CN102580231A

CN102580231A - 用于核磁共振环境下的针刺机械手机构

Info

Publication number: CN102580231A
Application number: CN2012100935880A
Authority: CN
Inventors: 姜杉; 孙福德
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: CN102580231B

Abstract

本发明公开了一种用于核磁共振环境下的针刺机械手机构，包括基座和固定在它上面的前平台和后平台，前平台和后平台相互平行、结构相同且同轴设置；前平台和后平台上分别设有能够沿径向移动且能够沿轴向转动的第一滑块，两个第一滑块上通过球轴承支撑有针刺壳体，针刺壳体内部装有手术针，手术针的针尖穿出前平台，手术针能够在超声波电机的驱动实现针刺动作。本发明是一种具有灵活工作空间的手术机器人机构，刚度好，结构紧凑合理，具有良好的操作性能，能够在核磁仪有限空间内辅助完成针刺手术，并且可以在工作范围内以任意方向趋近目标点，克服手术过程中成像效果不及时和轨迹规划难的弊端，极大程度地提高了手术的精度、手术的成功性和完善性。

Description

用于核磁共振环境下的针刺机械手机构

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，特别是涉及一种用于核磁共振环境下的针刺机械手机构。

背景技术

当前，进行前列腺手术的主要方法是微创近距离粒子放射治疗。手术过程通过针刺将放射性粒子植入前列腺，进行局部放射治疗。而通常手动执行的针刺手术，大多要面对精度差、无法实时成像的缺点。对于预先规划的轨迹，也可能会因为患者身体的移动和针刺对于软组织的刺激，而无法实现预计的效果。通过机器手辅助或者机器手直接实现高精度针刺的手段，可以很好的解决这些问题。

核磁共振成像(MRI)与传统的X射线、CT相比，能够避免对健康细胞的X射线辐射，且有优良的软组织分辨力和精确几何学特性，可以更加准确的探出病变区域，以确保合理的轨迹优化，并且对病变部分的判断更加准确，以确保植入粒子的位置精度。

但是大多数核磁共振仪工作腔内都会产生很强的磁场强度，这对手术机械手机构提出了两方面的限制：一是机械手机构不能对核磁共振仪的磁场产生干扰从而影响成像质量；二是强磁场环境不能影响机械手机构在核磁仪内执行手术操作。因此无论是机械手机构的主体材料还是驱动设备，都要满足核磁兼容的条件，这对机械手的开发提出了苛刻的要求。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种用于核磁共振环境下的针刺机械手机构。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种用于核磁共振环境下的针刺机械手机构，包括基座和固定在它上面的前平台和后平台，所述前平台和所述后平台相互平行、结构相同且同轴设置；所述前平台包括托架、第一超声波电机、小齿轮、大齿轮、两根相互平行的导向光杠、第一滑块和两个环形传动丝；所述托架与所述基座固接，所述托架上安装有所述第一超声波电机，所述第一超声波电机驱动小齿轮，所述小齿轮上啮合有所述大齿轮，所述大齿轮转动连接在所述托架上；在所述大齿轮的后侧面上固定有两根相互平行的所述导向光杠，两根相互平行的所述导向光杠对称设置在大齿轮一直径的两侧，两根相互平行的所述导向光杠上设有与其滑动连接的所述第一滑块；与所述导向光杠相互平行的两个所述环形传动丝分别与所述第一滑块连接，每个所述环形传动丝均张紧在两个滑轮上，两个所述滑轮各安装在一根滑轮轴上，两根所述滑轮轴中有一根为主动，由第二超声波电机驱动；所述滑轮轴支撑在轴承座上，所述轴承座固定在所述大齿轮上；在前平台的第一滑块上和后平台的第一滑块上通过球轴承支撑有针刺壳体，所述针刺壳体内部装有手术针，所述手术针通过针套前端固定在螺母上，针套后端与第二滑块固接，所述第二滑块轴向移动周向静止地连接在所述针刺壳体内，所述螺母外设有与其通过螺纹连接的螺套，所述螺套轴向固定周向转动地连接在所述针刺壳体内部，所述针刺壳体前端设有端盖，所述端盖与所述螺套固接，所述端盖上张紧有球链，所述球链由第三超声波电机驱动的球链轮传动，所述手术针的针尖从所述端盖穿出，所述第三超声波电机固定在所述前平台的第一滑块上。

所述后平台的规格比所述前平台的规格大，该机构整体呈圆锥形。

所述第二滑块与所述针刺壳体之间采用花键配合。

所述针刺壳体和所述螺套之间装有滚珠。

所述导向光杠与所述轴承座固接。

本发明具有的优点和积极效果是：通过采用两点确定一条直线的原理设计出了一套具有灵活工作空间的手术机器人。由于采用大齿轮增加了整体的重量，刚度得到极大的提升；采用超声波电机驱动，完全解决了气缸驱动的自锁问题。整体结构紧凑合理，具有良好的操作性能，能够在核磁仪有限空间内辅助完成针刺手术，并且可以在工作范围内以任意方向趋近目标点，克服手术过程中成像效果不及时和轨迹规划难的弊端，极大程度地提高了手术的精度、手术的成功性和完善性，从而为核磁共振成像(MRI)引导机器人辅助微创外科手术开辟了新的途径。

综上所述，本发明在有限的空间内提高了针刺手术的精度，减少病人手术的痛苦。从而达到高精度、低创伤、减少术后并发症和后遗症的效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为前、后平台的结构示意图；

图3为本发明针刺部件的结构示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图3，一种用于核磁共振环境下的针刺机械手机构，包括基座1和固定在它上面的前平台和后平台，前平台和后平台相互平行、结构相同且同轴设置。

前平台包括托架2、第一超声波电机5、小齿轮6、大齿轮12、两根相互平行的导向光杠20、第一滑块10和两个环形传动丝14；托架2与基座1固接1，托架2上安装有第一超声波电机5，第一超声波电机5驱动小齿轮6，小齿轮6上啮合有大齿轮12，大齿轮12转动连接在托架2上，在大齿轮12的后侧面上固定有两根相互平行的导向光杠20，两根相互平行的导向光杠20对称设置在大齿轮12一直径的两侧，两根相互平行的导向光杠20上设有与其滑动连接的第一滑块10。与导向光杠20相互平行的两个环形传动丝14分别与第一滑块10连接，每个环形传动丝14均张紧在两个滑轮15上，两个滑轮15各安装在一滑轮轴18上，两根滑轮轴18中有一根为主动，由第二超声波电机25驱动；滑轮轴18支撑在轴承座上13，轴承座13通过螺钉17固定在大齿轮12上。

为了使结构紧凑合理，导向光杠20与轴承座13固接；为了使传动丝14传动平稳可靠，传动丝14通过张紧螺钉21固定在第一滑块10上；为了适应磁共振仪的结构和病人的体态要求，后平台的规格进行了一定比例的扩大，机构整体呈圆锥形。

为了适应手术空间的要求，后平台结构的整体规格比前平台大。

在前平台的第一滑块10上和后平台的第一滑块10上通过球轴承22支撑有针刺壳体11，针刺壳体11内部装有手术针9，手术针9通过针套29前端固定在螺母28上，针套29后端与第二滑块30固接，第二滑块30轴向移动周向静止地连接在针刺壳体11内，螺母28外设有与其通过螺纹连接的螺套27，螺套27轴向固定周向转动地连接在针刺壳体11内部，针刺壳体11前端设有端盖26，端盖26通过销与螺套27连接，端盖26上张紧有球链，球链由第三超声波电机驱动的球链轮传动，手术针9的针尖从端盖26穿出，第三超声波电机固定在前平台的第一滑块10上。上述针刺部件采用内嵌式丝杠螺母传动，通过第三超声波电机的驱动，实现针刺动作。

本发明的工作原理：

本发明利用空间内两点可以确定一条直线的原理，同时为了减少机构的复杂性，把这两个点所在的两个平面做以下约束：首先，两平面平行；其次，两平面距离固定。通过改变用以确定直线的两个点在其平面内的位置，就可以改变直线的位置。而手术针就安装在这条直线上，从而可以实现手术针位姿的调整。以下为本发明的具体工作原理：

针刺部件的初始状态与前后平台两大齿轮中心连线共线，当进入手术状态时，机器人由视觉采集系统获取图像，进行视觉识别后判断肿瘤位置，然后由控制中心发出命令至各执行器，完成手术。

请参见图2，前平台的第一滑块10的运动可以分解为沿大齿轮12的径向运动和周向运动两部分。如图2所示，第二超声波电机25通过滑轮15带动环形传动丝14，从而使第一滑块10在导向光杠20上沿大齿轮12径向滑动；第一超声波电机5通过小齿轮轴7带动小齿轮6旋转，小齿轮6带动大齿轮12旋转，从而实现第一滑块10的周向运动。

后平台的第一滑块的运动和前平台的第一滑块的运动类似，二者共同完成针刺部件的位姿调整。

针刺部件的运动如图3所示：固定在前平台的第一滑块上的第三超声波电机带动端盖26旋转，端盖26和螺套27之间通过销连接，螺套27随之转动，由于针刺壳体11和第二滑块30之间为花键滑动配合，故第二滑块30不可转动，这样运动就由电机的旋转运动转化手术针9的直线运动即针刺运动。此外，为减少摩擦，针刺壳体11和螺套27之间装有滚珠(图中未画)，其作用与滚动轴承作用相同。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于核磁共振环境下的针刺机械手机构，其特征在于，包括基座和固定在它上面的前平台和后平台，所述前平台和所述后平台相互平行、结构相同且同轴设置；

所述前平台包括托架、第一超声波电机、小齿轮、大齿轮、两根相互平行的导向光杠、第一滑块和两个环形传动丝；所述托架与所述基座固接，所述托架上安装有所述第一超声波电机，所述第一超声波电机驱动小齿轮，所述小齿轮上啮合有所述大齿轮，所述大齿轮转动连接在所述托架上；在所述大齿轮的后侧面上固定有两根相互平行的所述导向光杠，两根相互平行的所述导向光杠对称设置在大齿轮一直径的两侧，两根相互平行的所述导向光杠上设有与其滑动连接的所述第一滑块；与所述导向光杠相互平行的两个所述环形传动丝分别与所述第一滑块连接，每个所述环形传动丝均张紧在两个滑轮上，两个所述滑轮各安装在一根滑轮轴上，两根所述滑轮轴中有一根为主动，由第二超声波电机驱动；所述滑轮轴支撑在轴承座上，所述轴承座固定在所述大齿轮上；

在前平台的第一滑块上和后平台的第一滑块上通过球轴承支撑有针刺壳体，所述针刺壳体内部装有手术针，所述手术针通过针套前端固定在螺母上，针套后端与第二滑块固接，所述第二滑块轴向移动周向静止地连接在所述针刺壳体内，所述螺母外设有与其通过螺纹连接的螺套，所述螺套轴向固定周向转动地连接在所述针刺壳体内部，所述针刺壳体前端设有端盖，所述端盖与所述螺套固接，所述端盖上张紧有球链，所述球链由第三超声波电机驱动的球链轮传动，所述手术针的针尖从所述端盖穿出，所述第三超声波电机固定在所述前平台的第一滑块上。

2.根据权利要求1所述的用于核磁共振环境下的针刺机械手机构，其特征在于，所述后平台的规格比所述前平台的规格大，该机构整体呈圆锥形。

3.根据权利要求1所述的用于核磁共振环境下的针刺机械手机构，其特征在于，所述第二滑块与所述针刺壳体之间采用花键配合。

4.根据权利要求1所述的用于核磁共振环境下的针刺机械手机构，其特征在于，所述针刺壳体和所述螺套之间装有滚珠。

5.根据权利要求1所述的用于核磁共振环境下的针刺机械手机构，其特征在于，所述导向光杠与所述轴承座固接。