CN112603498A - 一种自动穿刺置针*** - Google Patents

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黄华杰
王�锋
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Abstract

本发明公开了一种自动穿刺置针***，包括：骨钻；穿刺器，可拆卸的安装于骨钻，包括穿刺通道及穿刺针，二者之间设置有通过所述穿刺针正反转实现通道置入与退针的连接部；机械臂，用于驱动骨钻直线运动与旋转运动。本发明可以辅助医生完成穿刺置针的工作，通过机器臂执行，病灶位置定位精确，穿刺过程稳定可靠，不存在人工穿刺过程的晃动问题；而且由于设置了力反馈***，本发明可以实时监控穿刺手术过程参数，避免穿刺过程异常，导致手术事故，保证穿刺手术更安全。

Description

一种自动穿刺置针***
技术领域
本发明涉及机械结构领域，尤其涉及一种自动穿刺置针***。
背景技术
目前主流的脊柱外科手术穿刺过程，主要还是依靠有经验的医生手工完成，过程中医生依靠C臂机进行反复透视确认穿刺位置，穿刺过程医生使用手电钻进行钻孔穿刺，医生需要在把持电钻保证穿刺方向不发生偏移的情况下完成穿刺。为了能够准确的定位到病变部位，就需要以为临床经验比较丰富的医生来完成这个过程；而且由于不同患者的脊柱形状差异和病灶位置的差异，导致手术环境比较复杂和恶劣；医生需要长时间暴露在C臂机的辐射环境中，并需要长时间保持一个姿势，且手持电钻，这会导致医生出现身体僵硬、疲劳等情况，不利于患者手术的顺利进行；长时间的接受辐射，降低了医生的从业时间。
穿刺机器人的发明不仅给医生带来了方便还能降低医生的受辐射量，但现有的穿刺机器人主要是通过电机驱动进针，进针后再***植入通道，最后将克氏针取出。这种方式不仅步骤繁琐，同时植入通道置入的位置可能会存在一定的偏移，很难保证手术精度。同时，现有的穿刺机器人无法判断进针的距离，无法保证安全性，可能会引起医疗事故。
发明内容
发明目的：本发明针对上述问题，提出了一种自动穿刺置针***，可以辅助医生完成精准穿刺，并大幅度减少医生在X射线中暴露的时间，同时降低手术对于医生临床经验的要求。
技术方案：
一种自动穿刺置针***，包括：
骨钻；
穿刺器，可拆卸的安装于骨钻，包括穿刺通道及穿刺针，二者之间设置有通过所述穿刺针正反转实现通道置入与退针的连接部；
机械臂，用于驱动骨钻直线运动与旋转运动。
所述骨钻包括通过电机驱动直线运动的钻头，所述钻头由电机驱动旋转，所述穿刺器安装在所述钻头上。
所述钻头通过电机及安装在电机轴上的丝杠模组驱动直线运动，钻头固定安装在所述丝杠模组上。
在所述丝杠模组的丝杠两端分别设置有检测其上滑块位移的接近传感器。
所述钻头包括电钻电机及其电机轴上的电钻夹头组，在所述电钻电机位于其电机轴侧的端面上设有与所述电钻夹头组前端接触的传感器，所述传感器采集所述所述电钻夹头组夹持的所述穿刺器受到的阻力形成力反馈信息。
所述骨钻还包括用于控制电机启停的控制模块，所述控制模块与所述传感器连接，并接收所述传感器采集的力反馈信息；在所述控制模块内预设有第一阈值和第二阈值；
在所述传感器采集的力反馈信息小于其内第一阈值时，所述控制模块控制电机停止直线进给；
在所述传感器采集的力反馈信息大于其内第一阈值而小于第二阈值时，所述控制模块同时控制电机进行直线进给和旋转钻孔；
在所述传感器采集的力反馈信息大于其内第二阈值或陡然下降时，所述控制模块控制电机停止并报警。
还包括设置在所述骨钻外起保护作用的壳体。
所述连接部包括套设在所述穿刺通道外的第一连接部及套设在所述穿刺针外的第二连接部；
所述第一连接部和所述第二连接部通过磁性配合连接；
在所述第一连接部上端面紧邻所述第二连接部侧面位置处沿所述穿刺针转动方向设有至少一个用于限位引导的斜面块，在所述第二连接部的下端面上对应设有与所述斜面块对应的导向槽。
所述连接部包括套设在所述穿刺通道外的第一连接部及套设在所述穿刺针外的第二连接部；
所述第一连接部和所述第二连接部通过磁性配合连接；
在所述第一连接部上端面设有至少一个用于引导限位的斜面块，在所述第二连接部下端面上对应位置处设有对应斜面槽，所述第一连接部和所述第二连接部通过所述穿刺针正反转及斜面块与斜面槽的配合实现通道置入与退针。
所述斜面块为两个，且该两个所述斜面块在所述第一连接部上端面上成轴对称分布
有益效果：
1.本发明可以辅助医生完成穿刺置针的工作，通过机器臂执行，病灶位置定位精确，穿刺过程稳定可靠，不存在人工穿刺过程的晃动问题。
2.本发明设置了力反馈***，实时监控穿刺手术过程参数，避免穿刺过程异常，导致手术事故，保证穿刺手术更安全。
3.本发明从进给穿刺到退出穿刺针，医生只需在电脑端进行操作控制，无需一直带着患者手术区，减少医生接受X射线的辐射。
4.本发明通过机器人辅助手术，降低对手术医生临床经验的要求，只需要操作机器人设备既可以精准、可靠的完成手术工作。
附图说明
图1为安装本发明自动穿刺针***的机器人台车组成图。
图2为本发明的自动穿刺***组装图。
图3为本发明的自动穿刺***的***图。
图4为本发明的智能骨钻模块剖视图。
图5为本发明的穿刺器组件装配图。
图6为本发明的工作控制流程图。
图中，1.机器人台车，2.机器人台车本体，3.机器臂，4.自动穿刺置针***，5.显示器；
41.骨钻组件，42.穿刺器，43.示踪器，44.指示灯，45.前罩壳.46.外壳，47.后罩壳，48.固定座，49.限位板，410.控制板，411.安装接口，412.驱动电机，413.丝杠模组，414.接近传感器，415.安装底板；
41a.电钻夹头组，41b.传感器，41c.电钻电机；
421.穿刺通道，4211.穿刺通道手柄，422.穿刺针，4221.穿刺针手柄，4212.斜面块，4222.斜面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
图1为安装本发明自动穿刺针***的机器人台车组成图，如图1所示，安装本发明自动穿刺针***的机器人台车1包括机器人台车本体2、机器臂3、自动穿刺置针***4及显示器5，其中机械臂3和显示器5安装于机器人台车本体2上，自动穿刺置针***4安装于机器臂3末端关节上。
如图2、3所示，本发明的自动穿刺置针***4包括壳体、安装接口411、骨钻组件41、穿刺器42以及示踪器43，安装接口411的后侧设有后安装面，并通过后安装面安装在机械臂末端，在安装接口411的上安装面上固定安装有安装底板415，在安装底板415上方分别固定安装有驱动电机412和丝杠模组413，在安装底板415上方还安装有控制板410，该控制板410与驱动电机412连接，并用于控制驱动电机412启停；驱动电机412的电机轴与丝杆模组413连接，并驱动丝杠模组413转动，进而驱动丝杠模组413的滑块进行直线滑动；在丝杠模组413的滑块上固定安装有固定座48，并可随着滑块前后运动，在固定座48上安装有骨钻组件41；在本发明中，固定座48前侧开设有安装孔，骨钻组件41后端固定在该安装孔内，并可随固定座48前后运动。
在本发明中，在固定座48上安装有随固定座48滑动而运动的限位板49，在安装底板415上位于丝杠模组413两端固定安装有用于采集固定座48上限位板49信号的接近传感器414，当接近传感器414采集到限位板49的信号时，表示固定座48已经运动到丝杠模组413上的某一端，接近传感器414将信号发送至控制板410，控制板410控制驱动电机412停止。
图4为本发明的智能骨钻模块剖视图，如图4所示，骨钻组件41包括固定安装在固定座48上的电钻电机41c，电钻电机41c与控制板410连接，并通过控制板410控制启停；在电钻电机41c的电机轴上固定安装有电钻夹头组41a；在本发明中，在电钻电机41c位于其电机轴侧的端面上设置有与电钻夹头组41a前端接触的传感器41b，该传感器41b与控制板410连接，并采集电钻夹头组41a对其施加的压力，得到力反馈数值F，以获取电钻夹头组41a在穿刺过程中受到的阻力，并反馈至控制板410；在控制板410内预先设有第一阈值和第二阈值，当传感器41b采集得到的力反馈数值F小于控制板410内预先设的第一阈值时，控制板410控制驱动电机412转动，以驱动丝杠模组413进给，带动穿刺器42刺破皮肤扎入脂肪，直至其针尖抵住脊柱骨质表面之前；当传感器41b采集得到的力反馈数值F大于控制板410内预先设的第一阈值而小于第二阈值时，控制板410同时控制驱动电机412及电钻电机41c转动，从而在保持直线进给的同时，电钻电机41c带动穿刺器42旋转钻入病灶脊柱内；当当传感器41b采集得到的力反馈数值F大于控制板410内预先设的第二阈值或陡然下降时，控制板410同时控制驱动电机412及电钻电机41c停止转动，也可以通过医生在电脑端操作紧急控制驱动电机412和电钻电机41c停转，防止手术误伤害。
壳体包括前罩壳45、外壳46及后罩壳47，外壳46固定于安装底板415上中部位置，用于对丝杠模组413起保护作用；前罩壳45前侧面开设有通孔，其固定于安装底板415上前部位置，用于对智能骨钻组件41起保护作用，智能骨钻组件41穿过其前侧面通孔；后罩壳47固定于安装底板415上后部位置，用于对驱动电机412及起控制板410起保护作用。
在壳体外固定安装有示踪器43，用于光学***采集标记识别本发明的自动穿刺***的相对位置。在壳体上还安装有指示灯44，指示灯44与驱动电机412连接，并指示其工作状态。
如图2、3所示，穿刺器42安装于骨钻组件41的电钻夹头组41a上；如图5所示，穿刺器42包括穿刺通道421和穿刺针422，穿刺针422长度大于穿刺通道421长度，保证穿刺针422的针尖伸出穿刺通道421外；其中穿刺通道421外套设有穿刺通道手柄4211，在穿刺通道手柄4211上设置有磁铁；穿刺针422外也套设有穿刺针手柄4221，在穿刺针手柄4221上设有与穿刺通道手柄4211上磁铁对应配合的磁铁，穿刺针422***到穿刺通道421内，并通过二者手柄上的磁铁的吸附作用配合实现连接。
如图5所示，在穿刺通道手柄4211上端面紧邻穿刺针手柄4221外侧面位置处沿穿刺针422转动方向设有至少一个限位引导作用的斜面块4212，斜面块4212的高处相对其低处向外；在穿刺针手柄4221的下端面上与穿刺管手柄4211上端面的斜面块4212同侧相背位置处设置有对应的斜面4222。
在本发明中，斜面块4212为两个，且该两个斜面块4212在穿刺管手柄4211上端面上成轴对称分布。
在本发明中，还可以直接在穿刺管手柄4211上端面沿穿刺针422转动方向延伸设有至少一个斜面块4212，在穿刺针手柄4221下端面上对应位置处设有对应斜面槽，二者通过穿刺针422正反转及斜面块4212与斜面槽的配合实现通道置入与退针。
本发明在穿刺时，穿刺针422正转，通过斜面块4212可挡住穿刺针手柄4221，从而使穿刺通道421随穿刺针422旋转；当穿刺针421反转时，穿刺针手柄4221上的斜面或其下端面斜面槽的斜面可沿着斜面块4212滑动，不使穿刺通道421跟随旋转，并通过斜面块4212的引导，逐渐脱离穿刺通道手柄4211。
采用本发明的自动穿刺***，医生可以在手术区域外，通过电脑端输入控制指令，来控制手术区域中机器人台车***，其中控制指令通过线缆传输到机器人台车***，本发明的操作流程如下：
(1)通过C臂机对患者病灶进行透视扫描，并通过光学***采集自动穿刺置针***4上示踪器43进行注册，并上传至电脑端，医生据此在电脑端设定穿刺轨迹路径及穿刺位置，并进行运动位姿模拟；
(2)电脑端发出指令，机器人台车1上机械臂3按照预定位姿运动到达设计位置保持；
(3)确认位置正常后，设定穿刺进给深度，并发出指令给自动穿刺置针***4的控制板410，控制板410控制驱动电机412运动，从而带动丝杠模组413带着骨钻组件41直线进给；骨钻组件41末端夹持的穿刺器42经皮穿刺，此过程穿刺器42刺破皮肤扎入脂肪，直至穿刺器42针尖抵住脊柱骨质表面之前；期间穿刺器42穿刺过程所受到的阻力，通过电钻夹头组41a传递给传感器41b，传感器41b采集得到力反馈数值F并传递至控制板410，用于压力信息采集反馈；此过程压力小于控制板410内预设的第一阈值，则自动穿刺***4仅进行直线进给动作，骨钻组件41不进行旋转运动；
(4)当穿刺器42针尖抵住脊柱骨质表面时，受到的阻力增加，传感器41b所受压力增大，传感器41b采集得到的力反馈数值F大于第一定阈值时，控制板410控制骨钻组件41的电钻电机41c按照预设定的参数进行顺时针旋转，同时直线进给运动，穿刺器42旋转钻入病灶脊柱内；
(5)过程中，需要通过C臂机进行透视扫描，确认穿刺针422进入病灶的位置，期间传感器41b实时采集压力并输出到显示端，穿刺过程随着深度的增加，理论上压力数值在不断的增加，若传感器41b采集的力反馈数值大于控制板410内预设的第二阈值时，控制板410控制驱动电机412停转，同时控制电钻电机41c停转，并上报警报状态。
如果出现压力陡然下降等异常现象，医生可以通过电脑端操作紧急控制驱动电机412和电钻电机41c停转，防止手术误伤害。
(6)通过透视确认穿刺针422到达指定的病灶位置后，停止穿刺进给。
(7)医生通过电脑端发出穿刺针422退出指令，控制板410控制骨钻组件41低速逆时针旋转，同时控制板410控制驱动电机412带动驱动丝杠模组413直线后退运动；由于脊柱对穿刺通道421的包覆阻尼作用，当骨钻组件41逆时针旋转时，穿刺针422也逆时针旋转，此时穿刺针422与穿刺通道421脱离，随着丝杠模组413带动穿刺针422直线后退，穿刺针422离开病灶，从穿刺通道421中取出，而穿刺通道421留在病灶脊柱内，进而实现自动置入通道。
此时穿刺通道留在患者病灶指定的位置，为后续的手术工作留下工作通道。医生通过机械臂免驱，将机械臂移开患者，并将机器人台车移开手术区域，为后续手术腾出空间。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自动穿刺置针***，其特征在于：包括：
骨钻；
穿刺器，可拆卸的安装于骨钻，包括穿刺通道及穿刺针，二者之间设置有通过所述穿刺针正反转实现通道置入与退针的连接部；
机械臂，用于驱动骨钻直线运动与旋转运动。
2.根据权利要求1所述的自动穿刺置针***，其特征在于：所述骨钻包括通过电机驱动直线运动的钻头，所述钻头由电机驱动旋转，所述穿刺器安装在所述钻头上。
3.根据权利要求2所述的自动穿刺置针***，其特征在于：所述钻头通过电机及安装在电机轴上的丝杠模组驱动直线运动，钻头固定安装在所述丝杠模组上。
4.根据权利要求3所述的自动穿刺置针***，其特征在于：在所述丝杠模组的丝杠两端分别设置有检测其上滑块位移的接近传感器。
5.根据权利要求2所述的自动穿刺置针***，其特征在于：所述钻头包括电钻电机及其电机轴上的电钻夹头组，在所述电钻电机位于其电机轴侧的端面上设有与所述电钻夹头组前端接触的传感器，所述传感器采集所述所述电钻夹头组夹持的所述穿刺器受到的阻力形成力反馈信息。
6.根据权利要求5所述的自动穿刺置针***，其特征在于：所述骨钻还包括用于控制电机启停的控制模块，所述控制模块与所述传感器连接，并接收所述传感器采集的力反馈信息；在所述控制模块内预设有第一阈值和第二阈值；
在所述传感器采集的力反馈信息小于其内第一阈值时，所述控制模块控制电机停止直线进给；
在所述传感器采集的力反馈信息大于其内第一阈值而小于第二阈值时，所述控制模块同时控制电机进行直线进给和旋转钻孔；
在所述传感器采集的力反馈信息大于其内第二阈值或陡然下降时，所述控制模块控制电机停止并报警。
7.根据权利要求1所述的自动穿刺置针***，其特征在于：还包括设置在所述骨钻外起保护作用的壳体。
8.根据权利要求1所述的自动穿刺置针***，其特征在于：所述连接部包括套设在所述穿刺通道外的第一连接部及套设在所述穿刺针外的第二连接部；
所述第一连接部和所述第二连接部通过磁性配合连接；
在所述第一连接部上端面紧邻所述第二连接部侧面位置处沿所述穿刺针转动方向设有至少一个用于限位引导的斜面块，在所述第二连接部的下端面上对应设有与所述斜面块对应的导向槽。
9.根据权利要求1所述的自动穿刺置针***，其特征在于：所述连接部包括套设在所述穿刺通道外的第一连接部及套设在所述穿刺针外的第二连接部；
所述第一连接部和所述第二连接部通过磁性配合连接；
在所述第一连接部上端面设有至少一个用于引导限位的斜面块，在所述第二连接部下端面上对应位置处设有对应斜面槽，所述第一连接部和所述第二连接部通过所述穿刺针正反转及斜面块与斜面槽的配合实现通道置入与退针。
10.根据权利要8或9任一所述的自动穿刺置针***，其特征在于：所述斜面块为两个，且该两个所述斜面块在所述第一连接部上端面上成轴对称分布。
CN202011588860.3A 2020-12-29 2020-12-29 一种自动穿刺置针*** Pending CN112603498A (zh)

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