一种人工引导自动穿刺装置的制作方法

本发明涉及介入穿刺装置技术领域，尤其涉及一种人工引导自动穿刺装置，用于经皮病灶穿刺活检。

背景技术：

各种检测设备引导下经皮穿刺是人体器官内部病变病理取材用于诊断或某些疾病局部治疗的重要方法，如ct引导下经皮肺穿刺活检、肝肿瘤经皮穿刺微波治疗、超声引导穿刺、picc、骨科手术过程中的穿刺等。经皮病灶穿刺技术不仅要求穿刺针准确达到目标病灶，而且在穿刺路线上避免损伤大血管及其它重要结构或脏器。目前该技术通常由操作者根据各探测设备所呈现的平面图像凭借空间感确定穿刺位置及角度，穿刺过程中有时需要多次扫描。

该方法有下列不足：1，手动穿刺要求操作者须有高超的空间感及熟练的技术，对于小病灶或中央病灶，尤其是靠近心脏大血管或其它重要脏器，该方法的准确度不足且风险极高；2，操作者需要在扫描室与图像室之间来回奔波，病人体内血管、神经等组织器官会随着患者自身体位变化或体内器官自主律动发生位移，如肺及肺内病灶随着患者呼吸运动而位移、胃肠道蠕动导致病灶位置变化等，穿刺的准确度受影响；3，如采用ct或超声扫描检测，呈现的图像是横断面，穿刺方向只能在一个方向调整，对于小病灶，尤其是血管旁或肋骨遮挡下的小病灶，穿刺针需要在非横断面内调整方向，但这些穿刺路线跨越多个横断面，其准确度及血管损伤的风险难以把握。

针对上述不足，技术上已有下列改进：

1，ct透视，即ct实时扫描并成像，人体横断层面及穿刺针被实时显示，步骤基本同上，但操作者多次暴露在射线下。

2，检测设备引导辅助穿刺：如ct扫描后计算穿刺角度、利用准向器引导穿刺，或超声检测实时引导穿刺；但目前准向仪分为手持式与固定式，手持式准向仪更多依靠经验，固定式准向仪穿刺角度受限，多用于确定穿刺路径后进行辅助穿刺，但穿刺前需要调整准向仪位置，精度不高；超声检测对检测的角度要求较高，需要操作者具有丰富的识图经验，且超声图像受外界影响较大，穿刺稳定性不易把握。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出一种人工引导自动穿刺装置，用于人体器官内部病灶的穿刺，实现实时定位穿刺位置、实时调整穿刺角度、实时校正穿刺误差、提高穿刺精度、减少重要脏器损伤风险。

具体的，一种人工引导自动穿刺装置，包括操作床（1）、导引笔（2）、双c型支架、定位摄像头（6）、角度调整装置（7）、穿刺终端（8）、图像处理与显示系统（9）、控制系统（10）、专用校准装置（11）和专用小车（12）；所述操作床（1）两侧为凸起直轨，安放所述的双c型支架，所述的双c形支架包括工作臂（3）、备用臂（5）和连接杆（4），所述的连接杆（4）设置于所述工作臂（3）和所述备用臂（5）最高点，连接所述工作臂（3）和所述备用臂（5）；c型支架每一臂横截面有上下两个凹槽，上方凹槽铺设四芯电缆（13），下方凹槽内安装轨道滑块（14），所述轨道滑块（14）与所述角度调整装置（7）一端连接，所述角度调整装置（7）另一端连接所述穿刺终端（8）；所述的定位摄像头（6）放置于所述的操作床（1）四角，由所述的定位摄像头（6）扫描操作环境、将图像信息传输到所述的图像处理与显示系统（9），用于建立空间坐标系；所述定位摄像头（6）实时监测所述导引笔（2）的空间位置，所述导引笔（2）为两头尖中间圆的形状，且两端尖头为容易被所述定位摄像头（6）捕捉到的感应小球，所述导引笔（2）尖端置于皮肤上即定位进针点、两端尖头连线的方向即为进针方向；所述定位摄像头（6）采集到的图像信息传输至所述图像处理与显示系统（9），所述图像处理与显示系统（12）用于计算得到各感应点坐标信息，所述控制系统（10）用于接收所述图像处理与显示系统（9）处理后的参数，生成进针指令，用于对穿刺定位与穿刺操作进行控制。

优选地，所述图像处理与显示系统（9）与所述的导引笔（2）、所述定位摄像头（6）、所述控制系统（10）连接；所述定位摄像头（6）实时扫描操作区域，采集的图像信息传递到所述图像处理与显示系统（9），用于建立空间坐标系，经过处理计算得到实时扫描区域内各装置上静置与运动点的空间坐标，当使用所述导引笔（2）模拟穿刺操作在进针点位停留时，所述导引笔（2）前端即为进针点，所述定位摄像头（6）采集此时所述引导笔（2）位置图像，所述图像处理与显示系统（9）记录下所述导引笔（2）前后两端点的坐标，即可确定进针点坐标，并计算出通过所述导引笔（2）前后两端点的直线方向，此方向即为穿刺进针方向。

优选地，所述的角度调整装置（7）包括轨道滑块（14）、云台底座（15）、微型云台（16）和刚性连接杆（17），所述云台底座（15）一端固定于所述轨道滑块（14），所述云台底座（15）另一端连接所述微型云台（16），所述刚性连接杆（17）一端固定于所述微型云台（16），所述刚性连接杆（17）另一端固定于所述穿刺终端（8）。

优选地，所述的轨道滑块（14）包括滚轮组（21）、阻尼器（22）和滑块外壳（23）；所述云台底座（15）包括第一伺服电机（24）、第一伺服电机控制器（25）、第二伺服电机控制器（26）、第二伺服电机（27）、第一电缸推杆（28）和电缸外壳（29）；所述轨道滑块（14）通过所述第一伺服电机控制器（25）控制第一伺服电机（24）驱动所述滚轮组（21）在轨道内滑动，所述阻尼器（22）用于为所述轨道滑块（14）的滑动提供阻尼；所述第二伺服电机控制器（26）与所述第二伺服电机（27）连接，所述第二伺服电机（27）与所述电缸外壳（29）连接，所述第一电缸推杆（28）固定于所述微型云台（16），所述第二伺服电机（27）用于驱动所述第一电缸推杆（28）伸缩，进行改变所述微型云台（16）的高度。

优选地，所述的微型云台（16）包括左半球（162）、中央工作槽（163）、右半球（161）和可旋转基座（164），所述刚性连接杆（17）的一端固定在所述中央工作槽（163）中心，所述刚性连接杆（17）以所述中央工作槽（163）中心沿所述中央工作槽（163）前后旋转，所述刚性连接杆（17）可以前后旋转180°，所述中央工作槽（163）在所述可旋转基座（164）上旋转，所述可旋转基座（164）可以水平旋转360°。

优选地，所述的穿刺终端（8）包括第三伺服电机（18）、可扭曲金属管组（19）和穿刺针筒（20）；所述第三伺服电机（18）包括微型电机（30）、第三伺服电机控制器（31）和电机外壳（32），所述电机外壳（32）以螺纹方式固定在所述刚性连接杆（17）上；所述穿刺针筒（22）包括第二电缸推杆（33）、针头（34）和针筒外壳（35），所述针筒外壳（35）固定于所述可扭曲金属管组（19）一端，所述可扭曲金属管组（19）另一端固定于所述电机外壳（32），所述第三伺服电机（18）与所述第二电缸推杆（33）连接。

优选地，所述的专用校准装置（11）为六面都布满直径1mm的圆形通孔的塑料立方体，在穿刺前将所述专用校准装置（11）放置于空的操作床（1）上进行模拟穿刺，在所述专用校准装置（11）上指定在一条直线上的两个孔，控制穿刺装置执行自动穿刺操作，观察穿刺操作是否符合设定，进行精度校准。

优选地，所述的控制系统（10）包括主控制器（10）、第一伺服电机控制器（25）、第二伺服电机控制器（26）、第三伺服电机控制器（31）和微型云台控制器，除所述主控制器（10）单独作为一个组件外，其余控制器均与相应执行机构集成在一起。所述第一伺服电机控制器（25）、所述第二伺服电机控制器（26）和所述第三伺服电机控制器（31）及微型云台控制器皆由所述主控制器（10）控制。

优选地，所述专用小车（12）宽度与所述操作床（1）相同，可收纳所述的c型支架及附属机构。

本发明须先将双c型支架沿操作床两侧凸起轨道移动至大概操作区域，根据定位摄像头扫描操作区域的图像由图像处理与显示系统生成空间坐标系，再根据导引笔指定的进针点，结合导引笔前后端点连线所在直线即为进针方向，计算得出穿刺终端应到达的位置和角度，生成控制信号，由各控制器控制伺服电机驱动微型电机、电缸、微型云台等，使得穿刺针与进针方向重合，再由微信电机驱动针头按设定的进针深度与力度执行，在执行过程中，定位摄像头实时扫描进针轨迹，及时纠正偏差，保证进针准确。

本发明的穿刺针位置与角度的调整通过以下步骤实现：定位摄像头实时扫描操作区域，将采集的图像信息传递到所述的图像处理与显示系统，建立统一的空间坐标系，并经过处理运算得到实时扫描区域内各装置上静置与运动点的空间坐标，当使用导引笔在进针位置停留时，系统记录下进针点坐标和过所述的导引笔前后两端点的直线方向，此方向即为穿刺进针方向。图像处理系统通过指定的进针点与进针方向，生成控制信号，发送给控制系统，改变所述的角度调整装置7在所述的c型支架轨道上的位置到穿刺操作附近区域，然后微型云台移动到图像处理与显示系统计算出的位置坐标，改变高度并旋转角度使所述的刚性连接杆带动针筒使针头上所有点都在导引笔前后端点连线所在的直线上。

本发明角度调整装置的微型云台控制器实时接收主控制器传输的实时坐标数据，用于校正穿刺针方位与角度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的自动化程度高，穿刺终端的位置及角度设定好后，由控制器全程控制穿刺终端自动运行，穿刺动作由穿刺终端在控制系统控制下自动完成，避免了人为操作的误差，较少依赖术者的经验、技术，提高精准度和安全性。

2、本发明在自动化的基础上，由定位摄像头扫描得出实时位置数据，可选择多条穿刺路径，操作方便，启动或终止穿刺动作，实时性良好，弥补了机械化的盲目性。

3、本发明采用的微型云台调整角度的方式覆盖穿刺角度广，且穿刺针角度采用闭环控制实时误差校正，提高了穿刺的准确性。

4、本发明设计双c型支架，避免了单c型支架重心不稳的问题，且两个支架均可辅助进行穿刺操作，增加了冗余度，减少了支架不稳及损坏导致的意外风险。

5、本发明双c型支架连接杆上可扩展¼圆弧型支架，且支架吊架可扩展为多个，可满足同时进行多穿刺操作需求。

6、本发明所配支架小车宽度与操作床相同，可收纳双c型支架及附属机构，也可配合双c型支架作为单独穿刺辅助装置使用。

7、本发明用途广泛，可用于全身多部位病灶的穿刺，包括实质性脏器以及含气或空腔脏器，如经皮肺穿刺活检、经皮肝脏穿刺等。

附图说明

图1是本发明提出的一种人工引导自动穿刺装置结构图。

图2是本发明提出的一种人工引导自动穿刺装置c型支架工作臂正视图。

图3是本发明提出的一种人工引导自动穿刺装置c型支架工作臂纵截面、角度调整装置和穿刺终端结构图。

图4是本发明提出的一种人工引导自动穿刺装置角度调整装置详细结构图。

图5是本发明提出的一种人工引导自动穿刺装置微型云台与刚性连接杆结构图。

图6是本发明提出的一种人工引导自动穿刺装置穿刺终端详细结构图。

图7是本发明提出的一种人工引导自动穿刺装置摄像头和导引笔定位示意图。

图8为应用本发明行经皮病灶穿刺的工作示意图1。

图9为应用本发明行经皮病灶穿刺的工作示意图2。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1、2所示，一种人工引导自动穿刺装置，包括操作床1、导引笔2、c型支架工作臂3、c型支架连接杆4、c型支架备用臂5、定位摄像头6、角度调整装置7、穿刺终端8、图像处理与显示系统9、控制系统10、专用校准装置11和专用小车12。所述操作床1两侧为凸起直轨，安放所述c型支架工作臂3和所述c型支架备用臂5由所述c型支架连接杆4连接形成的双c型支架。所述定位摄像头6，包括4个摄像头，固定在所述的操作床1的四角，由所述定位摄像头6扫描穿刺操作区域用于建立统一空间坐标。所述导引笔2确定进针点和进针方向，c型支架每一臂下方为轨道，所述角度调整装置7沿轨道移动，所述角度调整装置7的另一端固定于所述穿刺终端8。所述图像处理与显示系统9采集所述定位摄像头6扫描到的图像信息，在图像上确定病灶点和入针点后，所述图像处理与显示系统9计算各点的空间位置坐标，进一步计算得出进针路径、进针角度，得以确定所述c型支架工作臂3在操作床1的位置。移动所述c型支架工作臂3至所述图像处理与显示系统9计算所得位置，在移动过程中，所述定位摄像头6实时采集c型支架工作臂3的位置信息，传输至所述图像处理与显示系统9分析计算实时位置坐标和误差值，所述图像处理与显示系统9再将误差值传输至所述控制系统10，用于进行误差调节。所述c型支架工作臂3移动到位后，所述图像处理与显示系统9发出提示，将进针角度换算成所述角度调整装置7的位置坐标与所述穿刺终端8的角度信息，传输至所述控制系统10生成控制指令，控制所述角度调整装置7在所述c型支架工作臂3上的位置，并调整所述角度调整装置7使所述穿刺终端8的位置与角度符合进针设定，所述穿刺终端8在设定参数控制下进行穿刺操作。所述专用校准装置11为六面都布满直径1mm的圆形通孔的塑料立方体，在穿刺前将所述专用校准装置11放置于空的操作床1上进行模拟穿刺，在所述专用校准装置11上指定在一条直线上的两个孔，控制穿刺装置执行自动穿刺操作，观察穿刺操作是否符合设定，根据校准结果对所述角度调整装置7与所述穿刺终端8微调，以保证穿刺定位与进针路径符合系统设定。

如图3所示，所述c型支架工作臂3横截面有上下两个凹槽，上方凹槽铺设四芯电缆13，用于供电和传输信号，下方凹槽内安装所述角度调整装置7，所述角度调整装置7包括轨道滑块14、云台底座15、微型云台16和刚性连接杆17，所述轨道滑块14安装于所述c型支架工作臂3下方凹槽内，所述云台底座15一端固定于所述轨道滑块14、另一端连接所述微型云台16。所述刚性连接杆17一端固定于所述微型云台16、另一端固定于所述穿刺终端8，通过所述微型云台16旋转带动所述穿刺终端11转动调节进针角度，可在前后180°、水平360°旋转改变空间方位，以增加穿刺操作可覆盖的角度。所述穿刺终端8包括第三伺服电机18、可扭曲金属管组19和针筒20。所述第三伺服电机18输出驱动所述针筒20进行穿刺作业。所述可扭曲金属管组19用于所述针筒20微调穿刺位置与角度。

如图4所示，轨道滑块14包括滚轮组19、阻尼器20、外壳23，所述轨道滑块14固定于所述云台底座15。所述云台底座15包括第一伺服电机24、第一伺服电机控制器25、第二伺服电机控制器26、第二伺服电机27、第一电缸推杆28和电缸外壳29。所述轨道滑块14通过所述第一伺服电机控制器25控制所述第一伺服电机24驱动所述滚轮组19在轨道内滑动，所述阻尼器20用于为所述轨道滑块14的滑动提供阻尼；所述第二伺服电机控制器26与第二伺服电机27连接，所述第二伺服电机27与所述电缸外壳29连接，所述第一电缸推杆28固定于所述微型云台16，所述第二伺服电机27用于驱动所述第一电缸推杆28伸缩，进而改变所述微型云台16的高度。

如图5所示，所述的微型云台16包括左半球162、中央工作槽163、右半球161和可旋转基座164，所述刚性连接杆17的一端固定于所述中央工作槽163的中心，所述刚性连接杆17在所述中央工作槽163内以所述中央工作槽163的中心为圆心前后旋转，所述中央工作槽163在所述可旋转基座164上旋转，所述刚性连接杆17可以覆盖前后180°，水平360°的区域。

如图6所示，所述的穿刺终端8包括第三伺服电机18、可扭曲金属管组19和针筒20，所述第三伺服电机包括微型电机30、第三伺服电机控制器31，电机外壳32。所述电机外壳32上设有与所述刚性连接杆17连接的螺纹孔；所述可扭曲金属管组19包括4根可扭曲金属管，所述可扭曲金属管组19的一端固定于所述电机外壳32、另一端连接所述针筒20，通过所述可扭曲金属管组19的扭曲来微调所述针筒20的方位和角度。所述针筒20包括第二微型电缸33、针头34和针筒外壳35，所述第三伺服电机控制器31接收进针指令后，控制所述第二微型电缸3按设定进针速度或力度参数执行进针操作。

如图7所示，所述图像处理与显示系统9连接所述导引笔2和所述定位摄像头6，由所述定位摄像头6扫描操作区域，建立统一的空间坐标，如以图中所示定位摄像头61上的一点o1作为空间坐标原点，o1o2方向为x轴正方向、o1o4方向为y轴正方向，根据右手系原则建立空间直角坐标系，四个定位摄像头实时扫描操作区域，采集的图像信息传递到所述图像处理与显示系统9，经过处理运算得到实时扫描区域内各装置上静置与运动点的空间坐标，当使用所述导引笔2在进针位置停留时，系统记录下进针点坐标和过所述导引笔2前后两端点p1、p2的直线方向，此方向即为穿刺进针方向。

所述定位摄像头6将实时的扫描图像传输至所述图像处理与显示系统9，并实时更新扫描区域内各物体坐标，所述图像处理与显示系统将图像转化为坐标信息，同步传输至所述控制系统10实时生成控制参数，主控制器接收控制参数后向各分控制器下达指令，轨道滑块沿c型支架滑槽移动至进针大概区域，由云台上下移动并旋转调整进针角度达到指定方向，然后穿刺终端的微型电缸驱动针头执行进针操作。

如图8所示，工作时，受检者36平卧（或侧卧等不限）在操作床1上，所述定位摄像头6扫描采集包括病人和穿刺装置的图像信息，传输到所述图像处理与显示系统9建立空间三维电子图像；所述导引笔2的一端指定进针位置，所述导引笔2的前后两端点的连线确定进针方向，所述图像处理与显示系统9通过指定的进针点与进针方向，转化为空间坐标，传输至所述控制系统10生成控制信号，发送给各分控制器，改变所述角度调整装置7在所述c型支架轨道上的位置到穿刺操作附近区域，然后所述微型云台16移动到所述图像处理与显示系统9计算的位置，改变高度并旋转角度使所述刚性连接杆17带动所述针筒20使所述针头34上所有点都在所述导引笔2前后端点连线所在的直线上。在所述控制系统10中指定进针速度或力度，经确认后，所述第三伺服电机30按此参数生成的控制指令下驱动所述针头34进行穿刺操作；当所述针头34抵达目标点a后，进针操作停止；在穿刺参数设定完成至所述针头34抵达目标点止，所述控制系统10实时接收所述图像处理与显示系统传输的坐标信息进行误差校正，以保证穿刺路径与设计路径一致。穿刺操作进行中或完成后需要退针时，所述控制系统10设计了“一键复位”功能，可随时中止进针操作并按设定的退针速度退出病人体内回到初始位置。

如图9所示，穿刺操作可在非c型支架工作臂平面内进行，扩展了穿刺角度覆盖的范围，提高了病人穿刺的安全性。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。