一种经鼻气管插管手术机器人系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种经鼻气管插管手术机器人系统及控制方法，包括操作控制台及插管操作装置；插管操作装置通过被动支撑臂设置于移动手术床的床头端；插管操作装置包括支气管镜及与支气管镜相连的导管，用于控制支气管镜尖端弯曲的管镜弯曲装置，用于控制支气管镜整体旋转的管镜旋转装置，用于控制括支气管镜给进回收的管镜输送装置和用于控制导管辅助给进的滚轮输送装置；插管操作装置通过支撑框架安装在被动支撑臂上；且支气管镜尖端与置于移动手术床上的患者鼻腔位置对应。本发明专利技术中的机器人机构简单，体积较小，便于携带运输；医生可以通过机器人远程操作内窥镜完成手术，解决了传染病救治时高交叉感染的风险。救治时高交叉感染的风险。救治时高交叉感染的风险。

【技术实现步骤摘要】
一种经鼻气管插管手术机器人系统及控制方法


[0001]本专利技术属医疗设备
，尤其涉及一种经鼻气管插管手术机器人系统及控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着计算机、图像处理和机器人技术的飞速发展，医疗手术器械领域得到了迅速的发展。人们越来越多的认识到医疗器械优秀的特性在临床实践中带来的好处，医疗器械的使用能够提供更标准化和更高效率的医疗服务。医护人员在临床上使用医疗器械也能够更容易和更安全的完成对患者的救治。
[0003]在为呼吸窘迫的重症患者进行治疗的过程中，医务人员存在暴露风险最高的操作就是气管插管术。患者因插管刺激呛咳，产生大量飞沫和气溶胶，大大增加医务人员感染风险。除此之外，因为患者的上呼吸道具有长而狭窄的结构和支气管镜尖端的单目摄像头仅仅只能为外科医生提供部分视图的原因。医生需要快速辨识人体各个解剖特征。而且，经典的柔性内窥镜要求医生根据有限的自由度，结合多个动作来执行内窥镜尖端的转向、推动或者拉动内窥镜。这需要医生在快速辨识人体的解剖特征的同时，准确、稳定、快速地操控支气管镜。因此，整体手术难度较大，增加了医生的认知和操作负担。
[0004]利用机器人代替医生进行清醒支气管镜气管插管，可降低医生负担和提高手术质量。然而，国内外针对机器人经鼻气管插管的研究还较少，仅有少数关于经口腔气管插管的研究报道。加拿大麦吉尔大学研发了通过遥控操纵的经口气管插管手术机器人。海军军医大学同样研发了基于远程操作经口气管插管机器人系统。上述两个系统中，机器人无法自主识别关键解剖特征，严重依赖有经验的医生进行插管操作，而且机器人机构复杂且庞大，不便于携带运输，故实际意义有限。现有相关工作探索了机器人喉镜、内镜插入的手术操作，但是实现动作单一且严重依赖于医生的经验。
[0005]且现有机器人缺乏图像感知能力的缺点，需要医生通过分析图像来确定支气管镜的运动目标，这加大了医生的认知负担。算法提取到的图像特征是决定识别效果的关键因素，比如苏黎世联邦理工的手持式经口插管机器人通过识别气道和声门的Haar特征来辅助医生进行插管，R.Reilink等人基于图像强度特征的原理分割了图片的暗区域，得到了可以假设为腔体中心的目标；C.S.Bell等人的基于自适应阈值算法分割了最暗的区域，得到了可以假设为腔体中心的目标。
[0006]因此，亟需设计一种经鼻气管插管手术机器人系统，可以使得机器人在狭窄的工作空间中操作柔性支气管镜和气管导管，完成气管插管手术操作；且本专利技术还进一步丰富该手术机器人系统的控制方法，运用图像处理技术和基于PID控制策略可以使得人远程操控机器人完成插管手术。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种经鼻气管插管手术机器人系统及控制方法，以解决上述
问题，实现对鼻腔、咽喉、声门、气管等暗区域特征识别，协助医生完成经鼻清醒气管插管操作。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0009]一种经鼻气管插管手术机器人系统，包括操作控制台及插管操作装置；所述插管操作装置通过被动支撑臂设置于所述移动手术床的床头端；
[0010]所述插管操作装置包括支气管镜及与所述支气管镜相连的导管，用于控制所述支气管镜尖端弯曲的管镜弯曲装置，用于控制所述支气管镜整体旋转的管镜旋转装置，用于控制所述括支气管镜给进回收的管镜输送装置和用于控制所述导管辅助给进的滚轮输送装置；
[0011]所述插管操作装置通过支撑框架安装在所述被动支撑臂上；
[0012]且支气管镜尖端与置于所述移动手术床上的患者鼻腔位置对应。
[0013]所述支气管镜包括显示器和镜体；所述显示器和镜体通过操作部连接；所述操作部上转动安装有控制旋钮；所述管镜弯曲装置通过所述控制旋钮控制所述弯曲部弯曲；
[0014]所述镜体上安装有所述导管；所述镜体的延伸末端形成有弯曲部；
[0015]所述管镜输送装置上支撑有所述操作部；所述管镜输送装置固定安装在所述管镜旋转装置上，所述管镜旋转装置上限定有所述导管的一端；所述导管的另一端及弯曲部限定在所述滚轮输送装置上。
[0016]所述支撑框架包括用于固定所述管镜旋转装置内旋转电机的旋转电机支撑架，用于连接所述被动支撑臂的底板和机械臂连接件；所述底板一端通过上轴承座与所述旋转电机支撑架固定连接，所述底板另一端通过下轴承座连接有末端连接板；所述末端连接板上固定连接有用于支撑所述滚轮输送装置的末端连接架。
[0017]所述管镜弯曲装置包括旋钮操作电机，所述旋钮操作电机固定安装在旋钮操作电机固定架一侧，所述旋钮操作电机固定架另一侧设置有与所述旋钮操作电机输出端固定连接的旋钮电机连接件；所述旋钮电机连接件内开设有装嵌槽，所述控制旋钮固定安装在所述装嵌槽内；所述旋钮操作电机固定架安装在所述管镜输送装置的装夹机构上。
[0018]所述管镜旋转装置还包括与所述旋转电机同轴设置的旋转电机联轴器；所述旋转电机通过旋转电机联轴器与上主支架联轴器连接件传动连接，所述上主支架联轴器连接件安装在所述上轴承座内；
[0019]所述上主支架联轴器连接件上还固定连接有上主支架；所述上主支架通过支撑板与所述下主支架固定连接；所述下主支架上开设有用于固定所述导管的安装孔；所述导管转动安装在所述下轴承座内；所述上主支架和下主支架均限定于所述支撑板上方。
[0020]所述管镜输送装置包括装夹机构和给进滑轨；所述给进滑轨设置有两条，且所述给进滑轨两端分别固定安装在所述上主支架和下主支架底部；两所述给进滑轨上滑动设置有一给进滑块；所述给进滑块上通过给进滑块连接件安装有所述装夹机构；所述给进滑块固定安装在所述给进丝杆螺母上；所述给进丝杆螺母滑动安装在所述给进丝杆上；所述给进丝杆两侧分别安装有进给丝杠上端架和给进丝杆下端架；所述给进丝杆下端架与所述下主支架侧壁固定连接；所述给进丝杆还通过给进丝杆联轴器与给进电机传动连接；所述进丝杆联轴器与进给丝杠上端架固定连接；所述给进丝杆通过给进电机支架固定安装在所述给进滑轨底部。
[0021]所述装夹机构包括所述给进滑块连接件上安装的固定上支架和固定下支架；所述固定上支架和固定下支架顶部共同安装有连接杆；所述连接杆上螺纹安装有锁紧支架，所述锁紧支架贯穿所述操作部；所述连接杆端部还通过转轴转动连接有装夹框；所述装夹框与所述操作部固定连接。
[0022]所述滚轮输送装置包括导管固定部及滚轮调节部；所述导管固定部包括推杆电机，所述推杆电机通过推杆电机支架固定安装在所述末端连接架上；所述推杆电机通过推杆丝杆联轴器传动连接有推杆丝杆；所述推杆丝杆通过推杆丝杆下肢架固定安装在所述末端连接架上；
[0023]所述推杆电机两侧分别设置有气管下支撑架挡块；两所述气管下支撑架挡块上抵接有气管下支架；所述气管下支架通过转轴及弹簧与气管上支架相连接；所述气管上支架一侧还固定安装在所述末端连接板上；所述导管贯穿所述气管下支架；
[0024]所述推杆丝杆上传动安装有推杆；所述推杆上安装有所述滚轮调节部。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种经鼻气管插管手术机器人系统，其特征在于，包括：操作控制台(1)及插管操作装置(3)；所述插管操作装置(3)通过被动支撑臂(4)设置于移动手术床(5)的床头端；所述插管操作装置(3)包括支气管镜(31)及与所述支气管镜(31)相连的导管(3104)，用于控制所述支气管镜(31)尖端弯曲的管镜弯曲装置(32)，用于控制所述支气管镜(31)整体旋转的管镜旋转装置(33)，用于控制所述括支气管镜(31)给进回收的管镜输送装置(34)和用于控制所述导管(3104)辅助给进的滚轮输送装置(35)；所述插管操作装置(3)通过支撑框架(36)安装在所述被动支撑臂(4)上；且支气管镜(31)尖端与置于所述移动手术床(5)上的患者鼻腔位置对应。2.根据权利要求1所述的一种经鼻气管插管手术机器人系统，其特征在于：所述支气管镜(31)包括显示器(3100)和镜体(3102)；所述显示器(3100)和镜体(3102)通过操作部(3101)连接；所述操作部(3101)上转动安装有控制旋钮(3015)；所述管镜弯曲装置(32)通过所述控制旋钮(3015)控制所述弯曲部(3103)弯曲；所述镜体(3102)上安装有所述导管(3104)；所述镜体(3102)的延伸末端形成有弯曲部(3103)；所述管镜输送装置(34)上支撑有所述操作部(3101)；所述管镜输送装置(34)固定安装在所述管镜旋转装置(33)上，所述管镜旋转装置(33)上限定有所述导管(3104)的一端；所述导管(3104)的另一端及弯曲部(3103)限定在所述滚轮输送装置(35)上。3.根据权利要求2所述的一种经鼻气管插管手术机器人系统，其特征在于：所述支撑框架(36)包括用于固定所述管镜旋转装置(33)内旋转电机(3300)的旋转电机支撑架(3600)，用于连接所述被动支撑臂(4)的底板(3602)和机械臂连接件(3603)；所述底板(3602)一端通过上轴承座(3601)与所述旋转电机支撑架(3600)固定连接，所述底板(3602)另一端通过下轴承座(3604)连接有末端连接板(3605)；所述末端连接板(3605)上固定连接有用于支撑所述滚轮输送装置(35)的末端连接架(3606)。4.根据权利要求2所述的一种经鼻气管插管手术机器人系统，其特征在于：所述管镜弯曲装置(32)包括旋钮操作电机(3200)，所述旋钮操作电机(3200)固定安装在旋钮操作电机固定架(3201)一侧，所述旋钮操作电机固定架(3201)另一侧设置有与所述旋钮操作电机(3200)输出端固定连接的旋钮电机连接件(3202)；所述旋钮电机连接件(3202)内开设有装嵌槽，所述控制旋钮(3015)固定安装在所述装嵌槽内；所述旋钮操作电机固定架(3201)安装在所述管镜输送装置(34)的装夹机构(3400)上。5.根据权利要求3所述的一种经鼻气管插管手术机器人系统，其特征在于：所述管镜旋转装置(33)还包括与所述旋转电机(3300)同轴设置的旋转电机联轴器(3301)；所述旋转电机(3300)通过旋转电机联轴器(3301)与上主支架联轴器连接件(3302)传动连接，所述上主支架联轴器连接件(3302)安装在所述上轴承座(3601)内；所述上主支架联轴器连接件(3302)上还固定连接有上主支架(3303)；所述上主支架(3303)通过支撑板(3305)与所述下主支架(3304)固定连接；所述下主支架(3304)上开设有用于固定所述导管(3104)的安装孔；所述导管(3104)转动安装在所述下轴承座(3604)内；所述上主支架(3303)和下主支架(3304)均限定于所述支撑板(3305)上方。6.根据权利要求5所述的一种经鼻气管插管手术机器人系统，其特征在于：所述管镜输送装置(34)包括装夹机构(3400)和给进滑轨(3405)；所述给进滑轨(3405)设置有两条，且
所述给进滑轨(3405)两端分别固定安装在所述上主支架(3303)和下主支架(3304)底部；两所述给进滑轨(3405)上滑动设置有一给进滑块(3412)；所述给进滑块(3412)上通过给进滑块连接件(3403)安装有所述装夹机构(3400)；所述给进滑块(3412)固定安装在所述给进丝杆螺母(3408)上；所述给进丝杆螺母(3408)滑动安装在所述给进丝杆(3407)上；所述给进丝杆(3407)两侧分别安装有进给丝杠上端架(3409)和给进丝杆下端架(3406)；所述给进丝杆下端架(3406)与所述下主支架(3304)侧壁固定连接；所述给进丝杆(3407)还通过给进丝杆联轴器(3410)与给进电机(3413)传动连接；所...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓震，郑晓春，何炳蔚，郭煜新，潘川川，郑艇，高飞，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：