一种智能反馈穿刺针执持器的制作方法

本发明涉及医疗器械设备的技术领域，尤其是指一种智能反馈穿刺针执持器。

背景技术：

目前，穿刺机器人技术较为成熟，可极大的简化医务人员的工作流程。其中，利用光学导航系统实现穿刺机器人的术前影像规划、术中实时导航、靶区的精准定位等信息医疗技术，能够有效提高穿刺手术成功率、缩短手术时间和降低医生负担；但是，常见穿刺手术过程中人体内部组织或器官实时不断的蠕动，即在目标靶点有运动的情况下，基于光学引导的穿刺机器人凭借单纯的光学跟踪控制很难命中靶点；此外，穿刺针本身过长容易发生弹性形变，而单纯的光学跟踪系统仅能够根据安装在机器人末端附近的光学标记点判断、调整机器人位姿，而无法根据刺入人体的穿刺针与周围组织的相互作用力来补偿、调整机器人位姿，因此穿刺针在人体内部的穿刺行进轨迹仅根据光学的反馈信息并不能得到精准的规划与控制；这就导致了在穿刺过程中穿刺轨迹极易严重偏离计划轨迹，进而穿刺针与周围组织相互作用力过大，刺入人体与裸露体外的穿刺针体间弹性形变严重，最终出现人体隔膜或器官被穿刺针撕裂等严重后果。

技术实现要素：

本发明目的在于为穿刺机器人提供关于穿刺针的力觉信息反馈，提出了一种智能反馈穿刺针执持器，具有针体受力信息采集功能、穿刺针夹持与推进功能、且可被光学定位仪追踪的特点，用于穿刺机器人在穿刺手术中及时向控制中心反馈穿刺针受力信息以及进针深度信息，为穿刺机器人的位姿补偿调整提供依据。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种智能反馈穿刺针执持器，包括安装架、直线滑动模组、形变力采集装置和穿刺力采集装置；所述直线滑动模组垂直安装于安装架中，其滑块能够上下滑动，所述形变力采集装置固定于安装架上，所述穿刺力采集装置固定于滑块上，并位于形变力采集装置上方，其能够跟随滑块上下滑动；所述形变力采集装置包括第一三维力传感器、第一偏心压把夹具和第一连接构件，所述第一连接构件固定于安装架上，所述第一三维力传感器和第一偏心压把夹具安装在第一连接构件上，所述第一偏心压把夹具的夹嘴处形成有供穿刺针通过的第一槽孔，所述第一槽孔直径大于穿刺针直径，并由第一三维力传感器采集穿刺过程中穿刺针弹性形变所引起的受力；所述穿刺力采集装置包括第二三维力传感器、第二偏心压把夹具和第二连接构件，所述第二连接构件固定于滑块上，所述第二三维力传感器和第二偏心压把夹具安装在第二连接构件上，所述第二偏心压把夹具的夹嘴处形成有用于夹紧穿刺针的第二槽孔，所述第二槽孔与第一槽孔位于同一轴线上，且所述第二槽孔直径小于穿刺针直径，并由第二三维力传感器采集穿刺针穿刺方向的受力。

进一步，还包括主控电路板和光学定位装置；所述主控电路板安装于直线滑动模组的一侧，用于负责直线滑动模组的驱动和三维力传感器的信息采集以及所采集力信息的无线收发；所述光学定位装置包括第一光学标记架和第二光学标记架，所述第一光学标记架固定于安装架上，所述第二光学标记架固定于第二连接构件上，能够跟随直线滑动模组的滑块上下滑动，在穿刺过程中，第一光学标记架和第二光学标记架之间的相对位移数据会被远程的光学定位仪记录并发送给控制中心。

进一步，所述主控电路板集成有a/d转换电路、数据处理模块和无线传输模块，所述第一、二三维力传感器采集到的三维力模拟量信号经a/d转换电路做信号转换，再经串口送至数据处理模块，数据处理模块接收到数据后，按无线传输协议打包数据，发送给无线传输模块，无线传输模块将处理好的数据发送给控制中心。

进一步，所述第一偏心压把夹具包括基架、活动夹块、导柱、弹簧和压把；所述基架形成有一个开口式夹持位，该开口式夹持位的一端为向内折弯的折弯端，其另一端开有供导柱穿过的通孔，该开口式夹持位的底部形成有一段从其另一端往折弯端延伸的直线导轨，所述活动夹块滑动安装在直线导轨上，能够滑向折弯端，并与折弯端组成第一偏心压把夹具的夹嘴，所述活动夹块和折弯端相向的一侧面上开有相互匹配的槽位，能够组合形成为一个供穿刺针通过的第一槽孔；所述导柱的一端固定在活动夹块上，其另一端穿过上述通孔并形成有一抵触头，所述抵触头的大小大于通孔直径，所述弹簧套装在抵触头与通孔之间的那段导柱部位上，为活动夹块复位提供回复力，所述压把铰接在基架上，并与导柱的抵触头相抵触，使得掰动压把时能够推动活动夹块滑向折弯端。

进一步，所述第二偏心压把夹具包括基架、活动夹块、导柱、弹簧和压把；所述基架形成有一个开口式夹持位，该开口式夹持位的一端为向内折弯的折弯端，其另一端开有供导柱穿过的通孔，该开口式夹持位的底部形成有一段从其另一端往折弯端延伸的直线导轨，所述活动夹块滑动安装在直线导轨上，能够滑向折弯端，并与折弯端组成第二偏心压把夹具的夹嘴，所述活动夹块和折弯端相向的一侧面上开有相互匹配的槽位，能够组合形成为一个夹紧穿刺针的第二槽孔；所述导柱的一端固定在活动夹块上，其另一端穿过上述通孔并形成有一抵触头，所述抵触头的大小大于通孔直径，所述弹簧套装在抵触头与通孔之间的那段导柱部位上，为活动夹块复位提供回复力，所述压把铰接在基架上，并与导柱的抵触头相抵触，使得掰动压把时能够推动活动夹块滑向折弯端。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明针对穿刺手术场景设计，将穿刺力采集装置与直线滑动模组结合，实现完全自动、无需人工干预的自动穿刺，可以让穿刺机器人不仅仅为神经、脊柱等静态对象提供定位穿刺，亦可进一步将穿刺对象拓宽到腹部如肝等复杂的运动对象上。

2、与其它采用螺丝装配固定的夹持器不同，本发明的偏心压把夹具独特的夹嘴设计可夹紧mm级的穿刺针，并且使得穿刺针的取换方式极为方便，以抬、压动作替换反复拧转来实现对穿刺针的夹持和取换，动态穿刺场景下，这种瞬间的接触操作可大大减小对穿刺实验结果的影响。

3、本发明在自动穿刺过程中穿刺进针深度与穿刺针的关键受力信息可同时反馈给控制中心，为穿刺机器人的位姿补偿调整提供实时依据。

附图说明

图1为智能反馈穿刺针执持器的结构示意图。

图2为形变力采集装置的结构示意图。

图3为穿刺力采集装置的结构示意图。

图4为第一偏心压把夹具的结构剖面图。

图5为将智能反馈穿刺针执持器应用于穿刺机器人的示意图。

图6为穿刺针受力采集的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图1至图3所示，本实施例提供了一种智能反馈穿刺针执持器，包括安装架1、直线滑动模组2、形变力采集装置、穿刺力采集装置、主控电路板5和光学定位装置；其中，所述形变力采集装置包括第一三维力传感器301、第一偏心压把夹具302和第一连接构件303；所述穿刺力采集装置包括第二三维力传感器401、第二偏心压把夹具402和第二连接构件403；所述光学定位装置包括第一光学标记架601和第二光学标记架602。

所述直线滑动模组2通过螺栓垂直安装于安装架1中，且直线滑动模组2的滑块201能够上下滑动；所述主控电路板5安装于直线滑动模组2的一侧，其采用步进电机作为动力源，用于负责直线滑动模组2的驱动和三维力传感器的信息采集以及所采集力信息的无线收发，所述主控电路板5集成有a/d转换电路501、数据处理模块502和无线传输模块503(参见图6所示)；所述形变力采集装置固定于安装架1上，所述穿刺力采集装置固定于滑块201上，能够跟随滑块201上下滑动，并位于形变力采集装置的上方，所述第一连接构件303固定于安装架上，所述第一三维力传感器301和第一偏心压把夹具302安装在第一连接构件303上，所述第一偏心压把夹具302的夹嘴形成有一个供穿刺针通过的第一槽孔，其直径大于穿刺针直径，并由第一三维力传感器301采集穿刺过程中穿刺针的弹性形变所引起的受力，所述第二连接构件403固定于滑块201上，所述第二三维力传感器401和第二偏心压把夹具402安装在第二连接构件403上，所述第二偏心压把夹具402的夹嘴形成有一个夹紧穿刺针的第二槽孔，其直径不大于穿刺针直径，并由第二三维力传感器401采集穿刺针穿刺方向的受力，所述第一槽孔和第二槽孔位于同一轴线上；所述第一光学标记架601固定于安装架1上，所述第二光学标记架602固定于第二连接构件403上，能够跟随直线滑动模组2的滑块201上下滑动。

参见图4所示，所述第一偏心压把夹具302包括基架3021、活动夹块3022、导柱3023、弹簧3024和压把3025；所述基架3021形成有一个开口式夹持位，该开口式夹持位的一端为向内折弯的折弯端，其另一端开有供导柱穿过的通孔，该开口式夹持位的底部形成有一段从其另一端往折弯端延伸的直线导轨3027，所述活动夹块3022滑动安装在直线导轨3027上，能够滑向折弯端，并与折弯端组成第一偏心压把夹具302的夹嘴，所述活动夹块3022和折弯端相向的一侧面上开有相互匹配的槽位，能够组合形成为一个供穿刺针通过的第一槽孔3026；所述导柱3023的一端固定在活动夹块3022上，其另一端穿过上述通孔并形成有一抵触头3028，所述抵触头3028的大小大于通孔直径，所述弹簧3024套装在抵触头3028与通孔之间的那段导柱部位上，为活动夹块3022复位提供回复力，所述压把3025铰接在基架3021上，并与导柱3023的抵触头3028相抵触，使得掰动压把3025时能够推动活动夹块3022滑向折弯端。

所述第二偏心压把夹具402与第一偏心压把夹具302的不同之处在于第二偏心压把夹具402的活动夹块和折弯端相向一侧面上开的槽位组合形成的第二槽孔，用于夹紧穿刺针。

参见图5所示，穿刺针执持器固定于穿刺机器人8末端来进行穿刺手术，按控制中心9的手术规划控制直线滑动模组2的滑块201上下滑动来执行穿刺动作，其中穿刺针执持器的直线滑动模组2采用步进电机作为动力源，由主控电路板5的数据处理模块采用pwm波的方式精准控制直线滑动模组2运动距离，即穿刺针进针距离；穿刺过程中，第一光学标记架601和第二光学标记架602之间的相对位移数据会被远程的光学定位仪7记录并发送给控制中心9。

参见图6所示，穿刺力采集装置采集来自穿刺方向的力信息，形变力采集装置固定不动，用于感受和采集穿刺针发生歪斜时所受到的应力，随后穿刺力采集装置和形变力采集装置的三维力传感器301、401采集到的三维力模拟量信号经六路高精度a/d转换电路501做信号转换，再经串口送至数据处理模块502，数据处理模块502接收到数据后，按无线传输协议打包数据，发送给无线传输模块503，无线传输模块503将处理好的数据发送给控制中心9。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。