一种脑部介入手术机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体为一种脑神经外科介入手术机器人。

背景技术

随着人口老龄化，脑疾病的发病率逐年递增。治疗帕金森、癫痫类疾病，发展以SEEG、DBS等为代表的脑神经外科微创手术是医学科学对人类文明的重要贡献之一，其具体操作为病人核磁扫描检查后，医生通过导航工具经颅骨微小开口将细长的手术工具探入到病人脑组织中。手术具有创口小、出血少、恢复速度快、术后痛苦缓解明显等优点，极大地提升了患者生存质量。然而术后随着时间的推移，丘脑底核(STN)术后不可避免地向心萎缩，只有将脑电极针准确穿刺至解剖结构的中心位置，才能提高电极针的有效使用年限。此外，手术也带来了操作上的难题，如：(1)手术规划繁琐；(2)手术时间长，医生、患者容易疲劳；(3)颅脑中存在大量重要的血管和神经，不易避开等。

现有一些手术机器人在一定程度上解决了上述问题，目前几种市售机器人中含铁磁性物质，不能在核磁室中使用，不能满足全部临床需求，具体是：(1)仅靠术前核磁图像注册导航，医生缺乏深度方向的感觉，通过测量脑电信号验证电极是否到位也存在定位失准的情况；(2)存在由于器械弹性变形、器官组织变形等导致穿刺路径变化、电极植入失败的问题；(3)在非核磁环境下进行手术，需要进行繁琐的术后精度验证。

核磁兼容手术机器人可以较为综合地解决上述问题，满足核磁室内实施机器人手术的要求。文献《Merging machines with microsurgery:clinical experience withNeuroArm》中公布了一种6自由度核磁兼容机械臂，用于协助医生在核磁环境下进行开颅手术和器械夹持等任务，可同步完成术中核磁扫描，但是该机械臂的末端定位误差超过1mm，无法满足对于高精度穿刺植入脑神经疾病的要求。因此，本领域需发展出一种可直接在核磁仪中实施手术的机器人，且满足刚度和精度要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种脑部介入手术机器人。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种脑部介入手术机器人，其特征在于，该机器人包括水平运动模块、摆动模块、并联运动框架、前伸缩模块、前槽内滑动部件、后伸缩模块、后槽内滑动部件、前被动调整模块、后被动调整模块、可替换执行器模块和底座；

所述并联运动框架包括转动框架、第三传动丝、第四传动丝、前滑动槽、后滑动槽、第三传动丝轨道和第四传动丝轨道；前被动调整模块与后被动调整模块的结构和安装方式完全相同；所述前被动调整模块包括前被动调整模块外圈和前被动调整模块内圈；

摆动模块通过水平运动模块安装于底座中，水平运动模块能够带动摆动模块进行前后方向的水平直线运动；转动框架固定于摆动模块上，随摆动模块进行顺时针或逆时针的摆动；沿转动框架的周向开有前滑动槽和后滑动槽；前滑动槽内开有第三传动丝轨道；第三传动丝沿第三传动丝轨道滑动；后滑动槽内开有第四传动丝轨道；第四传动丝沿第四传动丝轨道滑动；

前槽内滑动部件滑动安装于前滑动槽中，第三传动丝与前槽内滑动部件固定连接；第三传动丝两端均与一个外部电机的输出端固定连接，通过电机的正反转牵拉第三传动丝，实现第三传动丝沿第三传动丝轨道进行顺时针或逆时针的圆周运动，进而带动前槽内滑动部件沿第三传动丝轨道进行顺时针或逆时针的圆周运动；

后槽内滑动部件滑动安装于后滑动槽中，第四传动丝与后槽内滑动部件固定连接；第四传动丝两端均与一个外部电机的输出端固定连接，通过电机的正反转牵拉第四传动丝，实现第四传动丝沿第三传动丝轨道进行顺时针或逆时针的圆周运动，进而带动后槽内滑动部件沿第四传动丝轨道进行顺时针或逆时针的圆周运动；

前伸缩模块的壳体固定于前槽内滑动部件上；前被动调整模块外圈的转动轴转动安装于前伸缩模块的输出端中，沿竖直轴转动；前被动调整模块内圈两端的转动轴转动安装于前被动调整模块外圈内，沿水平轴转动；

后伸缩模块的壳体固定于后槽内滑动部件上，输出端与后被动调整模块的外圈的转动轴转动连接；可替换执行器模块固定安装于后被动调整模块的内圈中，且滑动安装于前被动调整模块的前被动调整模块内圈中。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明具有三个远心不动点和六自由度，能够灵活调整手术器械姿态，定位精准，工作空间完整，适用于核磁环境，具备高精度和高刚度，提升了手术精度同时缩短了手术流程，提升了手术效率，减轻医护人员工作负担，保证患者手术过程的安全，符合临床需求。

(2)本发明具有三个远心不动点，能够灵活调整手术器械姿态，避让颅脑中重要的血管和神经，符合临床需求。

(3)本发明可实现在同一个X、Y、Z三个互相垂直的坐标系中，六自由度灵活运动。水平运动模块提供X方向移动自由度，摆动模块提供X、Z方向移动自由度与绕Y轴转动自由度，双远心不动点远心运动机构提供Y、Z方向移动自由度与绕X、Y、Z轴转动自由度，工作空间完整覆盖颅顶至颌面手术空间，满足临床要求。

(4)本发明采用串-并混联结构，水平运动模块和摆动模块构成串联运动结构，双远心不动点远心运动机构构成并联运动结构，提升了机器人系统刚度，使机器人具有更高的稳定性与精准度。

(5)本发明采用丝传动的远端传动方式，外部电机转轴上是两段相反旋向的等螺距螺纹，在外部电机转动时一段旋入，另一段旋出等长度的传动丝，控制外部电机转动方向可控制传动丝的运动方向，使得机器人通电状态下不产生核磁图像伪影，有利于核磁图像实时校验手术器械的实时穿刺位置，具备减轻机器人质量、减小机器人体积、提升驱动扭矩的优势。

(6)本发明采用伸缩模块，进一步缩小了机器人并联结构尺寸，使得机器人在核磁仪孔腔无干涉运动。

(7)本发明不含铁磁性物质，可在核磁仪中使用。

附图说明

图1为本发明的整体结构轴测图；

图2为本发明的整体结构左视图；

图3为本发明的整体结构俯视图；

图4为本发明图3的A-A方向的剖视图；

图5为本发明的转动框架的左视剖视图；

图6为本发明的前伸缩模块的主视剖视图；

图7为本发明的前伸缩模块的左视剖视图；

图8为本发明的前槽内滑动部件的主视图；

图9为本发明的前槽内滑动部件的左视图；

图10为本发明的前被动调整模块的主视剖视图；

图11为本发明的可替换执行器模块的轴测图；

图12为本发明的外部电机驱动传动丝的原理示意图；

图13为本发明的使用原理图。

图中，水平运动模块1、摆动模块2、并联运动框架3、前伸缩模块4、前槽内滑动部件5、后伸缩模块6、后槽内滑动部件7、前被动调整模块8、后被动调整模块9、可替换执行器模块10、底座11；

第一传动丝101、直线导轨102、直线滑块103、第一传动丝导向轮104、第一固线块105、传动丝张紧轮106；

第二传动丝201、转动关节202、第二固线块203、摆动模块支臂204、摆动模块连接轴205、摇动臂206；

转动框架301、第三传动丝302、第四传动丝303、前滑动槽304、后滑动槽305、第三传动丝轨道306、第四传动丝轨道307；

第五传动丝401、伸缩臂外壳402、一级驱动齿轮403、一级伸缩臂404、二级级驱动齿轮405、二级伸缩臂406、三级伸缩臂407、第二传动丝导向轮408、第二固线块409；

上下切边滚轮501、左右切边滚轮502、上下切边滚轮转动轴503、滑动部件主体504、固定传动丝轨道505、左右切边滚轮插槽506；

前被动调整模块外圈801、前被动调整模块内圈802、转动轴承803、第一防脱螺母804、防脱垫片805、第二防脱螺母806；

手术器械导向筒1001、可替换手术器械1002。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本发明权利要求的保护范围。

本发明提供了一种脑部介入手术机器人(简称机器人)，其特征在于，该机器人包括水平运动模块1、摆动模块2、并联运动框架3、前伸缩模块4、前槽内滑动部件5、后伸缩模块6、后槽内滑动部件7、前被动调整模块8、后被动调整模块9、可替换执行器模块10和底座11；

所述并联运动框架3包括转动框架301、第三传动丝302、第四传动丝303、前滑动槽304、后滑动槽305、第三传动丝轨道306和第四传动丝轨道307；前被动调整模块8与后被动调整模块9的结构和安装方式完全相同，均采用被动驱动方式；所述前被动调整模块8包括前被动调整模块外圈801和前被动调整模块内圈802；

摆动模块2通过水平运动模块1安装于底座11中，水平运动模块1能够带动摆动模块2进行前后方向的水平直线运动；转动框架301固定于摆动模块2上，随摆动模块2进行顺时针或逆时针的摆动；沿转动框架301的周向开有前滑动槽304和后滑动槽305；前滑动槽304内开有第三传动丝轨道306；第三传动丝302沿第三传动丝轨道306滑动；后滑动槽305内开有第四传动丝轨道307；第四传动丝303沿第四传动丝轨道307滑动；

前槽内滑动部件5滑动安装于前滑动槽304中，第三传动丝302与前槽内滑动部件5固定连接；第三传动丝302两端均与一个外部电机的输出端固定连接，通过电机的正反转牵拉第三传动丝302，实现第三传动丝302沿第三传动丝轨道306进行顺时针或逆时针的圆周运动，进而带动前槽内滑动部件5跟随第三传动丝302沿第三传动丝轨道306进行顺时针或逆时针的圆周运动；

后槽内滑动部件7滑动安装于后滑动槽305中，第四传动丝303与后槽内滑动部件7固定连接；第四传动丝303两端均与一个外部电机的输出端固定连接，通过电机的正反转牵拉第四传动丝303，实现第四传动丝303沿第三传动丝轨道306进行顺时针或逆时针的圆周运动，进而带动后槽内滑动部件7跟随第四传动丝303沿第四传动丝轨道307进行顺时针或逆时针的圆周运动；

前伸缩模块4的壳体固定于前槽内滑动部件5上；前被动调整模块外圈801的转动轴通过轴承转动安装于前伸缩模块4的输出端中，沿竖直轴转动；前被动调整模块内圈802两端的转动轴通过转动轴承803转动安装于前被动调整模块外圈801内，沿水平轴转动；

后伸缩模块6的壳体固定于后槽内滑动部件7上，输出端与后被动调整模块9的外圈的转动轴转动连接；可替换执行器模块10固定安装于后被动调整模块9的内圈中，且滑动安装于前被动调整模块8的前被动调整模块内圈802中。

优选地，所述水平运动模块1包括第一传动丝101、直线导轨102、直线滑块103、第一传动丝导向轮104和第一固线块105；

直线导轨102固定于底座11中；直线滑块103滑动安装于直线导轨102中，能够沿直线导轨102直线滑动；摆动模块支臂204固定于直线滑块103上；底座11的一端开有传动丝入口和传动丝出口，第一传动丝导向轮104通过转轴转动安装于底座11的另一端；第一传动丝101从传动丝入口穿进底座11中，穿过摆动模块支臂204上的预留走线孔，再缠绕于第一传动丝导向轮104，最后从传动丝出口穿出底座11；第一传动丝101带动第一传动丝导向轮104转动；第一传动丝101通过第一固线块105固定于摆动模块支臂204上；第一传动丝101的两端伸出底座11，且均与一个外部电机的输出端固定连接，通过电机的正反转牵拉第一传动丝101，实现摆动模块支臂204沿直线的前进和后退。

优选地，水平运动模块1还包括传动丝张紧轮106；传动丝张紧轮106通过转轴转动安装于底座11的伸出底座11的一端，用于张紧第一传动丝101。第一传动丝101从传动丝入口穿进底座11中，先缠绕于传动丝张紧轮106，再穿过摆动模块支臂204上的预留走线孔，再缠绕于第一传动丝导向轮104，最后从传动丝出口穿出底座11。

优选地，所述摆动模块2包括第二传动丝201、转动关节202、第二固线块203、摆动模块支臂204、摆动模块连接轴205和摇动臂206；

转动关节202通过轴承转动安装在摆动模块支臂204上；摇动臂206的一端固定在转动关节202的周向上，另一端上固定有摆动模块连接轴205；摆动模块支臂204上开有弧形通孔；摆动模块连接轴205滑动安装于摆动模块支臂204的弧形通孔中；第二传动丝201沿转动关节202的周向紧密缠绕并通过第二固线块203固定在转动关节202的周向上；第二传动丝201的两端穿过摆动模块支臂204的通孔，且均与一个外部电机的输出端固定连接，通过电机的正反转牵拉第二传动丝201，实现转动关节202沿顺时针或逆时针的摆动；转动框架301固定于摆动模块连接轴205上，随转动关节202进行顺时针或逆时针的摆动(摆动幅度为0～90°，以完整覆盖颅顶至颌面手术空间)。

优选地，前滑动槽304和后滑动槽305为凸字形轨道。

优选地，所述前槽内滑动部件5与后槽内滑动部件7的结构和安装方式完全相同；

前槽内滑动部件5包括上下切边滚轮501、左右切边滚轮502、滑动部件主体504和固定传动丝轨道505；

上下切边滚轮501通过上下切边滚轮转动轴503转动安装于滑动部件主体504的左右两侧；滑动部件主体504的左右两侧均开有左右切边滚轮插槽506；左右切边滚轮502转动安装于左右切边滚轮插槽506中；通过上下切边滚轮501和左右切边滚轮502实现滑动部件主体504滚动安装于前滑动槽304中(其中上下切边滚轮501与前滑动槽304的顶面和底面接触，左右切边滚轮502与前滑动槽304的左侧壁和右侧壁接触，提升运动顺滑性)；滑动部件主体504内开有固定传动丝轨道505，第三传动丝302固定于固定传动丝轨道505中。

优选地，所述前伸缩模块4与后伸缩模块6的结构和安装方式完全相同；

所述前伸缩模块4产生向外伸出或向内缩进的直线运动，通过三级伸缩结构放大运动行程，当一级伸缩臂404伸出或收缩一定行程，经二级伸缩臂406和三级伸缩臂407放大，前伸缩模块4输出3倍于一级伸缩臂404行程的运动距离，以较小的运动行程输入可实现较大的运动行程输出，对于紧凑机器人尺寸极具优势；包括第五传动丝401、伸缩臂外壳402、一级驱动齿轮403、一级伸缩臂404、二级级驱动齿轮405、二级伸缩臂406、三级伸缩臂407、第二传动丝导向轮408和第二固线块409；

伸缩臂外壳402固定于滑动部件主体504上；一级伸缩臂404嵌套于伸缩臂外壳402内，二级伸缩臂406嵌套于一级伸缩臂404内，三级伸缩臂407嵌套于二级伸缩臂406内；一级驱动齿轮403转动安装于一级伸缩臂404上，并与伸缩臂外壳402上的齿条和二级伸缩臂406上齿条同时啮合传动连接；二级级驱动齿轮405转动安装于二级伸缩臂406上，并与一级伸缩臂404上的齿条和三级伸缩臂407上的齿条同时啮合传动连接；第二传动丝导向轮408通过转轴转动安装于伸缩臂外壳402中；伸缩臂外壳402的一端开有传动丝入口和传动丝出口；第五传动丝401从传动丝入口穿进伸缩臂外壳402中，穿过一级伸缩臂404上的预留走线孔，再缠绕于第二传动丝导向轮408，最后从传动丝出口穿出伸缩臂外壳402；第五传动丝401带动第二传动丝导向轮408转动；第五传动丝401通过第二固线块409固定于一级伸缩臂404上；第五传动丝401的两端伸出伸缩臂外壳402，且均与一个外部电机的输出端固定连接，通过电机的正反转牵拉第五传动丝401，以控制前伸缩模块4的运动；前被动调整模块外圈801的转动轴通过轴承转动安装于前伸缩模块4的三级伸缩臂407中；

优选地，本实施例中，一级驱动齿轮403与伸缩臂外壳402和二级伸缩臂406上的齿条的减速比为1，二级驱动齿轮405与一级伸缩臂404和三级伸缩臂407上的齿条的减速比为1。减速比影响放大运动行程倍数，例如，两个减速比同为1时，前伸缩模块4实现3倍行程放大，两个减速比同为0.5时，前伸缩模块4实现6倍行程放大。

优选地，所述前被动调整模块8还包括第一防脱螺母804、防脱垫片805和第二防脱螺母806；前被动调整模块外圈801的转动轴通过第一防脱螺母804进行限位和固定；前被动调整模块内圈802两端的转动轴通过防脱垫片805和第二防脱螺母806进行限位和固定。

优选地，所述可替换执行器模块10包括手术器械导向筒1001和可替换手术器械1002；

所述手术器械导向筒1001固定安装于后被动调整模块9的内圈中，且滑动安装于前被动调整模块8的前被动调整模块内圈802中；可替换手术器械1002可拆卸式安装于手术器械导向筒1001中，手术器械导向筒1001为可替换手术器械1002提供导向作用。

优选地，可替换手术器械1002采用电钻、穿刺针或电极针等各式介入器械。

优选地，所有传动丝采用铜质丝绳或钛质丝绳。

并联运动框架3、前伸缩模块4、前槽内滑动部件5、后伸缩模块6、后槽内滑动部件7、前被动调整模块8和后被动调整模块9构成双远心不动点远心运动机构，其中，前被动调整模块8的内圈与外圈转动轴线交点为第一远心不动点，后被动调整模块9的内圈与外圈转动轴线交点为第二远心不动点；转动框架301轴线与转动关节202转动轴线交点为第三远心不动点。

本发明的工作原理和工作流程是：

(1)在功能性神经疾病外科介入手术中，将本机器人通过底座11固定于核磁仪床板之上，经一次核磁成像完成机器人-病灶-核磁仪坐标系之间注册标定，医生基于注册标定结果进行机器人运动规划。

(2)基于运动规划结果，控制外部电机驱动水平运动模块1、摆动模块2、并联运动框架3、前伸缩模块4、前槽内滑动部件5、后伸缩模块6、后槽内滑动部件7、前被动调整模块8、后被动调整模块9、可替换执行器模块10到达相应空间位置，以达到手术目的，具体是：

水平运动模块1的外部电机转动，由于第一传动丝101在底座11内长度固定，在第一固线块105和传动丝张紧轮106之间的长度不固定，带动第一传动丝101沿第一传动丝导向轮104和传动丝张紧轮106切线运动，直线滑块103使得摆动模块支臂204沿直线导轨102直线运动，运动方向为第一传动丝101在第一固线块105、传动丝张紧轮106之间长度变化方向，实现摆动模块2沿水平运动模块1前进或后退；

摆动模块2的外部电机转动，驱动安装在摆动模块2上的并联运动框架3进行顺时针或逆时针的摆动：第二传动丝201与第一传动丝101具有相同传动规律，外部电机在摆动模块支臂204外一端牵拉第二传动丝201，另一端释放第二传动丝201，转动关节202朝第二传动丝201牵拉方向转动，摇动臂206随转动关节202转动，与摇动臂206固定连接的摆动模块连接轴205在摆动模块支臂204的弧形通孔中滑动，转动框架301跟随摆动模块连接轴205在弧形通孔中滑动；

并联运动框架3的两个外部电机转动，驱动前槽内滑动部件5和后槽内滑动部件7在并联运动框架3上顺时针或逆时针的滑动：第三传动丝302、第四传动丝303与第一传动丝101具有相同传动规律，两个外部电机分别牵拉与释放第三传动丝302、第四传动丝303，前槽内滑动部件5沿前滑动槽304朝第三传动丝302收缩方向滑动，后槽内滑动部件7沿后滑动槽305朝第四传动丝303收缩方向滑动，前伸缩模块4随前槽内滑动部件5沿前滑动槽304滑动，后伸缩模块6随后槽内滑动部件7沿后滑动槽305滑动；

前伸缩模块4的外部电机转动，驱动安装在前伸缩模块4上的前被动调整模块8直线运动：第五传动丝401与第一传动丝101具有相同传动规律，外部电机在伸缩臂外壳402外牵拉与释放第五传动丝401，驱动一级伸缩臂404沿第五传动丝401牵拉方向直线运动，一级伸缩臂404运动时使一级驱动齿轮403发生转动，推动二级伸缩臂406跟随一级伸缩臂404伸出或者收缩运动，同理，二级伸缩臂406运动时二级级驱动齿轮405发生转动，推动三级伸缩臂407跟随二级伸缩臂406伸出或者收缩运动，被动调整模块8跟随三级伸缩臂407沿伸出或者收缩方向直线运动。

后伸缩模块6同前伸缩模块4，驱动安装在后伸缩模块6上的后被动调整模块9直线运动一定距离；

前被动调整模块8和后被动调整模块9被动调整自身构件角度，使可替换执行器模块10到达手术位置。前被动调整模块8与后被动调整模块9的内外圈可发生相对转动，使得前伸缩模块4与后伸缩模块6发生直线运动时可替换执行器模块10发生直线、俯仰、摆动结合的复合运动，前伸缩模块4或后伸缩模块6围绕前滑动槽304或后滑动槽305圆周运动时可替换执行器模块10亦可发生直线、俯仰、摆动结合的复合运动。

本发明未述及之处适用于现有技术。