内窥镜手术机械臂系统及其视觉反馈装置

摘要

本发明公开了一种内窥镜手术机械臂系统及其视觉反馈装置，视觉反馈装置包覆在内窥镜手术机械臂的外围，包括结构单元：蒙皮、支撑骨架、活动控制环、固定控制环、牵引线以及弹性恢复单元；蒙皮包覆在支撑骨架外围；支撑骨架分别与活动控制环和固定控制环相连接；弹性恢复单元连接在活动控制环和固定控制环之间；固定控制环上设有纵向通孔，牵引线的一端与活动控制环相连接，牵引线另一端穿过固定控制环上的纵向通孔，结构单元在牵引线与弹性恢复单元的配合下，完成展开与收拢动作；功能单元：包括照明单元和前置摄像单元，照明单元和前置摄像单元分别设置于支撑骨架前端。本发明应用于腹腔镜与胸腔镜手术系统，完成狭小空间内的微创手术操作。

权利要求

1.一种内窥镜手术机械臂系统，其特征在于，包括内窥镜手术机械臂以及视觉反馈装置，所述视觉反馈装置包裹在内窥镜手术机械臂的外围；

所述视觉反馈装置，包括结构单元和功能单元：

所述结构单元包括蒙皮、支撑骨架、活动控制环、固定控制环、牵引线以及弹性恢复单元；其中：所述蒙皮包覆在支撑骨架外围；所述支撑骨架分别与活动控制环和固定控制环相连接；所述弹性恢复单元连接在活动控制环和固定控制环之间；所述固定控制环上设有纵向通孔，所述牵引线的一端与活动控制环相连接，牵引线的另一端穿过固定控制环上的纵向通孔，所述结构单元在牵引线与弹性恢复单元的配合下，完成展开与收拢动作；

所述功能单元包括照明单元和前置摄像单元，所述照明单元和前置摄像单元分别设置于支撑骨架的前端；

所述视觉反馈装置的固定控制环固定于内窥镜手术机械臂的后部；所述视觉反馈装置的活动控制环环套在内窥镜手术机械臂的前部，并沿着内窥镜手术机械臂轴线前后滑动；

所述视觉反馈装置的牵引线穿过固定控制环上的纵向通孔后与内窥镜手术机械臂的驱动电机相连接，并通过驱动电机驱动控制。

2.根据权利要求1所述的内窥镜手术机械臂系统，其特征在于，所述视觉反馈装置的结构单元在收拢状态时，内窥镜手术机械臂处于前行状态，内窥镜手术机械臂行进方向的影像通过前置摄像单元进行视觉反馈；当内窥镜手术机械臂运动到靶器官时，通过控制驱动电机驱动牵引线调整活动控制环和固定控制环之间的相对位置，进而调节支撑骨架的展开角度，控制前置摄像单元的视角以及照明单元的照明角度，同时推压周围身体组织获得更多的操作空间。

3.根据权利要求1所述的内窥镜手术机械臂系统，其特征在于，所述弹性恢复单元采用弹簧机构，在牵引线不施加外力的情况下，所述结构单元在弹簧弹力作用下收紧；在牵引线被施加外力的情况下，牵引线克服弹簧弹力，所述结构单元在弹簧压缩力作用下展开。

4.根据权利要求1所述的内窥镜手术机械臂系统，其特征在于，所述固定控制环相对固定，所述活动控制环沿轴线相对前后滑动。

5.根据权利要求1所述的内窥镜手术机械臂系统，其特征在于，所述蒙皮采用弹性纤维材质；所述支撑骨架采用不锈钢材质。

6.根据权利要求1所述的内窥镜手术机械臂系统，其特征在于，所述前置摄像单元采用CCD摄像机，所述照明单元采用LED灯。

说明书

内窥镜手术机械臂系统及其视觉反馈装置

技术领域

[0001] 本发明涉及医疗器械辅助装置技术领域，具体是一种内窥镜手术机械臂系统及其视觉反馈装置。

背景技术

[0002] 目前应用于临床的医疗手术机器人系统大多基于内窥镜手术原理，分为无创手术系统与微创手术系统。以美国的 X2Robotic System为例的无创手术系统，其手术工具需通过狭长复杂的人体自然腔道进入患者体内，操作难度大。因而单切口微创手术在腹腔镜手术、胸腔镜手术领域逐渐受到更多人的认可。

[0003] 当前世界很多研究机构都致力于研究单孔内窥镜手术系统并取得了一定进展，如M.Piccigallo等人提出SPRINT系统，该系统通过机械臂内的微型电机实现关节的扭转弯曲运动，模仿医生手臂运动，实现一个6自由度的单孔内窥镜手术系统。国内专利申请号为201410206379.1的单孔腹腔镜微创手术机器人系统，通过镍钛合金驱动线驱动机械臂弯曲伸缩等运动，完成空间多自由度的运动操作。而以上内窥镜手术机械臂装置操作复杂，视觉反馈单元与手术操作单元均为自由度很高的机械臂装置，同时协调控制有难度，且在有限的工作空间会相互干扰。另外多机械臂机构在进入时缩在保护鞘内的设计使得在尚未到达靶器官的进入阶段无法获得视觉反馈，无法直接到达最佳手术地点，而需要先进行机构展开，在视野范围内进行最终机械臂工作空间位置的调节。此操作流程不仅浪费了手术时间，并且并不能保证进行展开动作时体内空间充足。为解决体手术空间小，术野暴露差等问题，降低手术难度，对于腹腔镜手术一般采用人工气腹进行工作空间的扩充。人工气腹一般通过向腹腔充入二氧化碳气体进行构建，而二氧化碳气腹使气道压增加，且其溶解在血液循环系统中会导致高碳酸血症。

[0004] 为解决以上问题腹腔镜手术领域出现了一些免气腹装置。国内专利申请号为200420076684.5的腹腔镜免气腹腹壁悬吊撑开器和国内专利申请号为201310603553.1的齿开式腹腔镜免气腹装置，可解决手术视野显露欠佳以及操作不便等问题。通过支撑杆向上撑起腹壁，形成较大视野空间。但该装置无保护措施，支撑装置直接与身体组织接触，可能造成戳伤等二次伤害。国内专利申请号为201220523802.7的腹腔镜手术免气腹支撑器，将多条钢条通过体表切口穿入腹腔，调整钢条弯度，形成支撑拱形结构，以构造较大的手术操作空间。但其穿入过程需要腹腔镜引导，操作复杂。穿入过程若处理不当，同样可能造成二次损伤。且除了内窥镜手术的手术切口，需在身体两侧增加两个用来贯穿钢条的附加手术切口。排除安全等问题的考量，此类免气腹装置仅可应用于腹腔镜手术中，对于同样狭小的胸腔镜手术操作环境不能通用。

发明内容

[0005] 本发明针对以上单孔内窥镜手术系统进入时导航视觉反馈欠缺、视觉反馈系统在操作时与操作机械臂相互干扰以及目前的扩充体内手术工作空间装置安全性低、不通用等不足，提供了一种内窥镜手术机械臂系统及其视觉反馈装置。

[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的。

[0007] 根据本发明的一个方面，提供了一种视觉反馈装置，包括结构单元和功能单元：

[0008] 所述结构单元包括蒙皮、支撑骨架、活动控制环、固定控制环、牵引线以及弹性恢复单元；其中：所述蒙皮包覆在支撑骨架外围；所述支撑骨架分别与活动控制环和固定控制环相连接；所述弹性恢复单元连接在活动控制环和固定控制环之间；所述固定控制环上设有纵向通孔，所述牵引线的一端与活动控制环相连接，牵引线的另一端穿过固定控制环上的纵向通孔，所述结构单元在牵引线与弹性恢复单元的配合下，完成展开与收拢动作；

[0009] 所述功能单元包括照明单元和前置摄像单元，所述照明单元和前置摄像单元分别设置于支撑骨架的前端。

[0010] 优选地，所述弹性恢复单元采用弹簧机构，在牵引线不施加外力的情况下，所述结构单元在弹簧弹力作用下收紧；在牵引线被施加外力的情况下，牵引线克服弹簧弹力，所述结构单元在弹簧压缩力作用下展开。

[0011] 优选地，所述固定控制环相对固定，所述活动控制环沿轴线相对前后滑动。

[0012] 优选地，所述蒙皮采用弹性纤维材质；所述支撑骨架采用不锈钢材质。

[0013] 优选地，所述前置摄像单元采用CCD摄像机，所述照明单元采用LED灯。

[0014] 根据本发明的另一个方面，提供了一种内窥镜手术机械臂系统，包括内窥镜手术机械臂以及上述视觉反馈装置，所述视觉反馈装置包裹在内窥镜手术机械臂的外围。

[0015] 优选地，所述固定控制环固定于内窥镜手术机械臂的后部；所述活动控制环环套在内窥镜手术机械臂的前部，并沿着内窥镜手术机械臂轴线前后滑动；所述牵引线穿过固定控制环上的纵向通孔后与内窥镜手术机械臂的驱动电机相连接，并通过驱动电机驱动控制。

[0016] 优选地，所述结构单元在收拢状态时，内窥镜手术机械臂处于前行状态，内窥镜手术机械臂行进方向的影像通过前置摄像单元进行视觉反馈；当内窥镜手术机械臂运动到靶器官时，通过控制驱动电机驱动牵引线调整活动控制环和固定控制环之间的相对位置，进而调节支撑骨架的展开角度，控制前置摄像单元的视角以及照明单元的照明角度，同时推压周围身体组织获得更多的操作空间。

[0017] 本发明的工作过程为：

[0018] 在内窥镜手术机械臂进入患者体内阶段，视觉反馈装置处于收拢状态，减少与身体组织的推压产生的阻力，前置摄像头单元与照明单元朝向行进方向，为医生控制机械臂准确到达靶器官提供实时图像反馈，帮助内窥镜手术机械臂系统的导航定位控制；到达靶器官，牵动牵引线，克服弹性恢复单元的弹簧弹力使得控制环之间的距离缩短，支撑骨架得以展开。支撑骨架推压周围身体组织为中间的操作机械臂装置获得更多的操作空间，蒙皮增加装置的强度以及通过增加装置与身体组织的接触面积来减少接触压强，避免推压身体组织带来的接触伤害；通过牵引线调节支撑骨架的展开角度，从而调节支撑骨架端头的CCD摄像机与LED灯的视野范围与照明角度，使得装置获得理想的视觉图像反馈，协助医生的内窥镜手术操作与靶器官诊断等工作；手术完成后，放松牵引线，弹性恢复单元的弹簧弹力使得固定控制环与活动控制环之间距离增大，支撑骨架再次收拢，操纵内窥镜手术机械臂系统使其退出患者体内。

[0019] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

[0020] 1、本发明实现内窥镜手术机械臂与视觉反馈装置的一体化，为手术提供视觉反馈以及操作空间的扩充，不仅可应用于腹腔镜手术免气腹，也可应用于同样操作空间狭小的胸腔镜等手术，通用性强；

[0021] 2、对比一般基于内窥镜的多臂机器人，本发明解决了视觉反馈装置与内窥镜手术机械臂之间的空间协调问题，并引入了进入体内时的机械臂的视觉反馈机构设计，增加导航定位精确性，降低控制难度；

[0022] 3、本发明为医生操作提供视觉反馈参考，到达体内靶器官手术操作区，通过其牵引装置克服弹性恢复单元弹力将其展开，推压周围身体组织以帮助位于中心的内窥镜手术机械臂获得更大操作空间，可通过调节支撑骨架的展开角度调整位于支撑骨架前端的前置摄像单元与照明单元的姿态，使摄像头获得较好的术野效果，可应用于腹腔镜与胸腔镜手术系统，完成狭小空间内的微创手术操作。

附图说明

[0023] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0024] 图1是本发明装置的整体结构收拢状态概略图

[0025] 图2是本发明装置的整体结构展开状态概略图

[0026] 图3是本发明装置的控制环相对控制示意图

[0027] 图4是固定控制环的左视图

[0028] 图5是固定控制环的右视图

[0029] 图6是活动控制环的左视图

[0030] 图7是活动控制环的右视图

[0031] 图8是第一支撑骨架示意图

[0032] 图9是第二支撑骨架示意图

[0033] 图中，1为功能单元，2为结构单元，3为蒙皮，4为弹性恢复单元，5为第一第一支撑骨架，6为第二第二支撑骨架，7为固定销，8为活动控制环，9为固定控制环，10为牵引线，11为照明单元，12为前置摄像单元，13为内窥镜手术机械臂。

具体实施方式

[0034] 下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

[0035] 实施例1

[0036] 本实施例提供了一种适用于内窥镜手术机械臂系统的视觉反馈装置，所述装置包括：

[0037] 结构单元，所述结构单元包括蒙皮、支撑骨架、控制环、牵引线以及弹性恢复单元。所述结构单元可在牵引线与弹性恢复单元的配合下，完成装置的展开与收拢动作。该装置在在进入患者体内时，结构单元处于收拢状态。当到达靶器官时，牵拉牵引线完成装置展开，此时该装置对身体组织起到支撑作用以及对需治疗诊断的靶器官起到摄像、照明角度调节作用。

[0038] 功能单元，所述功能单元为内窥镜手术系统的视觉与照明单元，包括前置摄像单元与照明单元，为内窥镜手术的定位导航提供影像参考。

[0039] 进一步地，所述支撑骨架依靠销钉配合连接，支撑骨架与控制环依靠销钉连接。所述弹性恢复单元为弹簧机构，在牵引线不施加外力时，由于弹簧弹力，装置收紧在内窥镜手术机械臂外围。

[0040] 进一步地，所述控制环包括一个固定控制环以及一个活动控制环。牵引线穿过固定控制环固定于活动控制环上，牵拉牵引线克服弹性恢复单元弹力，弹簧被压缩，装置呈展开状态。

[0041] 进一步地，所述蒙皮包围于支撑骨架外围，蒙皮材料为弹性纤维材料。撑开支撑骨架，同时推压周边身体组织，以获得更大的手术操作空间。利用蒙皮的刚度和强度对支撑单元整体刚度起到加强作用；另外通过增加受力面积，使周围组织均匀受力，减少支撑骨架对身体内部组织的压强，避免伤害。另外也避免支撑骨架间的腹壁等身体组织向内塌陷，保证操作空间。

[0042] 进一步地，所述功能单元位于支撑骨架顶端。前置摄像单元为CCD摄像机，照明单元为LED灯，在收拢状态时处于前向状态，将机械臂行进方向的影像对于上位平台进行视觉反馈，以便医生对于机械臂进行操纵控制。当机械臂运动到靶器官，可通过调节支撑骨架的角度，来控制骨架顶端前置摄像单元的视角，以及照明单元的照明角度，同时位于装置中心的手术操作空间不受其干扰。所述功能单元为内窥镜手术机械臂的操纵以及器官诊断提供影像反馈。

[0043] 实施例2

[0044] 本实施例提供了一种内窥镜手术机械臂系统，包括内窥镜手术机械臂以及实施例1中提供的视觉反馈装置；所述视觉反馈装置包裹在内窥镜手术机械臂的外围。

[0045] 进一步地，所述固定控制环通过固定销环套固定于内窥镜手术机械臂的后部；所述活动控制环环套在内窥镜手术机械臂的前部，并沿着内窥镜手术机械臂轴线前后滑动；所述牵引线穿过固定控制环上的纵向通孔后与内窥镜手术机械臂的驱动电机相连接，并通过驱动电机驱动控制。

[0046] 进一步地，所述结构单元在收拢状态时，内窥镜手术机械臂处于前行状态，内窥镜手术机械臂行进方向的影像通过前置摄像单元进行视觉反馈；当内窥镜手术机械臂运动到靶器官时，通过控制驱动电机驱动牵引线调整活动控制环和固定控制环之间的相对位置，进而调节支撑骨架的展开角度，控制前置摄像单元的视角以及照明单元的照明角度。

[0047] 下面结合附图对上述两个实施例进一步描述。

[0048] 视觉反馈装置，包括结构单元和功能单元。其中结构单元含有蒙皮、支撑骨架、控制环、牵引线以及弹性恢复单元。其中控制环含有一个固定控制环和一个活动控制环。蒙皮为有一定弹性的防水纤维，本施例中采用防水面料是一种新型的纺织面料，其成份由的高分子防水透气材料(PTFE膜)加上布料复合面料而成。防水透气面料在加强布料气密性、水密性的同时，其独特的透汽性能，可使结构内部水汽迅速排出，避免结构孳生霉菌，是一种健康环保的新型面料。支撑骨架选用不锈钢材料，控制环为用3D打印机生成的结构体。牵引线在本施例选用渔线，渔线主要是尼龙、DYNEEMA纤维等制成，可承受较大的拉力，强度和耐磨度高。弹性恢复单元选用弹簧，弹簧常处于压缩状态，为固定控制环和活动控制环提供恢复推力。

[0049] 内窥镜手术机械臂与视觉反馈装置在经过单切口进入患肢体内时处于收拢状态如图1所示。固定销将固定控制环与内窥镜手术机械臂相对固定，固定控制环环套于内窥镜手术机械臂后部；活动控制环环套于内窥镜手术机械臂前部，可沿机械臂轴线方向移动。弹性恢复单元，位于活动控制环与固定控制环之间，常处于压缩状态，提供推力恢复力。如图3所示，牵引线一端固定于活动控制环，一端穿过固定控制环上的纵向通孔连接于固定基座的伺服电机上，通过伺服电机驱动牵拉牵引线使得活动控制环克服弹簧弹力向固定控制环方向运动，支撑骨架展开，如图2所示。本施例牵引线为3根，均匀分布固定在活动控制环的圆周底部。

[0050] 控制环与支撑骨架依靠销钉连接，支撑骨架可以沿着销钉轴线转动，以正对纸面方向为主视方向，图4为活动控制环的左视图，图5为活动控制环的右视图，图6为固定控制环的左视图，图7为固定控制环的右视图。图8为第一支撑骨架的示意图，其一端连接于活动控制环上销钉，另一端连接于第二支撑骨架的中间销钉。图9为第二支撑骨架的示意图，连接第一支撑骨架与固定控制环。本施例采用三个第一支撑骨架与三个第二支撑骨架配合的结构，也可根据需要增加骨架对数量。

[0051] 蒙皮包裹在支撑骨架外围，到达靶器官时，牵拉牵引线使得骨架撑开如图2，推压周边身体组织，为中心的内窥镜手术机械臂提供更大的操作空间，蒙皮增加结构的强度，同时增加支撑骨架与周围身体组织的接触面积，降低接触压强，避免附加伤害。

[0052] 本施例中功能单元含有一个前置摄像单元，以及两个照明单元。其中前置摄像单元为一个CCD摄像机，照明单元为LED灯，位置如图1所示，位于支撑骨架末端，可根据需要调整前置摄像单元与照明单元的个数与相对位置。内窥镜手术机械臂系统系统进入患者体内，前置摄像单元朝向行进方向，为医生操作系统提供直观的图像反馈，协助进行导航定位。到达靶器官后，前置摄像单元与照明单元随着骨架的展开而改变位姿，如图2所示。可调节牵引线控制骨架展开角度，使得CCD摄像机获得较好的术野范围，为中心内窥镜机械臂的操作提供影像辅助以及为诊断提供信息支持。手术操作结束后，放松牵引线使得机构由于弹性恢复单元弹力慢慢收拢，收拢动作完成的标志应是前置摄像单元的视野内只有人体组织，而不会呈现任何机械臂的影像，此时可控制内窥镜手术机械臂系统退出患者体内。

[0053] 上述两个实施例的工作过程为：

[0054] 其中固定控制环以及活动控制环依次环套在内窥镜手术机械臂的后部和前部。固定控制环通过固定销固定于内窥镜手术机械臂上，活动控制环可沿内窥镜手术机械臂的轴线相对滑动。所述牵引线一端固定于固定控制环上，另一端穿过活动控制环上的纵向通孔，连接于固定基座的电机上。通过驱动基座伺服电机牵拉牵引线完成活动控制环相对于固定控制环之间的距离改变。所述支撑骨架通过销钉连接在固定控制环与活动控制环上，通过调节固定控制环与活动控制环的相对位置，完成支撑骨架的收拢与展开。弹性恢复单元为弹簧装置，连接于固定控制环与活动控制环之间，常处于压缩状态。蒙皮为有一定弹力的纤维包裹在支撑骨架外围。

[0055] 前置摄像单元与照明单元均置于支撑骨架的前端。在内窥镜手术机械臂进入患者体内阶段，该内窥镜手术机械臂系统视觉反馈装置处于收拢状态，减少与身体组织的推压产生的阻力，前置摄像头与照明单元朝向行进方向，为医生控制机械臂准确到达靶器官提供实时图像反馈，帮助内窥镜手术机械臂系统的导航定位控制。到达靶器官，牵动牵引线，克服弹性恢复单元的弹簧弹力使得控制环之间的距离缩短，支撑骨架得以展开。支撑骨架推压周围身体组织为中间的操作机械臂装置获得更多的操作空间，蒙皮增加装置的强度以及通过增加装置与身体组织的接触面积来减少接触压强，避免推压身体组织带来的接触伤害。通过牵引线调节支撑骨架的展开角度，从而调节骨架端头的CCD摄像机与LED灯的视野范围与照明角度，使得装置获得理想的视觉图像反馈，协助医生的内窥镜手术操作与靶器官诊断等工作。手术完成后，放松牵引线，弹性恢复单元的弹簧弹力使得固定控制环与活动控制环之间距离增大，支撑骨架再次收拢，操纵内窥镜手术机械臂系统使其退出患者体内。该装置使得内窥镜手术机械臂与视觉反馈装置一体化，为手术提供视觉反馈以及操作空间的扩充，不仅可应用于腹腔镜手术免气腹，也可应用于同样操作空间狭小的胸腔镜等手术，通用性强。对比一般基于内窥镜的多臂机器人，本发明解决了视觉反馈装置与内窥镜手术机械臂的空间协调问题，并引入了进入体内时的机械臂的视觉反馈机构设计，增加导航定位精确性，降低控制难度。

[0056] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。