CN114917002A - 一种肺部穿刺活检手术机器人及定位方法 - Google Patents

一种肺部穿刺活检手术机器人及定位方法 Download PDF

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CN114917002A CN202210636279.7A CN202210636279A CN114917002A CN 114917002 A CN114917002 A CN 114917002A CN 202210636279 A CN202210636279 A CN 202210636279A CN 114917002 A CN114917002 A CN 114917002A
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张玲
瞿介明
陈巍
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Abstract

本发明提供一种肺部穿刺活检手术机器人，包括：X/Y平移模块，所述X/Y平移模块进行X方向和Y方向运动，定位穿刺针的入针点；角度调整模块，所述角度调整模块依据设定角度调整所述穿刺针的穿刺角度；穿刺进针模块，所述穿刺针进针模块控制所述穿刺针依照所述入针点和穿刺角度送入病灶位置，完成穿刺活检并拔出。本发明结构紧凑，能够在狭小的CT扫描孔内或医用诊断X射线机下完成穿刺针位置和角度的调整；实现自主穿刺，提高穿刺精度与穿刺速度，减少穿刺时间，降低辐射伤害。

Description

一种肺部穿刺活检手术机器人及定位方法
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体地，涉及一种肺部穿刺活检手术机器人及定位方法。
背景技术
原发性肺癌是全球癌症死亡的主要原因，在筛查过程中通过计算机断层扫描(CT)发现肺部异常时，通过穿刺活检获取该病变的代表性组织样本对于明确诊断至关重要。传统的经皮活检程序是患者需要在术前进行CT扫描，医生根据扫描图像获取病变组织的位置、大小及形状等信息，进行术前规划，然后医生根据标记从屏蔽控制室进入扫描仪室，将穿刺针刺入组织一定深度，重新扫描后再进行穿刺，重复迭代以上步骤。由于CT扫描过程中存在的辐射，医生需要在扫描仪室和辐射屏蔽室之间来回穿梭，造成医生的疲劳；患者的反复滑入和滑出扫描仪孔对于患者状态和穿刺精度也会造成一定影响，反复扫描也会增大病人的辐射暴露时间；最重要的是，迭代穿刺过程易产生气胸、肺出血等术中并发症。
机器人辅助手术不仅定位精度高、灵巧性强，而且对于患者造成的创伤小，便于术后恢复。对于基于CT图像导航的肺穿刺活检机器人来说，由于仪器的限制，机器人的结构必须十分紧凑才能有效完成相应的手术动作。以往的肺穿刺活检手术机器人为实现自主穿刺功能大多体积庞大，与CT扫描孔易产生干涉，一些较小的安装在病人身上的肺穿刺活检装置仅实现穿刺针的引导，无法完成自主穿刺，且多不能满足使机械臂从胸腔外部任意位置、角度进针的要求，并且调节速度慢、精度低，使机器人自主完成穿刺具有很大的难度；且对针的夹持为简单的固定连接，多不能满足针对不同型号穿刺针的普适性和可更换性。
经过对现有技术的检索发现，中国发明专利CN1047939512A，名称为“基于CT或MRI图像导航的胸腔穿刺手术机器人”，具有自主穿刺功能，部分自由度采用丝传动的方式来实现，但是系统体积仍然较大，并且穿刺针与驱动装置固定连接，无法实现不同手术器械的更换功能。
进一步检索中发现，美国发明专利US2016/0317240A1，名称为“DEVICE FORATTACHING MEDIACL TARGET DEVICES AND LIKE”，具有任意位置、角度的穿刺导引功能，且可以更换穿刺过程中不同型号的穿刺针，但是系统体积庞大，且不具有自主穿刺功能。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种肺部穿刺活检手术机器人及定位方法。
根据本发明的一个方面，提供一种肺部穿刺活检手术机器人，包括：
X/Y平移模块，所述X/Y平移模块进行X方向和Y方向运动，定位穿刺针的入针点；
角度调整模块，所述角度调整模块依据设定角度调整所述穿刺针的穿刺角度；
穿刺进针模块，所述穿刺针进针模块控制所述穿刺针依照所述入针点和穿刺角度送入病灶位置，完成穿刺活检并拔出。
优选地，所述X/Y平移模块，包括：
X平移单元，所述X方向平移单元调整所述穿刺针入针点X方向的位置；
Y平移单元，所述Y方向平移单元调整所述穿刺针入针点Y方向的位置。
优选地，所述X平移单元，包括：
第一支架，所述支架用于支撑；
第一模组滑台，所述第一模组滑台位于所述第一支架内；
第一电机，所述第一电机安装于所述所述第一支架内，驱动所述第一模组滑台；
第一滑块，所述第一滑块与所述第一模组滑台通过传动螺纹连接；
所述Y平移单元，包括：
第二支架，所述第二支架架于所述第一支架上方；
连接架，所述连接架与所述第一滑块连接；
第二模组滑台，所述第二模组滑台与所述连接架连接；
第二电机，所述第二电机位于所述第二支架内，驱动所述第二模组滑台；
第二滑块，所述第二滑块与所述第二模组滑台通过传动螺纹连接；
支撑架，所述支撑架横跨于所述第二滑块上并与其固定连接；
第一万向节，所述第一万向节与所述支撑架的前端连接。
优选地，所述角度调整模块在三角形的底边确定时，调整另外两条边长得到顶点；利用所述顶点结合所述X/Y平移模块确定的入针点，确定所述穿刺针的角度。
优选地，所述角度调整模块，包括：
支撑底板，所述支撑底板固定于所述支撑架上方；
万向接头，两个所述万向接头位于所述支撑底板上方，相互之间同轴连接；
丝杠支座，所述丝杠支座与所述万向接头连接；
齿轮副，所述齿轮副固定于所述丝杠支座；
第一丝杠，所述第一丝杠与所述齿轮副连接；
电机支架，所述电机支架与所述丝杠支座连接；
第三电机，所述第三电机固定于所述电机支架，驱动所述齿轮副带动所述第一丝杠转动；
第三滑块，所述第三滑块与所述第一丝杠传动螺纹连接；
套筒，所述套筒与所述第三滑块固定连接；
联合关节，所述联合关节与所述套筒连接；
臂，所述臂与所述联合关节通过轴承连接；
第二万向节，所述第二万向节与所述臂连接。
优选地，所述
所述两个万向接头之间使用一根轴固定，构成三角形的底边；
两组所述第一丝杠、第三滑块和套筒构成所述三角形的另外两条边；两个所述套筒相交汇与所述联合关节，构成三角形的另一个顶点；
所述第一丝杆转动驱动所述滑块移动，所述滑块驱动套筒移动，使得两条边的边长可调。优选地，所述联合关节与所述臂进行铰接连接。
优选地，所述穿刺进针模块，包括：
丝杠底座，所述丝杠底座与所述第一万向节连接；
穿刺托板，所述穿刺托板位于所述丝杠底座正下方，与所述第二万向节连接；
第四电机，所述第四电机固定于位于所述穿刺托板上方；
旋转主动齿轮，所述旋转主动齿轮位于所述穿刺托板上方，由所述第四电机驱动；
旋转从动齿轮，所述旋转从动齿轮旋位于所述穿刺托板上方并与旋转主动齿轮啮合；
第二丝杆，所述第二丝杠位于所述丝杠底座与所述穿刺托板间，与所述旋转从动齿轮连接；
导向轴，所述导向轴位于位于所述丝杠底座与所述穿刺托板间；
穿刺滑块，所述穿刺滑块与所述第二丝杠传动螺纹连接，其一侧与所述导向轴连接；
针抓取装置，所述针抓取装置固定连接与所述穿刺滑块的一侧；
穿刺针，所述穿刺针的由所述针抓取装置固定。
优选地，所述丝杠底座开设圆孔，所述穿刺针的下段穿越所述圆孔。
本发明的第二个方面，提供一种基于任一项所述的一种肺部穿刺活检手术机器人实现的定位方法，包括：
主手远程控制从手；
所述从手控制X/Y平移模块进行X方向和Y方向运动，定位穿刺针的入针点；
控制所述角度调整模块依据设定角度调整所述穿刺针的穿刺角度。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明实施例中的一种肺部穿刺活检手术机器人，结构紧凑，能够在狭小的CT扫描孔内或医用诊断X射线机下完成穿刺针位置和角度的调整,提高穿刺精度。
本发明实施例中的一种肺部穿刺活检手术机器人，通过穿刺进针模块的电机驱动丝杠的旋转运动转化为滑块的直线运动，从而带动穿刺针的直线运动，通过控制电机速度提高穿刺进针速度,实现自主穿刺，降低辐射伤害。
本发明实施例中的一种肺部穿刺活检手术机器人，可更换性功能，能够根据不同场景的穿刺活检实现不同穿刺针的夹紧作用，且便于消毒。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例中的肺部穿刺活检手术机器人的总体结构示意图；
图2为本发明实施例中的X/Y平移模块结构示意图；
图3为本发明实施例中的角度调整模块结构示意图；
图4为本发明实施例中的穿刺进针模块结构示意图；
图5为本发明实施例中的控制系统框图。
图中：101-第一万向节，102-轴向关节，103-支撑架，104-第二模组滑台，105-第二滑块，106-连接架，107-第二电机，108-第二支架，109-第一滑块，110-第一模组滑台，111-第一电机，112-第一支架，201-第二万向节，202-臂，203-联合关节，204-套筒，205第三滑块，206-电机支架，207-第三电机，208第一丝杠，209-万向接头，210-齿轮副，211-丝杠支座，212-支撑底板，301-第二丝杠2，302-针抓取装置，303-穿刺滑块，304-导向轴，305-穿刺托板，306-旋转从动齿轮，307-旋转主动齿轮，308-第四电机，309-丝杠底座，4-穿刺针。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供一个实施例，一种肺部穿刺活检手术机器人，包括：X/Y平移模块，X/Y平移模块进行X方向和Y方向运动，定位穿刺针的入针点；
角度调整模块，角度调整模块依据设定角度调整穿刺针的穿刺角度；
穿刺进针模块，穿刺针进针模块控制穿刺针依照入针点和穿刺角度送入病灶位置，完成穿刺活检并拔出。
如图2所示，为本发明一实施例中的X/Y平移模块的结构示意图。X/Y平移模块包括X方向平移单元、Y方向平移单元。X方向平移单元包括第一支架112，在第一支架112上安装有X方向设置的第一模组滑台110，第一模组滑台110由第一电机111驱动，电机111安装在第一支架112上，在第一模组滑台110上设有与其通过传动螺纹连接的第一滑块109，第一滑块109通过连接架106与第二模组滑台104的后端固接。Y方向平移单元包括第二模组滑台104，第二模组滑台104固定在连接架106上，第二模组滑台104由第二电机107驱动，第二电机107安装在第二支架108上，在第二模组滑台104上设有与其通过传动螺纹连接的第二滑块105，在第二滑块105上横跨有与其固接的支撑架103，支撑架103前端与第一万向节101通过轴向关节102连接。
连接架106将第一滑块109的直线运动传递到第二模组滑台104与第二滑块105固定连接的支撑架103，支撑架103实现X/Y方向的平移运动，支撑架103前端通过102轴向关节与101万向节1配合连接，与穿刺进针模块3下半部分连接，实现进针点的定位功能，支撑架103上端与支撑底板212固接，支撑底板212上为2角度调整模块，实现在进针点固定的同时可以对进针角度进行调整的功能。
如图3所示，为本发明一实施例中的角度调整模块的结构示意图。角度调整模块包括与212支撑底板固接的2个万向接头209，万向接头209固接到一根轴，电机支架206与万向接头209配合连接，电机支架206与第三电机207、丝杠支座211固接，在丝杠支座211上安装有第一丝杠208，第一丝杠208上设有与其采用传动螺纹连接的第三滑块205，第三电机207通过齿轮副210将动力传递到第三滑块205上，第三滑块205与套筒204固接，2个套筒204远端固接到联合关节203，2个第三电机207通过驱动丝杠上的2个第三滑块205实现直线运动，通过控制2个第三滑块205不同的直线运动行程，2个万向接头209轴心之间的距离与套筒204末端到第一丝杠208起始端构成三角形的底边与两腰长，2个万向接头209轴心及之间的连杆构成三角形底边，2个第三滑块205及与之相连的2个套筒204通过直线运动改变与第一丝杠208起始端的相对位置从而改变三角形的两腰长，进而改变三角形形状，臂202所在的三角形顶点位置也发生了改变，从而得到臂202在平面内不同的运动位置，臂202与穿刺进针模块上半部分配合连接，在穿刺进针模块下半部分位置已由X/Y平移模块确定后，可实现穿刺进针模块的角度调整，即实现穿刺针的角度调整功能。电机支架206与万向接头209配合，套筒204、第三滑块205、第一丝杠208与万向接头209都保持在同一平面上，万向接头209通过内部的轴承、销配合连接到第一丝杠208起始端位置，从而允许第一丝杠208、第三滑块205以及套筒204所形成的三角形边长实现不同角度的变化而不造成约束作用，从而完成更灵活的角度运动，联合关节203与202臂进行铰链连接，臂，202的远端通过第二万向节201配合连接到穿刺进针模块3的上半部分，通过X/Y平移模块1确定穿刺进针模块3下半部分位置，通过上述实施例中的运动确定穿刺进针模块3上半部分位置，进而确定穿刺进针模块3的方向，从而实现穿刺针角度调整功能。
如图4所示，为本发明一实施例中的穿刺进针模块结构示意图，穿刺进针模块3包括与第二万向节201配合连接的丝杠底座309，与第一万向节101配合连接的穿刺托板305。第四电机308固接在穿刺托板305上，旋转主动齿轮307与第四电机308驱动轴转动连接，旋转主动齿轮307与旋转从动齿轮306啮合，旋转从动齿轮306与第二丝杠301转动连接，第二丝杠301安装在穿刺托板305上，导向轴304安装在丝杠底座309和穿刺托板305之间，在第二丝杠301上设有与其采用传动螺纹连接的穿刺滑块303，在穿刺滑块303上固接有针抓取装置302，穿刺针4与针抓取装置302进行连接，穿刺针4的下部穿越位于丝杠底座309圆孔。其中，针抓取装置302可以实现对不同规格直径的穿刺针的夹紧作用；导向轴304对穿刺进针4直线动作的导向功能。
以下为了更好理解本发明的技术方案，对上述实施例工作过程进行详细说明：
将所述装置安装完毕后，外科医生通过穿刺针夹取装置302将穿刺针4与穿刺进针模块3固定好，将穿刺针4尖固定在穿刺托板305下方的圆孔处，由被动机械臂将装置粗略地定位到病人胸腔附近。
外科医生离开上述装置，操作主手远程控制该装置，控制X/Y平移模块1中的第一模组滑台101和第二模组滑台104，将穿刺针4针尖精细定位到入针点，然后根据术前术中规划获取合适的穿刺角度，避开重要血管、脏器、组织，根据计算获得该角度下所需联合关节203所在位置，调整2个第一丝杠208从而调整2个第三滑块205不同的直线行程，实现联合关节203的位置调整，达到穿刺进针模块3上半部分的位置调整，从而调整穿刺针4至所需穿刺角度。
控制穿刺进针模块3，通过第四电机308将穿刺丝杠301的旋转运动转换为穿刺滑块303的直线运动，固接在穿刺滑块303上的针夹持装置302将穿刺针4夹紧后刺入组织进行活检再拔出穿刺针4，完成穿刺活检手术。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种肺部穿刺活检手术机器人实现的定位方法，如图5所示，包括：主手远程控制从手；从手控制X/Y平移模块进行X方向和Y方向运动，定位穿刺针的入针点，控制所述角度调整模块依据设定角度调整所述穿刺针的穿刺角度。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。

Claims (10)

1.一种肺部穿刺活检手术机器人，其特征在于，包括：
X/Y平移模块，所述X/Y平移模块进行X方向和Y方向运动，定位穿刺针的入针点；
角度调整模块，所述角度调整模块依据设定角度调整所述穿刺针的穿刺角度；
穿刺进针模块，所述穿刺针进针模块控制所述穿刺针依照所述入针点和穿刺角度送入病灶位置，完成穿刺活检并拔出。
2.根据权利要求1所述的一种肺部穿刺活检手术机器人，其特征在于，所述X/Y平移模块，包括：
X平移单元，所述X方向平移单元调整所述穿刺针入针点X方向的位置；
Y平移单元，所述Y方向平移单元调整所述穿刺针入针点Y方向的位置。
3.根据权利要求1所述的一种肺部穿刺活检手术机器人，其特征在于，所述X平移单元，包括：
第一支架，所述支架用于支撑；
第一模组滑台，所述第一模组滑台位于所述第一支架内；
第一电机，所述第一电机安装于所述第一支架内，驱动所述第一模组滑台；
第一滑块，所述第一滑块与所述第一模组滑台通过传动螺纹连接；
所述Y平移单元，包括：
第二支架，所述第二支架架于所述第一支架上方；
连接架，所述连接架与所述第一滑块连接；
第二模组滑台，所述第二模组滑台与所述连接架连接；
第二电机，所述第二电机位于所述第二支架内，驱动所述第二模组滑台；
第二滑块，所述第二滑块与所述第二模组滑台通过传动螺纹连接；
支撑架，所述支撑架横跨于所述第二滑块上并与其固定连接；
第一万向节，所述第一万向节与所述支撑架的前端连接。
4.根据权利要求3所述的一种肺部穿刺活检手术机器人，其特征在于，所述角度调整模块在三角形的底边确定时，调整另外两条边长得到顶点；利用所述顶点结合所述X/Y平移模块确定的所述入针点，确定所述穿刺针的角度。
5.根据权利要求3所述的一种肺部穿刺活检手术机器人，其特征在于，所述角度调整模块，包括：
支撑底板，所述支撑底板固定于所述支撑架上方；
万向接头，两个所述万向接头位于所述支撑底板上方，相互之间同轴连接；
丝杠支座，所述丝杠支座与所述万向接头连接；
齿轮副，所述齿轮副固定于所述丝杠支座；
第一丝杠，所述第一丝杠与所述齿轮副连接；
电机支架，所述电机支架与所述丝杠支座连接；
第三电机，所述第三电机固定于所述电机支架，驱动所述齿轮副带动所述第一丝杠转动；
第三滑块，所述第三滑块与所述第一丝杠传动螺纹连接；
套筒，所述套筒与所述第三滑块固定连接；
联合关节，所述联合关节与所述套筒连接；
臂，所述臂与所述联合关节通过轴承连接；
第二万向节，所述第二万向节与所述臂连接。
6.根据权利要求5所述的一种肺部穿刺活检手术机器人，其特征在于，
所述两个万向接头之间使用一根轴固定，构成三角形的底边；
两组所述第一丝杠、第三滑块和套筒构成所述三角形的另外两条边；两个所述套筒相交汇与所述联合关节，构成三角形的另一个顶点；
所述第一丝杆转动驱动所述滑块移动，所述滑块驱动套筒移动，使得两条边的边长可调。
7.根据权利要求5所述的一种肺部穿刺活检手术机器人，其特征在于，所述联合关节与所述臂进行铰接连接。
8.根据权利要求4所述的一种肺部穿刺活检手术机器人，其特征在于，所述穿刺进针模块，包括：
丝杠底座，所述丝杠底座与所述第一万向节连接；
穿刺托板，所述穿刺托板位于所述丝杠底座正下方，与所述第二万向节连接；
第四电机，所述第四电机固定于位于所述穿刺托板上方；
旋转主动齿轮，所述旋转主动齿轮位于所述穿刺托板上方，由所述第四电机驱动；
旋转从动齿轮，所述旋转从动齿轮旋位于所述穿刺托板上方并与旋转主动齿轮啮合；
第二丝杆，所述第二丝杠位于所述丝杠底座与所述穿刺托板间，与所述旋转从动齿轮连接；
导向轴，所述导向轴位于所述丝杠底座与所述穿刺托板间；
穿刺滑块，所述穿刺滑块与所述第二丝杠传动螺纹连接，其一侧与所述导向轴连接；
针抓取装置，所述针抓取装置固定连接与所述穿刺滑块的一侧；
穿刺针，所述穿刺针的由所述针抓取装置固定。
9.根据权利要求5所述的一种肺部穿刺活检手术机器人，其特征在于，所述丝杠支座开设圆孔，所述穿刺针的下段穿越所述圆孔。
10.一种基于权利要求1-9任一项所述的一种肺部穿刺活检手术机器人实现的定位方法，其特征在于，包括：
主手远程控制从手；
所述从手控制X/Y平移模块进行X方向和Y方向运动，定位穿刺针的入针点；
控制所述角度调整模块依据设定角度调整所述穿刺针的穿刺角度。
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