件；70、医疗器械。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一获取模块称为第二获取模块，且类似地，可将第二获取模块称为第一获取模块。第一获取模块和第二获取模块两者都是获取模块，但其不是同一个获取模块。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本申请实施例的目的。如说明书中所述，“末端”、“远位端”指的是远离产品操作者、靠近病人的一端，“头端”、“近位端”指的是靠近产品操作者、远离病人的一端。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

由于一些医疗操作(如手术及诊断等操作)的过程中，会存在放射线等对于医生会造成伤害的情况；另外，在某些介入手术过程中，需要同时利用医学扫描成像设备对病人进行全身或局部扫描成像，此时医生无法进入医疗室，具体地，医学扫描成像设备可以是诸如普通电子计算机断层扫描设备(Computed Tomography，简称CT)、锥形束电子计算机断层扫描设备(Cone beam Computed Tomography，简称CBCT)等医疗设备。在上述两种情况下，一般可通过在控制室控制医疗室(如手术室)中的机器人进行相应的医疗操作；针对医疗资源短缺情况，甚至可在异地来远程操控临床的机器人进行医疗操作。

手术机器人系统包括主端设备和从端设备。主端设备与从端设备之间可通过有线或无线的方式通信连接，以使得主端设备能够远程主从操控从端设备对患者进行诸如诊断、图像采集及手术等医疗操作。从端设备包括机械臂和与机械臂40连接的医疗器械。医疗器械的远位端上的各关节都是由绳或丝的推拉所驱动。而带动绳或丝的运动的驱动源为位于器械近位的气缸。其力感知原理为，通过设置于各气缸的气路上的气压计来测量出气缸的压力差，从而推导出绳或丝的轴向方向的力，最后换算出医疗器械远位的各关节的受力大小。这种在各气缸的气路上设置气压计的方式因设置空间狭小并且难以承受严酷的灭菌环境，会导致不能实现稳定可靠的力传感功能。

本申请提供一种力感知装置。上力感知装置包括驱动部件10、力感知模块20和分析部件30。所述驱动部件10为柔性驱动部件。所述力感知模块20与所述驱动部件10连接，用于获取与所述驱动部件10在进行医疗操作时受到的作用力相关的感知信息。所述分析部件30与所述力感知模块20连接，用于采集所述力感知模块20的感知信息，分析获得所述驱动部件10在进行所述医疗操作时受到的作用力。

可以理解的是，驱动部件10和至少部分力感知模块20设置在医疗器械70中。所述驱动部件10的结构不做具体限定。所述驱动部件10可以是任何通过导绳、导带或导丝等传递动力的柔性驱动部件。所述力感知模块20的结构不做具体限定，只要可以将医疗器械70的远位端的驱动部件10所受的作用力转换成分析部件30所能识别的物理变化量即可。

在一个实施例中，所述力感知模块20包括导向部件21、感知元件22。导向部件21与所述驱动部件10连接。所述导向部件21用于引导所述驱动部件10导入和导出所述力感知模块20。所述感知元件22与所述驱动部件连接。所述感知元件22能够获取与所述驱动部件10在进行医疗操作时受到的作用力相关的力信息或位移信息。

可以理解的是，医疗器械上设置基座(图中未示出)。所述导向部件21和部分所述感知元件22固定在所述基座上。具体地，所述感知元件22上用于与所述驱动部件10连接的部分固定在所述基座上。所述感知元件22上用于感知与所述驱动部件在进行医疗操作时受到的作用力相关的力信息或位移信息的部分位于所述医疗器械的外部。因此，所述感知元件22可以与医疗器械本体一样承受住消毒灭菌的处理而不影响使用性能，进而上述力感知模块20可以产生稳定可靠的力反馈效果。

可选地，所述导向部件21为两个。所述感知元件22与所述驱动部件10的连接位置处于两个所述导向部件21之间，所述感知元件22与所述驱动部件10的连接位置与所述驱动部件10与两个所述导向部件21的连接位置不共线。此时，两个所述导向部件21以及所述感知元件22与所述驱动部件10的连接位置构成一个V型结构。

可选地，请参见图1，所述感知元件22包括连接件221和位移传感器。连接件221为弹性元件。所述弹性元件的一端固定在所述基座上，弹性元件的另一端与所述驱动部件10连接。位移传感器可以位于所述医疗器械的外部。所述弹性元件将所述驱动部件10在进行所述医疗操作时受到的作用力相关的参数信息转化为位移信号。

具体的，以驱动器械远位的某一个钳齿关节的旋转为例，左侧的驱动源M上缠绕有一根绳(驱动部件10)。该绳绕过驱动源M，分别通过力感知模块20上的一个导向部件21，然后穿过弹性元件的末端，再通过另一个导向部件21，最后偶连在器械的转轴上。此时，两个导向部件21以及弹性元件的末端构成一个V型结构。此处的弹性元件是以一个拉伸弹簧为例，当绳受到拉力张力变大时，拉伸弹簧则会受到绳的作用力而被拉伸，这个时候位于器械外部的位移传感器则会测得弹簧的拉伸量。位移传感器将测得的弹簧的拉伸量发送至分析部件30。分析部件30依据弹簧的拉伸量通过几何关系运算从而判断出绳的张力的变化。其中几何关系包括共点力平衡的几何关系和位移的三角形几何关系。可以理解的是，分析部件30可以是单独设置的处理器。此时，分析部件30位于所述医疗器械的外部，并与所述位移传感器电连接。分析部件30还可以直接集成在位移传感器中的处理器。因为位移传感器设置于医疗器械以外(比如固定于机械臂40上)，所以对位移传感器的尺寸的限制很小。于是位移传感器有了很多的选择，比如位移传感器可以使用电涡流距离传感器，激光距离传感器，超声波距离传感器等位移传感器。此处用来力感知的弹性元件也有多种选择，比如可以使用拉伸弹簧，扭簧，橡皮筋等弹性元件。

可以理解的是，感知元件22中的位移传感器不一定要成对使用，也可以单独使用来测量绳的受力情况。此外，力感知模块20的弹性元件的布置方法不局限于上述方式，也可以有多种配置位置，只要能达到将绳所受张力转换为弹性元件的位移形变，则可以归入此变化例范围内。

可选地，请参见图2，所述感知元件22包括连接件221和压力传感器。连接件221为刚性元件。所述刚性元件的一端与所述压力传感器连接，所述刚性元件的另一端与所述驱动部件10连接。所述压力传感器可以位于所述医疗器械的外部。所述刚性元件将所述驱动部件10在进行所述医疗操作时受到的作用力相关的参数信息转化为压力信号。

具体的，以驱动器械远位的某一个钳齿关节的旋转为例，左侧的驱动源M上缠绕有一根绳(驱动部件10)。该绳绕过驱动源M，分别通过力感知模块20上的一个导向部件21，然后穿过刚性元件的末端，再通过另一个导向部件21，最后偶连在器械的转轴上。此时，两个导向部件21以及刚性元件的末端构成一个V型结构。此实施例与上述实施例不同的是，利用在绳的径向布置刚性强的刚性元件，当绳受到拉力张力变大时，刚性元件则会受到绳的作用力而被压缩，这个时候位于器械外部的压力传感器则会测得刚性元件的压力信息。压力传感器将测得的刚性元件的压力信息发送至分析部件30。分析部件30依据刚性元件的压力信息通过几何关系运算从而判断出绳的张力的变化。其中几何关系包括共点力平衡的几何关系和位移的三角形几何关系。可以理解的是，分析部件30可以是单独设置的处理器。此时，分析部件30位于所述医疗器械的外部，并与所述压力传感器电连接。分析部件30还可以直接集成在压力移传感器中的处理器。

本实施例中，力感知模块20可以将医疗器械的远位端的驱动部件10所受的作用力转换成分析部件30所能识别的物理变化量，力感知模块20结构简单，成本低，易于生产制造，并且分析部件30不需要设置在医疗器械本体内部，因此上述力感知装置可以产生稳定可靠的力反馈效果。

请参见图3，基于相同的发明构思，本申请提供一种医疗器械70。医疗器械70包括执行部件40和力感知装置。

执行部件40用于进行医疗操作。所述力感知装置为上述实施例中任意一项所述的力感知装置，用于检测所述执行部件40的操作力。执行部件40由驱动部件10的推拉所驱动。执行部件40可以为远位关节。分析部件30依据弹簧的拉伸量或者刚性元件的压力信息通过几何关系运算从而判断出驱动部件10的张力的变化，进而可以推导出执行部件40的受力值。

当被驱动的远位关节(执行部件40)在空载运动时，位于近位的2个传感器分别检测到的距离参数会有一个差值，这个差值是由绳所受的摩擦，以及医疗器械的惯性力矩等导致的，通过从机械结构的设计上减少有害摩擦力，并对医疗器械的惯性力矩进行补偿，可以将这个差值所造成的测试精度的影响降到很低的水平。

当医疗器械的远位关节受到手术过程中体内组织传达来的外力时，位于近位的2个传感器所检测到的距离参数，将会有一个比空载状态时更大的差值，这个差值中包含了上述的绳摩擦和器械本身的惯性力矩，以及实际外部载荷所传达到器械上的力。我们只需通过分析部件30的内部计算，将这个差值进行补偿，即可得到远位关节所受到的外部力的结果。

本实施例中，在医疗器械70的近位端设置力感知模块20，该力感知模块20可以将医疗器械70的远位端的驱动部件10所受的外界力量信息转换成分析部件30所能识别的物理变化量。力感知模块20的结构简单、成本低并且易于生产。并且力感知模块20可以与医疗器械70本体一样承受住消毒灭菌的处理而不影响使用性能，并且分析部件30不需要设置在医疗器械70本体内部，因此上述医疗器械70可以产生稳定可靠的力反馈效果。

请参见图4，基于相同的发明构思，本申请提供一种医疗操控系统。医疗操控系统包括用于控制手术操作的机械臂50和如上述实施例所述的医疗器械70。所述医疗器械70连接于所述机械臂50，用于执行手术操作。

可以理解的是，所述机械臂50控制所述医疗器械70进行手术操作。所述医疗器械70中位移传感器、压力传感器或者分析部件30可以设置于所述机械臂50上。由于位移传感器、压力传感器或者分析部件30设置在医疗器械以外的部分，所以对位移传感器、压力传感器以及分析部件30的尺寸的限制很小。于是位移传感器、压力传感器以及分析部件30有了很多的选择。并且力感知模块20可以与医疗器械70本体一样承受住消毒灭菌的处理而不影响使用性能，并且分析部件30不需要设置在医疗器械70本体内部，因此上述医疗器械70可以产生稳定可靠的力反馈效果。

请参见图5，基于相同的发明构思，本申请提供一种主从式医疗操控系统。上述主从式医疗操控系统包括用于控制手术操作的机械臂50、如上述实施例所述的医疗器械70以及控制所述机械臂50及所述医疗器械70执行手术操作的主操作手60。所述医疗器械70连接于所述机械臂50，用于执行手术操作。

在其中一个实施例中，所述主操作手60具有力反馈装置，用于将所述医疗器械70感知的操作力反馈给主操作手60，使得执行端的操作力被控制端感知到；所述力反馈装置还能够将主操作手60的操控信息传输给执行端的所述机械臂50和所述医疗器械70，控制所述机械臂50和所述医疗器械70进行手术操作。

可选地，所述力反馈装置包括操作部件61和控制部件62。所述操作部件61可以包括旋钮、控制手柄。所述操作部件61在主端设备将所述医疗器械70感知的操作力进行模拟呈现，以使得通过主操作手60操作医疗器械70时所呈现的反馈，与机械臂50操作医疗器械70时所受到的反馈同步且相同。其中，该实时反馈的参数信息可包括所述医疗器械70进行医疗操作时所受到的各种阻力(如压力、摩擦力等)。

控制部件62与所述机械臂50和所述操作部件61分别电连接，所述操作部件61通过所述控制部件62控制所述所述机械臂50及所述医疗器械70执行手术操作。所述控制部件62还与所述分析部件30通信连接，用于对所述医疗器械70感知的操作力进行融合处理。所述操作部件61可以根据所述控制部件62融合处理所输出的参数信息提供触觉反馈。并且所述控制部件62还能够将主操作手60的操控信息传输给执行端的所述机械臂50和所述医疗器械70，控制所述机械臂50和所述医疗器械70进行手术操作。

控制部件62可与机械臂50的主机(该主机可相当于本申请实施例中驱动源)之间基于PCIe、TCP/IP等协议通过光纤或电缆有线连接，也可基于TCP/IP或者5G等所搭建的无线通信网络通信连接。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种力感知装置，其特征在于，包括：

驱动部件，所述驱动部件为柔性驱动部件；

力感知模块，与所述驱动部件连接，用于获取与所述驱动部件在进行医疗操作时受到的作用力相关的感知信息；以及

分析部件，与所述力感知模块连接，用于采集所述力感知模块的感知信息，分析获得所述驱动部件在进行所述医疗操作时受到的作用力。

2.根据权利要求1所述的力感知装置，其特征在于，所述力感知模块包括：

导向部件，与所述驱动部件连接，所述导向部件用于引导所述驱动部件导入和导出所述力感知模块；以及

感知元件，与所述驱动部件连接，所述感知元件能够获取与所述驱动部件在进行医疗操作时受到的作用力相关的力信息或位移信息。

3.根据权利要求2所述的力感知装置，其特征在于，所述导向部件为两个，所述感知元件与所述驱动部件的连接位置处于两个所述导向部件之间，所述感知元件与所述驱动部件的连接位置与所述驱动部件与两个所述导向部件的连接位置不共线。

4.根据权利要求3所述的力感知装置，其特征在于，所述感知元件包括位移传感器或压力传感器。

5.根据权利要求4所述的力感知装置，其特征在于，所述感知元件还包括连接件，所述连接件与所述驱动部件连接。

6.根据权利要求5所述的力感知装置，其特征在于，所述分析部件接收所述力感知模块获取的力信息或位移信息，依据接收的力信息或位移信息通过几何关系运算获得所述驱动部件受到的作用力，其中几何关系包括共点力平衡的几何关系和位移的三角形几何关系。

7.一种医疗器械，其特征在于，包括：

执行部件，用于进行医疗操作；以及

力感知装置，所述力感知装置为权利要求1-5任意一项所述的力感知装置，用于检测所述执行部件的操作力。

8.一种医疗操控系统，其特征在于，包括：

用于控制手术操作的机械臂；

如权利要求7所述的医疗器械，所述医疗器械连接于所述机械臂，用于执行手术操作。

9.一种主从式医疗操控系统，其特征在于，包括：

用于控制手术操作的机械臂；

如权利要求7所述的医疗器械，所述医疗器械连接于所述机械臂，用于执行手术操作；以及

控制所述机械臂及所述医疗器械执行手术操作的主操作手。

10.如权利要求9所述的主从式医疗操控系统，其特征在于，所述主操作手具有力反馈装置，用于将所述医疗器械感知的操作力反馈给主操作手，使得执行端的操作力被控制端感知到；所述力反馈装置还能够将主操作手的操控信息传输给执行端的所述机械臂和所述医疗器械，控制所述机械臂和所述医疗器械进行手术操作。

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