本發明涉及一種磁共振兼容的氣動穿刺手術機器人，屬于醫療器械技術領域。

背景技術：

穿刺手術是臨床中常見的一種微創外科手術，醫生在醫學影像的引導下，將穿刺針經皮膚穿刺至病灶區域，為活檢或介入治療建立通道。微創手術具有創傷小,疼痛輕、恢復快等特點,對手術操作的精準性、穩定性和醫生的技能也提出了較高的要求。利用機器人協助醫生在磁共振實時影像的引導下完成手術，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。但是由于核磁共振儀工作空間狹窄，此類機器人的結構必須十分緊湊，同時需要能在核磁共振儀的高場強磁場中正常工作，并不得對磁共振成像產生干擾，即具有磁共振兼容特性。因此，磁共振兼容的穿刺手術機器人不能照搬通用手術機器人的構型、驅動、材料和傳感器設計方案。

磁共振兼容穿刺手術機器人不能采用傳統電機作為驅動器，目前可行的驅動方式主要有液壓驅動、氣壓驅動和超聲波/壓電電機驅動，其中氣壓驅動具有磁共振兼容性好、功率-質量比大、清潔、結構簡單、易維護等優點，是一種比較理想的驅動方式。

因此，本領域的技術人員致力于開發一種能在核磁共振儀狹小空間和高場強磁場中工作，同時不會對磁共振成像產生干擾的氣動穿刺手術機器人。

技術實現要素：

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種磁共振兼容的氣動穿刺手術機器人，具有結構簡單、節省空間、安全可靠等特點，且通過氣壓驅動控制穿刺針六個自由度的獨立運動，能夠在核磁共振儀的狹小空間和高場強磁場中工作，同時不會對磁共振成像產生干擾，定位精準高效。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種磁共振兼容的氣動穿刺手術機器人，包括依次相連的定位模塊、穿刺定向模塊、進針模塊；

定位模塊用于實現穿刺針在磁共振成像設備中沿軸向、徑向與周向的移動定位；

穿刺定向模塊用于調整定位穿刺針的穿刺角度；

進針模塊用于實現對穿刺針進針與退針運動的自動控制。

優選的，所述定位模塊包括無桿氣缸、直線導軌、環形導軌、升降機構及第一氣缸；

其中，所述無桿氣缸及直線導軌平行且相對設置于磁共振成像設備的床板兩側，無桿氣缸及直線導軌上分別設置有相適配的無桿氣缸滑塊及直線導軌滑塊；無桿氣缸滑塊及直線導軌滑塊上各設置有一個支架，兩側支架分別通過連接板固定于無桿氣缸滑塊及直線導軌滑塊上；環形導軌安裝于兩側支架上，且環形導軌所在平面垂直于無桿氣缸的中心軸線；

環形導軌上設置有兩個環形導軌滑塊，兩個環形導軌滑塊之間通過滑塊連桿鉸接；升降機構的上平臺安裝于其中一個環形導軌滑塊前側，且升降機構的升降軌跡線經過環形導軌的圓心；另一個環形導軌滑塊及其相近一側的支架前側分別設置有第一L型連接塊、第二L型連接塊，第一氣缸的活塞桿頂端及缸筒末端分別鉸接于第一L型連接塊及第二L型連接塊上，通過第一氣缸的伸縮控制兩個環形導軌滑塊沿環形導軌的滑動。

通過無桿氣缸、第一氣缸及升降機構來實現穿刺針在磁共振成像設備中沿軸向、徑向與周向這三個自由度上的移動定位。

優選的，所述升降機構采用剪叉式升降機，運行穩定可靠。

優選的，所述穿刺定向模塊包括底板、兩個軸承支座、轉軸、第二氣缸、第三氣缸、連桿傳動機構及殼體；

其中，兩個軸承支座通過底板固定于升降機構的下平臺底部，轉軸水平安裝于兩個軸承支座上，且轉軸的前端延伸至軸承支座外；轉軸的支撐段上沿轉軸的直徑方向安裝有轉軸連桿，轉軸連桿的頂端與第二氣缸的活塞桿頂端鉸接；第二氣缸的缸筒鉸接于底板上，通過第二氣缸的伸縮控制轉軸的轉動；

連桿傳動機構包括推桿、第一連桿、第二連桿、第三連桿、第四連桿、第五連桿、第六連桿，其中第一連桿、第二連桿、第三連桿、第四連桿、第五連桿、第六連桿之間相互平行；第一連桿、第二連桿長度相同，第三連桿、第四連桿長度相同，第五連桿、第六連桿長度相同；

第一連桿及第二連桿相對設置于轉軸的延伸段兩側，第一連桿及第二連桿的一端固定于轉軸上，另一端向前方延伸；第一連桿及第二連桿的延伸端之間從后往前依次設置有第一U型連接塊、第二U型連接塊，第一U型連接塊及第二U型連接塊均開口向下且并列設置；第一U型連接塊的開口兩側分別與第一連桿、第二連桿鉸接，第二U型連接塊的開口兩側分別與第一連桿、第二連桿鉸接；第三氣缸的缸筒沿第二連桿的長度方向固定于第二連桿的內側，推桿的兩端分別與第三氣缸的活塞桿頂端、第一U型連接塊的中部鉸接，通過第三氣缸的伸縮帶動第一U型連接塊的轉動；

第三連桿及第四連桿相對設置于第一U型連接塊及第二U型連接塊兩側頂部，從而構成兩個相同的平行四桿機構，實現從第一U型連接塊到第二U型連接塊的傳動；

第三連桿及第四連桿向前方延伸，第三連桿及第四連桿的前端分別與殼體左右兩側上部鉸接；第五連桿及第六連桿的一端分別與第二U型連接塊兩側中部鉸接，第五連桿及第六連桿的另一端分別與殼體左右兩側下部鉸接，再次構成兩個相同的平行四桿機構，實現從第二U型連接塊到殼體的傳動。

通過第二氣缸、第三氣缸控制殼體的滾轉、俯仰自由度，從而實現穿刺針穿刺姿態的調整。上述穿刺定向模塊構成一個遠程運動中心(RCM)機構，RCM機構可以使機構末端執行器繞其上某固定點做旋轉運動，且該虛擬固定點在機構遠端(即目標靶點)。

優選的，所述進針模塊包括第四氣缸、齒條、齒輪軸、第一摩擦輪、摩擦輪軸、第二摩擦輪、穿針軸、穿刺針及穿刺針導管；

其中，齒輪軸、摩擦輪軸及穿針軸均水平貫穿殼體的左右兩側，且齒輪軸穿過第五連桿、第六連桿與殼體的鉸鏈孔而與第五連桿、第六連桿相連；第一摩擦輪套設在殼體內的齒輪軸上，齒輪軸上的齒輪設置在左側殼體外；第四氣缸的缸筒沿第五連桿的長度方向固定于第五連桿的外側，第四氣缸的活塞桿與齒條相連，齒條與齒輪軸上的齒輪相配合，通過第四氣缸的伸縮帶動齒輪軸與第一摩擦輪的轉動；

第二摩擦輪套設在殼體內的摩擦輪軸上，且第二摩擦輪與第一摩擦輪相切；穿刺針導管沿穿針軸的直徑方向貫穿穿針軸并固定在穿針軸內，穿刺針穿過穿刺針導管且經過第一摩擦輪與第二摩擦輪之間而同時與第一摩擦輪、第二摩擦輪相切，通過第一摩擦輪的轉動帶動穿刺針的進退。

由第四氣缸帶動兩個摩擦輪的轉動，進而帶動穿刺針的進退，實現對穿刺針刺入病人皮膚深淺的控制。

優選的，殼體上與摩擦輪軸及穿針軸的連接處設置有可供活動的方形孔，摩擦輪軸及穿針軸兩側通過螺栓安裝在殼體上；殼體前側設置有調整螺栓，摩擦輪軸及第二摩擦輪通過調整螺栓調整其與齒輪軸、第一摩擦輪之間的距離從而固定穿刺針的位置。

有益效果：本發明提供的一種磁共振兼容的氣動穿刺手術機器人，相對于現有技術，具有以下優點：1、結構簡單，成本較低，同時大大節省了空間，且操作及維護方便，使用安全可靠；2、通過氣壓驅動控制穿刺針六個自由度的獨立運動，有效的解決了徒手穿刺的弊端，有效提高了穿刺手術的準確性和穩定性；3、能夠在核磁共振儀的狹小空間和高場強磁場中工作，同時不會對磁共振成像產生干擾，定位精準高效。

附圖說明

圖1為本發明一種磁共振兼容的氣動穿刺手術機器人的整體結構示意圖；

圖2為本發明一種磁共振兼容的氣動穿刺手術機器人定位模塊的結構示意圖；

圖3為本發明一種磁共振兼容的氣動穿刺手術機器人穿刺定向模塊的結構示意圖；

圖4為本發明一種磁共振兼容的氣動穿刺手術機器人穿刺定向模塊中滾轉模塊的結構示意圖；

圖5為本發明一種磁共振兼容的氣動穿刺手術機器人穿刺定向模塊中俯仰模塊的結構示意圖；

圖6為本發明一種磁共振兼容的氣動穿刺手術機器人進針模塊外部的結構示意圖；

圖7為本發明一種磁共振兼容的氣動穿刺手術機器人進針模塊內部的結構示意圖；

圖中包括：1、定位模塊，1-1、無桿氣缸，1-2、無桿氣缸滑塊，1-3、直線導軌，1-4、直線導軌滑塊，1-5、連接板，1-6、第二L型連接塊，1-7、支架，1-8、環形導軌，1-9、環形導軌滑塊，1-10、滑塊連桿，1-11、剪叉式升降機，1-12、第一L型連接塊，1-13、第一氣缸；

2、穿刺定向模塊，2-1、底板，2-2、轉軸，2-3、軸承支座，2-4、轉軸連桿，2-5、第二氣缸，2-6、第一連桿，2-7、第二連桿，2-8、第三連桿，2-9、第四連桿，2-10、第五連桿，2-11、第六連桿，2-12、第一U型連接塊，2-13、第二U型連接塊，2-14、第三氣缸，2-15、推桿，2-16、殼體；

3、進針模塊，3-1、第四氣缸，3-2、齒條，3-3、齒輪軸，3-4、摩擦輪軸，3-5、調整螺栓，3-6、穿針軸，3-7、穿刺針，3-8、方形孔，3-9、穿刺針導管，3-10、第一摩擦輪，3-11、第二摩擦輪。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發明作更進一步的說明。

如圖1所示為一種磁共振兼容的氣動穿刺手術機器人，其特征在于，包括依次相連的定位模塊1、穿刺定向模塊2、進針模塊3；

其中，定位模塊1用于實現穿刺針3-7在磁共振成像設備中沿軸向、徑向與周向的移動定位；

穿刺定向模塊2用于調整定位穿刺針3-7的穿刺角度；

進針模塊3用于實現對穿刺針3-7進針與退針運動的自動控制。

本實施例中，所述定位模塊1包括無桿氣缸1-1、直線導軌1-3、環形導軌1-8、剪叉式升降機1-11及第一氣缸1-13；

其中，所述無桿氣缸1-1及直線導軌1-3平行且相對設置于磁共振成像設備的床板兩側，無桿氣缸1-1及直線導軌1-3上分別設置有相適配的無桿氣缸滑塊1-2及直線導軌滑塊1-4；無桿氣缸滑塊1-2及直線導軌滑塊1-4上各設置有一個支架1-7，兩側支架1-7分別通過連接板1-5固定于無桿氣缸滑塊1-2及直線導軌滑塊1-4上；環形導軌1-8安裝于兩側支架1-7上，且環形導軌1-8所在平面垂直于無桿氣缸1-1的中心軸線；

環形導軌1-8上設置有兩個環形導軌滑塊1-9，兩個環形導軌滑塊1-9之間通過滑塊連桿1-10鉸接；剪叉式升降機1-11的上平臺安裝于其中一個環形導軌滑塊1-9前側，且剪叉式升降機1-11的升降軌跡線經過環形導軌1-8的圓心；另一個環形導軌滑塊1-9及其相近一側的支架1-7前側分別設置有第一L型連接塊1-12、第二L型連接塊1-6，第一氣缸1-13的活塞桿頂端及缸筒末端分別鉸接于第一L型連接塊1-12及第二L型連接塊1-6上，通過第一氣缸1-13的伸縮控制兩個環形導軌滑塊1-9沿環形導軌1-8的滑動。

本實施例中，所述穿刺定向模塊2包括底板2-1、轉軸2-2、兩個軸承支座2-3、第二氣缸2-5、第三氣缸2-14、連桿傳動機構及殼體2-16；

其中，兩個軸承支座2-3通過底板2-1固定于剪叉式升降機1-11的下平臺底部，轉軸2-2水平安裝于兩個軸承支座2-3上，且轉軸2-2的前端延伸至軸承支座2-3外；轉軸2-2的支撐段上沿轉軸2-2的直徑方向安裝有轉軸連桿2-4，轉軸連桿2-4的頂端與第二氣缸2-5的活塞桿頂端鉸接；第二氣缸2-5的缸筒鉸接于底板2-1上，通過第二氣缸2-5的伸縮控制轉軸2-2的轉動；

連桿傳動機構包括第一連桿2-6、第二連桿2-7、第三連桿2-8、第四連桿2-9、第五連桿2-10、第六連桿2-11、推桿2-15，其中第一連桿2-6、第二連桿2-7、第三連桿2-8、第四連桿2-9、第五連桿2-10、第六連桿2-11之間相互平行；第一連桿2-6、第二連桿2-7長度相同，第三連桿2-8、第四連桿2-9長度相同，第五連桿2-10、第六連桿2-11長度相同；

第一連桿2-6及第二連桿2-7相對設置于轉軸2-2的延伸段兩側，其一端固定于轉軸2-2上，另一端向前方延伸；第一連桿2-6及第二連桿2-7的延伸端之間從后往前依次設置有第一U型連接塊2-12、第二U型連接塊2-13，第一U型連接塊2-12及第二U型連接塊2-13均開口向下且并列設置；第一U型連接塊2-12的開口兩側分別與第一連桿2-6、第二連桿2-7鉸接，第二U型連接塊2-13的開口兩側分別與第一連桿2-6、第二連桿2-7鉸接；第三氣缸2-14的缸筒沿第二連桿2-7的長度方向固定于第二連桿2-7的內側，推桿2-15的兩端分別與第三氣缸2-14的活塞桿頂端、第一U型連接塊2-12的中部鉸接，通過第三氣缸2-14的伸縮帶動第一U型連接塊2-12的轉動；

第三連桿2-8及第四連桿2-9相對設置于第一U型連接塊2-12及第二U型連接塊2-13兩側頂部，從而構成兩個相同的平行四桿機構，實現從第一U型連接塊2-12到第二U型連接塊2-13的傳動；

第三連桿2-8及第四連桿2-9的前端分別與殼體2-16左右兩側上部鉸接；第五連桿2-10及第六連桿2-11的一端分別與第二U型連接塊2-13兩側中部鉸接，第五連桿2-10及第六連桿2-11的另一端分別與殼體2-16左右兩側下部鉸接，再次構成兩個相同的平行四桿機構，實現從第二U型連接塊2-13到殼體2-16的傳動。

本實施例中，所述進針模塊3包括第四氣缸3-1、齒條3-2、齒輪軸3-3、第一摩擦輪3-10、摩擦輪軸3-4、第二摩擦輪3-11、穿針軸3-6、穿刺針3-7及穿刺針導管3-9；

其中，齒輪軸3-3、摩擦輪軸3-4及穿針軸3-6均水平貫穿殼體2-16的左右兩側，且齒輪軸3-3穿過第五連桿2-10、第六連桿2-11與殼體2-16的鉸鏈孔而與第五連桿2-10、第六連桿2-11相連；第一摩擦輪3-10套設在殼體2-16內的齒輪軸3-3上，齒輪軸3-3上的齒輪設置在左側殼體2-16外；第四氣缸3-1的缸筒沿第五連桿2-10的長度方向固定于第五連桿2-10的外側，第四氣缸3-1的活塞桿與齒條3-2相連，齒條3-2與齒輪軸3-3上的齒輪相配合，通過第四氣缸3-1的伸縮帶動齒輪軸3-3及第一摩擦輪3-10的轉動；

第二摩擦輪3-11套設在殼體2-16內的摩擦輪軸3-4上，且第二摩擦輪3-11與第一摩擦輪3-10相切；穿刺針導管3-9沿穿針軸3-6的直徑方向貫穿穿針軸3-6并固定在穿針軸3-6內，穿刺針3-7穿過穿刺針導管3-9且經過第一摩擦輪3-10與第二摩擦輪3-11之間而同時與第一摩擦輪3-10、第二摩擦輪3-11相切，通過第一摩擦輪3-10的轉動帶動穿刺針3-7的進退。

本實施例中，所述殼體2-16上與摩擦輪軸3-4及穿針軸3-6的連接處設置有可供活動的方形孔3-8，摩擦輪軸3-4及穿針軸3-6兩側通過螺栓安裝在殼體2-16上；殼體2-16前側設置有調整螺栓3-5，摩擦輪軸3-4及第二摩擦輪3-11通過調整螺栓3-5調整其與齒輪軸3-3、第一摩擦輪3-10之間的距離從而固定穿刺針3-7的位置。

本發明的具體實施方式如下：

確定病人的穿刺部位后打開核磁共振(MR)設備，病人平躺在MR設備的病床上，準備開始；通過無桿氣缸1-1控制整個機器人在MR設備軸向上的平移，通過第一氣缸1-13控制環形導軌滑塊1-9沿半邊環形導軌1-8的滑動；當穿刺部位在病人身體另一側時，可以將升降機構1-11調換到另一個環形導軌滑塊1-9上；通過升降機構1-11控制穿刺定向模塊2在MR設備徑向上的位移。上述三個氣缸所控制的三個自由度可以將穿刺定向模塊2的遠心點送至病人的穿刺點。

通過第二氣缸2-5控制穿刺針3-7的滾轉運動，通過第三氣缸2-14控制穿刺針3-7的俯仰運動。上述兩個氣缸所控制的自由度可以實現穿刺針的姿態調整。

通過第四氣缸3-1控制穿刺針3-7的進針與退針運動，將穿刺針刺3-7刺入病人的體內。

采用上述技術方案，可以通過氣缸控制每個自由度獨立的運動，能夠按照要求在核磁共振設備內從患者腹腔外部不同的位置與不同的角度進針，使穿刺針3-7以不同的姿態到達目標靶點，協助醫生在磁共振實時影像的引導下完成穿刺手術。本發明結構緊湊，能在核磁共振儀狹小空間和高場強磁場中工作，同時不會對磁共振成像產生干擾，并且定位精度高、靈巧性強，而且對患者造成的創傷小，便于術后恢復。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。