CN113633380B - 一种穿刺手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿刺手术机器人，包括支撑外框，支撑外框用于罩放在患者上侧；升降驱动组件设置在支撑外框内部；伸出水平驱动组件安装在升降驱动组件上；横移驱动组件安装在伸出水平驱动组件上；伸出臂设置在横移驱动组件的下侧，伸出臂的一端从支撑外框的一端伸出并在伸出端安装有旋转头，旋转头上安装有手术部，手术部上可拆卸安装有沿着手术部进行升降滑动的穿刺针，伸出臂上安装有用于驱动旋转头转动的第一电机、用于驱动手术部相对于旋转头进行转摆的第二电机和用于驱动穿刺针进行滑动的第三电机。本发明服务于CT引导下的肿瘤介入式手术，可以随着患者进入CT扫描环境，无伪影干扰成像，利于提升导航定位速度和精准度。

Description

一种穿刺手术机器人

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，具体为一种穿刺手术机器人。

背景技术

目前，局部热消融术作为一种微创技术，目前已应用于早期肺癌的治疗，年治疗患者数目迅速增加。肺部转移瘤在临床上十分常见，是所有肿瘤转移的第二器官，目前已证实，经皮热消融也可以有效地治疗肺部转移瘤。而现在的皮热消融手术往往需要在CT引导下进行，但是现在缺乏疗效评估标准，医生看不见穿刺针和消融针的实时影像，需要反复/多次进行CT照射，针对这些问题，现在的解决方案是使用穿刺手术机器人，如XACT穿刺手术机器人，但是其定位导航需医生手动完成且精度有限，整体机构的稳定性和安全性不足无法应对术中复杂场景；国内其他的机械臂手术机器人方案，其设备又无法随病患进入CT环内平扫，而且产生的伪影干扰成像较大，往往需要凭借额外的视觉系统进行导航定位，精度难以得到保障，给手术带来很多不便。

发明内容

本发明提供了一种穿刺手术机器人，服务于CT引导下的肿瘤介入式手术，可以随着患者进入CT扫描环境，无伪影干扰成像，利于提升导航定位速度和精准度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种穿刺手术机器人，包括：支撑外框，所述的支撑外框用于罩放在患者上侧；

升降驱动组件，设置在支撑外框内部；

伸出水平驱动组件，安装在升降驱动组件上，由升降驱动组件驱动进行升降；

横移驱动组件，安装在伸出水平驱动组件上；

伸出臂，设置在横移驱动组件的下侧，所述的伸出臂在伸出水平驱动组件和横移驱动组件的带动下进行伸出和横移；

所述的伸出臂的一端从支撑外框的一端伸出并在伸出端安装有旋转头，所述的旋转头上安装有手术部，所述的手术部上可拆卸安装有沿着手术部进行升降滑动的穿刺针，所述的伸出臂上安装有用于驱动旋转头转动的第一电机、用于驱动手术部相对于旋转头进行转摆的第二电机和用于驱动穿刺针进行滑动的第三电机。

作为补充，所述的支撑外框的顶面和侧面上均设置有透光部。

作为优选，所述的升降驱动组件包括安装在支撑外框的侧面内的导向立柱，同侧的导向立柱之间连接有沿着导向立柱进行升降的升降横梁，所述的升降横梁的两端之间连接有连接横梁，所述的升降横梁的两端均竖向穿过设置有升降丝杆，所述的升降丝杆的下端与安装在支撑外框侧面内侧的升降电机相连。

作为优选，所述的伸出水平驱动组件包括安装在升降横梁内侧的水平滑轨和设置在两侧的水平滑轨之间滑动的至少一根平移横梁，所述的伸出臂安装在平移横梁的下侧，所述的连接横梁的上侧之间架设有伸出驱动丝杆，所述的平移横梁与伸出驱动丝杆相连，所述的伸出驱动丝杆上安装有伸出驱动电机，带动平移横梁和伸出臂同步平移。

作为优选，所述的横移驱动组件包括安装在平移横梁上滑动的导向滑块，所述的伸出臂从导向滑块中穿过，其中一根平移横梁上的导向滑块上安装有横移电机，所述的横移电机中穿过设置有两端与平移横梁两端相连的横移丝杆。

作为优选，所述的第一电机安装在伸出臂的尾端端部，其通过伸出臂内部的转杆与旋转头相连。

作为优选，所述的手术部内竖向安装有穿刺滑轨，所述的穿刺滑轨上滑动设置有穿刺滑块，所述的穿刺滑块与手术部前侧的穿刺针夹紧装置相连，所述的手术部内部设置有驱动穿刺滑块滑动的带传动组件。

作为优选，所述的第二电机和第三电机分别设置在伸出臂的尾端两侧，所述的手术部的两侧分别通过第一转动连接件和第二转动连接件与旋转头相连，其中第二转动连接件与手术部内部的带传动组件相连，第二转动连接件转动带动穿刺滑块进行滑动，所述的第二电机和第三电机分别通过伸出臂内部的轴向传动带组件与第一转动连接件和第二转动连接件相连。

作为优选，所述的穿刺针夹紧装置上安装有第一夹紧螺钉，所述的穿刺针嵌入到夹紧装置中并由第一夹紧螺钉夹紧，所述的夹紧装置上还安装有一水平横杆，所述的水平横杆的两端安装有标定球。

作为优选，所述的手术部的下端安装有可拆卸的穿刺导向套，所述的穿刺针从穿刺导向套中穿过，所述的手术部的前端安装有将穿刺导向套夹紧固定的第二夹紧螺钉。

作为优选，所述的支撑外框的上侧靠近手术部的位置安装有视觉模块。

作为优选，所述的伸出臂的外壳采用透光材料制成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

整体体积小，可以放置在CT机的床板上，可以随着患者进入CT扫描环境，伸出臂和支撑外框上采用透明材料，无伪影干扰成像，采用六自由度三轴位移与三向旋转驱动的方案，利于提升导航定位速度和精准度，装置操作简单，利于医生第一时间上手，具有很好的推广价值。

附图说明

图1为本发明的整体立体结构图；

图2为本发明的内部驱动机构的连接示意图；

图3为本发明的底部局部结构示意图；

图4为本发明的手术部的内部结构立体示意图；

图5为本发明的手术部的内部结构主视示意图；

图6为本发明的手术部的外部结构立体图；

图7为本发明的使用状态示意图。

附图标记：

1、支撑外框，11、透光部，12、视觉模块，13、导向立柱，14、连接横梁，2、手术部，21、穿刺针夹紧装置，210、顶部传动轮，211、导向传动轮，212、输入传动轮，213、过渡传动轮，214、第一转动连接件，22、标定球，23、第一夹紧螺钉，24、穿刺针，25、穿刺导向套，26、第二转动连接件，27、穿刺滑轨，28、穿刺滑块，29、带传动组件，4、伸出臂，41、外壳，42、旋转头，43、第二电机，44、第一电机，45、第三电机，47、转杆，48、轴向传动带组件，5、升降驱动组件，51、升降电机，52、升降丝杆，53、升降横梁，54、同步传动带，55、同步带轮，6、横移驱动组件，61、横移电机，62、横移丝杆，63，导向滑块，7、伸出水平驱动组件，71、水平滑轨，72、平移横梁，73、伸出驱动电机，74、伸出驱动丝杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-7所示，本发明提供为实现上述目的，本发明提供如下实施例：一种穿刺手术机器人，包括：支撑外框1，所述的支撑外框1用于罩放在患者上侧，支撑外框1具有顶面和两侧的侧面，患者平躺在CT机的床板上，再将支撑外框1罩在患者上，床板可以进行滑动，患者和穿刺手术机器人随着床板进行移动，将穿刺手术机器人的伸出臂4前伸部分和患者病患部位送入到CT机中一起进行平扫；

在支撑外框1的内部升降驱动组件5，伸出水平驱动组件7安装在升降驱动组件5上，由升降驱动组件5驱动进行升降；横移驱动组件6安装在伸出水平驱动组件7上，可见，通过升降驱动组件5上可以带动伸出水平驱动组件7和横移驱动组件6进行整体升降，而升降驱动组件5的升降并不会影响水平驱动组件7和横移驱动组件6各自的动作；

伸出臂4作为本专利的主要部件，设置在横移驱动组件6的下侧，所述的伸出臂4在伸出水平驱动组件7和横移驱动组件6的带动下进行伸出和横移，其中，所述的伸出臂4的一端从支撑外框1的一端伸出并在伸出端安装有旋转头42，所述的旋转头42上安装有手术部2，所述的手术部2上可拆卸安装有沿着手术部2进行升降滑动的穿刺针24，所述的伸出臂4上安装有用于驱动旋转头42转动的第一电机44、用于驱动手术部2相对于旋转头42进行转摆的第二电机43和用于驱动穿刺针24进行滑动的第三电机45，伸出水平驱动组件7、横移驱动组件6和升降驱动组件5可以驱动手术部2准确地定位移动到指定位置，再通过第一电机44、第二电机43和第三电机45的运行，来调整准确的进针方向和进针的距离，从而实现穿刺针24的六自由度三轴位移和三向旋转驱动，满足在患者身上各个位置的进针需要。

在本实施例中，如图1所示，所述的支撑外框1的顶面和侧面上均设置有透光部11，透光部11的面积占用了支撑外框1的顶面和侧面上大部分的面积，使CT扫描可以无阻碍地透过支撑外框1，对穿刺手术机器人进行精确地引导。

在本实施例中，如图2所示，所述的升降驱动组件5包括安装在支撑外框1的侧面内的导向立柱13，同侧的导向立柱13之间连接有沿着导向立柱13进行升降的升降横梁53，所述的升降横梁53的两端之间连接有连接横梁14，所述的升降横梁53的两端均竖向穿过设置有升降丝杆52，所述的升降丝杆52的下端与安装在支撑外框1侧面内侧的升降电机51相连，通过四个升降电机51的同步运动可以带动升降丝杆52同步转动，从而实现升降横梁53和连接横梁14组成的升降框进行稳定地升降，而为了进一步的提高同步性，可以在升降丝杆52的顶部安装同步带轮55，升降横梁53两端的同步带轮55之间通过同步传动带54进行连接，保证升降丝杆52可以同步转动。

在本实例中，如图2所示，所述的伸出水平驱动组件7包括安装在升降横梁53内侧的水平滑轨71和设置在两侧的水平滑轨71之间滑动的至少一根平移横梁72，所述的伸出臂4安装在平移横梁72的下侧，其中平移横梁72可以是一个，也可以是两个或者更多，可以根据需要进行增减，在本实施例中，优选为两个平移横梁72，一个平移横梁72与伸出臂4的尾部相连，另一个与伸出臂4的中部相连，所述的连接横梁14的上侧之间架设有伸出驱动丝杆74，所述的平移横梁72均与伸出驱动丝杆74相连，这两个平移横梁72之间的相对距离是一定的，所述的伸出驱动丝杆74上安装有伸出驱动电机73，带动平移横梁72和伸出臂4同步平移，其中一个平移横梁72可以采用伸出驱动电机73与伸出驱动丝杆74相连，伸出驱动丝杆74从伸出驱动电机73中穿过，而伸出驱动丝杆74自身不会转动，通过伸出驱动电机73的工作可以使伸出驱动电机73自身沿着伸出驱动丝杆74进行移动，从而实现平移横梁72的平移，这样结构比较紧凑，而且伸出驱动丝杆74不转动会更加安全。

在本实施例中，也可以采用伸出驱动电机73带动伸出驱动丝杆74进行转动，而平移横梁72与伸出驱动丝杆74之间均采用丝杆螺母相连，通过伸出驱动丝杆74的转动带动平移横梁72进行移动。

在本实施例中，如图2所示，所述的横移驱动组件6包括安装在平移横梁72上滑动的导向滑块63，所述的伸出臂4从导向滑块63中穿过，其中一根平移横梁72上的导向滑块63上安装有横移电机61，所述的横移电机61中穿过设置有两端与平移横梁72两端相连的横移丝杆62，通过横移电机61的工作使横移电机61与导向滑块63一起滑动，带动整个伸出臂4进行平移，也就是相对于患者进行左右移动。

在本实施例中，如图3所示，所述的第一电机44安装在伸出臂4的尾端端部，其通过伸出臂4内部的转杆47与旋转头42相连，转杆47与伸出臂4的外壳41之间留有空间，所述的伸出臂4的外壳41采用透光材料制成，第一电机44安装在尾端端部有利于避免对CT扫描进行遮挡，结构更加合理。

在本实施例中，如图4-5所示，所述的手术部2内竖向安装有穿刺滑轨27，所述的穿刺滑轨27上滑动设置有穿刺滑块28，所述的穿刺滑块28与手术部2前侧的穿刺针夹紧装置21相连，所述的手术部2内部设置有驱动穿刺滑块28滑动的带传动组件29，带传动组件29由若干个传动轮和传动轮之间的传动带组成，其中至少包括位于手术部2顶部的顶部传动轮210、设置在手术部2下部的输入传动轮212以及若干个导向传动轮211，使顶部传动轮210与导向传动轮211之间的传动带为竖直状态，该竖直状态的传动带与穿刺滑块28相连，可以带动穿刺滑块28进行滑动。

在本实施例中，如图3-6所示，所述的第二电机43和第三电机45分别设置在伸出臂4的尾端两侧，尽量避免了对CT扫描的遮挡，所述的手术部2的两侧分别通过第一转动连接件214和第二转动连接件26与旋转头42相连，为了使手术部2转动稳定，第一转动连接件214和第二转动连接件26为同心设置，其中第二转动连接件26与手术部2内部的带传动组件29相连，具体来说，第二转动连接件26与带传动组件29中的输入传动轮212相连，第二转动连接件26转动带动穿刺滑块28进行滑动，所述的第二电机43和第三电机45分别通过伸出臂4内部的轴向传动带组件48与第一转动连接件214和第二转动连接件26相连，为了使第二电机43和第三电机45与第一转动连接件214和第二转动连接件26之间的传动保持直线，可以在轴向传动带组件48中设置有过渡传动轮213，过渡传动轮213为两个并排设置的传动轮，位于内侧的传动轮通过传动带连接分别第二电机43或第三电机45，位于外侧的传动轮分别连接第一转动连接件214和第二转动连接件26。

在本实施例中，如图4所示，所述的穿刺针夹紧装置21上安装有第一夹紧螺钉23，所述的穿刺针24嵌入到夹紧装置21中并由第一夹紧螺钉23夹紧，方便穿刺针24的快速安装夹持，所述的夹紧装置21上还安装有一水平横杆，所述的水平横杆的两端安装有标定球22，在手术部2的前侧设置有刻度线，水平横杆方便快速对准刻度线，而标定球22方便三维坐标系的检测定位。

在本实施例中，如图6-7所示，所述的手术部2的下端安装有可拆卸的穿刺导向套25，所述的穿刺针24从穿刺导向套25中穿过，所述的手术部2的前端安装有将穿刺导向套25夹紧固定的第二夹紧螺钉，通过穿刺导向套25可以对穿刺针24的运动进行导向，不但可以对穿刺针24的保护，也可以提高穿刺的准确性，而不同的穿刺针24可以更换不同的穿刺导向套25，第二夹紧螺钉可以使穿刺导向套25可以快速更换。

在本实施例中，如图1所示，所述的支撑外框1的上侧靠近手术部2的位置安装有视觉模块12，本装置由闭环增量式编码器控制的电机驱动，可实时得到针尖所在点的三维空间坐标，并根据术前CT影像内的坐标转换进行导航定位至目标靶点的位移动作，各个电机连接上位机进行数据传输驱动，同时视觉模块12反馈深度信息和病患体表的呼吸波动周期信息，由上位机计算拟合得到呼吸周期曲线，指导医生在合适区间内驱动穿刺手术动作。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后......)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种穿刺手术机器人，其特征在于，包括：

支撑外框（1），所述的支撑外框（1）用于罩放在患者上侧；

升降驱动组件（5），设置在支撑外框（1）内部；

伸出水平驱动组件（7），安装在升降驱动组件（5）上，由升降驱动组件（5）驱动进行升降；

横移驱动组件（6），安装在伸出水平驱动组件（7）上；

伸出臂（4），设置在横移驱动组件（6）的下侧，所述的伸出臂（4）在伸出水平驱动组件（7）和横移驱动组件（6）的带动下进行伸出和横移；

所述的伸出臂（4）的一端从支撑外框（1）的一端伸出并在伸出端安装有旋转头（42），所述的旋转头（42）上安装有手术部（2），所述的手术部（2）上可拆卸安装有沿着手术部（2）进行升降滑动的穿刺针（24），所述的伸出臂（4）上安装有用于驱动旋转头（42）转动的第一电机（44）、用于驱动手术部（2）相对于旋转头（42）进行转摆的第二电机（43）和用于驱动穿刺针（24）进行滑动的第三电机（45）；

所述的第一电机（44）安装在伸出臂（4）的尾端端部，其通过伸出臂（4）内部的转杆（47）与旋转头（42）相连；

所述的手术部（2）内竖向安装有穿刺滑轨（27），所述的穿刺滑轨（27）上滑动设置有穿刺滑块（28），所述的穿刺滑块（28）与手术部（2）前侧的穿刺针夹紧装置（21）相连，所述的手术部（2）内部设置有驱动穿刺滑块（28）滑动的带传动组件（29）；

所述的第二电机（43）和第三电机（45）分别设置在伸出臂（4）的尾端两侧，所述的手术部（2）的两侧分别通过第一转动连接件（214）和第二转动连接件（26）与旋转头（42）相连，其中第二转动连接件（26）与手术部（2）内部的带传动组件（29）相连，第二转动连接件（26）转动带动穿刺滑块（28）进行滑动，所述的第二电机（43）和第三电机（45）分别通过伸出臂（4）内部的轴向传动带组件（48）与第一转动连接件（214）和第二转动连接件（26）相连。

2.根据权利要求1所述的穿刺手术机器人，其特征在于：所述的支撑外框（1）的顶面和侧面上均设置有透光部（11）。

3.根据权利要求1所述的穿刺手术机器人，其特征在于：所述的升降驱动组件（5）包括安装在支撑外框（1）的侧面内的导向立柱（13），同侧的导向立柱（13）之间连接有沿着导向立柱（13）进行升降的升降横梁（53），所述的升降横梁（53）的两端之间连接有连接横梁（14），所述的升降横梁（53）的两端均竖向穿过设置有升降丝杆（52），所述的升降丝杆（52）的下端与安装在支撑外框（1）侧面内侧的升降电机（51）相连。

4.根据权利要求3所述的穿刺手术机器人，其特征在于：所述的伸出水平驱动组件（7）包括安装在升降横梁（53）内侧的水平滑轨（71）和设置在两侧的水平滑轨（71）之间滑动的至少一根平移横梁（72），所述的伸出臂（4）安装在平移横梁（72）的下侧，所述的连接横梁（14）的上侧之间架设有伸出驱动丝杆（74），所述的平移横梁（72）与伸出驱动丝杆（74）相连，所述的伸出驱动丝杆（74）上安装有伸出驱动电机（73），带动平移横梁（72）和伸出臂（4）同步平移。

5.根据权利要求4所述的穿刺手术机器人，其特征在于：所述的横移驱动组件（6）包括安装在平移横梁（72）上滑动的导向滑块（63），所述的伸出臂（4）从导向滑块（63）中穿过，其中一根平移横梁（72）上的导向滑块（63）上安装有横移电机（61），所述的横移电机（61）中穿过设置有两端与平移横梁（72）两端相连的横移丝杆（62）。

6.根据权利要求4所述的穿刺手术机器人，其特征在于：所述的穿刺针夹紧装置（21）上安装有第一夹紧螺钉（23），所述的穿刺针（24）嵌入到夹紧装置（21）中并由第一夹紧螺钉（23）夹紧，所述的夹紧装置（21）上还安装有一水平横杆，所述的水平横杆的两端安装有标定球（22）。

7.根据权利要求4所述的穿刺手术机器人，其特征在于：所述的手术部（2）的下端安装有可拆卸的穿刺导向套（25），所述的穿刺针（24）从穿刺导向套（25）中穿过，所述的手术部（2）的前端安装有将穿刺导向套（25）夹紧固定的第二夹紧螺钉。

8.根据权利要求1所述的穿刺手术机器人，其特征在于：所述的支撑外框（1）的上侧靠近手术部（2）的位置安装有视觉模块（12）。

9.根据权利要求1所述的穿刺手术机器人，其特征在于：所述的伸出臂（4）的外壳（41）采用透光材料制成。