專利名稱：超聲圖像導航的近距離粒子植入機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種機器人。特別是涉及一種針刺機械手機構的基于超聲圖像導航的近距離粒子植入機器人。
背景技術：
近距離放射性治療是控制前列腺癌病情發展和死亡率的一種有效方法，它通過針刺手術在癌變部位植入放射性粒子殺死癌細胞以達到治療的目的。傳統的手動針刺手術不僅精度低，而且放射性粒子還會對臨床醫生造成放射性傷害。對于預先規劃的軌跡，也可能會因為患者身體的移動和針刺對于軟組織的刺激，而無法實現預計的效果。基于圖像導航的機器人輔助手術不僅定位精度高、靈巧性強，而且對患者造成的創傷小，便于術后恢復，這樣可以很好的解決傳統針刺手術帶來的問題。
超聲圖像具有實時性、無輻射、經濟性等特點，被廣泛地應用到穿刺手術中。超聲引導的穿刺手術具有以下優點其一，醫生在超聲圖像導航下能準確地規劃進針路徑，同時機器人比人手具有更高的穩定性和準確性；其二，穿刺針與探頭的分離克服了穿刺引導架對進針角度的限制，有利于進針路徑的選擇；其三，減少了手術中的認為因素，降低了醫生的勞動強度，有利于技術的普及應用。因此，基于超聲導向的機器人輔助穿刺手術具有重要的理論意義和實際應用價值。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠達到高精度、低創傷、減少術后并發癥和后遺癥的超聲圖像導航的近距離粒子植入機器人。本發明所采用的技術方案是一種超聲圖像導航的近距離粒子植入機器人，包括實現前、后、左、右四個水平方向移動和上下方向移動的移動支座，設置在移動支座上的超聲波探頭進給和旋轉單元，以及設置在超聲波探頭進給和旋轉單元的具有超聲波探頭伸出側的針刺模板空間姿態調整單元，其中，所述的超聲波探頭進給和旋轉單元有超聲波探頭支撐架進給機構和超聲波探頭旋轉機構；所述的針刺模板空間姿態調整單元有針刺模板旋轉機構和針刺模板升降翻轉機構。所述的移動支座包括底座，設置在底座上并沿底座作水平直線移動的動平臺，設置在動平臺上并沿動平臺作與動平臺移動方向相垂直的水平直線移動的升降底座，設置在升降底座上作升降運動的升降機構。所述的底座的一側邊安裝有第一伺服電機，所述的底座內安裝有與第一伺服電機的輸出軸相連的第一滾珠絲杠，所述的動平臺的底面中部與所述的第一滾珠絲杠為螺紋連接，所述的動平臺的底面兩側與所述的底座為燕尾槽導軌的連接結構；所述的動平臺上與自身移動方向相平行的一側邊安裝有第二伺服電機，所述的動平臺內安裝有與第二伺服電機的輸出軸相連的第二滾珠絲杠，所述的升降底座的底面中部與所述的第二滾珠絲杠為螺紋連接，所述的升降底座的底面兩側與所述的動平臺為燕尾槽導軌的連接結構。
所述的升降機構包括位于升降底座上方的第三滾珠絲杠，位于第三滾珠絲杠下端且輸出軸與第三滾珠絲杠下端相連的伺服電機，分別垂直固定在升降底座端面上的四個升降導柱，分別套在四個升降導柱上的四個升降套筒，以及固定連接在四個升降套筒頂端和第三滾珠絲杠的套筒頂端的支撐板。所述的超聲波探頭進給和旋轉單元包括設置在移動支座的支撐板上的超聲波探頭靜平臺，安裝在超聲波探頭靜平臺一側的第三伺服電機，設置在超聲波探頭靜平臺內并與所述的第三伺服電機的輸出軸相連的第三滾珠絲杠，與所述的第三滾珠絲杠為螺紋連接的探頭動平臺，設置在探頭動平臺上的U型超聲波探頭支撐架，所述的U型超聲波探頭支撐架的兩縱架上形成有貫穿B超探頭的通孔，所述的U型超聲波探頭支撐架兩縱架的內側在與所述的通孔相對應處各設置一個B超探頭夾具，在U型超聲波探頭支撐架的遠離針刺模板一側的縱架的外側面上設置有第四伺服電機，所述的B超探頭的一端貫穿U型超聲波探頭支撐架的兩縱架以及兩個B超探頭夾具與所述的第四伺服電機的輸出軸相連接。所述的針刺模板旋轉機構為手動機構，包括針刺模板靜平臺，安裝在針刺模板靜平臺上的滾珠絲杠扭桿，滾珠絲杠扭桿的一端位于針刺模板靜平臺的外側并設有旋鈕，滾·珠絲杠扭桿在位于針刺模板靜平臺上方的部分連接絲杠螺母，所述的絲杠螺母上固定連接有第一針刺模板動平臺，所述的第一針刺模板動平臺上螺紋連接有錐齒輪桿，所述的錐齒輪桿上固定連接有第一錐齒輪，還設置有與所述的第一錐齒輪相嚙合的水平設置的第二錐齒輪，所述第二錐齒輪通過一旋轉軸連接第二針刺模板動平臺，從而實現第二針刺模板動平臺的旋轉，所述的第一針刺模板動平臺上還設置有用于限定錐齒輪桿旋轉角度的第一鎖定旋鈕，所述的第二針刺模板動平臺上設置有針刺模板升降翻轉機構。所述的針刺模板升降翻轉機構為手動機構，包括一端設置在針刺模板旋轉機構中的第二針刺模板動平臺上面的兩個滾珠絲杠螺桿，所述的第二針刺模板動平臺上設置有手動控制兩個滾珠絲杠螺桿旋轉的抬升旋鈕，所述的兩個滾珠絲杠螺桿頂端螺紋連接針刺模板框架，針刺模板設置在針刺模板框架內，所述的針刺模板框架的側壁上設置有用于控制針刺模板翻轉的翻轉機構，所述的翻轉機構有翻轉旋鈕，與翻轉旋鈕連接的第一齒輪，與第一齒輪相嚙合的第二齒輪，所述的第二齒輪連接針刺模板的翻轉軸，所述的針刺模板框架上還設置有用于限定針刺模板翻轉角度的第二鎖定旋鈕。所述的第一齒輪的直徑小于第二齒輪的直徑。本發明的超聲圖像導航的近距離粒子植入機器人，能夠在超聲波圖像的導航下輔助醫生來完成針刺手術，盡可能地提高針刺手術的精度，減少病人在手術中的痛苦。結構靈活，克服手術過程中成像效果不及時和軌跡規劃難的弊端，以達到高精度、低創傷、減少術后并發癥和后遺癥。本發明能夠極大程度的提高手術的精度，手術的成功性和完善性，從而為超聲波圖像弓I導機器人輔助微創外科手術開辟了一條新的途徑。


圖I是本發明的整體結構示意圖；圖2是本發明底部的移動支座結構示意圖；圖3是本發明的超聲波探頭進給和旋轉單元結構示意圖；圖4是本發明的針刺模板空間姿態調整單元結構示意圖。
I :底座2 :第一伺服電機3 :第一滾珠絲杠4 :動平臺5 :第二伺服電機6 :升降底座7:第三滾珠絲杠8:升降導柱9 :升降套筒10 :第三伺服電機11:超聲波探頭靜平臺 12:第三滾珠絲杠13 :探頭動平臺14 :超聲波探頭支撐架 15 :第四伺服電機16 B超探頭夾具17 B超探頭18 :支撐板19 :第二滾珠絲杠20 :錐齒輪桿21 :第一針刺模板動平臺22 :第一鎖定旋鈕23 :第一錐齒輪24 :第二錐齒輪25 :絲杠螺母26 :針刺模板靜平臺27:滾珠絲杠扭桿28:第二針刺模板動平臺29 :抬升旋鈕30 :滾珠絲杠螺桿31 :針刺模板框架32 :針刺模板33 :第二鎖定旋鈕34 :翻轉旋鈕35 :第一齒輪36 :第二齒輪
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明的超聲圖像導航的近距離粒子植入機器人做出詳細說明。本發明的超聲圖像導航的近距離粒子植入機器人，其超聲波探頭的定位被分配到了兩個獨立模塊中執行，分別為機械手機構底層模塊和超聲波探頭平臺模塊。其中底層模塊由伺服電機、滾珠絲杠和燕尾槽滑軌組成，實現空間三個相互垂直方向的平移運動，調整超聲波探頭和針刺模板的空間位置。在超聲波探頭平臺模塊中，共分配了兩個自由度，其一是通過伺服電機和滾珠絲杠實現的平動，實現超聲波探頭的進給運動，調整超聲波探頭的空間位置以及相對于針刺模板的位置；其二，是通過伺服電機的轉動來實現超聲波探頭的小范圍轉動，以增大掃描范圍。模板空間位姿的調整除了分配在底層模塊中的三個平動自由度之外，在針刺模板平臺上分配了四個自由度(兩個平動和兩個轉動自由度)，這四個自由度來實現針刺模板空間位姿的微調，由醫生通過手動調整來完成。如圖I所示，本發明的超聲圖像導航的近距離粒子植入機器人，包括實現前、后、左、右四個水平方向移動和上下方向移動的移動支座，設置在移動支座上的超聲波探頭進給和旋轉單元，以及設置在超聲波探頭進給和旋轉單元的具有超聲波探頭伸出側的針刺模板空間姿態調整單元，其中，所述的超聲波探頭進給和旋轉單元有超聲波探頭支撐架進給機構和超聲波探頭旋轉機構；所述的針刺模板空間姿態調整單元有針刺模板旋轉機構和針刺模板升降翻轉機構。如圖2所示，所述的移動支座包括底座I，設置在底座I上并沿底座I作水平直線移動的動平臺4，設置在動平臺4上并沿動平臺4作與動平臺4移動方向相垂直的水平直線移動的升降底座6，設置在升降底座6上作升降運動的升降機構。所述的底座I的一側邊安裝有第一伺服電機2，所述的底座I內安裝有與第一伺服電機2的輸出軸相連的第一滾珠絲杠3，所述的動平臺4的底面中部與所述的第一滾珠絲杠3為螺紋連接，所述的動平臺4的底面兩側與所述的底座I為燕尾槽導軌的連接結構；所述的動平臺4上與自身移動方向相平行的一側邊安裝有第二伺服電機5，所述的動平臺4內安裝有與第二伺服電機5的輸出軸相連的第二滾珠絲杠19,所述的升降底座6的底面中部與所述的第二滾珠絲杠19為螺紋連接，所述的升降底座6的底面兩側與所述的動平臺4為燕尾槽導軌的連接結構。所述的升降機構包括位于升降底座6上方的第三滾珠絲杠7，位于第三滾珠絲杠7下端且輸出軸與第三滾珠絲杠7下端相連的伺服電機，分別垂直固定在升降底座6端面上的四個升降導柱8，分別套在四個升降導柱8上的四個升降套筒9，以及固定連接在四個升降套筒9頂端和第三滾珠絲杠7的套筒頂端的支撐板18。
如圖3所示，所述的超聲波探頭進給和旋轉單元包括設置在移動支座的支撐板18上的超聲波探頭靜平臺11，安裝在超聲波探頭靜平臺11 一側的第三伺服電機10，設置在超聲波探頭靜平臺11內并與所述的第三伺服電機10的輸出軸相連的第三滾珠絲杠12，與所述的第三滾珠絲杠12為螺紋連接的探頭動平臺13，設置在探頭動平臺13上的U型超聲波探頭支撐架14，所述的U型超聲波探頭支撐架14的兩縱架上形成有貫穿B超探頭17的通孔，所述的U型超聲波探頭支撐架14兩縱架的內側在與所述的通孔相對應處各設置一個B超探頭夾具16，在U型超聲波探頭支撐架14的遠離針刺模板32 —側的縱架的外側面上設置有第四伺服電機15，所述的B超探頭17的一端貫穿U型超聲波探頭支撐架14的兩縱架以及兩個B超探頭夾具16與所述的第四伺服電機15的輸出軸相連接。如圖4所示,所述的針刺模板旋轉機構為手動機構,包括針刺模板靜平臺26,安裝在針刺模板靜平臺26上的滾珠絲杠扭桿27，滾珠絲杠扭桿27的一端位于針刺模板靜平臺26的外側并設有旋鈕，滾珠絲杠扭桿27在位于針刺模板靜平臺26上方的部分連接絲杠螺母25，所述的絲杠螺母25上固定連接有第一針刺模板動平臺21，所述的第一針刺模板動平臺21上螺紋連接有錐齒輪桿20，所述的錐齒輪桿20上固定連接有第一錐齒輪23，還設置有與所述的第一錐齒輪23相嚙合的水平設置的第二錐齒輪24，所述第二錐齒輪24通過一旋轉軸連接第二針刺模板動平臺28，從而實現第二針刺模板動平臺28的旋轉，所述的第一針刺模板動平臺21上還設置有用于限定錐齒輪桿20旋轉角度的第一鎖定旋鈕22，所述的第二針刺模板動平臺28上設置有針刺模板升降翻轉機構。所述的針刺模板升降翻轉機構為手動機構，包括一端設置在針刺模板旋轉機構中的第二針刺模板動平臺28上面的兩個滾珠絲杠螺桿30，所述的第二針刺模板動平臺28上設置有手動控制兩個滾珠絲杠螺桿30旋轉的抬升旋鈕29，所述的兩個滾珠絲杠螺桿30頂端螺紋連接針刺模板框架31，針刺模板32設置在針刺模板框架31內，所述的針刺模板框架31的側壁上設置有用于控制針刺模板32翻轉的翻轉機構，所述的翻轉機構有翻轉旋鈕34，與翻轉旋鈕34連接的第一齒輪35，與第一齒輪35相嚙合的第二齒輪36，所述的第二齒輪36連接針刺模板32的翻轉軸，所述的第一齒輪35的直徑小于第二齒輪36的直徑。所述的針刺模板框架31上還設置有用于限定針刺模板32翻轉角度的第二鎖定旋鈕33。以下結合附圖對本發明的超聲圖像導航的近距離粒子植入機器人的工作方式介紹如下平移運動本發明的超聲圖像導航的近距離粒子植入機器人的底層移動支座主要實現超聲波探頭模塊和模板平臺三個方向的平移運動。第一伺服電機2安裝在底座I上，通過第一滾珠絲杠3帶動動平臺4做平移運動，動平臺4和底座I之間通過燕尾槽導軌來引導運動。第二伺服電機5安裝在動平臺4上，通過第二滾珠絲杠19帶動升降底座6做平移運動，動平臺4和升降底座6之間亦是通過燕尾槽導軌來引導運動。第三滾珠絲杠7由位于其下端的伺服電機驅動，四個升降導柱8和升降套筒9之間配合，共同實現上層平臺的抬升運動。通過底層模塊三個方向的平動，可以實現超聲波探頭模塊和模板平臺的空間快速定位。超聲波探頭運動超聲波探頭進給和旋轉單元主要實現探頭的進給運動和轉動。第三伺服電機10安裝在超聲波探頭靜平臺11上，通過第三滾珠絲杠12帶動探頭動平臺13
移動，實現超聲波探針的進給運動。超聲波探頭支撐架14安裝在探頭動平臺13上，B超探頭17通過B超探頭夾具16安裝在超聲波探頭支撐架14上。第四伺服電機15安裝在超聲波探頭支撐架14上，帶動B超探頭17轉動。模板位置調整運動針刺模板空間姿態調整單元主要實現模板的空間姿態調整，具有兩個平動和兩個轉動自由度，便于醫生根據超聲圖像從不同的角度和位置借助于模板將放射性粒子準確送達癌變部位。滾珠絲杠扭桿27安裝在針刺模板靜平臺26上，通過滾珠絲杠副傳動帶動絲杠螺母25運動，從而第一針刺模板動平臺21移動。錐齒輪桿安裝在第一針刺模板平臺21上，通過錐齒輪23和錐齒輪24嚙合，將錐齒輪桿20的轉動轉換為錐齒輪24所在軸的轉動，該軸與第二針刺模板動平臺28固聯，從而實現針刺模板動平臺的轉動，由于錐齒輪傳動不具有自鎖功能，故在第一針刺模板動平臺21上設置了第一鎖定旋鈕
22。抬升旋鈕29和滾珠絲杠螺桿30之間通過螺旋運動將抬升旋鈕29的轉動轉換為針刺模板框架31的抬升運動。針刺模板32安裝在針刺模板框架31上,翻轉旋鈕34通過第一齒輪35和第二齒輪36之間的嚙合將翻轉旋鈕34的轉動轉換為模板32的擺動，考慮到重力因素的影響，模板發生擺動時如無外力會恢復到原始平衡狀態，固設置了第二鎖定旋鈕33，當模板發生擺動時給以鎖死。因此，本發明的超聲圖像導航的近距離粒子植入機器人，首先通過底層移動支座的三個自由度度的平移運動快速實現超聲波探頭和模板的空間位置定位，結合超聲波探頭進給和旋轉單元和針刺模板空間姿態調整單元，方便地調整超聲波探頭的空間位置以及與模板的相對位置。此外，結合超聲波圖像，模板的空間位姿可以通過模板平臺的兩個平動自由度和兩個旋轉自由度來調整。通過各個模塊之間的配合運動，可以協助醫生將放射性粒子準確快速地植入到病人癌變部位。
權利要求
1.一種超聲圖像導航的近距離粒子植入機器人，其特征在于，包括實現前、后、左、右四個水平方向移動和上下方向移動的移動支座，設置在移動支座上的超聲波探頭進給和旋轉單元，以及設置在超聲波探頭進給和旋轉單元的具有超聲波探頭伸出側的針刺模板空間姿態調整單元，其中，所述的超聲波探頭進給和旋轉單元有超聲波探頭支撐架進給機構和超聲波探頭旋轉機構；所述的針刺模板空間姿態調整單元有針刺模板旋轉機構和針刺模板升降翻轉機構。
2.根據權利要求I所述的超聲圖像導航的近距離粒子植入機器人，其特征在于，所述的移動支座包括底座(I )，設置在底座(I)上并沿底座(I)作水平直線移動的動平臺(4)，設置在動平臺(4)上并沿動平臺(4)作與動平臺(4)移動方向相垂直的水平直線移動的升降底座(6 )，設置在升降底座(6 )上作升降運動的升降機構。
3.根據權利要求2所述的超聲圖像導航的近距離粒子植入機器人，其特征在于，所述的底座(I)的一側邊安裝有第一伺服電機(2),所述的底座(I)內安裝有與第一伺服電機(2)的輸出軸相連的第一滾珠絲杠(3)，所述的動平臺(4)的底面中部與所述的第一滾珠絲杠(3)為螺紋連接，所述的動平臺(4)的底面兩側與所述的底座(I)為燕尾槽導軌的連接結構；所述的動平臺(4)上與自身移動方向相平行的一側邊安裝有第二伺服電機(5)，所述的動平臺(4)內安裝有與第二伺服電機(5)的輸出軸相連的第二滾珠絲杠(19)，所述的升降底座(6)的底面中部與所述的第二滾珠絲杠(19)為螺紋連接，所述的升降底座(6)的底面兩側與所述的動平臺(4)為燕尾槽導軌的連接結構。
4.根據權利要求2所述的超聲圖像導航的近距離粒子植入機器人，其特征在于，所述的升降機構包括位于升降底座(6)上方的第三滾珠絲杠(7)，位于第三滾珠絲杠(7)下端且輸出軸與第三滾珠絲杠(7)下端相連的伺服電機，分別垂直固定在升降底座(6)端面上的四個升降導柱(8)，分別套在四個升降導柱(8)上的四個升降套筒(9)，以及固定連接在四個升降套筒(9)頂端和第三滾珠絲杠(7)的套筒頂端的支撐板(18)。
5.根據權利要求I所述的超聲圖像導航的近距離粒子植入機器人，其特征在于，所述的超聲波探頭進給和旋轉單元包括設置在移動支座的支撐板(18)上的超聲波探頭靜平臺(11)，安裝在超聲波探頭靜平臺(11) 一側的第三伺服電機(10 )，設置在超聲波探頭靜平臺(11)內并與所述的第三伺服電機(10)的輸出軸相連的第三滾珠絲杠(12)，與所述的第三滾珠絲杠(12)為螺紋連接的探頭動平臺(13)，設置在探頭動平臺(13)上的U型超聲波探頭支撐架(14)，所述的U型超聲波探頭支撐架(14)的兩縱架上形成有貫穿B超探頭(17)的通孔，所述的U型超聲波探頭支撐架(14)兩縱架的內側在與所述的通孔相對應處各設置一個B超探頭夾具(16)，在U型超聲波探頭支撐架(14)的遠離針刺模板(32)—側的縱架的外側面上設置有第四伺服電機(15)，所述的B超探頭(17)的一端貫穿U型超聲波探頭支撐架(14)的兩縱架以及兩個B超探頭夾具(16)與所述的第四伺服電機(15)的輸出軸相連接。
6.根據權利要求I所述的超聲圖像導航的近距離粒子植入機器人，其特征在于，所述的針刺模板旋轉機構為手動機構，包括針刺模板靜平臺(26)，安裝在針刺模板靜平臺(26)上的滾珠絲杠扭桿(27)，滾珠絲杠扭桿(27)的一端位于針刺模板靜平臺(26)的外側并設有旋鈕，滾珠絲杠扭桿(27)在位于針刺模板靜平臺(26)上方的部分連接絲杠螺母(25)，所述的絲杠螺母(25)上固定連接有第一針刺模板動平臺(21)，所述的第一針刺模板動平臺(21)上螺紋連接有錐齒輪桿(20)，所述的錐齒輪桿(20)上固定連接有第一錐齒輪(23)，還設置有與所述的第一錐齒輪(23)相嚙合的水平設置的第二錐齒輪(24)，所述第二錐齒輪(24)通過一旋轉軸連接第二針刺模板動平臺(28)，從而實現第二針刺模板動平臺(28)的旋轉，所述的第一針刺模板動平臺(21)上還設置有用于限定錐齒輪桿(20)旋轉角度的第一鎖定旋鈕(22)，所述的第二針刺模板動平臺(28)上設置有針刺模板升降翻轉機構。
7.根據權利要求I所述的超聲圖像導航的近距離粒子植入機器人，其特征在于，所述的針刺模板升降翻轉機構為手動機構，包括一端設置在針刺模板旋轉機構中的第二針刺模板動平臺(28)上面的兩個滾珠絲杠螺桿(30)，所述的第二針刺模板動平臺(28)上設置有手動控制兩個滾珠絲杠螺桿(30)旋轉的抬升旋鈕(29)，所述的兩個滾珠絲杠螺桿(30)頂端螺紋連接針刺模板框架(31 )，針刺模板(32)設置在針刺模板框架(31)內，所述的針刺模板框架(31)的側壁上設置有用于控制針刺模板(32)翻轉的翻轉機構，所述的翻轉機構有翻轉旋鈕(34)，與翻轉旋鈕(34)連接的第一齒輪(35)，與第一齒輪(35)相嚙合的第二齒輪(36 )，所述的第二齒輪(36 )連接針刺模板(32 )的翻轉軸，所述的針刺模板框架(31)上還設置有用于限定針刺模板(32)翻轉角度的第二鎖定旋鈕(33)。
8.根據權利要求7所述的超聲圖像導航的近距離粒子植入機器人，其特征在于，所述的第一齒輪(35)的直徑小于第二齒輪(36)的直徑。
全文摘要
一種超聲圖像導航的近距離粒子植入機器人，包括實現前、后、左、右四個水平方向移動和上下方向移動的移動支座，設置在移動支座上的超聲波探頭進給和旋轉單元，以及設置在超聲波探頭進給和旋轉單元的具有超聲波探頭伸出側的針刺模板空間姿態調整單元，其中，超聲波探頭進給和旋轉單元有超聲波探頭支撐架進給機構和超聲波探頭旋轉機構；針刺模板空間姿態調整單元有針刺模板旋轉機構和針刺模板升降翻轉機構。本發明能夠在超聲波圖像的導航下輔助醫生來完成針刺手術，盡可能地提高針刺手術的精度，減少病人在手術中的痛苦。本發明能夠極大程度的提高手術的精度，手術的成功性和完善性，從而為超聲波圖像引導機器人輔助微創外科手術開辟了一條新的途徑。
文檔編號A61M36/04GK102921099SQ20121040874
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月23日 優先權日2012年10月23日
發明者楊志永, 張震, 郭杰, 張雯, 仇博文, 李梓楠 申請人:天津大學