CN106901836A - 一种前列腺穿刺手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种前列腺穿刺活检手术机器人，用于辅助医生进行前列腺的穿刺活检手术，包括：升降调节机构、第一直线运动机构、第二直线运动机构、第一角度调节机构、第二角度调节机构、穿刺组件。穿刺角度仅由第一角度调节机构和第二角度调节机构决定，穿刺部位的对准则由升降机构、第一直线运动机构、第二直线运动机构共同完成，穿刺组件控制穿刺针的进给。本发明位置调节与角度调节相互独立，互不影响，从而使手术操作灵活度高，而六个自由度的控制，在保证手术位置和角度精确的情况下，能够尽可能的扩大调整范围，适应不同环境、不同患者的实际需求；位置、角度调整灵活，穿刺过程平稳，提高了穿刺活检的精度。

Description

一种前列腺穿刺手术机器人

技术领域

本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种前列腺穿刺手术机器人，用于辅助医生进行前列腺的穿刺活检手术。

背景技术

前列腺癌在全球各种恶性肿瘤中的发病率位列第二，在美国已经超过肺癌，高居第一。近年来，随着社会和经济的快速发展，人们生活水平显著提高，前列腺癌在我国的发病率和死亡率呈明显上升态势。经直肠超声引导下前列腺穿刺活检术是确诊前列腺癌的金标准，但其活检取样的结果易受人工扎针精度、活检针刺入姿态限制等因素的影响。前列腺穿刺活检机器人将有利于提高活检样本的利用率，提升前列腺活检的扎针精度和缩短手术时间，已成为国内外的研究热点。目前，国内外高校等科研机构在前列腺穿刺活检机器人开发方面开展了一定的研究工作：

韩国的Bummo Ahn等人将触诊应用于前列腺穿刺活检中，开发出一款前列腺穿刺活检机器人。该机器人通过计算机进行控制，无需手工完成穿刺操作，通过将压力传感器加入到探头前端从而完成医学上的触诊，甄别出由于肿瘤而使组织硬度增加的区域，然后对这一部分进行穿刺，增强了穿刺的针对性，但是对于这种触诊方式在前列腺肿瘤区域判断的可靠性还有待考证。

Nikolai Hungr等人开发了基于超声导引的前列腺癌短程治疗的机器人，该机器人超声探头和穿刺针相互分离，整个短程治疗的穿刺过程无需手工操作，通过计算机控制，最大误差小于2mm。但是，整个系统体积过于庞大，需要占用较大的空间。

德国的Longquan Chen等人针对MRI成像环境，开发了一款前列腺穿刺手术机器人。该机器人拥有五个自由度，满足了对前列腺各部分进行穿刺的需求。同时通过MRI进行手术导航，具有较高的定位精度。但是，因应用于MRI成像的环境中，所以整个机器人的材料有特殊要求，成本较高。

2014年，由IEEE成员Dan Stoianovici等人开发了一台经直肠的前列腺穿刺活检机器人。该机器人拥有3个自由，采用气动方式进行驱动，工作在MR的环境中。其中机器人整体结构比较紧凑，可实现部分的位置调整，但是最后的穿刺仍然要靠人工去进行。而且通过直肠进行穿刺活检相较于经会阴的方法更容易带来穿刺后的并发症。

由新加坡南洋理工大学的Wan Sing Ng等人开发的经会阴前列腺穿刺活检机器人通过超声进行手术导航，可以提前进行穿刺路径的手术规划和前列腺的三维图像重建。该机器人包含9个自由度。超声探头和穿刺模块相互分离，通过一段弧形导轨来调节穿刺针的穿刺角度，探头可以在水平和竖直平面内旋转。虽然机器人较为灵活，但是仍然要靠医生通过手动去进行一部分的位置调节。

国内，哈尔滨工业大学开发了三维超声影像引导下的介入手术机器人辅助系统，该系统包括6自由度穿刺机器人、三维超声及电磁定位模块三部分。其中，三维超声用于医生了解到病灶信息及进针路径的规划，而电磁定位模块用于对机器人末端进行空间定位与实时监测。

天津大学设计了基于二维超声导引的六自由度前列腺近距离治疗机器人，该机器人包括定位模块和位于定位模块上的驱动模块，其中驱动模块由超声探头夹持器和导引模块组成，机器人能操控导引模块到达合适位置和旋转至合适角度。

上述机器人大多存在结构复杂，灵活性不足，可实现的扎针范围和入针角度有限等缺点，因此研究结构精简、灵活性好且入针角度调节范围大的前列腺穿刺活检手术机器人对提高活检效率和准确率具有重要价值和意义。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷及需求，本发明旨在改进现有前列腺穿刺活检手术设备的不足，提供一种精度较高的前列腺穿刺手术设备。

为了实现上述目的，本发明提供了一种前列腺穿刺手术机器人，包括：

升降调节机构；

第一直线运动机构，安装于升降调节机构上端，第一直线运动机构包括第一直线滑块，第一直线滑块运动方向垂直于升降调节机构的升降调节方向；

第二直线运动机构，安装于第一直线滑块上，第二直线运动机构包括第二直线滑块，第二直线滑块的运动方向同时垂直于升降调节机构的升降调节方向和第一直线滑块的运动方向；

第一角度调节机构，安装于第二直线滑块上；

第二角度调节机构，安装于第一角度调节机构上；

穿刺组件，包括第三直线滑块和穿刺针，穿刺针安装在第三直线滑块上，第三直线滑块的运动方向与穿刺针平行；

其中，穿刺针所在直线、第一角度调节机构的旋转轴线、第二角度调节机构的旋转轴线相交于穿刺针前进方向上的同一点。

进一步地，穿刺针初始的针尖位置即穿刺针所在直线、第一角度调节机构的旋转轴线、第二角度调节机构的旋转轴线的交点。

进一步地，第一直线运动机构包括：第一基座；两个第一直线导轨，平行安装于第一基座两侧；每个第一直线导轨上各安装两个第一直线滑块；第一连接板，安装在四个第一直线滑块顶部；第一滚珠丝杠，平行于第一直线导轨，且位于两个第一直线导轨之间，第一滚珠丝杠的直线运动螺母与第一连接板固定连接，从而带动第一连接板和第一直线滑块沿第一直线导轨往复运动；第一直线电机，通过第一联轴器与第一滚珠丝杠连接；第一基座安装在水平支撑台上。

进一步地，第二直线运动机构和第一直线运动机构结构相同。

进一步地，第一角度调节机构包括：第一旋转电机，通过第三联轴器连接第一转轴，第一转轴的轴线与第一角度调节机构的旋转轴线重合；第一转轴安装于第一旋转座中；第一旋转臂，其一端与第一转轴固定连接，另一端斜向上延伸，用于安装第二角度调节机构；第一安装板，固定在第二连接板上，第一旋转座固定在第一安装板上。

进一步地，第一安装板具有一个向上延伸的倾斜面，第一旋转座固定在该倾斜面上。

进一步地，第一角度调节机构包括支撑臂；第一旋转臂顶部连接支撑臂一端，支撑臂的另一端用于安装第二角度调节机构；第二角度调节机构包括第二旋转臂，第二旋转臂与支撑臂错开。

进一步地，第一旋转臂连接第一转轴的一端垂直于第一转轴的轴线；第二角度调节机构包括第二旋转臂和第二转轴，第二旋转臂一端固定连接第二转轴，第二旋转臂连接第二转轴的一端垂直于第二转轴的轴线。

进一步地，穿刺组件包括：第三直线导轨；第三滚珠丝杠，其直线运动螺母直接作为第三直线滑块安装在第三直线导轨上，沿第三直线导轨滑动；第三直线电机，通过第三联轴器与第三滚珠丝杠连接，以驱动第三滚珠丝杠的丝杆转动，从而带动第三直线滑块沿第三直线导轨往复运动；穿刺枪，包括穿刺针，穿刺枪通过两个U型架固定在第三直线滑块上，与穿刺针一起随第三直线滑块运动；第三安装板，第三直线导轨通过第三安装板安装在第二旋转臂背离第二转轴的一端。

进一步地，穿刺组件包括支撑片，支撑片一端固定在第三直线导轨上，另一端开设有一个允许穿刺针穿过的小孔。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：在本发明中，穿刺角度仅由第一角度调节机构和第二角度调节机构决定，穿刺部位的对准则由升降机构、第一直线运动机构、第二直线运动机构共同完成，穿刺组件的第三直线滑块带动穿刺针实现进给运动，因此共有六个自由度调整机构，且角度调整和位置调整相互独立，互不影响，能够灵活的调整穿刺针的位置和方向，同时提高了穿刺活检的精度，降低了漏检和并发后遗症的可能性。

附图说明

图1为前列腺穿刺活检手术机器立体示意图；

图2为图1的主视图；

图3为图2的左视图；

图4为图2的俯视图；

图5为图1中第一直线运动机构立体示意图；

图6为图5的主视图；

前列腺穿刺活检手术机器人第一位置调整部分三维结构图；

图7为图1中第一角度调节机构和第二角度调节机构的立体示意图；

图8为图7另一视角的立体示意图；

图9为图7中第一旋转臂处于最高位置时从图2视角观察的形状示意图；

图10为图1中穿刺组件的立体示意图；

图11为图1中底座的立体示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-升降调节机构 11-升降电机 12-升降杆

13-水平支撑台 14-快速调节手柄

2-第一直线运动机构 21-第一基座 22-第一直线导轨

23-第一直线滑块 24-第一连接板 25-第一滚珠丝杠

26-第一直线电机 27-第一联轴器

3-第二直线运动机构

4-第一角度调节机构 41-第一旋转电机 42-第三联轴器

43-第一转轴 44-第一旋转座 45-第一旋转臂

46-支撑臂 47-第一固定板 48-第一安装板

5-第二角度调节机构 51-第二旋转电机 52-第三联轴器

53-第二转轴 54-第二旋转座 55-第二旋转臂

56-第二固定板 57-第二安装板

6-穿刺组件 61-第三直线导轨 62-第三滚珠丝杠

63-第三直线滑块 64-第三直线电机 65-穿刺枪

651-穿刺针 66-U型架 67-支撑片

68-第三安装板

7-底座 71-机箱 72-底盘

73-万向轮 731-旋钮 732-刹车片

8-控制箱

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。为使附图清晰简洁，各附图中均已略去螺钉螺栓等标准件。

如附图1-4所示，为本发明的前列腺穿刺手术机器人优选实施例四个不同视角的示意图，其包括：升降调节机构1、第一直线运动机构2、第二直线运动机构3、第一角度调节机构4、第二角度调节机构5、穿刺组件6、底座7、控制箱8。

请参照图3，在本实施例中，升降调节机构1包括升降电机11、升降杆12、水平支撑台13、快速调节手柄14。升降电机11精确控制升降杆12的升降运动，由于升降杆12为杆状构造，顶端面积较小，不利于固定。因此，本实施例采用水平支撑台13稳固地包裹在升降杆12上部，扩大安装面积，将第一角度调节机构4安装在水平支撑台13上，以保证第一角度调节机构4运行稳定，避免晃动。快速调节手柄14与升降杆12通过齿轮配合，从而手动快速调节升降高度。

请参照图5、6，在本实施例中，第一直线运动机构2包括：第一基座21；两个第一直线导轨22，平行安装于第一基座21两侧；每个第一直线导轨22上各安装两个第一直线滑块23，因此本实施例共有四个第一直线滑块23；第一连接板24，安装在四个第一直线滑块23顶部；第一滚珠丝杠25，平行于第一直线导轨22，且位于两个第一直线导轨22之间，第一滚珠丝杠25的直线运动螺母与第一连接板24固定连接，从而带动第一连接板24和第一直线滑块23沿第一直线导轨22往复运动；第一直线电机26，通过第一联轴器27与第一滚珠丝杠25连接，以驱动第一滚珠丝杠25的丝杆转动。其中，第一基座21安装在水平支撑台13上。

在本实施例中，第二直线运动机构3采用和第一直线运动机构2相同的构造，可以直接参照图5、6，故未另行图示。为便于描述，仅各部件的名称有所区别，例如：第一直线运动机构2的第一直线滑块23在第二直线运动机构3中叫做第二直线滑块，第一直线运动机构2的第一连接板24在第二直线运动机构3中叫做第二连接板；其余名称以此类推。其中，第二基座固定在第一连接板24上，从而通过第一连接板24安装在第一滑块23上，以随第一滑块23一起沿第一直线导轨22进行往复运动。

请参照图7-9，在本实施例中，第一角度调节机构4包括：第一旋转电机41，通过第三联轴器42连接第一转轴43，以带动第一转轴43转动，第一转轴43的轴线所在直线即第一角度调节机构4的旋转轴线；第一转轴43安装于第一旋转座44中；第一旋转臂45一端与第一转轴43固定连接，以使第一旋转臂45能随第一转轴43转动；当第一旋转臂45转到最高位置时，从图2视角观察，第一旋转臂45另一端斜向上延伸(如图9)，并在顶部连接支撑臂46一端，支撑臂46的另一端用于安装第二角度调节机构5，此时从图3视角观察，支撑臂46处于水平位置，向穿刺组件进给方向的侧向延伸；第一固定板47，用于固定第一旋转电机41；第一安装板48，固定在第二连接板上，从图2视角观察，第一安装板48具有一个向上延伸的倾斜面，第一固定板47和第一旋转座44均固定在该倾斜面上。在本实施例中，图2、3均不是第一旋转臂45的最高位置，但更便于展示及说明本发明的整体构造。

第二角度调节机构5包括：第二旋转电机51、第三联轴器52、第二转轴53、第二旋转座54、第二旋转臂55、第二固定板56、第二安装板57。第二角度调节机构5各部件组装方式与第一角度调节机构4基本一致，且第二转轴53的轴线所在直线即第二角度调节机构5的旋转轴线。请参照图7、8，第二角度调节机构5与第一角度调节机构4主要区别在于：第二旋转座54、第二固定板56均固定在第二安装板57上，第二安装板57安装在支撑臂46背离第一旋转臂45的一端；第二旋转臂55与支撑臂46错开，以使第二旋转臂55朝向第一旋转臂45转动时不受支撑臂46影响。

本实施例中，支撑臂46、第二旋转臂55均为弧形构造，便于错开。通过支撑臂46、第二旋转臂55组成的迂回伸展结构，可以在扩大调节范围的同时，尽量保证第一角度调节机构4、第二角度调节机构5、穿刺组件6组成的整体的重心位置靠近第一转轴43，一方面空间结构更紧凑，另一方面便于尽量减小与第一转轴43之间的力矩，降低第一旋转电机的工作强度。第一旋转臂45连接第一转轴43的一端垂直于第一转轴43的轴线，第二旋转臂55连接第二转轴53的一端垂直于第二转轴53的轴线，可以均匀地将负重分散于第一转轴43、第二转轴53上，保证第一转轴43、第二转轴53转动顺畅。如图9，第一旋转臂45转动到最高位置时，从图2视角观察，第一旋转臂45先向垂直于第一转轴43的轴线的方向倾斜延伸，再水平延伸，然后竖直向上延伸，为第二旋转臂55提供更大旋转空间，本领域技术人员应当能够理解，第一旋转臂45能够为第二旋转臂55提供更大旋转空间的具体形状不限于此。

请参照图10，本实施例中，穿刺组件6包括：第三直线导轨61；第三滚珠丝杠62，其直线运动螺母直接作为第三直线滑块63安装在第三直线导轨61上，沿第三直线导轨61滑动；第三直线电机64，通过第三联轴器(未图示)与第三滚珠丝杠62连接，以驱动第三滚珠丝杠62的丝杆转动，从而带动第三直线滑块63沿第三直线导轨61往复运动；穿刺枪65，包括穿刺针651，穿刺枪65通过两个U型架66固定在第三直线滑块63上，与穿刺针651一起随第三直线滑块63运动；支撑片67，一端固定在第三直线导轨61上，另一端651在穿刺针651一定长度位置开设有一个刚好允许穿刺针651穿过的小孔，以不阻碍穿刺针651自由运动为限。由于穿刺针651较为细长，设置支撑片67以避免穿刺针651在穿刺手术过程中晃动，确保穿刺准确，减轻病人痛苦；第三安装板68，第三直线导轨61通过第三安装板68安装在第二旋转臂55背离第二转轴53的一端。

穿刺针651所在直线、第一角度调节机构4的旋转轴线、第二角度调节机构5的旋转轴线相交于穿刺针651前进方向上的一点，该点即为穿刺点。在本实施例中，直接将穿刺针651初始的针尖位置作为穿刺点，便于操作者直接瞄准手术部位。

请参照图1、11，底座7包括：机箱71，内部设有各机械部件的电气控制组件；底盘72，机箱71安装在底盘72上；底盘72下部安装有至少两个万向轮73，万向轮73包括旋钮731，以及相对于旋钮731的旋转中心偏心设置的刹车片732，刹车片732一端固定在旋钮731上，另一端向万向轮的滚动面弯折延伸。由于刹车片732相对于旋钮731的旋转中心偏心设置，当旋钮731转动时，刹车片732的弯折延伸处距离万向轮轮轴的距离会有波动，将该距离设置为，在刹车片732旋钮731转动过程中，其弯折延伸处距离万向轮轮轴的最小距离小于万向轮轮径，最大距离大于万向轮轮径，即可实现万向轮的锁定及解锁。

控制箱8安装在机箱71外部，集成了操作面板，与机箱71中的电气控制组件连接，用于操控机器人各部件。

下面介绍本发明的工作原理及操作过程：

穿刺针651所在直线、第一角度调节机构4的旋转轴线、第二角度调节机构5的旋转轴线相交于穿刺针651前进方向上的一点，该点即为穿刺点，如此设置可以保证穿刺针651任意进给或后退、第一角度调节机构4和第二角度调节机构5任意调节时，穿刺点均不发生变化。第一固定板47和第一旋转座44均固定在第一安装板48的倾斜面上，使得第一转轴43的轴线指向为斜向上，从而提升穿刺点的设计高度，相应地，可以降低升降机构1的设计高度，对于一般升降机构来讲，上升高度越低，稳定性越高，设计高度越低，升降机构的上升高度就可以尽量控制的低，从而提升稳定性。

在本发明中，穿刺角度仅由第一角度调节机构4和第二角度调节机构5决定，穿刺部位的对准则由升降机构1、第一直线运动机构2、第二直线运动机构3共同完成。位置调节与角度调节相互独立，互不影响，从而使手术操作灵活度高，而六个自由度的控制，在保证手术位置和角度精确的情况下，能够尽可能的扩大调整范围，适应不同环境、不同患者的实际需求。

使用时，患者先就位，操作者通过控制箱8先将各部件全部复位，使穿刺针651位于初始位置；然后启动升降电机11、第一直线电机26、第二直线电机，使穿刺针651的针尖接触患者皮肤表面的目标手术点；接着启动第一旋转电机41、第二旋转电机51，将穿刺针651调整到预定手术角度，此时穿刺针651的针尖并不会改变位置；然后，启动第三直线电机64，驱动穿刺针651前进，刺入患处进行穿刺手术；手术结束后，反转第三直线电机64，使穿刺针651退回初始位置。

在其他实施例中(未图示)，第一安装板48、第二安装板57、第三安装板68可以与各自连接的部件一体成型。第一旋转臂45、支撑臂46也可以是一体成型。

在其他实施例中(未图示)，升降机构1也可以是剪叉升降机构或液压升降机构。

在其他实施例中(未图示)，第一直线运动机构2、第二直线运动机构3中的滚珠丝杠和直线滑块也可以参照第三滚珠丝杠62和第三直线滑块63设置。或者，第三直线滑块63不作为第三滚珠丝杠62的直线运动螺母，而是与第三滚珠丝杠62的直线运动螺母固定连接。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种前列腺穿刺活检手术机器人，其特征在于，包括：

升降调节机构；

第一直线运动机构，安装于升降调节机构上端，第一直线运动机构包括第一直线滑块，第一直线滑块运动方向垂直于升降调节机构的升降调节方向；

第二直线运动机构，安装于第一直线滑块上，第二直线运动机构包括第二直线滑块，第二直线滑块的运动方向同时垂直于升降调节机构的升降调节方向和第一直线滑块的运动方向；

第一角度调节机构，安装于第二直线滑块上；

第二角度调节机构，安装于第一角度调节机构上；

穿刺组件，包括第三直线滑块和穿刺针，穿刺针安装在第三直线滑块上，第三直线滑块的运动方向与穿刺针平行；

其中，穿刺针所在直线、第一角度调节机构的旋转轴线、第二角度调节机构的旋转轴线相交于穿刺针前进方向上的同一点。

2.根据权利要求1所述的一种前列腺穿刺手术机器人，其特征在于，穿刺针初始的针尖位置即穿刺针所在直线、第一角度调节机构的旋转轴线、第二角度调节机构的旋转轴线的交点。

3.根据权利要求1或2所述的一种前列腺穿刺手术机器人，其特征在于，第一直线运动机构包括：第一基座；两个第一直线导轨，平行安装于第一基座两侧；每个第一直线导轨上各安装两个第一直线滑块；第一连接板，安装在四个第一直线滑块顶部；第一滚珠丝杠，平行于第一直线导轨，且位于两个第一直线导轨之间，第一滚珠丝杠的直线运动螺母与第一连接板固定连接，从而带动第一连接板和第一直线滑块沿第一直线导轨往复运动；第一直线电机，通过第一联轴器与第一滚珠丝杠连接；第一基座安装在水平支撑台上。

4.根据权利要求3所述的一种前列腺穿刺手术机器人，其特征在于，第二直线运动机构和第一直线运动机构结构相同。

5.根据权利要求3所述的一种前列腺穿刺手术机器人，其特征在于，第一角度调节机构包括：第一旋转电机，通过第三联轴器连接第一转轴，第一转轴的轴线与第一角度调节机构的旋转轴线重合；第一转轴安装于第一旋转座中；第一旋转臂，其一端与第一转轴固定连接，另一端斜向上延伸，用于安装第二角度调节机构；第一安装板，固定在第二连接板上，第一旋转座固定在第一安装板上。

6.根据权利要求5所述的一种前列腺穿刺手术机器人，其特征在于，第一安装板具有一个向上延伸的倾斜面，第一旋转座固定在该倾斜面上。

7.根据权利要求5所述的一种前列腺穿刺手术机器人，其特征在于，第一角度调节机构包括支撑臂；第一旋转臂顶部连接支撑臂一端，支撑臂的另一端用于安装第二角度调节机构；第二角度调节机构包括第二旋转臂，第二旋转臂与支撑臂错开。

8.根据权利要求5所述的一种前列腺穿刺手术机器人，其特征在于，第一旋转臂连接第一转轴的一端垂直于第一转轴的轴线；第二角度调节机构包括第二旋转臂和第二转轴，第二旋转臂一端固定连接第二转轴，第二旋转臂连接第二转轴的一端垂直于第二转轴的轴线。

9.根据权利要求5所述的一种前列腺穿刺手术机器人，其特征在于，穿刺组件包括：第三直线导轨；第三滚珠丝杠，其直线运动螺母直接作为第三直线滑块安装在第三直线导轨上，沿第三直线导轨滑动；第三直线电机，通过第三联轴器与第三滚珠丝杠连接，以驱动第三滚珠丝杠的丝杆转动，从而带动第三直线滑块沿第三直线导轨往复运动；穿刺枪，包括穿刺针，穿刺枪通过两个U型架固定在第三直线滑块上，与穿刺针一起随第三直线滑块运动；第三安装板，第三直线导轨通过第三安装板安装在第二旋转臂背离第二转轴的一端。

10.根据权利要求9所述的一种前列腺穿刺手术机器人，其特征在于，穿刺组件包括支撑片，支撑片一端固定在第三直线导轨上，另一端开设有一个允许穿刺针穿过的小孔。