CN114831739A - 一种主从微创血管介入手术机器人主端多器械操作装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医疗器械技术领域，具体为一种主从微创血管介入手术机器人主端多器械操作装置，包括基板、两个主操作模块，操作组件包括：第一壳体、第二壳体、第一转轴、第一带轮、第二带轮、旋捻主轴、的旋捻检测编码器、第二传动带以及设置在第二传动带两端的第三带轮和第四带轮；第三带轮上同轴连接有阻力反馈电机，第四带轮上同轴连接有位移检测编码器。本发明通过阻力反馈电机和扭矩传感器的组合为医生提供真实的操作临场感，医生在操控主操作模块时，能够通过力反馈组件有效获得来自从端装置的力反馈，并且能够有效地感知手术过程中导管/导丝在血管中的阻力，避免造成血管破裂。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种主从微创血管介入手术机器人主端多器械操作装置。
背景技术
据世界卫生组织的世界卫生报告资料显示，心脑血管病的发病率和死亡率均居各种疾病之首，是一种严重威胁人类健康的疾病。目前对于心脑血管疾病的治疗方式一般有两种，一种是传统的开放性手术，这种治疗方式创伤大、恢复慢。另一种是微创血管介入手术，介入手术只需在皮肤上作出大小约几毫米的穿刺点，在医学影像设备的指引下，将医用导管、导丝等介入器械从穿刺点引入血管，沿血管进一步到达病灶处进行治疗。
介入手术与传统的开放性手术相比，应用了例如数字透视、数字电影、移动式B超机、MR和CT等先进技术和设备，并且其凭借创伤小、恢复快、安全性高的突出性优点被越来越多的医院所采用。但传统的血管介入手术需要由医生人工完成，因而存在着明显的弊端，例如：医生长期在X射线环境下工作，对身体的伤害极大；为避免过强的辐射，医生需穿着沉重的铅衣进行手术，严重影响手术的操作精度；现有的介入手术技巧性强，对医生的操作要求较高等。
近年来，随着人工智能、高级装备制造等学科的交叉发展，对于介入手术机器人的研究力度越来越大，临床应用手术机器人实现的手术病例也越来越多。另外介入手术机器人不仅可以提高手术精度、降低术中风险，最重要的是通过主从操作的方式，即医生在导管室外操控主端装置，导管室内的从端装置进行手术，使医生能从辐射中脱离出来。
而现有的主端操作装置仍存在以下缺点：无法实现复杂状态下的操作；无法实现控制多根导丝以及球囊支架等介入器械的协同递送；无法实现较为精确的力反馈，一般的单向力反馈信息使医生缺失操作临场感，不能精确感知导丝在血管中所受的力/位信息，从而可能会使医生操作不当损坏病人器官。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的无法实现控制多根导丝以及球囊支架等介入器械协同递送的缺陷，提供一种的主从微创血管介入手术机器人主端多器械操作装置，能够精准获取力觉信息并实时反馈给医生手部的装置，并且能够同时控制递送、旋捻和夹持导管及多根导丝，能实现医生手术过程中的操作临场感，符合人体工效学。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种主从微创血管介入手术机器人主端多器械操作装置，其特征在于：包括基板、安装在所述基板上的两个主操作模块，所述主操作模块分为导管主操作模块和导丝主操作模块；所述主操作模块包括操作组件和力反馈组件，所述操作组件包括：直线滑动安装在所述基板上的第一壳体、与所述第一壳体相对盖合安装的第二壳体、转动安装在所述基板上方的第一转轴、安装在所述第一转轴上的第一带轮、转动安装在所述第一壳体和第二壳体上端的第二带轮、与所述第二带轮同轴安装的旋捻主轴、安装在所述第一转轴端部的旋捻检测编码器、与所述第一转轴平行设置的第二传动带以及设置在所述第二传动带两端的第三带轮和第四带轮；所述第一带轮与所述第二带轮通过第一传动带连接，所述第三带轮上同轴连接有阻力反馈电机，所述第四带轮上同轴连接有位移检测编码器，所述第一壳体的下部固定连接在连接板的一端，所述连接板的另一端固定连接在所述第二传动带上。
进一步地，所述第一转轴为花键轴，所述花键轴上滑动套设有花键套筒，所述第一带轮固定安装在所述花键套筒上，所述连接板通过轴承安装在所述花键套筒外。
进一步地，还包括用来对所述第一传动带张紧的张紧组件，所述张紧组件包括张紧转轴、转动连接在所述张紧转轴上的张紧轮，所述张紧转轴的两端具有安装板，所述第一壳体和第二壳体上相对设置有安装长孔和支撑长孔，支撑长孔设置在两个安装长孔的中间位置；所述张紧转轴贯穿安装在所述支撑长孔内，通过螺栓穿过安装长孔将安装板和第一壳体或第二壳体固定安装。
进一步地，所述第一壳体的下端固定连接有滑块，所述基板上具有与所述第一转轴平行设置的导轨，所述滑块滑动连接在所述导轨上。
进一步地，所述基板上固定设置有两相对设置的转轴支撑座，所述第一转轴通过轴承安装在两所述转轴支撑座上。
进一步地，还包括扭矩传感器，所述扭矩传感器的两端分别连接在所述阻力反馈电机的输出轴上和所述第三带轮的转轴上。
进一步地，所述旋捻主轴转动连接在握杆内，所述旋捻主轴从所述握杆中穿出的端部固定连接有旋捻手轮。
进一步地，还包括设置在所述握杆外的杆套，所述握杆外表面具有沿其轴向延伸的凹槽，所述杆套的内壁面上具有与所述凹槽相适配的凸条，所述杆套为橡胶材质。
进一步地，所述导丝主操作模块的握杆上设置有第一导丝压力传感器和第二导丝压力传感器，所述导管主操作模块的握杆上设置有导管压力传感器，所述杆套上设置有分别与所述第一导丝压力传感器、第二导丝压力传感器或所述导管压力传感器相对应的按压凸点。
更进一步地，还包括固定块，通过固定块将所述连接板与所述第二传动带固定连接。
本发明的一种主从微创血管介入手术机器人主端多器械操作装置的有益效果是：
1、本发明通过阻力反馈电机和扭矩传感器的组合为医生提供真实的操作临场感，医生在操控主操作模块时，能够通过力反馈组件有效获得来自从端装置的力反馈，并且能够有效地感知手术过程中导管/导丝在血管中的阻力，避免造成血管破裂。
2、本发明采用对称分布的方式，将导管主操作模块与导丝主操作模块集成于一体，大大缩短了医生学习使用机器人的时间，并且在两个模块上同样地将递送控制机构和旋捻控制机构集成于造作组件上，方便医生在手术过程中同时对导丝和导管进行推进和旋捻动作，而且旋捻的角度不受限制，降低了手术操作的复杂程度。
3、本发明可同时控制两根导丝的递送、旋捻和夹紧，更能适应多种复杂状态下的手术环境。
4、发明通过同步带传动的方式，一定程度上减缓了反馈力矩对人手的冲击，避免了实际手术过程中医生手抖的情况，并且设置了张紧组件，延长了同步带的使用寿命，提高了整体结构的精度。
5、本发明采用握杆和旋捻手轮的组合实现医生对导管/导丝的递送和旋捻操作，医生只需手掌握住握杆，手指捏住旋捻手轮即可完成递送和旋捻的操作，并且符合医生常规手术中两指操作导丝/导管进行介入手术的习惯。
附图说明
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。
图1是本发明实施例整体结构图；
图2是本发明实施例缺省保护壳后结构图；
图3是本发明实施例的力反馈组件结构图；
图4是本发明实施例部分结构图；
图5是本发明实施例张紧组件爆炸图；
图6是本发明实施例操作部分结构图；
图7是本发明实施例握杆部分剖视图；
图8是图6中A部放大图。
图中:1、保护壳，2、基板，3、导管主操作模块，4、导丝主操作模块，5、第一壳体，6、第二壳体，7、第一转轴，8、第一带轮，9、第二带轮，10、旋捻主轴，11、旋捻检测编码器，12、第二传动带，13、第三带轮，14、第四带轮，15、第一传动带，16、阻力反馈电机，17、位移检测编码器，18、连接板，19、滑块，20、导轨，21、转轴支撑座，22、扭矩传感器，23、握杆，24、旋捻手轮，25、杆套，26、第一导丝压力传感器，27、第二导丝压力传感器，28、导管压力传感器，29、按压凸点，30、固定块，31、急停开关，32、电源开关，33、控制模块，34、花键套筒，35、张紧转轴，36、张紧轮，37、安装板，38、安装长孔，39、支撑长孔。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
冠脉复杂病变一般比较常见有开口病变和分叉病变，因为涉及到多个血管的病变问题，在微创血管介入手术中需要对两根导丝操作，具体过程是先递送导管，再把导丝通过导管往前递送。两根导丝分别为主支导丝和边支导丝，球囊、支架通过主支导丝到达病变位置，在主支导丝到达准确的病变位置之前，引入边支导丝到旁系血管，主要是为了支撑或者保护旁系血管(边支血管)，撑开旁系血管，然后就可以给予病变位置主支导丝更多的运动空间，或者保护旁系血管防止主支导丝递送的时候旁系血管闭塞。本发明适用于具有开口病变和分叉病变的微创血管介入手术。
如图1-图8所示的本发明的一种主从微创血管介入手术机器人主端多器械操作装置的具体实施例，参见图1，包括基板2、安装在基板2上的两个主操作模块和与两个主操作模块分别对应的两个控制模块33，主操作模块分为导管主操作模块3和导丝主操作模块4。
参见图1和2，为了使整个主端操作装置更加安全可靠，基板2上还具有两个分别与导管主操作模块3和导丝主操作模块4对应的控制模块33，控制模块33被保护壳1密封在壳体内，保护壳1与基板2固定连接，保护壳1上设置有急停开关31和电源开关32，急停开关31可在紧急情况下停止机器，电源开关32可启动机器使其开始工作。
结合图2-图8，主操作模块包括操作组件和力反馈组件，操作组件包括：直线滑动安装在基板2上的第一壳体5、与第一壳体5相对盖合安装的第二壳体6、转动安装在基板2上方的第一转轴7、安装在第一转轴7上的第一带轮8、转动安装在第一壳体5和第二壳体6上端的第二带轮9、与第二带轮9同轴安装的旋捻主轴10、安装在第一转轴7端部的旋捻检测编码器11、与第一转轴7平行设置的第二传动带12以及设置在第二传动带12两端的第三带轮13和第四带轮14；第一带轮8与第二带轮9通过第一传动带15连接，第三带轮13上同轴连接有阻力反馈电机16，第四带轮14上同轴连接有位移检测编码器17，第一壳体5的下部固定连接在连接板18的一端，连接板18的另一端固定连接在第二传动带12上。
本实施例中，通过固定块30将连接板18与第二传动带12固定连接。
本实施例中，参见图4，基板2上固定设置有两相对设置的转轴支撑座21，第一转轴7通过轴承安装在两转轴支撑座21上。第一壳体5的下端固定连接有滑块19，基板2上具有与第一转轴7平行设置的导轨20，滑块19滑动连接在导轨20上。
为了便于安装，第一转轴7为花键轴，花键轴上滑动套设有花键套筒34，第一带轮8固定安装在花键套筒34上，连接板18通过轴承安装在花键套筒34外。
参见图5，本发明实施例还包括用来对第一传动带15张紧的张紧组件，张紧组件包括张紧转轴35、转动连接在张紧转轴35上的张紧轮36，张紧转轴35的两端具有安装板37，第一壳体5和第二壳体6上相对设置有安装长孔38和支撑长孔39，支撑长孔39设置在两个安装长孔38的中间位置；张紧转轴35贯穿安装在支撑长孔39内，通过螺栓穿过安装长孔38将安装板37和第一壳体5或第二壳体6固定安装。通过将张紧转轴35固定安装在支撑长孔39内的不同位置，实现对第一传动带12不同程度的张紧。
参见图3，本发明实施例还包括扭矩传感器22，扭矩传感器22的两端分别连接在阻力反馈电机16的输出轴上和第三带轮13的转轴上。医生在操作主操作模块使其轴向递进运动时，手术机器人从动端会检测到导丝或者导管的递送阻力信息，进一步通过CAN通信将递送信息传递给阻力反馈电机16，阻力反馈电机16接收到来自从动端的速度抑制信号从而降低转速，进而使第三带轮13和第四带轮14的转速降低，第二传动带12移动速度也随之减慢，人手通过主操作模块能感受到第二传动带12的速度变换，进而调整操作主操作模块的推进力，同时扭矩传感器22可以获取推进力信息，并将推进力信息反馈给控制模块33，控制模块33经过信号处理进而降低手术机器人从动端导管或导丝的轴向推进速度。力反馈组件中的阻力反馈电机16和扭矩传感器22的配合实现了主从端之间的双向力反馈。
为了更方便的操作，旋捻主轴10转动连接在握杆23内，握杆23的一端固定安装在第一壳体5上，旋捻主轴10从握杆23中穿出的端部固定连接有旋捻手轮24。通过操作旋捻手轮24转动即可实现从端的搓丝转动动作。握杆23外设置有杆套25，握杆23外表面具有沿其轴向延伸的凹槽，杆套25的内壁面上具有与凹槽相适配的凸条，杆套25为橡胶材质，杆套25通过凸条嵌入到握杆23的凹槽内固定在握杆23的外周面上，增加医生操作时的手感，并且起到防滑的作用。
由于导丝主操作模块4需要根据不同的需求分别操作两根导丝，导丝主操作模块4的握杆23上设置有第一导丝压力传感器26和第二导丝压力传感器27，杆套25上设置有分别与第一导丝压力传感器26和第二导丝压力传感器27对应的按压凸点29。当然如果同一个导丝主操作模块4需要控制更多根的导丝，可以设置更多的压力传感器和凸点。
由于导丝主操作模块4可以控制两根导丝的运动，当需要对主支导丝执行夹紧命令时，医生用拇指按压凸点29，凸点29经人手按压后可触压到第一导丝压力传感器26，第一导丝压力传感器26可以检测到来自人手对其施加的压力，相当于获取到医生的夹持力信息，进而控制手术机器人从端对主支导丝的夹紧，当需要夹紧边支导丝时，医生则按压另一凸点29进而触压第二导丝压力传感器27，此时手术机器人从端会夹紧边支导丝，凸点29、第一导丝压力传感器26和第二导丝压力传感器27的配合使用可以灵活地操作两根导丝的运动，同时医生若感受到手术机器人从端导丝末端阻力超过预期的压力阈值时，可调整按压凸点29的夹持力大小，避免导丝前端戳破血管壁导致出血。
同样地，导管主操作模块3的握杆23上设置有导管压力传感器28，杆套25上设置有与导管压力传感器28的按压凸点29。导管主操作模块3设置有一个导管压力传感器28，当需要对导管执行夹紧命令时，医生通过按压凸点29可触压到导管压力传感器28，进而控制手术机器人从端对导管的夹紧。
以导丝的旋捻为例，导管旋捻原理与导丝相同，当需要对导丝执行旋捻命令时，医生手掌握住杆套25，两指夹持旋捻手轮24周向旋转，从而带动旋捻主轴10周向旋转，旋捻主轴10带动第一带轮8和第二带轮9转动，进而带动花键套筒34和第一转轴7一起在转轴支撑座21上周向旋转，连接在第一转轴7一端的旋捻检测编码器11获取到来自第一转轴7的旋转角度信息，相当于获取到医生对旋捻手轮24进行旋捻的周向旋捻信息，进而传递给手术机器人从端使导丝进行周向旋转，由于两侧的转轴支撑座21限制了第一转轴7其余方向的运动，则第一转轴7只能通过花键套筒34周向旋转，并且医生在两指夹持旋捻手轮24进行周向旋捻的同时，不影响其手掌握住杆套25通过第一壳体5使滑块19在导轨20上滑动，即不影响导丝主操作模块4的轴向推进运动，进而将导丝的递送和旋捻动作进行解耦。当医生在进行旋捻操作，需要对第一传动带15进行张紧或放松时，医生人手拨动张紧轮轴35两端的安装板37，张紧转轴35可以在支撑长孔39内左右移动，使其带动张紧轮36左右运动，并通过穿过安装板37和安装长孔38内的螺栓将张紧转轴35定位固定，进而实现第一传动带15的张紧和放松，以防止第一传动带15在运动的过程中过松导致的同步带跳齿现象或者过紧导致的同步带磨损问题。
综上所述，本发明通过阻力反馈电机16和扭矩传感器22的组合为医生提供真实的操作临场感，医生在操控主操作模块时，能够通过力反馈组件有效获得来自从端装置的力反馈，并且能够有效地感知手术过程中导管/导丝在血管中的阻力，避免造成血管破裂。
同时，本发明采用对称分布的方式，将导管主操作模块3与导丝主操作模块4集成于一体，大大缩短了医生学习使用机器人的时间，并且在两个模块上同样地将递送控制机构和旋捻控制机构集成于造作组件上，方便医生在手术过程中同时对导丝和导管进行推进和旋捻动作，而且旋捻的角度不受限制，降低了手术操作的复杂程度。
另外，本发明可同时控制两根导丝的递送、旋捻和夹紧，更能适应多种复杂状态下的手术环境。
发明通过同步带传动的方式，一定程度上减缓了反馈力矩对人手的冲击，避免了实际手术过程中医生手抖的情况，并且设置了张紧组件，延长了同步带的使用寿命，提高了整体结构的精度。
采用握杆23和旋捻手轮24的组合实现医生对导管/导丝的递送和旋捻操作，医生只需手掌握住握杆23，手指捏住旋捻手轮24即可完成递送和旋捻的操作，并且符合医生常规手术中两指操作导丝/导管进行介入手术的习惯。
应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种主从微创血管介入手术机器人主端多器械操作装置，其特征在于：包括基板(2)、安装在所述基板(2)上的两个主操作模块，所述主操作模块分为导管主操作模块(3)和导丝主操作模块(4)；所述主操作模块包括操作组件和力反馈组件，所述操作组件包括：直线滑动安装在所述基板(2)上的第一壳体(5)、与所述第一壳体(5)相对盖合安装的第二壳体(6)、转动安装在所述基板(2)上方的第一转轴(7)、安装在所述第一转轴(7)上的第一带轮(8)、转动安装在所述第一壳体(5)和第二壳体(6)上端的第二带轮(9)、与所述第二带轮(9)同轴安装的旋捻主轴(10)、安装在所述第一转轴(7)端部的旋捻检测编码器(11)、与所述第一转轴(7)平行设置的第二传动带(12)以及设置在所述第二传动带(12)两端的第三带轮(13)和第四带轮(14)；所述第一带轮(8)与所述第二带轮(9)通过第一传动带(15)连接，所述第三带轮(13)上同轴连接有阻力反馈电机(16)，所述第四带轮(14)上同轴连接有位移检测编码器(17)，所述第一壳体(5)的下部固定连接在连接板(18)的一端，所述连接板(18)的另一端固定连接在所述第二传动带(12)上。
2.根据权利要求1所述的一种主从微创血管介入手术机器人主端多器械操作装置，其特征在于：所述第一转轴(7)为花键轴，所述花键轴上滑动套设有花键套筒(34)，所述第一带轮(8)固定安装在所述花键套筒(34)上，所述连接板(18)通过轴承安装在所述花键套筒(34)外。
3.根据权利要求1所述的一种主从微创血管介入手术机器人主端多器械操作装置，其特征在于：还包括用来对所述第一传动带(15)张紧的张紧组件，所述张紧组件包括张紧转轴(35)、转动连接在所述张紧转轴(35)上的张紧轮(36)，所述张紧转轴(35)的两端具有安装板(37)，所述第一壳体(5)和第二壳体(6)上相对设置有安装长孔(38)和支撑长孔(39)，支撑长孔(39)设置在两个安装长孔(38)的中间位置；所述张紧转轴(35)贯穿安装在所述支撑长孔(39)内，通过螺栓穿过安装长孔(38)将安装板(37)和第一壳体(5)或第二壳体(6)固定安装。
4.根据权利要求1所述的一种主从微创血管介入手术机器人主端多器械操作装置，其特征在于：所述第一壳体(5)的下端固定连接有滑块(19)，所述基板(2)上具有与所述第一转轴(7)平行设置的导轨(20)，所述滑块(19)滑动连接在所述导轨(20)上。
5.根据权利要求4所述的一种主从微创血管介入手术机器人主端多器械操作装置，其特征在于：所述基板(2)上固定设置有两相对设置的转轴支撑座(21)，所述第一转轴(7)通过轴承安装在两所述转轴支撑座(21)上。
6.根据权利要求1所述的一种主从微创血管介入手术机器人主端多器械操作装置，其特征在于：还包括扭矩传感器(22)，所述扭矩传感器(22)的两端分别连接在所述阻力反馈电机(16)的输出轴上和所述第三带轮(13)的转轴上。
7.根据权利要求1所述的一种主从微创血管介入手术机器人主端多器械操作装置，其特征在于：所述旋捻主轴(10)转动连接在握杆(23)内，所述旋捻主轴(10)从所述握杆(23)中穿出的端部固定连接有旋捻手轮(24)。
8.根据权利要求7所述的一种主从微创血管介入手术机器人主端多器械操作装置，其特征在于：还包括设置在所述握杆(23)外的杆套(25)，所述握杆(23)外表面具有沿其轴向延伸的凹槽，所述杆套(25)的内壁面上具有与所述凹槽相适配的凸条，所述杆套(25)为橡胶材质。
9.根据权利要求8所述的一种主从微创血管介入手术机器人主端多器械操作装置，其特征在于：所述导丝主操作模块(4)的握杆(23)上设置有第一导丝压力传感器(26)和第二导丝压力传感器(27)，所述导管主操作模块(3)的握杆(23)上设置有导管压力传感器(28)，所述杆套(25)上设置有分别与所述第一导丝压力传感器(26)、第二导丝压力传感器(27)或所述导管压力传感器(28)相对应的按压凸点(29)。
10.根据权利要求1所述的一种主从微创血管介入手术机器人主端多器械操作装置，其特征在于：还包括固定块(30)，通过固定块(30)将所述连接板(18)与所述第二传动带(12)固定连接。
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