机器人辅助精确靶向穿刺软组织目标柔性针夹紧固定装置的制作方法

本实用新型涉及一种机器人辅助精确靶向穿刺软组织目标柔性针夹紧固定装置。

背景技术：

机器人辅助定位穿刺手术是微创手术的一种重要方法，已广泛应用于多种软组织环境的靶向诊疗手术；软组织环境不仅具有复杂的时变特性，而且在活体和实验条件下其生理特性和生物力学特性有很大的差异，给系统动力学建模和稳定操作带来极大的困难，穿刺时较差的靶向精度会导致组织损伤、错误诊断和不当的放射量，因此精确穿刺针的位姿操控是经皮介入手术质量和成功与否的关键。

医疗穿刺手术机器人面向软组织进行手术操作，涉及到生物力学、断裂力学、摩擦学、影像学、自动控制等多学科基础科学，在软组织穿刺领域，柔性针的穿刺机理、非完整系统路径规划和控制已引起了国内外学者的广泛关注和研究，但是在穿刺机理、路径规划和控制还有待深入研究。因此机器人操控柔性针靶向穿刺的机理和方法研究，可解决柔性针人工靶向穿刺的可控性差、避障难、靶向精度低的问题；能够在未来的手术实践中切实提高穿刺手术的治疗诊断效果，减少对患者的健康损伤。

目前的医疗机器人在骨科等刚体或类刚体领域的研究较完善，应用较广，而在人体软组织等柔性领域，需开展进一步的深入研究。柔性体的研究是从20 世纪90 年代开始的；目前，在面向软组织的机器人操控柔性针靶向穿刺的机理和方法研究上，主要存在以下三个问题：(1) 目前的人体软组织模型，主要是针对虚拟现实进行研究的，在实际手术操作中开展了一些初步研究，在针-组织相互作用模型的特性和描述方法的研究上，还须深入研究；应用于面向软组织的机器人实时操控时，需要解决实时性、准确性的问题，因此需要针对机器人操控时的软组织建模开展深入研究；同时，针-组织间的相互作用具有复杂的非线性摩擦特性，涉及到摩擦学、断裂力学等多个基础学科，需要开展深入的针对性研究。

(2) 柔性针穿刺路径规划是一个复杂问题，涉及到组织变形、不同组织层的边界迁移、组织的各向异性、针根部操控的非完整特性、针运动不确定性等，运动不确定性条件下的轨迹规划，仍然是柔性针穿刺的研究重点；目前在某些具体问题上有了一些阶段性成果，但还没有形成系统的、成熟的理论。

(3) 柔性针穿刺的机器人控制，是一个非完整约束下的非线性问题，如何基于超声影像特点，设计控制系统的观测器-控制器，如何控制机器人操控穿刺针沿着预先规划的轨迹前进，是一个研究难题；这涉及到控制时的传感器配置、影像引导、控制策略和方法等研究。

针穿刺时的柔性变形实现的曲线轨迹，避开障碍物，同时利用生物力学、计算机技术、医学影像技术和机器人控制技术操控针尖到达传统刚性针所达不到的靶点位置，以提高靶向穿刺精度，进而提高手术治疗效果；但在在针-软组织相互作用建模、路径规划和超声图像下穿刺轨迹控制还有待深入研究；目前人体软组织模型，主要是针对虚拟现实进行研究的，在实际手术操作中进行了一些初步研究，在针-组织相互作用模型的特性和描述方法的研究上，还需深入研究。应用于面向软组织机器人实时操控时，需要解决实时性、准确性的问题。因此需要针对机器人操控时软组织建模开展深入的研究；同时，针-软组织相互作用具有复杂的非线性摩擦特性，涉及到摩擦学、断裂力学等基础学科，需要开展深入的针对性研究。穿刺路径规划问题。柔性针穿刺路径规划是一个复杂问题，涉及到组织变形、不同组织层的边界迁移、组织的各向异性、针根部操控的非完整特性、针运动不确定性等，运动不确定性条件下的轨迹规划，仍然是柔性针穿刺的研究重点。目前在某些具体问题上有了一些阶段性成果，但还没有形成系统的、成熟的理论。超声图像下的穿刺轨迹控制问题；柔性针穿刺的机器人控制，是一个非完整约束下的非线性问题，如何基于超声影像特点，设计控制系统的观测器-控制器，如何控制机器人操控穿刺针沿着预先规划的轨迹前进，是一个研究难题。这涉及到控制时的传感器配置、影像引导、控制策略和方法等研究。

技术实现要素：

本实用新型要解决的问题是克服上述现有技术的不足，提供一种靶向穿刺的可控性好、避障好、靶向精度高的机器人辅助精确靶向穿刺软组织目标柔性针夹紧固定装置。

为了解决上述问题，本实用新型采用以下技术方案：

机器人辅助精确靶向穿刺软组织目标柔性针夹紧固定装置，包括旋转进给装置，旋转进给装置包括摆台，摆台的一侧固定连接有柔性针连接件，柔性针连接件内安装有高精度、可更换不同内径的弹性筒夹，柔性针连接件通过螺纹连接有压冒螺母，弹性筒夹的轴心处安装有斜角柔性针并通过压冒螺母旋转压紧，摆台的另一侧固定连接有摆台连接件。

以下是本实用新型对上述方案的进一步优化：

斜角柔性针直接固定在弹性筒夹的轴心处，弹性筒夹装卸方便，可针对针轴直径不同的斜角柔性针配合相应内径的弹性筒夹，适用于多种不同外径的斜角柔性针的夹紧固定。

进一步优化：

摆台为市售的LER电动摆台，摆台连接有两层错位结构的直线进给装置，直线进给装置使用市售的LEY电推杆为电动执行器，通过图像引导精确控制斜角柔性针穿刺目标靶点过程的直线和旋转两个自由度。

进一步优化：

直线进给装置包括上下设置两个的第一电推杆和第二电推杆，第一电推杆的推动端通过内六角螺栓与摆台连接件固定连接，第二电推杆的推动端通过内六角固定连接有支撑板。

进一步优化：

支撑板上端靠近摆台的一侧设置有柔性针支架，支撑板的另一侧固定连接有导管，斜角柔性针与柔性针支架、导管同轴设置，斜角柔性针的一端分别穿过柔性针支架和导管。

进一步优化：

第一电推杆的两端分别通过脚座固定安装在第二固定板上，第二固定板下方的四角处分别固定安装有第二套筒，每个第二套筒分别套设在支架上，并分别通过定位螺栓进行高度定位。

进一步优化：

第二电推杆通过四个内六角螺栓固定安装在第一固定板上，第一固定板下方的的四角处分别固定安装有第一套筒，每个第一套筒分别套设在支架上，并分别通过固定螺栓进行高度定位。

本柔性针夹紧固定装置工作原理是，基于医学影像采集、三维图像重建，根据分析结果，确定手术方案，借助于软组织形变力学模型，确定预加力三维范围。利用软组织形变仿真模型，优化穿刺斜角柔性针的速度、位置和方向，完成对病变组织目标靶点的预测、定位，确定穿刺点和穿刺路径；摆台末端高精度弹性筒夹配合压冒螺母加紧固定斜角柔性针，动作时实现沿着力预加载方向上的穿刺功能；第一电推杆控制斜角柔性针的直线进给运动，摆台控制斜角柔性针的旋转进给运动；利用斜角柔性针针尖处受力不均，旋转改变针尖的空间位置，即可实现柔性针穿刺轨迹的自主选择和高精度控制，主动避开血管、神经、骨骼等重要障碍物。

本实用新型通过高精度弹性筒夹和配合压冒螺母来夹紧定位斜角柔性针的斜角空间位置，定位精度高，实现了穿刺路径的精确控制，弹性筒夹装卸方便，可针对斜角柔性针针轴直径配合相应内径的弹性筒夹，实现不同轴径斜角柔性针的夹紧固定，具有穿刺可控性好、避障好、靶向精度高等特点。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

附图说明

附图1是本实用新型实施例柔性针夹紧固定装置的轴测图；

附图2是本实用新型实施例柔性针夹紧固定装置的主视图；

附图3是本实用新型实施例柔性针夹紧固定装置的俯视图；

附图4是本实用新型实施例柔性针夹紧固定装置的左视图；

附图5是本实用新型实施例中柔性针连接件的轴测图；

附图6是本实用新型实施例中高精度弹性筒夹的主视图；

附图7是本实用新型实施例中配合压冒螺母的轴测图。

图中：1-第一电推杆；2-内六角螺栓；3-摆台连接件；4-摆台；5-柔性针连接件；6-连接螺栓；7-弹性筒夹；8-压冒螺母；9-柔性针支架；11-支撑板；12-导管；13-斜角柔性针；14-内六角；15-第一固定板；16-第一套筒；17-固定螺栓；18-第二电推杆；19-底座；20-支架；21-定位螺栓；22-第二套筒；23-第二固定板；24-脚座。

具体实施方式

实施例，如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，机器人辅助精确靶向穿刺软组织目标柔性针夹紧固定装置，包括旋转进给装置，旋转进给装置包括摆台4，摆台4的一侧固定连接有柔性针连接件5，柔性针连接件5内安装有高精度、可更换不同内径的弹性筒夹7，柔性针连接件5通过螺纹连接有压冒螺母8，弹性筒夹7的轴心处安装有斜角柔性针13并通过压冒螺母8旋转压紧，摆台4的另一侧固定连接有摆台连接件3。

所述斜角柔性针13直接固定在弹性筒夹7的轴心处，弹性筒夹7装卸方便，可针对针轴直径不同的斜角柔性针13配合相应内径的弹性筒夹7，适用于多种不同外径的斜角柔性针13的夹紧固定。

所述摆台4为市售的LER电动摆台，摆台4连接有两层错位结构的直线进给装置，直线进给装置使用市售的LEY电推杆为电动执行器，通过图像引导精确控制斜角柔性针13穿刺目标靶点过程的直线和旋转两个自由度。

所述柔性针连接件5通过均布的连接螺栓6固定在摆台4上，该连接螺栓6的规格为M5×4。

所述直线进给装置包括上下设置两个的第一电推杆1和第二电推杆18，第一电推杆1的推动端通过内六角螺栓2与摆台连接件3固定连接，第二电推杆18的推动端通过内六角14固定连接有支撑板11，该内六角14的规格是M8×16。

所述支撑板11上端靠近摆台4的一侧设置有柔性针支架9，支撑板11的另一侧固定连接有导管12，斜角柔性针13与柔性针支架9、导管12同轴设置，斜角柔性针13的一端分别穿过柔性针支架9和导管12。

所述柔性针支架9通过连接螺栓6固定连接在支撑板11上，该连接螺栓6的规格为M5×8。

所述第一电推杆1的两端分别通过脚座24固定安装在第二固定板23上，第二固定板23下方的四角处分别固定安装有第二套筒22，每个第二套筒22分别套设在支架20上，并分别通过定位螺栓21进行高度定位，该定位螺栓21的规格为M5×4。

所述第二电推杆18通过四个内六角螺栓2固定安装在第一固定板15上，第一固定板15下方的的四角处分别固定安装有第一套筒16，每个第一套筒16分别套设在支架20上，并分别通过固定螺栓17进行高度定位，该固定螺栓17的规格为M5×4。

所述第二电推杆18末端安装有力预加载工具试管，动作时实现穿刺前的软组织预压紧功能。

所述每个支架20的下端分别固定连接在底座19上。

本柔性针夹紧固定装置工作原理是，基于医学影像采集、三维图像重建，根据分析结果，确定手术方案，借助于软组织形变力学模型，确定预加力三维范围；利用软组织形变仿真模型，优化穿刺斜角柔性针的速度、位置和方向，完成对病变组织目标靶点的预测、定位，确定穿刺点和穿刺路径；摆台4末端高精度弹性筒夹7配合压冒螺母8加紧固定斜角柔性针13，动作时实现沿着力预加载方向上的穿刺功能；第一电推杆1控制斜角柔性针13的直线进给运动，摆台4控制斜角柔性针13的旋转进给运动；利用斜角柔性针13针尖处受力不均，旋转改变针尖的空间位置，即可实现柔性针穿刺轨迹的自主选择和高精度控制，主动避开血管、神经、骨骼等重要障碍物。

本实用新型通过高精度弹性筒夹和配合压冒螺母来夹紧定位斜角柔性针的斜角空间位置，定位精度高，实现了穿刺路径的精确控制，弹性筒夹装卸方便，可针对斜角柔性针针轴直径配合相应内径的弹性筒夹，实现不同轴径斜角柔性针的夹紧固定，具有穿刺可控性好、避障好、靶向精度高等特点。