CN102113905B - 核磁共振环境下的针刺手术机械手机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了核磁共振环境下的新型针刺手术机械手机构，五个自由度被分配在三个各自独立的模块执行。底层模块由丝杠滑轨机构和两套不同的齿轮齿条机构组成，由丝杠滑轨机构和一套齿轮齿条机构共同作用，通过气缸控制，实现装置的抬升运动；另一套齿轮齿条机构在另外气缸控制下实现装置的水平摆动。中层模块的平台分别通过超声波电机的转动和气缸的推动实现装置的俯仰运动和水平面内的平移运动。针刺层模块实现针刺运动，由丝杠滑轨机构，通过超声波电机的转动来实现针体在水平方向的直线进给运动。采用本发明结构能够实现大范围的上下、左右、倾斜和摇摆运动；同时结构紧凑，能够在核磁仪有限空间内辅助完成针刺手术，极大程度的提高手术的精度。
Description
技术领域
本发明涉及针刺手术机械手机构，具体涉及核磁共振环境下的新型针刺手术机械手机构。
背景技术
当前，进行***手术的主要方法是微创近距离粒子放射治疗。手术过程通过针刺将放射性粒子植入***，进行局部放射治疗。而通常手动执行的针刺手术，大多要面对精度差、无法实时成像的缺点；对于预先规划的轨迹，也可能会因为患者身体的移动和针刺对于软组织的刺激，而无法实现预计的效果。而通过机器手辅助或者机器手实现高精度针刺的手段，可以很好的解决这些问题。
核磁共振成像(MRI)与传统的X射线、CT相比，能够避免对健康细胞的x射线辐射，且有优良的软组织分辨力和精确几何学特性，可以更加准确的探出病变区域，以确保合理的轨迹优化，并且对病变部分的判断更加准确，以确保植入粒子的位置精度。专利号为CN201010137726.1的中国专利公开了“一种应用于核磁共振环境的针刺机械手机构“，通过对六个滑块摆杆的主动滑块的控制，实现机器手的运动。其中，下层由四个滑块摆杆机构组成，前后两套相对独立，每套由两个滑块摆杆机构组成，共用一个气缸控制，实现同步运动，而前后两套则分别由不同气缸控制，异步运动，实现机构的上下、左右、倾斜、摇摆四个自由度的运动。针刺运动，由丝杠滑轨机构，通过超声波电机的转动来实现针体在水平方向的直线进给运动。采用本机构可以克服针刺手术的成像效果不及时和轨迹规划难的弊端，能够极大程度的提高手术的精度，手术成功性和完善性。但该专利技术存在上层平台由摆杆支撑，刚度较低、易摆动的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以实现实时控制，在有限的空间内提高针刺手术的精度，减少病人手术的痛苦的并且刚度高的核磁共振环境下的针刺手术机械手机构。
本发明的核磁共振环境下的针刺手术机械手机构，它包括从下至上顺次设置的底层模块、中层模块和针刺层模块，所述的底层模块包括底层平台，所述的中层模块包括中层平台，所述的针刺层模块包括针刺平台，在所述的针刺平台上安装有第二超声波电机，所述的第二超声波电机的输出轴与第一丝杠相连，所述的第一丝杠与固定在针刺平台上的丝杠座通过轴承连接，套在第一丝杠上的螺母的两侧各自套在一个光杠上，两个光杠的两端分别连接在丝杠座上，在所述的螺母上连接有手术针，在所述的底层平台和中层平台之间设置有螺母平台，在所述的底层平台上安装有第一丝杠滑轨机构，所述的第一丝杠滑轨机构的滑块与第一齿条固定相连，所述的第一齿条与通过第一轴承转动安装在第二丝杠上的摆动齿轮相啮合配合，所述的螺母平台连接在位于摆动齿轮上方的第二丝杠上，至少两根导向柱的一端与摆动齿轮固定相连，至少两根导向柱的另一端插在螺母平台上的开孔内并与所述的开孔相滑移配合，所述的第二丝杠的底部通过第二轴承沿竖直方向转动连接在所述的底层平台上并且其顶部与螺母平台相螺纹连接配合，在所述的摆动齿轮的底面上连接有第二丝杠滑轨机构，所述的第二丝杠滑轨机构的滑块与第二齿条固定相连，所述的第二齿条与安装在底层平台和摆动齿轮之间的第二丝杠上的抬升齿轮相啮合配合，在所述的螺母平台上安装有第一超声波电机，所述的第一超声波电机的输出轴沿水平方向设置并与中层平台固定相连，所述的第二丝杠与第一超声波电机的输出轴彼此垂直设置，在所述的中层平台的底面上连接有第三丝杠滑轨机构，所述的第三丝杠滑轨机构的滑块与摆杆固定相连，在所述的中层平台上开有直线导轨槽，在所述的针刺平台上开有与所述的直线导轨槽成角度设置的斜向导向槽，所述的摆杆通过直线导轨槽插在所述的斜向导向槽中，所述的第三丝杠滑轨机构的滑块的运动方向与第一超声波电机的输出轴彼此垂直设置。
本发明的突出优点是：
本发明结构灵活，综合运用齿轮齿条、丝杠螺母、摆杆滑槽等机构能够实现大范围的上下、左右、倾斜和摇摆运动；同时结构紧凑，气缸布置巧妙，能够在核磁仪有限空间内辅助完成针刺手术，克服手术过程中成像效果不及时和轨迹规划难的弊端，能够极大程度的提高手术的精度，手术的成功性和完善性，从而为核磁共振成像(MRI)引导机器人辅助微创外科手术开辟了新的途径。
附图说明
图1为本发明的核磁共振环境下的针刺手术机械手机构的结构立体图；
图2为图1所示的机构的底层模块俯视图；
图3为图1所示的机构的底层局部仰视剖视图；
图4为图1所示的机构的中层平台仰视图；
图5为图1所示的机构的针刺平台俯视图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例，并参照附图，对本发明技术做进一步的说明：
如图所示，核磁共振环境下的针刺手术机械手机构，它包括从下至上顺次设置的底层模块、中层模块和针刺层模块，所述的底层模块包括底层平台2，所述的中层模块包括中层平台21，所述的针刺层模块包括针刺平台24，在所述的针刺平台上安装有第二超声波电机29，所述的第二超声波电机29的输出轴与第一丝杠28相连，所述的第一丝杠28与固定在针刺平台上的丝杠座26通过轴承连接，套在第一丝杠28上的螺母的两侧各自套在一个光杠上，两个光杠27的两端分别连接在丝杠座上，在所述的螺母上连接有手术针25，在所述的底层平台和中层平台之间设置有螺母平台，在所述的底层平台上安装有第一丝杠滑轨机构，所述的第一丝杠滑轨机构的滑块与第一齿条5固定相连，所述的第一齿条5与通过第一轴承转动安装在第二丝杠4上的摆动齿轮3相啮合配合，所述的螺母平台连接在位于摆动齿轮上方的第二丝杠上，至少两根导向柱13的一端与摆动齿轮固定相连，至少两根导向柱的另一端插在螺母平台上的开孔内并与所述的开孔相滑移配合。所述的第二丝杠的底部通过第二轴承沿竖直方向转动连接在所述的底层平台2上并且其顶部与螺母平台相螺纹连接配合，在所述的摆动齿轮的底面上连接有第二丝杠滑轨机构，所述的第二丝杠滑轨机构的滑块与第二齿条11固定相连，所述的第二齿条与安装在底层平台和摆动齿轮之间的第二丝杠4上的抬升齿轮12相啮合配合，在所述的螺母平台上安装有第一超声波电机22，所述的第一超声波电机的输出轴沿水平方向设置并与中层平台21固定相连，所述的第二丝杠4与第一超声波电机22的输出轴彼此垂直设置，在所述的中层平台的底面上连接有第三丝杠滑轨机构，所述的第三丝杠滑轨机构的滑块17与摆杆18固定相连，在所述的中层平台21上开有直线导轨槽20，在所述的针刺平台上开有与所述的直线导轨槽成角度设置的斜向导向槽，所述的摆杆通过直线导轨槽插在所述的斜向导向槽30中，所述的第三丝杠滑轨机构的滑块的运动方向与第一超声波电机的输出轴彼此垂直设置。
如图2、3、4所示的作为本发明的一种实施方式，所述的第一丝杠滑轨机构包括安装在底层平台上的第一直线导轨7和通过轴承座安装在底层平台上的第一气缸1，在第一直线导轨上设置有与其滑动连接的第一滑块6，所述的第一滑块的一侧与第一气缸1的活塞杆相连并且其另一侧与第一齿条5固定相连。
所述的第二丝杠滑轨机构包括安装在摆动齿轮3底面上的第二直线导轨14和通过轴承座9安装在底层平台上的第二气缸8，第二直线导轨上设置有与其滑动连接的第二滑块15，第二滑块的一侧与第二气缸8的活塞杆10相连并且其另一侧与第二齿条11固定相连。
所述的第三丝杠滑轨机构包括安装在中层平台21底面上的第三直线导轨19和通过轴承座安装在中层平台21底面上的第三气缸16，第三直线导轨上设置有与其滑动连接的第三滑块17，第三滑块17的一侧与第三气缸16的活塞杆相连并且其另一侧与摆杆固定相连。
当然所述的丝杠滑轨机构也可以采用电机-螺母丝杠结构。
本装置的工作过程如下：
抬升运动：通过控制与气泵相连的气缸活塞杆10推动第二滑块15沿第二直线导轨14移动，从而实现第二齿条11水平方向的移动，以带动抬升齿轮12绕竖直方向转动，达到第二丝杠4的转动，第二丝杠4的顶部与螺母平台为螺纹连接，依据丝杠螺母机构原理，变旋转运动为直线运动，进而实现装置的抬升运动。通过控制第一超声波电机22的转动，实现中层平台21的俯仰运动，中层平台与针刺层平台24通过摆杆18固结在一起，进而实现装置的俯仰运动。
平移运动：通过控制与气泵相连的第三气缸16使活塞杆推动滑块17沿第三直线导轨19水平移动，进而实现摆杆18在直线导轨槽20中的运动，由于中层平台通过摆杆18与针刺平台固结在一起，因此摆杆18同时在斜向导向槽30内运动，在直线槽与斜向槽共同约束下，达到针刺平台24水平移动，进而实现装置的水平移动。通过控制与气泵相连的第一气缸1使活塞杆推动滑块6沿第一直线导轨7水平移动，从而实现第一齿条5水平方向的移动，以带动摆动齿轮3绕竖直方向转动，摆动齿轮3与第二丝杠4、中层平台21固结在一起，进而实现装置的水平面内摆动。
针刺运动：通过第二超声波电机29，使第一丝杠28带动手术针25运动，将运动和力传给针尖，实现针刺作业。
因此，通过平移运动和抬升运动的配合，实现针体空间位姿的调整；通过针刺运动，最终实现针刺作业。
Claims (1)
1.核磁共振环境下的针刺手术机械手机构，它包括从下至上顺次设置的底层模块、中层模块和针刺层模块，所述的底层模块包括底层平台，所述的中层模块包括中层平台，所述的针刺层模块包括针刺平台，在所述的针刺平台上安装有第二超声波电机，所述的第二超声波电机的输出轴与第一丝杠相连，所述的第一丝杠与固定在针刺平台上的丝杠座通过轴承连接，套在第一丝杠上的螺母的两侧分别套在一个光杠上，两个光杠的两端分别连接在丝杠座上，在所述的螺母上连接有手术针，其特征在于：在所述的底层平台和中层平台之间设置有螺母平台，在所述的底层平台上安装有第一丝杠滑轨机构，所述的第一丝杠滑轨机构的滑块与第一齿条固定相连，所述的第一齿条与通过第一轴承转动安装在第二丝杠上的摆动齿轮相啮合配合，所述的螺母平台连接在位于摆动齿轮上方的第二丝杠上，至少两根导向柱的一端与摆动齿轮固定相连，至少两根导向柱的另一端插在螺母平台上的开孔内并与所述的开孔相滑移配合，所述的第二丝杠的底部通过第二轴承沿竖直方向转动连接在所述的底层平台上并且其顶部与螺母平台相螺纹连接配合，在所述的摆动齿轮的底面上连接有第二丝杠滑轨机构，所述的第二丝杠滑轨机构的滑块与第二齿条固定相连，所述的第二齿条与安装在底层平台和摆动齿轮之间的第二丝杠上的抬升齿轮相啮合配合，在所述的螺母平台上安装有第一超声波电机，所述的第一超声波电机的输出轴沿水平方向设置并与中层平台固定相连，所述的第二丝杠与第一超声波电机的输出轴彼此垂直设置，在所述的中层平台的底面上连接有第三丝杠滑轨机构，所述的第三丝杠滑轨机构的滑块与摆杆固定相连，在所述的中层平台上开有直线导轨槽，在所述的针刺平台上开有与所述的直线导轨槽成角度设置的斜向导向槽，所述的摆杆通过直线导轨槽插在所述的斜向导向槽中，所述的第三丝杠滑轨机构的滑块的运动方向与第一超声波电机的输出轴彼此垂直设置。
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