一种血管介入手术机器人导丝夹持与导丝阻力测定装置的制作方法

1.本发明涉及医药及医疗器械领域，尤其是涉及一种血管介入手术机器人导丝夹持与导丝阻力测定装置。


背景技术：

2.在我国，心脑血管疾病无论在城市还是农村都是居民的第一大死因。据世界卫生组织预计，到2020年，我国每年因心血管疾病死亡的人数将达到400万。心血管疾病的治疗包括药物治疗和介入治疗。目前，介入手术大都是由技术熟练的医生进行操作，医生需要经过一段时间的培训才能进行手术。由于人的血管弯曲狭窄且分支较多，要求操作医生的手在手术过程中不能抖动太大，因此手术时医生要精力高度集中，这样很容易造成医生的疲劳，从而无法保证手术的效率和效果，医生长时间接触手术过程中的放射线，对身体会造成巨大的伤害，这些问题的存在使得介入手术无法得到大面积的推广。
3.现有血管介入手术机器人递送机构导丝的递送原理可分为三种形式，第一种方法是利用摩擦轮之间的摩擦力实现导管/导丝的递送运动，第二种是采用自动铅笔夹持爪原理的导丝夹持方式，第三种方法是采用可移动的相对平行的夹持指夹持机构夹持介入导管/导丝实现其递送运动。采用摩擦轮的递送方式可能会存在导管/导丝的打滑问题。因为导丝的直径不到1mm，如果两摩擦轮间夹紧力过小，会导致导管/导丝的打滑；为了解决打滑的问题，通常需要加大夹紧力，但过大的夹紧力会使导管/导丝表面受损。采用第二种递送方式夹持力稳定可靠，消毒也比较方便，但是这种方式缺点是加工和夹持机构比较复杂，第三种夹持方式可增加夹持的接触面积，避免损坏导丝表面，夹持面又能安装应变片实时感知夹持力大小。
4.目前在血管介入手术机器人上进行导丝力检测的方式有两种，一种是利用杠杆原理将导丝阻力放大，然后进行测量，另一种方式是直接在夹持机构后端安装高精度压力传感器进行测量，第一种方式导丝夹持旋转装置与阻力检测装置设计为一体结构形成杠杆，容易得到有效力值，但是结构较为复杂，第二种导丝夹持与旋转装置设计为一体直接接触压力传感器，导丝旋转传动过程中容易造成扰动误差，因此需要进一步进行创新设计。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种血管介入手术机器人导丝夹持与导丝阻力测定装置。
6.本发明的目的能够通过以下技术方案来实现：
7.一种血管介入手术机器人导丝夹持与导丝阻力测定装置，该装置包括：
8.导丝导向支撑模块：用以在导丝递送过程中保持导丝的轴向进给方向，防止发生弯曲环绕现象；
9.导丝递送模块：用以实现导丝的轴向递送与回撤运动；
10.导丝夹持模块：跟随导丝递送模块运动，且不与导丝导向支撑模块直接接触，用以
实现对导丝的夹持以及对夹持过程中加持力的实时检测，并将夹持力反馈给操作医生；
11.导丝轴向阻力检测模块：安装在导丝递送模块上，与导丝夹持模块接触，用以精准检测导丝推进过程中的轴向阻力。
12.所述的导丝递送模块包括沿滑轨线性滑动的线性滑台、固定在线性滑台上的前后移动底板、固定安装在前后移动底板前端部的l型前轴承支撑板以及固定在前轴承支撑板的后端面上的电动滑环，所述的导丝轴向阻力检测模块固定装在前后移动底板的后端部。
13.所述的导丝导向支撑模块包括由多节不同直径的中空杆件组成的伸缩杆、伸缩杆支撑板、安装在伸缩杆支撑板后端面上的z字形伸缩杆支撑前端以及安装在前轴承支撑板前端面上的l型伸缩杆支撑后端，所述的伸缩杆设置在伸缩杆支撑后端和伸缩杆支撑前端之间。
14.所述的伸缩杆支撑前端顶部设有伸缩杆前端压块，所述的伸缩杆支撑后端顶部设有伸缩杆后端压块，所述的导丝由后至前依次穿过导丝轴向阻力检测模块、导丝夹持模块、电动滑环、前轴承支撑板、伸缩杆后端压块、伸缩杆、伸缩杆前端压块和伸缩杆后端压块。
15.所述的导丝夹持模块设置在电动滑环与导丝轴向阻力检测模块之间，包括夹紧导轨底板、分别设置在夹紧导轨底板前后两端的前旋转轴和后旋转轴、固定安装在夹紧导轨底板上的电磁铁、与导丝推进方向垂直设置的直线导轨以及沿直线导轨滑动的导丝压板，所述的电磁铁与导丝压板相对设置，并且在相对面分别设有用以夹持导丝的第一亚克力消毒隔板和第二亚克力消毒隔板，所述的导丝压板上还设有夹持力传感器，当电磁铁得电后，所述的导丝压板在磁力作用下沿直线导轨滑动夹紧导丝，并通过夹持力传感器实时检测夹持力，当电磁铁失电后通过拉伸弹簧复位。
16.所述的伸缩杆、第一亚克力消毒隔板和第二亚克力消毒隔板均为一次性可抛件。
17.所述的导丝轴向阻力检测模块包括固定安装在前后移动底板后端部的后轴承支撑板、安装在后轴承支撑板上的多个微型导向直线轴承、与微型导向直线轴承的导向轴前端连接的传感器接触板、压力传感器以及安装在传感器接触板前端面上的自动调心结构，所述的压力传感器设有多个，均固定在后轴承支撑板的前端面上，并与传感器接触板接触测量导丝进给阻力。
18.所述的自动调心结构包括通过多个等高轴肩螺钉与传感器接触板前端面连接的调心压板以及通过安装在调心压板内且由轴承压板固定的自动调心轴承，每个等高轴肩螺钉外均套设线性弹簧，所述的后旋转轴的轴肩与自动调心轴承接触。
19.所述的后轴承支撑板上设有用以穿过后旋转轴的后线性滚珠衬套，所述的前轴承支撑板上设有用以穿过前旋转轴的前线性滚珠衬套。
20.该装置的参数要求如下：
21.导管/导丝的推进速度要优于0～100mm/s，推进精度小于1mm；
22.阻力检测精度优于0.1n。
23.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
24.一、本发明的伸缩杆为类似于天线构型的多节可伸缩设计，能够在导丝长距离递送过程中，保持导丝轴向进给，不打折弯曲环绕，装置中与导丝/导管接触的器件均做成一次性可抛的耗材型元件或可便于拆卸的一次性可抛件，包括伸缩杆，亚克力消毒板，前后旋转轴，杜绝了污染隐患问题，彻底解决了消毒问题，并且该装置的元件结构简单、价格便宜，
大大降低了手术的成本，具有推广价值。
25.二、本发明的夹持装置与导丝的夹持面积大，因此解决了导丝的打滑问题，在前旋转轴上安装的电动滑环，在夹持机构旋转时可避免电线的缠绕，降低机械振动。
26.三、导丝夹持模块中导丝夹持部位安装有夹持力传感器，可保证导丝夹持的稳定可靠和夹持力可调可控。
27.四、导丝轴向阻力检测模块包括的自动调心轴承，分布安装的压力传感器，弹簧平衡结构，能够有效调节导丝夹持机构在移动和旋转时产生的附加干扰力，保证导丝轴向阻力的精确可靠。
28.五、导丝轴向阻力检测模块所测得到的导丝阻力可经主从控制器传递给医生操作端，让医生感受到导丝阻力建立力觉临场感，有效提高手术的精度和安全性。
附图说明
29.图1为本发明的一种血管介入手术机器人导丝夹持与导丝阻力检测装置的结构示意图。
30.图2为本发明一优选实施例中的导丝夹持模块示意图。
31.图3为本发明一优选实施例中的导丝轴向阻力检测模块示意图。
32.图中标记说明：
33.101、伸缩杆支撑板，102、伸缩杆支撑前端，103、伸缩杆前端压块，104、伸缩杆，105、伸缩杆支撑后端，106、伸缩杆后端压块，201、前线性滚珠衬套，202、前轴承支撑板，203、电动滑环，204、前后移动底板，205、线性滑台，206、导丝/导管，301、导丝夹持模块，302、前旋转轴，303、夹紧导轨底板，304、导轨侧挡板，305、直线导轨，306、电磁铁固定板，307、导丝压板，308、电磁铁，309、后旋转轴，310、拉伸弹簧，311、夹持力传感器，312、第一亚克力消毒隔板，313、第二亚克力消毒隔板，401、导丝轴向阻力检测模块，402、调心压板，403、自动调心轴承，404、轴承压板，405、等高轴肩螺钉，406、线性弹簧，407、传感器接触板，408、压力传感器，409、后轴承支撑板，410、微型导向直线轴承，411、后线性滚珠衬套。
具体实施方式
34.为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
35.实施例
36.如图1-3所示，本实施例提供的一种血管介入手术机器人导丝夹持与导丝阻力检测装置，该装置包括导丝导向支撑模块、导丝递送模块、导丝夹持模块301、导丝轴向阻力检测模块401。
37.该装置能够精确完成导管/导丝递送动作，且完成导管/导丝的推进速度优于0～100mm/s，精度小于1mm；
38.导丝夹持模块具有夹持力检测功能，能够实时检测夹持力大小，并结合医生操作控制对导丝的夹持力大小进行实时控制。
39.导丝轴向阻力检测模块能够完成对导丝递送过程中遇到的阻力进行检测，通过设计自定心调整结构与缓冲均压结构以及分布均匀安装压力传感器结合多传感器压力均值
滤波等方法，能够有效降低导丝夹持机构运动中产生的干扰力，使得检测阻力精度优于0.1n。
40.在本实施例中，如图1所示，导丝导向支撑模块包括伸缩杆支撑板101、伸缩杆支撑前端102、伸缩杆前端压块103、伸缩杆104、伸缩杆支撑后端105和伸缩杆后端压块106，其中，伸缩杆104为一次性可抛件，由不同直径多节中空杆组成，类似于天线结构，作用是在导丝递送模块长距离来回反复运动递送导丝的过程中，保持导丝轴向进给方向，不弯曲卷绕；伸缩杆104的前后两端分别由伸缩杆支撑前端102、伸缩杆前端压块103、伸缩杆支撑后端105以及伸缩杆后端压块106固定，伸缩杆支撑后端105固定于前轴承支撑板202上，与导丝夹持模块301不直接接触，防止伸缩杆104的运动摩擦力传递到导丝轴向阻力检测模块401。
41.在本实施例中，如图1所示，导丝递送模块包括线性滚珠衬套201、前轴承支撑板202、电动滑环203、前后移动底板204、线性滑台205和导丝/导管206；前后移动底板204固定在线性滑台205上，导丝轴向阻力检测装置401和前轴承支撑202分别固定安装在前后移动底板204的前后两端部，并保持同轴心，导丝夹持模块301的前旋转轴302和后旋转轴309分别穿过安装在后轴承支撑板409和前轴承支撑202上的前线性滚珠衬套201和后线性滚珠衬套411，使得导丝夹持模块301能够在轴向无摩擦的滑动，电动滑环203固定在前轴承支撑板202的后端面上，中间穿过前旋转轴302，电动滑环203能够使得导丝夹持模块301无限制角度旋转的同时保证其出线缆不缠绕，导丝夹持模块301与线性滑台205共同往复运动，实现导丝/导管206的轴向递送与回撤。
42.在本实施例中，如图2所示，导丝夹持模块301包括前旋转轴302、夹紧导轨底板303、导轨侧挡板304、直线导轨305、电磁铁固定板306、导丝压板307、电磁铁308、后旋转轴309、拉伸弹簧310、夹持力传感器311、第一亚克力消毒隔板312和第二亚克力消毒隔板313；前旋转轴302与后旋转轴309同轴心安装于导丝夹持模块301的前后两端，电磁铁308安装在夹紧导轨底板303上，且被电磁铁固定板306固定，直线导轨305也安装在夹紧导轨底板303上，且导向方向垂直于电磁铁308(导丝/导管206的推进方向)，导丝压板307安装于直线导轨305上，可相对于电磁铁308作夹持运动，夹持力传感器311固定在导丝压板307上，第一亚克力消毒隔板312和第二亚克力消毒隔板313为一次性可抛件，分别固定在电磁铁308和夹持力传感器311相对的一侧，用以直接接触夹持导丝，拉伸弹簧310一端与导丝压板307固定，另一端固定在夹紧导轨底板303上，用以实现对导丝压板307的复位。
43.导丝夹持模块301的动作流程如下：
44.当电磁铁308通电后，铁制导丝压板307被磁化沿直线导轨方向运动压紧导丝，实现导丝夹持，夹持力传感器311受压测出夹持力传给控制系统，并反馈给操作医生，电磁铁308的磁力通过电流控制，医生通过操控改变电流大小改变导丝夹持力的大小，当电磁铁308断电时，导丝压板307受到拉伸弹簧310的拉力作用，拉回导丝压板307，松开导丝，前旋转轴302与后旋转轴309同轴心安装，保证导丝的位置始终位于第一亚克力消毒隔板312和第二亚克力消毒隔板313中心处，该模块不但能实现导丝稳定可靠的夹持，而且能进行夹持力的可调可控操作。
45.在本实施例中，如图3所示，导丝轴向阻力检测模块401包括调心压板402、自动调心轴承403、轴承压板404、等高轴肩螺钉405、线性弹簧406、传感器接触板407、压力传感器408、后轴承支撑板409、微型导向直线轴承410和线性滚珠衬套411；自动调心轴承403安装
于调心压板402内受轴承压板404固定，等高轴肩螺钉405连接调心压板402与传感器接触板407，两者之间由线性弹簧406支撑，传感器接触板407连接微型导向直线轴承410的导向轴，与压力传感器408接触但不固定，线性滚珠衬套411、压力传感器408和微型导向直线轴承410均固定安装在后轴承支撑板409上，导丝夹持模块301中的后旋转轴309穿过自动调心轴承403与线性滚珠衬套411，后旋转轴309的轴肩与自动调心轴承接触。
46.导丝轴向阻力检测模块401的工作原理如下：
47.如图1和3所示，由于导丝夹持模块301受后线性滚珠衬套411、前线性滚珠衬套201及四根微型导向直线轴承410支撑，能够无摩擦的实现轴向滑动，所以当导丝递送模块携带夹紧导丝的导丝夹持模块301向前运动时，导丝夹持模块301的后旋转轴309会产生相反的反作用力，将导丝进给阻力传递给自动调心轴承403，自动调心轴承403再经线性弹簧406传给传感器接触板407，传感器接触板407将力传递到压力传感器408上检测到轴向力，所以当在血管分叉处，或者导丝碰触血管壁时，导丝阻力增加，此时压力传感器就能精准检测到导丝轴向阻力。自动调心轴承403的自调整和线性弹簧406的均压调节能够有效的调整导丝夹持模块301由于加工精度不够、偏心旋转等原因所产生的附加干扰力，三个压力传感器408沿周向均匀布置安装在后轴承支撑板409前端面上再结合传感器压力均值滤波等方法，能够有效提升阻力检测精度。压力传感器再将这一阻力信号转化为电信号，经主从控制器传送到医生控制端，再控制磁粉制动器阻力矩产生变化，从而使医生感受到导丝阻力。
48.以下内容具体为本发明具体设计参数和使用原理的相关说明：
49.通过对医生手动完成心血管微创介入手术整个过程的学习，结合医生操作的具体要求，根据对心血管微创介入手术机器人系统的要求，提出血管介入手术机器人导丝夹持与导丝阻力检测装置的具体功能要求：
50.(1)由于机器人中与导管/导丝直接接触所有部件都要无菌，所以导丝夹持模块要便于消毒、清洗；
51.(2)导丝轴向阻力检测模块必须能够精确的检测导管/导丝递送的阻力，并且预警这一阻力，防止刺破血管壁，保证手术的安全；
52.(3)导管和导丝必须准确操作，不能够损伤其表面，导丝递送模块与导丝夹持模块如果不能准确递送导管/导丝可能会导致医疗事故，导管/导丝表面损伤可能会导致血管中的血栓。
53.(4)由于最细导丝的直径不到1mm，而且手术精度要求很高，手术过程会对导管/导丝多次夹持、松开，所以机器人必须能够可靠、灵活的夹持和松开导丝。
54.(5)由于需要递送直径不同的导管/导丝，所以递送结构要便于导管/导丝的更换。
55.参数要求：
56.(1)导丝递送模块要求能够完成导管/导丝的推进速度要优于0～100mm/s，精度小于1mm。
57.(2)导丝轴向阻力检测模块的检测精度要优于0.1n。
58.导丝阻力检测结构原理：
59.心血管微创介入手术医生人工介入导管/导丝的过程是在影像导航系统辅助下下，沿着人体血管内腔，将导丝送入心脏内病变位置，经过长期的职业训练，经验丰富的介入医生能够敏感的感触到导丝碰触血管壁的力，依靠中指之间感触到导丝递进过程中的阻
力，判断其前进的情况，并依据此感觉决定下一步是否继续递进导丝。尤其是高难度手术医生更多的依靠这一触觉力信息进行判断。因此导丝介入过程中的阻力感测是心血管介入手术不可缺少的力觉信息，依靠影响导航系统来判定导管/导丝所处的位置，会有人体视觉误差和延时的影响，医生很难准确判断清楚导丝的位置。同时由于导丝递进过程中环境是实时变化的，如果没有力反馈不仅降低了手术的精度和安全性，还会影响手术的速度，从而进一步增加医生的辐射伤害。实际手术过程中，如果遇到复杂的血管内部情况，医生为了看清楚血管内部情况，会大大增加造影剂的量，这就会大大增加医生受辐射的量，因此给医生带来了额外的伤害，如果能够依靠具有精准力反馈的机器人，医生就能够通过力觉和影响导航相结合，提高手术是精度和安全性，而且会避免额外增加造影剂，降低辐射伤害。
60.如果采用在导丝前段安置传感器，将其随同导管/导丝一同进入人体内部，这对传感器提出了很严格的要求。因为传感器的体积必须小于血管的直径，还要能抵抗血液的辐射，同时要具有非常高的灵敏度。此外因为人体血管形状不规则、且狭长多分支，再有人体血管内流体动力学的影响，传感器的受力非常复杂。因此这一方案难度过高，现在并没有找到符合上述要求的传感器。
61.为了提高阻力的测量精度，测力结构应尽量减少摩擦和其他信号的干扰，因此测力机构要结构简单、直接，本发明中采用导丝轴向阻力检测模块利用微型压力传感器采集导管/导丝阻力的方法，设计了降低导丝夹持模块传动过程中的附加力对轴向阻力检测的调整结构(线性弹簧)，使导丝轴向力检测精度保持有效可靠的实用状态，且压力传感器再将这一阻力信号转化为电信号，经主控制器传送到医生操作端，使磁粉制动器阻力矩产生变化，从而使医生感受到导丝阻力。导丝阻力的测量和力觉临场感的建立，能够提高手术的精度和安全性。
62.本发明的保护范围并不局限于以上表述，熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，属于本发明的保护范围。