本發(fā)明屬于醫(yī)療器材領(lǐng)域,具體涉及一種微創(chuàng)手術(shù)夾鉗及基于其的三維力測量方法。
背景技術(shù):
1、在傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)中,醫(yī)生將夾持儀器通過小切口深入患者體內(nèi),復(fù)雜的體內(nèi)環(huán)境以及目標器官附近的其他組織都會對手術(shù)儀器施加一定大小的力,再加上傳統(tǒng)的微創(chuàng)手術(shù)夾持器械采用鋼絲繩傳動,夾持過程中力的變化較大,導(dǎo)致醫(yī)生手部感受到的力與儀器和組織之間相互作用的力有較大的偏差,進而可能導(dǎo)致組織損傷、夾取組織滑落、降低手術(shù)效率等后果。微創(chuàng)手術(shù)過程中手術(shù)夾鉗的力反饋和夾鉗平穩(wěn)的傳動對于醫(yī)生進行高精度的操作是極為重要。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明提供一種微創(chuàng)手術(shù)夾鉗及基于其的三維力測量方法,可以實現(xiàn)手術(shù)夾鉗的平穩(wěn)傳動以及力的準確測量。
2、為實現(xiàn)上述技術(shù)目的,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
3、一種微創(chuàng)手術(shù)夾鉗,整體呈圓柱體,包括:接觸頭、夾鉗固定部、上夾面、齒條芯和傳動桿;
4、所述夾鉗固定部的前端為半圓柱形,沿軸向的切面構(gòu)成下夾面;所述下夾面的后端形成為直圓型柔性鉸鏈;所述夾鉗固定部的后端為管狀的夾鉗殼體,所述上夾面和齒條芯均安裝設(shè)置于夾鉗殼體內(nèi);所述夾鉗固定部的內(nèi)部沿軸向設(shè)置橢圓型柔性鉸鏈,該橢圓型柔性鉸鏈穿過夾鉗固定部的頂端并與接觸頭固定連接;
5、所述傳動桿與齒條芯固定連接,所述上夾面的后端通過設(shè)置齒輪以與齒條芯相配合;所述傳動桿由外力驅(qū)動前后運動,帶動齒條芯前后運動,促使上夾面繞齒輪旋轉(zhuǎn)以相對于下夾面之間進行開合運動;
6、所述橢圓型柔性鉸鏈內(nèi)部沿軸向設(shè)置第三光纖,用于根據(jù)波長漂移來測量接觸頭沿軸向的受力情況;
7、所述下夾面內(nèi)部沿軸向平行且對稱設(shè)置第一光纖、第二光纖,用于根據(jù)波長漂移來測量下夾面在軸向的垂直平面內(nèi)的受力情況。
8、進一步地,所述夾鉗固定部的內(nèi)部沿軸向設(shè)置通孔,該通孔的直徑大于橢圓型柔性鉸鏈的直徑;所述橢圓型柔性鉸鏈同軸設(shè)置于通孔內(nèi),且橢圓型柔性鉸鏈與通孔內(nèi)壁之間的距離,大于橢圓型柔性鉸鏈的徑向最大形變量。
9、進一步地,所述橢圓型柔性鉸鏈通過在圓柱體上環(huán)切部分橢圓而形成,所述直圓型柔性鉸鏈通過在圓柱體上環(huán)切部分半圓而形成。
10、進一步地,所述上夾面在與下夾面相接觸的部位均帶鋸齒。
11、進一步地,所述上夾面后端的齒輪中心設(shè)置第一銷軸內(nèi)孔,另外設(shè)置第一銷軸穿過該第一銷軸內(nèi)孔,且兩端與夾鉗殼體上的第一銷軸外孔連接。
12、進一步地,所述齒條芯的中部設(shè)有第二銷軸內(nèi)孔,另外設(shè)置第二銷軸穿過該第二銷軸內(nèi)孔,且兩端設(shè)置于夾鉗殼體上的直槽口內(nèi);所述齒條芯的一個平面上布有直齒,用于與上夾面后端的齒輪嚙合。
13、一種上述微創(chuàng)手術(shù)夾鉗的三維力測量方法,以夾鉗固定部的中軸線與直圓型柔性鉸鏈前端面的交點o為原點,沿中軸線向后端的方向為z軸正向,垂直于下夾面向頂面的方向為y軸正向,并采用右手法則建立空間直角坐標系o-xyz;包括:
14、當所述微創(chuàng)手術(shù)夾鉗在接觸頭受到沿夾鉗軸向的作用力fz時,橢圓型柔性鉸鏈內(nèi)的第三光纖產(chǎn)生波長漂移;
15、當所述微創(chuàng)手術(shù)夾鉗的下夾面受到垂直于軸向的平面的作用力fxoy時,第一光纖和第二光纖產(chǎn)生波長漂移分別為、;
16、根據(jù)第一光纖、第二光纖、第三光纖產(chǎn)生的波長漂移,計算微創(chuàng)手術(shù)夾鉗的受力:
17、;
18、式中,為第一光纖、第二光纖、第三光纖的初始中心波長,為有效彈光系數(shù),分別是光纖材料的熱光系數(shù)以及膨脹系數(shù),為第一、第二、第三光纖的懸掛長度;為下夾面受到的側(cè)向力,即受到x軸方向的作用力;為下夾面受到的壓力,即受到y(tǒng)軸方向的作用力;為接觸頭受到軸向力,即沿夾鉗軸向的作用力;為溫度變化值;分別表示直圓型和橢圓型柔性鉸鏈在方向上的結(jié)構(gòu)幾何系數(shù);表示材料的楊氏彈性模量。
19、進一步地,直圓型和橢圓型柔性鉸鏈在方向上的結(jié)構(gòu)幾何系數(shù),計算表達式為:
20、;
21、;
22、;
23、式中,在夾鉗固定部沿軸向并垂直于下夾面的縱切面上,以直圓型柔性鉸鏈的環(huán)切圓的圓心o1為原點,沿空間直角坐標系o-xyz的y軸和z軸同向,建立平面直角坐標系o1-y1z1;在夾鉗固定部沿軸向并垂直于下夾面的縱切面上,以橢圓型柔性鉸鏈的環(huán)切橢圓的中心o3為原點,沿空間直角坐標系o-xyz的y軸和z軸同向,建立平面直角坐標系o3-y3z3;所述直圓型柔性鉸鏈的橫切面,由一個大的半圓切去一個矩形和一個小的半圓組成,h表示矩形的高,2b表示矩形的長;
24、和是直圓微線段高度的兩種表達形式,有
25、;
26、式中,m為直圓型柔性鉸鏈頂面到下夾面中軸線的距離,為下夾面的底端到下夾面中軸線的距離;z表示沿z1軸的自變量,在公式中做積分變量;為直圓型柔性鉸鏈的環(huán)切圓的半徑,表示直圓微線段至圓心o1的連線與平面直角坐標系o1-y1z1的y1軸之間的夾角,所述直圓微線段是指:將直圓型柔性鉸鏈環(huán)切圓等分成無數(shù)份,其中的任意一段均為直圓微線段;
27、和為橢圓微線段直徑的兩種不同表達形式,且有
28、;
29、其中,表示橢圓型柔性鉸鏈的最短直徑,分別為橢圓型柔性鉸鏈環(huán)切橢圓的長軸和短軸的長度,為中間變量,且;表示橢圓微線段至圓心o3的連線與平面直角坐標系o3-y3z3的y3軸之間的夾角,所述橢圓微線段是指:將橢圓型柔性鉸鏈環(huán)切橢圓等分成無數(shù)份,其中的任意一段均為橢圓微線段。
30、與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果為:
31、本發(fā)明的微創(chuàng)手術(shù)夾鉗,通過外力驅(qū)動傳動桿前后運動,可以控制齒條芯在夾鉗殼體內(nèi)前后平移運動,從而推動上夾面同步張合。微創(chuàng)手術(shù)夾鉗中的齒輪齒條傳動所提供的運動和力都很平穩(wěn),不會隨著張合行程變化而發(fā)生變化,可以提供穩(wěn)定的夾持力。本發(fā)明基于所設(shè)計的彈性體,包括直圓型柔性鉸鏈和橢圓型柔性鉸鏈及其內(nèi)部的光纖,可以對手術(shù)過程中夾鉗前端的接觸力、夾面上的壓力以及夾面上的側(cè)向力進行測量,提高了手術(shù)的準確性,降低手術(shù)風險。
1.一種微創(chuàng)手術(shù)夾鉗,其特征在于,整體呈圓柱體,包括:接觸頭(10)、夾鉗固定部(20)、上夾面(30)、齒條芯(40)和傳動桿(80);
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微創(chuàng)手術(shù)夾鉗,其特征在于,所述夾鉗固定部(20)的內(nèi)部沿軸向設(shè)置通孔,該通孔的直徑大于橢圓型柔性鉸鏈(27)的直徑;所述橢圓型柔性鉸鏈(27)同軸設(shè)置于通孔內(nèi),且橢圓型柔性鉸鏈(27)與通孔內(nèi)壁之間的距離,大于橢圓型柔性鉸鏈(27)的徑向最大形變量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微創(chuàng)手術(shù)夾鉗,其特征在于,所述橢圓型柔性鉸鏈(27)通過在圓柱體上環(huán)切部分橢圓而形成,所述直圓型柔性鉸鏈(25)通過在圓柱體上環(huán)切部分半圓而形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微創(chuàng)手術(shù)夾鉗,其特征在于,所述上夾面(30)在與下夾面(24)相接觸的部位均帶鋸齒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微創(chuàng)手術(shù)夾鉗,其特征在于,所述上夾面(30)后端的齒輪(32)中心設(shè)置第一銷軸內(nèi)孔(33),另外設(shè)置第一銷軸(60)穿過該第一銷軸內(nèi)孔(33),且兩端與夾鉗殼體(26)上的第一銷軸外孔(28)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微創(chuàng)手術(shù)夾鉗,其特征在于,所述齒條芯(40)的中部設(shè)有第二銷軸內(nèi)孔(41),另外設(shè)置第二銷軸(70)穿過該第二銷軸內(nèi)孔(41),且兩端設(shè)置于夾鉗殼體(26)上的直槽口(29)內(nèi);所述齒條芯(40)的一個平面上布有直齒,用于與上夾面(30)后端的齒輪(32)嚙合。
7.一種基于權(quán)利要求1-6任一項所述微創(chuàng)手術(shù)夾鉗的三維力測量方法,其特征在于,以夾鉗固定部(20)的中軸線與直圓型柔性鉸鏈(25)前端面的交點o為原點,沿中軸線向后端的方向為z軸正向,垂直于下夾面向頂面的方向為y軸正向,并采用右手法則建立空間直角坐標系o-xyz;包括:
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述微創(chuàng)手術(shù)夾鉗的三維力測量方法,其特征在于,直圓型和橢圓型柔性鉸鏈在方向上的結(jié)構(gòu)幾何系數(shù),計算表達式為: