CN116327336A - 基于定子绕组的柔性针穿刺机构及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于定子绕组的柔性针穿刺机构及控制方法，属于医疗器械领域，依靠定子绕组驱动斜尖柔性针旋转，依靠伺服电机驱动设有内螺纹的支撑管旋转，柔性针尾部设有与支撑管螺纹配合的驱动座，从而带动柔性针进给，为斜尖柔性针提供进给与旋转两个自由度，同时保证了进给过程中对柔性针的支撑，防止进给时由于针‑组织间的反作用力导致柔性针的翘曲；该发明中柔性针在支撑管中运动，其直线运动行程基本与支撑管长度相当，相对于传统的柔性针支撑方式，直接整合了支撑与运动滑道，不会因为支撑而损失行程，相比较于现有的磁驱动柔性针穿刺装置，使用定子绕组还可提供针的旋转自由度。
Description
技术领域
本发明属于智能医疗机设备与控制领域，特别是一种基于定子绕组的柔性针穿刺机构及控制方法。
背景技术
微创介入医疗是一种利用导管等微创手段，通过人体自然腔道或小切口进入身体内部进行诊断和治疗的医疗技术。相较于传统的开放手术，微创介入医疗具有手术创伤小、恢复时间快等优势，被广泛应用于心血管、神经、泌尿等多个领域。
柔性针穿刺技术是一种新兴的微创介入医疗技术，用于在体内进行穿刺或取样，同时最小化对患者的伤害。相较于传统的刚性针穿刺技术，柔性针穿刺技术具有更高的准确性和更小的损伤风险。该技术通常用于进行诊断和治疗，如在神经外科手术中定位深部病灶，或在肺癌诊断中取样病变组织等。柔性针穿刺技术一般采用超声、CT 或 MRI 等影像学技术进行引导，以确保准确地穿刺目标组织或器官。该技术通常使用具有柔性外壳和可弯曲尖端的穿刺针，在进入体内后可以沿着曲线路径前进，以最大程度地避免对周围组织的损伤。
柔性针穿刺机构普遍存在的问题是穿刺过程中，由于组织对柔性针的摩擦力及其他阻碍力会使柔性针未穿刺进组织的部分发成翘曲，因此需要对柔性针的针体提供支撑结构，传统的解决方式为使用多段可伸缩的圆形管，使用此方式随着支撑管的段数增多，会使支撑管的直径变大，且无论如何缩短每段支撑管的长度，均会使柔性针的行程中有一段行程浪费在支撑管上。
发明内容
针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种基于定子绕组的柔性针穿刺机构，机构中设有具有内螺旋槽的柔性针支撑管，以及具有外螺旋凸起的针支撑座，通过控制支撑管以及针支撑座的相对转动，来控制柔性针的进给或旋转运动。
一种基于定子绕组的柔性针穿刺机构，其中主要运动部件为柔性针组件以及丝杠螺母机构，这两个部分通过轴承安装于底座上，同时底座上还安装有有两个伺服电机，伺服电机输出轴通过联轴器与柔性针组件以及丝杠螺母机构连接；在丝杠螺母机构中的螺母上安装有一个绕组座，绕组座上安装有一定子绕组，柔性针组件从定子绕组中间穿过，柔性针组件包括支撑管、针驱动座、柔性针、穿刺嘴；支撑管内部设有螺旋槽，针驱动座外围设有与螺旋槽配合的螺旋凸起以及一圈同极朝外的永磁体，定子绕组可控制针驱动座旋转或锁定旋转；针驱动座被定子绕组锁定旋转，支撑管旋转即可控制针驱动座直线运动，控制柔性针穿刺或回退；定子绕组控制针驱动座旋转，即可控制柔性针旋转；丝杠螺母机构用于控制定子绕组与针驱动座在轴向上位置同步。
在底座上设有一排直线排布的霍尔传感器，排布方向与柔性针组件轴线平行，此霍尔传感器阵列可通过感应磁场检测针驱动座的轴向位置，驱动柔性针组件与丝杠螺母机构的电机均为伺服电机，可实现闭环控制，但驱动针驱动座的定子绕组驱动方式为步进式，为开环控制，精度较低，通过霍尔传感器检测的针驱动座轴向位移，以及柔性针组件的旋转角度、支撑管内螺旋导程即可计算出定子绕组对针驱动座施加的理论步进角，对定子绕组的控制实现闭环，提高运动控制精度。
本发明的有益效果为：
柔性针组件中的支撑管既可以实现对柔性针的运动控制，还可以对柔性针柔软的针体进行支撑，防止在穿刺过程中柔性针发生翘曲；同时依靠霍尔传感器阵列检测柔性针针驱动座的轴向位移以及柔性针组件的旋转角度计算实现对柔性针旋转角度的闭环控制。
附图说明
图1一种基于定子绕组的柔性针穿刺机构整体示意图
图2绕组座机构示意图
图3柔性针组件剖面示意图
图中：1柔性针组件，2定子绕组，3绕组座，4电机一，5电机二，丝杠螺母机构6，底座7，霍尔传感器阵列8，1-1柔性针，1-2穿刺嘴，1-3支撑管，1-4针驱动座，3-1通孔一，3-2通孔二。
实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明，但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围，此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1、图2、图3所示，本发明具体实施方式采用以下技术方案：一种基于定子绕组的柔性针穿刺机构，其组成包括：柔性针组件1，定子绕组2，绕组座3，电机一4，电机二5，丝杠螺母机构6，底座7，霍尔传感器阵列8；绕组座3为L型结构，侧板设有通孔一3-1，通孔二3-2，定子绕组2通过螺钉安装到绕组座3的侧板上，与通孔二3-2同心；柔性针组件1与丝杠螺母机构6平行，柔性针组件1通过轴承安装在底座7右侧，穿过绕组座3的通孔二3-2；丝杠螺母机构6通过轴承安装在底座7左侧，穿过绕组座3的通孔一3-1；绕组座3与丝杠螺母机构6中的螺母固定，并通过滑道安装到底座7上；电机一4、电机二5均安装到底座7同一端，电机一4输出轴通过联轴器与柔性针组件1固定，电机二5输出轴通过联轴器与丝杠螺母机构6的输入端固定；霍尔传感器阵列8安装到底座7上，排布方向与柔性针组件1轴线平行；电机一4驱动柔性针组件旋转，电机二5驱动丝杠螺母机构6，控制绕组座3及定子绕组2直线运动。
具体实施方式二：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的柔性针组件1，组成包括：柔性针1-1，穿刺嘴1-2，支撑管1-3，针驱动座1-4；支撑管1-3为内部设有螺旋槽的细管，针驱动座1-4为中空的圆柱结构，圆柱面上设有一圈同极朝外的磁铁，圆柱面靠近两端设有台阶，台阶上设有与支撑管1-3螺旋槽配合的螺旋凸起；穿刺嘴1-2安装到支撑管1-3一端，针驱动座1-4置于支撑管1-3内，螺旋凸起可沿螺旋槽滑动，柔性针1-1的根部与针驱动座1-4中孔固联，从穿刺嘴1-2伸出；定子绕组2与针驱动座1-4轴向位置相同，定子绕组2可步进式驱动针驱动座1-4旋转或锁定旋转。
具体实施方式三：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的支撑管1-3导程为P1，丝杠螺母机构导程为P2，电机一4驱动支撑管1-3旋转n1圈，针驱动座1-4被锁定旋转，则柔性针1-1直线运动距离n1*P1，电机二5旋转n2=n1*P1/P2圈使定子绕组2与针驱动座1-4轴向同步；定子绕组2控制针驱动座1-4旋转角度θ1，则给予电机二5旋转角度补偿θ2=θ1*P1/P2，使定子绕组2与针驱动座1-4轴向同步；电机一4与电机二5均为伺服电机，可实现闭环控制旋转角度，霍尔传感器阵列8可检测针驱动座1-4轴向位置，计算可得针驱动座1-4轴向位移L，由计算式θ3=2π（L-n1*P1）/P1计算得针驱动座1-4理论旋转角θ3，θ3对控制定子绕组2给予针驱动座1-4的步进角θ1反馈实现对柔性针1-1旋转角度的闭环控制。
本发明具体实施方式的工作原理为：
柔性针组件及丝杠螺母机构通过轴承安装到底座上，可进行旋转，依靠两个伺服电机驱动；伺服电机一驱动柔性针组件进行旋转，伺服电机二驱动丝杠螺母机构运动，控制绕组座及定子绕组直线运动，柔性针组件从定子绕组中间穿过；柔性针组件中的针驱动座外圈设有一圈同极朝外的永磁体，定子绕组可驱动其旋转或锁定其旋转；柔性针组件中支撑管的内螺旋槽与针驱动座的外螺旋凸起配合，可相对滑动，针驱动座被定子绕组锁定旋转，支撑管旋转即可控制针驱动座直线运动，控制柔性针穿刺或回退；定子绕组控制针驱动座旋转，即可控制柔性针旋转；丝杠螺母机构用于控制定子绕组与针驱动座在轴向上位置同步。
底座上设有的一排霍尔传感器，排布方向与柔性针组件轴线平行，可通过感应磁场检测针驱动座的轴向位置，驱动柔性针组件与丝杠螺母机构的电机均为伺服电机，可实现闭环控制，但驱动针驱动座的定子绕组驱动方式为步进式，为开环控制，精度较低，通过霍尔传感器检测的针驱动座轴向位移，以及柔性针组件的旋转角度、支撑管内螺旋导程即可计算出定子绕组对针驱动座施加的理论步进角，对定子绕组的控制实现闭环，提高运动控制精度
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种基于定子绕组的柔性针穿刺机构，其特征在于，组成包括：柔性针组件（1），定子绕组（2），绕组座（3），电机一（4），电机二（5），丝杠螺母机构（6），底座（7），霍尔传感器阵列（8）；绕组座（3）为L型结构，侧板设有通孔一（3-1），通孔二（3-2），定子绕组（2）通过螺钉安装到绕组座（3）的侧板上，与通孔二（3-2）同心；柔性针组件（1）与丝杠螺母机构（6）平行，柔性针组件（1）通过轴承安装在底座（7）右侧，穿过绕组座（3）的通孔二（3-2）；丝杠螺母机构（6）通过轴承安装在底座（7）左侧，穿过绕组座（3）的通孔一（3-1）；绕组座（3）与丝杠螺母机构（6）中的螺母固定，并通过滑道安装到底座（7）上；电机一（4）、电机二（5）均安装到底座（7）同一端，电机一（4）输出轴通过联轴器与柔性针组件（1）固定，电机二（5）输出轴通过联轴器与丝杠螺母机构（6）的输入端固定；霍尔传感器阵列（8）安装到底座（7）上，排布方向与柔性针组件（1）轴线平行；电机一（4）驱动柔性针组件旋转，电机二（5）驱动丝杠螺母机构（6），控制绕组座（3）及定子绕组（2）直线运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于定子绕组的柔性针穿刺机构，其特征在于，柔性针组件（1），组成包括：柔性针（1-1），穿刺嘴（1-2），支撑管（1-3），针驱动座（1-4）；支撑管（1-3）为内部设有螺旋槽的细管，针驱动座（1-4）为中空的圆柱结构，圆柱面上设有一圈同极朝外的磁铁，圆柱面靠近两端设有台阶，台阶上设有与支撑管（1-3）螺旋槽配合的螺旋凸起；穿刺嘴（1-2）安装到支撑管（1-3）一端，针驱动座（1-4）置于支撑管（1-3）内，螺旋凸起可沿螺旋槽滑动，柔性针（1-1）的根部与针驱动座（1-4）中孔固联，从穿刺嘴（1-2）伸出；定子绕组（2）与针驱动座（1-4）轴向位置相同，定子绕组（2）可步进式驱动针驱动座（1-4）旋转或锁定旋转。
3.根据权利要求1所述的一种基于定子绕组的柔性针穿刺机构，其特征为，所述支撑管（1-3）导程为P1，丝杠螺母机构导程为P2，电机一（4）驱动支撑管（1-3）旋转n1圈，针驱动座（1-4）被锁定旋转，则柔性针（1-1）直线运动距离n1*P1，电机二（5）旋转n2=n1*P1/P2圈使定子绕组（2）与针驱动座（1-4）轴向同步；定子绕组（2）控制针驱动座（1-4）旋转角度θ1，则给予电机二（5）旋转角度补偿θ2=θ1*P1/P2，使定子绕组（2）与针驱动座（1-4）轴向同步；电机一（4）与电机二（5）均为伺服电机，可实现闭环控制旋转角度，霍尔传感器阵列（8）可检测针驱动座（1-4）轴向位置，计算可得针驱动座（1-4）轴向位移L，由计算式θ3=2π（L-n1*P1）/P1计算得针驱动座（1-4）理论旋转角θ3，θ3对控制定子绕组（2）给予针驱动座（1-4）的步进角θ1反馈实现对柔性针（1-1）旋转角度的闭环控制。
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Cited By (1)
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2023
- 2023-04-13 CN CN202310394000.3A patent/CN116327336A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN117481763A (zh) * | 2023-12-22 | 2024-02-02 | 中国人民解放军总医院第一医学中心 | 一种干细胞经鼻移植用鼻黏膜穿刺定位装置 |
| CN117481763B (zh) * | 2023-12-22 | 2024-04-30 | 中国人民解放军总医院第一医学中心 | 一种干细胞经鼻移植用鼻黏膜穿刺定位装置 |
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