CN113331875B - 基于超声图像引导的前列腺活检穿刺机器人 - Google Patents

基于超声图像引导的前列腺活检穿刺机器人 Download PDF

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Abstract

一种基于双平面超声图像引导的前列腺活检穿刺机器人，包括：用于调整超声探头和穿刺整体机构角度的角度控制机构以及分别通过轴系和相关的连接件支撑在其上的用于夹持超声探头的固定机构、用于调整穿刺针与超声探头距离的垂直位置调整机构和用于推动穿刺针的穿刺执行机构，其中：垂直位置调整机构通过连接件设置于角度控制机构的轴系上，穿刺执行机构固定设置于垂直位置调整机构的滑台上。本发明通过经直肠的超声探头分别获取患者前列腺部位的两个不同平面内的超声图像，通过角度控制机构、垂直位置调整机构和穿刺执行机构进行运动，精准控制穿刺针。

Description

基于超声图像引导的前列腺活检穿刺机器人
技术领域
本发明涉及的是一种医疗器械领域的技术，具体是一种基于超声图像引导的前列腺活检穿刺机器人。
背景技术
在前列腺癌的早期诊断中，主要是依靠直肠超声引导下经会阴或者经直肠的前列腺穿刺活检术。由于会阴和前列腺的解剖结构较为复杂，医生在操作过程中手持超声探头与穿刺针进行配合穿刺，易使患者组织受到损伤，同时因为直肠内细菌环境复杂而且不易消毒，容易引入病原体使患者出现并发症。因此，穿刺活检对医生的专业水平提出了较高的要求，限制了前列腺癌的筛查。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于双平面超声图像引导的前列腺活检穿刺机器人，通过经直肠的超声探头分别获取患者前列腺部位的两个不同平面内的超声图像，通过角度控制机构、垂直位置调整机构和穿刺执行机构进行运动，精准控制穿刺针。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：用于调整超声探头和穿刺整体机构角度的角度控制机构以及分别通过轴系和相关的连接件支撑在其上的用于夹持超声探头的固定机构、用于调整穿刺针与超声探头距离的垂直位置调整机构和用于推动穿刺针的穿刺执行机构，其中：垂直位置调整机构通过连接件设置于角度控制机构的轴系上，穿刺执行机构固定设置于垂直位置调整机构的滑台上。
所述的超声探头固定机构包括：超声探头夹持机构。
所述的角度控制机构包括带有编码器的蜗轮蜗杆减速电机。
所述的垂直位置调整机构包括滚珠丝杠步进电机、滚珠丝杠和直线导轨机构。
所述的穿刺执行机构包括：舵机驱动器、舵盘、驱动端法兰轴、带座轴承、编码器连接件、穿刺针、穿刺针夹持装置、夹持装置连接件、末端轴、背板、同步带轮、直线导轨、舵机固定背板、同步带轮滑台、舵机固定板、编码器和直线导轨滑块，其中：舵机通过舵机固定板连接在舵机固定背板上，舵机固定背板通过螺栓连接在背板上，同时驱动端法兰轴通过螺栓与舵盘连接，驱动端法兰轴和末端法兰轴分别通过紧定螺钉固定一个同步带轮，同步带从同步带上绕过，其中一部分被压在同步带滑块和穿刺针夹具连接件之间，通过螺栓紧固，实现同步带与滑台的固接。穿刺针安装在穿刺针夹具中，通过滑块紧固实现固定和驱动。在整个系统同步带驱动的过程之中，通过卡扣安装在编码器固定件上的编码器实时反馈穿刺执行机构的位置，实现对于穿刺过程和穿刺深度的精准控制。
技术效果
本发明通过用户基于双平面超声探头返回的图像进行操作，在空间范围内通过会阴穿刺送入穿刺针进行前列腺的活检采样，全过程完全通过机构完成，同时这种机构的结构比较简单，故障率低的同时易于控制实现自动化，机构具备在空间范围内三自由度精确定位的功能，极大降低了经会阴穿刺的前列腺手术的难度，提升穿刺活检的精度和效率，同时有助于普及经会阴的前列腺穿刺术。
与现有技术相比，本发明提出的机器人结构没有使用复杂的悬臂结构，转而使用了刚度和精度都较好的丝杠滑台和同步带传动的位置控制和进针机构，不仅仅在机器人的设计方面有很大的简化，同时在刚度和精度以及控制难度的方面都有很大的提高。
与现有技术相比，本发明提出的机器人具有自动化程度高，在所有自由度上都可以使用机器定位而避免了手动固定的特点。同时本发明的穿刺位点是会阴而不是直肠，会阴因为处于体表的位置，微生物环境比直肠简单，同时也易于消毒，不容易将病原体引入患者腹腔内引发别的感染，同时会阴附近的组织比较简单，可选的穿刺工作空间也比较大，不会因为直肠本身空间狭小而导致穿刺针穿刺角度有限无法覆盖所有区域或者是因为附近组织复杂而引发其他的并发症。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明角度控制机构示意图；
图3为本发明超声探头固定机构示意图；
图4和图5为本发明垂直位置调整机构示意图；
图6和图7为本发明穿刺执行机构示意图；
图8为本发明整体机构运动简图；
图中：角度控制机构1、超声探头固定机构2、垂直位置调整机构3、穿刺执行机构4、底部铝型材框架101、蜗轮蜗杆减速电机102、电机固定板103、电机固定板支撑短铝型材104、电机固定板支撑长铝型材105、刚性联轴器106、方形法兰盘107、L字形连接板108、整体连接板109、末端轴承110、阶梯轴111、轴承固定板112、轴承固定板铝型材113、超声探头连接件201、双平面超声探头202、丝杠电机法兰连接件301、支撑铝型材302、直线导轨滑块303、末端固定件304、编码器固定件305、直线导轨306、滑台307、滚珠丝杠螺母308、滚珠丝杠电机309、编码器310、舵机驱动器401、舵盘402、驱动端法兰轴403、带座轴承404、编码器连接件405、穿刺针406、穿刺针夹持装置407、夹持装置连接件408、末端轴409、背板410、同步带轮411、直线导轨412、舵机固定背板413、同步带轮滑台414、舵机固定板415、编码器416、直线导轨滑块417。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种基于超声图像引导的前列腺活检穿刺机器人，其中包含：用于控制除了底座以外的包括超声探头固定机构、垂直位置调整机构、穿刺执行机构所在的平面绕超声探头所在轴线角度的角度控制机构1、用于安装并且夹持超声探头的超声探头固定机构2，该机构通过连接板与角度控制机构1连接、用于控制穿刺执行机构的位置并最终控制穿刺针相对于超声探头轴线距离的垂直位置调整机构3，该机构通过自身的法兰连接件与连接板连接，进而受到角度控制机构1的控制、用于夹持穿刺针并且最终驱动穿刺针刺入患者体内，同时控制刺入的深度的穿刺执行机构4，该机构通过螺栓与垂直位置调整机构3的滑台连接。
所述的角度控制机构1包括：底部铝型材框架101、蜗轮蜗杆减速电机102、电机固定板103、电机固定板支撑短铝型材104、电机固定板支撑长铝型材105、刚性联轴器106、方形法兰盘107、L字形连接板108、整体连接板109、末端轴承110、阶梯轴111、轴承固定板112、轴承固定板铝型材113，其中：蜗轮蜗杆减速电机102通过螺栓固定在电机固定板103上，电机固定板通过铝型材螺母和螺栓固定在底部铝型材框架101、电机固定板支撑短铝型材104和电机固定板支撑长铝型材105上，蜗轮蜗杆减速电机102的电机轴通过刚性联轴器106与阶梯轴111连接，电机的转动通过阶梯轴111传递到方形法兰107上，再通过固定方形法兰107和L字形连接件108的螺栓传递到L字形连接件108上，在阶梯轴111的末端，通过末端轴承110承载阶梯轴承担的重量，末端轴承110通过螺栓固定在轴承固定板112上，轴承固定板通过铝型材角件和螺栓固定在固定板铝型材113上，进而连接到底部支撑铝型材框架101。在底部蜗轮蜗杆减速电机运动调整角度的同时，机构的角度通过蜗轮蜗杆减速电机上安装的编码器实时反馈到控制的下位机，实现对于角度得精确控制。整体连接板上安装超声探头连接件的部分的孔槽设计成细长形状，便于根据实际安装情况调整超声探头的位置。
所述的超声探头固定机构2包括：超声探头连接件201和被固定件双平面超声探头202，二者的连接方式是通过实现测绘好双平面超声探头202的外形，进而设计出对应的能提供夹持功能的超声探头连接件201，实现连接的同时提供刚度。
所述的垂直位置调整机构3包括：丝杠电机法兰连接件301、支撑铝型材302、直线导轨滑块303、末端固定件304、编码器固定件305、直线导轨306、滑台307、滚珠丝杠螺母308、滚珠丝杠电机309、编码器310，其中：滚珠丝杠电机309通过螺栓与丝杠电机连接件301连接，丝杠电机连接件301通过螺栓和铝型材螺母与支撑铝型材302连接，直线导轨306通过螺栓和铝型材螺母与支撑铝型材连接，滑块307通过螺栓与滚珠丝杠螺母308连接，编码器连接件305通过卡扣与末端固定件304连接，编码器301通过卡扣与编码器固定件305连接。在滚珠丝杠转动的同时，利用直线导轨306和导轨滑块303控制滑台直线运动，同时通过滚珠丝杠末端的编码器310时刻反馈滚珠丝杠的位置，实现对于穿刺针垂直位置的精准控制。
所述的穿刺执行机构4包括：舵机驱动器401、舵盘402、驱动端法兰轴403、带座轴承404、编码器连接件405、穿刺针406、穿刺针夹持装置407、夹持装置连接件408、末端轴409、背板410、同步带轮411、直线导轨412、舵机固定背板413、同步带轮滑台414、舵机固定板415、编码器416和直线导轨滑块417，其中：舵机401通过舵机固定板415连接在舵机固定背板413上，舵机固定背板通过螺栓连接在背板410上，同时驱动端法兰轴通过螺栓与舵盘402连接，驱动端法兰轴403和末端法兰轴409分别通过紧定螺钉固定一个同步带轮411，同步带(图中未画出)从同步带上绕过，其中一部分被压在同步带滑块414和穿刺针夹具连接件408之间，通过螺栓紧固，实现同步带与滑台414的固接。穿刺针406安装在穿刺针夹具407中，通过滑块紧固实现固定和驱动。在整个系统同步带驱动的过程之中，通过卡扣安装在编码器固定件405上的编码器416实时反馈穿刺执行机构的位置，实现对于穿刺过程和穿刺深度的精准控制。
所述的穿刺控制系统包括：上位机路径规划及指令发出模块、步进电机驱动模块、下位机控制模块、角度控制机构的驱动器和编码器，以及穿刺执行机构驱动器舵机的控制器和编码器，其中：超声探头202的双平面两幅图像传输到上位机的路径规划和指令发出模块中，并且在窗口上绘制，用户在双平面上分别选择穿刺的位点之后，系统即可完成在空间范围内的精确位置计算，上位机路径规划及指令发出模块自动依据用户点选点的坐标计算并出机器人机构运动的路径，并且具体到角度控制机构1、垂直位置调整机构3和穿刺执行机构4的具体编码器目标值，通过合适的通信协议发送到下位机控制模块，下位机控制模块向步进电机驱动模块和舵机控制器发出指令的同时通过编码器反馈接收到对应自由度的实际位置，进行恰当的反馈控制以保证精确性和穿刺的快速、稳定性，并且在空间范围内精准完成穿刺动作。
如图8所示，通过角度控制机构1的蜗轮蜗杆减速电机驱动轴系的转动角度控制整个机构所处平面的位姿θ；通过垂直位置调整机构3的滚珠丝杠步进电机驱动直线导轨滑块上的滑台，控制滑台与超声探头轴线之间的距离x1；通过穿刺执行机构4的驱动舵机的同步带驱动直线导轨滑块上的穿刺针的进针位置x2，该穿刺针在x、y、z三个方向上的位置与各个自由度的位置的关系为：x＝x2，y＝x1cosθ，z＝x1sinθ。通过上述途径实现对于穿刺针位置的三个自由度的完全约束，结合各个自由度安装的反馈传感器，实现对于穿刺位置自动化精确控制。
所述的穿刺针的最终位误差，具体为：在x方向(最大不大于)：
Figure BDA0003089292250000051
Figure BDA0003089292250000052
在y方向(最大不大于)：
Figure BDA0003089292250000053
在z方向(最大不大于):
Figure BDA0003089292250000054
总的理论误差不大于
Figure BDA0003089292250000055
高于市面上的同类设备的精度。
与现有技术相比，本发明通过各个自由度均不复杂耦合的机构定位实现在空间内的穿刺位置的确定，而且本发明更为简洁、控制难度更低、同时刚度更高，在三个自由度采用的分别是蜗轮蜗杆减速机构和轴系设计、丝杠滑台设计和基于直线导轨的同步带传动设计，三个设计在实施上都较为简便，同时因为三个自由度在设计的过程中都依赖于轴系、直线导轨等固定结构，而没有现有技术中大量采用的悬臂结构、关节结构，使得本发明的结构非常简单的同时可以提供较大的刚度和较好的精度。而且本发明控制中涉及到的三个自由度相对独立，没有复杂耦合的情况，这也使得设计的机构具有很低的控制难度和较高的精度。
本发明上述结构能够适用于包含经会阴穿刺的，能连续精准覆盖整个前列腺所在的范围内的穿刺场合，相比现有技术中只见到具有经直肠穿刺的能够进行自动穿刺并且可以规划路径的功能专利，以及经会阴穿刺但是无法实现精准连续的路径规划，只能依靠医生经验规划路径或者是虽然实现了经会阴穿刺但是无法连续覆盖前列腺范围内的每个点，只能实现离散的覆盖前列腺区域内的某几个点或者是前列腺的某个部分区域的功能。本发明通过机构的包含的三个自由度的设计(整体角度控制、垂直位置控制和进针深度控制)设计和各个自由度安装的编码器实现精确的反馈控制，实现了经会阴穿刺的，全自动路径规划同时可以精准连续覆盖到前列腺所在的空间范围内每个点的功能。可以提高医生手术的成功率、减少手术的并发症以及提高前列腺癌前期筛查的效率和准确率，易于推广，具有很大的实用价值。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (4)

1.一种基于双平面超声图像引导的前列腺活检穿刺机器人，其特征在于，包括：用于调整超声探头和穿刺整体机构角度的角度控制机构以及分别通过轴系和相关的连接件支撑在其上的用于夹持超声探头的固定机构、用于调整穿刺针与超声探头距离的垂直位置调整机构和用于推动穿刺针的穿刺执行机构，其中：垂直位置调整机构通过连接件设置于角度控制机构的轴系上，穿刺执行机构固定设置于垂直位置调整机构的滑台上，通过角度控制机构驱动轴系的转动角度，控制整个前列腺活检穿刺机器人所处平面的位姿；通过垂直位置调整机构控制滑台与超声探头轴线之间的距离；通过穿刺执行机构驱动穿刺针的进针位置，实现对于穿刺针位置的三个自由度的完全约束，结合各个自由度安装的反馈传感器，实现精确控制；
所述的超声探头固定机构包括：超声探头夹持机构；
所述的角度控制机构包括：底部铝型材框架、蜗轮蜗杆减速电机、电机固定板、电机固定板支撑短铝型材、电机固定板支撑长铝型材、刚性联轴器、方形法兰盘、L字形连接板、整体连接板、末端轴承、阶梯轴、轴承固定板、轴承固定板铝型材，其中：蜗轮蜗杆减速电机通过螺栓固定在电机固定板上，电机固定板通过铝型材螺母和螺栓固定在底部铝型材框架、电机固定板支撑短铝型材和电机固定板支撑长铝型材上，蜗轮蜗杆减速电机的电机轴通过刚性联轴器与阶梯轴连接，电机的转动通过阶梯轴传递到方形法兰上，再通过固定方形法兰和L字形连接件的螺栓传递到L字形连接件上，在阶梯轴的末端，通过末端轴承承载阶梯轴承担的重量，末端轴承通过螺栓固定在轴承固定板上，轴承固定板通过铝型材角件和螺栓固定在固定板铝型材上，进而连接到底部支撑铝型材框架；在底部蜗轮蜗杆减速电机运动调整角度的同时，机构的角度通过蜗轮蜗杆减速电机上安装的编码器实时反馈到控制的下位机，实现对于角度得精确控制；整体连接板上安装超声探头连接件的部分的孔槽设计成细长形状，便于根据实际安装情况调整超声探头的位置；
所述的垂直位置调整机构包括滚珠丝杠步进电机、滚珠丝杠和直线导轨机构以及相关的反馈编码器；
所述的穿刺执行机构包括舵机驱动器、直线导轨、可拆卸穿刺针夹具和相关的反馈编码器；
所述的穿刺执行机构包括：舵机驱动器、舵盘、驱动端法兰轴、带座轴承、编码器连接件、穿刺针、穿刺针夹持装置、夹持装置连接件、末端轴、背板、同步带轮、直线导轨、舵机固定背板、同步带轮滑台、舵机固定板、编码器和直线导轨滑块，其中：舵机通过舵机固定板连接在舵机固定背板上，舵机固定背板通过螺栓连接在背板上，同时驱动端法兰轴通过螺栓与舵盘连接，驱动端法兰轴和末端法兰轴分别通过紧定螺钉固定一个同步带轮，同步带从同步带上绕过，其中一部分被压在同步带滑块和穿刺针夹具连接件之间，通过螺栓紧固，实现同步带与滑台的固接；穿刺针安装在穿刺针夹具中，通过滑块紧固实现固定和驱动；在整个系统同步带驱动的过程之中，通过卡扣安装在编码器固定件上的编码器实时反馈穿刺执行机构的位置，实现对于穿刺过程和穿刺深度的精准控制。
2.根据权利要求1所述的基于双平面超声图像引导的前列腺活检穿刺机器人，其特征是，所述的超声探头固定机构具体包括：超声探头连接件和被固定件双平面超声探头，二者的连接方式是通过实现测绘好双平面超声探头的外形，进而设计出对应的能提供夹持功能的超声探头连接件，实现连接的同时提供刚度。
3.根据权利要求1所述的基于双平面超声图像引导的前列腺活检穿刺机器人，其特征是，所述的垂直位置调整机构具体包括：丝杠电机法兰连接件、支撑铝型材、直线导轨滑块、末端固定件、编码器固定件、直线导轨、滑台、滚珠丝杠螺母、滚珠丝杠电机、编码器，其中：滚珠丝杠电机通过螺栓与丝杠电机连接件连接，丝杠电机连接件通过螺栓和铝型材螺母与支撑铝型材连接，直线导轨通过螺栓和铝型材螺母与支撑铝型材连接，滑块通过螺栓与滚珠丝杠螺母连接，编码器连接件通过卡扣与末端固定件连接，编码器通过卡扣与编码器固定件连接；在滚珠丝杠转动的同时，利用直线导轨和导轨滑块控制滑台直线运动，同时通过滚珠丝杠末端的编码器时刻反馈滚珠丝杠的位置，实现对于穿刺针垂直位置的精准控制。
4.根据权利要求1所述的基于双平面超声图像引导的前列腺活检穿刺机器人，其特征是，所述的精确控制，具体为：通过角度控制机构的蜗轮蜗杆减速电机驱动轴系的转动角度控制整个机构所处平面的位姿θ；通过垂直位置调整机构的滚珠丝杠步进电机驱动直线导轨滑块上的滑台，控制滑台与超声探头轴线之间的距离x1；通过穿刺执行机构的驱动舵机的同步带驱动直线导轨滑块上的穿刺针的进针位置x2，该穿刺针在x、y、z三个方向上的位置与各个自由度的位置的关系为：x＝x2，y＝x1cosθ，z＝x1sinθ；通过上述途径实现对于穿刺针位置的三个自由度的完全约束，结合各个自由度安装的反馈传感器，实现精确控制。
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