一种可经自然腔道的柔性手术工具系统的制作方法

本发明涉及一种可经自然腔道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可经自然腔道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：一种可经自然腔道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；所述驱动单元包括驱动单元固定板，在所述驱动单元固定板与靠近所述近端构节的所述通道固定板之间转动支撑有多根驱动轴，每一所述驱动轴的前端设置一缆绳牵拉机构，所述缆绳牵拉机构通过穿过所述近端间隔盘、近端固定盘的缆绳与缆绳固定块紧固连接，所述缆绳固定块与所述近端固定盘紧固连接；所述驱动轴旋转时，通过所述缆绳牵拉机构改变所述缆绳位于所述近端构节中的长度。

所述缆绳牵拉机构包括驱动滑轮、从动滑轮和所述缆绳；其中，所述驱动滑轮紧固套设在所述驱动轴上，所述缆绳的一端与所述驱动滑轮紧固连接，所述缆绳的另一端绕过所述从动滑轮后穿入所述近端构节。

在所述近端构节的中心设置有万向节，所述万向节的前端穿过所述通道固定板且与万向节基座连接，所述万向节基座紧固连接在通道支撑板上，所述通道支撑板设置在靠近所述近端结构体一侧的所述通道固定板的前方；所述缆绳固定块沿所述万向节的轴线可滑动同时绕所述万向节的轴线可转动地连接在所述万向节的后端。

所述近端构节的前端紧固连接在所述通道固定板上；在靠近所述近端结构体一侧的所述通道固定板的前方设置有通道支撑板，所述从动滑轮转动支撑在所述通道支撑板与所述通道固定板之间。

所述驱动单元还包括电机部和运动传动部；所述电机部包括电机固定板和多个与所述电机固定板紧固连接的第一电机；所述运动传动部包括多个用于将一个所述第一电机的旋转输出转换为两根输出轴的彼此反向的旋转运动的近端构节弯转传动链；两根所述输出轴的前端与一对所述驱动轴的后端直接或间接连接，将自身的旋转运动传递给所述驱动轴。

所述近端构节弯转传动链包括输入齿轮、输出齿轮、惰轮和两根所述输出轴，所述输入齿轮紧固套设在其中一所述输出轴上，所述输出齿轮紧固套设在另一所述输出轴上，两所述输出轴之间通过偶数个所述惰轮传动连接；所述输入齿轮所固连的所述输出轴的后端通过联轴器与所述第一电机的输出轴紧固连接。

在所述运动传动部与所述驱动单元固定板之间设置有无菌屏障，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和多个转动连接在所述无菌屏障支撑板上的联轴器母头；在所述无菌屏障外罩上紧固连接有无菌膜；每一所述驱动轴的后端紧固套设有输出齿轮，所述输出齿轮与输入齿轮啮合，所述输入齿轮的齿轮轴穿过所述驱动单元固定板且与一个第一联轴器公头紧固连接；每一所述输出轴的前端与一个第二联轴器公头紧固连接；所述第二联轴器公头通过位于所述无菌屏障支撑板上的所述联轴器母头与所述第一联轴器公头连接。

在所述运动传动部的前端设置有盖板，各所述输出轴的前端均穿过所述盖板且与所述盖板转动连接，在所述盖板上设置有第一连接销座；在所述无菌屏障支撑板上设置有用于与所述第一连接销座快速连接的第二连接销座。

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，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连接杆、连接框、螺杆和螺母；所述连接杆的前端与所述手术执行器控线的后端紧固连接，所述连接杆的后端与所述连接框的前端紧固连接，所述连接框的后端与一个螺杆紧固连接，在所述螺杆上配合连接有螺母，所述螺母转动连接在所述驱动单元固定板上；所述驱动单元还包括电机部；所述电机部包括电机固定板和与所述电机固定板紧固连接的第二电机；所述第二电机的输出轴通过联轴器与第二输出轴的后端紧固连接，所述第二输出轴的前端紧固套设有输入齿轮，所述输入齿轮与输出齿轮啮合，所述输出齿轮与第三输出轴紧固连接，所述第三输出轴的前端与所述螺母直接或间接连接，将自身的旋转运动传递给螺母并转换为所述连接框的直线运动。

还包括柔性手术工具外壳和电机部外壳；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内；所述通道固定板和驱动单元固定板均与所述柔性手术工具外壳紧固连接；所述电机部和运动传动部均位于电机部外壳内；在所述运动传动部的前端设置有盖板，所述盖板通过无菌屏障与所述柔性手术工具外壳紧固连接；所述盖板和电机固定板均与所述电机部外壳转动连接；在所述电机部外壳的内壁紧固连接有内齿圈，在所述电机固定板上紧固连接有第三电机，所述第三电机的输出轴通过联轴器与第四输出轴的后端紧固连接，所述第四输出轴的前端紧固连接有输入齿轮，所述输入齿轮与所述内齿圈啮合。

还包括柔性手术工具外壳、电机部外壳和线性模组；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内；所述通道固定板和驱动单元固定板均与所述柔性手术工具外壳紧固连接；所述电机部和运动传动部均位于电机部外壳内；在所述运动传动部的前端设置有盖板，所述盖板通过无菌屏障与所述柔性手术工具外壳紧固连接；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部的外壳，所述第四电机通过所述直线进给机构驱动所述电机部和运动传动部通过无菌屏障带动所述柔性连续体结构和驱动单元位于所述无菌屏障以前的部分进行直线运动。

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转动连接多根驱动轴，在驱动轴的前端设置有缆绳牵拉机构，缆绳牵拉机构通过缆绳与固定连接在近端固定盘后端的缆绳固定块连接，当驱动轴旋转时，可以通过缆绳牵拉机构改变缆绳位于近端构节中的长度，加之缆绳固定块通过万向节与通道固定板连接，从而将缆绳的牵拉转换为近端构节的任意向弯转运动，同时使得近端构节的弯转轮廓为近似圆弧形。4、本发明手术执行器的手术执行器控线穿过远端结构体到达手术执行器驱动机构并与连接杆固定连接，连接框与连接杆固定连接，连接框可由一组直线运动机构驱动，实现对手术执行器的运动控制。5、本发明还设置有电机部外壳，电机固定板与电机部外壳之间采用可转动的连接方式，在电机部外壳的内壁紧固连接有内齿圈，在电机部设置有电机，电机紧固连接于电机固定板上，电机通过联轴器与一输出轴相连，输出轴的一端紧固连接有输入齿轮，输入齿轮与内齿圈啮合，因此，所述电机可驱动系统除电机部外壳、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。6、本发明由于柔性手术工具外壳与电机部、运动传动部之间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，其与电机部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是本发明第一(第二)近端构节的结构示意图；

图5是本发明缆绳牵拉机构的连接示意图；

图6是本发明电机部和运动传动部的结构示意图；

图7是本发明近端构节弯转传动链的结构示意图；

图8是本发明装上柔性手术工具外壳、电机部外壳、无菌屏障和线性模组后的结构示意图；

图9是本发明无菌屏障与盖板连接的结构示意图；

图10是本发明无菌屏障在另一视角下的结构示意图；

图11是本发明手术执行器驱动机构的结构示意图；

图12是本发明整体旋转驱动机构的结构示意图；

图13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3、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，作用是防止第一近端构节17和第二近端构节18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。

如图3所示，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，即第二构节结构骨从第一远端固定盘、第一远端间隔盘上穿过(若第一构节结构骨采用管状结构，也可从第一构节结构骨内穿过)。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独立设置的方式(如图3所示)，此时，通道固定板152为三个，结构骨引导通道151的前端与靠近远端结构体11一侧的通道固定板152紧固连接，结构骨引导通道151分为两部分，两部分结构骨引导通道151的后端分别与另外两个通道固定板152紧固连接，并分别用于引导第一构节结构骨123(173)和第二构节结构骨133(183)。

如图3～5所示，驱动单元20包括驱动单元固定板21，在驱动单元固定板21与通道固定板152之间转动支撑有多根驱动轴215，本实施例中驱动轴215为八根，每个靠近近端构节的通道固定板152与驱动单元固定板21之间分别转动设置四根驱动轴215。每根驱动轴215的后端紧固套设有一个输出齿轮214，输出齿轮214与输入齿轮216啮合，输入齿轮216的齿轮轴穿出驱动单元固定板21向后延伸。驱动轴215的前端设置有缆绳牵拉机构，缆绳牵拉机构包括紧固套设在驱动轴215上的驱动滑轮221，驱动滑轮221与一缆绳222的一端紧固连接，缆绳222的另一端绕过两从动滑轮223后或者穿过第一近端间隔盘171、第一近端固定盘172且与缆绳固定块163紧固连接，或者穿过第二近端间隔盘181、第二近端固定盘182且与另一缆绳固定块163紧固连接。缆绳固定块163固定连接在第一近端固定盘172或第二近端固定盘182的后端。通过旋转驱动轴215，可以拉动缆绳222并调整其在第一近端构节17或第二近端构节18中的长度。

在第一近端构节17和第二近端构节18的中心均设置有万向节161，万向节161的后端与位于缆绳固定块163前侧的轴状特征滑动连接，即轴状特征可沿该万向节161后端的轴线滑动且可绕该轴线转动；万向节161的前端穿过通道固定板152且与万向节基座162连接，万向节基座162紧固连接在通道支撑板153上。本实施例中通道支撑板153为两个，分别设置在靠近近端结构体一侧的通道固定板152的前方。万向节161的设置可以使第一近端构节17、第二近端构节18弯曲时的轮廓形状为近似的圆弧形。第一近端构节17、第二近端构节18的长度分别由第一远端构节12、第二远端构节13通过第一构节结构骨123、第二构节结构骨133约束，当牵拉缆绳222时相应的近端构节17、18在弯转的同时沿其轴线方向的长度保持不变。通过协同控制多根缆绳222可实现相应近端构节17、18向任意方向弯转的多个自由度，在本实施例中共为四个自由度。以第二近端构节18为例，当缆绳222驱动第二近端构节18向某一方向弯转时，第二远端构节13将以一定比例关系(由第二近端构节18中的第二构节结构骨183和第二远端构节13中的第二构节结构骨133的分布半径共同决定)向相反的方向弯转。

上述实施例中，第一近端构节17和第二近端构节18的前端分别紧固连接在相应的通道固定板152上，从动滑轮223转动支撑在通道支撑板153与通道固定板152之间。

上述实施例中，如图6、图7所示，驱动单元20还包括电机部41和运动传动部。电机部41包括电机固定板402和多个与电机固定板402紧固连接的第一电机411。运动传动部包括多个近端构节弯转传动链42，每一近端构节弯转传动链42通过联轴器412与一个第一电机411的输出轴连接，用于将一个第一电机411的旋转输出分解为两根输出轴405的相互反向的旋转运动，从而传递给一对驱动轴215以实现对缆绳固定块163的协同送松和拉紧。近端构节弯转传动链42包括输入齿轮421、输出齿轮422、两个(也可以是其它的偶数)惰轮423和两根输出轴405，输入齿轮421紧固套设在其中一输出轴405上，该输出轴405的后端通过联轴器412连接第一电机411的输出轴；输出齿轮422紧固套设在另一输出轴405上，输入齿轮421与输出齿轮422之间通过两个(偶数个)惰轮423传动连接。每一输出轴405的前端均与一输入齿轮216的齿轮轴直接或间接连接，由此，可通过一个第一电机411的旋转输出带动两根驱动轴215旋转(两驱动轴215彼此反向旋转)，从而实现对第一近端构节17或第二近端构节18在某一个方向上的弯转驱动。

上述实施例中，如图8～10所示，在运动传动部与驱动单元固定板21之间设置有无菌屏障30，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。在每一输入齿轮216的齿轮轴的后端紧固连接一用于与联轴器母头303连接的联轴器公头212(如图3所示)；在每一输出轴405的前端紧固连接一用于与联轴器母头303连接的联轴器公头403(如图6所示)。由此，输出轴405的旋转运动可通过联轴器公头403、联轴器母头303、联轴器公头212、输入齿轮216、输出齿轮214传递给驱动轴215。在无菌屏障外罩301上紧固连接有无菌膜(图中未示出)，其可将柔性手术工具10等位于无菌屏障30以前的已消毒的部分与运动传动部、电机部41等位于无菌屏障30以后的未消毒的部分隔离开来，保证临床手术的可实施性。

上述实施例中，如图6、图10所示，在运动传动部的前端设置盖板404，各输出轴405的前端穿过盖板404且与盖板404转动连接，在盖板404上设置有两组连接销座406；相应地，在无菌屏障支撑板302上亦设置有两组用于与连接销座406快速连接的连接销座304。使得无菌屏障30与运动传动部固定连接并可传递整体运动。

上述实施例中，如图2、图11、图12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包括连接杆251、连接框252、螺杆253和螺母254，其中，连接框252为刚性的矩形框结构；连接杆251的前端与手术执行器控线102的后端紧固连接，连接杆251的后端与连接框252的前端紧固连接，连接框252的后端与一个螺杆253紧固连接，在螺杆253上配合连接有螺母254，螺母254转动连接在驱动单元固定板21上。在电机固定板402上紧固连接有第二电机，第二电机的输出轴通过联轴器412与输出轴414的后端紧固连接，输出轴414的前端紧固套设有输入齿轮441，输入齿轮441与输出齿轮442啮合，输出齿轮442与输出轴415紧固连接，输出轴415的前端与螺母254通过无菌屏障30连接，以将第二电机的旋转输出传递给螺母254，从而通过螺杆253转化为连接框252的直线运动，进而推动或牵拉手术执行器控线102以控制手术执行器101(如手术钳)实施动作。手术执行器控线102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(如电凝、电切等)。进一步地，输出轴415的前端紧固连接有联轴器公头416(如图6所示)，在螺母254的后端紧固连接有联轴器公头213，联轴器公头416与联轴器公头213通过位于无菌屏障30上的联轴器母头305(如图9、图10所示)连接。

上述实施例中，如图8、图12所示，本发明还包括柔性手术工具外壳105和电机部外壳401。近端结构体16、中部连接体15、驱动单元20中除电机部41和驱动传动部以外的部分以及手术执行器驱动机构25均位于柔性手术工具外壳105内；通道固定板152、通道支撑板153和驱动单元固定板21均与柔性手术工具外壳105紧固连接。电机部41和运动传动部均位于电机部外壳401内；运动传动部前端的盖板404通过无菌屏障30与柔性手术工具外壳105紧固连接，使柔性手术工具10可以与运动传动部、电机部41连为整体进行旋转。盖板404、电机固定板402均与电机部外壳401转动连接。在电机部外壳401的内壁紧固连接有内齿圈432，在电机固定板402上紧固连接有第三电机，第三电机的输出轴通过联轴器412与输出轴417的后端连接，输出轴417的前端紧固连接输入齿轮433，输入齿轮433与内齿圈432啮合。当第三电机的输出轴旋转时，其带动输入齿轮433旋转，输入齿轮433将沿内齿圈432的周向行走，从而带动本发明除电机部外壳401和内齿圈432以外的部分整体进行旋转，实现对手术执行器101的横滚角度控制。

上述实施例中，如图8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。电机部外壳401与滑块502固连，当电机504的输出轴转动时，滑块502将带动驱动单元20、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8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13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。