CN114533219B - 协作医疗机器人的穿刺执行器及其穿刺系统和方法 - Google Patents

Abstract

协作医疗机器人的穿刺执行器及其穿刺系统和方法，涉及医疗机器人穿刺领域。解决了现有的穿刺针需依医生经验进行旋捻等操作对针尖轨迹进行纠偏，存在经验依赖性强、且穿刺精度低的问题。本发明穿刺执行器包括基板、手动进给机构、可开合导向机构和针头旋捻机构；可开合导向机构设置在基板的一端，用于对穿刺针头进行导向；手动进给机构设置在基板的上方，用于控制穿刺针头进给深度和速度；针头旋捻机构设置在手动进给机构的上方，且针头旋捻机构用于感知穿刺针头所受阻力，并根据其穿刺针头所受阻力、进给深度和进给速度对穿刺针头的旋捻速度和旋捻角度进行控制。本发明主要用于医疗机器人穿刺领域。

Description

协作医疗机器人的穿刺执行器及其穿刺系统和方法

技术领域

本发明涉及医疗机器人穿刺领域。

背景技术

穿刺手术是临床常用的检测和治疗手段，常用于药物靶向输送、近距离放疗、肿瘤活检和射频消融等，通常使用细长的穿刺针穿透组织到达病灶形成通路，其中穿刺针以单斜面针(柳叶刀型)最常用，当病灶较深时，由于单斜面针针尖受力不均导致针尖偏离既定轨迹，临床中通常根据医生经验，在穿刺过程中对针尖进行旋捻等操作，以实现轨迹纠偏，保证穿刺精度，整个过程对医生的经验依赖较强，且人为参与穿刺精度低。因此，以上问题亟需解决。

发明内容

本发明目的是为了解决现有穿刺针需依医生经验进行旋捻等操作对针尖轨迹进行纠偏，存在经验依赖性强、且穿刺精度低的问题，本发明提供了一种协作医疗机器人的穿刺执行器及其穿刺系统和方法。

协作医疗机器人的穿刺执行器，包括基板、手动进给机构，还包括可开合导向机构和针头旋捻机构；

可开合导向机构设置在基板的一端，用于对穿刺针头进行导向；

手动进给机构设置在基板的上方，用于控制穿刺针头进给深度和速度；

针头旋捻机构设置在手动进给机构的上方，且针头旋捻机构用于感知穿刺针头所受阻力，并根据其穿刺针头所受阻力、进给深度和进给速度对穿刺针头的旋捻速度和旋捻角度进行控制。

优选的是，手动进给机构包括推杆、传送机构、滑动组件和双联动齿轮；

基板上表面设有推杆滑道，推杆与该推杆滑道配合，并在其推杆滑道内滑动；

推杆包括两个行程杆和一个指拖，指拖固定在两个行程杆的受力端，并且其中一个行程杆采用齿条实现；

双联动齿轮的小齿轮与齿条啮合，双联动齿轮的大齿轮与传送机构的主驱动齿轮啮合，从而驱动传送机构工作；

传送机构架设在基板上，用于带动滑动组件运动。

优选的是，穿刺执行器还包括编码器，该编码器用于对传送机构的主驱动齿轮的转速和圈数进行采集。

采用所述的协作医疗机器人的穿刺执行器实现的穿刺系统，该穿刺系统还包括光学导航系统、机械手、标定靶球和上位机；

穿刺执行器固定在机械手上，标定靶球设置在穿刺执行器上；

光学导航系统通过采集标定靶球位置和姿态，从而确定机械手上的穿刺执行器的位置；

上位机，用于根据编码器采集的传送机构的主驱动齿轮的转速和圈数确定穿刺针头的进给深度和速度，再根据穿刺针头的进给深度和速度、以及针头旋捻机构感知的穿刺针头所受阻力，通过针头旋捻机构调整穿刺针头的旋捻速度和旋捻角度。

采用协作医疗机器人的穿刺执行器实现的穿刺系统实现的穿刺方法，该方法包括如下步骤：

S1、光学导航系统通过采集标定靶球位置和姿态，从而确定机械手上的穿刺执行器的当前位置；

S2、上位机根据穿刺执行器的当前位置，通过机械手将穿刺执行器带动到预设位置，并将机械手锁死；

S3、通过手动进给机构推动穿刺针头向病灶位置运动，

在穿刺针头向病灶位置运动的过程中，上位机实时的根据编码器采集的转速和圈数、以及穿刺针头所受阻力，通过针头旋捻机构调整穿刺针头的旋捻速度和旋捻角度，直至穿刺针头运动至病灶位置。

本发明带来的有益效果是：

本发明提供了一种协作医疗机器人的穿刺执行器，该执行器通过手动进给机构，以手动进给的方式控制穿刺针头的给进深度和速度，针头旋捻机构用于感知穿刺针头所受阻力，并根据其所受阻力、进给深度和进给速度对穿刺针头的旋捻速度和旋捻角度进行控制，降低了旋捻引起的创伤，提高了旋捻精度，对穿刺针头的行进轨迹进行纠偏，从而提高了穿刺精度；有助于减少并发症，很好地降低了对医生经验的依赖。

本发明通过以手动进给的方式与自动旋捻相结合的方式对旋捻的速度进行控制，提高穿刺精度。且本发明所述的协作医疗机器人的穿刺执行器结构简单，便于实现。

本发明所述的穿刺执行器考虑安全伦理，避免完全依赖自动进给的方式带来的电机运行失控，造成的医疗事故，本发明通过手动进给机构以手动进给的方式对进给深度和速度进行控制，将控制权交到人的手中。

本发明提供的采用所述的协作医疗机器人的穿刺执行器实现的穿刺系统，通过光学导航系统和标定靶球的相互配合确定穿刺执行器的位置，以保证穿刺执行器的穿刺准确性，避免因穿刺不准，反复穿刺给患者造成的痛苦。进一步医生可以在光学导航系统的辅助下，更好地确定入针方向、入针位置和入针深度，降低穿刺的风险，进一步减少穿刺对患者造成的痛苦。

采用协作医疗机器人的穿刺执行器实现的穿刺系统实现的穿刺方法，其利用穿刺系统进行穿刺的过程中，对机械手锁死，在穿刺过程中，避免穿刺执行器晃动；进一步保证穿刺精度。

附图说明

图1是本发明所述采用协作医疗机器人的穿刺执行器实现的穿刺系统的原理示意图；

图2是被壳体封装过的协作医疗机器人的穿刺执行器的三维结构示意图；

图3是未被壳体封装过的协作医疗机器人的穿刺执行器的一个视角的三维结构示意图；

图4是可开合导向机构300的结构示意图；

图5是未被壳体封装过的协作医疗机器人的穿刺执行器的另一个视角的三维结构示意图；

图6是图5的局部放大图；

图7是基板100底部结构示意图；

图8是导向驱动器600的结构示意图。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

具体实施方式一：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式所述协作医疗机器人的穿刺执行器，包括基板100、手动进给机构200，其特征在于，还包括可开合导向机构300和针头旋捻机构400；

可开合导向机构300设置在基板100的一端，用于对穿刺针头700进行导向；

手动进给机构200设置在基板100的上方，用于控制穿刺针头700进给深度和速度；

针头旋捻机构400设置在手动进给机构200的上方，且针头旋捻机构400用于感知穿刺针头700所受阻力，并根据其穿刺针头700所受阻力、进给深度和进给速度对穿刺针头700的旋捻速度和旋捻角度进行控制。

具体应用时，穿刺针头700的旋捻角度范围为-180°～180°之间的任意值，具体旋捻操作过程中不限于连续顺时针旋转、连续逆时针旋转，顺时针和逆时针以一定频率交替旋转。其中，穿刺针头700的旋捻操作为绕针轴线旋转。

本实施方式提供了一种协作医疗机器人的穿刺执行器，该执行器通过手动进给机构200，以手动进给的方式控制穿刺针头700的给进深度和速度，针头旋捻机构400用于感知穿刺针头700所受阻力，并根据其所受阻力、进给深度和进给速度对穿刺针头700的旋捻速度和旋捻角度进行控制，提高了旋捻精度，对穿刺针头700的行进轨迹进行纠偏；所述的穿刺执行器考虑安全伦理，避免完全依赖自动进给的方式带来的电机运行失控，造成的医疗事故，本发明通过手动进给机构200以手动进给的方式与自动旋捻相结合的方式对旋捻的速度和角度进行控制，提高穿刺精度。

对旋捻速度和旋捻角度进行严格控制的原因在于，组织的软硬度及进给速度均对旋捻速度和旋捻角度造成影响，故本发明针头旋捻机构400结合所受阻力、进给深度和进给速度对穿刺针头700的旋捻速度和旋捻角度进行控制，从而提高穿刺精度。

进一步的，参见图5和图6，手动进给机构200包括推杆201、传送机构202、滑动组件203和双联动齿轮204；

基板100上表面设有推杆滑道，推杆201与该推杆滑道配合，并在其推杆滑道内滑动；

推杆201包括两个行程杆和一个指拖201-1，指拖201-1固定在两个行程杆的受力端，并且其中一个行程杆采用齿条201-2实现；

双联动齿轮204的小齿轮与齿条205啮合，双联动齿轮204的大齿轮与传送机构202的主驱动齿轮202-1啮合，从而驱动传送机构202工作；

传送机构202架设在基板100上，用于带动滑动组件203运动。

本优选实施方式中，给出了手动进给机构200的一种具体实现方式，且双联动齿轮204实现增程的目的，通过推动推杆201，实现对穿刺针头700进给速度和进给深度进行控制。

更进一步的，参见图5，穿刺执行器还包括编码器500，该编码器500用于对传送机构202的主驱动齿轮202-1的转速和圈数进行采集。

本优选实施方式中，通过编码器500采集主驱动齿轮202-1的转速和圈数，在具体应用时，根据主驱动齿轮202-1的转速和圈数，确定穿刺针头700进给速度和进给深度，从而进一步提高针头旋捻机构400的精度。

更进一步的，参见图4，可开合导向机构300包括两个导向片301和两个支撑柱302；

两个导向片301通过两个支撑柱302支撑在基板100的上方；

每个导向片301的两端均存在高度差，且每个导向片301的低端与其所对应的支撑柱302的顶端固定连接，该支撑柱302通过轴承固定在基板100上；

两个导向片301相对设置，且两个导向片301的高端贴合后，在两个导向片301的高端处，沿两个导向片301长度方向上形成导向通道，该导向通道用于对穿刺针头700的本体进行导向。

本优选实施方式中，提供了可开合导向机构300的具体结构，结构简单，便于实现。

更进一步的，参见图5，针头旋捻机构400包括由左至右依次排布的步进电机401、单轴力传感器402和抓手403，且三者共轴；

步进电机401的输出轴与单轴力传感器402的一端固定连接，单轴力传感器402的另一端与抓手403的固定端连接；

抓手403的开启或闭合分别用于对穿刺针头700的固定端进行紧固和释放。

本优选实施方式中，提供了针头旋捻机构400的具体实现方式，结构简单，便于实现。

更进一步的，具体参见图7和图8，穿刺执行器还包括导向驱动器600；

导向驱动器600设置在基板100的下方，用于控制可开合导向机构300中两个导向片301高端的张开或闭合。

本优选实施中，通过增加导向驱动器600对可开合导向机构300的张开或闭合进行控制，便于穿刺针头700的撤出，避免手动撤针造成的晃动，对病患造成伤害。

更进一步的，具体参见图8，导向驱动器600包括导向片601、直线凸轮602、导向棒603、双边齿条604、两个复位弹簧605、左齿轮606和右齿轮607；

基板100的下表面设有沿其长度方向上的1号凹槽和垂直于其长度方向上的2号凹槽，且两个凹槽相互连通；其中，垂直于基板100长度方向上的凹槽贯穿基板100的宽度，且导向片601存放于2号凹槽内，且与2号凹槽滑动连接；

导向片601上开设有楔形槽601-1，且该楔形槽601-1的底面为斜面，其纵向截面为楔形；

导向棒603位于1号凹槽内，且导向棒603的底端通过一个复位弹簧605与直线凸轮602的固定端连接，直线凸轮602的滑动端位于导向片601上的楔形槽601-1内；

导向棒603的顶端与双边齿条604的一端连接，双边齿条604的另一端与另一个复位弹簧605的一端固定连接，另一个复位弹簧605的另一端固定在1号凹槽的顶端固定连接；

双边齿条604的左、右齿条分别与左齿轮606和右齿轮607啮合，且左齿轮606和右齿轮607分别套固在两个支撑柱302的底端；

通过推拉导向片601使直线凸轮602沿楔形槽601-1底面的坡度方向上滑动，驱动左齿轮606和右齿轮607转动，从而对可开合导向机构300中两个导向片301高端的张开或闭合进行控制，其中，左齿轮606和右齿轮607的转动方向相反。

本优选实施方式中，提供了导向驱动器600的一种具体结构，该结构简单便于实现。

更进一步的，具体参见图2，基板100的底部和顶部均通过壳体进行封装。

具体应用时，针头旋捻机构400中的步进电机401和手动进给机构200中的传送机构202、滑动组件203和双联动齿轮204均可通过壳体进行封装。

具体实施方式二：下面结合图1和图5说明本实施方式，本实施方式采用具体实施方式一所述的协作医疗机器人的穿刺执行器实现的穿刺系统，该穿刺系统还包括光学导航系统1、机械手2、标定靶球3和上位机；

穿刺执行器固定在机械手2上，标定靶球3设置在穿刺执行器上；

光学导航系统1通过采集标定靶球3位置和姿态，从而确定机械手2上的穿刺执行器的位置；

上位机，用于根据编码器500采集的传送机构202的主驱动齿轮202-1的转速和圈数确定穿刺针头700的进给深度和速度，再根据穿刺针头700的进给深度和速度、以及针头旋捻机构400感知的穿刺针头700所受阻力，通过针头旋捻机构400调整穿刺针头700的旋捻速度和旋捻角度。

本实施方式中采用所述的协作医疗机器人的穿刺执行器实现的穿刺系统，通过光学导航系统1和标定靶球3的相互配合确定穿刺执行器的位置，以保证穿刺执行器的穿刺准确性，避免因穿刺不准，反复穿刺给患者造成的痛苦。进一步医生可以在光学导航系统1的辅助下，更好地确定入针方向、入针位置和入针深度，降低穿刺的风险，进一步减少穿刺对患者造成的痛苦。

上位机根据转速和圈数，来确定穿刺针头700的进给深度和速度，通过现有技术即可实现，且上位机通过进给深度和速度、以及针头旋捻机构400感知的穿刺针头700所受阻力，确定穿刺针头700的旋捻速度和旋捻角度也可通过现有技术即可实现。

具体实施方式三：本实施方式采用具体实施方式二所述的穿刺系统实现的穿刺方法，该方法包括如下步骤：

S1、光学导航系统1通过采集标定靶球3位置和姿态，从而确定机械手2上的穿刺执行器的当前位置；

S2、上位机根据穿刺执行器的当前位置，通过机械手2将穿刺执行器带动到预设位置，并将机械手2锁死；

S3、通过手动进给机构200推动穿刺针头700向病灶位置运动，

在穿刺针头700向病灶位置运动的过程中，上位机实时的根据编码器500采集的转速和圈数、以及穿刺针头700所受阻力，通过针头旋捻机构400调整穿刺针头700的旋捻速度和旋捻角度，直至穿刺针头700运动至病灶位置。

本发明穿刺方法操作简单，便于实现。其利用穿刺系统进行穿刺的过程中，对机械手2锁死，在穿刺过程中，避免穿刺执行器晃动；进一步保证穿刺精度。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (7)

1.协作医疗机器人的穿刺执行器，包括基板(100)、手动进给机构(200)，其特征在于，还包括可开合导向机构(300)和针头旋捻机构(400)；

可开合导向机构(300)设置在基板(100)的一端，用于对穿刺针头(700)进行导向；

手动进给机构(200)设置在基板(100)的上方，用于控制穿刺针头(700)进给深度和速度；

针头旋捻机构(400)设置在手动进给机构(200)的上方，且针头旋捻机构(400)用于感知穿刺针头(700)所受阻力，并根据其穿刺针头(700)所受阻力、进给深度和进给速度对穿刺针头(700)的旋捻速度和旋捻角度进行控制；

可开合导向机构(300)包括两个1号导向片(301)和两个支撑柱(302)；

两个1号导向片(301)通过两个支撑柱(302)支撑在基板(100)的上方；

每个1号导向片(301)的两端均存在高度差，且每个1号导向片(301)的低端与其所对应的支撑柱(302)的顶端固定连接，该支撑柱(302)通过轴承固定在基板(100)上；

两个1号导向片(301)相对设置，且两个1号导向片(301)的高端贴合后，在两个1号导向片(301)的高端处，沿两个1号导向片(301)长度方向上形成导向通道，该导向通道用于对穿刺针头(700)的本体进行导向；

穿刺执行器还包括导向驱动器(600)；

导向驱动器(600)设置在基板(100)的下方，用于控制可开合导向机构(300)中两个1号导向片(301)高端的张开或闭合；

导向驱动器(600)包括2号导向片(601)、直线凸轮(602)、导向棒(603)、双边齿条(604)、两个复位弹簧(605)、左齿轮(606)和右齿轮(607)；

基板(100)的下表面设有沿其长度方向上的1号凹槽和垂直于其长度方向上的2号凹槽，且1号凹槽和2号凹槽相互连通；其中，垂直于基板(100)长度方向上的凹槽贯穿基板(100)的宽度，且2号导向片(601)存放于2号凹槽内，且与2号凹槽滑动连接；

2号导向片(601)上开设有楔形槽(601-1)，且该楔形槽(601-1)的底面为斜面，其纵向截面为楔形；

导向棒(603)位于1号凹槽内，且导向棒(603)的底端通过一个复位弹簧(605)与直线凸轮(602)的固定端连接，直线凸轮(602)的滑动端位于2号导向片(601)上的楔形槽(601-1)内；

导向棒(603)的顶端与双边齿条(604)的一端连接，双边齿条(604)的另一端与另一个复位弹簧(605)的一端固定连接，另一个复位弹簧(605)的另一端固定在1号凹槽的顶端固定连接；

双边齿条(604)的左、右齿条分别与左齿轮(606)和右齿轮(607)啮合，且左齿轮(606)和右齿轮(607)分别套固在两个支撑柱(302)的底端；

通过推拉2号导向片(601)使直线凸轮(602)沿楔形槽(601-1)底面的坡度方向上滑动，驱动左齿轮(606)和右齿轮(607)转动，从而对可开合导向机构(300)中两个1号导向片(301)高端的张开或闭合进行控制，其中，左齿轮(606)和右齿轮(607)的转动方向相反。

2.根据权利要求1所述的协作医疗机器人的穿刺执行器，其特征在于，手动进给机构(200)包括推杆(201)、传送机构(202)、滑动组件(203)和双联动齿轮(204)；

基板(100)上表面设有推杆滑道，推杆(201)与该推杆滑道配合，并在其推杆滑道内滑动；

推杆(201)包括两个行程杆和一个指拖(201-1)，指拖(201-1)固定在两个行程杆的受力端，并且其中一个行程杆采用1号齿条(201-2)实现；

双联动齿轮(204)的小齿轮与1号齿条(201-2)啮合，双联动齿轮(204)的大齿轮与传送机构(202)的主驱动齿轮(202-1)啮合，从而驱动传送机构(202)工作；

传送机构(202)架设在基板(100)上，用于带动滑动组件(203)运动。

3.根据权利要求2所述的协作医疗机器人的穿刺执行器，其特征在于，穿刺执行器还包括编码器(500)，该编码器(500)用于对传送机构(202)的主驱动齿轮(202-1)的转速和圈数进行采集。

4.根据权利要求1所述的协作医疗机器人的穿刺执行器，其特征在于，针头旋捻机构(400)包括由左至右依次排布的步进电机(401)、单轴力传感器(402)和抓手(403)，且三者共轴；

步进电机(401)的输出轴与单轴力传感器(402)的一端固定连接，单轴力传感器(402)的另一端与抓手(403)的固定端连接；

抓手(403)的开启或闭合分别用于对穿刺针头(700)的固定端进行紧固和释放。

5.根据权利要求1所述的协作医疗机器人的穿刺执行器，其特征在于，基板(100)的底部和顶部均通过壳体进行封装。

6.采用权利要求3所述的协作医疗机器人的穿刺执行器实现的穿刺系统，其特征在于，该穿刺系统还包括光学导航系统(1)、机械手(2)、标定靶球(3)和上位机；

穿刺执行器固定在机械手(2)上，标定靶球(3)设置在穿刺执行器上；

光学导航系统(1)通过采集标定靶球(3)位置和姿态，从而确定机械手(2)上的穿刺执行器的位置；

上位机，用于根据编码器(500)采集的传送机构(202)的主驱动齿轮(202-1)的转速和圈数确定穿刺针头(700)的进给深度和速度，再根据穿刺针头(700)的进给深度和速度、以及针头旋捻机构(400)感知的穿刺针头(700)所受阻力，通过针头旋捻机构(400)调整穿刺针头(700)的旋捻速度和旋捻角度。

7.根据权利要求6所述的采用协作医疗机器人的穿刺执行器实现的穿刺系统，其特征在于，穿刺过程包括如下步骤：

S1、光学导航系统(1)通过采集标定靶球(3)位置和姿态，从而确定机械手(2)上的穿刺执行器的当前位置；

S2、上位机根据穿刺执行器的当前位置，通过机械手(2)将穿刺执行器带动到预设位置，并将机械手(2)锁死；

S3、通过手动进给机构(200)推动穿刺针头(700)向病灶位置运动，

在穿刺针头(700)向病灶位置运动的过程中，上位机实时的根据编码器(500)采集的转速和圈数、以及穿刺针头(700)所受阻力，通过针头旋捻机构(400)调整穿刺针头(700)的旋捻速度和旋捻角度，直至穿刺针头(700)运动至病灶位置。

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