平面穿刺定位装置及超声引导的手眼一体穿刺机器人制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种平面穿刺定位装置及超声引导的手眼一体穿刺机器人，该机器人包括平面穿刺定位装置，以及探头定位装置及超声探头、穿刺器械；平面穿刺定位装置控制穿刺器械进退、上下以及角度调整的平面内三个自由度的运动，探头定位装置控制超声探头进退以及绕自身轴线的旋转，平面穿刺定位装置固定在探头定位装置上其基座位置相对于超声探头不变，并随超声探头一同进退与自旋。本发明专利技术能够与超声探头形成一体化的手眼系统，避免了外部光、磁等导航设备，降低成本，减少误差传播环节，降低成本。同时可以解决现有的超声探头和穿刺器械针需要同时操作导致的操作难度高、进针角度少、精度差的问题。精度差的问题。精度差的问题。

【技术实现步骤摘要】
平面穿刺定位装置及超声引导的手眼一体穿刺机器人


[0001]本专利技术涉及微创手术机器人领域，具体涉及一种平面穿刺定位装置及超声引导的手眼一体穿刺机器人，尤其是基于超声、CT与磁共振等影像引导的穿刺机器人及优化控制方法。

技术介绍

[0002]前列腺癌为男性高发肿瘤。老年男性是前列腺癌的高发人群，且年龄越大患病概率越高。随着影像学与机器人技术的发展，超声、CT与磁共振引导机器人实施穿刺、介入成为新的微创诊断、治疗方式。在实时超声的监视或引导下，利用机器人持穿刺(介入器械)经皮、自然腔道等完成各种穿刺活检、植入、消融以及抽吸、插管、注药治疗等操作，具有微创化、精准化与安全可靠的效果。目前，操作者手持超声进行穿刺介入时，超声的辅助穿刺手术设备通常称为穿刺引导架或者穿刺模板，可调整的角度、位置自由度有限，位置姿态分辨率较低，且为手动控制。例如，常用的是在超声探头靠近皮肤一端安装一个穿刺针固定架，固定架一般设置有2
‑
3个穿刺角度。前列腺经会阴穿刺中，利用网格化模板作为穿刺针的定位装置，操作者一只手手持超声探头给病人进行超声检查，另一只手根据超声图像进行穿刺针手术。或者需要两名操作者，一名操作者进行超声检查，另一名操作者进行穿刺手术。其难点与问题主要在于：首先，操作者需要一只手操作探头和另一只手操作穿刺针，对操作者的要求较高；其次，穿刺过程中容易因为人的生理因素等扰动产生操作误差；最后，由于穿刺针固定架只有有限的几个穿刺角度，不能找到最佳的穿刺角度进行穿刺。
[0003]传统的经直肠超声(TRUS)引导开展前列腺穿刺主要依赖于操作者经验，操作者手持针插入体内，存在手术精度不高、术后并发症多，还存在穿刺过程中定位不准、夹持不稳、路径规划困难等问题。
[0004]国内外针对前列腺穿刺开展了一些研究。主要包括利用直肠超声(TRUS)与核磁共振(MRI)融合作为影像引导的手段，而穿刺针的靶向立体定位通常分为手动穿刺和机器人穿刺。影像融合引导的手动穿刺也通常基于模板进行入路的导引，产品的组成主要在于核磁与超声融合的软件，给出靶向穿刺的病灶点，例如UroNav、TRINITY/Urostation、BioJet(DK North America)。机器人穿刺为通过多自由度的机器人装载穿刺针，例如iSR
’
obot Mona Lisa、Artemis、Accbot等。
[0005]上述传统的穿刺机器人部分采用了工业机器人，对于软组织器官穿刺精准度不足，且体积过大，构型适配手术体位和部位的程度低。导航手段采用光学、磁等外部导航定位跟踪的仪器，价格昂贵。
[0006]本专利技术的目的就是针对现有技术的不足，提供了一种超声与其他影像融合引导的穿刺机器人、穿刺系统、控制方法及工作空间优化调整方法。该穿刺机器人能够与超声探头形成一体化的手眼系统，避免了外部光、磁等导航设备，降低成本，减少误差传播环节，降低成本。并且通过合理设置腔内(直肠)超声探头的矢状面、横截面，使得穿刺时的穿刺针路可以保持在超声引导的平面内(矢状面)，穿刺针在横截面也能观测到，双平面均可观测实现
了穿刺的精准评估。机器人控制穿刺器械的进针点，并控制其穿刺位置、角度和深度。同时可以解决现有的超声引导的穿刺过程中由于空间限制，超声探头和穿刺针需要同时操作导致的操作难度高、进针角度少、精度差的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于针对当前穿刺活检手术设备不够自动化、操作繁琐等问题，设计一种自动化的前列腺穿刺活检设备，即平面穿刺定位装置及超声引导的手眼一体穿刺机器人，以实现穿刺手术自动化，解放操作者双手，并由医学影像设备为操作者提供实时影像信息，确保手术顺利完成。
[0008]本专利技术技术方案如下：
[0009]一种平面穿刺定位装置，包括位姿控制单元、深度控制单元两；所述的位姿控制单元用来调整固定于平面穿刺定位装置上的穿刺器械所在的位置和位姿，所述的深度控制单元推进或拉回穿刺器械，使穿刺器械在工作空间平面内具备3个自由度，即平面位置和穿刺角度的调整；所述的位姿控制单元，包括：两个基座位置固定的、输出运动方向平行的直线作动驱动器与一个插销轴组成的两个球铰
‑
直线机构；具体为：一个带外球面的球铰杆可以沿连接的插销轴滑动改变间距h1，该带外球面的球铰杆与一个U型架连接；U型架在两个球铰的中点处，通过一个轴承、一个支撑块连接到一个滑块，所述滑块沿着一个导轨做直线运动；一个插销轴及该U型架通过一个旋转轴与该滑块上的轴承配合，可绕通过两个球铰中点且垂直工作空间平面的旋转轴线旋转，同时旋转轴可在U型架的滑槽中直线滑动形成移动副；该轨与一个底板相对位置固定；通过所述的两个直线作动驱动器的同时伸长或者缩短控制轴向的位置，通过两直线作动驱动器的伸长量差异Δl＝l1‑
l2使深度控制单元绕旋转轴线转动，进而控制深度控制单元在平面内的偏转角度；两个平行的直线作动驱动器之间的垂直距离Δh与两者之间的伸缩差Δl决定平面内旋转角度
[0010]所述直线作动驱动器为第一直线电机、第二直线电机，所述的位姿控制单元进一步包括：第一带外球面的球铰杆、第一带内球面的套杆、壳体、电机固定座、第二带内球面的套杆、第二带外球面的球铰杆、轴用卡簧；所述导轨与底板固定连接；所述滑块与导轨配合，能够沿导轨长度方向上前进或者后退的滑动；所述支撑块与滑块固定连接，可以随滑块一同在导轨上前进或者后退滑动；所述支撑块一端与轴承配合连接；所述电机固定座与底板固定连接；所述电机固定座设有两个电机插槽，第一直线电机、第二直线电机尾端分别配合安装在其两个插槽上，且两电机的直线输出轴平行；所述的第一直线电机输出端与第一带内球面的套杆固定连接，且第一带内球面的套杆与第一带外球面的球铰杆形成球铰连接，形成球面运动副；所述的第二直线电机输出端与第二带内球面的套杆固定连接，且第二带内球面的套杆与第二带外球面的球铰杆形成球铰连接，形成球面运动副；所述U型架上设有安装孔位，插销轴与U型架固定连接；所述第一带外球面的球铰杆、第二带外球面的球铰杆上设有通孔，供插销轴通过，三者轴向连接且同轴心。
[0011]所述插销轴是阶梯轴，其两端直径不同，小径上设有安装轴用卡簧的卡槽。
[0012]所述插销轴的小径通过第一带外球面的球铰杆上的通孔，第一带外球面的球铰杆一端靠在插销轴大径与小径形成的端面上，另一端通过轴用卡簧限位固定位置；插销轴的
小径进一步通过第二带外球面的球铰杆上的通孔，并且轴用卡簧与U型架内壁之间距离大于第二带外球面的球铰杆长度，第二带外球面的球铰杆与插销轴小径形成移动副。
[0013]所述U型架底部设计有滑槽，滑槽与旋转轴一端轴连接，旋转轴可在滑槽内移动形成移动副，旋转轴为阶梯轴，旋转轴另一端轴与轴承的内孔配合连接，且U型架相对第一轴承是能相对转动的。
[0014]所述深度控制单元，具体包括、第三直线电机、穿刺底座、第三带内球面的套杆、第二插销轴、第二滑块、穿刺器械固定装置、第三带外球面的球铰杆、第二导轨；所述穿刺本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种平面穿刺定位装置，其特征在于：包括位姿控制单元、深度控制单元两；所述的位姿控制单元用来调整固定于平面穿刺定位装置上的穿刺器械所在的位置和位姿，所述的深度控制单元推进或拉回穿刺器械，使穿刺器械在工作空间平面内具备3个自由度，即平面位置和穿刺角度的调整；所述的位姿控制单元，包括：两个基座位置固定的、输出运动方向平行的直线作动驱动器与一个插销轴组成的两个球铰
‑
直线机构；具体为：一个带外球面的球铰杆可以沿连接的插销轴滑动改变间距h1，该带外球面的球铰杆与一个U型架连接；U型架在两个球铰的中点处，通过一个轴承、一个支撑块连接到一个滑块，所述滑块沿着一个导轨做直线运动；一个插销轴及该U型架通过一个旋转轴与该滑块上的轴承配合，可绕通过两个球铰中点且垂直工作空间平面的旋转轴线旋转，同时旋转轴可在U型架的滑槽中直线滑动形成移动副；该轨与一个底板相对位置固定；通过所述的两个直线作动驱动器的同时伸长或者缩短控制轴向的位置，通过两直线作动驱动器的伸长量差异Δl＝l1‑
l2使深度控制单元绕旋转轴线转动，进而控制深度控制单元在平面内的偏转角度；两个平行的直线作动驱动器之间的垂直距离Δh与两者之间的伸缩差Δl决定平面内旋转角度2.根据权利要求1所述的一种平面穿刺定位装置，其特征在于：所述直线作动驱动器为第一直线电机、第二直线电机，所述的位姿控制单元进一步包括：第一带外球面的球铰杆、第一带内球面的套杆、壳体、电机固定座、第二带内球面的套杆、第二带外球面的球铰杆、轴用卡簧；所述导轨与底板固定连接；所述滑块与导轨配合，能够沿导轨长度方向上前进或者后退的滑动；所述支撑块与滑块固定连接，可以随滑块一同在导轨上前进或者后退滑动；所述支撑块一端与轴承配合连接；所述电机固定座与底板固定连接；所述电机固定座设有两个电机插槽，第一直线电机、第二直线电机尾端分别配合安装在其两个插槽上，且两电机的直线输出轴平行；所述的第一直线电机输出端与第一带内球面的套杆固定连接，且第一带内球面的套杆与第一带外球面的球铰杆形成球铰连接，形成球面运动副；所述的第二直线电机输出端与第二带内球面的套杆固定连接，且第二带内球面的套杆与第二带外球面的球铰杆形成球铰连接，形成球面运动副；所述U型架上设有安装孔位，插销轴与U型架固定连接；所述第一带外球面的球铰杆、第二带外球面的球铰杆上设有通孔，供插销轴通过，三者轴向连接且同轴心。3.根据权利要求2所述的一种平面穿刺定位装置，其特征在于：所述插销轴是阶梯轴，其两端直径不同，小径上设有安装轴用卡簧的卡槽。4.根据权利要求3所述的一种平面穿刺定位装置，其特征在于：所述插销轴的小径通过第一带外球面的球铰杆上的通孔，第一带外球面的球铰杆一端靠在插销轴大径与小径形成的端面上，另一端通过轴用卡簧限位固定位置；插销轴的小径进一步通过第二带外球面的球铰杆上的通孔，并且轴用卡簧与U型架内壁之间距离大于第二带外球面的球铰杆长度，第二带外球面的球铰杆与插销轴小径形成移动副。5.根据权利要求2所述的一种平面穿刺定位装置，其特征在于：所述U型架底部设计有滑槽，滑槽与旋转轴一端轴连接，旋转轴可在滑槽内移动形成移动副，旋转轴为阶梯轴，旋转轴另一端轴与轴承的内孔配合连接，且U型架相对第一轴承是能相对转动的。
6.根据权利要求1所述的一种平面穿刺定位装置，其特征在于：所述深度控制单元，具体包括、第三直线电机、穿刺底座、第三带内球面的套杆、第二插销轴、第二滑块、穿刺器械固定装置、第三带外球面的球铰杆、第二导轨；所述穿刺底座与位姿控制单元的U型架连接固定；所述第二导轨与穿刺底座固定；所述第二滑块与第二导轨配合形成移动副，沿着第二导轨长度方向前进或后退；所述穿刺器械固定装置与第二滑块固定，且能随第二滑块一同沿第二导轨长度方向前进或后退；所述第三直线电机固定连接在穿刺底座上；所述的第三电机输出端与第三带内球面的套杆固定连接，第三带内球面的套杆连接到穿刺器械固定装置。7.一种超声引导的手眼一体穿刺机器人，其特征在于：该穿刺机器人包括如权利要求1
‑
6任意一项所述的平面穿刺定位装置，以及探头定位装置及超声探头、穿刺器械；平面穿刺定位装置、超声探头安装在探头定位装置上，穿刺器械安装在平面穿刺定位装置上；平面穿刺定位装置控制穿刺器械所形成的工作空间始终与超声探头的矢状面重合，并可随探头定位装置自旋；平面穿刺定位装置控制穿刺器械实现进退、上下以及角度调整的平面内三个自由度的运动，探头定位装置控制超声探头进退以及绕自身轴线的旋转，平面穿刺定位装置固定在探头定位装置上其基座位置相对于超声探头不变，并随超声探头一同进退与自旋。8.根据权利要求7所述的一种超声引导的手眼一体穿刺机器人，其特征在于：所述探头定位装置，包括平台驱动块、旋转超声架、传动平台、穿刺机构安装板；穿刺机构安装板为L型板件，固定连接在旋转超声架上；平台驱动块安装在传动平台上；平台驱动块上与旋转超声架固定连接；传动平台具有传动丝杠、传动杆，两者轴线平行；传动平台具备两个电机，一个输出动力驱动传动丝杠旋转，带动平台驱动块沿着传动杆直线运动；传动平台另一个电机输出动力驱动传动杆旋转，传动杆与平台驱动块配合；该传动杆旋转运动不会驱动平台驱动块旋转，但传动杆的旋转会通过齿轮系传动并驱动旋转超声架的超声安装底壳绕自身轴心的旋转，从而驱动超声探头的旋转；所述超声安装底壳的直线运动与旋转运动为相互独立的运动。9.根据权利要求8所述的一种超声引导的手眼一体穿刺机器人，其特征在于：所述穿刺机构安装板上设计有两道滑轨槽和多个定位孔；平面穿刺定位装置的底板上设有滑轨突起能够与穿刺机构安装板上滑轨槽配合形成移动副且能够沿滑轨方向上下滑动；底板上进一步设计有螺纹孔槽，通过使用定位螺钉穿过穿刺机构安装板上相应的定位孔，根据需要将平面穿刺定位装置定位固连于穿刺机构安装板上。10.根据权利要求8所述的一种超声引导的手眼一体穿刺机器人，其特征在于：所述平台驱动块，包括驱动块壳体、第二轴承、第三轴承、半圆孔齿轮轴、第四轴承、挡盖、丝杠法兰、第五轴承、二级传动齿轮轴；丝杠法兰与驱动块壳体安装固定；第三轴承安装在驱动块壳体内；第四轴承安装在挡盖内；半圆孔齿轮轴两侧分别与第三轴承、第四轴承连接配合形成转动副，且三者同轴心；第五轴承安装在挡盖内；第二轴承安装在驱动块壳体内；二级传动齿轮轴两侧分别与第二轴承、第五轴承连接配合形成转动副，且三者同轴心；挡盖与驱动块壳体固定；半圆孔齿轮轴与二级传动齿轮轴为直齿轮外啮合，当半圆孔齿轮轴转动时带动二级传动齿轮轴转动。11.根据权利要求8所述的一种超声引导的手眼一体穿刺机器人，其特征在于：所述旋
转超声架，包括支架、橡胶垫、超声安装底壳、第一支撑杆、第一半圆滑动板、前挡板、限位杆、第二支撑杆、承载板、支撑块、轴承安装块、第六轴承、三级传动齿轮轴、第七轴承、限位螺帽、后挡板、第二半圆滑动板、半圆齿轮盘；所述前挡板与承载板固定；所述后挡板与承载板固定；所述前挡板、后挡板上一侧有半圆滑槽，另一侧有镂空限位槽，两者的半圆槽相对放置安装，且两者的半圆滑槽、弧形镂空限位槽全部都同一轴心；所述第一支撑杆、第二支撑杆分别依次通过第一半圆滑动板、超声安装底壳、半圆齿轮盘、第二半...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海源，黄毅明，贺添，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：