CN116139389A - 一种基于角杆剪叉单元的介入导管盘绕输送装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于角杆剪叉单元的介入导管盘绕输送装置，包括导管输送模组及介入导管盘绕模组。导管盘绕模组具有三个可滑动导管座与一个固定导管座，导管在四个导管座上多层环形盘绕；导管出口接入导管输送模组，导管输送模组通过摩擦轮与惰轮配合夹紧导管，进一步利用摩擦轮的摩擦力实现导管的输送。同时，本发明中相邻可滑动导管座间设置角杆剪叉单元，利用角杆剪叉单元可径向展收的特性，实现了对长距离介入导管的有序盘绕及输送；利用同参数角杆剪叉单元端部在运动过程中沿径向速度相同的特性保证了导管输送过程中形状保持为圆形，避免了输送过程中导管的弯折与缠绕。

Description

一种基于角杆剪叉单元的介入导管盘绕输送装置

技术领域

本发明属于机械技术领域，涉及一种基于角杆剪叉单元的介入导管盘绕输送装置。

背景技术

随着医疗技术的发展，经人体自然腔道手术因其无需开刀，手术过程对患者伤害小，术后恢复快等优点逐渐成为许多疾病治疗的首选方式。如经人体消化道的内窥镜辅助胃肠道病理组织活检、支气管活检穿刺以及经血管介入手术如心脏支架置放手术，颅内可回收支架取栓手术等。此类经人体自然腔道的介入手术有一个共同特点，即需要使用介入导管经人体自然腔道将手术操作器械送达指定病理位置。由于人体自然腔道较为曲折，且长度通常在1米以上，因而介入导管的总长较长，某些心血管介入手术导管的总长度甚至达到3米左右。由于介入导管长度长且较为柔软，介入导管输送过程中体外部分的导管可能发生缠绕和弯折，在实际手术操作过程中，除了负责介入操作的主刀医师外，往往需要配备专门的助手进行导管的辅助递送。随着机器人技术的发展，手术过程中介入器材逐渐由床边输送装置代替医生进行输送，然而介入导管过长的输送距离成为递送过程中造成手术失败的不确定性因素之一，通常仍需要床边助手的辅助，降低了手术过程的自动化程度。因此，设计一种可对长距离介入导管进行有序盘绕和输送的自动化设备对于介入手术的顺利实施具有重要的价值。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于角杆剪叉单元的介入导管盘绕输送装置，通过设计多圈介入导管盘绕模组实现介入导管的多圈盘绕及支撑；设计角杆剪叉单元，使体外部分导管在输送过程中始终盘绕呈圆环状，避免了导管弯折及缠绕的发生。

本发明基于角杆剪叉单元的介入导管盘绕输送装置，包括导管输送模组以及介入导管盘绕模组。其中，导管输送模组实现介入导管的输送；导管盘绕模组实现介入导管的多圈圆环状盘绕及支撑。

所述导管盘绕模组包括周向布置的四个导管座。其中，三个导管座分别安装于三条导轨的导轨滑块上；三条导轨包括左侧导轨、右侧导轨与中间导轨；左侧导轨与右侧导轨左右对称布置，与中间导轨夹角为45°；另一导管座固定于三条导轨交点位置。四个导管座上纵向设计有导管穿孔，导管依次绕过各导管穿孔呈多层环形布置。导管的固定端通过导管入口架固定；导管输送端由导管出口架支撑，并接入导管输送模组。

上述相邻两个导管座间安装角杆剪叉机构，通过两套角杆剪叉机构实现被盘绕导管在输送过程中始终呈圆环状。两套角杆剪叉机构对称布置，包括剪叉单元A及剪叉单元B。其中，剪叉单元A具有两根角杆，角杆夹角呈120°，尺寸相等；两根角杆上下层叠布置，夹角位置处铰接。剪叉单元B具有一根角杆与一根连杆；其中，连杆与角杆上下层叠布置，连杆的B端与角杆夹角处铰接。

上述剪叉单元A与剪叉单元B中，角杆夹角均朝向四个导管座所在圆周外侧。剪叉单元A中上层角杆与下层角杆同侧的A端分别与中间直线导轨上的导轨座及滑动座铰接。上层角杆与下层角杆另一侧的B端分别与剪叉单元B中角杆的A端及连杆A端铰接；剪叉机构B中角杆的B端与侧方的直线导轨上的导管座铰接。

所述导管输送模组通过摩擦轮与惰轮间的配合夹紧导管，摩擦轮由步进电机驱动；通过摩擦轮与导管间的摩擦力，实现导管的输送。

本发明的优点在于：

1、本发明基于角杆剪叉单元的介入导管盘绕输送装置利用角杆剪叉单元可径向展收的特性，实现了对长距离介入导管的有序盘绕及输送；利用同参数角杆剪叉单元末端在运动过程中沿径向速度相同的特性保证了导管整个输送过程中形状保持为圆形，避免了输送过程中导管的弯折及缠绕。

2、本发明基于角杆剪叉单元的介入导管盘绕输送装置利用摩擦轮导管输送模组配合基于角杆剪叉单元的导管盘绕装置实现了长距离介入导管的有序自动化输送，代替了传统的人工输送方式，降低了医生的工作强度，提高了介入手术过程的自动化程度。

附图说明

图1为本发明介入导管盘绕输送装置的整体构成图。

图2为本发明介入导管盘绕输送装置中介入导管盘绕模组初始位置的轴测图。

图3为本发明介入导管盘绕输送装置中介入导管盘绕模组初始位置的俯视图。

图4为本发明介入导管盘绕输送装置处于导管输送中间位置时介入导管盘绕模组的俯视图。

图5为本发明介入导管盘绕输送装置处于导管输送最终位置时介入导管盘绕模组的俯视图。

图6为本发明介入导管盘绕输送装置处于导管输送最终位置时介入导管盘绕模组的轴测图。

图7为本发明介入导管盘绕输送装置导管输送模组结构图；

图8为本发明介入导管盘绕输送装置导管输送模组后部结构图；

图9为导管输送模组中滑块结构示意图。

图中：

1-导管输送模组 2-介入导管盘绕模组 3-导管固定座

4-角杆剪叉单元 5-支座 6-光学平台

7-介入导管 101-基座 102-滑块

103-压簧 104-调节螺栓 105-电机座

106-步进电机 107-主动摩擦轮 108-惰轮

109-齿轮传动模组 110-导管输入架 111-导管输出架

101a-缺口 101b-盖板 102a-压簧接头

102b-插口 201-部件安装板 202-限位装置

203-导管入口架 204-导管出口架 205-滑动座

206-左侧直线导轨 207-中间直线导轨 208-右侧直线导轨

209-中间导管座 210-左侧导管座 211-右侧导管座

212-固定导管座

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明一种基于角杆剪叉单元的介入导管盘绕输送装置主要由两部分构成，包括导管输送模组1以及基于角杆剪叉单元的多圈介入导管盘绕模组2。其中，导管输送模组1实现介入导管7的输送；多圈介入导管盘绕模组2用于实现介入导管7的多圈圆环状盘绕及支撑，同时设计角杆剪叉单元，使盘绕的导管在输送过程中始终呈圆环状。

如图2所示，介入导管盘绕模组2安装于光学平台6上，其包括部件安装板201、限位装置202、导管入口架203、导管出口架204、滑动座205以及导管座和直线导轨组件。

所述部件安装板201水平设置，通过底面周向上安装的支座5安装于光学平台6上，其上表面安装直线导轨组件、导管座、导管入口架203与导管出口架204。

其中，直线导轨组件包括三条直线导轨，令分别为左侧直线导轨206、中间直线导轨207与右侧直线导轨208。三条直线导轨固定于部件安装板201上表面，且左侧直线导轨206与右侧直线导轨208分别位于中间直线导轨207左右两侧，对称布置，三条直线导轨相互之间具有45°夹角。上述三条直线导轨具有可沿导轨滑动的导轨座，且在中间直线导轨207上还安装有滑动座205；该滑动座205位于中间直线导轨的导轨座后方。

导管座具有四个，其上沿纵向等间隔开有导管穿孔。令四个导管座分别为中间导管座209、左侧导管座210、右侧导管座211与固定导管座212。其中，中间导管座209、左侧导管座210与右侧导管座211均垂直于部件安装板201设置，分别通过底部连接板固定安装于中间直线导轨207、左侧直线导轨206与右侧直线导轨208的导轨座上表面；固定导管座212位于三条直线导轨轴线交点处，通过底部连接板固定安装于部件安装板201上表面。同时，中间导管座209与固定导管座212的导管穿孔轴线平行于中间直线导轨设置，左侧导管座210与右侧导管座211的导管穿孔轴线垂直于中间直线导轨设置。如图3所示，在介入导管7的盘绕直径为最大值的初始位置时，上述四个导管座分别位于同一圆形的相互垂直的两条直径的端点处。

限位装置202为柱状结构，竖直设置，底部固定安装于部件安装板201上，分别位于左侧直线导轨206与右侧直线导轨208外侧，其高度与导管座顶端齐平。由于限位装置202所在的位置位于介入导管7运动最外侧，因此可防止介入导管7超过最大盘绕直径。

导管入口架203、导管出口架204分别位于固定导管座212两侧，导管入口架203、导管出口架204上开有导管入口与导管出口。其中，导管入口与固定导管座212上最下方导管穿孔同轴；导管出口与固定导管座212最上方导管穿孔同轴。

通过上述结构的介入导管盘绕模组2，实现对长距离介入导管7进行多圈盘绕。介入导管7末端固定安装于导管固定座3上设计的导管固定孔处，该导管固定座3安装于光学平板6上，导管固定孔与固定导管座212最下方通孔同轴。随后介入导管7沿水平方向依次穿过导管入口架203的导管入口与固定导管座212最下方导管穿孔，进一步逆时针由下至上依次穿过右侧导管座211、中间导管座209与左侧导管座210上的导管穿孔后，最终由固定导管座212最上方导管穿孔穿出，经导管出口架204水平接入导管输送装置1。由此使介入导管7绕四个导管座呈弹簧状盘绕多层，相隔两导管座之间抬升2.5mm，每圈螺距10mm。在介入导管7输送过程中，三条直线滑轨上的导管座受介入导管7牵拉，沿直线导轨移动，使盘绕后的介入导管7直径逐渐减小；为了防止介入导管7在输送过程中发生缠绕及弯折，介入导管7在输送过程中需要始终盘绕为圆环状，即需要保证四个导管座在介入导管7输送过程中的位置始终位于一圆形相互垂直的两条直径端点处。为了实现这一特性，在中间直线导轨207与其两侧直线导轨间安装对称的角杆剪叉单元4，利用同参数角杆剪叉单元末端在运动过程中沿径向速度相同的特性保证了导管整个输送过程中形状始终保持为圆形。

由于所设计的两套角杆剪叉单元4具有对称性，因此以其中一套角杆剪叉单元4进行说明：令中间直线导轨207上的导轨座为导轨座A，一侧的直线导轨上的导轨座为导轨座B。如图3所示，角杆剪叉单元4的基本组成单元为图中所示的由角杆组成的剪叉单元A及剪叉单元B。其中，剪叉单元A具有两根角杆，各角杆均为由两个夹角呈120度的侧杆端部相接构成的一体结构，尺寸相等；两根角杆上下层叠设置，夹角位置处铰接构成剪叉单元A。与剪叉单元A相似，剪叉单元B具有一根角杆与一根连杆；其中，角杆与剪叉单元A中角杆结构尺寸相同；连杆尺寸与构成角杆的侧杆尺寸相同；连杆与角杆上下层叠设置，连杆端部与角杆夹角处铰接构成剪叉单元B。

上述剪叉单元A与剪叉单元B中，角杆夹角均朝向各导管座所在圆周外侧。剪叉单元A中，上层角杆与下层角杆的末端(A端)分别与导轨座A的底部连接板及滑动座205间铰接形成转动副，转动副轴线垂直于部件安装板201。上层角杆与下层角杆的前端(B端)分别与剪叉单元B中角杆及连杆末端(A端)铰接。剪叉机构B中角杆前端(B端)与导管座B的底部连接板间铰接形成转动副，转动副轴线垂直于部件安装板201。同时剪叉单元A中两角杆末端铰接点的连线与前端铰接点连线相交于一点A，并呈45°夹角；且在角杆剪叉单元4的运动过程中两条直线的夹角始终为45°。同理，剪叉单元B中连杆和角杆末端铰接点的连线，与角杆前端铰接点和中间直线导轨207垂直连线相交于一点B，且两条直线呈45°夹角；上述交点B与交点A重合。

如图4至图6所示，经自由度公式计算得到上述结构的角杆剪叉单元4与中间导管座209、中间直线导轨207、滑动座205、侧方的直线导轨上的导管座211以及侧方的直线导轨208所组成的整体机构的运动自由度为1。由于所设计两条角杆剪叉单元4关于中间直线导轨209中心对称，因此两条角杆剪叉单元4与直线导轨组件的组合机构自由度也为1，这保证了其能够实现可靠的单自由度运动。由于在角杆剪叉单元4的运动过程中两个剪叉单元运动副轴线垂线的夹角始终为45°，并且始终汇交于一点，保证了所设计的四个导管座在运动过程中其相对位置始终位于不同直径圆形的两条相互垂直的直径端点处。

经上述分析过程可知，在介入导管7输送过程中，盘绕在四个导管座上的介入导管7的盘绕形状始终为圆形，避免了介入导管7在输送过程中缠绕及弯折的发生。从图2至图6的过程可以看出，随着四个导管座组成的圆形直径逐渐缩小，被盘绕的介入导管7在导管座上的对应导管穿孔内逐渐滑动，其盘绕直径随着四个导管座组成的圆形直径缩小而减小，此时盘绕的介入导管7经导管出口架204的导管出口逐渐向外输送。如图2及图6中所示，本发明中介入导管7盘绕圈数为3圈，在实际应用过程中介入导管7的盘绕圈数也可通过增减导管座上的导管穿孔的数量进行调整，在介入导管7盘绕圈数为n的情况下，介入导管盘绕模组2对导管的输送距离ΔL与介入导管盘绕直径ΔD的变化的关系为ΔL＝nπΔD。由此可在输送长距离介入导管7的情况下大大缩小介入导管7所占外形尺寸，其尺寸相对输送长度可缩小nπ倍。

所述导管输送模组1具体构成及工作过程如下所述。如图7、图8所示，摩擦轮输送模组1包括基座101、滑块102、压簧103、调节螺栓104、电机座105、步进电机106以及一对主动摩擦轮107和带U型槽的被动惰轮108与齿轮传动模组109。

其中，基座101与电机座105固定于光学平台6上，位于导管出口架204右侧。基座101顶部设计有两个矩形缺口101a，两个缺口101a之间由顶面向下开设有滑槽。如图9所示，滑块102设计为哑铃型，两端为立方体结构，分别设置于两个矩形缺口101a内；中间部分置于滑槽内，使整个滑块102可上下滑动。基座101顶部安装有盖板101b，由盖板101b将两个矩形缺口101a及滑槽顶面封闭，防止滑块102脱离滑槽；上述滑块102两端立方体结构底面设计有压簧接头102a，且压簧接头102a相对位置的缺口101a底面同样设计有凸起，压簧接头102a与凸起间套有压簧103；同时滑块102两端立方体结构侧面开有插口102b，用于连接两个被动堕轮108。两个被动惰轮108中心具有转轴，插接于前述插口102b内固定；同时惰轮108周向上开设的U形槽与介入导管7贴合，用来实现介入导管7输送过程中的轴向定位，保证惰轮108对介入导管7具有更好的输送特性。进一步，在盖板101b顶部开设有两个螺纹通孔，分别位于两个矩形缺口101a中部上方；两个螺纹通孔内螺纹安装调节螺栓104，通过旋转调节螺栓104实现压簧103压缩程度，进而实现滑块102的上下位置调整。两个主动摩擦轮107通过中心转轴安装于基座101上，且两个主动摩擦轮107的轴线分别与两个惰轮108轴线位置上下对应。经导管出口架204送出的介入导管7在主动摩擦轮107与惰轮108之间在水平方向上进行输送；为保证导管输送路径水平，在基座101一侧位于主动摩擦轮107与惰轮108之间位置安装导管输送架110，导管输送架110上设计导管穿孔；同时在导管输入架110对侧安装导管输出架111，导管输入架110上设计导管穿孔，其与导管输入架110上的导管穿孔底端处于同一水平线上；且通过安装合适高度的支座5调整部件安装板高度，保证导管出口架204上的导管出口与导管输入架110上的导管穿孔底端处于同一水平线上。由此，在经由导管出口架204送出的介入导管7水平穿过导管输入架110上的导管穿孔后，进入主动摩擦轮107与惰轮108之间，并由导管输出架111上的导管穿孔穿出。

初始时刻在压簧103的作用力下，滑块102位于最高点，即滑块102与盖板101c底面接触，此时通过旋紧调节螺栓104，使滑块102在调节螺栓104压力下逐渐向下运动，在滑块102上的两个惰轮108逐渐与两个主动摩擦轮107接近。继续旋紧调节螺栓104直到两个惰轮108将介入导管7压紧在主动摩擦轮107上。此时通过驱动主动摩擦轮107配合惰轮108即可实现介入导管7的输送。由于调节螺栓104的旋紧距离可调，因此所输送介入导管7的外径尺寸及主动摩擦轮107与惰轮108对介入导管7的压紧力均为可调。

上述摩擦轮输送模组1中由齿轮传动模组109将步进电机106的运动传递给主动摩擦轮107并且实现两个主动摩擦轮107间的同步运动。所述齿轮传动模组109具有两个外侧齿轮与一个中间齿轮。两个主动摩擦轮107的中心转轴通过螺栓轴分别与基座101背侧的两个外侧齿轮连接；中间齿轮为摩擦轮输送模组1的运动输入，其与两个外侧齿轮均啮合，并通过联轴器与安装在电机座105上的步进电机106输出轴同轴连接，由此通过步进电机106驱动中间齿轮转动，进而带动与其啮合的两个外侧齿轮及与其固连的主动摩擦轮107同向转动，实现介入导管7的输送。由此，通过步进电机106正反转进而驱动主动摩擦轮107的正反转，进而可实现介入导管7的前进与后退运动。

当手术任务完成需要回撤介入导管7时，只需步进电机106反转驱动主动摩擦轮107反转，介入导管7便会后撤并进入介入导管盘绕模组2中。随着介入导管7的逐渐后撤，导管盘绕模组2中所盘绕的介入导管7直径尺寸随介入导管7的后撤距离增加逐渐增大，其关系仍然满足ΔL＝nπΔD。

Claims (5)

1.一种基于角杆剪叉单元角杆剪叉单元的介入导管盘绕输送装置，其特征在于：包括导管输送模组以及介入导管盘绕模组；

所述导管盘绕模组包括周向布置的四个导管座；其中，三个导管座分别安装于三条导轨的导轨滑块上；三条导轨包括左侧导轨、右侧导轨与中间导轨；左侧导轨与右侧导轨左右对称布置，与中间导轨夹角为45°；另一个导管座固定于三条导轨交点位置；四个导管座上纵向设计有导管穿孔，导管依次绕过各导管穿孔呈多层环形布置；导管的固定端通过导管入口架固定；导管输送端由导管出口架支撑，并接入导管输送模组；

上述相邻两个导管座间安装角杆剪叉单元，通过两套角杆剪叉单元实现被盘绕导管在输送过程中始终呈圆环状；两套角杆剪叉单元对称设置，包括剪叉单元A及剪叉单元B；其中，剪叉单元A具有两根角杆，角杆夹角呈120°；两根角杆上下层叠设置，夹角位置处铰接；剪叉单元B具有一根角杆与一根连杆；其中，连杆与角杆上下层叠设置，连杆的B端与角杆夹角处铰接；

上述剪叉单元A与剪叉单元B中，角杆夹角均朝向四个导管座所在圆周外侧；剪叉单元A中上层角杆与下层角杆同侧的A端分别与中间直线导轨上的导轨座及滑动座间铰接；上层角杆与下层角杆的B端分别与剪叉单元B中角杆的A端及连杆A端铰接；剪叉机构B中角杆的B端与侧方的直线导轨上的导管座间铰接。

2.如权利要求1所述一种基于角杆剪叉单元的介入导管盘绕输送装置，其特征在于：左右两条直线导轨外侧设置有高度与导管座顶端齐平的限位装置，限制导管盘绕最大直径。

3.如权利要求1所述一种基于角杆剪叉单元的介入导管盘绕输送装置，其特征在于：剪叉单元A中，两角杆A端铰接点的连线相交于一点A，并呈45°夹角；剪叉单元B中，角杆和连杆的A端铰接点连线，与角杆B端铰接点与中间直线导轨的垂直连线相交于一点B，且两条直线呈45°夹角；上述交点B与交点A重合。

4.如权利要求1所述一种基于角杆剪叉单元的介入导管盘绕输送装置，其特征在于：导管输送模组通过摩擦轮与惰轮间的配合，夹紧导管，摩擦轮由步进电机驱动转动；通过摩擦轮与导管间的摩擦力，实现导管的输送。

5.如权利要求1所述一种基于角杆剪叉单元的介入导管盘绕输送装置，其特征在于：摩擦轮安装于基座上滑槽内安装的滑块上；滑块底部与基座间设置有压簧；同时基座上安装有调节螺栓，调节螺栓端部与滑块顶部接触；通过压簧与调节螺栓实现滑块的定位；且通过旋转调节螺栓实现压簧压缩程度，进而实现滑块的上下位置调整，使两个惰轮将导管压紧在主动摩擦轮上，进一步通过驱动主动摩擦轮转动，配合惰轮实现导管的输送。

Images