一种用于导管介入手术的触觉装置

本发明涉及医疗操作设备，具体涉及一种用于导管介入手术的触觉装置。

背景技术：

1、远程操作医疗手术机器人作为医疗机器人手术自动化进程中非常重要的一部分，一直以来备受研究人员的关注。特别是应用于微创手术，其中医生通过微小的皮肤切口插入细长的手术工具，通过这种方式对健康器官和组织的损害最小化。远程操作医疗手术与传统手术相比，采用远程操作手术可以提高手术效果、降低患者健康风险、为医生提供舒适的手术环境防止医生暴露在辐射条件下。然而，远程操作手术将医生的手从患者的器官上移开，使得医生完全丢失了力触觉感知。远程操作机器人系统如果没有触觉反馈功能，医生就无法在手术过程中完全感受工具与组织的相互作用力，增加了手术的风险。特别是在一些复杂的手术中，如导管介入手术。

2、在传统导管手术中，医生通过使用导管顺利地穿过错综复杂的血管并到达病变组织，获得有用的病变信息并实施适当的治疗。导管的远端受到来自血管和血管内流体的相互作用力，例如接触力、摩擦力和血液的粘性阻力。导管的近端则是由医生的手直接操作导管进行前进或后退的直线运动以及顺时针和逆时针的旋转运动。医生通过手指与导管接触来间接获取导管远端的力信息，以此来判断在插管过程中是否会因力过大而刺破患者组织。

3、许多研究人员开发了一些在导管介入手术中带有触觉反馈装置的远程操作统，其中一种是通用多自由度力触觉装置和定制化设计的专用力触觉装置。使用通用多自由度力触觉装置对于医生来说是非常难以适应，并且会导致更长的学习曲线和成本。考虑到这一点，许多团队为导管介入手术量身定制了力触觉装置。如将震动电机集成到远程操作的主端，进而作为一种震动力触觉反馈，当医生手术过程中导管的阻力非常大时，通过震动电机的震动力来警示医生。但是，振动力触觉反馈过于单调且并不是实际插管中缺失的力触觉。在导管介入手术中，实际缺失的力触觉是指沿导管轴向的直线力和沿轴向的旋转力矩。为了产生轴向的直线力，有许多常用的机构设计方案，其中包括基于串联弹性执行器的机构、紧凑型并联机构以及磁粉制动器或离合器与电机的组合等。然而，使用这类传统的刚性传动装置与电机的组合，在一定程度上导致整装置的机械摩擦和动态惯性过大。不仅影响力触觉的响应性能，同时使得医生在长时间的远程操作手术中感到疲劳。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种用于导管介入手术的触觉装置，该触觉装置在保留医生原始的导管操作习惯的前提下，能够产生力触觉反馈到医生手上，提高远程导管介入手术的沉浸感，保证了手术的高效性和安全性。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、一种用于导管介入手术的触觉装置，包括操作手柄、直线移动反馈机构以及圆周旋转反馈机构；

4、所述直线移动反馈机构包括空心的立体柱体折纸结构以及直线气压反馈模块；所述立体柱体折纸结构的一端固定在安装机架上，该立体柱体折纸结构的另一端通过安装座与操作手柄连接；所述立体柱体折纸结构上设有多个开口朝外的外折弯槽位和多个开口朝内的内折弯槽位；所述直线气压反馈模块包括直线软体驱动器、直线气泵以及终端直线阻力传感器；所述直线软体驱动器设有多个且分别设置在内折弯槽位或外折弯槽位中；所述直线气泵分别与多个直线软体驱动器连通；所述终端直线阻力传感器用于检测终端手术导管直线移动的阻力，所述直线气泵根据终端手术导管直线移动的阻力大小往直线软体驱动器内输入对应大小的气压，使整个立体柱体折纸结构产生的阻力等于终端手术导管直线移动的阻力；

5、所述圆周旋转反馈机构包括旋转轴、空心的旋转软体制动器、旋转气泵以及终端旋转阻力传感器；所述旋转轴的一端与所述操作手柄固定连接，该旋转轴的另一端延伸至旋转软体制动器的内腔中并与旋转软体制动器的内腔壁相贴；所述旋转轴转动连接在所述安装座上；所述旋转软体制动器固定设置在所述安装座上；所述旋转气泵与旋转软体制动器连通；所述终端旋转阻力传感器用于检测终端手术导管旋转运动的阻力，所述旋转气泵根据终端手术导管直线移动的阻力大小往旋转软体制动器内输入对应大小的气压，使旋转软体制动器对旋转轴的摩擦力等于终端手术导管旋转运动的阻力。

6、上述用于导管介入手术的触觉装置的工作原理为：

7、工作时，建立远程连接后，医生控制操作手柄进行远程导管介入手术，该操作手柄的动作包括直线移动和圆周旋转移动。

8、在手术过程中，通过终端直线阻力传感器实时检测终端手术导管直线移动的阻力，并将阻力数据传输至后台处理器，由后台处理器将阻力计算转为所需的气压大小，并向直线气泵发送对应的指令，以便调节所有直线软体驱动器的气压，目的是使整个立体柱体折纸结构产生的阻力等于终端手术导管直线移动的阻力。当医生控制操作手柄进行直线运动时，会对立体柱体折纸结构进行挤压，亦即对多个直线软体驱动器进行挤压，此时全部直线软体驱动器反挤压形成的阻力等于与终端手术导管遇到的相同的阻力，此时医生感受的阻力即为终端手术导管遇到的阻力，使得手术体感更加真实，以便医生后续作出准确的操作。进一步，在立体柱体折纸结构被挤压过程中，直线气泵动态调节直线软体驱动器内的气压，使得立体柱体折纸结构提供的阻力始终等于终端手术导管遇到的阻力。

9、同时，通过终端旋转阻力传感器实时检测终端手术导管旋转运动的阻力，并将阻力数据传输至后台处理器，由后台处理器将阻力计算转为所需的气压大小，并向旋转气泵发送对应的指令，以便调节旋转软体制动器的气压，使旋转软体制动器对旋转轴的摩擦力等于终端手术导管旋转运动的阻力。当医生控制操作手柄进行旋转运动时，旋转软体制动器可以提供与终端手术导管遇到的相同的阻力，使得手术体感更加真实，有效提高手术的效率和安全。

10、本发明的一个优选方案，其中，所述操作手柄呈纺锤形结构。作为医生直接操作的部件，握持方式类似导管，具有两个自由度的运动，分别为沿中心轴向的旋转运动和沿着中心轴向直线运动。而且操作手柄的自由度能够和传统导管操作方式逐一对应，进而保留了原始医生的操作习惯，减少了不必要的学习周期，增加了使用的便利性。

11、本发明的一个优选方案，其中，所述立体柱体折纸结构包括折叠骨架和面板；

12、所述面板包括外面板和内面板，所述外面板和内面板均设有多个，所述外面板覆盖在折叠骨架的位于折痕两侧的外折叠面上，所述内面板覆盖在折叠骨架的位于折痕两侧的内折叠面上。

13、进一步，所述折叠骨架由聚乙烯(kapton)薄膜层折叠而成；所述外面板和内面板均采用聚乳酸层(pla层)。

14、本发明的一个优选方案，其中，所述立体柱体折纸结构的一端通过折纸底座固定在安装机架上，该立体柱体折纸结构的另一端与安装座固定连接；

15、所述折纸底座与安装座之间设有直线导向结构，该直线导向结构包括直线轴承和导柱，所述直线轴承固定设置在折纸底座上，所述导柱的一端与所述安装座固定连接，该导柱的另一端延伸至直线轴承中。通过上述结构，可以为操作手柄和立体柱体折纸结构提供直线移动的导向，使得直线移动的反馈更加精确。

16、本发明的一个优选方案，其中，所述旋转软体制动器和直线软体驱动器均由气囊构成。

17、本发明的一个优选方案，其中，所述安装座上设有安装盖，该安装盖用于将旋转软体制动器封盖在折纸底座的内腔中。

18、本发明的一个优选方案，其中，还包括直线位移信息采集机构，该直线位移信息采集机构包括用于检测操作手柄的直线位移量信息的激光位移传感器。当医生操作手柄前进或后退时，手柄端产生一定的直线位移量，激光位移传感器能够检测到手柄的位移量变化，将手柄的直线运动信息采集传输到控制器，这个直线运动信息直接作为运动指令传输到终端手术现场的机器中。

19、本发明的一个优选方案，其中，还包括旋转角度信息采集机构，该旋转角度信息采集机构包括编码器，该编码器固定设置在安装座上；所述旋转轴的另一端穿过编码器并与该编码器的码盘连接。通过上述结构，当医生操作手柄顺时针或逆时针旋转时，操作手柄带动旋转轴一起顺时针或逆时针旋转，同时带动编码器里面的码盘旋转，编码器采集到旋转角度信息，并将其传输到控制器，同样该旋转运动信息直接作为运动指令传输到终端手术现场的机器中。

20、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

21、1、本发明保留传统医生操作导管的习惯，医生可以直接操作纺锤形的操作手柄来控制导管的两个自由度的运动，分别为直线上的前进或后退以及周向的顺时针或逆时针旋转。这种操作方式大大减少了医生的学习周期和使用难度。

22、2、本发明的触觉装置可以提供与终端手术导管遇到的相同的阻力，反馈到医生手上，提高远程导管介入手术的沉浸感，保证了手术的高效性和安全性。