核磁共振下穿刺手术定位机器人

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核磁共振下穿刺手术定位机器人\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种医疗器械技术领域的装置，具体是一种核磁共振下穿刺手术定位机器人。\n背景技术\n[0002] 核磁共振成像(Nuclear Magnetic Resonance Imaging，简称NMRI)，又称自旋成像(Spin Imaging)，也称磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，简称MRI)，是利用核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，简称NMR)原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像。\n[0003] 核磁共振能够多方位、多平面、多参数成像，有优良的软组织分辨力并具有精确几何学特性；与X射线及CT相比，核磁共振无电离辐射，对病人和医生都没有伤害，与传统医学图像导航相比，核磁共振具有更大的优势，更适合术中的实时导航。一般的导航模式主要是医生通过核磁共振成像，然后大致确定穿刺点与穿刺方向，预定位之后病人再被送进核磁共振设备中，进行成像再调整，这样就非常考验医生的经验，病人可能反反复复需要很多次进入核磁共振设备中，不仅浪费时间和成本，而且对病人的身心会产生一定的伤害。手术定位机器人具有定位准确、状态稳定、灵巧性强、工作范围大、不怕辐射和感染等优点。如果我们能够设计出能够在核磁共振下导航的手术机器人，结合两者的优势就能够使一次性定位成为了现实，大大缩短了时间，节约了成本。\n[0004] 经过对现有技术的检索发现，中国实用新型CN201595839U号，公开了一种CT或核磁共振穿刺所用定位及引导装置，该装置由底座、定位板、弧形滑板及安装在弧形滑板上的引导装置组合而成，穿刺定位操作的所有自由度均为被动自由度，无法在核磁共振图像的引导下实现自动定位。\n[0005] 因此，本领域的技术人员致力于开发一种能够实现自动定位并且自动穿刺的核磁共振下穿刺手术定位机器人。\n发明内容\n[0006] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种核磁共振下穿刺定位机器人，具有尺寸小巧、自由度高的优点，能够实现自动定位并且自动穿刺，弧形导轨的设计可以实现用一台设备完成多个器官的穿刺手术，设备操作简单，每个自由度独立运动，有效的解决了徒手穿刺的弊端，提高了穿刺效率，降低了成本，并且整个过程在核磁共振图像引导下完成，成功率高，对医生经验要求要求降低；为实现核磁共振兼容性，采用气动驱动，并且设备的大部分零件采用非金属ABS塑料，只有定制气缸是用抗磁性材料铝、铜，对核磁共振影像干扰小。该装置能够快速撤出，不影响后续手术过程。\n[0007] 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：预定位模块、精确定位模块、穿刺定向模块、穿刺模块，在本发明中预定位模块、精确定位模块、穿刺定向模块和穿刺模块依次相连。\n[0008] 所述的预定位模块包括环形基座、机器人底座以及紧固螺栓；其中，机器人底座分为机器人底座上部分和机器人底座下部分。其中：环形基座可以固定在病床上，也可以沿着导轨在病床上运动；机器人底座上部分与机器人底座下部分紧固在一起，两部分连在一起可以沿机器人底座上的环形槽运动，环形槽与环形基座同心，到达指定位置后，通过拧紧紧固螺栓可以固定。\n[0009] 所述精确定位模块包括底座、第一活塞杆连杆、第一单向推板、第一链轮、第一齿轮A、第一连接轴、第一轴承座、第一气缸底座、第一气缸、第二气缸底座、第二气缸、延伸底座、传感器安装座、第二连接轴、加强筋、转动臂底座、第一转动臂、第三气缸、第三气缸底座、第三连接轴、主齿轮、第二旋转臂、延伸底座、传感器安装座、第一推动齿轮A、第一推动齿轮B、第一推动齿轮C、被动主齿轮、第一螺套、导柱、第一转动螺杆、第二齿轮、第二推动齿轮A、第二推动齿轮B、第二推动齿轮C、第二活塞杆连杆、第二单向推板、第二链轮、第二齿轮B、螺母；转动臂底座固定于底座上一起运动，第一转动臂通过转动副与转动臂底座相连，可自由转动，第二旋转臂通过转动副与第一转动臂相连。\n[0010] 所述的精确定位模块包括三个自由度的运动：\n[0011] 升降自由度：第一气缸的活塞杆前进带动第一活塞杆连杆、第一单向推板，推动第一链轮转动，由此来带动第一齿轮A，通过齿轮的啮合来带动第一转动螺杆转动，最终转为直线运动，使得底座沿导柱向上运动一段距离，而在第一气缸活塞杆后退时，底座在导柱上停止运动，重复上述过程，最终升到指定位置；对侧的第二气缸的活塞杆前进带动第二活塞杆连杆、第二单向推板，推动第二链轮转动，由此来带动第一齿轮A，通过齿轮的啮合来带动第一转动螺杆转动，最终转为直线运动，使得底座沿导柱向下运动一段距离，而在第二活塞杆连杆后退时，底座在导柱上停止运动，重复上述过程，最终下降到指定位置。\n[0012] 第一旋转自由度：第一推动齿轮A、第一推动齿轮B、第一推动齿轮C在气缸的推动下依次运动，每个推动齿轮都能使被动主齿轮旋转一个微小的角度，当依次推动的次序为：\n第一推动齿轮A-第一推动齿轮B-第一推动齿轮C-第一推动齿轮A-第一推动齿轮B……时，被动主齿轮可以带动第一螺套逆时针旋转；同时，当推动次序变为：第一推动齿轮C-第一推动齿轮B-第一推动齿轮A-第一推动齿轮C-第一推动齿轮B-第一推动齿轮A……时，被动主齿轮带动第一螺套顺时针旋转，从而带动第一转动臂的旋转运动。\n[0013] 第二旋转自由度：第二推动齿轮A、第二推动齿轮B、第二推动齿轮C在气缸的推动下依次运动，每个推动齿轮都能使被动主齿轮旋转一个微小的角度，当依次推动的次序为：\n第二推动齿轮A-第二推动齿轮B-第二推动齿轮C-第二推动齿轮A-第二推动齿轮B……时，被动主齿轮可以带动第一螺套逆时针旋转；同时，当推动次序变为：第二推动齿轮C-第二推动齿轮B-第二推动齿轮A-第二推动齿轮C-第二推动齿轮B-第二推动齿轮A……时，被动主齿轮带动第一螺套顺时针旋转，从而带动第二转动臂的旋转运动。\n[0014] 所述的穿刺定向模块包括定向底板、支撑杆、旋转座、第四气缸底板、定板、导轨、动板、推杆、第二螺杆、导轨底板、第一旋转底板、第二旋转底板、第二推动链轮、第四活塞杆连杆、第二单向推板、第四气缸。其中：旋转座与定向底板相连，并且能带动其余零件一起旋转，通过两个气缸的推动，带动第二螺杆的旋转，转为动板、推杆的运动。通过改变距离，改变第一旋转底板、第二旋转底板的角度，定好穿刺方向。\n[0015] 所述的穿刺模块包括：穿刺底板、第一传动轴、从动轮、第五气缸、第五气缸底座、延长杆、第二推板、第一主动轮、第三推动链轮、齿条、穿刺针固定板、穿刺针、第二传动轴、第二主动轮。工作时：穿刺底板的下部分与身体接触，凸台上放置显影剂，便于在核磁共振下显影，以确定穿刺点位置。气缸推动第三推动链轮，带动第二传动轴、第一主动轮的旋转，由于配合，第三推动链轮向下运动，穿刺针固定板、穿刺针随齿条运动，完成穿刺过程；另一侧气缸推动第三推动链轮时，带动第二主动轮转动，由于多了一个从动轮，第三推动链轮向上运动，穿刺针固定板、穿刺针随齿条运动，完成穿刺针的拔出过程。\n[0016] 本发明相比现在技术有以下优点：本发明中机器人有六个自由度，分别用于定位、定向和自动穿刺，保证设备的协调运动。对于提高穿刺的成功率、降低并发症的发生率有重要的作用，采用核磁共振兼容设计，保证在核磁共振设备下的安全性，有利于核磁共振下穿刺手术的进一步推广。\n[0017] 以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。\n附图说明\n[0018] 图1是本发明的一个较佳实施例的整体结构示意图；\n[0019] 图2为图1所示实施例中预定位模块的结构示意图；\n[0020] 图3、图4为图1所示实施例中精确定位模块的结构示意图；\n[0021] 图5为图1所示实施例中穿刺定向模块的结构示意图；\n[0022] 图6为图1所示实施例中穿刺模块的结构示意图。\n具体实施方式\n[0023] 如图1所示，本实施例包括4部分：预定位模块1、精确定位模块2、穿刺定向模块\n3、穿刺模块4，在本实施例中预定位模块1、精确定位模块2、穿刺定向模块3和穿刺模块4依次相连。\n[0024] 如图2所示，预定位模块包括环形基座101、机器人底座上部分102、机器人底座下部分103以及紧固螺栓104。其中：环形基座可以固定在病床上，也可以沿着导轨在病床上运动；机器人底座上部分102与机器人底座下部分103紧固在一起，两部分连在一起可以沿机器人底座上的环形槽运动，环形槽与环形基座101同心，到达指定位置后，通过拧紧紧固螺栓104可以固定。\n[0025] 如图3、图4所示，精确定位模块包括底座201、第一活塞杆连杆202、第一单向推板203、第一链轮204、第一齿轮A205、第一连接轴206、第一轴承座207、第一气缸底座208、第二气缸底座209、第二气缸210、延伸底座211、传感器安装座212、第二连接轴213、加强筋214、转动臂底座215、第一转动臂216、第三气缸217、第三气缸底座218、第二推动齿轮A219、第三连接轴220、主齿轮221、第二旋转臂222、延伸底座223、传感器安装座224、第一推动齿轮A225、第一推动齿轮B226、第一推动齿轮C227、被动主齿轮228、第一螺套229、导柱230、第一转动螺杆231、第二齿轮232、第一气缸233、第二推动齿轮B234、第二推动齿轮C235、第二活塞杆连杆236、第二单向推板237、第二链轮238、第二齿轮B239、螺母240，其中：转动臂底座215固定于底座201上一起运动，第一转动臂216通过旋转副与转动臂底座\n215相连，可自由转动，同样第二旋转臂222通过转动副与第一转动臂216相连。\n[0026] 所述的精确定位模块包括三个自由度的运动：\n[0027] 升降自由度：第一气缸233活塞杆前进带动第一活塞杆连杆202、第一单向推板\n203，推动第一链轮204转动，由此来带动第一齿轮A205，通过齿轮的啮合来带动第一转动螺杆231转动，最终转为直线运动，使得底座201沿导柱230向上运动一段距离，而在第一气缸233活塞杆后退时，由于第一单向推板203的特殊设计，底座201在导柱230上停止运动，重复上述过程，最终升到指定位置；同理，对侧的第二活塞杆连杆236、第二单向推板\n237推动第二链轮238转动，由此来带动第二齿轮B239，通过齿轮的啮合来带动第一转动螺杆231转动，最终转为直线运动，使得底座201沿导柱230向下运动一段距离，而在第二活塞杆连杆236后退时，由于第二单向推板237的特殊设计，底座201在导柱230上停止运动，重复上述过程，最终下降到指定位置。\n[0028] 第一旋转自由度：第一推动齿轮A225、第一推动齿轮B226、第一推动齿轮C227在气缸的推动下依次运动，每个推动齿轮都能使被动主齿轮228旋转一个微小的角度，当依次推动的次序为：第一推动齿轮A225-第一推动齿轮B226-第一推动齿轮C227-第一推动齿轮A225-第一推动齿轮B226……时，被动主齿轮228可以带动第一螺套229逆时针旋转；\n同时，当推动次序变为：第一推动齿轮C227-第一推动齿轮B226-第一推动齿轮A225-第一推动齿轮C227-第一推动齿轮B226-第一推动齿轮A225……时，被动主齿轮228带动第一螺套229顺时针旋转，从而带动第一转动臂216的旋转运动。\n[0029] 第二旋转自由度：第二推动齿轮A219、第二推动齿轮B234、第二推动齿轮C235在气缸的推动下依次运动，当依次推动的次序为：第二推动齿轮A219-第二推动齿轮B234-第二推动齿轮C235-第二推动齿轮A219-第二推动齿轮B234……时，主齿轮221可以带动第三连接轴220逆时针旋转；同时，当推动次序变为：第二推动齿轮C235-第二推动齿轮B234-第二推动齿轮A219-第二推动齿轮C235-第二推动齿轮B234-第二推动齿轮A219……时，主齿轮221带动第三连接轴220顺时针旋转，从而带动第二旋转臂222的旋转运动。\n[0030] 如图5所示：穿刺定向模块包括定向底板301、支撑杆302、旋转座303、第四气缸底板304、定板305、导轨306、动板307、推杆308、第二螺杆309、导轨底板310、第一旋转底板311、第二旋转底板312、第二推动链轮313、第四活塞杆连杆314、第二单向推板315、第四气缸316。其中：旋转座303与定向底板301相连，并且能带动其余零件一起旋转，采用同升降自由度相同的原理，通过两个气缸的推动，带动第二螺杆309的旋转，转为动板307、推杆308的运动。通过改变距离，改变第一旋转底板311、第二旋转底板312的角度，定好穿刺方向。\n[0031] 如图6所示，穿刺模块包括：穿刺底板401、第一传动轴402、从动轮403、第五气缸\n404、第五气缸底座405、延长杆406、第二推板407、第一主动轮408、第三推动链轮409、齿条410、穿刺针固定板411、穿刺针412、第二传动轴413、第二主动轮414。本实施例工作时：\n穿刺底板401的下部分与身体接触，凸台上放置显影剂，便于在核磁共振下显影，以确定穿刺点位置。气缸推动第三推动链轮409，带动第二传动轴413、第一主动轮408的旋转，由于配合，第三推动链轮409向下运动，穿刺针固定板411、穿刺针412随齿条运动，完成穿刺过程；另一侧气缸推动第三推动链轮409时，带动第二主动轮414转动，由于多了一个从动轮\n403，第三推动链轮409向上运动，穿刺针固定板411、穿刺针412随齿条运动，完成穿刺针的拔出过程。\n[0032] 本装置通过以下步骤实现定位：\n[0033] 1.医生根据患者病灶部位的核磁共振影像，确定患者病灶靶点、穿刺深度和体表最佳穿刺点，通过预定位模块1把机器人预装在核磁共振设备中。\n[0034] 2.医生操作核磁共振设备对患者的病灶部位进行扫描，重新得到三维图像，计算出靶点与穿刺点以及设备穿刺孔的相对位置。\n[0035] 3.通过反求解确定每个自由度所要旋转的角度或运动的距离，用气动驱动每个自由度达到指定位置。\n[0036] 4.对患者病灶部位再进行核磁共振扫描，确定是穿刺针412是否处在最佳穿刺方向上，并且与靶点处于同一直线，如果是，可以进行穿刺手术；如不是，重新进行步骤2、3，直到与靶点处于同一直线。\n[0037] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。