專利名稱：核磁共振下穿刺手術定位機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種醫療器械技術領域的裝置，具體是一種核磁共振下穿刺手術定位機器人。
背景技術：
核磁共振成像(Nuclear Magnetic Resonance Imaging，簡稱 NMRI)，又稱自旋成像(Spin Imaging)，也稱磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，簡稱 MRI)，是利用核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，簡稱NMR)原理，依據所釋放的能量在物質內部不同結構環境中不同的衰減，通過外加梯度磁場檢測所發射出的電磁波，即可得知構成這一物體原子核的位置和種類，據此可以繪制成物體內部的結構圖像。
核磁共振能夠多方位、多平面、多參數成像，有優良的軟組織分辨力并具有精確幾何學特性；與X射線及CT相比，核磁共振無電離輻射，對病人和醫生都沒有傷害，與傳統醫學圖像導航相比，核磁共振具有更大的優勢，更適合術中的實時導航。一般的導航模式主要是醫生通過核磁共振成像，然后大致確定穿刺點與穿刺方向，預定位之后病人再被送進核磁共振設備中，進行成像再調整，這樣就非常考驗醫生的經驗，病人可能反反復復需要很多次進入核磁共振設備中，不僅浪費時間和成本，而且對病人的身心會產生一定的傷害。手術定位機器人具有定位準確、狀態穩定、靈巧性強、工作范圍大、不怕輻射和感染等優點。如果我們能夠設計出能夠在核磁共振下導航的手術機器人，結合兩者的優勢就能夠使一次性定位成為了現實，大大縮短了時間，節約了成本。
經過對現有技術的檢索發現，中國實用新型CN201595839U號，公開了一種CT或核磁共振穿刺所用定位及引導裝置，該裝置由底座、定位板、弧形滑板及安裝在弧形滑板上的引導裝置組合而成，穿刺定位操作的所有自由度均為被動自由度，無法在核磁共振圖像的引導下實現自動定位。
因此，本領域的技術人員致力于開發一種能夠實現自動定位并且自動穿刺的核磁共振下穿刺手術定位機器人。發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種核磁共振下穿刺定位機器人，具有尺寸小巧、自由度高的優點，能夠實現自動定位并且自動穿刺，弧形導軌的設計可以實現用一臺設備完成多個器官的穿刺手術，設備操作簡單，每個自由度獨立運動，有效的解決了徒手穿刺的弊端，提高了穿刺效率，降低了成本，并且整個過程在核磁共振圖像引導下完成，成功率高，對醫生經驗要求要求降低；為實現核磁共振兼容性，采用氣動驅動，并且設備的大部分零件采用非金屬ABS塑料，只有定制氣缸是用抗磁性材料鋁、銅，對核磁共振影像干擾小。該裝置能夠快速撤出，不影響后續手術過程。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括預定位模塊、精確定位模塊、穿刺定向模塊、穿刺模塊，在本發明中預定位模塊、精確定位模塊、穿刺定向模塊和穿刺模塊依次相連。
所述的預定位模塊包括環形基座、機器人底座以及緊固螺栓；其中，機器人底座分為機器人底座上部分和機器人底座下部分。其中環形基座可以固定在病床上，也可以沿著導軌在病床上運動；機器人底座上部分與機器人底座下部分緊固在一起，兩部分連在一起可以沿機器人底座上的環形槽運動，環形槽與環形基座同心，到達指定位置后，通過擰緊緊固螺栓可以固定。
所述精確定位模塊包括底座、第一活塞桿連桿、第一單向推板、第一鏈輪、第一齒輪A、第一連接軸、第一軸承座、第一氣缸底座、第一氣缸、第二氣缸底座、第二氣缸、延伸底座、傳感器安裝座、第二連接軸、加強筋、轉動臂底座、第一轉動臂、第三氣缸、第三氣缸底座、第三連接軸、主齒輪、第二旋轉臂、延伸底座、傳感器安裝座、第一推動齒輪A、第一推動齒輪B、第一推動齒輪C、被動主齒輪、第一螺套、導柱、第一轉動螺桿、第二齒輪、第二推動齒輪A、第二推動齒輪B、第二推動齒輪C、第二活塞桿連桿、第二單向推板、第二鏈輪、第二齒輪B、螺母；轉動臂底座固定于底座上一起運動，第一轉動臂通過轉動副與轉動臂底座相連，可自由轉動，第二旋轉臂通過轉動副與第一轉動臂相連。
所述的精確定位模塊包括三個自由度的運動
升降自由度第一氣缸的活塞桿前進帶動第一活塞桿連桿、第一單向推板，推動第一鏈輪轉動，由此來帶動第一齒輪A，通過齒輪的嚙合來帶動第一轉動螺桿轉動，最終轉為直線運動，使得底座沿導柱向上運動一段距離，而在第一氣缸活塞桿后退時，底座在導柱上停止運動，重復上述過程，最終升到指定位置；對側的第二氣缸的活塞桿前進帶動第二活塞桿連桿、第二單向推板，推動第二鏈輪轉動，由此來帶動第一齒輪A，通過齒輪的嚙合來帶動第一轉動螺桿轉動，最終轉為直線運動，使得底座沿導柱向下運動一段距離，而在第二活塞桿連桿后退時，底座在導柱上停止運動，重復上述過程，最終下降到指定位置。
第一旋轉自由度第一推動齒輪A、第一推動齒輪B、第一推動齒輪C在氣缸的推動下依次運動，每個推動齒輪都能使被動主齒輪旋轉一個微小的角度，當依次推動的次序為 第一推動齒輪A-第一推動齒輪B-第一推動齒輪C-第一推動齒輪A-第一推動齒輪B…… 時，被動主齒輪可以帶動第一螺套逆時針旋轉；同時，當推動次序變為第一推動齒輪C-第一推動齒輪B-第一推動齒輪A-第一推動齒輪C-第一推動齒輪B-第一推動齒輪A……時， 被動主齒輪帶動第一螺套順時針旋轉，從而帶動第一轉動臂的旋轉運動。
第二旋轉自由度第二推動齒輪A、第二推動齒輪B、第二推動齒輪C在氣缸的推動下依次運動，每個推動齒輪都能使被動主齒輪旋轉一個微小的角度，當依次推動的次序為 第二推動齒輪A-第二推動齒輪B-第二推動齒輪C-第二推動齒輪A-第二推動齒輪B…… 時，被動主齒輪可以帶動第一螺套逆時針旋轉；同時，當推動次序變為第二推動齒輪C-第二推動齒輪B-第二推動齒輪A-第二推動齒輪C-第二推動齒輪B-第二推動齒輪A……時， 被動主齒輪帶動第一螺套順時針旋轉，從而帶動第二轉動臂的旋轉運動。
所述的穿刺定向模塊包括定向底板、支撐桿、旋轉座、第四氣缸底板、定板、導軌、 動板、推桿、第二螺桿、導軌底板、第一旋轉底板、第二旋轉底板、第二推動鏈輪、第四活塞桿連桿、第二單向推板、第四氣缸。其中旋轉座與定向底板相連，并且能帶動其余零件一起旋轉，通過兩個氣缸的推動，帶動第二螺桿的旋轉，轉為動板、推桿的運動。通過改變距離，改變第一旋轉底板、第二旋轉底板的角度，定好穿刺方向。
所述的穿刺模塊包括穿刺底板、第一傳動軸、從動輪、第五氣缸、第五氣缸底座、 延長桿、第二推板、第一主動輪、第三推動鏈輪、齒條、穿刺針固定板、穿刺針、第二傳動軸、 第二主動輪。工作時穿刺底板的下部分與身體接觸，凸臺上放置顯影劑，便于在核磁共振下顯影，以確定穿刺點位置。氣缸推動第三推動鏈輪，帶動第二傳動軸、第一主動輪的旋轉， 由于配合，第三推動鏈輪向下運動，穿刺針固定板、穿刺針隨齒條運動，完成穿刺過程；另一側氣缸推動第三推動鏈輪時，帶動第二主動輪轉動，由于多了一個從動輪，第三推動鏈輪向上運動，穿刺針固定板、穿刺針隨齒條運動，完成穿刺針的拔出過程。
本發明相比現在技術有以下優點本發明中機器人有六個自由度，分別用于定位、 定向和自動穿刺，保證設備的協調運動。對于提高穿刺的成功率、降低并發癥的發生率有重要的作用，采用核磁共振兼容設計，保證在核磁共振設備下的安全性，有利于核磁共振下穿刺手術的進一步推廣。
以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特征和效果。


圖1是本發明的一個較佳實施例的整體結構示意圖2為圖1所示實施例中預定位模塊的結構示意圖3、圖4為圖1所示實施例中精確定位模塊的結構示意圖5為圖1所示實施例中穿刺定向模塊的結構示意圖6為圖1所示實施例中穿刺模塊的結構示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，本實施例包括4部分預定位模塊1、精確定位模塊2、穿刺定向模塊 3、穿刺模塊4，在本實施例中預定位模塊1、精確定位模塊2、穿刺定向模塊3和穿刺模塊4 依次相連。
如圖2所示，預定位模塊包括環形基座101、機器人底座上部分102、機器人底座下部分103以及緊固螺栓104。其中環形基座可以固定在病床上，也可以沿著導軌在病床上運動；機器人底座上部分102與機器人底座下部分103緊固在一起，兩部分連在一起可以沿機器人底座上的環形槽運動，環形槽與環形基座101同心，到達指定位置后，通過擰緊緊固螺栓104可以固定。
如圖3、圖4所示，精確定位模塊包括底座201、第一活塞桿連桿202、第一單向推板203、第一鏈輪204、第一齒輪A205、第一連接軸206、第一軸承座207、第一氣缸底座208、 第二氣缸底座209、第二氣缸210、延伸底座211、傳感器安裝座212、第二連接軸213、加強筋214、轉動臂底座215、第一轉動臂216、第三氣缸217、第三氣缸底座218、第二推動齒輪 A219、第三連接軸220、主齒輪221、第二旋轉臂222、延伸底座223、傳感器安裝座224、第一推動齒輪A225、第一推動齒輪、第一推動齒輪C227、被動主齒輪228、第一螺套229、導柱230、第一轉動螺桿231、第二齒輪232、第一氣缸233、第二推動齒輪B234、第二推動齒輪 C235、第二活塞桿連桿236、第二單向推板237、第二鏈輪238、第二齒輪B239、螺母M0，其中轉動臂底座215固定于底座201上一起運動，第一轉動臂216通過旋轉副與轉動臂底座215相連，可自由轉動，同樣第二旋轉臂222通過轉動副與第一轉動臂216相連。所述的精確定位模塊包括三個自由度的運動升降自由度第一氣缸233活塞桿前進帶動第一活塞桿連桿202、第一單向推板 203，推動第一鏈輪204轉動，由此來帶動第一齒輪A205，通過齒輪的嚙合來帶動第一轉動螺桿231轉動，最終轉為直線運動，使得底座201沿導柱230向上運動一段距離，而在第一氣缸233活塞桿后退時，由于第一單向推板203的特殊設計，底座201在導柱230上停止運動，重復上述過程，最終升到指定位置；同理，對側的第二活塞桿連桿236、第二單向推板 237推動第二鏈輪238轉動，由此來帶動第二齒輪B239，通過齒輪的嚙合來帶動第一轉動螺桿231轉動，最終轉為直線運動，使得底座201沿導柱230向下運動一段距離，而在第二活塞桿連桿236后退時，由于第二單向推板237的特殊設計，底座201在導柱230上停止運動， 重復上述過程，最終下降到指定位置。第一旋轉自由度第一推動齒輪A225、第一推動齒輪、第一推動齒輪C227在氣缸的推動下依次運動，每個推動齒輪都能使被動主齒輪2 旋轉一個微小的角度，當依次推動的次序為第一推動齒輪A225-第一推動齒輪B226-第一推動齒輪C227-第一推動齒輪A225-第一推動齒輪……時，被動主齒輪2 可以帶動第一螺套2 逆時針旋轉； 同時，當推動次序變為第一推動齒輪C227-第一推動齒輪第一推動齒輪A225-第一推動齒輪C227-第一推動齒輪B226-第一推動齒輪A225……時，被動主齒輪2 帶動第一螺套2 順時針旋轉，從而帶動第一轉動臂216的旋轉運動。第二旋轉自由度第二推動齒輪A219、第二推動齒輪B234、第二推動齒輪C235在氣缸的推動下依次運動，當依次推動的次序為第二推動齒輪A219-第二推動齒輪B234-第二推動齒輪C235-第二推動齒輪A219-第二推動齒輪B234……時，主齒輪221可以帶動第三連接軸220逆時針旋轉；同時，當推動次序變為第二推動齒輪C235-第二推動齒輪B234-第二推動齒輪A219-第二推動齒輪C235-第二推動齒輪B234-第二推動齒輪 A219……時，主齒輪221帶動第三連接軸220順時針旋轉，從而帶動第二旋轉臂222的旋轉運動。如圖5所示穿刺定向模塊包括定向底板301、支撐桿302、旋轉座303、第四氣缸底板304、定板305、導軌306、動板307、推桿308、第二螺桿309、導軌底板310、第一旋轉底板311、第二旋轉底板312、第二推動鏈輪313、第四活塞桿連桿314、第二單向推板315、第四氣缸316。其中旋轉座303與定向底板301相連，并且能帶動其余零件一起旋轉，采用同升降自由度相同的原理，通過兩個氣缸的推動，帶動第二螺桿309的旋轉，轉為動板307、推桿308的運動。通過改變距離，改變第一旋轉底板311、第二旋轉底板312的角度，定好穿刺方向。如圖6所示，穿刺模塊包括穿刺底板401、第一傳動軸402、從動輪403、第五氣缸 404、第五氣缸底座405、延長桿406、第二推板407、第一主動輪408、第三推動鏈輪409、齒條410、穿刺針固定板411、穿刺針412、第二傳動軸413、第二主動輪414。本實施例工作時 穿刺底板401的下部分與身體接觸，凸臺上放置顯影劑，便于在核磁共振下顯影，以確定穿刺點位置。氣缸推動第三推動鏈輪409，帶動第二傳動軸413、第一主動輪408的旋轉，由于配合，第三推動鏈輪409向下運動，穿刺針固定板411、穿刺針412隨齒條運動，完成穿刺過程；另一側氣缸推動第三推動鏈輪409時，帶動第二主動輪414轉動，由于多了一個從動輪403，第三推動鏈輪409向上運動，穿刺針固定板411、穿刺針412隨齒條運動，完成穿刺針的拔出過程。本裝置通過以下步驟實現定位1.醫生根據患者病灶部位的核磁共振影像，確定患者病灶靶點、穿刺深度和體表最佳穿刺點，通過預定位模塊1把機器人預裝在核磁共振設備中。2.醫生操作核磁共振設備對患者的病灶部位進行掃描，重新得到三維圖像，計算出靶點與穿刺點以及設備穿刺孔的相對位置。3.通過反求解確定每個自由度所要旋轉的角度或運動的距離，用氣動驅動每個自由度達到指定位置。4.對患者病灶部位再進行核磁共振掃描，確定是穿刺針412是否處在最佳穿刺方向上，并且與靶點處于同一直線，如果是，可以進行穿刺手術；如不是，重新進行步驟2、3， 直到與靶點處于同一直線。以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。
權利要求
1.一種核磁共振下穿刺手術定位機器人，其中，包括依次相連的預定位模塊、精確定位模塊、穿刺定向模塊和穿刺模塊。
2.如權利要求1所述的核磁共振下穿刺手術定位機器人，其特征在于，所述的預定位模塊包括環形基座、機器人底座以及緊固螺栓；其中，機器人底座分為機器人底座上部分和機器人底座下部分；環形基座固定在病床上或沿著導軌在病床上運動；機器人底座上部分與機器人底座下部分緊固在一起，兩部分連在一起并沿機器人底座上的環形槽運動，環形槽與環形基座同心，到達指定位置后，通過擰緊緊固螺栓固定。
3.如權利要求1所述的核磁共振下穿刺手術定位機器人，其特征在于，所述精確定位模塊包括底座、第一活塞桿連桿、第一單向推板、第一鏈輪、第一齒輪A、第一連接軸、第一軸承座、第一氣缸底座、第一氣缸、第二氣缸底座、第二氣缸、延伸底座、傳感器安裝座、第二連接軸、加強筋、轉動臂底座、第一轉動臂、第三氣缸、第三氣缸底座、第三連接軸、主齒輪、第二旋轉臂、延伸底座、傳感器安裝座、第一推動齒輪A、第一推動齒輪B、第一推動齒輪C、被動主齒輪、第一螺套、導柱、第一轉動螺桿、第二齒輪、第二推動齒輪A、第二推動齒輪B、第二推動齒輪C、第二活塞桿連桿、第二單向推板、第二鏈輪、第二齒輪B、螺母；轉動臂底座固定于底座上一起運動，第一轉動臂通過轉動副與轉動臂底座相連，可自由轉動，第二旋轉臂通過轉動副與第一轉動臂相連；所述精確定位模塊包括三個自由度的運動升降自由度第一氣缸的活塞桿前進帶動第一活塞桿連桿、第一單向推板，推動第一鏈輪轉動，由此來帶動第一齒輪A，通過齒輪的嚙合來帶動第一轉動螺桿轉動，最終轉為直線運動，使得底座沿導柱向上運動一段距離，而在第一氣缸活塞桿后退時，底座在導柱上停止運動，重復上述過程，最終升到指定位置；對側的第二氣缸的活塞桿前進帶動第二活塞桿連桿、第二單向推板，推動第二鏈輪轉動，由此來帶動第一齒輪A，通過齒輪的嚙合來帶動第一轉動螺桿轉動，最終轉為直線運動，使得底座沿導柱向下運動一段距離，而在第二活塞桿連桿后退時，底座在導柱上停止運動，重復上述過程，最終下降到指定位置；第一旋轉自由度第一推動齒輪A、第一推動齒輪B、第一推動齒輪C在氣缸的推動下依次運動，每個推動齒輪都能使被動主齒輪旋轉一個微小的角度，當依次推動的次序為第一推動齒輪A-第一推動齒輪B-第一推動齒輪C-第一推動齒輪A-第一推動齒輪B……時，被動主齒輪可以帶動第一螺套逆時針旋轉；同時，當推動次序變為第一推動齒輪C-第一推動齒輪B-第一推動齒輪A-第一推動齒輪C-第一推動齒輪B-第一推動齒輪A……時，被動主齒輪帶動第一螺套順時針旋轉，從而帶動第一轉動臂的旋轉運動；第二旋轉自由度第二推動齒輪A、第二推動齒輪B、第二推動齒輪C在氣缸的推動下依次運動，每個推動齒輪都能使被動主齒輪旋轉一個微小的角度，當依次推動的次序為第二推動齒輪A-第二推動齒輪B-第二推動齒輪C-第二推動齒輪A-第二推動齒輪B……時，被動主齒輪可以帶動第一螺套逆時針旋轉；同時，當推動次序變為第二推動齒輪C-第二推動齒輪B-第二推動齒輪A-第二推動齒輪C-第二推動齒輪B-第二推動齒輪A……時，被動主齒輪帶動第一螺套順時針旋轉，從而帶動第二轉動臂的旋轉運動。
4.如權利要求1所述的核磁共振穿刺手術定位機器人，其特征在于，所述的穿刺定向模塊包括定向底板、支撐桿、旋轉座、第四氣缸底板、定板、導軌、動板、推桿、第二螺桿、導軌底板、第一旋轉底板、第二旋轉底板、第二推動鏈輪、第四活塞桿連桿、第二單向推板、第四氣缸；旋轉座與定向底板相連，并且能帶動其余零件一起旋轉，通過兩個氣缸的推動，帶動第二螺桿的旋轉，轉為動板、推桿的運動；通過改變距離，改變第一旋轉底板、第二旋轉底板的角度，定好穿刺方向。
5.如權利要求1所述的核磁共振穿刺手術定位機器人，其特征在于，所述的穿刺模塊包括穿刺底板、第一傳動軸、從動輪、第五氣缸、第五氣缸底座、延長桿、第二推板、第一主動輪、第三推動鏈輪、齒條、穿刺針固定板、穿刺針、第二傳動軸、第二主動輪；穿刺底板的下部分與身體接觸，凸臺上放置顯影劑，便于在核磁共振下顯影，以確定穿刺點位置；氣缸推動第三推動鏈輪，帶動第二傳動軸、第一主動輪的旋轉，由于配合，第三推動鏈輪向下運動， 穿刺針固定板、穿刺針隨齒條運動，完成穿刺過程；另一側氣缸推動第三推動鏈輪時，帶動第二主動輪轉動，由于多了一個從動輪，第三推動鏈輪向上運動，穿刺針固定板、穿刺針隨齒條運動，完成穿刺針的拔出過程。
全文摘要
本發明公開了一種醫療器械技術領域的核磁共振下穿刺手術定位機器人，包括預定位模塊、精確定位模塊、穿刺定向模塊、穿刺模塊，其中預定位模塊、精確定位模塊、穿刺定向模塊和穿刺模塊依次相連。本發明具有六自由度，通過控制每個自由度，最終實現穿刺針與靶點在同一直線上，自動完成穿刺過程，尺寸小巧，操作簡單，有效的解決了徒手穿刺的弊端，提高了穿刺效率。
文檔編號A61B17/34GK102499761SQ20111036397
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月16日 優先權日2011年11月16日
發明者于海龍, 孟紀超, 張振峰, 許東, 謝叻, 饒玲軍 申請人:上海交通大學