機器人輔助精確靶向穿刺軟組織目標柔性針夾緊固定裝置的製作方法
2023-12-11 01:29:22 1
本實用新型涉及一種機器人輔助精確靶向穿刺軟組織目標柔性針夾緊固定裝置。
背景技術：
機器人輔助定位穿刺手術是微創手術的一種重要方法，已廣泛應用於多種軟組織環境的靶向診療手術；軟組織環境不僅具有複雜的時變特性，而且在活體和實驗條件下其生理特性和生物力學特性有很大的差異，給系統動力學建模和穩定操作帶來極大的困難，穿刺時較差的靶向精度會導致組織損傷、錯誤診斷和不當的放射量，因此精確穿刺針的位姿操控是經皮介入手術質量和成功與否的關鍵。
醫療穿刺手術機器人面向軟組織進行手術操作，涉及到生物力學、斷裂力學、摩擦學、影像學、自動控制等多學科基礎科學，在軟組織穿刺領域，柔性針的穿刺機理、非完整系統路徑規劃和控制已引起了國內外學者的廣泛關注和研究，但是在穿刺機理、路徑規劃和控制還有待深入研究。因此機器人操控柔性針靶向穿刺的機理和方法研究，可解決柔性針人工靶向穿刺的可控性差、避障難、靶向精度低的問題；能夠在未來的手術實踐中切實提高穿刺手術的治療診斷效果，減少對患者的健康損傷。
目前的醫療機器人在骨科等剛體或類剛體領域的研究較完善，應用較廣，而在人體軟組織等柔性領域，需開展進一步的深入研究。柔性體的研究是從20 世紀90 年代開始的；目前，在面向軟組織的機器人操控柔性針靶向穿刺的機理和方法研究上，主要存在以下三個問題：(1) 目前的人體軟組織模型，主要是針對虛擬實境進行研究的，在實際手術操作中開展了一些初步研究，在針-組織相互作用模型的特性和描述方法的研究上，還須深入研究；應用於面向軟組織的機器人實時操控時，需要解決實時性、準確性的問題，因此需要針對機器人操控時的軟組織建模開展深入研究；同時，針-組織間的相互作用具有複雜的非線性摩擦特性，涉及到摩擦學、斷裂力學等多個基礎學科，需要開展深入的針對性研究。
(2) 柔性針穿刺路徑規劃是一個複雜問題，涉及到組織變形、不同組織層的邊界遷移、組織的各向異性、針根部操控的非完整特性、針運動不確定性等，運動不確定性條件下的軌跡規劃，仍然是柔性針穿刺的研究重點；目前在某些具體問題上有了一些階段性成果，但還沒有形成系統的、成熟的理論。
(3) 柔性針穿刺的機器人控制，是一個非完整約束下的非線性問題，如何基於超聲影像特點，設計控制系統的觀測器-控制器，如何控制機器人操控穿刺針沿著預先規劃的軌跡前進，是一個研究難題；這涉及到控制時的傳感器配置、影像引導、控制策略和方法等研究。
針穿刺時的柔性變形實現的曲線軌跡，避開障礙物，同時利用生物力學、計算機技術、醫學影像技術和機器人控制技術操控針尖到達傳統剛性針所達不到的靶點位置，以提高靶向穿刺精度，進而提高手術治療效果；但在在針-軟組織相互作用建模、路徑規劃和超聲圖像下穿刺軌跡控制還有待深入研究；目前人體軟組織模型，主要是針對虛擬實境進行研究的，在實際手術操作中進行了一些初步研究，在針-組織相互作用模型的特性和描述方法的研究上，還需深入研究。應用於面向軟組織機器人實時操控時，需要解決實時性、準確性的問題。因此需要針對機器人操控時軟組織建模開展深入的研究；同時，針-軟組織相互作用具有複雜的非線性摩擦特性，涉及到摩擦學、斷裂力學等基礎學科，需要開展深入的針對性研究。穿刺路徑規劃問題。柔性針穿刺路徑規劃是一個複雜問題，涉及到組織變形、不同組織層的邊界遷移、組織的各向異性、針根部操控的非完整特性、針運動不確定性等，運動不確定性條件下的軌跡規劃，仍然是柔性針穿刺的研究重點。目前在某些具體問題上有了一些階段性成果，但還沒有形成系統的、成熟的理論。超聲圖像下的穿刺軌跡控制問題；柔性針穿刺的機器人控制，是一個非完整約束下的非線性問題，如何基於超聲影像特點，設計控制系統的觀測器-控制器，如何控制機器人操控穿刺針沿著預先規劃的軌跡前進，是一個研究難題。這涉及到控制時的傳感器配置、影像引導、控制策略和方法等研究。
技術實現要素：
本實用新型要解決的問題是克服上述現有技術的不足，提供一種靶向穿刺的可控性好、避障好、靶向精度高的機器人輔助精確靶向穿刺軟組織目標柔性針夾緊固定裝置。
為了解決上述問題，本實用新型採用以下技術方案：
機器人輔助精確靶向穿刺軟組織目標柔性針夾緊固定裝置，包括旋轉進給裝置，旋轉進給裝置包括擺臺，擺臺的一側固定連接有柔性針連接件，柔性針連接件內安裝有高精度、可更換不同內徑的彈性筒夾，柔性針連接件通過螺紋連接有壓冒螺母，彈性筒夾的軸心處安裝有斜角柔性針並通過壓冒螺母旋轉壓緊，擺臺的另一側固定連接有擺臺連接件。
以下是本實用新型對上述方案的進一步優化：
斜角柔性針直接固定在彈性筒夾的軸心處，彈性筒夾裝卸方便，可針對針軸直徑不同的斜角柔性針配合相應內徑的彈性筒夾，適用於多種不同外徑的斜角柔性針的夾緊固定。
進一步優化：
擺臺為市售的LER電動擺臺，擺臺連接有兩層錯位結構的直線進給裝置，直線進給裝置使用市售的LEY電推桿為電動執行器，通過圖像引導精確控制斜角柔性針穿刺目標靶點過程的直線和旋轉兩個自由度。
進一步優化：
直線進給裝置包括上下設置兩個的第一電推桿和第二電推桿，第一電推桿的推動端通過內六角螺栓與擺臺連接件固定連接，第二電推桿的推動端通過內六角固定連接有支撐板。
進一步優化：
支撐板上端靠近擺臺的一側設置有柔性針支架，支撐板的另一側固定連接有導管，斜角柔性針與柔性針支架、導管同軸設置，斜角柔性針的一端分別穿過柔性針支架和導管。
進一步優化：
第一電推桿的兩端分別通過腳座固定安裝在第二固定板上，第二固定板下方的四角處分別固定安裝有第二套筒，每個第二套筒分別套設在支架上，並分別通過定位螺栓進行高度定位。
進一步優化：
第二電推桿通過四個內六角螺栓固定安裝在第一固定板上，第一固定板下方的的四角處分別固定安裝有第一套筒，每個第一套筒分別套設在支架上，並分別通過固定螺栓進行高度定位。
本柔性針夾緊固定裝置工作原理是，基於醫學影像採集、三維圖像重建，根據分析結果，確定手術方案，藉助於軟組織形變力學模型，確定預加力三維範圍。利用軟組織形變仿真模型，優化穿刺斜角柔性針的速度、位置和方向，完成對病變組織目標靶點的預測、定位，確定穿刺點和穿刺路徑；擺臺末端高精度彈性筒夾配合壓冒螺母加緊固定斜角柔性針，動作時實現沿著力預加載方向上的穿刺功能；第一電推桿控制斜角柔性針的直線進給運動，擺臺控制斜角柔性針的旋轉進給運動；利用斜角柔性針針尖處受力不均，旋轉改變針尖的空間位置，即可實現柔性針穿刺軌跡的自主選擇和高精度控制，主動避開血管、神經、骨骼等重要障礙物。
本實用新型通過高精度彈性筒夾和配合壓冒螺母來夾緊定位斜角柔性針的斜角空間位置，定位精度高，實現了穿刺路徑的精確控制，彈性筒夾裝卸方便，可針對斜角柔性針針軸直徑配合相應內徑的彈性筒夾，實現不同軸徑斜角柔性針的夾緊固定，具有穿刺可控性好、避障好、靶向精度高等特點。
下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
附圖說明
附圖1是本實用新型實施例柔性針夾緊固定裝置的軸測圖；
附圖2是本實用新型實施例柔性針夾緊固定裝置的主視圖；
附圖3是本實用新型實施例柔性針夾緊固定裝置的俯視圖；
附圖4是本實用新型實施例柔性針夾緊固定裝置的左視圖；
附圖5是本實用新型實施例中柔性針連接件的軸測圖；
附圖6是本實用新型實施例中高精度彈性筒夾的主視圖；
附圖7是本實用新型實施例中配合壓冒螺母的軸測圖。
圖中：1-第一電推桿；2-內六角螺栓；3-擺臺連接件；4-擺臺；5-柔性針連接件；6-連接螺栓；7-彈性筒夾；8-壓冒螺母；9-柔性針支架；11-支撐板；12-導管；13-斜角柔性針；14-內六角；15-第一固定板；16-第一套筒；17-固定螺栓；18-第二電推桿；19-底座；20-支架；21-定位螺栓；22-第二套筒；23-第二固定板；24-腳座。
具體實施方式
實施例，如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所示，機器人輔助精確靶向穿刺軟組織目標柔性針夾緊固定裝置，包括旋轉進給裝置，旋轉進給裝置包括擺臺4，擺臺4的一側固定連接有柔性針連接件5，柔性針連接件5內安裝有高精度、可更換不同內徑的彈性筒夾7，柔性針連接件5通過螺紋連接有壓冒螺母8，彈性筒夾7的軸心處安裝有斜角柔性針13並通過壓冒螺母8旋轉壓緊，擺臺4的另一側固定連接有擺臺連接件3。
所述斜角柔性針13直接固定在彈性筒夾7的軸心處，彈性筒夾7裝卸方便，可針對針軸直徑不同的斜角柔性針13配合相應內徑的彈性筒夾7，適用於多種不同外徑的斜角柔性針13的夾緊固定。
所述擺臺4為市售的LER電動擺臺，擺臺4連接有兩層錯位結構的直線進給裝置，直線進給裝置使用市售的LEY電推桿為電動執行器，通過圖像引導精確控制斜角柔性針13穿刺目標靶點過程的直線和旋轉兩個自由度。
所述柔性針連接件5通過均布的連接螺栓6固定在擺臺4上，該連接螺栓6的規格為M5×4。
所述直線進給裝置包括上下設置兩個的第一電推桿1和第二電推桿18，第一電推桿1的推動端通過內六角螺栓2與擺臺連接件3固定連接，第二電推桿18的推動端通過內六角14固定連接有支撐板11，該內六角14的規格是M8×16。
所述支撐板11上端靠近擺臺4的一側設置有柔性針支架9，支撐板11的另一側固定連接有導管12，斜角柔性針13與柔性針支架9、導管12同軸設置，斜角柔性針13的一端分別穿過柔性針支架9和導管12。
所述柔性針支架9通過連接螺栓6固定連接在支撐板11上，該連接螺栓6的規格為M5×8。
所述第一電推桿1的兩端分別通過腳座24固定安裝在第二固定板23上，第二固定板23下方的四角處分別固定安裝有第二套筒22，每個第二套筒22分別套設在支架20上，並分別通過定位螺栓21進行高度定位，該定位螺栓21的規格為M5×4。
所述第二電推桿18通過四個內六角螺栓2固定安裝在第一固定板15上，第一固定板15下方的的四角處分別固定安裝有第一套筒16，每個第一套筒16分別套設在支架20上，並分別通過固定螺栓17進行高度定位，該固定螺栓17的規格為M5×4。
所述第二電推桿18末端安裝有力預加載工具試管，動作時實現穿刺前的軟組織預壓緊功能。
所述每個支架20的下端分別固定連接在底座19上。
本柔性針夾緊固定裝置工作原理是，基於醫學影像採集、三維圖像重建，根據分析結果，確定手術方案，藉助於軟組織形變力學模型，確定預加力三維範圍；利用軟組織形變仿真模型，優化穿刺斜角柔性針的速度、位置和方向，完成對病變組織目標靶點的預測、定位，確定穿刺點和穿刺路徑；擺臺4末端高精度彈性筒夾7配合壓冒螺母8加緊固定斜角柔性針13，動作時實現沿著力預加載方向上的穿刺功能；第一電推桿1控制斜角柔性針13的直線進給運動，擺臺4控制斜角柔性針13的旋轉進給運動；利用斜角柔性針13針尖處受力不均，旋轉改變針尖的空間位置，即可實現柔性針穿刺軌跡的自主選擇和高精度控制，主動避開血管、神經、骨骼等重要障礙物。
本實用新型通過高精度彈性筒夾和配合壓冒螺母來夾緊定位斜角柔性針的斜角空間位置，定位精度高，實現了穿刺路徑的精確控制，彈性筒夾裝卸方便，可針對斜角柔性針針軸直徑配合相應內徑的彈性筒夾，實現不同軸徑斜角柔性針的夾緊固定，具有穿刺可控性好、避障好、靶向精度高等特點。