CN114209400A - 一种超声图像导航的前列腺穿刺手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声图像导航的前列腺穿刺手术机器人，包括七自由度的位姿调整机构以及三自由度的支撑架机构。其中，位姿调整机构包括可实现精准定位的姿态调整模块、控制探头自动定位以及旋转和进给运动的探头调整模块、以及实现穿刺功能的末端执行器。姿态调整模块采用多关节耦合的算法控制远程中心运动点，两块转动板之间通过转动约束，构成一个连杆机构，通过云台电机驱动改变两块转动板之间的角度，实现远程中心运动点的虚拟固定。实现位姿调整机构在空间中较大范围移动的支撑架机构包括实现X、Y轴向移动的移动模块，以及实现Z轴上下升降的升降模块。本发明能够在超声图像导航下，实现超声探头的自动旋转进给及位姿调整，进行精确定位，可获得大范围的前列腺扫描视野，扩大活检组织取样范围，同时可实现穿刺针的自动进针，可有效地缓解医生疲累，并且在一定程度上提高手术精度、手术效率和手术安全性。

Description

一种超声图像导航的前列腺穿刺手术机器人

技术领域

本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种用于超声图像导航、具有穿刺及定位性能，由七自由度位姿调整机构以及三自由度支撑架机构组成的前列腺穿刺手术机器人。

背景技术

手术机器人是将机电一体化、计算机、医学、力学、影像学等学科融合在一起的一个新兴领域。而微创手术是当今手术方式发展的一个重要方向，它的进步离不开科学技术的发展，更与手术机器人的发展紧密相关。与传统手术方式不同的是，微创手术工作状态稳定，定位精确，工作范围大，灵活性好，这是微创手术机器人辅助系统主要优点。手术机器人在手术过程中计划的制定，离不开影像学提供的数据，而超声图像导航可以将病灶的实时动态变化提供给手术机器人，使其可以根据实际情况进行路径规划和精准定位。

目前前列腺癌是严重威胁男性生命健康的疾病之一，前列腺癌穿刺活检和近距离粒子放射治疗是诊断和治疗前列腺癌的关键手段，但手术操作过程中，由于医生疲累所造成的后期穿刺活检及粒子植入精度降低，将会引起活检的假阴性率提高或粒子植入靶区偏移。因此前列腺穿刺手术机器人的辅助可以很大程度帮助医生实现超声探头的旋转进给，达到定位效果，通过机器人的辅助实现自动进针，这在很大程度上可以减轻医生疲累，提高手术效率及精度。目前，国内外高校等科研机构在前列腺穿刺机器人开发方面开展了一定的研究工作。

CN106901836B公开了一种前列腺穿刺手术机器人，该机器人用于辅助前列穿刺活检手术，该机器人可以很大程度上进行位置调节与角度调节，且互不独立，提高手术操作灵活度，能够尽可能扩大调整范围，适应不同环境、不同患者的实际需求。但其整体质量、体积偏大，结构紧凑性稍显不足，由于通常前列腺穿刺时病人未进行全身麻醉，会给正在治疗的患者造成一定的心理压力，在针刺过程易产生不可控的动作，影响穿刺精度。并且该机器人未将超声探头与进针部分融合，医生仍需手动进行超声探头的旋转、进给，以获取超声图像，在图像中找到合适的进针位置，这一定程度上依然不能解决医生手术操作过程中的疲累。

CN104548328B公开了一种微创局部放疗机器人装置，可在超声图像导航下辅助医生完成前列腺癌的近距离粒子放射治疗，该机器人具有高精度、高稳定性、便于操作、减少患者疼痛、且能提高术中操作精度的优势，但该机器人并不适用于前列腺穿刺活检手术，并且由于粒子植入模板的空间限制，超声探头的调整角度无法达到足够大的扫描范围，对于前列腺穿刺活检术常用的6针穿刺法、12针穿刺法等方式，无法获取足够大的扫描角度，限制活检组织的获取范围。

上述机器人由于结构复杂，结构紧凑性不足，且无法将超声探头的定位部分与穿刺针的推进部分进行有效结合，从而最大限度的缓解医生手术操作过程中的疲累，或者在活检术中存在扫描视野受限，限制组织提取范围等问题，造成很大应用上的阻力。因此，设计一种兼具超声探头大范围调整定位与穿刺针进针功能的超声图像导航前列腺穿刺手术机器人是非常有必要的，它可以实现超声探头的机械定位与穿刺针的自动进针，有效地缓解医生手术操作中的疲累，并且在一定程度上提高手术精度、手术效率和手术安全性，具有重要研究价值和意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种超声图像导航的前列腺穿刺手术机器人，该超声图像导航的前列腺穿刺手术机器人采用超声图像导航，结构紧凑，能够实现超声探头的定位，以及穿刺针的自动进针，兼具定位及穿刺功能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种超声图像导航的前列腺穿刺手术机器人，包括：位姿调整机构，支撑架机构；所述的位姿调整机构由姿态调整模块、探头调整模块、末端执行器组成；所述支撑架机构由平台、升降模块、移动模块组成；所述位姿调整机构与所述支撑架机构通过螺钉连接。

所述的姿态调整模块包括：圆环导向零件、第一云台电机、第二云台电机、摩擦轮、链接板、第一转动板、第二转动板、转动臂、第一转向固定台、第二转向固定台、转向零件、转动销、第三云台电机、沉头带榫螺栓；所述探头调整模块包括：超声探头、探头旋转圆环、第一螺杆、第一轴承、第一电机；所述末端执行器包括：穿刺针、夹具、第一步进电机、电机固定板、滑动螺母、联轴器、丝杆、第三轴承、轴承座、底板；

所述圆环导向零件与所述链接板通过所述沉头带榫螺栓连接，所述链接板与所述第一转动板连接，所述第一转动板与所述第二转动板通过所述转动销连接，所述第二转动板与所述转动臂通过所述转动销连接，所述第二云台电机驱动所述第二转动板，所述转动臂与所述第一转向固定台连接，所述第三云台电机驱动所述转动臂，所述转向零件与所述第一转向固定台通过轴端相连接，所述转向零件与所述第二转向固定台通过轴端相连接，所述第一轴承与所述第一螺杆同轴配合，所述第一电机固定在所述超声探头侧边，所述探头旋转圆环与所述第一螺杆相配合，所述穿刺针通过所述夹具夹持固定，所述夹具与所述滑动螺母相连接，所述滑动螺母与所述轴承座相连接，两者与所述底板通过两者的底部滑块与所述底板上的滑轨相配合，所述电机固定板固定在所述底板侧边，所述第一步进电机固定在所述电机固定板上，所述第一步进电机通过所述联轴器与所述丝杆相连接，所述第三轴承与所述丝杆同轴配合，所述第三轴承固定在所述轴承座上；

所述升降模块包括：动平台、静平台、第二轴承、第二螺杆、螺套、第二电机；所述移动模块包括：感应器、电机座、第二步进电机、滑动方螺母、第一滑块、第二滑块、滑座、第三步进电机；所述移动模块与所述升降模块通过所述平台连接。

所述动平台与所述静平台通过所述第二螺杆与所述螺套实现升降运动，所述第二电机安装于所述静平台下方，所述静平台与所述第二螺杆通过所述第二轴承配合，所述移动模块由两组滚珠丝杆滑动模组通过所述第一滑块和第二滑块连接；

所述末端执行器安装于所述超声探头平面上，所述探头旋转圆环与所述摩擦轮相配合，所述摩擦轮与所述第一云台电机同轴配合，所述探头旋转圆环与所述圆环导向零件配合连接。

进一步的，所述末端执行器安装于所述探头调整模块平台上，与所述超声探头轴向平行，所述末端执行器实现所述穿刺针轴向移动，通过所述第一步进电机驱动所述丝杆螺母，进而带动装有所述穿刺针夹具的滑块移动，所述探头调整模块实现所述超声探头轴向移动和轴向转动，通过所述摩擦轮与所述第一云台电机驱动所述探头旋转圆环进而实现所述超声探头的轴向转动，通过所述第一电机驱动第一螺杆进而实现轴向移动。

进一步的，所述姿态调整模块采用多关节耦合的算法控制远程中心运动RCM点，所述第一转动板与第二转动板之间通过转动约束，构成一个连杆机构，所述第二云台电机与第三云台电机驱动改变所述第一转动板与第二转动板之间的角度，进而实现RCM点的虚拟固定。

进一步的，所述支撑架机构中的所述移动模块是将两个滚珠丝杆滑动模组正交放置，利用所述第二步进电机与第三步进电机驱动，使其实现X、Y轴两个方向的移动。所述的升降模块采用丝杆螺母的配合来实现所述升降模块Z轴方向的移动。

进一步的，所述位姿调整机构与所述支撑架机构间相互独立，运动互不干涉。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.在本发明中，探头调整模块具有两自由度，探头旋转圆环与超声探头同轴心，改善了传统手术中需要医生手动旋转超声探头所造成的种种不便，实现超声探头轴向转动，扩大扫描视野且精准定位，同时使结构更加紧凑。

2.在本发明中，姿态调整模块具有四自由度，探头调整模块可以实现超声探头的轴向移动和轴向转动，姿态调整模块采用多关节耦合控制远程中心运动RCM点，起到定心作用，可以实现前列腺穿刺手术机器人围绕该点的全域姿态调整，探头调整模块与姿态调整模块联合作用，可以实现超声探头对前列腺组织的大范围超声扫描，而后进行定位，且不受其他部件的干涉，可提高活检穿刺针获取组织的范围；

3.在本发明中，末端执行器部分具有一自由度，可以实现穿刺针自动进针；姿态调整模块，探头调整模块，末端执行器模块组成有七自由度的位姿调整机构，可以实现超声探头的机械定位与穿刺针的自动进针，兼具超声探头大范围调整定位与穿刺针的自动进针功能。位姿调整机构通过多关节串联，使其在满足工作要求和工作空间的基础上，结构紧凑且不会发生干涉。

4.本发明弥补了目前前列腺穿刺手术机器人的不足，能够实现超声探头的机械定位与穿刺针的自动进针，且可实时观测前列腺组织受探头触碰的动态变化，使机器人带动超声探头进行路径规划和精准定位，有效缓解医生手术操作的疲累，并且在一定程度上提高手术精度、手术效率和手术安全性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的模块示意图；

图3为本发明的末端执行器结构示意图；

图4为本发明的探头调整模块结构示意图；

图5为本发明的姿态调整模块结构示意图；

图6为本发明的升降模块结构示意图；

图7为本发明的移动模块结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-第一步进电机 2-电机固定板 3-联轴器 4-第三轴承

5-夹具 6-穿刺针 7-底板 8-丝杆

9-滑动螺母 10-轴承座 11-第一电机 12-第一轴承

13-第一螺杆 14-超声探头 15-摩擦轮 16-第一云台电机

17-探头旋转圆环 18-圆环导向零件 19-沉头带榫螺栓 20-链接板

21-第一转动板 22-第二转动板 23-转动臂 24-第二云台电机

25-第一转向固定台 26-转向零件 27-第二转向固定台 28-第三云台电机

29-转动销 30-动平台 31-静平台 32-第二螺杆

33-螺套 34-第二轴承 35-第二电机 36-第二步进电机

37-电机座 38-平台 39-第二滑块 40-滑座

41-第一滑块 42-感应器 43-滑动方螺母 44-第三步进电机

45-末端执行器 46-探头调整模块 47-姿态调整模块 48-升降模块

49-移动模块

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。为使附图清晰简洁，各附图中均已略去螺钉螺栓等标准件。

请参阅图1～图7，本发明实施例保护一种超声图像导航的前列腺穿刺手术机器人，包括：位姿调整机构，支撑架机构；所述位姿调整机构由姿态调整模块47、探头调整模块46、末端执行器45组成；所述支撑架机构由平台38、升降模块48、移动模块49组成；所述位姿调整机构与所述支撑架机构通过螺钉连接。

所述的姿态调整模块47由圆环导向零件18、第一云台电机16、第二云台电机24、摩擦轮15、链接板20、第一转动板21、第二转动板22、转动臂23、第一转向固定台25、第二转向固定台27、转向零件26、转动销29、第三云台电机28、沉头带榫螺栓19组成。所述探头调整模块46由超声探头14、探头旋转圆环17、第一螺杆13、第一轴承12、第一电机11组成。所述末端执行器45由穿刺针6、夹具5、第一步进电机1、电机固定板2、滑动螺母9、联轴器3、丝杆8、第三轴承4、轴承座10、底板7组成。

本实施例中，所述圆环导向零件18与所述链接板20通过所述沉头带榫螺栓19连接，所述链接板20与所述第一转动板21连接，所述第一转动板21与所述第二转动板22通过所述转动销29连接，所述第二转动板22与所述转动臂23通过所述转动销29连接，所述第二云台电机24驱动所述第二转动板22，所述转动臂23与所述第一转向固定台25连接，所述第三云台电机28驱动所述转动臂23，所述转向零件26与所述第一转向固定台25通过轴端相连接，所述转向零件26与所述第二转向固定台27通过轴端相连接，所述第一轴承12与所述第一螺杆13同轴配合，所述第一电机11固定在所述超声探头14侧边，所述探头旋转圆环17与所述第一螺杆13相配合，所述穿刺针6通过所述夹具5夹持固定，所述夹具5与所述滑动螺母9相连接，所述滑动螺母9与所述轴承座10相连接，两者与所述底板7通过两者的底部滑块与所述底板7上的滑轨相配合，所述电机固定板2固定在所述底板7侧边，所述第一步进电机1固定在所述电机固定板2上，所述第一步进电机1通过所述联轴器3与所述丝杆8相连接，所述第三轴承4与所述丝杆8同轴配合，所述第三轴承4固定在所述轴承座10上；

所述升降模块48由动平台30、静平台31、第二轴承34、第二螺杆32、螺套33、第二电机35组成。所述移动模块49由感应器42、电机座37、第二步进电机36、滑动方螺母43、第一滑块41、第二滑块39、滑座40、第三步进电机44组成。所述移动模块49与所述升降模块48通过所述平台38连接。

所述动平台30与所述静平台31通过所述第二螺杆32与所述螺套33实现升降运动，所述第二电机35安装于所述静平台31下方，所述静平台31与所述第二螺杆32通过所述第二轴承34配合，所述移动模块49由两组滚珠丝杆滑动模组通过所述第一滑块41和第二滑块39连接；

所述末端执行器45安装于所述超声探头14平面上，所述探头旋转圆环17与所述摩擦轮15相配合，所述摩擦轮15与所述第一云台电机16同轴配合，所述探头旋转圆环17与所述圆环导向零件18配合连接。

本发明的工作原理及操作过程如下：

手术前，预先进行大致定位，使移动模块49以及升降模块48工作，调节至适宜位置。当第二步进电机36与第三步进电机44工作时，带动滚珠丝杆滑动模组运动，可以使其实现X、Y轴两个方向的移动。升降模块48通过平台38与移动模块49连接，第二电机35带动第二螺杆32、螺套33的配合来实现升降模块48在Z轴方向的移动，而后通过姿态调整模块47进行准确定位。利用第一转向固定台25、第二转向固定台27、转向零件26组成的十字交叉式的转向结构零件，使沿Y轴的转动和沿X轴的转动连接起来。采用多关节耦合的算法控制远程中心运动RCM点，设计第一转动板21、第二转动板22，两块转动板之间通过转动销29约束，使两块转动板构成相当于两个连杆，与RCM点构成一个连杆机构，对两转动板之间的角度控制可以实现RCM点的虚拟固定，实现超声探头14围绕RCM转动的目标。

第二云台电机24驱动第二转动板22，第三云台电机28驱动转动臂23。第一转动板21通过链接板20与圆环导向零件18相连，链接板20固定在第一转动板21上。圆环导向零件18与探头旋转圆环17通过滑轨相连接。第一云台电机16驱动摩擦轮15，摩擦轮15与探头旋转圆环17相配合，实现探头旋转圆环17的移动。探头旋转圆环17与超声探头14同轴心，当探头旋转圆环17转动时，超声探头14也随之转动。第一电机11带动第一螺杆13运动，从而带动超声探头14做轴向移动，自此超声探头14的轴向转动与轴向移动以及空间位置的多姿态调整可以完成，获得大范围的超声探头扫描视野，使活检针穿刺前列腺范围不受其他部件的影响，获得最大限度的组织取样范围。超声探头14调整到合适的位姿后进行定位，待穿刺针6进行穿刺。

在上述过程完成前，穿刺针6并未安装到夹具5处，待超声探头14获得合适的位姿并进行定位后，安装穿刺针6到夹具5上，末端执行器45通过第一步进电机1驱动丝杆8，带动滑动螺母9以及与滑动螺母9相连接的夹具5做轴向运动，夹具5夹持着穿刺针6，实现穿刺针6的轴向运动，自此可以实现穿刺针6的自动进针功能。待完成第一针组织取样后，穿刺针6被从夹具5处取下，重复上述探头调整模块46与位姿调整模块47运动，待超声探头14再次旋转到合适位姿获取前列腺扫描视野时，进行定位，重复安装穿刺针6至夹具5，末端执行器45带动实现穿刺针6的自动进针。上次步骤循环操作，至完成穿刺活检术的12针穿刺法，获取完成足够的组织样本为止。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超声图像导航的前列腺穿刺手术机器人，其特征在于，包括：位姿调整机构，支撑架机构；所述的位姿调整机构由姿态调整模块、探头调整模块、末端执行器组成；所述支撑架机构由平台、升降模块、移动模块组成；所述位姿调整机构与所述支撑架机构通过螺钉连接；

所述的姿态调整模块包括：圆环导向零件、第一云台电机、第二云台电机、摩擦轮、链接板、第一转动板、第二转动板、转动臂、第一转向固定台、第二转向固定台、转向零件、转动销、第三云台电机、沉头带榫螺栓；所述探头调整模块包括：超声探头、探头旋转圆环、第一螺杆、第一轴承、第一电机；所述末端执行器包括：穿刺针、夹具、第一步进电机、电机固定板、滑动螺母、联轴器、丝杆、第三轴承、轴承座、底板；

所述圆环导向零件与所述链接板通过所述沉头带榫螺栓连接，所述链接板与所述第一转动板连接，所述第一转动板与所述第二转动板通过所述转动销连接，所述第二转动板与所述转动臂通过所述转动销连接，所述第二云台电机驱动所述第二转动板，所述转动臂与所述第一转向固定台连接，所述第三云台电机驱动所述转动臂，所述转向零件与所述第一转向固定台通过轴端相连接，所述转向零件与所述第二转向固定台通过轴端相连接；

所述第一轴承与所述第一螺杆同轴配合，所述第一电机固定在所述超声探头侧边，所述探头旋转圆环与所述第一螺杆相配合，所述穿刺针通过所述夹具夹持固定，所述夹具与所述滑动螺母相连接，所述滑动螺母与所述轴承座相连接，两者与所述底板通过两者的底部滑块与所述底板上的滑轨相配合，所述电机固定板固定在所述底板侧边，所述第一步进电机固定在所述电机固定板上，所述第一步进电机通过所述联轴器与所述丝杆相连接，所述第三轴承与所述丝杆同轴配合，所述第三轴承固定在所述轴承座上；

所述升降模块包括：动平台、静平台、第二轴承、第二螺杆、螺套、第二电机；所述移动模块包括：感应器、电机座、第二步进电机、滑动方螺母、第一滑块、第二滑块、滑座、第三步进电机；所述移动模块与所述升降模块通过所述平台连接；

所述动平台与所述静平台通过所述第二螺杆与所述螺套实现升降运动，所述第二电机安装于所述静平台下方，所述静平台与所述第二螺杆通过所述第二轴承配合，所述移动模块由两组滚珠丝杆滑动模组通过所述第一滑块和第二滑块连接；

所述末端执行器安装于所述超声探头平面上，所述探头旋转圆环与所述摩擦轮相配合，所述摩擦轮与所述第一云台电机同轴配合，所述探头旋转圆环与所述圆环导向零件配合连接。

2.根据权利要求1所述一种超声图像导航的前列腺穿刺手术机器人，其特征在于，所述末端执行器安装于所述探头调整模块平台上，与所述超声探头轴向平行，所述末端执行器实现所述穿刺针轴向移动，通过所述第一步进电机驱动所述丝杆螺母，进而带动装有所述穿刺针夹具的滑块移动，所述探头调整模块实现所述超声探头轴向移动和轴向转动，通过所述摩擦轮与所述第一云台电机驱动所述探头旋转圆环进而实现轴向转动，通过所述第一电机驱动第一螺杆进而实现轴向移动。

3.根据权利要求1所述一种超声图像导航的前列腺穿刺手术机器人，其特征在于，所述姿态调整模块采用多关节耦合的算法控制远程中心运动RCM点，所述第一转动板与第二转动板之间通过转动约束，构成一个连杆机构，所述第二云台电机与第三云台电机驱动来改变所述第一转动板与第二转动板之间的角度，进而实现RCM点的虚拟固定。

4.根据权利要求1所述一种超声图像导航的前列腺穿刺手术机器人，其特征在于，所述支撑架机构中的所述移动模块是将两个滚珠丝杆滑动模组正交放置，利用所述第二步进电机与第三步进电机驱动，使其实现X、Y轴两个方向的移动。所述的升降模块采用丝杆螺母的配合来实现所述升降模块Z轴方向的移动。

5.根据权利要求1所述一种超声图像导航的前列腺穿刺手术机器人，其特征在于，所述位姿调整机构与所述支撑架机构间相互独立，运动互不干涉。

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