[发明专利]一种CT图像实时引导的肺穿刺机器人本体机构

说明书

技术领域

本发明涉及一种针对肺穿刺治疗的机器人，具体涉及一种利用CT图像实时引导的肺穿刺机器人机构，属于放射治疗机器人技术领域。

背景技术

穿刺手术一般是对病人局部麻醉的情况下进行，然而在肺穿刺手术过程中伴随病人肺部的呼吸运动，目标靶点位置实时改变，使肺部穿刺手术的难度相对其它非运动器官增大。现阶段肺穿刺手术依然是在CT图像辅助下医生凭借自身经验完成手术，一场手术耗时大概为30-50min,并且病人所受辐射剂量较大。

肺部穿刺手术机器人的工作环境是：病人躺在扫描床上，进入CT扫描架,医生在控制室里面通过主从式遥操作控制机器人，因为是在CT图像实时引导下进行穿刺手术，所以机械人末端需要在CT扫描架内。标准的扫描床的宽度为60mm，当病人躺在床上进入CT扫描架后，扫描架内器人末端的可工作空间约为350×300×235mm³，且零部件材料选用非金属(除铝以外)。穿刺机械人需要精确定位穿刺针的进针点位置，并且调整针的位姿位于医生规划的进针路径角度。在进针过程中，由于病人的呼吸运动，穿刺针末端的夹针机构需能实现“夹紧——释放——重新夹紧”的功能。在夹针机构和进针结构中分别需要微型电机驱动及减速器，然而所有的电机和减速器都是金属材质，不满足CT扫描环境下的使用条件。

目前针对肺部穿刺手术也开发了各种机器人来辅助医生完成手术工作，《中国医疗设备》2015年第30卷11期公开了一种CT实时引导下穿刺定位装置，该装置主要由滑轨支架、三维云台、穿刺模块三部分组成。滑轨支架通过固定夹与CT床板连接固定，支架底座上装有一个可纵向滑移的升降滑轨，升降滑轨装有可升降调节的横向滑轨，升降滑轨通过底端的滑块座安装在滑轨座上。三维云台尾端滑块与横向滑轨连接，构成万向调节架可横向调节的滑移结构。云台调节架的外端有一个穿刺模块，穿刺模块上有一个双轴数显角度仪。通过整体的相互配合滑移调节穿刺针的位姿，再将穿刺针头由穿刺模块上的对应针孔直接穿刺到病人的病灶部位。

《IEEE Transactions on information technology in biomedicine》《IEEE生物医学信息技术》,2002年12月第六期中公开了一种具有11个自由度的穿刺机器人，底部的8个自由度用于初始定位，将机器人固定到接近表皮穿刺点的位置并锁紧，其他三个自由度包括2-DOF的RCM结构和由丙烯酸塑料制成的穿刺针推进器。

《The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery》《医疗机器人与计算机辅助外科手术国际期刊》，2015年11月出版的458-475页中公开了一个五自由度并行结构机器人，它在与患者直接接触并在适当的位置用绑带与患者固定穿刺针的定位和定向采用四个运动传输机构并由超声马达通过传输带驱动；插入针的运动综合了一个超声电机和两个气动夹爪。

上述三种穿刺机器人的本体机构不能满足在主从控制下肺部的穿刺手术，首先结构较复杂，要满足CT图像实时引导下进行穿刺手术其结构必须在可达工作区域内，其末端结构复杂，功能单一，不能实现跟随病人呼吸节律对进入组织的穿刺针“释放——再夹紧”的功能；其次，金属材质零部件在X射线下产生伪影，在机械人末端的结构中电机、减速器的使用不可行。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种CT图像实时引导的肺穿刺机器人本体机构，机构在CT扫描架的运动空间内完成位姿调整及进针，穿刺针夹持机构实现在穿刺过程中的根据病人的呼吸频率及进针深度实现“穿刺针的夹紧—自由释放针——重新夹紧针”的功能；机器人末端执行机构的零件所采用的材料为聚碳酸酯和铝(铝在X射线下伪影很小)，末端机构的驱动采用电机远端驱动用丝传动结构，能够达到CT扫描条件下使用非金属材料机构的要求。

一种CT图像实时引导的肺穿刺机器人本体机构，该机构包括基座、三坐标滑动平台、转角卡盘、RCM机构、进针机构和夹针机构；

所述三坐标滑动平台安装在基座的横梁上实现平台在XYZ坐标系中三个方向的移动，RCM机构的一端通过转角卡盘与三坐标滑动平台中的Y轴模块连接，RCM机构的另一端与进针机构固定连接，转角卡盘的角度根据不同病人的体态进行角度的调整，RCM机构用于调整穿刺针的进针角度；所述夹针机构与进针机构的丝杠螺母副中的螺母固连，夹针机构通过外部的电机驱动实现穿刺针的夹持、释放和重新夹持的功能。