CN201256981Y - 随动式医疗导航机器人 - Google Patents

Abstract

一种随动式医疗导航机器人，主要由六关节随动导航臂(1)和机器人机体(2)组成，其中六关节随动导航臂(1)由2个电动式随动关节A，B和4个被动式关节A，B，C，D以及一个悬挂式转盘(1)组成6自由度超声探头扫描定位机构；机器人机体(2)由底座(24)、控制箱(25)、控制面板(26)、显示器(27)、立柱(28)、大臂(29)、肘关节(30)和小臂(31)等构件组成。本实用新型能对微创外科手术进行视觉导航，结构紧凑，简单，造价低廉，使用维护和修理简易。

Description

随动式医疗导航机器人

技术领域

本实用新型涉及一种机器人，尤其是具有六关节随动臂，在微波消融治疗肝脏肿瘤过程中，能持超声探头在病体表面随动扫描，直接测定肿瘤空间位置，据此进行超声影像的三维重构，对微创外科手术进行视觉导航的随动式医疗导航机器人。

背景技术

近年来随着超声引导下肿瘤热消融治疗技术在国内外的迅速兴起，微创外科机器人在超声引导下肿瘤热消融治疗中的研究也相继开展。微创外科机器人在手术中主要用于导航定位和辅助插入手术工具，可以使病人摆脱框架的痛苦，同时机器人辅助立体定向外科手术还具有操作稳定，定位精度高的优点。如：日本的东京大学研究了基于实时超声引导的机器人系统，该机器人系统有五自由度的被动机器人和两自由度的主动送针机构。由于超声探头和穿刺针被安装在同一个平面上，在实时的超声影像中不仅可以发现当前的肿瘤和穿刺针的状态。利用动态轮廓模型的算法分割出影像中肿瘤的边界，利用哈夫变换检测出穿刺针的位置，控制送针机构进行自动送针；美国霍普金斯大学针对超声引导术中射频治疗肝癌开发出了一套双臂机器人，其中一个机器人手臂安装超声探头，另外一个机器人手臂安装穿刺针引导装置。同时，他们还提出了在影像导航下的一种精确送针机器人系统。该系统由定位模块、微型机器人模块和送针模块组成。其中机器人系统有轴向运动装置，使得进针方向始终指向病灶区域。目前该方面的研究还处于起步阶段，尚未进入动物实验及临床试验阶段。

我国政府有关部门已经开始关注计算机辅助外科手术与机器人系统的研究与开发，虽然起步较晚，但在一些基础性和关键性研究(如影像引导手术、医用机器人结构、传感器技术等)方面已取得很大进展，将对我国医疗器械行业的发展起到推动作用。

发明内容

根据背景技术所述，本实用新型的目的在于提供一种具有六关节随动导航臂，采用2个电动式随动关节与4个被动式关节以及一个悬挂式转盘组成六自由度超声探头扫描定位机构的微创外科手术导航机器人，在微波消融治疗肝脏肿瘤过程中，能持超声探头在病体表面随动扫描，直接测定肿瘤空间位置，据此进行超声影像的三维重构，对微创外科手术进行视觉导航的随动式医疗导航机器人。

为了实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：

一种随动式医疗导航机器人，主要由六关节随动导航臂(1)和机器人机体(2)组成，其中：悬挂式转盘(10)往下与二维位移传感器(11)连接，二维位移传感器(11)的下端直接与电动式随动关节A(12)相连接，以下按序连杆A(13)上端与随动关节A(12)，连杆A(13)下端与随动关节B(14)，连杆B(15)上端与随动关节B(14)，连杆B(15)下端与被动关节A(16)，摆杆A(17)上端与被动关节A(16)，摆杆A(17)下端与被动关节B(18)，摆杆B(19)上端与被动关节B(18)，摆杆B(19)下端与被动关节C(20)，摆杆C(21)上端与被动关节C(20)，摆杆C(21)下端与被动关节D(22)，探头座(23)与被动关节D(22)相互连接，整体组成超声探头的六关节随动导航臂(1)；由底座(24)，控制箱(25)，控制面板(26)，显示器(27)，立柱(28)，大臂(29)，肘关节(30)，小臂(31)和弯头(32)组成机器人机体(2)，其中装有肘关节(30)和大臂(29)的立柱(28)与带有滑轮(33)的底座(24)固定，大臂(29)可绕立柱(28)的轴线回转，小臂(31)相对于大臂(29)的位置可通过小臂(31)的自锁结构来实现，机器人机体(2)通过弯头(32)与六关节随动导航臂(1)的悬挂式转盘(10)相互连接组成一随动式医疗导航机器人的结构总体。

由于采用了上述技术方案，本实用新型具有如下优点与效果：

1、本实用新型通过随动式导航臂能在对病体进行超声扫描肿瘤时同步输出探头空间位置信息，其数据处理简便、快捷，实时性好。

2、本实用新型在实时测定超声探头六自由度空间位置的基础上，能实时完成对病灶影像三维重构，并显示微波电极针穿刺轨迹及针尖位置，能直观准确对微外科手术进行视觉导航。

3、本实用新型采用光电码盘与角度传感器机构测定超声探头空间位置其精度与稳定性高，不受外界电磁波等干扰，临床使用安全可靠。

4、本实用新型结构紧凑，随动导航臂尺寸小巧，柔性好，临床操作方便、轻快，易学易用，符合临床应用条件。

5、本实用新型机械与电路均采用模块化结构，制造成本低，维护修理简单，适于批量生产推广。

附图说明

图1为随动式医疗导航机器人结构总体示意图

图2为随动式医疗导航机器人电动式随动关节结构示意图

图3为随动式医疗导航机器人被动式关节结构示意图

图4为随动式医疗导航机器人悬挂式转盘结构示意图

图5为随动式医疗导航机器人关节动作示意图

图6为随动式医疗导航机器人微机测控系统原理框图

图7为随动式医疗导航机器人微机测控系统工作流程图

具体实施方式

由图1、2、3、4、6所示，一种随动式超声影像导航机器人，主要由六关节随动导航臂和机器人本体组成。如图1示，六关节随动导航臂采用2个电动式随动关节与4个被动式关节以及一个悬挂式转盘组成六自由度超声探头扫描定位机构；机器人本体包括底座1，控制箱2，控制面板3，CRT4，立柱5，大臂6，肘关节7，小臂8等部件。其中，立柱5固定在控制箱底座1上，弯头9通过能自锁的小臂8与能回转的大臂6将六关节随动导航臂与机器人本体的立柱连接成整体结构。六关节随动导航臂中的悬挂式转盘10上连弯头9，下连二维位移传感器11，二维传感器下端直接连第一个电动式随动关节12，此随动关节通过第一个连杆13与第二个电动式随动关节14相连，此第二个随动关节往下依次连接第二个连杆15，第一个被动关节16，第一个摆杆17，第二个被动关节18，第二个摆杆19，第三个被动关节20，第三个摆杆21，第四个被动关节22直至导航臂末端的超声探头座23。

电动式随动关节12、14由关节座209，关节轴205，轴承211，直流伺服电机202，减速器203，码盘201与电机座210等器件组成，其中关节座209由固定销207连接在上连杆208，而下连杆204通过轴销206连接在关节轴205上。当伺服电机202通过减速器203驱动关节轴205时，就使下连杆204相对上连杆208转动，其转角由码盘201测控。

被动式关节16、18、20、22由关节座306，关节轴302，轴承308，角度传感器309与角度传感器座等器件组成，其中关节座306由固定销304连接在上摆杆305，而下摆杆301通过轴销303连接在关节轴302上。当下摆杆301受外力相对上摆杆305转动时，其转角由角度传感器309以模拟量输出。

悬挂式转盘10用以连接随动导航臂与机器人本体的弯头9，并能使随动导航臂绕子轴转动，其主要组成器件为：转轴411，转盘止推轴承405，轴承座406，角度传感器408等。其中，转轴411由止推轴承405与止推轴承座406支撑，而止推轴承座406由埋头螺钉404穿过连接环固定在弯头9端面；转轴411上部连接角度传感器408的转轴，下部由穿孔销401连接转盘402，转盘通过螺钉412与随动导航臂的二维传感器11固定连接。当随动导航臂受外力绕转盘402的轴心转动时，其转角通过转轴411由角度传感器408以模拟量输出。

随动式微创医疗导航机器人微机测控系统以双CPU PC机为核心，辅以S7-200可编程控制器PLC进行超声探头六自由度位置实时测定与超声影像三维重构实时导航。系统外围电路主要有控制面板电路、数据采集卡、图像卡、直流伺服电机驱动电路、二维位移传感电路等。PC机在通过数据采集卡接收二个电动式随动关节的伺服电机码盘信息，四个被动式关节的角度传感器模拟信号，以及悬挂式转盘的角度传感器模拟信号时，同时通过超声仪接收在超声探头实测的二维超声影像信号，PC机对上述信息经过三维重构处理后由图像卡输出CRT显示微创穿刺肿疗的三维路径影像。系统中，PLC按照输入的二维位移传感电路信号经由直流伺服电机驱动电路实时控制二个随动式关节的伺服电机，使之配合随动导航臂末端的超声探头扫描运动。

由上述图可知，本实用新型机器人本体采用摇臂结构，其特征是以立柱5为轴心，以大臂组6为可伸缩活动半径，再以小臂8为可倾斜调节杆，从而通过弯头9为随动导航臂设定初始工作位置，由于小臂8具有自锁功能，在随动导航臂末端的探头座23持超声探头进行扫描运动时，就能以此初始工作位置为三维坐标的零点来测控随动臂各关节的转角。

由上述图还可知，本实用新型的主要特征是采用主动与被动型关节结合的柔性导航臂，其中由被动关节2、3、4与摆杆2、3及探头座23组成柔性运动部件，而由电动式随动关节1、2与连杆1、2以及悬挂式转盘11组成随动运动部件。如图5示，当探头座23持超声探头沿三维坐标y轴在病体表面扫描时，其y方向的位移量由被动关节2的转角θ₄与被动关节3的转角θ₅测定，当探头座(23)持超声探头沿三维坐标x轴做平移运动时，由电动式随动关节1与电动式随动关节2按二维位移传感器11作配合运动，其x方向的平移量由电动式随动关节1的转角θ₁与电动式随动关节2的转角θ₂以及被动关节1的转角θ₃所测定。当探头持超声探头沿三维坐标z轴转动后扫描时，由悬挂式转盘10配合运动，其转角α悬挂式转盘的角度传感器测定。通过上述三种基本运动方式组合，本实用新型随动导航臂可在病体表面沿任意方向进行超声扫描，并同步测定各二维超声影像的位置坐标值来供计算机进行实时三维重构与实时匹配。

由图6可知，上述各关节转角信号通过PC机数据采集卡转换为数字信号送入PC机，同时由超声仪向PC机输入相应探头位置的探头实测二维超声影像。

随动式医疗导航机器人微机测控系统在上述数据的基础上进行三维实时导航工作，其工作流程如图7示：首先在启动导航机器人导航程序前设定机器人本体的初始位置，使随动导航臂末端的探头垂直对准病体表面的扫描区中心位置(可事先在病体做出十字标号)，即以此为导航臂三维坐标原点，同时设定电动式随动关节1、2的转角θ₁、θ₂初始值；启动微机测控系统后，微机按θ₁与θ₂设定使电动式随动关节1与2转动，随动导航臂做好扫描准备；当探头持超声探头在病体进行扫描时，一方面由PLC可编程控制器根据二维位移传感器信号控制电动式随动关节1与2来配合由被动关节组成的柔性运动部件，另一方面由PC机通过数据采集卡输入各关节转角按三角函数关系算出探头的三维坐标值与探头倾角值，同时将在此探头坐标位置测得的二维超声影像存入PC机数据库；PC机按上述数据进行超声影像三维重构后，经过图像卡在CRT显示肿瘤三维影像及微波电极针立体导航轨迹；在确定合适治疗针位后，保持随动导航臂这一位置，则可使电极针在立体导航轨迹引导下刺入病灶并由CRT实时显示电极针尖位置。

Claims (5)

1、一种随动式医疗导航机器人，主要由六关节随动导航臂(1)和机器人机体(2)组成，其特征在于：悬挂式转盘(10)往下与二维位移传感器(11)连接，二维位移传感器(11)的下端直接与电动式随动关节A(12)相连接，以下按序连杆A(13)上端与随动关节A(12)，连杆A(13)下端与随动关节B(14)，连杆B(15)上端与随动关节B(14)，连杆B(15)下端与被动关节A(16)，摆杆A(17)上端与被动关节A(16)，摆杆A(17)下端与被动关节B(18)，摆杆B(19)上端与被动关节B(18)，摆杆B(19)下端与被动关节C(20)，摆杆C(21)上端与被动关节C(20)，摆杆C(21)下端与被动关节D(22)，探头座(23)与被动关节D(22)相互连接，整体组成超声探头的六关节随动导航臂(1)；由底座(24)，控制箱(25)，控制面板(26)，显示器(27)，立柱(28)，大臂(29)，肘关节(30)，小臂(31)和弯头(32)组成机器人机体(2)，其中装有肘关节(30)和大臂(29)的立柱(28)与带有滑轮(33)的底座(24)固定，大臂(29)可绕立柱(28)的轴线回转，小臂(31)相对于大臂(29)的位置可通过小臂(31)的自锁结构来实现，机器人机体(2)通过弯头(32)与六关节随动导航臂(1)的悬挂式转盘(10)相互连接组成一随动式医疗导航机器人的结构总体。

2、根据权利要求1所述的随动式医疗导航机器人，其特征在于：电动式随动关节A(12)、B(14)主要由关节座(209)，关节轴(205)，轴承(211)，直流伺服电机(202)，减速器(203)，码盘(201)与电机座(210)组成，其中关节座(209)由固定销(207)连接在上连杆(208)上，而下连杆(204)通过轴销(206)连接在关节轴(205)上。

3、根据权利要求1所述的随动式医疗导航机器人，其特征在于：被动关节A(16)、B(18)、C(20)、D(22)主要由关节座(306)，关节轴(302)，轴承(308)，角度传感器(309)与角度传感器座器件组成，其中关节座(306)由固定销(304)连接在上摆杆(305)上，而下摆杆(301)通过轴销(303)连接在关节轴(302)上。

4、根据权利要求1所述的随动式医疗导航机器人，其特征在于：悬挂式转盘(10)，主要由转轴(411)，转盘止推轴承(405)，轴承座(406)，角度传感器(408)组成，其中，转轴(411)由止推轴承(405)与止推轴承座(406)支撑，而止推轴承座(406)由埋头螺钉(404)穿过连接环(407)固定在弯头(32)端面上；转轴(411)上部连接角度传感器(408)的转轴上，下部通过穿孔销(401)与连接转盘(402)连接，转盘(402)通过螺钉(412)与六关节随动导航臂(1)的二维位移传感器(11)固定连接，角度传感器(408)通过平头螺钉(410)与连接环(407)固定连接。

5、根据权利要求1所述的随动式医疗导航机器人，其特征在于：控制箱(25)内，主要装设有双CPU PC机，辅以S7-200可编程控制器PLC，以及控制面板(26)的电路板，数据采集卡，图像卡，直流伺服电机驱动电路板，二维位移传感电路板。

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