一种体内组织直接修复与成形的医疗系统的制作方法
【专利摘要】一种体内组织直接修复与成形的医疗系统，属于医疗机械设备【技术领域】。该医疗系统包括支撑台、成像单元、执行单元、成形单元和控制单元。成像单元包括显示屏、体外摄像头和内窥镜；执行单元包括三个六个自由度机械臂及其端部的执行器械，机械臂由六个伺服电机作为动力源；成形单元包括高压气体源、喷涂枪和喷头控制器。由六个伺服电机作为动力源，每个伺服电机的后端安装有光电码盘，光电码盘通过线路与控制单元连接。本实用新型能大幅减少医师在手术时的体力消耗，动作准确稳定，给病人造成的身体创伤小，组织功能恢复快。
【专利说明】一种体内组织直接修复与成形的医疗系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种在患者体内使用的医疗系统，属于医疗设备【技术领域】。
【背景技术】
[0002]大块软组织及内脏器官(如心、肝、脾、肺、肾等)，是人体的重要组成部分，由于疾病、创伤和老化引起的相关损伤和功能障碍，严重危害人体健康和生命质量。传统的手术，需要以刀、剪、针等器械在人体局部进行操作，是外科的主要治疗方法，俗称“开刀”。目的是医治或诊断疾病，如去除病变组织、修复损伤、移植器官、改善机体的功能和形态等，是一种破坏组织完整性(切开)，或使完整性受到破坏的组织复原(缝合)的操作。因此传统手术有较大的缺陷:
[0003]I)创口大:传统长切口彡10cm，疤痕呈长线状，影响美观；
[0004]2)疼痛大:传统手术需要开腹，术后切口部位常伴有疼痛、酸胀、麻木感；
[0005]3)恢复慢:传统手术由于切口大，且会造成切口附近肌肉、血管和相应神经的损伤，有可能伴随某些组织感染并发症，因此患者恢复速度慢。
[0006]4)住院时间长:术后24小时下床，7-15天出院，费用相对高。
[0007]5)出血多:传统手术分离组织广泛，出血量比较大。传统开刀的切口感染或脂肪液化、切口裂开，一直是无法避免的问题。
[0008]为了克服传统手术的缺陷，出现了微创手术，即通过腹腔镜、胸腔镜等内窥镜在人体内施行手术的一种新技术。微创手术无须开刀，只需在病人身上开1-3个0.5-1厘米的小孔，病人不留疤痕、无疼痛感、只需3-5天便可完成检查、治疗、康复全过程。降低了传统手术对人体的伤害，极大地减少了疾病给患者给来的不便和痛苦。微创手术具有创伤小、疼痛轻、恢复快的优越性。
[0009]微创手术是在小尺度范围内进行高精确的操作，这就要求主刀医师的经验和体力有着非常高的要求。如果引入基于微创技术的医疗系统则可以很好的解决这种困难，微创手术医疗系统可以凭借机器人系统自身的高稳定性和高精度来保持端部操作的准确，通过体外CT扫描和体内内窥镜的引导实时显示良好的手术图像。
[0010]申请号201110166848.8的专利文献公布了一种微创医疗装置。该装置包括工具端、操作端、侦测单元、信号处理模块、信息控制模块和警示装置。此种设计可以让医师参考屏幕上显示的应力、应变和温度等信号来进行手术而不是自身的感觉，从而让手术更精确、更安全。但是，此种装置也有一定的不足之处:
[0011]①功能不够完善，一般组织病变坏死需要切除后，也需要进行细胞打印、组织修复并恢复其应有的功能。②只有一个操作端，实际手术过程中需要用到的医疗器械有切除、弓丨流、止血、内窥镜等装置，这就至少需要三套机械臂进行相互配合。③自由度较低，六自由度操作装置才能有效的模拟人的手臂的运动，保证手术顺畅、高效的完成。
实用新型内容
[0012]本实用新型针对已有技术的不足之处，提供一种体内组织直接修复与成形的医疗系统，该系统基于微创手术和细胞打印技术，可直接对病变部位进行组织修复与成形，从而大幅度减少医师在手术时的体力消耗，动作准确稳定，给病人造成的身体创伤小，组织功能恢复快。
[0013]本实用新型的技术方案如下:
[0014]本实用新型的第一种技术方案:一种体内组织直接修复与成形的医疗系统包括支撑台、成像单元、执行单元、成形单元和控制单元；成像单元包括显示屏、体外摄像头和内窥镜；执行单元包括三个机械臂及其端部的执行器械；所述的三个机械臂是六自由度机械臂，分别为一号机械臂、二号机械臂和三号机械臂，机械臂的六个自由度由六个伺服电机作为动力源，每个伺服电机的后端安装有光电码盘，光电码盘通过线路与控制单元连接，机械臂端部安装有卡紧器；执行器械为手术器械；成形单元包括高压气体源、喷涂枪和喷头控制器；三个机械臂安装在支撑台上，内窥镜安装在其中的一个机械臂的端部，喷涂枪和手术器械分别安装在其余两个机械臂端部；高压气体源通过管路与喷头控制器；所述喷头控制器通过连接管路与喷涂枪相连接，并通过线路接收控制单元的控制信号；体外摄像头安装在支撑台的顶端位置，将拍摄画面通过线路输送到显示屏；控制单元与显示屏集成安装在一起。
[0015]本实用新型的另一技术特征是:所述的执行器械还包括激光照射头，激光照射头和内窥镜安装在同一个机械臂的端部。
[0016]本实用新型具有以下优点及有益效果:
[0017]①本实用新型的成像单元包含体外摄像头和内窥镜，实时提供机械臂及端部器械的位置及患者体外宽范围视野，方便器械精确定位；内窥镜可引导执行端进行精细的手术操作，两种装置的配合使用大大提高了手术中精准度。②本实用新型采用的是六自由度机械臂，可以精确的模拟医师的手臂动作，并拥有较大的工作范围，凭借机器人系统自身的高稳定性和高精度来保持端部操作的准确；采用多套机械臂作为执行部件，在执行部件的端部安装与手术相关的多套工具，可以进行相互配合进行复制的手术，更减少了因为将手术工具撤出换装而延长的手术时间，可以大幅减小病人的痛苦时间。③本实用新型基于微创手术和细胞打印技术，先将病变需要切除的组织切除，并从体内抽吸出来，然后再进行修复成形，能在较短的时间内恢复组织应有的功能。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本实用新型提供的一种体内组织直接修复与成形的医疗系统的三维结构简图。
[0019]图2是机械臂及其端部卡紧器示意图。
[0020]图3a、3b和3c分别是内窥镜和部分执行器械示意图。
[0021 ] 图4是体内组织修复示意图。
[0022]图5是本实用新型各部件的连接图。
[0023]图中:101-显示屏；102_操控按钮；103-操控手柄；104-控制箱；105-踏板；106-手术台；107_ —号机械臂；108-三号机械臂；109_体外摄像头；110_ 二号机械臂；111-支撑台；201-卡紧器；301-内窥镜；302_引流器；303_直剪；401_患者；402_组织修复结构体；403-病变组织；404_执行器械。
【具体实施方式】
[0024]为了进一步理解本实用新型的技术方案，以下参照附图并举实施例，对本实用新型作进一步详细说明。
[0025]图1是本实用新型提供的一种体内组织直接修复与成形的医疗系统的三维结构简图，该系统包括支撑台111、成像单元、执行单元、成形单元和控制单元；成像单元包括显示屏101、体外摄像头109和内窥镜301 ;执行单元包括三个机械臂及其端部的执行器械；所述的三个机械臂是六自由度机械臂，分别为一号机械臂107、二号机械臂110和三号机械臂108，机械臂的六个自由度由六个伺服电机作为动力源，每个伺服电机的后端安装有光电码盘，光电码盘通过线路与控制单元连接，机械臂端部安装有卡紧器201 ;执行器械包括手术器械；成形单元包括高压气体源、喷涂枪和喷头控制器；三个机械臂安装在支撑台111上，内窥镜301和激光照射头安装在其中的一个机械臂的端部，喷涂枪和手术器械分别安装在其余两个机械臂端部；高压气体源通过管路与喷头控制器；所述喷头控制器通过连接管路与喷涂枪相连接，并通过线路与控制单元连接；体外摄像头109安装在支撑台111的顶端位置，将拍摄画面通过线路输送到显示屏101 ;控制单元与显示屏101集成安装在一起。
[0026]显示屏101、操控按钮102、操控手柄103、控制箱104和踏板105安装在同一机架上，方便医师坐姿操控设备，减小长时间手术造成的体力消耗。
[0027]三个六自由度机械臂安装在支撑台111上，中间的三号机械臂108端部安装有内窥镜系统，其余两个分别安装相应的手术器械；体外摄像头109也安装在支撑台111的顶端位置，可以有效的监控三个机械臂准确的进入体内位置。支撑台111设置在手术台106旁，根据实际需要可以进行相关距离的调整。控制箱104和机械臂、体外摄像头109及内窥镜301之间通过电气线路进行连接，数据无线发送模块和数据无线接收模块的加入支持进行远程医疗，对机械臂进行远程遥控。
[0028]显示屏101是可对手术中的视觉类和非视觉类信息进行实时显示，视觉类信息包括体外摄像头拍摄的三个机械臂的进入位置，内窥镜301拍摄的机械臂端部执行器械的操作、及位置；机械臂的六个自由度由六个伺服电机作为动力源，每个伺服电机的后端安装有光电码盘，光电码盘可以提供位置和速度信息，在机械臂的端部位置也安装有力传感器，提供力的信息。
[0029]操控按钮102能对伺服电机的行进速度等参数进行设置。操控手柄103，可对端部安装有执行器的两个机械臂及执行器进行实时操控。踏板105，可对端部安装内窥镜的机械臂及内窥镜301进行实时操控，能将内窥镜对焦在关注的手术区域。
[0030]本实用新型提供的一种体内组织直接修复与成形的医疗系统的第二种技术方案与第一种技术方案相比，在执行器械中增加了激光照射头，激光照射头和内窥镜安装在同一个机械臂的端部，其余结构不变。
[0031]图2是机械臂及其端部卡紧器示意图，机械臂的六个自由度由六个伺服电机作为动力源，每个伺服电机的后端安装有光电码盘，光电码盘通过线路向控制单元反馈位置和速度信息。
[0032]机械臂的端部安装有卡紧器201，以此来卡紧和换装执行器械，卡紧器201以高压气体为动力源，接受控制单元的信号进行卡紧和松开端部器械。
[0033]图3a、3b和3c分别是内窥镜和部分执行器械示意图，其中内窥镜301如图3a所示、引流器302如图3b所示、直剪303如图3c所示，起切除作用的是直剪303，引流器302起到引流作用，将切除的病变组织移送到体外，此外还有组织修复的器械，通过微管的输入含细胞高分子溶液在指定位置，三号机械臂108的端部除了内窥镜301也安装有激光照射头，在激光的照射下含细胞的高分子溶液会迅速固化成形，用于溶液的喷涂枪和引流器302结构相同，但是液体的流动方向相反，它也是以高压气体为动力源。
[0034]本实用新型中使用的高压气体源包括空压机、压力表、储气罐、冷却器、过滤器。空压机产生高压空气，然后高压空气输送到储气罐存储，储气罐不仅有储存压缩气体的功能，也可以降低压缩气体压力的波动。压力表显示储气罐中的气体压力值。储气罐送出的高压空气具有很高的温度，需要经冷却器将其温度降低到符合工作要求的温度值，然后再有过滤器将高压空气中的水、油以及其他杂质颗粒进行彻底的过滤。高压气体接通到喷头控制器上，从喷头吐控制器出来的高压气体连通喷涂枪来喷涂液体。
[0035]图5是本实用新型各部件的连接图，本实用新型的控制系统是基于工控机和运动控制卡PMACl相结合，直流电源为整个系统提供能量输入，操控手柄103、踏板105、操控按钮102、显示屏101、体外摄像头109、内窥镜301和数据无线发送模块通过线路连接到工控机的相应端口。运动控制卡PMACl通过插槽插入工控机内部，运动控制卡PMACl通过本身的端口和数据无线接受模块、限位开关相连接接受他们发送过来的数据，并通过自身的I/O端口与传感器、喷头控制器相接，进而通过对喷头控制器发送通断信号来控制喷涂枪的启停。三个六自由度机械臂的动力源为伺服电机，每个伺服电机都通过相应的驱动器和运动控制卡PMACl的端口相连接，接收发送过来的信号。
[0036]本实用新型的工作过程如下:
[0037]首先对患者进行CT扫描，确定病变组织的位置；在一号机械臂107和二号机械臂110的端部安装手术器械，通过微创手术切除病变组织，并将切除后的组织移除体外；一号机械臂107和二号机械臂110的端部换装喷涂枪，一号机械臂107带动端部器械到达设定位置并喷射出事先配制好的含细胞的高分子溶液，三号机械臂108上的喷涂枪在指定位置上喷涂交联剂使材料固化并形成组织结构；然后利用二号机械臂110带动端部器械到达设定位置，并在形成的组织结构成形体外表面喷涂不含细胞的高分子溶液，使其形成一层保护膜，从而实现快速修复体内病变组织并恢复其组织功能(如图4所示)。
【权利要求】
1.一种体内组织直接修复与成形的医疗系统，其特征在于:所述的医疗系统包括支撑台(111)、成像单元、执行单元、成形单元和控制单元；成像单元包括显示屏(101)、体外摄像头(109)和内窥镜(301);执行单元包括三个机械臂及其端部的执行器械；所述的三个机械臂是六自由度机械臂，分别为一号机械臂(107)、二号机械臂(110)和三号机械臂(108)，机械臂的六个自由度由六个伺服电机作为动力源，每个伺服电机的后端安装有光电码盘，光电码盘通过线路与控制单元连接，机械臂端部安装有卡紧器(201);执行器械为手术器械；成形单元包括高压气体源、喷涂枪和喷头控制器；三个机械臂安装在支撑台(111)上，内窥镜(301)安装在其中的一个机械臂的端部，喷涂枪和手术器械分别安装在其余两个机械臂端部；高压气体源通过管路与喷头控制器；所述喷头控制器通过连接管路与喷涂枪相连接，并通过线路接收控制单元的控制信号；体外摄像头(109)安装在支撑台(111)的顶端位置，将拍摄画面通过线路输送到显示屏；控制单元与显示屏集成安装在一起。
2.按照权利要求1所述的一种体内组织直接修复与成形的医疗系统，其特征在于:所述的执行器械还包括激光照射头，内窥镜(301)和激光照射头安装在同一个机械臂的端部。
【文档编号】A61M1/00GK203943721SQ201420282946
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年5月29日 优先权日:2014年5月29日
【发明者】王小红, 刘利彪 申请人:清华大学