一种用于血管介入手术机器人的电容传感器及监测系统

1.本发明属于高端医疗装备制造技术领域，具体是一种用于血管介入手术机器人的电容传感器及监测系统，用于血管介入手术中递送导管/导丝时夹持打滑情况的监测。


背景技术：

2.近年来，随着全球人口自然增长，人口老龄化程度加速上升，世界各国和地区对人民健康与高水平医疗的需求日益迫切。医疗机器人因其精准稳定、安全高效等优势，正在为传统医学领域带来颠覆性的变革。医疗机器人技术以生命科学和工程学为基础，涉及传统医学、机器人技术、医学影像技术、计算机技术、信息技术、传感技术、自动控制技术等，形成了多学科交叉的新兴研究领域。目前，医疗机器人已广泛应用于诸多医疗场景，如神经外科、腹腔外科、胸外科、骨外科、血管介入、颅面外科等。相对于其他机器人的应用环境，人体作业环境的特殊性，为医疗机器人的研究与应用提出了多方面新的科学问题和技术挑战。同时，医疗机器人作为智能机器人科学前沿与高精尖技术的代表，其发展同时也带动着机械、计算机、材料等诸多工程学基础学科中新理论、新技术的发展。
3.我国人群预期寿命逐渐延长，人口老龄化速度逐渐加快，预计到2050年，中国老年人口总数将达到4.87亿的峰值，占总人口的34.9％，意味着将近每3个人中就有一个超过60岁的老年人。我国心血管疾病患者已达2.9亿，且患者年龄呈逐年下降趋势，同时每年900万心脑血管疾病患者中就有250万人死亡。心脑血管疾病发病率高、致残率高、病死率高，给个人、家庭和社会带来巨大的精神压力和沉重的经济负担。幸存者也往往要面对躯体功能障碍、视力、听力缺失、认知功能下降和情感人格改变等一系列神经精神功能损害的症状，还要承受由躯体疾病引起的沉重心理负担。严重的后遗症往往显著降低病患幸存者的生活独立性，使患者生活质量和自然社会环境适应能力显著下降。心脑血管疾病给人民生活和社会发展带来严重影响。日益高发的心脑血管疾病，已经成为人类疾病死亡的三大病因之一。目前该病症的诊断和治疗主要通过微创介入手术完成。心脑血管介入手术的是典型的高复杂性、高风险性手术，同时通过血管腔进行诊疗的手术方式与其他外科手术具有巨大的差异性。因此，针对心脑血管介入手术的专科型手术机器人研究具有重大意义和挑战性。
4.针对传统血管介入手术存在的高复杂性、高风险性问题，国内外诸多研究机构和医疗器械企业纷纷开展血管介入手术机器人研究并取得了一定的研究成果。然而，目前血管介入手术机器人系统的导管/导丝在递送过程中存在夹持力不好掌控，从而导致导管推送打滑的问题。比如国外的corindus公司研制的corpath 200系统，导管递送机构采用双滚轮式结构，通过摩擦力驱动导管进行轴向和扭转运动，该夹持递送方式通过两个滚轮的点接触实现递送，递送过程无法检测导管在递送过程中是否会发生打滑的情况，所以会出现夹持力不够导管递送停滞。申请号为201720808997.2的中国专利公开了一种介入手术机器人从端及其移动平台，该专利通过电机带动塑料螺母实现导管的加紧，这种设计方式加紧力过小，使得导管递送出现打滑现象，夹持过紧会损坏导管/导丝的表面涂层，因此无法完全满足医生的手术需求。所以急需一种能够检测导管/导丝递送过程中打滑的传感器，从而
及时提醒医护人员发生打滑现象，调整夹持力，保证手术顺利进行。
5.综上所述，现有血管介入手术机器人技术因其无法检测导管/导丝的打滑现象，导致存在以下问题：(1)导管/导丝递送停滞：难以检测导管/导丝是否发生打滑现象，从而无法判断导管/导丝加紧装置是否需要增加夹紧力，一旦发生打滑最终导致导管递送停滞；(2)为防止打滑而破坏导管：为了防止导管/导丝递送打滑，增加加持力，很有可能会损坏导管/导丝的表面涂层，导致手术被迫停止；(3)缺乏打滑检测导致手术风险增加：当医生推捻导管/导丝时，一旦发生打滑可能导致医生手术操作判断失败，进而导致手术过程失败，增加手术的风险。


技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于血管介入手术机器人的电容传感器及监测系统，以解决现有导管/导丝递送过程打滑难以检测的问题。
7.本发明解决所述技术问题所采用的技术方案是：设计一种用于血管介入手术机器人的电容传感器，其特征在于，所述电容传感器包括主动轴检测锥齿轮、主动杆转动轴承、主动杆导电元件、电容传感器支架、从动杆导电元件、从动杆转动轴承、从动轴检测锥齿轮；
8.电容传感器支架包含两个平行的竖直板材以及一个将两个竖直板材的底部衔接在一起的一个水平板材，在其两个竖直板材的中部位置均设置有一个导电元件安装通孔，两个竖直板材的导电元件安装通孔共轴；
9.主动杆导电元件与从动杆导电元件的结构相同，均包括金属导电头、锥齿轮固定轴、轴承固定轴、非完全金属片导电圆片，四者的直径递增；金属导电头为长轴，金属导电头一端的端面与非完全金属片导电圆片的内侧面的中心处垂直衔接且为电性连接，两者共轴；锥齿轮固定轴通过粘胶固定套装在金属导电头的另一端与非完全金属片导电圆片之间的轴段上，且金属导电头该端的末端位于锥齿轮固定轴的外侧；轴承固定轴通过粘胶固定套装在锥齿轮固定轴的靠近非完全金属片导电圆片一侧的末端轴段上；
10.主动杆导电元件与从动杆导电元件两者对称的设置在电容传感器支架的两块长边板块上，其中，两个非完全金属片导电圆片以其外层面相对的方式设置在电容传感器支架内部，两个轴承固定轴位于电容传感器支架上的两个导电元件安装通孔内，主动杆转动轴承、从动杆转动轴承分别套装在两个轴承固定轴上，主动杆转动轴承的内圈与外圈均通过过盈配合的方式分别与轴承固定轴、导电元件安装通孔的内侧面连接，从动杆转动轴承的安装方式与主动杆转动轴承的相同；
11.主动轴检测锥齿轮与从动轴检测锥齿轮结构相同，两者分别通过粘胶固定连接在两个锥齿轮固定轴上的相同位置上，且金属导电头的末端位于主动轴检测锥齿轮的外侧；
12.非完全金属片导电圆片为圆饼状，其内侧面为环形的金属面，其外侧面由金属表面与绝缘表面构成，金属表面与绝缘表面形成一个完整的环形。
13.进一步的，本发明设计一种用于血管介入手术机器人的电容传感器监测系统，该监测系统安装于血管介入手术机器人的递送机构内部，并位于递送机构的主动轴与从动轴的正下方，用于监测导管/导丝夹持打滑情况，其特征在于，该监测系统包括如上所述的电容传感器，还包括主动轴锥齿轮、主动轴锥齿轮固定轴、从动轴锥齿轮、从动轴锥齿轮固定轴，主动轴锥齿轮固定轴与从动轴锥齿轮固定轴分别为主动轴与从动轴的末端轴段，主动
轴锥齿轮与从动轴锥齿轮分别通过螺钉水平的固定在主动轴锥齿轮固定轴与从动轴锥齿轮固定轴上；电容传感器整体水平的设置在主动轴锥齿轮与从动轴锥齿轮之间的正下方，其中，主动轴检测锥齿轮与从动轴检测锥齿轮呈竖直状态且分别与主动轴锥齿轮与从动轴锥齿轮对应啮合连接；在主动轴锥齿轮与从动轴锥齿轮上方的主动轴锥齿轮固定轴、从动轴锥齿轮固定轴的轴段上分别水平设置有带轴承支架，带轴承支架固定在递送机构上。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计的用于血管介入手术机器人的电容传感器，基于可变电容原理，监测与递送滚轮同步的主动轴与从动轴的转动情况，一旦导管或导丝发生打滑，则主动轴与从动轴的转动不同步，电容传感器的电容量发生变化，从而监测到导管/导丝的夹持发生打滑。将电容传感器监测系统通过接入到电容监测仪器，即可直观的监测到递送机构在递送导管/导丝的过程中是否发生夹持打滑，结构设计简单，装配方便，在递送机构原有结构基础上简单的加装改造即可完成电容传感器监测系统的装配，成本较低，使用可靠，提高了手术的安全性与血管介入手术机器人的可靠性。
附图说明
15.图1为本发明用于血管介入手术机器人的电容传感器一种实施例的结构示意图(爆炸图)；
16.图2为本发明用于血管介入手术机器人的电容传感器一种实施例的主动杆导电元件与从动杆导电元件的装配示意图；
17.图3为本发明用于血管介入手术机器人的电容传感器一种实施例的主动杆导电元件结构示意图；
18.图4为本发明用于血管介入手术机器人的电容传感器一种实施例的非完全金属片导电圆片剖视结构示意图(设置有绝缘表面的一侧的沿径向的剖视)；
19.图5为本发明用于血管介入手术机器人的电容传感器一种实施例的电容传感器固定座的结构示意图；
20.图6为本发明用于血管介入手术机器人的电容传感器监测系统一种实施例的结构示意图(主视方向视图)；
21.图7为本发明用于血管介入手术机器人的电容传感器监测系统一种实施例的装配示意图图(仰视方向视图，已去掉电容传感器固定座)；
22.图8为血管介入手术机器人的递送机构递送导管/导丝原理示意图；
23.图中，11、主动轴；12、从动轴；13、传动系统；14、控制器；15、电机同步带；16、监测系统；18、固定台；19、电容传感器固定座；
24.21、从动同步带轮与一级齿轮；22、内部支架；23、二级齿轮；24、二级齿轮固定轴；25、三级齿轮；26、带轴承支架；27、主动轴锥齿轮固定轴；28、主动轴锥齿轮；29、从动轴锥齿轮固定轴；211、从动轴支架；212、从动轴锥齿轮；
25.31、主动轴检测锥齿轮；32、主动杆转动轴承；33、主动杆导电元件；34、电容传感器支架；35、从动杆导电元件35；36、从动杆转动轴承；37从动轴检测锥齿轮；
26.51、金属导电头；52、锥齿轮固定轴；53、轴承固定轴；54、非完全金属片导电圆片；55、金属表面；56、中间轴孔；57、绝缘表面；
27.60、导管或导丝；61、主动递送滚轮；62、从动递送滚轮。
具体实施方式
28.为了使本发明更加通俗易懂，下文将结合实施例及附图进一步阐述本发明。
29.本发明提供一种用于血管介入手术机器人的电容传感器(简称电容传感器)，所述电容传感器包括主动轴检测锥齿轮31、主动杆转动轴承32、主动杆导电元件33、电容传感器支架34、从动杆导电元件35、从动杆转动轴承36、从动轴检测锥齿轮37。
30.电容传感器支架34包含两个平行的竖直板材以及一个将两个竖直板材的底部衔接在一起的一个水平板材，在其两个竖直板材的中部位置均设置有一个导电元件安装通孔，两个竖直板材的导电元件安装通孔共轴；具体的，作为一种实施例，电容传感器支架34为由两个相同尺寸的“l”型截面的板材粘接而成，两个“l”型截面的板材的短边板块的末端通过粘胶连接，形成一个截面为“u”型的电容传感器支架34。该“l”型截面的板材长边板块的中部设置有导电元件安装通孔。
31.主动杆导电元件33与从动杆导电元件35的结构相同，均包括金属导电头51、锥齿轮固定轴52、轴承固定轴53、非完全金属片导电圆片54，四者的直径递增；金属导电头51为长轴，金属导电头51一端的端面与非完全金属片导电圆片54的内侧面的中心处垂直衔接且为电性连接，两者共轴；锥齿轮固定轴52通过粘胶固定套装在金属导电头51的另一端与非完全金属片导电圆片54之间的轴段上，且金属导电头51该端的末端(后文中金属导电头51的末端均指此处)位于锥齿轮固定轴52的外侧；轴承固定轴53通过粘胶固定套装在锥齿轮固定轴52的靠近非完全金属片导电圆片54一侧的末端轴段上。
32.主动杆导电元件33与从动杆导电元件35两者对称的设置在电容传感器支架34的两块长边板块上，其中，两个非完全金属片导电圆片54以其外层面相对的方式设置在电容传感器支架34内部，两个轴承固定轴53位于电容传感器支架34上的两个导电元件安装通孔内，主动杆转动轴承32、从动杆转动轴承36分别套装在两个轴承固定轴53上，主动杆转动轴承32的内圈与外圈均通过过盈配合的方式分别与轴承固定轴53、导电元件安装通孔的内侧面连接，从动杆转动轴承36的安装方式与主动杆转动轴承32的相同。
33.主动轴检测锥齿轮31与从动轴检测锥齿轮37结构相同，两者分别通过粘胶固定连接在两个锥齿轮固定轴52上的相同位置上，且金属导电头51的末端位于主动轴检测锥齿轮31的外侧(以靠近电容传感器支架34的一侧为内)；优选的，主动轴检测锥齿轮31为一锥齿轮与一圆筒衔接在一起的结构，锥齿轮的中心通孔与圆筒的中心通孔尺寸相同且与锥齿轮固定轴52的尺寸相匹配，通过在锥齿轮的中心通孔的内侧面以及圆筒的中心通孔的内侧面上涂布粘胶从而实现与锥齿轮固定轴52固定连接。
34.非完全金属片导电圆片54为圆饼状，其内侧面为环形的金属面，其外侧面由金属表面55与绝缘表面57构成，金属表面55与绝缘表面57形成一个完整的环形。
35.优选的，非完全金属片导电圆片54为带有中间轴孔56的圆饼状，金属导电头51的一端的端面与其内侧面处的中间轴孔56通过电性焊接连接在一起。
36.优选的，非完全金属片导电圆片的绝缘表面57由两条直线与两条曲线围成，该两条直线相交于环形的圆心，且该两条直线的夹角小于九十度；优选的，绝缘表面57为绝缘涂料层；
37.为避免两片非完全金属片导电圆片54的外侧面过近时碰触，导致绝缘涂料层磨损或脱落，绝缘表面57设置为内凹结构，具体的，可以在非完全金属片导电圆片54的外侧面上
切割出目标圆心角的缺口，然后在缺口处涂覆绝缘涂料，即得绝缘表面57。
38.进一步的，本发明提供一种用于血管介入手术机器人的电容传感器监测系统(简称监测系统)，该监测系统安装于血管介入手术机器人的递送机构内部，并位于递送机构的主动轴11与从动轴12的正下方，用于监测导管/导丝夹持打滑情况，该监测系统16包括如上所述的电容传感器，还包括主动轴锥齿轮28、主动轴锥齿轮固定轴27、从动轴锥齿轮212、从动轴锥齿轮固定轴29，主动轴锥齿轮固定轴27与从动轴锥齿轮固定轴29分别为主动轴11与从动轴12的末端轴段，主动轴锥齿轮28与从动轴锥齿轮212分别通过螺钉水平的固定在主动轴锥齿轮固定轴27与从动轴锥齿轮固定轴29上。电容传感器整体水平的设置在主动轴锥齿轮28与从动轴锥齿轮212之间的正下方，其中，主动轴检测锥齿轮31与从动轴检测锥齿轮37呈竖直状态且分别与主动轴锥齿轮28与从动轴锥齿轮212对应啮合连接；在主动轴锥齿轮28与从动轴锥齿轮212上方的主动轴锥齿轮固定轴27、从动轴锥齿轮固定轴29的轴段上分别水平设置有带轴承支架(对应附图标记26与211)，带轴承支架固定在递送机构上。带轴承支架用于限制主动轴11与从动轴12的末端轴段的径向位移，避免误差。在递送机构的设置有监测系统16的空间的外侧加装盖板进行遮盖，防止外界环境对空气介质以及监测系统16的干扰。
39.电容传感器支架34的底部卡合在电容传感器固定座19内并通过粘胶紧固连接，电容传感器固定座19通过螺钉固定在递送机构上。
40.本发明一种用于血管介入手术机器人的电容传感器及其监测系统的工作原理与工作流程为：血管介入手术机器人的递送机构的结构可参考图6中所示，递送机构夹持导管或导丝(导管或导丝为附图标记60)的原理示意图可参考图8(图中为两组递送滚轮，只需要在递送方向上的第一组递送滚轮的下方安装电容传感器监测系统即可)所示，递送机构的传动系统13的传动过程可参考如下过程：电机通过同步带带动从动同步带轮与一级齿轮21(两者固定在同一轴上)，从动同步带轮通过轴承与内部支架22相连，一级齿轮带动二级齿轮23转动，二级齿轮23通过二级齿轮固定轴24与固定台18固定，二级齿轮23带动三级齿轮25，三级齿轮25固定在主动轴11的下部，三级齿轮25的转动带动固定在主动轴11顶部的主动递送滚轮61转动，主动递送滚轮61通过与导管/导丝接触面的静摩擦力驱动导管/导丝前进递送，位于导管/导丝另一侧的从动递送滚轮62与导管/导丝的表面接触，导管/导丝也会通过静摩擦力带动从动递送滚轮62转动，从动递送滚轮62固定在从动轴12的顶部，从动递送滚轮62转动时从动轴12也同步转动。
41.当不发生打滑时，主动递送滚轮61驱动导管/导丝前进，从动递送滚轮62会随之相同量的转动；当发生打滑时，从动递送滚轮61的转动与主动递送滚轮62的转动不同步，从而主动轴11与从动轴12的转动也不同步。
42.本发明设计的用于血管介入手术机器人的电容传感器监测系统设置于主动轴11与从动轴12的下部，在两者的末端轴段上分别固定设置主动轴锥齿轮28、从动轴锥齿轮212，电容传感器支架34通过电容传感器固定座19固定设置在主动轴11与从动轴12的中间的正下方，主动轴检测锥齿轮31、从动轴检测锥齿轮37分别与主动轴锥齿轮28、从动轴锥齿轮212对应啮合连接，并在电容传感器两端的金属导电头51的末端分别焊接一根导电线，将该两根导电线接入到电容检测仪(例如mlc500电容电感表)上。电容传感器使用前先进行校正，检测此时电容传感器的电容量，作为校准值，校准值加减齿轮间隙误差，得出电容量上
下偏差范围；当手术开始后，递送机构进行导管/导丝递送时，电容检测仪实时检测电容传感器的电容量并与校准值进行比对，当电容量超过校准范围最大或者最小时即可判断为发生打滑，从而进行相关处理，如进行增加加持力等操作。
43.本发明设计的电容传感器的工作原理：将两个非完全金属圆盘作为正负极板，平行非接触放置，两个正负极板通电时电荷在电场中会受力而移动，因为两个非完全金属圆盘中间有空气介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在两个非完全金属导电圆盘上，造成电荷的累积储存，通过测量电路，可检测电容量的大小，有电容计算公式其中ε为介质介电常数(相对介电常数)，k为静电力常量单位:nm2/c2(牛顿
·
米2/库仑2)，s为两极板正对面积，d为两极板间垂直距离。本发明通过改变s两极板正对面积来改变电容量，电容传感器的两个圆形金属极板有一部分为绝缘涂层，当两个圆盘相对转动时，两个非完全金属导电圆盘极板正对面积s发生变化，从而电容量发生改变，再把电容量的变化转换为电信号输出，测知电信号的大小，可判断两个非完全金属导电圆盘相对转动的量，将两个非完全金属导电圆盘分别与导管/导丝递送模块的主、从动轴通过锥齿轮连接，从检测到的电容传感器的电容量的变化情况，可判断主、从动轴是否发生相对转动，若发生相对转动则证明导管/导丝递送发生打滑，达到监测导管/导丝夹持打滑情况的目的。
44.本发明未述及之处适用于现有技术。