專利名稱：五自由度微創(chuàng)針刺手術(shù)引導(dǎo)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及針刺手術(shù)弓I導(dǎo)機(jī)構(gòu)，具體涉及五自由度微創(chuàng)針刺手術(shù)弓I導(dǎo)機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，進(jìn)行前列腺手術(shù)的主要方法是微創(chuàng)近距離粒子放射治療。通過針刺將放射性粒子植入前列腺，進(jìn)行局部放射治療。而手動(dòng)執(zhí)行的針刺手術(shù)，存在精度差、無法實(shí)時(shí)成像的缺點(diǎn)；預(yù)先規(guī)劃的軌跡，可能會(huì)因?yàn)榛颊呱眢w的移動(dòng)和針刺對(duì)于軟組織的刺激，而無法實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)的效果。而通過機(jī)器手輔助或者機(jī)器手實(shí)現(xiàn)高精度針刺的手段，可以很好地解決這些問題。核磁共振成像(MRI)與傳統(tǒng)的X射線、CT相比，能夠避免對(duì)健康細(xì)胞的χ射線輻射，且有優(yōu)良的軟組織分辨力和精確的幾何學(xué)特性，可以更加準(zhǔn)確的探出病變區(qū)域，以確保合理的軌跡優(yōu)化，并且對(duì)病變部分的判斷更加準(zhǔn)確，以確保植入粒子的位置精度。但是大多數(shù)核磁共振儀工作腔內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場強(qiáng)度，這對(duì)手術(shù)機(jī)械手機(jī)構(gòu)提出了兩方面的限制一是機(jī)械手機(jī)構(gòu)不能對(duì)核磁共振儀的磁場產(chǎn)生干擾從而影響成像質(zhì)量；二是強(qiáng)磁場環(huán)境不能影響機(jī)械手機(jī)構(gòu)在核磁儀內(nèi)執(zhí)行手術(shù)操作。因此無論是機(jī)械手機(jī)構(gòu)的主體材料還是驅(qū)動(dòng)設(shè)備，都要滿足核磁兼容的條件，這對(duì)機(jī)械手的開發(fā)提出了苛刻的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在有限的空間內(nèi)提高針刺手術(shù)的精度，減少病人手術(shù)的痛苦，從而達(dá)到高精度、低創(chuàng)傷、減少術(shù)后并發(fā)癥和后遺癥的效果的五自由度微創(chuàng)針刺手術(shù)引導(dǎo)機(jī)構(gòu)。本發(fā)明的五自由度微創(chuàng)針刺手術(shù)引導(dǎo)機(jī)構(gòu)，它包括基座、中層平臺(tái)、其上開有直線導(dǎo)向槽的上層平臺(tái)，在所述的上層平臺(tái)上疊放有其上開有斜向?qū)虿鄣尼槾虒悠脚_(tái)，在所述的針刺層平臺(tái)上安裝有針刺運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在所述的基座上安裝有水平擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在所述的中層平臺(tái)和上層平臺(tái)之間安裝有抬升俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在所述的上層平臺(tái)底部連接有平移運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述的平移運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括沿豎直方向設(shè)置的擺桿，所述的擺桿在直線導(dǎo)向槽和斜向?qū)虿蹆?nèi)移動(dòng)，所述的水平擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括安裝在所述的基座上的第三氣缸和與第三滑塊滑動(dòng)配合的第三滑軌，沿水平方向設(shè)置的所述的第三氣缸的第三推桿與第三滑塊固定相連，第三齒條固定在所述的第三滑塊上，沿豎直方向設(shè)置的齒輪軸下端通過軸承與基座連接并且其上端與中層平臺(tái)固定相連，在所述的齒輪軸上安裝有與所述的第三齒條相嚙合配合第三齒輪，所述的抬升俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括分別設(shè)置在中層平臺(tái)左側(cè)和右側(cè)的相同的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括安裝在中層平臺(tái)上的氣缸和與滑塊滑動(dòng)配合的滑軌， 沿水平方向設(shè)置的所述的氣缸的推桿與滑塊固定相連，齒條固定在所述的滑塊上，沿豎直方向設(shè)置的絲杠下端通過軸承與中層平臺(tái)連接并且其上套裝有螺母，所述的螺母與螺母平臺(tái)固定相連，在所述的絲杠上安裝有與所述的齒條相嚙合配合的齒輪，位于左側(cè)的螺母平臺(tái)通過鉸鏈與安裝在上層平臺(tái)底面上的鉸鏈支座鉸接相連，位于右側(cè)的螺母平臺(tái)通過鉸鏈與鉸鏈滑塊相連，所述的鉸鏈滑塊與安裝在上層平臺(tái)底面上的鉸鏈滑軌滑動(dòng)相連。本發(fā)明的突出優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明結(jié)構(gòu)靈活，利用四個(gè)氣缸實(shí)現(xiàn)大范圍的上下、左右、傾斜和搖擺運(yùn)動(dòng)，利用超聲波電機(jī)和絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了手術(shù)中的針刺運(yùn)動(dòng)；兩套齒輪齒條-絲杠螺母機(jī)構(gòu)的并聯(lián)使用，巧妙實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的抬升和傾斜運(yùn)動(dòng)。同時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊，氣缸布置巧妙，剛度和強(qiáng)度較大，具有良好的操作性能，能夠在核磁儀有限空間內(nèi)輔助完成針刺手術(shù)，克服手術(shù)過程中成像效果不及時(shí)和軌跡規(guī)劃難的弊端，極大程度的提高手術(shù)的精度，手術(shù)的成功性和完善性， 從而為核磁共振成像(MRI)引導(dǎo)機(jī)器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)開辟了新的途徑。同時(shí)與申請(qǐng)?zhí)枮镃N2010101377^. 1的中國專利相比，本裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)所述專利中氣缸的運(yùn)動(dòng)通過擺桿來傳遞，上層平臺(tái)也通過擺桿支撐，存在易擺動(dòng)、剛度和穩(wěn)定性較差的缺點(diǎn)，同時(shí)由于氣缸內(nèi)氣體的壓縮性，所述專利全部采用擺桿作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能實(shí)現(xiàn)自鎖，這給機(jī)械手的精確控制造成一定障礙。而本裝置綜合運(yùn)用了齒輪齒條和絲杠螺母等機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，剛度較大，而且通過絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了自鎖功能，在結(jié)構(gòu)和控制精度上均具有優(yōu)越的性能。


圖1為本發(fā)明的五自由度微創(chuàng)針刺手術(shù)引導(dǎo)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)立體圖；圖2為圖1所示的引導(dǎo)機(jī)構(gòu)的底層模塊俯視圖；圖3為圖1所示的引導(dǎo)機(jī)構(gòu)的上層平臺(tái)局部仰視圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體的實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明技術(shù)做進(jìn)一步的說明本裝置是在申請(qǐng)?zhí)枮镃N201010137726. 1的中國專利基礎(chǔ)上的改進(jìn)。如附圖所示的本發(fā)明的五自由度微創(chuàng)針刺手術(shù)引導(dǎo)機(jī)構(gòu)，它包括基座1、中層平臺(tái) 10、其上開有直線導(dǎo)向槽的上層平臺(tái)20，在所述的上層平臺(tái)20上疊放有其上開有斜向?qū)虿鄣尼槾虒悠脚_(tái)30，在所述的針刺層平臺(tái)上安裝有針刺運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在所述的基座1上安裝有水平擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在所述的中層平臺(tái)10和上層平臺(tái)20之間安裝有抬升俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)， 在所述的上層平臺(tái)底部連接有平移運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述的平移運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括沿豎直方向設(shè)置的擺桿，所述的擺桿41在直線導(dǎo)向槽38和斜向?qū)虿?2內(nèi)移動(dòng)，所述的水平擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括安裝在所述的基座上的第三氣缸2和與第三滑塊6滑動(dòng)配合的第三滑軌8，所述的第三氣缸2沿水平方向設(shè)置的第三推桿與第三滑塊6固定相連，第三齒條7固定在所述的第三滑塊6上，沿豎直方向設(shè)置的齒輪軸5下端通過軸承4與基座連接并且其上端與中層平臺(tái)10固定相連，在所述的齒輪軸5上安裝有與所述的第三齒條7相嚙合配合第三齒輪3， 所述的抬升俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括分別設(shè)置在中層平臺(tái)左側(cè)和右側(cè)的相同的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中設(shè)置在右側(cè)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括安裝在中層平臺(tái)上的第一氣缸9和與第一滑塊12滑動(dòng)配合的第一滑軌11，所述的第一氣缸沿水平方向設(shè)置的推桿與第一滑塊12固定相連，第一齒條 14固定在所述的第一滑塊上，沿豎直方向設(shè)置的第一絲杠15下端通過軸承與中層平臺(tái)連接并且其上套裝有第一螺母16，所述的第一螺母16與第一螺母平臺(tái)17固定相連，在所述的第一絲杠上安裝有與所述的第一齒條15相嚙合配合的第一齒輪13，位于右側(cè)的第一螺母平臺(tái)通過鉸鏈與鉸鏈滑塊18相連，所述的鉸鏈滑塊18與安裝在上層平臺(tái)底面上的鉸鏈滑軌19滑動(dòng)相連；設(shè)置在左側(cè)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括安裝在中層平臺(tái)上的第二氣缸21和與第二滑塊24滑動(dòng)配合的滑軌23，所述的第二氣缸21沿水平方向設(shè)置的推桿與第二滑塊M固定相連，第二齒條25固定在所述的第二滑塊M上，沿豎直方向設(shè)置的第二絲杠沈下端通過軸承與中層平臺(tái)連接并且其上套裝有第二螺母27，所述的第二螺母27與第二螺母平臺(tái)觀固定相連，在所述的第二絲杠上安裝有與所述的第二齒條25相嚙合配合的第二齒輪22，位于左側(cè)的第二螺母平臺(tái)觀通過鉸鏈與安裝在上層平臺(tái)底面上的鉸鏈支座四鉸接相連。所述的針刺運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以包括設(shè)置在所述的上層平臺(tái)上的超聲波電機(jī)31，沿水平方向設(shè)置的所述的超聲波電機(jī)的輸出軸與第四絲杠相連，第四絲杠34通過軸承安裝在絲杠支座33上，針刺滑塊36通過絲杠螺母副與第四絲杠34相連接，針刺滑塊36兩側(cè)套在安裝在絲杠支座上的光杠35上，手術(shù)針37安裝在針刺滑塊36上。所述的平移運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以包括固定在上層平臺(tái)20底面上的第四氣缸43，所述的第四氣缸43沿水平方向設(shè)置的氣缸推桿42與滑動(dòng)連接在第四滑軌39上的第四滑塊40固定相連，所述的第四滑塊與能夠在直線導(dǎo)向槽38中運(yùn)動(dòng)的擺桿41相連。本裝置實(shí)現(xiàn)五自由度運(yùn)動(dòng)的過程如下水平擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)如圖1和圖2所示，水平擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)由底層模塊實(shí)現(xiàn)。第三氣缸2推動(dòng)第三滑塊6在第三滑軌8上運(yùn)動(dòng)，第三齒條7固定在第三滑塊6上，第三齒輪3通過齒輪軸5固定在中層平臺(tái)10上，齒輪軸3的下端通過推力軸承4與基座連接，并且其上端與中層平臺(tái)固定相連。通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)，將第三氣缸2的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)構(gòu)的水平擺動(dòng)。抬升運(yùn)動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)如圖1所示，抬升與俯仰運(yùn)動(dòng)由中層模塊實(shí)現(xiàn)。中層模塊的主體為兩套并聯(lián)的推桿滑軌-齒輪齒條-螺母絲杠機(jī)構(gòu)。第一絲杠9推動(dòng)第一滑塊12在第一滑軌11上運(yùn)動(dòng)，第一齒條14固定在第一滑塊12上，第一齒輪13與第一絲杠15固連。 第一絲杠15和第一螺母16形成螺旋副，而第一螺母16固定于第一螺母平臺(tái)17上，第一螺母平臺(tái)17與鉸鏈滑塊18形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，鉸鏈滑塊18可以在鉸鏈滑軌19上滑行。則通過齒輪齒條傳動(dòng)和螺旋傳動(dòng)，第一氣缸的直水平線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為第一螺母平臺(tái)的抬升運(yùn)動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)裝置的俯仰運(yùn)動(dòng)。同理，第二氣缸通過第二滑塊M、第二滑軌23、第二齒條25、第二齒輪 22、第二絲杠沈、第二螺母27和第二螺母平臺(tái)觀將水平直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為裝置的俯仰運(yùn)動(dòng)。 不同的是，連接第二螺母平臺(tái)觀的鉸鏈支座四是固定在上層平臺(tái)20上的。當(dāng)?shù)谝粴飧缀偷诙飧淄铰?lián)動(dòng)時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)裝置的抬升運(yùn)動(dòng)。平移運(yùn)動(dòng)如圖3所示，平移運(yùn)動(dòng)由上層模塊來實(shí)現(xiàn)。通過控制固定在上層平臺(tái)20 上的第四氣缸43的運(yùn)動(dòng)使氣缸推桿42推動(dòng)第四滑塊40沿第四滑軌39運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)擺桿41在直線導(dǎo)向槽38中的運(yùn)動(dòng)。針刺層平臺(tái)30是疊放在上層平臺(tái)20上的，擺桿41同時(shí)在也斜向?qū)虿?2內(nèi)運(yùn)動(dòng)，在直線導(dǎo)向槽與斜向?qū)虿鄣墓餐s束使上層平臺(tái)20水平移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)裝置的水平運(yùn)動(dòng)。 針刺運(yùn)動(dòng)針刺運(yùn)動(dòng)通過針刺層模塊來實(shí)現(xiàn)。絲杠34通過軸承安裝在絲杠支座33上。 針刺滑塊36通過絲杠螺母副與絲杠34相連接，同時(shí)也可以在光杠35上移動(dòng)。手術(shù)針37安裝在針刺滑塊36上。超聲波電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過絲杠螺母機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為手術(shù)針的直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)針刺運(yùn)動(dòng)。
因此，通過水平擺動(dòng)、抬升運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)和和平移運(yùn)動(dòng)的配合，實(shí)現(xiàn)針體空間位姿的調(diào)整；通過針刺運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)針刺作業(yè)。
權(quán)利要求
1.五自由度微創(chuàng)針刺手術(shù)引導(dǎo)機(jī)構(gòu)，它包括基座、中層平臺(tái)、其上開有直線導(dǎo)向槽的上層平臺(tái)，在所述的上層平臺(tái)上疊放有其上開有斜向?qū)虿鄣尼槾虒悠脚_(tái)，在所述的針刺層平臺(tái)上安裝有針刺運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在所述的基座上安裝有水平擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在所述的中層平臺(tái)和上層平臺(tái)之間安裝有抬升俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在所述的上層平臺(tái)底部連接有平移運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述的平移運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括沿豎直方向設(shè)置的擺桿，所述的擺桿在直線導(dǎo)向槽和斜向?qū)虿蹆?nèi)移動(dòng)，其特征在于所述的水平擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括安裝在所述的基座上的第三氣缸和與第三滑塊滑動(dòng)配合的第三滑軌，沿水平方向設(shè)置的所述的第三氣缸的第三推桿與第三滑塊固定相連，第三齒條固定在所述的第三滑塊上，沿豎直方向設(shè)置的齒輪軸下端通過軸承與基座連接并且其上端與中層平臺(tái)固定相連，在所述的齒輪軸上安裝有與所述的第三齒條相嚙合配合第三齒輪，所述的抬升俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括分別設(shè)置在中層平臺(tái)左側(cè)和右側(cè)的相同的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括安裝在中層平臺(tái)上的氣缸和與滑塊滑動(dòng)配合的滑軌，沿水平方向設(shè)置的所述的氣缸的推桿與滑塊固定相連，齒條固定在所述的滑塊上，沿豎直方向設(shè)置的絲杠下端通過軸承與中層平臺(tái)連接并且其上套裝有螺母，所述的螺母與螺母平臺(tái)固定相連，在所述的絲杠上安裝有與所述的齒條相嚙合配合的齒輪，位于左側(cè)的螺母平臺(tái)通過鉸鏈與安裝在上層平臺(tái)底面上的鉸鏈支座鉸接相連，位于右側(cè)的螺母平臺(tái)通過鉸鏈與鉸鏈滑塊相連，所述的鉸鏈滑塊與安裝在上層平臺(tái)底面上的鉸鏈滑軌滑動(dòng)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度微創(chuàng)針刺手術(shù)引導(dǎo)機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的針刺運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在所述的上層平臺(tái)上的超聲波電機(jī)，沿水平方向設(shè)置的所述的超聲波電機(jī)的輸出軸與第四絲杠相連，第四絲杠通過軸承安裝在絲杠支座上，針刺滑塊通過絲杠螺母副與第四絲杠相連接，針刺滑塊兩側(cè)套在安裝在絲杠支座上的光杠上，手術(shù)針安裝在針刺滑塊上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度微創(chuàng)針刺手術(shù)引導(dǎo)機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的平移運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括固定在上層平臺(tái)上底面的第四氣缸，所述的第四氣缸沿水平方向設(shè)置的氣缸推桿與滑動(dòng)連接在第四滑軌上的第四滑塊固定相連，所述的第四滑塊與能夠在直線導(dǎo)向槽中運(yùn)動(dòng)的擺桿相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了五自由度微創(chuàng)針刺手術(shù)引導(dǎo)機(jī)構(gòu)，本機(jī)構(gòu)從下至上依次布置了四個(gè)平臺(tái)，分別為底層平臺(tái)、中層平臺(tái)、上層平臺(tái)和針刺層平臺(tái)；其中，底層模塊由底層平臺(tái)、中層平臺(tái)以及介于這兩層平臺(tái)之間的推桿滑軌機(jī)構(gòu)和齒輪齒條機(jī)構(gòu)組成，由推桿滑軌機(jī)構(gòu)和齒輪齒條機(jī)構(gòu)共同作用，通過第一氣缸推動(dòng)，實(shí)現(xiàn)裝置繞豎直軸的搖擺轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。中層模塊由中層平臺(tái)、上層平臺(tái)以及介于這兩層平臺(tái)之間的兩套并聯(lián)的推桿滑軌機(jī)構(gòu)-齒輪齒條機(jī)構(gòu)-絲杠螺母機(jī)構(gòu)組成。上層模塊由上層平臺(tái)、針刺層平臺(tái)以及介于這兩層平臺(tái)之間的推桿滑塊機(jī)構(gòu)-擺桿滑槽機(jī)構(gòu)組成。本發(fā)明結(jié)構(gòu)靈活，利用四個(gè)氣缸實(shí)現(xiàn)大范圍的上下、左右、傾斜和搖擺運(yùn)動(dòng)，利用超聲波電機(jī)和絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了手術(shù)中的針刺運(yùn)動(dòng)；兩套齒輪齒條-絲杠螺母機(jī)構(gòu)的并聯(lián)使用，巧妙實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的抬升和傾斜運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)A61B19/00GK102258826SQ20111010781
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月27日
發(fā)明者馮文浩, 姜杉, 孫福德, 康熙, 張震, 牛文文, 程超超 申請(qǐng)人:天津大學(xué)