一种驱动输入前置的柔性手术工具系统的制作方法

本发明涉及一种驱动输入前置的柔性手术工具系统，属于医疗器械领域。

背景技术：

多孔腹腔镜微创手术因其创口小、术后恢复快，已经在外科手术中占据了重要的地位。现有Intuitive Surgical公司的da Vinci手术机器人辅助医生完成多孔腹腔镜微创手术，取得了商业上的巨大成功。

微创术式在多孔腹腔镜手术之后又发展出单孔腹腔镜手术和经自然腔道的无创手术，它们对病人创伤更小、术后产出更高。但在单孔腹腔镜手术和经自然腔道的无创手术中，包括视觉照明模块和手术操作臂在内的所有手术器械均通过单一通道达到术部，这对手术器械的制备要求极为苛刻。现有手术器械的远端结构主要为多杆件的串联铰接，采用钢丝绳拉力驱动，使手术器械在铰接关节处实现弯转。由于钢丝绳须通过滑轮保持持续的张紧状态，这一驱动方式难以实现手术器械的进一步小型化，亦难以进一步提升器械的运动性能。

虽然Intuitive Surgical公司近期推出了da Vinci Single-Site手术机器人，其将原有的刚性手术器械改造为半刚性手术器械，并增加了预弯曲套管，一定程度上提升了手术器械的运动性能，但仍无法从根本上解决传统微型手术器械所面临的问题。

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驱动输入前置的柔性手术工具系统，该柔性手术工具系统能够较好地应用于经人体自然腔道或经单一手术切口并且实施手术的手术机器人系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种驱动输入前置的柔性手术工具系统，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至少一个远端构节，所述远端构节包括远端间隔盘、远端固定盘和结构骨；所述近端结构体包括数量与远端构节数相等的近端构节，所述近端构节包括近端间隔盘、近端固定盘和结构骨；所述中部连接体包括两个通道固定板和设置在两所述通道固定板之间的结构骨引导通道；所述远端构节上的结构骨与所述近端构节上的结构骨一一对应紧固连接或为同一根结构骨，所述结构骨的一端与所述近端固定盘紧固连接，依次穿过所述近端间隔盘、所述结构骨引导通道、所述远端间隔盘，另一端与所述远端固定盘紧固连接；所述驱动单元包括设置在所述中部连接体前方的驱动单元固定板，在所述驱动单元固定板与所述通道固定板之间设置多个用于将旋转运动输入转换为直线运动输出的直线运动机构，所述直线运动机构的输出端与驱动骨的一端连接，所述驱动骨穿过所述近端间隔盘，另一端与所述近端固定盘紧固连接。

所述直线运动机构包括转动设置在所述驱动单元固定板与所述通道固定板之间的螺杆、紧固设置在所述驱动单元固定板与所述通道固定板之间的光轴以及与所述光轴滑动连接且与所述螺杆通过螺纹配合的滑块；所述驱动骨与所述滑块紧固连接。

所述螺杆穿过所述驱动单元固定板，在位于所述驱动单元固定板前侧的所述螺杆上紧固连接有齿轮，每两个所述螺杆为一组；一对所述驱动骨与一组所述螺杆上的滑块紧固连接；位于一组所述螺杆上的所述齿轮相互啮合，在一组所述螺杆的其中一个螺杆的前端紧固连接一个用于与电机的输出轴直接或间接连接的联轴器公头。

在两个所述通道固定板之间设置有驱动骨引导通道，所述驱动骨从所述驱动骨引导通道中穿过。

当所述远端结构体包括两个以上远端构节时，远离所述中部连接体的远端构节上的结构骨从靠近所述中部连接体的远端构节上的远端固定盘和远端间隔盘上穿过，或者从靠近所述中部连接体的远端构节上的结构骨内部穿过；当所述近端结构体包括两个以上近端构节时，远离所述中部连接体的近端构节上的结构骨从靠近所述中部连接体的近端构节上的近端固定盘和近端间隔盘上穿过，或者从靠近所述中部连接体的近端构节上的结构骨内部穿过。

在所述远端结构体的外部包覆有封皮，在所述封皮的前端紧固连接有手术执行器，所述封皮的后端与设置在所述驱动单元中的旋转驱动机构连接。

所述旋转驱动机构包括转动支撑在所述驱动单元固定板前侧的旋转套管，所述旋转套管的前端与所述封皮紧固连接；在所述驱动单元固定板的前侧还设置有旋转轴，在所述旋转轴和所述旋转套管上设置一对相互啮合的齿轮，在所述旋转轴的前端紧固连接有用于与电机的输出轴直接或间接连接的联轴器公头。

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穿过，另一端与位于所述通道固定板上的用于将旋转运动输入转换为直线运动输出的手术执行器驱动机构连接。

所述手术执行器驱动机构包括紧固连接在所述通道固定板上的基座，在基座上转动连接有连杆，所述连杆的一端连接有第一滑块，所述第一滑块与设置在所述基座上的第一光轴滑动连接，所述手术执行器的控线与所述第一滑块紧固连接；所述连杆的另一端连接有第二滑块，所述第二滑块与设置在所述通道固定板上的第二光轴滑动连接；在所述驱动单元固定板上转动支撑有驱动螺杆，所述驱动螺杆的前端设置有用于与电机的输出轴直接或间接连接的联轴器公头，所述驱动螺杆上通过螺纹配合连接有第三滑块，所述第三滑块滑动连接在设置于所述驱动单元固定板与所述通道固定板之间第三光轴上，所述第三滑块与所述第二滑块之间通过驱动杆连接。

还包括壳体、无菌屏障、电机组以及线性模组；所述驱动单元固定板、所述通道固定板均与所述壳体紧固连接，所述近端结构体、中部连接体和驱动单元均位于所述壳体的内部；所述壳体的前端通过所述无菌屏障与所述电机组连接；所述线性模组包括支架、紧固连接在所述支架上的电机以及与所述电机的输出轴紧固连接的直线进给机构，所述直线进给机构的输出端紧固连接所述电机组的外壳，所述电机通过所述直线进给机构驱动所述电机组通过无菌屏障带动所述柔性连续体结构和驱动单元进行直线运动。

所述直线进给机构包括转动连接在所述支架上的丝杠，在所述丝杠上套设有与所述丝杠通过螺纹配合的滑块，在所述支架上设置有直线滑槽，所述滑块滑动设置在所述直线滑槽中；所述电机的输出轴通过联轴器与所述丝杠紧固连接。

还包括壳体，所述驱动单元固定板、所述通道固定板均与所述壳体紧固连接，所述近端结构体、中部连接体和驱动单元均位于所述壳体的内部，所述壳体的前端通过无菌屏障与电机组连接，所述无菌屏障包括罩体和转动设置在所述罩体上的连轴器母头，所述联轴器母头的后端与所述联轴器公头连接，所述联轴器母头的前端通过另一联轴器公头与所述电机组的电机输出轴连接，所述罩体的外围连接有无菌膜。

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，并配合以驱动单元，其中，远端结构体通过中部连接体与近端结构体关联，驱动单元与近端结构体关联，当驱动单元驱动近端结构体向任意方向弯转时，远端结构体相应地向相反的方向弯转，因此可实现由远端结构体和封皮所构成的柔性手术臂的任意向弯转运动。2、本发明在远端结构体的外部包覆有封皮，并且封皮的后端连接用于驱动封皮旋转的机构，封皮的前端连接手术执行器，因此，通过驱动封皮旋转可以实现对手术执行器角度的调节。3、本发明手术执行器的控线穿过远端结构体到达中部连接体，在中部连接体部位设置有用于驱动控线进行线性运动的手术执行器驱动机构，因此可实现对手术执行器的动作控制。4、本发明由于壳体与电机组通过无菌屏障进行连接，有效地将未消毒的电机组与其它已消毒部分进行隔离，因此可保证临床手术的可实施性。5、本发明还设置有线性模组，其与电机组外壳部分进行连接且可以带动电机组、无菌屏障、壳体进行线性运动，因此，柔性手术臂还具有线性进给自由度。

本发明可应用于单孔腹腔镜手术，也可应用于经自然腔道无创手术。

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是本发明近端结构体和中部连接体的结构示意图；

图4是本发明驱动单元的结构示意图；

图5是本发明驱动单元在另一视角下的结构示意图；

图6是本发明手术执行器驱动机构的结构示意图；

图7是本发明装上壳体、无菌屏障、电机组和线性模组后的结构示意图；

图8是本发明无菌屏障与壳体的连接示意图；

图9是本发明远端结构体采用柔性鞘套的结构示意图。

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。

本发明的柔性连续体结构10包括远端结构体101(如图2所示)、近端结构体102和中部连接体103，其中，远端结构体101通过中部连接体103与近端结构体102关联；驱动单元20与近端结构体102关联，当驱动单元20驱动近端结构体102向任意方向弯转时，远端结构体101相应地向相反的方向弯转。如图2所示，远端结构体101包括两个远端构节104、105，每一远端构节104、105包括远端间隔盘106、远端固定盘107和结构骨108。其中，远端间隔盘106均匀间隔分布于远端结构体101中，作用为防止结构骨108受推时失稳。如图3所示，近端结构体102包括两个近端构节109、110，每一近端构节109、110包括近端间隔盘111、近端固定盘112和结构骨108。其中，近端间隔盘111均匀间隔分布于近端结构体102中，作用为防止结构骨108受推时失稳。第一近端构节109上的结构骨108与第一远端构节104上的结构骨108一一对应紧固连接或为同一根结构骨，第二近端构节110上的结构骨108与第二远端构节105上的结构骨108一一对应紧固连接或为同一根结构骨；对于每一远端构节104、105或近端构节109、110来说，结构骨108的数量为三个以上。上述远端结构体101所包括的远端构节数以及近端结构体102所包括的近端构节数也可以是一个或者多于两个，而近端构节数始终与远端构节数保持一致。中部连接体103包括两个通道固定板113和设置在通道固定板113之间的结构骨引导通道114。第一近端构节109上的结构骨108的一端与第一近端构节109上的近端固定盘112紧固连接，依次穿过第一近端构节109上的近端间隔盘111、结构骨引导通道114、第一远端构节104上的远端间隔盘106，另一端与第一远端构节104上的远端固定盘107紧固连接。第二近端构节110上的结构骨108的一端与第二近端构节110上的近端固定盘112紧固连接，依次穿过第二近端构节110上的近端间隔盘111、第一近端构节109上的近端固定盘112、第一近端构节109上的近端间隔盘111、结构骨引导通道114、第一远端构节104上的远端间隔盘106、第一远端构节104上的固定盘107、第二远端构节105上的远端间隔盘106，另一端与第二远端构节105上的远端固定盘107紧固连接。结构骨引导通道114的作用是保持结构骨108受推、拉力时形状不变，其可以采用如图3所示的套管结构，也可以采用其它任一种能够维持结构骨108受推力、拉力时不变形的结构形式，如多腔结构。

其中，第一远端构节104上的结构骨108、第二远端构节105上的结构骨108、第一近端构节109上的结构骨108以及第二近端构节110上的结构骨108采用弹性细杆或弹性细管。当第一远端构节104上的结构骨108和第一近端构节109上的结构骨108采用弹性细管时，第二远端构节105上的结构骨108也可以从第一远端构节104上的结构骨108内穿过，相应地，第二近端构节110上的结构骨108也可以从第一近端构节109上的结构骨108的内部穿过。

如图4所示，驱动单元20包括设置在中部连接体103前方的驱动单元固定板201，在驱动单元固定板201与通道固定板113之间设置有多个直线运动机构202，直线运动机构202的输出端与驱动骨203的一端紧固连接，在两个通道固定板113之间还设置有驱动骨引导通道204；驱动骨203依次穿过驱动骨引导通道204、近端间隔盘111，另一端与近端固定盘112紧固连接。驱动骨引导通道204的作用是保持驱动骨203受推、拉力时形状不变，其可以采用如图3所示的套管结构，也可以采用其它任一种能够维持驱动骨203受推力、拉力时不变形的结构形式，如多腔结构。在本实施例中，驱动骨203共有八根，其中的四根与第一近端构节109上的近端固定盘112紧固连接，另四根与第二近端构节110上的近端固定盘112紧固连接。通过驱动单元20协同推拉与第一近端构节109相连接的驱动骨203可实现第一近端构节109在任意方向上的弯转自由度，当第一近端构节109向某一方向弯转时，第一远端构节104将以一定比例关系(由第一近端构节109和第一远端构节104中结构骨108的分布半径共同决定)向相反的方向弯转；类似地，通过驱动单元20协同推拉与第二近端构节110相连接的驱动骨203可实现第二近端构节110在任意方向上的弯转自由度，当第二近端构节110向某一方向弯转时，第二远端构节105将以一定比例关系(由第二近端构节110和第二远端构节105中结构骨108的分布半径共同决定)向相反的方向弯转。对于每一近端构节109、110来说，驱动骨203的数量为三个以上。

上述实施例中，如图4、图5所示，直线运动机构202包括转动设置在驱动单元固定板201与通道固定板113之间的螺杆205、紧固设置在驱动单元固定板201与通道固定板113之间的光轴206以及与光轴206滑动连接且与螺杆205通过螺纹配合的滑块207，滑块207作为直线运动机构202的运动端与驱动骨203紧固连接。螺杆205穿过驱动单元固定板201，在位于驱动单元固定板201前侧的螺杆205上紧固连接有齿轮208，每两个螺杆205为一组，位于一组螺杆205上的两个齿轮208相互啮合，位于一组螺杆205上的两个滑块207与一对驱动骨203紧固连接，用于协同推拉该对驱动骨203以实现近端结构体102中某一构节的弯转。每一组螺杆205中的一个螺杆205的前端紧固连接一个联轴器公头209。在本实施例中，螺杆205共有四组八个，用于驱动八根驱动骨203的协同推拉运动，相应地，联轴器公头209为四个。

上述实施例中，如图1、图5所示，在远端结构体101的外部包覆有封皮30，封皮30的前端固定连接有手术执行器40，封皮30的后端与转动支撑在驱动单元固定板201前端的旋转套管301紧固连接，在驱动单元固定板201的前端还设置有旋转轴302，在旋转轴302和旋转套管301上紧固设置一对相互啮合的齿轮303，在旋转轴302的前端紧固连接一个联轴器公头304。通过驱动旋转轴302转动，可以带动旋转套管301以及封皮30转动，从而带动手术执行器40转动，进而实现对手术执行器40绕其自身轴线的指向调节。

上述实施例中，如图2、图3和图6所示，手术执行器40的控线401从远端结构体101中穿过，另一端与位于通道固定板113上的手术执行器驱动机构402连接，手术执行器驱动机构402通过对控线401的物理推拉实现对手术执行器40(如手术钳)的控制。控线401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40的特定手术功能。上述手术执行器驱动机构402包括紧固连接在通道固定板113上的基座403，在基座403上转动设置有连杆404，连杆404的一端连接有第一滑块405，第一滑块405与设置在基座403上的第一光轴406滑动连接，控线401与第一滑块405紧固连接；连杆404的另一端连接有第二滑块407，第二滑块407与设置在通道固定板113上的第二光轴408滑动连接。在驱动单元固定板201上转动支撑有驱动螺杆409，驱动螺杆409的前端设置有联轴器公头410(如图5所示)，驱动螺杆409上通过螺纹配合连接有第三滑块(图中未示出)，第三滑块滑动连接在位于驱动单元固定板201与通道固定板113之间第三光轴(图中未示出)上，第三滑块与第二滑块407之间通过驱动杆412紧固连接。当转动驱动螺杆409转动时，第三滑块将沿第三光轴做线性运动，同时第三滑块通过与其紧固连接的驱动杆412带动第二滑块407沿第二光轴408做线性运动，从而通过连杆404带动第一滑块405沿第一光轴406做线性运动，进而实现对控线401的物理推拉。进一步地，在基座403与通道固定板113之间设置有控线引导套管411，用于保持控线401受推、拉力时形状不变。

上述实施例中，如图7所示，本发明还包括壳体50；驱动单元固定板201、通道固定板113均与壳体50固定连接；近端结构体102、中部连接体103和驱动单元20均位于壳体50的内部。在壳体50的前端通过无菌屏障60与电机组70连接，如图8所示，无菌屏障60包括罩体601和设置在罩体601上的联轴器母头602，其中，罩体601分别与壳体50、电机组70的外壳采用快速连接结构，使得电机组70、无菌屏障60、壳体50相互可拆卸地连接；联轴器母头602的后端与联轴器公头209、304、410连接，联轴器母头602的前端通过另一联轴器公头(图中未示出)与电机组70中的电机输出轴连接。无菌屏障60的外围连接有无菌膜(图中未示出)，用于将未消毒的电机组70与其它已消毒的部分隔离开，保证柔性手术工具系统的临床可实施性。

上述实施例中，如图7所示，本发明还包括线性模组80(线性模组80亦通过无菌膜与已消毒部分隔离开)，其包括带有滑槽的支架801，在支架801上转动设置有丝杠802，在丝杠802上套设有与丝杠802通过螺纹配合且滑动设置在滑槽中的滑块803，在支架801的一端设置有电机804，电机804的输出轴与丝杠802通过联轴器紧固连接。电机组70的外壳与滑块803紧固连接。当电机804的输出轴转动时，滑块803将带动电机组70、无菌屏障60、壳体50沿滑槽做线性运动，从而实现柔性连续体结构10的进给运动。

上述实施例中，如图2所示，在一种应用中，鞘套90固定于腹腔的单一切口处，远端结构体101连同封皮30、手术执行器40可以自由穿过鞘套90上供手术工具通过的通孔到达术部。如图9所示，鞘套90也可以采用柔性鞘套，其可以更容易地伸入人体的各类自然腔道并随着腔道的形状而自适应改变外形，柔性鞘套的一端固定于腔道入口处，远端结构体101连同封皮30、手术执行器40同样可以自由穿过柔性鞘套上供手术工具通过的通孔到达术部。

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。