一種CT引導下肺穿刺機器人的穿刺針夾持釋放裝置的製作方法

2023-05-29 17:59:21

本發明涉及肺穿刺機器人中穿刺針的夾持裝置，具體涉及一種ct引導下肺穿刺機器人的穿刺針夾持釋放裝置。屬於放射治療機器人技術領域。

背景技術：

在肺穿刺手術過程中伴隨病人肺部的呼吸運動，目標靶點位置實時改變，使肺部穿刺手術的難度相對其他非運動器官增大。這就要求肺穿刺手術機器人系統中的穿刺針機構能夠實現「針夾緊—調整位姿—進針—針釋放—重新夾緊針」等功能。在ct實時引導下進行肺穿刺,穿刺針進針速度範圍為40-100mm/s，進針角度在以人體表面法線為起始±50°的椎體區域內。為了防止x射線的照射，醫生需要在控制室內通過主從遠端控制機器人完成穿刺手術，這就要求機械手末端具備自動「夾持——釋放」針的功能；其次，在穿刺手術過程中對病灶部位進行ct實時掃描，機器人末端在ct掃描架內執行手術操作，運動範圍大概是350×300×235mm3；金屬在ct掃描中會產生較明顯偽影，機器人末端針夾持機構需使用非金屬材料。以上特殊環境制約了機器人在肺穿刺手術中的應用，技術難點主要集中在末端針夾持機構中。

當前肺穿刺機器人穿刺針夾持機構大致分為兩種：一種直接將針夾持機構安裝在機械臂末端，在手術過程中末端機構夾緊穿刺針，此結構一般只用於非運動器官的穿刺手術中；另一種將針夾持機構固定在病人身上的穿刺部位，具有體積小，節省空間的優點，此機構能夠實現手術過程中的「夾緊——釋放」功能。

在穿刺手術過程病人姿勢隨時發生變動並且肺部在做呼吸運動，上述第一種機構未能實現穿刺針在手術過程中的「釋放-重新夾緊」功能，從而不能適應穿刺針進針過程中針位置的移動和擺動；第二種機構能夠實現手術過程中的「夾緊——釋放」功能，但是由於此種機構伴隨病人的呼吸運動發生移動，使得他在手術導航系統中的定位問題不能滿足手術精度的要求，從而降低了穿刺手術的精度，並且此種機構的驅動方式是微型電機，包含金屬部件，在ct照射下產生明顯的偽影，影響對手術過程的觀查。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明提供了一種ct引導下肺穿刺機器人的穿刺針夾持釋放裝置，裝置中的執行機構在穿刺過程中能夠根據病人的呼吸頻率及進針深度實現「穿刺針的夾緊—自由釋放針——重新夾緊針」的功能，進而提高穿刺手術的精度。

一種ct引導下肺穿刺機器人的穿刺針夾持釋放裝置，該夾持釋放裝置包括遠端電機、絲傳動機構、執行機構和穿刺針；

所述絲傳動機構連接在遠端電機和執行機構之間，遠端電機通過自身的正反轉使得絲傳動機構將驅動力傳遞給執行機構，執行機構通過絲槓螺母副的配合實現對穿刺針的夾緊和設定範圍內的釋放。

進一步地，所述執行機構包括殼體、主動齒輪、從動齒輪、雙頭絲槓、左旋滑塊螺母、右旋滑塊螺母、左夾持爪和右夾持爪；所述絲傳動機構包括絲輥、絲殼和傳動絲；

所述殼體內部和遠端電機的輸出軸上分別安裝一個絲輥，傳動絲閉環繞制在兩個絲輥之間，傳動絲外露在遠端電機和殼體之外的部分套裝在絲殼內部，遠端電機的正反轉帶動其上的絲輥轉動，傳動絲在絲殼內部產生正向和反向滑動，進而帶動殼體內絲輥的正反轉動，殼體內絲輥通過傳動軸與主動齒輪固定連接，主動齒輪與從動齒輪嚙合，從動齒輪與雙頭絲槓固定連接，雙頭絲槓通過軸承支撐在殼體內部，左旋滑塊螺母和右旋滑塊螺母分別套裝在雙頭絲槓的兩端，左夾持爪和右夾持爪對應固定連接在左旋滑塊螺母和右旋滑塊螺母上且互相嵌入配合，雙頭絲槓的正反轉使得左旋滑塊螺母和右旋滑塊螺母具有轉動的趨勢，左夾持爪和右夾持爪限制左旋滑塊螺母和右旋滑塊螺母的旋轉，左夾持爪和右夾持爪相對或反向移動，左夾持爪和右夾持爪相對移動到極限位置後合圍形成對穿刺針的夾持，左夾持爪和右夾持爪反向移動到極限位置後合圍的範圍即穿刺針釋放後可自由運動的範圍。

進一步地，所述左夾持爪和右夾持爪的外形為直角結構，右夾持爪為實體結構，左夾持爪具有容納右夾持爪嵌入的間隙，左夾持爪和右夾持爪之間為滑動配合。

進一步地，所述左夾持爪和右夾持爪的中心收針部位安裝一對針體緊固件，進針緊固件卡裝在夾持爪的中心異型槽裡面，進針時的穿刺力由針體緊固件與穿刺針的靜態摩擦力實現，針體緊固件的材料選用醫用橡膠。

進一步地，為了避免產生偽影，所述雙頭絲槓、主動齒輪和從動齒輪用塑料材質，螺母用鋁材。

有益效果：

1、本發明通過絲槓螺母機構實現對穿刺針的夾持和釋放。在穿刺過程中，執行部件可以根據病人的呼吸頻率及進針深度實現「穿刺針的夾緊—自由釋放針——重新夾緊針」的功能，因此能夠適應穿刺針進針過程中針位置的移動和擺動。

2、本發明中的零件所採用的材料為聚碳酸酯和鋁，聚碳酸酯具有較高的剛度，鋁在x射線下偽影很小，驅動部件採用電機遠端驅動絲傳動結構，因此能夠滿足ct掃描條件下使用非金屬材料機構的要求。

附圖說明

圖1為本發明的整體結構示意圖；

圖2為本發明執行機構的正視圖；

圖3為本發明執行機構的後視圖；

圖4為本發明執行機構中左、右夾持爪的結構示意圖；

圖5為本發明執行機構中雙頭絲槓與滑塊螺母的配合關係示意圖；

圖6為本發明執行機構中左、右夾持爪最大張開度示意圖；

圖7為本發明應用在肺穿刺機器人上的示意圖。

其中，1-遠端電機、2-絲傳動機構、3-執行機構、4-穿刺針、5-絲殼、6-傳動絲、7-絲輥、8-殼體、9-主動齒輪、10-從動齒輪、11-雙頭絲槓、12-左夾持爪、13-右夾持爪、14-左旋滑塊螺母、15右旋滑塊螺母、16-針體緊固件、17-進針機構、18-rcm機構。

具體實施方式

下面結合附圖並舉實施例，對本發明進行詳細描述。

如附圖1所示，本發明提供了一種ct引導下肺穿刺機器人的穿刺針夾持釋放裝置，該夾持釋放裝置包括遠端電機1、絲傳動機構2、執行機構3和穿刺針4；

絲傳動機構2連接在遠端電機1和執行機構3之間，遠端電機1通過自身的正反轉使得絲傳動機構將驅動力傳遞給執行機構3，執行機構3通過絲槓螺母副的配合實現對穿刺針4的夾緊和設定範圍內的釋放。

如附圖2和3所示，執行機構3包括殼體8、主動齒輪9、從動齒輪10、雙頭絲槓11、左旋滑塊螺母14、右旋滑塊螺母15、左夾持爪12和右夾持爪13；絲傳動機構2包括絲輥7、絲殼5和傳動絲6；

殼體8內部和遠端電機1的輸出軸上分別安裝一個絲輥7，電機上的絲輥為主動絲輥，殼體8內的絲輥為從動絲輥；傳動絲6閉環繞制在兩個絲輥7之間，傳動絲6外露在遠端電機1和殼體8之外的部分套裝在絲殼5內部，遠端電機1的正反轉帶動其上的絲輥7轉動，傳動絲6在絲殼5內部產生正向和反向滑動，進而帶動殼體8內絲輥7的正反轉動，殼體8內的絲輥7通過傳動軸與主動齒輪9固定連接，主動齒輪9與從動齒輪10嚙合，從動齒輪10與雙頭絲槓11固定連接，雙頭絲槓11通過軸承支撐在殼體8內部，左旋滑塊螺母14和右旋滑塊螺母15分別套裝在雙頭絲槓11的兩端，左夾持爪和右夾持爪對應固定連接在左旋滑塊螺母14和右旋滑塊螺母15上，左夾持爪12和右夾持爪13的外形為直角結構，右夾持爪13為實體結構，左夾持爪12具有容納右夾持爪13嵌入的間隙，兩者之間為滑動配合。

雙頭絲槓11的正反轉使得左旋滑塊螺母14和右旋滑塊螺母15具有轉動的趨勢，左夾持爪12和右夾持爪13限制左旋滑塊螺母和右旋滑塊螺母的旋轉，左夾持爪12和右夾持爪13相對或反向移動，左夾持爪12和右夾持爪13相對移動到極限位置後合圍形成對穿刺針4的夾持，左夾持爪12和右夾持爪13反向移動到極限位置後合圍的範圍即穿刺針4釋放後可自由運動的範圍。

如附圖4所示，左夾持爪12和右夾持爪13的中心收針部位安裝一對針體緊固件16，進針緊固件16卡裝在夾持爪的中心異型槽裡面，進針時的穿刺力由針體緊固件16與穿刺針4的靜態摩擦力實現，針體緊固件16的材料選用醫用橡膠。

如附圖5和6所示，穿刺針4的左夾持爪12和右夾持爪13錐銷固定在左滑塊螺母14和右滑塊螺母15上，兩個滑塊螺母與雙頭絲槓11是7度等級的梯型螺紋配合。當絲槓繞虛線箭頭方向轉動時兩個滑塊螺母以同樣的速度向絲槓中間位置滑動，實現了夾持爪的釋放功能；當雙頭絲槓11繞實線箭頭方向轉動時兩個滑塊螺母以同樣的速度向雙頭絲槓11兩端滑動，實現了夾持爪的夾緊功能。當夾持爪到達夾緊位置時，通過電機的自鎖保持對穿刺針4的夾緊狀態，當電機解除自鎖並反轉時，夾持爪鬆開穿刺針，由此執行機構及雙向絲槓螺母副在電機的正反轉及自鎖功能下實現穿刺針4的「夾緊——釋放」功能。夾持爪的最大張開度是36×36mm的正方形，兩個滑塊螺母的中間間隙為11.16mm，保證了滑塊螺母始終與殼體8上的導軌面接觸。

殼體8分為上下兩個空間，上部空間用於固定安裝從動絲輥，和絲傳動從動端絲殼接口。雙向絲槓螺母通過陶瓷軸承固定安裝在殼體下部空間，為了減小整體機構的尺寸並且提高導軌和滑塊螺母的加工和配合精度，在殼體8上設計了與滑動螺母相配合的直線導軌槽，在導軌的中間位置有螺母安裝槽，槽的尺寸為21×13mm。遠端電機1通過遠端絲傳動驅動一對齒輪將力和力矩平行傳遞到雙頭絲槓11上。

如附圖7所示，本發明的執行機構與進針機構17的絲槓螺母副中的螺母固連，進針機構與rcm機構固定連接，rcm機構再通過轉角卡盤與三坐標滑動平臺連接，轉角卡盤的角度根據不同病人的體態進行角度的調整，rcm機構用於調整穿刺針的進針角度，實現對病人的肺部穿刺治療。

綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。