CN114767276B - 一种血管介入手术机器人的从端导管和导丝递送装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种血管介入手术机器人的从端导管和导丝递送装置，属于医疗器械技术领域。该递送装置包括导管操纵单元、导丝操纵单元、导管支撑单元和导丝支撑单元，待递送的导管同时水平穿过导管操纵单元和导管支撑单元，待递送的导丝同时水平穿过导丝操纵单元和导丝支撑单元。导管操纵单元用于进行导管的旋转、推拉、夹紧和放松动作，导丝操纵单元用于进行导丝的推拉、夹紧和放松动作，导管支撑单元用于在导管的递送过程中对导管进行支撑，导丝支撑单元用于在导丝的递送过程中对导丝进行支撑，通过设置导管支撑单元和导丝支撑单元，分别对导管和导丝进行支撑，以避免导管和导丝在递送过程中产生下垂变形，提高血管介入手术的稳定性和精确性。

Description

一种血管介入手术机器人的从端导管和导丝递送装置

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种血管介入手术机器人的从端导管和导丝递送装置。

背景技术

近年来，心血管疾病的发病率持续升高，已成为危害人民健康的第一大杀手。随着现代医学的不断发展，心血管疾病的治疗技术也得到了极大的进步，血管介入手术成为治疗心血管疾病的有效手段。传统血管介入手术是医生将导管和导丝插入病人血管，通过旋转和推拉动作使导管和导丝运动到患者的病灶部位，在病灶处放入支架来疏通血管、消除病灶。但是传统血管介入手术有很多弊端，例如让医生长时间暴露在辐射下，对医生的身体健康损害很大；医生需要穿戴防辐射铅衣进行手术，但是厚重的铅衣会极大消耗医生的体力，影响手术医生操作的灵活性，给手术增加风险。

为了解决上述问题，随着医疗机器人技术的发展，用于血管介入手术的医疗机器人已成为研究的热点，目前已经有医疗公司和高校开发了血管介入手术机器人系统，大多数血管介入手术机器人系统采用主端和从端分离的设计结构，可让医生在辐射屏蔽仓内进行手术，通过操作主端来控制从端机器人完成导管和导丝的递送，避免了辐射的影响。但是，所需要递送的导管和导丝质地柔软，容易在递送过程中产生下垂变形，影响血管介入手术的稳定性和精确性，而目前的从端机器人没有考虑到导管和导丝下垂对控制精度的影响。

基于此，亟需一种血管介入手术机器人的从端导管和导丝递送装置，以避免导管和导丝在递送过程中产生下垂变形，提高血管介入手术的稳定性和精确性。

发明内容

本发明的目的是提供一种血管介入手术机器人的从端导管和导丝递送装置，通过设置导管支撑单元和导丝支撑单元，分别对导管和导丝进行支撑，以避免导管和导丝在递送过程中产生下垂变形，提高血管介入手术的稳定性和精确性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种血管介入手术机器人的从端导管和导丝递送装置，所述递送装置包括导管操纵单元、导丝操纵单元、导管支撑单元和导丝支撑单元；

待递送的导管同时水平穿过所述导管操纵单元和所述导管支撑单元；待递送的导丝同时水平穿过所述导丝操纵单元和所述导丝支撑单元；

所述导管操纵单元用于进行所述导管的旋转、推拉、夹紧和放松动作；所述导丝操纵单元用于进行所述导丝的推拉、夹紧和放松动作；

所述导管支撑单元用于在所述导管的递送过程中对所述导管进行支撑；所述导丝支撑单元用于在所述导丝的递送过程中对所述导丝进行支撑。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明用于提供一种血管介入手术机器人的从端导管和导丝递送装置，包括导管操纵单元、导丝操纵单元、导管支撑单元和导丝支撑单元，待递送的导管同时水平穿过导管操纵单元和导管支撑单元，待递送的导丝同时水平穿过导丝操纵单元和导丝支撑单元。导管操纵单元用于进行导管的旋转、推拉、夹紧和放松动作，导丝操纵单元用于进行导丝的推拉、夹紧和放松动作，导管支撑单元用于在导管的递送过程中对导管进行支撑，导丝支撑单元用于在导丝的递送过程中对导丝进行支撑，通过设置导管支撑单元和导丝支撑单元，分别对导管和导丝进行支撑，以避免导管和导丝在递送过程中产生下垂变形，提高血管介入手术的稳定性和精确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为本发明实施例1所提供的递送装置的设计框图；

图2为本发明实施例1所提供的递送装置的总体结构示意图；

图3为本发明实施例1所提供的导管旋转部件的结构示意图；

图4为本发明实施例1所提供的导管夹紧放松部件的结构示意图；

图5为本发明实施例1所提供的导管推拉部件的结构示意图；

图6为本发明实施例1所提供的导丝操纵单元的整体结构示意图；

图7为本发明实施例1所提供的导丝操纵单元的局部结构示意图；

图8为本发明实施例1所提供的导管支撑单元的结构示意图；

图9为本发明实施例1所提供的导管支撑单元的运动状态示意图；

图10为本发明实施例1所提供的导丝支撑单元的结构示意图；

图11为本发明实施例1所提供的力传感器的安装示意图。

附图标记：

1-导管操纵单元；2-导丝操纵单元；3-导管支撑单元；4-导丝支撑单元；5-安装底座；6-第一驱动件；7-主动轮；8-同步带；9-从动轴；10-导电滑环；11-第一外壳；12-第一定夹头；13-第一动夹头；14-推拉电磁铁；15-永磁体；16-光电传感器；17-支撑底座；18-第二驱动件；19-丝杆；20-滑台；21-第二外壳；22-第三驱动件；23-主动摩擦轮；24-第一电磁铁；25-第一滑杆；26-第一弹簧；27-铁片固定杆；28-从动摩擦轮；29-第一导磁铁片；30-安装孔；31-递送筒；32-桥型支撑；33-滑块；34-滑轨；35-底座支撑；36-第二定夹头；37-第二电磁铁；38-第二滑杆；39-第二弹簧；40-第二动夹头；41-第二导磁铁片；42-力传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种血管介入手术机器人的从端导管和导丝递送装置，通过设置导管支撑单元和导丝支撑单元，分别对导管和导丝进行支撑，以避免导管和导丝在递送过程中产生下垂变形，提高血管介入手术的稳定性和精确性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

本实施例用于提供一种血管介入手术机器人的从端导管和导丝递送装置，该递送装置涉及模具设计、传感器技术，是一种血管介入手术机器人的从端。血管介入手术机器人的主端操作器主要采集医生对导管和导丝的推拉、搓捻等动作，从端操作器在接收到来自主端操作器的信号后，准确无误的复刻医生的动作非常重要。如图1所示，本实施例的血管介入手术机器人从端的操纵单元主要分为导管操纵单元和导丝操纵单元，导管操纵单元可执行的动作包括前进、后退、旋转动作。由于导丝直径很小(通常<1mm)，且质地柔软，医生通常不旋转导丝，充分考虑到医生的操作习惯，从端操作器不设计导丝的旋转动作，导丝操纵单元可执行的动作只有导丝的前进、后退动作，同时考虑到动作的交替性，又设计了导管和导丝的夹紧、放松动作控制，使控制更加灵活。为了防止导管和导丝变形对控制精度的影响，分别设计了导管和导丝的支撑单元。

如图2所示，本实施例的递送装置包括导管操纵单元1、导丝操纵单元2、导管支撑单元3和导丝支撑单元4，待递送的导管同时水平穿过导管操纵单元1和导管支撑单元3，待递送的导丝同时水平穿过导丝操纵单元2和导丝支撑单元4。

导管操纵单元1用于进行导管的旋转、推拉、夹紧和放松动作，导丝操纵单元2用于进行导丝的推拉、夹紧和放松动作。通过设置导管操纵单元1和导丝操纵单元2，能够准确的复刻医生的手部动作，进行导管和导丝的递送。

导管支撑单元3用于在导管的递送过程中对导管进行支撑，导丝支撑单元4用于在导丝的递送过程中对导丝进行支撑。通过设置导管支撑单元3和导丝支撑单元4，能够在导管和导丝的递送过程中分别对导管和导丝进行支撑，避免导管、导丝产生下垂变形，保证手术递送过程中的稳定性和精确性，提高血管介入手术的稳定性和精确性。

如图3、图4和图5所示，本实施例的导管操纵单元1包括导管旋转部件、导管夹紧放松部件和导管推拉部件。

导管旋转部件用于进行导管的旋转动作。具体的，导管旋转部件包括安装底座5、第一驱动件6、主动轮7和从动轴9。第一驱动件6固定安装于安装底座5上，第一驱动件6可为步进电机，主动轮7与第一驱动件6传动连接，从动轴9水平穿设于安装底座5相对的两个侧面，并与主动轮7传动连接，主动轮7用于在第一驱动件6的驱动下转动，并带动从动轴9旋转。主动轮7与从动轴9可通过链条、传送带等进行传动连接，优选的，主动轮7与从动轴9通过同步带8传动连接。导管穿设于从动轴9内，但并不与从动轴9相固定，故从动轴9无法同步带动导管转动。基于此，本实施例还设计有导管夹紧放松部件，其实质为一个设计夹具，用于进行导管的夹紧、放松动作，当执行旋转操作时，需要由设计夹具夹紧导管，步进电机驱动同步带8带动从动轴9转动，从动轴9带动该设计夹具一起旋转，以进行导管的旋转动作。

导管夹紧放松部件用于进行导管的夹紧和放松动作。具体的，导管夹紧放松部件包括第一外壳11以及位于第一外壳11内的第一定夹头12、第一动夹头13和推拉电磁铁14。第一外壳11穿设于从动轴9上，并跟随从动轴9同步旋转。第一定夹头12固定安装于第一外壳11内，且其底部穿入从动轴9内，第一动夹头13位于第一定夹头12的正下方，且其顶部穿入从动轴9内，导管位于第一定夹头12的底部和第一动夹头13的顶部之间。推拉电磁铁14固定安装于第一外壳11内，并位于第一动夹头13的正下方，推拉电磁铁14的推杆上安装有自复位弹簧，且推杆与第一动夹头13固定连接。在断电状态下，推杆在自复位弹簧的弹力作用下复位，推动第一动夹头13向上运动，使位于第一动夹头13与第一定夹头12之间的导管被夹紧；在通电状态下，推杆在电磁场的作用下带动第一动夹头13向下运动，使位于第一动夹头13与第一定夹头12之间的导管被放松。

作为一种可选的实施方式，第一定夹头12和第一动夹头13上均安装有永磁体15，两个永磁体15的极性不同，通过在两夹头上安装不同极性的永磁体15，两个夹头同时会受永磁体15的吸力而吸合在一起，以保证提供足够的夹持力。

本实施例的导管夹紧放松部件这一设计夹具围绕推拉电磁铁14进行设计，推拉电磁铁14通入12V电压可产生6N的吸附力，且推拉电磁铁14尺寸较小，质量仅为29g，保证不影响旋转功能。推拉电磁铁14的推杆上装有自复位弹簧，断电失磁状态下，由于自复位弹簧的弹力使推杆自复位弹出，同时夹头也受永磁体15的吸力，两夹头挤压，导管此时为夹持状态；通入电流时，推杆在电磁场的作用下迅速拉回，克服永磁体15的吸力，将两夹头分离，导管此时为放松状态，从而进行导管的放松、夹紧动作。

为检测推拉电磁铁14是否运动到位，是否真实的释放导管，本实施例在推拉电磁铁14尾部安装光电传感器16，并将推拉电磁铁14的尾部放入光电传感器16的U型槽，通过光电传感器16监测推拉电磁铁14的运动状态。由于设计夹具跟随从动轴9一起旋转，为防止线路缠绕，设置有导电滑环10，该导电滑环10固定安装于从动轴9上，通过导电滑环10进行推拉电磁铁14和光电传感器16的线路布置。

导管推拉部件用于进行导管的推拉动作。具体的，导管推拉部件包括支撑底座17、第二驱动件18、丝杆19和滑台20。第二驱动件18固定安装于支撑底座17上，第二驱动件18可为步进电机，丝杆19水平穿设于支撑底座17相对的两个侧面，并与第二驱动件18传动连接，滑台20穿设于丝杆19上，并与丝杆19传动连接，丝杆19用于在第二驱动件18的驱动下转动，并带动滑台20作直线运动，滑台20上固定安装有安装底座5，以在导管处于夹紧状态时，带动导管前进或者后退，进行导管的推拉动作。本实施例中，导管的递送是由步进电机驱动滑台20进行递送的，为保证递送的精度，可采用双光轴的滚珠丝杠传动滑台，即可设置有两根丝杆19，且滑台20同时穿设于两根丝杆19上。

为了充分模拟医生的操作习惯，导丝操纵单元2仅有前进、后退、夹紧、放松功能，具体的，如图6和图7所示，本实施例的导丝操纵单元2包括第二外壳21以及位于第二外壳21内的第三驱动件22、主动摩擦轮23、第一电磁铁24、第一滑杆25、第一弹簧26、铁片固定杆27、从动摩擦轮28和第一导磁铁片29。第三驱动件22固定安装于第二外壳21内，第三驱动件22可为步进电机，主动摩擦轮23与第三驱动件22传动连接，步进电机和主动摩擦轮23可通过联轴器连接。第一电磁铁24固定安装于第二外壳21内，并与主动摩擦轮23位于同一侧。第一滑杆25穿设于第二外壳21相对的两个侧面，且第一滑杆25上安装有第一弹簧26，铁片固定杆27与第一滑杆25滑动连接，第一弹簧26位于铁片固定杆27与主动摩擦轮23之间，从动摩擦轮28和第一导磁铁片29均与铁片固定杆27固定连接，从动摩擦轮28与主动摩擦轮23相对设置，第一导磁铁片29与第一电磁铁24相对设置，沿铁片固定杆27的运动方向，主动摩擦轮23与从动摩擦轮28之间的距离小于或者等于第一导磁铁片29与第一电磁铁24之间的距离，导丝位于主动摩擦轮23和从动摩擦轮28之间。在第一电磁铁24未通电时，在第一弹簧26的弹力作用下，从动摩擦轮28与主动摩擦轮23相分离，导丝处于放松状态；在第一电磁铁24通电时，第一导磁铁片29会克服第一弹簧26的弹力作用，带动铁片固定杆27朝着第一电磁铁24运动，直至二者贴合，此时主动摩擦轮23和从动摩擦轮28相贴合，导丝处于夹紧状态，进行导丝的夹紧和放松动作，在导丝被夹紧时，第三驱动件22驱动主动摩擦轮23旋转，带动导丝前进或后退，进行导丝的推拉动作。

优选的，本实施例设置有四根第一滑杆25和两个铁片固定杆27，两根第一滑杆25从上外壳的安装孔30中穿过，一个铁片固定杆27同时穿过这两根第一滑杆25，另外两根第一滑杆25从下外壳的安装孔30中穿过，另一个铁片固定杆27同时穿过这两根第一滑杆25，且被同一铁片固定杆27所穿过的两个安装孔30位于同一高度。上下两个铁片固定杆27中均设计有嵌入凹槽，可使得第一导磁铁片29和从动摩擦轮28同时嵌入到两个铁片固定杆27中，铁片固定杆27可在滑杆上滑动。利用步进电机和摩擦轮来进行前进、后退动作，本实施例可设置多个相对设置的第一电磁铁24和第一导磁铁片29，当第一电磁铁24未通电时，由于弹簧的弹力作用，会使得两个摩擦轮分离，导丝为放松状态；当第一电磁铁24为通电状态时，第一导磁铁片29会受到磁力吸引，克服弹簧的弹力，拉动铁片固定杆27沿滑杆滑动，使得两个摩擦轮贴合，导丝为夹紧状态，在导丝夹紧状态下驱动步进电机，来实现前进、后退等动作。

导丝操纵单元2可与导管操纵单元1安装在同一个滑台20上，滑台20带动导管操纵单元1运动时，导丝操纵单元2会跟随一起运动。通常情况下，导丝穿过导管中，比导管先运动。滑台20运动时，导丝操纵单元2处于放松状态，导丝支撑单元4处于夹紧状态，确保导丝不会误动作，导丝的推拉动作主要靠导丝操纵单元2的摩擦轮动作，当然，也可以依靠滑台20进行导丝的推拉动作。

由于导管自身的长度较长，在递送的过程中容易产生弯曲变形，影响递送精度，为了解决这个问题，本实施例还设计了导管支撑单元3，定义导管的递送方向为前，该导管支撑单元3位于导管操纵单元1的前方。具体的，如图8和图9所示，本实施例的导管支撑单元3包括多个可相互嵌套的递送筒31，每一递送筒31的前方均设置有一桥型支撑32，桥型支撑32可为U型桥，桥型支撑32的底部设置有滑块33，滑块33与滑轨34配合连接，且最后一递送筒31的后方与安装底座5固定连接。导管递送时，步进电机驱动滑台20动作，滑台20带动安装底座5运动，安装底座5会推动递送筒31动作，递送筒31前端和桥型支撑32固定，则桥型支撑32的滑块33会随着滑轨34滑动，递送筒31会相互嵌套，满足导管递送的需求，并起到支撑作用；由于操作中导管主要动作为前进递送，后退幅度较小，要想解除嵌套，需要手动解除嵌套。

由于导丝直径较小且质地较为柔软，在手术过程中导丝自然下垂不仅会影响手术的精度，也会给手术带来风险，且导管、导丝通常分开动作，先递送导丝，起到引导作用，再递送导管，起到支撑导丝的作用，导丝在导管动作过程中误动作也会给手术带来风险。为了解决以上两个问题，本实施例设计了导丝支撑单元4，导丝支撑单元4除了起到支撑作用外，还可以提供夹持力，夹紧导丝防止误动作。

如图10所示，本实施例的导丝支撑单元4包括底座支撑35、第二定夹头36、第二电磁铁37、第二滑杆38、第二弹簧39、第二动夹头40和第二导磁铁片41。第二定夹头36固定安装于底座支撑35上，第二电磁铁37固定安装于第二定夹头36上。第二滑杆38穿设于底座支撑35相对的两个侧面，且第二滑杆38上安装有第二弹簧39，第二动夹头40与第二滑杆38滑动连接，第二弹簧39位于第二定夹头36和第二动夹头40之间，第二导磁铁片41固定安装于第二动夹头40上，第二导磁铁片41与第二电磁铁37相对设置。本实施例的导丝支撑单元4是使用第二电磁铁37和第二导磁铁片41为核心设计的夹具，第二导磁铁片41和第二电磁铁37分别嵌入到第二动夹头40和第二定夹头36上，第二定夹头36固定在底座支撑35上，第二动夹头40和底座支撑35之间通过第二滑杆38固定，第二动夹头40会随着第二滑杆38滑动，第二滑杆38上有第二弹簧39。在第二电磁铁37失电的情况下，第二动夹头40在受到第二弹簧39的弹力作用下与第二定夹头36相分离，导丝为放松状态；在第二电磁铁37得电的情况下，第二导磁铁片41会受到第二电磁铁37的吸引力，拉动第二动夹头40克服第二弹簧39的弹力，与第二定夹头36相贴合，夹紧导丝，导丝为夹紧状态。本实施例可设置多个第二滑杆38，以对第二动夹头40进行更好、更稳定的支撑。

由于导管支撑单元3需要位于导管操纵单元1的前方，且导管操纵单元1和导丝操纵单元2均置于滑台20上，故本实施例可将导丝支撑单元4置于导丝操纵单元2的后方。

目前市面上的血管介入手术机器人从端大多数采用机械结构，结构复杂，质量较重，设备布置、更换配件困难。为了解决这一设备布置问题，本实施例所设计出的从端系统，大部分结构均采用PLA材料3D打印而成，质量较轻、方便医生进行设备布置，且设备结构简单，方便更换配件。具体的，各个单元所包括器件的型号如下：对于导管操纵单元1，推拉电磁铁14选择EML-0530B型号的推拉电磁铁，光电传感器16采用KI669槽型的光电传感器，步进电机选择42BYGH34电机，驱动器选择型号为DM542的步进电机驱动器，导电滑环10的型号为JSR-TH020-12P10，丝杆19的型号为GGP双光轴滚珠丝杆，其余结构采用PLA材料3D打印，即安装底座5、主动轮7、同步带8、从动轴9、第一外壳11、第一定夹头12、第一动夹头13、支撑底座17和滑台20均采用PLA材料3D打印而成，丝杆19的规格可为1605-600mm。对于导丝操纵单元2，步进电机选择42BYGH34电机，驱动器选择型号为DM542的步进电机驱动器，第一滑杆25为M5的光滑螺丝，第一电磁铁24为型号为ELE-P20/15的电磁铁，第一导磁铁片29的直径为20mm，其余结构采用PLA材料3D打印，即第二外壳21、主动摩擦轮23、铁片固定杆27和从动摩擦轮28均采用PLA材料3D打印而成。对于导管支撑单元3，结构均为PLA材料3D打印设计，即递送筒31、桥型支撑32、滑块33和滑轨34均采用PLA材料3D打印而成。对于导丝支撑单元4，第二电磁铁37为型号为ELE-P20/15的电磁铁，第二导磁铁片41的直径为20mm，第二滑杆38为M5的光滑螺丝，其余结构采用PLA材料3D打印，即底座支撑35、第二定夹头36、第二动夹头40均采用PLA材料3D打印而成。

目前市面上的血管介入手术机器人从端缺乏必要的血管内导管的力测量装置，不能最大程度的模拟手术进程，影响主端医生的操作手感和操作精度，且导管硬度较硬，缺乏力反馈容易使导管刺穿血管，给手术带来一定的风险，故力反馈是保证血管介入手术安全进行的重要影响因素。目前常见的从端力测量的一种方案是在导管尖端放置传感器，传感器跟随导管一起进入血液，直接进行参数测量，这种方案会给手术带来极大的风险，容易引起血液聚集，造成血管栓塞，另一种方案是将导管受到的力反馈到测力平台上，由测力平台间接测力，这种方案也容易受重力和手术环境的影响，难以保证精确性。为了解决这一问题，更加真实的反映出血管内导管的受阻力情况，精确的把导管受的力反馈给主端，本实施例设计出导管力测量机构，将血管内的力反馈给主端。具体的，如图11所示，本实施例的第一定夹头12通过多个力传感器42固定安装于第一外壳11内，力传感器42用于测量导管在递送过程中受到的阻力。通过设计出基于设计夹具和力传感器42的力测量结构，能够精确的测出导管在血液中受到的力，最大程度的模拟医生的操作环境。

除了以上各部件保证血管介入手术动作的精确性，手术过程中，从端准确的反映出导管在血管中所受到的力，并传送给主端，最大程度的模拟真实的手术操作，是保证手术安全性的重要因素。传统手术中，外科医生操作导管，手能够直接感觉到两种不同的力，一种力是穿过鞘管进入身体产生的固有的恒定摩擦力，这种摩擦力被定义为f_is；另一种力是导管进入血管后，导管与血管之间的相互作用，医生在正常的导管插管过程中感知到对导管-血液相互作用的阻力，这种阻力在整个干预过程中都存在，且随着导管插入距离的增加而增大，这种阻力被称为粘性阻力，血管和导管、导丝的粘性阻力的公式如下：

f_vrf＝c·v；

其中，f_vrf为粘性阻力，c为血液粘度系数，v为导管介入速率。

当导管、导丝介入至血管弯曲时，器械和血管壁之间存在摩擦，这种摩擦力被称为动态摩擦力，其公式为：

f_cff＝μ·f_N；

其中，f_cff为接触摩擦力，μ为导管表面与血管壁之间的动态摩擦系数，f_N为作用在导管上的正常力。

当导管、导丝递送到血管分支时，导管前端与血管碰撞，此时继续递送导管，有可能引起血管持续变形甚至刺穿血管壁，这种力被称为碰撞力，其公式为：

f_cf＝E·S·δ；

其中，f_cf为碰撞力，E为血管的杨氏模量，S为导管尖端的横截面积，δ为血管的形变程度。此时为了避免血管被刺穿，外科医生需要改变当前的操作动作，后退或者旋转导管，找到合适的前进方向，继续介入操作以确保手术安全进行。

基于上述内容发现，导管、导丝在递送的过程中受到的总力为：

F_hp＝f_is+f_vdf+sgnf_cff+sgnf_cf

其中，F_hp是医生在介入手术中直接操作导管所能感受到的力，f_is是插入导管时克服与导管鞘之间的摩擦所需要的力。sgn的值取决于导管和血管的介入状态，正常介入时sgn的值为0(情况I)；当导管表面和血管壁发生摩擦时(情况II)或导管尖端与血管壁发生碰撞时(情况III)，sgn的值为1。

本实施例的血管介入手术机器人中，操作导管感受到的力由导管操纵单元1中的力传感器42进行测量。由于导管在递送过程中一直处于夹紧状态，导管和第一定夹头12可视为一个整体，将第一定夹头12通过4个力传感器42固定在第一外壳11中，当导管受到血管当中的阻力作用发生轻微的形变时，导管会和第一定夹头12一起挤压力传感器42，力传感器42输出相应的电压信号，通过通信设备传给主端，形成力反馈。力传感器42可为FSS1500NST压敏传感器。

本实施例所设计的血管介入手术机器人从端主要由三大部分组成：一是导管/导丝操纵单元，二是导管/导丝支撑单元，三是导管力测量机构。

导管/导丝操纵单元主要是进行导管/导丝的推拉、旋转、夹紧和放松动作，用来模仿医生介入手术中的动作。导管/导丝的推拉、旋转动作的操作主要由步进电机、丝杠滑台、摩擦轮等构成，导管/导丝的夹紧、放松动作主要由电磁铁和模具设计结构实现。

导管/导丝支撑单元主要是对导管/导丝提供支撑，防止导管变形对递送精度影响。导管支撑单元3主要是由三个不同直径的递送筒31及递送桥构成。导丝支撑单元4主要是由模具设计构成。

导管力测量机构是反馈导管在血管中受到的力，将力反馈给主端，最大程度的反映出导管在血管中的情况，保证手术的安全。导管力测量机构主要是由传感器和夹具设计结构实现。

本实施例所述的血管介入手术机器人从端的应用具有以下效果：

1)响应主端的控制信号，通过步进电机控制导管/导丝的轴向、径向运动和电磁铁控制夹紧、放松动作的配合，准确的复刻医生的手部动作，进行导管/导丝的递送。

2)夹持机构采用推拉电磁铁14，响应时间迅速，提供夹持力较大，防止导管打滑，保证工作的效率和可靠性。

3)提供导管/导丝支撑单元，防止导管/导丝变形，提高控制精度。

4)递送过程中准确的反应出导管在血液中受到的力，并反馈给主端。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种血管介入手术机器人的从端导管和导丝递送装置，其特征在于，所述递送装置包括导管操纵单元、导丝操纵单元、导管支撑单元和导丝支撑单元；

待递送的导管同时水平穿过所述导管操纵单元和所述导管支撑单元；待递送的导丝同时水平穿过所述导丝操纵单元和所述导丝支撑单元；

所述导管操纵单元用于进行所述导管的旋转、推拉、夹紧和放松动作；所述导丝操纵单元用于进行所述导丝的推拉、夹紧和放松动作；

所述导管支撑单元用于在所述导管的递送过程中对所述导管进行支撑；所述导丝支撑单元用于在所述导丝的递送过程中对所述导丝进行支撑；

所述导管操纵单元包括导管旋转部件、导管夹紧放松部件和导管推拉部件；

所述导管旋转部件用于进行所述导管的旋转动作；所述导管旋转部件包括安装底座、第一驱动件、主动轮和从动轴；所述第一驱动件固定安装于所述安装底座上；所述主动轮与所述第一驱动件传动连接；所述从动轴水平穿设于所述安装底座相对的两个侧面，并与所述主动轮传动连接；所述主动轮用于在所述第一驱动件的驱动下转动，并带动所述从动轴旋转；所述导管穿设于所述从动轴内；

所述导管夹紧放松部件用于进行所述导管的夹紧和放松动作；所述导管夹紧放松部件包括第一外壳以及位于所述第一外壳内的第一定夹头、第一动夹头和推拉电磁铁；所述第一外壳穿设于所述从动轴上，并跟随所述从动轴同步旋转；所述第一定夹头固定安装于所述第一外壳内，底部穿入所述从动轴内；所述第一动夹头位于所述第一定夹头的正下方，顶部穿入所述从动轴内；所述导管位于所述第一定夹头的底部和所述第一动夹头的顶部之间；所述推拉电磁铁固定安装于所述第一外壳内，并位于所述第一动夹头的正下方；所述推拉电磁铁的推杆上安装有自复位弹簧，且所述推杆与所述第一动夹头固定连接；在断电状态下，所述推杆在所述自复位弹簧的弹力作用下推动所述第一动夹头向上运动，使所述导管被夹紧；在通电状态下，所述推杆在电磁场的作用下带动所述第一动夹头向下运动，使所述导管被放松；

所述导管推拉部件用于进行所述导管的推拉动作；所述导管推拉部件包括支撑底座、第二驱动件、丝杆和滑台；所述第二驱动件固定安装于所述支撑底座上，所述丝杆水平穿设于所述支撑底座相对的两个侧面，并与所述第二驱动件传动连接；所述滑台穿设于所述丝杆上，并与所述丝杆传动连接；所述丝杆用于在所述第二驱动件的驱动下转动，并带动所述滑台直线运动；所述滑台上固定安装有所述安装底座；

所述导丝操纵单元包括第二外壳以及位于所述第二外壳内的第三驱动件、主动摩擦轮、第一电磁铁、第一滑杆、第一弹簧、铁片固定杆、从动摩擦轮和第一导磁铁片；所述第三驱动件固定安装于所述第二外壳内，所述主动摩擦轮与所述第三驱动件传动连接；所述第一电磁铁固定安装于所述第二外壳内，并与所述主动摩擦轮位于同一侧；所述第一滑杆穿设于所述第二外壳相对的两个侧面，且所述第一滑杆上安装有所述第一弹簧；所述铁片固定杆与所述第一滑杆滑动连接，所述第一弹簧位于所述铁片固定杆与所述主动摩擦轮之间；所述从动摩擦轮和所述第一导磁铁片均与所述铁片固定杆固定连接；所述从动摩擦轮与所述主动摩擦轮相对设置，所述第一导磁铁片与所述第一电磁铁相对设置；在所述铁片固定杆的运动方向上，所述从动摩擦轮与所述主动摩擦轮之间的距离小于或等于所述第一导磁铁片与所述第一电磁铁之间的距离；所述导丝位于所述主动摩擦轮和所述从动摩擦轮之间；

定义所述导管的递送方向为前，所述导管支撑单元位于所述导管操纵单元的前方；所述导管支撑单元包括多个可相互嵌套的递送筒，每一所述递送筒的前方均设置有一桥型支撑；所述桥型支撑的底部设置有滑块；所述滑块与滑轨配合连接；最后一所述递送筒的后方与所述安装底座固定连接；

所述导丝支撑单元包括底座支撑、第二定夹头、第二电磁铁、第二滑杆、第二弹簧、第二动夹头和第二导磁铁片；所述第二定夹头固定安装于所述底座支撑上；所述第二电磁铁固定安装于所述第二定夹头上；所述第二滑杆穿设于所述底座支撑相对的两个侧面，且所述第二滑杆上安装有所述第二弹簧；所述第二动夹头与所述第二滑杆滑动连接，所述第二弹簧位于所述第二定夹头和所述第二动夹头之间；所述第二导磁铁片固定安装于所述第二动夹头上；所述第二导磁铁片与所述第二电磁铁相对设置。

2.根据权利要求1所述的递送装置，其特征在于，所述安装底座、所述主动轮、所述从动轴、所述第一外壳、所述第一定夹头、所述第一动夹头、所述支撑底座和所述滑台均采用PLA材料3D打印而成。

3.根据权利要求1所述的递送装置，其特征在于，所述第二外壳、所述主动摩擦轮、所述铁片固定杆和所述从动摩擦轮均采用PLA材料3D打印而成。

4.根据权利要求1所述的递送装置，其特征在于，所述递送筒、所述桥型支撑、所述滑块和所述滑轨均采用PLA材料3D打印而成。

5.根据权利要求1所述的递送装置，其特征在于，所述底座支撑、所述第二定夹头、所述第二动夹头均采用PLA材料3D打印而成。

6.根据权利要求1所述的递送装置，其特征在于，所述第一定夹头通过多个力传感器固定安装于所述第一外壳内；所述力传感器用于测量所述导管在递送过程中受到的阻力。