一种用于机器人辅助穿刺手术的手动穿刺装置及系统

摘要

一种用于机器人辅助穿刺手术的手动穿刺装置及系统，属于微创手术医疗机器人领域。解决了现有的经皮穿刺手术依赖于医师经验，穿刺针定位精度差的问题。本发明包括外壳、容栅传感器、穿刺针调节机构、导向轮和光纤光栅传感器，使用时，通过推动穿刺针调节机构的手轮沿外壳侧壁上通孔长度方向上移动，从而控制本体上所固定的穿刺针的给进深度；通过旋拧穿刺针调节机构的手轮，使手轮转动，从而控制本体上所固定的穿刺针的角度。本发明主要应用在穿刺手术中。

说明书

技术领域

本发明属于微创手术医疗机器人领域。

背景技术

经皮穿刺手术广泛应用于引流、三叉神经热凝、射频消融、肿瘤活检和放射性粒子植入等手术。目前临床广泛使用的方法是直接手持穿刺针通过事先在皮肤上标记进针点或通过平面/非平面模板引导，将穿刺针刺入，其刺入深度主要依靠医师根据穿刺针本体的距离标记(以10mm为间距)估计，医师无法感知穿刺针进入体内可能发生的偏斜，只能依靠二次CT扫描，整体手术效果非常依赖医师经验，前期准备复杂，精度较差；因此，以上问题亟需解决。

发明内容

本发明目的是为了解决现有的经皮穿刺手术依赖于医师经验，穿刺针定位精度差的问题；本发明提供了一种用于机器人辅助穿刺手术的手动穿刺装置。

一种用于机器人辅助穿刺手术的手动穿刺装置，包括外壳1、容栅传感器2、穿刺针调节机构3、导向轮4和光纤光栅传感器；

外壳1为长条形的开合式壳体；

穿刺针调节机构3包括本体3-1和手轮3-2；

穿刺针调节机构3的本体3-1位于外壳1内，且穿刺针调节机构3的本体3-1通过导向轮4悬挂在外壳1相对的两个侧壁上，该相对的两个侧壁中的一个侧壁上开设有长条形的通孔1-1；本体3-1可沿所悬挂的侧壁上移动，本体3-1还用于对穿刺针5进行固定；

穿刺针调节机构3的手轮3-2通过通孔1-1伸出至外壳1的外部；通过推动手轮3-2沿通孔1-1长度方向上移动，从而控制本体3-1上所固定的穿刺针5的给进深度；通过旋拧手轮3-2，使手轮3-2转动，从而控制本体3-1上所固定的穿刺针5的角度；

容栅传感器2的固定部2-1铺设在外壳1内部底面上，容栅传感器2的移动部2-2固定在本体3-1的底部；容栅传感器2的固定部2-1和移动部2-2相对设置，且二者间的间距为h；

容栅传感器2，用于采集穿刺针5的给进深度；

光纤光栅传感器设置在穿刺针5的内针外表面，用于采集穿刺针5的形变信息。

优选的是，穿刺针调节机构3的本体3-1包括穿刺针固定壳3-1-1、拉压力传感器3-1-2、穿刺针固定轴3-1-3、基座3-1-4，以及位于基座3-1-4上的电位器3-1-5、蜗杆轴3-1-6和驱动蜗轮3-1-7；导向轮4固定在基座3-1-4上；

穿刺针固定壳3-1-1为长条形的开合式壳体，穿刺针固定壳3-1-1用于对穿刺针5端部进行固定；

穿刺针固定轴3-1-3包括圆桶形结构和连接杆，圆桶形结构的底面固定在连接杆的一端，连接杆的另一端作为穿刺针固定轴3-1-3的自由端；

穿刺针固定轴3-1-3的圆桶形结构内嵌有拉压力传感器3-1-2，拉压力传感器3-1-2的顶端面与穿刺针固定壳3-1-1的一个端面固定连接；

穿刺针固定轴3-1-3的自由端依次穿过基座3-1-4上的竖直板和电位器3-1-5的内圈后，与驱动蜗轮3-1-7的一个端面固定连接，

穿刺针固定轴3-1-3的连接杆与电位器3-1-5的内圈固定连接，电位器3-1-5的外圈嵌固在基座3-1-4上的竖直板侧壁上；电位器3-1-5测量穿刺针5的旋转角度；

驱动蜗轮3-1-7位于蜗杆轴3-1-6上方，并与蜗杆轴3-1-6啮合，蜗杆轴3-1-6固定在基座3-1-4上，蜗杆轴3-1-6的一端与手轮3-2固定连接；

基座3-1-4的底部作为本体3-1的底部固定有容栅传感器2的移动部2-2。

优选的是，所述的一种用于机器人辅助穿刺手术的手动穿刺装置还包括显示器6；

显示器6设置在外壳1的顶端，用于显示穿刺针5的给进深度、形变信息和旋转角度。

优选的是，穿刺针5的内针外表面开设有槽体，光纤光栅传感器设置在该槽体内。

优选的是，光纤光栅传感器为多芯拉丝塔光栅传感器。

采用所述的一种用于机器人辅助穿刺手术的手动穿刺装置实现的穿刺手术系统，穿刺手术系统还包括机械臂、计算机、光纤光栅调制解调器；

手动穿刺装置通过连接件固定在机械臂上；

计算机，用于对手动穿刺装置采集的穿刺针5的给进深度和穿刺针5的形变信息进行解调后，进行显示；还用于对机械臂下发控制指令，从而实现对手动穿刺装置的定位控制。

本发明带来的有益效果是，提供了一种用于机器人辅助穿刺手术的手动穿刺装置，该手动穿刺装置为手术辅助工具，具体应用时，将外壳1打开，将穿刺针5固定在穿刺针调节机构3的本体3-1上，通过推动手轮3-2沿通孔1-1长度方向上移动，从而控制本体3-1上所固定的穿刺针5的给进深度；且在手轮3-2沿通孔1-1长度方向上移动的过程中，由于容栅传感器2的移动部2-2相对于其固定部2-1移动，容栅传感器2的移动部2-2相对于其固定部2-1移动的距离，即为穿刺针5的给进深度；通过旋拧手轮3-2，使手轮3-2转动，从而控制本体3-1上所固定的穿刺针5的角度，从而实现对穿刺针5角度的调节；本发明所述的一种用于机器人辅助穿刺手术的手动穿刺装置可实现对穿刺针5给进深度和角度的精确，实现对穿刺针5的准确定位。

所提供的采用所述的一种用于机器人辅助穿刺手术的手动穿刺装置实现的穿刺手术系统，充分发挥机械臂的运动灵活性和定位准确性，降低医师经验依赖，提高手术安全性和同质性。

附图说明

图1是一种用于机器人辅助穿刺手术的手动穿刺装置的三维结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是图1的俯视图；

图4是图3在D-D方向上的剖视图；

图5是穿刺针调节机构3的本体3-1的装配示意图；

图6是对图5中本体3-1的底部进行翻转后的装配示意图；

图7是穿刺针调节机构3的本体3-1的侧视图；

图8是穿刺针调节机构3的本体3-1的俯视图；

图9是穿刺手术系统的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参见图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于机器人辅助穿刺手术的手动穿刺装置，包括外壳1、容栅传感器2、穿刺针调节机构3、导向轮4和光纤光栅传感器；

外壳1为长条形的开合式壳体；

穿刺针调节机构3包括本体3-1和手轮3-2；

穿刺针调节机构3的本体3-1位于外壳1内，且穿刺针调节机构3的本体3-1通过导向轮4悬挂在外壳1相对的两个侧壁上，该相对的两个侧壁中的一个侧壁上开设有长条形的通孔1-1；本体3-1可沿所悬挂的侧壁上移动，本体3-1还用于对穿刺针5进行固定；

穿刺针调节机构3的手轮3-2通过通孔1-1伸出至外壳1的外部；通过推动手轮3-2沿通孔1-1长度方向上移动，从而控制本体3-1上所固定的穿刺针5的给进深度；通过旋拧手轮3-2，使手轮3-2转动，从而控制本体3-1上所固定的穿刺针5的角度；

容栅传感器2的固定部2-1铺设在外壳1内部底面上，容栅传感器2的移动部2-2固定在本体3-1的底部；容栅传感器2的固定部2-1和移动部2-2相对设置，且二者间的间距为h；

容栅传感器2，用于采集穿刺针5的给进深度；

光纤光栅传感器设置在穿刺针5的内针外表面，用于采集穿刺针5的形变信息。

具体应用时，将外壳1打开，将穿刺针5固定在穿刺针调节机构3的本体3-1上，通过推动手轮3-2沿通孔1-1长度方向上移动，从而控制本体3-1上所固定的穿刺针5的给进深度；且在手轮3-2沿通孔1-1长度方向上移动的过程中，由于容栅传感器2的移动部2-2相对于其固定部2-1移动，容栅传感器2的移动部2-2相对于其固定部2-1移动的距离，即为穿刺针5的给进深度；通过旋拧手轮3-2，使手轮3-2转动，从而控制本体3-1上所固定的穿刺针5的角度，从而实现对穿刺针5角度的调节；本实施方式所述的一种用于机器人辅助穿刺手术的手动穿刺装置可实现对穿刺针5给进深度和角度的调节，实现对穿刺针5的准确定位。

进一步的，具体参见图5至图8，穿刺针调节机构3的本体3-1包括穿刺针固定壳3-1-1、拉压力传感器3-1-2、穿刺针固定轴3-1-3、基座3-1-4，以及位于基座3-1-4上的电位器3-1-5、蜗杆轴3-1-6和驱动蜗轮3-1-7；导向轮4固定在基座3-1-4上；

穿刺针固定壳3-1-1为长条形的开合式壳体，穿刺针固定壳3-1-1用于对穿刺针5端部进行固定；

穿刺针固定轴3-1-3包括圆桶形结构和连接杆，圆桶形结构的底面固定在连接杆的一端，连接杆的另一端作为穿刺针固定轴3-1-3的自由端；

穿刺针固定轴3-1-3的圆桶形结构内嵌有拉压力传感器3-1-2，拉压力传感器3-1-2的顶端面与穿刺针固定壳3-1-1的一个端面固定连接；

穿刺针固定轴3-1-3的自由端依次穿过基座3-1-4上的竖直板和电位器3-1-5的内圈后，与驱动蜗轮3-1-7的一个端面固定连接，

穿刺针固定轴3-1-3的连接杆与电位器3-1-5的内圈固定连接，电位器3-1-5的外圈嵌固在基座3-1-4上的竖直板侧壁上；电位器3-1-5测量穿刺针5的旋转角度；

驱动蜗轮3-1-7位于蜗杆轴3-1-6上方，并与蜗杆轴3-1-6啮合，蜗杆轴3-1-6固定在基座3-1-4上，蜗杆轴3-1-6的一端与手轮3-2固定连接；

基座3-1-4的底部作为本体3-1的底部固定有容栅传感器2的移动部2-2。

本优选实施方式中，驱动蜗轮3-1-7的中轴线与蜗杆轴3-1-6的中轴线垂直，蜗杆轴3-1-6的一端与手轮3-2固定连接，具体应用时，通过光纤光栅传感器设置采集穿刺针5的形变信息，根据形变信息，确定穿刺针5的待旋转角度，根据待旋转角度旋拧手轮3-2，手轮3-2的转动带动蜗杆轴3-1-6转动，从而使蜗杆轴3-1-6带动驱动蜗轮3-1-7转动，而驱动蜗轮3-1-7的转动驱动穿刺针固定轴3-1-3转动，从而实现对穿刺针5角度的调节。

更进一步，具体参见图1和图2，一种用于机器人辅助穿刺手术的手动穿刺装置还包括显示器6；

显示器6设置在外壳1的顶端，用于显示穿刺针5的给进深度、形变信息和旋转角度。

本优选实施方式中，将容栅传感器2采集的穿刺针5的给进深度、光纤光栅传感器采集穿刺针5的形变信息、电位器3-1-5测量的穿刺针5的旋转角度通过外壳1的顶端的显示器进行显示，便于操作人员的实时观测，对穿刺针5的状态实时调整，实现对穿刺针5的高效定位。

更进一步的，穿刺针5的内针外表面开设有槽体，光纤光栅传感器设置在该槽体内。

本优选实施方式中，穿刺针5的结构为现有技术，且其由内针和外针组成，穿刺针外针为套管结构，使用时内针插入外针，内针表面开槽，用于粘贴光纤光栅传感器，用于感知穿刺针的偏斜，并将数据发送出去。

将光纤光栅传感器设置在穿刺针5的内针外表面的槽体内，保证了穿刺针5的外针的光滑程度，减小穿刺阻力，便于手术的顺利进行。

更进一步的，光纤光栅传感器为多芯拉丝塔光栅传感器。

参见图9说明本实施方式，本实施方式所述的采用上述任一实施方式之一所述的一种用于机器人辅助穿刺手术的手动穿刺装置实现的穿刺手术系统，穿刺手术系统还包括机械臂、计算机、光纤光栅调制解调器；

手动穿刺装置通过连接件固定在机械臂上；

计算机，用于对手动穿刺装置采集的穿刺针5的给进深度和穿刺针5的形变信息进行解调后，进行显示；还用于对机械臂下发控制指令，从而实现对手动穿刺装置的定位控制。

具体应用时，当采用的一种用于机器人辅助穿刺手术的手动穿刺装置的穿刺针调节机构3的本体3-1包括穿刺针固定壳3-1-1、拉压力传感器3-1-2、穿刺针固定轴3-1-3、基座3-1-4，以及位于基座3-1-4上的电位器3-1-5、蜗杆轴3-1-6和驱动蜗轮3-1-7，且穿刺针调节机构3还包括显示器6时，机械臂位于初始位置，手动穿刺装置所有传感器归零校准，医师手动打开穿刺针固定壳3-1-1锁扣，将穿刺针5端部固定在穿刺针固定壳3-1-1内，将穿刺针固定壳3-1-1锁住，计算机通过外部设备(如导航系统、CT或MRI)获取到手动穿刺装置应到达的空间位置并发送给机械臂，由机械臂带动手动穿刺装置由初始位置到达指定位置，医师用手握住手轮3-2，推动其直线进给，并时刻注意计算机的显示屏和/或显示器6显示的数据、计算机根据光纤光栅传感器采集的穿刺针5的形变信息计算得出的穿刺针5的偏斜，根据具体情况旋转手轮3-2调整偏斜，当针到达指定位置后，依次翻开手动穿刺装置的外壳1和穿刺针固定壳3-1-1，使穿刺针5脱离手动穿刺装置，然后机械臂恢复到初始位置，继续循环如上动作，直至完成手术。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。