CN113940714A - 一种具有力感知功能的微创手术持针钳 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有力感知功能的微创手术持针钳，包括用于夹持手术缝合针的夹钳部，其上设置有持针凹槽以稳固夹持手术缝合针；力感知部，其包括相互配合的中空弹性体和支柱；中空弹性体的顶端与夹钳部的底端连接，中空弹性体套设在支柱上；支柱上放置有三维力传感器和金属探针，所述金属探针的一端与三维力传感器连接，中空弹性体的内部顶端与所述金属探针的另一端连接以实现中空弹性体与所述金属探针共同形变。其能够将三维力传感器与夹钳部底端位置进行一体化集成，反应夹钳部所持手术针时的三维力变化，与夹钳部的尖端直接集成三维力传感器来感知三维力相比，不局限于尖端的尺寸限制，感知更加整体且避免了持针力与操作感知力的交叉。

Description

一种具有力感知功能的微创手术持针钳
技术领域
本发明涉及微创手术医疗设备技术领域，尤其是指一种具有力感知功能的微创手术持针钳。
背景技术
微创手术(Mi n ima l l y I nvas ive Surgery,MIS)创伤小、疼痛轻、恢复快，在医学领域得到广泛应用。随着机器人技术的快速发展，机器人辅助微创手术成为一个显著的发展趋势，以DaVi n ic(达芬奇)系统为代表的微创手术机器人系统在临床的成功应用引起了国内外医学界、科技界极大的关注。然而微创手术机器人存在很多不足，其中最大的问题是缺乏力感知和反馈功能。
人体器官组织十分脆弱，对微创手术机器人执行力的要求较高，特别是组织缝合时，力感知反馈信息的缺乏容易扯破组织，无法感知打结的松紧度，导致前功尽弃，甚至造成组织的二次损伤，手术风险性高。但微创手术器械的操作空间限制，增加力传感器是一个特别具有挑战性的任务。目前为止，大多应用于微创手术的微型力传感器仍处于早期研发阶段。
因此研发设计一种具有力感知功能的微创手术持针钳，具有良好的研究前景和应用空间。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有力感知功能的微创手术持针钳，其能够将力感知部与夹钳部底端位置进行一体化集成，反应夹钳部所持手术针时的三维力变化，将交互作用力直接测出，感知更加整体且避免了持针力与操作感知力的交叉。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有力感知功能的微创手术持针钳，包括夹钳部，其用于夹持手术缝合针；力感知部，其用于感知夹所述持手术缝合针时的夹持力；所述力感知部包括相互配合的中空弹性体和支柱；所述中空弹性体的顶端与所述夹钳部连接，所述中空弹性体套设在所述支柱上；所述支柱上放置有三维力传感器和金属探针，所述金属探针的一端与三维力传感器连接，所述中空弹性体的内部顶端与所述金属探针的另一端连接以实现中空弹性体与所述金属探针共同形变，实现三维力传感器测出夹持所述手术缝合针时的三维力。
作为优选的，所述三维力传感器包括悬梁臂和中心块；所述悬梁臂呈“十”字形，所述中心块设置在所述悬梁臂的中心，所述悬梁臂上集成有压敏电阻，所述金属探针粘结在所述中心块上，所述金属探针带动所述三维力传感器共同形变。
作为优选的，每个所述压敏电阻均与外界电阻组成一个惠斯通全桥电路以检测三维作用力。
作为优选的，所述中空弹性体与所述支柱之间形成有间隙，所述间隙内浸入有聚二甲基硅氧烷。
作为优选的，所述支柱的顶端设置有校正平台，所述三维力传感器放置在所述校正平台上。
作为优选的，所述夹钳部包括腕部支架以及相互配合的上夹钳和下夹钳；所述腕部支架的一端与所述上夹钳和下夹钳均连接，所述腕部支架的另一端与所述中空弹性体的顶端连接。
作为优选的，所述上夹钳上设置有上持针凹槽，所述下夹钳上设置有下持针凹槽；所述上持针凹槽与所述下持针凹槽相配合以稳固夹持手术缝合针。
作为优选的，所述中空弹性体和所述支柱上均开设有走线孔，所述走线孔内穿设有钢丝，所述钢丝的一端与外部驱动设备连接，所述钢丝的另一端与所述上夹钳和下夹钳均连接。
作为优选的，所述中空弹性体的底端和所述支柱的底端均开设有销孔，所述销孔内穿设固定有销钉。
作为优选的，所述中空弹性体的形状优选为圆柱形，其直径小于10mm。
作为优选的，所述中空弹性体的刚度小于所述支柱的刚度。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
1、本发明的力感知部居于夹钳部的底端，能近似直接的反应尖端的力感知情况。与夹钳部尖端直接集成三维力传感器来感知三维力相比，不局限于尖端的尺寸限制，感知更加整体且避免了持针力与操作感知力的交叉。
2、本发明通过设置三维力传感器和金属探针，夹钳部夹持手术缝合针时，中空弹性体与所述金属探针共同发生弹性形变，金属探针进而将形变传递至三维力传感器上，实现三维力感知。可以提高力感知的灵敏度，从而提高手术操作过程中的安全性以及可操作性。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的爆炸结构示意图；
图3为本发明的中空弹性体和支柱的结构示意图；
图4为本发明的三维力传感器结构示意图；
图5为本发明的下夹钳结构示意图。
说明书附图标记说明：1-上夹钳，2-下夹钳，3-连接孔，4-腕部支架，5-中空弹性体，6-支柱，7-三维力传感器，8-悬梁臂，9-金属探针，10-下持针凹槽，21-走线孔，22-校正平台，23-销孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1～图5所示，本发明公开了一种具有力感知功能的微创手术持针钳，包括夹钳部和力感知部。
其中，上述夹钳部用于夹持手术缝合针，上述夹钳部包括腕部支架4以及相互配合的上夹钳1和下夹钳2，上述上夹钳1和下夹钳2上均开设有连接孔3，连接孔3内穿设有固定销以使得上夹钳1和下夹钳2配合固定在腕部支架4上。上夹钳1和下夹钳2在外部设备的驱动下完成夹钳部的开口和闭合动作。
优选的，在上夹钳1的夹持面上设置有上持针凹槽，下夹钳2的夹持面上设置有下持针凹槽10，上持针凹槽与下持针凹槽10相配合以稳固夹持手术缝合针增加了缝针夹持的稳固性，增加了力感知信息的准确性和稳定性。
上述力感知部用于感知夹持手术缝合针时的三维力变化。上述力感知部包括相配合的中空弹性体5和支柱6，上述中空弹性体5的顶端与夹钳部的腕部支架4连接。中空弹性体5套设在支柱6上，在中空弹性体5的底端和支柱6的底端均开设有销孔23，销孔23内穿设固定有销钉，中空弹性体5和支柱6能够相互配合，紧固连接。
优选的，在支柱6的顶端放置有三维力传感器7和金属探针9，在中空弹性体5的顶端内部设计有金属探针9的放置孔。上述金属探针9的一端与与三维力传感器7连接，金属探针9的另一端穿设连接在中空弹性体5内部顶端的放置孔中，用于紧密连接三维力传感器7，保证金属探针9与中空弹性体5发生同步的弹性变形。
在上述支柱6的顶端设计有校正平台22以用于校正三维力传感器7的位置，三维力传感器7放置在上述校正平台22上。进一步的，三维力传感器7包括悬梁臂8和中心块，悬梁臂8呈“十”字形，中心块设置在悬梁臂8的中心。在十字梁上的每个梁上都有通过MEMS离子注入工艺加工的压敏电阻，分别用于检测X轴、Y轴、Z轴的三维作用力，每个压敏电阻均与外界电阻组成一个惠斯通全桥电路。通过三维力传感器7的设计可以提高力感知的灵敏度，从而提高手术操作过程中的安全性以及可操作性。
采用超精密机械加工完成金属探针9精密元件的加工，金属探针9为微米级别，小于300um。并通过微装配技术将金属探针9固定粘接在中心块上，金属探针9带动三维力传感器7共同形变，通过不同的压敏电阻的配置与金属探针9的位移可以实现三维力的测量。
上述中空弹性体5优选为中空的圆柱形，其直径小于10mm。进一步的，上述中空弹性体5可以设计成不同的结构并降低其刚度使其具有弹性，中空弹性体5相对于支柱6拥有较小的刚度。在上述中空弹性体5顶端开设有走线孔21，在支柱6内部也开设有走线孔21，上述走线孔21内穿引有钢丝，钢丝的一端与外部驱动设备连接，钢丝的另一端与上夹钳1和下夹钳2均连接以对上夹钳1和下夹钳2进行驱动。
当上夹钳1和下夹钳2所夹持的手术缝合针在外部驱动设备的驱动下进行组织缝合动作时，具有相对较小刚度的中空弹性体5发生变形，与中空弹性体5顶端内部相接触的三维力传感器7随之产生位移，与此同时，支柱6是静止的。金属探针9底部固定在静止的支柱6上，而顶部却随着金属探针9的变形而发生位移，此时，金属探针9底部发生位移，并作用于悬梁臂8，悬梁臂8将产生形变，通过悬臂梁上惠斯通电桥可检测三维作用力。集成三维力传感器7的持针钳在力感知过程中对测量到的多维力和力矩信息进行解析。在笛卡尔坐标下进行多自由度的力/力矩传感，即夹钳部夹持手术缝合针在组织缝合时所受的三自由度的操作力和感知力。
中空弹性体5与所述支柱6之间形成有间隙，在持针钳完全装配完毕后，会在间隙内浸入具有生物兼容性的聚二甲基硅氧烷，在支撑固定结构刚度的同时，可使三维力传感器7免受消毒液与体液的影响，保证三维力传感器7具有较高的检测精度。
本发明通过在夹钳部腕部支架4上集成三维力感知的方式，实现手术过程中整体的手术缝合针所受交互力的力传感检测,与夹钳部的尖端直接集成三维力传感器7来感知三维力相比，不局限于尖端的尺寸限制，感知更加整体且避免了持针力与操作感知力的交叉。通过对中空弹性体5的尺寸的设计可以提高力感知的量程，通过压敏电阻传感器的设计可以提高力感知的灵敏度，从而提高手术操作过程中的安全性以及可操作性。
工作原理：当上夹钳1和下夹钳2夹持手术缝针感知到外界力时，腕部支架4与中空弹性体5会发生弹性变形，中空弹性体5的变形会带动金属探针9和悬梁臂8随之发生弹性变形，悬梁臂8的压敏电阻的阻值会发生变化，通过变化的阻值可以解耦出手术缝针所受的三维力信息，进而计算出准确的夹持力。
具体地，具有力感知功能的微创手术持针钳的夹钳部在外部驱动设备的驱动下实现实现夹持动作。当夹钳部未夹持手术缝合针时，中空弹性体5不会发生形变，与中空弹性体5的顶端内部相接触的金属探针9不会发生位移，因此悬梁臂8上的压敏电阻不会变化，此时不受力。
当夹钳部夹持手术缝合针后，手术缝合针在进行组织缝合过程中，手术缝合针受力发生形变，形变通过夹钳部传递到中空弹性体5上，中空弹性体5发生形变，中空弹性体5与支柱6之间存在间隙，二者之间存在相对位移。底部固定在支柱6上的压阻式三维力传感器7在中空弹性体5的形变下产生位移，从而使悬梁臂8上的压敏电阻阻值发生变化，通过阻值的变化组合就可以解耦出固定在支柱6顶端的三维力传感器7在中空弹性体5的作用下产生的位移，以及三维力信息。通过多自由度力/力矩信息变化便可以得到夹钳部所夹持手术缝合针所受的三自由度操作力以及旋转扭矩。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种具有力感知功能的微创手术持针钳，其特征在于，包括：
夹钳部，其用于夹持手术缝合针；
力感知部，其用于感知夹持所述手术缝合针时的三维力；所述力感知部包括相互配合的中空弹性体和支柱；所述中空弹性体的顶端与所述夹钳部的底端连接，所述中空弹性体套设在所述支柱上；
所述支柱上放置有三维力传感器和金属探针，所述金属探针的一端与三维力传感器连接，所述中空弹性体的内部顶端与所述金属探针的另一端连接以实现中空弹性体与所述金属探针共同形变。
2.根据权利要求1所述的具有力感知功能的微创手术持针钳，其特征在于，所述三维力传感器包括悬梁臂和中心块；所述悬梁臂呈“十”字形，所述中心块设置在所述悬梁臂的中心，所述金属探针粘结在所述中心块上，所述金属探针带动所述三维力传感器共同形变。
3.根据权利要求2所述的具有力感知功能的微创手术持针钳，其特征在于，所述悬梁臂上集成有压敏电阻，每个所述压敏电阻均与外界电阻组成一个惠斯通电桥以检测三维作用力。
4.根据权利要求1所述的具有力感知功能的微创手术持针钳，其特征在于，所述中空弹性体与所述支柱之间形成有间隙，所述间隙内浸入有聚二甲基硅氧烷。
5.根据权利要求1所述的具有力感知功能的微创手术持针钳，其特征在于，所述支柱的顶端设置有校正平台，所述三维力传感器放置在所述校正平台上。
6.根据权利要求1所述的具有力感知功能的微创手术持针钳，其特征在于，所述夹钳部包括腕部支架以及相互配合的上夹钳和下夹钳；所述腕部支架的一端与所述上夹钳和下夹钳均连接，所述腕部支架的另一端与所述中空弹性体的顶端连接。
7.根据权利要求6所述的具有力感知功能的微创手术持针钳，其特征在于，所述上夹钳上设置有上持针凹槽，所述下夹钳上设置有下持针凹槽；所述上持针凹槽与所述下持针凹槽相配合以稳固夹持手术缝合针。
8.根据权利要求6所述的具有力感知功能的微创手术持针钳，其特征在于，所述中空弹性体和所述支柱上均开设有走线孔，所述走线孔内穿设有钢丝，所述钢丝的一端与外部驱动设备连接，所述钢丝的另一端与所述上夹钳和下夹钳均连接。
9.根据权利要求1所述的具有力感知功能的微创手术持针钳，其特征在于，所述中空弹性体的底端和所述支柱的底端均开设有销孔，所述销孔内穿设固定有销钉。
10.根据权利要求1所述的具有力感知功能的微创手术持针钳，其特征在于，所述中空弹性体为圆柱形，其直径小于10mm。
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