CN114848150A - 一种模块化气动软体穿刺手术机器人 - Google Patents
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Abstract
一种模块化气动软体穿刺手术机器人，它包含安装件、伸缩模块和多个姿态模块；所述伸缩模块包含伸缩软体、活动轨和固定轨；活动轨可滑动地设置在固定轨上，活动轨用于固定穿刺针，活动轨与固定轨之间固定有伸缩软体，所述伸缩软体的内部设置有阶梯式环形腔，阶梯式环形腔连接一根穿过固定轨的通气管；相邻两个姿态模块串接在一起，首部和尾部的姿态模块分别与安装件和固定轨相连，每个姿态模块中部具有中心通道，每个姿态模块在气压作用下可产生弯曲和偏转。本发明结构简单、体型较小、具有多自由度，而且能够满足磁共振兼容性要求。
Description
技术领域
本发明涉及穿刺手术机器人，具体涉及一种模块化气动软体穿刺手术机器人。
背景技术
穿刺手术是一种典型的微创外科手术，具有创伤小、恢复快、手术过程迅速等的特点，被广泛应用于活检、放疗、消融等医疗场景。在穿刺手术过程中，医生需要在医学影像的引导下，将穿刺针深入人的身体内部，到达病灶位置进行小范围的操作。磁共振成像具有优良的软组织分辨力，对病人和医生都没有伤害，是临床应用较广泛的医学图像。磁共振成像能够为医生提供人体组织的三维影像，使医生能够对患者体内的生理结构、病灶位置以及穿刺针的位置进行直观了解，提高穿刺手术的成功率。然而，穿刺手术通常对精度要求极高，导致了穿刺手术的操作存在难度大、对医生经验的需求高等难题。尤其是针对脑部、颅颌面等重要区域的穿刺手术，由于这些区域血管神经丰富、解剖结构复杂，存在的较大的手术风险和较高的实施难度。
随着机器人技术的进步，机器人辅助穿刺手术已成为国内外医学和工程学领域的研究热点。利用穿刺手术机器人，在磁共振实时影像的引导下，辅助或替代医生进行穿刺手术，可以有效避开危险生理组织，使穿刺针准确地到达病灶位置，提高手术过程的稳定性、精确性和安全性。已有的穿刺手术机器人系统结构比较固定，灵活性较差。加之，磁共振仪内部具有强磁场，已有的穿刺手术机器人多采用电机驱动，会对磁共振成像产生干扰，磁共振兼容性差，无法在磁共振仪中实现对目标点的精确穿刺。
发明内容
本发明为克服现有技术不足，提供一种模块化气动软体穿刺手术机器人。该软体穿刺手术机器人不仅结构简单、体型较小、具有多自由度，而且能够满足磁共振兼容性要求。
一种模块化气动软体穿刺手术机器人包含安装件、伸缩模块和多个姿态模块；
所述伸缩模块包含伸缩软体、活动轨和固定轨；活动轨可滑动地设置在固定轨上，活动轨用于固定穿刺针，活动轨与固定轨之间固定有伸缩软体，所述伸缩软体的内部设置有阶梯式环形腔，阶梯式环形腔连接一根穿过固定轨的通气管，所述伸缩软体的外表面开有环形凹槽A，伸缩软体的外表面和环形凹槽A底面覆盖有环形增强层A；相邻两个姿态模块串接在一起，首部和尾部的姿态模块分别与安装件和固定轨相连，每个姿态模块中部具有中心通道，每个姿态模块在气压作用下可产生弯曲和偏转。
本发明相比现有技术的有益效果是：
本发明的模块化气动软体穿刺手术机器人具有多个自由度，相较于已有的刚性穿刺机器人，具有更好的灵活性。本发明的气动软体穿刺手术机器人采用模块化设计，大大简化机器人整体的制作流程。
所使用的驱动方式为气体驱动，洁净环保、成本低廉，且满足磁共振兼容要求。
所提出的姿态模块和伸缩模块都采用常见的弹性材料制成。由软质材料制成的穿刺手术机器人主体不仅结构简单、体型较小、具有多自由度，而且能够满足磁共振兼容性要求。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1为本发明的模块化气动软体穿刺手术机器人的结构图
图2为伸缩模块的分解图；
图3为伸缩模块的半剖视图；
图4为伸缩模块未充气时的状态示意图；
图5为去掉固定轨的伸缩模块示意图；
图6为充气状态下伸缩模块的示意图；
图7为活动轨和固定轨的装配示意图；
图8为一个方向看的姿态模块的分解图；
图9为另一个方向看的姿态模块的分解图；
图10为姿态模块的半剖视图；
图11为本发明结合的控制装置和磁共振兼容的框架的布置示意图；
图12为放置本发明模块化气动软体穿刺手术机器人的磁共振兼容的框架的示意图。
具体实施方式
如图1-图6所示，一种模块化气动软体穿刺手术机器人包含安装件3、伸缩模块1和多个姿态模块2；
所述伸缩模块1包含伸缩软体10、活动轨11和固定轨12；活动轨11可滑动地设置在固定轨12上，活动轨11用于固定穿刺针4，活动轨11与固定轨12之间固定有伸缩软体10，所述伸缩软体10的内部设置有阶梯式环形腔101，阶梯式环形腔101连接一根穿过固定轨12的通气管102，所述伸缩软体10的外表面开有环形凹槽A103，伸缩软体10的外表面和环形凹槽A103底面覆盖有环形增强层A13；相邻两个姿态模块2串接在一起，首部和尾部的姿态模块2分别与安装件3和固定轨12相连，每个姿态模块2中部具有中心通道201，每个姿态模块2在气压作用下可产生弯曲和偏转。
姿态模块2可在三维空间内产生不同角度的弯曲和偏转。伸缩模块1可产生直线位移。多模块结构的气动软体穿刺手术机器人具有多个自由度(图1中以1个伸缩模块1和两个姿态模块2示意，具有七个自由度)，可以在工作空间内完成对目标点的穿刺任务。
进一步地，所述伸缩软体10的材质为高弹性材料，伸缩软体10采用浇铸制作。例如，软硅胶。利用铂金催化原理完成固化，一体化成型制成，质地柔软，使用便捷。
内部的阶梯式环形腔101由深环形槽和浅环形槽交替布置而成，阶梯式环形腔101在充气后膨胀，体积变大，在外表面环形增强层A13的约束下，伸缩软体10产生直线弹性形变，伸缩软体10的内部具有中心通腔100，固定轨12和活动轨11穿过中心通腔100与伸缩软体10连接。穿刺针4安装在活动轨11的一端，通过控制伸缩软体10内部的阶梯式环形腔101的充气气压，可使得活动轨11产生直线位移，实现穿刺针1的进给和回退。优选地，环形凹槽A103的原始宽度为1-2mm。
伸缩软体10的外表面和环形凹槽A103底面覆盖有环形增强层A13，双重环形增强层A13的设置，增大伸缩软体10的刚度的同时，约束伸缩软体10的径向膨胀。所述环形增强层A13的材质为热塑性聚氨酯橡胶。热塑性聚氨酯弹性体橡胶材料具有耐磨性优异、耐臭氧性极好、硬度大、强度高、弹性好、耐低温，有良好的耐油、耐化学药品和耐环境性能。
进一步地，如图2和图7所示，所述活动轨11的中部延伸有一根杆111，固定轨12的中部延伸有一根导向管121；杆111可滑动地设置在导向管121内，导向管121可滑动地设置在伸缩软体10的中心通腔100内。如此设置，一方面起到支撑伸缩软体10的作用，另一方面，在控制伸缩软体10内部的阶梯式环形腔101的充气气压时，可使得活动轨11产生直线位移，进而实现穿刺针4的进给和回退，而不影响姿态模块2的自身姿态的改变，达到对目标点穿刺任务。
进一步地，如图1、图8-图10所示，每个所述姿态模块2包含姿态软体20、连接件A21和连接件B22；姿态软体20的中部具有所述中心通道201，姿态软体20的内部位于中心通道201的外侧，在周向上均布有三个阶梯式型腔202，每个阶梯式型腔延伸有一根穿过连接件B22的导气管204，姿态软体20的两端分别固定有连接件A21和连接件B22，相邻两个姿态模块2通过连接件A21和连接件B22相连，首部和尾部的姿态软体20的连接件B22和连接件A21分别对应连接安装件3和固定轨12。姿态软体20的外表面开有环形凹槽B203，环形凹槽B203内嵌有环形增强层B23。
可选地，姿态软体20内部均匀分布有三个阶梯式型腔202，阶梯式型腔202由深环形槽和浅环形槽交替布置而成，对三个阶梯式型腔202充气后，在外表面较浅的环形凹槽B203共同作用下，通过对三个阶梯式型腔202施加不同的气压，姿态软体20可产生不同角度的弯曲和偏转。姿态软体20内部的中心通道201，用于布置充气软管。充气软管用于连接伸缩软体10的通气管102，以及相邻姿态软体20上的导气管204。优选地，环形凹槽B203的原始宽度为1-2mm。
可选地，所述环形增强层B23的材质为热塑性聚氨酯橡胶。环形增强层B23均匀分布在姿态软体20的表面，硬度介于刚性连接结构和软体弯曲结构之间，采用热塑性聚氨酯弹性体橡胶材料，可增大姿态软体20弯曲的刚度，同时约束姿态软体20的径向膨胀。热塑性聚氨酯弹性体橡胶材料具有耐磨性优异、耐臭氧性极好、硬度大、强度高、弹性好、耐低温，有良好的耐油、耐化学药品和耐环境性能。
具体来说，可选地，所述姿态软体20为高弹性材料浇铸制成。例如，软硅胶。利用铂金催化原理完成固化，一体化成型制作，质地柔软，使用便捷。
所述连接件A21和所述连接件B22的材质为聚乳酸材料3D打印制成。效率高，具有减轻重量、增加使用寿命和提升性能的优点。
另外，如图1、图11和图12所示，基于上述实施方式的模块化气动软体穿刺手术机器人还包含控制装置5和磁共振兼容的框架6；控制装置5包含气泵51、气压阀52和微型计算机53；气泵51通过软管与气压阀52相连，气压阀52通过软管与通气管102和导气管204相连，安装件3固定在磁共振兼容的框架6上，气泵51用于向阶梯式环形腔101和阶梯式型腔202提供气体，微型计算机53用于向气压阀52下发控制指令，气压阀52用于控制注入气体的压力大小，进而控制设置于磁共振兼容的框架6上的伸缩模块1和姿态模块2的运动。所述控制装置5安放在控制室内，避免对磁共振成像造成干扰，模块化软体机器人通过安装件3安装在磁共振兼容的框架6上，并放置于磁共振仪7内部使用，实现对目标点的穿刺。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。
Claims (10)
1.一种模块化气动软体穿刺手术机器人，其特征在于：包含安装件(3)、伸缩模块(1)和多个姿态模块(2)；
所述伸缩模块(1)包含伸缩软体(10)、活动轨(11)和固定轨(12)；活动轨(11)可滑动地设置在固定轨(12)上，活动轨(11)用于固定穿刺针(4)，活动轨(11)与固定轨(12)之间固定有伸缩软体(10)，所述伸缩软体(10)的内部设置有阶梯式环形腔(101)，阶梯式环形腔(101)连接一根穿过固定轨(12)的通气管(102)，所述伸缩软体(10)的外表面开有环形凹槽A(103)，伸缩软体(10)的外表面和环形凹槽A(103)底面覆盖有环形增强层A(13)；相邻两个姿态模块(2)串接在一起，首部和尾部的姿态模块(2)分别与安装件(3)和固定轨(12)相连，每个姿态模块(2)中部具有中心通道(201)，每个姿态模块(2)在气压作用下可产生弯曲和偏转。
2.根据权利要求1所述一种模块化气动软体穿刺手术机器人，其特征在于：所述伸缩软体(10)的材质为高弹性材料。
3.根据权利要求1所述一种模块化气动软体穿刺手术机器人，其特征在于：每个所述姿态模块(2)包含姿态软体(20)、连接件A(21)和连接件B(22)；姿态软体(20)的中部具有所述中心通道(201)，姿态软体(20)的内部位于中心通道(201)的外侧，在周向上均布有三个阶梯式型腔(202)，每个阶梯式型腔延伸有一根穿过连接件B(22)的导气管(204)，姿态软体(20)的两端分别固定有连接件A(21)和连接件B(22)，相邻两个姿态模块(2)通过连接件A(21)和连接件B(22)相连，首部和尾部的姿态模块(2)的连接件B(22)和连接件A(21)分别对应连接安装件(3)和固定轨(12)。
4.根据权利要求3所述一种模块化气动软体穿刺手术机器人，其特征在于：姿态软体(20)的外表面开有环形凹槽B(203)，环形凹槽B(203)内嵌有环形增强层B(23)。
5.根据权利要求1或3所述一种模块化气动软体穿刺手术机器人，其特征在于：所述活动轨(11)的中部延伸有一根杆(111)，固定轨(12)的中部延伸有一根导向管(121)；杆(111)可滑动地设置在导向管(121)内，导向管(121)可滑动地设置在伸缩软体(10)的中心通腔(100)内。
6.根据权利要求1所述一种模块化气动软体穿刺手术机器人，其特征在于：所述环形增强层A(13)的材质为热塑性聚氨酯橡胶。
7.根据权利要求3所述一种模块化气动软体穿刺手术机器人，其特征在于：所述环形增强层B(23)的材质为热塑性聚氨酯橡胶。
8.根据权利要求3所述一种模块化气动软体穿刺手术机器人，其特征在于：所述姿态软体(20)为高弹性材料浇铸制成。
9.根据权利要求3或8所述一种模块化气动软体穿刺手术机器人，其特征在于：所述连接件A(21)和所述连接件B(22)的材质为聚乳酸材料3D打印制成。
10.根据权利要求3或8所述一种模块化气动软体穿刺手术机器人，其特征在于：还包含控制装置(5)和磁共振兼容的框架(6)；控制装置(5)包含气泵(51)、气压阀(52)和微型计算机(53)；气泵(51)通过软管与气压阀(52)相连，气压阀(52)通过软管与通气管(102)和导气管(204)相连，安装件(3)固定在磁共振兼容的框架(6)上，气泵(51)用于向阶梯式环形腔(101)和阶梯式型腔(202)提供气体，微型计算机(53)用于向气压阀(52)下发控制指令，气压阀(52)用于控制注入气体的压力大小，进而控制设置于磁共振兼容的框架(6)上的伸缩模块(1)和姿态模块(2)的运动姿态。
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