CN114699171A - 微创穿刺执行模组及多自由度微创穿刺手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗器械技术领域，提供了一种微创穿刺执行模组及多自由度微创穿刺手术机器人。微创穿刺执行模组包括：安装座以及设置于安装座的穿刺组件、第一驱动机构和第二驱动机构，其中，穿刺组件包括第一穿刺针和第二穿刺针，第一穿刺针设置于安装座的端部，第二穿刺针可伸缩地设置于第一穿刺针内，且第二穿刺针为中空结构的柔性针；第一驱动机构与第二穿刺针的固定端相连，用于驱动第二穿刺针伸缩移动；第二驱动机构经牵引线与第二穿刺针的穿刺端内壁相连，用于驱动第二穿刺针弯曲。本发明可以实现多自由度弯曲复杂运动路径的微创穿刺，保证医生的精确度和操作安全性，降低患者痛苦和医生工作强度。

Description

微创穿刺执行模组及多自由度微创穿刺手术机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种微创穿刺执行模组及多自由度微创穿刺手术机器人。

背景技术

当前穿刺手术主要通过医生手动采用刚性针直接穿刺。由于微细神经的压迫、损伤、粘连等症状，导致微细病变的微创极其困难，刚性针无法实现多自由度弯曲复杂的穿刺路径，穿刺精度与穿刺质量完全依靠医生的经验与能力，导致工作强度大，且容易对人体造成破坏性损伤。

发明内容

本发明提供一种微创穿刺执行模组及多自由度微创穿刺手术机器人，用以解决相关技术中刚性针无法实现多自由度弯曲复杂运动路径的微创穿刺的缺陷，实现微创穿刺的优化，可以有效降低医生微创操作误差，保证医生的精确度和操作安全性，降低患者痛苦和医生工作强度。

本发明提供一种微创穿刺执行模组，包括：安装座以及设置于所述安装座的穿刺组件、第一驱动机构和第二驱动机构，其中，

所述穿刺组件包括第一穿刺针和第二穿刺针，所述第一穿刺针设置于所述安装座的端部，所述第二穿刺针可伸缩地设置于所述第一穿刺针内，且所述第二穿刺针为中空结构的柔性针；

所述第一驱动机构与所述第二穿刺针的固定端相连，用于驱动所述第二穿刺针伸缩移动；

所述第二驱动机构经牵引线与所述第二穿刺针的穿刺端内壁相连，用于驱动所述第二穿刺针弯曲。

根据本发明提供的一种微创穿刺执行模组，还包括：

成像装置，设置于所述第二穿刺针的穿刺端内；

成像显示器，与所述成像装置电连接；

控制手柄，与所述第一驱动机构和所述第二驱动机构电连接。

根据本发明提供的一种微创穿刺执行模组，还包括导向机构，所述导向机构设置于所述安装座且位于所述第一驱动机构与所述第二驱动机构之间，用于对所述牵引线导向。

根据本发明提供的一种微创穿刺执行模组，所述导向机构包括支座和导向轮，所述支座设置于所述安装座，所述导向轮设置于所述支座。

根据本发明提供的一种微创穿刺执行模组，所述安装座包括相连的竖直部和水平部，所述穿刺组件设置于所述竖直部的末端，所述第一驱动机构设置于所述竖直部，所述第二驱动机构设置于所述水平部。

根据本发明提供的一种微创穿刺执行模组，还包括：护罩，罩设于所述安装座。

根据本发明提供的一种微创穿刺执行模组，所述第一驱动机构为电动滑台或电动推杆。

根据本发明提供的一种微创穿刺执行模组，所述第二驱动机构包括驱动电机、蜗轮和蜗杆，所述驱动电机与所述蜗杆相连，所述蜗轮与所述蜗杆相连，所述牵引线缠绕于所述蜗轮上。

根据本发明提供的一种微创穿刺执行模组，所述柔性针采用形状记忆合金材料。

本发明还提供一种多自由度微创穿刺手术机器人，包括多自由度机械臂和上述的微创穿刺执行模组，所述多自由度机械臂与所述安装座相连。

本发明提供的微创穿刺执行模组及多自由度微创穿刺手术机器人，通过安装座以及设置于安装座的穿刺组件、第一驱动机构和第二驱动机构，穿刺组件包括第一穿刺针和第二穿刺针，第一穿刺针设置于安装座的端部，可以用于皮肤穿刺；第二穿刺针可伸缩地设置于第一穿刺针内，且第二穿刺针为中空结构的柔性针，第二穿刺针可跟随第一穿刺针进入体内，用于体内变路径微创穿刺；第一驱动机构与第二穿刺针的固定端相连，用于驱动第二穿刺针伸缩移动，第二驱动机构经牵引线与第二穿刺针的穿刺端内壁相连，用于驱动第二穿刺针弯曲，即通过第一驱动机构、第二驱动机构及牵引线的配合，可以实现柔性针的直线、弯曲等单一及复合运动，从而实现了变路径穿刺操作。因此，本发明可以解决相关技术中刚性针无法实现多自由度弯曲复杂运动路径的微创穿刺的缺陷，实现微创穿刺的优化，有效降低医生微创操作误差，保证医生的精确度和操作安全性，降低患者痛苦和医生工作强度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的微创穿刺执行模组的结构示意图；

图2是图1的A处局部放大图；

附图标记：

1：安装座；101：竖直部；102：水平部；103：导向部；

104：第一导向孔；105：安装部；106：连接筒；107：加固管；

2：第一穿刺针；3：第二穿刺针；4：牵引线；5：成像装置；

6：支座；7：导向轮；8：第一护罩；9：第二护罩；

10：第二导向孔；11：电机；12：滑台；13：连接板；

14：驱动电机；15：蜗轮；16：蜗杆；17：减速电机；

18：安装法兰。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“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实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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”、“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，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1-图2描述本发明的微创穿刺执行模组及多自由度微创穿刺手术机器人。

根据本发明的一个实施例，如图1和图2所示，本发明提供的微创穿刺执行模组，主要包括：安装座1、穿刺组件、第一驱动机构和第二驱动机构。其中，安装座1作为承载主体，主要用于承载集成所有部件，提高整个模组的集成性；穿刺组件设置于安装座1上，主要用于微创穿刺；第一驱动机构设置于安装座1上，主要用于驱动穿刺组件的第二穿刺针3进行直线伸缩移动，达到进退针的目的；第二驱动机构设置于安装座1上，主要用于收放牵引线4，以控制第二穿刺针3进行弯曲运动，从而可以使第二穿刺针3精准地到达病灶位置进行微创穿刺；具体如下所述。

穿刺组件包括第一穿刺针2和第二穿刺针3，第一穿刺针2设置于安装座1的端部，第一穿刺针2的进给运动主要通过机器人的多自由度机械臂来控制(具体参见后述)，第一穿刺针2为空心刚性针，主要负责对人体皮肤进行穿刺，方便第二穿刺针3可以跟随其顺利进入体内，帮助医生更好地进行微创穿刺手术；第二穿刺针3可伸缩地设置于第一穿刺针2内，以便可以跟随第一穿刺针2进入体内，且第二穿刺针3为中空结构的柔性针，一方面便于内置牵引线4，便于其穿过，对第二穿刺针3进行拉动使其弯曲，另一方面可以容纳下述的成像装置5；并且柔性针可以在体内变路径微创穿刺，在进行手术时，医生的主要操作都将由第二穿刺针3来完成，以保证医生的精确度和操作安全性。

第一驱动机构与第二穿刺针3的固定端相连，第一驱动机构用于驱动第二穿刺针3在第一穿刺针2内直线伸缩移动，即第二穿刺针3可以伸出第一穿刺针2或者收缩至第一穿刺针2内。

第二驱动机构经牵引线4与第二穿刺针3的穿刺端内壁相连，即牵引线4的一端与第二驱动机构相连，另一端伸入第二穿刺针3内与穿刺端的内壁相连，第二驱动机构通过拉动牵引线4可以驱动柔性的第二穿刺针3弯曲。本发明通过将牵引线4内置于第二穿刺针3内，一方面可以避免对人体组织造成伤害，另一方面可以避免对穿刺过程造成影响，较好地优化了穿刺过程。

如图2所示，第二穿刺针3的固定端可以理解为第二穿刺针3的上端，第二穿刺针3的穿刺端可以理解为第二穿刺针3的下端(即自由端)，根据实际医况，可以通过拉动牵引线4使第二穿刺针3的穿刺端进行不同程度的自由弯曲，实现多自由度弯曲变路径微创穿刺。

本发明实施例提供的微创穿刺执行模组，通过安装座1以及设置于安装座的穿刺组件、第一驱动机构和第二驱动机构，穿刺组件包括第一穿刺针2和第二穿刺针3，第一穿刺针2设置于安装座1的端部，可以用于皮肤穿刺；第二穿刺针3可伸缩地设置于第一穿刺针2内，且第二穿刺针3为中空结构的柔性针，第二穿刺针3可跟随第一穿刺针2进入体内，用于体内变路径微创穿刺；第一驱动机构与第二穿刺针3的固定端相连，用于驱动第二穿刺针3伸缩移动，第二驱动机构经牵引线4与第二穿刺针3的穿刺端内壁相连，用于驱动第二穿刺针3弯曲，即通过第一驱动机构、第二驱动机构及牵引线4的配合，可以实现柔性的第二穿刺针3的直线、弯曲等单一及复合运动，从而实现了变路径穿刺操作。因此，本发明可以实现微创穿刺的优化，有效降低医生微创操作误差，保证医生的精确度和操作安全性，降低患者痛苦和医生工作强度，具有结构简单、操作简洁、控制精度高等特点。

根据本发明的一个实施例，本发明微创穿刺执行模组还包括：成像装置5、成像显示器和控制手柄。其中，如图2所示，成像装置5设置于第二穿刺针3的穿刺端内，成像装置5可以跟随第二穿刺针3进行直线进给、弯曲等多种运动，以采集在体内穿刺过程中的实时画面；成像显示器与成像装置5电连接，例如可以为无线电连接，成像显示器可以显示成像装置5采集的实时画面，为医生提供精准可靠的体内进针导航，从而实现了外部靶点视觉识别与内窥视觉导航的相结合，可以有效保证微创穿刺精度。控制手柄与第一驱动机构和第二驱动机构电连接，例如可以为无线电连接，用于控制第一驱动机构和第二驱动机构的运行。

在本发明该实施例中，医生可以通过控制手柄和成像显示器进行精准微创穿刺手术。具体的，根据成像装置5传回的实时画面获取到第二穿刺针3所在的实际位置，并根据术前给定的穿刺路径，通过控制手柄控制第一驱动机构和第二驱动机构调节第二穿刺针3的穿刺路径，使其符合给定路径，从而精准地完成微创穿刺手术。

因此，本发明实施例只需通过控制手柄和成像显示器就可以最大化地帮助医生精确地到达病变位置进行微创穿刺手术。与传统手术相比，本发明可以有效降低工作时间，同时也减轻了医生的工作强度；并且具有精度高、体积小、操作简单等特点。

本发明成像装置5的具体类型不做特别限制，例如可以为内窥镜、视觉摄像头等装置。在本示例中，成像装置5采用内窥镜，可以实现无级聚焦成像，实时传回图像画面，帮助医生轻松便捷地完成手术。

根据本发明的一个实施例，如图1所示，本发明微创穿刺执行模组还包括导向机构，导向机构设置于安装座1上，并且导向机构位于第一驱动机构与第二驱动机构之间，用于对牵引线4导向，以更好地拉动牵引线4，保证微创穿刺的精度。

根据本发明的一个实施例，导向机构包括支座6和导向轮7，支座6设置于安装座1上，导向轮7设置于支座6上，牵引线4缠绕至导向轮7后再伸入第二穿刺针3内，通过导向轮7实现牵引线4的导向。

根据本发明的一个实施例，安装座1为L型，包括竖直部101和水平部102，竖直部101和水平部102相连，穿刺组件设置于竖直部101的末端(下端)，第一驱动机构沿z轴方向设置于竖直部101上，第二驱动机构沿y轴方向设置于水平部102上，导向机构可以设置于竖直部101的上端。本发明通过将安装座1设置为直角形结构，可以缩减其长度方向上的空间，且便于安装座1与多自由度机械臂连接。

可以理解的是，成像装置5基于CT成像，在进行CT成像时，应尽量避免成像区域出现金属物品。本发明实施例的微创穿刺执行模组采用直角形结构，可以在缩短长度的同时，很大程度上减小造影的出现。

根据本发明的一个实施例，如图1所示，导向机构包括两级导向轮7，两级导向轮7呈上下阶梯式分布，当牵引线4由水平拐弯向下牵引时，通过上下阶梯式分布的两级导向轮7，可以进一步提高对牵引线4的导向性，从而提高牵引线4的牵引稳定性，进而提高微创穿刺的精确度。

根据本发明的一个实施例，安装座1的竖直部101的上端向上延伸至水平部102的上方，构造出导向部103，导向机构安装于导向部103，且导向部103设有第一导向孔104，牵引线4可以穿过第一导向孔104伸出至导向轮7上。本发明实施例通过第一导向孔104进行第一级导向定位，然后通过导向轮7进行第二级导向，通过两级导向可以进一步提高对牵引线4的导向性，从而进一步提高牵引线4的牵引稳定性，进而提高微创穿刺的精确度。

根据本发明的一个实施例，安装座1的竖直部101的下端形成有沿水平方向的安装部105，用于安装中空的连接筒106，连接筒106的下端通过加固管107与第一穿刺针2相连，以实现第一穿刺针2的固定安装。

根据本发明的一个实施例，加固管107可以采用钢管、合金管等，以提高连接强度。

根据本发明的一个实施例，本发明微创穿刺执行模组还包括护罩，护罩罩设于安装座1上，用于实现第一驱动机构、第二驱动机构及导向机构等部件的防护。

根据本发明的一个实施例，护罩包括第一护罩8和第二护罩9，第一护罩8用于对第一驱动机构防护，具体地，第一护罩8与安装座1的水平部102螺钉相连，并且第一护罩8邻近导向机构的前端设有第二导向孔10，第一护罩8的前端罩设于安装座1的导向部103上，且第二导向孔10与第一导向孔104相对应，避免对牵引线4的通过造成干涉。

第二护罩9用于对第二驱动机构及导向机构等部件防护，具体地，第二护罩9与安装座1的竖直部101螺钉相连。

本发明第一驱动机构的具体类型不做特别限制，例如可以为电动滑台或电动推杆等电动直线驱动装置。在本示例中，第一驱动机构为电动滑台，电动滑台的滑台12与第二穿刺针3的固定端相连，电动滑台的电机11驱动滑台12移动时，可以带动第二穿刺针3沿z轴上下移动。

根据本发明的一个实施例，电动滑台的电机11采用步进电机。

根据本发明的一个实施例，电动滑台的滑台12侧面设有连接板13，连接板13为L型，连接板13的竖直部分与滑台12相连，连接板13的水平部分与第二穿刺针3的固定端相连，滑台12移动时，经过连接板13带动第二穿刺针3作相应移动。可以理解的是，连接板13的水平部分应设有通孔，便于牵引线4穿过。

根据本发明的一个实施例，第二驱动机构包括驱动电机14、蜗轮15和蜗杆16，驱动电机14的转轴与蜗杆16相连，蜗轮15与蜗杆16相连，牵引线4缠绕于蜗轮15上。例如，通过蜗轮蜗杆传动机构可以将驱动电机14绕y轴方向的转动转换为绕x轴方向的转动，实现牵引线4的收放。

根据本发明的一个实施例，第二驱动机构的驱动电机14采用带减速器17的步进电机，以增大扭矩，提高牵引性能，实现第二穿刺针3的精准弯曲，从而可以方便快捷地到达病灶的位置。

根据本发明的一个实施例，柔性针(即第二穿刺针3)采用形状记忆合金材料，放线时，第二穿刺针3呈竖直状态，收线时，第二穿刺针3呈弯曲状态。第二穿刺针3具体可以采用超弹性镍钛合金材料。

本发明牵引线4的具体类型不做特别限制，例如可以采用镍钛合金丝，当然，也可以为其它起到牵引作用的线绳。

下面结合一个具体实施例对本发明提供的微创穿刺执行模组的工作原理进行描述，大致包括：

通过控制手柄控制第一驱动机构和第二驱动机构，第二驱动机构的驱动电机14旋转经蜗轮蜗杆传动机构转换后把蜗杆16绕y轴方向的转动传递给绕x轴方向转动的蜗轮15，蜗轮15上缠绕有镍钛合金丝，镍钛合金丝绕过导向轮7与第二穿刺针3相连。当需要第二穿刺针3进给运动时，第一驱动机构的电机11转动带着滑台12向下运动，同时第二驱动机构的驱动电机14转动使镍钛合金丝放线变长；当第二穿刺针3进入人体之后，需要弯曲的时候，第一驱动机构的电机11不转动，第二驱动机构的驱动电机14转动收线，从而拉动第二穿刺针3进行弯曲，同时观察成像显示器的实时画面，控制第二穿刺针3朝着术前所计划好的方向进行移动，从而到达病灶位置。

根据本发明的一个实施例，本发明还提供一种多自由度微创穿刺手术机器人，主要包括多自由度机械臂和上述实施例的微创穿刺执行模组，多自由度机械臂与安装座1相连。例如，安装座1的水平部102的后端设有安装法兰18，多自由度机械臂通过安装法兰18与安装座1相连，从而实现微创穿刺执行模组与多自由度机械臂的装配，通过多自由度机械臂可以带动微创穿刺执行模组在空间位置的多个自由度移动，从而调节穿刺组件的位置，完成精准微创穿刺。例如，多自由度机械臂根据手术位置可以调节微创穿刺执行模组的位置，然后通过多自由度机械臂控制第一穿刺针2进给穿刺人体皮肤，第二穿刺针3跟随进入体内，然后通过控制手柄和成像显示器控制第二穿刺针3进行微创穿刺。

因此，本发明实施例多自由度微创穿刺手术机器人基于外部靶点视觉识别、机械手辅助定位、内窥视觉导航的基础上，可以帮助医生精确地到达病变位置进行微创穿刺手术，解决目前急需的优于变路径精准神经微创医工装备需求，大大提升了多种神经性疾病的救治率，更加保证了手术医生的操作安全性和精确度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种微创穿刺执行模组，其特征在于，包括：安装座以及设置于所述安装座的穿刺组件、第一驱动机构和第二驱动机构，其中，

所述穿刺组件包括第一穿刺针和第二穿刺针，所述第一穿刺针设置于所述安装座的端部，所述第二穿刺针可伸缩地设置于所述第一穿刺针内，且所述第二穿刺针为中空结构的柔性针；

所述第一驱动机构与所述第二穿刺针的固定端相连，用于驱动所述第二穿刺针伸缩移动；

所述第二驱动机构经牵引线与所述第二穿刺针的穿刺端内壁相连，用于驱动所述第二穿刺针弯曲。

2.根据权利要求1所述的微创穿刺执行模组，其特征在于，还包括：

成像装置，设置于所述第二穿刺针的穿刺端内；

成像显示器，与所述成像装置电连接；

控制手柄，与所述第一驱动机构和所述第二驱动机构电连接。

3.根据权利要求1所述的微创穿刺执行模组，其特征在于，还包括导向机构，所述导向机构设置于所述安装座且位于所述第一驱动机构与所述第二驱动机构之间，用于对所述牵引线导向。

4.根据权利要求3所述的微创穿刺执行模组，其特征在于，所述导向机构包括支座和导向轮，所述支座设置于所述安装座，所述导向轮设置于所述支座。

5.根据权利要求1所述的微创穿刺执行模组，其特征在于，所述安装座包括相连的竖直部和水平部，所述穿刺组件设置于所述竖直部的末端，所述第一驱动机构设置于所述竖直部，所述第二驱动机构设置于所述水平部。

6.根据权利要求5所述的微创穿刺执行模组，其特征在于，还包括：护罩，罩设于所述安装座。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的微创穿刺执行模组，其特征在于，所述第一驱动机构为电动滑台或电动推杆。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的微创穿刺执行模组，其特征在于，所述第二驱动机构包括驱动电机、蜗轮和蜗杆，所述驱动电机与所述蜗杆相连，所述蜗轮与所述蜗杆相连，所述牵引线缠绕于所述蜗轮上。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的微创穿刺执行模组，其特征在于，所述柔性针采用形状记忆合金材料。

10.一种多自由度微创穿刺手术机器人，其特征在于，包括多自由度机械臂和权利要求1-9中任一项所述的微创穿刺执行模组，所述多自由度机械臂与所述安装座相连。

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