一种包含驱动骨的柔性手术工具系统的制作方法

本发明涉及一种包含驱动骨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包含驱动骨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：一种包含驱动骨的柔性手术工具系统，其特征在于：它包括柔性手术工具和驱动单元；所述柔性手术工具包括由远端结构体、近端结构体和中部连接体构成的柔性连续体结构；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所述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通道固定板和设置在所述通道固定板之间的结构骨引导通道；所述远端构节中的结构骨与所述近端构节中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；所述驱动单元包括驱动单元固定板，在所述驱动单元固定板与靠近所述远端结构体的所述通道固定板之间设置有多组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，每一所述直线运动机构的输出端与一根第一驱动骨紧固连接，所述第一驱动骨的一端通过转接单元与一根第二驱动骨的一端紧固连接，所述第一驱动骨和第二驱动骨的另一端均穿过所述近端间隔盘后与所述近端固定盘紧固连接。

所述直线运动机构包括第一螺杆、第一滑块和第一光轴，所述第一螺杆转动支撑在两个所述通道固定板之间，所述第一螺杆的后端穿过靠近所述近端结构体一侧的通道固定板且向后延伸，所述第一光轴固定连接在两个所述通道固定板之间，所述第一滑块滑动连接在所述第一光轴上且与所述第一螺杆通过螺纹连接；所述第一驱动骨与所述第一滑块紧固连接。

所述转接单元包括转向结构骨、结构骨转接块和转向结构骨引导通道，所述转向结构骨引导通道的两端紧固连接在靠近所述远端结构体的所述通道固定板的前侧，所述转向结构骨从所述转向结构骨引导通道中穿过且两端分别紧固连接一个所述结构骨转接块，其中一个所述结构骨转接块与所述第一驱动骨的一端紧固连接，另一个所述结构骨转接块与所述第二驱动骨的一端紧固连接。

所述转向结构骨由多根弹性结构骨构成，多根所述弹性结构骨以所述第一驱动骨或第二驱动骨为中心对称分布。

在位于所述驱动单元固定板前侧的所述第一螺杆上紧固连接有从动齿轮，所述从动齿轮与转动支撑在所述驱动单元固定板上的主动齿轮啮合，所述主动齿轮的齿轮轴穿过所述驱动单元固定板且与一个联轴器公头紧固连接。

在所述远端结构体的前端设置有手术执行器，一端与所述手术执行器连接的手术执行器控线从所述远端结构体中穿过，所述手术执行器控线的另一端与手术执行器驱动机构连接；所述手术执行器驱动机构包括设置在两个所述通道固定板之间的手术执行器驱动机构固定板，在所述手术执行器驱动机构固定板与所述驱动单元固定板之间转动设置有第二螺杆，所述第二螺杆的前端穿过靠近所述近端结构体一侧的所述通道固定板，在位于所述通道固定板与所述手术执行器驱动机构固定板之间的所述第二螺杆上通过螺纹配合连接有第二滑块，所述第二滑块滑动设置在第二光轴上，所述第二光轴设置在所述通道固定板与所述手术执行器驱动机构固定板之间；在所述手术执行器驱动机构固定板与靠近所述远端结构体一侧的所述通道固定板之间固定连接有控线引导通道，所述手术执行器控线的后端穿过所述控线引导通道后与所述第二滑块紧固连接；所述驱动单元还包括电机组，所述电机组包括电机固定板和紧固连接在所述电机固定板上的第一电机，所述第一电机的输出轴与所述第二螺杆直接或间接连接，将第一电机输出轴的旋转运动传递给所述第二螺杆并转换为所述第二滑块的直线运动输出。

还包括柔性手术工具外壳，所述驱动单元固定板和通道固定板均与所述柔性手术工具外壳紧固连接，所述近端结构体和中部连接体均位于所述柔性手术工具外壳的内部；所述柔性手术工具外壳的后端通过无菌屏障与电机组连接，所述无菌屏障包括无菌屏障支撑板、紧固连接在所述无菌屏障支撑板外周的无菌屏障外罩以及多个转动连接在所述无菌屏障支撑板上的联轴器母头；所述电机组包括电机固定板和紧固连接在所述电机固定板上的第二电机，所述电机固定板与所述无菌屏障支撑板通过连接销座连接；所述联轴器母头的前端与所述联轴器公头连接，另一端通过另一联轴器公头与所述第二电机的输出轴紧固连接。

还包括柔性手术工具外壳、无菌屏障和电机组；所述驱动单元固定板和通道固定板均与所述柔性手术工具外壳紧固连接，所述近端结构体和中部连接体均位于所述柔性手术工具外壳的内部；所述电机组包括电机固定板和紧固连接在所述电机固定板上的第三电机，所述柔性手术工具外壳通过所述无菌屏障与所述电机固定板连接；所述电机组还包括电机组外壳，所述电机固定板与所述电机组外壳转动连接，在所述电机组外壳的内壁紧固连接有内齿圈；所述第三电机的输出轴紧固连接有整体旋转输入齿轮，所述整体旋转输入齿轮与所述内齿圈啮合。

还包括柔性手术工具外壳、无菌屏障、电机组和线性模组；所述驱动单元固定板和通道固定板均与所述柔性手术工具外壳紧固连接，所述近端结构体和中部连接体均位于所述柔性手术工具外壳的内部；所述柔性手术工具外壳通过所述无菌屏障与所述电机组连接，所述电机组包括电机组外壳；所述线性模组包括支架、紧固连接在所述支架上的第四电机以及与所述第四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外壳，所述第四电机通过所述直线进给机构驱动所述电机组通过所述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；所述第四电机的输出轴通过联轴器与所述丝杠紧固连接。

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，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、本发明在驱动单元固定板与通道固定板之间依次设置有直线运动机构和转接单元，其中，直线运动机构用于将旋转运动输入转换为直线运动输出，转接单元则用于将一根驱动骨的直线运动传递给另一根驱动骨，因此，可以通过对一组直线运动机构输入旋转运动，实现对两根驱动骨的协同推拉，从而通过多组直线运动机构实现近端构节在任意方向上的弯转自由度。4、本发明在远端结构体的前端设置有手术执行器，手术执行器控线穿过远端结构体，与位于柔性手术工具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手术执行器控线的推拉可以实现对手术执行器的动作控制。5、本发明设置有电机组外壳，电机固定板与电机组外壳之间采用可转动的连接方式，在电机组外壳的内壁紧固连接有内齿圈，在电机组设置有电机，电机紧固连接于电机固定板上，电机输出轴紧固连接有整体旋转输入齿轮，整体旋转输入齿轮与内齿圈啮合，因此，所述电机可驱动系统除电机组外壳、内齿圈以外部分整体旋转，使得柔性手术臂具有整体旋转自由度，从而实现对手术执行器横滚角度的调节。6、本发明由于柔性手术工具外壳与电机组通过无菌屏障进行连接，有效地将已消毒的柔性手术工具等位于无菌屏障以前的部分与其它未消毒的位于无菌屏障以后的部分进行隔离，因此可保证临床手术的可实施性。7、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柔性手术工具、驱动单元和无菌屏障进行线性运动，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是本发明省略远端结构体后的结构示意图；

图4是本发明近端结构体的结构示意图；

图5是本发明省略远端结构体后的立体结构示意图；

图6是本发明手术执行器驱动机构的结构示意图；

图7是本发明装上柔性手术工具外壳、电机组外壳、无菌屏障和线性模组后的结构示意图；

图8是本发明无菌屏障的结构示意图；

图9是本发明无菌屏障在另一视角下的结构示意图；

图10是本发明电机组的结构示意图；

图11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，本发明包括柔性手术工具10和驱动单元20。

如图1～3所示，柔性手术工具10包括由远端结构体11、近端结构体16和中部连接体15构成的柔性连续体结构。

远端结构体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。

近端结构体16包括第一近端构节17和第二近端构节18，如图4所示，第一近端构节17包括第一近端间隔盘171、第一近端固定盘172和第一构节结构骨173；第二近端构节18包括第二近端间隔盘181、第二近端固定盘182和第二构节结构骨183。其中，第一近端间隔盘171和第二近端间隔盘181分别间隔分布于第一近端构节17和第二近端构节18中，作用是防止第一构节结构骨173和第二构节结构骨183在受推时失稳。第一近端构节17中的第一构节结构骨173与第一远端构节12中的第一构节结构骨123一一对应紧固连接或为同一根结构骨；第二近端构节18中的第二构节结构骨183与第二远端构节13中的第二构节结构骨133一一对应紧固连接或为同一根结构骨。对于每一近端构节17、18或远端构节12、13来说，结构骨的数量为三根以上。

中部连接体15包括通道固定板152和紧固连接在通道固定板152之间的结构骨引导通道151。第一构节结构骨173(123)的一端与第一近端固定盘172紧固连接，另一端依次穿过第一近端间隔盘171、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183(133)的一端与第二近端固定盘182紧固连接，另一端依次穿过第二近端间隔盘181、结构骨引导通道151、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。结构骨引导通道151的作用是保持其中的第一构节结构骨173(123)和第二构节结构骨183(133)受推、拉力时形状不变。

上述远端结构体11所包括的远端构节数以及近端结构体16所包括的近端构节数也可以是一个或者多于两个，但是近端构节数始终与远端构节数保持一致。此外，当远端构节数为两个以上时，各远端构节之间采用串联的方式连接，即第二远端结构骨从第一远端间隔盘、第一远端固定盘上穿过(若第一远端结构骨采用管状结构，也可从第一远端结构骨内穿过)。当近端构节数为两个以上时，各构节之间可以采用串联连接、独立设置或嵌套设置等。在本实施例中，两个近端构节之间采用的是嵌套设置的方式(如图3、图4所示)。

如图3、图5所示，驱动单元20包括设置在通道固定板152后方的驱动单元固定板21，在驱动单元固定板21与靠近远端结构体11的通道固定板152之间设置有多组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。每一直线运动机构22的输出端与一根第一驱动骨211紧固连接，第一驱动骨211的一端通过转接单元23与一根第二驱动骨212的一端紧固连接，第一驱动骨211和第二驱动骨212的另一端穿过第一近端间隔盘171后与第一近端固定盘172紧固连接或穿过第二近端间隔盘181后与第二近端固定盘182紧固连接。通过两组直线运动机构22和转接单元23协同推拉与第一近端构节17连接的第一驱动骨211、第二驱动骨212，可以实现第一近端构节17在任意方向上的弯转自由度，当第一近端构节17向某个方向弯转时，第一远端构节12将以一定的比例关系(由第一构节结构骨173和第一构节结构骨123的分布半径共同决定)向相反的方向弯转；类似地，通过两组直线运动机构22和转接单元23协同推拉与第二近端构节18连接的第一驱动骨211、第二驱动骨212，可以实现第二近端构节18在任意方向上的弯转自由度，当第二近端构节18向某个方向弯转时，第二远端构节13将以一定的比例关系(由第二构节结构骨183和第二构节结构骨133的分布半径共同决定)向相反的方向弯转。

直线运动机构22包括螺杆221、滑块222和光轴223，其中，螺杆221转动支撑在两个通道固定板152之间，螺杆221的后端穿过靠近近端结构体16一侧的通道固定板152且向后延伸，光轴223固定连接在两个通道固定板152之间，滑块222滑动连接在光轴223上且与螺杆221通过螺纹连接。转接单元23包括转向结构骨231、结构骨转接块232和转向结构骨引导通道233，其中，转向结构骨引导通道233的两端紧固连接在靠近远端结构体11的通道固定板152的前侧，转向结构骨231从转向结构骨引导通道233中穿过且两端分别固定连接一个结构骨转接块232，其中一个结构骨转接块232与第一驱动骨211的一端紧固连接，另一个结构骨转接块232与第二驱动骨212的一端紧固连接。当对螺杆221输入旋转运动时，螺杆221的旋转运动将转换为滑块222的直线运动，做直线运动的滑块222一方面直接推拉第一驱动骨211，另一方面通过结构骨转接块232、转向结构骨231对第二驱动骨212形成与第一驱动骨211运动方向相反的推拉运动，而通过对第一驱动骨211、第二驱动骨212的协同推拉可进一步实现第一近端构节17或第二近端构节18的任意向弯转运动。

上述实施例中，转向结构骨231可由多根可弯曲、可承受推拉力的弹性结构骨构成，多根弹性结构骨的分布优选形式为以第一驱动骨211或第二驱动骨212为中心的中心对称分布。当多根弹性结构骨的分布不是以第一驱动骨211或第二驱动骨212为中心的中心对称分布时，则需要在两个通道固定板152之间增设光轴，并且结构骨转接块232滑动连接在该光轴上，以防止结构骨转接块232在推拉力的作用下发生翻转。

上述实施例中，在位于驱动单元固定板21前侧的螺杆221上紧固连接有从动齿轮224，从动齿轮224与转动支撑在驱动单元固定板21上的主动齿轮225啮合，主动齿轮225的齿轮轴穿过驱动单元固定板21且与一个联轴器公头226紧固连接。联轴器公头226用于直接或间接与电机连接，以便于向螺杆221输入旋转运动。

上述实施例中，如图1、图5和图6所示，在远端结构体11的前端设置有手术执行器101，一端与手术执行器101连接的手术执行器控线102从远端结构体11中穿过，另一端与手术执行器驱动机构25连接。手术执行器驱动机构25包括设置在两个通道固定板152之间的手术执行器驱动机构固定板251，在手术执行器驱动机构固定板251与驱动单元固定板21之间转动设置有螺杆252，螺杆252的前端穿过靠近近端结构体16一侧的通道固定板152，在位于通道固定板152与手术执行器驱动机构固定板251之间的螺杆252上通过螺纹配合连接有滑块253，滑块253滑动设置在光轴254上，光轴254固定连接在通道固定板152与手术执行器驱动机构固定板251之间。在手术执行器驱动机构固定板251与靠近远端结构体11一侧的通道固定板152之间紧固连接有控线引导通道255，手术执行器控线102的后端穿过控线引导通道255后与滑块253紧固连接。控线引导通道255的作用是保持手术执行器控线102受推、拉力时形状不变。当对螺杆252输入旋转运动时，螺杆252的旋转运动将转换为滑块253的直线运动，做直线运动的滑块253能够推拉手术执行器控线102从而实现对机械式手术执行器101(如手术钳等)的动作控制。螺杆252的后端穿过驱动单元固定板21且与一个联轴器公头256紧固连接，联轴器公头256用于直接或间接与电机连接，以便于向螺杆252输出旋转运动。手术执行器控线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能量式手术执行器101的特定手术功能(如电凝、电切等)。

上述实施例中，在两通道固定板152间设置手术执行器驱动机构固定板251后，由于第二构节结构骨183的分布半径大于第一构节结构骨173的分布半径，与近端第二构节18关联的直线运动机构22将穿过手术执行器驱动机构固定板251，且上述直线运动机构22中的滑块222在手术执行器驱动机构固定板251和靠近远端结构体11一侧的通道固定板152之间滑动。相应的，与第一近端构节17关联的直线运动机构22中的滑块222则在两通道固定板152之间滑动。

上述实施例中，如图7所示，本发明还包括柔性手术工具外壳105，驱动单元固定板21、通道固定板152和手术执行器驱动机构固定板251均与柔性手术工具外壳105紧固连接；近端结构体16和中部连接体15均位于柔性手术工具外壳105的内部。柔性手术工具外壳105的后端通过无菌屏障30与电机组41连接。如图8、图9所示，无菌屏障30包括无菌屏障支撑板302、紧固连接在无菌屏障支撑板302外周的无菌屏障外罩301和多个转动连接在无菌屏障支撑板302上的联轴器母头303。电机组41包括电机固定板411(如图10所示)和紧固连接在电机固定板411上的电机412。无菌屏障外罩301的前端与柔性手术工具外壳105采用快速可拆卸的连接形式，在无菌屏障支撑板302的后侧设置有两组连接销座304，相应地，在电机固定板411的前侧设置两组连接销座415，连接销座304与连接销座415可通过销孔快速连接，使得无菌屏障30与电机固定板411固定连接，并可整体运动。联轴器母头303的前端与联轴器公头226或联轴器公头256连接，后端通过另一联轴器公头414与电机412的输出轴连接，以传递旋转运动。在无菌屏障外罩301上紧固连接有无菌膜(图中未示出)，用于将未消毒的部分(位于无菌屏障30后的部分)与已消毒的部分(位于无菌屏障前的部分)隔离开，保证临床手术的可实施性。

上述实施例中，本发明还包括电机组外壳418，电机固定板411与电机组外壳418转动连接，在电机组外壳418的内壁紧固连接有内齿圈416，在电机固定板411上紧固连接有电机417，电机417的输出轴紧固连接有整体旋转输入齿轮419，整体旋转输入齿轮419与内齿圈416啮合。当电机417的输出轴旋转时，将带动整体旋转输入齿轮419旋转，整体旋转输入齿轮419将沿内齿圈416的周向行走，从而带动本发明除电机组外壳418和内齿圈416以外的部分整体进行旋转，进而实现对手术执行器101的横滚角度控制。

上述实施例中，如图7所示，本发明还包括线性模组50(线性模组50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501，在支架501上设置有丝杠503，在丝杠503上套设有与丝杠503通过螺纹配合且滑动设置在滑槽中的滑块502，在支架501的一端设置有电机504，电机504的输出轴与丝杠503通过联轴器紧固连接。电机组外壳418与滑块502固连，当电机504的输出轴转动时，滑块502将带电机组41、无菌屏障30和柔性手术工具10沿滑槽做线性运动，从而实现远端结构体11的进给自由度。

上述实施例中，如图1、图7所示，在远端结构体11的外部设置有封皮103，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103的外部还可以设置刚性外套管104和鞘套60。在一种应用中，鞘套60固定于腹腔的单一切口处，远端结构体11连同封皮103、手术执行器101可以自由穿过鞘套60上供手术工具通过的通孔到达术部以施展单孔腔镜手术。如图11所示，鞘套60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103、手术执行器101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以施展经自然腔道的无创手术。

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。