[发明专利]手术机器人系统及其手术器械

说明书

本发明提供了一种手术机器人系统及其手术器械，有助于提升手术器械末端的接触力测量的精度和准确性。所述手术器械包括机械结构、套管和力传感器，所述机械结构包括器械杆和与器械杆末端连接的末端执行器；所述套管固定或可拆卸套接于器械杆的末端；所述力传感器包括敏感元件和与敏感元件连接的外围测量模块，所述敏感元件设置于套管上用于获取套管的变形信息；所述外围测量模块根据敏感元件获取的变形信息，获得敏感元件测量得到的应力，并根据述敏感元件测量得到的应力、敏感元件的位置以及敏感元件的敏感轴方向，获得套管受到的器械杆对其作用力的等效合力以及作用力的等效力矩，进而获得手术器械的末端执行器受到的接触力。

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种手术机器人系统及其手术器械。

背景技术

机器人辅助手术系统通常采用主从控制的方式实现，分为主端设备(医生端)和从端设备(病人端)两个部分。主端设备通常基于机械手臂、空间多维鼠标、摇杆等设计，可以在空间内实现多维运动。从端设备一般为多自由度机械手臂，其末端夹持有手术器械(如持针钳、电凝钳、电外科烧灼探针、组织夹持器、剪刀等)。手术时，由显示装置显示由内窥镜传出内脏3D图像，医生根据图像信息操作主端设备，从端则跟随主端运动，从而驱动手术器械完成诸如回缩组织、缝合、抓握血管、解剖、烧灼、凝固组织等一系列手术操作。

机器人辅助手术系统具有如下优点：

第一，微创伤，手术切口小，创伤小，故而，术后患者疼痛轻、恢复快、感染风险及输血概率降低；

第二，操作精细、稳定程度远胜于人手，如计算机辅助系统可消除生理震颤，三维手术视野可以清晰地看到微小的毛细血管，手术的安全性高。

然而，机器人辅助手术是一种远程操控模式，医生并没有直接的触觉感受，无法分辨组织韧度和触摸血管搏动，缺乏握力及压力的反馈，只有当设备与肌体产生严重的碰触时才会有力反馈作用，对于小的碰撞难以产生灵敏的力反馈效果。当手术器械前端触碰到肌体组织时，如若能够根据接触力的变化来调整从端设备的运动，并且给医生提供适当的力反馈警示，将可大大提高设备安全性。

传统的力反馈机制，多是在机器人每个关节处安放力矩传感器，由关节力矩来计算末端接触力矩。该方法的主要缺点在于：接触力是由计算得出的，并不随时能反映真实情况。而且肌体接触力很小，若要提高测量精度，便需要提高关节力矩传感器的分辨率，高分辨率的传感器对噪声非常敏感，信号容易失真，成本也十分昂贵。另外，手术器械多采用丝传动控制的方式，显然在丝上放置张力传感器十分困难。

专利US8491574B2公开了一种方案，通过在手术器械前端嵌入应变式敏感元件，克服了上述力测量方案的不足，实现了对外力的直接测量。然而，其仍然存在以下不足：

第一，一台手术不可避免采用多套手术器械，不同手术器械上传感器的测量一致性很难保证，即使对每把手术器械上传感器设置标定，但要精确记录所有器械的物理参数十分困难；

第二，温度、湿度、气压等因素对敏感元件物理特性产生影响，在不同的环境下，如患者体内和体外，敏感元件所表现的特性也不一样，故难以一致地描述手术器械的受力；

第三，手术器械本身是一种耗材，每把手术器械通常只能使用10次，但传感器本身是可以重复利用的，若将传感器与手术器械一同报废显然不经济。

发明内容

本发明的目的在于提供一种手术机器人系统及其手术器械，以解决现有技术中的手术器械末端接触力测量准确度低以及传感器报废率高等问题中的一个或多个。

为实现上述目的以及其它相关目的，本发明提供了一种手术器械，包括机械结构、套管和力传感器，所述机械机构包括器械杆以及与所述器械杆的末端连接的末端执行器；所述套管固定或可拆卸套接于所述器械杆的末端；所述力传感器包括敏感元件以及与所述敏感元件连接的外围测量模块，所述敏感元件设置于所述套管上，用于获取所述套管的变形信息；