CN103919570A - 一种ct引导下自动化经皮病灶穿刺仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种CT引导下自动化经皮病灶穿刺仪，包括CT扫描架、扫描床和控制系统，其特征在于，所述的扫描床两侧设有滑行轨道，穿刺架可沿滑行轨道滑动，穿刺架上设有机械臂，机械臂的一端连接穿刺针。本发明的机械化程度高，穿刺针与激光光源的角度及位置均由机械臂控制，穿刺动作由机械臂完成，而机械臂的活动由穿刺机械控制系统控制，避免了人为操作的误差，较少依赖术者的经验、技术，精准度和安全性提高。

Description

一种CT引导下自动化经皮病灶穿刺仪

技术领域

本发明涉及一种在CT引导下经皮肤穿刺入内脏深部病灶的自动化医用装置及其装配结构，用于经皮病灶穿刺活检或介入治疗。

背景技术

CT引导下经皮穿刺是人体器官深部病变病理取材用于诊断或某些疾病局部治疗的重要方法。如经皮肺穿刺活检、肝肿瘤经皮穿刺微波治疗等。经皮病灶穿刺技术不仅要求穿刺针准确达到目标病灶，而且在穿刺路线上避免损伤大血管及其它重要结构或脏器。目前该技术通常由操作者根据CT横断面凭借空间感确定穿刺位置及角度，局部麻醉后手动穿刺，穿刺过程中需要多次CT扫描。该方法有下列不足：1，手动穿刺要求操作者须有高超的空间感及熟练的“技术”。对于小病灶或中央病灶，尤其是靠近心脏大血管或其它重要脏器，该方法的准确度不足且风险极高。2，操作者需要在扫描室与图像室之间来回奔波，时间上有较久延搁，肺及肺内病灶随着患者呼吸运动而位移，尤其是肺的下半部分位移更显著，穿刺的准确度受影响。3，CT扫描图是横断面，穿刺方向是在左右向调整的。对于小病灶，尤其是血管旁或肋骨遮挡下的小病灶，穿刺针需要头足向调整方向，可是这样的穿刺路线跨越了多个CT横断面图，其准确度及血管损伤的风险是难以把握的。

针对上述技术，已有下列改进：1，CT透视，即CT实时扫描并成像：人体横断层面及穿刺针被实时显示，步骤基本同上，但操作者暴露在射线下。2，准向器引导：CT扫描后计算穿刺角度，利用准向器引导穿刺，避免人为估测的误差。3，导航系统：先在病灶大致位置的胸壁上固定数个金属标志物做定位点，CT扫描重建的三维模拟图与激光探测图自动匹配，实时指引操作者。该系统实时显示的是金属标志点，而非人体结构，而且手动操作，易致偏差。它主要用于某些空间位置相对稳定的脏器的外科手术导航及实体肿瘤的介入治疗。在pinpoint系统，操作者拟定穿刺路线后机器发出指引光线，类似于光学准向器。4，已有发明专利CT引导下自动定位穿刺器(中国专利号00210456.3)，描述了一种数字化三维自动定位穿刺装置。该装置定位穿刺仍旧在CT横断面上进行。另有发明专利CT引导穿刺组合定向装置(专利号201220457998.4)，描述了一种穿刺定位光学装置，操作者在CT横断面上测算出穿刺方向，手动调节激光角度，引导手动穿刺。所有这些改进并未根本解决前述的三点技术瓶颈。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一套CT引导下自动化经皮病灶穿刺仪，用于人体器官深部病灶的穿刺，实现360度全方向调整穿刺角度、提高穿刺精度、减少重要脏器损伤风险。

为了达到上述目的，本发明提供了一种CT引导下自动化经皮病灶穿刺仪，包括CT扫描架、扫描床和控制系统，其特征在于，所述的扫描床两侧设有滑行轨道，穿刺架可沿滑行轨道滑动，穿刺架上设有机械臂，机械臂的一端连接穿刺针。

优选地，所述的机械臂垂直悬挂于所述的穿刺架上，第一交流伺服电动机固定在穿刺架上，第一交流伺服电动机水平设置，第一交流伺服电动机的转轴螺纹连接机械臂。

优选地，所述的机械臂包括第二交流伺服电动机、第三交流伺服电动机、第四交流伺服电动机和第五交流伺服电动机，第二交流伺服电动机垂直悬挂于所述的穿刺架上，第三交流伺服电动机螺纹连接第二交流伺服电动机的转轴，第四交流伺服电动机连接第三交流伺服电动机的转轴，第五交流伺服电动机连接第四交流伺服电动机的转轴，穿刺针螺纹连接第五交流伺服电动机的转轴。

优选地，所述的CT扫描架上设有激光源位置和方向调节装置，激光源位置和方向调节装置连接激光源。

更优选地，所述的激光源位置和方向调节装置包括设于CT扫描架上的圆形内框，圆形内框上设有传送带，传送带上固定有第七交流伺服电动机，第七交流伺服电动机的转轴连接第八交流伺服电动机，第七交流伺服电动机的转轴垂直于第八交流伺服电动机的转轴，第八交流伺服电动机的转轴连接激光源，所述的传送带由第九交流伺服电动机通过滑轮驱动。

优选地，所述的穿刺架包括水平杆，水平杆的两端各连接一个竖直杆，竖直杆的下端设于滑行轨道上，并可沿滑行轨道滑动。

优选地，所述的穿刺架在第六交流伺服电动机的牵拉作用下沿滑行轨道滑动。

优选地，所述的穿刺针的尾端设有反光镜。

优选地，所述的控制系统包括CT数字图像处理系统和穿刺机械控制系统。

本发明可根据虚拟穿刺角度调整CT扫描架内的激光源位置及角度，将扫描床水平移动至恰当位置，移动原点设为皮肤穿刺点的横断面位置，移动距离可根据受检者胸壁水平与激光源之间的高度、穿刺角度计算得出。移动到位后发出激光，即为穿刺引导路线，可指引术者在受检者胸壁上消毒、麻醉。

本发明的穿刺针位置与角度的调整通过以下步骤实现：以穿刺针的某位置与角度设为原始起点，依据拟穿刺路线设定伺服电动机控制参数，调节穿刺针角度与拟穿刺路线角度一致，并移动穿刺针尖至目标皮肤穿刺点：在三维平面上移动，前后位由穿刺架的位置确定：将CT扫描床自动回移至皮肤穿刺点所在的横断位，移动穿刺架至CT射线管位置，以此位置作为移动原点，针尖与穿刺架之间的最短水平距离即为穿刺架移动的距离。左右位调整：预先设置机械臂倒挂在穿刺架水平杆的某点作为原点，在皮肤穿刺点所在的横断面上，测量皮肤穿刺点与预先设置好角度的穿刺针的针尖的横向水平距离，即机械臂在水平杆上的水平移动距离。上下位置调整：预先设置穿刺针尖某高度为起始原点，在软件界面上测量目标穿刺点与针尖的纵向距离，即得机械臂垂直向下延伸的距离。

本发明的扫描架上光源发出激光引导穿刺路线，穿刺针尾装有反光镜，可反射激光到传感器，用于校正穿刺针位置与角度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的机械化程度高，穿刺针与激光光源的角度及位置均由机械臂控制，穿刺动作由机械臂完成，而机械臂的活动由穿刺机械控制系统控制，避免了人为操作的误差，较少依赖术者的经验、技术，精准度和安全性提高。

2、本发明的激光源的位置和方向可调节，提高穿刺的准确性，而且，穿刺针角度机械控制与光学信号校正相结合，提高该装置的安全稳定性能。

3、本发明在自动化、机械化的基础上，术者可根据经验选择目标病灶范围、确认拟穿刺最佳路线，以及发起或终止穿刺动作。弥补了机械化的盲目性，提高了穿刺活检的阳性率或局部治疗的效果，减少了因受检者因素导致的意外风险。

4、本发明用途广泛，可用于全身多部位病灶的穿刺，包括实质性脏器以及含气或空腔脏器，如经皮肺穿刺活检、经皮肝脏穿刺等。

附图说明

图1为CT引导下自动化经皮病灶穿刺仪结构图。

图2为机械臂与穿刺针的组装图。

图3为激光源及其位置和方向调节装置的侧面图。

图4为激光源及其位置和方向调节装置的正面图。

图5为应用本发明行经皮病灶穿刺的工作示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例

如图1所示，为CT引导下自动化经皮病灶穿刺仪结构图，所述的CT引导下自动化经皮病灶穿刺仪包括CT扫描架1、扫描床3和控制系统，所述的扫描床3两侧设有滑行轨道4，滑行轨道4与扫描床3可连可分，穿刺架2上设有机械臂6，机械臂6的一端连接穿刺针5，可自由调整穿刺针位置和方向。所述的穿刺架2包括水平杆，水平杆的两端各连接一个竖直杆，竖直杆的下端设于滑行轨道4上，并可沿滑行轨道4滑动。所述的穿刺架2在第六交流伺服电动机的牵拉作用下沿滑行轨道4滑动。

如图2所示，所述的机械臂6垂直悬挂于所述的穿刺架2上，第一交流伺服电动机10固定在穿刺架2上，第一交流伺服电动机10水平设置，第一交流伺服电动机10的转轴螺纹连接机械臂6。所述的机械臂包括第二交流伺服电动机11、第三交流伺服电动机12、第四交流伺服电动机13和第五交流伺服电动机14，第二交流伺服电动机11的转轴垂直于第三交流伺服电动机12的转轴，第三交流伺服电动机12的转轴垂直于第四交流伺服电动机13的转轴，第四交流伺服电动机13的转轴垂直于第五交流伺服电动机14的转轴，第二交流伺服电动机11垂直悬挂于所述的穿刺架2上，第二交流伺服电动机11可由第一交流伺服电动机10驱动水平移动。第三交流伺服电动机12螺纹连接第二交流伺服电动机11的转轴，第三交流伺服电动机12可由第二交流伺服电动机11驱动上下移动。第四交流伺服电动机13固定连接第三交流伺服电动机12的转轴，第五交流伺服电动机14固定连接第四交流伺服电动机13的转轴，穿刺针5螺纹连接第五交流伺服电动机14的转轴。第五交流伺服电动机14可驱动穿刺针5进退。所述的穿刺针5的尾端设有反光镜。可反射激光到传感器，传感器设置在光源周边，传感器反馈的信息输入到穿刺机械控制系统，用于校正穿刺针5的位置。

所述的CT扫描架1上设有激光源位置和方向调节装置，激光源位置和方向调节装置连接分别设于CT扫描架1前后两侧的长条形的激光源7。如图4所示，所述的激光源位置和方向调节装置包括设于CT扫描架1上的圆形内框，圆形内框上设有传送带21，传送带21上固定有第七交流伺服电动机18，第七交流伺服电动机18的转轴固定连接第八交流伺服电动机16，第七交流伺服电动机18的转轴垂直于第八交流伺服电动机16的转轴，第八交流伺服电动机16的转轴固定连接激光源7，实现激光前后角度调整。如图3所示，所述的传送带21由第九交流伺服电动机20通过滑轮19驱动。对侧激光源同样装配。

所述的控制系统包括CT数字图像处理系统8和穿刺机械控制系统9，所述的第一至第九交流伺服电动机皆由穿刺机械控制系统9控制。所述CT数字图像处理系统8允许操作者在多层CT横断面上圈选穿刺目标病灶，系统将横断面图模拟形成三维立体图并在控制软件界面上显示，以目标病灶为中心，在所有方向上自动筛选出数条最合适的穿刺路线并在控制软件界面上显示，允许操作者从中选择最佳路线，该路线符合如下要求：1，远离大血管及实质脏器、2，可跨越多个原始横断面、3，穿刺点与病灶间距离最短。具体操作时，可获取CT增强扫描获得多幅横断面CT值的点图，软件自动三维转换。将目标病灶设为坐标原点，其余CT值数据的三维坐标进行平移变换，计算所有数据点与病灶点的三维角度，用a，b，c来表示。假设某个点为(x，y，z)，此坐标为经过坐标变换后的坐标。那么， $\cos \left(a\right)=x/\sqrt{x^2+y^2+z^2},\cos \left(b\right)=y/\sqrt{x^2+y^2+z^2}$ $\cos \left(c\right)=z/\sqrt{x^2+y^2+z^2}.$ 将这些角度数据，装入数据库的某张表，每个数据表的一行信息如下：x，y，z，a，b，c，实际CT值。然后，对a，b，c建立联合索引。数据库能够通过对a，b，c按三维角度进行分组，同一条直线上的数据归为一组，参考骨骼、含对比剂的血液的CT值，设定最大可接受的CT值。对候选组，分别按路线与高CT值点的距离、组内CT值之和及数据数量进行排序，即得备选最佳穿刺路线。

如图5所示，工作时，受检者32平卧扫描床，CT增强平扫，CT数字图像处理系统8三维成像，自动设计最佳穿刺路线、计算出穿刺方位及角度，并通过穿刺机械控制系统9自动调整CT扫描床的位置及激光源7的位置和角度，激光源7发出引导激光，操作者循此光信号在受检者局部消毒、麻醉，穿刺机械控制系统9自动调整穿刺针位置及角度、穿刺架2及附于其上的机械臂6的位置，穿刺针尖恰好抵达穿刺位点，此时激光被穿刺针5尾端的反光镜反射回光源处的传感器，以此确认穿刺针5的位置。移动扫描床至穿刺位置，嘱受检者屏气，CT快速扫描3-5层，包括穿刺针尾、针头、病灶，CT数字图像处理系统8自动分析穿刺路线的准确度，必要时微调穿刺针5方向，操作者确认后穿刺针5按预定深度自动刺入，CT快速扫描病灶33，结束屏气。CT数字图像处理系统确认穿刺位置。

Claims (9)

1.一种CT引导下自动化经皮病灶穿刺仪，包括CT扫描架(1)、扫描床(3)和控制系统，其特征在于，所述的扫描床(3)两侧设有滑行轨道(4)，穿刺架(2)可沿滑行轨道(4)滑动，穿刺架(2)上设有机械臂(6)，机械臂(6)的一端连接穿刺针(5)。

2.如权利要求1所述的CT引导下自动化经皮病灶穿刺仪，其特征在于，所述的机械臂(6)垂直悬挂于所述的穿刺架(2)上，第一交流伺服电动机(10)固定在穿刺架(2)上，第一交流伺服电动机(10)水平设置，第一交流伺服电动机(10)的转轴螺纹连接机械臂(6)。

3.如权利要求1所述的CT引导下自动化经皮病灶穿刺仪，其特征在于，所述的机械臂包括第二交流伺服电动机(11)、第三交流伺服电动机(12)、第四交流伺服电动机(13)和第五交流伺服电动机(14)，第二交流伺服电动机(11)垂直悬挂于所述的穿刺架(2)上，第三交流伺服电动机(12)螺纹连接第二交流伺服电动机(11)的转轴，第四交流伺服电动机(13)连接第三交流伺服电动机(12)的转轴，第五交流伺服电动机(14)连接第四交流伺服电动机(13)的转轴，穿刺针(5)螺纹连接第五交流伺服电动机(14)的转轴。

4.如权利要求1所述的CT引导下自动化经皮病灶穿刺仪，其特征在于，所述的CT扫描架(1)上设有激光源位置和方向调节装置，激光源位置和方向调节装置连接激光源(7)。

5.如权利要求4所述的CT引导下自动化经皮病灶穿刺仪，其特征在于，所述的激光源位置和方向调节装置包括设于CT扫描架(1)上的圆形内框，圆形内框上设有传送带(21)，传送带(21)上固定有第七交流伺服电动机(18)，第七交流伺服电动机(18)的转轴连接第八交流伺服电动机(16)，第七交流伺服电动机(18)的转轴垂直于第八交流伺服电动机(16)的转轴，第八交流伺服电动机(16)的转轴连接激光源(7)，所述的传送带(21)由第九交流伺服电动机(20)通过滑轮(19)驱动。

6.如权利要求1所述的CT引导下自动化经皮病灶穿刺仪，其特征在于，所述的穿刺架(2)包括水平杆，水平杆的两端各连接一个竖直杆，竖直杆的下端设于滑行轨道(4)上，并可沿滑行轨道(4)滑动。

7.如权利要求1所述的CT引导下自动化经皮病灶穿刺仪，其特征在于，所述的穿刺架(2)在第六交流伺服电动机的牵拉作用下沿滑行轨道(4)滑动。

8.如权利要求1所述的CT引导下自动化经皮病灶穿刺仪，其特征在于，所述的穿刺针(5)的尾端设有反光镜。

9.如权利要求1所述的CT引导下自动化经皮病灶穿刺仪，其特征在于，所述的控制系统包括CT数字图像处理系统(8)和穿刺机械控制系统(9)。