CN108392253A - 一种落地式肿瘤放射性粒子植入治疗自动穿刺装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种落地式肿瘤放射性粒子植入治疗自动穿刺装置，主要功能包括穿刺针导向模块的定位，以及穿刺模块的自动穿刺。该装置可实现更换不同的导向器以实现不同部位肿瘤穿刺，导向模块与穿刺模块共同配合将粒子植入部位，实现精准植入，达到精准放疗的目的。应用时可将该装置置于CT床边，导向模块将导向器精准定位至治疗部位，穿刺模块将穿刺针植入体内，最终实现放射性粒子的精准植入。该装置结构稳定，精确高效，可作为放疗粒子植入辅助设备的参考。导向模块与穿刺模块的定位采用旋转自由度，增大工作空间，同时在工作结束时，可将伸出部分折叠收回，极大减小了所占空间，同时方便移动。关键自由度具有限位传感器，保证运动的安全性。

Description

一种落地式肿瘤放射性粒子植入治疗自动穿刺装置

技术领域

本发明专利涉及医疗器械领域，属于机械与医学放疗领域交叉的前沿学科，涉及近距离放射性粒子治疗手术中所用设备及技术。具体为一种落地式肿瘤放射性粒子植入治疗自动穿刺装置。

背景技术

放射治疗是目前治疗肿瘤的主要方法之一，分为外放射治疗和近距离放射治疗。外放射，是通过X射线治疗机等将射线聚焦在人体外，对体表或体内肿瘤部位进行短时间照射，以起到杀死肿瘤细胞的作用。近距离放射，是将高剂量率的放射源粒子通过外部器械永久或暂时性的导入肿瘤癌变部位，从而对肿瘤细胞进行杀伤。长期以来，外照射是放射治疗的主要支柱。近年来，近距离放射治疗异军突起，在放射治疗领域成为引人注目的治疗方法，取得较为惊人的临床疗效。

目前外照射对解决器官运动尚没有确实可行的办法。而影像学技术引导下的放射性粒子治疗真正实现了肿瘤靶区剂量更高，周围正常组织损伤更小的放射治疗理念，而且治疗精度大大提高。相比于远距离照射治疗，粒子植入式的放射治疗具有许多优点：1.近距离放射治疗能将高剂量率射线聚集在肿瘤部位，从多方位对肿瘤进行照射，使得照射效果更好。2.肿瘤邻近正常组织受到的照射剂量较小，从而保护正常组织，减小照射的副作用。3.植入粒子数目可根据患者具体情况变动，具有更大的灵活性。因而在临床治疗中，粒子的精确植入非常关键，其关系到肿瘤靶区的剂量分布，从而直接关系到疗效效果，急需一种精确可靠的粒子植入治疗的穿刺装置。

发明内容

本发明旨在提出一种简单可行的落地式肿瘤放射性粒子植入治疗自动穿刺装置，主要功能包括穿刺针导向模块的定位，以及穿刺模块的自动穿刺。该装置可实现更换不同的导向器以实现不同部位肿瘤穿刺，导向模块与穿刺模块共同配合将粒子植入部位，实现精准植入，达到精准放疗的目的。应用时可将该装置置于CT床边，导向模块将导向器精准定位至治疗部位，穿刺模块将穿刺针植入体内，最终实现放射性粒子的精准植入。该装置结构稳定，精确高效，可作为放疗粒子植入辅助设备的参考。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种落地式肿瘤放射性粒子植入治疗自动穿刺装置，包括底板、平台、导向模块和穿刺模块，所述底板底部通过电动推杆连接有升降单元支撑板，通过万向轮安装杆连接有万向轮，底板顶部安装有电动缸，所述电动缸一侧安装有电动缸步进电机，电动缸的内部设有可自锁的丝杠结构，所述平台安装于电动缸上方，所述导向模块和穿刺模块分别安装于所述平台的两侧；

所述导向模块包括导向模块套筒、导向模块转台、导向模块大臂和导向模块小臂，所述导向模块转台设有交叉滚子轴承且设置于导向模块套筒上，所述导向模块转台通过第一步进电机驱动，第一步进电机与导向模块转台之间设有用于增加驱动转矩的行星减速器，所述导向模块转台与所述导向模块大臂的一端相连，导向模块大臂的另一端连接有导向模块小臂，所述导向模块大臂与导向模块小臂之间通过第一转动关节相连，第一转动关节的关节轴从导向模块大臂下方伸出并通过键连接与第一同步带轮组相连，第一同步带轮组通过同步带由装有抱闸系统的第二步进电机驱动；

所述导向模块小臂的前端设有第二转动关节，第二转动关节的关节轴从导向模块小臂的下方伸出并连接第二同步带轮组，第二同步带轮组通过同步带由装有抱闸系统的第三步进电机驱动；第二转动关节的关节轴穿过第二同步带轮组通过联轴器与第四步进电机相连，第四步进电机的电机轴通过联轴器连接有导向器安装板，所述导向器安装板通过导向模板夹持器安装有导向器；

所述穿刺模块包括穿刺模块套筒、穿刺模块转台、穿刺模块大臂和穿刺模块小臂，所述穿刺模块转台安装于穿刺模块套筒上，穿刺模块转台通过第五步进电机驱动，第五步进电机与穿刺模块转台之间设有用于增加驱动转矩的行星减速器，穿刺模块转台与穿刺模块大臂的一端相连，穿刺模块大臂的另一端连接有穿刺模块小臂，穿刺模块大臂与穿刺模块小臂之间通过第三转动关节相连，第三转动关节的关节轴从穿刺模块大臂下方伸出并通过键连接与第三同步带轮组相连，第三同步带轮组通过同步带由装有抱闸系统的第六步进电机驱动；

所述穿刺模块小臂的前端设有第四转动关节，第四转动关节的关节轴从穿刺模块小臂的下方伸出并连接第四同步带轮组，第四同步带轮组通过同步带由装有抱闸系统的第七步进电机驱动；第四转动关节的关节轴穿过第四同步带轮组通过联轴器与第八步进电机相连，第八步进电机的电机轴通过联轴器连接有穿刺导轨连接板，所述穿刺导轨连接板上安装有可自锁的丝杠穿刺导轨，所述丝杠穿刺导轨上设有滑块，所述滑块通过法兰连接有用于驱动所述丝杠穿刺导轨的第九步进电机，所述第九步进电机的电机轴上连接有穿刺针夹持器，提供穿刺的旋转自由度运动；所述丝杠穿刺导轨的尾部设有第十步进电机，用于驱动丝杠穿刺导轨实现滑块的前后运动，进而实现穿刺的进给运动。

进一步的，所述第一转动关节至第四转动关节均由上端盖、阶梯轴、下端盖和两个圆锥滚子轴承构成。

进一步的，所述第一同步带轮组至第四同步带轮组均由两个同步带轮构成，第一同步带轮组至第四同步带轮组与同步带之间均采用圆弧齿型传动。

进一步的，所述导向器安装板上设有便于拆卸的旋钮卡扣，以更换不同导向器，实现不同部位肿瘤的穿刺导向。

进一步的，所述穿刺装置工具有十一个自由度。

进一步的，所述穿刺模块套筒高于所述导向模块套筒。

进一步的，导向模块小臂和穿刺模块小臂之间安装有摄像头安装架，所述摄像头安装架上安装有两个呈30度俯视角的定位摄像头。

进一步的，所述导向模块转台、穿刺模块转台和电动缸上均设有用于限位的光电开关。

进一步的，所述底板上方还安装有电源安装板、控制器安装板和驱动器安装板。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明装置结构新颖、便捷，技术上易于实现，方便临床操作。采用高精度闭环步进电机配合抱闸系统以及自锁结构，闭环控制可以实现高精度到位，同时，方便结构锁定，增强了整体结构的安全性和稳定性。

2.该装置单侧构型，更贴近于患者体表。底部升降固定单元提高装置的灵活性，拓展了机构的工作范围，从而使治疗的效果最大化。

3.该装置明确分为导向模块与穿刺模块，先后运动，使得运动更有效、明确。将关键电机后置，降低整体的翻转力矩与杆件的弯矩，提高伸出部分的稳定性，同步带保证了运动精度。

4.导向模块与穿刺模块的定位采用旋转自由度，增大工作空间，同时在工作结束时，可将伸出部分折叠收回，极大减小了所占空间，同时方便移动。关键自由度具有限位传感器，保证运动的安全性。

5.为满足轻便化要求，该装置大多零件采用铝合金材料，关键部位，如关节轴，则采用合金钢，保证力学性能。采用一组摄像头进行定位配准，保证准确性。整体的结构，可以达到自动穿刺装置高效、精确、安全的要求。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构示意图。

图2是具体实施方式中转台和套筒的内部结构示意图。

图3是具体实施方式中转动关节的结构示意图。

附图标记：1-穿刺模块腕关节步进电机 2-穿刺导轨连接板 3-步进电机 4-穿刺模块转台套筒 5-穿刺模块肘关节步进电机 6-穿刺模块大臂 7-穿刺模块转台 8-联轴器9-步进电机安装壳 10-定位摄像头 11-导向模块腕关节 12-导向模块小臂 13-导向模块腕关节步进电机 14-导向模块肘关节步进电机 15-同步带及同步带轮组 16-导向模块肘关节上端盖 17-导向模块肘关节轴 18-导向模块肘关节下端盖 19-导向模块大臂 20-同步带及同步带轮组 21-导向模块转台 22-导向模块转台套筒 23-平台 24-电动缸步进电机25-电源安装板 26-控制器安装板 27-底板 28-万向轮安装杆 29-万向轮 30-升降单元支撑板 31-电动推杆 32-电动缸 33-驱动器安装板 34-摄像头安装架 35-步进电机 36-可拆卸旋钮 37-导向器安装板 38-导向模板夹持板 39-联轴器 40-模板导向器 41-穿刺导轨 42-穿刺针夹持器 43步进电机 44-联轴器 45-导轨法兰 46-联轴器 47-步进电机安装壳 48-步进电机 49-同步带及同步带轮组 50-穿刺模块肘关节 51-同步带及同步带轮组 52-穿刺模块小臂 53-穿刺模块腕关节 54-步进电机 55-行星减速器 56-螺钉 57-螺钉 58-圆锥滚子轴承 59-圆锥滚子轴承 60-螺钉 61-螺钉

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

在材料方面，考虑到结构的轻便性要求，大多数部件采用的是铝合金，其他相关功能性部件根据实际使用要求采用合金钢等制造。整体结构通过一个闭环步进电机驱动电动缸，实现整体升降运动，分别依靠四个闭环步进电机完成导向模块和穿刺模块的空间定位，通过两个步进电机完成穿刺，完全可以满足临床需求。为了实现装置设计的灵活性要求，装置底部采用了一组万向轮与一组电动推杆的设计，通过两者之间的配合，可以实现机构的CT床各个方位的安置，从而达到全方位的装置摆位，拓展更大的工作空间。

在进行微创治疗过程中，放射性粒子植入患者体内，首先需要在患者身上贴标记点，并将患者通过负压气垫固定于CT床上。然后对患者进行CT扫描，定义肿瘤靶区，确定病灶位置。医生对刺入肿瘤区域的插植针进行预规划，此时确定插植针的刺入角度、位置以及针道个数。随后根据预计划来确定模板在患者体表的摆位位置，扫描结束后，CT床退出CT腔，将本装置放置于CT床旁合适的位置，并用底部固定单元进行固定。通过装置的定位摄像头对装置、人体进行位置标定，确定装置和患者在坐标系的位置。控制系统对相对位置坐标进行计算，传输数据，使步进电机转动相应角度。最终，先使得装置的导向模块到达治疗区域，并用抱闸固定，后使得穿刺模块到达穿刺指定位置，并用抱闸固定，进行穿刺。通过中部空心的插植针向肿瘤组织植入放射性粒子实施治疗。以下为具体的实施方案。

如图1所示，一种落地式肿瘤放射性粒子植入治疗自动穿刺装置，包括底板27、平台23、导向模块和穿刺模块，底板27下方安装四个万向轮安装杆28，连接四个万向轮29，完成装置的自由移动。四个万向轮安装杆旁安装有四个电动推杆31，每个推杆上安装有一个升降单元支撑板30。根据电动推杆同时升降，改变自由移动状态和固定状态，以便装置放置于CT床的不同位置。底板27上方安装有电源安装板25、控制器安装板26和驱动器安装板33，将控制系统与装置集于一体，方便整体移动。底板中间安装有一电动缸32，电动缸32由电动缸步进电机24驱动。电动缸完成主体部分的升降自由度运动。电动缸上方安装有一平台23，中间安装有一定位摄像头安装架34，摄像头安装架34上方安装两个定位摄像头10，俯视向下，用以完成视觉定位和配准工作。本自动穿刺装置的底部具有升降固定单元，能通过四个电动推杆的同时升降，切换万向轮落地与悬空，即切换自由移动与固定状态，能够保证该装置可以在CT床的左右两侧各个地方进行固定，加大了装置的灵活度与工作空间。电动推杆同步运动，保证了运动过程中装置与地面的平行度，同时，电动推杆具有自锁功能，在固定状态保证了装置的稳定性。在工作的过程中，本机构不随CT床进出CT腔道，大大降低了装置对CT成像的影响。本实施例中电动缸32内部为一种可以自锁的丝杠结构。用带编码器的步进电机驱动电动缸，用以实现装置的实施模块，即导向模块与穿刺模块在上下自由度的调整，当调整至工作位置时，电动缸可以依靠丝杠的自锁螺纹实现自锁，固定位置。

本实施例中的导向模块可见图1，平台23右侧安装有一个导向模块转台套筒22，导向模块转台套筒22上安装有一导向模块转台21，导向模块转台21连接有一导向模块大臂19，导向模块转台21完成导向模块大臂19的一个旋转自由度。导向模块大臂19另一端连接有一导向模块小臂12，两者通过肘关节连接并旋转。关节轴从大臂下方伸出，轴与同步带及同步带轮组20连接，同步带及同步带轮组20另一端与置于关节后方的导向模块肘关节步进电机14相连，以降低悬臂的弯矩和翻转力矩，提高装置稳定性。导向模块肘关节步进电机14采用带抱闸的闭环步进电机，行星减速器提高转矩，与导向模块肘关节步进电机14相连。上述导向模块转台21与肘关节，实现导向器前后、左右两个自由度的调节。导向模块小臂12前端有一导向模块腕关节11，关节轴从导向模块小臂12下方伸出，连接同步带及同步带轮组15，同步带及同步带轮组15另一侧连接一导向模块腕关节步进电机13，连接行星减速器提高转矩。轴穿过同步带轮，由一联轴器8与步进电机安装壳9相连，步进电机安装壳9中安装有一步进电机35，电机轴通过联轴器39与导向器安装板37相连。上述两个导向模块腕关节步进电机13和步进电机35，实现末端导向器的两个旋转自由度。导向器安装板37与导向模板夹持板38之间，有两个可拆卸旋钮36，方便更换模板导向器40或单针导向器等不同导向器。

本实施例中的穿刺模块亦可见图1，平台23左侧安装有一穿刺模块转台套筒4，穿刺模块转台套筒4上安装有一穿刺模块转台7，穿刺模块转台7连接有一穿刺模块大臂6，穿刺模块转台7完成穿刺模块大臂6的一个旋转自由度。穿刺模块大臂6另一端连接有一穿刺模块小臂52，两者通过穿刺模块肘关节50连接并旋转。关节轴从穿刺模块大臂6下方伸出，轴与同步带及同步带轮组49连接，另一端与置于关节后方的穿刺模块肘关节步进电机5相连，穿刺模块肘关节步进电机5采用带抱闸的闭环步进电机，行星减速器提高转矩，与穿刺模块肘关节步进电机5相连。上述穿刺模块转台7与肘关节，实现穿刺部分前后、左右两个自由度的调节。穿刺模块小臂52前端有一穿刺模块腕关节53，关节轴从穿刺模块小臂52下方伸出，连接同步带及同步带轮组51，同步带轮组另一侧连接一穿刺模块腕关节步进电机1，连接行星减速器提高转矩。轴穿过同步带轮，由一联轴器46与步进电机安装壳47相连，步进电机安装壳47中安装有一步进电机48，电机轴通过联轴器44与穿刺导轨连接板2相连。上述穿刺模块腕关节步进电机1与步进电机48，实现穿刺部分的两个旋转自由度。穿刺导轨连接板2上安装有一穿刺导轨41，穿刺导轨41尾部连接一步进电机3，完成穿刺进给自由度。穿刺导轨41的滑块上安装一导轨法兰45，导轨法兰45连接一步进电机43，步进电机43的电机轴上有一穿刺针夹持器42，夹持穿刺针，完成穿刺旋转自由度。

综上，本发明穿刺装置一共具有十一个自由度，可以完全满足自动穿刺的要求。涉及的步进电机所用编码器均为绝对编码器，转台及电动缸均带有光电开关进行限位，保证装置运动时的精度，同时配合控制系统，达到安全防护的作用。当各项位姿调整使得装置各部分指定位置时，电机停转、抱闸，位姿固定，可在医生操作下进行下一步的穿刺工作。

本发明中涉及的转台及套筒内部结构，如图2所示。以导向模块中为例，导向模块转台套筒22安装在平台23上，步进电机54连接在行星减速器55上，行星减速器与导向模块转台21相连。最终，转台通过螺钉56安装在导向模块转台套筒上，导向模块大臂19通过螺钉57与转台相连。穿刺模块的转台套筒部分结构，与导向模块相同。

本发明中涉及的转动关节内部结构，如图3所示。两个肘关节，两个腕关节内部结构相似，以导向模块肘关节为例。导向模块肘关节轴17为阶梯轴，中间直径最大的阶梯两侧对称放置圆锥滚子轴承58和圆锥滚子轴承59，圆锥滚子轴承59上方通过螺钉60，与导向模块肘关节下端盖18相接触，完成轴承定位。圆锥滚子轴承58下方与导向模块大臂19的定位凸台接触，完成定位。导向模块肘关节上端盖16与导向模块小臂12通过螺钉61相连，上端盖最终又与关节轴固连，轴转动即小臂转动。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种落地式肿瘤放射性粒子植入治疗自动穿刺装置，其特征在于，包括底板、平台、导向模块和穿刺模块，所述底板底部通过电动推杆连接有升降单元支撑板，通过万向轮安装杆连接有万向轮，底板顶部安装有电动缸，所述电动缸一侧安装有电动缸步进电机，电动缸的内部设有可自锁的丝杠结构，所述平台安装于电动缸上方，所述导向模块和穿刺模块分别安装于所述平台的两侧；

所述导向模块包括导向模块套筒、导向模块转台、导向模块大臂和导向模块小臂，所述导向模块转台设有交叉滚子轴承且设置于导向模块套筒上，所述导向模块转台通过第一步进电机驱动，第一步进电机与导向模块转台之间设有用于增加驱动转矩的行星减速器，所述导向模块转台与所述导向模块大臂的一端相连，导向模块大臂的另一端连接有导向模块小臂，所述导向模块大臂与导向模块小臂之间通过第一转动关节相连，第一转动关节的关节轴从导向模块大臂下方伸出并通过键连接与第一同步带轮组相连，第一同步带轮组通过同步带由装有抱闸系统的第二步进电机驱动；

所述导向模块小臂的前端设有第二转动关节，第二转动关节的关节轴从导向模块小臂的下方伸出并连接第二同步带轮组，第二同步带轮组通过同步带由装有抱闸系统的第三步进电机驱动；第二转动关节的关节轴穿过第二同步带轮组通过联轴器与第四步进电机相连，第四步进电机的电机轴通过联轴器连接有导向器安装板，所述导向器安装板通过导向模板夹持器安装有导向器；

所述穿刺模块包括穿刺模块套筒、穿刺模块转台、穿刺模块大臂和穿刺模块小臂，所述穿刺模块转台安装于穿刺模块套筒上，穿刺模块转台通过第五步进电机驱动，第五步进电机与穿刺模块转台之间设有用于增加驱动转矩的行星减速器，穿刺模块转台与穿刺模块大臂的一端相连，穿刺模块大臂的另一端连接有穿刺模块小臂，穿刺模块大臂与穿刺模块小臂之间通过第三转动关节相连，第三转动关节的关节轴从穿刺模块大臂下方伸出并通过键连接与第三同步带轮组相连，第三同步带轮组通过同步带由装有抱闸系统的第六步进电机驱动；

所述穿刺模块小臂的前端设有第四转动关节，第四转动关节的关节轴从穿刺模块小臂的下方伸出并连接第四同步带轮组，第四同步带轮组通过同步带由装有抱闸系统的第七步进电机驱动；第四转动关节的关节轴穿过第四同步带轮组通过联轴器与第八步进电机相连，第八步进电机的电机轴通过联轴器连接有穿刺导轨连接板，所述穿刺导轨连接板上安装有可自锁的丝杠穿刺导轨，所述丝杠穿刺导轨上设有滑块，所述滑块通过法兰连接有用于驱动所述丝杠穿刺导轨的第九步进电机，所述第九步进电机的电机轴上连接有穿刺针夹持器，提供穿刺的旋转自由度运动；所述丝杠穿刺导轨的尾部设有第十步进电机，用于驱动丝杠穿刺导轨实现滑块的前后运动，进而实现穿刺的进给运动。

2.根据权利要求1所述一种落地式肿瘤放射性粒子植入治疗自动穿刺装置，其特征在于，所述第一转动关节至第四转动关节均由上端盖、阶梯轴、下端盖和两个圆锥滚子轴承构成。

3.根据权利要求1所述一种落地式肿瘤放射性粒子植入治疗自动穿刺装置，其特征在于，所述第一同步带轮组至第四同步带轮组均由两个同步带轮构成，第一同步带轮组至第四同步带轮组与同步带之间均采用圆弧齿型传动。

4.根据权利要求1所述一种落地式肿瘤放射性粒子植入治疗自动穿刺装置，其特征在于，所述导向器安装板上设有便于拆卸的旋钮卡扣，以更换不同导向器，实现不同部位肿瘤的穿刺导向。

5.根据权利要求1所述一种落地式肿瘤放射性粒子植入治疗自动穿刺装置，其特征在于，所述穿刺装置工具有十一个自由度。

6.根据权利要求1所述一种落地式肿瘤放射性粒子植入治疗自动穿刺装置，其特征在于，所述穿刺模块套筒高于所述导向模块套筒。

7.根据权利要求1所述一种落地式肿瘤放射性粒子植入治疗自动穿刺装置，其特征在于，导向模块小臂和穿刺模块小臂之间安装有摄像头安装架，所述摄像头安装架上安装有两个呈30度俯视角的定位摄像头。

8.根据权利要求1所述一种落地式肿瘤放射性粒子植入治疗自动穿刺装置，其特征在于，所述导向模块转台、穿刺模块转台和电动缸上均设有用于限位的光电开关。

9.根据权利要求1所述一种落地式肿瘤放射性粒子植入治疗自动穿刺装置，其特征在于，所述底板上方还安装有电源安装板、控制器安装板和驱动器安装板。