基于丝传动的微创手术针刺机构

1.一种基于丝传动的微创手术针刺机构，包括基座静平台(A)和外置电机座(B)；
其特征在于，
所述基座静平台(A)的前部设有U型动平台(C)，所述U型动平台(C)上设有一两自由度转头(D)，所述两自由度转头(D)上设有针刺结构(E)；所述基座静平台(A)的后部固定有控制所述U型动平台(C)的两自由度并联机构(F)；
所述两自由度并联机构(F)包括两套分别与U型动平台(C)左右两侧顶部连接的平行四边形连杆机构，所述平行四边形连杆机构与一丝杠传动结构A连接；所述平行四边形连杆机构由依次与所述U型动平台(C)铰接的连杆A、丝杠传动结构A中的螺母、连杆B构成；
所述丝杠传动结构A中的丝杠由超声波电机A带动；
所述U型动平台(C)包括U型框架，所述U型框架的底部设有万向轮，所述U型框架内口处设有升降平台，所述升降平台与U型框架的两支柱之间分别设有一丝杠传动结构B，所述丝杠传动结构B中的丝杠底部的轴端从U型框架支柱的底部伸出，所述丝杠传动结构B中丝杠的底端高于所述万向轮的底端；所述升降平台呈U字形，所述丝杠传动结构B中的螺母与升降平台顶部的两端固连；
所述两自由度转头(D)包括设置在所述升降平台上的支撑圈，所述支撑圈上设有横向转轴和纵向转轴，所述横向转轴、所述针刺结构的中心轴和所述纵向转轴分别与直角坐标系的X轴、Y轴和Z轴重合；所述横向转轴和纵向转轴的转动均分别由丝传动结构A和丝传动结构B带动；所述针刺结构中包括与针刺结构的中心轴重合的针体，所述针体由丝传动结构C带动其沿Y轴移动；
所述两自由度并联机构实现所述U型动平台(C)在水平面内的平动，所述升降平台实现所述U型动平台(C)的上下移动；所述两自由度转头(D)实现针刺结构中心轴的姿态调节，所述针刺结构实现针刺动作。
2.根据权利要求1所述基于丝传动的微创手术针刺机构，其特征在于，所述丝传动结构A和丝传动结构B均分别由超声波电机B和超声波电机C带动；所述超声波电机B与所述丝传动结构A的主动丝轮之间、所述超声波电机C与所述丝传动结构B的主动丝轮之间均分别设有联轴器；所述丝传动结构A的被动丝轮与所述横向转轴同轴，所述丝传动结构B的被动丝轮与所述纵向转轴同轴。
3.根据权利要求2所述基于丝传动的微创手术针刺机构，其特征在于，所述针刺结构包括筒形基座，所述筒形基座内前部设有丝杠传动结构C,其中的丝杠为内螺纹丝杠，所述内螺纹丝杠配合有一外螺纹螺母；所述筒形基座内后部设有与轴向导向槽配合的滑套；所述针体的前端从筒形基座的前端伸出，所述针体的后端连接有一针体连杆，所述针体连杆分别与外螺纹螺母的中心孔和滑套的中心孔连接；所述内螺纹丝杠的外回转面上设有螺旋形线槽，所述螺旋形线槽内缠绕有传动丝，所述筒形基座上设有穿丝小孔，传动丝的一端与内螺纹丝杠固定，所述传动丝的另一端与丝传动结构C的主动丝轮连接，所述丝传动结构C的主动丝轮通过一联轴器连接至一超声波电机D。
4.根据权利要求3所述基于丝传动的微创手术针刺机构，其特征在于，所述超声波电机B、超声波电机C和超声波电机D均设在所述外置电机座(B)上。

基于丝传动的微创手术针刺机构\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种微创针刺手术设备，尤其涉及一种基于丝传动的微创手术针刺机构。\n背景技术\n[0002] 目前的技术条件下，前列腺手术的主要方法是近距离粒子放射治疗。即在手术过程中将放射性的粒子植入前列腺的病变部位，利用粒子的放射性进行治疗。然而，通常情况下，手术过程是由医生手动完成的，这就必然会遇到以下几方面问题：（1）操作精度差。医生仅凭肉眼对核磁仪图像的观察，必然存在较大的误差。而且对医生本身手术操作经验要求较高，一旦有失误会对病人造成不必要的痛苦。（2）无法实时适应病人位姿变动。在手术过程中，病人身体或许会有轻微的变动，导致病变部位偏离预计位置。因此，医生预先规划好的轨迹路线就需要再次调整，增加了手术的重复工作量。\n[0003] 核磁共振成像（MRI）是现有的成像手段，与传统的成像技术（如X射线照射、CT成像等）相比，优势明显：避免了辐射作用对正常人体组织的破坏，因而更加健康；同时拥有更强的分辨能力，使成像更加精确，为放射性粒子的准确植入提供了重要保证。但是，多数核磁共振仪的工作腔内都比较狭窄，而且存在很强的磁场，这就对手术机构提出了新的限制，主要是以下三点：（1）针刺机构本身及其移动过程不能干扰核磁共振仪的磁场，否则影响成像质量；（2）强磁场环境不能影响针刺机构的操作移动过程，否则无法实现预定目标；\n（3）整个机构必须满足一定的尺寸要求，足够轻巧，能在狭小的空间内完成各个动作。\n[0004] 因此，无论是针刺机构的主体材料还是驱动设备，都要满足核磁兼容的条件，这对该手术机构的开发提出了苛刻的要求。\n发明内容\n[0005] 针对上述现有技术，本发明提供一种基于丝传动的微创手术针刺机构，属于一种新型的基于磁共振成像（MRI）导航的微创针刺手术设备，可以提高针刺手术的精度和成功率；在强磁场环境中，实现对机构的实时控制，提高手术效率，减少病人痛苦。本发明综合了机构学与医学相关方面的技术知识，实现精确定位与针刺动作，从而代替医生的双手完成核磁共振环境下微创手术的操作过程。\n[0006] 为了解决上述技术问题，本发明基于丝传动的微创手术针刺机构予以实现的技术方案是：包括基座静平台和外置电机座；所述基座静平台的前部设有U型动平台，所述U型动平台上设有一两自由度转头，所述两自由度转头上设有针刺结构；所述基座静平台(A)的后部固定有控制所述U型动平台的两自由度并联机构；所述两自由度并联机构(F)包括两套分别与U型动平台左右两侧顶部连接的平行四边形连杆机构，所述平行四边形连杆机构与一丝杠传动结构A连接；所述平行四边形连杆机构由依次与所述U型动平台铰接的连杆A、丝杠传动结构A中的螺母、连杆B构成；所述丝杠传动结构A中的丝杠由超声波电机A带动；所述U型动平台包括U型框架，所述U型框架的底部设有万向轮，所述U型框架内口处设有升降平台，所述升降平台与U型框架的两支柱之间分别设有一丝杠传动结构B，所述丝杠传动结构B中的丝杠底部的轴端从U型框架支柱的底部伸出，所述丝杠传动结构B中丝杠的底端高于所述万向轮的底端；所述升降平台呈U字形，所述丝杠传动结构B中的螺母与升降平台顶部的两端固连；所述两自由度转头包括设置在所述升降平台上的支撑圈，所述支撑圈上设有横向转轴和纵向转轴，所述横向转轴、所述针刺结构的中心轴和所述纵向转轴分别与直角坐标系的X轴、Y轴和Z轴重合；所述横向转轴和纵向转轴的转动均分别由丝传动结构A和丝传动结构B带动；所述针刺结构中包括与针刺结构的中心轴重合的针体，所述针体由丝传动结构C带动其沿Y轴移动；所述两自由度并联机构实现所述U型动平台在水平面内的平动，所述升降平台实现所述U型动平台的上下移动；所述两自由度转头实现针刺结构中心轴的姿态调节，所述针刺结构实现针刺动作。\n[0007] 进一步将，所述丝传动结构A和丝传动结构B均分别由超声波电机B和超声波电机C带动；所述超声波电机B与所述丝传动结构A的主动丝轮之间、所述超声波电机C与所述丝传动结构B的主动丝轮之间均分别设有联轴器；所述丝传动结构A的被动丝轮与所述横向转轴同轴，所述丝传动结构B的被动丝轮与所述纵向转轴同轴。\n[0008] 还有，所述针刺结构包括筒形基座，所述筒形基座内前部设有丝杠传动结构C,其中的丝杠为内螺纹丝杠，所述内螺纹丝杠配合有一外螺纹螺母；所述筒形基座内后部设有与轴向导向槽配合的滑套；所述针体的前端从筒形基座的前端伸出，所述针体的后端连接有一针体连杆，所述针体连杆分别与外螺纹螺母的中心孔和滑套的中心孔连接；所述内螺纹丝杠的外回转面上设有螺旋形线槽，所述螺旋形线槽内缠绕有传动丝，所述筒形基座上设有穿丝小孔，传动丝的一端与内螺纹丝杠固定，所述传动丝的另一端与一主动丝轮连接，所述主动丝轮通过一联轴器连接至一超声波电机D。\n[0009] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：\n[0010] 本发明中采用丝传动方式，将电机外置，可以有效地避开电机本身对核磁共振仪内磁场的影响，保证了成像质量；由于电机无需直接与执行机构相连，因此大幅度减轻了执行机构的重量，使机构更加轻巧。\n[0011] 本发明中通过平行四边形连杆机构对动平台转动自由度进行约束，两自由度并联机构实现了整个机构在水平面内的迅速精确定位，在核磁兼容手术机械手中尚属首次应用。\n[0012] 本发明中两自由度转头实现了大范围的转动，从而满足了针体的姿态调整要求，该两自由度转头的结构紧凑，运动灵活，与丝传动相结合，优点显著。\n[0013] 本发明中的电机均为超声波电机，可以精确控制各个构件的位移量或者旋转量，极大提高了手术操作过程的精确度，从而克服了手术过程中成像不及时和病人身体移动后产生偏差的弊端。\n附图说明\n[0014] 图1是本发明基于丝传动的微创手术针刺机构的整体结构示意图；\n[0015] 图2是图1中所示U型动平台和两自由度转头的结构示意图；\n[0016] 图3是图2中所示U型框架和升降平台的结构示意图；\n[0017] 图4是图2中所示升降平台和两自由度转头的结构示意图；\n[0018] 图5是图1所示外置电机座的结构示意图；\n[0019] 图6是图1所示针刺机构轴向结构剖视图。\n[0020] 图中主要附图标记说明：\n[0021] A-基座静平台 B-外置电机座 C-U型动平台\n[0022] D-两自由度转头 E-针刺结构 F-两自由度并联机构[0023] 1-超声波电机A 2-超声波电机B 3-超声波电机C\n[0024] 4-超声波电机D 5-升降平台 6-连杆A\n[0025] 7-连杆B 8-螺母 9-丝杠\n[0026] 10-U型框架 11-万向轮 12-轴端\n[0027] 13-螺母 14-支撑圈 15-横向转轴\n[0028] 16-纵向转轴 17、18、19-联轴器 20、21、22-主动丝轮[0029] 23、24-被动丝轮 25、26-传动丝 27-针体\n[0030] 28-外螺纹螺母 29-内螺纹丝杠 30-穿丝小孔\n[0031] 31-塑料轴承 32-滑套 33-筒形基座\n[0032] 34-螺旋形线槽 35-针体连杆\n具体实施方式\n[0033] 本发明是在核磁共振环境下，采用丝传动结构传递动力的一种基于丝传动的微创手术针刺机构，由基座静平台A、外置电机座B、U型动平台C，两自由度转头D，针刺结构E和两自由度并联机构F六个主要部分构成，其中，在手术前根据不同的手术环境提前调整并设定U型动平台C的竖直高度，在手术过程中由五个核磁兼容的超声波电机驱动，以实现针体的五个自由度。\n[0034] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。\n[0035] 如图1所示，本发明一种基于丝传动的微创手术针刺机构的具体构造是，包括基座静平台A和外置电机座B，所述基座静平台A的前部设有U型动平台C，所述U型动平台C上设有一两自由度转头D，所述两自由度转头D上设有针刺结构E；所述基座静平台A的后部固定有控制所述U型动平台C的两自由度并联机构F。\n[0036] 如图1所示，所述两自由度并联机构F包括两套分别与U型动平台C左右两侧顶部连接的平行四边形连杆机构，所述平行四边形连杆机构与一丝杠传动结构A连接；所述平行四边形连杆机构由依次与所述U型动平台C铰接的连杆A、丝杠传动结构A中的螺母\n8、连杆B构成；两套丝杠传动结构A中的两根丝杠9、丝杠9上的两个螺母8以及与螺母铰接的两组平行四边形杆连杆机构和U型动平台构成了一个两自由度的六杆机构。两根丝杠\n9分别由两个独立的超声波电机A1直接驱动，两个丝杠9的旋转带动左右两个螺母8的前后移动，从而平行四边形连杆机构限制了U型动平台只能在水平面内平动而不能转动。\n[0037] 如图2所示，所述U型动平台C包括U型框架，所述U型框架10的底部设有万向轮11，所述U型框架内口处设有升降平台5，所述升降平台5与U型框架10的两支柱之间分别设有一丝杠传动结构B，所述丝杠传动结构B中的丝杠底部的轴端12从U型框架10支柱的底部伸出，所述丝杠传动结构B中丝杠的底端高于所述万向轮11的底端，如图3所示；\n所述升降平台5呈U字形，所述丝杠传动结构B中的螺母13与升降平台5顶部的两端固连（图中示出的是螺母13与升降平台5两端的耳板为一体结构）。U型动平台C内的两根丝杠与上述两自由度并联机构的丝杠9不同，U型动平台C的两根丝杠9由操作人员调节。操作人员在手术之前旋转丝杠底部的轴端12实现升降平台5的上下移动，从而适应不同的手术类型和病人高度，并在手术过程中保持不变。U型动平台13底部设置的万向轮11可以减小U型动平台C平动过程中的摩擦，同时起到支撑重量的作用。U型动平台C在水平面内的平动与升降平台5的上下移动实现针体前、后、左、右、上、下的空间三个自由度，从而实现空间定位。\n[0038] 如图4所示，所述两自由度转头D包括设置在所述升降平台5上的支撑圈14，所述支撑圈14上设有横向转轴15和纵向转轴16，所述横向转轴15、所述针刺结构的中心轴和所述纵向转轴16分别与直角坐标系的X轴、Y轴和Z轴重合；所述横向转轴15和纵向转轴\n16的转动均分别由丝传动结构A和丝传动结构B带动；所述丝传动结构A和丝传动结构B均分别由超声波电机B2和超声波电机C3带动；所述超声波电机B2与所述丝传动结构A的主动丝轮20之间、所述超声波电机C3与所述丝传动结构B的主动丝轮21之间均分别设有联轴器17(18)；所述丝传动结构A的被动丝轮23与所述横向转轴15同轴，所述丝传动结构B的被动丝轮24与所述纵向转轴16同轴。两自由度转头D实现针刺结构的姿态调节，横向转轴15与纵向转轴16相互垂直，并通过丝传动结构（如图4和图5所示，超声波电机B2—联轴器17—主动丝轮20—传动丝25—被动丝轮23—横向转轴15；超声波电机C3—联轴器18—主动丝轮21—传动丝26—被动丝轮24—纵向转轴16）进行驱动。\n[0039] 如图1和图2所示，所述针刺结构中包括与针刺结构的中心轴重合的针体27，所述针体27由丝传动结构C带动其沿Y轴移动。如图6所示，所述针刺结构包括筒形基座33，所述筒形基座33内前部设有丝杠传动结构C,其中的丝杠为内螺纹丝杠29，所述内螺纹丝杠29配合有一外螺纹螺母28；所述筒形基座33内后部设有与轴向导向槽配合的滑套32；\n所述针体27的前端从筒形基座33的前端伸出，所述针体27的后端连接有一针体连杆35，所述针体连杆35分别与外螺纹螺母28的中心孔和滑套32的中心孔连接；所述内螺纹丝杠\n29的外回转面上设有螺旋形线槽34，所述螺旋形线槽34内缠绕有传动丝（图中为画出该传动丝），所述筒形基座33上设有穿丝小孔30，传动丝的一端与内螺纹丝杠29固定，所述传动丝的另一端与主动丝轮22连接，所述主动丝轮22通过一联轴器19连接至一超声波电机D4。针刺结构本身运用了丝杠螺母机构，并通过丝传动驱动内部丝杠的旋转，从而带动与针体27固连的外螺纹螺母28平移，实现针刺动作。\n[0040] 如图5所示，本发明中的五个核磁兼容的超声波电机，其中三个，包括所述超声波电机B2、超声波电机C3和超声波电机D4均设在所述外置电机座B上，该三个超声波电机分别通过丝传动为横向转轴、纵向转轴和针刺层提供动力，另外两个，包括两自由度并联机构中的超声波电机A1没采用丝传动的方式，而是直接与两自由度并联机构中的丝杠9相连,如图1所示。\n[0041] 总之，本发明中的所述两自由度并联机构实现所述U型动平台C在水平面内的平动，所述升降平台实现所述U型动平台C的上下移动；所述两自由度转头D实现针刺结构中心轴的姿态调节，所述针刺结构实现针刺动作。\n[0042] 本发明一种基于丝传动的微创手术针刺机构的工作方式如下：\n[0043] 1.水平面内的两自由度平动：\n[0044] 两个超声波电机A旋转，分别带动两个丝杠传动结构A1中的丝杠9旋转，两个丝杠9分别推动各自上的螺母8，彼此独立的前进或后退，U型动平台C和两个丝杠传动结构A中的螺母8以平行四边形连杆机构连接。当两个个超声波电机A1同步转动时，平行四边形连杆机构维持角度不变，从而推动U型动平台C在水平面内前后运动；当两个超声波电机A1异步转动时，平行四边形连杆机构角度发生变化，从而推动U型动平台C在水平面内左右运动，至此水平面内的两自由度平动顺利实现。\n[0045] 2.升降运动：\n[0046] 升降平台5和U型动平台C之间形成丝杠传动结构，通过手工旋转丝杠底部的轴端12，可以使升降平台5上下运动。\n[0047] 3.两自由度的转动：\n[0048] X向转动：超声波电机B2旋转通过联轴器17带动主动丝轮20转动，主动丝轮20和被动丝轮23之间通过丝传动，被动丝轮与横向转轴固定，从而实现两自由度转头D的X向旋转运动。同理，实现两自由度转头D的Y向旋转运动\n[0049] 4.针刺运动：\n[0050] 针刺运动是通过固定在两自由度转头D中心位置的针刺结构来完成的。如图6所示，内螺纹丝杠29通过塑料轴承31安装在针刺结构的筒形基座33上，内螺纹丝杠29外回转面上设置的螺旋形线槽34用于绕丝，通过丝传动带动内螺纹丝杠29旋转。内螺纹丝杠\n29的螺纹与其中的一个外螺纹螺母28上的外螺纹配合，外螺纹螺母28左端与针体27卡紧，外螺纹螺母28的右端通过针体连杆35与后部的滑套32固连，滑套32上的键与筒形基座33内表面上的轴向导向槽配合，用以防止了外螺纹螺母28自转。当内螺纹丝杠29在传动丝的带动下旋转时，内螺纹丝杠29与外螺纹螺母配合，从而将内螺纹丝杠29的转动变换为与内螺纹螺母28固定的针体27的轴向移动，从而实现了针刺运动。\n[0051] 综上，通过U型动平台在水平面内前后左右方向的平动、竖直方向的升降运动、转头的两自由度转动、针体的旋转针刺运动，最终完成针刺手术过程。\n[0052] 尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。