CN107260269B - 一种超声引导下前列腺穿刺活检机器人 - Google Patents

一种超声引导下前列腺穿刺活检机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声引导下前列腺穿刺活检机器人，它涉及医疗机器人技术领域，底座卡装在床体上，患者屈膝侧身躺在床体上并且背对超声扫描探头和穿刺机构，通过调节旋转关节和旋转关节使横臂和连接板摆动到合适的水平位置，再通过步进电机驱动上横板和下横板摆动到合适高度，步进电机和步进电机联动驱动弧形滑块和弧形滑块分别在弧形齿条和弧形齿条上滑动使得超声扫描探头快速准确定位至患者直肠口，旋转关节转动进而使超声扫描探头进入直肠到达前列腺附近进行扫描，穿刺机构完成穿刺活检任务。本发明体积小、能够辅助医生自动快速、准确的进行前列腺扫描和穿刺活检操作。

Description

一种超声引导下前列腺穿刺活检机器人
技术领域
本发明属于医疗机器人技术领域，特别是涉及一种超声引导下前列腺穿刺活检机器人。
背景技术
前列腺癌是一种常见的泌尿外科恶性肿瘤，其在美国的发病人数每年将近24万人。目前前列腺癌在我国的发病率也在逐年上升，有研究表明前列腺癌的增长速度已达到男性恶性肿瘤的第一位。因此医院临床工作中广泛开展筛查前列腺癌的工作显得尤为重要。然而，常规的生化指标前列腺特异性抗原并不足以表明肿瘤的存在，国内外学术界公认的目前比较好的筛查方式为超声引导下前列腺穿刺活检。现在，在临床操作中绝大多数是医生手持活检枪在超声扫描图像的引导下穿过直肠对前列腺病灶区域进行取样。人体本身手持活检枪穿刺定位不够快速、准确，同时每个患者需要多次分别从前列腺不同部位取样，对医生经验和技能要求较高，长时间的操作手臂会因疲劳产生抖动从而影响穿刺精度。此外，人体两腿之间区域较小也给穿刺操作带来一定难度。所以，一种能够代替医生，体积较小、能够自动快速、准确定位 、扫描和穿刺活检的机器人尤为重要。
CN104720853A公开了一种方法，该方法采用六自由度的定位平台，由三个定位轴和三个支点轴来实现针的运动，这种方法在一定程度上能够完成穿刺活检任务，但是六轴协调控制难度大，占用空间体积较大。
CN103919577A公开了一种方法，该方法采用悬臂式机构，由大臂、小臂和活检针平台组成，该发明能够实现水平进针，活检时首先要获取目标靶点在机器人坐标系中的坐标值，然后按照既定坐标值进行穿刺。该方法只能穿刺活检不具备图像扫描功能。
CN204909512U公开了一种方法，该方法只涉及活检驱动机构，该方法采用直角坐标式的驱动机构，体积较大，且灵活性较差，不便于在人体两腿间的狭小区域操作。
基于现有技术存在的缺陷，本发明所需要解决的技术问题为提供一种体积较小、能够自动扫描和穿刺活检的机器人。
发明内容
针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种超声引导下前列腺穿刺活检机器人。
本发明的一种超声引导下前列腺穿刺活检机器人，它由床体、位姿调整及活检模块、俯仰模块和立柱摆臂模块组成，位姿调整及活检模块包含超声扫描探头、松紧旋钮、探头转动架、压紧块、固定连接环、V形块、连接螺钉、弧形齿条、弧形滑块/>、齿轮/>、齿轮/>、步进电机/>、电机支架/>、弧形滑块/>、旋转关节/>、步进电机/>、电机支架/>、步进电机/>、弧形齿条/>、穿刺机构；俯仰模块包含连接板、连接架/>、左竖板、上横板、连接轴、气撑杆、电机支架、下横板、连接架/>、右竖板、步进电机/>；立柱摆臂模块包含旋转关节/>、横臂、步进电机、旋转关节/>、套板、步进电机/>、立柱、底座、调整孔、调整板，床体上卡接底座，底座侧面钻有调整孔，调整孔与调整板连接，以适应不同厚度的床体，超声扫描探头由一对V形块夹持，松紧旋钮穿过探头转动架与V形块螺旋连接，探头转动架套接在固定连接环上由压紧块压紧，固定连接环通过连接螺钉固定在弧形滑块/>上，弧形滑块/>滑接在弧形齿条/>外侧，弧形滑块/>上安装穿刺机构，电机支架/>上安装步进电机/>，电机支架/>固定在弧形滑块/>上，齿轮/>安装在步进电机/>轴上与弧形齿条/>啮合，弧形齿条/>上端固定在弧形滑块/>上，弧形滑块/>滑接在弧形齿条/>外侧，电机支架/>上安装步进电机/>，电机支架/>固定在弧形滑块/>上，齿轮/>安装在步进电机/>轴上与弧形齿条/>啮合，弧形齿条/>焊接在旋转关节/>上，旋转关节/>底部与连接板相连接，步进电机/>安装在连接板下方来驱动旋转关节/>，连接板与左竖板通过连接架/>连接，进而使位姿调整及活检模块和俯仰模块连接在一起，左竖板上方与上横板通过连接轴连接，左竖板下方与下横板通过连接轴连接，气撑杆细端与左竖板上方的连接轴连接，气撑杆粗端与右竖板下方的连接轴连接，电机支架/>固定在右竖板上，步进电机/>安装在电机支架/>上带动上横板上下摆动，右竖板与旋转关节/>通过连接架/>连接，进而使俯仰模块和立柱摆臂模块连接在一起，旋转关节/>下方安装横臂，横臂下方安装步进电机/>来驱动旋转关节/>，横臂右端焊接旋转关节/>，旋转关节/>下方与套板连接，套板下方安装步进电机/>以带动横臂左右摆动，套板套接在立柱上，立柱插装在底座上为机器人提供支撑。
作为优选，所述的底座侧面钻有调整孔，调整孔与调整板连接，以适应不同厚度的床体。
作为优选，所述的超声扫描探头由一对V形块夹持，松紧旋钮穿过探头转动架与V形块螺旋连接，探头转动架套接在固定连接环上由压紧块压紧，超声扫描探头在探头转动架的带动下能实现正、反360度旋转。
作为优选，所述的气撑杆细端和粗端分别与左竖板上方的连接轴和右竖板下方的连接轴相连，即气撑杆处在左竖板、右竖板、上横板和下横板构成平行四边形机构的对角线上，在步进电机带动上横板和下横板上、下摆动完成连接板高度的调节后保持该机构姿态的稳定。
作为优选，所述的弧形滑块沿弧形齿条/>滑动，进而带动弧形齿条/>沿弧形齿条运动，实现固定连接环和穿刺机构在水平面的运动；齿轮/>与弧形齿条/>啮合，齿轮/>转动带动弧形滑块/>沿弧形齿条/>滑动，完成固定连接环和穿刺机构在竖直面的运动。
作为优选，所述的穿刺机构由活检针、针座、小齿轮、直齿条、U形槽、立板、电动机组成，电动机正、反转使得直齿条往复运动进而实现活检针进入和退出人体的运动。
本发明的有益效果为：
（1）通过调整板与不同位置的调整孔连接，以使机器人的安装适应不同厚度的床体。
（2）采用多个旋转关节，使得超声引导下前列腺穿刺活检机器人在水平面内具有更高的灵活性，具有更广的工作空间以适应不同体型的患者。
（3）穿刺机构安装在弧形滑块上，可随超声扫描探头一同运动，同时也使超声引导下前列腺穿刺活检机器人结构更加紧凑，体积更加小巧。
（4）弧形滑块和弧形滑块/>能单独运动也能联动，可使超声扫描探头末端和活检针实现快速、准确定位。
（5）穿刺机构采用齿轮齿条传动方式，保证活检针穿刺深度和位置的精确性。
（6）在超声扫描探头实时扫描图像的引导下，穿刺机构可以代替医生准确完成活检任务，大大减少穿刺活检时间。
附图说明：
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为本发明总体结构示意图；
图2为本发明立柱摆臂模块结构示意图；
图3为本发明俯仰模块结构示意图；
图4为本发明位姿调整及活检模块结构示意图；
图5为本发明中穿刺机构示意图；
图中：1、床体，2、超声扫描探头，3、松紧旋钮，4、探头转动架，5、压紧块，6、固定连接环，7、V形块，8、连接螺钉，9、弧形齿条，10、弧形滑块/>，11、齿轮/>，12、齿轮/>，13、步进电机/>，14、电机支架/>，15、弧形滑块/>，16、旋转关节/>，17、步进电机/>，18、连接板，19、连接架/>，20、左竖板，21、上横板，22、连接轴，23、气撑杆，24、电机支架/>，25、下横板，26、连接架/>，27、旋转关节/>，28、横臂，29、步进电机/>，30、旋转关节/>，31、套板，32、步进电机/>，33、立柱，34、底座，35、电机支架/>，36、步进电机/>，37、弧形齿条/>，38、右竖板，39、调整孔，40、调整板，41、步进电机/>，42、穿刺机构，活检针42-1、针座42-2、小齿轮42-3、直齿条42-4、U形槽42-5、立板42-6、电动机42-7。
具体实施方式：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，本具体实施方式采用以下技术方案：它由床体1、位姿调整及活检模块、俯仰模块和立柱摆臂模块组成，位姿调整及活检模块包含超声扫描探头2、松紧旋钮3、探头转动架4、压紧块5、固定连接环6、V形块7、连接螺钉8、弧形齿条9、弧形滑块/>10、齿轮/>11、齿轮/>12、步进电机/>13、电机支架/>14、弧形滑块/>15、旋转关节/>16、步进电机/>17、电机支架/>35、步进电机/>36、弧形齿条/>37、穿刺机构42，俯仰模块包含连接板18、连接架/>19、左竖板20、上横板21、连接轴22、气撑杆23、电机支架/>24、下横板25、连接架/>26、、右竖板38、步进电机/>41，立柱摆臂模块包含旋转关节/>27、横臂28、步进电机29、旋转关节/>30、套板31、步进电机/>32、立柱33、底座34、调整孔39、调整板40，床体1上卡接底座34，底座34侧面钻有调整孔39，调整孔39与调整板40连接，以适应不同厚度的床体1，超声扫描探头2由一对V形块7夹持，松紧旋钮3穿过探头转动架4与V形块7螺旋连接，探头转动架4套接在固定连接环6上由压紧块5压紧，固定连接环6通过连接螺钉8固定在弧形滑块/>10上，弧形滑块/>10滑接在弧形齿条/>37外侧，弧形滑块/>10上安装穿刺机构42，电机支架/>35上安装步进电机/>36，电机支架/>35固定在弧形滑块/>10上，齿轮/>11安装在步进电机/>36轴上与弧形齿条/>37啮合，弧形齿条/>37上端固定在弧形滑块/>15上，弧形滑块/>15滑接在弧形齿条/>9外侧，电机支架/>14上安装步进电机/>13，电机支架/>14固定在弧形滑块/>15上，齿轮/>12安装在步进电机/>13轴上与弧形齿条/>9啮合，弧形齿条/>9焊接在旋转关节/>16上，旋转关节/>16底部与连接板18相连接，步进电机/>17安装在连接板18下方来驱动旋转关节/>16，连接板18与左竖板20通过连接架/>19连接，进而使位姿调整及活检模块和俯仰模块连接在一起，左竖板20上方与上横板21通过连接轴22连接，左竖板23下方与下横板25通过连接轴22连接，气撑杆23细端与左竖板20上方的连接轴22连接，气撑杆23粗端与右竖板38下方的连接轴22连接，电机支架/>24固定在右竖板38上，步进电机/>41安装在电机支架24上带动上横板21上下摆动，右竖板38与旋转关节/>27通过连接架/>26连接，进而使俯仰模块和立柱摆臂模块连接在一起，旋转关节/>27下方安装横臂28，横臂28下方安装步进电机/>29来驱动旋转关节/>30，横臂28右端焊接旋转关节/>30，旋转关节/>30下方与套板31连接，套板31下方安装步进电机/>32以带动横臂28左右摆动，套板31套接在立柱33上，立柱33插装在底座34上为机器人提供支撑。
进一步的，所述的底座34侧面钻有调整孔39，调整孔39与调整板40连接，以适应不同厚度的床体1。
进一步的，所述的超声扫描探头2由一对V形块7夹持，松紧旋钮3穿过探头转动架4与V形块7螺旋连接，探头转动架4套接在固定连接环6上由压紧块5压紧, 超声扫描探头2在探头转动架4的带动下能实现正、反360度旋转。
进一步的，所述的气撑杆23细端和粗端分别与左竖板20上方的连接轴22和右竖板38下方的连接轴22相连，即气撑杆23处在左竖板20、右竖板38、上横板21和下横板25构成平行四边形机构的对角线上，在步进电机41带动上横板21和下横板25上、下摆动完成连接板18高度的调节后保持俯仰模块姿态的稳定。
进一步的，所述的弧形滑块15沿弧形齿条/>9滑动，进而带动弧形齿条/>37沿弧形齿条/>9运动，实现固定连接环6和穿刺机构42在水平面的运动；齿轮/>11与弧形齿条/>37啮合，齿轮/>11转动带动弧形滑块/>10沿弧形齿条/>37滑动，完成固定连接环6和穿刺机构42在竖直面的运动。
进一步的，所述的穿刺机构42由活检针42-1、针座42-2、小齿轮42-3、直齿条42-4、U形槽42-5、立板42-6、电动机42-7组成，电动机42-7正、反转使得直齿条42-4往复运动进而实现活检针42-1进入和退出人体的运动。
本具体实施方式的工作原理为：调节调整孔39与调整板40的位置使底座34卡装在床体1上，立柱33插装在底座34中，患者侧身屈膝躺在床体1上背对超声扫描探头2和穿刺机构42，通过步进电机32和步进电机/>29的旋转分别调节旋转关节/>30和旋转关节/>27使横臂28和连接板12摆动到合适的水平位置，再通过步进电机/>41驱动上横板21和下横板25摆动使位姿调整及活检模块到达合适高度，气撑杆23用于使位姿调整及活检模块保持姿态稳定，步进电机/>13和步进电机/>36联动驱动弧形滑块/>15和弧形滑块/>10分别在弧形齿条/>9和弧形齿条/>37上滑动使得固定连接环6的位置改变，进而使V形块夹持的超声扫描探头2快速准确定位至患者直肠口，步进电机/>17驱动旋转关节/>16转动进而使超声扫描探头2进入直肠到达前列腺附近，转动探头转动架4使超声扫描探头2在前列腺附近进行扫描，结合超声扫描探头2得到的图像，由电动机42-7正向转动来驱动小齿轮42-3正向转动，进而驱动直齿条42-4前进，直齿条42-4末端的活检针42-1刺入前列腺实现穿刺活检取样，然后电动机42-7反向转动来驱动小齿轮42-3反向转动，进而驱动直齿条42-4后退，直齿条42-4末端的活检针42-1离开前列腺完成穿刺活检工作。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种超声引导下前列腺穿刺活检机器人，包括床体(1)、位姿调整及活检模块、俯仰模块和立柱摆臂模块，其特征在于：所述的位姿调整及活检模块包含超声扫描探头(2)、松紧旋钮(3)、探头转动架(4)、压紧块(5)、固定连接环(6)、V形块(7)、连接螺钉(8)、弧形齿条Ⅰ(9)、弧形滑块Ⅰ(10)、齿轮Ⅰ(11)、齿轮Ⅱ(12)、步进电机Ⅰ(13)、电机支架Ⅰ(14)、弧形滑块Ⅱ(15)、旋转关节Ⅰ(16)、步进电机Ⅱ(17)、电机支架Ⅱ(35)、步进电机Ⅴ(36)、弧形齿条Ⅱ(37)、穿刺机构(42)，所述的俯仰模块包含连接板(18)、连接架Ⅰ(19)、左竖板(20)、上横板(21)、连接轴(22)、气撑杆(23)、电机支架Ⅱ(24)、下横板(25)、连接架Ⅱ(26)、右竖板(38)、步进电机Ⅵ(41)；所述的立柱摆臂模块包含旋转关节Ⅱ(27)、横臂(28)、步进电机Ⅲ(29)、旋转关节Ⅲ(30)、套板(31)、步进电机Ⅳ(32)、立柱(33)、底座(34)、调整孔(39)、调整板(40)，所述的床体(1)上卡接底座(34)，底座(34)侧面钻有调整孔(39)，调整孔(39)与调整板(40)连接，以适应不同厚度的床体(1)，超声扫描探头(2)由一对V形块(7)夹持，松紧旋钮(3)穿过探头转动架(4)与V形块(7)螺旋连接，探头转动架(4)套接在固定连接环(6)上由压紧块(5)压紧，固定连接环(6)通过连接螺钉(8)固定在弧形滑块Ⅰ(10)上，弧形滑块Ⅰ(10)滑接在弧形齿条Ⅱ(37)外侧，弧形滑块Ⅰ(10)上安装穿刺机构(42)，电机支架Ⅱ(35)上安装步进电机Ⅴ(36)，电机支架Ⅱ(35)固定在弧形滑块Ⅰ(10)上，齿轮Ⅰ(11)安装在步进电机Ⅴ(36)轴上与弧形齿条Ⅱ(37)啮合，弧形齿条Ⅱ(37)上端固定在弧形滑块Ⅱ(15)上，弧形滑块Ⅱ(15)滑接在弧形齿条Ⅰ(9)外侧，电机支架Ⅰ(14)上安装步进电机Ⅰ(13)，电机支架Ⅰ(14)固定在弧形滑块Ⅱ(15)上，齿轮Ⅱ(12)安装在步进电机Ⅰ(13)轴上与弧形齿条Ⅰ(9)啮合，弧形齿条Ⅰ(9)焊接在旋转关节Ⅰ(16)上，旋转关节Ⅰ(16)底部与连接板(18)相连接，步进电机Ⅱ(17)安装在连接板(18)下方来驱动旋转关节Ⅰ(16)，连接板(18)与左竖板(20)通过连接架Ⅰ(19)连接，进而使位姿调整及活检模块和俯仰模块连接在一起，左竖板(20)上方与上横板(21)通过连接轴(22)连接，左竖板(20)下方与下横板(25)通过连接轴(22)连接，气撑杆(23)细端与左竖板(20)上方的连接轴(22)连接，气撑杆(23)粗端与右竖板(38)下方的连接轴(22)连接，电机支架Ⅱ(24)固定在右竖板(38)上，步进电机Ⅵ(41)安装在电机支架Ⅱ(24)上带动上横板(21)上下摆动，右竖板(38)与旋转关节Ⅱ(27)通过连接架Ⅱ(26)连接，进而使俯仰模块和立柱摆臂模块连接在一起，旋转关节Ⅱ(27)下方安装横臂(28)，横臂(28)下方安装步进电机Ⅲ(29)来驱动旋转关节(27)，横臂(28)右端焊接旋转关节Ⅲ(30)，旋转关节Ⅲ(30)下方与套板(31)连接，套板(31)下方安装步进电机Ⅳ(32)以带动横臂(28)左右摆动，套板(31)套接在立柱(33)上，立柱(33)插装在底座(34)上为机器人提供支撑；所述的弧形齿条Ⅰ(9)与齿轮Ⅱ(12)啮合，齿轮Ⅱ(12)转动带动弧形滑块Ⅱ(15)沿弧形齿条Ⅰ(9)滑动，进而带动弧形齿条Ⅱ(37)沿弧形齿条Ⅰ(9)运动，齿轮Ⅰ(11)与弧形齿条Ⅱ(37)啮合，齿轮Ⅰ(11)转动带动弧形滑块Ⅰ(10)沿弧形齿条Ⅱ(37)滑动，进而带动固定连接环(6)和穿刺机构(42)运动，所述的穿刺机构(42)包含活检针(42-1)、针座(42-2)、小齿轮(42-3)、直齿条(42-4)、U形槽(42-5)、立板(42-6)、电动机(42-7)，U形槽(42-5)焊接在弧形滑块Ⅰ(10)的横梁上，直齿条(42-4)嵌在U形槽(42-5)，活检针(42-1)安装在针座(42-2)中，针座(42-2)固定于直齿条(42-4)一端，电动机(42-7)安装在立板(42-6)上，立板(42-6)与U形槽(42-5)连接，小齿轮(42-3)安装在电动机(42-7)轴上，与直齿条(42-4)啮合，所述的超声扫描探头(2)由一对V形块(7)夹持，松紧旋钮(3)穿过探头转动架(4)与V形块(7)螺旋连接，探头转动架(4)可进行正、反360度的旋转，从而带动V形块(7)夹持超声扫描探头(2)完成正、反360度的旋转扫描，所述的左竖板(20)与右竖板(38)、上横板(21)和下横板(25)构成平行四边行，气撑杆(23)细端与左竖板(20)上方的连接轴(22)连接，气撑杆(23)粗端与右竖板(38)下方的连接轴(22)连接，步进电机Ⅵ(41)正、反转可带动上横板(21)和下横板(25)的上、下摆动，以实现对连接板(18)高度的调节，进而实现对位姿调整及活检模块高度的调节。
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