基于CT或MRI图像导航的胸腔穿刺手术机器人

摘要

本发明公开了一种基于CT或MRI图像导航的胸腔穿刺手术机器人，包括弧形支架模块、三向平移模块和角度调整模块；弧形支架模块通过内啮配合齿轮的传动实现穿刺头在人体胸腔外部的位置调整，通过离合机构实现自锁；三向平移模块由三组螺旋传动机构组成，以此完成穿刺位置的调整；角度调整模块可实现三个自由度，分别是进针倾向自由度、进针角度自由度和进针运动自由度。本发明能够使机械臂从胸腔外部任意位置和任意角度进针，并且机器人的运动能够进行自动调整，定位精度高，速度快。

权利要求

1.一种基于CT或MRI图像导航的胸腔穿刺手术机器人，其特征在于，包括弧形支架模块、三向平移模块和角度调整模块；

所述弧形支架模块的前端和后端各设置一个弧形板，两个所述弧形板通过两根沿纵向设置的角稳定板连接，在每个所述弧形板的内侧固接有不完全内齿轮；在位于前端的所述弧形板的前方设有前端竖向主板，在位于后端的所述弧形板的后方设有后端竖向主板，所述前端竖向主板和所述后端竖向主板的上部通过水平支撑轴连接，所述前端竖向主板和所述后端竖向主板的下部安装有水平设置的主轴，在所述主轴的两个端部各安装一内啮小齿轮，所述内啮小齿轮与对应的所述不完全内齿轮啮合，所述主轴的后端与所述后端竖向主板通过后端离合器连接，所述后端离合器的输入端与动力源连接；在所述水平支撑轴上安装有滚套，所述水平支撑轴通过所述滚套与所述弧形板的外侧表面滚动摩擦连接；

所述三向平移模块包括左右平移单元、前后平移单元和上下平移单元；所述左右平移单元包括支架Ⅰ，所述支架Ⅰ通过模块连接板固定在所述后端竖向主板上；在所述支架Ⅰ上安装有横向设置的丝杠Ⅰ，所述丝杠Ⅰ由电机Ⅰ驱动，所述电机Ⅰ安装在所述支架Ⅰ上，在所述丝杠Ⅰ上设有与其通过传动螺纹连接的滑块Ⅰ，所述滑块Ⅰ通过连接架与模组支撑板的后端固接，所述模组支撑板的前端设有固定滑块，所述固定滑块与横向轨道配合，所述横向轨道固定在所述前端竖向主板上；所述前后平移单元包括支架Ⅱ，所述支架Ⅱ固定在所述模组支撑板上；在所述支架Ⅱ上安装有丝杠Ⅱ，所述丝杠Ⅱ由电机Ⅱ驱动，所述电机Ⅱ安装在所述模组支撑板上，在所述丝杠Ⅱ上设有与其通过传动螺纹连接的滑块Ⅱ，在所述滑块Ⅱ上横跨有与其固接的π形伸出板；所述上下平移单元包括左右分布的两根升降丝杠，两根所述升降丝杠的上端安装在轴端固定板内，两根所述升降丝杠的下端安装在所述π形伸出板内，在两根所述升降丝杠上均设有与其采用传动螺纹连接的升降滑块，在所述升降滑块上连接有模块支撑架；在两根所述升降丝杠上均设有升降从动齿轮，所述升降从动齿轮与升降主动齿轮啮合，所述升降主动齿轮由电机Ⅲ驱动，所述电机Ⅲ安装在所述π形伸出板上；

所述角度调整模块包括与所述模块支撑架固接的驱动轴支撑板，在所述驱动轴支撑板上固接有穿丝弯板Ⅱ，在所述穿丝弯板Ⅱ和所述驱动轴支撑板上安装有与它们垂直的旋转驱动轴，在所述旋转驱动轴上安装有旋转主动齿轮，在所述旋转驱动轴上缠绕有旋转传动丝，所述旋转传动丝穿过所述穿丝弯板Ⅱ；所述旋转主动齿轮与旋转从动齿轮啮合，所述旋转从动齿轮与摆动丝杠转动连接，所述摆动丝杠安装在穿丝弯板Ⅰ、所述驱动轴支撑板和丝杠底座上，所述穿丝弯板Ⅰ固接在所述驱动轴支撑板上，在所述摆动丝杠上设有与其通过传动螺纹连接的摆动滑块和摆动传动丝，所述摆动传动丝缠绕在所述摆动丝杠上并穿过所述穿丝弯板Ⅰ；在所述驱动轴支撑板和所述丝杠底座之间固接有摆动连杆，在所述丝杠底座上固接有与所述摆动丝杠垂直的铰链轴，所述铰链轴与托板的下端转动连接，所述托板的中部通过摇杆与所述摆动滑块连接；在所述托板上设有丝杠支座，在所述丝杠支座上安装有穿刺丝杠，在所述穿刺丝杠上设有与其采用传动螺纹连接的穿刺滑块和穿刺传动丝，在所述穿刺滑块上固接有出口朝下的穿刺针，所述穿刺针的下部穿越位于所述穿刺滑块下方的所述丝杠支座。

2.根据权利要求1所述的基于CT或MRI图像导航的胸腔穿刺手术机器人，其特征在于，所述主轴的前端与所述前端竖向主板通过前端离合器连接。

3.根据权利要求1所述的基于CT或MRI图像导航的胸腔穿刺手术机器人，其特征在于，在每个所述弧形板的下端连接有脚轮。

4.根据权利要求1所述的基于CT或MRI图像导航的胸腔穿刺手术机器人，其特征在于，所述动力源采用手轮。

5.根据权利要求1所述的基于CT或MRI图像导航的胸腔穿刺手术机器人，其特征在于，所述水平支撑轴采用两根。

说明书

基于CT或MRI图像导航的胸腔穿刺手术机器人

技术领域

[0001] 本发明涉及医疗器械领域，属于医学、机械、自动化交叉的前沿学科，特别涉及基于CT或MRI图像导航的穿刺机器人。

背景技术

[0002] 随着现代医学技术的不断提高，传统的医疗器械越来越不能满足人们的需求。手术机器人的发展脚步越来越快，机器人辅助手术不仅定位精度高、灵巧性强，而且对患者造成的创伤小，便于术后恢复。对于基于CT(或MRI)图像导航的胸腔穿刺机器人来说，其工作空间可描述为人的胸腔轮廓向外延伸200-300mm的近似圆环形的区域，由于CT(或MRI)仪器的限制，机器人的结构必须十分紧凑才能有效完成相应的手术动作。以往的胸腔手术机器人多不能满足使机械臂从胸腔外部任意位置、角度进针的要求，并且调节速度慢、精度低，使机器人自主完成穿刺具有很大的难度。

发明内容

[0003] 本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于CT或MRI图像导航的胸腔穿刺手术机器人，该机器人能够使机械臂从胸腔外部任意位置和任意角度进针，并且机器人的运动能够进行自动调整，定位精度高，速度快。

[0004] 本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于CT或MRI图像导航的胸腔穿刺手术机器人，包括弧形支架模块、三向平移模块和角度调整模块；所述弧形支架模块包括分设在前端和后端的两个弧形板，两个所述弧形板通过两根沿纵向设置的角稳定板连接，在每个所述弧形板的内侧固接有不完全内齿轮；在位于前端的所述弧形板的前方设有前端竖向主板，在位于后端的所述弧形板的后方设有后端竖向主板，所述前端竖向主板和所述后端竖向主板的上部通过水平支撑轴连接，所述前端竖向主板和所述后端竖向主板的下部安装有水平设置的主轴，在所述主轴的两个端部各安装一内啮小齿轮，所述内啮小齿轮与对应的所述不完全内齿轮啮合，所述主轴的后端与所述后端竖向主板通过后端离合器连接，所述后端离合器的输入端与动力源连接；在所述水平支撑轴上安装有滚套，所述水平支撑轴通过所述滚套与所述弧形板的外侧表面滚动摩擦连接；所述三向平移模块包括左右平移单元、前后平移单元和上下平移单元；所述左右平移单元包括支架Ⅰ，所述支架Ⅰ通过模块连接板固定在所述后端竖向主板上；在所述支架Ⅰ上安装有横向设置的丝杠Ⅰ，所述丝杠Ⅰ由电机Ⅰ驱动，所述电机Ⅰ安装在所述支架Ⅰ上，在所述丝杠Ⅰ上设有与其通过传动螺纹连接的滑块Ⅰ，所述滑块Ⅰ通过连接架与模组支撑板的后端固接，所述模组支撑板的前端设有固定滑块，所述固定滑块与横向轨道配合，所述横向轨道固定在所述前端竖向主板上；所述前后平移单元包括支架Ⅱ，所述支架Ⅱ固定在所述模组支撑板上；在所述支架Ⅱ上安装有丝杠Ⅱ，所述丝杠Ⅱ由电机Ⅱ驱动，所述电机Ⅱ安装在所述模组支撑板上，在所述丝杠Ⅱ上设有与其通过传动螺纹连接的滑块Ⅱ，在所述滑块Ⅱ上横跨有与其固接的π形伸出板；所述上下平移单元包括左右分布的两根升降丝杠，两根所述升降丝杠的上端安装在轴端固定板内，两根所述升降丝杠的下端安装在所述π形伸出板内，在两根所述升降丝杠上均设有与其采用传动螺纹连接的升降滑块，在所述升降滑块上连接有模块支撑架；在两根所述升降丝杠上均设有升降从动齿轮，所述升降从动齿轮与升降主动齿轮啮合，所述升降主动齿轮由电机Ⅲ驱动，所述电机Ⅲ安装在所述π形伸出板上；所述角度调整模块包括与所述模块支撑架固接的驱动轴支撑板，在所述驱动轴支撑板上固接有穿丝弯板Ⅱ，在所述穿丝弯板Ⅱ和所述驱动轴支撑板上安装有与它们垂直的旋转驱动轴，在所述旋转驱动轴上安装有旋转主动齿轮，在所述旋转驱动轴上缠绕有旋转传动丝，所述旋转传动丝穿过所述穿丝弯板Ⅱ；所述旋转主动齿轮与旋转从动齿轮啮合，所述旋转从动齿轮与摆动丝杠转动连接，所述摆动丝杠安装在穿丝弯板Ⅰ、所述驱动轴支撑板和丝杠底座上，所述穿丝弯板Ⅰ固接在所述驱动轴支撑板上，在所述摆动丝杠上设有与其通过传动螺纹连接的摆动滑块和摆动传动丝，所述摆动传动丝缠绕在所述摆动丝杠上并穿过所述穿丝弯板Ⅰ；在所述驱动轴支撑板和所述丝杠底座之间固接有摆动连杆，在所述丝杠底座上固接有与所述摆动丝杠垂直的铰链轴，所述铰链轴与托板的下端转动连接，所述托板的中部通过摇杆与所述摆动滑块连接；在所述托板上设有丝杠支座，在所述丝杠支座上安装有穿刺丝杠，在所述穿刺丝杠上设有与其采用传动螺纹连接的穿刺滑块和穿刺传动丝，在所述穿刺滑块上固接有出口朝下的穿刺针，所述穿刺针的下部穿越位于所述穿刺滑块下方的所述丝杠支座。

[0005] 所述主轴的前端与所述前端竖向主板通过前端离合器连接。

[0006] 在每个所述弧形板的下端连接有脚轮。

[0007] 所述动力源采用手轮。

[0008] 所述水平支撑轴采用两根。

[0009] 本发明具有的优点和积极效果是：

[0010] 一)结构紧凑，能够在空间狭小的CT(或MRI)腔内完成穿刺针位置和角度的调整；二)部分自由度采用丝传动的方式来实现，能够提高穿刺针的调整及穿刺精度，同时使得机器人本身与CT(MRI)仪器具有很好的兼容性，提高导航图像的清晰程度，能够进一步提高手术的精度；三)机器人的运动能够进行自动调整，提高了穿刺针位姿的调整速度，加快了手术的进程，降低了手术成本，减轻了患者的痛苦；四)手术过程中，医生可以远离CT(或MRI)和放射性粒子等仪器和装置，大大降低了手术过程中医生的劳动强度以及手术环境对医生身体的伤害程度。

[0011] 综上所述，本发明结构紧凑，体积小，能够用于近距离粒子植入，能够满足工作空间的苛刻要求，能够实现从胸腔外各角度进针的功能，并且定位精度高，定位速度快，操作方便，能够辅助医生快速、准确、方便地完成手术，进而减少病人的痛苦，并且本发明结构调整灵活，能够克服手术过程中定位速度慢、定位不准确的弊端，能够广泛地应用到胸腔穿刺手术中，为机器人辅助微创外科手术开辟了一条新的途径，具有重要的理论意义和实际应用价值。

附图说明

[0012] 图1为本发明的结构示意图；

[0013] 图2为本发明的角度调整模块结构示意图；

[0014] 图3为本发明的三向平移模块结构示意图；

[0015] 图4为本发明的弧形支架模块结构示意图；

[0016] 图5为图4的仰视图。

[0017] 图中：1、脚轮；2、弧形板；3、不完全内齿轮；4、穿刺丝杠；5、摆动丝杠；6、旋转驱动轴；7、电机Ⅰ；8、升降丝杠；9、丝杠Ⅱ；10、丝杠Ⅰ；11、手轮；12、穿刺针；13、铰链轴；14、丝杠底座；15、托板；16、摇杆；17、丝杠支座；18、旋转从动齿轮；19、穿丝弯板Ⅰ；20、穿丝弯板Ⅱ；21、旋转主动齿轮；22、驱动轴支撑板；23、摆动滑块；24、摆动连杆；25、固定滑块；26、横向轨道；27、模块支撑架；28、支架Ⅰ；29、支架Ⅱ；30、电机Ⅲ；31、升降从动齿轮；32、升降主动齿轮；
33、轴端固定板；34、升降滑块；35、电机Ⅱ；36、连接架；37、穿刺滑块；38、模组支撑板；39、π形伸出板；40、滑块Ⅱ；41、连接物；42、脚稳定板；43、前端离合器的A部；44、前端离合器的B部；45、前端竖向主板；46、滚套；47、水平支撑轴；48、主轴；49、后端竖向主板；50、模块连接板；51、后端离合器；52、内啮小齿轮；53、旋转传动丝；54、摆动传动丝；55、穿刺传动丝；56、滑块Ⅰ。

具体实施方式

[0018] 为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

[0019] 请参阅图1～图5，一种基于CT或MRI图像导航的胸腔穿刺手术机器人，包括弧形支架模块、三向平移模块和角度调整模块。

[0020] 请参阅图1和图4～图5，所述弧形支架模块包括分设在该机器人前端和后端的两个弧形板2，两个所述弧形板2通过两根沿纵向设置的脚稳定板42连接，在每个所述弧形板2的内侧固接有不完全内齿轮3；在位于前端的所述弧形板2的前方设有前端竖向主板45，在位于后端的所述弧形板2的后方设有后端竖向主板49，所述前端竖向主板45和所述后端竖向主板49的上部通过至少一根水平支撑轴47连接，所述前端竖向主板45和所述后端竖向主板49的下部安装有一水平设置的主轴48，在所述主轴48的两个端部各安装一内啮小齿轮52，所述内啮小齿轮52与对应的所述不完全内齿轮3啮合，所述主轴48的后端与所述后端竖向主板49通过后端离合器51连接，所述后端离合器51的输入端与动力源连接；在所述水平支撑轴47上安装有滚套46，所述水平支撑轴47通过所述滚套46与所述弧形板2的外侧表面滚动摩擦连接。

[0021] 在本实施例中，为了便于机器人的整体移动，在每个所述弧形板2的下端连接有脚轮1。为了便于现场手动操作，所述动力源采用手轮11。为了方便穿刺头在人体胸腔外部的位置调整，且使结构简单、稳定，所述水平支撑轴47采用两根。为了结构稳定，使主轴48的受力平衡，所述主轴48的前端与所述前端竖向主板45通过前端离合器连接，在本实施例中，脚轮1与弧形板2通过连接物41固接，前后相邻的两个连接物41通过脚稳定板42连接在一起。

[0022] 上述弧形支架模块可以通过内啮配合齿轮的传动实现穿刺头在人体胸腔外部的位置调整，并通过离合器实现自锁和动力输入功能。

[0023] 请参阅图1和图3，所述三向平移模块包括左右平移单元、前后平移单元和上下平移单元；所述左右平移单元包括支架Ⅰ28，所述支架Ⅰ28通过模块连接板50固定在所述后端竖向主板49上。具体结构为：所述支架Ⅰ28固接在模块连接板50上，所述模块连接板50固接在所述后端竖向主板49上。

[0024] 在所述支架Ⅰ28上安装有横向设置的丝杠Ⅰ10，所述丝杠Ⅰ10由电机Ⅰ7驱动，所述电机Ⅰ7安装在所述支架Ⅰ28上，在所述丝杠Ⅰ10上设有与其通过传动螺纹连接的滑块Ⅰ56，所述滑块Ⅰ56通过连接架36与模组支撑板38的后端固接，所述模组支撑板38的前端设有固定滑块25，所述固定滑块25与横向轨道26配合，所述横向轨道26固定在所述前端竖向主板45上。

[0025] 所述前后平移单元包括支架Ⅱ29，所述支架Ⅱ29固定在所述模组支撑板38上；在所述支架Ⅱ29上安装有丝杠Ⅱ9，所述丝杠Ⅱ9由电机Ⅱ35驱动，所述电机Ⅱ35安装在所述模组支撑板38上，在所述丝杠Ⅱ9上设有与其通过传动螺纹连接的滑块Ⅱ40，在所述滑块Ⅱ40上横跨有与其固接的π形伸出板39。

[0026] 所述上下平移单元包括左右分布的两根升降丝杠8，两根所述升降丝杠8的上端安装在轴端固定板33内，两根所述升降丝杠8的下端安装在所述π形伸出板39内，在两根所述升降丝杠8上均设有与其采用传动螺纹连接的升降滑块34，在所述升降滑块34上连接有模块支撑架27；在两根所述升降丝杠8上均设有升降从动齿轮31，所述升降从动齿轮31与升降主动齿轮32啮合，所述升降主动齿轮32由电机Ⅲ30驱动，所述电机Ⅲ30安装在所述π形伸出板39上。

[0027] 请参阅图1和图2，所述角度调整模块包括与所述模块支撑架27固接的驱动轴支撑板22，在所述驱动轴支撑板22上固接有穿丝弯板Ⅱ20，在所述穿丝弯板Ⅱ20和所述驱动轴支撑板22上安装有与它们垂直的旋转驱动轴6，在所述旋转驱动轴6上安装有旋转主动齿轮21，在所述旋转驱动轴6上缠绕有旋转传动丝53，所述旋转传动丝53穿过所述穿丝弯板Ⅱ
20。

[0028] 所述旋转主动齿轮21与旋转从动齿轮18啮合，所述旋转从动齿轮18与摆动丝杠5转动连接，所述摆动丝杠5安装在穿丝弯板Ⅰ19、所述驱动轴支撑板22和丝杠底座14上，所述穿丝弯板Ⅰ19固接在所述驱动轴支撑板22上，在所述摆动丝杠5上设有与其通过传动螺纹连接的摆动滑块23和摆动传动丝54，所述摆动传动丝54缠绕在所述摆动丝杠5上并穿过所述穿丝弯板Ⅰ19；在所述驱动轴支撑板22和所述丝杠底座14之间固接有摆动连杆24，在所述丝杠底座14上固接有与所述摆动丝杠5垂直的铰链轴13，所述铰链轴13与托板15的下端转动连接，所述托板15的中部通过摇杆16与所述摆动滑块23连接；在所述托板15上设有丝杠支座17，在所述丝杠支座17上安装有穿刺丝杠4，在所述穿刺丝杠4上设有与其采用传动螺纹连接的穿刺滑块37和穿刺传动丝55，在所述穿刺滑块37上固接有出口朝下的穿刺针12，所述穿刺针12的下部穿越位于所述穿刺滑块37下方的所述丝杠支座17。

[0029] 上述电机Ⅰ7、电机Ⅱ35和电机Ⅲ30均采用步进电机。

[0030] 本发明的工作原理：

[0031] 胸腔穿刺手术机器人工作时安装在CT或(MRI)机的病床上，工作时，弧形支架模块罩在病人腹部的上方。

[0032] 上述弧形支架模块主要实现三向平移模块和角度调整模块绕弧形板2的转动，使穿刺位置可以完全覆盖胸腔外轮廓，此部分转动功能由两个不完全内齿轮3与两个内啮小齿轮52的啮合传动实现。调整角度时，首先将前端离合器的A部43拔下来，使前端离合器分离，然后把手轮11沿主轴48拉出，使后端离合器51分离，接着操作者转动手轮11，为主轴48提供转动扭矩，驱动主轴48转动，使内啮小齿轮52绕不完全内齿轮3转动，从而带动另外两模块一起绕弧形板2转动，当转角达到设定值时，将手轮11沿主轴48推回，使后端离合器51接合，将主轴48锁固在后端竖向主板49上，使其不能转动，完成自锁，同时装回前端离合器的A部43，使前端离合器接合，将主轴48锁固在前端竖向主板45上，使其不能转动。前端离合器的设置能够使主轴48的受力平衡情况更佳，机器人的整体结构稳定性更好。

[0033] 上述三向平移模块主要由三组互相垂直的螺旋传动机构组成，用于实现穿刺针在人体胸腔外部三维空间内的定位功能，三组螺旋传动机构均由电机驱动，并且三者之间相互独立。定位时可首先驱动丝杠Ⅰ10带动角度调整模块进行左右位置调整，到达既定位置后，再驱动丝杠Ⅱ9带动角度调整模块进行前后位置调整，最后驱动升降丝杠8带动角度调整模块完成定位过程。

[0034] 上述角度调整模块能够实现三个自由度的运动，分别是穿刺针12绕摆动丝杠5的转动自由度、穿刺针12绕铰链轴13的转动自由度和穿刺针12的穿刺自由度。调整时，首先拉动旋转驱动轴6上的旋转传动丝53，带动旋转驱动轴6、旋转主动齿轮21和旋转从动齿轮18转动，从而带动摆动连杆24、丝杠底座14、铰链轴13和托板15运动，最终将运动传递给穿刺针12，使其绕摆动丝杠5转动，以调整进针的倾向；然后，通过拉动缠绕在摆动丝杠5上部的摆动传动丝54，使摆动滑块23带动摇杆16，摇杆16带动托板15及托板15上携带的穿刺针12绕铰链轴13转动，完成进针的倾斜角度调整；最后，在进针的倾向和倾斜角度均调整完成后，拉动缠绕在穿刺丝杠4上部的穿刺传动丝55，驱动穿刺丝杠4转动，以带动穿刺针12完成进针运动。

[0035] 本发明通过弧形支架模块、三向平移模块和角度调整模块对穿刺针的进针位置、进针倾向和进针角度进行调整，可方便地找准末端机构的空间位置及其朝向。

[0036] 尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。