五自由度微創針刺手術引導機構的製作方法
2023-10-11 10:36:04 1
專利名稱：五自由度微創針刺手術引導機構的製作方法
技術領域：
本發明涉及針刺手術弓I導機構，具體涉及五自由度微創針刺手術弓I導機構。
背景技術：
當前，進行前列腺手術的主要方法是微創近距離粒子放射治療。通過針刺將放射性粒子植入前列腺，進行局部放射治療。而手動執行的針刺手術，存在精度差、無法實時成像的缺點；預先規劃的軌跡，可能會因為患者身體的移動和針刺對於軟組織的刺激，而無法實現預計的效果。而通過機器手輔助或者機器手實現高精度針刺的手段，可以很好地解決這些問題。核磁共振成像(MRI)與傳統的X射線、CT相比，能夠避免對健康細胞的χ射線輻射，且有優良的軟組織分辨力和精確的幾何學特性，可以更加準確的探出病變區域，以確保合理的軌跡優化，並且對病變部分的判斷更加準確，以確保植入粒子的位置精度。但是大多數核磁共振儀工作腔內都會產生很強的磁場強度，這對手術機械手機構提出了兩方面的限制一是機械手機構不能對核磁共振儀的磁場產生幹擾從而影響成像質量；二是強磁場環境不能影響機械手機構在核磁儀內執行手術操作。因此無論是機械手機構的主體材料還是驅動設備，都要滿足核磁兼容的條件，這對機械手的開發提出了苛刻的要求。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種在有限的空間內提高針刺手術的精度，減少病人手術的痛苦，從而達到高精度、低創傷、減少術後併發症和後遺症的效果的五自由度微創針刺手術引導機構。本發明的五自由度微創針刺手術引導機構，它包括基座、中層平臺、其上開有直線導向槽的上層平臺，在所述的上層平臺上疊放有其上開有斜嚮導向槽的針刺層平臺，在所述的針刺層平臺上安裝有針刺運動機構，在所述的基座上安裝有水平擺動運動機構，在所述的中層平臺和上層平臺之間安裝有抬升俯仰運動機構，在所述的上層平臺底部連接有平移運動機構，所述的平移運動機構包括沿豎直方向設置的擺杆，所述的擺杆在直線導向槽和斜嚮導向槽內移動，所述的水平擺動運動機構包括安裝在所述的基座上的第三氣缸和與第三滑塊滑動配合的第三滑軌，沿水平方向設置的所述的第三氣缸的第三推桿與第三滑塊固定相連，第三齒條固定在所述的第三滑塊上，沿豎直方向設置的齒輪軸下端通過軸承與基座連接並且其上端與中層平臺固定相連，在所述的齒輪軸上安裝有與所述的第三齒條相嚙合配合第三齒輪，所述的抬升俯仰運動機構包括分別設置在中層平臺左側和右側的相同的兩個驅動機構，每個驅動機構包括安裝在中層平臺上的氣缸和與滑塊滑動配合的滑軌， 沿水平方向設置的所述的氣缸的推桿與滑塊固定相連，齒條固定在所述的滑塊上，沿豎直方向設置的絲槓下端通過軸承與中層平臺連接並且其上套裝有螺母，所述的螺母與螺母平臺固定相連，在所述的絲槓上安裝有與所述的齒條相嚙合配合的齒輪，位於左側的螺母平臺通過鉸鏈與安裝在上層平臺底面上的鉸鏈支座鉸接相連，位於右側的螺母平臺通過鉸鏈與鉸鏈滑塊相連，所述的鉸鏈滑塊與安裝在上層平臺底面上的鉸鏈滑軌滑動相連。本發明的突出優點是本發明結構靈活，利用四個氣缸實現大範圍的上下、左右、傾斜和搖擺運動，利用超聲波電機和絲槓螺母機構實現了手術中的針刺運動；兩套齒輪齒條-絲槓螺母機構的並聯使用，巧妙實現了機構的抬升和傾斜運動。同時結構緊湊，氣缸布置巧妙，剛度和強度較大，具有良好的操作性能，能夠在核磁儀有限空間內輔助完成針刺手術，克服手術過程中成像效果不及時和軌跡規劃難的弊端，極大程度的提高手術的精度，手術的成功性和完善性， 從而為核磁共振成像(MRI)引導機器人輔助微創外科手術開闢了新的途徑。同時與申請號為CN2010101377^. 1的中國專利相比，本裝置具有如下優點所述專利中氣缸的運動通過擺杆來傳遞，上層平臺也通過擺杆支撐，存在易擺動、剛度和穩定性較差的缺點，同時由於氣缸內氣體的壓縮性，所述專利全部採用擺杆作為執行機構不能實現自鎖，這給機械手的精確控制造成一定障礙。而本裝置綜合運用了齒輪齒條和絲槓螺母等機構，結構穩定，剛度較大，而且通過絲槓螺母機構實現了自鎖功能，在結構和控制精度上均具有優越的性能。
圖1為本發明的五自由度微創針刺手術引導機構的結構立體圖；圖2為圖1所示的引導機構的底層模塊俯視圖；圖3為圖1所示的引導機構的上層平臺局部仰視圖。
具體實施例方式下面結合具體的實施例，並參照附圖，對本發明技術做進一步的說明本裝置是在申請號為CN201010137726. 1的中國專利基礎上的改進。如附圖所示的本發明的五自由度微創針刺手術引導機構，它包括基座1、中層平臺 10、其上開有直線導向槽的上層平臺20，在所述的上層平臺20上疊放有其上開有斜嚮導向槽的針刺層平臺30，在所述的針刺層平臺上安裝有針刺運動機構，在所述的基座1上安裝有水平擺動運動機構，在所述的中層平臺10和上層平臺20之間安裝有抬升俯仰運動機構， 在所述的上層平臺底部連接有平移運動機構，所述的平移運動機構包括沿豎直方向設置的擺杆，所述的擺杆41在直線導向槽38和斜嚮導向槽32內移動，所述的水平擺動運動機構包括安裝在所述的基座上的第三氣缸2和與第三滑塊6滑動配合的第三滑軌8，所述的第三氣缸2沿水平方向設置的第三推桿與第三滑塊6固定相連，第三齒條7固定在所述的第三滑塊6上，沿豎直方向設置的齒輪軸5下端通過軸承4與基座連接並且其上端與中層平臺10固定相連，在所述的齒輪軸5上安裝有與所述的第三齒條7相嚙合配合第三齒輪3， 所述的抬升俯仰運動機構包括分別設置在中層平臺左側和右側的相同的兩個驅動機構，其中設置在右側的驅動機構包括安裝在中層平臺上的第一氣缸9和與第一滑塊12滑動配合的第一滑軌11，所述的第一氣缸沿水平方向設置的推桿與第一滑塊12固定相連，第一齒條 14固定在所述的第一滑塊上，沿豎直方向設置的第一絲槓15下端通過軸承與中層平臺連接並且其上套裝有第一螺母16，所述的第一螺母16與第一螺母平臺17固定相連，在所述的第一絲槓上安裝有與所述的第一齒條15相嚙合配合的第一齒輪13，位於右側的第一螺母平臺通過鉸鏈與鉸鏈滑塊18相連，所述的鉸鏈滑塊18與安裝在上層平臺底面上的鉸鏈滑軌19滑動相連；設置在左側的驅動機構包括安裝在中層平臺上的第二氣缸21和與第二滑塊24滑動配合的滑軌23，所述的第二氣缸21沿水平方向設置的推桿與第二滑塊M固定相連，第二齒條25固定在所述的第二滑塊M上，沿豎直方向設置的第二絲槓沈下端通過軸承與中層平臺連接並且其上套裝有第二螺母27，所述的第二螺母27與第二螺母平臺觀固定相連，在所述的第二絲槓上安裝有與所述的第二齒條25相嚙合配合的第二齒輪22，位於左側的第二螺母平臺觀通過鉸鏈與安裝在上層平臺底面上的鉸鏈支座四鉸接相連。所述的針刺運動機構可以包括設置在所述的上層平臺上的超聲波電機31，沿水平方向設置的所述的超聲波電機的輸出軸與第四絲槓相連，第四絲槓34通過軸承安裝在絲槓支座33上，針刺滑塊36通過絲槓螺母副與第四絲槓34相連接，針刺滑塊36兩側套在安裝在絲槓支座上的光槓35上，手術針37安裝在針刺滑塊36上。所述的平移運動機構可以包括固定在上層平臺20底面上的第四氣缸43，所述的第四氣缸43沿水平方向設置的氣缸推桿42與滑動連接在第四滑軌39上的第四滑塊40固定相連，所述的第四滑塊與能夠在直線導向槽38中運動的擺杆41相連。本裝置實現五自由度運動的過程如下水平擺動運動如圖1和圖2所示，水平擺動運動由底層模塊實現。第三氣缸2推動第三滑塊6在第三滑軌8上運動，第三齒條7固定在第三滑塊6上，第三齒輪3通過齒輪軸5固定在中層平臺10上，齒輪軸3的下端通過推力軸承4與基座連接，並且其上端與中層平臺固定相連。通過齒輪齒條機構，將第三氣缸2的直線運動轉化為機構的水平擺動。抬升運動和俯仰運動如圖1所示，抬升與俯仰運動由中層模塊實現。中層模塊的主體為兩套並聯的推桿滑軌-齒輪齒條-螺母絲槓機構。第一絲槓9推動第一滑塊12在第一滑軌11上運動，第一齒條14固定在第一滑塊12上，第一齒輪13與第一絲槓15固連。 第一絲槓15和第一螺母16形成螺旋副，而第一螺母16固定於第一螺母平臺17上，第一螺母平臺17與鉸鏈滑塊18形成轉動副，鉸鏈滑塊18可以在鉸鏈滑軌19上滑行。則通過齒輪齒條傳動和螺旋傳動，第一氣缸的直水平線運動轉化為第一螺母平臺的抬升運動進而實現裝置的俯仰運動。同理，第二氣缸通過第二滑塊M、第二滑軌23、第二齒條25、第二齒輪 22、第二絲槓沈、第二螺母27和第二螺母平臺觀將水平直線運動轉化為裝置的俯仰運動。 不同的是，連接第二螺母平臺觀的鉸鏈支座四是固定在上層平臺20上的。當第一氣缸和第二氣缸同步聯動時，就能實現裝置的抬升運動。平移運動如圖3所示，平移運動由上層模塊來實現。通過控制固定在上層平臺20 上的第四氣缸43的運動使氣缸推桿42推動第四滑塊40沿第四滑軌39運動，進而實現擺杆41在直線導向槽38中的運動。針刺層平臺30是疊放在上層平臺20上的，擺杆41同時在也斜嚮導向槽32內運動，在直線導向槽與斜嚮導向槽的共同約束使上層平臺20水平移動，進而實現裝置的水平運動。 針刺運動針刺運動通過針刺層模塊來實現。絲槓34通過軸承安裝在絲槓支座33上。 針刺滑塊36通過絲槓螺母副與絲槓34相連接，同時也可以在光槓35上移動。手術針37安裝在針刺滑塊36上。超聲波電機的轉動通過絲槓螺母機構轉換為手術針的直線運動，實現針刺運動。
因此，通過水平擺動、抬升運動、俯仰運動和和平移運動的配合，實現針體空間位姿的調整；通過針刺運動，最終實現針刺作業。
權利要求
1.五自由度微創針刺手術引導機構，它包括基座、中層平臺、其上開有直線導向槽的上層平臺，在所述的上層平臺上疊放有其上開有斜嚮導向槽的針刺層平臺，在所述的針刺層平臺上安裝有針刺運動機構，在所述的基座上安裝有水平擺動運動機構，在所述的中層平臺和上層平臺之間安裝有抬升俯仰運動機構，在所述的上層平臺底部連接有平移運動機構，所述的平移運動機構包括沿豎直方向設置的擺杆，所述的擺杆在直線導向槽和斜嚮導向槽內移動，其特徵在於所述的水平擺動運動機構包括安裝在所述的基座上的第三氣缸和與第三滑塊滑動配合的第三滑軌，沿水平方向設置的所述的第三氣缸的第三推桿與第三滑塊固定相連，第三齒條固定在所述的第三滑塊上，沿豎直方向設置的齒輪軸下端通過軸承與基座連接並且其上端與中層平臺固定相連，在所述的齒輪軸上安裝有與所述的第三齒條相嚙合配合第三齒輪，所述的抬升俯仰運動機構包括分別設置在中層平臺左側和右側的相同的兩個驅動機構，每個驅動機構包括安裝在中層平臺上的氣缸和與滑塊滑動配合的滑軌，沿水平方向設置的所述的氣缸的推桿與滑塊固定相連，齒條固定在所述的滑塊上，沿豎直方向設置的絲槓下端通過軸承與中層平臺連接並且其上套裝有螺母，所述的螺母與螺母平臺固定相連，在所述的絲槓上安裝有與所述的齒條相嚙合配合的齒輪，位於左側的螺母平臺通過鉸鏈與安裝在上層平臺底面上的鉸鏈支座鉸接相連，位於右側的螺母平臺通過鉸鏈與鉸鏈滑塊相連，所述的鉸鏈滑塊與安裝在上層平臺底面上的鉸鏈滑軌滑動相連。
2.根據權利要求1所述的五自由度微創針刺手術引導機構，其特徵在於所述的針刺運動機構包括設置在所述的上層平臺上的超聲波電機，沿水平方向設置的所述的超聲波電機的輸出軸與第四絲槓相連，第四絲槓通過軸承安裝在絲槓支座上，針刺滑塊通過絲槓螺母副與第四絲槓相連接，針刺滑塊兩側套在安裝在絲槓支座上的光槓上，手術針安裝在針刺滑塊上。
3.根據權利要求1所述的五自由度微創針刺手術引導機構，其特徵在於所述的平移運動機構包括固定在上層平臺上底面的第四氣缸，所述的第四氣缸沿水平方向設置的氣缸推桿與滑動連接在第四滑軌上的第四滑塊固定相連，所述的第四滑塊與能夠在直線導向槽中運動的擺杆相連。
全文摘要
本發明公開了五自由度微創針刺手術引導機構，本機構從下至上依次布置了四個平臺，分別為底層平臺、中層平臺、上層平臺和針刺層平臺；其中，底層模塊由底層平臺、中層平臺以及介於這兩層平臺之間的推桿滑軌機構和齒輪齒條機構組成，由推桿滑軌機構和齒輪齒條機構共同作用，通過第一氣缸推動，實現裝置繞豎直軸的搖擺轉動自由度。中層模塊由中層平臺、上層平臺以及介於這兩層平臺之間的兩套並聯的推桿滑軌機構-齒輪齒條機構-絲槓螺母機構組成。上層模塊由上層平臺、針刺層平臺以及介於這兩層平臺之間的推桿滑塊機構-擺杆滑槽機構組成。本發明結構靈活，利用四個氣缸實現大範圍的上下、左右、傾斜和搖擺運動，利用超聲波電機和絲槓螺母機構實現了手術中的針刺運動；兩套齒輪齒條-絲槓螺母機構的並聯使用，巧妙實現了機構的抬升和傾斜運動。
文檔編號A61B19/00GK102258826SQ20111010781
公開日2011年11月30日 申請日期2011年4月27日 優先權日2011年4月27日
發明者馮文浩, 姜杉, 孫福德, 康熙, 張震, 牛文文, 程超超 申請人:天津大學