专利名称：超声图像导航的近距离粒子植入机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人。特别是涉及一种针刺机械手机构的基于超声图像导航的近距离粒子植入机器人。
背景技术：
近距离放射性治疗是控制前列腺癌病情发展和死亡率的一种有效方法，它通过针刺手术在癌变部位植入放射性粒子杀死癌细胞以达到治疗的目的。传统的手动针刺手术不仅精度低，而且放射性粒子还会对临床医生造成放射性伤害。对于预先规划的轨迹，也可能会因为患者身体的移动和针刺对于软组织的刺激，而无法实现预计的效果。基于图像导航的机器人辅助手术不仅定位精度高、灵巧性强，而且对患者造成的创伤小，便于术后恢复，这样可以很好的解决传统针刺手术带来的问题。
超声图像具有实时性、无辐射、经济性等特点，被广泛地应用到穿刺手术中。超声引导的穿刺手术具有以下优点其一，医生在超声图像导航下能准确地规划进针路径，同时机器人比人手具有更高的稳定性和准确性；其二，穿刺针与探头的分离克服了穿刺引导架对进针角度的限制，有利于进针路径的选择；其三，减少了手术中的认为因素，降低了医生的劳动强度，有利于技术的普及应用。因此，基于超声导向的机器人辅助穿刺手术具有重要的理论意义和实际应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够达到高精度、低创伤、减少术后并发症和后遗症的超声图像导航的近距离粒子植入机器人。本发明所采用的技术方案是一种超声图像导航的近距离粒子植入机器人，包括实现前、后、左、右四个水平方向移动和上下方向移动的移动支座，设置在移动支座上的超声波探头进给和旋转单元，以及设置在超声波探头进给和旋转单元的具有超声波探头伸出侧的针刺模板空间姿态调整单元，其中，所述的超声波探头进给和旋转单元有超声波探头支撑架进给机构和超声波探头旋转机构；所述的针刺模板空间姿态调整单元有针刺模板旋转机构和针刺模板升降翻转机构。所述的移动支座包括底座，设置在底座上并沿底座作水平直线移动的动平台，设置在动平台上并沿动平台作与动平台移动方向相垂直的水平直线移动的升降底座，设置在升降底座上作升降运动的升降机构。所述的底座的一侧边安装有第一伺服电机，所述的底座内安装有与第一伺服电机的输出轴相连的第一滚珠丝杠，所述的动平台的底面中部与所述的第一滚珠丝杠为螺纹连接，所述的动平台的底面两侧与所述的底座为燕尾槽导轨的连接结构；所述的动平台上与自身移动方向相平行的一侧边安装有第二伺服电机，所述的动平台内安装有与第二伺服电机的输出轴相连的第二滚珠丝杠，所述的升降底座的底面中部与所述的第二滚珠丝杠为螺纹连接，所述的升降底座的底面两侧与所述的动平台为燕尾槽导轨的连接结构。
所述的升降机构包括位于升降底座上方的第三滚珠丝杠，位于第三滚珠丝杠下端且输出轴与第三滚珠丝杠下端相连的伺服电机，分别垂直固定在升降底座端面上的四个升降导柱，分别套在四个升降导柱上的四个升降套筒，以及固定连接在四个升降套筒顶端和第三滚珠丝杠的套筒顶端的支撑板。所述的超声波探头进给和旋转单元包括设置在移动支座的支撑板上的超声波探头静平台，安装在超声波探头静平台一侧的第三伺服电机，设置在超声波探头静平台内并与所述的第三伺服电机的输出轴相连的第三滚珠丝杠，与所述的第三滚珠丝杠为螺纹连接的探头动平台，设置在探头动平台上的U型超声波探头支撑架，所述的U型超声波探头支撑架的两纵架上形成有贯穿B超探头的通孔，所述的U型超声波探头支撑架两纵架的内侧在与所述的通孔相对应处各设置一个B超探头夹具，在U型超声波探头支撑架的远离针刺模板一侧的纵架的外侧面上设置有第四伺服电机，所述的B超探头的一端贯穿U型超声波探头支撑架的两纵架以及两个B超探头夹具与所述的第四伺服电机的输出轴相连接。所述的针刺模板旋转机构为手动机构，包括针刺模板静平台，安装在针刺模板静平台上的滚珠丝杠扭杆，滚珠丝杠扭杆的一端位于针刺模板静平台的外侧并设有旋钮，滚·珠丝杠扭杆在位于针刺模板静平台上方的部分连接丝杠螺母，所述的丝杠螺母上固定连接有第一针刺模板动平台，所述的第一针刺模板动平台上螺纹连接有锥齿轮杆，所述的锥齿轮杆上固定连接有第一锥齿轮，还设置有与所述的第一锥齿轮相啮合的水平设置的第二锥齿轮，所述第二锥齿轮通过一旋转轴连接第二针刺模板动平台，从而实现第二针刺模板动平台的旋转，所述的第一针刺模板动平台上还设置有用于限定锥齿轮杆旋转角度的第一锁定旋钮，所述的第二针刺模板动平台上设置有针刺模板升降翻转机构。所述的针刺模板升降翻转机构为手动机构，包括一端设置在针刺模板旋转机构中的第二针刺模板动平台上面的两个滚珠丝杠螺杆，所述的第二针刺模板动平台上设置有手动控制两个滚珠丝杠螺杆旋转的抬升旋钮，所述的两个滚珠丝杠螺杆顶端螺纹连接针刺模板框架，针刺模板设置在针刺模板框架内，所述的针刺模板框架的侧壁上设置有用于控制针刺模板翻转的翻转机构，所述的翻转机构有翻转旋钮，与翻转旋钮连接的第一齿轮，与第一齿轮相啮合的第二齿轮，所述的第二齿轮连接针刺模板的翻转轴，所述的针刺模板框架上还设置有用于限定针刺模板翻转角度的第二锁定旋钮。所述的第一齿轮的直径小于第二齿轮的直径。本发明的超声图像导航的近距离粒子植入机器人，能够在超声波图像的导航下辅助医生来完成针刺手术，尽可能地提高针刺手术的精度，减少病人在手术中的痛苦。结构灵活，克服手术过程中成像效果不及时和轨迹规划难的弊端，以达到高精度、低创伤、减少术后并发症和后遗症。本发明能够极大程度的提高手术的精度，手术的成功性和完善性，从而为超声波图像弓I导机器人辅助微创外科手术开辟了一条新的途径。
图I是本发明的整体结构示意图；图2是本发明底部的移动支座结构示意图；图3是本发明的超声波探头进给和旋转单元结构示意图；图4是本发明的针刺模板空间姿态调整单元结构示意图。
I :底座2 :第一伺服电机3 :第一滚珠丝杠4 :动平台5 :第二伺服电机6 :升降底座7:第三滚珠丝杠8:升降导柱9 :升降套筒10 :第三伺服电机11:超声波探头静平台 12:第三滚珠丝杠13 :探头动平台14 :超声波探头支撑架 15 :第四伺服电机16 B超探头夹具17 B超探头18 :支撑板19 :第二滚珠丝杠20 :锥齿轮杆21 :第一针刺模板动平台22 :第一锁定旋钮23 :第一锥齿轮24 :第二锥齿轮25 :丝杠螺母26 :针刺模板静平台27:滚珠丝杠扭杆28:第二针刺模板动平台29 :抬升旋钮30 :滚珠丝杠螺杆31 :针刺模板框架32 :针刺模板33 :第二锁定旋钮34 :翻转旋钮35 :第一齿轮36 :第二齿轮
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明的超声图像导航的近距离粒子植入机器人做出详细说明。本发明的超声图像导航的近距离粒子植入机器人，其超声波探头的定位被分配到了两个独立模块中执行，分别为机械手机构底层模块和超声波探头平台模块。其中底层模块由伺服电机、滚珠丝杠和燕尾槽滑轨组成，实现空间三个相互垂直方向的平移运动，调整超声波探头和针刺模板的空间位置。在超声波探头平台模块中，共分配了两个自由度，其一是通过伺服电机和滚珠丝杠实现的平动，实现超声波探头的进给运动，调整超声波探头的空间位置以及相对于针刺模板的位置；其二，是通过伺服电机的转动来实现超声波探头的小范围转动，以增大扫描范围。模板空间位姿的调整除了分配在底层模块中的三个平动自由度之外，在针刺模板平台上分配了四个自由度(两个平动和两个转动自由度)，这四个自由度来实现针刺模板空间位姿的微调，由医生通过手动调整来完成。如图I所示，本发明的超声图像导航的近距离粒子植入机器人，包括实现前、后、左、右四个水平方向移动和上下方向移动的移动支座，设置在移动支座上的超声波探头进给和旋转单元，以及设置在超声波探头进给和旋转单元的具有超声波探头伸出侧的针刺模板空间姿态调整单元，其中，所述的超声波探头进给和旋转单元有超声波探头支撑架进给机构和超声波探头旋转机构；所述的针刺模板空间姿态调整单元有针刺模板旋转机构和针刺模板升降翻转机构。如图2所示，所述的移动支座包括底座I，设置在底座I上并沿底座I作水平直线移动的动平台4，设置在动平台4上并沿动平台4作与动平台4移动方向相垂直的水平直线移动的升降底座6，设置在升降底座6上作升降运动的升降机构。所述的底座I的一侧边安装有第一伺服电机2，所述的底座I内安装有与第一伺服电机2的输出轴相连的第一滚珠丝杠3，所述的动平台4的底面中部与所述的第一滚珠丝杠3为螺纹连接，所述的动平台4的底面两侧与所述的底座I为燕尾槽导轨的连接结构；所述的动平台4上与自身移动方向相平行的一侧边安装有第二伺服电机5，所述的动平台4内安装有与第二伺服电机5的输出轴相连的第二滚珠丝杠19,所述的升降底座6的底面中部与所述的第二滚珠丝杠19为螺纹连接，所述的升降底座6的底面两侧与所述的动平台4为燕尾槽导轨的连接结构。所述的升降机构包括位于升降底座6上方的第三滚珠丝杠7，位于第三滚珠丝杠7下端且输出轴与第三滚珠丝杠7下端相连的伺服电机，分别垂直固定在升降底座6端面上的四个升降导柱8，分别套在四个升降导柱8上的四个升降套筒9，以及固定连接在四个升降套筒9顶端和第三滚珠丝杠7的套筒顶端的支撑板18。
如图3所示，所述的超声波探头进给和旋转单元包括设置在移动支座的支撑板18上的超声波探头静平台11，安装在超声波探头静平台11 一侧的第三伺服电机10，设置在超声波探头静平台11内并与所述的第三伺服电机10的输出轴相连的第三滚珠丝杠12，与所述的第三滚珠丝杠12为螺纹连接的探头动平台13，设置在探头动平台13上的U型超声波探头支撑架14，所述的U型超声波探头支撑架14的两纵架上形成有贯穿B超探头17的通孔，所述的U型超声波探头支撑架14两纵架的内侧在与所述的通孔相对应处各设置一个B超探头夹具16，在U型超声波探头支撑架14的远离针刺模板32 —侧的纵架的外侧面上设置有第四伺服电机15，所述的B超探头17的一端贯穿U型超声波探头支撑架14的两纵架以及两个B超探头夹具16与所述的第四伺服电机15的输出轴相连接。如图4所示,所述的针刺模板旋转机构为手动机构,包括针刺模板静平台26,安装在针刺模板静平台26上的滚珠丝杠扭杆27，滚珠丝杠扭杆27的一端位于针刺模板静平台26的外侧并设有旋钮，滚珠丝杠扭杆27在位于针刺模板静平台26上方的部分连接丝杠螺母25，所述的丝杠螺母25上固定连接有第一针刺模板动平台21，所述的第一针刺模板动平台21上螺纹连接有锥齿轮杆20，所述的锥齿轮杆20上固定连接有第一锥齿轮23，还设置有与所述的第一锥齿轮23相啮合的水平设置的第二锥齿轮24，所述第二锥齿轮24通过一旋转轴连接第二针刺模板动平台28，从而实现第二针刺模板动平台28的旋转，所述的第一针刺模板动平台21上还设置有用于限定锥齿轮杆20旋转角度的第一锁定旋钮22，所述的第二针刺模板动平台28上设置有针刺模板升降翻转机构。所述的针刺模板升降翻转机构为手动机构，包括一端设置在针刺模板旋转机构中的第二针刺模板动平台28上面的两个滚珠丝杠螺杆30，所述的第二针刺模板动平台28上设置有手动控制两个滚珠丝杠螺杆30旋转的抬升旋钮29，所述的两个滚珠丝杠螺杆30顶端螺纹连接针刺模板框架31，针刺模板32设置在针刺模板框架31内，所述的针刺模板框架31的侧壁上设置有用于控制针刺模板32翻转的翻转机构，所述的翻转机构有翻转旋钮34，与翻转旋钮34连接的第一齿轮35，与第一齿轮35相啮合的第二齿轮36，所述的第二齿轮36连接针刺模板32的翻转轴，所述的第一齿轮35的直径小于第二齿轮36的直径。所述的针刺模板框架31上还设置有用于限定针刺模板32翻转角度的第二锁定旋钮33。以下结合附图对本发明的超声图像导航的近距离粒子植入机器人的工作方式介绍如下平移运动本发明的超声图像导航的近距离粒子植入机器人的底层移动支座主要实现超声波探头模块和模板平台三个方向的平移运动。第一伺服电机2安装在底座I上，通过第一滚珠丝杠3带动动平台4做平移运动，动平台4和底座I之间通过燕尾槽导轨来引导运动。第二伺服电机5安装在动平台4上，通过第二滚珠丝杠19带动升降底座6做平移运动，动平台4和升降底座6之间亦是通过燕尾槽导轨来引导运动。第三滚珠丝杠7由位于其下端的伺服电机驱动，四个升降导柱8和升降套筒9之间配合，共同实现上层平台的抬升运动。通过底层模块三个方向的平动，可以实现超声波探头模块和模板平台的空间快速定位。超声波探头运动超声波探头进给和旋转单元主要实现探头的进给运动和转动。第三伺服电机10安装在超声波探头静平台11上，通过第三滚珠丝杠12带动探头动平台13
移动，实现超声波探针的进给运动。超声波探头支撑架14安装在探头动平台13上，B超探头17通过B超探头夹具16安装在超声波探头支撑架14上。第四伺服电机15安装在超声波探头支撑架14上，带动B超探头17转动。模板位置调整运动针刺模板空间姿态调整单元主要实现模板的空间姿态调整，具有两个平动和两个转动自由度，便于医生根据超声图像从不同的角度和位置借助于模板将放射性粒子准确送达癌变部位。滚珠丝杠扭杆27安装在针刺模板静平台26上，通过滚珠丝杠副传动带动丝杠螺母25运动，从而第一针刺模板动平台21移动。锥齿轮杆安装在第一针刺模板平台21上，通过锥齿轮23和锥齿轮24啮合，将锥齿轮杆20的转动转换为锥齿轮24所在轴的转动，该轴与第二针刺模板动平台28固联，从而实现针刺模板动平台的转动，由于锥齿轮传动不具有自锁功能，故在第一针刺模板动平台21上设置了第一锁定旋钮
22。抬升旋钮29和滚珠丝杠螺杆30之间通过螺旋运动将抬升旋钮29的转动转换为针刺模板框架31的抬升运动。针刺模板32安装在针刺模板框架31上,翻转旋钮34通过第一齿轮35和第二齿轮36之间的啮合将翻转旋钮34的转动转换为模板32的摆动，考虑到重力因素的影响，模板发生摆动时如无外力会恢复到原始平衡状态，固设置了第二锁定旋钮33，当模板发生摆动时给以锁死。因此，本发明的超声图像导航的近距离粒子植入机器人，首先通过底层移动支座的三个自由度度的平移运动快速实现超声波探头和模板的空间位置定位，结合超声波探头进给和旋转单元和针刺模板空间姿态调整单元，方便地调整超声波探头的空间位置以及与模板的相对位置。此外，结合超声波图像，模板的空间位姿可以通过模板平台的两个平动自由度和两个旋转自由度来调整。通过各个模块之间的配合运动，可以协助医生将放射性粒子准确快速地植入到病人癌变部位。
权利要求
1.一种超声图像导航的近距离粒子植入机器人，其特征在于，包括实现前、后、左、右四个水平方向移动和上下方向移动的移动支座，设置在移动支座上的超声波探头进给和旋转单元，以及设置在超声波探头进给和旋转单元的具有超声波探头伸出侧的针刺模板空间姿态调整单元，其中，所述的超声波探头进给和旋转单元有超声波探头支撑架进给机构和超声波探头旋转机构；所述的针刺模板空间姿态调整单元有针刺模板旋转机构和针刺模板升降翻转机构。
2.根据权利要求I所述的超声图像导航的近距离粒子植入机器人，其特征在于，所述的移动支座包括底座(I )，设置在底座(I)上并沿底座(I)作水平直线移动的动平台(4)，设置在动平台(4)上并沿动平台(4)作与动平台(4)移动方向相垂直的水平直线移动的升降底座(6 )，设置在升降底座(6 )上作升降运动的升降机构。
3.根据权利要求2所述的超声图像导航的近距离粒子植入机器人，其特征在于，所述的底座(I)的一侧边安装有第一伺服电机(2),所述的底座(I)内安装有与第一伺服电机(2)的输出轴相连的第一滚珠丝杠(3)，所述的动平台(4)的底面中部与所述的第一滚珠丝杠(3)为螺纹连接，所述的动平台(4)的底面两侧与所述的底座(I)为燕尾槽导轨的连接结构；所述的动平台(4)上与自身移动方向相平行的一侧边安装有第二伺服电机(5)，所述的动平台(4)内安装有与第二伺服电机(5)的输出轴相连的第二滚珠丝杠(19)，所述的升降底座(6)的底面中部与所述的第二滚珠丝杠(19)为螺纹连接，所述的升降底座(6)的底面两侧与所述的动平台(4)为燕尾槽导轨的连接结构。
4.根据权利要求2所述的超声图像导航的近距离粒子植入机器人，其特征在于，所述的升降机构包括位于升降底座(6)上方的第三滚珠丝杠(7)，位于第三滚珠丝杠(7)下端且输出轴与第三滚珠丝杠(7)下端相连的伺服电机，分别垂直固定在升降底座(6)端面上的四个升降导柱(8)，分别套在四个升降导柱(8)上的四个升降套筒(9)，以及固定连接在四个升降套筒(9)顶端和第三滚珠丝杠(7)的套筒顶端的支撑板(18)。
5.根据权利要求I所述的超声图像导航的近距离粒子植入机器人，其特征在于，所述的超声波探头进给和旋转单元包括设置在移动支座的支撑板(18)上的超声波探头静平台(11)，安装在超声波探头静平台(11) 一侧的第三伺服电机(10 )，设置在超声波探头静平台(11)内并与所述的第三伺服电机(10)的输出轴相连的第三滚珠丝杠(12)，与所述的第三滚珠丝杠(12)为螺纹连接的探头动平台(13)，设置在探头动平台(13)上的U型超声波探头支撑架(14)，所述的U型超声波探头支撑架(14)的两纵架上形成有贯穿B超探头(17)的通孔，所述的U型超声波探头支撑架(14)两纵架的内侧在与所述的通孔相对应处各设置一个B超探头夹具(16)，在U型超声波探头支撑架(14)的远离针刺模板(32)—侧的纵架的外侧面上设置有第四伺服电机(15)，所述的B超探头(17)的一端贯穿U型超声波探头支撑架(14)的两纵架以及两个B超探头夹具(16)与所述的第四伺服电机(15)的输出轴相连接。
6.根据权利要求I所述的超声图像导航的近距离粒子植入机器人，其特征在于，所述的针刺模板旋转机构为手动机构，包括针刺模板静平台(26)，安装在针刺模板静平台(26)上的滚珠丝杠扭杆(27)，滚珠丝杠扭杆(27)的一端位于针刺模板静平台(26)的外侧并设有旋钮，滚珠丝杠扭杆(27)在位于针刺模板静平台(26)上方的部分连接丝杠螺母(25)，所述的丝杠螺母(25)上固定连接有第一针刺模板动平台(21)，所述的第一针刺模板动平台(21)上螺纹连接有锥齿轮杆(20)，所述的锥齿轮杆(20)上固定连接有第一锥齿轮(23)，还设置有与所述的第一锥齿轮(23)相啮合的水平设置的第二锥齿轮(24)，所述第二锥齿轮(24)通过一旋转轴连接第二针刺模板动平台(28)，从而实现第二针刺模板动平台(28)的旋转，所述的第一针刺模板动平台(21)上还设置有用于限定锥齿轮杆(20)旋转角度的第一锁定旋钮(22)，所述的第二针刺模板动平台(28)上设置有针刺模板升降翻转机构。
7.根据权利要求I所述的超声图像导航的近距离粒子植入机器人，其特征在于，所述的针刺模板升降翻转机构为手动机构，包括一端设置在针刺模板旋转机构中的第二针刺模板动平台(28)上面的两个滚珠丝杠螺杆(30)，所述的第二针刺模板动平台(28)上设置有手动控制两个滚珠丝杠螺杆(30)旋转的抬升旋钮(29)，所述的两个滚珠丝杠螺杆(30)顶端螺纹连接针刺模板框架(31 )，针刺模板(32)设置在针刺模板框架(31)内，所述的针刺模板框架(31)的侧壁上设置有用于控制针刺模板(32)翻转的翻转机构，所述的翻转机构有翻转旋钮(34)，与翻转旋钮(34)连接的第一齿轮(35)，与第一齿轮(35)相啮合的第二齿轮(36 )，所述的第二齿轮(36 )连接针刺模板(32 )的翻转轴，所述的针刺模板框架(31)上还设置有用于限定针刺模板(32)翻转角度的第二锁定旋钮(33)。
8.根据权利要求7所述的超声图像导航的近距离粒子植入机器人，其特征在于，所述的第一齿轮(35)的直径小于第二齿轮(36)的直径。
全文摘要
一种超声图像导航的近距离粒子植入机器人，包括实现前、后、左、右四个水平方向移动和上下方向移动的移动支座，设置在移动支座上的超声波探头进给和旋转单元，以及设置在超声波探头进给和旋转单元的具有超声波探头伸出侧的针刺模板空间姿态调整单元，其中，超声波探头进给和旋转单元有超声波探头支撑架进给机构和超声波探头旋转机构；针刺模板空间姿态调整单元有针刺模板旋转机构和针刺模板升降翻转机构。本发明能够在超声波图像的导航下辅助医生来完成针刺手术，尽可能地提高针刺手术的精度，减少病人在手术中的痛苦。本发明能够极大程度的提高手术的精度，手术的成功性和完善性，从而为超声波图像引导机器人辅助微创外科手术开辟了一条新的途径。
文档编号A61M36/04GK102921099SQ20121040874
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月23日 优先权日2012年10月23日
发明者杨志永, 张震, 郭杰, 张雯, 仇博文, 李梓楠 申请人:天津大学