微創手術機器人立體內窺鏡裝置的製作方法

2023-09-12 06:59:30 1

本發明涉及立體內窺鏡視覺領域，配合微創外科手術機器人系統使用，特別涉及立體內窺鏡裝置的整體結構。

背景技術：

目前，以腹腔鏡為代表的微創外科手術已經應用於多種手術領域，是20世紀一個重要的醫學科學進步。腹腔鏡手術下，醫生通過病人身體表面的微小切口將細長的手術工具和內窺鏡探入到體內進行手術操作。與開口手術相比，腹腔鏡手術操作具有出血少，手術切口小，感染概率低等優點，從而減少病人恢復時間。然後，在傳統腹腔鏡手術操作中，醫生通過2D內窺鏡只能獲得平面的視覺反饋信息,喪失對操作空間內的三維感知。這一特點不僅限制了醫生操作技能操作技能，增加醫生上崗培訓時間，而且增加手術操作時間增加時間，降低操作精確度，並且限制腹腔鏡手術技術應用於複雜手術中。立體內窺鏡視覺技術吸引了許多國內外研究人員和外科醫生的關注。目前，日本Olympus公司、德國Schollly公司、美國Viking公司的3D腹腔鏡已經面世，然後，昂貴的價格使得國內眾多醫院及患者不得不對其望而止步。我國在立體內窺鏡系統方面的研究尚處於起步階段，尚無應用於臨床腹腔鏡手術的系統。

近年來，市場上出現了多種立體視覺系統，包括快門式眼鏡技術、紅藍3D立體顯示技術、可穿戴式3D顯示以及裸眼3D設備。目前這些技術在生活娛樂等方面已經有成熟的產品。而腹腔鏡手術環境下的立體視覺系統需要具備：長時間觀察舒適性，醫生無負重感，小範圍觀察空間內高圖像質量與清晰度，便於加工裝配，雙路鏡頭偏差小，易於消毒，便捷快速連接啟動，安全操作等要求。現有的每種解決方案都不能滿足上述的要求。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種圖像質量高、符合人體雙目觀察特點、與微創手術機器人配合使用的高清立體內窺鏡裝置。

為了達到上述目的，本發明採用的技術方案是：

本發明的微創手術機器人立體內窺鏡裝置,包括立體內窺鏡鏡體、雙路攝像組、攝像機處理單元和可調節式照明冷光源，所述的立體內窺鏡鏡體包括內窺鏡後鏡體，所述的內窺鏡後鏡體包括殼體，在所述的殼體後端和前端分別固定有後端蓋和前端蓋，在所述的殼體的左右兩側分別對稱的開有左右凹槽，在所述的殼體的中間開有中間凹槽，在所述的中間凹槽中通過轉軸安裝有連接旋鈕，所述的連接旋鈕與一個螺紋連接在後端蓋上的旋緊螺釘的前端固定相連，在所述的殼體的後端蓋的左右兩側設置有兩個尺寸不相等的大定位凸臺和小定位凸臺並在所述的殼體的後端蓋的前側、後側開有傳遞光纖的前光纖孔和後光纖孔；所述的雙路攝像組包括後端為敞口的前端支撐架，在所述的前端支撐架的後端敞口處固定有支撐架後端蓋，所述的前端支撐架通過滑軌插在攝像組外殼內，在所述的前端支撐架的左側和右側分別開有大槽口和小槽口，在所述的前端支撐架的中間開有螺紋槽，在所述的支撐架的前後側分別設置有前光纖凸臺和後光纖凸臺，所述的大定位凸臺和小定位凸臺分別插入大槽口和小槽口以定位，所述的旋緊螺釘穿過殼體後端蓋與螺紋槽螺紋連接，所述的前光纖凸臺和後光纖凸臺分別插入前光纖孔和後光纖孔，在所述的支撐架後端蓋上開有控制線穿過孔和兩個光纖穿過孔，所述的前端支撐架前端的尺寸大於殼體的後端蓋尺寸以使兩者在連接處形成臺階結構，在所述的前端蓋的前壁中間固定有內窺鏡前鏡體，所述的內窺鏡前鏡體包括外管，所述的外管採用醫用不鏽鋼管，在所述的外管的前端部固定有前鏡體擋片，在所述的外管的縱向對稱軸的上下兩側分別非對稱固定有前擋片和後擋片，在所述的外管的橫向對稱軸的左右兩側分別對稱固定有左保護片和右保護片，在所述的左保護片和右保護片後方的立體內窺鏡鏡體內分別設置有結構相同的內窺鏡左光路與內窺鏡右光路，所述的內窺鏡左光路和內窺鏡右光路分別包括設置在所述的外管內前端的鏡體頭部，每一個所述的鏡體頭部包括固定在組合支撐架內的一組視向角鏡頭結構，所述的組合支撐架固定在外管內壁上，兩組視向角鏡頭結構用於將從左保護片和右保護片射入的光線沿與外管的中心軸線平行的方向射出傳遞至轉像結構的透鏡組，在所述的組合支撐架的後端上分別與兩組視向角鏡頭結構射出的光軸線同軸線固定有左套管和右套管，所述的左套管和右套管的後端和前端蓋上的開孔膠合固定連接。所述的左套管和右套管中間分別通過前後間隔設置的前支撐架和後支撐架固定在外管內壁上，在所述的左套管和右套管的後部均設置有自物側向像側依次設置的後部透鏡、彈簧補償間隔圈和間隙調整彈簧，在所述的前擋片和後擋片後方的立體內窺鏡前鏡體內分別通過所述的組合支撐架安裝有第一分支導光束和第二分支導光束；在所述的殼體內安裝有主體支架，在所述的主體支架內的左右兩側對稱安裝有兩組結構相同的轉像結構的透鏡組，每一組轉像結構的透鏡組包括自物側向像側依次安裝有轉折稜鏡組、間隔圈、前透鏡、微調彈簧、後透鏡以及分別安裝在大定位凸臺和小定位凸臺的開孔口處的保護片，所述的間隙調整彈簧安裝在所述的彈簧補償間隔圈和轉折稜鏡組之間，所述的轉折稜鏡組通過其反射面將沿內窺鏡左光路與內窺鏡右光路上的後部透鏡射出的入射光線反射為與入射光線平行設置的左光軸線反射光線和右光軸線反射光線，所述的左光軸線反射光線和右光軸線反射光線之間的軸線距離大於左套管內的後部透鏡射出的入射光線與右套管內的後部透鏡射出的入射光線之間的軸線距離；在殼體的左右凹槽中分別設置有一個對焦旋鈕，每一個所述的對焦旋鈕分別通過軸線與外管平行設置的對焦旋鈕軸與一個設置在主體支架內的上齒輪固定相連，所述的對焦旋鈕軸通過軸承轉動連接在所述的主體支架上，所述的上齒輪與一個下齒輪嚙合配合，所述的下齒輪固定在一個微調絲槓的前端，所述的微調絲槓的中間部分與調整螺母螺紋配合連接並且後端通過軸承支撐設置在殼體的後端蓋上，所述的調整螺母的下部兩側分別通過導軌滑塊結構與主體支架滑動相連，所述的調整螺母能夠在微調絲槓的帶動下前後移動與後透鏡的後端面接觸以推動後透鏡的軸向移動，在所述的前端支撐架內左右兩側分別安裝有左攝像機、右攝像機，所述的左攝像機的感光面、右攝像機的感光面分別對準前端支撐架上的大槽口和小槽口設置並且左攝像機的感光面和右攝像機的感光面分別與經保護片射出的兩路光線的光軸中心線重合，所述的左攝像機、右攝像機通過穿過控制線穿過孔的控制線與攝像機處理單元相連，所述的攝像機處理單元讀取左攝像機、右攝像機輸出的光學信號並進行處理後輸出用於讀取的圖形文件，在所述的支撐架後端蓋上連接有合流器，在所述的合流器中間設置有內腔，所述的內腔的前部為Y型斜孔並且後部為直孔，所述的第一分支導光束分別穿過外管、殼體內的空腔、前光纖凸臺、前光纖孔以及所述的支撐架後端蓋上的一個光纖穿過孔，所述的第二分支導光束分別穿過外管、殼體內的空腔、後光纖凸臺、後光纖孔和所述的支撐架後端蓋上的另一個光纖穿過孔，穿過兩個光纖穿過孔設置的兩個分支導光束通過彈性鎖緊片固定在合流器的Y型斜孔內並在直孔內合併為一個總導光束，所述的總導光束與可調節式照明冷光源相連。

與現有技術相比，本發明的有益效果：

1.本發明實現了立體內窺鏡與雙路攝像組的快速拆卸與可靠連接，具有易於消毒、便捷快速連接啟動、安全操作等優點。

2.本發明中的鏡管間隙調整結構實現在使用過程中，工作環境溫度溼度等因素會引起透鏡以及金屬材質的長度變化，間隙調整彈簧儲存這種變化下產生的能量，避免產生內部壓力。

3.本發明中後鏡體的結構增加組件布置緊湊性，減少後端體積。同時，左右兩側設有密封槽，將內部空間進行密封。

4.本發明中的30°和0°兩種視向角鏡頭滿足不同手術方式的需求。

5.本發明在機構上實現了立體內窺鏡裝置對焦功能，滿足使用過程中對焦距調整的需求。

6.通過六自由度調整方式實現攝像機相對於攝像機支撐架的位置調整，減少雙路鏡頭偏差。

7.本發明中內窺鏡鏡體具有固定無菌保護袋結構，實現對內窺鏡鏡體的無菌隔離。

附圖說明

上述僅是本發明技術方案的概述，為了能更清楚的介紹本發明，以下結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明。

圖1為本發明的微創手術機器人立體內窺鏡裝置總體組成示意圖；

圖2-(a)為本發明的微創手術機器人立體內窺鏡裝置30°鏡頭端面結構示意圖；

圖2-(b)為為本發明的微創手術機器人立體內窺鏡裝置0°鏡頭端面結構示意圖；

圖3-(a)為沿著圖2-(a)中2A-2A線的30°視向角鏡頭前端結構剖視圖；

圖3-(b)為沿著圖2-(b)中2B-2B線的0°視向角鏡頭前端結構剖視圖；

圖4為圖1所示的裝置中的立體內窺鏡鏡體的剖示圖；

圖5為圖4所示的鏡體中的內窺鏡後鏡體的結構剖示圖；

圖6為圖1所示的裝置中的內窺鏡鏡體與雙路攝像組連接結構示意圖；

圖7為圖1所示的裝置中的雙路攝像組內部結構爆炸示意圖；

圖8為圖1所示的裝置中的雙路光源照明聚合器結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的微創手術機器人立體視覺系統做進一步說明。

圖1為本發明的微創手術機器人立體內窺鏡裝置總體組成示意圖。本裝置與微創手術機器人系統配合使用，通過切口點進入體腔例如腹腔對病灶處進行離體觀察，為醫生提供立體視覺反饋。本發明的裝置包括：插入病患體腔例如腹腔的立體內窺鏡鏡體1，位於患者體外並由微創手術機器人操作臂夾持的雙路攝像組2，用於雙路圖像採集和處理的攝像機處理單元3和可調節式照明冷光源4組成。攝像機處理單元3和可調節式照明冷光源4通常放置於靠近手術臺的醫用可移動車上。本發明的可調節式照明冷光源4利用Y型光纖4-1提供兩路照明通道，降低手術中使用冷光源的數量，同時為立體內窺鏡照明系統提供足夠的均勻照度。

在本實施方式中，立體內窺鏡鏡體1位於患者體內，實現對病患組織的立體成像功能。所述的立體內窺鏡鏡體1包括內窺鏡後鏡體1-1，所述的內窺鏡後鏡體1-1包括殼體，在所述的殼體後端和前端分別固定有後端蓋1-1-5和前端蓋1-2-27，在所述的殼體的左右兩側分別對稱的開有左右凹槽，在所述的殼體的中間開有中間凹槽，在所述的中間凹槽中通過轉軸安裝有連接旋鈕1-1-8，所述的連接旋鈕1-1-8與一個螺紋連接在後端蓋1-1-5上的旋緊螺釘1-1-14的前端固定相連，在所述的殼體的後端蓋1-1-5的左右兩側設置有兩個尺寸不相等的大定位凸臺1-1-5a和小定位凸臺1-1-5b並在所述的殼體的後端蓋1-1-5的前側、後側開有傳遞光纖的前光纖孔1-1-5c和後光纖孔1-1-5d。

所述的雙路攝像組2包括後端為敞口的前端支撐架2-2，在所述的前端支撐架2-2的後端敞口處固定有支撐架後端蓋2-7，所述的前端支撐架2-2通過滑軌插在攝像組外殼2-1內。在所述的前端支撐架2-2的左側和右側分別開有大槽口2-2a和小槽口2-2b，在所述的前端支撐架2-2的中間開有螺紋槽，在所述的支撐架2-2的前後側分別設置有前光纖凸臺2-2c和後光纖凸臺2-2d，所述的大定位凸臺1-1-5a和小定位凸臺1-1-5b分別插入大槽口2-2a和小槽口2-2b以定位，所述的旋緊螺釘1-1-14穿過殼體後端蓋與螺紋槽螺紋連接，從而實現立體內窺鏡鏡體(1)與雙路攝像組(2)的快速螺紋連接的結構。所述的前光纖凸臺2-2c和後光纖凸臺2-2d分別插入前光纖孔1-1-5c和後光纖孔1-1-5d。在所述的支撐架後端蓋2-7上開有控制線穿過孔和兩個光纖穿過孔；本發明的大小孔配合結構能夠有效避免立體內窺鏡裝配中反向轉配問題。傳遞光纖的前光纖凸臺(2-2c)和後光纖凸臺(2-2d)為凸臺結構。大定位凸臺(1-1-5a)和小定位凸臺(1-1-5b)為凸臺結構。該相反的布局方式有效避免光路傳遞過程中照明光線洩漏對圖像傳遞的影響。

所述的前端支撐架2-2前端的尺寸大於殼體的後端蓋1-1-5尺寸以使兩者在連接處形成臺階結構。使用過程中，所述的臺階結構用於固定無菌保護袋，內窺鏡鏡體(1)為滅菌消毒部件，雙路攝像組(2)為不消毒部件，將無菌保護袋套在雙路攝像組(2)上後，無菌保護袋鎖緊固定在內窺鏡的後端蓋(1-1-5)的臺階處。

在所述的前端蓋1-2-27的前壁中間固定有內窺鏡前鏡體1-2，所述的內窺鏡前鏡體1-2包括外管，所述的外管採用醫用不鏽鋼管。在所述的外管的前端部固定有前鏡體擋片1-2-5，在所述的外管的縱向對稱軸的上下兩側分別非對稱固定有前擋片1-2-10和後擋片1-2-11，在所述的外管的橫向對稱軸的左右兩側分別對稱固定有左保護片1-2-22和右保護片1-2-13，在所述的左保護片1-2-22和右保護片1-2-13後方的立體內窺鏡鏡體1內分別設置有結構相同的內窺鏡左光路(1-2-1)與內窺鏡右光路(1-2-4)，所述的內窺鏡左光路(1-2-1)和內窺鏡右光路(1-2-4)分別包括設置在所述的外管內前端的鏡體頭部1-2-19，每一個所述的鏡體頭部1-2-19包括固定在組合支撐架1-2-7內的一組視向角鏡頭結構，所述的組合支撐架1-2-7固定在外管內壁上，兩組視向角鏡頭結構用於立體圖像採集以及長距離傳輸捕獲圖像的傳像。

在所述的組合支撐架1-2-7的後端上分別與兩組視向角鏡頭結構射出的光軸線同軸線固定有左套管(1-2-25)和右套管(1-2-26)，所述的左套管(1-2-25)和右套管(1-2-26)的後端和前端蓋(1-2-27)上的開孔膠合固定連接。所述的左套管(1-2-25)和右套管(1-2-26)中間分別通過前後間隔設置的前支撐架1-2-8和後支撐架1-2-14固定在外管內壁上。

在所述的左套管和右套管的後部均設置有自物側向像側依次設置的後部透鏡1-2-17、彈簧補償間隔圈1-2-16和間隙調整彈簧1-2-15。

所內窺鏡左光路1-2-1與內窺鏡右光路1-2-4在裝配中的部件會存在加工尺寸誤差，無法實現兩路長度完全一致。同時，在使用過程中，光學部件隨工作環境溫度影響會產生長度上的變化，間隙調整彈簧1-2-15儲存這種變化下產生的能量，避免產生內部壓力。因此，所配置的間隙調整彈簧1-2-15用於調整該誤差，該調整方式為以內窺鏡左光路1-2-1長度為基準，調整內窺鏡右光路1-2-4中轉折稜鏡組1-1-15與透鏡1-2-17之間距離。

在所述的前擋片1-2-10和後擋片1-2-11後方的立體內窺鏡前鏡體1-2內分別通過所述的組合支撐架1-2-7安裝有第一分支導光束4-3和第二分支導光束4-4。

鏡體頭部1-2-19為本裝置最前端部件，實現對觀察場景的第一次成像，完成成像後的兩路圖像經由立體內窺鏡前鏡體1-2長距離傳輸捕獲圖像的傳像，經由立體內窺鏡後鏡體1-1的轉像結構獲取兩路光軸的分離度和平行度。最終，手術部位被捕獲的圖像經過立體內窺鏡鏡體1完成採集和分離後併到達後端雙路攝像組2內的圖像傳感器上進行成像。所述的立體內窺鏡鏡體1用於固定兩路內窺鏡光路系統和光纖導光束。

本發明的立體內窺鏡裝置配設有30°視向角鏡頭結構和0°視向角鏡頭結構的兩種角度鏡頭形式，以滿足不同體腔手術的操作需要(例如腹腔、宮腔)；

所述的兩組視向角鏡頭結構用於將從左保護片1-2-22和右保護片1-2-13射入的光線沿與外管的中心軸線平行的方向射出傳遞至轉像結構的透鏡組。

作為本發明的第一種實施方式，所述的30°視向角鏡頭結構包括自物側向像側依次設置的間隔圈1-2-24、第一透鏡(1-2-20)、光軸偏向構件(1-2-12)、第二透鏡(1-2-21)和透鏡組(1-2-23)，從第一透鏡射入的光線與從光軸偏向構件射出的光線的夾角為30度，經光軸偏向構件射出的光線與外管的中心軸線平行並經第二透鏡(1-2-21)和透鏡組(1-2-23射出後在相應側的套管內長距離傳輸至後部透鏡；所述的光軸偏向構件可以採用稜鏡。

作為本發明的第二種實施方式。所述的0°視向角鏡頭結構包括自物側向像側依次設置的多個透鏡，所述的多個透鏡中心在一條直線上並沿與外管1-2-6的中心軸線平行的方向放置，經過多個透鏡射出的光線在在相應側的套管內長距離傳輸至後部透鏡。如圖多個透鏡可以具體設置為自物側向像側依次設置的第一透鏡(1-2-20)、第二透鏡(1-2-21)和透鏡組(1-2-23)。

在所述的殼體內安裝有主體支架1-1-10，在所述的主體支架1-1-10內的左右兩側對稱安裝有兩組結構相同的轉像結構的透鏡組，每一組轉像結構的透鏡組包括自物側向像側依次安裝有轉折稜鏡組1-1-15、間隔圈1-1-20、前透鏡1-1-12、微調彈簧1-1-13、後透鏡1-1-16以及分別安裝在大定位凸臺和小定位凸臺的開孔口處的保護片1-1-19，所述的間隙調整彈簧(1-2-15)安裝在所述的彈簧補償間隔圈(1-2-16)和轉折稜鏡組(1-1-15)之間，所述的轉折稜鏡組1-1-15通過其反射面將沿內窺鏡左光路(1-2-1)與內窺鏡右光路(1-2-4)上的後部透鏡1-2-17射出的入射光線反射為與入射光線平行設置的左光軸線反射光線(1-2-28)和右光軸線反射光線(1-2-18)，所述的左光軸線反射光線(1-2-28)和右光軸線反射光線(1-2-18)之間的軸線距離大於左套管內的後部透鏡1-2-17射出的入射光線與右套管內的後部透鏡1-2-17射出的入射光線之間的軸線距離；

在殼體的左右凹槽中分別設置有一個對焦旋鈕1-1-1，每一個所述的對焦旋鈕1-1-1分別通過軸線與外管平行設置的對焦旋鈕軸1-1-2與一個設置在主體支架1-1-10內的上齒輪1-1-4固定相連，所述的對焦旋鈕軸1-1-2通過軸承轉動連接在所述的主體支架1-1-10上，所述的上齒輪1-1-4與一個下齒輪1-1-11嚙合配合，所述的下齒輪1-1-11固定在一個微調絲槓1-1-7的前端，所述的微調絲槓1-1-7的中間部分與調整螺母1-1-6螺紋配合連接並且後端通過軸承支撐設置在殼體的後端蓋1-1-5上，所述的調整螺母1-1-6的下部兩側分別通過導軌滑塊結構與主體支架滑動相連，所述的調整螺母1-1-6能夠在微調絲槓1-1-7的帶動下前後移動與後透鏡1-1-16的後端面接觸以推動後透鏡1-1-16的軸向移動，從而擠壓微調彈簧1-1-13。因此，微調彈簧1-1-13長度隨調整螺母1-1-6的軸向移動而變化，調整前透鏡1-1-12與後透鏡1-1-16之間距離，從而實現對焦功能。

優選的在所述的後端蓋1-1-5與保護片1-1-19之間設有密封圈1-1-18，對後端蓋1-1-5內部所設光學元件進行密封。

在所述的前端支撐架2-2內左右兩側分別安裝有左攝像機2-6、右攝像機2-11，所述的左攝像機2-6的感光面、右攝像機2-11的感光面分別對準前端支撐架2-2上的大槽口2-2a和小槽口2-2b設置並且左攝像機2-6的感光面2-9和右攝像機2-11的感光面2-4分別與經保護片1-1-19射出的兩路光線的光軸中心線重合。

優選的，在所述的前端支撐架2-2的左側壁、右側壁和底壁上分別開有兩個螺栓孔，在所述的左攝像機2-6和右攝像機2-11的內側壁以及頂部上分別安裝有彈片2-10，分別穿過前端支撐架2-2的左側壁、右側壁和底壁上的螺栓孔的緊定螺釘2-5與左攝像機2-6的外側壁、右攝像機2-11的外側壁、左攝像機2-6的底壁以及右攝像機2-11的底壁能夠接觸配合，通過調整緊定螺釘2-5位置調整彈片壓縮程度。

當兩個水平設置或者豎直設置的螺釘的調整深度一致時，右攝像機2-11或左攝像機2-6在前端支撐架2-2內沿調整方向平行運動；當兩個螺釘的調整深度不一致時，右攝像機2-11或左攝像機2-6在前端支撐架2-2內繞調整方向進行偏轉運動。當然也可以採用固定結構對左攝像機2-6和右攝像機2-11的位置進行調節。

所述的左攝像機2-6、右攝像機2-11通過穿過控制線穿過孔的控制線與攝像機處理單元相連，所述的攝像機處理單元讀取左攝像機2-6、右攝像機2-11輸出的光學信號並進行處理後輸出用於讀取的圖形文件。

在所述的支撐架後端蓋上連接有合流器4-2，在所述的合流器4-2中間設置有內腔，所述的內腔的前部為Y型斜孔並且後部為直孔，所述的第一分支導光束4-3分別穿過外管、殼體內的空腔、前光纖凸臺2-2c、前光纖孔1-1-5c以及所述的支撐架後端蓋2-7上的一個光纖穿過孔，所述的第二分支導光束4-4分別穿過外管、殼體內的空腔、後光纖凸臺2-2d、後光纖孔1-1-5d和所述的支撐架後端蓋2-7上的另一個光纖穿過孔，穿過兩個光纖穿過孔設置的兩個分支導光束通過彈性鎖緊片4-6固定在合流器4-2的Y型斜孔內並在直孔內合併為一個總導光束4-5，所述的總導光束與可調節式照明冷光源4相連。彈性鎖緊片4-6用於固定分支導光束4-3和分支導光束4-4，防止其反向滑出。