CN110236647A - 一种用于磁共振成像仪内部的前列腺针刺机构及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于磁共振成像仪内部的前列腺针刺机构及工作方法，该机构包括外针旋转单元、内针进给单元和减摩单元。当前列腺穿刺针为刚性针时，可通过减摩单元的高频振动减小针刺过程中的摩擦阻力；当前列腺穿刺针为柔性针时，可通过外针旋转单元控制柔性针的转动实现导向和避障。本发明采用树脂、铝合金等无磁或弱磁材料，不受磁场影响，对图像质量影响较小，具有良好的核磁兼容性；同时采用多种形式的无磁超声电机直接驱动，无运动转换机构，具有结构紧凑、位移控制性好、响应速度快的特点。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种用于磁共振成像仪内部的前列腺针刺机构及工作方法。
背景技术
前列腺疾病是危及男性健康的一类常见疾病。目前针对前列腺疾病的放射性治疗和活组织检查多采用手动针刺方式。基于磁共振成像导航的前列腺针刺机器人相比手动针刺方式，具有更好的可视性、更出色的定位能力。然而，基于磁共振成像导航的前列腺针刺机器人受磁共振成像仪内部有限空间和强磁场环境的影响，其结构的设计、材料和作动器的选择不同于普通医疗机器人。
前列腺针刺手术所用的穿刺针分为刚性针和柔性针，刚性针与柔性针都由两部分组成：外针与内针。其中，刚性针外针使用硬质材料，针管较粗，在穿刺过程中会产生较大摩擦阻力，容易导致软组织变形和移位。柔性针采用细长针管，可减小组织切口，其针尾的运动决定针尖穿行路径，可实现弯曲轨迹，柔性针一般有进针和转针两种运动。前列腺手术机器人上的穿刺针在磁共振图像的导引下，刺入前列腺软组织的病灶靶点，完成药物放置、活检、局部麻醉、放射和消融治疗等操作，因此针刺机构的设计在机器人整体结构中极为关键。
现有的针刺机构多通过带传动或连杆机构实现穿刺针的运动，运动转换机构增加了结构体积，不利于其运行于有限空间，同时结构复杂度的增加也为机构控制带来不便，进而影响了机器人的稳定性和精度。同时，目前的针刺机构多不能实现刚性针与柔性针之间的相互替换。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于磁共振成像仪内部的前列腺针刺机构及工作方法，以解决现有技术中针刺机构多不能实现刚性针与柔性针之间的相互替换的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种用于磁共振成像仪内部的前列腺针刺机构，包括基座、针刺平台、第一直线超声电机，第一位移传感器、外针旋转单元、内针进给单元和减摩单元；其中，
所述针刺平台与底座之间滑动连接；所述外针旋转单元、内针进给单元和减摩单元均放置在针刺平台上，随针刺平台一起前后运动；所述第一直线超声电机固定于基座上；所述第一位移传感器固定于基座上，检测针刺平台相对于基座的位移；
所述第一直线超声电机驱动针刺平台运动，位于其上的驱动足通过预压力与针刺平台接触；
所述外针旋转单元包括：中空超声电机、旋转位移传感器组件、针套、外针、夹持机构及电机支座；所述中空超声电机包含定子与动子，定子与电机支座固连在一起，动子与夹持机构相连；所述针套套设在外针外面，保护外针被夹持机构破坏；所述电机支座与振动板组件固定连接；所述旋转位移传感器组件包含读头与光栅尺，读头固定设于振动板组件上，光栅尺与中空超声电机的动子固定连接，检测中空超声电机的旋转位移；
所述内针进给单元包括：内针、针座、第二直线超声电机及第二位移传感器组件；所述第二直线超声电机包含定子与动子，定子与针刺平台相连，动子与针座相连；动子驱动针座运动，从而推动与针座固定连接的内针；所述第二位移传感器组件包含读头与光栅尺，读头固定设于针刺平台上，光栅尺贴在第一直线超声电机的动子上，检测针座相对于针刺平台的位移；
所述减摩单元包括：压电叠堆组件、振动板组件、预压力调节装置；所述压电叠堆组件由多片压电片组成，压电叠堆组件的底座固定安装在针刺平台上，压电叠堆组件的移动端通过预压力调节装置与振动板组件连接在一起，产生高频振动。
进一步地，所述外针、内针穿过中空电机内部，并通过夹持机构与中空超声电机相连，外针的旋转运动由中空电机直接驱动。
进一步地，第二直线超声电机通过针座固连于内针一端，并直接驱动内针完成粒子放置，活检。
进一步地，所述减摩单元中由压电叠堆组件驱动振动板组件，通过压电叠堆组件带动振动板组件实现高频振动，减小针刺过程中外针与前列腺软组织间的摩擦阻力。
进一步地，所述减摩单元中的振动板组件通过柔性铰链连接在针刺平台上，并产生高频振动所需的回复力。
进一步地，所述减摩单元中的振动板组件通过滑轨机构连接在针刺平台上，并通过预压力弹簧产生高频振动所需的回复力。
进一步地，所述滑轨机构包含导轨及设于其上滑动的滑块。
进一步地，所述减摩单元与内针进给单元之间相互解耦。
所述的针刺机构在选用刚性针时，利用压电叠堆驱动振动板产生高频振动，减小刚性针在软组织中的摩擦阻力。
所述的针刺机构在选用柔性针时，利用无磁中空超声电机直接驱动外针旋转，改变柔性针弯曲方向，进而实现柔性针以曲线轨迹绕过血管等障碍物，完成规定路径的针刺运动。
本发明的一种用于磁共振成像仪内部的前列腺针刺机构的工作方法，包括步骤如下：当穿刺针为刚性针时，第一直线超声电机驱动针刺平台完成定位，在第一直线超声电机驱动刚性针针刺的过程中，压电叠堆组件驱动振动板组件产生高频振动，减小刚性针在软组织中的摩擦阻力，然后由第二直线超声电机驱动内针完成药物放置；当穿刺针为柔性针时，第一直线超声电机驱动针刺平台完成定位，在第一直线超声电机驱动柔性针针刺的过程中，无磁中空超声电机直接驱动外针旋转，改变柔性针弯曲方向，实现柔性针以曲线轨迹绕过障碍物，完成规定路径的针刺运动；然后由第二直线超声电机驱动内针完成药物放置。
本发明的有益效果：
1、本发明针刺机构可作为一个独立机构安装到前列腺手术机器人上，对手术机器人构型无特殊要求，具有较好的通用性。
2、本发明同时适用于刚性针和柔性针的针刺手术，可实现两种穿刺针的相互切换，避免了机构的冗余，使穿刺针的选择更为多样。
3、刚性针与柔性针都由两部分组成：外针、内针。当穿刺针为刚性针时，通过减摩单元对外针的振动作用减小针刺过程中的摩擦阻力；当穿刺针为柔性针时，通过中空超声电机控制外针的转动实现导向和避障。
4、本发明穿刺机构的运动均采用多种形式的超声电机直接驱动，无运动转换机构，位移分辨率高，结构紧凑，有利于小型化和运动控制。
5、本发明中的驱动电机为无磁超声电机，本体材料为无磁材料或弱磁材料，具有良好的核磁兼容性，可在磁共振成像仪内部安全运行，同时不影响成像质量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明结构的俯视图；
图3为本发明结构的主视图；
图4为减摩单元导轨滑块设计方式示意图；
图5为减摩单元柔性铰链设计方式示意图；
图中，1-外针，2-夹持机构，3-中空超声电机，4-电机支座，5-第一位移传感器，6-内针，7-针座，8-第二直线超声电机，9-第二位移传感器组件，10-针刺平台，11-第一直线超声电机，12-压电叠堆组件，13-旋转位移传感器组件，14-振动板组件，15-预压力调节装置，16-针套，17-基座，18-滑轨机构，19-柔性铰链。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1至图3所示，本发明的一种用于磁共振成像仪内部的前列腺针刺机构，，包括基座17、针刺平台10、第一直线超声电机11，第一位移传感器5、外针旋转单元、内针进给单元和减摩单元；其中，
所述针刺平台10与底座17之间通过导轨-滑块的方式连接；所述外针旋转单元、内针进给单元和减摩单元均放置在针刺平台10上，随针刺平台10一起前后运动；所述第一直线超声电机11、第一位移传感器组件5均固定于基座17上；所述第一位移传感器5固定于基座17上，检测针刺平台10相对于基座17的位移。
所述第一直线超声电机11驱动针刺平台10运动，位于其上的驱动足通过预压力与针刺平台接触；
所述外针旋转单元包括中空超声电机3、旋转位移传感器组件13、针套16、外针1、夹持机构2及电机支座4；所述的中空超声电机3安装在电机支座4上，外针1从中空超声电机3中间穿过；所述电机支座4通过螺纹连接在下述的振动板组件14上。所述的外针1与针套16连接，防止夹持机构2夹紧力过大损伤外针1；所述的旋转位移传感器组件13固连于振动板组件14上；所述旋转位移传感器组件13包含读头与光栅尺，读头固定设于振动板组件14上，光栅尺与中空超声电机3的动子固定连接，检测中空超声电机3的旋转位移；
所述内针进给单元包括：内针6、针座7、第二直线超声电机8及第二位移传感器组件9；所述第二直线超声电机8包含定子与动子，定子与针刺平台10相连，动子与针座7相连；动子驱动针座7运动，从而推动与针座7固定连接的内针6；所述第二位移传感器组件9包含读头与光栅尺，读头固定设于针刺平台10上，光栅尺贴在第一直线超声电机8的动子上，检测针座7相对于针刺平台10的位移；
所述减摩单元包括：压电叠堆组件12、振动板组件14、预压力调节装置15；所述压电叠堆组件12由多片压电片组成，压电叠堆组件12的底座固定安装在针刺平台10上，压电叠堆组件12的移动端通过预压力调节装置15与振动板组件14连接在一起，产生高频振动。
所述的内针进给单元、外针旋转单元、减摩单元共同置于针刺平台10上，所述的针刺平台10与基座17之间通过导轨连接，可以相互滑动。
其中，所述减摩单元中由压电叠堆组件驱动振动板组件，通过压电叠堆组件带动振动板组件实现高频振动，减小针刺过程中外针与前列腺软组织间的摩擦阻力。
参照图4所示，所述减摩单元中的振动板组件通过滑轨机构18连接在针刺平台10上，并通过预压力弹簧产生高频振动所需的回复力。
参照图5所示，所述减摩单元中的振动板组件14通过柔性铰链19连接在针刺平台10上，并产生高频振动所需的回复力。
所述第一直线超声电机11与中空超声电机3控制外针1从穿刺点到靶点之间的位移，对于刚性针，振动板组件14可通过柔性铰链19与针刺平台10直接连接，由柔性铰链19产生高频振动所需的回复力。当外针尖点到达靶点时，第二直线超声电机8推动内针6完成粒子放置、活检等手术要求。对于柔性针，振动板可通过滑轨机构18与针刺平台10连接，在振动板组件14一端安装弹簧和预压力调节螺钉15，通过弹簧产生高频振动所需的回复力。当外针尖点到达靶点时，第二直线超声电机8推动内针6完成粒子放置、活检等手术要求。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于磁共振成像仪内部的前列腺针刺机构，其特征在于，包括基座（17）、针刺平台（10）、第一直线超声电机（11），第一位移传感器（5）、外针旋转单元、内针进给单元和减摩单元；其中，
所述针刺平台（10）与底座（17）之间滑动连接；所述外针旋转单元、内针进给单元和减摩单元均放置在针刺平台（10）上，随针刺平台（10）一起前后运动；所述第一直线超声电机（11）固定于基座（17）上；所述第一位移传感器（5）固定于基座（17）上，检测针刺平台（10）相对于基座（17）的位移；所述第一直线超声电机（11）驱动针刺平台（10）运动；
所述外针旋转单元包括：中空超声电机（3）、旋转位移传感器组件（13）、针套（16）、外针（1）、夹持机构（2）及电机支座（4）；所述中空超声电机（3）包含定子与动子，定子与电机支座（4）固连在一起，动子与夹持机构（2）相连；所述针套（16）套设在外针（1）外面，保护外针（1）被夹持机构（2）破坏；
所述内针进给单元包括：内针（6）、针座（7）、第二直线超声电机（8）及第二位移传感器组件（9）；所述第二直线超声电机（8）包含定子与动子，定子与针刺平台（10）相连，动子与针座（7）相连；动子驱动针座（7）运动，从而推动与针座（7）固定连接的内针（6）；
所述减摩单元包括：压电叠堆组件（12）、振动板组件（14）、预压力调节装置（15）；所述压电叠堆组件（12）由多片压电片组成，压电叠堆组件（12）的底座固定安装在针刺平台（10）上，压电叠堆组件（12）的移动端通过预压力调节装置（15）与振动板组件（14）连接在一起，产生高频振动；
所述旋转位移传感器组件（13）固定设于振动板组件（14）上，检测中空超声电机（3）的旋转位移；
所述第二位移传感器组件（9）固定设于在针刺平台（10）上，检测针座（7）相对于针刺平台（10）的位移。
2.根据权利要求1所述的用于磁共振成像仪内部的前列腺针刺机构，其特征在于，所述外针（1）、内针（6）穿过中空电机（3）内部，并通过夹持机构（2）与中空超声电机（3）相连，外针的旋转运动由中空电机（3）直接驱动。
3.根据权利要求1所述的用于磁共振成像仪内部的前列腺针刺机构，其特征在于，所述第二直线超声电机（8）通过针座（7）固连于内针（6）一端，并直接驱动内针完成粒子放置，活检。
4.根据权利要求1所述的用于磁共振成像仪内部的前列腺针刺机构，其特征在于，所述减摩单元中由压电叠堆组件（12）驱动振动板组件（14），通过压电叠堆组件带动振动板组件实现高频振动，减小针刺过程中外针与前列腺软组织间的摩擦阻力。
5.根据权利要求1所述的用于磁共振成像仪内部的前列腺针刺机构，其特征在于，所述减摩单元中的振动板组件（14）通过柔性铰链（19）连接在针刺平台（10）上，并产生高频振动所需的回复力。
6.根据权利要求1所述的用于磁共振成像仪内部的前列腺针刺机构，其特征在于，所述减摩单元中的振动板组件通过滑轨机构（18）连接在针刺平台（10）上，并通过预压力弹簧产生高频振动所需的回复力。
7.根据权利要求6所述的用于磁共振成像仪内部的前列腺针刺机构，其特征在于，所述滑轨机构（18）包含导轨及设于其上滑动的滑块。
8.根据权利要求1所述的用于磁共振成像仪内部的前列腺针刺机构，其特征在于，所述减摩单元与内针进给单元之间相互解耦。
9.一种用于磁共振成像仪内部的前列腺针刺机构的工作方法，其特征在于，包括步骤如下：当穿刺针为刚性针时，第一直线超声电机驱动针刺平台完成定位，在第一直线超声电机驱动刚性针针刺的过程中，压电叠堆组件驱动振动板组件产生高频振动，减小刚性针在软组织中的摩擦阻力，然后由第二直线超声电机驱动内针完成药物放置；当穿刺针为柔性针时，第一直线超声电机驱动针刺平台完成定位，在第一直线超声电机驱动柔性针针刺的过程中，无磁中空超声电机直接驱动外针旋转，改变柔性针弯曲方向，实现柔性针以曲线轨迹绕过障碍物，完成规定路径的针刺运动；然后由第二直线超声电机驱动内针完成药物放置。
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