一种磁共振兼容的气动穿刺手术机器人的制作方法

本发明涉及一种磁共振兼容的气动穿刺手术机器人，属于医疗器械技术领域。

背景技术：

穿刺手术是临床中常见的一种微创外科手术，医生在医学影像的引导下，将穿刺针经皮肤穿刺至病灶区域，为活检或介入治疗建立通道。微创手术具有创伤小,疼痛轻、恢复快等特点,对手术操作的精准性、稳定性和医生的技能也提出了较高的要求。利用机器人协助医生在磁共振实时影像的引导下完成手术，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。但是由于核磁共振仪工作空间狭窄，此类机器人的结构必须十分紧凑，同时需要能在核磁共振仪的高场强磁场中正常工作，并不得对磁共振成像产生干扰，即具有磁共振兼容特性。因此，磁共振兼容的穿刺手术机器人不能照搬通用手术机器人的构型、驱动、材料和传感器设计方案。

磁共振兼容穿刺手术机器人不能采用传统电机作为驱动器，目前可行的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和超声波/压电电机驱动，其中气压驱动具有磁共振兼容性好、功率-质量比大、清洁、结构简单、易维护等优点，是一种比较理想的驱动方式。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种能在核磁共振仪狭小空间和高场强磁场中工作，同时不会对磁共振成像产生干扰的气动穿刺手术机器人。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种磁共振兼容的气动穿刺手术机器人，具有结构简单、节省空间、安全可靠等特点，且通过气压驱动控制穿刺针六个自由度的独立运动，能够在核磁共振仪的狭小空间和高场强磁场中工作，同时不会对磁共振成像产生干扰，定位精准高效。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种磁共振兼容的气动穿刺手术机器人，包括依次相连的定位模块、穿刺定向模块、进针模块；

定位模块用于实现穿刺针在磁共振成像设备中沿轴向、径向与周向的移动定位；

穿刺定向模块用于调整定位穿刺针的穿刺角度；

进针模块用于实现对穿刺针进针与退针运动的自动控制。

优选的，所述定位模块包括无杆气缸、直线导轨、环形导轨、升降机构及第一气缸；

其中，所述无杆气缸及直线导轨平行且相对设置于磁共振成像设备的床板两侧，无杆气缸及直线导轨上分别设置有相适配的无杆气缸滑块及直线导轨滑块；无杆气缸滑块及直线导轨滑块上各设置有一个支架，两侧支架分别通过连接板固定于无杆气缸滑块及直线导轨滑块上；环形导轨安装于两侧支架上，且环形导轨所在平面垂直于无杆气缸的中心轴线；

环形导轨上设置有两个环形导轨滑块，两个环形导轨滑块之间通过滑块连杆铰接；升降机构的上平台安装于其中一个环形导轨滑块前侧，且升降机构的升降轨迹线经过环形导轨的圆心；另一个环形导轨滑块及其相近一侧的支架前侧分别设置有第一L型连接块、第二L型连接块，第一气缸的活塞杆顶端及缸筒末端分别铰接于第一L型连接块及第二L型连接块上，通过第一气缸的伸缩控制两个环形导轨滑块沿环形导轨的滑动。

通过无杆气缸、第一气缸及升降机构来实现穿刺针在磁共振成像设备中沿轴向、径向与周向这三个自由度上的移动定位。

优选的，所述升降机构采用剪叉式升降机，运行稳定可靠。

优选的，所述穿刺定向模块包括底板、两个轴承支座、转轴、第二气缸、第三气缸、连杆传动机构及壳体；

其中，两个轴承支座通过底板固定于升降机构的下平台底部，转轴水平安装于两个轴承支座上，且转轴的前端延伸至轴承支座外；转轴的支撑段上沿转轴的直径方向安装有转轴连杆，转轴连杆的顶端与第二气缸的活塞杆顶端铰接；第二气缸的缸筒铰接于底板上，通过第二气缸的伸缩控制转轴的转动；

连杆传动机构包括推杆、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆，其中第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆之间相互平行；第一连杆、第二连杆长度相同，第三连杆、第四连杆长度相同，第五连杆、第六连杆长度相同；

第一连杆及第二连杆相对设置于转轴的延伸段两侧，第一连杆及第二连杆的一端固定于转轴上，另一端向前方延伸；第一连杆及第二连杆的延伸端之间从后往前依次设置有第一U型连接块、第二U型连接块，第一U型连接块及第二U型连接块均开口向下且并列设置；第一U型连接块的开口两侧分别与第一连杆、第二连杆铰接，第二U型连接块的开口两侧分别与第一连杆、第二连杆铰接；第三气缸的缸筒沿第二连杆的长度方向固定于第二连杆的内侧，推杆的两端分别与第三气缸的活塞杆顶端、第一U型连接块的中部铰接，通过第三气缸的伸缩带动第一U型连接块的转动；

第三连杆及第四连杆相对设置于第一U型连接块及第二U型连接块两侧顶部，从而构成两个相同的平行四杆机构，实现从第一U型连接块到第二U型连接块的传动；

第三连杆及第四连杆向前方延伸，第三连杆及第四连杆的前端分别与壳体左右两侧上部铰接；第五连杆及第六连杆的一端分别与第二U型连接块两侧中部铰接，第五连杆及第六连杆的另一端分别与壳体左右两侧下部铰接，再次构成两个相同的平行四杆机构，实现从第二U型连接块到壳体的传动。

通过第二气缸、第三气缸控制壳体的滚转、俯仰自由度，从而实现穿刺针穿刺姿态的调整。上述穿刺定向模块构成一个远程运动中心(RCM)机构，RCM机构可以使机构末端执行器绕其上某固定点做旋转运动，且该虚拟固定点在机构远端(即目标靶点)。

优选的，所述进针模块包括第四气缸、齿条、齿轮轴、第一摩擦轮、摩擦轮轴、第二摩擦轮、穿针轴、穿刺针及穿刺针导管；

其中，齿轮轴、摩擦轮轴及穿针轴均水平贯穿壳体的左右两侧，且齿轮轴穿过第五连杆、第六连杆与壳体的铰链孔而与第五连杆、第六连杆相连；第一摩擦轮套设在壳体内的齿轮轴上，齿轮轴上的齿轮设置在左侧壳体外；第四气缸的缸筒沿第五连杆的长度方向固定于第五连杆的外侧，第四气缸的活塞杆与齿条相连，齿条与齿轮轴上的齿轮相配合，通过第四气缸的伸缩带动齿轮轴与第一摩擦轮的转动；

第二摩擦轮套设在壳体内的摩擦轮轴上，且第二摩擦轮与第一摩擦轮相切；穿刺针导管沿穿针轴的直径方向贯穿穿针轴并固定在穿针轴内，穿刺针穿过穿刺针导管且经过第一摩擦轮与第二摩擦轮之间而同时与第一摩擦轮、第二摩擦轮相切，通过第一摩擦轮的转动带动穿刺针的进退。

由第四气缸带动两个摩擦轮的转动，进而带动穿刺针的进退，实现对穿刺针刺入病人皮肤深浅的控制。

优选的，壳体上与摩擦轮轴及穿针轴的连接处设置有可供活动的方形孔，摩擦轮轴及穿针轴两侧通过螺栓安装在壳体上；壳体前侧设置有调整螺栓，摩擦轮轴及第二摩擦轮通过调整螺栓调整其与齿轮轴、第一摩擦轮之间的距离从而固定穿刺针的位置。

有益效果：本发明提供的一种磁共振兼容的气动穿刺手术机器人，相对于现有技术，具有以下优点：1、结构简单，成本较低，同时大大节省了空间，且操作及维护方便，使用安全可靠；2、通过气压驱动控制穿刺针六个自由度的独立运动，有效的解决了徒手穿刺的弊端，有效提高了穿刺手术的准确性和稳定性；3、能够在核磁共振仪的狭小空间和高场强磁场中工作，同时不会对磁共振成像产生干扰，定位精准高效。

附图说明

图1为本发明一种磁共振兼容的气动穿刺手术机器人的整体结构示意图；

图2为本发明一种磁共振兼容的气动穿刺手术机器人定位模块的结构示意图；

图3为本发明一种磁共振兼容的气动穿刺手术机器人穿刺定向模块的结构示意图；

图4为本发明一种磁共振兼容的气动穿刺手术机器人穿刺定向模块中滚转模块的结构示意图；

图5为本发明一种磁共振兼容的气动穿刺手术机器人穿刺定向模块中俯仰模块的结构示意图；

图6为本发明一种磁共振兼容的气动穿刺手术机器人进针模块外部的结构示意图；

图7为本发明一种磁共振兼容的气动穿刺手术机器人进针模块内部的结构示意图；

图中包括：1、定位模块，1-1、无杆气缸，1-2、无杆气缸滑块，1-3、直线导轨，1-4、直线导轨滑块，1-5、连接板，1-6、第二L型连接块，1-7、支架，1-8、环形导轨，1-9、环形导轨滑块，1-10、滑块连杆，1-11、剪叉式升降机，1-12、第一L型连接块，1-13、第一气缸；

2、穿刺定向模块，2-1、底板，2-2、转轴，2-3、轴承支座，2-4、转轴连杆，2-5、第二气缸，2-6、第一连杆，2-7、第二连杆，2-8、第三连杆，2-9、第四连杆，2-10、第五连杆，2-11、第六连杆，2-12、第一U型连接块，2-13、第二U型连接块，2-14、第三气缸，2-15、推杆，2-16、壳体；

3、进针模块，3-1、第四气缸，3-2、齿条，3-3、齿轮轴，3-4、摩擦轮轴，3-5、调整螺栓，3-6、穿针轴，3-7、穿刺针，3-8、方形孔，3-9、穿刺针导管，3-10、第一摩擦轮，3-11、第二摩擦轮。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种磁共振兼容的气动穿刺手术机器人，其特征在于，包括依次相连的定位模块1、穿刺定向模块2、进针模块3；

其中，定位模块1用于实现穿刺针3-7在磁共振成像设备中沿轴向、径向与周向的移动定位；

穿刺定向模块2用于调整定位穿刺针3-7的穿刺角度；

进针模块3用于实现对穿刺针3-7进针与退针运动的自动控制。

本实施例中，所述定位模块1包括无杆气缸1-1、直线导轨1-3、环形导轨1-8、剪叉式升降机1-11及第一气缸1-13；

其中，所述无杆气缸1-1及直线导轨1-3平行且相对设置于磁共振成像设备的床板两侧，无杆气缸1-1及直线导轨1-3上分别设置有相适配的无杆气缸滑块1-2及直线导轨滑块1-4；无杆气缸滑块1-2及直线导轨滑块1-4上各设置有一个支架1-7，两侧支架1-7分别通过连接板1-5固定于无杆气缸滑块1-2及直线导轨滑块1-4上；环形导轨1-8安装于两侧支架1-7上，且环形导轨1-8所在平面垂直于无杆气缸1-1的中心轴线；

环形导轨1-8上设置有两个环形导轨滑块1-9，两个环形导轨滑块1-9之间通过滑块连杆1-10铰接；剪叉式升降机1-11的上平台安装于其中一个环形导轨滑块1-9前侧，且剪叉式升降机1-11的升降轨迹线经过环形导轨1-8的圆心；另一个环形导轨滑块1-9及其相近一侧的支架1-7前侧分别设置有第一L型连接块1-12、第二L型连接块1-6，第一气缸1-13的活塞杆顶端及缸筒末端分别铰接于第一L型连接块1-12及第二L型连接块1-6上，通过第一气缸1-13的伸缩控制两个环形导轨滑块1-9沿环形导轨1-8的滑动。

本实施例中，所述穿刺定向模块2包括底板2-1、转轴2-2、两个轴承支座2-3、第二气缸2-5、第三气缸2-14、连杆传动机构及壳体2-16；

其中，两个轴承支座2-3通过底板2-1固定于剪叉式升降机1-11的下平台底部，转轴2-2水平安装于两个轴承支座2-3上，且转轴2-2的前端延伸至轴承支座2-3外；转轴2-2的支撑段上沿转轴2-2的直径方向安装有转轴连杆2-4，转轴连杆2-4的顶端与第二气缸2-5的活塞杆顶端铰接；第二气缸2-5的缸筒铰接于底板2-1上，通过第二气缸2-5的伸缩控制转轴2-2的转动；

连杆传动机构包括第一连杆2-6、第二连杆2-7、第三连杆2-8、第四连杆2-9、第五连杆2-10、第六连杆2-11、推杆2-15，其中第一连杆2-6、第二连杆2-7、第三连杆2-8、第四连杆2-9、第五连杆2-10、第六连杆2-11之间相互平行；第一连杆2-6、第二连杆2-7长度相同，第三连杆2-8、第四连杆2-9长度相同，第五连杆2-10、第六连杆2-11长度相同；

第一连杆2-6及第二连杆2-7相对设置于转轴2-2的延伸段两侧，其一端固定于转轴2-2上，另一端向前方延伸；第一连杆2-6及第二连杆2-7的延伸端之间从后往前依次设置有第一U型连接块2-12、第二U型连接块2-13，第一U型连接块2-12及第二U型连接块2-13均开口向下且并列设置；第一U型连接块2-12的开口两侧分别与第一连杆2-6、第二连杆2-7铰接，第二U型连接块2-13的开口两侧分别与第一连杆2-6、第二连杆2-7铰接；第三气缸2-14的缸筒沿第二连杆2-7的长度方向固定于第二连杆2-7的内侧，推杆2-15的两端分别与第三气缸2-14的活塞杆顶端、第一U型连接块2-12的中部铰接，通过第三气缸2-14的伸缩带动第一U型连接块2-12的转动；

第三连杆2-8及第四连杆2-9相对设置于第一U型连接块2-12及第二U型连接块2-13两侧顶部，从而构成两个相同的平行四杆机构，实现从第一U型连接块2-12到第二U型连接块2-13的传动；

第三连杆2-8及第四连杆2-9的前端分别与壳体2-16左右两侧上部铰接；第五连杆2-10及第六连杆2-11的一端分别与第二U型连接块2-13两侧中部铰接，第五连杆2-10及第六连杆2-11的另一端分别与壳体2-16左右两侧下部铰接，再次构成两个相同的平行四杆机构，实现从第二U型连接块2-13到壳体2-16的传动。

本实施例中，所述进针模块3包括第四气缸3-1、齿条3-2、齿轮轴3-3、第一摩擦轮3-10、摩擦轮轴3-4、第二摩擦轮3-11、穿针轴3-6、穿刺针3-7及穿刺针导管3-9；

其中，齿轮轴3-3、摩擦轮轴3-4及穿针轴3-6均水平贯穿壳体2-16的左右两侧，且齿轮轴3-3穿过第五连杆2-10、第六连杆2-11与壳体2-16的铰链孔而与第五连杆2-10、第六连杆2-11相连；第一摩擦轮3-10套设在壳体2-16内的齿轮轴3-3上，齿轮轴3-3上的齿轮设置在左侧壳体2-16外；第四气缸3-1的缸筒沿第五连杆2-10的长度方向固定于第五连杆2-10的外侧，第四气缸3-1的活塞杆与齿条3-2相连，齿条3-2与齿轮轴3-3上的齿轮相配合，通过第四气缸3-1的伸缩带动齿轮轴3-3及第一摩擦轮3-10的转动；

第二摩擦轮3-11套设在壳体2-16内的摩擦轮轴3-4上，且第二摩擦轮3-11与第一摩擦轮3-10相切；穿刺针导管3-9沿穿针轴3-6的直径方向贯穿穿针轴3-6并固定在穿针轴3-6内，穿刺针3-7穿过穿刺针导管3-9且经过第一摩擦轮3-10与第二摩擦轮3-11之间而同时与第一摩擦轮3-10、第二摩擦轮3-11相切，通过第一摩擦轮3-10的转动带动穿刺针3-7的进退。

本实施例中，所述壳体2-16上与摩擦轮轴3-4及穿针轴3-6的连接处设置有可供活动的方形孔3-8，摩擦轮轴3-4及穿针轴3-6两侧通过螺栓安装在壳体2-16上；壳体2-16前侧设置有调整螺栓3-5，摩擦轮轴3-4及第二摩擦轮3-11通过调整螺栓3-5调整其与齿轮轴3-3、第一摩擦轮3-10之间的距离从而固定穿刺针3-7的位置。

本发明的具体实施方式如下：

确定病人的穿刺部位后打开核磁共振(MR)设备，病人平躺在MR设备的病床上，准备开始；通过无杆气缸1-1控制整个机器人在MR设备轴向上的平移，通过第一气缸1-13控制环形导轨滑块1-9沿半边环形导轨1-8的滑动；当穿刺部位在病人身体另一侧时，可以将升降机构1-11调换到另一个环形导轨滑块1-9上；通过升降机构1-11控制穿刺定向模块2在MR设备径向上的位移。上述三个气缸所控制的三个自由度可以将穿刺定向模块2的远心点送至病人的穿刺点。

通过第二气缸2-5控制穿刺针3-7的滚转运动，通过第三气缸2-14控制穿刺针3-7的俯仰运动。上述两个气缸所控制的自由度可以实现穿刺针的姿态调整。

通过第四气缸3-1控制穿刺针3-7的进针与退针运动，将穿刺针刺3-7刺入病人的体内。

采用上述技术方案，可以通过气缸控制每个自由度独立的运动，能够按照要求在核磁共振设备内从患者腹腔外部不同的位置与不同的角度进针，使穿刺针3-7以不同的姿态到达目标靶点，协助医生在磁共振实时影像的引导下完成穿刺手术。本发明结构紧凑，能在核磁共振仪狭小空间和高场强磁场中工作，同时不会对磁共振成像产生干扰，并且定位精度高、灵巧性强，而且对患者造成的创伤小，便于术后恢复。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。