辅助精细手术的超声刀的制作方法

1.本发明涉及一种医疗器械领域，特别是涉及一种辅助精细手术的超声刀。


背景技术：

2.超声手术刀作为一种常见的外科手术设备，由术者手动操作，对各类组织进行抓取、游离、切割等操作。通常超声手术刀由把手、刀芯、刀鞘、换能器组成，其中把手由术者握持，刀芯和刀鞘与组织接触。
3.现有技术是由术者手动控制在工作过程中的异常抖动，或者借助其他诸如器械支架、腔镜等手术器械稳定组织或稳定超声手术刀以实现稳定，不仅浪费成本且操作过程十分不便，大大降低了手术效率。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种辅助精细手术的超声刀，用于解决现有技术中出现的以上技术问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种辅助精细手术的超声刀，包括：超声刀杆，包括：前端设有刀头的刀芯、套设所述刀芯的刀鞘结构、与所述刀鞘结构后端连接且可供所述刀芯穿过以及带动所述刀芯移动的套筒结构、与所述套筒结构连接且可供所述刀芯穿过的手柄组件以及与所述刀芯后端连接的换能器；其中，所述刀鞘结构前端设有钳头；所述钳头能相对于所述刀头开合，与所述刀头形成工作面；安装于所述手柄组件的第一传感器组、第二传感器组、角度传感器以及微处理器；其中，所述第一传感器组以及第二传感器组，用于每个时刻采集其所处的两个位置分别所对应的第一运动数据以及第二运动数据；所述角度传感器，用于每个时刻采集对应所述工作面的旋转角度数据；所述微处理器，连接第一传感器组、第二传感器组以及角度传感器，用于根据接收的第一运动数据、第二运动数据以及旋转角度数据，在异常抖动情况出现时发送对应的修正控制信号；修正组件，连接所述微处理器，包括：设于所述套筒结构内的第一修正装置组，用于接收由所述微处理器发送的所述修正控制信号，驱动所述套筒结构带动所述刀芯进行前后抖动补偿；在所述套筒外表面均匀分布的第二修正装置组、第三修正装置组、第四修正装置组以及第五修正装置组，用于接收由所述微处理器发送的所述修正控制信号，驱动所述套筒结构带动所述刀芯进行上下和/或俯仰抖动补偿。
6.于本发明的一实施例中，所述手柄组件包括：组件框架、角度锁紧结构、固定把手以及活动把手；其中，所述组件框架包括：套筒固定部，用于固定连接所述套筒结构；活动把手固定板，用于与所述活动把手活动连接；固定把手连接部，用于与所述固定把手固定连接；所述角度锁紧结构，用于锁紧所述刀芯，且在所述刀芯转动的情况下带动转动。
7.于本发明的一实施例中，所述第一传感器组设于所述活动把手固定板内，用于采集当前位置的第一运动数据；所述第二传感器组设于所述所述固定把手内，用于采集当前位置的第二运动数据；所述角度传感器设于所述角度锁紧结构上。
8.于本发明的一实施例中，所述第一传感器组以及第二传感器组分别在所述活动把手固定板与所述固定把手对应与所述刀芯设置方向的同一平行方向水平设置。
9.于本发明的一实施例中，所述第一传感器组包括：第一速度计和第一陀螺仪，用于分别采集当前时刻的第一加速度数据以及第一空间姿态；所述第二传感器组包括：第二速度计和第二陀螺仪，用于分别采集当前时刻的第二加速度数据以及第二空间姿态。
10.于本发明的一实施例中，所述根据接收的第一运动数据、第二运动数据以及旋转角度数据，在异常抖动情况出现时发送对应的修正控制信号的方式包括：根据接收的第一运动数据、第二运动数据以及旋转角度数据计算当前时刻的空间位置系数；其中，所述空间位置系数包括：第一空间姿态、第二空间姿态、旋转角度数据以及由所述第一加速度数据以及第二加速度数据计算获得的速度数据；在异常抖动情况出现时，基于标准空间位置系数，根据当前时刻的空间位置系数计算当前时刻的修正数据，并获得对应的调整路径；其中，所述标准空间位置系数由初始时刻采集的第一运动数据、第二运动数据以及预设的旋转角度数据计算获得；基于所述调整路径，向对应的修正装置组发送对应生成的包含对应修正值的修正控制信号。
11.于本发明的一实施例中，所述在异常抖动情况出现时，基于标准空间位置系数，根据当前时刻的空间位置系数计算当前时刻的修正数据，并获得对应的调整路径包括：基于超声刀相邻时刻的空间位置系数和速度数据的变化情况，通过对所述工作面的空间位置系数以及速度数据是否在3个及以上时刻内出现周期性往复波动进行判断，综合判断所述超声刀是否为异常抖动；若为异常抖动时，利用标准空间位置系数以及输入的刀鞘长度值根据当前时刻的空间位置系数计算第一修正装置组、第二修正装置组、第三修正装置组、第四修正装置组以及第五修正装置组所对应的修正值；基于计算获得的修正值，计算所对应的调整路径，以供将所述超声刀的工作面调整为所述标准空间位置系数所对应工作面的位置。
12.于本发明的一实施例中，所述基于超声刀相邻时刻的空间位置系数和速度数据的变化情况，通过对所述工作面的空间位置系数以及速度数据是否在3个及以上时刻内出现周期性往复波动进行判断，综合判断所述超声刀是否为异常抖动方式包括：基于3个及以上时刻的工作面空间位置及速度数据，计算所述工作面的空间位置变化情况；将所述工作面的空间位置变化情况与正常抖动数据对比；若符合所述正常抖动数据，则为正常抖动；若不符合所述正常抖动数据，则为异常抖动。
13.于本发明的一实施例中，所述第二修正装置组、第三修正装置组、第四修正装置组以及第五修正装置分别包括两个修正部件。
14.于本发明的一实施例中，所述第二修正装置组、第三修正装置组、第四修正装置组以及第五修正装置组在所述套筒结构的垂直于轴的截面四周均匀对称设置，且相邻的修正装置之间距离相同；每组的两个修正部件在所述套筒结构的平行于轴的截面的中心轴线对称设置。
15.如上所述，本发明的辅助精细手术的超声刀，具有以下有益效果：通过在超声刀激发过程中由设置在手柄内部的多组传感器侦测到手柄轻微移动，通过微处理器实时计算超声刀工作面的空间姿态。由补偿算法计算出需补偿的位移量，该位移量通过部署在把手处的修正组件精密控制刀鞘以抵消因术者手部微小抖动造成的超声刀工作面抖动。本发明可
以有效帮助术者在手术过程中降低因异常轻微抖动对患者手术部位造成的损伤，可有效帮助术者完成精细化手术操作；并且手术过程中的异常抖动修正数据可还原超声刀激发过程中的抖动状态，经过对抖动状态进行数据分析，以更加适应手术需要。
附图说明
16.图1显示为本发明一实施例中辅助精细手术的超声刀的结构示意图。
17.图2显示为本发明一实施例中工作面示意图。
18.图3显示为本发明一实施例中辅助精细手术的超声刀的硬件通信示意图。
19.图4显示为本发明一实施例中微处理器的数据处理流程示意图。
20.图5显示为本发明一实施例中修正组件的设置示意图。
21.图6显示为本发明一实施例中修正组件的设置示意图。
22.图7显示为本发明一实施例中辅助精细手术的超声刀的结构连接示意图。
具体实施方式
23.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
24.需要说明的是，在下述描述中，参考附图，附图描述了本发明的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本发明的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本发明。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、
““
下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。
25.再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“a、b或c”或者“a、b和/或c”意味着“以下任一个：a；b；c；a和b；a和c；b和c；a、b和c”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
26.本发明提供一种辅助精细手术的超声刀，通过在超声刀激发过程中由设置在手柄内部的多组传感器侦测到手柄轻微移动，通过微处理器实时计算超声刀工作面的空间姿态。由补偿算法计算出需补偿的位移量，该位移量通过部署在把手处的修正组件精密控制刀鞘以抵消因术者手部微小抖动造成的超声刀工作面抖动。本发明可以有效帮助术者在手术过程中降低因异常轻微抖动对患者手术部位造成的损伤，可有效帮助术者完成精细化手术操作；并且手术过程中的异常抖动修正数据可还原超声刀激发过程中的抖动状态，经过
对抖动状态进行数据分析学习，以更加适应手术需要。
27.下面以附图1为参考，针对本发明得实施例进行详细说明，以便本发明所述技术领域的技术人员能够容易地实施。本发明可以以多种不同形态体现，并不限于此处说明的实施例。
28.如图1所示，展示一实施例中辅助精细手术的超声刀的结构示意图。
29.所述辅助精细手术的超声刀包括：超声刀杆，包括：前端设有刀头的刀芯(图中未显示)；套设所述刀芯的刀鞘结构1；与所述刀鞘结构1后端连接且可供所述刀芯穿过以及带动所述刀芯移动的套筒结构(图中未显示)，该套筒结构可以通过在与其内穿过的刀芯之间填充物质或是与刀芯连接实现在其移动时带动所述刀芯移动；与所述套筒结构连接且可供所述刀芯穿过的手柄组件以及与所述刀芯后端连接的换能器2；其中，如图2所示，所述刀鞘结构前端设有钳头101；所述钳头能相对于所述刀头102开合，与所述刀头102形成工作面。
30.超声刀还包括：如图1所示，安装于所述手柄组件的第一传感器组3、第二传感器组4、角度传感器5以及微处理器(图中未显示)；修正组件7，连接所述微处理器，包括：设于所述套筒结构内的第一修正装置组；在所述套筒外表面均匀分布的第二修正装置组、第三修正装置组、第三修正装置组以及第四修正装置组。
31.其中，对于第一传感器组、第二传感器组、角度传感器、微处理器与修正组件的通信过程，我们结合图3来进行说明；
32.所述第一传感器组3以及第二传感器组4，用于在超声刀激发过程中的每个时刻采集其所处的两个位置分别所对应的第一运动数据以及第二运动数据；由于超声刀工作面是可以360度旋转的，因此在读取工作面工作部位方向时，需要将工作面的旋转角度带入，因此设置所述角度传感器5，用于在超声刀激发过程中的每个时刻采集对应所述工作面的旋转角度数据；所述微处理器6，连接第一传感器组3、第二传感器组4以及角度传感器5，用于根据接收的在超声刀激发过程中的每个时刻采集的第一运动数据、第二运动数据以及旋转角度数据，在异常抖动情况出现时发送对应的修正控制信号；修正组件7，连接所述微处理器6，包括：第一修正装置组71，用于接收由所述微处理器6发送的所述修正控制信号，驱动所述套筒结构带动所述刀芯进行前后抖动补偿；所述套筒外表面均匀分布的第二修正装置组72、第三修正装置组73、第四修正装置组74以及第五修正装置组75，用于接收由所述微处理器6发送的所述修正控制信号，驱动所述套筒结构带动所述刀芯进行上下和/或俯仰抖动补偿。优选的，
33.在一实施例中，如图1所示，所述手柄组件包括：组件框架、角度锁紧结构81、固定把手82以及活动把手83；其中，所述组件框架包括：套筒固定部(图中未显示)，用于固定连接所述套筒结构；活动把手固定板841，用于与所述活动把手83活动连接；固定把手连接部(图中未显示)，用于与所述固定把手82固定连接；所述角度锁紧结构81，用于锁紧所述刀芯，且在所述刀芯转动的情况下带动转动。需要说明的是，所述组件框架各部分可以一体成型，也可分别固定连接，对此不做限定。
34.在一实施例中，如图1所示，所述第一传感器组3设于所述活动把手固定板841内，用于采集当前位置的第一运动数据；所述第二传感器组4设于所述所述固定把手2内，用于采集当前位置的第二运动数据。所述角度传感器设于所述角度锁紧结构81上。
35.其中，为了采集更稳定的数据，由于所述组件框架的活动把手固定板以及活动把
手均为固定结构，并且具有一定距离，因此将第一传感器组3以及第二传感器组4设于活动把手固定板以及活动把手，可以更好的侦测实时空间姿态和运动矢量。并且由于所述角度锁紧结构81可以随着刀芯的转动而转动，因此将所述角度传感器设于其上能更好的检测工作面的旋转角度。
36.在一实施例中，所述第一传感器组3以及第二传感器组4分别在所述活动把手固定板841与所述固定把手82对应与所述刀芯设置方向的同一平行方向水平设置。
37.在一实施例中，所述第一传感器组3包括：第一速度计和第一陀螺仪，用于分别采集当前时刻的第一加速度数据以及第一空间姿态；所述第二传感器组4包括：第二速度计和第二陀螺仪，用于分别采集当前时刻的第二加速度数据以及第二空间姿态。
38.在一实施例中，如图4所示，所述微处理器根据接收的第一运动数据、第二运动数据以及旋转角度数据，在异常抖动情况出现时发送对应的修正控制信号的方式包括：
39.步骤s41：根据接收的第一运动数据、第二运动数据以及旋转角度数据计算当前时刻的空间位置系数；其中，所述空间位置系数包括：第一空间姿态、第二空间姿态、旋转角度数据以及由所述第一加速度数据以及第二加速度数据计算获得的工作面的速度数据；其中，所述速度数据既有方向由于大小。
40.具体的，根据接收的第一运动数据、第二运动数据以及旋转角度数据计算超声刀工作面的空间位置系数，空间位置系数(x1，x2，j，v)由四个元素组成，分别是工作面的o＝xyzv，xyz指的是工作面的极坐标。其中，v由所述第一加速度数据以及第二加速度数据计算获得的。
41.步骤s42：在异常抖动情况出现时，基于标准空间位置系数，根据当前时刻的空间位置系数计算当前时刻的修正数据，并获得对应的调整路径；其中，所述标准空间位置系数由初始时刻采集的第一运动数据、第二运动数据以及预设的旋转角度数据计算获得；
42.步骤s43：基于所述调整路径，向对应的修正装置组发送对应生成的包含对应修正值的修正控制信号。
43.在一实施例中，所述在异常抖动情况出现时，基于标准空间位置系数，根据当前时刻的空间位置系数计算当前时刻的修正数据，并获得对应的调整路径，包括：
44.基于当前时刻的空间位置系数中的速度数据，通过判断所述工作面的速度数据是否在短时间内周期性波动来判断所述超声刀是否为异常抖动；具体的，基于当前时刻的空间位置系数中的速度数据判断位移轨迹是否异常；若所述工作面的速度数据是在短时间内周期性波动(对应时间内的加速度数据也为周期信号)则为异常抖动，否则为正常抖动；其中，短时间的设定可以根据需求来决定；
45.若为异常抖动时，利用标准空间位置系数以及输入的刀鞘长度值根据当前时刻的空间位置系数计算第一修正装置组、第二修正装置组、第三修正装置组、第四修正装置组以及第五修正装置组所对应的修正值；
46.基于计算获得的修正值，计算所对应的调整路径，以供将所述超声刀的工作面调整为所述标准空间位置系数所对应工作面的位置。
47.在一实施例中，在实际手术过程中不可对术者正常的操作进行补偿，因此需要增加异常抖动识别机制，因抖动的特点为空间姿态反复变化，呈现均匀的正弦波，将该特点作为异常抖动的判定标准。基于超声刀相邻时刻的空间位置系数和速度数据的变化情况，通
过对所述工作面的空间位置系数以及速度数据是否在3个及以上时刻内出现周期性往复波动进行判断，综合判断所述超声刀是否为异常抖动；若为异常抖动时，利用标准空间位置系数以及输入的刀鞘长度值根据当前时刻的空间位置系数计算第一修正装置组、第二修正装置组、第三修正装置组、第四修正装置组以及第五修正装置组所对应的修正值；基于计算获得的修正值，计算所对应的调整路径，以供将所述超声刀的工作面调整为所述标准空间位置系数所对应工作面的位置。
48.在一实施例中，所述基于超声刀相邻时刻的空间位置系数和速度数据的变化情况，通过对所述工作面的空间位置系数以及速度数据是否在3个及以上时刻内出现周期性往复波动进行判断，综合判断所述超声刀是否为异常抖动方式包括：基于3个及以上时刻的工作面空间位置及速度数据，计算所述工作面的空间位置变化情况；将所述工作面的空间位置变化情况与正常抖动数据对比；若符合所述正常抖动数据，则为正常抖动；若不符合所述正常抖动数据，则为异常抖动。
49.在一实施例中，所述第二修正装置组、第三修正装置组、第三修正装置组以及第四修正装置分别包括两个修正部件。
50.在一实施例中，如图5所示，所述第二修正装置组72、第三修正装置组73、第四修正装置组74以及第五修正装置组72在其内通过有刀芯10的所述套筒结构9的垂直于套筒结构9中心轴的截面四周均匀对称设置，且相邻的修正装置之间距离相同。
51.在一实施例中，如图6所示，每组的两个修正部件在所述套筒结构的平行于套筒结构9中心轴的截面的中心轴线对称设置。
52.在一实施例中，所述套筒结构内置滚轮，通过滚轮来修正前后抖动，该装置与刀芯换能器组合体紧密连接。上述套筒外壳的中心处与手柄通过连接杆硬连接，套筒外壳与连接杆活动连接，类似于跷跷板结构。
53.在一实施例中，所述第一修正装置组71、第二修正装置组72、第三修正装置组73、第四修正装置组74以及第五修正装置75为精密微型伺服电机。
54.为了更好的解释所述辅助精细手术的超声刀，提供以下具体实施例。
55.实施例1：一种辅助精细手术的超声刀。图7为辅助精细手术的超声刀的结构连接示意图。
56.所述辅助精细手术的超声刀包括：把手、第一传感器组、第二传感器组、微处理器、修正装置、刀鞘和刀芯以及换能器组合体。
57.其中，把手内置至少2组传感器，分别侦测把手的两个部位的实时空间姿态和运动矢量，1组传感器由1个加速度计和1个陀螺仪组成。两组传感器所测量的位移数据，实时计算当前超声刀工作面的空间姿态。因超声刀工作面是可以360度旋转的，因此在读取工作面工作部位方向时，需要将工作面的旋转角度(j)带入。工作面角度传感器设置在刀鞘与手柄连接处。将各传感器测量的数据发送至微处理器，计算超声刀工作面的空间位置系数，空间位置系数由四个元素组成，分别是工作面的o＝xyzv，xyz指的是工作面的极坐标。通过传感器中所反馈的加速度值，比对当前时刻和上一时刻的速度变化情况，可计算出工作面的移动速度以及方向为抖动。
58.超声刀刀芯、刀鞘、换能器组合体与手柄通过柔性连接，连接处设置有5组微型修正装置，分别进行上下、左右、前后、俯仰的修正补偿。用于修正前后的修正装置为套筒，内
置滚轮与刀芯换能器组合体连接，通过滚轮来修正前后抖动，该装置与刀芯换能器组合体紧密连接。上述套筒外壳的中心处与把手通过连接杆硬连接，套筒外壳与连接杆活动连接，类似于跷跷板结构。
59.用于修正上下、左右、俯仰的修正装置由2个微型修正装置为1组共4组8个微型修正装置组成。分别设置在所属套筒中心截面的四周，均匀分布8个微型修正装置。通过5组修正装置实现三个轴向的调整，每次调整均需要通过算法计算最短调整路径，进一步降低对组织的拉扯损伤。(注：最短调整路径需要符合最小拉扯的要求)
60.所述微处理器利用的修正补偿算法的输入值为传感器位移值、传感器位移速度、工作面旋转角度、刀鞘长度。输出值为5组微型修正装置的微调值，详细如下：
61.采用闭环姿态算法，基于传感器数据实施计算修正值。采用快速电机控制技术，在现有电机控制的基础使得调整过程更加平滑，进一步减少对组织的损伤。采用异常轻微抖动识别，在实际手术过程中不可对术者正常的操作进行补偿，因此需要增加异常抖动识别机制，因抖动的特点为空间姿态反复变化，呈现均匀的正弦波，将该特点作为异常抖动的判定标准。
62.所述微处理器还可对历史异常抖动数据进行数据分析学习，形成针对特定术者的抖动修正参数，可进一步辅助该术者进行精细手术。
63.本实施例的优点为：可以有效帮助术者在手术过程中降低因异常轻微抖动对患者手术部位造成的损伤，可有效帮助术者完成精细化手术操作；手术过程中的异常抖动修正数据可还原超声刀激发过程中的抖动状态，通过对抖动状态进行数据分析学习，进一步适应术者的动作习惯。
64.综上所述，本发明辅助精细手术的超声刀，通过在超声刀激发过程中由设置在手柄内部的多组传感器侦测到手柄轻微移动，通过微处理器实时计算超声刀工作面的空间姿态。由补偿算法计算出需补偿的位移量，该位移量通过部署在把手处的修正组件精密控制刀鞘以抵消因术者手部微小抖动造成的超声刀工作面抖动。本发明可以有效帮助术者在手术过程中降低因异常轻微抖动对患者手术部位造成的损伤，可有效帮助术者完成精细化手术操作；并且手术过程中的异常抖动修正数据可还原超声刀激发过程中的抖动状态，经过对抖动状态进行数据分析学习，进一步适应术者的动作习惯。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
65.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。