一种基于柔性手术工具的单孔腔镜手术系统的制作方法

本发明涉及一种医疗器械，具体涉及一种基于柔性手术工具的单孔腔镜手术系统。

背景技术：

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、并发症概率、康复时间并改善了术后疤痕。近几年，为方便医生操作以及实现更好的术后产出，机器人辅助的多孔腹腔镜微创手术得到广泛的应用，其中由美国Intuitive Surgical公司(美国直觉外科公司)推出的达芬奇手术机器人系统，可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。

为了进一步减小手术创伤面积与康复时间，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。基于传统刚性手术工具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应用于临床。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一套基于柔性手术工具的单孔腔镜微创手术系统，并针对该手术系统所携带工具的特点，提出两种可行的工具布局方案。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于柔性手术工具的单孔腔镜手术系统，其特征在于，该系统包括柔性手术工具、成像工具和导管体；其中，所述柔性手术工具包括手术执行器、柔性臂体、驱动手柄和近端结构体，所述手术执行器与所述柔性臂体远端关联，所述柔性臂体近端通过所述近端结构体与所述驱动手柄关联，所述驱动手柄驱动所述柔性臂体实现弯转运动；所述成像工具包括成像照明模组、弯转关节和成像工具驱动单元，所述成像照明模组与所述弯转关节远端关联，所述弯转关节近端与所述成像工具驱动单元关联，所述成像工具驱动单元驱动所述弯转关节实现弯转运动；所述导管体用于将所述柔性臂体远端的手术执行器和所述弯转关节远端的成像照明模组引导到达同一区域，同时将位于所述柔性臂体和弯转关节近端以后的部分向空间不同方向引导。

在一个优选的实施例中，所述柔性臂体包括一个以上远端构节，每一所述远端构节包括远端固定盘、远端间隔盘和结构骨；多个所述远端间隔盘间隔分布于所述远端构节中，所述远端构节的结构骨一端固定于所述远端固定盘上，另一端依次穿过各所述远端间隔盘后固定于所述近端结构体中。

在一个优选的实施例中，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，多个所述近端间隔盘间隔分布于所述近端结构体中，多根所述近端结构骨一端与所述近端固定盘紧固连接，另一端与所述远端构节的结构骨一一对应紧固连接或为同一根结构骨。

在一个优选的实施例中，所述驱动手柄与所述近端结构体中的近端固定盘紧固连接，手动侧向转动驱动手柄以控制所述近端结构体向任意方向弯转，从而带动所述柔性臂体向任意方向弯转。

在一个更优选的实施例中，所述驱动手柄上设置有按钮开关，同时所述手术执行器的控线从所述柔性臂体和近端结构体穿过后，与所述驱动手柄中的手术执行器驱动机构紧固连接，所述控制手柄中的手术执行器驱动机构能将所述按钮开关的上下运动转换为对所述手术执行器的控线的前后推拉运动，进而实现对所述手术执行器的动作控制。

在一个优选的实施例中，所述导管体包括多腔管体、支撑结构和引导套管；所述多腔管体位于所述导管体远端且为杆状直线结构，其中设置有柔性手术工具通过腔道；所述柔性手术工具通过腔道伸入所述支撑结构中并延伸至所述支撑结构近端；所述支撑结构近端与多个引导套管紧固连接，且所述引导套管中的空心腔道与所述支撑结构近端的柔性手术工具通过腔道对齐，以使所述柔性手术工具能平顺地插入所述引导套管和柔性手术工具通过腔道中。

在一个更优选的实施例中，所述引导套管呈发散分布，以将所述柔性手术工具的柔性臂体近端以后的部分向空间不同方向引导；所述引导套管近端设置有引导套管入口，其内壁为光滑的刚性圆柱形通道，所述柔性手术工具上具有与所述引导套管滑动连接的进给导向管，所述进给导向管能在其中自由滑动、转动，通过手动推拉所述驱动手柄以改变所述柔性臂体伸出所述柔性手术工具通过腔道的长度，从而实现所述柔性手术工具的整体进给自由度；同时，通过手动旋转所述驱动手柄以控制所述柔性臂体的整体旋转，进而实现所述柔性手术工具的整体旋转自由度和对所述手术执行器横滚角度的调节。

在一个更优选的实施例中，所述多腔管体内还设置有成像工具通过腔道，所述成像工具通过腔道从所述多腔管一直延伸至所述支撑结构的后部，所述成像工具能平顺地插入所述成像工具通过腔道中，且所述成像工具能在所述成像工具通过腔道中自由滑动、转动，通过手动推拉、转动所述成像工具实现其整体进给和旋转的自由度。

在一个优选的实施例中，所述导管体包括远端板、近端板、导管、多腔管体和引导套管，且所述多腔管体中设置有柔性手术工具通过腔道和成像工具通过腔道；所述远端板与近端板紧固连接成一体，所述多腔管体近端和所述导管远端均紧固连接于所述远端板上，且所述导管与所述多腔管体中的柔性手术工具通过腔道相接并相切，所述导管近端紧固连接于所述近端板上且与同样紧固连接于所述近端板上的所述引导套管相接并相切，以使所述柔性手术工具能平顺地插入所述引导套管、导管和柔性手术工具通过腔道中。

在一个更优选的实施例中，所述引导套管呈平行分布且互相拥有足够的偏移距离，所述引导套管近端设置有引导套管入口，其内壁为光滑的刚性圆柱形通道，所述柔性手术工具上具有与所述引导套管滑动连接的进给导向管，所述进给导向管能在其中自由滑动、转动，通过手动推拉所述驱动手柄以改变所述柔性臂体伸出所述柔性手术工具通过腔道的长度，从而实现所述柔性手术工具的整体进给自由度；同时，通过手动旋转所述驱动手柄以控制所述柔性臂体的整体旋转，进而实现所述柔性手术工具的整体旋转自由度和对所述手术执行器横滚角度的调节。

在一个更优选的实施例中，所述多腔管体内还设置有成像工具通过腔道，所述成像工具通过腔道同时穿过所述远端板和近端板；所述成像工具能平顺地插入所述成像工具通过腔道中，且所述成像工具能在所述成像工具通过腔道中自由滑动、转动，通过手动推拉、转动所述成像工具实现其整体进给和旋转的自由度。

在一个优选的实施例中，当所述柔性臂体包括两个以上远端构节时，所述柔性臂体还包括柔性手术工具驱动单元，所述柔性臂体近端与所述柔性手术工具驱动单元关联，所述柔性手术工具驱动单元通过所述近端结构体与所述驱动手柄关联；此时，其中一部分所述远端构节的结构骨一端固定于所述远端固定盘上，另一端依次穿过各所述远端间隔盘后固定于所述柔性手术工具驱动单元中，所述柔性手术工具驱动单元驱动与所述柔性手术工具驱动单元关联之远端构节在特定弯转平面内弯转。

在一个优选的实施例中，所述柔性手术工具驱动单元包括固定基座、电机、齿轮对、蜗杆、蜗轮、传动轴、连杆、导杆、滑块和通道固定板；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紧固连接；所述滑块为两个，分别位于所述传动轴的两侧且滑动连接在所述导杆上，所述导杆紧固连接在所述通道固定板上；所述连杆的两端分别与一个所述滑块连接，与所述柔性手术工具驱动单元关联之远端构节的结构骨与所述滑块紧固连接。

在一个更优选的实施例中，所述驱动手柄上还设置有拨动开关，同时所述柔性手术工具驱动单元内设置有用于控制所述电机旋转运动的电机控制板，所述电机控制板与所述拨动开关电连接，所述拨动开关能控制所述电机正转、保持当前位置和反转，进而驱动与所述柔性手术工具驱动单元关联之远端构节分别在特定弯转平面内向一侧弯转、保持当前姿态和向另一侧弯转。

在一个优选的实施例中，所述结构骨为杆状或管状结构，当所述构节数多于两个时，各所述构节之间采用串联的方式连接，即远离所述柔性手术工具驱动单元的远端构节之结构骨从接近所述柔性手术工具驱动单元的远端构节之远端固定盘和远端间隔盘上穿过；若接近所述柔性手术工具驱动单元的远端构节之结构骨采用管状结构，则远离所述柔性手术工具驱动单元的远端构节之结构骨从接近所述柔性手术工具驱动单元的远端构节之结构骨内穿过。

在一个更优选的实施例中，所述成像工具还包括刚性管体，此时所述弯转关节紧固连接在所述刚性管体远端，所述刚性管体近端与所述成像工具驱动单元紧固连接；更进一步地，所述成像工具还包括位于所述成像工具驱动单元近端的控制按钮，所述成像照明模组包括多个用于实现立体视觉的摄像头和多个照明器件，所述控制按钮控制所述弯转关节的任意向弯转，同时控制所述摄像头和照明器件的工作状态。

在一个优选的实施例中，所述柔性手术工具通过腔道数量为两个以上，所述成像工具通过腔道数量为一个以上，且所述多腔管体还包括一个以上多功能腔道。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明提出了一套满足单孔腔镜手术施展流程的手术系统，该系统中的柔性手术工具和成像工具前端均采用可实现任意向弯转的结构，因此，三个柔性手术工具和一个成像工具可通过同一多腔管体进入人体并灵活施展手术。2、本发明的导管体采用具有特定空间曲线构型的引导腔道，导管体可将柔性手术工具和成像工具引导进入同一多腔管体中，保证了多个工具通过单一手术切口时的尺寸限制。根据不同的柔性手术工具及成像工具的尺寸大小以及运动特征，可调整引导腔道的空间曲线构型，以实现紧凑的体外空间排布。3、本发明包含了导管体、成像工具、柔性手术工具，并提出了可行的单孔腔镜手术安装施展流程。4、本发明的导管体为纯机械结构，柔性手术工具和成像工具可进行密闭性封装，使得该手术系统可进行整体消毒，保证临床手术的可实施性。

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的结构示意图；

图3是本发明柔性臂体的结构示意图；

图4是本发明柔性手术工具驱动单元的结构示意图；

图5是本发明近端结构体的结构示意图；

图6是本发明成像工具的结构示意图；

图7是本发明导管体的结构示意图；

图8a-c是本发明的安装施展流程图；

图9是本发明另一实施例中导管体的结构示意图；

图10是本发明另一实施例的整体结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

如图1所示，本发明提供的单孔腔镜手术系统包括柔性手术工具10、成像工具30和导管体40。

如图2、图4所示，柔性手术工具10包括手术执行器101、手术执行器控线102、柔性臂体11、柔性封皮104、刚性封皮105、柔性手术工具驱动单元20、驱动手柄21和近端结构体16。手术执行器101紧固连接在柔性臂体11远端，其可为机械式手术执行器，如手术钳、剪刀、止血钳等，亦可为能量式手术执行器，如电切刀、电凝头等。手术执行器控线102远端与手术执行器101紧固连接，近端穿过柔性臂体11、柔性手术工具驱动单元20和近端结构体16后，与驱动手柄21中的手术执行器驱动机构紧固连接。柔性臂体11为拥有多个弯转自由度的多构节柔性结构，远端与手术执行器101紧固连接，近端与柔性手术工具驱动单元20关联。柔性臂体11外包覆有封皮，封皮在靠近手术执行器101的部分为柔性封皮104，封皮在靠近柔性手术工具驱动单元20的部分为刚性管状结构的刚性封皮105。柔性手术工具驱动单元20通过近端结构体16与驱动手柄21关联，柔性手术工具驱动单元20和驱动手柄21共同驱动在柔性封皮104包覆下的柔性臂体11实现弯转运动，在刚性封皮105包覆下的柔性臂体11则不能实现任何弯转运动。

如图3所示，柔性臂体11包括第一远端构节12和第二远端构节13，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133。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。第一构节结构骨123一端固定于第一远端固定盘122上，另一端穿过第一远端间隔盘121，最后固定于柔性手术工具驱动单元20中；相似的，第二构节结构骨131一端固定于第二远端固定盘132上，另一端依次穿过第二远端间隔盘131、第一远端固定盘122和第一远端间隔盘121，最后固定于近端结构体16中。柔性手术工具驱动单元20通过协同推拉第一构节结构骨123可实现第一远端构节12在特定弯转平面内的弯转；近端结构体16通过协同推拉第二构节结构骨133可实现第二远端构节13向任意方向的弯转。需要注意的是，由于第一远端构节12只是在特定弯转平面内弯转，因此第一构节结构骨123数量为两根以上即可。

如图4所示，柔性手术工具驱动单元20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、导杆229和通道固定板230。其中，固定基座221为两个(图中仅示出一个)，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230之间(图中仅示出一个)。连杆227两端的滑槽分别与一个滑块228连接，两个滑块228作为柔性手术工具驱动单元20的输出端与第一构节结构骨123紧固连接。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，驱使第一远端构节12在特定弯转平面内的弯转。

在一个优选的实施例中，柔性臂体11包括的构节数也可以是一个或者多于两个，各构节结构骨可为杆状或管状结构。当构节数为一个时，可以舍弃柔性手术工具驱动单元20和与之关联的第一远端构节12，此时柔性臂体11仅包括与近端结构体16关联的第二远端构节13；当构节数多于两个时，各构节之间采用串联的方式连接，即远离柔性手术工具驱动单元20的构节之结构骨133(123)从接近柔性手术工具驱动单元20的构节之固定盘122(132)和间隔盘121(131)上穿过。若接近柔性手术工具驱动单元20的构节之结构骨133(123)采用管状结构，远离柔性手术工具驱动单元20的构节之结构骨133(123)也可从接近柔性手术工具驱动单元20的构节之结构骨123(133)内穿过。

如图5所示，近端结构体16包括近端间隔盘161、近端固定盘162和近端结构骨163；其中，近端间隔盘161间隔分布于近端结构体16中，作用是防止近端结构骨163在受推时失稳。多根近端结构骨163一端紧固连接在近端固定盘162上，另一端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。优选地，近端结构体16外也包覆有封皮。需要注意的是，由于第二远端构节13是要向任意方向弯转，因此对于近端结构体16和第二远端构节13，其中的结构骨数量应为三根以上。

如图2所示，驱动手柄21与近端结构体16中的近端固定盘162紧固连接，手动侧向转动驱动手柄21可以控制近端结构体16向任意方向弯转，从而带动第二远端构节13向任意方向弯转。在驱动手柄21上设置有拨动开关202和按钮开关201，同时在柔性手术工具驱动单元20内设置有用于控制电机222旋转运动的电机控制板(图中未示出)，电机控制板与拨动开关202电连接，拨动开关202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，左右拨动驱动手柄21上的拨动开关202，可以驱动第一远端构节12分别在特定弯转平面内向一侧弯转、保持当前姿态和向另一侧弯转。按动按钮开关201，控制手柄21中的手术执行器驱动机构可将按钮开关201的上下运动转换为对手术执行器控线102的前后推拉运动，进而实现对手术执行器101的动作控制。

如图6所示，成像工具30包括成像照明模组301、弯转关节302、刚性管体303、成像工具驱动单元304和控制按钮305。其中，成像照明模组301中集成了两个用于实现立体视觉的摄像头306和多个照明器件307。成像照明模组301由弯转关节302携带，弯转关节302紧固连接在刚性管体303远端，刚性管体303近端与成像工具驱动单元304紧固连接。位于成像工具驱动单元304近端的控制按钮305可以控制弯转关节302的弯转，同时控制按钮305也能控制摄像头306和照明器件307的工作状态。通过手动推拉、旋转成像工具30和按动控制按钮305，成像工具30可实现整体进给、整体旋转和弯转关节302任意向弯转的四个运动自由度，进而实现摄像头306在手术过程中多角度的监控。需要说明的是，成像工具驱动单元304的结构与驱动原理与柔性手术工具驱动单元20相似，故不再赘述。

如图7所示，导管体40包括了多腔管体401、支撑结构403、柔性手术工具通过腔道404、成像工具通过腔道405和引导套管410。优选地，多腔管体401上还可以包括多个多功能腔道(图中未示出)，用以在手术中插入手术辅助工具。多腔管体401位于导管体40远端且为杆状直线结构，其中设置有一个成像工具通过腔道405和三个柔性手术工具通过腔道404。成像工具通过腔道405和各柔性手术工具通过腔道404伸入支撑结构403中并延伸至支撑结构403的近端(即与引导套管410的连接处)。支撑结构403的近端与三个引导套管410紧固连接，且引导套管410中的空心腔道与支撑结构403近端的柔性手术工具通过腔道404对齐，使得柔性手术工具10可以平顺地插入引导套管410和柔性手术工具通过腔道404到达术部。引导套管410呈发散分布，可将柔性手术工具10刚性封皮105以后的部分向空间不同方向引导，以避免各柔性手术工具10相互干涉。引导套管410的近端设置有引导套管入口409，其内壁为光滑的刚性圆柱形通道，柔性手术工具10前端且与柔性手术工具驱动单元20紧固连接的进给导向管106与引导套管410滑动连接，进给导向管106可在其中自由滑动、转动，故手动推拉驱动手柄21可以改变柔性臂体11伸出柔性手术工具通过腔道404的长度，从而实现柔性手术工具10的整体进给自由度；手动旋转驱动手柄21可以控制柔性臂体11的整体旋转和第一远端构节12的特定弯转平面指向，进而实现柔性手术工具10的整体旋转自由度和对手术执行器101横滚角度的调节。成像工具通过腔道405从多腔管体401一直延伸至支撑结构403的后部，为一刚性笔直的腔道，使得成像工具30亦可以平顺地插入成像工具通过腔道405到达术部，且成像工具30的刚性管体303可在成像工具通过腔道405中自由滑动、转动，故可通过手动推拉、转动成像工具30实现其整体进给和旋转的自由度。

图8a-c展示本发明的安装施展流程，包括以下流程：

1)手术前，将导管体40和已进行封装的成像工具30、柔性手术工具10进行浸泡消毒。

2)如图8a所示，将导管体40的前端经固定于病人身上单一手术切口的鞘套插入人体，将消毒过的成像工具30经过成像工具通过腔道405，插入导管体40中，直到成像照明模块301和弯转关节302完全从成像工具通过腔道405中伸出。成像照明模组301的最大外径和转向关节302的最大外径均不超过刚性管体303的最大外径，以保证成像照明模组301能够顺利穿过成像工具通过腔道405，且刚性管体303在成像工具通过腔道405内自由滑动。通过手动控制成像工具30的前后位置、整体旋转角度和弯转关节302的弯转角度可以调整成像视角。

3)如图8b所示，将消毒过的柔性手术工具10经过引导套管410插入到导管体40中的柔性手术工具通过腔道404中，直到柔性臂体11完全从柔性手术工具通过腔道404中伸出。柔性臂体11可顺利穿过柔性手术工具通过腔道404并在其中自由滑动、转动。

4)柔性手术工具10和成像工具30在人体内部分的相对位置和构型如图8c所示，成像工具30前端的照明器件307为手术操作空间提供照明，三个柔性手术臂11和手术执行器101均在摄像头306的视野范围之内。

图9展示了根据本发明另一实施例提供的导管体50，该导管体50包括远端板501、近端板502、支撑结构杆504、导管505、多腔管体401和引导套管410。远端板501与近端板502通过支撑结构杆504紧固连接成一体，多腔管体401的近端紧固连接在远端板501上，导管505远端紧固连接在远端板501上且与多腔管体401中的柔性手术工具通过腔道404相接并相切，导管505近端紧固连接在近端板502上且与同样紧固连接在近端板502上的引导套管410相接并相切。多腔管体401中的成像工具通过腔道405则同时穿过远端板501和近端板502。

在本实施例中，导管体50与导管体40的主要区别在于柔性手术工具10在空间中的排布不同。在导管体40中，三个柔性手术工具10呈放射状排布且相互之间有一定的夹角，其目的是为了避免柔性手术工具10的体外驱动部分在操作运动时发生相互干涉，并同时最优化如图1所示的单孔腔镜手术系统体外驱动部分所占体积。而在导管体50中三个柔性手术工具10平行分布且互相拥有足够的偏移距离，此种布置同样实现了单孔腔镜手术系统体外驱动部分的紧凑排布(如图10所示)，亦可以避免柔性手术工具10的体外驱动部分在操作运动时发生相互干涉。

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。