CN116212199A

CN116212199A - 一种用于血管介入手术的力反馈主端装置

Info

Publication number: CN116212199A
Application number: CN202211725273.3A
Authority: CN
Inventors: 刘璇; 娄公飞; 张建华
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2022-12-28
Filing date: 2022-12-28
Publication date: 2023-06-06

Abstract

本发明为一种用于血管介入手术的力反馈主端装置，包括底板、无刷电机、连接件、滑块、气缸、操作杆、位移传感器和控制器；所述滑块滑动安装在底板的导轨上；无刷电机位于滑块上，操作杆的一端贯穿连接件的上端与无刷电机连接，医生操控操作杆做推捻运动；操作杆旋转带动无刷电机同步转动，控制器根据旋转角度信息控制从端的旋转运动；位移传感器安装在底板上，控制器根据轴向位移信息控制从端的推送运动；气缸安装在底板上，气缸的活塞杆末端与连接件的下端连接；从端在推捻运动过程中实时测量导管/导丝受到的轴向阻力和旋捻阻力，控制器根据周向阻力实时调节无刷电机的输出扭矩，医生感知输出扭矩变化实时调整操控操作杆的扭转力；控制器根据轴向阻力实时调节气缸的气压，医生感知轴向阻力变化实时调整推送力大小。

Description

一种用于血管介入手术的力反馈主端装置

技术领域

本发明属于医疗设备技术领域，具体涉及一种用于血管介入手术的力反馈主端装置。

背景技术

血管介入手术是指医生在数字剪影血管造影成像系统的导引下，通过操控导管/导丝等医疗器械在血管内运动，对病灶进行治疗，达到溶解血栓、扩张狭窄血管等目的。与传统手术相比，血管介入手术具有创伤小、术后并发症少、术后恢复快等优点。但是，血管介入手术需要在X射线环境中操作，因此医生需要身着沉重的铅服，长期暴露在辐射环境中以及铅服对医生身体的压迫都会对医生的身体造成很大伤害。随着计算机技术的发展，利用机器人远程来辅助医生进行血管介入手术，通过主从操作的方式，可以有效避免医生暴露在辐射环境下，保障了医生的身体健康，在操作过程中医生通过实时感知导管/导丝在递送过程中的阻力，提高介入手术的可靠性。

申请号为202210663103.0为发明申请公开了一种血管介入机器人主手力反馈机构，该机构通过旋钮的方式实现推送和旋捻运动，虽然还原了医生操作时的触觉感受，但是操作方式与传统手术操作方式不符，使得操作体验感较差，可靠性较低。申请号为201811145365.8的发明申请公开了一种用于血管介入手术的力反馈装置，该装置可以实时对医生做出力反馈的响应，但是只有轴向力反馈，缺少扭矩反馈。

综上所述，现有的研究主要存在以下几方面问题：(1)作为医生的操作和感知力反馈大小的主端装置的操作方式和传统医生手术操作方式不符，无法借助传统手术操作过程中的经验；(2)主端操作装置仅有轴向力反馈信息，缺少旋转方向的扭矩反馈信息，单方向的力反馈信息使医生缺乏操作临场感，影响医生手术操作的判断。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种用于血管介入手术的力反馈主端装置。将导管/导丝在血管中的阻力信息映射到主端操作装置上，在操作过程中医生可以实时感知轴向阻力和周向阻力，在操控操作杆的过程中可以借助传统手术操作过程中的经验，更加符合人体工学。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案如下：

一种用于血管介入手术的力反馈主端装置，其特征在于，该装置包括底板、无刷电机、连接件、滑块、气缸、操作杆、位移传感器和控制器；

所述底板上设有导轨，滑块滑动安装在导轨上；无刷电机位于滑块上，操作杆的一端贯穿连接件的上端并通过连接轴与无刷电机连接，医生操控操作杆做推捻运动；操作杆旋转带动无刷电机同步转动，无刷电机获取操作杆在旋捻运动中的旋转角度信息，控制器根据旋转角度信息控制手术机器人从端的旋转运动；位移传感器安装在底板上，操作杆在轴向移动的同时使滑块在导轨上滑动，位移传感器获取操作杆的轴向位移信息，控制器根据轴向位移信息控制手术机器人从端的推送运动；气缸安装在底板上，气缸的活塞杆末端与连接件的下端连接；手术机器人从端在推捻运动过程中实时测量导管/导丝受到的轴向阻力和周向阻力，控制器根据周向阻力实时调节无刷电机的输出扭矩，医生通过操作杆感知周向阻力变化，实时调整操控操作杆的扭转力；控制器根据轴向阻力实时调节气缸的气压，为操作杆提供轴向阻力，医生通过操作杆感知轴向阻力变化，实时调整推送力大小。

进一步的，该装置还包括扭矩传感器和力传感器；扭矩传感器安装在无刷电机与连接轴连接的一端，力传感器安装气缸的活塞杆末端，扭矩传感器和力传感器分别用于提高扭矩和轴向力的反馈精度。

进一步的，所述位移传感器包括位移传感器探针和磁环；位移传感器探针安装在底板的一端，磁环套装在位移传感器探针上，磁环通过磁环垫片与无刷电机的一端连接，通过磁环的滑动测量操作杆的轴向位移。

进一步的，所述连接件通过轴承与操作杆转动连接，操作杆与轴承内圈连接，实现操作杆推送和旋捻运动的分离。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明通过手动推捻操作杆控制手术机器人从端装置运动，进而控制导管/导丝的运动；同时，从端装置采集导管/导丝运动过程中受到的周向阻力和轴向阻力，以无刷电机输出的扭矩表征周向阻力，以气缸的气压表征轴向阻力，医生在操控操作杆的过程中实时感知周向阻力和轴向阻力，为医生提供真实的触觉临场感，进而调整操控操作杆的扭转力和推送力大小，避免造成血管破裂。

2.本发明通过旋捻操作杆的方式操作导管/导丝，区别于旋钮及握柄的方式，本发明方法可以借助传统手术的经验，还原医生的手法，符合人体工学。

3.通过无刷电机与扭矩传感器组合以及气缸与力传感器组合的方式实现力的反馈调节，提高力反馈的精度，使医生在操作时能够有效感知来自从端装置的力反馈。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的另一角度结构示意图；

图3为本发明的俯视图；

图4为本发明的左视图；

图中标记说明：1、底板；2、电机座；3、无刷电机；4、走线槽；5、扭矩传感器；6、扭矩传感器支撑座；7、连接轴；8、固定件；9、连接件；10、力传感器；11、六角螺柱；12、底座；13、滑块；14、气缸；15、导电滑环；16、导轨；17、操作杆；18、力传感器右连接件；19、力传感器左连接件；20、按钮；21、气缸支撑座；22、拖链；23、位移传感器；24、磁环垫片；25、磁环；26、轴承。

具体实施方式

下面结合附图给出具体实施例，具体实施例只是用于详细说明本发明的技术方案，并不以此限定本申请的保护范围。

如图1至图4所示，本发明为一种用于血管介入手术的力反馈主端装置，包括底板1、无刷电机3、扭矩传感器5、连接件9、力传感器10、滑块13、气缸14、操作杆17、位移传感器23和控制器(图中未画出)；

所述底板1沿长度方向上设有导轨16，滑块13滑动安装在导轨16上，底座12固定连接在滑块13上；无刷电机3的一端通过电机座2安装在滑块13的一端，扭矩传感器5通过扭矩传感器支撑座6安装在滑块13的另一端，无刷电机3的另一端通过法兰盘与扭矩传感器5的一端连接，扭矩传感器5的另一端通过连接轴7与操作杆17的一端固定连接；连接件9通过固定件8与扭矩传感器支撑座6的一侧连接，操作杆17的一端贯穿连接件9的上端与连接轴7连接，医生操控操作杆17做推捻运动，使得操作杆17在轴向移动的同时能够相对于连接件9旋转，操作杆17轴向移动的同时带动滑块13在导轨16上滑动，操作杆17在旋转的同时带动无刷电机3旋转，通过获取无刷电机3的旋转角度信息控制手术机器人从端装置的旋转运动；医生通过操控操作杆17控制手术机器人从端装置的运动，进而控制导管/导丝在血管中的推捻运动；气缸14通过气缸支撑座21安装在底板1上，气缸14的活塞杆末端通过六角螺柱11与力传感器左连接盘19连接，力传感器左连接盘19与力传感器10的左侧连接固定，力传感器10的右侧通过力传感器右连接盘18与连接件9的下端固定连接；

手术机器人从端装置在运动过程中测量导管/导丝受到的周向阻力和轴向阻力，并反馈给控制器，控制器根据周向阻力实时调节无刷电机3输出的扭矩大小，扭矩方向与操作杆17的旋捻方向相反，使得医生通过操作杆17感知无刷电机3的扭矩变化，进而感知手术机器人从端装置在导管/导丝运动过程中受到的周向阻力；无刷电机3输出的扭矩大小反映了周向阻力大小，医生通过感知周向阻力调整操控操作杆17的扭转力；同理，控制器根据轴向阻力实时调节气缸14的气压大小，为操作杆17提供轴向阻力，医生感知操作杆17推送过程中受到的轴向阻力变化，进而调整推送力大小；扭矩传感器5和力传感器10分别用于扭矩和轴向力的反馈调节，以提高扭矩和轴向力的反馈精度。

所述位移传感器23包括位移传感器探针和磁环25，位移传感器探针安装在底板1的一端，磁环25套装在位移传感器探针上，磁环25通过磁环垫片24与电机座2固定连接，磁环25采用非接触测量方式检测医生操控操作杆17过程中的轴向位移，操作杆17在轴向移动的同时带动磁环25在位移传感器探针上滑动，进而检测轴向位移信息，控制器根据位移传感器23测得的位移信息控制手术机器人从端装置的轴向运动。无刷电机3自带绝对值编码器，用于检测操作杆17旋捻运动过程中的旋转角度。

所述连接件9通过轴承26与操作杆17转动连接，操作杆17与轴承26的内圈紧固连接，实现操作杆17的轴向推送和周向旋捻运动的分离。

该装置还包括走线槽4、拖链22、导电滑环25和按钮20；走线槽4固定安装在电机座2上，拖链22固定在底板1上，拖链22与走线槽4通过螺钉进行固定；为了减少摩擦力对力反馈精度的影响，力传感器10、扭矩传感器5以及无刷电机3的引线均通过走线槽4进入拖链22；按钮20安装在操作杆17上，导电滑环15与连接轴7同轴安装，导电滑环15的转子引线与按钮20的引线连接，导电滑环15的定子引线通过走线槽4进入拖链22，操作杆17在轴向运动时，带动拖链22在底板1上滚动。

本发明的工作原理和工作流程是：

医生通过操控操作杆17进行推捻运动，达到控制手术机器人从端装置运动的目的，实现导管/导丝在血管中的递送和旋捻。操作杆17的推捻运动包含轴向推送和周向旋捻运动，操作杆17在轴向移动的同时使得滑块13在导轨16上滑动，位移传感器13通过磁环25测量操作杆17的轴向位移，控制器根据轴向位移控制手术机器人从端装置的推送运动；操作杆17在旋转运动的同时带动无刷电机3旋转，通过检测无刷电机3的旋转角度，控制手术机器人从端装置的旋捻运动；在操作杆17推捻运动过程中，手术机器人从端装置在运动过程中测量导管/导丝受到的周向阻力和轴向阻力，控制器根据周向阻力实时调节无刷电机3输出的扭矩大小，医生通过操作杆17感知无刷电机3的扭矩变化，进而感知手术机器人从端装置在运动过程中受到的周向阻力，以实时调整操控操作杆17的扭转力；与此同时，控制器根据轴向阻力实时调节气缸14的气压大小，医生感知操作杆17推送过程中受到的轴向阻力变化，进而调整推送力大小。

操作杆17为医生提供真实的触觉临场感，医生在操控操作杆17的同时，能够有效获得来自从端装置的力反馈，并且能够有效地感知导管/导丝在递送和旋捻过程中的阻力信息，避免造成血管破裂。本发明通过操作杆的方式，实现医生对导管/导丝的推捻操作，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，还原了医生传统的操作手法。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims

1.一种用于血管介入手术的力反馈主端装置，其特征在于，该装置包括底板、无刷电机、连接件、滑块、气缸、操作杆、位移传感器和控制器；

2.根据权利要求1所述的用于血管介入手术的力反馈主端装置，其特征在于，该装置还包括扭矩传感器和力传感器；扭矩传感器安装在无刷电机与连接轴连接的一端，力传感器安装气缸的活塞杆末端，扭矩传感器和力传感器分别用于提高扭矩和轴向力的反馈精度。

3.根据权利要求1或2所述的用于血管介入手术的力反馈主端装置，其特征在于，所述位移传感器包括位移传感器探针和磁环；位移传感器探针安装在底板的一端，磁环套装在位移传感器探针上，磁环通过磁环垫片与无刷电机的一端连接，通过磁环的滑动测量操作杆的轴向位移。

4.根据权利要求1所述的用于血管介入手术的力反馈主端装置，其特征在于，所述连接件通过轴承与操作杆转动连接，操作杆与轴承内圈连接，实现操作杆推送和旋捻运动的分离。