CN116327372A - 一种具有触力反馈的手术器械、方法及手术机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明属于手术器械技术领域，具体公开了一种具有触力反馈的手术器械、方法及手术机器人，手术器械包括：设置在手术机器人本体上的NFC发送端；设置在手术器械中的NFC接收端；设置在手术器械前端的弹性耦合件上的应变计模块；当手术器械作用于组织上时，弹性耦合件发生形变，进而带动应变计发生形变，应变计阻值的变化转换为电压数据，电压数据依次通过NFC控制模块、NFC接收端和NFC发送端，无线传送至NFC读写器，NFC读写器基于电压数据与触力的对应关系，将电压数据转化为触力大小数据，并反馈至上位机。本发明能够实现器械传感器与手术机器人的带电部分不直接连接，保证了手术器械在手术中的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及手术器械技术领域，尤其涉及一种具有触力反馈的手术器械、方法及手术机器人。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
目前，通过手术机器人连接手术器械进行各种手术的技术已经越来越普遍；手术机器人辅助微创手术器械普遍存在的问题是缺少力感知能力，医生在利用手术机器人进行手术时无法实时感受到手术器械与患者组织的接触力，缺少临场感。
为解决这个问题，现有技术开发出各种力传感器集成到手术器械上，这些传感器大多需要供电，需要设计特殊的无菌部分与有菌部分的电子连接器，且因为有带电部件的接入，对器械安规方面的要求增大，这也增加了器械设计的难度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种具有触力反馈的手术器械、方法及手术机器人，利用NFC近场通讯技术，器械传感器与手术机器人其他带电部分无直接连接，保证了手术器械在手术中的安全性，同时也较小了器械的无菌设计难度。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种具有触力反馈的手术器械，包括：
设置在手术机器人本体上的NFC发送端，所述NFC发送端与NFC读写器连接；
设置在手术器械中并与NFC发送端无线通信的NFC接收端，所述NFC接收端连接NFC控制模块；
设置在手术器械前端的弹性耦合件上的应变计模块，应变计模块与NFC控制模块连接；
当手术器械作用于组织上时，弹性耦合件发生形变，进而带动应变计发生形变，应变计阻值的变化转换为电压数据，所述电压数据依次通过NFC控制模块、NFC接收端和NFC发送端，无线传送至NFC读写器，NFC读写器基于电压数据与触力的对应关系，将电压数据转化为触力大小数据，并反馈至上位机。
作为可选的方案，所述应变计模块包括应变计，与应变计连接的惠斯通电桥电路，所述惠斯通电桥电路的输出端连接仪表放大器。
作为可选的方案，所述NFC接收端与NFC控制模块的天线引脚连接，NFC控制模块能够通过NFC接收端和NFC发送端，实现NFC控制模块与NFC读写器的无线通信。
作为可选的方案，所述NFC接收端还依次连接整流电路和稳压电路，所述整流电路将通信用正弦载波整流为直流电压，所述直流电压经过稳压电路稳压，稳压电路的输出作为手术器械中电路元器件的供电电源。
作为可选的方案，所述NFC读写器通过NFC发送端向NFC接收端发射射频信号，所述射频信号一方面用于NFC通信，另一方面射频信号的能量被NFC接收端收集，用作电源来源。
作为可选的方案，所述NFC发送端为NFC发送天线，NFC接收端为NFC接收天线。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种具有触力反馈的手术器械的工作方法，包括：
手术器械作用于组织上的触力转换为应变计的形变，引起应变计电阻值的变化；
应变计电阻值的变化转换为电压数据，所述电压数据通过NFC接收端和NFC发送端的无线通信，传送至手术机器人本体；
手术机器人本体基于电压数据与触力的对应关系，将电压数据转化为触力大小数据，并反馈至上位机。
作为可选的方案，NFC读写器通过NFC发送端向NFC接收端发射射频信号，所述射频信号一方面用于NFC通信，另一方面射频信号的能量被NFC接收端收集，用作电源来源。
作为可选的方案，NFC接收端将接收到的射频信号转换为直流电压，所述直流电压经过稳压后输出，作为手术器械中电路元器件的供电电源。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种手术机器人，包括：上述的具有触力反馈的手术器械。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明基于NFC近场通信技术，能够实现器械传感器与手术机器人的带电部分不直接连接，保证了手术器械在手术中的安全性，同时也减小了手术器械无菌屏障的设计难度、手术器械与机器人本体的电气连接部分设计难度以及器械的无菌设计难度。
（2）本发明NFC读写器发射的射频信号既能够实现手术器械与手术机器人本体之间的无线通信，又能够将收集的射频信号作为电源能量的来源，将射频信号转化为稳定的直流电源，为手术器械内的相关器件进行供电。
本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种具有触力反馈的手术器械结构示意图；
图2为本发明实施例中的NFC发送端和NFC接收端位置关系示意图；
图3为本发明实施例中的应变计模块结构示意图；
图4为本发明实施例中NFC接收端转换直流电压的结构示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种具有触力反馈的手术器械，结合图1和图2，具体包括：
（1）设置在手术机器人本体上的NFC发送端，NFC发送端与NFC读写器连接；
（2）设置在手术器械中并与NFC发送端无线通信的NFC接收端，NFC接收端连接NFC控制模块；
（3）设置在手术器械前端的弹性耦合件上的应变计模块，应变计模块与NFC控制模块连接。
当手术器械作用于组织上时，弹性耦合件发生形变，进而带动应变计发生形变，应变计阻值的变化转换为电压数据，电压数据依次通过NFC控制模块、NFC接收端和NFC发送端，无线传送至NFC读写器，NFC读写器基于电压数据与触力的对应关系，将电压数据转化为触力大小数据，然后将触力数据传输给上位机，上位机对触力数据处理后通过诸如虚拟仪表、图形图像、颜色、文字或者具有力反馈操作手柄以视觉或触觉的形式给予操作者触力反馈。
本实施例中，手术器械与机器人本体之间无直接带电连接，两者通过NFC无线通信的方式实现数据传输及电能转换。
具体地，结合图3，应变计模块包括应变计，与应变计连接的惠斯通电桥电路，惠斯通电桥电路的输出端连接仪表放大器。
应变计以一定方式粘合在手术器械上经特殊设计的弹性耦合件上，手术过程中，当手术器械作用于组织上时，弹性耦合件发生形变，进而带动应变计发生形变，应变计阻值发生变化，经惠斯通电桥对信号进行放大后，阻值变化将产生较大的Vout输出，Vout再经过仪表放大器二次放大后，被NFC控制模块中的ADC模块采集。
NFC控制模块主要由NFCSOC芯片组成，NFCSOC芯片为集成了NFC进场通信模块的微处理器，兼具通用微处理器的功能同时又可以完成NFC通信功能。
结合图4，NFC发送端为NFC发射天线，NFC接收端为NFC接收天线。NFC读写器通过NFC发射天线向NFC接收天线发射设定的射频信号，NFC接收天线与NFCSOC芯片的天线引脚相连，NFCSOC芯片可通过接收天线完成与NFC读写器间的近场通信。另一方面，NFC接收天线同时与整流电路相连，通信用通信正弦载波经过整流后变换为有一定波动的直流电压，为改善整流后电源电压质量，整流电路后面接入稳压器件LDO，将整流后的电压变换为干净稳定的电压Vldo。
Vldo可以作为手术器械中电路元器件的供电电源，比如NFCSOC芯片以及其他外围电路、仪表放大器等，来支撑整个手术器械的用电需求。由于通信载波同时作为系统供电以及通信功能的能量来源，需要整个系统选用芯片都要选择低压低功耗器件，以保证整个电路能够正常工作。
本实施例中，NFC读写器通过发射天线向固定方向发射射频信号，射频信号一方面用于NFC通信，另一方面射频信号能量被手术器械中接收天线进行能量收集，作为手术器械中电路元器件的供电电源来源。NFC读写器选用发射功率可调节的读写器，方便选择合适功率使得系统能够正常工作。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种具有触力反馈的手术器械的工作方法，包括：
手术器械作用于组织上的触力转换为应变计的形变，引起应变计电阻值的变化；
应变计电阻值的变化转换为电压数据，所述电压数据通过NFC接收端和NFC发送端的无线通信，传送至手术机器人本体；
手术机器人本体基于电压数据与触力的对应关系，得到触力大小。
本实施例中，NFC读写器通过NFC发送端向NFC接收端发射射频信号，所述射频信号一方面用于NFC通信，另一方面射频信号的能量被NFC接收端收集，用作电源来源。
NFC接收端将接收到的射频信号转换为直流电压，所述直流电压经过稳压后输出，作为手术器械中电路元器件的供电电源。
实施例三
在一个或多个实施方式中，公开了一种手术机器人，包括：实施例一中所述的具有触力反馈的手术器械。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种具有触力反馈的手术器械，其特征在于，包括：
设置在手术机器人本体上的NFC发送端，所述NFC发送端与NFC读写器连接；
设置在手术器械中并与NFC发送端无线通信的NFC接收端，所述NFC接收端连接NFC控制模块；
设置在手术器械前端的弹性耦合件上的应变计模块，应变计模块与NFC控制模块连接；
当手术器械作用于组织上时，弹性耦合件发生形变，进而带动应变计发生形变，应变计阻值的变化转换为电压数据，所述电压数据依次通过NFC控制模块、NFC接收端和NFC发送端，无线传送至NFC读写器，NFC读写器基于电压数据与触力的对应关系，将电压数据转化为触力大小数据，并反馈至上位机。
2.如权利要求1所述的一种具有触力反馈的手术器械，其特征在于，所述应变计模块包括应变计，与应变计连接的惠斯通电桥电路，所述惠斯通电桥电路的输出端连接仪表放大器。
3.如权利要求1所述的一种具有触力反馈的手术器械，其特征在于，所述NFC接收端与NFC控制模块的天线引脚连接，NFC控制模块能够通过NFC接收端和NFC发送端，实现NFC控制模块与NFC读写器的无线通信。
4.如权利要求1所述的一种具有触力反馈的手术器械，其特征在于，所述NFC接收端还依次连接整流电路和稳压电路，所述整流电路将通信用正弦载波整流为直流电压，所述直流电压经过稳压电路稳压，稳压电路的输出作为手术器械中电路元器件的供电电源。
5.如权利要求1所述的一种具有触力反馈的手术器械，其特征在于，所述NFC读写器通过NFC发送端向NFC接收端发射射频信号，所述射频信号一方面用于NFC通信，另一方面射频信号的能量被NFC接收端收集，用作电源来源。
6.如权利要求1所述的一种具有触力反馈的手术器械，其特征在于，所述NFC发送端为NFC发送天线，NFC接收端为NFC接收天线。
7.一种具有触力反馈的手术器械的工作方法，其特征在于，包括：
手术器械作用于组织上的触力转换为应变计的形变，引起应变计电阻值的变化；
应变计电阻值的变化转换为电压数据，所述电压数据通过NFC接收端和NFC发送端的无线通信，传送至手术机器人本体；
手术机器人本体基于电压数据与触力的对应关系，将电压数据转化为触力大小数据，并反馈至上位机。
8.如权利要求7所述的一种具有触力反馈的手术器械的工作方法，其特征在于，NFC读写器通过NFC发送端向NFC接收端发射射频信号，所述射频信号一方面用于NFC通信，另一方面射频信号的能量被NFC接收端收集，用作电源来源。
9.如权利要求7所述的一种具有触力反馈的手术器械的工作方法，其特征在于，NFC接收端将接收到的射频信号转换为直流电压，所述直流电压经过稳压后输出，作为手术器械中电路元器件的供电电源。
10.一种手术机器人，其特征在于，包括：权利要求1-6任一项所述的具有触力反馈的手术器械。
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