CN112999529B - 一种多针连续电动粒子植入装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗器械领域，具体是一种多针连续电动粒子植入装置及方法，包括机架、外针驱动机构、内针驱动机构、弹匣更换机构、外针更换机构，其具体使用步骤如下：S1；外针运动；S2；弹匣定位；S3；弹匣松紧；S4；外针定位；S5；外针松紧；S6；内针运动；S7：粒子植入；能实现连续的粒子植入功能，自动更换弹匣和外针，缩短手术时间，一次性自动操作完成不少于5根针、60颗粒子的种植，采用模块化设计各个机构部分，便于拆卸、消毒清洗和互换，采用微型伺服电机驱动，配备编码器等等必要的传感器，既能手持电动操作，也能够作机器人的末端执行器使用，预留粒子植入装置机械安装接口，方便与协作型机器人法兰连接，整体重量3KG，不能超过协作型机器人额定负载。

Description

一种多针连续电动粒子植入装置

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，属于医学、机械、自动化交叉学科，具体涉及一种多针连续电动粒子植入装置及方法。

背景技术

近些年，随着靶向放射性粒子植入术在北京中国人民解放军301医院临床推广应用的普及，北京市医疗器械检验所、医疗器械检验与安全性评价北京市重点实验室、北京理工大学智能机器人研究所、天智航公司、北京积水潭医院等北京科研机构已经从2012年的863计划项目开始，进行了脑外科、神经外科、骨科恶性肿瘤的粒子植入机器人关键技术的研究。传统放射性治疗术是在超声的引导下，借助于固定在超声支架上的导向板，临床医生使用手动粒子植入器将50～80颗镍钛合金包裹的125I(144Gy)/103Pd(120Gy)粒子植入靶区部位，连续低剂量放射γ射线对肿瘤细胞进行杀死。当前国内外的粒子植入器多为医生手动进行，依赖于医生的临床经验，使得粒子植入的准确度具有不确定性。同时医生的疲劳和抖动使得手术时间变长，还有可能对患者造成一定的伤害。现有的电动粒子植入装置有效改善了植入过程的自动化程度，如放射性粒子植入设备(CN104288904B)、一种医用粒子植入装置(CN202982916U)等专利，可以实现单个弹匣和穿刺针的自动植入。对于临床放射外科粒子植入手术的严苛需求，现有电动粒子植入装置方案存如下的问题：(1)标准的医用粒子弹匣容量较小，一次80颗种植手术，医生仍然需要更换弹匣5次左右，增加手术时间。(2)现有电动装置方案采用单个穿刺外针多次重复定位，外针内部极易粘附软组织，容易造成内针推粒子时存在卡死现象，极大影响植入过程的安全性和精确性。(3)不能完全与手动粒子植入枪的配件兼容使用，增加医生使用难度和改变操作习惯，从而影响其临床推广。

发明内容

本发明为解决现有的粒子植入装置无法自动更换粒子弹匣和连续更换穿刺外针等问题，进而提供了一种多针连续电动粒子植入装置及方法。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：

本发明的一种多针连续电动粒子植入装置，其组成包括：机架、外针驱动机构、内针驱动机构、弹匣更换机构、外针更换机构，所述机架上方固接机械法兰接口，用于手术机器人的末端安装，所述机架安装有外针驱动机构和内针驱动机构，所述外针驱动机构包括外针驱动电机和粒子库接收器，所述粒子库接收器上设有弹匣接口和外针接口，所述内针驱动机构包括内针驱动电机和内针，所述内针与外针接口同轴布置，所述机架上安装有弹匣更换机构，弹匣更换机构布置在粒子库接收器正前方，所述弹匣更换机构上包括升降机构、弹匣定位电机和工位盘，所述工位盘上沿圆周均布安装弹匣和微型电磁铁一，微型电磁铁一实现弹匣在工位盘上的松紧动作，所述外针驱动电机、升降机构、弹匣定位电机、微型电磁铁一的组合运动，实现弹匣在粒子库接收器的弹匣接口上自动更换，所述机架上还安装有外针更换机构，外针更换机构位于粒子库接收器正下方，所述外针更换机构包括外针定位电机和工位滚轮，所述工位滚轮上沿圆周均布滑槽，所述滑槽上均布安装外针，外针沿滑槽能滑动，所述外针定位电机实现工位滚轮的旋转角度定位，所述粒子库接收器上还设有微型电磁铁二，微型电磁铁二实现外针在粒子库接收器上的松紧动作，所述外针驱动电机、微型电磁铁二、外针定位电机的组合运动，实现外针在粒子库接收器的外针接口上自动更换。

上述方案的一种多针连续电动粒子植入装置及方法，其特点为采用结构紧凑的外针驱动机构、内针驱动机构组合运动，实现外针的定位和粒子放置，采用弹匣更换机构、外针更换机构、外针驱动机构的组合运动，实现连续自动更换弹匣和外针，采用模块化设计，便于各部分零部件拆卸、消毒清洗和互换，外针、粒子弹匣采用美国Mick公司等生产的临床粒子植入手术标准配件，增加兼容性，不改变临床手术配件设置，能实现连续的粒子植入功能，自动更换粒子弹匣，缩短手术时间，能实现自动更换外针功能，防止外针内腔粘附软组织，内针卡死，导致手术失败。

对方案进一步设计：为了减小外针驱动机构整体的尺寸，提高运动精度，所述外针驱动机构的驱动、传动、编码器采用一体化设计，所述外针驱动电机的轴设计为丝杆轴一结构，所述丝杆轴通过螺纹副连接滚珠螺母一，丝杆轴一另一端安装编码器，用于位置检测，所述滚珠螺母一固结在外针滑台上，所述外针滑台上安装粒子库接收器。

对方案进一步设计：为了减小内针驱动机构整体的尺寸，提高运动精度，所述内针驱动机构的驱动、传动、编码器也采用一体化设计，所述内针驱动电机的轴设计为丝杆轴二结构，所述丝杆轴通过螺纹副连接滚珠螺母二，丝杆轴二另一端安装编码器，用于位置检测，所述滚珠螺母二固结在内针滑台上，所述内针滑台上安装内针，所述内针与粒子库接收器的外针接口同轴布置，内针能沿着外针接口轴向滑动。

对方案进一步设计：为了提高弹匣更换机构运动精度，减小机构尺寸，所述弹匣更换机构的升降机构、弹匣定位电机采用模块式设计，所述升降机构上的滑台固结弹匣定位电机，升降机构采用微型精密电动推杆式结构，升降机构上设置位移传感器，所述弹匣定位电机上设置角度编码器。

对方案进一步设计：为了提高外针更换机构的定位精度，所述工位滚轮固结在外针定位电机的轴上，所述外针定位电机上设置角度编码器，用于工位滚轮的旋转角度定位。

一种多针连续电动粒子植入装置的方法，其具体步骤如下：

S1：外针运动：当外针驱动电机正、反转时，带动粒子库接收器做直线往复运动，使得外针作直线运动；

S2：弹匣定位：通过控制升降机构的移动距离和弹匣定位电机的旋转角度，实现弹匣在粒子库接收器的弹匣接口的精确定位；

S3：弹匣松紧：当弹匣到达粒子库接收器的弹匣接口位置时，微型电磁铁一实现弹匣在工位盘上的松紧动作；

S4：外针定位：通过控制外针定位电机旋转角度，带动工位滚轮同步做旋转运动，实现外针在粒子库接收器的外针接口的精确定位；

S5：外针松紧：当外针到达粒子库接收器的外针接口位置时，微型电磁铁二实现外针在粒子库接收器上的松紧动作；

S6：内针运动：当内针驱动电机正、反转时，带动内针滑台做直线往复运动，使得内针作直线运动；

S7：粒子植入：当粒子到达指定位置后，内针驱动机构将内针收回到粒子接收器外，等待下一次激发粒子植入指令。

本发明有以下技术效果和优点：

本发明提出的一种多针连续电动粒子植入装置及方法，能实现连续的粒子植入功能，自动更换弹匣和外针，缩短手术时间，一次性自动操作完成不少于5根针、60颗粒子的种植，采用模块化设计各个机构部分，便于拆卸、消毒清洗和互换，采用微型伺服电机驱动，配备编码器等等必要的传感器，既能手持电动操作，也能够作机器人的末端执行器使用，预留粒子植入装置机械安装接口，方便与协作型机器人法兰连接，整体重量3KG，不能超过协作型机器人额定负载。

附图说明

图1整体结构示意图。

图2外针驱动机构结构图。

图3内针驱动机构结构图。

图4多工位弹匣更换机构主视图。

图5多工位弹匣更换机构俯视图。

图6多工位外针更换机构主视图。

图7多工位外针更换机构结构图。

图中1.机架，1-1.机械法兰接口，2.外针驱动机构，2-1.外针驱动电机，2-1-1.丝杆轴一，2-1-2.滚珠螺母一，2-2.外针滑台，2-3.粒子库接收器，2-3-1.弹匣接口，2-3-2.外针接口，2-3-3.微型电磁铁二，3.内针驱动机构，3-1.内针驱动电机，3-1-1.丝杆轴二，3-1-2.滚珠螺母二，3-2.内针滑台，3-3.内针，4.弹匣更换机构，4-1.升降机构，4-1-1.滑台，4-2.弹匣定位电机，4-3.工位盘，4-4.弹匣，4-5.微型电磁铁一，5.外针更换机构，5-1.外针定位电机，5-2.工位滚轮，5-2-1.滑槽，5-3.外针。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。

如图1至图7所示，一种多针连续电动粒子植入装置，其组成包括：机架1、外针驱动机构2、内针驱动机构3、弹匣更换机构4、外针更换机构5，所述机架1上方固接机械法兰接口1-1，用于手术机器人的末端安装，所述机架1安装有外针驱动机构2和内针驱动机构3，所述外针驱动机构2包括外针驱动电机2-1和粒子库接收器2-3，所述粒子库接收器2-3上设有弹匣接口2-3-1和外针接口2-3-2，所述内针驱动机构3包括内针驱动电机3-1和内针3-3，所述内针3-3与外针接口2-3-2同轴布置，所述机架1上安装有弹匣更换机构4，弹匣更换机构4布置在粒子库接收器2-3正前方，所述弹匣更换机构4上包括升降机构4-1、弹匣定位电机4-2和工位盘4-3，所述工位盘4-3上沿圆周均布安装弹匣4-4和微型电磁铁一4-5，微型电磁铁一4-5实现弹匣4-4在工位盘4-3上的松紧动作，所述外针驱动电机2-1、升降机构4-1、弹匣定位电机4-2、微型电磁铁一4-5的组合运动，实现弹匣4-4在粒子库接收器2-3的弹匣接口2-3-1上自动更换，所述机架1上还安装有外针更换机构5，外针更换机构5位于粒子库接收器2-3正下方，所述外针更换机构5包括外针定位电机5-1和工位滚轮5-2，所述工位滚轮5-2上沿圆周均布滑槽5-2-1，所述滑槽5-2-1上均布安装外针5-3，外针5-3沿滑槽5-2-1能滑动，所述外针定位电机5-1实现工位滚轮5-2的旋转角度定位，所述粒子库接收器2-3上还设有微型电磁铁二2-3-3，微型电磁铁二2-3-3实现外针5-3在粒子库接收器2-3上的松紧动作，所述外针驱动电机2-1、微型电磁铁二2-3-3、外针定位电机5-1的组合运动，实现外针5-3在粒子库接收器2-3的外针接口2-3-2上自动更换。

所述外针驱动机构2的驱动、传动、编码器采用一体化设计，所述外针驱动电机2-1的轴设计为丝杆轴一2-1-1结构，所述丝杆轴2-1-1通过螺纹副连接滚珠螺母一2-1-2，丝杆轴2-1-1一另一端安装编码器，用于位置检测，所述滚珠螺母一2-1-2固结在外针滑台2-2上，所述外针滑台2-2上安装粒子库接收器2-3。

所述内针驱动机构3的驱动、传动、编码器也采用一体化设计，所述内针驱动电机3-1的轴设计为丝杆轴二3-1-1结构，所述丝杆轴二3-1-1通过螺纹副连接滚珠螺母二3-1-2，丝杆轴二3-1-2另一端安装编码器，用于位置检测，所述滚珠螺母二3-1-2固结在内针滑台3-2上，所述内针滑台3-2上安装内针3-3，所述内针3-3与粒子库接收器2-3的外针接口2-3-2同轴布置，内针3-3能沿着外针接口2-3-2轴向滑动。

所述弹匣更换机构4的升降机构4-1、弹匣定位电机4-2采用模块式设计，所述升降机构4-1上的滑台4-1-1固结弹匣定位电机4-2，升降机构4-1采用微型精密电动推杆式结构，升降机构4-1上设置位移传感器，所述弹匣定位电机4-2上设置角度编码器。

所述工位滚轮5-2固结在外针定位电机5-1的轴上，所述外针定位电机5-1上设置角度编码器，用于工位滚轮5-2的旋转角度定位。

一种多针连续电动粒子植入装置的方法，其具体步骤如下：

S1：外针运动：当外针驱动电机2-1正、反转时，带动粒子库接收器2-3做直线往复运动，使得外针5-3作直线运动；

S2：弹匣定位：通过控制升降机构4-1的移动距离和弹匣定位电机4-2的旋转角度，实现弹匣4-4在粒子库接收器2-3的弹匣接口2-3-1的精确定位；

S3：弹匣松紧：当弹匣4-4到达粒子库接收器2-3的弹匣接口2-3-1位置时，微型电磁铁一4-5实现弹匣4-4在工位盘4-3上的松紧动作；

S4：外针定位：通过控制外针定位电机5-1旋转角度，带动工位滚轮5-2同步做旋转运动，实现外针在粒子库接收器2-3的外针接口2-3-2的精确定位；

S5：外针松紧：当外针5-3到达粒子库接收器2-3的外针接口2-3-2位置时，微型电磁铁二2-3-3实现外针5-3在粒子库接收器2-3上的松紧动作；

S6：内针运动：当内针驱动电机3-1正、反转时，带动内针滑台3-2做直线往复运动，使得内针3-3作直线运动；

S7：粒子植入：当粒子到达指定位置后，内针驱动机构3将内针3-3收回到粒子接收器2-3外，等待下一次激发粒子植入指令。

以上显示和描述了本发明的基本原理、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 (3)

1.一种多针连续电动粒子植入装置，其组成包括：机架（1）、外针驱动机构（2）、内针驱动机构（3）、弹匣更换机构（4）、外针更换机构（5），所述机架（1）上方固接机械法兰接口（1-1），用于手术机器人的末端安装，所述机架（1）安装有外针驱动机构（2）和内针驱动机构（3），所述外针驱动机构（2）包括外针驱动电机（2-1）和粒子库接收器（2-3），所述粒子库接收器（2-3）上设有弹匣接口（2-3-1）和外针接口（2-3-2），所述外针驱动电机（2-1）的轴设计为丝杆轴一结构，所述丝杆轴一（2-1-1）通过螺纹副连接滚珠螺母一（2-1-2），丝杆轴一（2-1-1）另一端安装编码器，用于位置检测，所述滚珠螺母一（2-1-2）固接在外针滑台（2-2）上，所述外针滑台（2-2）上安装粒子库接收器（2-3）；所述内针驱动机构（3）包括内针驱动电机（3-1）和内针（3-3），所述内针（3-3）与外针接口（2-3-2）同轴布置，所述内针驱动电机（3-1）的轴设计为丝杆轴二结构，所述丝杆轴二（3-1-1）通过螺纹副连接滚珠螺母二（3-1-2），丝杆轴二（3-1-1）另一端安装编码器，用于位置检测，所述滚珠螺母二（3-1-2）固接在内针滑台（3-2）上，所述内针滑台（3-2）上安装内针（3-3），所述内针（3-3）与粒子库接收器（2-3）的外针接口（2-3-2）同轴布置，内针（3-3）能沿着外针接口（2-3-2）轴向滑动；所述机架（1）上安装有弹匣更换机构（4），弹匣更换机构（4）布置在粒子库接收器（2-3）正前方，所述弹匣更换机构（4）上包括升降机构（4-1）、弹匣定位电机（4-2）和工位盘（4-3），所述工位盘（4-3）上沿圆周均布安装弹匣（4-4）和微型电磁铁一（4-5），微型电磁铁一（4-5）实现弹匣（4-4）在工位盘（4-3）上的松紧动作，所述外针驱动电机（2-1）、升降机构（4-1）、弹匣定位电机（4-2）、微型电磁铁一（4-5）的组合运动，实现弹匣（4-4）在粒子库接收器（2-3）的弹匣接口（2-3-1）上自动更换，所述机架（1）上还安装有外针更换机构（5），外针更换机构（5）位于粒子库接收器（2-3）正下方，所述外针更换机构（5）包括外针定位电机（5-1）和工位滚轮（5-2），所述工位滚轮（5-2）上沿圆周均布滑槽（5-2-1），所述滑槽（5-2-1）上均布安装外针（5-3），外针（5-3）沿滑槽（5-2-1）能滑动，所述外针定位电机（5-1）实现工位滚轮（5-2）的旋转角度定位，所述粒子库接收器（2-3）上还设有微型电磁铁二（2-3-3），微型电磁铁二（2-3-3）实现外针（5-3）在粒子库接收器（2-3）上的松紧动作，所述外针驱动电机（2-1）、微型电磁铁二（2-3-3）、外针定位电机（5-1）的组合运动，实现外针（5-3）在粒子库接收器（2-3）的外针接口（2-3-2）上自动更换。

2.根据权利要求1所述的一种多针连续电动粒子植入装置，其特征在于：所述弹匣更换机构（4）的升降机构（4-1）、弹匣定位电机（4-2）采用模块式设计，所述升降机构（4-1）上的滑台（4-1-1）固接弹匣定位电机（4-2），升降机构（4-1）采用微型精密电动推杆式结构，升降机构（4-1）上设置位移传感器，所述弹匣定位电机（4-2）上设置角度编码器。

3.根据权利要求1所述的一种多针连续电动粒子植入装置，其特征在于：所述工位滚轮（5-2）固接在外针定位电机（5-1）的轴上，所述外针定位电机（5-1）上设置角度编码器，用于工位滚轮（5-2）的旋转角度定位。