一种具有多自由度的定位和引导装置的制作方法

1.本公开涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种具有多自由度的定位和引导装置。


背景技术：

2.医学影像，包括超声、x射线、计算机断层扫描(ct)、磁共振成像(mri)，是经皮穿刺手术(经皮消融、活检、电极植入、粒子植入等)的重要组成部分。
3.凭借实时显像和多切面显像的灵活特性，超声在引导介入治疗方面具有优势。但是相较于其他影像技术，超声存在分辨率不高、对比度低、图像不标准、需要严重依赖于医生的经验等缺点，目前在应用上误诊率和漏诊率偏高。ct和 mri空间分辨率高、图像清晰，更适合用于识别和定位病灶以及观察手术器械在体内的位置。
4.在进行医学影像引导的经皮穿刺手术时，有时需要借助导航设备将穿刺路径与病灶目标点和皮肤表面穿刺点的连线配准，以进行后续的手术操作。因此，需要一种能够方便、准确地调整穿刺针的位置和方向的定位和引导装置。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本公开实施例提供一种具有多自由度的定位和引导装置，至少部分解决现有技术中存在的问题。
6.本公开实施例提供了一种具有多自由度的定位和引导装置，包括线性运动驱动装置、第一旋转关节装置、第二旋转关节装置和第三旋转关节装置，
7.其中所述线性运动驱动装置线性驱动所述第一旋转关节装置，所述第一旋转关节装置旋转驱动所述第二旋转关节装置，所述第二旋转关节装置旋转驱动所述第三旋转关节装置，并且其中所述第一旋转关节装置、所述第二旋转关节装置和所述第三旋转关节装置旋转驱动的方向彼此相交。
8.根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述第一旋转关节装置、所述第二旋转关节装置和所述第三旋转关节装置旋转驱动的方向彼此垂直。
9.根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述线性运动驱动装置为丝杠机构，并且所述第一旋转关节装置、所述第二旋转关节装置和所述第三旋转关节装置为马达驱动的蜗轮蜗杆机构。
10.根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述线性运动驱动装置、所述第一旋转关节装置、所述第二旋转关节装置和所述第三旋转关节装置中的至少一个具有自锁功能。
11.根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述第二旋转关节装置包括u型支架，所述u型支架的底板与所述第一旋转关节装置旋转连接；
12.所述第三旋转关节装置包括底板以及底板上的第一旋转轴，所述第一旋转轴能够旋转地固定在所述u型支架内部，并且所述第二旋转关节装置旋转驱动所述第一旋转轴。
13.根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述u型支架的底板经由一对限位块与所述第一旋转关节装置旋转连接，其中一个所述限位块被设置于所述第一旋转关节装置，
并且另一个所述限位块被设置于所述u型支架的底板。
14.根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述一对限位块为圆弧状，并且旋转对称地设置。
15.根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述u型支架的底板上设置有一对限位块，所述一对限位块为圆弧状，所述圆弧状的限位块开口朝上。
16.根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述限位块为1/8圆弧、1/6圆弧或1/4圆弧。
17.根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述第三旋转关节装置还包括马达、第二旋转轴以及设置于所述第二旋转轴的支撑块，其中所述马达旋转驱动所述第二旋转轴，所述支撑块设置有安装孔。
18.本公开实施例中的具有多自由度的定位和引导装置，该装置包括线性运动驱动装置、第一旋转关节装置、第二旋转关节装置和第三旋转关节装置，其中所述线性运动驱动装置线性驱动所述第一旋转关节装置，所述第一旋转关节装置旋转驱动所述第二旋转关节装置，所述第二旋转关节装置旋转驱动所述第三旋转关节装置，并且其中所述第一旋转关节装置、所述第二旋转关节装置和所述第三旋转关节装置旋转驱动的方向彼此相交。本公开实施例的具有多自由度的定位和引导装置能够方便、准确地调整穿刺针的位置和方向，并且结构紧凑，适用于mri等对空间要求高的环境。
附图说明
19.为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
20.图1是针定位和引导模块的示意图；
21.图2是针定位和引导模块的示意图；
22.图3是x方向线性运动驱动装置的示意图；
23.图4是x方向线性运动驱动装置的示意图；
24.图5是y轴旋转关节装置的示意图；
25.图6是x轴旋转关节装置的示意图；
26.图7是x轴旋转关节装置的示意图；
27.图8是z轴旋转关节装置的示意图；并且
28.图9是z轴旋转关节装置的示意图。
29.在图中，1-定位和引导装置；2-x方向线性运动驱动装置；3-y轴旋转关节装置3；4-x轴旋转关节装置4；5-z轴旋转关节装置；6-丝杠螺母；7-丝杠螺杆；8-引导杆；9-马达；10-前框架；11-后框架；12-平板13-轴环；14-马达； 15-蜗轮蜗杆机构；16-1#限位块；17-蜗轮盖；18-u型支架；19-蜗轮蜗杆机构；20-马达；21-1#底板；22-前板；23-后板；24-轴承；25-2#限位块；27-蜗轮蜗杆机构；28，29-x轴旋转关节旋转轴；30-树脂垫圈；31-2#底板；32-轴承座32、33-轴承；34-轴环；35-顶部支撑块；36底部支撑块；37-轴；38-蜗轮蜗杆轴；39-马达；40-固定板。
具体实施方式
30.下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
31.以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
32.需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
33.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
34.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
35.本公开实施例提供一种具有多自由度的定位和引导装置。本实施例提供的具有多自由度的定位和引导装置能够实现穿刺针的精确定位，便于mri引导下的穿刺手术。
36.接下来，参考附图，具体描述本公开实施例的具有多自由度的定位和引导装置，需要说明的是，在以下的说明中，x轴、y轴和z轴的方向如图1所示。
37.本公开实施例的定位和引导装置1用于支撑诸如消融针之类的具有穿刺功能的穿刺针，并且引导和定位该穿刺针。具体地，定位和引导装置1用于将穿刺针的位置和方向与目标位置和进入位置的连线配准，并使穿刺针的尖端沿着连线向进入位置方向移动，并在靠近目标位置时(距离2至5毫米时)停止。
38.本公开实施例的定位和引导装置1能够实现四个自由度，包括：1)x方向上的线性运动；2)三个旋转运动，即x轴旋转，y轴旋转和z轴旋转。
39.在四个自由度中，线性运动驱动装置2能够实现其中一个自由度，即沿x 轴方向的线性运动，从而使穿刺针可以沿x轴方向移动，如此将穿刺针移动到目标位置附近；y轴旋转关节装置3、x轴旋转关节装置4和z轴旋转关节装置 5分别能够实现y轴旋转运动、x轴旋转运动和z轴旋转运动，如此结合x轴方向的线性运动可以使穿刺针能够移动到患者病灶区域附近选定的经皮穿刺点，以利用穿刺针达到相应的手术治疗、取样等目的。
40.接下来，详细描述定位和引导装置1的结构。
41.参考图1和图2，本公开实施例的定位和引导装置1由四个关节装置组成，包括一个
作为线性运动驱动装置的示例的x方向线性运动驱动装置2，三个旋转关节装置，即作为第一旋转关节装置的示例的y轴旋转关节装置3，作为第二旋转关节装置的示例的x轴旋转关节装置4和作为第三旋转关节装置的示例的z 轴旋转关节装置5。
42.y轴旋转关节装置3被固定安装于x方向线性运动驱动装置2；x轴旋转关节装置4与z轴旋转关节装置5可旋转地连接，x轴旋转关节装置4也与y轴旋转关节装置3可旋转地连接。换句话说，在本公开中，x方向线性运动驱动装置 2线性驱动y轴旋转关节装置3，y轴旋转关节装置3旋转驱动x轴旋转关节装置4，x轴旋转关节装置4旋转驱动z轴旋转关节装置5，并且z轴旋转关节装置5旋转驱动未示出的穿刺针。
43.在本公开实施例中，y轴旋转关节装置3、x轴旋转关节装置4和z轴旋转关节装置5的驱动方向可以互相垂直，但是这三个关节装置的驱动方向也可以互相不垂直，而是呈一定的角度，例如这三个关节装置的驱动方向可以呈60
°
、 120
°
等角度，即这三个关节装置的驱动方向相交。
44.图3示出了x方向线性运动驱动装置2的整体结构，并且图4示出了x方向线性运动驱动装置2的结构示意图。
45.如图4所示，x方向线性运动驱动装置2包括丝杠机构、两个引导杆8、马达9、前框架10、后框架11、平板12和轴环13。
46.丝杠机构是运动转换装置的示例，其能够使回转运动与直线运动彼此转换，并且包括相互配合的回转运动部分和直线运动部分。具体地，本公开实施例中的丝杠机构包括作为回转运动部分的示例的丝杠螺杆7和作为直线运动部分的示例的两个丝杠螺母6。两个引导杆8用于引导丝杠螺母6，并且与丝杠螺杆7 平行设置，两个丝杠螺母6上设置有通孔，两个引导杆8和丝杠螺杆7穿过丝杠螺母6上设置的通孔。此外，前框架10和后框架11平行设置，并且设置有用于承载引导杆8与丝杠螺杆7的孔。
47.马达9用于驱动丝杠机构，平板12与前框架10和马达9固定连接，以将马达9固定到前框架10。此外，马达9经由轴环13与丝杠螺杆7连接，以旋转驱动丝杠螺杆7。
48.在本公开实施例中，丝杠机构的丝杠螺母6被设置为2个，目的是为了消隙，即消除螺母与螺杆之间的间隙，不仅能够使得整体结构稳定而且能够避免由于丝杠螺杆7加工精度问题导致的驱动困难。
49.优选的，在本公开实施例中，丝杠机构具有自锁功能，从而使得整个机构更加稳定，并且防止移动超过行程而与其他机构发生碰撞。
50.接下来，参考图5，描述y轴旋转关节装置3。y轴旋转关节装置3经由丝杠螺母6通过螺钉等方式与x方向线性运动驱动装置2固定连接。y轴旋转关节装置3包括马达14和蜗轮蜗杆机构15，马达14用于驱动蜗轮蜗杆机构15。
51.此外，本公开实施例的y轴旋转关节装置3还包括一对1#限位块16，其中一个1#限位块16安装在蜗轮盖17上，另一个1#限位块16安装在稍后描述的x 轴旋转关节装置4的u型支架18上。y轴旋转关节装置3的工作空间由1#限位块16的安装位置和大小决定。
52.在本公开实施例中，1#限位块16被设置为弧形，并且旋转对称地设置。也就是说，两个1#限位块16被同心、对称设置，如此便于y轴旋转关节装置3和 u型支架18的安装以及安装后的稳定性。应当注意，在设置1#限位块16时， 1#限位块16距离中心的距离可以大于或者小于弧形所对应的半径。
53.此外，圆弧形的1#限位块16可以是1/8圆弧、1/6圆弧或1/4圆弧。
54.此外，y轴旋转关节装置3的蜗轮蜗杆机构15还可以具有自锁功能，自锁功能的好处是可以控制蜗轮蜗杆机构的旋转范围，使得穿刺针的操作更为稳定和安全。
55.参考图6和图7，描述x轴旋转关节装置4。x轴旋转关节装置4包括u型支架18、蜗轮蜗杆机构19以及用于驱动蜗轮蜗杆机构19的马达20。u型支架 18由1#底板21、前板22、后板23、一对轴承24、一对2#限位块25组成。
56.在本公开实施例中，u型支架18的前板22和后板23固定于1#底板21的两端，以形成u形结构，并且在前板22和后板23上有放置轴承24的孔，以便于放置稍后描述的x轴旋转关节旋转轴28和29。此外，还分别在前板22和后板23的u形结构内侧设置2#限位块25，以限制x轴方向上的旋转范围。
57.在本公开实施例中，一对2#限位块25为圆弧状，并且圆弧状的2#限位块 25开口朝上，如此一方面方便2#限位块25自身的安装，并且也方便x轴旋转关节旋转轴28和29的设置。
58.在本公开实施例中，前板22与蜗轮蜗杆机构19通过螺钉等固定连接，并且1#底板21与y轴旋转关节装置3的蜗轮蜗杆机构15可旋转的连接。如此，x 方向线性运动驱动装置2能够带动y轴旋转关节装置3和x轴旋转关节装置4 在x方向上运动，并且y轴旋转关节装置3能够带动x轴旋转关节装置4在y 轴方向上旋转。
59.参见图8和图9，z轴旋转关节装置5包括蜗轮蜗杆机构27、马达39、x轴旋转关节旋转轴28和29、一对树脂垫圈30、一对安装在2#底板31上的轴承座 32、一对轴承33、轴环34、一对顶部支撑块35和一对底部支撑块36。
60.x轴旋转关节旋转轴28和29分别安装在2#底板31的侧面。2#底板31用于固定和支撑轴37，具体地，通过固定在2#底板31上的轴承座32、一对轴承 33来支撑轴37。蜗轮蜗杆机构27通过固定板40固定在2#底板31上，轴环34 用于连接轴37和蜗轮蜗杆轴38。顶部支撑块35用于固定和支撑针穿刺模块，并且通过一对顶部支撑块35和一对底部支撑块36固定于轴37，底部支撑块 36与顶部支撑块35可以用螺丝连接。
61.也就是说，在本公开实施例中，y轴旋转关节装置3、x轴旋转关节装置4 和z轴旋转关节装置5均为马达驱动的蜗轮蜗杆机构，并且这些蜗轮蜗杆机构中的至少一个可以具有自锁功能。换句话说，不需要所有的蜗轮蜗杆机构具有自锁功能，因此本公开实施例中还可以通过限位块来实现限位功能。
62.在安装的状态下，z轴旋转关节装置5通过x轴旋转关节旋转轴28和29可旋转地固定在u型支架18内部，从而通过u型支架18实现对z轴旋转关节装置5的整体平稳支撑。2#底板31与x轴旋转关节旋转轴28和29固定连接，以用于固定和支撑x轴旋转关节旋转轴28和29。
63.z轴旋转关节装置5通过x轴旋转关节旋转轴28和29可旋转地固定在u型支架18内部，从而实现了z轴旋转关节装置5在x轴方向上的转动，并且穿刺针可以被固定于支撑块35，而支撑块35被设置于轴37，进而实现了穿刺针在z 轴方向上的转动。
64.在工作时，在马达14的驱动下，蜗轮蜗杆机构15可以带动x轴旋转关节装置4绕y轴进行旋转运动，从而实现穿刺针绕y轴来回摆动，以调节穿刺针的进针位置和角度。在马达20的驱动下，蜗轮蜗杆机构19可以带动x轴旋转关节旋转轴28和29旋转，从而带动z轴旋转
关节装置5绕x轴进行旋转运动，从而实现穿刺针绕x轴来回摆动，以调节穿刺针的进针位置和角度。在马达39 的驱动下，蜗轮蜗杆机构27可以带动轴37旋转，从而带动固定在支撑块35上的针穿刺绕z轴进行旋转运动，从而实现穿刺针绕z轴来回摆动，以调节穿刺针2的进针位置和角度。
65.在本公开中，通过三个互相连接的旋转关节装置，实现了穿刺针在x轴方向、y轴方向以及z轴方向的旋转运动，从而能够准确地调整穿刺针的进针位置和角度。
66.此外，在本公开中，采用蜗轮蜗杆机构来传递两交错轴之间的运动和动力，与丝杠结构相比，其所占据的空间小，便于小型化，能够实现在诸如ct、mri 的扫描孔的狭小空间内进行手术操作。
67.另外，x方向线性运动驱动装置2、y轴旋转关节装置3、x轴旋转关节装置 14和z轴旋转关节装置5均设计为模块化的机械结构，方便安装及维护。
68.本公开实施例的具有多自由度的定位和引导装置能够方便、准确地调整穿刺针的位置和方向，并且结构紧凑，适用于mr i设备等对空间要求高的环境
69.以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。