CN110403669B - 一种用于微创腔镜手术的多自由度手术器械 - Google Patents

Abstract

本发明提出的用于微创腔镜手术的多自由度手术器械，包括执行部、连接杆、轴向转动控制管和操作端；执行部包括工作端、头部连接座和转动座，头部连接座前端用于安装工作端，头部连接座的后端与转动座的前端可相对转动连接；连接杆的前端与转动座球头连接，转动座的后端至少固定有两条控制线；轴向转动控制管的前端为蛇形管并与头部连接座固定连接；操作端固定安装在连接杆的后端，操作端上设有驱动机构，用于拉动控制线以使转动座带动头部连接座绕球头转动轴摆动，或用于驱动轴向转动控制管带动头部连接座旋转。本发明的手术器械具有上下俯仰、左右偏摆、夹持以及旋转等自由度，体积小巧便携，学习成本低，能够有效提高手术效率和质量。

Description

一种用于微创腔镜手术的多自由度手术器械

技术领域

本发明涉及微创腔镜手术用手术器械，具体涉及一种用于微创腔镜手术的多自由度手术器械。

背景技术

微创腔镜手术是一种主要通过内窥镜及各种微创手术器械实施完成的手术。微创腔镜手术因其伤口小、损伤少、康复周期短等优势，在临床工作中被广泛应用，甚至在一些疾病中替代传统手术成为治疗的主要手段。目前，腔镜手术方式在各外科领域应用广泛，技术成熟。

但是，微创腔镜手术也有很大的局限性。除了学习成本高、造价昂贵、占地大等条件所限，在有限的人体腔隙内完成钳夹、切割、缝合、打结等一系列操作，对于手术器械的要求极高。然而，现有的手术器械无法兼顾便携性、灵活性、自由度等因素，使得临床操作中的困难度增加。因此，本发明针对这一问题进行改进，试图研发更便携易用、自由度更高、稳定性更强且价格更低廉的微创腔镜手术操作器械。

发明内容

针对现有技术中的手术器械无法兼顾便携性、灵活性、自由度的不足，本发明提供一种用于微创腔镜手术的多自由度手术器械，具有俯仰、偏摆以及旋转等多个自由度，更加便携易用、自由度更高、稳定性更强的微创腔镜手术操作器械，能够有效提高手术效率和质量。

为实现上述目的，本发明提出的用于微创腔镜手术的多自由度手术器械，包括执行部、连接杆、轴向转动控制管和操作端；

执行部包括工作端、头部连接座和转动座，头部连接座的前端用于安装工作端，头部连接座的后端与转动座的前端可相对转动连接；

连接杆的前端为球头转动轴，转动座活动安装在球头转动轴上，转动座的后端至少固定有两条控制线；

轴向转动控制管的前端为蛇形管并与头部连接座固定连接；

操作端固定安装在连接杆的后端，操作端上设有驱动机构，该驱动机构用于拉动控制线以使转动座带动头部连接座绕球头转动轴摆动，或用于驱动轴向转动控制管带动头部连接座旋转。

其中，头部连接座和转动座紧密配合，在连接处设置有钢珠以保证头部连接座轴向转动的同时转动座不会错位。具体地，所述头部连接座一端设有钳口连接端固定孔，用于安装钳口；另一端设有蛇形管固定孔和钢珠滚动槽，轴向转动控制管的前端固定安装在蛇形管固定孔上；所述转动座内部设有球头仓，与头部连接座配合面设置有钢珠定位孔，钢珠定位孔内设有钢珠。连接杆的球头转动轴安装于转动座的球头仓内，以实现转动座和头部连接座的转向运动。

优选地，在所述的用于微创腔镜手术的多自由度手术器械中，所述工作端为钳口，钳口具有钳口连接端和钳口齿轮，钳口连接端转动安装在头部连接座上，钳口齿轮之间啮合有一齿轮杆，齿轮杆和头部连接座之间设有弹簧，齿轮杆的后端连接有张合控制钢丝，操作端设有操作手柄，操作手柄与张合控制钢丝的后端固定连接，能够拉动张合控制钢丝，以使钳口张开或闭合。

其中，操作手柄为扳机，所述扳机一端为扳机连接端，该扳机连接端通过复位弹片与操作端的固定手柄转动连接，另一端设有齿合条，齿合条的末端设有张合控制钢丝固定孔，用于固定张合控制钢丝的末端，即张合控制钢丝的前端与齿轮杆固定连接，后端与扳机固定连接，拨动扳机能够拉动张合控制钢丝，以实现钳口的张开和闭合。

固定手柄上滑动设有解锁按钮，解锁按钮的一端为齿合端，一端为弹簧固定端，齿合端与扳机的齿合条配合起到止退作用，当需要松开扳机时，滑动解锁按钮，使得齿合端和扳机分离，扳机在复位弹片作用下，自动复原解锁复位。该扳机还可以为具有圈状握持部的活动手柄，使用者手指可以穿过活动手柄，该设计能够使操作更加方便省力。解锁按钮也可以采用解锁旋钮，即解锁旋钮为转动安装在固定手柄上，通过转动解锁旋钮实现齿合端和齿合条的接触和分离，以使操作手柄在锁死和解锁两个状态下自由切换。

优选地，在所述的用于微创腔镜手术的多自由度手术器械中，所述控制线包括上下控制钢丝和左右控制钢丝，所述驱动机构包括上下控制电机、纵向传动轮、左右控制电机和横向传动轮，上下控制钢丝的一端固定在转动座的上侧，另一端绕过纵向传动轮后固定在转动座的下侧，上下控制电机用于驱动纵向传动轮转动；左右控制钢丝的一端固定在转动座的左侧，另一端绕过横向传动轮后固定在转动座的右侧，左右控制电机用于驱动横向传动轮转动。

优选地，在所述的用于微创腔镜手术的多自由度手术器械中，所述驱动机构还包括轴向转动控制电机，所述轴向转动控制管的后端通过齿轮与轴向转动控制电机的输出端啮合。

其中，所述操作端外侧设有固定手柄，各控制电机安装于固定手柄内部，固定手柄外侧集成有操作按钮，用于控制上下控制电机、左右控制电机和轴向转动控制电机，上述电机分别用于控制执行部的上下俯仰、左右摆动以及轴向转动。在固定手柄内部设有电源，用于给各个电机和操作按钮供电，在固定手柄底部设有充电接口，用于给电源充电。

优选地，在所述的用于微创腔镜手术的多自由度手术器械中，所述执行部和连接杆的连接部分外侧设置有保护囊。

传统微创腔镜手术器械一般选用大型手术机器人，如达芬奇手术机械人，主刀医生坐在控制台中操作患者床旁机械臂系统，对于主刀医生来说缺乏力学反馈，而即使选用手持式腔镜器械，现有设备也存在灵活度不足的问题。

本发明相较传统微创腔镜手术器械为手持式，体积小巧轻便，既能在操作时获得力学反馈，又能获得大型手术机器人的多自由度操作，操作者仅需要由操作按钮控制各个电机即可获得执行部实现上下仰俯、左右偏摆以及轴向转动，同时还可以由扳机控制执行部的张合，实现夹持动作，操作简单方便，学习成本低，能够有效提高手术效率和质量。

附图说明

图1为一种用于微创腔镜手术的多自由度手术器械整体效果图；

图2为一种用于微创腔镜手术的多自由度手术器械结构示意图；

图3和图4执行部结构示意图；

图5头部连接座结构示意图；

图6转动座结构示意图；

图7和图8连接杆结构示意图；

图9操作端内部结构示意图；

图10牵引钢丝结构示意图；

图11轴向转动控制管结构示意图；

图12扳机结构示意图；

图13解锁按钮结构示意图；

图14实施例二整体效果示意图；

图15实施例二操作端内部结构示意图；

图16实施例二活动手柄结构示意图；

图17实施例二解锁旋钮结构示意图；

图18实施例三整体效果示意图；

图19实施例三操作端内部结构示意图；

图20实施例三活动手柄与固定手柄配合结构示意图。

其中，1、执行部；11、钳口；111、钳口连接端；112、钳口齿轮；12、头部连接座；121、钳口连接端固定孔；122、蛇形管固定孔；123、钢珠滚动槽；13、转动座；131、球头仓；132、钢珠定位孔；14、齿轮杆；15、钢珠；16、弹簧；

2、操作端；21、固定手柄；211、充电接口；22、扳机；221、齿合条；222、扳机连接端；223、牵引钢丝固定孔；23、操作按钮；24、解锁按钮；241、齿合端；242、弹簧固定端；251、左右控制电机；252、上下控制电机；253、轴向转动控制电机；26、齿轮；27、传动轮；28、电源；29、复位弹片；

3连接杆；31、球头转动轴；32、钢丝孔；

4、保护囊；

5、轴向转动控制管；51、蛇形管；52、连接端；

6、牵引钢丝；61、上下控制钢丝；62、左右控制钢丝；63、张合控制钢丝；

7、活动手柄；71、活动手柄齿合条；72、活动手柄连接端；73、活动手柄牵引钢丝固定孔；

8、解锁旋钮；81、解锁旋钮齿合端。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的用于微创腔镜手术的多自由度手术器械进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

实施例一

如图1、图2所示，用于微创腔镜手术的多自由度手术器械主要由执行部1、操作端2、连接杆3、保护囊4、轴向转动控制管5和牵引钢丝6组成。

如图3和图4所示，所述执行部1由钳口11、头部连接座12、转动座13、齿轮杆14、钢珠15和弹簧16组成。参见图4，所述钳口11设有钳口连接端111和钳口齿轮112，钳口齿轮112和齿轮杆14啮合，齿轮杆14和张合控制钢丝63连接，齿轮杆14和头部连接座12之间设有弹簧16，所述张合控制钢丝63另一端固定在操作手柄上的牵引钢丝固定孔223内，通过操作手柄拉动张合控制钢丝带动齿轮杆14做直线运动，进而由齿轮杆14和钳口齿轮112的配合可以实现钳口11的张合。

如图5所示，所述头部连接座12一端设有钳口连接端固定孔121，用于安装钳口11；另一端设有蛇形管固定孔122和钢珠滚动槽123。如图6所示，所述转动座13内部设有球头仓131，与头部连接座12配合面设置有钢珠定位孔132。头部连接座12和转动座13紧密配合，在连接处的钢珠定位孔132内设置钢珠以保证头部连接座12轴向转动的同时，转动座13不会错位。

如图7和图8所示，所述连接杆3头部有球头转动轴31，中间设置有5个钢丝孔32，钢丝孔32为牵引钢丝6的穿过通道。球头转动轴31安装在球头仓131中，使转动座13与连接杆3之间构成球铰接，转动座13能够绕球头转动轴31自由转动。

参考图1，所述操作端2外侧设有固定手柄21、操作手柄、操作按钮23和解锁按钮24。参见图9，固定手柄内部有电机、齿轮26、传动轮27和电源28。所述固定手柄21底部设有充电接口211。其中，操作按钮23可以但不限于普通按钮、液晶触摸屏式虚拟按钮、轨迹球以及摇杆等形式。

再次参见图9，所述电机有左右控制电机251、上下控制电机252以及轴向转动控制电机253。参见图10，所述传动轮27有横向传动轮271和纵向传动轮272；所述牵引钢丝6包括上下控制钢丝61、左右控制钢丝62和张合控制钢丝63。其中，横向传动轮271为一组横向布置的传动轮，在左右控制钢丝62运转时起到导向作用，使得左右控制钢丝62在水平面内运转，从而达到左右控制钢丝62在水平面内传动时拉动转动座13左右摆动的目的；同理，纵向传动轮272为一组纵向布置的传动轮，在上下控制钢丝61运转时起到导向作用，使得上下控制钢丝61在竖直面内运转，从而达到上下控制钢丝在竖直面内传动时拉动转动座13上下俯仰的目的。

上下控制钢丝61的一端固定在转动座13的上侧，另一端绕过纵向传动轮272，固定在转动座13的下侧，且上下控制钢丝61的两端固定点对称布置。纵向传动轮包括一组呈上下布置的传动轮，用于导引上下控制钢丝61在竖直面内传动，上下控制电机252用于驱动纵向传动轮转动，从而实现上下控制钢丝61的运转。

参见图3和图10，左右控制钢丝62的一端固定在转动座13的左侧，另一端绕过横向传动轮271，固定在转动座13的右侧，且左右控制钢丝62的两端固定点对称布置。横向传动轮271包括一组呈上下布置的传动轮，用于导引左右控制钢丝62在水平面内传动，左右控制电机251用于驱动横向传动轮271转动，从而实现左右控制钢丝62的运转。

张合控制钢丝63的一端与齿轮杆14固定连接，另一端穿过连接杆3的钢丝孔32与操作手柄固定连接，拨动操作手柄，能够拉动张合控制钢丝63，以实现钳口的张开和闭合。

如图11所示，所述轴向转动控制管5一端为蛇形管51，可以万向弯曲，另一端为连接端52。参见图9，该连接端52和齿轮26连接，轴向转动控制电机253的输出端与该齿轮26啮合。当轴向转动控制电机253带动齿轮26，齿轮26带动轴向转动控制管5轴向转动从而带动头部连接座12实现轴向转动。所述蛇形管51也称鹅颈管，可以万向弯曲，固定安装在头部连接座12的蛇形管固定孔122上，从而保证头部连接座12轴向转动不受转动座13上下左右转动的影响。

参见图1，执行部1和连接杆3的连接部分外侧设置有保护囊4，该保护囊4可采用橡胶、硅胶等具有弹性和柔性的材料，也可以采用蛇形管。在使用过程中，保护囊4可以跟随执行部1上下左右转动，其特点在于不影响执行部1转动的情况下，保护执行部1与连接杆3的连接部分，避免液体等杂质侵入。

在本实施例中，操作手柄采用如图1和图12所示的扳机形式。参见图12，所述扳机22设有齿合条221，扳机连接端222和牵引钢丝固定孔223。参见图9，扳机连接端222通过复位弹片29和固定手柄21连接。

参见图9，在固定手柄21与齿合条221的运动轨迹对应位置滑动设置有解锁按钮24，解锁按钮24有齿合端241和弹簧固定端242，弹簧固定端242与固定手柄21之间设有用于使解锁按钮24复位的复位弹簧。当推动解锁按钮24，使得扳机22的齿合条221和解锁按钮24的齿合端241齿合，所述扳机22只能向内握持锁死(类似扎带)，当向下拨动解锁旋钮24时，扳机22的齿合条221与解锁按钮24的齿合端241分离，此时扳机22可以在复位弹片29的作用下解锁复位。

该多自由度手术器械的工作原理：

(执行部上下俯仰)

参见图3、图9和图10，启动上下控制电机252，驱动纵向传动轮272带动上下控制钢丝61顺时针旋转，拉动位于上面的上下控制钢丝61向操作端移动，进而带动转动座13绕着球头转动轴31向上即顺时针转动，完成执行部1的抬头动作；同理，当上下控制电机252驱动纵向传动轮272带动上下控制钢丝61逆时针旋转时，能够完成执行部1的低头动作。

(执行部左右摆动)

参见图3、9和图10，启动左右控制电机251，驱动横向传动轮271带动左右控制钢丝62顺时针旋转，拉动位于右面的左右控制钢丝62向操作端移动，进而带动转动座13绕着球头转动轴31向右即顺时针转动，完成执行部的右摆动作；同理，当左右控制电机251驱动横向传动轮271带动左右控制钢丝62逆时针旋转时，能够完成执行部1的左摆动作。

(执行部轴向旋转)

参见图3和图9所示，轴向转动控制管5的前端通过蛇形管51与头部连接座12固定连接，后端通过齿轮26与轴向转动控制电机253啮合，轴向转动控制电机253启动后，由齿轮26带动轴向转动控制管5旋转，进而由轴向转动控制管5驱动头部连接座12轴向旋转，完成执行部1的轴向旋转操作。

(钳口张合动作)

参见图4、图9和图10，扣动扳机22向操作端2方向拉动张合控制钢丝63，张合控制钢丝63拉动齿轮杆14后移，钳口齿轮112向内旋转，钳口闭合；使解锁按钮24的齿合端241和扳机22的齿合条221分离，松开扳机22后，在复位弹片29的作用下，扳机22复位，进而在弹簧16的作用下，弹簧16拉动齿轮杆14前移，钳口齿轮112向外旋转，钳口11张开，当然可以理解的是，在其他实施方式中，也可以使得扣动扳机，由张合控制钢丝63拉动钳口闭合，由弹簧推动钳口张开，根据实际需要进行选择设计。

通过上述可知，本实施例中，可通过上下控制电机带动纵向传动轮再带动上下控制钢丝实现执行部的上下仰俯；可通过左右控制电机带动横向传动轮再带动左右控制钢丝实现执行部的左右偏摆；可通过轴向转动控制电机带动齿轮，齿轮带动轴向转动控制管从而带动头部连接座实现轴向转动。

实施例二

参考图14至图17，本实施例与实施例一的不同之处在于本实施例操作端2的操作手柄采用活动手柄7控制钳口11的张合；采用解锁旋钮8与活动手柄7配合。

参见图16，所述活动手柄7设有活动手柄齿合条71，活动手柄连接端72和活动手柄牵引钢丝固定孔73。活动手柄连接端72通过复位弹簧可转动的连接在固定手柄21上，张合控制钢丝63的末端固定安装在活动手柄牵引钢丝固定孔73上。

参见图17，所述解锁旋钮8设有解锁旋钮齿合端81；所述解锁旋钮齿合端81与所述活动手柄齿合条71齿合。解锁旋钮8转动地安装在固定手柄21上，且位于活动手柄齿合条71的运动轨迹上，通过拨动解锁旋钮8可以控制活动手柄7的锁定和解锁状态。

实施例三

参见图18，本实施例与实施例一的不同之处在于本实施例的操作端2的操作手柄采用钳式握持手柄设计。图18是活动手柄7与固定手柄21配合结构示意图。本实施例，固定手柄21位于水平方向，采用钳式握持，更加符合人机工程学设计，符合目前医生的操作习惯，方便操作发力以及轴向转动的控制。

参见图19和图20，所述活动手柄7设有活动手柄齿合条71，活动手柄连接端72和活动手柄牵引钢丝固定孔73。活动手柄连接端72通过复位弹簧可转动的连接在固定手柄21上，张合控制钢丝63的末端固定安装在活动手柄牵引钢丝固定孔73上。

活动手柄7和固定手柄21通过解锁组件配合。如图19和图20所示，解锁组件包括解锁旋钮8和齿条9，解锁旋钮8转动安装在固定手柄21上，解锁旋钮8与齿条9的相对的一面设有推块82。齿条9的一端为齿条连接端92，另一端为齿合端91，齿合端91与齿合条71齿合。转动解锁旋钮8时，推块82将会推动齿条9转动，以使齿合端91与齿合条71分离，使得活动手柄7处于解锁状态。

以上实施例是对本发明较佳的解释，但本发明创造并不限于所述的实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可以作出种种的等同的变型或替换，这些等同变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种用于微创腔镜手术的多自由度手术器械，其特征在于，包括执行部、连接杆、轴向转动控制管和操作端；

执行部包括工作端、头部连接座和转动座，头部连接座的前端用于安装工作端，头部连接座的后端与转动座的前端可相对转动连接；所述工作端为钳口，

连接杆的前端为球头转动轴，转动座活动安装在球头转动轴上，转动座的后端至少固定有两条控制线；

轴向转动控制管的前端为蛇形管并与头部连接座固定连接；

操作端固定安装在连接杆的后端，操作端上设有驱动机构，用于拉动控制线以使转动座带动头部连接座绕球头转动轴摆动，或用于驱动轴向转动控制管带动头部连接座旋转；

所述操作端的操作手柄采用扳机方式控制钳口的张合；所述扳机设有齿合条，扳机连接端和牵引钢丝固定孔，扳机连接端通过复位弹片和固定手柄连接；在固定手柄与齿合条的运动轨迹对应位置滑动设置有解锁按钮，解锁按钮有齿合端和弹簧固定端，弹簧固定端与固定手柄之间设有用于使解锁按钮复位的复位弹簧；当推动解锁按钮，使得扳机的齿合条和解锁按钮的齿合端齿合，所述扳机只能向内握持锁死，当向下拨动解锁旋钮时，扳机的齿合条与解锁按钮的齿合端分离，此时扳机可以在复位弹片的作用下解锁复位；

或者，所述操作端的操作手柄采用活动手柄控制钳口的张合；采用解锁旋钮与活动手柄配合；所述活动手柄设有活动手柄齿合条，活动手柄连接端和活动手柄牵引钢丝固定孔；活动手柄连接端通过复位弹簧可转动的连接在固定手柄上，张合控制钢丝的末端固定安装在活动手柄牵引钢丝固定孔上；

所述解锁旋钮设有解锁旋钮齿合端；所述解锁旋钮齿合端与所述活动手柄齿合条齿合；解锁旋钮转动地安装在固定手柄上，且位于活动手柄齿合条的运动轨迹上，通过拨动解锁旋钮可以控制活动手柄的锁定和解锁状态；

或者，所述操作端的操作手柄采用钳式握持手柄设计控制钳口的张合；固定手柄位于水平方向，采用钳式握持；所述活动手柄设有活动手柄齿合条，活动手柄连接端和活动手柄牵引钢丝固定孔；活动手柄连接端通过复位弹簧可转动的连接在固定手柄上，张合控制钢丝的末端固定安装在活动手柄牵引钢丝固定孔上；

活动手柄和固定手柄通过解锁组件配合；解锁组件包括解锁旋钮和齿条，解锁旋钮转动安装在固定手柄上，解锁旋钮与齿条的相对的一面设有推块；齿条的一端为齿条连接端，另一端为齿合端，齿合端与齿合条齿合；转动解锁旋钮时，推块将会推动齿条转动，以使齿合端与齿合条分离，使得活动手柄处于解锁状态；

所述头部连接座一端设有钳口连接端固定孔，用于安装钳口；另一端设有蛇形管固定孔和钢珠滚动槽，轴向转动控制管的前端固定安装在蛇形管固定孔上；所述转动座内部设有球头仓，与头部连接座配合面设置有钢珠定位孔，钢珠定位孔内设有钢珠，连接杆的球头转动轴安装于转动座的球头仓内。

2.根据权利要求1所述的用于微创腔镜手术的多自由度手术器械，其特征在于，所述钳口具有钳口连接端和钳口齿轮，钳口连接端转动安装在头部连接座上，钳口齿轮之间啮合有一齿轮杆，齿轮杆和头部连接座之间设有弹簧，齿轮杆的后端连接有张合控制钢丝，操作端设有操作手柄，操作手柄与张合控制钢丝的后端固定连接，能够拉动张合控制钢丝，以使钳口张开或闭合。

3.根据权利要求1所述的用于微创腔镜手术的多自由度手术器械，其特征在于，所述控制线包括上下控制钢丝和左右控制钢丝，所述驱动机构包括上下控制电机、纵向传动轮、左右控制电机和横向传动轮，上下控制钢丝的一端固定在转动座的上侧，另一端绕过纵向传动轮后固定在转动座的下侧，上下控制电机用于驱动纵向传动轮转动；左右控制钢丝的一端固定在转动座的左侧，另一端绕过横向传动轮后固定在转动座的右侧，左右控制电机用于驱动横向传动轮转动。

4.根据权利要求3所述的用于微创腔镜手术的多自由度手术器械，其特征在于，所述驱动机构还包括轴向转动控制电机，所述轴向转动控制管的后端通过齿轮与轴向转动控制电机的输出端啮合。

5.根据权利要求1所述的用于微创腔镜手术的多自由度手术器械，其特征在于，所述执行部和连接杆的连接部分外侧设置有保护囊。