[實(shí)用新型]機(jī)器人輔助精確靶向穿刺軟組織目標(biāo)柔性針夾緊固定裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201620853178.5
• 申請日: 2016-08-09
• 公開（公告）號: CN206151580U
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙洪華;陳綿鵬;劉濤;李志平
• 申請（專利權(quán)）人: 濟(jì)南大學(xué)
• 主分類號: A61B34/30
• 分類號: A61B34/30;A61B90/17
• 代理公司: 濟(jì)南譽(yù)豐專利代理事務(wù)所(普通合伙企業(yè))37240
• 代理人: 李樹祥

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及一種機(jī)器人輔助精確靶向穿刺軟組織目標(biāo)柔性針夾緊固定裝置。

背景技術(shù)

機(jī)器人輔助定位穿刺手術(shù)是微創(chuàng)手術(shù)的一種重要方法，已廣泛應(yīng)用于多種軟組織環(huán)境的靶向診療手術(shù)；軟組織環(huán)境不僅具有復(fù)雜的時(shí)變特性，而且在活體和實(shí)驗(yàn)條件下其生理特性和生物力學(xué)特性有很大的差異，給系統(tǒng)動力學(xué)建模和穩(wěn)定操作帶來極大的困難，穿刺時(shí)較差的靶向精度會導(dǎo)致組織損傷、錯(cuò)誤診斷和不當(dāng)?shù)姆派淞浚虼司_穿刺針的位姿操控是經(jīng)皮介入手術(shù)質(zhì)量和成功與否的關(guān)鍵。

醫(yī)療穿刺手術(shù)機(jī)器人面向軟組織進(jìn)行手術(shù)操作，涉及到生物力學(xué)、斷裂力學(xué)、摩擦學(xué)、影像學(xué)、自動控制等多學(xué)科基礎(chǔ)科學(xué)，在軟組織穿刺領(lǐng)域，柔性針的穿刺機(jī)理、非完整系統(tǒng)路徑規(guī)劃和控制已引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究，但是在穿刺機(jī)理、路徑規(guī)劃和控制還有待深入研究。因此機(jī)器人操控柔性針靶向穿刺的機(jī)理和方法研究，可解決柔性針人工靶向穿刺的可控性差、避障難、靶向精度低的問題；能夠在未來的手術(shù)實(shí)踐中切實(shí)提高穿刺手術(shù)的治療診斷效果，減少對患者的健康損傷。

目前的醫(yī)療機(jī)器人在骨科等剛體或類剛體領(lǐng)域的研究較完善，應(yīng)用較廣，而在人體軟組織等柔性領(lǐng)域，需開展進(jìn)一步的深入研究。柔性體的研究是從20 世紀(jì)90 年代開始的；目前，在面向軟組織的機(jī)器人操控柔性針靶向穿刺的機(jī)理和方法研究上，主要存在以下三個(gè)問題：(1) 目前的人體軟組織模型，主要是針對虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行研究的，在實(shí)際手術(shù)操作中開展了一些初步研究，在針-組織相互作用模型的特性和描述方法的研究上，還須深入研究；應(yīng)用于面向軟組織的機(jī)器人實(shí)時(shí)操控時(shí)，需要解決實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性的問題，因此需要針對機(jī)器人操控時(shí)的軟組織建模開展深入研究；同時(shí)，針-組織間的相互作用具有復(fù)雜的非線性摩擦特性，涉及到摩擦學(xué)、斷裂力學(xué)等多個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科，需要開展深入的針對性研究。

(2) 柔性針穿刺路徑規(guī)劃是一個(gè)復(fù)雜問題，涉及到組織變形、不同組織層的邊界遷移、組織的各向異性、針根部操控的非完整特性、針運(yùn)動不確定性等，運(yùn)動不確定性條件下的軌跡規(guī)劃，仍然是柔性針穿刺的研究重點(diǎn)；目前在某些具體問題上有了一些階段性成果，但還沒有形成系統(tǒng)的、成熟的理論。

(3) 柔性針穿刺的機(jī)器人控制，是一個(gè)非完整約束下的非線性問題，如何基于超聲影像特點(diǎn)，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的觀測器-控制器，如何控制機(jī)器人操控穿刺針沿著預(yù)先規(guī)劃的軌跡前進(jìn)，是一個(gè)研究難題；這涉及到控制時(shí)的傳感器配置、影像引導(dǎo)、控制策略和方法等研究。

針穿刺時(shí)的柔性變形實(shí)現(xiàn)的曲線軌跡，避開障礙物，同時(shí)利用生物力學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和機(jī)器人控制技術(shù)操控針尖到達(dá)傳統(tǒng)剛性針?biāo)_(dá)不到的靶點(diǎn)位置，以提高靶向穿刺精度，進(jìn)而提高手術(shù)治療效果；但在在針-軟組織相互作用建模、路徑規(guī)劃和超聲圖像下穿刺軌跡控制還有待深入研究；目前人體軟組織模型，主要是針對虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行研究的，在實(shí)際手術(shù)操作中進(jìn)行了一些初步研究，在針-組織相互作用模型的特性和描述方法的研究上，還需深入研究。應(yīng)用于面向軟組織機(jī)器人實(shí)時(shí)操控時(shí)，需要解決實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性的問題。因此需要針對機(jī)器人操控時(shí)軟組織建模開展深入的研究；同時(shí)，針-軟組織相互作用具有復(fù)雜的非線性摩擦特性，涉及到摩擦學(xué)、斷裂力學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，需要開展深入的針對性研究。穿刺路徑規(guī)劃問題。柔性針穿刺路徑規(guī)劃是一個(gè)復(fù)雜問題，涉及到組織變形、不同組織層的邊界遷移、組織的各向異性、針根部操控的非完整特性、針運(yùn)動不確定性等，運(yùn)動不確定性條件下的軌跡規(guī)劃，仍然是柔性針穿刺的研究重點(diǎn)。目前在某些具體問題上有了一些階段性成果，但還沒有形成系統(tǒng)的、成熟的理論。超聲圖像下的穿刺軌跡控制問題；柔性針穿刺的機(jī)器人控制，是一個(gè)非完整約束下的非線性問題，如何基于超聲影像特點(diǎn)，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的觀測器-控制器，如何控制機(jī)器人操控穿刺針沿著預(yù)先規(guī)劃的軌跡前進(jìn)，是一個(gè)研究難題。這涉及到控制時(shí)的傳感器配置、影像引導(dǎo)、控制策略和方法等研究。

發(fā)明內(nèi)容

本實(shí)用新型要解決的問題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種靶向穿刺的可控性好、避障好、靶向精度高的機(jī)器人輔助精確靶向穿刺軟組織目標(biāo)柔性針夾緊固定裝置。

為了解決上述問題，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案：

機(jī)器人輔助精確靶向穿刺軟組織目標(biāo)柔性針夾緊固定裝置，包括旋轉(zhuǎn)進(jìn)給裝置，旋轉(zhuǎn)進(jìn)給裝置包括擺臺，擺臺的一側(cè)固定連接有柔性針連接件，柔性針連接件內(nèi)安裝有高精度、可更換不同內(nèi)徑的彈性筒夾，柔性針連接件通過螺紋連接有壓冒螺母，彈性筒夾的軸心處安裝有斜角柔性針并通過壓冒螺母旋轉(zhuǎn)壓緊，擺臺的另一側(cè)固定連接有擺臺連接件。

以下是本實(shí)用新型對上述方案的進(jìn)一步優(yōu)化：