CN113133833A - 一种带导丝导管推进阻力反馈的血管介入机器人操作手柄 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种带导丝导管推进阻力反馈的血管介入机器人操作手柄，包括滑动导轨、固定底板、连接杆、操作把手、压力传感装置、旋转驱动装置以及直线电机，其中：旋转驱动装置、滑动导轨以及直线电机的定子部分设置在固定底板上；压力传感装置、直线电机动子部分通过滑块与滑动导轨连接，并能够沿滑动导轨往复运动；连接杆一端设置有操作把手，连接杆依次穿过压力传感装置、旋转驱动装置，连接杆另一端通过拉压力传感器与直线电机动子部分连接。本发明可以实时反馈前端导丝/导管推进过程中的接触力，并转换为阻力反馈到操作者手上，为医生提供了较好的临场感；操作手柄操控精度高，且技术实现难度和成本较低。

Description

一种带导丝导管推进阻力反馈的血管介入机器人操作手柄
技术领域
本发明涉及手术机器人操作领域，具体地，涉及一种带导丝导管推进阻力反馈的血管介入机器人操作手柄。
背景技术
近年来，心脑血管疾病逐步成为威胁人们身体健康的主要因素之一。由于介入微创手术具有精准、快速、创伤小的优点，逐渐成为治疗心血管疾病的主要手段之一。但是，血管介入手术需要在X射线的辅助下完成，手术医生必须长期暴露于X射线下。为了缓解介入手术医生的工作环境，工程上开发了血管介入机器人代替医生完成介入微创手术，医生通过远程操作或遥操作的方式，在无X射线的环境中控制血管介入手术机器人完成血管介入手术。目前，实现介入手术机器人控制的方式有两种：触摸屏和操作手柄。血管介入手术依赖于操作医生对导丝导管的掌控和反馈手感，因此，操作手柄不仅需要能够完成对手术机器人发布操作命令，例如导丝的进退、转动等，还需要将导丝导管推进过程中遇到的阻力反馈到操作者的手上，帮助医生判断当前导丝/导管在血管中的状态。导丝/导管推进阻力反馈的意义在于增强医生的手术临场感，提高手术的安全性，降低医疗事故风险。
触摸屏控制是通过触摸屏上的虚拟按键控制血管介入手术机器人进行推进导丝/导管或旋转导丝/导管的动作。此种控制方式和医生实际手术动作没有任何关联。
Catheter Robotics公司开发的Amigo远程血管介入手术机器人系统采用了一种类似于内窥镜控制手柄的操作手柄控制血管介入手术机器人的运动，来控制导丝/导管轴向运动、旋转运动以及导管前端弯曲角度。Corindus Vascular Robotics公司开发的Corpath系统采用了类似于游戏手柄来完成介入机器人对导管/导丝的控制。以上两种控制手柄同样和医生实际手术动作没有任何关联。
加拿大西安大略大学基于真实的导管导丝系统开发了一种血管介入手术机器人操作手柄。由于采用类似于真实导丝导管的操作方式，这种手柄可以完全重现医生介入手术中的手部动作。但是依然无法为医生提供导丝/导管在血管内部的触觉反馈。
一些学术机构对血管内介入手术中导丝导管的力反馈进行了研究。日本芝浦工业大学通过电流控制电流变液体的方式来反馈导丝/导管在血管中的阻力情况。中国哈尔滨工业大学利用滚轮的方式控制并进行导丝/导管的操控和控制，并利用滚轮的转动阻力反应机器人操作前端阻力。天津理工大学探索过使用磁流变液体作为力反馈介质。深圳先进技术研究院使用电机进行力反馈实现主端操作。
现阶段解决手段和方案来看，血管介入手术机器人操作手柄主要以介入手术机器人的控制器为主，为远端介入手术机器人发布运动指令，控制导管/导丝的旋转、推拉及复合动作。满足此种功能的方案和手段已经趋于成熟。当前难点依然在为操作医生提供一种反应导丝/导管在血管中的阻力的力反馈。尤其是既能模拟医生真实的操作动作，又能提供力反馈的操作手柄解决方案。尤其是在实时性、动态性能、转动和进退平移运动之间的作用力耦合等，需要探索新的原理和结构。
目前，无论国际还是国内，还没有一套成熟的操作手柄方案，既能还原血管内介入手术过程中医生的操作动作，又能为医生提供反应导丝/导管在血管内运动中阻力反馈。现有解决方案都依然处在实验阶段，其制造难度高，技术要求高，控制难度，研发及制造成本高。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种带导丝导管推进阻力反馈的血管介入机器人操作手柄。
根据本发明提供的一种带导丝导管推进阻力反馈的血管介入机器人操作手柄，包括滑动导轨、固定底板、连接杆、操作把手、压力传感装置、旋转驱动装置以及直线电机，其中：
旋转驱动装置、滑动导轨以及直线电机的定子部分设置在固定底板上；
压力传感装置、直线电机动子部分通过滑块与滑动导轨连接，并能够沿滑动导轨往复运动；
连接杆一端设置有操作把手，连接杆依次穿过压力传感装置、旋转驱动装置，连接杆另一端通过拉压力传感器与直线电机动子部分连接。
优选地，所述压力传感装置包括薄膜压力传感器、第一滑动轴承以及旋转滑环，其中：
薄膜压力传感器包裹在操作把手表面；
第一滑动轴承和旋转滑环设置在滑动导轨上；
薄膜压力传感器与旋转滑环电连接，旋转滑环外接主控制器。
优选地，还包括第二滑动轴承，第二滑动轴承固定在固定底板上，第一滑动轴承和第二滑动轴承对连接杆进行支撑。
优选地，所述旋转驱动装置包括固定座、旋转编码器、旋转驱动片以及旋转驱动杆，其中：
旋转编码器安装在固定座上；旋转驱动杆与旋转编码器转子连接；
旋转驱动片固定于连接杆上，旋转驱动片两端有连接孔，旋转驱动片通过连接孔与旋转驱动杆连接；
连接杆能够带动旋转驱动片旋转，进而通过旋转驱动杆带动旋转编码器旋转。
优选地，旋转驱动片能够通过连接孔在旋转驱动杆上滑动。
优选地，还包括止推轴承，所述止推轴承一端与连接杆相连，另一端与拉压力传感器连接。
优选地，所述直线电机通过传感器将直线电机动子运动的距离和速度传回至主控制器。
优选地，所述传感器包括光栅尺、磁栅尺、测距仪或PCB板距离传感器。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明设计的操作手柄的操作方式完全复制医生实际手术动作，医生通过很少的学习过程即可适应手柄操控方式；
2、本发明提供的操作手柄可以实时反馈前端导丝/导管推进过程中的接触力，并转换为阻力反馈到操作者手上，为医生提供了较好的临场感；
3、本发明提供的操作手柄操控精度高，直线距离分辨率可到7μm，旋转角度分辨率为0.08°，力反馈分辨率为0.5g；
4、本发明提供的操作手柄采用的所有零部件均为成品，技术实现难度和成本较低，具有很大的实际应用价值。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1和2为血管介入手术机器人操作手柄构型图；
图3为力反馈手柄控制逻辑图。
图中示出：
薄膜型压力应变片1
支撑滑动轴承2
旋转滑环3
连接杆4
旋转驱动杆5
旋转驱动片6
旋转编码器7
固定座8
双向止推轴承9
拉压力传感器10
直线电机11
滑动导轨12
固定底板13
操控把手14
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图3所述，根据本发明提供的一种带导丝导管推进阻力反馈的血管介入机器人操作手柄，模拟血管介入手术中医生的操作动作，将血管介入手术中医生推进和旋转导丝/导管的动作复现，从而控制前端的介入手术机器人完成对导管、导丝的加持、推送和旋转。由于医生的操作动作是一种复合动作，操作手柄需要将医生的操作动作解耦。同时，通过力传感器和动力执行机构将推送过程中导丝导管在血管的阻力反馈给操作手柄，从而传递给操作医生，以帮助医生判断介入手术中导丝导管推进是否顺利。实现了二自由度(直线运动及旋转)机构复现血管介入手术中医生的操作动作。具体的：带导丝导管推进阻力反馈的血管介入机器人操作手柄包括薄膜型压力应变片1、支撑滑动轴承2、旋转滑环3、连接杆4、旋转驱动杆5、旋转驱动片6、旋转编码器7、固定座8、双向止推轴承9、拉压力传感器10、直线电机11、滑动导轨12、固定底板13以及操控把手14。其中，导轨12、直线电机11定子部分和固定座8固定于固定底板13上。旋转滑环3、直线电机11动子部分和一个滑动轴承2通过滑块和滑动导轨12相连，并可以沿滑动导轨12直线运动。中空型旋转编码器7通过固定座8固定于底板上。操控把手14、旋转驱动片6、止推轴承9和拉压力传感器10连接于连接杆4上。连接杆4通过支撑滑动轴承2支撑，并可在支撑滑动轴承2内沿直线滑动和旋转。薄膜式压力应变片1贴于操控把手14表面。旋转驱动片6固定于连接杆4上，两端有开孔并通过开孔与旋转驱动杆5相连。旋转驱动片6可通过连接孔在旋转驱动杆5上滑动。旋转驱动杆5与旋转编码器转子相连。止推轴承9一端与连接杆4相连，一端与拉压力传感器10相连。最后通过拉压力传感器10将连接杆4与直线电机11动子相连。另外，另一个拉压力传感器10置于远端介入操作机器人导丝/导管推进机构中，用于测量导丝/导管推进过程中的推进力。
本发明还提供一种变化例，包括薄膜型压力应变片1、支撑滑动轴承2、旋转滑环3、连接杆4、旋转编码器7、拉压力传感器10、直线电机11、固定座8、滑动导轨12。其中，滑动导轨12、直线电机11定子部分和固定座2固定于固定底板13上。旋转滑环3、旋转编码器7、直线电机11动子部分和支撑滑动轴承2通过滑块和滑动导轨12相连，并可以沿滑动导轨12直线运动。操控把手14、旋转编码器7连接于连接杆4上。连接杆4通过支撑滑动轴承2和旋转编码器7旋转端支撑，并可在支撑滑动轴承2内沿直线滑动和旋转。薄膜式压力应变片1贴于操控把手14表面。旋转编码器7固定端通过拉压力传感器10与直线电机11的动子部分相连。
本发明工作原理如下：
血管内介入手术动作由三个基本动作组成：医生手指的夹持/松开动作(夹持导丝/导管)，医生手部的直线推送动作(推送导丝/导管直线前进)和医生手指的搓捻动作(旋转导丝/导管的旋转运动)。
Ⅰ：医生手指的夹持/松开动作实现：医生通过握住操作把手14操作手柄，并控制握持力大小控制夹持力度。操作把手14表面包裹有薄膜压力传感器1。薄膜压力传感器1会将医生的握持力转换为电流信号通过旋转滑环3传回给主控制器。主控制器通过薄膜压力传感器1电流的有无判断医生夹持动作。当薄膜压力传感器1检测到压力时，表明医生执行夹持动作，此时控制远端介入机器人夹持机构夹持导丝/导管。当薄膜压力传感器1没有检测到压力时，表明医生执行松开动作，此时控制远端介入机器人夹持机构松开导丝/导管。薄膜压力传感器1为模拟量信号，通过模拟量信号的大小检测医生夹持力的大小，从而调节远端介入机器人夹持机构的夹持力大小。
Ⅱ：医生手部的直线推送动作实现：医生通过操作把手14直线拉动或推动连接杆4运动控制导丝/导管的直线推进运动。连接杆4通过双向止推轴承9带动直线电机11的动子运动。通过直线电机11的光栅尺(或者是磁栅尺、测距仪、PCB板距离传感器)将动子运动的距离和速度传回给主控制器。此距离和速度反应医生手部推送的距离和速度，并通过此距离和速度控制远端介入手术机器人的推送机构推送导丝/导管的距离和速度。
Ⅲ：医生旋转导丝的搓捻动作实现：医生通过搓捻操作把手12旋转连接杆4控制导丝/导管的旋转运动。连接杆4的旋转运动带动旋转驱动片6旋转，从而带动旋转驱动杆5旋转。旋转驱动杆5的旋转带动旋转编码器7旋转，得到医生搓捻动作的旋转角度和旋转速度，并将旋转角度和旋转速度反馈给主控制器，从而控制远端介入手术机器人的旋转机构旋转导丝/导管的角度和速度。
远端介入手术机器人推进机构中也会设置一拉压力传感器，所述拉压力传感器会检测推进导丝/导管过程中的阻力大小，并将阻力大小转换为电信号给主控制器。主控制器根据前端阻力电流大小调节直线电机11的电流大小产生相对应的推力或拉力，直到手柄上的拉压力传感器10得到的电流值等于前端拉压力传感器测得电流值。由于操作者此时控制操控把手14，所以直线电机的推力/拉力可通过连接杆反馈给操作者。从而给操作者一种类似于医生手推动导丝/导管前进时的阻力。
本发明利用直线电机11作为操作位移测量和导管/导丝阻力反馈。利用直线电机11自身特性，使用其位置反馈作为测量医生推送距离的传感器。使用其位置控制模式驱动操作杆自动返回中位，使用其力矩控制模式为医生提供推进力反馈。本发明解决旋转滑环3、类曲柄摇杆机构和直推轴承(或磁铁)解耦机构多自由度和单一部件单自由度运动冲突和线缆无线旋转防缠绕问题。通过中空旋转滑环3解耦夹持力传感器的运动和固定电缆的约束。夹持力传感器同操作杆固连，可随操作杆直线运动和旋转运动，其导线也同操作杆运动。通过中空旋转滑环3解耦旋转运动和直线运动解决线缆的缠绕问题。通过滑动轴承和类似曲柄结构解耦操作杆的运动和旋转编码器7的旋转运动。连接杆4、旋转驱动片6和旋转驱动杆5组成一种曲柄结构，从而在不干扰连接杆4直线运动的前提下，测量得到连接杆4的旋转角度和旋转速度。通过双向止推轴承9或磁铁解耦操作杆的旋转运动和直线电机11的直线运动。连接杆4具有直线运动和旋转运动，属于两自由度运动。而直线电机11只能进行直线运动。通过双向止推轴承9或磁铁解耦连接杆4的两自由度运动和直线电机11的单自由度运动。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种带导丝导管推进阻力反馈的血管介入机器人操作手柄，其特征在于，包括滑动导轨、固定底板、连接杆、操作把手、压力传感装置、旋转驱动装置以及直线电机，其中：
旋转驱动装置、滑动导轨以及直线电机的定子部分设置在固定底板上；
压力传感装置、直线电机动子部分通过滑块与滑动导轨连接，并能够沿滑动导轨往复运动；
连接杆一端设置有操作把手，连接杆依次穿过压力传感装置、旋转驱动装置，连接杆另一端通过拉压力传感器与直线电机动子部分连接。
2.根据权利要求1所述的带导丝导管推进阻力反馈的血管介入机器人操作手柄，其特征在于，所述压力传感装置包括薄膜压力传感器、第一滑动轴承以及旋转滑环，其中：
薄膜压力传感器包裹在操作把手表面；
第一滑动轴承和旋转滑环设置在滑动导轨上；
薄膜压力传感器与旋转滑环电连接，旋转滑环外接主控制器。
3.根据权利要求2所述的带导丝导管推进阻力反馈的血管介入机器人操作手柄，其特征在于，还包括第二滑动轴承，第二滑动轴承固定在固定底板上，第一滑动轴承和第二滑动轴承对连接杆进行支撑。
4.根据权利要求1所述的带导丝导管推进阻力反馈的血管介入机器人操作手柄，其特征在于，所述旋转驱动装置包括固定座、旋转编码器、旋转驱动片以及旋转驱动杆，其中：
旋转编码器安装在固定座上；旋转驱动杆与旋转编码器转子连接；
旋转驱动片固定于连接杆上，旋转驱动片两端有连接孔，旋转驱动片通过连接孔与旋转驱动杆连接；
连接杆能够带动旋转驱动片旋转，进而通过旋转驱动杆带动旋转编码器旋转。
5.根据权利要求4所述的带导丝导管推进阻力反馈的血管介入机器人操作手柄，其特征在于，旋转驱动片能够通过连接孔在旋转驱动杆上滑动。
6.根据权利要求1所述的带导丝导管推进阻力反馈的血管介入机器人操作手柄，其特征在于，还包括止推轴承，所述止推轴承一端与连接杆相连，另一端与拉压力传感器连接。
7.根据权利要求1所述的带导丝导管推进阻力反馈的血管介入机器人操作手柄，其特征在于，所述直线电机通过传感器将直线电机动子运动的距离和速度传回至主控制器。
8.根据权利要求7所述的带导丝导管推进阻力反馈的血管介入机器人操作手柄，其特征在于，所述传感器包括光栅尺、磁栅尺、测距仪或PCB板距离传感器。
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