用于单孔手术器械的刚度可控关节蛇形机构的制作方法

本发明涉及一种微创手术器械关节机构，特别涉及一种用于单孔手术器械的刚度可控关节。

背景技术：

随着科学技术的发展，现代医学领域已进入了微创外科时代。虽然，早年已有人提出了经人体自然腔道的内窥镜手术(natural orificetrans-luminal endoscopic surgery,NOTES)的无创外科手术，但是由于该技术难度高，且需要在一个狭长的空间进行夹持缝合等手术操作，且操作精度无法满足医生的需求，因而该技术在临床上并未得到广泛的应用。而被称为过渡技术的单孔手术，因其美容效果较一般微创手术技术更好，且技术相对成熟，反而得到了广泛的应用。

单孔手术是指在一个15mm-40mm的小切口上置入多个穿刺器或多孔道穿刺器，再置入手术器械进行手术操作。在现有的单孔手术操作中，由于器械多为硬杆工具且都由一个通道进入，容易产生“筷子效应”而导致器械在体内碰撞，影响手术时间和手术质量。虽然以Da Vinci(专利号US 8771180 B2)和Titan(专利号US 20110230894 A1)为代表的单孔机器人手术系统利用蛇形结构解决了这一问题，但同时带来了器械刚性下降，提升力不足的问题。而本专利提出的用于单孔器械的蛇形刚度可控关节机构，不仅能解决原有的器械碰撞问题，更能通过刚度的控制，以弥补蛇形柔性机构引入带来的提升力不足的问题，对单孔机器人手术的发展具有重要意义。

技术实现要素：

本发明目的在于克服已有技术的不足，提供一种既避免了器械因单孔手术空间而导致的碰撞问题并且器械刚性好的用于单孔手术器械的刚度可控关节蛇形机构。

本发明通过以下技术手段实现上述目的：

本发明的用于单孔手术器械的刚度可控关节蛇形机构，它包括弹性支撑架，在所述的弹性支撑架上盘绕有能量交换装置，在所述的能量交换装置上从内到外依次套有蛇形骨架和绝缘隔热套，液态金属填充在弹性支撑架、能量交换装置和蛇形骨架之间的空隙，所述的能量交换装置与外部能量控制源相连以通过传导的方式实现能量交换装置自身温度的变化,所述的弹性支撑架和蛇形骨架由弹性材料制成，在所述的蛇形骨架上开有用于穿过控制蛇形骨架的左右偏转自由度和上下偏转自由度的驱动丝的丝孔道。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1.本发明的用于单孔手术器械的刚度可控关节蛇形机构首次将刚度可控关节引入手术器械中，填补了单孔手术器械在该方面空白。

2.本发明的用于单孔手术器械的刚度可控关节蛇形机构可更有效的避免工具在手术操作时的碰撞问题。

3.本发明的用于单孔手术器械的刚度可控关节蛇形机构由于刚度的可控性可以实现蛇形骨架结构从刚态到柔态的0-1变化，使得手术操作更加精确和灵活。

4.本发明的用于单孔手术器械的刚度可控关节蛇形机构通过液态金属的相变控制刚度，在保持灵活性的同时使其具有了更大的提升力。

5.本发明的用于单孔手术器械的刚度可控关节蛇形机构虽然是针对单孔手术器械设计，但该关节机构具有较高的可移植性，也可直接用于其他手术工具中，具有向其它医疗领域扩展的潜力。

附图说明

图1为本发明用于单孔手术器械的刚度可控关节蛇形机构整体结构示意图；

图2为本发明用于单孔手术器械的刚度可控关节蛇形机构整体结构爆炸示意图；

图3为本发明用于单孔手术器械的刚度可控关节蛇形机构水热交换工作方式原理示意图；

图4为本发明用于单孔手术器械的刚度可控关节蛇形机构电热交换工作方式原理示意图；

图5为本发明用于单孔手术器械的刚度可控关节蛇形机构刚性工作状态示意图；

图6为本发明用于单孔手术器械的刚度可控关节蛇形机构柔性工作状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

图1为本发明的用于单孔手术器械的刚度可控关节蛇形机构示意图，刚度可控单孔手术器械包括钳头组件1-1及刚度可控蛇形关节机构1-2两部分，本发明的用于单孔手术器械的刚度可控关节蛇形机构1-2通过粘接或者紧配合方式与钳头组件1-1连接。

本发明的用于单孔手术器械的刚度可控关节蛇形机构具有两种刚度驱动方法，分别水热能量交换法和电热能量交换法。

如附图所示的本发明的用于单孔手术器械的刚度可控关节蛇形机构，它包括弹性支撑架2-5，在所述的弹性支撑架2-5上盘绕有能量交换装置2-4，在所述的能量交换装置2-4上从内到外依次套有蛇形骨架2-2和绝缘隔热套2-1，液态金属2-3填充在弹性支撑架2-5、能量交换装置2-4和蛇形骨架2-2之间的空隙，所述的能量交换装置2-4与外部能量控制源相连以通过传导的方式实现能量交换装置自身温度的变化。作为本发明的一种实施方式所述的蛇形骨架2-2包括多个单元关节，相邻的两个单元关节之间采用型锁合的方式连接在一起以使蛇形骨架中的每一个单元关节连接在一起。当然也可以采用其他形式的蛇形骨架2-2。如专利CN104490477A中公开的结构。所述的液态金属2-3可以采用镓铟铋铜的合金，也可以采用镓铟合金，两种材料均可在市场购得。这样该金属在室温下能够自然固化或者通过能量交换装置进行散热实现固化，通过能量交换装置加热时能够液化。

所述的绝缘隔热套2-1将蛇形骨架2-2包裹起来，形成图2的形式。

同时在所述的蛇形骨架2-2上设置有驱动丝的丝孔道，驱动丝穿过丝孔道，固定在钳头组件1-1上，驱动丝用于控制蛇形骨架2-2的左右偏转自由度和上下偏转自由度。驱动丝所述的驱动丝的设置方式可以采用现有的结构，如中国专利201510665781.0和201510669801.1公开的结构。

所述的弹性支撑架2-5和蛇形骨架2-2由弹性材料制成，采用的弹性材料可以为弹性橡胶或者其它具有弹性的有机聚合物。

本发明的刚度可控关节蛇形机构采用水热交换工作原理如图3所示。当没有进行热能交换时，液态金属处于固相状态，将蛇形骨架2-2完全锁死，使其失去了左右偏转自由度R1和上下偏转自由度R2，此时蛇形机构为刚性工作状态。所述的能量交换装置采用双螺旋能量交换管，所述的外部能量控制源采用热源,所述的双螺旋能量交换管的进口通过装有双路蠕动泵的注入通道3-6与热源相连，所述的双螺旋能量交换管的出水口通过回路管道3-3与储存罐3-4相连。当进行热能交换时，蠕动泵3-5将热源3-7中的热水从注入通道3-6中引入双螺旋能量交换管中，使热能充分的被液态金属2-3吸收，将热流引入双螺旋能量交换管中对液态金属进行相变控制，之后从回路管道3-3至储存罐3-4，通过热交换后液态金属2-3液相化，解开锁死的R1和R2偏转自由度，工具变为柔态，通过控制驱动丝3-2可使其达到如图5所示的工作状态。值得注意的是，如果在柔性状态下将蛇形骨架2-2运动至图5中5-1处所示的位置后，再进行刚度提升控制，则可以保证蛇骨以刚性状态维持在图5中5-1处所示的位置，这样就达到了蛇形骨架2-2在任意状态下的刚度可控，使其不仅具有了很高的灵活性同时弥补柔性关节提升力不足的问题。

所述的刚度可控关节蛇形机构电热交换工作原理如图4所示。所述的能量交换装置采用双螺旋电阻丝4-2，所述的外部能量控制源采用电源，所述的双螺旋电阻丝4-2通过正电极4-3和负电极4-4与电源相连产生热量，液态金属2-3吸热后液相化，解开锁死的R1和R2偏转自由度，呈柔性状态，达到刚度可控。

图5为本发明刚度可控关节蛇形机构的一种使用安装方法。刚度可控关节蛇形机构整体结构1-2布置在变刚度单孔器械的前部，5-2为普通蛇形机构。所述的刚度可控关节蛇形机构整体结构1-2通过紧配合或者粘接或者卡槽的方式与普通蛇形机构5-2连接从而组装成为完整的变刚度单孔手术工具。

图6为本发明的刚度可控关节蛇形机构在单孔机器人整体上的应用示意图。刚度可控关节蛇形机构应用在变刚度单孔器械6-4的前部，变刚度单孔器械6-4在柔性状态下展开为工作态，并根据手术需要，单孔器械可以在刚态-柔态两种状态下切换。6-1为人体体表，6-2为内窥镜，6-3为病变组织。