一種CT圖像實時引導的肺穿刺機器人本體機構的製作方法

2023-05-17 23:04:47 1

本發明涉及一種針對肺穿刺治療的機器人，具體涉及一種利用ct圖像實時引導的肺穿刺機器人機構，屬於放射治療機器人技術領域。

背景技術：

穿刺手術一般是對病人局部麻醉的情況下進行，然而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它非運動器官增大。現階段肺穿刺手術依然是在ct圖像輔助下醫生憑藉自身經驗完成手術，一場手術耗時大概為30-50min,並且病人所受輻射劑量較大。

肺部穿刺手術機器人的工作環境是：病人躺在掃描床上，進入ct掃描架,醫生在控制室裡面通過主從式遙操作控制機器人，因為是在ct圖像實時引導下進行穿刺手術，所以機械人末端需要在ct掃描架內。標準的掃描床的寬度為60mm，當病人躺在床上進入ct掃描架後，掃描架內器人末端的可工作空間約為350×300×235mm3，且零部件材料選用非金屬(除鋁以外)。穿刺機械人需要精確定位穿刺針的進針點位置，並且調整針的位姿位於醫生規劃的進針路徑角度。在進針過程中，由於病人的呼吸運動，穿刺針末端的夾針機構需能實現「夾緊——釋放——重新夾緊」的功能。在夾針機構和進針結構中分別需要微型電機驅動及減速器，然而所有的電機和減速器都是金屬材質，不滿足ct掃描環境下的使用條件。

目前針對肺部穿刺手術也開發了各種機器人來輔助醫生完成手術工作，《中國醫療設備》2015年第30卷11期公開了一種ct實時引導下穿刺定位裝置，該裝置主要由滑軌支架、三維雲臺、穿刺模塊三部分組成。滑軌支架通過固定夾與ct床板連接固定，支架底座上裝有一個可縱向滑移的升降滑軌，升降滑軌裝有可升降調節的橫向滑軌，升降滑軌通過底端的滑塊座安裝在滑軌座上。三維雲臺尾端滑塊與橫向滑軌連接，構成萬向調節架可橫向調節的滑移結構。雲臺調節架的外端有一個穿刺模塊，穿刺模塊上有一個雙軸數顯角度儀。通過整體的相互配合滑移調節穿刺針的位姿，再將穿刺針頭由穿刺模塊上的對應針孔直接穿刺到病人的病灶部位。

《ieeetransactionsoninformationtechnologyinbiomedicine》《ieee生物醫學信息技術》,2002年12月第六期中公開了一種具有11個自由度的穿刺機器人，底部的8個自由度用於初始定位，將機器人固定到接近表皮穿刺點的位置並鎖緊，其他三個自由度包括2-dof的rcm結構和由丙烯酸塑料製成的穿刺針推進器。

《theinternationaljournalofmedicalroboticsandcomputerassistedsurgery》《醫療機器人與計算機輔助外科手術國際期刊》，2015年11月出版的458-475頁中公開了一個五自由度並行結構機器人，它在與患者直接接觸並在適當的位置用綁帶與患者固定穿刺針的定位和定向採用四個運動傳輸機構並由超聲馬達通過傳輸帶驅動；插入針的運動綜合了一個超聲電機和兩個氣動夾爪。

上述三種穿刺機器人的本體機構不能滿足在主從控制下肺部的穿刺手術，首先結構較複雜，要滿足ct圖像實時引導下進行穿刺手術其結構必須在可達工作區域內，其末端結構複雜，功能單一，不能實現跟隨病人呼吸節律對進入組織的穿刺針「釋放——再夾緊」的功能；其次，金屬材質零部件在x射線下產生偽影，在機械人末端的結構中電機、減速器的使用不可行。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明提供了一種ct圖像實時引導的肺穿刺機器人本體機構，機構在ct掃描架的運動空間內完成位姿調整及進針，穿刺針夾持機構實現在穿刺過程中的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；機器人末端執行機構的零件所採用的材料為聚碳酸酯和鋁(鋁在x射線下偽影很小)，末端機構的驅動採用電機遠端驅動用絲傳動結構，能夠達到ct掃描條件下使用非金屬材料機構的要求。

一種ct圖像實時引導的肺穿刺機器人本體機構，該機構包括基座、三坐標滑動平臺、轉角卡盤、rcm機構、進針機構和夾針機構；

所述三坐標滑動平臺安裝在基座的橫梁上實現平臺在xyz坐標系中三個方向的移動，rcm機構的一端通過轉角卡盤與三坐標滑動平臺中的y軸模塊連接，rcm機構的另一端與進針機構固定連接，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；所述夾針機構與進針機構的絲槓螺母副中的螺母固連，夾針機構通過外部的電機驅動實現穿刺針的夾持、釋放和重新夾持的功能。

進一步地，為了避免rcm機構、進針機構和夾針機構作用於病人時在水平位置與病人發生空間位置的幹涉，調節轉角卡盤的轉角使rcm機構與水平位置呈現的角度為α，α取值範圍為間隔為10°的離散角度。

進一步地，所述rcm機構同時繞著x方向和y方向轉動，調節穿刺針的進針角度，轉動角度θ1和θ2的取值範圍是±50°，穿刺針繞著針尖位置在錐度為50°的錐體空間內擺動。

進一步地，所述基座實現機器人在水平方向的粗定位，三坐標滑動平臺實現xyz坐標系中三個方向的精定位，三坐標滑動平臺中的y軸線性模組和z軸線性模組的組合安裝是懸臂結構，y軸線性模組和z軸線性模組之間採用三角形加強筋和支撐板連接。

進一步地，所述夾針機構包括殼體、傳動絲、絲殼、絲輥、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；

所述傳動絲裝在絲殼內部，傳動絲繞制在活動安裝在殼體內部的絲輥上，外部電機的正反轉帶動傳動絲在絲殼內部的正向和反向滑動，進而帶動絲輥的正反轉動，所述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，為了防止穿刺針在針軸向位置的移動，在右夾持爪上安裝穿刺針頂端限位塊，穿刺針與夾持爪的相對高度通過垂直方向的螺紋孔調節，調節範圍為30mm。

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、本發明的末端執行機構(rcm機構、夾緊機構和進針機構)大部分採用塑料材質，外部的驅動機構採用遠端電機帶動絲傳動，解決了金屬器件在x射線下產生偽影的難題。

2、本發明的機器人結構簡單，並且將三坐標滑動平臺與rcm機構結合實現了穿刺針的位置和姿態的調整，使得醫生對機器人的控制更加容易實現。

3、本發明的進針與夾針機構結構緊湊，降低質量，使進針機構的負載降低，提高穿刺性能。

4、本發明的穿刺針夾持機構具有實時「夾緊、釋放和再夾緊」的功能，使夾針動作靈活，定位夾緊可靠，適應病人手術中肺部的呼吸運動帶動穿刺針的擺動。

附圖說明

圖1為本發明的整體結構示意圖；

圖2為本發明的運動自由度示意圖；

圖3為本發明機器人的末端執行機構作用於病人的位置示意圖；

圖4為本發明的夾針機構和進針機構的結構示意圖；

圖5為本發明的夾針機構的正視圖；

圖6為本發明的夾針機構的後視圖；

圖7為本發明的夾持爪、緊固件和限位塊的結構示意圖。

其中，1-基座、2-三坐標滑動平臺、3-轉角卡盤、4-rcm機構、5-夾針機構、6-進針機構、7-穿刺針、8-絲殼、9-限位塊、10-殼體、11-傳動絲、12-主動齒輪、13-從動齒輪、14-雙頭絲槓、15-左夾持爪、16-右夾持爪、17-絲輥、18-針體緊固件。

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圖像實時引導的肺穿刺機器人本體機構，該機構包括基座1、三坐標滑動平臺2、轉角卡盤3、rcm機構4、進針機構6和夾針機構5；

機器人本體結構的整體尺寸為616×650×954mm3,其功能包含：基座固定於掃描床上承載機器人的載荷；x軸滑軌水平安裝在基座橫梁上，y軸和z軸滑軌依次聯接構成xyz三坐標移動平臺2，用於調整穿刺針的位置；末端三機構(rcm機構、夾緊機構、進針機構)和三坐標移動平臺之間用轉角卡盤聯接，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；進針機構有足夠的行程和速度；夾針機構可實現穿刺針的「夾持——釋放——重新夾持」的功能。

機器人總共有9個自由度，其中基座1沿掃描床的移動和轉角卡盤3的轉動是被動自由度，其餘7個自由度是主動自由度，如圖2所示，②③④分別是移動自由度，可以調整穿刺針在運動空間中的位置；⑥⑦是rcm機構4的兩個轉動自由度，用於調整穿刺針的角度；⑧⑨分別是進針和夾針自由度。

基座1用手擰螺釘緊固在掃描床上，三坐標滑動平臺3由線性模組搭建而成，能夠承載末端執行機構的靜態載荷和動態載荷，xyz三個方向的行程分別為300mm、209mm、190mm，其中基座1在水平方向的被動調節配合z軸線性模組的水平移動能夠將末端執行機構伸進ct掃描架內，基座的水平定位是對機器人的粗定位，三坐標滑動平臺3中的xyz三軸線性模組是精確定位。y軸線性模組和z軸線性模組的組合安裝是懸臂結構，它們之間用三角形加強筋和支撐板連接。

如附圖3所示，機器人末端執行機構作用於病人時在水平位置與病人發生空間位置的幹涉，調節轉角卡盤3的轉角使末端執行機構與水平位置乘一定的角度α，取值範圍為間隔為10°的離散角度，最大角度可設定為70°。

rcm機構4與轉角卡盤3聯接，可以同時繞著x方向和y方向轉動，調節穿刺針7的進針角度，轉動角度θ1和θ2的取值範圍是±50°，穿刺針7繞著針尖位置在錐度為50°的錐體空間內擺動。

如附圖4-6所示，夾針機構包括殼體10、傳動絲11、絲殼8、絲輥17、主動齒輪12、從動齒輪13、雙頭絲槓14、左旋滑塊螺母、右旋滑塊螺母、左夾持爪15和右夾持爪16；

傳動絲11裝在絲殼8內部，傳動絲11繞制在活動安裝在殼體10內部的絲輥17上，外部電機的正反轉帶動傳動絲11在絲殼8內部的正向和反向滑動，進而帶動絲輥17的正反轉動，絲輥17通過傳動軸與主動齒輪12固定連接，主動齒輪12與從動齒輪13嚙合，從動齒輪13與雙頭絲槓14固定連接，雙頭絲槓14通過軸承支撐在殼體10內部，左旋滑塊螺母和右旋滑塊螺母分別套裝在雙頭絲槓14的兩端，左夾持爪15和右夾持爪16對應固定連接在左旋滑塊螺母和右旋滑塊螺母上，左夾持爪15和右夾持爪16的外形為直角結構，右夾持爪16為實體結構，左夾持爪15具有容納右夾持爪16嵌入的間隙，兩者之間為滑動配合。

雙頭絲槓14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15和右夾持爪16限制左旋滑塊螺母和右旋滑塊螺母的旋轉，左夾持爪15和右夾持爪16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7的夾持，左夾持爪15和右夾持爪16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。

如附圖7所示，左夾持爪15和右夾持爪16的中心收針部位安裝一對針體緊固件18，進針緊固件18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18與穿刺針7的靜態摩擦力實現，針體緊固件18的材料選用醫用橡膠。

為了防止穿刺針7在針軸向位置的移動，在右夾持爪16上安裝穿刺針頂端限位塊9，穿刺針與夾持爪的相對高度通過垂直方向的螺紋孔調節，調節範圍為30mm。

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。