CN113349896B - 一种针穿刺机构及穿刺手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种针穿刺机构及穿刺手术机器人，该针穿刺机构包括针驱动装置、针内部机构驱动装置，针驱动装置和针内部机构驱动装置均包括底座、设置于底座上的运动转换装置，运动转换装置能够使回转运动与直线运动彼此转换，且包括相互配合的回转运动部分和直线运动部分；还包括针固定装置，针固定装置与穿刺针固定连接，且被配置为连接针驱动装置的直线运动部分和针内部机构驱动装置的底座；夹持器，夹持器被配置为夹持穿刺针的手柄，且与针内部机构驱动装置的直线运动部分连接。本发明的手术机器人适用于CT、MRI设备，通过该手术机器人的辅助，在穿刺过程中可以实时监测穿刺针穿过组织器官所引起的变化，从而能够提高穿刺的准确性和安全性。

Description

一种针穿刺机构及穿刺手术机器人

技术领域

本公开涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种针穿刺机构及穿刺手术机器人，更具体地涉及一种CT或MRI引导的针穿刺机构及穿刺手术机器人。

背景技术

医学影像，包括超声、X射线、计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI），是经皮穿刺手术（经皮消融、活检、电极植入、粒子植入等）的重要组成部分。

凭借实时显像和多切面显像的灵活特性，超声在引导介入治疗方面具有优势。但是相较于其他影像技术，超声存在分辨率不高、对比度低、图像不标准、需要严重依赖于医生的经验等缺点，目前在应用上误诊率和漏诊率偏高。CT和MRI空间分辨率高、图像清晰，更适合用于识别和定位病灶以及观察手术器械在体内的位置。但CT和MRI受限于设备自身的空间限制，在进行手术时，无法实现实时监测穿刺针的位置和人体内部组织器官的情况，穿刺的准确度不高，需要反复多次进行影像扫描和穿刺。在此期间，需要将患者反复移进移出扫描孔，存在诸多额外的安全隐患以及手术时间长的缺点。

为了充分利用CT和MRI在影像方面的优势，弥补其在实时引导手术方面的不足，需要一种能够使穿刺针进入到CT、MRI扫描孔内，在扫描时或扫描结束后能够及时进行手术操作的手术机器人。

现有的CT、MRI引导的机器人的不足之处在于它们仅提供定位功能，而不提供完整的手术功能。基于CT、MRI设备的空间限制，只有将患者从扫描孔中移出后才能手动进行穿刺针插入，因此不具备自动或遥控穿刺的功能。当插入的针偏离预定的轨迹或目标点时，机器人需通过手动撤出穿刺针并再次进行插入。因此，在手术期间，患者需要多次移入和移出MRI扫描孔，从而增加了意外风险和手术时长。此外，上述现有的手术机器人不支持使用柔性针的手术。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提供一种穿刺手术机器人，至少部分解决现有技术中存在的问题。

第一方面，提供了一种针穿刺机构，所述针穿刺机构包括针驱动装置、针内部机构驱动装置，其中所述针驱动装置和所述针内部机构驱动装置均包括底座、设置于所述底座上的运动转换装置，所述运动转换装置能够使回转运动与直线运动彼此转换，并且包括相互配合的回转运动部分和直线运动部分；

所述针穿刺机构还包括：

针固定装置，所述针固定装置与穿刺针固定连接，并且被配置为连接所述针驱动装置的直线运动部分和所述针内部机构驱动装置的底座；以及

夹持器，所述夹持器被配置为夹持所述穿刺针的手柄，并且与所述针内部机构驱动装置的直线运动部分连接。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述运动转换装置为丝杠机构，并且所述回转运动部分为丝杠螺杆，所述直线运动部分为丝杠螺母。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述针穿刺机构还包括：

可拆卸的柔性针引导装置，所述可拆卸的柔性针引导装置被设置于所述针驱动装置的底座，并且能够调整所述穿刺针的穿刺角度。

第二方面，提供了一种穿刺手术机器人，所述穿刺手术机器人包括：

根据本发明第一方面的针穿刺机构；以及

针定位和引导机构，所述针定位和引导机构包括第一线性运动驱动装置、第一旋转关节装置、第二旋转关节装置和第三旋转关节装置，

其中所述第一线性运动驱动装置线性驱动所述第一旋转关节装置，所述第一旋转关节装置旋转驱动所述第二旋转关节装置，所述第二旋转关节装置旋转驱动所述第三旋转关节装置，并且所述第三旋转关节装置旋转驱动所述针穿刺机构。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述第一旋转关节装置、所述第二旋转关节装置和所述第三旋转关节装置中的每个为马达组合驱动的蜗轮蜗杆机构。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述蜗轮蜗杆机构具有自锁功能。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述第二旋转关节装置包括U型支架，所述U型支架的底板与所述第一旋转关节装置旋转连接；

所述第三旋转关节装置包括底板以及底板上的第一旋转轴，其中所述第一旋转轴能够旋转地固定在所述U型支架内部，并且所述第二旋转关节装置旋转驱动所述第一旋转轴。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述第三旋转关节装置还包括第二旋转轴以及设置于所述第二旋转轴的支撑块，其中所述第三旋转关节装置经由所述支撑块与所述针穿刺机构的底座连接。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述穿刺手术机器人还包括机架支撑机构，所述机架支撑机构包括顶部平台、侧面支撑结构和第二线性运动驱动装置，

其中，所述顶部平台与所述第二线性运动驱动装置经由所述侧面支撑结构固定连接，并且所述第二线性运动驱动装置被配置为线性驱动所述侧面支撑结构。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述侧面支撑结构被设置为拱形。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述顶部平台和所述侧面支撑结构的表面设置有多个镂空的孔。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述第一线性运动驱动装置和所述第二线性运动驱动装置为丝杠机构，并且包括丝杠螺杆和丝杠螺母，其中所述丝杠螺母的数量为2。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述手术机器人使用塑料、钛合金或其他非铁磁性材料制成，所述马达组合为磁共振兼容的马达组合。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述可拆卸的柔性针引导装置包括持针器和持针适配器，所述持针适配器固定在所述底座上，所述持针器与所述持针适配器旋转连接，所述持针适配器上设有多个预设孔，所述持针器上设有销，所述销能够被固定在所述预设孔中，并且所述持针器通过针套夹住并引导穿刺针的尖端。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述可拆卸的柔性针引导装置设置有马达组合，所述马达组合被配置为带动所述可拆卸的柔性针引导装置的旋转以调节所述穿刺针的尖端。

本发明实施例的手术机器人能够在CT、MRI的扫描孔的狭小空间内进行手术操作，在穿刺过程中可以实时监测穿刺针穿过组织器官所引起的变化，末端执行机构能够实现穿刺针的自动或遥控穿刺运动，以及进一步的手术操作（例如消融针电极的释出、活检针的切割动作），从而能够大大提高穿刺的准确性和安全性，并且能够使用刚性针以及柔性针进行手术。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例的手术机器人设置于CT、MRI扫描设备的示意图；

图2是本发明实施例的手术机器人的机械结构图；

图3是本发明实施例的手术机器人机械结构的示意图；

图4是本发明实施例的机架支撑机构的示意图；

图5是本发明实施例的针定位和引导机构的示意图；

图6是本发明实施例的针定位和引导机构的示意图；

图7是针穿刺机构的示意图；

图8是针驱动装置的示意图；

图9是针穿刺机构的另一个实施例；

图10是针内部机构驱动装置的示意图；

图11是针固定装置的示意图。

在图中，1-手术机器人；2-穿刺针；3-机架支撑机构；4-针定位和引导机构；5-针穿刺机构；6-顶部平台、7-侧面支撑结构；8-Z方向线性运动驱动装置；9-马达组合；10-丝杠螺杆；11-丝杠螺母；12-X方向线性运动驱动装置；13-Y轴旋转关节装置；14-X轴旋转关节装置；15-Z轴旋转关节装置；16-丝杠螺母；17-马达组合；18-丝杠螺杆；19-马达组合；20-蜗轮蜗杆机构；21-U型支架；22-涡轮蜗杆机构；23-马达组合；24-马达组合；25-蜗轮蜗杆机构；26-底板；27-X轴旋转轴；28-Z轴旋转轴；29-支撑块；30-针驱动装置；31-针固定装置；32-针内部机构驱动装置；33-丝杠螺杆；34-马达组合；35-底座；36-可拆卸的柔性针引导装置；37-丝杠螺母；38-固定板；39-底座；40-夹持器；41-丝杠螺杆；42-丝杠螺母；43-马达组合；44-CT、MRI设备；45-扫描床；46-导轨；47-持针器；48-持针适配器；49-预设孔；50-销；51-针套；52-穿刺针的手柄；53-马达组合。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

本发明的手术机器人是CT、MRI引导的穿刺手术（包括脑电极植入、脑射频或激光毁损、前列腺肿瘤消融或粒子植入、活检等多个器官的多种术式）机器人，用于自动调节穿刺针针尖的方向和位置，以将穿刺针定位到患者病灶区域选定的经皮穿刺点，然后自动或遥控进行穿刺。本发明的手术机器人适用于标准的CT、MRI设备，通过该手术机器人的辅助，在穿刺过程中可以实时监测穿刺针穿过组织器官所引起的变化，从而能够大大提高穿刺的准确性和安全性。

以下，参考附图具体描述本发明的穿刺手术机器人。

手术机器人1的整体结构

首先，如图1所示，本发明实施例的手术机器人1在使用时，被设置于CT、MRI设备44的扫描床45上。本发明小型化的机械结构设计，能够实现在CT、MRI的扫描孔的狭小空间内进行手术操作。

参考图2，其示出了本发明实施例的手术机器人1的整体结构，在图2中，附图标记1指示手术机器人，并且附图标记2指示穿刺针。

本发明实施例的手术机器人1是MRI或CT引导的穿刺手术机器人，并且可以被安装在CT、MRI设备44的扫描床45上或者直接安装在CT、MRI设备44的扫描孔内，以用于自动调节穿刺针2针尖的方向和位置。具体地，手术机器人1将穿刺针2定位到患者病灶区域附近选定的经皮穿刺点，然后自动或遥控进行穿刺，穿刺针例如可以是活检针、消融针、电极针、套管针等多种具有穿刺功能的医疗器械，并且可以是刚性针，也可以是柔性针。

接下来，参考图3具体描述手术机器人1的组成，如图3所示，本发明实施例的手术机器人1包括机架支撑机构3、针定位和引导机构4和针穿刺机构5。

机架支撑机构3安装在CT、MRI设备44的扫描床45上或者直接安装在CT、MRI设备44的扫描孔内，安装的方式可以采用卡扣方式，这种固定方式类似于磁共振扫描线圈的固定方式，这样的安装方式便于在术中需要用到手术机器人1时能够快速安装，并且在不需要用到手术机器人1时能够从CT、MRI设备上快速取下。应当理解的是，还可以采用诸如螺钉连接之类的其他的方式将机架支撑机构3安装在CT、MRI设备44的扫描床45上或者直接安装在CT、MRI设备44的扫描孔内，只要这种方式能够将手术机器人1固定即可。换句话说，机架支撑机构3被可拆卸地安装在CT、MRI设备的扫描床上或者直接安装在CT、MRI设备的扫描孔内。

针定位和引导机构4被固定在机架支撑机构3上，固定的方式例如可以采用螺钉。针穿刺机构5被固定在针定位和引导机构4上，固定的方式例如可以采用螺钉。应当理解，针定位和引导机构4与机架支撑机构3之间的固定，针穿刺机构5与针定位和引导机构4之间的固定还可以采用除了螺钉固定之外的其他方式，只要这种方式能够实现二者之间的固定即可。更具体地，可以以可拆卸的方式固定针定位和引导机构4与机架支撑机构3，并且可以以可拆卸的方式固定针穿刺机构5与针定位和引导机构4。

在本发明中，手术机器人1使用特殊的塑料和钛合金或其他非铁磁性材料来实现其结构强度、轻便性和CT、MR兼容性。

本发明实施例的手术机器人1有七个自由度，包括：1）X和Z两个方向的线性运动；2）三个旋转运动，即Y轴旋转，X轴旋转和Z轴旋转； 3）穿刺针2的穿刺和退回运动；4）穿刺针2内部机构的推出和回收运动。在本发明中，X轴、Y轴和Z轴方向如图中所示。

在手术机器人1的七个自由度中：机架支撑机构3能够实现其中一个自由度，即沿Z轴方向的线性运动，从而使手术机器人1可以沿Z轴以平行于扫描床的方向移动，例如可以沿扫描床滑进滑出CT、MRI设备的扫描孔；针定位和引导机构4能够实现其中四个自由度，即沿X轴方向的线性运动、Y轴旋转运动、X轴旋转运动和Z轴旋转运动，如此结合机架支撑机构3实现的沿Z轴方向的线性运动可以使穿刺针2能够移动到患者病灶区域附近选定的经皮穿刺点；针穿刺机构5能够实现两个自由度，即穿刺针2的穿刺和退回运动以及穿刺针2内部机构的推出和回收运动，使穿刺针2可以进行经皮穿刺到达病灶区域进行手术治疗，并且在需要的时候通过推出和回收穿刺针内的内部机构，例如射频消融针的消融电极、活检针的套管，达到相应的手术治疗、取样等目的。

简而言之，通过机架支撑机构3的运动使手术机器人1到达患者附近适合开始进行手术的区域，通过针定位和引导机构4的运动使穿刺针2达到患者病灶区域附近选定的经皮穿刺点，通过针穿刺机构5的运动实现穿刺针的穿刺过程，三个机构的协作实现CT、MRI影像引导下的穿刺手术功能。

接下来，详细描述机架支撑机构3、针定位和引导机构4和针穿刺机构5的结构。

机架支撑机构3

图4展示的是机架支撑机构3，机架支撑机构3用于承载和支撑针定位和引导机构4以及针穿刺机构5。机架支撑机构3可以自动在CT、MRI扫描床上平行移动。在本发明中，机架支撑机构3包括顶部平台6、两个侧面支撑结构7和两个平行安装在CT、MRI扫描床上的Z方向线性运动驱动装置8。

Z方向线性运动驱动装置8是第二线性运动驱动装置的示例，并且包括底座、设置于底座上的运动转换装置以及马达组合9。

底座例如可以沿着MRI扫描床的方向设置（在图中沿Z轴方向设置），并且被固定于CT、MRI扫描床上或者CT、MRI设备的扫描孔内。

运动转换装置能够使回转运动与直线运动彼此转换，并且包括相互配合的回转运动部分和直线运动部分；具体地，本发明中的运动转换装置例如可以是丝杠机构，其包括丝杠螺杆10和丝杠螺母11，并且还可以包括金属球、预压片、反向器、防尘器等，用于将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动，丝杠机构的具体结构为本领域的常规结构，在此不再赘述。在这种情况下，丝杠螺杆10为回转运动部分，并且丝杠螺母11为直线运动部分，以下以丝杠机构为例进行描述。应当理解的是，可以采用除了丝杠机构之外的其他运动转换装置，只要这种运动转换装置能够实现回转运动与直线运动的彼此转换即可。

马达组合9是马达和编码器的组合，用于旋转驱动运动转换装置的回转运动部分，从而将回转运动转换为直线运动部分的直线运动。

顶部平台6例如可以是平板状结构，并且被固定在侧面支撑结构7上，固定的方式可以是螺钉。侧面支撑结构7例如可以被设置成拱形，以连接顶部平台6和Z方向线性运动驱动装置8。

侧面支撑结构7与Z方向线性运动驱动装置8通过丝杠机构的一个或多个（例如，2个）丝杠螺母11进行连接，连接方式可以是通过螺钉。在马达组合9的驱动下，丝杠螺杆10可以带动侧面支撑结构7和顶部平台6沿Z轴方向进行线性运动，从而实现机架支撑机构3在扫描床上的平行移动。

在本发明中，设置2个丝杠螺母11是优选的，这样可以消隙，即消除丝杠螺母11与丝杠螺杆10之间的间隙，不仅能够使得顶部平台6、侧面支撑结构7和丝杠机构的运动更平稳，实现更高的运动精度，而且能够避免由于丝杠螺杆10加工精度问题导致的驱动困难。

也就是说，在本发明中，顶部平台6与Z方向线性运动驱动装置8经由侧面支撑结构7固定连接，并且Z方向线性运动驱动装置8被配置为线性驱动侧面支撑结构7。

在本发明中，机架支撑机构3被设计为拱形，可以避免造成患者负重，同时减少对CT、MRI扫描图像的影响。

另外，顶部平台6和侧面支撑结构7的表面设置了多个镂空的孔，作用是可以在保证材料硬度和结构强度的情况下，减轻自重、节省材料。此外，两个平行设置的Z方向线性运动驱动装置8的距离小于MRI设备扫描孔的直径，以便于手术机器人1移入和移出MRI设备，并且还要求整个机架支撑机构3能够穿过MRI设备的扫描孔。

优选的，在本发明中，丝杠机构的丝杠螺母11被设置为2个，侧面支撑结构7通过该2个丝杠螺母11与Z方向线性运动驱动装置8固定连接，并且该2个丝杠螺母11中心之间的距离被设置为与单个丝杠螺母11的螺纹长度相等。将丝杠螺母11设置为2个，与单个丝杠螺母11相比，能够使得顶部平台6和侧面支撑结构7更加稳定，而设置更多个丝杠螺母11的情况下，有可能导致由于丝杠螺杆10加工精度问题导致的驱动困难问题。另一方面，将2个丝杠螺母11中心之间的距离被设置为与单个丝杠螺母11的螺纹长度相等，不仅能够使得顶部平台6和侧面支撑结构7稳定而且能够避免由于丝杠螺杆10加工精度问题导致的驱动困难。

针定位和引导机构4

如图5和图6所示，针定位和引导机构4用于控制穿刺针2针尖的穿刺方向和穿刺位置（即穿刺路径）。针定位和引导机构4主要用于：1）将穿刺针2的位置和方向与病灶目标点和皮肤表面穿刺点的连线配准； 2）使穿刺针2的针尖沿连线向皮肤表面穿刺点方向移动，并在皮肤近距离（2至5毫米）位置停止。

针定位和引导机构4由四个关节装置组成，包括一个作为第一线性运动驱动装置的示例的X方向线性运动驱动装置12，三个旋转关节装置，即作为第一旋转关节装置的示例的Y轴旋转关节装置13，作为第二旋转关节装置的示例的X轴旋转关节装置14和作为第三旋转关节装置的示例的Z轴旋转关节装置15。

X方向线性运动驱动装置12与Z方向线性运动驱动装置8结构类似，包括运动转换装置以及马达组合17，运动转换装置包括丝杠螺杆18和丝杠螺母16。

X方向线性运动驱动装置12被固定安装在机架支撑机构3的顶部平台6上。Y轴旋转关节装置13被固定安装在X方向线性运动驱动装置12的两个丝杠螺母16上； X轴旋转关节装置14与Z轴旋转关节装置15可旋转地连接，X轴旋转关节装置14也与Y轴旋转关节装置13可旋转地连接。换句话说，在本发明中，X方向线性运动驱动装置12线性驱动Y轴旋转关节装置13，Y轴旋转关节装置13旋转驱动X轴旋转关节装置14，X轴旋转关节装置14旋转驱动Z轴旋转关节装置15，并且Z轴旋转关节装置15旋转驱动所述针穿刺机构5。

在工作时，在马达组合17的驱动下，丝杠螺杆18的旋转可以带动固定在两个丝杠螺母16上的Y轴旋转关节装置13沿X轴方向进行线性运动，从而实现针定位和引导机构4在机架支撑机构3的顶部平台6上沿X轴方向水平移动，以调节穿刺针2在X方向上的位置。

Y轴旋转关节装置13是一个由马达组合19驱动的带自锁功能蜗轮蜗杆机构20，自锁功能的好处是可以控制蜗轮蜗杆机构的旋转范围，使得穿刺针的操作更为稳定和安全。

X轴旋转关节装置14由U型支架21、带自锁功能的涡轮蜗杆机构22以及马达组合23组成。U型支架21的侧壁与涡轮蜗杆机构22固定连接，并且其底板与Y轴旋转关节装置13的蜗轮蜗杆机构20可旋转的连接。如此，X方向线性运动驱动装置12能够带动Y轴旋转关节装置13和X轴旋转关节装置14在X方向上运动，并且Y轴旋转关节装置13能够带动X轴旋转关节装置14在Y轴方向上旋转。

Z轴旋转关节装置15包括马达组合24、带自锁功能的蜗轮蜗杆机构25、底板26、底板26上的作为第一旋转轴的示例的X轴旋转轴27、作为第二旋转轴的示例的Z轴旋转轴28上的支撑块29。Z轴旋转关节装置15通过X轴旋转轴27可旋转地固定在U型支架21内部，从而通过U型支架21实现对Z轴旋转关节装置15的整体平稳支撑。底板26与X轴旋转轴27固定连接，以用于固定和支撑X轴旋转轴27。支撑块29与针穿刺机构5固定连接，以用于固定和支撑针穿刺机构5。

Z轴旋转关节装置15通过X轴旋转轴27可旋转地固定在U型支架21内部，从而进一步实现了Z轴旋转关节装置15在X轴方向上的转动，并且针穿刺机构5被固定于支撑块29，而支撑块29被设置于Z轴旋转轴28，进而实现了针穿刺机构5在Z轴方向上的转动。

也就是说，在本发明中，Z轴旋转关节装置15包括底板26以及底板26上的X轴旋转轴27，其中X轴旋转轴27能够旋转地固定在U型支架21内部，并且X轴旋转关节装置14旋转驱动X轴旋转轴27。

此外，Z轴旋转关节装置15还包括Z轴旋转轴28以及设置于Z轴旋转轴28的支撑块29，其中Z轴旋转关节装置15经由支撑块29与针穿刺机构5的底座连接。

在工作时，在马达组合19的驱动下，蜗轮蜗杆机构20可以带动X轴旋转关节装置14绕Y轴进行旋转运动，从而实现穿刺针2绕Y轴来回摆动，以调节穿刺针2的进针位置和角度。在马达组合23的驱动下，蜗轮蜗杆机构22可以带动X轴旋转轴27旋转，从而带动Z轴旋转关节装置15绕X轴进行旋转运动，从而实现穿刺针2绕X轴来回摆动，以调节穿刺针2的进针位置和角度。在马达组合24的驱动下，蜗轮蜗杆机构25可以带动Z轴旋转轴28旋转，从而带动固定在支撑块29上的针穿刺机构5绕Z轴进行旋转运动，从而实现穿刺针2绕Z轴来回摆动，以调节穿刺针2的进针位置和角度。

在本发明中，通过三个互相连接的旋转关节装置，实现了穿刺针2在X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向的旋转运动，从而能够准确地调整穿刺针2的进针位置和角度。

此外，在本发明中，采用蜗轮蜗杆机构来传递两交错轴之间的运动和动力，与丝杠结构相比，其所占据的空间小，便于小型化，能够实现在CT、MRI的扫描孔的狭小空间内进行手术操作。

另外，X方向线性运动驱动装置12、Y轴旋转关节装置13、X轴旋转关节装置14和Z轴旋转关节装置15均设计为模块化的机械结构，方便安装及维护。

针穿刺机构5

图7展示的是针穿刺机构5。针穿刺机构5由四个部分组成，即针驱动装置30、针固定装置31、针内部机构驱动装置32和夹持器40。

图8展示的是针驱动装置30。针驱动装置30用于驱动和控制穿刺针2的穿刺和退回，并且括底座35、设置于底座35上的运动转换装置以及用于驱动运动转换装置的马达组合34。

运动转换装置能够使回转运动与直线运动彼此转换，并且包括相互配合的回转运动部分和直线运动部分。在本发明中，运动转换装置例如可以是丝杠机构，并且包括作为回转运动部分的示例的丝杠螺杆33以及作为直线运动部分的示例的丝杠螺母37。

此外，本发明的针驱动装置30还可以包括可拆卸的柔性针引导装置36。可拆卸的柔性针引导装置36由持针器47和持针适配器48组成。持针适配器48固定在底座35上。持针器47与持针适配器48可旋转的连接。持针适配器48上设有多个预设孔49，持针器上设有一个销50，可以通过将销50固定在其中一个预设孔49中，手动预设持针器47相对于持针适配器48的方向，以调节柔性针的穿刺角度。持针器47通过针套51夹住并引导柔性针的尖端。

图9是针穿刺机构5的另一个实施例。它具有三个自由度。它与前一个实施例的区别在于增加了一个调节柔性针弯曲程度的自由度。可拆卸的柔性针引导装置36上安装一个马达组合53，通过马达组合53的旋转运动，带动可拆卸的柔性针引导装置36的旋转来调节柔性针的穿刺角度。

返回参考图7，可拆卸的柔性针引导装置36被设置于底座35上，底座35被固定在Z轴旋转关节装置15的支撑块29上。在使用柔性针的情况下，可以通过手动或者自动预设可拆卸的柔性针引导装置36的方向，调节穿刺针2的穿刺角度。应当理解，在使用刚性针的情况下，可以不安装可拆卸的柔性针引导装置35。

参考图10，针内部机构驱动装置32用于驱动和控制穿刺针2的内部机构（例如消融针的电极、活检针的套管等）的推出和回收。与针驱动装置30的结构类似，针内部机构驱动装置32括底座39、设置于底座39上的运动转换装置以及用于驱动运动转换装置的马达组合43。

运动转换装置能够使回转运动与直线运动彼此转换，并且包括相互配合的回转运动部分和直线运动部分。在本发明中，运动转换装置例如可以是丝杠机构，并且包括作为回转运动部分的示例的丝杠螺杆41以及作为直线运动部分的示例的丝杠螺母42。

参考图7和图11，针固定装置31用于固定穿刺针2，它是连接针驱动装置30和针内部机构驱动装置32的连接件。具体地，针固定装置31的一端可以安装在针驱动装置30的丝杠螺母37，并且另一端可以安装在针内部机构驱动装置32的底座上。在一个实施例中，针内部驱动机构32通过螺丝固定在针固定装置31的固定板38上，穿刺针2也被安装在针固定装置31的固定板38上，安装方式可以是通过卡扣。如此，在马达组合34驱动丝杠螺母37进行线性运动时，能够带动穿刺针2和针内部机构驱动装置32作为整体运动。

此外，夹持器40用于夹持穿刺针2的手柄52，并且被安装在带动针内部机构运动的丝杠螺母42上。换句话说，夹持器40一端用于夹持穿刺针2的手柄52以带动穿刺针2的内部机构的推出和回收，并且另一端与丝杠螺母42固定连接。

也就是说，本发明中的针驱动装置30和针内部机构驱动装置32均包括底座、设置于所述底座上的丝杠机构、针固定装置31以及夹持器40。

针固定装置31与穿刺针2固定连接，并且被配置为连接针驱动装置30的丝杠螺母37和针内部机构驱动装置32的底座。夹持器40被配置为夹持穿刺针2的手柄，并且与针内部机构驱动装置32的丝杠螺母42连接。

在工作时，在马达组合34的驱动下，丝杠螺杆33可以带动固定在丝杠螺母37上的针固定装置31进行线性运动，从而实现穿刺针2的穿刺和退回运动。在马达组合43的驱动下，丝杠螺杆41可以带动固定在丝杠螺母42上的夹持器40进行线性运动，从而实现穿刺针2内部机构的推出和退回运动。本发明的针穿刺机构5能够同时实现穿刺针2的穿刺和退回以及穿刺针2内部机构的推出和退回，不仅能够提供定位功能，而且还能提供完整的手术功能。此外，可拆卸的柔性针引导装置36的设置还允许手术机器人支持使用柔性针的手术。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种针穿刺机构(5)，其特征在于，所述针穿刺机构(5)包括针驱动装置(30)、针内部机构驱动装置(32)，其中所述针驱动装置(30)和所述针内部机构驱动装置(32)均包括底座、设置于所述底座上的运动转换装置，所述运动转换装置能够使回转运动与直线运动彼此转换，并且包括相互配合的回转运动部分(33，41)和直线运动部分(37，42)；所述针穿刺机构(5)还包括：针固定装置(31)，所述针固定装置(31)与穿刺针(2)固定连接，并且被配置为连接所述针驱动装置(30)的直线运动部分(37)和所述针内部机构驱动装置(32)的底座；以及夹持器(40)，所述夹持器(40)被配置为夹持所述穿刺针(2)的手柄，并且与所述针内部机构驱动装置(32)的直线运动部分(42)连接；

所述针穿刺机构(5)还包括：可拆卸的柔性针引导装置(36)，所述可拆卸的柔性针引导装置(36)被设置于所述针驱动装置(30)的底座(35)，并且能够调整所述穿刺针(2)的穿刺角度；

所述可拆卸的柔性针引导装置(36)包括持针器(47)和持针适配器(48)，所述持针适配器(48)固定在所述底座(35)上，所述持针器(47)与所述持针适配器(48)旋转连接，所述持针适配器(48)上设有多个预设孔(49)，所述持针器(47)上设有销(50)，所述销(50)能够被固定在所述预设孔(49)中，并且所述持针器(47)通过针套(51)夹住并引导穿刺针(2)的尖端。

2.根据权利要求1所述的针穿刺机构(5)，其特征在于，所述运动转换装置为丝杠机构，并且所述回转运动部分(33，41)为丝杠螺杆，所述直线运动部分(37，42)为丝杠螺母。

3.根据权利要求1所述的针穿刺机构，其特征在于，所述可拆卸的柔性针引导装置(36)设置有马达组合(53)，所述马达组合(53)被配置为带动所述可拆卸的柔性针引导装置(36)的旋转以调节所述穿刺针(2)的尖端。

4.一种穿刺手术机器人，其特征在于，所述穿刺手术机器人包括：根据权利要求1-3中任一项所述的针穿刺机构(5)；以及针定位和引导机构(4)，所述针定位和引导机构(4)包括第一线性运动驱动装置(12)、第一旋转关节装置(13)、第二旋转关节装置(14)和第三旋转关节装置(15)，其中所述第一线性运动驱动装置(12)线性驱动所述第一旋转关节装置(13)，所述第一旋转关节装置(13)旋转驱动所述第二旋转关节装置(14)，所述第二旋转关节装置(14)旋转驱动所述第三旋转关节装置(15)，并且所述第三旋转关节装置(15)旋转驱动所述针穿刺机构(5)；

所述第一旋转关节装置(13)、所述第二旋转关节装置(14)和所述第三旋转关节装置(15)中的每个传动装置为马达组合驱动的蜗轮蜗杆机构；

所述第二旋转关节装置(14)包括U型支架(21)，所述U型支架(21)的底板与所述第一旋转关节装置(13)旋转连接；所述第三旋转关节装置(15)包括底板(26)以及底板(26)上的第一旋转轴(27)，其中所述第一旋转轴(27)能够旋转地固定在所述U型支架(21)内部，并且所述第二旋转关节装置(14)旋转驱动所述第一旋转轴(27)；

所述第三旋转关节装置(15)还包括第二旋转轴(28)以及设置于所述第二旋转轴(28)的支撑块(29)，其中所述第三旋转关节装置(15)经由所述支撑块(29)与所述针穿刺机构(5)的底座连接。

5.根据权利要求4所述的穿刺手术机器人，其特征在于，所述蜗轮蜗杆机构具有自锁功能。

6.根据权利要求4所述的穿刺手术机器人，其特征在于，所述穿刺手术机器人还包括机架支撑机构(3)，所述机架支撑机构(3)包括顶部平台(6)、侧面支撑结构(7)和第二线性运动驱动装置(8)，其中，所述顶部平台(6)与所述第二线性运动驱动装置(8)经由所述侧面支撑结构(7)固定连接，并且所述第二线性运动驱动装置(8)被配置为线性驱动所述侧面支撑结构(7)。

7.根据权利要求6所述的穿刺手术机器人，其特征在于，所述侧面支撑结构(7)被设置为拱形。

8.根据权利要求6所述的穿刺手术机器人，其特征在于，所述顶部平台(6)和所述侧面支撑结构(7)的表面设置有多个镂空的孔。

9.根据权利要求6所述的穿刺手术机器人，其特征在于，所述第一线性运动驱动装置(12)和所述第二线性运动驱动装置(8)为丝杠机构，并且包括丝杠螺杆和丝杠螺母，其中所述丝杠螺母的数量为2。

10.根据权利要求4-9中任一项所述的穿刺手术机器人，其特征在于，所述手术机器人(1)使用塑料、钛合金或其他非铁磁性材料制成，所述马达组合为磁共振兼容的马达组合。

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