专利名称：影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种医疗器械，特别是一种与CT扫描装置、核磁共振装置或其它立体断层成像等疾病诊断设备结合使用的在影像断层下进行穿刺、活检、注射的引导装置。
背景技术：
当人体内部发生病变时，有时需要利用穿刺对病灶进行活检或治疗。通常是借助于仪器(如CT扫描装置)测定出病灶与皮肤定位点的方位和穿刺针的深度，首先在人体的横剖面上测出病灶的位置，在该层面中选择最佳进针位置和进针角度，利用进针层面、进针角度和进针深度的断层图像决定病灶及穿刺针穿刺的精确位置。虽然通过CT扫描装置的断层图像能够准确地确定进针角度和进针深度，但穿刺的过程都是将病人从CT扫描层面移出后进行的，当病人离开CT扫描装置时，医生只能根据自己的判断，确定一个大致的进针方向，进行穿刺，然后再进行CT扫描加以确认。由于人为的因素较多，常常造成进针不准确，影响治疗的精确度。有时需要重复多次进针，严重时会导致误穿，给患者带来极大的痛苦和风险。因此，业内人士开发出一些用于穿刺定位的定位装置。例如美国专利号US5,957,933公开了一种结合CT扫描装置上的立体引导装置，用于引导探针进入病人体内。该立体引导装置是具有5个自由度的垂直关节型机器人，其中包括腰关节A、肩关节B、肘关节C和具有两个关节轴D、E的副关节轴组合手腕。其具有连接于CT扫描装置的基座端42和可以相对于CT扫描装置移动的自由端手腕40。该立体引导装置还包括具有用于限定探针插入路线(轨迹)的导向通道的第一末端受动部件106。该导向装置的立体结构臂的自由端处进一步包括第二末端受动部件104和一激光源108，该激光源108沿着探针插入路线产生一导向光柱。通过CT对人体的螺旋扫描、经过计算机的处理，该立体引导装置可以从人体的不同方向，引导探针进入病人的体内，并显示整个进针过程，使穿刺针精确到达病灶位置。但其结构复杂，加工困难，成本高昂。而且，从人体不同位置进针，不利于复检进针位置是否正确，因为非沿扫描层面进入的探针，在扫描仪下复检时，不能看到整个针的影像，只能看到穿刺针的一部分，无法判断针尖是否位于病灶中心，只有沿扫描层面进入病灶位置的探针，在扫描仪下复检时，才能看到整个针的影像，清楚的判断针尖是否位于病灶中心。如果，将探针沿扫描层面进入病灶位置，将可以大大的简化引导装置的硬件设施和控制程序软件的复杂度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种定位准确、操作方便、结构简单、低成本的影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置。
实现本发明的上述目的的技术方案如下。
方案一一种影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置，是结合立体断层扫描装置的断层影像，确定进针位置、进针角度和深度，包括运动机构和设置于运动机构末端的引导机构，其特征是该运动机构是具有固定底座的关节型机器人，该关节型机器人包括设于固定底座上的立柱；通过肩关节与立柱连接的大臂；通过肘关节与大臂相连接的小臂；小臂的端部通过腕关节连接引导机构；该连接小臂的腕关节具有在小臂所在的平行于扫描层面的平面内进行摆动的关节；该关节设有指零功能的重锤或自动指向地心或设有自动水平调节装置的角度传感器，以检测其转动的角度，以调整进针角度；该引导机构的运动范围是在一个平行于扫描层面的平面内。
所述的影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置，其特征是该关节型机器人的腕关节是具有与小臂摆动和绕小臂轴线转动的复合关节，该绕小臂轴线转动的复合关节设有指零功能的重锤或自动指向地心或设有自动水平调节装置的角度传感器，且具有水平标示。
方案二一种影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置，是结合立体断层扫描装置的断层影像，确定进针位置、进针角度和深度，包括运动机构和设置于运动机构末端的引导机构，其特征是该运动机构是具有固定底座的直角坐标型机器人，其中包括一立柱，固设于该固定座上；一横臂，通过丝杠螺母水平滑设于十字滑板，并设有位移传感器，该十字滑板通过丝杠螺母及位移传感器滑设于该立柱，该横臂平行于扫描仪的扫描层面该横臂的端部设有具有角度指示的第一转角分度盘；驱动横臂轴向水平移动的丝杠端部和驱动十字滑板沿立柱上下运动的丝杠端部设有手轮或马达减速装置。
所述的影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置，其特征是于该第一角度分度盘上固设一直线运动装置，并设有位移传感器，该直线运动装置的端部设有末端执行装置；该第一角度分度盘的旋转轴连接驱动其转动的马达减速装置和检测其转动角度的角度传感器。
所述的影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置，其特征是固设于第一转角分度盘上的直线运动装置是液压装置或马达丝杠螺母滑动装置。
所述的影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置，其特征是该横臂的端部设有一垂直于横臂轴线的第二转角分度盘，该第二转角分度盘固设于一固定板上，该固定板上固设平行于扫描层面的该具有角度指示的该第一转角分度盘。
方案三一种影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置，是结合立体断层扫描装置的断层影像，确定进针位置、进针角度和深度，包括运动机构和设置于运动机构末端的引导机构。其特征是该引导装置是直角坐标型机器人，其中包括一立柱，固设于该固定座上；一横臂，通过丝杠螺母水平转动及移动地滑设于立柱上，该横臂平行于扫描仪的扫描层面。并设有位移传感器；驱动横臂轴向水平移动的丝杠端部设有手轮或马达减速装置供手动或自动操控该横臂的端部设有具有角度指示的转角分度盘；于该转角分度盘上固设滑轨，该引导机构通过滑杆滑设于一滑块的滑槽中，该滑块通过一转角分度盘滑设于该滑轨上。
所述的影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置，其特征是该滑轨是弧形滑轨或直线型滑轨。
上述三个方案的影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置，其特征是该立柱进一步通过平行与X轴的丝杠螺母滑块装置滑设于底座上。
所述的影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置，其特征是该引导机构是沿轴线剖开的二半圆管，该二半圆管通过扣件组合成夹持引导器；该夹持引导器具有不同的夹持内径，以夹持引导不同外径的穿刺针或自动穿刺、活检、注射装置；或该引导装置的引导机构是一卡座式基座，其上卡装自动穿刺、活检、注射装置。
本发明的优点在于本发明所提供的影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置，以3或4个自由度的机器人引导装置替代现有技术5个自由度的机器人立体引导装置，配合各种不同医疗器具，实现影像断层引导下准确向病灶点进行穿刺、活检、注射。本装置操作方便、结构简单、成本低廉，便于穿刺后的带针复检。且引导机构可以深入到CT扫描层面，实现实时引导。该装置可实现手动穿刺、自动穿刺、自动活检、自动注射。
为对本发明的构造、特点及功效有进一步了解，兹列举具体实施例并结合附图详细说明如下。
图1是现有技术的结合CT扫描装置上的立体引导装置结构图。
图2是本发明的影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置实施例一的结构示意图。
图3是本发明的影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置实施例二的结构示意图。
图4是本发明的影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置另一实施例的结构示意图。
图5是本发明的影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置又一实施例的结构示意图。
图6是本发明影像断层引导下穿刺定位实施图。
图7是本发明引导装置的夹持引导器的结构示意图。
图8是图7的A向视图。
图9是本发明引导装置的夹持引导器的另一种结构示意图。
图10是本发明引导装置的夹持引导器的又一种结构示意图。
图11是本发明的影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置的又一实施例图。
具体实施例方式
本发明提出一种结构简单、成本低廉，便于复检的影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置(简称引导装置)，是一种结合立体断层扫描装置的影像断层确定进针位置、进针角度和深度。本发明的引导装置包括影像断层扫描装置200和引导装置100。请结合参阅图6，影像断层扫描装置200是CT扫描装置、核磁共振装置或其它三维成像等疾病诊断设备。该引导装置与三维成像等疾病诊断设备连接，数据共享，将CT图像通过数字化处理后用于指导引导装置，实现数字化、自动化；计算机通过获得的CT扫描上病灶位置的指标值，控制引导机构移动到相应的坐标位置实现引导。
现以CT扫描装置为例加以说明，于该CT扫描装置一旁设立本发明的引导装置100。为了清楚说明本发明的引导装置的结构以及其有益效果，首先设定CT扫描装置的三维X、Y、Z坐标方向设CT扫描装置200的床的水平移动方向为X轴，在X轴所在水平面内的垂直于X轴的方向为Y轴，Z轴垂直于XOY面，并令扫描病灶点与坐标原点0重合，YOZ平面为CT扫描层面。于引导装置100的探针端建立三维直角坐标X’-Y’-Z’，并使穿刺器具所在平面Y’O’Z’与断层面YOZ平行。首先通过CT扫描装置检测出病灶点O的三维坐标位置，确定穿刺进针的断层面YOZ，并在体表标记皮肤进针点L，皮肤进针点L的标记方法是在进针点处纵向放置定位金属栅，以得到扫描层面上金属栅网格截面位置。如图6所示，通过CT扫描装置找出病灶中心层面作为进针层面A，在进针层面A内确定病灶点O以及进针位置L，将进针位置L与病灶点O连一直线，即为进针方向，其与Z轴的夹角为进针夹角θ(LOZ)。由于引导装置100的Y’、Z’平面与CT扫描装置200的扫描平面平行，因此，在CT扫描确定穿刺进针层面A(YOZ)后，先将病灶点O所在的进针层面A平行移至穿刺器具所在的平面Y’O’Z’(B面)内。转动引导装置的引导机构，令穿刺器具的角度与的扫描层面内的进针角度相同，并移动穿刺针尖使接近进针位置L。微处理控制器根据θ角及穿刺针尖与针位置L的高度差以及进针深度OL，经运算，发出指令驱动穿刺针由皮肤进针点L沿θ角准确地自动进针至病灶点O。上述过程也可通过将穿刺针插入夹持引导器的中心孔来手工完成。由于进针路线是在扫描断层面内，而非其他方向的层面，因而本发明的引导装置与现有技术的立体引导装置相比具有结构简单、成本低廉的优点，更便于穿刺后复检。本发明的具体实施结构如下实施例一，参阅图2所示，该引导装置100是关节型机器人，具有一固定底座110，于固定底座110上设有立柱120；立柱120通过肩关节130连接大臂140；大臂140通过肘关节150连接小臂160；小臂160的端部通过腕关节170连接引导机构180，该引导机构180的运动范围是位于平行于扫描层面ZOY的平面内；该引导装置的引导机构180是沿轴线剖开的二半圆管181、182(如图7、8所示)，该二半圆管181、182通过扣件183组合成夹持引导器，用于夹持探针(自动进针)或引导探针(手动进针)，夹持引导器的内衬可以消毒，且具有不同内径，以便夹持相应外径的穿刺针或自动穿刺装置。该引导装置的引导机构还可以是一卡座式基座(如图9所示)，其上面可卡装自动穿刺、活检、注射装置。该引导装置的引导机也可以包括一激光源，该激光源10沿着探针插入路线产生一导向光柱20(如图3所示)。
该关节型机器人的腕关节170具有与小臂160摆动的关节，且具有水平标示(或重锤)190，以实现引导机构180于YOZ面内θ角的调整。为适应扫描仪的扫描平面与X轴非垂直的情况，该关节型机器人的腕关节还可以是具有小臂摆动和绕小臂轴线转动的复合关节，且具有水平标示(或重锤)190，该腕关节不仅可实现引导机构180于YOZ面内θ角的调整，并可绕小臂轴线转动使与扫描平面平行，其所旋转的角度可由水平标示(或重锤)190得知，以适应倾斜扫描的需要；该腕关节还可以是设有自动水平调节装置的角度传感器，以检测其转动的角度并自动调整。为便于手工穿刺，末端夹持引导器是通过一弯臂184与腕关节连接，弯臂184与小臂轴线在同一平面内，如图7所示；也可以如图10所示是在与小臂轴线垂直的方向上。
请参阅图6，并结合图2。安装时，调整引导装置100，令立柱120、大臂140和小臂160的所在平面即穿刺器具所在平面Y’O’Z’与断层面YOZ平行。使用时，通过CT扫描装置检测出病灶点O的三维坐标位置，确定穿刺进针的断层面YOZ，并在体表标记皮肤进针点L。由于引导装置100的Y’Z’平面与CT扫描装置200的扫描平面平行设置，因此，在CT扫描确定穿刺进针层面A(YOZ)后，将病灶点O所在的进针层面A沿X轴平行移至穿刺器具所在的平面Y’O’Z’(B面)内。转动腕关节170，令夹固于引导机构180中的穿刺器具的轴线与Z轴所夹角度与的扫描层面内的进针角度相同，调整引导机构180端部的Z轴及Y轴的坐标位置，令穿刺针尖接近进针位置L。微处理控制器根据θ角及穿刺针尖与探针位置L的高度差以及进针深度OL，经运算，发出指令驱动设于立柱和臂端部的步进马达，使穿刺针由皮肤进针点L沿θ角准确地自动进针至病灶点O，或由手动方式经由夹持引导器引导准确地进针至病灶点O。由此可见，本发明结构简单、精度高，操作方便。
实施例二，参阅图3所示，图中展示了一扫描仪200、引导装置300，该引导装置300具有底座310，其上设有一立柱320；一横臂330，通过丝杠螺母水平滑设于十字滑板340，该十字滑板340通过丝杠螺母滑设于该立柱320上，该横臂330平行于扫描仪的扫描层面(XOZ面)；驱动横臂轴向水平移动的丝杠端部和驱动十字滑板沿立柱上下运动的丝杠端部设有手轮或马达减速装置供手动或自动操控，其中所述的丝扛是滚珠丝扛，所述的马达是步进马达。该横臂330的端部设有具有角度指示的第一转角分度盘333；该第一转角分度盘333的旋转轴连接驱动其转动的马达减速装置或手轮以及角度传感器(图中未示)，所述的马达是步进马达，供操控其精确旋转到一定角度。该第一转角分度盘333还可以通过一固定板331及可调整角度的第二转角分度盘332可转动地设于横臂330的端部。该转角分度盘333上固设引导机构180(夹持引导器)，用于夹固或引导医疗检查器械如穿刺器具、活检器具或注射装置，其具体结构同实施例一。图4所示的引导装置300，该立柱320是通过通过丝杠螺母滑块装置滑设于底座310上，用于精确调节引导机构180的X轴位置。
请参阅图6，并结合图3、4。安装时，调整引导装置300，令横臂330平行于Y轴，使穿刺器具所在平面Y’O’Z’与断层面YOZ平行。使用时，通过CT扫描装置检测出病灶点O的三维坐标位置，确定穿刺进针的断层面YOZ，并在体表标记皮肤进针点L。由于引导装置100的Y’Z’平面与CT扫描装置200的扫描平面平行设置，因此，在CT扫描确定穿刺进针层面A(YOZ)后，将病灶点O所在的进针层面A沿X轴平行移至穿刺器具所在的平面Y’O’Z’(B面)内。转动设于横臂330端部的第一转角分度盘333，令夹固于引导机构180中的穿刺器具的轴线与Z轴所夹角度与的扫描层面内的进针角度相同，调整横臂330端部的Z轴及Y轴的坐标位置，令穿刺针尖接近进针位置L。微处理控制器根据θ角及穿刺针尖与探针位置L的高度差以及进针深度OL，经运算，发出指令驱动设于立柱和臂端部的步进马达，使穿刺针由皮肤进针点L沿θ角准确地自动进针至病灶点O，或由手动方式经由夹持引导器引导准确地进针至病灶点O。
本发明的引导装置，还可在第一转角分度盘上装设一直线运动装置334(如图4所示)，如液压装置、马达丝扛滑块装置等，该直线运动装置334的端部固设夹持引导器，用于夹持或引导医疗器械，如穿刺器具、活检器具或注射装置。使用时，先将病灶点O所在的进针层面A平行移至穿刺器具所在的平面Y’O’Z’(B面)内。转动设于横臂330端部第一转角分度盘333，令穿刺器具的角度与的扫描层面内的进针角度相同，调整横臂330的Z轴坐标位置，令穿刺针尖接近进针位置L。微处理控制器根据θ角及穿刺针尖与针位置L的高度差以及进针深度OL，经运算，发出指令驱动直线运动装置，使穿刺针由皮肤进针点L沿θ角准确地进针至病灶点O。
实施例三，参阅图5所示，图中展示了一扫描仪200、引导装置400，该引导装置400具有底座410，其上设有一立柱420；一横臂430，可水平转动及移动地滑设于立柱420上，该横臂430平行于扫描仪的扫描层面(XOZ面)；驱动横臂轴向水平移动的丝杠端部设有手轮或马达减速装置供手动或自动操控，其中所述的丝扛是滚珠丝扛，所述的马达是步进马达。该横臂430的端部设有具有角度指示的转角分度盘433；该转角分度盘433上固设弧形滑轨440，该引导机构180(夹持引导器)通过滑杆450滑设于滑块460的滑槽中，该滑块460通过另一转角分度盘470滑设于该滑轨440上，通过弧形滑轨440及转角分度盘470来调节引导机构180进针方向，该滑轨也可以是直线型滑轨。
请参阅图6，并结合图5。安装时，调整引导装置400，令横臂430平行于Y轴，使穿刺器具所在平面Y’O’Z’与断层面YOZ平行。使用时，通过CT扫描装置检测出病灶点O的三维坐标位置，确定穿刺进针的断层面YOZ，并在体表标记皮肤进针点L。由于引导装置400的Y’Z’平面与CT扫描装置200的扫描平面平行设置，因此，在CT扫描确定穿刺进针层面A(YOZ)后，将病灶点O所在的进针层面A沿X轴平行移至穿刺器具所在的平面Y’O’Z’(B面)内。通过马达齿轮齿条机构令滑块460沿弧形滑轨440滑动，并使夹固于引导机构180中的穿刺器具的轴线与Z轴所夹角度与的扫描层面内的进针角度相同，调整横臂430及滑杆450的外伸长度，令穿刺针尖接近进针位置L。微处理控制器根据θ角及穿刺针尖与探针位置L的高度差以及进针深度OL，经运算，发出指令驱动设于滑杆450臂端部的步进马达，使穿刺针由皮肤进针点L沿θ角准确地自动进针至病灶点O，或由手动方式经由夹持引导器引导准确地进针至病灶点O。由此可见，本发明结构简单、精度高，操作方便。
上述三种引导装置中，该立柱120、320、420还可以是通过丝杠螺母滑块装置滑设于底座上，用于精确调节引导机构180的X轴位置。
图11是本发明的影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置的又一实施例图。该实施方式是基于上述三种引导装置中，立柱120、320、420通过丝杠螺母滑块装置滑发于底座上，图示是以方案二为例作为说明，将该引导装置设于立体断层扫描装置的后面，使原X’轴与Y’轴互换，以使立柱可沿Y轴方向运动，横臂可沿X轴方向运动。如此使用，可实现在扫描的同时不将患者人体移出扫描装置而实现实时引导。
权利要求
1.一种影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置，是结合立体断层扫描装置的断层影像，确定进针位置、进针角度和深度，包括运动机构和设置于运动机构末端的引导机构，其特征是该运动机构是具有固定底座的关节型机器人，该关节型机器人包括设于固定底座上的立柱；通过肩关节与立柱连接的大臂；通过肘关节与大臂相连接的小臂；小臂的端部通过腕关节连接引导机构；该连接小臂的腕关节具有在小臂所在的平行于扫描层面的平面内进行摆动的关节；该关节设有指零功能的重锤或自动指向地心或设有自动水平调节装置的角度传感器，以检测其转动的角度，以调整进针角度；该引导机构的运动范围是在一个平行于扫描层面的平面内。
2.根据权利要求1所述的影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置，其特征是该关节型机器人的腕关节是具有与小臂摆动和绕小臂轴线转动的复合关节，该绕小臂轴线转动的复合关节设有指零功能的重锤或自动指向地心或设有自动水平调节装置的角度传感器，且具有水平标示。
3.一种影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置，是结合立体断层扫描装置的断层影像，确定进针位置、进针角度和深度，包括运动机构和设置于运动机构末端的引导机构，其特征是该运动机构是具有固定底座的直角坐标型机器人，其中包括一立柱，固设于该固定座上；一横臂，通过丝杠螺母水平滑设于十字滑板，并设有位移传感器，该十字滑板通过丝杠螺母及位移传感器滑设于该立柱，该横臂平行于扫描仪的扫描层面；该横臂的端部设有具有角度指示的第一转角分度盘；驱动横臂轴向水平移动的丝杠端部和驱动十字滑板沿立柱上下运动的丝杠端部设有手轮或马达减速装置。
4.根据权利要求3所述的影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置，其特征是于该第一角度分度盘上固设一直线运动装置，并设有位移传感器，该直线运动装置的端部设有末端执行装置；该第一角度分度盘的旋转轴连接驱动其转动的马达减速装置和检测其转动角度的角度传感器。
5.根据权利要求4所述的影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置，其特征是固设于第一转角分度盘上的直线运动装置是液压装置或马达丝杠螺母滑动装置。
6.据权利要求3所述的影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置，其特征是该横臂的端部设有一垂直于横臂轴线的第二转角分度盘，该第二转角分度盘固设于一固定板上，该固定板上固设平行于扫描层面的该具有角度指示的该第一转角分度盘。
7.一种影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置，是结合立体断层扫描装置的断层影像，确定进针位置、进针角度和深度，包括运动机构和设置于运动机构末端的引导机构，其特征是该引导装置是直角坐标型机器人，其中包括一立柱，固设于该固定座上；一横臂，通过丝杠螺母水平转动及移动地滑设于立柱上，该横臂平行于扫描仪的扫描层面。并设有位移传感器；驱动横臂轴向水平移动的丝杠端部设有手轮或马达减速装置供手动或自动操控该横臂的端部设有具有角度指示的转角分度盘；于该转角分度盘上固设滑轨，该引导机构通过滑杆滑设于一滑块的滑槽中，该滑块通过一转角分度盘滑设于该滑轨上。
8.根据权利要求7所述的影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置，其特征是该滑轨是弧形滑轨或直线型滑轨。
9.根据权利要求1、或3、或7所述的影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置，其特征是该立柱进一步通过平行与X轴的丝杠螺母滑块装置滑设于底座上。
10.根据权利要求1、或3、或7所述的影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置，其特征是该引导机构是沿轴线剖开的二半圆管，该二半圆管通过扣件组合成夹持引导器；该夹持引导器具有不同的夹持内径，以夹持引导不同外径的穿刺针或自动穿刺、活检、注射装置；或该引导装置的引导机构是一卡座式基座，其上卡装自动穿刺、活检、注射装置。
全文摘要
一种影像断层下穿刺、活检、注射的引导装置，是结合立体断层扫描装置的断层影像，确定进针位置、进针角度和深度，在断层层面上引导穿刺，该引导装置包括运动机构和设置于运动机构末端的引导机构，其特征是该运动机构是具有固定底座的四个运动自由度的机器人，该引导机构的运动范围是在一个平行于扫描层面的平面内。本发明以3或4个自由度的机器人引导装置替代现有技术5个自由度的机器人立体引导装置，配合各种不同医疗器具，实现影像断层引导下准确向病灶点进行穿刺、活检、注射。操作方便、结构简单、成本低廉，便于穿刺后的带针复检。且引导机构可以深入到CT扫描层面，实现实时引导。该装置可实现手动穿刺、自动穿刺、自动活检、自动注射。
文档编号A61B6/03GK1709205SQ200410071060
公开日2005年12月21日 申请日期2004年7月28日 优先权日2004年6月17日
发明者冯威健 申请人:冯威健