CN115778509A - 一种超声扫查穿刺一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声扫查穿刺一体化装置，该装置包括穿刺角度调整机构、扫查压力调整机构和探头夹持机构三部分，本发明采用球面五连杆机构实现对一个远心穿刺点的两个自由度穿刺角度调整、探头夹持机构的上下浮动实现穿刺点深度的调整，并采用压紧随动机制设计实现探头自适应地压紧人体体表并且压力可调节。本发明将超声扫查的需要和穿刺的需要结合起来，同时满足了超声扫查的自适应位置调整与力控要求以及两个自由度穿刺角度调整的需求，作为机械臂的末端执行器参与到外科手术过程中，不仅提高了超声定位导航穿刺效率，简化了多系统配准的流程，也避免了多个坐标系转换带来的误差，提高了穿刺的精度。

Description

一种超声扫查穿刺一体化装置

技术领域

本发明涉及医学领域，尤其是机器人辅助的超声引导穿刺，具体涉及一种超声扫查穿刺一体化装置。

背景技术

传统超声引导穿刺的过程为医生一手持超声探头，一手持穿刺针进行，由于超声探头与穿刺针均具备较高的灵活度，两者协调困难。从而在穿刺的过程中，医生很容易受到患者肌肉抵抗力与皮肤滑移的影响，偏移穿刺的方向和位置。

更为重要的是，超声图像和穿刺针之间的坐标关系不明确，即使借助光学或者磁定位的手段，但受到技术固有缺陷及穿刺结构形变的影响，穿刺精度仍然难以提高。目前也有给超声探头配备一体化穿刺机构的设计方案，或结构设计过于简单仅能满足简单的浅表取活检需求；或过于笨重不便介入手术室环境开展作业，均忽视了超声探头在力控与自适应姿态调整方面的需要。

总结起来主要存在以下问题：1、调整难：超声成像与穿刺的机构缺乏足够的约束，医生无法专注于调整合适的穿刺指标；2、衔接难：超声扫查与定位穿刺流程割裂，彼此的衔接困难；3、精度低：成像与穿刺的坐标关系复杂，多级的传导带来明显的误差，借助光学或磁定位的手段也难以弥补。

发明内容

为了一体化地实现机器人辅助超声扫查成像以及定位穿刺的过程，满足医生调整穿刺角度与深度的需要，提高穿刺的精度和超声引导过程的效率，本发明提供一种基于球面五连杆机构与探头自适应调整机构的超声扫查穿刺一体化装置。

本发明针对现有技术的不足，采用如下的技术方案：一种超声扫查穿刺一体化装置，包括用于调整穿刺位置的穿刺角度调整机构、扫查压力调整机构和夹持超声探头的探头夹持机构；

所述穿刺角度调整机构包括穿刺伞、左大扇板、左小扇板、右大扇板、右小扇板，穿刺套管、磁栅尺读磁头、穿刺针；

所述穿刺伞包括扇形宽壁板、设置在扇形宽壁板右侧的扇形窄侧板以及设置在顶部的L型盖板；扇形宽壁板中部向后侧凹陷形成箱型结构，箱型结构左右两侧以及后侧的箱壁均设置有滑轨；扇形窄侧板的左侧与扇形宽壁板的右侧固定连接，设置在顶部的L型盖板从扇形宽壁板的左侧跨接至扇形宽壁板右侧的扇形窄侧板，L型盖板中部设有法兰盘用于将所述超声扫查穿刺一体化装置安装在机械臂末端；扇形宽壁板左侧和扇形窄侧板的右侧沿扇脊设有铰接转轴；铰接转轴的轴线通过扇面指向扇形宽壁板的圆心；所述左大扇板和右大扇板分别铰接在穿刺伞的两侧，左小扇板的一侧与左大扇板铰接，右小扇板的一侧与右大扇板铰接；左小扇板的另一侧与右小扇板的另一侧通过穿刺套管铰接；所述穿刺针设置在穿刺套管内；所述磁栅尺读磁头安装在穿刺伞的箱型结构右侧外壁下端部；

所述扫查压力调整机构包括上下伸缩盒；所述上下伸缩盒通过穿刺伞扇形宽壁板上的滑轨滑动设置在穿刺伞上，能够根据所述超声探头施加的压力调整探头夹持机构的位置；

所述探头夹持机构包括压力传感器、探头座快装板，探头座，探头盖，超声探头；所述压力传感器安装在扫查压力调整机构上；所述探头座快装板固定在压力传感器上，探头座快装板为方型板，左右侧为弧形的光滑表面，靠上部设有凸起；所述探头座后侧设置为C型结构，能够从下往上滑入探头座快装板，并通过探头座快装板上部凸起实现卡紧固定；所述探头座前端与探头盖两者合紧固定，探头座的中部均依据超声探头外表曲型设置凹坑，将超声探头牢固抱紧在其中。

作为本发明的优选方案，所述穿刺伞、左大扇板、左大扇板、右大扇板、右小扇板的扇脊轴线指向中心重合，五者拼合成形成五棱锥结构，重合点为穿刺伞穿刺中心点，从而五棱锥相邻侧面之间的角度变化可调整穿刺套管的姿态。

作为本发明的优选方案，所述穿刺伞、左大扇板、左大扇板、右大扇板、右小扇板之间构成的旋转副均采用阻尼转轴进行连接，以提供一定的转动阻尼。

作为本发明的优选方案，所述超声探头的成像平面与所述上下伸缩盒的上下滑动方向平行，且成像平面沿此方向的对称轴通过穿刺中心点，使得上下伸缩盒上下运动带动超声探头上下运动时，穿刺中心点始终在成像平面内，沿对称轴移动。

作为本发明的优选方案，所述穿刺伞顶端L型盖板装有两舵机，其输出轴分别对齐穿刺伞两侧的通孔，可通过舵机分别驱动左大扇板和右大扇板的旋转，从而调整穿刺套管的方向。

作为本发明的优选方案，所述穿刺伞箱体左右两侧设凸块，所述上下伸缩盒顶部同样设凸块，给上下伸缩盒提供下限位，使得在拉簧驱动下上下伸缩盒置于下限位时，穿刺伞穿刺中心点位于超声图像的底部，而随着外力推动所述超声探头和上下伸缩盒向上运动时，穿刺中心点渐渐运动到超声图像的顶部。

作为本发明的优选方案，所述扫查压力调整机构包括上下伸缩盒、压力加载板、拉簧、压力调整滑块；所述上下伸缩盒呈箱型，仅后侧开放，安装在穿刺伞左右两侧箱壁滑轨上，使得上下伸缩盒能够在穿刺伞箱型结构内部上下滑动，右侧壁外贴有磁条，所述磁条与磁栅尺读磁头保持恒定的距离，记录上下伸缩盒的运动位置；所述压力加载板呈L型，安装在穿刺伞后侧箱壁的宽滑轨上可上下滑动，中部设螺孔，下侧L型凸起靠前伸入上下伸缩盒，上面挂载若干拉簧；所述拉簧另一端挂在上下伸缩盒上臂，牵引上下伸缩盒向下运动进行加载；所述压力调整滑块安装在穿刺伞后侧箱壁外，穿过后侧箱壁中央槽口固定在所述压力加载板中部的螺孔上。

作为本发明的优选方案，所述穿刺伞后侧箱壁中央的槽口设置倒齿，扣合所述压力调整滑块的对应倒齿，使压力调整滑块只能向下运动，拉住所述上下伸缩盒向下加载。通过按住所述压力调整滑块两侧，可使压力调整滑块的倒齿缩回从而灵活调整压力调整滑块位置。

本发明还提供了一种超声扫查穿刺一体化装置的工作方法，包括以下步骤：

1)将超声扫查穿刺一体化装置通过L型盖板中部法兰盘安装在机械臂末端；

2)控制机械臂运动，通过超声探头采集超声图像，并对目标穿刺点进行定位；

3)调整机械臂的位置使得穿刺中心点与目标穿刺点重合；

4)调整穿刺套管的位置，选择合适的穿刺入路，将穿刺针置入穿刺套管进行穿刺。

作为本发明的优选方案，步骤4)中穿刺针沿着穿刺套管进行穿刺过程中，通过超声探头采集超声图像并观察；监控穿刺针是否抵达穿刺伞穿刺中心点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

在本装置向下运动加载在患者皮肤上时，超声探头会渐渐回缩，加载压力不断增加，穿刺中心点也不断下移直至调整到规划的穿刺位置，此时超声探头在拉簧的作用下能够始终贴合人体体表，确保良好的成像条件，同时加载压力可通过压力调整滑块进一步调节，使人体组织受到合适的压力确保良好的成像效果。固定好本装置位置后和穿刺中心点的位置后，更进一步的，可以通过舵机控制或者用较大的力徒手调整穿刺套管的位置从而调整穿刺的角度，这包含两个自由度，一方面穿刺套管可环绕超声探头旋转，既可以转至成像平面内穿刺又可以平面外穿刺，一方面还可以调整与超声探头所成的角度。在这一过程中，穿刺中心点的位置不会移动，且始终在超声平面内可监控。这就使得穿刺过程既安全可靠又十分方便。

附图说明

图1为超声扫查穿刺一体化装置爆炸图；

图2为超声扫查穿刺一体化装置平面内穿刺示意图；

图3为超声扫查穿刺一体化装置平面外穿刺示意图；

图4为超声扫查穿刺一体化装置穿刺深度调整示意图；

图5为扫查压力调整机构爆炸图；

图6为扫查压力调整机构剖视图。

图中：1.穿刺伞，2.左大扇板，3.左小扇板，4.右大扇板，5.右小扇板，6.穿刺套管，7.磁栅尺读磁头，8.穿刺针，9.上下伸缩盒，10.压力加载板，11.拉簧，12.压力调整滑块，13.压力传感器，14.探头座快装板，15.探头座，16.探头盖，17.超声探头。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，本发明提供一种具有两自由度角度调整和穿刺深度调整能力的超声扫查穿刺一体化装置，包括穿刺角度调整机构、扫查压力调整机构和探头夹持机构三部分；

在本发明的一个具体实施例中，如图1和图2所示，穿刺角度调整机构包括穿刺伞1、左大扇板2、左小扇板3、右大扇板4、右小扇板5，穿刺套管6、磁栅尺读磁头7、穿刺针8；穿刺伞1为后侧扇形宽壁板与右侧扇形窄侧板于扇脊拼合而成，打开呈120°，顶端具有L型盖板从扇形宽壁板跨接至扇形窄侧板。盖板中部设法兰盘可安装在机械臂末端。扇形宽壁板左侧扇脊设通孔，其轴线通过扇面指向的圆心，即穿刺中心点。扇形窄侧板右侧扇脊设瞳孔，其轴线同样指向穿刺中心点。左大扇板2、左小扇板3为扇形薄板，左右两侧扇脊均设通孔。左大扇板2一侧通孔与穿刺伞1左侧通孔相铰接，构成旋转副，而另一侧通孔与左小扇板3一侧的通孔相铰接，构成旋转副。右大扇板4、右小扇板5为扇形薄板，左右两侧扇脊均设通孔。右大扇板4一侧通孔与穿刺伞1右侧通孔相铰接，构成旋转副，而另一侧通孔与右小扇板5一侧的通孔相铰接，构成旋转副。左小扇板3与所述右小扇板5的自由通孔由所述穿刺套管6穿过，构成旋转副。

如图3和图4所示，穿刺伞1后侧扇形宽壁板中部开口设箱型结构，上部由L型盖板封住，左右的箱壁各设置一滑轨，后侧箱壁再设一宽滑轨，其中央开槽口。箱型结构的下方敞开。磁栅尺读磁头7安装在靠外侧安装在所述穿刺伞1的箱型结构右侧箱壁上。穿刺针8置入所述穿刺套管6内。

如图5所示，扫查压力调整机构包括上下伸缩盒9、压力加载板10、拉簧11、压力调整滑块12。上下伸缩盒9呈箱型，仅后侧开放，左右侧安装在穿刺伞1左右两侧箱壁滑轨上，使得上下伸缩盒9可在穿刺伞1箱型结构内部上下滑动，右侧壁外贴有磁条，与磁栅尺读磁头7保持恒定的距离，记录上下伸缩盒9的运动位移。压力加载板10呈L型，安装在穿刺伞1后侧箱壁的宽滑轨上可上下滑动，中部设螺孔，下侧L型凸起靠前伸入上下伸缩盒9，上面挂载若干拉簧11。

拉簧11另一端挂在上下伸缩盒9上臂，牵引上下伸缩盒9向下运动进行加载。压力调整滑块12安装在穿刺伞1后侧箱壁外，穿过后侧箱壁中央槽口固定在所述压力加载板10中部的螺孔上。

如图6所示，探头夹持机构包括压力传感器13、探头座快装板14，探头座15，探头盖16，超声探头17。压力传感器13安装在所述上下伸缩盒9前方，靠下端的位置。探头座快装板14为方型厚板，左右两边具有弧形的光滑表面，靠上部设有凸起，中部后侧设有螺孔固定在压力传感器13上。探头座15后侧具有C型结构，左右抱住探头快装板14，可从下往上滑入探头座快装板14，通过所述探头座快装板14上部凸起实现卡紧固定。探头座15前端与所述探头盖16两者合紧，通过螺栓固定，中部均依据超声探头17外表曲型设置凹坑，牢固抱紧所述超声探头17在其中。

所述穿刺伞1、左大扇板2、左小扇板3、右大扇板4、右小扇板5之间构成的旋转副均采用阻尼转轴进行连接，以提供一定的转动阻尼。阻尼转轴的轴线指向中心重合；五者拼合成形成五棱锥结构，楞锥顶点为穿刺伞1穿刺中心点，从而五棱锥相邻侧面之间的角度变化可调整穿刺套管6的姿态。

在本发明一个优选的具体实施方式中，所述超声探头17的成像平面与所述上下伸缩盒9的上下滑动方向平行，且成像平面沿此方向的对称轴通过穿刺中心点，使得上下伸缩盒9上下运动带动超声探头17上下运动时，穿刺中心点始终在成像平面内，沿对称轴移动。

在本发明一个优选的具体实施方式中，所述穿刺伞1后侧箱壁中央的槽口设置倒齿，扣合所述压力调整滑块12的对应倒齿，使压力调整滑块12只能向下运动，拉住所述上下伸缩盒9向下加载。通过按住所述压力调整滑块12两侧，可使压力调整滑块12的倒齿缩回从而灵活调整压力调整滑块12位置。

在本发明一个优选的具体实施方式中，所述穿刺伞1顶端L型盖板装有两舵机，其输出轴分别对齐穿刺伞1两侧的通孔，可通过舵机分别驱动左大扇板2和右大扇板4的旋转，从而调整穿刺套管6的方向。所述穿刺伞1箱体左右两侧设凸块，所述上下伸缩盒9顶部同样设凸块，给上下伸缩盒9提供下限位，使得在拉簧11驱动下上下伸缩盒9置于下限位时，穿刺伞1穿刺中心点位于超声图像的底部，而随着外力推动所述超声探头17和上下伸缩盒9向上运动时，穿刺中心点渐渐运动到超声图像的顶部。

【实施例1】

整个超声扫查穿刺一体化装置通过穿刺伞1的顶部L型盖板中部法兰盘安装在机械臂末端。控制机械臂沿人体体表运动，使超声探头贴近人体采集人体组织的超声图像。在这一扫查过程中，超声探头17在拉簧作用下贴紧人体，其压力可以通过机械臂上下运动以及压力调整滑块12进行调节。定位到目标穿刺点后，调整机械臂的位置使得穿刺伞1穿刺中心点与目标靶点重合，然后机械臂保持不动，通过调节压力调整滑块12直至超声探头17施加于人体合适的压力。最后，医生根据需要调整穿刺套管6的位置，选择合适的穿刺入路。将穿刺针8置入穿刺套管6，沿着穿刺套管6慢慢将穿刺针8插入，并观察超声图像，监控穿刺针8是否抵达穿刺伞1穿刺中心点。

【实施例2】

在实施例1的基础上，医生可以根据需要更换合适的超声探头17，使用配套的探头座15和探头盖16即可。也可以更换穿刺套管6，满足不同直径的穿刺针8置入。在后续手术开展过程中，只需要抽除穿刺套管6，即可分离左小扇板3和右小扇板5，从而撤离本装置。

【实施例3】

在实施例1的基础上，如果手术场景支持全程在超声图像下穿刺，可以将穿刺套管6旋转至超声成像平面，如附图2所示，则穿刺过程的全程穿刺针8均可以在超声图像内看到。

综上所述，本发明的超声扫查穿刺一体化装置能够确保良好的成像条件，同时加载压力可通过压力调整滑块进一步调节；可以通过舵机控制或者用较大的力徒手调整穿刺套管的位置从而调整穿刺的角度，一方面穿刺套管可环绕超声探头旋转，既可以转至成像平面内穿刺又可以平面外穿刺，另一方面还可以调整与超声探头所成的角度。在这一过程中，穿刺中心点的位置不会移动，且始终在超声平面内可监控。这就使得穿刺过程既安全可靠又十分方便。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于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。

Claims (10)

1.一种超声扫查穿刺一体化装置，其特征在于，包括用于调整穿刺位置的穿刺角度调整机构、扫查压力调整机构和夹持超声探头的探头夹持机构；

所述穿刺角度调整机构包括穿刺伞(1)、左大扇板(2)、左小扇板(3)、右大扇板(4)、右小扇板(5)，穿刺套管(6)、磁栅尺读磁头(7)、穿刺针(8)；

所述穿刺伞(1)包括扇形宽壁板、设置在扇形宽壁板右侧的扇形窄侧板以及设置在顶部的L型盖板；扇形宽壁板中部向后侧凹陷形成箱型结构，箱型结构左右两侧以及后侧的箱壁均设置有滑轨；扇形窄侧板的左侧与扇形宽壁板的右侧固定连接，设置在顶部的L型盖板从扇形宽壁板的左侧跨接至扇形宽壁板右侧的扇形窄侧板，L型盖板中部设有法兰盘用于将所述超声扫查穿刺一体化装置安装在机械臂末端；扇形宽壁板左侧和扇形窄侧板的右侧沿扇脊设有铰接转轴；铰接转轴的轴线通过扇面指向扇形宽壁板的圆心；所述左大扇板(2)和右大扇板(4)分别铰接在穿刺伞(1)的两侧，左小扇板(3)的一侧与左大扇板(2)铰接，右小扇板(5)的一侧与右大扇板(4)铰接；左小扇板(3)的另一侧与右小扇板(5)的另一侧通过穿刺套管(6)铰接；所述穿刺针(8)设置在穿刺套管(6)内；所述磁栅尺读磁头(7)安装在穿刺伞(1)的箱型结构右侧外壁下端部；

所述扫查压力调整机构包括上下伸缩盒(9)；所述上下伸缩盒(9)通过穿刺伞(1)扇形宽壁板上的滑轨滑动设置在穿刺伞(1)上，能够根据所述超声探头施加的压力调整探头夹持机构的位置；

所述探头夹持机构包括压力传感器(13)、探头座快装板(14)，探头座(15)，探头盖(16)，超声探头(17)；所述压力传感器(13)安装在扫查压力调整机构上；所述探头座快装板(14)固定在压力传感器(13)上，探头座快装板(14)为方型板，左右侧为弧形的光滑表面，靠上部设有凸起；所述探头座(15)后侧设置为C型结构，能够从下往上滑入探头座快装板(14)，并通过探头座快装板(14)上部凸起实现卡紧固定；所述探头座(15)前端与探头盖(16)两者合紧固定，探头座(15)的中部均依据超声探头(17)外表曲型设置凹坑，将超声探头(17)牢固抱紧在其中。

2.根据权利要求1所述的一种超声扫查穿刺一体化装置，其特征在于，所述穿刺伞(1)、左大扇板(2)、左小扇板(3)、右大扇板(4)、右小扇板(5)的扇脊轴线指向中心重合，五者拼合成形成五棱锥结构，重合点为穿刺伞(1)穿刺中心点，从而五棱锥相邻侧面之间的角度变化可调整穿刺套管(6)的姿态。

3.根据权利要求1所述的一种超声扫查穿刺一体化装置，其特征在于，所述穿刺伞(1)、左大扇板(2)、左小扇板(3)、右大扇板(4)、右小扇板(5)之间构成的旋转副均采用阻尼转轴进行连接，以提供转动阻尼。

4.根据权利要求1所述的一种超声扫查穿刺一体化装置，其特征在于，所述超声探头(17)的成像平面与所述上下伸缩盒(9)的上下滑动方向平行，且成像平面沿此方向的对称轴通过穿刺中心点，使得上下伸缩盒(9)上下运动带动超声探头(17)上下运动时，穿刺中心点始终在成像平面内，沿对称轴移动。

5.根据权利要求1所述的一种超声扫查穿刺一体化装置，其特征在于，所述穿刺伞(1)顶端L型盖板装有两舵机，其输出轴分别对齐穿刺伞(1)两侧的通孔，可通过舵机分别驱动左大扇板(2)和右大扇板(4)的旋转，从而调整穿刺套管(6)的方向。

6.根据权利要求1所述的一种超声扫查穿刺一体化装置，其特征在于，所述穿刺伞(1)箱体左右两侧设凸块，所述上下伸缩盒(9)顶部同样设凸块，给上下伸缩盒(9)提供下限位，使得在拉簧(11)驱动下上下伸缩盒(9)置于下限位时，穿刺伞(1)穿刺中心点位于超声图像的底部，而随着外力推动所述超声探头(17)和上下伸缩盒(9)向上运动时，穿刺中心点渐渐运动到超声图像的顶部。

7.根据权利要求1所述的一种超声扫查穿刺一体化装置，其特征在于，所述扫查压力调整机构包括上下伸缩盒(9)、压力加载板(10)、拉簧(11)、压力调整滑块(12)；所述上下伸缩盒(9)呈箱型，仅后侧开放，安装在穿刺伞(1)左右两侧箱壁滑轨上，使得上下伸缩盒(9)能够在穿刺伞(1)箱型结构内部上下滑动，右侧壁外贴有磁条，所述磁条与磁栅尺读磁头(7)保持恒定的距离，记录上下伸缩盒(9)的运动位置；所述压力加载板(10)呈L型，安装在穿刺伞(1)后侧箱壁的宽滑轨上可上下滑动，中部设螺孔，下侧L型凸起靠前伸入上下伸缩盒(9)，上面挂载若干拉簧(11)；所述拉簧(11)另一端挂在上下伸缩盒(9)上臂，牵引上下伸缩盒(9)向下运动进行加载；所述压力调整滑块(12)安装在穿刺伞(1)后侧箱壁外，穿过后侧箱壁中央槽口固定在所述压力加载板(10)中部的螺孔上。

8.根据权利要求7所述的一种超声扫查穿刺一体化装置，其特征在于，所述穿刺伞(1)后侧箱壁中央的槽口设置倒齿，扣合所述压力调整滑块(12)的对应倒齿，使压力调整滑块(12)只能向下运动，拉住所述上下伸缩盒(9)向下加载；通过按住所述压力调整滑块(12)两侧，可使压力调整滑块(12)的倒齿缩回从而灵活调整压力调整滑块(12)位置。

9.一种如权利要求1所述超声扫查穿刺一体化装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将超声扫查穿刺一体化装置通过L型盖板中部法兰盘安装在机械臂末端；

2)控制机械臂运动，通过超声探头采集超声图像，并对目标穿刺点进行定位；

3)调整机械臂的位置使得穿刺中心点与目标穿刺点重合；

4)调整穿刺套管的位置，选择合适的穿刺入路，将穿刺针置入穿刺套管进行穿刺。

10.根据权利要求9所述超声扫查穿刺一体化装置的工作方法，其特征在于，步骤4)中穿刺针沿着穿刺套管进行穿刺过程中，通过超声探头采集超声图像并观察；监控穿刺针是否抵达穿刺伞穿刺中心点。

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