專利名稱：用于核磁共振成像環(huán)境的近距離微創(chuàng)針刺機(jī)械手機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械與醫(yī)學(xué)交叉的前沿學(xué)科，尤其涉及一種應(yīng)用于核磁共振環(huán)境下的針刺機(jī)械手機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，前列腺手術(shù)的主要方法是微創(chuàng)近距離粒子放射治療。手術(shù)過程通過針刺將放射性粒子植入前列腺，進(jìn)行局部放射治療。而通常手動執(zhí)行的針刺手術(shù)，大多要面對精度差、無法實(shí)時成像的缺點(diǎn)；對于預(yù)先規(guī)劃的軌跡，也可能會因?yàn)榛颊呱眢w的移動和針刺對于器官的刺激，而無法實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)的效果。通過機(jī)器手或者機(jī)器手輔助是實(shí)現(xiàn)高精度針刺的手段。另外，核磁共振成像(MRI) 與傳統(tǒng)的X射線、CT相比，能夠避免對健康細(xì)胞的X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，并且對病變部分的判斷更加準(zhǔn)確，以確保植入粒子的位置精度。目前，還沒有適用于核磁共振成像環(huán)境下的微創(chuàng)針刺手術(shù)設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供一種用于核磁共振成像環(huán)境的近距離微創(chuàng)針刺機(jī)械手機(jī)構(gòu)，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)在有限的空間內(nèi)提高核磁共振成像環(huán)境下針刺手術(shù)的精度，另夕卜，本發(fā)明微創(chuàng)針刺機(jī)械手不但定位精準(zhǔn)、靈活性好、創(chuàng)面微小，而且可以大大縮短手術(shù)時間，在很大程度上減輕了病人在手術(shù)過程中的痛苦。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明用于核磁共振成像環(huán)境的近距離微創(chuàng)針刺機(jī)械手機(jī)構(gòu)予以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案是包括一手術(shù)針、三個平臺和三個用于實(shí)現(xiàn)所述手術(shù)針五個自由度的執(zhí)行單元；所述三個平臺包括上層平臺、中層平臺和下層平臺；三個執(zhí)行單元包括連接于所述中層平臺和所述下層平臺之間的平動執(zhí)行單元，連接于所述上層平臺和所述中層平臺之間的抬升執(zhí)行單元，設(shè)置在所述上層平臺上的針刺執(zhí)行單元，所述三個執(zhí)行單元的動作是相互獨(dú)立的；其中所述平動執(zhí)行單元由兩個滑塊擺桿機(jī)構(gòu)組成，每個滑塊擺桿機(jī)構(gòu)均分別由一氣缸控制，當(dāng)其中一個氣缸運(yùn)動時實(shí)現(xiàn)所述中層平臺在水平面內(nèi)的擺動， 當(dāng)兩個氣缸同步運(yùn)動時實(shí)現(xiàn)中層平臺在水平面內(nèi)的移動，所述中層平臺白擺動和移動中， 通過光電編碼器測量和計(jì)算氣缸活塞的位移，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋；所述抬升執(zhí)行單元由兩套滑塊擺桿機(jī)構(gòu)組成，每套滑塊擺桿機(jī)構(gòu)均布置在手術(shù)針軸向的不同位置上，每套滑塊擺桿機(jī)構(gòu)包括兩個共用一個氣缸控制的滑塊擺桿機(jī)構(gòu)；該兩套滑塊擺桿機(jī)構(gòu)是相互獨(dú)立的， 當(dāng)其中一套滑塊擺桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動時實(shí)現(xiàn)所述上層平臺在豎直面內(nèi)的擺動，當(dāng)兩套滑塊擺桿機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動時實(shí)現(xiàn)所述上層平臺的升降，所述上層平臺在擺動和升降中，通過光電編碼器測量和計(jì)算氣缸活塞的位移，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋；所述針刺執(zhí)行單元包括一超聲波電機(jī)和由該超聲波電機(jī)帶動的一絲杠滑塊機(jī)構(gòu)，所述絲杠滑塊機(jī)構(gòu)帶動手術(shù)針在手術(shù)針的軸向上作直線進(jìn)給運(yùn)動；所述平動執(zhí)行單元和所述抬升執(zhí)行單元的共同運(yùn)動實(shí)現(xiàn)手術(shù)針空間位姿的調(diào)整，從而，手術(shù)針通過超聲波電機(jī)的低速轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)最終的針刺作業(yè)。本發(fā)明用于核磁共振成像環(huán)境的近距離微創(chuàng)針刺機(jī)械手機(jī)構(gòu)中的所有零部件均采用高強(qiáng)度工程塑料聚甲醛(POM)制造。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明中的平動執(zhí)行單元和抬升執(zhí)行單元共同運(yùn)動可實(shí)現(xiàn)整個機(jī)構(gòu)的上下、左右、傾斜、搖擺四個自由度的運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)手術(shù)針空間位姿的調(diào)整；并通過針刺執(zhí)行單元中的超聲波電機(jī)的低速轉(zhuǎn)動，最終實(shí)現(xiàn)手術(shù)針的針刺作業(yè)。由于本發(fā)明針刺機(jī)械手機(jī)構(gòu)中平動和抬升執(zhí)行單元中的氣缸活塞的推力直接作用于相關(guān)連的滑塊擺桿機(jī)構(gòu)中的滑塊中心位置，其受力合理，有效的防止滑塊變形，進(jìn)一步保證了手術(shù)針進(jìn)給的精度；中層平臺采用四點(diǎn)支撐，即兩套滑塊擺桿機(jī)構(gòu)中的主動擺桿與被動擺桿共同支撐中層平臺，使中層平臺的運(yùn)動更加穩(wěn)定；抬升執(zhí)行單元布置于平動執(zhí)行單元之上，從而減小了平動執(zhí)行單元中位于底層的氣缸所需的推力，使機(jī)構(gòu)的運(yùn)動更加靈活。本發(fā)明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和軌跡規(guī)劃難的弊端，能夠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)開辟了新途徑。


圖1是本發(fā)明用于核磁共振成像環(huán)境的近距離微創(chuàng)針刺機(jī)械手機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)立體圖；圖2是圖1所示微創(chuàng)針刺機(jī)械手機(jī)構(gòu)的主視圖；圖3是圖1所示微創(chuàng)針刺機(jī)械手機(jī)構(gòu)的俯視圖。圖中
1、1’、14、14’——X向直線導(dǎo)軌2——主動滑塊
3、15、18、23——光電編碼器4、9——抬升擺桿
16、20—主動擺桿11、11，——被動擺桿
5、25、26、27——?dú)飧?——超聲波電機(jī)7_絲杠8一手術(shù)針
10——中層平臺13、19、22、24——?dú)飧谆钊?br> 12——下層平臺17——上層平臺
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。如圖1所示，本發(fā)明一種用于核磁共振成像環(huán)境的近距離微創(chuàng)針刺機(jī)械手機(jī)構(gòu)， 包括一手術(shù)針8、三個平臺和三個用于實(shí)現(xiàn)所述手術(shù)針五個自由度的執(zhí)行單元。所述三個平臺包括上層平臺17、中層平臺10和下層平臺12 ；三個執(zhí)行單元包括連接于所述中層平臺10和所述下層平臺12之間的平動執(zhí)行單元，連接于所述上層平臺17和所述中層平臺10之間的抬升執(zhí)行單元，設(shè)置在所述上層平臺17上的針刺執(zhí)行單元，所述三個執(zhí)行單元的動作是相互獨(dú)立的。所述平動執(zhí)行單元由兩個滑塊擺桿機(jī)構(gòu)組成，每個滑塊擺桿機(jī)構(gòu)均分別由一氣缸控制，當(dāng)兩個氣缸25、26中的一個氣缸運(yùn)動時實(shí)現(xiàn)所述中層平臺10在水平面內(nèi)的擺動，當(dāng)兩個氣缸25 J6同步運(yùn)動時實(shí)現(xiàn)中層平臺10在水平面內(nèi)的移動，所述中層平臺在擺動和移動中，通過分別與氣缸活塞13、19相連的光電編碼器23、3測量并計(jì)算氣缸活塞13、19的位移，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋。所述抬升執(zhí)行單元由兩套滑塊擺桿機(jī)構(gòu)組成，每套滑塊擺桿機(jī)構(gòu)均布置在手術(shù)針 8軸向的不同位置上，每套滑塊擺桿機(jī)構(gòu)包括兩個共用一個氣缸控制的滑塊擺桿機(jī)構(gòu)；該兩套滑塊擺桿機(jī)構(gòu)是相互獨(dú)立的，當(dāng)其中一套滑塊擺桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動時實(shí)現(xiàn)所述上層平臺17 在豎直面內(nèi)的擺動，當(dāng)兩套滑塊擺桿機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動時實(shí)現(xiàn)所述上層平臺17的升降，所述上層平臺17在擺動和升降中，通過分別與氣缸活塞22、M光電編碼器測量并計(jì)算氣缸活塞 22,24的位移，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋。所述針刺執(zhí)行單元包括一超聲波電機(jī)6和由該超聲波電機(jī)6帶動的一絲杠滑塊機(jī)構(gòu)，所述絲杠滑塊機(jī)構(gòu)帶動手術(shù)針8在手術(shù)針的軸向上作直線進(jìn)給運(yùn)動。所述平動執(zhí)行單元和所述抬升執(zhí)行單元的共同運(yùn)動實(shí)現(xiàn)手術(shù)針8空間位姿的調(diào)整，從而，手術(shù)針8通過超聲波電機(jī)6的低速轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)最終的針刺作業(yè)。本發(fā)明機(jī)構(gòu)中的所有另部件均采用高強(qiáng)度工程塑料聚甲醛(POM)制造。以下結(jié)合附圖對本發(fā)明用于核磁共振成像環(huán)境的近距離微創(chuàng)針刺機(jī)械手機(jī)構(gòu)的工作方式。平移運(yùn)動如圖1和圖3所示，本發(fā)明中的平動執(zhí)行單元由兩個滑塊擺桿機(jī)構(gòu)組成，每個滑塊擺桿機(jī)構(gòu)均分別由一氣缸控制，當(dāng)其中一個氣缸運(yùn)動時實(shí)現(xiàn)所述中層平臺10 在水平面內(nèi)的擺動，當(dāng)兩個氣缸25 J6同步運(yùn)動時實(shí)現(xiàn)中層平臺10在水平面內(nèi)的移動。即 通過控制與氣泵相連的氣缸25，從而使氣缸活塞13推動滑塊沿X向直線導(dǎo)軌14移動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主動擺桿16的擺動，以達(dá)到使中層平臺10擺動，光電編碼器23測量氣缸活塞13的位移，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋；與此同時，通過控制與氣泵相連的氣缸26，從而使氣缸活塞19推動主動滑塊2沿X向直線導(dǎo)軌1移動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主動擺桿20的擺動，以達(dá)到機(jī)構(gòu)中層平臺10的擺動，光電編碼器3測量氣缸活塞19的位移，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋。當(dāng)兩個氣缸異步運(yùn)動時，可實(shí)現(xiàn)中層平臺10在水平面內(nèi)的擺動。抬升運(yùn)動如圖1和圖2所示，通過控制與氣泵相連的氣缸5使氣缸活塞22推動滑塊沿直線導(dǎo)軌移動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抬升擺桿9的擺動，以達(dá)到機(jī)構(gòu)以前部為軸的抬升，光電編碼器18通過測量鉸鏈的旋轉(zhuǎn)，計(jì)算得到氣缸活塞22的位移，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋。同理，控制與氣泵相連的氣缸27使氣缸活塞M推動滑塊沿沿導(dǎo)軌移動，實(shí)現(xiàn)抬升擺桿4的擺動，以達(dá)到機(jī)構(gòu)以后部為軸的擺動，光電編碼器15通過測量鉸鏈的旋轉(zhuǎn)，計(jì)算得到氣缸活塞對的位移， 實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋。當(dāng)兩氣缸同步運(yùn)動時，可實(shí)現(xiàn)上層平臺17的豎直面內(nèi)抬升；當(dāng)兩氣缸異步運(yùn)動時，可實(shí)現(xiàn)上層平臺17的豎直面內(nèi)擺動。針刺運(yùn)動通過超聲波電機(jī)6，使絲杠滑塊機(jī)構(gòu)的絲杠7帶動手術(shù)針8運(yùn)動，將運(yùn)動和力傳給手術(shù)針8的針尖，從而實(shí)現(xiàn)針刺作業(yè)。綜上，本發(fā)明針刺機(jī)械手機(jī)構(gòu)通過上述的平移和抬升運(yùn)動的配合，實(shí)現(xiàn)手術(shù)針8空間位姿的調(diào)整；通過針刺運(yùn)動，最終實(shí)現(xiàn)針刺作業(yè)。本發(fā)明針刺機(jī)械手機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢是(1)本發(fā)明中的各滑塊擺桿機(jī)構(gòu)均由氣缸控制，而氣缸活塞桿的推力直接作用于相關(guān)聯(lián)滑塊的中心位置，受力合理，防止滑塊變形；(2)采用四點(diǎn)支撐，即兩套主動擺桿與被動擺桿固定于下層平臺12上，共同支撐中層平臺10，使中層平臺10的運(yùn)動更加穩(wěn)定，即兩套被動桿11’、11推動滑塊分別沿X向直線導(dǎo)軌1’、14’運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)支撐穩(wěn)定作用；(3)抬升執(zhí)行單元布置于平動執(zhí)行單元之上，減小了下底層氣缸所需的推力，使運(yùn)動更加靈活。盡管上面結(jié)合圖對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式
，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于核磁共振成像環(huán)境的近距離微創(chuàng)針刺機(jī)械手機(jī)構(gòu)，包括一手術(shù)針，其特征在于，還包括三個平臺和三個用于實(shí)現(xiàn)所述手術(shù)針五個自由度的執(zhí)行單元； 所述三個平臺包括上層平臺、中層平臺和下層平臺；三個執(zhí)行單元包括連接于所述中層平臺和所述下層平臺之間的平動執(zhí)行單元，連接于所述上層平臺和所述中層平臺之間的抬升執(zhí)行單元，設(shè)置在所述上層平臺上的針刺執(zhí)行單元，所述三個執(zhí)行單元的動作是相互獨(dú)立的；其中所述平動執(zhí)行單元由兩個滑塊擺桿機(jī)構(gòu)組成，每個滑塊擺桿機(jī)構(gòu)均分別由一氣缸控制，當(dāng)其中一個氣缸運(yùn)動時實(shí)現(xiàn)所述中層平臺在水平面內(nèi)的擺動，當(dāng)兩個氣缸同步運(yùn)動時實(shí)現(xiàn)中層平臺在水平面內(nèi)的移動，所述中層平臺白擺動和移動中，通過光電編碼器測量和計(jì)算氣缸活塞的位移，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋；所述抬升執(zhí)行單元由兩套滑塊擺桿機(jī)構(gòu)組成，每套滑塊擺桿機(jī)構(gòu)均布置在手術(shù)針軸向的不同位置上，每套滑塊擺桿機(jī)構(gòu)包括兩個共用一個氣缸控制的滑塊擺桿機(jī)構(gòu)；該兩套滑塊擺桿機(jī)構(gòu)是相互獨(dú)立的，當(dāng)其中一套滑塊擺桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動時實(shí)現(xiàn)所述上層平臺在豎直面內(nèi)的擺動，當(dāng)兩套滑塊擺桿機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動時實(shí)現(xiàn)所述上層平臺的升降，所述上層平臺在擺動和升降中，通過光電編碼器測量和計(jì)算氣缸活塞的位移，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋；所述針刺執(zhí)行單元包括一超聲波電機(jī)和由該超聲波電機(jī)帶動的一絲杠滑塊機(jī)構(gòu)，所述絲杠滑塊機(jī)構(gòu)帶動手術(shù)針在手術(shù)針的軸向上作直線進(jìn)給運(yùn)動；所述平動執(zhí)行單元和所述抬升執(zhí)行單元的共同運(yùn)動實(shí)現(xiàn)手術(shù)針空間位姿的調(diào)整，從而，手術(shù)針通過超聲波電機(jī)的低速轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)最終的針刺作業(yè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于核磁共振成像環(huán)境的近距離微創(chuàng)針刺機(jī)械手機(jī)構(gòu)，其特征在于，所有零部件均采用高強(qiáng)度工程塑料聚甲醛(POM)制造。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于核磁共振成像環(huán)境的近距離微創(chuàng)針刺機(jī)械手機(jī)構(gòu)，包括一手術(shù)針、三個平臺和三個用于實(shí)現(xiàn)手術(shù)針五個自由度的執(zhí)行單元；三個執(zhí)行單元包括連接于中層和下層平臺間的平動執(zhí)行單元、上層和中層平臺間的抬升執(zhí)行單元、上層平臺上的針刺執(zhí)行單元，三個執(zhí)行單元的動作是相互獨(dú)立的；其中平動執(zhí)行單元由兩個滑塊擺桿機(jī)構(gòu)組成，每個滑塊擺桿機(jī)構(gòu)分別由一氣缸控制，實(shí)現(xiàn)中層平臺在水平面內(nèi)的移動和擺動；抬升執(zhí)行單元由兩套滑塊擺桿機(jī)構(gòu)組成，每套滑塊擺桿機(jī)構(gòu)分別由一氣缸控制，實(shí)現(xiàn)上層平臺在豎直面內(nèi)的升降和擺動；二者共同運(yùn)動實(shí)現(xiàn)手術(shù)針空間位姿的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)最終的針刺作業(yè)。該機(jī)械手定位精準(zhǔn)、靈活性好、可大大縮短手術(shù)時間。
文檔編號A61B17/00GK102499726SQ20111035239
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者馮文浩, 姜杉, 張震, 李巍 申請人:天津大學(xué)