本发明涉及一种多用途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intuitivesurgical公司(美国直觉外科公司)的davinci(达芬奇)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intuitivesurgical公司近期推出了davincisingle-site(ss型达芬奇)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多用途的柔性手术工具系统，该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。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种可混合驱动远端结构体的柔性手术工具系统，其特征在于：包括柔性手术工具、无菌屏障、电机组单元和线性模组；所述柔性手术工具包括柔性连续体结构和传动驱动单元；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；所述传动驱动单元与所述第一远端构节关联，以驱动所述第一远端构节进行弯转运动；所述第二远端构节通过所述连接体与所述近端结构体关联，所述传动驱动单元还与近端结构体关联，以驱动所述近端结构体进行弯转运动，从而间接驱动第二远端构节进行弯转运动；所述电机组单元通过所述无菌屏障与所述柔性手术工具连接，为所述传动驱动单元提供驱动力；所述线性模组的输出端与所述电机组单元连接，用于驱动所述柔性手术工具实现线性进给运动。
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远端结构骨，所述第一远端结构骨的一端与所述传动驱动单元连接，另一端依次穿过第一远端间隔盘后与所述第一远端固定盘紧固连接；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远端结构骨；所述近端结构体包括近端间隔盘、近端固定盘和近端结构骨；所述第二远端结构骨与所述近端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，另一端依次穿过所述近端间隔盘、连接体、第一远端间隔盘、第一远端固定盘、第二远端间隔盘后与所述第二远端固定盘紧固连接。
所述传动驱动单元包括基础框架和设置在所述基础框架中的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，所述直线运动机构为多个，其中一部分所述直线运动机构的输出端与第一远端结构骨连接，另一部分所述直线运动机构的输出端与驱动骨的一端连接，所述驱动骨的另一端依次穿过所述近端间隔盘后与所述近端固定盘紧固连接。
所述基础框架包括间隔布置的第一支撑板和第二支撑板；所述直线运动机构包括与所述第一支撑板、第二支撑板转动连接的双头螺杆，在所述双头螺杆的两个螺纹段上分别配合连接一个螺纹滑块，所述螺纹滑块与固定设置在所述第一支撑板和第二支撑板之间的导杆滑动连接，所述螺纹滑块即为所述直线运动机构的输出端。
所述基础框架包括间隔布置的第一支撑板和第二支撑板；所述直线运动机构包括转动连接在所述第一支撑板和第二支撑板之间的主动螺杆、从动螺杆，在所述主动螺杆和从动螺杆上分别通过螺纹配合连接一个第二螺纹滑块，所述第二螺纹滑块与固定设置在所述第一支撑板和第二支撑板之间的第二导杆滑动连接，在所述主动螺杆和从动螺杆上分别紧固套设一同步带轮，两个所述同步带轮之间通过同步带连接。
所述连接体包括通道连接板、通道支撑板、远端固定板、近端结构体固定板、第一引导通道和第二引导通道；所述通道连接板与所述第一支撑板紧固连接，所述通道支撑板与所述第二支撑板紧固连接，所述近端结构体固定板通过连接柱与所述通道支撑板紧固连接；所述第一引导通道的一端与所述近端结构体固定板紧固连接，另一端依次穿过所述通道支撑板、通道连接板后与远端固定板紧固连接；所述结构骨从所述第一引导通道中穿过；所述第二引导通道设置在所述远端固定板与所述通道连接板之间，所述第一远端结构骨从所述第二引导通道中穿过。
在所述第二远端构节的末端设置手术执行器，在所述基础框架中设置执行器驱动机构，所述执行器驱动机构的输出端通过手术执行器控线与所述手术执行器连接；所述执行器驱动机构包括一根转动设置在所述基础框架中的螺杆，螺杆上配合连接一个滑块，所述滑块与固定设置在所述基础框架中的导杆滑动连接，所述滑块与手术执行器控线紧固连接。
在所述第二远端构节的末端设置视觉照明模块，在所述基础框架中设置视觉处理单元和照明控制单元，所述视觉处理单元和照明控制单元与所述视觉照明模块通过复合导线连接。
所述柔性手术工具还包括弹性连接机构，所述弹性连接机构包括连接头、联轴器公头、第三支撑板、第四支撑板和弹簧；所述第三支撑板通过支撑杆与所述第二支撑板固定连接，所述第四支撑板通过支撑杆与所述第三支撑板固定连接，所述连接头滑动连接在所述第三支撑板上，所述双头螺杆与所述连接头的一端可滑动不可转动地连接，所述连接头的另一端与所述联轴器公头的一端连接，所述联轴器公头可滑动且可转动地安装于所述第四支撑板上；所述弹簧套接在所述联轴器公头上，所述弹簧的一端抵在所述第三支撑板上，另一端与所述联轴器公头固定连接。
所述电机组单元包括电机组外壳，在所述电机组外壳的前端转动连接电机固定板，在所述电机固定板的前侧紧固连接有盖板，在所述电机固定板的后侧紧固连接多个第一电机、一个第二电机和一个第三电机；所述第一电机的输出轴穿过所述盖板且与第二联轴器公头紧固连接，所述第二电机的输出轴穿过所述盖板且与连接块紧固连接，在所述第三电机的输出轴上紧固连接有齿轮，所述齿轮与一内齿圈啮合，所述内齿圈与所述电机组外壳紧固连接；所述无菌屏障包括无菌屏障外罩、无菌屏障支撑板和联轴器母头；所述联轴器母头转动设置在所述无菌屏障支撑板上，用于连接所述联轴器公头与第二联轴器公头；所述无菌屏障外罩转动连接在所述无菌屏障支撑板的外周；在所述无菌屏障支撑板的前侧设置有定位销孔；在所述柔性手术工具的第四支撑板的后侧设置用于与所述定位销孔配合连接的定位销体；在所述无菌屏障支撑板的后侧设置有连接销座，在所述电机组单元的所述盖板的前侧设置有用于与所述连接销座连接的第二连接销座；在所述无菌屏障支撑板上还设置有快速锁紧装置，所述快速锁紧装置包括快速锁紧体和锁紧销，所述快速锁紧体与所述无菌屏障支撑板转动连接，所述快速锁紧体的一端为薄壁结构，另一端在轴向上设置有两个圆孔，所述圆孔用于与设置在所述连接块上的突出的销连接以传递旋转动力；所述锁紧销沿所述薄壁结构的内壁的周向布置；在所述第四支撑板的后侧设置有螺旋特征，当所述快速锁紧体旋转从而带动所述锁紧销在所述螺旋特征上运动时，所述无菌屏障支撑板将与所述第四支撑板拉紧或推离。
所述线性模组包括带有滑槽的支架体，在所述支架体上转动设置有丝杠，在所述丝杠上套设有与所述丝杠通过螺纹配合且滑动设置在所述滑槽中的滑块，在支所述架体的一端设置有第四电机，所述第四电机的输出轴与所述丝杠通过联轴器紧固连接；所述电机组外壳与所述滑块紧固连接。
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、连接体和远端结构体的柔性连续体结构为主体，并配合以传动驱动单元，其中，传动驱动单元与近端结构体、远端结构体中的第一远端构节关联，同时近端结构体与远端结构体中的第二远端构节关联，因此，通过传动驱动单元可以驱动第一远端构节和近端结构体向任意方向弯转，而近端结构体的弯转可以带动远端结构体中的第二远端构节发生弯转。2、本发明电机组单元通过无菌屏障与柔性手术工具连接，并且无菌屏障与柔性手术工具之间通过快速锁紧装置进行连接，因此既保证了柔性手术工具等消毒的部分与电机组等未消毒的部分进行隔离，同时也能够实现电机组单元、无菌屏障以及柔性手术工具的快捷连接。3、本发明的传动驱动单元采用双头螺杆、滑块作为直线运动机构，当驱动双头螺杆旋转时，与该双头螺杆配合的两螺纹滑块以相同的速度反向直线运动，从而带动与螺纹滑块固连的第一远端结构骨或驱动骨受推或受拉，从而实现第一远端构节或近端结构体向任意方向发生弯转。4、本发明在远端结构体的端部设置手术执行器，手术执行器控线与位于传动驱动单元中的执行器驱动机构连接，执行器驱动机构采用能够将旋转输入转化为直线输出的螺杆、滑块运动副(滚珠丝杠副)，由此可以实现对手术执行器的开合驱动。5、本发明在远端结构体的端部设置视觉照明模块，在远端结构体的驱动下，可以调整位姿以获取工作部位视野的实时图像。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明柔性手术工具省略壳体后的结构示意图；
图3是本发明远端结构体的结构示意图；
图4是本发明近端结构体的结构示意图；
图5是本发明传动驱动单元的结构示意图；
图6是本发明连接体(未示出第二引导通道)的结构示意图；
图7是本发明安装壳体、封皮和鞘套后的结构示意图；
图8是本发明采用柔性鞘套的结构示意图；
图9是本发明传动驱动单元采用第二种直线运动机构时的结构示意图；
图10是本发明远端结构体的末端与视觉照明模块连接时的结构示意图；
图11是本发明线性模组与电机组单元的连接关系示意图；
图12是本发明电机组单元在省略盖板时的结构示意图；
图13是本发明无菌屏障的结构示意图；
图14是本发明无菌屏障在另一视角下的结构示意图；
图15是本发明柔性手术工具后端的结构示意图。
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1～4所示，本发明包括柔性手术工具10、无菌屏障50、电机组单元60和线型模组70。柔性手术工具10包括柔性连续体结构和传动驱动单元20。柔性连续体结构包括远端结构体11、近端结构体12和连接体13。远端结构体11包括第一远端构节14和第二远端构节15。传动驱动单元20与第一远端构节14关联，以驱动第一远端构节14进行弯转运动。第二远端构节15通过连接体13与近端结构体12关联，传动驱动单元20还与近端结构体12关联，以驱动近端结构体12进行弯转运动，从而间接驱动第二远端构节15进行弯转运动。电机组单元60通过无菌屏障50与柔性手术工具10连接，为传动驱动单元20提供驱动力。线性模组70的输出端与电机组单元60连接，用于驱动柔性手术工具10实现线性进给运动。
进一步地，第一远端构节14包括第一远端间隔盘141、第一远端固定盘142和第一远端结构骨143，第一远端结构骨143的一端与传动驱动单元20连接，另一端依次穿过第一远端间隔盘141后与第一远端固定盘142紧固连接。第二远端构节15包括第二远端间隔盘151、第二远端固定盘152和第二远端结构骨153。近端结构体12包括近端间隔盘121、近端固定盘122和近端结构骨123。第二远端结构骨153与近端结构骨123一一对应紧固连接或为同一根结构骨，结构骨的一端与近端固定盘122紧固连接，另一端依次穿过近端间隔盘121、连接体13、第一远端间隔盘141、第一远端固定盘142、第二远端间隔盘151后与第二远端固定盘152紧固连接。
进一步地，传动驱动单元20包括基础框架21和设置在基础框架21中的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22，直线运动机构22为多个，其中一部分直线运动机构22的输出端与第一远端结构骨143连接，另一部分直线运动机构22的输出端与驱动骨124的一端连接，驱动骨124的另一端依次穿过近端间隔盘121后与近端固定盘122紧固连接。
进一步地，如图5所示，基础框架21包括间隔布置的第一支撑板211和第二支撑212板。直线运动机构22包括与第一支撑板211、第二支撑板212转动连接的双头螺杆221，在双头螺杆221的两个螺纹段上分别配合连接一个螺纹滑块222，螺纹滑块222与固定设置在第一支撑板211和第二支撑板212之间的导杆223滑动连接，螺纹滑块222即为直线运动机构22的输出端。两个螺纹段上的螺纹旋向相反，当双头螺杆221旋转时，位于该双头螺杆221上的两个螺纹滑块222以相同的速度反向进行直线运动，两个螺纹滑块222带动第一远端结构骨143(驱动骨124)沿导杆223以相同的速度反向进行直线运动，使得第一远端结构骨143(驱动骨124)受推或受拉，从而实现第一远端构节14(近端结构体12)向任意方向发生弯转。在一个优选的实施例中，直线运动机构22为四个，其中的两个直线运动机构22的输出端均与第一远端结构骨143连接，从而可以实现第一远端构节14在两个方向上的弯转自由度，另外两个直线运动机构22的输出端均与驱动骨124连接，从而可以实现近端结构体12在两个方向上的弯转自由度。而当近端结构体12向某个方向弯转时，第二远端构节15将以一定的比例关系(由近端结构骨123与第二远端结构骨153的分布半径共同决定)向相反的方向进行弯转。
如图9所示，本发明还提供了另一种直线运动机构22的形式，具体地，该直线运动机构22包括转动连接在第一支撑板211和第二支撑板212之间的主动螺杆221a、从动螺杆221b，在主动螺杆221a和从动螺杆221b上分别通过螺纹配合连接一个螺纹滑块222，螺纹滑块222与固定设置在第一支撑板211和第二支撑板212之间的导杆223滑动连接，在主动螺杆221a和从动螺杆221b上分别紧固套设一同步带轮231，两个同步带轮231之间通过同步带232连接。主动螺杆221a与从动螺杆221b的螺纹旋向相反。当主动螺杆221a旋转时，位于主动螺杆221a上的螺纹滑块222与位于从动螺杆221b上的螺纹滑块以相同的速度反向进行直线运动。
进一步地，第一支撑板211与第二支撑板212通过支撑杆固定连接，在第一支撑板211与第二支撑板212之间设置有连接板213，连接板213亦通过支撑杆固定连接，在支撑杆上套设定位套筒214，对连接板213、第一支撑板211和第二支撑板212进行定位。双头螺杆221从连接板213上穿过且与连接板213之间留有间隙，连接板213将双头螺杆221的两个螺纹段隔开。
第一支撑板211与第二支撑板212也可以通过带有螺纹的支撑杆固定连接，此时，第一支撑板211、第二支撑板212以及连接板213之间的定位可以通过配合连接在支撑杆上的定位螺母锁紧来实现，即用定位螺母代替定位套筒214。
进一步地，如图5、图6所示，连接体13包括通道连接板131、通道支撑板132、远端固定板133、近端结构体固定板134、第一引导通道135和第二引导通道136。通道连接板131与第一支撑板211紧固连接，通道支撑板132与第二支撑板212紧固连接，近端结构体固定板134通过连接柱137与通道支撑板132紧固连接。第一引导通道135的一端与近端结构体固定板134紧固连接，另一端依次穿过通道支撑板132、通道连接板131后与远端固定板133紧固连接；结构骨从第一引导通道135中穿过。第二引导通道136设置在远端固定板133与通道连接板131之间，第一远端结构骨143从第二引导通道136中穿过。在一个可替代的方案中，也可省去通道支撑板132和连接柱137，此时，可将近端结构体固定板134直接与第二支撑板212紧固连接。
进一步地，在第二远端构节15的末端设置手术执行器30(如图3所示)，在基础框架21中设置执行器驱动机构，执行器驱动机构的输出端通过手术执行器控线301与手术执行器30连接。执行器驱动机构包括一根转动设置在基础框架中21的螺杆303(如图5所示)，螺杆303上配合连接一个滑块304，滑块304与固定设置在基础框架21中的导杆305滑动连接，滑块304与手术执行器控线301紧固连接，本发明通过螺杆303和滑块304推拉手术执行器控线301可以实现手术执行器30的开合驱动。
如图10所示，位于第二远端构节15末端的手术执行器30可以替换为其它功能性执行端，例如视觉照明模块90，此时，在基础框架21中设置视觉处理单元和照明控制单元，视觉处理单元和照明控制单元与视觉照明模块通过复合导线连接。在远端结构体11的驱动下，可以调整位姿以获取工作部位视野的实时图像。
进一步地，如图5所示，本发明还包括弹性连接机构40，弹性连接机构40包括连接头401、联轴器公头402、第三支撑板403、第四支撑板404和弹簧405。第三支撑板403通过支撑杆406与第二支撑板212固定连接，第四支撑板404通过支撑杆407与第三支撑板403固定连接，连接头401滑动连接在第三支撑板403上，双头螺杆221或螺杆303与连接头401的一端可滑动不可转动地连接(当采用第二种直线运动机构时，主动螺杆221a或螺杆303与连接头401的一端可滑动不可转动地连接)，连接头401的另一端与联轴器公头402的一端连接，联轴器公头402可滑动且可转动地安装于第四支撑板404上。弹簧405套接在联轴器公头402上，弹簧405的一端抵在第三支撑板403上，另一端与联轴器公头402固定连接。
进一步地，在传动驱动单元20的外部设置壳体230，第一支撑板、第二支撑板均与壳体紧固连接；在远端结构体的外部设置有封皮119，其作用为改善远端结构体11进入人体自然腔道或手术切口的顺畅性。在封皮119的外部还可以设置外套管120和鞘套125。如图7所示，在一种应用中，鞘套125固定于腹腔的单一切口处，远端结构体11连同封皮119、手术执行器30可以自由穿过鞘套125上供手术工具通过的通孔到达术部。如图8所示，鞘套125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11连同封皮119、手术执行器30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。
进一步地，如图11～15所示，电机组单元60包括电机组外壳601，在电机组外壳601的前端转动连接电机固定板602，在电机固定板602的前侧紧固连接有盖板603，在电机固定板602的后侧紧固连接多个第一电机605、一个第二电机606和一个第三电机607。第一电机605的输出轴穿过盖板603且与第二联轴器公头609紧固连接，第二电机606的输出轴穿过盖板603且与连接块610紧固连接，在第三电机607的输出轴上紧固连接有齿轮612，齿轮612与一内齿圈613啮合，内齿圈613与电机组外壳601紧固连接。无菌屏障50包括无菌屏障外罩501、无菌屏障支撑板502和联轴器母头503；联轴器母头503转动设置在无菌屏障支撑板502上，用于连接联轴器公头402与第二联轴器公头609。无菌屏障外罩501转动连接在无菌屏障支撑板502的外周。在无菌屏障支撑板502的前侧设置有定位销孔505。在柔性手术工具10的第四支撑板404的后侧设置用于与定位销孔505配合连接的定位销体411。在无菌屏障支撑板502的后侧设置有连接销座508，在电机组单元60的盖板603的前侧设置有用于与连接销座508连接的第二连接销座(图中未示出)。在无菌屏障支撑板502上还设置有快速锁紧装置，快速锁紧装置包括快速锁紧体521和锁紧销522，快速锁紧体521与无菌屏障支撑板502转动连接，快速锁紧体521的一端为薄壁结构，另一端在轴向上设置有两个圆孔523，圆孔523用于与设置在连接块610上的突出的销(图中未示出)连接以传递旋转动力。锁紧销522沿薄壁结构的内壁的周向布置。在第四支撑板404的后侧设置有螺旋特征415，当快速锁紧体521旋转从而带动锁紧522销在螺旋特征415上运动时，无菌屏障支撑板502将与第四支撑板404拉紧或推离。当定位销孔505与定位销体411对齐连接时，柔性手术工具10上的联轴器公头402与无菌屏障50的联轴器母头503在圆周上的位置是完全对应的，定位销孔505和定位销体411上设置有触点，用于检测无菌屏障50与柔性手术工具10是否锁紧连接。快速锁紧装置用于实现柔性手术工具10与无菌屏障50的快速锁紧连接。当柔性手术工具10与无菌屏障50进行连接时，将柔性手术工具10的定位销体411与无菌屏障50中的定位销孔505对准连接，从而保证柔性手术工具10的联轴器公头402与无菌屏障50的联轴器母头503的位置对齐。启动第二电机606，动力通过连接块610传递到快速锁紧体521使其转动，嵌在快速锁紧体521内壁上的锁紧销522沿着柔性手术工具10的螺旋特征415运动，快速锁紧体521旋转，使得柔性手术工具10与无菌屏障50产生沿轴向的相向拉紧运动，定位销体411和定位销孔505上的触点逐渐靠近，当定位销体411的触点和定位销孔505的触点接触时，第二电机606停止转动；这实现了柔性手术工具10与无菌屏障50的快速锁紧连接。启动第一电机605，驱动无菌屏障50的联轴器母头503旋转，直至其与柔性手术工具10的联轴器公头402对准，此时弹性连接机构40将联轴器公头402弹出，实现联轴器公头402与联轴器母头503的连接。在无菌屏障外罩501上连接有无菌膜(图中未示出)，其可将柔性手术工具10等位于无菌屏障50之前的已消毒的部分与电机组单元60和线性模组70等位于无菌屏障30之后的未消毒的部分隔离开来，保证临床手术的可实施性。当第三电机607的输出轴旋转时，其带动齿轮612旋转，齿轮612将沿内齿圈613的周向转动行走，从而带动本发明电机组单元60中除电机组外壳601和内齿圈613以外的部分绕自身轴线进行整体旋转，进而驱动柔性手术工具10绕自身轴线整体旋转，最终实现对手术执行器30的横滚角度控制。
进一步地，线性模组70包括带有滑槽的支架体701，在支架体701上转动设置有丝杠702，在丝杠702上套设有与丝杠702通过螺纹配合且滑动设置在滑槽中的滑块703，在支架体701的一端设置有第四电机705，第四电机705的输出轴与丝杠702通过联轴器706紧固连接；电机组外壳601与滑块703紧固连接。当四电机705的输出轴转动时，滑块703将带动电机组外壳601沿滑槽做线性运动，从而实现柔性手术工具10的进给运动。
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。