專利名稱：一種醫用機械臂末端裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種機械臂末端裝置，尤其是一種用于輔助腫瘤消融手術中針狀醫用器械的自動裝卸與導向的醫用機械臂末端裝置。
背景技術：
當人體內部發生病變時，且患者的身體狀況不允許進行手術割除治療情況下，有時需要利用穿刺的手段對病灶進行活檢或治療(射頻消融、化學消融、微博消融)。通常是借助于儀器如CT/MRI掃描裝置測定出病灶與皮膚定位點的方位和穿刺針(消融針)的深度，首先在人體的橫剖面上測出病灶的位置，在該層面中選擇最佳進針位置和進針角度，利用進針層面、進針角度和進針深度的三維構像決定病灶及穿刺針(消融針)進針的精確位置。雖然CT/MRI掃描裝置能夠準確地確定三維的進針角度和進針深度，但穿刺手術的過程都是將病人從CT/MRI掃描層面移出后進行的，當病人離開CT掃描裝置時，醫生只能根據自己的 判斷，確定一個大致的進針方向，進行穿刺，然后再進行CT掃描加以確認。具體過程如下
I)術前掃描病灶部位的CT圖像，進行三維重建。分析腫瘤與周圍組織結構的三維立體解剖關系，設計腫瘤穿刺靶點。多數情況下為確定治療效果通常需要設計多靶點同步治療方案，這種多靶點同步治療方案技術前應確定穿刺針(消融針)的數量、角度、深度、皮膚進針點坐標點與穿刺祀點坐標。2)病人進入手術室后重新進行CT掃描。掃描前在腫瘤部位體表粘貼定位標記，通常采用可在CT圖像上顯影的金屬或塑料柵欄或定位紙。掃描后，再次進行影像分析，參照術前制定的計劃，并仔細測算，最終確定腫瘤靶點及皮膚進針點，完成手術設計后，將諸靶點與皮膚穿刺點一一對應連接，相應二點間的坐標參數如角度、深度即為手術定位穿刺參數。3)上述定位穿刺參數確定后，可借助于CT設備上的軸位斷層面光標，開啟該光標在病人體表的投影線即為定位坐標的X軸，設計時皮膚進針點所對應的體表定位標記點數(Y軸)與CT光標的交點即可確定為皮膚進針點，用不退色記號筆在皮膚上進行標記。4)皮膚進針點確定后即開始穿刺腫瘤靶點。穿刺中通常借助量角器確定進針角度與設計穿刺角度盡可能的保持一致，但實際操作過程中由于徒手操作往往誤差較大，初學者很難一次成功地準確刺準靶點。往往在穿刺過程中，需反復CT掃描確認并調整穿刺針的角度和人體斷層平面的夾角。從而使手術時間延長、病人輻射劑量大大增加。由于反復穿刺和腫瘤靶點穿刺精確度差而使手術并發癥增加，并直接影響治療效果。5)另外，現有的立體定向技術很難應用到人體其他部位的手術中，主要原因是人體其他部位的軟組織相對于周圍的骨骼組織位置不固定，使影像空間和病人空間很難取得一致的坐標定位。因此人體其他部位的介入穿刺還沒有一個固定的導向定位/姿裝置可以將穿刺針的方向固定下來，通常使用實時CT影像的引導，但由于沒有穿刺導引定位/姿，仍存在穿刺過程中的盲目性，醫生手中的穿刺器械沒有客觀精確的位置標記，很難在穿刺過程中將穿刺針固定在預定軌跡上，只能憑借醫生個人的經驗，需不斷進行影像掃描調整方向，最終結果可能還是與理想計劃路線有一定的偏移，且費時并影響治療效果。另外，CT掃描時醫生用手扶持穿刺針，會遭受不必要的射線照射。由于人為的因素較多，常常造成進針不準確，影響治療精度。有時需要重復多次進針，嚴重時會導致誤穿，給患者帶來極大的痛苦和風險。因此，業內人士開發出一些用于穿刺定位的定位裝置。申請號為200610029776. I的中國專利公開了一種CT定位經皮介入穿刺儀，用于CT引導下的經皮介入手術中穿刺針或其他經皮置入器械的導引定位。該裝置包括一架體及一固定于該架體的橫桿，橫桿上設有角度盤，角度盤上設有位置指針，位置指針上設有孔；穿刺導向器裝置包括固定塊、固定螺栓、螺栓套筒和穿刺導向器安裝孔，固定塊與固定螺栓焊接為一體，螺栓套筒套在固定螺栓上，固定螺栓和套筒上開設有穿刺導向器安裝孔，穿刺導向器固定裝置安設在位置指針的孔上。該結構對穿刺針穿刺定位做了改進，但是角度的位置設置并不滿足使用過程實際的效果，角度的誤差很大。申請號為201020300259. 5的中國專利公開了一種針體支撐支架，用于CT引導下的穿刺針定位，并顯示器械的方向。該支架包括底座、導向支撐結構、萬向連接桿三大部分，導向支撐支架結構包括支撐架和方向指示板，支撐架由設有缺口的主體和用于封堵主體缺口的附體構成，用來對針類器械進行定位，方向指示板用于對器械的方位進行顯示，萬向連接桿用于連接底座和導向支撐結構。該結構可以準確的對針類器械進行支撐定位并顯示方向，操作也較簡單，成本低，但是，所有的操作均依靠醫生來完成，自動化程度不高，同時沒有根本的改變影響手術精確度的人為因素，沒有很好的減少手術時間和解決醫生遭受射線照射的狀況。申請號為200710179569. 9的中國發明專利公開了一種CT導航微創外科并聯機器人，用于對穿刺針進行定位/姿。該機器人包括雙層靜平臺、傳動機構、十字導軌和穿刺針四部分。雙層靜平臺互相平行，十字導軌有兩個導套，分別設置在上層靜平臺和下層靜平臺中部的通槽處，十字導軌的交叉點處連接有球鉸，穿刺針的上部連接于上球鉸上，穿刺針的下部連接于下球鉸上。上、下球鉸分別具有兩個自由度，兩個球鉸的運動決定穿刺針的空間位置和姿態，同時穿刺針可以沿軸向方向運動。該發明的優點體現在關節累積誤差小，定位精度高，且具有一定的自動化程度。但是，該發明不能自動的將穿刺針從機器人中撤離出來，由于機器人的空間干涉使得后續的人工穿刺動作很進行，如果直接用機器代替后續的人工穿刺操作會導致異常情況發生，這是因為手術過程完全由機器強制性的進行，缺乏醫生的臨場感，對患者造成嚴重的手術傷害和風險。鑒于以上情況，特提出本發明。其主要理念是人機協調分工進行腫瘤穿刺(消融)手術，主要利用機器人的高度自動化、高精度特點，并結合本發明進行穿刺針(消融針)的定位/定姿，然后通過本發明實現整個機器人自動撤離手術區域，最后，借助醫生豐富的手術臨場感經驗實現穿刺針(消融針)的插入。這樣充分利用了機器與人的優點，使整個腫瘤消融手術充分實際可行。
發明內容
本發明要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種醫用機械臂末端裝置。本發明利用人機協調分工的理念，借助機器人高度自動化、精確度高特點實現穿刺針(消融針)的快速、精確導向定位以及方便的撤離手術區域。這為后續的醫生憑借其豐富的臨場感經驗進行手術過程的實現，提供了足夠大的操作空間。具體技術方案如下
一種醫用機械臂末端裝置包括用于裝卸針狀醫用器械的裝卸導向機構、用于安裝裝卸導向機構的組件和用于將組件固定在機械臂末端連桿上的連接板。進一步優化的，所述的裝卸導向機構包括夾四個相同的夾具體和用于驅動該四個相同的夾具體轉動的裝卸傳動機構。進一步優化的，所述的每個夾具體包括旋轉軸、上夾板、下夾板和用于對針狀醫用器械進行導向的一個以上的導向套，所述上夾板與下夾板結構相同且均有一端安裝在旋轉軸上，上夾板與下夾板的兩側邊緣均設有一個以上的半圓柱孔，上夾板上的每個半圓柱孔與下夾板上相應的一個半圓柱孔位于同一豎直軸線上，在豎直方向上的一對半圓柱孔中安裝有一個導向套，所述的裝卸傳動機構包括四個參數相同的圓柱直齒輪相互嚙合構成，且一個圓柱直齒輪相應地固定在一個夾具體的旋轉軸上。
進一步優化的，所述上夾板與下夾板的寬度與圓柱直齒輪相互嚙合的節圓直徑相等，導向套的外徑大于半圓柱孔的內徑，導向套開有上下兩個，且該半環形槽嵌入所述半圓柱孔中，使得導向套固定在上夾板與下夾板之間。進一步優化的，所述導向套開有用于對針狀醫用器械進行導向的導向孔，該導向孔的截面不限于某一特定的形狀，可根據針類醫用器械截面形狀的不同進行相應的設計，相互配對的導向套的配合面為平面度較高的平面。進一步優化的，所述的上夾板與下夾板的距離為10 40mm，半圓柱孔直徑為I 6mm,導向套的內孔直徑為0. 5 5mm。進一步優化的，所述的組件包括上壓板、下壓板、螺栓、螺母，上壓板、下壓板均設有用于安裝裝卸導向機構的四個安裝孔，整個裝卸導向機構通過螺栓與螺母固定在上壓板和下壓板之間，夾具體的旋轉軸通過軸承安裝在所述安裝孔中。進一步優化的，所述的連接板設有用于通過螺栓與螺母將該連接板與上壓板連接的通孔，另外連接板上設有供電機輸出軸通過的孔，使電機輸出軸與一個夾具體的旋轉軸連接。利用本發明的末端裝置對消融針或其它類似針狀醫療器械進行裝卸與導向的實現方法，主要體現在當電機(或其它的驅動方式，未在圖中標注)驅動裝卸導向機構中的任意一個旋轉軸時，由于裝卸傳動機構的傳動作用，驅動相鄰的夾具體旋轉方向相反，從而使得相鄰夾具體上對應導向套的配合面相互緊密貼合，形成A、B區域(參見圖10)或者C、D(參見圖11)中的封閉孔，然后將消融針插入即可導向。導向完畢后，反向驅動旋轉軸，使已配合在一起的夾具體相互分離(參見圖12)，然后控制機械臂使得整個裝置撤離工作區域。
采用上述技術方案后，本發明與現有技術相比具有以下有益效果。本發明所述的一種醫用機械臂末端裝置用于對疾病，特別是內部腫瘤，進行診斷或治療時，對穿刺針(消融針)起快速、精確導向定位以及方便地將其撤離手術區域，另外可配合各種型號和數量的穿刺針(消融針)實用。在CT斷層或者核磁共振斷層下，使用穿刺針對病灶穿刺進行麻醉止疼，或者使用活檢針穿刺采取組織進行活檢，或者使用射頻、微波、粒子植入、冷凍穿刺進行治療時，根據CT斷層或者核磁共振斷層影像測量的穿刺點，穿刺角度和穿刺深度，使用本發明引導穿刺針(消融針)的位置和姿態，在針進入皮膚或者病灶前，給予針體支撐并保持一定的位置，本發明起到對針體快速、精度引導、支撐，且該裝置能方便自動地撤離手術區域，為后續醫生進行徒手手術提供了較大的手術空間，增加了針的有效行程，較好的實現人機協調操作。因此，本發明結合了機器與人各自的優點，降低了定向穿刺的技術含量，即便初學者也能準確地穿刺病灶靶點；減少了穿刺次數，有效縮短了手術時間；減少了病人被動與醫生主動接受的輻射量，使經皮靶向穿刺的精確度得到了顯著的提高，易于實現自動化，可行性相對其它完全依靠機器進行手術的方法要高，另外，本發明通過合理巧妙的設計傳動機構，減少了動力源個數，只需一個動力源即可，這樣節省能源，同時也大大減少裝置的重量。
圖I是本發明的末端裝置所依附的機械臂載體結構示意圖。圖2是本發明醫用機械臂末端裝置的整體結構示意圖。圖3是裝卸導向機構示意圖。
圖4是裝卸導向機構中裝卸傳動原理圖。圖5是裝卸導向機構中夾具體結構示意圖。圖6是導向套結構示意圖。圖7是固定裝卸導向機構的結構示意圖。圖8是連接裝卸導向機構的連接板結構示意圖。圖9 12是本發明一實施實例的實施過程示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明做進一步詳細說明，但本發明的的實施方式不限于此。
實施例本發明作為一種醫用機器臂末端執行器需要依附于一個機械臂進行自動定位和定姿。如圖I所示，所述的機械臂5能使本發明中的裝卸導向機構I實現所需位置/姿態的定向，需要一定的自由度數目。由于不需要針繞軸旋轉的自由度，故完成基本任務只需5個自由度，其中3個自由度用來空間定位，另外2個用來實現姿態調整，但是在實際情況中，一般需要多余5個自由度進行冗余控制，這樣可以避免干涉、關節極限、奇異點等異常情況的出現。如圖2所示，醫用機械臂末端裝置包括裝卸導向機構I (下稱導向機構)、用于安裝裝卸導向機構I的組件2 (下稱組件)和用于將組件2固定在機械臂5的末端連桿4上的連接板3 (下稱連接板)。導向機構I主要實現針狀醫療器械的夾持、支撐與導向作業，通過對導向機構I的反向驅動與機械臂5的運動控制實現整個機器人系統撤離手術區域，為后續的人工操作提供較大的操作空間。如圖3所示，所述的導向機構I包括夾四個相同的夾具體(11、12、13、14)和一套裝卸傳動機構15 (下稱傳動機構)。導向機構I通過夾具體(11、12、13、14)的導向套113用來對針進行導向和支撐，通過傳動機構15來實現所需要的旋轉運動，從而使得導向機構I對針類醫療器械的夾持與撤離。如圖4所示，傳動原理為通過四個相同的直齒圓柱齒輪外嚙合進行傳動，即相鄰的兩個夾具體轉動方向等速、相反，從而實現相鄰的夾具體兩兩相互貼合，如圖10所示為夾具體11與14、12與13兩兩貼合，或者如圖11所示為夾具體11與12、13與14兩兩貼
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如圖5所示，每個夾具體包括旋轉軸116、上夾板111、下夾板114和用于對針狀醫用器械進行導向的一個以上的導向套113，所述上夾板111與下夾板114結構相同且均有一端安裝在旋轉軸上，上夾板111與下夾板114的兩側邊緣均設有一個以上的半圓柱孔112，上夾板111上的每個半圓柱孔與下夾板114上相應的一個半圓柱孔位于同一豎直軸線上，在豎直方向上的一對半圓柱孔112中安裝有一個導向套113，所述的傳動機構15包括四個參數相同的圓柱直齒輪(115、125、135、145)相互嚙合構成，且一個圓柱直齒輪相應地固定在一個夾具體的旋轉軸116。如圖3、圖4所示，所述上夾板111與下夾板114的寬度L與圓柱直齒輪(115、125、135、145)相互嚙合的節圓直徑d相等，以確保相鄰夾具體(11與12，13與14或者11與14，12與13)在傳動系統15作用下進行旋轉運動的時不發生干涉，且能使相鄰夾具體(11與12，13與14或者11與14，12與13)緊密貼合以使對應的一對導向套113完全封閉，實現夾持、支撐與導向功能。如圖6所示，導向套113的外徑大于半圓柱孔112的直徑，導向套113開有上下兩個半環形槽119，且該半環形槽嵌入所述半圓柱孔112中，使得導向套113固定在上夾板111與下夾板114之間。導向套113開有用于對針狀醫用器械進行導向的導向孔118，該導向孔的截面不限于某一特定的形狀，可根據針類醫用器械截面形狀的不同進行相應的設計，相互配對的導向套113的配合面為平面度較高的平面。所述的上夾板111與下夾板114的距離為10 40mm，保證針類醫療器械具有適合的支撐、導向長度，且不影響工作空間；半圓柱孔112直徑為I 6mm，導向套113的導向孔118直徑為0. 5 5_，略大于相應的針類醫療器械截面直徑，保證合適的導向間隙。如圖7所示，組件2包括上、下壓板23、螺栓22、螺母21構成，整個裝卸導向機構I通過螺栓22與螺母21固定在空間25中，夾具體的旋轉軸116通過軸承(圖中未標注)連接在壓板23中的安裝孔24中。如圖8所示，所述的連接板3上設有安裝孔31，通過螺栓22與螺母21將該末端執行器固定在機械臂5的末端。另外，連接板3上設有電機輸出軸(未在圖中標注)通過的孔32，使電機輸出軸與其中一個夾具體(11、或12、或13、或14)的旋轉軸116連接，將動力輸入到該發明裝置中。這樣只需一個電機即可實現所需的運動，很好的節省了動力源數目與該發明的質量。如圖9 12所示，醫用機械臂末端裝置實現夾持、支撐、導向針類的過程敘述如下
如圖9所示，在對針進行支撐導向之前的初始狀態，然后只需要驅動其中的一個旋轉軸116，通過傳動機構15的作用使得相鄰夾具體上對應導向套113的配合面117相互緊密貼合，形成A、B (參見圖10)或C、D區域(參加圖11)中的封閉孔，然后將消融針101人工插入即可導向。導向并插入人體合適深度后，反向驅動旋轉軸116，使夾具體11、12、13、14相互分離(參見圖12)，然后控制機械臂5使得整個裝置撤離工作區域，為后續手術提供足夠大的空間，增加了針的有效行程。本發明的醫用機械臂末端裝置聯合機器人系統與醫生在腫瘤消融臨床手術實現步驟如下
I)準備相關設備。如將機械臂5和該發明裝置固定在CT/MRI等影像設備旁邊，相關影像設備系統，通訊系統，控制設備，穿刺針(消融針101)等。2)經過CT/MRI掃描，確定腫瘤靶點和皮膚穿刺點，完成手術設計，將諸靶點與皮
膚進針點--對應連接，相應二點間的坐標參數如角度、深度即為手術定位穿刺參數，并將
這些數據進行儲存。3)將病人空間、機械臂操作空間、圖像空間的各坐標系進行配準。轉換各空間的位置與姿態參數到統一基準，方便后面的控制、顯示等操作。4)利用通訊系統將2)中手術設計所得到的數據傳送到機械臂5的控制器中，機械臂5控制本發明裝置運動到所需位置與姿態，如圖9所示。5)驅動本發明裝置的動力源，形成如圖10或圖11所示的A、B、C、D中封閉的導引孔。6)醫生將穿刺針(消融針)插入導引孔中進行導向和支撐，當針尖碰觸進針點時，還需要將針體的部分長度(設為)刺入人體，以便在撤離本發明裝置后，針保持原有的位置和方向。7)反向驅動本發明裝置的動力源，此時，本發明裝置結構如圖12所示。8)控制機械臂5帶動整個裝置撤離手術區域，為醫生預留更大的手術空間，然后醫生繼續沿著針的原有方向插入相應的深度(設為)直至預定的深度(設為)，即滿足
9) CT/MRI再一次掃描確認是否命中靶點，如果命中則進行相關的治療；若沒命中，重新從4)開始。本發明所述的一種醫用機械臂末端裝置用于在對疾病進行診斷或治療時，對針類器械起到導向、支撐作用，導向支撐完畢之后，可通過對機械臂的控制帶動本裝置撤離手術區域，為后續醫生徒手手術提供足夠大的空間，增加了針的有效行程，較好的實現了人機協調手術。這樣本發明結合了機器與人各自的優點，降低了定向穿刺的技術含量，減少了病人被動與醫生主動接受的輻射量，使經皮靶向穿刺的精確度得到了顯著的提高。上述實施例為本發明其中一種的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所做的改變、修飾、替換、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種醫用機械臂末端裝置，其特征在于包括用于裝卸針狀醫用器械的裝卸導向機構(I)、用于安裝裝卸導向機構(I)的組件(2)和用于將組件(2)固定在機械臂末端連桿(4)上的連接板(3)。
2.根據權利要求I所述的一種醫用機械臂末端裝置，其特征在于所述的裝卸導向機構(I)包括夾四個相同的夾具體(11、12、13、14 )和用于驅動該四個相同的夾具體轉動的裝卸傳動機構(15)。
3.根據權利要求2所述的一種醫用機械臂末端裝置，其特征在于所述的每個夾具體包括旋轉軸(116 )、上夾板(111 )、下夾板(114)和用于對針狀醫用器械進行導向的一個以上的導向套(113)，所述上夾板(111)與下夾板(114)結構相同且均有一端安裝在旋轉軸上，上夾板(111)與下夾板(114)的兩側邊緣均設有一個以上的半圓柱孔(112)，上夾板(111)上的每個半圓柱孔與下夾板(114)上相應的一個半圓柱孔位于同一豎直軸線上，在豎直方向上的一對半圓柱孔(112)中安裝有一個導向套(113)，所述的裝卸傳動機構(15)包括四個參數相同的圓柱直齒輪(115、125、135、145)相互嚙合構成，且一個圓柱直齒輪相應地固定在一個夾具體的旋轉軸(116)上。
4.根據權利要求3所述的一種醫用機械臂末端裝置，其特征在于所述上夾板(111)與下夾板(114)的寬度L與圓柱直齒輪(115、125、135、145)相互嚙合的節圓直徑d相等，導向套(113)的外徑大于半圓柱孔(112)的內徑，導向套(113)開有上下兩個半環形槽(119)，半環形槽嵌入所述半圓柱孔(112)中，使得導向套(113)固定在上夾板(111)與下夾板(114)之間。
5.根據權利要求4所述的一種醫用機械臂末端裝置，其特征在于導向套(113)開有用于對針狀醫用器械進行導向的導向孔(118)。
6.根據權利要求3所述的一種醫用機械臂末端裝置，其特征在于所述的上夾板(111)與下夾板(114)的距離為10 40mm,半圓柱孔(112)直徑為I 6mm,導向套(113)的內孔(118)直徑為0. 5 5mm。
7.根據權利要求2所述的一種醫用機械臂末端裝置，其特征在于所述的組件(2)包括上壓板、下壓板、螺栓(22)、螺母(21)，上壓板、下壓板均設有用于安裝裝卸導向機構(I)的四個安裝孔(24)，整個裝卸導向機構(I)通過螺栓(22)與螺母(21)固定在上壓板和下壓板之間，夾具體的旋轉軸(116)通過軸承安裝在所述安裝孔(24)中。
8.根據權利要求7所述的一種醫用機械臂末端裝置，其特征在于所述連接板(3)設有用于通過螺栓(22)和螺母(21)將該連接板與上壓板連接的通孔(31)，另外連接板(3)上設有供電機輸出軸通過的孔(32)，使電機輸出軸與一個夾具體的旋轉軸(116)連接。
全文摘要
本發明公開了一種醫用機械臂末端裝置，包括用于裝卸針狀醫用器械的裝卸導向機構、用于安裝裝卸導向機構的組件和用于將組件固定在機械臂末端連桿上的連接板這三部分構成。裝卸導向機構包括夾四個結構相同的夾具體和用于驅動該四個相同的夾具體轉動的裝卸傳動機構，每個夾具體包括旋轉軸、上夾板、下夾板和一個以上的導向套。相鄰的兩個夾具體在傳動機構作用下，相對應的導向套組成一個封閉孔用來對執行器進行導向，當導向完畢后，反向驅動傳動機構使得夾具體相互分離。本發明主要用于對腫瘤消融手術中消融針的自動裝卸導向，保證了消融針定位/姿后，醫生有足夠大的操作空間，自動程度高、精度高、操作簡單、人機之間可協調性強。
文檔編號A61B10/02GK102670297SQ201210141610
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月9日 優先權日2012年5月9日
發明者張勤, 徐策 申請人:華南理工大學