一种CT图像实时引导的肺穿刺机器人本体机构的制作方法

本发明涉及一种针对肺穿刺治疗的机器人，具体涉及一种利用ct图像实时引导的肺穿刺机器人机构，属于放射治疗机器人技术领域。

背景技术：

穿刺手术一般是对病人局部麻醉的情况下进行，然而在肺穿刺手术过程中伴随病人肺部的呼吸运动，目标靶点位置实时改变，使肺部穿刺手术的难度相对其它非运动器官增大。现阶段肺穿刺手术依然是在ct图像辅助下医生凭借自身经验完成手术，一场手术耗时大概为30-50min,并且病人所受辐射剂量较大。

肺部穿刺手术机器人的工作环境是：病人躺在扫描床上，进入ct扫描架,医生在控制室里面通过主从式遥操作控制机器人，因为是在ct图像实时引导下进行穿刺手术，所以机械人末端需要在ct扫描架内。标准的扫描床的宽度为60mm，当病人躺在床上进入ct扫描架后，扫描架内器人末端的可工作空间约为350×300×235mm³，且零部件材料选用非金属(除铝以外)。穿刺机械人需要精确定位穿刺针的进针点位置，并且调整针的位姿位于医生规划的进针路径角度。在进针过程中，由于病人的呼吸运动，穿刺针末端的夹针机构需能实现“夹紧——释放——重新夹紧”的功能。在夹针机构和进针结构中分别需要微型电机驱动及减速器，然而所有的电机和减速器都是金属材质，不满足ct扫描环境下的使用条件。

目前针对肺部穿刺手术也开发了各种机器人来辅助医生完成手术工作，《中国医疗设备》2015年第30卷11期公开了一种ct实时引导下穿刺定位装置，该装置主要由滑轨支架、三维云台、穿刺模块三部分组成。滑轨支架通过固定夹与ct床板连接固定，支架底座上装有一个可纵向滑移的升降滑轨，升降滑轨装有可升降调节的横向滑轨，升降滑轨通过底端的滑块座安装在滑轨座上。三维云台尾端滑块与横向滑轨连接，构成万向调节架可横向调节的滑移结构。云台调节架的外端有一个穿刺模块，穿刺模块上有一个双轴数显角度仪。通过整体的相互配合滑移调节穿刺针的位姿，再将穿刺针头由穿刺模块上的对应针孔直接穿刺到病人的病灶部位。

《ieeetransactionsoninformationtechnologyinbiomedicine》《ieee生物医学信息技术》,2002年12月第六期中公开了一种具有11个自由度的穿刺机器人，底部的8个自由度用于初始定位，将机器人固定到接近表皮穿刺点的位置并锁紧，其他三个自由度包括2-dof的rcm结构和由丙烯酸塑料制成的穿刺针推进器。

《theinternationaljournalofmedicalroboticsandcomputerassistedsurgery》《医疗机器人与计算机辅助外科手术国际期刊》，2015年11月出版的458-475页中公开了一个五自由度并行结构机器人，它在与患者直接接触并在适当的位置用绑带与患者固定穿刺针的定位和定向采用四个运动传输机构并由超声马达通过传输带驱动；插入针的运动综合了一个超声电机和两个气动夹爪。

上述三种穿刺机器人的本体机构不能满足在主从控制下肺部的穿刺手术，首先结构较复杂，要满足ct图像实时引导下进行穿刺手术其结构必须在可达工作区域内，其末端结构复杂，功能单一，不能实现跟随病人呼吸节律对进入组织的穿刺针“释放——再夹紧”的功能；其次，金属材质零部件在x射线下产生伪影，在机械人末端的结构中电机、减速器的使用不可行。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种ct图像实时引导的肺穿刺机器人本体机构，机构在ct扫描架的运动空间内完成位姿调整及进针，穿刺针夹持机构实现在穿刺过程中的根据病人的呼吸频率及进针深度实现“穿刺针的夹紧—自由释放针——重新夹紧针”的功能；机器人末端执行机构的零件所采用的材料为聚碳酸酯和铝(铝在x射线下伪影很小)，末端机构的驱动采用电机远端驱动用丝传动结构，能够达到ct扫描条件下使用非金属材料机构的要求。

一种ct图像实时引导的肺穿刺机器人本体机构，该机构包括基座、三坐标滑动平台、转角卡盘、rcm机构、进针机构和夹针机构；

所述三坐标滑动平台安装在基座的横梁上实现平台在xyz坐标系中三个方向的移动，rcm机构的一端通过转角卡盘与三坐标滑动平台中的y轴模块连接，rcm机构的另一端与进针机构固定连接，转角卡盘的角度根据不同病人的体态进行角度的调整，rcm机构用于调整穿刺针的进针角度；所述夹针机构与进针机构的丝杠螺母副中的螺母固连，夹针机构通过外部的电机驱动实现穿刺针的夹持、释放和重新夹持的功能。

进一步地，为了避免rcm机构、进针机构和夹针机构作用于病人时在水平位置与病人发生空间位置的干涉，调节转角卡盘的转角使rcm机构与水平位置呈现的角度为α，α取值范围为间隔为10°的离散角度。

进一步地，所述rcm机构同时绕着x方向和y方向转动，调节穿刺针的进针角度，转动角度θ1和θ2的取值范围是±50°，穿刺针绕着针尖位置在锥度为50°的锥体空间内摆动。

进一步地，所述基座实现机器人在水平方向的粗定位，三坐标滑动平台实现xyz坐标系中三个方向的精定位，三坐标滑动平台中的y轴线性模组和z轴线性模组的组合安装是悬臂结构，y轴线性模组和z轴线性模组之间采用三角形加强筋和支撑板连接。

进一步地，所述夹针机构包括壳体、传动丝、丝壳、丝辊、主动齿轮、从动齿轮、双头丝杠、左旋滑块螺母、右旋滑块螺母、左夹持爪和右夹持爪；

所述传动丝装在丝壳内部，传动丝绕制在活动安装在壳体内部的丝辊上，外部电机的正反转带动传动丝在丝壳内部的正向和反向滑动，进而带动丝辊的正反转动，所述丝辊通过传动轴与主动齿轮固定连接，主动齿轮与从动齿轮啮合，从动齿轮与双头丝杠固定连接，双头丝杠通过轴承支撑在壳体内部，左旋滑块螺母和右旋滑块螺母分别套装在双头丝杠的两端，左夹持爪和右夹持爪对应固定连接在左旋滑块螺母和右旋滑块螺母上且互相嵌入配合，双头丝杠的正反转使得左旋滑块螺母和右旋滑块螺母具有转动的趋势，左夹持爪和右夹持爪限制左旋滑块螺母和右旋滑块螺母的旋转，左夹持爪和右夹持爪相对或反向移动，左夹持爪和右夹持爪相对移动到极限位置后合围形成对穿刺针的夹持，左夹持爪和右夹持爪反向移动到极限位置后合围的范围即穿刺针释放后可自由运动的范围。

进一步地，所述左夹持爪和右夹持爪的外形为直角结构，右夹持爪为实体结构，左夹持爪具有容纳右夹持爪嵌入的间隙，左夹持爪和右夹持爪之间为滑动配合。

进一步地，所述左夹持爪和右夹持爪的中心收针部位安装一对针体紧固件，进针紧固件卡装在夹持爪的中心异型槽里面，进针时的穿刺力由针体紧固件与穿刺针的静态摩擦力实现，针体紧固件的材料选用医用橡胶。

进一步地，为了防止穿刺针在针轴向位置的移动，在右夹持爪上安装穿刺针顶端限位块，穿刺针与夹持爪的相对高度通过垂直方向的螺纹孔调节，调节范围为30mm。

进一步地，为了避免产生伪影，所述双头丝杠、主动齿轮和从动齿轮用塑料材质，螺母用铝材。

有益效果：

1、本发明的末端执行机构(rcm机构、夹紧机构和进针机构)大部分采用塑料材质，外部的驱动机构采用远端电机带动丝传动，解决了金属器件在x射线下产生伪影的难题。

2、本发明的机器人结构简单，并且将三坐标滑动平台与rcm机构结合实现了穿刺针的位置和姿态的调整，使得医生对机器人的控制更加容易实现。

3、本发明的进针与夹针机构结构紧凑，降低质量，使进针机构的负载降低，提高穿刺性能。

4、本发明的穿刺针夹持机构具有实时“夹紧、释放和再夹紧”的功能，使夹针动作灵活，定位夹紧可靠，适应病人手术中肺部的呼吸运动带动穿刺针的摆动。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的运动自由度示意图；

图3为本发明机器人的末端执行机构作用于病人的位置示意图；

图4为本发明的夹针机构和进针机构的结构示意图；

图5为本发明的夹针机构的正视图；

图6为本发明的夹针机构的后视图；

图7为本发明的夹持爪、紧固件和限位块的结构示意图。

其中，1-基座、2-三坐标滑动平台、3-转角卡盘、4-rcm机构、5-夹针机构、6-进针机构、7-穿刺针、8-丝壳、9-限位块、10-壳体、11-传动丝、12-主动齿轮、13-从动齿轮、14-双头丝杠、15-左夹持爪、16-右夹持爪、17-丝辊、18-针体紧固件。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明提供了一种ct图像实时引导的肺穿刺机器人本体机构，该机构包括基座1、三坐标滑动平台2、转角卡盘3、rcm机构4、进针机构6和夹针机构5；

机器人本体结构的整体尺寸为616×650×954mm³,其功能包含：基座固定于扫描床上承载机器人的载荷；x轴滑轨水平安装在基座横梁上，y轴和z轴滑轨依次联接构成xyz三坐标移动平台2，用于调整穿刺针的位置；末端三机构(rcm机构、夹紧机构、进针机构)和三坐标移动平台之间用转角卡盘联接，转角卡盘的角度根据不同病人的体态进行角度的调整；rcm机构用于调整穿刺针的进针角度；进针机构有足够的行程和速度；夹针机构可实现穿刺针的“夹持——释放——重新夹持”的功能。

机器人总共有9个自由度，其中基座1沿扫描床的移动和转角卡盘3的转动是被动自由度，其余7个自由度是主动自由度，如图2所示，②③④分别是移动自由度，可以调整穿刺针在运动空间中的位置；⑥⑦是rcm机构4的两个转动自由度，用于调整穿刺针的角度；⑧⑨分别是进针和夹针自由度。

基座1用手拧螺钉紧固在扫描床上，三坐标滑动平台3由线性模组搭建而成，能够承载末端执行机构的静态载荷和动态载荷，xyz三个方向的行程分别为300mm、209mm、190mm，其中基座1在水平方向的被动调节配合z轴线性模组的水平移动能够将末端执行机构伸进ct扫描架内，基座的水平定位是对机器人的粗定位，三坐标滑动平台3中的xyz三轴线性模组是精确定位。y轴线性模组和z轴线性模组的组合安装是悬臂结构，它们之间用三角形加强筋和支撑板连接。

如附图3所示，机器人末端执行机构作用于病人时在水平位置与病人发生空间位置的干涉，调节转角卡盘3的转角使末端执行机构与水平位置乘一定的角度α，取值范围为间隔为10°的离散角度，最大角度可设定为70°。

rcm机构4与转角卡盘3联接，可以同时绕着x方向和y方向转动，调节穿刺针7的进针角度，转动角度θ1和θ2的取值范围是±50°，穿刺针7绕着针尖位置在锥度为50°的锥体空间内摆动。

如附图4-6所示，夹针机构包括壳体10、传动丝11、丝壳8、丝辊17、主动齿轮12、从动齿轮13、双头丝杠14、左旋滑块螺母、右旋滑块螺母、左夹持爪15和右夹持爪16；

传动丝11装在丝壳8内部，传动丝11绕制在活动安装在壳体10内部的丝辊17上，外部电机的正反转带动传动丝11在丝壳8内部的正向和反向滑动，进而带动丝辊17的正反转动，丝辊17通过传动轴与主动齿轮12固定连接，主动齿轮12与从动齿轮13啮合，从动齿轮13与双头丝杠14固定连接，双头丝杠14通过轴承支撑在壳体10内部，左旋滑块螺母和右旋滑块螺母分别套装在双头丝杠14的两端，左夹持爪15和右夹持爪16对应固定连接在左旋滑块螺母和右旋滑块螺母上，左夹持爪15和右夹持爪16的外形为直角结构，右夹持爪16为实体结构，左夹持爪15具有容纳右夹持爪16嵌入的间隙，两者之间为滑动配合。

双头丝杠14的正反转使得左旋滑块螺母和右旋滑块螺母具有转动的趋势，左夹持爪15和右夹持爪16限制左旋滑块螺母和右旋滑块螺母的旋转，左夹持爪15和右夹持爪16相对或反向移动，左夹持爪和右夹持爪相对移动到极限位置后合围形成对穿刺针7的夹持，左夹持爪15和右夹持爪16反向移动到极限位置后合围的范围即穿刺针释放后可自由运动的范围。

如附图7所示，左夹持爪15和右夹持爪16的中心收针部位安装一对针体紧固件18，进针紧固件18卡装在夹持爪的中心异型槽里面，进针时的穿刺力由针体紧固件18与穿刺针7的静态摩擦力实现，针体紧固件18的材料选用医用橡胶。

为了防止穿刺针7在针轴向位置的移动，在右夹持爪16上安装穿刺针顶端限位块9，穿刺针与夹持爪的相对高度通过垂直方向的螺纹孔调节，调节范围为30mm。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。