CN113952007A - 一种精准空间定位穿刺设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种精准空间定位穿刺设备，由四轴复合运动的定位穿刺机构和用于安装所述定位穿刺机构的安装机构组成，所述定位穿刺机构由弧形臂、俯仰机构、偏转机构和移动机构组成；所述弧形臂两端铰接在所述安装机构上，所述俯仰机构驱动连接所述弧形臂和安装机构，所述偏转机构滑动设置在所述弧形臂上，所述移动机构滑动设置在所述偏转机构的下部，所述移动机构上安装有往复移动的持针器。本发明通过采用四轴联动实现无盲区穿刺，能够针对复杂、遮挡的目标部位实施精准穿刺；同时，本发明通过创造性的增设俯仰机构能够实现在几乎可以忽略的误差情况下进行俯仰定位，克服了因弧形臂尺寸大而放大误差，导致定位精度降低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及外科手术器械领域，尤其涉及用于外科手术穿刺的装置，具体涉及一种精准空间定位穿刺设备。
背景技术
穿刺活检是骨与软组织肿瘤获取组织病理诊断的主要方法。骨与软组织肿瘤是严重危害人类健康及生命的疾病，近年来发病率逐渐上升，且发病年龄逐渐下降，早期发现、正确的诊断、及时治疗对预后有重要的影响。随着检查手段及方法的不断提高，使诊断的正确率逐渐提高，但仍有很大一部分肿瘤不具备典型的影像学特点，诊断困难。正确的诊断需要临床、影像及病理三结合。其中，病理诊断对治疗方案的选择起着关键作用。穿刺活检是获取病理诊断的主要途径。然而，活检前应像制定手术方案一样高度重视，周密计划。因为这是肿瘤治疗的开始，是至关重要的第一步，不正确的活检会给患者带来灾难性的后果。因此活检术的关键在于穿刺的准确性，现有技术中最为常见的还是通过CT、PET-CT、MRI等手段获取患者患部的影像，然后通过影像确定穿刺部位及方向，已获得目标组织。由于穿刺的准确性对于穿刺活检起着至关重要的作用，因此穿刺的穿刺点和穿刺角度是最为重要的。针对特殊的部位，如骨质、血管、脏器密布的区域，穿刺的难度极高，这对于精准穿刺提出了极大的挑战。
通过穿刺也可以进行多种微创治疗，例如微波消融、射频消融、粒子植入等。穿刺治疗有着创伤小、恢复快、疗效好的特点，近年来被越来越多的医疗机构广泛开展。但各类微创治疗均要求术者将治疗作用源精准地穿刺到特定肿瘤位置，有着较高的精度要求。失准的穿刺可能导致肿瘤靶区消融不净，严重影响疗效，也有可能导致穿刺针误穿血管等危及器官致使术中风险。
因此，为了提高活检及微创治疗穿刺的精准性，需要一种能够降低甚至消除穿刺偏差的装置，以避免甚至杜绝多次穿刺甚至因穿刺偏差造成的事故。针对穿刺精度的提高是本领域研发工程师不懈努力和追求的方向。
发明内容
为了解决现有技术在精准穿刺手术中存在的偏差问题，本申请提供一种精准空间定位穿刺设备，用于配合现有CT、PET-CT、MRI等手段精准穿刺获取患者患部的组织。
为了达到上述目的，本申请所采用的技术方案为：
一种精准空间定位穿刺设备，由四轴复合运动的定位穿刺机构和用于安装所述定位穿刺机构的安装机构组成，所述定位穿刺机构由弧形臂、俯仰机构、偏转机构和移动机构组成；
所述弧形臂两端铰接在所述安装机构上，所述俯仰机构驱动连接所述弧形臂和安装机构，所述偏转机构滑动设置在所述弧形臂上，所述移动机构滑动设置在所述偏转机构的下部，所述移动机构上安装有往复移动的持针器，所述持针器上具有至少一个持针座。
工作原理及功能介绍：
安装机构的作用是用于支撑整个穿刺设备，并作为穿刺设备在工作期间起到稳固作用的实体结构，安装的方式可采用吊式、立式、侧式安装。安装结构的设置可以根据实际安装环境而决定。弧形臂为穿刺角度调整的主体支撑结构，通过俯仰机构的驱动使得弧形臂能够绕弧形臂与安装机构的铰接轴转动，实现俯仰角度的调节，此为第一轴的位置/角度调节。所述偏转机构滑动设置在弧形臂上，能够在有效的滑动形成内实现往复的弧形滑动，从而实现在某一俯仰平面内实现角度调节，此为第二轴的位置/角度调节。所述移动机构滑动安装在偏转机构上，能够实现水平往复滑移，此为第三轴位置调节。所述移动机构上滑动安装的持针器，持针器能够带动穿刺针沿移动机构往复滑移，实现穿刺针位置的改变，此为第四轴位置改变。通过上述四轴复合运动，能够实现空间内的任一穿刺角度的实现，从而有效避开穿刺的障碍点。
作为优选结构设计，同时亦是本申请的两点技术之一，所述俯仰机构包括固定安装在安装机构上的第二齿条和安装在所述弧形臂上的第二伺服电机，所述第二伺服电机通过第二驱动齿轮与所述第二齿条驱动连接；安装所述第二齿条所在平面与所述弧形臂所在平面垂直。穿刺设备最关键的是在于穿刺的精准，当需要进行俯仰调节时，若采用常规的铰接轴进行驱动对于持针器而言具有误差的放大作用，即由于持针器作为最终安装穿刺针的结构，其空间位置受移动机构、偏转机构和弧形臂尺寸和滑动位置的影响，且弧形臂本身的尺寸较大，通常直径大于一米，若采用弧形臂与安装机构铰接的轴作为驱动，那么驱动机构需要匹配非常大的减速比，从而实现大扭矩的俯仰驱动需求，然而整个驱动过程中参与的结构越多，引入的误差将会越大，最后通过大尺寸的弧形臂相当于利用杠杆原理进一步放大了误差。具体地，
设采用现有的铰接轴驱动方式引入的驱动误差偏转角为0.01度，弧形臂的半径为700mm，那么体现在弧形臂上的线性误差为L0=2*π*700*0.01/360=0.0389mm，也就是说，采用现有技术若减速驱动机构引入的总误差角度为0.01度，则产生在弧形臂的线性移动误差为0.0389πmm。
本申请中若综合引入的总误差角度仍然为0.01度，体现在第二驱动轮上，第二驱动轮的直径通常控制在30mm内，按照最大半径15mm计算，那么通过与第二齿条的啮合驱动产生的线性误差L2=2*π*15*0.01/360=8.3*10-4πmm，也就是说，假定采用相同的误差引入，采用相同的驱动机构，那么实际体现在弧形臂上的误差现有技术将比本情形高46.87倍，故而采用上述俯仰机构能够大大的减小误差引入，提升俯仰方向的穿刺精度。
为了进一步优选地，所述弧形臂上固定安装有第二滑轨和弧形齿条，所述偏转机构滑动安装在所述第二滑轨上，偏转机构包括第一支架，安装在第一支架上的第三伺服电机，用于夹持所述第二滑轨的多个滚轮和用于安装所述移动机构的第三滑轨，所述第一支架上位于第三滑轨两端的位置还分别设置有通过第一防滑皮带连接的第四伺服电机和第一从动转轮。
在进一步优选，所述偏转机构还包括固定连接所述第一防滑皮带并滑动连接在第三滑轨上的第一卡座，所述第一卡座下部固定连接有所述移动机构；
所述移动机构包括第二支架，固定安装在第二支架上的第四滑轨，以及分别设置于第二支架上位于第四滑轨两端头位置的第五伺服电机和第二从动转轮，所述第二从动转轮通过第二防滑皮带与第五伺服电机驱动连接，所述第二防滑皮带还固定连接有第二卡座，所述第二卡座滑动连接在第四滑轨上，所述第二卡座安装有所述持针器。
优选地，所述安装机构包括与所述弧形臂铰接的安装座，所述安装座上端可拆卸固定连接有安装板，所述安装板下表面设置有滑座，所述滑座滑动连接有平行设置在安装板下方两侧的第一滑轨，任一所述第一滑轨均安装在安装轨上，所述安装板下表面还固定安装有用于驱动所述安装座沿所述第一滑轨往复运动的第一伺服电机，所述第一伺服电机通过第一驱动齿轮与固定安装在所述安装轨上的第一齿条啮合驱动。
优选地，所述弧形臂采用半圆设置，弧形臂与所述安装座铰接点所在轴线与所述弧形臂的直径重合。
有益效果
本发明通过采用四轴联动实现无盲区穿刺，能够针对复杂、遮挡的目标部位实施精准穿刺；同时，本发明通过创造性的增设俯仰机构能够实现在几乎可以忽略的误差情况下进行俯仰定位，克服了因弧形臂尺寸大而放大误差，导致定位精度降低的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请的后视图。
图2是本申请的左视图。
图3是本申请的轴测图。
图4是图3中A区结构放大图。
图5是移动机构轴测图。
图6是图3的反向视觉轴测图。
图7是图6中B区结构放大图。
图8是图6中C区结构放大图。
图9是本申请另一视觉轴测图。
图中：1-安装机构；11-安装座；12-安装板；13-安装轨；14-第一伺服电机；15-第一驱动齿轮；16-第一齿条；17-第一滑轨；
2-弧形臂；21-第二滑轨；3-俯仰机构；31-第二齿条；32-第二伺服电机；33-第二驱动齿轮；
4-偏转机构；41-第一支架；42-滚轮；43-第三伺服电机；44-第四伺服电机；45-第一防滑皮带；46-第一从动转轮；47-第一卡座；48-第三滑轨；
5-移动机构；51-第二支架；52-第四滑轨；53-第二卡座；54-持针器；55-第五伺服电机；56-第二从动转轮；57-第二防滑皮带。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，本申请的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，本申请的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
实施例1：
结合说明书附图1-图4所示的一种精准空间定位穿刺设备，由四轴复合运动的定位穿刺机构和用于安装所述定位穿刺机构的安装机构组成，所述定位穿刺机构由弧形臂2、俯仰机构3、偏转机构4和移动机构5组成；
所述弧形臂2两端铰接在所述安装机构1上，所述俯仰机构3驱动连接所述弧形臂2和安装机构1，所述偏转机构4滑动设置在所述弧形臂2上，所述移动机构5滑动设置在所述偏转机构4的下部，所述移动机构5上安装有往复移动的持针器54，所述持针器54上具有至少一个持针座。所述弧形臂2采用半圆设置，弧形臂2与所述安装座11铰接点所在轴线与所述弧形臂2的直径重合。
工作原理及功能介绍：
安装机构1的作用是用于支撑整个穿刺设备，并作为穿刺设备在工作期间起到稳固作用的实体结构，安装的方式可采用吊式、立式、侧式安装。安装结构的设置可以根据实际安装环境而决定。弧形臂2为穿刺角度调整的主体支撑结构，通过俯仰机构3的驱动使得弧形臂2能够绕弧形臂2与安装机构1的铰接轴转动，实现俯仰角度的调节，此为第一轴的位置/角度调节。所述偏转机构4滑动设置在弧形臂2上，能够在有效的滑动形成内实现往复的弧形滑动，从而实现在某一俯仰平面内实现角度调节，此为第二轴的位置/角度调节。所述移动机构5滑动安装在偏转机构4上，能够实现水平往复滑移，此为第三轴位置调节。所述移动机构5上滑动安装的持针器54，持针器54能够带动穿刺针沿移动机构5往复滑移，实现穿刺针位置的改变，此为第四轴位置改变。通过上述四轴复合运动，能够实现空间内的任一穿刺角度的实现，从而有效避开穿刺的障碍点。
实施例2：
本实施例是在实施例1的结构及原理工作上针对俯仰机构3进行进一步的细化设计，同时亦是本申请的两点技术之一，具体地，所述俯仰机构3包括固定安装在安装机构1上的第二齿条31和安装在所述弧形臂2上的第二伺服电机32，所述第二伺服电机32通过第二驱动齿轮33与所述第二齿条31驱动连接；安装所述第二齿条31所在平面与所述弧形臂2所在平面垂直。穿刺设备最关键的是在于穿刺的精准，当需要进行俯仰调节时，若采用常规的铰接轴进行驱动对于持针器54而言具有误差的放大作用，即由于持针器54作为最终安装穿刺针的结构，其空间位置受移动机构5、偏转机构4和弧形臂2尺寸和滑动位置的影响，且弧形臂2本身的尺寸较大，通常直径大于一米，若采用弧形臂2与安装机构1铰接的轴作为驱动，那么驱动机构需要匹配非常大的减速比，从而实现大扭矩的俯仰驱动需求，然而整个驱动过程中参与的结构越多，引入的误差将会越大，最后通过大尺寸的弧形臂2相当于利用杠杆原理进一步放大了误差。为了更好的说明本申请与现有技术之间的区别及优势，具体地：
设采用现有的铰接轴驱动方式引入的驱动误差偏转角为0.01度，弧形臂2的半径为700mm，那么体现在弧形臂2上的线性误差为L0=2*π*700*0.01/360=0.0389mm，也就是说，采用现有技术若减速驱动机构引入的总误差角度为0.01度，则产生在弧形臂2的线性移动误差为0.0389πmm。
本申请中若综合引入的总误差角度仍然为0.01度，体现在第二驱动轮33上，第二驱动轮33的直径通常控制在30mm内，按照最大半径15mm计算，那么通过与第二齿条31的啮合驱动产生的线性误差L2=2*π*15*0.01/360=8.3*10-4πmm，也就是说，假定采用相同的误差引入，采用相同的驱动机构，那么实际体现在弧形臂2上的误差现有技术将比本情形高46.87倍，故而采用上述俯仰机构3能够大大的减小误差引入，提升俯仰方向的穿刺精度。
本实施例中总误差角度是指驱动源经减速后最终输出到被驱动结构之间发生的总误差综合。最为常见的包括作为驱动源的伺服电机、减速器及传动机构之间的误差。
上述结构设计同样遵循杠杆原理，现有技术中的结构设计是加大了驱动源与被驱动目标对象的力臂，从而实现误差放大；而本实施例将驱动源直接设置在被驱动对象的最长理论力臂的端部附近，将误差被放大的倍数降低到最小，通过增加第二驱动轮33的转动角度来换取弧形臂2偏转的精度，这样使得弧形臂2的最远端偏转轨迹可达微米级控制，完全克服设备误差导致的穿刺偏斜的现实问题，能够实现手术穿刺计划的100%执行，杜绝了反复穿刺造成的不必要创伤和可能带来的副作用。
实施例3：
在实施例2的基础上，进一步结合说明书附图5-图9所示，本实施例还分别对偏转机构4、移动机构5分别进行了结构细化，具体地，所述弧形臂2上固定安装有第二滑轨21和弧形齿条，所述偏转机构4滑动安装在所述第二滑轨21上，偏转机构4包括第一支架41，安装在第一支架41上的第三伺服电机43，用于夹持所述第二滑轨21的多个滚轮42和用于安装所述移动机构5的第三滑轨48，在所述第一支架41上面位于第三滑轨48两端的位置还分别设置有通过第一防滑皮带45连接的第四伺服电机44和第一从动转轮46，。所述偏转机构4还包括固定连接所述第一防滑皮带45并滑动连接在第三滑轨48上的第一卡座47，所述第一卡座47下部固定连接有所述移动机构5。当穿刺角度需要穿刺针沿所述弧形臂2所在平面偏转时，所述第三伺服电机43驱动偏转机构4沿所述第二滑轨21偏转，所述第三伺服电机43驱动方式采用齿轮与弧形齿条啮合方式驱动。
当需要将穿刺针沿偏转机构4移动时，所述第四伺服电机44驱动第一防滑皮带45转动，与所述第四伺服电机44固定连接的第一卡座47可带动安装有穿刺针的移动机构5往复移动，直到达到预设坐标为止。
所述移动机构5包括第二支架51，固定安装在第二支架51上的第四滑轨52，以及分别设置于第二支架51上位于第四滑轨52两端头位置的第五伺服电机55和第二从动转轮56，所述第二从动转轮56通过第二防滑皮带57与第五伺服电机55驱动连接，所述第二防滑皮带57还固定连接有第二卡座53，所述第二卡座53滑动连接在第四滑轨52上，所述第二卡座53安装有所述持针器54。所述移动机构5驱动持针器54的原理同偏转机构4的方式相同。通过第五伺服电机55驱动第二防滑皮带57带动持针器54移动，从而实现带动穿刺针移动，由于第二卡座53始终卡接在第四滑轨52上，因此持针器54的移动只能在所述第四滑轨52上往复移动。
优选地，所述安装机构1包括与所述弧形臂2铰接的安装座11，所述安装座11上端可拆卸固定连接有安装板12，所述安装板12下表面设置有滑座，所述滑座滑动连接有平行设置在安装板12下方两侧的第一滑轨17，任一所述第一滑轨17均安装在安装轨13上，所述安装板12下表面还固定安装有用于驱动所述安装座11沿所述第一滑轨17往复运动的第一伺服电机14，所述第一伺服电机14通过第一驱动齿轮15与固定安装在所述安装轨13上的第一齿条16啮合驱动。当需要调整本申请与辅助设备之间的距离时，如CT床等检测设备，通过第一伺服电机14驱动第一驱动齿轮15转动并与第一齿条16啮合，从而实现推动整个设备沿第一滑轨17往复移动，从而达到调整本申请与辅助检测设备，如CT床之间的距离的目的。值得说明的是，调整距离并非单一为了方便对目标部位穿刺，而是需要与辅助检测设备，如CT床的扫描参数匹配，达到患者目标穿刺部位的扫描状态与实际穿刺状态保持一致，避免患者扫描时与实际穿刺时发生了体位的偏移，这样将无法做到绝对的精准穿刺。譬如，现有技术中患者在术前进行射线检测后需要起身，待医生确诊并确定手术方案后再行穿刺，那么当患者进行手术时的体位和检查时的体位已经发生了变化，这使得无论如何制定精准的手术计划，由于患者发生了挪动，脏器之间的位置始终都会发生不可避免的位移，这使得精准穿刺成为不可能。采用上述结构能够在检查前提前匹配本申请与CT之间的数据，进行数据初始化校验后再行检查，并迅速制定穿刺计划进行现场穿刺，无需患者发生体位改变，从而达到精准穿刺的目的。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种精准空间定位穿刺设备，其特征在于：由四轴复合运动的定位穿刺机构和用于安装所述定位穿刺机构的安装机构组成，所述定位穿刺机构由弧形臂（2）、俯仰机构（3）、偏转机构（4）和移动机构（5）组成；
所述弧形臂（2）两端铰接在所述安装机构（1）上，所述俯仰机构（3）驱动连接所述弧形臂（2）和安装机构（1），所述偏转机构（4）滑动设置在所述弧形臂（2）上，所述移动机构（5）滑动设置在所述偏转机构（4）的下部，所述移动机构（5）上安装有往复移动的持针器（54），所述持针器（54）上具有至少一个持针座。
2.根据权利要求1所述的一种精准空间定位穿刺设备，其特征在于：所述俯仰机构（3）包括固定安装在安装机构（1）上的第二齿条（31）和安装在所述弧形臂（2）上的第二伺服电机（32），所述第二伺服电机（32）通过第二驱动齿轮（33）与所述第二齿条（31）驱动连接；安装所述第二齿条（31）所在平面与所述弧形臂（2）所在平面垂直。
3.根据权利要求2所述的一种精准空间定位穿刺设备，其特征在于：所述弧形臂（2）上固定安装有第二滑轨（21）和弧形齿条，所述偏转机构（4）滑动安装在所述第二滑轨（21）上，偏转机构（4）包括第一支架（41），安装在第一支架（41）上的第三伺服电机（43），用于夹持所述第二滑轨（21）的多个滚轮（42）和用于安装所述移动机构（5）的第三滑轨（48），所述第一支架（41）上位于第三滑轨（48）两端的位置还分别设置有通过第一防滑皮带（45）连接的第四伺服电机（44）和第一从动转轮（46）。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种精准空间定位穿刺设备，其特征在于：所述偏转机构（4）还包括固定连接所述第一防滑皮带（45）并滑动连接在第三滑轨（48）上的第一卡座（47），所述第一卡座（47）下部固定连接有所述移动机构（5）；
所述移动机构（5）包括第二支架（51），固定安装在第二支架（51）上的第四滑轨（52），以及分别设置于第二支架（51）上位于第四滑轨（52）两端头位置的第五伺服电机（55）和第二从动转轮（56），所述第二从动转轮（56）通过第二防滑皮带（57）与第五伺服电机（55）驱动连接，所述第二防滑皮带（57）还固定连接有第二卡座（53），所述第二卡座（53）滑动连接在第四滑轨（52）上，所述第二卡座（53）安装有所述持针器（54）。
5.根据权利要求1所述的一种精准空间定位穿刺设备，其特征在于：所述安装机构（1）包括与所述弧形臂（2）铰接的安装座（11），所述安装座（11）上端可拆卸固定连接有安装板（12），所述安装板（12）下表面设置有滑座，所述滑座滑动连接有平行设置在安装板（12）下方两侧的第一滑轨（17），任一所述第一滑轨（17）均安装在安装轨（13）上，所述安装板（12）下表面还固定安装有用于驱动所述安装座（11）沿所述第一滑轨（17）往复运动的第一伺服电机（14），所述第一伺服电机（14）通过第一驱动齿轮（15）与固定安装在所述安装轨（13）上的第一齿条（16）啮合驱动。
6.根据权利要求5所述的一种精准空间定位穿刺设备，其特征在于：所述弧形臂（2）采用半圆设置，弧形臂（2）与所述安装座（11）铰接点所在轴线与所述弧形臂（2）的直径重合。
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