CN113855262B - 一种柔性的模量探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性的模量探测装置，一种柔性的模量探测装置，包括探针；护套部为柔性管，柔性管的一端管口处具有一通道，所述通道用于供所述探针进出护套部；驱动部，为形状记忆合金的丝状物，具有形状记忆效应，所述驱动部的第一端固定在护套部上，所述驱动部的第二端固定在探针上，且所述第一端相比所述第二端靠近所述通道；电源，与所述驱动部连接，用于向驱动部提供电流使得驱动部发生长度方向的形变，从而带动探针通过所述通道进出护套部对所述待测物体进行模量探测。通过本申请可以实现微创手术中对组织的模量的探测，从而解决了具有较长较为曲折的通道的微创手术过程中对组织分辨困难的技术的问题。

Description

一种柔性的模量探测装置

技术领域

本申请涉及到医疗器械领域，具体而言，涉及一种利用形状记忆合金制备的柔性手术器械。

背景技术

微创手术是应用当代先进的电子电热光学等设备和技术,以电子镜像代替肉眼直视,以细长器械代替手术刀，力求以最小的切口路径和最少的组织损伤，完成对体内病灶的观察诊断及治疗。具有出血少、术后疼痛轻、恢复快、疤痕细微或无疤痕的特点。

微创手术过程中，由于医生无法直接触摸到组织，对组织的分辨完全依赖于影像学，部分异常组织与正常组织在影像学上分辨不明显或者有时存在组织黏连较多无法通过影像学分辨的情况下，往往导致手术进行困难。尤其是针对手术方案中具有较长较为曲折的微创通道时，目前，尚没有能够无法对这类手术中目标位置的组织进行模量探测的手段。

发明内容

本申请实施例提供了一种柔性的模量探测装置，以至少解决具有较长较为曲折的微创通道时，无法对目标位置的组织进行模量探测的技术问题。

根据本申请的一个方面，提供一种柔性的模量探测装置，包括

探针；

护套部，为柔性管，柔性管的一端管口处具有一通道，所述通道用于供所述探针进出护套部；

驱动部，为形状记忆合金的丝状物，具有形状记忆效应，所述驱动部的第一端固定在护套部上，所述驱动部的第二端固定在探针上，且所述第一端相比所述第二端靠近所述通道；

电源，与所述驱动部连接，用于向驱动部提供电流使得驱动部发生长度方向的形变，从而带动探针通过所述通道进出护套部对所述待测物体进行模量探测提供了进一步的，当所述驱动部在未通电的状态下，所述探针的头部恰好位于所述通道的出口处。

进一步的，当所述驱动部在未通电的状态下，所述探针的头部恰好位于所述通道的出口处。

进一步的，所述探针包括以下条件中的至少之一：

所述探针的头部形状为圆形、所述探针的长度为0.5mm至10mm、所述探针的直径为0.05至0.6mm、所述探针的测试面积≥100μm²、所述探针的模量≥200GPa、所述探针的探测行程为5μm～200μm。

进一步的，所述护套部的弹性模量满足以下关系：

f_r＜El＜f_d

其中：E为护套部的弹性模量，l为形状记忆合金丝的形变量，f_r指的是形状记忆合金丝的回复力值；f_d指的是形状记忆合金丝的输出力值。

进一步的，所述护套部的弹性模量为2MPa～30MPa。

进一步的，所述护套部为生物医用材料。

进一步的，所述护套部为形状记忆合金网状管材、硅胶管、PDMS管中的一种。

进一步的，所述驱动部包括以下条件中的至少之一：所述形状记忆合金为镍钛基形状记忆合金，和/或，所述驱动部的直径为10-100μm，所述驱动部的长度为100μm～10cm。

进一步的，所述电源提供的电流为脉冲电流，下限为20mA，峰值为60mA到120mA。

进一步的，所述装置还包括

软件，用于记录所述驱动部发生预定长度形变时驱动部上对应的电流峰值；或

用于记录所述驱动部在预定电流作用下驱动部上对应的电阻或形变；

所述电流峰值、电阻以及形变用于计算待测试物体的模量。

在本申请实施例中，采用了一种柔性的模量探测装置，包括探针；护套部，为柔性管，柔性管的一端管口处具有一通道，所述通道用于供所述探针进出护套部；驱动部，为形状记忆合金的丝状物，具有形状记忆效应，所述驱动部的第一端固定在护套部上，所述驱动部的第二端固定在探针上，且所述第一端相比所述第二端靠近所述通道；电源，与所述驱动部连接，用于向驱动部提供电流使得驱动部发生长度方向的形变，从而带动探针通过所述通道进出护套部对所述待测物体进行模量探测。通过本申请可以实现微创手术中对组织的模量的探测，从而解决了具有较长较为曲折的通道的微创手术过程中对组织分辨困难的技术的问题。

附图说明

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

图1是根据本申请实施例的一种柔性的模量探测装置探针内置状态下的结构示意图；

图2是根据本申请实施例的一种柔性的模量探测装置探针外露状态下的结构示意图。

图中，各附图标记的含义如下：

探针头部1、探针杆体2、驱动部3、护套部4。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

微创手术中，通常需要在手术导航系统的引导下，对人体内的组织进行手术操作。手术导航系统可以将病人术前或术中影像数据和手术床上病人解剖结构准确对应，手术中跟踪手术器械并将手术器械的位置在病人影像上以虚拟探针的形式实时更新显示，使医生对手术器械相对病人解剖结构的位置一目了然，使外科手术更快速、更精确、更安全。

由于很多疾病采用微创手术时的引导路径较长、路径蜿蜒曲折较多，因此，这部分微创手术的手术器械需要是柔性的，才能在手术导航系统的引导下按照既定通道进入人体并到达病灶区域从而进行手术操作。本发明的实施例提供了一种适用于这类微创手术过程中对组织的模量的判断的手术器械，由此可以结合影像学和模量对组织进行综合评估，以便于医生做出更准确的判断。

如图1所示，是本申请实施例的一种柔性的模量探测装置的结构示意图，包括：

探针；

护套部，为柔性管，柔性管的一端管口处具有一通道，所述通道用于供所述探针进出护套部；

驱动部，为形状记忆合金的丝状物，具有形状记忆效应，所述驱动部的第一端固定在护套部上，所述驱动部的第二端固定在探针上，且所述第一端相比所述第二端靠近所述通道；

电源，与所述驱动部连接，用于向驱动部提供电流使得驱动部发生长度方向的形变，从而带动探针通过所述通道进出护套部对所述待测物体进行模量探测。

上述结构，如图1所示，丝状的驱动部以及探针均内置于柔性的护套部中，如图2所示，探针仅在进行探测时伸出护套部外，并且由于一般的探针体积相比于整个装置的体积较小，因此，整个装置整体可以视为是一种柔性结构。驱动部采用形状记忆合金效应的丝状物，当没有电流通过时，驱动部为柔性丝材，当有电流通过时，驱动部缩短，护套部受到形状记忆合金丝收缩的影响进行进行压缩，护套部变短，形状记忆合金丝带动探针向护套部外移动。当加载于驱动部上的电流消失后，护套部在弹性恢复力的作用下恢复原状，同时探针和驱动部回位。上述过程，即为该探测装置实现往复运动的原理。在上述往复运动过程中，利用探针对对目标位置的组织进行探测，可以获得组织的模量，从而解决了微创手术中具有较长较曲折的手术通道的情况下的组织模量探测问题。

上述装置通常在手术导航系统的引导下进入到手术区域后进行探测，手术导航系统在现代微创医学中的应用十分广泛，例如可以是如下的方案：一种手术导航系统及手术导航方法，用于对患者手术中所使用的手术器械进行导航，患者处于第一坐标系统中，手术导航系统包含：影像系统，用以撷取患者的影像，影像系统具有影像增强器，影像增强器上配置标记件；定位模块，用以识别标记件并获取第二坐标系统，第二坐标系统为影像增强器中的影像的坐标系统；影像传输服务模块，耦接于影像系统，用以传输患者的影像；以及导航模块，耦接于定位模块及影像传输服务模块，用以接收影像传输服务模块所传输的患者的影像，并基于第二坐标系统与第一坐标系统的坐标变换将手术器械的位置变换至第二坐标系统并实时显示在患者的影像中。

作为优选的实施例，由于驱动部在未通电的情况下是柔软的丝状物，因此，在该状态下驱动部本身无法对与其连接的探针之间产生力的作用，仅能通过外力推动护套部从而带动驱动部和探针前进，为了避免在前景过程中探针误伤探测路径上的非目标组织，当所述驱动部在未通电的状态下，所述探针的头部应内置于驱动部中，至多恰好位于所述通道的出口处，具体见图1所示状态。

作为优选的实施例，为了对目标测试位置进行有效的测量，探针需要符合很多条件，所述探针包括以下条件中的至少之一：

所述探针的头部形状为圆形、所述探针的长度为0.5mm至10mm、所述探针的直径为0.05至0.6mm、所述探针的测试面积≥100μm²、所述探针的模量≥200GPa、所述探针的探测行程为5μm～200μm。

在上述实施例中，护套部承担了柔性的壳体的作用，同时需要能够提供回弹，因此护套部的弹性模量需要满足以下关系：

f_r＜El＜f_d

其中：E为护套部的弹性模量，l为形状记忆合金丝的形变量，f_r指的是形状记忆合金丝的回复力值；f_d指的是形状记忆合金丝的输出力值。即实现当驱动部通电驱动探针时，护套部会被压缩，驱动部断电时，护套部能够回弹。

作为优选的实施例，护套部不仅需要具有柔软的特性从而能够实现在人体通道内的移动，还需要能够在外力推动下带动探针前进，相对于弹性模量为千帕级的待测组织，所述护套部的弹性模量为2MPa～30MPa能够满足上述需求。

由于上述实施例是用于在微创手术过程中人体内部通道下移动并进行组织模量探测，因此作为优选的实施例，所述护套部为生物医用材料。

作为优选的实施例，所述护套部为形状记忆合金网状管材、硅胶管、PDMS管中的一种。这些材料均满足环保、柔软且有弹性的特点，适合在本实施例中选用作为护套部。

作为可选的实施例，提供一种记忆合金丝编织的具有超弹性的形状记忆合金网状管材作为护套部。超弹性的护套部通常在温度低于100℃的情况下都具有稳定的超弹性能，能够稳定地提供柔性保护和弹性回复的作用。形状记忆合金网状管材可以通过编制技术设计模量、调控模量，可调控范围很宽，优势明显。

在上述可选实施例中，还可以进一步对护套部进行电流通断，在到达目标区域前，护套部上不通电，保持较为柔软的状态，当到达目标区域后，护套部通电，护套部相对变硬，更便于整个护套部贴合在目标对象上进行探测操作。上述护套部与驱动部之间进行绝缘设计，以免驱动部上电流的通断对护套部产生影响。

在本实施例中，为了适应微创手术的环境，需要兼顾微创手术通道狭窄蜿蜒以及驱动部需要提供有效的驱动行程的问题，对驱动部提出了诸多需要满足的条件，优选的，所述驱动部所符合的条件可以是至少之一：所述形状记忆合金为镍钛基形状记忆合金，和/或，所述驱动部的直径为10-100μm，所述驱动部的长度为100μm～10cm。

在本实施例中，驱动部在电流的作用下进行形变，为了能够有效提供足够的形变，所述电源提供的电流为脉冲电流，下限为20mA，峰值为60mA到120mA。

在上述实施例中，对待测组织模量的测量过程是基于以下力学原理：

探针在探测组织模量时，探针在驱动部提供的探针驱动力向外推动过程中受到护套部提供的探针束缚力和被测物体弹性力两个阻力。上述受力满足以下等式：

Δf＝F₁-F₂，

式中，Δf为探针阻力，单位为N；F₁为探针驱动力，单位为N；F₂为探针束缚力，单位为N。

上述Δf＝k'E。Δf与被检测物体的模量有关，接近线性。

上述F₁＝kI。F₁在一定范围内与驱动电流I呈线性关系。

上述F₂＝k₀Δl。F₂在固定行程下，为常数。

所述公式(1)中，k'的数值可以通过模拟测试中采点数据来进行拟合确定。所述k'E是一个曲面面积，通过一定的积分方式拟合获得，具体可使用一些已知模量的物体进行标定，比如木头、各种模量的树脂、生物组织等，获得的数据可以进行仿真拟合，建立模量和k’之间的关系。

基于上述等式，本实施例在探测时执行以下步骤：

1)将探针对待测物体进行测试，通过外接电源对驱动件进行通电加热，使驱动伸缩件收缩带动护套部收缩，从而使探针伸出达到设定探测行程时确定外接电源的电流峰值；

2)根据步骤1)电流峰值及设定的探测行程，按公式(1)计算待测物体的模量，所述公式(1)为：

式中，E为待测物体的模量，GPa；k为驱动伸缩件的电流与输出力值的关系常数，N/μm；I为电流峰值，mA；k₀为伸缩段的弹性常数，N/μm；Δl为探测行程，μm；k'为待测物体在探针压力下的变形常数，μm²；

3)通过外接电源对驱动伸缩件进行停电降温，从而使驱动件松弛并由护套部带动探针回伸，使探针恢复原状。

因此，优选的，在本实施例中，为了实现上述过程，上述装置的使用还离不开控制部分，因此，所述装置还包括软件，用于记录所述驱动部发生预定长度形变时驱动部上对应的电流峰值，所述电流峰值用于计算待测试物体的模量。

上述实施例中获得的模量为直接获得的方式，作为可选的实施例，还可以提供一种间接对比获得模量的方式，其原理是通过事先给预定电流探测已知模量的正常组织对应的驱动丝的电阻或形变记为基础值，再用相同条件下对待测的与上述正常组织相同的组织进行探测获得其对应的驱动丝的电阻或形变记为测试值，通过对比测试值和基础值的关系转换获得待测组织的模量。因此，在该实施例中，提供一种软件，用于记录所述驱动部在预定电流作用下驱动部上对应的电阻或形变；所述电阻和形变用于计算待测试物理的模量。例如将上述方法应用于肝脏测量时，所述软件执行的内容具体包括：

控制所述电源向驱动伸缩件输出第一预定电流，获取在所述第一预定电流的作用下的所述形状记忆合金丝的第一电阻，其中，所述第一预定电流用于驱动所述探针探测第一肝脏；

将所述第一电阻与预定电阻进行比较，得到所述第一电阻相对于所述预定电阻的电阻相对值，其中，所述预定电阻为使用所述肝脏硬化检测系统检测已知模量的第二肝脏在所述第一预定电流作用下的电阻；

根据所述电阻相对值和所述第二肝脏的模量确定所述第一肝脏的模量。

在上述各实施例中，所述软件还被用于控制所述电源的通断。

在本实施例中，还提供一种电子装置，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器被设置为运行计算机程序以执行以上实施例中的方法。

这些计算机程序也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤，对应与不同的步骤可以通过不同的模块来实现。

上述程序可以运行在处理器中，或者也可以存储在存储器中(或称为计算机可读介质)，计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性的模量探测装置，其特征在于：包括

探针；

护套部，为柔性管，柔性管的一端管口处具有一通道，所述通道用于供所述探针进出护套部；其中，对护套部进行电流通断，在到达目标区域前，护套部上不通电，保持较为柔软的状态，当到达目标区域后，护套部通电，护套部相对变硬；护套部与驱动部之间进行绝缘设计；

驱动部，为形状记忆合金的丝状物，具有形状记忆效应，所述驱动部的第一端固定在护套部上，所述驱动部的第二端固定在探针上，且所述第一端相比所述第二端靠近所述通道；

电源，与所述驱动部连接，用于向驱动部提供电流使得驱动部发生长度方向的形变，从而带动探针通过所述通道进出护套部对待测物体进行模量探测。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：当所述驱动部在未通电的状态下，所述探针的头部恰好位于所述通道的出口处。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述探针包括以下条件中的至少之一：

所述探针的头部形状为圆形、所述探针的长度为0.5mm至10mm、所述探针的直径为0.05至0.6mm、所述探针的测试面积≥100μm²、所述探针的模量≥200GPa、所述探针的探测行程为5μm~200μm。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述护套部的弹性模量满足以下关系：

其中：E为护套部的弹性模量，l为形状记忆合金丝的形变量，

指的是形状记忆合金丝的回复力值；

指的是形状记忆合金丝的输出力值。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述护套部的弹性模量为2MPa~30MPa。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述护套部为生物医用材料。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述护套部为形状记忆合金网状管材、硅胶管、PDMS管中的一种。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述驱动部包括以下条件中的至少之一：所述形状记忆合金为镍钛基形状记忆合金，和/或，所述驱动部的直径为10-100μm，所述驱动部的长度为100μm~10cm。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述电源提供的电流为脉冲电流，下限为20mA，峰值为60mA到120mA。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的装置，其特征在于：所述装置还包括：

软件，用于记录所述驱动部发生预定长度形变时驱动部上对应的电流峰值；或

用于记录所述驱动部在预定电流作用下驱动部上对应的电阻或形变；其中，所述电流峰值、电阻以及形变用于计算待测试物体的模量。

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