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(cè)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(guò)小切口深入患者體內(nèi)，復(fù)雜的體內(nèi)環(huán)境以及目標(biāo)器官附近的其他組織都會(huì)對(duì)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(dòng)，夾持過(guò)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(jìn)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(guò)程中手術(shù)夾鉗的力反饋和夾鉗平穩(wěn)的傳動(dòng)對(duì)于醫(yī)生進(jìn)行高精度的操作是極為重要。
技術(shù)實(shí)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(cè)量方法，可以實(shí)現(xiàn)手術(shù)夾鉗的平穩(wěn)傳動(dòng)以及力的準(zhǔn)確測(cè)量。
2、為實(shí)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(dòng)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(guò)夾鉗固定部的頂端并與接觸頭固定連接；
5、所述傳動(dòng)桿與齒條芯固定連接，所述上夾面的后端通過(guò)設(shè)置齒輪以與齒條芯相配合；所述傳動(dòng)桿由外力驅(qū)動(dòng)前后運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)齒條芯前后運(yùn)動(dòng)，促使上夾面繞齒輪旋轉(zhuǎn)以相對(duì)于下夾面之間進(jìn)行開合運(yùn)動(dòng)；
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(zhǎng)漂移來(lái)測(cè)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(duì)稱設(shè)置第一光纖、第二光纖，用于根據(jù)波長(zhǎng)漂移來(lái)測(cè)量下夾面在軸向的垂直平面內(nèi)的受力情況。
8、進(jìn)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(jìn)一步地，所述橢圓型柔性鉸鏈通過(guò)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(guò)在圓柱體上環(huán)切部分半圓而形成。
10、進(jìn)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(jìn)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(guò)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(jìn)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(guò)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(gè)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(cè)量方法，以?shī)A鉗固定部的中軸線與直圓型柔性鉸鏈前端面的交點(diǎn)o為原點(diǎn)，沿中軸線向后端的方向?yàn)閦軸正向，垂直于下夾面向頂面的方向?yàn)閥軸正向，并采用右手法則建立空間直角坐標(biāo)系o-xyz；包括：
14、當(dāng)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(shí)，橢圓型柔性鉸鏈內(nèi)的第三光纖產(chǎn)生波長(zhǎng)漂移；
15、當(dāng)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(shí)，第一光纖和第二光纖產(chǎn)生波長(zhǎng)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(zhǎng)漂移，計(jì)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(zhǎng)，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(zhǎng)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(jìn)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(jì)算表達(dá)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(diǎn)，沿空間直角坐標(biāo)系o-xyz的y軸和z軸同向，建立平面直角坐標(biāo)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(diǎn)，沿空間直角坐標(biāo)系o-xyz的y軸和z軸同向，建立平面直角坐標(biāo)系o3-y3z3；所述直圓型柔性鉸鏈的橫切面，由一個(gè)大的半圓切去一個(gè)矩形和一個(gè)小的半圓組成，h表示矩形的高，2b表示矩形的長(zhǎng)；
24、和是直圓微線段高度的兩種表達(dá)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(biāo)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(wú)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(dá)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(zhǎng)軸和短軸的長(zhǎng)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(biāo)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(wú)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(guò)外力驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)桿前后運(yùn)動(dòng)，可以控制齒條芯在夾鉗殼體內(nèi)前后平移運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)上夾面同步張合。微創(chuàng)手術(shù)夾鉗中的齒輪齒條傳動(dòng)所提供的運(yùn)動(dòng)和力都很平穩(wěn)，不會(huì)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(jì)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(duì)手術(shù)過(guò)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(jìn)行測(cè)量，提高了手術(shù)的準(zhǔn)確性，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。
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(dòng)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(gè)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(xiàng)所述微創(chuàng)手術(shù)夾鉗的三維力測(cè)量方法，其特征在于，以?shī)A鉗固定部（20）的中軸線與直圓型柔性鉸鏈（25）前端面的交點(diǎn)o為原點(diǎn)，沿中軸線向后端的方向?yàn)閦軸正向，垂直于下夾面向頂面的方向?yàn)閥軸正向，并采用右手法則建立空間直角坐標(biāo)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(cè)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(jì)算表達(dá)式為：