一种十字交叉板螺杆式压电驱动穿刺器及其工作方法

本发明涉及一种高端医疗器械、微创操作技术、机器人及精密驱动，具体涉及一种十字交叉板螺杆式压电驱动穿刺器及其工作方法。

背景技术：

1、核磁共振（mri）引导下的穿刺器是实现精准介入诊疗的核心执行器件，广泛应用于穿刺活检、深部脑刺激（dbs）、肿瘤消融、靶向给药及神经阻滞等微创手术中。借助mri优异的软组织分辨能力与实时成像优势，穿刺器能够将穿刺针精确导航至病灶靶点，其性能直接决定了穿刺的精准度、手术效率及患者术后恢复质量。在mri环境下，穿刺器需满足严苛的特殊要求：首先必须具备优异的mri兼容性，其材料与结构不应在强磁场下产生图像伪影，内部运动部件更不能因电磁感应产生失控或干扰；其次需实现精准的进针控制，以减小穿刺阻力、降低组织损伤；此外还需具备高精度、快响应与高稳定性。

2、目前的mri兼容穿刺器主要采用电磁、液压、气动或压电驱动技术，但存在明显不足：

3、1.电磁驱动受磁场干扰：传统电磁驱动内部线圈或永磁体易在mri强磁场下失控或发热，同时产生图像伪影，难以保证穿刺精度和操作安全。远程液压或气动传动虽能规避磁干扰，但长管路带来响应迟滞、精度降低和故障风险。

4、2.压电驱动拼装化严重：现有压电驱动多依赖商用压电电机或超声电机直接拼装，驱动机构与传动及末端穿刺针分离，体积大、刚性差，能量传递效率低，难以保证动作的稳定性、重复定位精度。

5、3.结构集成度低：驱动、传动及穿刺针模块分立设计，机械间隙和迟滞显著，限制微创操作的精度、稳定性和长期可靠性。

6、4.复合运动能力不足：传统穿刺器多为单轴进针或简单旋转运动，无法实现旋转-直线复合进针运动，宏观误差易传递至靶点，难以兼顾精度与低组织损伤。

7、5.动态响应和稳定性不足：现有机械或气液驱动穿刺器在微量操作中存在响应慢、输出不均匀的问题，难以满足实时动态控制及高精度微创操作要求。

8、针对上述技术瓶颈，本发明提出了一种mri兼容十字交叉板螺杆式压电驱动穿刺器，通过压电驱动集成化设计实现结构功能一体化，可产生捻转-提插复合进针运动，同时具备mri兼容、高精度、快速响应、低组织损伤及高稳定性，可广泛应用于脑神经介入、深部脑电极植入、肿瘤靶向注射、活检、药物递送以及科研实验等微创穿刺操作场景。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种十字交叉板螺杆式压电驱动穿刺器及其工作方法。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、一种mri兼容十字交叉板螺杆式压电驱动穿刺器，包括底座、夹持板、十字形板式螺纹定子、双转子、鲁尔接头和医用穿刺针；

4、所述十字形板式螺纹定子包括金属基体、空心螺杆、第一至第四耳片、以及第一至第八压电陶瓷片；

5、所述金属基体为十字形金属板、呈中心对称，包含中心板、以及第一至第四侧板，其中，中心板呈正方形，第一至第四侧板为形状相同的矩形，且第一至第四侧板的短边边长等于中心板的边长，第一至第四侧板的短边分别和中心板的四边对应固连；

6、所述第一至第四耳片分别和第一至第四侧板远离中心板的一端固连，均和金属基体共面；

7、所述空心螺杆的一端和中心板的一个端面的中心垂直固连，中心板沿其轴线设有直径和空心螺杆的内径相同的通孔；

8、所述第一至第八压电陶瓷片均采用长方形压电陶瓷片，结构相同，沿厚度方向极化，其中，第一至第四压电陶瓷片按顺时针方向依次贴在第一至第四侧板和空心螺杆位于同一侧的端面中心，第五至第八压电陶瓷片分别贴在第一至第四侧板的另一侧端面中心，且第一至第四压电陶瓷片和第五至第八压电陶瓷片一一对应对称，第一至第八压电陶瓷片的长边均平行于其所在侧板的长边；第一、第四、第五、第八压电陶瓷片的极化方向相同，第二、第三、第六、第七压电陶瓷片的极化方向相同，第一、第二压电陶瓷片的极化方向相反；

9、所述夹持板下端和所述底座固连，中心设有用于和金属基体相配合的十字形通孔；

10、所述第一至第四耳片均和所述夹持板固连，使得金属基体位于夹持板的十字形通孔中，空心螺杆和中心板同轴；

11、所述双转子包括前转子、后转子、螺纹筒、第一至第二预压螺栓、第一至第二预压弹簧、第一至第二预压螺母；

12、所述前转子、后转子均呈圆环状，内壁均设有用于和所述空心螺杆相配合的内螺纹，后转子上对称设有2个分别和第一预压螺栓、第二预压螺栓对应配合的沉头通孔；前转子上对称设有2个分别和所述第一预压螺栓、第二预压螺栓对应配合的通孔；

13、所述前转子、后转子均和所述空心螺杆螺纹相连，且前转子、后转子之间留有空隙，后转子位于前转子和夹持板之间；第一预压螺栓、第二预压螺栓依次穿过后转子上对应的沉头通孔、前转子上对应的通孔后分别和第一预压螺母、第二预压螺母对应螺纹相连；第一预压弹簧、第二预压弹簧分别套在第一预压螺栓、第二预压螺栓的螺柱上，一端分别和第一预压螺母、第二预压螺母相抵，另一端均和前转子相抵；所述第一至第二预压螺栓、第一至第二预压弹簧、以及第一至第二预压螺母用于提供预压力；

14、所述螺纹筒为两端开口的空心圆柱体，其内壁设有用于和所述空心螺杆相配合的内螺纹，长度大于空心螺杆的长度；所述螺纹筒的一端和所述前转子远离后转子的一端同轴固连，且螺纹筒和空心螺纹螺纹相连；

15、所述鲁尔接头的螺纹端和螺纹筒远离前转子的一端螺纹相连，锥口端和医用穿刺针的公鲁尔锥面插拔配合。

16、作为本发明一种mri兼容十字交叉板螺杆式压电驱动穿刺器进一步的优化方案，所述夹持板的一个端面上分别设有用于和第一至第四耳片相配合的第一至第四凹槽，且第一至第四凹槽中均设有用于和螺栓相配合的通孔，夹持板的另一个端面上则设有和所述第一至第四凹槽一一对应的第五至第八凹槽，所述第一至第四耳片通过四个螺栓、四个螺母和夹持板固连，四个螺栓位于第一至第四凹槽中，四个螺母位于第五至第八凹槽中。

17、本发明还公开了一种该mri兼容十字交叉板螺杆式压电驱动穿刺器的工作方法，包含以下步骤：

18、如果需要穿刺针完成切向旋转与直线进给，对第一、三、五、七压电陶瓷片施加预设的a相简谐电压信号，对第二、四、六、八压电陶瓷片施加预设的b相简谐电压信号，所述b相简谐电压信号和a相简谐电压信号存在90°相位差，此时，金属基体产生两个正交的二阶弯振变形，进而诱发出空心螺杆上两个正交的弯振，空心螺杆上耦合成一个正方向旋转的“摇头”运动，螺杆上外螺纹摩擦驱动双转子运动，即实现穿刺针的“捻转-插”的运动；

19、如果需要穿刺针完成反向旋转与直线回退，即实现穿刺针“捻转-提”的运动，调整b相简谐电压信号和a相简谐电压信号为-90°相位差即可。

20、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

21、（1）本发明电磁兼容性好，不仅不受电磁的干扰，而且不产生磁场，可以不受mri环境的影响，同时不会对mri成像质量产生影响；

22、（2）本发明结构高度集成，驱动与传动一体化，不仅结构紧凑，而且稳定性高、穿刺精度高、响应快；

23、（3）本发明采用双转子结构，既可增大螺旋副接触面积、提升驱动力与运行平稳性，又可利用双转子与螺杆的协同配合，构成一体化的预压力调节机构。该机构无需外设辅助，即可实现预压力的可调与稳定保持，且整体结构紧凑，尤其适于空间受限环境；

24、（4）本发明中，压电驱动穿刺器的定子与双转子均设有同轴通孔，形成中空贯穿通道。该结构一方面减轻了运动部件质量、降低转动惯量，有利于提高定子振幅及高频驱动响应性能；另一方面，该通道可在穿刺过程中兼容药液推注、组织抽吸或导丝通过等操作，从而拓展了器械的临床适用范围；

25、（5）本发明可实现“捻转-提插”复合运动进针，能够有效减小组织推挤效应，降低应力集中及力突变，提高穿刺过程的精度、稳定性与可控性，同时可以实现低组织损伤穿刺。