CN218636021U - 一种自动骨组织活检机器人装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种自动骨组织活检机器人装置，该装置包括机械臂末端法兰、外环锯、内环据电动旋进装置以及内环锯，机械臂末端法兰与外部机械臂连接，外环锯与机械臂末端法兰的末端连接，内环据电动旋进装置与内环锯连接，内环据电动旋进装置带动内环锯在外环锯内进行旋转运动以及直线往复运动。本实用新型能够解决骨科手术导航机器人在环锯骨切削操作过程中切削工具与骨组织接触漂移的问题，实现电动骨切削的操作。

Description

一种自动骨组织活检机器人装置

技术领域

本实用新型涉及计算机辅助医疗技术领域，具体的涉及一种应用于骨骼等硬组织辅助穿刺的自动骨组织活检机器人装置。

背景技术

随着人口老年化的到来，骨组织疾病发病率越来越高，如骨肿瘤、骨质疏松、骨组织感染等疾病。明确诊断是治疗此类疾病的前提。除了病史、症状体征及影像学检查外，骨组织活检以及病理检查结果是临床诊断的金标准。现有骨组织活检主要有两类方案，其一为切开活检，此类方案活检取材量大，但是会造成较大创口，容易造成肿瘤及感染病灶播散。另一类是透视影像引导下的微创活检。

手术机器人在骨科微创手术中具有巨大的潜力。但在当前透视影像引导下的骨组织活检操作中，活检操作者仅利用手术机器人实现骨科手术定位引导，以人工的方式进行骨切削操作，尚无法进行电动骨切削操作。在以人工的方式进行骨切削的操作中，存在切削工具缺乏稳定性的问题，即切削工具与骨组织接触发生漂移导致误伤正常组织的问题。此外，由于活检操作者无法直接目视目标，活检操作者需要通过透视影像反复确认取样位置，因此术中活检操作者仍有较大辐射风险。

发明内容

发明目的：本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种自动骨组织活检机器人装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型公开了一种自动骨组织活检机器人装置，包括机械臂末端法兰、外环锯、内环据电动旋进装置以及内环锯，机械臂末端法兰与外部机械臂连接，外环锯与机械臂末端法兰的末端连接，内环据电动旋进装置与内环锯连接，内环据电动旋进装置带动内环锯在外环锯内进行旋转运动以及直线往复运动。

本实用新型通过将机械臂末端法兰与外部机械臂连接，外环锯与机械臂末端法兰的末端连接，能够解决骨科手术在环锯骨切削操作过程中切削工具与骨组织接触漂移的问题。通过设置内环据电动旋进装置带动内环锯在外环锯内进行旋转运动以及直线往复运动，实现电动骨切削操作。

进一步的，机械臂末端法兰的末端设有引导孔，外环锯包括外环锯锯体，外环锯锯体可拆卸的连接于引导孔内。

进一步的，内环据电动旋进装置包括电动推杆以及空心轴旋转电机，空心轴旋转电机的空心转轴与外环锯锯体同轴设置；内环锯包括内环锯管状锯体，内环锯管状锯体的一端可拆卸的同轴套接于空心转轴内，另一端同轴套设在外环锯锯体内；电动推杆带动空心轴旋转电机沿外环锯锯体的轴线进行直线往复运动，从而带动内环锯管状锯体在外环锯锯体内进行旋转运动以及直线往复运动。

进一步的，内环据电动旋进装置包括电动推杆上盖，电动推杆上盖支撑于电动推杆的活动端上，空心轴旋转电机与电动推杆上盖连接。

进一步的，内环据电动旋进装置包括电动推杆底座，外环锯包括位于外环锯锯体顶部的外环锯手柄，电动推杆底座安装于外环锯手柄上；电动推杆位于电动推杆底座的两端，电动推杆的固定端与电动推杆底座的顶部连接。

进一步的，包括第一弹性圆柱孔以及外环锯紧固螺母，外环锯紧固螺母通过螺纹旋转连接第一弹性圆柱孔，形成紧固机构，用于外环锯锯体与引导孔可拆卸的连接。

进一步的，外环锯手柄沿外环锯锯体轴线对称设置有一对定位安装孔，电动推杆底座的底部设有与定位安装孔适配的定位紧固螺柱以及与定位紧固螺柱适配的旋进装置紧固螺母，定位紧固螺柱能够穿过定位安装孔与旋进装置紧固螺母旋紧固定，从而使电动推杆底座与外环锯手柄形成刚性连接。

进一步的，包括第二弹性圆柱孔以及内环锯紧固螺母，内环锯紧固螺母通过螺纹旋转连接第二弹性圆柱孔，形成紧固机构，用于内环锯管状锯体与空心转轴可拆卸的连接。

进一步的，内环锯还包括位于内环锯管状锯体顶部的内环锯手柄，内环锯管状锯体的底部与内环锯管状锯体顶部连接为一体。

进一步的，内环据电动旋进装置还包括推力传感器，推力传感器的一端与电动推杆的活动端连接，推力传感器的另一端与电动推杆上盖连接。

有益效果：

(1)本实用新型通过内环据电动旋进装置带动内环锯进行旋转和直线往复运动，实现电动骨切削操作。

(2)本实用新型通过将机械臂末端法兰与外部机械臂连接，外环锯与外部的机械臂的末端连接，使目标骨组织、外环锯以及机械臂末端法兰形成稳定的相对关系，能够减少后续操作过程中的骨组织漂移运动。

(3)本实用新型的机械臂末端法兰的末端设有的引导孔，外环锯的外环锯锯体可拆卸的连接于引导孔内，外部机械臂带动机械臂末端法兰运动从而使引导孔对准目标位置，进而引导孔对外环锯锯体起到导引作用和支撑作用。

(4)本实用新型的各部件均为可拆卸的连接，可以在人工操作和电动骨切削两种工作模式之间切换。

(5)本实用新型的内环据电动旋进装置设置有推力传感器，通过将推力传感器感知的力信息变化和透视影像信息反馈给骨组织活检操作者，从而操作者可以结合自身经验和实际骨切削过程中的反馈信息，通过多种信息途径更好的感知活检骨切削状态，保障切削过程的安全性与可靠性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做更进一步的具体说明，本实用新型的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本实用新型提供的一种实施例的一种自动骨组织活检机器人装置整体结构主视图；

图2为图1所示的一种自动骨组织活检机器人装置整体结构右视图；

图3为图1所示的一种自动骨组织活检机器人装置中引导孔与外环锯紧固螺母在旋松状态下的结构剖面图；

图4为图1所示的一种自动骨组织活检机器人装置中引导孔与外环锯紧固螺母在旋紧状态下的结构剖面图；

图5a为图1所示的一种自动骨组织活检机器人装置中内环据电动旋进装置的立体结构俯视示意图；

图5b为图5a所示的内环据电动旋进装置的立体结构仰视示意图；

图6a至图6g为图1所示的一种自动骨组织活检机器人装置的使用过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细描述。

本实用新型中的附图标记如下：机械臂末端法兰1、引导孔101、第一弹性圆柱孔102a、102b、外环锯紧固螺母103a、103b、外环锯2、外环锯锯体201、外环锯手柄202、定位安装孔2021a、2021b、内环据电动旋进装置3、电动推杆底座301、定位紧固螺柱3011a、3011b、旋进装置紧固螺母3012a、3012b、电动推杆302a、302b、推力传感器303a、303b、空心轴旋转电机304、空心转轴3041、第二弹性圆柱孔3042a、3042b、电动推杆上盖305、内环锯紧固螺母306a、306b、内环锯4、内环锯管状锯体401、内环锯手柄402、机械臂5。

实施例1

如图1至图4所示，本实用新型提供了一种自动骨组织活检机器人装置(即一种电动操作取样装置)，该装置包括机械臂末端法兰1、外环锯紧固螺母103a、103b、外环锯2、内环据电动旋进装置3以及内环锯4。如图3所示，机械臂末端法兰1的末端设有引导孔101。引导孔101为圆柱状通孔。引导孔101的两端设有与引导孔101贯通的第一弹性圆柱孔102a、102b，第一弹性圆柱孔102a、102b的末端设置有外螺纹且沿圆周方向开设有若干凹槽，使其具有弹性。第一弹性圆柱孔102a、102b与引导孔101同轴设置且直径相同。外环锯紧固螺母103a、103b的内螺纹与第一弹性圆柱孔102a、102b的外螺纹适配，外环锯紧固螺母103a、103b依靠螺纹安装于第一弹性圆柱孔102a、102b的外侧，此时第一弹性圆柱孔102a、102b可以不形变。

如图4所示，外环锯2包括外环锯锯体201以及位于外环锯锯体201顶部的外环锯手柄202。外环锯锯体201呈中空管状，外环锯手柄202设有与外环锯锯体201贯通的通孔。外环锯锯体201的外径小于引导孔101的内径，当外环锯锯体201同轴套接于引导孔101时，使外环锯锯体201与机械臂末端法兰1的引导孔101呈间隙配合。由于引导孔101的轴线与机械臂5的相对关系已知，外部的机械臂5能够带动机械臂末端法兰1运动从而实现引导孔101对准目标位置。外环锯锯体201穿过引导孔101到达骨组织目标位置，当外环锯锯体201与骨组织目标位置稳固接触后，如图4所示，外环锯紧固螺母103a、103b与第一弹性圆柱孔102a、102b旋紧连接，第一弹性圆柱孔102a、102b收缩抱紧外环锯锯体201，从而外环锯2与引导孔101形成刚性连接，能够减少后续操作过程中的骨组织漂移运动。当旋松外环锯紧固螺母103a、103b时，第一弹性圆柱孔102a、102b弹开放松外环锯锯体201，从而使外环锯锯体201与引导孔101呈间隙配合，外环锯2的外环锯锯体201能在引导孔101内沿引导孔101的轴线滑动。

为了实现骨组织活检的电动骨切削操作，如图1和图2所示，本实用新型采用内环据电动旋进装置3带动内环锯管状锯体401运动。图5a和图5b给出了内环据电动旋进装置3在两个不同视角下的立体结构示意图。如图5a和图5b所示，内环据电动旋进装置3包括电动推杆底座301、一对关于电动推杆底座301的中线对称设置的电动推杆302a、302b、一对推力传感器303a、303b、空心轴旋转电机304以及电动推杆上盖305。电动推杆302a、302b的固定端与电动推杆底座301的顶部固定连接，电动推杆302a、302b的活动端支撑有电动推杆上盖305。空心轴旋转电机304贯穿电动推杆上盖305并与电动推杆上盖305刚性连接。空心轴旋转电机304的空心转轴3041的两端设有圆形内孔，空心转轴3041的圆形内孔两端设有第二弹性圆柱孔3042a、3042b，第二弹性圆柱孔3042a、3042b与空心转轴3041的内孔贯穿，第二弹性圆柱孔3042a、3042b与空心转轴3041的内孔同轴设置且直径相同。第二弹性圆柱孔3042a、3042b的末端设置有外螺纹且沿圆周方向开设有若干凹槽，使其具有弹性。内环锯紧固螺母306a、306b的内螺纹与第二弹性圆柱孔3042a、3042b的外螺纹适配。内环锯紧固螺母306a、306b依靠螺纹安装于第二弹性圆柱孔3042a、3042b的外侧，并且内环锯紧固螺母306a、306b与空心转轴3041通过螺纹可旋紧地连接，此时，第二弹性圆柱孔3042a、3042b可以不发生形变。

如图4所示，外环锯手柄202沿外环锯锯体201轴线对称设置有一对定位安装孔2021a、2021b。如图5所示，电动推杆底座301的底部设有与定位安装孔2021a、2021b适配的定位紧固螺柱3011a、3011b和与定位紧固螺柱3011a、3011b适配的旋进装置紧固螺母3012a、3012b。定位安装孔2021a、2021b、定位紧固螺柱3011a、3011b以及旋进装置紧固螺母3012a、3012b形成紧固装置，用于将外环锯手柄202与电动推杆底座301可拆卸的连接。定位紧固螺柱3011a、3011b穿过定位安装孔2021a、2021b与旋进装置紧固螺母3012a、3012b旋紧固定，从而使电动推杆底座301与外环锯手柄202形成刚性连接，即内环据电动旋进装置3与外环锯2形成刚性连接。在内环据电动旋进装置3与外环锯2形成刚性连接时，保证空心轴旋转电机304的空心转轴3041轴线与外环锯2的外环锯锯体201同轴设置。优选的，空心转轴3041的内孔与外环锯锯体201的内孔尺寸相同。为了使空心轴旋转电机304的空心转轴3041轴线与外环锯2的外环锯锯体201呈同轴设置，电动推杆底座301的底部与外环锯手柄202顶部的连接处设置有对中结构，该对中结构可以由台阶孔以及与台阶孔适配的定位台阶组成。

如图1和图2所示，内环锯4包括内环锯管状锯体401以及位于内环锯管状锯体401顶部的内环锯手柄402。内环锯管状锯体401呈中空管状，内环锯管状锯体401的外径小于空心转轴3041的内孔直径，从而使内环锯管状锯体401与空心转轴3041的内孔间隙配合。内环锯管状锯体401依次穿过空心转轴3041、电动推杆底座301以及外环锯锯体201后通过内环锯紧固螺母306a、306b可拆卸的同轴套接于空心转轴3041内。当旋紧内环锯紧固螺母306a、306b使第二弹性圆柱孔3042a、3042b收缩抱紧内环锯管状锯体401时，内环锯管状锯体401与空心转轴3041形成刚性连接；当旋松内环锯紧固螺母306a、306b使第二弹性圆柱孔3042a、3042b弹开放松内环锯管状锯体401时，内环锯管状锯体401与空心转轴3041的内孔间隙配合，内环锯管状锯体401能够在空心转轴3041的内孔滑动。本实用新型中，通过空心轴旋转电机304的空心转轴3041轴线与外环锯2的外环锯锯体201同轴设置，内环锯管状锯体401与空心转轴3041同轴设置，从而保证内环锯管状锯体401与外环锯锯体201同轴设置。

由此，当机械臂末端法兰1、外环锯2、内环据电动旋进装置3以及内环锯4连接为一体时，电动推杆302a、302b能够带动空心轴旋转电机304沿外环锯锯体201的轴线直线往复运动。

在本实施例中，电动推杆302a、302b以及空心轴旋转电机304均采用市售的产品，配套有相应的电源控制器。骨组织活检操作者在操作现场通过配套的电源控制器控制电动推杆302a、302b以及空心轴旋转电机304的启动和关闭，从而实现电动骨切削操作。

本实用新型提出的一种自动骨组织活检机器人装置(即一种电动操作取样装置)的使用过程如下：

步骤一、引导孔101的定位：如图6a所示，外部机械臂5带动机械臂末端法兰1的引导孔101对准目标位置。将外环锯紧固螺母103a、103b与第一弹性圆柱孔102a、102b旋转连接(如图6b所示)；此时，第一弹性圆柱孔102a、102b不发生形变。

步骤二、将目标骨组织、外环锯2以及机械臂末端法兰1形成稳定连接：如图6c所示，骨组织活检操作者将外环锯2的外环锯锯体201插入引导孔101，外环锯锯体201与引导孔101呈间隙滑动状态；切开目标对象体表软组织形成微小创口后，人工旋转外环锯2的外环锯手柄202，从而将外环锯锯体201的末端旋入目标骨组织表面；当外环锯锯体201与目标骨组织稳定接触后，将环锯紧固螺母103与第一弹性圆柱孔102a、102b旋紧连接，从而使外环锯2与机械臂末端法兰1形成刚性连接，进而使目标骨组织、外环锯2以及机械臂末端法兰1形成稳定的相对关系，能够减少后续操作过程中的骨组织漂移运动。

步骤三、将内环据电动旋进装置3与外环锯2刚性连接：如图6d所示，将定位紧固螺柱3011a、3011b穿过定位安装孔2021a、2021b与旋进装置紧固螺母3012a、3012b旋紧固定，从而使电动推杆底座301与外环锯手柄202形成刚性连接，进而使内环据电动旋进装置3与外环锯2刚性连接。此时，空心轴旋转电机304的空心转轴3041的轴线与外环锯2的轴线重合。将内环锯紧固螺母306a、306b与第二弹性圆柱孔3042a、3042b旋转连接(如图6e所示)；此时，第二弹性圆柱孔3042a、3042b不发生形变。

步骤四、将目标骨组织、内环锯4与内环据电动旋进装置3刚性连接：如图6f所示，将内环锯管状锯体401依次穿过空心转轴3041、电动推杆底座301以及外环锯锯体201到达目标骨组织表面；人工旋转内环锯手柄402，将内环锯管状锯体401的末端旋入目标骨组织；当内环锯管状锯体401与目标骨组织稳定接触后，将内环锯紧固螺母306a、306b与空心转轴3041旋紧，使内环锯管状锯体401与空心转轴3041形成刚性连接，进而使机械臂末端法兰1、外环锯2、内环据电动旋进装置3以及内环锯4刚性连接为一体。此时，空心轴旋转电机304能够带动内环锯4进行旋转，电动推杆302a、302b能够带动内环锯4沿轴线直线往复运动，从而实现电动骨切削的操作。

步骤五、在透视影像引导下，将内环锯4送达目标操作位置：如图6g所示，设置C型臂到达合适位置，利用透视影像观察内环锯4和目标骨组织之间的相对位置关系。骨组织活检操作者控制空心轴旋转电机304旋转和电动推杆302a、302b的直线往复运动，将内环锯4送达目标操作位置。

当确定内环锯4获取目标采样组织后，骨组织活检操作者停止该装置。通过旋松内环锯紧固螺母306a、306b，使内环锯管状锯体401能够在空心转轴3041内间隙滑动。骨组织活检操作者将内环锯4抽出并取出内环锯管状锯体401的芯部组织，该芯部组织即为目标穿刺组织。

实施例2

在本实用新型的实施例2中，为了实现远程操作从而使骨组织活检操作者避免遭受不必要的射线辐射，内环据电动旋进装置3与遥控杆、显示器和控制电脑电连接，用于实现电动旋进装置3的远程遥控功能。骨组织活检操作者通过操作遥控杆以有线或者无线的方式远程控制电动推杆302a、302b的直线往复运动以及空心轴旋转电机304的空心转轴3041的旋转运动。显示器用于显示控制信息和手术相关图像信息。控制电脑用于信息的传输与电机控制。

内环据电动旋进装置3还可以包括电动推杆302a、302b，电动推杆302a、302b的活动端与推力传感器303a、303b的一端连接，推力传感器303a、303b的另一端与电动推杆上盖305的底部连接。推力传感器303a、303b将其感知的推力信号传回给遥控杆，操作者能够通过视觉或触觉震动的方式感知推力传感器303a、303b上的力信息变化，从而对内环锯4到达的目标位置有初步判断。

需要说明的是，关于电动旋进装置3的远程遥控功能以及推力传感器303a、303b的力信息反馈功能均可以采用本领域公知的任何一种方式实现。

在实施例2中，本实用新型提出的一种自动骨组织活检机器人装置(即一种电动操作取样装置)允许骨组织活检操作者进行远程操作，在透视影像引导下，将内环锯送达目标操作位置，一方面避免了在骨组织活检操作者遭受不必要的射线辐射的风险，另一方面，骨组织活检操作者可以观察与调节内环锯在骨组织中的位置，从而使将内环锯送达至采样位置的过程更精准可控。

本实用新型提供了一种自动骨组织活检机器人装置的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种自动骨组织活检机器人装置，其特征在于，包括机械臂末端法兰(1)、外环锯(2)、内环据电动旋进装置(3)以及内环锯(4)，机械臂末端法兰(1)与外部机械臂(5)连接，外环锯(2)与机械臂末端法兰(1)的末端连接，内环据电动旋进装置(3)与内环锯(4)连接，内环据电动旋进装置(3)带动内环锯(4)在外环锯(2)内进行旋转运动以及直线往复运动。

2.根据权利要求1所述的一种自动骨组织活检机器人装置，其特征在于，机械臂末端法兰(1)的末端设有引导孔(101)，外环锯(2)包括外环锯锯体(201)，外环锯锯体(201)可拆卸的连接于引导孔(101)内。

3.根据权利要求2所述的一种自动骨组织活检机器人装置，其特征在于，所述内环据电动旋进装置(3)包括电动推杆(302a、302b)以及空心轴旋转电机(304)，空心轴旋转电机(304)的空心转轴(3041)与外环锯锯体(201)同轴设置；内环锯(4)包括内环锯管状锯体(401)，内环锯管状锯体(401)的一端可拆卸的同轴套接于空心转轴(3041)内，另一端同轴套设在外环锯锯体(201)内；电动推杆(302a、302b)带动空心轴旋转电机(304)沿外环锯锯体(201)的轴线进行直线往复运动，从而带动内环锯管状锯体(401)在外环锯锯体(201)内进行旋转运动以及直线往复运动。

4.根据权利要求3所述的一种自动骨组织活检机器人装置，其特征在于，

所述内环据电动旋进装置(3)包括电动推杆上盖(305)，电动推杆上盖(305)支撑于电动推杆(302a、302b)的活动端上，空心轴旋转电机(304)与电动推杆上盖(305)连接。

5.根据权利要求4所述的一种自动骨组织活检机器人装置，其特征在于，

所述内环据电动旋进装置(3)包括电动推杆底座(301)，外环锯(2)包括位于外环锯锯体(201)顶部的外环锯手柄(202)，电动推杆底座(301)安装于外环锯手柄(202)上；电动推杆(302a、302b)位于电动推杆底座(301)的两端，电动推杆(302a、302b)的固定端与电动推杆底座(301)的顶部连接。

6.根据权利要求5所述的一种自动骨组织活检机器人装置，其特征在于，

包括第一弹性圆柱孔(102a、102b)以及外环锯紧固螺母(103a、103b)，外环锯紧固螺母(103a、103b)通过螺纹旋转连接第一弹性圆柱孔(102a、102b)，形成紧固机构，用于外环锯锯体(201)与引导孔(101)可拆卸的连接。

7.根据权利要求6所述的一种自动骨组织活检机器人装置，其特征在于，

外环锯手柄(202)沿外环锯锯体(201)轴线对称设置有一对定位安装孔(2021a、2021b)，电动推杆底座(301)的底部设有与定位安装孔(2021a、2021b)适配的定位紧固螺柱(3011a、3011b)以及与定位紧固螺柱(3011a、3011b)适配的旋进装置紧固螺母(3012a、3012b)，定位紧固螺柱(3011a、3011b)能够穿过定位安装孔(2021a、2021b)与旋进装置紧固螺母(3012a、3012b)旋紧固定，从而使电动推杆底座(301)与外环锯手柄(202)形成刚性连接。

8.根据权利要求7所述的一种自动骨组织活检机器人装置，其特征在于，

包括第二弹性圆柱孔(3042a、3042b)以及内环锯紧固螺母(306a、306b)，内环锯紧固螺母(306a、306b)通过螺纹旋转连接第二弹性圆柱孔(3042a、3042b)，形成紧固机构，用于内环锯管状锯体(401)与空心转轴(3041)可拆卸的连接。

9.根据权利要求8所述的一种自动骨组织活检机器人装置，其特征在于，

内环锯(4)还包括位于内环锯管状锯体(401)顶部的内环锯手柄(402)，内环锯管状锯体(401)的底部与内环锯管状锯体(401)顶部连接为一体。

10.根据权利要求9所述的一种自动骨组织活检机器人装置，其特征在于，

内环据电动旋进装置(3)还包括推力传感器(303a、303b)，推力传感器(303a、303b)的一端与电动推杆(302a、302b)的活动端连接，推力传感器(303a、303b)的另一端与电动推杆上盖(305)连接。

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