一种多自由度的柔性手术工具的制作方法

本发明涉及一种多自由度的柔性手术工具，属于医疗器械领域。

背景技术：

在现代医疗领域中，手动多孔腹腔镜微创手术已被广泛应用于临床。此类微创手术成功降低了病人的术后疼痛、并发症、康复住院时间以及改善了术后疤痕外观。为了进一步减小手术创伤，减少患者病痛，研究者提出了单孔腹腔镜微创手术。

相较于多孔腹腔镜微创手术需要多个体表切口，单孔腹腔镜微创手术中所有手术工具均由一个体表切口(通常是肚脐)进入腹腔，进一步减小了对患者的创伤。然而，此类单一入口的构型无论对手术器械的设计还是手术时医生的操作均提出了更高的要求。

传统的刚性手术器械多为细长的杆状结构，在工具的末端设置有手术执行器，通过钢丝或绳索的牵拉进行运动控制。基于传统刚性手术器械的手动单孔腹腔镜手术由于存在复杂的手眼协同操作需求，加之手术工具的灵活度有限、工作范围较小等困难，手动单孔腹腔镜手术尚未广泛应用于临床。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的一个目的是提供一种多自由度的柔性手术工具，该柔性手术工具能够较好地应用于经单一手术切口或多个手术切口而实施的手术。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种多自由度的柔性手术工具，其特征在于：它包括柔性连续体结构和驱动单元；所述柔性连续体结构包括远端结构体、近端结构体和中部连接体；所述远端结构体包括第一远端构节和第二远端构节，所述第一远端构节包括第一远端间隔盘、第一远端固定盘和第一构节结构骨；所述第二远端构节包括第二远端间隔盘、第二远端固定盘和第二构节结构骨；所述近端结构体包括近端构节，所述近端构节包括近端间隔盘、近端固定盘和第二构节结构骨；位于所述近端构节上的第二构节结构骨与位于第二远端构节上的第二构节结构骨一一对应紧固连接或为同一根结构骨；所述中部连接体包括通道固定板、通道固定块、第一结构骨引导通道和第二结构骨引导通道，所述通道固定块位于两个所述通道固定板之间，所述第一结构骨引导通道紧固连接在所述通道固定块与靠近所述远端结构体的所述通道固定板之间，所述第二结构骨引导通道紧固连接在两个所述通道固定板之间；所述第二构节结构骨的一端与所述近端固定盘紧固连接，另一端依次穿过所述近端间隔盘、第二结构骨引导通道、第一远端构节、第二远端间隔盘后与第二远端固定盘紧固连接；所述驱动单元包括近端构节驱动手柄和第一远端构节驱动组件，其中，所述近端构节驱动手柄与所述近端固定盘紧固连接；所述第一远端构节驱动组件位于两个所述通道固定板之间且输出端为两个沿直线做反向运动的滑块；所述第一构节结构骨的一端与所述滑块紧固连接，另一端依次穿过所述通道固定块、第一结构骨引导通道、第一远端间隔盘后与第一远端固定盘紧固连接。

所述第一远端构节驱动组件包括固定基座、电机、齿轮对、蜗杆、蜗轮、传动轴、连杆、导杆和所述滑块；所述固定基座与所述通道固定板紧固连接，在所述固定基座上紧固连接所述电机，所述电机的输出轴与所述齿轮对中的一个齿轮同轴紧固连接，所述齿轮对中的另一个齿轮与所述蜗杆同轴紧固连接，所述蜗杆与所述蜗轮啮合，所述蜗轮紧固套接在所述传动轴上，所述传动轴与所述固定基座转动连接，所述传动轴与所述连杆的中部紧固连接；所述滑块为两个，分别位于所述传动轴的左、右两侧且滑动连接在所述导杆上，所述导杆紧固连接在两个所述通道固定板之间；所述连杆的两端分别与一个所述滑块连接。

在所述远端结构体的前端设置有手术执行器，所述手术执行器的控线从所述远端结构体、中部连接体和近端结构体中穿过，另一端与设置在所述近端构节驱动手柄中的手术执行器驱动机构连接；手术执行器驱动机构包括驱动滑块、传动滑块、连接弹簧、导杆、驱动杆、连杆和驱动机构固定板；所述驱动机构固定板与所述近端构节驱动手柄紧固连接，所述导杆设置在所述近端构节驱动手柄的后端与所述驱动机构固定板之间；所述驱动滑块滑动连接在所述导杆上，所述驱动滑块与所述控线紧固连接；所述传动滑块滑动连接在位于所述驱动滑块前侧的所述导杆上，所述传动滑块与所述驱动滑块通过所述连接弹簧连接；所述驱动杆的一端与所述近端构节驱动手柄转动连接，所述驱动杆的中部通过所述连杆与所述传动滑块连接。

在靠近所述远端结构体的所述通道固定板与所述驱动机构固定板之间设置有控线引导通道，所述控线从所述控线引导通道中穿过。

在所述连杆的两端分别设置有一个滑动槽；在每一个所述滑块的一端设置有圆柱形突起，所述滑块的圆柱形突起限制在所述连杆的滑动槽中；两个所述滑块的运动平面到所述连杆转动中心的距离相等。

还包括柔性手术工具外壳和近端构节驱动手柄外套管；所述中部连接体位于所述柔性手术工具外壳的内部，两个所述通道固定板均与所述柔性手术工具外壳紧固连接；所述近端构节驱动手柄外套管紧固套设在所述近端构节驱动手柄的外部。

还包括电机驱动系统，所述电机驱动系统包括电机控制板和拨动开关，所述电机控制板固定连接在两个所述通道固定板之间，用于控制所述电机的旋转运动；所述拨动开关与所述电机控制板电连接，所述波动开关设置有三个档位，分别用于控制所述电机正转、保持当前位置和反转。

还包括设置在所述远端结构体外部的第一封皮以及设置在所述近端结构体外部的第二封皮。

一种多自由度的柔性手术工具，其特征在于：它包括柔性连续体结构和驱动单元；所述柔性连续体结构包括远端结构体、近端结构体和中部连接体；所述远端结构体包括第一远端构节和第二远端构节，所述第一远端构节包括第一远端间隔盘、第一远端固定盘和第一构节结构骨；所述第二远端构节包括第二远端间隔盘、第二远端固定盘和第二构节结构骨；所述近端结构体包括近端构节，所述近端构节包括波纹管和第二构节结构骨；位于所述近端构节上的第二构节结构骨与位于第二远端构节上的第二构节结构骨一一对应紧固连接或为同一根结构骨；所述中部连接体包括通道固定板、通道固定块、第一结构骨引导通道和第二结构骨引导通道，所述通道固定块位于两个所述通道固定板之间，所述第一结构骨引导通道紧固连接在所述通道固定块与靠近所述远端结构体的所述通道固定板之间，所述第二结构骨引导通道紧固连接在两个所述通道固定板之间；所述第二构节结构骨的一端与所述波纹管的一端紧固连接，另一端依次穿过所述波纹管、第二结构骨引导通道、第一远端构节、第二远端间隔盘后与第二远端固定盘紧固连接；所述驱动单元包括近端构节驱动手柄和第一远端构节驱动组件，其中，所述近端构节驱动手柄与所述波纹管的后端紧固连接；所述第一远端构节驱动组件位于两个所述通道固定板之间且输出端为两个沿直线做反向运动的滑块；所述第一构节结构骨的一端与所述滑块紧固连接，另一端依次穿过所述通道固定块、第一结构骨引导通道、第一远端间隔盘后与第一远端固定盘紧固连接。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用包括近端结构体、中部连接体和远端结构体的柔性连续体结构为主体，其中，远端结构体由具有串联关系的第一远端构节和第二远端构节构成，近端结构体由一个近端构节构成，近端构节与第二远端构节关联，并且，近端构节还与近端构节驱动手柄关联，第一远端构节与第一远端构节驱动组件关联，因此，通过第一远端构节驱动组件可以控制第一远端构节在水平面内的弯转运动，通过近端构节驱动手柄可以控制第二远端构节在任意方向上的弯转运动。2、本发明远端结构体、中部连接体和近端结构体采用冗余的结构骨布置(结构骨的数量大于三根)，可提高系统的稳定性和负载能力。3、本发明由于第一远端构节和第二远端构节分别由电机和近端构节驱动手柄进行驱动，因此操作者可在弯转近端构节驱动手柄的同时触发与电机关联的拨动开关实现对远端结构体中两个构节弯转的协同驱动。4、本发明在远端结构体的前端设置有手术执行器，手术执行器的控线穿过远端结构体，与位于近端构节驱动手柄中的手术执行器驱动机构连接，手术执行器驱动机构通过对控线的推拉可以实现对手术执行器的动作控制。

本发明可应用于多孔腔镜手术，也可应用于单孔腔镜手术。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明远端结构体的结构示意图；

图3是本发明省略远端结构体后的结构示意图；

图4是本发明第一远端构节驱动组件的结构示意图；

图5是本发明手术执行器驱动机构的结构示意图；

图6是本发明装上柔性手术工具外壳和近端构节驱动手柄外套管后的结构示意图；

图7是本发明第一远端构节驱动组件中安装上电机控制板的结构示意图；

图8是本发明波纹管的结构示意图；

图9是本发明波纹管的纵剖结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括柔性连续体结构10和驱动单元20。

柔性连续体结构10包括远端结构体11(如图2所示)、近端结构体16(如图3所示)和中部连接体15。远端结构体11包括具有串联连接关系的第一远端构节12和第二远端构节13；近端结构体包括一个近端构节，近端构节通过中部连接体15与第二远端构节13关联，当近端构节向任意方向弯转时，第二远端构节13相应地向相反的方向弯转。驱动单元20包括近端构节驱动手柄21和第一远端构节驱动组件22，其中，近端构节驱动手柄21与近端构节关联，用于驱动近端构节向任意方向的弯转，此外，近端构节还能够在保持其弯转形状和长度不变的前提下，传递来自于近端构节驱动手柄21的整体进给运动和整体旋转运动，进而实现柔性手术工具的整体进给运动和绕自身轴线的整体旋转运动。第一远端构节驱动组件22与第一远端构节12关联，用于驱动第一远端构节12在水平方向上的弯转运动。

如图2所示，第一远端构节12包括第一远端间隔盘121、第一远端固定盘122和第一构节结构骨123；第二远端构节13包括第二远端间隔盘131、第二远端固定盘132和第二构节结构骨132。其中，第一远端间隔盘121和第二远端间隔盘131分别间隔分布于第一远端构节12和第二远端构节13中，作用是防止第一构节结构骨123和第二构节结构骨133在受推时失稳。

如图3所示，近端构节包括近端间隔盘161、近端固定盘162和第二构节结构骨163，其中，近端间隔盘161间隔分布于近端构节中，作用是防止第二构节结构骨163在受推时失稳。位于近端构节上的第二构节结构骨163与位于第二远端构节13上的第二构节结构骨133一一对应紧固连接或为同一根结构骨。第一远端构节12上的第一构节结构骨123以及第二远端构节13上的第二构节结构骨133的数量均为三根以上。

中部连接体15包括通道固定板152、通道固定块153、第一结构骨引导通道151和第二结构骨引导通道154，其中，两个通道固定块153左右间隔布置且固定连接在位于两个通道固定板152之间的导杆229上，第一结构骨引导通道151紧固连接在通道固定板152与通道固定块153之间，第二结构骨引导通道154紧固连接在两个通道固定板152之间。第一构节结构骨123的一端与第一远端构节驱动组件22的输出端滑块228紧固连接(如图4所示)，另一端依次穿过通道固定块153、第一结构骨引导通道151、第一远端间隔盘121后与第一远端固定盘122紧固连接。第二构节结构骨163(133)的一端与近端固定盘162紧固连接，另一端依次穿过近端间隔盘161、第二结构骨引导通道154、第一远端构节12、第二远端间隔盘131后与第二远端固定盘132紧固连接。第一结构骨引导通道151的作用是保持第一构节结构骨123在受推、拉力时形状不变；第二结构骨引导通道154的作用是保持第二构节结构骨163(133)在受推、拉力时形状不变。

如图3、图4所示，第一远端构节驱动组件22包括固定基座221、电机222、齿轮对223、蜗杆224、蜗轮225、传动轴226、连杆227、滑块228和导杆229。其中，固定基座221为两个(图4中仅示出一个)，与通道固定板152紧固连接且呈上、下相对布置。在其中一个固定基座221上紧固连接电机222，电机222的输出轴与齿轮对223中的一个齿轮同轴紧固连接，齿轮对223中的另一个齿轮与蜗杆224同轴紧固连接，蜗杆224与蜗轮225啮合，蜗轮225紧固套设在传动轴226上，传动轴226转动支撑在两个固定基座221之间，传动轴226与连杆227的中部紧固连接。滑块228为两个，位于传动轴226的左、右两侧且分别滑动连接在导杆229上，导杆229紧固连接在两个通道固定板152之间。连杆227的两端分别与一个滑块228连接，两个滑块228作为第一远端构节驱动组件22的输出端。电机222的旋转动力可以通过齿轮对223、蜗杆224、蜗轮225传递给传动轴226，从而驱动连杆227转动，连杆227的转动转化为滑块228沿导杆229的直线运动，进而形成对第一构节结构骨123的协同推拉运动，驱使第一构节12在水平方向上弯转。

如图3、图5所示，近端构节驱动手柄21与近端固定盘162紧固连接，对近端构节驱动手柄21施加弯转力矩可以控制近端结构体16的弯转，并且近端结构体16在近端构节驱动手柄21驱动下的弯转形状为近似圆弧形。

上述实施例中，如图2、图5所示，在远端结构体11的前端设置有手术执行器101，手术执行器101的控线102从远端结构体11、中部连接体15和近端结构体16中穿过，另一端与设置在近端构节驱动手柄21中的手术执行器驱动机构25连接。手术执行器驱动机构25包括驱动滑块251、传动滑块252、连接弹簧253、导杆254、驱动杆255、连杆256和驱动机构固定板257。其中，驱动机构固定板257与近端构节驱动手柄21紧固连接，导杆254紧固设置在近端构节驱动手柄21的后端与驱动机构固定板257之间。驱动滑块251滑动连接在导杆254上，驱动滑块251与控线102紧固连接；传动滑块252滑动连接在位于驱动滑块251前侧的导杆254上，传动滑块252与驱动滑块251通过连接弹簧253连接。驱动杆255的一端与近端构节驱动手柄21转动连接，驱动杆255的中部通过连杆256与传动滑块252连接。驱动杆255的转动可以推拉传动滑块252沿导杆254进行前后滑动，从而通过连接弹簧253带动驱动滑块251进行前后滑动，进而形成对控线102的推拉运动，以实现对手术执行器101(如手术钳)的动作控制。手术执行器101的控线102同样也可以传递如电能、高频振动等各种形式的能量从而实现手术执行器101的特定手术功能。

上述实施例中，在靠近远端结构体11的通道固定板152与驱动机构固定板257之间设置有控线引导通道258，控线102从控线引导通道258中穿过，其作用是保持控线102受推、拉力时形状不变。

上述实施例中，在连杆227的两端分别设置有一个滑动槽；在每一个滑块228的一端设置有圆柱形突起，滑块228的圆柱形突起限制在连杆227的滑动槽中。此外，两个滑块228的运动平面到连杆227转动中心的距离相等，因此，连杆227能够驱动两个滑块228以相同的运动速度向相反的方向沿导杆229滑动，进而协同推拉第一构节结构骨123。

上述实施例中，如图6所示，本发明还包括柔性手术工具外壳105和近端构节驱动手柄外套管107，其中，中部连接体15位于柔性手术工具外壳105的内部，两个通道固定板152均与柔性手术工具外壳105紧固连接；近端构节驱动手柄外套管107紧固套设在近端构节驱动手柄21的外部。柔性手术工具外壳105和近端构节驱动手柄外套管107将驱动单元20封装并与外界隔离，使得本发明在使用前可进行整体消毒，以保证临床手术的可实施性。

上述实施例中，如图6、图7所示，本发明还包括电机驱动系统，电机驱动系统包括电机控制板301和拨动开关302，电机控制板301固定连接在两个通道固定板152之间，用于控制电机222的旋转运动。拨动开关302设置在近端构节驱动手柄外套管107上，其与电机控制板301电连接，拨动开关302设置有三个档位，分别用于控制电机222正转、保持当前位置和反转。拨动开关302也可以是电位计，精确控制第一远端构节12的弯曲程度。

上述实施例中，如图1所示，本发明还包括设置在远端结构体11外部的封皮103以及设置在近端结构体106外部的封皮165，封皮103和165的作用是改善外观，并可提高远端结构体11的表面光滑度。

本发明近端结构体16的近端构节也可以采用另一种结构，该结构下的近端构节包括波纹管167(如图8、图9所示)和第二构节结构骨163，其中，第二构节结构骨163的一端紧固连接在波纹管167的一端，另一端依次穿过设置在波纹管167上的通孔166、第二结构骨引导通道154、第一远端构节12、第二远端间隔盘131后与第二远端固定盘132紧固连接。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。