用于内窥镜检查的机器人制造技术

本发明专利技术涉及一种改进管或管腔检查的机器人。更具体地，本发明专利技术涉及一种用于内窥镜检查的软气动机器人，其适于执行结肠镜检查过程。本发明专利技术的机器人包括前导气囊和后续气囊以及位于前导气囊和后续气囊之间的软气动致动器，所述前导气囊和后续气囊被构造成用于选择性地膨胀以将机器人的一部分锚定在管道或管腔内。除了通过气动地控制软气动致动器内的多个腔室中的流体将前导气囊围绕纵向定位在360度圆周上之外，软气动致动器可操作以在纵向上伸展或收缩机器人。展或收缩机器人。展或收缩机器人。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于内窥镜检查的机器人


[0001]本专利技术的实施例涉及一种用于内窥镜检查的机器人，或更大体地，涉及一种用于检查管道或管腔的机器人。具体地，但非排他地，本专利技术的实施例涉及一种适于结肠镜检查的机器人。

技术介绍

[0002]结直肠癌(CRC)是世界范围内的第三大常见癌症死亡原因。定期筛查无症状人群可以大大降低死亡率。CRC筛查包括几种手术，尽管黄金标准仍然是光学结肠镜检查(OC)，因为它具有高灵敏度和低假阴性率。然而，OC是令人不快的并且会给对象造成疼痛和不适。以胶囊内窥镜(CE)为例的新技术构成了替代的无痛解决方案，尽管这些新技术存在局限性(例如，被动运动和缺乏车载仪器)，但还是越来越多地用于CRC筛查。
[0003]通常，结肠镜检查是由受过训练的结肠镜操作医师使用1.6米长的柔性结肠镜进行的。结肠镜是一种半柔性管，尖端有两个电缆驱动的自由度(DOF)(俯仰角和偏航角)，其由外部手动手柄控制。两个额外的自由度是通过经由手柄旋转结肠镜并将仪器推过肛门来提供的。需要该推力来将结肠镜引入到结肠腔内和在结肠腔内导航以到达盲肠(顶部扩张部分)。在此手术中，长且被动的管被推向结肠壁，引发患者疼痛和不适。因此，用于筛查和诊断症状性疾病的结肠镜检查通常需要镇静和镇痛。除了不适之外，需要紧急手术的结肠穿孔以预防腹膜炎的罕见情况仍然是个问题。
[0004]结肠镜的清洁和化学消毒是必需的，因为该装置昂贵的，非一次性的，并且需要定期维护和保养以确保持续的最佳功能。
[0005]此外，传统的光学结肠镜检查是困难的手术，需要长时间的培训(平均2
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3年)才能获得安全的专家级的执行和解读所需的熟练程度。
[0006]US5337732公开了一种内窥镜机器人，其具有多个由气囊包围并通过结实的铰接关节连接件连结在一起的节段。节段内的致动器可以使节段移动到一起和分开，以允许机器人沿着管腔以蠕动(inchworm)的方式移动。在一个实施例中，在一节段内采用四个可膨胀囊，每个囊具有内部压力传感器，使得对囊中相对压力分布的控制可以促使机器人弯曲。然而，这种设计需要内部电子器件、复杂的结构和结实的关节，这些都导致机器人成本高昂、生产耗时、难以维护且灵活性有限。
[0007]US7935047公开了一种双气囊内窥镜系统，其包括用于检测内窥镜的插入部分中的相应点的位置的形状检测装置。然而，这种设计包括内部电磁部件，这又使得该装置成本高，制造耗时且维护困难。
[0008]因此，本专利技术的目的是提供一种用于内窥镜检查的机器人，其改善上述问题中的一个或多个或者至少提供有用的替代方案。

技术实现思路

[0009]一般地说，本公开提出了一种用于内窥镜检查，管道或管腔检查或结肠镜检查的
机器人，其构造成软气动蠕动双气囊装置(SPID：Soft Pneumatic Inchworm Double balloon)。
[0010]软机器人是相对新的研究领域，其中使用软材料(例如弹性体)来构建机器人，而不使用传统的刚性材料。作为优点，机器人比刚性机器人更安全，因为杨氏模量低，这使得材料更柔软，并且如果与人体组织或器官接触，减小了冲击和任何损伤。
[0011]使用这样的小型机器人进行结肠镜检查的优点是，一旦插入肛门，该装置可以通过其固有的运动能力到达盲肠，实际上消除了疼痛和不适，因为它避免了趋向于环的结肠壁和肠系膜上的压力。
[0012]机器人可以包括在其远端的用于视觉检查的相机，以及可选地包括用于治疗的仪器。可以采用软拉绳将高质量视频传输到外部用户控制台，以便为机器人供电和控制机器人。拉绳还提供了一种用于在出现故障时撤回机器人的安全机构。
[0013]拉绳对结肠壁提供的摩擦力是运动中的阻力。为了克服这种力，机器人需要提供足够的运动牵引，但考虑到这种机器人的小尺寸和轻重量以及光滑的结肠粘膜，这可能是有挑战性的。
[0014]设计用于结肠镜检查的机器人的更传统的方法本质上是通过构造由刚性微型机械部件和电子部件制成的组件，这可能需要昂贵的高精度加工。因此，这种刚性机器人结肠镜必须可重复使用，使得该设备是经济上可行的方案。即使完全开发，这种机器人也不太可能显著降低针对结直肠癌的结肠镜筛查的成本。
[0015]使用软材料的优点是减少施加到结肠壁上的力，从而减少患者在手术过程中的疼痛和不适。由于机械刚度低，软机器人能够执行灵巧的运动并跟随结肠腔的3D形状轮廓，而不需要复杂的主动闭环控制。使用软材料的另一个优点是生产成本低。机器人的本体可以以非常低的成本制造通过“注塑”制造，使机器人能够被构造为一次性装置，从而避免了清洁、消毒和维护的问题。与传统的光学结肠镜检查相比，大大降低了保健成本，同时还增加了患者对该手术的总体接受度。
[0016]用于结肠镜检查的软机器人的设计是有挑战性的，因为结肠腔内的空间有限，其通常具有范围在40mm至80mm的内径，而且由于该装置必须成功地通过结肠转弯部(colonic flexure)而使得运动挑战性加大了难度。该设计还应当提供空间以将相机定位在远端用于视觉检查，引入仪器和使用仪器。当软机器人的尺寸按比例缩小时，由于推进机器人所需的高空气激活压力或高激活电压，在设计中包括所有这些要求可能变得有挑战性。此外，该设计不得不满足严格的医疗监管标准。近十多年来发展的微型机器人和纳米机器人缺乏治疗和诊断功能。因此，在实现这种机器人用于医疗用途之前，必须解决几个挑战。
[0017]软机器人可由形状记忆合金、电缆和空气、外部磁场、光或不同致动系统的组合致动。大自然对此类设计具有启发意义，而蠕动运动已引发几项有报道的研究并连同设计中所包含的锚定方法，以增加接触力并解决运动方向的问题。已经提处使用环形气囊将蠕动装置锚定在刚性管或结肠内。然而，大多数以前的气囊蠕动状运动设计依赖于只有一个自由度(DOF)的线性致动器(用于向前和向后行进)，并且能够通过抵着管腔内壁被推动而被动弯曲以围绕拐角前进。然而，当设备必须通过锐角或者抵着管腔的内壁施加过大的力来实现被动弯曲时，这可能是不可能的。
[0018]因此，在本专利技术的第一方面中，提供了一种用于内窥镜检查的机器人，包括：
[0019]前导气囊和后续气囊，每个气囊构造成用于选择性充气以将机器人的一部分锚定在管道内；
[0020]软气动致动器，其位于前导气囊和后续气囊之间并能够操作以在纵向方向上伸展或收缩机器人；以及
[0021]延伸穿过后续气囊、致动器和前导气囊的空腔，用于提供布线和/或仪器；并且
[0022]其中致动器包括多个腔室，其布置成使得前导气囊在围绕纵向方向的360度圆周上的任何方向上的运动均通过多个腔室内的流体的气动控制实现。
[0023]因此，本专利技术的实施例包括软机器人，该软机器人可以通过简单的构造工艺形成，因为它不需要复杂的刚性机械部件或诸如传感器的内部电子器件，从而使生产时间和成本最小化，并因此使机器人可一次性使用。这对于医学应用来说是一个显著的优点，因为不再需要本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于内窥镜检查的机器人，包括：前导气囊和后续气囊，每个气囊构造成选择性充气以将所述机器人的一部分锚定在管道内；软气动致动器，其位于所述前导气囊和所述后续气囊之间并能够操作以在纵向方向上伸展或收缩所述机器人；以及空腔，其延伸穿过所述后续气囊、所述致动器和所述前导气囊，以用于提供布线和/或仪器；并且其中所述致动器包括多个腔室，其布置成使得所述前导气囊在围绕所述纵向方向的360度圆周上的任何方向上的运动均通过所述多个腔室内的流体的气动控制实现。2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述多个腔室在横向方向上受到约束，使得所述气动控制实现每个腔室在纵向方向上的膨胀或收缩。3.根据权利要求1或2所述的机器人，其特征在于，所述致动器是正压差(PDP)致动器。4.根据任意前述权利要求所述的机器人，其特征在于，所述致动器包括三个腔室或四个腔室。5.根据任意前述权利要求所述的机器人，其特征在于，所述多个腔室中的每个腔室布置为在大致所述纵向方向上膨胀以推动公共面板来引导所述机器人。6.根据任意前述权利要求所述的机器人，其特征在于，还包括闭环控制系统，其布置为监测所述前导气囊和/或所述后续气囊中的流体体积和/或压力以确定何时停止充气...

【专利技术属性】
技术研发人员：路易吉，
申请(专利权)人：敦提大学，
类型：发明
国别省市：