CN107280765A - 一种ct引导下肺穿刺机器人的穿刺针夹持释放装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CT引导下肺穿刺机器人的穿刺针夹持释放装置，该夹持释放装置包括远端电机、丝传动机构、执行机构和穿刺针；丝传动机构连接在远端电机和执行机构之间，远端电机通过自身的正反转使得丝传动机构将驱动力传递给执行机构，执行机构通过丝杠螺母副的配合实现对穿刺针的夹紧和设定范围内的释放。本发明中的执行机构在穿刺过程中能够根据病人的呼吸频率及进针深度实现“穿刺针的夹紧—自由释放针——重新夹紧针”的功能，进而提高穿刺手术的精度。

Description

一种CT引导下肺穿刺机器人的穿刺针夹持释放装置

技术领域

本发明涉及肺穿刺机器人中穿刺针的夹持装置，具体涉及一种CT引导下肺穿刺机器人的穿刺针夹持释放装置。属于放射治疗机器人技术领域。

背景技术

在肺穿刺手术过程中伴随病人肺部的呼吸运动，目标靶点位置实时改变，使肺部穿刺手术的难度相对其他非运动器官增大。这就要求肺穿刺手术机器人系统中的穿刺针机构能够实现“针夹紧—调整位姿—进针—针释放—重新夹紧针”等功能。在CT实时引导下进行肺穿刺,穿刺针进针速度范围为40-100mm/s，进针角度在以人体表面法线为起始±50°的椎体区域内。为了防止X射线的照射，医生需要在控制室内通过主从远端控制机器人完成穿刺手术，这就要求机械手末端具备自动“夹持——释放”针的功能；其次，在穿刺手术过程中对病灶部位进行CT实时扫描，机器人末端在CT扫描架内执行手术操作，运动范围大概是350×300×235mm³；金属在CT扫描中会产生较明显伪影，机器人末端针夹持机构需使用非金属材料。以上特殊环境制约了机器人在肺穿刺手术中的应用，技术难点主要集中在末端针夹持机构中。

当前肺穿刺机器人穿刺针夹持机构大致分为两种：一种直接将针夹持机构安装在机械臂末端，在手术过程中末端机构夹紧穿刺针，此结构一般只用于非运动器官的穿刺手术中；另一种将针夹持机构固定在病人身上的穿刺部位，具有体积小，节省空间的优点，此机构能够实现手术过程中的“夹紧——释放”功能。

在穿刺手术过程病人姿势随时发生变动并且肺部在做呼吸运动，上述第一种机构未能实现穿刺针在手术过程中的“释放-重新夹紧”功能，从而不能适应穿刺针进针过程中针位置的移动和摆动；第二种机构能够实现手术过程中的“夹紧——释放”功能，但是由于此种机构伴随病人的呼吸运动发生移动，使得他在手术导航系统中的定位问题不能满足手术精度的要求，从而降低了穿刺手术的精度，并且此种机构的驱动方式是微型电机，包含金属部件，在CT照射下产生明显的伪影，影响对手术过程的观查。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种CT引导下肺穿刺机器人的穿刺针夹持释放装置，装置中的执行机构在穿刺过程中能够根据病人的呼吸频率及进针深度实现“穿刺针的夹紧—自由释放针——重新夹紧针”的功能，进而提高穿刺手术的精度。

一种CT引导下肺穿刺机器人的穿刺针夹持释放装置，该夹持释放装置包括远端电机、丝传动机构、执行机构和穿刺针；

所述丝传动机构连接在远端电机和执行机构之间，远端电机通过自身的正反转使得丝传动机构将驱动力传递给执行机构，执行机构通过丝杠螺母副的配合实现对穿刺针的夹紧和设定范围内的释放。

进一步地，所述执行机构包括壳体、主动齿轮、从动齿轮、双头丝杠、左旋滑块螺母、右旋滑块螺母、左夹持爪和右夹持爪；所述丝传动机构包括丝辊、丝壳和传动丝；

所述壳体内部和远端电机的输出轴上分别安装一个丝辊，传动丝闭环绕制在两个丝辊之间，传动丝外露在远端电机和壳体之外的部分套装在丝壳内部，远端电机的正反转带动其上的丝辊转动，传动丝在丝壳内部产生正向和反向滑动，进而带动壳体内丝辊的正反转动，壳体内丝辊通过传动轴与主动齿轮固定连接，主动齿轮与从动齿轮啮合，从动齿轮与双头丝杠固定连接，双头丝杠通过轴承支撑在壳体内部，左旋滑块螺母和右旋滑块螺母分别套装在双头丝杠的两端，左夹持爪和右夹持爪对应固定连接在左旋滑块螺母和右旋滑块螺母上且互相嵌入配合，双头丝杠的正反转使得左旋滑块螺母和右旋滑块螺母具有转动的趋势，左夹持爪和右夹持爪限制左旋滑块螺母和右旋滑块螺母的旋转，左夹持爪和右夹持爪相对或反向移动，左夹持爪和右夹持爪相对移动到极限位置后合围形成对穿刺针的夹持，左夹持爪和右夹持爪反向移动到极限位置后合围的范围即穿刺针释放后可自由运动的范围。

进一步地，所述左夹持爪和右夹持爪的外形为直角结构，右夹持爪为实体结构，左夹持爪具有容纳右夹持爪嵌入的间隙，左夹持爪和右夹持爪之间为滑动配合。

进一步地，所述左夹持爪和右夹持爪的中心收针部位安装一对针体紧固件，进针紧固件卡装在夹持爪的中心异型槽里面，进针时的穿刺力由针体紧固件与穿刺针的静态摩擦力实现，针体紧固件的材料选用医用橡胶。

进一步地，为了避免产生伪影，所述双头丝杠、主动齿轮和从动齿轮用塑料材质，螺母用铝材。

有益效果：

1、本发明通过丝杠螺母机构实现对穿刺针的夹持和释放。在穿刺过程中，执行部件可以根据病人的呼吸频率及进针深度实现“穿刺针的夹紧—自由释放针——重新夹紧针”的功能，因此能够适应穿刺针进针过程中针位置的移动和摆动。

2、本发明中的零件所采用的材料为聚碳酸酯和铝，聚碳酸酯具有较高的刚度，铝在X射线下伪影很小，驱动部件采用电机远端驱动丝传动结构，因此能够满足CT扫描条件下使用非金属材料机构的要求。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明执行机构的正视图；

图3为本发明执行机构的后视图；

图4为本发明执行机构中左、右夹持爪的结构示意图；

图5为本发明执行机构中双头丝杠与滑块螺母的配合关系示意图；

图6为本发明执行机构中左、右夹持爪最大张开度示意图；

图7为本发明应用在肺穿刺机器人上的示意图。

其中，1-远端电机、2-丝传动机构、3-执行机构、4-穿刺针、5-丝壳、6-传动丝、7-丝辊、8-壳体、9-主动齿轮、10-从动齿轮、11-双头丝杠、12-左夹持爪、13-右夹持爪、14-左旋滑块螺母、15右旋滑块螺母、16-针体紧固件、17-进针机构、18-RCM机构。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明提供了一种CT引导下肺穿刺机器人的穿刺针夹持释放装置，该夹持释放装置包括远端电机1、丝传动机构2、执行机构3和穿刺针4；

丝传动机构2连接在远端电机1和执行机构3之间，远端电机1通过自身的正反转使得丝传动机构将驱动力传递给执行机构3，执行机构3通过丝杠螺母副的配合实现对穿刺针4的夹紧和设定范围内的释放。

如附图2和3所示，执行机构3包括壳体8、主动齿轮9、从动齿轮10、双头丝杠11、左旋滑块螺母14、右旋滑块螺母15、左夹持爪12和右夹持爪13；丝传动机构2包括丝辊7、丝壳5和传动丝6；

壳体8内部和远端电机1的输出轴上分别安装一个丝辊7，电机上的丝辊为主动丝辊，壳体8内的丝辊为从动丝辊；传动丝6闭环绕制在两个丝辊7之间，传动丝6外露在远端电机1和壳体8之外的部分套装在丝壳5内部，远端电机1的正反转带动其上的丝辊7转动，传动丝6在丝壳5内部产生正向和反向滑动，进而带动壳体8内丝辊7的正反转动，壳体8内的丝辊7通过传动轴与主动齿轮9固定连接，主动齿轮9与从动齿轮10啮合，从动齿轮10与双头丝杠11固定连接，双头丝杠11通过轴承支撑在壳体8内部，左旋滑块螺母14和右旋滑块螺母15分别套装在双头丝杠11的两端，左夹持爪和右夹持爪对应固定连接在左旋滑块螺母14和右旋滑块螺母15上，左夹持爪12和右夹持爪13的外形为直角结构，右夹持爪13为实体结构，左夹持爪12具有容纳右夹持爪13嵌入的间隙，两者之间为滑动配合。

双头丝杠11的正反转使得左旋滑块螺母14和右旋滑块螺母15具有转动的趋势，左夹持爪12和右夹持爪13限制左旋滑块螺母和右旋滑块螺母的旋转，左夹持爪12和右夹持爪13相对或反向移动，左夹持爪12和右夹持爪13相对移动到极限位置后合围形成对穿刺针4的夹持，左夹持爪12和右夹持爪13反向移动到极限位置后合围的范围即穿刺针4释放后可自由运动的范围。

如附图4所示，左夹持爪12和右夹持爪13的中心收针部位安装一对针体紧固件16，进针紧固件16卡装在夹持爪的中心异型槽里面，进针时的穿刺力由针体紧固件16与穿刺针4的静态摩擦力实现，针体紧固件16的材料选用医用橡胶。

如附图5和6所示，穿刺针4的左夹持爪12和右夹持爪13锥销固定在左滑块螺母14和右滑块螺母15上，两个滑块螺母与双头丝杠11是7度等级的梯型螺纹配合。当丝杠绕虚线箭头方向转动时两个滑块螺母以同样的速度向丝杠中间位置滑动，实现了夹持爪的释放功能；当双头丝杠11绕实线箭头方向转动时两个滑块螺母以同样的速度向双头丝杠11两端滑动，实现了夹持爪的夹紧功能。当夹持爪到达夹紧位置时，通过电机的自锁保持对穿刺针4的夹紧状态，当电机解除自锁并反转时，夹持爪松开穿刺针，由此执行机构及双向丝杠螺母副在电机的正反转及自锁功能下实现穿刺针4的“夹紧——释放”功能。夹持爪的最大张开度是36×36mm的正方形，两个滑块螺母的中间间隙为11.16mm，保证了滑块螺母始终与壳体8上的导轨面接触。

壳体8分为上下两个空间，上部空间用于固定安装从动丝辊，和丝传动从动端丝壳接口。双向丝杠螺母通过陶瓷轴承固定安装在壳体下部空间，为了减小整体机构的尺寸并且提高导轨和滑块螺母的加工和配合精度，在壳体8上设计了与滑动螺母相配合的直线导轨槽，在导轨的中间位置有螺母安装槽，槽的尺寸为21×13mm。远端电机1通过远端丝传动驱动一对齿轮将力和力矩平行传递到双头丝杠11上。

如附图7所示，本发明的执行机构与进针机构17的丝杠螺母副中的螺母固连，进针机构与RCM机构固定连接，RCM机构再通过转角卡盘与三坐标滑动平台连接，转角卡盘的角度根据不同病人的体态进行角度的调整，RCM机构用于调整穿刺针的进针角度，实现对病人的肺部穿刺治疗。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种CT引导下肺穿刺机器人的穿刺针夹持释放装置，其特征在于，该夹持释放装置包括远端电机、丝传动机构、执行机构和穿刺针；

所述丝传动机构连接在远端电机和执行机构之间，远端电机通过自身的正反转使得丝传动机构将驱动力传递给执行机构，执行机构通过丝杠螺母副的配合实现对穿刺针的夹紧和设定范围内的释放。

2.如权利要求1所述的穿刺针夹持释放装置，其特征在于，所述执行机构包括壳体、主动齿轮、从动齿轮、双头丝杠、左旋滑块螺母、右旋滑块螺母、左夹持爪和右夹持爪；所述丝传动机构包括丝辊、丝壳和传动丝；

所述壳体内部和远端电机的输出轴上分别安装一个丝辊，传动丝闭环绕制在两个丝辊之间，传动丝外露在远端电机和壳体之外的部分套装在丝壳内部，远端电机的正反转带动其上的丝辊转动，传动丝在丝壳内部产生正向和反向滑动，进而带动壳体内丝辊的正反转动，壳体内丝辊通过传动轴与主动齿轮固定连接，主动齿轮与从动齿轮啮合，从动齿轮与双头丝杠固定连接，双头丝杠通过轴承支撑在壳体内部，左旋滑块螺母和右旋滑块螺母分别套装在双头丝杠的两端，左夹持爪和右夹持爪对应固定连接在左旋滑块螺母和右旋滑块螺母上且互相嵌入配合，双头丝杠的正反转使得左旋滑块螺母和右旋滑块螺母具有转动的趋势，左夹持爪和右夹持爪限制左旋滑块螺母和右旋滑块螺母的旋转，左夹持爪和右夹持爪相对或反向移动，左夹持爪和右夹持爪相对移动到极限位置后合围形成对穿刺针的夹持，左夹持爪和右夹持爪反向移动到极限位置后合围的范围即穿刺针释放后可自由运动的范围。

3.如权利要求1或2所述的穿刺针夹持释放装置，其特征在于，所述左夹持爪和右夹持爪的外形为直角结构，右夹持爪为实体结构，左夹持爪具有容纳右夹持爪嵌入的间隙，左夹持爪和右夹持爪之间为滑动配合。

4.如权利要求3所述的穿刺针夹持释放装置，其特征在于，所述左夹持爪和右夹持爪的中心收针部位安装一对针体紧固件，进针紧固件卡装在夹持爪的中心异型槽里面，进针时的穿刺力由针体紧固件与穿刺针的静态摩擦力实现，针体紧固件的材料选用医用橡胶。

5.如权利要求4所述的穿刺针夹持释放装置，其特征在于，所述双头丝杠、主动齿轮和从动齿轮用塑料材质，螺母用铝材。