CN110974366A - 一种微创定制穿刺导向装置和穿刺定位优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微创定制穿刺导向装置和穿刺定位优化方法。包括固定底座、双排纵向滑块导轨结构、升降台、横向滑座、双排横向滑块导轨结构、模板换向机构；双排纵向滑块导轨结构安装在固定底座上，升降台安装在双排纵向滑块导轨结构上，横向滑座安装在升降台上，双排横向滑块导轨结构安装在横向滑座上，模板换向机构安装在双排横向滑块导轨结构上，穿刺模板固定件通过末端转向结构安装连接于模板换向机构的末端，穿刺模板固定件上安装固定穿刺模板。本发明提高了穿刺模板的定位精度，从而提高穿刺手术的精度，提高手术效率，可满足不同患者采取定制穿刺***时最高位置与操作床的垂直距离的变化。

Description

一种微创定制穿刺导向装置和穿刺定位优化方法

技术领域

本发明涉及了医疗器械领域的一种医用物件可动装置，涉及了一种微创定制穿刺导向装置和穿刺定位优化方法。

背景技术

穿刺是现代医学外科手术中使用较为广泛的技术，特别是在微创手术中，应用更为广泛，它是许多医学诊断、治疗以及科学研究的重要手段，包括活体组织穿刺取样检查和经皮穿刺射频消融、放射性粒子置入、体液引流等，应用在肝、肾、肺等器官的活检和治疗中。

穿刺活检手术直接获取病变部位的组织标本，具有操作简便、创伤小和费用低的优点，是疾病诊断和鉴别诊断的重要手段。单纯以CT图像引导进行徒手穿刺活检，术中需要多次CT扫描和调整活检针的位置，增加了患者受到的辐射量和气胸、出血等穿刺并发症的发生风险，因此需要一种定位精准、操作安全和效率更高的引导方法。穿刺导向装置可以在穿刺手术使用穿刺针穿过人体组织，达到靶点的过程中对穿刺针进行导向定位，将穿刺模板定位于穿刺起始位置。穿刺模板导向装置可以提高命中率，缩短穿刺时间，减少患者痛苦。医学实践中，常需要面对不同体型的患者，需要不断变换穿刺***，需要不断调整穿刺位置和角度，对穿刺装置空间位姿适应性具有很高的定制需求，如何设计快速适应不同定制需求的穿刺装置，是当前研究的重要方面。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种微创定制穿刺导向装置和穿刺定位优化方法，以提高穿刺精度，提高穿刺效率，具有五个自由度的高灵活性。

本发明的技术方案如下：

一、一种微创定制穿刺模板导向装置：

装置包括固定底座、双排纵向滑块导轨结构、升降台、横向滑座、双排横向滑块导轨结构、模板换向机构；双排纵向滑块导轨结构安装在固定底座上，升降台安装在双排纵向滑块导轨结构上，横向滑座安装在升降台上，双排横向滑块导轨结构安装在横向滑座上，模板换向机构安装在双排横向滑块导轨结构上，穿刺模板固定件通过末端转向结构安装连接于模板换向机构的末端，穿刺模板固定件上安装固定穿刺模板。

所述的固定底座安装在操作台床板上，固定底座上安装双排纵向滑块导轨结构；所述的双排纵向滑块导轨结构包括纵向导轨、纵向滑块止动器和纵向滑块；固定底座顶面中部开设有凹槽，凹槽的两侧平行安装两条纵向导轨，每条纵向导轨上移动嵌装有纵向滑块止动器，纵向滑块固定于纵向滑块止动器侧面，下底板底面固定于两条纵向导轨的纵向滑块之上。

所述的升降台包括上平板、下底板、升降台壳体、升降台蜗杆、阶梯轴、主动件驱动蜗轮；上平板位于下底板上方，上平板和下底板之间通过四角的支柱上下支撑活动连接；上平板和下底板之间安装有升降台壳体，升降台壳体中安装有升降台蜗杆、阶梯轴、主动件驱动蜗轮，升降台蜗杆水平布置，升降台蜗杆两端端部为光轴且通过轴承支撑安装于升降台壳体内部，升降台蜗杆的一端伸出于升降台壳体后同轴连接转动升降台旋钮；阶梯轴竖直布置且两端通过轴承支撑安装于升降台壳体内部，阶梯轴中部同轴套装有主动件驱动蜗轮且安装轴端挡圈轴向限位，升降台蜗杆的中部为蜗杆结构且和主动件驱动蜗轮连接形成升降蜗轮蜗杆副，升降台螺杆通过螺纹配合套装在阶梯轴内的中心螺纹孔中形成丝杠螺母副，升降台螺杆的上端伸出于升降台壳体后固定连接上平板；转动升降台旋钮带动升降台蜗杆转动，经升降蜗轮蜗杆副带动主动件驱动蜗轮转动，由于主动件驱动蜗轮和阶梯轴之间通过键同轴联接，进而带动阶梯轴转动，经丝杠螺母副传递给螺杆，螺杆在上平板和下底板之间的上下移动限制下带动上平板上下升降运动；上平板的侧部固定有支架板，支架板和上平板之上安装有双排横向滑块导轨结构；双排横向滑块导轨结构包括横向滑座、横向滑块止动器和横向滑块；横向滑座安装在支架板和上平板上，横向滑座顶面开设有凹槽，凹槽的两侧平行安装两条横向导轨，横向导轨垂直于纵向导轨，每条横向导轨上移动嵌装有横向滑块止动器，横向滑块固定于横向滑块止动器侧面，支承座底面固定于两条横向导轨的横向滑块之上；支承座上通过平垫圈和螺钉安装有模板换向机构，模板换向机构包括底座端盖、模板换向蜗轮蜗杆壳体、换向蜗杆、换向蜗轮、旋臂和工字型块；底座端盖安装在支承座上，模板换向蜗轮蜗杆壳体安装在底座端盖上，，模板换向蜗轮蜗杆壳体中包含有一个水平轴向腔和一个竖直轴向腔；竖直轴向腔中竖直安装有换向蜗杆，换向蜗杆上端穿出模板换向蜗轮蜗杆壳体后和模板换向旋钮同轴连接；水平轴向腔中水平安装有水平轴和换向蜗轮，水平轴水平设置在水平轴向腔中，换向蜗轮同轴套装在水平轴外的中部，水平轴向腔的两端开口且安装端盖，其中一个端盖端面上设置有圆圈的角度刻度线，水平轴向腔和竖直轴向腔连通，使得换向蜗杆和换向蜗轮连接形成换向蜗轮蜗杆副；两根旋臂的一端均通过键同轴套接在换向蜗轮的水平轴两端端部，两根旋臂另一端固定连接工字型块的一端，工字型块的另一端固定设有套筒，长轴一端和套筒同轴连接，长轴另一端和末端转向结构连接，末端转向结构和穿刺模板固定件同轴固接，穿刺模板固定件中间固定安装穿刺模板；转动模板换向旋钮带动换向蜗杆转动，经换向蜗轮蜗杆副带动换向蜗轮转动，由于换向蜗轮和水平轴之间同轴联接，进而带动水平轴转动，由于旋臂和水平轴通过键同轴连接，再带动旋臂和工字型块及套筒所套装的长轴摆动。

所述的末端转向结构包括末端转向壳体、蜗轮轴和蜗杆轴，末端转向壳体和长轴另一端固接，末端转向壳体内安装有蜗轮轴和蜗杆轴，蜗杆轴垂直于长轴布置，蜗轮轴和长轴平行，蜗轮轴、蜗杆轴上分别同轴套装蜗轮、蜗杆，蜗轮轴上的蜗轮和蜗杆轴上的蜗杆相连接构成末端转向蜗轮蜗杆副，末端转向壳体侧壁开设通孔，蜗杆轴的一端穿出末端转向壳体侧壁的通孔后通过紧定螺钉和末端转向旋钮同轴连接，蜗轮轴穿出末端转向壳体后和穿刺模板固定件固接；转动末端转向旋钮带动蜗杆轴旋转，进而经末端转向蜗轮蜗杆副带动蜗轮轴旋转，由于蜗轮轴和穿刺模板固定件固接，再带动穿刺模板固定件绕蜗轮轴轴向转动。

所述的穿刺模板通过弹簧卡扣结构可拆地安装在穿刺模板固定件上，弹簧卡扣结构包括按扣、弹簧、垫板和沉头螺钉组，穿刺模板端面中间开设有内凹槽，穿刺模板固定件端面设置凸起块，内凹槽的槽壁和凸起块均开设方形通槽，方形通槽的下端通过沉头螺钉组安装有垫板，按扣下端经弹簧和垫板连接，垫板和凸起块的方形通槽之间形成的空间中安装有按扣，按扣设有外凸缘，外凸缘使得按扣外尺寸大于方形通槽的尺寸。

所述的固定底座侧面开设有水平槽，操作台床板嵌装于水平槽中，固定底座顶面的两侧有钮螺纹孔，钮螺纹孔中通过螺纹安装底座固定旋钮，并且两侧钮螺纹孔下方的在操作台床板和固定底座水平槽底面之间均设有垫板，垫板顶部开设板螺纹孔，底座固定旋钮的螺纹拧入固定底座的钮螺纹孔和垫板的板螺纹孔中。

所述的纵向滑块止动器包括手柄、夹紧块和凹形滑块，凹形滑块底面中间开设凹状槽，凹状槽嵌装配合于导轨，凹状槽两侧的凹形滑块侧面开设有条形槽，一侧的安装槽固定安装有第一块夹紧块，另一侧的安装槽活动安装有第二块夹紧块，手柄从凹形滑块穿过第二块夹紧块和凹形滑块内部通道后铰接活动连接于第一块夹紧块的水平通孔中，手柄穿设过第二块夹紧块时通过螺纹配合连接形成丝杠螺母副；转动手柄经丝杠螺母副带动第二块夹紧块在条形槽水平移动，进而靠近或远离条纵向导轨，由于第一块夹紧块位置固定，控制第二块夹紧块和第一块夹紧块之间靠拢和分离的距离，实现夹紧和放松纵向导轨。

上平板的四角设置有竖直的套杆，下底板的四角设置有竖直的套筒，套杆套装在套筒中，实现上平板和下底板之间的支柱上下支撑活动连接。

所述的支架板呈倒L形，水平一侧通过螺钉固定于上平板，上侧通过螺钉固定连接双排横向滑块导轨结构。

所述的横向滑座在远离支架板的另一端设有柔性支撑结构，柔性支撑结构具体为金属定形软管，金属定形软管的下端通过柔性吸盘连接在竖直的固定表面，金属定形软管的上端通过螺钉固定于横向滑座远离支架板的另一端底面。

所述的套筒上沿轴向开设多个通孔，长轴上沿轴向开设一个通孔，紧定螺钉径向穿过长轴的一个通孔后选择安装在套筒上的任意一个通孔中，从而调整套筒和长轴之间的轴向装配关系。

所述的穿刺模板固定件上安装有陀螺仪。

本发明固定底座固定在手术台上，纵向滑块导轨固定在固定底座上，纵向滑块导轨结构中包含两个滑块导轨，可以使整个装置在手术台方向上的运动更加平稳。每一个滑块导轨装置都包含有一个滑块止动器，滑块与滑块止动器通过螺钉与升降台底面联接固定。导轨止动夹可以使滑块在导轨行程的任意位置停止运动，防止在穿刺手术过程中因为误触穿刺定位装置而影响穿刺手术的进行和成功率。

本发明的穿刺模板定位装置，用在穿刺、活检等微创手术。该装置包含三个移动自由度和两个旋转自由度，可以粗调、微调在三个方向上的移动量和旋转量，使模板准确到达目标区域，陀螺仪中包含蓝牙信号发射模块，实时将定位参数通过蓝牙信号传输进行显示。通过多次CT图像扫描，建立了定位装置、操作台、患者之间的空间位置关联关系，通过激光投射相对位置进行快速标定，建立了三维空间中考虑避障约束的穿刺针穿刺多目标优化模型。基于快速扩展随机树的规划器计算几何轨迹，将几何轨迹转换为基于占空比的运动规划(针穿入速度和旋转)，最终得到通过穿刺针的输入参数控制的最优穿刺路径，本发明可显著提高穿刺定位精度并降低并发症风险。

二、一种穿刺模板导向装置的穿刺定位优化方法：

步骤1：确定CT医学图像的靶点；

步骤2：建立CT医学图像的体内靶点(x_CT,y_CT,z_CT)、体表进针点(x₀,y₀,z₀)，得到穿刺针路径优化模型，通过优化方法获得空间三维移动路径作为预设穿刺路线；

步骤3：根据体内靶点、体表进针点，选取能观察到体内靶点的CT图像，读取该CT图像的CT标识(0020,0032)，然后读取CT标识(0020,0037)，最后读取CT标识(0028,0030)；

步骤4：结合穿刺定向设备，再次CT扫描确认穿刺针所在预设穿刺路线内正确无误；

4.1、穿刺手术在CT引导下进行，首先通过CT设备确定靶点的位置，在人体体表上确定合适点进行标记，记录靶点与穿刺点连接线与床板外法线之间的夹角θ以及穿刺点到床板外法线之间的距离；

4.2、CT扫描后确定体表穿刺位置后，再确定CT床零点，需对准CT床零点，该CT床零点需要进行提前标记；

4.3、再次CT扫描确认穿刺针所在预设穿刺路线内正确无误，测量穿刺路线上穿刺模板的上缘与体内靶点的距离，确定穿刺针进针的深度。

步骤5：穿刺定位过程的实时优化，建立运动模型

5.1、建立穿刺针的运动模型。

如附图12所示，建立穿刺针的穿刺模型。Ψ_n为体坐标系，Ψ_ω为世界坐标系。斜角尖端使针围绕平行于X轴的线瞬间旋转并通过圆心点(0,-r_n,0)，穿刺针的预设穿刺路线由参数组(l,-r_n,θ)表示；穿刺针的针尖沿一个等曲率半径圆弧运动的运动，r_n＝1/k_n，k_n表示圆弧曲率；穿刺针的穿刺路径由多段分段圆弧表示，每一段圆弧均由参数组(l_i,-r_i,θ_i)表示,l_i表示第i段圆弧长度，r_i为第i段圆弧半径

为半径阈值，θ_i是穿刺针的针尖在体坐标系Ψ_n绕z轴方向的角度变化，不可穿刺组织为障碍点，使用路径规划算法规划几何轨迹避障，并使针尖路径最终达到靶点；

5.2运动模型的目标函数及约束条件建立

已知：[(x_CT,y_CT,z_CT),(x₀,y₀,z₀)]

目标：建立最小化优化目标

约束:K_o(pwn(t))>0

v(t)＝1

其中：(x_CT,y_CT,z_CT)为体内靶点的坐标；(x₀,y₀,z₀)为体表进针点的坐标；J(v,ω,T)为优化函数，J_o(pwn(t))表示世界坐标系中穿刺针的针尖与最近的障碍点o_i之间的距离；α_l和α₀为第一、第二权重。T为穿刺针的穿入时间，穿刺针穿入时间T离散为时间区间{Δ，2Δ，…，T}，Δ表示占空比周期；τ为占空比系数；ω表示穿刺针针尖运动的角速度，ω(t)表示时间t下的角速度，j表示时间区间的序数，t表示时间，v(t)表示时间t下的穿刺针针尖的运动速度，v(T)表示时间区间T的穿刺针针尖的运动速度；

并建立约束条件：

应满足针尖与障碍点之间的距离J_o(pwn(t))>0；

穿刺针运动模型中包含占空比系数，针尖的控制输入(v(t),ω(t))应满足：

v(t)＝1

其中，k表示控制参数；

步骤6：使用基于快速扩展随机树的规划器计算各种可能的穿刺路线，然后将所有可能的穿刺路线转换为运动规划输入到步骤5的运动模型中，再采用上述目标函数和约束条件进行优化求解，获得最优的穿刺路线，作为通过穿刺针的输入参数控制的穿刺路径，从而进行穿刺定位。

本发明的有益效果：

与现有的技术相比，定位模板的使用可以提高穿刺手术的精度，降低穿刺手术对医生熟练度经验的依赖。本发明的穿刺模板定位装置搭载有集成有蓝牙模块的陀螺仪，具有沿X轴、Y轴、Z轴移动的自由度，绕X轴、Y轴旋转的自由度，伸出臂伸缩的自由度共5个自由度，其中包含三个可以微调的自由度，沿Z轴移动的自由度和绕X轴、Y轴旋转的自由度。可以结合显示器的读数进行微调，定位精度高，灵敏度高。

两个移动自由度由双导轨组成，使滑动更加平稳，配合滑块止动器，可以使导轨在任意位置止动锁住。由金属定形软管以及柔性吸盘组成的结构就可以对横向滑座产生支撑，即对整个穿刺装置进行支撑，提高装置的稳定性和抗干扰能力防止因为误触意外而对穿刺手术产生的影响。横向滑座的一侧向外伸出起到配重的作用，增加了装置的稳定性。

因为装置具有沿X轴、Y轴、Z轴移动的自由度，绕X轴、Y轴旋转的自由度，伸出臂伸缩的自由度共5个自由度，可以根据不同的穿刺要求进行调节，在X轴、Y轴、Z轴上的移动和绕X轴、Y轴旋转的自由度都具有较大的行程，使得该装置通用性强，适用度大。固定底座、横向滑座、升降台均标有刻度；控制绕Y轴旋转的蜗轮蜗杆结构的端盖上也标有刻度，可以得到伸出臂绕Y轴旋转的角度；横向滑座升降台伸出臂长度可调节，可计算伸出臂长度。可以得到穿刺模板上参考坐标系和固定坐标系之间的关系，可以使导向定位过程更加精确。

附图说明

图1为固定底座、双排纵向滑块导轨安装结构示意图；

图2为滑块止动器结构示意图；

图3为升降台结构示意图；

图4为升降台侧视图；

图5为横向滑座、双排横向滑块导轨安装结构示意图；

图6为控制伸出臂绕Y轴转动的装置结构示意图；

图7为模板换向机构结构示意图；

图8为控制穿刺模板绕X轴转动的蜗轮蜗杆结构示意图；

图9为穿刺模板固定件与穿刺模板配合示意图；

图10为穿刺模板固定件的装配结构示意图；

图11为本发明装置整体结构图；

图12为穿刺针运动学模型；

图13为穿刺针位置CT定位图。

图中：固定底座01、底座固定旋钮02、垫板03、纵向导轨04、螺钉组05、纵向滑块6、纵向滑块止动器07、手柄08，夹紧块09、凹形滑块10、下底板11、螺钉12、端盖13、轴承14、阶梯轴15、主动件驱动蜗轮16、轴端挡圈17、轴端挡圈18、端盖20、轴承21、升降台蜗杆22、升降台旋钮23、轴承24、端盖25、螺钉26、升降台螺杆27、轴承28、升降台壳体29、螺钉30、螺钉31、端盖32、升降台上平板33、支架板34、螺钉35、螺钉36、横向滑座37、横向导轨38、螺栓组39、横向滑块止动器40、横向滑块41、支承座42、螺钉组43、平垫圈44、螺钉45、换向蜗轮蜗杆副46、模板换向旋钮47、金属定形软管48、螺钉49、柔性吸盘50、螺钉组51、底座端盖52、垫片53、模板换向蜗轮蜗杆壳体54、端盖55、螺钉组56、垫片57、油盖58、水平轴59、挡盖60、轴承61、换向蜗轮63、一对轴承64、换向蜗杆65、垫片66、端盖67、螺钉68、垫片69、端盖70、螺钉组71、对顶螺母72、键73、旋臂74、工字型块75、旋臂74、工字型块75、螺栓组76、紧定螺钉77、长轴78、螺钉组79、末端转向结构80、螺钉81、锁紧螺钉82、穿刺模板固定件83、陀螺仪84、螺栓组85、穿刺模板86、按扣87、末端转向旋钮88、蜗杆轴89、紧定螺钉90、轴承91、轴承92、蜗轮轴93、轴承94、端盖95、端盖96、末端转向壳体97、环形端盖98、弹簧99、垫板100、沉头螺钉组101。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行进一步的说明。

如附图11所示，具体实施包括固定底座01、双排纵向滑块导轨结构、升降台、横向滑座37、双排横向滑块导轨结构、模板换向机构和柔性支撑结构；双排纵向滑块导轨结构安装在固定底座01上，升降台安装在双排纵向滑块导轨结构上，横向滑座37安装在升降台上，双排横向滑块导轨结构安装在横向滑座37上，模板换向机构安装在双排横向滑块导轨结构上，穿刺模板固定件83通过末端转向结构80安装连接于模板换向机构的末端，穿刺模板固定件83上安装固定穿刺模板86。还包括柔性支撑结构，柔性支撑结构安装连接于横向滑座37。

如附图1所示，固定底座01安装在操作台床板上，固定底座01侧面开设有水平槽，操作台床板嵌装于水平槽中，固定底座01顶面的两侧有钮螺纹孔，钮螺纹孔中通过螺纹安装底座固定旋钮02，并且两侧钮螺纹孔下方的在操作台床板和固定底座01水平槽底面之间均设有垫板03，垫板03顶部开设板螺纹孔，底座固定旋钮02的螺纹拧入固定底座01的钮螺纹孔和垫板03的板螺纹孔中。在使用时，首先将底座固定旋钮02的钮螺杆旋入螺纹孔，直至螺杆穿过螺纹通孔，然后将垫板03的板螺纹孔与螺杆配合旋紧，垫板03的作用是增大受力面积和接触面积。将固定底座01侧面水平槽夹住操作台床板，然后转动底座固定旋钮02，将人施加的力变成垫板对床板的压紧力，缓慢转动旋钮，当固定底座01与操作台床板难以分离时，不再旋紧。需要将固定底座01从床板上分离时，反向转动底座固定旋钮02即可。

如附图1所示，固定底座01上安装双排纵向滑块导轨结构。双排纵向滑块导轨结构包括纵向导轨04、纵向滑块止动器07和纵向滑块6；固定底座01顶面中部开设有凹槽，凹槽的两侧平行安装两条纵向导轨04，纵向导轨04通过螺钉组05固定于凹槽表面上，纵向导轨04共有两条，目的是使升降台在纵向导轨04上的运动更加平稳。每条纵向导轨04上移动嵌装有纵向滑块止动器07，纵向滑块6固定于纵向滑块止动器07侧面，下底板11底面固定于两条纵向导轨04的纵向滑块6之上；

如附图2所示，纵向滑块止动器07包括手柄08、夹紧块09和凹形滑块10，凹形滑块10底面中间开设凹状槽，凹状槽高度不高于凹形滑块10本身高度，因此在使用时滑块不会脱离导轨。凹状槽嵌装配合于导轨(纵向导轨04/横向导轨38)，凹状槽两侧的凹形滑块10侧面开设有沿两端之间直线的条形槽，一侧的安装槽固定安装有第一块夹紧块09，另一侧的安装槽活动安装有第二块夹紧块09，手柄08从凹形滑块10穿过第二块夹紧块09和凹形滑块10内部通道后铰接活动连接于第一块夹紧块09的水平通孔中，手柄08穿设过第二块夹紧块09时通过螺纹配合连接形成丝杠螺母副，手柄08穿过的凹形滑块10内部通道位于凹状槽上方；转动手柄08经丝杠螺母副带动第二块夹紧块09在条形槽水平移动，进而靠近或远离条纵向导轨04，由于第一块夹紧块09位置固定，控制第二块夹紧块09和第一块夹紧块09之间靠拢和分离的距离，实现夹紧和放松纵向导轨04；其作用是，当第二块夹紧块09和第一块夹紧块09之间的距离变小时，两个夹紧块就会夹紧纵向导轨04的两侧侧面，使凹形滑块10不能再在纵向导轨04上移动，防止在实际操作中因为误触而使凹形滑块10、升降台位置改变，影响穿刺的精度和成功率。

如附图3和图4所示，升降台包括上平板33、下底板11、升降台壳体29、升降台蜗杆22、阶梯轴15、主动件驱动蜗轮16；上平板33位于下底板11上方，上平板33和下底板11之间通过四角的支柱上下支撑活动连接；上平板33的四角设置有竖直的套杆，下底板11的四角设置有竖直的套筒，套杆套装在套筒中，实现上平板33和下底板11之间的支柱上下支撑活动连接，形成上下移动副。

上平板33和下底板11之间安装有升降台壳体29，升降台壳体29通过螺钉30固定在下底板11上，升降台壳体29中安装有升降台蜗杆22、阶梯轴15、主动件驱动蜗轮16，升降台蜗杆22水平布置，升降台蜗杆22两端端部为光轴且通过轴承21、24支撑安装于升降台壳体29内部，升降台蜗杆22两端的升降台壳体29分别设置安装孔，两端的安装孔中分别安装端盖20以及通过螺钉26安装端盖25，升降台蜗杆22的一端伸出于升降台壳体29的安装孔和端盖25后同轴连接转动升降台旋钮23；阶梯轴15竖直布置且两端通过轴承14、27支撑安装于升降台壳体29内部，轴承27旁的阶梯轴15上安装有轴端挡圈18轴向限位，阶梯轴15中部同轴套装有主动件驱动蜗轮16且安装轴端挡圈17轴向限位，升降台蜗杆22的中部为蜗杆结构且和主动件驱动蜗轮16连接形成升降蜗轮蜗杆副，阶梯轴15上下两端的升降台壳体29分别设置安装孔，两端的安装孔中分别通过螺钉12安装端盖13以及通过螺钉31安装端盖32，升降台螺杆27通过螺纹配合套装在阶梯轴15内的竖直的中心螺纹孔中形成丝杠螺母副，升降台螺杆27的上端伸出于升降台壳体29的安装孔和端盖32后通过紧定螺钉固定连接上平板33；升降台壳体29的蜗轮蜗杆机构封装在内部，选用的蜗轮蜗杆机构可以发生自锁。

升降台结构的工作原理是：蜗杆22作为主动件驱动蜗轮16运动，阶梯轴15运动，阶梯轴15带动螺杆27运动，最终实现升降台的上下运动。转动升降台旋钮23带动升降台蜗杆22转动，经升降蜗轮蜗杆副带动主动件驱动蜗轮16转动，由于主动件驱动蜗轮16和阶梯轴15之间通过键同轴联接，进而带动阶梯轴15转动，经丝杠螺母副传递给螺杆27，螺杆27在上平板33和下底板11之间的上下移动限制下带动上平板33上下升降运动；

升降台采用可自锁的蜗轮蜗杆结构，利用蜗轮蜗杆的自锁原理和可以实现大传动比的原理，实现升降台在升到需要达到的高度之后可以锁住，并且可以实现高度方向上的微调。

如附图4和图5所示，上平板33的侧部固定有支架板34，支架板34用于将升降台上平板33和横向滑座37联接，支架板34和上平板33之上安装有双排横向滑块导轨结构；支架板34呈倒L形，水平一侧通过螺钉35固定于上平板33，上侧通过螺钉36固定连接双排横向滑块导轨结构的横向滑座37。横向滑座与升降台上平面在多处进行了螺纹连接，支架板34完成的联接为其中一部分。

如附图5所示，双排横向滑块导轨结构包括横向滑座37、横向滑块止动器40和横向滑块41；横向滑座37安装在支架板34和上平板33上，横向滑座37顶面开设有凹槽，凹槽的两侧平行安装两条横向导轨38，横向导轨38垂直于纵向导轨04，横向导轨38通过螺栓组39固定于凹槽表面上，横向导轨38共有两条，目的是使模板换向机构在横向导轨38上的运动更加平稳。每条横向导轨38上移动嵌装有横向滑块止动器40，横向滑块41固定于横向滑块止动器40侧面，支承座42底面通过螺钉组43、固定于两条横向导轨38的横向滑块41之上。横向滑块止动器40和纵向滑块止动器07结构相同。同理转动横向滑块止动器40中的手柄08经丝杠螺母副带动第二块夹紧块09在条形槽水平移动，进而靠近或远离条纵向导轨04，由于第一块夹紧块09位置固定，控制第二块夹紧块09和第一块夹紧块09之间靠拢和分离的距离，实现夹紧和放松横向导轨38。

双排纵向滑块导轨结构和双排横向滑块导轨结构包含滑块止动器，可以使滑块在滑块的可达行程之内的任意位置止动并且锁住。

如附图6和图7所示，支承座42上通过平垫圈44和螺钉45安装有模板换向机构，模板换向机构包括底座端盖52、模板换向蜗轮蜗杆壳体54、换向蜗杆65、换向蜗轮63、旋臂74和工字型块75；底座端盖52通过螺钉组51安装在支承座42上，模板换向蜗轮蜗杆壳体54安装在底座端盖52上，且通过垫片53在两者连接端面之间密封，模板换向蜗轮蜗杆壳体54中包含有一个水平轴向腔和一个竖直轴向腔。

竖直轴向腔中竖直安装有换向蜗杆65，换向蜗杆65的两端通过一对轴承64支撑安装在模板换向蜗轮蜗杆壳体54的竖直轴向腔中，竖直轴向腔上端口通过螺钉68安装有端盖67，端盖67和竖直轴向腔上端口之间安装垫片66，换向蜗杆65上端穿出模板换向蜗轮蜗杆壳体54后和模板换向旋钮47同轴连接；水平轴向腔中水平安装有水平轴59和换向蜗轮63，水平轴59水平设置在水平轴向腔中，换向蜗轮63同轴套装在水平轴59外的中部，水平轴59的两端通过一对轴承61支撑安装在模板换向蜗轮蜗杆壳体54的水平轴向腔中，水平轴向腔的两端开口且安装端盖55、70，其中一个端盖端面上设置有圆圈的角度刻度线，端盖55通过螺钉组56固定安装于水平轴向腔的一开口端面，端盖70通过螺钉组71固定安装于水平轴向腔的另一开口端面，端盖70和水平轴向腔的另一开口端面之间安装有垫片69；水平轴向腔和竖直轴向腔连通，使得换向蜗杆65和换向蜗轮63连接形成换向蜗轮蜗杆副46。

换向蜗轮蜗杆副46的蜗轮与蜗轮轴之间通过呈圆周阵列排布的三颗锁紧螺钉61固定，蜗轮轴两端有一对轴承61。轴承一端通过轴肩定位，另一端通过挡盖60和端盖55定位，挡盖60可以减少润滑油泄露。模板换向蜗轮蜗杆壳体54顶部开口并安装油盖58，油盖58可以打开添加润滑剂。模板换向蜗轮蜗杆壳体54通过螺钉组51固定在底座端盖上，进而与横向滑座37固联。

如附图7所示，两根旋臂74的一端均通过键73同轴套接在换向蜗轮63的水平轴59两端端部，并通过对顶螺母72轴向限位锁紧，两根旋臂74另一端通过螺栓组76固定连接工字型块75的一端，工字型块75的另一端固定设有套筒，套筒轴向垂直于换向蜗杆65和换向蜗轮63，长轴78一端通过紧定螺钉77和套筒同轴连接，长轴78另一端作为模板换向机构的末端经螺钉组79和末端转向结构80连接，末端转向结构80经锁紧螺钉82和穿刺模板固定件83同轴固接，穿刺模板固定件83中间的安装槽固定安装穿刺模板86；换向蜗轮63的水平轴59两端各有键槽，先完成一端的配合，通过键73与旋臂74的键槽配合，且换向蜗轮63的水平轴59两端有螺纹，将一对螺母对顶拧紧，起到对顶螺母放松的作用。另外一侧的配合完全相同，当两个旋臂都配合完成后，将两个悬臂与工字型块75联接组成U形块，工字型块75一端伸出成套筒，套筒沿轴向线性均布有5个相同大小的螺纹孔，螺纹孔的参数与轴78上的螺纹孔一致。

转动模板换向旋钮47带动换向蜗杆65转动，经换向蜗轮蜗杆副带动换向蜗轮63转动，由于换向蜗轮63和水平轴59之间同轴联接，进而带动水平轴59转动，由于旋臂74和水平轴59通过键同轴连接，再带动旋臂74和工字型块75及套筒所套装的长轴78摆动。

套筒上沿轴向开设多个通孔，长轴78上沿轴向开设一个通孔，紧定螺钉77径向穿过长轴78的一个通孔后选择安装在套筒上的任意一个通孔中，从而调整套筒和长轴78之间的轴向装配关系。在使用时，可以通过紧定螺钉77将轴78上和套筒的伸出空心轴上的孔联接，可以得到整个伸出臂不同的长度，在实际使用时结合具体情况可以进行调节，也增加了这种穿刺模板定位装置的应用场合。

如附图8所示，末端转向结构80包括末端转向壳体97、蜗轮轴93和蜗杆轴89，末端转向壳体97经锁紧螺钉82和长轴78另一端固接，末端转向壳体97内安装有蜗轮轴93和蜗杆轴89，蜗杆轴89垂直于长轴78布置，蜗轮轴93和长轴78平行，蜗轮轴93、蜗杆轴89上分别同轴套装蜗轮、蜗杆，蜗轮轴93上的蜗轮和蜗杆轴89上的蜗杆相连接构成末端转向蜗轮蜗杆副，，蜗轮轴93的两端通过轴承92、94支撑安装在末端转向壳体97内，末端转向壳体97的一侧设有端盖95，端盖95将蜗轮轴93轴向限位，蜗杆轴89的的两端通过轴承91支撑安装在末端转向壳体97内，末端转向壳体97侧壁开设通孔，通孔处安装环形端盖98，环形端盖98通过螺钉81固定在通孔的周围，蜗杆轴89的一端穿出末端转向壳体97侧壁的通孔后通过紧定螺钉90和末端转向旋钮88同轴连接，蜗轮轴93远离长轴78的一端穿出末端转向壳体97后和穿刺模板固定件83固接；转动末端转向旋钮88带动蜗杆轴89旋转，进而经末端转向蜗轮蜗杆副带动蜗轮轴93旋转，由于蜗轮轴93和穿刺模板固定件83固接，再带动穿刺模板固定件83绕蜗轮轴93轴向转动。

末端转向结构80实质也是利用蜗轮蜗杆结构进行换向，改变传动比，实现机构在绕X轴转动方向的微调。末端转向结构80体积较小，除了蜗轮蜗杆螺钉由金属材料制作，其他部分选用亚克力板等质量较轻的材料制作即可。末端转向结构80的蜗轮与蜗杆配合，因为结构体积较小，采用蜗轮轴和蜗杆轴的形式。

如附图9和图10所示，穿刺模板86通过弹簧卡扣结构可拆地安装在穿刺模板固定件83上，弹簧卡扣结构包括按扣87、弹簧99、垫板100和沉头螺钉组101，穿刺模板86端面中间开设有内凹槽，穿刺模板固定件83端面设置凸起块，内凹槽的槽壁和凸起块均开设方形通槽，按扣87形状和大小和方形通槽吻合，方形通槽的下端通过沉头螺钉组101安装有垫板100，按扣87下端经弹簧99和垫板100连接，垫板100和凸起块的方形通槽之间形成的空间中安装有按扣87，按扣87设有外凸缘，外凸缘使得按扣87外尺寸大于方形通槽的尺寸。具体实施中，垫板100上表面有突出小短轴，将弹簧一端套在短轴上，按扣87底面也有相同的短轴，将弹簧另一端套在按扣87的短轴上。

穿刺模板内有装配导槽，穿刺模板固定件与模板配合部分的上表面有与导槽截面配合的突出部分，导槽和突出部分是为了在装配时能够定位，可以使模板定位装置快速穿入模板。装配时摁下弹簧卡扣使穿刺模板固定件穿入穿刺模板，拆卸时摁下弹簧卡扣将穿刺模板拔出即可。与传统的螺栓固定方法相比更加方便快捷，可以实现穿刺模板的快速拆装。

横向滑座37的一端已经由螺钉组35螺钉组36螺栓组39以及一个在中线的螺钉固定，稳定性很高。但是为了进一步地增加整个定位装置的稳定性，减少穿刺手术中因为人员误触，设备误触，等突发情况带来的影响，提高穿刺手术的效率以及成功率。

如图5所示，横向滑座37在远离支架板34的另一端设有柔性支撑结构，柔性支撑结构具体为金属定形软管48，金属定形软管48的下端通过柔性吸盘50连接在竖直的固定表面，金属定形软管48的上端通过螺钉49固定于横向滑座37远离支架板34的另一端底面。金属定形软管48为一种金属材料，可实现任意弯曲定形支撑的功能，可以自由方便地万向调节角度和高低，可以承重或者提供支撑力。因为在不同的穿刺手术中用到的穿刺定位装置的尺寸不同，尺寸不同重量也不相同，所以需要防止意外影响装置产生移动需要的力大小也会变化，装置尺寸变大时，需要的力也会变大。那么装置可以选择厚度较大，直径较大的金属定形软管，不过相应的，承重较大提供的力较大的同时，用手调节弯曲时需要的力也会变大。可以根据整个的首先金属定形软管48的固定座通过螺钉49与横向滑座底部的螺纹孔进行联接。金属定形软管48的另一端是柔性吸盘，两者通过螺纹联接。因为金属定形软管48可以进行弯曲，在使用时，柔性吸盘可以吸在操作床板上，尽可能地压紧产生强大的吸附力。这样由金属定形软管48以及柔性吸盘50组成的结构就可以对横向滑座产生支撑，即对整个穿刺装置进行支撑，提高装置的稳定性和抗干扰能力。

柔性支撑结构由金属定型软管和柔性吸盘组成，吸盘可以吸附在操作台床板或者CT设备上，柔性支撑结构用于横向滑座一端的支撑，可以对横向滑座进行支撑，提高装置的稳定性，减少误触带来的影响。

穿刺模板固定件83上通过螺栓组85安装有陀螺仪84，陀螺仪84实时检测穿刺模板固定件83的位姿并发送到计算机进行显示，进而操作人员看到显示的位姿信息后手动调整各个手柄进而对穿刺模板固定件83及其上的穿刺模板86的导向移动和位置进行实时调整。陀螺仪84中集成有蓝牙发射模块，可以将采集到的穿刺模板固定件83绕各轴转动的角度传递给具有蓝牙接收模块的显示器，将角度显示在显示器上。

固定底座01的侧壁设有水平纵向移动刻度线，上平板33四角中一角的支柱上设有升降移动刻度线，横向滑座37的侧壁设有水平横向移动刻度线，模板换向蜗轮蜗杆壳体54的端盖侧端面上设置有转动角度刻度线，末端转向结构80处结构微小可不设置刻度线。

通过调整双排纵向滑块导轨结构中纵向滑块止动器07的手柄08调整纵向移动的自由度，通过调整升降台中升降台旋钮23调整上下升降的自由度，通过调整双排横向滑块导轨结构中横向滑块止动器40的手柄08调整横向移动的自由度，通过调整模板换向机构中的模板换向旋钮47调整长轴78俯仰摆动旋转的自由度，通过调整末端转向结构80中的末端转向旋钮88调整最终的穿刺模板固定件83水平旋转的自由度。

从而本发明结合各个刻度线读数对绕各轴各自由度转过的角度进行微调，直到穿刺模板86的姿态达到手术的需求。

由此可见，本发明的结构提高穿刺模板的定位精度，从而提高穿刺手术的精度，提高手术效率。因为平卧、侧卧时最高位置与操作床的垂直距离不同，垂直于床身方向上的移动自由度可以满足患者采取不同的穿刺***时最高位置与操作床的垂直距离的变化。

穿刺针穿设安装在穿刺模板上。医生操控本发明导向装置移动穿刺针进行手术，其过程中采用CT扫描仪器扫描获得图像如图13所示。

本发明的穿刺实验过程如下：

图13表示了穿刺针的位置，首先读取CT标识(0020,0032)可知图像左上角点在CT扫描仪坐标系中的三维坐标值为(-185,-185,-142.25)，然后读取CT标识(0020,0037)即图像的行单位向量

和列单位向量

最后读取CT标识(0028,0030)即图像每个像素间隔所代表的实际宽度r＝0.722656和三维高度c＝0.722656。

得到体表进针点和体内靶点操作靶点两个像素的坐标值分别为(124,100)和(210,251)，经计算可得体内靶点操作靶点在CT图像坐标系中的三维坐标为(-95.39,-112.73)和体表进针点(-33.24,-3.61,-142.25)，得到进针位置为(-95.39,-112.73)、进针角度29.66°(度)、进针深度90.75mm，通过激光投射到体表，获得准确的体表进针点。

穿刺模板导向装置的定位优化方法：

步骤1：确定CT医学图像的靶点。

步骤2：建立体内靶点(x_CT,y_CT,z_CT)、体表进针点(x₀,y₀,z₀)，得到穿刺针路径优化模型，通过优化方法获得空间三维移动路径作为预设穿刺路线。

步骤3：建立模板导向装置的可调自由度机械参数集。

步骤4：根据体内靶点、体表进针点，选取能明显观察到体内靶点的CT图像，读取该CT图像的CT标识(0020,0032)即图像左上角点在CT图像坐标系中的三维坐标值O1(x1,y1,z1)，然后读取标识(0020,0037)即图像的行单位向量

和列单位向量

最后读取标识(0028,0030)即图像每个像素间隔所代表的实际宽度r和三维高度c。

然后在CT图像上选取特定点，得到特定点在CT图像中的像素坐标值(n_r,n_c)，即可得到该特定点在CT图像坐标系中的三维坐标为：

x_CT＝x₁+x_r×n_r×r+x_c×n_c×c

y_CT＝y₁+y_r×n_r×r+y_c×n_c×c

z_CT＝z₁+z_r×n_r×r+z_c×n_c×c

步骤5：结合穿刺定向设备，再次CT扫描确认穿刺针所在预设穿刺路线内正确无误。

5.1、穿刺手术在CT引导下进行，首先通过CT设备确定靶点的位置，在人体体表上确定合适点进行标记，记录靶点与穿刺点连接线与床板外法线之间的夹角θ，以及穿刺点到床板外法线之间的距离。

5.2、CT扫描后确定体表穿刺位置后，再确定CT床零点。需对准CT床零点，该CT床零点需要进行提前标记。

将定位装置固定在床板的标记位置，然后通过穿刺模板定位装置上的旋钮调节X、Y、Z方向上的位移量，将穿刺模板移动到合适位置之后利用微调旋钮调节伸出臂绕X、Y两个轴旋转的角度，使模板形成夹角θ，此时陀螺仪已经将数据传给显示器，显示器中显示绕两轴转过的角度，观察显示器中的读数，利用微调旋钮进行微调，直到达到需要的数值。

5.3再次CT扫描确认穿刺针所在预设穿刺路线内正确无误，测量穿刺路线上穿刺模板的上缘与体内靶点的距离，确定穿刺针进针的深度。

步骤6：穿刺定位过程的实时优化策略，建立运动模型

6.1建立穿刺针的运动模型。

如附图12所示，建立穿刺针的穿刺模型。Ψ_n为体坐标系，Ψ_ω为世界坐标系。斜角尖端使针围绕平行于X轴的线瞬间旋转并通过圆心点(0,-r_n,0)。

穿刺针的预设穿刺路线由参数组(l,-r_n,θ)表示。穿刺针的针尖沿一个等曲率半径圆弧运动的运动，r_n＝1/k_n，k_n表示圆弧曲率。穿刺针的穿刺路径由多段分段圆弧表示，每一段圆弧均由参数组(l_i,-r_i,θ_i)表示,l_i表示第i段圆弧长度，r_i为第i段圆弧半径

为半径阈值，θ_i是穿刺针的针尖在体坐标系Ψ_n绕z轴方向的角度变化，不可穿刺组织为障碍点，使用路径规划算法规划几何轨迹避障，并使针尖路径最终达到靶点。

6.2路径规划模型的建立。

已知：[(x_CT,y_CT,z_CT),(x₀,y₀,z₀)]

目标：建立最小化优化目标

约束:J_o(pwn(t))>0

v(t)＝1

其中：(x_CT,y_CT,z_CT)为体内靶点的坐标；(x₀,y₀,z₀)为体表进针点的坐标；J(v,ω,T)为优化函数，J_o(pwn(t))表示世界坐标系中穿刺针的针尖与最近的障碍点o_i之间的距离。【障碍点是指需要避开的组织或者血管。】α_l和α₀为第一、第二权重。T为穿刺针的穿入时间，穿刺针穿入时间T离散为时间区间{Δ，2Δ，…，T}，Δ表示占空比周期。τ为占空比系数(占空比周期Δ在穿入过程中持续旋转穿刺针所花费的时间)；ω表示穿刺针针尖运动的角速度，ω(t)表示时间t下的角速度，j表示时间区间的序数，t表示时间，v(t)表示时间t下的穿刺针针尖的运动速度，v(T)表示时间区间T的穿刺针针尖的运动速度。

在从一组可行的运动路径中选择最佳运动路径时，第一个目标是损伤最少的组织(如最短路径)，第二个目标是同时保证与障碍点之间的间隙，以确保即使在发生意外的针偏转时也能避免。以最小化优化函数来表达目标函数来实现两者的权衡。

并建立约束条件：

应满足针尖与障碍点之间的距离J_o(pwn(t))>0。

针尖相对于世界坐标系Ψ_ω的位置和方向矩阵gwn(t)：

其中：Rwn(t)为体坐标系Ψ_n与世界坐标系Ψ_ω之间的旋转矩阵；pwn(t)是世界坐标系Ψ_ω和体坐标系Ψ_n相对位置的向量；

在体坐标系Ψ_n中针尖的瞬时线速度和角速度矩阵

在穿入过程中以远大于穿入速度(ω(t)＞＞v(t))的速度不断地旋转针头，可以实现对穿过组织的针头轨迹曲率的控制。穿刺针运动模型中包含占空比系数，针的控制输入(v(t),ω(t))应满足：

v(t)＝1

k表示。。。，k是一个足够大可以使(ω(t)＞＞v(t))成立的常数：

步骤7：求解方法

基于采样的运动规划算法进行路径规划，用于计算具有障碍物的三维环境中可操纵针的可行运动规划。方法分两个阶段进行。

首先，使用基于快速扩展随机树的规划器计算各种可能的穿刺路线。

其次，将穿刺路线转换为运动规划(针穿入速度和旋转)，再采用上述目标函数和约束条件进行优化，获得最优的穿刺路线，作为通过穿刺针的输入参数控制的穿刺路径。

本发明通过上述穿刺方法通过CT图像确定靶点，建立病灶位置到体坐标系的空间映射关系，再获得体坐标系到全局世界坐标系的位置变换矩阵，建立有约束的穿刺针尖路径规划模型，实现损伤最少的快速精确穿刺。

Claims (10)

1.一种微创定制穿刺导向装置，其特征在于：包括固定底座(01)、双排纵向滑块导轨结构、升降台、横向滑座(37)、双排横向滑块导轨结构、模板换向机构；双排纵向滑块导轨结构安装在固定底座(01)上，升降台安装在双排纵向滑块导轨结构上，横向滑座(37)安装在升降台上，双排横向滑块导轨结构安装在横向滑座(37)上，模板换向机构安装在双排横向滑块导轨结构上，穿刺模板固定件(83)通过末端转向结构(80)安装连接于模板换向机构的末端，穿刺模板固定件(83)上安装固定穿刺模板(86)。

2.根据权利要求1所述的一种微创定制穿刺导向装置，其特征在于：

所述的固定底座(01)安装在操作台床板上，固定底座(01)上安装双排纵向滑块导轨结构；所述的双排纵向滑块导轨结构包括纵向导轨(04)、纵向滑块止动器(07)和纵向滑块(6)；固定底座(01)顶面中部开设有凹槽，凹槽的两侧平行安装两条纵向导轨(04)，每条纵向导轨(04)上移动嵌装有纵向滑块止动器(07)，纵向滑块(6)固定于纵向滑块止动器(07)侧面，下底板(11)底面固定于两条纵向导轨(04)的纵向滑块(6)之上；

所述的升降台包括上平板(33)、下底板(11)、升降台壳体(29)、升降台蜗杆(22)、阶梯轴(15)、主动件驱动蜗轮(16)；上平板(33)位于下底板(11)上方，上平板(33)和下底板(11)之间通过四角的支柱上下支撑活动连接；上平板(33)和下底板(11)之间安装有升降台壳体(29)，升降台壳体(29)中安装有升降台蜗杆(22)、阶梯轴(15)、主动件驱动蜗轮(16)，升降台蜗杆(22)水平布置，升降台蜗杆(22)两端端部为光轴且通过轴承支撑安装于升降台壳体(29)内部，升降台蜗杆(22)的一端伸出于升降台壳体(29)后同轴连接转动升降台旋钮(23)；阶梯轴(15)竖直布置且两端通过轴承支撑安装于升降台壳体(29)内部，阶梯轴(15)中部同轴套装有主动件驱动蜗轮(16)且安装轴端挡圈(17)轴向限位，升降台蜗杆(22)的中部为蜗杆结构且和主动件驱动蜗轮(16)连接形成升降蜗轮蜗杆副，升降台螺杆(27)通过螺纹配合套装在阶梯轴(15)内的中心螺纹孔中形成丝杠螺母副，升降台螺杆(27)的上端伸出于升降台壳体(29)后固定连接上平板(33)；转动升降台旋钮(23)带动升降台蜗杆(22)转动，经升降蜗轮蜗杆副带动主动件驱动蜗轮(16)转动，由于主动件驱动蜗轮(16)和阶梯轴(15)之间通过键同轴联接，进而带动阶梯轴(15)转动，经丝杠螺母副传递给螺杆(27)，螺杆(27)在上平板(33)和下底板(11)之间的上下移动限制下带动上平板(33)上下升降运动；上平板(33)的侧部固定有支架板(34)，支架板(34)和上平板(33)之上安装有双排横向滑块导轨结构；双排横向滑块导轨结构包括横向滑座(37)、横向滑块止动器(40)和横向滑块(41)；横向滑座(37)安装在支架板(34)和上平板(33)上，横向滑座(37)顶面开设有凹槽，凹槽的两侧平行安装两条横向导轨(38)，横向导轨(38)垂直于纵向导轨(04)，每条横向导轨(38)上移动嵌装有横向滑块止动器(40)，横向滑块(41)固定于横向滑块止动器(40)侧面，支承座(42)底面固定于两条横向导轨(38)的横向滑块(41)之上；支承座(42)上通过平垫圈(44)和螺钉(45)安装有模板换向机构，模板换向机构包括底座端盖(52)、模板换向蜗轮蜗杆壳体(54)、换向蜗杆(65)、换向蜗轮(63)、旋臂(74)和工字型块(75)；底座端盖(52)安装在支承座(42)上，模板换向蜗轮蜗杆壳体(54)安装在底座端盖(52)上，模板换向蜗轮蜗杆壳体(54)中包含有一个水平轴向腔和一个竖直轴向腔；竖直轴向腔中竖直安装有换向蜗杆(65)，换向蜗杆(65)上端穿出模板换向蜗轮蜗杆壳体(54)后和模板换向旋钮(47)同轴连接；水平轴向腔中水平安装有水平轴(59)和换向蜗轮(63)，水平轴(59)水平设置在水平轴向腔中，换向蜗轮(63)同轴套装在水平轴(59)外的中部，水平轴向腔的两端开口且安装端盖，其中一个端盖端面上设置有圆圈的角度刻度线，水平轴向腔和竖直轴向腔连通，使得换向蜗杆(65)和换向蜗轮(63)连接形成换向蜗轮蜗杆副(46)；两根旋臂(74)的一端均通过键(73)同轴套接在换向蜗轮(63)的水平轴(59)两端端部，两根旋臂(74)另一端固定连接工字型块(75)的一端，工字型块(75)的另一端固定设有套筒，长轴(78)一端和套筒同轴连接，长轴(78)另一端和末端转向结构(80)连接，末端转向结构(80)和穿刺模板固定件(83)同轴固接，穿刺模板固定件(83)中间固定安装穿刺模板(86)；转动模板换向旋钮(47)带动换向蜗杆(65)转动，经换向蜗轮蜗杆副带动换向蜗轮(63)转动，由于换向蜗轮(63)和水平轴(59)之间同轴联接，进而带动水平轴(59)转动，由于旋臂(74)和水平轴(59)通过键同轴连接，再带动旋臂(74)和工字型块(75)及套筒所套装的长轴(78)摆动；

所述的末端转向结构(80)包括末端转向壳体(97)、蜗轮轴(93)和蜗杆轴(89)，末端转向壳体(97)和长轴(78)另一端固接，末端转向壳体(97)内安装有蜗轮轴(93)和蜗杆轴(89)，蜗杆轴(89)垂直于长轴(78)布置，蜗轮轴(93)和长轴(78)平行，蜗轮轴(93)、蜗杆轴(89)上分别同轴套装蜗轮、蜗杆，蜗轮轴(93)上的蜗轮和蜗杆轴(89)上的蜗杆相连接构成末端转向蜗轮蜗杆副，末端转向壳体(97)侧壁开设通孔，蜗杆轴(89)的一端穿出末端转向壳体(97)侧壁的通孔后通过紧定螺钉(90)和末端转向旋钮(88)同轴连接，蜗轮轴(93)穿出末端转向壳体(97)后和穿刺模板固定件(83)固接；转动末端转向旋钮88带动蜗杆轴(89)旋转，进而经末端转向蜗轮蜗杆副带动蜗轮轴(93)旋转，由于蜗轮轴(93)和穿刺模板固定件(83)固接，再带动穿刺模板固定件(83)绕蜗轮轴(93)轴向转动。

3.根据权利要求2所述的一种微创定制穿刺导向装置，其特征在于：

所述的穿刺模板(86)通过弹簧卡扣结构可拆地安装在穿刺模板固定件(83)上，弹簧卡扣结构包括按扣(87)、弹簧(99)、垫板(100)和沉头螺钉组(101)，穿刺模板(86)端面中间开设有内凹槽，穿刺模板固定件(83)端面设置凸起块，内凹槽的槽壁和凸起块均开设方形通槽，方形通槽的下端通过沉头螺钉组(101)安装有垫板(100)，按扣(87)下端经弹簧(99)和垫板(100)连接，垫板(100)和凸起块的方形通槽之间形成的空间中安装有按扣(87)，按扣(87)设有外凸缘，外凸缘使得按扣(87)外尺寸大于方形通槽的尺寸。

4.根据权利要求2所述的一种微创定制穿刺导向装置，其特征在于：

所述的固定底座(01)侧面开设有水平槽，操作台床板嵌装于水平槽中，固定底座(01)顶面的两侧有钮螺纹孔，钮螺纹孔中通过螺纹安装底座固定旋钮(02)，并且两侧钮螺纹孔下方的在操作台床板和固定底座(01)水平槽底面之间均设有垫板(03)，垫板(03)顶部开设板螺纹孔，底座固定旋钮(02)的螺纹拧入固定底座(01)的钮螺纹孔和垫板(03)的板螺纹孔中。

5.根据权利要求2所述的一种微创定制穿刺导向装置，其特征在于：

所述的纵向滑块止动器(07)包括手柄(08)、夹紧块(09)和凹形滑块(10)，凹形滑块(10)底面中间开设凹状槽，凹状槽嵌装配合于导轨，凹状槽两侧的凹形滑块(10)侧面开设有条形槽，一侧的安装槽固定安装有第一块夹紧块(09)，另一侧的安装槽活动安装有第二块夹紧块(09)，手柄(08)从凹形滑块(10)穿过第二块夹紧块(09)和凹形滑块(10)内部通道后铰接活动连接于第一块夹紧块(09)的水平通孔中，手柄(08)穿设过第二块夹紧块(09)时通过螺纹配合连接形成丝杠螺母副；转动手柄(08)经丝杠螺母副带动第二块夹紧块(09)在条形槽水平移动，进而靠近或远离条纵向导轨(04)，由于第一块夹紧块(09)位置固定，控制第二块夹紧块(09)和第一块夹紧块(09)之间靠拢和分离的距离，实现夹紧和放松纵向导轨(04)。

6.根据权利要求2所述的一种微创定制穿刺导向装置，其特征在于：

上平板(33)的四角设置有竖直的套杆，下底板(11)的四角设置有竖直的套筒，套杆套装在套筒中，实现上平板(33)和下底板(11)之间的支柱上下支撑活动连接。

7.根据权利要求2所述的一种微创定制穿刺导向装置，其特征在于：

所述的支架板(34)呈倒L形，水平一侧通过螺钉(35)固定于上平板(33)，上侧通过螺钉(36)固定连接双排横向滑块导轨结构。

8.根据权利要求2所述的一种微创定制穿刺导向装置，其特征在于：

所述的横向滑座(37)在远离支架板(34)的另一端设有柔性支撑结构，柔性支撑结构具体为金属定形软管(48)，金属定形软管(48)的下端通过柔性吸盘(50)连接在竖直的固定表面，金属定形软管(48)的上端通过螺钉(49)固定于横向滑座(37)远离支架板(34)的另一端底面。

9.根据权利要求2所述的一种微创定制穿刺导向装置，其特征在于：

所述的套筒上沿轴向开设多个通孔，长轴(78)上沿轴向开设一个通孔，紧定螺钉(77)径向穿过长轴(78)的一个通孔后选择安装在套筒上的任意一个通孔中，从而调整套筒和长轴(78)之间的轴向装配关系。

10.根据权利要求1所述一种穿刺模板导向装置的穿刺定位优化方法，其特征在于：方法包括：

步骤1：确定CT医学图像的靶点；

步骤2：建立CT医学图像的体内靶点(x_CT,y_CT,Z_CT)、体表进针点(x₀,y₀,z₀)，得到穿刺针路径优化模型，通过优化方法获得空间三维移动路径作为预设穿刺路线；

步骤3：根据体内靶点、体表进针点，选取能观察到体内靶点的CT图像，读取该CT图像的CT标识(0020,0032)，然后读取CT标识(0020,0037)，最后读取CT标识(0028,0030)；

步骤4：结合穿刺定向设备，再次CT扫描确认穿刺针所在预设穿刺路线内正确无误；

4.1、穿刺手术在CT引导下进行，首先通过CT设备确定靶点的位置，在人体体表上确定合适点进行标记，记录靶点与穿刺点连接线与床板外法线之间的夹角θ以及穿刺点到床板外法线之间的距离；

4.2、CT扫描后确定体表穿刺位置后，再确定CT床零点，需对准CT床零点，该CT床零点需要进行提前标记；

4.3、再次CT扫描确认穿刺针所在预设穿刺路线内正确无误，测量穿刺路线上穿刺模板的上缘与体内靶点的距离，确定穿刺针进针的深度。

步骤5：穿刺定位过程的实时优化，建立运动模型

5.1、建立穿刺针的运动模型。

如附图12所示，建立穿刺针的穿刺模型。Ψ_n为体坐标系，Ψ_ω为世界坐标系。斜角尖端使针围绕平行于X轴的线瞬间旋转并通过圆心点(0,-r_n,0)，穿刺针的预设穿刺路线由参数组(l,-r_n,θ)表示；穿刺针的针尖沿一个等曲率半径圆弧运动的运动，r_n＝1/k_n，k_n表示圆弧曲率；穿刺针的穿刺路径由多段分段圆弧表示，每一段圆弧均由参数组(l_i,-r_i,θ_i)表示,l_i表示第i段圆弧长度，r_i为第i段圆弧半径

为半径阈值，θ_i是穿刺针的针尖在体坐标系Ψ_n绕z轴方向的角度变化，不可穿刺组织为障碍点，使用路径规划算法规划几何轨迹避障，并使针尖路径最终达到靶点；

5.2运动模型的目标函数及约束条件建立

已知：[(x_CT,y_CT,z_CT),(x₀,y₀,z₀)]

目标：建立最小化优化目标

约束:J_o(pwn(t))>0

v(t)＝1

其中：(x_CT,y_CT,z_CT)为体内靶点的坐标；(x₀,y₀,z₀)为体表进针点的坐标；J(v,ω,T)为优化函数，J_o(pwn(t))表示世界坐标系中穿刺针的针尖与最近的障碍点o_i之间的距离；α_l和α₀为第一、第二权重。T为穿刺针的穿入时间，穿刺针穿入时间T离散为时间区间{Δ，2Δ，…，T}，Δ表示占空比周期；τ为占空比系数；ω表示穿刺针针尖运动的角速度，ω(t)表示时间t下的角速度，j表示时间区间的序数，t表示时间，v(t)表示时间t下的穿刺针针尖的运动速度，v(T)表示时间区间T的穿刺针针尖的运动速度；

并建立约束条件：

应满足针尖与障碍点之间的距离J_o(pwn(t))>0；

穿刺针运动模型中包含占空比系数，针尖的控制输入(v(t),ω(t))应满足：

v(t)＝1

其中，k表示控制参数；

步骤6：使用基于快速扩展随机树的规划器计算各种可能的穿刺路线，然后将所有可能的穿刺路线转换为运动规划输入到步骤5的运动模型中，再采用上述目标函数和约束条件进行优化求解，获得最优的穿刺路线，作为通过穿刺针的输入参数控制的穿刺路径，从而进行穿刺定位。

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