CN215874870U - 一种面向胆道穿刺的机器人穿刺定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及智能化医疗设备领域，具体涉及一种面向胆道穿刺的机器人穿刺定位装置，接收扫描请求，对扫描目标进行扫描；在进行扫描时采集超声图像，并将超声图像与采集超声图像时的空间位置建立一一对应的关系；将超声图像中与规划图像层最吻合的超声图像定义为穿刺层面；若穿刺层面上没有阻隔物，则将扫描目标与穿刺目标点距离最近的一点作为入针点，入针点与穿刺目标点之间的连线即为规划入针轨迹；然后，计算出当入针定位通道与规划入针轨迹不共线时，将入针定位通道调整至与规划入针轨迹共线，完成入针定位通道的定位。本实用新型用于穿刺通道的定位，提高穿刺定位的精度，以减少穿针次数。

Description

一种面向胆道穿刺的机器人穿刺定位装置

技术领域

本实用新型涉及智能化医疗设备领域，具体而言，涉及一种面向胆道穿刺的机器人穿刺定位装置。

背景技术

胆道介入手术是胆道造影、胆道内外引流术和胆道恶性梗阻等胆道相关疾病治疗的重要术式，而穿刺手术是否能成功刺入胆道特定部位对整个治疗至关重要。精准命中胆道内规划目标意味着介入通道的顺利建立，则后续包括球囊扩张导管、扩张支架、放射性粒子支架等治疗手段则可顺利进行。穿刺手术前，医生会根据病人的CT或者MRI图像规划穿刺针走行层面。穿刺手术中，医生需要借助影像引导设备明确穿刺的靶向位置。超声可以实现无辐射的实时影像引导，同时其多普勒图像可用于将胆道与其他有液体快速流动的空腔结构区别开来，因而在胆道穿刺手术中得到广泛的应用。

当穿刺针的行走平面与术前影像扫描层面一致，为共面穿刺。共面穿刺进针路径的规划、重要组织结构的规避以及取材区域的选取都相对容易掌控。因此利用超声或CT确定穿刺胆道目标区域后，优先在成像层面进行穿刺。但该层面可能由于骨性结构、胸壁血管、胸内血管或其他正常组织结构的阻隔，且受术者经验手法的限制、患者软组织形变的影响(被动)、患者肌肉紧张度的变化(主动)以及呼吸运动的干扰(主动)等因素的作用，往往需要非共面穿刺技术，即在确定目标所在人体横断面后，选取向头侧或脚侧偏移，寻找合适的入针点，并规划入针路径。

在共面及非共面穿刺中，医生在超声图像的引导下，可实时观察到胆道目标区域与穿刺针的相对关系。但仅凭借二维超声图像难以判断穿刺路径与周围组织的关系，且手部抖动或者穿刺针弯曲都容易造成穿刺针超出成像平面，从而跟丢穿刺针，加大穿刺难度，增加病人损伤。在非共面穿刺过程中，针体和针尖不可见，容易发生穿刺针脱离及刺破血管，并造成并发症等问题。再者，上述两种穿刺场景中，在确定穿刺针入针点及入针角度时，都是医生依据经验确定，对于穿刺路径中的胸壁及胸内血管分布不能及时掌握，因此穿刺的精准性及风险都难以把控，带来了较大的隐患。

现有的手动穿刺主要是依靠医生的经验及穿刺架来确定入针点、入针角度及进针深度。采用CT成像时，术中辐射较大，因此很难应用于非共面穿刺中的实时引导技术。超声可用于实时穿刺引导，但其扫描平面需要与穿刺针走行平面一致才能保证实时检测穿刺针走行路径。为保持穿刺针走行平面与超声扫查平面一致，现有的穿刺架将超声探头和穿刺针固定在一个平面，从而保证穿刺针走行路径中没有重要的血管和病灶区域会被穿刺。穿刺架可用于调整穿刺针的进针角度，但调整的幅度仍然取决于临床医生的经验。除使用穿刺架之外，也有结合CT成像使用的3D打印个性化模板辅助穿刺，但一旦穿刺靶向位置与术前不一致，也会增加穿刺的误差。

因此，针对上述情况，现有技术还存在缺陷，而有待于改进和发展。

本实用新型旨在利用提出的机械结构和控制机构自动调整穿刺针定位通道的入针点、进针角度以及控制超声探头的自主扫查以跟踪穿刺针针尖。医生通过穿刺定位通道，将穿刺针刺入病人体内，从而实现精准的穿刺，减小误穿而导致的损伤及并发症。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种面向胆道穿刺的机器人穿刺定位装置，以至少解决现有面向胆道穿刺的穿刺定位精度低的技术问题。

根据本实用新型的一实施例，提供了一种面向胆道穿刺的机器人穿刺定位装置，包括：机械手、图像采集模块、目标识别模块、状态计算模块及运动控制模块；

运动控制模块，用于控制机械手六自由度的运动，基于接收扫描请求，控制机械手对扫描目标进行扫描，扫描请求至少携带有扫描信号；

图像采集模块，用于基于扫描信号，在进行扫描时采集超声图像，并将超声图像与采集超声图像时的空间位置建立一一对应的关系；

目标识别模块，用于将超声图像传输至显示终端进行显示，以将超声图像中与规划图像层最吻合的超声图像定义为穿刺层面；

状态计算模块，用于计算出当入针定位通道与规划入针轨迹不共线时，入针定位通道需要移动的位置信息，基于位置信息将入针定位通道调整至与规划入针轨迹共线，完成入针定位通道的定位；其中，规划入针轨迹为在穿刺层面中选出；

机械手，用于对扫描目标进行扫描及用于进行穿刺工作，通过扫描以便图像处理模块采集超声图像。

进一步地，装置还包括：

穿刺针检测模块，用于实时监测穿刺针在穿刺入针轨迹的工作状态，当穿刺针发生弯曲时监测出穿刺针的针头位置。

进一步地，装置还包括：

碰撞检测模块，用于对规划入针轨迹进行检测，以确定规划入针轨迹中是否存在干涉物。

进一步地，机械手包括机械臂及安装在机械臂上的探头定位机构。

进一步地，探头定位机构包括进针角度调整机构及依次连接的第一法兰盘、第二法兰盘、伺服电机、探头固定架、超声探头；

第一法兰盘可旋转的与机械臂连接，进针角度调整机构连接在第一法兰盘上；

第一法兰盘和第二法兰盘之间可相互旋转的连接。

进一步地，进针角度调节机构包括舵机固定件、伺服舵机、舵机齿轮、滑块固定件、滑块、齿条、滑轨及针导向器；

舵机固定件与第一法兰盘连接，伺服舵机安装在舵机固定件上，舵机齿轮安装在伺服舵机上；

滑块与舵机固定件连接，滑轨与滑块连接，滑块内设置有钢珠，以便滑块在滑轨内运动；

齿条安装在滑轨上，舵机齿轮与齿条啮合，伺服电机驱动舵机齿轮转动，舵机齿轮带动齿条运动；

针导向器安装在齿条上，通过齿条的运动带动针导向器，以调整针导向器的角度。

进一步地，进针角度调节机构还包括导向器架，导向器架安装在齿条上，针导向器可拆卸的安装在导向器架上。

进一步地，运动控制模块包括：

机械臂控制子模块，用于控制机械臂不同方向的运动，以实现超声探头对目标进行扫描；

电机控制子模块，用于控制伺服电机及伺服舵机的转动。

本实用新型实施例中的面向胆道穿刺的机器人穿刺定位装置，包括：机械手、图像采集模块、目标识别模块、状态计算模块及运动控制模块；运动控制模块，用于控制机械手六自由度的运动，基于接收扫描请求，控制机械手对扫描目标进行扫描，扫描请求至少携带有扫描信号；图像采集模块，用于基于扫描信号，在进行扫描时采集超声图像，并将超声图像与采集超声图像时的空间位置建立一一对应的关系；目标识别模块，用于将超声图像传输至显示终端进行显示，以将超声图像中与规划图像层最吻合的超声图像定义为穿刺层面；状态计算模块，用于计算出当入针定位通道与规划入针轨迹不共线时，入针定位通道需要移动的位置信息，基于位置信息将入针定位通道调整至与规划入针轨迹共线，完成入针定位通道的定位；其中，规划入针轨迹为在穿刺层面中选出；机械手，用于对扫描目标进行扫描及用于进行穿刺工作，通过扫描以便图像处理模块采集超声图像。本实用新型用于穿刺通道的定位，提高穿刺定位的精度，以减少穿针次数。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本申请面向胆道穿刺的机器人穿刺定位方法的流程图；

图2为本申请面向胆道穿刺的机器人穿刺定位装置的原理图；

图3为本申请机械手的结构；

图4为本申请探头定位机构的结构图；

图5为本申请探头定位机构的另一结构图。

附图标记：1-第一法兰盘、2-第二法兰盘、3-伺服电机、4-探头固定加、5-超声探头、6-舵机固定件、7-伺服舵机、8-舵机齿轮、9-滑块固定件、10-滑块、11-齿条、12-滑轨、13-针导向器、14-导向器架、100-穿刺针检测模块、200-图像采集模块、300-目标识别模块、400-碰撞检测模块、500-状态计算模块、600-机械臂控制子模块、700-电机控制子模块、800-机械臂、900-探头定位机构。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

本申请提供了一种面向胆道穿刺的机器人穿刺定位方法，参见图1和图2，包括以下步骤：

S101：接收扫描请求，对扫描目标进行扫描，扫描请求至少携带有扫描信号；

S102：基于扫描信号，在进行扫描时采集超声图像，并将超声图像与采集超声图像时的空间位置建立一一对应的关系；

S103：将超声图像传输至显示终端进行显示，以将超声图像中与规划图像层最吻合的超声图像定义为穿刺层面；

S104：在穿刺层面中标出穿刺目标点，若穿刺层面上没有阻隔物，则将扫描目标与穿刺目标点距离最近的一点作为入针点，其中，入针点与穿刺目标点之间的连线即为规划入针轨迹；

S105：计算出当入针定位通道与规划入针轨迹不共线时，入针定位通道需要移动的位置信息，基于位置信息将入针定位通道调整至与规划入针轨迹共线，完成入针定位通道的定位。

本申请实施例中的面向胆道穿刺的机器人穿刺定位方法及装置，方法包括：接收扫描请求，对扫描目标进行扫描；在进行扫描时采集超声图像，并将超声图像与采集超声图像时的空间位置建立一一对应的关系；将超声图像中与规划图像层最吻合的超声图像定义为穿刺层面；若穿刺层面上没有阻隔物，则将扫描目标与穿刺目标点距离最近的一点作为入针点，入针点与穿刺目标点之间的连线即为规划入针轨迹；然后，计算出当入针定位通道与规划入针轨迹不共线时，将入针定位通道调整至与规划入针轨迹共线，完成入针定位通道的定位。本申请用于穿刺通道的定位，提高穿刺定位的精度，以减少穿针次数。

进一步地，与现有技术相比，本申请可实现多自由度超声扫查和实时定位，采用本申请进行穿刺时，若共面穿刺难度较大，例如存在肋骨阻碍，超声探头5和穿刺定位装置可独立旋转运动实现非共面穿刺，且如果穿刺针发生了平面外的弯曲，则超声探头5可以独立运动，并检测穿刺针针尖所在位置，从而更加准确的评估穿刺针针尖与穿刺目标的相对位置；本申请亦增加了图像处理单元和碰撞检测功能，可用于在确定病灶和定位穿刺通道的过程中给医生提供多元决策信息，提高定位精度，减少穿针次数。

下面以具体实施例，对本申请的面向胆道穿刺的机器人定位方法进行详细说明：

步骤一：通过操控穿刺定位的机械臂800移动到被穿刺目标的区域上方，按下自主扫描开关，然后运动控制模块控制机械臂800上的超声探头5往下移动，使超声探头5接触扫描目标的皮肤进行扫描。

步骤二：超声探头5与扫描目标皮肤接触力稳定在一个固定值，通过图像采集模块200采集超声图像，并通过在人机交互的目标识别模块300上显示清晰的图像，让操作者实时观察被穿刺组织内部的情况。人机交互目标识别模块300主要用于医生在计算机屏幕上标定被穿刺目标点和入针轨迹所在直线。

胆道与周围其他血管在超声图像上表现为黑色的空腔结构，而胆道内液体的流动相对血管内的血流十分缓慢，因此在多普勒图像上，胆道会依然呈现黑色，而其周围的血管结构医生可以识别出胆道。

步骤三：超声探头5在一个包含目标点的长方体区域内进行扫查，以固定的速度移动，边移动边扫查。

在扫查过程中，由图像采集模块200对感兴趣区域所成超声图像进行采集，并同时记录机械臂800末端的位置，以此建立超声图像层面与空间位置的一一对应关系。机械臂800控制超声探头5向固定方向紧贴皮肤扫查，直至感兴趣区域的边界。

步骤四：扫查完成后，医生利用人机交互目标识别功能查看扫查形成的超声图像，并选出与术前规划的穿刺层面最吻合的超声图像，并以此成像平面定义为被穿刺目标所在层面，即为穿刺层面。

步骤五：在穿刺层面的超声图像上标出穿刺目标，此时需要确认是采用共面穿刺还是非共面穿刺；查看穿刺目标所在超声图像层面上是否有，例如肋骨类的阻隔物；若没有阻隔物，采用共面穿刺，若有阻隔物，则采用非共面穿刺。

下面以具体实施例，对本申请的共面穿刺进行详细说明：

基于病人术前CT扫查可以获知被穿刺目标所在扫查层面内的肋骨及大血管分布情况。如该穿刺层面没有肋骨及大血管，则可以行共面穿刺；

第一步：若穿刺层面没有阻隔物，则体表上与穿刺目标距离最近的一点即为入针点；其中吗，入针点与目标点所在的连线为入针轨迹。

第二步：碰撞检测模块400检测入针轨迹安全性。

具体地，利用目标识别模块300的人机交互功能，拖动一条直线，并定义为穿刺针进针路径。此路径交由碰撞检测模块400进行碰撞检测，以便发现规划的穿刺路径中与重要的血管是否发生干涉。

具体地，医生选定好进针平面后，根据先前图像采集模块200中记录的每张超声图像的空间位置，由运动控制模块控制机械臂800移动到对应位置。超声探头5定位到穿刺层面后，做平面内的人体左右侧运动，并进行扫查，以确定入针点处是否安全。

第三步：运动规划单元102中的状态计算功能将计算出将机械臂800末端上的穿刺入针定位通道中心轴线与所规划的穿刺入针轨迹所在直线共线时，机械臂800的以及机械臂800上的伺服舵机7需要转动的角度，安装计算结果，使穿刺入针定位通道的轴线与规划入针轨迹共线。

具体地，由运动控制模块控制伺服舵机7，伺服舵机7带动齿轮转动，齿轮带动齿条11转动，从而将穿刺入针定位通道调整到指定位置，穿刺定位完成，医生手持穿刺针开始进行穿刺。

第四步：在穿刺的过程当中，如果穿刺针出现弯曲，则针尖和部分针体将会消失。在穿刺针进针的同时，穿刺针检测模块100实时检测或监测穿刺针，并将其形状分割出来，计算出曲率。如果穿刺针在穿刺平面内发生了弯曲，则计算机会将穿刺针轮廓提取出来，并提示操作者穿刺针弯曲的方向。如果穿刺针向穿刺平面左右两侧弯曲，则运动控制模块控制伺服电机3进行转动，并带动超声探头5进行旋转，以便检测针尖所在位置。

实施例中，在将超声图像在显示终端进行显示，以将超声图像中与规划图像层最吻合的超声图像定义为穿刺层面之后还包括：

在穿刺层面中标出穿刺目标点，若目标图像层上存在有阻隔物，则将扫描区域移动到选定区域；

在选定区域进行原位旋转扫描，实时采集超声图像，并记录采集的超声图像的空间位置；

将超声图像以三维图像的模式在显示终端进行显示；

从三维图像模式显示的超声图像中，选择穿刺层面及穿刺目标点；

基于穿刺层面及穿刺目标点选择规划入针轨迹；

计算出当入针定位通过与规划入针轨迹不共线时，将入针定位通道调整至与规划入针轨迹共线，完成入针定位通道的定位。

本申请能针对共面穿刺，但穿刺层面可能由于骨性结构、胸壁血管、胸内血管或其他正常组织结构的阻隔物时，则通常采样非共面穿刺；另外，因术者经验手法的限制、患者软组织形变的影响(被动)、患者肌肉紧张度的变化(主动)以及呼吸运动的干扰(主动)等因素的作用，往往也需要采用非共面穿刺技术，即在确定目标所在人体横断面后，选取向头侧或脚侧偏移，寻找合适的入针点，并规划入针路径。

下面以具体实施例，对本申请的非共面穿刺进行详细说明：

基于病人术前CT扫查可以获知被穿刺目标所在扫查层面内的肋骨及大血管分布情况。如该穿刺层面存在有肋骨及大血管等阻隔物，或者入针轨迹难以避免穿过大血管，则采用非共面穿刺。

第一步：超声探头5由运动控制模块控制机械臂800移动到医生选定的目标所在人体横切面。之后，以超声探头5自身中心轴线为旋转中心线进行旋转扫查，确定非共面穿刺时穿刺针的行走平面。图像处理单元中的图像采集模块200实时采集超声图像，并记录超声图像所在的空间位置。

第二步：以三维图形的模式在人机交互目标识别模块300中进行展示，并由选取目标以及穿刺层面。所选穿刺层面交由运动控制模块控制机械臂800末端的伺服电机3转动，以带动超声探头5转至所的选穿刺层面。

第三步：在穿刺层面选择穿刺目标点以及穿刺针入针轨迹。需要说明的是，为避免选取的入针轨迹不精确，在超声探头5的实时成像时，要求扫描目标(被进行穿刺者，或病人，或患者)屏住呼吸，以防止穿刺目标因生理运动而移动。

第四步：生成的入针轨迹会直接传给运动控制模块，并控制伺服舵机7驱动滑轨12，从而将穿刺针入针定位通道的轴线与入针轨迹重合。

第五步：由医生手持穿刺针，将穿刺针插入入针定位通道中，并刺入扫描目标。

第六步：如果穿刺针在超声平面内或者平面外发生了弯曲，则参照共面穿刺的情况检测，由穿刺针检测模块100检测其针尖位置所在。

实施例中，在入针定位通道的定位之后还包括：

以穿刺入针轨迹进行穿刺针入针操作，穿刺入针轨迹为入针定位通道完成定位后的入针轨迹；

实时监测穿刺针在穿刺入针轨迹的工作状态；

当穿刺针在穿刺层面内发生了弯曲，则计算出穿刺针的弯曲的方向；

当穿刺针在穿刺层面的左右方向发生了弯曲，则进行扫描旋转，以检测穿刺针的针头位置。

在入针定位通道的定位之后进行穿刺工作，共面穿刺工作和非共面穿刺工作上述已进行了详细说明，此处不再赘述。

实施例中，在将超声图像传输至显示终端进行显示，以将超声图像中与规划图像层最吻合的超声图像定义为穿刺层面之前还包括：

预先规划一个用于与穿刺层面对比的规划图像层。

扫查完成后，使用人机交互的目标识别功能查看扫查形成的超声图像，并选出与术前规划的穿刺层面最吻合的超声图像，并以此成像平面定义为被穿刺目标所在层面。

实施例中，在完成入针定位通道的定位之后还包括：

对规划入针轨迹进行检测，以确定规划入针轨迹中是否存在干涉物。

通过碰撞检测模块400检测入针轨迹安全性。具体为，利用人机交互功能查看超声图像，拖动一条直线，并定义为穿刺针进针路径。此路径交由运动规划模块进行碰撞检测，以便发现规划的穿刺路径中与重要的血管是否发生干涉。

实施例2

根据本申请的另一实施例，提供了一种面向胆道穿刺的机器人穿刺定位装置，参见图2至图5，包括：机械手、图像采集模块200、目标识别模块300、碰撞检测模块400、状态计算模块500及运动控制模块；

运动控制模块，用于控制机械手六自由度的运动，基于接收扫描请求，控制机械手对扫描目标进行扫描，扫描请求至少携带有扫描信号；

图像采集模块200，用于基于扫描信号，在进行扫描时采集超声图像，并将超声图像与采集超声图像时的空间位置建立一一对应的关系；

目标识别模块300，用于将超声图像传输至显示终端进行显示，以将超声图像中与规划图像层最吻合的超声图像定义为穿刺层面；

状态计算模块500，用于计算出当入针定位通道与规划入针轨迹不共线时，入针定位通道需要移动的位置信息，基于位置信息将入针定位通道调整至与规划入针轨迹共线，完成入针定位通道的定位；其中，规划入针轨迹为在穿刺层面中选出；

机械手，用于对扫描目标进行扫描及用于进行穿刺工作，通过扫描以便图像处理模块采集超声图像。

本申请实施例中的面向胆道穿刺的机器人穿刺定位方法及装置，方法包括：接收扫描请求，对扫描目标进行扫描；在进行扫描时采集超声图像，并将超声图像与采集超声图像时的空间位置建立一一对应的关系；将超声图像中与规划图像层最吻合的超声图像定义为穿刺层面；若穿刺层面上没有阻隔物，则将扫描目标与穿刺目标点距离最近的一点作为入针点，入针点与穿刺目标点之间的连线即为规划入针轨迹；然后，计算出当入针定位通道与规划入针轨迹不共线时，将入针定位通道调整至与规划入针轨迹共线，完成入针定位通道的定位。本申请用于穿刺通道的定位，提高穿刺定位的精度，以减少穿针次数。

本申请与现有技术相比，可实现多自由度超声扫查和实时定位，采用本申请进行穿刺时，若共面穿刺难度较大，超声探头5和穿刺定位装置可独立旋转运动实现非共面穿刺，且如果穿刺针发生了平面外的弯曲，则超声探头5可以独立运动，并检测穿刺针针尖所在位置，从而更加准确的评估穿刺针针尖与穿刺目标的相对位置；本申请亦增加了图像处理单元和碰撞检测功能，可用于在确定病灶和定位穿刺通道的过程中给医生提供多元决策信息，提高定位精度，减少穿针次数。

具体地，本申请提供的胆道穿刺定位装置，主要包括图像处理单元、运动规划单元、运动控制模块；机械结构部分主要包括：六自由度的机械臂800、六自由度主操控端、旋转电机、进针角度调整机构，超声探头夹持机构，穿刺针的入针定位通道。

图像处理单元包括超声图像采集模块200,人机交互目标识别模块300以及穿刺针检测模块100。

图像采集模块200：主要用于采集术中的超声图像，并让操作者实时观察被穿刺组织内部的情况；

目标识别模块300：主要用于在计算机屏幕上标定被穿刺目标点和入针轨迹所在直线。胆道与周围其他血管在超声图像上表现为黑色的空腔结构，而胆道内液体的流动相对血管内的血流十分缓慢，因此在多普勒图像上，胆道会依然呈现黑色，而其周围的血管结构会呈现出红色或蓝色，因此医生可以识别出胆道。

运动规划单元包含碰撞检测模块400和穿刺针状态计算模块500。

碰撞检测模块400：主要用于检测规划的入针轨迹与重要器官是否有干涉物；

状态计算模块500：主要用于调整穿刺针姿态，使其能与规划的入针轨迹所在直线共线。

运动控制模块主要包括机械臂控制子模块600和电机控制子模块。

机械臂控制子模块600：主要控制机械臂800及其上搭载的超声探头5在空间中的不同方向的运动，实现超声探头5与患者皮肤之间的稳定接触，使超声探头5对目标进行扫描，以便获得稳定的超声图像；

电机控制子模块：主要用于控制安装在机械臂800末端的探头定位机构900上的伺服电机3及伺服舵机7的运动，将穿刺针入针定位通道运动到预定位置，从而使得医生可以用穿刺针沿着穿刺入针定位通道准确的刺入人体。

机械结构方面，机械手安装在移动机台上，主要负责将整个机构与地面相对固定。六自由度的机械臂800连接在移动机台上，医生通过操控该移动台设备，远程控制机械臂800，从而将超声探头5移动到扫描目标病的上方。伺服电机3负责旋转与其直接连接的超声探头夹持装置，从而实现超声扫查面的旋转。六自由度机械臂800上的探头定位机构900可以绕其中心轴线自旋。

若是共面穿刺，则伺服电机3不转，从而超声探头5与探头定位机构900一同随机械臂800末端的旋转关节旋转，保证超声探头5扫查的平面和穿刺针的入针定位通道所在平面保持一致。

若是非共面穿刺，机械臂800末端的探头定位机构900绕自身轴线旋转，使得穿刺入针定位通道行走平面发生旋转，以达到变换穿刺路径的目的。与此同时，伺服电机3则朝相反方向旋转，从而维持超声探头5相对扫描目标不动。穿刺针进针角度调整机构用于调整穿刺针刺入人体的角度。超声探头5夹持机构用于将超声探头5固定在机械臂800末端。穿刺针入针定位通道用于保证穿刺针的延长线与规划的穿刺针入针轨迹处于同一直线上。

实施例中，装置还包括：

穿刺针检测模块100，用于实时监测穿刺针在穿刺入针轨迹的工作状态，当穿刺针发生弯曲时监测出穿刺针的针头位置。

在穿刺的过程当中，如果穿刺针出现弯曲，则针尖和部分针体将会消失。在穿刺针进针的同时，穿刺针检测模块100实时检测或监测穿刺针，并将其形状分割出来，计算出曲率。如果穿刺针在穿刺平面内发生了弯曲，则计算机会将穿刺针轮廓提取出来，并提示操作者穿刺针弯曲的方向。如果穿刺针向穿刺平面左右两侧弯曲，则运动控制模块控制伺服电机3进行转动，并带动超声探头5进行旋转，以便检测针尖所在位置。

如图4和图5所示，实施例中，机械手包括机械臂800及安装在机械臂800上的探头定位机构900。

通过机械控制子模块控制机械臂800的运动，以将机械臂800末端的探头定位机构900移动到空间指定位置，进行扫描和穿刺工作。

实施例中，所探头定位机构900包括针角度调整机构及依次连接的第一法兰盘1、第二法兰盘2、伺服电机3、探头固定架4、超声探头5；

第一法兰盘1可旋转的与机械臂800连接，第一法兰盘1上固定连接有进针角度调整机构；

第一法兰盘1和第二法兰盘2之间可相互旋转的连接。

探头定位机构900主要包括伺服电机3、探头固定支架、伺服舵机7、由舵机齿轮8和齿条11组成的齿轮齿条11运动机构、由针导向器13和导向器架组成的定位鞘。该穿刺的探头定位机构900能够兼容超声医学影像信息；其中，探头固定支架用于固定超声探头5；在完成超声扫查的同时，机器人可视化的人机交互目标识别模块300依据扫查结果完成扫描目标定位，提供穿刺路径规划信息，确定穿刺点和进针角度，再由探头定位机构900完成位姿调整，建立体外通道以便从入针定位通道进针，该方案可减少由于定位不准确导致的多次、重复进针问题，提高了穿刺准确度。

实施例中，进针角度调节机构包括舵机固定件6、伺服舵机7、舵机齿轮8、滑块10固定件9、滑块10、齿条11、滑轨12及针导向器13；

舵机固定件6与第一法兰盘1连接，伺服舵机7安装在舵机固定件6上，舵机齿轮8安装在伺服舵机7上；

滑块10与舵机固定件6连接，滑轨12与滑块10连接，滑块10内设置有钢珠，以便滑块10在滑轨12内运动；

齿条11安装在滑轨12上，舵机齿轮8与齿条11啮合，伺服电机3驱动舵机齿轮8转动，舵机齿轮8带动齿条11运动；

针导向器13安装在齿条11上，通过齿条11的运动带动针导向器13，以调整针导向器13的角度。

实施例中，进针角度调节机构还包括导向器架14，导向器架14安装在齿条11上，针导向器13可拆卸的安装在导向器架14上。

具体地，通过第一法兰盘1使得探头定位机构900和舵机固定件6与机械臂800进行连接；其中，第一法兰盘1与机械臂800末端为螺纹螺栓连接，第一法兰盘1与舵机固定件6为刚性连接，该连接方式使得整个进针角度调节机构能够随机械臂800末端的进行360度的旋转，实现多平面非共面穿刺。

第二法兰盘2通过螺纹螺栓连接第一法兰盘1和伺服电机3，进而将伺服电机3与机械臂800末端旋转关节间接连接；探头固定支架通过螺纹螺栓与伺服电机3连接，超声探头5刚性固定在探头固定支架上。当机械臂800末端旋转关节带动进针角度调节机构旋转时，伺服电机3可提供相反方向的旋转运动抵消，以保证超声探头5扫查平面保持不变。

在进针角度调节机构中，伺服舵机7刚性固定在舵机固定件6中，舵机齿轮8连接在伺服舵机7上，由伺服舵机7驱动；滑块10与舵机固定件6通过螺纹螺栓刚性连接，滑轨12非刚性连接在滑块10上，滑块10内有滚珠结构以便滑轨12与滑块10实现相对运动，而齿条11则刚性固定在滑轨12上；当舵机齿轮8和齿条11啮合后，齿轮齿条11运动副能够由伺服舵机7驱动，实现齿条11和滑轨12的运动；

针导向器13采用可拆卸的销连接方式连接在导向器架14上，导向器架14刚性固定在齿条11上，当齿轮齿条11运动副产生运动时，针导向器13可完成进针通道的角度调整，角度调整范围为0度-90度。

以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种面向胆道穿刺的机器人穿刺定位装置，其特征在于，包括：机械手、图像采集模块、目标识别模块、状态计算模块及运动控制模块；

所述运动控制模块，用于控制所述机械手六自由度的运动，基于接收扫描请求，控制所述机械手对扫描目标进行扫描，所述扫描请求至少携带有扫描信号；

所述图像采集模块，用于基于所述扫描信号，在进行扫描时采集超声图像，并将所述超声图像与采集所述超声图像时的空间位置建立一一对应的关系；

所述目标识别模块，用于将所述超声图像传输至显示终端进行显示，以将所述超声图像中与规划图像层最吻合的超声图像定义为穿刺层面；

状态计算模块，用于计算出当入针定位通道与所述规划入针轨迹不共线时，所述入针定位通道需要移动的位置信息，基于所述位置信息将所述入针定位通道调整至与规划入针轨迹共线，完成入针定位通道的定位；其中，所述规划入针轨迹为在所述穿刺层面中选出；

所述机械手，用于对扫描目标进行扫描及用于进行穿刺工作，通过扫描以便所述图像处理模块采集所述超声图像。

2.根据权利要求1所述的面向胆道穿刺的机器人穿刺定位装置，其特征在于，所述装置还包括：

穿刺针检测模块，用于实时监测所述穿刺针在所述穿刺入针轨迹的工作状态，当所述穿刺针发生弯曲时监测出所述穿刺针的针头位置。

3.根据权利要求1所述的面向胆道穿刺的机器人穿刺定位装置，其特征在于，所述装置还包括：

碰撞检测模块，用于对所述规划入针轨迹进行检测，以确定所述规划入针轨迹中是否存在干涉物。

4.根据权利要求1所述的面向胆道穿刺的机器人穿刺定位装置，其特征在于，所述机械手包括机械臂及安装在所述机械臂上的探头定位机构。

5.根据权利要求4所述的面向胆道穿刺的机器人穿刺定位装置，其特征在于，所述探头定位机构包括进针角度调整机构及依次连接的第一法兰盘、第二法兰盘、伺服电机、探头固定架、超声探头；

所述第一法兰盘可旋转的与所述机械臂连接，所述进针角度调整机构连接在所述第一法兰盘上；

所述第一法兰盘和所述第二法兰盘之间可相互旋转的连接。

6.根据权利要求5所述的面向胆道穿刺的机器人穿刺定位装置，其特征在于，所述进针角度调节机构包括舵机固定件、伺服舵机、舵机齿轮、滑块固定件、滑块、齿条、滑轨及针导向器；

所述舵机固定件与所述第一法兰盘连接，所述伺服舵机安装在所述舵机固定件上，所述舵机齿轮安装在所述伺服舵机上；

所述滑块与所述舵机固定件连接，所述滑轨与所述滑块连接，所述滑块内设置有钢珠，以便所述滑块在所述滑轨内运动；

所述齿条安装在滑轨上，所述舵机齿轮与所述齿条啮合，所述伺服电机驱动所述舵机齿轮转动，所述舵机齿轮带动所述齿条运动；

所述针导向器安装在所述齿条上，通过所述齿条的运动带动所述针导向器，以调整所述针导向器的角度。

7.根据权利要求6所述的面向胆道穿刺的机器人穿刺定位装置，其特征在于，所述进针角度调节机构还包括导向器架，所述导向器架安装在所述齿条上，所述针导向器可拆卸的安装在所述导向器架上。

8.根据权利要求7所述的面向胆道穿刺的机器人穿刺定位装置，其特征在于，所述运动控制模块包括：

机械臂控制子模块，用于控制所述机械臂不同方向的运动，以实现所述超声探头对所述目标进行扫描；

电机控制子模块，用于控制所述伺服电机及伺服舵机的转动。

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