CN109480967B - 手术穿刺执行机构及采用其的手术机械臂 - Google Patents

Abstract

一种手术穿刺执行机构及采用其的手术机械臂。该穿刺执行机构的引入不仅可以夹持手术器械(如穿刺针、消融针)使医生可以远程控制机械臂调整器械的穿刺轨迹并推进其沿目标穿刺轨迹达到目标深度，而且术中可以控制机构为穿刺器械提供一定的自由活动空间，使手术器械到达靶点进行后续动作(如激光消融)时能伴随呼吸随组织运动，消除机械臂对手术器械端部的刚性固定而引起的轨迹偏移和穿刺点损伤等，也能满足紧急状况(如手术器械的过度弯曲而引发折断危险)下，手术器械的快速释放，同时机构可以使手术器械恢复至被夹持状态，使手术器械恢复与机械臂的相对位置，以便进行再一次的穿刺轨迹调整。

Description

手术穿刺执行机构及采用其的手术机械臂

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，更具体地涉及一种手术穿刺执行机构及采用其的手术机械臂。

背景技术

针穿刺是现代外科手术中较为普通的技术，特别是在微创外科领域。穿刺针在影像和其他传感的引导下，刺入软组织病灶靶点，完成防止药物、活检、局部麻醉、放射和消融治疗等操作。针穿刺广泛应用于***、肺、肝、肾和脊柱等器官组织的诊疗。

随着介入引导工具和机器人辅助技术的发展及在医疗领域的领域，传统穿刺手术中的多次扫描验证、手术时间长、对医生技术水平要求高、重复性差等及实时CT扫描下，医生直接暴露于射线和操作空间受限等诸多问题正逐渐得到解决。

但是现有的穿刺针与机械臂刚性固连，不能随呼吸运动；或者在考虑呼吸作用时，仍然可能会对穿刺点处的皮肤有撕扯，同时器械成本居高不下。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种手术穿刺执行机构，以解决以上技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种手术穿刺执行机构，包括：

夹具，用于夹持待操作的手术器械，且能够在外来输入动力的驱动下，驱使所述手术器械执行穿刺动作或退出穿刺动作；

限位单元，包括一个或多个限位元件，用于在手术期间对所述手术器械的若干方向的空间位置进行限定，在非手术期间解除限定；

所述夹具的夹紧和张开与所述限位单元的限定和解除动作是联动的。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种手术机械臂，包括机械臂台车、被动机械臂、姿态调整机构和如上所述的手术穿刺执行机构；其中：

所述被动机械臂由所述机械臂台车支撑，能够手动调节所述被动机械臂的姿势和位置；

所述姿态调整机构安装于所述被动机械臂上，包括铰接成空间平行四边形结构的多条连杆，用于对安装在其上的手术穿刺执行机构的姿势进行调整。

基于上述技术方案可知，本发明的手术穿刺执行机构具有如下有益技术效果：术中可以控制机构为穿刺器械提供一定的自由活动空间，使手术器械到达靶点进行后续动作(如激光消融)时能伴随呼吸随组织运动，消除机械臂对手术器械端部的刚性固定而引起的轨迹偏移和穿刺点损伤等，也能满足紧急状况(如手术器械的过度弯曲而引发折断危险)下，手术器械的快速释放，同时机构可以使手术器械恢复至被夹持状态，使手术器械恢复与机械臂的相对位置，以便进行再一次的穿刺轨迹调整；该机械臂可以在实时CT图像引导下，被远程控制来调整手术器械(如穿刺针、消融针)的穿刺轨迹，并引导手术器械沿目标穿刺轨迹推进入目标深度。

附图说明

图1是本发明的手术穿刺执行机构处于夹持状态时的一个具体实施例的轴测图；

图2是本发明的手术穿刺执行机构处于夹持状态时的一个具体实施例的***图；

图3是本发明的手术穿刺执行机构处于自由状态时的一个具体实施例的轴测图；

图4是作为本发明一具体实施例的手术穿刺执行机构的安装过程的示意图；

图5是作为本发明一具体实施例的各部件处于完全夹持状态时的内部结构的示意图；

图6是作为本发明一具体实施例的动作触发件的主视图；

图7是作为本发明一具体实施例的各动作接收件的结构及关键尺寸关系图；

图8A是作为本发明一具体实施例的辊子张开状态时的内部结构示意图；

图8B是作为本发明一具体实施例的横向夹持完全张开状态时的内部结构示意图；

图8C是作为本发明一具体实施例的各部件处于完全张开状态时的内部结构示意图；

图9是本发明安装于RCM机构上的应用情景示意图；

图10是本发明应用于实时CT引导手术时的应用场景示意图。

上图中，附图标记含义如下：

10---穿刺机构，

20---二自由度RCM穿刺姿态调整机构，

30---被动机械臂，

40---O型臂CT。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。本发明中的各种方位词，比如“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”等只是为了描述的方便，用于描述各部件之间的相对位置关系，而不是用于限定本发明，本发明的产品摆放方式不同可能导致各种方位描述的改变。

本发明公开了一种适配于在主从控制医用机器人***中以RCM(Remote centerof motion)远程运动中心机构为穿刺器械姿态调整装置的远端从动机械臂的末端穿刺执行机构，该机构不仅可以夹持手术器械(如穿刺针、消融针)使医生可以远程控制机械臂调整器械的穿刺轨迹并推进其沿目标穿刺轨迹达到目标深度，而且术中可以控制机构为穿刺器械提供一定的自由活动空间，使手术器械到达靶点进行后续动作(如激光消融)时能伴随呼吸随组织运动，消除机械臂对手术器械端部的刚性固定而引起的轨迹偏移和穿刺点损伤等，也能满足紧急状况(如手术器械的过度弯曲而引发折断危险)下，手术器械的快速释放，同时机构可以使手术器械恢复至被夹持状态，使手术器械恢复与机械臂的相对位置，以便进行再一次的穿刺轨迹调整。

具体地，本发明公开了一种手术穿刺执行机构，包括：

夹具，用于夹持待操作的手术器械，且能够在外来输入动力的驱动下，驱使手术器械执行穿刺动作或退出穿刺动作；

限位单元，包括一个或多个限位元件，用于在手术期间对所述手术器械的若干方向的空间位置进行限定，在非手术期间解除限定；

所述夹具的夹紧和张开与所述限位单元的限定和解除动作是联动的。

其中，该夹具为两个辊子，其中一个能够在外来输入动力的驱动下正向或反向转动，以驱使手术器械执行相应动作。

其中，夹具的两个辊子分别与一轴在圆心相连，两个辊子能够以两轴夹角大于等于45°的角度张开。

其中，限位单元包括位于与夹具夹持的手术器械垂直的平面内的、前后方向和左右方向的限位元件。在一个实施方式中，该前后方向和左右方向的限位元件分别为能前后移动的第一限位杆和能左右移动、夹紧开合的两根第二限位杆。

其中，夹具与限位单元的联动是通过外来输入动力驱动一动作触发件，该动作触发件上不同部位再分别驱动夹具与限位单元来实现的。

在一个实施方式中，该动作触发件上不同位置形成凸起，通过凸起与轨道、变形齿轮(包括棘轮)或弹簧触发机构等配合，推动不同的部件执行相应动作。其中，变形齿轮的例子例如包括在圆盘上形成向内凹陷的特定形状的槽形成变形齿轮，凸起与该槽配合，推动该变形齿轮以特定方式转动，从而带动相应限位单元动作；弹簧触发机构的例子例如包括采用弹簧实现限位单元的夹紧，而凸起的运动抵消弹簧的推力而使限位单元张开，凸起后退时限位单元再次在弹簧作用下夹紧；轨道的例子例如包括凸起与一圆柱(转轮)上的轨道啮合，从而凸起的运动带动该圆柱的运动。在一个优选实施例中，动作触发件沿一垂直杆上下匀速运动，该动作触发件上形成有三个凸起，分别与三条轨道相耦合，从而通过设置相应轨道的轨迹来分别驱动三个对应部件。其中，轨道可以设置在圆柱(转轮)或驱动板上，在凸起的驱动下使该转轮转动，该驱动板平移。

其中，外来输入动力通过一对锥齿轮带动一螺杆来使所述动作触发件在螺纹作用下上下垂直运动。

本发明还公开了一种手术机械臂，包括机械臂台车、被动机械臂、姿态调整机构和如上所述的手术穿刺执行机构；其中：

被动机械臂由机械臂台车支撑，能够手动调节被动机械臂的姿势和位置；

姿态调整机构安装于被动机械臂上，包括铰接成空间平行四边形结构的多条连杆，用于对安装在其上的手术穿刺执行机构的姿势进行调整。

该被动机械臂和姿态调整机构可以通过远程电动控制，从而构成所谓的RCM(Remote center of motion)远程运动中心机构。

其中，机械臂台车与手术床可以固定连接，或者安装在具有脚轮的定位安装座上；作为优选，机械臂台车可以通过滑轨与手术床固定连接。

在一个实施例中，驱动手术器械进给的动力装置设置在被动机械臂上，姿态调整机构中包含传输动力的机构。

在一个实施例中，手术穿刺执行机构与姿态调整机构之间是可拆卸的连接；进一步优选的，手术穿刺执行机构是一次性使用的，从而可以更好地保证手术的卫生状况和清洁度。

在一个实施例中，姿态调整机构的外表面可以覆盖有一塑料膜或防水涂层，以方便手术后清洁。

在一个优选实施方式中，该手术穿刺执行机构安装定位于RCM机构末端。利用轴线位置确定(与RCM结构参数相关)两个转轴与二自由度的RCM机构末端铰接，得到调整后的穿刺位姿；并通过远距离传送机构获取动力，以在不影响CT成像的条件下，获得穿刺机构执行动作所需的动力。

可以先后执行扩张、收缩动作的2组非平行方向的活动部件，包括横向夹杆和纵向夹杆。扩张和收缩动作的目的是提供穿刺器械的活动范围和重新对器械进行夹持以恢复确定的相对位置；先后执行顺序的目的是可以在实现满足给定穿刺器械自由活动空间的前提下，最小化夹紧后的夹持长度，使夹持件不会与病人身体产生干涉，保证足够的安全性和调整范围。

可以让位、复位动作的转动辊子，包括主动辊子和被动辊子。辊子让位动作的目的是不对穿刺器械的自由活动和后续重新夹持动作造成干涉；辊子的复位动作执行后，两个辊子可以夹紧穿刺器械，主动辊子接收来自转轴的动力，利用摩擦力使穿刺器械执行进给动作。

夹杆运动顺序执行及辊子让、复位动作的实现方式，执行部件包括动作触发件、辊子开合接收件、横向夹杆开合接收件和纵向夹杆开合接收件。通过动作触发件的运动及其与开合接收件的结构配合实现目标动作并在动作完成后限制运动来提供可靠的夹持，动作触发件的动力由转轴传入。

穿刺器械相对于穿刺机构或机械臂的安装及拆卸方式。包括可方便安装和去除的刚体标记，与纵向开合执行件利用铰接和卡扣活动连接的外侧纵向夹杆。这样可以在不影响传统手术流程的条件(即穿刺器械已通过穿刺点***一定的深度)下，在穿刺器械上标记距皮肤穿刺点确定距离(相关于RCM机构的尺寸参数)的标记，将刚体标记安装于与此标记重合的位置，再牵拉调整机械臂及RCM机构使刚体标记下表面与横向夹杆组上表面重合，并使外侧纵向夹杆通过卡扣闭合，实现穿刺机构对穿刺器械的确定夹持，此时皮肤上的穿刺点即为机械臂调整的远端中心点，再驱动辊子复位提供可靠横向夹紧，并去除刚体标记以进行器械后续动作；拆卸同样利用可打开的外侧纵向夹杆，在辊子让位动作执行后，可拖拽机械臂使器械与穿刺机构分离，而不影响器械状态。

下面结合附图对本发明的一个具体实施例进行进一步阐述说明。

如图1、9所示，穿刺机构的转轴101、102的轴段101R1、102R2与RCM机构的运动连杆铰接，以输出RCM机构提供的穿刺位姿调整结果；轴段101R2、102R2作为传动带的带轮获得布置在远处的电机的动力，以提供机构实现目标动作的动力。

本发明的目标动作包括：

获得如图1的夹持状态，使机械臂可以调整穿刺器械的位姿并在此时可以提供器械的进给动作；

获得如图3中最大的夹持部件包络空间，使穿刺器械可以自由随呼吸运动；

在如图4情形下，给定各部件的位置及状态。图4展示了安装穿刺器械时穿刺机构各活动部件所处的状态，其中辊子107、108处于让位状态，横向夹持部件103、104(即限位单元)处于夹紧状态，外侧纵向夹持部件106(即限位单元)与其连接的开合执行件114的卡扣打开，且开合执行件114的所处位置使外侧纵向夹持部件106闭合时，纵向夹持部件呈夹紧状态，上述状态保证穿刺器械安装后位置的确定并且安装时不受辊子的干涉。

除以上3种状态外，为了在满足给定穿刺器械自由活动空间的前提下，最小化夹紧后的夹持长度，使夹持件不会与病人身体产生干涉，因此，穿刺机构还包括纵向夹持杆件105b、106(即限位单元)完全夹紧后，横向夹持杆件103、104才由完全张开状态向夹紧状态运动。

在本实施实例中，来自转轴101的转矩，在锥齿轮组121、122啮合状态(此时辊子处于复位状态)时，传递至辊子转轴123实现辊子107的转动。来自转轴102的转动，为辊子的让、复位动作、各夹持部件的夹紧与扩张动作提供动力，动力经图5中锥齿轮组127、128传递至由动作触发件109、螺纹杆130、导杆131组成的丝杠组合，使动作触发件109沿导杆131上下运动。工作触发件如图6，其上有3个圆柱形凸起109t1、109t2、109t3分别与辊子开合接收件110、横向夹杆开合接收件111、纵向夹杆开合接收件112的滑槽配合，在辊子开合接收件110、纵向夹杆开合接收件112的外圆柱面上的滑槽导线是螺旋线与竖直线的组合；在横向夹杆开合接收件111的平面上的滑槽导线是斜线与竖直线的组合。图7展示了各接收件上滑槽导线的相互关系，图中的0、3虚线为动作触发件109中位线的两个极限位置。

现通过由安装器械时到手术过程中穿刺机构需要达到的状态及过程来对具体执行结构及过程做介绍。

(一)在安装器械时，机构中各外部活动部件表现如图4，此时动作触发件109位于图7的1位置。接着，动作触发件109向0位置运动，带动辊子开合接收件110及其固连的被动辊子转向轴125与其上的开合主动齿轮132转动，被动辊子转轴124由被动辊子转向轴125提供支撑并能相对安装孔转动，即被动辊子向内转动；同时与开合主动齿轮132啮合的开合被动齿轮133转动，其固连的主动辊子转向轴带动主动辊子向内转动，辊子复位夹紧穿刺器械，过程图为图8A到图5。

(二)穿刺机构由各部件夹紧状态向各部件完全扩开状态转变时，动作触发件由0位置向3位置运动。

其中0位置向1位置的运动为前述运动的逆运动，上述转向轴反向转动，辊子让位。过程图为图5到图8A；

由1位置到2位置间S2位移中，只有横向开合接收件111的滑动轨迹为非竖直线段(图7)，横向开合接收件111与其安装基座中板116为移动副配合，并通过其上固连的转轴111R分别与开合连杆(图8B)134、135铰接，同时开合连杆134、135分别于横向夹杆103、104铰接，且横向夹杆与安装基座中板116也为移动副配合，构成两个并联的由横向开合接收件111驱动的1自由度机构，因此动作触发件109向上运动带动横向开合接收件111向前运动，横向夹杆完全张开，过程图为图8A到图8B。

由2位置到3位置件S3位移中，只有纵向开合接收件112的滑动轨迹为非竖直线段(图7)，即只有纵向开合接收件112运动，带动其轴112R上固连的齿轮129转动，继而带动可以在安装底板上任意移动的纵向开合执行件113向前移动，过程图为图8B到图8C。

穿刺机构由各部件完全扩开状态向各部件夹紧状态转变时，动作触发件109由3位置向1位置运动。是前述(二)运动的逆运动，图7所展现的开合动作设计，在2位置处，是纵向开合接收件112和横向开合接收件111的运动临界点，保证器械不会落入夹持范围以外。

触发件到达最小极限位置时，其上的凸起限制各接收件的运动，各部件处于完全夹紧状态，如图5。

穿刺机构的外壳部件包括安装顶板115、安装基座中板116、安装底板117、右侧安装板118、左侧安装板119、前侧盖板105和后侧盖板120，为内部零件提供了确定的安装位置，使动作得以实现，同时前侧盖板105上固连内侧纵向夹杆105b，简化了纵向开合动作。

图9、10分别是本发明安装于RCM机构的应用情景示意图和本发明应用于实时CT引导手术时的应用场景。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种手术穿刺执行机构，其特征在于，包括：

夹具，用于夹持待操作的手术器械，且能够在外来输入动力的驱动下，驱使所述手术器械执行穿刺动作或退出穿刺动作；

限位单元，包括一个或多个限位元件，用于在手术期间对所述手术器械的若干方向的空间位置进行限定，在非手术期间解除限定；

所述夹具的夹紧和张开与所述限位单元的限定和解除动作是联动的；

所述夹具与所述限位单元的联动是通过外来输入动力驱动一动作触发件，所述动作触发件上不同部位再分别驱动所述夹具与所述限位单元来实现的。

2.如权利要求1所述的手术穿刺执行机构，其特征在于，所述夹具为两个辊子，其中一个能够在外来输入动力的驱动下转动，以驱使所述手术器械执行相应动作。

3.如权利要求2所述的手术穿刺执行机构，其特征在于，所述夹具的两个辊子分别与一轴相连，所述两个辊子能够以两轴夹角大于等于45°的角度张开。

4.如权利要求1所述的手术穿刺执行机构，其特征在于，所述限位单元包括位于与所述夹具夹持的手术器械垂直的平面内的、前后方向和左右方向的限位元件。

5.如权利要求4所述的手术穿刺执行机构，其特征在于，所述前后方向和左右方向的限位元件分别为能前后移动的第一限位杆和能左右移动、夹紧开合的两根第二限位杆。

6.如权利要求1所述的手术穿刺执行机构，其特征在于，所述动作触发件上不同位置形成凸起，通过所述凸起与轨道、棘轮或弹簧触发机构配合，推动不同的部件执行相应动作。

7.如权利要求6所述的手术穿刺执行机构，其特征在于，所述动作触发件沿一垂直杆上下匀速运动，所述动作触发件上形成有三个凸起，分别与三条轨道相耦合，从而通过设置相应轨道的轨迹来分别驱动对应部件。

8.如权利要求7所述的手术穿刺执行机构，其特征在于，所述轨道设置在转轮或驱动板上，在凸起的驱动下使所述转轮转动，使所述驱动板平移。

9.如权利要求7所述的手术穿刺执行机构，其特征在于，所述外来输入动力通过一对锥齿轮带动一丝杆来使所述动作触发件在螺纹作用下上下垂直运动。

10.一种手术机械臂，包括机械臂台车、被动机械臂、姿态调整机构和如权利要求1至9任意一项所述的手术穿刺执行机构；其中：

所述被动机械臂由所述机械臂台车支撑，能够手动调节所述被动机械臂的姿势和位置；

所述姿态调整机构安装于所述被动机械臂上，包括铰接成空间平行四边形结构的多条连杆，用于对安装在其上的手术穿刺执行机构的姿势进行调整。

11.如权利要求10所述的手术机械臂，其特征在于，所述机械臂台车与手术床固定连接，或者安装在具有脚轮的定位安装座上。

12.如权利要求11所述的手术机械臂，其特征在于，所述机械臂台车通过滑轨与手术床固定连接。

13.如权利要求11所述的手术机械臂，其特征在于，驱动手术器械进给的动力装置设置在所述被动机械臂上，所述姿态调整机构中包含传输动力的机构。

14.如权利要求10所述的手术机械臂，其特征在于，所述手术穿刺执行机构与所述姿态调整机构之间是可拆卸的连接；

所述手术穿刺执行机构是一次性使用的；

所述姿态调整机构的外表面覆盖有一塑料膜或防水涂层。

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