一种用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂及其应用方法

摘要

本发明公开了一种用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂及其应用方法，该器械臂是一种具有可变尺度及可变刚度的手术支撑工具，包括编织管结构和密封膜，密封膜包覆在编织管结构内外两侧和端部，形成一个环形的封闭内腔，将编织管结构包覆在其内部。既可通过气囊或驱动丝增大器械臂直径，并抽取密封膜内的气体，使编织管呈现刚态、大直径状态，为后续手术工具提供更大通路，防止后续工具戳伤组织，并提供支撑保证精度。又可通过使密封膜内重新进入气体恢复到柔态，并利用编织管结构自身弹性恢复到小直径状态，使本器械臂更容易伸入、离开人体腔道，并避免戳伤减少人体不适感。

说明书

技术领域

本发明涉及自然腔道手术领域，具体涉及一种用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂及其应用方法。

背景技术

随着科学技术的发展，外科手术模式经历了开腹手术、微创手术、单孔手术，并正在向经人体自然腔道的内窥镜手术(natural orifice transluminal endoscopicsurgery，NOTES)的无创外科手术进行过渡。所谓NOTES，是指手术工具通过人体孔口，包括口腔、阴道、肛门等进入人体内部，并到达病灶处进行手术操作的手术模式。与其他手术模式相比，NOTES对内环境干扰较小，具有疼痛轻，住院时间短，皮肤无瘢痕等优点，具有良好发展前景。自1998年NOTES出现以来，已取得长足的进步并已走上临床。NOTES作为继腹腔镜手术开展后又一次外科领域的革命，已经成为新的研究热点问题。

为了适应人体结构特点，手术中常采用细长柔性手术工具。手术中，首先手术器械通过人体腔道到达病灶处，医生在人体外部利用主操作端进行手术操作，主操作端通过丝驱动等方式控制人体内部的工具末端完成切割、缝合打结等动作，手术后再将手术工具撤离人体。

整个手术过程中，手术器械容易出现两个问题：1)复杂的人体内部腔道要求器械有良好的柔性，而细长的工具需要足够的刚度来保证精度，对器械刚度的需求出现矛盾。2)复杂的工具传动系统等使器械尺寸难以降低，而人体腔道空间又十分有限，几何上的矛盾使工具进入人体较困难，容易造成不适感甚至戳伤。

目前自然腔道手术中常采用一种具有良好径向刚度而弯曲刚度较低的复合管支撑整个手术工具系统。较低的弯曲刚度使工具可以通过人体腔道。但是它不具有可以变化的特性，没有解决刚度以及几何尺度上的矛盾。现在已经有可变刚度器械臂模型被提出。他们利用负压对刚度进行控制，通过器械臂表面层的形锁合及摩擦，分别提出了龙鳞结构以及layer jamming结构。这两种结构具有可控刚度，可以在进入人体时器械呈现柔态保护组织，而进行手术操作时呈现刚态保障精度，从而解决了刚度需求上的矛盾。但是额外结构使得器械壁厚较大占用空间较多，并且弯曲曲率较小，难以通过复杂环境器械较粗，并且不具有可变尺度，依旧被动形式推入人体容易造成戳伤。

综上所述，目前有必要提出一种具有可变刚度以及可变尺度的器械臂，帮助手术工具解决器械刚度需求上的矛盾，并克服器械进入人体腔道困难的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明为克服现有手术工具的不足，提供一种用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂及其应用方法，以期解决上述问题。

(二)技术方案

一种用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂，包括：编织管结构，具有中空通道；密封膜，贴附于编织管结构内外两侧和端头，形成一封闭内腔，所述编织管结构被包覆在封闭内腔中。

在本发明一些示例性实施例中，所述封闭内腔连接有抽气装置，当抽气装置抽出封闭内腔内的气体时，封闭内腔内的气压降低，密封膜向编织管结构压紧，进而提升器械臂的刚度。

在本发明一些示例性实施例中，封闭内腔与抽气装置之间还连接有气阀，用于调节抽气量。

在本发明一些示例性实施例中，编织管结构能够在外载荷下进行径向伸展，改变器械臂的直径。

在本发明一些示例性实施例中，所述中空通道放置气囊，用于对器械臂施加径向力进而增大器械臂直径。

在本发明一些示例性实施例中，所述器械臂前端设置有端盖，端盖连接有多根驱动丝，所述驱动丝和端盖用于对器械臂施加轴向力，调节编织管的直径和弯曲程度。

在本发明一些示例性实施例中，所述多根驱动丝的前端与端盖连接，并在封闭内腔的外部沿轴向向后延伸。

在本发明一些示例性实施例中，去掉外载荷后编织管结构依靠弹性自动恢复到小直径状态。

一种将上述的折展变刚度器械臂用于自然腔道手术的方法，包括：S1：将器械臂伸入自然腔道；S2：增大器械臂直径，并抽取封闭内腔内的气体，编织管呈现刚态、大直径状态；S3：器械臂内通入手术工具进行手术操作；S4：手术后使封闭内腔内重新进入气体，器械臂恢复到柔态、小直径状态，将器械臂撤出自然腔道。

在本发明一些示例性实施例中，步骤S2中增大器械臂直径是通过将气囊放入中空管道，对器械臂施加径向力增大器械臂直径；或者，通过拉伸驱动丝，驱动丝和端盖对器械臂施加轴向力增大器械臂直径。

(三)有益效果

本发明提供的用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂及其应用方法与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明的折展变刚度器械臂具有良好的柔性，可实现大曲率弯折，适应复杂人体腔道环境能力更强。

2、本发明的折展变刚度器械臂进入人体后由气囊或驱动丝撑起，呈现大直径状态，撑开人体组织，提供更大的腔道通路。

3、本发明的折展变刚度器械臂呈现大直径后利用负压可变成刚态，可保护人体腔道免受手术器械的戳伤、刮伤，并为手术器械提供支撑，提高稳定性，提升手术精度。

4、本发明的折展变刚度器械臂手术后取消负压，机械臂可呈现小直径、柔态，方便撤出。

5、本发明的折展变刚度器械臂在进入、撤出人体过程中呈现小直径、柔态，进入过程不会给人体造成明显不适感。

附图说明

图1为本发明实施例的用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例的用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂的编织管结构示意图；

图3为本发明实施例的用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂的编织管结构弯曲示意图；

图4为本发明实施例的用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂气囊折展方式示意图；

图5为本发明实施例的用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂大直径状态示意图；

图6为本发明实施例的用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂驱动丝折展方式示意图；

图7为本发明实施例的用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂气压控制示意图；

图8为本发明实施例的用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂刚态结构示意图；

图9为本发明实施例的用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂的锥形编织结构示意图；

图10为本发明实施例的用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂的多边形编织结构示意图；

图11为本发明实施例的用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂的椭圆形编织结构示意图；

图12为本发明实施例的用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂具有颗粒表面薄膜示意图。

图13为本发明实施例的将折展变刚度器械臂用于自然腔道手术的方法流程图；

图14为本发明实施例的用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂在整机中使用示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明实施例提供一种用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂主要用编织管结构和密封膜构成，其变尺度依靠编织管结构自身特性并由气囊或驱动丝控制，其刚度改变由改变密封膜内负压值来改变。

图1为本发明实施例的用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂剖面结构图，如图1所示，用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂包括编织管结构1-2和密封膜1-1，密封膜为薄膜，将编织管结构包裹在其内部。编织管结构形式如图2所示，编织管结构由多根丝线螺旋缠绕交叉而成，丝线包括多根等量的左旋及右旋的螺旋线，多根左旋螺旋线顺序排列，多根右旋螺旋线顺序排列，左旋螺旋线与右旋螺旋线交叉缠绕形成编织管结构。编织管结构具有良好的柔顺性，其弯曲形态如图3所示，可实现大曲率弯曲。如图1所示，在编织管结构1-2的内外两侧和端头包覆着密封膜1-1，编织管结构1-2的端头不是指编织管结构的整个端面，而是指组成编织管结构的丝线的端部。密封膜1-1形成一个封闭内腔，该封闭内腔呈圆环状，编织管结构被包覆在封闭内腔的内部。编织管结构为中空的管状结构，中间为中空通道，密封膜贴覆在编织管结构的表面，因此本发明实施例的器械臂也为中空的管状结构，中间为中空通道，中空通道中可通入手术工具，起到隔离工具保护组织的作用，手术操作时起到对工具支撑的作用。

在本发明一些实施例中，用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂的折展可利用气囊控制，控制原理如图4所示。由于编织管结构的各个丝线相互仅靠摩擦相连接，编织管结构可在外载荷下轻松的进行径向伸展。去掉载荷编织结构凭借丝线材料的弹性自动恢复到初始状态。可在器械臂中空通道中放置气囊，对器械臂施加径向力进而增大器械臂直径，图4所示的气囊4-2用来控制编织管结构的径向尺寸，进而改变器械臂4-1的径向尺寸，如图4所示，将气囊4-2贯穿器械臂4-1的中空通道，给气囊4-2充气，器械臂4-1被撑起，直径变大，如图5所示；撤去气囊4-2，器械臂4-1可恢复到小直径状态。

在本发明另一些实施例中，用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂的折展也可利用驱动丝控制，控制原理如图6所示。器械臂的前端部还设置有端盖6-1，端盖由弹性材料制成不影响端部径向变形，端盖呈圆环形，在端盖圆环面上设置有四个周向均匀分布的圆环连接结构，用于连接四根驱动丝6-2的前端，四根驱动丝在密封膜的外部沿轴向向后延伸。轴向牵引四根驱动丝，编织管结构被拉粗，起到与气囊相同的作用。去掉拉力编织管结构凭借丝线材料的弹性自动恢复到初始状态。本实施例中，前端是指进行手术操作的一端。

本发明实施例的用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂利用密封膜内的气压控制器械臂的刚度，原理图如图7所示。器械臂7-1的密封膜在后端开有排气孔，导气管通过排气孔与密封膜的封闭内腔连通，导气管另一端连接有抽气装置，本实施例中抽气装置为气泵7-3，用于抽取封闭内腔的气体，在器械臂与气泵7-3之间还连接有气阀7-2，用于调节抽气量。启动气泵7-3，密封膜内腔的气体通过导气管及气阀7-2被气泵抽出，密封膜内腔的气压降低，在外界大气压的作用下，两侧的密封膜向内部的编织管结构压紧。密封膜与编织管结构之间的摩擦力对编织结构的丝线的变形起约束作用，进而提升整个结构的刚度。气泵7-3的抽气能力一定，可通过调节气阀7-2的开口大小，改变气体通路的局部压力损失来控制密封膜内腔的气压，进而改变结构的刚度。图8为负压下器械臂处于刚态的示意图。手术后关闭气泵，密封膜封闭内腔内重新进入气体，器械臂呈现柔态，同时由于编织管结构材料的弹性，器械臂可恢复小直径状态，便于撤出器械臂。

编织管结构有多种编织方式，包括普通编织，钻石编织和三轴编织。

编织结构采用金属材料或者非金属材料。

密封膜结构采用塑料、硅胶、或者其他柔软材料。

折展变刚度器械臂可根据特殊需求采用等截面设计或者变截面设计，采用其他初始形状的编织结构，如锥形，如图9所示。截面形状也可以为其他形状，如多边形、椭圆形，如图10和图11所示。可采用表面带有颗粒状凸起的密封膜，如图12所示，以提高变刚度效果。合理布置变刚度、变直径的顺序，可实现变刚度及变直径的耦合，将折展方法与变刚度方法进行综合。

本发明第二实施例提供一种将折展变刚度器械臂用于自然腔道手术的方法，图13为本发明实施例的将折展变刚度器械臂用于自然腔道手术的方法流程图，如图13所示，包括以下步骤：

步骤S1：将器械臂伸入自然腔道。

将所述器械臂伸入人体腔道到达病灶处，器械臂在进入人体过程中呈现小直径、柔态，进入过程不会给人体造成明显不适感。

步骤S2：增大器械臂直径，并抽取封闭内腔内的气体，编织管呈现刚态、大直径状态。

利用气囊或驱动线将器械臂撑起，器械臂直径增大；启动气泵排气，密封膜封闭内腔的气压降低，在外界大气压的作用下，两侧的密封膜向内部的编织管结构压紧。密封膜与编织管结构之间的摩擦力对编织结构的丝线的变形起约束作用，进而提升整个结构的刚度。撤出气囊或松弛驱动线，器械臂保持大直径；

步骤S3：器械臂内通入手术工具进行手术操作。

图14为本发明的用于自然腔道手术的折展变刚度器械臂在NOTES机器人整机中的使用示意图。14-1为手术工具，全部手术工具通过本发明的折展变刚度器械臂14-2进入人体内部进行手术操作。所述器械臂9-2在手术工具进入人体时可以起到隔离工具保护组织作用，手术操作时起到多工具支撑的作用。步骤S4：手术后使密封膜内重新进入气体，器械臂恢复到柔态、小直径状态，将器械臂撤出自然腔道。

手术后关闭气泵，密封膜封闭内腔内重新进入气体，器械臂呈现柔态，同时由于编织管结构材料的弹性，器械臂可恢复小直径状态；撤出器械臂。

由上述实施例可以看出，本发明的折展变刚度器械臂具有良好的柔性，可实现大曲率弯折，适应复杂人体腔道环境能力更强；折展变刚度器械臂进入人体后由气囊或驱动丝撑起，呈现大直径状态，撑开人体组织，提供更大的腔道通路；折展变刚度器械臂呈现大直径后利用负压可变成刚态，可保护人体腔道免受手术器械的戳伤、刮伤，并为手术器械提供支撑，提高稳定性，提升手术精度；折展变刚度器械臂手术后取消负压，机械臂可呈现小直径、柔态，方便撤出；折展变刚度器械臂在进入人体过程中呈现小直径、柔态，进入过程不会给人体造成明显不适感。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。