CN103876786A - 与核磁共振兼容的乳腺介入机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种与核磁共振兼容的乳腺介入机器人，包括定位模块，穿刺模块，乳腺稳定模块，活检模块，存储模块，驱动模块，俯卧支架。定位模块用于定位入针点，由3个丝杠螺母驱动的直线滑台组成；穿刺模块用于将活检针刺入人体，将活检针送至目标点，由一个丝杠螺母机构驱动；活检模块用于取组织样本，包括活检针机构和活检针驱动滑台，可以实现自动上弦、击发操作；存储模块用于存储由活检模块取出的样本，有多个存储仓，并可以轮换；乳腺稳定模块用于稳定乳腺组织的形态；驱动模块用于远程驱动机器人；俯卧支架用于支撑患者身体及容纳乳腺介入机器人；整个机器人除了内针，外针，弹簧，软轴材料为非磁性不锈钢，其余部分材料均为尼龙，可以兼容MRI设备。

Description

与核磁共振兼容的乳腺介入机器人

技术领域

 本发明涉及一种与核磁共振兼容的乳腺介入机器人，可以在成像设备CT、超声、磁共振成像引导下进行乳腺癌活检手术。

背景技术

乳腺癌是女性中最常见的癌症之一，全球乳腺癌发病率自20世纪70年代末开始一直呈上升趋势。乳腺介入手术具有创伤小，恢复快，并发症少，不影响人体美观等特点，对于女性乳腺疾病的检查、治疗具有重要意义，但是人工手术操作繁琐，技术难度大，不易被一般医生所掌握，而且精度不高，手术持续时间较长时，医生很容易因疲劳造成手术质量下降。

发明内容

针对人工手术的不足，提出一种的与核磁共振兼容的乳腺介入机器人，它可以在成像设备引导下进行乳腺介入手术，而医生只需在计算机上监视、控制机器人，可大大改善医生工作强度，提高手术质量。

基本技术方案是：与核磁共振兼容的乳腺介入机器人包括定位模块，穿刺模块，乳腺稳定模块，活检模块，存储模块，驱动模块，俯卧支架。定位模块主要用于确定入针点位置，由X向滑台，Y向滑台，Z向滑台组成。其中X向滑台为一个丝杠螺母机构驱动的移动滑台，位于定位模块的最下层，其移动方向平行于水平面，X向丝杠为左右旋螺纹丝杠，前端为左旋螺纹，后端为右旋螺纹，可以实现前X向滑块和后X向滑块之间的开合动作；Y向滑台为一个丝杠螺母机构驱动的移动滑台，位于X向滑台上方，其移动方向与X向滑台移动方向垂直，且平行于水平面；Z向滑台为一个丝杠螺母机构驱动的移动滑台，位于Y向滑台上方，其移动方向垂直于水平面。

穿刺模块为一个丝杠螺母机构驱动的移动滑台，其前端通孔与Z向螺母两端圆柱配合，使穿刺模块可绕Z向螺母旋转；其后端滑动槽与穿刺滑台后支座两端的圆柱配合，这样，当Z向螺母移动时，穿刺滑台底座产生一个俯仰动作。

乳腺稳定模块由前稳定压板，后稳定压板，稳定压板调整机构组成，前稳定压板安装在前X向滑块上。后稳定压板上有栅格，活检针可以穿过栅格空隙进入到手术区域中。后稳定压板与稳定压板调整机构一同安装在Y向滑台底座上，稳定压板调整机构包括稳定压板导轨，小齿轮，齿轮轴，齿轮轴支撑座，后稳定压板底部有齿条，与小齿轮啮合，通过齿轮齿条传动使后稳定压板沿稳定压板导轨移动。

活检模块由活检针驱动滑台与活检针机构组成，通过安装在活检针驱动滑台螺母上的连接板与內针座连接，可以实现活检针机构上弦、击发操作。

存储模块包括存储模块同步带轮，开口同步带，组织收集仓，收集仓托槽，托槽支撑架，存储模块同步带轮支撑轴，存储模块同步带轮输入轴。开口同步带两端分别与组织收集仓两端固定，组织收集仓放置在收集仓托槽上，并可以在开口同步带的带动下在收集仓托槽上滑动。

驱动模块包括电机，传动软轴及联轴器。软轴的一端通过联轴器分别与X向丝杠、Y向丝杠、Z输入轴、穿刺滑台丝杠、活检针驱动滑台丝杠、稳定压板调整机构中的小齿轮轴、存储模块中的同步带轮输入轴的末端连接，另一端则通过联轴器分别与7个电机的电机轴连接。

俯卧支架为供患者俯卧的支架，乳腺介入机器人处于俯卧支架内部，X向滑台底座固定在俯卧支架中。

整个机器人除了内针，外针，弹簧，软轴材料为非磁性不锈钢，其余部分材料均为尼龙，可以兼容MRI设备。

本发明的有益效果是：

（1）    可以在医生的操作下进行乳腺活检手术，大大减小医生工作强度。

（2）    定位模块由三个方向的移动滑台组成，可以精确定位机器人工作空间内任意点位置。

（3）    穿刺模块俯仰运动可以增大活检针末端可达到的工作范围。

（4）    稳定压板组可以在X向丝杠驱动下实现开合运动，方便稳定乳房形态，有利于精确定位病灶点。

（5）    后稳定压板上有栅格，活检针可以穿过栅格空隙进入到手术区域中。

（6）    后稳定压板可以在稳定压板调整机构驱动下避开与活检针的干涉。

（7）    活检驱动机构可以实现活检针自动上弦，自动击发，方便机器人控制。

（8）    整个机器人除了内针，外针，弹簧，软轴材料为非磁性不锈钢，其余部分材料均为尼龙，可以兼容MRI设备。

（9）    机器人使用软轴传动，将电机动力传递到各丝杠末端，从而驱动机器人运动，软轴材料为非磁性不锈钢，这样机器人可以在MRI环境下使用。

附图说明

附图 1：X向滑台

图中：1 X向滑台底座，2 X向前滑块，3 X向后滑块，4 X向导轨，5 X向轴承，6 X向右旋螺母，7 X向丝杠，8 X向左旋螺母

附图2：Y向滑台

图中：9 Y向轴承，10 Y向导轨，11 Y向螺母，12 Y向滑块，13 Y向丝杠，14 Y向滑台底座

附图3：Z向滑台与穿刺滑台

图中：15 穿刺模块后支座，16 穿刺滑台轴承，17 穿刺滑台螺母，18 穿刺滑台底座，19 穿刺滑台丝杠，20 Z向螺母，21 Z向导轨，22 Z向丝杠，23 活检针支撑架，24 锥齿轮，25 同步带轮轴支撑架，26 Z输入轴前支撑架，27 Z向滑台底座，28 Z输入轴，29 Z输入轴后支撑架

附图4：同步带传动机构

图中：30 Z向轴承，31 同步带轮，32 同步带轮轴，33 同步带

附图5：稳定压板调整机构

图中：34 后稳定压板，35 小齿轮，36 齿轮轴，37 齿轮轴支撑座

附图6：活检针驱动滑台

图中：38 连接板，39 活检针驱动滑台轴承，40 活检针驱动滑台丝杠，41 活检针驱动滑台螺母，42 活检针驱动滑台底座

附图7：活检针机构

图中：43 内针，44 外针，45 活检针上盖，46 外针座，47 弹簧，48 內针座螺纹孔，49 內针座，50 活检针底座

附图8：存储模块

图中：51托槽支撑架，52存储模块同步带轮支撑轴，53 开口同步带，54 收集仓托槽，55 组织收集仓，56存储模块同步带轮输入轴，57存储模块同步带轮

附图9：乳腺介入机器人

图中：58 俯卧支架，59 活检针机构，60 活检针驱动滑台，61 电机，62 软轴，63 穿刺滑台，64 Y向滑台，65 Z向滑台，66 稳定压板导轨，67 X向滑台，68 存储模块，69 前稳定压板

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的具体结构及实施方式。

本发明的结构组成如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示。与核磁共振兼容的乳腺介入机器人包括定位模块，穿刺模块，乳腺稳定模块，活检模块，存储模块（68），驱动模块，俯卧支架（58）。定位模块由X向滑台（67），Y向滑台（64），Z向滑台（65）组成。X向滑台（67）位于定位模块的最下层，包括X向滑台底座（1），X向丝杠（7），X向导轨（4），X向左旋螺母（8），X向右旋螺母（6），X向前滑块（2），X向后滑块（3），X向轴承（5）。其中，X向滑台底座（1）固定在俯卧支架（56）内部。X向丝杠（7）为左右旋丝杠，其前端为左旋螺纹，后端为右旋螺纹，分别与X向左旋螺母（8）与X向右旋螺母（6）配合使用。X向左旋螺母（8）与X向右旋螺母（6）分别安装在X向前滑块（2）和X向后滑块（3）上。X向丝杠（7）两端由X向轴承（5）支撑，而X向轴承（5）固定在X向滑台底座（1）上。X向导轨（4）为两根圆导轨，分别安装于X向丝杠（7）两侧，固定在X向滑台底座（1）上，并通过X向前滑块（2）及X向后滑块（3）两端的圆形通孔。Y向滑台（64）位于X向滑台（67）之上，包括Y向滑台底座（14），Y向丝杠（13），Y向导轨（10），Y向螺母（11），Y向滑块（12），Y向轴承（9）。Y向滑台（64）移动方向与X向滑台（67）的移动方向垂直，且都与水平面平行。Y向滑台底座（14）固定在X向后滑块（3）上。Y向丝杠（13）通过Y向螺母（11）中间的螺纹孔，Y向螺母（11）安装在Y向滑块（12）上。Y向丝杠（13）两端由Y向轴承（9）支撑，而Y向轴承（9）固定在Y向滑台底座（14）上。Y向导轨（10）为两根圆导轨，分别安装于Y向丝杠（13）两侧，固定在Y向滑台底座（14）上，并通过Y向滑块（12）两端的圆形通孔。Z向滑台（65）位于Y向滑台（64）之上，包括Z向滑台底座（27），Z向丝杠（22），Z向导轨（21），Z向螺母（20），Z向轴承（30），Z向换向机构。Z向滑台（63）的移动方向垂直于水平面。Z向滑台底座（27）固定于Y向滑块（12）上。Z向丝杠（22）通过Z向螺母（20）中间的螺纹孔，Z向丝杠（22）下端由Z向轴承（30）支撑，上端由Z向滑台底座（27）支撑，而Z向轴承（30）固定在Z向滑台底座（27）上。Z向导轨（21）为一根圆导轨，安装于Z向丝杠（22）左侧，并通过Z向螺母（20）中的圆形通孔。Z向换向机构包括一个同步带传动机构与锥齿轮传动机构，同步带传动机构包括两个型号相同的同步带轮（31），同步带（33），同步带轮轴（32），同步带轮轴支撑架（25）。其中一个同步带轮（31）与Z向丝杠（22）末端连接，另一个同步带轮（31）与同步带轮轴（32）连接，同步带轮轴（32）则支撑在同步带轮轴支撑架（25）上。锥齿轮传动机构包括两个完全一样的锥齿轮（24），Z输入轴（28），Z输入轴前支撑架（26），Z输入轴后支撑架（29）。其中一个锥齿轮（24）安装在同步带轮轴（32）上，另一个安装在Z输入轴（28）的一端，两锥齿轮（24）回转轴线相交，且交角为90度。Z输入轴（28）由Z输入轴前支撑架（26）和Z输入轴后支撑架（29）支撑，并可做回转运动。

穿刺模块包括穿刺滑台丝杠（19），穿刺滑台螺母（17），穿刺滑台轴承（16），穿刺滑台底座（18）。穿刺滑台底座（18）前端通孔与Z向螺母（20）两端圆柱配合，使穿刺模块可绕Z向螺母（20）旋转；穿刺滑台底座（18）后端滑动槽与穿刺滑台后支座（15）两端的圆柱配合，这样，当Z向螺母移动时，穿刺滑台底座产生一个俯仰动作。穿刺滑台丝杠（19）通过穿刺滑台螺母（17）中间的螺纹孔。穿刺滑台螺母（17）两侧与穿刺滑台底座（18）接触，可以沿着穿刺滑台底座（18）滑动。穿刺滑台丝杠（19）后端由穿刺滑台轴承（16）支撑，前端由穿刺滑台底座（18）支撑，而穿刺滑台轴承（16）固定在穿刺滑台底座（18）上。

乳腺稳定模块包括前稳定压板（69）、后稳定压板（34）及稳定压板调整机构。前稳定压板（69）与X向前滑块（2）连接。后稳定压板（34）上有栅格，活检针可以穿过栅格空隙进入到手术区域中。后稳定压板（34）与稳定压板调整机构一同安装在Y向滑台底座（14）上，稳定压板调整机构包括稳定压板导轨（66），小齿轮（35），齿轮轴（36），齿轮轴支撑座（37）。稳定压板导轨（66）包括一个矩形导轨和一个燕尾型导轨，燕尾型导轨与矩形导轨一前一后安装在Y向滑台底座（14）上。后稳定压板（34）位于矩形导轨与燕尾型导轨中间，后稳定压板（34）底部有齿条，与小齿轮（35）啮合，通过齿轮齿条传动使后稳定压板（34）沿稳定压板导轨（34）移动。

活检模块包括活检针驱动滑台（60）和活检针机构（59）。活检针驱动滑台（60）由活检针驱动滑台丝杠（40），活检针驱动滑台底座（42），活检针驱动滑台螺母（41），连接板（38），活检针驱动滑台轴承（39）组成。活检针驱动滑台底座（42）安装在穿刺滑台螺母（17）上。活检针驱动滑台丝杠（40）穿过活检针驱动滑台螺母（41）中间的螺纹孔，其一端由活检针驱动滑台底座（42）支撑，另一端由活检针驱动滑台轴承（39）支撑，活检针驱动滑台轴承（39）固定在活检针驱动滑台底座（42）上。连接板（38）固定在活检针驱动滑台螺母（41）上。活检针机构（59）由内针（43），外针（44），內针座（49），外针座（46），活检针底座（50），活检针上盖（45），弹簧（47）组成。内针（43）嵌入在內针座（49）中，外针（44）嵌入在外针座（46）中，外针（44）套在内针（43）外，穿过活检针支撑（23）上端的小孔，活检针支撑（23）固定在穿刺滑台底座（18）上。內针座（49）与外针座（46）位于活检针底座（50）内，并可以沿活检底座（50）滑动。內针座（49）前端的倒钩可以勾住外针座（46）边缘，外针座（46）末端的倒钩可以勾住活检针底座（50）的倒钩，內针座（49）中间的突起部分可以顶开外针座（46）的倒钩，使外针座（46）倒钩与活检针底座（50）倒钩脱开。弹簧（47）安装在活检针底座（50）与外针座（46）之间。內针座（49）后端的螺纹孔（48）用于安装螺钉，使內针座（49）与连接板（38）连接。

存储模块（68）包括存储模块同步带轮（57），开口同步带（53），组织收集仓（55），收集仓托槽（54），托槽支撑架（51），存储模块同步带轮支撑轴（52），存储模块同步带轮输入轴（56）。开口同步带（53）两端分别与组织收集仓（55）两端固定，组织收集仓（55）放置在收集仓托槽（54）上，并可以在开口同步带（53）的带动下在收集仓托槽（54）上滑动，收集仓托槽（54）固定在托槽支架（51）上。

驱动模块包括电机（61），软轴（62）及联轴器。软轴（62）的一端通过联轴器分别与X向丝杠（7）、Y向丝杠（13）、Z输入轴（28）、穿刺滑台丝杠（19）、活检针驱动滑台丝杠（40）、稳定压板调整机构中的齿轮轴（36）、存储模块（68）同步带轮输入轴（56）的末端连接，另一端则通过联轴器分别与7个电机（61）的电机轴连接。

俯卧支架（58）用于支撑患者身体，乳腺介入机器人处于俯卧支架（58）内部，X向滑台底座（1）固定在俯卧支架（58）中。

与核磁共振兼容的乳腺介入机器人除了内针（43），外针（44），弹簧（47），软轴的材料为非磁性不锈钢，其余部分材料均为尼龙，可以兼容MRI设备。

 

本发明工作过程如下：

手术前准备：患者俯卧在俯卧支架（58）上，此时乳腺处于俯卧支架（58）上两个方孔中。将患者、与核磁共振兼容的乳腺介入机器人同时送入成像设备中，根据图像由医生确定目标点。

手术过程：首先与核磁共振兼容的乳腺介入机器人进行复位，即定位模块、穿刺模块、乳腺稳定模块、活检模块、存储模块（66）运动到初始位置。接着X向滑台（65）运动，控制前稳定压板（67）和后稳定压板（34）闭合。如果后稳定压板（34）与活检针刺入方向存在干涉，则稳定压板调整机构动作，将后稳定压板（34）错开一个位置，直至不产生干涉位置；若不存在干涉，则继续下一步。接下来是Y向滑台（62）和Z向滑台（63）运动，这样就可以确定入针点位置，即活检针在扎入人体前的那一点坐标。然后穿刺滑台（61）运动，将活检针刺入人体，达到目标点后穿刺滑台（61）停止运动。之后活检针驱动滑台（60）动作，先将内针（43）穿过目标点，再击发外针（44），切下组织，之后反向运动，再次将活检针上弦。接着是刺滑台（61）运动，将活检针退出人体。然后Y向滑台（62），Z向滑台（63）和穿刺滑台（61）配合运动，使活检针运动到存储仓（55）上方，活检针驱动滑台（60）运动，将内针（43）暴露出来，但不击发外针（44），这样样本就落入存储仓（55）内。这个过程完成之后，与核磁共振兼容的乳腺介入机器人再次复位，重新开始下一轮取样。

Claims (7)

1.一种与核磁共振兼容的乳腺介入机器人，可用于图像设备引导下乳腺活检、介入治疗、送药手术，包括定位模块，穿刺模块，乳腺稳定模块，活检模块，存储模块，驱动模块，俯卧支架；所述的定位模块主要用于确定入针点位置，由X向滑台，Y向滑台，Z向滑台组成；其中X向滑台为一个丝杠螺母机构驱动的移动滑台，位于定位模块的最下层，其移动方向平行于水平面，X向丝杠为左右旋螺纹丝杠，前端为左旋螺纹，后端为右旋螺纹，可以实现前X向滑块和后X向滑块之间的开合动作；Y向滑台为一个丝杠螺母机构驱动的移动滑台，位于X向滑台上方，其移动方向与X向滑台移动方向垂直，且平行于水平面；Z向滑台为一个丝杠螺母机构驱动的移动滑台，位于Y向滑台上方，其移动方向垂直于水平面。

2.根据权利要求1所述的与核磁共振兼容的乳腺介入机器人，其特征在于：所述穿刺模块为一个丝杠螺母机构驱动的移动滑台，其前端通孔与Z向螺母两端圆柱配合，使穿刺模块可绕Z向螺母旋转；其后端滑动槽与穿刺滑台后支座两端的圆柱配合，这样，当Z向螺母移动时，穿刺滑台底座产生一个俯仰动作。

3.根据权利要求1所述的与核磁共振兼容的乳腺介入机器人，其特征在于：所述乳腺稳定模块由前稳定压板，后稳定压板，稳定压板调整机构组成，前稳定压板安装在前X向滑块上；后稳定压板上有栅格，活检针可以穿过栅格空隙进入到手术区域中；后稳定压板与稳定压板调整机构一同安装在Y向滑台底座上，稳定压板调整机构包括稳定压板导轨，小齿轮，齿轮轴，齿轮轴支撑座，后稳定压板底部有齿条，与小齿轮啮合，通过齿轮齿条传动使后稳定压板沿稳定压板导轨移动。

4.根据权利要求1所述的与核磁共振兼容的乳腺介入机器人，其特征在于：所述活检模块由活检针驱动滑台与活检针机构组成，通过安装在活检针驱动滑台螺母上的连接板与內针座连接，可以实现活检针机构上弦、击发操作。

5.根据权利要求1所述的与核磁共振兼容的乳腺介入机器人，其特征在于：所述存储模块包括存储模块同步带轮，开口同步带，组织收集仓，收集仓托槽，托槽支撑架，存储模块同步带轮支撑轴，存储模块同步带轮输入轴；开口同步带两端分别与组织收集仓两端固定，组织收集仓放置在收集仓托槽上，并可以在开口同步带的带动下在收集仓托槽上滑动。

6.根据权利要求1所述的与核磁共振兼容的乳腺介入机器人，其特征在于：所述驱动模块包括电机，传动软轴及联轴器；软轴的一端通过联轴器分别与X向丝杠、Y向丝杠、Z输入轴、穿刺滑台丝杠、活检针驱动滑台丝杠、稳定压板调整机构中的小齿轮轴、存储模块中的同步带轮输入轴的末端连接，另一端则通过联轴器分别与7个电机的电机轴连接。

7.根据权利要求1所述的与核磁共振兼容的乳腺介入机器人，其特征在于：所述与核磁共振兼容的乳腺介入机器人除了内针，外针，弹簧，软轴材料为非磁性不锈钢，其余部分材料均为尼龙，可以兼容MRI设备。

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