CN103584829B - 可变刚度的内镜手术器械外护套 - Google Patents
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Abstract
一种微创手术器械技术领域的可变刚度的内镜手术器械外护套,其由若干可变刚度柔性单元串联组成,每个单元包括:器械通道、柔性高伸缩率气囊、刚性连接件、刚性丝及圆盘，在每个柔性单元中，刚性丝穿过若干刚性连接件并与其刚性连接，刚性连接件上的圆孔套在气囊的最小直径位置将三个柔性高伸缩率气囊连接在一起，三个柔性高伸缩率气囊的两端均分别与第一圆盘、第二圆盘相连接。通过控制气囊内部气压，可实现空间弯曲及变刚度的目的。本发明作为内镜手术器械进入体内的外护套，能够顺应人体腔道的生理弯曲，避免对内壁组织的压迫，在到达病患位置后通过变刚度，为手术器械提供力学支撑，可在保证微创内镜手术安全性的前提下，更有效的开展手术。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微创医疗器械领域的手术器械外护套,尤其是一种为内镜手术器械提供进出人体的通道,提高微创内镜手术器械灵活性及手术安全性的可变刚度的内镜手术器械外护套。
背景技术
经自然腔道内镜手术是以软式内镜为治疗工具，不经皮肤切口，而通过口、***、结直肠等自然腔道对腹腔疾病进行治疗的微创外科治疗方法,与腹膜和腹腔脏器接触较少,可以降低传统开腹外科和腹腔镜手术造成的创伤，减轻术后疼痛，并避免创口感染、切口疝及肠梗阻等并发症。目前，由于手术器械的功能限制,利用现有手术器械在临床上只能实施经口或经***等对器械性能要求不高的手术，同时为避免在手术过程中造成不必要的组织损伤等问题，需要对外科医生进行较长时间的培训来降低手术风险。在经自然腔道内镜手术过程中，从器械操作上可分为两个阶段：首先将较长尺度(一般大于30cm)的内镜导管通过人体自然腔道***体内深部，其次在器械末端到达患部后进行各类外科诊断与手术治疗。在第一阶段中，由于人体的自然腔道形状与解剖结构复杂(如结肠)，周围血管神经密布，组织极易受损，要求手术器械具有较高的径向柔性和轴向刚度，并能在三维空间内灵活顺应腔道形状的特性才能保证手术的安全性；而在第二阶段中手术器械要在靠近手术区域的内镜器械末端进行手术操作，这就要求器械整体在该阶段具备较高的刚度才能为末端提供力学支撑，同时通过保持其本身的形状以避免形成对腔道及周围组织的牵扯而造成损伤，达到安全、准确手术操作的目的。由于目前临床上使用的软式内镜不能同时满足这两个要求，对新型器械技术的迫切需求已成为医疗工作者的共识。研发具有高灵活性且刚度可变的内镜辅助器械成为经自然腔道内镜手术器械革新的技术重点和难点。
经对现有技术文献的检索发现，在文献“Yagi,Akihiko,et al."Rigid-flexible outer sheath model using slider linkage locking mechanismand air pressure for endoscopic surgery."Medical Image Computing andComputer-Assisted Intervention–MICCAI 2006.Springer Berlin Heidelberg,2006.503-510.”中提出一种内窥镜外护套装置，可实现在柔性和刚性两种状态的转换。它包括：鞘单元、弹簧、连杆、通气管及单侧具有齿条机构并可啮合的滑块和制动块。工作原理为：起初滑块与制动块分离，滑块的上下移动实现机构的弯曲，当向通气管内施加气压后，制动块被向上顶起与滑块啮合锁定外护套形状。但该装置结构复杂，且只能实现二维弯曲，对腔道环境适应性差，锁定装置只能起到锁定形状的作用而无法实现自由变刚度。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供一种基于柔性连续体的形状与刚度控制一体化的内镜器械外护套，为内镜手术器械提供进出体内的通道，提高器械的灵活性及手术的安全性。
本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括若干可变刚度柔性单元串联组成，每个柔性单元包括：第一柔性高伸缩率气囊、第二柔性高伸缩率气囊、第三柔性高伸缩率气囊、刚性连接件、刚性丝、第一圆盘、第二圆盘、器械通道、进气口和导气管通道；在每个柔性单元中，刚性丝穿过若干刚性连接件并与其刚性连接，刚性连接件上的圆孔套在气囊的最小直径位置将三个柔性高伸缩率气囊连接在一起，三个柔性高伸缩率气囊的两端均分别与第一圆盘、第二圆盘相连接，器械通道位于刚性连接件的中心处，进气口和导气管通道均布置在第二圆盘上；多节可变刚度柔性单元均通过第一圆盘和第二圆盘串接在一起。
进一步地，在本发明中，刚性丝为不可伸缩刚性丝，三个柔性高伸缩率气囊纵截面均为S型弯曲形状。
更进一步地，在本发明中，第一柔性高伸缩率气囊、第二柔性高伸缩率气囊、第三柔性高伸缩率气囊沿刚性丝呈圆周对称排列。
更进一步地，在本发明中，第一柔性高伸缩率气囊、第二柔性高伸缩率气囊、第三柔性高伸缩率气囊均通过气动方式驱动。
在本发明的工作过程中，柔性高伸缩率气囊在气动驱动下具有较大的伸缩率，充当连续体机构弯曲及变刚度的驱动单元，三个气囊圆周排列可实现机构各个方位的弯曲；不可伸缩的刚性丝与刚性连接件为刚性连接，刚性连接件上的圆孔套在气囊的最小直径位置将三个柔性气囊连接在一起；两端的圆盘起到为气囊提供定位、密封的作用，多节柔性变刚度单元通过圆盘相串联。在向气囊内冲入气压后，一个气囊伸长产生的力学作用通过刚性连接件及刚性丝传递到其他两个气囊，刚性连接件起到杠杆力臂的作用，刚性丝起到杠杆支点的作用，进而实现机构的弯曲。多个单独控制的变刚度单元串联后可实现空间的复杂弯曲以更好的顺应腔道的生理弯曲。通过对气囊中气压的控制，可实现不同弯曲角度下机构的刚度控制。
与现有技术相比，本发明有如下优点：
第一，本发明采用气动方式对每个气囊的伸缩进行单独控制，可实现对弯曲方位及弯曲角度的主动控制；
第二，本发明采用特殊结构的伸缩气囊，具有较大的伸缩率,使得机构可实现较大的弯曲角度，将其嵌入内镜器械可提高对人体腔道环境的适应性，提高手术安全性；
第三，本发明采用气动控制方式，可实现对弯曲刚度的实时快速控制，使得结构在保持形状的前提下能承受较大的力学作用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中可变刚度柔性单元的结构示意图；
图3是柔性高伸缩率气囊与刚性连接件的局部视图；
图4是刚性连接件及刚性丝的结构示意图；
图5是柔性高伸缩率气囊的纵截面图；
图6是第二圆盘的结构示意图；
其中：1、第一柔性高伸缩率气囊，2、第二柔性高伸缩率气囊，3、第三柔性高伸缩率气囊，4、刚性连接件，5、刚性丝，6、第一圆盘，7、第二圆盘，8、器械通道，9、进气口，10、导气管通道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1至图5所示，本发明由若干可变刚度柔性单元串联组成，每个柔性单元包括：第一柔性高伸缩率气囊1、第二柔性高伸缩率气囊2、第三柔性高伸缩率气囊3、刚性连接件4、刚性丝5、第一圆盘6、第二圆盘7、器械通道8、进气口9和导气管通道10；在每个柔性单元中，刚性丝5穿过若干刚性连接件4并与其刚性连接，刚性连接件4上的圆孔套在气囊的最小直径位置将三个柔性高伸缩率气囊连接在一起，三个柔性高伸缩率气囊的两端均分别与第一圆盘6、第二圆盘7相连接，器械通道8位于刚性连接件4的中心处，进气口9和导气管通道10均布置在第二圆盘7上；多节可变刚度柔性单元均通过第一圆盘6和第二圆盘7串接在一起；刚性丝5为不可伸缩刚性丝，三个柔性高伸缩率气囊纵截面均为S型弯曲形状，第一柔性高伸缩率气囊1、第二柔性高伸缩率气囊2、第三柔性高伸缩率气囊3沿刚性丝5呈圆周对称排列，第一柔性高伸缩率气囊1、第二柔性高伸缩率气囊2、第三柔性高伸缩率气囊3均通过气动方式驱动。
本发明的操作过程如下：将内镜手术器械***外护套的器械通道8内，在进入人体腔道的过程中，控制柔性气囊内的气压使结构弯曲，通过传感等手段获得腔道及外护套的形状信息，调节气囊内部气压使外护套适应腔道形状避免对腔道内壁造成压迫。在外护套末端到达病灶位置后，调节气囊内部气压，在保持外护套形状不变的前提下增大弯曲刚度，为内部器械对组织施加力的过程中提供力学支撑。在外护套从体内拉出的过程中，通过调节气囊内气压，使得外护套获得顺应腔道形状的弯曲，在对腔道内壁无压迫的前提下拉出体外，完成手术。
Claims (4)
1.一种可变刚度的内镜手术器械外护套，其特征在于，它是由若干可变刚度柔性单元串联组成，每个柔性单元包括：第一柔性高伸缩率气囊（1）、第二柔性高伸缩率气囊（2）、第三柔性高伸缩率气囊（3）、刚性连接件（4）、刚性丝（5）、第一圆盘（6）、第二圆盘（7）、器械通道（8）、进气口（9）和导气管通道（10）；在每个柔性单元中，刚性丝（5）穿过若干刚性连接件（4）并与其刚性连接，刚性连接件（4）上的圆孔套在气囊的最小直径位置将三个柔性高伸缩率气囊连接在一起，三个柔性高伸缩率气囊的两端均分别与第一圆盘（6）、第二圆盘（7）相连接,器械通道（8）位于刚性连接件（4）的中心处，进气口（9）和导气管通道（10）均布置在第二圆盘（7）上；多节可变刚度柔性单元均通过第一圆盘（6）和第二圆盘（7）串接在一起。
2.根据权利要求1所述的可变刚度的内镜手术器械外护套，其特征在于，所述刚性丝（5）为不可伸缩刚性丝，所述三个柔性高伸缩率气囊纵截面均为S型弯曲形状。
3.根据权利要求2所述的可变刚度的内镜手术器械外护套，其特征在于，所述第一柔性高伸缩率气囊（1）、第二柔性高伸缩率气囊（2）、第三柔性高伸缩率气囊（3）沿刚性丝（5）呈圆周对称排列。
4.根据权利要求3所述的可变刚度的内镜手术器械外护套，其特征在于，所述第一柔性高伸缩率气囊（1）、第二柔性高伸缩率气囊（2）、第三柔性高伸缩率气囊（3）均通过气动方式驱动。
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