CN117814858A - 一种柔性拉涨超结构力反馈血管缝合系统 - Google Patents

一种柔性拉涨超结构力反馈血管缝合系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性拉涨超结构力反馈血管缝合系统，其技术方案要点是：包括：力触觉传感子系统，基于量子力学感应膜片采集力反馈信息，包括力学传感器、控制反馈处理模块以及信号采集及处理模块；空间同步缝合子系统，根据力反馈信息调整缝合速度和缝合力进行血管缝合；具有的技术效果是：本发明的柔性拉涨机械臂可以通过拉涨结构来控制柔性机械臂一体化径向膨胀，由拉涨负泊松比超结构来控制柔性机械臂一体化径向膨胀，可以穿过特定生理环境进行缝合，本发明力学反馈系统中的力传感器采用量子力学感应膜片，由单元组成敏感薄膜，可记录微小血管缝合力变化，此单元设计可以大幅提高力学传感器的灵敏度。

Description

一种柔性拉涨超结构力反馈血管缝合系统
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种柔性拉涨超结构力反馈血管缝合系统。
背景技术
腔镜下微创手术是一种通过较小切口，再用特制的加长手术器械在电视监视下完成与开放手术同样的步骤，达到同样的手术效果。由于手术创口较小，患者疼痛程度更小、并发症发生率更低、恢复时间更快、平均住院日更短，因此近年来在外科领域飞速发展。然而，在腔镜微创手术中，特别是在复杂的血管缝合过程中，手术操作的复杂性和风险度却大大增高。微创手术时需要应用加长的手术器械穿过小切口进行组织剥离、血管切开缝合、肿瘤切除等操作，不同的手术内容需要各种对应的技术和设备。
在腔镜微创手术时，外科医生通过机械臂缝合血管时，缺乏适当的触觉反馈及精准定位可能导致血管缝合不严或缝合过紧，尤其在微小血管上更加困难，由于不能直接感受到组织的力触觉反馈，并且在手术机械臂输送穿过部分复杂组织时，缺乏适当的可变形的柔性机械臂导致无法到达靶向部位。
现有技术中，由于缺乏直观的触觉反馈，医生需要更多的时间和精力进行培训，提高操作技能，也可能因为经验不足或判断失误，增加了手术风险，高级的机器人手术系统虽然在精细手术上有得天独厚的优势，但因价格昂贵，增加患者的医疗费用，增加了医保负担，由于缺乏有效的力触觉反馈及精准定位，血管缝合时力度把握不足导致血液渗出、血管撕裂等并发症的风险增高，现有的感应和反馈系统通常具有一定的时间延迟和定位精度偏差等问题，对于需要快速响应的手术操作要求是不利的，现有的缝合系统无法进行输送过程中机械臂结构变化，难以到达复杂生理环境中的靶向位置处进行缝合。腔镜下手术过程中，机械臂在穿行于复杂生理结构和游离病变周围组织时，需要一定的空间以便机械臂多角度的操作和其他辅助手的同时工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性拉涨超结构力反馈血管缝合系统，其优点是：本发明的柔性拉涨机械臂可以通过拉涨结构来控制柔性机械臂一体化径向膨胀，由拉涨负泊松比超结构来控制柔性机械臂一体化径向膨胀，可以穿过特定生理环境进行缝合。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种柔性拉涨超结构力反馈血管缝合系统，包括：
力触觉传感子系统，基于量子力学感应膜片采集力反馈信息，包括力学传感器、控制反馈处理模块以及信号采集及处理模块；
空间同步缝合子系统，根据力反馈信息调整缝合速度和缝合力进行血管缝合，所述空间同步缝合子系统包括缝合器和信号采集及同步模块，所述力触觉传感子系统和空间同步缝合子系统相连接；
柔性拉涨动力模块：用于移动到指定位置处，组织剥离和分开时径向扩张，并用于带动空间同步缝合子系统进行弯曲和角度调整，所述柔性拉涨动力模块包括位移结构模块、角度操控结构以及拉涨机械臂结构，所述柔性拉涨动力模块和力触觉传感子系统相连接；
数据存储分析与显示模块，用于存储缝合端位移曲线、力触觉信息以及柔性拉涨动力模块的位移数据，显示缝合过程数据，所述数据存储分析与显示模块与力触觉传感子系统无线连接；
控制模块，用于控制柔性拉涨机械臂的位移、角度位移以及拉涨结构的径向膨胀，并控制血管缝合结构的缝合力、力反馈算法自适应控制。
本发明进一步设置为：所述位移结构模块包括固定操作底座，所述固定操作底座上铰接有方形机械臂，所述方形机械臂远离固定操作底座的一端铰接有圆柱形机械臂，所述圆柱形机械臂的端部与拉涨机械臂结构相铰接，所述角度操控结构与拉涨机械臂结构相连接。
本发明进一步设置为：所述角度操控结构包括设置在拉涨机械臂结构内侧的运动骨节和角度控制拉丝。
本发明进一步设置为：所述缝合器包括组件缝合机械臂，所述组件缝合机械臂通过铰链铰接有运动铰链杆，所述运动铰链杆远离缝合机械臂的一端设置有缝合嘴，所述组件缝合机械臂与信号采集及同步模块相连接。
本发明进一步设置为：所述力学传感器包括力学传感器密闭空腔以及设置在力学传感器密闭空腔内部的力学传感器敏感膜片。
本发明进一步设置为：所述力学传感器敏感膜片具体为量子力学感应膜片。
本发明进一步设置为：所述信号采集及处理模块进行信号采集与处理，所述控制反馈处理模块进行反馈力的操作与控制。
本发明进一步设置为：所述信号采集及处理模块的处理过程包括：
S1：采用RLE实现对原始数据进行游程编码，将连续重复的元素转换为元素及其重复次数的表示；
S2：通过霍夫曼编码对RLE编码后的结果进行分析，统计各个元素的频率；
S3：基于S2所得到的频率构建霍夫曼树，并为每个元素生成相应的霍夫曼编码，；
S4：使用生成的霍夫曼编码对RLE编码的结果进行编码；
S5：通过霍夫曼树对数据进行解码，恢复RLE编码的结果，然后对RLE编码的数据进行解码，恢复原始数据。
本发明进一步设置为：所述柔性拉涨动力模块的位移运动u(t)控制规律为：
式中，Kp为比例增益，Ki为积分增益，Kd为微分增益，t表示时间，e(t)为误差信号；
每个运动关节的动力学方程为：
式中，H(q)为关节的转动惯量矩阵，q为关节角度，为关节角速度，/>为关节角加速度，/>为科氏力矩阵，G(q)为重力矩阵，τ是各关节模组输出的扭矩，τext是各关节受到的外力；
位移和角度的运动通过阻抗器控制方程形成闭环动力学方程：
式中，eτ是力矩误差变量，J(q)为雅克比矩阵，Kτ和Dτ是正定的控制器增益矩阵，B为常量系数，和/>分别是eτ的一阶导数和二阶导数，T表示转置。
本发明进一步设置为：所述拉涨机械臂结构为一体成型的管状网形，通过控制头端和末端的相对伸长量来进行其主干部分的膨胀和收缩功能，所述拉涨机械臂结构由负剪切率的拉涨结构单元形成圆环型阵列，所述拉涨结构单元的几何方程如下：
式中，l，n，h，b为几何尺寸常数，θ为结构单元形变夹角，v是胞状单元泊松比，E为是胞状单元构成材料的弹性模量，k是晶胞单元力学常数
综上所述；
1、本发明的柔性拉涨机械臂可以通过拉涨结构来控制柔性机械臂一体化径向膨胀，由拉涨负泊松比超结构来控制柔性机械臂一体化径向膨胀，可以穿过特定生理环境进行缝合；
2、本发明力学反馈系统中的力传感器采用量子力学感应膜片，由单元组成敏感薄膜，可记录微小血管缝合力变化，此单元设计可以大幅提高力学传感器的灵敏度；
3、本发明采用力反馈信号处理算法采用游程编码(RLE)与霍夫曼编码相结合的算法以实现数据采集与处理的高效执行，从而实现系统低延时高速实时运行。
附图说明
图1是本发明的设计框架图；
图2是本发明的系统结构图示意图；
图3是本发明的柔性拉涨动力模块；
图4是本发明的空间同步缝合系统；
图5是本发明的力触觉传感系统。
附图标记：1、柔性拉涨动力模块；2、空间同步缝合系统；3、力触觉传感系统；4、数据存储分析与显示模块；5、运动骨节；6、角度控制拉丝；7、拉涨机械臂结构；8、圆柱形机械臂；9、方形机械臂；10、固定操作底座；11、缝合嘴；12、运动铰链杆；13、缝合铰链；14、组件缝合机械臂；15、信号采集及同步模块；16、控制反馈处理模块；17、力学传感器敏感膜片；18、力学传感器密闭空腔；19、信号采集及处理模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例：参照如图1-5所示，一种柔性拉涨超结构力反馈血管缝合系统，包括柔性拉涨动力模块1、空间同步缝合系统2、力触觉传感系统3、数据存储分析与显示模块4，柔性拉涨动力模块1包括：位移结构模块，角度操控结构以及拉涨机械臂结构7设计，位移结构模块：位移结构模块采用的控制系统，其有多个可活动的关节组成，关节之间由活动铰链构成，根据误差来计算控制输入，其控制规律如下所示：
上式中，Kp是比例增益；Ki是积分增益；Kd是微分增益；
角度操控结构由角度控制三根不锈钢丝贯穿活动关节所组成，其通过钢丝可以实现柔性机械臂的360度的反转弯曲运动，每个关节的对于三维位移的运动方程为：
qi+Ri(qi-xi)×T(i)＝Vi
上式中，第i个关节可以用qi表示，整个活动系统可以记为每个活动关节通过中心曲线C(i)和正切面T(i)进行位移标定，Vi记录的是关节正切平面的顶点信息，根据以上可以实现柔性动力模块的控制；
其中，动力学方程如下：
上式中，H(q)为关节的转动惯量矩阵，q为关节角度，为关节角速度，/>为关节角加速度，/>为科氏力矩阵，G(q)为重力矩阵，而τ则是各关节模组输出的扭矩，而τext则是各关节受到的外力；
位移和角度模块组合的系统通过阻抗器控制方程形成闭环动力学方程：
式中eτ是力矩误差变量，J(q)为雅克比矩阵，Kτ和Dτ是正定的控制器增益矩阵，B为常量系数。使用阻抗器控制全域系统可以确保系统指数稳定，达到精准控制系统局部位移和角度，并且通过精准计算确定位移角度控制耦合系统的控制边界。
进一步的，拉涨柔性机械臂结构为管状网形，拉涨结构是一体化成型的结构设计，其可以通过控制头端和末端的相对伸长量来进行其主干部分的膨胀和收缩功能，其基本构成为：负剪切率的拉涨结构单元，单元形成圆环型阵列，可以通过拉伸实现径向方向的膨胀功能，可以用于狭窄的组织间的膨胀通道的建立。其中，拉涨结构单元的几何方程如下：
上式中，l，n，h，b为几何尺寸常数，θ为结构单元形变夹角，v是胞状单元泊松比，E为是胞状单元构成材料的弹性模量，k是晶胞单元力学常数。
进一步的，空间同步缝合系统2：空间同步缝合系统2包括缝合器和信号采集及处理模块19，缝合器结包括，组件缝合嘴11，组件铰链、运动铰链杆12以及组件缝合机械臂14，信号采集及同步模块15通过控制纵向位移，可以进行缝合模块的缝合设置，其缝合信号通过同步系统传递给上位机控制系统，从而可使缝合钳在指定位置进行缝合操作，其中信号采集可采用有线或者无线传输方法。
进一步的，力触觉传感系统3包括控制反馈处理模块16、力学传感器、信号采集及处理模块19，力触觉传感器包括负载按钮，敏感膜片，敏感腔体和应变片；其中在本发明专利中传感器敏感膜片经过定制设计材料原子结构单元，为量子力学感应膜片，由单元组成敏感薄膜，此单元设计可以大幅提高力学传感器的灵敏度，通过量子力学效应中薛定谔方程：
其中Ψ(x,t)为波函数，v(x)为与时间无关的势函数，m是粒子的质量，j是虚常数通过量子效应，可以大幅提高力触觉反馈系统中力学传感器的灵敏度，从而实现高灵敏度的力触觉传感器模块。
进一步的，信号采集模块包括采集力传感器的输出信号以及进行信号的相关滤波算法处理；其中本发明专利信号处理算法采用游程编码(RLE)与霍夫曼编码相结合的算法以实现数据采集与处理的高效执行。具体算法如下：
S1：应用RLE实现对原始数据进行游程编码，将连续重复的元素转换为元素及其重复次数的表示。
S2：应用霍夫曼编码对RLE编码后的结果进行分析，统计各个元素(即不同的字符和重复次数的组合)的频率。
S3：基于这些频率构建霍夫曼树，并为每个元素生成相应的霍夫曼编码，并使用生成的霍夫曼编码对RLE编码的结果进行编码。
S4：使用霍夫曼树对数据进行解码，恢复RLE编码的结果，然后对RLE编码的数据进行解码，恢复原始数据。
采用以上算法可以实现力触觉传感器的数据快速传输，从而大幅度缩短力触觉反馈系统响应时间。
进一步的，触觉反馈处理模块根据力反馈信号，进行自驱动的系统控制，自动根据缝合力反馈信号进行自动缝合力匹配的缝合，并根据力反馈进行拉涨系统的自驱动控制以保持缝合系统平衡。其中力反馈中顺应性控制方程如下：
其中F是接触力，K和D分别是期望的弹簧刚度和阻尼，和/>是期望位置和速度，x和是xd实际位置和速度。通过触觉控制方程，可以实现是触觉反馈处理模块与力传感器的交，从而实现系统精准控制和力量调剂，感知系统执行过程中的力学环境。
进一步的，数据存储分析与显示模块4，本模块通过无线或有线数据传输，用于存储手术过程数据，以便后期分析和改进，显示界面用于实时展示手术和反馈数据的用户界面，可以存储缝合端位移曲线，力触觉信息以及拉涨模块位移数据，可以进行柔性拉涨模块控制，力学信号反馈控制以及缝合系统位移控制。
操作步骤：首先确认空间同步缝合系统2和柔性拉涨动力模块1灭菌包装的完整性密封包装完好无损，并且确定包装袋内的缝合钳、力学传感器、拉涨机械臂等各个配件均完整包含在包装袋内，检测柔性拉涨动力模块1中机械臂移动性，测量各个部件的完好性，各个连接处必须进行完整固定，确保装置在使用过程不发生脱落，接着在进行缝合操作前，需要进行一拉涨超结构力反馈血管缝合系统校准。首先连接柔性拉涨动力模块1，检测系统各项参数是否有显示，并且进行位移和角度置零，并进行校准。然后进行连接空间同步缝合系统2进行校准，通过控制系统将反馈力置零，进行预缝合查看输出电信号，通过体外控制系统位移，角度，力反馈以及拉涨结构的径向位移控制操作，检测数据存储分析与显示模块4中是否有数据存储和显示，进行系统校准后，进行靶向血管缝合。首先控制柔性拉涨动力模块1沿着微创手术口进入体内，在移动过程中查看周围组织情况，如果需要进行组织剥离和分开，启用拉涨结构控制系统进行径向扩张，如果需要进行弯曲和角度调整，则通过角位移模块实现任意角度控制。当缝合系统输送到靶向血管缝合位置处时，进行血管缝合，此时先进行缝合反馈力置零，然后进行缝合力的阈值设定后再进行血管缝合，当血管缝合力超过阈值时，缝合装置会根据力反馈信息自动调整缝合速度和缝合力，可以保护血管。由于力学传感器的超高灵敏度，在缝合微小血管时可以进行精准力控制，从而可以保护局部循环系统，同时根据数据存储分析与显示模块4中数据显示，可以完整记录系统缝合过程中的缝合力变化。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种柔性拉涨超结构力反馈血管缝合系统，其特征在于，包括：
力触觉传感子系统，基于量子力学感应膜片采集力反馈信息，包括力学传感器、控制反馈处理模块(16)以及信号采集及处理模块(19)；
空间同步缝合子系统，根据力反馈信息调整缝合速度和缝合力进行血管缝合，所述空间同步缝合子系统包括缝合器和信号采集及同步模块(15)，所述力触觉传感子系统和空间同步缝合子系统相连接；
柔性拉涨动力模块(1)：用于移动到指定位置处，组织剥离和分开时径向扩张，并用于带动空间同步缝合子系统进行弯曲和角度调整，所述柔性拉涨动力模块(1)包括位移结构模块、角度操控结构以及拉涨机械臂结构(7)，所述柔性拉涨动力模块(1)和力触觉传感子系统相连接；
数据存储分析与显示模块(4)，用于存储缝合端位移曲线、力触觉信息以及柔性拉涨动力模块(1)的位移数据，显示缝合过程数据，所述数据存储分析与显示模块(4)与力触觉传感子系统无线连接；
控制模块，用于控制柔性拉涨机械臂的位移、角度位移以及拉涨结构的径向膨胀，并控制血管缝合结构的缝合力、力反馈算法自适应控制。
2.根据权利要求1所述的一种柔性拉涨超结构力反馈血管缝合系统，其特征在于：所述位移结构模块包括固定操作底座(10)，所述固定操作底座(10)上铰接有方形机械臂(9)，所述方形机械臂(9)远离固定操作底座(10)的一端铰接有圆柱形机械臂(8)，所述圆柱形机械臂(8)的端部与拉涨机械臂结构(7)相铰接，所述角度操控结构与拉涨机械臂结构(7)相连接。
3.根据权利要求1所述的一种柔性拉涨超结构力反馈血管缝合系统，其特征在于：所述角度操控结构包括设置在拉涨机械臂结构(7)内侧的运动骨节(5)和角度控制拉丝(6)。
4.根据权利要求1所述的一种柔性拉涨超结构力反馈血管缝合系统，其特征在于：所述缝合器包括组件缝合机械臂(14)，所述组件缝合机械臂(14)通过铰链铰接有运动铰链杆(12)，所述运动铰链杆(12)远离缝合机械臂的一端设置有缝合嘴(11)，所述组件缝合机械臂(14)与信号采集及同步模块(15)相连接。
5.根据权利要求1所述的一种柔性拉涨超结构力反馈血管缝合系统，其特征在于：所述力学传感器包括力学传感器密闭空腔(18)以及设置在力学传感器密闭空腔(18)内部的力学传感器敏感膜片(17)。
6.根据权利要求1所述的一种柔性拉涨超结构力反馈血管缝合系统，其特征在于：所述力学传感器敏感膜片(17)具体为量子力学感应膜片。
7.根据权利要求1所述的一种柔性拉涨超结构力反馈血管缝合系统，其特征在于：所述信号采集及处理模块(19)进行信号采集与处理，所述控制反馈处理模块(16)进行反馈力的操作与控制。
8.根据权利要求7所述的一种柔性拉涨超结构力反馈血管缝合系统，其特征在于：所述信号采集及处理模块(19)的处理过程包括：
S1:采用RLE实现对原始数据进行游程编码，将连续重复的元素转换为元素及其重复次数的表示；
S2:通过霍夫曼编码对RLE编码后的结果进行分析，统计各个元素的频率；
S3:基于S2所得到的频率构建霍夫曼树，并为每个元素生成相应的霍夫曼编码,；
S4:使用生成的霍夫曼编码对RLE编码的结果进行编码；
S5:通过霍夫曼树对数据进行解码，恢复RLE编码的结果,然后对RLE编码的数据进行解码，恢复原始数据。
9.根据权利要求1所述的一种柔性拉涨超结构力反馈血管缝合系统，其特征在于：所述柔性拉涨动力模块的位移运动u(t)控制规律为：
式中，Kp为比例增益，Ki为积分增益，Kd为微分增益，t表示时间，e(t)为误差信号；
每个运动关节的动力学方程为：
式中，H(q)为关节的转动惯量矩阵，q为关节角度，为关节角速度，/>为关节角加速度，为科氏力矩阵，G(q)为重力矩阵，τ是各关节模组输出的扭矩，τext是各关节受到的外力；
位移和角度的运动通过阻抗器控制方程形成闭环动力学方程：
式中，eτ是力矩误差变量，J(q)为雅克比矩阵，Kτ和Dτ是正定的控制器增益矩阵，B为常量系数，和/>分别是eτ的一阶导数和二阶导数，T表示转置。
10.根据权利要求1所述的一种柔性拉涨超结构力反馈血管缝合系统，其特征在于：所述拉涨机械臂结构为一体成型的管状网形，通过控制头端和末端的相对伸长量来进行其主干部分的膨胀和收缩功能，所述拉涨机械臂结构由负剪切率的拉涨结构单元形成圆环型阵列，所述拉涨结构单元的几何方程如下：
式中，l，n，h，b为几何尺寸常数，θ为结构单元形变夹角，v是胞状单元泊松比，E为是胞状单元构成材料的弹性模量，k是晶胞单元力学常数。
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