CN113855123A

CN113855123A - 一种外科手术辅助机器人

Info

Publication number: CN113855123A
Application number: CN202111337983.4A
Authority: CN
Inventors: 王钊; 王群; 司亚卿
Original assignee: First Affiliated Hospital of Zhengzhou University
Current assignee: First Affiliated Hospital of Zhengzhou University
Priority date: 2021-11-12
Filing date: 2021-11-12
Publication date: 2021-12-31
Anticipated expiration: 2041-11-12
Also published as: CN113855123B

Abstract

一种外科手术辅助机器人，其操作部包括操作臂、撑开杆、导轨、夹具、相机。通过设置在夹具上的可变高度凸起结构，实现对于人体骨骼和软组织的不同夹持。同时通过指引钩拉拽力的感知，实现对机器人撑开手术开口大小的指引，从而能够在手术整个过程中实时、直观地撑开手术开口，获得合适的视野。

Description

一种外科手术辅助机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，特别涉及外科手术器械领域。

背景技术

在一些手术中，首先一步就是要切开身体皮肤和肌肉组织，使得内部待手术部位暴露出来。在这些手术中，有时只需要切开皮肤、脂肪、肌肉即可，有些还需要移动某些骨骼。例如在胸部手术中，不仅需要撑开软组织，还需要对肋骨进行移除或撑开；而在不涉及骨骼部位的手术时则只需要撑开软组织即可。由此可见，对于暴露手术部位的目的而言，不同部位的手术，需要撑开的对象并不相同。

现有技术中，对于不同对象，采用不同的撑开方式。例如肋骨采用粗大的胸骨撑开器，而皮肤等软组织则使用小型的撑开器。由于硬质的骨骼和软组织的物理性质差异较大，能够承受的夹持强度、牵拉强度也不同，因此不同用途对象撑开器的材料、结构、夹持力设计等均有较大区别。但无论哪种方式，虽然撑开装置也可调整，但这种调整通常是在手术前完成的，手术中难以用复杂的机械结构进行快速调整。因此在临床手术中经常由护士或助手通过夹具进行牵拉，在撑开器的基础上，扩大开口，增加手术视野，或增加某个方向的手术视野。然而护士或助手可短期牵拉，难以在长期手术中坚持牵拉不变形。因此，由于体力不足及长期牵拉造成的麻木，会导致二次撑开时手术视野稳定性不佳。

还有一种方式，等护士或助手短期牵拉后，再放入前述固定的撑开器，从而完成二次撑开。但这种方式不仅需要更多的人手，而且耗时较长，无法实时满足主刀医生的需求，拖延手术进程，造成不必要的风险。

现有机器人可以通过开口数值的设定进行开口撑开，但这种方式并不直观。医生输入的数字可能并不是真正想要的手术开口大小，特别是手术开口的方向（例如某个方向牵拉用力一些，某个方向牵拉力小一些，从而使得手术开口偏移），此时只能再次输入数字调整。整个调整过程非常不直观，且需要不断从手术台切换至操作面板，不利于手术中的实时操作。

为此，需要一种能够适用于骨骼、软组织等不同性质人体组织的，且能够在手术前、手术中均能随时自动、直观改变手术开口大小、形状的手术辅助机器人。

发明内容

为解决上述问题，及下属实施例中提到的诸多问题，本发明提出了如下方案：

一种外科手术辅助机器人，操作部包括操作臂、撑开杆、导轨、夹具、相机；

撑开杆设置在操作臂两侧的凹槽中，在不进行操作时，撑开杆可以缩回操作臂中；在需要操作时，撑开杆从操作臂的凹槽中滑出；撑开杆的一端滑动到凹槽末端时停止，并以该末端为转动轴实现转动，从而使得撑开杆向两边撑开；

导轨与撑开杆另一端转动连接；导轨上设置有一个或多个夹具，用于夹持人体组织；

夹具包括上下夹头、承载部、凸起，其中承载部用于承载上下两个夹头，承载部具有与导轨相配合的滑动部，用于沿导轨滑动；上下夹头相对的表面及承载部内侧均具有多个凸起，用于增加夹持的摩擦力；该凸起为柔性的材料构成，且内部填充液体；当其接触人体骨骼时，增加其内部填充液体，使其高度增高；当接触人体软组织时，减少其内部填充液体，使其高度减小；

当凸起接触骨骼时，

；

当凸起接触软组织时，

；

其中，H为凸起高度，m为经验系数，N为夹具的夹持力，其取值范围为[0,N₀]，N₀为最终的夹持力值。

还包括主机、运动臂。

撑开杆可以为两节或多节，每节之间转动连接。

导轨设置为多段，且每段轨道之间可变形连接。

还包括相机，相机位于操作臂的末端，用于采集手术开口及周边的图像。

夹头表面还具有液体吸收口，用于将手术过程中人体手术创口的液体抽吸出来。

凸起可以为半球形、圆台形、棱台形、长条形。

一种用于外科手术辅助机器人引导的指引钩，包括头部弯曲的钩体、与钩体连接的手柄、钩体正面的指引标记、位于钩体弯曲部内侧的压力传感器。

压力传感器用于当钩体勾住人体组织并向外拉拽时，实时感知此时由于人体组织回弹性给钩体弯曲部造成的压力。

一种操作外科手术辅助机器人和指引钩的方法。

发明点及技术效果

1、通过具有可变高度凸起的自动撑开装置，可以在为外科手术提供恰当的手术视野的同时，保证对人体不同性质的骨骼和软组织均实现无损伤和牢固的夹持，既无需人工费力拉拽提高了手术稳定性，又实现了与人工一致的安全性。

2、设置指引钩，使得辅助机器人能够按照人工指引的方式，模拟人工牵拉手术开口，更加方便在手术过程中调整手术开口，无需复杂的、不直观的程序设定。

3、通过感知牵拉力的方式来指引辅助机器人，使得对于真实需要的手术开口大小、偏移实现的更加准确，能够更真实模拟手工牵拉过程。

4、通过夹持力和夹持架构的优化，能够在牢固夹持的情况下避免组织损伤。

本发明的发明点包括但不限于以上，具体以实施例记载的技术内容为准。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是辅助机器人整体结构示意图

图2是辅助机器人操作部结构示意图

图3是夹具正视图

图4是夹具侧视图

图5是指引钩结构示意图。

具体实施方式

辅助机器人整体结构

辅助机器人包括主机3、运动臂2、操作部1。主机用来控制运动臂和操作部运动，从而保证操作部以最合适的方向伸入手术区域，保证其能够实现既定手术视野，并且不遮挡医生操作。运动臂可以包括多个臂，并且两个臂之间通过单轴、多轴或万向节旋转连接，从而实现在三维空间的任意移动。操作部与运动臂末端转动连接。这种转动连接也可以是单轴、多轴或万向节形式。至少的，操作部可以沿其自身的轴线旋转。操作部上具有多个夹具，用于将人体组织向外撑开，从而暴露出手术视野。

辅助机器人操作部结构

操作部包括操作臂8、撑开杆4、导轨5、夹具6、相机7。

其中操作臂与运动臂转动连接，其至少包括转动元件，使得操作臂沿其自身的中心轴线转动，从而为其端部的夹具提供沿手术开口周缘的不同的夹持位置。除此外，还可包括其他转动部件，使得操作臂与运动臂之间发生弯折转动，从而使得操作臂能够在患者身体不同方位实现移动。

撑开杆设置在操作臂两侧的凹槽中，且可以在凹槽中滑动。在不进行操作时，撑开杆可以缩回操作臂中，以节约空间；在需要操作时，撑开杆从操作臂的凹槽中滑出，当撑开杆的一端滑动到凹槽末端时停止，并以该末端为转动轴实现转动，从而使得撑开杆向两边撑开，以将手术开口撑开，获得较大的手术视野。以上转动可以通过齿轮完成。作为一种优选的方案，为了防止撑开杆遮挡手术操作，撑开杆可以为两节或多节，每节之间转动连接，从而可以更加自由地组成不同形状，使得手术操作空间更大。

导轨与撑开杆另一端转动连接。可以理解，这种转动可以为单轴、多轴或万向节形式。导轨可以为直线型，更加优选的可以为弧形，从而避免手术开口撕裂。优选导轨设置为多段，每段均包括至少1个夹具，且每段轨道之间可变形连接。由此，可使得每个夹具的位置不受导轨形状影响。

导轨上设置有一个或多个夹具，用于夹持人体组织，使得在撑开过程中人体组织不从夹具上脱落，撑开状态更加稳定牢固。夹具可以在导轨上滑动，从而能够分布于导轨不同位置，适应撑开的要求。夹具包括上下夹头6-1、承载部6-2、凸起6-3。其中承载部用于承载上下两个夹头，并且使得夹头能够在承载部上上下移动，从而实现夹持和松开。承载部具有与导轨相配合的滑动部，用于沿导轨滑动。上下夹头相对的表面及承载部内侧均具有多个凸起，用于增加夹持的摩擦力。该凸起可以为半球形、圆台形、棱台形、长条形等多种形状。

优选的，该凸起为具有一定柔性的材料构成，且内部中空，内部填充液体。由于该辅助机器人用于多种场合下，而在夹持骨骼和皮肤等软组织时，夹头与它们的摩擦力并不相同。因此需要的夹持力不同，且对它们造成的损害也不同。由于人体骨骼非常坚硬，此时使用刚性夹头去夹持，两者接触面为近似刚性接触，在夹持力较大时会导致骨骼表面受损，且夹持过程中容易滑动。为此，通过液压装置向凸起填充更多高压液体，使得凸起的凸起高度变大，如此既可以增加夹持骨骼时的摩擦力，又可以使得夹头与骨骼之间具有柔性缓冲，避免撑开过程对骨骼表面的不期望损伤。而人体软组织弹性较好，此时如果刚性夹头的凸起过大，反而会导致撑开过程中凸起嵌入组织中，造成伤害。因此，通过液压装置减小凸起内的高压液体，使得凸起的凸起高度变小，保留适当摩擦力即可。

夹头表面还具有液体吸收口，用于将手术过程中人体手术创口的液体（例如流出的血液、组织液、冲洗的生理盐水等）抽吸出来。

相机位于操作臂的末端，用于采集手术开口及周边的图像。用于判断指引钩的位置、手术开口大小、形状，从而为撑开杆、夹具提供位置信息。

指引钩结构

指引钩包括头部弯曲的钩体9-1、与钩体连接的手柄9-2、钩体正面的指引标记9-3、位于钩体弯曲部内侧的压力传感器。更优地，指引标记9-3下方设置有定位传感器（图中未示出）。

其中钩体的弯曲部用于从人体手术开口伸入，并勾住人体组织，从而方便护士或助理向外拉拽，使得人体内部的手术区域从被拉开的手术开口处暴露出来。

手柄用于为护士或助理提供握持，从而防止指引钩滑落造成手术风险。

指引标记用于为相机提供特征图案，从而方便通过相机采集的图像对指引钩的位置进行定位。指引标记可以为十字、三角、圆形等多种形状，其可以为印刷形成、发光材料贴附形成、也可以为OLED等发光器件形成的图案。特别的，该指引标记可以发射特定波长的光，避免由于手术光照过强，图像识别困难。

压力传感器位于钩体弯曲部内侧，用于当钩体勾住人体组织并向外拉拽时，实时感知此时由于人体组织回弹性给钩体弯曲部造成的压力，从而获知在当前手术开口形状、大小情况下，需要的拉拽力。该信息用于反馈至主机，并最终控制辅助机器人的夹具、撑开杆提供相同大小的向外撑开的力。

利用相机拍摄图像进行定位的方式简单成本低，但为了定位更加精确，可以在指引标记下方钩体内部埋设有定位传感器，用于实时感知指引钩弯曲部的位置。该信息用于反馈至主机，并与指引标记的位置信息相互融合，最终控制辅助机器人的夹具、撑开杆的位置。

辅助机器人操作方式

1、护士或助手使用指引钩勾住手术开口周边的人体组织（骨骼、皮肤、肌肉、软组织等），并向外拉拽，将手术开口打开至满足主导医生的手术视野要求，此时稳定不动。

2、在步骤1的过程中，辅助机器人上的相机采集手术开口图像，其中图像中包括每个指引钩上指引标记。由此，主机计算出指引钩的位置信息和姿态信息，用于获知最终撑开后，每个夹具应当处的位置和姿态。在这步骤中，优选辅助机器人还可以通过指引钩中的定位传感器获知定位钩的位置和姿态信息，并将该位置和姿态信息与通过手术开口图像计算得到的位置和姿态信息相互融合，并最终获得更为准确的位置绝对坐标以及姿态数据。因此，主机能够获得每个指引钩最初的位置、姿态和最终的位置、姿态。

此外，指引钩上的压力传感器采集每个指引钩受到的压力，即每个指引钩所需的拉力，并将该拉力发送至主机。主机根据每个指引钩拉力大小确定辅助机器人操作部的夹具向外的撑开力。

3、去掉指引钩。辅助机器人主机根据计算得到的每个指引钩最初的位置和姿态，驱动运动臂将操作部送至手术开口，并将每个夹具夹持在对应指引钩最初位置处，且保持同样的姿态（例如同样的偏转角度）。同时主机设定每个夹具对应的最大向外撑开力。在一些情况下，也可以由操作者对最初位置和姿态进行校正。

4、主机控制夹具进行夹持，为避免突然的夹持力或较大的夹持力对组织的伤害，同时能够使得不同撑开力情况下夹持牢固，夹持力的大小与向外撑开力满足如下关系，且夹持力大小按如下函数进行变化：

其中N为夹持力，F为向外撑开力，t为时间，单位为100ms，a为经验系数，可通过实验标定，在一种情况下优选a=1.6。

此时，凸起中需要充入或放出高压液体，从而使得凸起保持合适的高度。特别是，当骨骼和软组织一起撑开时，夹具的上部夹头接触软组织，下部夹头接触骨骼。此时凸起的高度应当分别控制。

当凸起接触骨骼时，

；

当凸起接触软组织时，

；

其中，H为凸起高度；m为经验系数，由高度和夹持力的单位决定，同时可通过实验进行标定；N为夹具夹持力，其取值范围为[0,N₀]。N₀为N的最大值，即最终的夹持力值。由此，可以保证凸起对于不同人体组织的适应性，即避免损伤组织，又能夹持牢固。

可以理解，上述公式也可以作为一般凸起的计算公式，即无论在哪种夹持情况下，只要凸起接触骨骼，其高度即可用第一个公式计算，只要凸起接触软组织，其高度就可以用第二个公式计算。

5、在夹持完成后，主机控制撑开杆不断向外增加向外撑开力，直至夹具达到F为止，该力增加过程可以为线性增加。由于人体无论是骨骼还是软组织，撑开的范围和其能够产生的回弹力基本固定。因此当夹具达到F时，此时撑开范围与前次护士使用指引钩撑开的范围相同。使用F来确定撑开范围，比使用图像定位、或其他传感器定位更加方便、快捷，且不受环境影响，精度更高。当然，也可以使用第2步获得的指引钩最终位置来对夹具的位置进行测试。

可以理解，上述针对一对夹具进行的描述，这在大多数情况下已经足够。但有些手术开口较大，需要使用多个夹具时，也可采用如下方式进行：满足80%的夹具中的每个实际撑开力大于各自标称撑开力F时认为撑开已经到位。

可以理解，除了上述内容，还包括一些常规结构和常规方法，由于这些内容都是公知的，不再赘述。但这并不意味着本发明不存在这些结构和方法。

本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims

1.一种外科手术辅助机器人，其特征在于：操作部包括操作臂、撑开杆、导轨、夹具、相机；

当凸起接触骨骼时，

；

当凸起接触软组织时，

；

2.如权利要求1所述的外科手术辅助机器人，其特征在于：还包括主机、运动臂。

3.如权利要求1所述的外科手术辅助机器人，其特征在于：撑开杆可以为两节或多节，每节之间转动连接。

4.如权利要求1所述的外科手术辅助机器人，其特征在于：导轨设置为多段，且每段轨道之间可变形连接。

5.如权利要求1所述的外科手术辅助机器人，其特征在于：还包括相机，相机位于操作臂的末端，用于采集手术开口及周边的图像。

6.如权利要求1所述的外科手术辅助机器人，其特征在于：夹头表面还具有液体吸收口，用于将手术过程中人体手术创口的液体抽吸出来。

7.如权利要求1所述的外科手术辅助机器人，其特征在于：凸起可以为半球形、圆台形、棱台形、长条形。

8.一种用于权利要求1-7的外科手术辅助机器人引导的指引钩，其特征在于：包括头部弯曲的钩体、与钩体连接的手柄、钩体正面的指引标记、位于钩体弯曲部内侧的压力传感器。

9.如权利要求8所述的指引钩，其特征在于：压力传感器用于当钩体勾住人体组织并向外拉拽时，实时感知此时由于人体组织回弹性给钩体弯曲部造成的压力。

10.一种操作权利要求1-9所述外科手术辅助机器人和指引钩的方法。