一种导管导丝协同操作介入机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种导管导丝协同操作介入机器人及其控制方法，属于微创血管介入手术领域。该系统包括操作平台，以及设置其上的导管控制器和导丝控制器；操作平台包括平台主梁，其上通过直线导轨副设置有两个平台连接块，分别安装导管控制器和导丝控制器；平台连接块通过平台驱动机构驱动；导管控制器包括主体部分和用于夹持导管的导管夹紧机构；导丝控制器包括夹持机构，它包括套筒、制动件和夹持件，带有夹持端头的夹持件装入制动件后，制动件与套筒螺纹连接，通过制动件与套筒相对转动可驱动夹持端头夹紧导丝。本发明专利技术的系统在移动平台上安装导管控制器和导丝控制器，分别对导管和导丝进行控制，并配合操作平台的控制，完成导管导丝的协同操作。

Catheter guided wire cooperative operation interventional robot and its control method

The invention discloses a catheter guiding wire cooperative operation interventional robot and the control method thereof, belonging to the field of minimally invasive vascular interventional operation. The system includes the operating platform, and set the catheter and guide wire controller controller on the operating platform; including the platform girder, through the linear guide rail pair is provided with two platform connecting block are respectively installed catheter and guide wire controller platform connecting block through the platform controller; driving mechanism; the controller comprises a main body part and a catheter for catheter the clamping mechanism for clamping the catheter; guide wire controller includes a clamping mechanism, which comprises a sleeve, brake parts and the clamping piece, a clamping end of the clamping piece into the brake parts, brake parts and the threaded sleeve connected through the brake piece and the sleeve relative rotation can drive the clamping end of the clamping wire. The system of the invention installs a pipe controller and a guide wire controller on the mobile platform, respectively controls the guide pipe and the guide wire, and cooperates with the control of the operation platform, so as to realize the cooperative operation of the guide wire of the catheter.

【技术实现步骤摘要】
一种导管导丝协同操作介入机器人及其控制方法
本专利技术属于微创血管介入手术
，涉及对于介入手术中机器人从端中导管导丝的控制技术，更具体地说，涉及一种导管导丝协同操作介入机器人及其控制方法。
技术介绍
日益高发的心脑血管疾病严重影响国民健康与社会生活，为中国医疗卫生体系带来巨大压力。心脑血管疾病已经成为人类疾病死亡的三大原因之一，全球每年有1670万人死于心脑血管疾病，占所有疾病死亡率的29.2％，每年我国900万心脑血管疾病患者中就有250万人死亡。心脑血管微创介入疗法是针对心脑血管疾病的主要治疗手段，能减少传统开颅、开胸手术给患者带来的创伤及痛苦，术后恢复时间短，能够有效提高医疗资源利用率。然而，传统心脑血管介入手术由医生手动将导管、导丝以及支架等器械送入病患体内。一方面，手术过程中，由于放射线影响，医生体力下降较快，注意力及稳定性随之降低，导致操作精度下降，易发生因推送力不当而引起的血管内膜损伤、血管穿孔破裂等事故，导致病人生命危险。另一方面，长期电离辐射的累积伤害会大幅地增加术者罹患白血病、癌症以及急性白内障的几率。“吃线”问题已经成为损害医生职业生命、制约介入手术发展不可忽视的问题。借助机器人技术进行导管、导丝遥操作的手术方法能够有效应对这一问题，可以大幅提高手术操作的精度与稳定性，同时能有效降低放射线对主刀医生的伤害，降低术中事故的发生几率。因此，心脑血管介入手术辅助机器人越来越多的被人们所关注，逐渐成为当今各科技强国在医疗机器人领域的重点研发对象。国外血管介入手术机器人研究相对较早，但尚未完全实现临床应用。国内相关研究起步较晚，主要有北京理工大学、天津理工大学、北京航空航天大学和哈尔滨工业大学等。目前血管介入手术机器人主要采用主从端操作结构，以将医生与放射线隔离，如天津理工大学申请的申请号为：201410206956.7，公开日为：2014年9月17日的专利技术专利，公开了一种主从微创血管介入手术辅助系统从操作器装置，它包括轴向推送单元、旋转单元、夹取单元、手术导管、操作力检测单元和倾角可调底座，其工作方法包括信号检测、传递、处理、动作。优越性在于：可以模仿医生的介入操作动作，操作精度高，有效提高手术安全性；可以保证不同的接受治疗者或者不同的介入位置均能调整到操作者所期望的角度；装置整体采用铝合金材料，尺寸小、质量轻。该专利技术能够很好地完成导丝的推送，并且采用磁流变液来实现力反馈，存在运动部件惯量小、反馈灵敏等优点。又如，北京航空航天大学申请的申请号为：201210510169.2，公开日为：2014年9月17日的专利文献，公开了一种主从式遥操作血管介入手术机器人，包括主端操控机构、从端推进机构、PMC控制器；主端操控机构作为医生的操作端；从端推进机构作为机器人的执行机构，在手术室内代替医生把持导管，完成导管的运动功能；PMC控制箱用来实现主端操控机构与从端推进机构间的信息传递，从而使从端导管推进机构按照主端操控机构的运动信息进行运动，其采用主从遥操作方式辅助医生实施手术，从端推进机构实现导管的轴向进给和周向旋转运动。再如，哈尔滨工业大学于2011年1月17日申请的名称为一种用于血管内微创介入手术的导管机器人系统的专利，它的主手手柄及计算机主机置于控制室内，控制柜、导管手柄、主从介入装置、磁场发生器及可控导管置于手术室内，主手手柄位姿信号经计算机主机处理后传递给控制柜，控制柜内有运动控制卡和驱动器，运动控制卡接收命令发送指令到驱动器，驱动器将控制信号传递给主从介入装置的各个电机，进而控制介入装置实现可控导管的推/拉、旋转和弯曲操作，位姿传感器采集到可控弯曲段的位姿信息，位姿信号经运动控制卡传给计算机主机进行信号处理。该方案采用了可控导管，可获得可控导管弯曲可控段的位姿信息，保证可控导管前端的灵活性以及插管手术的可操纵性，同时通过主手手柄控制主从介入装置实现可控导管的推\拉、旋转和弯曲动作，并能获得手术室可控导管输送力信息，保证插管的精确性与稳定性。上述方案都是对于国内对于血管介入手术机器人较为先进的研究，但它们都存在如下几方面问题：(1)只能单独推送导丝或导管，不能在手术过程中协同推送导管和导丝，使其不能完全模拟医生的操作动作，并且在一些需要导丝导管同时配合前进的部位难以操作，进而造成操作精度低、手术效率低下、对医生的辅助程度低、存在一定的安全隐患；(2)结构相对比较臃肿复杂，不仅制造成本高，而且影响操作精度；(3)导管导丝的拆装不方便，不易于手术中更换导管导丝，对导管导丝进行消毒处理；(4)手术中无法知晓导管导丝在血管内的相对位置，手术风险较高。专利技术人一直致力于此方面的研究，并在此之前申请了相关专利，如中国专利申请号为：201510064919.1，公开日为：2015年5月20日的专利文献，公开了一种用于介入手术机器人的测量装置，它的基座通过合页连接有上盖；上盖设有凹形限位板以及推块，当上盖闭合时，凹形限位板将柱齿轮与主动轮、惰轮压紧，限制竖直方向位移，推块将左侧U型挡片向右侧推进，另右侧U型挡片、左侧U型挡片将导丝驱动辅助件夹紧；基座安装在直线驱动组件的滑块上。该方案可有效减少推送力在传导过程中的损失、降低因装配或振动等原因引起的较大误差，但其也只用于驱动导丝，无法完成导管导丝的协同操作；而且，虽然导丝的拆装相比前述设计有所改进，但是依然有所改进；另外，其也无法在手术中了解导丝在血管内，导丝头端与血管壁之间的相对位置。在此之后，专利技术人持续对介入手术机器人的技术进行研究，并于2016年3月3日申请了申请号为：201610119761.8，名称为：主从微创血管介入手术机器人从端及其控制方法的专利，它包括从端控制机构和从端移动平台，从端控制机构由夹持驱动机构Ⅰ、推力反馈机构Ⅱ、无损夹持机构Ⅲ、夹持控制机构Ⅳ组成，同时本专利技术还给出了其控制方法。该方案通过设计了无损夹持机构、夹持控制机构、夹持驱动机构和推力反馈机构，来完成手术过程中导丝的夹持、放松、旋转、推送、推送力测量等操作，增加了推送力测量的准确性，提高了导丝夹持的可靠性，但是其结构相对复杂，易拆装性也未有太大提高，同时在推送过程中导管或导丝头端与血管壁之间的相对位置问题也没有得到很好的解决。需要特别说明的是，导管导丝的夹持机构都是在操作平台上实现推送的，因实际手术的操作需求，需要导管、导丝以及辅助机构等同轨布置，且能够任意实现各自在轴向上的直线运动，而现有技术采用电机带动螺母丝杆副组成的滑轨来完成直线运动，存在以下问题：(1)体积重量大：由于需要两套滑轨来分别操纵导管和导丝，增大了装置体积，同时由于两套滑轨的重量大，因此不适合临床手术操作；(2)不能再现医生手部操作的实际动作：利用两套滑轨来完成导管和导丝的控制，因其采用同轴布置，使得导管和导丝的运动行程没有交集，即导丝控制滑轨在轴向上的位置始终远远落后于导管控制滑轨在轴向上的位置，而在实际操作过程中，医生操作导管和导丝的手部的距离是任意的，因而其不能再现医生手部操作的实际动作，不能完成导管和导丝的协同推送，不符合实际手术操作需求；(3)扩展性差：手术过程中，需要对导管和导丝进行辅助操作，而辅助操作的轴向直线运动与导管、导丝的运动不同步时，需要增加滑轨，而采用现有直线滑轨的形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种导管导丝协同操作介入机器人，包括操作平台、用于控制导管动作的导管控制器和用于控制导丝动作的导丝控制器，其特征在于：所述导管控制器和导丝控制器设置在操作平台上，操作平台可控制导管控制器和导丝控制器之间的相对运动；所述操作平台包括平台主梁(1010)，平台主梁(1010)上通过直线导轨副D(1020)设置有两个平台连接块(1030)，分别安装导管控制器和导丝控制器；所述每个平台连接块(1030)都通过一个平台驱动机构(1040)驱动；所述导管控制器包括主体部分(1)、导管夹紧机构(3)和导丝辅助夹紧机构(2)，导管夹紧机构(3)用于夹持导管，导丝辅助夹紧机构(2)用于辅助夹紧或松开导丝；所述的导管夹紧机构(3)和导丝辅助夹紧机构(2)均可拆卸安装在主体部分(1)上；所述导丝控制器包括夹持机构(6)；所述的夹持机构(6)包括套筒(610)、制动件(620)和夹持件(630)，带有夹持端头(631)的夹持件(630)装入制动件(620)后，制动件(620)与套筒(610)螺纹连接，通过制动件(620)与套筒(610)相对转动可驱动夹持端头(631)夹紧导丝。

【技术特征摘要】
1.一种导管导丝协同操作介入机器人，包括操作平台、用于控制导管动作的导管控制器和用于控制导丝动作的导丝控制器，其特征在于：所述导管控制器和导丝控制器设置在操作平台上，操作平台可控制导管控制器和导丝控制器之间的相对运动；所述操作平台包括平台主梁(1010)，平台主梁(1010)上通过直线导轨副D(1020)设置有两个平台连接块(1030)，分别安装导管控制器和导丝控制器；所述每个平台连接块(1030)都通过一个平台驱动机构(1040)驱动；所述导管控制器包括主体部分(1)、导管夹紧机构(3)和导丝辅助夹紧机构(2)，导管夹紧机构(3)用于夹持导管，导丝辅助夹紧机构(2)用于辅助夹紧或松开导丝；所述的导管夹紧机构(3)和导丝辅助夹紧机构(2)均可拆卸安装在主体部分(1)上；所述导丝控制器包括夹持机构(6)；所述的夹持机构(6)包括套筒(610)、制动件(620)和夹持件(630)，带有夹持端头(631)的夹持件(630)装入制动件(620)后，制动件(620)与套筒(610)螺纹连接，通过制动件(620)与套筒(610)相对转动可驱动夹持端头(631)夹紧导丝。2.根据权利要求1所述的一种导管导丝协同操作介入机器人，其特征在于：所述的平台驱动机构(1040)包括平台电机(1041)和同步带(1044)；所述平台电机(1041)设置在平台主梁(1010)的一端，它连接有主同步轮(1042)，平台主梁(1010)的另一端安装从同步轮(1043)，主同步轮(1042)和从同步轮(1043)之间通过同步带(1044)传动连接，平台连接块(1030)连接同步带(1044)。3.根据权利要求1或2所述的一种导管导丝协同操作介入机器人，其特征在于：所述操作平台还包括用于检测平台连接块(1030)在平台主梁(1010)上位移的位置检测机构(1050)。4.根据权利要求3所述的一种移动平台，其特征在于：所述位置检测机构(1050)包括设置在平台主梁(1010)一侧的光栅尺(1051)和固定在平台连接块(1030)上的光栅尺读头(1052)；所述光栅尺读头(1052)上沿平台连接块(1030)的运动方向设置有两个反向的限位传感器(1053)。5.根据权利要求1或2所述的一种导管导丝协同操作介入机器人，其特征在于：所述的导管夹紧机构(3)包括医用三通阀(310)和夹持组件(320)；所述的医用三通阀(310)用于连接导管，它通过夹持组件(320)固定在主体部分(1)上；所述的主体部分(1)包括壳体A(110)和安装在壳体A(110)上的上盖A(120)，夹持组件(320)可拆卸安装在上盖A(120)上。6.根据权利要求1或2所述的一种导管导丝协同操作介入机器人，其特征在于：所述导管控制器还包括导管扭转组件(4)，导管扭转组件(4)用于驱动医用三通阀(310)的螺旋帽带动导管旋转；所述导管扭转组件(4)包括电机A(401)、小齿轮(402)和大齿轮(403)；所述电机A(401)安装在主体部分(1)中，它连接小齿轮(402)；所述大齿轮(403)与安装在医用三通阀(310)的螺旋帽上的连接鞘(324)配合，连接鞘(324)用于固定导管；所述的小齿轮(402)和大齿轮(403)啮合传动。7.根据权利要求6所述的一种导管导丝协同操作介入机器人，其特征在于：所述导管控制器还包括用于检测导管的推送力的导管测力组件(5)；所述导管测力组件(5)包括设置在主体部分(1)中的隔板(510)、导管连接板(540)和力传感器(550)；所述导管连接板(540)通过直线导轨副(520)设置在隔板(510)上，导管连接板(540)用于连接导管夹紧机构(3)；所述力传感器(550)一端与隔板(510)连接，另一端与导管连接板(540)连接。8.根据权利要求7所述的一种导管导丝协同操作介入机器人，其特征在于：所述的医用三通阀(310)通过两个夹持组件(320)从两侧将其夹持固定，每个夹持组件(320)包括夹持...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭书祥，包贤强，肖楠，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11