CN113367777A - 一种人工智能机器人辅助***靶向穿刺诊疗装置 - Google Patents
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Abstract
一种人工智能机器人辅助***靶向穿刺诊疗装置,包括固定架、运动模组、超声***、计算机,装置共有四个自由度,包括三自由度直角坐标移动模组和末端旋转机构。超声探头放置于可开合的固定框内,固定框通过轴承、联轴器、减速器与伺服电机连接,实现探头的俯仰运动。通过计算机程序控制***的运动。机器人工作时,先控制俯仰机构使探头保持水平,再调节X向和Z向步进器,使探头对准人体,调节Y向步进器使探头进入人体。本发明能够在XYZ三个方向的移动,完成超声探头从外部进入人体的动作,并且可以调整机器位置避免与其他机构的干涉;同时为了超声成像的清晰,增加一旋转自由度,可以使超声探头实现俯仰运动,进而调整图像角度,提高成像质量。
Description
技术领域
本发明属于机器人领域,涉及一种人工智能机器人辅助***靶向穿刺诊疗装置。
背景技术
目前,***癌的诊断主要依靠***特异性抗原PSA(Prostate SpecificAntigen,PSA),并继以穿刺活检,由于PSA特异性较差,故临床上将穿刺活检作为确诊***癌的金标准。经直肠超声(Trans-Rectal Ultrasound,TRUS)引导下的***穿刺活检因实时性、低成本、易操作等优点,成为了临床上最为普遍的诊断***癌的方法。然而,由于直肠超声图像低的成像质量,因此很难从图像上准确定位恶性肿瘤区域。另一方面,多参数核磁共振图像(multi-parametric magnetic resonance imaging,mpMRI)是目前公认的诊断***癌的最佳影像技术,可精确定位可疑病灶区,从而达到靶向穿刺的目的。为了提高***癌的检出率,MR/TRUS融合引导靶向穿刺技术应运而生,旨在对术前MR图像和实时TRUS图像进行配准融合从而提高穿刺精度。
机器人技术的发展给工业和医疗界带来了全新的革命,机器人因其高的准确性、稳定性和可靠性得到了广泛应用。在手术机器人领域,一台医疗机器人集成了大量的现代高新技术,医生可以通过使用机器人***完成一系列的外科微创手术,不再需要亲自操刀,在降低了手术难度的同时,也提高了微创手术的成功率。手术机器人以其独有的特性,将医疗图像处理技术和机器人控制技术进行结合,从而衍生出极具侵袭力、精度、效率和稳定性的医疗手术方案,在肿瘤穿刺、切除、缝合等方面具有巨大的应用价值。
在穿刺过程中,医生手动操作超声探头寻找病灶,然后手动进针。该过程中医生需要凭借经验确定进针路线,并且易受到干扰,另外,为了提高检出率还需要多次进针。考虑到机器人技术在稳定性、精确性以及自动化程度上的优势,设计一套多自由度超声探头运动辅助机构,从而可以得到更为清晰稳定的超声图像。再将MR与TRUS图像融合配准。***穿刺***以TRUS图像作为基本的引导,将MR图像的信息配准到TRUS图像,从而提供清晰的病灶信息以供穿刺机构实现靶向穿刺,可以提高***穿刺的准确性、稳定性和***癌的检出率,减少进针次数,降低术后并发症的风险。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供一种辅助***靶向穿刺装置,包括固定架、运动模组、超声***、计算机,装置共有4个自由度,包括三自由度直角坐标移动模组和末端旋转机构。超声探头放置于可开合的固定框内,固定框两端的轴通过轴承、联轴器、减速器连接到伺服电机,实现探头180°范围内的俯仰运动。各步进器的驱动器通过总线与控制器相连,控制器连接到计算机,通过计算机程序控制***的运动。超声探头采用无线传输,可同时与计算机相连,反映实时超声图像,并由计算机进行处理。机器人工作时,先控制俯仰机构使探头保持水平,再调节X向和Z向步进器,使探头对准人体,调节Y向步进器使探头进入人体,为得到清晰的超声图像探头可进行俯仰运动,同时保持探头末端固定不动,所需移动由Y向和Z向步进器补偿。
本发明可以为超声探头提供四个运动自由度。在XYZ三个方向的移动,可以完成超声探头从外部进入人体的动作,并且可以调整机器位置避免与其他机构的干涉。同时为了超声成像的清晰,增加一旋转自由度,可以使超声探头实现俯仰运动,进而调整图像角度,提高成像质量。
为了达到上述目的,本发明的技术方案如下:
一种机器人辅助***靶向穿刺诊疗装置,设备主要由固定架、运动模组、超声***以及计算机组成。该设备共有四个自由度,包括三自由度直角坐标移动模组和末端旋转机构;所述直角坐标模组的三个步进器结构相同,每个步进器均由伺服电机、滚珠丝岗、滑轨、滑块组成,三个驱动器通过连接件固定在一起;所述末端旋转机构可实现超声探头180°范围内的旋转,由支撑连接件固定在移动模组上。超声探头放置于可开合的固定框内,固定框两端的轴通过轴承、联轴器、减速器连接到伺服电机,实现探头的旋转运动。
机器人工作时,先控制俯仰机构使探头保持水平,再调节X向和Z向步进器,使探头对准人体,调节Y向步进器使探头进入人体,为得到清晰的超声图像探头可进行俯仰运动,同时保持探头末端固定不动,所需移动由Y向和Z向步进器补偿。
所述步进器的伺服电机、编码器、抱闸与电机驱动器相连,各驱动器通过总线与控制器相连,控制器连接到计算机,通过计算机程序控制***的运动。超声探头采用无线传输,可同时与计算机相连,反映实时超声图像,并由计算机进行处理。
所述三轴模组由三个步进器按照X、Y、Z三个方向两两垂直放置。最下方为X向驱动器,通过驱动器下边的承接板固定在工作台上;之后Y向步进器的滑块通过连接件与X向步进器的滑块相连,实现Y向步进器整体的移动,进而增大工作空间;Z向步进器的滑块通过连接件固定在Y向步进器的末端,从而实现Z向步进器的整体移动,避免了步进器本身与其他机构的干涉,增加机器人的灵活性。
所述探头俯仰机构通过两个半U型支撑件固定在Z向步进器上,两个固定件上有焊接螺母,两个带座轴承分别固定在两个支撑件上,探头固定框通过其两侧的轴固定在轴承上,再将探头固定在固定框中,同时探头与固定框之间应加入硅胶垫以避免探头损坏。
所述探头固定框由框1、框2、合页、轴1、轴2、旋钮锁组成。框1和框2通过合页连接,从而实现开合,便于探头拆卸;轴1和轴2分别通过两个螺钉固定在框2上,进而将轴固定在轴承上。
进一步的,上述轴1为短轴,轴2为长轴。轴1不穿过轴承,轴2穿过轴承后通过联轴器与减速机相连,减速机再与电机相连,此时U型固定框通过螺钉固定在半U型支撑件上,再将减速机固定在U型固定框上并与轴2连接。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)机器人的工作空间大,三个方向上的移动距离充分,避免了设备间的干涉和碰撞,工作后可使模组收紧体积。
(2)俯仰角度大,探头的有效俯仰角度可以达到180°,可以适用于不同型号探头成像部位的差异,进而都能得到较为清晰的图像。
(3)三个步进器均采用丝杠传动,精度高、工作稳定。
附图说明
图1是本发明实例中所用机器人辅助***靶向穿刺诊疗装置的整体结构图。
图2是本发明实例中所用探头运动模组结构图。
图3是本发明实例中所用探头俯仰固定机构图。
图4是本发明实例中所用探头固定和框的结构图。
图中:1超声探头、2探头俯仰机构、3 Z向步进器、4 YZ步进器连接件、5 X向步进器、6 Y向步进器、7样品台架、8脚轮、9体膜固定件、10体膜、201 XY滑块连接件、202模组支撑底座、203连接件、301轴承A、302探头固定框、303U型固定件、304减速机、305电机、306联轴器、307轴承B、308半U型支撑件A、309半U型支撑件B、401短轴、402框盖、403框、404长轴、405合页、406旋钮开关。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
如图1所示,一种***靶向穿刺辅助装置包括超声探头1、探头俯仰机构2、Z向步进器3、YZ步进器连接件4、X向步进器5、Y向步进器6、样品台架7、脚轮8、体膜固定件9、体膜10。该设备共有四个自由度,包括三自由度直角坐标移动模组和探头俯仰机构2;机器人工作时,先控制俯仰机构2使探头1保持水平,再调节X向步进器5和Z向步进器3,使探头对准人体,调节Y向步进器6使探头进入人体,为得到清晰的超声图像探头可进行俯仰运动,同时保持探头末端固定不动,所需移动由Y向步进器6和Z向步进器3补偿。
如图2所示,,三轴模组由三个步进器按照X、Y、Z三个方向两两垂直放置。最下方为X向驱动器5,通过驱动器下边的模组支撑底座202固定在工作台上;之后Y向步进器的滑块通过XY滑块连接件201与X向步进器5的滑块相连,实现Y向步进器6整体的移动,进而增大工作空间;Z向步进器3的滑块通过连接件203固定在Y向步进器6的末端,从而实现Z向步进器3的整体移动,避免了步进器本身与其他机构的干涉,增加机器人的灵活性。
如图3所示,探头俯仰机构2由轴承A301、探头固定框302、U型固定件303、减速机304、电机305、半U型支撑件A308、半U型支撑件B309构成。两个半U型支撑件A308、309固定在Z向步进器3上,两个固定件上有焊接螺母,两个带座轴承A301、307分别固定在两个支撑件308、309上,探头固定框通过其两侧的轴固定在轴承A301上,再将探头固定在固定框302中,同时探头与固定框之间应加入硅胶垫以避免探头损坏。
如图4所示,探头固定框302由短轴401、框盖402、框403、长轴404、合页405、旋钮开关406构成。框402和框403通过合页405连接,从而实现开合,便于探头拆卸;短轴401和长轴404分别通过两个螺钉固定在框403上,进而将轴固定在轴承A301、307上。长轴404穿过轴承B307后通过联轴器308与减速机304相连,减速机再与电机305相连,此时U型固定框303通过螺钉固定在半U型支撑件A308上,再将减速机304固定在U型固定框303上并与长轴404连接。
虽然上文中已经结合附图和实例对本发明进行了描述,然而在不脱离本发明范围的情况下,可对其进行各种改进,且可以用等效物替换其中的部件。因此,本发明并不局限于文中公开的特定实施例,而是包括落入权利要求范围内的所有技术方案。
Claims (2)
1.一种人工智能机器人辅助***靶向穿刺诊疗装置,其特征在于,所述的***靶向穿刺辅助装置包括超声探头(1)、探头俯仰机构(2)、Z向步进器(3)、X向步进器(5)、Y向步进器(6)、样品台架(7)、脚轮(8)、体膜固定件(9)、体膜(10);该设备共有四个自由度,包括三自由度直角坐标移动模组和探头俯仰机构(2),设于样品台架(7)上;机器人工作时,先控制探头俯仰机构(2)使超声探头(1)保持水平,再调节X向步进器(5)和Z向步进器(3),使超声探头(1)对准人体,调节Y向步进器(6)使超声探头(1)进入人体,为得到清晰超声图像探头可进行俯仰运动,同时保持超声探头(1)末端固定不动,若所需移动由Y向步进器(6)和Z向步进器(3)进行补偿;
所述的样品台架(7)下方设有脚轮(8),体膜固定件(9)设于样品台架(7)上,体膜(10)设于体膜固定件(9)上;
所述的三个步进器按照X、Y、Z三个方向两两垂直放置得到三自由度直角坐标移动模组;最下方为X向驱动器(5),通过X向驱动器(5)下边的模组支撑底座(202)固定在工作台上;Y向步进器(6)的滑块通过XY滑块连接件(201)与X向步进器(5)的滑块相连,实现Y向步进器(6)整体的移动,用于增大工作空间;Z向步进器(3)的滑块通过连接件(203)固定在Y向步进器(6)的末端,实现Z向步进器(3)的整体移动;
所述的探头俯仰机构(2)包括轴承A(301)、探头固定框(302)、U型固定件(303)、减速机(304)、电机(305)、半U型支撑件A(308)、半U型支撑件B(309);两个半U型支撑件A(308)、B(309)固定在Z向步进器(3)上,两个带座轴承A(301)、B307分别固定在两个支撑件A(308)、B(309)上,探头固定框(302)两侧的轴固定在轴承A(301)上,超声探头(1)固定在固定框(302)内部;
所述的探头固定框(302)包括短轴(401)、框盖(402)、框(403)、长轴(404)、合页(405)、旋钮开关(406);所述框盖(402)和框(403)通过合页(405)连接,实现开合,用于拆卸超声探头(1);短轴(401)和长轴(404)分别通过螺钉固定在框(403)上;长轴(404)穿过轴承B307后通过联轴器306与减速机(304)相连,减速机(304)与电机(305)相连,此时U型固定件(303)固定在半U型支撑件A(308)上,再将减速机(304)固定在U型固定框(303)上并与长轴(404)连接。
2.根据权利要求1所述的一种人工智能机器人辅助***靶向穿刺诊疗装置,其特征在于,所述的超声探头(1)与探头固定框(302)之间设有硅胶垫,避免超声探头(1)损坏。
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