一种穿刺手术机器人系统的制作方法

本发明属于手术机器人技术领域，尤其涉及一种穿刺手术机器人系统。

背景技术：

经皮穿刺操作广泛应用于组织活检、肿瘤消融等介入手术中，穿刺的精准性对活检的准确率和消融手术的效果有着巨大影响。由于手术机器人具有精准性和稳定性的特点，并且超声成像的便利性与低成本特性，使得超声引导的穿刺手术机器人受到了越来越多的关注。在临床上，在超声引导穿刺操作过程中，穿刺针和超声探头是被局限在一个较小的区域空间范围内，但同时，超声探头和穿刺针必须能够灵活进行自由定位。

在现有技术中，文章“dual-robotultrasound-guidedneedleplacement:closingtheplanning-imaging-actionloop”(网络资料)中介绍了一种穿刺手术机器人，其采用两个七自由度主动机械臂分别把持超声探头和穿刺针，实现超声引导的自动穿刺操作。但是利用两个机械臂分别布置以分别把持超声探头和穿刺针的方案导致机器人自身体积十分庞大，存在空间不够而发生两个机械臂相互碰撞的问题。文章“anultrasound-drivenneedle-insertionrobotforpercutaneouscholecystostomy”(网络资料)中介绍了一种穿刺手术机器人，其采用一个五自由度被动臂把持超声探头和一个二自由度主动臂把持穿刺针，其中二自由度主动臂安装于五自由度被动臂末端，虽然解决了双臂的空间布置问题，但五自由度被动臂无法实现超声探头的自动调整，二自由度主动臂导致入针点唯一并且无法调整，无法满足穿刺针灵活定位的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种穿刺手术机器人系统，旨在解决现有技术中穿刺手术机器人存在的体积结构笨重庞大无法在较小空间范围内操作移动，并且难以实现灵活地协调移动超声探头与穿刺针的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种穿刺手术机器人系统，包括：控制组件；移动承载台，控制组件设置在移动承载台上；超声臂，超声臂具有第一连接端和第一工作端，第一连接端连接在移动承载台上，超声臂与控制组件电性连接以控制第一工作端的运动轨迹；超声探测组件，超声探测组件用于探测待穿刺病人并获得超声成像平面，超声探测组件包括超声探头和超声成像仪，超声探头连接在第一工作端上，超声探头将数据传输给超声成像仪，超声成像仪与控制组件电性连接；穿刺组件，穿刺组件包括位姿调整机构、进针机构和穿刺针，位姿调整机构具有第二连接端和第二工作端，第二连接端连接在第一工作端上，进针机构连接在第二工作端上，进针机构与控制组件电性连接以控制进针机构的进给工作，穿刺针的一端装夹在进针机构上，穿刺针的中心轴线位于超声成像平面内，位姿调整机构与控制组件电性连接以控制位姿调整机构调整穿刺针与病人的待穿刺手术部位之间的相对位置。

进一步地，超声探测组件还包括：第一光学定位器，第一光学定位器安装在第一工作端上；第二光学定位器，第二光学定位器安装在第二工作端上；第一光学定位器与第二光学定位器通过光学定位系统对第一工作端和第二工作端进行定位，光学定位系统与控制组件电性连接；第一光学定位器将超声成像平面转换到光学定位系统确立的物理空间坐标系，待穿刺手术部位和穿刺入针点在物理空间坐标系中确定第一位置坐标和第二位置坐标，第二光学定位器将穿刺针的中心轴线所在平面转换到物理空间坐标系，第二光学定位器实时反馈穿刺针针尖在物理空间坐标系中的第三位置坐标，控制组件根据第一位置坐标和第二位置坐标控制位姿调整机构调整穿刺针，并且根据第三位置坐标实时反馈穿刺针是否偏离由第一位置坐标和第二位置坐标连接形成的规划穿刺轨迹以及是否准确穿刺到待穿刺手术部位。

进一步地，位姿调整机构包括：连杆结构，连杆结构的第一端可转动地连接在第一工作端；第一驱动器，第一驱动器与控制组件电性连接，第一驱动器带动连杆结构的第一端相对于第一工作端转动；滑轨座，滑轨座可转动连接在连杆结构的第二端上，进针机构安装在滑轨座上；第二驱动器，第二驱动器与控制组件电性连接，第二驱动器带动滑轨座相对于连杆结构的第二端转动。

进一步地，连杆结构包括：第一杆件，第一杆件的第一端可转动地连接在第一工作端上；第二杆件，第二杆件的第一端可转动地连接在第一杆件的第二端上，滑轨座可转动地连接在第二杆件的第二端上；第三驱动器，第三驱动器与控制组件电性连接，第三驱动器带动第二杆件的第一端相对于第一杆件的第二端转动。

进一步地，进针机构包括：直线进给结构，直线进给结构包括滑块和第四驱动器，滑轨座设有直滑槽，滑块可滑移地安装于直滑槽，第四驱动器安装在滑轨座上，第四驱动器与控制组件电性连接，第四驱动器带动滑块在直滑槽内滑移；穿刺针安装座，穿刺针安装座连接在滑块上，穿刺针的一端装夹在穿刺针安装座上。

进一步地，进针机构还包括：旋转电机，旋转电机连接在滑块上，穿刺针安装座连接在旋转电机的动力输出端上，旋转电机与控制组件电性连接，在进行穿刺手术过程中，当穿刺针弯曲时，控制组件控制旋转电机带动穿刺针旋转。

进一步地，进针机构还包括：力传感器，力传感器连接在旋转电机的动力输出端上，力传感器与控制组件电性连接，穿刺针安装座连接在力传感器上。

进一步地，滑轨座上设有穿刺针导向件，穿刺针的另一端穿过穿刺针导向件。

进一步地，控制组件包括控制主机和显示器，移动承载台设有安装空间和台面，控制主机安装在安装空间内，显示器安装在台面上，显示器、超声臂、超声成像仪、位姿调整机构、进针机构、光学定位系统分别与控制主机电性连接。

进一步地，第四驱动器包括步进电机和滚珠丝杠副，步进电机连接在滑轨座上，滚珠丝杠副的丝杆与步进电机的转轴同轴连接，滚珠丝杠副位于直滑槽内，滑块连接在滚珠丝杠副的螺母上。

本发明至少具有以下有益效果：

本发明的穿刺手术机器人系统，将超声臂、位姿调整机构、进针机构依次地顺序连接设置，能够使穿刺针在较小空间范围内自由运动而实现灵活地协调定位，这样就合理地设计机器人系统的机构组成，使得机器人系统的体积变小，结构布置更加紧凑、小型化，由于超声探头和穿刺针分别安装在超声臂的第一工作端和进针机构上，因而两者在移动过程中不存在相互碰撞的运动干涉情况，并且穿刺手术全过程通过控制组件进行智能地自动化控制，从而更加快速、准确、安全地操作完成穿刺手术过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的穿刺手术机器人系统的装配立体简图；

图2为本发明实施例的穿刺手术机器人系统的移动承载台的装配立体简图；

图3为本发明实施例的穿刺手术机器人系统的超声臂和超声检测组件的装配立体简图；

图4为本发明实施例的穿刺手术机器人系统的穿刺组件的装配立体简图。

其中，图中各附图标记：

10、移动承载台；11、车轮；12、推柄；13、台面；20、超声臂；21、第一连接端；22、第一工作端；30、超声探测组件；31、超声探头；32、第一光学定位器；33、第二光学定位器；40、穿刺组件；41、位姿调整机构；411、连杆结构；4111、第一杆件；4112、第二杆件；412、滑轨座；4121、穿刺针导向件；42、进针机构；421、直线进给结构；4211、滑块；4212、第四驱动器；422、穿刺针安装座；423、旋转电机；424、力传感器；43、穿刺针。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图4所示，本发明实施例提供了一种穿刺手术机器人系统，医务工作人员应用该穿刺手术机器人系统能够对病人实施自动、智能的手术过程，机器人系统运动稳定性好，手术实施过程更稳定，机器人系统操控穿刺针43直达病人的待穿刺手术部位也更准确。具体地，该穿刺手术机器人系统包括控制组件(未图示)、移动承载台10、超声臂20、超声探测组件30和穿刺组件40，其中，超声臂20具有第一连接端21和第一工作端22，超声探测组件30包括超声探头31和超声成像仪(未图示)，穿刺组件40包括位姿调整机构41、进针机构42和穿刺针43，位姿调整机构41具有第二连接端和第二工作端。在组装形成该穿刺手术机器人时，控制组件设置在移动承载台10上，第一连接端21连接在移动承载台10上，超声臂20为空间六自由度的主动机械臂(也就是，超声臂20自身通过设计多个连接关节实现空间六自由度灵活运动，并且每处关节位置均设置有相应的动力源装置，通过各个动力源装置之间协调工作，从而自主地产生运动动力)，超声臂20与控制组件电性连接以控制第一工作端22的运动轨迹，超声探测组件30用于探测待病人并获得超声成像平面(该超声成像平面为病人身体部位的切面图，医务工作人员通过实时观察超声探测组件30扫描病人过程中实时呈现的超声成像平面，从而判断出病人的待穿刺手术部位)，超声探头31连接在第一工作端22上，超声探头31将扫描数据传输给超声成像仪，超声成像仪与控制组件电性连接，通过超声探头31对病人进行直接超声扫描并实时呈现超声成像平面，第二连接端连接在第一工作端22上，进针机构42连接在第二工作端上，进针机构42与控制组件电性连接以控制进针机构42的进给工作，穿刺针43的一端装夹在进针机构42上，穿刺针43的中心轴线位于超声成像平面内，通过进针机构42带动穿刺针43沿自身中心轴线方向移动并产生推进力，从而穿刺进病人的待穿刺手术部位，位姿调整机构41与控制组件电性连接以控制位姿调整机构41调整穿刺针43与病人的待穿刺手术部位之间的相对位置。

医务工作人员应用本发明提供的穿刺手术机器人系统对病人进行穿刺手术操作，此时病人只需按照相应的平躺姿势躺下，而后医务工作人员启动该穿刺手术机器人系统，通过控制组件控制超声臂20动作，从而带动超声探头31在空间中灵活移动以对病人进行超声扫描，实时地呈现病人的超声成像平面，当医务工作人员在扫描过程中确定了超声成像平面，则医务工作人员通过控制组件控制超声臂20停止移动，并将超声探头31保持在确定的超声成像平面的位置。然后，通过控制组件对位姿调整机构41进行控制，从而调整穿刺针43至相对于病人的待穿刺手术部位的合适位置和入针姿态(即穿刺针43进行穿刺手术的穿刺入针点以及沿着入针点与待穿刺靶点连线的穿刺姿态)。接着，通过控制组件控制进针机构42带动穿刺针43移动，则穿刺针43对病人的待穿刺手术部位进行穿刺。

本发明的穿刺手术机器人系统，将超声臂20、位姿调整机构41、进针机构42依次地顺序连接设置，能够使穿刺针43在较小空间范围内运动而实现灵活地协调定位，这样就合理地设计机器人系统的机构组成，使得机器人系统的体积变小，结构布置更加紧凑、小型化，由于超声探头31和穿刺针43分别安装在超声臂20的第一工作端22和进针机构42上，因而两者在移动过程中不存在相互碰撞的运动干涉情况，并且穿刺手术全过程通过控制组件进行智能地自动化控制，从而更加快速、准确、安全地操作完成穿刺手术过程。

如图1、图3和图4所示，超声探测组件30还包括第一光学定位器32和第二光学定位器33，通过在控制组件中预先地写入程序算法，从而实现对第一光学定位器32和第二光学定位器33之间协同工作。在本实施例中，第一光学定位器32安装在第一工作端22上，第一光学定位器32通过光学定位系统与控制组件电性连接(该光学定位系统为第一光学定位器32和第二光学定位器33共同连接使用，从而将两者分别检测得到的位置数据转换统一在同一个物理空间坐标系中)，这样，在超声探头31对病人进行超声扫描过程中，第一光学定位器32能够实时地反馈超声探头31位置情况(也就是，第一光学定位器32对第一工作端22进行定位，并将定位数据传输至光学定位系统中)。第二光学定位器33安装在第二工作端上，第二光学定位器33通过光学定位系统与控制组件电性连接，同样地，第二光学定位器33能够实时地反馈位姿调整机构41对穿刺针43的位置调整情况，最终将穿刺针43调整至最合理的穿刺手术的穿刺入针点与入针姿态(也就是，第二光学定位器33对第二工作端进行定位，并将定位数据传输至光学定位系统中)。在对病人进行穿刺手术过程中，第一光学定位器32将超声成像平面转换到光学定位系统确立的物理空间坐标系，利用物理空间坐标系确定超声成像平面内各个位置点的位置坐标，从而得到待穿刺手术部位在物理空间坐标系中确定第一位置坐标和穿刺入针点在物理空间坐标系中确定第二位置坐标，同时地，第二光学定位器33将穿刺针43的中心轴线所在平面转换到物理空间坐标系，在位姿调整机构41带动穿刺针43移动过程中，第二光学定位器33实时反馈穿刺针43针尖在物理空间坐标系中的第三位置坐标，控制组件根据第一位置坐标和第二位置坐标控制位姿调整机构41调整穿刺针43，通过第一光学定位器32和第二光学定位器33之间协调工作，能够准确、快速地对穿刺针43进行灵活移动以到达穿刺手术的起始位置(穿刺入针点)和入针姿态(穿刺入针点与待穿刺手术部位的连线方向)，从而更加准确地进行穿刺手术。

如图4所示，具体地，位姿调整机构41包括连杆结构411、第一驱动器(未图示)、滑轨座412和第二驱动器(未图示)。具体设计中，连杆结构411的第一端可转动地连接在第一工作端22，滑轨座412可转动连接在连杆结构411的第二端上，进针机构42安装在滑轨座412上，此时，连杆结构411和滑轨座412组成了带动穿刺针43移动以调整穿刺针43相对于病人的待穿刺手术部位的相对位置的机械臂，此机械臂为副臂，超声臂20为主臂，两者协调工作，实现空间中灵活协调移动超声探头31和穿刺针43。第一驱动器与控制组件电性连接，第一驱动器带动连杆结构411的第一端相对于第一工作端22转动，第二驱动器与控制组件电性连接，第二驱动器带动滑轨座412相对于连杆结构411的第二端转动，与超声臂20类似地，由连杆结构411和滑轨座412组成的机械臂(副臂)也为主动机械臂，从而通过控制组件进行智能地全自动控制，达到自动化进行穿刺手术的目的。

其中，连杆结构411可以由两个杆件构成，也可以由多个杆件构成。

当连杆结构411由两个杆件构成时，则连杆结构411包括第一杆件4111、第二杆件4112和第三驱动器(未图示)，第一杆件4111的第一端可转动地连接在第一工作端22上，第二杆件4112的第一端可转动地连接在第一杆件4111的第二端上，滑轨座412可转动地连接在第二杆件4112的第二端上，此时，第一杆件4111、第二杆件4112和滑轨座412之间形成了三杆式机械臂(副臂)。在该三杆式机械臂中，第一杆件4111相对于第二杆件4112在第一平面内转动，滑轨座412相对于第二杆件4112在第二平面内转动，并且第一平面与第二平面相平行。第三驱动器与控制组件电性连接，第三驱动器带动第二杆件4112的第一端相对于第一杆件4111的第二端转动，这样，三杆式机械臂相对于第一工作端22具有三个运动自由度，从而更加灵活并精确地移动穿刺针43到达穿刺手术的起始位置与入针姿态。

当连杆结构411由多个杆件构成时，各个杆件之间的组装连接方式类似于连杆结构411由两个杆件构成的情况，每增加一个杆件构成，则所形成的副臂的运动自由度则增加一个自由度，从而更加灵活并精确地移动穿刺针43到达穿刺手术的起始位置与入针姿态(当然，这也就需要在控制组件中写入控制过程更复杂的程序算法)。

如图4所示，该穿刺手术机器人系统中的进针机构42包括直线进给结构421和穿刺针安装座422，其中，直线进给结构421包括滑块4211和第四驱动器4212，通过第四驱动器4212带动滑块4211移动。滑轨座412设有直滑槽，滑块4211可滑移地安装于直滑槽，具体装配时，在直滑槽的槽壁上设有导向槽，并在滑块4211上设置配合凸起，配合凸起插入导向槽中，则滑块沿直滑槽移动过程实现稳定导向作用。第四驱动器4212安装在滑轨座412上，第四驱动器4212与控制组件电性连接，第四驱动器4212带动滑块4211在直滑槽内滑移。穿刺针安装座422连接在滑块4211上，穿刺针43的一端装夹在穿刺针安装座422上，如此，控制组件则智能地自动化控制穿刺针43的进给工作。此时，控制组件控制第四驱动器4212带动滑块4211移动，则穿刺针安装座422随滑块4211同步移动，并带动穿刺针43缓慢移动，在穿刺针安装座422的推力作用下，穿刺针43缓慢地直线进给以进行穿刺(这种方式为直接推进进给的方式进行穿刺，缓慢地进给穿刺针43进行穿刺，使得穿刺针43沿着直线进给到待穿刺手术的靶点位置)。

优选地，第四驱动器4212包括步进电机和滚珠丝杠副，步进电机连接在滑轨座412上，滚珠丝杠副的丝杆与步进电机的转轴同轴连接，滚珠丝杠副位于直滑槽内，滑块4211连接在滚珠丝杠副的螺母上。

在对穿刺针43进行进给工作过程中，由于穿刺针43比较细长，进给过程中容易弯曲，一旦进给过程中穿刺针43弯曲，如果不对穿刺针43进行位置调整而继续进给，则会导致穿刺针43无法准确到达病人的待穿刺手术部位，导致穿刺手术失败。因此，为了保证穿刺针43在进给过程中能够准确地到达病人的待穿刺手术部位，进针机构42还包括旋转电机423，旋转电机423连接在滑块4211上，穿刺针安装座422连接在旋转电机423的动力输出端上，旋转电机423与控制组件电性连接，在进行穿刺手术过程中，当穿刺针43弯曲时，控制组件控制旋转电机423带动穿刺针43旋转(这种方式为推进与旋转结合的进给方式进行穿刺)。在本发明的穿刺手术机器人系统中，实际上，穿刺针43的弯曲方向仍在超声成像平面上进行可控调整，也就是，在超声成像平面内，在第四驱动器4212带动穿刺针43直线进给的过程中，当穿刺针43弯曲时，则控制组件控制第四驱动器4212暂停进给，然后控制旋转电机423带动穿刺针43转动180°(在每次穿刺中，由于穿刺到达的位置属于人体内脏部位，因而限制每次穿刺过程中旋转穿刺针43的次数在1-2次，不能超过2次)，然后再控制第四驱动器4212带动穿刺针43继续进给。

进一步地，进针机构42还包括力传感器424，利用力传感器424检测进给过程中穿刺针43的穿刺力，从而监控穿刺手术的安全，并且将穿刺速度保持适当以减少病人在穿刺手术过程中承受的疼痛。具体地，力传感器424连接在旋转电机423的动力输出端上，力传感器424与控制组件电性连接，以将力传感器424检测到的穿刺力数据传输至控制组件中，然后通过控制组件智能且自动化地控制穿刺手术实施过程。然后将穿刺针安装座422连接在力传感器424上，这样，以滑块4211为安装台架，依次地安装顺序连接旋转电机423、力传感器424、穿刺针安装座422和穿刺针43，并且，穿刺针43的延伸方向与旋转电机423、力传感器424、穿刺针安装座422三者连线方向一致(旋转电机423、力传感器424、穿刺针安装座422三者的中轴线在同一条直线上)。

在本实施例中，如图4所示，滑轨座412上设有穿刺针导向件4121，穿刺针43的另一端穿过穿刺针导向件4121。如此，便能够在第四驱动器4212带动穿刺针43移动而进给到达待穿刺手术的靶点位置过程中对穿刺针43进行导向，保证了穿刺针43的运动方向准确性。

具体地，控制组件包括控制主机(未图示)和显示器(未图示)，在本发明中，控制主机可以采用pc主机，也可以是集成有mcu的控制板，或者可以是现有技术中具有控制运算功能的控制模块，在此不做具体限制。移动承载台10设有安装空间(未图示)和台面13，即移动承载台10的主体部分由箱体构成即可，控制主机安装在安装空间内，显示器安装在台面13上(控制主机被稳定放置在该箱体的中空空间中，显示器则设置在箱体的顶部外侧，并通过在箱体的顶部开设通孔用来穿过传输线缆以连接控制主机和显示器)，显示器、超声臂20、超声成像仪、位姿调整机构41、进针机构42、光学定位系统分别与控制主机电性连接。

医务工作人员应用该穿刺手术机器人系统对病人进行穿刺手术过程中，超声探头31的扫描过程实时获得的超声成像平面以及穿刺针43进行进给穿刺的过程，均实时地显示在显示器上，同时显示器上也会实时监测穿刺手术过程中的手术实施数据，例如穿刺进给时的进给深度、进给移动速度、力传感器424检测数据等，以方便医务工作人员实时地监控穿刺手术的进程。

为了方便医务工作人员能够方便地移动该穿刺手术机器人系统，因此，在移动承载台10的底部设有车轮11，在本发明中，该穿刺手术机器人系统的移动承载台10的底部设有至少三个车轮11，优选地，如图1所示，本实施例中在移动承载台10的底部设置了四个车轮11，并且每个车轮11均具有360°转向功能，另外，每个车轮11均具有锁止功能，在进行穿刺手术过程中将该穿刺手术机器人系统稳定停放好。进一步地，在移动承载台10的台面13的侧边上设置了推柄12，医务工作人员通过该推柄12容易移动该穿刺手术机器人系统。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。