一种脑部介入手术机器人

本发明涉及医疗器械领域，具体为一种脑神经外科介入手术机器人。

背景技术：

1、随着人口老龄化，脑疾病的发病率逐年递增。治疗帕金森、癫痫类疾病，发展以seeg、dbs等为代表的脑神经外科微创手术是医学科学对人类文明的重要贡献之一，其具体操作为病人核磁扫描检查后，医生通过导航工具经颅骨微小开口将细长的手术工具探入到病人脑组织中。手术具有创口小、出血少、恢复速度快、术后痛苦缓解明显等优点，极大地提升了患者生存质量。然而术后随着时间的推移，丘脑底核(stn)术后不可避免地向心萎缩，只有将脑电极针准确穿刺至解剖结构的中心位置，才能提高电极针的有效使用年限。此外，手术也带来了操作上的难题，如：(1)手术规划繁琐；(2)手术时间长，医生、患者容易疲劳；(3)颅脑中存在大量重要的血管和神经，不易避开等。

2、现有一些手术机器人在一定程度上解决了上述问题，目前几种市售机器人中含铁磁性物质，不能在核磁室中使用，不能满足全部临床需求，具体是：(1)仅靠术前核磁图像注册导航，医生缺乏深度方向的感觉，通过测量脑电信号验证电极是否到位也存在定位失准的情况；(2)存在由于器械弹性变形、器官组织变形等导致穿刺路径变化、电极植入失败的问题；(3)在非核磁环境下进行手术，需要进行繁琐的术后精度验证。

3、核磁兼容手术机器人可以较为综合地解决上述问题，满足核磁室内实施机器人手术的要求。文献《merging machines with microsurgery:clinical experience withneuroarm》中公布了一种6自由度核磁兼容机械臂，用于协助医生在核磁环境下进行开颅手术和器械夹持等任务，可同步完成术中核磁扫描，但是该机械臂的末端定位误差超过1mm，无法满足对于高精度穿刺植入脑神经疾病的要求。因此，本领域需发展出一种可直接在核磁仪中实施手术的机器人，且满足刚度和精度要求。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种脑部介入手术机器人。

2、本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种脑部介入手术机器人，其特征在于，该机器人包括水平运动模块、摆动模块、并联运动框架、前伸缩模块、前槽内滑动部件、后伸缩模块、后槽内滑动部件、前被动调整模块、后被动调整模块、可替换执行器模块和底座；

3、所述并联运动框架包括转动框架、第三传动丝、第四传动丝、前滑动槽、后滑动槽、第三传动丝轨道和第四传动丝轨道；前被动调整模块与后被动调整模块的结构和安装方式完全相同；所述前被动调整模块包括前被动调整模块外圈和前被动调整模块内圈；

4、摆动模块通过水平运动模块安装于底座中，水平运动模块能够带动摆动模块进行前后方向的水平直线运动；转动框架固定于摆动模块上，随摆动模块进行顺时针或逆时针的摆动；沿转动框架的周向开有前滑动槽和后滑动槽；前滑动槽内开有第三传动丝轨道；第三传动丝沿第三传动丝轨道滑动；后滑动槽内开有第四传动丝轨道；第四传动丝沿第四传动丝轨道滑动；

5、前槽内滑动部件滑动安装于前滑动槽中，第三传动丝与前槽内滑动部件固定连接；第三传动丝两端均与一个外部电机的输出端固定连接，通过电机的正反转牵拉第三传动丝，实现第三传动丝沿第三传动丝轨道进行顺时针或逆时针的圆周运动，进而带动前槽内滑动部件沿第三传动丝轨道进行顺时针或逆时针的圆周运动；

6、后槽内滑动部件滑动安装于后滑动槽中，第四传动丝与后槽内滑动部件固定连接；第四传动丝两端均与一个外部电机的输出端固定连接，通过电机的正反转牵拉第四传动丝，实现第四传动丝沿第三传动丝轨道进行顺时针或逆时针的圆周运动，进而带动后槽内滑动部件沿第四传动丝轨道进行顺时针或逆时针的圆周运动；

7、前伸缩模块的壳体固定于前槽内滑动部件上；前被动调整模块外圈的转动轴转动安装于前伸缩模块的输出端中，沿竖直轴转动；前被动调整模块内圈两端的转动轴转动安装于前被动调整模块外圈内，沿水平轴转动；

8、后伸缩模块的壳体固定于后槽内滑动部件上，输出端与后被动调整模块的外圈的转动轴转动连接；可替换执行器模块固定安装于后被动调整模块的内圈中，且滑动安装于前被动调整模块的前被动调整模块内圈中。

9、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

10、(1)本发明具有三个远心不动点和六自由度，能够灵活调整手术器械姿态，定位精准，工作空间完整，适用于核磁环境，具备高精度和高刚度，提升了手术精度同时缩短了手术流程，提升了手术效率，减轻医护人员工作负担，保证患者手术过程的安全，符合临床需求。

11、(2)本发明具有三个远心不动点，能够灵活调整手术器械姿态，避让颅脑中重要的血管和神经，符合临床需求。

12、(3)本发明可实现在同一个x、y、z三个互相垂直的坐标系中，六自由度灵活运动。水平运动模块提供x方向移动自由度，摆动模块提供x、z方向移动自由度与绕y轴转动自由度，双远心不动点远心运动机构提供y、z方向移动自由度与绕x、y、z轴转动自由度，工作空间完整覆盖颅顶至颌面手术空间，满足临床要求。

13、(4)本发明采用串-并混联结构，水平运动模块和摆动模块构成串联运动结构，双远心不动点远心运动机构构成并联运动结构，提升了机器人系统刚度，使机器人具有更高的稳定性与精准度。

14、(5)本发明采用丝传动的远端传动方式，外部电机转轴上是两段相反旋向的等螺距螺纹，在外部电机转动时一段旋入，另一段旋出等长度的传动丝，控制外部电机转动方向可控制传动丝的运动方向，使得机器人通电状态下不产生核磁图像伪影，有利于核磁图像实时校验手术器械的实时穿刺位置，具备减轻机器人质量、减小机器人体积、提升驱动扭矩的优势。

15、(6)本发明采用伸缩模块，进一步缩小了机器人并联结构尺寸，使得机器人在核磁仪孔腔无干涉运动。

16、(7)本发明不含铁磁性物质，可在核磁仪中使用。

技术特征：

1.一种脑部介入手术机器人，其特征在于，该机器人包括水平运动模块(1)、摆动模块(2)、并联运动框架(3)、前伸缩模块(4)、前槽内滑动部件(5)、后伸缩模块(6)、后槽内滑动部件(7)、前被动调整模块(8)、后被动调整模块(9)、可替换执行器模块(10)和底座(11)；

2.根据权利要求1所述的脑部介入手术机器人，其特征在于，所述水平运动模块(1)包括第一传动丝(101)、直线导轨(102)、直线滑块(103)、第一传动丝导向轮(104)和第一固线块(105)；

3.根据权利要求2所述的脑部介入手术机器人，其特征在于，水平运动模块(1)还包括传动丝张紧轮(106)；传动丝张紧轮(106)转动安装于底座(11)的伸出底座(11)的一端，用于张紧第一传动丝(101)；第一传动丝(101)从传动丝入口穿进底座(11)中，先缠绕于传动丝张紧轮(106)，再穿过摆动模块支臂(204)上的预留走线孔，再缠绕于第一传动丝导向轮(104)，最后从传动丝出口穿出底座(11)。

4.根据权利要求1所述的脑部介入手术机器人，其特征在于，所述摆动模块(2)包括第二传动丝(201)、转动关节(202)、第二固线块(203)、摆动模块支臂(204)、摆动模块连接轴(205)和摇动臂(206)；

5.根据权利要求1所述的脑部介入手术机器人，其特征在于，前滑动槽(304)和后滑动槽(305)为凸字形轨道。

6.根据权利要求1所述的脑部介入手术机器人，其特征在于，所述前槽内滑动部件(5)与后槽内滑动部件(7)的结构和安装方式完全相同；

7.根据权利要求1所述的脑部介入手术机器人，其特征在于，所述前伸缩模块(4)与后伸缩模块(6)的结构和安装方式完全相同；

8.根据权利要求1所述的脑部介入手术机器人，其特征在于，所述前被动调整模块(8)还包括第一防脱螺母(804)、防脱垫片(805)和第二防脱螺母(806)；前被动调整模块外圈(801)的转动轴通过第一防脱螺母(804)进行限位和固定；前被动调整模块内圈(802)两端的转动轴通过防脱垫片(805)和第二防脱螺母(806)进行限位和固定。

9.根据权利要求1所述的脑部介入手术机器人，其特征在于，所述可替换执行器模块(10)包括手术器械导向筒(1001)和可替换手术器械(1002)；

10.根据权利要求9所述的脑部介入手术机器人，其特征在于，可替换手术器械(1002)采用电钻、穿刺针或电极针。

技术总结
本发明公开了一种脑部介入手术机器人，包括水平运动模块、摆动模块、并联运动框架、前伸缩模块、前槽内滑动部件、后伸缩模块、后槽内滑动部件、前被动调整模块、后被动调整模块、可替换执行器模块和底座；并联运动框架包括转动框架、第三传动丝、第四传动丝、前滑动槽、后滑动槽、第三传动丝轨道和第四传动丝轨道。本发明具有三个远心不动点和六自由度，能够灵活调整手术器械姿态，定位精准，工作空间完整，适用于核磁环境，具备高精度和高刚度，提升了手术精度同时缩短了手术流程，提升了手术效率，减轻医护人员工作负担，保证患者手术过程的安全，符合临床需求。

技术研发人员：姜杉,马世兴,郑博译,杨志永,周泽洋,李煜华
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15