一种多自由度宫颈成像设备

本发明属于医疗器械的技术领域，尤其涉及一种多自由度宫颈成像设备。

背景技术：

目前，在利用硬管式内窥镜进行宫颈疾病检查过程中约20％的受检者会感到明显的痛苦和不适感。并且，当镜体对宫颈壁的接触压力超过一定的阈值时，甚至会造成宫颈壁“穿孔”，导致严重后果。宫颈内窥镜诊疗中，“穿孔”发生的比例为0.2％，对做过息肉切除术的病人来说，这一比例高达2％，同时由于宫颈三维形状复杂，仅凭手感把内窥镜顺利插入到宫颈深处并非易事，如果需要有效插入的镜体很长，传统内窥镜系统将很难到达目标位置实施有效的操作。即使是经过专业训练的医务人员把内窥镜成功插到宫颈远端(卵巢部)的概率也仅为85-90％。因此，目前的宫颈内窥镜检查和手术主要在技术水平较高的大、中型医院中进行，对医护人员的操作水平也有着严格的要求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种多自由度宫颈成像设备，提高内窥镜检查的成功率。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种多自由度宫颈成像设备，其特征在于，包括顺次连接的多个关节段、爬行段、内窥镜段和驱动装置，所述关节段由数个关节依次铰接连接制成，外套设柔性套管，所述爬行段由多个蠕动单元通过波纹套管顺次连接组成，所述内窥镜段包括外壳体、内窥镜和清洗机构，所述外壳体与爬行段的端头相连，所述内窥镜安设于外壳体的外侧开口处，所述清洗机构安设于外壳体内部，用以清洗内窥镜，所述驱动装置包括驱动盒和多组驱动组件，所述驱动盒与位于头部的关节段的相连，每组所述驱动组件对应一个关节段，多个关节段、爬行段、内窥镜段的内腔贯通，形成贯通孔，所述贯通孔内穿设导线管。

按上述方案，所述关节为圆管结构，外圆周面上均匀间隔设有四块铰接板，所述铰接板的端头设有铰接孔，相邻的两块铰接板的铰接孔朝向相反设置，关节内圆周面上对应于铰接板的位置沿轴向设有线孔。

按上述方案，每组所述驱动组件包括两组驱动电机、线辊、张紧辊、电磁制动器，所述驱动电机与所述线辊相连，所述电磁制动器与所述张紧辊相连，线辊上闭环缠绕钢丝，所述钢丝的两个自由端分别经过张紧辊后，依次穿过同一所述关节段中多个关节上相错90°的两排所述线孔。

按上述方案，所述蠕动单元包括内外套设的蠕动套管、致动器铁芯、致动器线圈、致动器磁铁和背铁，所述背铁为金属圆管结构，所述制动器磁铁沿周向均匀间隔嵌设于背铁外圆周面上，所述致动器铁芯为硅钢片叠压而成的圆环结构，内圆周面上开定位槽，所述定位槽内安装所述致动器线圈，致动器铁芯的内侧端设有轴承端盖，所述轴承端盖上设有轴承座，用以安设直线轴承，所述直线轴承与背铁相连。

按上述方案，所述相邻的两个蠕动单元的蠕动套管之间通过所述波纹套管相连，与所述关节段相连的蠕动单元的蠕动套管上设有铰接板，所述轴承端盖及致动器铁芯之间设有弹簧，位于头部的背铁的内侧端设有半圆凹槽，位于中间段的背铁一端设有半圆凸台另一端设有半圆凹槽，位于尾部的背铁的外侧端设有半圆凸台，半圆凸台与半圆凹槽相配置转动连接。

按上述方案，所述清洗机构包括水管、水阀和喷嘴，所述水管穿设于所述导线管内，所述水阀安设于水管上，所述喷嘴与水管相连通，喷嘴安设于所述外壳体内壁上，对应于所述内窥镜设置。

按上述方案，所述柔性套管外套设两组压力传感器，所述压力传感器包括金属环和应变片，所述金属环由点连接的内、外环组成，所述应变片为两片，对称安设于所述外环上点连接处的两侧，两组传感器的应变片相错90°。

按上述方案，所述关节段为四段，每段关节段包括六个关节，相邻两个关节的转动角度为15°，位于尾部的关节相对于位于头部的关节的弯曲角度为90°。

按上述方案，所述喷嘴为三个，沿周向均匀间隔布设，所述内窥镜与外壳体的连接处设有密封圈。

按上述方案，所述多个关节段外包覆金属网，所述金属网外套设所述柔性套管，柔性套管由硅胶或弹性树脂制成。

本发明的有益效果是：提供一种多自由度宫颈成像设备，相比于传统的硬管是内窥系统而言，本发明设计的机构能够进行8自由度的弯曲扭转，不同部位关节段的弯曲度可以进行单独控制，这样能够避免设备在宫颈内运动时对宫颈壁造成的损伤；泪腺式清洗机构能够借助设备的蠕动力对内窥镜表面进行清洁，配合喷头喷出的高压水能够保证设备在运行的过程中始终能够提供给操作手清晰的视野；绳线驱动方式是将电机至于机器人本体之外，利用绳线传递运动，这种远程驱动方式在机器人本体内所占体积小、不存在发热的现象，不会对宫颈造成烫伤，大大提高安全性。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构示意图。

图2为本发明一个实施例的关节段的结构示意图。

图3为本发明一个实施例的关节的结构示意图。

图4为本发明一个实施例的传感器的安装示意图。

图5为本发明一个实施例的传感器的结构示意图。

图6为本发明一个实施例的爬行段和内窥镜段的剖视图。

图7为本发明一个实施例的爬行段的蠕动状态图。

图8为本发明一个实施例的驱动组件的示意图。

图9a、9b、9c、9d为本发明一个实施例的蠕动过程示意图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1-2所示，一种多自由度宫颈成像设备，包括顺次连接的多个关节段1、爬行段2、内窥镜段3和驱动装置4，关节段由数个关节5依次铰接连接制成，外套设柔性套管6，爬行段由多个蠕动单元通过波纹套管7顺次连接组成，内窥镜段包括外壳体8、内窥镜9和清洗机构，外壳体与爬行段的端头相连，内窥镜安设于外壳体的外侧开口处，清洗机构安设于外壳体内部，用以清洗内窥镜，驱动装置包括驱动盒和多组驱动组件，驱动盒与位于头部的关节段的相连，每组驱动组件对应一个关节段，多个关节段、爬行段、内窥镜段的内腔贯通，形成贯通孔，内穿设导线管10，电线、光纤可从导线管通过。

清洗机构包括水管11、水阀12和喷嘴13，水管穿设于导线管内，水阀安设于水管上，喷嘴与水管相连通，喷嘴安设于外壳体内壁上，对应于内窥镜设置。喷嘴为三个，沿周向均匀间隔布设，内窥镜与外壳体的连接处设有密封圈14。

内窥镜摄像头的水平视角为120°，喷嘴出口与镜片的竖直距离为13mm，为了不影响摄像头的工作视野，通过计算，必须使喷嘴出口到中心轴线的距离大于40mm，另外喷嘴的长度为20mm。考虑各种空间的限制，确定外壳体的最小半径应为70mm。由于喷嘴出口位置与镜片的竖直距离为13mm，喷嘴出口位置距中心轴线的距离最小为40mm，为了保证清洗的范围，喷嘴与被清洗表面之间的夹角有一范围限制，为13°-30°，初选为15°。

如图3所示，关节为圆管结构，外圆周面上均匀间隔设有四块铰接板15，铰接板的端头设有铰接孔16，相邻的两块铰接板的铰接孔朝向相反设置，关节内圆周面上对应于铰接板的位置沿轴向设有线孔17。

如图8所示，每组驱动组件包括两组驱动电机18、线辊19、张紧辊20、电磁制动器21，驱动电机与线辊相连，电磁制动器与张紧辊相连，线辊上闭环缠绕钢丝22，钢丝的两个自由端分别经过张紧辊后，依次穿过同一关节段中多个关节上相错90°的两排线孔。

如图6-7所示，蠕动单元包括内外套设的蠕动套管23、致动器铁芯24、致动器线圈25、致动器磁铁26和背铁27，背铁为金属圆管结构，制动器磁铁沿周向均匀间隔嵌设于背铁外圆周面上，致动器铁芯为硅钢片叠压而成的圆环结构，内圆周面上开定位槽，定位槽内安装致动器线圈，致动器铁芯的内侧端设有轴承端盖28，轴承端盖上设有轴承座，用以安设直线轴承29，直线轴承与背铁相连。

线圈和永磁体构成的电磁耦合系统，致动器磁铁为八块，嵌在背铁呈正八边形，极化方向和背铁轴线垂直，近似于全径向磁化的管状磁铁。磁力线经背铁、轴承端盖、致动器铁芯，垂直穿过线圈后闭合。通电时，蠕动套管内的致动器线圈在电磁力的推动下依次沿背铁向一端滑动，最后背铁沿着线圈的轴线方向移动，爬行段完成一个步距的前进动作。

相邻的两个蠕动单元的蠕动套管之间通过波纹套管相连，与关节段相连的蠕动单元的蠕动套管上设有铰接板，轴承端盖及致动器铁芯之间设有弹簧30，位于头部的背铁的内侧端设有半圆凹槽31，位于中间段的背铁一端设有半圆凸台32另一端设有半圆凹槽，位于尾部的背铁的外侧端设有半圆凸台，半圆凸台与半圆凹槽相配置转动连接。

爬行段的驱动是基于蚯蚓蠕动式仿生原理，依靠运动单元间的摩擦力差而致动，避免爬行段外壁和肠道内壁的挤压，以达到不损坏肠道内壁粘膜的目的。如图9a-9d所示，爬行段包括头端和三个蠕动单元，整个机构每前进一步，在初始时刻，爬行段处于全缩状态；在一阶段，第一蠕动单元上电使第一蠕动套管动作使该单元体前进；在二阶段，第二、第三蠕动单元分别上电，使第二蠕动套管1和第三蠕动套管分别前进；在四阶段，三个蠕动单元同时动作，使整个内窥镜机器人前进一步后，爬行段恢复至初始状态。

如图4-5所示，柔性套管外套设两组压力传感器33，压力传感器包括金属环和应变片34，金属环由点连接的内环35、外环36组成，应变片为两片，对称安设于外环上点连接处的两侧，两组传感器的应变片相错90°。当传感器受到外力的作用时，内环由于固定安装，其形状不发生变化，外环由于力的作用，发生变形，从而使粘贴在外环外表面的电阻应变片电阻值发生改变，通过测量电阻值的变化可以获得所受接触压力的大小。

当所需测量的压力为一维压力时，此时可以将一维压力的作用点置于压力传感器的90度或270度方向，此时两电阻应变片分别产生拉伸或压缩变形，随着压力值的变化，电压也将线性改变，从而实现对一维压力的方向判定和压力大小的测量。然而当所需测量的压力为二维压力时，此时压力作用点可能出现在压力传感器的圆周任意方向，当作用点位于内外环连接处时，由于此处具有较大的刚度，传感器外环产生的变形将约等于零，无法利用电阻应变片测得所施加压力的大小。由于设备是在一般性宫颈环境下运动时，与人体宫颈壁的接触压力将为二维作用力，因此依靠单个压力传感器将无法精确获得作用力的大小和方向。考虑到设备与宫颈壁的接触为面接触，而所设计的压力传感器在长度方向的尺寸比较小，故可以利用两个压力传感器构的组合结构，实现对二维压力的测量。其中，每个压力传感器在关节段的圆周方向相错90度、长度方向相隔0.5mm固定。该压力传感器组合结构的外径与单个压力传感器的外径相同。当关节段与宫颈壁存在接触压力时，由于其接触压力为面接触，因此两个压力传感器均可受到接触压力的作用，可以相互独立测量各自所受压力的大小。

关节段为四段，每段关节段包括六个关节，相邻两个关节的转动角度为15°，位于尾部的关节相对于位于头部的关节的弯曲角度为90°。每一个关节段用一进一出的两根钢丝控制自身两个方向的自由度，四个关节段串联后，所有奇数关节段各驱动钢丝绳在圆周方向的布局相同，而与偶数关节段的各驱动钢丝绳在圆周方向相差45°，同时，每一个关节段的两端钢丝分别缠绕在两个线辊上，两个线辊由两套电机独立控制。这样通过对各关节段驱动绳索长度的协调控制，可使采用多关节段连续体型结构的内窥镜机器人实现八自由度弯曲运动。线辊电机在驱动盒内分前后两层布局，两层之间存在着一定的高度差，从而使各驱动线相互之间不会干涉。

多个关节段外包覆金属网，增加机器人关节段弯曲刚度和提高机器人关节段总体形状保持能力的作用，金属网外套设柔性套管，柔性套管由硅胶或弹性树脂制成，以实现密封，并进一步提高弯曲刚度。

应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管该具体实施方式部分对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。