力反馈穿刺针及力反馈穿刺设备的制作方法

1.本技术涉及医疗设备技术领域，具体而言，涉及一种力反馈穿刺针及力反馈穿刺设备。


背景技术：

2.穿刺针是在微创手术中对肾脏、肝脏、肺、乳腺、甲状腺、前列腺、胰腺、睾丸、子宫、卵巢、体表等多种器官的组织取样和注射治疗的医疗器械。目前在穿刺治疗中常使用机械臂进行远程控制，使用人员在操作端控制多自由度的操作器来控制机械臂同步动作，并带动位于机械臂末端执行器的穿刺针进行对应动作的穿刺。
3.由于采用机械臂执行穿刺操作，导致在穿刺过程中使用人员无法直接感受到穿刺针受到的阻力和压力，影响穿刺效果。


技术实现要素：

4.本技术的主要目的在于提供一种力反馈穿刺针及力反馈穿刺设备，以解决相关技术中在执行穿刺操作时，穿刺针无法将穿刺过程中受到的力反馈给操作端的问题。
5.为了实现上述目的，本技术提供了一种力反馈穿刺针，该力反馈穿刺针包括：
6.针体，所述针体的内部呈中空设置，所述针体的内侧具有导电部；
7.电极芯，套设在所述针体内；
8.第一绝缘层，设于所述针体内并位于所述电极芯与所述导电部之间，以使所述电极芯与所述导电部之间绝缘，所述电极芯与所述导电部之间具有电容间隙；
9.所述导电部和所述电极芯均用于与电容检测模块电性连接，可将因所述针体受压形变导致所述电容间隙变化而产生的电容变化传输给电容检测模块。
10.进一步的，电极芯的第一端朝向所述针体的针尖部延伸，并贴近所述针体的针尖部；
11.所述电极芯的第一端设置为增粗尖端，所述增粗尖端的直径大于所述电极芯的其余部分，以使所述增粗尖端与所述导电部之间的电容间隙小于其余部分与所述导电部之间的所述电容间隙。
12.进一步的，增粗尖端设置为球形。
13.进一步的，针体内设置有第二绝缘层，所述导电部为固设于所述第二绝缘层内表面的电极片；
14.所述导电部与所述针体之间绝缘，所述电极片与所述电极芯之间形成所述电容间隙；
15.所述电极片和所述电极芯均用于与电容检测模块电性连接，可将所述针体受压形变时产生的电容变化传输给电容检测模块。
16.进一步的，电极片设置为多个，多个所述电极片沿所述电极芯的周向均匀分布在所述第二绝缘层的内侧。
17.进一步的，电极片设置为四个或六个或八个。
18.进一步的，电极片设置为弧形片，所述电极片的长度与所述针体的中空部长度相同。
19.进一步的，第一绝缘层为套设在所述电极芯上的第一绝缘套，所述第二绝缘层为套设在所述针体内的第二绝缘套。
20.根据本技术的另一方面，提供一种力反馈穿刺设备，该力反馈穿刺设备包括：力反馈穿刺针和电容检测模块；
21.所述电容检测模块包括电容检测单元、控制单元、标定单元和力反馈输出单元；
22.所述电容检测单元与所述电极芯和所述导电部电性连接，用于监测所述针体在受压形变时，所述导电部在形变处与所述电极芯之间的电容变化值；
23.所述标定单元用于标定针体在不同受压条件下产生的电容变化值以及与电容变化值对应的力反馈值；
24.所述控制单元与所述电容检测单元和所述标定单元电性连接，用于接收所述电容检测单元获取的电容变化值，并根据所述电容变化值从所述标定单元中获取对应的力反馈值；
25.所述力反馈输出单元与所述控制单元电性连接，用于接收所述力反馈值并控制操作端输出对应的力反馈。
26.进一步的，还包括频率计量电路；
27.所述电容检测单元设置为电容振荡电路，所述电容振荡电路与所述电极芯和所述导电部电性连接，用于监测所述针体在受压形变时，所述导电部在形变处与所述电极芯之间因电容变化而产生的脉冲信号；
28.所述频率计量电路与所述电容检测单元连接，用于接收所述脉冲信号并根据所述脉冲信号生成脉冲频率值；
29.所述标定单元用于标定针体在不同受压条件下因电容变化而产生的脉冲频率值以及与脉冲频率值对应的力反馈值；
30.所述控制单元与所述频率计量电路和所述标定单元电性连接，用于接收所述频率计量电路生成的脉冲频率值，并根据所述脉冲频率值从所述标定单元中获取对应的力反馈值；
31.所述力反馈输出单元与所述控制单元电性连接，用于接收所述力反馈值并控制操作端输出对应的力反馈。
32.在本技术实施例中，通过设置针体，所述针体的内部呈中空设置，所述针体的内侧具有导电部；电极芯，套设在所述针体内；第一绝缘层，设于所述针体内并位于所述电极芯与所述导电部之间，以使所述电极芯与所述导电部之间绝缘，所述电极芯与所述导电部之间具有电容间隙；所述导电部和所述电极芯均用于与电容检测模块电性连接，可将所述针体受压形变时产生的电容变化传输给电容检测模块，达到了由导电部和电极芯在针体内形成双极板电容结构，在穿刺过程中，由于针体遇阻力作用造成针体形变弯曲，导致电极芯与导电部之间的电容间隙变化，由电容检测模块监测电容变化，反映针体受力情况的目的，从而实现了在穿刺过程中将针体的受力变化转化为电容变化，根据电容变化进行力反馈输出的技术效果，进而解决了相关技术中在执行穿刺操作时，穿刺针无法将穿刺过程中受到的
力反馈给操作端的问题。
33.该针设计利用自身针内腔体结构，高效的实现了穿刺针的受力测量，无需引入其他额外部件，仅通过金属和绝缘结构即可实现，外电极易于等电位连接，抗干扰能力强，电容结构在金属壳体包围内，不受被穿刺组织液体等侵袭，结构稳定、安全可靠，力反馈灵敏度高，力反馈信号连续，信号连接线简洁，增加电极芯尖端球形设计后，极大增加了针尖部的灵敏度，同时也可以根据针体具体部位的灵敏度需求，改变电极芯球形结构的位置，达到某一针体位置具有最高灵敏度，同时，增加了多外电极结构后，实现了针体受力方向的测量，具有矢量力反馈测量能力，通过对不同方向的外电极和电极芯之间的电容测量，将其信号分解解析，可以实现针体受力方向、姿态的测量和分析。
附图说明
34.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，使得本技术的其它特征、目的和优点变得更明显。本技术的示意性实施例附图及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
35.图1是根据本技术一实施例的结构示意图；
36.图2是根据本技术一实施例中针体形变的结构示意图；
37.图3是根据本技术另一实施例的结构示意图；
38.图4是根据本技术另一实施例中针体形变的结构示意图；
39.图5是根据本技术另一实施例的结构示意图；
40.图6是根据本技术另一实施例中针体形变的结构示意图；
41.图7是图5中的a-a的剖视结构示意图；
42.图8是图6中的b-b的剖视结构示意图；
43.图9是根据本技术另一实施例中针体形变的剖视结构示意图；
44.图10是根据本技术另一实施例中电极片的剖视结构示意图；
45.图11是根据本技术中电容力反馈穿刺设备的结构示意图；
46.图12是根据本技术中电容检测模块的结构示意图；
47.其中，1电极芯，101增粗尖端，2第一绝缘层，3针体，301针尖部，4电容间隙，5导电部，501电极片，6电极导线，7第二绝缘层，8电容检测模块，81力反馈输出单元，82标定单元，83控制单元，84频率计量电路，85电容检测单元，851电容振荡电路。
具体实施方式
48.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
49.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例。
50.在本技术中，术语“上”、“下”、“内”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本技术及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
51.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。
52.此外，术语“设置”、“设有”、“连接”、“固定”等应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
53.另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
54.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
55.在穿刺治疗中常使用机械臂进行远程控制，使用人员在操作端控制多自由度的操作器来控制机械臂同步动作，并带动位于机械臂末端执行器的穿刺针进行对应动作的穿刺。
56.由于采用机械臂执行穿刺操作，导致在穿刺过程中使用人员无法直接感受到穿刺针受到的阻力和压力，影响穿刺效果。
57.为此，如图1至图2所示，本技术实施例提供了一种力反馈穿刺针，该力反馈穿刺针包括：
58.针体3，针体3的内部呈中空设置，针体3的内侧具有导电部5；
59.电极芯1，套设在针体3内；
60.第一绝缘层2，设于针体3内并位于电极芯1与导电部5之间，以使电极芯1与导电部5之间绝缘，电极芯1与导电部5之间具有电容间隙4；
61.导电部5和电极芯1均用于与电容检测模块8电性连接，可将因针体3受压形变导致电容间隙4变化而产生的电容变化传输给电容检测模块8。
62.本实施例中，该力反馈穿刺针主要由针体3、电极芯1和第一绝缘层2三部分组成，其中针体3为空心针体，其内部形成圆柱形的中空腔体。电极芯1套设在针体3内并位于该中空腔体中。在针体3的内侧设置有导电部5，导电部5可为针体3本身的部分结构，也可为单独设置在针体3内的导电结构。当针体3为导电材料，如不锈钢制成时，其本身即可形成导电部5。
63.由于需要形成双电极的电容结构，因此需要保持电极芯1与导电部5之间绝缘布置，因此本实施例中在针体3内还设置有第一绝缘层2，第一绝缘层2可固定在针体3内侧，也可固定在电极芯1的表面。本实施例中以第一绝缘层2套设在电极芯1的表面进行说明。电极芯1与导电部5之间具有一定的间隙，该间隙即用于形成电容的电容间隙4。在针体3未受压力时，电极芯1与针体3同轴线布置，即电极芯1与导电部5在周向上的间隙保持相同(如图1所示)。由于导电部5固定在针体3的内侧，因此当针体3受压形变时导电部5也会随之形变，而电极芯1由于不与针体3在穿刺过程中会形变的部分直接接触，因此针体3的形变不影响电极芯1，即在针体3和导电部5发生形变时，电极芯1与导电部5之间的间隙将会产生变化
(如图2所示)。当电容间隙4为最大值时，电极芯1与导电部5之间的电容最小，当电容间隙4变小时，电极芯1与导电部5之间的电容则随之增大。
64.在使用时，为便于检测该电容变化，本实施例中导电部5连接有一根电极导线6，电极芯1的一端也延伸出针体3并连接有一根电极导线6，两个电极导线6连接在电容检测模块8上。由电容检测模块8来监测穿刺过程中电极芯1与导电部5之间的电容变化，而该电容变化是由针体3在穿刺过程中受阻形变产生的，因此在获取电容变化后根据预先标定的电容变化与力的关系确定当前电容变化对应的输出力的大小。操作端可获取该输出力的大小后即可向使用人员施加对应大小的力反馈。
65.本实施例达到了由导电部5和电极芯1在针体3内形成双极板电容结构，在穿刺过程中，由于针体3遇阻力作用造成针体3形变弯曲，导致电极芯1与导电部5之间的电容间隙4变化(如图2所示)，由电容检测模块8监测电容变化，反映针体3受力情况的目的，从而实现了在穿刺过程中将针体3的受力变化转化为电容变化，根据电容变化进行力反馈输出的技术效果，进而解决了相关技术中在执行穿刺操作时，穿刺针无法将穿刺过程中受到的力反馈给操作端的问题。
66.由于本实施例中对于针体3受压形变信号的发出由针体3内部的导电部5和电极芯1来实现，相当于其他的监测手段而言，该方式可使得整个设备的体积更小，监测结果更为准确。同时在执行穿刺的机械臂上可无需在设置力反馈的结构(例如施加反馈作用力的电机等)，可直接根据针体3内电容变化情况来控制操作端输出力反馈，使得整个设备的成本得到极大的减少，也提高了监测的灵敏度。
67.为使穿刺针的整体结构为封闭结构，针体3远离针尖部301的一端具有堵头结构，布置有第一绝缘层2的电极芯1穿过该堵头结构，并且在与堵头结构的连接处密封布置。
68.在实际穿刺过程中，穿刺针的针尖部301受阻带来的力反馈尤为重要，因此本实施例中对电极芯1进行进一步改进，提高与针体3的针尖部301对应位置的反映灵敏度。
69.为提高与针体3的针尖部301对应部分的力反馈灵敏度，便需要提高该部分电容变化值的监测灵敏度。因此，如图3至图4所示，本实施例中电极芯1的第一端朝向针体3的针尖部301延伸，并贴近针体3的针尖部301；电极芯1的第一端设置为增粗尖端101，增粗尖端101的直径大于电极芯1的其余部分，以使增粗尖端101与导电部5之间的电容间隙4小于其余部分与导电部5之间的电容间隙4。
70.具体的，需要说明的是，本实施例将顺直的电极芯1改进为端部为直径增加的增粗尖端101结构，并且第一绝缘层2表面与导电部5之间的间隙保持不变。由于电极芯1该部分的直径增加，因此该部分与导电部5之间的间距随之减小，即电容间隙4减小(如图3和图4所示)。使得对于针体3的针尖部301受压形变时带来的电容变化检测更为灵敏，便于强化针尖部301受力的检测效果。
71.可以理解的是，电极芯1上设置增粗尖端101的目的在于减小与针体3的针尖部301之间的间距，即减小电容间隙4，因此增粗尖端101具有多种设置方式。例如，如图3所示，增粗尖端101设置为球形、锥形、圆柱形或圆台形等等。在本实施例中优选为设置成球形。
72.由于针体3内的导电部5覆盖在针体3的整个周向上，因此针体3任意一处受压形变时均会产生对应的电容变化，导致使用人员无法准确的判断针体3产生形变的具体方向。为此，本实施例对针体3内的导电部5进行进一步的改进。具体如下：
73.如图5至图8所示，本实施例中针体3内设置有第二绝缘层7，导电部5为固设于第二绝缘层7内表面的电极片501；
74.导电部5与针体3之间绝缘，电极片501与第一绝缘层2之间形成电容间隙4；
75.电极片501和电极芯1均用于与电容检测模块8电性连接，可将针体受压形变时产生的电容变化传输给电容检测模块8。
76.具体的，需要说明的是，本实施例中将导电部5设置为安装在针体3内的电极片501，电极片501与针体3之间通过第二绝缘层7进行绝缘设置。在本实施例中针体3本身不再作为双电极板的一部分结构，而采用电极片501作为双电极板的一部分结构。电极片501与电极芯1之间具有一定的间距，以形成该电容间隙4，由电极片501和位于针体3内的电极芯1组成双电极板结构。因此，本实施例中电极片501和电极芯1通过导线与电容检测模块8电性连接，由电容检测模块8检测在针体3受压形变时电极片501与电极芯1之间的电容变化。
77.由于电极片501分布在针体3的部分位置，因此只有当针体3与电极片501对应的位置产生形变时才会导致电极片501与电极芯1之间的电容间隙4产生变化，进而才会导致电容检测模块8检测到电容变化，继而才可通过该电容变化实现力反馈的输出。因此，本实施例中电极片501设置为多个，多个电极片501沿电极芯1的周向均匀分布在第二绝缘层7的内侧。通过标定电极片501的位置，使得在穿刺过程中个可根据具体电极片501输出的信号获取针体3受压形变的方向，便于更好的实现力反馈的输出。
78.更为具体的，如图7至10所示，本实施例中电极片501设置为四个或六个或八个，当设置为四个时可获取正交分解为四个方向引起的电容变化值，当设置为六个或八个时则可获取更多方向上的电容变化值。通过电极片501的设置可形成四维(或多维)电容力反馈测量。
79.如图8所示，该结构表示针体3的下方发生形变，针体3下方与电极芯1的电容间隙4减小，如图9所示，该结构表示针体3的右侧发生形变，针体3右侧与电极芯1的电容间隙4减小。
80.为提高电极片501与针体3内表面的贴合度，以使针体3的形变和电极片501的形变统一，本实施例中电极片501设置为弧形片，电极片501的长度与针体3的中空部长度相同。
81.如图7所示，第一绝缘层2为套设在电极芯1上的第一绝缘套，第二绝缘层7为套设在针体3内的第二绝缘套，第一绝缘套和第二绝缘套均可采用绝缘材料制成或者为涂设在电极芯1表面或针体3内表面的绝缘涂层。
82.当该力反馈穿刺针在安装在穿刺设备上进行使用时，需要配合连接电容检测装置和根据电容变化情况输出对应力反馈的力输出装置，因此本实施例中对该穿刺设备进行具体的陈述：
83.如图11所示，根据本技术的另一方面，提供一种力反馈穿刺设备，该力反馈穿刺设备包括：力反馈穿刺针和电容检测模块8；
84.电容检测模块8包括电容检测单元85、控制单元83、标定单元82和力反馈输出单元；
85.电容检测单元85与电极芯1和导电部5电性连接，用于监测针体3在受压形变时，导电部在形变处与电极芯1之间的电容变化值；
86.标定单元82用于标定针体3在不同受压条件下产生的电容变化值以及与电容变化
值对应的力反馈值；
87.控制单元83与电容检测单元85和标定单元82电性连接，用于接收电容检测单元获取的电容变化值，并根据电容变化值从标定单元82中获取对应的力反馈值；
88.力反馈输出单元81与控制单元83电性连接，用于接收力反馈值并控制操作端输出对应的力反馈。
89.在本实施例中，该穿刺设备主要由力反馈穿刺针和电容检测模块8两部分组成，因此电容检测模块8主要负责获取穿刺针的针体3在受压形变时产生的电容变化情况，并获取与电容变化情况匹配的力反馈值，再将该力反馈值输出给操作端，以使操作端进行对应的力反馈。
90.具体的，该电容检测模块8由电容检测单元85、控制单元83、标定单元82和力反馈输出单元81组成。其中控制单元83作为核心的控制部分，其信号输入端与电容检测单元85、标定单元82电性连接，信号输出端则与力反馈输出单元81电性连接。电容检测单元85作为与针体3内的导电部5和电极芯1直接连接的检测单元，可在针体3受压形变时实时获取由该形变产生的电容变化值，并将该电容变化值传输给控制单元83。而标定单元82则由人为在穿刺之前将针体3的受力形变信息与电容变化进行标定。每种电容变化则代表至少一种针体3的受力形变情况，该受力形变情况中包含两种信息，分别为针体3的受力大小以及针体3的形变幅度(即力反馈值)。因此当控制单元83接收到一种电容变化值后，即可从标定单元82中找到与该电容变化值对应的力反馈值，并将该力反馈值传输给操作端，操作端在接收到该力反馈值后随即做出对应的力反馈输出。使用人员则通过操作端感到与此时针体3对应的力反馈。
91.如图12所示，在另一个实施例中，该力反馈穿刺设备还包括频率计量电路84；
92.电容检测单元85设置为电容振荡电路851，电容振荡电路851与电极芯1和导电部5电性连接，用于监测针体3在受压形变时，导电部在形变处与电极芯1之间因电容变化而产生的脉冲信号；
93.频率计量电路84与电容检测单元85连接，用于接收脉冲信号并根据脉冲信号生成脉冲频率值；
94.标定单元82用于标定针体3在不同受压条件下因电容变化而产生的脉冲频率值以及与脉冲频率值对应的力反馈值；
95.控制单元83与频率计量电路84和标定单元82电性连接，用于接收频率计量电路84生成的脉冲频率值，并根据脉冲频率值从标定单元82中获取对应的力反馈值；
96.力反馈输出单元81与控制单元83电性连接，用于接收力反馈值并控制操作端输出对应的力反馈。
97.在本实施例中，对力反馈穿刺设备做了进一步的说明，将电容检测单元85设置为电容振荡电路851，在接入针体3内的导电部5和电极芯1后，由电容值变化发生不同频率的脉冲信号，通过频率计量电路84来测量各个脉冲信号的脉冲频率值。而标定单元82是标定频率值和力反馈值，控制单元83在获取脉冲信号的脉冲频率值后从标定单元82中获取与该脉冲频率值对应的力反馈值，再将该力反馈值传输给操作端进行力反馈的输出。
98.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。在本技术的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。