CN114110114B - 一种光纤导管单向步进装置及驱动系统 - Google Patents

一种光纤导管单向步进装置及驱动系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光纤导管单向步进装置及驱动系统，属于消融手术装置领域，解决了现有技术中步进装置位移量不精确、不稳定，以及无法在核磁环境中使用的问题；一种光纤导管单向步进装置，包括驱动组件和步进组件，所述驱动组件用于驱动所述步进组件运动；所述步进组件包括机座、主动步进部和从动步进部，所述主动步进部和从动步进部设置于所述机座内，且通过棘轮棘齿方式相互啮合连接，所述驱动组件驱动所述主动步进部带动从动步进部单向步进，所述从动步进部带动光纤导管实现同步单向步进运动；本发明通过驱动光纤导管的单向等距离移动提高了精确度和稳定性。

Description

一种光纤导管单向步进装置及驱动系统
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种光纤导管单向步进装置及驱动系统。
背景技术
医疗机器人是集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，是当前国内外机器人领域的一个研究热点。在神经外科领域最常用的医疗机器人又称为手术机器人，在手术机器人系统中，辅助机器人在外科手术中占据了近17％，成为日常外科手术中的常用辅助设备之一。随着技术的不断发展，手术机器人将朝向小型化、专门化、低成本、智能化、自动化发展，并将引领微创外科进入一个崭新的时代。
以激光间质热疗(LITT)为例，MRgLITT是磁共振成像引导的激光间质热疗技术的简称，该技术通过术中磁共振的帮助，可以实现实时对病变组织(脑肿瘤、癫痫病灶、放射性坏死等)实施热疗，通过适宜、安全的温度和热疗范围，对病变组织给予精准消灭，同时不损伤病变周围正常脑组织和神经血管结构，是一种全新的脑肿瘤治疗技术。一般来讲在实施热疗前，通常会先规划好激光传输器械(如光纤导管)的插入深度、出光方向或角度等，在手术过程中，也会在磁共振引导下实时调整光纤导管的作用位置和出光方向或角度，以期达到适形消融的目的。由此可见，在激光消融术中，对光纤导管运动方位的控制有着较高的精度要求。
目前，LITT技术尚处于培育发展阶段，而现有的相近或其他领域中的手术辅助机器人仍存在有以下问题，以致于不能将其直接用于该激光消融术中：①，国内尚无成熟的辅助工具既能适用于磁共振环境，又能精准的控制光纤导管的运动轨迹。②，现有的热消融导管和或其他消融设备的局限性在于只能进行手动移动，无法在磁共振室内实现自动移动。且现有的相近领域的手术辅助机器人为非磁共振兼容设备，无法适应磁共振室内的环境。③，现有的相近领域中的手术辅助机器人结构复杂、体积与重量较大，实现位移的装置设置复杂，需要多个零件之间的多种组合才可以实现水平位移，经过多重零件传递的位移控制不准确，精确度差，无法满足高精尖的手术需求。④，现有大多数磁共振环境环境无法做到无菌，而实时激光消融，需要在磁共振室内进行，因此光纤导管如果出现向内移动，或者来回移动，会降低消融过程中光纤导管的稳定性，还会导致组织感染的问题。
因此，有必要开发一款可在磁共振环境中运行的，更加智能化、更具安全性，可以辅助医护人员能够实现高精度控制的手术辅助机器人。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种光纤导管单向步进装置及驱动系统，用以解决现有消融手术中光纤导管无法实现精确、稳定位移以及操作过程中感染的问题，以及在磁共振环境中无法使用的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种光纤导管单向步进装置，其特征在于，包括驱动组件和步进组件，所述驱动组件用于驱动所述步进组件运动；所述步进组件包括机座、主动步进部和从动步进部，所述主动步进部和从动步进部设置于所述机座内，且通过棘轮棘齿方式相互啮合连接，所述驱动组件驱动所述主动步进部带动从动步进部单向步进，所述从动步进部带动光纤导管实现同步单向步进运动。
进一步地，所述机座包括机架、连接部、滑槽和导向轴；所述机架内部设置有容纳空腔，所述主动步进部和从动步进部均设置于所述容纳空腔内；所述连接部固定连接于机架的一端，所述连接部上设置有固定通孔和锁紧通孔；所述滑槽平行对称设置于所述机架两侧的内壁；所述导向轴固定平行设置于所述容纳空腔内，且其轴向方向与所述滑槽轴向方向相互平行。
进一步地，所述主动步进部包括滑块、步进拨片、活塞杆和活塞体；所述滑块与滑槽滑动连接；所述活塞杆与所述活塞体之间活动连接；所述滑块的侧壁上设置有拨片通孔，所述步进拨片与所述拨片通孔通过连接轴铰接，所述滑块和所述步进拨片之间设置有弹性元件。
进一步地，所述步进拨片包括半圆段和弧形段；所述弧形段设有第一圆弧面和第二圆弧面，所述第一圆弧面和所述第二圆弧面的相交处形成尖端。
进一步地，所述从动步进部包括步进齿条和光纤导管固定器；所述步进齿条的两个相对侧边对称设置有齿牙和齿槽，所述齿牙和齿槽等距间隔设置。
进一步地，所述齿牙包括第一齿牙面和第二齿牙面，所述第一齿牙面和第二齿牙面相交处形成齿尖。
进一步地，所述光纤导管固定器包括安装板和固定头；所述固定头与所述安装板固定连接；所述固定头上设置有第一通孔、第二通孔和固定孔，所述第一通孔和第二通孔的直径不同。
进一步地，所述驱动组件包括壳体、超声波电机、轮盘、液压缸(44)和导向液压杆；所述超声波电机固定连接在壳体一侧的内壁；所述轮盘与超声波电机旋转连接。
进一步地，所述导向液压杆包括导向环和液压杆；所述轮盘的一侧边缘处设置有凸柱；所述凸柱与所述导向环活动连接。
进一步地，一种光纤导管单向步进装置的驱动系统，包括远程控制系统和机器人，其特征在于，所述机器人包括：通信模块、处理模块和所述光纤导管单向步进装置，所述远程控制系统和机器人电连接，用于控制所述光纤导管单向步进装置中光纤导管的运动。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
(1)本发明通过步进组件中的主动步进部和从动步进部相互之间以棘轮棘齿相互啮合，再通过驱动组件驱动主动步进部带动从动步进部实现单向步进运动，从而从动步进部带动固定在其上的光纤导管实现同步单向步进运动，即实现了光纤导管等器械从组织的内部向外部运动的单向位移，避免了光纤导管由于来回运动污染组织的问题，增加了整个手术的安全性，大大降低了手术的感染率。
(2)本发明机架的长边侧开设有长条形通孔，长条形通孔与滑块的位置相对应，使得所述拨片通孔一直处于所述长条形通孔内，使得滑块上的步进拨片可以通过拨片通孔和长条形通孔裸露在机架的外侧，当该装置完成消融操作时，可以人工穿过所述长条形通孔和拨片通孔拨动步进拨片，使得步进拨片与滑块贴合，进而实现滑块复位的效果，使得该装置可反复利用。
(3)本发明中驱动组件设置有定位柱，所述定位柱共有四个，分别对称设置在两个液压杆的两个侧边，使得凸柱带动导向液压杆运动时，所述导向液压杆被限位在定位柱之间进行平行位移，精确了导向液压杆的运动输出方向和频率，使得液压缸和导向液压杆之间的配合实现了对步进组件驱动力的一致性和稳定性，提高了装置步进的精确性。
(4)本发明中主动步进部和从动步进部相互之间以棘轮棘齿相互啮合，从动步进部中步进齿条两侧的多个齿牙和齿槽之间对称设置，且多个所述齿牙之间等距设置，使得每次步进齿条的移动距离与齿牙之间的间距相等，进而实现每次移动距离的固定。
(5)本发明中从动步进部中的齿牙包括第一齿牙面和第二齿牙面，且第一齿牙面与所述步进齿条轴向的夹角为α，α的角度小于90度，使得滑块在向接近尾端移动时，所述步进拨片的尖端可以卡在齿槽内，使得步进拨片不会出现位移或者滑移的现象，从而增加了整个装置在消融过程中的稳定性。第二齿牙面与步进齿条轴向的夹角为β，β的角度大于90度，使得滑块在向远离尾端移动时，所述步进拨片可以与所述第二齿牙面进行连贯的滑动相切运动，从而使得步进拨片相对步进齿条，在滑行移动的过程中更加顺畅，避免了卡顿情况的发生。
(6)本发明中液压杆在轮盘上凸柱的定向位移作用下，在液压缸上实现等距的往复活塞运动，进而该驱动力通过液路管驱动主动步进部中的活塞杆在活塞体，实现同步的往复活塞运动，活塞再带动滑块上的拨片同步运动，通过等距往复活塞运动实现整个装置带动光纤导管的等距位移运动。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明光纤导管单向步进驱动系统的示意图；
图2为本发明中步进组件的爆炸图；
图3A为本发明中步进拨片的结构示意图；
图3B为本发明中拨片通孔的局部放大剖视图；
图3C为本发明中步进拨片与拨片通孔的连接状态剖视图；
图4为本发明中光纤导管固定器的结构示意图；
图5为本发明中驱动组件的结构示意图；
图6为本发明中驱动组件的爆炸图；
图7为本发明中步进组件的局部剖视图；
图8为本发明图7中Z的局部放大图；
图9为本发明使用方法中S1的示意图；
图10为本发明使用方法中S2的示意图；
图11为本发明使用方法中S3的示意图；
图12为本发明中图9中Y的局部放大图；
图13为本发明中机架的结构示意图；
图14为本发明远程控制系统的示意图一；
图15为本发明远程控制系统的示意图二。
附图标记：
1-机座；11-机架；111-长条形通孔；12-连接部；121-固定通孔；122-锁紧通孔；13-滑槽；14-导向轴；2-主动步进部；21-滑块；211-拨片通孔；212-弹性元件；213限位片；22-步进拨片；221-半圆段；222-弧形段；2221-第一圆弧面；2222-第二圆弧面；2223-尖端；23-活塞杆；231-圆柱杆；232-活塞；24-活塞体；
3-从动步进部；31-步进齿条；311-齿牙；3111-第一齿牙面；3112-第二齿牙面；3113-齿尖；312-齿槽；313-导向通孔；314-固定器连接孔；32-光纤导管固定器；321-安装板；3211-固定器通孔；322-固定头；3221-第一通孔；3222-第二通孔；3223-固定孔；
4-驱动组件；41-壳体；411-定位柱；42-超声波电机；43-轮盘；431-凸柱；44-液压缸；45-导向液压杆；451-导向环；452-液压杆；4521-液压活塞；5-远程控制系统。
具体实施方式
以下结合具体实施例对一种光纤导管单向步进运动装置及驱动系统作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”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。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。
全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。
本发明通常的工作面可以为平面或曲面，可以倾斜，也可以水平。为了方便说明，本发明实施例放置在水平面上，并在水平面上使用，并以此限定“高低”和“上下”。
实施例1
本发明的一个具体实施例，如图1所示，公开了一种光纤导管单向步进装置，包括驱动组件4和步进组件，所述驱动组件4用于驱动所述步进组件运动；所述步进组件包括机座1、主动步进部2和从动步进部3；所述主动步进部2和从动步进部3设置于所述机座1内，且通过棘轮棘齿方式相互啮合连接；所述驱动组件4驱动所述主动步进部2带动从动步进部3单向步进，所述从动步进部3带动光纤导管实现单向步进运动。
实施时，步进组件中的主动步进部2和从动步进部3设置于机座内，所述主动步进部2和所述从动步进部3之间通过棘轮棘齿的方式相互啮合连接，所述驱动组件4驱动步进组件中的主动步进部2带动从动步进部实现单向步进运动，进而使得所述从动步进部3带动光纤导管实现同步的单向步进运动。优选的，本发明的所述驱动组件4和所述步进组件均为核磁兼容材质，例如驱动电机选用超声波电机，其他零部件全部选用PEEK材料或POM材料。
与现有技术相比，本实施例提供的一种光纤导管单向步进运动装置，使得光纤导管在棘轮棘齿的作用下能且仅能实现单向的步进运动，满足了现有消融手术中，光纤导管从组织区域进行退出式消融操作时，仅仅进行后退操作而不会出现前进或者来回运动的情况，避免了光纤导管对实际消融中组织区域所带来的感染风险。
进一步地，如图2所示，所述机座1包括机架11、连接部12、滑槽13和导向轴14，所述机架11为长方体结构，其内部设置有长方体容纳空腔，即所述机架11为一个长方体敞口壳体，使得所述主动步进部2和从动步进部3均设置于所述容纳空腔内。
进一步地，所述机架11的下方设置有位置传感器，用于反馈光纤导管位移的距离。
进一步地，所述连接部12固定连接于所述机架11短边侧的上方，与所述连接部12相对侧是所述机架11的尾端，所述连接部12上设置有一个固定通孔121和一个锁紧通孔122，固定通孔121和锁紧通孔122之间垂直设置且相互连通，所述固定通孔121的轴向方向与所述机架11的长边侧平行。所述固定通孔121可拆卸连接有颅骨钉、头部支架等用于将该步进运动装置固定于头部的支撑部件；所述锁紧通孔122内壁设置有螺纹，所述支撑部件通过螺钉穿过所述锁紧通孔122将其固定在连接部12上。
进一步地，所述滑槽13为两个，两个所述滑槽13平行对称设置于所述机架11两个长边侧的内壁，且纵向贯穿于机架11的两端。所述导向轴14为两根圆柱棒，两者固定平行设置于所述机架11的容纳空腔内，且其轴向方向与所述滑槽13轴向方向平行设置。更进一步的，所述滑槽13与所述机架11为一体设计，所述导向轴14间隔设置于两个所述滑槽13之间的所述容纳空腔内。2个所述导向轴14与所述步进齿条31的紧密配合，避免了所述步进齿条31的步进稳定性差的问题。
进一步地，所述主动步进部2包括滑块21、步进拨片22、活塞杆23和活塞体24。所述滑块21的轴向长度小于所述机架11内壁上滑槽13的轴向长度，使得滑块21与所述滑槽13配合设置，滑动连接。
具体地，如图3A所示，所述步进拨片22包括半圆段221和弧形段222。所述半圆段为一个半圆柱形，其中部设置有连接轴通孔，用于与连接轴(图中未示出)铰接。所述弧形段222具有第一圆弧面2221和第二圆弧面2222，所述第一圆弧面2221和第二圆弧面2222的圆心均朝向同侧，且第一圆弧面2221的圆弧半径小于第二圆弧面2222的圆弧半径，使得两个圆弧面在相交处形成尖端2223。
进一步地，所述尖端2223朝向所述尾端的方向设置，即所述尖端2223朝向步进的方向。
进一步地，所述滑块21的侧壁上设置有拨片通孔211，所述步进拨片22与所述拨片通孔211通过所述连接轴铰接，所述滑块21和所述步进拨片22之间设置有弹性元件212，所述步进拨片22与从动步进部3中步进齿条31的齿牙311和齿槽312之间接触连接。
具体地，如图8所示，所述拨片通孔211远离尾端的内侧壁与弹性元件212的一端固定连接，所述弹性元件212的另一端与拨片22的半圆段221固定连接，使得拨片22在弹性元件212的带动下可以绕连接轴实现弹性旋转。
请一并参阅图3A、图3B和图3C，所述滑块21的侧壁上开设有一拨片通孔211，所述步进拨片22通过连接轴与所述拨片通孔211活动连接。所述拨片通孔211靠近所述步进拨片22的第二圆弧面2222的一侧向外延伸设置有一限位片213。所述限位片213与所述步进拨片22的设置关系为：所述步进拨片22的半圆段221不受所述限位片213的限制；所述步进拨片22的第二圆弧面2222旋转抵靠于所述限位片213尖端部位时，所述步进拨片22与所述滑块21之间的轴向夹角A达到最大Amax。更为优选的，所述限位片213与所述拨片通孔211为一体设计，也即所述拨片通孔211既具有连接所述步进拨片22的功能，又具有限制所述步进拨片22旋转角度的功能，使得所述拨片22在一定的角度范围内进行弹性旋转运动，进而使得拨片22可以实现卡在齿槽312中的目的，从而使得卡住的拨片22带动步进齿条31实现同步位移。因此本发明中不在需要额外的限位结构的设计，结构简单、紧凑，将进一步减少光纤导管单向步进装置的体积和重量。
进一步地，所述活塞杆23一端为圆柱杆231，与滑块21靠近机架11尾端的一侧固定连接；活塞杆23的另一端固定连接有活塞232，所述活塞232与所述活塞体24之间活动连接。
进一步地，所述活塞体24为密封腔体，里面盛装有液体，所述活塞体24一端与驱动组件4连接，另一端与所述活塞232之间实现所述活塞232的往复运动，从而通过所述驱动组件4驱动所述滑块21以及所述滑块21上的所述步进拨片22的同步运动，接着所述步进拨片22再借由所述弹性元件212的作用下，带动所述步进齿条31运动。
优选地，如图13所示，所述机架11的长边侧开设有长条形通孔111，所述长条形通孔111的开孔区域与所述滑块21的相对应，使得所述拨片通孔211一直处于所述长条形通孔111的开孔区域内，使得所述滑块21上的所述步进拨片22可以通过所述拨片通孔211和所述长条形通孔111裸露在所述机架11的外侧，当该装置完成消融操作时，可以人工穿过所述长条形通孔111和所述拨片通孔211拨动所述步进拨片22，使得所述步进拨片22与所述滑块21贴合，进而实现所述滑块21复位的效果，使得该装置可反复利用。
进一步地，所述从动步进部3包括步进齿条31和光纤导管固定器32，所述步进齿条31为长方体长条结构，两个长边侧均匀、间隔设置有多个齿牙311，相邻两个所述齿牙311之间设置有齿槽312，所述齿牙311包括第一齿牙面3111和第二齿牙面3112，所述第一齿牙面3111和第二齿牙面3112相交处形成齿尖3113；齿牙311和齿槽312对称设置于所述步进齿条31两个对称长边侧。
具体地，如图12所示，所述第一齿牙面3111为远离尾端的面，该面为平面，且第一齿牙面3111与所述步进齿条31轴向的夹角为α，α的角度小于90度，使得滑块21在向接近尾端移动时，所述步进拨片22的尖端2223可以卡在齿槽312内，从而带动所述步进齿条31与所述步进拨片22进行同步运动。
具体地，所述第二齿牙面3112为接近尾端的面，该面为曲面，且第二齿牙面3112与所述步进齿条31轴向的夹角为β，β的角度大于90度，使得所述滑块21在向远离尾端移动时，所述步进拨片22的第二圆弧面2222可以与所述第二齿牙面3112进行滑动相切运动，从而使得步进拨片22相对步进齿条31进行步进滑动位移。
进一步地，所述步进齿条31轴向设置有导向通孔313，所述导向通孔313为两个，所述导向通孔313与所述导向轴14配合设置，使得步进齿条31可以在导向轴14上滑动。所述步进齿条31上表面设有两个固定器连接孔314，所述光纤导管固定器32通过所述固定器连接孔314实现与所述步进齿条31的可拆卸连接。
进一步地，如图4所示，所述光纤导管固定器32包括安装板321和固定头322，所述固定头322固定连接在安装板321的中间位置上。所述安装板321上设置有四个固定器通孔3211，四个所述固定器通孔3211分别临近设置在所述安装板321的四个边上，相对的两个固定器通孔3211之间相互垂直设置，使得光纤导管固定器32每绕垂直轴心旋转90度，相对的两个固定器通孔3211均可以与所述固定器连接孔314之间通过螺栓配合连接。
进一步地，所述固定头322为立方体结构，其四周设有圆弧倒角。所述固定头322设置有第一通孔3221、第二通孔3222和固定孔3223，所述第一通孔3221的轴线与所述第二通孔3222的轴线相垂直，所述第一通孔3221贯穿设置在所述固定头322的两个对称侧面上，所述第二通孔3222贯穿设置在所述固定头322的另外两个对称侧面上。所述固定孔3223设置在固定头322的顶面，用于固定贯穿在所述第一通孔3221或所述第二通孔3222上的光纤导管或其他具有细长构件的手术器械。
具体地，所述第一通孔3221和所述第二通孔3222的直径不同，使得所述第一通孔3221和所述第二通孔3222可以适应不同尺寸的光纤导管等手术器械。本发明仅仅通过绕所述光纤导管固定器32垂直轴心旋转90度即可实现两个不同直径孔径的交替，从而适应不同规格的光纤导管，进一步提高了本发明的通用性。
进一步地，如图5所示，所述驱动组件4包括壳体41、超声波电机42、轮盘43、液压缸44和导向液压杆45。所述超声波电机42固定连接在壳体41一侧的内壁，所述超声波电机42为磁兼容驱动机，可以使用在MR室(核磁共振室)内，而在核磁环境中不会对所述超声波电机42产生的驱动力生成干扰，同样所述超声波电机42也不会对磁共振成像产生影响，满足了核磁兼容的需求。
进一步地，所述轮盘43为一个圆饼形结构，其一侧为平板形，与所述超声波电机42旋转连接，所述轮盘43的另一侧的边缘处设置有凸柱431，所述凸柱431与所述导向液压杆45活动连接。
可选地，所述轮盘43大致为圆形或椭圆形，优先采用圆形，使其质心更加偏向于圆心，减少整个所述驱动组件4的振动，从而提高所述驱动组件4的驱动力输出的精确性和稳定性。
进一步地，如图6所示，所述导向液压杆45包括导向环451和液压杆452；所述导向环451为椭圆形或类椭圆形的导向环结构，所述导向环451具有一环形内壁，优选的所述环形内壁为闭环的环形内壁。更进一步的所述导向环451的相对两条长边的内侧壁为相互平行的平面，所述导向环451的两条长边的长度大于所述轮盘43的直径，所述导向环451的两条长边的内侧壁之间的距离与所述凸柱431的直径相适配，使得所述凸柱431在所述导向环451内实现限位运动。当所述超声波电机42驱动所述轮盘43实现转动时，固定在所述轮盘43上的所述凸柱431在所述导向环451的束缚下，带动整个所述导向液压杆45进行反复运动，所述导向液压杆45的直线运动位移距离等于所述轮盘43的直径。也即借由所述凸柱431在所述导向环451的环形内壁的限位下进行往复运动，使得所述轮盘43的周向旋转运动转化为所述导向液压杆45和所述液压缸44之间的往复直线运动。
进一步地，所述液压杆452共有两个，分别固定设置于所述导向环451的相对两条长边的两个外侧边的中间位置，每个所述液压杆452的末端设有液压活塞4521。
具体地，所述壳体41的内壁设置有定位柱411，所述定位柱411共有四个，分别对称设置在两个所述液压杆452的两个侧边，使得所述凸柱431带动所述导向液压杆45运动时，所述导向液压杆45被限位在所述定位柱411之间进行直线运动，精确了所述导向液压杆45的运动输出方向和位置，本发明借由所述液压缸44和所述导向液压杆45之间的配合实现了对步进组件驱动力的一致性和稳定性。
可选地，所述定位柱411也可以对称设置在所述液压缸44与所述液压活塞4521活动连接的一端。
进一步地，所述液压缸44共有两个，为密封腔体，里面盛装有液体。所述液压缸44的一端与所述液压缸452上的液压活塞4521活动连接，以实现往复活塞运动，所述液压缸44的另一端通过液体路管与所述活塞体24相连通，从而借由所述液压杆452在所述液压缸44中的往复运动，实现了同步带动所述活塞杆23在所述活塞体24中的往复活塞运动。所述液压缸44近连接所述液体路管的一端与所述壳体41的侧壁固定连接，实现对液压缸44的固定作用。
本发明所述的一种光纤导管单向步进装置，借由所述齿牙311、所述齿槽312以及所述步进拨片22的结构设计以及三者之间的精妙配合，实现了单向运动的需求。更进一步的，所述步进组件和所述驱动组件4均为核磁兼容材质，因此本发明还满足了在磁共振环境中的精确步进运动。再者，本发明中驱动电机为超声波电机，传动力为液压传动，一方面实现了所述驱动组件与所述步进组件同在核磁共振室内运行且不影响核磁共振的成像质量，满足手术要求；另一方面，由于所述驱动组件与所述步进组件之间的距离可以被设置的很近，与现有技术相比，本发明可以做到在核磁共振室内进行较短距离的液压传动，提高了力传动的时效性、步进的精确性和稳定性，还避免了因所述驱动组件与所述步进组件之间距离较长而产生的运动误差。
实施例2
一种光纤导管单向步进装置的步进方法，该方法用于上述实施例1的一种光纤导管单向步进装置。
下面结合图7-图12，对以下标记进行描述：
A：步进拨片22与滑块21之间的轴向的夹角；
Amin：步进拨片22与滑块21之间的轴向的最小夹角；
Amax：步进拨片22与滑块21之间的轴向的最大夹角；
Xt：两个齿尖的距离；
X：步进齿条31的步进距离；
Dr：活塞232近尾端的末端与活塞体24近尾端的实时距离；
Lr：活塞232在活塞体24中活动到离末端最远处时，活塞232近尾端的末端与活塞体24近尾端的距离；
N：设置于步进齿条31两侧边的齿槽312的个数，N≥3的自然数；
M：步进拨片22在齿槽312中的初始位置所对应的齿槽数，其中M为1≤M≤N-2的自然数。
一种光纤导管单向步进装置的步进方法，包括以下步骤：
S1：如图9所示，将两个所述步进拨片22分别设置于其对应的齿槽312中；此时左侧的Dr＝Lr，左侧的步进拨片22处于第M+1位置的齿槽312内，左侧Amin＜A＜Amax，即步进拨片22在齿槽312内处于可旋转松弛状态。此时，右侧Dr＝0，右侧的步进拨片22处于M的齿槽312内，此时右侧Amin＜A＜Amax，即步进拨片22在齿槽312内处于可旋转松弛状态。
S2：如图10所示，所述驱动组件4驱动两个所述活塞232在活塞体24中运动，使得左侧的Dr从Lr减小到1/2Lr，左侧的步进拨片22依然处于M+1的齿槽312内，但此时该侧A＝Amax，即此刻左侧的步进拨片22恰好卡在左侧M+1的齿槽312内，即左侧步进拨片22在限位片213的作用下于齿槽312内处于不可旋转状态，此时左侧的步进拨片22可以带动步进齿条31进行同步运动。此时，右侧Dr从0增加到1/2Lr，右侧的步进拨片22滑到M+1的齿槽312内，此时该侧A＝Amin，左右两个步进拨片22在此时处于相互水平的左右齿槽312内。
S3：如图11所示，所述驱动组件4继续驱动两个所述活塞232在活塞体24中运动，使得左侧Dr从1/2Lr的距离减少到0，但左侧的步进拨片22依然卡在M+1的齿槽312内，即A＝Amax，此时的步进拨片22带动步进齿条31向尾端同步移动的距离X＝1/2Lr＝Xt，即左侧的步进拨片22实现了带动步进齿条31进行了固定的位移距离，该距离即为两个齿牙311的间距。此时，右侧Dr从1/2Lr增加到Lr，右侧的步进拨片22滑到M+2的齿槽312内，此时该侧Amin＜A＜Amax，左右两个步进拨片22又回到了相互交错的位置状态。
S4：此时的左右两个步进拨片22的位置恰好与S1相反，即此时右侧的Dr＝Lr，右侧的步进拨片22处于M+2的齿槽312内，该侧Amin＜A＜Amax，即步进拨片22在齿槽312内处于可旋转松弛状态。此时，左侧Dr＝0，左侧的步进拨片22处于M+1的齿槽312内，此时该侧Amin＜A＜Amax。
S5：所述驱动组件4驱动两个所述活塞232在活塞体24中运动，使得右侧的Dr从Lr减小到1/2Lr，右侧的步进拨片22依然处于M+2的齿槽312内，但此时右侧A＝Amax，即此刻右侧的步进拨片22恰好卡在M+2的齿槽312内，即右侧步进拨片22在限位片213的作用下于齿槽312内处于不可旋转状态，此时右侧的步进拨片22可以带动步进齿条31进行同步运动。此时，左侧Dr从0增加到1/2Lr，左侧的步进拨片22滑到M+2的齿槽312内，此时该侧A＝Amin，左右两个步进拨片22在此时处于相互水平左右的齿槽312内。
S6：所述驱动组件4继续驱动两个所述活塞232在活塞体24中运动，使得右侧的步进拨片22依然卡在M+2的齿槽312内，A＝Amax，Dr从1/2Lr的距离减少到0，此时右侧的步进拨片22带动步进齿条31向尾端同步移动的距离X＝1/2Lr＝Xt，即右侧步进拨片22实现了带动步进齿条31进行了固定的位移距离，该距离即为两个齿牙311的间距。此时，左侧Dr从1/2Lr增加到Lr，左侧的步进拨片22滑到M+3的齿槽312内，此时左侧Amin＜A＜Amax，左右两个步进拨片22又回到了相互交错的位置状态。
S7：重复步骤S1-S7，实现步进齿条31的步进位移。
本发明所述的一种光纤导管单向步进装置的运动精度可由齿牙、齿槽的间距、大小和设置角度进行调整，结构简单、成本低，且可以根据术中需要，灵活控制步进的速度和位移。同时，本发明根据所述位置传感器和对所述驱动组件4的驱动频率等实现了对步进组件的实时运动情况监测和反馈，提高了本发明的精准度。
实施例3
一种光纤导管单向步进驱动系统，包括与实施例1或实施例2所述的一种光纤导管单向步进装置相配合的远程控制系统5和机器人，用于解决激光消融时，光纤导管调整不精确和不稳定的问题；所述机器人包括：通信模块、处理模块和辅助运动装置，所述辅助运动装置为实施例1或实施例2中所述的一种光纤导管单向步进装置。
所述远程控制系统5包括：控制模块，用于显示术中磁共振图像，其中，所述图像包括消融情况以及光纤导管的方位信息，其中，所述方位信息包括以下至少之一：所述光纤导管的插入深度、所述光纤导管插入方向；所述控制模块还用于生成控制命令，并将所述控制命令发送给所述机器人，其中，所述控制命令是在根据所述消融情况和所述方位信息判断需要对所述光纤导管进行调整后生成的。所述机器人的所述通信模块，用于与所述控制模块进行通信，接收来自所述控制模块的所述控制命令，其中，所述控制命令中携带有对光纤导管进行调整的参数，所述参数至少包括所述光纤导管待调整的方位信息，所述待调整的方位信息包括以下至少之一：插入深度和插入方向；所述处理模块，用于将所述控制命令中携带的所述参数转换为机器臂的运动信息，并将所述运动信息发送给所述辅助运动装置；辅助运动装置，用于根据所述运动信息进行运动。进一步的，所述运动带动所述光纤导管按照所述参数进行运动，所述运动信息包括以下至少之一：运动的速度和运动的方向。
如图14所示，该控制模块可以位于主机中，该主机可以是激光消融设备中的主机，该主机在进行消融手术时一般放置在磁共振室外。下面对该控制模块和机器人的功能进行说明。
控制模块用于显示术中磁共振图像，其中，该图像包括消融情况以及光纤导管的方位信息，这里的方位信息可以包括以下至少之一：光纤导管的插入深度、光纤导管的插入方向等。在消融过程中，可以随时根据消融情况和光纤导管的方位信息确定需要对光纤导管的方位进行调整。基于此，控制模块还用于生成控制命令，并将控制命令发送给机器人，其中，控制命令是在根据消融情况和方位信息判断需要对光纤导管进行调整后生成的。
在一个可选的实施方式中，控制模块可以实现对机器人的远程控制功能，因此，远程控制系统可以理解为所述控制模块的一部分，远程控制系统还可以包括硬件的控制系统，例如，可以通过遥控器等设备控制机器人。
在图14示出的机构中，辅助运动装置可以包括驱动组件和步进组件，驱动组件驱动步进组件带动光纤导管的移动，包括定向步进运动，其上还有光纤导管固定器32，用于固定光纤导管。还可以带有位置传感器用于判定光纤导管位移的具体位置。步进组件要求小巧轻便，可以在头部线圈中使用，且不会影响MR扫描图像的质量。
驱动组件用于为步进组件提供动力，驱动组件可以和步进组件作为一体，也可以分开。进一步的，优先采用分离的方式，将驱动组件远离磁共振主体，然后通过动力传输结构来完成两者的力矩传输，本发明中的动力传输结构即为液压传动。所述驱动组件相对设置在远离所述磁共振主体的所述磁共振室内，实现了所述驱动组件和所述步进组件均在磁共振室内运行的需求，且两者力传输距离较短，增强力传输的稳定性和快速性。
在图15中，可以通过MRI结构像得到的信息，判断步进组件发生位移的距离，进一步双重校准移动的真实情况，避免特殊情况下的意外发生。
通过该实施例，引入了辅助机器人用于对消融过程中的光纤导管的调整进行操作，辅助机器人设置在患者旁边，可以根据预先的定位信息来控制辅助运动装置的运行。通过该辅助机器人的引入解决了相关技术中在激光消融手术中需要医生人工调整光纤导管所导致影响手术效果的问题，使用机器人进行光纤导管位置的调整，提高了光纤导管调整的效率和准确度，进而使得手术能够取得更好的效果。
上述控制模块还可以用于进行术前消融规划，通过术前消融规划之后生成消融策略，该消融策略中包括至少一个消融阶段，每个阶段配置有该阶段对应的预期消融结果、光纤导管的出光信息以及光纤导管的方位信息，所述消融策略中的消融阶段按照消融策略中的配置的顺序被执行。在消融过程中，根据预先生成的消融策略可能存在多个消融阶段，例如，对于不规则形状的肿瘤，需要根据肿瘤的形状制定多个消融阶段，每个消融阶段均用于消融该肿瘤的一部分，在一个阶段完成之后，进行下一阶段的消融需要调整光纤导管的方位，此时，在本实施例中，可以通过控制模块控制机器人来调整光纤导管。在该可选实施方式，控制模块用于获取当前的消融阶段对应的预期消融结果，并根据MRI图像信息判断当前的消融结果与预期消融结果是否相符，进入预先生成的消融策略中下一消融阶段，并获取在下一消融阶段是否需要对所述光纤导管进行调整的调整信息，然后，根据调整信息生成控制命令。
判断消融结果与预期消融结果是否相符的方式有很多种，例如，可以对预估消融区域进行三维立体的虚拟建模，拟合成一个近似的消融区域，或者实现术前结构相(或其他多模态图像)与术后的相同序列图像的配准，使用对比差法，对于发生改变的区域进行高亮标识，或者使用三维的快速勾画法重建出术后消融区域，与术前预估的消融区域进行对比，如果计算出消融的百分比如百分比超过110％，则认为消融过度；如果低于90％可认为消融不足，同时需要考虑预计消融区域被重叠的范围和预计消融区域以外的范围。如果百分比在90％到110％之间，则认为消融结果与预期消融结果是相同的。
在另一个可选实施方式中，在进行某个阶段消融的过程中，还可以对消融进行实时的监控。对消融过程进行实时监控的方式有很多种，在本实施例中提供了一种可选的实施方式。在该可选的实施方式中，监测模块对消融区域以及周边区域进行三维勾画，并附加相应的材料属性，存储组织材料属性清单，如果消融区域存在两种组织或以上，需进行精细分割，使得消融参数在组织交界处出现变化；如果消融区域存在肿瘤，肿瘤以外的区域，默认为同一种组织，或者分别进行勾画，使用术前消融预估控制模块进行预估，得到相应的消融参数，消融参数包含冷却速率、激光功率以及出光时间；
将消融探针插入到相应位置，设定磁共振扫描的FOV(视场角)，监测模块自动识别判断每个像素点的大小，并使用每个像素点作为一个消融单元进行计算。
在使用磁共振无创测温下，结合术前的预计消融区的分割以及赋值，即消融参数和材料属性，使用阿伦尼乌斯方程和/或CEM43模型进行消融预估。
在不同的消融阶段，不同的单元格中标记为不同的颜色，在使用阿伦尼乌斯方程时，选择开启不同的消融阈值显示，假设化学反应速率系数Ω＝1时，细胞损伤大值为63.2％，在这个范围显示为淡黄色；当化学反应速率系数Ω＝4.6时细胞损伤大约为99％，在这个范围内显示为橙色，以显示这个范围内细胞消融较为完全。在其他感兴趣区，如果未消融达到指定百分比，但是有超过43摄氏度，这些区域显示为绿色，同时也使用CEM43模型，在不同的等效消融时长下使用不同的颜色进行显示，例如：分别在等效为2分钟、等效为10分钟以及等效为60分钟的不同情况下进行分段显示，分段消融显示使得医生可以更好的判断消融效果，在进行消融区域显示时，消融区域为半透明，在叠加显示组织结构相后，能够同时看到消融范围和哪些区域进行了消融。
在实时监控出现需要调整光纤导管方位调整的情况时，可以通过控制模块发送暂停命令，其中，暂停命令用于指示光纤导管暂停消融；控制模块在接收到暂停命令之后，接收使用者输入的调整信息生成控制命令，其中，调整信息用于对光纤导管当前的方位进行调整。
例如，在主机上还可以设置一个方向控制装置，该装置可以是一个手柄(或者也可以是多个手柄，多个手柄包括控制上升下降的手柄、控制在平面内移动的手柄等)，使用者可以通过对手柄的操作来控制辅助运动装置的移动，此时控制模块可以获取手柄的位移，将位移转换为控制辅助运动装置移动的控制命令发送给机器人。
在一个可选的实施方式中，该暂停命令为控制模块的使用者发出的(例如，使用者通过主机显示的影像信息确定需要进行光纤导管方位的调整)；和/或，暂停命令也可以是控制模块根据预先配置的告警条件发出的，其中，告警条件用于指示手术中出现风险情况，例如，如果实际的消融面积大于预计消融面积，提示是否停止消融，如消融覆盖面积超过110％监测模块将切断能量输出；又例如，还可以包括：超过光纤导管的最大深度、超出计划的消融边界、超出安全温度阈值等。
如果一个患者存在多个不同的病灶部分，可能存在使用多根光纤导管进行消融的情况，作为一个可选的实施方式，控制模块还可以显示系统中的多根光纤导管的消融情况，识别多根光纤导管中需要调整的光纤导管，并对需要调整的光纤导管生成控制命令，其中，控制命令中携带有需要调整的光纤导管的标识信息，标识信息用于指示辅助运动装置对该标识信息对应的光纤导管的方位进行调整。
消融的策略中的不同阶段以及是否使用多个光纤导管均可以通过术前规划来完成，在术前规划中，还存在一个重要的部分，就是进行光纤导管路径的规划。规划好路径之后，可以由医生按照预先规划的路径进行光纤导管的插入，或者，也可以通过控制模块控制机器人来进行插入。例如，控制模块还用于术前规划的光纤导管通过人体组织抵达病灶部位的路径，其中，路径为在人体组织的路径；机器人还用于控制光纤导管沿路径抵达病灶部位。
根据路径计算机器人的运动信息可以通过控制模块来进行计算，或者也可以通过机器人来进行计算，即控制模块用于根据路径计算机器人的辅助运动装置的运动信息，并将该运动信息发送给机器人；或者，控制模块用于将路径发送给机器人；机器人用于根据路径计算运动信息；机器人用于根据路径计算得到的运动信息控制辅助运动装置带动光纤导管沿路径抵达病灶部位。作为一个可选的实施方式，控制模块还用于监控机器人根据路径信息带动光纤导管的运动是否符合路径，并在偏离路径的情况下，发送调整命令，其中，调整命令用于对机器人的辅助运动装置的运动信息进行调整；机器人还用于根据调整命令调整运动。
获取光纤导管的运动是否符合路径的方式有多种，例如，控制模块可以通过所述磁共振图像的信息和/或设置在所述辅助运动装置上的传感器反馈的数据监控光纤导管的运动是否符合该路径，其中，设置在所述辅助运动装置上的传感器可以包括位置传感器。
作为一个可选的方式，在上述实施例中所有的光纤导管的调整中，所述机器人的处理模块，还用于获取辅助运动装置在运动信息控制下进行运动时的运动状态，并将运动状态通过通信模块发送给控制模块。控制模块还可以根据辅助运动装置带动的光纤导管的移动以及收到的运动状态判断该光纤导管的移动是否与预期相符。这种方式可以提供更好的安全保证。
上述实施例中的机器人可以单独出售或者使用，如果配合其他第三方厂商的控制模块，则该机器人提供接口，该接口用于明确对该机器人进行控制的方式和参数，以及第三方控制模块与该机器人的通讯方式。同样该机器人的反馈的参数也通过接口进行定义。这样可以增加机器人的适配，也可以在使用者已经购买第三方控制模块的情况下，增加机器人作为辅助的控制功能。
在上述系统或者上述单独出售的机器人中，还可以增加一个远端交互模块，被用于在磁共振室里对所述机器人进行控制，例如，该控制包括以下至少之一：对机器人进行校准，控制机器人进行移动，控制机器人穿刺，控制机器人紧急停止，控制机器人的辅助运动装置。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光纤导管单向步进装置，其特征在于，包括步进组件和驱动组件(4)，所述驱动组件(4)用于驱动所述步进组件运动；
所述步进组件包括机座(1)、主动步进部(2)和从动步进部(3)；所述主动步进部(2)和从动步进部(3)设置于所述机座(1)内，且通过棘轮棘齿方式相互啮合连接，所述驱动组件(4)驱动所述主动步进部(2)带动从动步进部(3)单向步进，所述从动步进部(3)带动光纤导管实现同步单向步进运动；
所述机座(1)包括机架(11)、滑槽(13)和导向轴(14)；所述机架(11)内部设置有容纳空腔，所述主动步进部(2)和从动步进部(3)均设置于所述容纳空腔内；
所述滑槽(13)平行对称设置于所述机架(11)两侧的内壁；
所述导向轴(14)设置于所述容纳空腔内，且其轴向方向与所述滑槽(13)轴向方向相互平行；
所述从动步进部(3)包括步进齿条(31)，所述步进齿条(31)的两个相对侧边对称设置有齿牙(311)和齿槽(312)，所述齿牙(311)和所述齿槽(312)等距间隔设置；
所述步进齿条(31)滑动设在所述导向轴(14)；
所述主动步进部(2)包括两个滑块(21)、两个步进拨片(22)、两个活塞杆(23)和两个活塞体(24)；所述滑块(21)与所述滑槽(13)滑动连接；
每个所述步进拨片(22)与所述步进齿条(31)相应侧边的所述齿牙(311)和齿槽(312)配合；
所述滑块(21)的侧壁上设置有拨片通孔(211)，所述步进拨片(22)与所述拨片通孔(211)通过连接轴铰接，每个所述滑块(21)和相应所述步进拨片(22)之间设置有弹性元件(212)；
所述活塞杆(23)的一端与所述滑块(21)靠近所述机架(11)尾端的一侧固定连接，另一端与活塞(232)固定连接，所述活塞(232)与活塞体(24)活动连接；
所述活塞体(24)一端与所述驱动组件(4)连接，所述驱动组件(4)用于驱动两个所述活塞(232)在相应所述活塞体(24)往复运动，两个所述活塞(232)的运动方向相反，使得所述滑块(21)以及所述步进拨片(22)同步运动，两个所述步进拨片(22)依次交替通过所述弹性元件(212)带动所述步进齿条(31)单向运动。
2.根据权利要求1所述的一种光纤导管单向步进装置，其特征在于，所述机座(1)还包括连接部(12)；所述连接部(12)固定连接于所述机架(11)的一端，所述连接部(12)上设置有固定通孔(121)和锁紧通孔(122)；
所述固定通孔(121)可拆卸连接有用于将所述步进装置固定于头部的支撑部件；
所述锁紧通孔(122)用于将所述支撑部件通过螺钉固定在所述连接部(12)上。
3.根据权利要求2所述的一种光纤导管单向步进装置，其特征在于，所述步进拨片(22)包括半圆段(221)和弧形段(222)；所述弧形段(222)设有第一圆弧面(2221)和第二圆弧面(2222)，所述第一圆弧面(2221)和所述第二圆弧面(2222)的相交处形成尖端(2223)。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种光纤导管单向步进装置，其特征在于，所述从动步进部(3)还包括光纤导管固定器(32)。
5.根据权利要求4所述的一种光纤导管单向步进装置，其特征在于，所述齿牙(311)包括第一齿牙面(3111)和第二齿牙面(3112)，所述第一齿牙面(3111)和第二齿牙面(3112)相交处形成齿尖(3113)。
6.根据权利要求4所述的一种光纤导管单向步进装置，其特征在于，所述光纤导管固定器(32)包括安装板(321)和固定头(322)；所述固定头(322)与所述安装板(321)固定连接；所述固定头(322)上设置有第一通孔(3221)、第二通孔(3222)和固定孔(3223)，所述第一通孔(3221)和所述第二通孔(3222)的直径不同。
7.根据权利要求1-3、5-6任一项所述的一种光纤导管单向步进装置，其特征在于，所述驱动组件(4)包括壳体(41)、超声波电机(42)、轮盘(43)、液压缸(44)和导向液压杆(45)；所述超声波电机(42)固定连接在所述壳体(41)一侧的内壁；所述轮盘(43)与所述超声波电机(42)连接。
8.根据权利要求7所述的一种光纤导管单向步进装置，其特征在于，所述导向液压杆(45)包括导向环(451)和液压杆(452)；所述轮盘(43)的一侧边缘处设置有凸柱(431)；所述凸柱(431)与所述导向环(451)活动连接。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种光纤导管单向步进装置的驱动系统，其特征在于，包括远程控制系统(5)和机器人，所述机器人包括：通信模块、处理模块和所述光纤导管单向步进装置，所述远程控制系统(5)和所述机器人电连接，用于控制所述光纤导管单向步进装置中光纤导管的运动。
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